2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of a Personalized Bio-feedback System to Stabilize Respiration-induced Motion for Improving Predictive Beam Control of Tumor-following Radiation Therapy
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18K15619
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
市地 慶 (市地慶) 東北大学, 医学系研究科, 助教 (90743443)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 呼吸誘導 / バイオフィードバック / 動体追尾照射 / 呼吸動態予測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，肺がんをはじめとする体内臓器移動を伴う動体腫瘍に対する効果的な放射線照射方式である動体追尾照射の予測制御の正確性向上のため，視聴覚的なバイオフィードバックを活用し，個別化された新しい呼吸誘導システムの開発を目的としている．
本年度は，体表面より呼吸動態のリアルタイムな計測を行うサブシステム，被験者個人の呼吸動態に基づく誘導波形（目標呼吸状態）の生成，ならびに生成した誘導波形の視覚的フィードバックによる提示サブシステムの構築をそれぞれ行い，さらにこれらを組み合わせた誘導システムのプロトタイプを開発した．
呼吸誘導は，被験者が随意制御によって自らの呼吸を，ある目標状態（すなわち誘導波形）へと連続的に追従することで実現される．たとえば，従来の呼吸誘導システムでは，被験者は誘導波形である目標値へ自らの呼吸動態を一致させることがタスクとして求められる．このとき，誘導波形からのずれにセンシティブな追従傾向をもつ被験者では，目標値からの過剰なオーバーシュート（行き過ぎ量）が頻発し，結果として高周波状の変動を含む不安定な呼吸動態が生じる場合があった．これを抑制する目的で，本プロトタイプシステムの情報提示においては，誘導波形の上下にマージンを加えることで，目標値に代えて目標範囲を提示する方式を導入した．本プロトタイプシステムを用いた予備実験の結果からは，視覚提示される追従目標の範囲化によって，行き過ぎ量が抑制され，呼吸動態に含まれる不自然な高周波状変動を低減可能なことが示唆された．
このほか，線形状態空間モデルを用いた呼吸ダイナミクスの予測法の実装・性能検証を通じて，システム制御工学の観点から呼吸動態の解析を進めた．また，呼吸誘導下の体内腫瘍の動態計測に利用可能なX線透視を用いたマーカレス腫瘍追跡のための画像処理手法の開発にも進展が見られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
プロトタイプとなる呼吸誘導システムの構築が済むなど，システム開発の面からは，おおむね当初計画の通りの進捗が得られている．また，新たに導入した目標範囲型の情報提示方式には，不規則性の高い高周波状変動の抑制に効果があるとの予備的な結果が得られた．これは，提示情報の工夫によって高周波状の不規則成分に起因する予測誤差を低減可能なことを示唆する結果である．また，フィードバック系のオーバーシュートの抑制という観点からは，提示情報を通じてフィードバックゲインを調節することで安定化を図る方策の有効性も示唆される．一方，現在のプロトタイプシステムでは，体表面全面の変動を呼吸動態として計測しており，呼吸の随意制御が反映されやすい，あるいは逆に随意制御が反映されにくい点や部位の特定に至っていない状況である．これについては，取得済みの呼吸誘導下における体表面変動データの再解析等を通じた更なる進展が求められる．また，現時点では被験者が少なく，情報提示方式を含め，導入した機能の有効性の検証に十分な体制が整っているとはいいがたい．今後，システム開発の促進にあたっては，被験者数を増加しての検証が課題である．他方，病院施設との共同研究について体制構築が進みつつあり，今後，臨床に近い環境でのデータ取得可能性が期待される．このほか，線形状態空間モデルを用いた予測法の進展は，呼吸誘導システムの提示情報に用いることができるだけでなく，被験者と呼吸誘導システムを人間-機械間のフィードバック系として解析する際に応用可能なことが期待される．以上を総合すると，現在までの達成度はおおむね順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度開発したプロトタイプシステムの目標範囲提示型視覚フィードバックによりどの程度の予測誤差を削減可能であるのか，またマージンの大小による影響がどの程度あるのか予測性能評価を実施し，具体的な検証を進める．また，被験者・呼吸誘導システム全体を人間-機械系として解釈した場合のフィードバックゲイン調整による安定化については，呼吸動態の視覚提示上の変動量を調整する方式での実装をすすめ，その有効性を検討する．体表面変動のうち，呼吸誘導に有効な部位・点の探索については，体表面変動データを多変量時系列とみなし，次元縮約法の適用により主要な変動部位群を求める．ついで，それら主要な変動部位群の時空間的な関係を解析するとともに，各部位より求まった変動量時系列の予測実験を通じて，呼吸誘導による予測可能性向上の効果がみられる部位の特定を試みる．また，呼吸誘導の実験データ取得数増加に向けては，病院施設との共同研究体制を促進するとともに，現環境での実験設備の整備をすすめる．
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Research Products
(9 results)
