2020 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 | 放射線治療 / 肺がん / 呼吸性移動 / 呼吸誘導 / 視聴覚フィードバック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，肺がんなど呼吸性移動を伴う腫瘍へのより正確・精密な照射の実現のために，目標とする呼吸状態と，現在の呼吸状態を視聴覚的にフィードバックすることで，呼吸動態に生じる不確実性を低減する呼吸誘導システムの開発を目的としている．本研究では，個々人の呼吸動態の変化に適応して誘導の目標呼吸状態を生成・提示することで，被験者にとっても自然に，かつ安定的に目標状態へと呼吸誘導する手法について検討をすすめている．
本年度は，これまでに構築した自然呼吸の吸息・呼息の安定化に加えて，放射線治療の呼吸性移動対策において臨床でも広く用いられている息止めに対応するべく昨年度開発した呼吸誘導システムのプロトタイプの機能拡張を行った．現在の息止めの利用においては，しばしば息止めの目標状態，息止めの目標状態に至るまでの動態やそのタイミングが明確でないことから，息止めの目標状態への到達やその維持が困難な場合が生じる．そこで，息止め目標状態へのスムースな誘導の実現に昨年度実装した誘導システムの応用を検討した．実装済みの誘導方式では，目標呼吸状態と実際の呼吸状態との間のずれへの過剰な対処を抑制するため，ずれの許容程度を視覚的に提示する方式を導入しており，これにより不自然な小刻み・不規則の呼息・吸息の発出を低減し，より自然な呼息・吸息を安定的に繰り返す目標呼吸状態へ誘導可能である．このプロトタイプシステムを援用し，安定的かつなるべく自然に一定の息止め目標状態へと誘導するため，非誘導下の息止めでの呼吸動態変化の計測結果をもとに，息止めへと誘導する目標波形（呼吸の深さ・タイミング）を生成・提示する機能を新たに追加した．今回追加した息止め誘導機能と，従来から使われる目標息止め点のみを提示する方式の誘導とを比較実験より，息止め時の再現性の向上とゆらぎの小さな息止め時間の延長が行える可能性を示唆する結果が得られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
臨床でも多用される息止め照射に対応した新たな誘導機能を導入し，その有効性の基礎検証が行ったこともあり，臨床での実利用の可能性を高めるような新たな進展が見られたと考えられる．また，息止め時の再現性の適切な評価実施には，深度データのノイズ処理の高度化も必要な状況にあることが明らかとなるなど新たな課題の具体的特定も進んだ．一方，当初予定していた追尾照射の予測制御向けの誘導機能の性能評価につながる実験の実施件数は，昨年度の世間情勢一般の厳しさもあって，ほとんど伸ばすことができなかった．また，予定していた新たな深度センサ・高速フレームワークへの入れ替えも進みつつあるが完了していない．これらの点を鑑みると進捗は遅れている．他方，呼吸誘導システムにおけるマン・マシンシステムとしてのモデリングは，システムへの応用にまではたどり着いていないものの議論を深化させている．また，体内腫瘍位置に基づく呼吸誘導システムへの拡張に有効な，Ｘ線透視像から腫瘍位置を計測する画像処理アルゴリズムの性能向上も継続的に実施できていることから，システムを支える要素技術，または性能向上につながる知見の深化など周辺の研究には進みが見られた．以上を総合すると全体としてはやや遅れていると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究で機能強化された呼吸誘導システムの有効性を検証するため，コロナウイルスへの対策を万全にしたうえで，十分な数の被験者を確保しての実験実施へとつなげる．また，息止め誘導時のノイズ対策としてカルマンフィルタなどの状態空間フィルタや時空間的な多変量解析に基づく平滑化処理技術の導入を進め，計測系のノイズ由来の誘導効果の潜在的減少の抑制も図っていく．これら処理・機能の追加に伴うシステムの単位時間あたりの処理時間増加への対処として高速処理が可能なフレームワークへの入れ替え作業も継続して実施していく．
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