2019 Fiscal Year Annual Research Report
A non-invasive estimation method of human peripheral sympathetic nerve activity and challenge to measure pain perception
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19H04442
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
辻 敏夫 広島大学, 工学研究科, 教授 (90179995)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉野 敦雄 広島大学, 医系科学研究科(医), 特任講師 (90633727) [Withdrawn]
曽 智 広島大学, 工学研究科, 助教 (80724351)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 客観的疼痛評価 / fMRI / 末梢交感神経電気活動 / 血管粘弾性 / 確率モデル / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では末梢交感神経電気活動の非侵襲推定問題に挑戦し，疼痛を客観的に定量評価する新技術の確立を目指す．そのため，研究代表者が独自に開発した末梢血管剛性計測法(Scientific Reports, 2018)と生体電気信号の分散分布確率モデル(IEEE TBME, 2017)に基づく新たな数理モデルを構築し，非侵襲的に計測可能な血管剛性から交感神経電気活動(MSNA)を復元する理論を確立する．そして，fMRIによる脳活動計測法と提案法を融合し，主観疼痛－脳活動―末梢交感神経活動の関係性を実験的に解明し，その関係をモデル化する．さらに，計測が容易な末梢交感神経電気活動のみから疼痛に関連する脳活動と人間の主観を機械学習的に推定し，疼痛の強度と質を可視化する新技術の開発を目指す．
令和元年度（平成31年度）は，当初の予定通り(1)fMRI Compatibleな疼痛評価実験システムの開発と(2)血管剛性に基づく末梢交感神経電気活動推定モデルの構築に取り組んだ．以下，各項の研究成果について述べる．
(1) 多チャンネル生体信号計測システムBiopac (Biopac systems Inc.）を用い，fMRI装置（MAGNETOM Verio 3T MRI, SIEMENS）で使用可能な表面皮膚電気刺激装置，指尖容積脈波計，心拍1拍ごとの収縮期／拡張期血圧計，および，心電計を統合し，疼痛刺激信号と各種生体信号が同期計測可能な疼痛評価実験システムを構築した．そして，本システムを用いた予備実験を行い，計測した生体信号から末梢血管粘弾性が推定できることを確認した．
(2) 血管剛性から末梢自律神経電気活動（MSNA）の振幅と周波数情報を与える確率モデルを構築した．従来，MSNAを計測するためには無麻酔で針電極を皮膚深部に刺入する必要があったが，提案モデルはMSNAの非侵襲計測を可能にする全く新しい技術である．
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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
令和元年度（平成31年度）は，基礎技術と基礎理論の構築を目指していた．予定通り下記に示す２項目の課題に対して十分な成果が得られたため．
(1) fMRI Compatibleな疼痛評価実験システムの開発:疼痛刺激と生体信号，脳活動を同時計測可能な実験系を構築する．fMRI装置（MAGNETOM Verio 3T MRI, SIEMENS）で使用可能な表面皮膚電気刺激装置を用いて皮膚に再現性が高い質の異なる疼痛刺激を与える．Aδ神経線維を主に刺激する高周波（250Hz）の正弦波電流を前腕部に印加して鋭い疼痛を誘起する．同様にC神経線維を主に刺激する低周波（5Hz）の電流を用いて鈍痛を誘起する．刺激の強度は電流振幅によって調整する．指尖容積脈波と心拍1拍ごとの収縮期／拡張期血圧，呼吸波，および心電図が同時計測可能な多チャンネル生体信号計測システムBiopac (Biopac systems Inc.）を用いて，末梢血管粘弾性推定に必要な生体信号を計測する．さらに，光学式のダイヤル入力装置を用いて，被験者の疼痛刺激に対する主観評価値（VASとNRS）を取得する．
(2) 血管剛性に基づく末梢交感神経電気活動推定モデルの構築: 末梢交感神経は疼痛刺激に応答して血管平滑筋に収縮指令与え，血管剛性が上昇する．従来，筋交感神経活動(MSNA)を計測することにより末梢の交感神経活動を評価するという方法が存在する[Mano, 1996]が，MSNAを計測するためには無麻酔で針電極を皮膚深部に刺入する必要があるため，患者に多大な負担を強いるだけでなく計測に伴って発生してしまう疼痛のため他の疼痛刺激の評価には適用できないという原理的な制約がある．本研究では研究代表者が独自に開発した末梢血管剛性計測法(Scientific Reports, 2018)を用いて非侵襲的に自律神経活動を推定する．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り，令和２年度は下記の２項目の課題に取り組む
(1) 脳活動と末梢交感神経活動から疼痛刺激応答のみを分離するための実験条件の探索:脳活動や交感神経は疼痛だけでなくさまざまな外部刺激や内部状態に対して応答するため，脳活動と末梢交感神経活動から疼痛刺激応答のみを分離する必要がある．具体的には，視覚，聴覚，体性感覚を統制した条件下でfMRIによる脳活動と血圧，指尖容積脈波，心電図の状態をリアルタイムモニタリングし，脳活動と交感神経活動が定常状態となったときに疼痛刺激を行うという実験プロトコルを確立する．
(2) 疼痛刺激に対する脳活動と末梢交感神経活動の同時計測とデータベース構築: 前項で明らかにした実験条件に基づき，電気刺激の電圧強度と周波数をさまざま調整して，脳活動と各種生体信号を同期して計測するとともに，被験者の主観をアンケート形式で調査し，計測結果をデータベース化する．アンケート項目には，疼痛の強度や質（鋭さや鈍さ）だけでなくラッセル円環モデルに基づく項目を含める．そして，疼痛刺激に対する脳活動と末梢交感神経活動，主観評価結果のデータベースを構築する．
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