2019 Fiscal Year Research-status Report
| Project/Area Number |
19K04412
|
|---|
| Research Institution | Tokai University |
|---|
Principal Investigator |
栗田 太作 東海大学, 情報教育センター, 准教授 (10547970)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | NIRS / 修正ビア・ランバート則 / 拍動成分 / 血圧波形 / トリガー / NIRS信号の積算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
我々は、近赤外分光法(NIRS)において、定性的ヘモグロビン(Hb)濃度変化を測定する修正ビア・ランバート則(MBL)により得られる、脳の酸素化および脱酸素化Hb濃度長変化(⊿HbO、⊿HbR)の経時変化であるNIRS信号の脈派(拍動成分)に着目している。酸素代謝の観点から⊿HbRの拍動成分は、⊿HbOと比べ検出感度や信号対雑音(SN)比が低いため、観測することが困難であった。該当年度の研究実施計画では、脳のNIRS信号のSN比が向上するNIRSデータの積算方法や積算時間を検討した。
実施内容として、ラット脳の直接的なNIRS信号を得るため、頭皮を除去し大脳周縁上の頭頂骨を薄く削った頭蓋半透明モデルを作製した。オプトード(光照射部と光検出部の対)は、外径2.5 mmφの光ファイバーケーブルを用い、分離距離(SD)が2.5、5.0、7.5、10.0 mmの4チャンネルで、作製したモデルの大脳周縁上に設置した。NIRS測定は、サンプリング時間を5.12×10-3 sec、測定時間を1-4 minとした。また、血圧データを同時に取得した。そこで、血圧データを利用し、血圧波形毎にNIRS信号を積算する方法を考案した。この方法は、血圧波形の拡張期から収縮期の平均値がゼロとなるゼロクロス位置に対し、正側のサンプル位置を開始点(トリガー)としてNIRSデータを積算する。1分間積算するとSN比は計算上19倍向上する。
研究の成果として、脳のNIRS信号を1分間積算するとSD 5.0-10.0 mmで⊿HbOの拍動成分が認められた。更に、4分間積算するとSD距離7.5 mmで⊿HbRの拍動成分が認められ、⊿HbOとは逆位相であった。従って、⊿HbOと⊿HbRの拍動成分は、血圧波形をトリガーとし積算する方法により、積算時間を長く取ることでSN比が向上し、検出が可能であると考えられた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
MBLによるNIRS信号の変化は、オプトードのSD、すなわち脳内光路長に依存するため、⊿HbOと⊿HbRの拍動成分も同様と考えられた。該当年度の当初は、ラット脳のNIRS信号のSN比がより向上する最適となる光ファイバー径、オプトードのSDや設置場所を検討した。ラット脳定位座標アトラス（The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates (7TH), George Paxinos & Charles Watson, 2013）に基づき、光ファイバー径は、外径2.5 mmφ(実質ファイバー径 2.0 mmφ)で、オプトードの最大SDは、10 mm以下が妥当であると考えられた。そのため、オプトードは光照射部に光ファイバーを1本、光検出部に4本とし、5本のケーブルを互いに接触させ並べた場合、SDが 2.5、5.0、7.5、10.0 mmになる4チャンネルとした。また、オプトードの設置場所は、ブレグマ(脳定位座標の基準点)の位置座標(吻側, 右外側) mmを(0, 0)とした場合、オプトード光照射部を吻側とし、(5, 3)、(0, 6)、(-8, 6)を通る脳周縁の緩やかなL字型線上が最適であることを見出した。
その結果、ラット頭蓋半透明モデルにおいて、SD 7.5と10.0 mmからの⊿HbOの拍動成分は、微弱ではあるがリアルタイムで認められた。しかし、⊿HbRの拍動成分は、認められず、リアルタイムでの観測は困難と判断した。そこで、拍動成分は血圧と関係することが知られているため、血圧波形毎にNIRS信号を積算する方法を考案した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策として、研究計画調書に従って行う。定量的指標として、⊿HbOと⊿HbRの拍動成分の振幅強度から脳内の見かけの動脈血酸素飽和度(Apparent SpO2)を導出し、酸素状態との関係を調査する。ラット頭蓋半透明モデルにおいて、酸素状態は、ラット人工呼吸器を用い、吸入酸素濃度を段階的に30から12 vol% O2(酸素体積濃度)と変化させ、1回換気量を8-10 ml/kg、呼吸数(RR)を60-90 回/分で呼吸管理して調整する。酸素状態の指標は、血液ガス分析装置を使用し、測定されたPO2（動脈血酸素分圧）とPCO2（動脈血二酸化炭素分圧）とする。NIRS測定は、CO2分圧が生理条件下である約40 mmHgとし、O2分圧が150 mmHgから軽度低酸素状態の60 mmHgの範囲で調整された酸素状態で行う。
研究の課題は、NIRS測定までの前処置にかかる時間である。導入麻酔から始めのNIRS測定まで約6時間経過する。外科的前処置では、吸入麻酔下で、血圧モニターや採血、静脈内麻酔投与のために大腿動静脈にカニュレーション法を行い、呼吸管理のために気管切開し気管カニューレを挿入してラット人工呼吸器を装着する(約2時間)。ラット頭蓋半透明モデルを作製するため、頭部を定位固定フレームに設置し、頭頂骨上の頭皮を除去して、大脳周縁上を幅約3 mmで頭頂骨を薄く削る(約1時間)。オプトードは、大脳周縁上に設置し、NIRS信号のキャリブレーションを行う(約1時間)。脳循環代謝測定用の静脈内麻酔に切り替える(約0.5時間)。目的とする酸素状態であるか、採血して血液ガス分析装置測定で判断し、適宜、吸入酸素濃度やRRを調整する(約1.5時間)。その後NIRS測定に移行する。全身管理の観点から、この間の麻酔の暴露時間を考慮すると、前処置にかかる時間を短くする手順や工夫が必要である。
|
| Causes of Carryover |
（理由）
今年度の動物実験に関わる費用として支出するため。
（使用計画）
動物実験に関わる費用として使用する。
|
| Remarks |
東海大学では、総合大学のスケールメリットを活かして、本学研究者の幅広い分野での先進的な研究内容の紹介やメディア対応キーワード並びに研究に関連する「持続可能な開発目標」なども掲載された冊子をWeb化した。
|
