2020 Fiscal Year Annual Research Report

Development of intraoperative realtime diagnostic imaging technique for brain tissue viability by using RGB camera

Research Project

Project/Area Number	20H04513
Research Institution	Tokyo University of Agriculture and Technology
Principal Investigator	西舘泉東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70375319)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	小久保安昭山形大学, 大学院医学系研究科, 准教授 (40343074)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	RGBカメラ / 脳組織 / バイアビリティ / 組織酸素飽和度 / リアルタイムイメージング / 術中モニター
Outline of Annual Research Achievements	山形大学手術部が保有するLeica製手術用顕微鏡と農工大が保有するZeiss製手術用顕微鏡のそれぞれの顕微鏡ヘッドの拡張ポートにカラーカメラを接続し、術中イメージングシステムを構築した。それぞれの機関で画像取得装置を構築することで、システムの開発、実装、動物実験およびヒトに対する実証試験を効率的に進めることを可能とした。脳外科手術中で使用する条件（作動距離、拡大率、光量）の下で色標準カラーチャートと標準白色板を用いて撮像系のキャリブレーションを行った。先行研究で開発した手法を発展させることで、脳表のカラー画像から脳組織中の酸素化ヘモグロビン量、脱酸素化ヘモグロビン量、総ヘモグロビン量、組織酸素飽和度、光散乱特性をリアルタイムで画像化するシステムをMATLAB Simulinkをベースに開発した。さらに、臨床での使用時の操作性を考慮して、結果の表示画像内に任意の２つの関心領域（ROI）を設定し、術中モニタリング中にROIの位置とサイズを任意に変更できるグラフィックユーザーインターフェース（GUI）も付加し、所望のROIの時間変化も同時にモニタリングすることが可能なシステムとした。 In vitro（生体模擬ファントム）実験およびラットを用いた動物実験によりシステムの妥当性を評価した。また、３年目に行う予定の本格的な人を対象とした実証試験の予備試験として、山形大学医学部附属病院において研究分担者（臨床医）の小久保安昭准教授が執刀する手術中に、開発したシステムの設計検証試験を行った。比較対象としてレーザー光組織酸素モニターによる組織酸素飽和度の接触型ポイント計測を行い、開発した非接触イメージング方式で得られた結果と市販の接触型計測装置で得られた組織酸素飽和度の間の相関を確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の予定通り、撮像系の構築とリアルタイム画像表示システムの開発が完了している。また、２年目に行う予定の動物実験の予備実験として、ラットを対象とした実験を行い、血行動態変化の妥当性を確認できている、さらに、３年目に行う予定のヒトを対象とした実証試験の予備的検討として、脳外科手術中の組織酸素飽和度リアルタイムイメージングを実施し、処置前後の変化から、一定の条件下での妥当性が確認できている。
Strategy for Future Research Activity	1年目で得られた予備的な動物実験とヒトを対象とした設計検証試験の結果を考察し、２年目および3年目の研究において修正していくべき点の洗い出しを行う。修正や追加が必要な性能や操作性の項目をシステムに反映させるとともに、２年目の研究では、大規模データセットを構築し、畳み込みニューラルネットワークを利用した機械学習を適用することで組織バイアビリティを定量的に可視化する方式を新たに開発する予定であるため、開発したシステムの結果画像の表示性能だけでなく、画像データ保存の効率化も図る方策である。