2020 Fiscal Year Research-status Report
ドップラーOCTを用いたマイクロ力学特性分布の逆解析法開発と微小循環との関係解明
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20K04163
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
古川 大介 秋田県立大学, システム科学技術学部, 助教 (80774760)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐伯 壮一 名城大学, 理工学部, 教授 (50335767)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 皮膚粘弾性 / 非破壊光断層計測 / バイオメカニクス / スキンメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，ドップラーOCT（Optical Coherence Tomography: 光干渉断層画像法）を利用し，皮膚の形態分布，皮膚代謝機能（毛細血管血流速）および皮膚力学特性（粘弾性）との関連について，評価することを目的としている．主に当該年度では，ドップラー速度の検出精度向上を図ることを目的とし，干渉光学系の参照鏡スキャニングミラーから生じるノイズおよび体動ノイズを低減する速度検出アルゴリズムの改良を行った．本アルゴリズムは，同一位置において，異なる時刻で取得した低コヒーレンス干渉信号を用い，隣接自己相関法から位相差を求め，速度へ変換するアルゴリズムである．このアルゴリズムを適用する前処理として，先に隣接する干渉信号間に相関法を適用し，体動によって生じる位相差（速度ノイズ）は相関値が低減することを利用して，検出する範囲内にて高い相関値となるよう信号を補正し，その後に，従来の速度検出アルゴリズムを適用し，体動成分の除去を可能とした．これは，被験者の体動を抑えるという技量に影響をせずに皮膚代謝機能を計測できる意義がある．さらに，皮膚組力学特性を検出するため，対物側光学系に陰圧吸引システムを搭載し，ステップ入力により負圧を加える皮膚吸引試験を20代，40代の被験者に実施した．先行研究にて開発されたひずみ速度検出法（OCSA）を適用した結果，表皮および真皮にて皮膚内部の変位および変位速度（ひずみ速度）が年代ごとに相異があることを確認した．今後は，研究目的にある皮膚粘弾性分布を変位（ひずみ）の情報を取り入れ推定する．
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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
本研究は，陰圧吸引時における皮膚変形をドップラーOCTより断層画像として取得し，皮膚代謝（毛細血管配向・血流速）および変形ひずみ量から皮膚粘弾性をマイクロ領域で推定することを目的としている．これにより，代謝機能と皮膚粘弾性からシワやたるみの発生要因となるコラーゲン線維の配向特性，エラスチン繊維との関連性およびスキンメカニクスの解明に取り組む．
初年度の研究計画は，皮膚内部におけるドップラー（変位）速度の検出アルゴリズムの精度向上および皮膚吸引システムの構築を目標とした．これまでの進捗状況とし，速度検出アルゴリズムの改良により体動およびシステムノイズともにノイズ成分の低減が可能となり，被験者の技量に影響を受けず計測が可能となった．
また，皮膚吸引システムの試作機を構築し，実験を行った結果，皮膚内部の変位（ひずみ）速度は，年代別に皮膚内部における変位の違いが現れていることを確認出来ている．実験においては，吸引時の最適な負圧値や，陰圧方法（ステップ，周波数）など検討課題が残されている．その他にも実験装置では，吸引アダプタの口径や吸引データをサンプリングするADコンバータなどシステムの改良点が残されている．前述したように，実機に搭載する装置または実験手技・パラメータ決定などの最適化には課題が残るが，今後の実験において，修正可能である．皮膚代謝機能である血流速の検出アルゴリズムは構築できており，今後は，陰圧吸引による皮膚変形（ひずみ）量を利用し，有限要素を基本とした皮膚マイクロ領域の粘弾性の推定アルゴリズムを構築する．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究推進方策として，皮膚粘弾性推定には逆解析アルゴリズムの開発が重要となる．このため，以下の（1）(2)内容について並列に実施し，逆解析アルゴリズムについて検討する．
(1)有限要素法から皮膚変形モデルの順解析を実施する．
(2)ドップラーOCTから得られる皮膚変形量を利用し，皮膚変形モデルである剛性方程式から剛性マトリクスK（弾性係数）の推定法について検討を行う．
(2)では，皮膚の構造（表皮・真皮）を考慮し，粘性係数の分布を既知として与える．(1)(2)のアルゴリズム共は，計算量を考慮し，2次元にて実施する．また，(2)の逆解析アルゴリズムの検討は，研究の進捗の大きく影響を与えるため，先行研究（Optical Coherence Thermography：OCTH）にて剛性（K）マトリクスを推定した経緯があり，先行研究を利用して推定を実施する．この手法は，ムーアペンローズの逆行列（MP）を利用するが，本手法にて逆解析が困難な場合，機械学習・デープランニングを利用し，マトリクスの推定を行う．
なお，実験装置については試作機のため，陰圧吸引システムの精度向上を目的に真空レギュレータ，真空ポンプなどについて再度検討する．
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| Causes of Carryover |
皮膚吸引システムでは，現在試作段階であり，比較的安価な製品を利用して構築し，テスト実験が可能であった．また，速度検出アルゴリズムでは，計算アルゴリズムを改良したことで，物理的にノイズ低減を図らずとも良いことが分かった．このため，次年度使用額が生じた．しかしながら，皮膚吸引システムでは，ADコンバータはサンプリング性能が高く，真空レギュレータは低圧でも動作する性能が必要である．また，吸引用のアダプタの試作は，今後も継続する必要がある．その他，当該年度では，解析用ＰＣの流通が困難であったため，逆解析アルゴリズムのＰＣ性能（計算速度）を既存のもので対応した．そのため，当該年度では既存のPCにて計算性能の評価を行い，今後のPC選定の知見とした．
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