2023 Fiscal Year Research-status Report
生体内拡散光を用いた無侵襲血管性状イメージングシステムの構築
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21K12734
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| Research Institution | Hokkaido University of Science |
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Principal Investigator |
北間 正崇 北海道科学大学, 保健医療学部, 教授 (50285516)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 孝一 北海道大学, 情報科学研究院, 名誉教授 (30125322)
加藤 祐次 北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (50261582)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 光透視 / 光散乱 / シャントトラブル / 内シャント / 石灰化 / 血管透視 / 透析 / 医用画像 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工透析療法では体外循環に必要な血流量を確保するため，前腕部等に動・静脈を吻合した内シャントを造設する．しかし穿刺や圧迫止血などのストレスから狭窄や閉塞が起こりやすく日常的な管理が重要であり，その症状に合わせて早期の治療が必要となる．透析患者の狭窄原因として症例の多い血管壁の石灰化状態を無侵襲でイメージングできれば，早期診断の一助となる．本研究では，これまでに確立してきた拡散光利用による血管構造のイメージング技術を応用することで血管石灰化状態のイメージングシステムの具現化を目指す．今年度は，構築した計測システムを用いたイメージングにおいて検討課題となっている以下について実験的検証を行った．
1．昨年度までに実現可能性を示した多波長による石灰化病変イメージングシステムにおける狭窄の検出限界を示すため，新たに初期狭窄ファントムの構築を試みた．初期狭窄は血管内壁に薄膜状に石灰化が付着し進行することから，そのイメージング評価には同様の構造を有するファントムの構築が不可欠となる．そこで薄膜状（厚さ0.13 mm）の石灰化層を模擬した試料を作製したところ光散乱，吸収特性に不均一性が見られた．そのためファントム作製法を再検討することで最適な作製法を新たに示すことが出来た．これにより薄膜であっても安定した光学定数を有する試料の作製が実現でき，定量評価の実現に近付けることが出来た．
2．多波長光イメージングシステムを用いた内シャント透視像から病変部のサイズを明らかにするには，従来行ってきた血管内壁境界検出アルゴリズムでは計測精度にばらつきを生じる問題があった．そこで新たにCNNを基本とする機械学習アルゴリズムを構築し病変検出能を評価した．その結果，単純な血管走行であれば従来法の検出アルゴリズムと同等以上の精度かつ高速に推定が可能であることを示唆した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
計測システムの構築については概ね当初の研究実施計画に沿って研究を進めており，石灰化病変の光イメージング実現を目指して，波長1,208 nmと810 nmの多波長光源を組み込んだ計測システムを構築すると共に，本研究で作製した石灰化病変ファントムを用いることで透視画像における石灰化病変描出の評価を実現してきた．更には波長間演算により石灰化病変と血管形状の分離描出を実現した．また従来の血管内径推定アルゴリズムに機械学習を組み合わせることで，計測精度を低下させずに処理の高速化を図ることが出来た．
その一方で，実際の患者病変部には複数血管の並走や湾曲などの様々な血管走行状態が想定されるが，複数患者の内シャント観察および記録を行えておらず，対応したファントムや推定アルゴリズムの構築が実現できていない．
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| Strategy for Future Research Activity |
上記のとおり，当初計画で研究終了年となる３年目は一部に遅れが生じたことから研究期間延長を申請し認めて頂いた．計測システムの構築は計画に沿って進展していることから，遅れが見られる実際の透析患者への適用について，研究協力者である臨床工学技士からの知識提供に基づき当初の計画内容を遂行すべく以下のとおり具体的検討を進める．
・狭窄の進行状態を模したファントムにより提案システムの検出限界を明らかにする．
・想定される透析患者の血管走行状態を模したファントムにより，透視像の評価を行う．
・前項の血管走行での病変部抽出に適した機械学習アルゴリズムを検討する．また狭窄形成の主要因とされる脂質や石灰化病変部の分光・伝播特性を反映した教師データを学習させることで最適処理条件を設定する．
・臨床利用を考慮し，内シャント透視像を診断データとして活用できるよう，波長別解析結果を適切に管理するための手法を検討する．
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画において，単純な血管走行に対応した計測システムおよびアルゴリズムの構築，評価については予定どおり進捗している．しかし実際の透析患者情報に基づく血管走行を想定したシステムの最適化は当初計画よりも遅れている．それに伴い評価ファントムの作製費用や調査・研究旅費などで当初予定の支出ができておらず次年度使用額が生じた．一方で新型コロナ感染症が５類に移行したことで病院勤務の臨床工学技士による研究協力が得られやすくなったことから，実際の透析患者の状態に即した検討の進展が見込めるようになったことで当初の研究計画を遂行する予定である．
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[Journal Article] Data-driven polarimetric imaging: a review2024
Author(s)
Kui Yang, Fei Liu, Shiyang Liang, Meng Xiang, Pingli Han, Jinpeng Liu, Xue Dong, Yi Wei, Bingjian Wang, Koichi Shimizu and Xiaopeng Shao
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Journal Title
Opto-Electronic Science
Volume: 3
Pages: 1-44
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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