2013 Fiscal Year Annual Research Report
血管新生・再生の制御を目的とした『広帯域光音響画像』による血管径の定量化技術
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25282158
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | National Defense Medical College |
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Principal Investigator |
石原 美弥 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 医学教育部医学科専門課程, 教授 (30505342)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 真敬 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 病院, 准教授 (20525927)
櫛引 俊宏 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 医学教育部医学科専門課程, 准教授 (30403158)
服部 秀美 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 防衛医学研究センター, 助教 (80508549)
堀口 明男 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 病院, 講師 (20286553)
大谷 直樹 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 病院, 講師 (20573637)
石原 雅之 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 防衛医学研究センター, 教授 (10508500)
津田 均 防衛医科大学校(医学教育部医学科進学課程及び専門課程、動物実験施設、共同利用研究, 医学教育部医学科専門課程, 教授 (70217321)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 高速フーリエ変換 / チタンサファイアレーザー / 応力緩和時間 / 光超音波画像 / ヘモグロビン / 血管形成術 / 皮下腫瘍マウス |
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| Research Abstract |
光音響イメージング法では，光を吸収した分子が光熱変換過程を経て音響波を発生することを利用し，生体内の深さ方向の光吸収体分布を断層情報として画像化する。生体組織において音響波が効率良く発生する条件はナノ秒オーダーのパルス光で励起した場合で，この場合に発生する音響波は超音波領域までの広帯域である。光音響イメージングにおいて超音波画像と異なる点はこの周波数帯域である。本研究ではこの光音響波特有の周波数帯域に着目し，光音響画像の要素技術として大きく性能を決める音響波センサーの開発を中心に実施した。本研究で開発するのはP(VDF-TrFE)フィルム製のセンサーであり，超音波画像診断装置で一般的に使用されているPZT製の超音波探触子と比較する事で，開発センサーの広帯域性を評価した。また，センサーを設計する段階で予備実験をしたところ，センサー材料が持つ圧電性（光音響波を受信する性質）と焦電性（光音響信号のノイズ減となる性質）のうち，圧電信号に影響なく焦電信号を抑制できるセンサー仕様に関する知見が得られた。この知見とセンサーの焦点化を併せると，より精度の高い血管系の定量化が可能になることが分かった。次に開発したセンサーで血管ファントムを網羅的に測定したところ，全ての血管ファントム径に対して有効ではなく，測定可能範囲を設定する必要があることが分かった。原理的裏付けに基づく測定可能範囲の設定を含めて測定信号の解析及び処理方法を検討した結果，周波数の解析方法を時間―周波数解析法であるウェーブレット変換法を採用することで，光音響波の周波数情報を活用できることが実証できた。また，動物実験では測定セットアップを工夫することで，より広い測定可能範囲となった。臨床研究について医師主体の臨床研究を開始するための防衛医科大学校倫理委員会への申請書類作成中である。
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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
本研究の実施項目は大別して4点あり，・広帯域センサーの改良開発，・測定信号の解析と処理，・測定実験（ファントム，動物），・医師主体の臨床研究である。
広帯域センサーの研究開発についてはH25年度目標に対して達成度90%で，研究協力者である(株)クレハ 機能材料部の森山氏の参画により，特に圧電信号に影響なく焦電信号を抑制できるセンサー保護膜の条件が明確となり，圧電信号の抽出率が向上した。しかし，現在のところ全ての血管径に対して有効ではなく測定可能範囲がある点については，単パルス化の検討がより重要なファクターであることが判明した。一方，センサーの焦点化によりセンサーの感度が向上した。また，周波数特性については，点音源により探触子の受信面に到達する時間遅れにより低周波信号が強調された特性となったが，想定している周波数範囲である30 MHzまで感度があることが確認でき，PZT探触子より広帯域であることが確認できた。取得信号の解析と処理は時間―周波数解析法であるウェーブレット変換法を採用することで，詳細な検討ができるようになった。具体的には周波数に対して影響のある光減衰係数をヘモグロビンに設定した場合にでも血中酸素飽和度によってその値が異なるため，ファントム実験結果との整合性と含めて，シミュレーションで対応できるようになった。今後は散乱の影響をさらに検討する必要がある。動物実験についてはモデルの作成で時間がかかったため達成度70%とした。当初hypervascularなモデルを検討していたが，A549細胞を播種した皮下腫瘍モデルマウスを対象にすることで，検討に適する血管信号が取得できることを確認した。臨床研究については計測系が確立できないと学内倫理委員会への申請書類が纏まらないため，現在のところ学内の医師と研究進捗を確認している段階である。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通り，研究項目によっては当初の計画以上に進めるために以下に示した方策とする。現在までの達成度とその理由と同様に本研究で実施する４つの研究項目別に記載する。
・広帯域センサーの改良開発については，センサーの焦点化をはじめとするセンサー仕様を最適化して精度を高める。このためにはセンサーの試作を加速させてファントム及び動物実験の実証結果も含めてセンサー仕様の最適化にフィードバックする。
・測定信号の解析と処理については，高い周波数に着目したパラメータ設定を検討する。また血中酸素飽和度を変化させた実験によりシミュレーションの精度を向上させる。また血中酸素飽和度の変化に伴い光浸達長が変化することを考慮する。これには波長依存性もあるのでパラメトリックに解析する。
・測定実験（ファントム，動物）について，ファントム実験については散乱の影響を考慮する。動物実験については目標達成に向けてある程度のn数を実施する。既に抗CD31抗体による血管内皮染色の有効性は確認しており，組織切片像との比較が可能となっている。現在のところ腫瘍モデルマウスの個体差が大きいが，血管新生の抑制，あるいは亢進のモニタリング法としての適用を検討する。
・医師主体の臨床研究については，当初予定していた血管形成術である腎不全患者におけるブラッドアクセスと脳梗塞に対する外科的血行再建術以外への適用も検討する。臨床研究に向けて最もハードルとなるのはレーザーの可搬性である。使用するレーザーによって，サイズなどが異なるため，臨床研究の可能性を前提に使用する波長を検討する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初より３年計画で本研究は計画しており，１年目が概ね順調に目標を達成していることから，最終的な研究目標の実現にむけて３年計画の２年目を実施する価値がある。よってH26年度使用額が生じている。特に重点を置いているセンサーの開発について，１年目であるH25年度は試作に比べて，設計に重点をおいたため，H25年度からH26年度への繰越し金が発生している。
H26年度は実験を中心に研究を推進するので，レーザーのランニングコスト，消耗品で額が大きくなるものとして，圧電フィルム（センサー材料）, 光学部品（光ファイバー，波長フィルタ，光検出器など），動物実験器具（吻合糸，オイフなど）を予定している。加えて，実験補助の参画は必須であるので雇用にかかる経費を使用する。また，現在までの成果がでており，さらにH26年度に一定の成果が得られる見込みであるため，学会発表や論文発表に必要な旅費や英文校正の支出を計画している。
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