2015 Fiscal Year Research-status Report
ボクセル型光子フルーエンスによる生体光伝搬の３次元解析と皮膚異常検出
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26420379
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
相津 佳永 室蘭工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20212350)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島谷 祐一 東京都市大学, 工学部, 准教授 (20154263)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 皮膚計測 / 分光反射率 / ハイパースペクトル / 光子フルーエンス / 生体光吸収 / 生体光散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，皮膚ガンのハイパースペクトル画像から得た３次元光吸収・散乱係数分布を用いて，生体内光伝搬をボクセル型光子フルーエンスにより計算解析し，反射光成分から皮膚画像を再構成することで，光吸収・散乱異常の定量化を行う方式の新規開発を目指し
ている．
平成２７年度は，開発済みハイパースペクトル撮像装置に新規に高輝度LED照明光源を装着し，装置の感度を向上させた．これは今後の実機による実験において具体的な評価を行う予定である．一方，２６年度開発済みソフトにて３次元光伝搬を解析した．10nm毎の波長間隔で，吸収・散乱係数の数値により計算負荷が大幅に異なることが明らかとなった．そこで，条件に応じてGPU型アルゴリズムとCPU型とを使い分けることで作業の効率化を図ることができた．
上記計算により得られた光伝搬成分のうち反射光（皮膚表面再放出光）成分を抽出し，光学設計ソフトウェアにより皮膚表面に擬似的２次光源を再配置設定した．これにより，モンテカルロベースの生体内ボクセル型光フルーエンス伝搬と生体外光学系の光線追跡を融合したハイブリッドな光伝搬計算を実現した．
実用性を考慮し，将来の臨床応用場面で不適切・不合理と判断された推定結果に対して，ハイパースペクトル画像からの光吸収・散乱係数分布を再推定するため，画像の色彩３情報(明度，彩度，色相)と，吸収・散乱係数値に基づく血液量や組織変性と関連付けて計算パラメーター値をフィードバックするアルゴリズムの基本フローを設計した．この具体的プログラム開発は２８年度に継続することとなった．
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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
本研究では，皮膚ガンのハイパースペクトル画像データから解析する３次元光吸収・散乱係数分布を用いて，生体内光伝搬をボクセル型光子フルーエンスにより計算し，反射光成分からの皮膚画像再構成により，光吸収・散乱状態の異常を検出方式を開発することが
目的であるが，その核となる技術が３次元の光子フルーエンス伝搬をＰＣ実用レベルで汎用的に計算可能にすることである．
平成27年度は，まず装置については予定通り光源をLED照明に切り替えたことで感度の向上が実現できた．一方，26年度に開発したプログラムで対象波長範囲について評価計算を行ったが，波長により吸収係数と散乱係数の値に大きく依存して計算負荷が変わることが明らかとなった．そこで種々の対応を試み，GPUとCPUの両アルゴリズムを併用することで効率化を図る工夫を行ったが，予定の期間内に対応することができた．また，全光伝搬成分と反射成分の切り分け，光線追跡方式の導入などがほぼ予定通り行えたことで，進捗としては概ね良好と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
２７年度からの継続として，実用時の臨床応用場面において不適切・不合理と判断された推定結果が出た場合に，ハイパースペクトル画像からの光吸収・散乱係数分布を再推定するため，画像の色彩３情報(明度，彩度，色相)と，吸収・散乱係数値に基づく血液量や組織変性と関連付けて計算パラメーター値をフィードバックする具体のプログラム開発をまず行う．
上記までの機能とプログラムを改良したハイパースペクトル撮像解析装置のハード・ソフトウェアに一体化し，統合化システムを構
築する．ＰＣ操作画面では，ハイパースペクトル撮像に始まり，吸収・散乱係数推定，光伝搬解析，画像再構成を経て，画像と吸収・
散乱定量値表示，およびフィードバック機能をメニュー選択可能にする．特に再構成画像とは吸収・散乱定量値分布画像は別ディスプ
レイに高画質表示させる．
構築した統合システムにて，多層構造型人工皮膚ファントム実験を行い，本手法の有用性を検証する．特に微小腫瘍・内部腫瘍を模擬した皮膚モデルにより，本手法の再構成画像の見え方，吸収・散乱定量値，表面観察画像の相互相関性の評価を行う．最後にシステム全体の操作性の確認を行い，測定システムの改良・修正を経て本研究を終了する予定である．
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| Causes of Carryover |
設備品として当初購入予定であった高感度カメラが，高輝度照明光源の導入により研究室現有の機器で対応可能になり，購入不要となったため，その差額の一部を大量データの高速安全保存のための記憶装置メディアやコンピュータ周辺機器購入したことによる．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度にはハイパースペクトルイメージングシステムの装置統合を図る予定であり，そのために必要な光学部品，電子部品，コンピュータ周辺機器を最近のより高性能な仕様へ見直すことで，研究成果の一層の向上を目指す．また，28年度分助成金では，検証用人工皮膚ファントムのシリコン部材による開発を試みる予定であり，そのための部材購入を予定する．画像処理ソフトウェアのライセンス継続支払，および光伝搬計算プログラミングのアルバイト謝金，打合せおよび成果発表のための旅費への支出も予定している．
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