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Study on wireless temperature measurement and heating technology for low invasive hyperthermia for malignant tumors.

Research Project

Project/Area Number 18H03545
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 90130:Medical systems-related
Research InstitutionAkita University

Principal Investigator

水戸部 一孝  秋田大学, 理工学研究科, 教授 (60282159)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 齊藤 元  岩手医科大学, 医学部, 教授 (20323149)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2018: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
Keywordsハイパーサーミア / 悪性腫瘍 / 感温磁性体 / ワイヤレス温度計測 / 末期ガン / 低侵襲治療 / QOL / 誘導加熱 / 深部温度計測 / 高周波磁場 / 緩和ケア
Outline of Annual Research Achievements

本研究では呼吸器系の末期ガン患者のQOL向上のための低侵襲ハイパーサーミア技術の構築を目指しており,本申請では腫瘍部に注射した「低キュリー点の感温磁性体微粒子(FILCT)」を温度計測用のプローブとした「ワイヤレス温度計測技術」を構築すると共に,体表面から高周波磁場でFILCTを誘導加熱することにより腫瘍部のみを選択的に43~45℃の一定温度で加熱する「ワイヤレス温度計測・加熱装置」の構築を目指している。
令和元年度に改良した発信周波数を400kHzに倍増させた誘導加熱装置には,コイル電流が周期的に変動する現象が生じ,ワイヤレス温度計測に不可欠な磁束の歪みをロックインアンプで同期検波できない課題が顕在化していた。また,印加磁場の周波数が向上したことで金コート感温磁性体(Au-FLICT)表面に生じる渦電流が増加して発熱効率が向上するメリットの一方で,磁束がシールドされ,ワイヤレス温度計測に不可欠な感温磁性体の透磁率の変化の検出感度が低下する理論上避けられない問題が顕在化していた。そこで令和2年度に磁気シールドの影響と印加磁場の周期変動の影響を低減して同期検波するワイヤレス温度計測手法を新たに考案し,令和3年度は,前年度に考案した手法をワイヤレス温度計測加熱システムとして実装すると共に,多点温度計測システムを導入して加熱ムラを物理実験により評価した。その結果,ベッドサイドで利用可能な小型誘導加熱電源でもAu-FILCTあるいはナノ磁性微粒子混合FILCTをインプラントとすることで30mmの深さまで誘導加熱とワイヤレス温度計測が可能となり,非侵襲的に定温加熱できることを物理実験により明らかにした。同時に,過去に実施した生体適合性に関する動物実験の結果および関連文献を調査・検討し,In vivo実験による生体適合性および治療可能期間の評価を進め,本手法の安全性を確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

令和3年度は,前年度に考案した手法を小型誘導加熱電源,ロックインアンプをPCに接続し,ピックアップ電圧を閾値として目標温度で誘導加熱する自動ワイヤレス温度計測加熱システムを実現すると共に,印加磁場の周波数を2倍に向上することで感温磁性体の発熱効率が改善することを物理実験で実証した。さらに,PCに4Ch光ファイバー温度計を接続して自動計測可能な多点温度計測システムを開発し,FILCT等の各種インプラントを対象として温度分布を計測し,加熱ムラを評価した。その結果,ベッドサイドで利用可能な小型誘導加熱電源で30mmの深さまで誘導加熱とワイヤレス温度計測が可能な条件を明らかにし,非侵襲的に定温加熱できることを物理実験により実証した。また,過去に実施した生体適合性に関する動物実験の結果および関連文献を調査・検討し,本手法の安全性を確認した。これまでの研究で,申請時に掲げた到達目標である「Ⅰ-Ⅰ 磁束印加検知ユニットの試作」,「Ⅰ-Ⅱ 計測系の広帯域化と印加磁場の周波数向上」,「Ⅰ-Ⅲ in vitro実験による妥当性評価とシステムの改良」,「Ⅱ-Ⅰ 体動ノイズ低減のための回転走査法の理論構築と実装」,「Ⅱ-Ⅱ インプラントの発熱効率の改善手法の検討」および「Ⅲ.In vivo実験による生体適合性および治療可能期間の評価」を達成している。
これらの研究成果に加えて,当初は想定していなかった励磁コイル用電流の低周波振動現象とAu-FILCTの磁気シールドという課題に対し,発想を転換することで,本来ノイズである低周波振動をリファレンスとしてロックインアンプで同期検波することで発熱効率を向上させながらAu-FLICTの透磁率をワイヤレスで検知する手法を新たに考案すると共に,その妥当性を物理実験により実証した成果により,当初の計画以上に進展していると評価した。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度までに申請当初の研究目的を達成したため,令和4年度は本研究を進める過程で顕在化した新たな課題に挑戦し,新たなワイヤレス誘導加熱温度検知手法の理論的検討を進めると共に,体内に注射したインプラントの環境を模擬して発熱特性を評価する。
新たなワイヤレス誘導加熱温度検知手法の基礎研究として,現有設備であるマルチファンクションジェネレータと高速バイポーラ電源により励磁コイル用電流波形をシミュレートし,各種インプラントを対象に低磁束密度の高周波磁場印加環境でのワイヤレス検知に最適な変調周波数を探る。また,肺の比熱および血流による恒温機能を模擬した実験環境を構築し,大出力の誘導加熱電源を用いて高周波磁場を印加した条件での各種インプラントの昇温特性を物理実験により検討し,本手法の限界と課題を洗い出す。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(26 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 6 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Development of a Learning Support System for Blood Sampling Techniques Using a Magnetic Motion Capture System2022

    • Author(s)
      Saito Masachika、Kikuchi Yukiko、Kudo Yukiko、Sasaki Makiko、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering

      Volume: 17 Pages: 757-759

    • DOI

      10.1002/tee.23564

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Study of an Automatic Temperature Heating System for Hyperthermia of Implants under Water Cooling2021

    • Author(s)
      遠藤 綾人、加藤 裕太、水戸部 一孝
    • Journal Title

      TJSBME

      Volume: Annual59 Issue: Abstract Pages: 527-527

    • DOI

      10.11239/jsmbe.Annual59.527

    • NAID

      130008105479

    • ISSN
      1347-443X, 1881-4379
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Relationship of temperature distribution and applied magnetic flux frequency for hyperthermia.2021

    • Author(s)
      加藤 裕太、遠藤 綾人、山本 裕和、水戸部 一孝
    • Journal Title

      TJSBME

      Volume: Annual59 Issue: Abstract Pages: 526-526

    • DOI

      10.11239/jsmbe.Annual59.526

    • NAID

      130008105478

    • ISSN
      1347-443X, 1881-4379
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Development of an Automatic Localization System of Magnetic Particles for Hyperthermia Therapy2021

    • Author(s)
      Tonthat Loi、Mitobe Kazutaka、Yabukami Shin
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: 57 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1109/tmag.2020.3008490

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of applied magnetic field on permeability and heating efficiency of multifunctional micro/nano-magnetic particles for hyperthermia therapy2020

    • Author(s)
      Tonthat Loi、Yamamoto Yoshiyuki、Mitobe Kazutaka、Yabukami Shin
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 10 Pages: 125324-125324

    • DOI

      10.1063/9.0000123

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of a VR Simulator for Training of Posterior Cervical Spine Fusion Surgery2020

    • Author(s)
      Fujiwara Katsuya、Oikawa Tomoya、Ishikawa Yoshinori、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering

      Volume: 15 Pages: 1242-1243

    • DOI

      10.1002/tee.23188

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Investigation of Collision Position and Orientation of Elderly Cyclist for Car‐Bicycle Collision Simulation: Factors Causing Accidents on the Side of a Cyclist when Turning Right on Two Lane Straight Road2020

    • Author(s)
      Handa Naoto、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering

      Volume: 15 Pages: 1705-1707

    • DOI

      10.1002/tee.23240

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of elemental technologies for magnetic hyperthermia in cancer treatment2020

    • Author(s)
      Loi Tonthat, Fumitaka Aki, Kazutaka Mitobe, Shin Yabukami, Yoshiyuki Yamamoto
    • Journal Title

      Proceedings of the 11th Asian Pacific Conference on Medical and Biological Engineering (APCMBE 2020)

      Volume: 1 Pages: 272-277

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Verification of Protein Extraction Method by Magneto-Ferrite Treatment with EDS Analysis2020

    • Author(s)
      Kotani Suguru、Endo Masaya、Kabir Mahmudul、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEJ Trans. IA

      Volume: 140 Issue: 2 Pages: 128-129

    • DOI

      10.1541/ieejias.140.128

    • NAID

      130007793766

    • ISSN
      0913-6339, 1348-8163
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Study on Wireless Temperature Measurement Induction Heating System using Magnetic Properties of Mixture of Resovist<sup>®</sup> and Ferromagnetic Implant with Low Curie Temperature2019

    • Author(s)
      Aki Fumitaka、Loi Tonthat、Saito Hajime、Yoshimura Noboru、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEJ Trans. FM

      Volume: 139 Issue: 1 Pages: 38-44

    • DOI

      10.1541/ieejfms.139.38

    • NAID

      130007542200

    • ISSN
      0385-4205, 1347-5533
    • Related Report
      2019 Annual Research Report 2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Feature Extraction of Mild Cognitive Impairment Using a Dual-Task of Drawing and Counting Test2019

    • Author(s)
      Fujiwara Katsuya、Graduate School of Engineering Science, Akita University 1-1 Tegata-gakuen-machi, Akita, Akita 010-8502, Japan、Kano Hidenori、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      J. Adv. Comput. Intell. Intell. Inform.

      Volume: 23 Issue: 5 Pages: 874-882

    • DOI

      10.20965/jaciii.2019.p0874

    • NAID

      130007709921

    • ISSN
      1343-0130, 1883-8014
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermosensitive Ferromagnetic Implant for Hyperthermia Using a Mixture of Magnetic Micro-/Nanoparticles2018

    • Author(s)
      Tonthat Loi、Yamamoto Yoshiyuki、Aki Fumitaka、Saito Hajime、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: - Pages: 1-6

    • DOI

      10.1109/tmag.2018.2820061

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Study of wireless temperature measurement induction heating system using magnetic properties of au-coated ferromagnetic implant with low Curie temperature2018

    • Author(s)
      Aki Fumitaka、Loi Tonthat、Saito Hajime、Yoshimura Noboru、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      Electron Comm Jpn

      Volume: 101 Issue: 6 Pages: 58-66

    • DOI

      10.1002/ecj.12075

    • NAID

      130006407379

    • ISSN
      1942-9533
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Examination of the Influence on Precision of the Wireless Temperature Measurement Induction Heating System by 37 °C Constant Temperature Environment2018

    • Author(s)
      Aki Fumitaka、Tonthat Loi、Saito Hajime、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Magnetics

      Volume: 54 Pages: 1-3

    • DOI

      10.1109/tmag.2018.2815028

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermosensitive Implant for Magnetic Hyperthermia by Mixing Micro-Magnetic and Nano-Magnetic Particles2018

    • Author(s)
      Tonthat Loi、Yamamoto Yoshiyuki、Aki Fumitaka、Saito Hajime、Mitobe Kazutaka
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: 54 Pages: 1-4

    • DOI

      10.1109/tmag.2018.2821271

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 磁気ハイパーサーミアのための誘導加熱用周波数の違いによる昇温特性および温度分布の検討2021

    • Author(s)
      加藤 裕太, 遠藤 綾人, 山本 裕和, 水戸部 一孝
    • Organizer
      第60回日本生体医工学会大会
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  • [Presentation] 水冷条件下の金コート感温磁性体を対象とした磁気ハイパーサーミア用自動定温加熱システムの検証2021

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      遠藤 綾人, 加藤 裕太, 水戸部 一孝
    • Organizer
      第60回日本生体医工学会大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 磁気ハイパーサーミアにおける発熱体の昇温分布特性の検討2020

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      加藤裕太, 山本裕和, 遠藤綾人, 安藝史崇, 水戸部一孝
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      日本生体医工学会大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 磁気ハイパーサーミア用自動定温加熱システムのためのHigh/Low制御の検討2020

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      遠藤 綾人, 山本 裕和, 加藤 裕太, 安藝 史崇, 水戸部 一孝
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      日本生体医工学会
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  • [Presentation] 電気泳動後のタンパク質を対象としたテラヘルツ透過画像の特徴抽出2020

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      鍵谷 慧, 水戸部 一孝
    • Organizer
      日本生体医工学会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of elemental technologies for magnetic hyperthermia in cancer treatment2020

    • Author(s)
      Loi Tonthat, Fumitaka Aki, Kazutaka Mitobe, Shin Yabukami, Yoshiyuki Yamamoto
    • Organizer
      11th Asian Pacific Conference on Medical and Biological Engineering (APCMBE 2020)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ハイパーサーミア用ワイヤレス温度検知技術のための磁場印加検知ユニットの検討2019

    • Author(s)
      山本 裕和, TON THAT LOI, 安藝 史崇, 水戸部 一孝
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      生体医工学
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 磁気ハイパーサーミアのための感温磁性微粒子の位置・温度情報のワイヤレス検知技術に関する研究開発2019

    • Author(s)
      TON THAT LOI, 安藝 史崇, 山本 良之, 齊藤 元, 薮上 信, 水戸部 一孝
    • Organizer
      生体医工学
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 金コート感温磁性体を利用したハイパーサーミアのためのワイヤレス温度計測・自動定温加熱システムの構築2019

    • Author(s)
      安藝 史崇, Ton That Loi, 齊藤 元, 山崎 清之, 水戸部 一孝
    • Organizer
      生体医工学
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] ハイパーサーミア用感温性磁性体の検知可能距離延伸のための磁場印加検知ユニットの検討2018

    • Author(s)
      トンタット ロイ, 高野 渚, 安藝 史崇, 齊藤 元, 水戸部 一孝
    • Organizer
      生体医工学
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 電気泳動後のタンパク質のテラヘルツ透過画像の特著抽出法について2018

    • Author(s)
      河端 航大, 水戸部 一孝, 羽渕 友則
    • Organizer
      生体医工学
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      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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