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血中脂質成分常時モニタリングのための無侵襲光学計測技術の高度化

研究課題

研究課題/領域番号 23K11799
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分90110:生体医工学関連
研究機関北海道大学

研究代表者

加藤 祐次  北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (50261582)

研究分担者 清水 孝一  北海道大学, 情報科学研究院, 名誉教授 (30125322)
松村 健太  富山大学, 学術研究部医学系, 講師 (30510383)
橋本 守  北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (70237949)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード血中中性脂肪濃度 / 後方散乱光 / 空間分解計測 / 無侵襲 / モンテカルロ・シミュレーション / 血中脂質濃度 / 無侵襲計測 / 近赤外光
研究開始時の研究の概要

食後高脂血症は、いつまでも循環血液中に脂質が残り大きなリスクとされている。これを無侵襲で日常的に検査できれば、疾患の個別化医療等大きな前進をもたらす。しかし、この血中中性脂肪濃度を日常的に無侵襲で検査できる手法は未だない。この課題のため、血中微粒子濃度の無侵襲光学計測技術の開発を目的とする。本申請内容では、これまでの基礎検討から発展させ本技術の実用化を目指し、血管内の脂肪濃度計測の定量化に向けて、シミュレーションによる検証、および計測技術の最適化等、計測の高度化を図る。最終的には、本研究の進展により、一般に広く利用できるような中性脂肪の日常的な検査技術を実現できるような展開を目指したい。

研究実績の概要

本研究の大きな目標である、血中中性脂肪濃度の無侵襲光学計測の実現のため、計測手法は生体透過性の高い可視から近赤外の波長領域での後方散乱光の空間分解計測を基礎としている。計測対象の一つとしている前腕部静脈・毛細血管の数値モデルに対する網羅的なモンテカルロ・シミュレーションにより、静脈と周囲媒質の光学定数の分離抽出法の検討を行った。さらに、実験検証のため計測装置の設計・試作および計測モデルファントムの作成を行った。これらの結果を下記3点にまとめる。
・これまで、血管以外の周囲媒質の光学特性の変動にも無依存な推定法により注力していたが、そのままでは推定精度の向上が難しいことが分かった。そのため、周囲媒質の光学特性の事前または同時計測により推定パラメータを追加し、推定法を改善した。その結果、推定精度の向上が見込めることが明らかとなった。
・計測装置の設計と試作と性能評価用モデルファントムの作製を行った。計測装置の試作において、深さ1~3mm程度の血管計測に適するようLEDとPD(Photo Diode)アレイの距離を密接するように設定し、実機を試作した。また、散乱剤・吸収剤を含むシリコン血管周囲モデルファントムと中性脂肪含有モデル血液を準備した。さらに、計測試作機とモデルファントムを用いた初期テストを実施した。
・スペックル計測法の応用のため、当初の目的を前倒し計測系を作成することで基礎的なスペックル計測を可能とし、脂質濃度とスペックル変動の関係を検討する事前準備を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

申請時のロードマップでは、2023年度は「I.数値シミュレーションによる静脈・周囲媒質の光学特性の分離法の検討」の全期と「II.I. 計測装置の設計と試作加」の半期に相当するが、シミレーションにはまだ引き続き進める必要性を残しているが、それ以外は順調であった。さらに「IV.II. スペックル信号」について一部前倒しできたため、全体としては概ね順調と言える。

今後の研究の推進方策

今後の研究の推進方策としては、申請時のロードマップに沿って行う。詳細は以下の通りである。
II.I. 計測装置の設計と試作:現在研究実績の概要で述べた結果を基に開発・試作を進める。主に、計測データの迅速な処理できるソフトウェアの開発を中心に進める。
II.II. 試作機の評価:モデルファントムの計測を実施し、血管径・深さ、周囲媒質の光学特性、脂質濃度を変化させ、前年度シミュレーションの結果との比較検討を進める。そのうえで、実験的な脂質濃度推定の検証を進める。
III. ヒトを対象とした臨床試験による評価:試作機での臨床データ取得のため、現在簡易テストとして行っている摂食前後の簡易テストを正式な脂肪負荷試験として検討を進めていく。
IV.光電式脈波計測及びスペックル計測の応用:この項目は2025年度の予定であるが、IV.I. 光電式容積脈波の初期検討とIV.II. スペックル信号取得の初期検討を前倒しで進めたい。特にスペックル計測について光電式脈波計測のような皮膚接触型の装置の検討を進める。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Optical parameters estimation in inhomogeneous turbid media using backscattered light: for transcutaneous scattering measurement of intravascular blood2024

    • 著者名/発表者名
      Shiyang Liang, TakeoMiyake, and KoichiShimizu
    • 雑誌名

      Biomedical Optics Express

      巻: Vol.15, No.1 号: 1 ページ: 237-255

    • DOI

      10.1364/boe.510245

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Reconstructing 3D de-blurred structures from limited angles of view through turbid media using deep learning2024

    • 著者名/発表者名
      Ngoc An Dang Nguyen,Hoang Nhut Huynh, TrungNghia Tran, and KoichiShimizu
    • 雑誌名

      Applied Sciences

      巻: Vol.14, No.5 号: 5 ページ: 1-18

    • DOI

      10.3390/app14051689

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Investigation of Optimal Light Source Wavelength for Cuffless Blood Pressure Estimation Using a Single Photoplethysmography Sensor2023

    • 著者名/発表者名
      Sogo Toda, Kenta Matsumura
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 23 号: 7 ページ: 3689-3689

    • DOI

      10.3390/s23073689

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Near-infrared transillumination formacroscopic functional imaging of animal bodies: review2023

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu
    • 雑誌名

      Biology

      巻: Vol.12, No.11 号: 11 ページ: 1-19

    • DOI

      10.3390/biology12111362

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 静脈外媒質の光学特性を考慮した無侵襲血中脂質濃度計測の高確度化2023

    • 著者名/発表者名
      石山拓洋,大和尚記,橋本守,加藤祐次
    • 学会等名
      日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] レーザースペックル法を用いた血中脂質濃度の無侵襲計測の基礎検討2023

    • 著者名/発表者名
      河合嶺, 加藤祐次
    • 学会等名
      第58回応用物理学会北海道支部/第19回日本光学会北海道支部合同学術講演会,
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Scattering Suppression in Transillumination Imaging of Animal Bodies using Phase-conjugate Light2023

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu
    • 学会等名
      The 14th International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 3D Imaging of Turbid Medium from Single-shot Transillumination Image ― For macroscopic imaging of animal body ―2023

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu, Sihan Xian, and Jiekai Guo
    • 学会等名
      35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] NIR Transillumination for Macroscopic Functional Imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu
    • 学会等名
      European Summit on Laser Optics & Photonics Technology
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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