| 研究課題/領域番号 |
23K11889
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分90130:医用システム関連
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| 研究機関 | 弘前大学 |
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研究代表者 |
佐川 貢一 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (30272016)
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| 研究分担者 |
岡 和彦 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (00194324)
小渡 亮介 弘前大学, 医学部附属病院, 講師 (20792477)
笹川 和彦 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (50250676)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2025年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2024年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 穿刺 / 模擬血管 / 模擬皮膚 / ロボット / 光学特性 / 力学特性 / 皮膚血管モデル / 粘弾性 / 拡散 / 自動穿刺 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，見た目や柔らかさがヒトの腕の静脈注射を行う部位と同等な皮膚血管モデルを試作し，これを利用して自動穿刺を実現するロボットと，その制御アルゴリズムを開発する。ここでは，光が皮膚内を透過する特性を調査し，カメラで血管の深さを高精度推定する方法を考案する。また，ヒトの血管の見た目や皮膚の柔らかさの特性を調査し，ヒトの代わりとなる皮膚血管モデルを再現する。そして，模擬血管と針先の位置関係や穿刺針に作用する力の方向を利用して，模擬血管まで採血針を到達させて血管を逃がさず確実に自動穿刺する方法を考案する。
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| 研究実績の概要 |
本研究では，見た目や柔らかさがヒトと同等な皮膚血管モデルを試作し，これを利用して自動穿刺を成功させる方法を開発する。ここでは，光が皮膚内を透過する特性を調査し，カメラで血管の深さを高精度推定する方法を考案する。また，ヒトの血管の見た目や皮膚の柔らかさの特性を調査し，ヒトの代わりとなる皮膚血管モデルを再現する。そして，模擬血管と針先の位置関係や穿刺針に作用する力の方向を利用して，模擬血管まで採血針を到達させて血管を逃がさず確実に自動穿刺する方法を考案する。
令和５年度は，血管深さが浅く推定されるメカニズムを解明する。血管が浅く推定されるのは，生体内での赤外線の散乱の影響が強いと考えている。本研究では，レーザ光をヒトの皮膚表面に照射した時の光路が，生体内を屈折・拡散・通過して皮膚表面に戻ってくるときの強さをモンテカルロ法を適用して推定し，模擬血管の有無による輝度分布の違いから血管位置を推定する方法を検討した。また，血管の力学特性と同等な材料を探索するため，厚さや硬さの異なるシリコンシートをロボットで自動穿刺したときの力学特性を計測した。
模擬血管が模擬皮膚内に存在する場合，モンテカルロ法によって推定した皮膚表面の輝度分布は，模擬血管がない場合と比較してわずかに減少する傾向にあることが確認された。さらに，模擬血管がない場合の輝度分布が，模擬血管があることによって減衰する現象をFIRシステムと仮定し，逆たたみ込み解析によって血管位置を推定する方法を考案した。シミュレーションの結果，輝度分布波形から血管位置が推定可能であることが確認された。また，輝度分布を観測する位置を変更することにより，血管深さの推定が可能であることが示唆された。
シリコンシートへの自動穿刺による力学特性の評価については，厚さや硬さが異なると，最大穿刺力や穿刺時の力覚の増加傾向が異なることを確認した。
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| 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
令和５年度は，血管深さが浅く推定されるメカニズムを解明するため，モンテカルロ法により皮膚内を光が伝わる現象を模擬する光路シミュレーションプログラムの開発を行い，実用レベルに引き上げることができた。これにより，模擬皮膚内に模擬血管がある場合とない場合の輝度分布を求め，両者の違いから血管位置を推定する方法が構築された。このことは，血管位置を撮影する赤外線カメラの最適位置の決定や，血管深さの高精度推定法の構築に不可欠であり，重要な成果であると考える。さらに，シミュレーションパラメータを調整することでヒトの皮膚と同等な輝度分布を探索することにより，ヒトの皮膚の光学特性を定量的に同定することを可能にすると考える。また，令和6年度から実施予定である，皮膚や血管の力学特性評価の準備として，厚さや硬さの異なるシリコンシートへの穿刺実験を行い，穿刺時の力学特性の計測にも着手した。これにより，どの程度の材料であればヒトと同等の特性を有する組織を実現できるのか，ある程度の見当が得られた。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和６年度は，ヒトの腕の光学および力学特性と等価な，人の代わりとなる皮膚血管モデルを試作する。ここでは，購入予定の力覚センサを使用し，皮膚表面に垂直な方向や平行な方向に力を加えたときの皮膚の変形量と力の関係から，力学特性を求める。模擬血管は，市販の静脈注射練習キットや，ポリビニルアルコール(PVAL)，シリコンシートなどを使用した自作のものを使用する。そして，光の屈折および拡散と変形の特性を実現するように模擬皮膚の構造と材料（ゼラチン，脂肪乳剤，マイクロビーズ他）を調整し，ヒトの代わりとなる皮膚血管モデルを試作する。さらに，高齢者の逃げやすい軟弱な血管を模擬するため，二枚の滑らかなシート状のゲルで模擬血管を上下から挟むことにより，穿刺時にあえて血管が左右に動きやすい構造とする。試作したモデルの妥当性は，医療従事者による穿刺時の印象や，これまでの予備実験から深さ3mmの血管が0.5mmの深さに推定された例を参考に，同等の結果となるか評価する。
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