安全な光による生体透視と機能イメージングを実現するシステムの創成

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02112
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 清水 孝一 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授(任期付) (30125322)
• 研究分担者: 浪田 健 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (10571250) ; 加藤 祐次 北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (50261582) ; 北間 正崇 北海道科学大学, 保健医療学部, 教授 (50285516) ; 犬島 浩 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授 (60367167) ; 大貝 晴俊 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授 (80367169) ; 惠 淑萍 北海道大学, 保健科学研究院, 教授 (90337030)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 三次元光透視 / 生体透視 / 近赤外光 / 光散乱 / 点拡がり関数 / 深層学習 / 機能イメージング / 生体安全

研究実績の概要

本研究は、マクロな生体内部の構造情報および機能情報を、光により３次元的に透視イメージングすることをめざし、安全で臨床応用に実用可能なシステムを開発しようとするものである。最終年度の本年度は、試作システムを完成させ、生体での３次元光透視を実施した。具体的成果は次のとおりである。
１．試作システムに改良を繰り返し、イメージングを可能とした。２．深層学習原理を導入し、光散乱による透視像劣化の問題を解決した。３．生体模擬試ファントムを作成し、試作システムによる三次元透視の可能性を確認した。４．透視像中の動静脈識別を通し、生体機能イメージングの可能性を確認した。５．マウスを用いた動物実験において、体内機能三次元透視イメージングを試みた。その結果、局所的腎血流の変化を三次元透視像中にとらえることに成功した。
これらの成果を国際会議や国内学会で発表するとともに、学術誌に投稿し採択、掲載された。発表の内２件は、表彰を受けた。また、2020年9月開催の国際会議での基調講演が決定した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Xidian University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Xidian University
• [国際共同研究] Ho Chi Minh City Univ. of Tech.(ベトナム)
  • 国名: ベトナム
  • 外国機関名: Ho Chi Minh City Univ. of Tech.
• [雑誌論文] Nonlinear inversion technique for absorption tomography of turbid media using spatially resolved backscattered light (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishida Kazuhiro、Kato Yuji、Kudo Nobuki、Shimizu Koichi
  • 雑誌名: Optics and Lasers in Engineering 巻: 126 ページ: 1～11
  • DOI: 10.1016/j.optlaseng.2019.105891
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of three-dimensional physiological function imaging of biological body by transillumination imaging using near infrared light - preliminary research - (2020)
  • 著者名/発表者名: Dang Nguyen Ngoc An、Bui Phuong Anh、Tran Anh Tu、Dang Nguyen Trung An、Nguyen Van Chinh、Shimizu Koichi、Tran Trung Nghia
  • 雑誌名: Proceedings of ISAS 巻: 3 ページ: 11-18
  • DOI: 10.29007/dvzs
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Functional transillumination imaging of animal body with NIR light scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu
  • 学会等名: European Lasers, Photonics and Optics Technologies Summit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Depth Estimation of Blood Vessels in 2D NIR Transillumination Images using Machine Learning (2020)
  • 著者名/発表者名: Yingdong Chen and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Deblurring of NIR transillumination images by deep learning (2020)
  • 著者名/発表者名: Youjie Wang and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Attempt for transillumination imaging along irregular-shape surface (2020)
  • 著者名/発表者名: Xiao Wang, Phan Van To Ni and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Development of real-time system for NIR functional transillumination imaging (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu Du and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Monte-Carlo simulation of light propagation in human tissue for noninvasive measurement of blood turbidity (2020)
  • 著者名/発表者名: Yingshuai Fan, Shiyang Liang and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Experimental verification of scattering estimation from backscattered light for noninvasive evaluation of blood turbidity (2020)
  • 著者名/発表者名: Yang Cui, Shiyang Liang and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Non-invasive optical measurement of blood turbidity in capillary (2020)
  • 著者名/発表者名: Gang Wang, Motoshi Sobue, Koichi Shimizu
  • 学会等名: 第59回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Seeing-through animal body by scattering suppression of NIR light (2019)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu (keynote)
  • 学会等名: ISAS 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] From War to Peace in Optical Engineering - Befriending light scattering for biomedical applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu (keynote)
  • 学会等名: ISIPS 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Three dimensional transillumination imaging of human body using near-infrared light (2019)
  • 著者名/発表者名: To Ni Phan Van, Trung Nghia Tran, and Koichi Shimizu
  • 学会等名: ISIPS 2019 (Best Presentation Award)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of new optical technique for noninvasive measurement of blood turbidity (2019)
  • 著者名/発表者名: Shiyang Liang and Koichi Shimizu
  • 学会等名: ISIPS 2019 (Best Presentation Award)
  • 国際学会
• [学会発表] Extraction of blood vessel image by deep learning in NIR transillumination imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Jiazhe Wang and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会
• [学会発表] Noise reduction of hyper-spectral image for NIR functional transillumination imaging of human body (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu Ye and Koichi Shimizu
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会