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2020 年度 実施状況報告書

透析患者の負担軽減を目指した光による無侵襲血管イメージングシステムの構築

研究課題

研究課題/領域番号 17K01418
研究機関北海道科学大学

研究代表者

北間 正崇  北海道科学大学, 保健医療学部, 教授 (50285516)

研究分担者 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)
加藤 祐次  北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (50261582)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2022-03-31
キーワード光透視 / 光散乱 / 光拡散 / 医用画像 / 透析 / シャントトラブル / 内シャント / 血管透視
研究実績の概要

慢性腎不全患者の人工透析時,前腕部等に造設する自己血管内シャントは患者のライフラインであることから,異常を早期に発見し治療に移行することは極めて重要である.異常検出として無侵襲かつ高精度に血管状態を把握することが望まれる中,本研究では,申請者らが確立した拡散光利用による内シャント構造の描出技術を推し進め,ベッドサイドでも利用可能な簡易なシステムで内シャント管理を実現し臨床医療に貢献することを目的としている.本年度は,これまでの検討で有用性が明らかとなった多波長計測手法と,臨床現場への導入が容易と考えられる小型システムを組み合わせることに主眼を置き内シャント血管の内径計測精度について評価を進めた.
・多波長計測技術と小型化システムの融合
これまでの検討結果から,多波長計測システムでは血液の吸光特性を利用することで血管透視像の空間分解能向上が可能である.臨床利用のために小型軽量化した計測システムに多波長光源を加えるとともに検出部(CCDカメラ)を見直し,従来の高機能システムとの比較検討を行った.日本透析医学会の内シャント管理ガイドラインでは,「内径2.5 mm で経皮的血管形成術の治療適応」とされていることから,この適応状態の検出を確かめるために,血管模擬試料において血管内径2.0~4.0 mmの範囲で狭窄部の長さを変化させて計測を行った.その結果,補正可能な範囲での定常的な誤差は見られるものの,狭窄部内径の変化に応じた計測値が得られた.また従来の高機能システムと比較しても遜色のない結果が得られた.これらのことから,新たに開発した多波長小型計測システムによって,2.0~4.0 mm 長さの内シャント血管狭窄部に対し,2.0~4.0 mm の内径変化をとらえ得る可能性が実証された.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

研究実施計画に従い,計測システムの構築と小型軽量化のための最適化を行い,想定条件での有用性の確認はほぼ実現できた.また提案している血管内径計測アルゴリズムの有用性も確認できている.一方で血管内径の自動抽出には機械学習アルゴリズムを新たに導入したことから,様々な撮影条件や血管状態など多くの教師データ学習が必要となり時間を要している.

今後の研究の推進方策

臨床現場での使用を考慮し,小型軽量化計測システムを最適化する.具体的には以下の項目を実施することで,研究計画で示した技術開発に向けて本研究課題を推進する.
・臨床において透析業務内での使用における問題点を洗い出し解決を目指す.
・機械学習による血管内径変化の自動抽出について最適アルゴリズムを検討する.
・患部の経時変化を効果的に提示する手法について検討する.
・関連学会での報告,学術論文誌への公表を行う.
以上について,研究協力者である臨床工学技士と連携することで実用に向けて前進を図る.

次年度使用額が生じた理由

臨床での利用に向けて現場での検討を予定していたが,新型コロナウイルス感染症の拡大により研究計画の変更(遅延)を余儀なくされている.それに関わる経費ならびに成果発表等の時期を変更したことにより次年度使用額が発生した.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Fundamental Study for Optical Transillumination Imaging of Arteriovenous Fistula2021

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Kamiyama, Masataka Kitama, Hisae O. Shimizu, Masaji Yamashita, Yohichiro Kojima, Koichi Shimiz
    • 雑誌名

      Advanced Biomedical Engineering

      巻: 10 ページ: 1-10

    • DOI

      10.14326/abe.10.1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 臨床での使用をめざした内シャント光イメージングシステムに関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      神山 英昇, 北間 正崇, 清水 久恵, 山下 政司, 小島 洋一郎, 清水 孝一
    • 雑誌名

      電気学会論文誌E

      巻: 141 ページ: 56-62

    • DOI

      10.1541/ieejsmas.141.56

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Three-dimensional imaging through turbidmedia using deep learning: NIR transillumination imaging of animal bodies2021

    • 著者名/発表者名
      To Ni Phan Van, Tran Trung Nghia, Hiroshi Inujima, Koichi Shimizu
    • 雑誌名

      Biomedical Optics Express

      巻: 12 ページ: in press

    • DOI

      10.1364/BOE.420337

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of a technique to measure local scattering in turbid media using backscattered light at the surface for noninvasive turbidity evaluation of blood in subcutaneous blood vessels2021

    • 著者名/発表者名
      Shiyang Liang, Koichi Shimizu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 ページ: 1-11

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abd36a

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] RGB and Near-Infrared Light Reflectance/Transmittance Photoplethysmography for Measuring Heart Rate During Motion2020

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

      IEEE Access

      巻: 8 ページ: 80233 - 80242

    • DOI

      10.1109/ACCESS.2020.2990438

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 無侵襲血中脂質濃度計測に向けた静脈径・深さ推定における周囲媒質の光学特性の影響2021

    • 著者名/発表者名
      難波昂暉, 加藤祐次
    • 学会等名
      第 56 回 応用物理学会北海道支部/第 17 回 日本光学会北海道支部 合同学術講演会
  • [学会発表] Seeing through human body with near-infrared light - Attempt for new noninvasive medical imaging2020

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Computational Intelligence and Industrial Applications
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Image processing for functional transillumination imaging of animal body using near-infrared light2020

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Computational Intelligence and Industrial Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] Functional transillumination imaging of animal body with NIR light scattering2020

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu
    • 学会等名
      Optics Virtual 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Localized scattering estimation in turbid medium using backscattered light from surface - For noninvasive sensing of blood turbidity -2020

    • 著者名/発表者名
      Shiyang Liang and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      International Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory, 2020.
    • 国際学会
  • [学会発表] Depth estimation in 2D transillumination image using focus-stacking method2020

    • 著者名/発表者名
      Sihan Xian, Yingdong Chen and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      International Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory, 2020.
    • 国際学会
  • [学会発表] 光による内シャント透視イメージングに関する基礎的検討Ⅱ~シャント血管の走行方向が計測に及ぼす影響~2020

    • 著者名/発表者名
      神山 英昇, 北間 正崇, 清水 久恵, 山下 政司, 小島 洋一郎, 菊池 明泰, 奥山 豪, 清水 孝一
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会大会
  • [学会発表] Depth Estimation of Blood Vessels in 2D NIR Transillumination Images using Machine Learning2020

    • 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 learning2020

    • 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 surface2020

    • 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 imaging2020

    • 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 turbidity2020

    • 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 turbidity2020

    • 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] 体動アーチファクトが波長および測定モードの異なる光電容積脈波に与える影響2020

    • 著者名/発表者名
      松村 健太, 任田 崇吾, 加藤 祐次
    • 学会等名
      電子情報通信学会MEとバイオサイバネティックス研究会

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公開日: 2021-12-27  

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