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2019 年度 実施状況報告書

3次元画像を用いた機能統合型嚥下モデルの構築とその評価・応用

研究課題

研究課題/領域番号 18K09706
研究機関岩手医科大学

研究代表者

佐原 資謹  岩手医科大学, 歯学部, 教授 (40206008)

研究分担者 道脇 幸博  昭和大学, 歯学部, 兼任講師 (40157540)
千葉 俊美  岩手医科大学, 歯学部, 教授 (40254784)
橋本 卓弥  東京理科大学, 工学部機械工学科, 講師 (60548163)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード嚥下運動 / CT画像解析 / 舌骨運動軌跡 / 筋電図 / 筋骨格モデル / バイオメカニクス / 誤嚥
研究実績の概要

1)生体モデルの基になる医用画像を、2次元画像から3次元画像にupdateする: 320ADCTの画像をもとに、4次元の動画作成可能になり、咀嚼から嚥下までの過程を連続して追うことが可能となった。しかし、放射線の照射時間と被曝量が律速段階となっており、現在のところ5sec 程度が限度となっている。2)嚥下シュミレーションモデルの構築: 筋駆動によって器官の運動を起こす筋駆動型シミュレーションモデルの製作に取り組んでいる。このうち舌骨と甲状軟骨ならびに輪状軟骨の運動について、順解析モデルと逆解析モデル(筋駆動型には、あらかじめ与えた筋活動によって器官が運動して食塊を移送する順解析モデルと、食塊や器官の運動から筋活動を推測する逆解析モデルの2種がある)の作成に成功した。3)正常咀嚼・嚥下における神経・筋の調節機構の解明への応用:咀嚼運動時の下顎骨の運動軌跡から、舌骨上筋群の開口筋の筋長並びに緊張力の変化が、嚥下時の舌骨の運動軌跡から嚥下に関与する骨格筋の筋張力および筋長の変化が推定可能となった。これは、咀嚼・嚥下運動に関わる筋の複雑な動態の把握につながると思われる。また、咀嚼・嚥下運動は、反射、パターン化された運動、随意運動の3つの要素が階層的に組み合わされて作動することから、それぞれの要素についての調節モジュール/回路を考慮し、解明する必要があると思われる。さらに、嚥下障害診断、治療への応用の視点からは、得られたモデルの妥当性の評価、形態のデータと筋電図などの機能データをどこまで説明しうるかを検討することで、誤嚥のバイオメカニクス、加齢変化の説明が可能になるものと期待される。

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

1)生体モデルの基になる医用画像を、2次元画像から3次元画像にupdateする:320ADCTの画像をもとに、4次元の動画作成可能になり、咀嚼から嚥下までの過程を連続して追うことが可能となった。しかし、放射線の照射時間と被曝量が律速段階となっており、現在のところ5sec 程度が限度である。2)体の表面から深い位置に存在する筋の活動記録は可能であるが、これら個々の筋の筋活動を分離することは表面電極では困難である。(以前は針電極の刺入により行われていた。)また、嚥下運動は極めて短時間(約2秒)で終了するため、喉頭蓋の軌跡をCT上で追跡することは困難。妥当性の評価を行うための、形態のデータと筋電図などの機能データとを統合には、位置変化情報と、嚥下音、咽頭圧と筋活動の時空間的変化を計測し、嚥下のタイミングから推測ことが必要と思われる。

今後の研究の推進方策

1)正常嚥下における神経・筋の調節機構の解明:嚥下の各々の過程について、(1)舌運動のバイオメカニクス研究:舌の送り込み運動に関する解析結果→舌背中央部での進行波的波状運動を示し、現実を動かしている挙動や法則を確認、(2)軟口蓋のバイオメカニクス研究、(3)咽頭壁運動のバイオメカニクス研究、食道入口部のバイオメカニクス研究:VFでは、食塊によって食道入口部の開放を推測しているだけで、食道入口部が見えているわけではない(可視化されてはいない)、(4)声門部のバイオメカニクス研究にも使用できるモデルに精度を上げる。
2)統合型嚥下シュミレーションモデルのパラメターの標準化/最適化とシミュレーションソフトのカスタマイズにより、モデルの一般化と妥当性の検証をおこなう。さらに、Parkinson病、筋ジストロフィー患者から、形態およびCT/MRI画像および自発嚥下時の機能データ(嚥下音、筋電図、咽頭圧)、さらには他の脳データfunctional MRI(fMRI)のデータを収集行い、モデルのシュミレーション結果との比較をすすめる。病状の進行状況の追跡により、各々の疾患の診断基準の標準化、治療結果の予測、嚥下障害の神経・筋機構の解明などが可能になると思われる。

次年度使用額が生じた理由

論文投稿に関わる経費(論文投稿料、英文校正費用、出版費用)約35万円の請求を行なっていたが、引き落としが年度をまたいだため、次年度使用額が生じた。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2020 2019

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

  • [雑誌論文] An fMRI Study of Brain Network Involved in Teeth Tapping in the Elderly.2020

    • 著者名/発表者名
      T. Kobayashi, H Fukami, E Ishikawa, K Shibata, M Kubota, H Kondo, Y. Sahara
    • 雑誌名

      Front Aging Neurosci.

      巻: 12 ページ: 32

    • DOI

      10.3389/fnagi.2020.00032

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Serum and saliva cytokines levels in an patients with brain abscess due to periodontitis.2020

    • 著者名/発表者名
      O. Murai, T. Chiba, D. Sasaki , Y. Sahara, T. Yaegashi
    • 雑誌名

      Medical Research Archives

      巻: 8 ページ: 1-16

    • DOI

      10.18103/mra.v8i4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Computational modeling of child’s swallowing to simulate choking on toys.2019

    • 著者名/発表者名
      Yukihiro Michiwaki, Takahiro Kikuchi, Tetsu Kamiya, Yoshio Toyama, Motoki, Inoue, Keigo Hanyuu, Megumi Takai & Seiichi Koshizuka
    • 雑誌名

      Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization,

      巻: 8 ページ: -

    • DOI

      doi.org/10.1080/21681163.2019.1647458,

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 嚥下障害と介護食レオロジー2019

    • 著者名/発表者名
      水沼 博、道脇幸博
    • 雑誌名

      化学工学

      巻: 83 ページ: 473-476

    • 査読あり
  • [学会発表] Biomechanical simulation of swallowing and aspiration.2019

    • 著者名/発表者名
      Y Michiwaki, T Kikuchi, T Kamiya, Y Toyama, M Takai, M Inoue, N Yahiro, M Urabe, T Hashimoto, T Ijiri, H Shinozaki, Y Sahara, S Koshizuka
    • 学会等名
      Medical Engineering of Orofacial Laryngopharyngeal Function
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] An fMRI Study of Brain Network Involved in Elderly Teeth Tapping.2019

    • 著者名/発表者名
      Y Sahara, H Fukami
    • 学会等名
      Federation of the Asian and Oceanian Physiological Societies Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploration of brain region relevant to sweet-sour taste interactions by using fMRI.2019

    • 著者名/発表者名
      H Fukami, N Ono, S Mori, A Kitamura, Y Sahara
    • 学会等名
      European Chemoreception Research Organization
    • 国際学会
  • [学会発表] Computer simulation of swallowing to reveal food features related to aspiration,2019

    • 著者名/発表者名
      Y Michiwaki, T Kikuchi, T Kamiya, Y Toyama, M Takai, M Inoue, N Yahiro, K Hanyuu, S Koshizuka
    • 学会等名
      NSFC-JSPS Joint Symposium Hydrocolloids for Modern Food Function Design,
    • 国際学会
  • [学会発表] 加齢変化と嚥下障害―コンピュータシミュレーションによるモデル化と解析2019

    • 著者名/発表者名
      道脇幸博,橋本卓弥,菊地貴博,占部麻里子,佐原資謹
    • 学会等名
      認知症と口腔機能研究会
    • 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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