医療電子工学研究室

　医療電子工学研究室は、最先端の医工学研究を通して、生体の神秘なるものに率直に驚きを感じ、 疑問を持ち続け、情熱と楽しみをもって深く探求していくことを目指しています。 深く探求すればするほど、知らなければならないことが見えてくるはずだからです。
　具体的には、医療AI、医療および生体計測に最適な極限性能のレーザーの設計?開発技術、 コヒーレンス制御技術、超解像顕微技術、位相制御技術、偏極スピン制御技術、 微小磁場計測技術、光化学反応を応用した技術、細胞の電気生理学的計測技術、 システム手法による生体シミュレーション技術、生体信号の伝播波形解析技術、 非侵襲計測による骨格筋の組成推定技術、活動運動単位解析技術、トレーニング効果評価技術など、 我々に或るありとあらゆる先進の医工学技術を駆使し、想像力を働かせて、 生体の不思議な構造とダイナミクスといった神秘なるものを少しでも理解し、治療に応用し、 世界に発信し、世の中の役に立てることを目標にしています。

1960年にレーザーが発明されて以来、レーザーは家電、通信、計測、エネルギー利用、医療、芸術など多くの分野で利用されてきた。しかしレーザーであっても万能ではない。従来の医療における成功例を見ると、医療側のニーズとレーザー側のシーズが“幸運”にも一致した“偶然”の上に成立していて、一致できなくて眠っている医療応用は数限りない。 最近の材料技術、微細加工技術の進展を目の当たりにすると、新たなブレークスルーが期待できる。 医療電子工学研究室では先進のレーザーシステムを駆使できるので、医療材料のナノ加工など、その応用研究も含めて研究を推進していく。

ヒト心臓から発生する微弱な磁場を多チャンネルの磁場センサで磁場計測し2次元マッピング解析を行う心磁図検査は、原理的に心電図法よりも高い空間分解能?高い感度で心臓電気活動を評価できると期待されている。またいっぽう大脳皮質のニューロンから発生するfT オーダの極微弱な磁場計測は、ヒトの脳神経活動を非侵襲的に調べる上で大変重要な役割を果たすと期待されている。現在、脳磁計(MEG)の磁場センサとして1 fT/Hz^1/2オーダの感度を有する超伝導量子干渉素子（SQUID） が使用されている。超伝導量子干渉素子（SQUID）は液体ヘリウムを用い極低温状態でしか動作できず、装置が大型になり、さらに維持費が高い問題点がある。本研究では、極限的なレーザーの性能で切り開くことができる、新しい磁場イメージセンサの開発を行う。SQUIDの性能を超えることを目標としている。

??電流誘導磁気トモグラフィー(CIMT)技術の研究
測定対象物に微弱な高周波電流を流すことで、測定対象物内部から導電率分布を反映した高周波の磁場を発生できる。CIMT(Current-Induced Magnetic Tomography：電流誘導磁気トモグラフィー)とは、この磁場を複数の磁気センサで測定し、逆問題を解くことで測定対象物内部の導電率分布をイメージングしようとするものである。

??超偏極希ガスの生成法と医療用極低磁場MRI計測技術の研究（国立研究開発法人 産業技術総合研究所 計量標準総合センターとの共同研究）
臨床で用いられているMRIは1.5Tや3.0Tと高磁場を使用しているため、強い磁場を発生させるために生じる装置の大型化、それに伴う高コスト化やシールドルーム設置が避けられなかった。近年これらとは対照的に極低磁場で核磁気共鳴イメージングを行う研究がされており、低コスト、装置の小型化が図られている。しかし、極低磁場MRIはそのほとんどがプロトンのイメージングに特化した仕様になっている。そこで本研究では、リンやキセノンなど水素原子以外の原子についてもイメージングが行える装置へ展開する。

??生体内の磁場発生源の位置推定におけるディープラーニング
生体内から発生する磁場として、拍動に伴う微小電流から生じる磁場、脳の活動に伴う微小電流から生じる磁場、肺に沈着した微粒子によって生じる磁場、筋肉の活動に伴う微小電流から生じる磁場、眼球の活動に伴う微小電流から生じる磁場、脊髄に微弱な電気信号が流れる事で生じる磁場など、様々ある。ただし、骨格や体皮による影響を少なからず受ける生体電位とは異なり、磁場であれば、体内の深部からの微弱な信号も高感度な磁気センサによる検出することができるし、精度の高い位置推定にも適している。しかしこの計算過程は非線形逆問題であるため、解を得るためには一定の技巧が要求され、また適切な解を得るのは必ずしも容易でない。ディープラーニングを用いることで、位置推定精度、計算速度で従来方法を上回る結果を目指す。

??極低磁場MRIにおけるディープラーニングによる画像再構成
極低磁場MRIにおけるディープラーニングによる画像再構成(DLR)を行う。DLRでは、極低磁場MRIデータと、それに対応する高品質データ（target）を用意し、ディープラーニングでニューラルネットワークを教育する。この教育されたニューラルネットワークに新たに計測された極低磁場MRIデータを入れると、画質が改善された画像が生成される。

??電気インピーダンストモグラフィ(EIT)の電流注入パス推定におけるディープラーニング
EITは生体内の各組織で電気インピーダンスが異なる事を利用して生体内部を可視化する技術である。そのために、微弱電流(5mA)を流し、それを他の電極で受信して電圧を測定する事を順次繰り返す。あらかじめ電流注入パス推定における深層学習することで、逆解析することができる。

??3D超解像顕微技術の開発（オリンパス、NTT-AT、医学部、海洋生命科学部、理学部との共同研究）
生命科学の研究現場では、細胞内の生命現象を司るサイズ100nm以下のオルガネラの機能を分析できる研究ツールが強く求められている。本プロジェクト研究では、蛍光タンパクの蛍光抑制効果を用いた超解像顕微法において、断面方向および深さ方向の分解能を同時に向上できる３次元超解像顕微鏡システムの開発を研究目的とする。オリンパスは独自のダークホール型ビームによる超解像顕微法を開発し、蛍光色素でその有効性を実証してきた。いっぽう博狗体育在线_狗博体育直播【官方授权网站】@では、独自の波長変換技術と医療レーザー技術を開発してきている。双方が共同研究することにより、新たに蛍光タンパクを対象にする、独自のレ一ザ一技術に基づくレーザー走査型顕微鏡に、共同研究者の発案による照明光学系を搭載し、オルガネラを空間的に２点分解できるゼプトリットルの立体分解能をもつ３次元超解像顕微鏡システムを開発することを目指す。

概要
筋収縮活動時の多チャンネル表面筋電図を測定し、筋線維を伝播する活動電位由来の波形を筋電位波形(伝播波)から推定?抽出することで、筋線維構成推定や動員メカニズム解明の実現を目指す。また非侵襲測定による筋力トレーニング効果の客観的評価や筋活動観察への伝播波解析応用を目指す。
背景： 骨格筋を構成する筋線維は、神経筋接合部から発生する活動電位が筋線維に沿って伝播することで筋収縮運動を行う。収縮力の調整は動員する筋線維の数や種類、発火頻度の変化によって行われる。 筋運動時の非侵襲測定として表面筋電図が広く使われている。表面筋電図は複数筋線維の活動電位の干渉波を皮膚上から差動電位として取得する。そのため多種の筋線維収縮の情報が内在すると考えられ、これらを個々に抽出することが出来れば筋線維構成の推定や動員メカニズムの解明等、筋収縮運動解析の発展が期待できる。そのため既存の解析で用いられる電位信号の振幅情報や周波数解析による評価とは異なる、筋電図を構成する要素を特定、解析する手法が必要となる。
これまでの成果： 表面電極を列状に並べ多チャンネル表面筋電図として取得した際、複数チャンネル間を渡り移動するような波形形状が複数現れる。この波形を活動電位伝播に由来する波形として着目、伝播波と称し、これらを定量的に自動判定?抽出する手法を提案した(図1)。これにより一組の多チャンネル表面筋電図から複数伝播波の抽出を可能とした。 先行研究では利き腕の上腕二頭筋について、肘の屈伸による負荷の持ち上げ運動を行った際の多チャンネル表面筋電図を提案手法により解析した。これより、取得した伝播波を振幅、伝播速度から二次元分布として見た際に、負荷量や経時、複数日による同一運動の反復トレーニングによって構成が変化することが確認できた(図2)。 伝播波を新たな解析指標とし、その構成を調べることで筋力トレーニング効果の客観的評価や神経?筋疾患の非侵襲診断への応用可能性が見込める。
課題： 多チャンネル表面筋電図の伝播波構成は、複数活動電位の干渉波、つまり活動筋線維の構成推定に繋がると考えられる。この実現のため、伝播波構成が示す情報をより明確化する必要がある。そのため、別指標による多面的な筋活動解析や様々な生理的知見との比較等が必要となる。 　また、非侵襲測定であること、伝播波の自動取得により電極位置や解析位置の測定者の定性的判断による調整が必要ないことから、ウェアラブル端末を用いた筋活動評価システムへの応用が見込める。しかし、列状電極を使用していることから、筋線維方向と電極列の方向の差が筋電位取得に大きく影響することが考えられる。そのため、列状電極に代わりマトリクス状電極(図3) を用いることで、空間的な伝播特徴を明らかにする必要があると考える。