LED 光音響イメージングによる血液体外循環回路内血液凝固予知保全のための輝度範囲選定
和部 崇洋 a，鈴木 亮 b,c，藤井 昭光 d，内田 庸助 e，丸山 一雄 b,c，内田 恭敬 a
Selection of brightness range for predictive maintenance of blood clotting in
extracorporeal circulation circuit by photoacoustic imaging of LED light source
Takahiro Wabe a, Ryo Suzukib,c, Akimitsu Fujiid, Yohsuke Uchidae, Kazuo Maruyamab,c,Yasutaka Uchidaa
Abstract
In extracorporeal circulation, blood from the body is removed. Although measures have been taken, blood
coagulation occurs in the extracorporeal circulation circuit. Blood coagulation in the extracorporeal circulation
circuit causes clogging in the circuit and raises the pressure inside the circuit. The pressure inside the circuit ismeasured by a pressure sensor, but the response is posteriori. Therefore, in our preliminary research, we
performed predictive maintenance using photoacoustic imaging of LED light sources. Preliminary studies haveconfirmed the possibility of measuring changes in blood clotting over time using an extracorporeal circulation
device. However, if the image obtained by photoacoustic imaging is used as they are, there is a problem thatthe amount of data is large when performing analysis and it takes time to process. We investigated a feature
extraction method for changes in brightness over time in photoacoustic imaging so that the image obtained canbe reduced in capacity and lead to predictive maintenance with a low load on the system.

Keywords: Blood clotting, Photoacoustic imaging, LED, Extracorporeal circulation therapy,Luminance
Received August 1, 2021; accepted September 21, 2021

a Teikyo University of Science, Department of Life & Health Sciences , Faculty of Life &Environmental Sciences, 2-2-1, Senjyusakuragi, Adachi-ku., Tokyo 120-0045, Japanb Faculty of Pharma-Science, Teikyo University, 2-11-1, Kaga, Itabashi-ku, Tokyo 173-8605 , Japanc Advanced Comprehensive Research Organization (ACRO), 2-21-1, Kaga, Itabashi-ku, Tokyo1730003 , Japand Tokyo College of Medico-Pharmaco Technology, 2-11-1 Higashikasai, Edogawa-ku, Tokyo 1340084, Japane Shuto iko, 1-7-3 Nishisinjuku, Sinnjuku-ku, Tokyo 160-0023 , Japan)
abcde

帝京科学大学 生命環境学部生命科学科, 〒120-0045 東京都足立区千住桜木 2-2-1
帝京大学 薬学部, 〒173-8605 東京都板橋区加賀 2-11-1
Advanced Comprehensive Research Organization(ACRO), 〒173-0003 東京都板橋区加賀 2-21-1
東京医薬専門学校, 〒134-0084 東京都江戸川区東葛西 6-5-12
首都医校, 〒160-0023 東京都新宿区西新宿 1-7-339

１ 緒言
血液が異物に接触すると凝固することは周に，光音響イメージングの経時的な輝度変化の知の事実である。したがって，血液浄化療法，回路の測定対象には，空気塞栓を防ぐためのエ

人 工 心 肺 ， ECMO(Extracorporealmembrane

アートラップチャンバとした。なお，エアートoxygenation)などに伴う血液体外循環療法は，回ラップチャンバには，発生した血栓が血液体外路内での血液凝固の危険に晒されている特徴量抽出法を検討した。なお，血液体外循環

1)～3)。

循環回路から体内に流入するのを防ぐため，微COVID－19 感染重症者の治療として最後の砦

小凝集塊補足フィルタが含まれている。以前のと言われている ECMO においては，血液と血研究報告では，血液体外循環回路を模擬したマ

液体外循環回路との異物反応以外にも回路内イクロチューブ内の血液を，LED 光源の光音響の血液凝固が進む場合がある。過剰な免疫・炎イメージングにて測定し，光音響イメージの画症反応いわゆるサイトカインストームを伴っ像の低容量化をはかり，光音響イメージングのた凝固活性化や血栓症や播種性血管内凝固経時的輝度変化の特徴量の抽出を行った 16)。

（DIC）発症などが，それである 4)～8)。血液を体外循環する回路内では，上記の様に，様々なRoller pump

要因により，血液凝固が発生する。血液凝固を防ぐためにさまざまな試みがなされており，抗Air trap chambe

凝固剤（ヘパリンなど）を使用した予防方法がDialyz

現在主流となっている 9)～12)。しかし，ヘパリン

err
Air trap chambeなどの抗凝固剤では，血液凝固への対策として

rBloodflowは不十分である。

Pressure sensor

回路がつまると，血液体外循環回路内の圧力センサーによって検出されるが，回路内の血液の流れが極端に遅くなり，回路が詰まってから検出されるので，検出は事後的になってしまう。

Fig. 1. Schematic diagram of the blood flow in theblood purification circuit.

血液凝固の事後的検出は，回路内の回路の交換，血液の破棄などの急な対応を医療従事者に強２ 実験
Fig.2 に，この研究で使用した実験装置の概略いることにつながる。しかし，血液体外循環回図を示す。LED 光源の光音響イメージング装置

路内の，血液凝固の変化を事前的に観察するにには，AcousticX（CYBERDYNE,INC．
）を用いは，従来の方法よりも感度の高い方法が必要とた。急性期体外循環療法で使用される血液循環なる。そこで，新しい測定方法として，光音響法が試みられている 13)～15)。私たちの研究では，
血液浄化療法中に血液体外循環回路で発生す回路には，血液を約 80mL 注入して，ローラーポンプにて流速 60 ml/min で回路内を循環させた。血液の温度は血液浄化療法で一般的に用いる血液凝固の経時変化を予知保全的に測定すられている 37℃に設定した。測定器の設置につることを目的としている。しかし，予知保全のいては，これまでの研究を参考にしている 17),18)。

測定を光音響イメージングにて行う際に，光音光エネルギーは約 200μJ/pulse で，波長は 850nm

響イメージングの画像を，そのまま用いて分析とした。超音波プローブには，7MHz の周波数を行うとデータ量が大きく，処理に時間が掛かを選択した。

るなどの問題がある。そこで，本研究では，光前回の実験では，測定対象の壁面が固く，超音響で得られたイメージを低容量化して，シス

音波プローブより小さいマイクロチューブだ

テムに低負荷の予知保全につなげられるよう
40

３ 結果
光音響イメージングによる経時的変化を，フリーソフトの ImageJ を用いて画像化（B モード）した。結果を Fig.3 (a) グルコン酸カルシウ
ム注入直後，(b)注入 10 分後に示す。測定開始と 10 分後の測定データから写真の水平方向にピクセルごとの輝度の分布を調べた。なお，凝Fig.2

固促進剤注入後 10 分では，血液凝固を進み血Configuration diagram of thisexperiment

液体外循環療法として体をなさない形になっている。

ったため，水中で測定した。本実験では，血液体外循環装置を用いて，実際の血液体外循環回路内の血液凝固の経時的変化に伴う輝度変化の特徴量抽出を検討した。血液体外循環回路の測定部位であるエアートラップチャンバは柔
らかく，超音波プローブと同じぐらいの大きさなので，超音波プローブをエアートラップチャンバに直付けして測定した。
血液には，市販の羊の血液を使用した。詳細は以下の通りである。
Fig.3 images from photoacoustic imaging

使用血液：緬羊無菌保存血液（100 ml／容器）

Fig.3 の測定データ（グレースケール画像）を12070210 コージンバイオ株式会社

上から 5 分割して，輝度分析を行った。結果の抗凝固剤入り（アルセバー液）

一部を Table 1 に示す。縦軸を輝度（0～5，250～255），横軸を測定箇所（縦から 5 分割）とし使用する市販の血液は輸送のために，血液にた。各 pixel の輝度の特徴量抽出は，ImageJ に抗 凝 固 剤 の ア ル セ バ ー 液 (ALSEVER’Sて行った。

SOLUTION)で，抗凝固処理が施されている。血

Table 1An example of brightness
measurement results from a grayscale image

液凝固を促進するためには，血液凝固に必要なカルシウムが必要になってくる。そこで，グル10minutes

コン酸カルシウムを生理食塩水に溶かして，血M easurement points

Immediately

123451234501518151315000001241210000022060000000メージングによる経時的変化を，フリーソフト

3131120000041221200000の ImageJ を用いて画像化（B モード）した。さ50111100000250

31313000002510111600000

統計処理した。画像の輝度は 256 段階に分割し252

1313100000253

1513100000た。光音響現象が強く出ると，白くなり(輝度254

1451000000255

131919131600000Brightness

液に注入して凝固を促進させた。グルコン酸カルシウムにより血液凝固を促進させ，光音響イらに，MATLAB により凝固前後の輝度の変化を255)，反応が低いと黒くなる(輝度 0)。
41

次に，Table 1 から，MATLAB Diagnostic Feature

限が上がっており，より取り扱うデータ量がDesigner（MATHWORKS）を用いて，特徴量を削減できた。

抽出した。さらに，MATLAB を用いて T-test をLED 光源の光音響イメージングにて循環し算出した。各輝度の T-test 一覧を，Table 2 に示ている血液体外循環回路を測定して，光音響す。Table 2 の数字は輝度（0～255）を表しておイメージングの経時的輝度変化の特徴量の抽り，各輝度での T-test の結果を色分けして表し出を行い，扱うデータ量の低容量化が出来たとている。T-test 6 を青色， 7 を緑色，8～10 を言える。

黄色，11 以上をオレンジとした。色分けは信頼区間を基準としており，以下の通りに区分

謝辞

けしている。青色：約 60～70％，緑色：約 70

本実験にご協力いただいた CYBERDYNE の佐藤～80％，黄色：約 80～90％，11 以上をオレン直人氏に感謝いたします。

ジ：約 90％以上。連続的に変化の T-test の信頼区間が 60％以上の箇所を分析すると，輝度

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時の着目すべき輝度範囲と定めた。

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４ 結言
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～169 となっており，マイクロチューブ時より輝度の上限に変化は見受けられないが，下42MaterialSymposium

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