骨の圧電性を利用した非侵襲“骨質”センシング

利用骨压电进行非侵入性“骨质量”传感

• 批准号: 22K19912
• 负责人: 生嶋 健司
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Tokyo University of Agriculture and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K19912/
• 关键词: 医工学; 超音波; 音響誘起電磁法; 圧電効果; コラーゲン; 骨粗鬆症

本研究の目的は、音響誘起電磁法（ASEM法）を用いて、骨コラーゲンの結晶性（配向性）を非侵襲に評価する“骨質”センシングを実現することである。ASEM法は、対象物の圧電性を通して、超音波（音圧）によって誘起される電気分極（圧電分極）を検出し、超音波走査によりその分極の空間分布を画像化する手法である。骨の圧電性は一軸配向したコラーゲン線維に由来しているため、圧電性を利用することにより、非破壊・非脱灰に骨コラーゲン線維を評価できる。本研究では、骨粗鬆症に着目し、骨コラーゲンの健全性（線維構造と力学特性）と圧電性との相関を明らかにし、骨質のin-vivo評価に挑戦する。ASEM法は、非破壊・非脱灰での骨コラーゲン評価、さらには非侵襲ヒト診断につながる可能性を有しており、本研究手法の確立は、骨粗鬆症の学術研究・診断応用の両面において大きな変革をもたらすことが期待される。2022年度において、ラット骨粗鬆症モデル（膝関節不動化モデルおよび糖尿病モデル）を用いて、健全骨と疾患骨におけるASEM信号強度（圧電分極）を比較したところ、特に骨幹端部において有意差をもってASEM信号が減少することが見出された。また、骨の圧電分極の異方性を検出する手法を開発し、線維構造に起因する異方性を示すことが明らかにされた。このことは、ASEM信号の大きさや向きから骨コラーゲンの配向性を評価できることを示唆する。一方、動物in-vivo実験やヒト測定を可能とするアレイプローブを用いた測定系の開発に取り組み、ヒト体内における圧電分極の画像化に成功した。

这项研究的目的是实现“骨质”感测，该传感非侵入性地评估了使用声诱导的电磁方法（ASEM）的骨胶原蛋白的结晶度（方向）。 ASEM方法检测通过物体的压电性超声波（声压）诱导的电偏振（压电极化），并通过超声扫描图像极化的空间分布。由于骨骼的压电性来自单轴导向的胶原蛋白纤维，通过利用压电性，因此可以对骨胶原纤维进行非破坏性和未固定化的评估。这项研究的重点是骨质疏松症，阐明了骨胶原完整性（纤维结构和机械性能）与压电性之间的相关性，并挑战了骨质质量的体内评估。 ASEM方法有可能导致非破坏性和未降低的骨胶原蛋白评估以及非侵入性人类诊断，并且预计该研究方法的建立将在骨质疏松症的骨质疏松症的学术研究和诊断应用中带来重大变化。在2022年，使用大鼠骨质疏松模型（膝关节关节固定模型和糖尿病模型）比较健康和患病的骨骼中的ASEM信号强度（压电极化）时，发现ASEM信号会随着形而上的末端而有显着差异，尤其是在形而上学的末端。此外，开发了一种方法来检测骨压电极化的各向异性，并发现它表现出由纤维结构引起的各向异性。这表明可以根据ASEM信号的大小和方向来评估骨胶原方向。另一方面，我们曾使用阵列探测器开发一个测量系统，该阵列探针能够使动物体内实验和人体测量，并成功地对人体中的压电极化成像。

项目成果

Acoustically induced electric and magnetic polarizations and their sensing applications

声感应电场和磁极化及其传感应用

• DOI: 10.35848/1347-4065/acc8dc
• 发表时间: 2023
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: 二井 昭佳;岡田 一天;赤上裕幸;鹿子木康弘;小林俊輔;Kenji Ikushima
• 通讯作者: Kenji Ikushima

Acoustically induced electric polarization in bone and its anisotropy

骨中的声诱导电极化及其各向异性

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuki Sakakura;Yamato Anzai;Yoshitsugu Kojima;Mami Matsukawa;Kenji Ikushima
• 通讯作者: Kenji Ikushima

Acoustically induced electric and magnetic polarization and its sensing applications

声感应电和磁极化及其传感应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Supparat Charoenphon;Pakpoom Reunchan;and Isao Watanabe;Kenji Ikushima
• 通讯作者: Kenji Ikushima

First Human Experience with Acoustically Stimulated Electromagnetic (ASEM) Signal Measurement of Bone

人类首次进行骨声刺激电磁 (ASEM) 信号测量

• 发表时间: 2022
• 作者: Ito Kazuyo;Lye Theresa H.;Dan Yee Shan;Yu Jason D.G.;Silverman Ronald H.;Mamou Jonathan;Hoang Quan V.;Kazuyo Ito
• 通讯作者: Kazuyo Ito

測定装置及び測定方法

测量装置及方法

• 发表时间: 2021