国際宇宙ステーション滞在宇宙飛行士に対する高画質ビデオカメラを用いた皮膚遠隔診断 | A Verification Study Using High-Definition Video Camera for Tele-Skin Diagnosis in the International Space Station

国際宇宙ステーション滞在宇宙飛行士に対する高画質ビデオカメラを用いた皮膚遠隔診断

A Verification Study Using High-Definition Video Camera for Tele-Skin Diagnosis in the International Space Station

ABSTRACT
　Recently, Japanese astronauts have stayed in the International Space Station （hereinafter, ISS） for several months. The longer stay in the microgravity environment has been known to have impact on physical and mental health for astronauts. To establish the safety and useful telemedicine system between Japanese Experimental Module （hereinafter, JEM） and Tsukuba space center, a tele-medicine study using the asynchronous store and forward technique has been performed. In this experiment, an astronaut tried to video record his own skin using the high-definition video camera （HDTV camera） by himself.　The video data were transmitted to the ground via a satellite. JAXA medical doctors and dermatologists observed and assessed the video images of skin, after receiving the recorded video data in Tsukuba space center. The skin image data transmitted on the ground showed that the astronaut was able to record his own skin with the HDTV camera alone. We were able to observe the detail of close-up skin images. The attached marks and residues of paste were clearly observed after removal of electrodes for Holter electrocardiography. It was observed that quality of skin image taken with the HDTV camera in the JEM and transmitted by satellite provides with sufficient information for tele-skin diagnosis. Our study revealed that an asynchronous, store and forward, tele-skin diagnosis system using the HDTV camera and satellite has a potential to practical use of the remote skin diagnosis for astronauts living in ISS.

（Received:29 June, 2012 Accepted:26 April, 2013）

Key words:Astronaut, High-definition video camera, Tele-skin diagnosis, Japanese Experimental Module

はじめに
　宇宙飛行士は，微小重力，宇宙放射線，閉鎖環境という特殊環境に長期滞在するため，さまざまな心身への影響が指摘されている^21）。宇宙飛行では，微小重力環境による体液シフトが生じることにより，心・循環器への影響として，心拍出量減少や拡張期血圧の低下が報告されている^1,21）。また，微小重力では筋力を必要としないため，筋肉や骨密度の減少が生じており^3,15,20），さらに，宇宙滞在中に宇宙飛行士の皮膚にも変化が起きることが報告されている^6,18）。Fritsch-Yelleら^5）は，長期宇宙滞在時に頻脈が発生した事例を報告しており，健常な宇宙飛行士でも，急な体調変化が起こりえることを示している。
　これらのように慎重な健康診断により選抜され，訓練を受けた宇宙飛行士であっても，宇宙飛行中にはさまざまな医学的問題が発生するため^6），地上と密接に連携可能な軌道上における宇宙飛行士の健康管理・医療支援技術の構築は重要である。
　2009年より日本人宇宙飛行士も，国際宇宙ステーション（以下ISS）で3ヶ月から6ヶ月の長期滞在が行われている。今後，火星探査などを視野に入れ，より長期の宇宙滞在の有人宇宙開発に向けた宇宙医学の準備も検討されている^2,8,9,13）。宇宙船内という地上から遠く，かつ隔離された環境で，宇宙飛行士の身体状況を地上から把握するためには，遠隔医療技術が有用と考えられるが，地上とは異なる環境のため，より高度な遠隔医療技術が重要となる^7,22）。　今回，我々は，ISSに滞在する宇宙飛行士の健康管理に遠隔医療を活用する目的で，高画質ビデオカメラ（以下HDTVカメラ）を用いた皮膚診断技術の実用化を試みた。宇宙飛行士が被験者となり，HDTVカメラを用いて自身を撮影し，上半身全体などの広範囲な映像，および一部の皮膚を接写した近接撮影の映像を録画した。その映像データを衛星経由で地上に伝送し，地上にて皮膚状況の観察を行った。この宇宙飛行士の軌道上における自らの撮影，地上への伝送，さらに地上における観察に至る一連の工程について検証を行った。

方法
　（1）　実施概要
　ISSの「きぼう」日本実験棟（Japanese Experimental Module，以下JEM）船内にて実験を実施した。下記の機材と方法を用いて皮膚映像を記録した（Fig. 1）。その後，地上へデータを伝送し，つくば宇宙センター（茨城県つくば市）にてデータの観察と評価を実施した。
　（2）　HDTV（高画質ビデオカメラ）カメラ
　HDTVカメラ（キャノン製，XH-G1）の仕様は以下の通りである。
　サイズ:16.3×18.9×35.0 cm，画像素子:1/3型，総画素数:約167万画素，有効画素数:1,440×1,080の3CCD，水平解像度:800 TV本，被写体照度範囲:0.4ルクスから約10万ルクス，撮影レンズ:4.5-90 mm F1.6-3.5 （32.5-650 mm（35 mmフィルム換算），オートフォーカス機構:TTL（through the lens） AF（Autofocus）＋外測センサー方式，露出制御:オートアイリス制御，ホワイトバランス:オート，測光方式:中央部重点平均測光，電源:DC 7.4 V（JEM船内ラックから供給されるDC 120 VをDC/DCコンバータを使用し変換して使用），消費電力　約7.1 W，映像記録規格:HDV 1080i，信号方式:NTSC方式準拠1080/60i方式，記録媒体:ミニDVカセット（ミニDVテープ63 Minを使用），表示用液晶画面:2.8型ワイド液晶，約20.7万画素，映像出力端子:HDV端子（IEEE1394準拠）。
　（3）　映像記録方法
　HDTVカメラをJEM内の壁面に設置してある実験装置等を設置するラックのシートトラックに，カメラ用アーム（G1-Camcoder Fixture）を用いて固定した（Fig. 2）。撮影は，被験者自身がHDTVカメラを操作し，自らを撮影した。映像は，HDTVカメラ内に納めたミニDVカセットに記録した。
　（4）　データ伝送
　ミニDVカセット上に記録した映像データは，ISSが地上局へのデータ伝送（ダウンリンク）が可能な時間帯に送信した。HDTVカメラの再生機能を用いて，HDV端子経由でデータを伝送可能な方式に変換し，Kuバンドの周波数帯域を用いてNASA追跡データ中継衛星（TDRS），NASA地上送受信局（ホワイトサンズ）までダウンリンク（50 Mbps）し，地上回線にてNASAマーシャル宇宙センターを経由して，つくば宇宙センターへ伝送した。つくば宇宙センターでは，映像データに再変換しコンピューター上に保存後，HDTV用ビデオ機器にてミニDVカセットに記録・保存を行った。
　（5）　地上における映像データ観察
　つくば宇宙センターまで伝送された映像データは，高精細モニター（24インチモニター Victor DT-V24L ID）に再生表示し，皮膚の状況を評価した。
　また，映像データから，撮影環境や運用手法の課題を抽出した。
　結果に示す静止画像は，映像データ（MPEG-2形式）をコンピューター（iMac 27-inch Apple社）上で再生し（VLC media player Video LAN organization），適時静止させ画像を抽出した。
　（6）　被験者の同意と参加
　日本人宇宙飛行士1名が被験者として参加した。宇宙航空研究開発機構の人間を対象とする研究開発倫理審査委員会による研究計画（倫理委12-2-2）の承認（2007年12月19日）を得た後に，被験者からインフォームドコンセントを得た。

Fig. 1 Tele-skin diagnosis system from JEM to Tsukuba space center （A）;HDTV camera recording in JEM （B）;Skin-image observation at Tsukuba space center （C）

Fig. 2 HDTV camera and lighting environment. A HDTV camera （a） is fixed to the seat track （b） of the “Kibo” module rack with the arm （c）. Fluorescent lights （d） installed in JEM.

結果
　ISS長期滞在中に， HDTVカメラによる皮膚の撮影，地上への伝送，ISSと地上間における皮膚遠隔診断の実用化に向けた検証を2回行った。
　（1）　撮影環境と映像データ
　HDTVカメラは，JEM内の壁面にカメラ用アームで固定し，被験者が自ら撮影する際に用いた（Fig. 2）。また，撮影時は，微小重力環境では被験者の体が浮遊するため（Fig. 3），手すりやフットベルトを用いて体の位置を保持した。
　被験者自身の操作により，JEM内の壁面に固定したHDTVカメラを用いて撮影する際，HDTVカメラの表示用液晶画面（2.8インチ）をレンズと同方向に向けて，被験者がHDTVカメラに記録される映像を確認しながら撮影した。その結果，皮膚遠隔診断に必要な自らの上半身や皮膚映像を撮影することが可能であった（Fig. 4, 5, 6）。
　上半身の撮影では，最初に，心電計用電極装着前の比較対照用として画像色確認用カラーパネルを腹部近辺に保持しながら胸部の皮膚をHDTVカメラにて撮影した（Fig. 4-A）。次に，ホルター心電計および電極を装着してから24時間経過後に撮影し（Fig. 4-B），電極を剥がした跡の皮膚状況を撮影，保存した（Fig. 4-C）。
　映像には，撮影時の体の位置と光の当たり具合によって，陰となる部分が発生（Fig. 4-Bの左上半身）し，同じ部位であっても皮膚の色合いに違いを認めた。なお，本実験では，撮影用光源はJEM内に設置された蛍光灯を利用し（Fig. 2），300ルクス以下の照度環境で撮影を行った。
　また，皮膚の近接撮影では，電極跡を拡大して撮影した場合（Fig. 5）や，皮膚を指で圧迫した実験（Fig. 6）の映像から，HDTVカメラのオートフォーカス機能により，焦点が合っていることが確認できた。これは，被験者自ら行うHDTVカメラを用いた撮影環境でも，皮膚状況の近接撮影を行うことが可能であることを示した。
　（2）　データ伝送
　HDTVカメラ内に保存した映像は，JEMからNASA地上送受信局に，データダウンリンクが可能な時間帯に伝送し，その後，つくば宇宙センターへ地上回線を用いて伝送した。1回目の撮影データは，撮影当日には地上にダウンリンクされず，4日後にダウンリンクできた。2回目は，NASAとの調整の結果，撮影直後にダウンリンクすることができた。
　今回，ISSからつくば宇宙センターへのダウンリンク経路は，ISSからNASA追跡データ中継衛星（TDRS）を経てNASA地上送受信局（ホワイトサンズ）までダウンリンクし，さらに地上回線にてNASAマーシャル宇宙センターを介して，つくば宇宙センターへ伝送が行われた。このように複数の拠点を介したデータダウンリンクではあったが，1回目の映像は，映像時間1分40秒分，ダウンリンクされたデータ量341 MB，ダウンリンク所要時間約1分間であった。2回目に撮影された映像時間は合計3分（データ量571 MB）で，ダウンリンク所要時間約1.5分間であった。ダウンリンク時の伝送速度は，約48 Mbpsと計算された。
　また，ダウンリンクした映像データは，コンピューター上に保存後，HDTVビデオ機器にてミニDVカセットに保存した。ISS内で記録したミニDVカセットは，宇宙飛行士の帰還時に持ち帰り，伝送したデータと比較した。
　（3）　データの評価
　つくば宇宙センターでは，映像データを高精細モニター，およびコンピューターで再生し，映像上から皮膚を観察した。地上へ伝送された映像の再生では，上半身全体が撮影された映像（Fig. 4）および近接撮影した映像（Fig. 5, 6）を観察した。
　近接撮影では，高精細モニターで観察すると，皮膚上の電極跡が明瞭に観察され，さらに発赤や，電極シートの糊の残留小片も観察できた（Fig. 5）。さらにコンピューターを用い，画面内の一部の部位を拡大しながら観察を行ったが，皮膚上の個々の毛穴や1本単位の体毛を確認できた。なお，図上の白線は，大きさを把握するための便宜上の長さを示す。
　さらに微細な皮膚変化を観察するため，皮膚を指で圧迫解除する様子を撮影し解析した（Fig. 6）。Fig. 6-Aは，指で胸部の皮膚を圧迫している状態を示す。その圧迫から開放した直後の状況（Fig. 6-B）では，虚血性の圧迫領域と周囲の発赤を認め，約0.7秒後に虚血部が赤みを帯びる様子（Fig. 6-C）を認めることができた。HDTVカメラによる皮膚の近接撮影により，宇宙飛行士の微細かつ急速な皮膚変化を捉えることができた。
　これらの映像データ分析時には，ビデオ映像の再生を一時的に停止し，静止画として観察を行ったが，HDTVカメラで撮影された映像は，静止画として観察しても充分な質を保っていることが確認できた。
　また，被験者がISS滞在終了後，地上に持ち帰ったビデオテープを再生して比較したが，目視による映像上の観察では，地上に伝送され保存した映像と，地上に持ち帰ったビデオテープの映像に違いを認めることはできなかった。
　また，静止画の分析時に，映像上に複数の白いドットを認めたが，異なる時間帯に撮影された映像上にも同様な場所に存在した（Fig. 7）。同一のHDTVカメラを用いて，同じ位置に認めたことから，HDTVカメラのCCD素子（撮像素子）の一部が，宇宙線の影響により壊れたために発生した現象であると推測された。

Fig. 3 Preparation of video recording in microgravity environment. Hand grip to prevent floating （A）;A floating in JEM （B）.

Fig. 4 Photography of the upper body of the astronaut. Pre-recording image with a color standard panel （A）; Recording image with Holter electrocardiograph and electrodes （B）;Post-recording image after removal of Holter electrocardiograph and electrodes （C）.

Fig. 5 Close-up skin marks after removal of electrodes. The arrows in A and C are remaining pastes from the electrodes. A White line in the B and C shows 50 mm length （approximate length）.

Fig. 6 Close-up images during （A）, immediate after （B）, and 0.7 second after finger pressure （C）. A white line in the B indicates 10 mm length （approximate length）.

Fig. 7 Influence of space radiation to CCD sensor in the HDTV camera. The arrows in the A and B indicate dented broken CCD sensor elements. The small rectangles in the pictures show the enlarged area of the one of the influenced CCD sensors.

考察
　遠隔医療において，映像および音声を伝送する手法には，リアルタイムで双方向に送受信可能なビデオカンファレンスシステムを利用する「同期型」^11）と，撮影した画像，映像を別途伝送し，観察，評価，診断する「非同期型（ストアアンドフォワード）」がある^{4,12,14,17）}。
　本研究では，非同期型で実験を行った。その理由は，実験時には，JEMからつくば宇宙センターへの映像データ伝送は，ダウンリンク可能時間に限定されていたためである。火星探査のように，さらに遠距離・長期間の有人宇宙飛行の場合，通信環境の観点から非同期型システムが有用になると考えられる。非同期型の遠隔医療システムを用いた皮膚がん診断を対面診療による診断と比較した研究では，90%以上の診断が一致したとの報告もなされている^12,14）。しかし，非同期型の遠隔医療システムを用いて，映像を観察・評価・診断する場合，撮影時の状況を把握しにくい場合もある。Moulinらは，皮膚遠隔診断として，総合医が撮影して，皮膚科専門医へ画像を送る場合，撮影者は皮膚診断医が必要とする画像のポイントをあらかじめ理解し，撮影技術を習得することが重要と述べている^4）。
　本実験では，JEM内で被験者が自ら皮膚の撮影を行い，診断可能な映像を得ることができたが，微小重力環境やISS内部の環境を模擬した撮影訓練を事前に実施することが望ましい。被験者自身が自己の皮膚を撮影するため，撮影開始時や停止・終了時に，HDTVカメラのスイッチを操作する必要があった。再度撮影する場合，体の位置がずれたり，撮影部位の明暗や色合いに違いが発生することが想定される。これらの問題を解決するためには，自己撮影時に手元で操作可能な有線式リモートコントローラーの導入が有用と考えた。また，撮影部位の明暗や色合いに違いは，照明環境の影響も考えられ，被験者と室内蛍光灯との位置関係に配慮することや，補助照明を準備することが望ましいと考える。
　医療画像の色合いは，診断に影響することが指摘されており^16,19），本研究でも，色合いを検討するため，カラーパネル（色標本）を用いて被験者の撮影が行われたが，胸部と腹部など，上半身全体の撮影に限られた。そのため，皮膚を拡大撮影した映像では，複数の映像上の色合いを比較することができなかった。今後は，より小型のカラーパネルを準備し，撮影状況に応じて，カラーパネルと撮影部位の皮膚を同じ映像内に入れる工夫が必要と考えられた。また，撮影環境に制約があるISS内では，Pouckeら^19）が報告したような自動カラー調整機能が有用ではないかと考えた。
　今回撮影された映像上に複数の白いドットが認められ，HDTVカメラのCCD素子の一部が，宇宙線の影響により壊れたために発生した現象であると推測されたが，現在では改良されたC-MOSカメラが搭載されており，白いドットのない高画質の映像が取得できる環境となっている。
　また，今回行った宇宙飛行士の皮膚遠隔診断手法を，米国遠隔医療協会において策定されている皮膚診断実施ガイドライン^10）と比較が可能か検討を行った。今回の実験は宇宙環境で行われ，そのガイドラインで想定された地上の撮影環境とは異なるため，ガイドライン全体との比較はできなかった。しかし，本研究に用いた撮影機器と観察用モニターの性能は，そのガイドラインに記載されたる技術仕様以上のものであり，映像面では充分な環境であったものと考えられた。
　このような映像環境とともに，皮膚科専門医により行われた皮膚映像データの観察結果から，本研究において検証したHDTVカメラを用いた非同期型の遠隔医療システムは，宇宙飛行士の皮膚遠隔診断に充分利用でき，実用化可能であると考えられた。

まとめ
　本研究では，JEM内で宇宙飛行士が自ら皮膚をHDTVカメラで撮影し，その映像を地上へと伝送した後，地上で映像を評価する非同期型の皮膚遠隔診断システムの軌道上検証を行った。宇宙飛行士が自らの皮膚をHDTVカメラで撮影した映像は，近接撮影を含め，詳細な皮膚状況を評価でき，この皮膚遠隔診断は実用可能なシステムであることが確認できた。また，今後の改善点として，照明の工夫や，小型カラーパネルの準備の必要性などが明らかとなった。
　このような遠隔医療技術の開発や検証は，長期間宇宙滞在する飛行士の健康管理に有用であると考える。

謝辞
　本研究実施と皮膚遠隔診断の評価にご協力を頂いた児崎章JAXA開発部員（当時），田山一郎JAXA開発部員（当時），村瀬澄夫元信州大学医学部附属病院医療情報部教授，斎田俊明信州大学皮膚科学教授（当時），宇原久信州大学皮膚科学准教授，その他JAXA有人宇宙技術部，信州大学医学部附属病院医療情報部，および宇宙技術開発株式会社の関係者の皆様に厚く御礼申し上げます。

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