生理環境下での細胞測定に適した近接場テラヘルツ顕微鏡の開発とその応用
| Project/Area Number |
20K20536
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
芹田 和則 大阪大学, レーザー科学研究所, その他 (00748014)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
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| Keywords | テラヘルツイメージング / 局所テラヘルツ分光 / 細胞計測 / ラベルフリー / 癌イメージング / 非線形光学 / 機械学習 / テラヘルツ / 乳癌 / コメドDCIS / 非線形光学結晶 / テラヘルツ分光 / 非浸潤性乳管癌 / 光整流 / 浸潤性乳管癌 / 細胞 |
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| Outline of Research at the Start |
テラヘルツ光を利用した細胞計測では、細胞の機能性発現に起因した重要な情報を非侵襲かつ非標識で取得することができます。しかし、生理環境下でのテラヘルツ光の強い減衰と波長によって決定される空間分解能の低下により、計測や解析が非常に難しく、確証たる生物学的知見取得や具体的メカニズム解明には至っていません。本研究では、非線形光学結晶への超短パルスレーザー照射で生成する微小かつ高輝度なテラヘルツ点光源と試料とを直接相互作用させる手法をとることでこれら問題を克服します。この手法を利用して、テラヘルツ顕微鏡を構築し、生理環境下における細胞スケールでの多次元テラヘルツ分析とその応用利用開拓に挑戦します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
構築したテラヘルツバイオ顕微鏡であるSPoTS顕微鏡において、空間分解能を数マイクロメートルまで改善することに成功した。これは発生するテラヘルツ波の波長の約400分の1に相当する。これを波長1.5μm帯フェムト秒ファイバーレーザー、アパーチャーレスのシステム設計で達成することができた。サンプルとして主に癌細胞や微小な生体関連サンプルを取り上げて、局所テラヘルツ分光とイメージングを行った。その結果、一部のサンプルにおいて、その特性に関わる特異な信号応答の変化を観測することができた。現在も引き続き、専門家と活発に議論を行っている。
また、将来的なテラヘルツ診断システムとしての利用を視野に、新しく機械学習を取り入れ、取得した癌テラヘルツイメージから正常組織と癌組織とを識別する画像処理法を構築した。さらに様々な微小な生体サンプルを3次元復元できるプロトコルを新しく提案・構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
顕微鏡の性能としては当初目標に掲げていた光学顕微鏡に近い使い勝手のテラヘルツバイオ顕微鏡ができたと考えている。研究代表者が知る上でもテラヘルツ顕微鏡としては最高性能であると考えている。画像処理などの整備もおおむね順調に進み、プロトタイプとしてまずまずの性能を確認した。一方、生体関連サンプルのデータ収集と議論が一部で遅れており、テラヘルツ領域におけるその振る舞いを早急に調査する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
病変部位の識別をより精度高く行えるよう、画像処理法の改善と、より多くの教師データ取得を行っていく。また、一部遅れている生体関連サンプルのデータ収集を早急に行い、テラヘルツ領域における振る舞いを議論する。得られた成果を将来的なオンサイトテラヘルツ診断システムに利用できるようシステム整備する。
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Report
(3 results)
Research Products
(43 results)
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[Presentation] Near-Field Terahertz Imaging of Ductal Carcinoma In Situ (DCIS) of the Breast2020
Author(s)
K. Okada, K. Serita, Z. Zang, H. Murakami, I. Kawayama, Q. Cassar, G. MacGrogan, J. Guillet, P. Mounaix, and M. Tonouchi
Organizer
The 81th Autumn Meeting, JSAP-OSA Joint Symposia 2020
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