超音波変調型近赤外光を用いた生体イメージングの基礎的研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10480238
• Research Institution: HOKKAIDO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 山本 克之 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10088867)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 工藤 信樹 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30271638) ; 清水 孝一 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30125322)
• Keywords: 超音波 / 光変調 / 光イメージング / 空間分解能 / 微弱光検出 / 透過光 / 光パルス / 超音波パルス

Research Abstract

本年度は,超音波変調型近赤外光を用いた生体イメージングの高感度化および高分解能化に関し,下記の検討を行った.
1.2次元センサを用いた微弱変調光検出法の提案と有用性の確認
超音波で変調された光の強度は,透過する生体組織の厚さの増加に伴って指数関数的に減衰することから,生体の光イメージングを実現するためには微弱な超音波変調光の検出が最重要課題である.昨年度までは1次元センサ(光電子増倍管)を用いた変調光検出法について検討してきたが,透過観察可能な生体組織の厚さは10.5mm程度(等価散乱係数0.5/mm)に限られていた.そこで本年度は,パルスレーザ光を試料に照射し,試料透過後に出射側に発生するスペックルパターンを2次元センサで計測し,変調成分を検出する新手法を考案し,その有用性について検討した.スペックルパターンを利用する手法は,先にWangらが提案しているが,本研究では光をパルス化することにより,検出感度をさらに向上することができる.また,提案した手法の実現可能性を検討するために実験システムを開発し,変調光の検出限界が従来に比べ100倍程度改善されることを確認した.この改善により,透過観察可能な生体組織の厚さは約14mmとなった.
2.高分解能化のための新手法の提案
光を変調する超音波をパルス化することにより光イメージングの分解能を向上できることが,以前より指摘されている.しかしこれまでに提案されている手法では,微弱変調光を検出するために連続波超音波を用いる必要があり,パルス超音波を用いた手法は報告されていない.そこで本年度は,上述したスペックルパターンを検出する手法において,光と超音波の両方をパルス化し,かつ微弱光検出を行える手法を新たに考案するとともに,これを実現する実験システムを開発し,手法の実現可能性を確認した.

Research Products

• [Publications] 庭山雅嗣: "NIRSによる筋組織酸素計測における脂肪層の影響補正 - 31P-NMRおよびPETによる筋酸素消費量との比較-"セラピューティックリサーチ. 21(6). 1520-1523 (2000)
• [Publications] Masatsugu NIWAYAMA: "Quantitative muscle oxygenation measurement using NIRS with correctionfor the influence of a fat layer : Comparison of oxygen consumption rates with measurements by other techniques"Proceedings of SPIE. 3911. 256-265 (2000)
• [Publications] Masatsugu NIWAYAMA: "Development of 200-channel mapping system for tissue oxygenation measured by near-infrared spectroscopy (Invited Paper) "Proceedings of SPIE. 4082. 48-56 (2000)
• [Publications] Jun SHAO: "Determination of a quantitative algorithm for the measurement of muscle oxygenation using CW near-infrared spectroscopy - Mean optical pathlength without the influence of the adipose tissue -"Proceedings of SPIE. 4082. 76-86 (2000)
• [Publications] Ling LIN: "Influence of a fat layer on muscle oxygenation measurement using near-IR spectroscopy : quantitative analysis based on two-layered phantom experiments and Monte Carlo simulation "Frontiers Med.Biol.Eng.. 10(1). 43-58 (2000)
• [Publications] Masatsugu NIWAYAMA: "Quantitative measurement of muscle hemoglobin oxygenation using nearinfrared spectroscopy with correction for the influence of a subcutaneous fat layer"Rev.Sci.Instrum.. 71(12). 4571-4575 (2000)
• [Publications] 山本克之: "近赤外光組織酸素モニタによる筋代謝の測定"計測と制御. 39. 283-286 (2000)
• [Publications] Nobuki KUDO: "Observation of dynamic behaviour of microbubbles exposed to ultrasound"Proceedings of 2nd International Kyoto Symposium on Ultrasound Contrast Imaging. 41-42 (2000)
• [Publications] Kaori KURIBAYASHI: "Observation of the behavior of microbubble exposed to ultrasound using a high-speed camera"Proceedings of the 5th Heart Centre European Symposium on Ultrasound Contrast Imaging. 29-32 (2000)
• [Publications] Keiko NISHIHARA: "Usefulness of early diastolic flow propagation velocity measured by color M-mode Doppler technique for the assessment of left ventricular diastolic function in patients with hypertrophic cardiomyopathy"Journal of American Society of Echocardiography. 13. 801-808 (2000)
• [Publications] 中島憲一郎: "生体組織の超音波減衰に関する基礎的検討-生体組織の構造とタンパク質成分の影響-"日本超音波医学会基礎技術研究会資料. 100(1). 7-12 (2000)
• [Publications] 工藤信樹: "超音波照射下における水中微小気泡のふるまいの観察"日本超音波医学会基礎技術研究部会資料. 100(2). 11-14 (2000)
• [Publications] 中村和明: "超音波変調光による生体の光イメージングに関する基礎的検討"2000年度第1回生体情報の可視化技術研究会資料. (2000)
• [Publications] 中村和明: "超音波変調光による生体の光イメージングに関する基礎的検討(III)-後方散乱光の応用と変調光検出感度の向上-"日本超音波医学会基礎技術研究会資料. 100(4). 26-29 (2000)
• [Publications] 庭山雅嗣: "ノルディック複合選手の高所トレーニングにおける筋組織酸素運搬機能の改善効果に関する定量評価-近赤外光を用いた筋組織酸素計測法の応用-"日本オリンピック委員会スポーツ医・科学研究報告. 9. 16-19 (2000)
• [Publications] 木幡大輔: "近赤外光を用いた筋組織酸素濃度のマッピング"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2000-33. 33-38 (2000)
• [Publications] 前川和也: "空間分解近赤外分光法を用いた筋組織酸素濃度計測における介在組織の影響"電子情報通信学会技術研究報告. MBE2000-34. 39-44 (2000)
• [Publications] 山本克之: "超音波と光による生体機能イメージング(特別招待論文)"電子情報通信学会技術研究報告. MI2000-34. 19-23 (2000)
• [Publications] 山本克之: "近赤外分光組織酸素計測の基礎と応用"平成12年電気学会全国大会講演論文集. 1153-1156 (2000)
• [Publications] 中村和明: "音響光学効果を用いた生体の光イメージングに関する基礎的検討"北海道工業大学研究紀要. 29(印刷中). (2001)
• [Publications] Jun SHAO: "Theoretical and experimental studies on linear and nonlinear algorithms for the measurement of muscle oxygenation using CW near-infrared spectroscopy"Optical Engineering. (in press). (2001)
• [Publications] Katsuyuki YAMAMOTO: "Functional imaging of muscle oxygenation using a 200-channel CW-NIRS system"Proceedings of SPIE. 4250(in press). (2001)
• [Publications] 山本克之(分担執筆): "新超音波医学第1巻「超音波の基礎」"医学書院. 246 (2000)
• [Publications] 工藤信樹(分担執筆): "造影超音波ガイドブック「気泡の物理学」"金原出版(印刷中). (2001)