2015 Fiscal Year Annual Research Report
消化器系悪性腫瘍検出のための高感度自家蛍光イメージング技術の開発
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15H03013
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
有本 英伸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (50344198)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 信治 広島大学, 大学病院, 教授 (00260670)
香川 景一郎 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (30335484)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 自家蛍光 / 悪性腫瘍 / 内視鏡 / イメージセンサー / 分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
・悪性腫瘍判別の確度評価
手術で摘出した腫瘍組織から得られた分光データを用いて、補酵素NADHとFADの自家蛍光スペクトル解析、および血液の酸素飽和度推定を行い、腫瘍部位と正常部位を判別する正確さについて評価を行った。分光データは、白色光照明で得られる分光反射率、および波長365、405、450nmで励起された自家蛍光スペクトルのセットからなる。自家蛍光スペクトルはNADHおよびFAD由来のものと認められたが、上部に存在する血液に含まれるヘモグロビンによって自家蛍光の一部が吸収され、正確な補酵素の定量のためにはヘモグロビン吸収を補正する必要があることが判明した。そのため白色光源を用いて計測した分光反射率データによって、3波長で励起したそれぞれの自家蛍光スペクトルを補正するとともに、同じ分光反射率データから血液の酸素飽和度を推定した。腫瘍判別確度は365、および405nm励起の自家蛍光スペクトルの比(F365/F405)と酸素飽和度の両者に関して評価した。サンプルは正常部位と腫瘍部位の両方を含む全32点である(正常32、腫瘍32)。F365/F405については、エラーレベルの大きな偽陽性が1件、偽陰性が2件認められた。酸素飽和度の評価については、概ね正常部位では高く腫瘍部位で低くなる傾向が確認できた。
・共焦点分光計測装置の作製
粘膜組織内における補酵素の分布について、現時点で有力な報告や根拠がないため、これを独自に計測するために補酵素の3次元的分布を検出可能な共焦点分光計測装置を作製した。光学系は、一般的な共焦点光学系にグレーティングを用いた分光機能を付加したもので、自家蛍光の微弱な光を検出するために独自作成の高感度イメージセンサーを搭載した。これらすべてを300x1200mmのブレッドボード上に構築し、運搬が可能なコンパクトなサイズにまとめることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
・腫瘍サンプル計測実験：当初はマイクロレンズアレイとZ(サンプル高さ調整)ステージを用いた「マルチビーム共焦点イメージング装置」を作製する予定であったが、微弱光の利用効率の改善を優先して高品位なスペクトルを計測するために、サンプル上の1点の光を共焦点結像し分光、空間分布の計測にはXYZステージを使用する方式に変更した。これにより、ひとつのサンプル上の補酵素分布を計測する時間は長くなるが、光の利用効率は上がるために計測したスペクトルの品位向上が期待され、解明すべき補酵素の分布の信頼性が向上すると見込まれる。
・NADHとFADの濃度推定法：摘出した腫瘍から得られた自家蛍光スペクトルを重回帰分析することで、NADHおよびFADスペクトルの寄与度を求め、自家蛍光励起に適した波長の検討を行った。また、白色光源を用いて腫瘍の分光反射率を求め、ヘモグロビン吸収によって歪められた補酵素の自家蛍光スペクトルを補正する手法を考案、実測データに適用することで正確なスペクトルの回復に成功した。蛍光効率や不要な自家蛍光成分（主にコラーゲン由来と思われる）回避の見地から、365、および405nm励起の自家蛍光スペクトルの比をもって組織の正常、腫瘍判別のインデックスとした。
・血中酸素飽和度推定：白色光源を用いた計測で得られた組織の分光反射率を重回帰分析によって、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、およびメラニン由来のスペクトルに分解し、組織の酸素飽和度を推定した。組織は手術によって切除された直後に計測しているが、全体的に通常の酸素飽和度よりも低下が認められた。しかしながら、正常部位に比べて腫瘍部位は酸素飽和度が明らかに低下しており、腫瘍判別の説明要素となりうることが確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
補酵素の3次元分布計測と蛍光スペクトル解析手法の確立： NADHおよびFADの組織内部における3次元的分布を明らかにする。これは独自開発の高性能イメージセンサーを用いた共焦点分光イメージング技術を用い、深さ方向の空間分解能30um程度で摘出組織を走査して両補酵素の分布を検出する。また、3次元的な補酵素分布情報から蛍光スペクトルの2次元的空間分布を推定し、これに基づきNADHとFADの濃度推定方法を確立する。
超高感度CMOSイメージセンサーの開発：反射・自家蛍光スペクトルのビデオレート画像計測に適した、超高感度・高フレームレートCMOSイメージセンサーを開発する。イメージセンサーアーキテクチャを設計し、切除腫瘍サンプル計測による実証を行う。試作はマルチチッププロジェクト方式（複数品種の集積回路の相乗り試作）により安価に行う。性能はアナログゲイン64～128倍、ダイナミックレンジ80dB（光量にして4桁）、有効撮像領域3mm角、フレームレート90枚毎秒のHD（ハイビジョン）イメージセンサーを目標とする。
悪性腫瘍判別イメージング技術の開発：上述した独自開発の超高感度イメージセンサーに3波長バンド程度のフィルターを画素ごとに装着し、悪性腫瘍サンプルの蛍光画像を取得、バンドごとの蛍光画像からウイナー推定によって連続したスペクトルを推定する。前述のスペクトル解析手法を適用して画像上すべての点におけるNADHとFADの濃度を算出、さらに血中酸素飽和度を推定し、こららを総合的に評価して悪性腫瘍を選択的に描出するイメージング技術の確立を目標とする。また、これらの技術開発と計測実験を通じて医工連携を推進するとともに医学データの蓄積を目指す。
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