2018 Fiscal Year Annual Research Report
空間位相変調型近赤外光音響イメージング装置の開発と医療診断機器への展開
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17H03082
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
由井 宏治 東京理科大学, 理学部第一部化学科, 教授 (20313017)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森作 俊紀 東京理科大学, 研究推進機構総合研究院, 助教 (00468521)
伴野 元洋 東京理科大学, 理学部第一部化学科, 講師 (40432570)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光音響 / 粘弾性 / 近赤外光 / イメージング / 空間位相変調技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は昨年度に引き続き、光音響信号から粘弾性情報を抽出する解析方法を検討するため、系統的に弾性を変えた試験試料からの光音響時間波形を計測し、弾性による波形の差異を観測した。試験試料として、将来の重要な計測対象として想定している毛細血管を模擬した材料を作成した。血管壁を模擬した層として、弾性を系統的に調整可能なアガロースゲルを用いた。また血液模擬層として、アガロースゲル内に光音響信号の発信源である墨汁を注入し、作成した。墨汁が注入されたアガロースゲルの上部に弾性率が異なるアガロースゲルを積層した。さらに、皮膚模擬層として作成したアガロースゲルを積層させた。墨汁の光励起によって発生した光音響信号の波形を計測した結果、信号発生から信号強度ゼロに戻るまでの信号の持続時間が、アガロースゲルの弾性が高い程、短くなることを見出した。この結果は、光音響信号の時間波形が、埋もれた試料の粘弾性を反映することを示しており、実際の毛細血管のような埋もれた組織でも応用可能であることが期待できる結果を得た。
また、試料深部からの光音響信号の高感度検出のために、測定プローブを独自に設計、特注した。そのプローブでは、超音波検出機の素子を円環状にすることで、試料中の一点から発生した超音波を効率よく捕集できるようにし、さらにその中心部から光音響過程励起用レーザー光の入射が可能である。この円環状プローブを用いて、強散乱体であるイントラリピッドを混入したアガロースゲル内部に埋め込んだ光吸収体からの光音響信号の計測を行った。その結果、深さ8 mmまでの信号を検出した。この結果は、従来法での到達深さ5 mmに対して、60 %の向上に相当するものであり、埋もれた組織の粘弾性イメージングへの展開において、プローブ形状の最適化に向けた有力な設計・開発指針を得た。
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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
本研究課題の目的は、光音響信号の波形解析による埋もれた組織の粘弾性イメージング手法の確立である。これまで、弾性を系統的に変えた生体模擬試料に対して、光音響信号の計測と、計測された音響波形における、体積膨張後から回復までの時間が弾性を反映する指標であることを、実験的に見出している。また、生体組織ののような強散乱体深部からの光音響信号を高感度で検出するために、ハード面では光位相変調技術の導入および特注プローブの設計・開発、ソフト面では遺伝的アルゴリズムに基づいた波面の整形プログラム作成が終了しており、システムの基本形が完成している。このような現在の進捗状況から、「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、この2年間で開発した光音響レオロジー 計測装置および解析アルゴリズムを、乳がん組織や皮膚直下の毛細血管を模擬した光学ファントムの3次元イメージング計測に展開する。具体的には、血液の成分である酸化型ヘモグロビン（Oxy-Hb）、還元型ヘモグロビン（Deoxy-Hb）の吸収波長を模した色素を、種々の混合比で模した直径数mm程度の高分子球体を作成し、イントラリピッドなど、実際の生体組織の散乱率に近い物質を分散させて、光学ファントムを形成する。光音響信号には、音源の粘弾性の他に、測定深度や、表面まで伝搬してくる際の媒質の影響が重畳される。媒質の弾性パラメータを系統的にふった光学ファントムを準備することで、音源で発生した音響波形が、どのように減衰、または変調を受けるかを系統的に明らかにする。さらに、将来的な臨床応用において、病巣部の正確な位置同定は欠かせない。そこで、一つの音源からの光音響信号を、多角度から同時計測することにより空間位置精度高く病巣部位、ならびに音源から表層までの媒質（組織）の状況を特定可能な手法へ展開する。
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