2019 Fiscal Year Annual Research Report
Functional biomedical imaging with multi-aperture and multi-tap CMOS image sensors
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18H01497
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
香川 景一郎 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (30335484)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
津村 徳道 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (00272344)
小室 孝 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10345118)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マルチアパーチャカメラ / CMOSイメージセンサ / マルチタップ / 機能的生体イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マルチタップCMOSのイメージセンサを用いて，多重露光レーザースペックルコントラストに基づく血流スピードイメージング(MELSCI)を低いフレームレートで実現できることをシミュレーションと実験により確認した．脈拍は1Hz程度と非常に低いにもかかわらず従来は高いフレームレートまたは広い帯域が必要であった．マルチタップCMOSのイメージセンサの露光パターン制御性に着目し，実測画像を用いたシミュレーションにより8タップ画素で指数関数的に露光時間を変える方式が最も高いS/Nを与えることを明らかにした．また，4タップCMOSイメージセンサに等幅露光パターンを適用し，イントラリピッドの流速を変えてチューブに流した時の流速イメージングを実証した．
市販の近赤外高感度カメラをベースとして，生体色素濃度と血流速度を同時に計測可能なシステムを開発した．3×3眼のマルチアパーチャカメラの1眼を波長785nmのレーザスペックルコントラストイメージングに基づく血流速度計測に割り当てた．このカメラを用いて，多波長SFDI計測とスペックルコントラストに基づく血流イメージングが可能であることを実験的に確認した．また，アガロースゲルファントムを用いて積分球と逆モンテカルロ法により求めた光学パラメータ，ヘモグロビン濃度を比較し，概ね傾向が一致することを確認した．
3次元的な形状にSFDIを適用するには，形状による投影パターンの歪を取り除く必要がある．あらかじめ計測した形状から，被写体上で等ピッチになるように投影パターンを変形するアルゴリズムを開発した．
被写体の動きと環境光の影響を受けにくい多波長SFDIとMELSCIの同時計測が可能なマルチアパーチャ・マルチタップCMOSイメージセンサの開発を行った．前回設計したドレーン付き4タップ画素において，電荷漏れが生じることが計測から明らかになったため，この問題を解決した画素を設計した．
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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
マルチタップCMOSイメージセンサを用いた血流イメージングについて，実測データに基づくシミュレーションからタップ数，露光パターン，露光時間と計測精度の関係を明らかにし，現有4タップCMOSイメージセンサを用いて手法を実証した．また，構築した3×3眼多波長複眼カメラによりファントムを計測し，その結果を従来法と比較することで計測値が概ね妥当であることを確認した．また上腕部圧迫時のてのひらの酸素飽和度マップを計測し，その変化が妥当であることを確認した．イメージセンサ開発については，画素特性の問題があることが明らかになった．しかし，その理由はほぼ特性されており，これを解決した画素を設計中である．また，研究期間内に開発したセンサを複眼化し，計測に適用する目処はついている．以上の理由から，総合的にはおおむね順調に進んでいると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度試作した4タップCMOSイメージセンサの特性を評価し，特性を改善した画素を用いた複眼用4タップCMOSイメージセンサを設計・試作する．特に電荷転送効率，タップ間クロストークが重要であるので，これらの波長特性と分光光源およびパルス光源を用いて詳細に評価する．開発したマルチタップCMOSイメージセンサを複眼化し，生体計測に適用可能なカメラシステムを構築する．色素濃度の推定精度を向上するために，実験とモンテカルロシミュレーションにより適切な波長と空間周波数を選定する．開発したシステムの計測精度を評価するために，TRS，逆モンテカルロ法など複数の方法と結果を比較する．計測精度が不十分である場合，その原因を究明するとともに，改善策を講じる．この計測はアガロースゲル，シリコーンなどを用いたファントムにより行う．投影パターンは計測対象の3次元形状により変形を受ける．これを撮影後および撮影前に補正するアルゴリズムを実際の計測に適用し，推定した吸収，散乱係数の誤差から有用性を確認する．以上の基礎実験の後，動物および人を用いた計測実験を行う．生体色素濃度分布と同時に血流情報を同時に取得し，パルスオキシメータなどの確立された技術と計測結果を比較することで有効性を示す．さらに，システムの適用範囲を広げるためにシステム全体を小型化して可搬性を高める．
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