2019 Fiscal Year Annual Research Report
Optical coherence microscopy for biomechanical, plarization, and flow measurement
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18H01893
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
安野 嘉晃 筑波大学, 医学医療系, 教授 (10344871)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 雅博 東京医科大学, 医学部, 教授 (60199958)
大鹿 哲郎 筑波大学, 医学医療系, 教授 (90194133)
上野 勇太 筑波大学, 医学医療系, 講師 (90759317)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光コヒーレンストモグラフィー / OCT顕微鏡 / Ex vivo イメージング / 動物イメージング / 偏光顕微鏡 / 非侵襲 / ラベルフリー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度の研究は以下の2つの部分に分かれる。(1) 多機能光コヒーレンストモグラフィー顕微鏡（OCT顕微鏡）で得られるOCT信号、計測される複屈折と、被計測試料の微小構造の関係を解明する。(2)OCT信号の時間変化を解析する手法を開発し、非侵襲・ラベルフリーに生体の活動性（ダイナミクス）の計測を可能にする。以下それぞれの進捗を解説する。
(1) に関して、試料として様々な周期の微小グレーティング構造を仮定し、そこに入射するプローブ光電場の振る舞いを有限時間領域差分法（FDTD法）を用いて解析した。さらに、その解析結果をから、その電場によって生成されるであろう偏光感受型OCT信号をもとめた。この解析により、グレーティングの周期がプローブ光波長に近いとき、回折格子後面に対応するOCT画像上の位置付近に2つのピーク（アーチファクト）が発生することがわかった。この結果は論文として英文ジャーナルに投稿済みである。
(2)の関連して、「Log-intensity variance法」と「OCT correlation decay speed法」という2つのダイナミクス可視化アルゴリズムを開発した。これらのアルゴリズムにより、ヒト乳がん細胞由来の細胞凝集体のダイナミクスの長時間（数10時間）変化の非侵襲観察に成功した。さらに、これらの試料に様々な濃度の抗がん剤 (Taxol) を加え、それによるダイナミクスの変化（減少）の様子を定量化できることを確認した。また、この反応は試料の蛍光顕微鏡観察とも比較し、その妥当性を確認した。この結果は米光工学会国際会議 (BiOS/Photonics West 2020)において口頭発表するとともに、Proceedings論文も出版された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
年度当初の計画では、組織のダイナミクス可視化アルゴリズムの最初のバージョンを開発することが2019年度の目的であった。しかしながら、2019年度には以下のように当初予定を超えて開発が進められた。
(1) Log-intensity variance法（当初予定のアルゴリズム）を開発した。これは、被計測組織のダイナミクスを二次元断層として与えるアルゴリズムである。（当初計画どおり）。(2) 本アルゴリズムを用いてヒト乳がん細胞凝集体のダイナミクスの可視化に成功した（当初計画通り）。(3) この計測結果から計測で得られた信号の特性を分析し、第二のアルゴリズムである「OCT correlation decay speed法」を開発した。（年初計画を超える分。以下同じ。）(4) 以上2種類のアルゴリズムの特性を明確にするために、様々な計測パラメータをでヒト乳がん細胞凝集体の計測を行い、それらを2つのアルゴリズムで処理した際のダイナミクス画像のobjective な評価を行った。(5) この評価をもとにさらに手法の改良を行い、年度当初は不可能であると考えていた「生体ダイナミクスの三次元トモグラフィー」の初期的な計測に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究進捗を踏まえ、2020年度には以下の研究活動を行う。
(1) 生体の微小構造とOCT信号の特性の解析に関しては、2019年度に解析した矩形グレーティングよりも形態の解析バリエーションを増やした解析を行う。特に、三角グレーティングなどの解析を行う。
(2) 生体のダイナミクスの解析は以下の2つの方針で研究・開発をすすめる。
2.1. 生体ダイナミクスの三次元イメージング手法を確立する。このためには、(a) 取得される時系列データのサンプリングパターンと信号特性の理論解析データ取得プロトコルの改良、(b)それに基づいた最適光走査プロトコルの設計、(c) 解析アルゴリズムの改良によるコントラストの改良が必要であり、本年度はこれらの改良を行う。
2.2. 組織特異的なダイナミクスイメージング手法の確立。この目的のために以下を行う。(a) 偏光感受型OCT信号を時系列に計測するための走査プロトコルの設計・実装。(b) 時系列偏光感受型OCT信号の解析手法（アルゴリズム）の開発。(c) Ex vivo 組織を対象とした本手法の実証実験。
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[Journal Article] Evaluation of Retinal Pigment Epithelium Layer Change in Vogt-Koyanagi-Harada Disease With Multicontrast Optical Coherence Tomography2019
Author(s)
Miura, Masahiro, Shuichi Makita, Shinnosuke Azuma, Yoshiaki Yasuno, Satoshi Sugiyama, Toshihiro Mino, Tatsuo Yamaguchi, Tetsuya Agawa, Takuya Iwasaki, Yoshihiko Usui, Narsing A. Rao, Hiroshi Goto
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Journal Title
Investigative Ophthalmology & Visual Science
Volume: 60
Pages: 3352-3362
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Quantification of Ex Vivo Tissue Activity by Short and Long Time-Course Analysis of Multifunctional OCT Signals2020
Author(s)
Abd El-Sadek Ibrahim, Miyazawa Arata, Shen Larina, Fukuda Shinichi, Yamashita Toshiharu, Oka Yuki, Mukherjee Pradipta, Makita Shuichi, Matsusaka Satoshi, Oshika Tetsuro, Kano Hideaki, Yasuno Yoshiaki
Organizer
SPIE Photonics West
Int'l Joint Research
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