2020 Fiscal Year Annual Research Report
Ultimately-Time-Resolved Imaging Devices Using Ultrafast Hybrid Cascade Photo-Charge Modulators and Their Applications
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18H05240
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
川人 祥二 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40204763)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
香川 景一郎 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (30335484)
庭山 雅嗣 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (40334958)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 光電荷変調素子 / 高時間分解撮像 / バイオメディカルイメージング / 光飛行時間デプスイメージング / 血液動態計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究のTPD（Tapped PN-Junction Diode)構造による8タップ光電荷変調ピクセルを搭載した時間分解撮像デバイスを強い外光下(80klux相当)におけるTime of Flight(TOF)測距イメージングに応用し、11.5mの測距レンジにおいて1.4%の距離分解能が得られることを示した。光2重変調により高精度TOF計測を可能にするカスケード型電荷変調素子については、4タップの試作素子を用いてTOF計測の絶対精度向上に対する効果を確認した。またマルチタップ光電荷変調による時間分解撮像デバイスを蛍光寿命計測等の手法を用いたバイオ・メディカルイメージングに応用する課題に対して、2段電荷転送4タップ高時間分解撮像デバイスにより植物の固定サンプルを用いた蛍光寿命イメージングを行い、フェーザ法に主成分分析を適用することで、含まれる蛍光分子の数を計測した。また時間分解イメージセンサにより、空間・時間領域周波数イメージングを行い、生体表層と深部の定量イメージングを同時に行えることを，シミュレーションと実験により確認した。本時間分解撮像デバイスにおける近赤外領域での超高速光電荷変調特性の特徴に基づいた生体組織の散乱係数及び吸収係数計測法の開発において、TOF計測と空間分解法を組み合わせた手法による光学特性値決定アルゴリズムを導出した。TOFと空間分解計測の同時計測が可能なプローブを試作し、頭部と前腕の表層組織を対象として妥当な測定値が得られることが明らかとなった。また本研究の時間分解撮像デバイスの高近赤外感度と低雑音性能の特徴を活かし、非接触脈波計測にも成功した。誘導ラマン散乱（SRS）計測については、その巨大オフセット光成分の除去とともに効果的に1/f雑音を低減する3重変調法を考案し、これに基づくマルチプレクス型SRS撮像デバイスの試作に向けた設計を完了した。
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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
本研究課題では、産業応用、科学技術計測、医療・医学、バイオ等の幅広い応用が期待される時間分解イメージングの性能向上と機能性の向上を目指して、新しいマルチタップ光電荷変調素子を用いた撮像デバイスを試作し、その優れた基本性能を実証するともに、応用計測により、提案素子の応用上の新たな価値を見出すことを目的としている。本研究課題の最も特徴的な素子である、TPD電荷変調素子については、8タップ変調素子を試作し、良好な基本特性を得るとともに、高外乱光下での長距離TOF測距において、1フレーム距離計測による高速性を維持しながら高い分解能を実証しており、本提案素子以外では実現されていない性能を実証している。また、当初計画には明確に含めていなかった新しいTOF計測法である、カスケード型変調構造による光2重変調TOFイメージングについても、既に試作した4タップ変調素子による計測によって、優れた絶対精度を有することを実証する等、当初計画を超える成果も得られている。また、本提案のマルチタップ光電荷変調素子を用いた応用光計測についても、蛍光寿命イメージング、空間・時間領域周波数イメージング、近赤外領域での動作を用いた血液動態計測において価値ある成果が得られており、予定通り進行している。誘導ラマン散乱（SRS）計測への応用については、研究実施期間の後半において重点的に研究する計画としていたが、現時点で、原理試作を完了するとともに、ラマンスペクトルの一括計測を可能にする128チャネルのマルチプレクス型SRSイメージャについても既に設計が完了して、予定通りに進展している。
以上の通り、個々の課題が概ね予定通り進行しており、また当初計画にはなかった試作素子による成果も得られていることから、「(2)おおむね順調に進展している。」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
TPD構造による光電荷変調素子については、さらに顕著な性能向上を目指して構造最適化をははかるとともに、TPD構造を導入したカスケード変調素子による時間分解撮像デバイスを試作し、新たなTOF計測原理である光2重変調法を応用して、従来方式では困難な高い絶対精度と高い時間分解能を両立したTOF測距イメージングの実証を目指す。
提案する高速電荷変調素子による精密3Dモデリングについては、これまで得られている距離分解能の最高値を更新するべく、ジッタノイズ低減の新たな方法を導入も含めて研究を進め、接触式計測の置き換えを可能とする10umを切る分解能にどこまで迫れるかを明らかにする。
マルチタップ・低ノイズの高時間分解撮像デバイスの有用性のバイオイメージングにおける実証において、蛍光寿命イメージングにおけるフェーザ法への主成分分析の適用を発展させ、独立成分分析を適用することで、蛍光成分の分離を行う。また、8タップ素子による多波長空間周波数領域イメージングにより、肌のリアルタイム定量計測を実証する。
近赤外領域での生体組織の散乱係数及び吸収係数計測法の開発において、光学特性値計測の多波長化とその有用性の検証を進めるとともに、ToF計測と空間分解法を組み合わせたより高速な計測を可能とするための小型プローブの試作を行い、深層で定量性の高い血液動態計測アルゴリズムを構築し、最終年度までに血液動態計測における提案素子の有用性を明らかにする。
誘導ラマン散乱(SRS)による生体内物質の無染色高速イメージングを行う多焦点マルチプレクスSRSイメージングについては、128チャネルのマルチプレクス型SRSイメージャの試作を完了し、最終年度までに動作確認を目指す。
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[Journal Article] Term Newborns with relatively low Tissue Oxygen Saturation Levels soon after Birth are predisposed to Neonatal Respiratory Disorders in Low-risk, Elective Cesarean Sections2021
Author(s)
Kawai K, Uchida T, Mukai M, Matsumoto M, Itoh T, Oda T, Horikoshi Y, Suzuki K, Kohmura-Kobayashi Y, Furuta-Isomura N, Yaguchi C, Niwayama M, Itoh H, Kanayama N.
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Journal Title
International Journal of Medical Sciences
Volume: 18
Pages: 2262-2268
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Hybrid VAG Time-of-Flight CMOS Image Sensor Using 4-Tap Charge-Modulation Pixels and Range-Shifting Multi-Zone Technique2020
Author(s)
K. Mars, S. Daikoku, Y. Araki, M. Inoue, M. Hakamata, K. Yasutomi, K. Kagawa, S-W. Jun, Y. Mineyama, S. Aoyama, S. Kawahito
Organizer
東北大通研冬季研究会
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