2019 Fiscal Year Research-status Report
Basic study on high-accuracy acoustic property measurements of biological specimens by ultrasonic microscopy
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18K04160
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
荒川 元孝 東北大学, 医工学研究科, 准教授 (00333865)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金井 浩 東北大学, 工学研究科, 教授 (10185895)
西條 芳文 東北大学, 医工学研究科, 教授 (00292277)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 計測工学 / 超音波顕微鏡 / 音速 / 厚さ / 生体試料 / 集束超音波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体組織や細胞など微小領域の音響特性を観察するために、超音波顕微鏡が開発されてきた。その心臓部である超音波デバイスでは、音響レンズを用いて平面波を集束させて空間分解能の向上と高出力化が図られてきた。ビーム集束によって様々な音響パスが生じるが、それらが音響特性(音速・減衰)測定値へ与える影響については全く考慮されていなかった。さらに、生体試料においては、試料表面からの反射信号の振幅が小さくS/Nが低下し、音響特性の計測精度が劣化する。
本研究では、垂直入射成分が大きくなるように集束超音波音場を制御し、精度の高い音響特性が求められる超音波デバイスを新たに開発し、実験的に実証する。また、S/Nが低い場合でも精度の高い音響特性を得るために、ロバストな解析法を開発する。
これまでに。音速、厚さをロバストに得られる解析方法を検討した。超音波顕微鏡の試料となる生体組織や細胞は厚さが薄いため、試料の表面と裏面からの反射パルスが時間領域で重畳し、時間領域では解析できない場合がある。このとき、周波数領域において試料からの反射スペクトルを解析することにより音響特性が求められる。この際に、試料の音速や厚さを生体試料として予測できる値に予め制限し、反射スペクトルを計測モデルと比較し、周波数スペクトル全体に放物線近似を行った。肌の悪性黒色腫試料に対して本手法を適用した結果、従来の解析方法に比べて、音響特性の誤解析を大幅に低減することができた。
本年度は、音響特性計測に最適な超音波デバイスの開発を行うために、集束超音波音場の数値計算を行い、垂直入射成分が強くなるようなデバイスパラメータを求めるための検討を進めた。集束超音波音場の数値計算のためのアルゴリズムを検討した。
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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
超音波顕微鏡による生体組織や細胞の音響特性の解析では、内部に空隙や不均質な領域が存在するため、超音波の反射や散乱が起こる。これらの影響を低減するために、試料の音速や厚さを生体試料として予測できる値に予め制限し、反射スペクトルを計測モデルと比較し、周波数スペクトル全体に放物線近似を行うロバストな音響特性の解析法を開発した。この結果、音響特性の誤解析を大幅に低減できるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的を達成するための課題は、(1)音響特性計測に最適な超音波デバイスの開発、(2)ロバストな音響特性解析法の開発、(3)生体試料計測への応用の3つである。これまでの研究を継続するとともに、以下の検討をおこなう。
動作中心周波数が約250 MHzとなる音響レンズを取り上げ、集束超音波音場の数値計算を行い、垂直入射成分が強くなるようなデバイスパラメータを求める。さらに、このパラメータを有する集束超音波デバイスを作製する。また、垂直入射成分が小さいデバイスも同様に作製し、2つの超音波デバイスの特性を評価し、デバイスパラメータを最適化する。
動作中心周波数が80 MHz、150 MHz, 350 MHz, 500 MHzの超音波デバイスを設計、作製し、50-500 MHzにおける生体組織の音響特性を求める。また、超音波診断装置により、薄切前の試料に対して数MHz-50 MHzの音響特性を計測する。これらの結果より、 数MHzから数百MHzの音響特性を比較する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの影響により3月に予定していた出張に行けなくなった。また、年度末に納品予定であった物品の納期が翌年度になると連絡があり、発注を見合わせた。
昨年度購入予定であった物品を購入するとともに、翌年度に予定していた助成金の使用を行う。
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