2020 Fiscal Year Annual Research Report
イオン輸送係数テンソル計測に基づくマイクロ流路を利用したがん化細胞解析法の確立
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19J00240
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
川嶋 大介 千葉大学, 工学研究院, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | イオン輸送モデル / 電気トモグラフィ / インピーダンス計測 / イオン濃度 / トモグラフィックセンサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、1)トモグラフィックセンサの改良、2)イオン濃度画像再構成法の検討、3)輸送係数推定法の検討である。以下に、各実施項目について詳説する。
1)前年度作製した細胞内－外液界面のイオン輸送を可視化計測するトモグラフィックセンサのプロトタイプを改良し、より高解像度なトモグラフィックイメージングができるように１６電極を用いたトモグラフィックイメージングができるように改良を加えた。
2)改良したトモグラフィックセンサを利用して、イオン濃度の高精度なトモグラフィックイメージングを行うために、最適な逆問題解析手法の検討を行った。逆問題に用いる感度行列の領域を、センサ内全領域で計算した場合と細胞の存在領域を除く形で計算した場合とで検討した。なお、正則化法はTikhonov正則化を、非線形最小二乗法としてGauss-Newton法をそれぞれ適用した。その結果、細胞の存在領域を除く形で感度行列を計算した場合の方が、ファントムとの整合性が取れており、空間解像度もよいという結果となった。一方、感度行列を全領域で計算した場合では、空間解像度は前者の場合と比べて劣るものの、安定した画像再構成結果が得られた。
3)トモグラフィックイメージングにより得られたイオン濃度の二次元分布をもとに、細胞凝集塊－外液との間の輸送係数を推定する手法を検討した。推定手法としては、数値流体解析コードであるOpenFOAMソルバを利用し、Fickの拡散則に基づく非定常二次元の拡散方程式の数値解を用いる。輸送係数のひとつとして、拡散係数を考慮し、拡散係数を外液部と細胞膜と細胞内の各領域において設定し、細胞膜内の領域の拡散係数Dmをパラメータとすることで、外液部のイオン濃度の時空間分布が変化する。その数値解と実験値との残差二乗和を求め、最小となるDmを求める手法を考案した。
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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
現在の研究状況は、当初の予定通り、トモグラフィセンサの改良、イオン濃度画像の再構成、輸送係数推定法について詳細に研究を実施し、十分な成果が得られた。また、得られた成果をまとめた論文が掲載済みである。
以上から、現在までの進捗はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、等方的なイオン濃度拡散について、センサ設計および計測・画像再構成手法を確立したため、今後、異方的にイオン濃度拡散する場についても実験、およびイオン輸送解析を実施していく。
異方的な拡散を人為的に発生させるシステムの開発および異方的な拡散場での輸送係数評価について検討していく。
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