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2019 Fiscal Year Research-status Report

フェムト秒光パルス列重なり変調による2光子光音響顕微鏡の開発

Research Project

Project/Area Number 19K12787
Research InstitutionSaga University

Principal Investigator

山岡 禎久  佐賀大学, 理工学部, 准教授 (80405274)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords光音響イメージング / 非線形光学 / フェムト秒パルスレーザー
Outline of Annual Research Achievements

光音響イメージングは生体深部を高(分子)コントラストに観察できる方法であるため,次世代の医療技術として注目されている.特に,非線形光学効果と組み合わせた2光子光音響顕微鏡はミリメートルを超える生体深部を高空間分解に観察する方法として,比較的厚みのない皮膚や管空臓器に対するがんの広がり診断などへの応用が期待されている.しかしながら,2光子光音響波の選択検出は十分ではないため,コントラストの劣化が問題点として存在する.その問題を解決するために,本研究では,フェムト秒パルスレーザーからのビームを2つに分け,一方の光路を固定し,一方を高速に走査することにより,対物レンズの焦点近傍で重なり変調を作り出し,それによって発生する光音響波を検出する方法を提案する.光音響波の重なり変調周波数と同じ成分を抜き出すと2光子光音響波を選択的に検出することができ,光音響像のコントラストを向上させることが可能である.原理検証として,重なり変調による蛍光,光音響波検出装置を構築し,2光子蛍光が重なり変調と同じ周波数で変調されていることを確認した.同様に,重なり変調周波数と同じ周波数で光音響波も発生していることがわかった.このように重なり変調を用いて2光子吸収による光音響波を観察したのは初めてのことである.重なり変調は焦点近傍でしか起こらないため,通常の非線形顕微鏡においてコントラストを劣化させる焦点以外からの信号を押さえることができる.加えて,重なり変調周波数成分の光音響波を抜き出すことにより,2光子光音響波検出による深さ方向イメージングが可能であることも明らかにした.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

フェムト秒パルスレーザーからのビームを2つに分け,一方の光路を固定し,もう一方の光路にKTN偏向器を組み込むことにより,高速走査する.それら2つのビームを重ね合わせ,対物レンズの焦点近傍で重なり変調を起こす光学系を構築した.この光学系を用いて,2光子吸収溶液に対して,発生する2光子蛍光,光音響波を測定した結果,重なり変調周波数と同じ周波数で発生していることを明らかにした.発生する光音響波の重なり変調周波数成分を検出し,深さ方向の強度プロファイルを測定した結果,試料のエッジ部分が正確に描出されていることが分かった.このことは,深さ方向に分解能を持つ画像化が可能であることを意味する.現在測定は,濃度の高い溶液を使い信号の出やすい条件で測定を行っているため,どのような条件まで測定が可能なのか,条件の違う様々な試料,生体ファントム,生体試料に対して今後測定していく予定である.

Strategy for Future Research Activity

令和2年度は,令和元年度に試作した光音響イメージングシステムを用いて,作成した生体ファントムに対して装置の性能評価を行う.その結果をもとに,装置の改良を行う.生体ファントムを用いた実験を行い,装置の最適化(波長,パルスエネルギーなど)を行う.令和3年度は,生体ファントムを用いて,装置の性能を評価した後,実験動物(ラット,マウス)を用いて,生体への応用を目指す.その際,最適な波長を選定する.さらに,新たに発生した問題に対して,装置の改良を行う.

Causes of Carryover

重なり変調を用いた光音響波測定,イメージング装置の作成に使う光学部品,電子部品が計画より,少なく済んだため,差額が生じた.しかしながら,性能評価を行いながら今後装置の改良を継続して行っていくため,今年度,その差額を含めた予算を使って,装置を改良するための光学部品,電子部品等の購入に利用する予定である.

  • Research Products

    (12 results)

All 2020 2019

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] A compact scanning probe for photoacoustic microscopy using ultrasonic actuator stage2020

    • Author(s)
      Yamaoka Yoshihisa、Funatsu Kaito、Yoshidumi Yuta、Kubo Akari、Notsuka Yusuke、Takahashi Eiji
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59 Pages: 030906~030906

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab7061

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In vivo visualization of blood vessels in mouse ear by photoacoustic microscopy with transmissive liquid-crystal adaptive optics2020

    • Author(s)
      Notsuka Yusuke、Kurihara Makoto、Hashimoto Nobuyuki、Takahashi Eiji、Yamaoka Yoshihisa
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE

      Volume: 11240 Pages: 1124039

    • DOI

      10.1117/12.2545777

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bis-Metal Complexes of Doubly N-Confused Dioxohexaphyrins as Potential Near-Infrared-II Photoacoustic Dyes2020

    • Author(s)
      Shimomura Keito、Kai Hiroto、Nakamura Yuma、Hong Yongseok、Mori Shigeki、Miki Koji、Ohe Kouichi、Notsuka Yusuke、Yamaoka Yoshihisa、Ishida Masatoshi、Kim Dongho、Furuta Hiroyuki
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 142 Pages: 4429~4437

    • DOI

      10.1021/jacs.9b13475

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Synthesis of a Black Dye with Absorption Capabilities Across the Visible-to-Near-Infrared Region: A MO-Mixing Approach via Heterometal Coordination of Expanded Porphyrinoid2020

    • Author(s)
      Wang Yue、Kai Hiroto、Ishida Masatoshi、Gokulnath Sabapathi、Mori Shigeki、Murayama Tomotaka、Muranaka Atsuya、Uchiyama Masanobu、Yasutake Yuhsuke、Fukatsu Susumu、Notsuka Yusuke、Yamaoka Yoshihisa、Hanafusa Mamiko、Yoshizawa Michito、Kim Gakhyun、Kim Dongho、Furuta Hiroyuki
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 142 Pages: 6807~6813

    • DOI

      10.1021/jacs.0c01824

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光音響顕微鏡の小型化,高空間分解能化,高コントラスト化への取り組み2020

    • Author(s)
      山岡 禎久、能塚 雄介、吉積 雄太、松本 航希、宇野 和樹、高橋 英嗣
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第40回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 光音響イメージングにおける信号対雑音比向上のための波形相互相関法2020

    • Author(s)
      井上翔太、能塚雄介、高橋英嗣、山岡禎久
    • Organizer
      電気学会バイオメディカル・フォトニクス先端技術の応用に向けた協同研究委員会 第1回研究会「バイオメディカルフォトニクス応用」
  • [Presentation] 血管走行可視化のための光音響LED励起光源の最適化2020

    • Author(s)
      東祐希,能塚雄介,高橋英嗣,山岡禎久
    • Organizer
      2019年度第4回光超音波画像研究会
  • [Presentation] Photoacoustic microscopy by spatial overlap modulation using femtosecond optical pulse train2020

    • Author(s)
      Yoshihisa Yamaoka, Koki Matsumoto, Yusuke Notsuka, Eiji Takahashi
    • Organizer
      Photonics West BiOS 2020
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] In vivo visualization of blood vessels in mouse ear by photoacoustic microscopy with transmissive liquid-crystal adaptive optics2020

    • Author(s)
      Yusuke Notsuka, Makoto Kurihara, Nobuyuki Hashimoto, Eiji Takahashi, Yoshihisa Yamaoka
    • Organizer
      Photonics West BiOS 2020
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光音響イメージングへの応用を目指したKTN 光偏向器を用いた重なり変調法の基礎的検討2019

    • Author(s)
      松本 航希,高橋 英嗣,山岡 禎久
    • Organizer
      2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 透過型液晶補償光学素子を用いた光音響顕微鏡によるin vivo マウス耳内部血管走行観察2019

    • Author(s)
      能塚 雄介,栗原 誠,橋本 信幸,高橋 英嗣,山岡 禎久
    • Organizer
      2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 超音波アクチュエータステージを用いた光音響顕微鏡の小型化2019

    • Author(s)
      山岡禎久,船津海斗,能塚雄介,高橋英嗣
    • Organizer
      第58回日本生体医工学会大会

URL: 

Published: 2021-01-27  

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