2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of 4D X-ray elastography
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21H04530
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
矢代 航 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (10401233)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | Ｘ線 / イメージング / トモグラフィ / エラストグラフィ / 粘弾性体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、最近、研究代表者らが世界で初めて原理実証に成功した、不透明な粘弾性体内の複素弾性率の分布を高空間分解能で可視化するＸ線エラストグラフィの4D（3D＋時間）化、高空間分解能化・高時間分解能化を目指している。最先端のＸ線位相コントラストトモグラフィとデータサイエンス技術を駆使して、研究課題①msオーダー時間分解能Ｘ線エラストグラフィ、研究課題②100 nmオーダー空間分解能Ｘ線エラストグラフィの実現を目指し、これまで数値シミュレーションによるアプローチに限られていた非平衡系のマイクロレオロジーの世界を実験的に研究する方法の確立を目指している。
2022年度は、上記項目①について、最適化、および有効性の検証を行った。また②については、当初、シンクロトロン放射光とＸ線結像レンズ（Ｘ線フレネルゾーンプレート）を用いた光学系を検討していたが、より汎用性のある実験室Ｘ線源（焦点サイズ100ナノメートルオーダー）を導入し、拡大光学系での顕微Ｘ線エラストグラフィの実現を目指した。Ｘ線源としては、株式会社マーストーケンソリューション製のTX-320を導入した。このＸ線源により400ナノメートル空間分解能の拡大投影イメージングまで可能であることが確認できており、さらに100ナノメートル程度の空間分解能の実現可能性もみえている。このＸ線源の立ち上げはすでに完了しており、リモート精密制御可能な試料ステージ（神津精機株式会社製）、Ｘ線画像検出器（浜松ホトニクス社製Ｘ線sCMOSカメラC12849-102U）も含めて、アクティブ除振台上への設置が完了している。Ｘ線用回折格子の準備も完了しており、回折格子干渉法に基づく高感度イメージングも可能な状況になっている。現在、光学系の最適化に向けた検討を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究においては、研究課題①msオーダー時間分解能Ｘ線エラストグラフィ、研究課題②100 nmオーダー空間分解能Ｘ線エラストグラフィの実現を目指してきたが、①については概ね計画通り進んでいる。②については、当初、シンクロトロン放射光とＸ線結像レンズ（Ｘ線フレネルゾーンプレート）を用いた光学系を検討していたが、より汎用性のある実験室Ｘ線源（焦点サイズ100ナノメートルオーダー）を導入し、日常的に研究を進める体制を整えたことで、その分、計画よりも少し遅れたが、最終的に限られた放射光ビームタイムで研究を進めるよりもはやく、波及効果の大きい研究成果が発表できると期待している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は、研究課題②の空間分解能100ナノメートルオーダーのＸ線エラストグラフィを世界で初めて実現することを目指す。シンクロトロン放射光とＸ線結像レンズ（Ｘ線フレネルゾーンプレート）を用いた光学系を当初計画していたが、放射光ビームタイムは年数回程度に限られており、かつ、成功した後の波及効果についても考慮して、より汎用性のある実験室Ｘ線源（焦点サイズ100ナノメートルオーダー）を2022年度に導入したが、2023年度はこのＸ線源を用いて、研究課題②の実現を目指す。Ｘ線の光源サイズ、加振方法（外部磁場振動タイプなどの微小震動源）、マーカーの種類、ドリフト補正、試料回転速度、露光時間、画像検出器空間分解能などの実験条件、CT再構成法、非剛体レジストレーションなどの解析方法について、様々な方法を検討し、まずは二次元的な複素弾性率の分布の高空間分解能可視化を目指す。次に、三次元的な複素弾性率の高空間分解能可視化（顕微Ｘ線エラストグラフィCTの実現）を目指す。その際、基礎データとして、空間分解能、時間分解能、加振周波数、加振時に生じるずり弾性波の振幅の間の関係などを明らかにする。さらには、本手法の有効性について検証する。具体的には、ソフトマテリアル（機能性マテリアルなども含む）から生物まで、幅広い応用対象に適用し、それぞれの分野で、本研究の手法がどれくらい価値のある成果を生むのか、検証する。また、取得できる貯蔵弾性率（複素弾性率の実数部）の上限についても、技術的な限界を調べる。生物試料については、可能であれば、人為的な遺伝子導入・損傷と複素弾性率の三次元分布の相関を明らかにするなど、エピジェネティクスなどの学術分野への応用などを含めた挑戦的な課題に取り組みたいと考えている。
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