2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of coherent Raman scattering microendoscope and application to unstained in-situ diagnosis
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21H04950
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
橋本 守 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (70237949)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
七戸 俊明 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (70374353)
新岡 宏彦 大阪大学, データビリティフロンティア機構, 特任准教授(常勤) (70552074)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 非線形ラマン散乱 / 内視鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
色素の静脈投与なしに癌を内視鏡検査で確定診断するために，上部消化管内視鏡(胃カメラ)の 鉗子孔に挿入可能な非線形ラマン散乱プローブ顕微内視鏡の開発を目指している．非線形ラマン散乱の一種であるコヒーレント反ストークスラマン散乱（CARS）を用いることで，無染色・高空間分解能・高速な細胞，細胞核の形状観測を可能とする．本年は，CARSプローブ顕微内視鏡におけるキーデバイスである，2波長板（DWP）の設計を行なった．DWPは，直交する偏光を持つ２波長の励起光を，互いに平行な偏光へと変換するデバイスである．このために，709 nmnの励起光に対してはリタデーションをゼロとし，888 nmの励起光に対してはλ/2となるように設計する必要がある．２波長に対してこのような特性を持つ波長板は，2種類の１軸性結晶を用いれば可能であるが高コストとなるため，1種類の結晶で設計可能かシミュレーションした．結晶には水晶を用い，発生するCARS光強度を最大となるように結晶の厚さを最適化したところ，0.1980 mmで，完全に平行な光を用いて励起した際の99%のCARS信号が得られることが分かった．また，同様に90%以上のCARS信号が得られるラマンシフト領域は，2,530 to 2,980 cm-1であることが分かった．したがって，このDWPでCH伸縮振動に対応する高波数領域のCARS信号を十分取得できることが分かった．また，励起光源としてファイバーレーザーベースの光源を作成し1550 nmでのパルス発振を確認できた．これまでに開発してきた原理検証システムを用いて，ポリスチレンビーズや培養細胞やラット組織の観測を行なった．ポリスチレンビーズの観測は行えたが，培養細胞や組織のCARS信号を得ることはできなかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
組織のCARS信号が得られなかった原因には，光ファイバーバンドルがマルチモードになっていること，光ファイバーから発光が生じることが挙げられる．現在使用している光ファイバーバンドルよりも，コア径が約半分（4.3 μm）のものを利用して，射出される光の品質（パルス幅，偏光の状態）を向上させ，よりCARSの発生効率を向上させる．また，光ファイバーからの発光を除去する手法を検討し，より低バックグラウンドでの観測を行うことで，組織の観測を可能とする．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年は，1) 原理検証システムでのラット組織観察，担がんヌードマウスから取得した組織観察，ヒトから得られた組織の観察，2)ビーム走査時のCARS光強度の一定化，3)励起光源の開発，4) 微小プローブヘッドを用いた観察 を行う．
1)は，上記に記載の手法を用いて観測を行い，その後がん組織の観測の検証をおこなう．
2)は，光ファイバーバンドルの各コアから射出した光の偏光状態が異なるため，得られるCARS光の信号強度が一定とならないことが原因である．光ファイバーバンドルに入射する偏光の状態を高速に調整し，各コアから射出した光の偏光状態を一定にする機構の開発を行う．また，四光波混合発生だけでなく，光ファイバーから発生する光を除去する手法の開発も行う．
3)は，1550 nmで発振したフェムト秒レーザーを高非線形ファイバーに導入・増幅してえられる，1580 nmの倍波と1019 nmの光を用いたCARS励起光源を開発する．
4) は，微小光学系を構築し，これを用いたイメージングに挑戦する．まずは，3Dプリンターを用いたフォルダーで光学系を固定してイメージングを行う．これに成功したら，小型でかつ一体化したプローブヘッドの開発を行う．
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