2014 Fiscal Year Annual Research Report
デジタルホログラフィック計測と共焦点マイクロＰＩＶを用いた血球挙動の３次元計測
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25289027
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大石 正道 東京大学, 生産技術研究所, 技術専門職員 (70396901)
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2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 赤血球 / デジタルホログラフィ / ３次元計測 / マイクロPIV / 粒子追跡法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロスケールの細動脈を流れる血流は、血中の体積分率の高い赤血球の物性と挙動に大きく支配されており、高血圧や脳梗塞などの病変と密接に関係があると言われている。本研究では３次元的である赤血球の形状変化や軸集中挙動を計測するため、新たな３次元計測手法である、“デジタルホログラフィック計測”の開発を行う。本手法を従来の２次元共焦点マイクロPIV計測と併用することにより、血球の変形やタンクトレッド運動、軸集中挙動および周囲流動を３次元的かつ定量的に計測し、流動メカニズムの解明を目指す。
３ヵ年計画の２年目である平成２６年度は、Step 1の最後にある血球位置制御流路のマイクロPIV計測および、Step 2の「血球の位置制御と３次元形状の計測」を行った。マイクロPIV計測については、流路の流速レンジが非常に高く、定量的な計測にまでは至らないものの、流路形状の変化によって２次流れが誘起されている様子が確認できている。Step 2については、実際の血球を用いたデジタルホログラフィ計測を行っている。従来の球形モデル粒子と異なる形状や柔軟性により、計測の難易度が格段に上がっており、位置制御および形状計測のどちらにおいても、解決しなければならない技術的課題が明らかになった。それらはハード的な光学設計や流路設計に依存するものと、得られた画像から定量的なデータを得るためのソフト的な画像解析アルゴリズムに依存するものに分けられる。どちらも、革新的な手法開発が必要と考えられ、これらが次年度に向けた目標となっている。
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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
初年度の主な研究テーマであるStep 1「流路設計とホログラフィックシステムの構築、および血球モデルの３次元位置制御」に関しては全体的におおむね順調に進行し、その結果を受けて本年度のStep 2「血球の位置制御と3次元形状の計測」に取り組んだ。この軸に沿って設定した具体的な研究項目について、それぞれの内容と達成度を検証する。
初年度の血球モデルの３次元位置制御において、Dean flow流路、Sheath flow流路共に、粒子の半径サイズ（４～５ミクロン）内に集めることに成功したが、Dean flow流路では流速レンジが高すぎて赤血球に過大な負荷がかかってしまうこと、Sheath flow流路では流路の３次元性により、再現性の高い製作が困難であることと、流入口の数が多いためにシリンジポンプの流量バランスをとることが難しいことが判明した。そこで新たに、２次元段差流路による粒子位置制御の検討を並行して進めた。
Step 2については、２－１）赤血球の３次元位置計測において流路に実際に赤血球を流し、（１－３）の球形粒子と同様の位置制御が行えるかどうかを確認した。本計測では球形粒子用のアルゴリズムとは異なる、球形ではない血球の位置を正確に計測できる新たな解析アルゴリズムが必要であり、平面上に配置した赤血球や、流路の底面近傍を転がる赤血球などを対象として精度検証を行った。２－２）赤血球の３次元形状計測については、ホログラフィ顕微鏡の２つ目の利点である３次元形状計測機能を用いて、血球の位置計測に比べて高倍率となる100倍の対物レンズを用いて行った。その結果、スライドガラス状に水平に置かれた赤血球の厚み分布の計測に成功した。ただし、透過光を用いるホログラフィック計測で３次元形状を取得するには、形状が面対称であることが求められるため、実際の流動時の非対称性に対する対策が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はStep 2「血球の位置制御と３次元形状の計測」を経て、Step 3「血球と流れの相互作用の解明と診断デバイス開発」へと研究を進めていく。
血球の位置制御については、２次元段差流路は少ない流入口で効果的に血球位置を制御できる可能性が示されているが、やはり流速レンジがまだ１桁速いため、流路幅の拡張などにより流速の減速を試みる。血球の３次元形状計測については、透過法では面対称な形状に限定されてしまうため、反射法の応用を検討する。血球と周囲流体の界面では、光の反射が微弱であるため、それを強調する手法の開発が求められる。
Step 3においては、３－１）計測対象追従性能の付加による長距離の追従計測において、並進トラバーサを光路中に挿入できるようDHM装置を改造する。空間的な問題は無いが、トラバーサ駆動時の振動がDHMに影響を及ぼさないかどうかを検証する必要がある。３－２）血球と周囲流体の同時計測においては、３－１）で構築した血球追従システムを導入し、共焦点マイクロPIVとDHMによる血球と周囲流体の同時計測を行う。本計測によって、血球は変形量、タンクトレッド運動の回転速度、流れ方向並進速度と軸集中速度、周囲流体は速度場、せん断率、などのデータが得られる。これらのデータは全て、追従計測によって個々の血球について取得が可能であり、データのばらつきを用いた検証も可能である。具体的には、年齢や健康状態などによる違いを検証でき、上記のパラメータ群を利用して血球挙動と年齢や健康状態の関連性を多角的に調査する。
最終的に３－３）血液診断デバイスへの開発応用を目指す。例えば、血球の柔軟性と軸集中速度に関連性が明らかになれば、流路に分岐を設けるなどして血球を選り分け、診断などに応用できると考える。
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| Causes of Carryover |
当初の予定では、主な使用額として血球追従計測用の並進トラバース装置の導入費用を計上していたが、平成26年7月、計測精度検証実験に使用していた高速度カメラに計測精度に重大な影響を及ぼすバックグラウンドノイズが乗っていることが判明したため、高速度カメラの修理・調整が必要となり、計測精度検証実験の再開までに8ヶ月間を要した。これにより、平成27年3月に予定していた、血球追従システム構築のための基礎データを取得することができず、トラバーサ購入および装置改造を次年度にて検討することとした。
また、血球の３次元位置計測においても、高速で流れるチャネル内流れを定量的に計測するためには高速度カメラが必須であり、定性的な現象は確認できたものの、定量的な計測データが得られず、論文投稿および学会発表を予定より１つずつ減らさざるを得なかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度中に実施予定であった、赤血球の3次元形状計測および血球追従システム構築への準備と血球追従計測を行うための実験系必要物品の購入のほかに、学会発表や論文投稿費用として使用する。
また、今までの計測結果から、実験の精度を保証するために、高性能シリンジポンプ、マイクロ流量センサ、除震台専用のコンプレッサ、再現性の高いPDMS流路作製のための材料混合装置などの必要性が示されたため、それらの性能を吟味しつつ、購入を検討する。
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