2015 Fiscal Year Annual Research Report
Three-dimensional measurement of blood cell behavior using digital holographic microscopy and confocal micro-PIV
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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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| Project Period (FY) |
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。本研究では細動脈スケールにおける赤血球および周囲流体の流動メカニズムの解明を目指し、３次元的である赤血球の形状変化やタンクトレッド運動、軸集中挙動を計測できる“デジタルホログラフィック顕微鏡（DHM）”およびPTVをはじめとする画像解析アルゴリズムの開発を行ってきた。
３ヵ年計画の３年目である平成２７年度は、前２年間で定性的な計測可能性を示すことに成功したため、主に計測精度の向上に注力した。流動挙動の速度分布を計測するためのDHM-PTVにおいて、トレーサ粒子の3次元位置検出精度に用いるパターマッチング手法の改善を行い、φ2um粒子の検出位置のランダム誤差をサブミクロンオーダまで抑えることに成功した。この成果を用いて矩形流路のポアズイユ流を計測し、理論解との比較を行ったところ、流れ方向の流速は良い一致を示したが、深さ方向（DHMの光軸方向）にはスパイク的に大きな速度データが現れることがあり、これは粒子のペアリングミスであると考えられる。また、形状の計測についても、形状が自明なマイクロレンズを用いて検証し、定量的な精度と、計測できる角度や屈折率の限界に関するデータを理論値と比較した。
血球に関する実験としては、昨年度設計した2次元段差流路の評価を行った。この流路の特長は流路形状が２次元であるため製作が容易で、かつ流入ポートの数が少ないため、流れの制御を非常にシンプルにできることである。血球サイズ粒子の位置制御性能を実験及び数値シミュレーションにより検証したところ、段差のサイズや流入条件を最適化する指針を得ることができた。
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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
購入した高速度カメラのバックグラウンドノイズ調整により、実験検証が若干遅れ気味ではあったが、その間にソフト面で粒子位置検出アルゴリズムの改善を進めたため、遅れを最小限に留めつつ、スムーズにポアズイユ流計測に移行することができた。
その結果、初年度および２年目の目標であった「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」および、「血球の位置制御と３次元形状の計測」に関しては、ハード、ソフト面の改善により、低倍率（２０倍）での目標をほぼ達成できた。
また、血球位置制御流路の設計・検証においても、数値シミュレーションを併用することにより流路作製やカメラ調整のリードタイムを無駄にすることなく、効率的な開発ができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に達成した計測精度検証実験の結果を踏まえると、特に光軸方向へのスパイク的な過誤ベクトルへの対応が必要になると考える。DHM-PTVでは最終的なベクトルを得るまでに、粒子の３次元位置検出と、２時刻間の粒子ペアリングの２つの手順を要する。このそれぞれに対策を施すことが重要である。誤差の原因として、前者については偶発的な粒子同士の接近や凝集、流路壁粗さによる位相の歪み、迷光が光路に入り込むことによる干渉縞の発生などが考えられ、後者については粒子の近接と誤検出された粒子が主な原因と考えられる。この問題に対し、ハード面の改善策としては粒子の分散性の向上や滑らかな壁面を持つ流路の採用、迷光の遮断などを行い、ソフト面では粒子検出のパターンマッチングの3D化や、高精度なPTVアルゴリズム（４時刻追跡法など）の適用を検討する。
本研究の最終的な目標は「高倍率での血球と周囲流体の同時計測」であり、今後は上記のDHM-PTVシステムの改善とともに、高倍率での計測に取り組む。すでに赤血球単体の形状計測は実現したが、膜挙動や周囲流動を計測するためにはサブミクロンサイズのトレーサ粒子が必要になる。光が粒子を透過する距離は粒子径が小さくなるほど短くなり、また、xy方向においても粒径が顕微鏡の回折限界に近づくことから、位相差が小さく、不鮮明になると考えられる。さらに、血球とトレーサ粒子がDHMの光軸方向に重なった場合の識別も難しくなる可能性があるので、ハード、ソフトの両面から検討を進めていく。
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| Causes of Carryover |
昨年度（平成26年7月）に生じた高速度カメラのバックグラウンドノイズの修理・調整による遅れの影響が残っていたことと、DHM-PTVの精度検証において、光軸方向の速度成分のバラつきを低減するアルゴリズムの開発に時間がかかり、実験回数が減ったことが主な理由である。後者は特に、粒子の位相テンプレートパターンを光の回折理論から生成しているが、対物レンズ内に複数配置されたレンズ群を完全にモデル化することは難しいなど、実際に撮影された粒子の位相パターンと異なってしまうケースがいくつか見受けられた。また、現状、位相テンプレートは粒子直上の2次元パターンのみしか計算できておらず、このことが粒子検出精度のさらなる向上を制限している可能性がある。これら位相計算の検証に時間がかかったため、実験用流路などの消耗品や、追加の対物レンズの購入を先送りせざるを得なかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度内に実施予定であった、血球と周囲流体の同時計測を行うための実験系消耗品の他に、学会発表や論文投稿費用として使用する。
また、位相テンプレートパターンを3次元化することで、粒子位置検出精度の向上が見込めるため、3次元的な波面の伝播を計算できる波動光学シミュレーションソフトウェアの導入を検討する。
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Research Products
(6 results)
