| Project Area | Comprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance |
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| Project/Area Number |
20H05886
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
的場 修 神戸大学, 次世代光散乱イメージング科学研究センター, 教授 (20282593)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野原 努 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (10868920)
小倉 裕介 大阪大学, 大学院情報科学研究科, 准教授 (20346191)
亀井 保博 基礎生物学研究所, 超階層生物学センター, RMC教授 (70372563)
全 香玉 神戸大学, システム情報学研究科, 助教 (40814778)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥206,050,000 (Direct Cost: ¥158,500,000、Indirect Cost: ¥47,550,000)
Fiscal Year 2024: ¥81,640,000 (Direct Cost: ¥62,800,000、Indirect Cost: ¥18,840,000)
Fiscal Year 2023: ¥23,010,000 (Direct Cost: ¥17,700,000、Indirect Cost: ¥5,310,000)
Fiscal Year 2022: ¥22,490,000 (Direct Cost: ¥17,300,000、Indirect Cost: ¥5,190,000)
Fiscal Year 2021: ¥20,930,000 (Direct Cost: ¥16,100,000、Indirect Cost: ¥4,830,000)
Fiscal Year 2020: ¥57,980,000 (Direct Cost: ¥44,600,000、Indirect Cost: ¥13,380,000)
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| Keywords | 散乱透視イメージング / マルチモーダルイメージング / 強度輸送方程式 / ディジタルホログラフィー / シングルピクセルイメージング / 散乱光イメージング / 蛍光ディジタルホログラフィー / 蛍光ディジタルホログラフィ |
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| Outline of Research at the Start |
マルチスケールの散乱・揺らぎ媒質の散乱現象を解明し、内部にある情報またはその向こう側にある情報を透視する技術を構築するための光計測及び情報復元技術を構築する。光計測技術として、散乱光波の強度、位相、蛍光、偏光の多次元物理情報を同時かつ３次元情報として取得するマルチモーダルイメージング技術を体系的に構築する。散乱光波の多次元計測結果から、高解像度画像を復元するためのディジタル光学補正技術を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
強度輸送方程式を用いた３次元蛍光イメージングの散乱透視技術について進展させた。特に蛍光散乱光の位相計測と伝搬計算及び位相回復を組み合わせて奥行き方向の再生が可能な手法を開発した。シングルピクセルスキャニングホログラフィーの高速化に取り組み，従来の300倍以上の高速化を実現した。また，玉田班，早野班，公募研究の渡部氏と協力し，強度輸送方程式に基づく蛍光3次元イメージングの高性能化，適用範囲の拡張，ノイズやアーチファクトの低減に関する共同研究を実施した。シングルピクセルイメージングでは深層学習を導入した際の推定不確かさについて検討した。入力データに対してランダムなノイズを付加したり回転したりすることで擬似的に複数の入力データを生成し，不確かさの評価を行った。これにより，深層学習で出力された結果の信頼性を1度の実験データから判断することができるようになり，高速かつ信頼性の高いイメージング技術を実現した。計算イメージングの照明として，偏光分布を持つサブ回折限界光スポット生成する計算機合成ホログラムの検討を進めた。軸対称偏光の導入により，スポットアレイの高密度化が可能であることや，XYZの3軸それぞれの偏光を持つサブ回折限界スポットを配置できることを示した。また，フェルスター共鳴エネルギー移動を利用した，励起波長により発光制御可能な蛍光系については，信号分離アルゴリズムにより重畳した発光信号を分解できることを確認した。散乱光イメージングの対象物として様々な大きさの生体サンプルを作成した。メダカでは，トランスジェニック系統として、全細胞で蛍光タンパク質発現系統の作出を行った。玉田班と共同でシロイヌナズナにおける近赤外光局所照射による単一細胞レベル（マイクロメートルスケール）での蛍光タンパク質発現条件に関して詳細な条件検討を行い，論文化した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，計画研究内での研究分担者との共同研究を進めることで，共著で学術論文を出版することができた。特に，シングルピクセルイメージングにおいて，微弱及び高速化に関して，深層学習の利用とディジタルミラーアレイデバイスなどの活用により実現することに成功している。また，強度輸送方程式を用いた高速３次元蛍光イメージングに関しては，玉田班，早野班，粟辻班及び複数の公募研究との研究を強力に推進することができ，領域内での技術共有と共同研究を進めることができている。学術論文として１０報以上を出版し，解説論文も３報出版した。以上の結果から（１）当初の計画以上に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究分担者とともに，これまでに構築した強度輸送方程式による３次元蛍光イメージングと，シングルピクセルイメージングによる広視野イメージングを一体化したシステムの改良を進める。特に，海外研究者と共同研究を進めている高速シングルピクセルスキャニングホログラフィーの光学系を顕微鏡システムに導入する。さらに，散乱体内部の３次元情報を可視化するために，スペックル相関イメージングと比較し，提案手法の有効性を示す。また，照明系ではディジタル位相共役などの技術の応用可能性について数値シミュレーションおよび光学実験を実施する。特に，強度輸送方程式を用いて蛍光散乱光の反射行列測定を実施し，散乱が強い場合での照明技術の改良に取り組む。これらの成果を他の計画研究班及び公募研究班と共有し，領域内での共同研究を推進する。
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