Establishing evaluation platform for contrast agent of functional photo-acoustic diagnosis

• Project/Area Number: 18H01449
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21030:Measurement engineering-related
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 中村 健太郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (20242315)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2018: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 超音波 / 光超音波 / 造影剤 / イメージング / 光音響 / 診断装置 / 強度変調 / レーザ / 半導体レーザ / 変調光

Outline of Annual Research Achievements

本研究は光超音波イメージングにおいて今後利用されることが期待される専用造影剤の評価装置を開発するものである。この造影剤感度評価装置では、振幅変調した連続光を用いることで低い尖頭光パワーで評価を安定に行うことをめざし、半導体レーザ光源と音響共鳴を利用した高感度検出系から構成している。H30年度は、変調周波数を数kHzとし、共振筒とMEMSマイクロホン、およびロックイン検出系から構成される評価系を構築した。光源として、700~900 nmの光波長の中から入手が容易な半導体レーザを複数選び、光源切り替えの利便性と装置構成の自由度確保のために、光ファイバを用いた構成とした。
黒インクの他、蛍光造影剤として使われているインドシアニングリーン（ICG）、および本学材料系研究室で開発中の材料である塩化アルミニウムフタロシアニンを試料として、この評価装置の動作検証を行った。その結果、これらの材料が発生する光音響信号を十分な感度で検出できること、また、材料間や濃度差がある場合の光音響感度の差を識別できた。また、限られた波長ではあるが、複数の異なった光波長における光音響性能を評価することができた。これらにより、装置として狙い通りの動作をすることが確認できた。
また、実際のイメージング装置で使われるMHz帯で評価を行うための装置の構成を検討し、基礎的な構造設計と試作を行った。しかし、これについては、本年度は十分な識別感度を得るには至っていない。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の最終目的である「光超音波イメージング用造影剤の評価装置の実現」に対して、光音響信号を安定に評価可能な装置の一次試作が完了した。さらに、その基本動作を代表的な材料について確認することができた。材料による光音響感度の差、濃度による光音響感度の差を十分に識別できることを確認した。また、光波長を複数切り替えられる機能をもたせることができた。
このkHz帯で動作する評価装置に加えて、MHzで動作する装置の試作も進めたが、MHz帯の装置については本年度は十分な識別感度を得るに至っていない。また、次年度以降の準備として、連続変調光ではなく、実際の光音響イメージング装置に近いMHz帯パルス光方式の予備実験を行った。

Strategy for Future Research Activity

2019年度では、前年度に試作を行ったkHz帯連続光装置について、受信信号の低雑音増幅などを行って感度を1桁程度向上させる。また、試料の濃度による透過光の差をどのように評価するかなど、適正な試料の容量、配置方法などを検討する。また、試料の容量はできるだけ少ないほうがよいので、少ない試料の容量で正しい評価ができる方法を検討し、まずは10マイクロリットル程度の試料容量をめざす。
また、試料容量を減らすことに伴い、光照射による試料温度の上昇が問題になるため、測定時間の短縮を行う。このためには、受信系の音響共鳴筒の共鳴周波数を迅速に見つける必要がある。現在は手動により、測定ごとに共鳴周波数を追尾するか共鳴特性を取得しているが、この操作の自動化を行うか、新たな方法を開発する。また、異種試料、濃度の違う試料を次々に試験するために、試料ターレットの導入など、測定のスループットを向上する構成を検討する。
本研究で開発する装置による試験結果と、実際の光音響イメージング装置による映像との対応が十分とれるようにする必要がある。そのために、MHz帯で動作する評価装置の試作を引き続き進めると同時に、実際のパルス動作と本装置の連続変調光による動作の間の対応についても理論的および実験的に検討する必要がある。
また、これまでは光波長600～800 nmにおける実験を行ってきたが、第2の生体窓である1300 nm帯での評価も行ってゆく。入手が容易な通信用半導体レーザを開発中の装置に組み込むことを予定している。また、装置の操作性などの向上を行うこと、同じ装置を複数準備することを計画している。本装置の構成部品は比較的安価であるが、ロックイン検出部について市販の組み込み用ユニットを活用するなどのローコスト化を行う予定である。