| 研究課題/領域番号 |
21K18198
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| 研究種目 |
挑戦的研究(開拓)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分30:応用物理工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
井上 修一郎 日本大学, 理工学部, 教授 (30307798)
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| 研究分担者 |
行方 直人 日本大学, 理工学部, 准教授 (20453912)
高田 則雄 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (50415212)
大貫 進一郎 日本大学, 理工学部, 教授 (80386002)
岸本 誠也 日本大学, 理工学部, 助教 (90843053)
佐甲 徳栄 日本大学, 理工学部, 教授 (60361565)
小林 伸彰 日本大学, 理工学部, 准教授 (50611422)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
2021年度: 13,520千円 (直接経費: 10,400千円、間接経費: 3,120千円)
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| キーワード | フェムト秒時間分解測定 / 量子パルスゲート / 生体断層撮影 / 周波数上方変換 / 信号検出感度 / 分散補償 / 断層撮影 / 主モード選択率 / 2次元フーリエ変換 / FDTD法 / 時間分解測定 / 単一光子検出 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、生体試料にフェムト秒微弱光パルスを照射し、生体内部からの反射光パルスを時間分解測定することにより生体試料の断層撮影を行う。その際、生体深部で反射して戻ってきた光パルスと同時刻に到来する生体内部で多重反射（散乱）して戻ってきた光パルス（背景雑音）を量子パルスゲートにより除去する。これにより、生体深部から反射して戻ってくる単一光子レベルの光パルスを高い S/N 比で検出することが可能となる。この断層撮影技術を脳血管構造の３次元計測に応用し、極限微弱光による脳深部の「観察」を実現することで、光遺伝学を用いた脳活動「操作」の適用範囲を拡大できることを実証する。
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| 研究実績の概要 |
最終年度は、昨年度の研究成果をもとに断層撮影における信号検出感度と深さ方向分解能の改善を行った。信号検出感度の改善には、断層撮影光学系の損失の低減とポンプ光パルス強度の増強による周波数上方変換効率の改善が必要である。一方、深さ方向分解能の改善には分散補正によるプローブ光パルスのパルス幅の低減が必要となる。これらを達成するために、本年度は繰り返し周波数 100 MHz、平均出力 520 mW、パルス幅 38 fs のモードロックファイバーレーザーを光源とし、低損失な回折格子を使用した 4f 光学系と光ファイバーによる分散補償により、パルス幅 ~ 240 fs、平均出力 50 mW のプローブ及びポンプ光パルスの生成に成功した。（昨年度はパルス幅 380 fs、プローブ及びポンプ光パルスの平均出力はそれぞれ 1.5 mW と 30 μW であった。）これにより、マウス固定脳を試料とした断層撮影において、深さ方向分解能 ~ 38 μm、信号検出感度 ~130 dB が見込まれる。（昨年度の深さ方向分解能は 57μm、信号検出感度は 111 dB であった。）
研究期間全体を通して、光パルスの時間分解測定による断層撮影において、背景雑音となる多重散乱光の除去、130 dB を超える信号検出感度を量子パルスゲートにより達成できることを示した。これにより、光コヒーレンストモグラフィ（OCT）より試料深部の観察が可能となり、背景雑音除去によるコントラストの高い鮮明な画像を取得できる。深さ方向分解能に関しては現状では ~ 38 μm であるが、空間位相フィルタを用いることにより 10 μm 以下の分解能を得ることができると考えられる。
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