| 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 | 量子パルスゲート / 周波数上方変換 / 和周波発生 / 単一光子検出 / 微弱光照射 / 生体断層撮影 / フェムト秒時間分解測定 / 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 |
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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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| 研究成果の概要 |
本研究では、波長 1556 nm、パルス幅 380 fs の光パルスの時間分解測定に量子パルスゲートを適用することで、超高感度な生体断層撮影技術を開発した。灌流固定したマウス脳を試料とし、試料に照射するプローブ光パルスの平均強度が 1.5 mW のとき、波長 1526 nm、平均強度 30μm のポンプ光パルスを用いて、マウス脳内部からの反射光パルスを量子パルスゲートにより周波数上方変換し単一光子検出器で検出した。その結果、57 μm の深さ方向分解能、111dB の信号検出感度を達成することができた。この信号検出感度は、ショットノイズ限界の光コヒーレンストモグラフィと同じレベルである。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
光パルスの時間分解測定に量子パルスゲートを適用することで、試料内部から１回の反射で戻ってくる信号光パルスのみをフェムト秒の分解能で検出する技術を開発した。これにより、試料内部で多重反射して信号光パルスと同時に戻ってくる異なる時間モードを持つ背景雑音を除去し、試料の深部においても高いコントラストの断層画像を得ることができた。本技術は、アルツハイマー病の原因因子の一つと考えられているアミロイドβ凝集塊を非接触・非侵襲で検出可能な技術であり、アルツハイマー病の早期発見や治療薬の開発が期待できる。また、高効率な光検出器が未開発の中赤外領域において、高効率・低雑音な光検出技術を提供するものである。
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