GHzレーザー超音波によるコンピュータ断層撮影法

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02123
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: O・B Wright 北海道大学, 工学研究院, 教授 (90281790)
• 研究分担者: 松田 理 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30239024) ; 友田 基信 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30344485)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 物理計測・制御 / GHz超音波 / 断層撮影法

研究実績の概要

本研究の目的は、GHz超音波コンピューター断層撮影法（超音波CT）の分野を確立し、非侵襲の音響内部イメージングをナノスケールまで拡張することである。生体細胞などの液中の透明固体物質を試料とし、弾性率と屈折率の３次元マッピングを目標としたサブマイクロメートルスケールの空間分解能をもつ液体ピコ秒超音波CTと、固体内部構造をナノメートル分解能でイメージングすることを目標とした固体ピコ秒超音波CTの両方を実現する。
本年度は以下の研究を行った。
1. 高開口数の液浸対物レンズを用いた液体ピコ秒超音波CT法の実証実験：フェムト秒レーザーを用いた液体ピコ秒超音波CTシステムを構築し、液体中のガラス構造を試料として、ピコ秒超音波CT法により試料中の縦波音速と屈折率の深さ方向のマッピングを行った。この実験により物理量の精度と入射角範囲の関係などが判明した。
2. 新たな配置による液体ピコ秒超音波CT法の実証実験：透明で直角の出ている試料ホルダーを使い、プローブ光を側面から入射すると、層状に屈折率が分布していると仮定できる試料に対しては、１つの入射角だけで音速のマッピングができることを新たに考案した。この配置において本当に正しい音速が求められるのかの実証実験を行い、実現可能なことを実証した。
3. 固体ピコ秒超音波CTの実験：円柱状の試料に対して、アルコリズム開発のために超音波シミュレーションを行った。更に内部に欠陥として空洞が空いてあり、直径数マイクロメートルの石英ガラス試料を作製した。また、内部にポリスチレン球が埋め込まれた厚み数マイクロメートルのチタニウムの板状の試料を考案し作製した。CT実験の検証用に内部構造となるポリスチレン球の位置は試料作製時に画像に記録してある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1. 液体ピコ秒超音波CT法については、無機試料を使いある程度の精度で測れる見通しがついた。さらに音速分布だけを独立に測る事ができる新たな方法を考案した。この新手法は生体試料の硬さ分布測定への応用において、試料ホルダや試料準備の面の制約が大きくなるが、屈折率による誤差の伝播がなく、より短時間で測る事ができるという大きなメリットがある手法である。
2. 固体ピコ秒超音波CT法については、シミュレーション、試料準備、新しいレーザーを用いた計測システムの構築といった面において精力的に進めている。

今後の研究の推進方策

1. 液体ピコ秒超音波CTについては、当初予定していた差動距離が短く油浸の超高開口数の対物レンズを使わずとも、水浸の高開口数の対物レンズでも測定可能な入射角度範囲は小さくなるが実用上は屈折率や音速の決定精度に影響を与えずに使用できることが分かった。今年度は、生体試料への応用に向けて研究を進める。新配置の液体ピコ秒超音波法についても最適な試料ホルダーを考案し、屈折率や音速が分布している試料を使ったデモンストレーション実験を行う。
2. 固体ピコ秒超音波CTについては、測定装置がほぼ出来上がったので、実際の試料を使い測定をし、その結果を使って内部構造を明らかにし測定精度などについて検討していく。

研究成果

• [国際共同研究] Universite du Maine/Universite de Lyon(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite du Maine/Universite de Lyon
• [国際共同研究] Sapienza Universita di Roma(Italy)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Sapienza Universita di Roma
• [国際共同研究] Recendt(Austria)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Recendt
• [国際共同研究] Yonsei University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Yonsei University
• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology/University of Washington(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Massachusetts Institute of Technology/University of Washington
• [雑誌論文] Upholding the diffraction limit in the focusing of light and sound (2017)
  • 著者名/発表者名: A.A. Maznev and O.B. Wright
  • 雑誌名: Wave Motion 巻: 68 ページ: 182-189
  • DOI: 10.1016/j.wavemot.2016.09.012
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Elucidating gigahertz acoustic modulation of extraordinary optical transmission through a two-dimensional array of nano-holes (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Ulbricht, H. Sakuma, Y. Imade, P. H. Otsuka, M. Tomoda, O. Matsuda, H. Kim, G.-W. Park, and O. B. Wright
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: 091910
  • DOI: 10.1063/1.4977430
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical tracking of picosecond coherent phonon pulse focusing inside a sub-micron object (2016)
  • 著者名/発表者名: Thomas Dehoux, Kenichi Ishikawa, Paul H. Otsuka, Motonobu Tomoda, Osamu Matsuda, Masazumi Fujiwara, Shigeki Takeuchi, Istvan A Veres, Vitalyi E.Gusev and Oliver B. Wright
  • 雑誌名: Light Science & Applications 巻: 5 ページ: e16082
  • DOI: 10.1038/lsa.2016.82
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Extraordinary transmission of gigahertz surface acoustic waves (2016)
  • 著者名/発表者名: Sylvain Mezil, Kazuki Chonan, Paul H. Otsuka, Motonobu Tomoda, Osamu Matsuda, Sam H. Lee, and Oliver B. Wright
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 33380
  • DOI: 10.1038/srep33380
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Imaging gigahertz surface acoustic waves on metamaterials (2017)
  • 著者名/発表者名: O. B. Wright
  • 学会等名: Colloquium CMOI-FLUVISU 2017
  • 発表場所: Le Mans, France
  • 年月日: 2017-03-20 – 2017-03-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ピコ秒超音波法による透明媒質中の音速と屈折率のナノスケール分解能３次元イメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 窪田 晃久、友田 基信、松田 理、Oliver Wright
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] Tuning to a particular acoustic whispering-gallery mode in the GHz range (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Mezil, K. Fujitam M. Tomoda, M. Clark, O.B. Wright and O. Matsuda
  • 学会等名: 5th Joint Meeting of the Acoustical Society of America and Acoustical Society of Japan
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-11-28 – 2016-12-02
  • 国際学会
• [学会発表] Watching gigahertz acoustic waves confined in cavities (2016)
  • 著者名/発表者名: O. B Wright
  • 学会等名: 5th Joint Meeting of the Acoustical Society of America and Acoustical Society of Japan
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-11-28 – 2016-12-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GHz extraordinary acoustic transmission of bulk waves through nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroya Tozawa, Motonobu Tomoda, Paul Otsuka, Sylvain Mezil, Osamu Matsuda, Istvan A Veres, and Oliver B Wright
  • 学会等名: The 37th Symposium on Ultrasonic Electronics (USE2016)
  • 発表場所: Pusan, South Korea
  • 年月日: 2016-11-16 – 2016-11-18
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging surface acoustic wave propagation on crystal spheres (2016)
  • 著者名/発表者名: Paul Otsuka, Osamu Matsuda, Motonobu Tomoda, Istvan Veres and Oliver Wright
  • 学会等名: The 37th Symposium on Ultrasonic Electronics (USE2016)
  • 発表場所: Pusan, South Korea
  • 年月日: 2016-11-16 – 2016-11-18
  • 国際学会
• [学会発表] GHz振動モードによるスプリットリング共振器の超高速光学変調 (2016)
  • 著者名/発表者名: 今出 悠太、Ulbricht Ronald、友田 基信、松田 理、Seniutinas Gediminas、Juodkazis Saulius、Wright Oliver B
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] カイラリティを有する波源形成とGHz帯音響ウィスパリングギャラリーモードの励起 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤田 健太郎、Mezil Sylvain、Clark Matt、友田 基信、Wright Oliver、松田 理
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Time-resolved imaging of electrically excited GHz acoustic vibrations at arbitrary frequencies (2016)
  • 著者名/発表者名: Osamu Matsuda, Hirofumi Shono, Shun Kato, Shogo Kaneko, Sylvain Mezil, Motonobu Tomoda and Oliver Wright
  • 学会等名: International Congress on Acoustics
  • 発表場所: Buenos Aires, Argentina
  • 年月日: 2016-08-05 – 2016-08-09
  • 国際学会
• [学会発表] Tuning to a particular acoustic whispering-gallery mode in the GHz range (2016)
  • 著者名/発表者名: Sylvain Mezil, Kentaro Fujita, Motonobu Tomoda, Matt Clark, Oliver B. Wright, Osamu Matsuda
  • 学会等名: International Congress on Acoustics
  • 発表場所: Buenos Aires, Argentina
  • 年月日: 2016-08-05 – 2016-08-09
  • 国際学会
• [学会発表] Nanoscale in-depth imaging of mechanical and optical properties with a high numerical aperture objective lens (2016)
  • 著者名/発表者名: Motonobu Tomoda, Akihisa, Kubota, Kentaro Fujita, Osamu Matsuda, and Oliver B. Wright
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Spatio-frequential control of GHz acoustic whispering-gallery modes (2016)
  • 著者名/発表者名: Sylvain Mezil, Kentaro Fujita, Motonobu Tomoda, Matt Clark, Oliver B. Wright, and Osamu Matsuda
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Time-resolved two-dimensional imaging of gigahertz surface acoustic waves at arbitrary frequencies with an asynchronous pulsed-optical probing (2016)
  • 著者名/発表者名: Osamu Matsuda, Hirofumi Shono, Shun Kato, Shogo Kaneko, Sylvain Mezil, Motonobu Tomoda, and Oliver B. Wright
  • 学会等名: Osamu Matsuda, Hirofumi Shono, Shun Kato, Shogo Kaneko, Sylvain Mezil, Motonobu Tomoda, and Oliver B. Wright 5th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Watching waves confined in phononic cavities (2016)
  • 著者名/発表者名: Oliver Wright, Paul Otsuka, Sylvain Mezil, Osamu Matsuda, Motonobu Tomoda, Ryota Chinbe, Shogo Kaneko, Kenji Ishikawa, Kazuki Chonan, Yukihiro Tanaka, Sihan Kim, Heonsu Jeon, Thomas Dehoux, Masazumi Fujiwara, Shigeki Takeuchi, Istvan Veres, Sam H. Lee, and Vitalyi Gusev
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast acoustic modulation of a split-ring-resonator metamaterial (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuta Imade, Ronald Ulbricht, Motonobu Tomoda, Osamu Matsuda, Gediminas Seniutinas, Saulius Juodkazis, and Oliver B. Wright
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Surface acoustic mode imaging of a microsphere-based metamaterial (2016)
  • 著者名/発表者名: Paul H. Otsuka, Sylvain Mezil, Vitalyi Gusev, Osamu Matsuda, Motonobu Tomoda, Tian Gian, Nicholas Boechler, Alex A. Maznev, Nicholas Fang, and Oliver B. Wright
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of negative density (2016)
  • 著者名/発表者名: S. H. Lee and O. B. Wright
  • 学会等名: 171st Meeting of the Acoustical Society of America
  • 発表場所: Salt Lake City, USA
  • 年月日: 2016-05-23 – 2016-05-27
  • 国際学会
• [備考] Laboratory of Applied Solid State Physics
  • URL: http://kino-ap.eng.hokudai.ac.jp/index.html
• [備考] 北海道大学大学院工学院量子機能工学研究室
  • URL: http://kino-ap.eng.hokudai.ac.jp/j-index.html