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2019 年度 実績報告書

生体内3次元構造全体のナノ振動計測を指向した光断層撮像システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19H02151
研究機関新潟大学

研究代表者

崔 森悦  新潟大学, 自然科学系, 研究准教授 (60568418)

研究分担者 田中 洋介  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20283343)
村松 正吾  新潟大学, 自然科学系, 教授 (30295472)
日比野 浩  新潟大学, 医歯学系, 教授 (70314317)
任 書晃  新潟大学, 医歯学系, 准教授 (80644905)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード光コヒーレンストモグラフィー / 光計測 / スーパーコンティニウム / 光周波数コム
研究実績の概要

本研究では3次元ボリューム全体の断層構造と振動様態の同時計測を実現する光コムを用いた新規イメージング装置の開発を目指した。即ち、生体組織の構成要素を「細胞レベル」で描出し、その高速ナノ振動を広範囲において追尾するために、「光コム」の電子的走査を用いた断層振動イメージング装置を構築している。
この装置の原理として、超広帯域光コムの周波数間隔と波長を巧みに操作することで測定対象の3次元断層と振動分布を同時にen-faceで計測し可視化する方法と、周波数間隔の高速掃引によってプローブ光の当たる領域における超音波振動の深さ分布をリアルタイムで計測する方法を開発した。
具体的には、2019年度は、「光コムの生成と高速で正確な周波数掃引」を確立し、「光コムの広帯域化」を実現した。コム間隔可変のモノリシックな位相変調器型光コムを製作し、周波数掃引幅8 GHz±20 MHzを達成した。これにより1 MHzのa-scan掃引時間を達成した。さらに、光ファイバーの非線形効果及び分散効果を用いることで1.5μm帯で波長幅約80 nmの広帯域化を達成した。さらに、このコム光源とフィゾー型干渉計による基礎的な原理確認実験を行った。
その結果、深さ方向分解能50μmの断層形状計測と同時に、100kHz以上の振動を振幅感度10 nmでリアルタイム計測することができた。

現在までの達成度 (区分)
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

当初計画では、初年度に「光コムの生成と高速で正確な周波数掃引」を確立し、「光コムの広帯域化」の実現を計画した。また性能目標として、コム間隔の周波数掃引幅10 GHz±100 MHzの達成と、光ファイバーの非線形効果及び分散効果を用いることで1.5μm帯で波長幅約100 nmの広帯域化の達成を目指した。達成した周波数掃引幅は8 GHz±20 MHzであるが、測定において光コム干渉次数を上げることで、目標としていた500μmの深さ方向のa-scanが可能であることが判明した。また、生成した光コムパルスの非線形ファイバー伝搬によってスーパーコンティニウムの生成が確認でき、ある程度の広帯域化(目標の80%程度)を実現できた。今後の課題として、より最適な分散条件の光ファイバーを用いることでさらなる広帯域化を目指す。断層形状と振動分布のリアルタイム同時計測が可能であることが示されたことで、次年度の計測システム構築への基礎的な土台が整った。

今後の研究の推進方策

光源の開発においては、非線形光ファイバーの選定を進め、さらなる広帯域化を目指しことで、断層計測の深さ分解能の向上を達成する。計測システムとしては、前年度の結果を踏まえ、en-face型とプローブ型の二つのシステムの試作と生体試料の計測と評価を目指す。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 7件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Characterisation of the static offset in the travelling wave in the cochlear basal turn2020

    • 著者名/発表者名
      Ota T, Nin F, Choi S, Muramatsu S, Sawamura S, Ogata G, P. Sato M, Doi K, Doi K, Tsuji T, Kawano S, Reichenbach T, Hibino H.
    • 雑誌名

      Pflugers Archiv - European Journal of Physiology

      巻: 472 ページ: 625-635

    • DOI

      10.1007/s00424-020-02373-6

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Signal correction by detection of scanning position in a white-light interferometer for exact surface profile measurement2019

    • 著者名/発表者名
      Luo S, Suzuki T, Sasaki O, Choi S, Chen Z, and Pu J.
    • 雑誌名

      Applied Optics

      巻: 58 ページ: 3544-3588

    • DOI

      10.1364/AO.58.003548

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] In vivo tomographic visualization of intracochlear vibration using a supercontinuum multifrequency-swept optical coherence microscope2019

    • 著者名/発表者名
      Choi S, Nin F, Ota T, Sato K, Muramatsu S, and Hibino H
    • 雑誌名

      Biomedical Optics Express

      巻: 10 ページ: 3317-3342

    • DOI

      10.1364/BOE.10.003317

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Vibration distribution measurement using downsampling phase-shifting interferometer2019

    • 著者名/発表者名
      Ohara Y, Suzuki T, Choi S, Sasaki O.
    • 雑誌名

      Optics Engineering

      巻: 59 ページ: 034112

    • DOI

      10.1117/1.OE.59.3.034112

    • 査読あり
  • [学会発表] In-vivo tomographic visualization of intracochlear vibration using supercontinuum multifrequency-swept optical coherence microscope2019

    • 著者名/発表者名
      Choi S, Nin F, Ota T, and Hibino H
    • 学会等名
      OPIC2019 The 8th Advanced Laser and Photon Sources
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 3次元非分離冗長重複変換によるOCTボリュームデータ復元2019

    • 著者名/発表者名
      吉田祐太,藤井元暉,村松正吾,崔森悦,小野峻佑,太田岳,任書晃,日比野浩
    • 学会等名
      電子情報通信学会信号処理研究会
  • [学会発表] Intracochlear vibration measurement using supercontinuum multifrequency-swept optical coherence microscope2019

    • 著者名/発表者名
      Choi S, Nin F, Ota T, Sato K, and Hibino H
    • 学会等名
      Optical Design and Fabrication 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] 改良型イメージング振動計測装置による内耳感覚上皮帯のナノ振動の深度分布2019

    • 著者名/発表者名
      任書晃, 太田岳, 崔森悦, 日比野浩
    • 学会等名
      生体コモンスペース研究会
  • [学会発表] 音に呼応する内耳感覚上皮帯の非典型な動きとその分析2019

    • 著者名/発表者名
      太田岳, 任書晃, 崔森悦, 日比野浩
    • 学会等名
      NEURO2019(第42回日本神経科学大会、第62回日本神経化学学会大会)
  • [学会発表] Volumetric data restoration of inner ear sensory epithelia based on sparse modeling with multifrequency swept optical coherence microscope2019

    • 著者名/発表者名
      Choi S, Muramatsu S, Ota T, Nin F, Suzuki T, Hibino H
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 改良型光学振動計による内耳ナノ振動の解析2019

    • 著者名/発表者名
      日比野浩, 太田岳, 崔森悦, 任書晃
    • 学会等名
      シンポジウム「メカノバイオロジー研究の新展開-“力”による生命現象制御の理解深化に向けて-」:第92回日本生化学会大会
  • [学会発表] 内耳感覚上皮帯を構成する外有毛細胞のナノ振動動態の同定2019

    • 著者名/発表者名
      任書晃, 太田岳, 崔森悦, 日比野浩
    • 学会等名
      生理学研究所研究会「シグナル動態の可視化と操作に基づく多階層機能解析の新展開」
  • [学会発表] 内耳の感覚上皮帯を構成する有毛細胞のナノ動態の同定,2019

    • 著者名/発表者名
      任書晃, 太田岳, 崔森悦, 日比野浩
    • 学会等名
      日本薬理学会北部会
  • [学会発表] 3D thickness measurement using pulse-driven optical coherence tomography based on wavelet transform2019

    • 著者名/発表者名
      Suzuki T, Liu B, Choi S
    • 学会等名
      SPIE Applied Optical Metrology III
    • 国際学会
  • [学会発表] OCT Volumetric Data Restoration with Latent Distribution of Refractive Index2019

    • 著者名/発表者名
      Fujii G, Yoshida Y, Muramatsu S, Ono S, Choi S, Ota T, Nin F, Hibino H
    • 学会等名
      2019 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP)
    • 国際学会
  • [学会発表] 内耳の感覚上皮帯を構成する外有毛細胞のナノ動態の同定2019

    • 著者名/発表者名
      任書晃, 太田岳, 崔森悦, 日比野浩
    • 学会等名
      中部日本生理学会
  • [学会発表] En-face multifrequency-swept optical coherence microscope for in vivo intracochlear vibration visualization2019

    • 著者名/発表者名
      Choi S, Ota T, Nin F, Muramatsu S, and Hibino H
    • 学会等名
      ISOM’19
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] In vivo nano-scale vibrometry in apical-basal ends of contractile outer hair cells in the mammalian cochlea by supercontinuum source spectraldomain OCT2019

    • 著者名/発表者名
      Nin F, Ota T, Choi S, Hibino H
    • 学会等名
      Dynamics and Fluctuations in Biomedical Photonics XVII, SPIE Photonic West
    • 国際学会
  • [学会発表] Multifrequency-swept optical coherence microscopy for full-field in-vivo intracochlear vibration measurement2019

    • 著者名/発表者名
      Choi S, Nin F, Ota T, Hibino H
    • 学会等名
      Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XXIV, SPIE Photonics West
    • 国際学会
  • [学会発表] 高解像光コヒーレンストモグラフィを用いた蝸牛有毛細胞のナノ振動動態計測2019

    • 著者名/発表者名
      任書晃, 崔森悦, 太田岳, 日比野浩
    • 学会等名
      第97回日本生理学会大会

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公開日: 2021-01-27  

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