• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2020 年度 実施状況報告書

位相共役光の時間反転伝搬を用いた新たな生体内部機能局所計測技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20K20537
研究機関早稲田大学

研究代表者

清水 孝一  早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授(任期付) (30125322)

研究分担者 加藤 祐次  北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (50261582)
北間 正崇  北海道科学大学, 保健医療学部, 教授 (50285516)
任田 崇吾  石川工業高等専門学校, 電子情報工学科, 助教 (50847382)
犬島 浩  早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 教授 (60367167)
研究期間 (年度) 2020-07-30 – 2023-03-31
キーワード時間反転 / 位相共役 / 光伝搬 / 光散乱 / 無侵襲計測 / 分光計測 / 生体計測 / 拡散
研究実績の概要

本研究は、位相共役波による時間反転という新原理を散乱分光の分野に新たに導入することにより、これまで実現が困難であった強い散乱体内部における局所領域分光計測技術の開発を目的とする。初年度の研究実績は次のとおりである。
1.理論解析により、着想を具現化するための基本的計測方法、計測条件、計測範囲などを明確化した。具体的には、(1) 輸送方程式の拡散近似式からスタートし、散乱体内部の光伝搬領域の時間変化を定式化した。(2) 理論モデルをもとに、必要とされる入射光量、最適な変調周波数、検出感度、計測系のSN比、計測可能深さ等の解析を行った。
2.理論解析の結果をもとにシミュレーションを行い、計測対象および所要計測範囲に対する最適化を行った。具体的には、(1) 拡散方程式を基本とした理論モデルをもとに、生体内部局所領域分光を模擬するシミュレーションプログラムを開発し、モンテカルロ法との比較を通して、開発プログラムの正確さを検証した。(2) 体内分光計測の空間分解能を向上させるため、超音波変調周波数を繰り返し掃引するチャープ方式を独自に考案した。(3) チャープ方式を組み込んだシステムの働きを、シミュレーションで確認した。またそれによる空間分解能の向上を、イメージングシミュレーションにより実証した。
3.理論解析およびシミュレーションの結果を踏まえ、散乱体内部局所領域分光計測システムの具体的設計を開始した。
4.これらの成果を国際会議や国内学会で発表するとともに、学術誌に投稿し4件採択、掲載された。発表の内1件は、表彰を受けた。また、2021年4月の米国光学会(OSA)講演、および5月開催の国際会議基調講演が決定した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

体内局所領域の選択的計測やイメージングでは、その空間分解能の小ささが、提案手法成否の鍵となる。従来の方法では、光に対する超音波変調の周波数が一定であり、空間分解能には限界があった。これに対し本研究では、超音波周波数を周期的に掃引したチャープ超音波を用いることを、新たに考案した。イメージングシミュレーションを通し、この方法で計測領域の空間分解能が大きく向上することが確かめられた。これにより、本研究の進展が加速すると考えられる。

今後の研究の推進方策

これまでの研究で明らかになった、位相情報だけではなく強度情報も正しく再現した位相共役波を用いることは、引き続き堅持する。また今回明らかになった、超音波周波数を掃引することをさらに発展させる。これらにより、当初の計画を超えた性能の技術開発に向け、本研究課題を推進する。

次年度使用額が生じた理由

初年度購入予定の機器を使用する実験において、他予算で購入した機器を用いてより高精度な計測が可能なことがわかった。このため節約できた予算を、翌年度にさらに高性能な実験機開発に利用することにした

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 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 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] Xidian University(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Xidian University
  • [国際共同研究] Ho Chi Minh City Univ. of Technology(ベトナム)

    • 国名
      ベトナム
    • 外国機関名
      Ho Chi Minh City Univ. of Technology
  • [雑誌論文] Three-dimensional imaging through turbidmedia using deep learning? NIR transillumination imaging of animal bodies ?2021

    • 著者名/発表者名
      To Ni Phan Van, Tran Trung Nghia, Hiroshi Inujima, Koichi Shimizu
    • 雑誌名

      Biomedical Optics Express

      巻: 12 ページ: in press

    • DOI

      10.1364/BOE.420337

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of a technique to measure local scattering in turbid media using backscattered light at the surface for noninvasive turbidity evaluation of blood in subcutaneous blood vessels2021

    • 著者名/発表者名
      Shiyang Liang, Koichi Shimizu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 ページ: 1~11

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abd36a

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Fundamental Study for Optical Transillumination Imaging of Arteriovenous Fistula2021

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Kamiyama, Masataka Kitam, Hisae O. Shimizu, Masaji Yamashita, Yoichiro Kojima, Koichi Shimizu
    • 雑誌名

      Advanced Biomedical Engineering

      巻: 10 ページ: 1~10

    • DOI

      10.14326/abe.10.1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 臨床での使用をめざした内シャント光イメージングシステムに関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      神山 英昇,北間 正崇,清水 久恵,山下政司,小島洋一郎,清水孝一
    • 雑誌名

      IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines

      巻: 141 ページ: 56~62

    • DOI

      10.1541/ieejsmas.141.56

    • 査読あり
  • [学会発表] Seeing through human body with near-infrared light - Attempt for new noninvasive medical imaging2020

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu (Keynote)
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Computational Intelligence and Industrial Applications
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Image processing for functional transillumination imaging of animal body using near-infrared light2020

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Computational Intelligence and Industrial Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] Functional transillumination imaging of animal body with NIR light scattering2020

    • 著者名/発表者名
      Koichi Shimizu (Keynote)
    • 学会等名
      Optics Virtual 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Localized scattering estimation in turbid medium using backscattered light from surface - For noninvasive sensing of blood turbidity -2020

    • 著者名/発表者名
      Shiyang Liang and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      International Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory, 2020.
    • 国際学会
  • [学会発表] Depth estimation in 2D transillumination image using focus-stacking method2020

    • 著者名/発表者名
      Sihan Xian, Yingdong Chen and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      International Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory, 2020.
    • 国際学会
  • [学会発表] Depth Estimation of Blood Vessels in 2D NIR Transillumination Images using Machine Learning2020

    • 著者名/発表者名
      Yingdong Chen and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会大会
  • [学会発表] Deblurring of NIR transillumination images by deep learning2020

    • 著者名/発表者名
      Youjie Wang and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会大会
  • [学会発表] Attempt for transillumination imaging along irregular-shape surface2020

    • 著者名/発表者名
      Xiao Wang, Phan Van To Ni and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会大会
  • [学会発表] Development of real-time system for NIR functional transillumination imaging2020

    • 著者名/発表者名
      Yu Du and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会大会
  • [学会発表] Monte-Carlo simulation of light propagation in human tissue for noninvasive measurement of blood turbidity2020

    • 著者名/発表者名
      Yingshuai Fan, Shiyang Liang and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会大会
  • [学会発表] Experimental verification of scattering estimation from backscattered light for noninvasive evaluation of blood turbidity2020

    • 著者名/発表者名
      Yang Cui, Shiyang Liang and Koichi Shimizu
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会大会

URL: 

公開日: 2021-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi