| 研究課題/領域番号 |
20K20537
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
清水 孝一 北海道大学, 情報科学研究院, 名誉教授 (30125322)
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| 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)
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| 研究期間 (年度) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| 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 |
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| 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。第二年度の研究実績は次のとおりである。
１．初年度の理論解析の結果をもとに、着想を具現化するための計測方法、計測条件、計測範囲等につき解析をさらに進め、それらを特定した。具体的には、生体のような濃厚系散乱体内部の光伝搬につき、次のように詳しい解析を行った。(1)均一散乱体に対しては、光エネルギーの輸送方程式に基づき、拡散近似解を適用して解析を行った。理論モデルに対し、実験において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、計測可能深さ等の特定を行った。 (2)血管や筋肉層など不均一な対象に検討を進め、モンテカルロ法に基づくシミュレーションにより、同様の解析および実験条件の特定を行った。
２．初年度に独自に考案したイノベーション、つまり超音波変調周波数を時間に対し掃引するチャープ方式を追求した。具体的には、 (1) 初年度の原理解析をさらに進め、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きるようにした。その結果、(2)生体組織のような濃厚系散乱体内部において、光計測領域を局所化する性能の大きな向上が確認された。
３．体内血管のモデルを構築し、位相共役波による時間反転イメージングを試みた。超音波変調の部分に対し、従来法と新規チャープ方式を適用し比較したところ、散乱による劣化のない画像との相関係数が、新手法により倍増することが確認された。つまり、チャープ方式による有意な空間分解能の向上が確かめられた。
４．これらの成果を国際会議や国内学会で発表した。2021年4月には米国光学会（OSA）講演、5月および9月には国際会議での基調講演を行った。
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| 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
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。
初年度の結果を受け、本年度はこの方法の実現可能性をさらに追及した。生体内部血管構造のモデルを作成し、イメージングシミュレーションを行った。その結果、新たに考案した方法で計測領域の空間分解能が大きく向上し、実用性の高い画像が得られる可能性が実証された。これにより、本研究が概ね順調に進展すると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
上記のように、研究の前半は順調に進展している。これらの結果より、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基本方針は維持する。また、本研究で新たに明らかになった、超音波周波数を掃引する手法をさらに深化発展させる。これらにより、当初の計画を超えた性能が期待される。
本研究後半の実験的検証については、研究代表者の中国大学への転任に伴い、実験設備の輸送に時間を要している。COVID-19や国際情勢の影響により、税関や国際輸送システムが大きく遅滞しているためである。これ等の問題を解決し、極力早期に研究後半の進展を図る予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究代表者の中国大学への転任に伴い、実験室設備の輸送に時間を要している。COVID-19や国際情勢の影響により、税関や国際輸送システムが大きく遅滞しているためである。このため節約できた予算を、今年度さらに高性能な実験装置および実験機開発に利用する計画である。
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