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

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20537
• 研究機関: 北海道大学
• 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)
• 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, 講師 (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), 名誉教授 (60367167)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2025-03-31
• 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。2023年度の研究実績は次のとおりである。
１．これまでの結果をもとに、計測方法、計測条件、計測範囲等につき理論解析を進め、いくつかの問題点を抽出した。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を基本とし、拡散近似により拡散方程式を介して解析解を得た。これにより、具体的な計測システムにおける入射光量、変調周波数、検出感度、計測系のＳＮ比、計測可能深さなどに関し、実現可能性の見通しが得られた。 (2)血管や筋肉層など不均一な対象に対しては、モンテカルロ法に基づくシミュレーションを適用した。二種の異なるアルゴリズムを適用し、結果の一致によりシミュレーションの妥当性を明らかにした。
２．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掃引するチャープ方式の実用化に向け、検討を深めた。具体的には、 (1) 実用対象について原理解析を行い、チャープ方式を実用レベルで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が実用レベルに向上することが明らかになった。
３．体内血管のモデルを構築し、イメージング実験を行った。散乱抑制原理を適用することにより、空間分解能が有意に向上することを確認した。これに伴い、提案手法の利点ならびに問題点が明らかになった。
４．これらの成果を国際会議や国内学会で発表した。2023年度は6回の国際会議においてのべ7件の研究発表（Plenary1件、Keynote1件、Invited3件、Top download表彰1件）を行った。

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、その空間分解能の優劣が、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。
これまでの結果を受け、2023年度は提案手法実用化に向けての具体化を目指した。理論解析を進めるとともに、シミュレーション手法を確立した。また、生体内部血管構造のモデルを作成し、イメージングのシミュレーションを繰り返した。その結果、新たに考案した方法の特長がさらに明らかになるとともに、いくつかの問題点が明確となり、それらの克服を図った。これにより、今後本研究が概ね順調に進展すると考えられる。

今後の研究の推進方策

上記のように、これまでの研究は概ね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。
今後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。国際情勢の影響により、国際輸送システムや税関検査やが大きく遅滞しているためである。実験設備の一部はすでに中国入り（香港港内）し、現在税関検査待ちの状態である。今後これ等の問題を解決し、極力早期に研究の進展を図る予定である。

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、税関検査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、次年度さらに高性能な実験装置及び実験機開発に利用する計画である。

研究成果

• [国際共同研究] School of Optoelectronic Engineering/Xidian University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: School of Optoelectronic Engineering/Xidian University
• [国際共同研究] Ho Chi Minh City Univ. Tech./(Vietnam National University)(ベトナム)
  • 国名: ベトナム
  • 外国機関名: Ho Chi Minh City Univ. Tech./(Vietnam National University)
• [雑誌論文] Optical parameters estimation in inhomogeneous turbid media using backscattered light: for transcutaneous scattering measurement of intravascular blood (2024)
  • 著者名/発表者名: Shiyang Liang, TakeoMiyake, and KoichiShimizu
  • 雑誌名: Biomedical Optics Express 巻: Vol.15, No.1 ページ: 237-255
  • DOI: 10.1364/BOE.510245
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative analyses of RBC movementin whole blood exposed to DC and ELFelectric field (2024)
  • 著者名/発表者名: Miki Kanemaki, Hisae OShimizu, Hiroshi Inujima, Takeo Miyake, and KoichiShimizu
  • 雑誌名: Bioelectromagnetics 巻: Vol.45, No.4 ページ: 159-170
  • DOI: 10.1002/bem.22493
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Data-driven polarimetric imaging: a review (2024)
  • 著者名/発表者名: Kui Yang, Fei Liu,Shiyang Liang, MengXiang, Pingli Han, Jinpeng Liu, Xue Dong, Yi Wei, Bingjian Wang,Koichi Shimizu, and Xiaopeng Shao
  • 雑誌名: Opto-Electronic Science 巻: Vol.3, No.2 ページ: 1-44
  • DOI: 10.29026/oes.2024.230042
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reconstructing 3D de-blurred structures from limited angles of view through turbid media using deep learning (2024)
  • 著者名/発表者名: Ngoc An Dang Nguyen,Hoang Nhut Huynh, TrungNghia Tran, and KoichiShimizu
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: Vol.14, No.5 ページ: 1-18
  • DOI: 10.3390/app14051689
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Actual state of the diurnal massetericelectromyogram: Differences between awareness and non-awareness of awake bruxism (2024)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Ishimaru, TaihikoYamaguchi , TaishiSaito, Yoshinori Hattori,Takahiro Ono, YoshiakiArai, Yoko Hasegawa,Hiroshi Shiga, KatsushiTamaki, Junko Tanaka,Kazuhiro Tsuga, HitoshiAbekura, ShouichiMiyawaki, Aya Maeda-lino,Saki Mikami, AkihitoGotouda, Kaoru Satoh,Koichi Shimizu, YujiKato, and Takeshi Namita
  • 雑誌名: Journal ofProsthodonticResearch 巻: JPR_D_23_00072 ページ: 1-6
  • DOI: 10.2186/jpr.JPR_D_23_00072
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Near-infrared transillumination formacroscopic functional imaging of animal bodies: review (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu
  • 雑誌名: Biology 巻: Vol.12, No.11 ページ: 1-19
  • DOI: 10.3390/biology12111362
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ディジタル位相共役光による生体内部イメージングの試み (2024)
  • 著者名/発表者名: 任田崇吾
  • 学会等名: 第25回光音響イメージング技術専門委員会
• [学会発表] 光による内シャント透視イメージングに関する基礎的検討 Ⅳ ～並走血管における提案手法の有用性～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 神山 英昇，戸松大心，北間正崇，横山徹，伊藤佳卓，小島洋一郎，清水 孝一
  • 学会等名: 第62回日本生体医工学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 3D imaging of animal body from blurred 2D transillumination image of view through turbid media using deep learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu
  • 学会等名: The 5th International Conference on Photonics and Optical Engineering (icPOE 2022）
  • 国際学会
• [学会発表] Macroscopic trans-body imaging of the human body using NIR light with scattering suppression (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu (Keynote)
  • 学会等名: 2023 International Conference on Medical Imaging (CMI 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Scattering Suppression inTransillumination Imaging of Animal Bodies using Phase-conjugate Light (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu
  • 学会等名: The 14th International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 3D Imaging of turbid medium from single-shot transillumination image ― For macroscopic imaging of animalbody ― (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu, SihanXian, and Jiekai Guo
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of DC and ELF electric field exposure on RBC movement in whole blood (2023)
  • 著者名/発表者名: Miki Kanemaki, Hisae O.Shimizu, Hiroshi Inujima,Takeo Miyake, and KoichiShimizu
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] NIR transillumination for macroscopic functional imaging (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu
  • 学会等名: European Summit on Laser Optics & Photonics Technology (ELOPS 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 3D reconstruction of internal structure in turbid medium from a single blurred image ― For functional transillumination imaging of animalbodies ― (2023)
  • 著者名/発表者名: Koichi Shimizu (Plenary)
  • 学会等名: Computational Imaging Conference (CSOECITA 2023)
  • 国際学会 / 招待講演