2017 Fiscal Year Annual Research Report
3D optical coherence tomography using frequency-tunable broadband optical comb for biological measurement
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16H03164
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
崔 森悦 新潟大学, 自然科学系, 助教 (60568418)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 准教授 (30295472)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 生体振動計測 / 光計測 / 光コヒーレンストモグラフィー / 光コム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、昨年度に作製した周波数可変低コヒーレンス光コムを用いた生体3次元断層撮像装置（Multifrequency swept optical coherence microscope: MS-OCM）の改良を行いin-vivo計測への応用を達成した。昨年度までの装置では、最終目標としていた動物の内耳感覚上皮帯の干渉像（画像）が得られなかった。理由として、この組織の反射率が3～5ミリ%と極めて弱いため、それまで用いていた光源では光量不足であったことが判明した。そこで本年度は、高出力のSupercontinuum （SC）光源をMS-OCMへ導入し、動物への入射パワーを増幅した。その結果、生きた動物の感覚上皮帯組織の３次元計測と広視野一括の振動計測が可能になった。
応用実験では、医学系研究者（新潟大・日比野、任）との協働で本装置により感覚上皮帯部を鮮明に捉え断層振動分布を可視化した。多彩な条件（音圧：70～85 dB、音周波数：21~25 kHz）下において生きたモルモットの感覚上皮帯の3次元断層イメージングおよび振動計測を実行した。
装置の改良と最適化では、MS-OCMへのSC光の導入ともとに、により、en-faceでの振動分布計測を指向した広視野ヘテロダイン法を改良した。その結果、z軸方向分解能2.8 μm、振動計測精度1.2 nm @10 kHz、en-face像のxy方向分解能3.6 μm（1ピクセル当たり約2 μm）を達成した。また、2次元平面の振動振幅のばらつきは振動振幅の約7％であった。検出可能な最低振幅は1.1 nm程度であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、装置開発の目標としていた生きた動物の内耳蝸牛の感覚上皮帯組織の３次元断層計測及び断層振動計測を達成した。装置の改良と最適化では、MS-OCMへのSC光の導入ともとに、により、en-faceでの振動分布計測を指向した広視野ヘテロダイン法を改良した。その結果、z軸方向分解能2.8 μm、振動計測精度1.2 nm @10 kHz、en-face像のxy方向分解能3.6 μm（1ピクセル当たり約2 μm）を達成した。また、2次元平面の振動振幅のばらつきは振動振幅の約7％であった。検出可能な最低振幅は1.1 nm程度であった。装置の改良と最適化では、MS-OCMへのSC光の導入ともとに、により、en-faceでの振動分布計測を指向した広視野ヘテロダイン法を改良した。その結果、z軸方向分解能2.8 μm、振動計測精度1.2 nm @10 kHz、en-face像のxy方向分解能3.6 μm（1ピクセル当たり約2 μm）を達成した。また、2次元平面の振動振幅のばらつきは振動振幅の約7％であった。検出可能な最低振幅は1.1 nm程度であった。
しかし、当初提案した位相情報と中心周波数操作を用いた分解能の向上とナノオーダの断層計測を可能にする光コム干渉法の概念は基礎実験の段階である。光コムの生成は、SC光などの超広帯域光源による低コヒーレンスコム（疑似的なコム）となっており、電子的なコム光源の広帯域化の進捗は遅れている。
MS-OCM装置の実用化の進捗は概ね計画通り進んでおり、生きた動物での計測実験も成功した。当初計画していた前述の光コム中心周波数操作による位相情報を用いる新規計測手法は、MS-OCM装置に導入する前の段階として原理確認的な実験を行った。したがって現在までの進捗状況はおおむね順調に進展しているが新規計測手法の開発はやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、MS-OCM装置のさらなる改良を行う。干渉計部品のコンパクト化のため、対物レンズと測定する物体の間の焦点距離、すなわちレンズの作動距離を従来の20 cmから10 cm程度に短くした対物レンズを導入し、xy軸方向の解像度を約2倍向上させる。そのため、干渉計部も部品サイズ30 mm径から16 mm径の部品に再構築する。
さらに、３次元ボリュームデータを効率的に処理できる信号処理法とアルゴリズムを開発する（新潟大、村松）。スパース性と非負制約を利用したボリュームデータの信号復元法を開発し、生体計測データへ応用する。
また、位相変調器型光コムを製作し、非線形ファイバーによる広帯域化実験を行い、中心周波数操作による干渉位相情報を用いたナノオーダの計測を行い、開発したMS-OCM装置への導入を目指す。
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