2020 Fiscal Year Annual Research Report
Establishing evaluation platform for contrast agent of functional photo-acoustic diagnosis
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18H01449
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中村 健太郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (20242315)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超音波 / 光超音波 / 光音響 / レーザ / 半導体レーザ / 造影剤 / イメージング / 変調光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、医用超音波画像技術のひとつである光超音波イメージングにおいて今後の利用が期待される専用造影剤について、その性能を定量的に評価する装置の開発を行うことを目的としている。この造影剤感度評価装置では、振幅変調した連続光を用いることで低い尖頭光パワーで評価を安定に行うことをめざし、半導体レーザ光源と音響共鳴を利用した高感度検出系を考案している。前年度は変調周波数kHzの連続低出力光による評価装置に加えて、より実際のイメージング装置に近いパルス光とMHｚ帯超音波トランスデューサによる評価装置を検討した。これにより、kHz帯装置での評価結果と実際のイメージング装置での性能との相互関係を明らかにすることをめざした。
人体模擬ファントムに、血管を想定した直径1 mm以下のガラスキャピラリを埋め込み、その中に評価する試料造影剤を充填する。この試料に光パルス照射を行い超音波トランスデューサで受信する。昨年度に引き続き、650 nm帯半導体レーザによるパルス光を用い、光源パルス幅を可変として、パルス幅とキャピラリ直径、発生した光音響信号の強度の関係を実験的に調べた。半導体レーザの駆動パルス発生装置を見直すことで、光パルス幅の可変範囲を広げて実験を行った。キャピラリ内径を10種類ほど変更しながら、キャピラリ内の試料液体の直径方向の音場の共振とパルス幅との関係を実験的に調べた。これにより昨年構築したガラスキャピラリ内の音場の共振理論が正しいことを検証できた。このことを考慮した光パルス幅の設定が必要であることを示した。また、駆動パルスと次の駆動パルスの時間間隔を適切に選択することで、光パワーを抑えながら大きな光音響信号が得られることを示した。
さらに、擬似試料として、さまざまな色のインクやインドシアニングリーン溶液などでも実験を行った。また、他の光波長の実験始めることができた。
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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
本研究の最終目的である「光超音波イメージング用造影剤の評価装置の実現」に対して、実際の光超音波イメージング装置の観測周波数に近い数 MHzで高い感度を示すガラスキャピラリ直径を理論と実験で明らかにすることができた。これは昨年よりも広い範囲のキャピラリ内径について実験を行った結果である。また、光パルスの繰り返し間隔を適切に選ぶことで、より強度の高い光音響信号が得られることを実験的に示した。このことは、照射する光パルスの尖頭パワーを下げられることを意味し、試料への光照射に伴う副次的な影響を抑制できる可能性を示しており、評価装置としては望ましい。
また、より広い光波長範囲での実験を始めることができた。これによって、さまざまな試料液体についての測定が可能になる。その検証として、いくつかの異なった色のインクで波長毎の応答の違いを確認することができた。また、別の目的ですでに臨床で使われているインドシアニングリーンについても評価試験を行うことができた。一方で、柔らかいキャピラリを用いた実験をするには至っていない。
一方、数kHzで変調した連続光による評価装置においては、光音響信号受信系の感度見直しなどにより、ロックイン検出を行わなくとも信号を波形として観測できる受信レベルが得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度では、昨年度に検討を進めたMHz帯での評価装置について、対応する光波長を900 nm帯や1300 nm帯にも広げる。また、試料液体の光吸収の波長特性の評価を行い、広い光波長領域での光音響特性の評価との関係について検討する。また、昨年十分実施できなかったガラスキャピラリに替えて粘弾性チューブを試料容器とする実験を進める。どちらの試料容器の場合でも、試料の光吸収による光の透過深達度と音源生成の場所との関係の考察を通して、この評価装置に適した試料容器の大きさを決定する。また、その際に、試料毎のレーザ光の照射位置のばらつきの影響を評価し、それが大きい場合にはそれを抑制する方法を検討する。これらを通して、さまざまな試料について広い波長帯で安定した評価を行えるようにする。
一方、kHz帯の評価装置については、ある程度の感度向上は得られているので、引き続き、音響共鳴筒の共鳴周波数を迅速に見つける手法の開発を進め、計測システムの自動化を達成する。また、感度向上により、入射光強度をできるだけ下げるようにすると同時に、広い波長帯にわたって光強度を安定化ないしは補償する方法を考える。
これらを総合して、MHz帯評価装置とkHz帯評価装置の間で相互校正を行う方法を考え、kHz帯の評価装置での評価結果を光音響イメージング用造影剤の性能評価指標として使うための道筋を明らかにする。
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Research Products
(3 results)
