2021 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拡大が見込ま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。２つの異なった評価装置の開発を進めている。
その一つとして、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。今年度は、これまでの研究期間で開発した装置について周波数掃引法を適用するなど、測定時間の短縮と使いやすさの向上のための改良を行った。
二つ目の方式として、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。これは、人体模擬ファントムに血管を想定した直径1 mm以下の透明細管を埋め込み、その中に評価する試料造影剤を充填する構造のものである。試料入り細管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。半導体レーザとパルス駆動回路を用いてピーク光パワー1 W程度のパルス光を発生させ、パルス幅を15～129 nsの範囲で可変として実験を行った。受信には中心周波数5 MHzまたは10 MHzの非破壊検査用圧電トランスデューサを用いた。その結果、内径が1 mm以下のガラスキャピラリでは管内音響モードが励振されて、管径に応じて感度の高くなる光パルス幅が存在することが実験的に示された。管内音場モードの理論から、どのパルス幅でどのモードが励振されやすいのかが説明できた。また、シリコンチューブなどの柔らかい細管を用いると、周囲ファントムとの音響インピーダンスの差が小さいため音場の閉じ込めが起きにくく、はっきりした共振特性が現れにくいことを実験的に明らかにした。また、その際にはガラスキャピラリよりも光音響信号のレベルが数分の１以下になることを示した。
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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の直径、さらにそれに適した光パルス幅を理論と実験で示すことができた。また、ガラスキャピラリ内の音響モードの形状から、光照射方向と発生した光超音波信号の伝搬方向の関係を説明できるようになった。
一方、ガラスキャピラリよりも実際の血管に近い細いシリコンチューブでは、周囲ファントムとの音響インピーダンス差が小さく、音響モードが顕著に現れにくいことを実験的に示すことができた。このことは、発生した光音響信号の時間波形とその周波数成分にも反映されており、それらの関係を説明することができた。また、色の異なるインク試料やインドシアニングリーンなどについて、複数の異なった光源波長による実験を行い、試料液体の光吸収係数の波長特性と光音響感度の関係を調べることができた。
以上の成果を3編の査読付き論文にまとめ、公開することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の研究から、光音響信号の周波数特性または光パルス幅の最適値によって細管の内径を推定することができることがわかった。これは、細い血管の内径計測やその狭窄状態の推定などへの応用可能性があると考え、2022年度には本研究の提案方式にって細管の内径や性状を推定することに重点を置いた研究をする予定である。また、細管内壁に付着物がある場合の光音響応答についても検討する。これらの検討のために、4－6月に装置の改造を行う。また、7月以降は、細管から放射される光超音波信号の指向性を測定しやすい装置構成を検討し、指向性の理論値と実験結果の比較を行う。
2022年度は最終年度であるため、研究の全期間の成果のまとめを行う。研究期間の前半で主に行ったkHz帯の評価装置はコンパクトな構成であるため、造影剤開発を行う研究者等に使ってもらえるような装置に仕上げる予定である。研究期間の後半で重点を置いたパルス光による装置は、細管の形状、弾性的性質の測定などに応用できることが本研究を通じて見出されたので、この研究をより発展させるための方策を検討する予定である。
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Research Products
(5 results)
