2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of new technique for localized spectroscopy in animal body using time-reverse propagation of phase-conjugate light
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20K20537
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2025-03-31
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| Keywords | 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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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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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
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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| Causes of Carryover |
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。
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[Journal Article] Data-driven polarimetric imaging: a review2024
Author(s)
Kui Yang, Fei Liu,Shiyang Liang, MengXiang, Pingli Han, Jinpeng Liu, Xue Dong, Yi Wei, Bingjian Wang,Koichi Shimizu, and Xiaopeng Shao
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Journal Title
Opto-Electronic Science
Volume: Vol.3, No.2
Pages: 1-44
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Actual state of the diurnal massetericelectromyogram: Differences between awareness and non-awareness of awake bruxism2024
Author(s)
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
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Journal Title
Journal ofProsthodonticResearch
Volume: JPR_D_23_00072
Pages: 1-6
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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