生体硬組織診断のためのテラヘルツ・カラーCTに関する基礎研究

生体硬組織の診断では、内部構造を3次元的に可視化するX線CTが一般に用いられる。しかし、X線CTで取得される画像は一般に単色の濃淡図(白黒)であるため、X線吸収を介して幾何学的な構造情報は取得できるものの、単色の濃淡情報から取得可能な情報には限界がある。もし、このようなCT技術をカラー画像化できれば、分光学的手法に基づいた成分分析が可能となり、幾何学的構造以外の様々な生体情報(化学構造、結晶構造など)が取得可能になる。本研究では、良好な物質透過性、極低侵襲性、広帯域スペクトル、分光計測やイメージング計測が可能といった特徴を有するパルス状テラヘルツ電磁波(THzパルス)に着目し、これを用いた高速THzカラーCTの開発を行う。昨年度は、位相整合条件を満たすようにパルスフロントを傾斜させたポンプビームで高効率非線形光学結晶からチェレンコフ放射を引き起こすことにより、従来法に対して、THz電場で50倍の増大を実現した。そこで、今年度は、この高出力THzパルスを用いて、高速THzカラーCT装置を構築した。開発装置では、発生させた高出力THzパルスを円筒レンズでサンプルに線集光し、サンプル透過THzビームに対して実時間2次元THz時空間イメージング光学系を適用することにより、THzカラーのライン投影イメージがリアルタイムで取得できる。したがって、THz線集光ビームがサンプル断面を横切るような光学配置を用いると、サンプルの連続回転のみで2次元断層イメージが取得できる。その結果、最短6秒での2次元断層イメージ取得に成功している。これは、点計測で機械式時間遅延走査を用いた従来THz-CT装置に対して、100倍以上の高速化が実現できていることになる。さらに、分光学的特性を有するサンプルに対して本装置を適用し、良好な結果を得た。

生体硬組織の診断では、内部構造を3次元的に可視化するX線CTが一般に用いられる。しかし、X線CTで取得される画像は一般に単色の濃淡図(白黒)であるため、X線吸収を介して幾何学的な構造情報は取得できるものの、単色の濃淡情報から取得可能な情報には限界がある。もし、このようなCT技術をカラー画像化できれば、分光学的手法に基づいた成分分析が可能となり、幾何学的構造以外の様々な生体情報(化学構造、結晶構造など)が取得可能になる。本研究では、良好な物質透過性、極低侵襲性、広帯域スペクトル、分光計測やイメージング計測が可能といった特徴を有するパルス状テラヘルツ電磁波(THzパルス)に着目し、これを用いた高速THzカラーCTの開発を行う。昨年度は、位相整合条件を満たすようにパルスフロントを傾斜させたポンプビームで高効率非線形光学結晶からチェレンコフ放射を引き起こすことにより、従来法に対して、THz電場で50倍の増大を実現した。そこで、今年度は、この高出力THzパルスを用いて、高速THzカラーCT装置を構築した。開発装置では、発生させた高出力THzパルスを円筒レンズでサンプルに線集光し、サンプル透過THzビームに対して実時間2次元THz時空間イメージング光学系を適用することにより、THzカラーのライン投影イメージがリアルタイムで取得できる。したがって、THz線集光ビームがサンプル断面を横切るような光学配置を用いると、サンプルの連続回転のみで2次元断層イメージが取得できる。その結果、最短6秒での2次元断層イメージ取得に成功している。これは、点計測で機械式時間遅延走査を用いた従来THz-CT装置に対して、100倍以上の高速化が実現できていることになる。さらに、分光学的特性を有するサンプルに対して本装置を適用し、良好な結果を得た。