Development of a tomographic technology for biological objects using quantum pulse gates

使用量子脉冲门开发生物物体断层扫描技术

• 批准号: 21K18198
• 负责人: 井上 修一郎
• 金额: $ 16.56万
• 依托单位: Nihon University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18198/
• 关键词: 分散補償; 信号検出感度; 断層撮影; 量子パルスゲート; 主モード選択率; 2次元フーリエ変換; FDTD法; 時間分解測定; 生体断層撮影; 単一光子検出; 周波数上方変換

今年度は、昨年度に構築したtime-of-flight(TOF）測定系を改良し、マウス固定脳を観察対象として断層撮影における性能評価を行った。具体的には、分散補償ファイバによりプローブ及びポンプ光パルスのパルス広がりを補償した。これにより、昨年度1ピコ秒あったパルス幅を530フェムト秒まで狭めることが出来た。また、光学系の制御に使用しているFPGAのメモリを32MBに増設することで、512×512ピクセルの二次元（2D）断層画像を高速に取得することができた。改良後のTOF測定系を用いてマウス固定脳の断層撮影を行った。その結果、深さ方向の分解能66μmで大脳皮質から脳梁・海馬まで鮮明な断層画像（A-Bスキャン画像）が得られた。撮影深度は2~3mmに達している。プローブ光パルスの波長は1556nmであるが、波長1.7μmの光源を使用した光コヒーレンストモグラフィ（OCT）と同じレベルの撮影深度が得られた。また、マウス固定脳表皮から2mm程度までの任意の深さにおいて鮮明な2D断層画像を得ることができた。TOF測定系の信号検出感度は111dBであり、OCTに比べて10dB以上高い感度を達成できた。さらに、実験条件（光パルスの時間波形、周波数上方変換効率など）を考慮した量子パルスゲートの主モード選択率が0.99（1の場合、最大のS/N比が得られる）であることを理論計算により確認した。一方、生体を模擬した複数の散乱体から直接反射して戻ってくる信号光パルスを多重散乱して同時刻に戻ってくる光パルス（雑音）から分離する手法を時間領域有限差分法と2次元フーリエ変換を用いて開発した。これにより、設定した角度以上で多重散乱して戻ってくる光パルスを除去することができた。更に、マウス脳細胞位置に基づく３次元解析モデルを作成し、FDTD法により光パルス散乱問題が解析可能であることを示した。

Our annual に は, yesterday to construct し た time - of - determination of flight (TOF) modified し を, マ ウ ス fixed 脳 を 観 was like と seaborne し て fault of shadow に お け る performance evaluation 価 を line っ た. Specific に は, dispersion compensation フ ァ イ バ に よ り プ ロ ー ブ and び ポ ン プ light パ ル ス の パ ル ス hiroo が り を compensation し た. こ れ に よ り, last year 1 ピ コ seconds あ っ た パ ル ス を 530 フ ェ ム ト seconds ま で narrow め る こ と が た. ま た, light department の suppression に use し て い る FPGA の メ モ リ を 32 MB に rights set す る こ と で, 512 x 512 ピ ク セ ル の two dimensional (2 d) fault portrait を high-speed に obtain す る こ と が で き た. The improved <s:1> TOF measurement is carried out by を fixing 脳 <s:1> tomographic images を with を て ウス ウス ウス and then った. そ の の decomposition results, deep さ direction to 66 microns で big 脳 cortex か ら 脳 beam, hippocampal ま で distinct な fault portrait (A - B ス キ ャ ン portrait) が must ら れ た. The depth of the pinching is に 2 to 3mm and に up to て て る る. プ ロ ー ブ light パ ル ス は の wavelength of 1556 nm で あ る が, wavelength of 1.7 microns の light を used し た light コ ヒ ー レ ン ス ト モ グ ラ フ ィ (OCT) と じ レ ベ ル の が have to pinch of shadow depth ら れ た. ま た, マ ウ ス fixed 脳 epidermis か ら 2 mm degree ま で の arbitrary の deep さ に お い て in な 2 d fault portrait を must る こ と が で き た. The TOF determination shows that the <s:1> signal 検 output sensitivity is <s:1> 111dBであ であ た, and the OCTに is higher than the べて10dB or more, and the <s:1> sensitivity を reaches で た た. さ ら に, be 験 conditions (light パ ル ス の time waveform, frequency number above - in sharper rate な ど) を consider し た quantum パ ル ス ゲ ー ト の main モ ー ド sentaku rate が 0.99 (1 の occasions, maximum の S/N than が ら れ る) で あ る こ と を theoretical calculation に よ り confirm し た. One party, the raw body を simulation し た plural の scattered body か ら directly reflect し て 戻 っ て く る signal light パ ル ス を multiple scattered し て with moment に 戻 っ て く る light パ ル ス (雑) か ら separation す る gimmick を time domain finite difference method と 2 dimensional フ ー リ エ variations in を with い て open 発 し た. こ れ に よ り, setting し た Angle above で multiple scattered し て 戻 っ て く る light パ ル ス を remove す る こ と が で き た. More に, マ ウ ス 脳 cell location に base づ く 3 dimensional analytic モ デ ル を make し, FDTD method に よ り light パ ル ス fragmentation が parsing may で あ る こ と を shown し た.

项目成果

2次元フーリエ変換を用いた散乱光パルスの伝搬方向解析

使用二维傅里叶变换分析散射光脉冲的传播方向

• 发表时间: 2022
• 期刊: 電子情報通信学会技術研究報告
• 作者: 三枝美波,岸本誠也;井上修一郎;大貫進一郎
• 通讯作者: 大貫進一郎

大規模楕円柱列モデルにおける光パルス反射特性

大尺寸椭圆柱阵列模型中的光脉冲反射特性

• 发表时间: 2021
• 作者: 三枝美波; 中沢 佑; 岸本 誠也; 井上 修一郎; 大貫 進一郎,
• 通讯作者: 大貫 進一郎,