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

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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。