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。

今年，我们改进了去年建立的飞行时间（TOF）测量系统，并使用固定的小鼠大脑作为观察目标评估了其断层扫描性能。具体来说，使用色散补偿光纤来补偿探针和泵浦光脉冲的脉冲展宽。结果，我们能够将脉冲宽度从去年的 1 皮秒缩小到 530 飞秒。此外，通过将用于控制光学系统的FPGA内存增加到32 MB，可以高速采集512 x 512像素的二维（2D）断层图像。使用改进的 TOF 测量系统对固定小鼠大脑进行断层扫描。结果，获得了从大脑皮层到胼胝体和海马的清晰断层图像（A-B扫描图像），深度分辨率为66μm。拍摄深度达到2-3mm。尽管探测光脉冲的波长为1556 nm，但获得了与使用波长1.7 μm光源的光学相干断层扫描（OCT）相同水平的成像深度。此外，我们能够在距固定小鼠大脑表皮约 2 毫米的任意深度获得清晰的 2D 断层扫描图像。 TOF测量系统的信号检测灵敏度为111 dB，比OCT高10 dB以上。此外，考虑到实验条件（光脉冲的时间波形、频率上转换），量子脉冲门的主模选择性理论上可能为0.99（当为1时，获得最大信噪比）效率等）。另一方面，时域有限差分法和二维法对从模拟活体的多个散射体直接反射返回的信号光脉冲进行多重散射，并将其与在同时开发了傅里叶变换。这使得消除多次散射并以大于设定角度的角度返回的光脉冲成为可能。此外，我们基于小鼠脑细胞位置创建了三维分析模型，并表明可以使用 FDTD 方法分析光脉冲散射问题。

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,