カリフォルニア工科大学のAndrew and Peggy Cherng医用工学科の研究者たちは、天文学の分野からインスピレーションを得て、医療用画像処理に大きな一歩を踏み出しました。 Researchers in Caltech’s Andrew and Peggy Cherng Department of Medical Engineering have made a major step forward in medical imaging by taking inspiration from the field of astronomy.
2023-02-24 カリフォルニア工科大学(Caltech)
◆天文学では、望遠鏡に届く光が地球の大気によって歪み、惑星や衛星などの宇宙天体の像がぼやけてしまうことがあります。地球の大気はいわゆる散乱媒質で、光を散乱させるため、画像のピントが合わず、曇って見えるのです。波面整形は、この大気による光学的な歪みを補正し、焦点の合った光を作り出す方法です。これは、鏡のような反射装置で光の波を「整形」して、歪みを打ち消す方法です。これは、人がアクティブノイズキャンセリングヘッドホンを装着して周囲の騒音に対抗するのと似ている。
◆生体組織も散乱媒体のひとつです。血液の動き、呼吸の動き、心臓の絶え間ない拍動によって、血管や神経、さらにはがん細胞の顕微鏡画像を撮影する際に、刻々と変化する歪み、つまり曇りが生じるのです。天文学者が地球の大気による歪みを打ち消すために波面整形を行うように、医用工学の研究者は、生体組織による歪みを打ち消すために波面整形を行うことを研究しています。
◆”光は、組織のような散乱媒質を通過すると、単にあちこちに散乱します。つまり、組織の奥深くに直接光を当てることができないのです」と、医療工学と電気工学のBren教授で、論文の責任著者であるLihong Wang氏は言う。「散乱には、累積的な効果があります。より多くの散乱光子が通過すればするほど、より多くの歪みが見られるようになります。波面整形を使うことで、散乱効果を軽減し、生体組織の奥深くまで焦点を合わせることができます。”
◆Wangの研究室では、組織による光の歪みを打ち消す「魔法の鏡」として機能する光屈折率結晶を採用しています。
◆しかし、波面整形を使って生体組織の鮮明な画像を撮影するためには、3つの重要な指標を満たす必要があります。これまでの方法では、この3つをすべて満たすことはできませんでした。
◆1つ目の重要な指標は、スピードです。生体組織は生きていて動いているので、波面整形はすべて1ミリ秒以内に行わなければなりません。
◆2つ目の重要な指標は、いわゆる “制御の自由度 “です。波面整形に使われる「マジックミラー」は、小さな鏡のパネルが何枚も重なって構成されている。パネルの数が多ければ多いほど、光波の歪みを打ち消すために、研究者が調整・形成する制御の自由度が高まります。
◆3つ目の重要な指標は、鏡の明るさ(反射率)であり、王教授らにとって最も困難なものであった。制御自由度の高い高速波面整形に使われる「マジックミラー」では、反射率が低すぎて効果が得られないことが多い。研究チームは、レーザーの製造方法に解決策を見出した。
◆光を増幅する性質を持つ物質(利得媒質)に光波を通すと、利得媒質中の電子がエネルギーを放出し、さらに光として増幅される。すると、利得媒質に含まれる電子がエネルギーとして放出され、光波が増幅され、レーザーと呼ばれる直進性の高い光になる。同様に、マジックミラーで反射された散乱光も、レーザーの利得媒質によって増幅されます。
◆天文学の分野では、波面整形によって、ぼんやりとした塊が遠くの惑星の鮮明な画像に変わることがあります。医学工学に置き換えると、この新しい医療用波面整形は、皮膚下のがんを検出するために組織に鋭く焦点を合わせる可能性を持っています。
◆この新しい医療用波面整形は、医用工学に応用され、皮膚下のがんを検出するために組織にシャープに焦点を当てることができる可能性があります。
<関連情報>
- https://www.caltech.edu/about/news/wavefront-shaping-from-telescopes-to-biological-tissue
- https://www.nature.com/articles/s41566-022-01142-4
散乱媒体を介した高ゲイン高速波面整形 High-gain and high-speed wavefront shaping through scattering media
Zhongtao Cheng,Chengmingyue Li,Anjul Khadria,Yide Zhang & Lihong V. Wang
Nature Photonics Published:23 January 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-022-01142-4
Abstract
Wavefront shaping (WFS) is emerging as a promising tool for controlling and focusing light in complex scattering media. The shaping system’s speed, the energy gain of the corrected wavefronts and the control degrees of freedom are the most important metrics for WFS, especially for highly scattering and dynamic samples. Despite recent advances, current methods suffer from trade-offs that limit satisfactory performance to only one or two of these metrics. Here we report a WFS technique that simultaneously achieves high speed, high energy gain and high control degrees of freedom. By combining photorefractive crystal-based analogue optical phase conjugation and stimulated emission light amplification, our technique achieves an energy gain approaching unity; that is, more than three orders of magnitude larger than conventional analogue optical phase conjugation. The response time of ~10 μs with about 106 control modes corresponds to an average mode time of about 0.01 ns per mode, which is more than 50 times quicker than some of the fastest WFS systems so far. We anticipate that this technique will be instrumental in overcoming the optical diffusion limit in photonics and translate WFS techniques to real-world applications.
