テラヘルツパルスによる凍結生体組織のイメージング

テラヘルツパルスによる凍結生体組織のイメージング
保科宏道、林
朱、大谷知行、三好憲雄
背景と目的
近年，テラヘルツ(THz)領域の電磁波の発生・検出技術の向上により，THz 波を利用した様々
なアプリケーションが開発されてきた．THz 波は波長(約 300μｍ)程度の空間分解能と，紙やプ
ラスチックなどに対する透過性を併せ持つため，X 線に次ぐ新たな透視イメージングの手法とし
て活用できる．特に医療分野では，THz 波の光学特性（透過率，反射率，屈折率）の違いを利用
して癌などの生体組織のイメージングが試みられている[1-3]．しかし生体組織の透過イメージン
グを行う際には組織に含まれる水分を取り除く必要がある．液体の水は THz 波を強く吸収するた
め(~300-1000 dB/cm)，数十ミクロン程度の薄いサンプルを用いるか，サンプルを脱水する必要が
あった．過去に我々はパラフィン包埋した肝臓癌組織の THz 透過イメージを測定したが，サンプ
ルの準備には，ホルマリン固定，アルコール脱水，パラフィン固定と複数の工程が必要で，作業
には数日を要した．本研究では，応用を視野に入れたより簡便な生体イメージングの手法として，
凍結生体組織の分光イメージ測定を試みた．THz 領域で氷は水よりも透過率が良いため，数 mm
以上の厚みのサンプルでも透過分光測定が可能である．本研究ではテラヘルツ時間領域分光法
(THz-TDS)により，凍結した豚肉の透過イメージを測定した．
成 果
THz スペクトルの測定には市販の THz-TDS（先端赤外 pulse IRS-2300）を用いた．THz 集光光
学系の焦点に XZ 自動ステージ上に固定された銅製セルを設置し，100 ピクセル×100 ピクセル
（20mm×20mm）の分光イメージを 7 時間かけて取得した．セルは冷媒によって-33℃まで冷却さ
れた．本研究ではサンプルとして市販の薄切り豚ロース肉を用いた（図１）．サンプル内の赤身
（筋肉組織）と脂肪組織は肉眼で確認できる．サンプルは厚さ 2mm の石英窓で挟まれセルに固
定した．固定の際にサンプルは締め付けられ，均一の厚みになっている．なお，全ての THz 光学
系は窒素ガスで置換しており，水蒸気による吸収やセルへの結露の影響は無視できる．
図２は測定された THz 時間波形の中から，図１に示した点 a-e の常温（22℃）と凍結時（-33℃）
におけるスペクトルを示す．それぞれ(a)石英窓のみ，(b)脂肪組織(c)筋肉組織(d,e)組織の境界に対
応する．b-d 全ての点で凍結によって透過テラヘルツ波の強度が上がっている．特に，筋肉組織
は常温でほとんど THz 波が透過していないが，凍結により透過率が劇的に上昇している．図２(a)
の THz 時間波形では石英窓による多重反射成分がメインパルスから約 7.7 ps 遅れて確認でき，そ
こからサンプルの厚みが約 1.2mm であるとわかる．一方で筋肉組織および脂肪組織における THz
メインパルスは，(a)のメインパルスに比べ，それぞれ 3.2 ps と 2.2 ps 遅れており，各組織の屈折
率がおよそ 1.8 と 1.6 であると見積ることができた． 図２(d,e)は脂肪組織と筋肉組織の境界領域
のスペクトルである．これらの THz 時間波形を扱うときには，組織の不均一性を考慮に入れる必
要がある．本研究で用いた THz-TDS のビームスポットサイズは 1THz で直径約 1mm であり，THz
波の波長（300mm）より広い領域を観測している．そのため，ビームスポット内の組織が不均一
である場合，時間波形は本来のスペクトルを直接反映しないと考えられる．ビームスポット内に
異なる屈折率を持つ組織が混在し，その境界面が THz 波の進行方向と平行である場合，得られる
THz 時間波形は各領域を通過した波形の足し合わせになり，複数のピークを持つ．一方で境界面
が THz 波の進行方向と垂直である場合，時間波形は各組織の時間波形の平均になる．図２の境界
領域を見ると，スペクトル(d)は 7.9ps 付近と 8.8ps 付近の２カ所にピークを示し，それらの位置
－67－
が筋肉組織と脂肪組織のピーク位置と一致することから前者であると思われ，スペクトル(e)では
筋肉組織と脂肪組織の中間にピークが現れることから，後者であると考えられる．以上のように，
THz-TDS による凍結生体サンプルの分光イメージにはサンプルの空間的な不均一性が反映され，
時間波形が複数の波形の線形結合になる場合が多い．その場合，時間波形のフーリエ変換から求
められる吸光度は物性を直接反映しない．図３(a)は時間波形をフーリエ変換後，1THz における
THz 透過強度でプロットしたサンプルのイメージである．組織間の吸光度の差が確認できる一
方，境界領域付近でテラヘルツ光の強度が大幅に減少し，強調されている．これは生体組織の物
性を直接反映したものではない偽情報であり，診断において判断を誤らせる可能性がある．そこ
で，図３(b)では時間波形のメインピークの位置をパラメーターとして 2 次元イメージを作成し
た．ピークシフト量は組織の屈折率を反映しているが，二つの組織の境界において中間値を取る
ため，イメージ上では連続的に変化する．その結果，作成したイメージは組織の空間分布をよく
反映し，図３(a)で見られたような偽情報は現れにくく，THz-TDS による分光イメージング手法
として適することがわかった．
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
a
c
d
b
図 1 豚肉サンプルの光学写真
20
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
0.2
(b) adipose tissue
o
-33 C
o
22 C
y (mm)
e
THz electric field (arb. unit)
x
(a)
o
-33 C
0.7
10
1.2
1.7
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
(c) striated muscle
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
(d) boundary
o
-33 C
o
22 C
0
0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
20
6
7
8
9
10
11
12
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
o
-33 C
o
22 C
5
13
10
14
Time (ps)
0
0
図２
20
(b)
(e) boundary
4
10
x (mm)
o
-33 C
o
22 C
y (mm)
y
(a) quartz
10
x (mm)
各点のテラヘルツ時間波形
図３
20
(a) テラヘルツ透過光強度と
(b)時間波形のメインピーク位置
参考文献
[1]
J. Darmo, V. Tamosiunas, G. Fasching, J. Kröll, K. Unterrainer, M. Beck, M. Giovannini, J. Faist, C.
Kremser, P. Debbage, Optics Express, Vol. 12, pp. 1879-1884 (2004).
[2] S. M. Kim, F. Hatami, J. S. Harris, A. W. Kurian, J. Ford, D. King, G. Scalari, M. Giovannini, N.
Hoyler, J. Faist, G. Harris, Appl. Phys. Lett., Vol. 88, pp. 153903 (2006).
[3] T. Loffler, K. Siebert, S. Czasch, T. Bauer, H. G. Roskos, Phys. Med. Biol., Vol. 47, pp. 3847-3852
(2002).
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