近赤外光イメージングによるCT

CT

【近赤外光イメージングの概略】

近赤外光イメージング装置は、近赤外分光法(NIRS: near-infrared spectroscopy)を用いて脳表面の酸素状態を捉えることで、脳の活動状態をリアルタイムにカラーマッピング表示する装置です。人間は、視覚、聴覚、触覚、嗅覚、味覚などの情報を目、耳などの感覚器から取り込み、脳に伝達します。そして脳内に約1000億個存在するニューロンがシナプスを介して相互にそれらの情報を伝達・処理することによって、次の行動を決定します。その時に酸素化ヘモグロビン(oxyHb)は毛細血管を経由して酸素供給を行います。 近赤外光イメージング装置 は、近赤外分光法(NIRS: near-infrared spectroscopy)を用いてその反応(脳表面の酸素状態)を捉えることで、脳の活動状態を リアルタイムにカラーマッピング表示する装置です。

【近赤外分光法とは】

体の中は、光を透過させる性質と、光を吸収・散乱させる性質があります。この吸収・散乱の程度は光の波長と生体を構成している成分により異なります。特に血液成分のヘモグロビンによって、近赤外光が吸収されますが、そこに酸素がついていると、その吸収の度合いが変化します。NIRSは近赤外線によりその度合いを測定し、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン(deoxyHb)の変化量を測定する方法です。

島津製作所ホームページより

近赤外光イメージング装置(光トポグラフィー検査対応) : 株式会社島津製作所

 

 

近赤外光は可視光よりも波長が長い光のことで

(X線は可視光より短い)

イメージングにはおよそ700-900nmの波長を使用します。

赤外線の波長域は大変広いのですが

近赤外線(700-900nmの波長)は生体を通過する際に光が減衰しづらく生体の使用に適しているのです。この波長域を生体窓(living body window)といいます。

 

さて今日は近赤外線を使ったCTの論文を見ていきましょう。

 

近赤外線CT

Near-infrared-ray computed tomography with 850-nm peak and high spatial resolutions in first living-body window

850nmのピークと高い空間分解能を持つ近赤外光コンピュータ断層撮影法を用いた第一生体窓の研究

 

これは近赤外光を使用したCTを作ってみましたという論文です。

 

近赤外線CTで空間分解能を上げるためにはどうするかということですがこれが中々大変です。

 

まずLEDから近赤外線を生成します(850nm)

 

LEDは安くて手に入りやすく、かつ近赤外光を取り出せるので便利なのです。

 

 

次にフォトダイオードで検出するわけですが、他の可視光が入り込まないよう赤外線フィルターを噛ませておくわけです。

これにより光の強度が一定数減少してしまいます。

 

さらに散乱光が入らないようにした方が空間分解能向上にはよいので、ピンホールをLED側、物体透過後、赤外線フィルター後に3段階入れるわけです。

当然、一次光子のみ入る率は上がりますし空間分解能にも寄与しますが、如何せん、光の強度は減少します。(論文内では高感度増幅器を用いて増幅させています)

 

論文の手法において空間分解能 1*1mm^2 を実現し

目視確認では0.5mm径まで確認できるとしています。

 

ですが光の強度(つまりは光子)を担保するためにはレーザーなどを使わなければいけないとしています。その際に使用する波長は本論文で一定の空間分解能を確認できた850nmが良いだろうとしています。

 

用途としては子供の手足や小動物の診断に役立つとしています。

近赤外光自体は筋肉と骨で吸収係数が似ているため、骨の観察には不向きなのです。(X線には圧倒的に勝てない)

よって被ばくのないことのメリットを最大限生かしつつ透過しやすいもので勝負したほうが良いわけですね。

現在のところ血管に対しては良いと思います。

 

CTはX線という常識がありますし、発見当初は役に立たないと言われてきましたが、被ばくをさせないイメージングを追求すればさらなる新しい時代がくるかもしれません。

 

おしまい。

参考文献

E Sato, et al. Near-infrared-ray computed tomography with 850-nm peak and high spatial resolutions in first living-body window. Physics open, 2020; 2 (20).

 

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