深層神経ネットワークを基盤とした微細ナビゲーション顕微手術システム——白内障手術の精度向上への新たな一歩 学術的背景と研究課題 白内障は、世界的に失明の主要原因の一つとされています。現在、超音波乳化術（phacoemulsification）と人工水晶体（IOL）の移植を組み合わせた手術方法が白内障治療の主流となっています。この方法は、患者の視覚品質の向上だけでなく、手術合併症の発生率を効果的に低減することが可能です。しかし、手術の結果は、その精密な操作および眼球の空間的な位置決めと方向性に大きく依存します。手術中において、例えば角膜切開部の位置、嚢膜切開（capsulorhexis）のサイズと位置、さらには人工水晶体の角度が術後の視覚回復に極めて重要な役割を果たします。 現在の眼科手術用顕...

光コヒーレンストモグラフィーとロボット工学の融合：現在の研究と将来の展望 学術的背景 光コヒーレンストモグラフィー（Optical Coherence Tomography、OCT）は、非侵襲的で高解像度の光学イメージング技術であり、その誕生以来、生物医学分野で広く利用されています。OCTはマイクロメートルレベルで組織の構造を可視化することが可能であり、特に眼科領域では、角膜や網膜のイメージングや病気の診断といった応用で大きな成功を収めています。しかし、従来型のOCT装置は通常、静的な環境でのイメージングに使用され、装置の大きさ、視野（Field of View, FOV）、および操作の柔軟性の観点で制約を受けています。動的で複雑な医療シナリオや外科手術への応用では、従来のOCT装置の限界が...

高解像度動的微表情捕捉：多焦点カメラアレイの革新 背景と研究課題 生物医学、感情認識、疾患診断、外科手術の評価、顔面補綴、および遺伝的特徴研究など、多くの分野で高品質な動的顔面画像の捕捉が非常に重要となっています。人間の顔の表情、特に微表情は豊富な生物医学的情報を提供することができます。例えば、高解像度の動的顔面表情を捕捉することで、感情コンピューティングの精度向上、特定の疾患診断、手術結果の評価、そして高精度の顔面補綴の生成が可能になります。このような応用背景において、顔面曲面の詳細を高解像度で捕捉することが、科学界における重要な課題となっています。 従来の単一カメラシステムでは、景深（Depth of Field, DOF）、視野（Field of View, FOV）、および解像度の間...

fNIRSを基にした触覚フィードバックが脳卒中患者の手部リハビリにおける神経機能の研究 学術背景 脳卒中は一般的な神経系疾患であり、これが引き起こす機能障害は患者の日常生活や生活の質に深い影響を与えます。なかでも、手部の機能障害は特に顕著であり、筋力の低下や指の動作制御が著しく制限されます。これらの問題は、患者が基本的な生活技能を遂行する能力を制限するだけでなく、社会参加を大幅に減少させ、全体的な生活の質を低下させます。従来の運動機能リハビリ訓練は、運動機能の改善に一定の効果をもたらすものの、リハビリ後も半数以上の脳卒中患者は依然として手部運動障害を抱えています。 近年、触覚フィードバック（Tactile Feedback, TF）を組み込んだ運動リハビリ法が有望な介入手段として注目されてい...

光学革命の新たな扉：光学相関断層撮影とラマン分光技術を融合した多モダリティ網膜イメージングシステムの開発 研究の背景と意義 網膜組織の分子情報へのアクセスは、眼科および神経変性疾患の早期診断を可能にする重要な鍵の一つとなっています。しかし、現在の網膜イメージングのゴールドスタンダードである光学相関断層撮影（Optical Coherence Tomography, OCT）およびその機能拡張技術である光学相関断層血管撮影（OCTA）では、網膜の構造および血流灌流情報しか提供できません。これらの技術は糖尿病性網膜症やアルツハイマー病、多発性硬化症といった中枢神経系疾患に関連する網膜や血管の変化の診断に顕著な価値を持ちますが、疾患の起源に対する特異性が不足しています。これは、それらの構造および血...

軟組織の弾性非接触表征における光ファイバSagnac干渉計の可能性を探る 背景紹介 軟組織の機械特性は、現代医学や生物医学研究において重要な意義を持っています。軟組織の機械特性について深い理解を得ることは、その構造的完全性や潜在的な病理学的状態を評価する助けとなります。しかし、従来の組織機械特性の評価技術は、多くの場合、組織への直接接触を必要とし、これは患者に不快感を引き起こす可能性があります。特に眼科などの敏感な分野では問題が顕著です。加えて、直接接触は組織の汚染や検査結果に影響を与えるアーティファクトを引き起こす可能性があり、検査精度に悪影響を及ぼすことがあります。このため、軟組織機械特性の非接触測定法を開発することが課題となっています。 近年、光学技術に基づく非接触技術であるフーリエ領...

ビデオベースの心拍数および呼吸数推定の新しい手法 背景と研究動機 心拍数（Heart Rate, HR）と呼吸数（Respiratory Rate, RR）は、心肺機能を反映する重要な生理学的指標であり、医学、健康モニタリング、心理学や行動研究などで広く利用されています。従来、これらの指標は接触型センサーで測定されてきました。たとえば、心拍数は心電図（Electrocardiography, ECG）や光電容積脈波記録法（Photoplethysmography, PPG）、呼吸数は呼吸ベルトや気流測定装置を用いて評価されます。しかし、接触型手法は、装着時の快適性や皮膚刺激の懸念を含む制約があり、特に遠隔モニタリングのような特定のシナリオでは適用が困難です。 近年、非接触型のビデオベース生理...

自動化ロボット頭蓋骨穿孔手術システム研究レポート 背景紹介 脳は複雑な生命活動の中核器官であり、すべての心理や意識過程を掌握し、生命活動のあらゆる面を担っています。21世紀に入り、神経科学は最も成長し、研究進展が著しい分野の一つとなりました。動物モデルは脳と神経機能の研究において重要な役割を果たしてきました。しかし、従来広く使用されている医学的画像診断技術、たとえば、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像診断（MRI）、および機能的近赤外分光（fNIRS）は、脳組織の構造と機能を観察する能力を持つ一方で、神経細胞ひとつひとつの活動を高解像度でキャプチャするにはまだ限界があります。そのため、光学顕微技術として、二光子顕微鏡（two-photon microscopy）、共焦点顕微鏡（con...

二次元相関赤外分光法技術を用いた新規サンドイッチ型タングステン酸化物クラスター化合物の識別 背景紹介 ポリオキソメタレート（Polyoxometalates, POMs）は、酸素配位結合によって遷移金属イオンを繋いだ金属-酸素クラスター化合物であり、触媒、光学、医療、磁気学など様々な分野で重要な応用価値を持っています。しかしながら、多様で複雑な構造を有するため、POM分子の分光特性はしばしば類似しており、その特性化および区別は困難を伴います。特に、単結晶X線回折法（Single Crystal X-ray Diffraction, SC-XRD）は解析に高品質な単結晶を必要とするため、多くのポリオキソメタレート化合物の合成において大きな課題となっています。 これまでの研究では、二次元相関分光...

背景と研究課題 金原子ナノクラスター（atomic gold nanoclusters, AuNCs）は、その粒径が通常2ナノメートルを超えず、優れた光物理特性を持つことから、生物医学、触媒、センサーなどの分野で近年大きな注目を集めています。これらの特性には、優れた触媒活性、調整可能な光発光、生体適合性、および無毒性などが含まれます。しかし、近赤外（near-infrared, NIR）発光プローブとしての応用研究で一定の進展が見られる一方で、この分野にはいまだ多くの課題が存在します。特に、NIR発光特性を持つ新型金ナノクラスターの設計と合成は困難です。また、発光性能に影響を与える要因は複雑で、粒子サイズ、表面リガンド、金属組成などの要因が密接に関連しています。 近年、「抗電鍍反応（anti...