緊密型光ファイバーSagnac干渉計を使用した非接触ソフト組織表面機械波速度検出の可能性

2025-01-31 Fri
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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域光学コヒーレンス断層撮影（Fourier Domain Optical Coherence Tomography、FD-OCT）が、柔軟な組織力学波動検知の研究トピックとなりつつあります。しかし、FD-OCT法には、検知周波数帯域の制限、データ後処理の複雑さ、デジタルノイズが顕著であるなどの問題があります。一方で、Sagnac干渉計は振動速度を直接検知でき、信号の後処理を不要とすることでノイズが少なく、さらに検知周波数範囲を柔軟に調整できるという利点があり、特に注目されています。
これを背景に、Lawrence Technological UniversityのGui Chen氏とJinjun Xia教授は、気体結合型PZT（鉛ジルコン酸チタン酸、Pb-Zr-Ti）トランスデューサとコンパクト光ファイバ型Sagnac干渉計を組み合わせたシステムを提案しました。このシステムは、軟組織の機械的表面波速度の非接触検出を目指したものであり、この研究は2025年2月に《Biomedical Optics Express》に発表され、同システムが軟組織力学特性における潜在応用能力を持つことを探求しています。
方法詳細実験プロセス本研究は以下のステップに基づいて実施されました：
1. 気体結合型PZT超音波トランスデューサの設計と表面波励起研究では、線集束型気体結合PZTトランスデューサが採用されました。このトランスデューサは放射力の原理に基づいて低周波せん断波を生成します。具体的には、瞬時に集束された超音波波が軟組織表面に作用すると、局所的に低周波せん断振動を発生させ、それが組織内を伝播します。放射力生成を最適化するため、1 MHzの線集束超音波縦波をサンプル表面に斜めに入射させ、運動量の伝達を強化しました。
2. コンパクト光ファイバ型Sagnac干渉計の開発研究では、気体結合トランスデューサによって励起された表面波を検知するためのコンパクト光ファイバ型Sagnac干渉計を開発しました。Sagnac干渉計では、2つの交差する光ビームが同じ光路を交互に通過し干渉します。サンプル表面が振動していない場合、両ビームに光路差はありません。しかし、サンプル表面が振動すると、光ビームが異なる振動タイミングで反射され、干渉信号が振動速度信号に変換されます。光ファイバSagnacシステムの検出周波数範囲を調整するため、研究では長さ50mのシングルモード偏光維持ファイバを遅延線として使用しました。
3. 組織模倣体（Tissue-Mimicking Phantom）の選択と使用本研究では、本物の生体組織を模倣するためにゲル基組織模倣体を選択し、ゲル濃度を制御してその剛性を調整しました。試験では、6％および8％濃度のゲル模倣体がそれぞれ作成され、皮膚の光散乱特性を模倣するために二酸化チタン（TiO2）が添加されました。サンプルは高さ15mm、直径100mmの円柱形として成形されました。
4. 表面波速度の測定と時間遅延の推定表面波速度を正確に計算するために、研究では超音波RF（ラジオ周波数）信号のHilbert変換を利用して解析信号を構築し、複雑な相互相関係数関数によって時間遅延(\Delta t)を計算しました。さらに、励起点と検出点の間の既知の距離(\Delta d)に基づいて、表面波速度は(\Delta d/\Delta t)の式を用いて得られました。また、群速度と相速度の両方の方法を測定に用い、その一致性を確認しました。
データ分析とアルゴリズム説明1. 時間遅延の推定方法時間遅延の推定は相互相関計算に基づいており、システム誤差を評価するためにCramér-Rao下界公式が使用されました。特に、信号対雑音比（SNR）、相関ピーク係数、および信号帯域幅が時間遅延推定誤差に及ぼす影響を分析しました。
2. 群速度と相速度の計算群速度はフーリエ変換を通じて波形帯域の減衰や位相遅延を分析することで求められました。研究では中心周波数（1 kHz）およびその両側の6 dB減衰点を相速度計算の頻度として選択し、データの代表性と一貫性を確保しました。
実験結果1. 表面波の検出コンパクト光ファイバSagnac干渉計は、組織模倣体内の低周波表面波を検出することに成功しました。8％濃度模倣体では、検出された表面波の群速度と相速度はそれぞれ3.32 m/sと3.39 m/sでした。一方、6％濃度模倣体では、これらの速度値はそれぞれ2.05 m/sと2.11 m/sとなりました。
2. 弾性率の計算古典的な弾性理論に基づき、模倣体のヤング率（Young’s Modulus）が計算されました。その結果、6％濃度模倣体のヤング率は14.5±3.44 kPaで、8％濃度模倣体では37.44±18.11 kPaでした。これらの結果は、標準的な機械テスト法によるデータと基本的に一致し、方法の信頼性を裏付けました。
3. 誤差分析時間遅延推定の最小誤差は、8％模倣体で15.94 µs、相対誤差は1.6％となりました。6％模倣体では、誤差は49.98 µs、相対誤差は5％でした。相関係数の減衰を考慮しても、誤差は許容範囲内でした。
結論と意義研究の結論本研究は、コンパクト光ファイバ型Sagnac干渉計が低周波表面波を検出できることを初めて示唆し、軟組織非接触機械特性評価の可能性を提供しました。
群速度と相速度が一致する前提の下、実験はヤング率計算の正確性を実証しました。
研究の意義本研究は、光学反射信号が弱いという技術的な課題に対応した軟組織非接触表征の分野に貢献しました。
このシステムは、接触に敏感な医学分野、特に眼科領域での重要な臨床応用の可能性を提供します。
研究のハイライト革新性：気体結合型PZT超音波トランスデューサとSagnac干渉計を融合したシステムは先例がなく、ノイズおよび誤差を低減する利点を持ちます。
多機能性：Sagnacシステムは周波数帯域範囲の調整が柔軟で、適応性が高いことが特徴です。
信頼性の検証：実験結果が古典理論と一致しており、理論と実践の統合を裏付けています。
展望研究チームは、Sagnacシステムを改善する計画を立てており、光学スキャンメカニズムの導入によってデータ収集速度を向上させることを目指しています。さらに、本システムの有効性を実際の生体組織（皮膚や筋肉）で検証し、FD-OCTシステムとの比較を進める予定です。これにより、非接触軟組織力学表征の将来の研究に方向性を示すことを期待しています。