医療用光学画像

医用光イメージングとは、光を医療用途の検査用画像化技術として用いることであり、アメリカの物理化学者ブリットン・チャンスによって開拓されました。例としては、光学顕微鏡法、分光法、内視鏡検査、走査型レーザー眼底検査、レーザードップラーイメージング、光干渉断層撮影法、経皮光イメージングなどが挙げられます。光は電磁波であるため、 X線、マイクロ波、電波でも同様の現象が起こります。

光学イメージングシステムは、拡散型[ 1 ] [ 2 ]と弾道型[ 3 ]に分類されます。濁った生物学的媒体における光子の移動モデルは、Bonnerらによって開発されました[ 2 ] 。このモデルは、レーザードップラー血流モニターから得られるデータの解釈や、組織色素分子の治療的励起のためのプロトコル設計に適用できます。

拡散光イメージング

拡散光イメージング（ DOI ）は、近赤外分光法（NIRS） [ 4 ]または蛍光ベースの方法[ 5 ]を使用してイメージングする方法です。イメージングされた材料の3D体積モデルを作成するために使用される場合、DOIは拡散光トモグラフィー と呼ばれ、2Dイメージング方法は拡散光トポグラフィーに分類されます。

この技術は、神経科学、スポーツ医学、創傷モニタリング、がん検出など、幅広い応用が期待されています。DOI技術は、通常、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化をモニタリングし、さらにシトクロムの酸化還元状態を測定することもあります。この技術は、用途に応じて、拡散光トモグラフィー（DOT）、近赤外光トモグラフィー（NIROT）、蛍光拡散光トモグラフィー（FDOT）と呼ばれることもあります。

神経科学では、NIR 波長を使用して行われる機能測定、DOI 技術は機能的近赤外線分光法(fNIRS) として分類される場合があります。

弾道光学画像

弾道光子は、散乱（混濁）媒質中を直線的に通過する光子 です。弾道光とも呼ばれます。レーザーパルスを霧や体組織などの混濁媒質に照射する、ほとんどの光子はランダムに散乱または吸収されます。しかし、短距離では、少数の光子が散乱媒質中を直線的に通過します。これらのコヒーレント光子は弾道光子と呼ばれます。ある程度のコヒーレンスを保ちながらわずかに散乱する光子は、スネーク光子と呼ばれます。

弾道光子を効率的に検出できれば、特にコヒーレント高解像度医療用画像システムにおいて、多くの用途が考えられます。弾道スキャナー（超高速時間ゲートを使用）と光干渉断層撮影（OCT）（干渉原理を使用）は、弾道光子検出によって回折限界画像を作成する一般的な画像化システムのほんの2つです。他の既存の画像化手法（超音波や磁気共鳴画像法など）と比較した弾道画像化の利点は、1～10マイクロメートルのオーダーで高解像度を実現できることですが、画像化深度には限界があります。さらに、信号強度（つまり信号対雑音比）を高めるために、より散乱した「準弾道」光子も測定されることがよくあります。

散乱媒質中の弾道光子は距離に対して指数関数的に減少するため、撮影された生の弾道画像に画像処理技術を適用して、高品質な画像を再構成することがしばしばあります。弾道イメージング技術は、非弾道光子を除去し、有用な情報を運ぶ弾道光子を保持することを目的としています。この目的を達成するために、コヒーレンスゲートイメージングによる飛行時間、コリメーション、波面伝播、偏光といった、弾道光子と非弾道光子の特定の特性が利用されます。[ 6 ]

光音響イメージング

光音響イメージング（光音響イメージングとも呼ばれる）は、高い光学コントラストと超音波の高空間分解能を組み合わせたハイブリッドモダリティです。光音響効果を利用し、吸収されたレーザーパルスが過渡的な熱弾性膨張を誘発し、超音波を生成します。超音波は生体組織内で光よりも散乱がはるかに少ないため、PAIは弾道光学イメージングの限界を超える深さ（最大数センチメートル）での高解像度イメージングを実現します。主な用途としては、血管イメージング、機能的脳マッピング、ヘモグロビン酸素化レベルに基づく腫瘍特性評価などが挙げられます。[ 7 ] [ 8 ]

造影剤と分子イメージング

ヘモグロビン、メラニン、水などの分子による内因性造影剤に加え、医用光イメージングでは、感度と特異性を高めるために外因性造影剤がしばしば用いられます。蛍光色素（例：インドシアニングリーン）、ナノ粒子、標的抗体などの分子イメージングプローブは、疾患の特定の分子マーカーを細胞レベルで可視化するために用いられます。これにより、解剖学的変化が起こる前に生物学的プロセスに関する情報が得られ、早期診断と個別化治療モニタリングが可能になります。[ 9 ]

臨床応用

  • 眼科学：光干渉断層撮影（OCT）は、網膜の断面の微細スケールマップを提供することで、黄斑変性や緑内障などの網膜疾患の診断におけるゴールドスタンダードとなっています。
  • 腫瘍学：蛍光誘導手術（FGS）では、インドシアニングリーン（ICG）や5-アミノレブリン酸（5-ALA）などの光学造影剤を利用して、外科医が脳神経外科手術や癌切除中に腫瘍の縁をリアルタイムで識別できるようにします。[ 10 ]
  • 消化器内科：共焦点レーザー内視鏡検査を含む高度な内視鏡検査により、「光生検」が可能になり、物理的な組織を切除することなく細胞レベルで前癌病変を検出できるようになりました。[ 11 ]

参照

参考文献

  1. ^ Durduran T; et al. (2010). 「組織モニタリングおよびトモグラフィーのための拡散光学」 . Rep. Prog. Phys . 73 (7) 076701. Bibcode : 2010RPPh...73g6701D . doi : 10.1088 / 0034-4885/73/7/076701 . PMC  4482362. PMID  26120204 .
  2. ^ a b A. Gibson; J. Hebden; S. Arridge (2005). 「拡散光学イメージングの最近の進歩」(PDF) . Phys. Med. Biol . 50 (4): R1– R43. doi : 10.1088 / 0031-9155/50/4/r01 . PMID 15773619. S2CID 23029891 .  
  3. ^ S. Farsiu; J. Christofferson; B. Eriksson; P. Milanfar; B. Friedlander; A. Shakouri; R. Nowak (2007). 「弾道光子を用いた濁った媒体中に隠れた物体の統計的検出と画像化」(PDF) .応用光学. 46 (23): 5805– 5822. Bibcode : 2007ApOpt..46.5805F . doi : 10.1364/ao.46.005805 . PMID 17694130 . 
  4. ^ Durduran, T; et al. (2010). 「組織モニタリングおよびトモグラフィーのための拡散光学」 . Rep. Prog. Phys . 73 (7) 076701. Bibcode : 2010RPPh...73g6701D . doi : 10.1088 / 0034-4885/73/7/076701 . PMC 4482362. PMID 26120204 .  
  5. ^ 「Harvard.edu Diffuse Optical Imaging」 . 2012年6月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年8月20日閲覧。
  6. ^ Lihong V. Wang; Hsin-i Wu (2012年9月26日).バイオメディカル光学：原理とイメージング. John Wiley & Sons. pp. 3–. ISBN 978-0-470-17700-6。
  7. ^ Wang, Lihong V.; Hu, Song (2012-03-23). 「光音響トモグラフィー：細胞小器官から臓器までの生体内イメージング」 . Science . 335 (6075): 1458– 1462. doi : 10.1126/science.1216210 . ISSN 0036-8075 . PMC 3322413 .  
  8. ^ビアード、ポール (2011-06-22). 「バイオメディカル光音響イメージング」 .インターフェースフォーカス. 1 (4): 602– 631. doi : 10.1098/rsfs.2011.0028 . ISSN 2042-8898 . 
  9. ^ Ntziachristos, V. (2006年8月). 「顕微鏡の奥深くへ：生物学における光学イメージングの最前線」. Nature Methods . 3 (8): 603– 614. doi : 10.1038/nmeth907 .
  10. ^ヴァールマイヤー、アレクサンダー L.ヒュッテマン、メルリン。ファン・デル・フォルスト、ジュースト・R.ファン・デ・ヴェルデ、コーネリスJH。フランジョーニ、ジョン V. (2013-07-23)。「近赤外蛍光を用いた画像誘導がん手術」。Nature Reviews Clinical Oncology。10 (9): 507–518。土井: 10.1038/nrclinonc.2013.123。ISSN 1759-4774。 
  11. ^ Nanda, Shreeya (2010年10月). 「共焦点レーザー内視鏡検査によるin vivo VEGFイメージングの実現」. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology . 7 (10): 533– 533. doi : 10.1038/nrgastro.2010.145 . ISSN 1759-5045 . 

最近発表された論文では、不要な光散乱の影響を低減する光学イメージングにおける新たな進歩が示されました（Ou et al., 2024）。一般的な食用色素であるタートラジンをマウスに局所的に塗布し、腹部臓器、筋節の構造、脳血管などの内部構造を可視化しました。タートラジンは吸収率の高い色素で、水に溶解した際に生体組織に含まれるタンパク質や脂質の屈折率と一致するため、光透過性が得られます。この技術は最終的に光散乱を低減し、生体内構造の可視化を可能にします。

参考文献: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm6869#M1

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