(57)【要約】【課題】  水分を含んだ検体の脱水処理を、安全に、かつ、少ない工程で短時間に行うことのできる透過画像生成方法、及び透過画像生成装置を提供する。【解決手段】  検体を凍結乾燥させた状態でテラヘルツ波を照射し、検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体にテラヘルツ波を照射し、前記検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する透過画像生成方法であって、前記検体を凍結乾燥させた状態で前記テラヘルツ波を照射することを特徴とする透過画像生成方法。
【請求項２】
前記テラヘルツ波は、０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯域を備える請求項１記載の透過画像生成方法。
【請求項３】
前記テラヘルツ波は、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域を備える請求項１記載の透過画像生成方法。
【請求項４】
前記検体は生体組織である請求項１から請求項３のいずれか１項記載の透過画像生成方法。
【請求項５】
凍結乾燥状態となった前記検体に所定周波数帯域のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波発生器によりテラヘルツ波が照射された前記検体を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
前記テラヘルツ波検出器の検出結果に基づいて前記検体を透過したテラヘルツ波の画像を生成する画像構成部と、
前記画像構成部により生成された画像を表示する画像表示部と、
を備えることを特徴とする透過画像生成装置。
【請求項６】
前記テラヘルツ波発生器は、後進波管である請求項５記載の透過画像生成装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ波検出器は、焦電素子である請求項５または請求項６記載の透過画像生成装置。
【請求項８】
前記焦電素子は、重水素化硫酸トリグリシンを有する請求項７記載の透過画像生成装置。
【請求項９】
前記焦電素子は、ＬｉＴａＯ3を有する請求項７記載の透過画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた検体の透過画像の生成方法及び透過画像の生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚである遠赤外線及びサブミリ波（以下テラヘルツ波という）は、無線通信におけるこの周波数帯の有効利用、超高速通信への対応、この周波数帯の電磁波の特徴を生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計測、及び、生物や医学への応用などが提案されている。それらのうち、テラヘルツ波を用いた生体組織のイメージングでは、検体たる生体組織にテラヘルツ波を照射したときの透過画像を生成し、この画像により組織成分を見分けることが試みられていた。
【０００３】
テラヘルツ波を用いた透過画像生成においては、以下の問題があった。すなわち、テラヘルツ波は水に吸収されやすい性質を有しており、水を含んだ検体を対象とするテラヘルツ波の透過画像生成においては、検体に照射されたテラヘルツ波は検体中で強く減衰され、検出器の検出限界以下まで強度が小さくなり、透過画像を生成することができないことも少なくなかった。この問題は、テラヘルツ波照射方向の検体の厚さを小さくして透過強度を上げたとしても、水による吸収の影響は依然として大きいため解決されず、透過画像が生成されたとしても信頼性の低いものであった。
【０００４】
この問題を解決するために、テラヘルツ波照射の前処理として、パラフィン包埋法、パラホルムアルデヒドを用いた検体の還流などによる検体の脱水処理が実施されている（非特許文献１、２）
【非特許文献１】Ｐ．Ｋｎｏｂｌｏｃｈ、Ｃ．Ｓｃｈｉｌｄｋｎｅｃｈｔ、Ｔ．Ｋｌｅｉｎｅ−Ｏｓｔｍａｎｎ、Ｍ．Ｋｏｃｈ、Ｓ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ、Ｍ．Ｈｏｆｍａｎｎ、Ｅ．Ｒｅｈｂｅｒｇ、Ｍ．Ｓｐｅｒｌｉｎｇ、Ｋ．Ｄｏｎｈｕｉｊｓｅｎ、Ｇ．Ｈｅｉｎ、及びＫ．Ｐｉｅｒｚ、「Ｍｅｄｉｃａｌ  ＴＨｚ  ｉｍａｇｉｎｇ：ａｎ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｓｔｏ−ｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌ  ｓａｍｐｌｅｓ」、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ａｎｄ  Ｂｉｏｌｏｇｙ、４７、３８７５（２００２）．
【非特許文献２】Ｊ．Ｄａｒｍｏ、Ｖ．Ｔａｍｏｓｉｕｎａｓ、Ｇ．Ｆａｓｃｈｉｎｇ、Ｊ．Ｋｒｏｌｌ、及びＫ．Ｕｎｔｅｒｒａｉｎｅｒ、「Ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１２、１８７９（２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の前処理は、有機溶媒を扱う危険が伴う上に、この処理によって検体の成分の一部（例えばある種のタンパク質や酵素）が有機溶媒に流失するため、流失した成分の測定が不可能となる。特に、前処理として採用されることの多いパラフィン包埋法による検体の脱水処理では、ホルマリンやキシレンといった劇物の使用が必須であり、さらに、長い場合には数ヶ月に渡る非常に多くの工程と作業時間を要するため、作業者に大きな負担を強いるとともに、迅速な透過画像生成の要請があっても応えることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の透過画像生成方法においては、検体にテラヘルツ波を照射し、検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する透過画像生成方法であって、検体を凍結乾燥させた状態でテラヘルツ波を照射することを特徴としている。
【０００７】
上記テラヘルツ波は、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域を備えることが好ましく、０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯域であると、より多くの情報を含んだ透過画像を生成できるため、好ましい。
【０００８】
上記検体としては生体組織が好ましい。
【０００９】
本発明の透過画像生成装置においては、凍結乾燥状態となった検体に所定周波数のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波発生器と、テラヘルツ波発生器によりテラヘルツ波が照射された検体を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、テラヘルツ波検出器の検出結果に基づいて検体を透過したテラヘルツ波の画像を生成する画像構成部と、画像構成部により生成された画像を表示する画像表示部と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
上記テラヘルツ波発生器としては、後進波管を用いることができる。
【００１１】
上記テラヘルツ波検出器は、焦電素子であることが好ましく、重水素化硫酸トリグリシンやＬｉＴａＯ3を用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の透過画像生成方法、及び透過画像生成装置においては、凍結乾燥処理によって検体の脱水処理を行うことにより、作業を安全に行うことができるため作業者にかかる負担を低減することができ、脱水処理を少ない工程で短時間に行うことができる。さらには、従来の方法とは異なり脱水処理の工程中に失われる成分は存在しないと考えられているため、これらの成分の測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。本発明に係る透過画像生成方法は、図１に示す透過画像生成装置を用いて行うことができる。この透過画像生成装置は、テラヘルツ波発生器１０、テラヘルツ波検出器３０、画像構成部４０、及び画像表示部５０を有する。
【００１４】
テラヘルツ波発生器１０は、例えば後進波管（Ｂａｃｋｗａｒｄ−ｗａｖｅ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）であって、電流加熱陰極から放射される電子を周期磁場中で蛇行運動させることによって、０．５〜０．７ＴＨｚのテラヘルツ波を発生する。このテラヘルツ波は、一定周期で回転するシャッタからなるパルス波変換器（光チョッパー）１１により、パルス波として外部に出射される。テラヘルツ波の発生器としては、後進波管のほかに、テラヘルツ波パラメトリック発信器、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発信器、量子カスケードレーザー、光伝導半導体素子を用いた光混合型テラヘルツ波発生装置、差周波混合によるテラヘルツ波発生装置、自由電子レーザー、ｐ型Ｇｅレーザーを用いることができる。
【００１５】
テラヘルツ波発生器１０から出射されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波発生器１０の出射口１０ａを焦点位置とする放物面１２ａを有する軸外し放物面鏡１２に入射する。軸外し放物面鏡１２で反射されたテラヘルツ波は、平行な波として軸外し放物面鏡１３に入射する。軸外し放物面鏡１３で反射されたテラヘルツ波は、軸外し放物面鏡１３の放物面１３ａの焦点位置１３ｂに配置した検体Ｔを介して、軸外し放物面鏡１４に入射する。軸外し放物面鏡１４は、その放物面１４ａの焦点位置が検体Ｔに一致するように配置されている。軸外し放物面鏡１４で反射されたテラヘルツ波は、平行な波として軸外し放物面鏡１５に入射し、軸外し放物面鏡１５で反射されたテラヘルツ波は、軸外し放物面鏡１５の放物面１５ａの焦点位置に入射口３０ａを配置したテラヘルツ波検出器３０に入射する。なお、テラヘルツ波発生器１０から出射されたテラヘルツ波は１本のビームからなり、軸外し放物面鏡１２〜１５で反射された後もその状態を維持する。
【００１６】
テラヘルツ波検出器３０は、例えば焦電素子としてのＤＴＧＳ（Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ  ｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅ  ｓｕｌｆａｔｅ）（重水素化硫酸トリグリシン）を用いたものである。テラヘルツ波検出器３０にテラヘルツ波が入射するとＤＴＧＳの分極が変化することを利用して、テラヘルツ波検出器３０に接続された微小信号検出器（ロックインアンプ）３１がテラヘルツ波の強度を電気信号として検出する。微小信号検出器３１における検出結果は順次画像構成部４０に出力される。一方、微小信号検出器３１は、パルス波変換器１１が発するパルス周期の信号を参照し、それと同期した信号を検出している。
【００１７】
なお、テラヘルツ波の検出器としては、焦電素子、ボロメータ、基板吸収型超伝導テラヘルツ波検出素子、量子ドット型テラヘルツ波検出素子を用いることができる。これらのうち焦電素子としては、ＤＴＧＳのほかに、ＬｉＴａＯ3（タンタル酸リチウム）、ＰＺＴ（圧電素子）、ＴＧＳ（硫酸トリグリシン）、ＰｂＴｉＯ3磁気配向膜（チタン酸鉛配向膜）、ＰＶＦ2（ポリフッ化ビニリデン）を用いることができる。また、ボロメータとしては、シリコンボロメータ、ＩｎＳｂボロメータ（インジウムアンチモンボロメータ）を用いることができる。さらに、テラヘルツ波発生器１０及びテラヘルツ波検出器３０に代えて、テラヘルツ波の発生器と検出器が一体となったシステムとして、フェムト秒パルスレーザー半導体アンテナを用いたテラヘルツ波時間領域分光システムを用いることもできる。このシステムは、２つの半導体アンテナを備えており、一方の半導体アンテナからテラヘルツ波を出射し、他方の半導体アンテナによりテラヘルツ波を検出する。
【００１８】
画像構成部４０は、例えばコンピュータであって、微小信号検出器３１から順次入力される電子信号に基づいて検体Ｔの各点におけるテラヘルツ波の透過強度を算出する。一方、画像構成部４０は二次元走査ステージ６１に接続され、二次元走査ステージ６１の移動動作を制御するとともに、二次元走査ステージ６１の初期位置からの移動量を検出して二次元走査ステージ６１の位置を算出する。画像構成部４０では、所定時間ごとにテラヘルツ波の透過強度と二次元走査ステージ６１の位置を関連づけて、透過画像として展開し、その結果を画像表示部（例えばＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ）５０に出力する。この画像表示部５０では、透過強度を濃淡に置き換えた検体Ｔの透過画像が表示される。
【００１９】
検体Ｔはあらかじめ凍結乾燥器（不図示）内に収容されて凍結乾燥される。凍結乾燥とは、ある温度に凍結された試料が、低圧下に置かれることにより，試料中の凍結した水分が水蒸気へと昇華し、試料が乾燥することである。この凍結乾燥器は、内部を凍結乾燥が可能な所定の圧力以下とすることができ、凍結乾燥の際に発生する大量の水蒸気を効率よく排出可能な機構を備えている容器である。前記機構を備えている場合、試料は昇華熱により冷やされ、凍結乾燥が可能な温度に保たれる。この凍結乾燥器は、例えば、前記機構を備えた真空チャンバーに、外部の真空ポンプを配置して構成することができる。水分を含んだ検体Ｔは、凍結乾燥器内で低圧下で冷凍状態とされることにより、内部の水分が昇華して乾燥状態となる。
【００２０】
以上の構成の透過画像生成装置では、微小信号検出器３１が、パルス波変換器１１を経てテラヘルツ波発生器１０から出射される所定周波数のテラヘルツ波の信号を参照し、それと同期した信号を検出している。出射されたテラヘルツ波は、あらかじめ凍結乾燥状態とされた検体Ｔに照射される。ここで所定周波数のテラヘルツ波とは、極めて狭帯域な（単色又は単色に近い）周波数のテラヘルツ波と、広帯域な周波数のテラヘルツ波と、を含み、測定の目的、方法などによって適宜選択することができる。検体Ｔを透過したテラヘルツ波がテラヘルツ波検出器３０により検出され画像構成部４０において強度が算出される一方、画像構成部４０では、二次元走査ステージ６１の位置情報、すなわち、二次元走査ステージ６１上に固定された検体Ｔにおけるテラヘルツ波の照射位置情報が、算出される。検体Ｔの位置は、二次元走査ステージ６１の走査により２次元的に変更される。画像構成部４０では、所定時間ごとにテラヘルツ波の透過強度と二次元走査ステージ６１の位置が関連づけられて透過画像となり、透過強度を濃淡に置き換えた検体Ｔの透過画像が画像表示部５０に表示される。
【００２１】
以上の透過画像生成装置によれば、検体Ｔの脱水処理を凍結乾燥操作によって安全、簡便、かつ、短時間に行うことができるため、作業者に大きな負担を強いることなく、迅速に透過画像の生成を行うことができる。さらに、凍結乾燥によれば、検体Ｔの水分はなくなるものの、従来の前処理法と異なり、それ以外の成分（例えばタンパク質、酵素の一部）は残存しているため、これらの成分を測定することが可能である。
出射することが可能なテラヘルツ波の周波数範囲、すなわちテラヘルツ発生器の周波数可変領域は、広いほど多くの情報を含んだ透過画像を生成することができるが、実用上は０．１〜３ＴＨｚであることが好ましい。なお、一度に出射することのできる周波数帯域、すなわちテラヘルツ波の線幅は、上記範囲内における広帯域の周波数を含むものであってもよく、また上記範囲内における狭帯域（単色又は単色に近い）の周波数であってもよい。
【００２２】
なお、乾燥機もしくは真空容器の中に入れた検体Ｔを、二次元走査ステージ６１上に載置することもできる。また、凍結乾燥器の試料室の部分を二次元走査ステージ６１上に載置することもできる。これらの構成によれば、検体Ｔが大気中の水分を吸収することを防ぐことができる。
【実施例１】
【００２３】
以下に本発明を適用した実施例１について図２、図３を参照しつつ説明する。
実施例１では、検体Ｔとして豚の子宮頸部を厚さ１．５ｍｍの切片とし、凍結乾燥処理を施したもの（図２）を用い、３４ｍｍ×２６ｍｍの範囲で二次元走査ステージ６１を走査してテラヘルツ波を照射した。テラヘルツ波発生器１０としては後進波管を、テラヘルツ波検出器３０としてはＤＴＧＳを、それぞれ用いた。画像構成部４０で生成する画像は、１画素を２００μｍ×２００μｍとした。照射するテラヘルツ波としては、０．６０３ＴＨｚ（６０３ＧＨｚ）、０．６２４ＴＨｚ（６２４ＧＨｚ）、０．６８０ＴＨｚ（６８０ＧＨｚ）の３種類を用いた。凍結乾燥状態は、試料の温度を−２０°Ｃ〜−５０°Ｃとし、凍結乾燥器の気圧を０．８Ｔｏｒｒ（約１０６．６５６Ｐａ）以下に保持することによって実現した。
【００２４】
検体Ｔを透過したテラヘルツ波による透過画像を図３に示す。この図に示すように、組織成分によって、透過するテラヘルツ波強度が異なることが透過画像の濃淡によって認識することができる（水分を含んだ状態では、透過率は検出器の検出限界以下となるため、測定は不可能である）。さらに、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を比較すると、テラヘルツ波の周波数によって組織成分の吸収特性が異なっていることが確認できる。
【実施例２】
【００２５】
次に、実施例２について図４、図５を参照しつつ説明する。
実施例２では、検体Ｔとして鳥の心臓を厚さ約１．５ｍｍの切片とし、凍結乾燥処理を施したもの（図４）を用い、３４ｍｍ×３０ｍｍの範囲で二次元走査ステージ６１を走査してテラヘルツ波を照射した。テラヘルツ波発生器１０として後進波管を、テラヘルツ波検出器３０としてＤＴＧＳを、それぞれ用いる点、画像構成部４０で生成する画像の１画素を２００μｍ×２００μｍとする点、及び、０．６０３ＴＨｚ、０．６２４ＴＨｚ、０．６８０ＴＨｚの３種類のテラヘルツ波を照射する点は実施例１と同様である。凍結乾燥状態は、実施例１と同様に、試料の温度を−２０°Ｃ〜−５０°Ｃとし、凍結乾燥器の気圧を０．８Ｔｏｒｒ（約１０６．６５６Ｐａ）以下に保持することによって実現した。
【００２６】
検体Ｔを透過したテラヘルツ波による透過画像を図５に示す。この図に示すように、組織成分によって、透過するテラヘルツ波強度が異なることが透過画像の濃淡によって認識することができる（水分を含んだ状態では、透過率は検出器の検出限界以下となるため、測定は不可能である）。さらに、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を比較すると、テラヘルツ波の周波数によって組織成分の吸収特性が異なっていることが確認できる。
【実施例３】
【００２７】
つづいて、実施例３について図６、図７を参照しつつ説明する。
実施例３では、検体Ｔとして豚の舌を厚さ約１．５ｍｍの切片とし、凍結乾燥処理を施したもの（図６）を用い、４２ｍｍ×３８ｍｍの範囲で二次元走査ステージ６１を走査してテラヘルツ波を照射した。テラヘルツ波発生器１０として後進波管を、テラヘルツ波検出器３０としてＤＴＧＳを、それぞれ用いる点、画像構成部４０で生成する画像の１画素を２００μｍ×２００μｍとする点、及び、０．６０３ＴＨｚ、０．６２４ＴＨｚ、０．６８０ＴＨｚの３種類のテラヘルツ波を照射する点は実施例１及び実施例２と同様である。凍結乾燥状態は、実施例１及び実施例２と同様に、試料の温度を−２０°Ｃ〜−５０°Ｃとし、凍結乾燥器の気圧を０．８Ｔｏｒｒ（約１０６．６５６Ｐａ）以下に保持することによって実現した。
【００２８】
検体Ｔを透過したテラヘルツ波による透過画像を図７に示す。この図に示すように、組織成分によって、透過するテラヘルツ波強度が異なることが透過画像の濃淡によって認識することができる（水分を含んだ状態では、透過率は検出器の検出限界以下となるため、測定は不可能である）。さらに、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を比較すると、テラヘルツ波の周波数によって組織成分の吸収特性が異なっていることが確認できる。
【００２９】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る透過画像生成装置の構成を示す概観図である。
【図２】本発明の実施例１に係る検体に可視光を照射したときの画像である。
【図３】本発明の実施例１に係る検体にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であって、（ａ）は０．６０３ＴＨｚのテラヘルツ波、（ｂ）は０．６２４ＴＨｚのテラヘルツ波、（ｃ）は０．６８０ＴＨｚのテラヘルツ波を照射したときの透過画像である。
【図４】本発明の実施例２に係る検体に可視光を照射したときの画像である。
【図５】本発明の実施例２に係る検体にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であって、（ａ）は０．６０３ＴＨｚのテラヘルツ波、（ｂ）は０．６２４ＴＨｚのテラヘルツ波、（ｃ）は０．６８０ＴＨｚのテラヘルツ波を照射したときの透過画像である。
【図６】本発明の実施例３に係る検体に可視光を照射したときの画像である。
【図７】本発明の実施例３に係る検体にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であって、（ａ）は０．６０３ＴＨｚのテラヘルツ波、（ｂ）は０．６２４ＴＨｚのテラヘルツ波、（ｃ）は０．６８０ＴＨｚのテラヘルツ波を照射したときの透過画像である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  テラヘルツ波発生器
１１  パルス波変換器
１２  軸外し放物面鏡
１３  軸外し放物面鏡
１４  軸外し放物面鏡
１５  軸外し放物面鏡
３０  テラヘルツ波検出器
３１  微小信号検出器
４０  画像構成部
５０  画像表示部
６１  二次元走査ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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