最近の展望

フェムト秒レーザーを利用した高機能生体計測
荒 木勉

・安 井武史フェムト秒レーザーが身近なものになり，その超短パルス特性を利用した新しい計測法が容易に実現できるようになった．本稿では，初めにコラーゲンの分子配向を近赤外フェムト秒レーザーで誘起された生体第 2高調波発生光(生体 S HG 光)から同定する手法について解説する．ここでは，共焦点反射顕微光学系を構成することでコラーゲン情報に関する断層分布画像が得られるようになった．次に，テラヘルツ電磁波パルス(THz パルス)の生体計測応用について解説する．そこでは，THz パルスエコーの時間と強度の変化から皮膚水分と皮膚構造の情報を同時に得ている．

1． まえがき近赤外分光法，光 CT，OCT などが実用化されている．経皮的な血流速度計測としてはレーザードップラー法（LD）

文献を探ってみれば，生体計測に限ってみても多くの論が 利 用 さ れ て い る．ま た LD と OCT を 結 合 し た ODT文が出ている．しかし「生体」という仕掛けは複雑・多様で「科学的」に解明するのは不可能に近い．新聞，テレビ（Optical Doppler Tomography）も提案されている ．このように生体機能研究への近赤外光計測の貢献は大きい．

をはじめとするメディアで連日のように「画期的な・・」，近赤外光を利用した生体計測については特集文献を参考に「近年にない発見・・」などが取り上げられている．それら

されたい ．また脳活動計測については本誌 もあわせて参が本当に正しく，普遍的なものであるなら，とっくに難病照されたい．

は治癒されているし，生体自体ももっと合理的に理解され以上の手法はいずれも定常光源あるいは変調光源を利用ているはずである．多分，われわれが出す研究成果の多くしたものである．しかし最近では，近赤外領域をはじめとは「たいしたことない」ものなのであろう．そう本音をいっ

し た 各 波 長 領 域 に お い て フェム ト 秒 レーザー（fs レーてしまえば夢がなくなるので，「地道な研究の積み重ねが重ザー）を利用した超短パルス特性（高ピークパワー，超短要である」とはいっているが，「道」がつかねば単なる「地パルス幅）を積極的に利用することにより，生体光計測の味」な研究になってしまう．このような自戒もこめて，本分野でも技術革新が行われようとしている

稿ではわれわれが現在行っている研究と，日ごろ感じてい

れわれは近赤外超短パルス光による生体 SHG（Secondることを中心に話を進めたい．
生体計測の主目的は生体構造変化を可視化して機能を解Harmonic Generation）光を利用したコラーゲンの配向計測と，テラヘルツ電磁波パルス（THz パルス）を利用した析し，診断・治療に役立てることである．生体計測にとっ皮膚水分量計測という二つの研究に同時に着手したので経て光は優秀なプローブであり，イメージング手法と結合す過を紹介したい．

ることでより多くの機能情報が得られる．ベテラン電子機器技術者は電流値と波形のみでかなりの故障診断をする．
電流に相当するものは生体ではやはり血流であろう．血流を調べることは生体機能の正常・異常を知るうえできわめて有効である．幸い近赤外光は経皮的に生体組織を透過し，．そこで，わ2． 生体 S HG 光による組織コラーゲン配向のマッピング
2．1 コラーゲン構造と生体 S HG 光多くはヘモグロビンで吸収される．分光法を用いれば酸素

コラーゲンの基本構造は，図 1 に示すようにポリペプタイド三重ラセンからなる分子であり，これが順次集合して化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの量比を指標とし階層的に太くなる．その配列が崩れたり本来の組織分布か組織活動の情報も得られる．しかし生体組織は光にとってらずれると，引きつれをはじめさまざまな生体構造の変化強散乱体であるので，深部あるいは厚層の情報を得るのはや機能の変化を引き起こす．これまでコラーゲン階層各段容易ではない．このような難題があるが，近赤外光の性質階においてその配向を調べる手法が報告されているので，をうまく利用してパルスオキシメトリ，光トポグラフィー，いくつかを紹介すると，X 線解析，電顕観察，コラーゲン

大阪大学大学院基礎工学研究科 〒 560‑8531 豊中市待兼山町 1‑3．e‑mail:araki＠me.es.osaka‑u.ac.jp
分類番号 9.4
Advanced biomedical measurement of human body using femtosecond laser. Tsutomu ARAKI and Takeshi YASUI. Graduate School ofEngineering Science, Osaka University (1‑3 M achikaneyama, Toyonaka 560‑8531)

フェムト秒レーザーを使った生体計測（荒木・安井）

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焦点反射型の２通りを使い分けている．図 2 には共焦点反射型光学配置を記す．レーザー光は対物レンズ（OL）で集光され試料に照射される．試料上のスポット径は 1.5μmで あ る．偏 光 計 測 に お い て は 入 射 レーザー光 束 お よ び
SHG 光束に挿入した２枚の λ/2板を同期回転させて偏光子および検光子で偏光解析し，レーダーグラフとして配向方位を表示する．また試料ステージを三次元的に走査して各断層における配向方位のマッピングを行う．その場合，平面方向に約 5μm，深さ方向約 15μm の分解能を得ることができる．
2．3 コラーゲン配向トモグラフィー
生体構成物質の中でコラーゲンのみが特異的に SHG 光を発生させることを検証するため，さまざまな組織にレーザー光を照射したが，コラーゲン含有物のみ SHG 光が検図 1 コラーゲンの階層構造．

出された．レーダーグラフの形状では，アキレス腱では線維が同一方向に規則正しく並んでいるため特徴的な８の字形となった．真皮は少し乱れるもののほぼ８の字形になっ線維染色，力学的異方性計測 ，マイクロ波応用 ，毛穴形た．一方，象牙質は直交２軸配向をもつ結果となったが，状観察 などがある．しかしいずれも観測部位が限られた

これはコラーゲン線維がメッシュ状の構造で存在するためり，サンプル切り出しや前処理が必要であるなどの欠点がと考えられる．またコラーゲンスポンジでは，ランダム配ある．そこでわれわれは SHG 光を利用してコラーゲン配向のため楕円形状のグラフとなった．

向計測を試みた．

トモグラフィー（断層分布像）の可能性を検証するため，コラーゲン分子は非中心対称性をもつ．このような物質

図 3(a )のようにアキレス腱のスライスを２枚用意し，互にピーク強度がきわめて大きな fs レーザー光を照射する

いの線維方向が直交するように重ね合わせた．この試料にと，コラーゲン自身の非線形光学現象によって生体 SHG対し，測定ビームの焦点位置を深さ方向に移動させながら光が発生する．この場合，入射光の偏光方向とコラーゲン配向方向とが一致したときに強い SHG 光強度が得られ，SHG 偏光解析を行った．その結果，上層の表面に焦点が位置するときは横方向に長軸をもつグラフが得られ，上層表直交したときには微弱となる ．したがって SHG 偏光測面から 300μm の境界部では縦横の方向が混在し，下層に定を行えば，コラーゲンの配向方向に関する情報が得られ

あ る 350μm の 部 位 で は 縦 方 向 に 長 軸 が 変 わった（図る．

3(b )）．

2．
2 実験装置次に，硬組織の実例として，人の距骨切片の断層 SHG 偏レーザー光源にはモード同期チタンサファイアレーザー光画像を測定した．図 4 は深さ方向に 50μm ずつ焦点を移（中心波長 800nm，パルス幅 80fs，繰り返し周波数 80動させた画像である．ここでは配向度（A :−1〜＋1）を定MHz）を使用した．光学系は測定対象によって透過型と共義し，その値をカラーマッピングで表している．図中赤色(A＝0.2付近)はコラーゲン配向が紙 面 で ほ ぼ 上 下，青(A＝−0.2付近)はほぼ左右に方位している状態，白(A＝0)は 45度あるいはランダム状態であり，黒は無信号である．これら三次元断層配向度マッピングからいずれも骨梁に沿ってコラーゲンが分布し，その線維方向は骨梁方向を向いていることがわかる．
2．4 今後の発展
これまで示した例はすべて解剖検
体や固定された生体試料である．われわれの体を対象に in vivo 生体計測を行う場合，fs レーザーによる生体ダメージの有無を調査しておく必

図 2 生体 SHG 光によるコラーゲン配向計測装置(共焦点反射光学系の配置例)．

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要がある．また測定時間の短縮も急
応用物理 第 74巻 第６号（2005)

図 3 奥行き分解を検証するための実験．アキレス腱切片を互いに線維方向が直行するよう 2枚重ねて試料としている．

務である．
現在は１測定点あたり約 1秒の時間を要するが，長時間の照射で火傷の診断をして火傷になったのでは困る．また現在の手法では偏光解析面が光軸に直交しているためコラーゲン方位の二次元射影的な情報しか検出できていない．ここで，光軸方向のコラーゲン方位が検出できるようになれば線維配向ベクトルの情報が取得でき，診断と治療への応用性が飛躍的に増大する．また，SHG と他の手法を組み合わせることで相補が可能となる．これまでにも
SHG と OCT を結合した SHG‑OCT や２光子励起レーザー顕微鏡を利用してコラーゲン SHG と自己蛍光を観測した報告がある．しかし，顕微鏡システムでは対象は細胞や局所組織など顕微ステージにマウントできるものに限定される．医用生体計測では観測物体の大きさが多様なので，実用に則した装置開発が必要である．

3． テラヘルツ電磁波パルスによる皮膚水分量の測定
3．1 皮膚の水分と機能皮膚は発汗による体温調節のほか，異物，雑菌，光線，機械刺激などの外部刺激から生体内部を保護する機能をもつ．角質層と表皮の水分含有量が皮膚機能と大きく関係するとされており，アトピー性皮膚炎によるドライスキンも保水機能が低下した状態である．したがって皮膚機能評価
図 4 ヒト距骨の海綿質に存在するコラーゲンの断層 SHG 画像．コ
ラーゲン配向方位を色分けしている．

フェムト秒レーザーを使った生体計測（荒木・安井）

では，水分含有量は重要な検査項目である．従来より皮膚水分量は抵抗率や誘電率を求める電気的手法が主流であっ733

蒸留水で洗浄後，自然乾燥させた．図6 は掌試料から得られた THz パルスエコー波形の例である．この波形はデコンボリューションによるインパルス応答として示されており，エコーパルスの正負および大小は組織境界前後の群屈折率の大小によって決まる．この図で(１)は空気と角質層の境界，(２)は表皮と真皮の境界，(３)は真皮と試料ホルダー境界において発生した反射パルスである．THz 領域での生体試料の群屈折率は２程度である ．この値とそれぞれのパルス時間間隔から算出された各層の厚みは解剖学的に求めた厚みとほぼ一致する．しかし角質層の厚みが薄いうえ，表皮と角質層の群屈折率の差が小さいため，角質層と表皮の境界からのエコーはパルス(１)に重畳してしまい，分離観測できなかった．

図 5 THz パルスによる皮膚水分量計測装置．

水の群屈折率は２より大きいので ，湿潤した皮膚の群屈折率のほうが乾燥たが，接触法であるため汗などの電解質の影響を受けるな状態のものより大きい．水分蒸発とともに屈折率が２に近どの欠点もある．このような背景で微小領域の高精度・非づく結果，空気と角質層の屈折率差が次第に小さくなり，接触水分計測法の開発が待たれていた．

そこで生じるエコーパルス強度も減少する．そこで湿潤し

3．
2 皮膚水分計測装置
THz 電磁波（周波数 0.1〜10THz；波長 30〜3000μm）の生体応用もすでにいくつか報告されている．THz

た皮膚試料を空気中に放置したときの(１)のパルスピーク高さの時間変化をプロットしたものが図 7 であり，角質層の水分量変化を表していると考えられる．

電磁波は水との相互作用（吸収および屈折）が大きいので3．4 今後の展開皮膚水分計測に利用することができる．さらにパルス状に水分量の絶対的な値を知るには，まだ本法では不十分ですればエコー観測によって皮膚断層情報を得ることもできあり，定量法の検討が必要である．この点をクリアし，さる．そこでわれわれは THz パルスを用いて皮膚表層の水らに測定時間を短縮してイメージング計測を行えば皮膚診分含有量と皮膚断層像の同時計測に着手した ．

断法としても実用できる．測定時間の短縮に関してわれわ

図 5 に測定装置の模式を示す．THz パルスの発生と検出

れは現在，実時間二次元 THz 断層イメージング法の開発には fs レーザーを用いる．レーザー光はビームスプリッに取り組んでいる ．この技術は種々の高機能生体計測のターに よって THz パ ル ス 用 ポ ン プ 光 と THz 検 出 用 プ

みならず，空港などにおけるセキュリティチェックにも応ローブ光に分けられる．光伝導アンテナ（PC アンテナ）に用でき，新しい THz 計測の展開が期待される．しかし何よはポンプ光が入射した瞬間に電流が流れ，その結果半値幅約 0.5ps の THz パルスが生成される．放射された THz
パルスは測定試料表面に集光され，その反射光が電気光学結晶（EO 結晶）に集められる．ここで EO 結晶には光学的遅延を受けたプローブ光が入射し，THz パルスとプローブ光のタイミングが一致したときに複屈折性が現れる．複屈折量は THz パルスの電場強度に比例するため，プローブ光の遅延時間を走査すれば，プローブ光を通して THz パルス電場波形を再現することができる．また，試料を二次元的に走査することで，イメージング計測が可能となる．
3．
3 パルスエコー波形
皮膚水分測定の基礎データを得るため，試料としてヒト掌の皮膚を用意した．試料はホルマリン固定された解剖実
習用献体から取り出され，皮下組織を外科用メスで除去し，734

図 6 ヒト掌皮膚の THz エコーパルス波形．

応用物理 第 74巻 第６号（2005)

図 7 THz エコーパルス(１)のピーク高さの経時変化．掌皮膚が湿潤した状態から乾燥していく過程に対応．

りも，fs レーザーの価格がもっと下がることが THz パル
スや SHG 光の応用を加速する上で必須であろう．

4． む

すび

目で診て診断できることをわざわざ光計測などという小難しい手法を使って調べることはなかろう」とよくいわれる．実は目で診ること自体光計測なのである．しかも経験という高機能フィルタリング・データ処理系を備えた計測である．ミクロの決死隊という映画があったが，生体の中をこの目で直視できれば，そのことによる知見はいかなる計測手法にも勝るであろう．消化管では内視鏡検査が医療現場で必須となっている．
しかし通常の内視鏡では空腸，回腸には到達しない．また経験者は感じられたであろうが苦痛や不安も検査をちゅうちょさせる原因の一つとなる．
最近カプセル内視鏡がイスラエルと日本のメーカー

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受理)の大きさのカプセルを飲み込んで，およそ半日で排泄されるまで消化管内部の画像を外部へ送信し続ける．このような遊離型内視鏡の登場で，内視鏡検査のやり方も大きく変わると思われる．いわゆる応用物理でいう光計測の観点からは新しい点はないかもしれないが，電子技術，計装技術を付加した複合的な先端光技術である．このようなコンセプトを取り入れながら，われわれが得意とする光計測法を展開すれば，さらなる高機能生体診断が期待できるであろう．
文献1) Z.Chen,T.E.Milner,D.Dave and J.S.Nelson :Opt.Lett.22,
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フェムト秒レーザーを使った生体計測（荒木・安井）

荒木勉

1977年大阪大学大学院工学研究科応用物理学専攻博士課程修了，78年ウィスコンシン大学研究員，79年
徳島大学医学部助手，87年徳島大学工学部助教授，
93年徳島大学工学部教授を経て 97年 4月から大阪大学大学院基礎工学研究科教授．学位：工博・医博，研究領域：光応用計測，生体計測

安井 武史
1997年徳島大学大学院工学研究科生産開発工学専攻博士後期課程修了，97年徳島大学 SVBL 研究員，同年通産省工業技術院計量研究所特別研究員を経て 99
年 4月から大阪大学大学院基礎工学研究科・助手．03
年ボルドー大学・文科省短期在外研究員，学位：博士(工学)，研究領域：フェムト秒レーザー計測，生体光計測，テラヘルツ計測

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