LIFE2014 2014 年 9 月 24 日－26 日 北海道

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NIR 内視鏡を目指した共焦点ヘッドスキャニング機構による 3 次元イメージング機構の開発
Development of 3-D Image Capture System
by Confocal Head-Scanning Mechanism for NIR endoscope○近藤 良紀（東理大）小森谷 健二(東理大) 竹村
曽我 公平(東理大)

裕（東理大）溝口 博（東理大）

岸本 英博(琉球大) 金子 和弘(国立がんセンター 東病院)

Yoshinori Kondo, Tokyo University of Science, 7514618@ed.tus.ac.jp
Kenji Komoriya, Tokyo University of Science, j7512028@ed.tus.ac.jp
Hiroshi TAKEMURA, Tokyo University of Science,takemura@rs.noda.tus.ac.jp
Hiroshi MIZOGUCHI, Tokyo University of Science, hm@rs.noda.tus.ac.jpKohei SOGA, Tokyo University of Science
Hidehiro KISHIMOTO, The University of Ryukyu
Kazuhiro KANEKO, National Cancer Center EastAbstract: Recent years, Biomedical Imaging by NIR is attracting attention. NIR are few absorption anddispersion. It is able to observe depth near tissue surface of body by using NIR. If an endoscope usingNIR, it is able to observe depth near a tissue surface of body and early detection of cancer, however
Si-CCD camera cannot capture NIR. InGaAs-CCD camera can capture NIR, however InGaAs-CCD
camera is too large to use for endoscope. This paper propose confocal head-scanning mechanism for 3-Dimaging. The detection mechanism that combined cofocus mechanism with head scanning mechanism
can detects any position. This paper performed the 2-D object and 3-D object detection by thismechanism.The 2-D detection at the focus position was detected, and it was shown that the detection of
3-D object was possible.
Key Words: NIREndscope,Photodetector, MEMSmirror

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はじめに

近年，生体の観察を行う現場でバイオイメージングが注目されている．バイオイメージングとは，生命現象の可視化を目的としたもので X 線によるレントゲン撮影や顕微鏡観察などを始めとする技術が確立し，医療の貢献につながっている．そんな中，波長 1000nm 以上の近赤外光を用いた新しいバイオイメージングの可能性が挙げられる．そこで近年では生体組織を傷つけることが少なく，生体深部まで観察可能な近赤外線をはじめとする光による生体透過の研究が行われてきた [1]～[3]．近赤外光が観察可能な InGaAs カ
メラは現在の技術では内視鏡に使用するほど小型可能ではない．そこで InGaAs カメラを用いずに近赤外光による画像検出する機構が実際に成立し使えるかを検証するのが本実験の目的である．

2ヘッドスキャニング機構
2.1
ヘッドスキャニング機構
本 研 究で 考案 した ヘッ ドスキ ャ ニン グ機 構と は， 2 軸
MEMS ミラーによってレーザー光を走査し対象物に照射することで，対象物を検出する手法である．ヘッドスキャニ
ング機構は図 2 で示すように，光源から照射されたレーザー光がビームスプリッターで透過された光が 2 軸 MEMS ミラーで走査され，対象物に照射される．対象物から返ってきた光は再び 2 軸 MEMS ミラーを通り，ビームスプリッターで反射されてフォトディテクタに到達する．この時の信号強度と 2 軸 MEMS ミラーによる走査座標を同期させることで画像再現をする．また，特徴としては検出部を通常の内視鏡で使われている Si-CCD カメラに代わるものとしてフォトディテクタを用いることで電気信号を読み取る．

Fig.1 Wavelength propertiesof light absorption andscattering in biological tissues [4]Fig.2 Head- scanning system

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2.2
MEMS ミラー
本研究では 2 軸 MEMS ミラーを用いた．MEMS は基盤の上にアクチュエータや電子回路などの機械部品を集約したもので，MEMS ミラーは駆動ミラーを基盤上に形成し，電圧を用いて上下させる事によりミラーを動かすことができる．本実験では OPUS Microsystems Corporation 製の 2 軸 MEMSミラー(図 3)使用した．
2.3フォトディテクタ
フ ォ トデ ィテ クタ は光 を受け て 電気 信号 を発 する ものであり，フォトダイオードにオペアンプを内蔵して電圧を増幅する装置である．中心の検出部によって電気信号を読み取り，電圧に変換する．本実験では近赤外線の波長域のみを検出可能なフォトディテクタを使用する．

[a][b]
Fig.3 [a] MEMS mirror outlook [5] [b] photo detector

33 次元イメージング実験

3.1
実験装置概要3 次元の物体をイメージングする実験について説明する．
今回検出する 3 次元の物体は RED-CNP の固体である．この物体を検出して 3 次元に表示する．共焦点ヘッドスキャニ
ング機構の焦点距離を始めに物体の頂点に合わせ対物レンズを 1mm ずつずらしていき物体の底までの距離 5mm まで計5 回分のデータを検出し，その時の物体の表面図と 3 次元イメージングを行う．実験条件はレーザー出力を 450mW，MEMS ミラーの走査角度を±12°，サンプリング速度を 1μ秒で 100000 点検出する．

次元のイメージングで対象物をある程度まで再現することができた．

Fig.5 Penetration NIR Image(100×100pixel)
3.3
考察
焦 点 位置 での 検出 実験 におい て は形 状を ほぼ 再現 することができたが，実際の大きさに対して異なる大きさとして検出された．また，検出画像の中心よりも端のほうが，検出が良かったことが見て取れる．これは 2 軸 MEMS ミラーの座標系が上手く合わせられていない可能性が挙げられる．
実際，画像として表示するのに今回はデータを取った100000 点に対して 40000 点で作成した．この時の画像のピクセル数は作成点数に合わせて 200×200 としたが，先ほど述べたようにすべてが等間隔で並んではいなかったため，データが座標と完全に一致してはいなかったと思われる．
主な改善点としては，これを解消するにはサンプリング速度を速くすることでこの隙間を無くすことが可能であると考えるが，現在の手法で行った場合，位置合わせに時間がかかることが予想される(図 5)．
4

おわりに

本論文では，NIR 内視鏡を目的とした新しい手法として，従来の内視鏡とは異なる検出器として共焦点機構を利用したヘッドスキャニング機構を提案し 3 次元イメージングを行った．実験は 3 次元の物体を検出させて画像再現させた．
3 次元物体のイメージングは物体を RED-CNP で形状を指定し，頂点から底部に少しずつずらしていくと検出される範囲が広がっていき，外枠が強く表示されていた．また，これらのデータから 3 次元イメージングを行ったところ 3 次元のイメージングを形成することは実現できたことから，提案機構による 3 次元イメージングは可能であることが示唆された．本研究では共焦点ヘッドスキャニング機構による検出を可能にしたため，今後の検証次第では検出精度をより高める必要がある．これが実現でき機構として有用であったならば，内視鏡として実現されることが期待される．
参考文献

Fig.4 Penetration Experimental device outlook
3.2
実験結果
画像再現してみると，先端部分では白い部分がまんべんなく読み取られており，底部付近では外枠が他のものに比べると比較的顕著に表れた．5 枚の断面像で得られたデータを組み合わせて 3 次元イメージングを行ってみた．今回は電圧データの高く検出された部分を用いて，各データに高さ方向の座標をいれることで再現した．RED-CNP の固体を再現したものを図 5 に示す．本研究では不要な部分のデータを削り，各データに高さ方向に座標を入れて組み合わせることで 3 次元に復元を行った．再現を行ってみると，
元の RED-CNP の物体は先端が鋭角であり，先端の検出は極めて困難であったため完全な再現とはいかなかったが， 3[1] 井上芳浩，“近赤外分光法について”，医用画像情報学会雑誌，Vol27，No.4(2010),pp98-101[2] 春 名 正 光 ，“ 光 コ ヒ ー レ ン ス ト モ グ ラ フ ィ (OCT) ”，
Medical Photonics，No.1 (2010)，pp.1-5．
[3] Kohei Soga, Kimikazu Tokuzen, Kosuke Tsuji,
Tomoyoshi Yamano, Hiroshi Hyodo,Hidehiro Kishimoto,“NIR
Bioimaging
Developmentof
Liposome-Encapsulated,
Rare-Earth-Doped
Y2O3
Nanoparticles as Fluorescent Probes,” EUROPEAN
JOURNALOF
INORGANICCHEMISTRY,
Vol.2010 ,No.18(2010), pp 2673-2677.
[4] 株式会社 OPUS Microsystems Corporation，“2D MEMS
W70-39 Shipment Report”，(2011)．Pp1-2

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