「東北大学 新技術説明会」（2020年7月16日開催）にて発表。https://shingi.jst.go.jp/list/tohoku/2020_tohoku.html
【新技術の概要】
生体試料の顕微観察が可能なレーザー顕微鏡法において、観察面を移動することなく深さ方向の情報を取得可能な技術を提供します。本技術は、試料に対するニードル状の励起スポット照射と、蛍光信号に対する波面制御を原理とし、高速な3次元画像構築が可能となります。
【従来技術・競合技術との比較】
高速な画像取得を実現する従来の顕微鏡観察技術の多くは、2次元像の高速な連続取得を目的としたものが多く、深さ方向の情報取得には観察面の移動およびスタック処理が必要であり、3次元での画像取得時間を律速しています。本技術では、観察面の移動を必要とせず3次元画像が構築できる点に大きな利点があります。
【新技術の特徴】
・長焦点深度での光励起／照明
・信号光に対する深さ方向－面内方向に対する座標変換
・1回の2次元走査のみから3次元画像を構築可能
【想定される用途】
・生体試料観察
・粒子トラッキング
・その他のレーザー走査型顕微鏡法に基づく3次元検査装置
【書き起こし】「３次元情報を一挙に可視化するレーザー顕微鏡技術」 東北大学 多元物質科学研究所 プロセスシステム工学研究部門 准教授 小澤 祐市
(00:00) はいよろしくお願いします東北大学多元物質科学研究所のコザク申します 本日は3次元情報を一挙に可視化するレーザー顕微鏡技術というエマ題目では技術の 説明というのを このタイトルにありますとおりこの技術というのは光学顕微鏡特にレーザーを使った 走査型の顕微鏡に関する技術であります でこのレーザー走査型の顕微鏡というのは特にあの星明確であったりそれに限らず 例えば 材料科学を含めていろんな分野でまぁその観察技術として 産業分野においてもまあ 検査法として 用いられてい この技術というのはまあレーザーを就航したその商店の小さなスポットを観察するため のグローブとして用いておりますので そのみたい対象物の3次元的な構造を見ることができる技術 最近ですと
(01:10) 励起光に用いる光というのを短パルスのレーザーを用いることで1000形効果でるり 光子励起 を ことで非常に深いところまでへ 3次元的に価値化することができるということを 例えばこちらにまあ示しておりますではマウスの脳の中にあるその神経細胞につい そのマウスが生きたまま園生表から1.5ミリという非常に深いところまで 3次元的に可視化することができるまあそういうようなことが現在できるようになって きております しかしながらまあこちらに示しているようなこういう非常に広い範囲 深い部分まで見ようとしますと通常は非常に時間のかかる ものをやるということがよく知られてい それは何故かといえばこのレーザー走査型顕微鏡法においては 観察したイメージジェットメンって言うある目をば2次元操作しながらその間説明を 移動しながら
(02:12) なども繰り返して複数枚の二次元可動を取得した上でそれを重ねることで3次元も 画像を構築すると ところがまあ原理としてあるからでして で本技術というのはアンとかここをこう高速にできないのかというようなところをは その 初のモチベーションとして 研究をスタートしたものです で現在ではこの高速にまあ [音楽] 観察するという技術というのは非常に様々開発されてきておりまして 例えば実用化されたものそしては言えばスピニングディスク型の顕微鏡法ですと 就航するスポットを盾にすることで 並列に非常に高速に画像を取得するというものであったり 白に示すそのライトシート顕微鏡では照明光を は光のシート状にすることでその関節面を一度に照明寿司 高速に画像取得するそういうような方法 new 返されて
(03:14) いずれの方法も非常に速い画像取得はできるんですが 3次元の情報を得るためにはやはりその観察する面を移動するというそういう操作が 必要になってき で bar これを二枚提訴の従来美術とその問題点というところを整理しますと レーザー走査型の顕微鏡法というのはワークプランを示す通りその資料の3次元情報を 非常に光の波長分解能で可視化できるツール優れた 明治ぐ手法でありまして 現在ではその観察名まあその2次元の情報として高速に可視化する まあ複数の技術というのはこのように実現されて 必要かされております でこれによって現在ではその数百からまあ khz オーダーのフレームレートで画像 お菓子 することが実現している一方でその資料の深さ情報 z 方向の情報を得るためには関節面を継続提示後を使って機械的に移動するという そういう操作が必要になっておりまして
(04:18) このことが3次元の 確か側道ば律速するという問題が結果的に 3位 通常のまあ従来の技術でその3次元の画像様とボートは去っ と1秒回数6開いているというのが まあ展開といえます で 我々の技術というのはまあどういうところにん 着想を得ているのかというと通常の顕微鏡光学系というのは対物レンズ穴奴隷頭があっ てその物体年 まあ 像面に結像するというものではピントが合ってるところではその点の白鵬はこちらに頭 を作るわけ この物体 時のピントが外れたところからの光っていうのは 増面においてはまあボケとなるまあそのようにこの奥行きの情報というのはまあボケと して検出された 一方でもしこの物体面において異なる深さからある にあるその点の発行というのはその像面 説明において異なる面ない位置に分かれて
(05:25) 結像するようなそんな言葉もしできればいけばこの 奥行き方向な情報というのは麺ない方向の情報に変換できるというような見方ができ ます してこれによって この方法を使うことでその1回の二次元操作でまぁ3次元の情報を取得する それによっては高速な3次元光イメージを実現するのではないかということを考えて たわけん でそれを実現するためのまあ原理として 本技術では光が持っているその位相の分布というのを制御することで従来にはない その特異的な性質を 生み出してそれを使おうというものでして 具体的にはこちらに示しているような阿蘇のベッセルビームと呼ばれる日これは連覇ん しても広がらない解説性をもったビームとして知られていますがこういうニードル上の 針状の強度分布を持つ美言うとさらにエアリーウェーブと呼ばれる これはまあその日かいえー伝播しても広がらない日解説
(06:30) 0に加えてさらにその中心1画面内方向に曲がる 回って伝播するというようなそういう性質を持った美貌を使うというもう これらを組み合わせることでその観察名を移動することなくその深さ情報を取得できる 高速なはイメージング 3時限目事務技術はできるというそういうもの もう少し説明しますとこれはどういうものかといいますと例えばこのベッセルビームと 言われるのは通常レーザービームをレンズで集光すると の商店には言われ就航スポットができるのです を入れるビームを正 こういうふうに 円環状に制御することでその商店にはその演歌の直系であったり幅に応じて正ニードル 上のま強度グループを生み出すことがあります ってこう本技術ではこのように出来たこのニードル場のスポットを そのレーダー顕微鏡法におけるまれーぃビーム走査ビームとして用いるというものです これによって何が起こるかというと
(07:34) z 方向に伸びているのでまぁ長焦点深度のイメージングが達成されると言う いうことになるしかしながらこれだけですとその深さ情報っていうのは消失してしまう ということになるんですが そのそこでまぁこの不可って言って等 資料のその深さ情報というのを分解するためにこのエアリー部っていうのを用い でこのエアリービームというのはこの a 光に対してこちらに示すようなキュービック理想マスクっていうのを与えることでその 商店にこういう特徴的な仏教が得られるわけですがこのビュー e 6というのはこの 先ほども 元版するに従ってこの中心位置が 広がらずにさらに曲がる面ない方向にシフトするというそういう特性があります でこの特性が悪くなでいいのかということなんですが このような兄さんのぐっ対面カーねぶた光というのをこの a lee ビームに変換するような波面制御をすることでその像面にはこのように
(08:43) 湾曲する特性を持つへその ab 6というのは生成され で同時に異なる深さから出てくる光もこのようにありビュー変換するということを行い ますとこのもともと持っているこの湾曲するという性質のためにある面でうてみますと その負荷最中に応じてその像をつくる市と言うと画面な方向にシフトするということが 分かった このことから狩猟の深さ情報深さ方向の 情報が上面では面ない方向の情報に変換されているということになりまして ここにまあ検出器を置くことでその検出器の こちらの方向の情報は直接この指定物体の z 1 e 対応するということからこの エアリービームへの変換この方法を用いることでその狩猟の深さ情報が得られるという ことになります まあこの原理に基づい 達成されるその顕微鏡システムというのはこのになってまして いわゆる普通のレーザー走査型顕微鏡なんですが
(09:49) ここでは操作するレーザービームというのを ニードル上の強度分布を持つそのベッセルビームとした上で狩猟から出てくる蛍光 シグナルをさらに歯面接で操作することでエアリービューに変換するというそういう形 にあり でこれによってこのニードルの1回の3次元操作波からその深さ情報を を得ることができる高速な3次元イメージングが実現するということ この原理を実際にまあ実証するという研究をこれまで進めてきておりまして 細かい原理であったり 結果というのはまあこちらの存分に 記載しておりますのでもしご興味があれば いただければと思いますね 我々のグループではこの今のこの原理というのを実際に独自の顕微鏡光学系とは高知 しまして 実証実験というのを進めてきました実際に蛍光狩猟に対するそのイメージングを行う ことで確かにその3次元の可視化というのは可能であるということを
(10:55) 示しまたその穴造成のであったり空間分解能がどの程度なのかということも検討して いきます 実際にあの構築してきたその工学系っていうのをもう少し説明いたしますと このような 姪っ子レーザー光を 対物レンズで集光するガールバルミロを使って就航するというのは高は計で ここでは二光子励起用の方言という形でまぁ フェムト秒0が用いていますがこの a 機構というのは らに示すように 就航する前に空間光変調器と呼ばれるものをもちまして もともとのガースビームを変換常にマスクすることでこの円環状が協力 思ったり でまぁ集光される形 この時に こちらの空間光変調器に与えるその分布というの方法 制御することで兄の小川振動を持つ マーニーに取るジョンスポットを作っ
(12:00) いうことができるわけですが 次にこの資料から出てきた携行してくれるって言うのは こちらのパスを通ってまぁ検出側へ行くという形になっております がこの的にその途中に設置した別の空間光平次長期に その波面制御することでへ 本技術の原理であるかもやり上の変換ということを でエンカンされたそのシグナルというのは高感度な ccd カメラを用いてその共同 ブックを計測するという 実際に a子の検証法学系を持ち 餌の商店にこのようなミートる次郎の香道具を作りますと通常就航するようなレーザー ビームスポットに比べて非常に長い 症精神を持つビーム ここに 例えばこういう孤立した微小な並行美術というのを 配置してましてこのニードルに沿って
(13:08) ということをしその時のそれでその角 z 1かられる得られる発行というの フォーマー尊像面で見てみますと通常何もしなければその そのちょうど商店の1ピントが合ってる力のみ このビーズの贈呈は得られてましてそれ以外ではボケてしまうというふうに対して 発行シグナルをまあね編 制御することでまぁやりビームと呼ばれるものに変化8 変換するとこのように a 商店ちょうどちょっとがゼロのところからずれたところでもこのい強打ブック を形成しかつ z 1も応じてこちらの方向 面ない方向にシフトしているいわゆる添える 国政というのが得られているとがあります 絵本技術ではさらに まあこれ このように を形成する市 zepp 報告セットをかけることでこのように z 1に対してその像面変質面での水平方法 ベンない方向を理解して
(14:14) はい大するような形でシフトするような book 2 ここから 4両目 訴え面での z 1に対するその検出免除の面な方向というのはこのような 関係性が得られる そういう ことがわかります この技術を用いまして 例えばアガロースゲル中に存在するようなランドに存在するような蛍光ビーズ この資料に対して32取る オエー 就航して 各発光点から を得られる8シグナルけどを 2次元兼首席で 得ることができますでこの時にこの検出器合併られるその強度分布に対してこの面ない 方向というのはいわゆる 深さ治療の深さ方向に対応するということになりますのでこのことを用いて 実際に画像構築を行うと
(15:20) こちらに示すようにこの 観察したこの範囲内にを受けるそのビーズの3次元的な分布というのを再構築すること ができます で実際に この測定で得られた この3次元像に対して xy 面あるいは xz ウェイに対するその際大字東映像と いうのを 通常のコンベンショナルな2次元スタックで得られるぞと比較してみますと 両者にはほぼ正同様の画像が得られるということが分かりましたで重要なのは通常は このような画像というのはその2次元をに30枚くらい振り返 z 名を変えながら 行うことで得られるというのに 絵本技術ではニューよるスポットを1回だけ購入次元操作するだけでこのような3次元 画像が得られるというところが大きな特徴にあります さらにその本技術を生体試料ということでここではコス7細胞のアクチンを染色した ものを見ておりますが実際に本技術を使って
(16:29) 画像を構築してみるとこのように z 1分解されたそのカードというのは得ることが できまし 例えばこの秒息を拡大して ますとその conventional が画像した工夫を塗って得られるその感じ ゲット もうは遜色がない品質で画像が選べです さらに1回の人間操作のみから得られるということでこの種 技術がこの生体試料に対しても適用可能であるということが失明されて こちらに既存のません最初の方でもご紹介しましたまぁ高速レーザー顕微鏡法 スピニングデスク顕微鏡であったりライトシート顕微鏡 本技術との比較いろんな点での比較をまあ簡単にまとめた表を示しておりますが一番 重要なポイントはやはりこちらでして mai これら既存の方法ではやはりその3次元ば像を得るためには観察名を移動しながらこと が同色繰り返す必要があるのに対して本技術では少なくともそのニードルス pop が
(17:40) 持っているその正體晉書の範囲内に関しては 観察にを移動することなくその30円の画像は 得られるというところが大きな特徴かと言えます で この技術という は特徴もう一度も増えますと 品美術ではその光ニードルレイクのスポット ですこれが持っているその長焦点新党の特性を使ったイメージングと さらにその資料から得られる並行などの新方法 編集する光の刃名生業医によって ビームに変換するということでその深さ 情報を取得するというものですでこれによってその関節面を移動することなく いう事件のレーザー走査 adobe からその3次元の情報の人が可能と 原理的にはではあるんですが既存のレーザー走査型顕微鏡行けるその2次元操作の速度 維持したまま顔3次元の情報の取得が正華楼となるわけですのでその3次元の イメージング速度の大幅な高速化につながるだろうと考えてい
(18:51) で想定されるようということでまぁあのレーザー走査型顕微鏡システムでそのでまぁ この顕微鏡法が用いられるような様々な応用にま適用できるだろうというふうに考えて おります 方法論としては多光子励起の蛍光イメージング 2人それがまだ1なんですがこれ以外にも例えば 来年高調波は第三方町波を使ったよ 非線形顕微鏡法やもしくは場合によっては産卵声反射光を検出するような その表面プロファイルを取るようなそういう 観察手法への王様っていうのも可能じゃないかと考えています それによっ その生物顕微鏡法としての応用巻そうであったり衣装であったりということに加えて その表面検査や半導体内部観察といったような まあ例えばその工業顕微鏡などれ往復ブースの産業応用っていうのも につながるんじゃないかという事も考えて で
(19:54) 本技術のまあ非常に大事なポイントは何かというと う を見たいや資料の深さ奥行きの情報というのを 検出麺で麺な方向にまあ空間的には座標を天地するよう そういう高額情報検知装置という側面はあるわけでして こういう原理を使った新しい光計測装置への見解っていうのも図れるのではないかと いうことを 入っております で一方でその実用化に向けた課題ということでして [音楽] の深さ情報をその面年方向への情報へと変換するような画面制御 はめた設計っていうのはまた改善の影響が非常にありまして 今回用いたそのエアリービームというのはその原理的にその原板の特性ところは放物 説明2000系ではなく非線形であるということに起因して得られる z 方向の分解 のというのはは深さ1依存するという 特徴がありません で このことを改善するために もっと積極的にその波面制御を行おうという観点で計算機プログラムし ch のよう
(21:04) な考え方で この 深さ1分解するためのまあ線形シフトハメンっていうのを作れるんじゃないかという事 もを検討しているところ これに関連する特許というのは 別にご出願しているところではあります 一方でその検出する光まあ例えば傾向であるインコーヒーレイプこうなんですがそれに 対するそのハメ偏重ということを考えると現状ではその液晶の空間光変調器反射型の 液晶空間光変調器て後か 液晶を使うと以上が偏光依存性があるということもありまして強度が半分になって しまうというところが まあ課題としてはありますその意味では 液晶ではないその偏光無依存な位相変調というはある場合はより信号強度を稼げると いうのはあるわけですがまぁそういう開発も必要だろうと思っ さらにはこれはシステム面の話なんですが最終的なその取得速度っていうのは例えば 検出器の速度で行ったり肝臓にもやっぱりひどい依存するというところで現状その高
(22:14) 感度な切って来たーーを使ってはいます2次元ディテクターを使ってますが これはなかなかちょっと難しいということでより高速な交えて来たーーアレイであっ たりというのを組み込んだシステム構築が必要である 現状それに向けた開発ても説明てまして ここではを示しはしていないんですが確かにこの技術というのをさらに発展させること で 数十傍流パー節句という スピードでのイメージグってのはどうもてきそうだということもわかりくさいです 企業への期待という いうことでもしは今回保護興味のある企業 彼がいらっしゃいましたら ではあるんですがやはり顕微鏡イメージング装置となってくるとハードやソフト いずれもオウムを統合したようなシステムとしての実装っていうのは必要なくてきて この場合には6 o やはりその企業との共同研究というのは可決であろうという風に考え これに加えて高速高感度な光検出器や信号処理技術というのもまあ必要になってきます しさらに
(23:22) まーくてぃぶあるいはパッシブな波面制御技術を有するような 企業の方との共同研究 に考えており また本技術をベースとした新しい 3次元光計測技術あるいは検査装置の開発というのをまあ一緒に進めていただける企業 がいらっしゃればですねそういう方とのマーケ は相談っていうようなことができればなというふうに考えております 本技術に関して お待ち席財産権ということで国内ではまあこっちはすでに登録はしておりまして 現在海外でも 出願は済んでおります 最後に今お問い合わせ先ということでもしご興味のある方がいらっしゃいましたら こちらに示すご連絡先場でに ご連絡をいただければ
