人間情報工学研究室

病理診断では、患者の体より採取された病変の組織や細胞からガラス標本を作ってこれを観察し、診断を行ないます。しかし、組織や細胞はほとんど無色なため、そのままでは観測ことができず “染色”により色を付けて観測を行います。染色は生きた細胞に影響を与えるため、ヒトに適用することは容易ではありません。また、往々にして時間を要します。したがって、無染色に組織や病変部を見分けることができれば、より安全で素早く診断・治療を行なうことが可能となります。

分子は、原子（質点）が化学結合（ばね）によってつながれているため、振動することができ、その分子の振動の周波数は，分子の種類や構造に敏感です。この分子の振動を用いて細胞・組織を見分けて可視化するイメージング装置の開発や診断への応用を行なっています。

従来用いられてきた自発ラマン散乱は、非常に微弱なため計測に時間を要していました。非線形ラマン散乱を利用することで、無染色に組織や病変部を見分け、かつ高速な観測法の開発を行なっています。

非線形ラマン散乱イメージングには特殊な光源が必要です。波長幅が狭くかつ瞬間的（ピコ秒）に光り、波長が異なる２つのレーザーパルスを同時に試料に照射する必要があります。また、一方のレーザー光源の波長を高速に変化させる必要もあります。このようなレーザー光源も独自に開発することで、医療現場で使える無染色イメージングを実現しようとしています。 

X線等の断層撮影技術は現在まで広く普及していますが、放射線被曝や装置の規模の面で課題があります。生体にとって安全性が高く、コンパクトな機器で構成可能な光技術による断層撮影技術の開発を進めています。

がんに選択的に集まる蛍光薬剤や血管造影用の蛍光薬剤が開発されています。そこで、生体機能情報の蛍光イメージングを進めています。さらに、生体の深部にある蛍光のボケについて、画像処理による復元処理法の開発を行っています。

超音波の照射を受けると気泡は膨張収縮し、受けたエネルギーを一点に集中する働きをすると考えられています。我々は、１秒間に最大２０００万コマの速度で気泡の振動を観察し、そのメカニズムを検討しています。

毎秒1600万コマの高速度撮影でとらえた直径数ミクロンの微小気泡のふるまい。時間を200万倍に引き延ばして観察することにより、超音波照射下での微小な気泡のふるまいがはじめて解明されました。

細胞のそばに気泡が存在する状態で超音波を照射すると、細胞膜の透過性が一時的に向上し、通常は入らない薬や遺伝子を細胞内に導入することができます。この現象をソノポレーションと呼び、抗がん剤のドラッグデリバリシステム（薬を必要な組織にのみ作用させる技術）や、細胞への遺伝子導入への応用が期待されています。

ソノポレーションによってがん細胞に抗がん剤が取り込まれ、アポトーシス（細胞の自殺）によりがん細胞が消えていく様子がとらえられています。

細胞の下に、ホログラム技術で作成したドーナツ状の光ビームが見えます。ドーナツの中に微小気泡を捕捉します。気泡を治療したい細胞の近傍に移動して超音波を照射すると細胞治療が実現できます。

微小気泡の光学顕微鏡写真。２枚の写真は同じ気泡を撮影したもので、左の写真にある中心が明るい黒い粒が気泡です。右の写真では気泡の周囲に抗がん剤の成分を表す赤い蛍光が観察されています。

微小気泡は、生体に大きな悪影響を与えませんが、超音波を照射すると期外収縮の発生頻度が増加することが報告されています。微小気泡をより安全な条件で利用するため、ラット新生仔から単離培養した心筋細胞を用いて、微小気泡が期外収縮を発生させるメカニズムを調べています。

ラット新生仔から単離培養した心筋細胞を用いると、自律拍動する培養細胞を作ることができます。期外収縮の発生を直接観察できる重要な観察です。

超音波は、医療の現場で診断と治療の両面で広く利用されています。これらの装置の開発には、装置が発生する超音波を正確に評価する必要があります。我々は、光学的な技術を用いて、超音波の音場（音の広がり）を可視化する手法を新たに開発し、その有用性を検証しています。

水中を伝搬する超音波を可視化した結果。音圧が高い部分が白く、負圧の部分が黒く表示されています。目では見えない超音波が下から上に伝搬していく様子が可視化されています。

光学実験系

フェムト秒レーザ
波長可変レーザ
ピコ秒ストリークカメラ
冷却CCDカメラ

タイムラプス顕微鏡システム

Ｐ１クラス実験室
クリーンベンチ
細胞培養装置
倒立型顕微鏡
全自動顕微鏡
ソノポレーション実験システム
光ピンセット装置
超音波診断装置
超音波治療装置
超高速度撮影システム
画像差分型シュリーレン装置