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皮膚内の微小血管を非侵襲で可視化 ~光超音波と超音波を同時に計測が可能に~

 東北大学,株式会社アドバンテスト,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST),内閣府政策統括官(科学技術・イノベーション担当)は2018年10月12日,東北大学の西條芳文教授およびアドバンテストの増田則之氏らの研究開発グループが,2波長の光超音波画像と超音波画像を同時に撮影できる,皮膚の「in vivo イメージング技術」の開発に成功したと共同発表した.本研究は,内閣府総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)の1つである「イノベーティブな可視化技術による新成長産業の創出」の一環として実施された.

 光超音波イメージングでは,生体にレーザ光を照射し,特定波長の光を選択的に吸収した血液が熱膨張して発生する超音波を検出することで生体内部(In vivo)を画像化する.皮膚内の微小血管を,非侵襲でイメージングできる有力な手法である.しかし,光超音波のみの使用では,皮膚内にある直径数10μm以下の微小血管を画像化しても,得られた血管像が皮膚内各層のどの領域にあるのか確認できない.また,2つの異なる波長のレーザ光を用いて得た音圧から酸化ヘモグロビン濃度と還元ヘモグロビン濃度を検出し,血中の総ヘモグロビンのうち酸素ヘモグロビンが占める割合「酸素飽和度」を算出できるが,生体の動きで測定結果に影響が出るので,その利用は動物実験などの研究用途にとどまっていた.

 本研究グループは,レーザ光を照射する光学系と集束型の超音波センサを小型一体化することで,上記の課題を解決した.開発したセンサは,レーザ光照射で血管から発生する超音波を検出して光超音波画像を得るとともに,超音波を皮膚に送信し反射した超音波を受信して超音波画像も得ることができる.さらに,センサ先端部を凹面にして超音波を集束させてセンシングすることで,空間分解能を15μmまで高め,小型一体化したセンサを皮膚に対して15μmステップで走査して画像化する.また,2つの波長(532nmと556nm)のレーザ光パルスを交互に高速照射して,1つの測定場所で短時間(生体の動きで測定結果に影響がでない)内に2波長の光超音波イメージングと超音波イメージング測定してからセンサを走査する.2波長の光超音波信号の差分から酸素飽和度のイメージングが可能となり,超音波画像を光超音波画像と重ねることで,皮膚表面からの血管の深さ情報や毛穴,皮脂腺などとの相関を調べることが可能となる.

 研究開発グループはこの考えで,小型一体化した集束型超音波センサと2波長レーザ,センサ走査系を組み込んだ測定システムを開発した.本システムでは,専用の制御ボードで2波長レーザの交互照射,超音波の送受信,センサ走査を同期制御し,深度2mm,6mm角の範囲を15μmステップで走査し,4分間で画像データを取得した.取得したデータを用いて,酸素飽和度のマッピング,光超音波画像と超音波画像を重ね合わせた3Dイメージングを実証した.本システムは,生体(目または皮膚)に対するレーザの安全基準である最大許容露光量(Maximum Permissible Exposure:MPE)を満足しており,顔の皮膚などのin vivoイメージングが可能である.

 本開発により,顔皮膚の微小血管を非侵襲でイメージング可能となり,皮膚のシミやシワなどの皮膚老化が微小血管に関係していることから美容領域への応用の道が拓かれた.今後は,酸素飽和度計測の有効性について研究を進め,システムの実用化を目指す,としている.