進歩により、レーザベースイメージングが簡素かつ3Dになる

January, 9, 2024, Passadena--科学の進歩は、まったく新しいものを発見するという形でもたらされることがある。また、進歩とは、より良く、より速く、より簡単に何かをすることに帰着することもある。カリフォルニア工科大学（Caltech）のLihong Wang(Bren Professor of Medical Engineering and Electrical Engineering)の研究室による新しい研究は、後者である。
学術誌「Nature Biomedical Engineering」に掲載された論文で、Wangとポスドク研究者Yide Zhangは、2020年に初めて発表したイメージング技術をどのように簡素化し、改良したかを明らかにしている。

この技術は、PATER(Photoacoustic Topography Through an Ergodic Relay)と呼ばれる光音響イメージング技術の一種で、Wangグループの専門分野である。

光音響イメージングでは、レーザ光が組織にパルス状に照射され、組織の分子に吸収されて分子を振動する。各振動分子は超音波源として機能し、超音波イメージングを実行する方法と同様の方法で内部構造を画像化するために使用できる。

しかし、光音響イメージングは、全てのイメージング情報を1回の短いバーストで生成するため、技術的に困難。その情報を取得するために、Wangの光音響イメージング技術の初期バージョンでは、何百ものセンサ(トランスデューサ)のアレイをイメージングする組織の表面に押し付ける必要があり、技術が複雑で高価だった。

WangとZhangは、振動の形で情報がトランスデューサに流れ込む速度を遅くするエルゴディック（測度可遷的）リレーと呼ばれるデバイスを使用することで、必要なトランスデューサの数を減らした。PATRに関する以前の記事で説明されている。

コンピューティングでは、データを送信する主な方法として、シリアルとパラレルの 2 つがある。シリアル伝送では、データは1つの通信チャネルを介して単一のストリームで送信される。パラレル伝送では、複数の通信チャネルを使用して複数のデータを同時送信する。

この 2 種類の通信は、店舗でのレジ使用方法とほぼ同じである。シリアル通信は、レジが1つあるようなもので、全員が同じ列に並び、同じレジ係を見ている。パラレル通信は、複数のレジスタとそれぞれにラインがあるようなものである。

Wangが512個のセンサで設計したシステムは、レジがたくさんある店舗と似ている。全てのセンサは同時に動作しており、それぞれがレーザパルスによって生成される超音波振動に関するデータの一部を取り込んでいる。

システムからの超音波振動は1回の短いバーストで発生するため、1つのセンサを使用してその短い時間で全データを収集しようとすると、圧倒されてしまうので、そこがエルゴディックリレーの出番となる。

Wangの説明によると、エルゴードリレーは、音が反響する一種の部屋である。超音波振動がエルゴードリレーを通過すると、時間内に引き伸ばされる。レジの比喩に戻ると、単独のレジ係が圧倒されないように、レジ係が店内を数周歩くように顧客に指示して、別の従業員が 1 人のレジ係を支援するようなものである。

PACTER(Photoacoustic Computed Tomography Through an Ergodic Relay)と呼ばれるこの技術の最新バージョンは、さらに進化しており、ソフトウェアを使用して6,400個のトランスデューサと同じデータを収集できる単一のトランスデューサを使用してシステムを動作させることができる。

Wangによると、PACTERは、さらに2つの点でPATTERを改良している改善点の1つは、PATERが3D画像を作成できるのに対し、PATERは2D画像しか生成できないこと。これは、改良されたソフトウェアの開発によって可能になった。

「3Dイメージングへの移行は、データ要件を大幅にエスカレートさせる。課題は、膨大な量のデータを1つのトランスデューサに集約することだった。われわれの解決策は、アプローチを変えることで生まれた。単一のトランスデューサのデータから3D画像を再構成する直接的で計算負荷の高い方法ではなく、まず1つのトランスデューサを数千の仮想トランスデューサに拡張した。このアイデアにより、3D画像再構成のプロセスが簡素化され、光音響イメージングの従来の方法とより緊密に連携した」（Zhang）。

第二に、PATERとは異なり、PACTERは使用するたびに校正する必要はない。

「PATER では、使用するたびにキャリブレーションを行う必要があったが、これは現実的ではなかった。われわれは、この1回の使用ごとの1回限りのキャリブレーションを廃止した」（Wang）。

システムが組織にレーザ光のパルスを照射すると、そのパルスの「エコー」がトランスデューサに跳ね返り、超音波情報を直接感知できなくなるため、キャリブレーションが必要だった。

Wangによると、PACTERはディレイラインと呼ばれるものをシステムに追加することで、この問題を回避している。遅延材（ディレイライン）は、エコーがトランスデューサに戻る途中でより長い物理的経路をたどるように強制し、直接超音波情報を受信した後にエコーが到着するようにする。

「これは可能だといつも言っていたが、難しいことはわかっていた」（Wang）。

この研究成果をまとめた論文「Ultrafast longitudinal imaging of haemodynamics via single-shot volumetric photoacoustic tomography with a single-element detector」が、Nature Biomedical Engineering誌に掲載された。