透過画像生成方法及び透過画像生成装置
【課題】 水分を含んだ検体の前処理を、安全に、かつ、少ない工程で短時間に行うことのできる透過画像生成方法、及び透過画像生成装置を提供する。
【解決手段】 検体を凍結させた状態でテラヘルツ波を照射し、検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する。
【解決手段】 検体を凍結させた状態でテラヘルツ波を照射し、検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた検体の透過画像の生成方法及び透過画像の生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚである遠赤外線及びサブミリ波（以下テラヘルツ波という）は、無線通信におけるこの周波数帯の有効利用、超高速通信への対応、この周波数帯の電磁波の特徴を生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計測、及び、生物や医学への応用などが提案されている。それらのうち、テラヘルツ波を用いた生体組織のイメージングでは、検体たる生体組織にテラヘルツ波を照射したときの透過画像を生成し、この画像により組織成分を見分けることが試みられていた。
【０００３】
テラヘルツ波を用いた透過画像生成においては、以下の問題があった。すなわち、テラヘルツ波は水に吸収されやすい性質を有しており、水を含んだ検体を対象とするテラヘルツ波の透過画像生成においては、検体に照射されたテラヘルツ波は検体中で強く減衰され、検出器の検出限界以下まで強度が小さくなり、透過画像を生成することができないことも少なくなかった。この問題は、テラヘルツ波照射方向の検体の厚さを小さくして透過強度を上げたとしても、水による吸収の影響は依然として大きいため解決されず、透過画像が生成されたとしても信頼性の低いものであった。
【０００４】
この問題を解決するために、テラヘルツ波照射の前処理として、パラフィン包埋法、パラホルムアルデヒドを用いた検体の還流などが実施されている（非特許文献１、２）
【非特許文献１】Ｐ．Ｋｎｏｂｌｏｃｈ、Ｃ．Ｓｃｈｉｌｄｋｎｅｃｈｔ、Ｔ．Ｋｌｅｉｎｅ−Ｏｓｔｍａｎｎ、Ｍ．Ｋｏｃｈ、Ｓ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ、Ｍ．Ｈｏｆｍａｎｎ、Ｅ．Ｒｅｈｂｅｒｇ、Ｍ．Ｓｐｅｒｌｉｎｇ、Ｋ．Ｄｏｎｈｕｉｊｓｅｎ、Ｇ．Ｈｅｉｎ、及びＫ．Ｐｉｅｒｚ、「Ｍｅｄｉｃａｌ ＴＨｚ ｉｍａｇｉｎｇ：ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｓｔｏ−ｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｓａｍｐｌｅｓ」、Ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ、４７、３８７５（２００２）．
【非特許文献２】Ｊ．Ｄａｒｍｏ、Ｖ．Ｔａｍｏｓｉｕｎａｓ、Ｇ．Ｆａｓｃｈｉｎｇ、Ｊ．Ｋｒｏｌｌ、及びＫ．Ｕｎｔｅｒｒａｉｎｅｒ、「Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１２、１８７９（２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の前処理は、有機溶媒を扱う危険が伴う上に、この処理によって検体の成分の一部（例えばある種のタンパク質や酵素）が有機溶媒に流失するため、流失した成分の測定が不可能となる。特に、前処理として採用されることの多いパラフィン包埋法による検体の脱水処理では、ホルマリンやキシレンといった劇物の使用が必須であり、さらに、長い場合には数ヶ月に渡る非常に多くの工程と作業時間を要するため、作業者に大きな負担を強いるとともに、迅速な透過画像生成の要請があっても応えることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の透過画像生成方法においては、検体にテラヘルツ波を照射し、検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する透過画像生成方法であって、検体を凍結させた状態でテラヘルツ波を照射することを特徴としている。
【０００７】
上記テラヘルツ波は、０．１〜５ＴＨｚの周波数帯域を備えることが好ましく、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域であるとなおよい。周波数が高くなるに連れて氷の吸収は増大し，５ＴＨｚを超えると水の吸収を上回るため好ましくない。
【０００８】
上記検体としては生体組織が好ましい。
【０００９】
本発明の透過画像生成装置においては、凍結状態とされた検体に所定周波数のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波発生器と、テラヘルツ波発生器によりテラヘルツ波が照射された検体を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、テラヘルツ波検出器の検出結果に基づいて検体を透過したテラヘルツ波の画像を生成する画像構成部と、画像構成部により生成された画像を表示する画像表示部と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
上記テラヘルツ波発生器としては、後進波管を用いることができる。
【００１１】
上記テラヘルツ波検出器は、焦電素子であることが好ましく、重水素化硫酸トリグリシンやＬｉＴａＯ3を用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の透過画像生成方法、及び透過画像生成装置においては、前処理として検体を凍結させることにより、検体中の水を、テラヘルツ波の吸収が少ない氷に変えているため、水によるテラヘルツ波の吸収量を大幅に低減させることができる。さらに、前処理の作業を安全に行うことができるため作業者にかかる負担を低減することができ、前処理を少ない工程で短時間に行うことができる。これに加えて、従来の脱水処理の方法とは異なり前処理の工程中に失われる成分は存在しないと考えられているため、これらの成分の測定が可能となる。また、臓器や生細胞の保存に凍結処理が使われていることからわかるように、検体が生体組織の場合、凍結処理によって生きている状態に近い状態での測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。本発明に係る透過画像生成方法は、図１に示す透過画像生成装置を用いて行うことができる。この透過画像生成装置は、テラヘルツ波発生器１０、テラヘルツ波検出器３０、画像構成部４０、画像表示部５０、及び真空保持器６０を有する。
【００１４】
テラヘルツ波発生器１０は、例えば後進波管（Ｂａｃｋｗａｒｄ−ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）であって、電流加熱陰極から放射される電子を周期磁場中で蛇行運動させることによって、０．５〜０．７ＴＨｚのテラヘルツ波を発生する。このテラヘルツ波は、一定周期で回転するシャッタからなるパルス波変換器（光チョッパー）１１により、パルス波として外部に出射される。テラヘルツ波の発生器としては、後進波管のほかに、テラヘルツ波パラメトリック発信器、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発信器、量子カスケードレーザー、光伝導半導体素子を用いた光混合型テラヘルツ波発生装置、差周波混合によるテラヘルツ波発生装置、自由電子レーザー、ｐ型Ｇｅレーザーを用いることができる。
【００１５】
テラヘルツ波発生器１０から出射されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波発生器１０の出射口１０ａを焦点位置とする放物面１２ａを有する軸外し放物面鏡１２に入射する。軸外し放物面鏡１２で反射されたテラヘルツ波は、平行な波として軸外し放物面鏡１３に入射する。軸外し放物面鏡１３で反射されたテラヘルツ波は、軸外し放物面鏡１３の放物面１３ａの焦点位置１３ｂに配置した検体Ｔを介して、軸外し放物面鏡１４に入射する。軸外し放物面鏡１４は、その放物面１４ａの焦点位置が検体Ｔに一致するように配置されている。軸外し放物面鏡１４で反射されたテラヘルツ波は、平行な波として軸外し放物面鏡１５に入射し、軸外し放物面鏡１５で反射されたテラヘルツ波は、軸外し放物面鏡１５の放物面１５ａの焦点位置に入射口３０ａを配置したテラヘルツ波検出器３０に入射する。なお、テラヘルツ波発生器１０から出射されたテラヘルツ波は１本のビームからなり、軸外し放物面鏡１２〜１５で反射された後もその状態を維持する。
【００１６】
テラヘルツ波検出器３０は、例えば焦電素子としてのＤＴＧＳ（Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ ｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅ ｓｕｌｆａｔｅ）（重水素化硫酸トリグリシン）を用いたものである。テラヘルツ波検出器３０にテラヘルツ波が入射するとＤＴＧＳの分極が変化することを利用して、テラヘルツ波検出器３０に接続された微小信号検出器（ロックインアンプ）３１がテラヘルツ波の強度を電気信号として検出する。微小信号検出器３１における検出結果は順次画像構成部４０に出力される。一方、微小信号検出器３１は、パルス波変換器１１が発するパルス周期の信号を参照し、それと同期した信号を検出している。
【００１７】
なお、テラヘルツ波の検出器としては、焦電素子、ボロメータ、基板吸収型超伝導テラヘルツ波検出素子、量子ドット型テラヘルツ波検出素子を用いることができる。これらのうち焦電素子としては、ＤＴＧＳのほかに、ＬｉＴａＯ3（タンタル酸リチウム）、ＰＺＴ（圧電素子）、ＴＧＳ（硫酸トリグリシン）、ＰｂＴｉＯ3磁気配向膜（チタン酸鉛配向膜）、ＰＶＦ2（ポリフッ化ビニリデン）を用いることができる。また、ボロメータとしては、シリコンボロメータ、ＩｎＳｂボロメータ（インジウムアンチモンボロメータ）を用いることができる。さらに、テラヘルツ波発生器１０及びテラヘルツ波検出器３０に代えて、テラヘルツ波の発生器と検出器が一体となったシステムとして、フェムト秒パルスレーザー半導体アンテナを用いたテラヘルツ波時間領域分光システムを用いることもできる。このシステムは、２つの半導体アンテナを備えており、一方の半導体アンテナからテラヘルツ波を出射し、他方の半導体アンテナによりテラヘルツ波を検出する。
【００１８】
画像構成部４０は、例えばコンピュータであって、微小信号検出器３１から順次入力される電子信号に基づいて検体Ｔの各点におけるテラヘルツ波の透過強度を算出する。一方、画像構成部４０は二次元走査ステージ６１に接続され、二次元走査ステージ６１の移動動作を制御するとともに、二次元走査ステージ６１の初期位置からの移動量を検出して二次元走査ステージ６１の位置を算出する。画像構成部４０では、所定時間ごとにテラヘルツ波の透過強度と二次元走査ステージ６１の位置を関連づけて、透過画像として展開し、その結果を画像表示部（例えばＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ）５０に出力する。この画像表示部５０では、透過強度を濃淡に置き換えた検体Ｔの透過画像が表示される。
【００１９】
検体Ｔは、凍結後に真空保持器６０内に収容される。ここでの凍結は、まず、容器（例えばビニル袋）に検体Ｔを収容した状態で冷凍庫（不図示）に入れて予備凍結を行い、つづいて、容器に入れた状態の検体Ｔを液体窒素に浸すことによって行う。次に、液体窒素から引き上げた容器の中の検体Ｔをただちに真空保持器６０に収容し、真空ポンプ（例えば油回転真空ポンプ）（不図示）を用いて、真空保持器６０内の圧力を下げる。真空保持器６０内が所定の圧力（例えば１０-2Ｔｏｒｒ（約１．３３３２Ｐａ））以下となったところで、密閉状態を維持しつつ、真空保持器６０を真空ポンプから外して、軸外し放物面鏡１３で反射されたテラヘルツ波の進行方向に直交する面内で移動可能な二次元走査ステージ６１上の所定位置に固定する。真空保持器６０は、内部を前述の所定の圧力以下とすることができ、かつ、テラヘルツ波が透過するような材料（例えば、ゼオネックス（商品名）（透明性プラスチック））の窓を備え、内部に照射したテラヘルツ波が透過できる容器である。この真空保持器６０は、内部を低圧に保つことにより気体による熱伝導を抑えることができるため、その内部に収容した検体Ｔの凍結状態を保持することができる。一体となった二次元走査ステージ６１と検体Ｔは透過画像生成装置の所定位置に配置され、検体Ｔにテラヘルツ波が照射される。
【００２０】
以上の構成の透過画像生成装置では、微小信号検出器３１が、パルス波変換器１１を経てテラヘルツ波発生器１０から出射される所定周波数のテラヘルツ波の信号を参照し、それと同期した信号を検出している。出射されたテラヘルツ波は、凍結状態の検体Ｔに照射される。ここで所定周波数のテラヘルツ波とは、極めて狭帯域な（単色又は単色に近い）周波数のテラヘルツ波と、広帯域な周波数のテラヘルツ波と、を含み、測定の目的、方法などによって適宜選択することができる。検体Ｔを透過したテラヘルツ波がテラヘルツ波検出器３０により検出され画像構成部４０において強度が算出される一方、画像構成部４０では、二次元走査ステージ６１の位置情報、すなわち、二次元走査ステージ６１上に固定された真空保持器６０中に置かれた検体Ｔにおけるテラヘルツ波の照射位置情報が、算出される。検体Ｔの位置は、二次元走査ステージ６１の走査により２次元的に変更される。画像構成部４０では、所定時間ごとにテラヘルツ波の透過強度と二次元走査ステージ６１の位置が関連づけられて透過画像となり、透過強度を濃淡に置き換えた検体Ｔの透過画像が画像表示部５０に表示される。
【００２１】
以上の透過画像生成装置によれば、前処理として検体Ｔを凍結させることにより、テラヘルツ波の吸収が多い水（液体）を、テラヘルツ波の吸収が少ない氷（固体）に変えているため、水による強い吸収のない、検体Ｔの組織成分に応じた透過画像を生成することができる。すなわち、吸収係数αの物質中を距離ｘだけ進むときのテラヘルツ波の減衰はｅｘｐ（−αｘ）で表されるため、例えば検体Ｔが１ｍｍの厚さの水に相当する水分を有している場合、この水によるテラヘルツ波の減衰は、１ＴＨｚ（吸収係数約２３０ｃｍ-1）において１０桁にも及ぶが、水を凍結させて氷（吸収係数約１０ｃｍ-1）とした場合は約１／３の減衰にとどまり、テラヘルツ波による透過画像を精度良く生成することが可能となる。また、検体Ｔの前処理を凍結操作によって安全、簡便、かつ、短時間に行うことができるため、作業者に大きな負担を強いることなく、迅速に透過画像の生成を行うことができる。さらに、凍結によれば、検体Ｔの水分は凍結されているが解凍すれば復元し、従来の前処理法と異なり、水以外の成分（例えばタンパク質、酵素の一部）も残存しているため、これらの成分を測定することが可能である。さらに、臓器や生細胞の保存に凍結処理が使われていることからわかるように、検体が生体組織の場合、凍結処理によって生きている状態に近い状態での測定が可能となる。
照射するテラヘルツ波は、０．１〜５ＴＨｚの周波数帯域を備えることが好ましく、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域であると、より精密な透過画像を生成できるため、好ましい。なお、周波数帯域は、上記範囲内における広帯域（複数）の周波数を含むものであってもよく、また上記範囲内における狭帯域（単一）の周波数であってもよいが、広帯域の周波数を含むほうが好ましい。
【００２２】
なお、二次元走査ステージ６１上に凍結器を載置し、この凍結器内に収容した検体Ｔを凍結させ、又は、その凍結状態を維持させてもよい。この場合は、検体Ｔを凍結させつつテラヘルツ波を照射して透過画像を生成することができる。
【実施例１】
【００２３】
以下に本発明を適用した実施例１について図２〜図４を参照しつつ説明する。
実施例１では、検体Ｔとして脂肪を含む豚の筋組織を厚さ１ｍｍの切片としたもの（図２）を用い、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲で二次元走査ステージ６１を走査してテラヘルツ波を照射した。テラヘルツ波発生器１０としては後進波管を、テラヘルツ波検出器３０としてはＤＴＧＳを、それぞれ用いた。画像構成部４０で生成する画像は、１画素を２００μｍ×２００μｍとした。照射するテラヘルツ波としては、０．５９３ＴＨｚ（５９３ＧＨｚ）の波長を用いた。検体Ｔは、冷凍庫に入れた後に液体窒素中に入れることにより凍結状態としたものであって、凍結後に真空保持器６０に入れ、この真空保持器６０を常温の二次元走査ステージ６１上に載置した。
【００２４】
検体Ｔを透過したテラヘルツ波による透過画像を図３、図４に示す。 図３は、検体Ｔを液体窒素中から取り出してから４分後（二次元走査ステージ６１上に載置した直後）にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり検体Ｔは凍結状態を保持しているが、図４は、検体Ｔを液体窒素中から取り出してから２０分後にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり、この時点では検体Ｔは解凍が進んでいる。筋組織は多くの水を含んでいるが、一方で脂肪にはほとんど水は含まれない。凍結状態での透過画像図３と解凍時の透過画像図４の比較から、凍結によって筋組織の部位の透過率が著しく上昇し、部位の情報を含んだ透過画像を得ることができることが確認できる。すなわち、図３に示すように、組織成分によって、透過するテラヘルツ波強度が異なることが透過画像の濃淡によって認識することができる。一方、図４では、液体にもどった水がテラヘルツ波を強く吸収しているため、検体Ｔの組織成分の違いによる透過テラヘルツ波強度の差が不明瞭となっていることが確認できる。（図４の脂肪部位の透過率が図３に比べて下がっているのは、脂肪部位にわずかに含まれている水が液体になったためと考えられる。）
【００２５】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る透過画像生成装置の構成を示す概観図である。
【図２】本発明の実施例１に係る検体に可視光を照射したときの画像である。
【図３】本発明の実施例１に係る検体を二次元走査ステージ上に載置した直後（液体窒素中から取り出してから４分後）にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり、検体は凍結している。
【図４】本発明の実施例１に係る検体を二次元走査ステージ上に載置した後にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり（液体窒素中から取り出してから２０分後）、検体の解凍が進んでいる。
【符号の説明】
【００２７】
１０ テラヘルツ波発生器
１１ パルス波変換器
１２ 軸外し放物面鏡
１３ 軸外し放物面鏡
１４ 軸外し放物面鏡
１５ 軸外し放物面鏡
３０ テラヘルツ波検出器
３１ 微小信号検出器
４０ 画像構成部
５０ 画像表示部
６０ 真空保持器
６１ 二次元走査ステージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた検体の透過画像の生成方法及び透過画像の生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数範囲が約０．１〜１０ＴＨｚである遠赤外線及びサブミリ波（以下テラヘルツ波という）は、無線通信におけるこの周波数帯の有効利用、超高速通信への対応、この周波数帯の電磁波の特徴を生かしたイメージングやトモグラフィーによる環境計測、及び、生物や医学への応用などが提案されている。それらのうち、テラヘルツ波を用いた生体組織のイメージングでは、検体たる生体組織にテラヘルツ波を照射したときの透過画像を生成し、この画像により組織成分を見分けることが試みられていた。
【０００３】
テラヘルツ波を用いた透過画像生成においては、以下の問題があった。すなわち、テラヘルツ波は水に吸収されやすい性質を有しており、水を含んだ検体を対象とするテラヘルツ波の透過画像生成においては、検体に照射されたテラヘルツ波は検体中で強く減衰され、検出器の検出限界以下まで強度が小さくなり、透過画像を生成することができないことも少なくなかった。この問題は、テラヘルツ波照射方向の検体の厚さを小さくして透過強度を上げたとしても、水による吸収の影響は依然として大きいため解決されず、透過画像が生成されたとしても信頼性の低いものであった。
【０００４】
この問題を解決するために、テラヘルツ波照射の前処理として、パラフィン包埋法、パラホルムアルデヒドを用いた検体の還流などが実施されている（非特許文献１、２）
【非特許文献１】Ｐ．Ｋｎｏｂｌｏｃｈ、Ｃ．Ｓｃｈｉｌｄｋｎｅｃｈｔ、Ｔ．Ｋｌｅｉｎｅ−Ｏｓｔｍａｎｎ、Ｍ．Ｋｏｃｈ、Ｓ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ、Ｍ．Ｈｏｆｍａｎｎ、Ｅ．Ｒｅｈｂｅｒｇ、Ｍ．Ｓｐｅｒｌｉｎｇ、Ｋ．Ｄｏｎｈｕｉｊｓｅｎ、Ｇ．Ｈｅｉｎ、及びＫ．Ｐｉｅｒｚ、「Ｍｅｄｉｃａｌ ＴＨｚ ｉｍａｇｉｎｇ：ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｓｔｏ−ｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｓａｍｐｌｅｓ」、Ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ、４７、３８７５（２００２）．
【非特許文献２】Ｊ．Ｄａｒｍｏ、Ｖ．Ｔａｍｏｓｉｕｎａｓ、Ｇ．Ｆａｓｃｈｉｎｇ、Ｊ．Ｋｒｏｌｌ、及びＫ．Ｕｎｔｅｒｒａｉｎｅｒ、「Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１２、１８７９（２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の前処理は、有機溶媒を扱う危険が伴う上に、この処理によって検体の成分の一部（例えばある種のタンパク質や酵素）が有機溶媒に流失するため、流失した成分の測定が不可能となる。特に、前処理として採用されることの多いパラフィン包埋法による検体の脱水処理では、ホルマリンやキシレンといった劇物の使用が必須であり、さらに、長い場合には数ヶ月に渡る非常に多くの工程と作業時間を要するため、作業者に大きな負担を強いるとともに、迅速な透過画像生成の要請があっても応えることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の透過画像生成方法においては、検体にテラヘルツ波を照射し、検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する透過画像生成方法であって、検体を凍結させた状態でテラヘルツ波を照射することを特徴としている。
【０００７】
上記テラヘルツ波は、０．１〜５ＴＨｚの周波数帯域を備えることが好ましく、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域であるとなおよい。周波数が高くなるに連れて氷の吸収は増大し，５ＴＨｚを超えると水の吸収を上回るため好ましくない。
【０００８】
上記検体としては生体組織が好ましい。
【０００９】
本発明の透過画像生成装置においては、凍結状態とされた検体に所定周波数のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波発生器と、テラヘルツ波発生器によりテラヘルツ波が照射された検体を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、テラヘルツ波検出器の検出結果に基づいて検体を透過したテラヘルツ波の画像を生成する画像構成部と、画像構成部により生成された画像を表示する画像表示部と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
上記テラヘルツ波発生器としては、後進波管を用いることができる。
【００１１】
上記テラヘルツ波検出器は、焦電素子であることが好ましく、重水素化硫酸トリグリシンやＬｉＴａＯ3を用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の透過画像生成方法、及び透過画像生成装置においては、前処理として検体を凍結させることにより、検体中の水を、テラヘルツ波の吸収が少ない氷に変えているため、水によるテラヘルツ波の吸収量を大幅に低減させることができる。さらに、前処理の作業を安全に行うことができるため作業者にかかる負担を低減することができ、前処理を少ない工程で短時間に行うことができる。これに加えて、従来の脱水処理の方法とは異なり前処理の工程中に失われる成分は存在しないと考えられているため、これらの成分の測定が可能となる。また、臓器や生細胞の保存に凍結処理が使われていることからわかるように、検体が生体組織の場合、凍結処理によって生きている状態に近い状態での測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。本発明に係る透過画像生成方法は、図１に示す透過画像生成装置を用いて行うことができる。この透過画像生成装置は、テラヘルツ波発生器１０、テラヘルツ波検出器３０、画像構成部４０、画像表示部５０、及び真空保持器６０を有する。
【００１４】
テラヘルツ波発生器１０は、例えば後進波管（Ｂａｃｋｗａｒｄ−ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）であって、電流加熱陰極から放射される電子を周期磁場中で蛇行運動させることによって、０．５〜０．７ＴＨｚのテラヘルツ波を発生する。このテラヘルツ波は、一定周期で回転するシャッタからなるパルス波変換器（光チョッパー）１１により、パルス波として外部に出射される。テラヘルツ波の発生器としては、後進波管のほかに、テラヘルツ波パラメトリック発信器、光注入型テラヘルツ波パラメトリック発信器、量子カスケードレーザー、光伝導半導体素子を用いた光混合型テラヘルツ波発生装置、差周波混合によるテラヘルツ波発生装置、自由電子レーザー、ｐ型Ｇｅレーザーを用いることができる。
【００１５】
テラヘルツ波発生器１０から出射されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波発生器１０の出射口１０ａを焦点位置とする放物面１２ａを有する軸外し放物面鏡１２に入射する。軸外し放物面鏡１２で反射されたテラヘルツ波は、平行な波として軸外し放物面鏡１３に入射する。軸外し放物面鏡１３で反射されたテラヘルツ波は、軸外し放物面鏡１３の放物面１３ａの焦点位置１３ｂに配置した検体Ｔを介して、軸外し放物面鏡１４に入射する。軸外し放物面鏡１４は、その放物面１４ａの焦点位置が検体Ｔに一致するように配置されている。軸外し放物面鏡１４で反射されたテラヘルツ波は、平行な波として軸外し放物面鏡１５に入射し、軸外し放物面鏡１５で反射されたテラヘルツ波は、軸外し放物面鏡１５の放物面１５ａの焦点位置に入射口３０ａを配置したテラヘルツ波検出器３０に入射する。なお、テラヘルツ波発生器１０から出射されたテラヘルツ波は１本のビームからなり、軸外し放物面鏡１２〜１５で反射された後もその状態を維持する。
【００１６】
テラヘルツ波検出器３０は、例えば焦電素子としてのＤＴＧＳ（Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ ｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅ ｓｕｌｆａｔｅ）（重水素化硫酸トリグリシン）を用いたものである。テラヘルツ波検出器３０にテラヘルツ波が入射するとＤＴＧＳの分極が変化することを利用して、テラヘルツ波検出器３０に接続された微小信号検出器（ロックインアンプ）３１がテラヘルツ波の強度を電気信号として検出する。微小信号検出器３１における検出結果は順次画像構成部４０に出力される。一方、微小信号検出器３１は、パルス波変換器１１が発するパルス周期の信号を参照し、それと同期した信号を検出している。
【００１７】
なお、テラヘルツ波の検出器としては、焦電素子、ボロメータ、基板吸収型超伝導テラヘルツ波検出素子、量子ドット型テラヘルツ波検出素子を用いることができる。これらのうち焦電素子としては、ＤＴＧＳのほかに、ＬｉＴａＯ3（タンタル酸リチウム）、ＰＺＴ（圧電素子）、ＴＧＳ（硫酸トリグリシン）、ＰｂＴｉＯ3磁気配向膜（チタン酸鉛配向膜）、ＰＶＦ2（ポリフッ化ビニリデン）を用いることができる。また、ボロメータとしては、シリコンボロメータ、ＩｎＳｂボロメータ（インジウムアンチモンボロメータ）を用いることができる。さらに、テラヘルツ波発生器１０及びテラヘルツ波検出器３０に代えて、テラヘルツ波の発生器と検出器が一体となったシステムとして、フェムト秒パルスレーザー半導体アンテナを用いたテラヘルツ波時間領域分光システムを用いることもできる。このシステムは、２つの半導体アンテナを備えており、一方の半導体アンテナからテラヘルツ波を出射し、他方の半導体アンテナによりテラヘルツ波を検出する。
【００１８】
画像構成部４０は、例えばコンピュータであって、微小信号検出器３１から順次入力される電子信号に基づいて検体Ｔの各点におけるテラヘルツ波の透過強度を算出する。一方、画像構成部４０は二次元走査ステージ６１に接続され、二次元走査ステージ６１の移動動作を制御するとともに、二次元走査ステージ６１の初期位置からの移動量を検出して二次元走査ステージ６１の位置を算出する。画像構成部４０では、所定時間ごとにテラヘルツ波の透過強度と二次元走査ステージ６１の位置を関連づけて、透過画像として展開し、その結果を画像表示部（例えばＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ）５０に出力する。この画像表示部５０では、透過強度を濃淡に置き換えた検体Ｔの透過画像が表示される。
【００１９】
検体Ｔは、凍結後に真空保持器６０内に収容される。ここでの凍結は、まず、容器（例えばビニル袋）に検体Ｔを収容した状態で冷凍庫（不図示）に入れて予備凍結を行い、つづいて、容器に入れた状態の検体Ｔを液体窒素に浸すことによって行う。次に、液体窒素から引き上げた容器の中の検体Ｔをただちに真空保持器６０に収容し、真空ポンプ（例えば油回転真空ポンプ）（不図示）を用いて、真空保持器６０内の圧力を下げる。真空保持器６０内が所定の圧力（例えば１０-2Ｔｏｒｒ（約１．３３３２Ｐａ））以下となったところで、密閉状態を維持しつつ、真空保持器６０を真空ポンプから外して、軸外し放物面鏡１３で反射されたテラヘルツ波の進行方向に直交する面内で移動可能な二次元走査ステージ６１上の所定位置に固定する。真空保持器６０は、内部を前述の所定の圧力以下とすることができ、かつ、テラヘルツ波が透過するような材料（例えば、ゼオネックス（商品名）（透明性プラスチック））の窓を備え、内部に照射したテラヘルツ波が透過できる容器である。この真空保持器６０は、内部を低圧に保つことにより気体による熱伝導を抑えることができるため、その内部に収容した検体Ｔの凍結状態を保持することができる。一体となった二次元走査ステージ６１と検体Ｔは透過画像生成装置の所定位置に配置され、検体Ｔにテラヘルツ波が照射される。
【００２０】
以上の構成の透過画像生成装置では、微小信号検出器３１が、パルス波変換器１１を経てテラヘルツ波発生器１０から出射される所定周波数のテラヘルツ波の信号を参照し、それと同期した信号を検出している。出射されたテラヘルツ波は、凍結状態の検体Ｔに照射される。ここで所定周波数のテラヘルツ波とは、極めて狭帯域な（単色又は単色に近い）周波数のテラヘルツ波と、広帯域な周波数のテラヘルツ波と、を含み、測定の目的、方法などによって適宜選択することができる。検体Ｔを透過したテラヘルツ波がテラヘルツ波検出器３０により検出され画像構成部４０において強度が算出される一方、画像構成部４０では、二次元走査ステージ６１の位置情報、すなわち、二次元走査ステージ６１上に固定された真空保持器６０中に置かれた検体Ｔにおけるテラヘルツ波の照射位置情報が、算出される。検体Ｔの位置は、二次元走査ステージ６１の走査により２次元的に変更される。画像構成部４０では、所定時間ごとにテラヘルツ波の透過強度と二次元走査ステージ６１の位置が関連づけられて透過画像となり、透過強度を濃淡に置き換えた検体Ｔの透過画像が画像表示部５０に表示される。
【００２１】
以上の透過画像生成装置によれば、前処理として検体Ｔを凍結させることにより、テラヘルツ波の吸収が多い水（液体）を、テラヘルツ波の吸収が少ない氷（固体）に変えているため、水による強い吸収のない、検体Ｔの組織成分に応じた透過画像を生成することができる。すなわち、吸収係数αの物質中を距離ｘだけ進むときのテラヘルツ波の減衰はｅｘｐ（−αｘ）で表されるため、例えば検体Ｔが１ｍｍの厚さの水に相当する水分を有している場合、この水によるテラヘルツ波の減衰は、１ＴＨｚ（吸収係数約２３０ｃｍ-1）において１０桁にも及ぶが、水を凍結させて氷（吸収係数約１０ｃｍ-1）とした場合は約１／３の減衰にとどまり、テラヘルツ波による透過画像を精度良く生成することが可能となる。また、検体Ｔの前処理を凍結操作によって安全、簡便、かつ、短時間に行うことができるため、作業者に大きな負担を強いることなく、迅速に透過画像の生成を行うことができる。さらに、凍結によれば、検体Ｔの水分は凍結されているが解凍すれば復元し、従来の前処理法と異なり、水以外の成分（例えばタンパク質、酵素の一部）も残存しているため、これらの成分を測定することが可能である。さらに、臓器や生細胞の保存に凍結処理が使われていることからわかるように、検体が生体組織の場合、凍結処理によって生きている状態に近い状態での測定が可能となる。
照射するテラヘルツ波は、０．１〜５ＴＨｚの周波数帯域を備えることが好ましく、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域であると、より精密な透過画像を生成できるため、好ましい。なお、周波数帯域は、上記範囲内における広帯域（複数）の周波数を含むものであってもよく、また上記範囲内における狭帯域（単一）の周波数であってもよいが、広帯域の周波数を含むほうが好ましい。
【００２２】
なお、二次元走査ステージ６１上に凍結器を載置し、この凍結器内に収容した検体Ｔを凍結させ、又は、その凍結状態を維持させてもよい。この場合は、検体Ｔを凍結させつつテラヘルツ波を照射して透過画像を生成することができる。
【実施例１】
【００２３】
以下に本発明を適用した実施例１について図２〜図４を参照しつつ説明する。
実施例１では、検体Ｔとして脂肪を含む豚の筋組織を厚さ１ｍｍの切片としたもの（図２）を用い、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲で二次元走査ステージ６１を走査してテラヘルツ波を照射した。テラヘルツ波発生器１０としては後進波管を、テラヘルツ波検出器３０としてはＤＴＧＳを、それぞれ用いた。画像構成部４０で生成する画像は、１画素を２００μｍ×２００μｍとした。照射するテラヘルツ波としては、０．５９３ＴＨｚ（５９３ＧＨｚ）の波長を用いた。検体Ｔは、冷凍庫に入れた後に液体窒素中に入れることにより凍結状態としたものであって、凍結後に真空保持器６０に入れ、この真空保持器６０を常温の二次元走査ステージ６１上に載置した。
【００２４】
検体Ｔを透過したテラヘルツ波による透過画像を図３、図４に示す。 図３は、検体Ｔを液体窒素中から取り出してから４分後（二次元走査ステージ６１上に載置した直後）にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり検体Ｔは凍結状態を保持しているが、図４は、検体Ｔを液体窒素中から取り出してから２０分後にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり、この時点では検体Ｔは解凍が進んでいる。筋組織は多くの水を含んでいるが、一方で脂肪にはほとんど水は含まれない。凍結状態での透過画像図３と解凍時の透過画像図４の比較から、凍結によって筋組織の部位の透過率が著しく上昇し、部位の情報を含んだ透過画像を得ることができることが確認できる。すなわち、図３に示すように、組織成分によって、透過するテラヘルツ波強度が異なることが透過画像の濃淡によって認識することができる。一方、図４では、液体にもどった水がテラヘルツ波を強く吸収しているため、検体Ｔの組織成分の違いによる透過テラヘルツ波強度の差が不明瞭となっていることが確認できる。（図４の脂肪部位の透過率が図３に比べて下がっているのは、脂肪部位にわずかに含まれている水が液体になったためと考えられる。）
【００２５】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る透過画像生成装置の構成を示す概観図である。
【図２】本発明の実施例１に係る検体に可視光を照射したときの画像である。
【図３】本発明の実施例１に係る検体を二次元走査ステージ上に載置した直後（液体窒素中から取り出してから４分後）にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり、検体は凍結している。
【図４】本発明の実施例１に係る検体を二次元走査ステージ上に載置した後にテラヘルツ波を照射したときの透過画像であり（液体窒素中から取り出してから２０分後）、検体の解凍が進んでいる。
【符号の説明】
【００２７】
１０ テラヘルツ波発生器
１１ パルス波変換器
１２ 軸外し放物面鏡
１３ 軸外し放物面鏡
１４ 軸外し放物面鏡
１５ 軸外し放物面鏡
３０ テラヘルツ波検出器
３１ 微小信号検出器
４０ 画像構成部
５０ 画像表示部
６０ 真空保持器
６１ 二次元走査ステージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体にテラヘルツ波を照射し、前記検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する透過画像生成方法であって、前記検体を凍結させた状態で前記テラヘルツ波を照射することを特徴とする透過画像生成方法。
【請求項２】
前記テラヘルツ波は、０．１〜５ＴＨｚの周波数帯域を備える請求項１記載の透過画像生成方法。
【請求項３】
前記テラヘルツ波は、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域を備える請求項１記載の透過画像生成方法。
【請求項４】
前記検体は生体組織である請求項１から請求項３のいずれか１項記載の透過画像生成方法。
【請求項５】
凍結状態とされた検体に所定周波数帯域のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波発生器によりテラヘルツ波が照射された前記検体を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
前記テラヘルツ波検出器の検出結果に基づいて前記検体を透過したテラヘルツ波の画像を生成する画像構成部と、
前記画像構成部により生成された画像を表示する画像表示部と、
を備えることを特徴とする透過画像生成装置。
【請求項６】
前記テラヘルツ波発生器は、後進波管である請求項５記載の透過画像生成装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ波検出器は、焦電素子である請求項５または請求項６記載の透過画像生成装置。
【請求項８】
前記焦電素子は、重水素化硫酸トリグリシンを有する請求項７記載の透過画像生成装置。
【請求項９】
前記焦電素子は、ＬｉＴａＯ3を有する請求項７記載の透過画像生成装置。
【請求項１】
検体にテラヘルツ波を照射し、前記検体を透過したテラヘルツ波による画像を生成する透過画像生成方法であって、前記検体を凍結させた状態で前記テラヘルツ波を照射することを特徴とする透過画像生成方法。
【請求項２】
前記テラヘルツ波は、０．１〜５ＴＨｚの周波数帯域を備える請求項１記載の透過画像生成方法。
【請求項３】
前記テラヘルツ波は、０．１〜３ＴＨｚの周波数帯域を備える請求項１記載の透過画像生成方法。
【請求項４】
前記検体は生体組織である請求項１から請求項３のいずれか１項記載の透過画像生成方法。
【請求項５】
凍結状態とされた検体に所定周波数帯域のテラヘルツ波を照射するテラヘルツ波発生器と、
前記テラヘルツ波発生器によりテラヘルツ波が照射された前記検体を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出器と、
前記テラヘルツ波検出器の検出結果に基づいて前記検体を透過したテラヘルツ波の画像を生成する画像構成部と、
前記画像構成部により生成された画像を表示する画像表示部と、
を備えることを特徴とする透過画像生成装置。
【請求項６】
前記テラヘルツ波発生器は、後進波管である請求項５記載の透過画像生成装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ波検出器は、焦電素子である請求項５または請求項６記載の透過画像生成装置。
【請求項８】
前記焦電素子は、重水素化硫酸トリグリシンを有する請求項７記載の透過画像生成装置。
【請求項９】
前記焦電素子は、ＬｉＴａＯ3を有する請求項７記載の透過画像生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−８４４２３（Ｐ２００６−８４４２３Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７１９３４（Ｐ２００４−２７１９３４）
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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