JP4469903B2 - Biological information imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、生体情報イメージング装置に関する。 The present invention relates to a biological information imaging apparatus.
一般に、エックス線、超音波、MRI(核磁気共鳴法)を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。 In general, imaging apparatuses using X-rays, ultrasound, and MRI (nuclear magnetic resonance method) are widely used in the medical field.
一方、レーザーなどの光源から生体に照射した光を生体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング装置の研究も医療分野で積極的に進められている。 On the other hand, research on optical imaging devices that obtain in-vivo information by propagating light irradiated on a living body from a light source such as a laser into the living body and detecting the propagating light is actively promoted in the medical field. Yes.
このような光イメージング技術の一つとして、Photoacoustic Tomography(PAT:光音響トモグラフィー)が提案されている(非特許文献1)。 As one of such optical imaging techniques, Photoacoustic Tomography (PAT: Photoacoustic Tomography) has been proposed (Non-patent Document 1).
光音響トモグラフィーとは、光源から発生したパルス光を生体に照射し、生体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波を複数の個所で検出し、それらの信号を解析処理し、生体内部の情報を可視化する技術である。これにより、生体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。 Photoacoustic tomography is a technique that irradiates a living body with pulsed light generated from a light source, detects acoustic waves generated from living tissue that absorbs the energy of light propagated and diffused in the living body, and detects the signals at multiple locations. This is a technology for analyzing and visualizing information inside the living body. Thereby, the optical characteristic value distribution in the living body, in particular, the light energy absorption density distribution can be obtained.
非特許文献1によれば、光音響トモグラフィーにおいて、光吸収により生体内の吸収体から得られる音響波の音圧(P)は次式で表すことができる。
P=Γ・μa・Φ
ここで、Γは弾性特性値であるグリューナイセン(Gruneisen)係数であり、体積膨張係数(β)と音速(c)の二乗の積を比熱(Cp)で割ったものである。
According to
P = Γ · μ a · Φ
Here, Γ is a Gruneisen coefficient which is an elastic characteristic value, which is obtained by dividing the product of the square of the volume expansion coefficient (β) and the speed of sound (c) by the specific heat (C p ).
μaは吸収体の吸収係数、Φは局所的な領域での光量(吸収体に照射された光量)である。 μ a is an absorption coefficient of the absorber, and Φ is a light amount in a local region (amount of light irradiated to the absorber).
Γは組織が決まれば、ほぼ一定の値をとることが知られているので、音響波の大きさである音圧Pの変化を複数の個所で時分割測定することによりμaとΦの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。
上記した従来例における光音響トモグラフィーでは、上記の式(1)から分かるように、音圧(P)の変化の計測から生体内の吸収係数(μa)分布を求めるためには、吸収体に照射された光量の分布(Φ)を何らかの方法で求める必要がある。 In the photoacoustic tomography in the above-described conventional example, as can be seen from the above equation (1), in order to obtain the absorption coefficient (μ a ) distribution in the living body from the measurement of the change in the sound pressure (P), It is necessary to obtain the distribution (Φ) of the irradiated light quantity by some method.
しかし、生体内に導入された光は拡散するため、吸収体に照射された光量の推定が難しく、通常の発生した音響波の音圧測定だけでは、光エネルギー吸収密度(μa×Φ)分布しか画像化することができない。 However, since the light introduced into the living body diffuses, it is difficult to estimate the amount of light irradiated to the absorber, and the light energy absorption density (μ a × Φ) distribution can be obtained only by measuring the sound pressure of a normal generated acoustic wave. It can only be imaged.
すなわち、音響波の音圧測定から、吸収体に照射される光量の分布(Φ)を算出し、生体内の吸収係数(μa)の分布を正確に分離・画像化することは困難である。 That is, it is difficult to calculate the distribution (Φ) of the amount of light irradiated to the absorber from the sound pressure measurement of the acoustic wave, and to accurately separate and image the distribution of the absorption coefficient (μ a ) in the living body. .
この結果、生体内の吸収係数(μa)の分布から、生体組織の構成物質特定や濃度測定を正確に行なうことが困難であるという課題を有している。 As a result, there is a problem that it is difficult to accurately identify constituent substances and measure the concentration of living tissue from the distribution of the absorption coefficient (μ a ) in the living body.
本発明は、上記課題に鑑み、解像度の高い生体内の光学的特性値分布、特に光吸収係数分布や生体の平均的な等価減衰係数を得ることが可能となる生体情報イメージング装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a biological information imaging apparatus capable of obtaining a high-resolution in-vivo optical characteristic value distribution, particularly a light absorption coefficient distribution and an average equivalent attenuation coefficient of a living body. And
本発明に係る生体情報イメージング装置は、生体に光照射することにより発生した音響波を用いてイメージングを行う生体情報イメージング装置であって、前記生体に光照射する光源と、前記光源により照射された光のエネルギーの一部を吸収した前記生体内の光吸収体から発生する音響波を検出する音響波検出器と、前記音響波検出器によって検出された電気信号を解析することにより得た、前記光吸収体と前記生体の光照射領域との相対的位置情報と、前記光吸収体から発生した音響波の音圧との変化を用いて、前記生体の平均的な透過減衰係数を算出する信号処理部とを有することを特徴とする。 A biological information imaging apparatus according to the present invention is a biological information imaging apparatus that performs imaging using an acoustic wave generated by irradiating a living body with light, the light source that irradiates light to the living body, and the light source that is irradiated with the light source Obtained by analyzing an acoustic wave detector that detects an acoustic wave generated from a light absorber in the living body that has absorbed a part of the energy of light, and an electrical signal detected by the acoustic wave detector, A signal for calculating an average transmission attenuation coefficient of the living body using a change in relative position information between the light absorber and the light irradiation region of the living body and a sound pressure of an acoustic wave generated from the light absorbing body. And a processing unit.
本発明によれば、解像度の高い生体内の光学的特性値分布、特に光吸収係数分布又や生体の平均的な等価減衰係数を得ることができ、これらを正確に画像化することが可能となる生体情報イメージング装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a high-resolution in-vivo optical characteristic value distribution, particularly a light absorption coefficient distribution, or an average equivalent attenuation coefficient of a living body, and to accurately image these. A biological information imaging apparatus can be provided.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施形態1]
図1に、本実施形態における生体情報イメージング装置の構成例を説明する図を示す。
[Embodiment 1]
FIG. 1 illustrates a configuration example of a biological information imaging apparatus according to the present embodiment.
図1(a)において、第一の光源10から生体11にパルス光13を光照射したときに、生体内部にある光吸収体12から音響波14が発生する。この音響波14は音響波検出器15により電気信号を介して検出される。この検出された電気信号は信号処理部16により解析される。
In FIG. 1A, when the
第一の光源10から光を照射したときに、生体内にある光吸収体12から発生した音響波14の初期音圧P1は次式であらわすことができる。
When irradiated with light from the
ここで、Γは光吸収体のグリューナイセン係数、μaは光吸収体の吸収係数、Φは光吸収体に吸収された局所的な光量、μeffは生体の平均的な等価減衰係数、Φ0は光源から生体内に入射した光量である。 Where Γ is the Gruneisen coefficient of the light absorber, μ a is the absorption coefficient of the light absorber, Φ is the local light quantity absorbed by the light absorber, μ eff is the average equivalent attenuation coefficient of the living body, Φ 0 is the amount of light incident on the living body from the light source.
また、d1は第一の光源10からの光が生体に照射した領域(光照射領域)から光吸収体12までの距離(第一の距離)、つまり、深さである。
光吸収体のグリューナイセン係数(Γ)は組織が分かればほぼ一定なので既知であると仮定すると、音響波検出器による音圧(P)の時間分解計測により、音響波発生源分布、吸収係数(μa)と光量(Φ)の積(光エネルギー吸収密度分布)を求めることができる。
D 1 is a distance (first distance) from the region (light irradiation region) irradiated with light from the
Assuming that the Grenaisen coefficient (Γ) of the light absorber is known because it is almost constant once the tissue is known, the acoustic wave source distribution and the absorption coefficient are obtained by time-resolved measurement of the sound pressure (P) using an acoustic wave detector. The product (light energy absorption density distribution) of (μ a ) and the light quantity (Φ) can be obtained.
ここではすべての光源からの生体への照射光量Φ0を一定とし、かつ、生体の厚さに対して大きな領域で光を照射しているため、光が生体内を平面波のように伝播すると仮定している。なお、生体への照射光量Φ0を一定にするためには、光源から照射される光量を一定にしておけばよい。 Here, it is assumed that the amount of light Φ 0 applied to the living body from all light sources is constant, and light is irradiated in a large area with respect to the thickness of the living body, so that the light propagates in the living body like a plane wave. is doing. In addition, in order to make the irradiation light quantity Φ 0 to the living body constant, the light quantity irradiated from the light source may be made constant.
また、音圧(P)変化の時間分解計測を多点で行うことで、音響波発生源分布あるいは光エネルギー吸収密度分を見積もることができる。 In addition, by performing time-resolved measurement of sound pressure (P) change at multiple points, it is possible to estimate the acoustic wave source distribution or light energy absorption density.
一方、図1(b)は、第一の光源10とは別の位置に設けられている第二の光源20から生体11にパルス光23を照射した図である。この場合、光吸収体が生体内の中心に存在しないとすると、生体への光照射領域と光吸収体との距離は、第一の光源10と第二の光源20とで異なることとなる。
On the other hand, FIG. 1B is a diagram in which the living body 11 is irradiated with the pulsed light 23 from the
パルス光23を照射することにより、生体内部にある光吸収体12からは音響波24が発生する。音響波24は音響波検出器26により検出され、検出された電気信号は信号処理部26により処理される。
第一の光源10とは生体内にある光吸収体からの距離が異なる第二の光源20から光を照射したときに、光吸収体12から発生した音響波24の初期音圧P2は次式であらわすことができる。
By irradiating the pulsed light 23, an
When the
ここで、d2は第二の光源20からの光が生体に照射した領域から光吸収体12までの距離(第二の距離)、つまり深さである。前述したように、音圧(P)変化の時間分解計測により、音響波発生源分布あるいは光エネルギー吸収密度分を見積もることができる。
ところで、上記式(1)の両辺の対数をとると、次式のようになる。
Here, the distance d 2 from the area where the light from the
By the way, taking the logarithm of both sides of the above formula (1), the following formula is obtained.
また、上記式(2)の両辺の対数をとると、次式のようになる。 Moreover, when the logarithm of both sides of the above formula (2) is taken, the following formula is obtained.
ここで、音圧P1と音圧P2は実測値から決定することができる。また、前記第一の距離d1と、前記第二の距離d2は音圧の時間分解測定から決定することができる。 Here, the sound pressure P 1 and the sound pressure P 2 can be determined from the measured values. Also, with the first distance d 1, the second distance d 2 can be determined from the time-resolved measurement of the sound pressure.
そして、光が生体に照射した領域と光吸収体との距離dを横軸とし、音響波の音圧の対数を縦軸としてそれぞれの値を座標値としてプロットすると、図2のようなグラフを作成することができる。 Then, when the distance d between the region irradiated with light and the light absorber is plotted on the horizontal axis, the logarithm of the sound pressure of the acoustic wave is plotted on the vertical axis, and the respective values are plotted as coordinate values, a graph as shown in FIG. Can be created.
図2の座標値から最小二乗法などで直線を特定すれば、特定した直線の傾きから生体の平均的な等価減衰係数(μeff)を求めることができる。 If a straight line is specified by the least square method or the like from the coordinate values of FIG. 2, the average equivalent attenuation coefficient (μ eff ) of the living body can be obtained from the slope of the specified straight line.
このように、生体の平均的な等価減衰係数(μeff)を求めることができれば、式(1)から明らかなように、光吸収体に照射される光量Φを求めることができる。これにより、吸収係数(μa)と光量(Φ)の積である光エネルギー吸収密度の分布を吸収係数分布に変換することができる。さらに、従来の光音響トモグラフィーでは困難であった、生体内の吸収係数分布から、生体組織の構成物質特定や濃度測定を正確に行うことが可能となる。 Thus, if the average equivalent attenuation coefficient (μ eff ) of the living body can be obtained, the amount of light Φ irradiated to the light absorber can be obtained as is apparent from the equation (1). Thereby, the distribution of the light energy absorption density, which is the product of the absorption coefficient (μ a ) and the light quantity (Φ), can be converted into an absorption coefficient distribution. Furthermore, it is possible to accurately identify the constituent material of the living tissue and measure the concentration from the absorption coefficient distribution in the living body, which is difficult with conventional photoacoustic tomography.
なお、今回示した算出例は一例であり、この発明の本質は、光吸収体と光照射領域との相対的位置情報と、光吸収体から発生した音響波の音圧を用いて、生体の光学特性値分布情報を算出することである。すなわち、生体の平均的な等価減衰係数(μeff)を求めることができれば、どのような演算手法を用いてもかまわない。 The calculation example shown this time is an example, and the essence of the present invention is that the relative position information between the light absorber and the light irradiation region and the sound pressure of the acoustic wave generated from the light absorber are used. The optical characteristic value distribution information is calculated. That is, any calculation method may be used as long as the average equivalent attenuation coefficient (μ eff ) of the living body can be obtained.
例えば、ここでは光源の照射領域を変化させ、光源の照射領域と光吸収体の距離を変化させた時の音圧を検収し、検出音圧の対数を距離に対してプロットしたときの傾きから生体の等価減衰係数を求めた。しかし、音圧の対数を取らずに、直接、式(1)あるいは式(2)の指数関数で変化曲線をフィッティングして、等価減衰係数を求めることも可能である。このように様々な方法で等価減衰係数を求めることができる。 For example, here, the sound pressure when the irradiation area of the light source is changed, the distance between the irradiation area of the light source and the light absorber is changed is detected, and the logarithm of the detected sound pressure is plotted against the distance. The equivalent attenuation coefficient of the living body was obtained. However, instead of taking the logarithm of the sound pressure, it is also possible to directly obtain the equivalent attenuation coefficient by fitting the change curve with the exponential function of Equation (1) or Equation (2). In this way, the equivalent attenuation coefficient can be obtained by various methods.
次に、本実施形態を具体的に説明する。 Next, this embodiment will be specifically described.
第一の光源10と第二の光源20は生体内に導入された光吸収体12に吸収される特定の波長のパルス光を照射する。パルス光はストレス閉じ込め条件を満足するものを用いることが望ましい。
The
また、これらの光源としてはレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。 Lasers are preferable as these light sources, but light emitting diodes or the like can be used instead of lasers. As the laser, various lasers such as a solid laser, a gas laser, a dye laser, and a semiconductor laser can be used.
本実施の形態においては、波長依存性を有する光吸収係数値分布を測定するために、光源は単一波長の光のみ発振するものではなく、異なる波長を発振できるものを用いても良い。 In the present embodiment, in order to measure a light absorption coefficient value distribution having wavelength dependence, a light source that can oscillate different wavelengths may be used instead of only light having a single wavelength.
そのときの光源としては、発振する波長の変換可能な色素やOPO(Optical Parametric Oscillators)を用いたレーザーなどが使用できる。 As the light source at that time, a dye that can convert an oscillating wavelength, a laser using OPO (Optical Parametric Oscillators), or the like can be used.
使用する光源の波長に関しては、生体内において吸収が少ない700nmから1100nmの領域が好ましい。 Regarding the wavelength of the light source to be used, a region of 700 nm to 1100 nm that absorbs less in the living body is preferable.
比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば400nmから1600nmの波長領域を使用することも可能である。 When obtaining the optical characteristic value distribution of the living tissue relatively near the surface of the living body, it is also possible to use a wavelength region having a wider range than the above wavelength region, for example, a wavelength region of 400 nm to 1600 nm.
なお、各光源が被検体である生体の近くに配置できない場合は、光ファイバなどの光伝送路を用いて、光照射部を生体に導くことも可能である。 In addition, when each light source cannot be arranged near the living body that is the subject, the light irradiation unit can be guided to the living body using an optical transmission path such as an optical fiber.
上記の図1を用いた説明では、第1の光源10と第2の光源20という2つの光源を用いたがミラーなどの光路変換器を用いて、1つの光源により異なる位置から光照射を行い、音響波のデータを測定してもよい。すなわち、第一の位置から光照射することにより得た第一の距離と、光路変換器により該第一の位置とは異なる位置である第二の位置から光照射することにより得た第二の距離を用いて求めた相対的位置情報から光学特性値分布情報を算出してもよい。
In the description using FIG. 1 above, two light sources, the
また、3つ以上の光源を用いて音響波のデータを測定すれば、さらに多数点の座標値を得ることができ、より確からしい値を求めることができる点で有益である。 Further, if acoustic wave data is measured using three or more light sources, it is advantageous in that it is possible to obtain coordinate values of a larger number of points and to obtain more probable values.
本実施形態の音響波検出器15、25は、光源から生体に照射された光のエネルギーの一部を吸収した生体内の光吸収体から発生する音響波14、24を検出し、電気信号に変換する。これらの音響波検出器としては、圧電現象を用いたトランスデューサー、光の共振を用いたトランスデューサー、容量の変化を用いたトランスデューサーなど音響波信号を検知できるものであれば、どのような音波検出器を用いてもよい。
The
上記の図1を用いた説明では、2つの光源に対応して2つの音響波検出器を設けているが、1つの音響波検出器で2つの光源からの光照射によって得られる音響波を検出してもよい。 In the description using FIG. 1 above, two acoustic wave detectors are provided corresponding to the two light sources, but an acoustic wave obtained by light irradiation from the two light sources is detected by one acoustic wave detector. May be.
なお、音響波検出器から得られた電気信号が小さい場合は増幅器を用いて、信号強度を増幅することが好ましい。 When the electrical signal obtained from the acoustic wave detector is small, it is preferable to amplify the signal intensity using an amplifier.
また、音響波検出器と測定対象である生体物質との間には、音波の反射を抑えるための音響インピーダンスマッチング剤を使うことが望ましい。 In addition, it is desirable to use an acoustic impedance matching agent for suppressing reflection of sound waves between the acoustic wave detector and the biological material to be measured.
本実施形態の信号処理部16、26は、前記音響波検出器からの電気信号を解析し、これにより前記生体の光学特性値分布情報を得ることができる。具体的には、光エネルギー吸収密度分布、光吸収特性値分布、生体の平均的な等価減衰係数等を得ることができる。
The
信号処理部は、音響波の強さとその時間変化を記憶し、それを演算手段により、光学特性値分布のデータに変換できるものであればどのようなものを用いてもよい。 Any signal processing unit may be used as long as it stores the intensity of the acoustic wave and its change over time and can convert it into data of the optical characteristic value distribution by the calculation means.
例えば、オシロスコープとオシロスコープに記憶されたデータを解析できるコンピューターなどが使用できる。 For example, an oscilloscope and a computer that can analyze data stored in the oscilloscope can be used.
また、上記の図1では、説明の便宜上、2つの信号処理部を設けた例を示しているが、1つの信号処理部あるいは3以上の信号処理部により、光学特性値分布情報を算出してもよい。 Further, in FIG. 1 described above, an example in which two signal processing units are provided is shown for convenience of explanation, but optical characteristic value distribution information is calculated by one signal processing unit or three or more signal processing units. Also good.
なお、光源が複数の波長の光を発生可能で、複数の波長の光を生体に照射する場合は、それぞれの波長に依存して変化する生体内の光学特性値分布を用いて、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。 In addition, when the light source can generate light of multiple wavelengths and irradiate the living body with light of multiple wavelengths, the living body is configured using the optical characteristic value distribution in the living body that changes depending on each wavelength. It is also possible to image the concentration distribution of the substance to be processed.
例えば、吸収係数値分布を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質(グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど)固有の波長依存性とを比較することによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。 For example, by calculating the absorption coefficient value distribution and comparing these values with the wavelength dependence specific to the substance (glucose, collagen, oxidized / reduced hemoglobin, etc.) constituting the living tissue, the concentration of the substance constituting the living body It is also possible to image the distribution.
光吸収体12としては、生体内における腫瘍、血管、またはこれらに類する生体内における光を吸収する物体が挙げられる。光吸収体12として分子プローブを用いる場合には、一般的にインドシニアングリーン(ICG)などが選択される。ただし、パルス光照射により、周辺の生体物質よりも大きな音響波を発するものであれば、どのような物質を用いてもかまわない。
Examples of the
このような実施形態に示された生体情報イメージング装置を用いることで、従来技術よりも生体内に導入された分子プローブの光学特性分布を正確に、かつ、簡便に画像化することが可能になる。 By using the biological information imaging apparatus shown in such an embodiment, the optical characteristic distribution of the molecular probe introduced into the living body can be imaged more accurately and easily than in the prior art. .
[実施形態2]
実施形態2では、同時に複数の光源から光照射することにより得られた音圧の時間変化情報から光学特性値分布を算出する構成例について説明する。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a configuration example in which an optical characteristic value distribution is calculated from time change information of sound pressure obtained by simultaneously irradiating light from a plurality of light sources will be described.
図3に、本実施形態における生体情報イメージング装置の構成例を説明する図を示す。 FIG. 3 illustrates a configuration example of the biological information imaging apparatus according to this embodiment.
図3において、30は光源、31は生体、32は光吸収体、33はパルス光、34は音響波、35は音響波検出器、36は信号処理部(情報処理部)である。 In FIG. 3, 30 is a light source, 31 is a living body, 32 is a light absorber, 33 is pulsed light, 34 is an acoustic wave, 35 is an acoustic wave detector, and 36 is a signal processing unit (information processing unit).
ここで、n個の光源30(例えば図3では4個)からパルス光を広げて照射したときに、生体31の内にある光吸収体32から発生した音波の音圧Ptotalは次式であらわすことができる。
Here, when the pulsed light is spread and irradiated from n light sources 30 (for example, four in FIG. 3), the sound pressure P total of the sound wave generated from the
ここで、Γは光吸収体のグリューナイセン係数、μaは光吸収体の吸収係数、Φは光吸収体に吸収された局所的な光量、μeffは生体の平均的な等価減衰係数、Φ0は光源から生体内に入射した光量である。
また、diは番号iの光源からの光が生体に照射した領域から光吸収体までの距離である。
Where Γ is the Gruneisen coefficient of the light absorber, μ a is the absorption coefficient of the light absorber, Φ is the local light quantity absorbed by the light absorber, μ eff is the average equivalent attenuation coefficient of the living body, Φ 0 is the amount of light incident on the living body from the light source.
D i is the distance from the region irradiated with light from the light source of number i to the light absorber.
吸収体のグリューナイセン係数は組織が分かればほぼ一定なので既知であるとすると、音響波検出器による音圧(P)の時間分解計測により、第一の音響波発生源分布、吸収係数(μa)と光量(Φ)の積(第一の光エネルギー吸収密度の分布)を求めることができる。 Assuming that the Gruneisen coefficient of the absorber is known because it is almost constant once the tissue is known, the first acoustic wave source distribution, absorption coefficient (μ) is obtained by time-resolved measurement of the sound pressure (P) by the acoustic wave detector. a ) and the product of the light quantity (Φ) (the distribution of the first light energy absorption density) can be obtained.
なお、ここではすべての光源からの照射光量Φ0を一定とし、光が生体内を平面波のように伝播すると仮定している。 Here, it is assumed that the irradiation light quantity Φ 0 from all the light sources is constant, and the light propagates in the living body like a plane wave.
次に図4に示すように、光源30のうちk番目の光源からの光を遮断すると、n−1個の光源30からパルス光が照射される。このパルス光により光吸収体32から発生した音波Pkは、次式で表すことができる。
Next, as shown in FIG. 4, when light from the kth
ここで、dkはk番目の光源からの光が生体に照射した領域から光吸収体までの距離である。 Here, d k is the distance from the region irradiated with light from the kth light source to the light absorber.
そして、音圧(P)変化の時間分解計測により、第二の音響波発生源分布や第二の光エネルギー吸収密度分布を求めることができる。 The second acoustic wave generation source distribution and the second light energy absorption density distribution can be obtained by time-resolved measurement of the sound pressure (P) change.
ところで、n個の光源から得た音圧と、n−1個の光源から得た音圧との差は、式(5)と式(6)の差分により求まり、次式で表すことができる。 By the way, the difference between the sound pressure obtained from the n light sources and the sound pressure obtained from the n−1 light sources is obtained by the difference between the equations (5) and (6) and can be expressed by the following equation. .
ここで両辺の対数をとると、式(7)は次式のようになる。 Here, when the logarithm of both sides is taken, Expression (7) becomes as follows.
式(8)の左辺は音圧の実測値から決定することができる。また、遮断したk番目の光源からの光が生体に照射した領域と吸収体との距離dkは音圧の時間分解測定から決定することができる。したがって、光の照射領域と光吸収体との距離dを横軸とし、音響波の音圧の対数を縦軸としてそれぞれの値を座標値として図5の符号37のようにプロットすることができる。
The left side of Equation (8) can be determined from the actual measurement value of sound pressure. Further, the distance d k between the region irradiated with the light from the blocked k-th light source and the absorber can be determined from the time-resolved measurement of the sound pressure. Accordingly, the distance d between the light irradiation region and the light absorber can be plotted as a
同様に、(k−1)番目の光源からの光を遮断すれば、n−2個の光源からパルス光が照射され、光吸収体から発生した音波Pk−1が測定される。音波Pkと音波Pk−1との差分を求め、遮断した(k−1)番目の光源から照射された光が生体内に入射した領域から光吸収体との距離dk−1を求めれば、図5の符号38のようにプロットすることができる。
Similarly, if the light from the (k−1) th light source is blocked, pulse light is emitted from the n−2 light sources, and the sound wave P k−1 generated from the light absorber is measured. The difference between the sound wave P k and the sound wave P k−1 is obtained, and the distance d k−1 to the light absorber can be obtained from the region where the light emitted from the blocked (k−1) th light source enters the living body. For example, it can be plotted as indicated by
例えば、1番目、2番目、3番目の光源(計3個)からの光照射と、1番目、2番目の光源(計2個)からの光照射から得たデータの差分をとることにより符号37のようにプロットすることができる。また、この1番目、2番目の光源(計2個)からの光照射と、1番目の光源(1個)からの光照射から得たデータの差分をとることにより符号38のようにプロットすることができる。
For example, the code is obtained by taking the difference between the light irradiation from the first, second, and third light sources (total three) and the data obtained from the light irradiation from the first and second light sources (total two). It can be plotted as 37. Further, by plotting the difference between the data obtained from the light irradiation from the first and second light sources (two in total) and the light irradiation from the first light source (one), it is plotted as indicated by
なお、この1番目、2番目の光源(計2個)からの光照射と、1番目の光源(1個)からの光照射から得たデータの差分をプロットし、次いで1番目の光源から得たデータにより更に2個目のプロットを行ってもよい。すなわち、本実施形態の構成では、光源は2個以上設ければよい。 In addition, the difference between the data obtained from the light irradiation from the first and second light sources (two in total) and the light irradiation from the first light source (one) is plotted, and then obtained from the first light source. A second plot may be further performed based on the data. That is, in the configuration of this embodiment, two or more light sources may be provided.
上記のように、図5にプロットされた座標値から最小二乗法などで直線を特定すれば、その直線の傾きから生体の等価減衰係数を求めることができる。このように、生体の平均的な等価減衰係数(μeff)を求めることができれば、式(1)から明らかなように、光吸収体に照射される光量Φを求めることができる。これにより、吸収係数(μa)と光量(Φ)の積である光エネルギー吸収密度の分布を吸収係数分布に変換することができる。さらに、従来の光音響トモグラフィーでは困難であった、生体内の吸収係数分布から、生体組織の構成物質特定や濃度測定を正確に行うこというが可能となる。 As described above, if a straight line is specified by the least square method or the like from the coordinate values plotted in FIG. 5, the equivalent attenuation coefficient of the living body can be obtained from the slope of the straight line. Thus, if the average equivalent attenuation coefficient (μ eff ) of the living body can be obtained, the amount of light Φ irradiated to the light absorber can be obtained as is apparent from the equation (1). Thereby, the distribution of the light energy absorption density, which is the product of the absorption coefficient (μ a ) and the light quantity (Φ), can be converted into an absorption coefficient distribution. Furthermore, it is possible to accurately specify the constituent material of the living tissue and measure the concentration from the absorption coefficient distribution in the living body, which is difficult with conventional photoacoustic tomography.
なお、今回示した算出例は一例であり、この発明の本質は、光吸収体から発生した音響波から得られた相対的位置情報や音圧の差分を用いて、生体の光学特性値分布情報を算出することである。すなわち、生体の平均的な等価減衰係数(μeff)を求めることができれば、どのような演算手法を用いてもかまわない。 In addition, the calculation example shown this time is an example, and the essence of the present invention is that the relative position information obtained from the acoustic wave generated from the light absorber and the difference in the sound pressure are used to calculate the optical characteristic value distribution information of the living body. Is to calculate. That is, any calculation method may be used as long as the average equivalent attenuation coefficient (μ eff ) of the living body can be obtained.
例えば、変化音圧の対数を取らずに、直接、式(7)の指数関数で変化曲線をフィッティングして、等価減衰係数を求めることも可能である。このように様々な方法で等価減衰係数を求めることができる。 For example, instead of taking the logarithm of the change sound pressure, it is possible to directly obtain the equivalent attenuation coefficient by fitting the change curve with the exponential function of Expression (7). In this way, the equivalent attenuation coefficient can be obtained by various methods.
次に、本実施形態をより具体的に説明する。 Next, this embodiment will be described more specifically.
光源30はパルス光を生体に照射するもので、生体の異なる場所を同時に照射できるように複数個所に設けられている。また、少なくとも2つ以上の光源からの光を遮断可能に構成されている。遮断は光源のON/OFFにより実現してもよいし、光源と生体との間に遮光部材を設けてもよい。
The
なお、光源30としては、実施形態1で説明したものを使用することが可能である。
In addition, as the
また、光吸収体32は、生体内における腫瘍、血管、またはこれらに類する生体内における光吸収体である。この光吸収体32は、光エネルギーの一部を吸収して音響波34を発生する。
The
また、音響波検出器35は、上記した光吸収体32が光のエネルギーの一部を吸収して発生した音響波34を検出し、電気信号に変換する。
The
また、本実施の形態では、複数の音響波検出器を生体表面近傍に配置させた場合を示しているが、このような配置に限らず、複数の個所で音響波が検知可能に構成されていればよい。 In the present embodiment, a case where a plurality of acoustic wave detectors are arranged in the vicinity of the living body surface is shown. However, the present invention is not limited to this arrangement, and the acoustic waves can be detected at a plurality of locations. Just do it.
すなわち、複数の個所で音響波を検知できれば同じ効果が得られるため、1個の音波検出器を生体表面上で2次元に走査しても良い。 That is, since the same effect can be obtained if acoustic waves can be detected at a plurality of locations, a single sound wave detector may be scanned two-dimensionally on the living body surface.
また、それぞれの音響波検出器は1次元や2次元に検出器が配列したアレイ型であっても良い。 Each acoustic wave detector may be an array type in which detectors are arranged in one dimension or two dimensions.
なお、実施形態1で説明した増幅器や音響インピーダンスマッチング剤を用いてもよい。 Note that the amplifier and the acoustic impedance matching agent described in the first embodiment may be used.
信号処理部36は、前記音響波検出器からの電気信号を解析し、これにより前記生体の光学特性値分布情報を得ることができる。具体的には、光エネルギー吸収密度分布、光吸収特性値分布、生体の平均的な透過減衰係数等が得られる。
The
なお、実施形態1で説明したように、光源が複数の波長の光を発生可能で、複数の波長の光を生体に照射する場合は、それぞれの波長に関して、生体内の光学特性値分布によって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。 As described in the first embodiment, when the light source can generate light having a plurality of wavelengths and irradiates the living body with light having a plurality of wavelengths, the optical characteristic value distribution in the living body for each wavelength It is also possible to image the concentration distribution of substances constituting the living body.
実施形態2で説明した構成によれば、複数の光源から同時に光を照射することで、生体内にある吸収体に照射される光量を増加させることも可能であり、従来よりも大きな音響波信号を得ることができる。また、測定結果の差分情報を用いることで、音響波の生体内の散乱・反射などによる影響などのノイズを低減することが可能になる。この結果、得られた生体内の光学特性値分布は、測定ノイズに影響されなくなり、正確な解析が可能となる。 According to the configuration described in the second embodiment, by simultaneously irradiating light from a plurality of light sources, it is possible to increase the amount of light irradiated to the absorber in the living body, and an acoustic wave signal larger than the conventional one Can be obtained. Further, by using the difference information of the measurement result, it is possible to reduce noise such as the influence of scattering and reflection of acoustic waves in the living body. As a result, the obtained optical characteristic value distribution in the living body is not affected by measurement noise, and accurate analysis is possible.
10 光源
11 生体
12 光吸収体
13 パルス光
14 音響波
15 音響波検出器
16 信号処理部(情報処理部)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記生体に光照射する光源と、
前記光源により照射された光のエネルギーの一部を吸収した前記生体内の光吸収体から発生する音響波を検出する音響波検出器と、
前記音響波検出器によって検出された電気信号を解析することにより得た、前記光吸収体と前記生体の光照射領域との相対的位置情報と、前記光吸収体から発生した音響波の音圧との変化を用いて、前記生体の平均的な等価減衰係数を算出する信号処理部と、
を有することを特徴とする生体情報イメージング装置。A biological information imaging apparatus that performs imaging using acoustic waves generated by irradiating a living body with light,
A light source for irradiating the living body with light;
An acoustic wave detector for detecting an acoustic wave generated from the light absorber in the living body that has absorbed a part of the energy of the light irradiated by the light source;
Relative positional information between the light absorber and the light irradiation area of the living body obtained by analyzing the electrical signal detected by the acoustic wave detector, and the sound pressure of the acoustic wave generated from the light absorber A signal processing unit that calculates an average equivalent attenuation coefficient of the living body using the change of
A biological information imaging apparatus comprising:
前記信号処理部は、第一の光源から光照射することにより得た第一の距離と、該第一の光源とは異なる位置に設けられている第二の光源から光照射することにより得た第二の距離を用いて前記生体の平均的な等価減衰係数を算出することを特徴とする請求項1に記載の生体情報イメージング装置。The light source is composed of two or more light sources,
The signal processing unit was obtained by irradiating light from a first light source and a second light source provided at a position different from the first light source. The biological information imaging apparatus according to claim 1, wherein an average equivalent attenuation coefficient of the living body is calculated using a second distance.
前記信号処理部は、第一の位置から光照射することにより得た第一の距離と、前記光路変換器により該第一の位置とは異なる位置である第二の位置から光照射することにより得た第二の距離を用いて前記生体の平均的な等価減衰係数を算出することを特徴とする請求項1に記載の生体情報イメージング装置。An optical path converter that converts an optical path of light emitted from the light source;
The signal processing unit irradiates light from a first position obtained by irradiating light from a first position and from a second position that is different from the first position by the optical path converter. The biological information imaging apparatus according to claim 1, wherein an average equivalent attenuation coefficient of the living body is calculated using the obtained second distance.
前記信号処理部は、n個の光源を同時に光照射することにより得られた音圧とn−1個の光源を同時に光照射することにより得られた音圧との差を用いて前記生体の平均的な等価減衰係数を算出することを特徴とする請求項1に記載の生体情報イメージング装置。The light source is composed of two or more light sources,
The signal processing unit uses the difference between the sound pressure obtained by simultaneously irradiating n light sources and the sound pressure obtained by simultaneously irradiating n-1 light sources . The biological information imaging apparatus according to claim 1 , wherein an average equivalent attenuation coefficient is calculated.
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