JP2011092631A - Biological information processor and biological information processing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検体内部の光学特性を計測する生体情報処理装置に関する。 The present invention relates to a biological information processing apparatus that measures optical characteristics inside a subject.
生体組織内部の光学特性を計測する生体情報処理装置は、血液中のヘモグロビンなどの特定物質の光吸収特性から、腫瘍の成長に伴う新生血管の形成やヘモグロビンの酸素代謝などを判定し、診断に利用するものである。このような装置では、生体組織に対する透過特性が良い波長(600−1500nm程度)の近赤外光を用いている。
しかし、生体組織を透過した光は生体を構成する数十μmサイズの細胞により強い散乱を繰り返しながら伝播するので多重散乱光(拡散光)となる。この拡散光は、光が伝播した全ての経路が特定できないので、生体組織内の局所的な光吸収特性を得るのは困難である。
そこで従来、生体組織内の局所的な光吸収特性を計測するために、光音響効果を用いる装置が開発されている。このような装置の例として、特許文献1には、生体組織内にパルス光を照射する生体情報処理装置が記載されている。そして、この装置は、照射された光エネルギーに基づく光音響効果によって発生した弾性波から、弾性波が発生した領域の光吸収係数μa(Optical absorption coefficient)を計測する。
Biological information processing devices that measure the optical properties inside living tissues are used for diagnosis by determining the formation of new blood vessels associated with tumor growth and oxygen metabolism of hemoglobin from the light absorption characteristics of specific substances such as hemoglobin in the blood. It is what you use. In such an apparatus, near infrared light having a wavelength (about 600 to 1500 nm) having good transmission characteristics for living tissue is used.
However, the light transmitted through the living tissue propagates while repeating strong scattering by cells of several tens of μm size constituting the living body, and thus becomes multiple scattered light (diffused light). With this diffused light, it is difficult to obtain local light absorption characteristics in the living tissue because all the paths through which the light propagates cannot be specified.
Therefore, conventionally, an apparatus using a photoacoustic effect has been developed in order to measure a local light absorption characteristic in a living tissue. As an example of such an apparatus,
しかしながら、従来の生体組織内の光学特性を計測する生体情報処理装置は、次のような課題を有している。生体組織内にある球状の光吸収体において、光音響効果により発生する弾性波は式(1)で表すことができる。
干値が異なるが一定値として扱うことができる。また、μaは、吸収体の光吸収係数である。また、Φは、光吸収体に照射された光強度である。また、αは、光吸収体から弾性波検出手段へ弾性波が伝搬した時の効率である。生体組織内の部位により若干値が異なるが一定値として扱うことができる。
However, a conventional biological information processing apparatus that measures optical characteristics in a biological tissue has the following problems. In a spherical light absorber in a living tissue, an elastic wave generated by the photoacoustic effect can be expressed by Expression (1).
このように、光吸収係数μaを定量的に取得するためには、P、Γ、Φ、αが必要となる。ここで、上述したように生体組織内で光は減衰する。そして、減衰の程度を示す光減衰係数は被検体の種類(または個体)により異なるので、特許文献1に示されている装置では、測定の深さでの光強度Φを正確に測定することができないと言う課題があった。その結果、光吸収係数が定量的に取得できず、光吸収体の正確な同定を妨げていた。
Thus, in order to quantitatively obtain the light absorption coefficient mu a is, P, gamma, [Phi, alpha is required. Here, as described above, light attenuates in the living tissue. Since the light attenuation coefficient indicating the degree of attenuation varies depending on the type (or individual) of the subject, the apparatus disclosed in
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、被検体内部の光減衰係
数を正確に取得することができる生体情報処理装置を提供することにある。
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 processing apparatus that can accurately acquire a light attenuation coefficient inside a subject.
上記目的を達成するために、本発明の生体情報処理装置は以下の構成を採用する。すなわち、被検体に光を照射する光源と、前記光源から被検体への光の照射部位から被検体を隔てて配置された、照射光に対する光学特性が予め分かっている第1の光吸収部材と、照射光が被検体を経て前記第1の光吸収部材に到達し吸収された時に前記第1の光吸収部材から発生する弾性波を検出する弾性波検出器と、照射光の強度と、前記第1の光吸収部材の光学特性と、検出した前記第1の光吸収部材から発生する弾性波の強度とに基づいて、被検体内部の光減衰係数を算出する演算部とを備える生体情報処理装置である。 In order to achieve the above object, the biological information processing apparatus of the present invention employs the following configuration. That is, a light source that irradiates the subject with light, and a first light absorbing member that is disposed with the subject separated from the light irradiation portion from the light source to the subject and has optical characteristics with respect to the irradiation light that are known in advance. An elastic wave detector that detects an elastic wave generated from the first light absorbing member when the irradiated light reaches the first light absorbing member through the subject and is absorbed, and the intensity of the irradiated light, Biological information processing comprising: an arithmetic unit that calculates a light attenuation coefficient inside the subject based on the optical characteristics of the first light absorbing member and the detected intensity of the elastic wave generated from the first light absorbing member Device.
また、本発明の生体情報処理方法は以下の構成を採用する。すなわち、被検体へ照射される光の照射部位から被検体を隔てた位置に、照射光に対する光学特性が予め分かっている第1の光吸収部材を配置するステップと、照射光が被検体を経て前記第1の光吸収部材に到達し吸収された時に前記第1の光吸収部材から発生する弾性波を検出するステップと、照射光の強度と、前記第1の光吸収部材の光学特性と、検出した前記第1の光吸収部材から発生する弾性波の強度とに基づいて、被検体内部の光減衰係数を算出するステップとを含む生体情報処理方法である。 The biological information processing method of the present invention adopts the following configuration. That is, a step of disposing a first light-absorbing member whose optical characteristics with respect to irradiation light are known in advance at a position that separates the subject from the irradiation site of light irradiated on the subject, and the irradiation light passes through the subject. Detecting an elastic wave generated from the first light-absorbing member when it reaches and is absorbed by the first light-absorbing member, intensity of irradiation light, and optical characteristics of the first light-absorbing member; And calculating a light attenuation coefficient inside the subject based on the detected intensity of the elastic wave generated from the first light absorbing member.
本発明の生体情報処理装置によれば、被検体内部の光減衰係数を正確に取得することができるようになる。 According to the biological information processing apparatus of the present invention, the light attenuation coefficient inside the subject can be accurately acquired.
以下、本発明の生体情報処理装置について、図面を参照しつつ説明する。 The biological information processing apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<実施例1>
実施例1では、本発明を適用した生体情報処理装置の構成例について説明する。
図1(a)に本実施例における生体情報処理装置の構成を説明する概略図を示す。図1(a)において、1は光源、2は第一圧迫板、3は第二圧迫板、4は光吸収部材、5は弾性波検出器、Eは被検体である。被検体Eは、例えば、乳房などの生体組織であり、所定距離Lの間隔で配置された第一圧迫板2と第二圧迫板3の間に保持されている。
本実施例の生体情報処理装置は、被検体Eに光を照射する光源1、被検体の光照射部位から所定距離Lに配置された光吸収部材4、光吸収部材4が発生する弾性波を検出する弾性波検出器5、演算部14、及び表示装置15を備える。
<Example 1>
In the first embodiment, a configuration example of a biological information processing apparatus to which the present invention is applied will be described.
FIG. 1A is a schematic diagram illustrating the configuration of the biological information processing apparatus according to the present embodiment. In FIG. 1A, 1 is a light source, 2 is a first compression plate, 3 is a second compression plate, 4 is a light absorbing member, 5 is an elastic wave detector, and E is a subject. The subject E is a living tissue such as a breast, for example, and is held between the
The biological information processing apparatus of the present embodiment includes a
以下、各構成要素の詳細を説明する。
光源1は、被検体Eに照射する特定波長のナノ秒オーダーのパルス光を発する光源である。光源1が発する光の波長は、生体組織を構成する水、脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンなどの吸収スペクトルに応じた波長を選定する。一例としては、生体内部組織の主成分である水の吸収が小さいため光が良く透過し、脂肪、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンのスペクトルに特徴がある600−1500nm範囲が適当である。
また、生体組織では癌などの腫瘍が成長する際には新生血管の形成や酸素の消費量が増大することが知られている。このような新生血管の形成や酸素消費量の増大を評価する方法として、酸化ヘモグロビン(HbO2)と還元ヘモグロビン(Hb)の吸収スペクトルの特徴を利用することができる。図2は、波長600−1000nm範囲におけるHbO2とHbの吸収スペクトルである。
生体情報処理装置は複数波長のHbO2とHbの吸収スペクトルから、生体組織内の血液中に含まれるHbO2とHbの濃度を測定する。そして、複数の位置においてHbO2とHbと濃度を測定し、濃度分布の画像を作成することにより生体組織内で新生血管が形成されている領域を判別することができる。また、HbO2とHbの濃度から酸素飽和度を算出し、酸素飽和度から酸素の消費量が増大している領域を判別することができる。このように生体情報処理装置で測定したHbO2とHbの分光情報を診断に利用することができる。
具体的な光源1としては、例えば、異なる波長を発生する半導体レーザーや、波長可変レーザーなどを用いることができる。
Details of each component will be described below.
The
Further, it is known that when a tumor such as cancer grows in a living tissue, the formation of new blood vessels and the consumption of oxygen increase. As a method for evaluating the formation of new blood vessels and the increase in oxygen consumption, the characteristics of absorption spectra of oxygenated hemoglobin (HbO 2 ) and reduced hemoglobin (Hb) can be used. FIG. 2 is an absorption spectrum of HbO 2 and Hb in the wavelength range of 600 to 1000 nm.
The biological information processing apparatus measures the concentrations of HbO 2 and Hb contained in the blood in the biological tissue from the absorption spectra of multiple wavelengths of HbO 2 and Hb. Then, measure the HbO 2 and Hb and the concentration at a plurality of locations, it is possible to determine the area where new blood vessels are formed in the living tissue by creating an image of the density distribution. Further, it is possible to calculate the oxygen saturation from the concentrations of HbO 2 and Hb, and to determine the region where the oxygen consumption is increasing from the oxygen saturation. Thus, the spectral information of HbO 2 and Hb measured by the biological information processing apparatus can be used for diagnosis.
As a specific
また、光源1から射出された光を被検体Eに導くための光学系6が設けられている。光学系6は、光ファイバーやレンズから構成される。光源1から射出された光は光学系6により、第一圧迫板2と被検体Eの接触面の全領域が照明されるように拡大され、第一圧迫板2を介して被検体Eの表面に導かれる。
第一圧迫板2は、光源1が発する光に対して高透過特性と低減衰特性を有する平板である。第一圧迫板2を構成する材料の例としては、ガラス、ポリメチルペンテンポリマー、ポリカーボネート、アクリル、などがある。第一圧迫板2の光透過率をβとする。
第二圧迫板3は、光音響効果により被検体E及び光吸収部材4が発生した弾性波に対して高透過特性と低減衰特性を有する平板である。第二圧迫を構成する材料の例としては、ポリメチルペンテンポリマー、ポリカーボネート、アクリル、などがある。
Further, an
The
The
光吸収部材4は、球状の光吸収体であり、第二圧迫板3の内部の被検体Eに接する面に埋設されている。光吸収部材4の大きさは、後述する弾性波検出器5の検出可能な周波数帯域に合せて数mm以下に設定する。光吸収部材4を構成する材料としては、着色したシリコンゴムや高分子樹脂材料などが利用できる。光吸収部材4は、本発明の第1の光吸収部材に相当する。
光吸収部材4の光源1が発する特定波長の光に対する光吸収係数μasと、グリュナイゼンパラメーターΓsなどの光学特性は、光吸収部材4を構成する材料によって定まるものであり予め分かっている値である。
The
Optical characteristics such as the light absorption coefficient μ as for the light of the specific wavelength emitted from the
弾性波検出器5は、光音響効果により被検体E及び光吸収部材4から発生した弾性波を検出するものである。この弾性波(典型的には超音波)を、音響波とも呼ぶ。
弾性波検出器5は、受信した弾性波による圧力変化を電気信号に変換する圧電効果を有する圧電素子で構成される。なお、本明細書においては、光音響効果によって発生した弾性波を圧電素子で電気信号に変換したものを音響信号とする。癌などの腫瘍の成長に伴う新生血管の形成は、腫瘍のサイズが約2mm以上になる場合に増大することが知られている。このため圧電素子としては、光音響効果により数mm以下の光吸収体から発生した0
.5MHz−数10MHzの弾性波の検出に適した材料を用いると良い。このための材料の例としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミック材料やPVDF(ポリフッ化ビニリデン)に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。
前述の通り、光吸収部材4が発生する弾性波の周波数を、被検体Eが発生する弾性波の周波数帯域と同じ帯域に設定している。このため、光吸収部材4と被検体Eのそれぞれから発生する弾性波を、共通の弾性波検出器5によって高感度に検出できる。
The
The
. A material suitable for detecting an elastic wave of 5 MHz to several tens of MHz may be used. As an example of the material for this purpose, a piezoelectric ceramic material typified by PZT (lead zirconate titanate) or a polymer piezoelectric film material typified by PVDF (polyvinylidene fluoride) can be used.
As described above, the frequency of the elastic wave generated by the
また、弾性波検出器5には音響レンズ7が設けられている。音響レンズを構成する材料は、被検体E及び第二圧迫板3に類似した音響特性を有する材料が好ましく、例としてシリコンゴムや高分子樹脂材料などがある。
音響レンズ7を被検体E及び第二圧迫板3の音速よりも遅い音速の材料で構成すると、形状は凸レンズとなる。その場合、凸面の曲率によって焦点距離が決まり、焦点距離とレンズの直径によって集束サイズと焦点深度が決まる。音響レンズ7は焦点深度がLよりも長くなるように設定されており、音響レンズ7の中心軸上の被検体E及び吸収部材4から発生する弾性波を選択的に検出することができる。
本実施例においては、音響レンズを用いているが、凹面の圧電素子を用いても良い。また、超音波エコー装置や非破壊検査に用いられている複数個の圧電素子をアレイ状に配列したアレイ探触子を用いても良い。この場合、複数個の圧電素子から取得した複数の音響信号からSum And Delay Beamforming法を用いて所望の位置の信号を取得する。
また、演算部14は、CPU等により演算を行う情報処理装置により構成され、光源1における設定値、弾性波検出器5による検出値などを取得し、後述する数式を用いて様々な演算を行う。さらに必要に応じて、演算結果を利用して画像再構成を行う。また、表示装置15は、演算部14の演算結果や再構成された画像を表示可能なディスプレイであり、例えば液晶ディスプレイ等を用いることができる。
The
When the
In this embodiment, an acoustic lens is used, but a concave piezoelectric element may be used. An array probe in which a plurality of piezoelectric elements used in an ultrasonic echo device or nondestructive inspection are arranged in an array may be used. In this case, a signal at a desired position is acquired from a plurality of acoustic signals acquired from a plurality of piezoelectric elements using the Sum And Delay Beamforming method.
The
次に、図1(a)の構成の生体情報処理装置で、被検体Eの光吸収係数を定量的に取得する具体的な方法を説明する。
被検体Eへの照射光は、組織を構成する細胞により強い散乱を繰り返しながら伝播する。また、伝搬の過程で組織内の血液などにより吸収されるので、光強度は著しく減衰する。このような被検体Eの平均的な減衰特性を示す平均的な光減衰係数(Effective optical attenuation coefficient)をμeffとする。また、光学系6から射出された光束の
光強度をΦ1、厚さLの被検体Eを伝搬して光吸収部材4に到達した光束の光強度をΦ2とすると、Φ2は式(2)で表すことができる。
The irradiation light to the subject E propagates while repeating strong scattering by cells constituting the tissue. Further, since the light is absorbed by blood in the tissue in the course of propagation, the light intensity is significantly attenuated. An average optical attenuation coefficient indicating such an average attenuation characteristic of the subject E is defined as μ eff . Further, if the light intensity of the light beam emitted from the
図1(b)は、照射光を受けた被検体E及び光吸収部材4から光音響効果により発生した弾性波を、弾性波検出器5が検出し、演算部14が作成して表示装置15に表示した音響信号のプロファイルである。音響信号は、第一圧迫板2と被検体Eの接触面と、光吸収部材4から発生したスパイク状の波形として取得される。
図の縦軸は、音響信号を弾性波検出器5に用いた圧電素子の特性から変換して得られた弾性波の圧力を示す。横軸は、時間と被検体Eの音速から変換した距離を示している。この時、光吸収部材4から弾性波検出器5への弾性波の伝搬効率をαsとすると、光吸収部材4から発生した弾性波の圧力Psは、式(3)で表すことができる。
The vertical axis in the figure indicates the pressure of the elastic wave obtained by converting the acoustic signal from the characteristics of the piezoelectric element used in the
以上に説明したように、本実施例における生体情報処理装置では、光吸収部材を配置して測定を行うことにより、被検体Eの平均的な光減衰係数μeffを取得することができる。 As described above, in the biological information processing apparatus according to the present embodiment, the average light attenuation coefficient μ eff of the subject E can be obtained by arranging the light absorbing member and performing the measurement.
また、本実施例では、乳房などの被検体Eを所定距離Lで保持するために第一圧迫板2及び第二圧迫板3を用いる構成としているが、図3に示すように圧迫板を用いない構成も可能である。この場合、音響レンズ7と同じ材料で作成した光吸収部材4を音響レンズ7の内部の被検体Eに接する面に埋設することができる。
In this embodiment, the
<実施例2>
実施例2では、実施例1とは異なる構成を取る生体情報処理装置について説明する。図4(a)に本実施例における生体情報処理装置の構成を説明する概略図を示す。基本的な生体情報処理装置の構成は実施例1に示したものと同様の構成であり、同じ番号を付した構成部材は実施例1で説明したものと同じ機能を有する。本実施例では、被検体Eの内部に光吸収体8が存在するので、その光学特性値である光吸収係数μaを定量的に取得する手順を述べる。被検体が人体であるとき、光吸収体としては例えば、腫瘍に伴う新生血管中のHbO2や、造影剤が考えられる。
<Example 2>
In the second embodiment, a biological information processing apparatus having a configuration different from that of the first embodiment will be described. FIG. 4A is a schematic diagram illustrating the configuration of the biological information processing apparatus according to this embodiment. The configuration of the basic biological information processing apparatus is the same as that shown in the first embodiment, and the constituent members having the same numbers have the same functions as those described in the first embodiment. In this embodiment, since the
図4(b)は、光音響効果により被検体E、光吸収部材4および光吸収体8が発生した弾性波を弾性波検出器5により検出した音響信号のプロファイルである。音響信号は、第一圧迫板2と被検体Eの接触面、光吸収部材4、光吸収体8から発生したスパイク状の波形として取得される。図の縦軸は弾性波の圧力であり、横軸は距離を示す。従って、プロファイルを解析することにより、照射部位から、被検体内部にあり周囲とは光学特性の異なる光吸収体までの距離xを取得できる。具体的には、平均的な光減衰係数μeffが求まっていることから、光吸収体8から発生する弾性波の強度である圧力PXから距離xを求めることができる。また、単に図4(b)に示される音響信号の検出時刻から距離xを求めることもできる。
この時、被検体Eを距離xだけ伝搬して光吸収体8に到達した光束の光強度Φxは、式(4)で表すことができる。
At this time, the light intensity Φx of the light beam that has propagated through the subject E by the distance x and has reached the
また、光吸収体8のグリュナイゼンパラメーターをΓ、光吸収体8から弾性波検出器5への弾性波の伝搬効率をαとすると、光吸収体8が発生した弾性波の圧力Pxは、式(5)で表すことができる。
図5〜図6を用いて、本実施例における被検体の測定例を示す。図5〜図6の矢印は光の照射方向を示している。
図5は、被検体Eの測定例における装置の概略の構成であり、図1(a)及び図4(a)で説明したものと同じ構成である。被検体Eの内部には同じ光吸収係数μaを持つ光吸収体8a,8bが存在している。図6(a)は、図5の測定例の音響信号から求めた圧力をプロットした圧力の分布画像であり、大きな圧力ほど高い濃度で表示されている。図6(b)は、図5の測定例の音響信号とμeffから求めた定量的な光吸収係数μaをプロットした光吸収係数μaの分布画像であり、大きな光吸収係数μaほど高い濃度で表示されている。
ここで、図6(a)の圧力の分布画像は、光の照射部位に近い8a’の像は高いコントラストが得られているが、光の照射部位から遠い8b’の像はコントラストが低く周囲との境界を判別しにくい。一方、図6(b)の光吸収係数μaの分布画像は、光の照射部位に近い8a’’と光の照射部位から遠い8b’’の像は、どちらも同じ濃度で高いコントラストが得られており、周囲との境界を良好に判別することができる。
A measurement example of the subject in the present embodiment will be described with reference to FIGS. The arrows in FIGS. 5 to 6 indicate the light irradiation direction.
FIG. 5 shows a schematic configuration of the apparatus in the measurement example of the subject E, which is the same configuration as described in FIGS. 1 (a) and 4 (a).
Here, in the pressure distribution image of FIG. 6A, a high contrast is obtained in the
以上に説明したように、本実施例における生体情報処理装置では、被検体Eの平均的な光減衰係数μeffを取得することができ、被検体Eの内部にある光吸収体8の光吸収係数μaを定量的に取得することができる。例えば被検体が人体の場合に、かかる装置によってHbO2の光吸収係数が検出できれば、新生血管の生成に気づくことができる。
As described above, in the biological information processing apparatus according to the present embodiment, the average light attenuation coefficient μ eff of the subject E can be acquired, and the light absorption of the
また、本実施例では、乳房などの被検体Eを所定距離Lで保持するために第一圧迫板2及び第二圧迫板3を用いる構成としているが、図3に示すように圧迫板を用いない構成も可能である。
In this embodiment, the
<実施例3>
実施例3では、上記の実施例とは異なる構成を取る生体情報処理装置について説明する。図7に本実施例における生体情報処理装置の構成を説明する概略図を示す。基本的な生体情報処理装置の構成は実施例2に示したものと同様の構成であり、同じ番号を付した構成部材は実施例1で説明したものと同じ機能を有するものである。
<Example 3>
In the third embodiment, a biological information processing apparatus having a configuration different from that of the above-described embodiment will be described. FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the configuration of the biological information processing apparatus according to the present embodiment. The basic configuration of the biological information processing apparatus is the same as that shown in the second embodiment, and the constituent members having the same numbers have the same functions as those described in the first embodiment.
本実施例では、光源1からの照射光を被検体Eに導くための光学系として、実施例1で説明した光学系6の代わりに光学系9を設けている。
光学系9は、光学系6と同様に光ファイバーやレンズから構成される。光学系6は、光源1から射出された光を第一圧迫板2と被検体Eの接触面の全領域を照明するように拡大していた。一方、光学系9は被検体Eに照射する光束径を光学系6よりも細くして接触面の一部の領域から照明するようにして、単位面積当たりの光エネルギー密度を高くするように倍率を設定している。この場合、被検体Eの光の照射部位を起点とする点光源の伝搬として考えると、Φ2は式(6)で表すことができる。また、Φxは式(7)で表すことができる。
The
以上に説明したように、本実施例における生体情報処理装置では、被検体Eの光照射部位を起点とする点光源を用いた場合においても被検体Eの平均的な光減衰係数μeffを取得することができる。また、被検体Eの内部にある光吸収体8の光吸収係数μaを定量的に取得することができる。
As described above, the biological information processing apparatus according to the present embodiment obtains the average light attenuation coefficient μ eff of the subject E even when the point light source starting from the light irradiation site of the subject E is used. can do. Further, it is possible to quantitatively obtain the light absorption coefficient mu a
また、本実施例では、乳房などの被検体Eを所定距離Lで保持するために第一圧迫板2及び第二圧迫板3を用いる構成としているが、図3に示すように圧迫板を用いない構成も可能である。さらに、本実施例では、光源1と弾性波検出器5が同軸上に配置される構成としているが、図8に示すように同軸上に配置しない構成も可能である。
In this embodiment, the
<実施例4>
実施例4では、上記の実施例とは異なる構成を取る生体情報処理装置について説明する。図9(a)に本実施例における生体情報処理装置の構成を説明する概略図を示す。基本的な生体情報処理装置の構成は実施例2に示したものと同様の構成であり、同じ番号を付した構成部材は実施例2で説明したものと同じ機能を有するものである。
本実施例では、第二光吸収部材10を新たに設けている。第二光吸収部材10は、球状の光吸収体であり第一圧迫板2の内部の被検体Eに接する面に埋設されている。第二光吸収部材10の大きさは、前述の光吸収部材4と同様に弾性波検出器5の検出可能な周波数帯域に合せて数mm以下に設定する。また、第二光吸収部材10を構成する材料も光吸収部材4と同様に着色したシリコンゴムや高分子樹脂材料などが利用できる。第二光吸収部材10は、本発明の第2の光吸収部材に相当する。
第二光吸収部材10の光源1が発する特定波長の照射光に対する光吸収係数μas2と、グリュナイゼンパラメーターΓs2などの光学特性は、第二光吸収部材10を構成する材料によって定まるものである。
<Example 4>
In the fourth embodiment, a biological information processing apparatus having a configuration different from that of the above-described embodiment will be described. FIG. 9A is a schematic diagram illustrating the configuration of the biological information processing apparatus according to the present embodiment. The configuration of the basic biological information processing apparatus is the same as that shown in the second embodiment, and the constituent members having the same numbers have the same functions as those described in the second embodiment.
In the present embodiment, a second
The optical characteristics such as the light absorption coefficient μ as2 and the Gruneisen parameter Γs2 for the irradiation light of a specific wavelength emitted from the
図9(b)は、光音響効果により光吸収部材4、光吸収体8、第二光吸収部材10が発生した弾性波を弾性波検出器5により検出した音響信号のプロファイルである。音響信号は、光吸収部材4、光吸収体8、第二光吸収部材10から発生したスパイク状の波形として取得される。図の縦軸は圧力であり、横軸は距離を示す。
この時、第二光吸収部材10から弾性波検出器5への弾性波の伝搬効率をαs2とすると、第二光吸収部材10が発生した弾性波の圧力Ps2は、式(8)で表すことができる。
At this time, if the propagation efficiency of the elastic wave from the second
実施例1で説明した式(2)と式(3)及び式(8)からμeffを求めることができる。さらに、求めたμeffと実施例2で説明した式(4)と式(5)から光吸収係数μaを定量的に求めることができる。 Μ eff can be obtained from the equations (2), (3), and (8) described in the first embodiment. Further, the light absorption coefficient μ a can be quantitatively determined from the determined μ eff and the equations (4) and (5) described in the second embodiment.
以上に説明したように、本実施例における生体情報処理装置では、第二光吸収部材10を設けて、光源1が発する光強度値が変化した場合にも被検体Eの平均的な光減衰係数μeffを取得することができる。また、被検体Eの内部にある光吸収体8の光吸収係数μaを定量的に取得することができる。
As described above, in the biological information processing apparatus according to the present embodiment, the average light attenuation coefficient of the subject E is provided even when the second
<実施例5>
実施例5では、上記の実施例とは異なる構成を取る生体情報処理装置について説明する。図10に本実施例における生体情報処理装置の構成を説明する概略図を示す。基本的な生体情報処理装置の構成は実施例3に示したものと同様の構成であり、同じ番号を付した構成部材は実施例3で説明したものと同じ機能を有するものである。
<Example 5>
In the fifth embodiment, a biological information processing apparatus having a configuration different from that of the above-described embodiment will be described. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating the configuration of the biological information processing apparatus according to the present embodiment. The configuration of the basic biological information processing apparatus is the same as that shown in the third embodiment, and the constituent members having the same numbers have the same functions as those described in the third embodiment.
本実施例では、光源1、光学系9、光吸収部材4、弾性波検出器5、音響レンズ7の一式が、図示の位置Aから位置Bにy軸方向へ移動可能な構成としている。駆動機構としては、モーターの回転運動を直線運動に変換するラック・アンド・ピニオンやリードスクリューなどの機構を用いることができる。また、図3で説明したものと同様に、音響レンズ7と同じ材料で作成した光吸収部材4を音響レンズ7の内部の被検体Eに接する面に埋設する構成としている。
光源1と弾性波検出器5を結ぶ軸上に光吸収体8が存在した場合、光吸収部材4への照射光の光強度Φ2は光吸収体8の影響を受ける。特に実施例3で説明した、被検体Eの光照射部位を起点とする点光源の伝搬として考えた場合にこの影響が顕著となる。
高精度に被検体Eの光吸収係数μaを取得するためには、このような光吸収体8の影響を排除した平均的な光減衰係数μeffを取得することが好ましい。このため複数の位置で音響信号のプロファイルを取得し、光照射部位から光吸収部材4の間に光吸収体が存在しないプロファイルを選択して、平均的な光減衰係数μeffを求めることが考えられる。
In this embodiment, the
When the
In order to obtain the light absorption coefficient μ a of the subject E with high accuracy, it is preferable to obtain an average light attenuation coefficient μ eff excluding the influence of the
図11(a)は、位置Aにおいて弾性波検出器5が検出した音響信号のプロファイルである。音響信号は、第一圧迫板2と被検体Eの接触面、光吸収部材4から発生したスパイク状の波形として取得される。図11(b)は、位置Bにおいて弾性波検出器5が検出した音響信号のプロファイルである。音響信号は、第一圧迫板2と被検体Eの接触面、光吸収体8、光吸収部材4から発生したスパイク状の波形として取得される。図11(a)及び図11(b)の縦軸は圧力であり、横軸は距離を示す。
光照射部位から光吸収部材4の間に光吸収体が存在していないと考えられる図11(a
)の音響信号のプロファイルを用いて、平均的な光減衰係数μeffを求める。
音響レンズ7の内部を弾性波が伝搬する際の減衰を無視できるとした場合、位置Aで測定した光吸収部材4が発生した弾性波の圧力PsAは、式(9)で表すことができる。
また、位置Bで測定した光吸収体8が発生した弾性波の圧力PxBは、式(10)で表すことができる。
FIG. 11A in which it is considered that no light absorber exists between the light irradiation part and the
) To obtain an average optical attenuation coefficient μ eff .
When the attenuation when the elastic wave propagates inside the
Further, the pressure PxB of the elastic wave generated by the
以上に説明したように、本実施例における生体情報処理装置では、光照射部位から光吸収部材4の間に光吸収体が存在しないプロファイルを選択して被検体Eの平均的な光減衰係数μeffを取得することができる。また、被検体Eの内部にある光吸収体8の光吸収係数μaを定量的に取得することができる。
As described above, in the biological information processing apparatus according to the present embodiment, an average light attenuation coefficient μ of the subject E is selected by selecting a profile in which no light absorber exists between the light irradiation portion and the
<実施例6>
実施例6では、上記の実施例とは異なる構成を取る生体情報処理装置について説明する。
図12に本実施例における生体情報処理装置の構成を説明する概略図を示す。基本的な生体情報処理装置の構成は実施例4に示したものと同様の構成であり、同じ番号を付した構成部材は実施例4で説明したものと同じ機能を有するものである。
本実施例では、図9(a)で説明した実施例4の構成に対して、第二圧迫板3の代わりに第二圧迫板11を設け、さらに、第二圧迫板11側に第二光源1’及び第二光学系6’、音響光ビームスプリッター12を追加して設けている。第二圧迫板11は、光源1が発する光と光音響効果により被検体E、光吸収部材4、第二光吸収部材10が発生した弾性波に対して高透過特性と低減衰特性を有する平板である。このような光と音響の双方に対して高透過特性と低減衰特性を有する材料の例としては、ポリメチルペンテンポリマー、ポリカーボネート、アクリル、などの樹脂材料がある。
音響光ビームスプリッター12は、第二光源1’が発する光を反射し、光音響効果により発生した弾性波を透過する。前述の第二圧迫板11と同様に光と音響に対して高透過特性と低減衰特性を有する樹脂材料に、第二光源1’が発する光に対して高反射特性を有するアルミ、銀、などの薄膜層13を設けて構成される。樹脂材料と薄膜層13に用いる金属材料の音響インピーダンスの差は大きいが、薄膜層13は厚さ数μm程度であり音響の波長に対しては十分に小さいので殆ど影響しない。また、第二圧迫板11と音響光ビームスプリッター12の双方を合せた時の光の利用効率をβnとする。
このように対向して配置した光源1および第二光源1’から被検体Eに同時に光を照射することにより、双方の光源からの照射光の光エネルギーが被検体Eの内部で重畳されるので、深部に到達する光強度を高くすることができる。本実施例では、2つの光源を用いる場合に光吸収体8の光吸収係数μaを定量的に取得する手順を説明する。
<Example 6>
In the sixth embodiment, a biological information processing apparatus having a configuration different from that of the above-described embodiment will be described.
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the configuration of the biological information processing apparatus according to the present embodiment. The basic configuration of the biological information processing apparatus is the same as that shown in the fourth embodiment, and the constituent members having the same numbers have the same functions as those described in the fourth embodiment.
In the present embodiment, a
The acousto-
By simultaneously irradiating the subject E with light from the
図13(a)は第一圧迫板2側からのみ光を照射した場合を説明する概略図である。
この場合、実施例1で説明したものと同様に、第一圧迫板2側の光学系6から射出された光束の光強度をΦ1m、厚さLの被検体Eを伝搬して光吸収部材4に到達した光束の光強度をΦ2mとすると、Φ2mは式(11)で表すことができる。また、被検体Eを距離x伝搬して光吸収体8に到達した光束の光強度をΦxmは、式(12)で表すことができる。
In this case, in the same manner as described in the first embodiment, the
一方、図13(b)は第二圧迫板11側からのみ光を照射した場合を説明する図である。この場合も図13(a)の場合と同様に考えることができる。第二圧迫板11側の第二光学系6’から射出された光束の光強度をΦ2n、厚さLの被検体Eを伝搬して第二光吸収部材10に到達した光束の光強度をΦ1nとすると、Φ1nは式(13)で表すことができる。また、被検体Eを距離(L−x)伝搬して光吸収体8に到達した光束の光強度をΦxnは、式(14)で表すことができる。
次に光源1および第二光源1’が同時に光を照射した場合を考える。この時、光吸収部材4が発生した弾性波の圧力Psは、式(15)で表すことができる。また、第二光吸収部材10が発生した弾性波の圧力Ps2は、式(16)で表すことができる。また、光吸収体8が発生した弾性波の圧力Pxは、式(17)で表すことができる。
以上に説明したように、本実施例における生体情報処理装置では、複数個の光源で被検体Eを照射する場合においても被検体Eの平均的な光減衰係数μeffを取得することができる。その結果、被検体Eの内部にある光吸収体8の光吸収係数μaを定量的に取得す
ることができる。
As described above, the biological information processing apparatus according to the present embodiment can acquire the average light attenuation coefficient μ eff of the subject E even when the subject E is irradiated with a plurality of light sources. As a result, it is possible to quantitatively obtain the light absorption coefficient mu a
また、実施例1〜6においては、被検体の光吸収係数分布を測定する探触子により、既知の吸収体から発生する弾性波を検出したが、既知の吸収体からの弾性波を検出するために別の検出手段を配置しても同様の効果が得られる。
また、実施例1〜6においては、光吸収部材が所定の位置に設ける場合を示したが、光吸収部材が発生する弾性波を検出するときのみ光吸収部材を配置すればよく、被検体を測定する際に光吸収部材を退避させても同様の効果が得られる。
また、実施例1〜6においては、光吸収部材を第一或いは第二圧迫板に埋設する場合を示したが、材料固有の光吸収係数及びグリュナイゼンパラメーターを有する第一あるいは第二圧迫板を光吸収部材として利用することもできる。
Moreover, in Examples 1-6, although the elastic wave which generate | occur | produces from a known absorber is detected with the probe which measures the light absorption coefficient distribution of a subject, the elastic wave from a known absorber is detected. Therefore, the same effect can be obtained even if another detection means is arranged.
Moreover, in Examples 1-6, although the case where the light absorption member was provided in the predetermined position was shown, it is sufficient to arrange the light absorption member only when detecting the elastic wave generated by the light absorption member, The same effect can be obtained by retracting the light absorbing member during measurement.
Moreover, in Examples 1-6, although the case where the light absorption member was embed | buried under the 1st or 2nd compression board was shown, the 1st or 2nd compression board which has the light absorption coefficient and Gruneisen parameter peculiar to material Can also be used as a light absorbing member.
1 :光源
4 :光吸収部材
5 :弾性波検出器
14:演算部
1: Light source 4: Light absorbing member 5: Elastic wave detector 14: Calculation unit
Claims (7)
前記光源から被検体への光の照射部位から被検体を隔てて配置された、照射光に対する光学特性が予め分かっている第1の光吸収部材と、
照射光が被検体を経て前記第1の光吸収部材に到達し吸収された時に前記第1の光吸収部材から発生する弾性波を検出する弾性波検出器と、
照射光の強度と、前記第1の光吸収部材の光学特性と、検出した前記第1の光吸収部材から発生する弾性波の強度とに基づいて、被検体内部の光減衰係数を算出する演算部と
を備える生体情報処理装置。 A light source for irradiating the subject with light;
A first light-absorbing member that is disposed in a manner that separates the subject from the light-irradiated portion of the subject from the light source, the optical characteristics of the irradiation light being known in advance,
An elastic wave detector for detecting an elastic wave generated from the first light absorbing member when irradiated light reaches the first light absorbing member through the subject and is absorbed;
An operation for calculating a light attenuation coefficient inside the subject based on the intensity of irradiation light, the optical characteristics of the first light absorbing member, and the detected intensity of the elastic wave generated from the first light absorbing member. And a biological information processing apparatus.
前記演算部は、
検出した前記光吸収体から発生する弾性波の音響信号に基づいて前記光吸収体の位置を算出し、
算出した被検体の光減衰係数と、算出した前記光吸収体の位置から、前記光吸収体に到達する光の強度を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の生体情報処理装置。 The elastic wave detector further detects an elastic wave generated from the light absorber when the irradiated light reaches the light absorber inside the subject and is absorbed,
The computing unit is
Calculate the position of the light absorber based on the acoustic signal of the elastic wave generated from the detected light absorber,
The biological information processing apparatus according to claim 1, wherein the intensity of light reaching the light absorber is calculated from the calculated light attenuation coefficient of the subject and the calculated position of the light absorber.
ことを特徴とする請求項2に記載の生体情報処理装置。 The calculation unit calculates an optical characteristic of the light absorber from the detected intensity of the elastic wave generated from the light absorber and the calculated intensity of light reaching the light absorber. Item 3. The biological information processing apparatus according to Item 2.
前記弾性波検出器は、照射光が前記第2の光吸収部材に吸収された時に前記第2の光吸収部材から発生する弾性波をさらに検出し、
前記演算部は、前記第2の光吸収部材の光学特性と、検出した前記第2の光吸収部材から発生する弾性波の強度に基づいて、照射光の強度を算出する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 A second light-absorbing member that is disposed in a region irradiated with light on the subject and has predetermined optical characteristics with respect to the irradiated light;
The elastic wave detector further detects an elastic wave generated from the second light absorbing member when irradiation light is absorbed by the second light absorbing member,
The said calculating part calculates the intensity | strength of irradiated light based on the optical characteristic of a said 2nd light absorption member, and the intensity | strength of the elastic wave generate | occur | produced from the detected said 2nd light absorption member. Item 4. The biological information processing apparatus according to any one of Items 1 to 3.
照射光は、被検体と前記圧迫板の接触面の全領域に照射される
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 Further comprising a compression plate for compressing the subject between the light source and the subject;
The biological information processing apparatus according to claim 1, wherein the irradiation light is applied to the entire region of the contact surface between the subject and the compression plate.
照射光は、被検体と前記圧迫板の接触面のうち一部の領域に点光源として照射される
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 Further comprising a compression plate for compressing the subject between the light source and the subject;
The biological information processing apparatus according to claim 1, wherein the irradiation light is applied as a point light source to a part of a contact surface between the subject and the compression plate.
照射光が被検体を経て前記第1の光吸収部材に到達し吸収された時に前記第1の光吸収部材から発生する弾性波を検出するステップと、
照射光の強度と、前記第1の光吸収部材の光学特性と、検出した前記第1の光吸収部材から発生する弾性波の強度とに基づいて、被検体内部の光減衰係数を算出するステップとを含む生体情報処理方法。 Placing a first light-absorbing member whose optical characteristics with respect to the irradiation light are known in advance at a position separating the object from the irradiation site of the light irradiated to the object;
Detecting an elastic wave generated from the first light absorbing member when the irradiated light reaches the first light absorbing member through the subject and is absorbed;
A step of calculating a light attenuation coefficient inside the subject based on the intensity of irradiation light, the optical characteristics of the first light absorbing member, and the detected intensity of the elastic wave generated from the first light absorbing member. And a biological information processing method.
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