JP2013027605A - Contrast agent for photoacoustic analysis and photoacoustic imaging method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、光が被検体に照射されることにより被検体内で発生した光音響波を検出して行われる光音響分析に使用される造影剤およびそれを用いた光音響撮像方法に関するものである。 The present invention relates to a contrast agent used for photoacoustic analysis performed by detecting a photoacoustic wave generated in a subject by irradiating the subject with light, and a photoacoustic imaging method using the same. is there.
従来、被検体の内部の断層画像を取得する方法としては、超音波が被検体内に照射されることにより被検体内で反射した超音波を検出して超音波画像を生成し、被検体内の形態的な断層画像を得る超音波イメージングが知られている。一方、被検体の検査においては形態的な断層画像だけでなく機能的な断層画像を表示する装置の開発も近年進められている。そして、このような装置の一つに光音響分析法を利用した装置がある。この光音響分析法は、所定の波長を有する光(例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光)を被検体に照射し、被検体内の特定物質がこの光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。このように光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング(PAI:Photoacoustic Imaging)或いは光音響トモグラフィー(PAT:Photo Acoustic Tomography)と呼ばれる。 Conventionally, as a method for acquiring a tomographic image inside a subject, an ultrasonic image is generated by detecting ultrasonic waves reflected in the subject by irradiating the subject with ultrasonic waves. Ultrasonic imaging for obtaining a morphological tomographic image is known. On the other hand, in the examination of a subject, development of an apparatus that displays not only a morphological tomographic image but also a functional tomographic image has been advanced in recent years. One of such devices is a device using a photoacoustic analysis method. This photoacoustic analysis method irradiates a subject with light having a predetermined wavelength (for example, visible light, near infrared light, or mid infrared light), and a specific substance in the subject absorbs the energy of this light. A photoacoustic wave, which is the resulting elastic wave, is detected and the concentration of the specific substance is quantitatively measured. The specific substance in the subject is, for example, glucose or hemoglobin contained in blood. Such a technique for detecting a photoacoustic wave and generating a photoacoustic image based on the detection signal is called photoacoustic imaging (PAI) or photoacoustic tomography (PAT).
光音響イメージングにおいて、検出感度やコントラストを向上させるための光音響イメージング用の造影剤が使用されることもある(特許文献1および特許文献2)。生体内に投与された造影剤は、観察対象となる生体組織内に分布し、この組織に照射された光エネルギーを吸収し、光音響波を発生させる。従って、光音響イメージング用造影剤は、それらが存在する組織のみかけの吸光係数を増加させること、すなわち内因性組織由来の光音響波に造影剤由来の光音響波を加算することができ、観察対象となる生体組織の検出感度を向上させるものである。 In photoacoustic imaging, a contrast agent for photoacoustic imaging for improving detection sensitivity and contrast may be used (Patent Document 1 and Patent Document 2). The contrast agent administered into the living body is distributed in the living tissue to be observed, absorbs the light energy irradiated to the tissue, and generates a photoacoustic wave. Therefore, contrast agents for photoacoustic imaging can increase the apparent extinction coefficient of the tissue in which they exist, that is, the photoacoustic wave derived from the contrast agent can be added to the photoacoustic wave derived from the endogenous tissue. This improves the detection sensitivity of the target biological tissue.
しかしながら、従来の造影剤は、光の吸収ピークの幅が狭く、血管等の吸収ピークを持つ生体組織との関係で、波長の選択性に欠けるという問題がある。このような場合、例えば、造影剤に吸収されるべき光エネルギーが観察対象ではない生体組織に吸収されてノイズとなってしまう場合もある。また、例えば、光の波長を変更する場合、別途、その新たな波長に対応した造影剤を投与しなければならない場合もある。 However, the conventional contrast agents have a problem that the width of the light absorption peak is narrow and the wavelength selectivity is lacking in relation to a living tissue having an absorption peak such as a blood vessel. In such a case, for example, the light energy that should be absorbed by the contrast agent may be absorbed by a living tissue that is not an observation target and become noise. Further, for example, when changing the wavelength of light, it may be necessary to separately administer a contrast agent corresponding to the new wavelength.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光音響分析において、波長の選択性を向上させ高コントラストの測定をより柔軟に行うことを可能とする光音響分析用の造影剤およびそれを用いた光音響撮像方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and in photoacoustic analysis, a contrast agent for photoacoustic analysis that can improve wavelength selectivity and perform high-contrast measurement more flexibly, and An object of the present invention is to provide a photoacoustic imaging method used.
上記課題を解決するために、本発明に係る光音響分析用の造影剤は、300〜700nmの範囲に吸収ピークを有しかつ扁平形状を有する微粒子を含むことを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, a contrast agent for photoacoustic analysis according to the present invention is characterized by containing fine particles having an absorption peak in a range of 300 to 700 nm and having a flat shape.
そして、本発明に係る造影剤において、微粒子の厚さに対する扁平面の長さの比は2.0〜20であることが好ましい。 And in the contrast agent which concerns on this invention, it is preferable that the ratio of the length of the flat surface with respect to the thickness of microparticles | fine-particles is 2.0-20.
また、本発明に係る造影剤において、微粒子の厚さは0.005〜1μmであり、扁平面の長さは0.1〜2μmであることが好ましい。 In the contrast agent according to the present invention, the thickness of the fine particles is preferably 0.005 to 1 μm, and the length of the flat surface is preferably 0.1 to 2 μm.
また、本発明に係る造影剤において、微粒子は、Al、Mn、Si、Mg、Cr、Ni、Mo、Cu、Fe、Co、Zn、Sn、Ag、Au、TiおよびZrからなる群より選択される少なくとも1種から構成されるものであることが好ましい。 In the contrast agent according to the present invention, the fine particles are selected from the group consisting of Al, Mn, Si, Mg, Cr, Ni, Mo, Cu, Fe, Co, Zn, Sn, Ag, Au, Ti, and Zr. It is preferable that it is comprised from at least 1 type.
また、本発明に係る造影剤において、微粒子はAgから構成されるものであることが好ましい。 In the contrast agent according to the present invention, the fine particles are preferably composed of Ag.
また、本発明に係る造影剤は、微粒子の表面に修飾された抗体をさらに含むものとすることができる。 Further, the contrast agent according to the present invention may further contain an antibody modified on the surface of the fine particles.
或いは、本発明に係る造影剤は、微粒子の表面に修飾された色素をさらに含むものとすることができる。 Alternatively, the contrast agent according to the present invention may further contain a dye modified on the surface of the fine particles.
本発明に係る光音響撮像方法は、
上記に記載の造影剤が投与された被検体内に、造影剤の吸収ピークに含まれる波長の測定光を照射するように光照射手段を作動させ、
測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、
上記電気信号に基づいて光音響画像を生成し、
光音響画像を表示することを特徴とするものである。
The photoacoustic imaging method according to the present invention includes:
Operate the light irradiation means to irradiate the measurement light having a wavelength included in the absorption peak of the contrast agent into the subject to which the contrast agent described above is administered,
Detect photoacoustic waves generated in the subject by irradiation of measurement light and convert the photoacoustic waves into electrical signals,
Generate a photoacoustic image based on the electrical signal,
A photoacoustic image is displayed.
そして、本発明に係る光音響撮像方法は、第1の上記測定光が照射された領域と同じ領域に、第1の測定光の波長と異なる波長であって血液の吸収ピークに含まれる波長の第2の測定光を照射するように光照射手段を作動させ、
第2の測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を第2の電気信号に変換し、
第2の電気信号に基づいて第2の光音響画像を生成し、
第1の上記光音響画像と第2の光音響画像とを重畳して表示することもできる。
In the photoacoustic imaging method according to the present invention, the wavelength of the wavelength that is different from the wavelength of the first measurement light and that is included in the absorption peak of blood is in the same region as the region irradiated with the first measurement light. Activating the light irradiation means to irradiate the second measurement light;
Detecting a photoacoustic wave generated in the subject by irradiation of the second measurement light, and converting the photoacoustic wave into a second electric signal;
Generating a second photoacoustic image based on the second electrical signal;
The first photoacoustic image and the second photoacoustic image can be superimposed and displayed.
また、第1の光音響画像と第2の光音響画像とを重畳して表示する場合において、本発明に係る光音響撮像方法は、被検体内に超音波を照射するように電気音響変換手段を作動させ、
被検体内で反射した超音波を検出してこの超音波を第3の電気信号に変換し、
第3の電気信号に基づいて超音波画像を生成し、
第1の光音響画像および第2の光音響画像と超音波画像とを重畳して表示することもできる。
Further, in the case where the first photoacoustic image and the second photoacoustic image are displayed in a superimposed manner, the photoacoustic imaging method according to the present invention is an electroacoustic conversion unit so as to irradiate ultrasonic waves into the subject. And
Detecting ultrasonic waves reflected in the subject and converting the ultrasonic waves into a third electrical signal;
Generating an ultrasound image based on the third electrical signal;
The first photoacoustic image, the second photoacoustic image, and the ultrasonic image can be displayed in a superimposed manner.
或いは、本発明に係る光音響撮像方法は、被検体内に超音波を照射するように電気音響変換手段を作動させ、
被検体内で反射した超音波を検出してこの超音波を第3の電気信号に変換し、
第3の電気信号に基づいて超音波画像を生成し、
第1の前記光音響画像と超音波画像とを重畳して表示することもできる。
Alternatively, the photoacoustic imaging method according to the present invention operates the electroacoustic conversion means so as to irradiate the subject with ultrasonic waves,
Detecting ultrasonic waves reflected in the subject and converting the ultrasonic waves into a third electrical signal;
Generating an ultrasound image based on the third electrical signal;
The first photoacoustic image and the ultrasonic image can also be displayed in a superimposed manner.
本発明に係る光音響分析用の造影剤は、300〜700nmの範囲に吸収ピークを有しかつ扁平形状を有する微粒子を含むから、造影剤の吸収ピークが球形状の場合に比してブロードになる。したがって、血管や生体組織の吸収が弱い波長帯域に造影剤の吸収ピークを持たせることができる。この結果、光音響分析において、波長の選択性を向上させ高コントラストの測定をより柔軟に行うことが可能となる。 Since the contrast agent for photoacoustic analysis according to the present invention includes fine particles having an absorption peak in the range of 300 to 700 nm and having a flat shape, the contrast agent has a broader absorption peak than in the case of a spherical shape. Become. Therefore, the absorption peak of the contrast agent can be provided in a wavelength band where the absorption of blood vessels and biological tissues is weak. As a result, in photoacoustic analysis, it is possible to improve wavelength selectivity and perform high-contrast measurement more flexibly.
また、本発明に係る光音響撮像方法は、本発明の造影剤を用いて光音響撮像を行うから、血管や生体組織の吸収が弱い波長帯域の波長を用いることができる。この結果、光音響分析において、波長の選択性を向上させ高コントラストの測定をより柔軟に行うことが可能となる。 In addition, since the photoacoustic imaging method according to the present invention performs photoacoustic imaging using the contrast agent of the present invention, it is possible to use a wavelength in a wavelength band in which absorption of blood vessels and biological tissues is weak. As a result, in photoacoustic analysis, it is possible to improve wavelength selectivity and perform high-contrast measurement more flexibly.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。 Hereinafter, although an embodiment of the present invention is described using a drawing, the present invention is not limited to this. In order to facilitate visual recognition, the scale of each component in the drawings is appropriately changed from the actual one.
「光音響分析用の造影剤」
図1は、本実施形態の光音響分析用の造影剤を示す概略斜視図である。本実施形態の造影剤Cは、300〜700nmの範囲に吸収ピークを有しかつ扁平形状を有する微粒子Pである。
"Contrast agent for photoacoustic analysis"
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a contrast agent for photoacoustic analysis of the present embodiment. The contrast agent C of the present embodiment is a fine particle P having an absorption peak in the range of 300 to 700 nm and a flat shape.
微粒子Pは、扁平形状を有する。本明細書において、「扁平形状」とは、微粒子Pの厚さdに対する扁平面の長さDの比が2〜20である形状を意味する。なお、微粒子Pの厚さdおよび扁平面の長さDは、電子顕微鏡による測定によってそれぞれ算出した粒子全体の平均の値を意味する。微粒子Pの厚さdに対する扁平面の長さDの比は、2.3〜17が好ましく、2.6〜15がより好ましい。上記比が小さくなりすぎると球形状を有する微粒子の場合と比べた効果が得られにくくなる恐れがあり、上記比が大きくなりすぎると製造が困難になる恐れがあるからである。また、微粒子の厚さdは0.005〜1μmであり、扁平面の長さDは0.1〜2μmであることが好ましい。下限の理由は、微粒子Pが光と相互作用するためには少なくとも微粒子には波長の1/8程度の大きさが必要であり、これ以下だと相互作用が弱くなるからである。そのため少なくとも1方向は0.1μm以上必要となる。上限の理由は、あまり微粒子が大きいと生体の細部に入っていかないためである。 The fine particles P have a flat shape. In the present specification, the “flat shape” means a shape in which the ratio of the length D of the flat surface to the thickness d of the fine particles P is 2 to 20. In addition, the thickness d of the fine particles P and the length D of the flat surface mean average values of the whole particles respectively calculated by measurement with an electron microscope. The ratio of the length D of the flat surface to the thickness d of the fine particles P is preferably 2.3 to 17, and more preferably 2.6 to 15. This is because if the ratio is too small, the effect compared to the case of fine particles having a spherical shape may not be obtained, and if the ratio is too large, production may be difficult. The thickness d of the fine particles is preferably 0.005 to 1 μm, and the length D of the flat surface is preferably 0.1 to 2 μm. The reason for the lower limit is that in order for the fine particle P to interact with light, at least the fine particle needs to have a size of about 1/8 of the wavelength. Therefore, at least 0.1 μm is required in one direction. The reason for the upper limit is that if the particles are too large, they do not enter the details of the living body.
微粒子Pは、本実施形態では、300〜700nmの範囲に吸収ピークを有する材料から構成される。本明細書において、「吸収ピーク」とは、ある材料の吸収スペクトル曲線の内、短波長側の極小値よりも高い吸光度を有する部分を意味する。そのような材料としては、Al、Mn、Si、Mg、Cr、Ni、Mo、Cu、Fe、Co、Zn、Sn、Ag、Au,TiおよびZr等の金属材料もしくはこれらの酸化物または半金属材料が挙げられる。また、これらは、任意の2種以上の化合物として使用されてもよい。そして、微粒子Pは、Agから構成されるものであることが好ましい。Ag微粒子は、任意の扁平形状を作成しやすいからである。 In the present embodiment, the fine particles P are made of a material having an absorption peak in the range of 300 to 700 nm. In the present specification, the “absorption peak” means a portion having an absorbance higher than the minimum value on the short wavelength side in an absorption spectrum curve of a certain material. Such materials include metal materials such as Al, Mn, Si, Mg, Cr, Ni, Mo, Cu, Fe, Co, Zn, Sn, Ag, Au, Ti and Zr, or oxides or semimetals thereof. Materials. Moreover, these may be used as arbitrary 2 or more types of compounds. The fine particles P are preferably composed of Ag. This is because Ag fine particles are easy to create an arbitrary flat shape.
本発明の造影剤Cは、上記のように、300〜700nmの範囲に吸収ピークを有しかつ扁平形状を有する微粒子Pであるから、球形状を有する微粒子からなる造影剤に比して、吸収スペクトルがブロードになる。具体的には以下の通りである。図2は、扁平形状を有するAg微粒子および球形状を有するAg微粒子のそれぞれの吸収スペクトルを示すグラフである。なお、この2つの吸収スペクトルは最大値に対して規格化されている。図2から、球形状を有するAg微粒子の吸収ピークの範囲L1はおよそ260〜500nm(幅は240nm)であるのに対し、扁平形状を有するAg微粒子の吸収ピークの範囲L2はおよそ250〜630nm(幅は380nm)であることが分かる。さらに、吸収ピークが最大となる波長を長波長側にシフトさせることもできる。また、このように扁平形状を有する微粒子の吸収ピークが、球形状を有する微粒子の吸収ピークに比してブロード化される傾向は材料によらない。したがって、本発明の造影剤Cによれば、血管や生体組織の吸収が弱い波長帯域に造影剤Cの吸収ピークを持たせることができる。この結果、光音響分析において、波長の選択性を向上させ高コントラストの測定をより柔軟に行うことが可能となる。 Since the contrast agent C of the present invention is a fine particle P having an absorption peak in the range of 300 to 700 nm and having a flat shape as described above, the contrast agent C absorbs as compared with a contrast agent composed of fine particles having a spherical shape. The spectrum becomes broad. Specifically, it is as follows. FIG. 2 is a graph showing respective absorption spectra of Ag fine particles having a flat shape and Ag fine particles having a spherical shape. Note that these two absorption spectra are normalized with respect to the maximum value. From FIG. 2, the absorption peak range L1 of the Ag fine particles having a spherical shape is approximately 260 to 500 nm (width is 240 nm), whereas the absorption peak range L2 of the Ag fine particles having a flat shape is approximately 250 to 630 nm ( It can be seen that the width is 380 nm. Furthermore, the wavelength at which the absorption peak becomes maximum can be shifted to the long wavelength side. In addition, the tendency of the absorption peak of the fine particles having the flat shape to be broader than the absorption peak of the fine particles having the spherical shape does not depend on the material. Therefore, according to the contrast agent C of the present invention, the absorption peak of the contrast agent C can be provided in a wavelength band where the absorption of blood vessels and biological tissues is weak. As a result, in photoacoustic analysis, it is possible to improve wavelength selectivity and perform high-contrast measurement more flexibly.
<設計変更>
上記実施形態では、300〜700nmの範囲に吸収ピークを有しかつ扁平形状を有する微粒子Pから造影剤Cが構成される場合について説明したが、本発明の造影剤Cはこれに限られない。
<Design changes>
In the above embodiment, the case where the contrast medium C is composed of the fine particles P having an absorption peak in the range of 300 to 700 nm and having a flat shape has been described, but the contrast medium C of the present invention is not limited to this.
例えば、造影剤Cは、微粒子Pの表面に修飾された抗体をさらに含むものとすることができる。つまり、この場合、造影剤Cは、微粒子Pと、この微粒子Pの表面に修飾された抗体とから構成される。このような場合には、上記抗体に対する抗原が存在する生体組織に造影剤Cを特異的に投与することが可能となる。したがって、造影剤Cを介して抗原の有無を光音響分析で測定することができる。 For example, the contrast agent C can further include an antibody modified on the surface of the fine particle P. That is, in this case, the contrast agent C is composed of fine particles P and antibodies modified on the surface of the fine particles P. In such a case, it becomes possible to specifically administer the contrast medium C to a living tissue in which an antigen against the antibody exists. Therefore, the presence or absence of an antigen can be measured by photoacoustic analysis via the contrast agent C.
また例えば、造影剤Cは、微粒子Pの表面に修飾された色素をさらに含むものとすることができる。つまり、この場合、造影剤Cは、微粒子Pと、この微粒子Pの表面に修飾された色素とから構成される。これは、微粒子P自体が300〜700nmの範囲に吸収ピークを有してない場合等に、造影剤Cに吸収ピークを持たせる方法として有効である。微粒子Pに色素を修飾する方法としては、特に限定されず公知の方法に実施できる。例えば、このような方法としては、上記のように抗体を微粒子Pの表面に修飾し、抗原を介して色素を化学結合させる方法や、微粒子Pの表面に修飾されたシランカップリング剤等のリンカーを介して色素を化学結合させる方法が挙げられる。 Further, for example, the contrast agent C can further include a dye modified on the surface of the fine particle P. That is, in this case, the contrast agent C is composed of fine particles P and a dye modified on the surface of the fine particles P. This is effective as a method for causing the contrast medium C to have an absorption peak when the fine particles P themselves do not have an absorption peak in the range of 300 to 700 nm. The method for modifying the pigment on the fine particles P is not particularly limited and can be carried out by a known method. For example, as such a method, as described above, the antibody is modified on the surface of the fine particle P and the dye is chemically bonded via the antigen, or a linker such as a silane coupling agent modified on the surface of the fine particle P. And a method of chemically bonding the dye via
「光音響撮像方法」
次に、光音響撮像方法の実施形態について図を参照しながら説明する。図3は、本実施形態の光音響撮像方法において使用される光音響撮像装置10の基本構成を示すブロック図である。この光音響撮像装置10は、超音波探触子11、超音波ユニット12、およびレーザ光源ユニット13を備えている。なおこの光音響撮像装置10は、超音波画像と光音響画像との双方を生成可能に構成されている。
"Photoacoustic imaging method"
Next, an embodiment of the photoacoustic imaging method will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram showing a basic configuration of the
本実施形態の光音響撮像方法は、光音響撮像装置10を用いて、本発明の造影剤が投与された被検体内に、造影剤の吸収ピークに含まれる波長の測定光を照射するように光照射手段を作動させ、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、上記電気信号に基づいて光音響画像を生成し、光音響画像を表示するものである。
In the photoacoustic imaging method of the present embodiment, the
光音響撮像装置10は、超音波探触子11、超音波ユニット12、およびレーザ光源ユニット13を備えている。なおこの光音響撮像装置10は、超音波画像と光音響画像との双方を生成可能に構成されている。
The
レーザ光源ユニット13は、被検体に照射すべきレーザ光を測定光として出射する。このレーザ光源ユニット13が本発明における光照射手段に相当する。レーザ光源ユニット13は、例えば、血液の吸収ピークに含まれる波長の第1のレーザ光、および、第1のレーザ光の波長とは異なりかつ造影剤の吸収ピークに含まれる波長の第2のレーザ光を少なくとも発生する1以上の光源を有する。光源として、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ(LD)、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることができる。例えば本実施形態においてレーザ光源ユニット13は、励起光源であるフラッシュランプ35とレーザ発振を制御するQスイッチレーザ36とを含むものである。レーザ光源ユニット13は、制御手段34がフラッシュランプトリガ信号を出力すると、フラッシュランプ35を点灯し、Qスイッチレーザ36を励起する。そして、レーザ光源ユニット13は、第1のレーザ光および第2のレーザ光を制御手段34の指示に従い、切り換えて出力する。
The laser
レーザ光源ユニット13において、第1のレーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態(酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン、等)により光学的な吸収係数が異なる。たとえば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合(つまり、生体内部の血管を撮像する場合)には、生体の光透過性が良く、かつ各種ヘモグロビンが光の吸収ピークを持つ600〜1000nm程度とすることが好ましい。さらに、被写体の深部まで届くという観点からも、上記第1のレーザの波長は600〜1000nmであることが好ましい。
In the laser
一方、レーザ光源ユニット13において、第2のレーザ光の波長は、造影剤の吸収特性によって適宜決定される。
On the other hand, in the laser
レーザ光源ユニット13は、第1のおよび第2のレーザ光として1〜100nsecのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。そして、上記レーザ光の出力は、レーザ光と光音響波の伝搬ロス、光音響変換の効率および現状の検出器の検出感度等の観点から、10μJ/cm2〜数10mJ/cm2であることが好ましい。さらに、パルス光出力の繰り返しは、画像構築速度の観点から、10Hz以上であることが好ましい。また、レーザ光は上記パルス光が複数並んだパルス列とすることもできる。レーザ光源ユニット13から出力されたレーザ光は、例えば光ファイバ、導光板、レンズおよびミラー等の導光手段を用いて超音波探触子11の近傍まで導光され、超音波探触子11の近傍から被検体に照射される。
The laser
超音波探触子11は、被検体に向けて超音波を照射し、被検体内を伝搬する音響波を検出するものである。すなわち、超音波探触子11は、被検体に対する超音波の照射(送信)、および被検体から反射して戻って来るその超音波の反射波の検出(受信)を行う。さらに超音波探触子11は、被検体内の観察対象物がレーザ光を吸収することにより被検体内に発生した光音響波の検出も行う。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは電気音響変換部の振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは測定光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。そのために超音波探触子11は、例えば一次元または二次元に配列された複数の超音波振動子から構成される振動子アレイを有する。超音波振動子11は、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。超音波振動子11は、音響波を受信した場合にその受信信号を電気信号に変換する機能を有している。この電気信号は後述する受信回路21に出力される。この超音波探触子11は、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等の中から診断部位に応じて選択される。
The
超音波探触子11は、音響波を効率よく検出するために音響整合層を振動子アレイの表面に備えてもよい。一般に圧電素子材料と生体では音響インピーダンスが大きく異なるため、圧電素子材料と生体が直接接した場合には、界面での反射が大きくなり音響波を効率よく検出することができない。このため、圧電素子材料と生体の間に中間的な音響インピーダンスを有する音響整合層が配置されることにより、音響波を効率よく検出することができる。音響整合層を構成する材料の例としては、エポキシ樹脂や石英ガラスなどが挙げられる。
The
超音波ユニット12は、受信回路21、AD変換手段22、受信メモリ23、データ分離手段24、光音響画像再構成手段25a、光音響画像再構成手段25aからの信号を受信する検波・対数変換手段26a、光音響画像を構築する光音響画像構築手段27a、超音波画像再構成手段25b、超音波画像再構成手段25bからの信号を受信する検波・対数変換手段26b、超音波画像を構築する超音波画像構築手段27b、画像合成手段28、送信制御回路33および制御手段34を有している。制御手段34は、超音波ユニット12内の各部を制御する。
The
受信回路21は、超音波探触子11から出力された音響波の電気信号を受信する。AD変換手段22はサンプリング手段であり、受信回路21が受信した電気信号を例えばクロック周波数40MHzのADクロック信号に同期してサンプリングしてデジタル信号に変換する。AD変換手段22は、例えば外部から入力されるADクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で上記電気信号をサンプリングする。
The receiving
AD変換手段22は、サンプリングしたデジタル信号(サンプリングデータ)を受信メモリ23に格納する。受信メモリ23に格納されたサンプリングデータは、光音響波に関するデータ(光音響データ)、超音波に関するデータ(超音波データ)またはこれらの混合データである。
The AD conversion means 22 stores the sampled digital signal (sampling data) in the
データ分離手段24は、受信メモリ23に格納されたサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離する。サンプリングデータを分離する方法は特に限定されない。例えば、超音波の照射とレーザ光の照射とを時間的にずらして実施した場合には、サンプリングデータをある時刻で分けることによりサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離することができる。また例えば、光音響データおよび超音波データそれぞれに関する周波数や遅延量の違いを利用してもサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離することができる。データ分離手段24は、分離された光音響データを光音響画像再構成手段25aに入力し、超音波データを超音波画像再構成手段25bに出力する。
The data separation means 24 separates the sampling data stored in the
光音響画像再構成手段25aは、例えば超音波探触子11の64個の超音波振動子の各出力信号から得られた上記光音響データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、1ライン分のデータを生成する(遅延加算法)。なお、この光音響画像再構成手段25aは、遅延加算法に代えて、CBP法(Circular Back Projection)により再構成を行うものでもよい。あるいは光音響画像再構成手段25aは、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行うものでもよい。光音響画像再構成手段25aは、上記のようにして加算整合された光音響データを検波・対数変換手段26aに出力する。
For example, the photoacoustic
検波・対数変換手段26aは、光音響画像再構成手段25aから出力された光音響データの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。そして、検波・対数変換手段26aは、上記のようにして信号処理した光音響データを光音響画像構築手段27aに出力する。 The detection / logarithm conversion means 26a generates an envelope of the photoacoustic data output from the photoacoustic image reconstruction means 25a, and then logarithmically converts the envelope to widen the dynamic range. Then, the detection / logarithm conversion means 26a outputs the photoacoustic data subjected to signal processing as described above to the photoacoustic image construction means 27a.
光音響画像構築手段27aは、対数変換が施された各ラインの光音響データに基づいて、断層画像(光音響画像)を構築する。光音響画像構築手段27aは、例えば光音響データの時間軸の位置を、断層画像における深さを表す変位軸の位置に変換して光音響画像を構築する。
The photoacoustic
一方、超音波画像再構成手段25bは、例えば超音波探触子11の64個の超音波振動子の各出力信号から得られた上記超音波データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、1ライン分のデータを生成する(遅延加算法)。なお、この超音波画像再構成手段25bは、遅延加算法に代えて、CBP法(Circular Back Projection)により再構成を行うものでもよい。あるいは超音波画像再構成手段25bは、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行うものでもよい。超音波画像再構成手段25bは、上記のようにして加算整合された超音波データを検波・対数変換手段26bに出力する。
On the other hand, the ultrasonic
検波・対数変換手段26bは、超音波画像再構成手段25bから出力された超音波データの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。そして、検波・対数変換手段26bは、上記のようにして信号処理した超音波データを超音波画像構築手段27bに出力する。
The detection / logarithm conversion means 26b generates an envelope of the ultrasonic data output from the ultrasonic image reconstruction means 25b, and then logarithmically converts the envelope to widen the dynamic range. Then, the detection /
超音波画像構築手段27bは、対数変換が施された各ラインの超音波データに基づいて、断層画像(超音波画像)を構築する。超音波画像構築手段27bは、例えば超音波データの時間軸の位置を、断層画像における深さを表す変位軸の位置に変換して超音波画像を構築する。
The ultrasonic
制御手段34は、レーザ光源ユニット13にフラッシュランプトリガ信号及びQスイッチトリガ信号を出力し、レーザ光源ユニット13からレーザ光を出射させる。また、制御手段34は、送信制御回路33に超音波送信トリガ信号を出力し、プローブ11から超音波を出力させる。更に、制御手段34は、レーザ光の照射又は超音波送信と同期してAD変換手段22に対してADトリガ信号を出力し、AD変換手段22におけるサンプリングを開始させる。
The control means 34 outputs a flash lamp trigger signal and a Q switch trigger signal to the laser
制御手段34は、レーザ光源ユニット13に対してレーザ光の出力を指示するフラッシュランプトリガ信号を出力する。これによりレーザ光源ユニット13では、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ35が点灯し、レーザ励起が開始される。その後、制御手段34は、所定のタイミングでQスイッチトリガ信号を出力する。これによりレーザ光源ユニット13では、Qスイッチレーザ36のQスイッチがQスイッチトリガ信号に応答してON状態となり、レーザ光が出力されて、被検体にレーザ光が照射される。フラッシュランプ35の点灯からQスイッチレーザ36が十分な励起状態となるまでに要する時間は、Qスイッチレーザ36の特性などから見積もることができる。制御手段34からQスイッチを制御するのに代えて、レーザ光源ユニット13内において、Qスイッチレーザ36を十分に励起させた後にQスイッチをON状態にしてもよい。その場合は、QスイッチをON状態にした旨を示す信号を超音波ユニット12側に通知してもよい。
The control means 34 outputs a flash lamp trigger signal that instructs the laser
また制御手段34は、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を送信制御回路33に出力する。送信制御回路33は、上記超音波トリガ信号を受けると、超音波探触子11から超音波を送信させる。制御手段34は、先にフラッシュランプトリガ信号を出力し、その後超音波トリガ信号を出力する。つまり制御手段34は、フラッシュランプトリガ信号の出力に後続して、超音波トリガ信号を出力する。フラッシュランプトリガ信号が出力されることで被検体に対するレーザ光の照射および光音響波の検出が行われた後、超音波トリガ信号が出力されることで被検体に対する超音波の送信およびその反射波の検出が行われる。
The
制御手段34はさらに、AD変換手段22に対して、サンプリング開始を指示するサンプリングトリガ信号を出力する。このサンプリングトリガ信号は、上記フラッシュランプトリガ信号が出力された後で、かつ超音波トリガ信号が出力される前、より好ましくは被検体に実際にレーザ光が照射されるタイミングで出力される。そのためにサンプリングトリガ信号は、例えば制御手段34がQスイッチトリガ信号を出力するタイミングに同期して出力される。AD変換手段22は上記サンプリングトリガ信号を受けると、超音波探触子11にて検出された上記電気信号のサンプリングを開始する。
The control means 34 further outputs a sampling trigger signal that instructs the AD conversion means 22 to start sampling. This sampling trigger signal is output after the flash lamp trigger signal is output and before the ultrasonic trigger signal is output, more preferably at the timing when the subject is actually irradiated with the laser light. Therefore, the sampling trigger signal is output in synchronization with the timing at which the control means 34 outputs the Q switch trigger signal, for example. When receiving the sampling trigger signal, the AD conversion means 22 starts sampling the electric signal detected by the
また、制御手段34は、光音響画像を様々な形態で画像表示手段14に表示するように、超音波探触子11、超音波ユニット12、レーザ光源ユニット13および画像表示手段14を制御する。
The
例えば、制御手段34は、第1の上記測定光が照射された領域と同じ領域に、第1の測定光の波長と異なる波長であって血液の吸収ピークに含まれる波長の第2の測定光を照射するように光照射手段を制御し、第2の測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を第2の電気信号に変換するように超音波探触子11を制御し、第2の電気信号に基づいて第2の光音響画像を生成するように超音波ユニット12を制御し、第1の上記光音響画像と第2の光音響画像とを重畳して表示するように画像表示手段14を制御する。これにより、生体組織の吸収波長の相違を利用して、同じ撮像領域内にある複数の組織についての光音響画像を同時に表示することができる。第2の測定光を照射する際には、第2の測定光を吸収するように微粒子の大きさ(微粒子の厚さおよび扁平面の長さ)を調整した造影剤を投与してもよい。
For example, the control means 34 has the second measurement light having a wavelength different from the wavelength of the first measurement light and included in the blood absorption peak in the same region as the region irradiated with the first measurement light. The ultrasonic wave is controlled so as to irradiate the photoacoustic wave generated in the subject by the irradiation of the second measurement light and convert the photoacoustic wave into a second electric signal. The
さらに、第1の光音響画像と第2の光音響画像とを重畳して表示する場合において、制御手段34は、第1および第2の測定光が照射された領域と同じ領域に、超音波を照射するように超音波探触子11を制御し、被検体内で反射した超音波を検出してこの超音波を第3の電気信号に変換するように超音波探触子11を制御し、第3の電気信号に基づいて超音波画像を生成するように超音波ユニット12を制御し、第1の光音響画像および第2の光音響画像と超音波画像とを重畳して表示するように画像表示手段14を制御することもできる。これにより、生体組織の機能的な情報を示す光音響画像とその形態的な情報を示す超音波画像を重畳して表示することができ、生体組織の情報をより分かりやすく提供することができる。
Furthermore, in the case where the first photoacoustic image and the second photoacoustic image are superimposed and displayed, the
或いは、制御手段34は、第1の上記測定光が照射された領域と同じ領域に、超音波を照射するように超音波探触子11を制御し、被検体内で反射した超音波を検出してこの超音波を第3の電気信号に変換するように超音波探触子11を制御し、第3の電気信号に基づいて超音波画像を生成するように超音波ユニット12を制御し、第1の前記光音響画像と超音波画像とを重畳して表示するように画像表示手段14を制御することもできる。
Alternatively, the
なお、本明細書において「第1の測定光が照射された領域と同じ領域に」第2の測定光または超音波を照射するとは、第1の測定光を照射して得られた光音響画像の撮像範囲と、第2の測定光または超音波を照射して得られた光音響画像または超音波画像の撮像範囲とが少なくとも一部において重畳するように、第2の測定光または超音波を照射することを意味する。 In this specification, “irradiating the second measurement light or ultrasonic wave to the same region as the region irradiated with the first measurement light” means a photoacoustic image obtained by irradiating the first measurement light. The second measurement light or the ultrasonic wave is overlapped at least partially with the imaging range of the photoacoustic image or the ultrasonic image obtained by irradiating the second measurement light or the ultrasonic wave. It means to irradiate.
画像合成手段28は、画像構築手段27aおよび27bにそれぞれ構築された光音響画像および超音波画像を合成する。より具体的には、画像合成手段28は、第1のレーザ光の照射に基づく血管の光音響画像および第2のレーザ光の照射に基づく造影剤の光音響画像を重畳して合成したり、血管の光音響画像、造影剤の光音響画像および超音波画像を重畳して合成したり、造影剤の光音響画像および超音波画像を重畳して合成したりする。なお、合成画像を表示しない場合には光音響画像および超音波画像はそれぞれ合成処理されないまま、画像合成手段28から出力されてもよい。さらに、画像合成手段28は、合成されて得られた画像に必要な処理を施して画像表示手段14に表示するための最終的な画像(表示画像)を生成する。
The
画像表示手段14は、画像合成手段28により生成された表示画像を表示する。
The
以上より、本発明に係る光音響撮像方法は、本発明の造影剤を用いて光音響撮像を行うから、血管や生体組織の吸収が弱い波長帯域の波長を用いることができる。この結果、光音響分析において、波長の選択性を向上させ高コントラストの測定をより柔軟に行うことが可能となる。 As described above, since the photoacoustic imaging method according to the present invention performs photoacoustic imaging using the contrast agent of the present invention, it is possible to use a wavelength in a wavelength band in which absorption of blood vessels and biological tissues is weak. As a result, in photoacoustic analysis, it is possible to improve wavelength selectivity and perform high-contrast measurement more flexibly.
10 光音響撮像装置
11 超音波探触子
12 超音波ユニット
13 レーザ光源ユニット
14 画像表示手段
21 受信回路
22 AD変換手段
23 受信メモリ
24 データ分離手段
25a 光音響画像再構成手段
25b 超音波画像再構成手段
27a 光音響画像構築手段
27b 超音波画像構築手段
28 画像合成手段
33 送信制御回路
34 制御手段
C 造影剤
D 扁平面の長さ
d 微粒子の厚さ
P 微粒子
DESCRIPTION OF
Claims (11)
300〜700nmの範囲に吸収ピークを有しかつ扁平形状を有する微粒子を含むことを特徴とする造影剤 A contrast agent for photoacoustic analysis,
A contrast agent comprising fine particles having an absorption peak in a range of 300 to 700 nm and a flat shape
前記測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、
前記電気信号に基づいて光音響画像を生成し、
前記光音響画像を表示することを特徴とする光音響撮像方法。 A light irradiation means is operated so as to irradiate measurement light having a wavelength included in an absorption peak of the contrast agent into a subject to which the contrast agent according to any one of claims 1 to 7 is administered,
Detecting a photoacoustic wave generated in the subject by irradiation of the measurement light and converting the photoacoustic wave into an electrical signal;
Generating a photoacoustic image based on the electrical signal;
A photoacoustic imaging method, wherein the photoacoustic image is displayed.
前記第2の測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を第2の電気信号に変換し、
前記第2の電気信号に基づいて第2の光音響画像を生成し、
第1の前記光音響画像と前記第2の光音響画像とを重畳して表示することを特徴とする請求項8に記載の光音響撮像方法。 The same region as the region irradiated with the first measurement light is irradiated with the second measurement light having a wavelength different from the wavelength of the first measurement light and included in the absorption peak of blood. Activate the light irradiation means,
Detecting a photoacoustic wave generated in the subject by irradiation of the second measurement light, and converting the photoacoustic wave into a second electric signal;
Generating a second photoacoustic image based on the second electrical signal;
The photoacoustic imaging method according to claim 8, wherein the first photoacoustic image and the second photoacoustic image are superimposed and displayed.
前記被検体内で反射した前記超音波を検出して該超音波を第3の電気信号に変換し、
前記第3の電気信号に基づいて超音波画像を生成し、
前記第1の光音響画像および前記第2の光音響画像と前記超音波画像とを重畳して表示することを特徴とする請求項9に記載の光音響撮像方法。 Actuating the electroacoustic conversion means to irradiate ultrasonic waves into the subject;
Detecting the ultrasonic wave reflected in the subject and converting the ultrasonic wave into a third electrical signal;
Generating an ultrasound image based on the third electrical signal;
The photoacoustic imaging method according to claim 9, wherein the first photoacoustic image, the second photoacoustic image, and the ultrasonic image are superimposed and displayed.
前記被検体内で反射した前記超音波を検出して該超音波を第3の電気信号に変換し、
前記第3の電気信号に基づいて超音波画像を生成し、
第1の前記光音響画像と前記超音波画像とを重畳して表示することを特徴とする請求項8に記載の光音響撮像方法。 Actuating the electroacoustic conversion means to irradiate ultrasonic waves into the subject;
Detecting the ultrasonic wave reflected in the subject and converting the ultrasonic wave into a third electrical signal;
Generating an ultrasound image based on the third electrical signal;
The photoacoustic imaging method according to claim 8, wherein the first photoacoustic image and the ultrasonic image are superimposed and displayed.
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