JP2019055293A - Biological information imaging apparatus, biological information analysis method, and biological information imaging method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体情報イメージング装置、生体情報の解析方法に関する。さらに、本発明は生体情報のイメージング方法に関する。 The present invention relates to a biological information imaging apparatus and a biological information analysis method. Furthermore, the present invention relates to a biological information imaging method.
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が医療分野で積極的に進められている。 Research on an optical imaging apparatus that obtains 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.
この光イメージングの一つとして、非特許文献1に記載されているように、拡散光イメージングと呼ばれているDOT(Diffuse Optical Tomography)という技術がある。拡散光イメージングは、光源から生体に光を照射して、生体内を伝播・拡散した微弱光を高感度な光検出器により検知し、その検知信号から生体内の光学特性値分布をイメージングする技術である。 As one of the optical imaging, there is a technique called DOT (Diffuse Optical Tomography) called diffuse optical imaging as described in Non-Patent Document 1. Diffuse light imaging is a technology that irradiates a living body with light from a light source, detects weak light that has propagated and diffused inside the living body with a highly sensitive photodetector, and images the distribution of optical characteristic values in the living body from the detection signal It is.
比較的厚い組織を通った光源から照射された光は、強く散乱される結果、光の直進性などの波動性を失い、生体組織内を拡散的に伝播する。そのため、このような拡散光の強度を多点で光計測し、計算機で処理することで生体組織の光学特性値(吸収係数μa、等価散乱係数μs’)を求めることができる。さらには、それらの光学特性値を異なる波長で計測することで、生体組織を構成する物質の濃度分布を求めることができる。 Light irradiated from a light source that has passed through a relatively thick tissue loses wave properties such as straightness of light as a result of being strongly scattered, and diffusely propagates through living tissue. Therefore, the optical characteristic values (absorption coefficient μ a , equivalent scattering coefficient μ s ′) of the living tissue can be obtained by optically measuring the intensity of such diffused light at multiple points and processing it with a computer. Furthermore, by measuring these optical characteristic values at different wavelengths, it is possible to obtain the concentration distribution of substances constituting the living tissue.
一方、DOT以外の光イメージングの一つとして、光音響イメージングと呼ばれているPAT(Photo Acoustic Tomography)という技術がある。光音響イメージングは、光に比べて生体内での散乱が少ない超音波の特性を利用して、生体内の光学特性値分布を高解像度に求める手法である。 On the other hand, as one of optical imaging other than DOT, there is a technology called PAT (Photo Acoustic Tomography) called photoacoustic imaging. Photoacoustic imaging is a technique for obtaining an optical characteristic value distribution in a living body with high resolution by utilizing the characteristics of ultrasonic waves that are less scattered in the living body than light.
この方法では、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・拡散したパルス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検出する。この検出信号を解析処理することにより、生体内の光学特性分布、特に、光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。この光音響イメージングを用いることで、前述した拡散光イメージングに比べて、解像度の高い光学特性値分布が得られるとされている。 In this method, pulsed light generated from a light source is irradiated on a living body, and an acoustic wave generated from a living tissue that has absorbed energy of pulsed light that has propagated and diffused in the living body is detected. By analyzing this detection signal, an optical characteristic distribution in the living body, in particular, a light energy absorption density distribution can be obtained. By using this photoacoustic imaging, it is said that an optical characteristic value distribution with high resolution can be obtained as compared with the diffused light imaging described above.
非特許文献2によれば、光音響イメージングにおいて、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は以下の式(1)で与えられる。 According to Non-Patent Document 2, in photoacoustic imaging, the sound pressure P of an acoustic wave obtained from an absorber in a living body by light absorption is given by the following equation (1).
P=Γ・μa・Φ (1)
ここで、Γは弾性特性値であるグリューナイセン(Grunesen)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。μaは吸収体の吸収係数、Φは吸収体に照射された光量である。
P = Γ · μ a · Φ (1)
Here, Γ is a Grunesen coefficient, which is an elastic characteristic value, and 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 Cp. μ a is the absorption coefficient of the absorber, and Φ is the 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の変化を時分割で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Hを得ることができる(非特許文献2)。 Since Γ is known to take a substantially constant value when the tissue is determined, the product of μ a and Φ, that is, the light, is measured by measuring the change in the sound pressure P, which is the magnitude of the acoustic wave, in a time-sharing manner. An energy absorption density distribution H can be obtained (Non-Patent Document 2).
本発明の目的は、新規な生体情報イメージング装置、生体情報のイメージング方法、生体情報の解析方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a novel biological information imaging apparatus, a biological information imaging method, and a biological information analysis method.
本発明に係る生体情報イメージング装置は、光源と、前記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を検出し、第一の電気信号に変換する音響波検出器と、前記光源から生体に照射された光における生体内を伝播する光の光強度を検出し、第二の電気信号に変換する光検出器と、前記第一の電気信号および前記第二の電気信号の一方の電気信号の解析結果を他方の電気信号の解析に利用することにより、前記生体の光学特性値分布情報を算出する演算部と、を有することを特徴とする。 The biological information imaging apparatus according to the present invention detects an acoustic wave generated from a light source and an in-vivo light absorber that has absorbed a part of the energy of light irradiated on the living body from the light source, and the first electrical signal An acoustic wave detector for converting to light, a light detector for detecting light intensity of light propagating in the living body in light irradiated on the living body from the light source, and converting the detected light intensity into a second electric signal, and the first electric A calculation unit that calculates optical characteristic value distribution information of the living body by using an analysis result of one of the signal and the second electric signal for analysis of the other electric signal, To do.
また、本発明に係る生体情報の解析方法は、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を検出して第一の電気信号に変換する音響波検出器と、該光源から生体に照射された光における生体内を伝播する光の光強度を検出して第二の電気信号に変換する光検出器とから得られた電気信号を解析する生体情報の解析方法であって、前記第一の電気信号および前記第二の電気信号の一方の電気信号の解析結果を他方の電気信号の解析に利用することにより、前記生体の光学特性値分布を算出するステップを有することを特徴とする。 In addition, the biological information analysis method according to the present invention detects an acoustic wave generated from a light absorber in a living body that has absorbed a part of the energy of light irradiated on the living body from a light source, and converts it into a first electrical signal. An electrical signal obtained from an acoustic wave detector for conversion and a photodetector for detecting the light intensity of light propagating in the living body in the light irradiated on the living body from the light source and converting it to a second electrical signal. An analysis method of biological information to be analyzed, wherein an analysis result of one of the first electric signal and the second electric signal is used for analysis of the other electric signal, whereby the optical characteristics of the living body The method has a step of calculating a value distribution.
また、本発明に係る他の生体情報イメージング装置は、光源と、前記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を検出し、第一の電気信号に変換する音響波検出器と、前記光源から生体に照射された光における生体内を伝播する光の光強度を検出し、第二の電気信号に変換する光検出器と、前記第一の電気信号を解析し、前記生体の光学特性値分布情報を得る第一の情報処理部と、前記第一の情報処理部により得られた光学特性値分布情報と、前記第二の電気信号を解析し、前記生体の光学特性値分布情報を得る第二の情報処理部とを有することを特徴とする。 Further, another biological information imaging apparatus according to the present invention detects an acoustic wave generated from a light source and an in-vivo light absorber that has absorbed a part of the energy of light irradiated to the living body from the light source, An acoustic wave detector for converting into one electrical signal, a photodetector for detecting the light intensity of light propagating in the living body in the light irradiated on the living body from the light source, and converting it into a second electrical signal; A first information processing unit that analyzes the first electrical signal and obtains optical characteristic value distribution information of the living body; the optical characteristic value distribution information obtained by the first information processing unit; And a second information processing unit that analyzes signals and obtains optical characteristic value distribution information of the living body.
本発明によれば、新規な生体情報イメージング装置、生体情報のイメージング方法、生体情報の解析方法を提供することができる。 According to the present invention, a novel biological information imaging apparatus, a biological information imaging method, and a biological information analysis method can be provided.
本発明に係るイメージング装置、イメージング方法、解析方法は、拡散光イメージング(DOT)と光音響イメージング(PAT)で得たデータを相互に利用することを特徴とする。 The imaging apparatus, imaging method, and analysis method according to the present invention are characterized in that data obtained by diffuse light imaging (DOT) and photoacoustic imaging (PAT) are mutually used.
拡散光イメージングと光音響イメージングは、共に生体内に存在する吸収体の吸収係数値分布を求める手法である。そのため、拡散光イメージングまたは光音響イメージングと他のイメージング方法を組合せるのであれば、MRIやX線などの吸収係数値分布以外の情報を得られるイメージング方法を選択するのが通常である。これに対して、本発明は吸収係数値分布を求める手法同士を組合せている点において、斬新な発想の下でなされた新規なイメージング方法であるといえる。 Both diffused light imaging and photoacoustic imaging are methods for obtaining an absorption coefficient value distribution of an absorber present in a living body. Therefore, if the diffused light imaging or photoacoustic imaging is combined with another imaging method, an imaging method that can obtain information other than the absorption coefficient value distribution such as MRI or X-ray is usually selected. On the other hand, the present invention can be said to be a novel imaging method made under a novel idea in that the methods for obtaining the absorption coefficient value distribution are combined.
具体的には、光音響イメージングにより超音波を測定すると共に、拡散光イメージングにより拡散光を測定する。そして、一方のイメージングで得た解析結果を他方のイメージングにおける解析に利用する。本発明者らは、このように拡散光イメージングと光音響イメージングを融合させることにより、以下のような様々な効果があることを見出した。 Specifically, ultrasonic waves are measured by photoacoustic imaging, and diffused light is measured by diffused light imaging. And the analysis result obtained by one imaging is utilized for the analysis in the other imaging. The present inventors have found that there are various effects as described below by fusing diffused light imaging and photoacoustic imaging in this way.
(DOT:拡散光イメージング)
上記した拡散光イメージングによれば、吸収係数などの光学特性を測定し、生体組織を構成する物質の濃度分布を求めることができる。
(DOT: diffused light imaging)
According to the diffused light imaging described above, it is possible to measure the optical characteristics such as the absorption coefficient and obtain the concentration distribution of the substance constituting the living tissue.
しかし、この拡散光イメージングは、光を検出するため、媒質中で光の多重散乱が生じ、高解像度の画像を得ることが難しい。 However, since this diffused light imaging detects light, multiple scattering of light occurs in the medium, and it is difficult to obtain a high-resolution image.
また、一般に、光拡散イメージングでは拡散光を検出する複数の各検出器からの検出結果と、計算に基づく各検出器での出力との比較により画像化すること、すなわち、非適切逆問題を解くため、一般に長い計算時間が必要となる。 In general, in light diffusion imaging, imaging is performed by comparing detection results from a plurality of detectors that detect diffuse light with outputs from each detector based on calculation, that is, solving an inappropriate inverse problem. Therefore, generally a long calculation time is required.
そこで、非適切逆問題を計算するときに、予め光音響イメージングで得られた被対象物の光学特性分布情報(例えば、吸収係数分布)を使用する。これにより、上記拡散方程式に拘束条件を加え、解を限定することができ、計算時間を短縮化することが可能となる。 Therefore, when calculating the inappropriate inverse problem, optical characteristic distribution information (for example, absorption coefficient distribution) of the object obtained in advance by photoacoustic imaging is used. As a result, a constraint condition can be added to the diffusion equation to limit the solution, and the calculation time can be shortened.
また、光音響イメージングにより事前に得られた情報に基づき、計算対象領域を限定することで上記拡散方程式の計算量を削減し計算時間を短縮化することもできる。 Further, by limiting the calculation target region based on information obtained in advance by photoacoustic imaging, it is possible to reduce the calculation amount of the diffusion equation and shorten the calculation time.
さらに、光音響イメージングで得た情報を光の逆問題計算において使用すれば、通常の光拡散イメージングよりも高解像度の画像を得ることができる。 Furthermore, if information obtained by photoacoustic imaging is used in the calculation of the inverse problem of light, an image with higher resolution than that of normal light diffusion imaging can be obtained.
(PAT:光音響イメージング)
上記した光音響イメージングによれば、生体内での音響波の散乱が光に比べて少ないことから、数mm以下の空間的な生体情報を高解像度で得ることが可能である。
(PAT: Photoacoustic imaging)
According to the photoacoustic imaging described above, since the scattering of acoustic waves in the living body is less than that of light, it is possible to obtain spatial biological information of several mm or less with high resolution.
この光音響イメージングは、上記の式(1)から分かるように、音圧(P)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。 As can be seen from the above equation (1), in this photoacoustic imaging, in order to obtain the absorption coefficient (μ a ) distribution in the living body from the measurement of the sound pressure (P) change, the amount of light applied to the absorber is measured. It is necessary to obtain the distribution (Φ) by some method.
しかし、複雑な生体内の場合、吸収体に照射された光量の推定が難しく、一般的な音響波の音圧測定だけでは、光エネルギー吸収密度分布(μa・Φ)しか画像化することができないという問題がある。 However, in a complicated living body, it is difficult to estimate the amount of light irradiated to the absorber, and only the light energy absorption density distribution (μ a · Φ) can be imaged only by measuring the sound pressure of a general acoustic wave. There is a problem that you can not.
すなわち、音響波のみの測定から、吸収体に照射される光量の分布(Φ)を算出し、生体内の吸収係数分布(μa)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 measurement of only the acoustic wave, and to accurately separate and image the absorption coefficient distribution (μ a ) in the living body.
この結果、光音響イメージングだけでは、正確な吸収係数(μa)の分布を求めることができず、生体組織の構成物質特定や濃度測定を行うことができないという課題がある。 As a result, the photoacoustic imaging alone cannot obtain an accurate distribution of the absorption coefficient (μ a ), and there is a problem that it is impossible to specify a constituent material of a living tissue and to measure a concentration.
そこで、拡散光イメージングにより得たデータを用いて、光音響イメージングで用いる吸収係数とすることができる。具体的には、下記の拡散方程式近似(光伝播モデル式の一つ)から、超音波測定とは独立に光量(Φ)を決めることが可能となる。 Therefore, the data obtained by diffused light imaging can be used as an absorption coefficient used in photoacoustic imaging. Specifically, the light quantity (Φ) can be determined independently of ultrasonic measurement from the following diffusion equation approximation (one of light propagation model equations).
ここで、▽は空間に関する微分、μs’は等価散乱係数、μaは吸収係数、νは生体内の光の伝播速度、S0(r,t)は組織内の光源である。 Here, ▽ the derivative with respect to space, .mu.s' the equivalent scattering coefficient, mu a is the absorption coefficient, [nu light propagation velocity in the living body, S 0 (r, t) is the source of the tissue.
すなわち、拡散光イメージングによれば、光音響イメージングでは直接測定することのできなかった光量(Φ)の分布を直接決定することができる。そのため、拡散光イメージングで求めた光量(Φ)と、光音響イメージングで求めた光エネルギー吸収密度分布(μa・Φ)を利用すれば、吸収係数分布を定量的かつ、高解像度に求めることができる。 That is, according to diffused light imaging, the distribution of the light quantity (Φ) that cannot be directly measured by photoacoustic imaging can be directly determined. Therefore, if the light quantity (Φ) obtained by diffuse light imaging and the light energy absorption density distribution (μ a · Φ) obtained by photoacoustic imaging are used, the absorption coefficient distribution can be obtained quantitatively and with high resolution. it can.
このように、光音響イメージングと拡散光イメージングを融合して用いることで、吸収係数分布の定量性及び解像度を上げることができる。これにより、生体を構成している物質の濃度を求めることも可能となる。また、通常の音響波イメージングでは定数として扱われているグリューナイセン係数(Γ)分布の正確な値を求めることも可能となる。 As described above, by combining photoacoustic imaging and diffused light imaging, the quantitativeness and resolution of the absorption coefficient distribution can be improved. Thereby, it is also possible to obtain the concentration of the substance constituting the living body. In addition, it is possible to obtain an accurate value of the Gruneisen coefficient (Γ) distribution, which is treated as a constant in normal acoustic wave imaging.
上記の原理を図6(a)から(c)を用いて説明する。図6(a)は、光を用いたイメージング技術により内部の画像化を行う被検体62の一例を示しており、被検体内部には光吸収体63が存在する。61は光源から被検体に照射される光を表しており、この光を用いて、内部の光吸収体を画像化する。なお、64は図6(a)中の点線部分の吸収係数値分布を示している。図6(b)は従来の光音響イメージング技術を用いて、図6(a)の被検体を画像化した例を示している。66はイメージング画像であり、65は図中の点線部分での光エネルギー吸収密度分布(μa・Φ)を示している。この図から分かるように、従来の光音響イメージングで画像化することができる光エネルギー吸収密度分布(μa・Φ)画像は、実際の吸収係数分布(μa)画像とは大きく異なる。つまり、生体などでは、局所的な光量が光拡散により、伝搬距離に比例して大きく減衰するため、光照射領域から遠くにある光吸収体と近くにある光吸収体の吸収係数及び大きさが同じ場合であっても遠くにある光吸収体は低いコントラストとして画像化されてしまう。
The above principle will be described with reference to FIGS. FIG. 6A shows an example of a subject 62 that performs internal imaging with an imaging technique using light, and a
一方、本発明の光音響イメージングと拡散光イメージングの融合技術を用いれば、図6(c)のような画像を得ることも可能である。図6(c)において、68はイメージング画像であり、67は図中の点線部分の吸収係数値分布を示している。このように、本発明では、光吸収体が光照射領域から遠くあるいは近くに存在しても、大きさ及び吸収係数が同じであれば、ほぼ同じコントラストで画像化できる。つまり、実際の吸収係数分布に比例した画像を得ることができる。 On the other hand, if the fusion technique of photoacoustic imaging and diffused light imaging of the present invention is used, an image as shown in FIG. 6C can be obtained. In FIG. 6C, 68 is an imaging image, and 67 shows the absorption coefficient value distribution of the dotted line portion in the figure. As described above, in the present invention, even if the light absorber exists far from or near the light irradiation region, if the size and the absorption coefficient are the same, images can be formed with substantially the same contrast. That is, an image proportional to the actual absorption coefficient distribution can be obtained.
(画像再構成アルゴリズム)
画像化に際しては、例えば拡散光イメージング装置により得られた各光検出器での検出結果と、上記のようにパラメータを推定して前記光拡散方程式から各検出器での出力結果を計算した結果とを比較する。両結果が一致しているのであれば、その結果を画像化する。
(Image reconstruction algorithm)
At the time of imaging, for example, the detection result obtained by each light detector obtained by a diffused light imaging apparatus, and the result of calculating the output result at each detector from the light diffusion equation by estimating parameters as described above Compare If both results match, the result is imaged.
一方、両結果が不一致の場合は、等価散乱係数分布と吸収係数分布を仮定し、再度、拡散方程式から各検出器での検出結果を計算し直して、再度PATによる測定結果と比較する。 On the other hand, if the two results do not match, the equivalent scattering coefficient distribution and the absorption coefficient distribution are assumed, the detection results at each detector are calculated again from the diffusion equation, and compared again with the measurement results by PAT.
以上のような動作を繰り返して、画像化を行うこともできる。なお、比較処理に際しては、両者の数値が完全一致する場合は勿論、予め許容される誤差範囲を定めておき、当該誤差範囲内であれば、両者一致と判断するように設定しておくことも可能である。 It is also possible to perform imaging by repeating the above operation. In the comparison process, in addition to the case where both numerical values completely match, an allowable error range may be determined in advance, and within the error range, it may be determined that both match. Is possible.
また、対象物の画像を再構成する際には、以下のようなアルゴリズムにしてもよい。 Further, when reconstructing the image of the object, the following algorithm may be used.
1)光音響イメージングにより吸収体の大きさ(d)と位置(x,y,z)を決定する。2)拡散光イメージングにより、上記(1)により取得された位置と大きさの情報を使い、各場所での光量(Φ)・吸収係数(μa)、等価散乱係数(μs’)を逆問題計算により算出する。 1) The size (d) and position (x, y, z) of the absorber are determined by photoacoustic imaging. 2) Using diffused light imaging, the information on the position and size acquired in (1) above is used to reverse the light intensity (Φ), absorption coefficient (μ a ), and equivalent scattering coefficient (μ s ′) at each location. Calculate by problem calculation.
3)光音響イメージングの結果に対して、上記の光量(Φ)を使い、吸収係数(μa)を計算する。 3) The absorption coefficient (μa) is calculated for the photoacoustic imaging result by using the light quantity (Φ).
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]
まず、本発明の実施形態1における生体情報イメージング装置について説明する。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。本実施形態の生体情報イメージング装置は、乳癌などの腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などのため、生体内の光学特性値あるいは弾性特性値分布及び、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布の画像化を可能とするものである。
[Embodiment 1]
First, the biological information imaging apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 1 illustrates a configuration example of a biological information imaging apparatus according to the present embodiment. The biological information imaging apparatus according to the present embodiment is used for diagnosis of tumors such as breast cancer and vascular diseases, follow-up of chemical treatment, etc. This makes it possible to image the concentration distribution of substances constituting the tissue.
本実施形態の生体情報イメージング装置は、光を生体18に照射する光源11と、光源11から照射された光を生体18に導く光導波路12を備える。
The biological information imaging apparatus of the present embodiment includes a
また、生体内における腫瘍、血管、またはこれらに類する生体内の光吸収体19が光のエネルギーの一部を吸収して発生した音響波21を検出し第一の電気信号に変換する音響波検出器13を備える。
In addition, an acoustic wave detection in which an
また、前記光が生体内を拡散した後の光20の強度を検出し、第二の電気信号に変換する光検出器14を備える。
Moreover, the
また、第一の電気信号の解析により、第一の光学特性値分布情報を得る演算部22を備える。第一の光学特性値分布情報としては、吸収体の大きさ、吸収体が存在する位置、吸収係数の大きさに関連する値(例えば、吸収係数と光量の積(μa・Φ)の分布である光エネルギー吸収密度分布)がある。
Moreover, the
また、演算部22は、第一の光学特性値分布情報を利用して、第二の電気信号を解析し、第二の光学特性値分布情報あるいは、弾性特性値分布を求めることができる。第二の光学特性値分布情報としては、吸収体に照射された光量(Φ)、吸収体の吸収係数(μa)、等価散乱係数(μs’)がある。また、弾性特性値分布とは、グリューナイセン係数(Γ)の分布のことである。
In addition, the
このように、光音響イメージングで得た情報を、光拡散方程式における非適切逆問題の計算で用いることにより、計算時間の短縮化を図ることができる。 Thus, the calculation time can be shortened by using the information obtained by the photoacoustic imaging in the calculation of the inappropriate inverse problem in the light diffusion equation.
ところで、拡散光イメージングは光音響イメージングに比べて解像度の点では劣るものの、定量性の点では有利である。そこで、第一の信号処理部15で得られた定量性の低い吸収係数分布を光の逆問題計算において使用すれば、解像度は光音響イメージングにより決定されるため、拡散光イメージングよりも解像度の高いイメージングを実現することができる。 By the way, although diffused light imaging is inferior in terms of resolution compared to photoacoustic imaging, it is advantageous in terms of quantitativeness. Therefore, if the low-quantitative absorption coefficient distribution obtained by the first signal processing unit 15 is used in the light inverse problem calculation, the resolution is determined by photoacoustic imaging, and therefore the resolution is higher than that of diffused light imaging. Imaging can be realized.
本実施形態の生体情報イメージング装置は、以下の各部によって構成される。 The biological information imaging apparatus according to the present embodiment includes the following units.
光源11は、生体を構成する成分のうち特性の成分に吸収される特定の波長の光を照射する手段として用いられる。
The
光源11は、一つまたは複数の光源によって構成することができ、少なくとも一つがパルス光を発生する光源とする。
The
すなわち、数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源を少なくとも一つを備える。その際、パルス光の波長が、400nm以上、1600nm以下の範囲であることが好ましい。 That is, at least one pulsed light source capable of generating pulsed light on the order of several nanometers to several hundred nanoseconds is provided. At that time, the wavelength of the pulsed light is preferably in the range of 400 nm or more and 1600 nm or less.
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。 A laser is preferable as the light source, but a light emitting diode or the like may be used instead of the laser.
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。 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、前述したように複数の光源を用いても良いが、その場合は、生体に照射する光の照射強度を上げるため、同じ波長を発振する光源を複数用いても良い。 In the present embodiment, a plurality of light sources may be used as described above. In that case, a plurality of light sources that oscillate at the same wavelength may be used in order to increase the irradiation intensity of the light applied to the living body.
また、光学特性値分布の波長による違いを測定するために、発振波長の異なる光源を複数個用いても良い。 In order to measure the difference in the optical characteristic value distribution depending on the wavelength, a plurality of light sources having different oscillation wavelengths may be used.
なお、光源11が一つである場合において、発振する波長の変換可能な色素やOPO(Optical Parametric Oscillators)を用いることができれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。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。
In the case where the number of
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 range wider than the above wavelength range, for example, a wavelength range of 400 nm to 1600 nm.
図1の光導波路12は光源から照射された光を検査対象である生体18に導く役目をする。光導波路12としては、光ファイバが好ましいが、光源11を検査対象である生体近傍に配置できる場合は使用しなくても問題はない。
The
光ファイバを用いる場合は、それぞれの光源に対して、複数の光ファイバを使用して、生体表面に光を導くことも可能であるし、複数の光源からの光を一本の光ファイバに導き、一本の光ファイバのみを用いて、すべての光を生体に導いても良い。 When using an optical fiber, it is possible to guide light to the surface of a living body by using a plurality of optical fibers for each light source, or to guide light from a plurality of light sources to a single optical fiber. All light may be guided to the living body using only one optical fiber.
本実施形態の音響波検出器13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を検出し、第一の電気信号に変換する。すなわち、音響波検出器13は、音響波を受信し、受信した音響波の圧力に応じて第一の電気信号を出力する。音響波検出器13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を用いることができる。
The
また、本実施の形態では、複数の音響波検出器13を生体表面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
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個の音響波検出器13を生体表面上で2次元に走査してもよい。また、エリア型の音響波検出器13を設けてもよく、光源11と音響波検出器13を生体に対して対向して配置してもよい。
That is, since the same effect can be obtained if acoustic waves can be detected at a plurality of locations, one
また、音響波検出器13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。また、音響波検出器13と測定対象である生体18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。
Further, when the electrical signal obtained from the
本実施形態の光検出器14は、光源11から生体に照射された光における生体内を伝播する光20の光強度を検出し、第二の電気信号に変換する。すなわち、光検出器14は、伝播光を受信し、受信した伝播光の強度に応じて第二の電気信号を出力する。
The
光検出器14としては、フォトダイオード(PD)、アバランシェフォトダイオード(APD)、光電子増倍管(PMT)などを用いることができる。
As the
なお、検査対象である生体18の近傍に光検出器14を配置できない場合は、光ファイバを用いて光を光検出器に導くことも可能である。
In addition, when the
また、本実施の形態では、複数の光検出器14を用いた例を示しているが、このような構成に限られず、音響波検出器13と同様に1個の光検出器14を生体表面上で2次元に走査してもよい。また、エリア型の光検出器14を設けてもよく、光源11と光検出器14を対向して配置してもよい。
In this embodiment, an example in which a plurality of
演算部22は、音響波の強さとその時間変化を記憶し、その情報を光学特性値分布のデータに変換できるものである。また、光強度を記憶し、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る。そして、音響波イメージングまたは拡散光イメージングの一方により得られた光学特性値分布のデータを他方のイメージングに利用する演算処理を行う。演算部22としては、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などが使用できる。
The
なお、第一の電気信号の解析により光学特性値分布情報を得る処理部を第一の情報処理部とし、第二の電気信号の解析により光学特性値分布情報を得る処理部を第二の情報処理部とすることもできる。 The processing unit that obtains the optical characteristic value distribution information by analyzing the first electrical signal is the first information processing unit, and the processing unit that obtains the optical characteristic value distribution information by analyzing the second electrical signal is the second information. It can also be a processing unit.
この場合、第一の情報処理部により得た情報を第二の情報処理部での情報処理に用いることもできるし、また第二の情報処理部により得た情報を第一の情報処理部での情報処理に用いることもできる。例えば、第一の情報処理部により、第一の電気信号を解析し、生体の光学特性値分布情報を得た後に、第二の情報処理部により、該光学特性値分布情報と第二の電気信号を解析して生体の光学特性値分布情報を得るように構成してもよい。 In this case, the information obtained by the first information processing unit can be used for information processing by the second information processing unit, and the information obtained by the second information processing unit can be used by the first information processing unit. It can also be used for information processing. For example, after the first information signal is analyzed by the first information processing unit and the optical characteristic value distribution information of the living body is obtained, the second information processing unit obtains the optical characteristic value distribution information and the second electric value distribution information. You may comprise so that the optical characteristic value distribution information of a biological body may be obtained by analyzing a signal.
なお、光源11として複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長に関して、生体内の吸収係数(μa)と、等価散乱係数(μs´)を算出することにより、生体組織を構成する物質の濃度分布を画像化することができる。すなわち、これらの光学的特性の値と、グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなどの生体組織を構成する物質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。
When light of a plurality of wavelengths is used as the
さらには、第一の電気信号より得られた光学特性値分布値と、第二の電気信号より得られた光学特性値分布値を解析することで、従来技術では困難であった生体内の弾性特性値分布、すなわちグリューナイセン係数分布も測定可能になる。 Furthermore, by analyzing the optical characteristic value distribution value obtained from the first electric signal and the optical characteristic value distribution value obtained from the second electric signal, elasticity in the living body, which was difficult in the prior art, was analyzed. It is also possible to measure the characteristic value distribution, that is, the Gruneisen coefficient distribution.
具体的には、第二の電気信号により得られた吸収体に照射された光量(Φ)と、第一の電気信号により得られた光吸収係数と光量の積(μa・Φ)から、吸収体の吸収係数(μa)を求める。そして第一の電気信号により得られた音圧を式(1)に当てはめることにより、グリューナイセン係数分布を演算する。なお、光量(Φ)は、上記のように、第一の電気信号により得た光学特性値分布値を利用して、第二の電気信号を解析することにより得ることも可能であるし、また、第二の電気信号のみを解析することにより得ることも可能である。 Specifically, from the amount of light (Φ) irradiated to the absorber obtained by the second electrical signal and the product of the light absorption coefficient and the amount of light obtained by the first electrical signal (μ a · Φ), The absorption coefficient (μ a ) of the absorber is obtained. Then, by applying the sound pressure obtained from the first electric signal to the equation (1), the Gruneisen coefficient distribution is calculated. The light quantity (Φ) can be obtained by analyzing the second electric signal using the optical characteristic value distribution value obtained by the first electric signal as described above. It can also be obtained by analyzing only the second electrical signal.
また、本発明の実施形態では演算部22の処理により得られた画像情報を表示する画像表示部17を備えることが望ましい。
In the embodiment of the present invention, it is desirable to include the
[実施形態2]
つぎに、本発明の実施形態2における生体情報イメージング装置について説明する。
[Embodiment 2]
Next, a biological information imaging apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described.
図2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。なお、図1と同じ構成については同じ符号を付している。 FIG. 2 illustrates a configuration example of the biological information imaging apparatus according to this embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same structure as FIG.
本実施形態における光源は、パルス光を発生する第一の光源11と、前記パルス光とは別の波形の光を発生する第二の光源23による少なくとも2つの光源で構成される。
The light source in this embodiment includes at least two light sources including a
また、前記第一の光源11から生体に照射された光が、音響波検出器13により前記第一の電気信号に変換可能に構成される。また、前記第二の光源23から生体に照射された光が、光検出器14により前記第二の電気信号に変換可能に構成される。
In addition, the light emitted from the
また、第一の電気信号の解析により得られた光学特性値分布情報と第二の電気信号を解析し、生体の光学特性値分布を求める演算部22が設けられている。なお、この演算部22は、第二の電気信号の解析により得られた光学特性値分布情報と第一の電気信号を解析することにより生体の光学特性値分布を求めることもできる。
In addition, a
本実施形態の生体情報イメージング装置は、以上の各部によって構成される。 The biological information imaging apparatus of the present embodiment is configured by the above-described units.
第一の光源11は生体を構成する成分のうち特性の成分に吸収される特定の波長のパルス光を照射する。
The
第一の光源としては数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なレーザーが好ましく、実施形態1の光源と同様なものを使用することができる。なお、本実施形態では第一の光源は一つであるが複数の光源を用いることも可能である。 The first light source is preferably a laser capable of generating pulsed light on the order of several nanometers to several hundred nanoseconds, and the same light source as that of the first embodiment can be used. In the present embodiment, there is one first light source, but a plurality of light sources may be used.
第二の光源23も第一の光源と同様に生体を構成する成分のうち特性の成分に吸収される特定の波長の光を照射する。
Similarly to the first light source, the second
第二の光源から発生する光は連続光、強度変調光、第一のパルス光源から照射されたパルス幅とは異なるパルス光のいずれかである。 The light generated from the second light source is either continuous light, intensity-modulated light, or pulsed light having a different pulse width from the first pulsed light source.
連続光を用いる場合は、半導体レーザーや発光ダイオードなど様々なコヒーレント光及び非コヒーレント光源を利用することができる。 When continuous light is used, various coherent light and non-coherent light sources such as a semiconductor laser and a light emitting diode can be used.
強度変調光及び、パルス光を発振する光源でも同様に半導体レーザーや発光ダイオードなど様々なコヒーレント光及び非コヒーレント光源を利用することができる。 As the light source that oscillates the intensity-modulated light and the pulsed light, various coherent light and non-coherent light source such as a semiconductor laser and a light emitting diode can be used.
なお、本実施形態では第一の光源は一つであるが複数の光源を用いることも可能である。図2の光導波路12、音響波検出器13、光検出器14、演算部22に関しては、第一の実施形態と同様のものを使用することができる。
In the present embodiment, there is one first light source, but a plurality of light sources may be used. As for the
このように、本実施形態では、光音響イメージング用のパルス光と、拡散光イメージング用の光を個別に設けたことから、様々な領域の光学特性値分布を高解像度に求めることが可能となる。 As described above, in this embodiment, the pulse light for photoacoustic imaging and the light for diffused light imaging are separately provided, so that it is possible to obtain the optical characteristic value distribution in various regions with high resolution. .
[実施形態3]
つぎに、本発明の実施形態3における生体情報イメージング装置について説明する。
[Embodiment 3]
Next, a biological information imaging apparatus according to Embodiment 3 of the present invention 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。本実施形態の生体情報イメージング装置は、悪性腫瘍の診断やアルツハイマー病や頚動脈プラークなど、造影剤を用いた様々な疾患の診断のため、生体内に導入された造影剤集積場所及び、濃度分布など画像化を可能とするものである。 FIG. 3 illustrates a configuration example of the biological information imaging apparatus according to this embodiment. The biological information imaging apparatus according to the present embodiment is used to diagnose a variety of diseases using a contrast medium such as a malignant tumor diagnosis, Alzheimer's disease, and carotid artery plaque. Imaging is possible.
その際、前記した第二の電気信号に変換する光検出器が、生体内を伝播した光の強度を検出するに当たり、光源の光とは波長の異なる光の光強度を検出可能に構成されている。 At that time, the photodetector for converting into the second electric signal is configured to detect the light intensity of light having a wavelength different from that of the light of the light source when detecting the intensity of the light propagated in the living body. Yes.
すなわち、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(造影剤)から発生する、前記光源の光とは波長の異なる光の光強度を検出可能に構成されている。 That is, the light intensity of light having a wavelength different from that of the light of the light source generated from the light absorber (contrast agent) in the living body that absorbs a part of the energy of light irradiated to the living body from the light source can be detected. Has been.
具体的には、本実施形態における生体情報イメージング装置は、第一の光を発生するための光源11、前記光源から照射された第一の光を生体18に導く光導波路12を備える。
Specifically, the biological information imaging apparatus according to the present embodiment includes a
また、光導波路12を通り生体18に照射された第一の光エネルギーの一部を、生体内に導入された造影剤30により吸収されて発生した音響波21を検出し、第一の電気信号に変換する音響波検出器13を備える。
Further, the
また、光導波路から生体に照射された第一の光エネルギーの一部を吸収して発生した第二の光31が生体内を伝播した後の強度を検出し、第二の電気信号に変換する光検出器14を備える。
Further, the
また、第一の電気信号の解析により得られた光学特性値分布情報と第二の電気信号を解析し、生体の光学特性値分布を求める演算部22が設けられている。なお、この演算部22は、第二の電気信号の解析により得られた光学特性値分布情報を利用して第一の電気信号を解析することにより生体の光学特性値分布を求めることもできる。
In addition, a
本実施形態の生体情報イメージング装置は、以上の各部によって構成される。 The biological information imaging apparatus of the present embodiment is configured by the above-described units.
図3の光源11は生体内に導入された造影剤30に吸収される特定の波長のパルス光(第一の光)を照射する。
The
光源11としては数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なレーザーが好ましく、実施形態1の光源と同様なものを使用することができる。
The
なお、本実施形態では光源11は一つであるが複数の光源を用いることも可能である。
In the present embodiment, the number of
図2の光導波路12、音波検出器13、光検出器14、演算部22に関しては、実施形態1と同様のものを使用することができる。
As the
なお、第二の光31とは造影剤30から発生されるものであり、光源11から照射される第一の光とは波長の異なる光のことである。
The
望ましくは造影剤30から発せられる蛍光であることが望ましい。造影剤30としては典型的にインドシニアングリーン(ICG)などが用いられるが、パルス光照射により、音響波を発し、かつ、パルス光とは別の波長の光を発光するものであれば、どのような物質を用いてもかまわない。
Desirably, the fluorescence emitted from 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造影剤の光学特性分布を正確に得て、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 property distribution of the contrast agent introduced into the living body can be obtained more accurately and imaged than in the prior art.
[実施形態4]
本実施形態では音響波検出器と光検出器とから得られた電気信号による生体情報の解析方法について説明する。
[Embodiment 4]
In the present embodiment, a biological information analysis method using electrical signals obtained from an acoustic wave detector and a photodetector will be described.
以下、図4を用いて、生体内の光学特性値分布である吸収係数(μa)と等価散乱係数(μs´)、及び生体の弾性的な特性であるグリューナイセン係数分布(Γ)を求めるためのフローチャートの一例を説明する。 Hereinafter, with reference to FIG. 4, the absorption coefficient (μ a ) and equivalent scattering coefficient (μ s ′), which are optical characteristic value distributions in the living body, and the Gruyenesen coefficient distribution (Γ), which is an elastic characteristic of the living body. An example of a flowchart for obtaining the above will be described.
光検出器により生体内部を伝播した光20の強度を検出し、電気信号に変換する(S100)。 The intensity of the light 20 propagated inside the living body is detected by the photodetector and converted into an electric signal (S100).
音響波検出器により生体内部にある光吸収体19から発生した音響波信号を検出し、電気信号に変換する(S101)。
The acoustic wave detector detects the acoustic wave signal generated from the
S101のステップで得た電気信号を解析して、生体内の吸収係数(μa)分布を仮定する(S102)。前述したように、生体内にある光吸収体から発生した音波の音圧Pは次式であらわすことができる。
P=Γ・μa・Φ
The electrical signal obtained in the step of S101 is analyzed, and an in vivo absorption coefficient (μ a ) distribution is assumed (S102). As described above, the sound pressure P of the sound wave generated from the light absorber in the living body can be expressed by the following equation.
P = Γ · μ a · Φ
ここで、Γはグリューナイセン係数、μaは吸収体の吸収係数、Φは光吸収体に照射された光量である。 Here, Γ is a Gruneisen coefficient, μ a is an absorption coefficient of the absorber, and Φ is an amount of light irradiated to the light absorber.
グリューナイセン係数を組織内でほぼ一定とみなすと、音圧(P)の時間分解計測により、吸収係数(μa)と光量(Φ)の積、すなわち光エネルギー吸収密度(H)の分布を求めることができる。ここで、光量(Φ)は光源からの距離に応じて指数関数的に減衰するため、生体の平均的な値を使うなど指数関数内の係数を仮定することにより、生体内における定性的な吸収係数(μa)の分布も仮定することができる(S102)。 Assuming that the Gruneisen coefficient is almost constant in the tissue, the product of the absorption coefficient (μ a ) and the amount of light (Φ), that is, the distribution of the light energy absorption density (H) is obtained by time-resolved measurement of the sound pressure (P). Can be sought. Here, the quantity of light (Φ) decays exponentially according to the distance from the light source, so qualitative absorption in the living body is assumed by assuming a coefficient in the exponential function such as using the average value of the living body. A distribution of coefficients (μ a ) can also be assumed (S102).
また、S102のステップで求めた吸収係数(μa)の分布を基に、等価散乱係数(μs´)の分布も仮定する(S103)。 Further, based on the distribution of the absorption coefficient (μ a ) obtained in the step of S102, the distribution of the equivalent scattering coefficient (μ s ′) is also assumed (S103).
S102とS103のステップで仮定した吸収係数(μa)と等価散乱係数(μs´)を用いて、放射輸送方程式(ボルツマン方程式)あるいは拡散方程式を用いた光伝播モデルを解き、各光検出器で計測されうる光強度を計算する(S104)。 Using the absorption coefficient (μ a ) and equivalent scattering coefficient (μ s ′) assumed in steps S102 and S103, a light propagation model using a radiation transport equation (Boltzmann equation) or a diffusion equation is solved, and each photodetector is detected. The light intensity that can be measured is calculated (S104).
S104のステップで求めた光強度の値と、S100のステップで実際に計測された光強度を比較する(S105)。不一致の場合はS102のステップに戻り、新たに生体内の吸収係数(μa)、等価散乱係数(μs’)を仮定し、その差が小さくなるまで繰り返す。すなわち、S105のステップにおける比較は、常に完全一致するまで繰り返さなければならないわけではなく、計算の残差が収束条件を満たすか否かを基準として一致すると判断してもよい。 The light intensity value obtained in step S104 is compared with the light intensity actually measured in step S100 (S105). If they do not match, the process returns to step S102, and a new in vivo absorption coefficient (μ a ) and equivalent scattering coefficient (μ s ′) are assumed, and the process is repeated until the difference becomes small. In other words, the comparison in step S105 does not always have to be repeated until a perfect match is obtained, and it may be determined that the comparison is based on whether or not the calculation residual satisfies the convergence condition.
S105のステップで計算により求めた光強度と計測により求めた光強度が一致、あるいは計算の残差が収束条件を満たした場合は、仮定した吸収係数分布と等価散乱係数分布を生体内の吸収係数と等価散乱係数分布と決定する(S106)。 If the light intensity obtained by calculation in step S105 matches the light intensity obtained by measurement, or if the residual of the calculation satisfies the convergence condition, the assumed absorption coefficient distribution and the equivalent scattering coefficient distribution are converted into the absorption coefficient in the living body. And the equivalent scattering coefficient distribution are determined (S106).
S106のステップで決定した生体内の吸収係数(μa)と等価散乱係数(μs´)の分布を用いて、光量(Φ)の分布を求め、生体内の吸収係数(μa)と光量(Φ)の積、すなわち光エネルギー吸収密度(H)の分布を求める(S107)。 Using the distribution of the absorption coefficient (μ a ) in the living body and the equivalent scattering coefficient (μ s ′) determined in step S106, the distribution of the light quantity (Φ) is obtained, and the absorption coefficient (μ a ) and the light quantity in the living body are obtained. The product of (Φ), that is, the distribution of the light energy absorption density (H) is obtained (S107).
S101のステップで計測された音圧の大きさと、S107のステップで求めた光エネルギー吸収密度の分布から、生体内のグリューナイセン係数(Γ)分布を求める(S108)。 From the distribution of the sound pressure measured at the step S101 and the distribution of the light energy absorption density obtained at the step S107, an in-vivo Grueneisen coefficient (Γ) distribution is obtained (S108).
なお、S101のステップによる音圧測定をS100のステップによる光強度測定よりも先に行ってもよい。 Note that the sound pressure measurement in step S101 may be performed before the light intensity measurement in step S100.
また、S103のステップによる等価散乱係数(μs´)の仮定をS102のステップによる吸収係数(μa)の仮定よりも先に行ってもよい。 Further, the assumption of the equivalent scattering coefficient (μ s ′) by the step of S103 may be performed before the assumption of the absorption coefficient (μ a ) by the step of S102.
さらに、生体内の吸収係数分布のみを求めたい場合は、S106のステップで終了させることも可能である。 Furthermore, when it is desired to obtain only the absorption coefficient distribution in the living body, it is possible to end the process in step S106.
このような計算を演算部で行うことで、計測対象である生体の吸収係数、等価散乱係数のような光学特性値分布及び、グリューナイセン係数のような生体の弾性特性分布を正確に画像化することが可能となる。 By performing this calculation in the calculation unit, the optical characteristic value distribution such as the absorption coefficient and equivalent scattering coefficient of the living body to be measured and the elastic characteristic distribution of the living body such as the Gruyensen coefficient are accurately imaged. It becomes possible to do.
また、それらの値を用いて、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)の濃度分布の画像化することも可能である。 Moreover, it is also possible to image the concentration distribution of substances (glucose, collagen, oxidized / reduced hemoglobin, etc.) constituting the living tissue using these values.
[実施形態5]
次に図5を用いて、生体内の光学特性値分布である吸収係数(μa)と散乱係数(μs´)の分布を求めるためのフローチャートの一例を説明する。なお、図5において、実施形態4と同様のステップに関しては同じ符号を付している。
[Embodiment 5]
Next, an example of a flowchart for obtaining the distribution of the absorption coefficient (μ a ) and the scattering coefficient (μs ′), which are optical characteristic value distributions in the living body, will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the same steps as those in the fourth embodiment are denoted by the same reference numerals.
実施形態4と同様の処理により、光伝播モデルを解き、各光検出器で計測されうる光強度を計算する(S104)。 The light propagation model is solved by the same processing as in the fourth embodiment, and the light intensity that can be measured by each photodetector is calculated (S104).
S104のステップで求めた生体内の吸収係数(μa)と等価散乱係数(μs´)の分布を用いて、生体内の光量(Φ)の分布を求める(S200)。 Using the distribution of the absorption coefficient (μ a ) and the equivalent scattering coefficient (μ s ′) in the living body obtained in step S104, the distribution of the light quantity (Φ) in the living body is obtained (S200).
S101のステップで計測された音響波の大きさと、S200のステップで求めた光量(Φ)の分布から生体内の吸収係数(μa)の分布を決定する。 The distribution of the absorption coefficient (μ a ) in the living body is determined from the magnitude of the acoustic wave measured in step S101 and the distribution of the light quantity (Φ) obtained in step S200.
このような計算を演算部で行うことで、計測対象である生体の吸収係数分布画像を正確に形成することが可能となる。 By performing such a calculation by the calculation unit, it is possible to accurately form an absorption coefficient distribution image of a living body to be measured.
さらには、それらの値を用いて、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)の濃度分布の画像化することも可能である。 Furthermore, using these values, it is possible to image the concentration distribution of substances (such as glucose, collagen, oxidized / reduced hemoglobin) constituting the living tissue.
なお、実施形態4と実施形態5で説明した方法は、実施形態1から3で説明した装置を用いることにより実現することが可能である。 Note that the method described in the fourth and fifth embodiments can be realized by using the apparatus described in the first to third embodiments.
また、上記では音響波のデータを用いて拡散光イメージングから光量(Φ)を求めたが、拡散光イメージングから直接的に光量(Φ)の分布を求めておき、音響波イメージングにより、吸収係数(μa)の分布を求めることも可能である。 In the above, the light quantity (Φ) is obtained from diffused light imaging using acoustic wave data, but the distribution of the light quantity (Φ) is obtained directly from diffused light imaging, and the absorption coefficient ( It is also possible to determine the distribution of μ a ).
なお、ここでは上記のフローチャートに基づいて、光吸収係数、等価拡散係数、グリューナイセン係数分布を求める方法を用いたが、本発明はこれらのフローチャートに限定されるものではない。 Here, the method of obtaining the light absorption coefficient, the equivalent diffusion coefficient, and the Gruneisen coefficient distribution is used based on the above flowcharts, but the present invention is not limited to these flowcharts.
本発明の本質は、光源から生体に照射された光のエネルギー吸収によって生じた音響波と、生体に照射された光が生体内を伝播した後の光強度を検出し、それぞれの情報を相互に利用して解析することで、生体内の光学特性値分布を正確に求めることにある。 The essence of the present invention is that the acoustic wave generated by the energy absorption of the light irradiated on the living body from the light source and the light intensity after the light irradiated on the living body propagates through the living body are detected, and each information is mutually exchanged. It is to obtain the optical characteristic value distribution in the living body accurately by using and analyzing.
したがって、本発明は以上で説明したフローチャートに限定されるものではない。 Therefore, the present invention is not limited to the flowchart described above.
次に、本発明に係る生体情報のイメージング方法に係る発明について説明する。 Next, an invention relating to a biological information imaging method according to the present invention will be described.
当該方法の骨子は、生体内に入射した光の拡散光を複数の箇所で測定することにより、該生体内のイメージング対象物の光学特性に関する分布情報を取得し、該分布情報を用いて、前記イメージング対象物に関する情報を画像化する際に、以下の工夫を行う。 The essence of the method is to obtain distribution information regarding the optical characteristics of the imaging object in the living body by measuring diffused light of light incident on the living body at a plurality of locations, and using the distribution information, The following measures are taken when imaging information related to the imaging object.
即ち、前記イメージング対象物により出力される弾性波に基づく情報を用いて、前記画像化を行うのである。ここで、イメージング対象物の光学特性に関する分布情報とは、吸収係数及び/又は等価散乱係数である。勿論、本発明におけるイメージング方法は、それ以外の光学的特性を排除するものではない。 That is, the imaging is performed using information based on elastic waves output by the imaging object. Here, the distribution information relating to the optical characteristics of the imaging object is an absorption coefficient and / or an equivalent scattering coefficient. Of course, the imaging method of the present invention does not exclude other optical characteristics.
以下、本発明について実施例を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described using examples.
本発明の実施例の一つを説明する。生体中の血管の吸収係数分布を求めることを目的とした生体情報イメージング装置の例について図2を用いて説明する。 One embodiment of the present invention will be described. An example of a biological information imaging apparatus for the purpose of obtaining the absorption coefficient distribution of blood vessels in the living body will be described with reference to FIG.
光源11としては1064nmのナノ秒パルス光を発振できるQスイッチNd:YAGレーザーを用いる。パルスの幅は約5ナノ秒であり、繰り返し速度は10Hzである。もう一つの光源23として、1060nmの半導体レーザーを用いる。このとき、光は変調される。変調周波数は100MHzである。また、複数の位置から光源23を照射するため、光源23は移動可能である。ここでは8ヶ所で光源23を照射できるようにする。
As the
音響波検出器13としては中心周波数1MHzのピエゾタイプのトランスデューサーを256個用いる。なお、このアレイは2次元的に配列している。
As the
光検出器14として、光電子倍増管(PMT)を8個使用する。生体内を伝播した光を光検出器に入れるため、図1には示されていない光ファイバを生体表面にカップリングさせ、そこから伝播光を光検出器14まで導く。
As the
電気信号に変換された音響波信号及び光信号は、それぞれオシロスコープで記録されたのち、コンピュータに送られ、解析する。 The acoustic wave signal and the optical signal converted into the electrical signal are recorded by an oscilloscope, and then sent to a computer for analysis.
このような装置を用いて、軟組織内に埋め込まれた血管を模擬した試料で測定を行えば、従来技術である音波のみの計測で吸収係数分布を画像化する方法よりも、正確に吸収係数の分布を再現することが可能になる。 Using such a device, if the measurement is performed with a sample simulating a blood vessel embedded in soft tissue, the absorption coefficient can be accurately measured compared to the conventional method of imaging the absorption coefficient distribution using only sound waves. It becomes possible to reproduce the distribution.
11 光源
12 光導波路
13 音響波検出器
14 光検出器
17 画像表示部
18 生体
19 光吸収体
20 生体内を伝播している光
21 音響波
22 演算部
23 第二の光源
30 造影剤
31 生体内を伝播する第二の光
61 光
62 被検体
63 光吸収体
64、67 光吸収係数分布
65 光エネルギー吸収密度分布
66、68 イメージング画像
DESCRIPTION OF
本発明に係る情報処理装置は、被検体に照射された光に起因して生じた音響波に関する音響波情報に基づいた画像を取得する第1ユニット、及び前記画像に対して、前記被検体内における前記光の光量のばらつきに由来する、前記画像の画像値への影響を補正する処理を実行する第2ユニット、を有し、前記被検体の注目位置に対応する前記画像の画像値は、前記注目位置で生じた前記音響波を複数位置で受信することにより得られた前記音響波情報に基づいて算出された画像値である。An information processing apparatus according to the present invention includes: a first unit that acquires an image based on acoustic wave information related to an acoustic wave generated due to light irradiated on a subject; A second unit that executes a process for correcting an influence on the image value of the image derived from the variation in the amount of light of the image, and the image value of the image corresponding to the target position of the subject is: It is an image value calculated based on the acoustic wave information obtained by receiving the acoustic wave generated at the target position at a plurality of positions.
Claims (19)
光源と、
前記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を検出し、第一の電気信号に変換する音響波検出器と、
前記光源から生体に照射された光における生体内を伝播する光の光強度を検出し、第二の電気信号に変換する光検出器と、
前記第一の電気信号および前記第二の電気信号の一方の電気信号の解析結果を他方の電気信号の解析に利用することにより、前記生体の光学特性値分布情報を算出する演算部と、
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 comprising:
A light source;
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 irradiated to the living body from the light source, and converts the detected acoustic wave into a first electrical signal;
A light detector for detecting the light intensity of light propagating in the living body in the light irradiated on the living body from the light source, and converting it into a second electrical signal;
An arithmetic unit that calculates optical characteristic value distribution information of the living body by using an analysis result of one of the first electric signal and the second electric signal for analysis of the other electric signal;
A biological information imaging apparatus comprising:
前記音響波検出器は前記第一の光源から生体に照射された光により発生した音響波を前記第一の電気信号に変換可能に構成され、
前記光検出器は前記第二の光源から生体に照射された光を前記第二の電気信号に変換可能に構成されていることを特徴とする請求項9に記載の生体情報イメージング装置。 The light source includes at least two light sources including a first light source that generates pulsed light and a second light source that generates light having a waveform different from that of the pulsed light,
The acoustic wave detector is configured to be able to convert an acoustic wave generated by light irradiated on the living body from the first light source into the first electric signal,
The biological information imaging apparatus according to claim 9, wherein the photodetector is configured to be able to convert light irradiated on the living body from the second light source into the second electrical signal.
前記第一の電気信号より、光エネルギー吸収密度分布を解析するステップと、
前記光エネルギー吸収密度分布を用い、前記第二の電気信号を解析することにより、前記光吸収体の吸収係数分布または等価散乱係数分布を求めるステップと、
を有することを特徴とする生体情報の解析方法。 An acoustic wave detector that detects an acoustic wave generated from a light absorber in the living body that absorbs part of the energy of light irradiated to the living body from the light source, and converts the acoustic wave into a first electrical signal; A method for analyzing biological information, which analyzes an electrical signal obtained from a photodetector that detects the light intensity of light propagating through a living body in irradiated light and converts it into a second electrical signal,
Analyzing the light energy absorption density distribution from the first electrical signal;
Using the light energy absorption density distribution to determine the absorption coefficient distribution or equivalent scattering coefficient distribution of the light absorber by analyzing the second electrical signal;
A method for analyzing biological information, characterized by comprising:
前記第一の電気信号および前記第二の電気信号の一方の電気信号の解析結果を他方の電気信号の解析に利用することにより、前記生体の光学特性値分布を算出するステップを有することを特徴とする生体情報の解析方法。 An acoustic wave detector that detects an acoustic wave generated from a light absorber in the living body that absorbs part of the energy of light irradiated to the living body from the light source, and converts the acoustic wave into a first electrical signal; A method for analyzing biological information, which analyzes an electrical signal obtained from a photodetector that detects the light intensity of light propagating through a living body in irradiated light and converts it into a second electrical signal,
A step of calculating an optical characteristic value distribution of the living body by using an analysis result of one of the first electric signal and the second electric signal for analysis of the other electric signal; A method for analyzing biological information.
生体内に入射した光の拡散光を複数の箇所で測定することにより、該生体内のイメージング対象物の光学特性に関する分布情報を取得し、該分布情報を用いて、前記イメージング対象物に関する情報を画像化する際に、
前記イメージング対象物に照射された光の一部を吸収することにより出力される音響波に基づく情報を用いて、前記画像化を行うことを特徴とする生体情報のイメージング方法。 A biological information imaging method comprising:
By measuring the diffused light of the light incident on the living body at a plurality of locations, distribution information relating to the optical characteristics of the imaging object in the living body is obtained, and using the distribution information, information relating to the imaging object is obtained. When imaging,
A method for imaging biological information, wherein the imaging is performed using information based on an acoustic wave output by absorbing a part of light irradiated to the imaging object.
生体内に入射し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を複数の箇所で測定することにより、該生体内のイメージング対象物の光学特性に関する分布情報を取得し、該分布情報を用いて、前記イメージング対象物に関する情報を画像化する際に、
前記イメージング対象物を伝播した拡散光に基づく情報を用いて、前記画像化を行うことを特徴とする生体情報のイメージング方法。 A biological information imaging method comprising:
Acquire distribution information on the optical characteristics of the imaging object in the living body by measuring the acoustic wave generated from the light absorber in the living body that absorbs part of the energy of the light incident on the living body at multiple locations. Then, when the information about the imaging object is imaged using the distribution information,
A method for imaging biological information, characterized in that the imaging is performed using information based on diffused light propagated through the imaging object.
光源と、
前記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を受信し、受信した音響波の音圧に応じて第一の電気信号を出力する音響波検出器と、
前記光源あるいは別の光源から生体に照射された光の伝播光を受信し、受信した伝播光の強度に応じて第二の電気信号を出力する光検出器と、
前記第一の電気信号および前記第二の電気信号の一方の電気信号の解析結果を他方の電気信号の解析に利用することにより、前記生体の光学特性値分布情報を算出する演算部と、
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 comprising:
A light source;
Receives an acoustic wave generated from a light absorber in the living body that has absorbed a part of the energy of light irradiated to the living body from the light source, and outputs a first electrical signal according to the sound pressure of the received acoustic wave. An acoustic wave detector;
A photodetector that receives the propagation light of the light irradiated to the living body from the light source or another light source, and outputs a second electrical signal according to the intensity of the received propagation light;
An arithmetic unit that calculates optical characteristic value distribution information of the living body by using an analysis result of one of the first electric signal and the second electric signal for analysis of the other electric signal;
A biological information imaging apparatus comprising:
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