JP4518549B2

JP4518549B2 - 蛍光断層画像計測装置

Info

Publication number: JP4518549B2
Application number: JP2004240739A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林
Original assignee: SYSTEM KEISOKU CO., LTD.
Current assignee: SYSTEM KEISOKU CO., LTD.
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: JP2006055396A

Description

本発明は、生体の生理機能や遺伝子機能の観察あるいは病理診断のために、生体内に存在する蛍光物質からの蛍光を生体外から断層画像計測するための装置に関する。

従来より、生体細胞や薄切組織あるいは組織表層を対象とした蛍光観察においては、励起光源、蛍光観察用フィルター、励起光カットフィルターおよびカメラからなる蛍光観察装置が用いられている。しかし、この方法では励起光および蛍光が生体組織の散乱媒質によって多重散乱されるため、深さ数ｍｍ以上になると生体組織内部を観察することはできない。

顕微鏡を用いて細胞レベルにおいて観察する際、深さ方向の情報を選択的に計測して断層像を得ることのできる装置としては、共焦点顕微鏡（下記特許文献１参照）、多光子顕微鏡（米国特許５５，０３４，６１３号、特表平１０−５１２９５９）が公知であるが、これらは光散乱が問題にならない厚さにおいて有効であるため、薄切標本での蛍光断層撮影は可能であるが厚みをもつ生体組織に適用することはできない。

また、超音波とレーザー光の相互作用を利用して散乱媒質中の光吸収特性分布を、超音波変調によるレーザー強度や偏光特性の違いを利用して画像化する装置が、米国特許６，０４１，２４８（非特許文献L.V.Wang and X.Zhao: Applied Optics Vol.36, p.7277(1997)）や下記特許文献２において公知であるが、これらはレーザー光に対する超音波の強度変調や偏光特性の変化を利用してレーザー光の光吸収分布を画像化するものである。
特開平５−６０９８０号公報特開２０００−８８７４２号

例えば生体のごとき光散乱媒質中の蛍光物質からの蛍光は、多重散乱により拡散するため、その分布画像を散乱媒質外部から観察することはできない。上記公知の技術手段は、薄切標本での蛍光物質分布を測定するもの又はレーザー光の光吸収分布を測定するものであり、このような手段を用いて直ちに、生体内における蛍光分布を正確に測定することはできない。
生体内における蛍光物質分布を生体外から観測するため、散乱蛍光の中から特定の場所に由来した蛍光だけを分離抽出する画像化技術が必要となる。そこで本発明は、励起用レーザー光と、これにより発生する蛍光を局所的に強度変調する超音波ビームとを用い、散乱媒質内の蛍光物質分布を正確に計測画像化する装置を提供するものである。

本発明は、生体のような光散乱媒質の中に存在する蛍光物質を生体外から断層画像計測するための装置であって、少なくとも励起用レーザービームとこれにより発生した蛍光に強度変調を与える集束型超音波トランスデューサ、光検出用の大口径光検出器、信号検波装置からなっており、レーザービーム軸に直交または平行するように超音波ビーム伝搬軸をもつよう配置した集束型超音波トランスデューサが、多重散乱された励起光および蛍光をその焦点位置において局所的に強度変調するよう構成され、超音波トランスデューサ又は測定試料とレーザービームを３軸走査しながら得られた光信号から変調周波数成分を検出することにより、散乱媒質内の蛍光物質分布を画像化する装置である。

［作用］
本発明にあっては、生体などの高散乱媒質中に集束型超音波トランスデューサを用いて超音波音場を形成する。このとき集束焦点において最も高い音圧が形成される。この音場焦点を光が伝搬すると、超音波粗密波により形成された屈折率分布による光回折や散乱分子の偏在などが原因となって、そこを通過する光が超音波周波数で強度変調される。このときの変調度は音圧に依存する。
高散乱媒質中に局在して蛍光物質が存在する場合、照射されたレーザービームは多重散乱されるが、その一部は蛍光物質を励起する。発生した蛍光も散乱されるため、散乱媒質の外部では媒質全体がほぼ均一に発光してしまい、内部の蛍光物質の位置を同定することは困難である。しかしこのとき、前述の超音波音場の集束焦点に蛍光物質が存在すると、そこで発生した蛍光は超音波周波数で強度変調されているため、したがって散乱媒質外で観測された蛍光信号の中から超音波周波数成分のみを検出すると、その周波数成分は超音波焦点における蛍光強度の情報をもつ。焦点が蛍光物質の位置からずれると、変調される蛍光、励起光ともに散乱により急激に減衰するため、測定試料に対して超音波音場を３次元走査することにより散乱媒質中の蛍光物質分布を超音波焦点サイズ程度の解像度で計測することができ、蛍光断層像を構成することができる。
本発明の断層画像計測装置にあっては、第１の発明に係る計測試料を水槽中に設置する装置では、レーザービームの軸と超音波ビームの軸が直交するように配置され、計測試料を設置した水槽を３軸自動ステージにより移動することによって試料全体を走査し、超音波周波数で強度変調された蛍光から断層画像を得るようにしている。
また、第２の発明に係る生体を直接計測する装置にあっては、レーザービームと超音波ビームを平行に照射し、これらの照射手段と同一側に大口径の検出器を配置し、超音波ビームを２次元走査するか、アレイ型の超音波トランスデューサを用いて走査作用を省略することによって、生体表面から一定深度域における蛍光分布を検出するものである。

本発明の断層画像計測装置によれば、レーザービームにより励起発光された蛍光を超音波ビームの集束焦点域において強度変調し、該強度変調された蛍光を検波することにより検出するので、散乱媒質中の蛍光物質からの蛍光を正確に検出できると共に、走査手段を用いて容易に断層画像を計測することができる。
また、水槽内に計測試料を吊下することにより、水槽を３次元に移動することで走査手段を容易にしている。
更に生体内の蛍光物質についても、該生体表面から超音波ビームの焦点位置における蛍光物質を正確に検出できるので、散乱による影響を極めて有効に除去することができる。

図１から図４によって、本発明の実施の形態を説明する。更に、図５は本発明の１実施例による計測結果を示す蛍光断層画像である。
図１は本発明の１実施形態に係る装置の全体構成を示す平面図であり、図２は該図１の装置の側面図である。図１において、励起用レーザー光源１０から発したレーザービーム１１が水槽３０の側面３１に設置してある光学窓（図示せず）に入射する。水槽３０のレーザービーム１１の光軸と直交する水槽側面３２には、該光軸と直交する方向を伝搬軸として、超音波ビーム２１を発生させる集束型水中用超音波トランスデューサ２０が設置固定してあり、水槽３０内には蒸留水３５が満たしてある。超音波トランスデューサ２０は、共振周波数で駆動するための発振器２２及び高周波パワーアンプ２３で駆動する。

図１及び図２に示す実施形態は、試料Ｓとして小動物や生体組織を用いた例であるが、試料Ｓはホルダー４１に装着され、上記水槽３０の対角線方向に設置された試料固定台４０から吊下されている。
水槽３０の、超音波トランスデューサ設置側面３２と対向する側面３３には、超音波吸収板２５が設置してあり、超音波進行波が両側面３２，３３間に発生する。そして、試料Ｓは該超音波進行波の集束焦点位置に配置される。水槽３０は、レーザービーム軸方向（Ｘ軸）とこれに直交する超音波ビーム軸（Ｙ軸）、及び高さ方向（Ｚ軸）の３軸に移動調節可能な自動ステージ３５に設置してある。

水槽３０の、レーザービーム入射側面３１の対向面３４の外側には、レーザービームの光軸からわずかに角度をずらして光検出器５０が設置してある。該光検出器５０は、直径５０ｍｍ程度の大口径光電子増倍管またはPINフォトダイオードに、蛍光波長のみを選択透過し励起光を遮断する干渉フィルター５１を装着したものである。光検出器５０はスペクトルアナライザー５２に接続され、ここで超音波周波数と一致する光信号成分を狭帯域検波する。

スペクトルアナライザー５２はパソコン５３に接続されており、水槽移動用３軸自動ステージ３５の各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）を、ステージコントローラ３６を介してパソコン制御により走査しながら、スペクトルアナライザー５２の検波データを記録する。この検波データを信号強度に応じて画像表示することにより、試料Ｓ（例えば生体）内にある蛍光物質の蛍光断層画像を得ることができる。
超音波ビーム２１を走査する代わりに、試料Ｓとレーザービーム１１を同時に走査しても同じ効果が得られる。

図３、図４は本発明の他の実施形態を示しており、測定対象としてヒトを対象とした場合の装置の全体構成である。なお、図１、図２に示す実施形態と対応する部分には同一符号を付して説明する。この実施形態においては水槽を使用せず、生体表面に直接カップリングメディアとして超音波インピーダンスマッチングゼリーを塗り、超音波トランスデューサを体表に接触させている。

図３は、被験者Ｍの上方から見た形状を示しており、被験者Ｍの右胸部に超音波インピーダンスマッチングゼリー３６を介して接触する超音波トランスデューサ２０は、適当な支持手段２９によって支持された、２軸で移動させることのできる超音波トランスデューサ駆動装置２６に設置されている。そして、体表の超音波ビーム方向における高低差に応じて高さを自動調節して、皮膚に接触できるような調節機構（詳細は省略）を有している。
レーザービーム１１は光ファイバー１３により、励起用レーザー光源１０から超音波トランスデューサ駆動装置２６に導かれ、超音波トランスデューサ２０の移動範囲の略中心部位から体表面に照射される。

図４に明らかなように超音波トランスデューサ駆動装置２６（図３参照）には、該超音波トランスデューサの走査範囲３７の外側を取り囲むように、大口径光検出器５０が設置されており、光検出器５０には蛍光波長選択用フィルター（図示せず）が第１の実施形態と同様に装着されている。なお、図４は図３の一部を、被験者Ｍの背後から見た図である。

このような実施形態にあっては、超音波トランスデューサ２０を自動または手動で２軸走査することにより、超音波トランスデューサ２０の集束焦点で決まる深さ位置における、蛍光物質の２次元分布を計測することができる。このような実施形態にあっても、周辺の電子機器の構成は図１のものと同様である。また、超音波トランスデューサ２０に1次元または２次元アレイ型を用いると、１軸走査または無走査で２次元画像を得ることができる。

続いて、上記図１及び図２の構成に係る装置を用いた実施例を説明する。
図１に示す試料Ｓの替りに、50×50×100ｍｍの直方体容器内に散乱媒質としてのイントラリピッド２％液を充填し、該容器の中央に直径2.5ｍｍの円筒形蛍光体（フルオレッセイン）を設置した。励起光源としてはアルゴンイオンレーザー（488ｎｍ，100ｍＷ）を用い、超音波トランスデューサとしては共振周波数１ＭＨｚ、焦点距離37ｍｍの集束型超音波トランスデューサを用いた。
図１の装置構成で、水槽３０をレーザービーム軸（Ｘ軸）および超音波伝搬軸（Ｙ軸）の２軸に移動走査し、これにより得られた蛍光２次元断層画像の測定結果を図５に示している。

１つの実施形態に係る装置の平面説明図である。図１に示す装置の側面説明図である。他の実施形態に係る装置の平面説明図である。図３に示す装置の側面説明図である。実施例に係る測定結果を示す蛍光２次元断層画像である。

符号の説明

１０励起用レーザー光源
１１レーザービーム
１３光ファイバー
２０集束型水中用超音波トランスデューサ
２１超音波ビーム
２５超音波吸収板
２６超音波トランスデューサ駆動装置
３０水槽
３５水槽移動用３軸自動ステージ
３６超音波インペーダンスマッチングゼリー
４１ホルダー
４０試料固定台
５０光検出器
５１干渉フィルター
Ｍ被験者
Ｓ試料

Claims

試料である光散乱媒質中に存在する蛍光物質を該媒質外から断層画像計測するための装置であって、励起用レーザー光源と、集束型超音波トランスデューサと、走査手段と、光学フィルター付光検出器及び信号検波装置とを有し、前記レーザー光源からのレーザービームによって発生した蛍光を超音波ビームの集束焦点域において強度変調し、光検出器の出力の信号を検波して変調周波数成分を検出することにより、該焦点域からの蛍光のみを検出し、前記走査手段により必要範囲を走査することによって、光散乱媒質中の蛍光物質分布を画像化することを特徴とする断層画像計測装置。
請求項１に記載の断層画像計測装置において、上記蛍光物質が存在する光散乱媒質からなる試料を収容する水槽を有し、上記レーザービームのための光学窓が該水槽の一側面に設けられ、該水槽の反対側にはレーザービーム軸と少しずれた位置に上記光検出器が設けられ、該水槽のレーザービーム軸と直交する軸側の側面に上記集束型超音波トランスデューサが設けられることを特徴とする断層画像計測装置。
請求項２に記載の断層画像計測装置において、上記走査手段が、上記水槽を移動するための３軸自動ステージであることを特徴とする断層画像計測装置。
生体である光散乱媒質中に存在する蛍光物質を該媒質外から断層画像計測するための装置であって、励起用レーザー光源と、集束型超音波トランスデューサと、走査手段と、光学フィルター付光検出器及び信号検波装置とを有し、前記レーザー光源からのレーザービームによって発生した蛍光を超音波ビームの集束焦点域において強度変調し、光検出器の出力信号を検波して変調周波数成分を検出することにより該焦点域からの蛍光のみを検出し、前記走査手段により必要範囲を走査することによって光散乱物質中の蛍光物質分布を画像化することを特徴とする断層画像計測装置。
請求項４に記載の断層画像計測装置であって、上記レーザービームと上記超音波ビームが同一方向から照射され、上記集束型超音波トランスデューサは生体表面に超音波インピーダンスマッチングゼリーを介して接触され、上記光検出器は該レーザービーム及び超音波ビームの照射側に配置されることを特徴とする断層画像計測装置。
請求項５に記載の断層画像計測装置であって、上記集束型超音波トランスデューサは２軸方向に走査可能な超音波トランスデューサ駆動装置により制御され、上記レーザービームは該超音波トランスデューサ駆動装置の略中央部分から照射されることを特徴とする断層画像計測装置。
請求項５又は６に記載の断層画像計測装置において、上記集束型超音波トランスデューサは、上記生体表面の高低差に応じて自動調節できる調節機構を有していることを特徴とする断層画像計測装置。
生体である光散乱媒質中に存在する蛍光物質を該媒質外から断層画像計測するための装置であって、励起用レーザー光源と、集束型超音波トランスデューサと、光学フィルター付光検出器及び信号検波装置とを有し、前記レーザー光源からのレーザービームによって発生した蛍光を超音波ビームの集束焦点域において強度変調し、光検出器の出力を信号検波して変調周波数成分を検出することにより、該焦点域からの蛍光のみを検出し、前記超音波トランスデューサとして１次元アレイ型又は２次元アレイ型トランスデューサを用いることにより、該超音波トランスデューサの走査作用を低減することを特徴とする断層画像計測装置。