JP6470624B2 - Probe for ultrasound-assisted fluorescence imaging - Google Patents
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本発明は、蛍光造影剤が投与された被検体から放射される蛍光を、超音波を用いた局所加温により変調させ、蛍光部位(病変部位)を正確に特定するために用いる超音波アシスト蛍光イメージング用プローブに関する。 The present invention modulates fluorescence emitted from a subject to which a fluorescent contrast agent has been administered by local heating using ultrasound, and uses ultrasound-assisted fluorescence to accurately identify a fluorescent site (lesion site). The present invention relates to an imaging probe.
癌細胞のような病変部位の診断や治療では、病変部位の有無の検出とともに病変部位の位置や範囲を正確に診断することが重要である。病変部位を検出するための1つの有力な診断手法として、インドシアニングリーン(以下「ICG」と略す)等の蛍光造影剤を使用する方法が実用化されている。この方法によれば、病変部位に選択的に蓄積されやすい性質の蛍光造影剤を検査領域に投与し、励起光(レーザ光)を照射して蛍光を発する部分を検出すれば、病変部位を検出することができる。例えば、肝臓癌摘出手術では、ICGを静脈注射により投与し、レーザ光を照射することで施術後の癌細胞の取り残しの有無をチェックすることが行われている。 In the diagnosis and treatment of a lesion site such as a cancer cell, it is important to accurately diagnose the position and range of the lesion site as well as the presence or absence of the lesion site. As one effective diagnostic method for detecting a lesion site, a method using a fluorescent contrast agent such as indocyanine green (hereinafter abbreviated as “ICG”) has been put into practical use. According to this method, if a fluorescent contrast agent that easily accumulates selectively at the lesion site is administered to the examination area, and the portion that emits fluorescence is detected by irradiating excitation light (laser light), the lesion site is detected. can do. For example, in a liver cancer removal operation, ICG is administered by intravenous injection, and laser light is irradiated to check whether cancer cells remain after the operation.
一方、後記特許文献1には、蛍光造影剤の試験において、乳癌を発生させたマウスに対し、ICGをはじめ種々の蛍光造影剤を投与して、体外からレーザ光を皮膚表面に均一に照射し、体表からの蛍光放射をCCDカメラで検出するとともに、マウス全身の蛍光イメージを造影することが開示されている。
しかしながら、この検出方法では、体表に対して均一に励起光を照射しておくことが必要である。また、マウスの体表外に放射される蛍光は、体内組織によって多重散乱された蛍光が複雑に合成されて放射されるぼやけた蛍光であり、実際に蛍光が発光している部位からの直接光ではない。そのため、散乱された蛍光から蛍光の有無を判定することはできるが、蛍光位置(病変位置)を高感度かつ正確に検出することは困難である。特に、体表から浅い位置にある癌細胞であれば散乱の影響は比較的小さいので、蛍光を発する位置がおおまかには把握できるものの、蛍光を発する位置が体表から深い位置になるほど多重散乱の影響を強く受けるため、蛍光の発する位置を特定することが非常に困難となる。
On the other hand, in Patent Document 1 described later, in a fluorescent contrast agent test, various fluorescent contrast agents such as ICG are administered to a mouse that has developed breast cancer, and the skin surface is uniformly irradiated with laser light from outside the body. In addition, it is disclosed that a fluorescent image of a whole body of a mouse is imaged while detecting fluorescence emission from a body surface with a CCD camera.
However, in this detection method, it is necessary to uniformly irradiate the body surface with excitation light. In addition, the fluorescence emitted outside the body surface of the mouse is a blurry fluorescence emitted by the complex synthesis of the multiple scattered fluorescence emitted by the body tissue, and direct light from the part where the fluorescence is actually emitted. is not. Therefore, although the presence or absence of fluorescence can be determined from the scattered fluorescence, it is difficult to detect the fluorescence position (lesion position) with high sensitivity and accuracy. In particular, the influence of scattering is relatively small for cancer cells that are shallow from the body surface, so the position of fluorescence emission can be roughly grasped, but the more the fluorescence emission position is deeper from the body surface, the more the multiple scattering occurs. Since it is strongly influenced, it is very difficult to specify the position where the fluorescence is emitted.
これに対し、本願発明者らは後記非特許文献1において、ICGの蛍光強度が加温によって減衰する性質があることを利用した新しい「超音波アシスト蛍光イメージング法」の原理を提案し、この原理を採用した簡単な試作装置を開示している。この超音波アシスト蛍光イメージング法の原理および試作装置について、図7の模式図を用いて説明する。
図7に示すように、局所加温用の超音波トランスデューサ101が被検体の検査領域Sの直上に配置してある。この超音波トランスデューサ101には、図示は省略するが、超音波が一点に収束されるよう出射窓に超音波レンズが設けてあり、また、収束位置(焦点)の深さが調整できるようにZ方向の微動器(Z方向移動アーム)が取り付けられている。
On the other hand, the inventors of the present application proposed the principle of a new “ultrasonic assisted fluorescence imaging method” using the fact that the fluorescence intensity of ICG is attenuated by heating in Non-Patent Document 1 described later. A simple prototyping device that employs is disclosed. The principle of this ultrasonic assisted fluorescence imaging method and the prototype device will be described with reference to the schematic diagram of FIG.
As shown in FIG. 7, an
また、検査領域Sの斜め上方に励起用のレーザ光源102を配置し、超音波トランスデューサ101を挟んで反対側の斜め上方に蛍光を受光するためのライトパイプ103を配置してある。このライトパイプ103で受光された体内からの放射光M(蛍光Nを含む)は、分光器104を介してフォトマル検出器105により蛍光強度の信号として検出されるようにしてある。また、検査領域(被検体)SをXY方向に移動するための移動ステージ106が設けてある。
Further, an excitation
そして、蛍光診断の開始前に、予め病変部位(ICGの蓄積部位)が含まれる被検体の検査領域Sに、蛍光造影剤としてICGを注射や点滴等で投与しておく。 Then, before the start of the fluorescence diagnosis, ICG is administered as a fluorescent contrast agent to the examination region S of the subject including the lesion site (ICG accumulation site) in advance by injection or infusion.
この状態でレーザ光源102から励起光Lを照射すると、検査領域Sで発生したICGの蛍光Nを含む散乱光は放射光Mとなって体外に放射され、一部がライトパイプ103で受光されて分光器104へ導かれ、ICGに起因する所定波長の蛍光Nが抽出されてフォトマル検出器105で検出される。このとき検出される蛍光強度は、体内組織で多重散乱されてから体外へ放射された後にライトパイプ103に到達した蛍光Nの強度であり、この値を「基準値T」として記憶しておく。
次に、超音波トランスデューサ101から、体内に向けて超音波Uの照射による加温を行うが、このとき照射される超音波エネルギーは、一点に収束されるようにしてピンポイントでの加温(局所加温)が行われるようにしてある。なお、局所加温を行い、この加温位置を移動しながらフォトマル検出器105による蛍光検出を行うと、当然局所加温された位置の温度は上昇することになる。この加温位置にICGが存在すると蛍光の光量が大きく減衰し、フォトマル検出器105での検出強度が「基準値T」よりも減衰した値に変化する。一方、ICGが存在しない位置ではもともと蛍光を発していないためほとんど変化しない。よって、フォトマル検出器105の蛍光検出強度の変化(減衰)を加温位置と併せてモニタリングすることにより、加温位置にICGが蓄積しているか否か(ICGの有無)をその都度正確に検出することができる。
When the excitation light L is irradiated from the
Next, heating is performed by irradiating ultrasonic waves U from the
したがって、加温位置を深さ方向(Z方向)に移動させて蛍光の検出強度をモニタリングすることにより、移動した深さ位置でのICGの有無を正確に検出することができる。 Therefore, the presence or absence of ICG at the moved depth position can be accurately detected by moving the heating position in the depth direction (Z direction) and monitoring the fluorescence detection intensity.
同様に、移動ステージ106をXY方向へ二次元的に動かして、各点での深さ方向の蛍光の検出強度のモニタリングを行うことにより、ICGの存在する位置や範囲を正確かつ三次元的に特定することができる。
Similarly, by moving the
上記の通り、非特許文献1に記載された「超音波アシスト蛍光イメージング法」の原理によって、非侵襲でのICGの蓄積部位、すなわち、癌細胞等の病変部位の位置を検出できることが確認できた。
しかしながら実用化にあたっては、蛍光の検出感度をできる限り向上させることが必要である。すなわち、超音波アシスト蛍光イメージング法では、体内組織で多重散乱された後に体外に放射される蛍光を受光して、その蛍光強度の変化を検出することになる。ところが、もともとICGから発光する蛍光の光量自体が微弱であるだけでなく、蛍光の発光源から体表に近づく間に多重散乱により次第に放射される範囲が広がっていくので、図7に示したライトパイプ103の受光面によって集光できる光量は、発光源のICGの光量よりもかなり減衰されていることになる。この減衰はICGの存在位置が体表から深くなるほど顕著になる。そのため、生体深度が深い位置となる肝臓癌の癌細胞の検出を行うような場合には、検出感度向上のためにできるだけ広い体表面からの(蛍光を含む)放射光を集光することが望ましい。
As described above, the principle of “ultrasonic assisted fluorescence imaging method” described in Non-Patent Document 1 was confirmed to be able to detect the position of a non-invasive ICG accumulation site, that is, a lesion site such as a cancer cell. .
However, in practical use, it is necessary to improve the fluorescence detection sensitivity as much as possible. That is, in the ultrasound assisted fluorescence imaging method, fluorescence emitted outside the body after being scattered multiple times in the body tissue is received and a change in the fluorescence intensity is detected. However, not only is the amount of fluorescent light itself emitted from the ICG itself weak, but also the range of light emitted gradually from the fluorescent light source as it approaches the body surface increases due to multiple scattering, so the light shown in FIG. The amount of light that can be collected by the light receiving surface of the
また、励起光についてもできるだけ体内組織による散乱の影響を減らしてICGの蓄積部位まで到達させる方が望ましいことから、体表面に対して斜めに照射するよりも体内を通過する距離の短い垂直照射が望まれる。同様に、放射される蛍光の受光についても、体表面に対して垂直方向から受光する方が望ましい。
さらに、加温用の超音波トランスデューサからの超音波照射についても、体表面の直上から垂直照射することが望まれるため、上記の試作装置ではこれらすべての要求を満足させることができなかった。
Also, it is desirable to reduce the influence of scattering by the body tissue as much as possible for the excitation light to reach the ICG accumulation site, so vertical irradiation with a short distance passing through the body is performed rather than obliquely irradiating the body surface. desired. Similarly, it is desirable to receive the emitted fluorescence from a direction perpendicular to the body surface.
Furthermore, with respect to ultrasonic irradiation from the ultrasonic transducer for heating, since it is desired to perform vertical irradiation from directly above the body surface, the above prototype device could not satisfy all these requirements.
また、別の課題として、「超音波アシスト蛍光イメージング法」による測定の操作性を向上させることが必要である。例えば、上記の試作装置では、被検体のXY方向の移動には移動ステージ106を操作しているが、実用化のためには被検体を移動することなくXY方向の移動を行えるようにすることが望ましく、その際には励起光源側(レーザ光源102)と蛍光の受光側(ライトパイプ103)との位置関係を一定に保ったままXY方向の移動を行う必要がある。そのためには超音波トランスデューサ101も含めて一体化したプローブを構築することが望ましい。
As another problem, it is necessary to improve the operability of measurement by the “ultrasonic assisted fluorescence imaging method”. For example, in the prototype device described above, the moving
そこで本発明は、超音波トランスデューサと、励起光源と、蛍光受光部との配置を工夫して、蛍光検出の感度が高く、従来よりも生体深部における蛍光位置の正確な検出を可能にする超音波アシスト蛍光イメージング用のプローブを提供することを目的とする。また、本発明は超音波アシスト蛍光イメージング用の一体化プローブを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention devised the arrangement of the ultrasonic transducer, the excitation light source, and the fluorescence light receiving unit to improve the sensitivity of fluorescence detection and to enable accurate detection of the fluorescence position in the deeper part of the living body than before. An object is to provide a probe for assisted fluorescence imaging. Another object of the present invention is to provide an integrated probe for ultrasound-assisted fluorescence imaging.
上記課題を解決するためになされた本発明の超音波アシスト蛍光イメージング装置用プローブは、励起光を照射する励起光源部と、蛍光を含む被検体からの放射光を受光する受光部と、加温用の超音波を照射する超音波照射部と、前記励起光源部、前記受光部、前記超音波照射部を一体に保持し、前記励起光、前記放射光、前記超音波が通過する外部窓が設けられたプローブヘッドとからなり、前記プローブヘッド内には、前記励起光の光路と前記放射光の光路とが前記外部窓側で同軸的に重ね合わされて通過するように光路調整を行う第一結合部と、前記第一結合部と前記外部窓との間で、前記励起光および前記放射光の光路と前記超音波の波路とが同軸的に重ね合わされて伝播するように光路と波路との調整を行う第二結合部とが設けられるようにしてある。 The probe for an ultrasound-assisted fluorescence imaging apparatus of the present invention made to solve the above problems includes an excitation light source unit that irradiates excitation light, a light receiving unit that receives radiated light from a subject including fluorescence, and heating. An ultrasonic irradiation unit for irradiating ultrasonic waves for use, an excitation light source unit, the light receiving unit, and the ultrasonic irradiation unit are integrally held, and an external window through which the excitation light, the emitted light, and the ultrasonic wave pass A first coupling that adjusts the optical path so that the optical path of the excitation light and the optical path of the radiated light are coaxially overlapped and passed on the external window side in the probe head. The optical path and the waveguide so that the optical path of the excitation light and the radiated light and the waveguide of the ultrasonic wave are coaxially overlapped and propagated between the first coupling part and the external window And a second coupling part is provided It is to so that.
本発明によれば、励起光と、被検体からの放射光と、加温用の超音波とを、第一結合部および第二結合部を設けることで外部窓から同軸的に入出射することができるようになり、一体型のプローブヘッドとした超音波アシスト蛍光イメージング用プローブを実現することができる。また、体表に対し励起光、放射光、超音波を垂直方向から入出射することが可能になる。
これにより、従来の斜め方向からの入出射に比べて、励起光および放射光の散乱の影響が低減できて検出感度を高めることができる。また、プローブの一体化が実現でき、被検体を移動させることなく計測位置のXY方向への移動を簡単に行うことができるようになって、操作性を向上させることができる。
According to the present invention, the excitation light, the radiation light from the subject, and the ultrasonic wave for heating can be coaxially incident / exited from the external window by providing the first coupling portion and the second coupling portion. Therefore, it is possible to realize an ultrasonic assisted fluorescence imaging probe as an integrated probe head. In addition, excitation light, radiated light, and ultrasonic waves can enter and exit from the vertical direction with respect to the body surface.
Thereby, compared with the conventional incident / exit from the diagonal direction, the influence of scattering of excitation light and radiation | emission light can be reduced, and detection sensitivity can be raised. Further, the integration of the probe can be realized, and the measurement position can be easily moved in the XY directions without moving the subject, so that the operability can be improved.
上記発明において、前記第一結合部は、前記励起光の光路に対して斜めに配置され、前記励起光が通過可能な小孔が形成されるとともに、前記放射光を反射する孔付きミラーからなるようにしてもよい。
これにより、励起光に孔付きミラーの小孔を通過させるようにすれば、孔付きミラーによって吸収されることなく通過させることができるとともに、放射光を小孔以外のミラー全面で反射させて受光部に導くことができる。
In the above invention, the first coupling portion is disposed obliquely with respect to the optical path of the excitation light, is formed with a small hole through which the excitation light can pass, and a mirror with a hole that reflects the emitted light. You may do it.
As a result, if the excitation light is allowed to pass through a small hole of the mirror with a hole, it can pass without being absorbed by the mirror with the hole, and the reflected light is reflected by the entire mirror surface other than the small hole and received. Can be led to the department.
上記発明において、前記孔付きミラーの小孔に励起光を閉じ込めて通過させる直管が形成されるようにしてもよい。
これにより、励起光は直管内を通過するので、孔付きミラー周辺に存在する埃等で強い励起光が散乱されたときに発生するノイズ光を激減させることができる。
In the above invention, a straight tube may be formed in which excitation light is confined and passed through a small hole of the mirror with a hole.
Accordingly, since the excitation light passes through the straight pipe, noise light generated when strong excitation light is scattered by dust or the like present around the perforated mirror can be drastically reduced.
上記発明において、前記孔付きミラーと前記受光部との間に、前記放射光を当該受光部の受光面に集光するための集光レンズが設けられるようにしてもよい。
これにより、受光部の受光面の面積に対して孔付きミラーの面積を大きくして広い面積からの放射光を集光することができ、検出感度を向上させることができる。
In the above invention, a condensing lens for condensing the emitted light on the light receiving surface of the light receiving unit may be provided between the mirror with a hole and the light receiving unit.
As a result, the area of the mirror with a hole can be increased with respect to the area of the light receiving surface of the light receiving unit, and radiation light from a wide area can be collected, and detection sensitivity can be improved.
上記発明において、前記第二結合部は、前記励起光および前記放射光および前記超音波が伝播可能な伝播液が充填された液体空間を形成する容器と、前記伝播液と屈折率が近似し、かつ、当該伝播液中に浸漬され、前記励起光および前記放射光が同軸的に通過する光路に対して斜めに配置され、前記励起光および前記放射光を透過するとともに前記超音波を反射する光音波結合部材とからなるようにしてもよい。
伝播液と光音波結合部材との屈折率を近づけることにより、励起光や放射光は伝播液に浸漬された光音波結合部材を直進し、また、超音波は伝播液を伝播して光音波結合部材で反射するようになる。したがって、伝播液内を直進する励起光および放射光と、超音波とを斜めに配置された光音波結合部材で結合することで、これらを同軸的に重ね合わせて入出射することができる。
In the above invention, the second coupling portion has a container that forms a liquid space filled with a propagation liquid through which the excitation light, the radiated light, and the ultrasonic wave can propagate, and the refractive index of the propagation liquid approximates, And the light which is immersed in the propagation liquid, is disposed obliquely with respect to the optical path through which the excitation light and the radiation light pass coaxially, and transmits the excitation light and the radiation light and reflects the ultrasonic wave You may make it consist of a sound wave coupling member.
By bringing the refractive index of the propagating liquid and the photoacoustic coupling member close to each other, excitation light and radiated light travel straight through the photoacoustic coupling member immersed in the propagating liquid, and ultrasonic waves propagate through the propagating liquid and couple the photoacoustic wave. Reflected by the member. Therefore, by coupling excitation light and radiation light that travels straight in the propagation liquid and ultrasonic waves with the photoacoustic coupling member disposed obliquely, these can be coaxially overlapped to enter and exit.
上記発明において、前記光音波結合部材がガラス板で、前記伝播液が水であるようにしてもよい。
ガラス板の屈折率は水の屈折率と十分に近似しているので、励起光や放射光はほとんど屈折することなく直進する。また、ガラスと水とは音響インピーダンスが大きく異なるため超音波を反射する。したがって、これらの組み合わせを光音波結合部材と伝播液として使用することができる。
In the above invention, the photoacoustic coupling member may be a glass plate, and the propagation liquid may be water.
Since the refractive index of the glass plate is close enough to the refractive index of water, the excitation light and the radiated light go straight without being refracted. Moreover, since acoustic impedance differs greatly between glass and water, it reflects ultrasonic waves. Therefore, these combinations can be used as the photoacoustic coupling member and the propagation liquid.
上記発明において、前記超音波照射部が深さ方向に超音波を収束させて焦点を形成するとともに、当該焦点の深さを調整する電子フォーカス機能を備えるアニュアル型、または、多チャンネル型の超音波トランスデューサからなるようにしてもよい。
ここでの電子フォーカス機能は加温用に超音波を収束させるために用いるが、医療用超音波診断装置の多チャンネル型プローブで一般的に採用されている周知の電子フォーカス機能をそのまま用いることによって、収束点(焦点)の深さ方向(Z方向)の加温走査を行うことができる。
In the above invention, the ultrasonic irradiation unit converges the ultrasonic wave in the depth direction to form a focal point, and has an electronic focusing function for adjusting the depth of the focal point. You may make it consist of a transducer.
The electronic focus function here is used for converging the ultrasonic wave for heating. By using the well-known electronic focus function that is generally adopted in the multi-channel probe of the medical ultrasonic diagnostic apparatus as it is, The heating scan in the depth direction (Z direction) of the convergence point (focal point) can be performed.
上記発明において、前記プローブヘッド内の前記超音波の波路上に、深さ方向に超音波を収束させて焦点を形成するとともに、焦点の深さを調整する超音波レンズを用いたフォーカス機構を備えるようにしてもよい。
これにより、深さ方向の収束点(焦点)の走査をフォーカス機構により行うことができる。
また、上記発明において、前記プローブヘッド内の前記超音波の波路上に、深さ方向に超音波を収束させて焦点を形成する超音波レンズを備えるとともに、前記プローブヘッドを被検体の体表に対して昇降させる昇降機構を備えるようにしてもよい。
In the above invention, a focus mechanism is formed on the ultrasonic wave guide in the probe head by using an ultrasonic lens that converges ultrasonic waves in the depth direction to form a focal point and adjusts the depth of the focal point. You may do it.
Thereby, the convergence point (focal point) in the depth direction can be scanned by the focus mechanism.
Further, in the above invention, an ultrasonic lens for focusing the ultrasonic wave in the depth direction to form a focal point is provided on the ultrasonic wave guide in the probe head, and the probe head is placed on the body surface of the subject. You may make it provide the raising / lowering mechanism to raise / lower with respect to it.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図1は本発明の超音波アシスト蛍光イメージングに用いるプローブの一実施形態を示す概略構成図である。また、図2は蛍光を発するための励起光Lの照射状態を示す図であり、図3は放射光M(蛍光Nを含む)の検出状態を示す図である。また、図4は超音波Uの照射による蛍光の変調状態を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a probe used for ultrasound-assisted fluorescence imaging of the present invention. 2 is a diagram showing an irradiation state of excitation light L for emitting fluorescence, and FIG. 3 is a diagram showing a detection state of radiated light M (including fluorescence N). FIG. 4 is a diagram showing a modulation state of fluorescence by irradiation with the ultrasonic wave U.
図1に示すように、超音波アシスト蛍光イメージング用プローブ10は、励起光源部11と、受光部12と、超音波照射部13とが、プローブヘッド14に固定され一体保持された構造をしている。このプローブヘッド14は操作者が手で持って動かすことができる大きさにしてある。なお、励起光源部11、受光部12、超音波照射部13は、信号処理や制御、演算を行う本体制御部15によって制御される。
As shown in FIG. 1, the
励起光源部11には、体内に投与してある蛍光造影剤が蛍光を発光することができる波長の励起光源を用いる。具体的には、本実施形態において蛍光造影剤にはICGを使用することから、波長783nmの半導体レーザ21を用いている。なお、励起光L(図2参照)は、光コリメータ22により平行光にするとともに光路径を細くしてあり、後述する孔付きミラー35の小孔36を貫通するパイプ(直管)37を通過できるようにしてある。
The excitation
受光部12は、バンドノッチフィルタ25を介して受光端面となるライトパイプ26が取り付けてある。バンドノッチフィルタ25はICGの820nm付近の蛍光N(図3参照)を透過するとともに、励起光Lに起因する光をカットするためのものであり、励起光波長783nmを含む750nm〜800nmの波長成分をカットするようにしてある。ライトパイプ26の受光端面に集光された蛍光Nを含む光成分は分光器27に送られ、蛍光Nの成分が分光されてフォトマル検出器28でその蛍光強度が検出される。なお、分光器27やフォトマル検出器28は本体制御部15で制御されている。
The
超音波照射部13には、加温用の超音波トランスデューサ30が取り付けられている。超音波トランスデューサ30から照射される超音波U(図4参照)は体内で収束させる必要があるため、超音波レンズ44によるフォーカス機構を介して伝播される。なお、医療用の超音波診断装置で汎用されている多チャンネル型やアニュアル型のトランスデューサで電子フォーカス制御ができる機種を使用すれば、超音波レンズ44によるフォーカス機構を省略することができる。
An
プローブヘッド14は、上面、側面、底面を有する筐体からなり、上面に励起光源部11、側面上部側に受光部12、側面下部側に超音波照射部13が取り付けてあり、底面に外部窓31が設けられている。
励起光源部11の半導体レーザ21は、図2に示すように励起光Lがプローブヘッド14内を下方に直進し、外部窓31から垂直に出射する光路となるように取り付けてある。そして、プローブヘッド14内には、励起光Lの光路上に第一結合部32と第二結合部33とが配置してある。上側の第一結合部32の側方には受光部12が配置され、下側の第二結合部33の側方には超音波照射部13が配置されている。
The
As shown in FIG. 2, the semiconductor laser 21 of the excitation
第一結合部32には、孔付きミラー35が励起光Lに対して斜め45度に傾斜するようにして配置されている。孔付きミラー35は中央に小孔36が形成してあり、この小孔36を励起光Lが通過するようにしてある。なお本実施形態では小孔36にパイプ37が取り付けてあり、このパイプ37内を励起光Lが通過するようにしてある。これは強い励起光Lが孔付きミラー35付近の光路上に存在する塵埃によって散乱されたときに生じる散乱光が、受光部12にノイズ光として向かわないようにするためである。パイプ37は、後述する窓42を貫通して容器40内の伝播液(水)39に浸してある。なお、プローブヘッド14内を塵埃が完全に除去された清浄空間とすれば、パイプ37を取り付ける必要はなくなる。
A
孔付きミラー35は、プローブヘッド14内でミラー面の面積ができるだけ大きくなるように取り付けてある。また、孔付きミラー35とライトパイプ26との間には、図3に示すように孔付きミラー35のミラー全面から反射された放射光M(蛍光Nを含む)を、ライトパイプ26の受光端面に導くための集光レンズ38が取り付けてある。このように大面積の孔付きミラー35と集光レンズ38との組み合わせにより、ライトパイプ26に導く放射光Mの光量を増やして検出感度を高めるようにしてある。
The
第二結合部33には、励起光Lおよび放射光Mが同軸的に伝播(透過)するとともに、超音波照射部13からの超音波U(図4参照)が伝播可能な伝播液39を充填した容器40が配置される。そして伝播液39内には、励起光L、放射光Mに対し、斜め45度に傾斜するように配置された光音波結合部材41が浸漬してある。
伝播液39と光音波結合部材41は、屈折率が近似する材料が選択されることにより、励起光Lや放射光Mが光音波結合部材41でほとんど屈折せず真っ直ぐに透過することができるようにしてある。また、光音波結合部材41は伝播液39との境界面で超音波Uを反射して照射方向を屈曲することができるように、伝播液39とは音響インピーダンスが大きく異なる材料が選択されるようにしてある。
The
The
これらを満足することができる具体的な組み合わせとして、屈折率が1.33、音響インピーダンスが1.5×106Kg/m2Sである水を伝播液39として用いるとともに、屈折率が1.52、音響インピーダンスが13.2×106Kg/m2Sであるガラス板を光音波結合部材41として用いるようにした。なお、水以外の伝播液39としては、その屈折率をガラスの屈折率と等しくなるように調製した液体である「屈折率マッチング液」を使用してもよい。
As a specific combination that can satisfy these conditions, water having a refractive index of 1.33 and an acoustic impedance of 1.5 × 10 6 Kg / m 2 S is used as the propagating
容器40の壁面のうち、励起光Lおよび放射光Mが入出射し、超音波Uが出射する容器40の下面は外部窓31を構成するようにしてある。この外部窓31は励起光L、放射光M、超音波Uが透過および伝播可能な透明シリコーンゴムにより形成されている。同様に、容器40の上面の窓42や容器40の超音波照射部13との接続面の窓43も透明シリコーンゴムによって形成されており、励起光L、放射光M、超音波Uが透過および伝播可能にしてある。
Of the wall surface of the
容器40と超音波トランスデューサ30との間には透明シリコーンゴム製の超音波レンズ44が用いられたフォーカス機構を設けることにより、超音波トランスデューサ30から照射される超音波Uが体内において所望の深さで収束するようにしてある。このフォーカス機構は、具体的には容器40を超音波レンズ44側に延長させて伝播液39に浸漬するようにして、本体制御部15からの制御信号によって超音波レンズ44が伝播液39内を移動することでフォーカス調整が行われる。
なお、超音波トランスデューサ30が電子フォーカス機能を備えている場合は、超音波レンズ44によるフォーカス機構を省略することができる。
By providing a focusing mechanism using an
When the
次に、超音波アシスト蛍光イメージング装置用プローブ10による測定動作について説明する。
まず、励起光の照射について説明する。図2に示すように、半導体レーザ21からの励起光Lは光コリメータ22によって平行光となり、パイプ37の中を伝播することにより第一結合部32を通過し、第二結合部33の伝播液(水)39の中を下方に直進する。励起光Lは伝播液39内で光音波結合部材(ガラス板)41に至るが、水とガラスとは屈折率が近いので境界面を直進し、直下の外部窓31に到達して垂直に出射する。外部窓31から出射した励起光Lはそのまま体内に照射され、体内組織によって四方に散乱されながら、励起光Lに起因する光成分として体内を進行するようになる。そして体内の侵入深さが増すにつれて散乱範囲が広がるようになる。
Next, the measurement operation by the
First, irradiation with excitation light will be described. As shown in FIG. 2, the excitation light L from the semiconductor laser 21 becomes parallel light by the
次に、蛍光の検出について説明する。図3に示すように、体内で散乱された励起光Lに起因する光成分は、多重散乱された後に再び一部が体表から放射されるようになる。また、励起光Lに起因する光成分以外に、ICG(蛍光造影剤)が選択的に蓄積された部位(すなわち病変部位)が体内に存在する場合は、このICGの蓄積位置に励起光Lが照射されることによって蛍光Nが発光するようになる。この蛍光Nに起因する光成分についても、多重散乱された後に一部が体表から放射されるようになる。 Next, fluorescence detection will be described. As shown in FIG. 3, a part of the light component caused by the excitation light L scattered in the body is again emitted from the body surface after being subjected to multiple scattering. Further, in addition to the light component caused by the excitation light L, when there is a part where the ICG (fluorescent contrast agent) is selectively accumulated (that is, a lesion part) in the body, the excitation light L is present at the ICG accumulation position. Irradiation causes fluorescence N to be emitted. A part of the light component resulting from the fluorescence N is also emitted from the body surface after being subjected to multiple scattering.
そして、励起光Lに起因する光成分、および、蛍光Nに起因する光成分が体表から放射されると、プローブヘッド14には、放射された一部が放射光M(蛍光Nを含む)として外部窓31から入射する。
放射光Mは、外部窓31の全面から入射したときの太い光路径のままプローブヘッド14内を上方に直進し、第二結合部33(伝播液39、光音波結合部材41、窓42)を透過する。そして孔付きミラー35の小孔36(パイプ37)を除く全面で反射し、その反射光は集光レンズ38でライトパイプ26の受光端面に集光される。ライトパイプ26の直前には750nm〜800nmの波長を除去するバンドノッチフィルタ25が設けてあり、これにより放射光Mに含まれる励起光Lに起因する波長成分が除去される。さらに分光器27によって820nm付近の蛍光に起因する光成分(蛍光N)が抽出され、フォトマル検出器28で検出される。
このとき検出された蛍光強度(光量)は「基準値T」として本体制御部15に記憶される。この基準値Tは、超音波加温による蛍光変調を与えたときの信号強度のベース値として記憶される。
When a light component caused by the excitation light L and a light component caused by the fluorescence N are emitted from the body surface, a part of the emitted light is emitted to the
The radiated light M travels straight upward in the
The fluorescence intensity (light quantity) detected at this time is stored in the main
次に、超音波加温による蛍光変調について説明する。
基準値Tを記憶させた後、そのまま半導体レーザ21から励起光Lを照射するとともに、ライトパイプ26によって放射光M(蛍光Nを含む)を受光した状態を維持しておく。そして図4に示すように、超音波トランスデューサ30から加温用の超音波Uを送波する。超音波Uは超音波レンズ44によるフォーカス機構を通過して伝播液39内に入り、光音波結合部材41によって反射されて、下方の外部窓31から出射して体内に進行し、超音波レンズ44による収束点(焦点)に収束される。その結果、収束点は超音波エネルギーによって加温される。
Next, fluorescence modulation by ultrasonic heating will be described.
After storing the reference value T, the semiconductor laser 21 emits the excitation light L as it is, and the state where the
収束点にICGの蓄積がないときは、ライトパイプ26によって受光する放射光M(蛍光N)は基準値Tのままでほとんど変化しない。一方、収束点にICGが蓄積しているときは、加温によって収束点からのICGの蛍光Nの光量が大きく減衰することになる。この減衰の影響が放射光M中における蛍光Nの減衰となり、ライトパイプ26を介して受光する蛍光Nの検出強度が基準値Tよりも減少することになる。したがって、検出強度が基準値Tから大きく減衰する変化が現れるか否かによって、その収束点の位置にICGが蓄積(病変部位が存在)するかを判定することができる。
When there is no ICG accumulation at the convergence point, the emitted light M (fluorescence N) received by the
その後、超音波レンズ44により収束点の深さを走査するとともに検出強度をモニタリングすることにより、深さ方向の蛍光Nの検出強度変化のデータを採取する。これにより、非侵襲で深さ方向のICGの蓄積部位(病変部位)の位置を正確に確認することができるようになる。
Thereafter, by scanning the depth of the convergence point with the
以上は深さ方向のICGの蓄積位置検出について説明したが、横(二次元)方向のICGの蓄積位置検出を行うときは、超音波レンズ44の収束点を一定に維持したまま、プローブヘッド14を横方向に移動しつつ検出強度をモニタリングすればよい。
In the above, the ICG accumulation position detection in the depth direction has been described. However, when the ICG accumulation position detection in the lateral (two-dimensional) direction is performed, the
また、体内のICGの蓄積位置の三次元分布を正確にマッピングしたいときは、例えばXY二次元プロッタと同様の動きをする二次元搬送アーム(不図示)にプローブヘッド14を保持させて、二次元搬送アームのXY方向の動きと、超音波レンズ44による深さ(Z)方向の走査との制御を行いつつモニタリングすることにより、ICGの蓄積位置の三次元分布データを得ることができる。
When it is desired to accurately map the three-dimensional distribution of ICG accumulation positions in the body, the
さらに、加温用の超音波トランスデューサ30として、多チャンネル型やアニュアル型といった深さ方向の電子フォーカス機能を備えたものを用いる場合は、収束点の深さ方向の位置を電子フォーカス機能により走査することができるので、超音波レンズ44を用いなくとも簡単に加温位置を走査することができる。
また、加温用の超音波トランスデューサ30に、多チャンネル型であって、深さ方向だけでなく三次元の電子フォーカス機能を備えたものを用いた場合には、収束点の位置を三次元方向に変化させる電子フォーカス制御によって走査することができるので、この場合はプローブヘッド14を1箇所に固定したまま三次元電子フォーカスによって加温位置を三次元に走査することができる。
Further, when a heating
Further, when the
(実施例)
本発明の超音波アシスト蛍光イメージング用プローブ10を用いて、超音波による変調を与えたときの蛍光強度の変化率の分布を測定した。その結果を図5および図6に示す。
(Example)
Using the ultrasonic-assisted
図5は、超音波アシスト蛍光イメージング用プローブ10をXY方向に移動可能な搬送アームに固定し、2.5mmずつXY方向に移動したときの蛍光強度の変化を測定した測定結果を示すものである。なお、予備実験として、予めICGが存在しないXY面内の位置を見つけておき、その位置で得られた蛍光強度を基準値としてプローブを移動し、ICGが存在する位置における超音波照射での蛍光の減衰(変化率)の分布をプロットしている。
その結果、実験で用いた測定範囲には、変化率のピークが2箇所明確に現れた。そして、この位置が確かにICGの存在する位置であることも確認した。すなわち、XY方向の位置を非侵襲で正確に知ることができた。
なお、比較のため、超音波照射を行わず、励起光のみを照射して同じ領域での蛍光強度分布を測定したところ、励起光と蛍光との散乱光によって全体がぼんやりと光る中に、微かに2箇所を中心とした光のムラの存在が把握できる程度の結果となり、蛍光位置を特定することはできなかった。
FIG. 5 shows measurement results of measuring changes in fluorescence intensity when the ultrasound-assisted
As a result, two peaks of change rate clearly appeared in the measurement range used in the experiment. It was also confirmed that this position is certainly a position where ICG exists. That is, the position in the XY direction can be accurately known non-invasively.
For comparison, when the fluorescence intensity distribution in the same region was measured by irradiating only the excitation light without irradiating ultrasonic waves, the whole area was slightly shining due to the scattered light of the excitation light and fluorescence. As a result, it was possible to grasp the presence of light unevenness mainly in two places, and the fluorescence position could not be specified.
図6は、超音波アシスト蛍光イメージング用プローブ10をZ方向に移動可能な搬送アームに固定し、体表からの深さZが45mm〜55mmの範囲を2mm刻みに走査して蛍光強度の変化を測定した測定結果を示すものである。なお、XY方向の位置は、予備実験で予めICGが存在する位置を見つけておき、その位置にプローブ10を固定するようにした。
その結果、深さ方向での測定でもICGが存在する深さ近傍で急激な減衰が見られ、深さ方向の蛍光位置を明確に知ることができた。
FIG. 6 shows the change of fluorescence intensity by fixing the ultrasound-assisted
As a result, in the measurement in the depth direction, abrupt attenuation was observed in the vicinity of the depth where ICG was present, and the fluorescence position in the depth direction was clearly known.
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変形実施できることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態では第一結合部32にパイプ37を取り付けたが、このパイプ37を除去して、励起光Lが直接小孔36を通過するようにしてもよい。これにより、塵埃による励起光Lの散乱光は増えるものの、孔付きミラー35で反射された放射光M(蛍光Nを含む)の一部が、パイプ37によってその光路が遮られてライトパイプ26まで到達しなくなるのを防ぐことができる。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention can be deform | transformed and implemented in the range which does not deviate from the meaning of this invention not only this.
For example, in the above embodiment, the
上記実施形態では第一結合部32の孔付きミラー35を平面ミラーとしたが、これに代えて凹面ミラーとして焦点を調整すれば、集光レンズ38としての機能を兼用させることができる。
In the embodiment described above, the holed
上記実施形態では受光部12の受光端面にライトパイプ26を配置したが、これはプローブ10から離れた位置にあるフォトマル検出器28までの光伝送を行うために設けたものであり、小型の受光素子を検出器に用いる等によって検出器までをプローブに一体に取り付けるようにすれば、ライトパイプ26は不要である。
In the above embodiment, the
上記実施形態では超音波レンズ44を用いたフォーカス機構を、光音波結合部材41と超音波トランスデューサ30の間に配置させたが、これに代えてフォーカス機構を光音波結合部材41よりも体表側に設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the focus mechanism using the
また、上記実施形態では超音波レンズ44を移動させるフォーカス機構を設けたが、これに代えて超音波レンズ44は移動させず、プローブヘッド14を体表に対して上下に移動させる昇降機構を設けるようにしてもよい。この場合は、容器40の外部窓31と体表との間に、油袋(または水袋)によるスタンドオフを介在させて使用すればよい。
In the above-described embodiment, the focus mechanism for moving the
本発明は超音波アシスト蛍光イメージング法による診断装置に利用することができる。 The present invention can be used in a diagnostic apparatus using an ultrasonic assisted fluorescence imaging method.
10 超音波アシスト蛍光イメージング用プローブ
11 励起光源部
12 受光部
13 超音波照射部
14 プローブヘッド
15 本体制御部
21 半導体レーザ
22 光コリメータ
25 バンドノッチフィルタ
26 ライトパイプ
27 分光器
28 フォトマル検出器
30 超音波トランスデューサ
31 外部窓
32 第一結合部
33 第二結合部
35 孔付きミラー
36 小孔
37 パイプ(直管)
38 集光レンズ
39 伝播液(水)
40 容器
41 光音波結合部材
42 窓(上面)
43 窓(接続面)
44 超音波レンズ
101 超音波トランスデューサ
102 レーザ光源
103 ライトパイプ
104 分光器
105 フォトマル検出器
106 移動ステージ
L 励起光
M 放射光
N 蛍光
U 超音波
DESCRIPTION OF
38
40
43 Windows (connection surface)
44
Claims (9)
蛍光を含む被検体からの放射光を受光する受光部と、
加温用の超音波を照射する超音波照射部と、
前記励起光源部、前記受光部、前記超音波照射部を一体に保持し、前記励起光、前記放射光、前記超音波が通過する外部窓が設けられたプローブヘッドとからなり、
前記プローブヘッド内には、
前記励起光の光路と前記放射光の光路とが前記外部窓側で同軸的に重ね合わされて通過するように光路調整を行う第一結合部と、
前記第一結合部と前記外部窓との間で、前記励起光および前記放射光の光路と前記超音波の波路とが同軸的に重ね合わされて伝播するように光路と波路との調整を行う第二結合部とが設けられた超音波アシスト蛍光イメージング用プローブ。 An excitation light source unit for irradiating excitation light;
A light receiving unit for receiving radiation from a subject including fluorescence; and
An ultrasonic irradiation unit that emits ultrasonic waves for heating;
The excitation light source unit, the light receiving unit, and the ultrasonic wave irradiation unit are integrally held, and the excitation light, the emitted light, and a probe head provided with an external window through which the ultrasonic wave passes,
In the probe head,
A first coupling unit that adjusts an optical path so that the optical path of the excitation light and the optical path of the radiated light are coaxially overlapped and passed on the external window side;
The optical path and the waveguide are adjusted between the first coupling portion and the external window so that the optical path of the excitation light and the radiated light and the waveguide of the ultrasonic wave are superimposed and transmitted coaxially. A probe for ultrasound-assisted fluorescence imaging provided with a two-bond portion.
前記伝播液と屈折率が近似し、かつ、当該伝播液中に浸漬され、前記励起光および前記放射光が同軸的に通過する光路に対して斜めに配置され、前記励起光および前記放射光を透過するとともに前記超音波を反射する光音波結合部材とからなる請求項1〜請求項4のいずれかに記載の超音波アシスト蛍光イメージング用プローブ。 The second coupling part includes a container that forms a liquid space filled with a propagation liquid through which the excitation light, the radiation light, and the ultrasonic wave can propagate.
The refractive index approximates that of the propagating liquid and is immersed in the propagating liquid, and is disposed obliquely with respect to the optical path through which the excitation light and the emitted light pass coaxially. The probe for ultrasonically-assisted fluorescence imaging according to any one of claims 1 to 4, comprising a photoacoustic coupling member that transmits and reflects the ultrasonic wave.
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