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JPWO2007088709A1 - Photoacoustic tomography apparatus and photoacoustic tomography method - Google Patents

Photoacoustic tomography apparatus and photoacoustic tomography method

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Publication number
JPWO2007088709A1
JPWO2007088709A1 JP2007556801A JP2007556801A JPWO2007088709A1 JP WO2007088709 A1 JPWO2007088709 A1 JP WO2007088709A1 JP 2007556801 A JP2007556801 A JP 2007556801A JP 2007556801 A JP2007556801 A JP 2007556801A JP WO2007088709 A1 JPWO2007088709 A1 JP WO2007088709A1
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JP
Japan
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pulse laser
photoacoustic tomography
acoustic wave
photoacoustic
laser
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哲郎 高松
哲郎 高松
禎久 山岡
禎久 山岡
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Original Assignee
Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
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Abstract

近赤外光パルスを発生する光源10と、該パルス光を集光して被測定体15に照射する手段、該パルス光の焦点位置を走査するレーザ走査部11、及び該パルス光の多光子吸収により被測定体15から発生する音響波を検出する音響トランスデューサ18を設け、該音響波の強度情報と発生位置情報とに基づいて被測定体15内部の物質分布を示す3次元データを取得し、任意の面における断層画像を表示部23に表示する。これにより、近赤外パルス光の非線形光学効果を利用し、被測定体15内部の焦点位置から局在的に音響波を発生させることができ、被測定体15の深部領域を高解像度で観察することが可能となる。また、励起光として近赤外領域のものを用いることにより生体内における励起光の減衰を防止し、浸透深度を高めることができる。A light source 10 that generates a near-infrared light pulse, means for condensing the pulsed light and irradiating the object 15 to be measured, a laser scanning unit 11 that scans the focal position of the pulsed light, and multiphotons of the pulsed light An acoustic transducer 18 for detecting an acoustic wave generated from the measured object 15 by absorption is provided, and three-dimensional data indicating a material distribution inside the measured object 15 is acquired based on the intensity information and the generated position information of the acoustic wave. Then, a tomographic image on an arbitrary plane is displayed on the display unit 23. As a result, by utilizing the nonlinear optical effect of the near-infrared pulsed light, an acoustic wave can be generated locally from the focal position inside the measured object 15 and the deep region of the measured object 15 can be observed with high resolution. It becomes possible to do. Further, by using the excitation light in the near infrared region, attenuation of the excitation light in the living body can be prevented and the penetration depth can be increased.

Description

本発明は、光音響効果を利用して被測定体の内部情報を可視化するための光音響断層撮影装置及び光音響断層撮影方法に関する。   The present invention relates to a photoacoustic tomography apparatus and a photoacoustic tomography method for visualizing internal information of a measurement object using a photoacoustic effect.

従来より、被測定体内部の情報、例えば、生体内部の組織や臓器を観察する方法として、X線コンピュータ断層撮影(X線CT:X-ray Computed Tomography )法や磁気共鳴画像法(MRI:Magnetic Resonance Imaging)、超音波断層撮影法などの手法が知られており、広く医療現場等で用いられている。しかし、これらの手法では被測定体の深部構造を数十cmの深さに渡って観察できるものの、空間分解能1mm以下の観察は非常に困難であり、診断目的によっては必ずしも十分な情報が得られない場合があった。   Conventionally, X-ray computed tomography (X-ray computed tomography) (X-ray computed tomography) and magnetic resonance imaging (MRI) have been used as methods for observing information inside a measurement object, for example, tissues and organs inside a living body. Techniques such as Resonance Imaging) and ultrasonic tomography are known, and are widely used in medical settings. However, although these methods can observe the deep structure of the object to be measured over a depth of several tens of centimeters, observation with a spatial resolution of 1 mm or less is very difficult, and sufficient information is not always obtained depending on the purpose of diagnosis. There was no case.

一方、空間分解能の高い生体測定方法として、近年、光コヒーレンス断層撮影(OCT:Optical Coherence Tomography)法が注目されている。これは、光の干渉性を利用した測定手法であり、試料からの反射光と参照ミラーからの反射光とを干渉させ、その干渉情報から得られる試料内部の反射位置情報に基づいて断層画像を生成するものである。この手法によれば、数μm程度の高い空間分解能で生体試料の内部情報を可視化することができる。但し、上記のように、OCT法では生体に光を照射し、生体内で反射した光を検出するため、光を生体表面から観察対象部位まで一往復させる必要があるが、生体は光にとって高散乱物質であるため、生体内を長距離伝播させることは困難である。そのため、OCT法では、血管内膜のように厚さの薄いものや、目などの比較的透明なものしか観察できないという問題があった。   On the other hand, as a living body measurement method with high spatial resolution, an optical coherence tomography (OCT) method has recently attracted attention. This is a measurement technique that uses the coherence of light. The reflected light from the sample interferes with the reflected light from the reference mirror, and a tomographic image is obtained based on the reflection position information inside the sample obtained from the interference information. Is to be generated. According to this method, internal information of a biological sample can be visualized with a high spatial resolution of about several μm. However, as described above, in the OCT method, it is necessary to reciprocate light from the surface of the living body to the site to be observed in order to irradiate the living body with light and detect the light reflected in the living body. Since it is a scattering material, it is difficult to propagate in the living body for a long distance. Therefore, the OCT method has a problem that only a thin object such as an intima of blood vessels or a relatively transparent object such as an eye can be observed.

そこで、近年、生体断層像の撮影技術として光音響断層撮影(PAT:PhotoAcoustic Tomography)法と呼ばれる手法が開発され、その有用性が明らかになりつつある(例えば、特許文献1を参照)。これは、測定対象に対してパルス光を照射することによって試料内の原子又は分子を励起し、該原子又は分子の非放射遷移によって生じる音響波を検出することで測定対象内の物質分布情報を取得して画像化するものである。このように、光音響断層撮影法は、被測定体に光を照射することにより、生体内減衰の少ない音響波を発生させ、該音響波の検出により被測定体内部の情報を取得するものであるため、上記OCT法に比べてより深い領域からの信号検出が可能である。   Therefore, in recent years, a technique called a photoacoustic tomography (PAT) method has been developed as an imaging technique for living body tomographic images, and its usefulness is becoming clear (see, for example, Patent Document 1). This is because the atoms or molecules in the sample are excited by irradiating the measurement object with pulsed light, and the material distribution information in the measurement object is obtained by detecting the acoustic wave generated by the non-radiative transition of the atoms or molecules. It is acquired and imaged. As described above, the photoacoustic tomography method generates an acoustic wave with little attenuation in a living body by irradiating the measurement object with light, and acquires information inside the measurement object by detecting the acoustic wave. Therefore, it is possible to detect a signal from a deeper region than the OCT method.

特表平11-514549号公報Japanese National Patent Publication No. 11-514549

しかし、上記従来の光音響断層撮影装置においては、励起光としてナノ秒(10-9秒)オーダーのパルス幅を有する可視域短パルス光の線形(1光子)吸収による光音響波を用いているため、図2(a)に示すように、レーザ光を試料(被測定体)に照射した際に光の通る全ての部分で吸収が起きてしまい、焦点位置以外の領域からも音響波が発生する。そのため、試料の深部領域を観察する際に空間分解能が低下するという問題があった。However, in the conventional photoacoustic tomography apparatus, a photoacoustic wave by linear (one-photon) absorption of visible short pulse light having a pulse width on the order of nanoseconds (10 −9 seconds) is used as excitation light. Therefore, as shown in FIG. 2 (a), when the sample (object to be measured) is irradiated with laser light, absorption occurs in all parts through which the light passes, and acoustic waves are also generated from regions other than the focal position. To do. Therefore, there is a problem that the spatial resolution is lowered when observing the deep region of the sample.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、被測定体の深部構造を高分解能で撮影することのできる光音響断層撮影装置及び光音響断層撮影方法を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a photoacoustic tomography apparatus and a photoacoustic tomography method capable of photographing the deep structure of the measurement object with high resolution.

上記課題を解決するために成された本発明の光音響断層撮影装置は、光音響効果を利用して被測定体内部の物質分布を可視化する光音響断層撮影装置において、
a)被測定体に対してパルスレーザを照射することで多光子吸収を誘起するパルスレーザ照射手段と、
b)前記多光子吸収により被測定体から発生した音響波を検出する音響波検出手段と、
c)前記音響波検出手段による検出結果を基に被測定体内部の物質分布情報を画像化する信号処理手段と、
を有することを特徴としている。
The photoacoustic tomography apparatus of the present invention, which has been made to solve the above problems, is a photoacoustic tomography apparatus that visualizes a substance distribution inside a measurement object using a photoacoustic effect.
a) a pulsed laser irradiation means for inducing multiphoton absorption by irradiating a measured object with a pulsed laser;
b) an acoustic wave detecting means for detecting an acoustic wave generated from the measurement object by the multiphoton absorption;
c) signal processing means for imaging substance distribution information inside the measurement object based on the detection result by the acoustic wave detection means;
It is characterized by having.

ここで、パルスレーザとは、多光子励起を行うことができるものであればどのようなものでもよい。一般的に、被測定体の吸収波長の倍の波長を発振するレーザを使用し、ピークパワーの高いパルス光を被測定体に集光入射することにより多光子吸収を誘起することができる。このようなパルスレーザとしては、ピコ秒パルスレーザ、あるいはフェムト秒パルスレーザを好適に用いることができる。また、ナノ秒パルスレーザであっても高いピークパワーを有するものを用いることで多光子吸収を誘起することが可能である。   Here, the pulse laser may be any laser capable of performing multiphoton excitation. In general, it is possible to induce multiphoton absorption by using a laser that oscillates twice the absorption wavelength of the object to be measured and condensing and incident pulsed light having a high peak power on the object to be measured. As such a pulse laser, a picosecond pulse laser or a femtosecond pulse laser can be preferably used. Further, even a nanosecond pulse laser having a high peak power can induce multiphoton absorption.

また、本発明の光音響断層撮影装置には、更に、上記パルスレーザの焦点位置を2次元的又は3次元的に走査するレーザ走査手段を設け、上記信号処理手段によって、各焦点位置から発生した音響波の強度情報を基に、被測定体内部の2次元的又は3次元的な物質分布情報を取得して画像化するものとすることが望ましい。   The photoacoustic tomography apparatus of the present invention further includes laser scanning means for scanning the focal position of the pulse laser two-dimensionally or three-dimensionally, and is generated from each focal position by the signal processing means. It is desirable that two-dimensional or three-dimensional substance distribution information inside the measurement object is acquired and imaged based on the intensity information of the acoustic wave.

なお、上記レーザ走査手段は、レーザ光の焦点位置を固定して被測定体を移動するものであっても、被測定体を固定してレーザ光の焦点位置を移動するものであってもよく、あるいは、両者を組み合わせたものであってもよい。   The laser scanning means may be one that moves the object to be measured while fixing the focal position of the laser light, or may be one that moves the focal position of the laser light while fixing the object to be measured. Alternatively, a combination of both may be used.

上記構成を有する本発明の光音響断層撮影装置は、パルスレーザを励起光として、被測定体に集光照射することで多光子励起を誘起するものであり、これにより、図5(詳細は後述する)に示すように、被測定体に与えたエネルギーに対し非線形に増加する音響波を得ることができ、結果として、図2(b)に示すように、焦点領域のみで局在的励起を引き起こして音響波を発生させることができる。従って、本発明の光音響断層撮影装置によれば、不要な領域からの音響波の発生を防止することができ、高分解能を維持したまま試料のより深い領域の観察を行うことが可能となる。 The photoacoustic tomography apparatus of the present invention having the above configuration induces multiphoton excitation by condensing and irradiating a measured object with a pulsed laser as excitation light, whereby FIG. 5 (details will be described later). 2), an acoustic wave that increases nonlinearly with respect to the energy applied to the measurement object can be obtained. As a result, as shown in FIG. To generate an acoustic wave. Therefore, according to the photoacoustic tomography apparatus of the present invention, it is possible to prevent the generation of an acoustic wave from an unnecessary region, and it is possible to observe a deeper region of the sample while maintaining high resolution. .

なお、上記パルスレーザ照射手段としては、波長 700nm〜2500nmである近赤外光パルスを照射可能なものを用いることが望ましい。図3に示すように、近赤外領域の光はメラニンや水による吸収が少なく生体内における減衰が起こりにくいため、励起光の浸透深度を大きくすることができ、深部領域の高解像度観察を可能とする上記本発明の利点を一層発揮させることができる。ここで、例えば、800nmの波長を有する近赤外パルスレーザを生体に集光照射した場合、非線形光学効果による2光子励起により、焦点領域のみにおいて400nm付近に吸収を持つ物質(例えば、酸化ヘモグロビン又は還元ヘモグロビン)が励起される。   In addition, as said pulse laser irradiation means, it is desirable to use what can irradiate the near-infrared light pulse with a wavelength of 700 nm-2500 nm. As shown in Fig. 3, near-infrared light is less absorbed by melanin and water and is not easily attenuated in the living body, so that the penetration depth of excitation light can be increased and high-resolution observation of deep regions is possible. The advantages of the present invention can be further exhibited. Here, for example, when a near-infrared pulse laser having a wavelength of 800 nm is focused and irradiated on a living body, a substance having absorption near 400 nm only in the focal region (for example, oxygenated hemoglobin or Reduced hemoglobin) is excited.

本発明に係る光音響断層撮影装置の一実施例を示す模式図。The schematic diagram which shows one Example of the photoacoustic tomography apparatus which concerns on this invention. パルス光の集光照射による音響波の発生領域を説明する図であり、(a)は可視パルスレーザによる1光子励起光音響波を示し、(b)は近赤外パルスレーザによる多光子励起光音響波を示す。It is a figure explaining the generation | occurrence | production area | region of the acoustic wave by the focused irradiation of pulsed light, (a) shows the one-photon excitation photoacoustic wave by a visible pulse laser, (b) is the multiphoton excitation light by a near-infrared pulse laser. Indicates acoustic waves. 酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メラニンの吸光モル係数の波長特性、及び水の吸光係数の波長特性を示すグラフ。(出典:オレゴンメディカルセンターのウェブサイト<URL:http://omlc.ogi.edu/spectra/>)。The graph which shows the wavelength characteristic of the absorption molar coefficient of oxyhemoglobin, reduced hemoglobin, and melanin, and the wavelength characteristic of the absorption coefficient of water. (Source: Oregon Medical Center website <URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/>). 本発明に係る光音響断層撮影装置の別の構成例を示すブロック図。The block diagram which shows another structural example of the photoacoustic tomography apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る試験例1における光音響波強度の入射パルスエネルギー依存性を示す図。The figure which shows the incident pulse energy dependence of the photoacoustic wave intensity | strength in the test example 1 which concerns on this invention. 本発明に係る試験例2における2光子吸収と1光子吸収の深さ方向依存性を示す図。The figure which shows the depth direction dependence of the two-photon absorption and the one-photon absorption in Test Example 2 according to the present invention. 本発明に係る試験例3における2光子吸収励起(a)と1光子吸収励起(b)光音響信号波形の深さ方向依存性を示す図。The figure which shows the depth direction dependence of the two-photon absorption excitation (a) and the one-photon absorption excitation (b) photoacoustic signal waveform in Test Example 3 according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…近赤外パルス光源
11…レーザ走査部
12…顕微鏡
13…反射鏡
14…対物レンズ
15…被測定体
16…ステージ
17…ステージ駆動部
18…音響トランスデューサ
19…信号増幅部
20…パーソナルコンピュータ
21…制御部
22…信号処理部
23…表示部
30…プローブ
31…光照射部
32…走査部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Near-infrared pulse light source 11 ... Laser scanning part 12 ... Microscope 13 ... Reflection mirror 14 ... Objective lens 15 ... Measurement object 16 ... Stage 17 ... Stage drive part 18 ... Acoustic transducer 19 ... Signal amplification part 20 ... Personal computer 21 ... Control part 22 ... Signal processing part 23 ... Display part 30 ... Probe 31 ... Light irradiation part 32 ... Scanning part

以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施例に係る光音響断層撮影装置の概略構成を示す図である。本実施例の光音響断層撮影装置は、近赤外パルス光源10と、レーザ走査部11、レーザ光を被測定体15に照射するための照射光学系、音響トランスデューサ18、信号増幅部19、信号処理部22、及び上記各部を制御するための制御部21で構成される。なお、上記信号処理部22及び制御部21は所定のソフトウェアを搭載したパーソナルコンピュータ20(図中では「PC」と略す)によって具現化され、該パーソナルコンピュータ20にはモニタを備えた表示部23が接続されている。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a photoacoustic tomography apparatus according to an embodiment of the present invention. The photoacoustic tomography apparatus according to this embodiment includes a near-infrared pulse light source 10, a laser scanning unit 11, an irradiation optical system for irradiating a measurement object 15 with laser light, an acoustic transducer 18, a signal amplification unit 19, and a signal. It comprises a processing unit 22 and a control unit 21 for controlling the respective units. The signal processing unit 22 and the control unit 21 are embodied by a personal computer 20 (abbreviated as “PC” in the drawing) equipped with predetermined software, and the personal computer 20 includes a display unit 23 having a monitor. It is connected.

近赤外パルス光源10としては、例えば、チタンサファイアレーザ、Nd:YAGレーザ等の近赤外の光パルスを生成可能なものを使用する。上記照射光学系は、パルス光を集光して被測定体15に照射するための対物レンズ14と、近赤外パルス光源10から出射されたパルス光を対物レンズ14に入射させるための反射鏡13とを備えた顕微鏡12によって具現化される。顕微鏡12には、更に、被測定体15を載置するためのステージ16及びステージ16を駆動するためのステージ駆動部17が設けられており、ステージ駆動部17によってステージ16を上下に移動させることにより、レーザ光の焦点位置を光軸方向(すなわち図中のZ軸方向)に走査することができる。   As the near-infrared pulse light source 10, for example, a light source capable of generating near-infrared light pulses such as a titanium sapphire laser or an Nd: YAG laser is used. The irradiation optical system includes an objective lens 14 for condensing pulsed light and irradiating the measurement object 15, and a reflecting mirror for causing the pulsed light emitted from the near-infrared pulse light source 10 to enter the objective lens 14. And a microscope 12 with 13. The microscope 12 is further provided with a stage 16 for placing the measurement object 15 and a stage drive unit 17 for driving the stage 16, and the stage 16 is moved up and down by the stage drive unit 17. Thus, the focal position of the laser beam can be scanned in the optical axis direction (that is, the Z-axis direction in the figure).

レーザ走査部11は、上記顕微鏡12に付設されるものであり、レーザ走査部11の内部に設けられた可動式ミラー(図示略)を駆動することにより被測定体15に照射されるパルス光をその光軸方向と直交する面内(すなわち、図中のX軸及びY軸方向)において走査するためのものである。なお、このようなレーザ走査部11を設ける代わりに、上記ステージ16をXY軸方向に移動可能な構成とすることで、被測定体15に対するパルス光の焦点位置をXY平面内で走査できるようにしてもよい。   The laser scanning unit 11 is attached to the microscope 12. The laser scanning unit 11 drives the movable mirror (not shown) provided inside the laser scanning unit 11 to emit pulsed light irradiated on the measurement target 15. This is for scanning in a plane orthogonal to the optical axis direction (that is, the X-axis and Y-axis directions in the figure). Instead of providing such a laser scanning unit 11, the stage 16 can be moved in the XY axis direction so that the focal position of the pulsed light with respect to the measured object 15 can be scanned in the XY plane. May be.

音響トランスデューサ18は、パルス光の吸収によって被測定体15内部から放出される音響波を集音して電気信号に変換する圧電素子から成り、該音響トランスデューサ18からの電気信号は信号増幅部19で増幅され、信号処理部22においてデジタル信号に変換される。   The acoustic transducer 18 is composed of a piezoelectric element that collects an acoustic wave emitted from the inside of the measurement object 15 by absorption of pulsed light and converts it into an electrical signal. The electrical signal from the acoustic transducer 18 is received by a signal amplifying unit 19. The signal is amplified and converted into a digital signal by the signal processing unit 22.

上記信号処理部22は、信号増幅部19から送出される音響波の強度情報と、該音響波の発生位置情報、すなわちレーザ走査部11から送出されるパルス光のX軸及びY軸方向の焦点位置情報とステージ駆動部17から送出されるパルス光のZ軸方向の焦点位置情報とを受信、デジタル化し、これらの情報に基づいて所定の演算を行うことにより被測定体15内部の物質分布を示す3次元画像データを生成するものである。更に、該信号処理部22では、生成された3次元画像データを基に被測定体15の任意の断面を表した2次元画像(断層像)が生成され、表示部23のモニタ上に表示される。   The signal processing unit 22 includes the intensity information of the acoustic wave transmitted from the signal amplification unit 19 and the generation position information of the acoustic wave, that is, the focal points of the pulsed light transmitted from the laser scanning unit 11 in the X-axis and Y-axis directions. The position information and the focal position information in the Z-axis direction of the pulsed light transmitted from the stage drive unit 17 are received and digitized, and a predetermined calculation is performed based on these information, whereby the substance distribution inside the measurement object 15 is determined. The three-dimensional image data shown is generated. Further, the signal processing unit 22 generates a two-dimensional image (tomographic image) representing an arbitrary cross section of the measurement object 15 based on the generated three-dimensional image data, and displays the two-dimensional image on the monitor of the display unit 23. The

上記構成の光音響断層撮影装置を用いて生体の断層画像を撮影する際には、まず、近赤外パルス光源10から所定の間隔でパルス光を出射させて被測定体15に照射する。このとき、近赤外パルス光源10から出射されたパルス光はレーザ走査部11を経て上記顕微鏡12に設けられた反射鏡13で反射され、対物レンズ14で集光されてステージ16上に載置された被測定体15に照射される。これにより、被測定体15の内部では、近赤外パルスによる多光子吸収により焦点領域のみにおいて音響波が発生する。焦点位置で発生した音響波は生体内を伝播し音響トランスデューサ18によって検出され、該検出信号が信号増幅部19を経て信号処理部22に送出される。   When taking a tomographic image of a living body using the photoacoustic tomography apparatus having the above-described configuration, first, pulsed light is emitted from the near-infrared pulse light source 10 at a predetermined interval to irradiate the measurement object 15. At this time, the pulsed light emitted from the near-infrared pulse light source 10 is reflected by the reflecting mirror 13 provided in the microscope 12 through the laser scanning unit 11, condensed by the objective lens 14, and placed on the stage 16. The irradiated object 15 is irradiated. As a result, an acoustic wave is generated only in the focal region due to multiphoton absorption by the near-infrared pulse inside the measured object 15. The acoustic wave generated at the focal position propagates through the living body and is detected by the acoustic transducer 18, and the detection signal is sent to the signal processing unit 22 through the signal amplification unit 19.

ここで、レーザ走査部11を用いてパルス光の焦点位置をX軸及びY軸方向に走査しながら上記のようなパルス光の照射及び音響波の検出を行うことで、被測定体15内の所定の深さ位置におけるXY平面の2次元画像を撮影することができ、更に、ステージ駆動部17を用いてパルス光の焦点位置をZ軸方向(すなわち被測定体15の深さ方向)に変化させながらこのような2次元画像を複数枚撮影することで、被測定体15内部の3次元データを取得することができる。   Here, by irradiating the pulsed light and detecting the acoustic wave as described above while scanning the focal position of the pulsed light in the X-axis and Y-axis directions using the laser scanning unit 11, A two-dimensional image of the XY plane at a predetermined depth position can be taken, and the stage drive unit 17 is used to change the focal position of the pulsed light in the Z-axis direction (that is, the depth direction of the measured object 15). By capturing a plurality of such two-dimensional images, the three-dimensional data inside the measured object 15 can be acquired.

以上のような、本実施例の光音響断層撮影装置及びそれを用いた光音響断層撮影方法によれば、近赤外光パルスによる多光子吸収により焦点領域から局在的に音響波を発生させることができるため、目的外の領域からの光音響信号の発生を防止し、空間分解能を低下させることなく深部領域の観察を行うことが可能となる。   According to the photoacoustic tomography apparatus of the present embodiment and the photoacoustic tomography method using the same as described above, acoustic waves are generated locally from the focal region by multiphoton absorption by the near-infrared light pulse. Therefore, it is possible to prevent the generation of photoacoustic signals from a non-target region and to observe a deep region without reducing the spatial resolution.

また、励起光として生体吸収の少ない近赤外光を用いることで生体の深部まで励起光を浸透させることが可能となる。特に、このような近赤外光パルスとして、血液成分を2光子吸収によって特異的に励起することが可能な波長を有するものを用いれば、生体内の血液分布を可視化することができる。   Further, by using near-infrared light with little bioabsorption as the excitation light, the excitation light can penetrate into the deep part of the living body. In particular, when such a near-infrared light pulse having a wavelength capable of specifically exciting a blood component by two-photon absorption is used, the blood distribution in the living body can be visualized.

さらに、近赤外光により励起される多光子吸収物質を被測定体に導入すれば、生体内において造影剤として働き、被測定体イメージのコントラスト向上が可能となる。以下の試験例は、血液の主成分であるヘモグロビンを溶かした水溶液に2光子吸収物質を入れることにより、多光子励起音響波を効率よく検出することが可能であるという結果を示している。   Furthermore, if a multiphoton absorbing material excited by near-infrared light is introduced into the measurement object, it acts as a contrast agent in the living body, and the contrast of the measurement object image can be improved. The following test examples show the result that a multiphoton excitation acoustic wave can be efficiently detected by putting a two-photon absorption substance in an aqueous solution in which hemoglobin as a main component of blood is dissolved.

(試験例1) 被測定体として血液成分を含む溶液を以下のように調整した。ヘモグロビン(hemoglobin human: SIGMA社製)水溶液に2光子吸収剤ローダミンB(Rhodamine B: SIGMA社製)を混和させた(溶液1)。ここで、ローダミンBは1064nmの波長の光によって2光子吸収を生じる物質である。この溶液1を被測定体として、レーザ照射し、音響波の検出を行った。ここで使用したレーザの波長は1064nmである。検出された音響波の入射パルスエネルギー依存性を図5に示す。ここに示されるように、光音響波の出力はパルスエネルギーに対して非線形であり、音響波は多光子吸収により発生している。このことは、光強度の強い焦点部のみからの光音響波検出が可能であることを意味しており、生体深部を高分解能で可視化することが可能である。   (Test Example 1) A solution containing a blood component as a measurement object was prepared as follows. A two-photon absorber, rhodamine B (Rhodamine B: manufactured by SIGMA) was mixed with an aqueous solution of hemoglobin (manufactured by SIGMA) (solution 1). Here, rhodamine B is a substance that causes two-photon absorption by light having a wavelength of 1064 nm. Using this solution 1 as a measurement object, laser irradiation was performed to detect acoustic waves. The wavelength of the laser used here is 1064 nm. FIG. 5 shows the incident pulse energy dependence of the detected acoustic wave. As shown here, the output of the photoacoustic wave is nonlinear with respect to the pulse energy, and the acoustic wave is generated by multiphoton absorption. This means that the photoacoustic wave can be detected only from the focal portion where the light intensity is strong, and the deep part of the living body can be visualized with high resolution.

(試験例2) さらに、多光子励起を利用することによる光音響断層撮影の分解能向上を見積もった。近赤外波長域で2光子吸収を起こすHE染色したラット肝臓の切片(厚さ数十μm)に800nmの近赤外パルスレーザ(2光子吸収)と488nmの可視レーザ(1光子吸収)を10倍の対物レンズで集光し、2光子と1光子の吸収量の光軸方向の位置依存性を測定した(図6)。ここで吸収量は蛍光強度により測定を行った。測定結果は、1光子吸収に比べて2光子吸収は焦点近傍でのみ起こることを示している。1光子吸収と2光子吸収の光軸方向位置依存性の半値幅には数倍の差があり、多光子吸収を利用することで、深さ方向に数倍の分解能向上が期待される。   (Test Example 2) Further, the improvement in resolution of photoacoustic tomography by using multiphoton excitation was estimated. The HE-stained rat liver slice (thickness of several tens of μm) that causes two-photon absorption in the near-infrared wavelength region is applied with a 800-nm near-infrared pulse laser (two-photon absorption) and a 488-nm visible laser (one-photon absorption) Condensing with a double objective lens, the position dependency of the absorption amount of two-photon and one-photon in the optical axis direction was measured (FIG. 6). Here, the amount of absorption was measured by fluorescence intensity. The measurement results show that two-photon absorption occurs only near the focal point compared to one-photon absorption. There is a difference of several times in the half-value width of the position dependency of the one-photon absorption and the two-photon absorption in the optical axis direction. By using multiphoton absorption, the resolution can be improved several times in the depth direction.

(試験例3) 2光子吸収剤ローダミンB(Rhodamine B: SIGMA社製)クロロホルム溶液(溶液2)を1mm厚のガラスセルに入れ水槽の中に設置し、1064nmと532nmのパルスレーザを集光照射した。溶液2から発生した光音響波は、同じく水槽内に設置した10MHz音響トランスデューサ(10K6.4I:ジャパンプローブ社製)で測定した。ここで、ローダミンBは1064nm、532nmの波長の光でそれぞれ2光子吸収、1光子吸収を生じる物質である。光軸方向(深さ方向)に対して溶液2の入ったガラスセルを移動させ、光音響信号波形の変化を測定した(図7)。図7を見てわかるように、532nmの光による1光子吸収励起光音響波は被測定体が焦点位置にある時以外でも発生するが、1064nmの光による2光子吸収励起光音響波は被測定体が焦点近傍にある時にしか発生しない。このように従来の1光子励起光音響断層撮影法に比べて、多光子吸収励起光音響波を使うことにより、深さ方向に空間分解能が向上することを示している。   (Test Example 3) Two-photon absorber Rhodamine B (Rhodamine B: manufactured by SIGMA) Chloroform solution (Solution 2) is placed in a 1 mm-thick glass cell and placed in a water tank, and 1064 nm and 532 nm pulse lasers are focused and irradiated. did. The photoacoustic wave generated from the solution 2 was measured with a 10 MHz acoustic transducer (10K6.4I: manufactured by Japan Probe Co., Ltd.) which was also installed in the water tank. Here, rhodamine B is a substance that produces two-photon absorption and one-photon absorption, respectively, with light having wavelengths of 1064 nm and 532 nm. The glass cell containing the solution 2 was moved with respect to the optical axis direction (depth direction), and the change in the photoacoustic signal waveform was measured (FIG. 7). As can be seen from FIG. 7, the one-photon absorption excitation photoacoustic wave generated by 532 nm light is generated even when the object to be measured is not at the focal position, but the two-photon absorption excitation photoacoustic wave generated by 1064 nm light is measured. Occurs only when the body is near focus. Thus, it is shown that the spatial resolution is improved in the depth direction by using the multiphoton absorption excitation photoacoustic wave as compared with the conventional one-photon excitation photoacoustic tomography.

従って、本実施例の光音響断層撮影装置及び光音響断層撮影方法は、特に毛細血管や小動静脈のイメージング、組織や臓器の深部構造の測定等に好適に用いることができる。   Therefore, the photoacoustic tomography apparatus and the photoacoustic tomography method of the present embodiment can be suitably used particularly for imaging of capillaries and small arteriovenous veins, measurement of deep structures of tissues and organs, and the like.

なお、被対象物としては、近赤外パルスレーザにより多光子励起されるものであればどのようなものでも良いが、特に血液成分が望ましい。例えば、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンを被対象物とすることにより、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの2光子吸収のピークの違い(図3参照)を利用して脳内血中酸素濃度分布を測定し、脳の働きをみるような機能イメージングが可能となる。具体的には、酸化ヘモグロビンの1光子吸収ピーク波長の2倍の波長を持つレーザをXYZ方向にスキャンし、発生する光音響波強度の位置依存性を測定すると、酸化ヘモグロビンの多い血液から信号が強く発生するので、酸素濃度の高い血液を含む血管のみが可視化される。同様に、還元ヘモグロビンの1光子吸収の2倍の波長を持つレーザを用いて測定を行うと、酸素濃度の低い血液を多く含む血管のみが可視化できる。このように波長を変化させて測定を行うことにより血管内酸素濃度情報を含めた血管の画像化ができ、例えば、脳内の活性化部位の観察が可能となる。上記近赤外パルス光源としては、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンを2光子励起可能な近赤外領域(700 nm〜2500 nm)で波長可変なレーザを用いることが望ましい。また、上記近赤外パルスレーザとしては、多光子励起を行うことができるものであればどのようなものでもよいが、一般的には、ナノ秒パルスレーザ、ピコ秒パルスレーザ、あるいはフェムト秒パルスレーザが用いられる。   The target object may be any object as long as it is multiphoton excited by a near-infrared pulse laser, but a blood component is particularly desirable. For example, by using oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin as the objects of interest, the oxygen concentration distribution in the brain is measured using the difference in the two-photon absorption peak between oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin (see FIG. 3). It is possible to perform functional imaging that looks like Specifically, when a laser having a wavelength twice the one-photon absorption peak wavelength of oxyhemoglobin is scanned in the XYZ directions and the position dependency of the generated photoacoustic wave intensity is measured, a signal is obtained from blood rich in oxyhemoglobin. Since it occurs strongly, only blood vessels containing blood with a high oxygen concentration are visualized. Similarly, when measurement is performed using a laser having a wavelength twice that of one photon absorption of reduced hemoglobin, only blood vessels containing a lot of blood having a low oxygen concentration can be visualized. By performing measurement while changing the wavelength in this way, it is possible to form an image of a blood vessel including information on the oxygen concentration in the blood vessel, and for example, it is possible to observe an activated site in the brain. As the near-infrared pulse light source, it is desirable to use a laser whose wavelength is variable in the near-infrared region (700 nm to 2500 nm) capable of two-photon excitation of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin. The near-infrared pulse laser may be any laser capable of performing multiphoton excitation. Generally, a nanosecond pulse laser, a picosecond pulse laser, or a femtosecond pulse is used. A laser is used.

以上、実施例を用いて本発明の光音響断層撮影装置及び光音響断層撮影方法を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で適宜変更が許容されるものである。   As described above, the best mode for carrying out the photoacoustic tomography apparatus and the photoacoustic tomography method of the present invention has been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is not limited thereto. Within this range, appropriate changes are allowed.

本発明の光音響断層撮影装置は、上記のような顕微鏡を利用した構成に限定されるものではなく、例えば、レーザ光の照射手段と音響波の検出手段を被測定体の表面に直接当接させることでレーザ光の照射及び音響波の受信を行うものとしてもよい。このような光音響断層撮影装置の構成の一例を図4に示す。なお、図1と同様の構成については同一符号を付し、適宜説明を省略する。ここでは、被測定体15に当接させて用いられるプローブ30の表面(被測定体15と当接する面)に、近赤外パルス光源10から導かれたパルス光を集光して被測定体15に照射するための光照射部31と、該パルス光の吸収により被測定体15内で発生した音響波を検出するためのPVDF(ポリフッ化ビニリデン樹脂)等の圧電素子から成る音響トランスデューサ18とを配設した構成となっている。なお、光照射部31はパルス光の光軸方向の焦点位置を変更可能なものとし、更に、プローブ内には光照射部31によるパルス光の焦点位置をその光軸に直交する平面内で走査するための走査部32を設け、被測定体15内の2次元的又は3次元的な物質分布情報を取得できるものとすることが望ましい。なお、上記のような光照射部31と音響トランスデューサ18とをプローブ30の表面に多数個配列させ、それらを切り換えて動作させることによりパルス光を走査する構成としてもよい。   The photoacoustic tomography apparatus of the present invention is not limited to the configuration using the microscope as described above. For example, the laser light irradiation means and the acoustic wave detection means are in direct contact with the surface of the measurement object. It is good also as what performs irradiation of a laser beam, and reception of an acoustic wave. An example of the configuration of such a photoacoustic tomography apparatus is shown in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to FIG. 1, and description is abbreviate | omitted suitably. Here, the pulsed light guided from the near-infrared pulse light source 10 is condensed on the surface of the probe 30 used in contact with the measured object 15 (the surface that is in contact with the measured object 15). A light irradiating unit 31 for irradiating 15, an acoustic transducer 18 composed of a piezoelectric element such as PVDF (polyvinylidene fluoride resin) for detecting an acoustic wave generated in the measurement object 15 by absorption of the pulsed light, and Is provided. The light irradiation unit 31 can change the focal position of the pulsed light in the optical axis direction. Further, the probe scans the focal position of the pulsed light by the light irradiation unit 31 in a plane orthogonal to the optical axis. It is desirable to provide a scanning unit 32 for obtaining the two-dimensional or three-dimensional material distribution information in the measurement object 15. In addition, it is good also as a structure which scans pulsed light by arranging many light irradiation parts 31 and the acoustic transducers 18 as mentioned above on the surface of the probe 30, and switching and operating them.

上記のような光音響断層撮影装置の動作を、上述の脳機能イメージングを行う場合を例にとって説明する。脳内の血中酸素濃度は脳活動と密接な関連があるため、その濃度分布情報を取得して画像化することにより脳の活動部位等を観察することができる。まず、プローブ30を被測定体15の頭部に当接させ、2光子励起により酸化ヘモグロビンを特異的に励起可能な波長のパルス光を光照射部31から照射すると共に、該2光子励起によって焦点位置から発生する音響波を音響トランスデューサ18で検出する。このとき、光照射部31及び走査部32によってパルス光の焦点位置を3次元的に走査することにより、脳の各部についてパルス光の照射及び音響波信号の検出が行われる。続いて、同様にして、2光子励起により還元ヘモグロビンを特異的に励起可能な波長におけるパルス光の照射及び音響波の検出を行い、以上により取得された酸化ヘモグロビン又は還元ヘモグロビン由来の音響波の検出信号とプローブ30から送出されるパルス光の焦点位置情報に基づいて信号処理部22で所定の演算を行う。これにより脳の各部における血中酸素濃度が算出され、該血中酸素濃度の分布を示す3次元画像データが生成される。更に、信号処理部22は生成された3次元画像データに基づいて3次元画像又は脳の任意の断面を示した2次元画像を生成し、表示部23のモニタ上に表示する。   The operation of the photoacoustic tomography apparatus as described above will be described taking as an example the case of performing the above-described brain function imaging. Since the blood oxygen concentration in the brain is closely related to the brain activity, the active site of the brain can be observed by acquiring the concentration distribution information and imaging it. First, the probe 30 is brought into contact with the head of the measurement object 15, and pulsed light having a wavelength capable of specifically exciting oxyhemoglobin by two-photon excitation is emitted from the light irradiation unit 31 and focused by the two-photon excitation. An acoustic wave generated from the position is detected by the acoustic transducer 18. At this time, the light irradiation unit 31 and the scanning unit 32 scan the focal position of the pulsed light in a three-dimensional manner, whereby irradiation of the pulsed light and detection of the acoustic wave signal are performed for each part of the brain. Subsequently, in the same manner, pulsed light irradiation and acoustic waves are detected at a wavelength capable of specifically exciting reduced hemoglobin by two-photon excitation, and acoustic waves derived from oxyhemoglobin or reduced hemoglobin obtained as described above are detected. Based on the signal and the focal position information of the pulsed light transmitted from the probe 30, the signal processor 22 performs a predetermined calculation. Thereby, the blood oxygen concentration in each part of the brain is calculated, and three-dimensional image data indicating the distribution of the blood oxygen concentration is generated. Further, the signal processing unit 22 generates a three-dimensional image or a two-dimensional image showing an arbitrary cross section of the brain based on the generated three-dimensional image data, and displays it on the monitor of the display unit 23.

なお、本発明の光音響断層撮影装置及び光音響断層撮影方法は、上記のような生体の観察に限定されるものではなく、例えば、半導体素子の製品検査など種々の試料の非破壊検査に応用可能である。なお、この場合には、検出対象となる物質の多光子吸収に応じた適切な波長を使用することが望ましい。   The photoacoustic tomography apparatus and the photoacoustic tomography method of the present invention are not limited to the observation of a living body as described above, and are applied to, for example, nondestructive inspection of various samples such as product inspection of semiconductor elements. Is possible. In this case, it is desirable to use an appropriate wavelength according to the multiphoton absorption of the substance to be detected.

Claims (13)

光音響効果を利用して被測定体内部の物質分布を可視化する光音響断層撮影装置において、
a)被測定体に対してパルスレーザを照射することで多光子吸収を誘起するパルスレーザ照射手段と、
b)前記多光子吸収により被測定体から発生した音響波を検出する音響波検出手段と、
c)前記音響波検出手段による検出結果を基に被測定体内部の物質分布情報を画像化する信号処理手段と、
を有することを特徴とする光音響断層撮影装置。
In the photoacoustic tomography apparatus that visualizes the substance distribution inside the measurement object using the photoacoustic effect,
a) a pulsed laser irradiation means for inducing multiphoton absorption by irradiating a measured object with a pulsed laser;
b) an acoustic wave detecting means for detecting an acoustic wave generated from the measurement object by the multiphoton absorption;
c) signal processing means for imaging substance distribution information inside the measurement object based on the detection result by the acoustic wave detection means;
A photoacoustic tomography apparatus comprising:
上記パルスレーザが、ナノ秒パルスレーザ、ピコ秒パルスレーザ、又はフェムト秒パルスレーザのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の光音響断層撮影装置。   The photoacoustic tomography apparatus according to claim 1, wherein the pulse laser is any one of a nanosecond pulse laser, a picosecond pulse laser, and a femtosecond pulse laser. 更に、上記パルスレーザの焦点位置を2次元的又は3次元的に走査するレーザ走査手段を有し、上記信号処理手段が、各焦点位置から発生した音響波の強度情報を基に、被測定体内部の2次元的又は3次元的な物質分布情報を取得して画像化するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光音響断層撮影装置。   Furthermore, it has laser scanning means for two-dimensionally or three-dimensionally scanning the focal position of the pulse laser, and the signal processing means is based on the intensity information of the acoustic wave generated from each focal position. The photoacoustic tomography apparatus according to claim 1 or 2, wherein internal two-dimensional or three-dimensional material distribution information is acquired and imaged. 前記パルスレーザ照射手段が、近赤外パルスレーザを照射するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光音響断層撮影装置。   The photoacoustic tomography apparatus according to claim 1, wherein the pulse laser irradiation unit irradiates a near-infrared pulse laser. 上記近赤外パルスレーザが2光子吸収により血液成分を特異的に励起可能な波長を有するものであることを特徴とする請求項4に記載の光音響断層撮影装置。   5. The photoacoustic tomography apparatus according to claim 4, wherein the near-infrared pulse laser has a wavelength capable of specifically exciting a blood component by two-photon absorption. 上記パルスレーザ照射手段が、2光子吸収により酸化ヘモグロビンを特異的に励起可能な波長及び2光子吸収により還元ヘモグロビンを特異的に励起可能な波長を有する近赤外パルスレーザを照射可能なものであり、上記信号処理手段が、前記各波長における音響波を上記音響波検出手段によって検出した結果に基づいて被測定体内部の血中酸素濃度を測定し、その分布情報を画像化することを特徴とする請求項5に記載の光音響断層撮影装置。   The pulse laser irradiation means can irradiate a near-infrared pulse laser having a wavelength that can specifically excite oxyhemoglobin by two-photon absorption and a wavelength that can specifically excite reduced hemoglobin by two-photon absorption. The signal processing means measures the blood oxygen concentration inside the measurement object based on the result of detecting the acoustic wave at each wavelength by the acoustic wave detection means, and images the distribution information. The photoacoustic tomography apparatus according to claim 5. 光音響効果を利用して被測定体内部の物質分布を可視化する光音響断層撮影方法において、
a) パルスレーザを被測定体に照射することにより、該レーザの焦点位置のみにおいて多光子吸収による音響波を発生させるステップと、
b)該音響波を検出するステップと、
c)該音響波の検出結果を基に被測定体内部の物質分布情報を画像化するステップと、
を有することを特徴とする光音響断層撮影方法。
In the photoacoustic tomography method that visualizes the substance distribution inside the measurement object using the photoacoustic effect,
a) irradiating an object to be measured with a pulse laser to generate an acoustic wave by multiphoton absorption only at the focal position of the laser;
b) detecting the acoustic wave;
c) imaging the substance distribution information inside the measurement object based on the detection result of the acoustic wave;
A photoacoustic tomography method comprising:
上記パルスレーザが、ナノ秒パルスレーザ、ピコ秒パルスレーザ、又はフェムト秒パルスレーザのいずれかであることを特徴とする請求項7に記載の光音響断層撮影方法。   8. The photoacoustic tomography method according to claim 7, wherein the pulse laser is any one of a nanosecond pulse laser, a picosecond pulse laser, and a femtosecond pulse laser. 上記パルスレーザの焦点位置を2次元的又は3次元的に走査しながら被測定体への照射を行い、各焦点位置において発生した音響波を検出し、その検出結果を基に被測定体内部の2次元的又は3次元的な物質分布情報を取得して画像化することを特徴とする請求項7又は8に記載の光音響断層撮影方法。   The object to be measured is irradiated while scanning the focal position of the pulse laser two-dimensionally or three-dimensionally, and an acoustic wave generated at each focal position is detected. Based on the detection result, the inside of the object to be measured is detected. 9. The photoacoustic tomography method according to claim 7, wherein two-dimensional or three-dimensional material distribution information is acquired and imaged. 上記パルスレーザとして近赤外パルスレーザを用いることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の光音響断層撮影方法。   10. The photoacoustic tomography method according to claim 7, wherein a near infrared pulse laser is used as the pulse laser. 上記近赤外パルスレーザが2光子吸収により血液成分を特異的に励起可能な波長を有するものであることを特徴とする請求項10に記載の光音響断層撮影方法。   The photoacoustic tomography method according to claim 10, wherein the near-infrared pulse laser has a wavelength capable of specifically exciting a blood component by two-photon absorption. 上記パルスレーザとして2光子吸収により酸化ヘモグロビンを特異的に励起可能な波長及び2光子吸収により還元ヘモグロビンを特異的に励起可能な波長を有する近赤外パルスレーザをそれぞれ被測定体に照射し、前記各波長において発生する音響波の検出結果を基に被検体内部の血中酸素濃度分布情報を取得して画像化することを特徴とする請求項11に記載の光音響断層撮影方法。   The object to be measured is irradiated with a near-infrared pulse laser having a wavelength that can specifically excite oxyhemoglobin by two-photon absorption and a wavelength that can specifically excite reduced hemoglobin by two-photon absorption as the pulse laser, The photoacoustic tomography method according to claim 11, wherein blood oxygen concentration distribution information inside the subject is acquired and imaged based on detection results of acoustic waves generated at each wavelength. 上記近赤外パルスレーザの照射により多光子吸収が誘起される物質を造影剤として利用することを特徴とする請求項7〜12のいずれかに記載の光音響断層撮影方法。   13. The photoacoustic tomography method according to claim 7, wherein a substance whose multiphoton absorption is induced by irradiation with the near infrared pulse laser is used as a contrast agent.
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