专利名称：生物体观测装置以及生物体断层图像生成方法
技术领域：
本发明涉及一种生物体观测装置以及生物体断层图像生成方法，特别是涉及一种同时使用声波和光来获取生物体内部的信息的生物体观测装置以及生物体断层图像生成方法。
背景技术：
近年来，作为实现生物体的光断层成像的技术，例如提出了光学CT、光学相干断层成像法(Optical Coherence Tomograp hy 下面称为OCT)以及光声断层成像法等各种技术。光学CT利用了在生物体内部的光散射的影响比较弱的波长域700nm 1200nm的近红外光，因此能够得到粘膜下几cm的生物体深部的断层图像。另外，利用了干涉的OCT能够以高分辨率(几μπι 几十μπι)在短时间内获取 2mm左右的深度的生物体断层图像。OCT是已经实际应用到眼科领域的网膜疾病诊断中的技术，其医学关注度非常高。光学CT虽然能够得到深部的信息，但是空间分辨率非常低，低至几mm。另一方面， OCT难以观察生物体粘膜下大约2mm以深，并且对于癌等肿瘤组织难以得到良好的画质。对此，在日本特开2007-216001号公报中公开了如下一种技术通过将光与超声波在生物体粘膜内部相互作用的结果作为光的相位成分的变化量来进行检测，使正常组织和癌等肿瘤组织可视化。另夕卜，在 C. Kim, K. H. Song, L. V. Wang、《Sentinellymph node detection ex vivo using ultrasound-modulated optical tomogr aphy. ))> J. Biomed. Opt. 13 (2) >2008 ( L^i, 下称为非专利文献)中公开了一种与超声调制光学成像技术(Ultrasound-Modulated Optica 1 Tomography)相关的技术，该技术能够通过检测由射出至生物体组织的超声波进行调制而得到的光，来获得具备与光CT相比更高的空间分辨率的生物体深部的断层图像。另外，在对生物体介质内部的期望位置射出超声波以及照明光，并根据该期望位置处产生的物体光来获取生物体信息的情况下，该物体光的相位成分的观测量根据从存在于该照明光和该物体光的路径上的生物体介质受到的相位成分的变化量而发生变动。因此，例如日本特开2007-216001号公报中记载的技术那样，在仅使用物体光的相位成分的观测量来生成期望区域的断层图像的情况下，有时会生成难以辨别正常组织和癌等肿瘤组织的(模糊的)图像。并且，在日本特开2007-216001号公报所记载的技术中，没有任何针对这种问题的提案。另外，上述非专利文献中记载的技术进行专用于各种生物体介质中的吸收光的对象物的成像。因此，根据上述非专利文献中记载的技术，产生如下问题无法生成能够明确辨别正常组织和癌等肿瘤组织的图像。本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够以高对比度使正常组织和癌等肿瘤组织可视化的生物体观测装置以及生物体断层图像生成方法。
发明内容
用于解决问题的方案本发明的生物体观测装置的特征在于，具有超声波产生部，其对被检体内部的规定区域输出超声波；照明光产生部，其向被入射了上述超声波的上述规定区域射出照明光； 相位成分检测部，其从第1时刻至第N时刻对向上述规定区域射出的上述照明光的返回光进行时间分解，由此检测第1个至第N个与各时刻相应的该返回光的相位成分；以及运算部，其根据上述相位成分检测部所检测出的各相位成分进行如下处理从第N个相位成分中减去第1个至第N-I个相位成分之和。本发明的生物体断层图像生成方法的特征在于，具有以下步骤对被检体内部的规定区域输出超声波；向被入射了上述超声波的上述规定区域射出照明光；从第1时刻至第N时刻对向上述规定区域射出的上述照明光的返回光进行时间分解，由此检测第1个至第N个与各时刻相应的该返回光的相位成分；根据上述相位成分检测部所检测出的各相位成分进行如下处理从第N个相位成分中减去第1个至第N-I个相位成分之和；以及通过将上述处理中的处理结果用作像素成分，来生成上述规定区域的断层图像。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的光学成像装置的主要部分的结构的一例的图。图2是表示在图1的光学成像装置中所进行的处理的一例的流程图。图3是表示在从生物体组织的表面数起第j+Ι个深度位置处产生物体光的情况的示意图。图4是表示本发明的实施方式所涉及的光学成像装置的主要部分的结构与图1不同的例子的图。图5是表示图4的光耦合器外围的详细结构的图。图6是表示图4的光学成像装置所具有的光纤的端部的结构的一例的图。图7是表示在图4的光学成像装置中进行的处理的一例的流程图。
具体实施例方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。图1至图7是本发明的实施方式所涉及的图。图1是表示本发明的实施方式所涉及的光学成像装置的主要部分的结构的一例的图。图2是表示在图1的光学成像装置中进行的处理的一例的流程图。图3是表示在从生物体组织的表面数起第j+Ι个深度位置处产生物体光的情况的示意图。图4是表示本发明的实施方式所涉及的光学成像装置的主要部分的结构与图1不同的例子的图。图5是表示图4的光耦合器周围的详细结构的图。图6 是表示图4的光学成像装置所具有的光纤的端部的结构的一例的图。图7是表示在图4的光学成像装置中进行的处理的一例的流程图。如图1所示，作为生物体观测装置的光学成像装置1具有单元2，其能够对作为被检体的生物体组织101射出超声波和照明光，并且接收该照明光在该生物体组织101中
4进行反射和散射而得到的光、即物体光；扫描驱动器3，其根据从扫描信号产生部9输出的扫描信号，一边改变单元2的位置(扫描位置)一边射出该超声波和该照明光；任意波形产生部4 ；放大部5 ；信号处理部6 ；终端装置7 ；由监视器等构成的显示部8 ；以及扫描信号产生部9。单元2构成为具有照明光产生部21、半透半反镜22、参考镜25、在中央部形成有开口部的超声波换能器26和声透镜^a、以及光检测部27。照明光产生部21由能够发出作为能够到达生物体组织101内部的检查对象位置的照明光的相干光的激光光源、或SLD (Super Luminescent Diode 超辐射发光二极管)或白色光源和干涉滤光片的组合等构成。此外，从照明光产生部21发出的照明光不限于连续光，例如也可以是脉冲光。半透半反镜22反射来自照明光产生部21的照明光的一部分来向参考镜25侧射出，并且使该照明光的另一部分向超声波换能器26侧透射。从半透半反镜22向参考镜25侧射出的照明光在参考镜25中反射后，作为参考光入射到半透半反镜22。从半透半反镜22向超声波换能器沈侧透射的照明光在通过设置在超声波换能器 26和声透镜^a的中央部的开口部之后，被射到生物体组织101。此外，在本实施方式中，设在由光学成像装置1的各部进行用于获取生物体组织 101的生物体信息的处理等之前，用水等超声波传播介质来填满单元2 (的声透镜26a侧) 与生物体组织101之间。另一方面，超声波换能器沈根据来自任意波形产生部4的超声波驱动信号，将作为连续波的规定的超声波沿着通过开口部的照明光的光轴射到生物体组织101。并且，从超声波换能器26射出的规定的超声波通过声透镜26a会聚，并且作为周期性的疏密波而在生物体组织101的内部传播，之后会聚在生物体组织101的深度方向(图1的ζ轴方向)上的规定的区域中。声透镜^a例如具有以下结构通过扫描驱动器3的控制，能够适当地变更规定的超声波在生物体组织101的深度方向(图1的Z轴方向)上会聚的区域。另一方面，从单元2射出的照明光在生物体组织101的深度方向(图1的ζ轴方向)的各位置中的、与规定的超声波会聚的区域相当的位置处进行反射，在通过超声波换能器26以及声透镜^a的开口部之后，作为物体光(返回光)入射到半透半反镜22。艮口， 透过半透半反镜22的照明光在生物体组织101的内部的、因上述规定的超声波而密度变大的位置处进行反射之后，作为物体光入射到半透半反镜22。并且，半透半反镜22使从参考镜25侧入射的参考光和从超声波换能器沈侧入射的物体光这两束光分别进行干涉，并且将该两束光干涉之后产生的干涉光射到光检测部27 侧。光检测部27对从半透半反镜22射出的干涉光进行外差(heterodyne)检测，之后将所检测出的该干涉光转换为作为电信号的干涉信号而输出到信号处理部6。扫描驱动器3在每次被输入来自扫描信号产生部9的扫描信号时，将超声波换能器沈以及声透镜的位置变更为图1的χ轴方向或y轴方向。任意波形产生部4将用于从超声波换能器沈和声透镜26a输出具有规定的波长(或者规定的频率)的规定的超声波的超声波驱动信号输出到放大部5。或者，任意波形产生部4将时刻信号输出到扫描信号产生部9，该时刻信号表示向放大部5输出了超声波驱动信号的时刻。并且，任意波形产生部4在到达扫描驱动器3的扫描范围的终端时，将触发信号输出到终端装置7和扫描信号产生部9。并且，任意波形产生部4将上述时刻信号延迟规定时间后输出到信号处理部6。由功率放大器等构成的放大部5对从任意波形产生部4输出的超声波驱动信号进行放大，并且将放大后的超声波驱动信号输出到超声波换能器26。具备未图示的光谱分析仪或数字示波器等的信号处理部6对从光检测部27输出的干涉信号进行检测。并且，信号处理部6对上述干涉信号的检测结果进行基于来自任意波形产生部4的时刻信号的时间分解，由此获取相位成分的观测量，之后将该相位成分的观测量输出到终端装置7。由计算机等构成的终端装置7构成为具有进行各种运算和处理的CPU 7a以及存储器7b。CPU 7a根据从信号处理部6输出的相位成分的观测量来分别算出生物体组织101 的最表层部以外的深度方向的各位置处的相位成分的相对量。另外，CPU 7a根据生物体组织101的最表层部的相位成分的观测量和上述相位成分的相对量的计算结果，逐行生成由沿着生物体组织101的深度方向的N个像素构成的图像数据，之后将生成的1行图像数据依次存储到存储器7b中。并且，CPU 7a当根据从任意波形产生部4输出的触发信号检测到扫描结束时，通过读入从输入前一次触发信号时起至输入本次的触发信号时为止存储在存储器7b中的M 行图像数据，生成具备垂直方向的像素数N以及水平方向的像素数M这一尺寸的相当于一个画面的图像数据。之后，CPU 7a将上述相当于一个画面的图像数据转换为影像信号并输出到显示部8。由此，在显示部8中，对图1所示的各坐标轴中的例如XZ平面上的生物体组织101的内部图像(断层图像)进行图像显示。扫描信号产生部9每当被输入来自任意波形产生部4的时刻信号和触发信号的时刻，向扫描驱动器3输出用于变更扫描位置的扫描信号。接着，对本实施方式的光学成像装置1的作用进行说明。首先，用户配置超声波换能器沈(以及声透镜^a)，并且用水等的超声波传播介质填满超声波换能器26 (以及声透镜^a)与生物体组织101之间，使得在接通光学成像装置1的各部的电源之后向一个扫描位置中的图1的ζ轴方向(生物体组织101的深度方向)射出超声波以及照明光。之后，用户例如通过接通未图示的操作部所具有的开关等，来指示开始获取生物体组织101中的生物体信息。任意波形产生部4根据来自未图示的操作部的上述指示，通过放大部5将用于输出规定的超声波的超声波驱动信号输出到超声波换能器26。超声波换能器沈以及声透镜^a根据所输入的超声波驱动信号，将规定的超声波
沿着照明光的射出方向射到从生物体组织101的表面数起第j个(j = 1、2.....N)深度位
置(图2的步骤Si)。由此，从超声波换能器沈以及声透镜26a射出的规定的超声波作为周期性的疏密波而在生物体组织101的内部传播之后，会聚在从生物体组织101的表面数起第j个深度位置处。此外，在本实施方式中，将从生物体组织101的表面数时的深度位置的索引值j设为对输出图像的每个像素逐一设定的值。另一方面，在从超声波换能器沈以及声透镜26a射出规定的超声波后，对半透半反镜22射出来自照明光产生部21的照明光(图2的步骤S2)。从照明光产生部21射出的照明光经过半透半反镜22以及参考镜25等后，从设置在超声波换能器26以及声透镜^a的开口部向图1的ζ轴方向(生物体组织101的深度方向)射出。此外，以后将从上述开口部射出的照明光的相位设为0来进行说明。对生物体组织101射出的照明光在从生物体组织101的表面数起第j个深度位置处进行反射，在通过超声波换能器26以及声透镜26a的开口部后作为物体光入射到半透半反镜22。从超声波换能器沈侧入射的物体光在半透半反镜22中与从参考镜25侧入射的参考光发生干涉后，作为干涉光入射到光检测部27。光检测部27对从半透半反镜22射出的干涉光进行外差检测后，将检测到的该干涉光转换为作为电信号的干涉信号并输出到信号处理部6。并且，具有相位成分检测部的功能的信号处理部6获取在从生物体组织101的表面数起第j个深度位置处产生的物体光的相位成分，将该相位成分设为Φ^图2的步骤 S3)，通过进行与来自任意波形产生部4的时刻信号的输入时刻相应的时间分解来使该相位成分Φ」与深度位置的索引值j相关联，之后暂时存储该相位成分Φ」的值。之后，在获取在从生物体组织101的表面数起第N个深度位置处产生的物体光的相位成分ΦΝ之前，光学成像装置1的各部反复进行图2的步骤Sl至步骤S3的动作(图2 的步骤S4以及步骤S5)。S卩，通过反复进行图2的步骤Sl至步骤S3的动作，对从生物体组织101的表面数起第1个至第N个各不相同的深度位置入射超声波，在从第1个至第N个各不相同的时刻
依次从照明光产生部21射出照明光，并将与深度位置的索引值1、2.....N-l、N相关联的
相位成分Φρ Φ2.....各值暂时存储到信号处理部6中。在此，从在生物体组织101的表面数起第1个深度位置、即生物体组织101的最表层部反射的照明光作为具备相位成分Φ工的物体光而入射到半透半反镜22。在将从生物体组织101的表面数起第1个深度位置的折射率设为Ii1，将从生物体组织101的表面与第1 个深度位置之间的距离(物理长度)设为I1,将照明光的波长设为λ的情况下，相位成分 Φ i如下面的式(1)所示。φχ = 2 ·2λ·— · · · ( 1 )遵循此公式，例如图3所示那样，在将从生物体组织101的表面数起第j+Ι个深度位置的折射率设为nj+1，将从生物体组织101的表面数起第j个深度位置与第j+Ι个深度位置之间的距离(物理长度)设为lj+1，将照明光(以及物体光)的波长设为λ的情况下，来自从生物体组织101的表面数起第j+Ι个深度位置的返回光、即物体光所具备的相位成分 Φ」+1如下面的式(2)所示。
权利要求
1.一种生物体观测装置，其特征在于，具有超声波产生部，其对被检体内部的规定区域输出超声波； 照明光产生部，其向被入射了上述超声波的上述规定区域射出照明光； 相位成分检测部，其从第1时刻至第N时刻对向上述规定区域射出的上述照明光的返回光进行时间分解，由此检测第1个至第N个与各时刻相应的该返回光的相位成分；以及运算部，其根据上述相位成分检测部所检测出的各相位成分进行如下处理从第N个相位成分中减去第1个至第N-I个相位成分之和。
2.根据权利要求1所述的生物体观测装置，其特征在于，上述运算部通过将上述处理中的处理结果用作像素成分，来生成上述规定区域的断层图像。
3.根据权利要求1或2所述的生物体观测装置，其特征在于， 上述照明光是相干光。
4.一种生物体断层图像生成方法，其特征在于，包括以下步骤 对被检体内部的规定区域输出超声波；向被入射了上述超声波的上述规定区域射出照明光；从第1时刻至第N时刻对向上述规定区域射出的上述照明光的返回光进行时间分解， 由此检测第1个至第N个与各时刻相应的该返回光的相位成分；根据上述相位成分检测部所检测出的各相位成分进行如下处理从第N个相位成分中减去第1个至第N-I个相位成分之和；以及通过将上述处理中的处理结果用作像素成分，来生成上述规定区域的断层图像。
5.根据权利要求4所述的生物体断层图像生成方法，其特征在于， 上述照明光是相干光。
全文摘要
本发明的生物体观测装置具有超声波产生部，其对被检体内部的规定区域输出超声波；照明光产生部，其向被入射了超声波的上述规定区域照射照明光；相位成分检测部，其从第1时刻至第N时刻对向规定区域照射的照明光的返回光进行时间分解，由此检测第1至第N个与各时刻相应的该返回光的相位成分进行；以及运算部，其根据相位成分检测部所检测出的各相位成分进行如下处理从第N个相位成分中减去第1至第N-1个相位成分之和。
文档编号A61B8/08GK102307528SQ201080007178
公开日2012年1月4日 申请日期2010年1月22日 优先权日2009年2月23日
发明者五十岚诚 申请人:奥林巴斯医疗株式会社