JP2015080604A - Subject information acquisition device and optical characteristic measuring device - Google Patents

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隆一 七海
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire a highly-accurate optical coefficient by considering sensitivity of a phase to an optical coefficient of each modulation frequency.SOLUTION: A subject information acquisition device to be used includes: light detection means that detects multiple intensity-modulated light rays which mutually differ in intensity-modulated frequency showing a change in intensity of light transmitted through a subject, and then generates a light detection signal; acoustic wave detection means that generates a photoacoustic signal derived from the subject; and processing means that acquires a detected amplitude attenuation rate and a detected phase from the light detection signal, with respect to each intensity-modulated frequency, generates an estimated amplitude attenuation rate and an estimated phase, with respect to the intensity-modulated light, on the basis of both a prescribed estimated absorption coefficient and a prescribed estimated scattering coefficient concerning the subject, generates a weighted phase residual error which is weighted according to a phase residual error showing a residual error between the detected phase and the estimated phase, generates an amplitude attenuation rate residual error showing a residual error between the detected amplitude attenuation rate and the estimated amplitude attenuation rate, and then generates an absorption coefficient and a scattering coefficient, with respect to the subject, from a value obtained from the weighted phase residual error and the amplitude attenuation rate residual error.

Description

本発明は、被検体情報取得装置および光学特性測定装置に関する。   The present invention relates to an object information acquisition apparatus and an optical characteristic measurement apparatus.

生体診断の技術領域において、生体による光の吸収が比較的少ない近赤外光を用いて診断を行う試みがなされている。この近赤外光診断により得られる生体組織の分光情報から、生体組織を構成する成分の比率や濃度を取得することが可能である。また、近赤外光診断は光を用いるため、X線を用いるX線イメージングとは異なり、被曝を伴わずに診断を実行できる。分光情報や成分比率、濃度は、正常組織と腫瘍組織とで異なることが知られていることから、近赤外光診断による非侵襲な腫瘍診断が期待されている。   In the technical field of biodiagnosis, attempts have been made to perform diagnosis using near-infrared light that absorbs light relatively little by the living body. It is possible to acquire the ratio and concentration of the components constituting the living tissue from the spectral information of the living tissue obtained by the near infrared light diagnosis. In addition, since near-infrared light diagnosis uses light, unlike X-ray imaging using X-rays, diagnosis can be performed without exposure. Since it is known that spectral information, component ratio, and concentration differ between normal tissue and tumor tissue, noninvasive tumor diagnosis by near-infrared light diagnosis is expected.

分光情報として生体組織が光エネルギーを吸収する率(吸収係数μaで示される)が挙げられる。分光吸収係数に基づき、生体組織の構成成分である酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度を取得できる。そして、それらの濃度比から、生体組織の酸素飽和度を取得できる。腫瘍組織は増殖するときに多くの酸素を消費するために、正常組織より酸素飽和度が低いと考えられており、それを検出することで腫瘍部位を診断できる可能性がある。   The spectral information includes a rate (indicated by an absorption coefficient μa) at which a living tissue absorbs light energy. Based on the spectral absorption coefficient, it is possible to obtain the concentrations of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin, which are constituents of biological tissue. And the oxygen saturation of a biological tissue is acquirable from those concentration ratios. Since tumor tissue consumes a lot of oxygen when it grows, it is considered that the degree of oxygen saturation is lower than that of normal tissue. By detecting this, the tumor site may be diagnosed.

生体組織は、光を吸収する特性とともに、光を散乱する特性(組織が光を散乱する率、散乱係数μs’で示される)を有する。生体に照射された光は数ミリメートル程度で直進性を失い、その後は散乱されて生体内の広範囲に渡って伝搬するため、光エネルギーが分散する。すなわち、散乱によっても光の減衰が生じる。
このように、生体内を伝搬した光の強度の減衰には、吸収による減衰分と散乱による減衰分が混在している。よって、近赤外光診断では、検出した光から吸収係数と散乱係数(以後、吸収係数と散乱係数をまとめて光学係数と呼ぶ)を分離して取得することが重要となる。
A living tissue has a property of absorbing light as well as a property of scattering light (a rate at which the tissue scatters light, indicated by a scattering coefficient μs ′). The light irradiated on the living body loses its straightness at several millimeters, and is then scattered and propagated over a wide area in the living body, so that the light energy is dispersed. That is, light attenuation also occurs due to scattering.
Thus, the attenuation of the intensity of light propagating through the living body includes both attenuation due to absorption and attenuation due to scattering. Therefore, in near-infrared light diagnosis, it is important to separate and acquire an absorption coefficient and a scattering coefficient (hereinafter, the absorption coefficient and the scattering coefficient are collectively referred to as an optical coefficient) from the detected light.

そのような測定を行う方法として、短パルス光を用いた時間分解計測法や、強度変調光を用いた位相変調計測法がある。
時間分解計測法では、短パルス光を被検体に照射し、被検体内で散乱や吸収を受けた光の時間波形を検出する。そして、検出された時間波形と、別に計算した時間波形とが一致した時の吸収係数と散乱係数を、被検体の光学係数とする。
位相変調計測法では、正弦波等で強度変調された強度変調光を生体に照射し、生体内で散乱や吸収を受けた強度変調光の振幅減衰率と位相を検出する。そして、検出値と、別に計算した値とが一致した時の吸収係数と散乱係数を、被検体の光学係数とする。
As a method for performing such measurement, there are a time-resolved measurement method using short pulse light and a phase modulation measurement method using intensity-modulated light.
In the time-resolved measurement method, a subject is irradiated with short pulse light, and a time waveform of light that has been scattered or absorbed in the subject is detected. Then, the absorption coefficient and the scattering coefficient when the detected time waveform coincides with the separately calculated time waveform are set as the optical coefficient of the subject.
In the phase modulation measurement method, the living body is irradiated with intensity-modulated light that is intensity-modulated with a sine wave or the like, and the amplitude attenuation rate and phase of the intensity-modulated light that has been scattered or absorbed in the living body are detected. Then, the absorption coefficient and the scattering coefficient when the detected value coincides with the separately calculated value are set as the optical coefficient of the subject.

いずれの方法でも、ある光学係数における計算には一般的に輸送方程式や拡散方程式を用いる。一般にピコ秒オーダーのパルス幅の光源と高時間分解能の光検出器を必要とする時間分解計測法に対し、位相変調計測法はメガヘルツオーダーの強度変調光で測定が可能であるため、装置が簡便、低コストという特徴を有する。   In either method, a transport equation or a diffusion equation is generally used for calculation at a certain optical coefficient. In contrast to the time-resolved measurement method, which generally requires a light source with a pulse width on the order of picoseconds and a photodetector with high time resolution, the phase modulation measurement method can measure with intensity-modulated light on the order of megahertz. And low cost.

特許文献1は、位相変調計測法を用いた測定装置を開示している。
非特許文献1は、複数の強度変調周波数(基本周波数と高調波)を用いることで吸収係数と散乱係数の測定精度を改善できる可能性を示している。
Patent Document 1 discloses a measuring apparatus using a phase modulation measuring method.
Non-Patent Document 1 shows the possibility of improving the measurement accuracy of the absorption coefficient and the scattering coefficient by using a plurality of intensity modulation frequencies (fundamental frequencies and harmonics).

特開平7−159239号公報JP 7-159239 A 特開2010−88627号公報JP 2010-88627 A

Jun Hui Ho, Hooi Ling Chin, Jing Dong, Kijoon Lee, ”Multi-Harmonic homodyne approach for optical property measurement of trubid medium in tranmission geometry”, Optics Communications 285 (2012) 2007-2011Jun Hui Ho, Hooi Ling Chin, Jing Dong, Kijoon Lee, “Multi-Harmonic homodyne approach for optical property measurement of trubid medium in tranmission geometry”, Optics Communications 285 (2012) 2007-2011

位相変調計測法において、光学係数に対する位相の感度は強度変調周波数により異なる。特許文献1および非特許文献1に記載の装置では、光学係数に対する位相の感度が低い変調周波数も計算に用いるため、光学係数の精度が低下していた。   In the phase modulation measurement method, the sensitivity of the phase with respect to the optical coefficient varies depending on the intensity modulation frequency. In the apparatuses described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the modulation frequency having a low phase sensitivity with respect to the optical coefficient is also used for the calculation, so that the accuracy of the optical coefficient is lowered.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、変調周波数ごとの光学係数に対する位相の感度を考慮することで、高精度な光学係数を取得することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to acquire a highly accurate optical coefficient by considering the sensitivity of the phase with respect to the optical coefficient for each modulation frequency.

本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
被検体に照射された、光強度の変化を表す強度変調周波数が互いに異なる複数の強度変調光のそれぞれを、被検体を伝搬したのちに検出して、光検出信号を生成する光検出手段と、
前記被検体にパルス光が照射されたことにより発生する光音響波を検出して光音響信号を生成する音響波検出手段と、
処理手段であって、
前記光検出信号から、前記強度変調周波数ごとに、検出振幅減衰率および検出位相を取得し、
前記強度変調周波数ごとに、前記被検体に関する所定の推定吸収係数および所定の推定散乱係数に基づいて、前記強度変調光の推定振幅減衰率と推定位相を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出位相と前記推定位相との残差を示す位相残差を生成し、当該位相残差に前記強度変調周波数に応じた加重をかけて加重位相残差を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出振幅減衰率と前記推定振幅減衰率との残差を示す振幅減衰率残差を生成し、
前記加重位相残差および前記振幅減衰率残差から求められる値を所定の閾値と比較することで、前記被検体の吸収係数および散乱係数を生成し、
前記光音響信号と、前記吸収係数および前記散乱係数に基づいて、前記被検体の特性情報を生成する、処理手段と、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置である。
The present invention employs the following configuration. That is,
A light detection means for detecting each of a plurality of intensity-modulated lights, which are different from each other in intensity modulation frequency representing a change in light intensity, irradiated on the subject and generating a light detection signal after propagating through the subject;
Acoustic wave detection means for detecting a photoacoustic wave generated by irradiating the subject with pulsed light and generating a photoacoustic signal;
A processing means,
From the light detection signal, for each intensity modulation frequency, obtain a detection amplitude attenuation rate and a detection phase,
For each intensity modulation frequency, based on a predetermined estimated absorption coefficient and a predetermined estimated scattering coefficient for the subject, an estimated amplitude attenuation rate and an estimated phase of the intensity modulated light are generated,
A phase residual indicating a residual between the detected phase and the estimated phase is generated for each intensity modulation frequency, and a weighted phase residual is generated by applying a weight corresponding to the intensity modulation frequency to the phase residual. ,
For each intensity modulation frequency, an amplitude attenuation rate residual indicating a residual between the detected amplitude attenuation rate and the estimated amplitude attenuation rate is generated,
By comparing a value obtained from the weighted phase residual and the amplitude attenuation rate residual with a predetermined threshold value, an absorption coefficient and a scattering coefficient of the subject are generated,
Processing means for generating characteristic information of the subject based on the photoacoustic signal, the absorption coefficient, and the scattering coefficient;
A subject information acquisition apparatus characterized by comprising:

本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光強度の変化を表す強度変調周波数が互いに異なる複数の強度変調光を被検体に照射する照射手段と、
前記被検体を伝搬した前記複数の強度変調光のそれぞれを検出して光検出信号を生成する光検出手段と、
処理手段であって、
前記光検出信号から、前記強度変調周波数ごとに、検出振幅減衰率および検出位相を取得し、
前記強度変調周波数ごとに、前記被検体に関する所定の推定吸収係数および所定の推定散乱係数に基づいて、前記強度変調光の推定振幅減衰率と推定位相を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出位相と前記推定位相との残差を示す位相残差を生成し、当該位相残差に前記強度変調周波数に応じた加重をかけて加重位相残差を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出振幅減衰率と前記推定振幅減衰率との残差を示す振幅減衰率残差を生成し、
前記加重位相残差および前記振幅減衰率残差から求められる値を所定の閾値と比較することで、前記被検体の吸収係数および散乱係数を生成する、処理手段と、
を有することを特徴とする光学特性測定装置である。
The present invention also employs the following configuration. That is,
An irradiation means for irradiating a subject with a plurality of intensity-modulated lights having different intensity-modulation frequencies representing changes in light intensity;
A light detection means for generating a light detection signal by detecting each of the plurality of intensity-modulated lights propagated through the subject;
A processing means,
From the light detection signal, for each intensity modulation frequency, obtain a detection amplitude attenuation rate and a detection phase,
For each intensity modulation frequency, based on a predetermined estimated absorption coefficient and a predetermined estimated scattering coefficient for the subject, an estimated amplitude attenuation rate and an estimated phase of the intensity modulated light are generated,
A phase residual indicating a residual between the detected phase and the estimated phase is generated for each intensity modulation frequency, and a weighted phase residual is generated by applying a weight corresponding to the intensity modulation frequency to the phase residual. ,
For each intensity modulation frequency, an amplitude attenuation rate residual indicating a residual between the detected amplitude attenuation rate and the estimated amplitude attenuation rate is generated,
Processing means for generating an absorption coefficient and a scattering coefficient of the object by comparing a value obtained from the weighted phase residual and the amplitude attenuation rate residual with a predetermined threshold;
It is an optical characteristic measuring apparatus characterized by having.

本発明によれば、変調周波数ごとの光学係数に対する位相の感度を考慮することで、高精度な光学係数を取得することができる。   According to the present invention, it is possible to acquire a highly accurate optical coefficient by considering the sensitivity of the phase with respect to the optical coefficient for each modulation frequency.

被検体の光学係数を求める逆問題計算のアルゴリズムのフローを示す図。The figure which shows the flow of the algorithm of the inverse problem calculation which calculates | requires the optical coefficient of a subject. 変調周波数ごとの、光学係数変化に対する位相の感度を示す図。The figure which shows the sensitivity of the phase with respect to the optical coefficient change for every modulation frequency. 光学係数と残差Rの関係を示す図。The figure which shows the relationship between an optical coefficient and residual R. FIG. 第一の実施形態に係る光学特性測定装置を示す図。The figure which shows the optical characteristic measuring apparatus which concerns on 1st embodiment. 変調信号発生部102の詳細を示す図。The figure which shows the detail of the modulation signal generation part 102. FIG. 光源部103の詳細を示す図。The figure which shows the detail of the light source part 103. FIG. 加重w(f)の例を示す図。It shows an example of a weighting w (f i). 第一の実施形態に係る光学特性測定方法のフロー図。The flowchart of the optical characteristic measuring method which concerns on 1st embodiment. 第二の実施形態に係る光学特性測定装置を示す図。The figure which shows the optical characteristic measuring apparatus which concerns on 2nd embodiment. 変調信号発生部201の詳細を示す図。The figure which shows the detail of the modulation signal generation part 201. FIG. 複数の変調周波数を有する光を発生させる方法を示す図。The figure which shows the method of generating the light which has a some modulation frequency. 検波部202の詳細を示す図。The figure which shows the detail of the detection part 202. FIG. 検波部202の詳細を示す図。The figure which shows the detail of the detection part 202. FIG. 検波部202の詳細を示す図。The figure which shows the detail of the detection part 202. FIG. 検波部202の詳細を示す図。The figure which shows the detail of the detection part 202. FIG. 第二の実施形態に係る光学特性測定方法のフロー図。The flowchart of the optical characteristic measuring method which concerns on 2nd embodiment. 第三の実施形態に係る光学特性測定装置を示す図。The figure which shows the optical characteristic measuring apparatus which concerns on 3rd embodiment. 第三の実施形態に係る光学特性測定方法のフロー図。The flowchart of the optical characteristic measuring method which concerns on 3rd embodiment. 第三の実施形態に係る光学特性測定方法のフロー図。The flowchart of the optical characteristic measuring method which concerns on 3rd embodiment. 第三の実施形態に係る光学特性方法のタイミングを示す図。The figure which shows the timing of the optical characteristic method which concerns on 3rd embodiment.

以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, and relative arrangements of the components described below should be changed as appropriate according to the configuration of the apparatus to which the invention is applied and various conditions. It is not intended to limit the following description.

本発明の光学特性測定装置は、上述したように強度変調光を用いて光学係数を測定する装置である。本発明はまた、測定した光学特性を用いる被検体情報取得装置にも適用できる。すなわち、被検体に光(電磁波)を照射し、光音響効果に従って被検体内で発生した音響波を受信し、その音響波の強度と測定した光学特性とを用いて被検体内部の特性情報を取得する、光音響イメージング装置である。
本発明において、音響波とは、音波、超音波、光音響波、光超音波と呼ばれる弾性波(疎密波)を含む。
The optical characteristic measuring apparatus of the present invention is an apparatus that measures an optical coefficient using intensity-modulated light as described above. The present invention can also be applied to an object information acquiring apparatus using measured optical characteristics. That is, the object is irradiated with light (electromagnetic wave), the acoustic wave generated in the object is received according to the photoacoustic effect, and the characteristic information inside the object is obtained using the intensity of the acoustic wave and the measured optical characteristic. It is a photoacoustic imaging apparatus to acquire.
In the present invention, the acoustic wave includes an elastic wave (dense wave) called a sound wave, an ultrasonic wave, a photoacoustic wave, or an optical ultrasonic wave.

光音響イメージング装置により取得される特性情報は、光照射によって生じた音響波の
初期音圧、初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や吸収係数、組織を構成する物質の濃度等を反映した被検体情報である。組織を構成する物質は機能を反映することから、光音響特性分布は被検体の機能分布情報を表すと言える。物質の濃度とは例えば、酸化ヘモグロビン濃度や還元ヘモグロビン濃度、それらから求まる酸素飽和度である。また、生成された特性情報は、数値データ、被検体内の各位置の分布情報、または画像を表示するための画像データとして保存や利用されても良い。
The characteristic information acquired by the photoacoustic imaging device reflects the initial sound pressure of the acoustic wave generated by light irradiation, the light energy absorption density and absorption coefficient derived from the initial sound pressure, the concentration of the substance constituting the tissue, etc. Sample information. Since the substance constituting the tissue reflects the function, it can be said that the photoacoustic characteristic distribution represents the function distribution information of the subject. The concentration of the substance is, for example, oxygenated hemoglobin concentration or reduced hemoglobin concentration, and oxygen saturation obtained from them. The generated characteristic information may be stored or used as numerical data, distribution information of each position in the subject, or image data for displaying an image.

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。本発明は光学特性測定装置または被検体情報取得装置の作動方法、制御方法としても捉えられる。本発明はまた、作動方法や制御方法を情報処理装置等に実施させるプログラムとしても捉えられる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In principle, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted. The present invention can also be understood as an operation method and a control method of an optical property measurement apparatus or an object information acquisition apparatus. The present invention can also be understood as a program for causing an information processing apparatus or the like to execute an operation method or a control method.

<第一の実施形態>
本発明の光学特性測定装置は、複数の強度変調周波数の振幅減衰率と位相を用いて光学係数を算出する際、位相の測定値と計算推定値の残差に対して変調周波数ごとに加重をかけて計算を行い、被検体の光学係数を算出する。ここで残差とは、主に測定値と計算値(推定値)との差分を指す。
<First embodiment>
When calculating the optical coefficient using the amplitude attenuation rate and phase of a plurality of intensity modulation frequencies, the optical characteristic measuring apparatus of the present invention weights the residual of the measured phase value and the calculated estimated value for each modulation frequency. To calculate the optical coefficient of the subject. Here, the residual mainly refers to the difference between the measured value and the calculated value (estimated value).

第一の実施形態では、強度変調周波数を変えて複数回の測定を行う光学特性測定装置を示す。これ以降、強度変調周波数のことを単に変調周波数と呼ぶことがある。ただしこの場合でも、変調周波数とは強度の時間変化に依存する周波数を指す用語であって、光(電磁波)の周波数を指すものではない点に注意を要する。強度変調周波数とは、被検体を伝搬した光強度の変化を表している。   In the first embodiment, an optical characteristic measuring apparatus that performs measurement a plurality of times by changing the intensity modulation frequency is shown. Hereinafter, the intensity modulation frequency may be simply referred to as the modulation frequency. However, even in this case, it should be noted that the modulation frequency is a term indicating a frequency depending on a temporal change in intensity, and does not indicate a frequency of light (electromagnetic wave). The intensity modulation frequency represents a change in light intensity propagated through the subject.

生体などの被検体に正弦波(または余弦波)で強度変調された光源の光を照射すると、光源の変調周波数と同じ周波数で強度が変化し、照射点から等方的に拡がる光エネルギーの波が被検体内を伝搬する。光が伝搬の過程で散乱と吸収を受けることで、波の振幅には減衰が、波の位相には遅れが生じる。被検体上のある点で検出される波の振幅減衰率と位相は、光学係数と変調周波数に依存して変化する。   When an object such as a living body is irradiated with light from a light source whose intensity is modulated with a sine wave (or cosine wave), the intensity of the light changes at the same frequency as the modulation frequency of the light source. Propagates in the subject. Light undergoes scattering and absorption in the course of propagation, causing attenuation in the wave amplitude and delay in the wave phase. The amplitude attenuation rate and phase of a wave detected at a certain point on the subject vary depending on the optical coefficient and the modulation frequency.

N個の変調周波数をf(i=0,1,・・・,N−1)とする。各変調周波数について測定した振幅減衰率と位相をそれぞれA(f)とΦ(f)、計算により推定した振幅減衰率と位相をそれぞれA(f)とΦ(f)とする。このとき、測定と計算の残差Rを式(1)で定義する。

Figure 2015080604
The N modulation frequency f i (i = 0,1, ··· , N-1) to. The amplitude attenuation rate and phase measured for each modulation frequency are respectively A m (f i ) and Φ m (f i ), and the amplitude attenuation rate and phase estimated by calculation are respectively A c (f i ) and Φ c (f i). ). At this time, the residual R between measurement and calculation is defined by equation (1).
Figure 2015080604

μaとμs’を変化させてA(f)とΦ(f)の計算を繰り返し、残差Rが十分小さくなった時のμaとμs’を被検体の光学係数とする(逆問題計算)。この時、式(1)は測定値で規格化しているので、振幅減衰率と位相の計算への寄与が同等になる。その結果、一方が計算に寄与しないために光学係数の解が複数存在してしまう、という事態を防ぐことができる。
このように複数の周波数を用いることで、変調周波数依存の曲線に回帰できるため、変調周波数ごとの誤差の影響を小さくできる。このため、単一の変調周波数で計算を行う場合よりも、光学係数の精度を改善できる。
The calculation of A c (f i ) and Φ c (f i ) is repeated while changing μa and μs ′, and μa and μs ′ when the residual R becomes sufficiently small are used as the optical coefficients of the object (inversely) Problem calculation). At this time, since the expression (1) is normalized by the measured value, the contribution to the calculation of the amplitude attenuation rate and the phase becomes equal. As a result, it is possible to prevent a situation where a plurality of optical coefficient solutions exist because one of them does not contribute to the calculation.
By using a plurality of frequencies in this manner, it is possible to return to a modulation frequency-dependent curve, so that the influence of errors for each modulation frequency can be reduced. For this reason, the accuracy of the optical coefficient can be improved as compared with the case where the calculation is performed at a single modulation frequency.

図2は、光学係数を変えた時の、周波数と位相の関係を示す図である。図2(A)にはμs’を変化させた複数のグラフを、図2(B)にはμaを変化させた複数のグラフを記載している。変調周波数が低いほど、位相が変化した時の光学係数の変化が大きいことが分かる。すなわち、同じ量の位相ノイズが有った場合、変調周波数が低いほど光学係数の誤差が大きい。   FIG. 2 is a diagram showing the relationship between frequency and phase when the optical coefficient is changed. 2A shows a plurality of graphs in which μs ′ is changed, and FIG. 2B shows a plurality of graphs in which μa is changed. It can be seen that the lower the modulation frequency, the greater the change in the optical coefficient when the phase changes. That is, when there is the same amount of phase noise, the lower the modulation frequency, the larger the error in the optical coefficient.

本発明では、変調周波数が低いほど、より小さい加重を位相残差にかけることで、位相ノイズによる光学係数誤差を低減する。本発明で用いる残差Rは、式(2)で示される。

Figure 2015080604

式(2)のRA_iは振幅減衰率残差、RΦ_iは位相残差である。w(f)は変調周波数fにより変化させる加重である。 In the present invention, the optical coefficient error due to phase noise is reduced by applying a smaller weight to the phase residual as the modulation frequency is lower. The residual R used in the present invention is expressed by equation (2).
Figure 2015080604

In Formula (2), R A — i is an amplitude attenuation rate residual, and R Φ — i is a phase residual. w (f i ) is a weight that is changed by the modulation frequency f i .

図3(A)と図3(B)は、光学係数と残差Rの関係を示す図である。2つの横軸はそれぞれμaとμs’、縦軸は残差Rである。また、想定する条件は以下のとおりとする。
変調周波数の個数:N=6
各周波数(単位は[MHz]):f=20,f=40,f=60,f=80,f=100,f=120
吸収係数:μa=0.005[/mm]
散乱係数:μs’=1[/mm]
この条件下で、振幅減衰率と位相を式(2)のA(f)とΦ(f)に代入し、残差Rを求めている。このとき、測定の位相ノイズとして、Φ(f)(i=0〜5)の全てに、Φ(f)×0.05のノイズを加えている。
3A and 3B are diagrams showing the relationship between the optical coefficient and the residual R. FIG. The two horizontal axes are μa and μs ′, and the vertical axis is the residual R. The assumed conditions are as follows.
Number of modulation frequencies: N = 6
Each frequency (unit: [MHz]): f 0 = 20, f 1 = 40, f 2 = 60, f 3 = 80, f 4 = 100, f 5 = 120
Absorption coefficient: μa = 0.005 [/ mm]
Scattering coefficient: μs ′ = 1 [/ mm]
Under this condition, the amplitude attenuation rate and the phase are substituted into A m (f i ) and Φ m (f i ) of Equation (2), and the residual R is obtained. At this time, the noise of Φ m (f 0 ) × 0.05 is added to all of Φ m (f i ) (i = 0 to 5) as phase noise of measurement.

図3(A)は、位相の項に加重をかけない式(1)による残差である。図3(B)は本実施形態に対応し、変調周波数fiに対して線形の加重をかけた式(2)により求めた残差である。残差が最小になる点が得られる光学係数となる。具体的な加重は以下のとおりとする。
w(f)=0,w(f)=0.2,w(f)=0.4,w(f)=0.6,w(f)=0.8,w(f)=1
FIG. 3A shows a residual according to Equation (1) in which no weight is applied to the phase term. FIG. 3B corresponds to the present embodiment, and is a residual obtained by Equation (2) in which a linear weight is applied to the modulation frequency fi. This is the optical coefficient from which the point with the smallest residual is obtained. The specific weights are as follows.
w (f 0 ) = 0, w (f 1 ) = 0.2, w (f 2 ) = 0.4, w (f 3 ) = 0.6, w (f 4 ) = 0.8, w ( f 5 ) = 1

図3(A)の場合、μa=0.0044[/mm],μs’=1.065[/mm]となる。図3(B)では、μa=0.0046,μs’=1.04となる。したがって図3(B)の方が、実際の被検体の値であるμa=0.005[/mm]、μs’=1[/mm]に近い。このように、位相の項に加重をかけることで、位相にノイズが有る場合でも、より高い精度で光学係数を取得できる。   In the case of FIG. 3A, μa = 0.444 [/ mm] and μs ′ = 1.065 [/ mm]. In FIG. 3B, μa = 0.0006 and μs ′ = 1.04. Therefore, FIG. 3B is closer to the actual values of the subject μa = 0.005 [/ mm] and μs ′ = 1 [/ mm]. Thus, by applying a weight to the phase term, the optical coefficient can be obtained with higher accuracy even when there is noise in the phase.

(装置構成)
図4を参照しつつ、本実施形態に係る光学特性測定装置の装置構成を説明する。
装置は、光源手段である変調信号発生部102及び光源部103、光検出手段である光
検出器106、振幅位相を測定する手段である検波部107を有する。装置はさらに、光学係数を算出する手段である光学係数算出部108、位相残差に加重をかける手段である位相残差算出部110を有する。
(Device configuration)
The apparatus configuration of the optical characteristic measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
The apparatus includes a modulation signal generation unit 102 and a light source unit 103 which are light source units, a photodetector 106 which is a light detection unit, and a detection unit 107 which measures amplitude phase. The apparatus further includes an optical coefficient calculation unit 108 that is a unit that calculates an optical coefficient, and a phase residual calculation unit 110 that is a unit that applies a weight to the phase residual.

変調信号発生部102は、強度変調光を発生させるための、複数の異なる周波数の変調信号を生成する。変調信号発生部102の詳細を図5に示す。N個の異なる周波数(f〜fN−1)で発振する複数の発振器(OSC)を有し、切り替え器(SW)で出力する周波数を選択する。図5は一例であり、周波数が可変な発振器を用いて周波数を変更しても良い。変調信号は、光源部103と検波部107に出力され、それぞれ強度変調光の生成と検波に用いられる。 The modulation signal generation unit 102 generates a plurality of modulation signals having different frequencies for generating intensity-modulated light. Details of the modulation signal generator 102 are shown in FIG. A plurality of oscillators (OSC) that oscillate at N different frequencies (f 0 to f N−1 ) are selected, and a frequency to be output by a switch (SW) is selected. FIG. 5 is an example, and the frequency may be changed using an oscillator having a variable frequency. The modulation signal is output to the light source unit 103 and the detection unit 107, and is used for generation and detection of intensity-modulated light, respectively.

光源部103は、変調信号発生部102の変調信号波形で光源を強度変調する。図6(A)は、レーザダイオードの駆動電流を変調信号で直接変調することで光を強度変調する場合である。レーザドライバは、レーザヘッドを介してレーザダイオードに直流電流を供給する。レーザヘッドは、変調信号発生部102からの変調信号を電流に変換して直流電流に重畳する。   The light source unit 103 modulates the intensity of the light source with the modulation signal waveform of the modulation signal generation unit 102. FIG. 6A shows a case where the intensity of light is modulated by directly modulating the drive current of the laser diode with a modulation signal. The laser driver supplies a direct current to the laser diode via the laser head. The laser head converts the modulation signal from the modulation signal generator 102 into a current and superimposes it on the direct current.

図6(B)は、光強度変調素子である音響光学変調器(Acousto−Optic Modulator、AOM)により光を強度変調する場合である。AOMドライバ内の駆動信号発生器(DRV)からは、駆動信号が出力される。このAOMドライバからの駆動信号は、AOM内のトランスデューサに供給されて音響光学結晶内に粗密波を発生させる。粗密波は屈折率分布を生じさせるので、入射した光は回折される。このとき駆動信号の振幅を変調することで、回折効率が変化し回折光の強度が変調される。図6(B)では、変調信号発生部102からの変調信号でAOMドライバの駆動信号の振幅を変調している。   FIG. 6B shows a case where light is intensity-modulated by an acousto-optic modulator (AOM) which is a light intensity modulation element. A drive signal is output from a drive signal generator (DRV) in the AOM driver. The drive signal from the AOM driver is supplied to a transducer in the AOM to generate a dense wave in the acousto-optic crystal. Since the dense wave generates a refractive index distribution, the incident light is diffracted. At this time, by modulating the amplitude of the drive signal, the diffraction efficiency changes and the intensity of the diffracted light is modulated. In FIG. 6B, the amplitude of the drive signal of the AOM driver is modulated with the modulation signal from the modulation signal generator 102.

一般にAOMではブラッグ回折の領域を用いるので、光源からの光をAOMに対してブラッグ角(θ)で入射させるAOM光学系を設ける。また、AOM光学系はAOMに適したビーム径にする機能も有している。図6(B)では、AOMからの1次回折光を出力としている(1次回折角θ)。ただし、0次光を用いても良い。AOMからの出力光は、レンズにより照射導光部104に結合される。 Since AOM generally uses a Bragg diffraction region, an AOM optical system that allows light from a light source to enter the AOM at a Bragg angle (θ b ) is provided. The AOM optical system also has a function of making the beam diameter suitable for AOM. In FIG. 6B, the first-order diffracted light from the AOM is output (first-order diffraction angle θ 1 ). However, 0th order light may be used. Output light from the AOM is coupled to the irradiation light guide unit 104 by a lens.

照射導光部104は、光源部103からの光を導き被検体101に照射する。検出導光部105は、被検体101内を伝搬した光を光検出器106に導く。照射導光部104、検出導光部105として、光ファイバや、レンズ、プリズム等の光学素子を使用できる。   The irradiation light guide unit 104 guides the light from the light source unit 103 and irradiates the subject 101. The detection light guide unit 105 guides the light propagated through the subject 101 to the photodetector 106. As the irradiation light guide unit 104 and the detection light guide unit 105, optical elements such as optical fibers, lenses, and prisms can be used.

光検出器106は、検出導光部105からの光を電気信号などの検出信号(光検出信号とも呼ぶ)に変換し、検波部107に出力する。光検出信号は、時系列の光の強度を記録した信号である。光検出器106には、フォトマルチプライヤチューブ(PMT)、アバランシェフォトダイオード(APD)、フォトダイオード(PD)等を使用できる。   The photodetector 106 converts the light from the detection light guide unit 105 into a detection signal (also referred to as a light detection signal) such as an electrical signal, and outputs the detection signal to the detection unit 107. The light detection signal is a signal in which the intensity of light in time series is recorded. The photodetector 106 can be a photomultiplier tube (PMT), an avalanche photodiode (APD), a photodiode (PD), or the like.

検波部107は、光検出信号から各変調周波数の振幅減衰率と位相を測定する。本実施形態では、測定の一例として、変調信号発生部102から出力された同期信号を用いてホモダイン検波を行う。変調信号発生部102から出力された変調信号を用いて検波を行い、各変調周波数の測定ごとに振幅減衰率と位相を測定する。これら測定された振幅減衰率および位相は、本発明の検出振幅減衰率および検出位相に相当する。
このとき、被検体101に照射される光の振幅(基準振幅)と位相(基準位相)を予め取得しておく。そして、測定振幅を基準振幅で割ることで振幅減衰率を、測定位相から基準位相を引くことで位相を、それぞれ取得できる。
The detection unit 107 measures the amplitude attenuation rate and phase of each modulation frequency from the light detection signal. In the present embodiment, as an example of measurement, homodyne detection is performed using the synchronization signal output from the modulation signal generation unit 102. Detection is performed using the modulation signal output from the modulation signal generator 102, and the amplitude attenuation rate and phase are measured for each measurement of each modulation frequency. The measured amplitude attenuation rate and phase correspond to the detected amplitude attenuation rate and the detection phase of the present invention.
At this time, the amplitude (reference amplitude) and phase (reference phase) of light irradiated on the subject 101 are acquired in advance. Then, the amplitude attenuation rate can be acquired by dividing the measurement amplitude by the reference amplitude, and the phase can be acquired by subtracting the reference phase from the measurement phase.

検波部107として、ロックインアンプを利用できる。ロックインアンプは電気回路により検波する方式でも良いし、光検出信号と同期信号をデジタル値に変換してからソフトウェア等により検波する方式でも良い。本実施形態では変調信号発生部102から同期信号を得ている。しかし、検波部107の内部に発振器を設けて検波してもよい。
また、ホモダイン検波に限らず、ヘテロダイン検波を行ってもよい。さらに、ロックインアンプ以外に、スペクトルアナライザを用いて所望の変調周波数成分を測定しても良い。
A lock-in amplifier can be used as the detection unit 107. The lock-in amplifier may be a method of detecting by an electric circuit, or a method of detecting by a software or the like after converting the light detection signal and the synchronization signal into digital values. In this embodiment, the synchronization signal is obtained from the modulation signal generator 102. However, detection may be performed by providing an oscillator inside the detection unit 107.
Further, not only homodyne detection but also heterodyne detection may be performed. Furthermore, in addition to the lock-in amplifier, a desired modulation frequency component may be measured using a spectrum analyzer.

光学係数算出部108は、測定した振幅減衰率と位相から被検体101の光学係数を算出する。光学係数算出部108は、振幅位相計算部109、光学係数更新部110、位相残差算出部111、振幅減衰率残差算出部112から構成される。   The optical coefficient calculator 108 calculates the optical coefficient of the subject 101 from the measured amplitude attenuation rate and phase. The optical coefficient calculation unit 108 includes an amplitude phase calculation unit 109, an optical coefficient update unit 110, a phase residual calculation unit 111, and an amplitude attenuation rate residual calculation unit 112.

なお、検波部107および光学係数算出部108は、一体化した処理手段として構成しても良いし、別々の構成としても構わない。処理手段として構成する場合、所定のプログラムにしたがって動作する情報処理装置を利用できる。光学係数算出部108の内部の各構成要素に関しても、本実施形態のようにまとめても良く、別々に設けても構わない。例えば、それぞれの構成要素を回路により実現する方法や、情報処理装置により実現する方法がある。   The detector 107 and the optical coefficient calculator 108 may be configured as an integrated processing unit or may be configured separately. When configured as a processing means, an information processing apparatus that operates according to a predetermined program can be used. Each component in the optical coefficient calculation unit 108 may be collected as in the present embodiment, or may be provided separately. For example, there are a method for realizing each component by a circuit and a method for realizing it by an information processing apparatus.

振幅位相計算部109は、ある光学係数(推定光学係数)での振幅減衰率(推定振幅減衰率)と位相(推定位相)を計算する。計算は変調周波数ごとに行い、式(2)のA(f)とΦ(f)を算出する。計算には、拡散方程式の解析解や、拡散方程式や輸送方程式やモンテカルロ法を用いた数値解等を利用できる。このとき、被検体101の形状や光の照射位置及び検出位置等の測定系のモデルを計算に取り込むことで、計算の精度を向上させることが望ましい。推定振幅減衰率と推定位相はそれぞれ、振幅減衰率残差算出部112と位相残差算出部111に出力される。 The amplitude phase calculation unit 109 calculates an amplitude attenuation rate (estimated amplitude attenuation rate) and a phase (estimated phase) at a certain optical coefficient (estimated optical coefficient). The calculation is performed for each modulation frequency, and A c (f i ) and Φ c (f i ) in equation (2) are calculated. For the calculation, an analytical solution of a diffusion equation, a numerical solution using a diffusion equation, a transport equation, a Monte Carlo method, or the like can be used. At this time, it is desirable to improve the accuracy of the calculation by taking into account the measurement system model such as the shape of the subject 101, the light irradiation position, and the detection position. The estimated amplitude attenuation rate and the estimated phase are output to the amplitude attenuation rate residual calculation unit 112 and the phase residual calculation unit 111, respectively.

振幅減衰率残差算出部112は、振幅位相計算部からの推定振幅減衰率と検波部107からの測定振幅減衰率とを用いて、式(2)の振幅減衰率残差RA_iを算出する。
位相残差算出部111は、振幅位相計算部からの推定位相と検波部107からの測定位相とを用いて、式(2)の位相残差RΦ_iを算出する。このとき、変調周波数に応じて式(2)のw(f)を加重する。w(f)は、変調周波数が低いほどより小さくなるような加重である。
The amplitude attenuation rate residual calculation unit 112 calculates the amplitude attenuation rate residual RA_i of Expression (2) using the estimated amplitude attenuation rate from the amplitude phase calculation unit and the measured amplitude attenuation rate from the detection unit 107. .
The phase residual calculation unit 111 calculates the phase residual RΦ_i of Expression (2) using the estimated phase from the amplitude phase calculation unit and the measured phase from the detection unit 107. At this time, w (f i ) in Expression (2) is weighted according to the modulation frequency. w (f i ) is a weight that becomes smaller as the modulation frequency is lower.

図7は、加重w(f)の例である。例えば、前述した変調周波数に対して線形増加する加重(図7の符号A)、変調周波数に対して指数関数的に増加する加重(図7の符号B)、変調周波数に対して階段状の加重(図7の符号C)を使用できる。このような加重により、位相のノイズによる光学係数の算出誤差を低減できる。
振幅減衰率残差と位相残差は加算され、式(2)の残差Rとして光学係数更新部110に出力される。
FIG. 7 is an example of the weight w (f i ). For example, a weight that increases linearly with respect to the modulation frequency described above (reference A in FIG. 7), a weight that increases exponentially with respect to the modulation frequency (reference B in FIG. 7), and a stepwise weight with respect to the modulation frequency. (C in FIG. 7) can be used. By such weighting, an error in calculating the optical coefficient due to phase noise can be reduced.
The amplitude attenuation rate residual and the phase residual are added and output to the optical coefficient updating unit 110 as the residual R in Equation (2).

光学係数更新部110は、振幅位相計算部109で計算に用いる推定光学係数を出力する。ニュートン法や共役勾配法のような勾配法、シンプレックス法のような非勾配法、遺伝的アルゴリズムのような大域探索法など、各種探索法を用いて、残差Rがより小さくなるように推定光学係数を更新する。   The optical coefficient update unit 110 outputs an estimated optical coefficient used for calculation by the amplitude phase calculation unit 109. Estimating optics so that the residual R becomes smaller using various search methods such as gradient methods such as Newton's method and conjugate gradient method, non-gradient methods such as simplex method, and global search methods such as genetic algorithm. Update the coefficient.

図1に、光学係数算出部108で実行される、入力された振幅減衰率(入力振幅減衰率)と位相(入力位相)から被検体の光学係数を求める逆問題計算のアルゴリズムのフローを示す。   FIG. 1 shows a flow of an inverse problem calculation algorithm for calculating an optical coefficient of a subject from an input amplitude attenuation rate (input amplitude attenuation rate) and phase (input phase), which is executed by the optical coefficient calculation unit 108.

(A101:振幅減衰率と位相の入力)
A101では、複数の異なる変調周波数の振幅減衰率A(f)及び位相Φ(f)を入力する。図1では、変調周波数がN個の場合を示している(N=0〜N−1)。
(A102:推定振幅減衰率と推定位相の計算)
A102では、推定吸収係数μa_cと推定散乱係数μs’_c(推定光学係数)を用いて、各変調周波数の推定振幅減衰率と推定位相とを計算する。推定光学係数の初期値には、生体の一般的な光学係数(例えばμa〜0.01/mm、μs’〜1/mm)を用いるとよい。
(A101: Input of amplitude attenuation rate and phase)
In A101, an amplitude attenuation rate A m (f i ) and a phase Φ m (f i ) of a plurality of different modulation frequencies are input. FIG. 1 shows a case where there are N modulation frequencies (N = 0 to N−1).
(A102: Calculation of estimated amplitude attenuation rate and estimated phase)
In A102, the estimated amplitude attenuation rate and the estimated phase of each modulation frequency are calculated using the estimated absorption coefficient μa_c and the estimated scattering coefficient μs′_c (estimated optical coefficient). A general optical coefficient of a living body (for example, μa to 0.01 / mm, μs ′ to 1 / mm) may be used as the initial value of the estimated optical coefficient.

(A103:変調周波数ごとの位相の残差の計算)
A103では、変調周波数ごとに、入力位相Φ(f)とA102で得た推定位相Φ(f)の残差を算出する。
(A104:変調周波数ごとの振幅減衰率の残差の計算)
A104では、変調周波数ごとに、入力振幅減衰率Am(f)とA102で得た推定振幅減衰率Ac(f)の残差を算出する。
(A103: Calculation of phase residual for each modulation frequency)
In A103, for each modulation frequency, the residual between the input phase Φ m (f i ) and the estimated phase Φ c (f i ) obtained in A102 is calculated.
(A104: Calculation of residual of amplitude attenuation rate for each modulation frequency)
In A104, for each modulation frequency, the residual between the input amplitude attenuation rate Am (f i ) and the estimated amplitude attenuation rate Ac (f i ) obtained in A102 is calculated.

(A105:入力位相と推定位相の残差への加重)
A105では、A103で得た各変調周波数の入力位相と推定位相の残差に、変調周波数に応じた加重をかける。これは本発明の、加重位相残差に相当する。
(A106:残差の計算)
A106では、位相残差RΦと振幅減衰率残差Rを加算して、残差Rを計算する。
(A105: Weighting of residual between input phase and estimated phase)
In A105, a weight corresponding to the modulation frequency is applied to the residual between the input phase and the estimated phase of each modulation frequency obtained in A103. This corresponds to the weighted phase residual of the present invention.
(A106: Calculation of residual)
In A106, the residual R is calculated by adding the phase residual and the amplitude attenuation rate residual RA .

(A107:推定光学係数の更新)
A106で得た残差Rが、十分小さなε以上の場合(すなわち比較結果が所定の閾値以上の場合)、推定光学係数を更新する。推定光学係数を更新する量は、残差Rから算出することができる。この比較に用いられる所定の閾値εは、必要とされる計算の精度や従来の知見に基づいて、適正に定められる。
残差Rがεより小さくなるまで、ステップA102からステップA107を繰り返す。残差Rがεより小さくなったところで繰り返しを中断し、その時の推定吸収係数μa_cと推定散乱係数μs’_cとを、被検体101の吸収係数μaと散乱係数μs’とする。
(A107: Update of estimated optical coefficient)
When the residual R obtained in A106 is not less than ε (that is, the comparison result is not less than a predetermined threshold), the estimated optical coefficient is updated. The amount by which the estimated optical coefficient is updated can be calculated from the residual R. The predetermined threshold value ε used for this comparison is appropriately determined based on required calculation accuracy and conventional knowledge.
Step A102 to step A107 are repeated until the residual R becomes smaller than ε. The repetition is interrupted when the residual R becomes smaller than ε, and the estimated absorption coefficient μa_c and the estimated scattering coefficient μs′_c at that time are set as the absorption coefficient μa and the scattering coefficient μs ′ of the subject 101.

以上のアルゴリズムは、コンピュータ等のプログラムとして実行することができる。また、本実施形態では振幅減衰率と位相とを測定するものとした。しかし、別途取得した振幅減衰率と位相のデータをコンピュータに入力し、上記アルゴリズムを実行することでも、測定した振幅減衰率と位相を用いた場合と同様に被検体の光学係数を算出できる。   The above algorithm can be executed as a program such as a computer. In this embodiment, the amplitude attenuation rate and the phase are measured. However, by inputting separately acquired amplitude attenuation rate and phase data to a computer and executing the above algorithm, the optical coefficient of the subject can be calculated as in the case of using the measured amplitude attenuation rate and phase.

光学係数算出部108は、振幅位相計算部109による振幅減衰率と位相の計算、振幅減衰率残差算出部112と位相残差算出部111による残差の計算、光学係数更新部110による計算用光学係数の更新を、繰り返し行う。残差Rが十分小さくなった時の計算用光学係数を、被検体101の光学係数として表示部113に出力する。
表示部113は、算出された被検体113の光学係数を測定者に表示する。
The optical coefficient calculation unit 108 is for calculating the amplitude attenuation rate and phase by the amplitude phase calculation unit 109, calculating the residual by the amplitude attenuation rate residual calculation unit 112 and the phase residual calculation unit 111, and calculating by the optical coefficient update unit 110. The optical coefficient is updated repeatedly. The calculation optical coefficient when the residual R becomes sufficiently small is output to the display unit 113 as the optical coefficient of the subject 101.
The display unit 113 displays the calculated optical coefficient of the subject 113 to the measurer.

(光学特性測定方法)
次に、図8のフロー図を参照しつつ、本実施形態に係る光学特性測定方法を説明する。
(Optical characteristics measurement method)
Next, the optical characteristic measuring method according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.

(S101:強度変調光を照射する工程)
本工程では、変調信号発生部102の切替器を変調周波数fの発振器に切り替えて、光源部103に変調周波数fの変調信号を出力する。光源部103は、この変調信号を用いて変調周波数fで強度変調された光を出力し、照射導光部104を用いて被検体101に照射する。
(S102:被検体を伝搬した光を検出する工程)
本工程では、S101で被検体101に照射され内部を伝搬した光を、光検出器106で検出する。時系列で光の強度を検出することで、光検出信号を取得する。
(S101: Step of irradiating intensity modulated light)
In this step, by switching the switch of the modulation signal generator 102 to the oscillator of the modulation frequency f i, and outputs a modulated signal of the modulation frequency f i to the light source unit 103. Light source unit 103 outputs the light intensity-modulated at a modulation frequency f i with the modulated signal is applied to the subject 101 using the irradiation light guide 104.
(S102: Step of detecting light propagated through the subject)
In this step, the light that has been irradiated on the subject 101 and propagated in S101 is detected by the photodetector 106. A light detection signal is acquired by detecting the light intensity in time series.

(S103:振幅減衰率と位相を得る工程)
本工程では、S103で取得した光検出信号から、検波部107において変調周波数fの光の振幅減衰率と位相を取得する。
S101からS103を、測定する変調周波数の数Nだけ繰り返し、各変調周波数f(i=0〜N−1)の振幅減衰率と位相を取得する。N回の測定が終了したら(D101=Yes)、S104に進む。
(S103: Step of obtaining amplitude attenuation rate and phase)
In this step, from the light detection signal acquired in S103, to acquire the amplitude attenuation factor and phase of the light modulation frequency f i at the detection section 107.
S101 to S103 are repeated for the number N of modulation frequencies to be measured, and the amplitude attenuation rate and phase of each modulation frequency f i (i = 0 to N−1) are acquired. When N measurements are completed (D101 = Yes), the process proceeds to S104.

(S104:被検体の光学係数を算出する工程)
本工程では、S103で取得したN個の振幅減衰率と位相を用いて、光学係数算出部108で被検体101の光学係数を取得する。取得した光学係数は、表示部113を通して測定者に表示する。
(S104: Step of calculating optical coefficient of subject)
In this step, the optical coefficient of the subject 101 is acquired by the optical coefficient calculation unit 108 using the N amplitude attenuation rates and phases acquired in S103. The acquired optical coefficient is displayed to the measurer through the display unit 113.

以上述べたように、本実施形態にかかる光学特性測定装置によれば、変調周波数に応じた加重を用いることで、精度よく光学係数を取得できる。さらに、このような光学係数を用いて光音響トモグラフィーの計算を行うことで、被検体情報をより正確に算出できる。   As described above, according to the optical characteristic measuring apparatus according to the present embodiment, the optical coefficient can be obtained with high accuracy by using the weight according to the modulation frequency. Furthermore, subject information can be calculated more accurately by performing photoacoustic tomography calculation using such optical coefficients.

<第二の実施形態>
第二の実施形態では、複数の変調周波数を含む光を用いて1回測定を行う光学特性測定装置を示す。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an optical characteristic measuring apparatus that performs measurement once using light including a plurality of modulation frequencies is shown.

(装置構成)
図9を参照しつつ、本実施形態に係る光学特性測定装置の装置構成を説明する。図9において第一の実施形態と同じ要素については図4と同じ符号を示し、また、説明を省略する。
(Device configuration)
The apparatus configuration of the optical characteristic measuring apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIG. 9, the same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 4, and description thereof is omitted.

装置は、光源手段である変調信号発生部201及び光源部103、光検出手段である光検出器106、振幅位相を測定する手段である検波部202を有する。装置はさらに、光学係数を算出する手段である光学係数算出部108、位相残差に加重をかける手段である位相残差算出部110を有する。   The apparatus includes a modulation signal generation unit 201 and a light source unit 103 which are light source units, a photodetector 106 which is a light detection unit, and a detection unit 202 which is a unit for measuring an amplitude phase. The apparatus further includes an optical coefficient calculation unit 108 that is a unit that calculates an optical coefficient, and a phase residual calculation unit 110 that is a unit that applies a weight to the phase residual.

変調信号発生部201は、強度変調光を発生させるための1つの変調信号を生成する。変調信号発生部201の詳細を図10に示す。
図10(A)は、複数の発振器からの出力を加算した1つの変調信号を光源部103に出力する場合の構成である。この場合、検波部202で各変調周波数ごとに検波を行うために、発振器ごとの信号を検波部202に出力する。
図10(B)は、単一の変調周波数(f)を光源部103および検波部202に出力する場合の構成である。この場合、光源部103においてfの高調波を発生させる。
The modulation signal generator 201 generates one modulation signal for generating intensity modulated light. Details of the modulation signal generator 201 are shown in FIG.
FIG. 10A illustrates a configuration in the case where one modulated signal obtained by adding outputs from a plurality of oscillators is output to the light source unit 103. In this case, a signal for each oscillator is output to the detection unit 202 so that the detection unit 202 performs detection for each modulation frequency.
FIG. 10B shows a configuration when a single modulation frequency (f 0 ) is output to the light source unit 103 and the detection unit 202. In this case, to generate harmonics of f 0 in the light source unit 103.

光源部103は、第一の実施形態と同じく、変調信号発生部102からの変調信号を用いて複数の変調周波数を有する光を発生させる。変調信号発生部201が図10(A)の構成である場合、すなわち、複数の変調周波数が混合された変調信号が供給される場合は、図6(A)(レーザダイオードの駆動電流変調)または図6(B)(AOMによる外部変調)を使用できる。この場合、出力される光には図10(A)の各発振器の変調周波数が含まれている。   The light source unit 103 generates light having a plurality of modulation frequencies using the modulation signal from the modulation signal generation unit 102 as in the first embodiment. When the modulation signal generator 201 has the configuration of FIG. 10A, that is, when a modulation signal in which a plurality of modulation frequencies are mixed is supplied, FIG. 6A (laser diode drive current modulation) or FIG. 6B (external modulation by AOM) can be used. In this case, the output light includes the modulation frequency of each oscillator shown in FIG.

一方、変調信号発生部201が図10(B)の構成である場合、図6(A)の構成を使
用できる。この場合に複数の変調周波数を有する光を発生させる方法を、図11を用いて以下に説明する。図11(A)は、図6(A)と同じ構成の光源部103である。図11(B)は、本実施形態でのレーザダイオードの駆動電流を示す。
On the other hand, when the modulation signal generator 201 has the configuration of FIG. 10B, the configuration of FIG. 6A can be used. A method for generating light having a plurality of modulation frequencies in this case will be described below with reference to FIG. FIG. 11A illustrates a light source portion 103 having the same configuration as that in FIG. FIG. 11B shows the drive current of the laser diode in this embodiment.

図11の構成において、レーザドライバからレーザヘッドに供給される直流駆動電流を、レーザダイオードのレーザ発振閾値近傍に設定する(図11(B)の符号(1))。ここに変調信号発生部102からの周波数f0の変調信号を重畳する(図11(B)の符号(2))と、変調信号がレーザ発振閾値を超えた時のみ十分な強度でレーザダイオードが発光する。直流駆動電流がレーザ発振閾値近傍であるため、レーザダイオードの発光波形は周波数fのほぼ片振幅部のみとなる。このような波形は変調周波数fの高調波を含むため、複数の変調周波数を含む光を発生させることができる。 In the configuration of FIG. 11, the direct current drive current supplied from the laser driver to the laser head is set near the laser oscillation threshold of the laser diode (reference numeral (1) in FIG. 11B). When the modulation signal having the frequency f0 from the modulation signal generator 102 is superimposed on this (reference numeral (2) in FIG. 11B), the laser diode emits light with sufficient intensity only when the modulation signal exceeds the laser oscillation threshold. To do. Because DC drive current is near the laser oscillation threshold, the light emission waveform of the laser diode is only approximately half amplitude of the frequency f 0. Since such a waveform includes harmonics of the modulation frequency f 0 , light including a plurality of modulation frequencies can be generated.

検波部202は、光検出信号に含まれる複数の変調周波数の振幅減衰率と位相を測定する。
まず、変調信号発生部201の構成が図10(A)の場合の検波部202の構成を説明する。図12Aの構成では、光検出器106からの光検出信号と、切替器で選択した同期信号を用いて、検波部202内の検波処理部で振幅減衰率と位相を測定する。全ての変調周波数について測定が終了するまで、被検体への光照射を続ける。
The detector 202 measures the amplitude attenuation rate and phase of a plurality of modulation frequencies included in the light detection signal.
First, the configuration of the detection unit 202 when the configuration of the modulation signal generation unit 201 is as shown in FIG. In the configuration of FIG. 12A, the amplitude attenuation rate and the phase are measured by the detection processing unit in the detection unit 202 using the light detection signal from the light detector 106 and the synchronization signal selected by the switch. The light irradiation to the subject is continued until the measurement is completed for all the modulation frequencies.

図12Bの構成では、光検出信号を保存するバッファを設けている。バッファの信号に対して検波処理を行うので、1つの変調周波数に対する検波処理に必要な最低限の時間だけ被検体へ光照射を行えばよい。このため、図12Aの構成よりも測定時間を短縮できる。
ここで、生体へ照射してよい光量はMPE(Maximum Permissive Exposure)で制限されており、照射時間が短いほど許容される光量が大きい。被検体が生体の場合、図12Bの構成を用いることにより光の照射時間を短くできるため、光の強度を強くすることが可能になる。その結果、測定のSN比を改善できる。
In the configuration of FIG. 12B, a buffer for storing the light detection signal is provided. Since the detection process is performed on the buffer signal, it is only necessary to irradiate the subject with light for the minimum time necessary for the detection process for one modulation frequency. For this reason, measurement time can be shortened rather than the structure of FIG. 12A.
Here, the amount of light that can be irradiated to the living body is limited by MPE (Maximum Perspective Exposure), and the shorter the irradiation time, the larger the allowable amount of light. When the subject is a living body, the light irradiation time can be shortened by using the configuration of FIG. 12B, so that the light intensity can be increased. As a result, the SN ratio of measurement can be improved.

図12Cの構成では、変調周波数の個数分だけ検波処理部を設けている。これにより、各変調周波数の振幅減衰率と位相を同時に取得できる。   In the configuration of FIG. 12C, detection processing units are provided for the number of modulation frequencies. Thereby, the amplitude attenuation rate and phase of each modulation frequency can be acquired simultaneously.

次に、変調信号発生部201の構成が図10(B)の場合の検波部202の構成を、図12Dを用いて説明する。検波部202は、変調信号発生部201の周波数fとその高調波(f,f,・・・,fN−1)に対応するローカル発振器を内蔵している。図10(B)に示した周波数fを歪ませた強度変調光を照射するので、高調波の周波数は予め決定することができる。また、変調信号発生部201のfが可変である場合、図12Dに破線矢印で示したように周波数fの情報を与えて、ローカル発振器の周波数を変更するとよい。この場合、ローカル発振器は周波数が可変なものを用いる。
なお、図12Dにおいても、図12Bのようにバッファを設けたり、図12Cのようにローカル発振器の数だけ検波処理部を設けたりすることができる。
Next, the configuration of the detection unit 202 when the configuration of the modulation signal generation unit 201 is FIG. 10B will be described with reference to FIG. 12D. The detection unit 202 includes a local oscillator corresponding to the frequency f 0 of the modulation signal generation unit 201 and its harmonics (f 0 , f 1 ,..., F N-1 ). Since the intensity-modulated light distorted with the frequency f 0 shown in FIG. 10B is irradiated, the frequency of the harmonic can be determined in advance. Further, when f 0 of modulation signal generating section 201 is variable, it is preferable to change the frequency of the local oscillator by giving information on frequency f 0 as shown by the dashed arrow in FIG. 12D. In this case, a local oscillator having a variable frequency is used.
Also in FIG. 12D, buffers can be provided as shown in FIG. 12B, or detection processing units can be provided as many as the number of local oscillators as shown in FIG. 12C.

検波部202では、被検体101に照射される光の各変調周波数の振幅(基準振幅)と位相(基準位相)を予め取得しておく。測定振幅を基準振幅で割ることで振幅減衰率を、測定位相から基準位相を引くことで位相を取得できる。本実施形態において、これらの処理は、検波部202内の検波処理部が行う処理に含まれている。
位相残差算出部111では、第一の実施形態同様に位相残差RΦ_iに対して変調周波数に応じて図7の加重をかけることで、位相のノイズによる光学係数の算出誤差を低減することができる。
In the detection unit 202, the amplitude (reference amplitude) and phase (reference phase) of each modulation frequency of the light irradiated on the subject 101 are acquired in advance. The amplitude can be acquired by dividing the measurement amplitude by the reference amplitude and subtracting the reference phase from the measurement phase. In the present embodiment, these processes are included in the processes performed by the detection processing unit in the detection unit 202.
As in the first embodiment, the phase residual calculator 111 reduces the optical coefficient calculation error due to phase noise by applying the weight of FIG. 7 to the phase residual R Φ_i according to the modulation frequency. Can do.

(光学特性測定方法)
次に、図13に示す光学特性測定方法のフロー図を参照しつつ、本実施形態に係る光学特性測定方法を説明する。
(Optical characteristics measurement method)
Next, the optical property measuring method according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of the optical property measuring method shown in FIG.

(S201:強度変調光を照射する工程)
本工程では、複数の変調周波数を有する光を光源部103から照射導光部104を通して被検体に照射する。
(S202:被検体を伝搬した光を検出する工程)
本工程では、S201で被検体101に照射され内部を伝搬した光を、光検出器106で検出する。時系列で光の強度を検出し、光検出信号を取得する。
(S201: Step of irradiating intensity modulated light)
In this step, the subject is irradiated with light having a plurality of modulation frequencies from the light source unit 103 through the irradiation light guide unit 104.
(S202: Step of detecting light propagated through subject)
In this step, the light that has been irradiated on the subject 101 and propagated in S201 is detected by the photodetector 106 in S201. The light intensity is detected in time series to obtain a light detection signal.

(S203:振幅減衰率と位相を得る工程)
本工程では、S202で取得した光検出信号から、検波部202において変調周波数fの光の振幅減衰率と位相を取得する。検波に用いる同期信号を変更して検波を行い、変調周波数の数Nだけ振幅減衰率と位相を取得したら(D201=Yes)、S204に進む。なお、検波部202の構成が、複数の検波処理部を有する図12Cの場合、同期信号の変更を行う必要はない。
(S204:被検体の光学係数を算出する工程)
本工程は、S104と同じである。
(S203: Step of obtaining amplitude attenuation rate and phase)
In this step, from the light detection signal acquired in S202, to acquire the amplitude attenuation factor and phase of the light modulation frequency f i at the detection section 202. If detection is performed by changing the synchronization signal used for detection and the amplitude attenuation rate and phase are acquired by the number N of modulation frequencies (D201 = Yes), the process proceeds to S204. In addition, when the structure of the detection part 202 is FIG. 12C which has several detection process parts, it is not necessary to change a synchronous signal.
(S204: Step of calculating optical coefficient of subject)
This step is the same as S104.

<第三の実施形態>
第三の実施形態では、光を用いて被検体内を画像化する装置、特に光音響イメージング装置に本発明を適用した装置を示す。
<Third embodiment>
In the third embodiment, an apparatus for imaging an inside of a subject using light, particularly an apparatus in which the present invention is applied to a photoacoustic imaging apparatus is shown.

光音響イメージング装置は、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織等から発生した弾性波(光音響波)を複数箇所で検出する。それらの信号を解析処理することで、被検体内部で弾性波が発生した瞬間の音圧分布(初期音圧分布)を示す画像データが得られる。
初期音圧分布は被検体内の光エネルギー吸収率分布、すなわち吸収係数分布と関連している。さらに、複数の波長で計測を行い、それぞれの波長における吸収係数分布から、酸素飽和度分布等の機能情報画像が得られる。酸素飽和度は腫瘍に特徴的な新生血管分布に対応するため、機能情報画像を癌診断に利用できる可能性がある。
A photoacoustic imaging device irradiates a subject with pulsed light generated from a light source, and absorbs elastic waves (photoacoustic waves) generated from a living tissue or the like that absorbs energy of light propagated and diffused in the subject at a plurality of locations. To detect. By analyzing these signals, image data indicating the sound pressure distribution (initial sound pressure distribution) at the moment when an elastic wave is generated inside the subject can be obtained.
The initial sound pressure distribution is related to the light energy absorption rate distribution in the subject, that is, the absorption coefficient distribution. Furthermore, measurement is performed at a plurality of wavelengths, and a functional information image such as an oxygen saturation distribution is obtained from the absorption coefficient distribution at each wavelength. Since oxygen saturation corresponds to the neovascularization characteristic of tumors, functional information images may be used for cancer diagnosis.

光音響イメージング装置で吸収係数分布を取得するためには、特許文献2で述べられているように、初期音圧分布を被検体内の光量分布で補正する必要がある。光量分布は、被検体の空間平均的な吸収係数μaと散乱係数μs’(平均光学係数)がわかれば、拡散方程式やモンテカルロ法等により算出できる。   In order to acquire the absorption coefficient distribution by the photoacoustic imaging apparatus, as described in Patent Document 2, it is necessary to correct the initial sound pressure distribution with the light amount distribution in the subject. If the spatial average absorption coefficient μa and scattering coefficient μs ′ (average optical coefficient) of the subject are known, the light quantity distribution can be calculated by a diffusion equation, a Monte Carlo method, or the like.

そこで本実施形態では、強度変調光を用いて被検体の平均光学係数を取得し、その平均光学係数を用いて算出した光量分布で初期音圧分布を補正して、吸収係数分布を取得する。複数の変調周波数を用いて平均光学係数を取得する際に、位相残差に対して変調周波数に応じた加重をかけることで、平均光学係数を高い精度で取得できる。その結果、吸収係数分布を得る際の補正の精度が改善される。   Therefore, in the present embodiment, the average optical coefficient of the subject is acquired using the intensity-modulated light, the initial sound pressure distribution is corrected with the light amount distribution calculated using the average optical coefficient, and the absorption coefficient distribution is acquired. When the average optical coefficient is acquired using a plurality of modulation frequencies, the average optical coefficient can be acquired with high accuracy by applying a weight corresponding to the modulation frequency to the phase residual. As a result, the accuracy of correction when obtaining the absorption coefficient distribution is improved.

(装置構成)
図14を参照しつつ、本実施形態に係る光学特性測定装置の装置構成を説明する。図14において第一の実施形態と同じ要素については図4と同じ符号を示し、また、説明を省略する。本実施形態の光学特性測定装置は、光音響トモグラフィー技術を用いた被検体情報取得装置でもある。
(Device configuration)
The apparatus configuration of the optical characteristic measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 14, the same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 4, and description thereof is omitted. The optical property measurement apparatus of the present embodiment is also a subject information acquisition apparatus using photoacoustic tomography technology.

装置は、光源手段である変調信号発生部307及び光源部103、光検出手段である光
検出器106、振幅位相を測定する手段である検波部107、光学係数を算出する手段である光学係数算出部108を有する。装置はさらに、位相残差に加重をかける手段である位相残差算出部110、パルス光源手段であるパルス光源部301、音響波検出手段である探触子302、初期音圧を算出する手段である画像再構成部303を有する。装置はさらに、光量を算出する手段である光量算出部304、補正を行う手段である補正部305を有する。
The apparatus includes a modulation signal generation unit 307 and a light source unit 103 that are light source units, a photodetector 106 that is a light detection unit, a detection unit 107 that measures amplitude phase, and an optical coefficient calculation unit that calculates optical coefficients. Part 108. The apparatus further includes a phase residual calculation unit 110 that is means for applying a weight to the phase residual, a pulse light source unit 301 that is a pulse light source unit, a probe 302 that is an acoustic wave detection unit, and a unit that calculates an initial sound pressure. An image reconstruction unit 303 is included. The apparatus further includes a light amount calculation unit 304 that is a unit that calculates a light amount, and a correction unit 305 that is a unit that performs correction.

パルス光源部301は、被検体101に照射するパルス光を発生させ、被検体101内に光音響波を励起する。パルス光源として、フラッシュランプ等のインコヒーレント光源、レーザ等のコヒーレント光源を利用できる。光音響信号の強度は光量に比例するため、パルス光源301の出力は高いことが好ましい。例えば、チタンサファイアレーザやアレキサンドライトレーザ等の大出力パルスレーザ光源が好適である。光音響波を励起するために十分な光量を被検体101内の広い範囲に到達させるため、ビーム径を拡大する光学系を設け照射面積を拡げるとよい。   The pulse light source unit 301 generates pulsed light that irradiates the subject 101 and excites a photoacoustic wave in the subject 101. As the pulse light source, an incoherent light source such as a flash lamp or a coherent light source such as a laser can be used. Since the intensity of the photoacoustic signal is proportional to the amount of light, the output of the pulse light source 301 is preferably high. For example, a high-power pulsed laser light source such as a titanium sapphire laser or an alexandrite laser is suitable. In order to allow a sufficient amount of light to excite the photoacoustic wave to reach a wide range in the subject 101, an optical system for expanding the beam diameter may be provided to expand the irradiation area.

探触子302は、被検体101内で発生した光音響波を受信して受信信号を生成し、再構成部303に出力する。探触子302としては、圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量の変化を用いたトランスデューサなどを利用できる。複数のトランスデューサ(素子)が1次元または2次元に配列された探触子を用いれば、広範囲の測定、時間短縮、SN比向上などの効果が得られる。より広い領域を測定するためには、探触子302を被検体101に対して走査する機構を設けると良い。   The probe 302 receives a photoacoustic wave generated in the subject 101, generates a reception signal, and outputs the reception signal to the reconstruction unit 303. As the probe 302, a transducer using a piezoelectric phenomenon, a transducer using optical resonance, a transducer using a change in capacitance, or the like can be used. If a probe in which a plurality of transducers (elements) are arranged one-dimensionally or two-dimensionally is used, effects such as wide-ranging measurement, time reduction, and SN ratio improvement can be obtained. In order to measure a wider area, a mechanism for scanning the probe 302 with respect to the subject 101 may be provided.

画像再構成部303は、探触子302からの受信信号を用いて画像再構成処理を行うことにより、被検体101内の初期音圧分布を取得する。画像再構成処理としては、例えば、タイムドメインでの逆投影法、タイムリバーサルによる再構成法、フーリエドメインでの再構成法、モデルベース再構成法等を用いることができる。初期音圧分布は、補正部305に出力される。   The image reconstruction unit 303 acquires the initial sound pressure distribution in the subject 101 by performing image reconstruction processing using the received signal from the probe 302. As the image reconstruction processing, for example, a time domain back projection method, a time reversal reconstruction method, a Fourier domain reconstruction method, a model-based reconstruction method, or the like can be used. The initial sound pressure distribution is output to the correction unit 305.

光量算出部304は、光学係数算出部108で算出した平均光学係数を用いて、被検体101内の光量分布を算出する。光量の算出には、光のエネルギー挙動を記述した方程式(拡散方程式や輸送方程式)を有限要素法や差分法等で解く方法や、光エネルギーの挙動を光子の統計的な挙動とみなして計算を行うモンテカルロ法等を使用できる。光量分布は、補正部305に出力される。   The light amount calculation unit 304 calculates the light amount distribution in the subject 101 using the average optical coefficient calculated by the optical coefficient calculation unit 108. The light quantity can be calculated by solving equations describing the energy behavior of light (diffusion equation or transport equation) using the finite element method or the difference method, or by considering the behavior of light energy as the statistical behavior of photons. The Monte Carlo method to be performed can be used. The light amount distribution is output to the correction unit 305.

補正部305は、画像再構成部303で算出した初期音圧分布を、光量算出部304で算出した光量分布で補正し、被検体101内の吸収係数分布を算出する。補正には、以下の式(3)を用いる(特許文献2を参照)。

Figure 2015080604

ここで、rは位置ベクトル、P(r)は初期音圧分布、Γはグリュナイゼン係数、μa(r)は吸収係数分布、Φ(r)は光量分布である。位置rごとに初期音圧をグリュナイゼン係数と光量で割ることで、吸収係数を取得できる。グリュナイゼン係数は被検体の体積膨張係数と音速の2乗の積を定圧比熱で割ったものであり、生体では略一定の既知の値を取るといわれている。 The correction unit 305 corrects the initial sound pressure distribution calculated by the image reconstruction unit 303 with the light amount distribution calculated by the light amount calculation unit 304, and calculates the absorption coefficient distribution in the subject 101. The following equation (3) is used for the correction (see Patent Document 2).
Figure 2015080604

Here, r is a position vector, P 0 (r) is an initial sound pressure distribution, Γ is a Gruneisen coefficient, μa (r) is an absorption coefficient distribution, and Φ (r) is a light quantity distribution. The absorption coefficient can be acquired by dividing the initial sound pressure by the Gruneisen coefficient and the amount of light for each position r. The Gruneisen coefficient is obtained by dividing the product of the volume expansion coefficient of the subject and the square of the speed of sound by the constant pressure specific heat, and is said to take a substantially constant known value in the living body.

表示部306は、補正部305で算出した被検体101内の吸収係数分布を測定者に表示する。複数の波長の吸収係数分布から酸素飽和度分布等の機能情報を算出して表示して
も良い。なお本実施形態においても、被検体情報の画像としての表示は必須ではなく、数値として表示したり、解析データとして保存したりしても構わない。
The display unit 306 displays the absorption coefficient distribution in the subject 101 calculated by the correction unit 305 to the measurer. Functional information such as oxygen saturation distribution may be calculated and displayed from absorption coefficient distributions of a plurality of wavelengths. Also in this embodiment, the display of the subject information as an image is not essential, and may be displayed as a numerical value or stored as analysis data.

変調信号発生部307としては、第一の実施形態の変調信号発生部102、または、第二の実施形態の変調信号発生部201を使用できる。変調信号発生部307は、強度変調光を発生するための変調信号を光源部103に出力する。   As the modulation signal generation unit 307, the modulation signal generation unit 102 of the first embodiment or the modulation signal generation unit 201 of the second embodiment can be used. The modulation signal generation unit 307 outputs a modulation signal for generating intensity modulated light to the light source unit 103.

光源部103に関しても、第一および第二の実施形態と同一の構成を使用できる。ただし、光源部103が発生する光の波長は、できるだけパルス光源部301の波長に近いことが望ましい。そうすることにより、パルス光源部301による被検体101内の光量分布をより正確に算出できる。あるいは、単一の光源がパルス光源部301と光源部103を兼ねる構成を取り得る。   With respect to the light source unit 103, the same configuration as in the first and second embodiments can be used. However, it is desirable that the wavelength of light generated by the light source unit 103 is as close to the wavelength of the pulse light source unit 301 as possible. By doing so, the light quantity distribution in the subject 101 by the pulse light source unit 301 can be calculated more accurately. Alternatively, a configuration in which a single light source serves as both the pulse light source unit 301 and the light source unit 103 can be employed.

検波部308は、変調信号発生部307が第一の実施形態の変調信号発生部102の構成ならば、第一の実施形態の検波部107の構成を採る。一方、変調信号発生部307が第二の実施形態の変調信号発生部201の構成ならば、第二の実施形態の検波部202の構成を採る。検波部308は、複数の変調周波数の振幅減衰率と位相を光学係数算出部108に出力する。   The detection unit 308 adopts the configuration of the detection unit 107 of the first embodiment if the modulation signal generation unit 307 is the configuration of the modulation signal generation unit 102 of the first embodiment. On the other hand, if the modulation signal generation unit 307 has the configuration of the modulation signal generation unit 201 of the second embodiment, the configuration of the detection unit 202 of the second embodiment is adopted. The detector 308 outputs the amplitude attenuation rates and phases of the plurality of modulation frequencies to the optical coefficient calculator 108.

光学係数算出部108は、被検体101の平均光学係数を算出し、光量分布算出部304に出力する。平均光学係数の算出では、第一および第二の実施形態同様に位相残差算出部111で変調周波数に応じた加重を行い、位相ノイズによる平均光学係数の誤差を低減し精度を改善する。   The optical coefficient calculator 108 calculates the average optical coefficient of the subject 101 and outputs it to the light quantity distribution calculator 304. In the calculation of the average optical coefficient, as in the first and second embodiments, the phase residual calculation unit 111 performs weighting according to the modulation frequency, thereby reducing the error of the average optical coefficient due to phase noise and improving the accuracy.

以上の構成により、より高い精度の平均光学係数を用いて得られた光量分布で、初期音圧分布を補正することができる。その結果、取得される吸収係数分布の精度が改善する。   With the above configuration, the initial sound pressure distribution can be corrected with the light amount distribution obtained by using the average optical coefficient with higher accuracy. As a result, the accuracy of the acquired absorption coefficient distribution is improved.

(光学特性測定方法)
次に、図15Aおよび図15Bのフロー図を参照しつつ、本実施形態に係る光学特性測定方法を説明する。
(Optical characteristics measurement method)
Next, the optical characteristic measuring method according to the present embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 15A and 15B.

図15Aは、変調信号発生部307と検波部308の構成が、それぞれ第一の実施形態の変調信号発生部102と検波部107の構成である場合のフロー図である。   FIG. 15A is a flowchart when the configurations of the modulation signal generation unit 307 and the detection unit 308 are the configurations of the modulation signal generation unit 102 and the detection unit 107 of the first embodiment, respectively.

(S301:パルス光を照射する工程)
本工程では、パルス光源部301で発生させたパルス光を被検体101に照射する。
(S302:光音響波を検出する工程)
本工程では、S301のパルス光照射により生じた光音響波を探触子302で検出し、受信信号を取得する。
受信信号が十分なSNになるまで(D301=Yes)、S301とS302を繰り返して受信信号を積算する。
(S303:初期音圧分布を取得する工程)
本工程では、S302で取得した受信信号を用いて、画像再構成部303において被検体101内の初期音圧分布を取得する。
(S301: Step of irradiating pulsed light)
In this step, the subject 101 is irradiated with pulsed light generated by the pulse light source unit 301.
(S302: Step of detecting photoacoustic wave)
In this step, the photoacoustic wave generated by the pulsed light irradiation in S301 is detected by the probe 302, and a received signal is acquired.
Until the received signal becomes sufficient SN (D301 = Yes), S301 and S302 are repeated to integrate the received signals.
(S303: Step of obtaining initial sound pressure distribution)
In this step, the image reconstruction unit 303 acquires the initial sound pressure distribution in the subject 101 using the reception signal acquired in S302.

(S304からS307:被検体の平均光学係数を取得する工程)
S304からS307の各工程は、それぞれ図8の第一の実施形態におけるS101からS104と同じ工程である。これらの工程により、被検体の平均光学係数を取得する。
S304からS306で行われる振幅減衰率と位相の測定は、S301とS302が行われていない時間に実行する(D302=Yes)。これは、光音響波測定のためのパル
ス光と、振幅減衰率と位相の測定のための強度変調光が、互いの測定に影響しないようにするためである。
(S304 to S307: step of obtaining the average optical coefficient of the subject)
Steps S304 to S307 are the same as steps S101 to S104 in the first embodiment shown in FIG. Through these steps, the average optical coefficient of the subject is acquired.
The measurement of the amplitude attenuation rate and the phase performed in S304 to S306 is executed at a time when S301 and S302 are not performed (D302 = Yes). This is because pulse light for photoacoustic wave measurement and intensity-modulated light for amplitude attenuation rate and phase measurement do not affect each other's measurement.

(S308:光量分布を取得する工程)
本工程では、S307で取得した被検体101の平均光学係数を用いて、パルス光が被検体に照射された時の被検体101内の光量分布を、光量分布算出部304で取得する。
(S309:吸収係数分布を取得する工程)
本工程では、補正部304において、S303で取得した初期音圧分布をS308で取得した光量分布で補正し、被検体101内の吸収係数分布を取得する。取得した吸収係数分布は表示部306に送られ、測定者に被検体101内の機能情報分布が表示される。
(S308: Step of obtaining light quantity distribution)
In this step, the light amount distribution calculation unit 304 acquires the light amount distribution in the subject 101 when the subject is irradiated with pulsed light using the average optical coefficient of the subject 101 acquired in S307.
(S309: Step of obtaining absorption coefficient distribution)
In this step, the correction unit 304 corrects the initial sound pressure distribution acquired in S303 with the light amount distribution acquired in S308, and acquires the absorption coefficient distribution in the subject 101. The acquired absorption coefficient distribution is sent to the display unit 306, and the function information distribution in the subject 101 is displayed to the measurer.

図16(A)及び図16(B)は、S301及びS302の光音響波測定と、S304からS306の振幅減衰率・位相測定のタイミングを示した図である。   FIGS. 16A and 16B are diagrams showing the timing of the photoacoustic wave measurement in S301 and S302 and the amplitude attenuation rate / phase measurement in S304 to S306.

一般に、光音響波測定のためのパルス光には大出力が求められるので、Qスイッチレーザを用いる。Qスイッチレーザは十分な強度で光を照射するために、長い照射周期を要する。S301とS302の繰り返し間隔は、実質的にこの照射周期で規定される。光音響波測定に一般に用いられるような、パルス幅が数10ナノ秒、パルスエネルギーが数10〜数100mJのQスイッチレーザでは、周期は、数10〜数100ミリ秒である。   In general, a pulsed light for photoacoustic wave measurement requires a high output, so a Q-switched laser is used. A Q-switched laser requires a long irradiation cycle in order to irradiate light with sufficient intensity. The repetition interval between S301 and S302 is substantially defined by this irradiation cycle. In a Q-switched laser having a pulse width of several tens of nanoseconds and a pulse energy of several tens to several hundreds mJ, which is generally used for photoacoustic wave measurement, the period is several tens to several hundreds milliseconds.

一方、強度変調光・位相測定において、被検体101の平均光学係数が、生体の一般値であるμa〜0.01/mm、μs’〜1/mmであり、光の照射点と検出点の間隔が一般に用いられる〜3、4cmであるとした場合、10ミリ秒程度で検波を実行できる。このため光音響波測定の合間に振幅減衰率・位相測定を行うことができる。例えば、図16(A)のように複数の変調周波数の測定を逐次行うことができる。
また、図16(B)のように、光音響波測定の積算回数が多く、振幅減衰率・位相測定を行える時間が多い場合は、1回の振幅減衰率・位相測定の時間を増やして検波のSNを改善してもよい。
On the other hand, in the intensity-modulated light / phase measurement, the average optical coefficient of the subject 101 is μa to 0.01 / mm, μs ′ to 1 / mm, which are general values of the living body, and the light irradiation point and the detection point are When it is assumed that the interval is generally ˜3, 4 cm, the detection can be executed in about 10 milliseconds. For this reason, amplitude attenuation rate / phase measurement can be performed between photoacoustic wave measurements. For example, a plurality of modulation frequencies can be measured sequentially as shown in FIG.
Also, as shown in FIG. 16B, when the number of times of acousto-acoustic wave measurement is large and there is a lot of time during which the amplitude attenuation rate / phase measurement can be performed, the detection time is increased by increasing the time of amplitude attenuation rate / phase measurement once. The SN may be improved.

図15Bは、変調信号発生部307と検波部308の構成が、それぞれ第一の実施形態の変調信号発生部201と検波部201の構成である場合のフロー図である。S401からS403、及び、S408、S409の各工程は、それぞれ図15AにおけるS301からS303、及び、S308、S309の各工程と同じ工程である。また、S404からS407の各工程は、それぞれ図13の第二の実施形態におけるS201からS204と同じ工程である。   FIG. 15B is a flowchart when the configurations of the modulation signal generation unit 307 and the detection unit 308 are the configurations of the modulation signal generation unit 201 and the detection unit 201 of the first embodiment, respectively. Steps S401 to S403, S408, and S409 are the same as steps S301 to S303, S308, and S309 in FIG. 15A, respectively. In addition, each process from S404 to S407 is the same as S201 to S204 in the second embodiment of FIG.

図16(C)及び図16(D)は、S401及びS402の光音響波測定と、S404及びS405の振幅減衰率・位相測定のタイミングを示した図である。
図16(C)及び図16(D)に示されているΣfは、複数の変調周波数を含む強度変調光を意味している。強度変調光に複数の変調周波数が含まれているため、図16(C)のように初めの光音響波測定の後に振幅減衰率・位相測定を一度行えばよい。また、図16(D)のように、振幅減衰率・位相測定の時間を増やして検波のSNを改善してもよい。
FIGS. 16C and 16D are diagrams showing the timing of the photoacoustic wave measurement in S401 and S402 and the amplitude attenuation rate / phase measurement in S404 and S405.
Figure 16 (C) and .SIGMA.f i shown in FIG. 16 (D) is meant an intensity-modulated light comprising a plurality of modulation frequencies. Since the intensity-modulated light includes a plurality of modulation frequencies, the amplitude attenuation rate / phase measurement may be performed once after the first photoacoustic wave measurement as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 16D, the SN of detection may be improved by increasing the time of amplitude attenuation rate / phase measurement.

以上述べたように、本実施形態の被検体情報取得装置によれば、精度の高い光学係数を用いて光量分布を測定し、光音響トモグラフィーにおける吸収係数分布の算出に利用できる。その結果、被検体内の特性情報をより正確に取得可能となる。   As described above, according to the subject information acquiring apparatus of the present embodiment, the light amount distribution can be measured using a highly accurate optical coefficient, and can be used for calculating the absorption coefficient distribution in photoacoustic tomography. As a result, the characteristic information in the subject can be acquired more accurately.

102:変調信号発生部,103:光源部,106:光検出器,107:検波部,10
8:光学係数算出部,109:振幅位相計算部,111:位相残差算出部,112:振幅減衰率残差算出部
102: Modulation signal generation unit, 103: Light source unit, 106: Photo detector, 107: Detection unit, 10
8: optical coefficient calculation unit, 109: amplitude phase calculation unit, 111: phase residual calculation unit, 112: amplitude attenuation rate residual calculation unit

Claims (15)

被検体に照射された、光強度の変化を表す強度変調周波数が互いに異なる複数の強度変調光のそれぞれを、被検体を伝搬したのちに検出して、光検出信号を生成する光検出手段と、
前記被検体にパルス光が照射されたことにより発生する光音響波を検出して光音響信号を生成する音響波検出手段と、
処理手段であって、
前記光検出信号から、前記強度変調周波数ごとに、検出振幅減衰率および検出位相を取得し、
前記強度変調周波数ごとに、前記被検体に関する所定の推定吸収係数および所定の推定散乱係数に基づいて、前記強度変調光の推定振幅減衰率と推定位相を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出位相と前記推定位相との残差を示す位相残差を生成し、当該位相残差に前記強度変調周波数に応じた加重をかけて加重位相残差を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出振幅減衰率と前記推定振幅減衰率との残差を示す振幅減衰率残差を生成し、
前記加重位相残差および前記振幅減衰率残差から求められる値を所定の閾値と比較することで、前記被検体の吸収係数および散乱係数を生成し、
前記光音響信号と、前記吸収係数および前記散乱係数に基づいて、前記被検体の特性情報を生成する、処理手段と、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置。
A light detection means for detecting each of a plurality of intensity-modulated lights, which are different from each other in intensity modulation frequency representing a change in light intensity, irradiated on the subject and generating a light detection signal after propagating through the subject;
Acoustic wave detection means for detecting a photoacoustic wave generated by irradiating the subject with pulsed light and generating a photoacoustic signal;
A processing means,
From the light detection signal, for each intensity modulation frequency, obtain a detection amplitude attenuation rate and a detection phase,
For each intensity modulation frequency, based on a predetermined estimated absorption coefficient and a predetermined estimated scattering coefficient for the subject, an estimated amplitude attenuation rate and an estimated phase of the intensity modulated light are generated,
A phase residual indicating a residual between the detected phase and the estimated phase is generated for each intensity modulation frequency, and a weighted phase residual is generated by applying a weight corresponding to the intensity modulation frequency to the phase residual. ,
For each intensity modulation frequency, an amplitude attenuation rate residual indicating a residual between the detected amplitude attenuation rate and the estimated amplitude attenuation rate is generated,
By comparing a value obtained from the weighted phase residual and the amplitude attenuation rate residual with a predetermined threshold value, an absorption coefficient and a scattering coefficient of the subject are generated,
Processing means for generating characteristic information of the subject based on the photoacoustic signal, the absorption coefficient, and the scattering coefficient;
A subject information acquisition apparatus characterized by comprising:
前記加重は、前記強度変調周波数が低いほど、小さい値である
ことを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。
The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the weight is a smaller value as the intensity modulation frequency is lower.
前記加重は、前記強度変調周波数に対して、線形に、または指数関数的に、または階段状に増加する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。
The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the weight increases linearly, exponentially, or stepwise with respect to the intensity modulation frequency.
前記強度変調光を照射する光源手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
The object information acquiring apparatus according to claim 1, further comprising light source means for irradiating the intensity-modulated light.
前記光源手段は、複数の異なる周波数の変調信号を生成することにより、前記強度変調周波数が互いに異なる複数の前記強度変調光を発生させる
ことを特徴とする請求項4に記載の被検体情報取得装置。
5. The object information acquiring apparatus according to claim 4, wherein the light source means generates a plurality of intensity-modulated lights having different intensity modulation frequencies by generating a plurality of modulation signals having different frequencies. .
前記光源手段は、レーザダイオードの駆動電流を前記変調信号で変調することにより、光の強度を変調する
ことを特徴とする請求項5に記載の被検体情報取得装置。
6. The object information acquiring apparatus according to claim 5, wherein the light source means modulates the intensity of light by modulating a drive current of a laser diode with the modulation signal.
前記光源手段は、音響光学変調器により光の強度を変調する
ことを特徴とする請求項5に記載の被検体情報取得装置。
6. The object information acquiring apparatus according to claim 5, wherein the light source means modulates light intensity by an acousto-optic modulator.
前記光源手段は、前記強度変調周波数を切り替えて、複数の前記強度変調光を照射することを特徴とする請求項4ないし7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。   The object information acquiring apparatus according to claim 4, wherein the light source unit irradiates a plurality of the intensity-modulated lights by switching the intensity-modulation frequency. 前記光源手段は、複数の前記強度変調周波数を含む光を照射する
ことを特徴とする請求項4ないし7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
The object information acquiring apparatus according to claim 4, wherein the light source unit emits light including a plurality of the intensity modulation frequencies.
前記処理手段は、前記推定吸収係数および前記推定散乱係数として、前記被検体の一般的な値を用いる
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
10. The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the processing unit uses a general value of the object as the estimated absorption coefficient and the estimated scattering coefficient. 11.
前記処理手段は、前記加重位相残差および前記振幅減衰率残差を加算した残差Rを、前記所定の閾値と比較するものであり、前記残差Rが前記所定の閾値以上である場合、当該残差Rに基づいて前記推定吸収係数および前記推定散乱係数を更新する
ことを特徴とする請求項10に記載の被検体情報取得装置。
The processing means compares a residual R obtained by adding the weighted phase residual and the amplitude attenuation rate residual with the predetermined threshold, and when the residual R is equal to or larger than the predetermined threshold, The object information acquiring apparatus according to claim 10, wherein the estimated absorption coefficient and the estimated scattering coefficient are updated based on the residual R.
前記被検体に前記パルス光を照射するパルス光源手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
The subject information acquiring apparatus according to claim 1, further comprising pulse light source means for irradiating the subject with the pulsed light.
前記処理手段は、前記吸収係数および前記散乱係数を用いて前記被検体内の光量分布を取得し、前記光音響信号および前記光量分布に基づいて生成される前記被検体内の吸収係数分布を、前記特性情報とする
ことを特徴とする請求項12に記載の被検体情報取得装置。
The processing means obtains a light quantity distribution in the subject using the absorption coefficient and the scattering coefficient, and generates an absorption coefficient distribution in the subject generated based on the photoacoustic signal and the light quantity distribution. The object information acquiring apparatus according to claim 12, wherein the characteristic information is used.
前記パルス光源手段は、複数の周波数のパルス光を前記被検体に照射し、前記複数の周波数において得られる前記吸収係数分布から前記被検体内の酸素飽和度分布を生成して、前記特性情報とする
ことを特徴とする請求項13に記載の被検体情報取得装置。
The pulse light source means irradiates the subject with pulsed light of a plurality of frequencies, generates an oxygen saturation distribution in the subject from the absorption coefficient distribution obtained at the plurality of frequencies, and generates the characteristic information and The object information acquiring apparatus according to claim 13, wherein:
光強度の変化を表す強度変調周波数が互いに異なる複数の強度変調光を被検体に照射する照射手段と、
前記被検体を伝搬した前記複数の強度変調光のそれぞれを検出して光検出信号を生成する光検出手段と、
処理手段であって、
前記光検出信号から、前記強度変調周波数ごとに、検出振幅減衰率および検出位相を取得し、
前記強度変調周波数ごとに、前記被検体に関する所定の推定吸収係数および所定の推定散乱係数に基づいて、前記強度変調光の推定振幅減衰率と推定位相を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出位相と前記推定位相との残差を示す位相残差を生成し、当該位相残差に前記強度変調周波数に応じた加重をかけて加重位相残差を生成し、
前記強度変調周波数ごとに、前記検出振幅減衰率と前記推定振幅減衰率との残差を示す振幅減衰率残差を生成し、
前記加重位相残差および前記振幅減衰率残差から求められる値を所定の閾値と比較することで、前記被検体の吸収係数および散乱係数を生成する、処理手段と、
を有することを特徴とする光学特性測定装置。
An irradiation means for irradiating a subject with a plurality of intensity-modulated lights having different intensity-modulation frequencies representing changes in light intensity;
A light detection means for generating a light detection signal by detecting each of the plurality of intensity-modulated lights propagated through the subject;
A processing means,
From the light detection signal, for each intensity modulation frequency, obtain a detection amplitude attenuation rate and a detection phase,
For each intensity modulation frequency, based on a predetermined estimated absorption coefficient and a predetermined estimated scattering coefficient for the subject, an estimated amplitude attenuation rate and an estimated phase of the intensity modulated light are generated,
A phase residual indicating a residual between the detected phase and the estimated phase is generated for each intensity modulation frequency, and a weighted phase residual is generated by applying a weight corresponding to the intensity modulation frequency to the phase residual. ,
For each intensity modulation frequency, an amplitude attenuation rate residual indicating a residual between the detected amplitude attenuation rate and the estimated amplitude attenuation rate is generated,
Processing means for generating an absorption coefficient and a scattering coefficient of the object by comparing a value obtained from the weighted phase residual and the amplitude attenuation rate residual with a predetermined threshold;
An optical property measuring apparatus comprising:
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