JP2014161484A - 音響波取得装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ファブリーペロー型探触子において、共振波長の素子面内ばらつきを補正し、音圧分布を一括で正確に測定する技術を提供する。
【解決手段】測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、第1のミラーにより測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、音響波の第2のミラーへの入射によって第1のミラーと第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、反射光の光量の変化に基づいて、音響波の強度を取得する処理部を有する音響波取得装置を用いる。
【選択図】図1
【解決手段】測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、第1のミラーにより測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、音響波の第2のミラーへの入射によって第1のミラーと第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、反射光の光量の変化に基づいて、音響波の強度を取得する処理部を有する音響波取得装置を用いる。
【選択図】図1
Description
本発明は、音響波取得装置およびその制御方法に関する。
一般的に、エックス線、超音波、MRI(核磁気共鳴法)を用いたイメージング装置が医療分野で使われている。一方、光イメージング装置の研究も医療分野で進められている。光イメージング装置は、被検体内に伝播させた光を検知することで、被検体内の情報を得る光イメージング技術を利用する。このような光イメージング技術の一つに、光音響イメージング技術がある。
光音響イメージングとは、光を照射された被検体内で発生した音響波(光音響波とも呼ぶ)を複数の個所で検出し、得られた信号を解析することで、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。光音響イメージングにおいて従来、音響波の検出器として、圧電現象を用いたトランスデューサーや容量の変化を用いたトランスデューサーが挙げられている。そして近年、光の共振を用いた検出器が開発されている(非特許文献1)。
平行な2枚の反射板の間で光を共振させる構造をファブリーペロー型干渉計という。ファブリーペロー型干渉計を利用した音響波検出器はファブリーペロー型探触子と呼ばれる。ファブリーペロー型探触子は、二枚のミラーが高分子膜を挟んだ構造を持ち、弾性波の入射を受けると、二枚のミラー間の距離(以降キャビティー長と呼ぶ)が変化する。この際に生じる反射率の変化を検出することで、弾性波を検出できる。反射率の検出のために、ファブリーペロー型探触子には測定光が照射されている。この照射エリアが、音響波を検出可能な受信領域(圧電型探触子の1素子サイズに相当)となる。ファブリーペロー型探触子は広帯域であり、さらに受信領域を小さくした際の感度の低下を抑えることが出来るため、高分解能なイメージングが可能となる。
ところで、イメージング装置を実用化するにあたって、短時間にイメージングを行うことが重要である。特に医療現場などにおいて被検体が生体である場合、イメージングを短時間に行い被検者の負担を軽減することが要求される。イメージングを短時間に行うためには、短時間でのデータ取得を行う必要がある。しかし、単素子の探触子だと、測定対象領域が広い場合、被検体上を二次元的にスキャンする必要があり、データ取得時間が長期化する。
そこで、ファブリーペロー型干渉計において、弾性波の二次元分布を一括に取得して測定時間を短縮するために、二次元アレイ型センサとしてCCDカメラを用いた例がある(非特許文献2)。
そこで、ファブリーペロー型干渉計において、弾性波の二次元分布を一括に取得して測定時間を短縮するために、二次元アレイ型センサとしてCCDカメラを用いた例がある(非特許文献2)。
ここで、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical−cavity Surface−emitting Laser)と呼ばれる半導体レーザについて説明する。通常の端面発光型の半導体レーザは、その基板の端面から光を出射するのに対して、VCSELは、基板に垂直方向に光を出射する(特許文献1)。そして、その構造および加工プロセスの進展により活性層の体積を小さくできるようになったため、低閾値で動作し、低消費電力という特長がある。また、内部温度上昇の時定数が小さく、応答が速いという特長もある。また、このような半導体レーザを、基板上に2次元に複数配置する場合もある。
E. Zang, J. Laufer, and P. Beard, "Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planer Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissue", Applied Optics, 47, 4. (2008)
M. Lamont, P. Beard,"2D imaging of ultrasound fields using CCD array to map output of Fabry-Perot polymer film sensor", Electronics Letters, 42, 3, (2006)
ファブリーペロー型探触子を作製する際、二枚のミラー間に位置する高分子膜の成膜時に膜厚にばらつきが出来てしまう場合がある。その結果、二枚のミラー間の距離(キャビティー長)にばらつきが出る。測定光の共振波長はキャビティー長に応じて異なるため、キャビティー長にばらつきのあるファブリーペロー型探触子に対して単一波長の測定光を適用すると、ミラー上の位置によって検出感度が変化してしまう。よって、キャビティー長にばらつきがある場合、音響波の検出感度を一定に保つためには、照射位置ごとに測定光の波長を適切な値に設定する必要がある。
非特許文献2では、ファブリーペロー型探触子全体に、ある1波長のDBRレーザを照射している。したがって、もしキャビティー長にばらつきがあると、上述したように、探触子上の位置によって音響波に対する感度が異なってしまう。すなわち、音響波に対して感度が劣る位置や、感度が全くない箇所が生じ、正確な音圧分布を測定できなくなる。
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、ファブリーペロー型探触子において、共振波長の素子面内ばらつきを補正し、音圧分布を一括で正確に測定する技術を提供することにある。
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、
前記アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、
前記測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、
前記第1のミラーにより前記測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、
前記音響波の前記第2のミラーへの入射によって前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、前記反射光の光量の変化に基づいて、前記音響波の強度を取得する処理部と、
を有することを特徴とする音響波取得装置である。
測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、
前記アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、
前記測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、
前記第1のミラーにより前記測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、
前記音響波の前記第2のミラーへの入射によって前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、前記反射光の光量の変化に基づいて、前記音響波の強度を取得する処理部と、
を有することを特徴とする音響波取得装置である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、
前記アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、
前記測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、
前記第1のミラーにより前記測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、
前記音響波の前記第2のミラーへの入射によって前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、前記反射光の光量の変化に基づいて、前記音響波の強度を取得する処理部と、
を備える音響波取得装置の制御方法であって、
前記アレイ光源が、前記制御部の制御により前記測定光を照射するステップと、
前記光センサが、前記ファブリーペロー型干渉計からの前記反射光を測定するステップと、
前記処理部が、前記音響波の強度を取得するステップと、
を有することを特徴とする音響波取得装置の制御方法である。
測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、
前記アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、
前記測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、
前記第1のミラーにより前記測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、
前記音響波の前記第2のミラーへの入射によって前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、前記反射光の光量の変化に基づいて、前記音響波の強度を取得する処理部と、
を備える音響波取得装置の制御方法であって、
前記アレイ光源が、前記制御部の制御により前記測定光を照射するステップと、
前記光センサが、前記ファブリーペロー型干渉計からの前記反射光を測定するステップと、
前記処理部が、前記音響波の強度を取得するステップと、
を有することを特徴とする音響波取得装置の制御方法である。
本発明によれば、ファブリーペロー型探触子において、共振波長の素子面内ばらつきを補正し、音圧分布を一括で正確に測定する技術を提供することができる。
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。
本発明の被検体情報取得装置には、被検体に超音波等の音響波を送信し、被検体内部で反射し伝播した反射波(エコー波)を受信して、被検体情報を画像データとして取得する超音波エコー技術を利用した装置を含む。また、被検体に光(電磁波)を照射することにより被検体内で発生し伝播した音響波を受信して、被検体情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置を含む。被検体情報取得装置は、被検体内を画像化するイメージング装置として捉えることもできる。
前者の超音波エコー技術を利用した装置の場合、取得される被検体情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。後者の光音響効果を利用した装置の場合、取得される被検体情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。組織を構成する物質とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などの血液成分、あるいは脂肪、コラーゲン、水分などである。
本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。本発明の装置は、探触子等の音響波検出器によって被検体内で発生又は反射して伝播した音響波を受信する。本発明の被検体情報取得装置において、これらの音響波を検出する部分を、音響波取得装置と呼ぶ場合がある。
[実施形態1]
本発明の実施形態1について説明する。以下の記載において、測定光とは、ファブリーペロー型干渉計に入射する入射光、およびファブリーペロー型干渉計で反射しアレイ型光センサに導かれる反射光を含む概念である。測定光は、光音響効果に基づく音響波を発生させるために被検体に照射される励起光とは区別される。
本発明の実施形態1について説明する。以下の記載において、測定光とは、ファブリーペロー型干渉計に入射する入射光、およびファブリーペロー型干渉計で反射しアレイ型光センサに導かれる反射光を含む概念である。測定光は、光音響効果に基づく音響波を発生させるために被検体に照射される励起光とは区別される。
図1に、本実施形態における装置構成例を示す。
被検体情報取得装置は、励起光源101を備える。励起光源101は、被検体102に励起光103を照射する。その結果、被検体の内部もしくは表面における光吸収体が光のエネルギーの一部を吸収して、光音響波104が発生する。被検体内部の光吸収体としては腫瘍、血管などが挙げられる。
被検体情報取得装置は、励起光源101を備える。励起光源101は、被検体102に励起光103を照射する。その結果、被検体の内部もしくは表面における光吸収体が光のエネルギーの一部を吸収して、光音響波104が発生する。被検体内部の光吸収体としては腫瘍、血管などが挙げられる。
本実施形態の音響波取得装置113は、光音響波104を検出するためのファブリーペロー型探触子105を備える。ファブリーペロー型探触子105は、測定光源であるアレイ光源106から測定光107を照射されることによって、光音響波104の音圧を検出することができる。音響波取得装置113はまた、アレイ光源106から出射する測定光107の波長を1素子または複数素子ごとに制御する制御部108を備える。音響波取得装置113はまた、ファブリーペロー型探触子105に入射した測定光107の反射光量を測定し、電気信号に変換するための光センサ109を備える。ハーフミラー114は測定光を導き、分岐させる。
上記音響波取得装置113に、さらに処理部110と表示部111を追加することによって被検体情報取得装置が構成される。処理部110は光センサ109で得られた電気信号に対し解析等の信号処理を施し、表示部111は処理部で得られた光学特性値分布等の被検体情報を表示する。
アレイ光源106としては、1素子または複数素子ごとに波長を制御可能な、波長可変レーザが好適である。また、音響波がファブリーペロー型探触子105に入射した際の反射率変化を大きくするために、アレイ光源106はシングルモードで動作することが望ましい。
また、アレイ光源106は少なくとも、ファブリーペロー型探触子105のFSR(Free Spectol Range)以上の波長範囲を波長変化出来ることが望ましい。FSRとは隣り合う、共振波長間の波長間隔のことである。
また、アレイ光源106は短時間に波長を制御できることが好ましい。実用性を考慮すると、例えば1秒以内に波長を変化し安定できることが好ましい。アレイ光源106としては、一次元アレイレーザーもしくは二次元アレイレーザーを利用できる。例えば、面発光レーザアレイ(VCSELアレイ)が好適に利用できる。
また、アレイ光源106は少なくとも、ファブリーペロー型探触子105のFSR(Free Spectol Range)以上の波長範囲を波長変化出来ることが望ましい。FSRとは隣り合う、共振波長間の波長間隔のことである。
また、アレイ光源106は短時間に波長を制御できることが好ましい。実用性を考慮すると、例えば1秒以内に波長を変化し安定できることが好ましい。アレイ光源106としては、一次元アレイレーザーもしくは二次元アレイレーザーを利用できる。例えば、面発光レーザアレイ(VCSELアレイ)が好適に利用できる。
図9にVCSELを用いたアレイ光源の構成を示す。アレイ光源106は、GaAs半導体基板902上に、縦4素子、横4素子の計16素子のVCSEL903が配列されている。そして、各VCSELへ電流を供給するための配線(図示せず)がGaAs半導体基板902上に形成されている。
図10を用いて、各VCSEL903の構成について説明する。VCSEL903はG
aAs半導体基板902上に形成された下部多層膜反射鏡1005、活性層1006、上部多層膜反射鏡1007、及び裏面電極(不図示)、リング電極1009で構成されている。アレイ光源106内の各VCSEL903のリング電極1009は電気的に独立しており、それぞれ1対1で駆動回路と接続されている。そのため、各VCSELへの供給電流は独立に制御でき、それぞれ最適な駆動電流値で駆動することができる。
aAs半導体基板902上に形成された下部多層膜反射鏡1005、活性層1006、上部多層膜反射鏡1007、及び裏面電極(不図示)、リング電極1009で構成されている。アレイ光源106内の各VCSEL903のリング電極1009は電気的に独立しており、それぞれ1対1で駆動回路と接続されている。そのため、各VCSELへの供給電流は独立に制御でき、それぞれ最適な駆動電流値で駆動することができる。
多層膜反射鏡1005と1007は、Al0.16GaAs1010とAl0.9GaAs1011の2種類の半導体が交互に積層され構成されている。それぞれの膜厚はAl0.16GaAs1110が60nm、Al0.9GaAs1111は69nmである。下部多層膜反射鏡1005はこれら2種類の半導体膜を1ペアとして、40ペア積層されている。また、上部多層膜反射鏡1007は、これらが25ペア積層されている。活性層1006はGaAs/AlGaAs量子井戸で構成されており、波長850nm帯で光に対して誘導増幅を起こす。
このように活性層1006の上下に反射鏡1005及び1007が配置された構成であるためこの2つの反射鏡の間で光が往復し、その光が活性層1006で増幅されることでレーザ発振する。
このように活性層1006の上下に反射鏡1005及び1007が配置された構成であるためこの2つの反射鏡の間で光が往復し、その光が活性層1006で増幅されることでレーザ発振する。
上述のように、本音響波取得装置には、シングルモードで動作するレーザ光源が好ましい。VCSELをシングルモードで動作させることは、横モード制御機構を上記VCSEL構造に導入することにより実現できる。横モード制御機構の例としては、特許文献1にも記載されている酸化狭窄構造において、非酸化径を所定の大きさよりも小さくすることがある。本実施形態のVCSELでは、上記所定の大きさは3.5μmである。またそれとは別に、VCSEL最上層に横モード制御のための表面構造や、特許文献1のような長共振器構造を用いて横モード制御機構を行ってもよい。
下部多層膜反射鏡1005から上部多層膜反射鏡1007までの構造は、GaAs基板1002上の面内に均一に結晶成長した半導体薄膜を使用して作成される。そのため、半導体薄膜を加工するプロセス時に、面内方向の加工パターンを変えることで、複数のVCSEL903を1回のプロセスで同時に作成することができる。つまり、2次元VCSELアレイを容易に作成できる。
このような同一基板から一括で製作されたVCSELアレイを上記イメージング装置のアレイ光源として用いると以下の特長がある。
1つめの特長は、各VCSELから出射されるビームの出射方向の均一性が良いことである。面発光レーザ以外の端面発光レーザやその他の光源をアレイ状に配置する場合、配置する基板の面精度、固定するための接着剤の厚み、そして、配置する装置の実装精度などにより、出射方向がばらつく。一方、一括製作されたVCSELアレイの場合、結晶成長に用いる半導体基板の面精度のみでVCSELの光出射面の傾きおよびビーム出射方向が決まる。そして、現在の半導体基板の加工精度および結晶成長装置で実現できる薄膜は、上記実装で実現できる精度より1桁以上の大幅な高精度が容易に実現できている。そのため、VCSELを用いることで、ビーム出射方向がそろったアレイ光源を作製できる。
1つめの特長は、各VCSELから出射されるビームの出射方向の均一性が良いことである。面発光レーザ以外の端面発光レーザやその他の光源をアレイ状に配置する場合、配置する基板の面精度、固定するための接着剤の厚み、そして、配置する装置の実装精度などにより、出射方向がばらつく。一方、一括製作されたVCSELアレイの場合、結晶成長に用いる半導体基板の面精度のみでVCSELの光出射面の傾きおよびビーム出射方向が決まる。そして、現在の半導体基板の加工精度および結晶成長装置で実現できる薄膜は、上記実装で実現できる精度より1桁以上の大幅な高精度が容易に実現できている。そのため、VCSELを用いることで、ビーム出射方向がそろったアレイ光源を作製できる。
2つめの特長は、製作コストが低いということである。複数の光源を1つの基板上に配置する場合、個々の光源ごとに工程が必要である。一方、VCSELアレイの場合、基板上に一括して自動的にアレイを形成できるため、工数が少なくて済み、低コスト化が可能となる。特に、多数の光源を有するアレイが必要な場合、実装工程の有無は大きな差となる。
3つめの特長は、光源間の距離を狭められることである。独立した半導体チップやその他の光源を100μm以下のピッチで2次元に現実的なコスト・歩留まりで配置すること
は不可能である。一方、VCSELは1つの直径が30μm以下であり、また半導体加工プロセスで用いられるフォトリソグラフィは1μm以下の精度を持っているため、100μmより小さいピッチでVCSELアレイを一括製作することが容易に実現できる。
は不可能である。一方、VCSELは1つの直径が30μm以下であり、また半導体加工プロセスで用いられるフォトリソグラフィは1μm以下の精度を持っているため、100μmより小さいピッチでVCSELアレイを一括製作することが容易に実現できる。
さらに、VCSEL単体での特長として、先述のように、活性層温度上昇の時定数が短いという特長がある。これは、電流による波長調整をより高速に行えることを意味する。また、出射されるビームは広がりの狭い円形ビームであるため、空間光学系が簡易化されるという特長もある。
これらの特長により、VCSELアレイは本発明に好適に用いることができる。
これらの特長により、VCSELアレイは本発明に好適に用いることができる。
図1における制御部108は、アレイ光源106への注入電流を1素子または複数素子ごとに制御することにより、アレイ光源106から出射する測定光107の波長を1素子または複数素子ごとに制御できる。この際、アレイ光源106から出射される各々の測定光107の波長は、ファブリーペロー型探触子105上の入射点の光の共振長(もしくはキャビティー長)に応じて制御される。具体的には、ファブリーペロー型探触子の各々の位置での感度が最大になる最適波長を用いることが好ましい。つまり、音響波がファブリーペロー型探触子105に入射した際の反射率変化が最大になる波長を用いることが好ましい。
このような最適波長に設定する手段として、制御部108により1素子または複数素子ごとに波長掃引し、反射率の波長依存性を測定する。そして波長変化に対して、得られた反射率変化が最大となる波長に各々の素子ごとに設定するという方法が考えられる。このとき、例えば、反射率の波長に対する微分の絶対値が最も大きな波長に設定する。
また、制御部108が、測定光107の波長を1素子または複数素子ごとに制御できるようにするために、例えば、アレイ光源106の素子温度を1素子または複数素子ごとに制御する方法がある。
図2は光の共振を用いた音響波検出器の略図である。
ファブリーペロー型探触子105は、厚みdを持つ高分子膜204が第1のミラー201と第2のミラー202で挟まれた構造をとる。第1のミラー201は測定光が入射する側のミラーであり、第2のミラー202は音響波が入射する側のミラーである。測定光源は、第1のミラー201の側から入射光205を干渉計に照射する。
ファブリーペロー型探触子105は、厚みdを持つ高分子膜204が第1のミラー201と第2のミラー202で挟まれた構造をとる。第1のミラー201は測定光が入射する側のミラーであり、第2のミラー202は音響波が入射する側のミラーである。測定光源は、第1のミラー201の側から入射光205を干渉計に照射する。
このとき、反射光206の光量Irは次の式(1)のようになる。
ここで、Iiは入射光205の光量、Rは第1のミラー201と第2のミラー202の反射率、λ0は入射光205、および反射光206の波長、dはミラー間距離、nは高分子膜204の屈折率である。φは二枚のミラー間を往復する際の位相差に相当するものであり、式(2)で表される。
図7(a)に、反射率Ir/IiをΦの関数としてグラフ化したものの一例を示す。周期的な反射光量Irの落ち込みが生じ、φ=2mπ(mは自然数)となるときに反射率は最も低くなる。ファブリーペロー型探触子に音響波207が入射すと、ミラー間距離dが変化する。これによってφが変化した結果、反射率Ir/Iiが変化する。反射光量Irの変化をフォトダイオード等で測定することにより、入射した音響波207を検出することができる。反射光量変化が大きいほど、入射した音響波207の強度は大きいということになる。
音響波207が入射した際に、反射光量Irが大きく変化するためには、φの変化に対する反射率Ir/Iiの変化率を大きくする必要がある。図7では、φmにおいて、グラフの傾きが一番急であり、変化率が大きいことが分かる。よって、ファブリーペロー型探触子では位相差をφmに合わせてから測定することが好ましい。入射光の波長λ0を調整することで、位相差をφmに合わせることができる。
図7(b)に、反射率Ir/Iiを波長λ0の関数としてグラフ化したものを示す。反射率Ir/Iiの変化率が最も大きい波長をλm(不図示)とすると、測定波長をこの波長λmに合わせることが位相差をφmに合わせることに相当し、感度が最大になる。このように、ファブリーペロー型探触子では測定波長λ0を調整し、位相差をφmに合わせてから測定することにより、高い受信感度が得られる。
なお、ファブリーペロー型探触子では、入射光205が当たっている位置のみの反射光量変化を測定しているため、入射光205のスポット領域が受信感度のある領域となる。ここで、レンズ等を用いて入射光205を絞ると、受信面積が小さくなる。これにより受信感度のあるスポットが小さくなるため、再構成した際の画像の分解能が向上する。また、ファブリーペロー型探触子は、PZTを用いた探触子と比較して、音響波の受信周波数帯域が広い。これらの理由により、ファブリーペロー型探触子を用いることで分解能の高い高精細な画像を得ることが可能となる。
図3に、ファブリーペロー型探触子の断面構造を説明する図を示す。第1のミラー301と第2のミラー302の材料としては誘電多層膜や金属膜を好適に使用できる。ミラーの間にはスペーサー膜303が存在する。スペーサー膜303としては、弾性波がファブリーペロー型探触子に入射した際のひずみが大きいものが好ましく、例えば有機高分子膜が用いられる。有機高分子膜の例として、パリレン、SU8、またはポリエチレンなどがある。ただし、音波を受信したときに変形する膜であれば、スペーサー膜303として、無機膜を用いても構わない。
しかし、有機高分子膜を成膜する際に、膜厚のばらつきが生じやすい。式(2)から分かるように、ミラー間距離d(キャビティー長)にばらつきが存在する場合、探触子面内の音響波の受信感度を一定に保つためには、探触子面内において、測定光の波長λ0を、位置ごとにミラー間距離dに合わせて調整する必要がある。さらに受信感度を上げるためには、各々の位置における最適波長λmに波長を合わせることが好ましい。言い換えると、作製された干渉計上では、キャビティー長が位置ごとに異なるため、測定光の共振波長も位置ごとに異なっている。そのため制御部は、各位置でのキャビティー長に対応するように、各素子からの測定光の波長を設定する必要がある。
ファブリーペロー型探触子全体は保護膜304で保護されている。保護膜304としてはパリレンなどの有機高分子膜やSiO2などの無機膜を薄膜形成した物が用いられる。第1のミラー301が成膜される基板305には、ガラスやアクリルを使用できる。その際、基板305内での光の干渉による影響を減らすために、基板305を楔形とすること
が好ましい。さらに、基板305表面における光の反射を避けるために、ARコート処理306を施すことが好ましい。
が好ましい。さらに、基板305表面における光の反射を避けるために、ARコート処理306を施すことが好ましい。
アレイ型の光センサ109としては、二次元アレイ型または一次元アレイ型の光センサ(フォトダイオード)を用いることができる。光センサとしては、例えばCCDセンサやCMOSセンサが好適である。ただし、ファブリーペロー型探触子105に光音響波104が入射した際の、測定光107の反射光量を測定し電気信号に変換できるものであれば、これ以外の光センサも使用できる。
図1では、測定光107をファブリーペロー型探触子105や光センサ109に導くための光学系としてハーフミラー114を用いている。ただし、ファブリーペロー型探触子105における反射光量を測定できるような構成であればよく、ハーフミラー114の代わりに偏光ミラーと波長板を用いる構成を採ることもできる。
また、測定光107を導く際に、コリメートもしくは集光するための光学系を用いることが好ましい。この際、レンズ等を組み合わせて用いることが出来る。
また、測定光107を導く際に、コリメートもしくは集光するための光学系を用いることが好ましい。この際、レンズ等を組み合わせて用いることが出来る。
光音響波を発生させるために被検体102へ照射する励起光103は、被検体102を構成する成分のうち特定の成分に吸収される波長の光を用いる。励起光103としてはパルス光が好適である。パルス光の周期は数ピコ秒〜数百ナノ秒オーダーのものであり、被検体が生体の場合には数ナノ秒〜数十ナノ秒のパルス光が特に好ましい。
励起光103を発生する励起光源101としてはレーザが好ましい。ただしレーザの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなども利用できる。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用することができる。発振する波長の変換可能な色素レーザやOPO(Optical Parametric
Oscillators)レーザ、またはチタンサファイヤレーザ、アレキサンドライトレーザなどを用いれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。
使用する光源の波長に関しては、生体内において吸収が少ない700nmから1100nmの領域が好ましい。しかし上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば200nmから1600nmの紫外から中赤外に至る波長領域、さらにはテラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。
励起光103を発生する励起光源101としてはレーザが好ましい。ただしレーザの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなども利用できる。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用することができる。発振する波長の変換可能な色素レーザやOPO(Optical Parametric
Oscillators)レーザ、またはチタンサファイヤレーザ、アレキサンドライトレーザなどを用いれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。
使用する光源の波長に関しては、生体内において吸収が少ない700nmから1100nmの領域が好ましい。しかし上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば200nmから1600nmの紫外から中赤外に至る波長領域、さらにはテラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。
図1では、被検体に対して、ファブリーペロー型探触子105の影にならない方向から励起光103を照射している。しかし、励起光103としてファブリーペロー型探触子105のミラーを透過する波長を用いることにより、ファブリーペロー型探触子105側から励起光103を照射することも可能である。
被検体101から生じる光音響波102を効率的にファブリーペロー型探触子105で検出するために、被検体102とファブリーペロー型探触子105との間に音響結合媒体を使うことが望ましい。図1では音響結合媒体として水を用いて、水槽112中に配置された被検体102と探触子の間で音響マッチングを取っている。ただし音響結合媒体は水に限られない。例えば、被検体102とファブリーペロー型探触子105との間に、音響インピーダンスマッチングジェルを塗る構成などにしてもよい。
なお、人体の一部を被検体とする測定など、装置を医療用途に用いる際は、水槽112は使用しない。その場合、被検体つまり患部に音響結合媒体を塗り、その上にファブリーペロー型探触子105を接するように配置して測定を行う。この際、音響結合媒体としては、音響インピーダンスマッチングジェルなど、患部とファブリーペロー型探触子105とを音響的にマッチングさせるものを用いる。
なお、人体の一部を被検体とする測定など、装置を医療用途に用いる際は、水槽112は使用しない。その場合、被検体つまり患部に音響結合媒体を塗り、その上にファブリーペロー型探触子105を接するように配置して測定を行う。この際、音響結合媒体としては、音響インピーダンスマッチングジェルなど、患部とファブリーペロー型探触子105とを音響的にマッチングさせるものを用いる。
ファブリーペロー型探触子105は光音響波104を測定光107の反射光の光量変化
として検出する。光センサ109はこの光量変化を電気信号に変換する。
として検出する。光センサ109はこの光量変化を電気信号に変換する。
処理部110は、光センサ109により得られた電気信号を、アレイ光源106から出射される測定光107のビームごとの光量もしくは光量変化量を用いて規格化することが好ましい。これにより、ファブリーペロー型探触子105の面内における受信感度のばらつきを抑えることが可能となる。
処理部110は、得られた電気信号の分布から光学特性値分布等の被検体情報を得るために画像再構成を行う。再構成アルゴリズムとしては、ユニバーサルバックプロジェクションや整相加算などを採用することができる。
処理部110は、得られた電気信号の分布から光学特性値分布等の被検体情報を得るために画像再構成を行う。再構成アルゴリズムとしては、ユニバーサルバックプロジェクションや整相加算などを採用することができる。
処理部110としては、光音響波104の強度を表す電気信号の時間変化の分布と測定光の光量を記憶し、それを演算手段により光学特性値分布のデータに変換できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。
なお、励起光101として複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長に関して、生体内の光学係数を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質(グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど)固有の波長依存性とを比較する。これによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。
なお、励起光101として複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長に関して、生体内の光学係数を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質(グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど)固有の波長依存性とを比較する。これによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。
また、被検体情報取得装置は、信号処理により得られた画像情報を表示する表示部111を備えることが望ましい。ただし、被検体情報取得装置が表示部を有さず、生成した画像データとして保存する構成や、外部の表示装置に出力する構成も採用可能である。
本実施形態の測定フローチャートを図8に示す。
ステップS801において、アレイ光源106から測定光107が照射される。続いて点線で囲まれた波長制御工程に移行する。
ステップS802において、制御部108が測定光107の波長を変化させる。ステップS803では、光センサ109が反射光強度を計測し、2Dデータとして取得する。そしてステップS804において、レーザ素子ごとの最適波長が決定される。このように決定された最適波長にて、測定光が照射される(ステップS805)。
上記の波長制御工程において、波長掃引および、最適波長の算出は自動で行うことが好ましい。ただし、手動での最適波長設定であっても構わない。
ステップS801において、アレイ光源106から測定光107が照射される。続いて点線で囲まれた波長制御工程に移行する。
ステップS802において、制御部108が測定光107の波長を変化させる。ステップS803では、光センサ109が反射光強度を計測し、2Dデータとして取得する。そしてステップS804において、レーザ素子ごとの最適波長が決定される。このように決定された最適波長にて、測定光が照射される(ステップS805)。
上記の波長制御工程において、波長掃引および、最適波長の算出は自動で行うことが好ましい。ただし、手動での最適波長設定であっても構わない。
ステップS806において、励起光源101が励起光103としてパルス光を被検体に照射する。これにより被検体から光音響波が発生し、その一部がファブリーペロー型探触子105に入射する。その結果、ミラー間の距離が変化し測定光の反射率が変化する。
ステップS807において、光センサ109が反射光を計測することにより、光音響波の強度を取得する。ステップS808において、励起光源101が光照射を停止する。
ステップS809において、処理部110が、光センサにより得られた光音響波由来の電気信号に対して画像再構成を施し、被検体内の画像データを生成する。そしてステップS810において、表示部111が画像を表示する。
ステップS807において、光センサ109が反射光を計測することにより、光音響波の強度を取得する。ステップS808において、励起光源101が光照射を停止する。
ステップS809において、処理部110が、光センサにより得られた光音響波由来の電気信号に対して画像再構成を施し、被検体内の画像データを生成する。そしてステップS810において、表示部111が画像を表示する。
以上のような被検体情報取得装置を用いることで、ファブリーペロー型探触子105を用いて、音圧分布を一括で正確に測定することが可能となる。そして、位置ごとのミラー間距離の違いによる素子感度の違いを補正できる。
[実施形態2]
図4に、本実施形態における装置構成例を示す。
本実施形態の被検体情報取得装置は、超音波エコー技術を用いて生体内の音響インピーダンス分布を画像化する。実施形態1と同様の構成については、詳細な説明は省略する。
図4に、本実施形態における装置構成例を示す。
本実施形態の被検体情報取得装置は、超音波エコー技術を用いて生体内の音響インピーダンス分布を画像化する。実施形態1と同様の構成については、詳細な説明は省略する。
本実施形態の被検体情報取得装置は、被検体401に弾性波402を送信するトランスデューサー403と、トランスデューサー403を駆動するためのパルサー413を備える。弾性波402は、被検体内401における腫瘍等の音響インピーダンスの異なる組織の界面において反射し、弾性波405となる。
本実施形態のその他の構成は、上記実施形態1と同様である。すなわち、ファブリーペロー型探触子404は、測定光源であるアレイ光源406から測定光407を照射され、超音波エコーである弾性波405の音圧を検出する。また、制御部408は、アレイ光源406から出射する測定光407の波長を1素子または複数素子ごとに制御する。光センサ409は、測定光407の反射光量を測定し、電気信号に変換する。処理部410は光センサ409で得られた電気信号に対し解析等の信号処理を施し、表示部411は処理部で得られた音響インピーダンス分布情報を表示する。
アレイ光源406に望ましい要件、例えば素子単位で制御可能であること、シングルモードでの動作、短時間での波長変更は、実施形態1と同様である。これらの要件から、アレイ光源406の材料としてVCSELアレイが好ましい。VCSELアレイにおいて、測定光407の波長はファブリーペロー型探触子の各々の位置での感度が最大になる最適波長を用いることが好ましい。つまり、音響波がファブリーペロー型探触子404に入射した際の反射率変化が最大になる波長を用いることが好ましい。そのための手段は実施形態1と同様である。
本実施形態でも、アレイ型の光センサ409やハーフミラー412の材料、構造や機能は、それぞれ実施形態1の光センサ109やハーフミラー114と同様である。
被検体から反射した弾性波405を効率的にファブリーペロー型探触子404で検出するために、被検体401とファブリーペロー型探触子404との間に音響結合媒体を使用する。図4では、図1と同様に、水槽414中に配置された水を音響結合媒体としている。人体が被検体である場合は、音響インピーダンスマッチングジェルが用いられる。
被検体から反射した弾性波405を効率的にファブリーペロー型探触子404で検出するために、被検体401とファブリーペロー型探触子404との間に音響結合媒体を使用する。図4では、図1と同様に、水槽414中に配置された水を音響結合媒体としている。人体が被検体である場合は、音響インピーダンスマッチングジェルが用いられる。
その他、光センサ409による反射した弾性波405の検出処理に関しては実施形態1と同様である。
得られた電気信号の分布から音響インピーダンス分布を得るための処理部410による信号処理としては、整相加算などが考えられる。
また表示部411での画像表示についても、実施形態1と同様である。
得られた電気信号の分布から音響インピーダンス分布を得るための処理部410による信号処理としては、整相加算などが考えられる。
また表示部411での画像表示についても、実施形態1と同様である。
以上のような被検体情報取得装置を用いることで、ファブリーペロー型探触子404を用いて、音響インピーダンス分布画像を一括で正確に測定することが可能となる。その際に、位置ごとのミラー間距離の違いによる素子感度の違いを補正できる。
[実施形態3]
図5に、本実施形態における装置構成例を示す。
本実施形態の被検体情報取得装置は、分解能や撮像範囲を測定中に変化させられる。実施形態1と同様の構成については、詳細な説明は省略する。
図5に、本実施形態における装置構成例を示す。
本実施形態の被検体情報取得装置は、分解能や撮像範囲を測定中に変化させられる。実施形態1と同様の構成については、詳細な説明は省略する。
本実施形態の被検体情報取得装置が実施形態1と異なる点は、音響波取得装置の部分に、ビーム光学系501、ビーム制御部502を備える点である。ビーム光学系501は、測定光のビーム径を変化させる。ビーム制御部502は、前記ビーム径の変化を制御する。
アレイ光源106から照射された測定光107は、ビーム光学系501を通るとビーム径が変化する。そして、ファブリーペロー型探触子105への入射光503となる。入射
光503は、ファブリーペロー型探触子で反射したのちに、再びビーム光学系501を通る。このとき反射光504のビーム径は、入射光503がビーム光学系501を通る前のサイズに戻る。その後反射光504がアレイ型光センサ109に入射することで、ファブリーペロー型探触子105上の反射強度分布を得ることが出来る。
光503は、ファブリーペロー型探触子で反射したのちに、再びビーム光学系501を通る。このとき反射光504のビーム径は、入射光503がビーム光学系501を通る前のサイズに戻る。その後反射光504がアレイ型光センサ109に入射することで、ファブリーペロー型探触子105上の反射強度分布を得ることが出来る。
測定光のビーム径を変化させるためのビーム光学系501として、ズームレンズ光学系を好適に利用できる。ズームレンズ光学系は例えば、凸レンズや凹レンズの組み合わせから構成される。そして、ビーム制御部502がレンズ間の距離などを制御することで、ビーム径を自由に変更できる。
なお、ビーム光学系501はテレセントリック光学系であることが望ましい。また、光センサ109はアレイ型光センサであることが望ましい。この際ファブリーペロー型探触子105上の位置と、アレイ型光センサ109上のピクセルを対応づけるためにも、ビーム光学系501は両側テレセントリック光学系であることが望ましい。
なお、ビーム光学系501はテレセントリック光学系であることが望ましい。また、光センサ109はアレイ型光センサであることが望ましい。この際ファブリーペロー型探触子105上の位置と、アレイ型光センサ109上のピクセルを対応づけるためにも、ビーム光学系501は両側テレセントリック光学系であることが望ましい。
ビーム光学系501を用いて入射光503のビーム径を小さくした場合、ビーム光学系501を用いない場合と比べて、ファブリーペロー型探触子105上での入射光503の照射面積が縮小する。一方、反射光504がアレイ型光センサ109に入射する際のビーム径は、ビーム光学系501を通ることによりレーザ出射当初のサイズに戻っているので、変化はない。言い換えると、ビーム光学系501を用いることで、アレイ型光センサ109上の1ピクセル当たりの、ファブリーペロー型探触子105上の対応するスポット面積が小さくなる。これにより、得られる画像の分解能は高くなる。また、ファブリーペロー型探触子105に入射している入射光503のビーム径が小さいため、撮像領域は狭くなる。
逆に、ビーム光学系501を用いて入射光503のビーム径を大きくすると、分解能は低下するが、画像の撮像領域は広くなる。
このように、ビーム光学系501を用いて測定光503のビーム径を変えることで、分解能と撮像領域を変化させられる。測定者は所望の分解能や撮像範囲に応じて、ビーム制御部502を用いてビーム光学系を制御すれば良い。例えばズームレンズ光学系の場合は、ズーム制御が行われる。
このように、ビーム光学系501を用いて測定光503のビーム径を変えることで、分解能と撮像領域を変化させられる。測定者は所望の分解能や撮像範囲に応じて、ビーム制御部502を用いてビーム光学系を制御すれば良い。例えばズームレンズ光学系の場合は、ズーム制御が行われる。
また、処理部110が画像再構成を行う際に、入射光503のビーム径に応じて再構成領域とボクセルピッチを変化させることにより、適切なデータ処理が可能となり、画質を改善することが可能となる。すなわち、ビーム径が広い場合、分解能は低いが、撮像領域が広い。したがって再構成領域もビームのスポット領域に相当する広い範囲となるので、ボクセルピッチを大きく取ることができる。
図5では、ファブリーペロー型探触子105とハーフミラー114の間に光学系501を配置した。しかし、アレイ光源106とハーフミラー114の間に光学系501を配置することによって、分解能を変化させずに撮像範囲のみを変えることができる。
また、光センサ109とハーフミラー114の間に光学系501を配置することによって、撮像範囲を変化させずに分解能のみを変えることができる。
また本実施形態は、実施形態2のように超音波エコー技術を用いて生体内の音響インピーダンス分布を画像化する際にも使用できる。
また、光センサ109とハーフミラー114の間に光学系501を配置することによって、撮像範囲を変化させずに分解能のみを変えることができる。
また本実施形態は、実施形態2のように超音波エコー技術を用いて生体内の音響インピーダンス分布を画像化する際にも使用できる。
以上のような被検体情報取得装置を用いることで、ファブリーペロー型探触子105を用いて、撮像中に分解能やイメージング領域を変えながら画像を得ることが可能となる。その際、音圧分布を一括で正確に測定し、位置ごとの感度の違いを補正するという利点はそのまま享受できる。
<実施例1>
次に、本発明を実際の音響波取得に適用した実施例について説明する。本実施例の被検体情報取得装置は、実施形態1に記した構成からなる。
本実施例では、被検体としてイントラリピッド1%水溶液を寒天により固め、その中に光を吸収する直径300μmのゴムワイヤーを配置したサンプルを用いる。サンプルは水中に配置される。
次に、本発明を実際の音響波取得に適用した実施例について説明する。本実施例の被検体情報取得装置は、実施形態1に記した構成からなる。
本実施例では、被検体としてイントラリピッド1%水溶液を寒天により固め、その中に光を吸収する直径300μmのゴムワイヤーを配置したサンプルを用いる。サンプルは水中に配置される。
ファブリーペロー型探触子の第1のミラーと第2のミラーには誘電多層膜を用いる。この誘電多層膜は830−870nmの光において反射率が95%以上となるように設計されている。また、ファブリーペロー型探触子の基板はBK7を用い、基板の誘電多層膜が成膜されている面と逆側の面には、830−870nmにおいて反射率が1%以下になるようにARコート処理を施されている。ミラー間のスペーサー膜はパリレンCを用い、膜厚は30μmである。さらに、探触子の保護膜としてもパリレンCを用いている。
測定光を出射する測定光源は、波長可変光源である。この測定光源として、850nm近傍の範囲において波長可変な、VCSELアレイを用いる。アレイ数は8×8の64チャンネル、アレイピッチは200μmである。
VCSELアレイの各々の素子からの出射光は、ファブリーペロー型探触子の各々の位置に照射される。ファブリーペロー型探触子において反射した測定光(反射光)は、ハーフミラーにより、光センサである高速CMOSカメラに入射し、測定される。
VCSELアレイの各々の素子からの出射光は、ファブリーペロー型探触子の各々の位置に照射される。ファブリーペロー型探触子において反射した測定光(反射光)は、ハーフミラーにより、光センサである高速CMOSカメラに入射し、測定される。
被検体画像生成のための光音響波を測定する前の事前準備として、入力電流を変えながらVCSELアレイの各々の素子からの出射光の反射率を高速CMOSカメラで測定しておく。そして、各々の素子に対して反射率の変化量が最も大きい入力電流に設定する。これらの処理は、図8の波長制御工程に相当する。
かかる装置において、励起光を被検体に照射し、光音響波の測定を開始する。なお、励起光源はチタンサファイヤレーザであり、出射するパルス光の繰り返し周波数は10Hz、パルス幅は10ns、波長は797nmである。
その後、検出された光音響波に基づく電気信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。その結果、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーをイメージングすることが可能となる。これらの処理は、図8のS806〜S810に相当する。
その後、検出された光音響波に基づく電気信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。その結果、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーをイメージングすることが可能となる。これらの処理は、図8のS806〜S810に相当する。
このように、本実施例においては、実施形態1に示した構成を持つ装置によって、模擬的な試料についてファブリーペロー型探触子を用いた詳細な波長制御を伴う光音響波の計測が行われることが示された。
<実施例2>
本実施例の被検体情報取得装置は、実施形態2に記した構成からなる。すなわち本実施例では、図4に示したような、光音響波ではなくエコー超音波を測定する装置について説明する。
本実施例の被検体情報取得装置は、実施形態2に記した構成からなる。すなわち本実施例では、図4に示したような、光音響波ではなくエコー超音波を測定する装置について説明する。
本実施例のファブリーペロー型探触子、光学系、光センサの構成は実施例1と同様であるため、詳細な説明は省略する。
本実施例では、被検体としてイントラリピッド1%水溶液を寒天により固め、その中に直径300μmのポリエチレンワイヤーを配置したサンプルを用いる。サンプルは水中に配置する。
本実施例では、被検体としてイントラリピッド1%水溶液を寒天により固め、その中に直径300μmのポリエチレンワイヤーを配置したサンプルを用いる。サンプルは水中に配置する。
本実施例でも、実施例1と同様の、VCSELアレイからなる測定光源を用いる。
VCSELアレイの各々の素子からの出射光はファブリーペロー型探触子の各々の位置に照射される。ファブリーペロー型探触子において反射した測定光(反射光)は、ハーフミラーにより、光センサである高速CCDカメラに入射し、測定される。
VCSELアレイの各々の素子からの出射光はファブリーペロー型探触子の各々の位置に照射される。ファブリーペロー型探触子において反射した測定光(反射光)は、ハーフミラーにより、光センサである高速CCDカメラに入射し、測定される。
被検体画像生成のためのエコー超音波の測定前に、入力電流を変えながらVCSELアレイの各々の素子からの出射光の反射率を高速CCDカメラで測定しておく。そして、各々の素子に対して反射率の変化量が最も大きい入力電流に設定する。
かかる装置において、中心周波数20MHzのトランスデューサーを用いて被検体に弾性波を照射する。トランスデューサーは圧電型のものでPZTを材料としたものである。弾性波はパルサーを用いてパルス波として出射され、弾性波の繰り返し周波数は1KHzである。
その後、ファブリーペロー型探触子により、弾性波が被検体内で反射したエコー波の測定を行う。そして得られた信号を用いて、整相加算を用いた再構成アルゴリズムにより、被検体内の音響インピーダンス分布を画像化する。これにより、寒天中のポリエチレンワイヤーがイメージングされる。
その後、ファブリーペロー型探触子により、弾性波が被検体内で反射したエコー波の測定を行う。そして得られた信号を用いて、整相加算を用いた再構成アルゴリズムにより、被検体内の音響インピーダンス分布を画像化する。これにより、寒天中のポリエチレンワイヤーがイメージングされる。
以上より、超音波エコー技術を用いたイメージング装置においても、本発明を適用して音響波を取得することが可能となる。
<実施例3>
本実施例の被検体情報取得装置は、実施形態3に記した構成からなる。すなわち図5に示すような、ビーム光学系とビーム制御部を有する装置である。
本実施例のファブリーペロー型探触子は実施例1と同様であるため、詳細な説明は省略する。
本実施例の被検体情報取得装置は、実施形態3に記した構成からなる。すなわち図5に示すような、ビーム光学系とビーム制御部を有する装置である。
本実施例のファブリーペロー型探触子は実施例1と同様であるため、詳細な説明は省略する。
次に、本発明を実際の音響波取得に適用した実施例について説明する。本実施例のイメージング装置は、実施形態3に記した構成からなる。
本実施例では、被検体としてイントラリピッド1%水溶液を寒天により固め、その中に光を吸収する直径300μmのゴムワイヤーを配置したサンプルを用いる。サンプルは水中に配置される。
本実施例では、被検体としてイントラリピッド1%水溶液を寒天により固め、その中に光を吸収する直径300μmのゴムワイヤーを配置したサンプルを用いる。サンプルは水中に配置される。
測定光を出射する測定光源として、850nm近傍の範囲において波長可変である、VCSELアレイを用いた。アレイ数は8×8の64チャンネル、アレイピッチは2mmである。
この測定光源から出射された測定光は、凸レンズにより拡大される。そしてハーフミラーを通過した後に、制御部により制御されたズームレンズによって、所望のビーム径になり、ファブリーペロー型探触子に入射される。
この測定光源から出射された測定光は、凸レンズにより拡大される。そしてハーフミラーを通過した後に、制御部により制御されたズームレンズによって、所望のビーム径になり、ファブリーペロー型探触子に入射される。
ズームレンズ光学系は図6のような構成の光学系を用いた。凸レンズ601の焦点距離を80mm、凹レンズ602の焦点距離を−80mm、凸レンズ703の焦点距離を60mmとする。
このとき、制御部により凹レンズ602と凸レンズ603との間の距離dは40mmとし、凸レンズ601の焦点位置605に、凹レンズ602と凸レンズ603の合成焦点が来るように移動する。
このとき、制御部により凹レンズ602と凸レンズ603との間の距離dは40mmとし、凸レンズ601の焦点位置605に、凹レンズ602と凸レンズ603の合成焦点が来るように移動する。
ファブリーペロー型探触子において反射した測定光(反射光)は、ハーフミラーにより高速CMOSカメラに入射し、測定される。高速CMOSカメラのサイズは100×100ピクセルである。
かかる装置において、励起光を被検体に照射し、光音響波の測定を行う。
その後、検出された光音響波に基づく電気信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは0.5mmとした。これにより、16mm角の撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
かかる装置において、励起光を被検体に照射し、光音響波の測定を行う。
その後、検出された光音響波に基づく電気信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは0.5mmとした。これにより、16mm角の撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
その後、制御部により、凹レンズ602と凸レンズ603との間の距離dを10mmとし、凸レンズ601の焦点位置605に、凹レンズ602と凸レンズ603の合成焦点が来るように移動する。これにより、ファブリーペロー型探触子に入射する測定光の照射領域は8mm角となる。測定後得られた光音響信号の分布を用いて画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは0.25mmとする。この結果、8mm角の撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーが、より高分解能にイメージングされる。
以上より、本実施例のように複数のレンズを組み合わせたビーム光学系を利用すれば、例えば図6の符号W2と符号W1の間のビーム径変換のように、VCSELアレイのビーム径を変化させられる。その結果、ファブリーペロー型探触子を用いた光音響測定に際して撮像領域と分解能を調節することが可能となる。
以上各実施例で述べたように、本発明によれば、ファブリーペロー型探触子を用いた被検体情報取得装置において、音圧分布を一括で正確に測定することが可能になる。その結果、被検体として生体を対象とした医療診断や、非生体物質を対象とした非破壊検査などを短時間で正確に実施可能となる。したがって本発明は、医療用画像診断機器として好適に適用できる。例えば腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などの目的で、生体内の光学特性値分布、生体組織を構成する物質の濃度分布の画像化が可能となる。
以上、音響波取得装置または被検体情報取得装置について説明したが、本発明は、これらの装置を制御する制御方法として捉えることもできる。その場合、装置が用いる情報処理装置が制御部や処理部として機能して、装置の各構成要素を動作させる。
以上、音響波取得装置または被検体情報取得装置について説明したが、本発明は、これらの装置を制御する制御方法として捉えることもできる。その場合、装置が用いる情報処理装置が制御部や処理部として機能して、装置の各構成要素を動作させる。
105:ファブリーペロー型探触子,106:アレイ光源,108:制御部,109:光センサ,110:処理部
Claims (17)
- 測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、
前記アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、
前記測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、
前記第1のミラーにより前記測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、
前記音響波の前記第2のミラーへの入射によって前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、前記反射光の光量の変化に基づいて、前記音響波の強度を取得する処理部と、
を有することを特徴とする音響波取得装置。 - 前記制御部は、前記キャビティー長に応じて、前記アレイ光源の素子から照射される測定光の波長を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の音響波取得装置。 - 前記制御部は、前記キャビティー長に基づく前記測定光の共振波長に応じて、前記アレイ光源の素子から照射される測定光の波長を制御する
ことを特徴とする請求項2に記載の音響波取得装置。 - 前記制御部は、前記ファブリーペロー型干渉計の各位置において、前記音響波を検出する感度が一定となるように、前記アレイ光源の素子から照射される測定光の波長を制御する
ことを特徴とする請求項2または3に記載の音響波取得装置。 - 前記制御部は、前記ファブリーペロー型干渉計が作製されたときに生じる、位置ごとの前記キャビティー長のばらつきを補正するように、前記アレイ光源の素子から照射される測定光の波長を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の音響波取得装置。 - 前記アレイ光源は、面発光レーザアレイである
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記制御部は、前記アレイ光源に供給する電流を制御することにより、前記アレイ光源の素子から照射される測定光の波長を制御する
ことを特徴とする請求項6に記載の音響波取得装置。 - 前記制御部は、前記アレイ光源の素子の温度を制御することにより、前記アレイ光源の素子から照射される測定光の波長を制御する
ことを特徴とする請求項6に記載の音響波取得装置。 - 前記処理部は、前記アレイ光源の光量を用いて、前記音響波の強度を規格化する
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記被検体に励起光を照射する励起光源をさらに有し、
前記被検体からの音響波とは、前記励起光による光音響効果で発生したものである
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記測定光のビーム径を変化させるビーム光学系と、
前記ビーム光学系によるビーム径の変化を制御するビーム制御部と、
をさらに有する
ことを特徴とする請求項10に記載の音響波取得装置。 - 前記ビーム制御部は、前記測定光が前記第1のミラーに入射するときのビーム径を変化させるとともに、前記第1のミラーで反射して前記光センサに入射するときのビーム径を元に戻すように、前記ビーム光学系を制御する
ことを特徴とする請求項11に記載の音響波取得装置。 - 前記被検体に音響波を送信するトランスデューサーをさらに有し、
前記被検体からの音響波とは、前記トランスデューサーから送信された音響波が反射したものである
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記処理部は、前記音響波の強度に基づいて、前記被検体内の画像データを生成する
ことを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記画像データを表示する表示部をさらに有する
ことを特徴とする請求項14に記載の音響波取得装置。 - 前記制御部は、前記アレイ光源の各素子が波長掃引をしながら前記測定光を照射するような制御を行うことが可能であり、
前記処理部は、波長掃引しながら照射された前記測定光に関する、前記光センサによる測定の結果に基づいて、前記画像データを生成するために前記測定光を照射する際の波長を決定する
ことを特徴とする請求項14または15に記載の音響波取得装置。 - 測定光を照射する複数の素子を含むアレイ光源と、
前記アレイ光源から照射される測定光の波長を、1または複数の前記素子ごとに制御する制御部と、
前記測定光が入射する第1のミラーと、被検体からの音響波が入射する第2のミラーとを含むファブリーペロー型干渉計と、
前記第1のミラーにより前記測定光が反射した反射光の光量を測定する光センサと、
前記音響波の前記第2のミラーへの入射によって前記第1のミラーと前記第2のミラーの間の距離であるキャビティー長が変化することで起きる、前記反射光の光量の変化に基づいて、前記音響波の強度を取得する処理部と、
を備える音響波取得装置の制御方法であって、
前記アレイ光源が、前記制御部の制御により前記測定光を照射するステップと、
前記光センサが、前記ファブリーペロー型干渉計からの前記反射光を測定するステップと、
前記処理部が、前記音響波の強度を取得するステップと、
を有することを特徴とする音響波取得装置の制御方法。
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