JP2015012012A - 被検体情報取得およびレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2では冷却媒体の温度制御によりレーザの安定化を図るが、暖気運転時のフラッシュランプの消耗低減については記載されていない。
レーザ媒質と、
前記レーザ媒質の温度を調節する温度調節手段と、
前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
前記温度調節手段および前記励起手段を制御する制御手段と、
前記レーザ媒質から被検体にレーザ光が照射されたときに生じる音響波を受信する探触子と、
前記音響波を用いて前記被検体の特性情報を取得する処理手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記レーザ媒質の温度が所定の範囲内に入るまでは、前記励起手段を動作させない
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
レーザ媒質と、
前記レーザ媒質の温度を調節する温度調節手段と、
前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
前記温度調節手段および前記励起手段を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記レーザ媒質の温度が所定の範囲内に入るまでは、前記励起手段を動作させない
ことを特徴とするレーザ装置である。
このとき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。物質の濃度分布とは、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である。
御装置について述べる。
実施例1では、フラッシュランプの近傍の温度センサが所定の範囲内になるまでは、フラッシュランプの発光を行わない。
図1は本実施例における光源制御装置(レーザ装置)のブロック構成図である。以下、各ブロックの機能と動作について説明する。
レーザコントローラ101は、レーザ電源、レーザヘッドおよび光学系の制御を行う。レーザコントローラ101は使用者からの操作を受けることが可能であり、上位のコントローラと接続しそこからの指令をもとに動くことも可能である。レーザコントローラは、本発明の制御手段に相当する。
温調電源供給部108は、プロセッサ105からの信号に基づき、商用電源106を温度調節機構128へ供給する回路であり、リレー、出力コネクタから構成される。プロセッサ105からリレーの短絡、開放を制御する事により、温度調節機構128の起動、停止を制御できる。
キャパシタ110は、フラッシュランプ116を発光させるための電荷を蓄積する。高耐圧、大容量のフィルムコンデンサなどが用いられる。
サイリスタ112は、プロセッサ105からの制御信号に基づき、キャパシタ110の電荷をレーザ光学系104内のフラッシュランプ116に流すか否かを制御する。
イグナイタ113は、プロセッサ105からの制御信号に基づき、フラッシュランプ116に高電圧を印加し、導電路を形成させる。イグナイタ回路は高電圧のDC−DCコンバータおよび電流制限抵抗で構成される。
高電圧リレー115は、イグナイタ113がフラッシュランプ116に高電圧を印加している間、サイリスタ112をフラッシュランプ116から遮断する。フラッシュランプ116に予備電流が流れており、かつ高電圧リレーを短絡させた状態でプロセッサ105がサイリスタ112に制御信号を送ることにより、キャパシタ110の電荷がフラッシュランプ116に転送されフラッシュランプ116が発光する。
レーザ媒質117は、フラッシュランプの近傍に配置された、YAG,チタンサファイア、アレキサンドライトなどの結晶である。本実施例ではアレキサンドライトの場合について説明する。アレキサンドライトレーザは、温度が常温より高いほうが、発光効率が高くなり、光の出力が大きくなる。そのため、常温より高い温度でレーザ媒質の温度を維持する必要がある。そこで温度調節機構128よりレーザ媒質の付近に、サーキュレータにより摂氏約80度の水などの流体状の物質を循環させ、十分な光出力を得るのに必要な温度に保つ。
波長切替機構119は、複屈折フィルタおよび駆動用モータからなる。プロセッサ105からの制御信号に基づき、複屈折フィルタを動かし複数の波長の中から共振する波長を一つ選択できる。本実施例では二種類の波長から一つを選択する場合を用いて説明する。この波長を以後の説明ではそれぞれ第一の波長、第二の波長と呼ぶ。複数の波長を発生できるレーザ装置を被検体情報取得装置に適用すれば、被検体内の物質濃度を特性情報として取得できる。
電気光学素子120は、プロセッサ105からの制御信号に基づき、Qスイッチングを行う。
符号121は出力鏡である。
光量計124は、パルスごとのエネルギーを測定し、プロセッサ105に通知する回路であり、パイロエレクトリックセンサまたはフォトダイオードとアンプ回路で構成される。
シャッター125は、プロセッサ105からの制御信号に基づき、レーザ光を外部に出力させるか否かを切り替える。
スイッチ127は、光源を始動する際に用いる鍵のついたスイッチである。
図2は本発明のレーザコントローラを使用した際の光源の起動および運転の動作フローチャートである。
電熱ヒーターによる水の加熱が開始される。すなわち電熱ヒーターは、本発明の加熱手段に相当する。
続いてステップS202において、プロセッサ105は温度センサ130からの信号を読み出し温度を算出する。
続いて、ステップS205において、レーザコントローラ101はレーザ電源102、PFN103およびレーザ光学系104を制御し、レーザを発光させる。レーザ発光の動作フローについては後述する。
なお、ステップS205ではプロセッサ105はシャッター125を閉じておき、レーザ光学系104の外にレーザ光を出射しないようにする。レーザ光の一部は光量計124に入力される。
続いてステップS207において、一定期間の光量値が所定の範囲内で安定しているかどうかを確認する。光量が一定範囲内にある状況が続いた場合(S207=YES)、パルス光は十分安定したので暖気を完了したと判断しステップS208へ進む。一方、所定の時間内に光量が一定範囲内に収束しない場合(S207=NO)、十分暖気してもパルス光が安定しないと判断しステップS215へ進む。
続いてステップS209において、レーザコントローラ101は被検体の準備ができるまで待機する。被検体の準備とは、使用者がレーザ光の照射する位置に被検体をセットアップし、照射位置やパルス数などの設定を行い、レーザ照射開始の指示を出すことである。プロセッサ105はスイッチ127または上位コントローラからレーザ照射開始指示を受けたところでステップS210に進む。
続いてステップS211において、プロセッサ105は光量計124へ信号を送りパルスごとの光量値を読み出し、プロセッサ105内部のメモリに記憶させる。続いてステップS212において、ステップS207と同様にして一定期間の光量値が所定の範囲内で安定していることを確認する。パルス光は安定したと判断された場合(S212=YES)、ステップS213へ進む。一方十分暖気してもパルス光が安定しないと判断された場合(S212=NO)、ステップS215へ進む。
そしてステップS214において、レーザを発光させ被検体に照射させる。そして、予め設定されたパルス数のレーザを発光させた後にレーザ電源102および温度調節機構128を停止させ、処理を終了する。
図3は、レーザ電源102の内部の構造を示すブロック図である。
電源301は、レーザ電源供給部107から供給されたAC200Vの電源である。
AC−DCコンバータ302は、AC200Vを直流に変換する。
インバータ303は、直流を交流に変換する。
トランス304は、インバータからの電圧を昇圧する。
電源コントローラ305は、インバータ内の不図示のFETをオンオフし、インバータ出力のDUTY比を制御することで一定の電流をPFN103に出力させる。
分圧抵抗306は、トランス304で昇圧された電圧を分圧し、電源コントローラにフィードバックする。
出力開始信号307は、1ビットのデジタル信号であり、レーザコントローラ101がハイレベルを出力している場合には、電源コントローラ305はインバータ303を動作させ、一定の電流をPFN103に供給する。一方、図1のレーザコントローラ101がローレベルを出力している場合には、電源コントローラ305はインバータ303を停止させる。
図4は温度調節機構128の内部ブロック構成図である。
温調コントローラ402は、水温を設定温度になるように制御する。
電熱ヒーター403は、水を加熱する。電熱ヒーターの電流は温調コントローラ402から制御可能とする。
水位計404は、水槽401内の水位を測る。
水管405は、水槽401からランプハウス129へ水を供給する。そして、水管406を介して、ランプハウス129から水槽401へ水が戻る。
温度計407は、水管405内の水温を測定する。温調コントローラ402は、温度計407の測定結果を参照して水管405の水温を監視する。温度計は、本発明の温度測定手段に相当する。
流量計409は、水管406内の水の流量を測定する。
圧力計410は、水管405内の水圧を測定する。温調コントローラ402は水位計404、流量計409、圧力計410の値を監視し、水位が所定の範囲外の場合には警告を表示し、ポンプ408を停止させる。また、この際にはレーザコントローラ101と通信しエラーを通知する。
図5はレーザ発光の動作フローチャートを示す図である。本図は、レーザコントローラがパルス光を繰り返し発光させる際の動作フローである。
い場合にはプロセッサ105はイグナイタ回路113に制御信号を送り、フラッシュランプ116へ高電圧を印加させる。この動作をイグニッションとよぶ。これによりフラッシュランプ116が放電し、内部に導電路が形成され、シマー114から出力された電流がフラッシュランプ116に流れるようになる。なお、フラッシュランプに導電路が形成されているか否かは、シマー回路114がシマー電流をフラッシュランプに流しているか否かで判断する。
続いてステップS505にて、プロセッサ105はレーザ電源102に制御信号を送り、キャパシタ110に一定電流を出力させる。これにより、キャパシタ110に一定の割合で電荷が蓄積されキャパシタ110の端子間電圧が上昇していく。レーザ電源102はキャパシタ110の端子間電圧がステップS501で設定された電圧になったところで電流出力を停止する。
続いてステップS507にて、プロセッサ105はサイリスタ115に制御信号を送り、サイリスタをオンにする。これにより、キャパシタ110からフラッシュランプ116までの間がコイル111を介して接続される。そして、キャパシタ110に蓄積された電荷がフラッシュランプ116へ流れ込み、フラッシュランプ116が発光する。キャパシタ110に蓄積された電荷がなくなるとサイリスタ115はオフになる。また、フラッシュランプ116からの光はレーザ媒質117に吸収され、レーザ媒質117が励起される。
ステップS510にて、プロセッサ105はシャッター125を閉じるとともにリレー115に制御信号を送り、サイリスタ112とフラッシュランプ116を開放する。また、放電回路109に制御信号を送り、キャパシタ110の端子間を放電回路内の電流制限抵抗を介して短絡させる。これにより、キャパシタ110に残っている電荷が放電される。
図6(a)は、温度センサ130で検知されるランプハウス129近傍の温度の時間変化およびフラッシュランプ116の動作時間を示す図である。図6(b)はレーザ電源102へ供給されるレーザ発光用の電力と温度調節機構128へ供給される温度調節用の電力の時間変化を示す図である。
図6(a)において、グラフ601はランプハウス129の近傍の温度の時間変化を示す。縦軸は温度、横軸は時刻を表す。グラフ602はフラッシュランプ116の動作時間を示す。縦軸で動作しているときはハイレベル、動作していないときはローレベルになるように表示している。横軸は時刻を表す。
ステップS201にて温度調節機構128が動作を開始すると、温調コントローラ402は温度計407の値が設定温度である80度(TEMP3)より低いことから電熱ヒーター403へ通電を開始する。これにより水槽401内の水が加熱され、ポンプ408によってフラッシュランプ116へ供給されることによりランプハウスの温度が徐々に上昇していく。
設定温度の水を循環させているうちにランプハウス129に熱が十分伝わり、時刻t603において、温度センサ130の値が設定温度を超える。するとステップS204に処理が進み、レーザ電源102の電源が投入される。ランプハウス129内にはレーザ媒質117およびフラッシュランプ116が格納されており、レーザ媒質117の温度がこの段階では80度で安定になっているため、レーザ発光の準備ができたと判断される。
時刻t606において被検体の準備が整うと、ステップS210およびステップS211によりレーザ発光と光量の確認が行われる。所定のパルス数の分だけ発光させた後に光量が安定している場合にはステップS213およびステップS214において被検体へのレーザ照射が行われる。
所定のパルス数だけ発光させた後に、時刻t607においてフラッシュランプを停止させる。
また、時刻t603から時刻t607の間、レーザ媒質117の温度は温度調節機構128からの循環水により設定温度付近に維持される。
また、本発明には、暖気中に励起手段と温調手段を同時に駆動する場合に比べて、暖気に要する時間はかかるが、消費電力のピークを低減させる効果がある。図6(b)を用いてこの効果について説明する。
図6(b)においてグラフ603は温度調節機構128の消費電力、グラフ604はレーザ電源102の消費電力を示す。縦軸は消費電力、横軸は時刻を表す。なお、図6(b
)では、見やすさのためにグラフ603とグラフ604の縦軸の原点はずらしている。
時刻t604から時刻t605、および、時刻t606から時刻t607においては、フラッシュランプ116が発光する際に一部のエネルギーは熱となるため、ランプハウス129が加熱される。これを冷却し温度を一定に維持するために、温調コントローラ402が、ファン411の消費電流が大きくなるような制御を行うため、わずかに温度調節機構128の消費電力が上昇する。
時刻t603から時刻t604までは、電源コントローラ305およびAC−DCコンバータ302は動作するが、インバータ303およびトランス304は動作していないアイドル状態である。このとき消費電力はわずかに上昇する。
時刻t605から時刻t606までは、キャパシタ110への充放電は行わない。ただし、被検体の準備ができ次第フラッシュランプ116を発光させるためにシマー回路114を駆動し、シマー電流を流しておく。そのためアイドル状態よりはシマー電流を流す分だけ消費電力は多くなるが、フラッシュランプを発光させるときに比べると少ない。
また、レーザ媒質117を温める際には商用電源106から光源に供給可能な電力の大部分を温度調節機構128に割り当て、レーザ発光時は使用可能な電力の大部分をレーザ電源102に割り当てることが好ましい。これにより、少ない商用電源設備で高いレーザ光出力を得ることが可能になる。
また、本実施例では被検体の準備中にフラッシュランプ116にシマー電流を流してお
く例を用いて説明したが、準備中の動作はこれに限らない。被検体の準備時間が長い場合には一度シマー電流を停止し、準備が完了したのちにイグナイタを動作させ一度放電を行ってもよい。これにより準備期間の消費電力を低減できる。
また、本実施例ではステップS212で光量がある範囲内にある状態が一定時間続けば光量が安定したと判断していたが、安定したか否かの判断方法はこの方法に限らない。例えばある期間の光量の平均値および分散を算出し、平均値がある範囲内でかつ分散が一定値以下の場合に光量が安定したと判定してもよい。
また、本実施例では温度調節機構128は電熱ヒーター402をPID制御することで水温を制御していたが、水温の制御方法はこれに限らない。例えば、ヒートポンプを電熱ヒーターの代わりに用い効率をさらに向上させ、さらに消費電力を低減してもよい。
続いて本発明の実施例2として、光源制御装置(レーザ装置)を光音響装置(被検体情報取得装置)に応用したシステムの例を示す。
図7は光音響装置のブロック構成図である。図7においてレーザコントローラ701、レーザ電源702、PFN703、レーザ光学系704、温度調節系705はそれぞれ、実施例1のレーザコントローラ101、レーザ電源102、PFN103、レーザ光学系104、温度調節系128に相当する。そのため、詳しい説明は省略する。
投光部707は、レーザ光学系からの出射光を所定の倍率で拡大し、照射光の密度および照射領域を調整するための光学系を有している。レーザ光学系704から投光部707までの光の伝送はバンドルファイバーまたは空間伝送にて行われる。
探触子710は、内部に光音響波709を受信するための振動子を備えている。この振動子はPZT,CMUTなどの超音波センサ素子をアレイ状に並べたものであり、光音響波709を電気信号に変換する。この電気信号を光音響信号と呼ぶ。
ユーザインタフェース713は、使用者が光音響装置の動作条件の設定や動作開始指示を行うためのブロックである。ユーザインタフェース713はキーボード、マウス、ボタンスイッチなどで構成される。動作条件としては、被検体706の測定範囲や光音響信号の測定時間などがある。また、動作指示としては被検体の撮影開始および撮影中断などがある。
ディスプレイ714は、使用者に診断画像を表示したり、光音響装置の状態を通知したりするための表示装置である。
照射パラメータとしては被検体706に照射するレーザ光のパルス数、光量、波長などがある。使用者はユーザインタフェース713を介して照射パラメータを設定できる。また、照射指示の内容としては暖気の開始やレーザ照射の開始などがあり、使用者はユーザインタフェースを介してこれらの光源の動作を制御できる。
また、状態のモニタリングとしては、光量計124により測定されたパルスごとの照射光量の値の監視がある。この光量を通信ケーブル715経由でコントローラ712に伝送すれば、信号の補正に利用できる。また、プロセッサ105の状態をコントローラ712に伝送し、ディスプレイ714に表示させることができる。
図8は本発明の実施例2の動作フローを示すフローチャートである。
ステップS801において、レーザコントローラ701に対して暖気を開始させる。暖気の際には、レーザコントローラ701は、図2のステップS201からステップS209までを行い、温度調節系705を駆動し、レーザ光学系704の温度を安定させる。実施例1と同様に、レーザ媒質117の温度が高い温度で安定化するまではフラッシュランプ116の発光を行わない。これにより、フラッシュランプの消耗を低減できる。
させ被検体706に対して照射を開始するための準備を行う。ステップS802においてレーザコントローラ701が暖気中にエラーを通知しなかった場合(S802=NO)、ステップS803に進む。エラーを通知した場合(S802=YES)、ステップS811に進む。
続いてステップS806において、コントローラ712は、レーザコントローラ701に対しレーザ光の照射を開始するように指示を行う。これにより、図2のステップS210からステップS214までの手順により、756nmのパルス光が100回、被検体706に照射される。この途中のステップS212にて、十分暖気を行っても光量が安定しないと判断された場合には、ステップS214によりレーザコントローラ701からコントローラ712に対してエラーが通知される。
ステップS808において、受信回路711は、パルス光の照射ごとに発生する光音響波709を探触子で受信して得た光音響信号に対し、増幅、A/D変換およびノイズ除去などの信号処理を行った後に内部のメモリに保存する。
示したりすることも可能である。
Claims (9)
- レーザ媒質と、
前記レーザ媒質の温度を調節する温度調節手段と、
前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
前記温度調節手段および前記励起手段を制御する制御手段と、
前記レーザ媒質から被検体にレーザ光が照射されたときに生じる音響波を受信する探触子と、
前記音響波を用いて前記被検体の特性情報を取得する処理手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記レーザ媒質の温度が所定の範囲内に入るまでは、前記励起手段を動作させない
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記レーザ媒質の温度を測定する温度測定手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて制御を行う
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。 - 前記温度調節手段は、前記レーザ媒質の付近に物質を循環させるサーキュレータと、前記サーキュレータの内部を循環する物質を加熱する加熱手段と、を含む
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。 - 前記制御手段は、前記サーキュレータの内部を循環する物質の温度が80度になるまでは前記加熱手段を駆動し、その後に前記励起手段を駆動する
ことを特徴とする請求項3に記載の被検体情報取得装置。 - 前記制御手段は、前記レーザ媒質の温度が安定するまでは前記加熱手段を駆動し、前記レーザ媒質の温度が安定したのちに前記励起手段を駆動する
ことを特徴とする請求項3に記載の被検体情報取得装置。 - 前記制御手段は、前記加熱手段と前記励起手段の間で、消費電力のピークが重複しないように制御を行う
ことを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - レーザ光の光量を測定する光量測定手段をさらに有し、
前記制御手段は、一定期間のレーザ光の光量が所定の範囲内で安定したのちに、前記励起手段を駆動する
ことを特徴とする請求項3ないし6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記特性情報を表示する表示手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - レーザ媒質と、
前記レーザ媒質の温度を調節する温度調節手段と、
前記レーザ媒質を励起する励起手段と、
前記温度調節手段および前記励起手段を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記レーザ媒質の温度が所定の範囲内に入るまでは、前記励起手段を動作させない
ことを特徴とするレーザ装置。
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