JP2016101393A - Subject information acquisition apparatus and control method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検体情報取得装置およびその制御方法に関する。 The present invention relates to a subject information acquisition apparatus and a control method thereof.
光を用いたイメージング技術の一つとして、光音響イメージング技術がある。光音響イメージングでは、まず、光源から発生したパルス光が被検体に照射される。照射光は被検体内で伝播・拡散し、被検体内の複数の箇所でこの光のエネルギーを吸収して音響波(以降、光音響波と呼ぶ)が発生する。この光音響波をトランスデューサーで受信し、処理装置内で受信信号を解析処理することで、被検体内部の光学特性に関する情報が画像データとして取得される。これにより、被検体内の光学特性分布が可視化される。 One of imaging techniques using light is a photoacoustic imaging technique. In photoacoustic imaging, first, pulsed light generated from a light source is irradiated onto a subject. The irradiation light propagates and diffuses in the subject, and the energy of the light is absorbed at a plurality of locations in the subject to generate an acoustic wave (hereinafter referred to as a photoacoustic wave). The photoacoustic wave is received by the transducer, and the received signal is analyzed in the processing device, whereby information regarding the optical characteristics inside the subject is acquired as image data. Thereby, the optical characteristic distribution in the subject is visualized.
近年、光音響を用いてより微細な光吸収体をイメージングするために、分解能の向上が求められている。そして、音を集束させたり、パルス光を集光させたりすることで、被検体表面付近の微細血管等の吸収体を高解像度でイメージングする、光音響顕微鏡の開発が進められている。特許文献1では、パルス光をレンズにより集光させて、被検体を光の焦点位置に配置することにより分解能を向上させている。
In recent years, in order to image a finer light absorber using photoacoustics, improvement in resolution has been demanded. Then, development of a photoacoustic microscope has been promoted that images an absorber such as a microvessel near the surface of a subject with high resolution by focusing sound or condensing pulsed light. In
また、互いに異なる波長を有する光を照射することにより、被検体内に存在する物質の濃度に関する分布を求めることができる。この場合、波長毎に求めた被検体内の光の吸収係数の値と、求める物質固有の光吸収の波長依存性とを用いて、物質の濃度に関する分布を画像化できる。特に、オキシヘモグロビンHbOとデオキシヘモグロビンHbとの濃度を基に、血液の酸素飽和度を取得できる。 In addition, by irradiating with light having different wavelengths, it is possible to obtain a distribution related to the concentration of a substance present in the subject. In this case, the distribution related to the concentration of the substance can be imaged using the value of the light absorption coefficient in the subject obtained for each wavelength and the wavelength dependency of the light absorption specific to the substance to be obtained. In particular, the oxygen saturation of blood can be obtained based on the concentrations of oxyhemoglobin HbO and deoxyhemoglobin Hb.
2波長を用いた場合、酸素飽和度SO2は次式(1)で取得できる。
ここで、μa λ1は波長λ1における吸収係数、μa λ2は波長λ2における吸収係数を示す。また、εHb0 λ1は波長λ1におけるオキシヘモグロビンのモル吸光係数、εHb λ1は波長λ1におけるデオキシヘモグロビンのモル吸光係数を示す。εHb0 λ2は波長λ2におけるオキシヘモグロビンのモル吸光係数、εHb λ2は波長λ2におけるデオキシヘモグロビンのモル吸光係数を示す。εHb0 λ1、εHb λ1、εHb0 λ2、εHb λ2は既知の値である。なお、rは位置座標を示す。式(1)のように、血液の酸素飽和度を求めるためには、2波長における吸収係数の比が必要となる。
When two wavelengths are used, the oxygen saturation SO 2 can be obtained by the following formula (1).
Here, μ a λ1 represents an absorption coefficient at the wavelength λ 1 , and μ a λ2 represents an absorption coefficient at the wavelength λ 2 . Ε Hb0 λ1 represents the molar extinction coefficient of oxyhemoglobin at the wavelength λ 1 , and ε Hb λ1 represents the molar extinction coefficient of deoxyhemoglobin at the wavelength λ1. ε Hb0 λ2 represents the molar extinction coefficient of oxyhemoglobin at the wavelength λ 2 , and ε Hb λ2 represents the molar extinction coefficient of deoxyhemoglobin at the wavelength λ 2 . ε Hb0 λ1 , ε Hb λ1 , ε Hb0 λ2 , and ε Hb λ2 are known values. Note that r indicates position coordinates. As in equation (1), in order to determine the oxygen saturation of blood, a ratio of absorption coefficients at two wavelengths is required.
2波長を用いて酸素飽和度分布を算出する場合、まず第1の波長により光音響測定を行い、その後第2の波長による光音響測定を行うことより、各波長における被検体の血液の光吸収分布が得られる。しかし、生体には体動、拍動、呼吸などがあるため、第1の波長と第2の波長の測定の間に被検体が動いてしまう。これにより各波長において得られる光吸収分布、つまり各波長における血管の位置がずれてしまう。位置ずれが発生すると、各位置における2波長間の吸収係数の比が誤った値となるため、誤った酸素飽和度を求めてしまう。 When calculating the oxygen saturation distribution using two wavelengths, first, photoacoustic measurement is performed at the first wavelength, and then photoacoustic measurement is performed at the second wavelength. Distribution is obtained. However, since the living body has body movement, pulsation, respiration, and the like, the subject moves between the measurement of the first wavelength and the second wavelength. This shifts the light absorption distribution obtained at each wavelength, that is, the position of the blood vessel at each wavelength. When the position shift occurs, the ratio of the absorption coefficient between the two wavelengths at each position becomes an incorrect value, so that an incorrect oxygen saturation is obtained.
この課題に対処するために、各波長の光を交互に被検体に照射する方法がある(以降、交互照射と呼ぶ)。交互照射により、各測定点における体動による波長間の位置ずれを抑制できる。2波長間のパルス光の発光間隔、つまり第1の波長のパルス光が被検体に照射されてから、第2の波長のパルス光が被検体に照射されるまでの間隔が短いほど、各測定点における体動による波長間の位置ずれの影響が低減され、酸素飽和度分布の正確性が増す。 In order to cope with this problem, there is a method of alternately irradiating the subject with light of each wavelength (hereinafter referred to as alternate irradiation). By alternately irradiating, it is possible to suppress positional deviation between wavelengths due to body movement at each measurement point. Each measurement is performed as the light emission interval between two wavelengths, that is, the interval between the pulse light of the first wavelength being irradiated on the subject and the pulse light of the second wavelength being irradiated on the subject is shorter. The effect of positional shift between wavelengths due to body movement at the point is reduced, and the accuracy of the oxygen saturation distribution is increased.
交互照射を行うために、発光する波長の異なる2台の光源を使用し、発光のタイミングをずらして交互にパルス光を照射する方法が考えられる。しかし、この手法では光源2台を搭載するためのコストがかかり、さらに2台の光源間での発光制御が必要である。
また、1台の波長可変光源の波長可変機構を用いて交互照射を行う手法も考えられる。しかし、拍動や呼吸などの位置ずれを防ぐには、2波長間のパルス光の発光間隔は短くする必要があるため、高速波長可変制御の高度な技術が必要となる。
In order to perform the alternate irradiation, a method of using two light sources having different emission wavelengths and irradiating pulsed light alternately by shifting the light emission timing is conceivable. However, this method requires a cost for mounting two light sources, and further requires light emission control between the two light sources.
A method of performing alternate irradiation using a wavelength variable mechanism of one wavelength variable light source is also conceivable. However, in order to prevent positional shift such as pulsation and respiration, it is necessary to shorten the light emission interval of the pulsed light between the two wavelengths, so that an advanced technique for high-speed wavelength variable control is required.
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数波長の光を用いた光音響イメージングにおいて、コストを抑制しつつ精度の良い測定を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize accurate measurement while suppressing cost in photoacoustic imaging using light of a plurality of wavelengths.
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
第1の波長のパルス光と、前記第1の波長とは異なる第2の波長のパルス光を、異なるタイミングで出射する光源と、
前記第1の波長のパルス光を前記第2の波長のパルス光に対して遅延させる遅延光学系と、
前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
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 source that emits pulsed light of a first wavelength and pulsed light of a second wavelength different from the first wavelength at different timings;
A delay optical system that delays the pulsed light of the first wavelength with respect to the pulsed light of the second wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating a subject with each of the pulsed light beams having the first and second wavelengths and outputs a reception signal;
A photodetector for detecting the amount of each of the pulsed light of the first and second wavelengths;
The received signal derived from each of the first and second wavelength pulse lights output from the conversion element, and each of the first and second wavelength pulse lights detected by the photodetector. A processing unit for acquiring characteristic information of the subject based on the light amount;
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、
複数の波長のパルス光を異なるタイミングで出射する光源と、
各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させる遅延光学系と、
前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
前記遅延光学系は、各波長の前記パルス光がそれぞれ光路長の異なる光路を通る
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 also employs the following configuration. That is,
A light source that emits pulsed light of a plurality of wavelengths at different timings;
A delay optical system that delays the pulsed light of each wavelength with a different delay time for each wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating a subject with each of the pulsed light beams of each wavelength that has passed through the delay optical system, and outputs a received signal;
A photodetector for detecting the respective light amounts of the pulsed light of each wavelength;
Based on the received signal derived from the pulsed light of each wavelength output from the conversion element and the light quantity of the pulsed light of each wavelength detected by the photodetector, characteristic information of the subject A processing unit for acquiring
Have
The delay optical system is an object information acquisition apparatus in which the pulsed light of each wavelength passes through optical paths having different optical path lengths.
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源が、第1の波長のパルス光と、前記第1の波長とは異なる第2の波長のパルス光を、異なるタイミングで出射するステップと、
遅延光学系が、前記第1の波長のパルス光を前記第2の波長のパルス光に対して遅延させるステップと、
変換素子が、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。
The present invention also employs the following configuration. That is,
A light source emitting pulsed light of a first wavelength and pulsed light of a second wavelength different from the first wavelength at different timings;
A delay optical system delaying the pulsed light of the first wavelength with respect to the pulsed light of the second wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating the subject with each of the pulsed light beams having the first and second wavelengths and outputs a reception signal;
A photodetector detecting the respective light amounts of the pulsed light of the first and second wavelengths;
The received signal derived from each of the first and second wavelength pulse lights output from the conversion element by the processing unit, and the first and second wavelength pulses detected by the photodetector Obtaining characteristic information of the subject based on the respective light quantities of light;
A control method for a subject information acquiring apparatus.
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源が、複数の波長のパルス光を異なるタイミングで出射するステップと、
遅延光学系が、各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させるステップと、
変換素子が、前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有し、
前記遅延させるステップでは、各波長の前記パルス光がそれぞれ光路長の異なる光路を通る
することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。
The present invention also employs the following configuration. That is,
A light source emitting pulsed light of a plurality of wavelengths at different timings;
A delay optical system delaying the pulsed light of each wavelength with a different delay time for each wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating a subject with each of the pulsed light of each wavelength that has passed through the delay optical system and outputs a reception signal;
A photodetector detecting the respective light amounts of the pulsed light of each wavelength;
Based on the received signal derived from the pulsed light of each wavelength output from the conversion element and the light quantity of the pulsed light of each wavelength detected by the photodetector, the processing unit Obtaining specimen characteristic information; and
Have
In the delaying step, the subject information acquiring apparatus control method is characterized in that the pulsed light of each wavelength passes through optical paths having different optical path lengths.
本発明によれば、複数波長の光を用いた光音響イメージングにおいて、コストを抑制しつつ精度の良い測定を実現することができる。 According to the present invention, in photoacoustic imaging using light of a plurality of wavelengths, accurate measurement can be realized while suppressing cost.
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.
本発明は、被検体から伝播する音響波を検出し、被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本発明は、被検体情報取得装置またはその制御方法、あるいは被検体情報取得方法や信号処理方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法をCPU等のハードウェア資源を備える情報処理装置に実行させるプログラムや、そのプログラムを格納した記憶媒体としても捉えられる。本発明はまた、音響波測定装置やその制御方法としても捉えられる。 The present invention relates to a technique for detecting acoustic waves propagating from a subject, generating characteristic information inside the subject, and acquiring the characteristic information. Therefore, the present invention can be understood as a subject information acquisition apparatus or a control method thereof, a subject information acquisition method, or a signal processing method. The present invention can also be understood as a program that causes an information processing apparatus including hardware resources such as a CPU to execute these methods, and a storage medium that stores the program. The present invention can also be understood as an acoustic wave measuring device and a control method thereof.
本発明の被検体情報取得装置は、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または被検体表面で発生して伝播した音響波を受信(検出)する、光音響技術を利用した装置を含む。このような被検体情報取得装置は、光音響測定に基づき被検体内部の特性情報を画像データ等の形式で得ることから、光音響イメージング装置、光音響画像装置、あるいは単に光音響装置と呼べる。 The subject information acquiring apparatus of the present invention irradiates a subject with light (electromagnetic waves), and receives (detects) an acoustic wave generated and propagated in the subject or on the subject surface according to the photoacoustic effect. Includes devices that use. Such an object information acquiring apparatus can be called a photoacoustic imaging apparatus, a photoacoustic image apparatus, or simply a photoacoustic apparatus because it obtains characteristic information inside the object in the form of image data or the like based on photoacoustic measurement.
光音響装置における特性情報は、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含む。具体的には、オキシヘモグロビン・デオキシヘモグロビン濃度分布や、それらから求められる酸素飽和度分布などの血液成分分布を含む。また、脂肪、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、脂肪や水の体積分率などでもよい。
また、特性情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として求めてもよい。すなわち、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの2次元または3次元の分布情報でもよい。
Characteristic information in the photoacoustic device is composed of the source distribution of acoustic waves generated by light irradiation, the initial sound pressure distribution in the subject, or the optical energy absorption density distribution, absorption coefficient distribution, and tissue derived from the initial sound pressure distribution. Concentration distribution of substances to be included. Specifically, it includes blood component distribution such as oxyhemoglobin / deoxyhemoglobin concentration distribution and oxygen saturation distribution obtained from them. Further, fat, glucose concentration, collagen concentration, melanin concentration, fat or water volume fraction, and the like may be used.
Further, the characteristic information may be obtained as distribution information of each position in the subject, not as numerical data. That is, two-dimensional or three-dimensional distribution information such as an absorption coefficient distribution and an oxygen saturation distribution may be used.
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。探触子により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼び、光音響波に由来する音響信号を特に光音響信号と呼ぶ。 The acoustic wave referred to in the present invention is typically an ultrasonic wave and includes an elastic wave called a sound wave or an acoustic wave. An acoustic wave generated by the photoacoustic effect is called a photoacoustic wave or an optical ultrasonic wave. An electrical signal converted from an acoustic wave by the probe is also called an acoustic signal, and an acoustic signal derived from the photoacoustic wave is particularly called a photoacoustic signal.
本発明の装置の主な目的は、人や動物の血管疾患や悪性腫瘍などの診断や化学治療の経過観察などである。よって、被検体としては生体の一部、具体的には人や動物の皮膚や皮下部位、乳房、頸部、腹部などの検査対象が想定される。特に、皮膚表面から数ミリメートル以内の浅い部位が検査対象として好適である。ただし被検体はこれに限られず、生体の他の部位や、非生体材料の測定も可能である。 The main purpose of the device of the present invention is the diagnosis of vascular diseases and malignant tumors in humans and animals, and the follow-up of chemical treatment. Therefore, a part of a living body, specifically, a subject to be inspected, such as a human or animal skin or a subcutaneous part, a breast, a neck, or an abdomen, is assumed as a subject. In particular, a shallow region within a few millimeters from the skin surface is suitable as an inspection target. However, the subject is not limited to this, and other parts of the living body and non-biological materials can be measured.
被検体内の光吸収体としては、典型的には生体内におけるオキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管、新生血管を多く含む悪性腫瘍などがある。光吸収体としては、被検体内部で相対的に光吸収係数が高いものが好ましい。その他、メラノーマや頸動脈壁のプラークなども光吸収体となる。 Examples of the light absorber in a subject typically include oxyhemoglobin or deoxyhemoglobin in a living body, blood vessels containing many of them, and malignant tumors containing many new blood vessels. As the light absorber, one having a relatively high light absorption coefficient inside the subject is preferable. In addition, melanoma and carotid artery plaque also serve as light absorbers.
[実施形態1]
以下、第1の実施形態の被検体情報取得装置の構成及び処理について説明する。
[Embodiment 1]
The configuration and processing of the subject information acquisition apparatus according to the first embodiment will be described below.
[装置構成]
図1は本実施形態の光音響装置の構成を示す模式図である。本実施形態の光音響装置は、発振ユニット110および波長変換ユニット120から成る光源100、変換素子210を含む探触子200、発振ユニット110から出射される光を遅延させるための遅延光学系300を備える。光音響装置はまた、複数波長の光を被検体に導くための導波光学系400、光検出器500、水槽600、処理部700、制御部800、走査機構900、表示部1000を備える。
[Device configuration]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the photoacoustic apparatus of the present embodiment. The photoacoustic apparatus of the present embodiment includes a
発振ユニット110から出射された第1の波長のパルス光1200は、遅延光学系300に導かれる。
遅延光学系300を通って遅延した第1の波長のパルス光1200と、発振ユニット110からのパルス光1210により励起され波長変換ユニット120から出射した第2の波長のパルス光1300は、光学素子によって同一光路に導かれる。光学素子とは例えば、ダイクロイックミラー360である。この際、第1の波長のパルス光1200は第2の波長のパルス光1300に対して、遅延光学系300を伝播した分だけ遅延して到達する。そして、同一光路に導かれた各波長のパルス光1400は、導波光学系400を通って被検体1100に交互に照射され、被検体1100内の光吸収体1110に到達する。
The pulsed light 1200 having the first wavelength emitted from the
The pulsed light 1200 having the first wavelength delayed through the delay
光吸収体1110は、各波長の光のエネルギーを吸収して、波長毎の光音響波をそれぞれ発生させる。発生した光音響波は、被検体内を伝搬し変換素子210に到達する。
変換素子210は、光音響波を受信することにより時系列の受信信号を出力する。なお、本実施形態において、探触子200の変換素子210(受信面)は、水槽600内の音響整合材としての水610に浸かっている。これにより、被検体1100と変換素子210との音響整合が図られている。
The
The conversion element 210 outputs a time-series reception signal by receiving a photoacoustic wave. In the present embodiment, the conversion element 210 (receiving surface) of the
光検出器500はパルス光1400の一部を検出し受信信号を出力する。
走査機構900は、光音響測定時に、探触子200、光学系400の一部および光検出器500を含む測定部1500を走査する。
制御部800は、光音響装置内の各構成ブロックに必要な制御信号やデータを供給することで、各構成ブロックを制御する。
処理部700には、変換素子210および光検出器500から出力された受信信号が順次入力される。処理部700は、変換素子210および光検出器500から入力された信号を用いて、被検体情報を生成する。そして処理部700は、生成された被検体情報のデータを表示部1000に送信して、被検体情報の画像や数値を表示させる。
The
The
The
Reception signals output from the conversion element 210 and the
以下、各構成ブロックについて詳しく説明する。
(光源100)
光源100は、発振ユニット110および波長変換ユニット120から構成される。発振ユニット110および波長変換ユニット120において発生する光は、ナノ秒からマイクロ秒オーダーのパルス光であることが好ましい。具体的なパルス幅としては、1〜100ナノ秒程度が好ましい。また、波長としては300nmから1600nm程度の範囲が好ましい。特に、生体表面近傍の血管を高解像度でイメージングする際は可視領域の波長(400nm以上、700nm以下)の光が好ましい。一方、生体の深部をイメージングする際には、生体の背景組織において吸収が少ない波長(700nm以上、1100nm以下)の光が好ましい。ただし、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。
Hereinafter, each component block will be described in detail.
(Light source 100)
The
発振ユニット110としては、固体レーザー、半導体レーザー、ガスレーザーなど様々なレーザーを使用できるが、固体レーザーが特に好ましい。具体的には、半導体レーザーまたはフラッシュランプを励起光とするNd:YAGレーザー(ネオジウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネッット結晶を用いたレーザー)を使用できる。さらに、これらのレーザーは2倍波および3倍波を生成可能であり、各波長の光を出射出来ることが好ましい。Nd:YAGレーザー以外に、Nd:YVO4レーザー(ネオジウムをドープしたイットリウム・バナデート結晶を用いたレーザー)やNd:YLFレーザー(ネオジウムをドープしたイットリウム・リチウム・フロライド結晶を用いたレーザー)等も用い得る。
As the
発振ユニット110において発振した基本波、2倍波および3倍波などの光のうちの1
つは第1の波長のパルス光1200として発振ユニット110から出射する。また、同様に発振ユニット110において発振した基本波、2倍波および3倍波などの光のうちの1つはパルス光1210として波長変換ユニット120に導かれ、第1の波長のパルス光1200とは波長の異なる、第2の波長のパルス光1300となる。パルス光1200とパルス光1210は同じ波長でも異なる波長でもよい。
One of the light of the fundamental wave, the second harmonic wave, and the third harmonic wave oscillated in the
One is emitted from the
波長変換ユニット120としては、色素レーザー、Ti:sa(チタン・サファイヤ)レーザーまたはOPO(Optical Parametric Oscillators)レーザーなどを用いることが可能である。これらのレーザー中の色素や結晶は、パルス光1210により励起され、第1の波長のパルス光1200とは波長の異なる第2の波長のパルス光1300を発振する。色素レーザーを用いる場合は、色素として例えばPyrromethene597を用いることが可能である。この際、パルス光1210としては、波長が532nmであるNd:YAGレーザーの2倍波を用いることが出来る。また、OPOレーザーを用いる場合は、第2の波長のパルス光1300の波長に応じて、Nd:YAGレーザーの2倍波や波長が355nmの3倍波をパルス光1210として用いる。さらに、Ti:saレーザーを用いる場合は、パルス光1210としては、Nd:YAGレーザーの2倍波を用いることが出来る。
As the
また、様々な波長の光を用いて測定する際には、波長変換ユニット120は発振する波長の変更が可能なレーザーがより好ましい。波長可変レーザーにおいて第1および第2の波長を選択する際には、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンのそれぞれに効率よく吸収される波長の光を用いることが好ましい。
このように、光源100としてはレーザーが好ましいが、レーザー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可能である。
Further, when measuring using light of various wavelengths, the
Thus, although the laser is preferable as the
(探触子200)
探触子200は、1つ以上の変換素子210と筺体とを備える。変換素子210は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電現象を用いた圧電素子、光の共振を用いた変換素子、CMUT等の静電容量型の変換素子など、音響波を受信して電気信号に変換できるものであればどのような変換素子を用いてもよい。
光音響装置が図1のような光音響顕微鏡の場合は、探触子200はフォーカス型探触子とすることが好ましい。すなわち、変換素子210の受信面には音響レンズが設けられていることが好ましい。
(Probe 200)
The
When the photoacoustic apparatus is a photoacoustic microscope as shown in FIG. 1, the
また、広い範囲の被検体情報を取得するために、探触子200は、走査機構900により、被検体1100に対して機械的に移動できることが好ましい。その際、光学系400の一部(パルス光1400の照射位置)と探触子200とは同期して移動することが好ましい。
また、探触子200がハンドヘルド型の場合は、ユーザーが探触子200を把持する把持部を有する。
In order to acquire a wide range of object information, it is preferable that the
In the case where the
光音響装置が光音響トモグラフィー装置である場合は、探触子200には変換素子210は複数設けられていることが好ましい。複数の変換素子210を備える場合は、1Dアレイ、1.5Dアレイ、1.75Dアレイ、2Dアレイ、と呼ばれるような平面又は曲面内に並ぶように配置されることが好ましい。
また、探触子200内には、変換素子210から出力されるアナログ信号を増幅する増幅器を設けてもよい。
When the photoacoustic apparatus is a photoacoustic tomography apparatus, the
In the
(遅延光学系300)
遅延光学系300は、第2の波長のパルス光1300に対して第1の波長のパルス光1
200を遅延させるための光学系である。遅延光学系300は光学ミラー310、レンズ320、光ファイバー330、コリメータレンズ340、光学ミラー350およびダイクロイックミラー360を備える。
(Delay optical system 300)
The delay
This is an optical system for delaying 200. The delay
発振ユニット110から出射された第1の波長のパルス光1200は、光学ミラー310によってレンズ320に導かれ、集光されて光ファイバー330に入射する。なお、パルス光1200およびパルス光1210として同じ波長の光を用いる場合は、光学ミラー310の位置にビームスプリッターを配置して、同じ光を分岐させることが好ましい。
The first wavelength pulsed light 1200 emitted from the
遅延光学系300は第1の波長のパルス光1200を所望の時間遅延させるための光路長が必要であるため、光ファイバー330は光路長の長いものを用いる。
また、光遅延による2波長間の交互照射で生じる各波長の光音響信号を分離するためには、各波長の光音響信号の発生が少なくとも1μs程度離れていることが好ましい。このため少なくとも1μsの光遅延が必要である。光ファイバー中の光速が200m/μsであるので、少なくとも200m以上の光ファイバーを用いることが好ましい。光ファイバー330はボビンに巻いた状態で用いることが好ましい。
光ファイバー330を通った光は、コリメータレンズ340によって平行光となり光学ミラー350によって反射される。
Since the delay
In order to separate the photoacoustic signals of the respective wavelengths generated by the alternate irradiation between the two wavelengths due to the optical delay, it is preferable that the generation of the photoacoustic signals of the respective wavelengths is separated by at least about 1 μs. For this reason, an optical delay of at least 1 μs is necessary. Since the speed of light in the optical fiber is 200 m / μs, it is preferable to use an optical fiber of at least 200 m. The
The light passing through the
ダイクロイックミラー360としては、第1の波長のパルス光1200は反射し、第2の波長のパルス光1300は透過するものを用いる。
以上の構成により、第1の波長のパルス光1200と第2の波長のパルス光1300は同一光路に導かれ、第1の波長と第2の波長のパルス光が交互に照射されるパルス光1400となる。また、第1の波長と第2の波長のパルス光を合波できれば、ダイクロイックミラーに代えて、他の光学素子(例えば偏光ミラー)を用いても良い。
As the
With the above configuration, the pulsed light 1400 having the first wavelength and the pulsed light 1300 having the second wavelength are guided to the same optical path, and the pulsed light having the first wavelength and the second wavelength are alternately irradiated. It becomes. In addition, other optical elements (for example, a polarizing mirror) may be used instead of the dichroic mirror as long as the pulsed light of the first wavelength and the second wavelength can be multiplexed.
例えば、発振ユニット110が100Hzで第1の波長のパルス光1200を発振し、400mの光ファイバー330を用いた場合について考える。各発振においてダイクロイックミラー360には、第2の波長のパルス光1300から2μs遅れて第1の波長のパルス光1200が到達する。この結果、2μs間隔の空いた第1の波長のパルス光1200と第2の波長のパルス光1300のセット(パルス光1400)が、10ms毎に出射される。すなわち、2μs間隔の空いた第1の波長のパルス光と第2の波長のパルス光のセットが、100Hzの繰り返し周波数で被検体1100に照射される。
なお、光音響測定は光エネルギーを吸収した光吸収体の膨張により生じた音響波を受信するため、第1の波長の光パルスと第2の波長の光パルスの間には、被検体が収縮するのに必要なインターバルを取ることが好ましい。
For example, consider a case where the
Since the photoacoustic measurement receives an acoustic wave generated by the expansion of the light absorber that has absorbed the light energy, the subject contracts between the light pulse of the first wavelength and the light pulse of the second wavelength. It is preferable to take the interval necessary to do so.
なお、本実施形態では第2の波長のパルス光1300に対して、第1の波長のパルス光1200を遅延させることにより、第1の波長のパルス光1200と第2の波長のパルス光1300の交互照射を行った。しかし逆に、第1の波長のパルス光1200に対して第2の波長のパルス光1300を遅延させても良い。その場合、波長変換ユニット120から出射した第2の波長のパルス光1300に対して遅延光学系を適用する。
In this embodiment, the first
また、本実施形態では光ファイバー330を用いて長い光路長を得ているが、他の手法を用いても良い。例えば、レンズ320、光ファイバー330およびコリメータレンズ340の代わりに、光学ミラーを用いて繰り返し反射させることでも光路長を得られる。
In the present embodiment, a long optical path length is obtained using the
(導波光学系400)
導波光学系400は、ダイクロイックミラー360により同一光路に導かれた各波長のパルス光1400を被検体1100および光検出器500に導く。
導波光学系400には、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学素子を使用できる。光音響顕微鏡においては、解像度を上げるために、導波光学系400の光出射部はレンズ等で構成し、ビーム光の径をフォーカスして照射することが好ましい。また、導波光学系400を被検体1100に対して移動してもよく、これにより被検体1100の広い範囲のイメージングが可能になる。
(Waveguide optical system 400)
The waveguide optical system 400 guides the
The waveguide optical system 400 can use optical elements such as lenses, mirrors, and optical fibers. In the photoacoustic microscope, in order to increase the resolution, it is preferable that the light emitting portion of the waveguide optical system 400 is constituted by a lens or the like, and the irradiation is performed while focusing the diameter of the beam light. In addition, the waveguide optical system 400 may be moved with respect to the subject 1100, thereby enabling imaging of the subject 1100 over a wide range.
また、本実施形態においては、導波光学系400として、光ファイバー410、レンズ420、コリメータレンズ430、ビームスプリッター440、アキシコンレンズ450、光学ミラー460を備える。光学ミラー460は、アキシコンレンズ450により円環状に導光したパルス光1400を、被検体1100の対象位置に集光させるように配置されている。また、ビームスプリッター440は45度の入射角度において反射率が5%以内のものを用いることが好ましい。
また、乳房等を検査対象とする生体情報取得装置においては、導波光学系400の光出射部はレンズ等によりビーム光の径を広げて照射することが好ましい。
In the present embodiment, the waveguide optical system 400 includes an
Further, in the biological information acquisition apparatus for examining the breast or the like, it is preferable that the light emitting unit of the waveguide optical system 400 is irradiated with a beam light having a diameter increased by a lens or the like.
(光検出器500)
光検出器500としてフォトダイオードや光エネルギーメーターを使用できる。ビームスプリッター440によって導かれた照射光の一部を検出できるものであれば、これら以外の光検出器を用いても良い。
(Photodetector 500)
A photodiode or a light energy meter can be used as the
(水槽600)
水槽600は、音響整合材としての水610を保持可能な容器である。本実施形態において、探触子200に備えられた変換素子210は水610に浸かっている。これにより、水610を介して、被検体1100と変換素子210との音響整合をとることができる。また、被検体1100との接触面は、光音響波を通しやすいように、光音響波の波長よりも薄いフィルムで構成されていることが好ましい。より好ましくは、接触面は、光音響波の波長の1/4の厚さであることが好ましい。また、音響整合材や接触面の材料としては、パルス光1400を吸収しにくいものが好ましい。例えば、音響整合材としては水、超音波ジェルもしくは油等が好適であり、接触面としてはポリエチレン等が好適である。
また、被検体1100と接触面の間は、超音波ジェル等により音響整合がとられていることが好ましい。
(Water tank 600)
The
In addition, it is preferable that the
(処理部700)
処理部700は光音響信号収集部710、光量信号収集部720および特性情報算出部
730を備える。
(Processing unit 700)
The
光音響信号収集部710は、変換素子210から出力される時系列のアナログ受信信号を収集し、受信信号の増幅や、アナログの受信信号のAD変換、デジタル化された受信信号の記憶等の信号処理を行う。光音響信号収集部710としては、一般的にDAS(Data Acquisition System)と呼ばれる回路を使用できる。光音響信号収集部710は、例えば、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル化するAD変換器から構成される。
The photoacoustic
光量信号収集部720は光検出器500から出力される受信信号を収集する。光量信号収集部720は、必要に応じて受信信号の増幅や、アナログの受信信号のAD変換、デジタル化された受信信号の記憶および得られた受信信号を光量値に変換する処理等の信号処理を行う。光量信号収集部720は、例えば、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル化するAD変換器から構成される。
The light amount
特性情報算出部730は、光音響信号収集部710および光量信号収集部720から出
力される受信信号を用いて、被検体内の吸収係数や組織を構成する物質の濃度、等に関する特性情報を取得する。特に酸素飽和度に関する情報を取得する。以下、被検体内の各位置の酸素飽和度に関わる特性情報のことを、被検体内の酸素飽和度分布とも呼ぶ。また、被検体内の各位置の光の吸収率に関わる特性情報のことを、被検体内の光吸収分布とも呼ぶ。
The characteristic
特性情報算出部730としては、CPUやGPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサ、FPGA(Field Programmable
Gate Array)チップ等の演算回路を使用できる。なお、1つのプロセッサや演算回路から構成されるだけでなく、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。また、受信信号、生成された分布データ、表示画像データ、各種測定パラメーター等を記憶するメモリを備えていてもよい。メモリは、典型的には1つ以上のROM、RAM、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。
The characteristic
An arithmetic circuit such as a Gate Array chip can be used. In addition, it may be comprised not only from one processor and an arithmetic circuit but from several processors and arithmetic circuits. Further, a memory for storing a received signal, generated distribution data, display image data, various measurement parameters, and the like may be provided. The memory is typically composed of one or more storage media such as a ROM, a RAM, and a hard disk.
(制御部800)
制御部800は各構成ブロックに必要な制御信号やデータを供給する。具体的には、光源100へ発光を指示する信号や、変換素子200の受信制御信号および走査機構900の制御信号を供給する。さらに、処理部700の信号増幅制御、AD変換タイミング制御、受信信号の記憶制御などを行う。
(Control unit 800)
The
制御部800についても、処理部700と同様にCPUやGPU等のプロセッサ、FPGAチップ等の回路を1つ又は複数組み合わせて構成することができる。また、各種測定パラメーター等を記憶するメモリを備えていてもよい。メモリは、典型的には1つ以上のROM、RAM、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。これらは処理部700と併用することも可能である。
Similarly to the
(走査機構900)
走査機構900として例えば、ステッピングモーターやサーボモーターによる自動ステージを使用できる。図1の構成では、走査機構900は測定部1500を走査する。これにより被検体1100上の測定点を走査しながら光音響測定が行われる。しかし、必ずしもこのような構成をとる必要はなく、被検体1100上の測定点を走査しながら測定を行う事ができればよい。
また、照射光1400を被検体1100の広い範囲に照射し、走査機構900は探触子200のみを走査する構成も可能である。
(Scanning mechanism 900)
For example, an automatic stage using a stepping motor or a servo motor can be used as the
Further, the
また、広範囲の光音響波を受信可能な探触子(例えば、フォーカス範囲の広いシングルトランスデューサーやアレイ型トランスデューサー)を固定した、音響フォーカス型の構成も可能である。この場合、照射光1400は集光させて被検体1100に照射し、走査機構900は導波光学系400の一部のみを走査することで、測定点が走査される。
このように探触子200を走査しない場合は、必ずしも音響整合材として水などの液体を用いる必要はない。例えば、水槽600および水610のかわりに、ゲル部材(例えばポリウレタン系のゲル)などを用いることも可能である。
An acoustic focus type configuration in which a probe capable of receiving a wide range of photoacoustic waves (for example, a single transducer or an array type transducer with a wide focus range) is fixed is also possible. In this case, the
Thus, when the
走査機構900による走査方法として、探触子210や導波光学系400の一部の位置を変える方法や、角度を変える方法がある。
さらに、走査機構900は、光音響波や照射光1400を反射するミラーを用いて、このミラーを動かすことにより、光音響波の検出位置や照射光1400の照射位置を走査しても良い。この場合でも、照射光1400と光音響波の検出位置両方を走査する方法と、いずれか片方のみを走査する方法の両方が採用可能である。ミラーを動かす際には、ミラーの角度または位置を変えると良い。このような動作が可能なミラーとして例えば、ガル
バノミラーやMEMSミラーがある。
As a scanning method by the
Further, the
(表示部1000)
表示部1000としては、LCD(Liquid Crystal Display)やCRT(Cathode Ray Tube)、有機ELディスプレイ等のディスプレイを使用できる。なお、表示部1000は、本実施形態の光音響装置とは別に用意して光音響装置に接続してもよい。
(Display unit 1000)
As the
(ハンドヘルド型)
また、本発明をハンドヘルド型の光音響装置にも適用可能である。その際は、点線1600で囲まれた部材を一つの筺体として保持すると良い。
(Handheld type)
The present invention can also be applied to a handheld photoacoustic apparatus. In that case, the member surrounded by the dotted
[被検体情報取得方法]
次に、本実施形態に係る光音響装置が被検体情報を取得するフローを、図2を用いて説明する。制御部800が、処理部700に保存された、被検体情報取得方法が記述されたプログラムを読み出し、光音響装置に以下の被検体情報取得方法を実行させている。
[Subject information acquisition method]
Next, a flow in which the photoacoustic apparatus according to the present embodiment acquires object information will be described with reference to FIG. The
(S110:光音響測定を開始するステップ)
本ステップでは、制御部800が光音響測定の開始を各構成部に指示する。具体的には、走査機構900の走査を開始し、走査機構900が出力する信号をトリガーとして、発振ユニット110が第1の波長のパルス光1200を発振する。
(S110: Step of starting photoacoustic measurement)
In this step, the
(S120:光音響信号を収集するステップ)
本ステップでは、光音響測定中に、光音響信号収集部710が変換素子210から出力される時系列のアナログ受信信号を各測定位置において収集する。
光音響測定中は走査機構900が等距離走査する毎に出力する信号をトリガーとして、発振ユニット110が第1の波長のパルス光1200を発振することにより、等間隔毎の光音響信号を収集することが好ましい。
(S120: Step of collecting photoacoustic signals)
In this step, during the photoacoustic measurement, the photoacoustic
During the photoacoustic measurement, the
図3は光音響測定の処理のタイミングチャートの一例である。図3において、上段は光音響測定中のトリガー信号、中段は第1の波長のパルス光1200と第2の波長のパルス光1300の被検体1100への照射タイミング、下段は各パルス光によって生じる光音響信号の変換素子210への到達のタイミングである。この例では、発振ユニット110が100Hzのパルス繰り返し周波数(PRF)で第1の波長のパルス光1200を発振する。
FIG. 3 is an example of a timing chart of photoacoustic measurement processing. In FIG. 3, the upper stage is a trigger signal during photoacoustic measurement, the middle stage is the irradiation timing of the
トリガー信号301は100Hzで発振ユニット110に入力されるので、入力間隔302は10msとなる。トリガー信号301が発振ユニット110に入力されると、発振ユニット110は発振し、まず第2の波長のパルス光303、次に第1の波長のパルス光304の順に被検体1100に照射される。第2の波長のパルス光303と第1の波長のパルス光304の照射間隔305は、遅延光学系300によって生じる遅延時間であり、例えば400mの光ファイバー330を用いた場合は2μsとなる。この第2の波長のパルス光303および第1の波長のパルス光304のセットが、10msおきに被検体1100に照射される。
Since the
そして、第2の波長のパルス光303の照射から間隔306後に、第2の波長のパルス光303によって生じる光音響信号307が変換素子210に到達する。間隔306は、変換素子と光吸収体の距離、および媒質の音速により定まるので、これらの値が分かっていれば計算により取得できる。そして、間隔309だけ遅れて、第1の波長のパルス光304によって生じる光音響信号308が変換素子210に到達する。間隔309は照射間
隔305と同じ時間となる。
なお、光音響信号収集部710は光源100において発光するパルス光をトリガーとして、光音響信号を受信する。トリガー信号はフォトダイオードによる光検出結果に基づき作成できる。
Then, after an
The photoacoustic
(S130:光量信号を収集するステップ)
本ステップでは、光音響測定中に、光量信号収集部720は光検出器500から出力される受信信号を各測定位置において収集する。
(S130: Step of collecting light quantity signal)
In this step, during the photoacoustic measurement, the light amount
図4A〜図4Cは、光音響信号収集部710や光量信号収集部720における受信信号の一例を示す。この例では、発振ユニット110として2倍波、3倍波を出射可能なNd:YAGレーザー、波長変換ユニット120としてOPOユニット、光ファイバー410として54mの光ファイバーを用いた。この際、第1の波長のパルス光としてはNd:YAGレーザーの2倍波である波長532nmのパルス光、第2の波長のパルス光としてはNd:YAGレーザーの3倍波によりOPOユニットで励起した556nmのパルス光を用いた。光吸収体としてフィルムに印刷された黒色体を用いた。
4A to 4C show examples of received signals in the photoacoustic
図4Aにおいて、点線で示す系列は光量信号収集部720で受信された光量強度であり、左軸に対応する。この系列において、信号401は第2の波長のパルス光の受信信号であり、信号402は第1の波長のパルス光の受信信号である。
また、実線で示す系列は光音響信号収集部710で受信された光音響信号強度であり、右軸に対応する。この系列において、信号403は第2の波長のパルス光に由来する光音響信号であり、信号404は第1の波長のパルス光に由来する光音響信号である。各波長の光音響信号は、発生した光音響波が光吸収体から変換素子210へ到達するために要する時間だけ(ここでは約7.5μs)、光照射した時間から遅れて受信されていることが分かる。
In FIG. 4A, the series indicated by the dotted line is the light intensity received by the light quantity
A series indicated by a solid line is the photoacoustic signal intensity received by the photoacoustic
図4Bは、図4Aにおける光量信号収集部720での波長毎のパルス光の信号を拡大したグラフである。54mの光ファイバーの光路分の約270nsのだけ信号401から遅延して、信号402が受信されていることが分かる。
また、図4Cは、図4Aにおける光音響信号収集部710で受信された光音響信号を拡大したグラフである。波長間の光照射の遅延を反映して、信号403から約270ns遅延して信号404が受信されていることが分かる。
FIG. 4B is an enlarged graph of a pulsed light signal for each wavelength in the light amount
4C is an enlarged graph of the photoacoustic signal received by the photoacoustic
(S140:各波長の光音響信号強度分布を算出するステップ)
本ステップでは、特性情報算出部730は、光音響信号収集部710において収集した波長毎の受信信号を基に、波長毎の光音響信号強度分布(音圧分布とも呼ぶ)を算出する。
(S140: Step of calculating photoacoustic signal intensity distribution of each wavelength)
In this step, the characteristic
光音響信号収集部710が、第2の波長のパルス光1300と第1の波長のパルス光1200のどちらか一方をトリガーとして光音響信号を受信する場合について考える。この場合、第2の波長のパルス光1300に由来する光音響波と、光遅延時間だけ遅れた第1の波長のパルス光1200に由来する光音響波が一連の光音響信号として光音響信号収集部710から出力される。
Consider a case where the photoacoustic
この場合、特性情報算出部730は、第1の波長のパルス光1200に由来する光音響波と、第2の波長のパルス光1300に由来する光音響波を分離する必要がある。分離する手法としては、受信信号を時間で区切って分離する手法、パターンマッチング、閾値処理などが使用できる。なお、光音響信号収集部710が、第2の波長のパルス光1300および第1の波長のパルス光1200の両方をトリガーとして光音響信号を受信する場合
この処理は不要である。
In this case, the characteristic
本実施形態のように光音響装置が光音響顕微鏡である場合、特性情報算出部730は、得られた波長毎の光音響受信信号に対し、時間変化に対して包絡線検波した後、光パルス毎の信号における時間軸方向を奥行き方向に変換して、空間座標上にプロットする。そして、これを各測定位置(走査位置)毎に行うことにより、音圧分布データを取得する。
When the photoacoustic apparatus is a photoacoustic microscope as in the present embodiment, the characteristic
一方、光音響装置が光音響トモグラフィー装置の場合、特性情報算出部730は、得られた波長毎の光音響受信信号を用いて画像再構成を行う。これにより、2次元又は3次元の空間座標上の位置に対応する発生音圧のデータが取得できる。画像再構成手法として、Universal Back Projection(UBP)や、Filtered
Back Projection(FBP)等の公知の手法を利用できる。画像再構成手法としてまた、整相加算(Delay and Sum)処理を用いてもよい。
On the other hand, when the photoacoustic apparatus is a photoacoustic tomography apparatus, the characteristic
A known method such as Back Projection (FBP) can be used. As an image reconstruction method, a delay and sum process may be used.
(S150:各波長の照射光量を算出するステップ)
本ステップでは、特性情報算出部730は、光量信号収集部720において収集した波長毎の受信信号を基に、各測定位置における波長毎の光量を算出する。
例えば光検出器500がフォトダイオードの場合、特性情報算出部730は、各測定点においてフォトダイオードから出力される波長毎の受信信号のピーク値を光量とする。また、受信信号の積分値を計算して光量としてもよい。
さらに、波長毎のピーク値や積分値を基に、被検体1100に照射される光量に変換できることが好ましい。その際、特性情報算出部730は、このような変換係数および変換式を記憶しておくことが好ましい。
(S150: Step of calculating irradiation light quantity of each wavelength)
In this step, the characteristic
For example, when the
Furthermore, it is preferable that the light can be converted into the amount of light irradiated on the subject 1100 based on the peak value and the integrated value for each wavelength. In that case, it is preferable that the characteristic
(S160:各波長の光吸収分布を算出するステップ)
本ステップでは、特性情報算出部730は、S140で求めた各波長の光音響信号強度分布と、S150で求めた各測定位置における各波長の照射光量から、各波長の光吸収分布を算出する。
(S160: Step of calculating light absorption distribution of each wavelength)
In this step, the characteristic
本実施形態のように、光音響装置が光音響顕微鏡である場合には、特性情報算出部730はS150で求めた波長毎の各測定位置における光量値を用いて、S140で求めた各測定位置での音圧分布データを補正する。これにより、各測定位置での光吸収分布データが得られる。例えば、音圧分布データを光量値で除算することにより、波長毎の各測定位置における光吸収分布データを取得する。
When the photoacoustic apparatus is a photoacoustic microscope as in the present embodiment, the characteristic
一方、光音響装置が光音響トモグラフィー装置の場合は、特性情報算出部730は、S150において求めた波長毎の各測定位置における光量値を用いて、被検体1100内における波長毎光量分布を計算する。そして、S140で求めた波長毎の音圧分布データを波長毎の光量分布により除算することで、波長毎の各測定位置における光吸収分布データを算出する。被検体1100内における波長毎光量分布は、光輸送方程式や光拡散方程式を基に、有限要素法やモンテカルロ法を用いて算出できる。
On the other hand, when the photoacoustic apparatus is a photoacoustic tomography apparatus, the characteristic
(S170:酸素飽和度分布を算出するステップ)
本ステップでは、特性情報算出部730は、S160で求めた各波長の光吸収分布データを用いて、被検体内に存在する物質の濃度に関する分布を求める。特に、オキシヘモグロビンHbOとデオキシヘモグロビンHbとの濃度を基に、血液の酸素飽和度分布を求める。
(S170: Step of calculating oxygen saturation distribution)
In this step, the characteristic
(S180:酸素飽和度分布画像を表示する)
本ステップでは、特性情報算出部730は、S170において求めた特性情報のデータ
を表示部1000に送信し、被検体情報の画像を表示部1000に表示させる。なお、表示部1000は、画像の代わりに、または画像とともに、被検体情報の数値や、体内の組織または機能を示す図や記号など、様々な情報を表示できる。
(S180: An oxygen saturation distribution image is displayed)
In this step, the characteristic
本実施形態では2波長のパルス光を交互照射する装置構成およびフローについて説明した。しかし、光源が3波長以上のパルス光を発光することができる場合に、各波長のパルス光に対し、光路長の異なる遅延光学系を用いることで、3波長以上の光をセットとした照射も可能である。その場合、各波長に対応した長さの異なる複数の光ファイバーを有する遅延光学系が好適である。これにより、各波長の光が通る光路の光路長が、それぞれ互いに異なるように構成できる。 In the present embodiment, the apparatus configuration and flow for alternately irradiating pulsed light of two wavelengths have been described. However, when the light source can emit pulsed light of 3 wavelengths or more, irradiation with light of 3 wavelengths or more can be performed by using a delay optical system having a different optical path length for the pulsed light of each wavelength. Is possible. In that case, a delay optical system having a plurality of optical fibers having different lengths corresponding to the respective wavelengths is preferable. Thereby, it can comprise so that the optical path length of the optical path along which the light of each wavelength passes mutually differs.
以上説明したように、本実施形態に係る光音響装置によれば、2波長の光を短い間隔で交互照射できるので、被検体の体動に起因する波長間の位置ずれが低減される。その結果、酸素飽和度の算出精度が向上する。また、単一の発振ユニットから複数波長の光を照射できるので、コストや装置規模を抑制できる。 As described above, according to the photoacoustic apparatus according to the present embodiment, light of two wavelengths can be alternately irradiated at short intervals, so that the positional deviation between wavelengths due to body movement of the subject is reduced. As a result, the oxygen saturation calculation accuracy is improved. In addition, since light of a plurality of wavelengths can be irradiated from a single oscillation unit, cost and device scale can be suppressed.
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明は上記特定の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施形態の修正をすることができる。 The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, the present invention is not limited to the specific form described above, and the embodiments can be modified without departing from the technical idea of the present invention.
100:光源,200:探触子,300:遅延光学系,400:導波光学系,500:光検出器,700:処理部 100: Light source, 200: Probe, 300: Delay optical system, 400: Waveguide optical system, 500: Photo detector, 700: Processing unit
Claims (17)
前記第1の波長のパルス光を前記第2の波長のパルス光に対して遅延させる遅延光学系と、
前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置。 A light source that emits pulsed light of a first wavelength and pulsed light of a second wavelength different from the first wavelength at different timings;
A delay optical system that delays the pulsed light of the first wavelength with respect to the pulsed light of the second wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating a subject with each of the pulsed light beams having the first and second wavelengths and outputs a reception signal;
A photodetector for detecting the amount of each of the pulsed light of the first and second wavelengths;
The received signal derived from each of the first and second wavelength pulse lights output from the conversion element, and each of the first and second wavelength pulse lights detected by the photodetector. A processing unit for acquiring characteristic information of the subject based on the light amount;
A subject information acquisition apparatus characterized by comprising:
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 light source emits pulsed light having a plurality of wavelengths including at least the first wavelength and the second wavelength.
前記第1の波長のパルス光および前記第2の波長のパルス光の少なくともいずれかは、前記発振ユニットから出射したのち前記波長変換ユニットによって波長を変換されたものである
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 light source has an oscillation unit and a wavelength conversion unit,
The at least one of the first wavelength pulsed light and the second wavelength pulsed light is emitted from the oscillation unit and then converted in wavelength by the wavelength conversion unit. 3. The subject information acquisition apparatus according to 1 or 2.
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。 4. The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the light source repeatedly emits a set of pulsed light having a first wavelength and pulsed light having a second wavelength. 5.
ことを特徴とする請求項1ないし4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, wherein the delay optical system includes an optical fiber.
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。 The object information acquiring apparatus according to claim 5, wherein the length of the optical fiber is 200 m or more.
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 The processing unit has a light absorption distribution of the subject at the first wavelength based on the received signal derived from the pulsed light of the first wavelength and the light quantity of the pulsed light of the first wavelength. And obtaining the light absorption distribution of the subject at the second wavelength based on the received signal derived from the pulsed light of the second wavelength and the light quantity of the pulsed light of the second wavelength. The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the object information acquiring apparatus is acquired.
ことを特徴とする請求項7に記載の被検体情報取得装置。 The object information acquiring apparatus according to claim 7, wherein the processing unit acquires a concentration distribution of a substance in the object using the light absorption distributions at the first and second wavelengths. .
ことを特徴とする請求項8に記載の被検体情報取得装置。 9. The object information acquiring apparatus according to claim 8, wherein the concentration distribution of the substance is an oxygen saturation distribution.
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。 The object information acquiring apparatus according to claim 3, wherein the oscillation unit emits at least one of a fundamental wave, a second harmonic wave, and a third harmonic wave.
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。 The object information acquiring apparatus according to claim 3, wherein the oscillation unit is an Nd: YAG laser.
ことを特徴とする請求項1から11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, wherein the processing unit separates the reception signal output from the conversion element for each wavelength.
ことを特徴とする請求項1から12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 a display unit configured to display characteristic information of the object.
各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させる遅延光学系と、
前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
前記遅延光学系は、各波長の前記パルス光のそれぞれが通る光路の光路長が互いに異なるように構成される
することを特徴とする被検体情報取得装置。 A light source that emits pulsed light of a plurality of wavelengths at different timings;
A delay optical system that delays the pulsed light of each wavelength with a different delay time for each wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating a subject with each of the pulsed light beams of each wavelength that has passed through the delay optical system, and outputs a received signal;
A photodetector for detecting the respective light amounts of the pulsed light of each wavelength;
Based on the received signal derived from the pulsed light of each wavelength output from the conversion element and the light quantity of the pulsed light of each wavelength detected by the photodetector, characteristic information of the subject A processing unit for acquiring
Have
2. The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the delay optical system is configured such that optical path lengths of optical paths through which the pulsed light beams having different wavelengths pass are different from each other.
ことを特徴とする請求項14に記載の被検体情報取得装置。 The object information acquiring apparatus according to claim 14, wherein the delay optical system includes a plurality of optical fibers having different lengths.
遅延光学系が、前記第1の波長のパルス光を前記第2の波長のパルス光に対して遅延させるステップと、
変換素子が、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第1および第2の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。 A light source emitting pulsed light of a first wavelength and pulsed light of a second wavelength different from the first wavelength at different timings;
A delay optical system delaying the pulsed light of the first wavelength with respect to the pulsed light of the second wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating the subject with each of the pulsed light beams having the first and second wavelengths and outputs a reception signal;
A photodetector detecting the respective light amounts of the pulsed light of the first and second wavelengths;
The received signal derived from each of the first and second wavelength pulse lights output from the conversion element by the processing unit, and the first and second wavelength pulses detected by the photodetector Obtaining characteristic information of the subject based on the respective light quantities of light;
A method for controlling a subject information acquiring apparatus, comprising:
遅延光学系が、各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させるステップと、
変換素子が、前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有し、
前記遅延させるステップでは、各波長の前記パルス光がそれぞれ光路長の異なる光路を
通る
することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。 A light source emitting pulsed light of a plurality of wavelengths at different timings;
A delay optical system delaying the pulsed light of each wavelength with a different delay time for each wavelength;
A conversion element that receives a photoacoustic wave generated by irradiating a subject with each of the pulsed light of each wavelength that has passed through the delay optical system and outputs a reception signal;
A photodetector detecting the respective light amounts of the pulsed light of each wavelength;
Based on the received signal derived from the pulsed light of each wavelength output from the conversion element and the light quantity of the pulsed light of each wavelength detected by the photodetector, the processing unit Obtaining specimen characteristic information; and
Have
In the delaying step, the pulse information of each wavelength passes through optical paths having different optical path lengths.
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