JP2017035589A - 光音響装置 - Google Patents
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Abstract
Description
P(d)=Γμa(r)Φ(r) ・・・式(1)
ここで、
Γ:グリュナイゼン係数(熱−音響変換効率)
μa(r):距離rにおける位置での吸収係数
Φ(r):距離rにおける位置での光強度
である。弾性特性値であるグリュナイゼン係数Γは、熱膨張係数βと音速cの二乗の積を定圧比熱Cpで割ったものである。Γは生体組織が決まればほぼ一定の値をとることが知られているので、音響波の大きさである音圧Pの変化を時分割で測定することによりμaとΦの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布Hを得ることができる。そして、Hから光強度Φ(r)を除算することでμa(r)を求めることができる。
被検体にパルス光を照射するための光源と、
前記パルス光の照射により前記被検体内で発生する音響波を検出する検出器と、
前記光源の出力光量を測定する光量測定器と、
前記検出器から取得された検出信号を処理して、前記被検体内部の情報を取得するための信号処理部と、を有し、
該信号処理部が、前記光量測定器により測定された出力光量の経時変化に基づいて、前記検出信号の強度変動を抑制するように、前記検出信号の強度を補正する信号補正部を備えていることを特徴とする。
まず、図1を参照しながら本実施形態にかかる光音響装置の構成を説明する。
パルスレーザー2aにより発生するレーザー光はパルス毎に変動する。光量変動の一例を図2に示す。図はYAGレーザーで約5W(500mJ)にて10Hzのパルス光を60秒発生させた場合の測定出力の経時変化を測定したものである。図より、出力光量は10%程度の光量変動を確認することができる。
以下に、本実施形態における検出信号の補正について詳細に説明する。
Φ(r)=Φ0・exp(−μeff・r) ・・・式(2)
と表現できる。μeffは被検体の平均的な等価減衰係数である。式(2)と式(1)から、
P(r)=Γμa(d)Φ0・exp(−μeff・r) ・・・式(3)
となる。本発明においては、Φ0がパルスごとに変動することが問題となる。例えば、あるパルス1の出力光量Φ01に対して、別のパルス2の出力光量Φ02が0.9Φ01であった場合、パルス2による光音響波の音圧P2(r)=0.9P1(r)となる。
上記のように補正されたデジタル信号に対して、画像再構成処理部12により画像再構成を行う。PATの画像再構成とは、検出器で受信された音圧Pd(rd,t)から被検体内の発生したときの初期音圧の分布P0(r)を導き出すことであり、数学的には逆問題と呼ばれる。PATの画像再構成手法で代表的に使われているUniversal Back Projection(UBP)法などはPHYSICAL REVIEW E 71,016706(2005)やREVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS,77,042201(2006)に記載されている。
なお、本実施形態ではパルスごとの光量変動に対する補正を、A/Dコンバータ7によってデジタル信号になった後、画像再構成処理を行う前のデータに対して行う例を示したが、本発明はこれに限定されない。この補正は、画像再構成後のボクセルデータに対して行うこともできる。つまり補正量決定部10によって計算された補正係数を光減衰補正部16に入力することによって補正演算を行っても同様に光音響信号の補正が可能である。また、A/D変換する前のアナログデータに対して、補正を行うこともできる。この場合、補正量決定部10の出力によって、受信アンプ6のゲインを制御する方法を取ることができる。すなわち、本明細書における「検出信号」には、アナログ信号、A/D変換後のデジタル信号、このデジタル信号を画像再構成した後の輝度データのいずれも含まれる。
検出器(探触子)5は、音波や超音波のような音響波を検知し、電気信号に変換するものである。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音響波信号を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。本実施形態の検出器5は、検出器5は複数のトランスデューサ素子を持つアレイ型であることが好ましい。このような2次元に配列されたトランスデューサ素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を検出することができる。これにより検出時間を短縮できると共に、被検体の振動などの影響を低減できる。また、検出器5とプレート4b、被検体3との間には、音波の反射を抑えるためのジェルや水などの音響インピーダンスマッチング剤を使うことが望ましい。
以下、実施例1では本発明における光音響装置を乳房検査に使用した場合について具体的に述べる。本実施例における乳房検査では、一般に用いられるX線マンモグラフィーと同様の乳房圧迫を行うものとする。つまり乳房においては平均的な乳房圧迫厚さである深さ4cmまでの光音響信号を取得することができれば良い。
実施形態1においてはレーザー光を片側からのみ照射したが、本実施形態ではレーザー光をプレート4の両側から照射した場合の補正方法について述べる。図5に本実施形態を説明するための光音響装置の一例を示す。レーザーパルスの照射、光量データ及び光音響信号の取得は実施形態1と同様である。実施形態1と異なる点はレーザー光をレーザー2a,2bの両側から照射し、レーザー2a,2bの出力を2つのホトセンサ8a,8bにて検出する点である。検出された光量は光量メモリ9a,9bに蓄えられ、補正量決定部10a、10bに転送される。そして実施形態1と同様の方法を用いて2つの補正係数が算出され、信号補正部11に補正係数が転送される。
P(r)=Γμa(r)Φ0A・exp(−μeff・r) ・・・式(3)
であるが、もう一方の側から照射された光による音圧は次の式で表される。
P(r)=Γμa(r)Φ0B・exp(−μeff・(D−r)) ・・・式(4)
C(r)=1/(Φ0A・(exp(−μeff・r)+Φ0Bexp(−μeff・(D−r)))) ・・・式(5)
実施形態1,2においては被検体表面には場所に依存せず一定の光量Φ0が照射されているとして光音響信号の強度を補正したが、実施形態3ではレーザー照射面(被検体表面)において初期光量に強度分布がある場合の補正方法について述べる。
P(r)=Γμa(d)Φ0(x、y、r、t)・exp(−μeff・r) ・・・式(6)
であり、光量Φ0(x、y、r、t)は空間(x、y、r)分布と時間t毎に発振される各パルスの関数である。この光量Φ0がシミュレーションによって算出され、各係数を乗算した後、逆数を取ることによって三次元空間内の各場所における補正係数が計算される。
実施形態1〜3においてはトランスデューサ5及びレーザー2aは固定された状態で光音響信号の取得を行ったが、本実施形態ではこれらをプレートに沿って走査しながら光音響信号を取得する場合について述べる。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
2a,2b レーザー
3 被検体
4a、4b プレート
5 検出器
6 受信アンプ
7 アナログ−デジタルコンバータ
8a,8b ホトセンサ
9a,9b 光量メモリ
10 補正量演算部
11 信号補正部
12 画像再構成処理部
15 信号処理部
16 光減衰補正部
Claims (10)
- 被検体にパルス光を照射するための光源と、
前記パルス光の照射により前記被検体内で発生する音響波を検出する検出器と、
前記光源の出力光量を測定する光量測定器と、
前記検出器から取得された検出信号を処理して、前記被検体内部の情報を取得するための信号処理部と、を有し、
該信号処理部が、前記光量測定器により測定された出力光量の経時変化に基づいて、前記検出信号の強度変動を抑制するように、前記検出信号の強度を補正する信号補正部を備えていることを特徴とする光音響装置。 - 前記光量測定器により測定された出力光量の経時変化に基づいて、前記検出信号に対する補正量を決定する補正量決定部を有し、
前記信号補正部が、前記補正量決定部により決定された補正量によって前記検出信号の強度を補正することを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。 - 前記光量測定器により測定された出力光量を記憶するメモリを有し、
前記補正量決定部が、前記メモリに記憶された出力光量の経時変化に関するデータを読み出すことを特徴とする請求項2に記載の光音響装置。 - 前記信号処理部が、前記検出器から取得されるアナログ信号である検出信号をデジタル信号に変換するA/D変換器を有し、
前記信号補正部が、前記デジタル信号に対して前記補正を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の光音響装置。 - 前記信号処理部が、前記検出信号を処理して前記被検体内部の情報を取得し、画像再構成を行う画像再構成処理部を有し、
前記信号補正部が、前記画像再構成後のデジタルデータに対して前記補正を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の光音響装置。 - 前記信号処理部が、前記被検体内部の光の減衰係数とに基づいて、それぞれの前記検出信号の補正量を決定することを特徴とする請求項2ないし5のいずれかに記載の光音響装置。
- 前記補正量決定部が、前記被検体表面での照射光量分布をも考慮して、それぞれの前記検出信号の補正量を決定することを特徴とする請求項6に記載の光音響装置。
- 前記光源を複数有し、
ぞれぞれの前記光源の出力光量を測定する複数の前記光量測定器を有し、
前記補正量決定部が、複数の前記光量測定器により測定された出力光量の経時変化に基づいて、前記検出信号に対する補正量を決定することを特徴とする請求項6また7に記載の光音響装置。 - 前記被検体を両側から圧迫固定するプレートと、
前記光源からの入射部位、前記検出器、および前記光量測定器を前記プレートに沿って走査する可動機構と、を有する請求項1ないし8のいずれかに記載の光音響装置。 - コンピュータに、
被検体へのパルス光の照射により前記被検体内で発生する音響波の検出信号を取得するステップと、
前記パルス光の出力光量の経時変化に基づいて、前記検出信号の強度変動を抑制するように、前記検出信号の強度を補正するステップと、
補正された前記検出信号から、前記被検体内部の情報を取得するステップと、
を実行させることを特徴とするプログラム。
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