JP2019042002A - Photoacoustic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光音響装置に関する。 The present invention relates to a photoacoustic apparatus.
近年、光を利用したイメージング技術として、光音響効果を利用して被検体の内部を画像化する光音響装置が研究・開発されている。光音響装置は、被検体に照射された光のエネルギーを吸収した光吸収体から光音響効果により発生する超音波(光音響波)に基づいて、被検体に関する情報を取得する装置である。 In recent years, as an imaging technology using light, a photoacoustic apparatus for imaging the inside of a subject using a photoacoustic effect has been researched and developed. A photoacoustic apparatus is an apparatus which acquires the information regarding a subject based on the ultrasonic wave (photoacoustic wave) generated by the photoacoustic effect from the light absorber which absorbed the energy of the light irradiated to the subject.
特許文献1には、音響波を検出する検出部の周波数帯域に適合するように、光源部から照射される光パルス波形の立ち上がりの傾きと立ち下がりの傾きとの比を設定する光音響画像化装置ことを開示している。
In
特許文献1の方法では、検出周波数を変えるためのパラメータは傾きの比のみであり、検出周波数の広帯域化には限界があった。
In the method of
本発明に係る光音響装置は、パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記被検体にパルス光が照射されることによって生じる音響波を受信して電気信号に変換する受信部と、前記被検体にパルス光が複数回照射されるように前記光照射部を制御する制御部と、前記被検体にパルス光が複数回照射されることにより生じる音響波から変換された複数の前記電気信号に基づいて、前記被検体に関する情報を取得する取得部と、を有する光音響装置であって、
前記制御部は、複数回照射される前記パルス光のうち、少なくとも一部が互いに異なるパルス波形となるように、前記光照射部を制御することを特徴とする。
A photoacoustic apparatus according to the present invention comprises: a light irradiation unit that irradiates a subject with pulsed light; and a reception unit that receives an acoustic wave generated by irradiating the subject with pulsed light and converts the acoustic wave into an electrical signal. A control unit configured to control the light emitting unit such that the subject is irradiated with the pulsed light multiple times; and a plurality of the electric waves converted from acoustic waves generated by applying the pulsed light multiple times to the subject An acquisition unit configured to acquire information on the subject based on a signal;
The control unit controls the light emitting unit such that at least a part of the pulsed light irradiated a plurality of times has different pulse waveforms.
本発明に係る光音響装置によれば、被検体に、少なくとも一部のパルス波形が異なるパルス光を複数回にわたって照射することで、検出される音響波の周波数帯域を広くすることができる。その結果、被検体に分布する光吸収体のうち、低周波数に対応するサイズの大きい物質から、高周波数に対応するサイズの小さい物質の情報まで取得することができる。また、パルス波形の種類を増やすことで、検出される音響波の周波数帯域をさらに広くすることができる。 According to the photoacoustic apparatus according to the present invention, the frequency band of the acoustic wave to be detected can be broadened by irradiating the object with pulse light different in at least part of the pulse waveform multiple times. As a result, it is possible to acquire information on a substance having a size corresponding to a low frequency among substances having a size corresponding to a low frequency among light absorbers distributed in a subject. In addition, by increasing the types of pulse waveforms, the frequency band of the detected acoustic wave can be further broadened.
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施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る。よって、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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes and relative positions of the components described below should be suitably changed according to the configuration of the apparatus to which the invention is applied and various conditions. Therefore, the scope of the present invention is not intended to be limited to the following description.
本実施形態は、被検体から伝搬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。よって本実施形態は、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も捉えることができる。本実施形態はまた、被検体内部の特性情報を示す画像を生成し表示する表示方法として捉えられる。本実施形態はまた、これらの方法をCPUやメモリ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、コンピュータにより読み取り可能な非一時的な記憶媒体としても捉えられる。 The present embodiment relates to a technique for detecting an acoustic wave propagating from a subject, generating characteristic information inside the subject, and acquiring the characteristic information. Therefore, the present embodiment can be understood as an object information acquisition apparatus or a control method thereof, or an object information acquisition method or a signal processing method. The present embodiment can also be grasped as a display method for generating and displaying an image indicating characteristic information inside the subject. The present embodiment can also be regarded as a program that causes an information processing apparatus having hardware resources such as a CPU and a memory to execute these methods, and a non-transitory computer-readable storage medium storing the program. .
本実施形態に係る被検体情報取得装置は、被検体に対し、複数回にわたって光(電磁波)を照射し、照射毎に被検体内で発生した音響波を受信する。そして、受信した光音響信号に基づいて被検体の特性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光音響イメージング装置を含む。この場合、特性情報とは、受信された光音響波に由来する信号を用いて生成される、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値の情報である。 The subject information acquiring apparatus according to the present embodiment irradiates light (electromagnetic wave) a plurality of times to the subject, and receives an acoustic wave generated in the subject for each irradiation. And the photoacoustic imaging apparatus using the photoacoustic effect which acquires the characteristic information of a test object as image data based on the received photoacoustic signal is included. In this case, the characteristic information is information of characteristic values corresponding to each of a plurality of positions in the subject, generated using a signal derived from the received photoacoustic wave.
本実施形態に係る光音響画像データは、光照射により発生した光音響波に由来するあらゆる画像データを含む概念である。例えば、光音響画像データは、光音響波の発生音圧(初期音圧)、吸収エネルギー密度、及び吸収係数、被検体を構成する物質の濃度(酸素飽和度など)などの少なくとも1つの被検体情報の空間分布を表す画像データである。なお、互いに異なる複数の波長の光照射により発生する光音響波に由来する信号(光音響信号)に基づきき、被検体を構成する物質の濃度などの、分光情報を示す光音響画像データが得られる。分光情報を示す光音響画像データは、酸素飽和度、酸素飽和度に吸収係数等の強度を重み付けした値、トータルヘモグロビン濃度、オキシヘモグロビン濃度、またはデオキシヘモグロビン濃度であってもよい。また、分光情報を示す光音響画像データは、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、または脂肪や水の体積分率であってもよい。 The photoacoustic image data according to the present embodiment is a concept including all image data derived from the photoacoustic wave generated by light irradiation. For example, the photoacoustic image data includes at least one object such as a generated sound pressure of a photoacoustic wave (initial sound pressure), an absorbed energy density, an absorption coefficient, and a concentration of a substance constituting the object (such as oxygen saturation). Image data representing the spatial distribution of information. It should be noted that photoacoustic image data showing spectral information such as the concentration of a substance constituting an object is obtained based on signals (photoacoustic signals) derived from photoacoustic waves generated by light irradiation of a plurality of different wavelengths. Be The photoacoustic image data indicating spectral information may be oxygen saturation, a value obtained by weighting the oxygen saturation with an intensity such as an absorption coefficient, total hemoglobin concentration, oxyhemoglobin concentration, or deoxyhemoglobin concentration. Further, photoacoustic image data indicating spectral information may be glucose concentration, collagen concentration, melanin concentration, or a volume fraction of fat or water.
被検体内の各位置の特性情報に基づいて、二次元または三次元の特性情報分布が得られる。分布データは画像データとして生成され得る。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、初期音圧分布、エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報である。 A two-dimensional or three-dimensional characteristic information distribution is obtained based on the characteristic information of each position in the subject. Distribution data may be generated as image data. The characteristic information may be obtained not as numerical data but as distribution information of each position in the subject. That is, distribution information such as initial sound pressure distribution, energy absorption density distribution, absorption coefficient distribution, and oxygen saturation distribution.
本実施形態でいう音響波とは、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。トランスデューサ等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ぶ。ただし、本明細書における超音波または音響波という記載は、それらの弾性波の波長を限定する意図ではない。光音響効果により発生した音響波は、光音響波または光超音波と呼ばれる。光音響波に由来する電気信号を光音響信号とも呼ぶ。分布データは、光音響画像データや再構成画像データとも呼ばれる。 The acoustic wave referred to in the present embodiment is typically an ultrasonic wave, and includes an acoustic wave and an elastic wave called an acoustic wave. An electrical signal converted from an acoustic wave by a transducer or the like is also referred to as an acoustic signal. However, the description of ultrasonic wave or acoustic wave in the present specification is not intended to limit the wavelength of the elastic wave. The acoustic wave generated by the photoacoustic effect is called photoacoustic wave or photoacoustic wave. An electrical signal derived from a photoacoustic wave is also referred to as a photoacoustic signal. The distribution data is also called photoacoustic image data or reconstructed image data.
以下の実施形態では、被検体情報取得装置として、被検体に複数回にわたったパルス光を照射し、被検体からの光音響波を受信し、被検体内の情報(例えば、血管画像(構造画像))を取得する光音響装置を取り上げる。以下の実施形態ではまた、ハンドヘルド型プローブを有する光音響装置を取り上げているが、本発明は、ステージにプローブを設けて機械的にスキャンする光音響装置にも適用できる。さらに、以下の実施形態では、ハンドヘルド型プローブ内部に複数の半導体の発光素子を実装し、光音響装置本体と配線により接続された装置について説明する。但し、本実施形態はハンドヘルド型プローブに電池等の電源を有し、ハンドヘルド型プローブの光音響信号を光音響装置の本体に無線により送信する光音響装置にも適用できる。このように本発明の機能をハンドヘルド型プローブが有する場合は、本発明の光音響装置は、ハンドヘルド型プローブ自体を意味すると言える。 In the following embodiment, as an object information acquisition apparatus, the object is irradiated with pulsed light for a plurality of times, and photoacoustic waves from the object are received, and information in the object (for example, a blood vessel image (structure Take up the photoacoustic device to get the image)). Although the following embodiments also deal with an optoacoustic apparatus having a hand-held probe, the present invention can also be applied to an optoacoustic apparatus in which a stage is provided with a probe and mechanically scanned. Furthermore, in the following embodiments, a device in which a plurality of semiconductor light emitting elements are mounted inside a hand-held type probe and connected to a photoacoustic apparatus main body by wiring will be described. However, the present embodiment can also be applied to a photoacoustic apparatus that has a power supply such as a battery in a hand-held type probe and wirelessly transmits the photoacoustic signal of the hand-held type probe to the main body of the photoacoustic apparatus. Thus, when the hand-held probe has the function of the present invention, the photoacoustic apparatus of the present invention can be said to mean the hand-held probe itself.
<第1の実施形態>
まず、本実施形態の基本的な考え方を以下に説明する。
First Embodiment
First, the basic concept of the present embodiment will be described below.
図1は本実施形態の基本的な考え方をわかりやすく説明するための光パルス波形と光音響波(光音響信号)の関係を示すグラフである。図1(a)(c)は光パルス波形を示したグラフであり、縦軸が光強度、横軸が時間である。図1(b)(d)はそれぞれ、図1(a)(c)に示した光パルス波形で被検体を照射した場合に、得られる光音響波の周波数特性(周波数スペクトル)をシュミレーションしたグラフであり、縦軸が光音響波の強度、横軸が周波数ある。図1(a)に示した様に、パルス幅が短い(100nsec)光パルスを照射した場合には、図1(b)に示した様に、光音響波の周波数スペクトルのピーク値が約7.5MHzとなる。一方、図1(c)に示した様に、パルス幅が長い(200nsec)光パルスを照射した場合には、図1(d)に示した様に、光音響波の周波数スペクトルのピーク値が約3.75MHzとなる。 FIG. 1 is a graph showing the relationship between an optical pulse waveform and a photoacoustic wave (photoacoustic signal) for explaining the basic concept of the present embodiment in an easily understandable manner. FIGS. 1 (a) and 1 (c) are graphs showing light pulse waveforms, in which the vertical axis is light intensity and the horizontal axis is time. 1 (b) and 1 (d) are graphs respectively simulating the frequency characteristics (frequency spectrum) of the photoacoustic wave obtained when the object is irradiated with the light pulse waveform shown in FIGS. 1 (a) and 1 (c). The vertical axis represents the intensity of the photoacoustic wave, and the horizontal axis represents the frequency. As shown in FIG. 1 (a), when the light pulse having a short pulse width (100 nsec) is irradiated, as shown in FIG. 1 (b), the peak value of the photoacoustic wave frequency spectrum is about 7 It will be .5 MHz. On the other hand, as shown in FIG. 1 (c), when the light pulse having a long pulse width (200 nsec) is irradiated, as shown in FIG. 1 (d), the peak value of the photoacoustic wave frequency spectrum is It will be about 3.75 MHz.
第1の実施形態ではこの様な、光パルス波形が異なる光パルスを被検体に複数回照射し照射毎に得られた光音響信号から、光音響信号に基づく情報を得る。例えば、複数回の発光を12回とし、そのうち6回を図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し、残りの6回を図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射する。そして、照射毎に得られた光音響信号を加算平均する。その結果、図1(b)に示した光音響波の周波数スペクトルと、図1(d)に示した光音響波の周波数スペクトルを加算平均した光音響波の周波数スペクトルとなる光音響信号を得ることができる。 In the first embodiment, such light pulses having different light pulse waveforms are irradiated to the subject a plurality of times, and information based on the photoacoustic signal is obtained from the photoacoustic signal obtained for each irradiation. For example, the light emission of a plurality of times is 12 times, of which 6 times are irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1A, and the remaining 6 times are light shown in FIG. A subject is illuminated with light pulses of a pulse waveform. Then, the photoacoustic signals obtained for each irradiation are averaged. As a result, the photoacoustic signal which becomes the frequency spectrum of the photoacoustic wave which averaged the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG.1 (b) and the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG.1 (d) is obtained. be able to.
また、別の方法として、発光回数を制御することにより、光音響波の周波数スペクトルを容易に変更することもできる。例えば、複数回の発光を12回とし、そのうち4回を図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し、残りの8回を図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射する。そして、照射毎に得られた光音響信号を加算平均する。その結果、図1(b)に示した光音響波の周波数スペクトルと、図1(d)に示した光音響波の周波数スペクトルを、1:2の重みをつけ加算平均した光音響波の周波数スペクトルとなる合成された光音響信号を得ることができる。この場合、図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射する回数が多くなるので、各々の発光回数が同じ場合に比べ、合成された光音響信号の周波数特性の高域成分を相対的に大きくすることができる。 As another method, the frequency spectrum of the photoacoustic wave can be easily changed by controlling the number of times of light emission. For example, multiple times of light emission is 12 times, and 4 times of them are irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1A, and the remaining 8 times are light shown in FIG. 1C. A subject is illuminated with light pulses of a pulse waveform. Then, the photoacoustic signals obtained for each irradiation are averaged. As a result, the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. 1B and the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. It is possible to obtain a synthesized photoacoustic signal that is a spectrum. In this case, since the number of times the object is irradiated with the light pulse having the light pulse waveform shown in FIG. 1C increases, the frequency characteristic of the combined photoacoustic signal is high compared to the case where the number of times of light emission is the same. The range component can be made relatively large.
また、別の方法として、光強度を制御することにより、光音響波の周波数スペクトルを容易に変更することもできる。例えば、複数回の発光を12回とし、そのうち6回を図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し、残りの6回を図1(c)に示した光パルス波形の2倍の光強度の光パルスで被検体を照射する。そして、照射毎に得られた光音響信号を加算平均する。その結果、図1(b)に示した光音響波の周波数スペクトルと、図1(d)に示した光音響波の周波数スペクトルを、1:2の重みをつけ平均した光音響波の周波数スペクトルとなる合成された光音響信号を得ることができる。この場合、図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射する光強度が大きくなるので、各々の光強度が同じ場合に比べ、合成された光音響信号の周波数特性の高域成分を相対的に大きくすることができる。また、光強度を制御する他の方法として、光照射部が光源部を有し、光源部が複数の半導体の発光素子を含み構成されている場合、パルス光を発光する半導体の発光素子の数を増減することで制御をしてもよい。 As another method, it is possible to easily change the frequency spectrum of the photoacoustic wave by controlling the light intensity. For example, the light emission of a plurality of times is 12 times, of which 6 times are irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1A, and the remaining 6 times are light shown in FIG. The subject is illuminated with a light pulse having a light intensity twice that of the pulse waveform. Then, the photoacoustic signals obtained for each irradiation are averaged. As a result, the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by averaging the frequency spectrum of the photoacoustic wave illustrated in FIG. 1B and the frequency spectrum of the photoacoustic wave illustrated in FIG. The combined photoacoustic signal can be obtained. In this case, since the light intensity for irradiating the object with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1C is increased, the frequency characteristics of the combined photoacoustic signal are compared with the case where the respective light intensities are the same. The high frequency component can be made relatively large. In addition, as another method of controlling the light intensity, when the light irradiation unit has a light source unit and the light source unit includes a plurality of semiconductor light emitting elements, the number of semiconductor light emitting elements that emit pulsed light Control may be performed by increasing or decreasing the
また、別の方法として、発光毎に受信した光音響信号を増幅する増幅器の増幅度を制御することにより、光音響波の周波数スペクトルを容易に変更することもできる。例えば、複数回の発光を12回とし、そのうち、6回を図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し、残りの6回を図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射する。そして、図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し得られた光音響信号を例えば2倍の増幅度で増幅し、図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し得られた光音響信号を例えば1倍の増幅度で増幅する。このような増幅は、アナログ増幅器の増幅度を変更し実現してもよいし、光音響信号をデジタル化した後に、CPU等でデジタル演算を行って実現してもよい。そして、照射毎に得られ、増幅された光音響信号を加算平均する。その結果、図1(b)に示した光音響波の周波数スペクトルと、図1(d)に示した光音響波の周波数スペクトルを2:1の重みをつけ平均した光音響波の周波数スペクトルとなる合成された光音響信号を得ることができる。この場合、図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し得られた光音響信号が大きくなるので、増幅度を変えない場合に比べ、合成された光音響信号の周波数特性の低域成分を相対的に大きくすることができる。 As another method, the frequency spectrum of the photoacoustic wave can be easily changed by controlling the amplification degree of the amplifier that amplifies the received photoacoustic signal for each light emission. For example, the light emission of a plurality of times was 12 times, 6 times of which were irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1A, and the remaining 6 times were shown in FIG. 1C. The subject is illuminated with a light pulse of light pulse waveform. Then, the photoacoustic signal obtained by irradiating the object with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1 (a) is amplified by, for example, a double amplification factor, and the light pulse waveform shown in FIG. 1 (c) The photoacoustic signal obtained by irradiating the object with the light pulse of (1) is amplified by, for example, an amplification factor of 1. Such amplification may be realized by changing the amplification degree of the analog amplifier or may be realized by performing digital operation with a CPU or the like after digitizing the photoacoustic signal. Then, the photoacoustic signals obtained and amplified for each irradiation are added and averaged. As a result, the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. 1 (b) and the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by averaging the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. 1 (d) with a weight of 2: 1 The combined photoacoustic signal can be obtained. In this case, since the photoacoustic signal obtained by irradiating the object with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1A becomes large, compared with the case where the amplification degree is not changed, The low frequency component of the frequency characteristic can be made relatively large.
また、別の方法として、光パルス波形を3種類以上とすることもできる。例えば、第3の光パルスの波形を図1(e)に示す。図1(e)に示した光パルス波形で被検体を照射した場合に得られる、光音響波の周波数スペクトルをシュミレーションしたグラフを図1(f)に示す。図1(e)のグラフの縦軸が光強度、横軸が時間である。図1(f)のグラフの縦軸が光音響波の強度、横軸が周波数ある。図1(e)に示した様に、パルス幅300nsecの光パルスを照射した場合には、図1(f)に示した様に、光音響波の周波数スペクトルのピーク値が約2.5MHzとなる。複数回の発光を12回とし、そのうち4回を図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射する。さらに4回を図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射し、残りの4回を図1(e)に示した光パルス波形の光パルスで被検体を照射する。そして、照射毎に得られた光音響信号を加算平均する。その結果、図1(b)に示した光音響波の周波数スペクトルと、図1(d)に示した光音響波の周波数スペクトルと、図1(f)に示した光音響波の周波数スペクトルの平均した光音響波の周波数スペクトルとなる合成された光音響信号を得ることができる。以上説明した様に、3種類以上の光パルス波形の照射を行い、その結果、合成された光音響信号の周波数特性をより高帯域にすることが可能となる。 As another method, three or more types of light pulse waveforms can be used. For example, the waveform of the third light pulse is shown in FIG. The graph which simulated the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained when a test object is irradiated with the light pulse waveform shown in FIG.1 (e) is shown in FIG.1 (f). The vertical axis of the graph of FIG. 1 (e) is light intensity, and the horizontal axis is time. The vertical axis of the graph in FIG. 1 (f) is the intensity of the photoacoustic wave, and the horizontal axis is the frequency. As shown in FIG. 1 (e), when an optical pulse with a pulse width of 300 nsec is irradiated, the peak value of the photoacoustic wave frequency spectrum is about 2.5 MHz as shown in FIG. 1 (f). Become. The object is irradiated with light pulses of the light pulse waveform shown in FIG. 1A with light emission of a plurality of times being 12 times. Furthermore, the subject is irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1 (c) four times, and the object is irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1 (e) for the remaining four times. . Then, the photoacoustic signals obtained for each irradiation are averaged. As a result, the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. 1 (b), the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. 1 (d), and the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. 1 (f) A combined photoacoustic signal can be obtained which results in the frequency spectrum of the averaged photoacoustic wave. As described above, irradiation of three or more types of light pulse waveforms is performed, and as a result, it is possible to make the frequency characteristic of the combined photoacoustic signal a higher band.
また、前述の説明同様に、3種類以上の光パルス波形の発光回数や光強度を制御したり、発光毎に受信した光音響信号を増幅する増幅度を制御することにより、さらに細かく、合成された光音響信号の周波数特性の制御を行うことが可能となる。 Further, as in the above description, the number of light emission times and the light intensity of three or more types of light pulse waveforms are controlled, or the amplification degree for amplifying the photoacoustic signal received for each light emission is controlled, thereby being synthesized more finely. It is possible to control the frequency characteristics of the photoacoustic signal.
本発明の実施形態において、前述したように、2種類以上の光パルス波形を有する光パルスにより得られる光音響波の周波数スペクトルのピーク値の周波数が各々異なるように、光パルス波形の形状を設定する。そのような構成とすることで、光音響信号の周波数特性をより容易に調整できるため好適である。光音響波の周波数スペクトルのピーク値の周波数を異なるようにするためには、光パルス波形が三角波の場合、パルス幅が異なるようにするとよい。具体的には、光パルス波形を、100nsecから1000nsecのパルス幅から選択するとよい。例えば、100nsecのパルス幅と200nsecのパルス幅の三角波を用いてもよいし、100nsecと300nsecのパルス幅の三角波を用いてもよい。また上記3つの三角波を用いてもよい。 In the embodiment of the present invention, as described above, the shape of the light pulse waveform is set such that the frequency of the peak value of the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by the light pulse having two or more types of light pulse waveforms is different. Do. Such a configuration is preferable because the frequency characteristics of the photoacoustic signal can be adjusted more easily. In order to make the frequency of the peak value of the frequency spectrum of the photoacoustic wave different, when the light pulse waveform is a triangular wave, it is preferable to make the pulse width different. Specifically, the light pulse waveform may be selected from pulse widths of 100 nsec to 1000 nsec. For example, a triangular wave having a pulse width of 100 nsec and a pulse width of 200 nsec may be used, or a triangular wave having a pulse width of 100 nsec and 300 nsec may be used. Also, the three triangular waves may be used.
また、図1(g)に示した様な、立ち上がり時間100nsec、立ち下がり時間50nsecの非対称な光パルス波形の光パルスを用いてもよい。この場合、図1(h)に示した様な光音響波の周波数スペクトルとなる。このような特性であることを考慮すれば、本発明に適応できることは言うまでもない。本発明で適応できる光パルス波形は、どのような形状であってもよい。 Alternatively, as shown in FIG. 1G, an optical pulse having an asymmetric light pulse waveform with a rise time of 100 nsec and a fall time of 50 nsec may be used. In this case, the frequency spectrum of the photoacoustic wave as shown in FIG. 1 (h) is obtained. It goes without saying that the present invention can be applied in consideration of such characteristics. The light pulse waveform that can be applied in the present invention may have any shape.
以上、合成された光音響信号の周波数特性の制御が可能であることを説明した。本発明により、例えば、特許文献1に開示されているように、受信部の周波数帯域に、合成された光音響信号の周波数特性を適合するように、発光回数や光強度や増幅度等を制御してもよい。プローブが交換できる光音響装置の場合は、プローブの周波数特性と合成された光音響信号の周波数特性が合うように、発光回数や光強度や増幅度等の制御を行うと好適である。また、注目すべき被検体の領域の血管の太さにより決まる光音響波の周波数スペクトルの強度が大きくなるように、発光回数や光強度や増幅度等を決定してもよい。また、ユーザーの指示により、光音響信号の周波数特性の制御が行えるように、発光回数や光強度や増幅度等を制御してもよい。例えば、ユーザーが細かな血管を注視したい場合は、光音響信号の周波数特性の高域を持ちあげるように、短い光パルス幅の光パルスの発光回数を多くする等の設定をおこなうとよい。ユーザーが太い血管を注視したい場合は、光音響信号の周波数特性の低域を持ちあげるように、長い光パルス幅の光パルスの発光回数を多くする等の設定等おこなうとよい。さらに、注目すべき被検体の領域が被検体の深部にある場合、光音響波の高い周波数の減衰が大きくなるので、光音響信号の周波数特性の高域を持ちあげるように、コンピュータが自動で光パルス波形の形状や発光回数等を設定する構成としてもよい。また、ハンドヘルド型プローブに圧力センサ等を設け、プローブの被検体への押しつけ力を測定し、押しつけ力の大きさによって、コンピュータが光音響信号の周波数特性を変更してもよい。例えば、ユーザーが細部の観察を行う場合、無意識に強くプローブを押しつけることがある。押しつける力が大きい場合は、光音響波の周波数スペクトルの高域を持ちあげるために、短い光パルス幅の光パルスの発光回数を多くしたり光強度を大きくしたり増幅度を上げたりとよい。
In the above, it has been described that control of the frequency characteristic of the combined photoacoustic signal is possible. According to the present invention, for example, as disclosed in
前述した例では、光パルス波形が異なる光パルスを被検体に複数回照射し照射毎に得られた光音響信号を加算平均して、光音響波の周波数スペクトルの平均した特性となる合成された光音響信号を得た。本発明で用いることのできる合成方法として、以下の方法も有効である。例えば、照射した光パルス波形により得られる光音響波の周波数スペクトルの光強度に比例した重みづけを取得した光音響信号に対して行い、加算平均してもよい。このようにすると光強度の大きなS/Nのよい成分により重みを付けた平均となるため、S/N比を良好にできる。また、光パルス波形に応じた光音響波の周波数スペクトルの光強度が大きい部分を選択して合成してもよい。具体的には、2種類以上の異なる光パルス波形に応じた光音響波の周波数スペクトルにより、光音響信号の合成する帯域を決定し、合成してもよい。例えば、図1(a)と図1(c)の光パルス波形を用いる場合は、5MHz以下の周波数については図1(a)の光パルスの波形の照射により得られた光音響信号を加算平均した信号を用いる。そして、5MHz以上の周波数については図1(c)の光パルスの波形の照射により得られた光音響信号を加算平均した信号を用いるとよい。もちろん、切り換える周波数における、つながりが不自然にならない様に、単なる切り換えでは無く、重みを付けた合成処理を行うとよい。 In the example described above, the light pulse having different light pulse waveforms is irradiated to the subject a plurality of times, and the photoacoustic signals obtained for each irradiation are added and averaged to obtain an averaged characteristic of the frequency spectrum of the photoacoustic wave. The photoacoustic signal was obtained. The following methods are also effective as synthesis methods that can be used in the present invention. For example, weighting may be performed on the acquired photoacoustic signal in proportion to the light intensity of the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by the irradiated light pulse waveform, and averaging may be performed. In this way, since the average is obtained by weighting with a good S / N component having a large light intensity, the S / N ratio can be made good. In addition, a portion where the light intensity of the frequency spectrum of the photoacoustic wave according to the light pulse waveform is large may be selected and synthesized. Specifically, the frequency band of the photoacoustic wave according to two or more types of different light pulse waveforms may be determined and the band in which the photoacoustic signal is synthesized may be synthesized. For example, when using the light pulse waveforms of FIG. 1 (a) and FIG. 1 (c), the photoacoustic signal obtained by irradiating the light pulse waveform of FIG. 1 (a) is averaged for frequencies of 5 MHz or less. Use the signal that And about the frequency of 5 MHz or more, it is good to use the signal which added and averaged the photoacoustic signal obtained by irradiation of the waveform of the optical pulse of FIG.1 (c). Of course, in order to prevent the connection from becoming unnatural at the switching frequency, weighted combining processing may be performed rather than just switching.
また、光パルス波形に応じた光音響波の周波数スペクトルをフラットにするような特性を持つフィルタを用い、2種類以上の異なる光パルス波形の発光により得られた光音響波の周波数スペクトルを各々フラットにした後、加算平均してもよい。この場合、S/N比は向上しないが、得られた合成された光音響信号の周波数特性がフラットとなる利点がある。 In addition, a filter having a characteristic to flatten the frequency spectrum of the photoacoustic wave according to the light pulse waveform is used to flatten the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by emission of two or more different light pulse waveforms. After averaging, it may be averaged. In this case, although the S / N ratio is not improved, there is an advantage that the frequency characteristic of the obtained combined photoacoustic signal becomes flat.
以上説明した様に、光照射部から照射される複数回のパルス光の発光により生じる光音響信号に基づく情報を取得する光音響装置において、光照射部から照射される複数回の発光の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形で発光させる。そして、そのような発光をするように光照射部に含まれる半導体の発光素子を駆動することによって、書所定(所望)の光音響信号の周波数特性に基づく情報を得ることができる。以下の説明では、2種類の光パルス波形により得られた光音響信号を加算平均した実施形態を示すが、言うまでもなく、3種類以上のパルス波形を被検体に照射することにより得られた光音響信号を上述した処理をおこない構成にも適用できる。 As described above, in the photoacoustic apparatus that acquires information based on photoacoustic signals generated by light emission of multiple times of pulsed light emitted from the light emitting unit, among the multiple light emissions emitted from the light emitting unit, Light is emitted with at least two or more types of light pulse waveforms. Then, by driving the semiconductor light emitting element included in the light irradiation unit so as to emit light as described above, it is possible to obtain information based on the frequency characteristics of the written (desired) photoacoustic signal. Although the following description shows an embodiment in which photoacoustic signals obtained by two types of light pulse waveforms are added and averaged, it goes without saying that photoacoustic signals obtained by irradiating an object with three or more types of pulse waveforms. The above-described processing of signals can be applied to the configuration.
(光音響装置の構成)
図2に、本実施形態に係る光音響装置1のブロック図を示す。以下、図2のブロック図を用いて、本実施形態に係る光音響装置1は、光源から発生するパルス光を被検体100に照射する光照射部200と、被検体100にパルス光が照射されることによって生じる音響波を受信して電気信号に変換する受信部120を有する。さらに、被検体100にパルス光が複数回照射されるように光照射部200を制御する制御部153を有する。また、被検体100にパルス光が複数回照射されることにより生じる音響波から変換された複数の電気信号に基づいて、被検体100に関する情報を取得する取得部151を有する。そして、制御部153は、複数回照射されるパルス光のうち、少なくとも一部が互いに異なるパルス波形となるように、光照射部200を制御することを特徴とする。前述のように、被検体に照射されるパルス光のパルス波形が異なることで、検出される音響波の周波数が変わる。そのため、被検体に照射するパルス光のパルス波形の種類を増やすことで、検出される音響波の周波数帯域を広くできる。その結果、被検体に分布する光吸収体のうち、低周波数の音響波に対応するサイズの大きい物質から、高周波数の音響波に対応するサイズの小さい物質の情報まで取得することができる。
(Configuration of photoacoustic apparatus)
FIG. 2 shows a block diagram of the
なお、本実施形態において、パルス波形が異なるとは、典型的にはパルス幅が異なる場合であるが、それに限られない。 In the present embodiment, the pulse waveforms being different are typically cases where the pulse widths are different, but it is not limited thereto.
また、本実施形態において、制御部は、互いに異なるパルス波形を有するパルス光の発光回数が、互いに異なるように光照射部を制御することや、互いに異なるパルス波形を有するパルス光の光強度が、互いに異なるように光照射部を制御することができる。このような構成によって、前述のように、特定の周波数の音響波を大きく発生させる場合は、当該周波数を発生させるためのパルス波形を有するパルス光の発光回数を増やしたり、パルス光の光強度を強くすることができる。 Further, in the present embodiment, the control unit controls the light emitting unit so that the number of times of emission of pulse light having different pulse waveforms differs from each other, and the light intensity of pulse light having pulse waveforms different from each other is The light emitters can be controlled to be different from one another. With such a configuration, as described above, when a large acoustic wave of a specific frequency is generated, the number of times of emission of pulse light having a pulse waveform for generating the frequency is increased, or the light intensity of pulse light is increased. It can be strong.
本実施形態に係る光音響装置は、プローブ180、信号収集部140、コンピュータ150、表示部160、入力部170を有する。プローブ180には、光照射部200、駆動部210と受信部120が含まれる。コンピュータ150には、取得部151、記憶部152、制御部153が含まれる。なお、プローブ180を除くケーブルで接続された部分を光音響装置本体と記すこともできる。
The photoacoustic apparatus according to the present embodiment includes a
本実施形態において光照射部200はパルス光を発生させる光源部を含み構成されている。また、光源部は複数の半導体の発光素子(半導体発光素子)を含み構成されている。光音響信号のS/N比を向上するため光強度を上げる必要があり、半導体発光素子の数は複数であることが望ましいが、本発明の効果を実現するためには、半導体発光素子の数は1つの構成であってもよい。駆動部210は光照射部200の複数の半導体発光素子の発光を、前述した光パルス波形となるように駆動する。駆動部210は光源200の光パルス波形を発光毎に制御して発光する。光パルス波形は、前述したように、決定するとよい。
In the present embodiment, the
駆動部210は光源200の半導体発光素子を少なくとも2種類以上の光パルス波形で複数回、発光させる。そして、光源200は2種類以上の光パルス波形で被検体100を照射する。受信部120は、各々の発光における被検体100から発生した光音響波を受信して、アナログ信号である電気信号(光音響信号)を出力する。信号収集部140は、各々の発光における受信部120から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ150に出力する。
The
コンピュータ150は、取得部151、記憶部152、制御部153を用いて、各々の発光における信号収集部140から出力されたデジタル信号の合成を行い、光音響波に由来する電気信号(合成された光音響信号)として記憶部152に記憶する。ここで、合成とは、単純な加算平均に限らず、前述した処理を含む。以下では主に加算平均を例にとって説明するが、加算平均以外の前述した合成方法を適用することもできる。コンピュータ150は、記憶部152に記憶されたデジタル信号に対して画像再構成などの処理を行うことにより、光音響画像データを生成する。そして、光音響画像データは、表示部160で表示される。また、コンピュータ150はこれらの装置全体の動作の制御や光パルス波形の設定・発光制御・受信制御も行う。不図示ではあるが、コンピュータ150は、必要に応じて、得られた光音響画像データに対して表示のための画像処理やGUIのためのグラフィックを合成する処理を行ってもよい。
The
ユーザー(医師や技師等)は、表示部160に表示された光音響画像を確認することにより、診断を実施できる。表示画像は、ユーザーやコンピュータ150からの保存指示に基づいて、コンピュータ150内のメモリや、光音響装置とネットワークで接続されたデータ管理システムなどに保存されてもよい。入力部170は、ユーザーからの指示などを受け付ける。
The user (a doctor, an engineer, etc.) can carry out a diagnosis by confirming the photoacoustic image displayed on the
(各ブロックの詳細構成)
続いて、各ブロックの好ましい構成について詳細に述べる。
(Detailed configuration of each block)
Subsequently, the preferred configuration of each block will be described in detail.
(プローブ180)
図3は、第1の実施形態のプローブ180の構造を示す図である。
(Probe 180)
FIG. 3 is a diagram showing the structure of the
図3において、プローブ180は、光照射部200、駆動部210、受信部120、及び、ハウジング181を含む。ハウジング181は、光照射部200、駆動部210、及び受信部120を囲う筺体である。ユーザーは、ハウジング181を把持することにより、プローブ180をハンドヘルド型プローブとして利用できる。
In FIG. 3, the
光照射部200は、光パルスを被検体に照射する。光照射部200は前述したように、駆動部210により、光パルス発光毎に所望の光パルス波形で光パルスを発光する。
The
なお、図中のXYZ軸は、プローブを静置した場合の座標軸を示すものであり、プローブ使用時の向きを限定するものではない。 The XYZ axes in the figure indicate coordinate axes when the probe is left stationary, and do not limit the direction when using the probe.
図3に示すプローブ180は、ケーブル182を介して、信号収集部140と繋がっている。ケーブル182は、光照射部200に電力を供給する配線や、発光制御信号配線や、受信部120から出力されたアナログ信号を信号収集部140に出力する配線を含む。ケーブル182にコネクタを設け、プローブ180と光音響装置のその他の構成とを分離できる構成としてもよい。
The
(光照射部200)
本実施形態における光照射部は、光源から発生するパルス光を被検体に照射する。
(Light irradiation unit 200)
The light irradiation unit in the present embodiment irradiates the subject with pulsed light generated from the light source.
光照射部200は、例えば半導体発光素子(例えばレーザダイオード)16個で構成される。半導体発光素子の種類もレーザダイオード(LD)に限るものではなく、発光ダイオード(LED)であってもよい。半導体発光素子の種類や個数は必要な光強度から決定する。8個のレーザダイオード(200a〜200h)と8個のレーザダイオード(200i〜200p)は、受信部120を挟み、対向して配置される。そして検体に対して光を照射する。各々のレーザダイオードは受信部200の最大感度方向に向けて実装される。すなわち、図3に示した様にレーザダイオード(200a〜200h)とレーザダイオード(200i〜200p)は受信部120の方向に向くように角度を付け実装する。また図3では、受信部200を挟むような実装配置を示したが、片側に光源を集めた配置であってもよい。さらに、レーザダイオードの使用個数がより多くともよい。また、図3ではディスクリート部品を並べた実装形態を示したが、半導体ウエハを切り出したダイを金属ベースやプリント基板に複数実装した構成であってもよい。光照射部200の構成、すなわち、レーザダイオードの配置は、この配置に限定するものではない。被検体に良好に光パルスを照射できれば、プローブの形状等の条件によりどのような配置で実装してもかまわない。
The
光照射部200が発光する光のパルス幅は、例えば10ns以上、1μs以下である。より好適には、100nsecから800nsecが好適である。また、光照射部200の光の波長としては、400nm以上、1600nm以下が好適であるが、画像化したい光吸収体の光吸収特性に応じて波長を決定するとよい。血管を高解像度でイメージングする場合は、血管での吸収が大きい波長(400nm以上、800nm以下)を用いてもよい。生体の深部をイメージングする場合には、生体の背景組織(水や脂肪など)において吸収が少ない波長(700nm以上、1100nm以下)の光を用いてもよい。本発明では、所定の波長として血管の構造情報が取得でき、被検体の深部まで届く波長である975nmとし、上記条件を満たす複数の他の波長の光源を同時に照射することにより、所定の波長の照射による光音響波と等価な光音響波を得ることができる。
The pulse width of the light emitted from the
(駆動部210)
図4(a)図4(b)に第1の実施形態の駆動部210の構成を示す。どちらの構成であっても好適に本発明に対応できる。初めに、図4(a)で示した駆動部210の構成を説明する。図4(a)において、光照射部200は複数の半導体発光素子(レーザダイオード)が直列接続されている。210aは例えばMOSFET等のトランジスタであり、光照射部200のレーザダイオードに流れる電流を制御する。210bは電源であり、光照射部200のレーザダイオードに電力を供給する。ここで、電源210bは、ハンドヘルド型プローブの場合、プローブ180外部の光音響装置本体に実装され、電力を供給する形態であってもかまわない。この場合は、電源のインピーダンス(インダクタンス成分)を下げるために、プローブ内に不図示のバイパスコンデンサ等を実装するとよい。トランジスタ210aのゲート電圧を制御することにより所定の光パルス波形に対応する光照射部200のレーザダイオードに流れる電流波形を得ることができる。このような駆動部210を実現することによって、前述した光パルス波形を実現することができる。
(Drive unit 210)
FIG. 4A and FIG. 4B show the configuration of the
駆動部210の他の構成を図4(b)に示す。図4(b)においても、光照射部200は複数の半導体発光素子(レーザダイオード)が直列接続されている。210aは例えばMOSFET等のトランジスタであり、光照射部200のレーザダイオードに流れる電流をON/OFF制御する。210cはインダクタであり、例えば、コイルや、プリント基板の配線等で実現する。210dはダイオードであり、トランジスタ210aがOFFした際の電流をインダクタ210cに戻す。210eは可変電圧電源である。ハンドヘルド型プローブの場合、プローブ外部の可変電圧電源210eは、光音響装置本体に実装してもよい。この場合は、電源のインピーダンス(インダクタンス成分)を下げるために、プローブ内に不図示のバイパスコンデンサ等を実装する。図4(b)の構成で、トランジスタ210aがONする場合を考える。このとき、光照射部200のレーザダイオードの順方向電圧の和の電圧と、トランジスタ210aがON時のドレイン―ソース間電圧との合計の電圧と、可変電圧電源210eの出力電圧との差の電圧が、インダクタ210cに印加される。インダクタ210cに流れる電流の傾きはインダクタ210cに加わる電圧と、インダクタ210cのインダクタンスによって決定できる。すなわち、インダクタンスが固定であれば、可変電圧電源210eの電圧を高くすれば、インダクタ210cに流れる電流の傾きを大きくできる。すなわち、光照射部200のレーザダイオードに流れる電流の傾きを制御できる。そして、光パルス波形の立ち上がり波形の傾きを決定することができる。トランジスタ210aがOFFすると、インダクタ210cに加わる電圧は、光照射部200のレーザダイオードの順方向電圧の和の電圧とダイオード210dの順方向電圧の合計の電圧となる。この電圧とインダクタ210cのインダクタンスによって、インダクタ210cに流れる電流の傾きが決まる。すなわち、光パルス波形の立ち下がり波形の傾きが決まる。トランジスタ210aがON時のドレイン―ソース間電圧や、ダイオード210dの順方向電圧は、光照射部200のレーザダイオードの順方向電圧の和の電圧より十分小さい場合を考える。その場合、光照射部200のレーザダイオードの順方向電圧の和の電圧の2倍の電圧に可変電圧電源210eの出力電圧を設定すれば、光照射部200のレーザダイオードに流れる電流の立ち上がり波形と立ち下がり波形の傾きを同じにできる。よって、光パルス波形の立ち上がり波形と立ち下がり波形の傾きを同じにできる。また、ダイオード210dのアノードをインダクタ210cの他方の電極に接続することによって、トランジスタ210aをOFFした際、光照射部200のレーザダイオードに流れる電流の立ち下がり時間をさらに短くすることもできる。この様に、インダクタ210cと可変電源210eを用いて、所定の光パルス波形を得ることが可能である。
Another configuration of the
(受信部120)
受信部120は、光照射部200の発光に伴い発生する光音響波を受信して電気信号を出力するトランスデューサと、トランスデューサを支持する支持体とを含む。トランスデューサを構成する部材として例えば、圧電材料、静電容量型トランスデューサ、ファブリペロー干渉計を用いたトランスデューサなどを使用できる。圧電材料として例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電セラミック材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の高分子圧電膜材料がある。なお、静電容量型トランスデューサはCMUT(Capacitive Micro−machined Ultrasonic Transducers)と呼ばれることがある。
(Receiver 120)
The receiving
発光部200の発光毎にトランスデューサにより得られる電気信号は時間分解信号である。そのため、電気信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信される音圧に基づく値(例えば、音圧に比例した値)を表している。なお、トランスデューサとしては、光音響波を構成する周波数成分(典型的には100KHzから10MHz)を検出できるものが好ましい。また、支持体に複数のトランスデューサを並べて配置して、1Dアレイ、1.5Dアレイ、1.75Dアレイ、または2Dアレイと呼ばれるような平面や曲面を形成することも好ましい。なお、図3では一例として、1Dアレイのトランスデューサを模式的に示している。
The electrical signal obtained by the transducer for each light emission of the
受信部120が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を備えてもよい。また、受信部120が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を時系列のデジタル信号に変換するA/D変換器を備えてもよい。すなわち、受信部120が信号収集部140を備えてもよい。
The
なお、音響波を様々な角度から検出して画像精度を向上させるためには、被検体100を全周囲から囲むようなトランスデューサ配置が好ましい。また、全周囲を囲めないほど被検体100が大きい場合は、半球状の支持体上にトランスデューサを配置してもよい。このような形状の受信部120を備えるプローブ180は、ハンドヘルド型ではなく、プローブを被検体100に対して相対移動させる機械走査型の光音響装置に好適である。プローブの移動には、XYステージなどの走査部を用いればよい。なお、トランスデューサの配置および数、ならびに支持体の形状は、上記に限定されず、被検体100に応じて最適化すればよい。
In addition, in order to detect an acoustic wave from various angles and to improve an image precision, the transducer arrangement | positioning which encloses the
受信部120と被検体100との間の空間には、光音響波を伝搬させる媒質を配置するとよい。これにより、被検体100とトランスデューサの界面における音響インピーダンスが整合する。媒質として例えば、水、油、超音波ジェルなどがある。
In the space between the receiving
光音響装置1は、被検体100を保持して形状を安定させる保持部材を備えていてもよい。保持部材としては光透過性と音響波透過性がともに高いものが好ましい。例えば、ポリメチルペンテンやポリエチレンテレフタレート、アクリルなどを利用できる。
The
本実施形態に係る装置が、光音響画像に加えて、音響波の送受信により超音波画像も生成する場合、トランスデューサは、音響波を送信する送信手段として機能してもよい。受信手段としてのトランスデューサと送信手段としてのトランスデューサとは、単一(共通)のトランスデューサでもよいし、別々の構成であってもよい。 When the apparatus according to the present embodiment generates an ultrasonic image by transmitting and receiving acoustic waves in addition to the photoacoustic image, the transducer may function as a transmitting unit that transmits the acoustic waves. The transducer as the receiving means and the transducer as the transmitting means may be a single (common) transducer or may be separate configurations.
(信号収集部140)
信号収集部140は、発光部200の発光毎に発生する受信部120から出力されたアナログ信号である電気信号を増幅するアンプと、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器とを含む。信号収集部140は、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップなどで構成されてもよい。
(Signal collecting unit 140)
The
更に詳細に信号処理部140の動作を説明する。受信部120のアレイ状に配置された複数のトランスデューサが出力したアナログ信号は、各々に対応する複数のアンプにより増幅され、各々に対応する複数のA/D変換器でデジタル信号に変換される。A/D変換レートは入力される信号の帯域の少なくとも2倍以上で行う。前述した様に、光音響波の周波数成分が100KHzから10MHzであれば、A/D変換レートは20MHz以上、望ましくは40MHzの周波数で変換を行う。なお、信号収集部140は、発光制御信号を用いることにより、光照射のタイミングと信号収集処理のタイミングを同期化する。すなわち、発光部200の発光毎に発光時刻を基準にして、上述したA/D変換レートでA/D変換を開始し、アナログ信号をデジタル信号に変換する。その結果、発光部200の発光毎に発光時刻からA/D変換レート分の1の時間間隔(A/D変換間隔)毎のデジタルデータ列が複数のトランスデューサ毎に取得できる。この際、発光時刻は光パルス波形のピークとなる時刻を基準に決めるとよい。
The operation of the
信号収集部140は、Data Acquisition System(DAS)とも呼ばれる。本明細書において電気信号は、アナログ信号もデジタル信号も含む概念である。
The
上述したように、信号収集部140をプローブ180のハウジング181の内部に配置してもよい。このような構成であれば、プローブ180とコンピュータ150との間の情報がデジタル信号で伝搬されるため、耐ノイズ性が向上する。また、アナログ信号を伝送する場合に比べ、高速デジタル信号を用いることによって、配線数を少なくすることが可能となり、プローブ180の操作性が向上する。
As described above, the
また、後述する加算平均も信号収集部140で行ってもよい。この場合FPGA等のハードウェアを用いて加算平均を行うと好適である。
Also, the
(コンピュータ150)
コンピュータ150は、取得部151、記憶部152、制御部153を含む。取得部151としての演算機能を担うユニットは、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で構成できる。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されてもよいし、複数のプロセッサや演算回路から構成されてもよい。
(Computer 150)
The
例えば、コンピュータ150は、複数のトランスデューサ各々について、複数の光パルスの照射毎に取得した光音響信号に対して前述した加算平均等の合成処理を行う。また、コンピュータ150は、前述した照射した光パルス波形により得られる光音響波の周波数スペクトルの強度に比例した重みづけを行う処理を行う場合、光音響信号の周波数特性を変更するフィルタ手段でもある。本実施形態におけるフィルタ手段は、音響波のピーク周波数に基づき、電気信号の周波数特性を変更することができる。フィルタ手段として例えば、音響波の周波数スペクトルと略同一な特性を有するものや、音響波の周波数スペクトルを略フラットな特性に変更するものを用いることができる。
For example, for each of the plurality of transducers, the
以降の実施形態では、これらの合成処理の内、単純な加算平均を行う場合について説明する。 In the following embodiments, among these combining processes, the case of performing simple addition averaging will be described.
コンピュータ150は、発光部200の発光毎に信号収集部140から出力される前述したデジタルデータ列の発光時刻から同時刻のデータ各々について加算平均する。そして、コンピュータ150は、加算平均化されたデジタルデータ列を、光音響波に由来する加算平均された電気信号(合成された光音響信号)として、記憶部152に記憶する。そして、取得部151は、記憶部152に記憶された合成された光音響信号に基づいて、画像再構成による光音響画像データ(構造画像や機能画像)の生成や、その他各種の演算処理を実行する。取得部151は、入力部170から、被検体音速や保持部の構成などの各種パラメータ入力を受け付けて、演算に用いてもよい。
The
取得部151が電気信号を3次元のボリュームデータに変換するときの再構成アルゴリズムとしては、タイムドメインでの逆投影法、フーリエドメインでの逆投影法、モデルベース法(繰り返し演算法)など、任意の手法を採用できる。タイムドメインでの逆投影法として、Universal back−projection(UBP)、Filtered back−projection(FBP)、または整相加算(Delay−and−Sum)などが挙げられる。
As a reconstruction algorithm when the
記憶部152は、RAM(Random Access Memory)などの揮発性のメモリや、ROM(Read only memory)、磁気ディスクやフラッシュメモリなどの非一時記憶媒体により構成される。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。また、記憶部152は、複数の記憶媒体から構成される。
The
記憶部152は、合成された光音響信号や、取得部151により生成される光音響画像データや、光音響画像データに基づいた再構成画像データなど、各種のデータを保存できる。
The
制御部153は、CPUなどの演算素子で構成される。制御部153は、光音響装置の各構成の動作を制御する。制御部153は、複数の光パルスの発光制御制御信号や光パルス波形の設定信号を駆動部210に送る。そして、指定された光パルス波形でレーザダイオードは発光し、被検体を照射する。制御部153は、光パルス波形を設定する光パルス波形設定手段でもある。
The
また、制御部153は、前述したように、ユーザーの指示、あるいは自動で、光パルス波形や光パルスの光強度や発光回数、光音響信号の増幅度等を制御する。すなわち、制御部153は、前述した少なくとも2種類以上の光パルス波形の各々の光強度を設定する光強度設定手段でもある。また、2種類以上の光パルス波形の各々の発光回数を設定する発光回数設定手段でもある。
Further, as described above, the
また、制御部153は、記憶部152に格納されたプログラムコードを読み出し、光音響装置の各構成の動作を制御する。また、制御部153は表示部160に対する画像の調整などを行う。これにより、プローブの移動と光音響測定に伴い順次、酸素飽和度分布画像が表示される。
Further, the
コンピュータ150は本発明に専用に設計されたワークステーションであってもよい。コンピュータ150はまた、汎用的なPCやワークステーションを、記憶部152に格納されたプログラムの指示に従って動作させたものであってもよい。また、コンピュータ150の各構成は異なるハードウェアによって構成されてもよい。また、コンピュータ150の少なくとも一部の構成は単一のハードウェアで構成されてもよい。
図5は、本実施形態に係るコンピュータ150の具体的な構成例を示す。本実施形態に係るコンピュータ150は、CPU154、GPU155、RAM156、ROM157、外部記憶装置158から構成される。また、コンピュータ150には、表示部160としての液晶ディスプレイ161、入力部170としてのマウス171、キーボード172が接続されている。
FIG. 5 shows a specific configuration example of the
また、コンピュータ150および受信部120は、共通の筺体に収められた構成で提供されてもよい。また、筺体に収められたコンピュータで一部の信号処理を行い、残りの信号処理を筺体の外部に設けられたコンピュータで行ってもよい。この場合、筺体の内部および外部に設けられたコンピュータを総称して、本実施形態に係るコンピュータとすることができる。すなわち、コンピュータを構成するハードウェアが一つの筺体に収められていなくてもよい。コンピュータ150として、クラウドコンピューティングサービスなどで提供される、遠隔地に設置された情報処理装置を用いても構わない。
Also, the
コンピュータ151は、本発明の処理部に相当する。特に、取得部151が中心となって処理部の機能を実現する。
The
(表示部160)
表示部160は、液晶ディスプレイや有機EL(Electro Luminescence)などのディスプレイである。コンピュータ150により得られた被検体情報(一例として、構造情報や機能情報)等に基づく画像や特定位置の数値等を表示する装置である。表示部160は、画像や装置を操作するためのGUIを表示してもよい。表示部160またはコンピュータ150において画像処理(輝度値の調整等)を行ってもよい。
(Display unit 160)
The
(入力部170)
入力部170としては、ユーザーが操作可能な、マウスやキーボード等で構成される操作コンソールを採用できる。また、表示部160をタッチパネルで構成し、表示部160を入力部170として利用してもよい。入力部170は、ユーザーからの指示や数値などの入力を受け付け、コンピュータ150に伝達する。
(Input unit 170)
As the
なお、光音響装置の各構成はそれぞれ別の装置として構成されてもよいし、一体となった1つの装置として構成されてもよい。また、光音響装置の少なくとも一部の構成が一体となった1つの装置として構成されてもよい。 Each configuration of the photoacoustic apparatus may be configured as a separate apparatus, or may be configured as one integrated apparatus. Further, at least a part of the configuration of the photoacoustic apparatus may be configured as one integrated device.
また、コンピュータ150は、制御部153により、光音響装置に含まれる構成の駆動制御も行う。また、表示部160は、コンピュータ150で生成された画像の他にGUIなどを表示してもよい。入力部170は、ユーザーが情報を入力できるように構成されている。ユーザーは、入力部170を用いて測定開始や終了、後述する照射モードの指定や、作成画像の保存指示などの操作を行うことができる。
The
(被検体100)
被検体100は光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的として使用できる。よって、被検体100としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、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あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。被検体として人体の場合、皮膚に含まれる色素のメラニンが、前述した妨害を発生する光吸収体となりうる。また、メチレンブルー(MB)、インドシニアングリーン(ICG)などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を光吸収体としてもよい。また、穿刺針や穿刺針に付された光吸収体を観察対象としてもよい。被検体は、ファントムや試験対象物などの無生物であってもよい。
(Subject 100)
The subject 100 does not constitute a photoacoustic apparatus, but will be described below. The photoacoustic apparatus according to the present embodiment can be used for the purpose of diagnosis of malignant tumors and vascular diseases of humans and animals and follow-up of chemical treatment. Therefore, the
(実施形態の動作)
次に、本発明の被検体情報取得装置は、少なくとも2種類以上の光パルス波形の光パルスを複数回被検体に照射し、照射毎に被検体内で発生した音響波を受信して、受信した光音響信号に基づいて被検体の特性情報を取得する。第1の実施形態では、2種類の光パルス波形を交互に発光し、得られた光音響信号を加算平均する実施形態について、詳細な説明を以下に記す。
(Operation of the embodiment)
Next, the subject information acquiring apparatus according to the present invention irradiates the subject with light pulses of at least two or more types of light pulse waveforms multiple times, receives an acoustic wave generated in the subject for each irradiation, and receives Characteristic information of the object is acquired based on the photoacoustic signal. In the first embodiment, a detailed description will be given below of an embodiment in which two types of light pulse waveforms are alternately emitted and the obtained photoacoustic signals are averaged.
図6は、第1の実施形態における動作をわかりやすく説明するためのタイミング図である。図6において横軸は時間軸である。これらの制御は、コンピュータ150あるいはFPGAあるいは専用のハードウェアが行う。図6を用いて、本発明の光音響装置の光音響信号の取得と、取得された光音響信号に基づく光音響画像を生成する方法について詳細に説明する。
FIG. 6 is a timing chart for easily explaining the operation in the first embodiment. In FIG. 6, the horizontal axis is a time axis. The control is performed by the
図6は、2種類の光パルス波形の光パルスを交互に発光し、得られた光音響信号から構造情報を得るタイミング図である。なお、血管の構造情報を取得する場合、光照射部200の波長は、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸収係数が等しくなる約795nmを選ぶとよい。
FIG. 6 is a timing chart of alternately emitting light pulses of two types of light pulse waveforms and obtaining structural information from the obtained photoacoustic signal. In addition, when acquiring the structural information of a blood vessel, it is good for the wavelength of the
レーザダイオードの光強度は少ないため、S/N向上を目的として、光音響装置は、光照射部200の複数の半導体光発光素子を、図6T1に示すように、照射周期:tw1間隔で繰り返し発光し、光音響信号を取得する。なお、照射周期:tw1の長さは、皮膚に対する最大露光許容量(MPE:Maximum Permissible Exposure)を考慮して、設定する。例えば、照射周期tw1として0.1mSecを選ぶとよい。 Since the light intensity of the laser diode is small, the photoacoustic apparatus repeatedly emits light at an irradiation cycle: tw1 interval, as shown in FIG. 6T1, to improve the S / N, as shown in FIG. And acquire a photoacoustic signal. The length of the irradiation cycle: tw1 is set in consideration of the Maximum Permissible Exposure (MPE) to the skin. For example, 0.1 mSec may be selected as the irradiation cycle tw1.
図6T1では、図1(a)の光パルス波形と図1(c)の光パルス波形で交互に発光し、照射周期:tw1で光音響信号を168回取得し((1)〜(4)…)、加算平均し、加算平均された光音響信号A1を撮像フレームレートの周期:tw2毎に得る。すなわち、図1(a)の光パルス波形と図1(c)の光パルス波形により得られた各83個の光音響信号を加算平均する。ここで加算平均は、一例であり、前述した他の合成処理であってもよい。 In FIG. 6T1, the light pulse waveform of FIG. 1 (a) and the light pulse waveform of FIG. 1 (c) are alternately emitted, and the photoacoustic signal is acquired 168 times at the irradiation cycle: tw1 ((1) to (4) ...), averaging and obtaining the averaged photoacoustic signal A1 every imaging frame rate cycle: tw2. That is, the 83 photoacoustic signals obtained by the light pulse waveform of FIG. 1A and the light pulse waveform of FIG. 1C are added and averaged. Here, the averaging is an example, and the other combining process described above may be used.
次に、図6T3に示すように、加算平均された光音響信号A1を基に、前述した再構成のための処理を行い、再構成画像データR1を求める。そして、再構成画像データR1は、構造情報S1として、撮像フレームレートの周期:tw2は16.6msecで、順次、表示部160に出力され表示される(図6T4)。なお、撮像フレームレートの周波数は約60Hzとなる。
Next, as shown in FIG. 6T3, based on the averaged photoacoustic signal A1, the above-described processing for reconstruction is performed to obtain reconstructed image data R1. Then, the reconstructed image data R1 is sequentially output to the
光音響信号を166回取得し、加算平均する場合は、撮像フレームレートの周波数は約60Hzとなり、表示部160の表示フレームレートと合致するが、加算平均化回数が異なる場合、撮像フレームレートと表示フレームレートが合致しない場合がある。この場合は、不図示のフレームレート変換器を用い、撮像フレームレートを表示フレームレートに変換し、表示部160で表示すると良い。
When the photoacoustic signal is acquired 166 times and averaging is performed, the frequency of the imaging frame rate is about 60 Hz, which matches the display frame rate of the
以上説明した様に、光照射部200の複数回の発光の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形で発光することによって、所定の光音響信号の周波数特性に基づく情報を得ることが可能となる。
As described above, it is possible to obtain information based on the frequency characteristic of a predetermined photoacoustic signal by emitting light with at least two or more types of light pulse waveforms among multiple times of light emission of the
その結果、より最適な光音響信号の周波数特性となる情報を得ることが可能となる効果がある。 As a result, it is possible to obtain information that is more optimal for the photoacoustic signal frequency characteristics.
また、第1の実施形態において2種類以上の異なる光パルス波形は、交互に発光するように制御する構成であったが、交互に発光する構成に限定されない。例えば、83回連続して図1(a)の光パルス波形の光パルスが発光し、続いて、図1(c)の光パルス波形の光パルスが83回連続して発光する制御を行ってもかまわない。交互に発光するように制御する構成であれば、図1(a)の光パルス波形の光パルスが発光する時刻と図1(c)の光パルス波形の光パルスが発光する時刻が近くなる。そのため、各光パルス波形の光照射により得られた光音響信号の合成部分の被検体の動きによる影響を少なくできる。また、各々連続して発光する構成であれば、各光パルス波形の光照射における時間が短くなるため、各々の光パルス波形の光照により得られた光音響信号各々が被検体の動きによる影響を受けにくくなる利点がある。 In the first embodiment, two or more different light pulse waveforms are controlled to emit light alternately. However, the present invention is not limited to the configuration emitting light alternately. For example, control is performed such that the light pulse of the light pulse waveform of FIG. 1A is emitted 83 consecutive times, and then the light pulse of FIG. 1C is continuously emitted 83 times. I don't care. In the configuration in which control is performed so as to emit light alternately, the time when the light pulse of the light pulse waveform of FIG. 1A emits light and the time when the light pulse of the light pulse waveform of FIG. Therefore, it is possible to reduce the influence of the movement of the object of the synthesis portion of the photoacoustic signal obtained by the light irradiation of each light pulse waveform. In addition, if the configuration is such that each light is emitted continuously, the time for light irradiation of each light pulse waveform becomes short, so each photoacoustic signal obtained by light irradiation of each light pulse waveform is affected by the movement of the subject. It has the advantage of becoming less receptive.
(その他の実施形態)
前述の第1の実施形態では、各光パルス波形の光パルスの照射により得られた光音響信号を加算平均した実施形態を説明した。前述したように、各光パルス波形の光パルスの照射回数を変更し、得られた光音響信号を加算平均してもよい。また、各光パルス波形の光パルスの光強度を変更し、得られた光音響信号を加算平均してもよい。また、各光パルス波形の光パルスの半導体発光素子の発光数を変更し、得られた光音響信号を加算平均してもよい。また、各光パルス波形の光パルスの照射に合わせ、光音響信号を増幅する増幅度を変更し、増幅した光音響信号を加算平均してもよい。また、照射した光パルス波形により得られる光音響波の周波数スペクトルの強度に比例した重みづけを取得した光音響信号に対して行い、加算平均してもよい。また、照射した光パルス波形により得られる光音響波の周波数スペクトルをフラットにするような特性を持つフィルタにより、得られた光音響波の周波数スペクトルをフラットにした後、加算平均しても求めてもよい。
(Other embodiments)
In the first embodiment described above, the embodiment in which the photoacoustic signals obtained by the irradiation of the light pulse of each light pulse waveform are averaged is described. As described above, the number of irradiations of the light pulse of each light pulse waveform may be changed, and the obtained photoacoustic signal may be averaged. Also, the light intensity of the light pulse of each light pulse waveform may be changed, and the obtained photoacoustic signal may be averaged. Further, the number of light emission of the semiconductor light emitting element of the light pulse of each light pulse waveform may be changed, and the obtained photoacoustic signal may be averaged. Further, in accordance with the irradiation of the light pulse of each light pulse waveform, the amplification degree for amplifying the photoacoustic signal may be changed, and the amplified photoacoustic signal may be added and averaged. Alternatively, weighting may be performed on the acquired photoacoustic signal in proportion to the intensity of the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by the irradiated light pulse waveform, and averaging may be performed. In addition, after the frequency spectrum of the obtained photoacoustic wave is made flat by a filter having a characteristic that flattens the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by the irradiated light pulse waveform, the value is also obtained by averaging. It is also good.
別の実施形態として、再構成画像データを求める処理を行う場合、上述した処理を、光音響信号に対して行わず、光パルス毎に、再構成処理を行って再構成画像データを取得し、再構成画像データに対して上述した合成処理を行ってもよい。しかしながら、この様な再構成画像データで合成処理を行う場合は、発光毎に再構成処理を行う必要があり、計算量が増大する欠点がある。 As another embodiment, when processing for obtaining reconstructed image data is performed, the above-described processing is not performed on the photoacoustic signal, but reconstruction processing is performed for each light pulse to acquire reconstructed image data, The composition processing described above may be performed on the reconstructed image data. However, in the case of performing synthesis processing with such reconstructed image data, it is necessary to carry out reconstruction processing for each light emission, and there is a drawback that the amount of calculation increases.
また、光照射部200が発光する光の波長は、複数の波長を用いてもよい。複数の波長を用いた場合、例えば、機能情報としての酸素飽和度を算出することができる。本発明では、例えば撮像フレームレート毎に2波長を交互に切り換え光音響信号を取得し、再構成画像データを算出し、さらに、2つの撮像フレームレートで算出した再構成画像データより酸素飽和度を計算することができる。酸素飽和度の算出については、特開2015−142740号公報に詳しく記載されている。さらに、構造情報を得る際には、本発明の2種類以上の光パルス波形で順次照射し、広い周波数特性の情報を得る。そして、機能情報を得るための他の波長の光パルス波形はパルス幅を長くした1つの光パルス波形の形状としてもよい。このようにすることによって、構造情報は血管の太さにかかわらず鮮明に検出でき、機能情報は高域成分の無い情報を得ることができる。そして、機能情報は構造情報でマスクすることにより、詳細な情報とすることができる。
Moreover, the wavelength of the light which
また、本発明で示した複数の実施形態を1つの光音響装置で実現し、切り換え使用できるようにしてもよい。さらに、本発明の光音響装置に、トランスデューサから超音波を送信し反射波による測定を行う機能を追加実現してもよい。この場合、もちろん、光照射部200は発光しない。
In addition, the plurality of embodiments shown in the present invention may be realized by one photoacoustic apparatus so that they can be switched and used. Furthermore, the photoacoustic apparatus of the present invention may be additionally realized with the function of transmitting ultrasonic waves from a transducer and performing measurement using a reflected wave. In this case, of course, the
1 光音響装置
120 受信部
151 取得部
153 制御部
200 光照射部
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記被検体にパルス光が照射されることによって生じる音響波を受信して電気信号に変換する受信部と、
前記被検体にパルス光が複数回照射されるように前記光照射部を制御する制御部と、
前記被検体にパルス光が複数回照射されることにより生じる音響波から変換された複数の前記電気信号に基づいて、前記被検体に関する情報を取得する取得部と、
を有する光音響装置であって、
前記制御部は、複数回照射される前記パルス光のうち、少なくとも一部が互いに異なるパルス波形となるように、前記光照射部を制御することを特徴とする光音響装置。 A light irradiation unit that irradiates a subject with pulsed light;
A receiving unit that receives an acoustic wave generated by irradiating the subject with pulsed light and converts the acoustic wave into an electrical signal;
A control unit configured to control the light emitting unit such that the subject is irradiated with pulsed light a plurality of times;
An acquisition unit configured to acquire information on the subject based on a plurality of electrical signals converted from an acoustic wave generated by irradiating the subject with pulsed light multiple times;
A photoacoustic device having
The photoacoustic apparatus, wherein the control unit controls the light emitting unit such that at least a part of the pulsed light irradiated a plurality of times has different pulse waveforms.
ことを特徴とする請求項10または11に記載の光音響装置。 12. The photoacoustic apparatus according to claim 10, wherein the filter means changes the frequency spectrum of the acoustic wave to a substantially flat characteristic.
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