JP2019042003A - 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を開示している。
In
特許文献1では、検出部の検出周波数の範囲を広くするために、傾きの比の絶対値を大きくすることを開示している。しかし、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。
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複数の光照射部と、前記複数の光照射部から前記被検体に同時にパルス光が照射されるように前記複数の光照射部を制御する制御部と、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、前記複数の光照射部から照射されるパルス光のパルス波形が互いに異なるように、前記光照射部を制御することを特徴とする。 In the photoacoustic apparatus according to the present invention, a plurality of light irradiation units for irradiating pulsed light onto a subject, and a plurality of light irradiation units such that the pulsed light is simultaneously irradiated to the subject from the plurality of light irradiation units A control unit that controls the control unit, 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; and acquires information related to the subject based on the electrical signal. A photoacoustic apparatus, comprising: an acquisition unit, wherein the control unit controls the light irradiation unit such that pulse waveforms of pulse light emitted from the plurality of light irradiation units are different from each other. Do.
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が照射されることで、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, it is possible to widen the frequency band of the acoustic wave to be detected by irradiating the subject with pulse light having different pulse waveforms. 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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described 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、複数の光照射部により光パルス(電磁波)を照射し、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。さらに、本実施形態に係る被検体情報取得装置は、光照射部の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形を同時に発光することによって、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を実現する光音響装置である。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 object information acquisition apparatus according to the present embodiment irradiates light pulses (electromagnetic waves) by a plurality of light irradiation units, and acquires a photoacoustic effect of acquiring characteristic information of the object as image data based on the received photoacoustic signal. Includes the photoacoustic imaging device used. Furthermore, the object information acquiring apparatus according to the present embodiment obtains information based on the frequency characteristic of a desired photoacoustic signal by simultaneously emitting at least two or more types of light pulse waveforms in the light emitting unit. It is a photoacoustic device to be realized. 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.
本実施形態は、複数の光照射部の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形で同時に発光し、被検体に照射し、得られた光音響信号に基づく情報を得ることを要旨とした発明である。そのような構成によって、光照射により発生する光音響波の周波数スペクトル、すなわち、光音響波を電気信号に変換した光音響信号の周波数特性を所望の特性とすることができる。 The present invention is an invention in which light is emitted simultaneously with at least two or more types of light pulse waveforms among a plurality of light irradiation parts, and the object is irradiated with the light to obtain information based on the obtained photoacoustic signal. is there. With such a configuration, the frequency spectrum of the photoacoustic wave generated by the light irradiation, that is, the frequency characteristic of the photoacoustic signal obtained by converting the photoacoustic wave into an electrical signal can be made to have a desired characteristic.
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、被検体に複数回光パルスを照射し、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。しかし、本実施形態に係る光音響装置の効果は、少なくとも2種類以上の光パルス波形で同時に発光し、被検体に1回光パルスを照射する構成にも適応できる。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, an object is irradiated with a light pulse a plurality of times, and photoacoustic waves from the object are received, and information in the object (for example, blood vessel image (structural image)) Take up the photoacoustic device to get to. However, the effect of the photoacoustic apparatus according to the present embodiment can also be applied to a configuration in which light is emitted simultaneously with at least two or more types of light pulse waveforms, and the object is irradiated with the light pulse once. 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 photoacoustic apparatus main body. 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 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. FIGS. 1 (b) and 1 (d) are graphs respectively simulating the 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 axis is the intensity of the photoacoustic wave, and the horizontal axis is 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同時に照射し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、12個の半導体発光素子からなる光照射部があった場合、そのうち、6個を図1(a)に示した光パルス波形の光パルスで発光し、残りの6個で、図1(c)に示した光パルス波形の光パルスで同時に発光し、被検体を照射する。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の加算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。具体的には、図1(a)と図1(c)に示した光パルス波形の光パルスを同時に発光した光パルス波形を図1(e)に示す。ここで同時とは、各々の光パルス波形のピークの時刻を合わせ照射することを言う。図1(e)において、縦軸が光強度、横軸が時間である。図1(f)は、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であり、縦軸が光音響波の強度、横軸が周波数ある。図1(f)に示した様に、図1(a)と図1(c)に示した光パルス波形を同時に発光し、被検体を照射した場合、光音響波のピーク周波数は約4.25MHz、−6dBとなる帯域幅は約1.25MHzから約10MHzとなる。この特性は、図1(d)に示した、光音響波のピーク周波数は約3.75MHz、−6dBとなる帯域幅は約1.25MHzから約6.25MHzである周波数特性の高域側を広げた特性となる。一方、図1(b)に示した光音響波のピーク周波数が約7.5MHz、−6dBとなる帯域幅は約2MHzから約12.75MHzである。このような周波数特性では、高域側の特性は十分に広いが、低域成分のレベルが低く、0.75mmより太い血管の視認性が悪くなる恐れがある。 In the first embodiment, information based on the photoacoustic signal is obtained from the photoacoustic signal obtained by simultaneously irradiating the subject with such light pulses having different light pulse waveforms. For example, in the case where there is a light irradiation portion consisting of 12 semiconductor light emitting elements, 6 of them are emitted by the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1A, and the remaining 6 are shown in FIG. Light is emitted simultaneously with the light pulse of the light pulse waveform shown in c) to illuminate the object. As a result, to obtain a photoacoustic signal that is the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by adding 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) Can. Specifically, FIG. 1 (e) shows an optical pulse waveform obtained by simultaneously emitting the light pulse having the light pulse waveform shown in FIGS. 1 (a) and 1 (c). Here, “simultaneous” means that the time of the peak of each light pulse waveform is synchronized and irradiated. In FIG. 1 (e), the vertical axis is light intensity, and the horizontal axis is time. FIG. 1 (f) is a graph simulating the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained when the object is irradiated with the light pulse waveform shown in FIG. 1 (e), and the vertical axis represents the intensity of the photoacoustic wave. , Horizontal axis is frequency. As shown in FIG. 1 (f), when the light pulse waveforms shown in FIGS. 1 (a) and 1 (c) are simultaneously emitted to illuminate the subject, the peak frequency of the photoacoustic wave is about 4. The bandwidth for 25 MHz, -6 dB is about 1.25 MHz to about 10 MHz. This characteristic is shown in FIG. 1 (d), where the peak frequency of the photoacoustic wave is about 3.75 MHz and the bandwidth at which it is -6 dB is about 1.25 MHz to about 6.25 MHz. It becomes an extended characteristic. On the other hand, the bandwidth at which the peak frequency of the photoacoustic wave shown in FIG. 1B is about 7.5 MHz and -6 dB is about 2 MHz to about 12.75 MHz. In such a frequency characteristic, although the characteristic on the high frequency side is sufficiently wide, the level of the low frequency component is low, and the visibility of a blood vessel thicker than 0.75 mm may be deteriorated.
また、例えば、不図示のパルス幅300nmの光パルス波形をさらに同時に照射してもよい。例えば、12個の半導体発光素子を含み構成される光照射部があった場合を考える。12個のうち、4個を図1(a)に示したパルス波形で発光し、4個で、図1(c)に示したパルス波形で同時に発光し、残りの4個で、不図示のパルス幅300nmのパルス波形の光を同時に発光し、被検体に照射するとよい。このように照射すると、さらに、低域側の光音響波の強度を大きくすることが可能である。 In addition, for example, an optical pulse waveform with a pulse width of 300 nm (not shown) may be irradiated at the same time. For example, consider the case where there is a light irradiation unit configured to include 12 semiconductor light emitting elements. Of the twelve, four emit light with the pulse waveform shown in FIG. 1 (a), and four emit light simultaneously with the pulse waveform shown in FIG. 1 (c), and the remaining four emit light with the pulse waveform (not shown). It is preferable to simultaneously emit light of a pulse waveform with a pulse width of 300 nm and irradiate the object with the light. When irradiated in this manner, it is possible to further increase the intensity of the photoacoustic wave on the low frequency side.
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、12個の半導体発光素子からなる光照射部があった場合、そのうち、6個を図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個を図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同時に発光し、被検体を照射する。この光パルス波形を図1(g)に示す。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。図1(h)に光音響波の周波数スペクトルを示す。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、図1(f)で示した光音響波の周波数スペクトルの高域成分をさらに大きくすることができる。図1(h)に示すように、光音響波のピーク周波数は約5.25MHz、−6dBとなる帯域幅は約1.5MHzから約12.75MHzとなる。この特性は、図1(f)に示した、光音響波のピーク周波数は約4.25MHz、−6dBとなる帯域幅は約1.25MHzから約10MHzとなる特性に比べ、高域の帯域を大きく広げることができる。 As another method, it is possible to easily change the frequency spectrum of the photoacoustic wave by controlling the light intensity. For example, in the case where there is a light irradiation section consisting of 12 semiconductor light emitting elements, 6 of them are irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. 1A, and the remaining 6 are shown. The light is emitted simultaneously with a light pulse having a light intensity twice that of the light pulse waveform shown in 1 (c) to illuminate the object. The light pulse waveform is shown in FIG. 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 adding the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. 1 (d) with a weight of 1: 2 Can be obtained. FIG. 1 (h) shows the frequency spectrum of the photoacoustic wave. 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 high frequency component of the frequency spectrum of the photoacoustic wave shown in FIG. It can be enlarged. As shown in FIG. 1 (h), the peak frequency of the photoacoustic wave is about 5.25 MHz, and the bandwidth at which it is -6 dB is about 1.5 MHz to about 12.75 MHz. Compared with the characteristic shown in FIG. 1 (f), the peak frequency of the photoacoustic wave is about 4.25 MHz, and the bandwidth for -6 dB is about 1.25 MHz to about 10 MHz. It can be widely spread.
また、光強度を制御する他の方法として、光照射部の各々の光パルス波形の光パルスを発光する半導体発光素子の数を増減し制御してもよい。すなわち、ひとつひとつの半導体発光素子が発光する光強度が同じであっても、発光する半導体発光素子の数を増減することによって、被検体に照射する光パルスの光強度を制御できる。具体的には、12個の半導体発光素子からなる光照射部があった場合、そのうち、4個を図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個を図1(c)に示した光パルスで同時に発光する。このように制御しても、半導体発光素子を制御することと同様な光音響波を得ることができる。このような制御であれば、半導体発光素子自体の光強度をアナログ的に可変する構成では無いので、回路構成が容易となる。 Further, as another method of controlling the light intensity, the number of semiconductor light emitting elements that emit light pulses of each light pulse waveform of the light emitting unit may be increased or decreased. That is, even if the light intensity emitted by each semiconductor light emitting device is the same, the light intensity of the light pulse applied to the object can be controlled by increasing or decreasing the number of semiconductor light emitting devices emitting light. Specifically, in the case where there is a light irradiation section consisting of 12 semiconductor light emitting elements, 4 of them are irradiated with the light pulse of the light pulse waveform shown in FIG. The light is emitted simultaneously with the light pulse shown in FIG. 1 (c). Even with this control, it is possible to obtain the same photoacoustic wave as controlling the semiconductor light emitting element. With such control, since the light intensity of the semiconductor light emitting element itself is not analogically varied, the circuit configuration becomes easy.
さらに、本発明の実施形態において、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異なるように、光パルス波形の形状を設定する。それにより、光音響波の周波数スペクトル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、パルス幅が異なる光パルス波形の形状とするとよい。具体的には、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、200nsec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。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the shape of the light pulse waveform is set so 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. This is preferable because the frequency spectrum of the photoacoustic wave 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, the shape of the light pulse waveform may be different in pulse width. Specifically, the pulse width may be selected from 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 200 nsec and 300 nsec may be used. Also, the three triangular waves may be used.
また、図1(i)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(j)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かまわない。 Alternatively, as shown in FIG. 1I, 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 (j) 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、光照射部の複数の半導体発光素子の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形で同時に発光することによって、光音響波の周波数スペクトルの制御が可能であることを説明した。 As described above, it has been described that control of the frequency spectrum of the photoacoustic wave is possible by simultaneously emitting light with at least two or more types of light pulse waveforms among the plurality of semiconductor light emitting elements of the light emitting unit.
本実施形態により、例えば、特開2016−47114号公報に開示されているように、光パルスの合成波形の周波数が検出部(受信部)の受信感度が最大となる周波数に近づくように、光音響波の周波数スペクトルを適合させることができる。そのために、同時に発光する光パルス波形の形状や光量を設定してもよい。プローブが交換できる光音響装置の場合は、プローブの受信部の周波数特性に合わせ、同時に発光する光パルス波形の形状や光量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に合わせ、同時に発光する光パルス波形の形状や光量を設定してもよい。また、ユーザーの指示により、光音響波の周波数スペクトルの制御が行えるようにするため、同時に発光する光パルス波形の形状や光量を制御してもよい。例えば、ユーザーが細かな血管を注視したい場合は、光音響波の周波数スペクトルの高域を持ちあげるように、同時に発光する光パルス幅を短く設定するとよい。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、光音響信号の高い周波数の減衰が大きくなるので、光音響波の周波数スペクトルの高域を持ちあげるように、コンピュータが自動で同時に発光する光パルス波形の形状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、コンピュータが同時に発光する光パルス波形の形状を変更してもよい。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、同時に発光する光パルス幅を短く設定し、光音響波の周波数スペクトルの高域を持ちあげるとよい。 According to the present embodiment, as disclosed in, for example, JP-A-2016-47114, light is generated so that the frequency of the combined waveform of the light pulses approaches the frequency at which the reception sensitivity of the detection unit (reception unit) becomes maximum. The frequency spectrum of the acoustic wave can be adapted. Therefore, the shape and light amount of the light pulse waveform to be emitted simultaneously may be set. In the case of a photoacoustic apparatus which can replace the probe, it is preferable to control the shape of the light pulse waveform and the amount of light simultaneously emitted in accordance with the frequency characteristic of the receiving unit of the probe. In addition, the shape and light amount of the light pulse waveform that is simultaneously emitted may be set in accordance with the frequency spectrum of the photoacoustic wave determined by the thickness of the blood vessel in the region of the object to be noticed. Moreover, in order to be able to control the frequency spectrum of the photoacoustic wave according to the instruction of the user, the shape and the light amount of the light pulse waveform which is simultaneously emitted may be controlled. For example, when the user wants to gaze at a fine blood vessel, the light pulse width to be emitted simultaneously may be set short so as to raise the high band of the frequency spectrum of the photoacoustic wave. Furthermore, when the region of the object to be noticed is in the deep part of the object, the attenuation of the high frequency of the photoacoustic signal becomes large, so the computer automatically raises the high band of the frequency spectrum of the photoacoustic wave. The configuration of the light pulse waveform that emits light simultaneously may be set. Alternatively, a pressure sensor or the like may be provided on the hand-held probe, the pressing force of the probe on the subject may be measured, and the shape of the light pulse waveform that the computer emits simultaneously may be changed according to the magnitude of the pressing force. For example, when the user observes details, he may press the probe unconsciously and strongly. If the pressing force is large, the width of the light pulse to be emitted simultaneously may be set short, and the high band of the frequency spectrum of the photoacoustic wave may be raised.
以上説明した様に、光照射部から照射されるパルス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パルス光の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形で同時に発光させる。そして、そのような発光をすることによって、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可能となる。本発明の以下の説明では、複数回、3種類以上の光パルス波形で同時に発光し、得られた光音響信号を加算平均した実施形態を示すが、上述した他の発光制御する構成にも適応できる。 As described above, in the photoacoustic apparatus that acquires information based on the photoacoustic signal generated by the pulsed light emitted from the light emitting unit, at least two or more types of light pulses among the pulsed light emitted from the light emitting unit It emits light simultaneously with the waveform. Then, by performing such light emission, it is possible to obtain information based on the frequency characteristic of a desired photoacoustic signal. Although the following description of the present invention shows an embodiment in which light is emitted simultaneously with a plurality of times and three or more types of light pulse waveforms and the obtained photoacoustic signals are added and averaged, the present invention is also applicable to the other light emission control configurations described above. it can.
(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、パルス光を被検体100に照射する複数の光照射部200と、複数の光照射部200から被検体に略同時にパルス光が照射されるように複数の光照射部を制御する制御部153を有する。ここで、「略同時に」とは、パルス光が被検体に照射される時刻が同一の場合だけに限らず、本発明の効果が得られる程度に、照射時刻がずれている場合も含む。
(Configuration of photoacoustic apparatus)
FIG. 2 shows a block diagram of the
そして、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と、変換された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、複数の光照射部200から照射されるパルス光のパルス波形が互いに異なるように、光照射部200を制御する。前述のように、複数の光照射部200から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、それぞれのパルス光によって生じる音響波の周波数は互いに異なる。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。
Then, the receiving
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153は、複数の光照射部200から照射されるパルス光のピーク強度が互いに異なるように、光照射部200を制御してもよい。
Moreover, in the present embodiment, the
また、光照射部200は複数の半導体発光素子を含み構成されていてもよい。この場合、制御部153は、発光素子の発光強度を制御することで、パルス光のピーク強度を制御してもよいし、複数の発光素子のうち発光させる発光素子の個数を制御することで、パルス光のピーク強度を制御してもよい。
Further, the
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、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、光源部を含み構成されていてもよい。また、光源部が複数の半導体発光素子を含み構成されていてもよい。光音響信号のS/N非を向上するために複数回発光し、光音響信号を取得し加算平均する。なお、本発明の効果を実現するためには、半導体発光素子の発光は1回であってもよい。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、前述した少なくとも2種類以上の光パルス波形となるように駆動する。駆動部210は光源200の光パルス波形を半導体発光素子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の複数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のグループに分け、同時に発光させる。そして、光源200は2種類以上の光パルス波形で被検体100を同時に照射する。受信部120は、複数の半導体発光素子の発光によって被検体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 driving
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から、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。なお、S/N比向上のためには、複数回光パルスを発光し、加算平均するとよい。
The
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。
The
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・発光制御も行う。
The
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。
Although not shown, 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.
例えば、光照射部200は、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はレーザダイオード(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16個より多くともよい。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。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。
For example, 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、100ns以上、800ns以下が好適である。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、所望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、所望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)(b)に第1の実施形態の駆動部210の構成をそれぞれ示す。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2組の直列接続された複数の半導体発光素子(レーザダイオード)200A、200Bから構成されている。例えば、直列接続された複数の半導体発光素子200Aは8個のレーザダイオード(200a〜200h)、直列接続された複数の半導体発光素子200Bが8個のレーザダイオード(200i〜200p)に対応する。また別の構成では、直列接続された複数の半導体発光素子200Aと直列接続された複数の半導体発光素子200Bは互いに受信部120を挟み交互に実装されていてもよい。前者の場合、最短距離で、直列接続された複数の半導体発光素子間の配線が行え、極力インダクタンス成分を少なくできる利点がある、一方、後者の場合、各々の光パルス波形の光パルスが被検体にほぼ均一に照射できる利点がある。
(Drive unit 210)
The structure of the
210a、210bは例えばMOSFET等のトランジスタであり、光照射部200の直列接続された複数の半導体発光素子200A、200Bに流れる電流をそれぞれ異なったパルス幅で制御する。210cは電源であり、光照射部200の半導体発光素子に電力を供給する。ここで、電源210cは、ハンドヘルド型プローブの場合、プローブ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、200bのゲート電圧を制御することにより所望の光パルス波形に対応する光照射部200の直列接続された複数の半導体発光素子200A、200Bに流れる2種類の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、前述した少なくとも2種類以上の光パルス波形で同時に発光することを実現することができる。
The transistors 210 a and 210 b are, for example, MOSFETs, and control the currents flowing through the plurality of semiconductor light emitting elements 200 A and 200 B connected in series with 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2組の直列接続された複数の半導体発光素子(レーザダイオード)(200A、200B)から構成されている。
Another configuration of the
210a、210bは例えばMOSFET等のトランジスタであり、それぞれ光照射部200の直列接続された複数の半導体発光素子200A、200Bに流れる電流をそれぞれ異なったパルス幅でON/OFF制御する。
The transistors 210a and 210b are, for example, MOSFETs, and perform ON / OFF control of currents flowing in the plurality of semiconductor light emitting elements 200A and 200B connected in series with the
210d、210e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。直列接続された複数の半導体発光素子200A、200Bを異なるパルス幅で制御する場合には、インダクタ210d、210eのインダクタンスを異なるよう設計する。パルス幅を短くする場合は、インダクタンスを少なくするとよい。210f、210gはダイオードであり、トランジスタ210a、210bがOFFした際、インダクタ210d、210eに流れる電流をインダクタ210d、210eに戻す。210hは可変電圧電源である。ここで、各々のパルス幅の設定により自由度を待たす場合は可変電圧電源210hを2系統とし、独立に電圧を設定できるようにする。また、ハンドヘルド型プローブの場合、可変電圧電源210hは、プローブ外部の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の直列接続された複数の半導体発光素子200A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―ソース間電圧の合計の電圧と、可変電圧電源210hの出力電圧との差の電圧が、インダクタ210dに印加される。インダクタ210dに流れる電流の傾きはインダクタ210dに加わる電圧と、インダクタ210d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210hの電圧を高くすれば、インダクタ210d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の直列接続された複数の半導体発光素子200A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210dに加わる電圧は、直列接続された複数の半導体発光素子200Aの順方向電圧の和の電圧とダイオード210f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210dのインダクタンスによって、インダクタ210d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が決まる。例えば、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210fの順方向電圧が、直列接続された複数の半導体発光素子200A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、直列接続された複数の半導体発光素子200Aの順方向電圧の和の電圧の2倍の電圧に可変電圧電源210hの出力電圧を設定すればよい。このような設定により、直列接続された複数の半導体発光素子200A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ほぼ同じにできる。また、ダイオード210fのアノードをインダクタ210d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、直列接続された複数の半導体発光素子200Aに流れる電流の立ち下がり時間を短くすることもできる。この様に、インダクタ210dと可変電源210hを用いて、所望の光パルス波形を得ることが可能である。
Reference numerals 210 d and 210 e denote inductors, which are realized by, for example, a coil, wiring of a printed board, or the like. When controlling a plurality of semiconductor light emitting elements 200A and 200B connected in series with different pulse widths, the inductances of the inductors 210d and 210e are designed to be different. If the pulse width is to be shortened, the inductance should be reduced. Reference numerals 210f and 210g denote diodes, and when the transistors 210a and 210b are turned off, the current flowing through the inductors 210d and 210e is returned to the inductors 210d and 210e. 210h is a variable voltage power supply. Here, when waiting for freedom by setting each pulse width, two variable voltage power supplies 210h are provided so that voltages can be set independently. In the case of a hand-held probe, the variable voltage power supply 210 h may be mounted on the photoacoustic apparatus main body outside the probe. In this case, in order to reduce the impedance (inductance component) of the power supply, a bypass capacitor (not shown) or the like is mounted in the probe. In the configuration of FIG. 4B, the case where the transistor 210a is turned on is considered. At this time, the voltage of the sum of the forward voltages of the plurality of semiconductor light emitting elements 200A connected in series of the
同様に、光照射部200の直列接続された複数の半導体発光素子200B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、すなわち光パルス波形も、インダクタ210eと可変電源210hを用いて、所望の波形に制御できる。
Similarly, the slopes of the rising and falling waveforms of the current flowing through the plurality of semiconductor light emitting elements 200B connected in series in 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、光照射部200の直列接続された複数の半導体発光素子に対して、2種類以上の光パルス波形で駆動するように駆動部210に駆動する波形を設定する。また、コンピュータ150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、少なくとも2種類以上の光パルス波形で発光する半導体発光素子の発光数を制御する発光数設定手段でもある。
For example, the
以降の実施形態では、半導体発光素子の発光数が同じで、一定の光強度で発光する実施形態について説明する。もちろん、前述した発光の他の制御についても対応することは可能である。 In the following embodiments, an embodiment will be described in which the semiconductor light emitting elements emit the same number of light and emit light with a constant light intensity. Of course, it is possible to cope with the other control of light emission described above.
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
なお、取得部は、複数の光照射部が複数回発光することで受信される音響波に基づいて得られる複数の電気信号を加算し、光照射部の発光回数で除する処理(加算平均処理)を行ってもよい。 Note that the acquisition unit adds a plurality of electrical signals obtained based on the acoustic wave received by the plurality of light emitting units emitting light a plurality of times and divides the sum by the number of times of light emission of the light emitting unit (additional averaging processing ) May be performed.
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半導体発光素子は発光し、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。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。
Further, as described above, the
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つの光パルス波形を、各8個の半導体発光素子が同時に発光する構成について、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 a configuration in which eight semiconductor light emitting elements simultaneously emit light of two light pulse waveforms.
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同時に発光し、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 for simultaneously 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
半導体発光素子の光強度は少ないため、S/N向上を目的として、図6のT1に示すように、光音響装置は、光照射部200の複数の半導体光発光素子を、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 semiconductor light emitting device is small, the photoacoustic apparatus is configured to irradiate a plurality of semiconductor light emitting devices of the
図3に示した様に、光照射部200は、半導体発光素子としてレーザダイオード16個で構成される。そして、8個のレーザダイオード(200a〜200h)は、図1(a)に示した光パルス波形で、レーザダイオード(200i〜200p)は、図1(c)に示した光パルス波形で、照射周期:tw1間隔で繰り返し同時に発光し、光音響信号を取得する。ここで、レーザダイオードの配置や総数や2種類の光パルス波形で発光するレーザダイオードの数は、一例であり、他の構成であってもかまわない。必要な光強度や所望の周波数特性等から決定するとよい。
As shown in FIG. 3, the
図6のT1では、図1(a)の光パルス波形と図1(c)の光パルス波形の光パルスを同時に発光し、照射周期:tw1で光音響信号を168回取得し((1)〜(4)…)、加算平均する。そして、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、前述したように、図1(a)の光パルス波形と図1(c)の光パルス波形を同時に発光することにより、図1(e)に示した光パルス波形と等価な光パルスを被検体に照射する。そして、図1(f)に示した周波数スペクトルの光音響波を撮像フレームレートの周期:tw2毎に得ることができる。そして、得られた166個の光音響信号を加算平均し加算平均された光音響信号A1を算出する。 At T1 in FIG. 6, the light pulse waveform in FIG. 1 (a) and the light pulse in FIG. 1 (c) are simultaneously emitted, and the photoacoustic signal is acquired 168 times at the irradiation cycle tw1 ((1) ~ (4) ...) Add averaging. Then, the averaged photoacoustic signal A1 is obtained for each period of the imaging frame rate: tw2. That is, as described above, by simultaneously emitting the light pulse waveform of FIG. 1 (a) and the light pulse waveform of FIG. 1 (c), an optical pulse equivalent to the light pulse waveform shown in FIG. 1 (e) is obtained. Irradiate the subject. And the photoacoustic wave of the frequency spectrum shown to FIG. 1 (f) can be obtained for every period of imaging frame rate: tw2. Then, the obtained 166 photoacoustic signals are subjected to addition averaging to calculate an addition averaged photoacoustic signal A1.
次に、図6のT3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6のT4)。なお、撮像フレームレートの周波数は約60Hzとなる。
Next, as shown at T3 in FIG. 6, the above-described processing for reconstruction is performed based on the averaged photoacoustic signal A1 to obtain reconstructed image data R1. Then, the reconstructed image data R1 is sequentially output and displayed on 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の複数の半導体発光素子の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形で同時に発光することによって、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可能となる。
As described above, by simultaneously emitting light with at least two or more types of light pulse waveforms among the plurality of semiconductor light emitting elements 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は、2種類以上の異なる光パルス波形が同時に発光するように制御する構成であった。複数回発光し得られた光音響信号を加算平均する場合、複数回の発光の内、一部の発光を本発明の2種類以上の異なる光パルス波形が同時に発光するように制御し、他の発光を1種類の光パルス波形の光パルスで発光し、被検体を照射してもよい。このようにすると、1種類の光パルス波形による光音響波の周波数スペクトルと、2種類以上の異なる光パルス波形が同時に発光して得られた光音響波の周波数スペクトルを、発光回数で重みを付けた加算平均した光音響信号の周波数特性が得られる。 In the first embodiment, the configuration is such that two or more different light pulse waveforms are controlled to emit light simultaneously. When averaging the photoacoustic signals obtained by emitting a plurality of times, part of the emission among the plurality of times of emission is controlled such that two or more different light pulse waveforms of the present invention are emitted simultaneously; Light emission may be performed by light pulses of one type of light pulse waveform to illuminate the subject. In this case, the frequency spectrum of the photoacoustic wave by one type of light pulse waveform and the frequency spectrum of the photoacoustic wave obtained by simultaneously emitting two or more different light pulse waveforms are weighted by the number of times of light emission. The frequency characteristic of the averaged photoacoustic signal is obtained.
(その他の実施例)
第1の実施形態では、光照射部の複数の半導体発光素子の内、少なくとも2種類以上の光パルス波形で同時に発光し被検体を照射し、光音響信号を得る実施形態を説明した。前述したように、複数の半導体発光素子の内、各光パルス波形に対応する半導体発光素子の個数を変更してもよい。また、各光パルス波形の光パルスを発光する半導体発光素子の光強度を変更し、同時に発光し、光音響信号を得る構成であってもかまわない。
(Other embodiments)
In the first embodiment, an embodiment has been described in which a photoacoustic signal is obtained by simultaneously emitting light with at least two or more types of light pulse waveforms among a plurality of semiconductor light emitting elements of a light irradiation unit and irradiating an object. As described above, among the plurality of semiconductor light emitting devices, the number of semiconductor light emitting devices corresponding to each light pulse waveform may be changed. In addition, the light intensity of the semiconductor light emitting element that emits the light pulse of each light pulse waveform may be changed to simultaneously emit light to obtain the photoacoustic signal.
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、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実施形態の2種類以上の光パルス波形で同時に被検体を照射し、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、以上に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 described above may be realized by one photoacoustic apparatus, and may 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 (10)
前記複数の光照射部から前記被検体に略同時にパルス光が照射されるように前記複数の光照射部を制御する制御部と、
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、前記複数の光照射部から照射されるパルス光のパルス波形が互いに異なるように、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 plurality of light irradiators for irradiating a subject with pulsed light;
A control unit configured to control the plurality of light irradiation units such that pulsed light is irradiated to the subject substantially simultaneously from the plurality of light irradiation units;
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;
An acquisition unit configured to acquire information on the subject based on the electrical signal;
A photoacoustic device having
The photoacoustic apparatus, wherein the control unit controls the light emitting unit such that pulse waveforms of pulse lights emitted from the plurality of light emitting units are different from each other.
Priority Applications (2)
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