JP3456721B2 - 光音響コンピュータトモグラフィ装置 - Google Patents

光音響コンピュータトモグラフィ装置

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JP3456721B2
JP3456721B2 JP08635493A JP8635493A JP3456721B2 JP 3456721 B2 JP3456721 B2 JP 3456721B2 JP 08635493 A JP08635493 A JP 08635493A JP 8635493 A JP8635493 A JP 8635493A JP 3456721 B2 JP3456721 B2 JP 3456721B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、計算機断層映像装置に
係わり、特に光音響効果を利用したコンピュータトモグ
ラフィ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】本来人間の眼では原理的に見ることので
きない、可視光領域の透過性を有しない構造の物体の内
部の物質分布を、物体を破壊せずに観測することを目的
として、様々な物理現象を被測定体内部の探針として利
用し、その物理現象に応じて発生する信号を被測定体外
部で収集して計算機処理することにより、被測定体の物
質分布の任意断面像を得る技術が注目されている。この
技術は、一般にコンピュータトモグラフィ(以後、CT
と呼ぶ)と称され、微弱信号の検出能力の向上、計算機
技術の進歩および処理アルゴリズムの改良と相俟って、
様々な装置が実用化されている。
【0003】現在、実用化されているCT装置として、
以下のようなものがある。 X線CT装置:被測定体にX線を照射し、透過したX
線の強度を測定する。被測定体内部の物質分布を反映し
たX線の投影データを計算機処理して断層像を得る。
【0004】ポジトロンCT(またはPET)装置:
被測定体内部にポジトロンを自然放出する放射性同位元
素で標識された試料を注入し、ポジトロンとエレクトロ
ンとの対消滅に伴って発生するγ線対の個数を測定す
る。被測定体内部の物質分布に対応する試料分布を反映
した発生γ線対数の空間分布を計算機処理して断層像を
得る。
【0005】超音波CT装置:被測定体に超音波パル
スを照射し、散乱した超音波の強度と伝播時間とを測定
する。被測定体内部の物質分布による音響インピーダン
スの境界を反映した測定データを計算機処理して断層像
を得る。
【0006】NMR−CT装置:被測定体に大強度磁
界パルスを印加し、被測定体を構成する原子の核磁気共
鳴に伴うスペクトル強度を測定する。被測定体内部の水
素あるいはリンの分布状況を反映したスペクトル強度を
計算機処理して断層像を得る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来のCT装置は、以
上のような物理現象を利用しているので、被測定体の構
造・構成に整合した手法の装置を選択する必要がある。
X線CT装置の場合には被測定体内部の構造ごとにX
線吸収率を有していなければならない。また、ポジト
ロンCT装置の場合には注入した試料が、被測定体内部
の物質分布に対応して拡散しなければならならい。超
音波CT装置の場合には被測定体内部の構造に関して、
その構造体と周辺とでは音響インピーダンスが異なって
いなければならないし、また、NMR−CT装置の場
合には核磁気共鳴する原子の分布が比較的大きく変化し
ていなければならない。また、およびでは被爆の可
能性があるという問題点があった。
【0008】本発明は、上記の状況を鑑みてなされたも
のであり、被爆の危険なしに非破壊測定で断層像を得る
ことのできる、光音響コンピュータトモグラフィ装置を
提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の光音響トモグラ
フィ装置は、(a)プローブ光を被測定体の任意の局所
表面部分から照射する照射手段と、(b)照射手段を介
して照射された光に起因する被測定体内部で発生した音
響信号の強度を測定する測定手段と、(c)測定手段で
測定したデータを入力し、音響信号の強度分布に対する
データ処理を行って、音響信号の強度分布に反映されて
いる被測定体の物質分布を再現する処理手段と、から構
成されることを特徴とする。ここで、照射手段は、光源
と、この光源が発生する光を前記被測定体の局所表面部
分へ導く光ファイバと、から構成されることを特徴とし
てもよい。また、測定手段は、前記被測定体の表面に配
置された1つ以上の微小振動検出器から構成される、こ
とを特徴としてもよい。なお、微小振動検出器は、特定
方向へ進行する音響信号の強度を検出する、ことを特徴
としてもよい。また、処理手段は、計算機と周辺装置と
を含んで構成され、測定手段によって検出した音響信号
の測定データを収集し、測定手段の配置及び測定データ
の時間波形の少なくとも一方を用いて推定される音響信
号の発生位置と音響信号の測定強度とを基にして、被測
定体内部の物質分布を演算して断層画像を生成する、こ
とを特徴とする。
【0010】
【作用】本発明の構成によれば、被測定体にプローブ光
を照射し、このプローブ光に起因する被測定体内部での
光音響効果によって発生した音響信号を被測定体の表面
に配置された微小振動検出器群で測定する。被測定体へ
のプローブ光の照射位置を得たい断層像の断層面の周囲
で変更しながら、上記の測定を繰り返す。測定データを
集積した処理手段を構成する計算機システムは、上記の
1回の測定データの組ごとに、個別の音響信号の測定デ
ータから音響信号発生位置を推定し、その推定位置と音
響信号強度との関係を被測定体内の光路に対して演算処
理して、この光路上の照射光の吸収率分布を求め、1次
元的な物質分布を再構成する。この様な1次元物質分布
を測定データの組の全てについて求め、総合することに
より2次元的な物質分布、すなわち断層像を再構成して
計算機システムの表示装置に表示する。
【0011】
【実施例】本発明の実施例の説明に先立って、本発明で
利用する光音響効果と簡単なモデルを使用した光音響ト
モグラフィとに関して説明する。
【0012】光を照射された被測定体内部で物質が光を
吸収すると、吸収が発生した箇所が局所的に吸収したエ
ネルギ量に応じて温度が上昇する。この温度上昇が発生
した箇所では、微視的には物質を構成する原子あるいは
分子の運動が激しくなり、巨視的な効果として周囲の物
質に対して圧力を発生することになる。この圧力を受け
た温度上昇箇所の周囲は、更にその周囲に圧力を伝達す
る。こうして、物質内部を一種の音響信号とみなすこと
ができる粗密波が伝播する。以上の現象が、本発明で利
用する物質の光音響効果による音響信号の発生である。
【0013】上述の被測定体への光の照射による被測定
体内部における音響信号の発生の様子を図1に示す。図
1(a)は被測定体の物質分布のモデルとプローブ光の
経路を示し、図1(b)は被測定体の内部の光吸収係数
と光音響信号の発生係数との分布を示し、図1(c)は
被測定体を透過するプローブ光の強度分布、すなわち被
測定体を構成する物質での光吸収による減衰の様子を示
し、図1(d)はプローブ光の通過経路において発生す
る光音響信号強度の分布を示す。
【0014】光の照射による音響信号の発生は物質の光
吸収に伴って発生する現象であり、発生する音響信号の
強度は、光音響信号の発生位置における光強度と光音響
信号の発生位置の物質組成によって決まる光音響信号の
発生係数との関数として次の式で表される。 IA =νA ・IP ・・・(1) ここで、IA :発生する光音響信号強度 νA :光音響信号の発生係数 IP :光音響信号発生位置での光強度 (1)式におけるIP は、被測定体に照射された光強度
と光の被測定体内経路に存在する物質の具備する光吸収
係数によって決まる。すなわち、物質の光吸収係数に従
って指数関数的に減衰していく(図1(c)参照)。
【0015】この結果、図1(d)に示すように、物質
分布を反映した強度分布で音響信号が発生する。したが
って、この光音響信号の強度を被測定体の外部に配置し
た測定器で検出することによって、通常では見ることの
できない物体内部の構造を知ることができる。
【0016】なお、被測定体の外部に配置された測定器
に音響信号が到達するまでに、音響信号は被測定体の内
部を伝播する。この伝播の途中の被測定体の構成物質の
境界における屈折あるいは反射は好ましくない。したが
って、被測定体の構成物質の音響インピーダンスが略同
一となっていることが、本発明の光音響トモグラフィ法
が有効となる条件の1つである。
【0017】以下、図面を参照して本発明の実施例に関
して説明する。なお、図面の説明において同一の要素に
は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0018】(第1実施例) 図2は、第1実施例に係る光音響コンピュータトモグラ
フィ装置の構成図である。この装置は、プローブ光を発
生するレーザ光源110と、プローブ光を被測定体90
0の表面に導く光ファイバ111と、被測定体900の
表面に配置されプローブ光の進行方向と垂直な方向に進
行する音響信号のみの強度を検出する音響信号検出器群
2001〜200nと、検出した音響信号情報を処理して
被測定体の内部の物質分布を演算するとともに光源11
0へプローブ光の発生タイミングを指示する計算機シス
テムから構成される。
【0019】ここで、個々の音響信号検出器200
i (i=1〜n)は、音響信号を検出して電気信号に変
換する圧電素子と、電気信号を計算機システムへ伝達す
る電気ケーブルとから成る。
【0020】計算機システムは、計算機本体300と、
物質分布像を表示するイメージディスプレイ305と、
物質分布像を印刷するイメージプリンタ306と、音響
信号検出器群2001 〜200n が出力する電気信号を
デジタル化して計算機本体300へ通知する音響検出器
インタフェース311と、計算機本体300が指示する
光源110の発光タイミングを光源110へ通知する光
源インタフェース312と、から構成される。
【0021】この装置を以下のように動作させて断面像
を得る。まず、計算機本体300が測定の開始にあたっ
て、光源インタフェース312を介して、光源110へ
プローブ光発生指示を通知する。光源110は、この指
示を受けてパルス状のプローブ光を発生する。プローブ
光は、光ファイバ111を経由して被測定体900の表
面に導かれ、被測定体900に照射される。照射された
プローブ光は、被測定体900の内部で吸収されつつ進
行する。この吸収の結果、被測定体900の内部では光
音響効果により音響信号が発生する。
【0022】発生した音響信号は被測定体900の内部
を伝播し、音響信号検出器群2001 〜200n に到達
する。個々の音響信号検出器200i は、プローブ光の
進行方向と垂直な方向に進行する音響信号のみの強度を
検出するので、各音響信号検出器200i は、配置され
た位置に応じたプローブ光の経路上の位置において発生
した音響信号のみを検出する。したがって、各音響信号
検出器200i の出力電気信号は、対応するプローブ光
の経路上の位置において発生した音響信号の強度を反映
している。
【0023】各音響信号検出器200i の出力電気信号
は、音響検出器インタフェース311入力し、デジタル
化されて計算機本体300へ伝達される。計算機本体3
00では、この収集データを格納する。
【0024】次に、プローブ光の被測定体900への照
射位置を変更して、プローブ光の進行方向を前回の測定
時の方向と平行で、かつ、異なる経路を通るように光フ
ァイバ111を設定する。引き続き、上記と同様にデー
タを収集して、計算機本体300に収集データを格納す
る。この互いに平行なプローブ光で被測定体の断面全体
を順次走査して、断面全体に関する収集データを計算機
本体300に蓄積する。
【0025】次いで、蓄積した収集データに基づいて、
計算機300が演算処理を実行して被測定体の断面像を
構成し、断面像をイメージディスプレイ305に表示し
たり、イメージプリンタ306に印刷したりする。
【0026】以上のように、この装置ではプローブ光の
走査を特定方向に平行なプローブ光を使用する走査を行
ったが、プローブ光の走査方向を放射状としてもよい。
ただし、この場合には、音響信号検出器群の配置を位置
走査ごとに設置し直すか、あらじめ全方位の音響信号に
対応できるように音響信号検出器群を配設する必要があ
る。
【0027】また、被測定体900への入射光強度をモ
ニタして、計算機本体300による収集データの処理時
に補正を行うようにしてもよい。
【0028】(第2実施例)図3は、第2実施例に係る
光音響コンピュータトモグラフィ装置の構成図である。
この装置の測定原理は第1実施例と同様であるが、音響
信号検出器をプローブ光を導波する光ファイバと一体化
した点が異なる。図4は、この一体化ファイバの構成例
を示す。図4(a)に示す一体化ファイバは、光ファイ
バ111のプローブ光の出射端に光透過性の音響インシ
ュレータ112を設置し、更に音響インシュレータ11
2のプローブ光の出射端に光透過性の圧電素子211を
設置して構成される。図4(b)に示す一体化ファイバ
は、光ファイバ111のプローブ光の出射端に光透過性
の音響インシュレータ112を設置し、更に音響インシ
ュレータ112のプローブ光の出射端に中空構造として
光透過性を確保した圧電素子212を設置して構成され
る。なお、圧電素子211または212には検出結果の
電気信号を計算機システムへ伝達する電線ケーブルが付
加されている。
【0029】この装置は、プローブ光を発生するレーザ
光源120と、プローブ光を被測定体900の表面に導
く光ケ−ブル機能と音響信号検出器機能とを備えた一体
化ファイバ400と、検出した音響信号情報を処理して
被測定体の内部の物質分布を演算するとともに光源12
0へプローブ光の発生タイミングを指示する計算機シス
テムから構成される。
【0030】計算機システムは第1実施例と同様に構成
され、音響検出器インタフェース321が1つの信号に
対するデジタル化を行う資源を備えていることのみが異
なる。
【0031】この装置を以下のように動作させて断面像
を得る。まず、計算機本体300が測定の開始にあたっ
て、第1実施例と同様に、光源インタフェース322を
介して、光源120へプローブ光発生指示を通知する。
光源120は、この指示を受けてパルス状のプローブ光
を発生する。プローブ光は、一体化ファイバ400を経
由して被測定体900の表面に導かれ、被測定体900
に照射される。照射されたプローブ光は、被測定体90
0の内部で吸収されつつ進行する。この吸収の結果、被
測定体900の内部では光音響効果により音響信号が発
生する。
【0032】発生した音響信号は被測定体900の内部
を伝播し、一体化ファイバ400に到達する。一体化フ
ァイバ400で検出される音響信号強度は、時間の関数
として見ると、プローブ光の経路上において発生した音
響信号の発生位置を反映した値を示す。したがって、一
体化ファイバ400の出力電気信号は、その時間波形が
プローブ光の経路上の位置において発生した音響信号の
強度を反映している。
【0033】一体化ファイバ400の出力電気信号は、
音響検出器インタフェース321に入力し、デジタル化
されて計算機本体300へ伝達される。計算機本体30
0では、この収集データを格納する。
【0034】次に、一体化ファイバ400によるプロー
ブ光の被測定体900への照射位置を変更して、第1実
施例と同様に、プローブ光の進行方向を前回の測定時の
方向と平行で、かつ、異なる経路を通るように一体化フ
ァイバ400を設定する。引き続き、上記と同様にデー
タを収集して、計算機本体300に収集データを格納す
る。この互いに平行なプローブ光で被測定体の断面全体
を順次走査して、断面全体に関する収集データを計算機
本体300に蓄積する。
【0035】次いで、第1実施例と同様に、蓄積した収
集データに基づいて、計算機300が演算処理を実行し
て被測定体の断面像を構成し、断面像をイメージディス
プレイ305に表示したり、イメージプリンタ306に
印刷したりする。
【0036】以上のように、この装置ではプローブ光の
走査を特定方向に平行なプローブ光を使用する走査を行
ったが、第1実施例と同様に、プローブ光の走査方向を
放射状としてもよい。また、第1実施例と同様に、被測
定体900への入射光強度をモニタして、計算機本体3
00による収集データの処理時に補正を行うようにして
もよい。
【0037】(第3実施例)図5は、第3実施例に係る
光音響コンピュータトモグラフィ装置の構成図である。
この装置の測定原理は第1実施例と同様であり、第2実
施例と同様に、音響信号検出器をプローブ光を導波する
光ファイバと一体化した一体化ファイバを使用する。
【0038】この装置は、各一体化ファイバに対して択
一的にプローブ光を発生するレーザ光源130と、プロ
ーブ光を被測定体900の表面に導く光ケ−ブル機能と
音響信号検出器機能とを備え、放射状に被測定体の断面
を走査するように配設された複数の一体化ファイバ40
1〜400nと、検出した音響信号情報を処理して被測
定体の内部の物質分布を演算するとともに光源130へ
プローブ光の択一的な発生タイミングを指示する計算機
システムから構成される。
【0039】計算機システムは、計算機本体300と、
物質分布像を表示するイメージディスプレイ305と、
物質分布像を印刷するイメージプリンタ306と、一体
化ファイバ4001 〜400n が出力する電気信号をデ
ジタル化して計算機本体300へ通知する音響検出器イ
ンタフェース331と、計算機本体300が指示する光
源130の発光タイミングを光源130へ通知する光源
インタフェース332と、から構成される。
【0040】この装置を以下のように動作させて断面像
を得る。まず、計算機本体300が測定の開始にあたっ
て、第1実施例と同様に、光源インタフェース332を
介して、光源130へどの一体化ファイバからプローブ
光を出射させるかを通知する。光源130は、この指示
を受けてパルス状のプローブ光を指定の一体化ファイバ
400i に対して発生する。プローブ光は、一体化ファ
イバ400i を経由して被測定体900の表面に導か
れ、被測定体900に照射される。照射されたプローブ
光は、被測定体900の内部で吸収されつつ進行する。
この吸収の結果、被測定体900の内部では光音響効果
により音響信号が発生する。
【0041】発生した音響信号は被測定体900の内部
を伝播し、一体化ファイバ400iに到達する。この一
体化ファイバ400i で検出される音響信号強度は、時
間の関数として見ると、プローブ光の経路上において発
生した音響信号の発生位置を反映した値を示す。したが
って、一体化ファイバ400i の出力電気信号は、その
時間波形がプローブ光の経路上の位置において発生した
音響信号の強度を反映している。
【0042】一体化ファイバ400i の出力電気信号
は、音響検出器インタフェース321入力し、デジタル
化されて計算機本体300へ伝達される。計算機本体3
00では、この収集データを格納する。
【0043】次に、他の一体化ファイバ400j を経由
してプローブ光を被測定体900への照射し、一体化フ
ァイバ400j で音響信号を検出し、上記と同様にデー
タを収集して、計算機本体300に収集データを格納す
る。引き続き、使用する一体化ファイバを順次変更して
被測定体の断面全体を走査して、断面全体に関する収集
データを計算機本体300に蓄積する。
【0044】次いで、第1実施例と同様に、蓄積した収
集データに基づいて、計算機300が演算処理を実行し
て被測定体の断面像を構成し、断面像をイメージディス
プレイ305に表示したり、イメージプリンタ306に
印刷したりする。
【0045】以上のように、この装置ではプローブ光の
走査を放射状で行ったが、第1実施例と同様に、プロー
ブ光の走査方向を略平行としてもよい。
【0046】また、第1実施例と同様に、被測定体90
0への入射光強度をモニタして、計算機本体300によ
る収集データの処理時に補正を行うようにしてもよい。
【0047】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施例
ではプローブ光としてパルス光を用いたが、光を適当に
変調してプローブ光としても良い。また、上記実施例
は、光吸収率が異なり音響インピーダンスが略一定であ
る内部構造を有する被測定体を非破壊測定によって断層
像を得る装置例であるが、光吸収率が略一定で音響イン
ピーダンスが異なる内部構造を有する被測定体に適用し
てもよい。但し、音響測定器の指向性範囲の選択および
データ処理の方式は上記実施例とは異なる。
【0048】
【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明の光
音響コンピュータトモグラフィ装置によれば、光を被測
定体に照射し、被測定体内部で光音響効果によって発生
する音響信号を被測定体外部の検出器で測定し、この測
定データを計算機で処理するので、被爆の危険なしに、
被測定体を非破壊測定によって断層像を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】光音響コンピュータトモグラフィの説明図であ
る。
【図2】本発明の第1実施例に係る光音響コンピュータ
トモグラフィ装置の構成図である。
【図3】本発明の第2実施例に係る光音響コンピュータ
トモグラフィ装置の構成図である。
【図4】一体化ファイバの構成図である。
【図5】本発明の第3実施例に係る光音響コンピュータ
トモグラフィ装置の構成図である。
【符号の説明】
110,120,130…光源、111…光ファイバ、
112…音響インシュレータ、200,211,212
…音響検出器、300…計算機本体、305…イメージ
ディスプレイ、306…イメージプリンタ、311,3
21,331…音響検出器インタフェース、312,3
22,332…光源インタフェース。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プローブ光を被測定体の任意の局所表面
    部分から照射する照射手段と、 前記照射手段を介して照射された光に起因する前記被測
    定体内部で発生した音響信号の強度を測定する測定手段
    と、 前記測定手段で測定したデータを入力し、音響信号の強
    度分布に対するデータ処理を行って、前記音響信号の強
    度分布に反映されている被測定体の物質分布を再現する
    処理手段と、 から構成されることを特徴とする光音響コンピュータト
    モグラフィ装置。
  2. 【請求項2】 前記照射手段は、光源と、前記光源が発
    生する光を前記被測定体の局所表面部分へ導く光ファイ
    バと、から構成されることを特徴とする請求項1記載の
    光音響コンピュータトモグラフィ装置。
  3. 【請求項3】 前記測定手段は、前記被測定体の表面に
    配置された1つ以上の微小振動検出器から構成される、
    ことを特徴とする請求項1記載の光音響コンピュータト
    モグラフィ装置。
  4. 【請求項4】 前記微小振動検出器は、特定方向へ進行
    する音響信号の強度を検出する、ことを特徴とする請求
    項3記載の光音響コンピュータトモグラフィ装置。
  5. 【請求項5】 前記処理手段は、計算機と周辺装置とを
    含んで構成され、前記測定手段によって検出した音響信
    号の測定データを収集し、前記測定手段の配置及び前記
    測定データの時間波形の少なくとも一方を用いて推定さ
    れる音響信号の発生位置と音響信号の測定強度とを基に
    して、前記被測定体内部の物質分布を演算により求め、
    断層画像を生成する、ことを特徴とする請求項1記載の
    光音響コンピュータトモグラフィ装置。
JP08635493A 1993-04-13 1993-04-13 光音響コンピュータトモグラフィ装置 Expired - Lifetime JP3456721B2 (ja)

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