JP4679507B2 - 音響光学撮像方法および音響光学撮像装置 - Google Patents
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Description
「Ultrasonic tagging of photon paths in scattering media: parallel speckle modulation processing」,Optics Letters,Vol.24, No.3, 1st, February 1999, page 181.
(a)周波数fIの入射光波と周波数fRの基準光波とを生成し、当該基準波は入射波とコヒーレントであるとともに、既知の位相差φi(t)を示し、
(b)振動生成装置によって、第1の撮像物方向に沿って、音響周波数fAで、撮像物の領域を振動させ、
(c)前記入射波を撮像物に照射して、散乱信号波を生成し、
(d)散乱信号波の少なくとも一部を検出装置に照射し、
(e)基準波を撮像物に透過させずに検出装置に照射し、検出装置の点rに、時間tで変化する干渉画像I(r,t)を生成し、
(f)干渉画像I(r,t)からデジタル情報を抽出し、
(g)デジタル情報が関連する撮像物の測定点の座標を得る。
座標(U,V,W)を持つ点の周囲に、第1の撮像物方向に沿って延びる座標([U−Dx,U+Dx],V,W)を有する点の間に集中する音響波の周波数のスキャンが行なわれ、
fRがfI±H・fA、(Hは0でない整数)に略等しいか、または等しく保ちながら、基準波の周波数fRでスキャンを共同で行ない、
広がった間隔の点集合([U−Dx,U+Dx],V,W)に対応する干渉画像I(fA,V,W,r)が、各画素rおよび各周波数fAに対して記録され、
1次元周波数→時間フーリエ変換が、干渉画像I(fA,V,W,r)の周波数fAにしたがって、各画素rに対して行われ、
座標(U’,V,W,)の少なくとも1つの測定点に対応する少なくとも1つの干渉画像I(r)が、フーリエ変換後に得られる時間と、第1の撮像物方向に沿った長さU’(U’はほぼUに等しい)とを、撮像物における音響波の伝播速度を用いて置き換えることによって得られる。
工程(f)では、
(f1)少なくとも1つの行または列に対する1次元フーリエ変換が、検出装置の行または列に沿って、波動ベクトル空間へ、複素振幅ES(r)に対して実行され、この行または列に対して場TF1 ES(k)が得られ、
(f2)いくつかの総和領域が、波数ベクトル空間において定義され、
(f3)少なくとも1つの領域の各点kでの場TF1 ES(k)の強度が、この領域中で総和され、
(f4)デジタル情報は、各領域でこのように得られた総和の線形結合として抽出される(この線形結合は、たった1項のみを含む可能性がある)。
工程(f)では、
(f1)検出装置の平面から波数ベクトル空間への、複素振幅ES(r)の2次元フーリエ変換が行われ、場TF2 ES(k)が得られ、
(f2)いくつかの総和領域が、波数ベクトル空間において定義され、
(f3)少なくとも1つの領域の各点kでの場TF2 ES(k)の強度が、この領域中で総和され、
(f4)デジタル情報は、各領域でこのように得られた総和の線形結合として抽出される(この線形結合は、たった1項のみを含む可能性がある)。
波長λのレーザ光源は、周波数fLの放射波を発生し、
放射波の振幅変調手段は、入射周波数fIの搬送波と、周波数fRの少なくとも1つの振幅変調側波帯と、を生成し、
半反射鏡は、横帯域波の一部と入射波を形成する搬送波の一部とを伝送し、搬送波の一部と基準波を形成する側波帯の一部とを反射する
波長λのレーザ光源は、周波数fLの放射波を発生し、
第1の音響光変調器は、放射波の一部を伝送して、撮像物に対する入射波を形成し、さらに、第1の周波数がシフトされた波を生成し、当該シフト波の周波数は、放射波に対しδf1(負でありうる)だけシフトされたものであり、
第2の音響光変調器は、第1の周波数がシフトされた波を受けて、第2の周波数がシフトされた波を生成し、当該シフト波の周波数は、第1の周波数がシフトされた波に対しδf2(負でありうる)だけシフトされたものであり、基準波(REF)を形成する第2の周波数がシフトされた波の周波数は、入射波(INC)に対しδf=δf1+δf2だけシフトしたものであり、このようにして2つの波の位相差φi(t)を決定する(大抵、δf1とδf2は反対の符号となる)。
波長λのレーザ光源は、周波数fLの放射波を発生し、
半反射鏡は、放射波の一部を伝送して、撮像物に対する入射波を形成し、放射波の第2の部分を伝送し、
第1の音響光変調器は、放射波の第2の部分を受けて、当該放射波に対しδf1(負でありうる)だけシフトした第1の周波数がシフトされた波を生成し、
第2の音響光変調器は、第1の周波数がシフトされた波を受けて、シフト波に対しδf2(負でありうる)だけシフトされた第2の周波数がシフトされた波を生成し、基準波を形成する第2の周波数がシフトされた波の周波数は、入射波に対しδf=δf1+δf2だけシフトされたものであり、このようにして2つの波の位相差φi(t)を決定する(大抵、δf1とδf2は反対の符号となる)。
周波数fIの入射光波、および、この入射光波とコヒーレントでかつ既知の位相差φi(t)を示す周波数fRの基準光波(REF)を生成する手段と、
第1の撮像物方向に沿って、音響周波数fAで撮像物の領域の振動する振動生成装置と、
撮像物に入射光波を照射し、これにより散乱信号波を生成する手段と、
検出装置と、
散乱信号波の少なくとも一部を検出装置に照射する手段と、
基準波を撮像物に透過させずに検出装置(DET)に照射し、検出装置の点rに時間tで変化する干渉画像I(r,t)生成する手段と、
デジタル情報、および、当該デジタル情報が関連する撮像物の測定点の座標を干渉画像から抽出する手段と、を備える。
前記撮像物の測定点に関連するデジタル情報を可視化する手段。
撮像物を動かす手段。
撮像物OBJに照射される周波数fI、波長λの入射光波INCと、
周波数fRの基準光波REFと、を生成する。
周波数fLで放射光波EMIを放射するレーザ源LASと、
放射波EMIの一部を伝送して、周波数fIで入射波INCを形成し、さらに、周波数がδf1だけシフトされた波DECを生成する第1音響光学変調器MAO1と、
周波数がfL+δf1にシフトされた波DECを受けて、再度この波を周波数δf2だけシフトし、したがって、周波数がfR=fL+δf1+δf2(δf1および/またはδf2は、負でありえ、また、δf1およびδf2は、通常反対の符号である)の基準波REFを生成する第2音響光学変調器MAO2と、を備える。
12個の干渉画像、すなわち、4相、3サイクル(N=4,n=3)に対しては、測定の全持続時間は、例えば、数秒のオーダーである。
CCDカメラ(1/12.5秒)のフレームの持続期間にわたり、検出装置によって測定された強度の積分 Ii k(U,V,W,r)=(1/Tint)∫I(U,V,W,r,t)dt(時間t=tikとt=tik+Tintとの間にとられる)。
N個の平均干渉画像Ii(U,V,W,r)を得るために、既知の各位相φiに対し、この位相に対して検出されたn個の干渉画像Ii k(U,V,W,r) (k=1...n)の平均をとる。
撮像物により散乱された信号波DIFの音響成分の複素振幅Es(U,V,W,r)に関する情報を得るように測定されたN個の干渉画像のN相復調。例えば、nが1に等しく、また、特に、Nが4に等しく、φ1=π/2,φ2=π,φ3=3π/2,φ4=2πとした図4の場合、基準波は空間と時間において一定の複素振幅を示すと考えられので、音響成分の複素振幅ES(U,V,W,r)は、(I4−I2)+j(I1−I3)(ここで、jは、j2=−1のような複素数である)と、撮像物OBJに伴う強度と、に比例する。
Uの周囲に広がる[U−Dx,U+Dx]の区間に集中された周波数fAの音響波のスキャンが行ない、
条件fR=fI±H・fA(ここで、Hは倍音のランクであり、一般に1である)を保持するように、周波数fRの基準波のスキャンを、第1のスキャンと共同で行ない(後に注意するように、基準波は、検出しようとする音響成分の周波数と同じ周波数を有する)、
広がった区間の点集合([U−Dx,U+Dx],V,W)に対応する干渉画像I(fA,V,W,r)が、位置rの各画素、および各周波数fAに対して記録され、
周波数→時間の1次元フーリエ変換が、位置rの各画素に対して、干渉画像I(fA,V,W,r)の周波数fAによって行われ、
方向xに沿った長さUの、様々な値に対する複素干渉画像I(U,V,W,r)が、撮像物における音響波の伝播速度を用いて、フーリエ変換後に得られる時間をx方向に沿った長さUに置き換えることにより得られる。
EI・EI *は、周波数fIで散乱された信号波と自身との干渉に対応する。すなわち、通常スペックルと通常スペックルとの干渉に対応し、
ES・ES *は、音響光学周波数fAO=fI+fAで散乱された信号波の音響成分と自身との干渉に対応する。すなわち、音響光学スペックルと音響光学スペックルとの干渉に対応し、
ER・ER *は、基準波と自体との干渉に対応し、
ER・EI *は、基準波と通常スペックルとの干渉に対応し、
EI・ES *は、通常スペックルと音響光学スペックルとの干渉に対応し、
ER・ES *は、基準波と音響光学スペックルとの干渉に対応し、関連情報を伝送する項で構成される。
Claims (27)
- 撮像物(OBJ)の音響光学撮像方法であって、
(a)周波数fIの入射光波(INC)と周波数fRの基準光波(REF)とを生成する工程であって、当該基準光波は、入射光波(INC)とコヒーレントであるとともに、既知の位相差φi(t)を示す工程と、
(b)振動生成装置(TRANS)によって、第1の撮像物方向(x0)に沿って、音響周波数fAで、撮像物(OBJ)の領域(Dx,Dy,Dz)を振動させる工程と、
(c)前記入射光波(INC)を撮像物(OBJ)に照射して、散乱信号波(DIF)を生成する工程と、
(d)散乱信号波の少なくとも一部を検出装置(DET)に照射する工程と、
(e)基準光波(REF)を撮像物(OBJ)に透過させずに前記検出装置(DET)に照射し、前記検出装置(DET)の点rに、時間tで変化する干渉画像I(r,t)を生成する工程と、
(f)干渉画像I(r,t)から撮像物(OBJ)の測定点に関するデジタル情報を抽出する工程、
(g)音響波の第1周波数fAと基準波(REF)の第1周波数fRとで行なわれる工程(a)から工程(f)の第1サイクルと、音響波の第1周波数fAでコード化された音響波の第2周波数f’Aと基準波(REF)の第1周波数fRでコード化された基準光波(REF)の第2周波数f’Rとで繰り返し行われる工程(a)から工程(f)の第2サイクルと、を実行する工程と、
(h)デジタル情報に関連する音響周波数fA,fA’で振動する撮像物(OBJ)の測定点の3次元の座標(U,V,W)を得る工程であって、当該測定点の3次元の座標(U,V,W)は、使用された周波数の関数として各サイクルの工程(f)において得られた撮像物(OBJ)の測定点に関するデジタル情報をデコードすることによって得られる工程と、から構成されることを特徴とする撮像物(OBJ)の音響光学撮像方法。 - 工程(f)では、前記検出装置(DET)に照射された散乱信号波の一部の音響成分が検出され、
当該音響成分は、入射光波(INC)の周波数fIと音響周波数fAの倍音との合計に対応する周波数にあることを特徴とする請求項1に記載の音響光学撮像方法。 - 工程(a)では、前記基準光波(REF)は、入射光波(INC)の周波数fIと音響周波数fAの倍音との合計に等しい周波数fRで生成されることを特徴とする請求項2に記載の音響光学撮像方法。
- 工程(b)では、撮像物(OBJ)に位置する焦点に集束した音響波が生成され、
工程(h)では、測定点の3次元の座標(U,V,W)が、前記焦点の座標として得られることを特徴とする請求項3に記載の音響光学撮像方法。 - 工程(a)から工程(h)は、撮像物における音響波の複数の焦点に対して繰り返し行なわれ、
これら複数の焦点は、第1の撮像物方向(x0)に沿って配列されることを特徴とする請求項4に記載の音響光学撮像方法。 - 第1の撮像物方向(x 0 )に沿い、座標(U,V,W)を持つ点の周囲に広がる座標([U−Dx,U+Dx],V,W)の区間に集束する音響波の周波数のスキャンが行なわれ、
fRがfI±H・fA、(Hは0でない整数)に等しく保ちながら、基準光波の周波数fRでスキャンを共同で行ない、
広がった間隔の点集合([U−Dx,U+Dx],V,W)に対応する干渉画像I(fA,V,W,r)が、各画素rおよび各周波数fAに対して記録され、
干渉画像I(fA,V,W,r)の周波数から時間への1次元フーリエ変換が、周波数fAにしたがって、各画素rに対して行われ、
座標(U’,V,W,)の少なくとも1つの測定点に対応する少なくとも1つの干渉画像I(r)が、フーリエ変換後に得られる時間と、第1の撮像物方向に沿った長さU’(U’はほぼUに等しい)とを、撮像物における音響波の伝播速度を用いて置き換えることによって得られる操作が実行されることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 少なくとも工程(a)から工程(h)を、撮像物(OBJ)の第1の方向(x0)と平行にはならないように、撮像物(OBJ)に対する前記振動生成装置の位置を変えた後に繰り返すことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の音響光学撮像方法。
- 工程(f)では、干渉画像I(r,t)をもとに、デジタル情報を得るために、音響成分の複素振幅ES(r)を推定することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の音響光学撮像方法。
- 前記検出装置(DET)は単一画素検出装置であり、
工程(f)では、対象物によって散乱された複素振幅ES(r)の場の強度として、デジタル情報が得られることを特徴とする請求項8に記載の音響光学撮像方法。 - 前記検出装置は多画素検出装置であり、
工程(f)では、前記検出装置の画素rの、対象物によって散乱された複素振幅ES(r)の場の強度の少なくとも一部にわたる合計として、デジタル情報が抽出されることを特徴とする請求項8に記載の音響光学撮像方法。 - 工程(d)では、前記検出装置の各画素によって見られる散乱信号波(DIF)の一部の角度範囲を、少なくとも1つの方向に沿って制限するように、空間フィルタリング装置(COL)が使用されることを特徴とする請求項8に記載の音響光学撮像方法。
- 第1絞り方向に沿った長さがXで、前記第1絞り方向に直交する第3絞り方向に沿った長さがYの矩形状の絞りを備える空間フィルタリング装置(COL)と、撮像物(OBJ)の入射光波(INC)の伝播方向の下流部に位置する焦点を持つ焦点距離がLのレンズと、が用いられ、
前記検出装置の各画素によって見られる散乱信号波(DIF)の一部の角度範囲を制限し、前記検出装置(DET)に入射した基準光波(REF)が全て平面波であることを特徴とする請求項11に記載の音響光学撮像方法。 - 撮像物(OBJ)と前記検出装置(DET)との間に、後者から距離Lを離して配置され、第1絞り方向に沿った長さがXで、前記第1絞り方向に直交する第3絞り方向に沿った長さがYの矩形状の絞りを備える空間フィルタリング装置(COL)が用いられ、
前記検出装置の各画素によって見られる散乱信号波の一部の角度範囲を制限し、
前記検出装置(DET)に照射される基準光波(REF)は、絞りの平面に位置する原点から発せられる球面波であることを特徴とする請求項11に記載の音響光学撮像方法。 - 基準光波(REF)と散乱信号波(DIF)とは、ゼロでない角度θYをなしながら前記検出装置上で干渉し、
角度θYは前記検出装置(DET)上の2つの波の入射面で測定されることを特徴とする請求項12又は13のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 使用する前記検出装置は多画素検出装置であり、
前記検出装置の平面で空間的に急激に変化する複素振幅ES(r)の音響成分の一部は、分離されることを特徴とする請求項12から14のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 前記検出装置(DET)は、第1検出装置方向(xD)に沿った行および第3検出装置方向(yD)に沿った列から成るマトリックスとして配列された画素を備え、
工程(f)では、
(f1)少なくとも1つの行または列に対する1次元フーリエ変換が、前記検出装置(DET)の行(l)または列(c)に沿って、波動ベクトル空間へ、複素振幅ES(r)に対して実行され、この行または列に対して、対象物によって散乱された複素振幅ES(r)の場として、場TF1 ES(k)が得られ、
(f2)いくつかの総和領域が、波数ベクトル空間において定義され、
(f3)少なくとも1つの領域の各点kでの場TF1 ES(k)の強度が、この領域中で総和され、
(f4)デジタル情報は、各領域でこのように得られた総和の線形結合として抽出されることを特徴とする請求項12から15のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 前記検出装置(DET)は、第1検出装置方向(xD)に沿った行および第3検出装置方向(yD)に沿った列から成るマトリックスとして配列された画素を備え、
工程(f)では、
(f1)前記検出装置(DET)の平面から波数ベクトル空間への、複素振幅ES(r)の2次元フーリエ変換が行われ、対象物によって散乱された複素振幅ES(r)の場として、場TF2 ES(k)が得られ、
(f2)いくつかの総和領域が、波数ベクトル空間において定義され、
(f3)少なくとも1つの領域の各点kでの場TF2 ES(k)の強度が、この領域中で総和され、
(f4)デジタル情報は、各領域でこのように得られた総和の線形結合として抽出されることを特徴とする請求項12から15のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 基準波(REF)と散乱信号波(DIF)との間の角度である角度θYは3Y/2Lに等しく、
工程(f2)では、いわゆる中央領域の第1総和領域、いわゆる左の領域の第2総和領域、いわゆる右の領域の第3総和領域が定義され、
工程(f4)では、デジタル情報は、左の領域の総和と右の領域の総和との線形結合として抽出されることを特徴とする請求項16又は17のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 工程(a)では、
波長λのレーザー光源は、周波数fLの放射波(EMI)を発生し、
放射波(EMI)の振幅変調手段(MA)は、入射周波数fIの搬送波(POR)と、周波数fRの少なくとも1つの波に対応する振幅変調された側帯波(LATMOD)と、を生成し、
半反射鏡は、前記側帯波(LATMOD)の一部と入射光波(INC)を形成する搬送波(POR)の一部とを伝送し、搬送波(POR)の一部と基準光波(REF)を形成する前記側帯波(LATMOD)の一部とを反射することを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 工程(a)では、
波長λのレーザー光源は、周波数fLの放射波(EMI)を発生し、
第1の音響光変調器(MAO1)は、撮像物(OBJ)に対する入射光波(INC)を形成するために当該放射波(EMI)の一部を伝送し、さらに、周波数が、当該放射波に対して、第1の周波数δf1だけシフトされた波(DEC)を生成し、
第2の音響光変調器(MAO2)は、第1の周波数だけシフトされた波(DEC)を受けて、周波数が、第2の周波数だけシフトされた波を生成し、当該シフト波の周波数は、第1の周波数だけシフトされた波(DEC)に対して、第2の周波数δf2だけシフトされたものであり、基準光波(REF)を形成する第2の周波数だけシフトされた波の周波数は、入射光波(INC)に対し周波数δf=δf1+δf2だけシフトしたものであり、このようにして、これら2つの波間の既知の位相差φi(t)を決定することを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 工程(a)では、
電子的スレービングによって位相が固定された2つの独立なレーザー光源は、既知の位相差φi(t)を示す入射光波(INC)と基準光波(REF)を生成することを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 工程(a)では、
波長λのレーザー光源は、周波数fLの放射波(EMI)を発生し、
半反射鏡は、撮像物(OBJ)に対する入射光波(INC)を形成するために当該放射波(EMI)の一部を伝送し、当該放射波(EMI)の第2の部分を伝送し、
第1の音響光変調器(MAO1)は、当該放射波の第2の部分を受けて、周波数が、当該放射波に対して、第1の周波数δf1だけシフトした波(DEC)を生成し、
第2の音響光変調器(MAO2)は、第1の周波数だけシフトされた波(DEC)を受けて、シフト波(DEC)に対して、周波数が、第2の周波数δf2だけシフトされた波を生成し、基準光波(REF)を形成する第2の周波数だけシフトされた波の周波数は、入射光波(INC)に対し周波数δf=δf1+δf2だけシフトされたものであり、このようにして、これら2つの波間の既知の位相差φi(t)を決定することを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の音響光学撮像方法。 - 撮像物(OBJ)は、生物学的組織であることを特徴とすることを特徴とする請求項1から22のいずれかに記載の音響光撮像方法。
- 前記振動生成装置(TRANS)は、撮像物(OBJ)の領域(Dx,Dy,Dz)の音響キューを得るために用いられ、
工程(f)で抽出されたデジタル情報は、前記音響キューと共同して使用されることを特徴とする請求項1から23のいずれかに記載の音響光撮像方法。 - 撮像物(OBJ)に対する音響光学撮像装置であって、
周波数fIの入射光波(INC)、および、この入射光波(INC)とコヒーレントでかつ既知の位相差φi(t)を示す周波数fRの基準光波(REF)を生成する手段と、
第1の撮像物方向(x0)に沿って、音響波の第1周波数fAおよび音響波の第2周波数f’Aで撮像物(OBJ)の領域(Dx,Dy,Dz)を振動する振動生成装置と、
撮像物(OBJ)に入射光波(INC)を照射し、これにより散乱信号波(DIF)を生成する手段と、
検出装置(DET)と、
前記散乱信号波(DIF)の少なくとも一部(SIG)を前記検出装置(DET)に照射する手段と、
基準光波(REF)を撮像物(OBJ)に透過させずに前記検出装置(DET)に照射し、前記検出装置(DET)の点rに時間tで変化する干渉画像I(r,t)を生成する手段と、
干渉画像I(r,t)から撮像物(OBJ)の測定点に関するデジタル情報を抽出するとともに、当該デジタル情報に関連する音響周波数fA,fA’で振動する撮像物の測定点の3次元の座標(U,V,W)を、前記振動生成装置により使用された周波数fA,f’Aの関数として撮像物(OBJ)の測定点に関するデジタル情報から抽出する手段(CALC)と、を備えることを特徴する音響光撮像装置。 - 前記撮像物の測定点に関連するデジタル情報を可視化する手段と、
当該撮像物(OBJ)をずらす手段と、を備えることを特徴とする請求項25記載の音響光撮像装置。 - さらに、撮像物(OBJ)の入射光波(INC)の伝播方向の下流部に位置する空間フィルタリング装置を備えることを特徴とする請求項25または26に記載の音響光撮像装置。
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