JP6407379B2 - 光音響装置 - Google Patents
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Description
バンドルファイバ103の入射端103aには、光源101からの照明光が入射する。そして、バンドルファイバ103を経由した照明光は、出射端103bから被検体に照射される。すると光音響効果により被検体から光音響波が発生し、受信部106により受信される。受信信号から変換された電気信号に、超音波装置(US)の処理装置107で増幅やディジタル化、画像再構成が行われる。構成された画像情報(IMG)は、表示装置であるモニタ108に送られ、光音響画像として表示される。
非特許文献1の光音響プローブ104が、非測定時(すなわち、出射端103bが被検体に接していない時)に照明光を照射すると、空中に比較的大きなエネルギ密度をもった照明光が放出されてしまう。そのため非測定時は、少なくとも光音響プローブの出射端を覆うといった改善の余地が残っていた。
ここで、光源101の劣化に起因する光量低下に関しては、光源101から入射端103aまでの間に不図示の光量センサを設けることで把握できる。
これらは光音響だけでなく、DOI(Diffuse Optical Imagin
g)などの比較的大きなエネルギ密度を用いる光イメージングにも共通の課題となっていた。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、光を被検体に照射する出射端と、前記光が照射された前記被検体から発生する音響波を受信する受信部を含む光音響プローブと、前記出射端を覆うことが可能なホルダと、前記出射端が前記ホルダで覆われた状態で前記出射端から照射された光の光量を測定する光量測定手段と、前記出射端に対して前記光量測定手段を相対的に移動させるステージと、を有することを特徴とする光音響装置である。
物質の濃度とは例えば、酸素飽和度またはオキシヘモグロビン濃度もしくはデオキシヘモグロビン濃度である。また、生成された特性情報は、数値データ、被検体内の各位置の
分布情報、または画像を表示するための画像データとして保存や利用されても良い。
図1は光音響装置100を模式的に図示したものである。光源1は、照明光(L)を発する。第一の照明光学系2は、照明光を成形してバンドルファイバ3の入射端3aへ入射させる。バンドルファイバ3は、光音響プローブ4まで照明光を伝送し、その出射端3bから照明光を照射させる。
光音響波は受信部6に内蔵されたピエゾ素子やCMUTなどの素子で電気信号(SIG)に変換され、その電気信号が処理装置7へ送られる。処理装置7は電気信号を増幅し、ディジタル変換やフィルタを介して画像情報(IMG)を生成し、表示装置8に表示させる。処理装置7としては、CPUやメモリ、処理回路などを有し、各種の処理を行う情報処理装置などを利用できる。
また、光音響プローブ4は、図2Aに示すように、ハウジング4aで覆われていることが好ましい。
光源1としては、600nmから1100nm程度の波長の近赤外線を発光するものが好ましい。例えば、Nd:YAGレーザやアレクサンドライトレーザなどのパルスレーザを用いる。また、Nd:YAGレーザ光を励起光とするTi:saレーザやOPOレーザを用いても良い。
このような構成により、光音響プローブ4から照射される総光量、すなわち被検体へ照射される総光量を測定できる。光量の測定値(Q)は、記憶部13に送られる。
からの総光量を光量測定手段10で測定する際に、ホルダ9の外へ漏れる光を低減させられる。その結果、被検者や術者に対する安全性が向上する。
続いて、図2Aの構成を用いた具体的な測定などの手順を、図2Bおよび図2Cのフローチャートを参照して説明する。パワーメータ10aの出力は、記憶部13で記憶される。このとき、処理装置7は図2Bのフローの各ステップに従い、光音響プローブ4から照射された総光量が正常か否か判別する。
S22:前回までの測定結果、もしくは基準となる総光量(設定値)との差分を比較する。
S23:S22の差分が所定未満であれば、正常終了とする。
S24:S22の差分が所定以上であれば、非正常終了(異常終了)とする。本実施例では標準的な総光量を50mJとし、差分の閾値を±5mJとした。
このような手順によれば、光音響プローブをホルダに収納することで安全を維持し、さらにその安全な状態で実際の照射光量を計測できる。その結果、装置の不良を早期に検出できる。
S25:S21と並行して、光量センサ2aで照明光を測定する。
S26:パワーメータ10と光量センサ2aの出力値から、光量センサ2aから総光量を求めるための較正値(換算式)を算出する。
以上のように、光量センサ2aを較正し、光音響プローブ4から照射された総光量を換算することができれば、実際に光音響測定時の総光量を把握することが可能となる。
本実施例では、光量測定手段10として、図3Aのような赤外線カメラ10bを用いる。ただし、光音響プローブ4の出射端から照射した照明光を、赤外線カメラ10bで直接
的に撮像することは難しい。そこで、光音響プローブ4の出射端と対向する位置に拡散板11を設け、赤外線カメラ10bの焦点を拡散板11に合わせる。
なお、光音響プローブ4から照射した照明光の光量が強い場合には、赤外線カメラ10bで撮像した各画素の輝度値が飽和したり、赤外線カメラ10bの受像素子が損傷したりする可能性がある。それを防ぐため、拡散板11と赤外線カメラ10bの間にNDフィルタ12を設けることが好ましい。
S31:赤外線カメラ10bで測定した輝度値の合計を算出する。例えば輝度値を256階調とし、1280×960の画素データの各輝度値を合計する。
S32:光音響プローブ4の出射端からの総光量を求める。総光量の求め方は実施例1で説明した通りである。すなわち、較正された光量センサ2a(図1)を用いて総光量への換算値を求める方法や、パワーメータ10aで直接測定する方法である。
S33:輝度値の合計と総光量から、輝度値の較正、換算式を作成する。
S34:輝度値の合計から総光量を求める。
光音響プローブ4の出射端から照射される光の、照射面内での光量分布を測定する方法は、実施例2で説明したような赤外線カメラ10bを用いる方法に限定されない。本実施例では、パワーメータ10aで光量分布を測定する構成と方法を説明する。
光エネルギ密度をMPE以下とする方法として他に、光源1から光音響プローブ4の出射端の間にフィルタを挿入する方法や、拡散角度の広い拡散板を第二の照明光学系5に挿入する方法などが適用できる。
光音響プローブ4の出射端からは、数十mJから百数十mJ程度の高エネルギな照明光が比較的小さな面積から照射される。そのため、実施例3で説明した皮膚に対するMPEを超えないとしても、より基準値の小さい網膜に対するMPEを超える可能性がある。したがって、被検者や術者の安全性の保護のため、光音響プローブ4の出射端近傍に、被検体と非接触の状態では光を照射しないような機構を設けることが好ましい。
すなわち、ホルダ9内の接触検知センサ16と対向する部分に空間(隙間)があると、接触検知センサ16は非接触情報を出力する。この場合、術者が照射スイッチ19を押し
ても、制御装置17の制御によって、光音響プローブ4の出射端から照明光が照射されない。そのため、光量測定手段10による測定ができない。したがってホルダ9への収納が正常に行われている状態では、接触検知センサ16には接触情報を出力させる必要がある。以下、そのための構成および方法の例を述べる。
あるいは図5Bのように、光音響プローブ4をホルダ9に収納したときだけ照射スイッチ19を操作できるようにするカバー20を設けるとなお好ましい。カバー20の存在により、光音響プローブ4がホルダ9に収納されていない場合、スイッチ操作は不可能となる。光音響プローブ4がホルダ9に収納されているときは、照射スイッチ19が押されない限り、照明光の照射は不可能となる。
そうすれば、光音響プローブ4の収納状態が不十分である場合には接触情報が出力されず、照明光が照射されない。そして、光音響プローブ4の収納が適正であれば、照明光が照射されても、光音響プローブ4とホルダ9との隙間が弾性体9aで塞がれているため、ホルダ9の外部へ漏れる光量は抑制される。
こうすることで、光音響プローブ4がホルダ9内の所定位置に収納されたときだけ光量測定手段10で総光量を測定できる。さらに収納検知センサ9bを複数設けることで、光音響プローブ4の出射端と光量測定手段が平行のときにのみその総光量を測定するようにでき、光量測定手段10の測定条件が再現できるとともに、測定精度が向上する。
で、外部への光量を低下させて、被検者や術者の安全性の保護ができる。一方で光音響プローブ4がホルダ9の所定の位置に収納されたときは光を照射し、光量を測定できるようになる。
実施例4で説明した光音響プローブ4とホルダ9を有する光音響装置100の使用方法について、図6のフローチャートを用いて説明する。なお、本実施例における装置は、図3Aの赤外線カメラ10b(光量測定手段10)、拡散板11およびNDフィルタ12を備え、さらに図5Aの各種スイッチおよびセンサ類を備えている。
S61:装置立上げ時、制御装置17は自動照射のシーケンスを行う。あるいは、非測定時に術者が音響プローブ4をホルダ9に収納したときは、術者が照射スイッチ19を押すことで、制御装置17が照射のためのシーケンス(S62)を行う。
制御装置17が整える照射条件とは、光源1内の内部シャッタと第一の光学系2内のシャッタ2cを開け、光源1がQスイッチレーザの場合には、Qスイッチを入れることである。これにより、光音響プローブ4の出射端から照明光が照射される。照射時間や照射回数は制御装置17にプログラムされており、本実施例では100回照射(10秒×10Hz)とした。
S64:S63と並行して第二の光学系2に設けた光量センサ2a(図1)で照明光を測定する。なお、光量センサ2aは予め総光量を換算するための較正がなされているものとする。較正方法は実施例1で説明した方法が適用できる。
S66:処理装置7は、S65で求めた総光量と被検体に照射される領域に基づき、あるいは較正された輝度値から分かる被検体表面に照射される光量分布に基づき、境界条件を求める。そしてこの境界条件を用いて、吸収、散乱しながら被検体内部に入り込む光量分布を計算し、光量分布補正データを作成する。
総光量低下の場合、光音響プローブ4の出射端や拡散板11(光量測定手段10)の汚れで総光量が変化した疑いがあるので、提示内容は、まず「清掃と再測定」の旨、注意を
促す。そして再測定の場合はS61から実施するよう提示する。さらに、光源1やバンドルファイバ3など光伝送にトラブルが生じた場合もあるので、再測定しても改善しない場合は「異常終了」とする。また総光量が所定の範囲より大きい場合も、適切な処置をとる。
S68:取得した光音響信号から光音響画像を作成し、表示装置8にその画像を示す。そして、光音響信号取得時の総光量は光量センサ2aの測定値から換算する。そして換算された総光量とS66の光量分布補正データから、光音響信号取得時の被検体内部の光量分布を補正して作成する。
p=Γμaφ …(1)
ここで、p:光音響の初期音圧、Γ:グリュナイゼン係数、μa:吸収係数、φ:光量で示され、光音響信号(p)と、補正された被検体内部の光量分布(φ)、グリュナイゼン係数Γを0.5程度から、吸収係数μaを求めることが可能となる。
そしてさらに、光源1が発光する波長を可変にすると、光音響の音源である吸収体の分光特性がわかる。例えば、吸収体を血液(ヘモグロビン)とした場合には、ヘモグロビンの酸素飽和度も測定できる。こうすることで、被検体内部の光量分布を精度良く求めるための境界条件である被検体表面の光量分布を高精度に測定することができるため、吸収係数μaや酸素飽和度などの測定性能をさらに向上させることができる。
Claims (13)
- 光を出射する出射端と、前記光が被検体に照射されることにより発生する音響波を受信する受信部とを含む光音響プローブと、
前記光音響プローブを収納可能なホルダと、
前記ホルダに収納された前記光音響プローブから出射された光の光量を測定する光量測定手段と、
術者による、前記光音響プローブからの光照射の指示を可能とする照射指示手段と、
を有し、
前記照射指示手段は、前記光音響プローブが前記ホルダに収納された場合には術者によって操作可能であり、前記光音響プローブが前記ホルダに収納されていない場合には術者によって操作不可能である
ことを特徴とする光音響装置。 - 前記照射指示手段は、術者によって押下可能なスイッチであり、
前記光音響プローブが前記ホルダに収納していない場合には、術者による前記スイッチの押下を妨げるカバーを更に有する
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。 - 前記カバーは、前記光音響プローブの前記ホルダへの収納状態に応じて移動可能に構成されている
ことを特徴とする請求項2に記載の光音響装置。 - 光を被検体に照射する出射端と、前記光が照射された前記被検体から発生する音響波を受信する受信部を含む光音響プローブと、
前記出射端を覆うことが可能なホルダと、
前記出射端が前記ホルダで覆われた状態で前記出射端から照射された光の光量を測定する光量測定手段と、
前記出射端に対して前記光量測定手段を相対的に移動させるステージと、
を有することを特徴とする光音響装置。 - 前記光量測定手段はパワーメータを含む
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記パワーメータは、光電変換方式、または熱交換方式のもので構成されている
ことを特徴とする請求項5に記載の光音響装置。 - 前記ホルダは、前記光音響プローブから出射された光を拡散する拡散手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記光量測定手段は、前記拡散手段により拡散された光の光量分布を測定する
ことを特徴とする請求項7に記載の光音響装置。 - 前記光量測定手段によって測定された光量に基づいて、前記出射端から出射される光のエネルギ密度が所定の値を超えている場合に、前記出射端から出射させる光のエネルギ密度を低下させる制御手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記光音響プローブは、当該光音響プローブが前記被検体と接触しているかどうかを検知する接触検知センサを有する
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記ホルダは、前記光音響プローブが当該ホルダに収納されているかどうかを検知する収納検知センサを有する
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記受信部によって生成された前記音響波の受信信号に基づいて、前記被検体の情報を取得する処理手段を更に有する
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記処理手段は、前記被検体の情報を表示手段に表示させる
ことを特徴とする請求項12に記載の光音響装置。
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