JP6686066B2 - Photoacoustic device - Google Patents

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本発明は、光を被検体に照射し発生する光音響波を受信する光音響装置に関する。   The present invention relates to a photoacoustic apparatus that irradiates a subject with light and receives a photoacoustic wave generated.

レーザーなどの光源から生体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる生体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、Photo Acoustic Tomography(PAT:光音響トモグラフィー)がある。光音響トモグラフィーでは、光源から発生したパルス光を生体に照射し、生体内で伝播・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波を検出する(特許文献1)。すなわち、腫瘍などの被検部位とそれ以外の組織との光エネルギーの吸収率の差を利用し、被検部位が照射された光エネルギーを吸収して瞬間的に膨張する際に発生する弾性波、すなわち光音響波をトランスデューサで受信する。この検出信号を解析処理することにより、生体内の光学特性分布、特に、光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。これらの情報は、被検体内の特定物質、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどの定量的計測にも利用できる。その結果、新生血管の増殖を伴う悪性腫瘍が存在する場所の特定などに利用できる。   BACKGROUND ART Research on an optical imaging device that irradiates a living body with light from a light source such as a laser and images information in the living body obtained based on the incident light is being actively pursued in the medical field. As one of the optical imaging techniques, there is Photo Acoustic Tomography (PAT: Photoacoustic Tomography). In photoacoustic tomography, pulsed light generated from a light source is applied to a living body, and an acoustic wave generated from living tissue that has absorbed the energy of the pulsed light propagated and diffused in the living body is detected (Patent Document 1). That is, by utilizing the difference in absorption rate of light energy between a test site such as a tumor and other tissues, elastic waves generated when the test site absorbs the irradiated light energy and instantaneously expands. That is, the photoacoustic wave is received by the transducer. By analyzing the detection signal, the optical characteristic distribution in the living body, particularly the light energy absorption density distribution, can be obtained. These pieces of information can also be used for quantitative measurement of a specific substance in the subject, for example, glucose or hemoglobin contained in blood. As a result, it can be used for identifying the location of a malignant tumor accompanied by proliferation of new blood vessels.

また、非特許文献1には、光音響顕微鏡としての適用例が開示されている。非特許文献1によれば、パルス光を被検体に照射し発生する超音波をトランスデューサにて受信し画像化している。さらにパルス光の波長を変化させることによって被検体の分光特性を画像化している。   Further, Non-Patent Document 1 discloses an application example as a photoacoustic microscope. According to Non-Patent Document 1, ultrasonic waves generated by irradiating a subject with pulsed light are received by a transducer and imaged. Further, the spectral characteristics of the subject are imaged by changing the wavelength of the pulsed light.

米国特許第5,840,023号明細書US Pat. No. 5,840,023

IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,Vol.14,No.1,171−179(2008)IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 14, No. 1,171-179 (2008)

PATは、局所的な被検部位で吸収されて発生する音響波を測定することで、局所的な光の吸収情報を得ることができる。被検部位で発生する音響波の初期音圧Pは、光照射点から被検部位までの距離rを用いて、下の式(1)のように表される。   The PAT can obtain local light absorption information by measuring an acoustic wave generated by being absorbed at a local test site. The initial sound pressure P of the acoustic wave generated at the test site is expressed by the following equation (1) using the distance r from the light irradiation point to the test site.

P(d)=Γμ(r)Φ(r) ・・・式(1)
ここで、
Γ:グリュナイゼン係数(熱−音響変換効率)
μ(r):距離rにおける位置での吸収係数
Φ(r):距離rにおける位置での光強度
である。弾性特性値であるグリュナイゼン係数Γは、熱膨張係数βと音速cの二乗の積を定圧比熱Cpで割ったものである。Γは生体組織が決まればほぼ一定の値をとることが知られているので、音響波の大きさである音圧Pの変化を時分割で測定することによりμとΦの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布Hを得ることができる。そして、Hから光強度Φ(r)を除算することでμ(r)を求めることができる。
P (d) = Γμ a (r) Φ (r) (1)
here,
Γ: Grueneisen coefficient (heat-acoustic conversion efficiency)
μ a (r): Absorption coefficient at position at distance r Φ (r): Light intensity at position at distance r The Grueneisen coefficient Γ, which is the elastic characteristic value, is the product of the square of the thermal expansion coefficient β and the sound velocity c divided by the constant pressure specific heat Cp. It is known that Γ takes a substantially constant value if the biological tissue is determined. Therefore, by measuring the change in the sound pressure P, which is the magnitude of the acoustic wave, in a time-division manner, the product of μ a and Φ, that is, The light energy absorption density distribution H can be obtained. Then, μ a (r) can be obtained by dividing the light intensity Φ (r) from H.

ここで、光音響波を発生させるために用いられるパルスレーザーは、その原理上常に一定光量のパルス光を発生させることはできず、ある程度の経時的な出力変動があることが知られている。具体的には、その光量変動が10%以上に及ぶこともある。発生するパルス光量が変動すると、被検体内の局所領域における光量Φ(r)も変動する。上記のように、光量Φと光音響波の強度Pは比例関係にあるため、光音響波もレーザーパルスごとに同様の変動を生じる。したがって、このような変動を放置して、光エネルギー吸収密度H分布や吸収係数μ分布を画像化した場合には、同じく再構成後の画面上に強度むらを生じることとなり、測定の定量性が失われる原因となる。 Here, it is known that the pulse laser used for generating a photoacoustic wave cannot always generate a constant amount of pulsed light due to its principle, and has a certain time-dependent output fluctuation. Specifically, the fluctuation of the light amount may reach 10% or more. When the amount of generated pulsed light fluctuates, the amount of light Φ (r) in a local region inside the subject also fluctuates. As described above, since the light amount Φ and the intensity P of the photoacoustic wave are in a proportional relationship, the photoacoustic wave also undergoes the same variation for each laser pulse. Therefore, when such a fluctuation is left as it is and the light energy absorption density H distribution or the absorption coefficient μ a distribution is imaged, intensity unevenness also occurs on the screen after the reconstruction, and the quantitativeness of the measurement is quantified. Will be lost.

しかしながら上記特許文献1では、光源からの経時的な出力変動に関する記載はない。また、非特許文献1にはパルス光量を測定するためのセンサを用いて光量を補正することが記載されているものの、その測定、使用法、補正対象については明確に記されていない。特に非特許文献1は光音響顕微鏡としての使用が前提となっているために、厚みのある被検体を測定するときに重要となる深さ方向の光減衰については明確に記されていなかった。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, there is no description regarding the temporal change in output from the light source. Although Non-Patent Document 1 describes that the light amount is corrected using a sensor for measuring the pulse light amount, the measurement, usage, and correction target are not clearly described. In particular, Non-Patent Document 1 is premised on the use as a photoacoustic microscope, and thus the optical attenuation in the depth direction, which is important when measuring a thick object, is not clearly described.

本発明は、このような背景技術及び課題認識に基づいてなされたものである。本発明の目的は、光源の出力光量が経時的に変化する場合でも、それにより生じる画像への悪影響を低減させることができる光音響装置を提供することである。   The present invention has been made on the basis of such background art and recognition of the problems. An object of the present invention is to provide a photoacoustic apparatus capable of reducing adverse effects on an image caused by the change in the output light amount of a light source with time.

本発明に係処理装置は、光が被検体に照射されることにより発生する音響波を検出して得られる検出信号であって、複数回の光照射に対応した前記検出信号に基づ前記被検体内部の画像再構成データを取得する画像再構成データ取得部と、前記被検体に照射される光照射毎の照射光の光量と、予め記憶されている前記光の照射面における面内強度分布に基づいて前記被検体内部の光強度分布を取得し、前記画像再構成データを前記被検体内部の前記光強度分に基づいて前記画像再構成データを補正する補正処理部と、を備える。
また、別の本発明に係る処理装置は、被検体内部の情報をボクセルデータとして取得するための処理装置であって、被検体への光の照射により生じる音響波を受信して得られる、複数回の光照射に対応する信号を取得する信号取得部、前記被検体へ複数回照射される光の光量変動に関する情報を取得するセンサ部、前記被検体へ一度に照射される照射光の照射面内における強度分布情報を記憶しているメモリ部、及び前記信号取得部により取得される前記信号、前記センサ部により取得される前記光量変動に関する情報、及び前記メモリ部に予め記憶されている前記強度分布情報を用いて、前記被検体に複数回照射される照射光の照射毎の光量変動が前記被検体内部の情報に対応するボクセルデータに与える影響を低減するための補正処理を行う補正処理部、を備える。
更にまた、別の本発明に係る処理方法は、被検体内部の情報をボクセルデータとして取得するための処理方法であって、被検体への光の照射により該被検体から音響波が生じる光照射を複数回行い、該光照射により生じた該音響波を受信して得られる信号を取得する工程、
前記被検体へ複数回照射される光の光量変動に関する情報を取得する工程、及び前記信号、前記光量変動に関する情報、及び予め取得されている前記被検体へ一度に照射される照射光の照射面内における強度分布情報を用いて、前記被検体に複数回照射される照射光の照射毎の光量変動が前記被検体内部の情報に対応するボクセルデータに与える影響を低減するための補正処理を行う工程を有する。
Engaging Ru processing apparatus according to the present invention, light is a detection signal obtained by detecting an acoustic wave generated by irradiating the object, based rather on the detection signal corresponding to a plurality of times of light irradiation An image reconstruction data acquisition unit that acquires image reconstruction data inside the subject, a light amount of irradiation light for each light irradiation applied to the subject , and an in- plane surface of the irradiation surface of the light stored in advance . based on the intensity distribution obtains the light intensity distribution inside the subject, and a correction processing unit for correcting said image reconstruction data based on the image reconstruction data in the light intensity distribution inside the subject Prepare
A processing device according to another aspect of the present invention is a processing device for acquiring information inside a subject as voxel data, which is obtained by receiving an acoustic wave generated by irradiation of light to the subject, A signal acquisition unit that acquires a signal corresponding to a single irradiation of light, a sensor unit that acquires information about the light amount variation of the light that is irradiated to the subject multiple times, and an irradiation surface of irradiation light that is irradiated to the subject at one time. A memory unit that stores intensity distribution information in the inside, and the signal acquired by the signal acquisition unit, information about the light amount variation acquired by the sensor unit, and the intensity prestored in the memory unit. Using the distribution information, a correction process for reducing the influence of the variation of the light amount for each irradiation of the irradiation light irradiated on the object a plurality of times on the voxel data corresponding to the information inside the object is performed. Cormorant correction processing unit, equipped with a.
Furthermore, another processing method according to the present invention is a processing method for acquiring information on the inside of a subject as voxel data, and light irradiation in which an acoustic wave is generated from the subject by irradiation with light. Performing a plurality of times to obtain a signal obtained by receiving the acoustic wave generated by the light irradiation,
A step of acquiring information regarding a light amount variation of light irradiated to the subject a plurality of times, and the signal, information regarding the light amount variation, and an irradiation surface of irradiation light that is previously obtained and is applied to the subject at a time. Using the intensity distribution information in the inside, a correction process is performed to reduce the influence of the fluctuation of the light amount for each irradiation of the irradiation light irradiated on the object a plurality of times on the voxel data corresponding to the information inside the object. Have steps.

本発明によれば、光音響装置に光量測定器を設け、測定した出力光量の経時変化を考慮して光音響信号の強度を補正するため、光源の出力に経時的な出力変動があっても、画像に悪影響の少ない光音響装置を提供することができる。   According to the present invention, the photoacoustic apparatus is provided with the light amount measuring device, and the intensity of the photoacoustic signal is corrected in consideration of the change with time of the measured output light amount. Therefore, even if the output of the light source changes with time. Thus, it is possible to provide a photoacoustic device that has less adverse effects on images.

本発明の実施形態1による光音響装置の構成を模式的に示した図である。1 is a diagram schematically showing a configuration of a photoacoustic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. レーザーパルスの出力変動を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the output fluctuation of a laser pulse. 本発明の実施形態1において、検出信号の強度の補正量を決定する一例を説明するためのフロー図である。FIG. 6 is a flow chart for explaining an example of determining the correction amount of the intensity of the detection signal in the first embodiment of the present invention. 本発明のホトセンサの配置について説明するための図である。It is a figure for demonstrating arrangement | positioning of the photosensor of this invention. 本発明の実施形態2による光音響装置の構成を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the structure of the photoacoustic apparatus by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2において、検出信号の強度の補正量を決定する一例を説明するためのフロー図である。FIG. 9 is a flowchart for explaining an example of determining a correction amount of detection signal intensity in the second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態3による光音響装置の構成を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the structure of the photoacoustic apparatus by Embodiment 3 of this invention.

以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In principle, the same constituent elements will be given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

(実施形態1:光音響装置)
まず、図1を参照しながら本実施形態にかかる光音響装置の構成を説明する。
本実施形態の光音響装置は、被検体の内部の情報を画像化する光音響イメージング装置である。被検体が生体の場合、光音響装置は、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、生体情報の画像化を可能とする。本発明における「被検体内部の情報」とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布の情報であり、生体内の初期音圧分布の情報、それから導かれる光エネルギー吸収密度分布の情報、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布の情報などである。例えば、物質の濃度分布とは酸素飽和度などである。
(Embodiment 1: Photoacoustic apparatus)
First, the configuration of the photoacoustic apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
The photoacoustic apparatus of this embodiment is a photoacoustic imaging apparatus that images information inside a subject. When the subject is a living body, the photoacoustic apparatus enables imaging of biological information for the purpose of diagnosing malignant tumors, vascular diseases, etc., and observing the progress of chemotherapy. The "information inside the subject" in the present invention is information on the source distribution of acoustic waves generated by light irradiation, information on the initial sound pressure distribution in the living body, and information on the light energy absorption density distribution derived from it. The information is, for example, the information on the concentration distribution of the substances forming the biological tissue obtained from the information. For example, the substance concentration distribution is oxygen saturation or the like.

本実施形態の光音響装置は、基本的なハード構成として、パルスレーザー2a、検出器5、ホトセンサ8aを有する。パルスレーザー2aは、被検体にパルス光を照射するための光源である。   The photoacoustic apparatus of this embodiment has a pulse laser 2a, a detector 5, and a photosensor 8a as a basic hardware configuration. The pulse laser 2a is a light source for irradiating a subject with pulsed light.

生体などの被検体3は必要に応じて、これを両側から圧迫固定するプレート4a、4bに固定される。光源からの光は、例えばレンズ、ミラー、光ファイバなどの光学系(不図示)によって、プレート4b表面に導かれ、被検体に照射される。被検体3の内部を伝播した光のエネルギーの一部が血管などの光吸収体に吸収されると、その光吸収体から熱膨張により音響波(典型的には超音波)が発生する。これは「光音響波」ということもある。すなわち、パルス光の吸収により、光吸収体の温度が上昇し、その温度上昇により体積膨張が起こり、音響波が発生する。このときの光パルスの時間幅は、光吸収体に吸収エネルギーを効率に閉じ込めるために、熱・ストレス閉じ込め条件が当てはまる程度にすることが好ましい。典型的には1ナノ秒から0.2秒程度である。   The subject 3 such as a living body is fixed to the plates 4a and 4b for compressing and fixing it from both sides, if necessary. The light from the light source is guided to the surface of the plate 4b by an optical system (not shown) such as a lens, a mirror, and an optical fiber, and is irradiated on the subject. When a part of the energy of the light propagating inside the subject 3 is absorbed by a light absorber such as a blood vessel, an acoustic wave (typically an ultrasonic wave) is generated from the light absorber due to thermal expansion. This is sometimes called "photoacoustic wave". That is, the absorption of the pulsed light raises the temperature of the light absorber, and the temperature rise causes volume expansion to generate an acoustic wave. The time width of the light pulse at this time is preferably such that the heat / stress confinement conditions are satisfied in order to efficiently confine the absorbed energy in the light absorber. It is typically about 1 nanosecond to 0.2 seconds.

音響波を検出するための検出器5は、被検体内で発生した音響波を検出し、アナログ信号である電気信号に変換する。この検出器から取得される検出信号は「光音響信号」ともいう。   The detector 5 for detecting an acoustic wave detects the acoustic wave generated in the subject and converts it into an electric signal which is an analog signal. The detection signal acquired from this detector is also called a "photoacoustic signal."

この光音響信号を処理して被検体内部の情報を取得するための信号処理部15は、本実施形態においては、受信アンプ6、A/Dコンバータ7、信号補正部11、画像再構成処理部12、光減衰補正部16から構成される。検出器5から取得した光音響信号は、受信アンプ6によって増幅され、A/D変換器7によってデジタル信号としての光音響信号に変換される。信号補正部11は本実施形態の特徴的構成の一つであり、このデジタル信号に対して強度の補正を行う。そして、画像再構成処理部12によって三次元情報に演算処理なされた後、得られたボクセルデータに対して、光減衰補正部16にて被検体内での光減衰を考慮した補正を行う。そして、必要に応じて画像表示部13にて被検体の光音響像が表示される。また、全ての要素はシステム制御部1によって制御されている。ここで、「光音響像」とは、得られた被検体内部の情報を3次元空間の座標で示すと共に、その情報を輝度情報に変換して表示した像である。   The signal processing unit 15 for processing the photoacoustic signal and acquiring the information inside the subject includes a reception amplifier 6, an A / D converter 7, a signal correction unit 11, and an image reconstruction processing unit in the present embodiment. 12 and an optical attenuation correction unit 16. The photoacoustic signal obtained from the detector 5 is amplified by the reception amplifier 6 and converted into a photoacoustic signal as a digital signal by the A / D converter 7. The signal correction unit 11 is one of the characteristic configurations of this embodiment, and corrects the intensity of this digital signal. Then, after the image reconstruction processing unit 12 performs arithmetic processing on the three-dimensional information, the optical attenuation correction unit 16 performs correction on the obtained voxel data in consideration of the optical attenuation in the subject. Then, a photoacoustic image of the subject is displayed on the image display unit 13 as needed. Further, all elements are controlled by the system control unit 1. Here, the “photoacoustic image” is an image in which the obtained information on the inside of the subject is shown by coordinates in a three-dimensional space and the information is converted into luminance information and displayed.

ここで、本実施形態の特徴的部分を簡潔に説明する。レーザー2aの出力光量は、光量測定器であるホトセンサ8aによって測定される。レーザー2aの出力光量に経時的な変動が生じる場合、この変動もホトセンサ8aにより測定される。そして、信号補正部11では、出力光量の経時変化に基づいて、光音響信号の強度変動を抑制するように、光音響信号の強度を補正する。すなわち、出力光量の経時変化(時間変動)に起因する光音響信号の強度変動を低減することができる。   Here, a characteristic part of the present embodiment will be briefly described. The output light quantity of the laser 2a is measured by a photo sensor 8a which is a light quantity measuring device. When the output light amount of the laser 2a varies with time, this variation is also measured by the photo sensor 8a. Then, the signal correction unit 11 corrects the intensity of the photoacoustic signal so as to suppress the intensity fluctuation of the photoacoustic signal based on the change over time of the output light amount. That is, it is possible to reduce the intensity fluctuation of the photoacoustic signal due to the temporal change (time fluctuation) of the output light amount.

(光源及び光源からの出力光量の変動)
パルスレーザー2aにより発生するレーザー光はパルス毎に変動する。光量変動の一例を図2に示す。図はYAGレーザーで約5W(500mJ)にて10Hzのパルス光を60秒発生させた場合の測定出力の経時変化を測定したものである。図より、出力光量は10%程度の光量変動を確認することができる。
(Variation of light source and light output from light source)
The laser light generated by the pulse laser 2a changes for each pulse. FIG. 2 shows an example of the light quantity fluctuation. The figure shows the change over time in the measured output when 10 Hz pulsed light is generated for 60 seconds at about 5 W (500 mJ) with a YAG laser. From the figure, it can be confirmed that the output light quantity fluctuates by about 10%.

被検体が生体の場合、光源からは生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特定の波長の光を照射する。光源としては1ナノから0.2ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源が好ましい。光源としてはレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。   When the subject is a living body, the light source irradiates with light of a specific wavelength that is absorbed by a specific component among the constituents of the living body. As the light source, a pulsed light source capable of generating pulsed light on the order of 1 nanosecond to 0.2 nanosecond is preferable. A laser is preferable as the light source, but a light emitting diode or the like can be used instead of the laser. As the laser, various lasers such as a solid laser, a gas laser, a dye laser, and a semiconductor laser can be used.

なお、図2のようなレーザーの出力光量の変動は、レーザー励起光源であるフラッシュランプの光量変動が主要因であると推測される。よって、本発明の光源として、フラッシュランプそのもの、あるいは、これを励起光源として含むレーザーを使用すると、本発明の効果をより得ることができる。しかし、勿論本発明の光源がこれらに限定されることはなく、フラッシュランプを含まない半導体レーザーや発光ダイオードであっても光量変動を生じうる光源であれば、本発明を用いることができる。   It is assumed that the fluctuation of the output light quantity of the laser as shown in FIG. 2 is mainly due to the fluctuation of the light quantity of the flash lamp which is the laser excitation light source. Therefore, when the flash lamp itself or the laser including the flash lamp is used as the light source of the present invention, the effect of the present invention can be further obtained. However, needless to say, the light source of the present invention is not limited to these, and the present invention can be used as long as it is a light source capable of causing fluctuation in light amount even if it is a semiconductor laser or a light emitting diode that does not include a flash lamp.

なお、本実施の形態においては、単一の光源の例を示しているが、複数の光源を用いても良い。複数光源の場合は、生体に照射する光の照射強度を上げるため、同じ波長を発振する光源を複数用いても良いし、光学特性値分布の波長による違いを測定するために、発振波長の異なる光源を複数個用いても良い。なお、光源として、発振する波長の変換可能な色素やOPO(Optical Parametric Oscillators)を用いることができれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。使用する波長としては、生体内において吸収が少ない700nmから1100nmの波長帯域から選択される。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長帯域よりも範囲の広い、例えば400nmから1600nmの波長帯域から選択して使用する。   In this embodiment, a single light source is shown, but a plurality of light sources may be used. In the case of a plurality of light sources, a plurality of light sources that oscillate the same wavelength may be used in order to increase the irradiation intensity of the light that irradiates the living body. A plurality of light sources may be used. It should be noted that if a dye capable of converting an oscillating wavelength or OPO (Optical Parametric Oscillators) can be used as the light source, it is possible to measure the difference in the optical characteristic value distribution depending on the wavelength. The wavelength to be used is selected from the wavelength band of 700 nm to 1100 nm, which is less absorbed in the living body. However, in the case of obtaining the optical characteristic value distribution of the living tissue relatively near the surface of the living body, a wavelength band having a wider range than the above wavelength band, for example, 400 nm to 1600 nm is selected and used.

光源から照射される光は必要に応じて光導波路などを用いて伝搬させることも可能である。図1で示してはいないが、光導波路としては、光ファイバが好ましい。光ファイバを用いる場合は、それぞれの光源に対して、複数の光ファイバを使用して、生体表面に光を導くことも可能であるし、複数の光源からの光を一本の光ファイバに導き、一本の光ファイバのみを用いて、すべての光を生体に導いても良い。また、主に光を反射するミラーや、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズなどの光学部品で光を導いてもよい。このような光学部品は、光源から発せられた光が被検体表面の光照射領域に所望の形状で照射されれば、どのようなものを用いてもかまわない。   The light emitted from the light source can be propagated using an optical waveguide or the like, if necessary. Although not shown in FIG. 1, an optical fiber is preferable as the optical waveguide. When using an optical fiber, it is possible to guide the light to the surface of the living body by using multiple optical fibers for each light source, or to guide the light from multiple light sources to one optical fiber. Alternatively, all the light may be guided to the living body by using only one optical fiber. Further, the light may be guided mainly by an optical component such as a mirror that reflects the light or a lens that condenses or enlarges the light or changes the shape. Any of such optical components may be used as long as the light emitted from the light source irradiates the light irradiation region on the surface of the subject in a desired shape.

(検出信号の補正1)
以下に、本実施形態における検出信号の補正について詳細に説明する。
図1のように被検体が平板上に固定されており、レーザー2aによる光照射領域が被検体表面に2次元的に設定されており、光照射領域が画像化範囲に対して十分大きい場合をモデルに説明する。被検体表面に照射されるパルス光の光量をΦとする。被検体内では光は吸収、散乱によって表面から遠ざかるに従い指数関数的に減衰する。すなわち、
Φ(r)=Φ・exp(−μeff・r) ・・・式(2)と表現できる。μeffは被検体の平均的な等価減衰係数である。式(2)と式(1)から、
P(r)=Γμ(d)Φ・exp(−μeff・r) ・・・式(3)となる。本発明においては、Φがパルスごとに変動することが問題となる。例えば、あるパルス1の出力光量Φ01に対して、別のパルス2の出力光量Φ02が0.9Φ01であった場合、パルス2による光音響波の音圧P(r)=0.9P(r)となる。
(Detection signal correction 1)
Hereinafter, the correction of the detection signal in this embodiment will be described in detail.
As shown in FIG. 1, when the subject is fixed on a flat plate and the light irradiation region by the laser 2a is two-dimensionally set on the subject surface, the light irradiation region is sufficiently larger than the imaging range. Explain to the model. Let Φ 0 be the amount of pulsed light with which the surface of the subject is irradiated. Inside the object, light attenuates exponentially as it moves away from the surface due to absorption and scattering. That is,
Φ (r) = Φ 0 · exp (−μ eff · r) ... Can be expressed as equation (2). μ eff is the average equivalent attenuation coefficient of the subject. From equation (2) and equation (1),
P (r) = Γ μ a (d) Φ 0 · exp (−μ eff · r) (3) In the present invention, it is a problem that Φ 0 varies from pulse to pulse. For example, the output light amount [Phi 01 of a pulse 1, when the output light amount [Phi 02 of another pulse 2 was 0.9Fai 01, the sound pressure of the photoacoustic wave by pulses 2 P 2 (r) = 0 . 9P 1 (r).

すると、パルス1から作成した被検体内の画像(μ分布)とパルス2から作成した画像とで、音圧に対応して輝度信号が相違することになり、画像の再現性が得られない。このように、同じ場所を複数回測定する場合に、画像の再現性低下により被検体内の情報の誤認の原因となる。また、レーザー及び検出器を被検体表面に沿って走査しながら測定する場合、複数のパルスに応答した音圧から1つの画像を作成する。この場合、上記の光量変動が原因で画像内に輝度ムラが生じ、これも被検体内の情報の誤認の原因となる。 Then, the luminance signal differs between the image (μ a distribution) created from the pulse 1 and the image created from the pulse 2, corresponding to the sound pressure, and the reproducibility of the image cannot be obtained. . As described above, when the same place is measured a plurality of times, the reproducibility of the image is deteriorated, which may cause misrecognition of information in the subject. Further, when the measurement is performed while scanning the laser and the detector along the surface of the subject, one image is created from the sound pressures corresponding to the plurality of pulses. In this case, the above-mentioned fluctuation of the light amount causes uneven brightness in the image, which also causes misidentification of information in the subject.

そこで、本実施形態においては、ホトセンサ8aで各パルスの出力光量Φ0nを測定する。そして、音圧P(r)が常に一定の初期光量Φのような基準光量によって得られたとみなせるように、それぞれの光音響波による検出信号の強度を補正する。上記の例では、P(r)を基準としたときに、P(r)を1/0.9倍した強度が得られたとして、検出信号を補正する。このようにすれば、光源の出力に経時的な出力変動があっても、その影響を低減して被検体内部の音源の位置と音圧に関する情報を取得することができる。 Therefore, in this embodiment, the photosensor 8a measures the output light amount Φ 0n of each pulse. Then, the intensity of the detection signal by each photoacoustic wave is corrected so that it can be considered that the sound pressure P n (r) is always obtained with the reference light amount such as the constant initial light amount Φ 0 . In the above example, when P 1 (r) is used as a reference, the detection signal is corrected assuming that the intensity obtained by multiplying P 2 (r) by 1 / 0.9 is obtained. With this configuration, even if the output of the light source varies with time, it is possible to reduce the influence and obtain information regarding the position and sound pressure of the sound source inside the subject.

なお、上記のパルス1の出力光量Φ01に対する、別のパルス2の出力光量Φ02の比の逆数、つまりΦ01/Φ02を本明細書において「補正係数」と呼ぶ。また、上記の検出信号の補正はアナログ信号、デジタル信号いずれに対しても行うことは出来るが、本実施形態では、A/Dコンバータ7によってデジタル信号に変換された量に対して補正を行っている。デジタル信号はA/Dコンバータ7よりサンプリング周波数毎に音圧P(r)の値が出力されるので、あるパルスに対応するP(r)を示すデジタル信号に対して、当該パルスの補正係数を乗算処理することによって補正を行う。 The reciprocal of the ratio of the output light amount Φ 01 of the pulse 1 to the output light amount Φ 02 of another pulse 2, that is, Φ 01 / Φ 02 is referred to as “correction coefficient” in this specification. Further, although the above detection signal can be corrected for both an analog signal and a digital signal, in the present embodiment, the amount converted into a digital signal by the A / D converter 7 is corrected. There is. Since the digital signal outputs the value of the sound pressure P (r) for each sampling frequency from the A / D converter 7, the correction coefficient of the pulse is applied to the digital signal indicating P (r) corresponding to a certain pulse. Correction is performed by performing a multiplication process.

以下、さらに詳細に説明する。本実施形態ではレーザー2aのパルス光量をホトセンサ8aにてパルス毎に検出した後、光量メモリ9aに記憶する。信号処理の確実性の観点から、このように出力光量を記憶するメモリを有することが好ましい。補正量決定部10は、メモリ9aに記憶された出力光量の経時変化に関するデータを読み出し、それぞれの検出信号に対する補正量(補正係数)を決定する。決定された補正量によって、信号補正部11でそれぞれの検出信号の強度を補正する。   The details will be described below. In this embodiment, the pulse light amount of the laser 2a is detected by the photo sensor 8a for each pulse, and then stored in the light amount memory 9a. From the viewpoint of the reliability of signal processing, it is preferable to have a memory that stores the output light amount in this way. The correction amount determination unit 10 reads the data regarding the change with time of the output light amount stored in the memory 9a and determines the correction amount (correction coefficient) for each detection signal. The signal correction unit 11 corrects the intensity of each detection signal according to the determined correction amount.

図3に補正量演算の処理フローを示す。補正量決定部10は、光量メモリ9aからのデータを読み込む(S301)。光量メモリ9aによって得られたパルスの光量に基づいて、それぞれのパルスに対応する補正係数が計算される(S302)。補正係数はあらかじめ測定された光量を基準値として用いる。ここで本明細書において、複数のパルスごとの補正係数セットを「補正量テーブル」という。そして、補正量テーブルは信号補正部11に転送され(S304)、得られた光音響信号に対して演算される。つまり、サンプリング周波数毎に取得された音圧P(d)のデジタル信号に対して補正係数が乗算される。   FIG. 3 shows a processing flow of the correction amount calculation. The correction amount determination unit 10 reads the data from the light amount memory 9a (S301). A correction coefficient corresponding to each pulse is calculated based on the light amount of the pulse obtained by the light amount memory 9a (S302). The correction coefficient uses a light amount measured in advance as a reference value. Here, in this specification, a correction coefficient set for each of a plurality of pulses is referred to as a “correction amount table”. Then, the correction amount table is transferred to the signal correction unit 11 (S304), and is calculated for the obtained photoacoustic signal. That is, the correction coefficient is multiplied to the digital signal of the sound pressure P (d) acquired for each sampling frequency.

(画像再構成及び光減衰補正)
上記のように補正されたデジタル信号に対して、画像再構成処理部12により画像再構成を行う。PATの画像再構成とは、検出器で受信された音圧P(r,t)から被検体内の発生したときの初期音圧の分布P(r)を導き出すことであり、数学的には逆問題と呼ばれる。PATの画像再構成手法で代表的に使われているUniversal Back Projection(UBP)法などはPHYSICAL REVIEW E71,016706(2005)やREVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS,77,042201(2006)に記載されている。
(Image reconstruction and optical attenuation correction)
The image reconstruction processing unit 12 performs image reconstruction on the digital signal corrected as described above. PAT and image reconstruction, and to derive the sound pressure received by the detector P d (r d, t) distribution P 0 of the initial sound pressure when generated in the subject from (r), Mathematics It is called the inverse problem. The Universal Back Projection (UBP) method, which is typically used in the image reconstruction method of PAT, is described in PHYSICAL REVIEW E71,016670 (2005) and REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 77,042201 (2006).

ここまでで、被検体内部の情報として初期音圧分布、あるいはμとΦの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布Hを得ることができた。Φを一定として、HをΦで除算すれば、被検体内の吸収係数μ(r)分布を求めることができる。しかし、被検体内の局所領域に照射される光量は、上記のように指数関数的に減衰するため、同じ吸収係数を有する組織が2つあった場合、被検体表面からより遠い組織から発生する音響波の音圧は、近い組織からのそれより小さくなる。そこで、正確な吸収係数分布を得るため、このような光減衰の影響も補正することが好ましい。この補正を本明細書では「光減衰補正」という。 Up to this point, the initial sound pressure distribution or the product of μ a and Φ, that is, the light energy absorption density distribution H can be obtained as the information inside the subject. If Φ is constant and H is divided by Φ, the absorption coefficient μ a (r) distribution in the subject can be obtained. However, the amount of light that illuminates a local region within the subject exponentially attenuates as described above, so if there are two tissues having the same absorption coefficient, they will be generated from a tissue that is farther from the subject surface. The acoustic pressure of the acoustic wave is less than that from nearby tissue. Therefore, in order to obtain an accurate absorption coefficient distribution, it is preferable to correct the influence of such light attenuation. This correction is called "light attenuation correction" in this specification.

具体的には、画像再構成処理部12から出力される光エネルギー吸収密度分布Hを示すボクセルデータのそれぞれに対して、該当するボクセルの位置における光量を除算する処理を、光減衰補正部16で行う。該当するボクセルの位置における光量は、上記式(2)より算出することができる。   Specifically, the light attenuation correction unit 16 performs a process of dividing the light amount at the position of the corresponding voxel with respect to each voxel data indicating the light energy absorption density distribution H output from the image reconstruction processing unit 12. To do. The light quantity at the position of the corresponding voxel can be calculated from the above equation (2).

このような構成とすれば、光減衰の影響も考慮して被検体内の正確な吸収係数分布を画像化することができる。   With such a configuration, an accurate absorption coefficient distribution in the subject can be imaged in consideration of the influence of light attenuation.

(信号補正1の態様)
なお、本実施形態ではパルスごとの光量変動に対する補正を、A/Dコンバータ7によってデジタル信号になった後、画像再構成処理を行う前のデータに対して行う例を示したが、本発明はこれに限定されない。この補正は、画像再構成後のボクセルデータに対して行うこともできる。つまり補正量決定部10によって計算された補正係数を光減衰補正部16に入力することによって補正演算を行っても同様に光音響信号の補正が可能である。また、A/D変換する前のアナログデータに対して、補正を行うこともできる。この場合、補正量決定部10の出力によって、受信アンプ6のゲインを制御する方法を取ることができる。すなわち、本明細書における「検出信号」には、アナログ信号、A/D変換後のデジタル信号、このデジタル信号を画像再構成した後の輝度データのいずれも含まれる。
(Aspect of signal correction 1)
Note that, in the present embodiment, an example in which the correction for the fluctuation of the light amount for each pulse is performed on the data before being subjected to the image reconstruction processing after being converted into a digital signal by the A / D converter 7 has been shown. It is not limited to this. This correction can also be performed on voxel data after image reconstruction. That is, even if the correction calculation is performed by inputting the correction coefficient calculated by the correction amount determination unit 10 to the optical attenuation correction unit 16, the photoacoustic signal can be similarly corrected. Further, the analog data before A / D conversion can be corrected. In this case, a method of controlling the gain of the reception amplifier 6 by the output of the correction amount determination unit 10 can be used. That is, the “detection signal” in this specification includes both an analog signal, a digital signal after A / D conversion, and luminance data after image reconstruction of this digital signal.

また、ある光が照射されたときの被検体内の光量分布が設定できれば、プレート4の両側より光を入射した場合、またさらに多方向からの光照射がなされた場合においても同様に光音響信号の補正が可能である。   Further, if the light quantity distribution in the subject when a certain light is irradiated can be set, the photoacoustic signal is similarly generated when the light is incident from both sides of the plate 4 or when the light is irradiated from multiple directions. Can be corrected.

また、上記の形態においてはトランスデューサ5及びレーザー2aは固定された状態にて光音響信号の取得を行ったが、トランスデューサ5及びレーザー2aを走査しながら光音響信号を取得する場合においても、各走査位置における光量測定データを取得することによって同様の光音響信号の補正が可能である。   Further, in the above-described embodiment, the photoacoustic signal is acquired while the transducer 5 and the laser 2a are fixed. However, even when the photoacoustic signal is acquired while scanning the transducer 5 and the laser 2a, each scanning is performed. Similar correction of the photoacoustic signal is possible by acquiring the light quantity measurement data at the position.

また、使用するレーザーパルス2aはある太さを持つレーザービームであるが、その断面の強度に空間的なむらが存在する場合には、その光量分布も考慮した上で三次元空間内にて補正光量の演算を行うことによって同様の光音響信号の補正が可能である。   Further, the laser pulse 2a used is a laser beam having a certain thickness, but if there is spatial unevenness in the intensity of the cross section, it is corrected in the three-dimensional space after considering the light quantity distribution. A similar photoacoustic signal can be corrected by calculating the light quantity.

(各構成の詳細な説明)
検出器(探触子)5は、音波や超音波のような音響波を検知し、電気信号に変換するものである。圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量の変化を用いたトランスデューサなど音響波信号を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。本実施形態の検出器5は、検出器5は複数のトランスデューサ素子を持つアレイ型であることが好ましい。このような2次元に配列されたトランスデューサ素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を検出することができる。これにより検出時間を短縮できると共に、被検体の振動などの影響を低減できる。また、検出器5とプレート4b、被検体3との間には、音波の反射を抑えるためのジェルや水などの音響インピーダンスマッチング剤を使うことが望ましい。
(Detailed description of each component)
The detector (probe) 5 detects an acoustic wave such as a sound wave or an ultrasonic wave and converts it into an electric signal. Any acoustic wave detector may be used as long as it can detect an acoustic wave signal, such as a transducer using a piezoelectric phenomenon, a transducer using optical resonance, a transducer using a change in capacitance. The detector 5 of this embodiment is preferably an array type having a plurality of transducer elements. By using such two-dimensionally arranged transducer elements, acoustic waves can be detected at a plurality of places at the same time. As a result, the detection time can be shortened and the influence of vibration of the subject can be reduced. Further, it is desirable to use an acoustic impedance matching agent such as gel or water for suppressing reflection of sound waves between the detector 5, the plate 4b, and the subject 3.

光量測定器としては、ホトダイオードに代表されるホトセンサやパイロエレクトリックセンサが代表的なものであるが、1次元又は2次元のホトセンサアレイが必要な場合は、CCDのイメージセンサや、CMOSイメージセンサ、また光依存性抵抗(LDR)等を使用しても同様の効果を得ることが出来る。   As the light quantity measuring device, a photo sensor represented by a photodiode or a pyroelectric sensor is representative, but when a one-dimensional or two-dimensional photo sensor array is required, a CCD image sensor, a CMOS image sensor, The same effect can be obtained by using a light-dependent resistor (LDR) or the like.

光量測定器としてのホトセンサ8aの好ましい配置について、図4を説明して説明する。18は反射ミラー、19はレーザーを示す。   A preferred arrangement of the photo sensor 8a as the light quantity measuring device will be described with reference to FIG. Reference numeral 18 is a reflection mirror, and 19 is a laser.

図4(a)は、プレート4bに到達する前の光学系の途中において、反射ミラーの漏れ光を検出する場合である。このように、反射ミラーの後方にホトセンサ8aを配置することで、光源からの光の一部を検出することができる。漏れ光の比率を既知としておけば、光源の光量変動を算出することは可能である。   FIG. 4A shows a case where leak light of the reflection mirror is detected in the middle of the optical system before reaching the plate 4b. Thus, by disposing the photo sensor 8a behind the reflection mirror, a part of the light from the light source can be detected. If the ratio of leaked light is known, it is possible to calculate the light amount fluctuation of the light source.

図4(b)は、プレート4bから反射した一部の光を検出する場合である。このように、プレート4b近傍にホトセンサ8aを配置することも好ましい。   FIG. 4B shows a case where a part of the light reflected from the plate 4b is detected. Thus, it is also preferable to dispose the photo sensor 8a near the plate 4b.

図4(c)は、プレート4b内部を伝播した一部も光を検出する場合である。このように、プレート4bの終端部にホトセンサ8aを設けることもできる。特に、プレートに対して斜めに光が入射する場合、このようなプレート内部の伝播光が増加するため、好ましい形態である。   FIG. 4C shows a case in which light is also detected in part of the light that has propagated inside the plate 4b. In this way, the photo sensor 8a can be provided at the end of the plate 4b. In particular, when light is obliquely incident on the plate, such a propagating light inside the plate increases, which is a preferable mode.

メモリとしては、PCもしくは制御ボード上のメモリが考えられるが、ホトセンサユニットに附属のメモリ、もしくはレーザーパルス周期以上の速度があればハードディスク等を用いても同様の効果を得ることが出来る。   As the memory, a memory on a PC or a control board can be considered, but the same effect can be obtained by using a memory attached to the photo sensor unit or a hard disk if the speed is equal to or higher than the laser pulse period.

(実施例1)
以下、実施例1では本発明における光音響装置を乳房検査に使用した場合について具体的に述べる。本実施例における乳房検査では、一般に用いられるX線マンモグラフィーと同様の乳房圧迫を行うものとする。つまり乳房においては平均的な乳房圧迫厚さである深さ4cmまでの光音響信号を取得することができれば良い。
(Example 1)
Hereinafter, in the first embodiment, a case where the photoacoustic apparatus according to the present invention is used for a breast examination will be specifically described. In the breast examination in the present embodiment, it is assumed that breast compression similar to X-ray mammography generally used is performed. In other words, it is sufficient for the breast to be able to acquire a photoacoustic signal up to a depth of 4 cm, which is the average breast compression thickness.

本実施例では、光源として波長1064nm、10ヘルツ駆動、パルス幅5ナノ秒、1パルスあたりの出力が1.6JのQスイッチYAGレーザーを使用した。この条件で人体に照射できるレーザー光強度は100mJ/cm2以下であることがJISに定められているため、射出されるレーザー光を4cm角に広げるよう照明光学系を設計した。   In this example, a Q-switched YAG laser having a wavelength of 1064 nm, 10-hertz driving, a pulse width of 5 nanoseconds, and an output per pulse of 1.6 J was used as a light source. Since the JIS stipulates that the laser light intensity that can be applied to the human body under these conditions is 100 mJ / cm 2 or less, the illumination optical system was designed to spread the emitted laser light to 4 cm square.

これにより乳房を圧迫し両側から光を照射した場合に、光音響信号を発生させる範囲を深さ4cm、幅4cmとした。またこの範囲内の光音響信号を取得するため、超音波トランスデューサの1辺は4cmとした。また、素子ピッチは2mmとし400素子の二次元探触子を構成した。そして使用周波数1MHzとした。ホトセンサは浜松ホトニクス社製S5973 PINフォトダイオードを用いた。   As a result, when the breast was pressed and light was emitted from both sides, the range in which the photoacoustic signal was generated was 4 cm in depth and 4 cm in width. Moreover, in order to acquire the photoacoustic signal within this range, one side of the ultrasonic transducer was set to 4 cm. Further, the element pitch was 2 mm, and a two-dimensional probe having 400 elements was constructed. The frequency used was 1 MHz. As the photo sensor, a S5973 PIN photodiode manufactured by Hamamatsu Photonics KK was used.

以上の条件にて光音響信号を取得するにあたっては、レーザー照射の際の照射光量は常に光量メモリに蓄えられる。各パルスに対応する補正係数は、測定された光量変動の最大値を1として計算される。図1の構成で説明した補正方法に従い検出信号の補正を行った。画像再構成を行い生成された光音響画像をボリュームデータとして蓄積し画面に表示した。   When acquiring a photoacoustic signal under the above conditions, the irradiation light quantity at the time of laser irradiation is always stored in the light quantity memory. The correction coefficient corresponding to each pulse is calculated with 1 being the maximum value of the measured light amount fluctuation. The detection signal was corrected according to the correction method described in the configuration of FIG. Image reconstruction was performed and the generated photoacoustic image was accumulated as volume data and displayed on the screen.

本方法を用いることによって光音響像の強度むらを改善することが可能であるが、電気ノイズに基づく光音響信号自体の再現性が2乃至3%程度、照射光の分布むらが2%程度存在するために同程度の画像むらは残る。しかしながら本方法を用いることによって従来8乃至10%程度あった画像むらを3乃至4%程度にまで改善することが可能となった。   By using this method, it is possible to improve the intensity unevenness of the photoacoustic image, but the reproducibility of the photoacoustic signal itself based on electrical noise is about 2 to 3%, and the unevenness of the distribution of irradiation light is about 2%. Therefore, the same image unevenness remains. However, by using this method, it has become possible to improve the image unevenness which was conventionally about 8 to 10% to about 3 to 4%.

なお、照射光の分布は光路内にCCD等を別途配置することによって測定することが出来、光音響信号の再現性は本システムを、レーザー照射を行わない状態にて動作させることによって測定することが出来る。画像むらは複数回画像取得を行った際の同一ピクセルにおける輝度値変化の標準偏差の3倍と定義する。   The distribution of irradiation light can be measured by disposing a CCD or the like separately in the optical path, and the reproducibility of photoacoustic signals can be measured by operating this system without laser irradiation. Can be done. The image unevenness is defined as 3 times the standard deviation of the brightness value change in the same pixel when the image is acquired multiple times.

なお、本実施例においては光音響装置を乳房検査に使用した場合について具体的に述べたが、人体のその他の部位さらに人体以外の被検体の測定についても同様の処理をすることによって同様の効果を得ることが可能である。   In the present embodiment, the case where the photoacoustic apparatus is used for the breast examination was specifically described, but the same effect can be obtained by performing the same processing for the measurement of the other parts of the human body and the subject other than the human body. It is possible to obtain

(実施形態2)
実施形態1においてはレーザー光を片側からのみ照射したが、本実施形態ではレーザー光をプレート4の両側から照射した場合の補正方法について述べる。図5に本実施形態を説明するための光音響装置の一例を示す。レーザーパルスの照射、光量データ及び光音響信号の取得は実施形態1と同様である。実施形態1と異なる点はレーザー光をレーザー2a,2bの両側から照射し、レーザー2a,2bの出力を2つのホトセンサ8a,8bにて検出する点である。検出された光量は光量メモリ9a,9bに蓄えられ、補正量決定部10a、10bに転送される。そして実施形態1と同様の方法を用いて2つの補正係数が算出され、信号補正部11に補正係数が転送される。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the laser light is emitted from only one side, but in the present embodiment, a correction method when the laser light is emitted from both sides of the plate 4 will be described. FIG. 5 shows an example of a photoacoustic apparatus for explaining the present embodiment. The irradiation of the laser pulse and the acquisition of the light intensity data and the photoacoustic signal are the same as in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that laser light is emitted from both sides of the lasers 2a and 2b, and the outputs of the lasers 2a and 2b are detected by the two photosensors 8a and 8b. The detected light amount is stored in the light amount memories 9a and 9b and is transferred to the correction amount determination units 10a and 10b. Then, two correction coefficients are calculated using the same method as in the first embodiment, and the correction coefficients are transferred to the signal correction unit 11.

図6を用いて、補正量決定部10a,b及び信号補正部16の動作を詳述する。光量メモリ9a,9bによって得られた(S601)各レーザーからの光量はあらかじめ測定された各々の光量変動の最大値を1として補正係数が計算される(S602)。そして規格化された各光量と、各係数を用い深さ方向の相対減衰量を計算し、2つの光量データより2つの補正量テーブルが作成される(S603)。これら深さ方向の補正量テーブルはそれぞれ同じ深さに対して加算処理され、合成された一つの補正量テーブルが生成される(S604)。   The operations of the correction amount determination units 10a and 10b and the signal correction unit 16 will be described in detail with reference to FIG. A correction coefficient of the light amount from each laser obtained by the light amount memories 9a and 9b (S601) is calculated with the maximum value of each light amount fluctuation measured in advance being 1 (S602). Then, the normalized light intensity and the coefficient are used to calculate the relative attenuation in the depth direction, and two correction amount tables are created from the two light intensity data (S603). These correction amount tables in the depth direction are subjected to addition processing for the same depth to generate one combined correction amount table (S604).

つまり、プレート4の一方の側から照射された光による音圧は前述の式(3)と同様
P(r)=Γμ(r)Φ0A・exp(−μeff・r) ・・・式(3)であるが、もう一方の側から照射された光による音圧は次の式で表される。
P(r)=Γμ(r)Φ0B・exp(−μeff・(D−r)) ・・・式(4)
That is, the sound pressure due to the light emitted from one side of the plate 4 is the same as the above-mentioned formula (3): P (r) = Γμ a (r) Φ 0A · exp (−μ eff · r) In the case of (3), the sound pressure due to the light emitted from the other side is expressed by the following equation.
P (r) = Γ μ a (r) Φ 0B · exp (−μ eff · (D−r)) (4)

ここでDは圧迫プレート4a、4b間の距離である。また、Φ0Aは、当該音響波を生じさせたパルス光のうち、レーザー2aが発したパルス光について、光量変動の補正係数を掛けた後の初期光量である。Φ0Bは、当該音響波を生じさせたパルス光のうち、レーザー2bが発したパルス光について、光量変動の補正係数を掛けた後の初期光量である。1つの補正量テーブルは上式の光量と光の減衰分をサンプリング周波数に対して数値化し、加算されたものであるため次の式で表される。
C(r)=1/(Φ0A・(exp(−μeff・r)+Φ0Bexp(−μeff・(D−r)))) ・・・式(5)
Here, D is the distance between the compression plates 4a and 4b. Further, Φ 0A is the initial light amount of the pulsed light emitted by the laser 2a among the pulsed light that generated the acoustic wave, after being multiplied by the correction coefficient of the light amount fluctuation. Φ 0B is the initial light amount of the pulsed light emitted by the laser 2b among the pulsed lights that generated the acoustic wave, after being multiplied by the correction coefficient of the light amount fluctuation. One correction amount table is obtained by converting the light amount and the light attenuation amount in the above formula into numerical values with respect to the sampling frequency and adding them, and is represented by the following formula.
C (r) = 1 / (Φ 0A · (exp (−μ eff · r) + Φ 0B exp (−μ eff · (D−r)))) Equation (5)

ここでC(r)は補正量テーブルの各値であり、Φ0A、Φ0B、r、D、μeffは既知であるため求めることが出来る。そして合成された補正量テーブルC(d)は、得られた画像再構成データに対して乗算される(S605)。この際、補正量テーブルは深さ方向(被検体表面からの直進距離)の関数であるのに対して、画像再構成データは3次元データであるが、深さ方向に対してのみ乗算処理を行い、広がり方向(被検体表面の面内方向)にはすべて同様の処理を行う。その後、光音響画像をボリュームデータとして蓄積し画面に表示する。この手法は、画像再構成後のデジタルデータに対して、光源からの光量変動を考慮する補正と、深さ方向の光減衰を考慮する補正をまとめて行う手法である。この場合の検出信号は、輝度信号に変換された音圧信号でありうる。 Here, C (r) is each value in the correction amount table, and Φ 0A , Φ 0B , r, D, and μ eff are known and can be obtained. Then, the combined correction amount table C (d) is multiplied by the obtained image reconstruction data (S605). At this time, the correction amount table is a function in the depth direction (straight distance from the surface of the subject), whereas the image reconstruction data is three-dimensional data, but multiplication processing is performed only in the depth direction. The same process is performed in all the spreading directions (in-plane direction of the surface of the subject). Then, the photoacoustic image is accumulated as volume data and displayed on the screen. This method is a method of collectively performing a correction that considers a light amount variation from a light source and a correction that considers light attenuation in the depth direction on digital data after image reconstruction. The detection signal in this case may be a sound pressure signal converted into a luminance signal.

本実施形態を用いることによって、板4の両側から光照射を行う場合であっても実施形態1と同様に画像むらを改善することができる。   By using this embodiment, it is possible to improve image unevenness as in the first embodiment even when light irradiation is performed from both sides of the plate 4.

(実施形態3)
実施形態1,2においては被検体表面には場所に依存せず一定の光量Φが照射されているとして光音響信号の強度を補正したが、実施形態3ではレーザー照射面(被検体表面)において初期光量に強度分布がある場合の補正方法について述べる。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, the intensity of the photoacoustic signal is corrected assuming that the surface of the subject is irradiated with a constant light amount Φ 0 irrespective of the location, but in the third embodiment, the laser irradiation surface (the surface of the subject) is corrected. The correction method when the initial light amount has an intensity distribution will be described.

図7に本実施形態を説明するための光音響装置の一例を示す。レーザーパルスの照射、光量データ及び光音響信号の取得は実施形態2と同様である。被検体3に照射するレーザーはトランスデューサ5と同じ4cm角に拡大され照射されるが、その面内には強度分布が存在する。これは、マルチモードレーザーを使用する場合に特に見られる。その面内強度分布は光量分布メモリ14a,14bにそれぞれあらかじめ測定され、蓄えられている。   FIG. 7 shows an example of a photoacoustic apparatus for explaining the present embodiment. The laser pulse irradiation, the light amount data, and the photoacoustic signal acquisition are the same as those in the second embodiment. The laser that irradiates the subject 3 is expanded and illuminated in the same 4 cm square as the transducer 5, but there is an intensity distribution in the plane. This is especially seen when using multimode lasers. The in-plane intensity distribution is measured and stored in advance in the light amount distribution memories 14a and 14b, respectively.

ここで補正される補正量は光の強度分布を反映したものとなる。つまり補正量は光の強度分布、グリューナイセン係数、吸収係数、補正係数を掛けた初期光量、減衰係数の関数となるが、光の強度分布は解析的に解くことは出来ないため光伝播シミュレーションによって計算される。計算によって三次元方向の光量分布が求められるが、式を用いて説明すると、式(3)は今回の場合は
P(r)=Γμ(d)Φ(x、y、r、t)・exp(−μeff・r) ・・・式(6)
であり、光量Φ(x、y、r、t)は空間(x、y、r)分布と時間t毎に発振される各パルスの関数である。この光量Φがシミュレーションによって算出され、各係数を乗算した後、逆数を取ることによって三次元空間内の各場所における補正係数が計算される。
The correction amount corrected here reflects the light intensity distribution. In other words, the correction amount is a function of the light intensity distribution, the Grueneisen coefficient, the absorption coefficient, the initial light amount multiplied by the correction coefficient, and the attenuation coefficient, but the light intensity distribution cannot be analytically solved, so a light propagation simulation is performed. Calculated by The light quantity distribution in the three-dimensional direction is obtained by calculation. Explaining using an equation, equation (3) is: P (r) = Γμ a (d) Φ 0 (x, y, r, t) .Exp (-. Mu.eff.r ) ... Equation (6)
And the light quantity Φ 0 (x, y, r, t) is a function of the spatial (x, y, r) distribution and each pulse oscillated at each time t. This light quantity Φ 0 is calculated by simulation, and after multiplying each coefficient, the reciprocal is taken to calculate the correction coefficient at each place in the three-dimensional space.

本実施形態による補正量演算は、時間的な光量変動に加えて、被検体表面での空間的な照射光量分布も考慮して信号補正できる点が優れている。光音響信号の再現性は実施例1と同様である。これらの要因を考慮して光音響像の取得、補正を行った所、光量変動補正、光量分布補正の無い形態で8乃至10%あった光音響像の強度むらを3%程度、すなわち光音響信号の再現性と同程度にまで改善することができた。   The correction amount calculation according to the present embodiment is excellent in that the signal correction can be performed in consideration of the spatial irradiation light amount distribution on the surface of the subject in addition to the temporal light amount variation. The reproducibility of the photoacoustic signal is similar to that of the first embodiment. When the photoacoustic image was acquired and corrected in consideration of these factors, the intensity unevenness of the photoacoustic image, which was 8 to 10% without the correction of the light amount fluctuation and the light amount distribution, is about 3%, that is, the photoacoustic image. The signal reproducibility was improved to the same extent.

(実施形態4)
実施形態1〜3においてはトランスデューサ5及びレーザー2aは固定された状態で光音響信号の取得を行ったが、本実施形態ではこれらをプレートに沿って走査しながら光音響信号を取得する場合について述べる。
(Embodiment 4)
In the first to third embodiments, the photoacoustic signal is acquired while the transducer 5 and the laser 2a are fixed, but in the present embodiment, a case where the photoacoustic signal is acquired while scanning these along the plate will be described. .

システム構成は図4に示された通りであるが、本実施形態ではレーザー2a,2b、トランスデューサ5を被検体に対して走査する可動機構を有する。なお、光源から被検体への入射部位が走査されればよく、必ずしもレーザーそのものを走査する必要はない。この場合、実施形態1〜3では考慮されていなかった走査中の光量変動を補正する必要が生ずる。   The system configuration is as shown in FIG. 4, but in the present embodiment, it has a movable mechanism for scanning the lasers 2a and 2b and the transducer 5 with respect to the subject. It should be noted that it suffices that the incident portion from the light source to the subject be scanned, and it is not always necessary to scan the laser itself. In this case, it becomes necessary to correct the light amount fluctuation during scanning, which is not considered in the first to third embodiments.

以上の光源及び超音波トランスデューサを用いて乳房を走査することを考えると、走査領域は20cm×20cmであり、ストライプ幅は4cmであるために4cm×20cmのストライプを5回形成することとした。また、トランスデューサの走査はいわゆるステップアンドリピートと呼ばれる方式、すなわちトランスデューサの移動と停止を繰り返し、トランスデューサが停止している際にレーザー照射を行う方式を採用し、光音響信号を取得した。一方、レーザー照射に際してはその照射光量は常に光量メモリに蓄えられる。   Considering that the breast is scanned using the above light source and ultrasonic transducer, the scanning area is 20 cm × 20 cm, and the stripe width is 4 cm. Therefore, the stripe of 4 cm × 20 cm is formed five times. In addition, the scanning of the transducer is a so-called step-and-repeat method, that is, a method of repeating the movement and stop of the transducer and irradiating the laser when the transducer is stopped is adopted, and the photoacoustic signal is acquired. On the other hand, upon laser irradiation, the irradiation light amount is always stored in the light amount memory.

光量の規格化、演算処理、及び光音響信号の補正は実施形態2と同様であるが、補正された光音響信号は走査終了まで一旦メモリに蓄えられる。そして全ての走査が終了した後に補正された光音響信号を用い画像再構成を行い、生成された光音響画像をボリュームデータとして蓄積し画面に表示する。   The standardization of the light quantity, the calculation process, and the correction of the photoacoustic signal are the same as those in the second embodiment, but the corrected photoacoustic signal is temporarily stored in the memory until the end of scanning. Then, after all scanning is completed, image reconstruction is performed using the corrected photoacoustic signal, and the generated photoacoustic image is accumulated as volume data and displayed on the screen.

本方法を用いることによって光音響像の強度むらを改善することが可能であるが、光音響信号自体の再現性が2乃至3%程度存在し、一方走査による光音響信号の平均化効果はS/Nを4乃至5倍高める効果がある。これらの影響を考慮すると従来の走査、光量補正の無い形態で8乃至10%程度あった画像むらを1%以下に改善することが可能となった。   Although it is possible to improve the intensity unevenness of the photoacoustic image by using this method, the reproducibility of the photoacoustic signal itself is about 2 to 3%, while the averaging effect of the photoacoustic signal by scanning is S. There is an effect of increasing / N by 4 to 5 times. Considering these influences, it becomes possible to improve the image unevenness, which was about 8 to 10% without the conventional scanning and light amount correction, to 1% or less.

(実施形態5)
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
(Embodiment 5)
The present invention is also realized by executing the following processing. That is, software (program) that realizes the functions of the above-described embodiments is supplied to a system or device via a network or various storage media, and the computer (or CPU, MPU, etc.) of the system or device reads the program. This is the process to be executed.

1 システム制御部
2a,2b レーザー
3 被検体
4a、4b プレート
5 検出器
6 受信アンプ
7 アナログ−デジタルコンバータ
8a,8b ホトセンサ
9a,9b 光量メモリ
10 補正量演算部
11 信号補正部
12 画像再構成処理部
15 信号処理部
16 光減衰補正部
1 system control unit 2a, 2b laser 3 subject 4a, 4b plate 5 detector 6 receiving amplifier 7 analog-digital converter 8a, 8b photosensor 9a, 9b light amount memory 10 correction amount calculation unit 11 signal correction unit 12 image reconstruction processing unit 15 signal processing unit 16 optical attenuation correction unit

Claims (14)

光が被検体に照射されることにより発生する音響波を検出して得られる検出信号であって、複数回の光照射に対応した前記検出信号に基づ前記被検体内部の画像再構成データを取得する画像再構成データ取得部と、
前記被検体に照射される光照射毎の照射光の光量と、予め記憶されている前記光の照射面における面内強度分布に基づいて前記被検体内部の光強度分布を取得し、前記被検体内部の前記光強度分に基づいて前記画像再構成データを補正する補正処理部と、を備える
ことを特徴とす処理装置。
Light a detection signal obtained by detecting an acoustic wave generated by irradiating the object, multiple image reconstruction data inside the subject rather based on the detection signal corresponding to the light irradiation An image reconstruction data acquisition unit that acquires
The light intensity of the irradiation light for each light irradiation applied to the subject is acquired, and the light intensity distribution inside the subject is acquired based on the in- plane intensity distribution on the irradiation surface of the light stored in advance , and the subject processor, comprising a correction processing unit for correcting said image reconstruction data based on the light intensity distribution of the inside.
前記補正処理部は、前記被検体に照射される光の該被検体の深さ方向における光の減衰に基づいて前記被検体内部の前記光強度分布を取得することを特徴とする請求項1に記載処理装置。 The correction processing unit acquires the light intensity distribution inside the subject based on the attenuation of the light with which the subject is irradiated in the depth direction of the subject. The processing device described. アナログ信号である前記検出信号をデジタル信号に変換するA/D変換器を更に有し、前記画像再構成データ取得部は、前記デジタル信号に基づいて前記画像再構成データを取得することを特徴とする請求項1またはに記載処理装置。 The image reconstruction data acquisition unit further includes an A / D converter that converts the detection signal that is an analog signal into a digital signal, and the image reconstruction data acquisition unit acquires the image reconstruction data based on the digital signal. The processing device according to claim 1 or 2 . 前記画像再構成データ取得部は、前記検出信号を前記被検体内部の初期音圧分布あるいは光エネルギー吸収密度分布に変換することにより前記画像再構成データを取得することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載処理装置。 The image reconstruction data acquisition unit acquires the image reconstruction data by converting the detection signal into an initial sound pressure distribution or a light energy absorption density distribution inside the subject. processing apparatus according to any one of 3. 被検体内部の情報をボクセルデータとして取得するための処理装置であって、A processing device for acquiring information inside a subject as voxel data,
被検体への光の照射により生じる音響波を受信して得られる、複数回の光照射に対応する信号を取得する信号取得部、A signal acquisition unit that acquires a signal corresponding to a plurality of times of light irradiation, which is obtained by receiving an acoustic wave generated by irradiation of light on a subject,
前記被検体へ複数回照射される光の光量変動に関する情報を取得するためのセンサ部、A sensor unit for acquiring information about the light amount variation of the light irradiated to the subject multiple times,
前記被検体へ一度に照射される照射光の照射面内における強度分布情報を記憶しているメモリ部、及びA memory unit that stores intensity distribution information of irradiation light that is irradiated to the subject at one time, and
前記信号取得部により取得される前記信号、前記センサ部により取得される前記光量変動に関する情報、及び前記メモリ部に予め記憶されている前記強度分布情報を用いて、前記被検体に複数回照射される照射光の照射毎の光量変動が前記被検体内部の情報に対応するボクセルデータに与える影響を低減するための補正処理を行う補正処理部、を備えることを特徴とする処理装置。Using the signal acquired by the signal acquisition unit, the information regarding the light amount variation acquired by the sensor unit, and the intensity distribution information stored in advance in the memory unit, the subject is irradiated multiple times. A processing device, comprising: a correction processing unit that performs a correction process for reducing the influence of a variation in the light amount for each irradiation of the irradiation light on voxel data corresponding to the information inside the subject.
前記補正処理部は、前記被検体に照射された光の該被検体の深さ方向の光減衰の影響も考慮した補正を行うことを特徴とする請求項5に記載の処理装置。The processing apparatus according to claim 5, wherein the correction processing unit performs correction in consideration of an influence of light attenuation in the depth direction of the subject, which is applied to the light with which the subject is irradiated. 前記補正処理部は、前記信号をデジタル信号に変換する前のアナログ信号に対して、前記光量変動に関する情報を用いて、前記補正処理を行う請求項5あるいは6に記載の処理装置。7. The processing device according to claim 5, wherein the correction processing unit performs the correction processing on an analog signal before converting the signal into a digital signal, using information about the light amount variation. 前記補正処理部は、前記信号をデジタル信号に変換した後、前記光量変動に関する情報を用いて、前記デジタル信号を補正する処理を行うことを特徴とする請求項5あるいは6に記載の処理装置。The processing device according to claim 5, wherein the correction processing unit performs a process of correcting the digital signal by using the information about the light amount variation after converting the signal into a digital signal. 前記補正処理部は、前記信号をデジタル信号に変換した後、画像再構成処理を行うことで得られるボクセルデータに対して、前記光量変動に関する情報を用いた補正を行うことを特徴とする請求項5あるいは6に記載の処理装置。The correction processing unit corrects voxel data obtained by performing image reconstruction processing after converting the signal into a digital signal, using the information related to the light amount variation. The processing device according to 5 or 6. 被検体内部の情報をボクセルデータとして取得するための処理方法であって、A processing method for acquiring information inside a subject as voxel data,
被検体への光の照射により該被検体から音響波が生じる光照射を複数回行い、該光照射により生じた該音響波を受信して得られる信号を取得する工程、A step of performing light irradiation in which an acoustic wave is generated from the object by irradiating the object with light a plurality of times, and acquiring a signal obtained by receiving the acoustic wave generated by the light irradiation,
前記被検体へ複数回照射される光の光量変動に関する情報を取得する工程、及びA step of acquiring information regarding a light amount variation of light irradiated to the subject a plurality of times; and
前記信号、前記光量変動に関する情報、及び予め取得されている前記被検体へ一度に照射される照射光の照射面内における強度分布情報を用いて、前記被検体に複数回照射される照射光の照射毎の光量変動が前記被検体内部の情報に対応するボクセルデータに与える影響を低減するための補正処理を行う工程を有することを特徴とする処理方法。Using the signal, the information about the light amount variation, and the intensity distribution information in the irradiation plane of the irradiation light that is previously irradiated to the object that is previously acquired, the irradiation light that is irradiated to the object multiple times. A processing method comprising a step of performing a correction process for reducing an influence of a variation in light amount for each irradiation on voxel data corresponding to the information inside the subject.
前記補正処理を行う工程が、前記被検体に照射された光の該被検体の深さ方向の光減衰の影響も考慮した補正を行う工程であることを特徴とする請求項10に記載の処理方法。11. The process according to claim 10, wherein the step of performing the correction processing is a step of performing a correction in consideration of an influence of light attenuation in the depth direction of the subject with respect to the light emitted to the subject. Method. 前記補正処理を行う工程は、前記信号をデジタル信号に変換する前のアナログ信号に対して、前記光量変動に関する情報を用いて、前記補正処理を行う請求項10あるいは11に記載の処理方法The processing method according to claim 10 or 11, wherein in the step of performing the correction process, the correction process is performed on the analog signal before the signal is converted into a digital signal, using information about the light amount variation. 前記補正処理を行う工程が、前記信号をデジタル信号に変換した後、前記光量変動に関する情報を用いて、前記デジタル信号を補正する処理を含むことを特徴とする請求項10あるいは11に記載の処理方法。12. The process according to claim 10, wherein the step of performing the correction process includes a process of correcting the digital signal by using the information regarding the light amount variation after converting the signal into a digital signal. Method. 前記補正処理を行う工程が、前記信号をデジタル信号に変換した後、画像再構成処理を行うことで得られるボクセルデータに対して、前記光量変動に関する情報を用いた補正を行うことを特徴とする請求項10あるいは11に記載の処理方法。The step of performing the correction processing is characterized in that the voxel data obtained by performing the image reconstruction processing after converting the signal into a digital signal is corrected using the information relating to the light amount variation. The processing method according to claim 10.
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