KR20130131422A - 측정 장치 - Google Patents

Abstract

측정 장치는, 피검체를 유지하는 유지부와, 광이 조사된 피검체로부터 생긴 음향파를 유지부를 거쳐서 수신하는 수신 소자를 포함하는 탐촉자를 갖는다. 광은 유지부에 유지된 피검체 표면에 조사된다. 탐촉자는, 유지부에 유지된 피검체 표면의 법선의 방향과 수신 소자의 수신 감도가 가장 높은 방향이 비평행하도록 배치된다.

Description

측정 장치{MEASURING APPARATUS}

본 발명은, 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, X선, 초음파 또는 ＭＲＩ(핵자기공명법)을 사용한 이미징 장치가 의료분야에서 많이 사용된다. 한편, 레이저빔등의 광원으로부터 사출된 광을 생체등의 피검체내에 전파시켜, 그 전파된 광을 검지함으로써 생체내의 정보를 취득하도록 구성된 광 이미징 장치를 실현하기 위한 연구도 의료분야에서 적극적으로 실시되고 있다. 이러한 광 이미징 기술의 하나로서, 광음향 토모그래피(ＰＡＴ)가 제안되어 있다(NPL 1: 비특허문헌1).

ＰＡＴ 기술에서는, 광원으로부터 발생한 펄스 광을 피검체에 조사하여, 피검체내에서 광의 에너지를 전파 및 확산하고, 이 광의 에너지를 흡수한 생체조직으로부터 발생한 음향파(이후, 광음향파라고 함)를 그 생체내의 복수의 장소에서 검출한다. 계속해서, 이렇게 얻어진 신호를 해석하여, 피검체 내부의 광학특성값에 관련된 정보를 가시화한다. 이에 따라 피검체내의 광학특성값 분포, 특히 광 에너지 흡수밀도 분포를 얻을 수 있다.

비특허문헌 1에 의하면, 광음향 토모그래피에 있어서, 광흡수에 의해 피검체의 흡수체로부터 발생한 광음향파의 초기 음압(P₀)은 다음식 (1)로 나타낼 수 있다.

P₀=Γ·μ_a·Φ (1)

이 식에서, Γ은 그뤼나이젠(Gruneisen) 계수이며, 체적팽창계수(β)와 음속(c)의 자승의 적을 정압비열(Ｃ_Ｐ)로 나누어서 얻어진 계수다. μ_a는 흡수체의 광흡수계수, Φ은 국소적인 영역에서의 광량(흡수체에 조사된 광량, 광 플루엔스(fluence)라고도 말한다)다.

생체내에 있어서는 혈액중의 헤모글로빈에 의한 광량의 흡수가 크다는 사실을 활용함으로써 ＰＡＴ를 사용해서 생체내의 혈관을 이미징 하는 많은 경우가 보고되고 있다.

최근에는, NPL 2(비특허문헌 2)에서 보고된 바와 같이, ＰＡＴ를 사용해서 유방암의 검출을 행하는 연구도 행해지고 있다. 유방암은, 성장 과정에 있어서, 종상의 주위에 혈관신생을 일으키게 한다. 이것은, 주위의 지방조직등에 비교하여, 상기 종상 주변의 영역에서 대량의 광이 흡수되기 때문이라고 여겨진다.

광음향 이미징에 있어서는, 식(1)에 나타나 있는 바와 같이, 광흡수에 의해 생체내의 흡수체로부터 얻어진 음향파의 음압은, 흡수체에 도달하는 국소적인 광량에 비례한다.

생체에 조사된 광은, 산란과 흡수에 의해 체내에서 급격하게 감쇠된다. 이 때문에, 체내 깊숙한 조직에서 생긴 음향파의 음압은, 광조사위치부터의 거리에 따라 크게 감쇠된다. 한층 더, 생체에 조사할 수 있는 조사 광량에는 제한이 있다. 이 때문에, ＰＡＴ를 사용해서 생체심부의 이미징을 행하는 것은 곤란하다.

ＰＡＴ를 사용해서 유방암의 이미징을 행할 때도 같은 과제가 생긴다. 이 과제에 대한 하나의 유효한 해결책은, X선 유방뢴트겐 조영법에서 종종 이용된 것처럼, 유방을 압박하여 유방의 두께를 감소하는데 있다. 도 1은 비특허문헌 2에 개시된 것과 같은 상기 장치의 구성을 나타낸다. 도 1에 나타낸 장치에서는, 유리판(10)과 탐촉자(11) 사이에 유방(12)을 끼워서 압박하고, 그 유리판측으로부터 광(13)을 조사한다.

NPL 1: M. Xu, L. V. Wang, "Photoacoustic imaging in biomedicine", Review of scientific instruments,77,041101(2006) NPL 2: S. Manohar et al., "Region-of-interest breast studies using the Twente Photoacoustic Mammoscope(PAM)", Proc. Of SPIE Vol.6437 643702-1

그러나, 비특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 광이 압박된 유방에 대하여 탐촉자와 반대측에서 조사(이후, "비탐촉자측 조사"라고 부른다)하는 경우, 탐촉자에 가까운 유방측에 도달하는 광은 대단히 약하고, 그 위치에 존재하는 암(흡수체)을 이미징 하는 것은 곤란하다. 가능한 한 유방을 압박함에 의해, 탐촉자에 가까운 측에 상기 암을 이미징할 수 있는 가능성은 있다. 그렇지만, 환자에의 부담이나 고통이 커져버리므로 압박 압력을 높이는 것은 바람직하지 못하다.

압박량을 상승시키지 않고, 탐촉자에 가까운 유방측에 존재하는 암을 이미징 가능하게 하는 일 방법은, 탐촉자측에서도 광을 조사(이후, "탐촉자측 조사"라고 부른다)하는 방법이다. 이 방법에 의해, 유방의 탐촉자측의 영역에도 충분한 광량이 도달함에 따라서, 탐촉자에 가까운 측에 존재하는 암으로 생기는 광음향신호를 탐촉자에서 검출할 수 있다.

그러나, 탐촉자측 조사를 행하는 경우, 광이 조사된 생체의 표면에서 큰 광음향신호가 생긴다. 이것은, 식(1)에 나타나 있는 바와 같이, 광음향파의 음압은 흡수체에 도달하는 국소적인 광량에 비례하지만, 생체표면에서는 광이 감쇠되지 않아, 광량이 크기 때문이다. 이 생체표면의 큰 광음향신호에 의해 재구성후의 화상에 아티팩트가 생기고, 화상이 상당히 저하된다. 또한, 검출하고 싶은 암으로부터의 광음향신호가 이 생체표면으로부터의 큰 광음향신호에 파묻혀버리면, 그 암을 검출할 수 없다.

한층 더, 피검체를 압박하는 부재가 탐촉자와 피검체의 사이에 존재하면, 그 부재의 내부에서 광음향파가 다중 반사한다. 이 다중반사 신호는, 탐촉자로부터 보아서 심부에서 생긴 신호와 겹쳐, 그 심부의 화상도 저하시킨다. 심부에 존재하는 암으로부터의 광음향신호가 작기 때문에, 결과적으로 심부에서 암을 검출하는 정밀도를 악화시킨다.

상기 설명한 것처럼, 피검체를 압박했을 때에, 모든 깊이에 있어서 이미징을 행하기 위해서는 탐촉자측 조사를 할 필요가 있다. 그러나, 탐촉자측 조사를 함으로써 화질을 저하시켜, 생체내부의 광흡수체(예를 들면, 유방암)의 이미징에 악영향을 준다고 하는 과제가 생긴다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 화상의 저하를 억제하면서, 피검체의 깊이 방향으로 광범위한 피검체 정보 이미징을 행하기 위한 기술을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 측정 장치는,

피검체를 유지하는 유지부; 및

광이 조사된 피검체로부터 생긴 음향파를, 상기 유지부를 통해 수신하는 수신 소자를 포함하는 탐촉자를 구비하고,

상기 광은, 상기 유지부에 의해 유지된 피검체 표면에 조사되고,

상기 탐촉자는, 상기 유지부에 의해 유지된 피검체 표면의 법선의 방향이, 상기 수신 소자의 수신 감도가 가장 높은 방향과 비평행하도록 배치된다.

본 발명에 의하면, 화상의 저하를 억제하면서, 피검체의 깊이 방향으로 광범위한 피검체 정보 이미징을 행하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부도면을 참조하여 이하의 예시적 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 피검체를 유지하는 피검체 정보 이미징 장치의 구성의 예를 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 모델을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 모델을 나타내는 다른 도면;
도 4는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 모델을 나타내는 다른 도면;
도 5는 본 발명을 적용 가능한 측정 장치의 구성의 예를 나타내는 도면;
도 6은 본 발명을 적용 가능한 측정 장치의 다른 구성의 예를 나타내는 도면;
도 7은 본 발명을 적용 가능한 측정 장치의 다른 구성의 예를 나타내는 도면;
도 8은 본 발명의 원리를 검증하기 위해 행해진 실험에 사용한 구성의 일례를 나타내는 도면;
도 9a는 본 발명의 원리 검증 실험의 결과를 나타내는 도면;
도 9b는 본 발명의 원리 검증 실험의 결과를 나타내는 그래프;
도 10a는 광흡수체와 정상 수신 표면 사이의 거리를 나타내는 도면;
도 10b는 광흡수체와 경사 수신 표면 사이의 거리를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 측정 장치(피검체 정보 이미징 장치)의 구성에 의해, 탐촉자측 조사를 행했을 때에, 화상의 저하를 억제하는 것을 가능하게 하는 본 발명의 원리를 서술한다. 도 2와 도 3은 그 원리를 설명하기 위한 모델을 나타낸다. 도 4는 탐촉자(40)의 수신 소자 표면(41)에 대한 각도θ을 나타내는 도면이다.

도 2에 있어서, 피검체(20)의 형상은 직육면체이며, 평면 모양으로 유지된 유방을 모의하고 있다. 피검체(20)에는 암을 모의한 구형 광흡수체(21)가 존재한다. 광(22)을, 피검체(20)에의 조사 광량 밀도가 균일하게 되도록, 생체내의 광의 도달거리보다도 충분하게 넓은 면적에, 조사한다. 피검체(20)의 광조사면과 탐촉자(23)의 수신 소자 표면(24)은 평행하게 배치되어 있다.

이 광(22) 조사에 의해, 평면 형상의 피검체(20)의 광조사 표면에서 생긴 광음향파는 평면파(25)가 된다. 광음향파는, 주로, 조사 광량 밀도가 균일하고, 그 광이 생체내의 광의 도달거리보다도 넓은 면적에 조사되는 조건하에서 평면이 된다. 평면파(25)는 탐촉자(23)의 방향으로 전파되고, 탐촉자(23)의 수신 소자 표면(24)에 대하여 수직하게 입사된다. 한편, 구형 광흡수체(21)로부터 생긴 광음향파는 동심원 모양으로 전파된 구면파(26)가 된다. 일반적으로, 수신 소자의 수신 감도가 가장 높은 방향은, 후술하는 바와 같이, 소자 표면에 대하여 수직한 방향이다.

도 3에 있어서, 피검체(30)의 광조사면과 탐촉자(33)의 수신 소자 표면(34)은 평행하게 배치되지 않고, 기운 각도θ로 배치되어 있다. 이것이 의미하는 것은, 광조사면의 법선의 방향이, 수신 소자의 수신 감도가 가장 높은 방향과 비평행하도록, 탐촉자가 배치되어 있다는 것이다. 그 이외의 구성은 도 2와 같다.

이 구성에서, 광(32)의 조사에 의해 광조사 표면에서 생긴 광음향파는 평면파(35)다. 평면파(35)는, 탐촉자(33)에 대해 각도θ로 기운 방향으로 전파되고, 탐촉자(33)의 수신 소자 표면(34)에 그 기운 각도θ로 입사된다. 한편, 구형 광흡수체(31)로부터 생긴 광음향파는, 도 2의 배치와 같이 동심원 모양으로 전파된 구면파(36)가 된다.

초음파 탐촉자의, 초음파 입사방향과 수신 감도의 관계(수신 감도의 지향성)에 대해서 도 4를 사용해서 서술한다. 수신 소자가 원형일 경우, 그 수신 감도d(θ)는 이하의 식(2)로 나타내어진다.

이 식(2)에서, θ는 입사각도, a는 수신 소자 반경, k는 초음파의 각(angular)주파수, J₁은 베셀(Bessel) 함수다.

상기 수신 소자가 사각형일 경우, 수신 감도는 이하의 식(3)으로 나타내어진다.

이 식(3)에서, a는 수신 소자의 한 변의 길이다.

이것들의 식은, 입사각도θ가 커질수록, 즉 입사방향이 기울어질수록, 수신 감도는 낮아지는 것을 의미한다. 또한, 이것들의 식은, 이 수신 감도의 입사각도 의존성은, 수신 소자의 사이즈나 수신하는 초음파의 주파수에 따라 다른 것을 의미한다. 일반적으로, 수신 소자의 사이즈가 클 경우, 또는 수신 소자가 수신한 초음파의 주파수가 클 경우에는, 지향성이 크게(강하게) 된다. 이것이 의미하는 것은, 이것들의 경우에는, 입사방향이 기울어질수록, 수신 감도는 낮아진다는 것이다.

따라서, 탐촉자의 피검체 표면과 수신 소자 표면간의 각도는, 수신 소자의 수신 감도의 지향성에 따라 조정되는 것이 바람직하다. 또한, 탐촉자의 피검체 표면과 수신 소자 표면간의 각도는, 수신 소자의 소자 사이즈나 수신 주파수에 따라 조정되는 것이 바람직하다.

도 2에서 생긴 평면파(25)는, 수신 소자 표면(24)에 대하여 수직, 즉 θ가 0도로 입사한다. 이 때문에, 그 평면파(25)는, 고감도로 수신될 수 있다. 이에 대하여, 도 3의 구성에서 생긴 평면파(35)는 수신 소자 표면(34)에 대하여 각도θ로 입사한다. 따라서, 평면파(35)는, 입사각도θ의 크기에 따라 감도가 저하된 상태로 수신된다. 이 수신 감도의 지향성 때문에, 도 2와 도 3에서 상기 피검체 표면에 있어서 같은 강도의 평면적인 광음향파가 생겨도, 도 3의 탐촉자는 도 2의 탐촉자보다 작은 평면파를 수신한다.

한편, 도 2의 구형 광흡수체 21로부터 생긴 광음향파 26과, 도 3의 구형 광흡수체 31로부터 생긴 광음향파 36은 모두 구면파다. 이 때문에, 광음향파(26, 36) 양쪽은 탐촉자의 수신 소자에의 동일한 입사각으로 입사한다. 따라서, 도 2와 도 3에서 상기 구형 광흡수체에 있어서 같은 강도의 광음향파가 각각 생겼을 때에, 구면파에 대한 탐촉자의 감도는, 도 2와 도 3에서 같게 된다.

이것은, 도 3에 나타낸 배치를 이용하는 경우, 도 2의 배치보다, 구면파에 대한 감도를 변화시키지 않고, 피검체(20)의 광조사 표면에서 생긴 평면파에 대한 감도만을 감소시킬 수 있다는 것을 의미한다. 달리 말하면, 피검체(30)의 광조사면이 탐촉자(33)의 수신 소자 표면(34)에 대한 특정한 각도θ로 기울어지고 그 양쪽 표면에 마찬가지로 광이 조사될 때에, 탐촉자가 피검체 표면으로부터 수신하는 광음향신호는, 구형 흡수체로부터의 광음향신호에 대하여 감소될 수 있다.

탐촉자의 피검체 표면에 대한 수신 소자 표면의 각도는, 탐촉자의 수신 소자의 수신 감도가 최대값의 4분의 1이하이고, 수신 감도의 크기를 0이상의 값으로 하는 각도인 것이 바람직하다.

한편, 상기 구형 광흡수체로부터의 구면파를 탐촉자에서 수신할 때의 수신 강도에 대해서 도 10a 및 도 10b에 따라 설명한다.

도 10에 있어서, 구형 광흡수체(1001)로부터 생기고, 구면 모양으로 전파하는 구면파(1003)의 음압은, 탐촉자와 구형 광흡수체(1001) 사이의 거리에 반비례해서 감소한다.

도 10a와 같이, θ=0의 경우에는, 구형 광흡수체(1001)와 탐촉자(1002)의 수신면간의 거리는 a다. 한편, 도 10b와 같이, θ≠0의 경우에는, 상기 구형 광흡수체(1001)와 탐촉자(1002)의 수신면간의 거리는 b(b=a/ｃｏｓθ)다. 구면 모양으로 전파하는 광음향파(구면파)(1003)의 음압은, 탐촉자와 구형 광흡수체(1001)간의 거리에 반비례하므로, 탐촉자(1002)에 있어서의 수신 음압(강도)은 ｃｏｓθ에 비례해서 감소한다.

상술한 것처럼, 탐촉자를 θ도로 기울였을 때, 관찰되는 구면파도 감소한다. 그것은, 평면파를 감소하기 위해서 θ를 지나치게 증가시키면, 원래의 관찰 피검체인 구면파가 검출하기 어려워진다는 것을 의미한다.

이러한 지식을 고려하여, 더 바람직하게는, 탐촉자의 피검체 표면에 대한 수신 소자 표면의 각도는, 수신 감도가 최대값의 4분의 1이하 100분의 1이상이라고 하는 각도다. 이 구성에 의해, 피검체(20)의 광조사 표면에서 생긴 평면파의 수신 신호를 보다 작게 할 수 있다.

또한, 탐촉자의 피검체 표면에 대한 수신 소자 표면의 각도는, 10도이상 80도이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 10도이상 60도이하, 최적으로는, 20도이상 50도이하다.

그 결과, 도 2의 배치에서 얻어진 광음향신호를 사용해서 화상을 재구성했을 경우와 비교하여, 도 3의 배치에서 얻어진 광음향신호를 사용해서 화상을 재구성한 경우에는, 피검체 표면에서 생긴 광음향신호에 의해 생긴 화상의 저하를 보다 억제할 수 있다. 이에 따라, 피검체의 내부에 존재하는 암등의 광흡수체를 고선명으로 영상화하는 것이 가능하다.

수신 감도의 지향성이외에도, 도 3의 배치를 이용할 수 있어, 피검체 표면에서의 평면파의 진행 방향을 기울임으로써, 평면파를 탐촉자로부터 편향시켜 그 평면파를 수신하지 못하게 한다.

본 발명의 예시적 실시예에 대해서, 첨부도면을 참조하여 더욱 설명하겠다. 이하에서는, 본 발명에 따른 피검체 정보 이미징 장치를 생체에 적용한 생체정보 이미징 장치를 예로 들어서 설명한다. 그렇지만, 본 발명에 따른 측정 대상은 이것에 한정되지 않는다.

<제1 실시예>

우선, 본 발명의 제1 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치에 관하여 설명한다.

도 5는, 제1 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치의 구성 예를 설명하는 도면이다. 본 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치는, 종상이나 혈관질환등의 진단이나 추후 검사 목적을 위해 생체내의 광학특성값 분포 및, 그것들의 정보에 의거하여 얻어진 생체조직을 구성하는 물질의 농도분포의 영상화를 가능하게 하도록 구성된다.

본 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치는, 생체(50)를 유지하기 위한 유지부 51과 52를 갖는다. 이렇게 유지된 생체(50)에 조사 광(53)을 조사한다.

또한, 생체정보 이미징 장치는, 탐촉자(57)를 더 갖는다. 탐촉자(57)는, 종상, 혈관 또는 광 에너지의 일부를 흡수하는 생체내에 존재하는 광흡수체(54)가 발생한 광음향파 55 또는, 생체의 표면에서 발생한 광음향파 56을 검출하여, 전기신호로 변환한다.

생체정보 이미징 장치는, 그 전기신호를 해석하여, 광학특성값 분포 정보등의, 유저에 화상을 표시하기 위한 원래의 데이터인 화상 데이터를 생성하는 신호 처리부(58)를 더 갖는다. 또한, 화상표시장치(59)는, 신호 처리부에 의한 처리 결과를 표시한다.

유지부 51과 52는 대향하는 면이 경사진 한 쌍의 판자 모양의 부재로 형성된다. 이러한 부재를 2매 사용해서 생체(50)를 끼우도록 해서 압박 유지한다. 이 때문에, 생체(50)가 유지부 51과 52에 대향하는 측은 평면 모양으로 된다. 유지부(51)에 있어서의 한 쌍의 평면 중 한쪽은 생체(50)를 유지하는 유지면이며, 다른 쪽에는 탐촉자(57)가 배치된다. 유지부(51)는, 광학적으로 투과성이 높고, 광에 대한 내구성이 높은 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 유지부(51)는, 음향파의 감쇠가 작고, 음향 임피던스가 생체에 가깝게 나타내는 재료로 제조된다. 이러한 재료는, 폴리메틸펜텐을 예로 들어도 된다.

유지부(51)와 생체(50)의 사이와, 유지부(51)와 탐촉자(57)의 사이에는, 음향파의 반사를 억제하기 위한 음향결합 매체를 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 임피던스 매칭 겔등을 그 매체로서 사용하여도 된다.

유지부(52)는, 광학적으로 투과성이 높고, 광에 대한 내구성이 높은 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 이러한 재료로서 예를 들면 유리나 아크릴을 사용하여도 된다.

금후, 생체(50)에 관해서, 탐촉자(57)가 배치된 유지부 51에 대향하는 측을 "탐촉자측"이라고 부르고, 생체(50)에 관해서 유지부 52에 대향하는 측을 "비탐촉자측"이라고 부르기로 한다.

여기서 사용된 조사 광(53)은, 생체(50)를 구성하는 성분 중 특정한 성분에 의해 광이 흡수되는 파장 특성을 갖는 광이다. 본 실시예에 있어서, 조사 광(53)은 탐촉자측과 비탐촉자측의 양측에 조사하고 있지만, 탐촉자측에만 조사 광(53)을 조사하여도 된다. 또한, 탐촉자측에 탐촉자의 양측에서 조사하고 있지만, 이것은 탐촉자(57)의 전방에 위치된 생체(50)의 표면에 광이 조사되면, 항상 필요하지 않다. 예를 들면, 탐촉자의 한쪽에서 광을 조사해도 된다.

조사 광(53)은 조사 광의 생체(피검체)중에 있어서의 도달거리보다도 넓은 폭(사이즈, 지름)으로 조사하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 광의 유효 감쇠 계수를 μ_eff라고 하면, 그 조사 광(53)은 1/μ_eff보다 넓은 폭으로 조사하는 것이 바람직하다. 유효 감쇠 계수 μ_eff는 이하의 식(4)으로 나타낼 수 있다.

이 식(4)에서, μ_a는 광의 흡수계수, μ_s'은 등가 산란 계수다.

조사 광(53)은 조사 광량 밀도분포가 균일하게 되도록 조사하는 것이 바람직하다. 조사 광량 밀도분포를 균일하게 하기 위해서, 확산판이나 플라이 아이(fly-eye) 렌즈를 사용할 수 있다.

조사 광(53)으로서 펄스 광을 사용하여도 된다. 펄스 광은, 바람직하게는, 수나노초로부터 수백나노초 오더의 것이고, 파장은 400ｎｍ이상, 1600ｎｍ이하인 것이 바람직하다.

조사 광(53)을 발생하는 광원으로서는 레이저가 바람직하지만, 레이저 대신에 발광 다이오드등을 사용하여도 된다. 레이저로서는, 고체레이저, 가스레이저, 색소레이저 및 반도체 레이저등 여러 가지 형태의 레이저를 사용할 수 있다.

발진하는 파장의 변환가능한 색소레이저나 ＯＰＯ(Optical Parametric Oscillator)을 사용함으로써, 광학특성값 분포의 파장에 의한 차이를 측정하는 것도 가능하게 된다.

여기서 사용된 광원의 파장 범위는, 700ｎｍ으로부터 1100ｎｍ까지인 것이 바람직하므로, 이러한 파장을 갖는 광이 생체내에 있어서 흡수가 적기 때문이다. 그러나, 상기의 파장 범위보다도 넓은 파장 범위, 이를테면 400ｎｍ으로부터 1600ｎｍ까지의 파장 범위, 또는 테라헤르츠 파장 범위, 마이크로파 파장 범위, 및 라디오파 파장 범위도 사용가능하다.

또한, 조사 광(53)의 광원은 생체(50)의 표면을 주사하도록 구성될 수 있다.

탐촉자(57)는, 조사 광(53)의 에너지의 일부를 흡수함으로써 생체내에서 발생한 음향파(전형적으로는, 초음파이며, 광음향파라고도 부른다)를 검출하여, 전기신호로 변환한다.

탐촉자는, 압전 현상을 사용한 트랜스듀서, 광의 공진을 사용한 트랜스듀서, 용량의 변화를 사용한 트랜스듀서등 음향파신호를 검지할 수 있으면, 어떤 음파검출기를 사용해도 된다. 또한, 탐촉자(57)는, 광원(53)과 마찬가지로, 피검체(50)의 표면을 주사하도록 구성되어도 된다.

본 실시예는 수신 소자가 2차원 어레이 모양으로 배치된 어레이형의 탐촉자(57)를 배치시키는 경우에 관련되고 있지만, 본 발명은 이러한 배치에 한정되지 않고, 복수의 장소에서 음향파가 검지 가능하게 구성되어 있으면 어떠한 다른 배치가 사용되어도 된다. 복수의 장소에서 음향파를 검지할 수 있으면 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 1개의 수신 소자를 가지는 탐촉자(싱글 트랜스듀서)는 유지부(51)의 표면을 주사하도록 구성되어도 된다.

탐촉자(57)가 얻은 전기신호가 작은 경우에는, 증폭기를 사용하여 신호 강도를 증폭하는 것이 바람직하다.

본 실시예에 따른 신호 처리부(58)는, 탐촉자(57)로부터 얻어진 전기신호에 의거하여, 생체내의 흡수체(54)의 위치와 크기, 혹은 광 에너지 축적량 분포나 광흡수계수 등의 광학특성값 분포를 계산한다.

상기 복수의 장소에서 얻어진 전기신호에 의거하여 광학특성값 분포를 얻기 위한 재구성 알고리즘으로서는, 유니버셜 백 프로젝션이나 정상(phasing)가산이 생각된다. 이것들의 알고리즘을 사용할 때에, 본 실시예에서는, 생체(50)와 탐촉자(57)의 사이에 위치하는 유지부(51)에 의한 음향파의 굴절이나 음속의 변화와, 피검체 표면에 대한 수신 소자 표면의 각도를 고려할 필요가 있다.

신호 처리부(58)는 음향파의 강도와 그 시간변화를 기억하여, 그것을 연산 수단에 의해, 광학특성값 분포의 데이터로 변환할 수 있는 것이면 어떤 처리부를 사용해도 된다. 예를 들면, 오실로스코프와 그 오실로스코프에 기억된 데이터를 해석 가능한 컴퓨터를 사용해도 된다.

복수의 파장의 광을 사용한 경우에는, 각각의 파장에 관해서, 생체내의 광학계수를 산출하고, 이렇게 얻어진 값들을, 생체조직을 구성하는 물질(글루코오스, 콜라겐, 산화나 환원 헤모글로빈등)의 고유한 파장 의존성과 비교한다. 이것에 의해, 생체를 구성하는 물질의 농도분포를 영상화하는 것도 가능하다.

본 발명의 본 실시예에서는, 신호 처리에 의해 얻어진 화상정보를 표시하는 화상표시장치(59)를 구비하는 것이 바람직하다.

이러한 실시예에 기재된 것과 같은 생체정보 이미징 장치를 사용함으로써, 화상의 저하를 억제하면서, 피검체내의 깊이 방향으로 광범위한 피검체 정보 이미징을 행하는 것이 가능해진다.

<제2 실시예>

본 발명의 제2 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치를 설명한다.

도 6은, 본 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치의 구성 예를 설명하는 도면이다. 도 5에 나타낸 장치와 공통되는 구성요소는 동일한 참조번호로 나타내고, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 제2 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치는, 생체(50)를 유지하기 위한 유지부 60과 61을 갖는다. 이렇게 유지된 생체(50)에 조사 광(53)을 조사한다.

생체정보 이미징 장치는 탐촉자(57)를 구비한다. 탐촉자(57)는, 생체내에 있어서의 종상, 혈관 등에 존재하는 광흡수체(54)가 광의 에너지의 일부를 흡수해서 발생한 광음향파(55)나, 그 생체의 표면에서 발생한 광음향파(56)를 검출하여, 전기신호로 변환한다.

본 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치는 생체(50)와 탐촉자(57)의 사이에, 각도를 형성하는 한 쌍의 평면을 가지는 부재(62)를 구비한다.

생체정보 이미징 장치는, 전기신호의 해석에 의해, 광학특성값 분포 정보를 얻는 신호 처리부(58)를 더 구비한다. 화상표시장치(59)는, 신호 처리부에 의해 형성된 처리 결과를 표시하도록 구성된다.

본 실시예에 의하면, 유지부 60과 61은 서로 평행하게 배치된 평판형 부재로 형성된다. 이러한 부재를 2매 사용해서 생체(50)를 끼우도록 해서 유지한다. 유지부(60)는, 광학적으로 투과성이 높고, 광에 대한 내구성이 높은 재료로 제조된 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 유지부 1은 음향파의 감쇠가 작고, 생체와 유사한 음향 임피던스를 나타내는 재료로 제조된다. 이러한 재료로서 예를 들면 폴리메틸펜텐을 사용하여도 된다. 유지부 60은, 한 쌍의 평면 중 한쪽에 생체(50)를 유지하고, 다른 면에는 탐촉자(57)가 배치된다.

생체(50)와 탐촉자(57)의 사이에, 각도를 형성하는 한 쌍의 평면을 가지는 부재(62)가 배치된다. 부재(62)는, 음향파의 감쇠가 작고, 생체와 유사한 음향 임피던스를 갖는 재료로 제조된 것이 바람직하다. 이러한 재료로서 예를 들면 폴리메틸펜텐이나 아크릴을 사용하여도 된다.

유지부(60)와 생체(50)의 사이, 유지부(60)와 부재(62)의 사이, 또한 탐촉자(57)와 부재(62)의 사이에는, 음파의 반사를 억제하기 위한 음향결합 매체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 임피던스 매칭 겔은, 상기 음향결합 매체로서 사용되어도 된다.

유지부(61)는 광학적으로 투과성이 높고, 광에 대한 내구성이 높은 재료로 제조된 것이 바람직하다. 이러한 재료로서 예를 들면 유리나 아크릴을 사용하여도 된다.

본 실시예에 있어서, 조사 광, 탐촉자, 신호 처리부 및 화상표시장치는 제1 실시예와 같은 것이어도 된다.

본 실시예에 기재된 것과 같은 생체정보 이미징 장치를 사용함으로써, 화상의 저하를 억제하면서, 피검체내의 깊이 방향에 있어서 광범위한 피검체 정보 이미징을 행하는 것이 가능해진다.

<제3 실시예>

본 발명의 제3 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치에 관하여 설명한다.

도 7은, 본 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치의 구성 예를 나타낸다. 도 5에 나타낸 장치와 공통되는 구성요소에는 동일한 참조번호로 나타내지고, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 생체정보 이미징 장치는, 생체(50)를 유지하기 위한 유지부 70과 71을 구비한다. 이렇게 유지된 생체(50)에 조사 광(53)을 조사한다.

생체정보 이미징 장치는, 생체내에 있어서의 종상, 혈관, 또는 광 에너지의 일부를 흡수하는 생체내에 존재하는 다른 광흡수체(54)가 발생한 광음향파 55나, 생체의 표면에서 발생한 광음향파 56을 검출하여, 전기신호로 변환하는 탐촉자(57)를 구비한다.

생체정보 이미징 장치는, 전기신호의 해석에 의해, 광학특성값 분포 정보를 얻는 신호 처리부(58)와, 처리 결과를 표시하는 화상표시장치(59)를 더 구비한다.

유지부 70과 71은 생체(50)를 끼우도록 해서 유지한다. 유지부(70)는 용기 모양으로 되어 있어, 유지부(70)의 저면(73)은 생체(50)를 평면 모양으로 되도록 유지한다. 용기의 내부에는 음향결합 매체(72)가 채워져 있다. 음향결합 매체(72)로서 물이나 피마자유를 사용할 수 있다. 탐촉자(57)는 음향결합 매체내에, 탐촉자의 수신면이 상기 유지된 생체표면에 대해 경사지도록 배치된다.

유지부(70)는, 광학적으로 투과성이 높고, 광에 대한 내구성이 높은 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 유지부(70)는, 음향파의 감쇠가 작고, 생체와 유사한 음향 임피던스를 나타내는 재료로 제조된다. 이러한 재료로서 예를 들면 폴리메틸펜텐을 사용하여도 된다. 유지부(70)의 저면(73)은 음향이 투과 가능하게 필름형으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면 폴리에틸렌 필름을 사용하여도 된다.

유지부(70)의 저면(73)과 생체(50)의 사이에는 음파의 반사를 억제하기 위해서 음향결합 매체를 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 임피던스 매칭 겔을 상기 음향결합 매체로서 사용할 수 있다.

유지부(71)는 광학적으로 투과성이 높고, 광에 대한 내구성이 높은 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 이러한 재료로서, 예를 들면 유리나 아크릴을 사용하는 것이 가능하다.

본 제3 실시예에서 사용된 조사 광, 탐촉자, 신호 처리부 및 화상표시장치에 관해서는 제1 실시예의 것과 같아도 된다.

이러한 실시예에 기재된 것과 같은 생체정보 이미징 장치를 사용함으로써, 화상의 저하를 억제하면서, 피검체내의 깊이 방향으로 광범위한 피검체 정보 이미징을 행하는 것이 가능해진다.

<예시 1>

예시 1은, 피검체의 평면적인 광조사면과 탐촉자의 수신 소자 표면의 사이에 형성된 각도를 변화시켜서 화상에 준 영향을 연구하기 위해 행해진 실험 결과를 나타낸다.

도 8은 실험장치를 나타낸다. 피검체로서, 두께 0.5cm의 우레탄으로 이루어진 팬텀(80)을 사용했다. 팬텀(80)의 광학계수(μa, μs')는 생체와 유사하다. 팬텀(80)과 탐촉자(81)는 수조(82)내에 배치되어, 수조에는 물이 채워져 있다.

도 8에 나타나 있는 바와 같이, 팬텀(80)에는 광(83)을 조사했다. 광원으로서 펄스폭 50나노초, 파장이 1064ｎｍ의 YAG레이저를 사용했다. 조사 광은 직경 6cm로 확대한 후 팬텀에 조사했다.

탐촉자(81)로서는 수신 소자가 2차원 모양으로 배치된 어레이 트랜스듀서를 사용했다. 수신 소자의 수는 15×23소자이었다. 수신 소자는, 각각 중심주파수 1MHz의 ＰＺＴ로 이루어지고, 각 변이 2mm보다 약간 작게 측정되면서 정사각형의 모양이었다.

탐촉자(81)가 고정되면서 팬텀(80)을 회전시킴으로써 피검체의 평면적인 광조사면과 탐촉자(81)의 수신 소자 표면(84)과의 사이의 각도θ을 변화시켜 측정을 행했다. 각각의 수신 소자로부터 얻어진 광음향신호를 사용하여, 화상 재구성을 행했다. 재구성에는 유니버셜 백 프로젝션을 사용했다.

도 9a는, 각도θ을 변화시킬 때에 얻어진 광음향파를 사용한 재구성 화상의 결과를 나타낸다.

도 9b는, 도 9a에 있어서 팬텀의 광조사 평면으로부터 발생된 광음향파의 강도 최대값을 플로팅하여 얻어진 그래프다. 가로축이 각도θ이고, 세로축이 강도(초기압)다. 각도θ을 0도로부터 증가시키면, 강도는 저하하는 것을 알 수 있다. 각도θ를 20으로 증가시키면, 각도θ가 0도인 경우와 비교해서 강도는 약 60%까지 줄었다. 한층 더 각도θ를 30도로 증가시키면, 각도θ가 0도인 경우와 비교해서 강도는 약 4분의 1이하로 줄었다. 강도가 초음파 수신의 지향성에 관한 식(3)에 의거하여 기대되는 것만큼 감소하고 있지 않는 이유로서, 조사 광(83)에서 충분한 균일성이 달성될 수 없고, 광음향파가 완전한 평면파로서 얻어질 수 없었다고 생각된다.

도 9a로부터, 각도θ가 증가됨에 따라 최대 스케일의 값이 작아지고, 이것은 광조사 평면으로부터 생긴 광음향파의 영향이 작아지는 것을 의미한다는 것을 안다.

피검체의 평면적인 광조사면과 탐촉자의 수신 소자 표면(84)과의 사이에 각도θ을 형성하면, 피검체의 광조사면에서 생긴 평면파(광음향파)는 수신 소자에 입사각θ로 입사한다. 따라서, 각도θ가 증가하면, 탐촉자의 지향성으로 인해 평면파는 수신하기 어려워진다고 생각된다.

이상과 같이, 피검체의 평면적인 광조사면과 탐촉자의 수신 소자 표면과의 사이에 각도를 이룸으로써, 피검체의 광조사 평면으로부터 생긴 광음향파가 화상에 주는 영향은 경감되었다.

<예시 2>

예시 2는 예시 1의 결과를 적용한 구성 예에 관하여 설명한다. 본 예시에서는 도 6의 장치 구성을 이용한다.

피검체(50)로서, 두께 5cm의 우레탄으로 제조된 팬텀을 사용한다. 팬텀의 광학계수(μa, μs')는 생체와 유사하다. 우레탄 팬텀에는, 광학계수가 광학계수μa의 3배인 구형 광흡수체(54)가 존재한다. 유지부 51은 폴리메틸펜텐으로 제조되고, 유지부 52는 아크릴로 제조된다. 광원으로서 펄스폭 50나노초와 파장 1064ｎｍ의 YAG레이저를 사용한다. 탐촉자(57)는 예시 1에서 사용된 것과 같다.

생체(50)와 탐촉자(57)의 사이에 설치된 부재(62)의 각도는 20도다. 그 부재(62)는 폴리메틸펜텐으로 제조된다.

유지부(51)와 생체(50)의 사이, 유지부(51)와 부재(62)의 사이, 및 탐촉자(57)와 부재(62)의 사이에는, 매칭 겔이 설치된다.

각각의 수신 소자로부터 얻어진 광음향신호를 사용하여, 유니버셜 백 프로젝션에 의해 화상 재구성을 행한다. 팬텀(50)과 유지부(51) 또는 부재(62)와의, 음향파의 굴절률이나 음속의 변화와, 유지부(51) 또는 부재(62)의 형상을 고려해서 유니버셜 백 프로젝션을 행한다.

부재(62)가 설치되지 않은 경우, 즉 각도θ가 0도일 경우와 비교하여, 각도θ가 30인 부재(62)를 설치하는 경우에는, 팬텀의 광조사 평면으로부터 발생한 광음향파에 의한 재구성 화상에 있어서의 강도는 4분의 1이하로 감소된다. 한편, 구형 광흡수체(54)로부터 생긴 광음향파에 의한 재구성 화상에 있어서의 강도는, θ가 0도일 경우와 비교해서 θ가 30도일 경우도 같은 값이 된다.

따라서, 예시 2의 구성에 의해, 생체내의 깊이 방향으로 광범위한 광특성값 분포 이미징을, 화상의 저하를 억제하면서 얻는 것이 가능해진다.

본 발명을 예시적 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 예시적 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예와 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

본 출원은, 여기서 전체적으로 참고로 포함된, 2011년 1월 7일에 제출된 일본국 특허출원번호 2011-001888과 2011년 12월 7일에 제출된 일본국 특허출원번호 2011-267794의 이점을 청구한다.

Claims (14)

1. 피검체를 유지하는 유지부; 및
   광이 조사된 상기 피검체로부터 생긴 음향파를, 상기 유지부를 통해 수신하는 수신 소자를 포함하는 탐촉자를 구비하고,
   상기 광은, 상기 유지부에 의해 유지된 피검체 표면에 조사되고,
   상기 탐촉자는, 상기 유지부에 의해 유지된 피검체 표면의 법선의 방향과, 상기 수신 소자의 수신 감도가 가장 높은 방향이, 비평행하도록 배치된, 측정 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 탐촉자는, 상기 수신 소자가 복수 배치된 수신 소자면을 포함하고,
   상기 유지부에 유지된 피검체 표면과, 상기 수신 소자면이 서로 비평행하게 배치된, 측정 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 광은, 조사 광량 밀도의 분포가 균일해지도록 상기 피검체에 조사된, 측정 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   싱기 피검체에 있어서의 광의 유효 감쇠 계수를 μ_eff라고 하면, 상기 광은, 피검체에 대하여, 상기 광의 1/μ_eff보다도 큰 폭으로 조사된, 측정 장치.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유지부는 피검체를 유지하는 한 쌍의 부재로 형성된, 측정 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 광은, 상기 탐촉자가 상기 한 쌍의 유지부 부재 중 한쪽에 배치되는 상기 한 쌍의 유지부 부재 중 상기 한쪽을 거쳐서 피검체에 조사된, 측정 장치.
   
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 탐촉자가 배치되는 상기 유지부 부재는, 상기 피검체를 유지하는 유지면, 및 상기 유지면과 비평행한 면을 포함하고,
   상기 탐촉자는, 상기 수신 소자의 수신 감도가 가장 높은 방향이, 상기 유지면과 비평행한 면에 대하여 수직으로 배치된, 측정 장치.
   
8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 탐촉자가 배치되는 상기 유지부 부재는 판자 모양의 부재이며,
   상기 유지부는 상기 판자 모양의 부재에 접하는 면, 및 상기 접하는 면과 비평행한 면을 포함하는 부재를 더욱 갖고,
   상기 탐촉자는, 상기 수신 소자의 수신 감도가 가장 높은 방향이, 상기 접하는 면과 비평행한 면에 대하여 수직으로 배치된, 측정 장치.
   
9. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 탐촉자가 배치되는 상기 유지부 부재는, 음향결합 매체가 채워진 용기형의 부재이며, 상기 탐촉자는, 상기 용기형의 부재내에 배치되는, 측정 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 용기형의 부재 중 피검체를 유지하는 면은, 필름형의 부재로 형성되는, 측정 장치.
    
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탐촉자는, 수신 소자의 수신 감도의 지향성에 따라, 상기 수신 소자가 복수 배치된 수신 소자면의, 상기 피검체 표면에 대한 각도를 바꾸어서 위치된, 측정 장치.
    
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탐촉자는, 수신 소자의 소자 사이즈와 수신 주파수에 따라, 상기 수신 소자가 복수 배치된 수신 소자면의, 상기 피검체 표면에 대한 각도를 바꾸어서 위치된, 측정 장치.
    
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 소자가 복수 배치된 수신 소자면의, 상기 피검체 표면에 대한 각도는, 수신 소자의 수신 감도가 최대값의 4분의 1이하의 값이고, 상기 수신 감도의 크기가 0이상의 값이 되는 각도인, 측정 장치.
    
14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 소자가 복수 배치된 수신 소자면의, 상기 피검체 표면에 대한 각도는, 수신 소자의 수신 감도가 최대값의 4분의 1이하의 값이고, 100분의 1이상의 값이 되는 각도인, 측정 장치.

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