KR20170048564A - 광음향 장치 및 정보 취득장치 - Google Patents

광음향 장치 및 정보 취득장치 Download PDF

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Abstract

광음향 장치는, 광조사부와, 상기 광조사부로부터 사출된 광을 피검체에 조사하여서 발생된 음향파를 수신해서 전기신호를 출력하는 음향파 수신부와, 상기 광조사부를 제어하는 제어부와, 상기 전기신호를 처리하는 처리부를 구비한다. 상기 제어부는, 상기 광조사부에 의한 복수회의 광 사출에 있어서의 사출위치의 분포의 밀도가, 사출위치의 분포의 외부보다 내부에서 높도록 상기 광조사부를 제어한다. 상기 음향파 수신부는, 상기 복수회의 광 사출에 의해 발생된 음향파를 수신하여서, 그 복수회의 광 사출에 대응한 복수의 전기신호를 출력한다. 상기 처리부는, 그 복수의 전기신호에 근거하여 화상 데이터를 취득한다.

Description

광음향 장치 및 정보 취득장치{PHOTOACOUSTIC APPARATUS AND INFORMATION ACQUISITION APPARATUS}
본 발명은, 광을 피검체에 조사하여서 발생한 광음향파를 수신하고, 피검체 정보를 취득하는 광음향 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 광을 피검체에 조사하여서 발생한 광음향파를 사용하여서 피검체에 대한 정보를 취득하는 정보 취득장치에 관한 것이다.
광 이미징 장치들은, 의료분야에서 적극적으로 연구되어 있다. 광 이미징 장치들은, 레이저 등의 광원으로부터 방출된 광을 생체등의 피검체에 조사하고, 피검체에 조사된 광에 근거해서 얻어지는 피검체의 내부에 대한 정보를 영상화한다. 이 광 이미징 기술의 예들로서는, 광음향 이미징(ＰＡＩ)이 있다. 광음향 이미징에서는, 광원으로부터 방출된 펄스 광을 피검체에 조사하고, 피검체내에서 전파 및 확산한 펄스 광의 에너지를 흡수한 피검체 조직(음원)로부터 발생한 음향파(전형적으로, 초음파)를 수신한다. 그리고, 광음향 이미징에서는, 그 수신 신호에 근거해 피검체의 내부에 대한 정보를 이미징(영상화)하는 것이다. 다시 말해, 종양등의 관찰 대상 피검체의 부위와 그 이외의 조직과의 광 에너지의 흡수율의 차이를 이용하여서, 피검체의 부위가 상기 방출된 광 에너지를 흡수해서 순간적으로 팽창할 때에 발생하는 탄성파(광음향파)를 음향파 수신기로 수신한다. 이 수신 신호를 수학적으로 처리함에 의해, 발생 음압 분포나 흡수 계수 분포등의 피검체의 내부에 정보를 취득할 수 있다. 최근, 광음향 이미징을 사용하여서, 작은 동물의 혈관상을 이미징 하는 전임상 연구나, 이 원리를 유방암등의 진단에 응용하는 임상연구가 적극적으로 실시되고 있다(비특허문헌 1 참조).
비특허문헌 1: "Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ", Ｍ.Ｘｕ, Ｌ.Ｖ.Ｗａｎｇ, ＲＥＶＩＥＷ ＯＦ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＩＮＳＴＵＲＵＭＥＮＴ, 77, 041101, 2006).
광음향 장치를 사용하여 얻어진 광음향 화상에 있어서는, 음원의 화상이 화상 노이즈에 파묻혀버릴 수도 있다.
본 발명의 설명이 개시하는 광음향 장치는, 광을 피검체에 조사하는 광조사부와, 상기 광조사부로부터 사출된 광을 피검체에 조사하여서 발생된 음향파를 수신해서 전기신호를 출력하는 음향파 수신부와, 상기 광조사부를 제어하는 제어부와, 상기 전기신호를 처리하는 처리부를 구비한다. 상기 제어부는, 상기 광조사부에 의한 복수회의 광 사출에 있어서의 사출위치의 분포의 밀도가, 사출위치의 분포의 외부보다 내부에서 높도록 상기 광조사부를 제어한다. 상기 음향파 수신부는, 상기 복수회의 광 사출에 의해 발생된 음향파를 수신하여서, 그 복수회의 광 사출에 대응하는 복수의 전기신호를 출력한다. 상기 처리부는, 복수의 전기신호에 근거하여 화상 데이터를 취득한다.
본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부도면을 참조하여 이하의 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 광음향 장치의 구성의 일례를 도시한 개략도다.
도 2a는 본 실시예에 따른 어떤 발광 타이밍에 있어서의 계측위치 및 사출위치의 일례를 도시한 도면이다.
도 2b는 본 실시예에 따른 다른 발광 타이밍에 있어서의 계측위치 및 사출위치의 일례를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 실시예에 따른 어떤 발광 타이밍에 있어서의 피검체내의 광량분포의 일례를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 실시예에 따른 다른 발광 타이밍에 있어서의 피검체내의 광량분포의 일례를 도시한 도면이다.
도 4a는 비교 예에 따른 계측위치 또는 사출위치의 분포의 일례를 도시한 개략도다.
도 4b는 비교 예에 따른 총 광량의 일례를 도시한 도면이다.
도 5a는 본 실시예에 따른 계측위치 또는 사출위치의 분포의 일례를 도시한 개략도다.
도 5b는 본 실시예에 따른 총 광량의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 계측위치 또는 사출위치의 다른 분포의 일례를 도시한 개략도다.
도 7은 예시에 따른 광음향 장치의 구성의 일부를 도시한 개략도다.
도 8은 상기 예시에 따른 광음향 장치의 구성의 일례를 도시한 개략도다.
도 9는 상기 예시에 따른 광음향 장치의 구성의 일례를 도시한 개략도다.
도 10a는 예시 1에 따른 광음향 장치로 취득한 광음향 화상이다.
도 10b는 상기 비교 예에 따른 광음향 장치로 취득한 광음향 화상이다.
도 11a는 본 실시예에 따른 정보 취득장치를 설명하는 도면이다.
도 11b는 본 실시예에 따른 상기 정보 취득장치를 설명하는 도면이다.
본 실시예에 따른 광음향 장치는, 광음향 효과에 의해 발생한 광음향파의 수신 신호로부터 피검체 정보를 취득하는 장치다. 광음향파의 수신 신호로부터 취득될 수 있는 피검체 정보(광음향 화상)의 예들은, 광음향파의 초기 음압분포, 광 에너지 흡수 밀도분포, 흡수 계수분포, 및 피검체를 구성하는 물질의 농도분포가 있다. 물질의 농도의 예들은, 산소포화도, 옥시헤모글로빈 농도, 디옥시헤모글로빈 농도, 및 총 헤모글로빈 농도가 있다. 총 헤모글로빈 농도는, 옥시헤모글로빈 농도 및 디옥시헤모글로빈 농도의 합이다.
광음향 장치의 구성
도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 광음향 장치의 구성을 설명한다.
본 실시예에 따른 광음향 장치는, 기본적인 하드웨어 구성으로서, 광원(11), 광학계(13), 음향파 수신부(60), 스캐너(21), 입력부(24), 제어기(19C), 데이터 취득 시스템(26), 및 컴퓨터(19)를 가진다. 도 1에 있어서, 지지체(22)는 단면으로 도시되어 있다. 광학계(13)는, 광을 사출하는 광 사출단들(도시되지 않음)을 구비한다.
이하, 본 실시예에 따른 광음향 장치의 구성 요소에 대해서 설명한다.
광원(11)
광원(11)은 피검체에 광 에너지를 공급하고, 그 피검체에 광음향파를 발생시킨다. 피검체가 피검체일 경우, 광원(11)은, 피검체의 성분들 중 특정한 성분에 의해 흡수되는 특정한 파장의 광을 사출한다. 광원은, 본 실시예에 따른 광음향 이미징 장치와 일체이어도 좋거나, 독립된 유닛이어도 된다. 광원은, 수 나노미터로부터 수백 나노미터까지의 오더의 펄스 광을 조사 광으로서 발생 가능한 펄스 광원이어도 된다. 구체적으로는, 효율적으로 광음향파를 발생시키기 위해서, 10∼100나노초의 범위내의 펄스 폭이 사용되어진다. 광원은, 고출력이 얻어질 수 있는 레이저이어도 된다. 레이저 대신에, 발광 다이오드 등을 사용하는 것도 가능하다. 그 레이저의 예들은, 고체 레이저, 가스 레이저, 파이버 레이저, 색소 레이저, 반도체 레이저 및 여러 가지의 그 밖의 레이저가 있다. 발광의 타이밍, 광의 파형, 및 광의 강도는, 광원제어부에 의해 제어된다. 본 발명에 있어서, 사용하는 광원의 파장은, 피검체가 생체의 경우, 생체 내부에 광이 전파 가능한 파장이어도 된다. 구체적으로는, 그 파장은, 500ｎｍ이상 1200ｎｍ이하다.
광학계(13)
광원(11)으로부터 사출된 펄스 광(12)은, 전형적으로는 렌즈들, 미러들 등인 광학부품에 의해, 원하는 광분포 형상으로 가공되면서 피검체에 이끌어진다. 또는, 광파이버; 광파이버 번들; 또는, 경통, 미러 등을 구비한 관절 연결된 팔 등의 광도파로 등을 통해 광을 전파한다. 또한, 이러한 디바이스들은, 광학계(13)로서 간주된다. 광학계(13)의 그 밖의 예들은, 광을 반사하는 미러, 광을 집광하거나 확대하거나 형상을 변화시키는 렌즈, 및 광을 확산시키는 확산판이 있다. 이러한 광학부품 중 어떠한 것도, 광원으로부터 사출된 펄스 광(12)이 피검체(15)에 원하는 형상으로 조사되면, 사용되어도 된다. 광학계(13)는, 피검체의 진단 영역을 넓히는 관점에서, 광을 특정한 면적으로 확대하여도 된다. 전형적으로는, 광학계(13)로부터 광이 사출되는 사출위치는, 광학계(13)의 광 사출단의 위치와 같다.
광원(11)으로부터 원하는 펄스 광(12)이 사출될 수 있을 경우, 광음향 장치가 광학계(13)를 구비하는 것이 필요하지 않다.
피검체(15)
이하, 본 실시예에 따른 광음향 장치에 구비되지 않은 피검체(15)를 설명한다. 본 실시예에 따른 광음향 장치는, 주로, 사람이나 동물의 악성 종양과 혈관 질환을 진단하고, 화학치료의 경과 관찰을 하는데 사용된다. 따라서, 피검체(15)가 진단 대상인 인체나 동물의 유방, 손가락, 손 또는 발이라고 상정된다. 피검체 내부의 광흡수체는, 피검체(15)내에서 상대적으로 흡수 계수가 높은 물질이라고 상정되어도 된다. 예를 들면, 상기 광흡수체는, 인체가 측정 대상이면, 산화 혹은 환원 헤모글로빈이나, 그 헤모글로빈의 대량이 존재하는 혈관 혹은 신생 혈관에 해당한다. 피검체(15) 표면의 광흡수체의 예들은, 멜라닌이 있다. 단, 광의 파장을 적절하게 선택함으로써, 인체에 있어서 지방, 물, 콜라겐등의 그 밖의 물질은, 광흡수체로서의 역할을 할 수도 있다.
음향파 수신 소자(17)
음향파 수신부(60)는, 복수의 음향파 수신 소자(17) 및 지지체(22)를 구비한다. 각 음향파 수신 소자(17)는, 음향파를 수신하여, 아날로그 전기신호로 변환한다. 각 음향파 수신 소자(17)는, 압전 트랜스듀서, 광의 공진을 사용한 트랜스듀서, 또는 용량의 변화를 사용한 트랜스듀서 등의 음향파를 검지할 수 있는 어떤 디바이스이어도 된다. 본 실시예에 있어서는, 상기 복수의 음향파 수신 소자(17)가 배치된다. 이러한 다차원 배열 소자를 사용하는 것으로, 동시에 복수의 위치에서 음향파를 수신할 수 있다. 따라서, 수신 시간을 단축할 수 있고, 피검체(15)의 진동 등의 영향을 감소할 수 있다.
지지체(22)
복수의 음향파 수신 소자(17)는 지지체(22)를 따라 배치된다. 지지체(22)는, 피검체(15)를 둘러싸는 폐곡면 위에 복수의 음향파 수신 소자(17)가 배치되도록 구성되어도 된다. 단, 피검체가 인체 등이고, 피검체를 둘러싸는 어떠한 폐곡면 위에도 복수의 음향파 수신 소자(17)를 배치하는 것이 곤란한 경우에, 도 1에 도시된 것과 같이 반구형의 지지체(22)의 표면에 복수의 음향파 수신 소자(17)를 배치해도 된다. 반구형의 지지체에 복수의 음향파 수신 소자(17)를 배치하는 것이 곤란할 경우는, 평면형의 지지체에 복수의 음향파 수신 소자(17)를 배치해도 된다.
일반적으로, 복수의 음향파 수신 소자(17)의 각각은, 그 수신면(표면)의 법선방향에 가장 높은 수신 감도를 가진다. 복수의 음향파 수신 소자(17)의 지향 축을 반구면 형상의 곡률중심을 향하여 모으는 것으로, 고정밀도로 가시화 가능한 고해상도 영역(23)이 형성된다.
예를 들면, 고해상도 영역(23)은, 최고해상도를 얻는 곡률중심을 중심으로 하고, 식(1)로 나타낸 반경r을 갖는 대략 반구형 영역으로서 생각한다.
[수 1]
Figure pct00001
...식(1)
R은 고해상도 영역(23)의 하한해상도, r0은 반구형 지지체(22)의 반경, φd는 음향파 수신 소자(17)의 직경이다. R은, 예를 들면, 곡률중심에서 얻는 최고해상도의 절반의 해상도이어도 된다.
고해상도 영역(23)이 지지체(22)의 곡률중심을 중심으로 한 대략 반구형 형상을 갖는 경우를 생각한다. 이 경우, 컴퓨터(19)는, 각 계측위치에서의 고해상도 영역(23)의 범위를 식(1)에 따라서 추정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 복수의 음향파 수신 소자(17)의 배치는 도 1에 도시된 반구형 형상의 예에 한정되지 않는다. 소정의 영역에 복수의 음향파 수신 소자(17)의 지향 축이 모이고, 소정의 고해상도 영역(23)을 형성할 수 있으면, 복수의 음향파 수신 소자(17)는 어떠한 방식으로 배치되어도 된다. 다시 말해, 소정의 고해상도 영역(23)이 형성되도록, 소정의 영역을 형성하도록 곡면을 따라 복수의 음향파 수신 소자(17)가 배치되어도 된다. 본 발명의 설명에서의 곡면의 예들은, 개구를 갖는 완전 구면이나 반구면이 있다. 곡면의 예들은, 표면이 구면으로서 간주될 수 있는 정도의 요철을 갖는 표면과, 구면으로서 간주될 수 있는 타원체(타원의 3차원 확장인, 3차원 이차 곡면)의 표면을 더 포함한다.
구를 임의의 단면에서 자른 형상의 지지체를 따라 복수의 음향파 수신 소자를 배치할 경우, 그 지지체의 형상의 중심에서 지향 축들이 가장 모인다. 또한, 본 실시예에서 설명한 반구형 지지체(22)도, 구를 임의의 단면을 따라 자른 형상의 지지체의 일례다. 본 발명의 설명에 있어서, 구를 임의의 단면을 따라 자른 형상을, "구에 근거한 형상"이라고 부른다. 구에 근거한 형상의 지지체에 배치되는 복수의 음향파 수신 소자는, 구면 위에 배치되는 것으로 생각된다.
지지체(22)는, 그 저면에 펄스 광(12)을 도광하기 위한 조사 구멍을 갖는다. 광학계(13)에 의해 도광된 광이, 조사 구멍을 통해 피검체(15)에 사출된다. 광학계(13)와 조사 구멍은, 본 발명에 따른 광학계를 구성한다고 생각되어도 된다.
데이터 취득 시스템(26)
본 실시예에 따른 광음향 장치는, 음향파 수신 소자(17)에 의해 얻어진 전기신호를 증폭하고, 그 전기신호를 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환하는 데이터 취득 시스템(26)을 구비한다. 데이터 취득 시스템(26)은, 전형적으로는, 증폭기, A/D변환기, ＦＰＧＡ(Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ)칩등으로 구성된다. 탐촉자로부터 복수의 수신 신호가 얻어질 수 있는 경우에, 동시에 복수의 신호를 처리해도 된다. 그렇게 함으로써, 화상을 형성하는데 필요한 시간을 단축할 수 있다. 본 발명의 설명에 있어서, "수신 신호"란, 음향파 수신 소자(17)로부터 취득된 아날로그 신호뿐만 아니라, 그 후 그 아날로그 신호의 Ａ/Ｄ변환을 행하여서 발생된 디지털 신호라고도 한다. 그 수신 신호는 "광음향신호"라고도 하여도 된다.
컴퓨터(19)
처리부에 해당하는 컴퓨터(19)는, 연산부(19A), 기억부(19B), 및 제어부로서의 제어기(19C)를 구비한다. 컴퓨터(19)는, 복수의 음향파 수신 소자(17)로부터 출력된 전기신호에 대하여 소정의 처리를 실시할 수 있다. 컴퓨터(19)는 상기 광음향 장치의 각 소자의 작동을 제어할 수 있다.
연산부(19A)는, 전형적으로는, ＣＰＵ, ＧＰＵ(gｒａｐｈｉｃｓ pｒｏｃｅｓｓｉｎｇ uｎｉｔ), A/D변환기 등의 소자; 및 ＦＰＧＡ, ＡＳＩＣ등의 회로로 구성된다. 연산부(19A)는, 1개의 소자나 1개의 회로로 구성될 뿐만 아니라, 복수의 소자와 복수의 회로로 구성되어도 된다. 컴퓨터(19)가 행하는 각 처리를 상기 소자나 회로의 어느 한쪽에 의해 행해져도 된다.
기억부(19B)는, 전형적으로는 ＲＯＭ, ＲＡＭ, 또는 하드 디스크등의 기억 매체로 구성된다. 기억부(19B)는, 1개의 기억 매체로 구성될 뿐만 아니라, 복수의 기억 매체로 구성되어도 된다.
상기 제어기(19C)는 전형적으로 ＣＰＵ로부터 구성되어 있다.
또한, 컴퓨터(19)는, 동시에 복수의 신호를 파이프라인 처리할 수 있게 구성되어 있어도 된다. 이렇게 함으로써, 피검체 정보를 취득하는데 필요한 시간을 단축할 수 있다.
연산부(19A)는, 기억부(19B)에 기억된 수신 신호 데이터에 대하여 화상 재구성 처리를 행하는 것에 의해 각 복셀에 있어서의 피검체 정보를 취득한다. 화상 재구성 처리의 예들은, 토모그래피 기술에서 일반적으로 사용된, 타임 도메인 역투영과 푸리에 도메인 역투영과, 상(phase) 가산 처리가 있다. 반복 처리를 사용하여 역 문제 해석법등의 화상 재구성 수법을 사용할 수도 있다. 음향 렌즈 등으로 이루어지고 수신 포커스 기능을 갖는 탐촉자를 사용하는 것으로, 화상 재구성을 행하지 않고 피검체 정보를 가시화해도 된다. 화상 재구성 처리를 행하는 연산부(19A)는, 일반적으로 고성능 연산 처리 기능과 그래픽 표시 기능을 갖는 ＧＰＵ로 구성된다. 이에 따라, 화상 재구성 처리나 표시 화상의 형성에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
제어기(19C)는, 기억부(19B)에 기억된 프로그램 코드를 판독하고, 광음향 장치의 각종 부품을 제어한다. 예를 들면, 제어기(19C)는, 스캐너(21)의 구동이나 광원(11)의 발광 타이밍 등을 제어한다. 제어기(19C)는, 스캐너(21)를 제어함으로써, 지지체(22)의 이동 속도, 이동 방향 및 이동 범위등의 이동에 관한 파라미터들을 제어할 수 있다. 이동 범위는, 피검체의 크기에 따라 변화되어도 된다. 예를 들면, 피검체가 작을 경우는 작은 이동 범위에서, 피검체가 클 경우는 큰 이동 범위에서 지지체(22)의 이동을 제어 함으로써, 여분의 측정 시간을 감소할 수 있다. 또한, 프로그램이 기억되어 있는 상기 기억부는, 비일시적 기록 매체다.
컴퓨터(19)의 기능들은 다른 하드웨어 디바이스에 의해 행해져도 된다. 상기 음향파 수신부(60), 데이터 취득 시스템(26), 및 컴퓨터(19)는, 1개의 하드웨어 디바이스에 집적되어도 된다. 이 소자들의 일부는, 1개의 하드웨어 디바이스에 집적되어도 된다. 예를 들면, 음향파 수신부(60)와 데이터 취득 시스템(26)은, 1개의 하드웨어 디바이스에 집적되어도 된다.
표시부(20)
표시부(20)는 컴퓨터(19)로부터 출력된 화상 데이터를 표시하는 디바이스다. 전형적으로는, 액정 디스플레이가 표시부(20)로서 이용된다. 그 표시부(20)는 광음향 장치와는 독립적이어도 된다.
스캐너(21)
이동부로서의 스캐너(21)는, 모터 등의 구동부와, 그 모터의 구동력을 전달하는 기계부품으로 구성된다.
스캐너(21)는, 제어기(19C)로부터의 위치 제어 정보에 따라, 피검체(15)에 대한 지지체(22)의 계측위치 또는 광학계(13)로부터의 광의 사출위치를 이동시킨다. 사출위치 및 계측위치를 피검체(15)에 대하여 이동시키면서 수신 신호 데이터의 취득을 반복하는 것으로, 목적으로 하는 광범위한 면적의 피검체 정보를 얻기 위한 수신 신호 데이터를 취득할 수 있다.
스캐너(21)는, 제어기(19C)에 의한 펄스 광(12)의 조사 제어에 동기하여, 광조사시, 즉 광음향파의 수신시의 지지체(22) 또는 광학계(13)의 위치 정보를 컴퓨터(19)에 출력한다.
스캐너(21)는, 광학계(13), 음향파 수신 소자(17), 및 피검체(15)의 적어도 1개를 이동시킬 수 있으면 된다.
스캐너(21)는, 이동과 정지를 반복하는, 스텝 앤 리피트 방식의 스캐너이거나, 연속적으로 이동시키는 연속 이동 방식 스캐너이어도 된다. 단, 연속적으로 이동시키는 연속 이동 방식 스캐너에 의해, 전체의 이동 시간이 감소할 수 있고, 피험자의 부담을 경감할 수 있다. 또한, 이동의 가속도의 변화가 적은 연속 이동을 행함으로써, 상기 장치의 흔들림의 영향을 경감할 수 있다.
스캐너(21)는, 광원(11)으로부터 사출된 펄스 광(12)의 조사 위치를 이동시키기 위해서, 지지체(22)와 함께 광학계(13)를 이동시켜도 된다. 다시 말해, 지지체(22)와 광학계(13)는 서로 동기하여 이동되어도 된다. 이렇게 함으로써, 음향파의 수신 위치와 광의 조사 위치와의 관계가 일정하게 유지되기 때문에, 보다 균질한 피검체 정보를 취득할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 광학계(13)와 피검체(15)와의 상대 위치를 이동시키는 부를, 사출위치 이동부라고 칭하고, 음향파 수신부(60)와 피검체(15)와의 상대 위치를 이동시키는 부를 계측위치 이동부라고 칭한다.
피검체에 조사할 수 있는 조사 면적은, 피검체가 인체의 경우, Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ(ＡＮＳＩ)의 규격으로 제한된다. 이 때문에, 피검체(15)내에 전파하는 광량을 증가시키기 위해서는, 조사 강도와 조사 면적을 증가시켜도 좋지만, 광원의 비용의 관점에서 조사 면적은 제한된다. 또한, 수신 소자의 지향성으로 인하여, 수신 감도가 낮은 영역에 광을 조사하는 경우 광량의 이용 효율이 낮다. 이 때문에, 큰 피검체 전체에 광을 조사하는 것은 효율적이지 않다. 즉, 음향파 수신기의 감도가 높은 영역에만 광을 조사하는 것이 효율적이기 때문에, 음향파 수신기와 함께 광이 이동되어도 된다.
입력부(24)
입력부(24)는, 유저가 조작 가능한, 마우스, 키보드 등으로 구성되어도 된다. 표시부(20)는 터치패널로 구성되어도 되고, 표시부(20)는 입력부(24)로서 사용되어도 된다. 유저가 입력부(24)를 사용하여 행할 수 있는 조작들의 예들은, 촬상에 관한 파라미터 설정; 촬상 시작의 지시; 관심 영역의 범위나 형상등의 관찰 파라미터 설정; 및 기타 화상에 관한 화상처리 조작이 있다.
광음향 장치의 소자들은, 독립적 디바이스들이나 1개의 일체화된 디바이스로서 구성되어도 된다. 또한, 광음향 장치의 소자들의 적어도 일부는, 1개의 일체화된 디바이스로서 구성되어도 된다.
음향 정합재(27)
광음향파의 전파 경로인 상기 피검체(15)와 지지체(22) 사이의 공간은, 물이나 초음파 측정용 젤 등의 음향 정합재(27)로 채워져, 공극이 그 공간에 형성되지 않을 수도 있다. 펄스 광(12)의 전파 경로의 역할을 하기도 하는 음향 정합재(27)는, 펄스 광(12)에 대하여 투명한 매질이여도 된다. 예를 들면, 음향 정합재(27)로서는 물이 사용된다.
보유부(40)
보유부(40)는 피검체(15)의 형상을 측정중에 보유하기 위해서 사용된다. 보유부(40)에 의해 피검체(15)를 보유함으로써, 피검체의 움직임이 억제될 수 있고, 피검체(15)의 위치가 보유부(40)내에 유지될 수 있다. 보유부(40)의 재료로서는, ＰＥＴ-G등을 사용할 수 있다.
보유부(40)는, 그 보유부(40)가 피검체(15)를 보유할 수 있는 경도를 갖는 재료로 만들어져도 된다. 보유부(40)는, 측정에 사용된 광을 투과하는 재료로 만들어져도 된다. 보유부(40)는, 임피던스가 피검체(15)와 실질적으로 같은 재료로 만들어져도 된다. 피검체(15)가 유방등의 곡면을 갖는 피검체일 경우, 보유부(40)는 오목형상을 가져도 된다. 이 경우, 보유부(40)의 오목부분에 피검체(15)를 삽입할 수 있다.
촬상 장치(50)
촬상 장치(50)는, 피검체의 화상 데이터를 생성하고, 생성된 화상 데이터를 컴퓨터(19)에 출력한다. 촬상 장치(50)는, 촬상 소자(51) 및 화상생성부(52)를 구비한다. 화상생성부(52)는, 촬상 소자(51)로부터 출력된 신호를 해석함에 의해 피검체의 화상 데이터를 생성하고, 생성된 화상 데이터는 기억부(19B)에 기억된다.
예를 들면, 촬상 소자(51)로서는, ＣＣＤ센서 또는 ＣＭＯＳ센서 등의 광학 촬상 소자를 사용하여도 된다. 촬상 소자(51)로서는, 압전소자나 ＣＭＵＴ등의 음향파를 송수신 할 수 있는 트랜스듀서를 사용하여도 된다. 복수의 음향파 수신 소자(17)의 일부의 소자를 촬상 소자(51)로서 사용하여도 된다. 화상생성부(52)가 촬상 소자(51)로부터 출력된 신호에 근거해서 피검체의 화상을 생성할 수 있는 한, 촬상 소자로서는 어떠한 소자를 사용하여도 된다.
화상생성부(52)는, ＣＰＵ, ＧＰＵ, 및 A/D변환기등의 소자나, ＦＰＧＡ와 ＡＳＩＣ등의 회로로 구성된다. 또한, 컴퓨터(19)가 화상생성부(52)로서 기능해도 된다. 다시 말해, 컴퓨터(19)내의 연산부(19A)를 화상생성부(52)로서 사용해도 된다.
광음향 장치의 작동
다음에, 본 실시예에 따른 광음향 장치의 작동을 설명한다. 제어기(19C)는 컴퓨터(19)의 지시에 따라서 스캐너(21)를 구동시켜, 음향파 수신부(60)(지지체22)를 원하는 이동 경로를 따라 이동시킨다. 이때, 어떤 타이밍에 있어서, 광원(11)으로부터 사출된 펄스 광(12)은, 광학계(13)에 의해 이끌어져, 생체등의 피검체(15)에 조사된다. 펄스 광(12)을 피검체(15)에 조사한 타이밍에 있어서, 펄스 광(12)은 피검체(15)의 내부전체에 거의 동시에 도달한다. 피검체(15)의 내부를 전파한 펄스 광(12)의 에너지의 일부가 헤모글로빈을 많이 포함하는 혈관등의 광흡수체(음원의 역할을 함)에 흡수되면, 그 광흡수체의 열팽창으로 인해 광음향파(전형적으로는, 초음파)가 발생한다. 복수의 음향파 수신 소자(17)는, 이 광음향파를 수신해서 전기신호로 변환한다.
전형적으로, 스캐너(21)가 음향파 수신부(60)를 이동시키는 속도보다 광음향파의 전파 속도는 빠르다. 이 때문에, 펄스 광(12)의 사출 타이밍에서 복수의 음향파 수신 소자(17)가 위치되는 위치에서 광음향파는 수신된다. 이렇게 하여, 펄스 광(12)을 피검체(15)에 사출하는 시간부터 복수의 음향파 수신 소자(17)가 광음향파를 수신하는 시간까지의 기간 동안에 음향파 수신부(60)의 이동은 무시해도 된다. 그 때문에, 본 실시예에 있어서는, 펄스 광(12)의 발광 타이밍이 광음향파를 수신하는 타이밍으로서 간주된다. 펄스 광(12)의 발광 타이밍에 있어서의 피검체(15)에 대한 지지체(22)의 위치를, "지지체(22)의 계측위치(음향파 수신부(60)의 계측위치)"라고 한다.
본 실시예에 있어서는, 지지체(22)의 중심위치를 지지체(22)의 위치로서 간주한다. 펄스 광(12)의 발광 타이밍에서 피검체(15)에 대한 광학계(13)의 위치를, "광학계(13)로부터 광의 사출위치"라고 한다.
본 실시예에 있어서는, 지지체(22)는 복수의 음향파 수신 소자(17)를 구비한다. 그 때문에, 각 발광 타이밍에 있어서의 지지체(22)의 계측위치부터 각 발광 타이밍에 있어서의 복수의 음향파 수신 소자(17)의 위치를 파악할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 스캐너(21)는, 지지체(22)와 광학계(13)간의 위치 관계를 유지하면서 지지체(22)와 광학계(13)를 이동시킨다. 그 때문에, 각 발광 타이밍에 있어서의 광학계(13)로부터의 광의 사출위치와 지지체(22)의 계측위치간의 위치 관계는 일정하다. 이하, "지지체(22)의 계측위치"를 간단히 "계측위치"라고도 부른다. "광학계(13)로부터의 광의 사출위치"를 간단히 "사출위치"라고도 부른다.
다음에, 제어기(19C)는 컴퓨터(19)의 지시에 따라서 스캐너(21)를 구동시켜, 광학계(13) 및 지지체(22)를 이동시킨다. 이때, 다른 타이밍에서 펄스 광(12)을 사출하고, 복수의 음향파 수신 소자(17)는 새롭게 발생한 광음향파를 수신한다. 이렇게 하여, 이전의 타이밍에 있어서의 사출위치 및 계측위치와는 다른 사출위치 및 계측위치에서 광음향파를 수신할 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 광원(11)이 펄스 광(12)을 소정의 순환 주파수로 발생하기 때문에, 스캐너(21)의 제어에 의해 사출위치 및 계측위치를 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 광원(11), 광학계(13), 및 스캐너(21)는 광조사부를 구성하고, 제어기(19C)는, 광조사부로서의 스캐너(21)를 제어함에 의해 사출위치를 제어할 수 있다.
제어기(19C)가 광원(11)의 발광 타이밍을 변경해도 된다. 이 경우, 제어기(19C)는, 광원(11)의 발광 타이밍과 스캐너(21)의 구동을 제어함에 의해, 사출위치 및 계측위치를 제어한다. 이 경우, 광조사부는, 광원(11), 광학계(13), 및 스캐너(21)로 구성되고, 제어기(19C)는 그 광조사부로서의 광원(11) 및 스캐너(21)를 제어함에 의해, 사출위치를 제어할 수 있다.
광학계(13)는 복수의 광의 사출단을 구비하고, 제어기(19C)는 어느 쪽의 사출단에서 광을 사출하는지를 제어함에 의해, 사출위치를 제어해도 된다. 이 경우, 광조사부는 광원(11) 및 광학계(13)로 구성되고, 제어기(19C)는 광조사부로서의 광학계(13)를 제어함에 의해, 사출위치를 제어한다. 예를 들면, 광학계(13)는, 광을 감소하는 광학 필터 및 또는 광을 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 것에 의해, 광이 사출되는 광 사출단을 변경할 수 있다. 광원(11)의 출력은 유한하기 때문에, 1회의 발광으로 많은 사출단에서 광을 사출하면, 각 사출단으로부터 사출된 광의 강도가 낮아진다. 이 경우, 피검체내에서, 임의의 발광 타이밍에 있어서도 작은 광량만이 도달하는 일부의 위치가 있다. 이 위치를 고정밀도로 영상화하는 것이 곤란할 수도 있다. 따라서, 광원(11)으로부터의 1회의 광 사출에 있어서는, 광을 복수의 사출단의 일부에 분기되고, 일부의 사출단으로부터 사출된 광을 피검체에 조사해도 된다. 광이 분기되어지는 사출단은, 제1의 발광 타이밍(제1의 광사출)과 제2의 발광 타이밍(제2의 광사출) 사이에서 달라도 되어, 복수회의 광사출에 의해 설정된 모든 사출위치로부터 광이 사출될 수 있다.
다음에, 복수의 음향파 수신 소자(17)로부터 출력된 전기신호는, 데이터 취득 시스템(ＤＡＳ)(26)에서 증폭 처리와 디지털 변환 처리가 실행된다.
다음에, 컴퓨터(19)는, 피검체 정보에 근거하는 화상을 표시하는 영역인 관심 영역을 설정한다. 컴퓨터(19)는, 유저가 입력부(24)를 사용해서 지정한 영역을 관심 영역으로서 설정해도 된다. 또한, 컴퓨터(19)는, 다른 화상형성 장치(예를 들면, 촬상 장치(50))에서 얻어진 화상 내에서 유저가 지정한 영역을 관심 영역으로서 설정해도 된다. 아울러, 또한, 컴퓨터(19)가 다른 화상형성 장치(예를 들면, 촬상 장치(50))에서 얻어진 화상을 해석함에 의해 관심 영역을 설정해도 된다. 아울러, 또한, 컴퓨터(19)는, 기억부(19B)에 미리 기억된 정보를 판독하는 것에 의해 관심 영역을 설정해도 된다. 예를 들면, 피검체의 전체 영역을 관심 영역으로서 설정할 경우, 보유부(40)내의 전체 영역을 포함하는 영역은 관심 영역으로서 미리 설정되어도 된다.
다음에, 컴퓨터(19)는, 데이터 취득 시스템(26)으로부터 출력된 디지털 신호에 대하여, 화상 재구성 등의 소정의 처리를 실시하여서, 관심 영역에 있어서의 초기 음압분포나 흡수 계수분포등의 피검체 정보를 취득한다. 예를 들면, 미국 특허 5713356호 공보에 기재된 화상 재구성 처리를 행함으로써, 복수의 발광 타이밍에서 얻어진 전기신호로부터 각 복셀의 피검체 정보를 취득할 수 있다. 전형적으로는, 컴퓨터(19)는 복수의 전기신호를 중첩하는 것에 의해 각 복셀의 피검체 정보를 취득한다. 계산에 사용된 전기신호의 수가 복셀 사이에서 다른 경우, 중첩 값을 계산에 사용된 신호의 수로 나누어도 된다. 이렇게 함으로써, 신호수의 변동으로 인한 피검체 정보의 변동을 감소시킬 수 있다. 이때, 계산에 사용된 전기신호의 수가 복셀 사이에서 다르지 않을 경우는, 중첩 값을 그대로 사용해도 된다.
다음에, 컴퓨터(19)는, 취득한 피검체 정보에 근거하여, 표시부(20)에 표시시키기 위한 화상 데이터를 생성한다. 그리고, 컴퓨터(19)는 생성된 화상 데이터에 근거하는 광음향 화상을 표시부(20)에 표시시킨다.
의사 등의 유저는, 상술한 것처럼 표시부(20)에 표시된 피검체 정보의 광음향 화상을 진단등에 사용할 수 있다.
예를 들면, 도 2a 및 2b는, 어떤 발광 타이밍A 및 B에 있어서의 광학계(13) 및 지지체(22)의 위치의 일례를 나타내고 있다. 다시 말해, 도 2a 및 2b는, 그 발광 타이밍A 및 B에 있어서의 사출위치 및 계측위치를 나타내고 있다. 도 2a 및 2b 각각에 있어서, 화살표의 방향(펄스 광(12)이 사출되는 방향)은 피검체(15)의 깊이 방향이다. 관심 영역(32)을 포함하는 영역의 광음향 화상이 최종적으로 표시부(20)에 표시되는 것이 된다.
도 2a 및 2b에 도시한 바와 같이, 반구형상의 지지체(22)에 배치된 음향파 수신 소자(17)는, 그 반구의 곡률중심 부근에 구형의 고해상도 영역(23)을 형성한다. 여기서, 고해상도 영역(23)은, 최대 해상도의 절반까지의 해상도를 갖는 화상을 취득할 수 있는 영역이다.
본 실시예에 있어서, 컴퓨터(19)는, 이 고해상도 영역(23) 혹은 그 고해상도 영역(23)을 포함하는 영역을, 영상화하는 화상 재구성 영역(33)으로서 설정한다. 각 발광 타이밍에 대응하는 화상 재구성 영역(33)에 관심 영역(32)을 채우도록, 컴퓨터(19)는 각 발광 타이밍에 대응하는 화상 재구성 영역(33)을 설정한다. 본 실시예에서는, 컴퓨터(19)가 발광 타이밍에 화상 재구성 처리를 행하는 예를 설명한다. 그렇지만, 컴퓨터(19)는 복수의 발광 타이밍에서 얻어진 전기신호에 대하여 화상 재구성 처리를 행해도 된다.
본 실시예에서는, 컴퓨터(19)는 관심 영역(32) 및 각 발광 타이밍에 대한 화상 재구성 영역(33)을 설정하고, 그 내부를 복셀들(35)로 분할한다. 도 2a에 있어서는, 편의상 일부의 복셀들(35)만을 나타내고 있다.
본 실시예에서는, 3차원의 공간영역에서의 피검체 정보를 취득하기 때문에, 재구성되는 최소영역을 "복셀"이라고 한다. 그렇지만, 2차원의 공간영역에서의 피검체 정보를 취득해도 된다. 이 경우, 재구성되는 최소영역을 "픽셀"이라고 한다.
또한, 유저가 입력부(24)를 사용해서 임의의 적절한 영역을 지정하고, 유저에 의해 지정된 영역을 컴퓨터(19)가 관심 영역(32) 또는 화상 재구성 영역(33)으로서 설정하여도 된다. 아울러, 또한, 관심 영역(32) 또는 화상 재구성 영역(33)은, 미리 설정되어 있어도 된다.
이하, 본 실시예에 따른 사출위치 또는 계측위치의 분포에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 본 실시예에 있어서 사출위치와 계측위치간의 위치 관계는 일정하기 때문에, 그 사출위치와 계측위치의 분포는 서로 같다.
사출위치의 분포
광음향 장치에서는, 피검체내의 광량분포에 따라, 상기 발생된 광음향파의 음압이 변화된다. 전형적으로, 광음향파의 발생 음압은 광량에 비례한다. 다시 말해, 피검체가 같은 흡수 계수를 갖는 혈관(혈액)일 때에도, 광 사출방법과 피검체 형상에 따라, 피검체 내부의 광량 분포가 균일하지 않으므로, 피검체내에서 발생된 음압이 크게 다르다. 광음향파의 발생 음압이 낮을 경우, 그 광음향파의 수신 신호의 강도도 낮다. 이 때문에, 그 수신 신호에 관한 화상 재구성 처리를 행하여서 얻어진 광음향 화상에는, 화상 노이즈에 파묻혀서 발생 음압이 표현되지 않는 영역이 빠져나갈 수도 있다. 다시 말해, 발생 음압이 낮은 영역에 대해서는, 발생 음압을 표현할 수 있는 화상 노이즈 레벨이 되지 않고 있는 영역이 존재할 수도 있다.
따라서, 본 실시예에 있어서는, 관심 영역(32)내의 각 복셀에 대응한, 복수의 발광 타이밍의 광 사출로 인한 총 광량이 역치이상이 되도록, 사출위치가 설정된다. 다시 말해, 제어기(19C)는, 관심 영역(32)을 복셀들로 분할할 때에, 복수회의 광 사출에 의한 각 복셀의 총 광량이 상기 역치이상이 되는 사출위치의 분포가 되도록 스캐너(21)를 제어한다.
이러한 사출위치의 분포로 함으로써, 음원이 존재하는 복셀에서 발생한 광음향파의 발생 음압을 소정의 레벨이상으로 할 수 있다. 그 때문에, 음원의 화상이 화상 노이즈에 파묻혀버리는 것을 억제할 수 있다. 이하, 본 실시예에 따른 사출위치의 분포에 대해서 설명한다. 본 실시예를 설명할 때, 광원(11)이 각 발광 타이밍에 있어서 일정한 강도로 펄스 광(12)을 발생한다고 가정한다.
도 3a 및 3b는, 어떤 발광 타이밍A 및 B에 있어서의 펄스 광(12)의 피검체(15)내에서의 광량분포의 일례를 나타낸다. 각 도면에서, 흑색 영역은 광량이 높은 영역이고, 백색 영역은 광량이 낮은 영역이다. 각 도면에서, 화살표의 방향(펄스 광(12)이 사출되는 방향)은 피검체(15)의 깊이 방향이다.
복수의 타이밍간에 사출위치를 변화시키는 것으로, 피검체(15)에 광을 조사하는 광조사 위치가 변화된다. 그 결과, 각 발광 타이밍에서의 피검체 복셀들의 광량, 즉, 피검체(15)내의 광량분포는 도 3a 및 3b에 도시한 바와 같이 다르다. 특히, 피검체(15)가 반구형일 경우, 피검체(15)의 심부에서는 확산 감쇠에 의해 광량이 감소하기 때문에, 상대적으로 광량이 낮다. 다시 말해, 도 3a 및 3b로부터 이해될 수 있듯이, 펄스 광(12)의 조사 위치에서 광량은 높고, 위치가 그 조사 위치로부터 멀어짐에 따라서 광량은 점점 감소된다. 각 발광 타이밍에 있어서의 피검체(15)내에서의 광량분포는, 예를 들면 각 발광 타이밍에 있어서의 광 사출 패턴, 피검체(15)의 광학 정수, 및 피검체(15)의 표면의 좌표정보등에 근거하여, 컴퓨터(19)에 의해 취득될 수 있다.
각 발광 타이밍에서의 피검체 복셀에서의 광량의 합을 계산함으로써, 각 복셀의 총 광량을 구할 수 있다. 사출위치의 분포에 따라 각 복셀의 총 광량이 다르다.
예를 들면, 도 4a는 비특허문헌 2: "Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ 3D Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｂｒｅａｓｔ ｉｍａｇｉｎｇ", Ｒｏｂｅｒｔ Ａ． Ｋｒｕｇｅｒ， Ｃｈｅｒｉｅ Ｍ． Ｋｕｚｍｉａｋ， Ｒｉｃｈａｒｄ Ｂ． Ｌａｍ， Ｄａｎｉｅｌ Ｒ． Ｒｅｉｎｅｃｋｅ， Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｐ． Ｄｅｌ Ｒｉｏ， ａｎｄ Ｄｏｒｅｅｎ Ｓｔｅｅｄ, Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ 40,113301(2013)에 기재된 비교 예에 따른 사출위치의 분포를 나타낸다. 도 4a에서, 각 발광 타이밍에 있어서의 사출위치는 점으로 도시되어 있다. 비특허문헌 2에서는, 반구면 위에 복수의 음향파 수신 소자를 배치한 음향파 수신기를 균등한 간격으로 이동시키는 것으로, 화상 재구성에 의해 발생된 재구성 아티팩트로 인한 화상 노이즈를 균등하게 감소하는 방법이 제안되어 있다. 비특허문헌 2에서는, 광학계는 음향파 수신기와의 위치 관계를 유지하면서 주사되기 때문에, 사출위치의 분포 밀도는 도 4a에 도시한 바와 같이 균일하다. 도 4b는, 도 4a에 도시한 바와 같이 사출위치의 분포 밀도가 균일한 경우의 복셀들에서의 총 광량을 나타낸다. 도 4b로부터 이해될 수 있듯이, 피검체(15)의 같은 깊이에 있어서, 피검체(15)의 중심부의 복셀들에서의 총 광량은, 피검체(15)의 주변부의 복셀들에서의 총 광량보다 적다.
상술한 바와 같이, 광량이 낮은 영역에서는, 음원의 화상이 화상 노이즈에 파묻혀버릴 경우가 있다. 비특허문헌 2에 기재된 사출위치의 분포 밀도를 균일하게 하는 방법을 사용하여서, 피검체(15)의 중심부의 복셀들에서의 총 광량을 증가시키기 위해서, 총 광량이 충분히 높은 피검체(15)의 주변부의 복셀들에 대하여도 추가의 계측(광조사)을 행하는 것도 필요하다. 그 때문에, 비특허문헌 2에 기재된 방법으로 각 복셀에 포함된 화상 노이즈를 원하는 노이즈 레벨로 하기 위해서는, 긴 계측시간을 요한다.
이와 대조하여, 본 실시예에서는, 피검체(15)의 중심부의 복셀들에서의 총 광량을 증가시키기 위해서, 도 5a에 나타낸 사출위치의 분포가 설정되어 있다. 다시 말해, 사출위치의 분포 밀도가 변화되고, 관심 영역(32)내의 각 복셀에 대응한, 복수의 발광 타이밍의 광조사로 인한 총 광량이 역치이상이 되도록, 사출위치의 분포가 설정되어 있다.
본 실시예에서는, 사출위치의 분포 밀도가 균일하지 않고, 사출위치의 분포의 외부보다도 내부가 밀도가 높다. 본 실시예에 있어서, 스캐너(21)는, 각 사출위치와 인접한 사출위치간의 간격이 변화되도록 광학계(13)를 이동시키고 있다. 도 5a에서는, 나선형 이동 경로의 외부로부터 내부로 인접한 사출위치간의 간격이 감소하도록, 스캐너(21)는 광학계(13)를 이동시킨다.
도 5a에 나타낸 사출위치의 분포를 사용하여서, 도 5b에 나타낸 복셀들에서의 총 광량을 얻을 수 있다. 도 5b에 있어서는, 총 광량이, 피검체(15)의 같은 깊이에 있어서 거의 균일하다. 사출위치의 불균일한 분포를 사용함으로써, 총 광량이 소정의 역치보다도 적은 복셀들에 대하여 선택적으로 광을 사출할 수 있다. 그 때문에, 각 복셀의 총 광량을 소정의 역치이상으로 하기 위해서 행하는 계측에 필요한 시간을 단축할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 각 복셀에서의 총 광량이 소정의 역치이상이 되는 한, 총 광량이 피검체(15)의 같은 깊이에서 불균일해질 수도 있다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시예에 의하면, 계측시간을 단축하면서, 각 복셀에 조사된 총 광량을 소정의 역치이상으로 할 수 있다. 그 때문에, 각 복셀에서 발생된 광음향파의 발생 음압을 소정의 레벨이상으로 할 수 있어서, 음원의 화상이 화상 노이즈에 파묻혀버리는 것을 억제할 수 있다.
도 ６의 별표로 나타낸 위치에서 그 밖의 위치와 비교해서 발광 횟수를 많게 하는 것으로 각 복셀에서의 총 광량을 소정의 역치이상으로 하여도 된다. 다시 말해, 피검체(15)의 중심부에 광을 사출할 수 있는 사출위치에서의 발광 횟수를, 그 밖의 사출위치에서의 발광 횟수보다도 많게 해도 된다. 구체적으로는, 제어기(19C)는, 어떤 사출위치에 광학계(13)를 이동시킬 때에, 그 사출위치에서 광학계(13)의 이동을 정지시켜 복수회 같은 사출위치에서 광원(11)에 광을 발생시킨다. 혹은, 제어기(19C)는, 광학계(13)를 연속적으로 이동시켜, 광학계(13)를 과거의 사출위치에 이동시켜 그 위치에서 광원(11)에 광을 발생시킨다. 이렇게 함으로써, 같은 사출위치에서 광을 피검체(15)에 복수회 조사할 수 있다.
이 경우도, 총 광량은, 도 5b에 도시된 것 같이, 피검체(15)의 같은 깊이에서 거의 균일할 수 있다. 사출위치간에 발광 횟수를 다르게 하는 것은, 사출위치의 분포 밀도를 다르게 할 때에 포함된다. 다시 말해, 단위면적 또는 단위체적당의 사출위치의 수(분포 밀도)는, 도 5a의 경우에서도 도 ６의 경우에서도 균일하지 않고, 다르다.
여기에서, 광량에 대한 역치는, 장치 고유의 값이고, 복셀간에 다르다. 구체적으로는, 영상화하고 싶은 피검체가 혈관이면, 혈액과 동등한 흡수 계수를 갖는 물질이 피검체내에 존재한다고 가정하고, 광 사출과 각종 계측위치의 시뮬레이션을 행하고, 그 역치는 그 피검체를 시인할 수 있는 총 광량으로서 결정된다. 즉, 그 역치는, 장치특성과 피검체 특성을 고려해서 결정된 값이다. 단, 시뮬레이션을 행하는 것이 곤란할 경우에는, 경험적인 값을 사용해도 된다. 이 총 광량에 대한 역치가 결정되면, 컴퓨터(19)는 관심 영역(32)내의 각 복셀에서의 총 광량이 상기 역치이상이 되도록 사출위치의 분포를 결정할 수 있다.
광학계(13) 및 지지체(22)의 이동으로 인해 음향 정합재(27)의 흔들림이 생기면, 피검체(15)와 음향파 수신 소자(17) 사이의 공간이 음향 정합재(27)로 채워지지 않을 수도 있는 것이 발생하기도 한다. 이 경우, 피검체(15)내에서 발생한 광음향파는, 음향파 수신 소자(17)에 충분한 강도로 도달할 수 없을 가능성이 있다. 이 때문에, 스캐너(21)는, 복수의 발광 타이밍 동안에 나선형의 이동 경로를 따라 광학계(13) 및 지지체(22)를 이동시킨다. 이렇게 가속도의 작은 변화로 광학계(13) 및 지지체(22)를 이동시킴으로써, 음향 정합재(27)의 흔들림을 억제할 수 있다. 음향 정합재(27)의 흔들림을 억제할 수 있도록 가속도의 작은 변화로 광학계(13) 및 지지체(22)를 이동시킬 수 있는 한, 그 이동 경로는 나선형일 필요는 없다.
계측위치의 분포
본 실시예에 있어서는, 음원의 화상이 화상 노이즈에게 파묻히는 것을 억제하도록 계측위치의 분포가 설정될 수 있다. 이하, 본 실시예에 따른 계측위치의 분포에 대해서 설명한다.
상술한 바와 같이, 총 광량이 도 4b에 도시된 것과 같은 경우, 상술한 바와 같이 피검체(15)의 중심부에서는 광음향파의 발생 음압이 낮기 때문에, 음원의 화상은 시스템 노이즈로 인해 화상 노이즈에 파묻혀버릴 경우가 있다. 또한, 광음향 장치에 있어서, 각 복셀에서의 총 광량이외에도 재구성 화상의 화상 노이즈에 영향을 주는 요인이 존재한다. 예를 들면, 음원을 모든 방위로부터 음향파 수신 소자(17)로 둘러쌀 수 없기 때문에 생기는 화상 재구성 아티팩트가 화상 노이즈의 원인이 될 수도 있다. 다시 말해, 고해상도 영역(23)이외의 영역에는 화상 재구성 아티팩트로 인해 화상 노이즈가 발생하기 쉽다. 또한, 광음향파가 전파할 때 감쇠하고 그 광음향파의 수신 신호가 저하하기 때문에, 음원의 화상이 시스템 노이즈로 인해 화상 노이즈에 파묻혀버릴 경우도 있다.
본 실시예에 있어서는, 도 2a 및 2b에 도시한 바와 같이, 지지체(22)의 계측위치에 따라 고해상도 영역(23)의 위치가 유일하게 결정된다. 지지체(22)에 배치된 복수의 음향파 수신 소자(17)는, 고해상도 영역(23)에서 발생한 광음향파를 고감도로 각각 수신할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 재구성 화상에 포함된 화상 노이즈가 소정의 역치이하가 되도록 계측위치의 분포가 설정된다. 구체적으로는, 도 5a에 도시한 바와 같이, 계측위치의 분포 밀도가, 계측위치의 분포의 외부에서보다 내부가 높아지도록 설정된다. 본 실시예에 있어서, 스캐너(21)는, 각 계측위치와 인접 계측위치간의 간격이 변화되도록 상기 지지체(22)를 이동시킨다. 나선형의 이동 경로의 경우에 있어서는, 인접 계측위치간의 간격이 그 나선형 경로의 외부로부터 내부로 증가하도록, 스캐너(21)는 지지체(22)를 이동시킨다.
이렇게 여러 가지 위치에서 음향파를 수신함으로써, 화상 재구성후의 광음향 화상에 있어서 재구성 아티팩트로 인한 화상 노이즈를 감소할 수 있다. 게다가, 피검체(15)의 중심부에 고해상도 영역(23)이 위치할 때의 계측횟수를 증가시키는 것에 의해, 피검체(15)의 중심부근의 복셀들에 포함된 시스템 노이즈로 인한 화상 노이즈를 감소할 수 있다.
여기에서, 화상 노이즈에 대한 역치는, 장치 고유의 값이며, 복셀들간에 다르다. 구체적으로는, 영상화하고 싶은 피검체가 혈관이면, 혈액과 동등한 흡수 계수를 갖는 물질을 피검체내에 존재하고, 광 사출이나 각종 계측위치의 시뮬레이션을 행하고, 상기 역치가 그 피검체를 시인할 수 있는 화상 노이즈 레벨이라고 가정한다. 즉, 상기 역치는, 장치특성이나 피검체 특성을 고려해서 결정되는 값이다. 단, 시뮬레이션을 행하는 것이 곤란할 경우, 경험적인 값을 사용해도 된다. 이 화상 노이즈의 값이 결정되면, 컴퓨터(19)는 관심 영역(32)내의 각 복셀에서의 화상 노이즈가 이 역치이하 가 되도록 계측위치의 분포를 결정할 수 있다.
도 ６의 별표로 나타낸 위치들에서 그 밖의 위치와 비교해서 계측횟수를 많게 하는 것으로 각 복셀에 포함된 화상 노이즈를 소정의 역치이하로 하여도 된다. 다시 말해, 피검체(15)의 중심부에 고해상도 영역(23)이 위치하는 계측위치에서의 계측횟수를, 그 밖의 계측위치에서의 계측횟수보다도 많게 해도 된다. 구체적으로는, 제어기(19C)는, 어떤 계측위치에 지지체(22)를 이동시킬 때에, 제어기(19C)는, 그 계측위치에서 지지체(22)의 이동을 정지시켜 복수회 그 계측위치에서 지지체(22)에 발광시킨다. 혹은, 제어기(19C)는, 지지체(22)를 연속적으로 이동시키고, 지지체(22)를 이전의 계측위치에 이동시켜 그 위치에서 광원(11)에 발광시킨다. 이렇게 함으로써, 광음향파를 같은 계측위치에서 수신할 수 있다.
계측위치에 의해 계측횟수를 다르게 하는 것은, 계측위치의 분포 밀도를 다르게 하는 것에 포함된다. 다시 말해, 단위면적 또는 단위체적당의 계측위치의 수(분포 밀도)는, 도 5a의 경우도 도 ６의 경우도 균일하지 않고, 다르다.
관심 영역(32)내의 각 복셀에 포함된 화상 노이즈가 역치이하가 되도록 사출위치 및 계측위치의 양쪽의 분포 밀도가 균일한 것이 필요하지 않다. 이 경우, 스캐너(21)는, 고해상도 영역(23)을 향해서 펄스 광(12)이 사출되도록 사출위치와 계측위치간의 위치 관계를 유지하면서 광학계(13) 및 지지체(22)를 이동시켜도 된다. 이렇게 함으로써, 광음향파를 고감도로 수신할 수 있는 영역과, 광량이 높아지는 영역이 중첩하므로, 수신 신호의 신호 강도가 높고, 1회의 계측에서 관심 영역의 화상 노이즈를 상당히 감소할 수 있다.
피검체의 형상, 피검체의 광학계수(예를 들면, 흡수 계수, 산란 계수, 감쇠 계수등), 또는 음향 정합재의 광학계수 등에 따라, 광이 피검체에 조사되었을 때의 관심 영역내의 각 복셀에 있어서의 광량이나 화상 노이즈 레벨은 변화된다. 따라서, 제어기(19C)는, 피검체의 형상에 근거하는 정보를 사용해서 사출위치 또는 계측위치를 결정해도 된다. 다시 말해, 제어기(19C)는, 피검체의 형상에 대한 정보에 근거하여, 관심 영역(32)내의 각 복셀에 대응한 복수의 발광 타이밍에서 광 사출로 인한 총 광량이 역치이상이 되도록, 사출위치를 결정해도 된다. 제어기(19C)는, 피검체의 형상에 대한 정보에 근거하여, 재구성 화상에 포함된 화상 노이즈 레벨이 소정의 역치이하가 되도록 계측위치를 결정해도 된다.
제어기(19C)는, 피검체의 형상, 피검체의 광학계수(예를 들면, 흡수 계수, 산란 계수, 감쇠 계수등), 또는 음향 정합재의 광학계수등의 정보를 취득하고, 취득된 정보에 대응하는 조사 위치 패턴 또는 계측위치 패턴을 판독해도 된다. 제어기(19C)는, 사출위치들과 계측위치들이 이렇게 하여 얻어진 사출위치 패턴 또는 계측위치 패턴이 되도록, 스캐너(21)와 광원(11)을 제어한다. 예를 들면, 우선 제어기(19C)는, 피검체의 형상에 근거한 정보를 취득한다. 그리고, 제어기(19C)는, 피검체의 형상에 대응시킨 복수의 사출위치 패턴 또는 계측위치 패턴이 기억된 기억부(19B)로부터, 피검체의 형상에 근거한 정보에 대응하는 사출위치 패턴 또는 계측위치 패턴을 판독한다.
연산부(19A)는, 가상의 사출위치 패턴 또는 가상의 계측위치 패턴을 가정할 때에, 피검체의 형상, 피검체의 광학계수, 및 음향 정합재의 광학계수 등의 파라미터에 근거하여, 각 복셀에 있어서의 광량 또는 화상 노이즈 레벨을 추정한다. 다음에, 연산부(19A)는, 각 복셀에서의 광량이 소정의 역치이상인가 아닌가, 혹은 각 복셀에서의 화상 노이즈가 소정의 역치이하인가 아닌가를 판정한다. 연산부(19A)는, 각 복셀에 있어서의 광량이 소정의 역치이상일 경우, 제어기(19C)에 의해 가정된 사출위치 패턴의 정보를 송신한다. 그리고, 제어기(19C)는, 연산부(19A)로부터 수신된 사출위치 패턴의 정보에 근거하여 광조사부를 제어하여서 사출위치를 제어한다. 연산부(19A)는, 각 복셀에 있어서의 화상 노이즈 레벨이 소정의 역치이하일 경우, 제어기(19C)에 의해 가정된 계측위치 패턴의 정보를 송신한다. 그리고, 제어기(19C)는, 연산부(19A)로부터 수신된 계측위치 패턴의 정보에 근거해서 상기 스캐너를 제어함으로써 계측위치를 제어한다. 한편, 연산부(19A)는, 각 복셀에 있어서의 광량이 소정의 역치보다도 작을 경우, 새로운 사출위치 패턴을 가정하고, 각 복셀에 있어서의 광량을 추정하고, 그 광량과 역치를 비교한다. 연산부(19A)는, 각 복셀에 있어서의 화상 노이즈 레벨이 소정의 역치보다도 클 경우, 새로운 계측위치 패턴을 가정하고, 각 복셀에 있어서의 화상 노이즈 레벨을 추정하고, 그 화상 노이즈 레벨과 상기 역치를 비교한다.
본 발명에 있어서 "피검체의 형상에 근거한 정보"란, 피검체의 표면의 위치 좌표의 정보 또는 상기 보유부의 종류에 대한 정보를 말한다. "피검체의 형상에 근거한 정보를 취득한다"는 구는, 제어기(19C)가 피검체의 형상에 근거한 정보를 수신하는 것을 의미한다.
이하, 제어기(19C)가 피검체의 형상에 근거한 정보를 취득하는 방법의 예를 설명한다.
제어기(19C)는, 촬상 장치(50)에 의해 취득된 피검체의 화상 데이터에 근거하여, 피검체의 형상에 근거한 정보를 취득해도 된다. 우선, 연산부(19A)는, 촬상 장치(50)에 의해 취득된 피검체의 화상 데이터를 기억부(19B)로부터 판독한다. 다음에, 연산부(19A)는, 피검체의 화상 데이터에 근거해서 피검체의 표면의 좌표정보를 산출하여, 제어기(19C)에 출력한다. 예를 들면, 연산부(19A)는, 복수의 화상 데이터 항목을 기초로 스테레오법등의 3차원 계측기술을 사용해서 피검체의 표면의 좌표정보를 산출해도 된다. 그리고, 제어기(19C)는, 연산부(19A)로부터 출력된 피검체의 표면의 위치 좌표의 정보를 수신하여, 그 정보를 피검체의 형상정보로서 취득할 수 있다.
미리 알고 있는 보유부(40)의 표면의 위치 좌표의 정보는 기억부(19B)에 기억되어도 된다. 그리고, 제어기(19C)는, 기억부(19B)로부터 보유부(40)의 표면의 위치 좌표의 정보를 판독하여, 그 정보를 피검체의 표면의 위치 좌표의 정보로서 취득할 수 있다.
또한, 부착부(41)에 부착된 보유부(40)의 종류를 검지하고, 컴퓨터(19)에 보유부(40)의 종류의 정보를 출력하는 검지부(42)를 설치해도 된다. 그리고, 제어기(19C)는, 검지부(42)로부터 출력된 보유부(40)의 종류의 정보를 수신하여, 그 정보를 피검체의 형상에 근거한 정보로서 취득할 수 있다. 예를 들면, 검지부(42)로서, 상기 보유부(40)에 탑재되고, 보유부(40)의 종류를 표현하는 ＩＤ칩을 판독하는 리더(reader)를 사용하여도 된다. 이렇게 함으로써, 계산을 행하지 않고, 피검체의 형상에 근거한 정보를 취득할 수 있다.
유저가 입력부(24)를 사용해서 사용되는 보유부(40)의 종류를 입력하여도 되고, 그 입력부(24)는 입력된 정보를 컴퓨터(19)에 출력해도 된다. 그리고, 제어기(19C)는, 입력부(24)로부터 출력된 보유부(40)의 종류의 정보를 수신하여, 그 정보를 피검체의 형상에 근거한 정보로서 취득해도 된다. 이렇게 함으로써, 계산을 행하지 않고, 피검체의 형상에 근거한 정보를 취득할 수 있다.
보유부(40)의 종류가 바뀌지 않고, 장치의 사양으로 인해 보유부(40)의 사이즈가 바뀌는 것이 상정되지 않고 있을 경우, 제어기(19C)가 사용하는 피검체의 형상에 근거한 정보는 일정하여도 된다.
제어기(19C)는, 시간 분해 분광법 등의 공지의 수법에 의해 산출된 피검체의 광학계수 또는 음향 정합재의 광학계수를 취득할 수 있다. 유저가, 피검체의 형상에 근거한 정보, 피검체의 광학계수, 또는 음향 정합재의 광학계수를, 입력부(24)를 사용해서 입력하고, 제어기(19C)는 이러한 정보항목들을 수신하여도 된다.
정보 취득장치
다음에, 도 11a 및 11b를 참조하여, 피검체에 광을 조사하여서 발생된 광음향파를 사용하는 것에 의해 피검체의 정보를 취득하는 정보 취득장치에 대하여 설명한다.
상기 정보 취득장치는, 상술한 광조사부, 스캐닝부, 보유부, 수신부 및 처리부를 구비한다.
피검체에 광을 조사하는 (도 11b에 151로 나타낸) 광조사부는, 예를 들면, 광도파로를 통해 상술한 광원으로부터 이끌어진 광을 사출하는 광 사출단을 갖는다.
예를 들면, 상기 광조사부는, 주기적으로 펄스 광을 사출하도록 구성된다.
상기 스캐닝부는, (도 11b에 도시된 X-Y 평면에 평행한 방향 등의) 평면내 방향으로 상기 피검체에 대하여 상기 광조사부(151)로부터 광을 사출하는, 광의 사출위치(150)를 이동시킨다. 말할 필요도 없이, 상기 스캐닝부는, 상기 피검체, 상기 광조사부(151), 또는 이들 양쪽을 이동시켜도 된다. 상기 피검체가 유방등일 경우에, 피검체의 부하를 고려하여, 상기 광조사부(151)가 이동되어도 된다.
상기 보유부는 상기 피검체를 보유한다. 구체적으로는, 상기 보유부는, 상기 피검체가, 사출위치(150)에 따라 상기 광조사부의 사출위치(150)로부터 상기 피검체의 표면상의 광조사 위치(152)까지의 간격 L이 다른 부분을 갖도록 상기 피검체를 보유한다. 여기서, 상기 간격 L은, 상기 평면내 방향에 수직한 방향의 길이다.
상기 보유부는, 피검체의 일례인 유방을 보유하는 반구형 등의 오목형상을 갖는다. 상기 보유부가 보유부를 통해 유방 등을 삽입하기 위한 개구를 가지면, 상기 보유부가 중력방향에 반대방향(-Z방향)으로 상기 유방 등을 지지하는 구조를 가질 필요가 없다.
광의 사출위치(150)는, 광조사부로부터 광을 사출하는 위치다. 광조사 위치(152)는 광이 조사된 피검체 표면상의 위치다.
도 11a의 도트들은, 광의 사출위치(150)의 이동 경로의 일례를 나타낸다. 그 사출위치로부터 사출된 광의 강도는, 도트간에 일정하도록 제어되어도 된다. 2개의 파장(λ1,λ2)을 갖는 광빔을 사출할 때, 그 광빔은 교대로, 즉 λ1,λ2,λ1,λ2,λ1...의 순서로 생략되어도 된다. 2개의 파장 λ1 및 λ2를 갖는 상기 펄스광 빔은 하나의 사출위치로부터 사출되어도 된다.
광음향파를 수신하는 부인 수신부는, 예를 들면, 정전용량형 초음파 트랜스듀서들(CMUTs)을 구비한다.
상술한 것처럼, 상기 처리부는, 상기 수신부로부터 출력된 신호를 사용하여서 상기 피검체의 정보를 취득한다.
상기 수신부는, 상기 광조사부와 동기하여 상기 스캐닝부에 의해 이동되도록 구성되어도 된다. 예를 들면, 상기 광조사부와 상기 수신부가 구비된 지지부재가 준비되고, 상기 지지부재는 상기 피검체에 대해 이동된다.
상기 스캐닝부에 의해 형성된 복수의 사출위치는, 적어도, 제1 사출위치군(예를 들면, 도 11a의 영역 100에서의 사출위치들) 및 제2 사출위치군(예를 들면, 도 11a의 영역 200에서의 사출위치들)을 포함한다.
상기 제1 사출위치군은, 각각 상기 사출위치(150)로부터 상기 광조사 위치(152)까지의 간격이 제1 범위에 있는 복수의 사출위치를 포함한다.
마찬가지로, 상기 제2 사출위치군은, 각각 상기 사출위치(150)로부터 상기 광조사 위치(152)까지의 간격이 제1 범위에서의 임의의 값보다 큰 값들로 구성된 제2 범위에 있는 복수의 사출위치를 포함한다.
도 11a에 있어서는, 대다수의 사출위치가 하나의 영역(100)(또는 200)에 도시되어 있다. 그렇지만, 적어도 일부의 사출위치를 포함하는 영역이라고 생각할 수도 있다.
하나의 군에서 사출위치간의 간격은 점점 변화될 수도 있다.
상기 스캐닝부는, 상기 제1 사출위치군에 포함된 사출위치의 밀도가 상기 제2 사출위치군에 포함된 사출위치의 밀도보다 높도록 제어된다.
여기서, 상기 사출위치의 밀도는, 소정의 면적에서 사출위치의 수의 밀도이고, 또한 표면 밀도라고 부르기도 한다. 이때, 펄스광이 하나의 사출위치에서 2회 사출되는 경우에, 그 사출위치의 수는 2로서 카운트된다.
본 장치에서는, 소정의 면적에서 복수의 사출위치의 분포가, 광조사부가 이동하는 평면내 방향에 따라 달라도 된다.
사출위치의 분포의 밀도는, 펄스광의 순환 주파수를 일정하게 유지하고 또한, 상기 스캐닝부의 주사속도를 변조함으로써, 제어되어도 된다. 또는, 사출위치의 분포의 밀도는, 상기 스캐닝부의 주사속도를 일정하게 유지하면서 사출된 펄스광의 순환 주파수를 변조함으로써 제어되어도 된다. 아울러, 또한, 상기 주사속도의 변조와 상기 펄스광의 순환 주파수의 변조 양쪽이 사용되어도 된다.
상기 스캐닝부는, 복수의 사출위치가 나선형 이동 경로를 형성하도록 주사를 행하여도 된다. 상기 정보 취득장치는, 상기 복수의 사출위치에서, 서로 다른 파장을 갖는 펄스광 빔은 교대로 상기 광조사부로부터 사출되도록 구성되어도 된다.
상기 스캐닝부는, 상기 나선형 이동 경로를 형성하는 복수의 사출위치간의 간격이 상기 나선형 이동 경로의 외부로부터 내부로 감소되도록 제어되어도 된다.
상기 광조사부는 복수의 사출단을 가져도 되고, 상기 제어기는 광을 사출하는 사출단을 전환하여서 상기 사출위치를 이동시켜도 된다.
그 밖의 실시예
본 발명은, 이하 설명된 처리를 행하여서 실시되어도 된다. 다시 말해, 상술한 실시예의 기능을 실현하는 소프트웨어(프로그램)를, 네트워크 또는 각종 기억 매체를 통해 시스템 혹은 장치에 공급하고, 그 시스템 혹은 그 장치의 컴퓨터(또는 ＣＰＵ나 ＭＰＵ등)가 상기 프로그램을 판독해서 그 처리를 실행한다.
예시 1
광음향 이미징을 실현하는 광음향 장치의 일례에 대해서 설명한다. 여기에서는, 피검체가 인간의 유방인 경우의 예를 나타낸다.
도 ７은 유방을 계측하는 광음향 장치를 나타낸다. 이 광음향 장치는, 피험자가 눕는 테이블(T)과, 0.02인치 두께의 반구형 플라스틱 컵(C)으로 구성되어 있다. 반구형의 플라스틱 컵(C)은, 유방을 보유하기 위한 피검체 보유부로서의 유방 컵이다. 피검체 보유부로서의 유방 컵(C)은, 곡면의 보유면을 갖고, 유방을 곡면의 보유면을 따른 형상으로 보유한다. 유방과 유방 컵(C)과의 사이의 음향 매칭을 유지하기 위해서, 소량의 물을 상기 유방 컵내에 넣는다.
도 ８은 상기 유방 컵 밑에 배치된 반구형의 어레이 수신기(A)와, 그 어레이 수신기(A)를 이동시키는 2축 스테이지(ＸＹ)를 나타내고 있다. 2축 스테이지는 컴퓨터(19)에 의해 제어된다. 어레이 수신기(A)는, ＡＢＳ플라스틱으로 이루어진 반구형의 지지체(반경 127mm)와, 512ｃｈ의 음향파 수신 소자로 구성된다. 각 음향파 수신 소자는 직경 3mm 폭이며, 중심주파수 2MHz의 압전재로 만들어져 있다.
어레이 수신기(A)와 그 어레이 수신기(A)를 보유하는 플라스틱 그릇(E) 내측의 공간에는, 512ｃｈ의 음향파 수신 소자와 상기 유방 컵의 음향 매칭을 유지하기 위해 물로 채워진다. 그 물은, 역삼투막을 통해 여과되어 있다. 알렉산드라이트 레이저로부터 사출된 펄스화된 레이저 빔(75ｎｓ, 300ｍＪ/ｐｕｌｓｅ)은 7mm 폭이며, 상기 피검체에 가동 암(arm)을 통해서 상기 레이저 빔이 조사된다. 상기 가동 암은, 어레이 수신기(A)와 함께 이동하고, 탐촉자의 저면에서 수직하게 레이저 빔(L)을 방사한다. 어레이 수신기(A)의 저면에 배치된 직경 12mm의 볼록 렌즈를 사용하여서 레이저 빔의 직경이 증가되고, 최종적으로는 직경 60mm로 상기 유방 컵(C)의 저면에 조사된다. 중심에서 광량의 피크 강도는, 약 10ｍＪ/ｃｍ2이며, ＡＮＳＩ에서 권장된 ＭＰＥ보다도 낮다.
도 ９는 광음향 장치의 개략적 단면도를 나타낸 것으로, 어레이 수신기(A), 상기 그릇(E), 테이블(T) 및 유방 컵(C)간의 관계를 나타내고 있다. 상기 그릇(E)은, 어레이 수신기(A)가 유방표면을 따라 평행하게 이동하도록 어레이 수신기(A)를 보유한다. 상기 그릇(E)은 어레이 수신기와 유방과의 음향 매칭을 유지하도록 물로 채워지도록 구성되어 있다. 최대의 이미징 체적은, 유방 컵(C)의 곡률반경, 유방이 놓여지는 개구폭(184mm), 컵의 깊이에 따라 결정되어 있다(1335mL). 도 9에는 최대 이미징 체적이 도시되어 있다.
이 시스템에 관해서, 장치특성을 고려한 시뮬레이션을 행함으로써, 콘트라스트 팬텀내의 빨간 도트 패턴이 콘트라스트 5로 인식될 수 있는 화상 노이즈를 복셀마다 산출했다. 그 화상 노이즈를 만족시키는 계측위치 및 사출위치의 분포로서, 본 예시에 있어서는 도 5a에 나타낸 분포를 사용했다. 이동 경로로서는 나선형 이동 경로를 사용했다. 비교 예로서, 도 4a에 도시한 바와 같이 계측위치 및 사출위치를 거의 같은 간격으로 샘플링했다. 본 예시 및 비교 예에서, 계측위치 및 사출위치의 수는 2048군데이었고, 상기 스캐너(21)에 의한 최대 이동 반경은 100mm이었다. 광 사출마다 512ch의 음향파 수신 소자로부터의 데이터는, 20ＭＨｚｄ, 2048샘플링, 12bit로 디지털 변환되었다. 그 후, 그 수신 신호 데이터에 근거하여, 3차원의 광음향 화상이 역투영 알고리즘을 사용하여서 재구성되었다.
다음에, 콘트라스트 팬텀을 사용해서 본 예시의 효과를 검증한 결과를 설명한다. 콘트라스트 팬텀은, 빨간 도트가 분산되고, 그 콘트라스트가 영상화된 20cm의 영역이었다. 이 빨간 도트 어레이는, 깊이 30mm에 폴리우레탄 수지내에 매립되고, 상기 유방 컵(C)의 중심에 위치되었다. 도 10a와 10b는, 본 예시에 따른 도 5a에 도시된 사출위치와 계측위치와, 상기 비교 예에 따른 도 4a에 도시된 사출위치 및 계측위치에서, 취득된 콘트라스트 팬텀의 두께 30mm정도의 광음향 화상을 나타낸다. 다시 말해, 도 10a는 계측위치 및 사출위치의 분포 밀도가 그 분포의 중심을 향하는 증가하는 나선형 스캔 패턴을 사용하여서 촬영된 광음향 화상을 나타낸다. 한편, 도 10b는, 계측위치 및 사출위치의 분포 밀도가 거의 균일한 나선형 스캔 패턴을 사용하여서 촬영된 광음향 화상을 나타낸다.
도 10a와 도 10b를 비교하여서, 도 10a에는 모든 도트 패턴을 같은 휘도로 인식할 수 있다. 한편, 도 10b의 화상의 중심부분에 있어서 도트 패턴을 인식하는 것이 곤란하다. 이 이유는 다음과 같다. 본 예시에 따른 광음향 장치에 있어서는, 도 ９에 도시된 것처럼 상기 유방 컵이 반구형을 하고 있다. 그 때문에, 그 유방 컵에 배치된 팬텀은, 중심부에서 두께가 두껍고, 주변부에서 두께가 얇다. 이러한 팬텀에 대하여, 도 1에 도시한 바와 같이 하측으로부터 레이저 빔을 조사하면, 팬텀의 중심부가 두껍기 때문에, 같은 두께에서의 면이 비교될 때 중심부의 광량은 적다. 그 결과, 콘트라스트 팬텀인 빨간 도트로부터 발생하는 발생 음압은, 중심부에서 낮아지고, 주변부에서 높아진다. 즉, 팬텀내의 광량 분포로 인하여, 같은 흡수 계수를 갖는 도트간에 상기 발생 음압이 다르다. 그 때문에, 화상 노이즈가 균일한 화상이 형성되면, 도 10b에 도시된 것처럼, 도 10b와 같이 중심부의 도트의 휘도가 낮은 화상이 형성된다. 한편, 발생 음압이 낮은 중심부의 화상 노이즈를 보다 감소하기 위해서, 계측위치 및 사출위치의 분포 밀도가 중심부를 향해 증가되는 경우를 생각한다. 이 경우, 계측위치 및 사출위치의 분포 밀도가 높은 영역에서는, 화상 재구성 아티팩트로 인한 화상 노이즈 및 시스템 노이즈로 인한 화상 노이즈가 감소된다. 그 때문에, 화상 재구성에 의해 화상을 형성하면, 도 10a와 같이 빨간 도트가 균일하게 표시되는 화상이 형성된다. 다시 말해, 빨간 도트의 휘도를 S, 그 빨간 도트 주위의 영역의 휘도를 N이라고 하면, 도 10a에 도시된 화상은 같은 깊이로 거의 균일한 S/N (화상 콘트라스트비)을 유지할 수 있다.
이상 설명한 것처럼, 본 예시에 따른 광음향 장치에 의하면, 관심 영역의 각 복셀에 포함된 화상 노이즈 레벨을 역치이하까지 감소할 수 있다.
이상, 특정한 실시예를 참조하여 본 발명에 대해서 상세히 설명하였다. 그렇지만, 본 발명은 상기 특정한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 및 범위내에서 상기 실시예를 수정을 할 수도 있다.
그 밖의 실시예
또한, 본 발명의 실시예(들)는, 기억매체(보다 완전하게는 '비일시적 컴퓨터 판독 가능한 기억매체'라고도 함)에 레코딩된 컴퓨터 실행가능한 명령어들(예를 들면, 하나 이상의 프로그램)을 판독하고 실행하여 상술한 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하는 것 및/또는 상술한 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하기 위한 하나 이상의 회로(예를 들면, 주문형 반도체(ASIC))를 구비하는 것인, 시스템 또는 장치를 갖는 컴퓨터에 의해 실현되고, 또 예를 들면 상기 기억매체로부터 상기 컴퓨터 실행가능한 명령어를 판독하고 실행하여 상기 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하는 것 및/또는 상술한 실시예(들)의 하나 이상의 기능을 수행하는 상기 하나 이상의 회로를 제어하는 것에 의해 상기 시스템 또는 상기 장치를 갖는 상기 컴퓨터에 의해 행해지는 방법에 의해 실현될 수 있다. 상기 컴퓨터는, 하나 이상의 프로세서(예를 들면, 중앙처리장치(CPU), 마이크로처리장치(MPU))를 구비하여도 되고, 컴퓨터 실행 가능한 명령어를 판독하여 실행하기 위해 별개의 컴퓨터나 별개의 프로세서의 네트워크를 구비하여도 된다. 상기 컴퓨터 실행가능한 명령어를, 예를 들면 네트워크나 상기 기억매체로부터 상기 컴퓨터에 제공하여도 된다. 상기 기억매체는, 예를 들면, 하드 디스크, 랜덤액세스 메모리(RAM), 판독전용 메모리(ROM), 분산형 컴퓨팅 시스템의 스토리지, 광디스크(콤팩트 디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD) 또는 블루레이 디스크(BD)TM등), 플래시 메모리 소자, 메모리 카드 등 중 하나 이상을 구비하여도 된다.
본 발명을 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.
본 출원은, 여기서 전체적으로 참고로 포함된, 2014년 9월 5일에 출원된 미국 특허출원번호 62/046364의 이점을 청구한다.

Claims (21)

  1. 광을 피검체에 조사하는 광조사부;
    상기 광조사부로부터 사출된 광을 피검체에 조사하여서 발생된 음향파를 수신해서 전기신호를 출력하는 음향파 수신부;
    상기 광조사부를 제어하는 제어부; 및
    상기 전기신호를 처리하는 처리부를 구비하는, 광음향 장치로서,
    상기 제어부는, 상기 광조사부에 의한 복수회의 광 사출에 있어서의 사출위치의 분포의 밀도가, 사출위치의 분포의 외부보다 내부에서 높도록 상기 광조사부를 제어하고,
    상기 음향파 수신부는, 상기 복수회의 광 사출에 의해 발생된 음향파를 수신하여서, 그 복수회의 광 사출에 대응하는 복수의 전기신호를 출력하고,
    상기 처리부는, 상기 복수의 전기신호에 근거하여 화상 데이터를 취득하는, 광음향 장치.
  2. 광을 피검체에 조사하는 광조사부;
    상기 광조사부로부터 사출된 광을 피검체에 조사하여서 발생된 음향파를 수신해서 전기신호를 출력하는 음향파 수신부;
    상기 광조사부를 제어하는 제어부; 및
    상기 전기신호를 처리하는 처리부를 구비하는, 광음향 장치로서,
    상기 제어부는, 관심 영역내의 각 위치에 대응한 복수회의 광 사출로 인한 총 광량이 역치이상이 되게, 사출위치의 분포가 되도록 상기 광조사부를 제어하고,
    상기 음향파 수신부는, 상기 복수회의 광 사출에 의해 발생된 음향파를 수신하여서, 상기 복수회의 광 사출에 대응한 복수의 전기신호를 출력하고,
    상기 처리부는, 상기 복수의 전기신호에 근거해서 상기 관심 영역의 화상 데이터를 취득하는, 광음향 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광조사부는, 광을 사출하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 상기 피검체에 조사하는 광학계와, 상기 피검체와 상기 광학계의 상대 위치를 이동시키는 사출위치 이동부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 사출위치 이동부의 구동을 제어하는, 광음향 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은, 소정의 순환 주파수로 광을 사출하는, 광음향 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 사출위치 이동부로 인한 상기 광학계의 이동의 경로가 나선형이 되도록 상기 사출위치 이동부를 제어하는, 광음향 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광조사부는, 광을 사출하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 상기 피검체에 조사하는 광학계를 구비하고,
    상기 광학계는, 복수의 사출단을 구비하고,
    상기 제어부는, 광을 사출하는 상기 복수의 사출단 중 하나가, 상기 복수회의 광 사출의 제1의 광 사출과 제2의 광 사출간에 다르도록, 제어를 행하는, 광음향 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피검체와 상기 음향파 수신부의 상대 위치를 이동시키는 계측위치 이동부를 더 구비하고,
    상기 음향파 수신부는, 복수의 음향파 수신 소자의 지향 축이 모이도록 배치된 상기 복수의 음향파 수신 소자를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 복수회의 광 사출에 있어서 상기 광조사부로부터의 광이 상기 지향 축이 모이는 영역을 향해서 사출되도록, 상기 광조사부 및 상기 계측위치 이동부의 구동을 제어하는, 광음향 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 광 사출의 횟수가 상기 사출위치간에 다르도록, 상기 광조사부를 제어하는, 광음향 장치.
  9. 광을 피검체에 조사하는 광조사부;
    상기 광조사부로부터의 광을 상기 피검체에 조사하여서 발생된 음향파를 수신해서 전기신호를 출력하는 음향파 수신부;
    상기 피검체와 상기 음향파 수신부의 상대 위치를 이동시키는 계측위치 이동부;
    상기 계측위치 이동부의 구동을 제어하는 제어부; 및
    상기 전기신호를 처리하는 처리부를 구비하는, 광음향 장치로서,
    상기 제어부는, 상기 광조사부에 의한 복수회의 광 사출에 있어서의 상기 음향파 수신부의 계측위치의 분포의 밀도가, 상기 계측위치의 분포의 외부보다 내부에서 높아지도록, 상기 계측위치 이동부를 제어하고,
    상기 음향파 수신부는, 상기 복수회의 광 사출에 의해 발생된 음향파를 수신하여서, 상기 복수회의 광 사출에 대응한 복수의 전기신호를 출력하고,
    상기 처리부는, 상기 복수의 전기신호에 근거하여 화상 데이터를 취득하는, 광음향 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 음향파 수신부는, 복수의 음향파 수신 소자의 지향 축이 모이도록 배치된 상기 복수의 음향파 수신 소자를 구비하는, 광음향 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 계측위치 이동부로 인한 상기 음향파 수신부의 이동의 경로가 나선형이 되도록 상기 계측위치 이동부를 제어하는, 광음향 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향파 수신부는, 복수의 음향파 수신 소자의 지향 축이 모이도록 배치된 상기 복수의 음향파 수신 소자를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 복수회의 광 사출에 있어서 상기 광조사부로부터의 광이 상기 지향 축이 모이는 영역을 향해서 사출되도록, 상기 광조사부 및 상기 계측위치 이동부의 구동을 제어하는, 광음향 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 광 사출의 횟수가 상기 계측위치간에 다르도록 상기 이동부를 제어하는, 광음향 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    곡면의 보유면을 갖고 상기 피검체를 보유하는 보유부를 더 구비하는, 광음향 장치.
  15. 피검체에 광을 조사하여서 발생된 광음향파를 사용하여 상기 피검체의 정보를 취득하는 정보 취득장치로서,
    상기 피검체에 광을 조사하는 광조사부;
    평면내 방향으로 상기 피검체에 대하여 상기 광조사부로부터 광을 사출하는 사출위치를 이동시키는 스캐닝부;
    상기 피검체가, 상기 사출위치에 따라 상기 광조사부의 사출위치로부터 상기 피검체의 표면상의 광조사 위치까지의 간격이 다른 부분을 갖도록, 상기 피검체를 보유하는 보유부;
    상기 광음향파를 수신하는 수신부; 및
    상기 수신부로부터 출력된 신호를 사용하여서 상기 피검체의 정보를 취득하는 처리부를 구비하고,
    상기 스캐닝부에 의해 형성된 상기 사출위치는, 적어도
    각각 상기 사출위치로부터 상기 광조사 위치까지의 간격이 제1 범위에 있는 복수의 상기 사출위치를 포함하는 제1 사출위치군과,
    각각 상기 사출위치로부터 상기 광조사 위치까지의 간격이 상기 제1 범위에서의 임의의 값보다 큰 값들로 구성된 제2 범위에 있는 복수의 상기 사출위치를 포함하는 제2 사출위치군을 포함하고,
    상기 스캐닝부는, 상기 제1 사출위치군에 포함된 사출위치의 밀도가 상기 제2 사출위치군에 포함된 사출위치의 밀도보다 높도록 제어되는, 정보 취득장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광 조사부는 주기적으로 펄스 광을 사출하는, 정보 취득장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 보유부는 상기 피검체를 보유하기 위한 오목형상을 갖는, 정보 취득장치.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신부는, 상기 광 조사부와 동기하여 상기 스캐닝부에 의해 이동되는, 정보 취득장치.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스캐닝부는, 상기 복수의 사출위치가 나선형 이동 경로를 형성하도록 주사를 행하는, 정보 취득장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 스캐닝부는, 상기 나선형 이동 경로를 형성하는 상기 복수의 사출위치간의 간격이 상기 나선형 이동 경로의 외부로부터 내부로 감소되도록 제어되는, 정보 취득장치.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 복수의 사출위치에서, 서로 다른 파장을 갖는 펄스광 빔은 교대로 상기 광조사부로부터 사출되는, 정보 취득장치.
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