KR20170074171A - 광음향장치, 정보 취득장치, 정보 취득방법, 및 프로그램 - Google Patents

광음향장치, 정보 취득장치, 정보 취득방법, 및 프로그램 Download PDF

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Abstract

광음향장치는, 빛을 피검체에 조사하도록 구성된 광 조사부와, 광 조사부로부터의 빛이 조사된 피검체로부터 발생된 광음향파를 전기신호로 변환하도록 구성된 수신부와, 피검체의 광학계수 정보를 취득하도록 구성된 광학계수 취득부와, 광학계수 취득부에 의해 얻어진 광학계수 정보를 사용하여, 피검체의 음속 정보를 취득하도록 구성된 음속 취득부와, 전기신호와 음속 정보를 사용하여, 피검체 정보를 취득하도록 구성된 피검체 정보 취득부를 구비한다.

Description

광음향장치, 정보 취득장치, 정보 취득방법, 및 프로그램{PHOTOACOUSTIC APPARATUS, INFORMATION ACQUIRING APPARATUS, INFORMATION ACQUIRING METHOD, AND PROGRAM}
본 발명은, 광음향장치, 정보 취득장치, 정보 취득방법, 및 프로그램에 관한 것이다.
생체 등의 피검체의 음속 정보를 추정하는 장치의 임상 응용이 제안되어 있다. 피검체의 음속 정보를 추정하는 방법으로서, 일본국 특표 2010-512940호 공보에는, 생체를 투과한 초음파의 측정 결과로부터 생체 내부의 음속을 추정하는 방법이 제안되어 있다.
본 발명의 목적은, 음속 정보를 취득하는 신규한 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 빛을 피검체에 조사하도록 구성된 광 조사부와, 상기 광 조사부로부터의 빛이 조사된 피검체로부터 발생된 광음향파를 전기신호로 변환하도록 구성된 수신부와, 피검체의 광학계수 정보를 취득하도록 구성된 광학계수 취득부와, 상기 광학계수 취득부에 의해 얻어진 상기 광학계수 정보를 사용하여, 피검체의 음속 정보를 취득하도록 구성된 음속 취득부와, 상기 전기신호와 상기 음속 정보를 사용하여, 피검체 정보를 취득하도록 구성된 피검체 정보 취득부를 구비한 광음향장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징은 첨부도면을 참조하여 주어지는 이하의 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 이하에서 설명하는 본 발명의 실시형태 각각은, 필요에 따라, 또는 단일 실시형태에서 개별적인 실시형태들로부터의 구성요소들이나 특징의 조합이 유리한 경우에, 단독으로 또는 복수의 실시형태들이나 이들 실시형태들의 특징들의 조합으로 구현될 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 광음향장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 컴퓨터의 구체적인 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 광음향장치의 동작의 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 음속과 광학계수의 계산 결과의 일례를 각각 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 음속과 광학계수의 관계식(1차함수 근사식)의 그래프를 각각 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 음속과 광학계수의 관계식(3차함수 근사식)의 그래프를 각각 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 음속과 광학계수의 관계식(대수 함수 근사식)의 그래프를 각각 도시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 음속과 광학계수의 관계식(2개의 1차함수 근사식)의 그래프를 각각 도시한 도면이다.
도 9는 유선 밀도의 카테고리마다의 음속과 광학계수의 관계를 도시한 도면이다.
도 10은 제3 실시형태에 따른 광음향장치의 동작의 흐름도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 더욱 상세히 설명한다. 본 실시형태들에서 나타낸 구성요소들의 치수, 형성 및 상대적인 위치는 다양한 상황 및 본 발명에 맞추어 변형된 장치의 구조에 따라 적절히 변경된다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 이들 실시형태들에 한정되는 것은 아니다.
제1 실시형태
본 실시형태에서는, 신규의 방법에 의해 얻어지는 음속 정보를 광음향 이미징(photoacoustic imaging: PAI)에 이용하는 예를 설명한다.
광음향장치는, 펄스 광을 피검체에 조사하여, 피검체 내의 조직이 조사 광의 에너지를 흡수하는 결과 생기는 광음향파(초음파)를 수신하고, 광음향파의 발생 음압(초기 음압) 분포를 생성한다. 이때, 광음향장치는, 광음향파의 수신 신호에 근거하여 초기 음압 분포를 생성하기 때문에, 광음향장치는 광음향파의 전파 경로에 있어서 음속을 필요로 한다. 즉, 광음향장치는, 광음향파가 피검체 내를 전파할 때의 음속(피검체의 음속 정보)을 필요로 한다.
이 때문에, 본 실시형태에서는, 음향 이미징에 사용되는 피검체의 음속 정보를 취득하는 신규한 방법을 설명한다. 본 실시형태에서는, 본 발명자가 발견한, 광학계수 정보와 음속 정보의 관계에 근거하여, 피검체의 음속 정보를 취득한다.
본 실시형태에 따른 광음향 이미징에 이용해서 얻어지는 정보는, 예를 들어, 광 흡수계수 또는 피검체를 구성하는 물질의 농도에 관한 정보이다. 물질의 농도에 관한 정보는, 예를 들어, 옥시헤모글로빈 농도, 디옥시헤모글로빈 농도, 총 헤모글로빈 농도, 또는 산소 포화도이다. 총 헤모글로빈 농도는, 옥시헤모글로빈 및 디옥시헤모글로빈 농도의 합이다. 산소 포화도는, 전체 헤모글로빈에 대한 옥시헤모글로빈의 비율이다. 본 실시형태에 있어서, 피검체의 각 위치(2차원 또는 3차원 공간의 각 위치)에 있어서의 상기한 정보의 값을 표시하는 분포 정보와, 피검체의 상기 정보의 대푯값(평균값 또는 다른 값)을 피검체 정보로서 취득한다.
도 1은 본 실시형태에 따른 광음향장치를 도시한 개략도이다. 광음향장치는, 광 조사부(100), 유지부(300), 수신부(400), 구동부(500), 신호 데이터 수집부(600), 컴퓨터(700), 표시부(800) 및 입력부(900)를 구비한다. 측정 대상은 피검체(1000)이다.
광 조사부(100)
광 조사부(100)는, 빛을 방출하는 광원(110)과, 광원(110)으로부터 출사된 빛을 피검체(1000)로 이끄는 광학계(120)를 포함한다.
광원(110)은, 나노초 내지 마이크로초 오더의 펄스 광을 발생가능한 펄스 광원인 것이 바람직하다. 빛의 펄스폭은 약 1 내지 약 100나노초이어도 된다. 또한, 빛의 파장은 약 400nm 내지 약 1600nm 정도의 범위를 가져도 된다. 생체 표면 근방의 혈관을 고해상도로 이미징하는 경우에는, 혈관에서의 흡수가 큰 파장(400nm 내지 700nm의 범위)을 사용해도 된다. 한편, 생체의 심부를 이미징하는 경우에는, 생체의 배경 조직(예를 들어, 물과 지방)에 의해 전형적으로 흡수가 적은 파장(700nm 내지 1100nm의 범위)을 사용해도 된다.
광원(110)으로서는, 레이저나 발광 다이오드를 사용할수 있다. 또한, 복수 파장을 갖는 빛을 사용해서 측정을 행할 때에는, 파장의 변환이 가능한 광원을 사용해도 된다. 복수 파장을 피검체에 조사하는 경우, 서로 다른 파장을 갖는 빛을 발생하는 복수의 광원을 준비하고, 각각의 광원으로부터 교대로 피검체를 조사해도 된다. 복수의 광원을 사용한 경우도, 이들 광원을 합쳐서 광원으로서 표현한다. 레이저에 대해서는, 고체 레이저, 가스 레이저, 색소 레이저 및 반도체 레이저를 포함하는 다양한 레이저 중에서 어느 한개를 사용할 수 있다. Nd:YAG 레이저나 알렉산드라이트 레이저 등의 펄스 레이저가 바람직하게 사용된다. 이와 달리, Nd:YAG 레이저광을 여기광으로 사용하는 Ti:sa 레이저나 optical parametric oscillators(OP)) 레이저를 사용해도 된다.
광학계(120)는, 렌즈, 미러, 광파이버 등의 광학소자를 사용할 수 있다. 유방 등이 피검체(1000)로서의 역할을 하는 경우, 펄스 광의 빔 직경을 넓혀 조사하는 것이 바람직하기 때문에, 광학계(120)의 광 출사부는 빛을 확산시키는 확산판 등으로 구성되어 있어도 된다. 한편, 광음향 현미경에 있어서는, 해상도를 증가시키기 위해, 광학계(120)의 광 출사부는 렌즈 등으로 구성하여, 빔을 포커스해서 조사해도 된다.
이와 달리, 광 조사부(100)가 광학계(120)를 구비하지 않고, 광원(110)이 직접 피검체(1000)에 빛을 조사해도 된다.
유지부(300)
유지부(300)는 피검체의 형상을 측정중에 유지하기 위해 사용된다. 유지부(300)가 피검체(1000)를 유지하기 때문에, 피검체의 움직임이 억제되고, 피검체(1000)의 위치를 유지부(300) 내부에 유지할 수 있다. 유지부(300)의 재료에는, PET 등을 사용할 수 있다.
유지부(300)는, 피검체(1000)를 유지할 수 있는 특정한 경도를 갖는 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 유지부(300)는, 측정에 사용하는 빛을 투과하는 재료로 형성해도 된다. 유지부(300)는, 임피던스가 피검체(1000)와 거의 동등한 재료로 구성해도 된다. 유방 등의 곡면을 갖는 피검체가 피검체(1000)로서의 역할을 하는 경우, 오목형으로 유지부(300)를 성형해도 된다. 이 경우, 유지부(300)의 오목 부분에 피검체(1000)를 삽입할 수 있다.
그러나, 본 실시형태에 따른 광음향장치는 유지부(300)를 갖지 않고 있어도 된다. 또한, 본 실시형태에 따른 광음향장치는, 유지부(300)를 갖지 않고, 유방을 삽입할 수 있는 개구를 갖고 있어도 된다.
수신부(400)
수신부(400)는, 수신 소자군(410)과, 수신 소자군(410)을 지지하는 지지체(420)를 포함한다. 수신 소자군(410)은 음향파를 수신하여 전기신호를 출력하는 수신 소자(411 내지 414)로 이루어진다.
각 수신 소자(411 내지 414)를 구성하는 부재로서는, 티탄산 지르콘산 납(PZT)으로 대표되는 압전 세라믹 재료나, 폴리 불화 비닐리덴(PVDF)으로 대표되는 고분자 압전 막재료를 사용할 수 있다. 이와 달리, 압전소자 이외의 소자를 사용해도 된다. 예를 들면, 정전용량형 트랜스듀서(capacitive micro-machined ultrasonic Transducers(CMUT), 또는 패브리 페로(Fabry-Perot) 간섭계를 사용한 트랜스듀서를 사용할 수 있다. 이때, 수신 소자가 음향파를 수신하여 전기신호를 출력 가능한 한, 어떠한 트랜스듀서를 수신 소자로서 채용해도 된다.
지지체(420)는, 기계적 강도가 높은 금속 재료 등으로 구성되어 있어도 된다. 본 실시형태에 있어서, 지지체(420)는 반구 쉘 형상이며, 반구 쉘 위에 수신 소자군(410)을 지지하도록 구성된다. 이 경우, 각 수신 소자의 지향축은 반구의 곡률중심 부근의 위치에 모인다. 이들 수신 소자로부터 출력된 전기신호군을 사용해서 영상화를 행할 때, 곡률중심 부근의 위치의 화질이 높다. 그러나, 지지체(420)가 수신 소자군(410)을 지지 가능한 한, 지지체(420)는 어떠한 구성을 가져도 된다.
신호 데이터 수집부(600)
신호 데이터 수집부(600)는, 각 수신 소자(411 내지 414)로부터 출력된 아날로그 신호인 전기신호를 증폭하는 증폭기와, 증폭기로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기를 포함한다. 신호 데이터 수집부(600)로부터 출력되는 디지털 신호는, 컴퓨터(700) 내의 메모리(710)에 기억된다. 신호 데이터 수집부(600)는, data acquisition system(DAS)으로도 불린다. 본 명세서에서는, 전기신호는 아날로그 신호와 디지털 신호를 포함하는 개념이다.
컴퓨터(700)
컴퓨터(700)는, 메모리(710), 광학계수 취득부(720), 초기 음압 취득부(730), 음속 취득부(740), 광 플루언스(fluence) 취득부(750), 광 흡수계수 취득부(760), 제어부(770) 및 농도 취득부(780)를 포함한다.
메모리(710)는, 자기디스크나 플래시 메모리 등의 비일시 기억매체로 구성할 수 있다. 이와 달리, 메모리(710)는, dynamic random access memory(DRAM) 등의 휘발성의 매체이어도 된다. 이때, 프로그램이 격납되는 기억매체는 비일시 기억매체이다.
광학계수 취득부(720), 음속 취득부(740), 초기 음압 취득부(730), 광 플루언스 취득부(750), 광 흡수계수 취득부(760) 및 농도 취득부(780) 등의 연산 기능을 갖는 유닛은, CPU나 그래픽 프로세싱 유닛(GPU)인 프로세서, 또는 field programmable gate array(FPGA) 칩 등의 연산 회로로 구성될 수 있다. 이들 유닛은, 단일의 프로세서나 단일의 연산 회로로 구성될 뿐만 아니라, 복수의 프로세서나 복수의 연산 회로로 구성되어 있어도 된다.
제어부(770)는, CPU 등의 연산 소자로 구성된다. 제어부(770)는, 입력부(900)로부터의 촬영 개시 등의 각종 조작에 의해 신호를 받고, 광음향장치의 각 구성을 제어한다. 또한, 제어부(770)는, 메모리(710)에 격납된 프로그램 코드를 판독하여, 광음향장치의 각 구성의 동작을 제어한다.
컴퓨터(700)는, 신호 데이터 수집부(600)로부터 출력된 디지털 신호를 기억하고, 기억된 디지털 신호에 근거하여 피검체 정보를 취득하는 장치이다. 컴퓨터(700)가 행하는 처리의 상세에 대해서는 후술한다.
이때, 컴퓨터(700)의 각 기능은 다른 하드웨어로 구성되어도 된다. 이와 달리, 수신부(400), 신호 데이터 수집부(600) 및 컴퓨터(700)는, 1개의 하드웨어로 구성되어도 된다. 이와 달리, 각 구성의 적어도 일부가 1개의 하드웨어로 구성되어도 된다. 예를 들면, 수신부(400)와 신호 데이터 수집부(600)가 1개의 하드웨어로 구성되어도 된다.
도 2는, 본 실시형태에 따른 컴퓨터(700)의 구체적인 구성을 나타낸다. 본 실시형태에 따른 컴퓨터(700)는, CPU(701), GPU(702), RAM(703), ROM(704) 및 외부 기억장치(705)로 구성된다. 또한, 컴퓨터(700)에는, 표시부(800)로서 기능하는 액정 디스플레이(801)와 입력부(900)로서 기능하는 마우스(901) 및 키보드(902)가 접속되어 있다.
표시부(800)
표시부(800)는, 액정 디스플레이나 유기 일렉트로 루미네센스(EL) 등의 디스플레이다. 표시부(800)는, 컴퓨터(700)에 의해 얻어진 음속 정보, 광학계수 정보, 또는 피검체 정보 등에 근거한 화상, 특정 위치의 수치 등을 표시하는 장치이다. 표시부(800)는, 화상과 장치를 조작하기 위한 GUI를 표시해도 된다.
입력부(900)
입력부(900)는, 예를 들어, 유저가 조작가능한 마우스와 키보드로 구성될 수 있다. 이와 달리, 표시부(800)를 터치패널로 구성하고, 표시부(800)가 입력부(900)로서의 역할을 해도 된다.
광음향장치의 각 구성은 각각 다른 장치로서 구성하거나, 일체로 된 1개의 장치로서 구성하여도 된다. 이와 달리, 광음향장치의 적어도 일부의 구성이 일체로 된 1개의 장치로서 구성되어도 된다.
음향 정합재(1100)
음향 정합재(1100)는 광음향장치의 구성이 아니지만 설명한다. 음향 정합재(1100)에 대해서는, 물, 초음파 젤 등이 사용된다. 음향 정합재(1100)는, 유지부(300)와 수신 소자(411 내지 414) 사이를 음향파가 전파할 수 있도록 하기 위한 것이다. 음향 정합재(1100)는 음향파 감쇠가 적은 재료이어도 된다. 조사 광이 음향 정합재를 투과하는 경우, 음향 정합재는 조사 광에 대해 투명해도 된다.
이하, 도 3에 나타낸 흐름도를 참조하여, 본 실시형태에 따른 광음향장치의 동작을 설명한다.
S100: 광음향파에 근거하여 신호 데이터를 취득하는 단계
광원(110)으로부터 방출된 빛은, 광학계(120)로서의 역할을 하는 번들 파이버에 의해 피검체(1000)로 이끌린다. 광학계(120)는, 빛을 유지부(300)를 거쳐 피검체(1000)에 조사한다. 피검체(1000) 내부의 광흡수체는, 조사된 빛을 흡수하여, 체적팽창함으로써, 광음향파를 발생한다. 이 광음향파는, 피검체(1000) 및 음향 정합재(1100)를 전파하여, 수신 소자군(410)에 도달한다. 각 수신 소자(411 내지 414)가 이 광음향파를 수신하여, 전기신호를 출력한다. 이에 따라, 수신 소자군(410)은 전기신호군을 출력한다. 수신 소자로부터 출력되는 전기신호는, 수신 소자에 도달한 광음향파의 압력의 시간 변동을 표시하는 시계열의 신호이다.
신호 데이터 수집부(600)는, 수신 소자군(410)으로부터 출력된 아날로그 신호군인 전기신호군을 디지털 신호군으로 변환한다. 이 디지털 신호군은 메모리(710)에 기억된다. 즉, 광음향파에 근거한 신호 데이터가 메모리(710)에 기억된다.
또한, 구동부(500)가 수신부(400)를 이동시켜, 수신부(400)가 서로 다른 복수의 위치에서 광음향파를 수신해도 된다. 구동부(500)는, 구동력을 발생시키는 스테핑 모터 등의 모터와, 구동력을 전달하는 구동기구와, 수신부(400)의 위치 정보를 검출하는 위치센서를 포함한다. 구동기구로서는, 예를 들어, 리드 스크류 기구, 링크 기구, 기어 기구, 또는 유압 기구를 사용할 수 있다. 위치센서로서는, 예를 들어, 인코더, 또는 가변 저항기 등의 전위차계를 사용할 수 있다. 구동부(500)는 피검체(1000)와 수신부(400)의 상대 위치를 1차원, 2차원, 또는 3차원으로 변경시킬 수 있다.
구동부(500)가 피검체(1000)와 수신부(400)의 상대적인 위치를 변경할 수 있다면, 구동부(500)가 수신부(400)를 고정하고 피검체(1000)를 이동시켜도 된다. 피검체(1000)를 이동시키기 위해, 피검체(1000)를 유지하는 유지부(300)를 움직임으로써 피검체(1000)를 이동시키는 구성을 생각할 수 있다. 이와 달리, 구동부(500)는, 피검체(1000)와 수신부(400)의 양쪽을 이동시켜도 된다. 또한, 구동부(500)는, 상대 위치를 연속적으로 이동시키거나, 스텝 앤드 리피트(step and repeat)에 의해 이동시켜도 된다.
S200: 광학계수 정보를 취득하는 단계
광학계수 취득부(720)는, 피검체의 광학계수 정보를 취득한다. 광학계수 취득부(720)는, 공지의 모든 방법에 의해 피검체의 광학계수 정보를 취득해도 된다.
본 실시형태에 따른 광학계수 정보는, 피검체(1000)가 균질한 매질이라는 가정에 근거하여 얻어지는 광 흡수계수 μa, 등가 산란 계수(reduced scattering coefficient) μs', 및 유효 감쇠 계수 μeff의 적어도 1개의 대표값을 나타낸다. 즉, 본 실시형태에 있어서 피검체의 광학계수 정보는, 피검체(1000)의 각 위치에 있어서의 광학계수가 일정하다고 가정했을 때에 얻어지는 광학계수의 대표값을 나타낸다.
이와 달리, 메모리(710)에 기억된 광음향파에 근거한 신호 데이터로부터 생성되는 분포 정보로서의 피검체 정보(광음향 화상 데이터)를 해석함으로써, 피검체의 광학계수 정보를 취득해도 된다. 예를 들면, 일본국 특개 2009-18153호 공보 또는 일본국 특개 2010-088627호 공보에 기재된 것 같이 광학계수 취득부(720)는 광음향파에 유래하는 신호 데이터에 근거하여 피검체의 광학계수 정보를 취득해도 된다.
이와 달리, 광학계수 취득부(720)는, 유저가 입력부(900)를 사용해서 입력한 정보를 수신함으로써, 광학계수 정보를 취득해도 된다.
이와 달리, 광학계수 취득부(720)는, time-resolved Spectroscopy(TRS))장치나 확산 광 토모그래피(diffuse optical tomography: DOT)장치가 측정한 피검체의 광학계수 정보를 입력함으로써 광학계수 정보를 취득해도 된다.
피검체(1000)로서의 유방에 있어서는, 대략적인 경향으로서 나이에 따라 유선층의 비율이 줄어들고 지방층이 지배적이 된다. 또한, Kazunori Suzuki, JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS 1(3), 330-334(JULY 1996)에는, 나이에 따른 광학계수의 변화에 대해 기재되어 있다. 이 때문에, 예를 들면, 메모리(710)에는, 연령과 광학계수 정보 사이의 관계식 또는 관계 테이블이 격납되어 있어도 된다. 이 경우, 유저가 입력부(900)를 사용해서 연령에 관한 정보를 입력하면, 광학계수 취득부(720)가 그 연령정보에 대응하는 광학계수 정보를 메모리(710)로부터 판독하거나, 또는 관계식에 따라 광학계수 정보를 산출해도 된다.
이상의 방법에 의해, 측정마다 피검체의 광학계수 정보를 취득할 수 있다. 이전에 동일한 피검체의 광학계수 정보를 취득한 경우, 이전에 취득한 광학계수 정보를 메모리(710)로부터 판독하여 취득해도 된다.
또한, 조사 광의 전파 경로에 포함되는, 피검체 이외의 구성(유지부(300) 또는 음향 정합재(1100))의 광학계수 정보에 대해서도, 전술한 공지의 방법에 의해, 피검체의 광학계수 정보와 마찬가지로 취득해도 된다. 피검체 이외의 구성의 광학계수 정보가 기지인 경우, 광학계수 정보를 메모리(710)에 미리 격납해 두고, 메모리(710)로부터 판독하여 취득해도 된다.
본 실시형태에서는 피검체의 광학계수의 대표값이 광학계수 정보로서의 역할을 했지만, 제2 실시형태에서 후술하는 것과 같이, 피검체의 각 위치에 있어서의 광학계수의 값을 표시하는 분포 정보가 피검체의 광학계수 정보로서의 역할을 해도 된다. 이와 달리, 조사 광의 전파 경로가 모두 균질한 매질이라는 가정에 근거하여 얻어지는 광학계수의 대표값이 광학계수 정보로서의 역할을 해도 된다.
S300: 음속 정보를 취득하는 단계
메모리(710)에는, 음속 정보와 광학계수 정보의 관계를 표시하는 관계식 또는 관계 테이블이 격납되어 있다. 음속 취득부(740)는, 메모리(710)에 격납된 관계식에 따라, 광학계수 취득부(720)에 의해 취득된 피검체의 광학계수 정보에 근거하여 피검체의 음속 정보를 산출한다. 이와 달리, 음속 취득부(740)는, 광학계수 취득부(720)에 의해 취득된 피검체의 광학계수 정보에 대응하는 피검체의 음속 정보를, 메모리(710)에 격납된 관계 테이블로부터 판독한다.
본 실시형태에 있어서 피검체의 음속 정보는, 피검체가 균질한 매질이라는 가정에 근거하여 얻어지는 피검체에서의 음속의 대표값을 가리킨다. 즉, 본 실시형태에 있어서 피검체의 음속 정보는, 피검체(1000)의 각 위치에 있어서의 음속이 일정하다고 가정했을 때에 얻어지는 음속의 대표값을 가리킨다.
본 실시형태에서는, 피검체의 음속의 대표값이 음속 정보로서의 역할을 했지만, 제2 실시형태에서 후술하는 것과 같이, 피검체의 각 위치에 있어서의 음속의 값을 표시하는 분포 정보가 피검체의 음속 정보로서의 역할을 해도 된다. 이와 달리, 음향파의 전파 경로가 모두 균질한 매질이라는 가정에 근거하여 얻어지는 음속의 대표값이 음속 정보로서의 역할을 해도 된다.
피검체 이외의 구성의 음속에 대해서도, 피검체의 음속 정보와 마찬가지로, 광학계수 정보에 근거하여 취득해도 된다. 또한, 피검체 이외의 구성의 음속 정보가 기지인 경우, 음속 정보를 메모리(710)에 미리 격납해 두고, 메모리(710)로부터 판독하여 취득해도 된다.
여기에서, 음속 정보와 광학계수 정보의 관계에 대해 설명한다. 피검체(1000)로서 유방을 상정한 경우에 대해 설명한다. 피검체의 음속과 광학계수의 측정 결과로서, 이 2개의 파라미터가 관계성을 갖는다는 것이 밝혀졌다. 유방의 주된 구조물은 지방 및 유선을 포함한다. 유방은 지방층과 유선층을 포함하는 2개의 층을 갖고, 이들 층의 비율과 분포가 개인에 따라 다른 것이 알려져 있다. 일반적으로, 지방층의 음속은 1422 내지 1470m/s, 유선층의 음속은 1510 내지 1530m/s이다. 즉, 지방층이 증가하면 음속이 감소하고, 유선층이 증가하면 유속이 증가한다.
광학계수 정보는, 지방과 유선 내에 존재하는 혈액에 의해 영향을 받는다. 예를 들면, 혈액 내의 헤모글로빈의 광 흡수계수는, 지방과 유선의 광 흡수계수에 비해, 특히 800nm 부근의 파장에서 크게 영향을 받는다. 이 때문에, 조직 내의 단위체적당의 혈관 밀도가 0.1% 정도이더라도, 지방과 유선 조직의 광 흡수계수에 대해 유의한 차이가 나타난다. 또한, 지방층과 유선층을 비교하면, 일반적으로, 해부학적으로 유선층에서 혈관 밀도가 더 높다. 따라서, 유선층을 다량으로 갖는 피검체에서는, 음속이 높아지는 경향이 있고, 또한 근적외의 파장(800nm 부근)에 있어서의 피검체의 광 흡수계수가 커지는 경향이 있다고 생각할 수 있다. 전술한 것과 같이, 음속 정보와 광학계수 정보의 관계는, 유방 내의 조직 성분에 상관이 있다고 생각할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는, 시뮬레이션에 의해 유방의 구조를 변화시켰을 때에 얻어지는, 음속 정보와 광학계수 정보(μa 및 μs')의 관계를 나타낸 산포도이다. 도 4a에 있어서, 횡축은 음속을 나타내고, 종축은 광 흡수계수 μa를 나타내고 있다. 도 4b에 있어서, 횡축은 음속을 나타내고, 종축은 유방 내의 등가 산란 계수 μs'를 나타내고 있다. 이 계산에 있어서, 피검체의 조직 성분이 모든 위치에서 균일하였다는 가정에 근거하여. 광 흡수계수 및 등가 산란 계수의 대표값을 산출하였다. 또한, 유선층과 지방층의 비율, 피검체의 온도, 유선층 내의 물의 비율, 유선층과 지방층 내의 혈관 밀도와, 혈액의 산소 포화도를 랜덤하게 변화시켜서 계산을 행하였다. 이 계산에 있어서, 지방의 비율은 30% 내지 90%의 범위에서 변화시켰고, 유선의 비율을 10% 내지 70%의 범위에서 변화시켰다. 혈관 밀도는 0.1% 내지 1.1%의 범위에서 변화시켰다. 산소 포화도는 70% 내지 100%의 범위에서 변화시켰다. 또한, 혈액 내에 있는 적혈구(헤마토클릿(hematocrit))의 양을 46%±6%의 범위에서 변화시켰고, 헤모글로빈 몰 농도를 0.0023876±0.00029(M/L)의 범위에서 변화시켰다. 음속을, 각 구조의 음속의 통계값을 사용해서 계산하였다. 광 흡수계수 μa 및 등가 산란 계수 μs'를, 795nm의 파장에 대한, 지방, 유선, 물, 옥시헤모글로빈, 및 디옥시헤모글로빈의 몰러(molar) 광 흡수계수 및 몰러 등가 산란 계수를 사용해서 계산하였다.
도 4a 및 도 4b에 나타낸 계산 결과를, 광학계수 정보와 음속 정보의 관계를 표시하는 관계 테이블로서, 메모리(710)에 격납할 수 있다. 또한, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 것과 같은 계산 결과로부터 근사식을 구하여, 광학계수 정보와 음속 정보의 관계를 표시하는 관계식으로서 메모리(710)에 격납할 수 있다. 예를 들면, 1차 또는 고차 함수 근사, 대수 함수 근사, 또는 지수함수 근사 등의 모든 종류의 근사에 의해 관계식을 구할 수 있다.
예를 들면, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 계산 결과에 대해 최소 제곱법에 의해 1차 함수 근사식을 구함으로써, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 근사식(그래프)을 얻었다. 도 5a 및 도 5b에 나타낸 근사식과 계산 결과의 상관 R은, 광 흡수계수에 대해서는 R=0.6913이었고, 등가 산란 계수에 대해서는 R=0.5508이었다. 어느쪽의 경우도 유의 확률 p는 0.000 이하이다.
또한, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 계산 결과에 대해 최소 제곱법에 의해 3차 함수 근사식을 구함으로써, 도 6a 및 도 6b에 나타낸 근사식(그래프)을 얻었다. 도 6a 및 도 6b에 나타낸 근사식과 계산 결과의 상관 R은, 광 흡수계수에 대해서는 R=0.6928이었고, 등가 산란 계수에 대해서는 R=0.5781이었다. 어느쪽의 경우도 유의 확률 p는 0.000 이하이다.
또한, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 계산 결과에 대해 최소 제곱법에 의해 대수 함수 근사식을 구함으로서, 도 7a 및 도 7b에 나타낸 근사식(그래프)을 얻었다. 도 7a 및 도 7b에 나타낸 근사식과 계산 결과의 상관 R은, 광 흡수계수에 대해서는 R=0.7313이었고, 등가 산란 계수에 대해서는 R=0.5948이었다. 어느쪽의 경우도, 유의 확률 p는 0.000 이하이다.
이와 달리, 2개의 1차 함수 근사식을 조합한 관계식을 취득하여, 메모리(710)에 격납해도 된다. 예를 들면, 피검체가 유방인 경우, 일반적으로, 지방층의 음속은 1422 내지 1470m/s 정도의 범위를 갖고, 유선층의 음속은 1510 내지 1530m/s 정도의 범위를 갖는다. 이 때문에, 1470m/s 내지 1510m/s의 음속의 범위에서 근사식을 전환해도 된다. 예를 들면, 1475m/s가 지방층의 음속과 유선층의 음속의 경계라고 가정할 때, 이 식을 2개의 근사식으로 나누어도 된다. 이 경우, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 계산 결과에 대하여, 음속이 1475m/s 이하인 영역에 있어서의 1차 함수 근사식과, 음속이 1475m/s보다도 큰 영역의 1차 함수 근사식을 구함으로써, 도 8a 및 도 8b에 나타낸 근사식(그래프)을 얻었다. 도 8a 및 도 8b에 나타낸 근사식과 계산 결과의 상관 R은, 광 흡수계수에 대해서는 R=0.7408이었고, 등가 산란 계수에 대해서는 R=0.5975이었다. 어느쪽의 경우도, 유의 확률 p는 0.000 이하이다. 이 결과로부터 이해되는 것 같이, 1개의 근사식에 의해 얻어진 관계식보다도, 복수의 근사식에 의해 얻어진 관계식에 대해 상관이 더 높다. 전술한 것과 같이, 복수의 근사식에 의해 근사한 상관값이 높은 관계식을 사용하여, 광학계수 정보로부터 음속 정보를 취득하는 것이 바람직하다. 측정할 대상의 구조나 메모리(710)에 기록되어 있는 근사식의 데이터에 따라서 음속의 경계 위치를 변경해도 된다. 또한, 2개의 1차 함수 근사식의 조합에 한정되지 않고, 피검체에 따라, 복수의 바람직한 근사식을 조합한 관계식을 사용해도 된다.
이와 달리, 메모리(710)에 복수의 관계식과 복수의 관계식에 대한 상관값 혹은 편차값을 기록하고, 광학계수 취득부에 의해 취득한 광학계수 부근에 있어서 상관값을 증가시키거나 편차값을 감소시키는 관계식을 선택하여, 이 관계식을 음속 정보의 취득에 사용해도 된다.
광학계수 및 음속 이외에, 파장과 조직 밀도 등의 음속 이외의 파라미터에 대한 관계 테이블 또는 관계식이 메모리(710)에 격납되어도 된다. 후술하는 제3 실시형태와 같이 복수의 파장의 빛을 사용하는 경우, 광학계수는 파장에 의존하기 때문에, 조사 광의 파장마다 음속과 광학계수의 관계 테이블 또는 관계식을 준비해도 된다.
또한, 피검체로서 유방을 생각하면, 유선 조직의 밀도(유선 밀도)에 의해 광학계수와 음속의 관계 테이블 또는 관계식을 변경해도 된다. 즉, 메모리(710)에 유선 밀도 또는 유선 밀도의 카테고리에 대응하는 관계 테이블 또는 관계식이 보존되어 있어도 된다. 그리고, 음속 취득부(740)가, 피검체의 유선 밀도에 관한 정보를 취득하고, 측정 대상의 피검체의 유선 밀도의 카테고리에 대응하는 관계 테이블 또는 관계식을 판독하고, 관계 테이블 또는 관계식을 사용해서 음속 정보를 취득해도 된다. 유선 밀도에 관한 정보는, 유선 밀도 또는 유선 밀도의 카테고리를 포함하는 개념이다.
유선 화상 보고 데이터 시스템(Breast Imaging Reporting And Data System: BI-RADS)에 따르면, 유선 밀도는, a. 균일한 지방성 유선, b. 산재형 지방 유선, c. 유선 밀도가 높은 유선, d. 매우 유선 밀도가 높은 유선을 포함하는 4개의 카테고리로 나뉜다. 카테고리 a, b, c 및 d의 순서로 유선 밀도가 높아지는 경향이 있다.
도 9는, 도 4a 및 도 4b에 나타낸 산포도에 대한 유선 밀도의 카테고리마다의 광학계수와 음속의 관계를 표시하는 그래프이다. 전술한 유선 밀도의 카테고리 a 내지 d에 대응하는 그래프는 도 9에 도시된 그래프에 나타낸 것과 같은 것으로 생각된다. 그래프 A는, a. 균일한 지방성 유선의 카테고리에 대응한다. 그래프 B는, b. 산재형 지방 유선의 카테고리에 대응한다. 그래프 C는, c. 유선 밀도가 높은 유선의 카테고리에 대응한다. 그래프 D는, d. 매우 유선 밀도가 높은 유선의 카테고리에 대응한다.
도 9에 나타낸 것과 같이, 거의 동등한 광학계수를 취득했을 때 유선 밀도가 낮은 피검체의 음속은 낮고, 유선 밀도가 높은 피검체의 음속은 높다고 생각할 수 있다. 이 때문에, 음속과 광학계수의 관계는 카테고리에 따라 다르다. 이 때문에, 음속 취득부(740)는, 유선 밀도를 파라미터로 사용하면서, 유선 밀도에 대응하는 관계식 또는 관계 테이블을 사용함으로써, 피검체의 음속 정보를 고정밀도로 취득할 수 있다. 입력부(900)는, 유저가 유선 밀도 또는 유선 밀도의 카테고리를 지정 할 수 있도록 구성되어 있어도 된다. 이와 달리, 유선 밀도 측정부로서의 X선 매모그래피(mammography), MRI 또는 CT 등의 모댈리티(modality)에 의해 취득된 화상 데이터에 근거하여, 유선 밀도 또는 유선 밀도의 카테고리를 추정해도 된다. 유선 밀도, 파장, 광학계수 및 음속의 관계 테이블 또는 관계식이 메모리(710)에 격납되어도 된다. 또한, 연령, 성별, 인종 등의 음속에 영향을 미치는 파라미터와 광학계수와 음속의 관계 테이블 또는 관계식이 메모리에 격납되어 있어도 된다. 메모리는, 각종 파라미터의 복수의 값에 대응하는 관계 테이블을 격납하고 있어도 된다. 음속 취득부(740)는, 광학계수 이외에, 유선 밀도, 파장, 연령, 성별 및 인종의 적어도 한개를 입력 파라미터로 사용하고, 입력 파라미터에 대응하는 관계 테이블 또는 관계식을 메모리로부터 판독하여, 음속 정보를 취득해도 된다.
음속과 광학계수의 관계 테이블 또는 관계식과 추가로 관계되는 파라미터는, 유저에 의해 입력부(900)를 사용해서 지정해도 된다. 음속 취득부는, 유저에 의해 지정된 파라미터에 대응하는 관계 테이블 또는 관계식을 사용해서 음속 정보를 취득해도 된다.
또한, 메모리(710)에 격납되는 관계 테이블 또는 관계식은 재기록하여도 된다.
S400: 초기 음압 분포를 취득하는 단계
피검체 정보 취득부로서의 역할을 하는 초기 음압 취득부(730)는, 메모리(710)에 기억된 전기신호군과, S300에서 취득된 음속 정보와, 각 수신 소자(411 내지 414)의 위치 정보에 근거하여, 피검체(1000) 내의 초기 음압 분포를 취득한다. 초기 음압 분포를 재구성하는 수법에 대해서는, 타임 도메인 재구성 수법, 푸리에 도메인 재구성 수법 또는 모델 베이스 재구성 수법(반복 재구성 수법) 등의 공지의 재구성 수법을 채용할 수 있다. 예를 들면, Physical Review E71, 016706(2005)에 기재된 것 같은 universal back-projection(UBP)로 불리는 타임 도메인 재구성 수법을 채용할 수 있다.
초기 음압 취득부(730)는, 메모리(710)에 미리 기억된 각 수신 소자(411 내지 414)의 위치 정보를 판독해도 된다. 이와 달리, 초기 음압 취득부(730)는, 광 조사를 트리거로 하여, 구동부(500)에 구비된 위치센서로부터 수신부(400)의 위치 정보를 수신함으로써, 각 수신 소자(411 내지 414)의 위치 정보를 취득해도 된다.
S500: 광 플루언스 분포를 취득하는 단계
광음향파는, 피검체에 조사된 빛을 흡수하는 에너지를 음압으로 변환함으로써 발생한다. 광음향파가 발생할 때의 초기 음압 P0은 식 (1)로 나타낼 수 있다.
P0(r)=Γ(r)·μa(r)·φ(r) …(1)
이때, r은 피검체 내의 위치를 표시하고, P0은 광음향파의 수신 신호에 근거하여 취득되는 초기 음압을 표시하고, Γ는 조직이 결정될 때 고유하게 결정되는 기지의 파라미터인 그루나이젠(Gruneisen) 계수이고, μa는 광 흡수계수를 표시하고, φ은 광 플루언스를 나타낸다.
식 (1)을 참조하면, 피검체 내의 광 흡수계수 분포를 취득하기 위해서는, 피검체에 조사된 빛의 피검체의 각 위치에 있어서의 광 플루언스를 계산할 필요가 있는 것이 이해된다.
피검체 정보 취득부로서의 역할을 하는 광 플루언스 취득부(750)는, S200에서 얻어진 광학계수 정보에 근거하여, 피검체(1000)에 조사된 빛의 피검체(1000) 내에서의 광 플루언스 분포를 취득한다. 즉, 광 플루언스 취득부(750)는, 피검체 내의 각 위치에 조사된 광 플루언스의 값을 취득한다.
광 플루언스 취득부(750)는, 광학계수 정보에 근거하여 공지의 수법에 의해 광 플루언스 분포를 취득할 수 있다. 예를 들면, 광 플루언스 취득부(750)는, 광학계수 정보 이외에, 광 조사부(100)로부터 출사된 빛의 면내 강도 분포 및 피검체의 형상 등의 파라미터에 근거하여 광 플루언스 분포를 취득해도 된다. 측정마다 강도 분포 취득부(미도시)가 빛의 면내 강도 분포를 취득하고, 형상 취득부(미도시)가 피검체의 형상을 취득해도 된다. 또한, 미도시의 광량계(파워미터)가 조사 광의 총광량을 계측해도 된다. 광 플루언스의 계산 수법에 대해서는, 유한요소법, 몬테카를로법 등을 사용해도 된다. 예를 들면, 일본국 특개 2011-206192에 기재된 방법에 의해 광 플루언스 분포를 취득해도 된다.
S600: 광 흡수계수 분포를 취득하는 단계
피검체 정보 취득부로서의 역할을 하는 광 흡수계수 취득부(760)는, S400에서 취득된 초기 음압 분포와 S500에서 취득된 광 플루언스 분포에 근거하여 광 흡수계수 분포를 취득한다. 광 흡수계수 취득부(760)는, 식 (1)에 따라, 관심 영역의 각 위치에 있어서의 초기 음압 P0을 광 플루언스 φ로 나눔으로써, 광 흡수계수 μa를 취득할 수 있다. 그루나이젠 계수 Γ가 기지라는 가정에 근거하여, 광 흡수계수 취득부(760)는, 미리 메모리(710)에 격납된 그루나이젠 계수를 판독하여 계산에 사용해도 된다.
본 실시형태에 있어서, S600에서 얻어지는 광 흡수계수 분포는 피검체의 각 위치에 있어서의 광 흡수계수의 값을 나타낸 분포 정보이며, S200에 있어서 피검체가 균질한 매질이라는 가정에 근거하여 얻어진 광 흡수계수와는 다르다. 광음향파에 대한 수신 소자(411 내지 414)는 수신 대역 특성을 갖는다. 수신 대역 특성은 광음향파의 주파수에 대한 수신 감도 특성이다. 광음향파의 발생원인 광흡수체의 크기에 따라 광음향파의 주파수대가 다르다. 그 결과, 수신 소자가 수신할 수 있는 주파수를 발생하는 크기를 갖는 광흡수체가 주로 화상화된다. 예를 들면, 수신 소자의 수신 대역의 중심 주파수가 3MHz이고, 피검체의 음속이 1480m/s일 때, 이 수신 소자에서 측정할 수 있는 광흡수체의 크기는 약 0.370mm 내지 약 1.48mm의 범위를 갖는다. 특히 측정에 적합한 크기는 약 0.493mm이다. 즉, 이 경우, 0.370mm보다 작은 크기를 갖는 광흡수체 및 1.48mm보다 큰 크기를 갖는 광흡수체를 화상화하는 것은 곤란하다. 따라서, 광음향 측정에 의해 얻어지는 광 흡수계수 분포는, 수신 대역 특성에 의존하는 분해능을 갖는 광 흡수계수 분포이다.
S700: 광 흡수계수 분포의 화상을 표시하는 단계
제어부(770)는, 피검체(1000)의 광 흡수계수 분포의 데이터를 표시부(800)에 송신하고, 광 흡수계수 분포의 화상과, 광 흡수계수 분포중의 특정 위치의 수치 등을 표시부(800)에 표시시킨다. 피검체 정보가 3차원 정보인 경우, 제어부(770)는, 임의의 단면을 따라 절단한 단층 화상, 최대값 투영(maximum intensity projection: MIP) 화상, 또는 볼륨 렌더링에 의해 처리된 화상 등을 표시시킬 수 있다. 예를 들면, 3D 화상을 복수의 다른 방향에서 표시해도 된다. 또한, 표시 화상의 기울기, 표시 영역, 윈도우 레벨 및 윈도우 폭을, 이용자가 표시부(800)의 표시를 확인하면서 입력부(900)를 사용해서 변경하여도 된다. 제어부(770)는, S100에서 얻어진 신호 데이터, S200에서 얻어진 광학계수 정보, S300에서 얻어진 음속 정보, S400에서 얻어진 초기 음압 분포, 또는 S500에서 얻어진 광 플루언스 분포를 표시부(800)에 표시시켜도 된다. 입력부(900)는, 각각의 정보의 표시의 ON/OFF를 전환하도록 구성되어도 된다. 또한, 표시 형식에 대해서는, 예를 들면, 중첩 표시나 병렬 표시를 채용해도 된다.
본 실시형태에 따른 광음향장치를 사용하면, 피검체의 광학계수 정보에 근거하여 피검체의 참값에 가까운 음속 정보를 취득할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 따른 광음향장치를 사용하면, 광학계수 정보에 근거해서 얻어진 참값에 가까운 음속 정보를 사용하여, 피검체 정보로서의 초기 음압 분포를 취득할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 따른 광음향장치를 사용하면, 관련기술의 참값으로부터 벗어난 음속을 사용해서 얻어진 피검체 정보에 비해 더 높은 분해능 및 콘트라스트를 갖는 피검체 정보를 취득할 수 있다.
제2 실시형태
제1 실시형태에서는, 피검체(1000)가 균질한 매질이라는 가정에 근거하여 음속의 대표값을 피검체의 음속 정보로서 취득한다. 그러나, 본 실시형태에서는, 피검체(1000)의 각 위치에 있어서의 음속의 값을 표시하는 분포 정보를 피검체의 음속 정보로서 취득하는 예를 설명한다. 본 실시형태에 따른 장치 구성은 제1 실시형태와 유사하다. 이하, 제1 실시형태와 다른 부분에 대해 설명한다.
광학계수 취득부(720)는, S200에서 설명한 것 같은 공지의 수법에 의해, 피검체(1000)의 광학계수 분포를 취득한다.
광학계수 취득부(720)는, 광음향장치를 이용해서 얻어진 신호 데이터에 근거하여 광학계수 분포를 취득해도 된다.
이와 달리, 광학계수 취득부(720)는, 확산 광 토모그래피(diffuse optical tomography: DOT) 장치에 의해 측정된 피검체의 광학계수 분포를 입력함으로써 광학계수 정보를 취득해도 된다.
이와 달리, 광학계수 취득부(720)는, 광음향장치 이외의 모댈리티에 의해 얻어진 피검체(1000)의 구조 정보에 근거하여 피검체(1000)의 광학계수 정보를 취득해도 된다. 생체를 구성하는 각 구조에 있어서의 일반적인 광학계수는 알려져 있다. 따라서, 예를 들면, 초음파 진단장치, MRI 또는 CT 등의 다른 모댈리티 장치에 의해 얻어진 화상을 해석하는 것에 의해 얻어진 피검체 내의 각 위치의 구조를 특정하고, 각 구조에 대응하는 광학계수를 할당함으로써, 광학계수 분포를 취득해도 된다.
광 플루언스 취득부(750)는, 광학계수 취득부(720)에 의해 얻어진 피검체의 광학계수 분포에 근거하여, 광 플루언스 분포를 취득해도 된다. 본 실시형태에 따르면, 피검체 내의 광학계수의 불균일성을 고려한 광학계수 정보를 사용하기 때문에, 제1 실시형태보다도 더 높은 정밀도로 광 플루언스 분포를 취득할 수 있다.
음속 취득부(740)는, 메모리(710)에 격납된 음속과 광학계수의 관계식 또는 관계 테이블에 따라, 피검체(1000)의 각 위치에 있어서의 광학계수의 값으로부터 피검체(1000)의 각 위치에 있어서의 음속의 값을 취득할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 있어서, 음속 취득부(740)는, 피검체(1000)의 광학계수 분포에 근거하여, 피검체(1000)의 음속 분포를 취득할 수 있다. 예를 들면, 음속 취득부(740)는, 피검체의 각 위치에 대한 관계식 또는 관계 테이블에 따라, 피검체의 각 위치에서의 음속이 값으로 광학계수의 값을 치환함으로써, 피검체(1000)의 광학계수 분포에 근거하여, 피검체(1000)의 음속 분포를 취득한다.
음속 취득부(740)는, 광학계수 취득부(720)에 의해 얻어진 광학계수 정보에 대해 보간처리를 행하여, 원래의 광학계수 정보의 분해능 이상의 분해능을 갖는 광학계수 정보를 취득해도 된다. 더구나, 음속 취득부(740)는, 보간처리를 사용하여 처리한 광학계수 정보에 근거하여 음속 정보를 취득함으로써, 광학계수 취득부(720)에 의해 얻어진 광학계수 정보의 분해능보다 높은 분해능을 갖는 음속 정보를 취득할 수 있다.
이와 달리, 음속 취득부(740)는, 얻어진 음속 정보에 대해 보간처리를 행함으로써, 광학계수 정보의 분해능에 의해 결정되는 원래의 분해능보다도 높은 분해능을 갖는 음속 정보를 취득할 수도 있다.
이들 방법에 따르면, 광학계수 취득부(720)가 저분해능에서 광학계수 정보를 취득하더라도, 음속 취득부(740)는 고분해능으로 음속 정보를 취득할 수 있다. 따라서, 적은 계산량으로 고분해능을 갖는 음속 정보를 취득할 수 있다. 보간처리의 방법에 대해서는, 선형 보간, 큐빅 보간, 스플라인 보간, 또는 최근방 점 보간 등의 어떠한 보간처리를 사용해도 된다.
초기 음압 취득부(730)는, 전수한 것과 같이 얻어진 피검체의 음속 분포에 근거하여 초기 음압 분포를 취득할 수 있다. 본 실시형태에서는, 피검체(1000)의 음속 불균일성을 고려한 음속 정보를 취득하기 때문에, 초기 음압 취득부(730)는, 피검체(1000)의 음속 분포를 사용하여, 제1 실시형태보다도 높은 정밀도로 초기 음압 분포를 취득할 수 있다.
광 흡수계수 취득부(760)는, 초기 음압 취득부(730)에 의해 취득된 초기 음압 분포와, 광 플루언스 취득부(750)에 의해 취득된 광 플루언스 분포에 근거하여 광 흡수계수 분포를 취득한다.
제어부(770)는, 광 흡수계수 분포의 화상, 정 위치의 수치 등을 표시부(800)에 표시시킨다. 본 실시형태에 있어서, 제어부(770)는, 음속 취득부(740)에 의해 얻어진 음속 분포의 화상, 특정 위치의 수치 등을 표시부(800)에 표시시켜도 된다. 또한, 음속 취득부(740)에 의해 얻어진 음속 분포만을 표시하는 경우, S200 및 S300의 단계를 행하고, S100, S400, S500 및 S600의 단계를 생략해도 된다.
한편, 본 실시형태에 따르면, 음속 정보의 분해능이 광학계수 정보에 의존한다. 그 때문에, 본 실시형태에 따르면, 고분해능으로 광학계수 정보를 취득하는 것이 가능한 방법에 의해 얻어진 광학계수 정보에 근거하여 음속 정보를 취득함으로써, 고분해능을 갖는 음속 정보를 취득하는 것이 가능하다.
음속 분포 중, 미리 부위의 종류를 알고 있거나 또는 다른 이유로 인해 음속이 기지인 영역을, 광학계수값과는 관계없이 기지의 값으로 치환해도 된다.
본 실시형태에 따른 광음향장치는, 피검체의 광학계수 분포를 취득하고, 피검체의 광학계수 분포로부터 피검체의 음속 분포를 취득할 수 있다. 이에 따라, 제1 실시형태보다도 높은 정밀도로 취득된 초기 음압 분포와, 보다 높은 정밀도로 취득된 광 플루언스 분포에 근거하여, 제1 실시형태보다도 높은 정밀도로 광 흡수계수 분포를 취득할 수 있다.
제3 실시형태
본 실시형태에서는, 서로 다른 복수의 파장을 갖는 빛을 피검체에 조사함으로써 발생한 광음향파에 근거하여 분광 정보, 예를 들면, 피검체를 구성하는 물질의 농도에 관한 정보를 취득하는 예를 설명한다.
이하, 도 10에 나타낸 흐름도를 참조하여, 본 실시형태에 따른 광음향장치의 동작을 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 제1 실시형태 또는 제2 실시형태에 따른 광음향장치와 유사한 광음향장치를 사용한다.
본 실시형태에서는, 우선, 제1파장 λ1을 갖는 빛을 사용해서 S100 내지 S600의 단계를 행하고, 제1파장에 대응하는 광 흡수계수 분포를 취득한다. 제어부(770)는, 모든 파장에 대해 측정이 완료하였는지 아닌지를 판단한다(S800). 모든 파장에 대한 측정이 완료하지 않은 경우에는, 제어부(770)가, 광 조사부(100)로부터 방출된 빛의 파장을 변경하여, 재차 S100 내지 S600의 단계를 실행한다. 즉, 제2파장 λ2를 갖는 빛을 사용하여, S100 내지 S600의 단계를 행하고, 제2파장에 대응하는 광 흡수계수 분포를 취득한다. 본 실시형태에서, 메모리(710)는, 복수의 파장의 각각에 대응하는, 음속 정보와 광학계수 정보의 관계 테이블 또는 관계식을 기억하고 있다. 그리고, S300에 있어서, 음속 취득부(740)는, 각 파장에 대응하는 관계 테이블 또는 관계식을 메모리(710)로부터 판독하여, 파장마다의 음속 정보를 취득한다.
이어서, 피검체 정보 취득부로서의 역할을 하는 농도 취득부(780)는, 피검체를 구성하는 물질의 농도에 관한 정보로서 산소 포화도 분포를 취득한다(S900). 이하, 산소 포화도 분포를 취득하는 방법의 예를 설명한다.
λ1과 λ2가 조사 광의 파장이고, εHb와 εHbO2가 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 몰러 광 흡수계수[1/(mm·M)]이고, CHb와 CHbO2가 각 헤모글로빈의 농도[M]일 때, 각 파장에 대응하는 광 흡수계수 분포 μa는 식 (2)로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
산소 포화도 SO2은 총 헤모글로빈 농도에 대한 옥시헤모글로빈 농도의 비율이므로, 식 (3)으로 정의된다.
Figure pat00002
식 (2) 및 식 (3)으로부터, 산소 포화도 SO2은 식 (4)로 나타낸다.
Figure pat00003
몰러 광 흡수계수는 기지이기 때문에, 식 (4)로부터 이해되는 것 같이, 농도 취득부(780)는, 제1파장에 대응하는 광 흡수계수 분포와, 제2파장에 대응하는 광 흡수계수 분포에 근거하여 산소 포화도 분포를 산출할 수 있다.
또한, 광 전파가 평면적이라고 가정하는 경우, 식 (4) 중의 광 흡수계수비는 식 (5)에 의해 다음과 같이 구할 수 있다.
μa(λ1,r)/μa(λ2,r)=P0(λ1)φ0(λ1)/P0(λ2)φ0(λ2)·exp(μeff(λ1)d(r)-μeff(λ2)d(r)) …(5)
여기에서, d는 광 조사위치(피검체 표면)로부터의 거리이고, φ0은 광 조사위치에 있어서의 광 플루언스이다. 이 경우, 식 (4) 및 식 (5)로부터 이해되는 것 같이, 제1파장에 있어서의 등가 감쇠 계수와 제2파장에 있어서의 등가 감쇠 계수의 차이로부터 산소 포화도를 취득할 수 있다. 즉, 2개의 파장 사이의의 등가 감쇠 계수의 차이가 광학계수 정보로서의 역할을 하면서, 음속 정보와 광학계수 정보의 관계 테이블 또는 관계식을 메모리(710)에 격납해도 된다.
농도 취득부(780)는, 산소 포화도 이외에도, 지방, 콜라겐, 물, 헤모글로빈, 글루코오스 또는 분자 프로브의 농도 등의, 다른 파장에 근거한 데이터끼리의 비교를 통해 취득할 수 있는 데이터를 취득할 수 있다.
제어부(770)는, 농도 취득부(780)에 의해 얻어진 산소 포화도 분포의 화상, 특정 위치의 수치 등을 표시부(800)에 표시시킨다(S1000). 산소 포화도 분포의 화상과 함께, 초기 음압 분포 또는 광 흡수계수 분포의 화상을 표시해도 된다.
음속 정보는 파장 의존성이 낮기 때문에, 복수의 파장의 일부의 파장에 대응하는 광학계수 정보를, 음속 정보를 취득하기 위해서 사용해도 된다. 또한, 복수의 파장의 일부의 파장에 대응하는 음속 정보를, 나머지의 파장에 대응하는 광음향파의 수신 신호에 대한 처리에 사용해도 된다. 또한, 복수의 파장을 사용하여 얻어진 광학계수 정보로부터 얻어진 음속 정보의 평균값 또는 중앙값 등을, 복수의 파장에 대응하는 광음향파의 수신 신호에 대한 처리에 사용해도 된다.
예를 들면, 본 실시형태에 있어서, 광학계수 취득부(720)는, 제1파장에 대응하는 광학계수 정보를 취득한다. 그리고, 초기 음압 취득부(730)는, 제1파장에 대응하는 음속 정보와, 제2파장에 대응하는 전기신호에 근거하여, 제2파장에 대응하는 초기 음압 분포를 취득해도 된다. 또한, 음속 취득부(740)는, 제1파장에 대응하는 전기신호에 근거해서 얻어진 광학계수 정보를 사용하여, 제2 파장에 대응하는 관계 테이블 또는 관계식에 따라 제2파장에 대응하는 음속 정보를 취득해도 된다.
제1파장을 사용한 광음향파의 측정과 제2파장을 사용한 광음향파의 측정 사이의 간격을 짧게 하는 것이 바람직하다. 측정 간격이 증가하면, 피검체의 움직임이 일어날 가능성이 높아진다. 피검체가 움직이면, 파장들 사이의 화상에 어긋남(shift)이 생겨, 농도에 관한 정보의 취득 정밀도가 감소할 수도 있다. 이 때문에, 제1파장을 갖는 빛을 사용하여 S100의 단계를 행한 후에, 그 밖의 단계들 행하기 전에, 제2파장을 갖는 빛을 사용하여 S100의 단계를 행해도 된다.
기타 실시형태
본 발명의 실시형태는, 본 발명의 전술한 실시형태(들)의 1개 이상의 기능을 수행하기 위해 기억매체('비일시적인 컴퓨터 판독가능한 기억매체'로서 더 상세히 언급해도 된다)에 기록된 컴퓨터 실행가능한 명령(예를 들어, 1개 이상의 프로그램)을 판독하여 실행하거나 및/또는 전술한 실시예(들)의 1개 이상의 기능을 수행하는 1개 이상의 회로(예를 들어, 주문형 반도체 회로(ASIC)를 포함하는 시스템 또는 장치의 컴퓨터나, 예를 들면, 전술한 실시형태(들)의 1개 이상의 기능을 수행하기 위해 기억매체로부터 컴퓨터 실행가능한 명령을 판독하여 실행함으로써, 시스템 또는 장치의 컴퓨터에 의해 수행되는 방법에 의해 구현될 수도 있다. 컴퓨터는, 1개 이상의 중앙처리장치(CPU), 마이크로 처리장치(MPU) 또는 기타 회로를 구비하고, 별개의 컴퓨터들의 네트워크 또는 별개의 컴퓨터 프로세서들을 구비해도 된다. 컴퓨터 실행가능한 명령은, 예를 들어, 기억매체의 네트워크로부터 컴퓨터로 주어져도 된다. 기록매체는, 예를 들면, 1개 이상의 하드디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 분산 컴퓨팅 시스템의 스토리지, 광 디스크(콤팩트 디스크(CD), 디지털 다기능 디스크(DVD), 또는 블루레이 디스크(BD)TM 등), 플래시 메모리소자, 메모리 카드 등을 구비해도 된다.
본 발명은, 상기한 실시형태의 1개 이상의 기능을 실현하는 프로그램을, 네트워크 또는 기억매체를 개입하여 시스템 혹은 장치에 공급하고, 그 시스템 혹은 장치의 컴퓨터에 있어서 1개 이상의 프로세서가 프로그램을 읽어 실행하는 처리에서도 실행가능하다. 또한, 1개 이상의 기능을 실현하는 회로(예를 들어, ASIC)에 의해서도 실행가능하다.
예시적인 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 이러한 실시형태에 한정되지 않는다는 것은 자명하다. 이하의 청구범위의 보호범위는 가장 넓게 해석되어 모든 변형, 동등물 구조 및 기능을 포괄하여야 한다.

Claims (15)

  1. 빛을 피검체에 조사하도록 구성된 광 조사부와,
    상기 광 조사부로부터의 빛이 조사된 상기 피검체로부터 발생된 광음향파를 전기신호로 변환하도록 구성된 수신부와,
    상기 피검체의 광학계수 정보를 취득하도록 구성된 광학계수 취득부와,
    상기 광학계수 취득부에 의해 얻어진 상기 광학계수 정보를 사용하여, 상기 피검체의 음속 정보를 취득하도록 구성된 음속 취득부와,
    상기 전기신호와 상기 음속 정보를 사용하여, 피검체 정보를 취득하도록 구성된 피검체 정보 취득부를 구비한 광음향장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광학계수 취득부는, 상기 전기신호를 사용해서 상기 광학계수 정보를 취득하고,
    상기 음속 취득부는, 상기 전기신호를 사용해서 얻어진 상기 광학계수 정보를 사용해서 상기 음속 정보를 취득하는 광음향장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광학계수 취득부는, 상기 피검체의 광학계수의 대표값을 상기 광학계수 정보로서 취득하는 광음향장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 음속 취득부는, 상기 피검체의 광학계수의 대표값을 사용하여, 상기 피검체의 음속의 대표값을 상기 음속 정보로서 취득하는 광음향장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광학계수 취득부는, 상기 피검체의 각 위치에 있어서의 광학계수를 상기 광학계수 정보로서 취득하고,
    상기 음속 취득부는, 상기 피검체의 각 위치에 있어서의 광학계수를 사용하여, 상기 피검체의 각 위치에 있어서의 음속의 값을 상기 음속 정보로서 취득하는 광음향장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 피검체 정보 취득부는, 상기 전기신호, 상기 음속 정보 및 상기 광학계수 정보를 사용하여, 상기 피검체 정보를 취득하는 광음향장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 피검체 정보 취득부는,
    상기 전기신호와 상기 음속 정보를 사용하여, 상기 피검체 내의 초기 음압 분포를 취득하고,
    상기 광학계수 정보를 사용하여, 상기 피검체 내의 광 플루언스 분포를 취득하고,
    상기 초기 음압 분포와 상기 광 플루언스 분포를 사용하여, 상기 피검체 내의 광 흡수계수 분포에 관한 상기 피검체 정보를 취득하는 광음향장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 음속 정보와 상기 광학계수 정보의 관계 테이블 또는 관계식을 격납하는 메모리를 더 구비하고,
    상기 음속 취득부는, 상기 광학계수 취득부에 의해 얻어진 상기 광학계수 정보에 대응하는 상기 음속 정보를, 상기 메모리에 격납된 상기 관계 테이블 또는 상기 관계식을 사용해서 취득하는 광음향장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 메모리는, 서로 다른 유선 밀도에 관한 정보에 대응하는 복수의 상기 관계 테이블 또는 복수의 상기 관계식을 격납하고,
    상기 음속 취득부는, 상기 피검체의 유선 밀도에 관한 정보에 대응하는 상기 관계 테이블 또는 상기 관계식을 사용하여, 상기 음속 정보를 취득하는 광음향장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광 조사부는, 서로 다른 복수의 파장을 갖는 빛을 상기 피검체에 조사하고,
    상기 수신부는, 상기 광 조사부로부터의 상기 복수의 파장을 갖는 빛이 조사된 상기 피검체로부터 발생된 광음향파를, 상기 복수의 파장의 대응하는 전기신호로 각각 변환하고,
    상기 광학계수 취득부는, 상기 복수의 파장의 일부의 파장에 대응하는 광학계수 정보를 취득하고,
    상기 음속 취득부는, 상기 일부의 파장에 대응하는 광학계수 정보를 사용하여, 상기 음속 정보를 취득하고,
    상기 피검체 정보 취득부는, 상기 일부의 파장에 대응하는 광학계수 정보를 사용해서 얻어진 상기 음속 정보와, 상기 복수의 파장에 각각 대응하는 상기 전기신호를 사용하여, 상기 복수의 파장에 각각 대응하는 피검체 정보를 취득하는 광음향장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 피검체 정보 취득부는 상기 일부의 파장에 대응하는 광학계수 정보를 사용해서 얻어진 상기 음속 정보와, 상기 복수의 파장에 각각 대응하는 전기신호를 사용하여, 상기 복수의 파장에 각각 대응하는 초기 음압 분포를 취득하고,
    상기 광학계수 취득부는, 상기 복수의 파장의 각각에 대응하는 광학계수 정보를 취득하고,
    상기 피검체 정보 취득부는, 상기 복수의 파장에 각각 대응하는 상기 광학계수 정보를 사용하여, 상기 복수의 파장에 각각 대응하는 광 플루언스 분포를 취득하고,
    상기 피검체 정보 취득부는, 상기 복수의 파장의 각각에 대응하는 상기 초기 음압 분포와, 상기 복수의 파장의 각각에 대응하는 상기 광 플루언스 분포를 사용하여, 상기 피검체 정보를 취득하는 광음향장치.
  12. 음속 정보와 광학계수 정보의 관계 테이블 또는 관계식을 격납하는 메모리와,
    피검체의 광학계수 정보를 취득하도록 구성된 광학계수 취득부와,
    상기 메모리에 격납된 상기 관계 테이블 또는 상기 관계식에 따라, 상기 광학계수 취득부에 의해 취득된 상기 피검체의 상기 광학계수 정보에 근거하여, 상기 피검체의 음속 정보를 취득하도록 구성된 음속 취득부를 구비한 정보 취득장치.
  13. 피검체의 광학계수 정보를 취득하는 단계와,
    음속 정보와 광학계수 정보의 관계 테이블 또는 관계식에 따라, 상기 피검체의 상기 광학계수 정보에 근거하여, 상기 피검체의 음속 정보를 취득하는 단계를 포함하는 정보 취득방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    빛이 조사된 상기 피검체로부터 발생된 광음향파를 전기신호로 변환하는 단계를 더 포함하고,
    상기 광학계수 정보를 취득하는 단계는, 상기 전기신호를 사용해서 상기 광학계수 정보를 취득하는 단계를 포함하는 정보 취득방법.
  15. 청구항 13에 기재된 정보 취득방법을 컴퓨터에 실행하도록 구성된, 매체에 기억된 프로그램.
KR1020160166431A 2015-12-21 2016-12-08 광음향장치, 정보 취득장치, 정보 취득방법, 및 프로그램 KR20170074171A (ko)

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