JP5675390B2 - 測定装置 - Google Patents
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Description
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被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した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(典型的には超音波)の時間による変化を、被検体を取り囲む複数の個所で検出する。そして検出された信号を数学的に解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光照射によって生じた初期圧力発生分布あるいは光エネルギー吸収密度分布などを得ることができ、新生血管の増殖を伴う悪性腫瘍場所の特定などに利用できる。なお、光音響画像化装置は光音響トモグラフィー技術を用いた画像化装置のことを意味している。
一般に、光音響トモグラフィーでは、被検体全体を取り囲む閉じられた空間表面(特に球面状測定表面の様々な点)において、音響波の時間変化を理想的な音響波検出器(広帯域・ポイント検出)を用いて測定することが好ましい。その測定結果に基づき、画像再構成の手法を用いて処理を行うことにより、理論的には光照射により生じた初期音圧分布を完全に可視化できる。
米国特許第6607489号公報には、画像再構成時の補正について記載されている。
このような理論から、画像再構成理論に適合させるためには、光音響トモグラフィーで
使用される音響波検出器は広範囲からの信号取得を可能にするような、指向性の低い物(検出幅が狭いもの)を用いることが好ましい。
、を有し、前記部材の厚さは、前記被検体から発生する音響波の波長よりも大きい測定装置であって、検出した音響波に基づいて被検体情報を取得する信号処理装置をさらに有し、前記信号処理装置は、音響波の発生した位置を決定する際に、前記部材内の音速値と前記被検体内の平均的な音速値との比による前記音響波検出器への音響波の入射角度の変化に基づいて、音響波の発生した位置までの距離を求め、被検体情報を取得することを特徴とする測定装置である。
化装置は、光12を被検体13に照射する光源11と、光源11から照射された光12を被検体13に導くレンズなどの光学装置14とを備える。また、被検体13内の血液などの光吸収体15が光のエネルギーの一部を吸収して発生した音響波16を検出し電気信号に変換する音響波検出器17と、音響波検出器に入射する音響波の入射角度を変換する低音速部材18を備える。低音速部材18はシート状の部材であることが望ましい。また、前記電気信号に増幅やデジタル変換などを行う電子制御システム19と、被検体情報に関する画像を構築する(つまり、画像データを生成する)信号処理装置20と、構築した画像を表示する表示装置21も備える。本実施形態では信号処理装置20としてPCを用いる。表示装置としてはディスプレイ等を用いることができる。
なお、低音速部材の厚さが上記の条件を満たす場合、被検体側から低音速部材に入射した音響波の角度θ1と低音速部材から音響波検出器に入射する音響波の角度θ2は下の式(3)に示したスネルの法則により決定される。そのため、低音速部材の音速v2が被検体の音速v1よりも小さければ、低音速部材から音響波検出器に入射する音響波の角度θ2は被検体側から低音速部材に入射した音響波の角度θ1よりも小さくなる。すなわち、低音速部材が設置されていない場合、指向性により検出しにくかった角度(例えばθ1)で音響波検出器に入射した音響波も、低音速部材を入れることで、音速の差により音響波が屈折して入射角度(例えばθ2)が変化する。これにより検出器が大きな感度を持つようになり、従来では検出できなかった角度からの音響波も検出できるようになる。
v1/v2=sinθ1/sinθ2 …(3)
さらに、低音速部材の最大の厚さdは低音速部材での音響波の減衰を抑えるために、低音速部材での減衰が20dB以下になる厚さが望ましい。さらに望ましくは、低音速部材の最大の厚さdは低音速部材の減衰が10dB以下になる厚さである。例えば、許容する低音速部材の減衰をA、低音速部材の周波数依存性減衰係数をα(単位:dB/MHz・cm)、音響波検出器17の検出可能な最大周波数をfmaxとすると低音速部材の最大厚さdmaxはdmax=A/(fmax×α)となる。なお、ここで言う音響波検出器17の検出可能な最大周波数fmaxとは、典型的には最大感度の周波数fcに対して、感度が半分になる最大の周波数である。このような厚さ以下に設定することで、低音速部材での音響波の減衰を低減できる。具体的な数値をあげると、低音速部材としてシリコーンゴム(減衰率:1.0dB/MHz・cm)を考え、許容する減衰を20dB、音響波検出器の検出可能な最大周波数を2MHzとすると、低音速部材の最大の厚さdは10mmとなる。低音速部材として他の部材を用いても、低音速部材の厚さは10mm以下が好ましい。さらに、低音速部材の厚さは8mm以下がより好ましく、最適には5mm以下がよい。
に加算する値を計算する。このような処理を施すことにより、低音速部材の音速により歪んだ画像を高精細化できる。
図1において、光源11は被検体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される波長の光を照射することを目的とする。光源は光音響画像化装置と一体として設けられていても良いし、装置と分離して別体として設けられていても良い。
また光源は、数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源を少なくとも一つは備える。なお、検出する音響波の音圧が小さくてよい場合は、上記で記述したオーダーのパルス光ではなく、サイン波など時間的に強度が変化する光でもよい。本実施形態においては、光源11が一つである例を示しているが、複数の光源を用いても良い。その場合は、被検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。
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。光源11として、発振する波長の変換可能な色素やOPO(Optical Parametric Oscillators)やチタンサファイヤ及びアレキサンドライトの結晶を用いれば、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。
使用する光源の波長に関しては、被検体内において吸収が少ない700nmから1100nmの領域が好ましい。ただし、比較的被検体表面付近の被検体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば400nmから1600nmの波長領域を使用することも可能である。
図1の光学部品14は、主に光を反射するミラーや、光を集めたり拡大したり、形状を変化させるレンズなどを意味している。このような光学部品は、所望の形状で光源から発せられた光12が被検体13に照射されれば、どのようなものを用いてもかまわない。なお、一般的に光はレンズで集光させるより、ある程度の面積に広げる方が好ましい。また、光を被検体に照射する領域は移動可能であることが好ましい。言い換えると、本発明の光音響画像化装置は、光源から発生した光が被検体上を移動可能となるように構成されていることが好ましい。移動可能であることにより、より広範囲に光を照射することができる。また、光を被検体に照射する領域(被検体に照射される光)は、音響波検出器と同期して移動するとさらに好ましい。光を被検体に照射する領域を移動させる方法としては、上記ミラー等を可動式にして、照射領域を移動させてもよいし、光源自体を機械的に移動させてもよい。
なお、音響波検出器としては、複数の検出素子を2次元的に配置したものを好適に用いることができる。このような2次元配列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、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。このとき、検出幅de(ピッチ)は、一つの素子幅のことを指す。
インピーダンスマッチング剤を使うこともできる。また低音速部材は均質かつ厚さ一定なシート状の部材で構成することができる。つまり、低音速部材の厚さdを全領域で一定にし、かつ、均一な材料でシートを作成することができる。これにより、音響波検出器が2次元配列の素子で構成される時に、個々の素子について低音速部材を配置する必要がなくなる。また、音響波の屈折が起こったときの入射角や距離の演算が容易になる。
続いて、測定装置(光音響画像化装置)の構成を一部変形した例について説明する。図4は、この変形例における装置の構成を示すブロック図である。図1の装置と異なる点は、被検体13を、第1の保持板22と、第2の保持板23で圧迫していることである。第1の保持板22としては、光源からの光に対して高透過性と低減衰特性を持つ平板が用いられる。第2の保持板23としては、音響波に対して高透過性と低減衰特性を持つ平板が用いられる。このように2つの保持板を用いれば、被検体13の動きを抑制、保持することが可能となる。
そして、第2の保持板23と音響波検出器17との間に低音速部材18を配置する。これにより、上の実施形態と同様に、高感度な音響波の検出と広範囲からの信号取得を両立するという効果を得ることができる。なお必要に応じて、第2の保持板23と、被検体13または低音速部材18の間に音響インピーダンスマッチングのための材料を挿入してもかまわない。
特に低音速部材としてシート状の材料を用いる場合、第2の保持板23にシートを貼り付けるだけで良いので、装置を容易に構成することができる。この場合、低音速部材は第2の保持板上に配置されていることになる。
Claims (4)
- 光を照射することにより被検体から発生する音響波を検出する音響波検出器と、
前記音響波検出器と被検体との間に配置され、被検体内の平均的な音速値よりも小さい音速値を有する部材と、を有し、
前記部材の厚さは、前記被検体から発生する音響波の波長よりも大きい測定装置であって、
検出した音響波に基づいて被検体情報を取得する信号処理装置をさらに有し、
前記信号処理装置は、音響波の発生した位置を決定する際に、前記部材内の音速値と前記被検体内の平均的な音速値との比による前記音響波検出器への音響波の入射角度の変化に基づいて、音響波の発生した位置までの距離を求め、被検体情報を取得することを特徴とする測定装置。 - 第1の保持板と、
前記第1の保持板と共に前記被検体を保持する第2の保持板とをさらに有し、
前記部材は、前記第2の保持板と前記音響波検出器との間に配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 - 前記部材は、シート状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 前記部材は、被検体の形状に合わせて自身の形状が変わることを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
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