JP6238736B2 - 光音響装置、信号処理方法、およびプログラム - Google Patents
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Description
本実施形態に係る光音響装置は、第一の時系列の受信信号をリサンプリングすることにより特定の音速を基準に受信時間が規格化された第二の時系列の受信信号を取得する。さらに、本実施形態に係る光音響装置は、第二の時系列の受信信号を第一の時系列の受信信号を取得する際のサンプリング周波数で得られた信号として扱う。以上の処理により、第二の時系列の受信信号は、いずれの受信時間に特定の音速を掛けた場合も、その受信時間の受信信号に対応する光音響波が発生した位置と音響波受信器17との距離を表す受信信号となる。
以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成について詳述する。
被検体15が生体の場合、光源11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ことが好ましい。光源11は、本実施形態の光音響装置と一体として提供されてもよいし、別体として提供されてもよい。光源11としては大出力が得られるため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。例えば、YAGレーザーで励起したOPOレーザーや色素レーザーあるいはTi:saレーザーなどである。使用する光の波長は、被検体15の内部まで光が伝搬する波長を使うことが好ましい。具体的には、被検体15が生体の場合、500nm以上1200nm以下の波長であることが好ましい。また、光源11として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が好ましい。また、光源11は、複数の光源で構成されても良い。
光学系13は光源11から発せられた光12を伝搬・加工し、被検体表面に所望の形状の光12を照射できるようにする機能を有する。光12を所望の方向に伝搬させるために、光学系13としては、例えば、ミラーや光ファイバなどが用いられる。また、所望な形状に光照射パターンを形成するために、光学系13としては、例えば、拡散板やレンズなどが用いられる。
これらは光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、血管の造影、人や動物の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主な目的とする。よって、被検体15としては生体、具体的には人体や動物の***や指、手足などの診断の対象部位が想定される。ねずみなど小動物の場合は特定の部位だけではなく、小動物全体が対象となることもある。
光12により被検体15の表面22及び被検体15の内部などで発生する光音響波を受信する受信器である音響波受信器17は、光音響波を受信し、アナログ信号である電気信号に変換するトランスデューサである。以後、単に探触子あるいはトランスデューサということもある。音響波受信器17は、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を受信できるものであれば、どのようなトランスデューサであってもよい。
音響マッチング部材18は、被検体15と音響波受信器17との間に配置された部材であり、音響波受信器17と被検体15の間で音響的なマッチングをとるために用いられる。通常、音響マッチング部材18には被検体15の音響インピーダンスと音響波受信器17の音響インピーダンスの間の音響インピーダンスを有する部材を利用する。特に、被検体15の音響インピーダンスに近い材料を選択することが好ましい。また、本発明の音響マッチング部材は被検体15と音響波受信器17の間に不要な隙間などをできるだけなくすために、被検体15の形状に合わせて自由に変形できることが好ましい。具体的には被検体15として生体を想定すると、音響マッチング部材18としては、水、超音波ジェル、水に近い成分を有するゲル状の部材などを用いることができる。なお、音響波マッチング部材18は、光音響装置とは別に提供されてもよい。
データ収集器19は、音響波受信器17から出力された受信信号を増幅し、その受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。データ収集器19は、典型的には増幅器、A/D変換器、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップなどで構成される。音響波受信器17から出力される受信信号が複数の場合は、同時に複数の信号を処理できることが好ましい。それにより、被検体情報を取得するまでの時間を短縮できる。なお、本明細書において「受信信号」とは、音響波受信器17から出力されるアナログ信号も、その後A/D変換されたデジタル信号も含む概念である。
コンピュータ20には典型的にはワークステーションや大規模並列クラスタなどが用いられ、受信信号に対するあらゆる処理などがあらかじめプログラミングされたソフトウェアにより行われる。なお、コンピュータ20は、ワークステーションで行うようなソフトウェア処理ではなく、ハードウェア処理を行うこともできる。また、本実施形態においてコンピュータ20が実行するそれぞれの処理をそれぞれ別の装置で行ってもよい。
表示装置21はコンピュータ20から出力された被検体情報の画像データを画像や数値情報として表示する装置である。表示装置21には、典型的には液晶ディスプレイなどが利用される。なお、表示装置21は、本実施形態の光音響装置とは別に提供されていてもよい。
図4も参照しつつ、図1に示す本実施形態に係る光音響装置の作動方法を説明する。下記の処理番号は、図4に示すフローの処理番号と一致する。なお、本実施形態では、前述した第一の時系列の受信信号にリサンプリング処理を施す信号処理を行う例を説明する。
まず光源11は光12を発生し、光12が光学系13を介して被検体15に照射される。そして、光12が被検体15の内部に位置する光吸収体14に吸収される。光12を吸収した光吸収体14が瞬間的に膨張することにより、光音響波16a,bが発生する。
演算部20aは、S100で取得した第一の時系列の受信信号に基づいて被検体15の表面22で発生した光音響波16aを音響波受信器17が受信した時間taを算出する。本実施形態では光学系13から照射された光12は、被検体15の表面22のうち音響波受信器17側に照射が行われる構成となっている。そのため、被検体15の表面22から発生する光音響波16aは被検体15から発生する光音響波の中では最初に受信される。すなわち、図3(a)に示す時系列の受信信号のうち、信号Aが被検体15の表面22で発生した光音響波に対応する受信信号である。
演算部20aは、S200で記憶部20bに記憶された第一の時系列の受信信号の一部を第一の時系列の受信信号のサンプリング周波数(F)とは異なるサンプリング周波数でリサンプリングする。この結果、演算部20aは、受信時間が被検体15内の音速cbあるいは、音響マッチング部材18内の音速caのどちらか一方を基準に規格化された第二の時系列の受信信号を取得し、記憶部20bに記憶する。例えば、演算部20aは、前述したリサンプリング処理を行うことにより第二の時系列の受信信号を取得し、記憶部20bに記憶する。
演算部20aは、S300で記憶部20bに記憶された第二の時系列の受信信号と、基準の音速となった被検体15内の音速、あるいは音響マッチング部材18内の音速とを用いて被検体情報を取得する。例えば、演算部20aは、第二の時系列の受信信号に対して、被検体15内の音速を用いた再構成処理を行い、被検体情報として被検体15内の初期圧力分布または光エネルギー密度分布を取得する。
演算部20aは、S400で得られた被検体情報を表示装置21に出力し、表示装置21に被検体情報の画像や数値情報を表示させる。
本実施形態を適用した光音響装置の実施例を、図1を用いて説明する。
本実施形態を適用した光音響装置の一例について図6を用いて説明する。なお、図1に示す構成と同様の構成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。
20 コンピュータ
Claims (12)
- 光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して第一の時系列の受信信号を出力する音響波受信器と、
前記第一の時系列の受信信号を用いて被検体情報を取得する処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記第一の時系列の受信信号の一部をリサンプリングすることにより、受信時間が特定の音速を基準に規格化された第二の時系列の受信信号を取得し、
前記第二の時系列の受信信号と前記特定の音速とを用いて前記被検体情報を取得することを特徴とする光音響装置。 - 前記処理部は、前記第一の時系列の受信信号のうち、前記被検体の表面で発生した光音響波の受信時間の前または後の時間サンプリングデータをリサンプリングすることにより前記第二の時系列の受信信号を取得することを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。
- 前記処理部は、前記第一の時系列の受信信号を用いて前記被検体の表面で発生した光音響波の受信時間を取得することを特徴とする請求項2に記載の光音響装置。
- 前記処理部は、前記被検体内の音速、前記被検体と前記音響波受信器との間に配置された部材内の音速、および前記第一の時系列の受信信号を取得する際のサンプリング周波数を用いてリサンプリングすることにより前記第二の時系列の受信信号を取得することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記処理部は、前記サンプリング周波数を、前記サンプリング周波数に前記被検体内の音速と前記部材内の音速との比を掛けたサンプリング周波数にリサンプリングすることにより前記第二の時系列の受信信号を取得することを特徴とする請求項4に記載の光音響装置。
- 前記特定の音速は、前記被検体内の音速であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記特定の音速は、前記被検体と前記音響波受信器との間に配置された部材内の音速であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記被検体と前記音響波受信器との間に配置された前記部材は、前記被検体の音響インピーダンスと前記音響波受信器の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスを有する部材であることを特徴とする請求項7に記載の光音響装置。
- 前記処理部は、前記第二の時系列の受信信号を記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記処理部は、前記第二の時系列の受信信号に対して前記特定の音速を用いた再構成処理を行うことにより前記被検体情報を取得することを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して得られる第一の時系列の受信信号を用いて被検体情報を取得する信号処理方法であって、
前記第一の時系列の受信信号の一部をリサンプリングすることにより、受信時間が特定の音速を基準に規格化された第二の時系列の受信信号を取得する工程と、
前記第二の時系列の受信信号と前記特定の音速とを用いて前記被検体情報を取得することを特徴とする信号処理方法。 - 請求項11に記載の信号処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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