JP6296927B2 - 被検体情報取得装置およびレーザー装置 - Google Patents
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Description
生体に入射した光束は生体内部で急激に拡散するため高いエネルギー出力であるとともに生体組織から大きな光音響波を得るためパルス幅の短いレーザー光が必要である。光音響診断装置用のレーザーは、ポッケルスセルを用いたQスイッチパルスレーザーが適する。アレキサンドライトレーザーは、その波長を可変に制御できるとともにレーザー媒質の蛍光寿命が長くフラッシュランプによる直接励起が可能である。そのため上記生体機能解析に用いるには好適なレーザーである。
レーザー媒質を励起するフラッシュランプは、安価で高出力レーザー発振を容易に得られる利点を有するが、励起光の光エネルギーが熱エネルギーに変換され共振器内部の温度上昇をもたらす。共振器内部の温度変化は、共振器のアライメントやポッケルスセルの偏光特性に影響を及ぼす。その結果、プレレージング発振が生じる可能性がある。この点、プレレージング光を検出し発振制御を行う方法が提案されている(特許文献1)。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、二つの反射体と、前記二つの反射体の間に設けられ、印加される電圧に基づいてQ値を決定するQスイッチとを含むレーザー共振器と、レーザー媒質を光励起する励起部と、前記反射体の一方から出るプレレージング光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記電圧の値を決定し、該電圧を前記Qスイッチに印加する制御部とを備え、前記制御部は前記検出結果に基づいて前記プレレージング光が発生しないときの前記印加される電圧の最小値および最大値を取得し、その取得結果に基づいて前記決定を行うレーザー装置である。
本発明の被検体情報取得装置には、被検体に近赤外線等の光(電磁波)を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置を含む。光音響効果を利用した装置の場合、取得される被検体情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布、トータルヘモグロビン濃度分布、酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。
また、複数位置の被検体情報である特性情報を、2次元または3次元の特性分布として取得してもよい。特性分布は被検体内の特性情報を示す画像データとして生成され得る。本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波と呼ばれるものを含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。音響検出器(例えば探触子)は、被検体内で発生または反射した音響波を受信する。
また、変換素子により光音響波から変換された電気信号や、この電気信号に信号処理(増幅、AD変換)や情報処理を施した信号を光音響信号と呼ぶ。
図1は、本発明に対する比較技術に係るレーザー装置を示すブロック図である。この比較技術に係るレーザー装置110との対比により本発明に係るレーザー装置の特徴がより明確となる。よってまず、比較技術の説明をする。比較技術に係るレーザー装置110は図1に示すように、二つの反射体である出力鏡101と反射鏡102からなるレーザー共振器103を備える。さらに、制御部であるレーザーコントローラー111と、レーザー装置110に電源を供給するレーザー電源112を備える。なお、レーザー電源112の配線等は省略している。ここではレーザーコントローラー111はレーザー装置110内に設けられる。
ーザー媒質105を利用する場合はレーザー媒質105の側面から光励起する。Qスイッチ106にはリン酸二水素カリウム(KDP)やリン酸重水素カリウム(DKDP)等の光学結晶であるポッケルスセルを用いる。ポッケルスセルは、電場の強さに比例して屈折率が変化し、透過する光の偏光方向が回転する素子である。そのため、発振パルス幅が狭く出力強度の強いレーザー光114を得るために広く用いられる。レーザー媒質の種類、共振器長、光共振状態によりパルス幅は異なるが100ns以下のパルス幅が得られる。レーザー媒質に、Nd:YAG結晶やアレキサンドライト結晶を用いる場合は図1の構成となる。一方、チタンサファイアレーザーの場合は、Nd:YAGレーザーの第二高調波をチタンサファイア結晶の励起源とする。チタンサファイアレーザーでは励起源となるNd:YAGレーザー部分に本発明を適用する。なお、以降では、レーザー装置という場合は主にフラッシュランプでレーザー媒質を励起するアレキサンドライトレーザーを参考にして説明するがこれに限られず他のレーザー装置であっても構わない。
アレキサンドライトレーザーは700nm−800nmの範囲で利得を有し、共振器103内部のレーザー媒質105とポッケルスセルすなわちQスイッチ106の間に複屈折フィルターからなる波長選択機構を設置することにより波長可変レーザーとなる。
このレーザー装置110のポッケルスセルに印加する電圧を2000Vとするとともにポッケルスセルの温度を上げた。後述する本発明の電圧決定方法を実施せずに印加電圧2000Vでジャイアントパルス発振を実施した。その結果、ジャイアントパルス発振時に光検出器でプレレージング発振を検出した。そして、レーザー装置110からのレーザー光114の出力及び強度分布の測定を実施した。その結果、レーザー光114の出力及び強度分布ともに不安定になった。
図4は、本発明のレーザー装置の実施例1を示すブロック図である。レーザー装置410は、共振器420の外部に出力鏡401から放出するプレレージング光を検出する検出部である光検出器414を備える。ここで光検出器414は光の強度を測定できる強度センサーである。そして、この検出結果である検出信号をレーザーコントローラー411に出力して、レーザーコントローラー411でQスイッチ電圧の制御を行う。レーザー電源412はレーザー装置410の各ブロックに電源を供給する。光検出器414はレーザー装置410の内部に配置しているが、これに限られずレーザー装置410の外部に配置してもよい。レーザー装置410では、レーザー光114aの光束の分岐光114bを光検出器414に導入しているが、これに限定されるものではない。すなわち、Siセンサー等の汎用的な光センサーは充分に光感度が高い。そのため、レーザー光束114aの光路内部の部分拡散光や、反射鏡402を透過した微弱な透過光などの光束の一部を検出する構成であれば良い。なお、本実施例では光源にアレキサンドライト結晶を用いたレーザー装置410を用いたが、これに限られず他の光源を用いても良い。
図4のレーザー装置410を用いたジャイアントパルス発振時の最適印加電圧を決定する手段を以下に詳述する。まず第1の工程として、ポッケルスセルに印加する暫定電圧として初期電圧2000Vとした。次に第2の工程として、ジャイアントパルス発振をさせずに電圧2000Vとし、電圧を印加したまま印加電圧を±500Vの範囲で変化させて共振器外部に設置した光検出器を用いてプレレージング発生の有無を判断した。具体的にはレーザーコントローラー411が、2000Vから1500Vまで段階的に印加電圧を変化させた。同様にして、2000Vから2500Vまで段階的に印加電圧を変化させた。上記を実行するとプレレージングがポッケルスセル印加電圧1600V以下と2300
V以上で発生した。次に第3の工程として、検出した電圧の最大値である上限値と最小値である下限値の平均値1950V(相加平均)をジャイアントパルス発振時の最終印加電圧に決定した。次に第4の工程としてこの最終印加電圧1950Vでジャイアントパルス発振を行った。なお、これら第1から第4の一連の工程をファームウエアで連続的に制御した。
上記電圧決定方法を用いたジャイアントパルス発振のレーザー光の出力及びその光強度分布の測定を行った。その結果、本実施例のレーザー装置410は上記第4の工程でジャイアントパルスが発振される直前にプレレージング光は発振せずに、ジャイアントパルス発振のレーザー光の出力及びその光強度分布が安定したレーザー特性を有することを確認した。
実施例1の環境条件を一部変えて、本実施例の電圧決定方法の効果を再確認した。以下に詳述する。
まず、第1の工程として同様にポッケルスセルに印加する暫定電圧として初期電圧2000Vとした。さらに本電圧決定方法の効果を確認するためにポッケルスセルを温めて(Qスイッチの偏光特性に悪影響を与えた状態で)上記検証とは異なる偏光特性に変えて以下の工程を続けた。すなわち、第2の工程としてジャイアントパルス発振をさせずに電圧2000Vとし、電圧を印加したまま印加電圧を±500Vの範囲で上記のように変化させて共振器外部に設置した光検出器を用いてプレレージング発生の有無を判断した。すると上記検証とは異なり、プレレージングがポッケルスセルに供給される印加電圧が1500V以下と1900V以上で発生した。次に第3の工程として検出した電圧の上限値と下限値の平均値1700V(相加平均)をジャイアントパルス発振時の最終印加電圧に決定した。次に第4の工程として上記最終印加電圧1700Vでジャイアントパルス発振を行った。なお、第1から第4の一連の工程をファームウエアで連続的に制御した。
本実施例の電圧決定方法を用いたジャイアントパルス発振のレーザー光114aの出力及びその光強度分布の測定を行った。その結果、この実験においても本実施例に係るレーザー装置410は第4の工程のジャイアントパルス発振の直前にプレレージング光は発振せず、レーザー光114aの出力及びその光強度分布が安定したレーザー特性を有することを確認した。
本発明のジャイアントパルス発振時におけるQスイッチを構成するポッケルスセルへの印加電圧を決定する方法について以下に説明する。第1に、暫定電圧としてポッケルスセルに印加する初期電圧を決定する。ポッケルスセルを通過する光束の偏光は印加電圧と波長に比例し、共振器の調整時に決定する。
囲を予め決定する。
本発明は特にフラッシュランプ励起アレキサンドライトレーザーで良好に適用される。アレキサンドライト結晶は温度に比例して利得係数が増加することによりレーザー出力が増大する。このため60℃〜80℃の循環水を用いてレーザー結晶温度を高温にすることでレーザー出力を増大させる。その一方で、共振器内部の温度が不安定になりやすい。本発明を用いることで、共振器内に複雑な温度安定機構を用いなくてもプレレージングの発生を低減した安定したジャイアントパルス発振を得られる。
以上より、本発明のレーザー装置を用いて図5のような被検体情報取得装置を作成すれば、安定的に大出力のレーザー光を用いた光音響測定が実施できる。よって高コントラストで良好な被検体画像を取得できる。
図5は、本発明のレーザー装置と被検体を含むブロック図を説明する。ここでは図4のレーザー装置410と被検体502との間にシャッター501を設け、そのシャッター501を介してレーザー光114dを被検体502に照射する構成とする。図4のレーザー装置と共通する構成については、同じ符号を付けて説明を省略する。本構成において、プレレージング光を検出するときにはシャッター501を閉じて被検体502にレーザー光114cが照射されないようにする。そして、分岐光114bを検出器414へ導き、プレレージング光を検出器414で検出する。なお、シャッター501はレーザー装置410の内部に配置しても良い。
図6は、本発明のレーザー装置の実施例2を示すブロック図である。本実施例では、光源に波長785nmが発振するアレキサンドライトレーザーを用いた。出力鏡601と反射鏡602からなる共振器620と、アレキサンドライト結晶605と励起手段であるフラッシュランプ604を含むランプハウス603を配置する。アレキサンドライト結晶は75℃の循環水装置で温度を維持する。反射鏡602とアレキサンドライト結晶605の間の光軸上にポッケルスセルから成るQスイッチ606と波長選択素子である複屈折フィルター607を配置することで、出力するレーザー光114cの波長を可変に制御できるようにした。出力鏡601から発振するプレレージング光を分岐光学素子613で分岐するとともに実施例1の光検出器414を波長計614に変更して分岐光114bを波長計
614に導き、プレレージング光の波長を検出した。レーザーコントローラー611はQスイッチ電圧の制御を行い、レーザー電源612はレーザー装置610の各ブロックに電源を供給する。なお、レーザー電源612の配線等は省略している。
本実施例のレーザー装置610を用いたジャイアントパルス発振時の最終印加電圧を決定する手段を以下に詳述する。まず、第1の工程としてポッケルスセルに印加する暫定電圧として初期電圧2300Vとした。次にポッケルスセルを温めて偏光特性を変えて(アレキサンドライト結晶は温度に比例して利得係数が増加することによりレーザー出力が増大する。このため、60℃〜80℃の循環水を用いてレーザー結晶温度を高温にすることでレーザー出力を増大させる。しかしその一方で、共振器内部の温度が不安定になりやすい。その結果Qスイッチの特性が変化してプレレージングが発生しやすくなる。この状態を模擬している。)、以下の工程を続けた。すなわち、第2の工程としてジャイアントパルス発振をさせずに電圧2300Vとし、電圧を印加したまま印加電圧を±500V変化させて共振器620の外部に設置した波長計614を用いてプレレージング発生の有無を判断した。その結果、プレレージングに相当する波長778nmの発振がポッケルスセルへの印加電圧1900V(下限値)以下で発生した。また、プレレージングに相当する波長792nmの発振がポッケルスセルへの印加電圧2600V(上限値)以上で発生した。次に第3の工程として、検出した電圧の上限値と下限値の平均値2250V(相加平均)をジャイアントパルス発振時の最終印加電圧に決定した。次に第4の工程として、上記最終印加電圧でジャイアントパルス発振を行った。なお、上記各実施例同様に第1から第4の一連の工程をファームウエアで連続的に制御した。
上記電圧決定方法を用いたジャイアントパルス発振の発振波長は所望の波長785nmであり、レーザー光114cの出力及び光強度分布の測定を行った結果、安定したレーザー特性を有することを確認した。
以上より、本発明のレーザー装置610によれば安定的に所望の波長からなるジャイアントパルスを出力できる。
図7は、本発明のレーザー装置の実施例3を示す図である。図7を用いて実施例1のレーザー装置410を被検体情報取得装置700に適用した場合の実施例を説明する。なお、実施例1のレーザー装置410はアレキサンドライトレーザーであり、その出力は波長755nmで繰り返し周波数は20Hzのレーザー光114cである。この被検体情報取得装置700は大きく分けて入力系720と出力系740から成る。
2へ送出する。送出されたアナログ電気信号は信号処理部742でデジタルの光音響信号に変換され、その光音響信号に基づいて画像の形成(画像再構成)を行う。そして、画像再構成により生成されたデータを画像情報及び生体情報として出力する。上記探触子は圧電現象を用いた探触子、光の共振を用いた探触子、または静電容量の変化を用いた探触子等の音響波を受信できるものであればどのような探触子を用いてもよい。本実施例の探触子は、典型的には複数の受信素子が1次元あるいは2次元に配置されたものやお椀型の固定部品の底部にらせん状に配置された探触子がよい。このような多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受信することができる。信号処理部742はコンピュータ等の情報処理装置や回路により構成され、電気信号の処理や演算を行う。信号処理部742は、音響波受信部741に含まれる探触子により得られた電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部であるA/Dコンバータ等を信号処理部742内の探触子側に有する。また、信号処理部742は同時に複数の信号を処理するパラレル処理を行う。これにより信号処理速度を上げることができる。A/Dコンバータ等により変換されたデジタル信号は信号処理部742内のメモリに格納され、格納したデジタル信号に基づいてタイムドメイン等の逆投影などの処理をすることにより光学特性値分布などの被検体情報を生成する。
図7の実施例1のレーザー装置410を用いたジャイアントパルス発振時の印加電圧を決定する手段を以下に詳述する。まず、第1の工程としてポッケルスセルに印加する暫定電圧として初期電圧2000Vとした。第2の工程としてジャイアントパルス発振をさせずに電圧2000Vとし、電圧を印加したまま印加電圧を±500V変化させて共振器420外部に設置した光検出器414を用いてプレレージング発生の有無を判断した。その結果、プレレージングがポッケルスセルへの印加電圧が1600V以下と2300V以上で発生した。次に第3の工程として検出した電圧の上限値(2300V)と下限値(1600V)の平均値1950V(相加平均)をジャイアントパルス発振時の最終印加電圧に決定した。次に第4の工程として上記最終印加電圧でジャイアントパルス発振を行った。第1から第4の一連の工程を連続的に制御した。
図示しない被検体保持部で形状を固定した被検体ファントム730に上記電圧決定方法を用いて発振させたレーザー光114dを照射する。その照射に基づき被検体730内部で発生して伝播した光音響波を音響波受信部741にある静電容量変化を用いたcMUT探触子で検出した。探触子はお椀型固定部材の底部にらせん状に配置された探触子を用いた。信号処理部742で探触子より得られた電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して光音響信号を生成し、その信号に基づきタイムドメインにより画像再構成を行った。その再構成画像に基づき画像情報及び光学特性値分布などの被検体情報として出力した。
本実施例の被検体情報取得装置を用いることによりプレレージングの発生が低減され、安定して所望の波長と強度からなるレーザー光の照射を行うことができる。その結果、正確な被検体情報を取得できた。
ポッケルスセル、410 レーザー装置、411 レーザーコントローラー、412 レーザー電源、414 光検出器、420 共振器
Claims (11)
- 二つの反射体と、前記二つの反射体の間に設けられ、印加される電圧に基づいてQ値を決定するQスイッチとを含むレーザー共振器と、
レーザー媒質を光励起する励起部と、
前記反射体の一方から出るプレレージング光を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記電圧の値を決定し、該電圧を前記Qスイッチに印加する制御部と、
前記反射体の一方から出力するレーザー光を被検体に照射する照射部と、
前記レーザー光の照射に基づいて前記被検体から伝播する音響波を受信する受信部と、前記受信部の受信結果に基づいて前記被検体についての情報を取得する取得部とを備え、
前記制御部は前記検出結果に基づいて前記プレレージング光が発生しないときの前記印加される電圧の最小値および最大値を取得し、その取得結果に基づいて前記決定を行う被検体情報取得装置。 - 前記検出部の前段に設けられ、前記反射体の一方から出るレーザー光の一部を前記検出部に導く分岐光学素子をさらに備え、
前記検出部は前記レーザー光の一部に基づいて前記検出を行う請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記決定される電圧の値は前記最小値と前記最大値との間の値である請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。
- 前記決定される電圧の値は前記最小値と前記最大値との平均値である請求項3に記載の被検体情報取得装置。
- 前記制御部は、ジャイアントパルスの発振を抑制するときは、Qスイッチに電圧を印加して共振器のQ値を低くし、ジャイアントパルスを発振させるときは、Qスイッチへの電圧の印加を停止して共振器のQ値を高くする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記検出部は光の強度を検出する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記レーザー光を偏光する偏光部をさらに備え、
前記検出部は光の波長を検出する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記偏光部は前記Qスイッチと前記レーザー媒質との間に設けられる請求項7に記載の被検体情報取得装置。
- 前記レーザー光は波長が可変に制御される請求項8に記載の被検体情報取得装置。
- 前記2つの反射体は出力鏡と反射鏡とを含み構成され、前記検出部は、前記出力鏡から出るプレレージング光を検出する請求項1ないし9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 二つの反射体と、前記二つの反射体の間に設けられ、印加される電圧に基づいてQ値を決定するQスイッチとを含むレーザー共振器と、
レーザー媒質を光励起する励起部と、
前記反射体の一方から出るプレレージング光を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記電圧の値を決定し、該電圧を前記Qスイッチに印加する制御部とを備え、
前記制御部は前記検出結果に基づいて前記プレレージング光が発生しないときの前記印加される電圧の最小値および最大値を取得し、その取得結果に基づいて前記決定を行うレーザー装置。
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