JP2016007256A

JP2016007256A - 光音響計測装置及び光音響計測方法

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Publication number: JP2016007256A
Application number: JP2014128191A
Authority: JP
Inventors: 崇広三浦; Takahiro Miura; 摂山本; Setsu Yamamoto; 岳志星; Takeshi Hoshi; 落合　誠; Makoto Ochiai; 誠落合; 吉田　昌弘; Masahiro Yoshida; 昌弘吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2016-01-18

Abstract

【課題】被検体の内部構造のイメージングデータを高精度で生成する光音響計測技術を提供する。
【解決手段】光音響計測装置１０は、被検体２３内の光吸収体２０を励起させる励起レーザ光２１をパルス発振させて出力する励起レーザ光出力部１１と、出力された励起レーザ光２１を被検体２３の表面に照射する励起レーザ光伝送部１２と、受信レーザ光２２を発振させて出力する受信レーザ光出力部１３と、出力された受信レーザ光２２を被検体２３の表面に照射する受信レーザ光伝送部１４と、励起レーザ光２１の照射により光吸収体２０が励起されて発生する光音響信号２７の影響を受けた受信レーザ光２２の反射光から光音響信号２７を検出するレーザ干渉計１５と、被検体２３の表面形状を計測する表面形状計測部２４と、光音響信号２７の検出信号及び前記表面形状の計測信号を処理して被検体２３の内部構造のイメージングデータを生成する信号処理部１６とを、備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーザ光の照射により生体内で発生する光音響信号を計測する技術に関する。

生体の組織情報を計測する手法は、Ｘ線ＣＴや磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置等数多く開発されている。近年、被ばくの問題や計測に大型装置が必要であること等の問題から、レーザ光等を用いた光計測技術による小型で簡易な生体計測装置の開発が盛んに行われている。
特に、光干渉断層像（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ；ＯＣＴ）は、レーザ光の干渉計測を用いることで組織の構造をイメージングする技術であり、角膜の計測技術として応用されている。

しかし、生体の光計測においては、生体組織が持つ強い光吸収・散乱特性により、深部における光計測は困難であるという問題がある。前述のＯＣＴの計測可能深度は、一般的に約２ｍｍであり、それ以上の深部計測は生体の散乱・吸収・減衰効果により困難である。

そこで、より深部の計測を可能にするため、レーザ光を生体に照射し、生体内部でレーザ光が吸収されることにより発生する超音波（光音響信号）を計測する光音響法が検討されている。

具体的には、生体表面にパルスのレーザ光を照射すると、生体内部に照射したレーザ光の波長に応じた吸収組織が存在する場合、到達したレーザ光がこの組織に吸収される。レーザ光を吸収した組織は、励起されて瞬間的に膨張する。この膨張が音源となって発生する超音波を、超音波プローブあるいはレーザ干渉計により計測するものである。

これにより、レーザ光の伝搬距離は吸収組織へ到達するまでの片道のみとなり、超音波は伝搬減衰が小さいため、超音波を介さずレーザ光のみで計測する場合と比べて、より深い位置の計測が可能となる。

特開２０１３−０６３２５９号公報

レーザ光を照射する光音響法による生体計測は、生体に対し非接触状態でレーザ照射を行う。このため、計測された光音響信号により生成される生体内部のイメージングデータは、被検体に表面凹凸がある場合、その影響により品質が低下するおそれがある。
また、被検体が生体であるため、呼吸、脈拍、脈動などに伴う表面凹凸の状態変化が、生成される生体内部のイメージングデータの誤差要因になると懸念されている。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、被検体の内部構造のイメージングデータを高精度で生成する光音響計測技術を提供することを目的とする。

本実施形態の光音響計測装置は、被検体内の光吸収体を励起させる励起レーザ光をパルス発振させて出力する励起レーザ光出力部と、出力された前記励起レーザ光を前記被検体の表面に照射する励起レーザ光伝送部と、受信レーザ光を発振させて出力する受信レーザ光出力部と、出力された前記受信レーザ光を前記被検体の表面に照射する受信レーザ光伝送部と、前記励起レーザ光の照射により前記光吸収体が励起されて発生する光音響信号の影響を受けた前記受信レーザ光の反射光から前記光音響信号を検出するレーザ干渉計と、記被検体の表面形状を計測する表面形状計測部と、前記光音響信号の検出信号及び前記表面形状の計測信号を処理して前記被検体の内部構造のイメージングデータを生成する信号処理部とを、備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により、被検体の内部構造のイメージングデータを高精度で生成する光音響計測技術が提供される。

本発明の第１実施形態に係る光音響計測装置の構成図。（Ａ）励起レーザ光、受信レーザ光（連続波）及び計測用レーザ光の発振出力を時系列で示す図、（Ｂ）励起レーザ光及び受信レーザ光（パルス波）の発振出力を時系列で示す図。本発明の第２実施形態に係る光音響計測装置の構成図。本発明の第３実施形態に係る光音響計測装置においてレーザを照射するプローブの構成図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように実施形態に係る光音響計測装置１０（以下、計測装置１０とする）は、被検体２３内の光吸収体２０を励起させる励起レーザ光２１をパルス発振させて出力する励起レーザ光出力部１１と、出力された励起レーザ光２１を被検体２３の表面に照射する励起レーザ光伝送部１２と、受信レーザ光２２を発振させて出力する受信レーザ光出力部１３と、出力された受信レーザ光２２を被検体２３の表面に照射する受信レーザ光伝送部１４と、励起レーザ光２１の照射により光吸収体２０が励起されて発生する光音響信号２７の影響を受けた受信レーザ光２２の反射光から光音響信号２７を検出するレーザ干渉計１５と、被検体２３の表面形状を計測する表面形状計測部２４と、光音響信号２７の検出信号及び前記表面形状の計測信号を処理して被検体２３の内部構造のイメージングデータを生成する信号処理部１６とを、備えることを特徴とする。
なお、レーザ光の伝送は、空間伝送若しくは光ファイバ伝送、またはその両方を組み合わせた方法により行う。また、図１では励起レーザ光出力部１１及び受信レーザ光出力部１３を１つで構成しているが、それぞれ複数設けてレーザ光を出力する構成としても良い。

励起レーザ光出力部１１は、計測対象となる生体（被検体２３）内の光吸収体２０を励起させる励起レーザ光２１をパルス発振させて出力する。光吸収体２０とは、照射された励起レーザ光２１の波長に応じて光吸収する生体内の組織を示し、例えば血管が例示される。

励起レーザ光出力部１１で適用されるレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザ、エキシマレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ等が適宜選択される。また、励起レーザ光出力部１１から出力される励起レーザ光２１のパルスは、連続光から擬似的に生成された擬似パルスを出力しても良い。

励起レーザ光伝送部１２は、励起レーザ光出力部１１から出力された励起レーザ光２１を、被検体２３の表面の所定位置に所定の形状で照射する。

励起レーザ光伝送部１２は、被検体２３の表面上で励起レーザ光２１を走査させる走査機構１７ａ、被検体２３の表面上での励起レーザ光２１の照射形状を変化させる光学機構１８ａを備えている。なお、走査機構１７ａとして、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等によりレーザ光を走査させる機構が例示されるが、これに限られない。

被検体２３の表面に照射された励起レーザ光２１は、生体内部を拡散しながら伝搬して光吸収体２０に到達して吸収される。光吸収体２０は、レーザ光の吸収により励起されて膨張する。この膨張が音源となって、光音響信号２７が発生する。

受信レーザ光出力部１３は、受信レーザ光２２を連続波発振又はパルス発振させて出力するものである。受信レーザ光出力部１３で適用されるレーザは、励起レーザ光出力部１１と同じく、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ等が適宜選択される。また、受信レーザ光出力部１３から出力される受信レーザ光２２は、連続波から擬似的に生成された擬似パルスである場合も含む。

受信レーザ光伝送部１４は、受信レーザ光出力部１３から出力された受信レーザ光２２を、被検体２３の表面の所定位置に所定の形状で照射する。

受信レーザ光伝送部１４は、励起レーザ光伝送部１２と同様に、被検体２３の表面上で受信レーザ光２２を走査させる走査機構１７ｂ、被検体２３の表面上での受信レーザ光２２の照射形状を変化させる光学機構１８ｂを備えている。

なお走査機構１７ａ，１７ｂは、一軸以上の回動軸もち、励起レーザ光２１及び受信レーザ光２２の照射位置と被検体２３の表面上の位置とを相対的に変位させる。
また、走査機構１７ａ，１７ｂは、このような回動軸を中心に往復運動する場合の他に、平行方向に往復運動する場合もあるし、運動せずに被検体２３の表面上の一点のみにレーザ光２１，２２を照射させる場合もある。

レーザ干渉計１５は、励起レーザ光２１の照射により光吸収体２０が励起されて発生する光音響信号２７の影響を受けた受信レーザ光２２の反射光を受信レーザ光伝送部１４、受信レーザ光出力部１３を介して入力する。そして、受信レーザ光２２の反射光に含まれる振動変位から光音響信号２７の検出信号を出力する。

レーザ干渉計１５は、マイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリー・ペロー干渉計、フォトリフラクティブ干渉計等が適宜選択される。また、光音響信号２７を検出する方法として、ナイフエッジ法等の干渉計測以外の方法を用いても良い。

表面形状計測部２４は、特に限定されないが、レーザを用いる一般的な非接触距離計測装置、例えば、レーザ変位計、レーザ距離計、光干渉断層計（ＯＣＴ）を適用することができる。そして、被検体２３の表面形状の計測は、被検体２３の表面上のレーザ照射部位から表面形状計測部２４に入射するまでの反射光の光路長の変位を求めることによる。
表面形状計測部２４は、受信レーザ光２２の反射光の一部を反射体２５（２５ａ，２５ｂ）で分岐して入射させることにより、被検体２３の表面形状を計測することができる。

もしくは表面形状計測部２４は、被検体２３の表面形状を計測するための計測用レーザ光を照射するとともに、この計測用レーザ光の反射光に基づいて表面形状を計測するように構成してもよい。
この場合、受信レーザ光出力部１３から出力される受信レーザ光２２の波長と、表面形状計測部２４から出力される計測用レーザ光の波長とは、それぞれ異なるものとする。
そして、反射体２５ａは、いずれか一方の波長のレーザ光を反射して、他方の波長のレーザ光を透過することができる、例えばダイクロイックミラー等が採用される。

このように、光音響信号２７を検出するための受信レーザ光２２と、被検体２３の表面形状を計測するための計測用レーザ光とを、別個に出力する場合は、出力された二本のレーザは、反射体２５（２５ａ，２５ｂ）により重ね合わされた後に、被検体２３の表面に照射される。
そして、被検体２３の表面を反射した反射光は、照射光路を逆方向に伝搬して、反射体２５ａにおいて分岐され、それぞれ受信レーザ光出力部１３及び表面形状計測部２４に入射する。

信号処理部１６は、レーザ干渉計１５から光音響信号２７の検出信号を入力して、ＡＤ変換器（図示省略）を用いてアナログ信号からデジタル信号に変換し、さらにデジタルフィルタ処理、平均化処理、位相シフト処理、開口合成処理、画像化処理等を経て、被検体２３の内部構造のイメージングデータを生成する。
さらに信号処理部１６は、表面形状計測部２４から被検体２３の表面形状の計測信号を取得して、被検体２３の表面凹凸がイメージングデータに与えた誤差を補正する。

本実施形態によれば、光音響信号２７の検出信号と被検体２３の表面形状の計測信号とを受信するタイミングを同期させることができる。これにより、生体特有の現象である呼吸や脈拍など、被検体２３の形状が時々刻々と変化することに伴うイメージングデータの誤差要因を低減することができる。

図２（Ａ）は、励起レーザ光２１、連続波の受信レーザ光２２及び計測用レーザ光２８の発振出力を時系列で示す図である。
励起レーザ光２１は、励起レーザ光出力部１１（図１）からパルス発振され一定の周期間隔で出力される。一方において、連続波の受信レーザ光２２は、レーザパワーの出力値が常に一定となる。
励起レーザ光２１のパルスが出力された後、光吸収体２０（図１）から発生した光音響信号２７は、連続波の受信レーザ光２２に重畳して受信される。

一方において被検体２３の表面形状の計測信号を導く計測用レーザ光２８は、この光音響信号２７と重ならないように送受信されることが望ましい。光音響信号２７に計測用レーザ光２８の計測信号が重なると、イメージングデータを作成した際に、誤差が拡大するおそれがあるからである。
そこで、受信レーザ光出力部１３において光音響信号２７が検出される期間ｓと、表面形状計測部２４において被検体２３の表面形状の計測用レーザ光２８が検出される期間ｔとを、ずらして設定することとする。

図２（Ｂ）は、励起レーザ光２１とパルス波の受信レーザ光２２との発振出力を時系列で示す図である。
励起レーザ光２１は、励起レーザ光出力部１１（図１）からパルス発振され一定の周期間隔で出力される。一方において、受信レーザ光２２のパルスは、励起レーザ光２１のパルスよりもパルス幅を広くとり、時間的に重なるようにかつ同期して出力される。

励起レーザ光２１のパルスが出力された後、光吸収体２０（図１）から発生した光音響信号２７は、パルス波の受信レーザ光２２に重畳して受信される。
なお、図２（Ｂ）は、受信レーザ光２２のパルス幅内に、励起レーザ光２１のパルスのうち一つが重なるように同期出力されているが、複数のパルスが重なるように同期出力される場合もある。換言すると、１パルスの受信レーザ光２２が、１パルスの励起レーザ光２１による光音響信号２７を受信する例を示しているが、１パルスの受信レーザ光２２が複数パルスの励起レーザ光２１による複数回の光音響信号２７を受信するように出力することも可能である。

一般的に、レーザ干渉計測を行う場合、受信レーザ光２２の照射エネルギー若しくは出力が大きい程、光音響信号２７を高感度で受信することができる。
このため、受信レーザ光２２をパルス発振させることで、高いピーク値のレーザ光を出力できるため、光音響信号２７に対する受信感度を向上させることができる。

また、受信レーザ光２２に連続光を使用した場合は（図２（Ａ））、光音響信号２７が発生していない時間も被検体２３にレーザ光を照射し続けることになるが、パルス発振された受信レーザ光２２を用いることで（図２（Ｂ））、光音響信号２７を計測するために必要な時間だけレーザ光の照射をすることが可能となる。

また、パルス発振された受信レーザ光２２の場合、この受信レーザ光２２が発振されてから励起レーザ光２１が発振するまでの時間ｔ₁または光音響信号の検出期間ｓが終わってから受信レーザ光２２のパルスが消失するまでの時間t₂、もしくは時間ｔ₁及び時間ｔ₂の両方を使用して被検体２３の表面形状の計測信号を検出することができる。
この場合、被検体２３の表面形状の計測信号は、計測用レーザ光２８を使用せず、受信レーザ光２２の一部を利用して導くことが可能になる。

（第２実施形態）
次に図３を参照して本発明における第２実施形態について説明する。
第２実施形態における光音響計測装置１０において表面形状計測部２４は、画像データを撮像して被検体２３の表面形状を計測する。
なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
このような表面形状計測部２４としては、ステレオ法や焦点深度情報を使用する等の一般的に画像から形状を得る技術が適用される。

（第３実施形態）
次に図４を参照して本発明における第３実施形態について説明する。
第３実施形態における光音響計測装置１０は、励起レーザ光２１、受信レーザ光２２及び計測用レーザ光２８を同軸に出力するプローブ３０をさらに備えている。
なお、図示を省略するが、プローブ３０は、励起レーザ光２１、受信レーザ光２２及び計測用レーザ光２８のうち二つを同軸に出力する構成とすることもできる。

第３実施形態において励起レーザ光伝送部１２は、励起レーザ光出力部１１とプローブ３０との間で励起レーザ光２１を伝送させる光ファイバとなる。
同様に、受信レーザ光伝送部１４は、受信レーザ光出力部１３とプローブ３０との間で受信レーザ光２２を伝送させる光ファイバとなる。

プローブ３０は、励起レーザ光２１を伝送させる光ファイバ（励起レーザ光伝送部１２）が一端に接続され途中経路に設けられたダイクロイックミラー２５ｅ，２５ｆを通過させて励起レーザ光２１を他端から出力させる第１筒体３１と、受信レーザ光２２を伝送させる光ファイバ（受信レーザ光伝送部１４）が一端に接続されこの受信レーザ光２２を反射体２５ｃによりダイクロイックミラー２５ｆに入射させて第１筒体３１の他端から出力させる第２筒体３２と、被検体２３の表面形状の計測用レーザ光２８を伝送させる光ファイバ１９が一端に接続されこの計測用レーザ光２８を反射体２５ｄによりダイクロイックミラー２５ｅに入射させて第１筒体３１の他端から出力させる第３筒体３３と、から構成されている。

第３実施形態における光音響計測装置１０によれば、励起レーザ光２１、受信レーザ光２２及び計測用レーザ光２８は、それぞれ同軸にプローブ３０から照射されることとなる。そして、この照射されたレーザは、被検体２３の表面を反射して第１筒体３１の他端に入射し、照射光路を逆方向に伝搬していく。
これにより、被検体２３の表面形状を計測する位置と、内部構造のイメージングデータを取得する位置と、の誤差を無くすことができる。

（第４実施形態）
第４実施形態における光音響計測装置の表面形状計測部２４は、励起レーザ光２１及び受信レーザ光２２を被検体２３の表面に照射する以前に、被検体２３の表面形状を予め計測することとする。
そして、信号処理部１６は、予め計測された被検体２３の表面形状の計測信号と、励起レーザ光２１及び受信レーザ光２２の照射によりリアルタイムで検出された光音響信号２７とを、処理してイメージングデータを生成する。

なお、予め計測される被検体２３の表面形状の計測信号は、この被検体２３に対して実測する場合の他に、モデル形状のデータ信号を代用させることもできる。

以上述べた光音響計測装置によれば、被検体の表面形状の計測信号を用いて、光吸収体が励起されて発生する光音響信号を補正することにより、被検体の内部構造のイメージングデータを高精度で生成することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…光音響計測装置、１１…励起レーザ光出力部、１２…励起レーザ光伝送部、１３…受信レーザ光出力部、１４…受信レーザ光伝送部、１５…レーザ干渉計、１６…信号処理部、１７（１７ａ，１７ｂ）…走査機構、１８（１８ａ，１８ｂ）…光学機構、１９…光ファイバ、２０…光吸収体、２１…励起レーザ光、２２…受信レーザ光、２３…被検体、２４…表面形状計測部、２５（２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ）…反射体、２５ｅ，２５ｆ…ダイクロイックミラー、２７…光音響信号、２８…計測用レーザ光、３０…プローブ、３１…第１筒体、３２…第２筒体、３３…第３筒体。

Claims

被検体内の光吸収体を励起させる励起レーザ光をパルス発振させて出力する励起レーザ光出力部と、
出力された前記励起レーザ光を前記被検体の表面に照射する励起レーザ光伝送部と、
受信レーザ光を発振させて出力する受信レーザ光出力部と、
出力された前記受信レーザ光を前記被検体の表面に照射する受信レーザ光伝送部と、
前記励起レーザ光の照射により前記光吸収体が励起されて発生する光音響信号の影響を受けた前記受信レーザ光の反射光から前記光音響信号を検出するレーザ干渉計と、
前記被検体の表面形状を計測する表面形状計測部と、
前記光音響信号の検出信号及び前記表面形状の計測信号を処理して前記被検体の内部構造のイメージングデータを生成する信号処理部とを、備えることを特徴とする光音響計測装置。
前記表面形状計測部は、前記受信レーザ光の反射光に基づいて前記表面形状を計測することを特徴とする請求項１に記載の光音響計測装置。
前記表面形状計測部は、前記表面形状を計測するための計測用レーザ光を照射するとともに前記計測用レーザ光の反射光に基づいて前記表面形状を計測することを特徴とする請求項１に記載の光音響計測装置。
前記表面形状計測部は、画像データを撮像して前記表面形状を計測することを特徴とする請求項１に記載の光音響計測装置。
前記光音響信号が検出される期間と、前記表面形状が検出される期間とを、ずらすことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光音響計測装置。
前記励起レーザ光、前記受信レーザ光及び前記計測用レーザ光のうち少なくとも二つを同軸に出力するプローブをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光音響計測装置。
前記表面形状計測部は、前記励起レーザ光及び前記受信レーザ光を前記被検体の表面に照射する以前に前記被検体の表面形状を予め計測し、
前記信号処理部は、予め計測された前記表面形状の計測信号と、前記励起レーザ光及び前記受信レーザ光の照射によりリアルタイムで検出された前記光音響信号とを、処理して前記イメージングデータを生成することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光音響計測装置。
前記受信レーザ光は、連続波発振されたもの又はパルス発振されたものであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光音響計測装置。
励起レーザ光出力部が、被検体内の光吸収体を励起させる励起レーザ光をパルス発振させて出力するステップと、
励起レーザ光伝送部が、出力された前記励起レーザ光を前記被検体の表面に照射するステップと、
受信レーザ光出力部が、受信レーザ光を発振させて出力するステップと、
受信レーザ光伝送部が、出力された前記受信レーザ光を前記被検体の表面に照射するステップと、
レーザ干渉計が、前記励起レーザ光の照射により前記光吸収体が励起されて発生する光音響信号の影響を受けた前記受信レーザ光の反射光から前記光音響信号を検出するステップと、
表面形状計測部が、前記被検体の表面形状を計測するステップと、
信号処理部が、前記光音響信号の検出信号及び前記表面形状の計測信号を処理して前記被検体の内部構造のイメージングデータを生成するステップとを、含むことを特徴とする光音響計測方法。