JP5171564B2 - Acousto-optic tomography measuring apparatus and measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、光と超音波を利用して生体などの吸収散乱体内部における光の吸収特性や散乱特性を測定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring light absorption characteristics and scattering characteristics inside an absorption scatterer such as a living body using light and ultrasonic waves.
近年、生体内部をイメージングする技術の一つとして、近赤外光を用いた光CTの技術がある。光を用いることでより簡便に、被爆の恐れなく生体内部を測定することが可能である。またその分光情報から、生体内部のヘモグロビンの代謝など機能的なイメージングをすることも可能であり、光を用いて非侵襲で生体内を測定することは非常に有用である。その反面、光が強く散乱され、生体内部に侵入した光は次々に散乱を繰り返し、数ミリメートル程度進むと直進性が失われてしまう。その結果、生体内部の局所的な分光特性を得ることが困難となる。 In recent years, as one of techniques for imaging the inside of a living body, there is a technique of optical CT using near infrared light. By using light, the inside of a living body can be measured more easily and without fear of exposure. In addition, it is possible to perform functional imaging such as metabolism of hemoglobin inside the living body from the spectral information, and it is very useful to measure in vivo non-invasively using light. On the other hand, the light is strongly scattered, and the light that has entered the inside of the living body repeatedly scatters one after another. As a result, it becomes difficult to obtain local spectral characteristics inside the living body.
生体内部の局所的な分光特性を取得する方法として、超音波による光の変調効果(音響光学効果)を用いるものがある。この測定方法はAOT(Acousto−Optical Tomography:音響光学トモグラフィー)として知られている。特許文献1では、生体に近赤外光を照射し、同時に超音波を生体内部に集束させる。超音波集束領域において、超音波との相互作用によって変調された光を検出することで局所的な光学情報を取得している。このようなAOTの技術により、前述の光CTよりも高解像度のイメージングが可能になる。
As a method for acquiring local spectral characteristics inside a living body, there is a method using a light modulation effect (acousto-optic effect) by ultrasonic waves. This measuring method is known as AOT (Acousto-Optical Tomography). In
AOTにおいては、超音波を印加した際のスペックルコントラストと超音波を印加していない状態でのスペックルコントラストを比較することにより、超音波と光の相互作用の強弱をModulation Depthとして数値化する。このModulation
Depthは生体内部の吸収係数・散乱係数に依存するため、生体内部の吸収散乱情報がわかる。さらに、超音波の収束領域を移動させることで、生体内部の吸収散乱情報の分布を取得することが可能となる。
In AOT, by comparing the speckle contrast when an ultrasonic wave is applied with the speckle contrast when no ultrasonic wave is applied, the intensity of the interaction between the ultrasonic wave and light is quantified as a modulation depth. . This Modulation
Since Depth depends on the absorption coefficient / scattering coefficient inside the living body, the absorption / scattering information inside the living body is known. Furthermore, it is possible to acquire the distribution of absorption / scattering information inside the living body by moving the ultrasound convergence area.
非特許文献1には、超音波と光の相互作用における時間変化に伴うスペックルパターンの相関の変化が記載されている。
生体においては、生体分子や血流による時間的な流動により、スペックルの状態が時間に伴って変化する。そのため、エリアセンサーなどを用いてスペックルを観測する場合、エリアセンサーによる取り込み時間が増えるほどスペックルコントラストが低下し、AOT測定におけるS/Nが低下してしまう。一方で、エリアセンサーによる取り込み時間を短くすることによってスペックルコントラストは大きくなるものの、エリアセンサーでの積算時間が十分ではないためにS/Nが低下してしまう。AOT測定においては、S/Nが最大となるような取り込み時間を用いてスペックル観測することが望まれる。 In the living body, the speckle state changes with time due to temporal flow caused by biomolecules and blood flow. For this reason, when speckle is observed using an area sensor or the like, the speckle contrast decreases as the capture time by the area sensor increases, and the S / N in AOT measurement decreases. On the other hand, although the speckle contrast is increased by shortening the capturing time by the area sensor, the S / N is decreased because the integration time at the area sensor is not sufficient. In AOT measurement, it is desirable to perform speckle observation using an acquisition time that maximizes S / N.
非特許文献1は、超音波と光の相互作用における時間変化に伴うスペックルパターンの相関の変化を測定するに留まり、S/Nが最も大きくなる時間の設定に関しては言及していない。また、エリアセンサーのみを用いてS/Nが最大となる測定時間を見積もることも原理的には可能であるが、エリアセンサーによる信号のS/Nが悪い上に時間分解して測定しなければならず、誤差が大きく含まれてしまうことが考えられる。
Non-Patent
そこで、本発明は、音響光学トモグラフィー測定においてS/Nが最大となる測定時間(取り込み時間)を容易に算出できる技術を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a technique capable of easily calculating a measurement time (capture time) at which the S / N is maximum in acousto-optic tomography measurement.
上記課題を解決するために、本発明に係る音響光学トモグラフィー測定装置は、
測定対象物にコヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
を有し、音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定装置であって、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
前記射出光検出手段による検出結果から、スペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)と前記エリアセンサーのノイズ量σnoise(t)を算出し、算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)とエリアセンサーのノイズ量σnoise(t)とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のS/Nが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間tsを決定する測定時間決定手段と、
を有することを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, an acousto-optic tomography measurement device according to the present invention includes:
A coherent light source for irradiating the measurement target with coherent light, and
An area sensor for detecting speckles of light emitted from the measurement object;
Ultrasonic irradiation means for irradiating the measurement object with ultrasonic waves;
An acousto-optic tomography measuring apparatus for performing acousto-optic tomography measurement,
Exit light detection means for detecting the exit light from the measurement object;
The temporal change C off (t) of the speckle contrast and the noise amount σ noise (t) of the area sensor are calculated from the detection result by the emitted light detection means, and the temporal change of the calculated speckle contrast is calculated. Based on C off (t) and the noise amount σ noise (t) of the area sensor, the area so that the S / N of the speckle detection signal by the area sensor at the time of the acousto-optic tomography measurement is maximized. Measurement time determining means for determining a measurement time ts of the speckle by the sensor;
It is characterized by having.
また、本発明に係る音響光学トモグラフィー測定方法は、
測定対象物にコヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
を有する音響光学トモグラフィー測定装置が行う音響光学トモグラフィー測定方法であって、
前記測定対象物からの射出光を測定する射出光検出工程と、
前記射出光検出工程の検出結果からスペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)を算出する工程と、
前記エリアセンサーのノイズ量σnoise(t)を算出する工程と、
算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)とエリアセンサーのノイズ量σnoise(t)とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のS/Nが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間tsを決定する測定時間決定工程と、
前記エリアセンサーによる測定時間をtsとして音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定工程と
を含むことを特徴とする。
In addition, the acousto-optic tomography measurement method according to the present invention includes:
A coherent light source for irradiating the measurement target with coherent light, and
Ultrasonic irradiation means for irradiating the measurement object with ultrasonic waves;
An area sensor for detecting speckles of light emitted from the measurement object;
Exit light detection means for detecting the exit light from the measurement object;
An acousto-optic tomography measuring method performed by an acousto-optic tomography measuring device having:
An emission light detection step of measuring the emission light from the measurement object;
Calculating a temporal change C off (t) of speckle contrast from the detection result of the emission light detection step;
Calculating a noise amount σ noise (t) of the area sensor;
Based on the calculated temporal change C off (t) of the speckle contrast and the noise amount σ noise (t) of the area sensor, the detection signal of the speckle detection signal by the area sensor at the time of acousto-optic tomography measurement A measurement time determining step of determining the speckle measurement time ts by the area sensor so that S / N is maximized;
And an acousto-optic tomography measurement step of performing acousto-optic tomography measurement with a measurement time by the area sensor as ts.
本発明によれば、音響光学トモグラフィー測定においてS/Nを最大とする測定時間を確度高く求めることが可能になり、生体などの吸収散乱体の分光特性を確度高く取得することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain with high accuracy the measurement time for maximizing S / N in acousto-optic tomography measurement, and it is possible to obtain the spectral characteristics of absorption scatterers such as living bodies with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。ただし、実施例に記載されている構成部品の機能、形状、その相対配置などは、特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、以下の説明で一度説明した構成や部品についての機能、形状などは、特に改めて記載しない限り初めの説明と同様のものとする。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the functions, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. The functions and shapes of the components and components once described in the following description are the same as those in the first description unless otherwise described.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る音響光学トモグラフィー測定装置(AOT測定装置)の構成を示す図である。本実施形態に係る測定システムでは、生体組織などを測定対象として音響光学トモグラフィー測定(AOT測定)を行い、測定情報を画像化して表示する。本実施形態では、AOT測定時における検出信号のS/Nが最大となる測定時間(取り込み時間)を求めて、その測定時間でAOT測定を行う。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an acousto-optic tomography measurement apparatus (AOT measurement apparatus) according to the present embodiment. In the measurement system according to the present embodiment, acousto-optic tomography measurement (AOT measurement) is performed on a biological tissue or the like as a measurement target, and measurement information is imaged and displayed. In the present embodiment, a measurement time (capture time) at which the S / N of the detection signal at the time of AOT measurement is maximized is obtained, and AOT measurement is performed at the measurement time.
〈構成〉
まず、AOT測定を行うための構成について説明する。
<Constitution>
First, a configuration for performing AOT measurement will be described.
生体組織などの測定対象物1は測定容器2に収められる。測定対象物1と測定容器2の間は、光の屈折率や散乱係数及び、超音波の音響特性が測定対象物1とほぼ同等とみなせる、特性が既知で均一の媒質(マッチング材3)で満たされている。
A
信号発生器11は制御部10によって駆動され、コヒーレント光源12からコヒーレント光を照射する。照射されたコヒーレント光は光ファイバー13に導かれる。光ファイバー13は測定容器2の側面に接続されていて、測定容器2を介して測定対象物1にコヒーレント光が照射される。照射されたコヒーレント光は測定対象物1内部を吸収・散乱を繰り返して、様々な方向に拡散光として伝播する。測定対象物1内を伝搬した光は射出開口21から射出される。
The
なお、光の照射位置は、光ファイバー13を動かすことで変えてもよい。またコヒーレント光源に2つ以上の光ファイバーに接続し、切り替え器を用いて導光される光ファイバーを選択することで、光の入射位置を順次切り替えてもよい。 Note that the light irradiation position may be changed by moving the optical fiber 13. Alternatively, the incident position of light may be sequentially switched by connecting two or more optical fibers to a coherent light source and selecting an optical fiber to be guided using a switch.
また、信号発生器11は制御部10によって駆動され、超音波発生器5から超音波を測定対象物1に照射する。超音波発生器5が、本発明の超音波照射手段に相当する。信号発生器11は、超音波収束位置4で収束するように超音波を照射する。超音波収束位置4では、音圧による媒質の密度変化が生じる。超音波収束位置4をコヒーレント光が通過すると、この密度変化により、光の位相がある効率に応じて変調される。つまり、光と超音波の相互作用(音響光学効果)が生じる。
The
超音波との相互作用により変調された光は、エリアセンサー23によって検出される。エリアセンサー23は、例えばCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などを用いる。エリアセンサー23は制御部によって駆動時間tsだけ駆動されて光の検出を行う。後述するように、駆動時間tsは信号のS/Nが最大となるような時間として別途求められるものである。 The light modulated by the interaction with the ultrasonic wave is detected by the area sensor 23. The area sensor 23 uses, for example, a CCD (Charge Coupled Device), a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), or the like. The area sensor 23 is driven by the controller for the driving time ts to detect light. As will be described later, the driving time ts is separately obtained as a time that maximizes the S / N of the signal.
エリアセンサー23によって検出された光は電気信号に変換され、信号抽出部31において変調光と非変調光とに分離される。このうち変調光の成分から、測定対象物1内部の吸収係数と散乱係数を算出する。算出された吸収係数と散乱係数はメモリ33に蓄積される。さらに超音波収束位置4を順次動かすことによって、測定対象物1内部の情報を求め
ていく。それらの情報は全てメモリ33に保存される。その保存された値を画像生成部34でマップ化し、モニター35で3次元的な吸収係数と散乱係数および構成要素の割合の分布を表示する。
The light detected by the area sensor 23 is converted into an electric signal, and is separated into modulated light and non-modulated light by the
次に、S/Nを最大とする駆動時間tsを求めるための構成を説明する。 Next, a configuration for obtaining the drive time ts that maximizes the S / N will be described.
検出器25は、射出開口21から射出される拡散光を、開口24を介して検出する。検出器25が、本発明の射出光検出手段に相当する。検出器25には、例えばPMT(Photo MultiPlier:光電子増倍管)やAPD(Avalanche Photo Diode:アバランシェ・フォトダイオード)などの高感度な検出器を用いる。 The detector 25 detects the diffused light emitted from the emission opening 21 through the opening 24. The detector 25 corresponds to the emitted light detection means of the present invention. As the detector 25, for example, a highly sensitive detector such as PMT (Photo Multiplier) or APD (Avalanche Photo Diode) is used.
射出開口21と開口24の間にはビームスプリッター24が配置されており、射出された光の一部は上述したエリアセンサー23に導かれる。このとき、射出開口21からエリアセンサー23までの光学的距離と射出開口21から検出器25までの光学的距離は同じにしてある。さらに開口24の面積とエリアセンサー23の画素面積とが同じにしておく。このようにすることにより、エリアセンサー23のノイズの見積もりを検出器25で行うことができる。また、射出開口21の開口サイズAsと上記の光学的距離zは以下の式を満たしたものに設定する。 A beam splitter 24 is disposed between the exit aperture 21 and the aperture 24, and part of the emitted light is guided to the area sensor 23 described above. At this time, the optical distance from the ejection opening 21 to the area sensor 23 and the optical distance from the ejection opening 21 to the detector 25 are the same. Furthermore, the area of the opening 24 and the pixel area of the area sensor 23 are set to be the same. By doing so, the noise of the area sensor 23 can be estimated by the detector 25. Further, the opening size As of the injection opening 21 and the optical distance z are set to satisfy the following expression.
ここで、zは射出開口21から検出器25およびエリアセンサー23までの光学的距離である。また、Asは射出開口21の面積であり、pは開口24の面積およびエリアセンサー23の画素面積であり、λはコヒーレント光の波長である。 Here, z is an optical distance from the ejection opening 21 to the detector 25 and the area sensor 23. Further, As is the area of the emission opening 21, p is the area of the opening 24 and the pixel area of the area sensor 23, and λ is the wavelength of coherent light.
このように設定することで、エリアセンサー23におけるスペックルの大きさが画素面積pと等しくなり、スペックルコントラストを最大にして測定することができる。また、後述するように、検出器21の検出結果から、エリアセンサー23のノイズ量を容易に算出可能となる。 With this setting, the speckle size in the area sensor 23 becomes equal to the pixel area p, and the speckle contrast can be maximized for measurement. Further, as will be described later, the noise amount of the area sensor 23 can be easily calculated from the detection result of the detector 21.
検出器25で検出された光は電気信号に変換され、信号抽出部31において必要な情報が抽出される。演算処理部32は、抽出された情報に基づいて自己相関関数g2(τ)を求める。演算処理部32は、また、抽出した情報からエリアセンサー23のノイズ量を見積もり、メモリ33に蓄積する。そして、演算処理部32は、メモリ33に蓄積された強度の自己相関関数g2(τ)とエリアセンサー23のノイズ量とから、AOT測定時における検出信号のS/Nが最大となるためのエリアセンサー23の駆動時間tsを求める。上述したように、AOT測定の際には、エリアセンサー23が駆動時間tsだけ駆動されて測定が行われる。
The light detected by the detector 25 is converted into an electrical signal, and necessary information is extracted by the
射出開口21からエリアセンサー23までの光学的距離と射出開口21から検出器25までの光学的距離が同じであれば、エリアセンサー23と検出器25は同時に利用しなくても良い。すなわち、ビームスプリッター22を利用せずに、検出器25で測定した後に、エリアセンサー23を検出器25の位置に置き換えてもよい。 If the optical distance from the ejection opening 21 to the area sensor 23 and the optical distance from the ejection opening 21 to the detector 25 are the same, the area sensor 23 and the detector 25 may not be used at the same time. That is, the area sensor 23 may be replaced with the position of the detector 25 after the measurement by the detector 25 without using the beam splitter 22.
本実施形態における、信号抽出部31、演算処理部32、画像生成部45は、信号処理部8として、汎用的なコンピュータがプログラムを実行することで実現することができる。ただし、これらの各機能部のうち一部または全部について、専用のハードウェアによっ
て実現しても構わない。また、各機能部を複数のプロセッサによって実現しても構わない。たとえば、測定時間tsを決定するための処理と、音響光学測定を行う際の処理とを異なるプロセッサで行うように実装しても構わない。なお、信号処理部8が本発明における測定時間決定手段に相当する。
The
〈処理内容〉
次に、本実施形態にかかる測定システムによってAOT測定する際の処理の流れを、図2のフローチャートを参照しつつより詳細に説明する。図2は、第1の実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
<Processing content>
Next, the flow of processing when AOT measurement is performed by the measurement system according to the present embodiment will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG. FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the first embodiment.
ステップ101では、開口24と検出器25を用いて光子相関法の測定を行う。すなわち、コヒーレント光源11から測定対象物1にコヒーレント光を照射し、散乱光の強度の時間的な揺らぎを測定する。なお、この段階では超音波の照射はせずにコヒーレント光のみを照射する。
In step 101, the photon correlation method is measured using the aperture 24 and the detector 25. That is, the coherent light is irradiated from the coherent
次にステップ102で、検出器25による射出光(散乱光)の検出結果から演算処理部32が光強度の自己相関関数g2(τ)を求める。または、演算処理部32が相関器と接続され、相関器を用いて自己相関関数g2(τ)を求めてもよい。
Next, in step 102, the
次にステップ103で、演算処理部32が、検出器25で検出した光強度からエリアセンサー23のノイズ量σnoiseを見積もる。開口24の面積とエリアセンサーの画素面積とが同じであり、かつ、射出開口21からエリアセンサー23までの光学的距離と射出開口21から検出器25までの光学的距離が同じであるので、検出器25で検出される光強度はエリアセンサー23で検出される光強度と等しい。そのため検出器25で測定した光強度からエリアセンサー23のノイズ量を見積もることが可能となる。以下にエリアセンサーのノイズ量(光強度の標準偏差)を示す。
Next, in step 103, the
ここで、σrは読み出しノイズ、Dtは暗電流ノイズを表し、Dが暗電流、tがエリアセンサーの取り込み時間(測定時間)である。またQI0tはショットノイズを表し、Qが量子効率、I0は単位時間あたりの光強度であり単位はW(ワット)である。検出器25で検出した光強度をI0tに当てはめる。σr,D、Qはエリアセンサー23に固有な値であり既知なので、メモリ33に格納しておきそれを利用する。これにより、式(2)を用いて取り込み時間tに応じたエリアセンサー23のノイズ量を見積もることができる。 Here, sigma r readout noise, Dt represents the dark current noise, D is the dark current, t is the area sensor acquisition time (measurement time). QI 0 t represents shot noise, Q is quantum efficiency, I 0 is light intensity per unit time, and the unit is W (watt). The light intensity detected by the detector 25 is applied to I 0 t. Since σ r , D, and Q are values unique to the area sensor 23 and are known, they are stored in the memory 33 and used. Thereby, the noise amount of the area sensor 23 according to the capture time t can be estimated using the equation (2).
次にステップ104で、算出したg2(τ)とσnoiseからエリアセンサー23の検出信号のS/Nが最大となる測定時間tsを演算処理部32において決定する。まず測定時間tsを算出方法の原理について説明する。
Next, in step 104, the
エリアセンサー23で検出したスペックルの程度を表す値にスペックルコントラストがある。スペックルコントラストは以下の式で与えられる。 A value indicating the degree of speckle detected by the area sensor 23 is speckle contrast. The speckle contrast is given by:
<I>はエリアセンサー23で取得した光強度の平均値であり、σはエリアセンサー23で取得した光強度の標準偏差である。標準偏差σは、式(3)からスペックルコントラストと光強度の平均値の積として表される(σ=C〈I〉)。 <I> is an average value of the light intensity acquired by the area sensor 23, and σ is a standard deviation of the light intensity acquired by the area sensor 23. The standard deviation σ is expressed as a product of the speckle contrast and the average value of the light intensity from the equation (3) (σ = C <I>).
超音波を印加した際のスペックルコントラストをCon、超音波を印加していない状態でのスペックルコントラストをCoffとおくと、Modulation Depth(
M)と呼ばれる相互作用の程度を表す量を以下の式で表すことができる。
When the speckle contrast when applying ultrasonic waves is C on and the speckle contrast when no ultrasonic waves are applied is C off , Modulation Depth (
The quantity representing the degree of interaction called M) can be expressed by the following equation.
これからCoffとConの差ΔCは以下となる。 From this, the difference ΔC between C off and C on is as follows.
測定対象物が生体組織などの場合、Mはほぼ一定(1/1000程度)となるので、ΔCはCoffに比例する。 When the measurement object is a living tissue or the like, M is substantially constant (about 1/1000), and therefore ΔC is proportional to C off .
一方、生体分子や血流による時間的な流動により、Coffの時間的変化Coff(t)はエリアセンサー23の取り込み時間に応じて値が小さくなる。それは上で求めたg2(τ)に以下の式により対応づけることができる。
ここでエリアセンサーのノイズ量σnoiseと比較するために、スペックルコントラストを標準偏差で表すと、超音波印加・非印加での標準偏差の差Δσは、式(3)との関係から以下で表すことができる。 Here, for comparison with the noise amount σ noise of the area sensor, when the speckle contrast is expressed in standard deviation, the difference Δσ in standard deviation between the application and non-application of the ultrasonic wave is as follows from the relationship with the equation (3). Can be represented.
AOT測定においては超音波印加時・非印加時でのこの差を検出し、Modulation Depthを演算処理部32において算出する。以上の関係を模式的に示した図を図3に示す。図3はエリアセンサー23における強度の頻度分布(ヒストグラム)である。太線で超音波非印加時の強度分布を示し、点線で超音波印加時の強度分布を示し、細線でエリアセンサー23のノイズ分布を示す。AOTにおいては、超音波印加・非印加での標準偏差の差Δσがノイズの標準偏差以上であることが測定可能な必要条件となる。AOT測定におけるS/Nは、Δσを信号(S)とし、式(2)をノイズ(N)とすると以下となる。
In the AOT measurement, this difference between when an ultrasonic wave is applied and when it is not applied is detected, and a Modulation Depth is calculated by the
したがって、この値が最大となるように取り込み時間t=tsを演算処理部32において定めることで、S/Nの高いAOT測定を行うことができる。なお、式(9)中でI0およびMは定数であるので、結局、t・Coff(t)/σnoise(t)が最大となるtを求めればよい。
Therefore, by determining the capture time t = ts in the
まとめると、式(9)の分子、すなわち式(8)は、ステップ101で算出した自己相関関数g2(τ)を用いて式(6)によって求めることができる。また、式(9)の分母はステップ102で求めたエリアセンサー23のノイズである。したがって、ステップ101および102の測定結果を利用して、AOT測定において最大のS/Nを与える測定時間tsを求めることができる。以上がステップ104となる。 In summary, the numerator of equation (9), that is, equation (8), can be obtained by equation (6) using the autocorrelation function g 2 (τ) calculated in step 101. Further, the denominator of the formula (9) is the noise of the area sensor 23 obtained in step 102. Therefore, the measurement time ts that gives the maximum S / N in the AOT measurement can be obtained using the measurement results of steps 101 and 102. The above is step 104.
ステップ104を以下で例示する。図4Aから図4Dは式(9)の関係を模式的に示したものである。これらの図は横軸を時間としたときの特性である。図4Aは太線でスペックルコントラストCoff(t)を表し、細線で光強度I(t)を表す。スペックルコントラストは時間とともに式(6)で示されるように減衰する。反対に、光強度は時間とともに線形に増加する。両者を掛け算し、Moudlation Depthを加えた式(8)を表したものが図4Bである。Moudlation Depthは時間に対して一定であるので、最大値を1つ持った特性となる。図4Cにはエリアセンサー23のノイズ(式(2))を示している。時間とともに光強度が増加するのにともなって、おおよそ平方根の形で増大する。図4Bと図4Cの比を図4Dに示す。すなわちこれがS/Nであり、この場合約0.05秒においてS/Nが最大となっていることがわかる。この時間がtsである。以上のようにしてtsを求めることができる。 Step 104 is illustrated below. 4A to 4D schematically show the relationship of Expression (9). These figures are characteristics when the horizontal axis is time. In FIG. 4A, the thick line represents the speckle contrast C off (t), and the thin line represents the light intensity I (t). The speckle contrast decays with time as shown in equation (6). Conversely, the light intensity increases linearly with time. FIG. 4B shows a formula (8) obtained by multiplying the two and adding Modulation Depth. Since Modulation Depth is constant with respect to time, the characteristic has one maximum value. FIG. 4C shows the noise (formula (2)) of the area sensor 23. As the light intensity increases with time, it increases approximately in the form of a square root. The ratio between FIG. 4B and FIG. 4C is shown in FIG. 4D. That is, this is S / N. In this case, it can be seen that S / N is maximum at about 0.05 seconds. This time is ts. As described above, ts can be obtained.
次に、ステップ105である場所に超音波を収束させAOT測定を行う。ステップ106で、超音波収束位置4の位置を変える。変える方法は、超音波発生器5がアレイ状の素子でできている場合にはそれぞれの素子を駆動する時間に遅延を持たせ、その遅延状態を変えてもよく、1つの凹面でできている場合には位置を動かしてもよい。この間はステップ103で求めた測定時間tsで測定すればよい。ただし、判定111で光源もしくは検出位置を変更した場合には、測定対象物1内の光の経路が変化するため、g2(τ)が変化し、S/Nが最大となる時間tsも変化することとなる。ゆえにこの場合にはステップ
101まで遡って同様の操作を繰り返す必要がある。光源もしくは検出位置を変更する方法は、光ファイバー12の測定対象物1に対する位置をずらしたり、予めずらした位置に光ファイバー12を複数取り付けておいたりしてもよい。光源もしくは検出位置を変更しない場合にはステップ105に戻りAOT測定を繰り返す。
Next, the AOT measurement is performed by converging the ultrasonic wave at the place of step 105. In step 106, the position of the ultrasonic convergence position 4 is changed. When the ultrasonic generator 5 is made of an array-like element, the time for driving each element may be delayed and the delay state may be changed. In some cases, the position may be moved. During this time, the measurement may be performed at the measurement time ts obtained in step 103. However, when the light source or the detection position is changed in the determination 111, the light path in the
以上のようにして繰り返し測定することで、測定対象物1内部のAOT測定情報を取得する。その情報をステップ107で画像化して測定終了となる。ここで言うAOT測定情報とは、上記のCoffとConから求めたModulation Depthや、Modulation Depthを吸収係数および散乱係数に変換した値や、分光測定することでヘモグロビンや脂肪、水、コラーゲン、メラニンなどの生体中の構成物に変換した値である。画像生成部34においてこれらを配置し、モニター35にこれらのうちいずれかまたは複数を表示してもよい。
By repeatedly measuring as described above, AOT measurement information inside the
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態の測定システムの構成は基本的に第1の実施形態と同じ構成となる。第1の実施形態との違いは、コヒーレント光源12がピコ秒(10−12秒)オーダーの短パルス光を照射し、その時間応答(時間プロファイル)を計測し、これに基づいて強度の自己相関関数g2(τ)を算出し、スペックルコントラストの時間変化を求める点である。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The configuration of the measurement system of this embodiment is basically the same as that of the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the coherent light source 12 emits a short pulse light on the order of picoseconds ( 10-12 seconds), measures the time response (time profile), and based on this, the intensity autocorrelation The function g 2 (τ) is calculated and the time change of speckle contrast is obtained.
図5は、第2の実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。ステップ201では、光ファイバー12を介してコヒーレント光源11からピコ秒オーダーの短パルス光を測定対象物1に照射する。検出器25で検出した光を演算処理部32で時間応答測定を行い、光路長分布関数P(l)を算出する。
FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the second embodiment. In step 201, the
ステップ202で、ステップ201で算出した光路長分布関数P(l)から強度の自己相関関数g2(τ)を以下の手順で求める。 In step 202, the intensity autocorrelation function g 2 (τ) is obtained from the optical path length distribution function P (l) calculated in step 201 by the following procedure.
電場の自己相関関数g1(τ)を以下で定義する。 The autocorrelation function g 1 (τ) of the electric field is defined below.
E(τ)が時間τでの電場強度であり、<>が平均操作である。
また、g1(τ)は光路長分布関数P(l)で記述でき、
G 1 (τ) can be described by an optical path length distribution function P (l),
また電場強度の自己相関関数g1(τ)と散乱光強度の自己相関関数g2(τ)は以下
の関係を満たす。
The autocorrelation function g 2 of the autocorrelation function g 1 (τ) and the scattered light intensity of the electric field intensity (tau) satisfy the following relationship.
以上の式(11)から(13)を用い、測定で得られる光路長分布関数P(l)から強度の自己相関関数g2(τ)を算出することができる。 Using the above equations (11) to (13), the intensity autocorrelation function g 2 (τ) can be calculated from the optical path length distribution function P (l) obtained by measurement.
g2(τ)からCoff(t)を見積もり、エリアセンサー23のノイズ量とあわせてS/Nが最も高くなる時間tsを求める手段およびAOTの測定手順は第1の実施形態と同様である。 The means for obtaining C off (t) from g 2 (τ) and obtaining the time ts when the S / N becomes the highest together with the noise amount of the area sensor 23 and the AOT measurement procedure are the same as in the first embodiment. .
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態の測定システムの構成は基本的に第1の実施形態と同じ構成となる。第1の実施形態と異なる点は、コヒーレント光源が周波数変調された光を照射し、その位相および振幅を計測して、これに基づいて強度の自己相関関数g2(τ)を算出し、スペックルコントラストの時間変化を求める点である。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The configuration of the measurement system of this embodiment is basically the same as that of the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the coherent light source emits frequency-modulated light, measures the phase and amplitude, calculates the autocorrelation function g 2 (τ) of the intensity based on this, and This is the point to obtain the time change of the contrast.
本実施形態においては、コヒーレント光源は周波数fで変調された光を照射する。周波数fは通常数十〜数百MHzである。照射された周波数変調光は、測定対象物1内部で吸収・散乱を繰り返して検出器25で検出される。この検出される変調光の位相と振幅を測定することで、測定対象物1内部の情報を抽出することができる。
In the present embodiment, the coherent light source emits light modulated at the frequency f. The frequency f is usually several tens to several hundreds MHz. The irradiated frequency-modulated light is detected by the detector 25 after being repeatedly absorbed and scattered inside the
図6は、第3の実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。ステップ301では、測定によって得られた振幅と位相から吸収係数μaおよび等価散乱係数μs’を求める。なお、本実施形態は、光拡散方程式から導かれる近似解を用いるが、本発明は、より厳密な解にも適用することができる。 FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of the third embodiment. In step 301, an absorption coefficient μa and an equivalent scattering coefficient μs ′ are obtained from the amplitude and phase obtained by the measurement. Although this embodiment uses an approximate solution derived from the light diffusion equation, the present invention can also be applied to a stricter solution.
均一な吸収散乱体内の点光源から距離rの位置で時刻tにおける光強度I(r,t)[光子/sec・mm2]は次式で与えられる。 The light intensity I (r, t) [photon / sec · mm 2 ] at time t at a position r from the point light source in the uniform absorption scatterer is given by the following equation.
ここで、IDCは検出光強度のバイアス成分[光子/sec・mm2]、εは任意の位相項、Aは測定対象物1に入射した入射光子数[光子/sec]、Dは拡散係数[mm]、νは吸収散乱体内部の光速度[mm/sec]である。また、μaは吸収係数[mm−
1]、μs’は等価散乱係数[mm−1]、ωは超音波で変調された変調波の角周波数[rad/sec](変調周波数をfとするとω=2πf)である。
Here, I DC is a bias component [photon / sec · mm 2 ] of the detected light intensity, ε is an arbitrary phase term, A is the number of incident photons incident on the measurement object 1 [photon / sec], and D is a diffusion coefficient. [Mm] and ν are light speeds [mm / sec] inside the absorbing scatterer. Μa is an absorption coefficient [mm −
1 ] and μs ′ are equivalent scattering coefficients [mm −1 ], and ω is an angular frequency [rad / sec] of a modulated wave modulated by ultrasonic waves (ω = 2πf where f is a modulation frequency).
振幅IAC(r,t)と位相Φ(r,t)を測定すれば、数式(14)及び(15)より、吸収係数μaおよび等価散乱係数μs’を算出することができる。これら求めたμa、μs’を式(12)に代入することで、光路長分布関数P(l)を求めることができる。 If the amplitude I AC (r, t) and the phase Φ (r, t) are measured, the absorption coefficient μa and the equivalent scattering coefficient μs ′ can be calculated from the equations (14) and (15). By substituting these determined μa and μs ′ into the equation (12), the optical path length distribution function P (l) can be determined.
求めたP(l)からg1(τ)、g2(τ)を求め、Coff(t)を見積もり、エリアセンサー23のノイズ量からS/Nが最も高くなる時間tsを求める手段およびAOTの測定手順は第2の実施形態と同様である。 Means for obtaining g 1 (τ) and g 2 (τ) from the obtained P (l), estimating C off (t), and obtaining the time ts when the S / N is highest from the noise amount of the area sensor 23, and AOT The measurement procedure is the same as in the second embodiment.
1 測定対象物
2 測定容器
3 マッチング材
4 超音波収束位置
5 超音波発生器
10 制御部
11 信号発生器
12 光源
13 光ファイバー
21 射出開口
22 ビームスプリッター
23 エリアセンサー
24 開口
25 検出器
31 信号抽出部
32 演算処理部
33 メモリ
34 画像生成部
35 モニター
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
を有し、音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定装置であって、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
前記射出光検出手段による検出結果から、スペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)と前記エリアセンサーのノイズ量σnoise(t)を算出し、算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)とエリアセンサーのノイズ量σnoise(t)とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のS/Nが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間tsを決定する測定時間決定手段と、
を有することを特徴とする音響光学トモグラフィー測定装置。 A coherent light source for irradiating the measurement target with coherent light, and
An area sensor for detecting speckles of light emitted from the measurement object;
Ultrasonic irradiation means for irradiating the measurement object with ultrasonic waves;
An acousto-optic tomography measuring apparatus for performing acousto-optic tomography measurement,
Exit light detection means for detecting the exit light from the measurement object;
The temporal change C off (t) of the speckle contrast and the noise amount σ noise (t) of the area sensor are calculated from the detection result by the emitted light detection means, and the temporal change of the calculated speckle contrast is calculated. Based on C off (t) and the noise amount σ noise (t) of the area sensor, the area so that the S / N of the speckle detection signal by the area sensor at the time of the acousto-optic tomography measurement is maximized. Measurement time determining means for determining a measurement time ts of the speckle by the sensor;
An acousto-optic tomography measuring apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。 The acousto-optic tomography measurement apparatus according to claim 1, wherein the measurement time determination unit determines t that maximizes t · C off (t) / σ noise (t) as the measurement time ts.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。 The measurement time determining means obtains a correlation between the intensities of light emitted from the measurement object when the measurement object is irradiated with coherent light from the coherent light source, and the speckle contrast time is determined based on the correlation. The acousto-optic tomography measurement apparatus according to claim 1, wherein a typical change C off (t) is calculated.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。 The measurement time determining means measures a time profile of light emitted from the measurement object when the measurement object is irradiated with short pulse light from the coherent light source, and the speckle contrast is based on the time profile. The time-dependent change C off (t) of is calculated. The acousto-optic tomography measurement apparatus according to claim 1 or 2, wherein:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。 The measurement time determining means calculates an absorption coefficient and a scattering coefficient of the measurement object based on light emitted from the measurement object when the measurement object is irradiated with frequency-modulated light from the coherent light source, The acoustooptic tomography measurement apparatus according to claim 1, wherein a temporal change C off (t) of the speckle contrast is calculated based on the absorption coefficient and the scattering coefficient.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。 The acoustooptic tomography measurement apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the emission light detection means is a photomultiplier tube or an avalanche photodiode.
前記エリアセンサーと前記射出開口との間の光学的距離が以下の式で表されるzであり、
前記射出光検出手段に面積pの開口が設けられるとともに、前記射出光検出手段と前記射出開口との間の光学的距離がzである
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。
The optical distance between the area sensor and the exit aperture is z expressed by the following equation:
The opening of the area p is provided in the said emission light detection means, and the optical distance between the said emission light detection means and the said emission opening is z. The any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 2. An acousto-optic tomography measuring device according to 1.
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
を有する音響光学トモグラフィー測定装置が行う音響光学トモグラフィー測定方法であって、
前記測定対象物からの射出光を測定する射出光検出工程と、
前記射出光検出工程の検出結果からスペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)を算出する工程と、
前記エリアセンサーのノイズ量σnoise(t)を算出する工程と、
算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Coff(t)とエリアセンサーのノイズ量σnoise(t)とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のS/Nが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間tsを決定する測定時間決定工程と、
前記エリアセンサーによる測定時間をtsとして音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定工程と
を含むことを特徴とする音響光学トモグラフィー測定方法。 A coherent light source for irradiating the measurement target with coherent light, and
Ultrasonic irradiation means for irradiating the measurement object with ultrasonic waves;
An area sensor for detecting speckles of light emitted from the measurement object;
Exit light detection means for detecting the exit light from the measurement object;
An acousto-optic tomography measuring method performed by an acousto-optic tomography measuring device having:
An emission light detection step of measuring the emission light from the measurement object;
Calculating a temporal change C off (t) of speckle contrast from the detection result of the emission light detection step;
Calculating a noise amount σ noise (t) of the area sensor;
Based on the calculated temporal change C off (t) of the speckle contrast and the noise amount σ noise (t) of the area sensor, the detection signal of the speckle detection signal by the area sensor at the time of acousto-optic tomography measurement A measurement time determining step of determining the speckle measurement time ts by the area sensor so that S / N is maximized;
An acousto-optic tomography measurement method, comprising: an acousto-optic tomography measurement step of performing acousto-optic tomography measurement with a measurement time by the area sensor as ts.
ことを特徴とする請求項8に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。 The acoustooptic tomography measurement method according to claim 8, wherein in the measurement time determination step, t at which t · C off (t) / σ noise (t) is maximized is determined as the measurement time ts.
ことを特徴とする請求項8または9に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。 In the step of calculating the temporal change C off (t) of the speckle contrast, a correlation of the intensity of light emitted from the measurement object when light is irradiated from the coherent light source to the measurement object is obtained. The temporal change C off (t) of the speckle contrast is calculated based on the correlation. The acoustooptic tomography measurement method according to claim 8 or 9, wherein:
ことを特徴とする請求項8または9に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。 In the step of calculating the temporal change C off (t) of the speckle contrast, a time profile of light emitted from the measurement object when the measurement object is irradiated with short pulse light from the coherent light source is calculated. 10. The acousto-optic tomography measurement method according to claim 8, wherein measurement is performed and the temporal change C off (t) of the speckle contrast is calculated based on the time profile.
ことを特徴とする請求項8または9に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。 In the step of calculating the temporal change C off (t) of the speckle contrast, when the measurement object is irradiated with frequency-modulated light from the coherent light source, the speckle contrast is calculated based on the light emitted from the measurement object. The absorption coefficient and the scattering coefficient of the measurement object are calculated, and the temporal change C off (t) of the speckle contrast is calculated based on the absorption coefficient and the scattering coefficient. The acoustooptic tomography measuring method as described.
ことを特徴とする請求項8〜12のいずれか1項に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。 The acoustic according to any one of claims 8 to 12, wherein in the emission light detection step, the emission light from the measurement object is detected using a photomultiplier tube or an avalanche photodiode. Optical tomography measurement method.
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