シュリーレン画像

シュリーレンイメージングは​​透明媒体の密度変化を可視化する方法である。[ 1 ]

集束超音波トランスデューサのシュリーレン画像
自由飛行する弾丸のシュリーレン画像シーケンス。弾丸の周囲の空気圧のダイナミクスを示しています。

「シュリーレンイメージング」という用語は、一般的にシュリーレン写真法の同義語として用いられているが、本稿では特に、超音波トランスデューサーによって生成される圧力場（主に水中または組織を模倣した媒体中）の可視化について論じる。この手法は、音響ビームの2次元（2D）投影画像をリアルタイム（「ライブビデオ」）で提供する。この手法の独自の特性により、音響場の特定の特徴（例：HIFUトランスデューサーの焦点）の調査、音響ビームプロファイルの不規則性（例：トランスデューサーの欠陥による）の検出、および時間依存現象のオンライン識別[ 2 ]（例：フェーズドアレイトランスデューサー）が可能となる。シュリーレンイメージングは​​音響場の X線透視写真に相当すると考える研究者もいる。

設定

シュリーレンイメージングシステムのセットアップ：線形レンズベースの構成

シュリーレン結像システムの光学構成は、主に平行ビーム、集光素子、絞り（鋭利なエッジ）、カメラで構成されます。平行ビームは、点状の光源（ピンホールに集光されたレーザーが使用される場合もあります）をコリメート光学素子の焦点に配置することで実現できます。コリメート素子はレンズまたはミラーです。光学絞りは、集光素子の焦点に水平または垂直に配置されたカミソリで実現できます。カミソリは、そのエッジで光点像を遮るように慎重に配置されます。カメラは絞りの後ろに配置され、適切なレンズが取り付けられている場合があります。

物理

光線光学の説明

平行ビームは、直線的で平行な「光線」の集合として説明されます。光線は透明媒体を通過しながら、含まれる音響場と相互作用し、最終的に集束素子に到達します。集束素子の原理は、平行な光線を素子の焦点面上の一点に導く（つまり、集束させる）ことです。したがって、集束素子の焦点面を横切る光線の集合は、音響場と相互作用した光線と相互作用しなかった光線の2つのグループに分けられます。後者のグループは音響場によって乱されないため、平行のまま焦点面内の明確に定義された位置に一点を形成します。光学絞りはまさにその点に配置され、対応するすべての光線がシステム内をさらに伝播してカメラに到達するのを防ぎます。このようにして、相互作用せずに音響場を横切った光の部分を取り除きます。ただし、次のように音響場と相互作用する光線もあります。光線が、空間勾配が光線に直交する成分を持つ不均一な密度の領域を通過する場合、その光線は、プリズムを通過するのと同じように、元の方向から偏向されます。この光線は平行ではなくなるため、集束要素の焦点と交差せず、ナイフによってブロックされません。状況によっては、偏向した光線がナイフの刃を抜けてカメラに到達し、光線が経験した不均一性に関連する位置と強度を持つ点状の画像がカメラセンサー上に作成されます。このようにして、音響場と相互作用した光線のみによって画像が形成され、音響場のマッピングが提供されます。

物理光学の説明

音響光学効果は、媒質の光屈折率と密度および圧力を結び付けます。したがって、圧力の空間的および時間的変化（例えば超音波放射によるもの）は、対応する屈折率の変化を引き起こします。媒質中の光の波長と波数は屈折率に依存します。媒質を伝搬する電磁波によって得られる位相は、伝搬線に沿った波数の線積分と関連しています。

Z軸に平行に進む平面波電磁放射の場合、XY平面は等位相多様体（位相が一定である領域。位相は座標(x,y)に依存しない）となる。しかし、波が音響場から出射すると、XY平面はもはや等位相多様体ではなくなる。各(x,y)線に沿った累積圧力に関する情報は、出射する放射の位相に保持され、XY平面に位相像（位相子）を形成する。位相情報はラマン・ナスパラメータによって与えられる。[ 3 ]

v（×、y）＝2πκλ∫p（×、y、z）dz{\displaystyle v(x,y)={\frac {2\pi \kappa }{\lambda }}\int {p(x,y,z)}\,dz}

ここで、圧電係数、光波長、および 3次元圧力場です。[ 4 ]シュリーレン法は位相情報をカメラやスクリーンで検出可能な強度画像に変換します。 κ{\displaystyle \kappa }λ{\displaystyle \lambda}p（×、y、z）{\displaystyle p(x,y,z)}

応用

定量的な音響測定におけるゴールドスタンダードとして認められているのはハイドロフォンです。しかし、ハイドロフォンを用いた音響場の走査にはいくつかの限界があり、シュリーレンイメージングなどの補助的な評価方法が生まれています。シュリーレンイメージング技術の重要性は、高強度焦点式超音波（HIFU）の研究開発において特に顕著です。 [ 5 ] シュリーレンイメージングの利点は以下のとおりです。

  • 自由音場: 調査対象の音響場は測定プローブによって歪められません。
  • 高強度測定: この方法は高音響強度と互換性があります。
  • リアルタイム: シュリーレン画像システムは、音響場のオンラインのライブビデオを提供します。

参考文献

  1. ^ Korpel, A.; Mehrl, D.; Lin, HH (1987). 「音場のシュリーレンイメージング」. IEEE 1987 Ultrasonics Symposium . pp.  515– 518. doi : 10.1109/ULTSYM.1987.199011 . S2CID  122562535 .
  2. ^ Brown, Spencer A.; Greenbaum, Lior; Shtukmaster, Stella; Zadok, Yehuda; Ben-Ezra, Shmuel; Kushkuley, Leonid (2009年7月). 「非侵襲的選択的脂肪細胞破壊（溶解）における非熱的集束超音波の特性評価：技術的および前臨床的評価」. Plastic and Reconstructive Surgery . 124 (1): 92– 101. doi : 10.1097/PRS.0b013e31819c59c7 . PMID 19346998. S2CID 205965366 .  
  3. ^ラマン, CV; ナゲンドラ・ナテ, NS (1935年10月). 「高周波音波による光の回折：パートI」.インド科学アカデミー紀要, セクションA. 2 ( 4): 406– 412. doi : 10.1007/BF03035840 . S2CID 198141323 . 
  4. ^ Cook, BD; Cavanagh, E.; Dardy, HD (1980年7月). 「積分音響光学効果の計算のための数値的手順」. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics . 27 (4): 202– 207. doi : 10.1109/T-SU.1980.31173 . S2CID 9320796 . 
  5. ^ Charlebois, Thomas F.; Pelton, Roger C. (1995年6月). 「音響パワーおよび強度測定のための定量的2Dおよび3Dシュリーレンイメージング」(PDF) . Medical Electronics : 66– 73.

さらに読む

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