光音響装置
【課題】生体内の深い位置での光音響信号を取得する。
【解決手段】超音波を集音する音響レンズと、前記音響レンズによって集音された超音波を検出する超音波検出器と、前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させる駆動装置とを備え、前記駆動装置により前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させることにより、光音響法により被測定対象から発生する超音波を測定する光音響装置であって、前記被測定対象内の第１の位置から発する超音波に基づく第１の測定信号を出力し、前記第１の位置とは異なる前記被測定対象内の第２の位置から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する制御部を有する。
【解決手段】超音波を集音する音響レンズと、前記音響レンズによって集音された超音波を検出する超音波検出器と、前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させる駆動装置とを備え、前記駆動装置により前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させることにより、光音響法により被測定対象から発生する超音波を測定する光音響装置であって、前記被測定対象内の第１の位置から発する超音波に基づく第１の測定信号を出力し、前記第１の位置とは異なる前記被測定対象内の第２の位置から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する制御部を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響効果を用いて生体内部の光吸収係数の分布を計測する方法に関し、特にアレイ型の超音波検出器を用いることで光音響によって生じた光吸収係数の分布により形成される音響像をイメージングする装置である。
【背景技術】
【０００２】
光音響法は、試料に励起光を照射し、試料の光吸収に伴う周期的体積変化を光音響信号として検出する方法である。この光音響法を用いることで、生体内部の光吸収分布の情報を計測・可視化することができる。
【０００３】
近赤外光は、生体の窓と呼ばれる波長帯域（６００−１０００ｎｍ）の光であり、他の波長帯域の光に比べて生体に対して浸達長が長い。また、近赤外光は、Ｘ線等の電磁波に比べて生体に対する影響が少ない。こうした特徴を有する近赤外光を用いて、生体内部の情報を計測・可視化する研究が近年活発に行われている。超音波は、近赤外光と同様に生体に対して、安全性が高く、そして生体内部の深くまで到達できる。また、超音波は近赤外光と異なり生体内をほぼ直進するという特徴をもつ。生体を構成する主要な物質である水、脂肪、酸化・還元ヘモグロビン、コラーゲン等は、近赤外の領域の光に対して特徴的なスペクトルを有している。このスペクトル情報を用いて生体内の構成物質の空間分布を可視化することで、癌などの疾病の兆候が観察できるものと期待されている。しかしながら、生体は近赤外光に対して強い散乱特性を有しているため、特定部位のスペクトル情報を入手するのは困難である。そこで、近赤外光と超音波の特徴を生かした光音響法を用いることにより、特定部位のスペクトル情報を入手することが可能となる。
【０００４】
このような、光音響法を用いて生体内部の情報を可視化する技術は、従来から行われている（特許文献１）。
【特許文献１】米国特許第５８４００２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したように近赤外光は生体内で強く散乱するため、生体の深い領域では光強度が少ない。生体に近赤外光を照射し、その生体内部の特定部位から発生した超音波の強度は、特定部位に吸収される光強度に比例する。そのため、生体の深い領域で発生する超音波の強度は小さく、特許文献１の光音響法では、微弱な超音波信号しか得ることができなかった。また、生体の深い領域で発生する超音波は、生体の深い領域になるにつれて超音波検出器に入射する超音波波面の割合が少なくなるため、同様に、微弱な超音波信号しか得られなかった。
【０００６】
本発明は、生体等の光の拡散する物体内部の光の吸収の情報を超音波を介して深い位置まで取得できる光音響装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光音響装置は、超音波を集音する音響レンズと、前記音響レンズによって集音された超音波を検出する超音波検出器と、前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させる駆動装置とを備え、前記駆動装置により前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させることにより、光音響法により被測定対象から発生する超音波を測定する光音響装置であって、前記被測定対象内の第１の位置から発する超音波に基づく第１の測定信号を出力し、前記第１の位置とは異なる前記被測定対象内の第２の位置から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する制御部を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、生体等の光の拡散する物体内部の光の吸収の情報を超音波を介して深い位置まで取得できるため、健康医療の分野で利用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表しているので説明は省略する。
【実施例１】
【００１１】
まず、比較例の光音響法による生体内の可視化技術に関して詳細に説明する。
【００１２】
図２は、比較例としての光音響法の概要を示したものである。被測定対象１０４は、生体であり、その中（被測定対象内）に近赤外光を吸収する吸収体（吸収領域、第１の吸収領域、第１の位置）１０５が存在している。マッチング層（マッチング溶液）１０３は、被測定対象１０４と近赤外光に対する光学特性をほぼ等しくしてあり、光および超音波の伝播を円滑にしている。光源１２１は、ｎｓｅｃオーダのパルス光を照射する光源であり、照明光学系１２２を介して被測定対象１０４にパルス光を照射する。１１１は、光源１２１を駆動するための光源駆動回路であり、制御回路１２０に接続されている。制御回路１２０は、メモリ１２３を有している。被測定対象１０４中をパルス光は拡散しながら伝播する。吸収体１０５は伝播してきた拡散光を吸収する。吸収体１０５は、吸収した光エネルギーにより急激に膨張し、その結果、吸収体１０５の大きさに関連した超音波を発生する。超音波の強度は、その吸収体に吸収される光エネルギーに比例する。
【００１３】
図２中の矢印１３３の方向に進んだ超音波の波面の概略を波面１３２で示す。ここでは、吸収体１０５で発生する超音波の例を示したが、近赤外光が伝播している領域における吸収体では同様の現象が生じる。したがって、図２中の第２の吸収体（第２の吸収領域、第２の位置）１３４でも、吸収体１０５と同様に超音波が発生する。
【００１４】
伝播した超音波は、アレイ構造を有する超音波検出手段１１５を構成する各アレイ１１５ａ〜１１５ｅで検出される。各アレイからの超音波信号（第１の測定信号、第１の超音波信号）は、信号変換部１１８ａ〜１１８ｅを介して制御回路（制御部）１２０により再構成される。再構成にあたっては、従来Ｓｕｍ＿ａｎｄ＿ｄｅｌａｙ法などが使用されている。再構成された像は、出力機器１１３に音響像（図４（ｂ））が出力される。超音波検出手段１１５及び信号変換部１１８ａ〜１１８ｅは、超音波トランスデューサ駆動回路１１９を介して制御回路１２０に接続されている。次に、各アレイ１１５ａ〜１１５ｅにおける信号に関して説明する。図３は、各アレイ部で検出される信号を模式的に示した図である。図３中の１１８ａ〜１１８ｅは、図２中の超音波検出手段１１５におけるアレイ１１５ａ〜１１５ｅにおいて検出された超音波の波形の時間変化を表したものであり、軸１２８が時間方向に対応している。基準時間１２９が、近赤外光が照射された瞬間である。近赤外光は生体中を瞬時に伝播し、図２中の吸収体１０５あるいは第２の吸収体１３４によって吸収される。近赤外光を吸収した吸収体１０５あるいは第２の吸収体１３４からは、超音波が発生する。生体中を超音波は、約１５００ｍ／ｓｅｃで伝播する。そのため、超音波が超音波検出手段１１５の各アレイ１１５ａ〜１１５ｅによって検出されるときには時間差が生じる。図３中、波形１３０は、近くにある図２中の第２の吸収体１３４で発生した超音波の波形（第２の測定信号に基づく波形）、波形１３１は、吸収体１０５で発生した超音波の波形（第１の測定信号に基づく波形）である。
【００１５】
この波形の形状において遅延時間１３５が吸収体までの距離に関するパラメータを、周期１３６が吸収体の大きさを表している。したがって、この波形を再構成することで、生体内部において吸収体の情報を可視化することができる。しかしながら、上述したように近赤外光は生体内で強く散乱するため、生体内部では光強度が少ない。したがって生体の深い領域では、吸収体により発生する超音波の強度は小さい。また、図２における超音波検出器１１５のアレイ１１５ａには、吸収体１０５で発生した超音波の波面１３２のうち角度θの割合しか入射できないため、検出できる超音波のエネルギーが小さく、深い部分からの信号が得られなかった。
【００１６】
以下、本発明の第１の実施例について詳細に説明する。図１は本発明の実施例１の構成を説明するための図である。
【００１７】
図１において、被測定対象１０４は、生体であり、その中（被測定対象内）に近赤外光を吸収する吸収体（吸収領域）１０５が存在している。マッチング層１０３は、被測定対象１０４と近赤外光に対する光学特性をほぼ等しくしてあり、近赤外光および超音波の伝播を円滑にしている。光源１０９は、ｎｓｅｃオーダのパルス光を照射する光源であり、照明光学系１１０を介して被測定対象１０４にパルス光を照射する。１１１は、光源１０９を駆動するための光源駆動回路である。被測定対象１０４中をパルス光は拡散しながら伝播し、その拡散光の一部が吸収体１０５によって吸収される。吸収された光エネルギーにより吸収体が急激に膨張するため、この吸収体１０５はそれ自身の大きさに関連した超音波を発生する。この超音波の強度はその吸収体に吸収される光エネルギーに比例する。
【００１８】
図１中の矢印１３３の方向に進んだ超音波の波面の概略を波面１３２で示す。ここでは、吸収体１０５で発生する超音波の例を示したが、近赤外光が伝播している領域における吸収体では同様の現象が生じる。したがって、第２の吸収体（第２の吸収領域）１３４でも、吸収体１０５と同様に超音波が発生する。
【００１９】
伝播した超音波は、音響レンズ１０２により集音される（集められる）。図１では、吸収体１０５と超音波検出器１０１が共役関係になっており、吸収体１０５で発生した超音波は、超音波検出手段上で集音する。ここで、吸収体１０５と超音波検出器１０１とが共役関係である、とは、吸収体１０５と超音波検出器１０１と（の位置関係）が共役関係にある場合だけでなく、超音波検出器１０１が共役位置近傍にある場合（実質的に共役な場合）も含めて共役関係であるとする。
【００２０】
超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１は、駆動装置１０７と接続されており（駆動装置上に配置されており）、駆動装置１０７によって音響レンズ１０２の軸（光学的なレンズにおける光軸）と平行な方向に移動可能である。この駆動装置１０７は、駆動装置制御回路１０８に接続されており、駆動装置制御回路１０８からの駆動信号に基づいて、超音波検出器１０１を駆動している。この駆動装置制御回路１０８は制御回路１１２に接続されており、制御回路１１２は、超音波トランスデューサ駆動回路１０６からの信号に基づいて、又は予め設定された駆動パターンに基づいて、駆動装置制御回路１０８に駆動信号を送信する。
【００２１】
ここで、駆動装置１０７が超音波検出器１０１の音響レンズ１０２の軸の方向への駆動（移動）とは、その移動する方向が少なくとも音響レンズ１０２の軸方向の成分を持っていれば足りるため、移動方向と軸方向とが必ずしも平行である必要は無い。また、この駆動装置１０７は、超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１と音響レンズ１０２のうちの一方、或いは両者を移動させることが可能である（音響レンズを移動させる場合は、マッチング層の大きさを変化させると好ましい）。つまり、両者の間隔（位置関係）を変えずに、超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１と音響レンズ１０２の両者を移動させても良い。しかしながら、本実施例１のように音響レンズ１０２を被測定対象に対して固定したままで、超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１を音響レンズ１０２の軸方向に移動させると構成が簡易になるため好ましい。
【００２２】
また、超音波検出器１０１は、超音波検出器１０１からの超音波信号（第１の測定信号、第２の測定信号等）を処理する信号処理部１１４を有する超音波トランスデューサ駆動回路１０６を介して、制御回路１１２に接続されている。制御回路１１２は、メモリ１２３を有している。メモリ１２３は、音響イメージ等を記憶する。
【００２３】
次に本発明により光音響像が取得できる原理を説明する。図４は、その原理を説明するための図であり、付番の共通のものは同じ機能をあらわすものとして説明を省略する。
【００２４】
図４では、吸収体１０５とアレイ型の超音波検出器１０１が共役関係にある場合において、吸収体１０５で発生した超音波の伝播の様子を示している。
【００２５】
図４において、超音波は生体中をほぼ直進し、吸収体１０５で発生した超音波の波面１１６は音響レンズ１０２で収束波面１１７に変換される。そして、超音波検出器１０１上に集音する。この原理で、超音波検出器１０１上には、吸収体１０５の音響像が結像する。
【００２６】
ここで、吸収体１０５の大きさを無視した場合の吸収体１０５と超音波トランスデューサ１０１との距離をＬ（ｍ）とする。また、吸収体１０５で発生した超音波の音速をｖ（ｍ／ｓｅｃ）とする。そのとき、超音波はＬ／ｖ（ｓ）後の時間に超音波トランスデューサ１０１上に到達することになる。
【００２７】
この到達時間は、超音波トランスデューサ１０１の位置と音響レンズ１０２の焦点距離により決定される共役点、すなわち吸収体１０５の位置によって決定される。
【００２８】
したがって、超音波トランスデューサ１０１と焦点距離が既知の音響レンズ１０２の相対位置関係を計測し、その共役点を算出することで、超音波トランスデューサ上に、共役点で発生した超音波がいつ到達するのかを予測することができる。このとき、媒質中の音速を知ることが必要であるが、生体内の音速は、１５００〜１６００ｍ／ｓｅｃといわれているので、その値を使って計算することが可能である。音響レンズ１０２中およびマッチング層１０３の音速はあらかじめ測定を行いその値を使用することでより高度な予測が可能となる。
【００２９】
アレイ上の出力を並べることで、図４（ｂ）に示したような吸収体１０５の像１２４が画像出力機器１１３上に形成される。
【００３０】
図５は、超音波検出器１０１と共役関係にない第２の吸収体１３４の関係を示したものである。第２の吸収体１３４で発生した超音波は、音響レンズ１０２で波面１３９のように変換される。超音波検出器１０１と第２の吸収体１３４は共役関係にないため波面１３９は超音波検出器１０１上で集まることなく、つまりフォーカスはずれの像を形成する。図５（ｂ）は、不図示の出力手段上のイメージを示したものであり、背景１２５の中に焦点はずれの音響像１２４がイメージングされる（結ばれる）。
【００３１】
この焦点はずれ１２４の像が形成される時間は、第２の吸収体１３４の位置が、共役点である吸収体１０５の位置よりも超音波トランスデューサ１０１に対して近い位置にあるので、より早い時間に形成される。加えて、その像は、共役関係にないこと、および、音響レンズ１０２の中心と周辺を通過した音波の時間差が生じることなどもあり、ぼけた形で形成される。
【００３２】
次に、各アレイ１０１ａ〜１０１ｅにおける信号に関して説明する。図６は、各アレイで検出される信号を模式的に示した図である。図６に示したように、音響レンズ１０２に対して吸収体１０５と第２の吸収体１３４は異なる位置にあるため、各アレイ１０１ａ〜１０１ｅに入る時間が異なる。図７は、各アレイに入る信号を模式的に示したものである。１２６ａ〜１２６ｅは、各アレイ１０１ａ〜ｅに対応した信号であり、１２７は時間軸である。１２９は基準時間を示している。
【００３３】
図６の第２の吸収体１３４は、超音波検出器１０１に近いため、その音響信号は基準時間から短い時間で信号１４０として観測される。また、吸収体１０５の信号は、超音波検出器１０１から遠い距離にあるため、信号（第１の超音波）１４１として検出される。吸収体１０５は、超音波検出器１０１と共役関係にあるため、特定のアレイ１０１ａに対応する信号１２６ａに強く観測される。
【００３４】
音響レンズ１０２を配置することで、特定のアレイに共役点近傍の超音波の信号を結果的に強く入射させることができる。
【００３５】
したがって、生体内のより深い部位の音響信号を検出することが可能となる。特に、超音波検出器１０１の能力が限られている場合においては有効である。
【００３６】
本実施例では、超音波検出器１０１を駆動装置１０７により移動させることで、音響像を逐次取得し、最後に奥行き方向の画像を構成する。
【００３７】
本発明は、これにより、光音響効果により発生した音波を効率よく超音波検出器１０１に導くことができるばかりか、再構成を行わなくとも音響イメージを超音波トランスデューサ上に音響像を形成することができる。
【００３８】
図７に示したように、焦点はずれの信号（第１の超音波以外の第２の超音波）１４０は小さいこともあり、場合によってはノイズとなる。生体内の超音波の伝播速度の概略は算出できることから、音響レンズ１０２の焦点距離ｆと超音波検出器１０１との位置（音響レンズと超音波検出器との相対的な位置関係、位置間隔）から概略の共役点の位置（共役位置）を算出することができる。そして、共役点の位置から光音響信号の検出する時間をあらかじめ予測してその部分（時間）に入射した信号を音響像とするとノイズの少ないイメージを形成することができる。
【００３９】
図７では、たとえば基準時間１２９を基準として、音響像の到達予想時間１４２を算出し、その前後余裕を持たせた形の到達予想時間近傍の閾値１４３の間、超音波検出器１０１のシャッターを開けるなどをする。ここで、超音波の超音波検出器１０１への到達時間は、超音波の発生源としての吸収体と超音波検出器１０１との間隔（相対的な位置関係、両者の距離）、及びその間にある媒質（超音波を伝達する媒質）内の超音波の伝播速度等によって得られるものである。勿論この到達予想時間（超音波の到達する時間の予想値）は、演算で求めても、テーブルから取得しても構わない。シャッターとしては、超音波検出器１０１の被測定物側にメカニカルシャッターのような超音波を物理的に遮断する（阻害する、超音波の伝達を阻害する）機構を用いて、そのシャッターの開閉を制御してもよい。また、超音波検出器１０１によって検出される光音響信号のうち閾値１４３の間の光音響信号を抜き取るような信号処理部１１４であってもよい。ここでは、超音波検出器１０１により検出した検出結果のうち、吸収体１０５（第１の位置）から発する超音波に基づく信号（第１の測定信号）を残し、吸収体１３４（第２の位置）から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する処理を行えば良い。好ましくは、吸収体１０５（第１の位置）から発生する超音波に基づく信号（第１の測定信号）だけを残し（出力し）、それ以外の信号を全て排除できれば好ましい。このようなシャッターを有することにより、超音波検出器１０１が検出する超音波信号のノイズが多くなることを防止する（ノイズが超音波検出器に伝達するのを阻害する）ことができる。メカニカルシャッターは、到達予想時間近傍の間シャッターを開口させ、到達予想時間近傍以外の時間は閉口することによって、ノイズとなる超音波を物理的に遮断することができる。信号処理部１１４は、到達予想時間近傍の間に検出される超音波信号については取得し、到達予想時間近傍以外の間に検出される超音波信号については取得しないことで、ノイズを少なくすることができる。
【００４０】
この時間に計測される各アレイからの出力を、空間的にならべることで、音響像を得ることができる。
【００４１】
本実施例では、超音波検出器１０１として、説明のため５つのアレイの構造を示したが、実際には、より多くの画素構造をもつもので構成すると、より高分解能の画像を取得することができる。
【００４２】
また、本実施例においては、光源１０９の位置を図１の位置としたが、その位置に限定するものではなく光源を複数設けても同様の効果が得られる。
【００４３】
ここまで示したように、超音波トランスデューサ１０１の共役点の音響イメージが取得される。
【００４４】
したがって、１共役断面の音響イメージを取得したあとに、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の間隔を調整して共役点を移動し、その地点における共役像を取得することで断層像を取得することができる。
【００４５】
比較例のように信号に再構成をして画像を取得する構成ではないので、処理系をシンプルにすることが可能となる。
【００４６】
このとき、共役関係における結像倍率を、算出して音響イメージの大きさを補正するなどするとより高精度な音響イメージングが可能となる。
【００４７】
図１０に音響像を取得するためのフローチャートを示す。
【００４８】
先ず、ユーザは、生体１０４内部において音響イメージを取得したい位置と、かかる位置から取得したい範囲（画像取得領域）を不図示の入力装置を使って入力する。Ｓ１０１において、制御回路１１２は、音響レンズ１０２を介してユーザが取得したい位置と共役関係になる超音波トランスデューサ１０１の位置を算出する。そして、駆動装置１０７を用いて超音波トランスデューサ１０１をかかる共役位置へ駆動する。次いで、Ｓ１０２において、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を制御回路１１２のメモリ１２３に記憶し、制御回路１１２は、かかる相対位置からできあがる像の倍率βを算出する。Ｓ１０３において、光音響イメージの計測が開始されると、Ｓ１０４では、超音波トランスデューサ１０１の共役位置から超音波が到達する時間をあらかじめ予測し、その時間をデータ取得タイミングとして設定する。Ｓ１０５では、光源駆動回路１１１は光源１０９を発光させる。Ｓ１０６では、Ｓ１０４で設定されたデータ取得タイミングにおいて得られた音響イメージをメモリ１２３に記憶する。Ｓ１０７では、制御回路１１２はユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了したかどうかを判断する。終了していない場合はＳ１０８へ移り、次の音響イメージを取得するために、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を変更し、Ｓ１０２〜Ｓ１０７を再び行う。Ｓ１０７で、ユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了している場合は、Ｓ１０９へ移り、取得した生体１０４の断層画像をＳ１０２で求めた倍率βによって補正する。Ｓ１１０では、Ｓ１０９で補正された断層画像を出力機器１１３に出力する。その後、画像の取得を終了する。
【００４９】
本実施例においては、生体に照射する光源の波長を近赤外光のみとしたが、光音響を行う光源の波長を変更して光音響法を行うことで、音響イメージの分光像を取得することができる。その分光情報を利用して、吸収体の分光特性を把握することにより、吸収体の性質を推定することが可能となる。
【００５０】
図１２に、光源の波長を変更して、音響イメージを取得するフローチャートを示す。
【００５１】
図１２のフローチャートは、図１０のフローチャートとは、Ｓ１０４とＳ１０５の間に、光源の波長の設定を行うＳ２０１が追加される点で異なる。また、Ｓ１０６とＳ１０７の間に、取得する波長の音響イメージが全て取得しているかどうかを判断するＳ２０２が追加される点で異なる。
【００５２】
先ず、ユーザは、生体１０４内部において音響イメージを取得したい位置と、かかる位置から取得したい範囲（画像取得領域）と、音響イメージを取得する際に用いる光源の波長の種類とを不図示の入力装置を使って入力する。Ｓ１０１において、制御回路１１２は、音響レンズ１０２を介してユーザが取得したい位置と共役関係になる超音波トランスデューサ１０１の位置を算出する。そして、駆動装置１０７を用いて超音波トランスデューサ１０１をかかる共役位置へ駆動する。次いで、Ｓ１０２において、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を制御回路１１２のメモリ１２３に記憶し、制御回路１１２は、かかる相対位置からできあがる像の倍率βを算出する。Ｓ１０３において、光音響イメージの計測が開始されると、Ｓ１０４では、超音波トランスデューサ１０１の共役位置から超音波が到達する時間をあらかじめ予測し、その時間をデータ取得タイミングとして設定する。Ｓ２０１では、制御回路１１２は、ユーザが入力した光源の波長の種類の中から生体１０４に照射する波長を設定する。Ｓ１０５では、光源駆動回路１１１はＳ２０１で設定された波長で光源１０９を発光させる。Ｓ１０６では、Ｓ１０４で設定されたデータ取得タイミングにおいて得られた音響イメージをメモリ１２３に記憶する。Ｓ２０２では、制御回路１１２は、ユーザが設定した光源波長全ての種類で音響イメージが取得されたかどうかを判断する。ユーザが設定した光源波長全ての種類で音響イメージが取得されていない場合は、Ｓ２０１へ戻り、次の光源波長を設定して、再びＳ１０５〜Ｓ１０６を行う。ユーザが設定した光源波長全ての種類で音響イメージが取得されている場合は、Ｓ１０７へ移る。Ｓ１０７では、制御回路１１２はユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了したかどうかを判断する。終了していない場合は、Ｓ１０８へ移り、次の音響イメージを取得するために、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を変更し、Ｓ１０２〜Ｓ１０７を行う。Ｓ１０７で、ユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了している場合は、Ｓ１０９へ移り、取得した生体１０４の断層画像をＳ１０２で求めた倍率βによって補正する。Ｓ１１０では、Ｓ１０９で補正された断層画像を出力機器１１３に出力する。その後、画像の取得を終了する。
【００５３】
本実施例は、音響レンズ１０２を用いて超音波トランスデューサ１０１上に超音波を集音することにより比較的生体内の深い部分の光音響イメージングを可能とするものである。また、比較例として示したものと併用することも可能である。
【実施例２】
【００５４】
本発明にかかる第２の実施例を以下に説明する。図８は第２の実施例を説明するための図である。本実施例は、実施例１の装置をアレイ化した構造であり、被測定物２０４中の吸収体２０５を光音響効果を用いて検出するものである。
【００５５】
２０２ａ，ｂ，ｃは、２次元配列されて形成された音響レンズアレイであり、アレイ型の超音波検出器２０１ａ，ｂ，ｃ及びアレイ型の駆動装置２０６ａ，ｂ，ｃが対応して複数個並んで配置されている。
【００５６】
原理に関しては、実施例１と同様なので説明を省略する。
【００５７】
光源２０９は、ｎｓｅｃオーダのパルス光を照明光学系２１０を介して照明する。被測定物２０４の内部の吸収体２０５からの音響波を超音波検出器２０１ａ，ｂ，ｃで検出するので広い範囲の音響像を取得することができる。
【００５８】
図９は、音響像のイメージを示したものである。超音波検出器２０１ａ，ｂ，ｃから取得された画像は、図９の表示エリア２１４内の領域２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃに表示するように構成している。
【００５９】
また、本発明においても実施例１と同様に、超音波検出器を駆動装置２０６ａ，ｂ，ｃを用いて動かすことで、焦点位置を変更して音響像を取得することができる。
【００６０】
また、本実施例においては、光源の位置を図８の位置としたが、その位置に限定するものではなく光源を複数設けても同様の効果が得られる。
【００６１】
本実施例においても、生体に照射する光源の波長を近赤外光のみとしたが、光音響を行う波長を変更して光音響法を行うことで、音響イメージの分光像を取得することができる。その分光情報を利用して、吸収体の分光特性を把握することによって、吸収体の性質を推定することが可能となる。
【実施例３】
【００６２】
本発明における第３の実施例を図１１を使用して説明する。図１１は、光音響法により音響イメージを実施例１に説明したような手法をもとに取得する装置の構成例である。
【００６３】
筐体３１０は超音波トランスデューサ３０１および光源３０８を内蔵する筐体であり、観察者はこの筐体３１０を使って、被検体３０４の内部の音響イメージを取得するものである。被検体３０４はたとえば人間の乳房等である。被検体３０４の内部は、近赤外光に対して吸収特性は低いものの強散乱特性を示すため光は直進しない。光源３０８は、近赤外光のパルス光を発光する光源であり、光源駆動回路３１３を介して制御装置３１１に接続されている。制御装置３１１は、メモリ１２３を有している。メモリ１２３は、音響イメージ等を記憶する。光源３０８を発光した光は、レンズ３０９を介して被検体３０４を照明する。吸収体３０５は、被検体３０４内部にあり、近赤外光に対して吸収特性を示す物体であって、近赤外光の照射にともない光音響により超音波を発生する。発生した超音波は、音響レンズ３０２を介して、超音波トランスデューサ３０１が音響レンズ３０２に対して、吸収体３０５と共役関係にあるときに音響像を超音波トランスデューサ３０１上に形成する。３１５は、メカニカルシャッターであり、本実施例では超音波トランスデューサ３０１の被検体３０４側にメカニカルシャッターが配置されている。メカニカルシャッター３１５は、音響レンズ３０２を介して超音波トランスデューサ３０１と共役関係になる位置から発生する超音波に対しては開口して超音波を通す。しかし、共役関係にならない位置から発生する超音波に対しては、超音波トランスデューサ３０１に検出されるのを防止するために閉口する。もちろん、上述したような超音波トランスデューサ駆動回路３１４の中にある図示しない信号処理部をメカニカルシャッター３１５の代わりに用いてもよい。超音波トランスデューサ３０１は超音波トランスデューサ駆動回路３１４を介して制御装置３１１に接続されている。また、駆動装置３０６が、超音波トランスデューサ３０１には接続されており、音響レンズ３０２との相対位置を移動させることができるように構成されている。駆動装置３０６は、駆動装置制御回路３０７を介して制御装置３１１に接続されている。不図示の観察者が制御装置３１１を制御することにより、音響イメージを逐次取得してゆくことで断層像を得ることができる。測定において取得した断層像を観察者は、表示装置３１２で観察することができる。
【００６４】
本実施例は、筐体３１０を観察者が持つことができる構成であり、被検体３０４と音響レンズ３０２の間に音響インピーダンス整合用の音響整合層（マッチング溶液）３０３を塗布して使用する。この音響整合層３０３としては、これまで超音波エコー装置等で使用されてきた透明のジェルなどを使用することができる。また、音響レンズ３０２と超音波トランスデューサ３０１の間を、音響インピーダンス整合用のマッチング溶液で満たしてもよい。そうすることにより、音響エネルギーのロスを少なくすることが可能である。
【００６５】
本実施例では、光源３０８としてパルス光を発光する光源としたが、半導体レーザあるいはチタンサファイアレーザ等を使用することができる。波長可変のレーザを用いて波長を変更して、音響像を取得することで、分光イメージングを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明にかかる第１の実施例を説明するためのブロック図。
【図２】比較例の光音響法による測定方法を説明するためのブロック図。
【図３】比較例の光音響法において検出される超音波信号を模式的に示した図。
【図４】吸収体１０５と超音波検出器１０１が共役関係にある場合の超音波の伝播を説明するためのブロック図及び音響像のイメージ図。
【図５】第２の吸収体１３４と超音波検出器１０１が共役関係にない場合の超音波の伝播を説明するためのブロック図及び音響像のイメージ図。
【図６】各アレイ部で検出される超音波信号を模式的に示したブロック図。
【図７】本発明にかかる第１の実施例において検出される超音波信号を模式的に示した図。
【図８】本発明にかかる第２の実施例を説明するためのブロック図。
【図９】本発明の第２の実施例において取得される音響像のイメージ図。
【図１０】音響像を取得するためのフローチャート。
【図１１】本発明にかかる第３の実施例を説明するためのブロック図。
【図１２】光源の波長を変更して、音響像を取得するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００６７】
１０１ 超音波検出器
１０２ 音響レンズ
１０３ マッチング層
１０４ 被測定対象（生体）
１０５ 吸収体（吸収領域）
１０６ 超音波トランスデューサ駆動回路
１０７ 駆動装置
１０８ 駆動装置制御回路
１０９ 光源
１１０ 照明光学系
１１１ 光源駆動回路
１１２ 制御回路
１１３ 出力機器
１２３ メモリ
１３４ 第２の吸収体（第２の吸収領域）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響効果を用いて生体内部の光吸収係数の分布を計測する方法に関し、特にアレイ型の超音波検出器を用いることで光音響によって生じた光吸収係数の分布により形成される音響像をイメージングする装置である。
【背景技術】
【０００２】
光音響法は、試料に励起光を照射し、試料の光吸収に伴う周期的体積変化を光音響信号として検出する方法である。この光音響法を用いることで、生体内部の光吸収分布の情報を計測・可視化することができる。
【０００３】
近赤外光は、生体の窓と呼ばれる波長帯域（６００−１０００ｎｍ）の光であり、他の波長帯域の光に比べて生体に対して浸達長が長い。また、近赤外光は、Ｘ線等の電磁波に比べて生体に対する影響が少ない。こうした特徴を有する近赤外光を用いて、生体内部の情報を計測・可視化する研究が近年活発に行われている。超音波は、近赤外光と同様に生体に対して、安全性が高く、そして生体内部の深くまで到達できる。また、超音波は近赤外光と異なり生体内をほぼ直進するという特徴をもつ。生体を構成する主要な物質である水、脂肪、酸化・還元ヘモグロビン、コラーゲン等は、近赤外の領域の光に対して特徴的なスペクトルを有している。このスペクトル情報を用いて生体内の構成物質の空間分布を可視化することで、癌などの疾病の兆候が観察できるものと期待されている。しかしながら、生体は近赤外光に対して強い散乱特性を有しているため、特定部位のスペクトル情報を入手するのは困難である。そこで、近赤外光と超音波の特徴を生かした光音響法を用いることにより、特定部位のスペクトル情報を入手することが可能となる。
【０００４】
このような、光音響法を用いて生体内部の情報を可視化する技術は、従来から行われている（特許文献１）。
【特許文献１】米国特許第５８４００２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したように近赤外光は生体内で強く散乱するため、生体の深い領域では光強度が少ない。生体に近赤外光を照射し、その生体内部の特定部位から発生した超音波の強度は、特定部位に吸収される光強度に比例する。そのため、生体の深い領域で発生する超音波の強度は小さく、特許文献１の光音響法では、微弱な超音波信号しか得ることができなかった。また、生体の深い領域で発生する超音波は、生体の深い領域になるにつれて超音波検出器に入射する超音波波面の割合が少なくなるため、同様に、微弱な超音波信号しか得られなかった。
【０００６】
本発明は、生体等の光の拡散する物体内部の光の吸収の情報を超音波を介して深い位置まで取得できる光音響装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光音響装置は、超音波を集音する音響レンズと、前記音響レンズによって集音された超音波を検出する超音波検出器と、前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させる駆動装置とを備え、前記駆動装置により前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させることにより、光音響法により被測定対象から発生する超音波を測定する光音響装置であって、前記被測定対象内の第１の位置から発する超音波に基づく第１の測定信号を出力し、前記第１の位置とは異なる前記被測定対象内の第２の位置から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する制御部を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、生体等の光の拡散する物体内部の光の吸収の情報を超音波を介して深い位置まで取得できるため、健康医療の分野で利用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表しているので説明は省略する。
【実施例１】
【００１１】
まず、比較例の光音響法による生体内の可視化技術に関して詳細に説明する。
【００１２】
図２は、比較例としての光音響法の概要を示したものである。被測定対象１０４は、生体であり、その中（被測定対象内）に近赤外光を吸収する吸収体（吸収領域、第１の吸収領域、第１の位置）１０５が存在している。マッチング層（マッチング溶液）１０３は、被測定対象１０４と近赤外光に対する光学特性をほぼ等しくしてあり、光および超音波の伝播を円滑にしている。光源１２１は、ｎｓｅｃオーダのパルス光を照射する光源であり、照明光学系１２２を介して被測定対象１０４にパルス光を照射する。１１１は、光源１２１を駆動するための光源駆動回路であり、制御回路１２０に接続されている。制御回路１２０は、メモリ１２３を有している。被測定対象１０４中をパルス光は拡散しながら伝播する。吸収体１０５は伝播してきた拡散光を吸収する。吸収体１０５は、吸収した光エネルギーにより急激に膨張し、その結果、吸収体１０５の大きさに関連した超音波を発生する。超音波の強度は、その吸収体に吸収される光エネルギーに比例する。
【００１３】
図２中の矢印１３３の方向に進んだ超音波の波面の概略を波面１３２で示す。ここでは、吸収体１０５で発生する超音波の例を示したが、近赤外光が伝播している領域における吸収体では同様の現象が生じる。したがって、図２中の第２の吸収体（第２の吸収領域、第２の位置）１３４でも、吸収体１０５と同様に超音波が発生する。
【００１４】
伝播した超音波は、アレイ構造を有する超音波検出手段１１５を構成する各アレイ１１５ａ〜１１５ｅで検出される。各アレイからの超音波信号（第１の測定信号、第１の超音波信号）は、信号変換部１１８ａ〜１１８ｅを介して制御回路（制御部）１２０により再構成される。再構成にあたっては、従来Ｓｕｍ＿ａｎｄ＿ｄｅｌａｙ法などが使用されている。再構成された像は、出力機器１１３に音響像（図４（ｂ））が出力される。超音波検出手段１１５及び信号変換部１１８ａ〜１１８ｅは、超音波トランスデューサ駆動回路１１９を介して制御回路１２０に接続されている。次に、各アレイ１１５ａ〜１１５ｅにおける信号に関して説明する。図３は、各アレイ部で検出される信号を模式的に示した図である。図３中の１１８ａ〜１１８ｅは、図２中の超音波検出手段１１５におけるアレイ１１５ａ〜１１５ｅにおいて検出された超音波の波形の時間変化を表したものであり、軸１２８が時間方向に対応している。基準時間１２９が、近赤外光が照射された瞬間である。近赤外光は生体中を瞬時に伝播し、図２中の吸収体１０５あるいは第２の吸収体１３４によって吸収される。近赤外光を吸収した吸収体１０５あるいは第２の吸収体１３４からは、超音波が発生する。生体中を超音波は、約１５００ｍ／ｓｅｃで伝播する。そのため、超音波が超音波検出手段１１５の各アレイ１１５ａ〜１１５ｅによって検出されるときには時間差が生じる。図３中、波形１３０は、近くにある図２中の第２の吸収体１３４で発生した超音波の波形（第２の測定信号に基づく波形）、波形１３１は、吸収体１０５で発生した超音波の波形（第１の測定信号に基づく波形）である。
【００１５】
この波形の形状において遅延時間１３５が吸収体までの距離に関するパラメータを、周期１３６が吸収体の大きさを表している。したがって、この波形を再構成することで、生体内部において吸収体の情報を可視化することができる。しかしながら、上述したように近赤外光は生体内で強く散乱するため、生体内部では光強度が少ない。したがって生体の深い領域では、吸収体により発生する超音波の強度は小さい。また、図２における超音波検出器１１５のアレイ１１５ａには、吸収体１０５で発生した超音波の波面１３２のうち角度θの割合しか入射できないため、検出できる超音波のエネルギーが小さく、深い部分からの信号が得られなかった。
【００１６】
以下、本発明の第１の実施例について詳細に説明する。図１は本発明の実施例１の構成を説明するための図である。
【００１７】
図１において、被測定対象１０４は、生体であり、その中（被測定対象内）に近赤外光を吸収する吸収体（吸収領域）１０５が存在している。マッチング層１０３は、被測定対象１０４と近赤外光に対する光学特性をほぼ等しくしてあり、近赤外光および超音波の伝播を円滑にしている。光源１０９は、ｎｓｅｃオーダのパルス光を照射する光源であり、照明光学系１１０を介して被測定対象１０４にパルス光を照射する。１１１は、光源１０９を駆動するための光源駆動回路である。被測定対象１０４中をパルス光は拡散しながら伝播し、その拡散光の一部が吸収体１０５によって吸収される。吸収された光エネルギーにより吸収体が急激に膨張するため、この吸収体１０５はそれ自身の大きさに関連した超音波を発生する。この超音波の強度はその吸収体に吸収される光エネルギーに比例する。
【００１８】
図１中の矢印１３３の方向に進んだ超音波の波面の概略を波面１３２で示す。ここでは、吸収体１０５で発生する超音波の例を示したが、近赤外光が伝播している領域における吸収体では同様の現象が生じる。したがって、第２の吸収体（第２の吸収領域）１３４でも、吸収体１０５と同様に超音波が発生する。
【００１９】
伝播した超音波は、音響レンズ１０２により集音される（集められる）。図１では、吸収体１０５と超音波検出器１０１が共役関係になっており、吸収体１０５で発生した超音波は、超音波検出手段上で集音する。ここで、吸収体１０５と超音波検出器１０１とが共役関係である、とは、吸収体１０５と超音波検出器１０１と（の位置関係）が共役関係にある場合だけでなく、超音波検出器１０１が共役位置近傍にある場合（実質的に共役な場合）も含めて共役関係であるとする。
【００２０】
超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１は、駆動装置１０７と接続されており（駆動装置上に配置されており）、駆動装置１０７によって音響レンズ１０２の軸（光学的なレンズにおける光軸）と平行な方向に移動可能である。この駆動装置１０７は、駆動装置制御回路１０８に接続されており、駆動装置制御回路１０８からの駆動信号に基づいて、超音波検出器１０１を駆動している。この駆動装置制御回路１０８は制御回路１１２に接続されており、制御回路１１２は、超音波トランスデューサ駆動回路１０６からの信号に基づいて、又は予め設定された駆動パターンに基づいて、駆動装置制御回路１０８に駆動信号を送信する。
【００２１】
ここで、駆動装置１０７が超音波検出器１０１の音響レンズ１０２の軸の方向への駆動（移動）とは、その移動する方向が少なくとも音響レンズ１０２の軸方向の成分を持っていれば足りるため、移動方向と軸方向とが必ずしも平行である必要は無い。また、この駆動装置１０７は、超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１と音響レンズ１０２のうちの一方、或いは両者を移動させることが可能である（音響レンズを移動させる場合は、マッチング層の大きさを変化させると好ましい）。つまり、両者の間隔（位置関係）を変えずに、超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１と音響レンズ１０２の両者を移動させても良い。しかしながら、本実施例１のように音響レンズ１０２を被測定対象に対して固定したままで、超音波検出器（超音波トランスデューサ）１０１を音響レンズ１０２の軸方向に移動させると構成が簡易になるため好ましい。
【００２２】
また、超音波検出器１０１は、超音波検出器１０１からの超音波信号（第１の測定信号、第２の測定信号等）を処理する信号処理部１１４を有する超音波トランスデューサ駆動回路１０６を介して、制御回路１１２に接続されている。制御回路１１２は、メモリ１２３を有している。メモリ１２３は、音響イメージ等を記憶する。
【００２３】
次に本発明により光音響像が取得できる原理を説明する。図４は、その原理を説明するための図であり、付番の共通のものは同じ機能をあらわすものとして説明を省略する。
【００２４】
図４では、吸収体１０５とアレイ型の超音波検出器１０１が共役関係にある場合において、吸収体１０５で発生した超音波の伝播の様子を示している。
【００２５】
図４において、超音波は生体中をほぼ直進し、吸収体１０５で発生した超音波の波面１１６は音響レンズ１０２で収束波面１１７に変換される。そして、超音波検出器１０１上に集音する。この原理で、超音波検出器１０１上には、吸収体１０５の音響像が結像する。
【００２６】
ここで、吸収体１０５の大きさを無視した場合の吸収体１０５と超音波トランスデューサ１０１との距離をＬ（ｍ）とする。また、吸収体１０５で発生した超音波の音速をｖ（ｍ／ｓｅｃ）とする。そのとき、超音波はＬ／ｖ（ｓ）後の時間に超音波トランスデューサ１０１上に到達することになる。
【００２７】
この到達時間は、超音波トランスデューサ１０１の位置と音響レンズ１０２の焦点距離により決定される共役点、すなわち吸収体１０５の位置によって決定される。
【００２８】
したがって、超音波トランスデューサ１０１と焦点距離が既知の音響レンズ１０２の相対位置関係を計測し、その共役点を算出することで、超音波トランスデューサ上に、共役点で発生した超音波がいつ到達するのかを予測することができる。このとき、媒質中の音速を知ることが必要であるが、生体内の音速は、１５００〜１６００ｍ／ｓｅｃといわれているので、その値を使って計算することが可能である。音響レンズ１０２中およびマッチング層１０３の音速はあらかじめ測定を行いその値を使用することでより高度な予測が可能となる。
【００２９】
アレイ上の出力を並べることで、図４（ｂ）に示したような吸収体１０５の像１２４が画像出力機器１１３上に形成される。
【００３０】
図５は、超音波検出器１０１と共役関係にない第２の吸収体１３４の関係を示したものである。第２の吸収体１３４で発生した超音波は、音響レンズ１０２で波面１３９のように変換される。超音波検出器１０１と第２の吸収体１３４は共役関係にないため波面１３９は超音波検出器１０１上で集まることなく、つまりフォーカスはずれの像を形成する。図５（ｂ）は、不図示の出力手段上のイメージを示したものであり、背景１２５の中に焦点はずれの音響像１２４がイメージングされる（結ばれる）。
【００３１】
この焦点はずれ１２４の像が形成される時間は、第２の吸収体１３４の位置が、共役点である吸収体１０５の位置よりも超音波トランスデューサ１０１に対して近い位置にあるので、より早い時間に形成される。加えて、その像は、共役関係にないこと、および、音響レンズ１０２の中心と周辺を通過した音波の時間差が生じることなどもあり、ぼけた形で形成される。
【００３２】
次に、各アレイ１０１ａ〜１０１ｅにおける信号に関して説明する。図６は、各アレイで検出される信号を模式的に示した図である。図６に示したように、音響レンズ１０２に対して吸収体１０５と第２の吸収体１３４は異なる位置にあるため、各アレイ１０１ａ〜１０１ｅに入る時間が異なる。図７は、各アレイに入る信号を模式的に示したものである。１２６ａ〜１２６ｅは、各アレイ１０１ａ〜ｅに対応した信号であり、１２７は時間軸である。１２９は基準時間を示している。
【００３３】
図６の第２の吸収体１３４は、超音波検出器１０１に近いため、その音響信号は基準時間から短い時間で信号１４０として観測される。また、吸収体１０５の信号は、超音波検出器１０１から遠い距離にあるため、信号（第１の超音波）１４１として検出される。吸収体１０５は、超音波検出器１０１と共役関係にあるため、特定のアレイ１０１ａに対応する信号１２６ａに強く観測される。
【００３４】
音響レンズ１０２を配置することで、特定のアレイに共役点近傍の超音波の信号を結果的に強く入射させることができる。
【００３５】
したがって、生体内のより深い部位の音響信号を検出することが可能となる。特に、超音波検出器１０１の能力が限られている場合においては有効である。
【００３６】
本実施例では、超音波検出器１０１を駆動装置１０７により移動させることで、音響像を逐次取得し、最後に奥行き方向の画像を構成する。
【００３７】
本発明は、これにより、光音響効果により発生した音波を効率よく超音波検出器１０１に導くことができるばかりか、再構成を行わなくとも音響イメージを超音波トランスデューサ上に音響像を形成することができる。
【００３８】
図７に示したように、焦点はずれの信号（第１の超音波以外の第２の超音波）１４０は小さいこともあり、場合によってはノイズとなる。生体内の超音波の伝播速度の概略は算出できることから、音響レンズ１０２の焦点距離ｆと超音波検出器１０１との位置（音響レンズと超音波検出器との相対的な位置関係、位置間隔）から概略の共役点の位置（共役位置）を算出することができる。そして、共役点の位置から光音響信号の検出する時間をあらかじめ予測してその部分（時間）に入射した信号を音響像とするとノイズの少ないイメージを形成することができる。
【００３９】
図７では、たとえば基準時間１２９を基準として、音響像の到達予想時間１４２を算出し、その前後余裕を持たせた形の到達予想時間近傍の閾値１４３の間、超音波検出器１０１のシャッターを開けるなどをする。ここで、超音波の超音波検出器１０１への到達時間は、超音波の発生源としての吸収体と超音波検出器１０１との間隔（相対的な位置関係、両者の距離）、及びその間にある媒質（超音波を伝達する媒質）内の超音波の伝播速度等によって得られるものである。勿論この到達予想時間（超音波の到達する時間の予想値）は、演算で求めても、テーブルから取得しても構わない。シャッターとしては、超音波検出器１０１の被測定物側にメカニカルシャッターのような超音波を物理的に遮断する（阻害する、超音波の伝達を阻害する）機構を用いて、そのシャッターの開閉を制御してもよい。また、超音波検出器１０１によって検出される光音響信号のうち閾値１４３の間の光音響信号を抜き取るような信号処理部１１４であってもよい。ここでは、超音波検出器１０１により検出した検出結果のうち、吸収体１０５（第１の位置）から発する超音波に基づく信号（第１の測定信号）を残し、吸収体１３４（第２の位置）から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する処理を行えば良い。好ましくは、吸収体１０５（第１の位置）から発生する超音波に基づく信号（第１の測定信号）だけを残し（出力し）、それ以外の信号を全て排除できれば好ましい。このようなシャッターを有することにより、超音波検出器１０１が検出する超音波信号のノイズが多くなることを防止する（ノイズが超音波検出器に伝達するのを阻害する）ことができる。メカニカルシャッターは、到達予想時間近傍の間シャッターを開口させ、到達予想時間近傍以外の時間は閉口することによって、ノイズとなる超音波を物理的に遮断することができる。信号処理部１１４は、到達予想時間近傍の間に検出される超音波信号については取得し、到達予想時間近傍以外の間に検出される超音波信号については取得しないことで、ノイズを少なくすることができる。
【００４０】
この時間に計測される各アレイからの出力を、空間的にならべることで、音響像を得ることができる。
【００４１】
本実施例では、超音波検出器１０１として、説明のため５つのアレイの構造を示したが、実際には、より多くの画素構造をもつもので構成すると、より高分解能の画像を取得することができる。
【００４２】
また、本実施例においては、光源１０９の位置を図１の位置としたが、その位置に限定するものではなく光源を複数設けても同様の効果が得られる。
【００４３】
ここまで示したように、超音波トランスデューサ１０１の共役点の音響イメージが取得される。
【００４４】
したがって、１共役断面の音響イメージを取得したあとに、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の間隔を調整して共役点を移動し、その地点における共役像を取得することで断層像を取得することができる。
【００４５】
比較例のように信号に再構成をして画像を取得する構成ではないので、処理系をシンプルにすることが可能となる。
【００４６】
このとき、共役関係における結像倍率を、算出して音響イメージの大きさを補正するなどするとより高精度な音響イメージングが可能となる。
【００４７】
図１０に音響像を取得するためのフローチャートを示す。
【００４８】
先ず、ユーザは、生体１０４内部において音響イメージを取得したい位置と、かかる位置から取得したい範囲（画像取得領域）を不図示の入力装置を使って入力する。Ｓ１０１において、制御回路１１２は、音響レンズ１０２を介してユーザが取得したい位置と共役関係になる超音波トランスデューサ１０１の位置を算出する。そして、駆動装置１０７を用いて超音波トランスデューサ１０１をかかる共役位置へ駆動する。次いで、Ｓ１０２において、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を制御回路１１２のメモリ１２３に記憶し、制御回路１１２は、かかる相対位置からできあがる像の倍率βを算出する。Ｓ１０３において、光音響イメージの計測が開始されると、Ｓ１０４では、超音波トランスデューサ１０１の共役位置から超音波が到達する時間をあらかじめ予測し、その時間をデータ取得タイミングとして設定する。Ｓ１０５では、光源駆動回路１１１は光源１０９を発光させる。Ｓ１０６では、Ｓ１０４で設定されたデータ取得タイミングにおいて得られた音響イメージをメモリ１２３に記憶する。Ｓ１０７では、制御回路１１２はユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了したかどうかを判断する。終了していない場合はＳ１０８へ移り、次の音響イメージを取得するために、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を変更し、Ｓ１０２〜Ｓ１０７を再び行う。Ｓ１０７で、ユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了している場合は、Ｓ１０９へ移り、取得した生体１０４の断層画像をＳ１０２で求めた倍率βによって補正する。Ｓ１１０では、Ｓ１０９で補正された断層画像を出力機器１１３に出力する。その後、画像の取得を終了する。
【００４９】
本実施例においては、生体に照射する光源の波長を近赤外光のみとしたが、光音響を行う光源の波長を変更して光音響法を行うことで、音響イメージの分光像を取得することができる。その分光情報を利用して、吸収体の分光特性を把握することにより、吸収体の性質を推定することが可能となる。
【００５０】
図１２に、光源の波長を変更して、音響イメージを取得するフローチャートを示す。
【００５１】
図１２のフローチャートは、図１０のフローチャートとは、Ｓ１０４とＳ１０５の間に、光源の波長の設定を行うＳ２０１が追加される点で異なる。また、Ｓ１０６とＳ１０７の間に、取得する波長の音響イメージが全て取得しているかどうかを判断するＳ２０２が追加される点で異なる。
【００５２】
先ず、ユーザは、生体１０４内部において音響イメージを取得したい位置と、かかる位置から取得したい範囲（画像取得領域）と、音響イメージを取得する際に用いる光源の波長の種類とを不図示の入力装置を使って入力する。Ｓ１０１において、制御回路１１２は、音響レンズ１０２を介してユーザが取得したい位置と共役関係になる超音波トランスデューサ１０１の位置を算出する。そして、駆動装置１０７を用いて超音波トランスデューサ１０１をかかる共役位置へ駆動する。次いで、Ｓ１０２において、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を制御回路１１２のメモリ１２３に記憶し、制御回路１１２は、かかる相対位置からできあがる像の倍率βを算出する。Ｓ１０３において、光音響イメージの計測が開始されると、Ｓ１０４では、超音波トランスデューサ１０１の共役位置から超音波が到達する時間をあらかじめ予測し、その時間をデータ取得タイミングとして設定する。Ｓ２０１では、制御回路１１２は、ユーザが入力した光源の波長の種類の中から生体１０４に照射する波長を設定する。Ｓ１０５では、光源駆動回路１１１はＳ２０１で設定された波長で光源１０９を発光させる。Ｓ１０６では、Ｓ１０４で設定されたデータ取得タイミングにおいて得られた音響イメージをメモリ１２３に記憶する。Ｓ２０２では、制御回路１１２は、ユーザが設定した光源波長全ての種類で音響イメージが取得されたかどうかを判断する。ユーザが設定した光源波長全ての種類で音響イメージが取得されていない場合は、Ｓ２０１へ戻り、次の光源波長を設定して、再びＳ１０５〜Ｓ１０６を行う。ユーザが設定した光源波長全ての種類で音響イメージが取得されている場合は、Ｓ１０７へ移る。Ｓ１０７では、制御回路１１２はユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了したかどうかを判断する。終了していない場合は、Ｓ１０８へ移り、次の音響イメージを取得するために、音響レンズ１０２と超音波トランスデューサ１０１の相対位置を変更し、Ｓ１０２〜Ｓ１０７を行う。Ｓ１０７で、ユーザが設定した画像取得領域全てにおいて音響イメージの取得が終了している場合は、Ｓ１０９へ移り、取得した生体１０４の断層画像をＳ１０２で求めた倍率βによって補正する。Ｓ１１０では、Ｓ１０９で補正された断層画像を出力機器１１３に出力する。その後、画像の取得を終了する。
【００５３】
本実施例は、音響レンズ１０２を用いて超音波トランスデューサ１０１上に超音波を集音することにより比較的生体内の深い部分の光音響イメージングを可能とするものである。また、比較例として示したものと併用することも可能である。
【実施例２】
【００５４】
本発明にかかる第２の実施例を以下に説明する。図８は第２の実施例を説明するための図である。本実施例は、実施例１の装置をアレイ化した構造であり、被測定物２０４中の吸収体２０５を光音響効果を用いて検出するものである。
【００５５】
２０２ａ，ｂ，ｃは、２次元配列されて形成された音響レンズアレイであり、アレイ型の超音波検出器２０１ａ，ｂ，ｃ及びアレイ型の駆動装置２０６ａ，ｂ，ｃが対応して複数個並んで配置されている。
【００５６】
原理に関しては、実施例１と同様なので説明を省略する。
【００５７】
光源２０９は、ｎｓｅｃオーダのパルス光を照明光学系２１０を介して照明する。被測定物２０４の内部の吸収体２０５からの音響波を超音波検出器２０１ａ，ｂ，ｃで検出するので広い範囲の音響像を取得することができる。
【００５８】
図９は、音響像のイメージを示したものである。超音波検出器２０１ａ，ｂ，ｃから取得された画像は、図９の表示エリア２１４内の領域２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃに表示するように構成している。
【００５９】
また、本発明においても実施例１と同様に、超音波検出器を駆動装置２０６ａ，ｂ，ｃを用いて動かすことで、焦点位置を変更して音響像を取得することができる。
【００６０】
また、本実施例においては、光源の位置を図８の位置としたが、その位置に限定するものではなく光源を複数設けても同様の効果が得られる。
【００６１】
本実施例においても、生体に照射する光源の波長を近赤外光のみとしたが、光音響を行う波長を変更して光音響法を行うことで、音響イメージの分光像を取得することができる。その分光情報を利用して、吸収体の分光特性を把握することによって、吸収体の性質を推定することが可能となる。
【実施例３】
【００６２】
本発明における第３の実施例を図１１を使用して説明する。図１１は、光音響法により音響イメージを実施例１に説明したような手法をもとに取得する装置の構成例である。
【００６３】
筐体３１０は超音波トランスデューサ３０１および光源３０８を内蔵する筐体であり、観察者はこの筐体３１０を使って、被検体３０４の内部の音響イメージを取得するものである。被検体３０４はたとえば人間の乳房等である。被検体３０４の内部は、近赤外光に対して吸収特性は低いものの強散乱特性を示すため光は直進しない。光源３０８は、近赤外光のパルス光を発光する光源であり、光源駆動回路３１３を介して制御装置３１１に接続されている。制御装置３１１は、メモリ１２３を有している。メモリ１２３は、音響イメージ等を記憶する。光源３０８を発光した光は、レンズ３０９を介して被検体３０４を照明する。吸収体３０５は、被検体３０４内部にあり、近赤外光に対して吸収特性を示す物体であって、近赤外光の照射にともない光音響により超音波を発生する。発生した超音波は、音響レンズ３０２を介して、超音波トランスデューサ３０１が音響レンズ３０２に対して、吸収体３０５と共役関係にあるときに音響像を超音波トランスデューサ３０１上に形成する。３１５は、メカニカルシャッターであり、本実施例では超音波トランスデューサ３０１の被検体３０４側にメカニカルシャッターが配置されている。メカニカルシャッター３１５は、音響レンズ３０２を介して超音波トランスデューサ３０１と共役関係になる位置から発生する超音波に対しては開口して超音波を通す。しかし、共役関係にならない位置から発生する超音波に対しては、超音波トランスデューサ３０１に検出されるのを防止するために閉口する。もちろん、上述したような超音波トランスデューサ駆動回路３１４の中にある図示しない信号処理部をメカニカルシャッター３１５の代わりに用いてもよい。超音波トランスデューサ３０１は超音波トランスデューサ駆動回路３１４を介して制御装置３１１に接続されている。また、駆動装置３０６が、超音波トランスデューサ３０１には接続されており、音響レンズ３０２との相対位置を移動させることができるように構成されている。駆動装置３０６は、駆動装置制御回路３０７を介して制御装置３１１に接続されている。不図示の観察者が制御装置３１１を制御することにより、音響イメージを逐次取得してゆくことで断層像を得ることができる。測定において取得した断層像を観察者は、表示装置３１２で観察することができる。
【００６４】
本実施例は、筐体３１０を観察者が持つことができる構成であり、被検体３０４と音響レンズ３０２の間に音響インピーダンス整合用の音響整合層（マッチング溶液）３０３を塗布して使用する。この音響整合層３０３としては、これまで超音波エコー装置等で使用されてきた透明のジェルなどを使用することができる。また、音響レンズ３０２と超音波トランスデューサ３０１の間を、音響インピーダンス整合用のマッチング溶液で満たしてもよい。そうすることにより、音響エネルギーのロスを少なくすることが可能である。
【００６５】
本実施例では、光源３０８としてパルス光を発光する光源としたが、半導体レーザあるいはチタンサファイアレーザ等を使用することができる。波長可変のレーザを用いて波長を変更して、音響像を取得することで、分光イメージングを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明にかかる第１の実施例を説明するためのブロック図。
【図２】比較例の光音響法による測定方法を説明するためのブロック図。
【図３】比較例の光音響法において検出される超音波信号を模式的に示した図。
【図４】吸収体１０５と超音波検出器１０１が共役関係にある場合の超音波の伝播を説明するためのブロック図及び音響像のイメージ図。
【図５】第２の吸収体１３４と超音波検出器１０１が共役関係にない場合の超音波の伝播を説明するためのブロック図及び音響像のイメージ図。
【図６】各アレイ部で検出される超音波信号を模式的に示したブロック図。
【図７】本発明にかかる第１の実施例において検出される超音波信号を模式的に示した図。
【図８】本発明にかかる第２の実施例を説明するためのブロック図。
【図９】本発明の第２の実施例において取得される音響像のイメージ図。
【図１０】音響像を取得するためのフローチャート。
【図１１】本発明にかかる第３の実施例を説明するためのブロック図。
【図１２】光源の波長を変更して、音響像を取得するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００６７】
１０１ 超音波検出器
１０２ 音響レンズ
１０３ マッチング層
１０４ 被測定対象（生体）
１０５ 吸収体（吸収領域）
１０６ 超音波トランスデューサ駆動回路
１０７ 駆動装置
１０８ 駆動装置制御回路
１０９ 光源
１１０ 照明光学系
１１１ 光源駆動回路
１１２ 制御回路
１１３ 出力機器
１２３ メモリ
１３４ 第２の吸収体（第２の吸収領域）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を集音する音響レンズと、
前記音響レンズによって集音された超音波を検出する超音波検出器と、
前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させる駆動装置とを備え、
前記駆動装置により前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させることにより、光音響法により被測定対象から発生する超音波を測定する光音響装置であって、
前記被測定対象内の第１の位置から発する超音波に基づく第１の測定信号を出力し、前記第１の位置とは異なる前記被測定対象内の第２の位置から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する制御部を有することを特徴とする光音響装置。
【請求項２】
前記第１の位置と前記超音波検出器の位置とが、前記音響レンズによって共役な関係になっていることを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
【請求項３】
前記制御部が、前記超音波検出器と前記音響レンズとの位置に基づいて、前記第２の測定信号を排除することを特徴とする請求項１又は２に記載の光音響装置。
【請求項４】
前記被測定対象と前記超音波検出器との間に配置されたシャッターを備えており、
前記シャッターが、前記第２の位置から発する超音波が前記超音波検出器に達するのを阻害し、前記第１の位置から発する超音波を前記超音波検出器に伝達するように、開閉を制御されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項５】
前記超音波検出器が、前記第１の位置から発する超音波も前記第２の位置から発する超音波も検出しており、
前記制御部が、前記超音波検出器による検出結果から、前記第２の位置から発する超音波に基づく前記第２の測定信号を排除する処理を施すことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項６】
前記超音波検出器と前記音響レンズとの位置に基づいて、前記第１の位置から発する超音波の前記超音波検出器に到達する時間の予想値を得て、
前記制御部は、該到達予想時間に基づいて前記第２の測定信号を排除していることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項７】
前記被測定対象を照射する光源から発する光の波長を変更することが可能であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項８】
前記音響レンズは、２次元配列されて形成された音響レンズアレイであり、
前記超音波検出器と前記駆動装置は、前記音響レンズアレイに対応して複数個並んで設けられることを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項９】
前記音響レンズと前記超音波検出器の間に、音響インピーダンス整合用のマッチング溶液が存在することを特徴とする請求項１乃至８いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項１】
超音波を集音する音響レンズと、
前記音響レンズによって集音された超音波を検出する超音波検出器と、
前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させる駆動装置とを備え、
前記駆動装置により前記超音波検出器と前記音響レンズの少なくとも一方を移動させることにより、光音響法により被測定対象から発生する超音波を測定する光音響装置であって、
前記被測定対象内の第１の位置から発する超音波に基づく第１の測定信号を出力し、前記第１の位置とは異なる前記被測定対象内の第２の位置から発する超音波に基づく第２の測定信号を排除する制御部を有することを特徴とする光音響装置。
【請求項２】
前記第１の位置と前記超音波検出器の位置とが、前記音響レンズによって共役な関係になっていることを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
【請求項３】
前記制御部が、前記超音波検出器と前記音響レンズとの位置に基づいて、前記第２の測定信号を排除することを特徴とする請求項１又は２に記載の光音響装置。
【請求項４】
前記被測定対象と前記超音波検出器との間に配置されたシャッターを備えており、
前記シャッターが、前記第２の位置から発する超音波が前記超音波検出器に達するのを阻害し、前記第１の位置から発する超音波を前記超音波検出器に伝達するように、開閉を制御されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項５】
前記超音波検出器が、前記第１の位置から発する超音波も前記第２の位置から発する超音波も検出しており、
前記制御部が、前記超音波検出器による検出結果から、前記第２の位置から発する超音波に基づく前記第２の測定信号を排除する処理を施すことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項６】
前記超音波検出器と前記音響レンズとの位置に基づいて、前記第１の位置から発する超音波の前記超音波検出器に到達する時間の予想値を得て、
前記制御部は、該到達予想時間に基づいて前記第２の測定信号を排除していることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項７】
前記被測定対象を照射する光源から発する光の波長を変更することが可能であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項８】
前記音響レンズは、２次元配列されて形成された音響レンズアレイであり、
前記超音波検出器と前記駆動装置は、前記音響レンズアレイに対応して複数個並んで設けられることを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項９】
前記音響レンズと前記超音波検出器の間に、音響インピーダンス整合用のマッチング溶液が存在することを特徴とする請求項１乃至８いずれか一項に記載の光音響装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−６３６１７（Ｐ２０１０−６３６１７Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３２１７４（Ｐ２００８−２３２１７４）
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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