媒質に照射を行う装置及び方法
媒質に照射を行う方法は、媒質中で散乱され且つ媒質中のある位置で周波数変調される電磁波を媒質に照射することと、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得することと、取得された情報に基づいて、媒質に照射される位相共役波を発生することとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒質に照射を行う装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この出願は、２００９年９月２４日に出願された米国特許出願第１２／５６６５９２号の優先権を主張するものであり、その内容は本願の一部をなすものである。
【０００３】
光の散乱は、散乱過程が主として起こる散乱媒質の内部を可視化すること、或いははそのような媒質を通してイメージングすることが困難、或いは場合によっては不可能である本質的な原因の１つである。これは、散乱光が媒質中を通過する際に直線的に伝播しないためであり、散乱光が不規則な軌跡をたどることによって、光の方向性並びにそれに関連する情報は失われてしまう。従って、散乱又は拡散した光を検出することによって、そのような散乱媒質に関する詳細な内部情報を抽出することは困難である。例えば、生体組織を扱う医療分野への光の適用において、生体組織を光が通過際に生じる散乱のために、検出された散乱光から内部情報を得ることは困難である。
【０００４】
更に、例えば光線力学的療法において異常組織の治療を行うために、或いは、意図的に無秩序にさせたランダム物質を用い、従来は得ることができなかった特有の有望な機能を実現させるためなどで、散乱媒質中の目標位置に光エネルギーを集中させることが要求され、そのような需要が多くなっている。
【０００５】
散乱媒質中のある一点に光を集光させること、又は散乱媒質を通して光を集光させることは、つい最近まで実現されていなかった。しかし、近年、入射光の波面を最適化することによって散乱効果を抑制する技術が提案された。
【０００６】
米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号には、散乱媒質を透過した散乱光の波面をホログラフィック記録材料により記録し、記録された波面の位相とは実質的に逆の位相を有する位相共役波を発生することができる位相共役光技術が開示されている。位相共役波は、散乱媒質に入射し、且つ散乱媒質を通して可視化できるような構成で発生される。
【０００７】
弾性光散乱は決定論的時間可逆過程であるので、位相共役光は、散乱媒質中の軌跡を逆方向にたどり、元の入射点まで戻ることができる。米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号に開示される方法は、この原理を使い、効果的に散乱を抑制し、且つ散乱媒質から得られる画像の空間分解能を向上させている。
【０００８】
しかし、米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号で開示されている位相共役光を用いた手法では、散乱媒質を通過した背後で、元々入射光が入射した領域媒質に光を集光させることのみが示されている。従って、この方法では、散乱媒質内部の任意の特定位置に光を集光させることはできない。しかし、米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号は、更にその位相共役光の手法を用いれば、媒質内部で強い前方散乱を発生させるいくつかの特定の散乱体に光を照射させることができると示唆している。
【０００９】
しかし、この状況は、媒質の散乱特性が非常に小さく、従って、媒質中での散乱は、その強い散乱体が位置している数少ない特定個所でのみ散乱が生じると想定できる場合に限られる。更に、イメージング又は治療などの別の用途でこの集光効果を利用できるようにするためには、それらの特定箇所（場所）がわかっていなければならない。
【００１０】
生体組織を含む散乱の強い媒質などでは、この状況は多くの場合現実的ではない。例えば、強い散乱媒質の内部で多重散乱が生じると、どの散乱体が支配的で、且つ前方散乱を引き起こしているのか特定することは極めて困難である（場合によっては、散乱は前方散乱ではないかもしれない）。従って、位相共役光を用いて、多重散乱過程でたどった経路を元の散乱体の位置まで逆方向にたどり、且つ照明することは困難である。そのような多重散乱過程は、例えば、媒質中に散乱体が非常に多く存在することによって引き起こされる。
【００１１】
更に、媒質内部の「強い散乱体」の位置は通常わからないので、仮に「強い散乱体」付近に光を集光させたとしても、位相共役光がそのような散乱媒質内部のどこに再伝播して光を集光したか、その正確な場所を特定することは非常に難しい。
【００１２】
従って、散乱媒質において位相共役光を用いる場合には、これらの点を考慮する必要がある。
【発明の概要】
【００１３】
本発明の実施形態は、媒質に照射を行う装置及び方法を提供する。
【００１４】
本発明の一側面としての装置は、電磁波を放射する電磁波源を含み、媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射する第１の照射ユニットと、媒質中のある特定の位置で電磁波の周波数を変調するために媒質へ超音波を照射する超音波装置と、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットとを含む。第１の照射ユニットは、ホログラフィック材料に情報が記録された後、媒質中の前記位置を照射する再構成波が発生するように、ホログラフィック材料を照射するように構成される。
【００１５】
本発明の別の側面としての装置は、媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射するための第１の電磁波源を含む第１の照射ユニットと、媒質中のある特定の位置で電磁波の周波数を変調するために媒質へ超音波を照射する超音波装置と、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットと、ホログラフィック材料が媒質中の前記位置を照射する再構成波が発生するように、ホログラフィック材料を照射する第２の電磁波源を含む第３の照射ユニットとを含む。
【００１６】
本発明の別の側面としての方法は、媒質中で散乱され且つ媒質中のある特定の位置で周波数変調される電磁波を媒質に照射することと、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得することと、取得された情報に基づいて、媒質を照射する位相共役波を発生することとを含む。
【００１７】
本発明の別の側面としての装置は、媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射するために電磁波を放射する電磁波源を含む照射装置と、媒質中のある特定の位置で電磁波の周波数を変調する変調器と、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得する検出器と、取得された情報に基づいて、媒質に照射される位相共役波を発生する発生器とを含む。
【００１８】
本発明の更なる特徴は、添付の図面を参照して以下の例示的な実施形態の説明を読むことにより明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】図１Ａは、散乱媒質中の多重散乱光を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、散乱媒質中の周波数シフト光の「再放射」を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、散乱媒質中の光の集光を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１のステップ（記録プロセス）の構成を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第２のステップ（照射のための再生プロセス）の構成を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、例示的な実施形態における第１のステップの構成を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、例示的な実施形態における第２のステップの構成を示す図である。
【図４】図４は、別の例示的な実施形態の構成を示す図である。
【図５】図５は、例示的な操作フローを示す図である。
【図６】図６は、別の例示的な実施形態の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、添付の図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。
【００２１】
図１Ａは、散乱媒質１０１内部の光の多重散乱及びある特定位置１０２を示す。特定位置１０２において、入射光１００の周波数は変調さる。散乱粒子１９９を含む散乱媒質１０１に入射光１００が入射すると、光１００は、媒質１０１内部を伝播する間に多重に散乱され、最終的には散乱光１０３として媒質１０１の表面から射出する。このとき、入射光１００の一部は位置１０２に到達し、その位置１０２で周波数変調される。例えば、位置１０２において入射光１００の周波数を変調するために超音波を使用することができる。あるいは、超音波の代わりに媒質中の局所位置で入射光の周波数を変調できる手段も利用可能である。
【００２２】
音響光学イメージング又は超音波変調トモグラフィと呼ばれる技術において、散乱媒質１０１に超音波が照射された場合、媒質の屈折率の変調、加えて、散乱媒質１０１中の散乱体の変位が、印加された超音波の周波数で誘起される。超音波が照射された領域である媒質１０１中の位置１０２に、入射光１００の一部が到達すると、その光の位相は超音波の周波数により変調され、その結果、その光の周波数がシフトされる。
【００２３】
図１Ｂは、媒質１０１中における相互作用（周波数シフト）された光１０４の発生及び伝播を示す。相互作用された光１０４の周波数は、超音波の周波数によりシフト（変調）される。従って、この光１０４の周波数は、入射光１００や、超音波の変調を受けていない散乱光１０３の周波数とは異なる。超音波照射領域である位置１０２から発生した周波数がシフトされた光（周波数シフト光）１０４は、多重散乱を受けつつ伝播し続け、媒質１０１から射出する。
【００２４】
別の視点から見ると、散乱媒質１０１中の超音波照射領域１０２に、周波数が入射光とは異なる光を発生する別の光源が存在するかのように考えることができる。この周波数シフト光１０４は、明らかに超音波照射領域１０２から発生する。
【００２５】
この周波数シフト光１０４に対応する波面が記録され、且つその位相共役光１０５によって再生されると、この位相共役光は、その軌跡をたどって位置１０２に向かうように再伝播し、図１Ｃに示されるように位置１０２に到達する。位相共役光（或いは、再構成波、位相共役波）を実現するために、ホログラフィを使用することができる。ホログラフィにおいて、変調光と参照波との干渉により生成された干渉パターンをホログラフィック材料に記録することができる。或いは、干渉パターンは、ＣＣＤセンサ及びＣＭＯＳセンサなどの光検出器により検出されてもよい。光検出器により干渉パターンを検出する技術は、デジタルホログラフィとも呼ばれ、位相共役波は、取得した干渉パターンに対応する情報に基づいて生成される。例えば、干渉パターンがホログラフィック材料に記録される場合、本明細書の後半で説明されるように、位相共役波はポンプ光により生成される。これに対し、ＣＣＤなどのアレイセンサにより情報が取得される場合、位相共役波は、第４の実施形態で説明されるように、空間光変調器などの発生器を使用して発生される。
【００２６】
散乱媒質中に光を集光させる照射方法は、一般的に２つのステップを含む。第１のステップは記録ステップであり、第２のステップは再生（再構成）ステップである。
【００２７】
図２Ａは、第１のステップの構成を示す概略図である。コヒーレント光源２００から放射された光は、ビームスプリッタ２０１により入射光２１１及び参照光２１２に分割される。通常、光源２００より放射される光の波長は、可視光（可視光線）から近赤外線（近赤外線光線）の範囲を用いる。例えば、４００ｎｍ〜１，５００ｎｍなどの約３８０ｎｍ〜約２，５００ｎｍの範囲の波長を放射する電磁波源が光源２００として使用する。
【００２８】
音響光学素子（ＡＯＭ）２０２及び２０４などの外部変調器は、それぞれ個別の周波数で駆動され、その２つのＡＯＭの周波数差が超音波システム２０７により印加される超音波の周波数とほぼ等しくなるように調整される。例えば、ＡＯＭ２０２の周波数がｆ１（＝７０ＭＨｚ）であり且つ超音波の周波数がｆａ（＝２ＭＨｚ）である場合、ＡＯＭ２０４の周波数ｆ２は、ｆ１＋ｆａ（＝７２ＭＨｚ）となる。入射光２１１はＡＯＭ２０２を通過し且つ参照光束２１２はＡＯＭ２０４を通過する。
【００２９】
或いはこの２つのＡＯＭの変調周波数を調整する別の方法として、ＡＯＭ２０２を入射光２１１の光路ではなく参照光２１２の光路に配置してもよい。この場合、参照光２１２は２つのＡＯＭを通過するのに対し、入射光２１１はＡＯＭを通過しない。第１のＡＯＭの周波数は、例えば、ｆ１＝−７０ＭＨｚに設定し、且つ第２のＡＯＭの周波数は、ｆ１＋ｆ２＝２ＭＨｚ、すなわち、ｆ１＋ｆ２が超音波の周波数ｆａ（＝２ＭＨｚ）と同等になるようにｆ２＝＋７２ＭＨｚに設定してもよい。あるいは、２つのＡＯＭは、これと同一の周波数設定で、参照光２１２の光路ではなく入射光２１１の光路に配置されてもよい。
【００３０】
超音波装置２０７は、超音波を媒質に照射し、超音波集束領域２０８を形成する。超音波集束領域２０８のサイズ及び位置は事前に決定されていてもよい。また、縦方向（超音波伝搬方向）に小さな集束領域を実現するためにパルス超音波を照射することも可能である。超音波のパルス幅は、超音波集束領域２０８のサイズ及び、散乱媒質２０９中の超音波の速度に応じて設定される。更に、ストロボ照射を用い、光源２００からの光の照射のタイミングを、集光させる領域に超音波パルスが到達したタイミングと同期させ、超音波パルスがその集光させる位置にいる期間、光を照射させてもよい。媒質２０９中のある特定位置に集光領域を設定するために、集束超音波を用いることができる。
【００３１】
可動ミラー２０３は、入射光２１１が散乱媒質２０９に入射するように、制御され且つ調整される。第１の照射ユニットは、媒質２０９を照射するための光源２００を含み、光源２００の出力を制御するためのオプションのコントローラを含むシステムを備えてもよい。散乱媒質２０９内部では、入射光２１１は多重散乱され、その散乱光の一部は超音波集束領域２０８に到達し、その領域２０８で超音波との相互作用が引き起こされる。
【００３２】
超音波集束領域２０８から、光と超音波との相互作用の結果、周波数シフト光が再放射される。周波数シフト光、及び非周波数シフト光が少なくとも一部は後方に散乱され、入射光２１１が入射した媒質２０９の表面から射出される。媒質２０９の表面から射出される信号光は、散乱波面２１０として示されている。周波数シフトされた信号光による散乱波面は、入射光２１１が入射した場所とは異なる位置からも射出される。この散乱波面２１０はホログラフィック材料２０６に入射する。
【００３３】
ＡＯＭ２０４により周波数シフト光と同一の周波数を有するように調整された参照光２１２は、ミラー２０５により反射されてホログラフィック材料２０６に照射される。第２の照射ユニットは、ホログラフィック材料２０６を照射するためのミラー２０５などの光学系を備えていてもよい。
【００３４】
相互作用光（周波数シフト光）及び非相互作用光（非周波数シフト光）の双方を含む信号光と参照光２１２と干渉により、ホログラフィック材料２０６の内部で干渉縞が形成される。この干渉縞は主に２つの成分から構成される。一つは、非周波数シフト光と参照光２１２との間の干渉成分で、もう一方は、周波数シフト光と参照光２１２との間の干渉成分である。
【００３５】
異なる周波数の光により形成される前者の干渉成分は、ビート周波数の速度で移動し、そのビート周波数は超音波装置２０７に印加される周波数と同じである。通常、この速度は非常に速いので、干渉縞は平均化され、ホログラフィック材料２０６の内部に記録されない。一方、同一の周波数の光により形成される後者の干渉成分は、ホログラフィック材料２０６の内部に静止した静的な干渉パターン（ホログラム）を形成する。
【００３６】
ここで、非周波数シフト光を排除し、周波数シフト光を効率的に回収してホログラムを形成するために、バンドパスフィルタを用いてもよい。例えば、ファブリ‐ペロ干渉計、又は低温冷却のスペクトルホールバーニング結晶などが挙げられる。また、ホログラフィック材料２０６の代わりにＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサなどのアレイセンサを使用して、干渉パターンによる情報を取得してもよい。
【００３７】
以上より、局所的な超音波集束領域２０８から発生する周波数シフト光によって、静的なホログラムがホログラフィック材料２０６に形成される。つまり、参照光と周波数シフト光との干渉に対応する情報をホログラフィック材料２０６に記録することができる。
【００３８】
位相共役光は時間可逆的に、記録プロセスにおける軌跡をたどって再伝播することができるので、このようにして記録された波面の位相共役は、超音波集束領域２０８に戻るように伝播することができる。つまり、周波数シフト光の位相共役である入射光（再生光）は散乱媒質２０９中の局所領域２０８に集光される。
【００３９】
図２Ｂは、局所領域２０８に照射を行うための再生ステップである第２のステップの構成を示す概略図である。
【００４０】
図２Ｂに示されるように、光源２００により放射された光は、最終的には、参照光２１２の方向に対して実質的に逆の方向からポンプ光２１３としてホログラフィック材料２０６を照射する。あるいは、第３の実施形態で説明されるように、光源２００の代わりにポンプ光を供給する別の光源を用いることもできる。第１の照射ユニットは、ホログラフィック材料に情報が記録された後、散乱媒質２０９を通過することなくホログラフィック材料に照射するように構成される。ポンプ光２１３は連続波又はパルス波であってもよい。
【００４１】
このポンプ光は、ホログラフィック材料２０６の内部で記録波面の位相共役波２１０’を発生させる。位相共役波２１０'は、散乱媒質２０９に向かって伝播し、媒質２０９に入射する。この位相共役波２１０’は、記録ステップにおいて散乱媒質２０９内部でたどった軌跡に沿って再伝播し、超音波集束領域２０８まで戻ることができる。結果として、この局所領域２０８は位相共役光２１０'により集光される。つまり、ホログラフィック材料によって、媒質中の当該局所領域を照射する再構成波を発生し、その再構成波は、媒質２０９中の局所領域２０８の位置へ伝播する位相共役波から構成される。さらに、再構成波の強度を制御するコントローラがあって、再構成波の強度が超音波による変調光２１０を得るために使用される入射光２１１の強度とは異なるように、再構成波の強度を制御してもよい。コントローラは、例えば、再構成波が変調光２１０を得るために使用される入射光２１１の強度より小さく、或いは大きくなるように、光の強度を調整する。さらに、媒質からの信号を検出するために、光検出器、或いは超音波検出器、若しくはその両方を用いることができる。この検出器を用いて、再構成波による媒質２０９の照射に応じて媒質２０９から発生される信号を利用して、断層影画像（トモグラフィーイメージ）を形成することも可能である。このようにこの検出器は、このようなトモグラフィーイメージを生成する、画像生成ユニットであってもよい。
【００４２】
超音波集束領域２０８の特性（例えば、領域のサイズ、形状、位置）は、超音波装置２０７及びその制御ユニット（図示せず）により制御可能である。この特徴は、実用面において極めて重要となる。つまり、ある特定の局所領域へ再伝播することが可能な位相共役波を発生させ、散乱媒質内部のその局所領域は制御することができる。多重散乱光を扱うイメージングにおいて、本実施形態を照射装置又は照射方法のいずれかとして適用することにより、出力画像の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させることができる。更に、本実施形態は、散乱媒質中で光を集光させることにより、同イメージング手法の測定深度を向上させることも可能である。この照射方法は、様々な種類のイメージング手法及び散乱媒質中で光を集中させることが要求される他のいろいろな装置に適用可能である。また、ポンプ光２１３のエネルギーは、ホログラムを形成するために使用される記録時の光のエネルギーより低くなるように任意に調整されてもよい。
【００４３】
ここで、散乱媒質は、例えば、生体組織又は他の何らかの混濁媒質又は無秩序なランダム物質であってもよい。
【００４４】
ホログラフィック材料２０６は、従来の乳濁液、あるいはニオブ酸リチウム、ヒ化ガリウム、ＢＳＯ（酸化ビスマスケイ素）などのフォトリフラクティブ結晶、又は、例えば米国特許第６，６５３，４２１号公報に記載されるフォトリフラクティブポリマーであってもよい。更に、後に示されるデジタルホログラフィ技術も適用可能である。
【００４５】
周波数シフト光の強度は、位相共役波を発生するためのホログラムを生成するのに十分大きく、この強度は、媒質の位置及び散乱媒質２０９中における超音波集束領域２０８のサイズによって決まる。また、散乱媒質２０９の比較的深い位置に光を集光させる一つの手段として、最初は、比較的浅い領域に超音波集束領域を設定して、ホログラムを形成するための周波数シフト光が相対的に容易に検出されるように、超音波集束領域２０８を設定してもよい。
【００４６】
次のステップとして、超音波集束領域２０８を少しだけ媒質中の深い位置に設定し、そこでまだ検出可能な周波数シフト光を検出する。しかし、入射される再生光は光を集光するのに十分なほどには最適化されていないが、通常の照射よりもよい集光効果が期待できる。ここで新たにホログラムが形成された後、入射する位相共役波を散乱媒質中のこの新たなポイントに集光することができる。このステップを繰り返すことにより、散乱媒質中の比較的深い位置に焦点を設定することができる。
【００４７】
或いは、ホログラムを形成するのに十分大きなサイズの超音波集束領域から始めて、その超音波集束領域を所定の大きさまで徐々に縮小するようにステップを繰り返すことで、散乱媒質中の深い位置に焦点を設定してもよい。
【００４８】
更に、例えば、本実施形態を使用して、異常組織領域をイメージングする（モニタする）、又は治療するような医療分野へ適用する場合、Ｘ線、ＭＲＩ、超音波、或いは他の何らかの診断結果など、他のモダリティにより提供される事前情報を利用することにより、超音波集束位置をその異常領域に設定することも可能である。
【００４９】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、記録ステップ（図３Ａ）及び再生ステップ（図３Ｂ）の例示的な構成をそれぞれ示す概略図である。
【００５０】
第１の実施形態は音響光学イメージング技術を含む。図３Ａに示されるように、レーザー３００から放射された光は、ビームスプリッタ３０１により入射光３１４及び参照光３１５に分割される。入射光３１４はＡＯＭ３０２に入射し且つ参照光３１５はＡＯＭ３０５に入射する。この２つのＡＯＭの周波数は、通常、それぞれ５０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚであり、両者の周波数がわずかに異なり、その差が超音波システム３１１に印加される約１〜数十ＭＨｚの範囲の周波数に等しい。このＡＯＭの役割は、先に説明した役割と同一である。
【００５１】
レンズシステム３０３は入射光３１４の大きさを制御し、可動ミラー３０４は散乱媒質３１２の表面上における入射点を制御する。入射光３１４が散乱媒質３１２に入射すると、光は媒質３１２の内部で多重散乱される。
【００５２】
音響的に媒質３１２に整合された超音波システム３１１は、散乱媒質３１２中のある特定位置に、通常数ｍｍの大きさのフォーカス領域３１３を形成するように操作される。超音波システム３１１は、例えば、リニアアレイ探触子を含む。従って、アレイ探触子を用いた電子フォーカスによって、散乱媒質３１２の内部の任意の位置に超音波集束領域３１３を生成する。あるいは、円形凹形面超音波トランスデューサや音響レンズを用いたトランスデューサを機械的に走査して、超音波集束領域３１３を所望の位置に配置してもよい。トランスデューサとしては、圧電現象を利用するトランスデューサ、光の共振を利用するトランスデューサ、容量の変化を利用するトランスデューサなどが利用可能である。
【００５３】
入射光３１４の少なくとも一部は超音波集束領域３１３に到達し、そこで超音波と相互作用する。相互作用を受けた光の一部は元の方向に反射されて、周波数シフト光３１６として散乱媒質３１２から射出する。射出された散乱光は、レンズシステム３１０によって、フォトリフラクティブ結晶などの動的ホログラムデバイス３０７に集められる。
【００５４】
例えば、フォトリフラクティブ結晶は、十分な回折効率を得るために数ｍｍ〜数ｃｍの範囲の大きさで、数百μｍ以上の厚さを有するニオブ酸リチウムを用いてもよい。
【００５５】
周波数シフト光３１６と同一の周波数を有する参照光３１５は、ミラー３０６を介してフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し、参照光と周波数シフト光３１６とが干渉する。その結果、周波数シフト光の波面は、フォトリフラクティブ結晶３０７に静的な屈折率格子として記録される。
【００５６】
ホログラムの形成後に引き続きフォトリフラクティブ結晶３０７を参照光３１５が照射することにより、参照光は順方向ポンプ光として作用する。順方向ポンプ光３１５は、フォトリフラクティブ結晶３０７の中で成形された屈折率格子により回折される。この回折光及びフォトリフラクティブ結晶３０７を透過した周波数シフト光３１６は互いに干渉し、例えば、米国特許出願第２００８／００３７３６７号公報に開示されるように、集光レンズシステム３０８を介して、この干渉を光検出器３０９で検出できる。光検出器３０９に関しては、光電子増倍管（ＰＭＴ）又はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの単一のセンサを用いることができる。あるいは、ＣＣＤ又はＣＭＯＳなどのマルチセンサを用いてもよい。光検出器３０９は、ホログラフィック材料をモニタするために使用することも可能である。
【００５７】
ホログラムが形成されると、光検出器３０９からの出力が増加し、ホログラムの形成後、その出力信号は増加しない。従って、この出力信号をモニタすることにより、フォトリフラクティブ結晶３０７内のホログラムの形成を確認できる。
【００５８】
その一方で、図３Ｂに示されるように、可動ミラー３０４が角度を変えることで、入射光３１７が順方向ポンプ光３１５の方向とは実質的に逆の方向からフォトリフラクティブ結晶３０７に入射する。この入射光３１７は逆方向ポンプ光として作用し、フォトリフラクティブ結晶３０７中に刻まれた波面の位相共役（位相共役波）が発生する。この位相共役光３１８はレンズシステム３１０を介して伝播し、散乱媒質３１２に入射する。
【００５９】
位相共役光３１８は、散乱媒質３１２中を超音波集束領域３１３までその軌跡を再伝播することができるので、より多くの光がこの超音波集束領域３１３に入射して、超音波との相互作用を引き起こすことができる。従って、図３Ｂに示すように、この局所領域３１３からより多くの周波数シフト光３１６が再放射され、フォトリフラクティブ結晶３０７を介してレンズシステム３０８、３１０及び光検出器３０９によって検出される。その結果、音響光学イメージングの信号である周波数シフト光の強度を向上させることができる。
【００６０】
ここで、上記の測定処理を通して、超音波システム３１１は超音波を送信し続けて集束領域３１３を形成し、参照光３１５が順方向ポンプ光としてフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し続けてもよい。同時に、位相共役光３１８を発生させるために、逆方向ポンプ光３１７は、ポンプ光３１５とは逆の方向からフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し続けてもよい。
【００６１】
この種の動的ホログラフィを用いた手法において、フォトリフラクティブ結晶３０７に刻まれたホログラムは、周波数シフト波面の変化に応じて自己適応的に対応して変化する。この適応変化するホログラムによって、媒質３１２内部でわずかに散乱が変化しても、逆方向ポンプ光３１７により発生する位相共役光３１８は光を集光することができる。特に生体組織の場合、主に生体活動によって、散乱体の位置などの散乱条件は、時間の経過に伴い変化する。したがって、再生ステップにおける周波数シフト光の波面と記録ステップにおける波面とが異なるような場合、この動的ホログラムによる自己適応性は、位相共役を発生するに際して効果的である。
【００６２】
図３Ａの入射光３１４又は位相共役光３１８の強度はモニタされ、且つ光が散乱媒質に入射する手前でその強度を調整することができる（図３Ａ及び図３Ｂには図示せず）。例えば散乱媒質が生体組織である場合、安全性を考慮してレーザー３００の出力を最大許容露光量以下に保ちつつ、ホログラムを形成するため、光検出器３０９で確認しながら十分な周波数シフト光が得られるように、レーザー３００の出力を確保して制御することができる。
【００６３】
更に、このシステムは記録プロセスと再生プロセスとで光の強度を変化させてもよい。例えば、ホログラムを形成するのに十分な周波数シフト光３１６を取得するために、最初は比較的強い強度の光を放射してホログラムを形成する。次の再生ステップでは、集光効果によって十分なＳＮＲ（信号対雑音比）を保持しつつ電力消費を抑えるために、比較的強度を抑えた逆方向ポンプ光３１７を用いて位相共役光３１８を発生させてもよい。
【００６４】
更に、散乱媒質３１２の内部の超音波集束領域３１３は走査されてもよく、各位置の領域に対して上記の処理が順次実行されることにより、例えば、米国特許第６，９５７，０９６号公報に記載されるような媒質３１２内部の吸収及び散乱などの光学特性の分布を得ることもできる。画像生成ユニット（図示せず）は、対応する集束領域３１３の位置に応じて、それらの光学特性をマッピングすることにより、光学特性の３次元空間分布を生成することも可能である。また、再構成波の照射に応答して媒質から出力される信号を検出するために、光検出器が使用されてもよい。
【００６５】
更に、上述の処理は、レーザー光源３００の複数の所望の波長を使用し、必要に応じてフォトリフラクティブ結晶３０７を変えて実行されてもよく、医療応用において、散乱媒質３１２が生体組織である場合、上述の処理は、散乱媒質３１２の構成要素、例えば、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、水、脂肪、コラーゲンなどの成分比率や、媒質３１２の酸素飽和度などの機能情報を取得することも可能である。ここで、先行技術文献である２００４年５月１８日発行のＳｆｅｚ他の米国特許第６，７３８，６５３号公報及び２００８年２月１４日発行のＧｒｏｓｓ他の米国特許出願公開第２００８／００３７３６７号は、本明細書に余すところなく完全に述べられているものとして全体の内容が本願の開示の一部として取り込まれる。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。本実施形態の撮像システムの構成は、散乱媒質３１２の周囲に光検出器が追加されること（図示せず）を除いて、図３Ａ及び図３Ｂに示される第１の実施形態における撮像システムの構成と同一である。第２の実施形態の撮像システムは、拡散光トモグラフィ（ＤＯＴ）と呼ばれる技術を含む。
【００６７】
フォトリフラクティブ結晶３０７にホログラムが形成されるまでは、第１の実施形態のフローと同一である。フォトリフラクティブ結晶３０７にホログラムが形成されると、逆方向ポンプ光３１７はフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し、位相共役光（位相共役波を含む）３１８を発生させる。この時、ＤＯＴ測定を実行するために超音波システム３１１は停止されてもよい。
【００６８】
この位相共役光３１８が散乱媒質３１２に入射すると、位相共役光３１８は超音波集束領域３１３まで戻り、更に、元の入射点まで戻る。散乱媒質３１２の周囲に適切に配置された光検出器は、媒質から射出される散乱光を検出する。ＤＯＴにおいて使用される技術を利用しつつ、超音波集束領域３１３の位置を制御することにより、散乱媒質３１２中の光の伝播経路を制限又は減少させることが可能である。従って、この撮像システムは、ＤＯＴにおける課題の１つである不良設定問題を緩和するのに有効となる。本実施形態で説明しているように、散乱媒質のある１点に光が集光される場合、集光照射に応答して媒質から出力される信号を比較的容易に解析することができる。
【００６９】
入射光点を変化させながら上記の測定プロセスを繰り返すことにより、本システムは、ＤＯＴと同様に、吸収などの光学特性の内部分布を画像再構成するために必要なデータを取得することができる。画像形成システム（図示せず）は、測定データに基づいて画像再構成を行い、媒質３１２内部の吸収特性及び散乱特性の分布に関する３次元画像を生成する。
【００７０】
第１の実施形態の場合と同様に、測定を複数の波長で実行してスペクトル情報を取得し、生体組織の機能情報を抽出することも可能である。
【００７１】
ここで、照射ステップでパルスレーザーを使用し且つ時間相関光子計数システム（図示せず）を使用することにより時間領域測定（time-domain法）を実行すること、又はレーザー３００の出力の強さを変調し且つ例えばロックイン検出システム（図示せず）を使用することにより周波数領域測定（frequency-domain法）を実行することが可能である。先行技術文献である１９９５年８月１５日発行のＴｓｕｃｈｉｙａの米国特許第５，４４１，０５４号公報、１９９５年１２月１９日発行のＴｓｕｃｈｉｙａの米国特許第５，４７７，０５１号公報、１９９６年５月２１日発行のＴｓｕｃｈｉｙａの米国特許第５，５１７，９８７号公報及び１９９５年６月１３日発行のＴｒｏｍｂｅｒｇ他の米国特許第５，４２４，８４３号公報は、本明細書に余すところなく完全に述べられているものとして全体の内容が本願の開示の一部として取り込まれる。
【００７２】
本発明の第３の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。図４は、本実施形態に係る照射装置を有する撮像システムの例示的な構成を示す概略図である。本実施形態のシステムは、組み合わされた２つのシステム、すなわち音響光学イメージングシステム及び光音響イメージングシステムを含む。
【００７３】
レーザー源４００（第１の照射ユニットの一部としての第１の電磁波源）から光が放射され、ビームスプリッタ４０１により入射光４１５及び参照光４１６に分割される。ＡＯＭ４０２及びＡＯＭ４０５は、先に既に説明したように周波数を調整するという同じ役割を果たす。入射光４１５は光学系４０６を介して散乱媒質４０９に入射する。
【００７４】
超音波装置を含む超音波システム４０７は、散乱媒質４０９と音響的に整合されていて、散乱媒質４０９内部の超音波集束領域４０８について、サイズ及び位置について制御する。局所ボリューム４０８から発生する周波数シフト光４１７の少なくとも一部は、散乱媒質４０９から射出し且つフォトリフラクティブ素子４１０に入射し、ミラー４０３及び４０４（第２の照射ユニットの一部）から反射された参照光４１６と干渉することによりホログラムを形成する。
【００７５】
フォトリフラクティブ素子４１０の中でホログラムが形成されている間、第１の実施形態に関して先に説明したのと同様にホログラムの形成を確認するために、周波数シフト光である音響光学信号４１８は、集光レンズ系４１１を介して光検出器４１２によりモニタされてもよい。この時点で、この周波数シフト光信号はメモリ（図示せず）に格納され、後に画像を再構成するために使用される。
【００７６】
ホログラムの作成が完了した後、光音響イメージングのためのパルスレーザー源４１４（第２の電磁波源）を備える第３の照射ユニットは、数ナノ秒のパルス光を放射する。パルス光は、参照光４１６とは実質的に逆の方向からフォトリフラクティブ素子４１０を照明し、それにより、フォトリフラクティブ素子４１０に刻まれた周波数シフト波面の位相共役が発生される。位相共役光（位相共役波を含む）４１９は、散乱媒質４０９に戻るように伝播する。
【００７７】
光音響信号を検出するために、超音波システム４０７は、送信モードで使用された焦点設定を変更することなく送信モードから受信モードへ動作モードを変更することができる。
【００７８】
入射位相共役光４１９は、散乱媒質４０９中の局所領域４０８まで軌跡を再伝播することができるので、この入射光４１９は、光音響イメージングにおける測定領域である局所領域４０８に集光できる。
【００７９】
局所領域４０８で吸収された光のエネルギーにより、局所的な温度上昇を引き起こされ、その結果、この局所領域の体積が膨張し、音響波（光音響信号）が発生される。式（１）によれば、光音響信号Ｐは、その位置における局所的な吸収係数μａ及び光フルエンス率Φに比例する。
【００８０】
Ｐ＝ΓμａΦ （１）
式中、Γはグリュナイゼン係数（熱-音響変換効率）である。
【００８１】
従って、光フルエンス率が大きくなれば、より大きな光音響信号が発生される。入射位相共役光４１９は局所領域４０８に集光できるので、この局所領域４０８からより大きな光音響信号が発生される。局所領域４０８を受信モードでフォーカスするように設定されている超音波システム４０７は、その領域４０８から発生された光音響信号を検出する。或いは、その代わりに又はそれに加えて、再構成波４１９による照射に応じて散乱媒質４０９から出力される信号を検出するために、別の超音波検出器が設けられてもよい。
【００８２】
図５は、このシステムの例示的な動作フローを示す。まず、Ｓ５００において、集束領域のサイズ又は位置などの超音波システム４０７のフォーカスに関するパラメータ条件が設定され、次に、超音波システム４０７は、パルス超音波を送信し、集束領域４０８を形成する。Ｓ５０１において、レーザー４００は光を放射する。
【００８３】
Ｓ５０２において、音響光学イメージングにより、音響光学信号（周波数シフト光）が光検出器４１２でモニタされ、Ｓ５０３において、光検出器４１２は、ホログラムの作成が完了したか否かを確認する。Ｓ５０２及びＳ５０３の処理は、ホログラムの作成が確認されるまで繰り返されてもよい。更に、ホログラムの完成後にＳ５０４へ進む前に、音響光学信号が格納されてもよい。
【００８４】
ホログラムが形成された後、Ｓ５０４において、レーザー４００の動作は停止され且つ超音波システム４０７の動作モードは送信モードから受信モードに変更される。その後、Ｓ５０５において位相共役光４１９を発生するために、レーザー４１４は、フォトリフラクティブ素子４１０に向かって参照光４１６と実質的に逆の方向にパルス光を放射する。Ｓ５０６において、光音響信号は超音波システム４０７により検出される。
【００８５】
これは例示的な基本動作フローであり、光音響イメージングの測定位置を変更する必要がある場合、超音波システムは、フォーカス位置を変更し、Ｓ５００に戻って、フロー全体（Ｓ５００〜Ｓ５０６）を繰り返してもよい。
【００８６】
測定に続いて画像生成処理を実行することも可能である。画像生成ユニット（図示せず）は、上記のデータを使用することにより３次元画像を再構成してもよい。画像生成ユニットは、光音響測定により得られた吸収信号を超音波集束領域４０８の位置に従ってマッピングする。この時、Ｓ５０３で格納された音響光学信号が読み出され、散乱分布画像を同様に生成する。光音響信号は吸収特性に感度がよく、音響光学信号は散乱特性に感度がよいので、２つの測定結果を組み合わせることにより吸収分布画像及び散乱分布画像を生成できる。
【００８７】
更に、Ｓ５００の前にもう１つステップを追加することが可能である。すなわち、超音波システム４０７からパルス超音波が送信され、反射波として作用する超音波エコーが超音波システム４０７により受信されてもよい。この超音波エコー測定は、パルス超音波が送信される方向を散乱媒質４０９に対して変えながら実行されてもよく、それにより、散乱媒質４０９の内部に関する構造データが取得される。超音波エコー測定により取得された構造データを利用することにより、例えば、超音波集束領域４０８を、エコー画像の中で特徴的な差が見られる位置に設定することができる。
【００８８】
あるいは、Ｓ５０３で取得され且つ格納された音響光学信号を解析することにより、光音響イメージングの測定点を選択することも可能である。まず最初に、光音響システムにより測定されるべき領域を特定するために、音響光学イメージングシステムが使用されてもよい。音響光学信号で顕著な変化が見られた場合、光音響イメージング用のレーザー４１４はパルス光を放射する。あるいは、超音波集束領域４０８を決定する際に、特徴的な領域を探し出すために音響光学イメージングシステムの代わりに、光音響イメージングシステムを使用することも可能である。
【００８９】
本実施形態の撮像システムは、図３Ａ及び図３Ｂに示される構成によって実現されてもよい。その場合、光源ユニット３００は、少なくとも２つの異なるレーザーから光を放射する。一方のレーザーは音響光学システムのレーザーであって、他方は光音響システムのパルスレーザーであってもよい。それらのレーザーは、記録ステップと再生ステップとの間で互いに切り替えられてもよい。
【００９０】
このように光音響イメージングの測定領域に光を集光することにより、光音響イメージングの測定深度及びＳＮＲを向上することが可能である。先行技術文献である１９８３年５月３１日発行のＢｏｗｅｎの米国特許第４，３８５，６３４号公報、１９９８年１１月２４日発行のＯｒａｅｖｓｋｙ他の米国特許第５，８４０，０２３号公報及び１９９８年２月３日発行のＫｒｕｇｅｒの米国特許第５，７１３，３５６号公報は、本明細書に余すところなく完全に述べられているものとして全体の内容が本願の開示の一部として取り込まれる。診断のためにより鮮明な画像又はより有用な画像を得るために、音響光学イメージングシステム及び光音響イメージングシステムの２つのシステムの組み合わせを含むイメージングシステムが実現されてもよい。
【００９１】
本発明の第４の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。図６は、ランダム散乱物質中の特定の位置へ光を送るための光照射装置の例示的な構成を示す概略図である。
【００９２】
レーザー源６００を備える照射装置から放射された光は、ビームスプリッタ６０１により入射光６１６及び参照光６１７に分割される。レンズシステム６０６は、物質６０７を照射するために入射光６１６を拡大する。参照光６１７の周波数を調整可能にするように、参照光６１７の光路にＡＯＭ６０３及び６０４と、ミラー６０２及び６１３とが配置される。
【００９３】
超音波システム６０９を備える変調器は、物質６０９に音響的に整合され且つ超音波を照射する。物質６０７の中に、超音波システム６０９により超音波集束領域６０８が形成される。
【００９４】
先に既に説明したように、集束領域６０８から発生した周波数シフト光６１９の一部は、物質６０７の表面から射出し、ＣＣＤセンサ６１２を備える検出器までレンズシステム６１０及びビームスプリッタ６１１を介して誘導される。この場合、ＣＭＯＳセンサ又はイメージインテンシファイアを有するエリアセンサ、あるいはＥＭＣＣＤ（電子増倍ＣＣＤ）も適用可能である。参照光６１７は、ミラー６０５により反射されてＣＣＤ６１２に到達し、最終的には、ＣＣＤ６１２における参照光６１７と周波数シフト光６１９との間の干渉に基づくホログラムを形成する。
【００９５】
このシステムには処理ユニット（図示せず）が設けられる。この処理ユニットは、デジタルホログラフィ技術を利用して、位相共役（位相共役波）と同等の再構成光を発生するために、ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）などの空間光変調器（ＳＬＭ）６１４を備えた発生器を制御する。
【００９６】
周波数シフト光の干渉像は、位相シフトデジタルホログラフィ技術により得られてもよい。ＣＣＤＥ６１２の面に、非周波数シフト光、周波数シフト光及び参照光が入射している。参照光の周波数（ｆＲ）は、例えば、下記の式に従って、ＡＯＭ６０３及び６０４を調整することにより調整される。
【００９７】
ｆＲ＝ｆＵ＋ｆＡ＋ｆＣ／Ｎ （２）
式中、ｆＵは非シフト光の周波数であり、ｆＡは超音波の周波数であり、ｆＣはＣＣＤ６１２のフレームレートであり且つＮは位相シフト方法の測定回数である。ＣＣＤ６１２はローパスフィルタとして作用するので、主に周波数シフト光６１９と参照光６１７との間の干渉像の成分が干渉縞を生成し、この成分は時間の経過に伴ってゆっくりと変化するため、ＣＣＤ６１２が干渉像（デジタルホログラム）を効率よく検出できる。
【００９８】
デジタルホログラムの画素ごとに検出される周波数シフト光の位相を、位相シフト法により計算することによって、位相分布が得られる。処理ユニットは、デジタルホログラムにより得られた位相分布に従ってＳＬＭ６１４の各画素の位相値を設定する。この時、ＣＣＤ６１２とＳＬＭ６１４との間の光路長差や、又は他のシステムエラーは校正され、位相値が補正されてもよい。あるいは、ＣＣＤ６１２及びＳＬＭ６１４は、物質６０７の射出面からそれらの素子までの光路長が同一になるように配置されてもよい。
【００９９】
ＳＬＭ６１４は、レーザー６１５により放射される光の位相を変調する。この位相変調により、位相共役と同等である再構成光６１８が発生され、再構成光６１８は、物質６０７中の超音波集束領域６０８まで軌跡を再伝播して戻ることができる。ＳＬＭ６１４により生成される再構成光６１８は、物質６０７に照射されるように構成される。物質内部の画像を生成するために装置が使用される場合、先に他の実施形態で説明したように、再構成光６１８による物質の照射の結果、物質から出力される信号を検出して、画像を形成してもよい。
【０１００】
ＣＣＤ６１２がＳＬＭ６１４より多くの数の画素を有する場合、ＣＣＤ６１２とＳＬＭ６１４の画素数が等しくなり且つそれらの画素が互いに対応するように、ＣＣＤ６１２はビニングを実行してもよい。
【０１０１】
更に、再構成光の特性を向上させるために、デジタルホログラフィで使用される他の何らかのデジタル技術が適用されてもよい。
【０１０２】
第４の実施形態において説明した照射装置は、生体組織の光線力学的療法などの治療又は処置にも適用可能である。第５の実施形態のシステムの構成は、図６に示される構成と同一であってもよい。
【０１０３】
デジタルホログラムが形成され且つＳＬＭ６１４がそのデジタルホログラムに従って位相変調を実行可能な状態になった後、レーザー６１５は、デジタルホログラムを形成するために使用されるレーザー６００から放射される光と比較して相対的に高い強度を有する光を放射してもよい。レーザー６１５の光出力は、治療に応じて制御されてもよい。
【０１０４】
更に、治療又は処置の目的に応じて多くの種類のレーザーが適用可能である（例えば、フェムト秒パルスからピコ秒、ナノ秒、マイクロ秒など）。
【０１０５】
ＳＬＭ６１４によって位相が制御される治療用の再構成光６１８は、超音波集束領域６０８に到達し、治療が必要とされる組織領域に光エネルギーを供給することができる。超音波集束領域６０８の位置は、他の診断結果を参照することにより設定されてもよい。
【０１０６】
本発明に係る実施形態を使用することにより、エネルギー密度の高い光を特定の場所に効率よく、損傷を抑えて供給することが可能である。
【０１０７】
以上説明した実施形態は、組織の異常などの生化学的情報を取得するために、化学プローブ（分子）を使用する蛍光イメージングにも適用可能であり、例えば蛍光プローブが配置される場所に超音波集束領域を設定することができる。照射のための再生ステップは先に説明したステップと同一であってもよい。また、化学プローブの場所が特定されていない場合、一度に１箇所ずつ照射して、単純に散乱媒質の内部で超音波集束領域を走査してもよい。蛍光プローブが配置されている位置に光を集光させることにより、例えば腫瘍などのターゲットの高コントラスト画像を得ることができる。
【０１０８】
既に説明したように、本発明に係る実施形態は、種々の光イメージング又は治療、あるいは散乱媒質内部の制御可能な特定の場所に光を集中させることを目的とする装置に適用可能である。
【０１０９】
本発明に係る実施形態を例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明が上述の実施形態に限定されないことを理解すべきである。添付の特許請求の範囲の範囲は、そのような変形並びに同等の構造及び機能をすべて含むように最も広い意味での解釈とみなされるべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒質に照射を行う装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この出願は、２００９年９月２４日に出願された米国特許出願第１２／５６６５９２号の優先権を主張するものであり、その内容は本願の一部をなすものである。
【０００３】
光の散乱は、散乱過程が主として起こる散乱媒質の内部を可視化すること、或いははそのような媒質を通してイメージングすることが困難、或いは場合によっては不可能である本質的な原因の１つである。これは、散乱光が媒質中を通過する際に直線的に伝播しないためであり、散乱光が不規則な軌跡をたどることによって、光の方向性並びにそれに関連する情報は失われてしまう。従って、散乱又は拡散した光を検出することによって、そのような散乱媒質に関する詳細な内部情報を抽出することは困難である。例えば、生体組織を扱う医療分野への光の適用において、生体組織を光が通過際に生じる散乱のために、検出された散乱光から内部情報を得ることは困難である。
【０００４】
更に、例えば光線力学的療法において異常組織の治療を行うために、或いは、意図的に無秩序にさせたランダム物質を用い、従来は得ることができなかった特有の有望な機能を実現させるためなどで、散乱媒質中の目標位置に光エネルギーを集中させることが要求され、そのような需要が多くなっている。
【０００５】
散乱媒質中のある一点に光を集光させること、又は散乱媒質を通して光を集光させることは、つい最近まで実現されていなかった。しかし、近年、入射光の波面を最適化することによって散乱効果を抑制する技術が提案された。
【０００６】
米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号には、散乱媒質を透過した散乱光の波面をホログラフィック記録材料により記録し、記録された波面の位相とは実質的に逆の位相を有する位相共役波を発生することができる位相共役光技術が開示されている。位相共役波は、散乱媒質に入射し、且つ散乱媒質を通して可視化できるような構成で発生される。
【０００７】
弾性光散乱は決定論的時間可逆過程であるので、位相共役光は、散乱媒質中の軌跡を逆方向にたどり、元の入射点まで戻ることができる。米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号に開示される方法は、この原理を使い、効果的に散乱を抑制し、且つ散乱媒質から得られる画像の空間分解能を向上させている。
【０００８】
しかし、米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号で開示されている位相共役光を用いた手法では、散乱媒質を通過した背後で、元々入射光が入射した領域媒質に光を集光させることのみが示されている。従って、この方法では、散乱媒質内部の任意の特定位置に光を集光させることはできない。しかし、米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号は、更にその位相共役光の手法を用いれば、媒質内部で強い前方散乱を発生させるいくつかの特定の散乱体に光を照射させることができると示唆している。
【０００９】
しかし、この状況は、媒質の散乱特性が非常に小さく、従って、媒質中での散乱は、その強い散乱体が位置している数少ない特定個所でのみ散乱が生じると想定できる場合に限られる。更に、イメージング又は治療などの別の用途でこの集光効果を利用できるようにするためには、それらの特定箇所（場所）がわかっていなければならない。
【００１０】
生体組織を含む散乱の強い媒質などでは、この状況は多くの場合現実的ではない。例えば、強い散乱媒質の内部で多重散乱が生じると、どの散乱体が支配的で、且つ前方散乱を引き起こしているのか特定することは極めて困難である（場合によっては、散乱は前方散乱ではないかもしれない）。従って、位相共役光を用いて、多重散乱過程でたどった経路を元の散乱体の位置まで逆方向にたどり、且つ照明することは困難である。そのような多重散乱過程は、例えば、媒質中に散乱体が非常に多く存在することによって引き起こされる。
【００１１】
更に、媒質内部の「強い散乱体」の位置は通常わからないので、仮に「強い散乱体」付近に光を集光させたとしても、位相共役光がそのような散乱媒質内部のどこに再伝播して光を集光したか、その正確な場所を特定することは非常に難しい。
【００１２】
従って、散乱媒質において位相共役光を用いる場合には、これらの点を考慮する必要がある。
【発明の概要】
【００１３】
本発明の実施形態は、媒質に照射を行う装置及び方法を提供する。
【００１４】
本発明の一側面としての装置は、電磁波を放射する電磁波源を含み、媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射する第１の照射ユニットと、媒質中のある特定の位置で電磁波の周波数を変調するために媒質へ超音波を照射する超音波装置と、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットとを含む。第１の照射ユニットは、ホログラフィック材料に情報が記録された後、媒質中の前記位置を照射する再構成波が発生するように、ホログラフィック材料を照射するように構成される。
【００１５】
本発明の別の側面としての装置は、媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射するための第１の電磁波源を含む第１の照射ユニットと、媒質中のある特定の位置で電磁波の周波数を変調するために媒質へ超音波を照射する超音波装置と、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットと、ホログラフィック材料が媒質中の前記位置を照射する再構成波が発生するように、ホログラフィック材料を照射する第２の電磁波源を含む第３の照射ユニットとを含む。
【００１６】
本発明の別の側面としての方法は、媒質中で散乱され且つ媒質中のある特定の位置で周波数変調される電磁波を媒質に照射することと、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得することと、取得された情報に基づいて、媒質を照射する位相共役波を発生することとを含む。
【００１７】
本発明の別の側面としての装置は、媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射するために電磁波を放射する電磁波源を含む照射装置と、媒質中のある特定の位置で電磁波の周波数を変調する変調器と、変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得する検出器と、取得された情報に基づいて、媒質に照射される位相共役波を発生する発生器とを含む。
【００１８】
本発明の更なる特徴は、添付の図面を参照して以下の例示的な実施形態の説明を読むことにより明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】図１Ａは、散乱媒質中の多重散乱光を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、散乱媒質中の周波数シフト光の「再放射」を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、散乱媒質中の光の集光を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１のステップ（記録プロセス）の構成を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第２のステップ（照射のための再生プロセス）の構成を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、例示的な実施形態における第１のステップの構成を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、例示的な実施形態における第２のステップの構成を示す図である。
【図４】図４は、別の例示的な実施形態の構成を示す図である。
【図５】図５は、例示的な操作フローを示す図である。
【図６】図６は、別の例示的な実施形態の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、添付の図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。
【００２１】
図１Ａは、散乱媒質１０１内部の光の多重散乱及びある特定位置１０２を示す。特定位置１０２において、入射光１００の周波数は変調さる。散乱粒子１９９を含む散乱媒質１０１に入射光１００が入射すると、光１００は、媒質１０１内部を伝播する間に多重に散乱され、最終的には散乱光１０３として媒質１０１の表面から射出する。このとき、入射光１００の一部は位置１０２に到達し、その位置１０２で周波数変調される。例えば、位置１０２において入射光１００の周波数を変調するために超音波を使用することができる。あるいは、超音波の代わりに媒質中の局所位置で入射光の周波数を変調できる手段も利用可能である。
【００２２】
音響光学イメージング又は超音波変調トモグラフィと呼ばれる技術において、散乱媒質１０１に超音波が照射された場合、媒質の屈折率の変調、加えて、散乱媒質１０１中の散乱体の変位が、印加された超音波の周波数で誘起される。超音波が照射された領域である媒質１０１中の位置１０２に、入射光１００の一部が到達すると、その光の位相は超音波の周波数により変調され、その結果、その光の周波数がシフトされる。
【００２３】
図１Ｂは、媒質１０１中における相互作用（周波数シフト）された光１０４の発生及び伝播を示す。相互作用された光１０４の周波数は、超音波の周波数によりシフト（変調）される。従って、この光１０４の周波数は、入射光１００や、超音波の変調を受けていない散乱光１０３の周波数とは異なる。超音波照射領域である位置１０２から発生した周波数がシフトされた光（周波数シフト光）１０４は、多重散乱を受けつつ伝播し続け、媒質１０１から射出する。
【００２４】
別の視点から見ると、散乱媒質１０１中の超音波照射領域１０２に、周波数が入射光とは異なる光を発生する別の光源が存在するかのように考えることができる。この周波数シフト光１０４は、明らかに超音波照射領域１０２から発生する。
【００２５】
この周波数シフト光１０４に対応する波面が記録され、且つその位相共役光１０５によって再生されると、この位相共役光は、その軌跡をたどって位置１０２に向かうように再伝播し、図１Ｃに示されるように位置１０２に到達する。位相共役光（或いは、再構成波、位相共役波）を実現するために、ホログラフィを使用することができる。ホログラフィにおいて、変調光と参照波との干渉により生成された干渉パターンをホログラフィック材料に記録することができる。或いは、干渉パターンは、ＣＣＤセンサ及びＣＭＯＳセンサなどの光検出器により検出されてもよい。光検出器により干渉パターンを検出する技術は、デジタルホログラフィとも呼ばれ、位相共役波は、取得した干渉パターンに対応する情報に基づいて生成される。例えば、干渉パターンがホログラフィック材料に記録される場合、本明細書の後半で説明されるように、位相共役波はポンプ光により生成される。これに対し、ＣＣＤなどのアレイセンサにより情報が取得される場合、位相共役波は、第４の実施形態で説明されるように、空間光変調器などの発生器を使用して発生される。
【００２６】
散乱媒質中に光を集光させる照射方法は、一般的に２つのステップを含む。第１のステップは記録ステップであり、第２のステップは再生（再構成）ステップである。
【００２７】
図２Ａは、第１のステップの構成を示す概略図である。コヒーレント光源２００から放射された光は、ビームスプリッタ２０１により入射光２１１及び参照光２１２に分割される。通常、光源２００より放射される光の波長は、可視光（可視光線）から近赤外線（近赤外線光線）の範囲を用いる。例えば、４００ｎｍ〜１，５００ｎｍなどの約３８０ｎｍ〜約２，５００ｎｍの範囲の波長を放射する電磁波源が光源２００として使用する。
【００２８】
音響光学素子（ＡＯＭ）２０２及び２０４などの外部変調器は、それぞれ個別の周波数で駆動され、その２つのＡＯＭの周波数差が超音波システム２０７により印加される超音波の周波数とほぼ等しくなるように調整される。例えば、ＡＯＭ２０２の周波数がｆ１（＝７０ＭＨｚ）であり且つ超音波の周波数がｆａ（＝２ＭＨｚ）である場合、ＡＯＭ２０４の周波数ｆ２は、ｆ１＋ｆａ（＝７２ＭＨｚ）となる。入射光２１１はＡＯＭ２０２を通過し且つ参照光束２１２はＡＯＭ２０４を通過する。
【００２９】
或いはこの２つのＡＯＭの変調周波数を調整する別の方法として、ＡＯＭ２０２を入射光２１１の光路ではなく参照光２１２の光路に配置してもよい。この場合、参照光２１２は２つのＡＯＭを通過するのに対し、入射光２１１はＡＯＭを通過しない。第１のＡＯＭの周波数は、例えば、ｆ１＝−７０ＭＨｚに設定し、且つ第２のＡＯＭの周波数は、ｆ１＋ｆ２＝２ＭＨｚ、すなわち、ｆ１＋ｆ２が超音波の周波数ｆａ（＝２ＭＨｚ）と同等になるようにｆ２＝＋７２ＭＨｚに設定してもよい。あるいは、２つのＡＯＭは、これと同一の周波数設定で、参照光２１２の光路ではなく入射光２１１の光路に配置されてもよい。
【００３０】
超音波装置２０７は、超音波を媒質に照射し、超音波集束領域２０８を形成する。超音波集束領域２０８のサイズ及び位置は事前に決定されていてもよい。また、縦方向（超音波伝搬方向）に小さな集束領域を実現するためにパルス超音波を照射することも可能である。超音波のパルス幅は、超音波集束領域２０８のサイズ及び、散乱媒質２０９中の超音波の速度に応じて設定される。更に、ストロボ照射を用い、光源２００からの光の照射のタイミングを、集光させる領域に超音波パルスが到達したタイミングと同期させ、超音波パルスがその集光させる位置にいる期間、光を照射させてもよい。媒質２０９中のある特定位置に集光領域を設定するために、集束超音波を用いることができる。
【００３１】
可動ミラー２０３は、入射光２１１が散乱媒質２０９に入射するように、制御され且つ調整される。第１の照射ユニットは、媒質２０９を照射するための光源２００を含み、光源２００の出力を制御するためのオプションのコントローラを含むシステムを備えてもよい。散乱媒質２０９内部では、入射光２１１は多重散乱され、その散乱光の一部は超音波集束領域２０８に到達し、その領域２０８で超音波との相互作用が引き起こされる。
【００３２】
超音波集束領域２０８から、光と超音波との相互作用の結果、周波数シフト光が再放射される。周波数シフト光、及び非周波数シフト光が少なくとも一部は後方に散乱され、入射光２１１が入射した媒質２０９の表面から射出される。媒質２０９の表面から射出される信号光は、散乱波面２１０として示されている。周波数シフトされた信号光による散乱波面は、入射光２１１が入射した場所とは異なる位置からも射出される。この散乱波面２１０はホログラフィック材料２０６に入射する。
【００３３】
ＡＯＭ２０４により周波数シフト光と同一の周波数を有するように調整された参照光２１２は、ミラー２０５により反射されてホログラフィック材料２０６に照射される。第２の照射ユニットは、ホログラフィック材料２０６を照射するためのミラー２０５などの光学系を備えていてもよい。
【００３４】
相互作用光（周波数シフト光）及び非相互作用光（非周波数シフト光）の双方を含む信号光と参照光２１２と干渉により、ホログラフィック材料２０６の内部で干渉縞が形成される。この干渉縞は主に２つの成分から構成される。一つは、非周波数シフト光と参照光２１２との間の干渉成分で、もう一方は、周波数シフト光と参照光２１２との間の干渉成分である。
【００３５】
異なる周波数の光により形成される前者の干渉成分は、ビート周波数の速度で移動し、そのビート周波数は超音波装置２０７に印加される周波数と同じである。通常、この速度は非常に速いので、干渉縞は平均化され、ホログラフィック材料２０６の内部に記録されない。一方、同一の周波数の光により形成される後者の干渉成分は、ホログラフィック材料２０６の内部に静止した静的な干渉パターン（ホログラム）を形成する。
【００３６】
ここで、非周波数シフト光を排除し、周波数シフト光を効率的に回収してホログラムを形成するために、バンドパスフィルタを用いてもよい。例えば、ファブリ‐ペロ干渉計、又は低温冷却のスペクトルホールバーニング結晶などが挙げられる。また、ホログラフィック材料２０６の代わりにＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサなどのアレイセンサを使用して、干渉パターンによる情報を取得してもよい。
【００３７】
以上より、局所的な超音波集束領域２０８から発生する周波数シフト光によって、静的なホログラムがホログラフィック材料２０６に形成される。つまり、参照光と周波数シフト光との干渉に対応する情報をホログラフィック材料２０６に記録することができる。
【００３８】
位相共役光は時間可逆的に、記録プロセスにおける軌跡をたどって再伝播することができるので、このようにして記録された波面の位相共役は、超音波集束領域２０８に戻るように伝播することができる。つまり、周波数シフト光の位相共役である入射光（再生光）は散乱媒質２０９中の局所領域２０８に集光される。
【００３９】
図２Ｂは、局所領域２０８に照射を行うための再生ステップである第２のステップの構成を示す概略図である。
【００４０】
図２Ｂに示されるように、光源２００により放射された光は、最終的には、参照光２１２の方向に対して実質的に逆の方向からポンプ光２１３としてホログラフィック材料２０６を照射する。あるいは、第３の実施形態で説明されるように、光源２００の代わりにポンプ光を供給する別の光源を用いることもできる。第１の照射ユニットは、ホログラフィック材料に情報が記録された後、散乱媒質２０９を通過することなくホログラフィック材料に照射するように構成される。ポンプ光２１３は連続波又はパルス波であってもよい。
【００４１】
このポンプ光は、ホログラフィック材料２０６の内部で記録波面の位相共役波２１０’を発生させる。位相共役波２１０'は、散乱媒質２０９に向かって伝播し、媒質２０９に入射する。この位相共役波２１０’は、記録ステップにおいて散乱媒質２０９内部でたどった軌跡に沿って再伝播し、超音波集束領域２０８まで戻ることができる。結果として、この局所領域２０８は位相共役光２１０'により集光される。つまり、ホログラフィック材料によって、媒質中の当該局所領域を照射する再構成波を発生し、その再構成波は、媒質２０９中の局所領域２０８の位置へ伝播する位相共役波から構成される。さらに、再構成波の強度を制御するコントローラがあって、再構成波の強度が超音波による変調光２１０を得るために使用される入射光２１１の強度とは異なるように、再構成波の強度を制御してもよい。コントローラは、例えば、再構成波が変調光２１０を得るために使用される入射光２１１の強度より小さく、或いは大きくなるように、光の強度を調整する。さらに、媒質からの信号を検出するために、光検出器、或いは超音波検出器、若しくはその両方を用いることができる。この検出器を用いて、再構成波による媒質２０９の照射に応じて媒質２０９から発生される信号を利用して、断層影画像（トモグラフィーイメージ）を形成することも可能である。このようにこの検出器は、このようなトモグラフィーイメージを生成する、画像生成ユニットであってもよい。
【００４２】
超音波集束領域２０８の特性（例えば、領域のサイズ、形状、位置）は、超音波装置２０７及びその制御ユニット（図示せず）により制御可能である。この特徴は、実用面において極めて重要となる。つまり、ある特定の局所領域へ再伝播することが可能な位相共役波を発生させ、散乱媒質内部のその局所領域は制御することができる。多重散乱光を扱うイメージングにおいて、本実施形態を照射装置又は照射方法のいずれかとして適用することにより、出力画像の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させることができる。更に、本実施形態は、散乱媒質中で光を集光させることにより、同イメージング手法の測定深度を向上させることも可能である。この照射方法は、様々な種類のイメージング手法及び散乱媒質中で光を集中させることが要求される他のいろいろな装置に適用可能である。また、ポンプ光２１３のエネルギーは、ホログラムを形成するために使用される記録時の光のエネルギーより低くなるように任意に調整されてもよい。
【００４３】
ここで、散乱媒質は、例えば、生体組織又は他の何らかの混濁媒質又は無秩序なランダム物質であってもよい。
【００４４】
ホログラフィック材料２０６は、従来の乳濁液、あるいはニオブ酸リチウム、ヒ化ガリウム、ＢＳＯ（酸化ビスマスケイ素）などのフォトリフラクティブ結晶、又は、例えば米国特許第６，６５３，４２１号公報に記載されるフォトリフラクティブポリマーであってもよい。更に、後に示されるデジタルホログラフィ技術も適用可能である。
【００４５】
周波数シフト光の強度は、位相共役波を発生するためのホログラムを生成するのに十分大きく、この強度は、媒質の位置及び散乱媒質２０９中における超音波集束領域２０８のサイズによって決まる。また、散乱媒質２０９の比較的深い位置に光を集光させる一つの手段として、最初は、比較的浅い領域に超音波集束領域を設定して、ホログラムを形成するための周波数シフト光が相対的に容易に検出されるように、超音波集束領域２０８を設定してもよい。
【００４６】
次のステップとして、超音波集束領域２０８を少しだけ媒質中の深い位置に設定し、そこでまだ検出可能な周波数シフト光を検出する。しかし、入射される再生光は光を集光するのに十分なほどには最適化されていないが、通常の照射よりもよい集光効果が期待できる。ここで新たにホログラムが形成された後、入射する位相共役波を散乱媒質中のこの新たなポイントに集光することができる。このステップを繰り返すことにより、散乱媒質中の比較的深い位置に焦点を設定することができる。
【００４７】
或いは、ホログラムを形成するのに十分大きなサイズの超音波集束領域から始めて、その超音波集束領域を所定の大きさまで徐々に縮小するようにステップを繰り返すことで、散乱媒質中の深い位置に焦点を設定してもよい。
【００４８】
更に、例えば、本実施形態を使用して、異常組織領域をイメージングする（モニタする）、又は治療するような医療分野へ適用する場合、Ｘ線、ＭＲＩ、超音波、或いは他の何らかの診断結果など、他のモダリティにより提供される事前情報を利用することにより、超音波集束位置をその異常領域に設定することも可能である。
【００４９】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、記録ステップ（図３Ａ）及び再生ステップ（図３Ｂ）の例示的な構成をそれぞれ示す概略図である。
【００５０】
第１の実施形態は音響光学イメージング技術を含む。図３Ａに示されるように、レーザー３００から放射された光は、ビームスプリッタ３０１により入射光３１４及び参照光３１５に分割される。入射光３１４はＡＯＭ３０２に入射し且つ参照光３１５はＡＯＭ３０５に入射する。この２つのＡＯＭの周波数は、通常、それぞれ５０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚであり、両者の周波数がわずかに異なり、その差が超音波システム３１１に印加される約１〜数十ＭＨｚの範囲の周波数に等しい。このＡＯＭの役割は、先に説明した役割と同一である。
【００５１】
レンズシステム３０３は入射光３１４の大きさを制御し、可動ミラー３０４は散乱媒質３１２の表面上における入射点を制御する。入射光３１４が散乱媒質３１２に入射すると、光は媒質３１２の内部で多重散乱される。
【００５２】
音響的に媒質３１２に整合された超音波システム３１１は、散乱媒質３１２中のある特定位置に、通常数ｍｍの大きさのフォーカス領域３１３を形成するように操作される。超音波システム３１１は、例えば、リニアアレイ探触子を含む。従って、アレイ探触子を用いた電子フォーカスによって、散乱媒質３１２の内部の任意の位置に超音波集束領域３１３を生成する。あるいは、円形凹形面超音波トランスデューサや音響レンズを用いたトランスデューサを機械的に走査して、超音波集束領域３１３を所望の位置に配置してもよい。トランスデューサとしては、圧電現象を利用するトランスデューサ、光の共振を利用するトランスデューサ、容量の変化を利用するトランスデューサなどが利用可能である。
【００５３】
入射光３１４の少なくとも一部は超音波集束領域３１３に到達し、そこで超音波と相互作用する。相互作用を受けた光の一部は元の方向に反射されて、周波数シフト光３１６として散乱媒質３１２から射出する。射出された散乱光は、レンズシステム３１０によって、フォトリフラクティブ結晶などの動的ホログラムデバイス３０７に集められる。
【００５４】
例えば、フォトリフラクティブ結晶は、十分な回折効率を得るために数ｍｍ〜数ｃｍの範囲の大きさで、数百μｍ以上の厚さを有するニオブ酸リチウムを用いてもよい。
【００５５】
周波数シフト光３１６と同一の周波数を有する参照光３１５は、ミラー３０６を介してフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し、参照光と周波数シフト光３１６とが干渉する。その結果、周波数シフト光の波面は、フォトリフラクティブ結晶３０７に静的な屈折率格子として記録される。
【００５６】
ホログラムの形成後に引き続きフォトリフラクティブ結晶３０７を参照光３１５が照射することにより、参照光は順方向ポンプ光として作用する。順方向ポンプ光３１５は、フォトリフラクティブ結晶３０７の中で成形された屈折率格子により回折される。この回折光及びフォトリフラクティブ結晶３０７を透過した周波数シフト光３１６は互いに干渉し、例えば、米国特許出願第２００８／００３７３６７号公報に開示されるように、集光レンズシステム３０８を介して、この干渉を光検出器３０９で検出できる。光検出器３０９に関しては、光電子増倍管（ＰＭＴ）又はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの単一のセンサを用いることができる。あるいは、ＣＣＤ又はＣＭＯＳなどのマルチセンサを用いてもよい。光検出器３０９は、ホログラフィック材料をモニタするために使用することも可能である。
【００５７】
ホログラムが形成されると、光検出器３０９からの出力が増加し、ホログラムの形成後、その出力信号は増加しない。従って、この出力信号をモニタすることにより、フォトリフラクティブ結晶３０７内のホログラムの形成を確認できる。
【００５８】
その一方で、図３Ｂに示されるように、可動ミラー３０４が角度を変えることで、入射光３１７が順方向ポンプ光３１５の方向とは実質的に逆の方向からフォトリフラクティブ結晶３０７に入射する。この入射光３１７は逆方向ポンプ光として作用し、フォトリフラクティブ結晶３０７中に刻まれた波面の位相共役（位相共役波）が発生する。この位相共役光３１８はレンズシステム３１０を介して伝播し、散乱媒質３１２に入射する。
【００５９】
位相共役光３１８は、散乱媒質３１２中を超音波集束領域３１３までその軌跡を再伝播することができるので、より多くの光がこの超音波集束領域３１３に入射して、超音波との相互作用を引き起こすことができる。従って、図３Ｂに示すように、この局所領域３１３からより多くの周波数シフト光３１６が再放射され、フォトリフラクティブ結晶３０７を介してレンズシステム３０８、３１０及び光検出器３０９によって検出される。その結果、音響光学イメージングの信号である周波数シフト光の強度を向上させることができる。
【００６０】
ここで、上記の測定処理を通して、超音波システム３１１は超音波を送信し続けて集束領域３１３を形成し、参照光３１５が順方向ポンプ光としてフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し続けてもよい。同時に、位相共役光３１８を発生させるために、逆方向ポンプ光３１７は、ポンプ光３１５とは逆の方向からフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し続けてもよい。
【００６１】
この種の動的ホログラフィを用いた手法において、フォトリフラクティブ結晶３０７に刻まれたホログラムは、周波数シフト波面の変化に応じて自己適応的に対応して変化する。この適応変化するホログラムによって、媒質３１２内部でわずかに散乱が変化しても、逆方向ポンプ光３１７により発生する位相共役光３１８は光を集光することができる。特に生体組織の場合、主に生体活動によって、散乱体の位置などの散乱条件は、時間の経過に伴い変化する。したがって、再生ステップにおける周波数シフト光の波面と記録ステップにおける波面とが異なるような場合、この動的ホログラムによる自己適応性は、位相共役を発生するに際して効果的である。
【００６２】
図３Ａの入射光３１４又は位相共役光３１８の強度はモニタされ、且つ光が散乱媒質に入射する手前でその強度を調整することができる（図３Ａ及び図３Ｂには図示せず）。例えば散乱媒質が生体組織である場合、安全性を考慮してレーザー３００の出力を最大許容露光量以下に保ちつつ、ホログラムを形成するため、光検出器３０９で確認しながら十分な周波数シフト光が得られるように、レーザー３００の出力を確保して制御することができる。
【００６３】
更に、このシステムは記録プロセスと再生プロセスとで光の強度を変化させてもよい。例えば、ホログラムを形成するのに十分な周波数シフト光３１６を取得するために、最初は比較的強い強度の光を放射してホログラムを形成する。次の再生ステップでは、集光効果によって十分なＳＮＲ（信号対雑音比）を保持しつつ電力消費を抑えるために、比較的強度を抑えた逆方向ポンプ光３１７を用いて位相共役光３１８を発生させてもよい。
【００６４】
更に、散乱媒質３１２の内部の超音波集束領域３１３は走査されてもよく、各位置の領域に対して上記の処理が順次実行されることにより、例えば、米国特許第６，９５７，０９６号公報に記載されるような媒質３１２内部の吸収及び散乱などの光学特性の分布を得ることもできる。画像生成ユニット（図示せず）は、対応する集束領域３１３の位置に応じて、それらの光学特性をマッピングすることにより、光学特性の３次元空間分布を生成することも可能である。また、再構成波の照射に応答して媒質から出力される信号を検出するために、光検出器が使用されてもよい。
【００６５】
更に、上述の処理は、レーザー光源３００の複数の所望の波長を使用し、必要に応じてフォトリフラクティブ結晶３０７を変えて実行されてもよく、医療応用において、散乱媒質３１２が生体組織である場合、上述の処理は、散乱媒質３１２の構成要素、例えば、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、水、脂肪、コラーゲンなどの成分比率や、媒質３１２の酸素飽和度などの機能情報を取得することも可能である。ここで、先行技術文献である２００４年５月１８日発行のＳｆｅｚ他の米国特許第６，７３８，６５３号公報及び２００８年２月１４日発行のＧｒｏｓｓ他の米国特許出願公開第２００８／００３７３６７号は、本明細書に余すところなく完全に述べられているものとして全体の内容が本願の開示の一部として取り込まれる。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。本実施形態の撮像システムの構成は、散乱媒質３１２の周囲に光検出器が追加されること（図示せず）を除いて、図３Ａ及び図３Ｂに示される第１の実施形態における撮像システムの構成と同一である。第２の実施形態の撮像システムは、拡散光トモグラフィ（ＤＯＴ）と呼ばれる技術を含む。
【００６７】
フォトリフラクティブ結晶３０７にホログラムが形成されるまでは、第１の実施形態のフローと同一である。フォトリフラクティブ結晶３０７にホログラムが形成されると、逆方向ポンプ光３１７はフォトリフラクティブ結晶３０７を照射し、位相共役光（位相共役波を含む）３１８を発生させる。この時、ＤＯＴ測定を実行するために超音波システム３１１は停止されてもよい。
【００６８】
この位相共役光３１８が散乱媒質３１２に入射すると、位相共役光３１８は超音波集束領域３１３まで戻り、更に、元の入射点まで戻る。散乱媒質３１２の周囲に適切に配置された光検出器は、媒質から射出される散乱光を検出する。ＤＯＴにおいて使用される技術を利用しつつ、超音波集束領域３１３の位置を制御することにより、散乱媒質３１２中の光の伝播経路を制限又は減少させることが可能である。従って、この撮像システムは、ＤＯＴにおける課題の１つである不良設定問題を緩和するのに有効となる。本実施形態で説明しているように、散乱媒質のある１点に光が集光される場合、集光照射に応答して媒質から出力される信号を比較的容易に解析することができる。
【００６９】
入射光点を変化させながら上記の測定プロセスを繰り返すことにより、本システムは、ＤＯＴと同様に、吸収などの光学特性の内部分布を画像再構成するために必要なデータを取得することができる。画像形成システム（図示せず）は、測定データに基づいて画像再構成を行い、媒質３１２内部の吸収特性及び散乱特性の分布に関する３次元画像を生成する。
【００７０】
第１の実施形態の場合と同様に、測定を複数の波長で実行してスペクトル情報を取得し、生体組織の機能情報を抽出することも可能である。
【００７１】
ここで、照射ステップでパルスレーザーを使用し且つ時間相関光子計数システム（図示せず）を使用することにより時間領域測定（time-domain法）を実行すること、又はレーザー３００の出力の強さを変調し且つ例えばロックイン検出システム（図示せず）を使用することにより周波数領域測定（frequency-domain法）を実行することが可能である。先行技術文献である１９９５年８月１５日発行のＴｓｕｃｈｉｙａの米国特許第５，４４１，０５４号公報、１９９５年１２月１９日発行のＴｓｕｃｈｉｙａの米国特許第５，４７７，０５１号公報、１９９６年５月２１日発行のＴｓｕｃｈｉｙａの米国特許第５，５１７，９８７号公報及び１９９５年６月１３日発行のＴｒｏｍｂｅｒｇ他の米国特許第５，４２４，８４３号公報は、本明細書に余すところなく完全に述べられているものとして全体の内容が本願の開示の一部として取り込まれる。
【００７２】
本発明の第３の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。図４は、本実施形態に係る照射装置を有する撮像システムの例示的な構成を示す概略図である。本実施形態のシステムは、組み合わされた２つのシステム、すなわち音響光学イメージングシステム及び光音響イメージングシステムを含む。
【００７３】
レーザー源４００（第１の照射ユニットの一部としての第１の電磁波源）から光が放射され、ビームスプリッタ４０１により入射光４１５及び参照光４１６に分割される。ＡＯＭ４０２及びＡＯＭ４０５は、先に既に説明したように周波数を調整するという同じ役割を果たす。入射光４１５は光学系４０６を介して散乱媒質４０９に入射する。
【００７４】
超音波装置を含む超音波システム４０７は、散乱媒質４０９と音響的に整合されていて、散乱媒質４０９内部の超音波集束領域４０８について、サイズ及び位置について制御する。局所ボリューム４０８から発生する周波数シフト光４１７の少なくとも一部は、散乱媒質４０９から射出し且つフォトリフラクティブ素子４１０に入射し、ミラー４０３及び４０４（第２の照射ユニットの一部）から反射された参照光４１６と干渉することによりホログラムを形成する。
【００７５】
フォトリフラクティブ素子４１０の中でホログラムが形成されている間、第１の実施形態に関して先に説明したのと同様にホログラムの形成を確認するために、周波数シフト光である音響光学信号４１８は、集光レンズ系４１１を介して光検出器４１２によりモニタされてもよい。この時点で、この周波数シフト光信号はメモリ（図示せず）に格納され、後に画像を再構成するために使用される。
【００７６】
ホログラムの作成が完了した後、光音響イメージングのためのパルスレーザー源４１４（第２の電磁波源）を備える第３の照射ユニットは、数ナノ秒のパルス光を放射する。パルス光は、参照光４１６とは実質的に逆の方向からフォトリフラクティブ素子４１０を照明し、それにより、フォトリフラクティブ素子４１０に刻まれた周波数シフト波面の位相共役が発生される。位相共役光（位相共役波を含む）４１９は、散乱媒質４０９に戻るように伝播する。
【００７７】
光音響信号を検出するために、超音波システム４０７は、送信モードで使用された焦点設定を変更することなく送信モードから受信モードへ動作モードを変更することができる。
【００７８】
入射位相共役光４１９は、散乱媒質４０９中の局所領域４０８まで軌跡を再伝播することができるので、この入射光４１９は、光音響イメージングにおける測定領域である局所領域４０８に集光できる。
【００７９】
局所領域４０８で吸収された光のエネルギーにより、局所的な温度上昇を引き起こされ、その結果、この局所領域の体積が膨張し、音響波（光音響信号）が発生される。式（１）によれば、光音響信号Ｐは、その位置における局所的な吸収係数μａ及び光フルエンス率Φに比例する。
【００８０】
Ｐ＝ΓμａΦ （１）
式中、Γはグリュナイゼン係数（熱-音響変換効率）である。
【００８１】
従って、光フルエンス率が大きくなれば、より大きな光音響信号が発生される。入射位相共役光４１９は局所領域４０８に集光できるので、この局所領域４０８からより大きな光音響信号が発生される。局所領域４０８を受信モードでフォーカスするように設定されている超音波システム４０７は、その領域４０８から発生された光音響信号を検出する。或いは、その代わりに又はそれに加えて、再構成波４１９による照射に応じて散乱媒質４０９から出力される信号を検出するために、別の超音波検出器が設けられてもよい。
【００８２】
図５は、このシステムの例示的な動作フローを示す。まず、Ｓ５００において、集束領域のサイズ又は位置などの超音波システム４０７のフォーカスに関するパラメータ条件が設定され、次に、超音波システム４０７は、パルス超音波を送信し、集束領域４０８を形成する。Ｓ５０１において、レーザー４００は光を放射する。
【００８３】
Ｓ５０２において、音響光学イメージングにより、音響光学信号（周波数シフト光）が光検出器４１２でモニタされ、Ｓ５０３において、光検出器４１２は、ホログラムの作成が完了したか否かを確認する。Ｓ５０２及びＳ５０３の処理は、ホログラムの作成が確認されるまで繰り返されてもよい。更に、ホログラムの完成後にＳ５０４へ進む前に、音響光学信号が格納されてもよい。
【００８４】
ホログラムが形成された後、Ｓ５０４において、レーザー４００の動作は停止され且つ超音波システム４０７の動作モードは送信モードから受信モードに変更される。その後、Ｓ５０５において位相共役光４１９を発生するために、レーザー４１４は、フォトリフラクティブ素子４１０に向かって参照光４１６と実質的に逆の方向にパルス光を放射する。Ｓ５０６において、光音響信号は超音波システム４０７により検出される。
【００８５】
これは例示的な基本動作フローであり、光音響イメージングの測定位置を変更する必要がある場合、超音波システムは、フォーカス位置を変更し、Ｓ５００に戻って、フロー全体（Ｓ５００〜Ｓ５０６）を繰り返してもよい。
【００８６】
測定に続いて画像生成処理を実行することも可能である。画像生成ユニット（図示せず）は、上記のデータを使用することにより３次元画像を再構成してもよい。画像生成ユニットは、光音響測定により得られた吸収信号を超音波集束領域４０８の位置に従ってマッピングする。この時、Ｓ５０３で格納された音響光学信号が読み出され、散乱分布画像を同様に生成する。光音響信号は吸収特性に感度がよく、音響光学信号は散乱特性に感度がよいので、２つの測定結果を組み合わせることにより吸収分布画像及び散乱分布画像を生成できる。
【００８７】
更に、Ｓ５００の前にもう１つステップを追加することが可能である。すなわち、超音波システム４０７からパルス超音波が送信され、反射波として作用する超音波エコーが超音波システム４０７により受信されてもよい。この超音波エコー測定は、パルス超音波が送信される方向を散乱媒質４０９に対して変えながら実行されてもよく、それにより、散乱媒質４０９の内部に関する構造データが取得される。超音波エコー測定により取得された構造データを利用することにより、例えば、超音波集束領域４０８を、エコー画像の中で特徴的な差が見られる位置に設定することができる。
【００８８】
あるいは、Ｓ５０３で取得され且つ格納された音響光学信号を解析することにより、光音響イメージングの測定点を選択することも可能である。まず最初に、光音響システムにより測定されるべき領域を特定するために、音響光学イメージングシステムが使用されてもよい。音響光学信号で顕著な変化が見られた場合、光音響イメージング用のレーザー４１４はパルス光を放射する。あるいは、超音波集束領域４０８を決定する際に、特徴的な領域を探し出すために音響光学イメージングシステムの代わりに、光音響イメージングシステムを使用することも可能である。
【００８９】
本実施形態の撮像システムは、図３Ａ及び図３Ｂに示される構成によって実現されてもよい。その場合、光源ユニット３００は、少なくとも２つの異なるレーザーから光を放射する。一方のレーザーは音響光学システムのレーザーであって、他方は光音響システムのパルスレーザーであってもよい。それらのレーザーは、記録ステップと再生ステップとの間で互いに切り替えられてもよい。
【００９０】
このように光音響イメージングの測定領域に光を集光することにより、光音響イメージングの測定深度及びＳＮＲを向上することが可能である。先行技術文献である１９８３年５月３１日発行のＢｏｗｅｎの米国特許第４，３８５，６３４号公報、１９９８年１１月２４日発行のＯｒａｅｖｓｋｙ他の米国特許第５，８４０，０２３号公報及び１９９８年２月３日発行のＫｒｕｇｅｒの米国特許第５，７１３，３５６号公報は、本明細書に余すところなく完全に述べられているものとして全体の内容が本願の開示の一部として取り込まれる。診断のためにより鮮明な画像又はより有用な画像を得るために、音響光学イメージングシステム及び光音響イメージングシステムの２つのシステムの組み合わせを含むイメージングシステムが実現されてもよい。
【００９１】
本発明の第４の実施形態に係る照射装置及び照射方法を説明する。図６は、ランダム散乱物質中の特定の位置へ光を送るための光照射装置の例示的な構成を示す概略図である。
【００９２】
レーザー源６００を備える照射装置から放射された光は、ビームスプリッタ６０１により入射光６１６及び参照光６１７に分割される。レンズシステム６０６は、物質６０７を照射するために入射光６１６を拡大する。参照光６１７の周波数を調整可能にするように、参照光６１７の光路にＡＯＭ６０３及び６０４と、ミラー６０２及び６１３とが配置される。
【００９３】
超音波システム６０９を備える変調器は、物質６０９に音響的に整合され且つ超音波を照射する。物質６０７の中に、超音波システム６０９により超音波集束領域６０８が形成される。
【００９４】
先に既に説明したように、集束領域６０８から発生した周波数シフト光６１９の一部は、物質６０７の表面から射出し、ＣＣＤセンサ６１２を備える検出器までレンズシステム６１０及びビームスプリッタ６１１を介して誘導される。この場合、ＣＭＯＳセンサ又はイメージインテンシファイアを有するエリアセンサ、あるいはＥＭＣＣＤ（電子増倍ＣＣＤ）も適用可能である。参照光６１７は、ミラー６０５により反射されてＣＣＤ６１２に到達し、最終的には、ＣＣＤ６１２における参照光６１７と周波数シフト光６１９との間の干渉に基づくホログラムを形成する。
【００９５】
このシステムには処理ユニット（図示せず）が設けられる。この処理ユニットは、デジタルホログラフィ技術を利用して、位相共役（位相共役波）と同等の再構成光を発生するために、ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）などの空間光変調器（ＳＬＭ）６１４を備えた発生器を制御する。
【００９６】
周波数シフト光の干渉像は、位相シフトデジタルホログラフィ技術により得られてもよい。ＣＣＤＥ６１２の面に、非周波数シフト光、周波数シフト光及び参照光が入射している。参照光の周波数（ｆＲ）は、例えば、下記の式に従って、ＡＯＭ６０３及び６０４を調整することにより調整される。
【００９７】
ｆＲ＝ｆＵ＋ｆＡ＋ｆＣ／Ｎ （２）
式中、ｆＵは非シフト光の周波数であり、ｆＡは超音波の周波数であり、ｆＣはＣＣＤ６１２のフレームレートであり且つＮは位相シフト方法の測定回数である。ＣＣＤ６１２はローパスフィルタとして作用するので、主に周波数シフト光６１９と参照光６１７との間の干渉像の成分が干渉縞を生成し、この成分は時間の経過に伴ってゆっくりと変化するため、ＣＣＤ６１２が干渉像（デジタルホログラム）を効率よく検出できる。
【００９８】
デジタルホログラムの画素ごとに検出される周波数シフト光の位相を、位相シフト法により計算することによって、位相分布が得られる。処理ユニットは、デジタルホログラムにより得られた位相分布に従ってＳＬＭ６１４の各画素の位相値を設定する。この時、ＣＣＤ６１２とＳＬＭ６１４との間の光路長差や、又は他のシステムエラーは校正され、位相値が補正されてもよい。あるいは、ＣＣＤ６１２及びＳＬＭ６１４は、物質６０７の射出面からそれらの素子までの光路長が同一になるように配置されてもよい。
【００９９】
ＳＬＭ６１４は、レーザー６１５により放射される光の位相を変調する。この位相変調により、位相共役と同等である再構成光６１８が発生され、再構成光６１８は、物質６０７中の超音波集束領域６０８まで軌跡を再伝播して戻ることができる。ＳＬＭ６１４により生成される再構成光６１８は、物質６０７に照射されるように構成される。物質内部の画像を生成するために装置が使用される場合、先に他の実施形態で説明したように、再構成光６１８による物質の照射の結果、物質から出力される信号を検出して、画像を形成してもよい。
【０１００】
ＣＣＤ６１２がＳＬＭ６１４より多くの数の画素を有する場合、ＣＣＤ６１２とＳＬＭ６１４の画素数が等しくなり且つそれらの画素が互いに対応するように、ＣＣＤ６１２はビニングを実行してもよい。
【０１０１】
更に、再構成光の特性を向上させるために、デジタルホログラフィで使用される他の何らかのデジタル技術が適用されてもよい。
【０１０２】
第４の実施形態において説明した照射装置は、生体組織の光線力学的療法などの治療又は処置にも適用可能である。第５の実施形態のシステムの構成は、図６に示される構成と同一であってもよい。
【０１０３】
デジタルホログラムが形成され且つＳＬＭ６１４がそのデジタルホログラムに従って位相変調を実行可能な状態になった後、レーザー６１５は、デジタルホログラムを形成するために使用されるレーザー６００から放射される光と比較して相対的に高い強度を有する光を放射してもよい。レーザー６１５の光出力は、治療に応じて制御されてもよい。
【０１０４】
更に、治療又は処置の目的に応じて多くの種類のレーザーが適用可能である（例えば、フェムト秒パルスからピコ秒、ナノ秒、マイクロ秒など）。
【０１０５】
ＳＬＭ６１４によって位相が制御される治療用の再構成光６１８は、超音波集束領域６０８に到達し、治療が必要とされる組織領域に光エネルギーを供給することができる。超音波集束領域６０８の位置は、他の診断結果を参照することにより設定されてもよい。
【０１０６】
本発明に係る実施形態を使用することにより、エネルギー密度の高い光を特定の場所に効率よく、損傷を抑えて供給することが可能である。
【０１０７】
以上説明した実施形態は、組織の異常などの生化学的情報を取得するために、化学プローブ（分子）を使用する蛍光イメージングにも適用可能であり、例えば蛍光プローブが配置される場所に超音波集束領域を設定することができる。照射のための再生ステップは先に説明したステップと同一であってもよい。また、化学プローブの場所が特定されていない場合、一度に１箇所ずつ照射して、単純に散乱媒質の内部で超音波集束領域を走査してもよい。蛍光プローブが配置されている位置に光を集光させることにより、例えば腫瘍などのターゲットの高コントラスト画像を得ることができる。
【０１０８】
既に説明したように、本発明に係る実施形態は、種々の光イメージング又は治療、あるいは散乱媒質内部の制御可能な特定の場所に光を集中させることを目的とする装置に適用可能である。
【０１０９】
本発明に係る実施形態を例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明が上述の実施形態に限定されないことを理解すべきである。添付の特許請求の範囲の範囲は、そのような変形並びに同等の構造及び機能をすべて含むように最も広い意味での解釈とみなされるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を放射する電磁波源を含み、媒質中で散乱される前記電磁波を前記媒質に照射する第１の照射ユニットと、
前記媒質中のある特定位置で前記電磁波の周波数を変調するために前記媒質へ超音波を送信する超音波装置と、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットとを備え、
前記第１の照射ユニットは、前記情報が前記ホログラフィック材料に記録された後、前記媒質中の前記位置で前記媒質に照射される再構成波を前記ホログラフィック材料が発生するように、前記ホログラフィック材料に照射を行うように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記再構成波は、前記媒質中の前記位置に向かって進む位相共役波であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ホログラフィック材料は、前記再構成波を生成するように、前記参照波の方向に対して実質的に逆の方向から照射がなされることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記再構成波の強度が前記変調された電磁波を得るために使用される前記電磁波の強度とは異なるように前記再構成波の強度を制御するコントローラを更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記電磁波源は可視光線又は近赤外線を発生することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記ホログラフィック材料をモニタする光検出器を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出する光検出器を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出する超音波検出器を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記第１の照射ユニットは、前記ホログラフィック材料にパルス波を照射することを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を使用して断層撮影画像を形成する画像形成ユニットを更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】
媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射するための第１の電磁波源を含む第１の照射ユニットと、
前記媒質中のある特定位置で前記電磁波の周波数を変調するために前記媒質に向かって超音波を送信する超音波装置と、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットと、
前記ホログラフィック材料が前記媒質中の前記位置で前記媒質に照射される再構成波を発生するように、前記ホログラフィック材料に照射を行うための第２の電磁波源を含む第３の照射ユニットと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記再構成波は、前記媒質中の前記位置へ進む位相共役波であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記ホログラフィック材料は、前記第３の照射ユニットにより前記参照波の方向に対して実質的に逆の方向から、照射がなされることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記再構成波の強度が前記変調された電磁波を得るために使用される前記電磁波の強度とは異なるように前記再構成波の強度を制御するコントローラを更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の照射ユニットは、可視光線又は近赤外線を発生する電磁波源であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記ホログラフィック材料をモニタする光検出器を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１７】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出する検出器を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１８】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を使用して断層撮影画像を形成する画像形成ユニットを更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１９】
媒質に照射を行う方法であって、
媒質中で散乱され且つ前記媒質中のある特定位置で周波数変調される電磁波を前記媒質に照射することと、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得することと、
前記取得された情報に基づいて、前記媒質を照射する位相共役波を発生することと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記再構成波の強度は、前記変調された電磁波を得るために使用される前記電磁波の強度とは異なることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記電磁波の周波数は超音波により変調されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記変調された電磁波の周波数は、前記参照波の周波数と等しいことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記電磁波の波長は３８０ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
前記情報は、ホログラフィック材料を使用することにより取得されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
前記情報は、デジタルホログラフィ技術を使用することにより取得されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
前記位相共役波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出することと、前記検出された信号を使用して断層撮影画像を形成することとを更に備えることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２７】
前記情報が記録されている間に前記ホログラフィック材料をモニタすることを更に備えることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２８】
前記媒質中の前記位置を深くしていくことを更に備えることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２９】
電磁波を放射する電磁波源を含み、媒質中で散乱される前記電磁波を前記媒質に照射する照射装置と、
前記媒質中のある特定位置で前記電磁波の周波数を変調する変調器と、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得する検出器と、
前記取得された情報に基づいて、前記媒質に照射される位相共役波を発生する発生器と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記変調器は超音波装置を備えることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
前記検出器はＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサを備えることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３２】
前記発生器は、前記位相共役波を形成する空間光変調器を備えることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３３】
前記装置は、音響光学イメージングシステムを光音響イメージングシステムと組み合わせるように構成されることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項１】
電磁波を放射する電磁波源を含み、媒質中で散乱される前記電磁波を前記媒質に照射する第１の照射ユニットと、
前記媒質中のある特定位置で前記電磁波の周波数を変調するために前記媒質へ超音波を送信する超音波装置と、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットとを備え、
前記第１の照射ユニットは、前記情報が前記ホログラフィック材料に記録された後、前記媒質中の前記位置で前記媒質に照射される再構成波を前記ホログラフィック材料が発生するように、前記ホログラフィック材料に照射を行うように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記再構成波は、前記媒質中の前記位置に向かって進む位相共役波であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ホログラフィック材料は、前記再構成波を生成するように、前記参照波の方向に対して実質的に逆の方向から照射がなされることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記再構成波の強度が前記変調された電磁波を得るために使用される前記電磁波の強度とは異なるように前記再構成波の強度を制御するコントローラを更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記電磁波源は可視光線又は近赤外線を発生することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記ホログラフィック材料をモニタする光検出器を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出する光検出器を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出する超音波検出器を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記第１の照射ユニットは、前記ホログラフィック材料にパルス波を照射することを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を使用して断層撮影画像を形成する画像形成ユニットを更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】
媒質中で散乱される電磁波を媒質に照射するための第１の電磁波源を含む第１の照射ユニットと、
前記媒質中のある特定位置で前記電磁波の周波数を変調するために前記媒質に向かって超音波を送信する超音波装置と、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を記録するために参照波をホログラフィック材料に照射する第２の照射ユニットと、
前記ホログラフィック材料が前記媒質中の前記位置で前記媒質に照射される再構成波を発生するように、前記ホログラフィック材料に照射を行うための第２の電磁波源を含む第３の照射ユニットと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記再構成波は、前記媒質中の前記位置へ進む位相共役波であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記ホログラフィック材料は、前記第３の照射ユニットにより前記参照波の方向に対して実質的に逆の方向から、照射がなされることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記再構成波の強度が前記変調された電磁波を得るために使用される前記電磁波の強度とは異なるように前記再構成波の強度を制御するコントローラを更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の照射ユニットは、可視光線又は近赤外線を発生する電磁波源であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記ホログラフィック材料をモニタする光検出器を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１７】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出する検出器を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１８】
前記再構成波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を使用して断層撮影画像を形成する画像形成ユニットを更に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１９】
媒質に照射を行う方法であって、
媒質中で散乱され且つ前記媒質中のある特定位置で周波数変調される電磁波を前記媒質に照射することと、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得することと、
前記取得された情報に基づいて、前記媒質を照射する位相共役波を発生することと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記再構成波の強度は、前記変調された電磁波を得るために使用される前記電磁波の強度とは異なることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記電磁波の周波数は超音波により変調されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記変調された電磁波の周波数は、前記参照波の周波数と等しいことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記電磁波の波長は３８０ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
前記情報は、ホログラフィック材料を使用することにより取得されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
前記情報は、デジタルホログラフィ技術を使用することにより取得されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
前記位相共役波による前記媒質の照射に応答して前記媒質から出力される信号を検出することと、前記検出された信号を使用して断層撮影画像を形成することとを更に備えることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２７】
前記情報が記録されている間に前記ホログラフィック材料をモニタすることを更に備えることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２８】
前記媒質中の前記位置を深くしていくことを更に備えることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２９】
電磁波を放射する電磁波源を含み、媒質中で散乱される前記電磁波を前記媒質に照射する照射装置と、
前記媒質中のある特定位置で前記電磁波の周波数を変調する変調器と、
前記変調された電磁波と参照波との間の干渉により生成される干渉パターンに対応する情報を取得する検出器と、
前記取得された情報に基づいて、前記媒質に照射される位相共役波を発生する発生器と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記変調器は超音波装置を備えることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
前記検出器はＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサを備えることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３２】
前記発生器は、前記位相共役波を形成する空間光変調器を備えることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３３】
前記装置は、音響光学イメージングシステムを光音響イメージングシステムと組み合わせるように構成されることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図６】
【図５】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図６】
【図５】
【公表番号】特表２０１３−５０５１１０（Ｐ２０１３−５０５１１０Ａ）
【公表日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３０９４９（Ｐ２０１２−５３０９４９）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４９４０４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０３７８４４
【国際公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４９４０４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０３７８４４
【国際公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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