JP5773578B2 - 被検体情報取得装置、被検体情報取得装置の制御方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、被検体情報取得装置、被検体情報取得装置の制御方法およびプログラムに関するものである。

レーザーなどの光源から被検体に照射した光を被検体内に伝播させ、被検体内の情報を得るイメージング装置の研究が医療分野を中心に積極的に進められている。このようなイメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）が提案されている
ＰＡＴとは、光源から発生したパルス光を生体（被検体）に照射し、被検体内を伝播・拡散した光が生体組織で吸収されて発生する音響波を受信し、受信した音響波を解析処理することで、被検体である生体内部の光学特性に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光学特性値分布等の生体情報、特に、光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

ＰＡＴでは、被検体内における光吸収体から発生する音響波の初期音圧Ｐ_０は次式で表すことができる。
Ｐ_０＝Γ・μ_ａ・Φ・・・式１
ここで、Γはグルナイゼン係数であり、体積膨張係数βと音速ｃの二乗の積を定圧比熱Ｃ_Ｐで割ったものである。Γは被検体が決まれば、ほぼ一定の値をとることが知られており、μ_ａは吸収体の光吸収係数、Φは局所的な領域での光量（吸収体に照射された光量で、光フルエンスとも言う）である。

被検体中を伝搬してきた音響波の大きさである音圧Ｐの時間変化を測定し、その測定結果から初期音圧分布を算出する。算出された初期音圧分布をグルナイゼン係数Γで除することにより、μ_ａとΦの積の分布、つまり光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

式１で示されるように、初期音圧Ｐ_０の分布から光吸収係数μ_ａの分布を得るためには、被検体内の光量Φの分布を求めることが必要である。被検体の厚さに対して十分大きな領域に、一様な照射光量が照射された時、被検体内を光が平面波のように伝播すると仮定すると被検体内の光量の分布Φは次式であらわすことができる。
Φ＝Φ_０・ｅｘｐ（−μ_ｅｆｆ・ｄ）・・・式２
ここで、μ_ｅｆｆは被検体の平均的な等価減衰係数、Φ_０は光源から被検体内に入射する光量（被検体の表面における光量）である。また、ｄは光源からの光が照射された被検体表面の領域（光照射領域）から被検体内における光吸収体までの距離である。特許文献１によれば、生体に均一な光を複数の条件で照射し、被検体の平均的な等価減衰係数μ_ｅｆｆを算出し、式２から被検体内の光量分布Φを算出し、その光量分布Φを用いて式１から被検体内の光吸収係数分布μ_ａを得ることができる。

特開２００９−１８１５３号公報

しかし、被検体に均一な光が照射されない場合には、特許文献１で示した被検体の平均的な等価減衰係数μ_ｅｆｆを算出する方法を用いても、精度よく光量分布及び光吸収係数分布を求めることができないことがあった。

本発明は、上記課題に鑑み、被検体内の光特性値分布、特に光吸収係数分布を精度よく求めることを目的とする。

本発明は、被検体に光が照射されることにより発生する音響波を受信して電気信号に変換する音響波変換部と、電気信号から被検体内の光吸収係数分布に関連する情報を取得する信号処理部と、を有する被検体情報取得装置であって、音響波変換部は、第１の光が被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して第１の電気信号に変換し、第１の光と照射条件および照射時刻の異なる第２の光が、被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して第２の電気信号に変換し、信号処理部は、第１の電気信号に基づき被検体内の第１の位置における第１の初期音圧Ｐ _１ａ を取得し、第２の電気信号に基づき第１の位置における第２の初期音圧Ｐ _２ａ を取得し、被検体の光吸収係数および光散乱係数の仮の値を設定し、仮の値と、第１の光の被検体の表面における第１の照度分布と、に基づいて第１の位置における第１の光の第１の仮の光量Φ _１ａ を取得し、仮の値と、第２の光の被検体の表面における第２の照度分布と、に基づいて第１の位置における第２の光の第２の仮の光量Φ _２ａ を取得し、式１に示す関係を満たすときの被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得する。

また、本発明は、被検体に光を照射することにより発生する音響波を受信して電気信号に変換し、電気信号から被検体内の光吸収係数分布に関連する情報を取得する被検体情報取得装置の制御方法であって、第１の光を被検体に照射する工程と、第１の光が被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して第１の電気信号を取得する工程と、第１の光と照射条件および照射時刻の異なる第２の光を、被検体に照射する工程と、第２の光が被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して、第２の電気信号を取得する工程と、第１の電気信号に基づき被検体内の第１の位置における第１の初期音圧Ｐ _１ａ を取得する工程と、第２の電気信号に基づき第１の位置における第２の初期音圧Ｐ _２ａ を取得する工程と、被検体の光吸収係数および光散乱係数の仮の値を設定する工程と、仮の値と、第１の光の被検体の表面における第１の照度分布と、に基づいて第１の位置における第１の光の第１の仮の光量Φ _１ａ を取得する工程と、
仮の値と、第２の光の被検体の表面における第２の照度分布と、に基づいて第１の位置における第２の光の第２の仮の光量Φ _２ａ を取得する工程と、
式１に示す関係を満たすときの被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得する工程と、を有する。

本発明によれば、被検体内の光特性値分布、特に光吸収係数分布を精度よく求めることが可能となる。

本発明の実施形態１に係る光音響イメージング装置の一例を示す模式図 本発明の実施形態１に係る光音響イメージング方法を説明する図 本発明の実施形態１に係る光音響イメージング装置の他の例を示す模式図 本発明の実施形態１に係る光音響イメージング装置の他の例を示す模式図 本発明の実施形態１に係る光音響イメージング装置の処理部の一例を示すブロック図

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。なお、本発明において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、被検体に近赤外線等の光（電磁波）を照射して被検体内部で発生する弾性波のことを示す。また、本発明の光音響イメージング装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを主な目的とし、被検体の内部の生体情報を取得して画像データを生成する装置である。よって、被検体としては生体、具体的には人体や動物の乳房や指、手足などの診断の対象部位が想定される。被検体内部の光吸収体としては、被検体内で相対的に光吸収係数が高いものであり、例えば、人体が測定対象であれば酸化あるいは還元ヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管、あるいは新生血管を多く含む悪性腫瘍が該当する。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る光音響イメージング装置の構成を示したもので、本実施形態の光音響イメージング装置は、音響波変換部１５（２５）と、処理部１６（２６）とを有している。図１（ａ）、（ｂ）は、光を被検体に照射する方向が互いに異ならせるように光源の位置を互いに変えている。具体的には、図１（ａ）では、被検体１１の紙面上右側から被検体１１に光１３が照射され、図１（ｂ）では、被検体１１の紙面上左側から被検体１１に光２３が照射されている。また、図１（ｂ）で、被検体の紙面上上側もしくは下側から光を照射する構成であってもよい。

図１（ａ）を用いて本実施形態に係る光音響イメージング装置で行われるＰＡＴ測定を説明する。第１の光源１０から発せられた光１３は生体などの被検体１１に照射される。被検体１１の内部を伝播した光のエネルギーの一部が血管内又は血液内などの光吸収体１２ａ，１２ｂ（結果的に音源となる）に吸収されると、その光吸収体１２ａ，１２ｂの熱膨張により音響波１４ａ，１４ｂ（典型的には超音波）が発生する。音響波１４ａ，１４ｂは、音響波変換部１５により受信され、電気信号に変換される。そして、この電気信号は、処理部１６によって解析処理され、被検体１１の光学特性値分布などのデータが生成される。解析処理は、被検体の光吸収係数及び光散乱係数を算出し、それを用いて、被検体の光量分布を算出する処理を有している。解析処理については具体的には後述する。被検体の光吸収係数及び光散乱係数とは、被検体を均一な光吸収係数及び光散乱係数を有する物質と仮定したときの光吸収係数及び光散乱係数のことである。

光学特性値分布として、被検体１１内で発生した音響波の音源の初期音圧分布Ｐ_１（ｒ）を生成すると、その初期音圧分布から光吸収体１２ａ，１２ｂの位置ｒ_ａ，ｒ_ｂが決定される。具体的には、光吸収体は上述したように、被検体内で相対的に光吸収係数が高いものであり、光吸収係数に比例する初期音圧も被検体内で大きくなっている。このため、初期音圧分布から、所定の閾値以上の初期音圧を示す位置が光吸収体の存在する位置（音源）であると特定される。以下では、位置が特定される光吸収体が２つの場合で説明するが、２つ以上でもよいし１つであってもよい。特に、位置を特定する光吸収体の数が多くなるほど、被検体の光吸収係数および光散乱係数を精度よく求めることができ、光量分布を精度よく求めることが可能となるので好ましい。また、閾値は、ゼロより大きく、少なくとも一つの位置が特定される大きさであればよい。なお、位置ｒは、被検体１１の表面または内部の所定の位置を基準にした位置でもよいし、光源あるいは音響波変換部上の所定の位置を基準にした位置であってもよい。また、基準（例えば光源）が移動可能な構成である場合でも、位置ｒはその基準に対しての相対位置として定めることが可能である。

第１の光源１０から被検体１１に光１３を照射すると、被検体１１内にある光吸収体１２ａ，１２ｂから発生した音響波１４ａ，１４ｂの初期音圧Ｐ_１ａ，Ｐ_１ｂは次式で表すことができる。

ここで、Γは光吸収体のグルナイゼン係数、μ_ａ ^Ｔａは光吸収体１２ａの光吸収係数、μ_ａ ^Ｔｂは光吸収体１２ｂの光吸収係数を表している。そして、Φ_１ａは第１の光源１０から照射された場合の光吸収体１２ａの位置ｒ_ａでの局所的な光量、Φ_１ｂは第１の光源１０から照射された場合の光吸収体１２ｂの位置ｒ_ｂでの局所的な光量を表している。

光吸収体のグルナイゼン係数Γは組織が分かればほぼ一意的に決まるので、式３から光吸収体１２ａ，１２ｂそれぞれの光吸収係数と光量の積（光エネルギー吸収密度）を求めることができる。

また、第１の光源１０から光を照射した場合の被検体１１内の光量分布Φ_１（ｒ）は次式（拡散方程式）で求めることができる。

ここで、κ^Ｂは被検体の光拡散係数、μ_ａ ^Ｂは被検体の光吸収係数である。κ^Ｂ＝１／（３（μ_ａ ^Ｂ＋μ_ｓ’^Ｂ））であり、μ_ｓ’^Ｂは被検体の光散乱係数である。被検体の光吸収係数μ_ａ ^Ｂと被検体の光散乱係数μ_ｓ’^Ｂは、位置ｒによらない定数である。ｑ_１（ｒ）は第１の光源１０から被検体に照射された、被検体表面における照度分布である。光吸収体１２ａ，１２ｂのそれぞれの位置ｒ_ａ，ｒ_ｂでは、Φ_１ａ＝Φ_１（ｒ_ａ）、Φ_１ｂ＝Φ_１（ｒ_ｂ）が成り立っている。式４を解くためには、被検体の光吸収係数μ_ａ ^Ｂ，被検体の光散乱係数μ_ｓ’^Ｂを求める必要がある。被検体の光吸収係数と被検体の光散乱係数は、被検体を特定すれば、被検体の組織を構成する物質、分布等から推定することができる。しかし、その値は被検体の個体差が影響するため、推定される被検体の光吸収係数と被検体の光散乱係数は、測定するたびに決定されることが望ましい。

そのために、本実施形態では、図１（ｂ）で示すように、図１（ａ）とは異なる照度条件でかつ異なる時刻にＰＡＴ測定を行っている。具体的には、図１（ｂ）では、第１の光源１０とは別の位置に設けられている第２の光源２０から被検体１１に光２３が照射されている。このように本実施形態では、被検体に照射される光は、互いに異なる照射条件で、かつ、互いに異なる時刻に照射されるようにしている。２０は第２の光源を、２３は光源２０から被検体１１に照射される光を、２５は音響波２４ａ，２４ｂを受信する音響波変換部を、２６は音響波変換部で音響波を変換した電気信号を受信して、画像データを生成する処理部をそれぞれ示している。光源や音響波変換部や処理部は図１（ａ）と同じものを用いてもよいし、別のものを用いてもよい。つまり、図１の（ａ）と（ｂ）では、被検体１１に光が照射される方向が異なるような構成であればどんなものでもよい。なお、図１（ａ），（ｂ）でのＰＡＴ測定はそれぞれ別の時刻で行う。具体的には、図１（ａ）でのＰＡＴ測定をした後に、図１（ｂ）でのＰＡＴ測定を行えばよく、その逆の順番であってもよい。また、図１（ａ）でのＰＡＴ測定とは異なる時刻で、図１（ｂ）でのＰＡＴ測定を行う際に、図１（ａ）の第１の光源１０を、図１（ａ）と同じ位置に配置して、第１の光源１０からも被検体１１に光１３を照射して、ＰＡＴ測定を行うようにしてもよい。つまり、図１（ａ）でのＰＡＴ測定とは異なる時刻で、図１の（ａ）と（ｂ）でのＰＡＴ測定を同時に行うようにしてもよい。

図１（ａ）と同様のＰＡＴ測定を行うことで、被検体１１の光学特性値分布などの画像データが得られる。この結果、被検体１１内で発生した音響波の音源の初期音圧分布Ｐ_２（ｒ）が得られ、その初期音圧分布から光吸収体１２ａ，１２ｂの位置ｒ_ａ，ｒ_ｂでの初期音圧が決定される。なお、位置ｒ_ａ，ｒ_ｂは図１（ａ）でのＰＡＴ測定において決定されるので、改めて決定しなくてもよい。

第２の光源２０から被検体１１に光２３を照射すると、被検体１１内にある光吸収体１２ａ，１２ｂから発生した音響波２４ａ，２４ｂの初期音圧Ｐ_２ａ，Ｐ_２ｂは次式で表すことができる。

ここで、Φ_２ａは第２の光源２０から照射された場合の光吸収体１２ａの位置ｒ_ａでの局所的な光量、Φ_２ｂは第２の光源２０から照射された場合の光吸収体１２ｂの位置ｒ_ｂでの局所的な光量を表している。図１（ａ）、（ｂ）から分かるように、第１の光源１０から被検体１１の表面に照射される光の位置と第２の光源２０から被検体１１の表面に照射される光の位置は異なるので、被検体の表面における照度分布ｑ_１（ｒ），ｑ_２（ｒ）は異なっている。このため、光吸収体１２ａ（または１２ｂ）が吸収する局所的な光量Φ_１ａとΦ_２ａ（またはΦ_１ｂとΦ_２ｂ）が異なり、初期音圧Ｐ_２ａとＰ_２ｂ（またはＰ_２ａとＰ_２ｂ）も異なる。

また、第２の光源１０から光を照射した場合の被検体１１内の光量分布Φ_２（ｒ）は次式で求めることができる。なお、光量分布Φ_１（ｒ）とΦ_２（ｒ）は異なる。

ここで、ｑ_２（ｒ）は第２の光源２０から被検体に照射された、被検体表面における照度分布である。光吸収体１２ａ，１２ｂのそれぞれの位置ｒ_ａでは、Φ_２ａ＝Φ_２（ｒ_ａ）、Φ_２ｂ＝Φ_２（ｒ_ｂ）が成り立っている。式６を解くためには、式４と同様に、被検体の光吸収係数μ_ａ ^Ｂ，被検体の光散乱係数μ_ｓ’^Ｂを求める必要がある。

次に、この被検体の光吸収係数と被検体の光散乱係数を求める方法について述べる。まず、式４と式６のμ_ａ ^Ｂとμ_ｓ’^Ｂに仮の値（例えば、測定する被検体の組織の中で最も大きく重量比率を占める物質の値）を代入して、式４と式６を有限要素法等で解いて光量分布Φ_１（ｒ），Φ_２（ｒ）を算出する。そして、算出された光量分布Φ_１（ｒ），Φ_２（ｒ）が正しいか否かを確認するために、光吸収体１２ａ，１２ｂの初期音圧Ｐ_１ａ，Ｐ_１ｂ，Ｐ_２ｂ，Ｐ_２ｂを利用する。具体的には以下のとおりである。

まず、式５の１つ目と２つ目の式をそれぞれ式３の１つ目と２つ目の式で割ると、光吸収体１２ａ，１２ｂの光吸収係数である未知の値μ_ａ ^Ｔａ，μ_ｂ ^Ｔｂが消去されて次式のようになる。

ここで、式７の２つの式のそれぞれの左辺は、音響波変換部で音響波が変換された電気信号から解析された、光吸収体１２ａ，１２ｂの初期音圧Ｐ_１ａ，Ｐ_１ｂ，Ｐ_２ｂ，Ｐ_２ｂからなり、ＰＡＴ測定から得られる情報である。一方、式７の２つの式のそれぞれの右辺は、算出された光量分布Φ_１（ｒ），Φ_２（ｒ）において、光吸収体１２ａ，１２ｂの位置ｒ＝ｒ_ａ，ｒ＝ｒ_ｂでの局所的な光量Φ_１ａ，Φ_１ｂ，Φ_２ａ，Φ_２ｂからなる。これらの値は、ＰＡＴ測定から求められるものではなく、上述したように、式４と式６を解くことによって算出されるものである。つまり、実際の被検体内では式７を満たすので、式４と式６の解を式７の２つの式の右辺に代入し、式７の２つの式のそれぞれの左辺と右辺が等しくなるか否かを調べる。

そこで、次式で表される目的関数ｆを用いて、ｆがゼロもしくはゼロとみなせる値（例えば、１．０×１０^−６以下）になるまで、μ_ａ ^Ｂとμ_ｓ’^Ｂに別の値を代入し、式４と式６を解いて、別のΦ_１（ｒ），Φ_２（ｒ）を得る。そして、ｆがゼロもしくはゼロとみなせる値になる場合の、μ_ａ ^Ｂとμ_ｓ’^Ｂの値が実際の被検体の光吸収係数と被検体の光散乱係数として算出される。

このようにして算出された被検体の光吸収係数と被検体の光散乱係数の値を用いて解かれた式４，式６の解Φ_１（ｒ），Φ_２（ｒ）それぞれが、図１（ａ），（ｂ）での被検体内の光量分布である。そして、式３または式５から光吸収体１２ａ，１２ｂでの光吸収係数μ_ａ ^Ｔａ，μ_ａ ^Ｔｂを求めることができる。

図２に本実施形態のフローチャートを示す。

まず、第１の光源１０と音響波変換部１５を図１（ａ）で示すように被検体１１を挟んで対面させた状態（第１の照射条件）で光１３が照射される（Ｓ１）。光音響効果により被検体１１内の光吸収体１２ａ，１２ｂから発生した音響波１４ａ、１４ｂを音響波変換部１５が受信する（Ｓ２）。受信した音響波は音響波変換部１５で電気信号に変換される。その電気信号は処理部１６に取り込まれ、処理部１６によって解析処理されて初期音圧分布Ｐ_１（ｒ）が算出される（Ｓ３）。Ｓ３で取得したＰ_１（ｒ）から閾値以上を示す２点を抽出し、その位置ｒ＝ｒ_ａ，ｒ_ｂと、その位置での初期音圧Ｐ_１ａ，Ｐ_１ｂが算出される（Ｓ４）。

次に、第２の光源２０と音響波変換部２５を図１（ｂ）で示すように被検体１１を挟んで対面させた状態（第１の照射条件とは異なる第２の照射条件）で光２３が照射される（Ｓ５）。光吸収体１２ａ，１２ｂから発生した音響波２４ａ、２４ｂを音響波変換部２５が受信する（Ｓ６）。受信した音響波は音響波変換部２５で電気信号に変換される。その電気信号は処理部２６に取り込まれ、処理部２６によって解析処理されて初期音圧分布Ｐ_２（ｒ）が算出される（Ｓ７）。Ｓ７で取得した初期音圧分布Ｐ_２（ｒ）から位置ｒ＝ｒ_ａ，ｒ_ｂでの初期音圧Ｐ_２ａ，Ｐ_２ｂが算出される（Ｓ８）。

次に、式４及び式６を解いて、第１の照射条件での被検体内の光量分布Φ_１（ｒ）と第２の照射条件での被検体内の光量分布Φ_２（ｒ）が算出される（Ｓ９）。ここで、被検体の光吸収係数μ_ａ ^Ｂと被検体の光散乱係数μ_ｓ’^Ｂに仮の値を用いる。さらに、第１の照射条件での被検体内の表面における照度分布ｑ_１（ｒ）と第２の照射条件での被検体の表面における照度分布ｑ_２（ｒ）は予め測定した既知のものを用いる。

Ｓ９で算出した光量分布Φ_１（ｒ）とΦ_２（ｒ）からｒ＝ｒ_ａ，ｒ_ｂでの値Φ_１ａ，Φ_１ｂ，Φ_２ａ，Φ_２ｂが求められ、式８で表される目的関数ｆの値が算出され、その判定が行われる（Ｓ１０）。具体的には、目的関数ｆの値がゼロとみなせる値以下になるかどうかの判定が行われる。

そして、目的関数ｆの値が所定の閾値を越える場合には、目的関数ｆの値が小さくなるようにμ_ａ ^Ｂとμ_ｓ’^Ｂの値の少なくとも一方を別の値にする（Ｓ１１）。そして、その別の値を用いてＳ９，Ｓ１０の工程が行われる。このＳ１１，Ｓ９，Ｓ１０の工程は目的関数ｆの値が所定の閾値以下になるまで繰り返される。

Ｓ１０で目的関数ｆの値が所定の閾値以下になった場合には、その場合のμ_ａ ^Ｂ，μ_ｓ’^Ｂ，Φ_１（ｒ），Φ_２（ｒ）Φ_１ａ，Φ_１ｂ，Φ_２ａ，Φ_２ｂが算出されている。これらの値と式３乃至６から光吸収体の光吸収係数や被検体内の光吸収係数分布が算出される（Ｓ１２）。

そして、光吸収係数分布が画像データとして取得され、画像データが表示装置に画像として表示される（Ｓ１３）。

次に、本実施形態の光音響イメージング装置の構成をより具体的に説明する。

音響波変換部は、音響波を受信して電気信号に変換する１つ以上の素子を有し、圧電現象を用いたトランスデューサー、光の共振を用いたトランスデューサー、容量の変化を用いたトランスデューサーなどで構成される。音響波を受信して電気信号に変換できるものであればどのような素子を用いてもよい。音響波を受信する素子は１次元又は２次元に複数配列することにより、同時に複数の場所で音響波を受信することができ、受信時間を短縮できると共に、被検体の振動などの影響を低減できる。なお、１つの素子を移動させることで、複数の素子を２次元あるいは１次元に配置したものと同様の信号を得ることも可能である。また、音響波変換部と被検体との間には、音波の反射を抑えるためにジェルなどの音響マッチング材を塗布することが好ましい。

処理部は、音響波の強さとその時間変化を記憶し、それを演算手段により、光学特性値分布のデータに変換できるものであればどのようなものでもよい。例えば、オシロスコープとオシロスコープに記憶されたデータを解析できるコンピュータなどを使用できる。また、処理部としてはワークステーションなどが用いられ、画像再構成（画像データを生成する）処理などがあらかじめプログラミングされたソフトウェアにより行われる。例えば、ワークステーションで使われるソフトウェアは、電気信号の増幅処理やノイズ低減処理を行う信号処理モジュールと、画像再構成を行う画像再構成モジュールとからなる。なお、ＰＡＴにおいては、通常、画像再構成前の前処理として、ノイズ低減処理などが各位置で受信された信号に対して行われるが、それらは信号処理モジュールで行われることが好ましい。また、画像再構成モジュールでは、画像再構成による画像データの形成が行われ、画像再構成アルゴリズムとして、例えば、トモグラフィー技術で通常に用いられるタイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影などが適応される。

また、処理部１６（２６）は、図５で示すように、初期音圧分布算出部５１と、光吸収体位置及びその位置での初期音圧を算出する位置及び初期音圧算出部５２と、被検体内の光吸収係数及び光散乱係数を算出する係数算出部５３と、を有していてもよい。さらに、処理部は、光量分布算出部５４と画像データ生成部５５を有していてもよい。初期音圧分布算出部５１は、音響波変換部１５から出力された電気信号から、上述したフローチャートにおけるＳ３及びＳ７の工程を行い、初期音圧分布を算出する。位置及び初期音圧算出部５２は、初期音圧分布算出部５１で算出された初期音圧分布に基づき、上述したフローチャートにおけるＳ４及びＳ８の工程を行い、光吸収体の位置と光吸収体で発生した音響波の初期音圧とを算出する。係数算出部５３は、位置及び初期音圧算出部５２で算出された光吸収体の位置及び光吸収体で発生した音響波の初期音圧を利用して、上述したフローチャートにおけるＳ１０及びＳ１１の工程を行い、被検体内の光吸収係数及び光散乱係数を算出する。光量分布算出部５４は、係数算出部５３で算出された被検体内の光吸収係数及び光散乱係数を用いて、上述したフローチャートにおけるＳ９の工程を行い、被検体内の光量分布を算出する。画像データ生成部５５は、光量分布算出部５４で算出された被検体内の光量分布と初期音圧分布算出部５１で算出された初期音圧分布とに基づき、上述したフローチャートにおけるＳ１２の工程を行い、光吸収係数分布を算出し、それを画像データとして生成する。

なお、光源が複数の波長の光を発振可能で、複数の波長の光を生体に照射する場合は、それぞれの波長に依存して変化する生体内の光学特性値分布を用いて、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。例えば、光吸収係数値分布を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質（グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど）固有の波長依存性とを比較することによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。

なお、画像データとは２次元、３次元を問わず生体情報を示すデータのことであり、２次元の場合は、ピクセルデータを複数並べて構成され、３次元の場合は、ボクセルデータを複数並べて構成される。ピクセルデータ及びボクセルデータは複数の位置で取得した音響波を画像再構成することで得られる。以下の説明においては、３次元の画像データについて説明するが、本発明は２次元の画像データにも適用できる。

光源は、生体を構成する成分のうち特定の成分（例えばヘモグロビン）に吸収される特定の波長の光を照射するものである。具体的に、光の波長は４００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下が好ましい。この場合、後述する処理において、被検体表面（例えば、皮膚）で発生した音響波と被検体内部の光吸収体（例えば、ヘモグロビン）で発生した音響波を区別しやすくなるためである。光源としては５ナノ秒乃至５０ナノ秒のパルス光を発生可能な光源を少なくとも一つは備えている。光源としては大きな出力が得られるレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。また、波長依存性を有する光吸収係数値分布を測定するために、光源は単一波長の光のみ発振するものではなく、異なる波長を発振できるものを用いても良い。その場合の光源としては、発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）を用いたレーザーなどが使用できる。また、光は音響波変換部側から照射してもよく、音響波変換部とは反対側から照射してもよい。さらに被検体の両側から照射してもよい。

なお、各光源が被検体である生体の近くに配置できない場合は、光ファイバなどの光伝送路を用いて、光照射部を生体に導くことも可能である。図１では、２つの光源を用いたがミラーなどの光路変換器を用いて、１つの光源により異なる位置から光照射を行うようにしてもよい。

または、図３のように一つの光源により、同じ位置から図３（ａ）では光１３、図３（ｂ）では光３３を照射する。この光１３，３３は、光路上にマスクなどの光学系１７を介して、被検体の表面における照度分布をそれぞれ異ならせている。この場合でも、図３（ａ），（ｂ）で、被検体に照射される光は照度条件が異なりかつ照射される時刻が異なるので、それぞれの条件での拡散方程式を立てられ、上述した方法によって光吸収体の光吸収係数を求めることが可能である。

また、図４のように、走査手段（不図示）を用いて音響波変換部１６と光源１０を被検体に対して同期させて移動させるようにしてもよい。この場合には、異なる時刻でのＰＡＴ測定において、被検体の表面において光が照射される位置が互いに異なる。この場合でも、図４（ａ），（ｂ）で、被検体に照射される光は照射条件が異なりかつ照射される時刻が異なるので、それぞれの条件での拡散方程式を立てられ、上述した方法によって光吸収体の光吸収係数を求めることが可能である。

また、本発明を実施するためには、異なる時刻でのＰＡＴ測定において、光の照射条件は、照射される光の方向、被検体の表面における照度分布、被検体の表面において光が照射される位置のうち少なくとも一つが異なっていればよく、全部が異なっていてもよい。

また、第１の照射条件と第２の照射条件において、初期音圧が観測されたすべての点つまり、すべての光吸収体を用いることも可能である。この場合、式３または式５は光吸収体の数だけ方程式が立てられ、目的関数ｆは以下のようになる。

ここで、Ｐ_ｉｘは、位置ｒ_ｘにある光吸収体の、第ｉの照射条件において測定される初期音圧を表している。この場合も、この目的関数ｆがゼロもしくはゼロとみなせる値になる場合の、μ_ａ ^Ｂとμ_ｓ’^Ｂの値を被検体の光吸収係数と被検体の光散乱係数と決定する。なお、目的関数から明らかなように、光吸収体の数が多ければ多いほど、被検体の光吸収係数と被検体の光散乱係数は精度よく求めることが可能となる。

３つ以上の光源を用いてＰＡＴ測定を行えば、さらに多くの拡散方程式が得られ、式３や式５の式の数が多くなり、目的関数がゼロになる場合のμ_ａ ^Ｂとμ_ｓ’^Ｂの値がより正しい値に近づくので、より精度よく被検体の光吸収係数を求めることが可能になる。なお、３つ以上の光源を用いるとは、３つ以上の照射条件でＰＡＴ測定を行うことであり、１つの光源であっても、被検体の表面における照度分布を互いに異ならせたものを３パターン以上用いても同様の効果を得ることが可能である。

光吸収体は、被検体内において腫瘍、血管、又はこれらに類する被検体内における光を吸収し、その吸収した光エネルギーによって熱膨張して音響波を発生する物質が挙げられる。また、光吸収体として分子プローブを用いる場合には、一般的にインドシアニングリーン（ＩＣＧ）などが選択される。ただし、光照射により、周辺の被検体物質よりも大きな音響波を発するものであれば、どのような物質を用いてもかまわない。

（実施形態２）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態１の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１１ 被検体
１２ａ，１２ｂ 光吸収体
１３，２３ 光
１４ａ，１４ｂ 音響波
１５ 音響波変換部
１６ 処理部

Claims (11)

1. 被検体に光が照射されることにより発生する音響波を受信して電気信号に変換する音響波変換部と、前記電気信号から前記被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得する信号処理部と、を有し、
   前記音響波変換部は、
   第１の光が前記被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して第１の電気信号に変換し、
   前記第１の光と照射条件および照射時刻の異なる第２の光が、前記被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して第２の電気信号に変換し、
   前記信号処理部は、
   前記第１の電気信号に基づき前記被検体内の第１の位置における第１の初期音圧Ｐ _１ａ を取得し、
   前記第２の電気信号に基づき前記第１の位置における第２の初期音圧Ｐ _２ａ を取得し、
   前記被検体の光吸収係数および光散乱係数の仮の値を設定し、
   前記仮の値と、前記第１の光の前記被検体の表面における第１の照度分布と、に基づいて前記第１の位置における前記第１の光の第１の仮の光量Φ _１ａ を取得し、
   前記仮の値と、前記第２の光の前記被検体の表面における第２の照度分布と、に基づいて前記第１の位置における前記第２の光の第２の仮の光量Φ _２ａ を取得し、
   式１に示す関係を満たすときの前記被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
   

   
2. 前記信号処理部は、
   前記第１の初期音圧および前記第２の初期音圧の比と、前記第１の仮の光量および前記第２の仮の光量の比と、を用いた最小二乗法により前記被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
3. 前記信号処理部は、
   前記第１の電気信号に基づいて前記被検体内の第１の初期音圧分布を取得し、
   前記第１の初期音圧分布のうち、所定の閾値以上の初期音圧を示す位置を前記第１の位置として設定することを特徴とする請求項１または２に記載の被検体情報取得装置。
4. 前記信号処理部は、
   前記第１の電気信号に基づいて、前記第１の位置とは異なる、前記被検体内の第２の位置における第３の初期音圧Ｐ _１ｂ を取得し、
   前記第２の電気信号に基づいて、前記第２の位置における第４の初期音圧Ｐ _２ｂ を取得し、
   前記仮の値と、前記第１の照度分布と、に基づいて、前記第２の位置における前記第１の光の第３の仮の光量Φ _１ｂ を取得し、
   前記仮の値と、前記第２の照度分布と、に基づいて、前記第２の位置における前記第２の光の第４の仮の光量Φ _２ｂ を取得し、
   前記式１及び式２に示す関係を満たすときの前記被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
   

   
5. 前記信号処理部は、
   前記第１の初期音圧および前記第２の初期音圧の比と、前記第３の初期音圧および前記第４の初期音圧の比と、前記第１の仮の光量および前記第２の仮の光量の比と、前記第３の仮の光量および前記第４の仮の光量の比と、を用いた最小二乗法により前記被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得することを特徴とする請求項４に記載の被検体情報取得装置。
6. 前記信号処理部は、
   前記第１の電気信号に基づいて第１の初期音圧分布を取得、または、前記第２の電気信号に基づいて第２の初期音圧分布を取得し、
   前記第１の初期音圧分布または前記第２の初期音圧分布のうち、所定の閾値以上の初期音圧を示す位置を前記第１の位置および前記第２の位置として設定することを特徴とする請求項４または５に記載の被検体情報取得装置。
7. 前記信号処理部は、
   前記最小二乗法の目的関数がゼロまたはゼロとみなせる値となるときの前記被検体の光吸収係数および散乱係数の仮の値を、前記被検体の光吸収係数および散乱係数としてとして取得することを特徴とする請求項２または５に記載の被検体情報取得装置。
8. 前記ゼロとみなせる値は、１．０×１０^−６以下であることを特徴とする請求項７に記載の被検体情報取得装置。
9. 前記照射条件は、照射される光の方向、前記被検体の表面における光の照度分布、および被検体の表面において光が照射される位置のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
10. 被検体に光を照射することにより発生する音響波を受信して電気信号に変換し、前記電気信号から前記被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得する被検体情報取得装置の制御方法であって、
    第１の光を前記被検体に照射する工程と、
    前記第１の光が前記被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して第１の電気信号を取得する工程と、
    前記第１の光と照射条件および照射時刻の異なる第２の光を、前記被検体に照射する工程と、
    前記第２の光が前記被検体に照射されることにより発生した音響波を受信して、第２の電気信号を取得する工程と、
    前記第１の電気信号に基づき前記被検体内の第１の位置における第１の初期音圧Ｐ _１ａ を取得する工程と、
    前記第２の電気信号に基づき前記第１の位置における第２の初期音圧Ｐ _２ａ を取得する工程と、
    前記被検体の光吸収係数および光散乱係数の仮の値を設定する工程と、
    前記仮の値と、前記第１の光の前記被検体の表面における第１の照度分布と、に基づいて前記第１の位置における前記第１の光の第１の仮の光量Φ _１ａ を取得する工程と、
    前記仮の値と、前記第２の光の前記被検体の表面における第２の照度分布と、に基づいて前記第１の位置における前記第２の光の第２の仮の光量Φ _２ａ を取得する工程と、
    式１に示す関係を満たすときの前記被検体の光吸収係数および光散乱係数を取得する工程と、
    を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。
    

    
11. 請求項１０に記載の被検体情報取得装置の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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