JP2010115398A - 生体情報測定装置および生体情報測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音響光学効果を利用した生体情報測定装置において、適切な解像度による測定を可能とする技術を提供する。
【解決手段】生体情報測定装置は、被検体に光を照射する光源１−７と被検体内の測定位置を通過した光を検出する光検出器１−２０とを有し、超音波による音響光学効果を利用して測定位置の情報を取得する。この生体情報測定装置は、互いに異なる方向の超音波ビームを送信する複数のトランスデューサアレイ１−５、１−６と、複数の超音波ビームが測定位置においてそれぞれ集束し、且つ、互いに交わるようにトランスデューサアレイを制御する重畳領域制御部１−１４と、測定位置とトランスデューサアレイとの間の距離に応じてトランスデューサアレイの開口径を変化させる開口制御部１−１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響光学効果を利用して生体内部の光学特性を測定するための技術に関する。

生体イメージングの技術領域において、光を用いて生体内部を画像化する試みがなされている。光を用いることにより、Ｘ線イメージングにおいて問題となる被曝を避けることができる。生体組織の分光情報を取得し、分光情報を基に生体構成成分の構成比率・濃度分析を行うことで機能イメージングが可能となる。

光を用いた生体内部のイメージングでは、生体による吸収が比較的少ない近赤外領域の光を用いている。しかし、光は生体組織による散乱の影響を強く受ける。生体に侵入した光の大部分は数ミリメートル程度で直進性を失い、その後は散乱される。数センチメートルの厚さの生体では、光は非常に多くの散乱（多重散乱）を受けるため、検出された光の伝搬経路を特定することが難しい。このため、光によって生体内の局所的な分光特性を得ることは困難である。

光の伝搬経路を特定し、検出光から生体内の局所的な分光情報を得るために、光と超音波の相互作用である音響光学効果を利用した手法が提案されている。この測定方法はＡＯＴ（Acousto-Optical Tomography：音響光学トモグラフィー）として知られている。光に比べて生体による吸収・散乱が小さい超音波を生体内部に集束させ、音響光学効果を利用して集束領域の光のみを超音波により変調することによって識別できるようにする。このように、超音波によって特定領域を識別できるようにすることを「タグ付けする」と呼ぶことにする。検出された光の中からタグ付けされた光（音響光信号）のみを抽出することで、超音波の集束領域を通過した光を特定することができる。なお、音響光は以後、変調光と言うこともある。タグ付けされた光を分析することで、生体内の局所領域の分光情報を取得することができる可能性がある。超音波の集束領域の位置と大きさを適切に設定することにより、所望の解像度を得ることができる。

特許文献１では、音響光信号による測定を用いて酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸光度に関する情報を取得している。特許文献２では、パルス超音波により生じる音響光信号により、物体内の吸収体を検出している。
米国特許第６７３８６５３号明細書 米国特許第６８１５６９４号明細書 Sava Sakadzic and L.V.Wang, "Ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light: An analytical model for anisotropically scattering media", Phys. Rev. E66, 026603 (2002)

音響光信号による測定の解像度は、音響光学効果が生じる超音波集束領域の大きさに依存する。超音波はトランスデューサにより発生し、超音波集束領域の大きさはトランスデューサの駆動周波数、開口径、トランスデューサ−集束点間距離に依存する。図５は、トランスデューサ開口径20[mm]、トランスデューサ−音圧最大値間距離26[mm]、駆動周波数1[MHz]、媒質音速1480[m/s]とし、図６のような座標系をとった場合の連続超音波による
音場（超音波ビーム）を計算したものである。図６において、トランスデューサの振動面はｘ−ｙ平面上にあり、振動面の中心は原点Ｏに一致している。音圧最大点は座標（ｘ、
ｙ、ｚ）＝（０［mm］、０［mm］、２６［mm］）にある。トランスデューサの開口は円形で、その径は２０［mm］である。図７は、図５の超音波ビームの半値領域を示したものである。半値領域とは、最大音圧の半値以上の音圧を持つ領域である。

ここで半値領域を超音波集束領域と呼ぶと、超音波集束領域の超音波進行方向に垂直な方向の幅（横集束サイズ、若しくは超音波ビームの集束点における幅、と呼ぶ）に比べ、超音波進行方向に沿った長さ（縦集束サイズと呼ぶ）は大きいことがわかる。それゆえ、横集束サイズを基準にして音響光信号による測定の解像度を設定すると、超音波進行方向の解像度が所望の解像度よりも低下しまうという問題が生じる。

また特許文献１のようにトランスデューサアレイによる電子スキャンを行う場合、測定点の深さ（トランスデューサと測定点の距離）に応じて超音波集束領域の大きさ（横集束サイズ及び縦集束サイズ）が異なる。具体的には、被検体の最深部においては、トランスデューサ−集束点間の距離に対してトランスデューサの開口径が相対的に小さくなるため、超音波集束領域の大きさが最も大きくなる。一方、トランスデューサ−集束点間の距離が小さい表面近傍では、超音波集束領域が小さくなる。このように超音波集束領域の大きさに違いがあると、被検体内を一定の解像度で測定することができず、測定点の深さに応じて測定の信頼性にばらつきが生じる可能性がある。また、被検体浅部では、検出対象の大きさに比べて超音波集束領域が小さくなりすぎ、不必要な（過剰な）測定が増えてしまう。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、音響光学効果を利用した生体情報測定装置において、適切な解像度による測定を可能とする技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用する。

本発明は、被検体に光を照射する光源手段と前記被検体内の測定位置を通過した光を検出する光検出手段とを有し、超音波による音響光学効果を利用して前記測定位置の情報を取得する生体情報測定装置において、互いに異なる方向の超音波ビームを送信する複数の超音波発生手段と、前記複数の超音波発生手段から送信される複数の超音波ビームが前記測定位置においてそれぞれ集束し、且つ、互いに交わるように前記超音波発生手段を制御する集束制御手段と、前記測定位置と前記超音波発生手段との間の距離に応じて前記超音波発生手段の開口径を変化させる開口径制御手段と、を備える。

本発明によれば、音響光学効果を利用した生体情報測定装置において、適切な解像度による測定が可能である。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

［第一の実施形態］
（装置構成）
図１は、本発明を適用できる第一の実施形態での生体情報測定装置の概略構成図である。この生体情報測定装置は、被検体１−１に光を照射する光源手段である光源１−７と、被検体内の測定位置を通過した光を検出する光検出手段である光検出器１−２０とを備え、超音波による音響光学効果を利用して測定位置の情報を取得する装置である。測定位置の情報としては、当該測定位置における局所的な光学特性（光吸収散乱特性など）を得る
ことができる。生体情報測定装置は、互いに異なる方向の超音波ビームを送信する複数（この例では２つ）の超音波発生手段であるトランスデューサアレイ１−５，１−６と、その超音波発生手段を制御するためのトランスデューサアレイ制御部１−１８とを備える。トランスデューサアレイ制御部１−１８は、概略、集束制御手段である重畳領域制御部１−１４、開口径制御手段である開口制御部１−１６、位相制御手段である位相制御部１−１７を有する。重畳領域制御部１−１４は、複数の超音波ビームが測定位置においてそれぞれ集束し、且つ、互いに交わる（重なる）ように各トランスデューサアレイを制御する機能である。開口制御部１−１６は、測定位置とトランスデューサアレイの間の距離に応じてトランスデューサアレイの開口径を変化させる機能であり、位相制御部１−１７は、超音波ビームの位相が測定位置において同位相となるよう制御する機能である。ここで本発明において「開口」とは、トランスデューサアレイの振動面において、測定位置への超音波の送信に実効的に寄与するエリアをいう。そして、「開口径」とは、前記開口の半径または直径を意味する。

被検体１−１は測定容器１−２に収められている。被検体１−１と測定容器１−２の間は、マッチング材１−３で均一に満たされる。マッチング材１−３には、光と超音波を効率的に伝達させるために、被検体１−１と導光手段１−４との光学的整合、被検体１−１と導光手段１−２１との光学的整合、及び、被検体１−１とトランスデューサアレイ１−５、１−６との音響的整合をとることができる材料を用いることが望ましい。

光源手段である光源１−７は、レーザ等を用いることができる。光源１−７からの射出光は、導光手段１−４により導光され被検体１−１に入射する。導光手段１−４には、光ファイバ等を用いることができる。

超音波発生手段であるトランスデューサアレイ１−５と１−６は、それぞれトランスデューサ移動装置１−８と１−９に取り付けられており、測定容器１−２内を移動することができる。以下で用いられる「トランスデューサ」という表現は、トランスデューサアレイ１−５と１−６を示すものである。

トランスデューサは、被検体１−１内の所望の位置に単一超音波集束領域１−１０と１−１１を形成することができる。単一超音波集束領域１−１０はトランスデューサアレイ１−５により形成され、単一超音波集束領域１−１１はトランスデューサアレイ１−６により形成される。単一とは、１つのトランスデューサアレイにより形成されるという意味である。ここでは、半値領域（最大音圧の半値以上の音圧を持つ領域）を超音波集束領域として扱う。単一超音波集束領域の形成は、遅延制御部１−１２によりトランスデューサの各素子の遅延量を制御し、所望の位置に集束する合成波面を作ることで行う。また、位置制御部１−１３によりトランスデューサ移動装置１−８と１−９を駆動することで、トランスデューサは測定容器１−２内を移動することができる。すなわち単一超音波集束領域１−１０と１−１１の移動は、トランスデューサの素子の遅延量制御による電子スキャンによっても可能であるし、トランスデューサの移動によっても可能である。

集束制御手段である重畳領域制御部１−１４は、遅延制御部１−１２と位置制御部１−１３を制御して単一超音波集束領域１−１０と１−１１を移動させ、それぞれの音圧最大点が一致するように重畳し、重畳領域１−１９を形成する。

距離算出手段である距離算出部１−１５は、重畳領域１−１９とトランスデューサアレイ１−５と１−６それぞれとの間の距離を算出する。この距離は、遅延制御部１−１２が設定している単一超音波集束領域１−１０と１−１１の位置情報から算出することができる。

開口径制御手段である開口制御部１−１６は、トランスデューサの駆動素子数を変化させることによりトランスデューサの開口径を変化させることができる。トランスデューサの開口径を大きくする場合はトランスデューサアレイ素子を駆動する円領域の半径を大きくし、開口径を小さくする場合はトランスデューサアレイ素子を駆動する円領域の半径を小さくする。これにより、単一超音波集束領域１−１０と１−１１の横集束サイズ、すなわち超音波進行方向と直交する方向の超音波集束領域の幅を変化させることができる。

位相制御手段である位相制御部１−１７は、重畳領域１−１９内の少なくとも一部において、トランスデューサアレイ１−５と１−６が発生する超音波を同位相にすることができる。これにより重畳領域１−１９内の少なくとも一部では、２つの超音波音圧が加算される。

トランスデューサアレイ制御部１−１８は、重畳領域制御部１−１４と遅延制御部１−１２と位置制御部１−１３と距離算出部１−１５と開口制御部１−１６と位相制御部１−１７とからなる。トランスデューサアレイ制御部１−１８は、例えば電気回路により構成することもできるし、マイクロプロセッサに実装されたプログラムにより構成することもできる。

単一超音波集束領域１−１０と１−１１が重畳された領域、すなわち重畳領域１−１９においては、他の領域に比べて音圧が大きいので媒質屈折率変動と光散乱体変動が大きい。それゆえ、重畳領域１−１９を通過した光は大きな位相変調を受ける。この位相変調により、光検出手段である光検出器１−２０において超音波周波数に等しい光変調信号が観測される。

光検出器１−２０は、導光手段１−２１を通して、前記の変調された変調光と、変調を受けていない非変調光を検出する。光検出器１−２０には、フォトマルチプライヤ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの光電変換素子を適用可能である。

信号解析部１−２２は、光検出器１−２０からの信号を解析し、非変調光の光強度Ｉ_０（非変調成分）と、変調光の光強度Ｉ_１（変調成分）から、Ｉ_１／Ｉ_０を算出する。この比を変調度Ｍと呼ぶ。

非特許文献１によると、光検出器１−２０において検出される光の自己相関関数Ｇ_１（τ）は、式（４）で表される。

式（４）で表される自己相関関数を、式（５）のようにフーリエ変換することで得られる０次成分と１次成分の比が、前述した変調度Ｍとなる。

測定値Ｉ_１とＩ_０から変調度Ｍを算出し、式（４）、（５）の関係を用いて解析することで、測定点における生体の光吸収散乱特性を取得することができる。

重畳領域１−１９は超音波集束領域、すなわち測定点に対応しているので、重畳領域１−１９を被検体１−１内部で走査し各測定点における光信号を解析することで、被検体１−１の光吸収散乱特性分布を得ることができる。

表示装置１−２３は、被検体１内部の光吸収散乱特性分布を測定点の位置と対応させて表示する。インターフェイス１−２４は、ユーザが測定位置や測定対象領域を指定し、またユーザに被検体の光吸収散乱特性に関する情報を提示する。

（測定処理）
第一の実施形態における測定のフローを図２に示す。以下では、図２の各ステップについて説明する。

ステップ１０１：
被検体１−１内部において、測定されていない測定中心点１−２５を決定する。測定中心点は、図３に示すように、その点においてトランスデューサアレイ１−５とトランスデューサアレイ１−６の幾何学的中心軸１−２６が互いに直交するように決定されることが望ましい。幾何学的中心軸とは、トランスデューサアレイ配列面の中心から配列面と直交する方向に伸びる直線軸である。

ステップ１０２：
トランスデューサアレイ１−５とトランスデューサアレイ１−６の幾何学的中心軸が、ステップ１０１で決定した測定中心点１−２５において互いに直交するように、トランスデューサアレイ１−５と１−６を配置する。

ステップ１０３：
測定点１−２７を決定する。測定点には、図４に示すように、トランスデューサアレイ１−５と１−６が発生する超音波ビームの進行方向軸１−２８が互いにできる限り直交するような点を選ぶことが望ましい。測定点の位置は、トランスデューサアレイの電子スキャンにより変えることができる。ステップ１０２で決定した測定中心点１−２５に対し、測定点１−２７は電子スキャンを用いて複数の位置にとることができる。

ステップ１０４：
重畳領域制御部１−１４により、単一超音波集束領域１−１０と１−１１の音圧最大点を測定点（測定位置）１−２７に設定し、測定点１−２７に重畳領域１−１９を形成する
ように設定する。

ステップ１０５：
距離算出部１−１５により、測定点１−２７とトランスデューサの間の距離を算出する。

ステップ１０６：
測定点１−２７においてトランスデューサアレイ１−５による超音波の位相とトランスデューサアレイ１−６による超音波の位相を一致させる。ステップ１０５で算出した距離を基に、位相制御部１−１７で位相を調節することにより位相を一致させる。

ステップ１０７：
測定点１−２７において、単一超音波集束領域１−１０と１−１１の横集束サイズが測定の解像度に対応するように、トランスデューサアレイ１−５と１−６の開口径を調節する。開口径設定は、ステップ１０５で算出した距離と測定解像度を基に、トランスデューサアレイの駆動素子数を開口制御部１−１６により制御することで行う。

ステップ１０８：
被検体１−１に光を照射する。

ステップ１０９：
被検体１−１に超音波を照射する。

ステップ１１０：
光検出器１−２０により光信号を検出し、検出した値を測定点１−２７の座標と対応させて保存する。

ステップ１１１：
被検体１−１への光と超音波の照射を止める。

ステップ１１２：
ステップ１０３で示した測定点の条件を満たし、かつ測定されていない測定点がある場合、電子スキャンによる測定を用いてステップ１０３からステップ１１１を繰り返す。そうでない場合、ステップ１１３へ進む。

ステップ１１３：
被検体１−１内の測定対象領域の全ての測定点の測定が完了していない場合、ステップ１０１からステップ１１２を繰り返す。測定対象領域の全ての測定が完了した場合、ステップ１１４へ進む。

ステップ１１４：
ステップ１１０で保存した全ての測定点ごとの光信号を信号解析部１−１８において解析し、被検体１−１の光吸収散乱特性分布を算出する。
ステップ１１５：
ステップ１１４で取得した被検体１−１内部の光吸収散乱特性分布を、測定点と対応付けて表示装置１−２３により表示する。

（本実施形態の利点）
以上により、被検体１−１内部の測定の解像度を改善することができることを説明する。

図８は、トランスデューサアレイ１−５と１−６を、共に開口径20[mm]、アレイ−音圧最大値間距離26[mm]、周波数1[MHz]、媒質音速1480[m/s]とし、図９のような座標系をと
った場合の音場を計算したものである。図９の配置では２つの音場（超音波ビーム）の超音波進行方向軸は直交しており、音圧最大点で互いの音場が重畳される。

図１０は、図９の音場の半値領域を示したものである。図１０によると、トランスデューサアレイを単独で用いる場合である図７と比べて超音波集束領域（ここでは半値領域で評価）がより小さくなっている。このように、２つのトランスデューサアレイの音場を最大音圧点で重畳することにより、超音波集束領域の大きさ（特に縦集束サイズ）を縮小することができる。よって、単一のトランスデューサを用いた従来構成に比べて、音響光信号の測定解像度を改善することができる。

また、超音波として連続超音波を用いた場合、安定した定常状態での音響光信号の測定が可能となる。特許文献２で用いられているパルス超音波は、パルス長を極めて短くすることにより超音波進行方向の測定解像度を向上させている。しかし、この方法では、トランスデューサの立ち上がりと立ち下がりの応答特性が影響するため、安定した測定が難しい。また、光と超音波の相互作用時間が短いため、検出される光信号のＳＮ比が悪化することも考えられる。第一の実施形態において連続超音波を用いた場合、前記パルス超音波による音響光信号測定の問題点を回避しながら所望の測定解像度を得ることができる。

超音波としてパルス超音波を用いても良い。前記パルス超音波による測定のＳＮ比に関する問題点を改善する方法として、パルス長を比較的長くして光と超音波の相互作用時間を長くする方法が考えられる。この時、パルス長が長くなる分、音響光信号の測定解像度が悪化する。そこで、トランスデューサアレイ１−５および１−６から発生させるパルス超音波を、被検体内の測定したい位置で重畳するように同期させて発生させれば、２つの音場の重畳による解像度改善の効果を得ることができる。

さらに本実施形態では、ステップ１０７において、開口制御部１−１６が、トランスデューサと測定点１−２７との間の距離に応じてトランスデューサの開口径を変化させる。このとき、開口制御部１−１６は、トランスデューサと測定点の間の距離が短いほど開口径が小さくなるように、それぞれのトランスデューサの開口径を制御する。より好ましくは、トランスデューサと測定点の間の距離によらず測定点における横集束サイズ（超音波ビームの幅）が一定となるように、各トランスデューサの開口径を制御するとよい。図１１は距離が短い場合、すなわち被検体浅部での開口径制御の例を示し、図１２は距離が長い場合、すなわち被検体深部での開口系制御の例を示す。図１１のようにトランスデューサ１−５と測定点の距離が短い場合、駆動素子数を減らして開口径を小さくすることで、図１２の場合と同等の横集束サイズが得られることがわかる。このような開口径制御により、被検体内の全ての測定点について重畳領域１−１９の大きさを一定に保つことができる。よって、被検体内の測定対象領域全体の光吸収散乱特性分布を所望の解像度で均一に取得することができる。また、被検体浅部の測定を被検体深部と同じ解像度で行うことにより、被検体浅部における不必要な（過剰な）測定を無くし、測定点数を減らすことができるので、測定時間の短縮を図ることができる。

また本実施形態では、ステップ１０１とステップ１０２とステップ１０３において、幾何学的中心軸１−２６や超音波進行方向軸１−２８をできる限り直交させている。これは、一方の超音波ビームの縦集束サイズを、他方の超音波ビームの横集束サイズで改善する効果を最も得やすいからである。しかし、超音波の重畳による測定解像度の改善が見込めるのであれば、前記幾何学的中心軸や、前記超音波進行方向軸を直交させることは、必ずしも必要ではない。

測定のステップ１０２で設定したトランスデューサアレイ１−５と１−６の位置のままで、トランスデューサの電子スキャンにより測定点１−２７を変えてステップ１０３からステップ１１１を繰り返す。電子スキャンのみでは被検体１−１内を測定しきれなくなった場合、トランスデューサを移動し、新たな移動先で再び電子スキャンによる測定を行う。このようにしてトランスデューサアレイの移動を減らすことができ、測定時間をより短く改善することができる。トランスデューサアレイが被検体に対して小径であるために電子スキャンのみでは被検体の全領域を測定することが難しく、トランスデューサアレイの移動が伴う場合に有効である。また、超音波進行方向軸１−２８を互いにある角度、例えばできるだけ直角に交差させる等の条件がある場合に有効である。電子スキャンだけでは被検体内の全領域で前記条件を満たすことが難しい場合でも、トランスデューサアレイの移動を組み合わせることで前記条件を満足することが容易となる。

ステップ１１２とステップ１１３において、測定対象領域を、光吸収散乱特性を得たい特定の領域のみに限定してもよい。

本実施形態においてはトランスデューサアレイが２つの場合について説明したが、トランスデューサアレイを３つ以上用いてもよい。重畳する超音波ビームを増やすことで、重畳領域の音圧のみを音場全体に対してより高めることができる。これにより、解像度の基準として用いた半値を、より厳しい条件、例えば自然対数の逆数（1/e、e：自然対数）等に設定することが可能となる。

［第二の実施形態］
図１３は、本発明を適用できる第二の実施形態での測定装置の概略構成図である。第二の実施形態は、音響光信号の測定解像度をより細かく設定し、所望の解像度をより均一に得る場合等に有効である。

図１３において、装置の構成要素２−１から２−２６のうち、開口制御部２−１６と超音波絞り２−２５と２−２６以外の構成要素は、第一の実施形態における同名の構成要素と実質的に同じものであるため、詳しい説明を省略する。

超音波絞り２−２５と２−２６は、トランスデューサアレイの振動面に設けられた絞りであり、超音波を遮断するような材質、例えば吸音材からなる。超音波絞り２−２５、２−２６は超音波を通過させる開口を有しており、その開口径は、連続的に、もしくは少なくともトランスデューサアレイの素子間隔より細かく離散的に変化させることができる。開口制御部２−１６は、前記超音波絞り２−２５と２−２６を調整することによって、その開口径を所望の変化させることができる。かかる構成により、トランスデューサの開口径の設定値をより詳細に設定することができる。

（測定処理）
第二の実施形態における測定のフローを図１４に示す。以下では、図１４の各ステップについて説明する。

ステップ２０１〜２０６：
第一の実施形態におけるステップ１０１〜１０６と同じなので省略する。

ステップ２０７：
測定点１−２７（図４参照）において、単一超音波集束領域２−１０と２−１１の横集束サイズが測定の解像度に対応するように、トランスデューサアレイ２−５と２−６の開口径を設定する。開口径設定は、ステップ２０５で算出した、測定点１−２７とトランス
デューサ間の距離を基に、開口制御部２−１６により超音波絞り２−２５と２−２６の開口径を変化させることにより行う。

ステップ２０８〜２１５：
第一の実施形態におけるステップ１０８〜１１５と同じなので省略する。

（本実施形態の利点）
第二の実施形態によれば音響光信号の測定解像度をより細かく設定し、所望の解像度をより均一に得られることを説明する。

図１５は、トランスデューサアレイの駆動素子数の違いと開口径の変化を示した図である。素子自体の大きさがあるため、第一の実施形態のようなトランスデューサアレイの駆動素子数制御のみでは開口径Ｄ１とＤ２の中間の開口径を設定することが困難である。図１６は、図１５のトランスデューサアレイに超音波絞りを組み合わせた図である。図１６に示したように、Ｄ１とＤ２の間で超音波絞りの開口径を設定できるので、第一の実施形態よりも細かくトランスデューサの開口径を制御できることがわかる。すなわち、本実施形態によれば超音波の重畳領域２−１９の大きさをより細かく設定できるため、被検体１内において所望の解像度をより均一に得ることができる。

超音波として、連続超音波もしくはパルス超音波を用いることができる。それぞれの場合の効果は、第一の実施形態と同様である。

ステップ２０１とステップ２０２とステップ２０３において、第一の実施形態同様、トランスデューサの幾何学的中心軸は直交することが望ましいが、必ずしも直交させる必要はない。超音波進行方向軸も必ずしも直交する必要はない。

第一の実施形態同様、重畳領域２−１９を被検体２−１内で走査する際、トランスデューサの電子スキャンとトランスデューサの移動を組み合わせることができる。

ステップ２１２とステップ２１３において、測定対象領域を、光吸収散乱特性を得たい特定の領域のみに限定してもよい。

本実施形態においては集束型トランスデューサが２つの場合について説明したが、３つ以上用いてもよい。重畳する超音波ビームを増やすことで、重畳領域の音圧のみを音場全体に対してより高めることができる。これにより、解像度の基準として用いた半値を、より厳しい条件、例えば自然対数の逆数（1/e、e：自然対数）等に設定することが可能となる。

［第三の実施形態］
図１７は、本発明を適用できる第三の実施形態での測定装置の概略構成図である。第三の実施形態では、複数の超音波発生手段として複数の集束型トランスデューサを用いる。集束型トランスデューサとしては、例えば図１８に示す球面トランスデューサや、図１９に示すように、平面トランスデューサの全面に音響レンズを配置したトランスデューサを用いることができる。このような集束型トランスデューサを用いることにより、トランスデューサアレイを用いる場合と比較してより安価に装置を構成することができる。またトランスデューサアレイの駆動回路やアレイ素子への配線本数を省くことができ、より簡便に装置を構成することができる。

図１７において、装置の構成要素３−１から３−２５のうち、集束型トランスデューサ３−５と３−６以外の構成要素は、第二の実施形態における同名の構成要素と同じである
ため、詳しい説明を省略する。

超音波発生手段である集束型トランスデューサ３−５と３−６は、それぞれトランスデューサ移動装置３−８と３−９に取り付けられており、測定容器３−２内を移動することができる。以下で用いられる「トランスデューサ」という表現は、集束型トランスデューサ３−５と３−６を示すものである。

トランスデューサは、振動面全面が同位相で振動する。またトランスデューサは、測定装置が想定する測定最深部において、測定装置が想定する最小の解像度に対応する横集束サイズを達成できる。すなわちトランスデューサは、前記測定最深部において、所望の最小横集束サイズを実現する開口径と曲率を持つ。

トランスデューサは、被検体３−１内の単一超音波集束領域３−１０と３−１１を形成することができる。単一超音波集束領域３−１０は集束型トランスデューサ３−５により形成され、単一超音波集束領域３−１１は集束トランスデューサ３−６により形成される。単一とは、１つのトランスデューサアレイにより形成されるという意味である。ここでは、半値領域（最大音圧の半値以上の音圧を持つ領域）を超音波集束領域として扱う。単一超音波集束領域は、トランスデューサ移動装置３−８と３−９によるトランスデューサの移動により、被検体３−１内の所望の位置に形成することができる。

トランスデューサは、単一超音波集束領域３−１０と３−１１の横集束サイズ、すなわち超音波進行方向と直交する方向の超音波集束領域の幅を測定解像度に対応させることができる。横集束サイズの調節は、超音波絞り３−２４と３−２５を用いて第二の実施形態と同様の方法により行う。また、トランスデューサは、所望の位置での超音波の位相を調節することができる。

集束制御手段である重畳領域制御部３−１３は、位置制御部３−１２を制御して単一超音波集束領域３−１０と３−１１を移動させ、それぞれの音圧最大点が一致するように重畳し、重畳領域３−１８を形成する。

（測定処理）
第三の実施形態における測定のフローを図２０に示す。以下では、図２０の各ステップについて説明する。

ステップ３０１：
測定に用いる集束型トランスデューサの幾何学的曲率半径と直径などの形状を基に、集束型トランスデューサと音圧最大点の間の距離を算出する。

ステップ３０２：
被検体３−１内部において、測定されていない測定点を決定する。

ステップ３０３：
重畳領域制御部３−１３によりトランスデューサ移動装置３−８と３−９を移動させ、単一超音波集束領域３−１０と３−１１の音圧最大点の位置を測定点１−２７に設定し、測定点１−２７に重畳領域３−１７を形成するように設定する。この時、集束型トランスデューサ３−５と集束型トランスデューサ３−６により生じる超音波の進行方向軸が互いに直交するようなトランスデューサの配置が好ましい。

ステップ３０４：
測定点１−２７において、集束型トランスデューサ３−５による超音波と集束型トラン
スデューサ３−６による超音波の位相が一致するように、位相制御部３−１６で位相を設定する。位相は、集束型トランスデューサの形状から決定される音圧最大点とトランスデューサの間の距離に基づき設定される。

ステップ３０５：
測定点１−２７において、単一超音波集束領域３−１０と３−１１の横集束サイズが測定の解像度に対応するように、集束型トランスデューサ３−５と３−６の開口径を設定する。開口径の設定は、開口制御部３−１５により超音波絞り３−２４と３−２５の開口径を変化させることで行う。開口径の大きさは、集束型トランスデューサの形状から決定される音圧最大点とトランスデューサの間の距離と、測定解像度に基づき設定される。

ステップ３０６：
被検体３−１に光を照射する。

ステップ３０７：
被検体３−１に超音波を照射する。

ステップ３０８
光検出器３−１９により光信号を検出し、検出した値を測定点の座標と対応させて保存する。

ステップ３０９：
被検体３−１への光と超音波の照射を止める。

ステップ３１０：
被検体３−１内部の測定対象領域の全ての測定点の測定が完了していない場合、ステップ３０２からステップ３０９を繰り返す。測定対象領域の全ての測定が完了した場合、ステップ３１１へ進む。

ステップ３１１：
ステップ３０８で保存した測定点ごとの光信号を信号解析部３−２１において解析し、被検体３−１の光吸収散乱特性分布を算出する。

ステップ３１２：
ステップ３１１で取得した被検体３−１の光吸収散乱特性分布を、測定点と対応付けて表示装置３−２２により表示する。

（本実施形態の利点）
以上により、第一及び第二の実施形態と同様、被検体３−１内部の音響光信号測定を所望の解像度で行うことができる。

また、超音波絞り３−２４と３−２５により、重畳領域３−１８の大きさを前記測定最深部における最小の大きさ以上の範囲で調節することができ、前記最小の大きさに対応する測定解像度以上の範囲で被検体３−１内を測定することができる。特許文献１においては、開口制御手段を持たないために前記最小の大きさに対応する解像度以外では測定が難しい。被検体３−１内から比較的大きな異物を検出したい場合などに必要以上の解像度で測定しなければならず、測定点が増えて測定時間が長くなる可能性がある。第三の実施形態ではこの問題を回避するこができ、測定時間をより短く改善することができる。

超音波として、連続超音波もしくはパルス超音波を用いることができる。それぞれの場
合の効果は、第一の実施形態と同様である。

ステップ３０３において、第一の実施形態同様、集束型トランスデューサの超音波進行方向軸は直交することが望ましいが、必ずしも直交させる必要はない。

ステップ３１０において、光吸収散乱特性を得たい特定の領域のみに測定領域を限定してもよい。

本実施形態においては集束型トランスデューサが２つの場合について説明したが、３つ以上用いてもよい。重畳する超音波ビームを増やすことで、重畳領域の音圧のみを音場全体に対してより高めることができる。これにより、解像度の基準として用いた半値を、より厳しい条件、例えば自然対数の逆数（1/e、e：自然対数）等に設定することが可能となる。

第一の実施形態における生体情報測定装置の概略構成図 第一の実施形態における測定のフロー トランスデューサアレイの幾何学的な配置の概略図 トランスデューサアレイによる超音波の電子スキャンと測定点の関係概略図 単一のトランスデューサにより形成される音場（超音波ビーム） 図５の音場計算に用いた座標系 図５の音場の半値領域 ２つのトランスデューサの超音波ビームを集束点で重畳したときに形成される音場 図８の音場計算に用いた座標系 図８の音場の半値領域 被検体浅部に超音波重畳領域を形成させる際のトランスデューサアレイ開口径の設定例 被検体深部に超音波重畳領域を形成させる際のトランスデューサアレイ開口径の設定例 第二の実施形態における生体情報測定装置の概略構成図 第二の実施形態における測定のフロー トランスデューサアレイの駆動素子数の変化と開口径変化の関係 超音波絞りによるトランスデューサの開口径設定 第三の実施形態における生体情報測定装置の概略構成図 球面トランスデューサの概略図 平面トランスデューサと音響レンズの概略図 第三の実施形態における測定のフロー

符号の説明

１−１、２−１、３−１ 被検体
１−７、２−７、３−７ 光源（光源手段）
１−２０、２−２０、３−１９ 光検出器（光検出手段）
１−５、１−６、２−５、２−６ トランスデューサアレイ（超音波発生手段）
３−５、３−６ 集束型トランスデューサ
１−１４、２−１４、３−１４ 重畳領域制御部（集束制御手段）
１−１６、２−１６、３−１５ 開口制御部（開口径制御手段）
１−１７、２−１７、３−１６ 位相制御部（位相制御手段）
２−２５、２−２６、３−２４、３−２５ 超音波絞り

Claims (9)

1. 被検体に光を照射する光源手段と前記被検体内の測定位置を通過した光を検出する光検出手段とを有し、超音波による音響光学効果を利用して前記測定位置の情報を取得する生体情報測定装置において、
   互いに異なる方向の超音波ビームを送信する複数の超音波発生手段と、
   前記複数の超音波発生手段から送信される複数の超音波ビームが前記測定位置においてそれぞれ集束し、且つ、互いに交わるように前記超音波発生手段を制御する集束制御手段と、
   前記測定位置と前記超音波発生手段との間の距離に応じて前記超音波発生手段の開口径を変化させる開口径制御手段と、
   を備えることを特徴とする生体情報測定装置。
2. 前記開口径制御手段は、前記測定位置と前記超音波発生手段との間の距離が短いほど開口径が小さくなるように、前記超音波発生手段の開口径を変化させることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記開口径制御手段は、前記測定位置と前記超音波発生手段との間の距離によらず前記測定位置における超音波ビームの幅が一定となるように、前記超音波発生手段の開口径を変化させることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
4. 前記複数の超音波ビームの位相が前記測定位置において同位相となるように前記超音波発生手段を制御する位相制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の生体情報測定装置。
5. 前記超音波発生手段は、トランスデューサアレイであることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の生体情報測定装置。
6. 前記開口径制御手段は、前記トランスデューサアレイの駆動素子数を変えることにより前記開口径を変化させることを特徴とする請求項５に記載の生体情報測定装置。
7. 前記超音波発生手段は、集束型のトランスデューサであることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の生体情報測定装置。
8. 前記開口径制御手段は、前記超音波発生手段の開口に設けられた、超音波を遮断する材質からなる絞りを有しており、前記絞りを調整することにより前記開口径を変化させることを特徴とする請求項１〜５及び７のうちいずれか１項に記載の生体情報測定装置。
9. 被検体に光を照射する光源手段と前記被検体内の測定位置を通過した光を検出する光検出手段と互いに異なる方向の超音波ビームを送信する複数の超音波発生手段とを有し、超音波による音響光学効果を利用して前記測定位置の情報を取得する生体情報測定装置における、生体情報測定方法であって、
   前記複数の超音波発生手段から送信される複数の超音波ビームが前記測定位置においてそれぞれ集束し、且つ、互いに交わるように前記超音波発生手段を制御する工程と、
   前記測定位置と前記超音波発生手段との間の距離に応じて前記超音波発生手段の開口径を変化させる工程と、
   を含むことを特徴とする生体情報測定方法。

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