JP2011120795A - 光音響装置及び該装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検体表面に生じる光量ムラを把握することができ、それにより生じる画像ムラを低減させることができる光音響装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の光音響装置は、被検体に光を照射するための光源１００と、光源からの光を被検体に導くための光学系１０１と、光により被検体内で発生する音響波を受信する受信素子からなる検出器１０４と、検出器から取得される検出信号から、被検体内部の情報を取得する信号処理部１０８と、光源から照射された光を特異的に吸収する光吸収体１０２と、光吸収体から発生する音響波を受信素子が受信したときの検出信号に基づき、光源から照射される光の照射強度の分布を算出する算出部１１１と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を被検体に照射し発生する光音響波を受信する光音響装置に関する。

レーザなどの光源から生体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる生体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）がある。光音響トモグラフィーでは、光源から発生したパルス光を生体に照射し、生体内で伝播・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波を検出する（特許文献１）。すなわち、腫瘍などの被検部位とそれ以外の組織との光エネルギーの吸収率の差を利用し、被検部位が照射された光エネルギーを吸収して瞬間的に膨張する際に発生する弾性波を受信素子で受信する。この検出信号を解析処理することにより、生体内の光学特性分布、これらの情報は、被検体内の特定物質、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどの定量的計測にも利用できる。その結果、新生血管の増殖を伴う悪性腫瘍場所の特定などに利用できる。特に、光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

ＰＡＴは、局所的な被検部位で吸収されて発生する音響波を測定することで、局所的な光の吸収情報を得ることができる。被検体が平板上に固定されており、レーザによる光照射領域が被検体表面に２次元的に設定されており、光照射領域が画像化範囲に対して十分大きい場合をモデルに説明する。被検部位で発生する音響波の初期音圧Ｐは、光照射点から被検部位までの距離ｄを用いて、下の式（１）のように表される。
Ｐ（ｄ）＝Γμ_ａ（ｄ）Φ（ｄ） ・・・式（１）
ここで、
Γ：グリュナイゼン係数（熱−音響変換効率）
μ_ａ（ｄ）：距離ｄにおける位置での吸収係数
Φ（ｄ）：距離ｄにおける位置での光強度
である。弾性特性値であるグリュナイゼン係数Γは、熱膨張係数βと音速ｃの二乗の積を定圧比熱Ｃｐで割ったものである。Γは生体組織が決まればほぼ一定の値をとることが知られているので、音響波の大きさである音圧Ｐの変化を時分割で測定することによりμ_ａとΦの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布Ｈを得ることができる。そして、Ｈから局所光強度Φ（ｄ）を除算することでμ_ａ（ｄ）を求めることができる。

また、被検体表面に照射されるパルス光の光量をΦ_０とする。被検体内では光は吸収、散乱によって表面から遠ざかるに従い指数関数的に減衰する。すなわち、
Φ（ｄ）＝Φ_０・ｅｘｐ（−μ_ｅｆｆ・ｄ） ・・・式（２）
と表現できる。μ_ｅｆｆは被検体の平均的な等価減衰係数である。式（２）と式（１）から、
Ｐ（ｄ）＝Γμ_ａ（ｄ）Φ_０・ｅｘｐ（−μ_ｅｆｆ・ｄ） ・・・式（３）
となる。

米国特許第５，８４０，０２３号明細書

レーザ超音波計測においては、強力なレーザ光を光学系に導き、拡散レーザ光として被検体表面に２次元的に照射し、被検体内部から超音波を発生させる。このとき、光学系までレーザ光を導光する際に、レーザ光の強度に分布が生じる、いわゆる照射ムラが発生することがある。主な原因としては、導光手段として反射ミラーなどを用いた際に、ミラーの反射面における微細な凹凸によって、反射するレーザ光に反射ムラ、つまりスペックルを生じさせてしまうことが挙げられる。一方、レーザ光の導光手段として、光ファイバーを用い、反射ミラーを一切用いない場合においては、上記の反射面でのスペックルは生じない。しかし、光ファイバーで光路設定する際には、最終的に均一な照明分布とするために、光ファイバーへの入光と出光の角度や光軸中心を精密に管理する必要がある。光ファイバーに対する入光の光軸中心が、光ファイバーの設計で意図する光軸中心とズレしまうと、光ファイバの出光において、照明ムラが生じる可能性がある。

つまり、上記Φ_０が被検体の表面の位置によって異なってしまうのである。この被検体表面における光照射領域内での照射強度ムラは、照射光に起因して発生する光音響波信号強度にも反映されてしまうため、高精度で検査を行うためにも、照射ムラの影響を低くする工夫が求められている。

また、何らかの原因で光源や光学系に異常が生じた場合、光出力機能の異常状態を検知することが必要となる。

本発明は、このような背景技術及び課題認識に基づいてなされたものである。本発明の目的は、被検体表面に生じる光量ムラを把握することができ、それにより生じる画像ムラを低減させることができる光音響装置を提供することである。
また、別の本発明の目的は、光源や光学系に異常が生じた場合、これを簡単な構成で検知することが可能な光音響装置である。

上記課題に鑑み、本発明の光音響装置は、
被検体に光を照射するための光源と、
該光源からの光を前記被検体に導くための光学系と、
前記光により前記被検体内で発生する音響波を受信する受信素子からなる検出器と、
該検出器から取得される検出信号から、前記被検体内部の情報を取得する信号処理部と、
前記光源から照射された光を特異的に吸収する光吸収体と、
前記光吸収体から発生する音響波を前記受信素子が受信したときの検出信号に基づき、前記光源から照射される光の照射強度の分布を算出する算出部と、
を有することを特徴とする。

また、別の本発明の光音響装置は、
被検体に光を照射するための光源と、
該光源からの光を前記被検体に導くための光学系と、
前記光により前記被検体内で発生する音響波を受信する受信素子からなる検出器と、
該検出器から取得される検出信号から、前記被検体内部の情報を取得する信号処理部と、
前記光源から照射された光を特異的に吸収する光吸収体と、
前記光吸収体から発生する音響波を前記受信素子が受信したときの検出信号の強度が、前記光源又は前記光学系が正常であることを示す所定範囲の強度の範囲内にあるか否かを判定する判定部と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、光音響装置自体に光吸収体を設け、ここから発生した光音響波を検出器で受信する構成としたので、被検体表面に生じる光量ムラを把握することができ、それにより生じる画像ムラを低減させることができる。

また、別の本発明によれば、光音響装置自体に光吸収体を設け、ここから発生した光音響波の強度は、光照射の状態を反映するので、光源や光学系に異常が生じた場合、これを簡単な構成で検知することが可能である。

本発明の実施形態１による光音響装置の構成を模式的に示したブロック図である。 本発明の実施形態１において、光吸収体の配置状況を説明する図である。 本発明の実施形態１において、照射強度分布の算出原理を説明する模式図である。 本発明の実施形態１における、信号処理部の内部構成を示したブロック図である。 本発明の実施形態１における、照射プロファイル算出工程のフローチャートである。 本発明の実施形態１における、照射プロファイルの調整工程のフローチャートである。 本発明の実施形態１における、光音響波測定工程のフローチャートである。 本発明の実施形態２による光音響装置の構成を模式的に示したブロック図である。 本発明の実施形態３による光音響装置において、照射ムラの検出方法を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。

（実施形態１：光音響装置）
まず、図１を参照しながら本実施形態にかかる光音響装置の構成を説明する。本実施形態の光音響装置は、被検体の内部の情報を画像化する光音響イメージング装置である。被検体が生体の場合、光音響装置は、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目的として、生体情報の画像化を可能とする。本発明において「生体情報」とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布であり、生体内の初期音圧分布、あるいはそれから導かれる光エネルギー吸収密度分布及び、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布を示す。例えば、物質の濃度分布とは酸素飽和度などである。

本実施形態の光音響装置は、基本的なハード構成として、レーザ光源１００、光学系１０１、探触子１０４を有する。レーザ光源１００は、被検体にパルス光を照射するための光源である。以下、被検体の計測時について説明する。

生体などの被検体（不図示）は、これを両側から圧迫固定するプレート１０３ａ、１０３ｂに固定される。これらは、圧迫板ということもある。光源からのパルス光は、例えばレンズ、ミラー、光ファイバなどの光学系１０１によって、プレート１０３ａ表面に導かれ、拡散パルス光となり被検体に照射される。被検体１３の内部を伝播した光のエネルギーの一部が血管などの光吸収体に吸収されると、その光吸収体から熱膨張により音響波（典型的には超音波）が発生する。これは「光音響波」ということもある。すなわち、パルス光の吸収により、光吸収体の温度が上昇し、その温度上昇により体積膨張が起こり、音響波が発生する。このときの光パルスの時間幅は、光吸収体に吸収エネルギーを効率に閉じ込めるために、熱・ストレス閉じ込め条件が当てはまる程度にすることが好ましい。典型的には１ナノ秒から２００ナノ秒程度である。

音響波を検出するための探触子１０４は、音響波を検出する複数の受信素子からなる検出器に相当する。検出器は、被検体内で発生した音響波を検出し、アナログ信号である電気信号に変換する。この検出器から取得される検出信号は「光音響信号」ともいう。

この光音響信号から被検体内部の情報を取得する信号処理部１０８では、探触子１０４から取得した光音響信号は、受信アンプによって増幅され、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル信号としての光音響信号に変換される。このデジタル信号に対して画像再構成処理によって三次元情報に演算処理なされた後、画像表示部１０９にて被検体の光音響像が表示される。また、全ての要素はシステム制御部１１０によって制御されている。

（光源）
被検体が生体の場合、光源からは生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特定の波長の光を照射する。光源としては数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源が好ましい。光源としてはレーザが好ましいが、レーザ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。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用することができる。

なお、本実施の形態においては、単一の光源の例を示しているが、複数の光源を用いても良い。複数光源の場合は、生体に照射する光の照射強度を上げるため、同じ波長を発振する光源を複数用いても良いし、光学特性値分布の波長による違いを測定するために、発振波長の異なる光源を複数個用いても良い。なお、光源として、発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）を用いることができれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。使用する波長に関しては、生体内において吸収が少ない７００ｎｍから１１００ｎｍの領域が好ましい。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域を使用することも可能である。

（光学系）
光源から照射される光は光導波路などを用いて伝搬させることも可能である。図１で示してはいないが、光導波路としては、光ファイバが好ましい。光ファイバを用いる場合は、それぞれの光源に対して、複数の光ファイバを使用して、生体表面に光を導くことも可能であるし、複数の光源からの光を一本の光ファイバに導き、一本の光ファイバのみを用いて、すべての光を生体に導いても良い。また、主に光を反射するミラーや、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズなどの光学部品で光を導いてもよい。このような光学部品は、光源から発せられた光が被検体表面の光照射領域に所望の形状で照射されれば、どのようなものを用いてもかまわない。

前述したように、レーザ光を導光する際に光導波路において、レーザ光の強度に分布が生じる、いわゆる照射ムラが発生することがある。前述では、主な原因として、反射ミラー表面において発生するスペックルを例に挙げた。複数のミラーを用いて光導波路を設定すると、ミラーで反射するたびに複合的にスペックルが形成されることになる。最終的にどのような照射プロファイルになるかは、導波路上の全てのミラーの反射特性から予測するのことが可能ではある。しかし、使用するミラー個体の組み合わせに依存するため、メンテナンス上、部品交換した場合、照射プロファイルを再計算する必要が生じる。そのため、照射プロファイルを予測しておく方式はメンテナンス時の対応が煩雑となるため、装置の運用上好ましくない。

一方、レーザ光の導光手段として、光ファイバーを用いて光路設定する際にも、光ファイバーへの入光と出光の角度や光軸中心を精密に管理しないと、照明ムラにつながる可能性がある。

（探触子）
検出器（探触子）１０４は、音響波を検知し、電気信号に変換するものである。生体から発生する光音響波は、１００ＫＨｚから１００ＭＨｚの超音波である。そのため音響波検出器１０４には上記の周波数帯を受信できる超音波検出器が用いられる。圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量の変化を用いたトランスデューサなど音響波信号を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。本実施形態の検出器１０４は、複数の受信素子が２次元的に配置されたものがよい。このような２次元配列素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を検出することができ、検出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。また、音響波検出器１０４と被検体との間には、音波の反射を抑えるためのジェルや水などの音響インピーダンスマッチング剤を使うことが望ましい。

（プレート）
プレートは、前記拡散パルスレーザＳＰＬを光音響効果を充分損なわせないだけの光透過特性を有し、光音響波を充分損なわせないだけの超音波透過特性を持つものであることが好ましい。典型的には、アクリル、ポリメチルペンテンなどが用いられる。厚みは保持によりプレートの変形が抑えられる強度を保てればどのような厚さでも良いが、典型的には１０ｍｍ程度である。

（光吸収体）
本実施形態の光音響装置は、光源から照射された光を特異的に吸収する光吸収体１０２を有する点が特徴である。光吸収体１０２については、光吸収率の高いものであるほど、光音響波の発生効率が高くなるので、例えば黒鉛など濃色の物質を選ぶことが好ましい。このとき光吸収体１０２は、測定対象として主として特定の被検体がある場合には、該被検体の光音響特性とは明らかに異なる材質を採用することが望ましい。具体的には、例えば被検体が人体である場合には、黒色ゲルボールも有効であると考えられる。

光吸収体１０２は、装置の構成を簡略化する観点から、プレート１０３の内部又は表面上に配置されることが好ましい。図２に示すのは、プレート１０３を探触子１０４側から見たときの、光吸収体の配置状況と、被検体が配置され測定領域となる部分（実測定領域５００）との配置関係を表した図である。図２に示すように、光吸収体１０２は、測定領域以外の領域に、既知の大きさのものを配置する。

光吸収体１０２の大きさは、光吸収体１０２から発生する光音響波の周波数に影響するために、測定したい周波数帯によって決定する。本実施形態においては、生体からの光音響波の基本周波数を基準にする。光音響波の特徴としてＮ型形状波形の大きな信号が現れる。このＮ型形状波形のピークの周波数Ｆｃは
Ｆｃ＝０．６６×ｃ／Ｄ
で表すことできる。ここで、Ｄは光吸収体が球状であった場合の直径であり、ｃは生体内の音速である。ここで１ｍｍの球状の光吸収体を仮定するとＦｃ＝１ＭＨｚとなる。測定したい組織（悪性腫瘍）の大きさは１ｍｍから２０ｍｍぐらいなので、光吸収体１０２の大きさもそれと同等になる。また、光吸収体１０２の形状は球状が好ましい。光吸収体１０２から発生する光音響波の強度、周波数、伝播などが解析的に予測可能であるからである。

本実施形態では、光吸収体１０２はプレート１０３の内部に具備しているが、プレート１０３の表面にあってもよい。さらに、プレート１０３などのない構成の場合でも、探触子の表面に具備することも可能である。つまり、光吸収体１０２にレーザ光を照射可能であり、光音響波が探触子に到達するのであれば装置内のどこに光吸収体１０２があっても良い。また、本実施形態においては光吸収体１０２に照射するレーザ光源１００は通常の診断測定用のレーザ光源１００と共用であったが、別々のものを用いる構成も考えられる。

また、光吸収体１０２は複数有することも好ましい。後述するように照射強度分布の算出が簡単な手法で可能となるためである。

また、本実施形態の場合には、被検体と探触子１０４の間には圧迫板１０３が必ず存在することになる。このような場合には、圧迫板１０３の厚さを光音響波が通過する時間は無駄時間となる。つまり、レーザ光が発光された時刻から、光音響波が圧迫板１０３を通過する時間のデータは診断画像の再構成には利用できないことになる。すなわち、実際の診断測定を行う場合には、レーザ光が発光された時刻から一定時間（圧迫板１０３の厚さを光音響波が通過する時間）のデータは取得する必要がない。つまり、光吸収体１０２が圧迫板１０３の内部に存在する場合には、測定時にはその光吸収体１０２からの光音響波は測定データに悪影響を与えることはない。

（照射強度の分布の算出）
次に、プレート１０３の間に被検体が存在しない状態で光照射し、光源から照射される光の照射強度の分布を算出する手順について説明する。照射強度分布の算出原理を説明する模式図を図３に示す。ここでは複数の光吸収体１０２ａ，ｂ，ｃがプレート１０３ａ内に配置されており、これらから発生する音響波を複数の受信素子を有する探触子１０４で検出する。光吸収体１０２ａ，ｂ，ｃそれぞれの直下の受信素子を１０４ａ，ｂ，ｃとする。被検体が固定されうるプレート１０３ａに対して拡散光が照射されるとき、光吸収体１０２ａ，ｂ，ｃに照射されるパルス光の強度比が、例えば９５：１００：８５であると仮定する。光吸収体がすべて同じ材料で同じ大きさを有している場合、光吸収体１０２ａ，ｂ，ｃから発生する音響波の音圧も同様の比率となる。それぞれの光吸収体から発生した音響波は、その直下の受信素子に最も早く到達する。この場合、受信素子１０４ａ，ｂ，ｃには、同時刻に光吸収体１０２ａ，ｂ，ｃからの音響波が最初に到達する。これらの受信素子の間に感度ばらつきがない場合、それぞれの受信素子の信号強度比は、上記のように９５：１００：８５となる。すなわち、信号処理部１０８において、これら受信素子１０４ａ，ｂ，ｃの受信信号の最大振幅を算出することで、光吸収体１０２ａ，ｂ，ｃに照射された光強度を逆算することが可能である。すなわち、プレート１０３ａの光照射領域内の３点について、照射強度分布が算出できたことになる。なお、例えば受信素子１０４ｂでは、光吸収体１０２ｂからの音響波が検出された後、その他の光吸収体からの音響波も検出されるが、最も早い時刻での信号強度のみに注目すればよい。

ここで、上記のように光吸収体が複数ではなく、１つでも構わない。この場合、照射強度を求めたい位置に光吸収体を移動させ、それぞれの位置でパルス照射を行い、光吸収体の直下の受信素子における信号強度を比較すればよい。光強度分布を測定するにあたり、測定箇所が照射範囲内でＮ箇所ある場合、Ｎ回の移動及び光照射が必要となる。移動は、光照射領域と光吸収体の相対位置が変化すればよいので、光源を移動させても構わないし、プレート１０３ａを移動させるなどして光吸収体のほうを移動させても構わない。

よって、前述のように光吸収体は複数あることが好ましい。照射プロファイルを測定するためのデータ取得位置に一致するように複数の光吸収体を配置できれば、その複数の光吸収体１０２からの光音響波を探触子１０４の全素子で同時に計測することが可能となる。よって、例えばプロファイル測定したい照明範囲が探触子１０４の素子範囲であれば、１度の測定を行うだけで終了することが可能となる。

探触子１０４の各素子の中心点上に、探触子表面に十分に近い位置に光吸収体１０２を配置すると、隣の素子の中心点上に配置されたて光吸収体からの光音響波は各受信素子からみて大きな角度をもって入射することになる。探触子の素子は受信の指向性をもっており、素子に垂直に入射する音響に対する感度が最大となる。この指向特性を考えると、各素子の中心点上に光吸収体１０２を配置する場合には、隣の光吸収体からの光音響波の影響は小さい。

なお、上記の説明では探触子１０４として複数の受信素子を有するアレイトランスデューサを用いたが、本発明はそれに限定されることはなく、単一素子の探触子でも構わない。ただしこの場合、受信の指向性を考慮すると、１つの光吸収体の直下に探触子１０４を配置して、Ｎ回の光音響測定を行うほうが好ましい。

上記のように検出信号から光照射領域における照射プロファイルを算出するための信号処理を行う信号処理部１０８を図４に示す。また、照射プロファイル算出の一例をフローチャートとして図５に示す。なお、信号処理部１０８では、被検体を配置した状態での光音響測定でも被検体からの光音響信号を解析し画像を形成する。

まず、光吸収体１０２が配置されている位置まで、光源１００および探触子１０４を移動する（Ｓ１）。次に、光源１００からレーザ発光し、光吸収体１０２から発生した光音響波を探触子１０４で受信する（Ｓ２）。探触子１０４で受信した光音響波は、それぞれの受信素子が検出したアナログの光音響信号として信号処理部１０８に送られる。信号処理部１０８では、入力されたアナログの光音響信号を信号増幅器３０１にて増幅し、Ａ／Ｄ変換器３０２でデジタル信号に変換する（Ｓ３）。複数の受信素子がある場合、信号増幅器３０１やＡ／Ｄ変換器３０２は各素子ごとに存在する。

次に、デジタル変換された光音響信号について、感度補正部３０３にて、感度補正処理を行う（Ｓ４）。この処理は、素子間に感度ばらつきが存在する場合の処理である。本実施形態においては、探触子１０４の各素子間の感度ばらつきの情報は、メモリ１１２に格納されている。メモリ１１２は、例えばハードディスクや、不揮発性メモリなどの記憶装置である。メモリ１１２に格納されている素子間感度ばらつき情報に基づいて感度補正部３０３で、それぞれの素子からのデジタルデータの補正を行う。

次に、例えば前述のような算出手法に基づき、照射プロファイル算出部１１１において、探触子による検出信号から照射プロファイルを求める（Ｓ５）。被検体の光音響測定に利用するため、上記照射プロファイルをメモリ１１２に格納する（Ｓ６）。

このような構成をとれば、被検体表面に生じる光量ムラを把握することができ、それにより生じる画像ムラを後述の手法で低減させることができる。

なお、上記算出手法の説明においては、複数の受信素子を有する探触子の場合において、その直上にある光吸収体からの音響波を検出したときの検出信号にのみ着目していたが、本発明はそれに限られることはない。例えば、複数の光吸収体１０２が既知の配置関係にあれば、照射ムラがないと仮定したときの照明条件における探触子１０４の各素子で受信されるべき光音響波の強度（正解データ）は、事前に算出が可能である。光吸収体からの音響波を検出して得たデジタルの光音響信号は、画像再構成部３０４において再構成処理されることで光吸収係数の分布が求められる。ここで求められる光吸収係数の分布は、光吸収体１０２で発生した光音響波の強度と音波発生源の座標が３次元座標で表現された情報である。これら、光吸収係数の分布に対して、前記正解データで除し、想定する照明強度を乗することで、光吸収体１０２が配置されていた場所における、照射光の強度分布、つまり照射プロファイルを算出することができる。

（画像ムラ低減手法１：光照射系の補正）
本実施形態では、このようにして算出した照射プロファイル（算出部１１１の算出結果）に基づいて、照射強度の分布を減少させるように光源又は光学系を調整する照射調整手段を有することが好ましい。これにより、被検体表面に対して均一な強度のパルス光を照射することができ、被検体内の正確な情報をＰＡＴ測定で得ることができる。

本実施形態では、算出した照明プロファイルに基づき、光拡散手段を用いて均一な光拡散に調整するための調整値を算出する調整値算出部１１３（図１）が備えられている。前記照明プロファイルが、所定のばらつき具合を超えていた場合は、調整値算出部１１３において調整値算出を行い、光学調整手段１０１によって、レーザ光拡散具合を調整する。

ここで、光学調整手段とは、例えば可変形鏡と呼ばれるデバイスのように、入射光の強度分布を補正することができる光学装置を指す。可変形鏡の一つの実装形態として、２枚の圧電素子を貼り合わせたものの集合体で、場所毎にかける電圧を変えることで、鏡の形状を制御することができるようになっているものがある。可変形鏡では、照明プロファイル補正を行うための可変形鏡駆動の制御行列があらかじめ準備されている。可変形鏡の各素子に順番に電圧をかけ、それによって引き起こされる鏡面の変化を波面センサーで順次記録していくことで、各素子の駆動電圧に対する照明プロファイルのレスポンス行列が作成されている。このレスポンス行列の逆行列を求めることで、照明プロファイルの誤差に対する、可変形鏡駆動の制御行列が求まる。

本実施例においては、上記の調整値は、可変形鏡の鏡面を変形駆動するための、各素子に印加する印加電圧値である。照明プロファイルから、各素子位置における誤差信号ベクトル（以下、照明プロファイルの誤差信号）を求め、このベクトルに上記照明プロファイルのレスポンス行列を乗することで、可変形鏡にフィードバックすべき調整値が求められる。

本実施形態では、算出された照明プロファイルを利用し、可変形鏡の変形プロファイルにフィードバックすることで均一な照明プロファイルに補正する。処理の流れについて図６に示すフローチャートに沿って、説明する。本実施形態では、事前に、可変形鏡の駆動素子位置と、光吸収体１０２の配置関係が明らかになっているものとする。具体的には、下記のように配置関係を求める。

ここで、実施形態１における照明プロファイル算出の手順を実施し、照明プロファイルを取得する（Ｓ１０）。このとき、光吸収体１０２の配置とちょうど重なる部分の可変形鏡の素子の位置における光強度は、対応する照明プロファイル値で想定される。光吸収体１０２とちょうど重なる部分以外の素子位置における光強度については、直近に位置する照明プロファイル値からバイリニアで算出される平均値を適用する（Ｓ１１）。このようにして得られた照射プロファイルから照射プロファイル全領域の平均値との比率を計算し、照射プロファイルから算出した照射プロファイル誤差信号を算出する（Ｓ１２）。

照射プロファイル誤差信号を、事前に設定された任意の上限値と比較し、前記上限値を超える誤差が検出された場合は、以下の方法で、照射補正を行う。照射プロファイル誤差信号として可変形鏡駆動の制御行列に適用し、可変形鏡駆動のための入力信号を取得し（Ｓ１４）、鏡面の変形制御を行い、均一な照射プロファイルに近づけるための補正を行う。（Ｓ１５）
（画像ムラ低減手法２：検出信号の補正）
上記のように光学系を補正する以外に、被検体を光音響測定したときの検出信号を補正することもできる。すなわち、信号処理部１０８において、被検体に光を照射して被検体内で発生した音響波を検出器が受信したときの検出信号を、算出された照射強度の分布に起因する当該検出信号のばらつきを減少させるように補正することが好ましい。これにより、照射ムラがあっても、その影響を低減させて被検体内の正確な情報をＰＡＴ測定で得ることができる。また、信号処理での補正なので、光学系の調整に要するような装置構成が不要となり、コスト面で有利である。

具体的な補正方法について、被検体の光音響測定の処理の流れと共に図６のフローチャートを参照しながら説明する。本実施形態においては、光音響を測定するためにプレート１０３ａおよび１０３ｂの間に被検体が配置され、圧迫保持されているものとする。被検体の表面形状は圧迫のため一様と仮定する。

レーザ光源１００および探触子１０４を駆動し、測定位置まで移動させる（Ｓ２０）。レーザ光源１００から照射されたレーザ光は光学系１０１の導波路により導かれ、被検体内部を伝播する。被検体内部を伝播した光エネルギーの一部が、血管などの光吸収体に吸収され、光音響波となり探触子１０４で受信される（Ｓ２１）。信号増幅器３０１およびＡ／Ｄ変換器３０２により、アナログの光音響信号を増幅、デジタル化する。また、上記した探触子素子間の感度補正を行う（Ｓ２３）。信号処理部１０８内の再構成処理部３０４によって、デジタルデータを解析し、被検体内のボクセルデータを得る（Ｓ２４）。ここで、ボクセルデータとは、被検体内部を微小ブロック（ボクセル）に分割し、各ボクセルについて光吸収係数などの光学特性値を求めたデータをいう。ここまでの工程（Ｓ２１〜Ｓ２４）で、暫定的に光吸収率分布情報が算出される。

照射プロファイルの算出工程で求めた照射プロファイルを、計算空間内に、被検体表面の照射領域における点光源とみなす。前記点光源は、被検体表面において急激に減衰、拡散する。このときの光の分布を照度分布とすると、被検体の光学係数を仮定することで、前記点光源から、被検体表面における光の２次元的な分布、つまり照度分布を求めることができる（Ｓ２５）。前記照度分布と、被検体表面形状をもとに、光拡散方程式、輸送方程式またはモンテカルロ・光伝播シミュレーションなどを用いて、被検体内部に伝播した光の３次元的な光量の分布、つまり光量分布を算出する（Ｓ２６）。被検体内部の光吸収係数分布と、光量分布を用いて、対応する各々の位置で式（１）を使って、照射プロファイルを考慮した、被検体内部の光音響強度分布を取得することができる（Ｓ２７）。前述のようにして取得された光音響強度分布は、被検体内の光吸収係数の分布を３次元的に表現するものである。表示装置１０９において、２次元ないしは３次元グラフィクスで表示される（Ｓ２８）。このように本実施形態においては、ボクセルデータに対して補正を行うことで、照射ムラに起因する画像ムラを低減させることができる。

また本実施形態では、プローブの開口サイズよりも広い実測定範囲や、任意の場所に配置された光吸収体１０２からの光音響波を測定することが好ましい。このため、レーザ拡散光源の照射部分と、プローブ１０４は、両者が相対するように同期して任意の測定位置に移動するための駆動手段を有する。特に、本実施形態の場合は、プローブの駆動移動は探触子駆動部１０５であり、レーザ光源および光拡散手段を駆動するための光源駆動部１０６が、前記駆動手段に相当する。特に、光源側駆動手段においては、必ずしもレーザ光源１００および光拡散手段１０１を駆動するものである必要はない。例えば、レーザを反射するための鏡面や、光路を調整する器具など、最終的に被検査対象もしくは光吸収体１０２に拡散光が照射されるように配置された光学系部品のみが駆動される形式であっても良い。

（実施形態２）
本実施形態は、光吸収体から発生する音響波を受信素子が受信したときの検出信号の強度が、光源又は光学系が正常であることを示す所定範囲の強度の範囲内にあるか否かを判定する判定部を有することが特徴である。

図８は、本発明の実施形態２に係る光音響装置の構成を示すブロック図である。ここで、シリアルコンソール４００は、光音響波ＰＡの受信強度の上限値、下限値を設定する閾値設定手段である。本実施形態では、閾値設定手段は、例えば装置に接続したコントロールパネルや、シリアルコンソールなど、一般的なユーザインタフェースによって、使用者が受信強度の上限値・下限値を設定が可能となっている。

判定部に相当する異常光量検出部４０１は、光音響波ＰＡの受信強度を、拡散パルスレーザＳＰＬの強度とみなし、異常光量検出を行うユニットである。ユーザによって指定された受信強度の上限下限値は、記憶装置１１２に格納され、光吸収体１０２からの光音響波受信時において、異常光量検出部４０１により前記設定閾値が参照され、異常光量の判定が行われる。

このとき、光音響波ＰＡの強度が、想定より明らかに強いものが検出された場合は、レーザ光源１００から光学系１０１を含む光学系部品の故障、もしくはプローブ故障が想定される。よって、光音響波ＰＡの強度が設定された所定範囲外の場合（例えば上回っている場合）は、異常光量検出部４０１で異常検出とみなされ、エラー状態に移行し、被検体の計測を不能とする。前記エラー状態に移行した場合には、本実施形態のシステムは、レーザ発光制御を制限し、照射を止め、ユーザにエラー状況を報知し、例えば部品交換などによって不具合原因が解決されるまで、実計測作業が続行できない状態となる。

本実施形態によれば、光源や光学系に異常が生じた場合、これを簡単な構成で検知することが可能である。

（実施形態３）
図９は、本発明の実施形態３に係る光音響装置における照射ムラ検出に関する概要図である。

実施形態１，２では、プローブ１０４の各素子間の感度ばらつきが充分に無視できるか、もしくは感度ばらつきが補正されていることを前提としたシステムであった。本実施形態では、プローブの素子間ばらつきを補正する手段が無い、もしくは、プローブ素子間感度ばらつきの補正を行う前であった場合の、拡散パルスレーザ光ＳＰＬの拡散ムラ検出のための実装方法を示す。

本実施形態では、図９に示すように、光吸収体１０２と、探触子１０４の複数の素子のうち、一つの素子のみに注目して光音響波ＰＡの測定を行い、拡散パルスレーザ光の照射ムラを検出する。

図９は、探触子１０４から見た、圧迫板平面との平行平面での、照射ムラ測定の概略図である。本実施形態では、拡散光照射範囲ＲＳＺは素子の開口サイズよりも広いものとしたときを想定する。このとき、拡散光照射範囲よりも狭い領域、測定範囲５０４に関する拡散光分布に注目する。このとき、探触子１０４のもつ複数の受信素子のうち、例えば注目素子５０１のように、ひとつの素子に注目し、探触子駆動部１０５によって測定軌道５０３に沿って順次測定し、拡散光照射プロファイル測定範囲５０４全体の拡散光の分布ムラを測定する。

このとき、拡散光の分布ムラを探触子の注目素子５０１のような１素子で測定するためには、注目素子５０１と、測定範囲５０４内のうち、光強度の測定の対象となる位置、および、光吸収体１０２が照射方向に重なるように、一列に並ぶような形で制御される必要がある。実際には、光吸収体１０２はプレート１０３で固定されているので、上記３要素の相対的位置関係が、上記関係となるように、探触子駆動部１０５および光源駆動部１０６を制御する。そして、測定軌道５０３上を移動および光音響測定を繰り返すことで測定範囲５０４における光音響波を取得していく。

上記の要領で取得した光音響波信号は、前記までの、照射プロファイル算出工程と同様の処理を経て、測定範囲５０４における照射プロファイルを算出する。

（実施形態４）
本実施形態の光音響装置においては、照射ムラの測定時にだけ光吸収体１０２にパルスレーザ光が当たるよう、光吸収体１０２を複数具備するプレートを移動させる可動機構を具備する。

複数の光吸収体１０２を持つ場合、光吸収体１０２が多ければ多いほど、一度の計測でより多くの点の強度分布を求めることができる。しかしながら、複数の光吸収体１０２が存在すると、もし実施形態１のように計測領域以外に光吸収体１０２を設置すると、その分の設置面積を余分に必要とし装置の大型化を招いてしまう。それを避けるためには、計測領域の圧迫板１０３に光吸収体１０２を設置することになるが、その場合には通常の診断時の測定にも、光吸収体１０２からの光音響波が発生してしまう。もちろん、実施形態１でも説明したように、探触子１０４の側近からの光音響波は実診断時の測定には、無視されるものであるので問題ない。また、探触子１０４の受信素子から位置が遠い光音響波も探触子１０４の指向特性から入射角度が大きくなり影響が少ない。しかしながら、光吸収体１０２の数が多くなると、多くの音響波が発生し無視できない影響が出てくる。

そのため、本実施形態においては、被検体を固定するプレート１０３ａとは別に、光吸収体１０２を複数具備する特性測定板をもつ。さらに、この特性測定板を移動させるための可動機構６０２を持つ。照射ムラ測定する時に、この特性測定板６０１を探触子１０４の前に移動させる。その後、特性測定板６０１は、測定領域から移動され無駄な音響波を発生させないようにレーザ光の当たらない場所に移動される。

（実施形態５）
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。

本発明によれば、レーザ照射ムラに起因する光音響波信号強度への影響を低減させることで、より高精度な光音響波測定が可能な、光音響波測定装置を提供することができる。また、本発明ではレーザ照射ムラを検出するために、光音響波測定に用いる超音波探触子を利用することで対応が可能である。つまり、新たに検出用センサを具備させる必要なしに、低コストにレーザ照射ムラ検出を実現することが可能となっている。

また、本発明では、光音響波強度の異常な強度を検出することで、拡散光の強度異常状態を間接的に検出し、光拡散手段など光学系部品の故障または不具合が起きている事を検知することが可能であり、より安全性の高い光音響波測定装置の提供が可能となっている。

１００ レーザ光源
１０１ 光学系（光拡散手段）
１０２ 光吸収体
１０３ プレート
１０４ 探触子
１０８ 信号処理部
１１１ 照明プロファイル算出部
４００ シリアルコンソール
４０１ 異常光量検出手段

Claims (11)

1. 被検体に光を照射するための光源と、
   該光源からの光を前記被検体に導くための光学系と、
   前記光により前記被検体内で発生する音響波を受信する受信素子からなる検出器と、
   該検出器から取得される検出信号から、前記被検体内部の情報を取得する信号処理部と、
   前記光源から照射された光を特異的に吸収する光吸収体と、
   前記光吸収体から発生する音響波を前記受信素子が受信したときの検出信号に基づき、前記光源から照射される光の照射強度の分布を算出する算出部と、
   を有することを特徴とする光音響装置。
2. 前記算出部の算出結果に基づいて、照射強度の分布を減少させるように、前記光源又は前記光学系を調整する照射調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
3. 前記信号処理部が、前記被検体内で発生する音響波を前記検出器が受信したときの検出信号を、算出された照射強度の分布に起因する該検出信号のばらつきを減少させるように、該検出信号を補正することを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
4. 被検体に光を照射するための光源と、
   該光源からの光を前記被検体に導くための光学系と、
   前記光により前記被検体内で発生する音響波を受信する受信素子からなる検出器と、
   該検出器から取得される検出信号から、前記被検体内部の情報を取得する信号処理部と、
   前記光源から照射された光を特異的に吸収する光吸収体と、
   前記光吸収体から発生する音響波を前記受信素子が受信したときの検出信号の強度が、前記光源又は前記光学系が正常であることを示す所定範囲の強度の範囲内にあるか否かを判定する判定部と、
   を有することを特徴とする光音響装置。
5. 前記光吸収体から発生する音響波を前記受信素子が受信したときの検出信号の強度が、前記所定範囲外であるときに、前記被検体の計測を不能とすることを特徴とする請求項４に記載の光音響装置。
6. 前記光吸収体を複数有する請求項１乃至５のいずれかに記載の光音響装置。
7. 前記被検体を両側から圧迫固定するプレートを有し、
   前記光吸収体は、前記プレートの内部又は表面上に配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光音響装置。
8. 前記プレートのうち、前記被検体の測定領域以外に前記光吸収体を配置することを特徴とする請求項７に記載の光音響装置。
9. 前記光吸収体が配置されるプレートと、
   該プレートを移動させる可動機構と、を有し、
   該可動機構が、前記被検体を計測するときには前記光吸収体に前記光源からの光が照射されない場所に、前記プレートを移動させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光音響装置。
10. 光音響装置の制御方法であって、
    該装置に設けられた光吸収体に対して光を照射する工程と、
    前記光を受けて前記光吸収体から発生する音響波を検出器で受信する工程と、
    前記光吸収体から発生する音響波を前記受信素子が受信したときの検出信号に基づき、前記光源から照射される光の照射強度の分布を算出する工程と、
    を有することを特徴とする光音響装置の制御方法。
11. 光音響装置の制御方法であって、
    該装置に設けられた光吸収体に対して光を照射する工程と、
    前記光を受けて前記光吸収体から発生する音響波を検出器で受信する工程と、
    前記光吸収体から発生する音響波を前記受信素子が受信したときの検出信号の強度が、前記光源又は前記光学系が正常であることを示す所定範囲の強度の範囲内にあるか否かを判定する工程と、
    を有することを特徴とする光音響装置の制御方法。

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