JP2013103021A - 音響波取得装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光音響測定により取得された初期音圧を、探触子に光を照射して得られた光強度の面内分布を用いて補正・規格化することで、より正確な測定結果を得る。
【解決手段】光源と、音響波を受信して受信信号を生成する探触子と、光源が探触子に光を照射したときに発生する音響波から生成される受信信号から求められる光源の光強度の面内分布と、被検体の表面形状とに基づいて被検体の表面における光強度の空間分布を求め、光源が被検体に光を照射したときに被検体で発生する音響波から生成される受信信号と、光強度の空間分布とから、被検体の特性情報を算出する情報処理部を有する音響波取得装置を用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、音響波取得装置およびその制御方法に関する。

光源から被検体に光を照射することで得られる被検体内の特性情報を画像データとして生成する光イメージング技術の研究が医療分野で進められている。この光イメージング技術の一つとして、光音響トモグラフィ（ＰＡＴ：Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）がある。ＰＡＴにおいては、被検体に照射された光エネルギーの一部を吸収した被検体から音響波が発生する。そして被検体表面に伝播した音響波を探触子で受信し、画像再構成と呼ばれる演算を行うことにより、被検体内部の特性情報の分布が求められる。

ＰＡＴにおいて、被検体内部の初期音圧発生点（光吸収体）で発生する初期音圧ｐ_０は、以下の式（１）で表わされることが、非特許文献１に記されている。
ｐ_０＝（βｃ^２／Ｃ_ｐ）μ_ａＦ＝ΓＡ …（１）
ここで、βは体積膨張係数［Ｋ^-１］、ｃは被検体内の音速［ｃｍ／ｓｅｃ］、Ｃｐは
比熱［Ｊ／Ｋ・ｋｇ］である。また、μ_ａは光吸収係数［ｃｍ^-１］、Ｆは光強度（フル
ーエンス）［Ｊ／ｃｍ^２］、Ａは単位体積あたりの蓄積エネルギー［Ｊ／ｃｍ^３］である。Γはグルネイゼン係数であり、Γ＝βｃ^２／Ｃｐである。

式（１）で分かるように、ＰＡＴにおいて、初期音圧ｐ_０は光強度Ｆに比例する。光音響イメージングで知りたいのは被検体の光吸収係数の空間分布μ_ａ（ｘ，ｙ，ｚ）であるが、被検体から発生する初期音圧の空間分布ｐ_０（ｘ，ｙ，ｚ）は照射された光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）にも依存する。なお、Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）は座標（ｘ，ｙ，ｚ）における光進行方向のフルーエンスである。

従来、非特許文献１にみられるように、生体組織における光吸収・減衰に基づく生体内部での光強度の深度分布（Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ Ｄｅｐｔｈ）Ｆ_{ｉｎｖｉｖｏ}（ｚ）は議論されている。しかし、生体入射前の光分布、すなわち、生体表面における光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）は、「均一で一定」もしくは、光が探触子と共に移動するので「不変で一定」ということが前提である。

なお、非特許文献２では、光強度分布を光音響探触子で測定する例として、光を音に変換したパターンをフォーカス探触子で走査して測定することが提案されている。光音響効果を最初に発見したグラハム・ベルが、光を物体に照射すれば大なり小なり音が発生すると報告しているとおり、光を音に変換することは公知であり、光音響効果により発生した音波を探触子で測定することも公知である。

"Photoacoustic imaging in biomedicine", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 77, 041101 (2006), Minghua Xu and Lihong V. Wang "Photoacoustic technique to measure beam profile of pulsed laser systems ", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 80, 054901 (2009),Srivalleesha Mallidi and Stanislav Emelianov

ＰＡＴによれば、生体内での音響波の散乱が光に比べて少ないことから、数ｍｍ以下の空間的な生体情報を高解像度で得ることが可能である。ただし、式（１）から分かるように、音圧（ｐ_０）変化の測定から生体内の吸収係数分布μ_ａ（ｘ，ｙ，ｚ）を求めるために、吸収体に照射された光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める必要がある。

一般に、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）は２次元センサで測定することができる。しかし、光が３次元の被検体に照射されると、被検体の形状や、光線指向性（照射方向）などに応じて陰影が生ずるために、光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）に不均一性が生じる。このように不均一な光強度の空間分布は、２次元センサだけで測定することは難しい。照射される光に不均一性が生じると、たとえ均一な光吸収係数を持つ被検体であっても、初期音圧空間分布が不均一になってしまう。

ＰＡＴでは、探触子の受信素子で受信される複数の音響波の到達時間および強度を元に、初期音圧発生点（光吸収体）の初期音圧を逆算する再構成が行われる。このとき、音響波の強度は初期音圧発生点における光強度に比例する。そこで従来は、正確な測定を行うために、被検体に照射する光を拡散、散乱させることにより光強度を均一化していた。

ＰＡＴに一般的に用いられるレーザ光源はガウシアン分布をもつため、レーザビーム形状をフラットトップに成形するなどの既存手段を使っても、完全に拡散・均一化することは難しいという問題があった。拡散板の拡散係数を上げることにより、光強度分布の均一性を改善することは可能であるが、拡散係数が上がるほど光の透過率が下がってしまう。その結果、光量不足で光音響信号のＳＮ比が悪くなるという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光音響測定により取得された初期音圧を、探触子に光を照射して得られた光強度の面内分布を用いて補正・規格化することで、より正確な測定結果を得ることにある。

本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
光を照射された被検体から発生する音響波を取得して前記被検体の特性情報を算出する音響波取得装置であって、
光源と、
音響波を受信して受信信号を生成する探触子と、
前記光源が前記探触子に光を照射したときに前記探触子で発生する音響波から生成される受信信号から求められる前記光源の光強度の面内分布と、前記被検体の表面形状とに基づいて前記被検体の表面における光強度の空間分布を求め、前記光源が前記被検体に光を照射したときに前記被検体で発生する音響波から生成される受信信号と、前記光強度の空間分布とから、前記被検体の特性情報を算出する情報処理部と、
を有することを特徴とする音響波取得装置である。

本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、音響波を受信して受信信号を生成する探触子と、情報処理部とを有する音響波取得装置の制御方法であって、
前記光源が、前記探触子に光を照射するステップと、
前記情報処理部が、前記探触子で発生する音響波から生成される受信信号から前記光源の光強度の面内分布を求めるステップと、
前記情報処理部が、前記光強度の面内分布と、被検体の表面形状とに基づいて前記被検体の表面における光強度の空間分布を求めるステップと、
前記光源が、前記被検体に光を照射するステップと、
前記探触子が、前記被検体で発生する音響波を受信して受信信号を生成するステップと、
前記情報処理部が、前記被検体で発生する音響波に基づく受信信号と、前記光強度の空間分布とから、前記被検体の特性情報を算出するステップと、
を有することを特徴とする音響波取得装置の制御方法である。

本発明によれば、光音響測定により取得された初期音圧を、探触子に光を照射して得られた光強度の面内分布を用いて補正・規格化することで、より正確な測定結果を得ることができる。

本発明で取得された光強度分布を示す図。 本発明の光強度分布の取得方法の模式図。 本発明の吸収係数分布算出のフロー図。 本発明の被検体回転型装置における光強度分布の取得方法の模式図。 本発明の陰影計算を説明する図。 本発明の複数の測定点における測定方法を示す図。 本発明の初期音圧分布の補正方法を説明する図。 本発明の音響波取得装置の構成を示す図。 本発明の被検体回転型装置における測定を示す図。

以下に図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について説明する。ただし、発明の範囲はこれらに限定されるものではない。本発明の音響波取得装置は、被検体に光（電磁波）を照射したときに、光音響効果により被検体内の各初期音圧発生点（光吸収体）で発生した、初期音圧を持つ音響波を、探触子の受信素子により受信してアナログ電気信号である受信信号に変換する。そして、信号処理部によって受信信号を増幅、ＡＤ変換して光音響信号（デジタル化された受信信号）とする。続いて情報処理部によって画像再構成を行い、初期音圧発生点ごとの特性情報を生成する。なお音響波とは、音波、超音波などと呼ばれる弾性波を含むものであり、光音響効果により発生した音響波は特に、光音響波や光超音波と呼ばれる。

特性情報は、初期音圧や、それに基づく「光吸収係数値」、「酸素飽和度値」、「光エネルギー吸収密度」等の「光学特性値」、さらに組織を構成する物質の濃度等も含む。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度や酸化・還元ヘモグロビン濃度、グルコース濃度などである。また、「初期音圧分布」、「光吸収係数分布」や「酸素飽和度分布」等、「特性分布」を表す「画像」や、画像を生成するための画像データも得られる。
これらの特性情報は、被検体の内部に関する情報であるため、被検体情報と呼ぶこともできる。したがって本発明の音響波取得装置は、被検体情報取得装置と呼ぶこともできる。

（装置の構成）
以下に、図面を参照しつつ、装置の構成について説明する。図８は、本発明の音響波取得装置の構成を示す模式図である。音響波取得装置は、光３１を照射して、光学系７を経て光照射口３から被検体１に照射する光源６を有する。光照射を受けた被検体１の内部の光吸収体１１から、光音響効果により音響波１２が発生し被検体内部を伝播する。探触子２は音響波を受信して受信信号に変換する。信号処理部８は受信信号に増幅やＡＤ変換を行い、光音響信号を生成する。情報処理部９は各ブロックの制御や、画像再構成処理による特性情報およびその分布の生成を行う。

装置の各構成要素の要件について説明する。
光源６には、パルス光を発射可能なレーザ装置が好適に用いられる。例えば、ＹＡＧレーザやチタンサファイアレーザなど、近赤外領域に中心波長を有する光を出すレーザが使用できる。光の波長は、被検体内の光吸収体（例えばヘモグロビンやグルコース等）の波長ごとの吸収特性に応じて選択される。さらに複数の波長の光を用いることにより、被検体内の物質濃度などを好適に検出可能である。
光学系７や光照射口３には、光を被検体表面の測定位置に導き、所望の広さや形状、強度で照射するための光学部材が用いられる。例えばミラー、光ファイバー、レンズ、拡散機構などが使用できる。また、探触子や光照射口の被検体に対する位置を移動させることにより、広い範囲を測定可能となるように、走査機構を設けても良い。走査機構を連動して動作させるためには、情報処理部のプロセッサ機能を利用して制御を行えば良い。

探触子２には、光吸収体で発生し被検体を伝播する音響波の周波数に感度のある受信器が用いられる。探触子として、例えば圧電現象を用いたトランスデューサを用いることができる。

ところで、２次元光センサとしては通常、光電変換素子が用いられる。しかし本発明の特徴として、光強度の面内分布の測定に探触子が使われる。かかる探触子の表面は、ＰＺＴ（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）やＰＶＤＦ（ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ）のような圧電体、その圧電体の表面に形成された保護膜、あるいは音響整合剤などの場合があり得る。いずれの場合でも、光が当たった瞬間に光音響効果によって音響波を生じる。その音響波の強度を測定することで、音響波強度に比例した光強度を算出できる。

本発明の光強度測定に光電変換素子を使わない理由を説明する。
通常、ビームプロファイラと呼ばれる光電変換素子は光強度の適用範囲が狭いため、ＮＤフィルタやウェッジガラス反射などを用いて光強度を調整して使うことが一般的である。しかし、かかる調整操作によって、ビーム形状ならびに光強度分布が摂動を受けて、オリジナルの状態を反映しているとは言えないことが指摘されている。
さらに、光電変換素子の大きさおよび配列が、２次元配列探触子の素子配列と一致するとは限らない。そのため、光電変換素子で測定した光強度分布を２次元配列探触子の各素子に対応させることができない。また、測定した光強度分布を被検体における光強度分布に対応させることもできない。

一方、本発明で用いる探触子は、音響波には反応しやすいが、光には反応しにくい素材（例えばＰＺＴ）でできている。そのため、光照射による変質・変形・特性劣化が起こりにくく、広い範囲の強度を持つ光照射に適用できる。特に、強い強度の光を照射されたときでも、光電変換素子と比べて劣化が少ない。
なお、複数の受信素子が１次元状や２次元状に配列された探触子を用いれば、一定の面積における光強度である光強度分布を取得できる点で好ましい。特に、複数の受信素子を２次元配列し一体化した２次元配列探触子を用いることが好ましい。また、探触子と被検体との間に音響整合剤を使えば、音響波の反射を抑えることができる。

信号処理部８と情報処理部９は、例えばプログラムに従って動作する情報処理装置によって実現できる。あるいは専用の回路により実現しても良い。光源の発光制御、光源および探触子の走査制御、情報処理の結果の格納などを情報処理部に行わせても良い。信号処理部８や情報処理部９、画像表示部１０などは、本発明の音響波取得装置と一体に形成されても良く、別体であっても構わない。あるいは本発明の音響波取得装置は、別体として形成された画像表示部に、所定の補正・規格化された被検体情報を送信するものでも良い
。

装置が被検体を保持する保持板を有する場合、２枚の保持板で被検体を圧迫保持して薄く引き伸ばすことによって、光が深部まで届くようにできる。光源を配置する保持板は光の透過性の良い部材が望ましい。探触子を配置する保持板は、音響波を透過し、被検体との音響整合性が高い部材が望ましい。探触子と光源を同じ保持板に配置する場合は、双方の特性を兼ね備えていることが望まれる。なお、被検体回転型の装置においても、何らかの方法で被検体を保持し、回転させる機構が必要である。

（光を探触子に照射する方法）
以下の実施例においては、被検体が存在しない状態で探触子に光を照射する。すると、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）に比例した強度の音響波が探触子表面で発生する。さらに既存の技術により被検体の表面形状を測定する。そしてこれらの情報から、被検体表面における光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出できる。その後、実際の被検体に光照射して光音響測定をして得られた受信信号（または光音響信号）の強度を、光強度の空間分布で補正・規格化することができる。

光源から被検体への光照射方向と、探触子との位置関係には、いくつかのパターンがある。
例えば、（１）透明な２枚の保持板で被検体を挟み、保持板に光源と探触子を配置する方法がある。これには、光源と探触子を別々の保持板に配置する方法と、同じ側の保持板に配置する方法が含まれる。
また、（２）被検体の左右から光を当て、光軸と受信面の垂線を直交させる方法がある。
また、（３）被検体全体に光が当たるように、光ファイバーや拡散板などを用いて均一な方向性のない光の場を形成して、任意の位置に探触子を配置する方法もある。

（１）の場合、光を探触子に照射するのは比較的容易である。光源と探触子が別々の保持板に配置され、対向している時は、被検体を挟持しない状態で光を照射するだけで光強度分布を測定できる。このパターンについては、実施例１で説明する。
一方、光源と探触子が同じ保持板に配置されている時は、光源と対向する面にミラーを設けておき、被検体を挟持しない状態で光照射すればよい。このパターンについては、実施例３で説明する。

（２）の場合、光を探触子の方向に反射させるためのミラーを設置する。光と探触子が直角に配置されている時は、光軸と、探触子の受信面からの垂線との交点上で、光軸および垂線から４５度傾けて設置したミラーによって光を反射させると良い。この場合、探触子に入射する光は光源光の鏡像となるが、光強度分布形状は保持される。このパターンについては、実施例２で説明する。
光と探触子が直角に配置されていない時は、ミラーを用いて光を探触子方向に反射させる際に光強度分布が歪む。そのため、探触子で測定した光強度分布形状を補正することが望ましい。光線が平行光であれば補正が容易であるが、平行光でない場合でも、光の発散角に基づいて被検体位置における光強度分布を算出できる。

（３）の場合、均一な方向性のない光の場を形成しているという前提であるが、現実には光強度分布がなく均一であるということは難しい。この場合には、被検体と探触子との位置と角度を変化させて光強度分布を測定することが好ましい。

＜実施例１＞
図３のフローチャートを参照して、本実施例１における光音響測定の概要を説明する。
この装置は、まず光音響測定に用いられる光と探触子を用いて、被検体を設置しない状態で探触子に光を照射し（ステップＳ１０１）、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）を測定する（ステップＳ１０２）。
続いて、別途被検体の表面形状を測定する（ステップＳ１０３）。そして、被検体と光源との位置関係から陰影計算を行う（ステップＳ１０４）。被検体表面（ｘ，ｙ，ｚ）での規格化された光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ１０５）。被検体表面に近い部分であれば、初期音圧発生点における光強度をこのＦ（ｘ，ｙ，ｚ）で近似できる。ある程度の厚みがある被検体であれば、光伝播のシミュレーションを行う。
次に、Ｓ１０１と同じ光源と探触子を用いて、被検体を設置した状態で光照射を行う（ステップＳ１０６）。このとき光音響効果で発生した音圧および伝播時間を測定し、探触子の各受信素子で測定した音圧および伝播時間から画像再構成を行い、被検体の座標（ｘ，ｙ，ｚ）における初期音圧分布ｐ_０（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ１０７）。
さらに必要に応じて、初期音圧分布ｐ_０（ｘ，ｙ，ｚ）と光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）とから吸収係数分布μ_ａ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ１０８）。

（光強度の面内分布の測定方法）
引き続き、より詳細な実施の形態について説明する。まず、光源からの光の進行方向に垂直な面における、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）の測定方法を述べる。

図２（ａ）に、音響波取得装置における光音響測定の様子の模式図を示す。被検体１は、１対２枚の保持板４で挟持されている。一方の保持板４ｂには、光源からの光照射口３が配置されている。もう一方の保持板４ａには、音響波を受信する探触子２が配置されている。

図２（ｂ）は、音響波取得装置が被検体１を挟持しない状態を示す模式図である。探触子２は、被検体１からの音響波を観測ときと同じ位置におく。この状態で、光照射口３から光音響測定時と同じ光３１を照射すると、探触子２にそのまま光が当たる。光照射は、利用者の指示に応じた情報処理部による制御により行われる。すなわち、探触子を光の進行方向に正対させ、被検体に照射するのと同じ光を照射する。すると、探触子２の部材や音響整合層における光音響効果によって音響波が発生する。この音響波を探触子２の各受信素子が受信した受信信号の強度に基づき、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）を取得することができる。このとき、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）は、各受信素子で受信した音響波の強度のｘｙ面内分布を表わす。

なお、図２のように保持板で被検体を挟んで保持する場合、被検体の中央部分では被検体の表面形状は平らになる。そのためこのような部分では、表面形状算出のための計算量を減らすことができる。しかし、被検体の上端や下端では保持板と被検体が接触していないため、光強度の空間分布を求める前の被験体表面形状の測定が必要である。

（被検体表面形状の測定）
被検体表面の測定には、公知の光学的なキャプチャ手段や照射音波の反射を使うことができる。また、被検体形状および光源との位置から、陰影を計算すること、すなわち、シェーダを使って被検体表面各点での光強度を求めることも公知の技術である。
よって、測定した光強度の面内分布と、被検体形状および光源との位置から、三次元の起伏のある被検体表面における光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出できる。

被検体の形状や動き（モーション）のキャプチャにはビデオ式、光学式、機械式、磁気式などがある。例えば、ビデオカメラ映像やレーザ反射をベースにキャプチャするソフトウェアが複数市販されている。
ここで、被検体の動きを測定する理由は、生体などの被検体が動いている場合や、被検
体を移動させている場合（例えば回転移動）に、形状および陰影の時間変動を実測あるいは予測し、光強度の空間分布を求めるためである。また、被検体形状および光源との位置および光源の光強度分布から、陰影を計算することも公知の技術である。例えば、陰影法・光線追跡法が知られていて、ＣＧ技術を使った自動計算が可能である。

（光強度の空間分布の算出方法）
次に、被検体表面における光強度の空間分布を算出する工程を説明する。
図５は、光強度分布が一定な平行光線で、被検体が球体の場合の陰影計算のやり方を示す図である。陰影計算は、物体（被検体）の形状および光の当たる方向に基づいて陰影、すなわち光強度の空間分布を得る一般的な方法である。このように、光強度の空間分布は、被検体の表面形状とその位置に関する情報に、被検体に入射する既知である光の方向と、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）をあわせることで算出するものである。

より詳しく述べると、光の進行方向に垂直な面での光強度の面内分布をＦ（ｘ，ｙ）とする。測定済みの被検体表面形状により被検体の内部と外部を定義可能であり、外部においては光が直進するものと仮定する。被検体の照射面の光に対する傾き分布θ（ｘ）は、被検体の表面形状から算出される、被検体上の各位置における法線方向から求めることができる。そして、各位置（ｘ，ｙ）において光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）にｃｏｓθ（ｘ）をかけることで、被検体表面での光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。

本実施例では、被検体の表面形状と、表面形状に対する光の傾きθ（ｘ）を用いて、光強度の空間分布を算出した。しかし算出方法はこれに限られず、被検体の外部領域においては、光輸送方程式やモンテカルロ光伝播シミュレーション等を用いて被検体の表面までの伝播を解いて、光強度の空間分布を求めることもできる。

これを踏まえ、本実施例の説明では、光音響測定で得られた初期音圧分布を、光強度の面内分布や陰影が最も影響する被検体外部および被検体表面における、光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）で補正・規格化することを第一義に説明する。

一方、被検体の内部の光量分布については、被検体表面での光強度の空間分布を算出した結果をもとに、内部での光の伝播を解くことによって算出することが可能である。なお、生体のような被検体においては、生体表面での反射・後方散乱・前方散乱の影響により、被検体内部、特に深部の光量は外部よりも弱くなることが知られている。よって、特に乳房のように厚みのある被検体の深部においては、反射や散乱、吸収等の影響を考慮する場合もある。

（音響波の測定）
以上の前準備が済んだ後、実際の被検体を保持して光を照射すると、光源から生体に照射された光のエネルギーの一部を吸収した初期音圧発生点（光吸収体）から音響波が発生する。探触子は、音響波を受信し、その強度に応じた振幅を持つ受信信号に変換する。

図６は、被検体１の表面の複数箇所である位置１（ｐｏｓ１）〜位置４（ｐｏｓ４）で、探触子２の受信素子（２ａ〜２ｃ）が音響波を取得する様子を示している。ここで、探触子がｐｏｓ１にある時の、光吸収体１１から受信素子２ａまでの距離をｄ１１、受信素子２ｂまでの距離をｄ１２、受信素子２ｃまでの距離をｄ１３、ｐｏｓ２にあるときの、光吸収体１１から受信素子２ａまでの距離をｄ２１・・・と置く。すると、被検体の音速をｃとすると、光吸収体１１から発した音響波の、探触子がｐｏｓ１にある時の受信素子２ａへの到達時間ｔ１１は、ｔ１１＝ｄ１１／ｃで求められる。従って、光の速度が無視出来るほど速いものとすれば、光照射からｔ１１だけ経過した時点での受信素子２ａの信
号強度が、被検体をｄ１１の距離だけ伝播してきた音響波の初期音圧強度に相当する。同様に受信素子２ｂ、２ｃについても伝播時間ｔ１２、ｔ１３を求め、初期音圧強度を取得する。さらに探触子がｐｏｓ１〜ｐｓｏ４にあるときの各素子が受信した初期音圧強度を求め、これらの加算により、光吸収体１１での初期音圧が求められる。
ここでは、複数の受信素子を被検体近傍に配置させた場合を示しているが、このような配置に限らず、複数の個所で音響波が検知可能であれば良い。受信信号には、信号処理部において増幅およびＡＤ変換を施し、光音響信号に変換して出力する。

（初期音圧分布の計算および光強度の空間分布による補正）
続いて、情報処理部によって、被検体内の各初期音圧発生点における画像再構成処理を行って、初期音圧分布のデータを生成する。画像再構成には逆投影法など既知の手法を適用できる。生成された初期音圧分布をｐ_０（ｘ，ｙ，ｚ）と置く。そして、算出済みの光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）で補正する。すなわち、式（２）のように、初期音圧分布ｐ_０をＦで除算する。これにより、被検体の吸収係数の空間分布μ_ａ（ｘ，ｙ，ｚ）が得られる。
ｐ_０／Ｆ＝（βｃ^２／Ｃｐ）μ_ａ …（２）

図７に、音圧を補正する様子を模式的に示す。図７（ａ）は、ある初期音圧発生点（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）について画像再構成を行って得られた音圧強度ｐ_０（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）を示す。ここで、図７（ｂ）に示すように、この点について光強度Ｆ（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）が求められているとする。すると、補正後の音圧強度は、図７（ｃ）に示すように、ｐ_０（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）／Ｆ（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）として求められる。このような光強度による初期音圧の補正処理が、被検体の観察領域の各初期音圧発生点で行われる。

なお、光源として複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長について被検体の吸収係数（μ_a）を算出することにより、生体組織を構成する物質の濃度分布を画像化する
ことができる。すなわち、これらの光学的特性の値と、グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなどの生体組織を構成する物質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できる。
また、音響波取得装置が画像表示部を備えることにより、情報処理部の処理により得られた画像情報を表示できる。

（効果）
従来は、光音響測定において、探触子の各受信素子に対応する光強度分布を求めることができなかった。一方、本実施例の手法では、光音響測定に用いる探触子で光を直接測定した光強度を用いて光音響測定の結果を補正・規格化するため、従来よりも定量的で正確な再構成が可能になる。
さらに、従来は光強度分布をいったん音響強度分布に変換し、さらに拡散伝播した後に探触子で測定していたため、これらの変換効率・伝播効率に影響され、定量性が乏しかった。一方、本実施例の手法であればそのようなことはない。

さらに本実施例の手法であれば、被検体付近のみに光を集中して当てることができる。これは、光音響測定の際には、音響波を一般的な感度の探触子で検出するために、必要ぎりぎりの光量しか出力できないことが前提であるところ、本発明によれば被検体以外に存在しない部分に無駄に光を当てることがないため、信号強度を上げられるからである。その結果、目的の領域以外に光が照射されず、不必要な音響波が発生しないため、ＳＮ比の高い光音響イメージング像を得ることができる。

なお、被検体表面に近い部分においては、被検体中の光強度の空間分布は被検体表面の光強度の空間分布とほぼ等しいものと考えることができる。よって、被検体形状から求め
た、被検体表面における光強度の空間分布と、音響波強度とを用いて、被検体の各初期音圧発生点の特性情報を求められる。特に皮膚表面に近い部分に形成された腫瘍等を観察する場合は、初期音圧発生点における光強度を、被検体表面における光強度によって好適に近似できる。

＜実施例２＞
続いて、実施例２において、保持部位に存在する被検体を回転させて、各位置で光を照射して音響波を受信する多視点の音響波取得装置について説明する。回転型の装置は、小規模な被検体、例えばマウス等の小動物を全周的に測定するのに好適である。小動物の場合は腫瘍が皮膚表面に近い部分に形成されるため、被検体表面の光強度の空間分布によって、被検体内部の光吸収体に到達する光の強度をほぼ近似できる。よって、小動物を対象とする回転型の装置は、本発明を適用するのに好ましい。

（光強度の面内分布の測定方法）
本実施例における光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）の測定方法を述べる。
図９（ａ）は、被検体を回転させながら光音響測定を行う音響波取得装置の模式図である。被検体１は、点線で示した円周に沿って移動可能な保持板４に固定されている。光照射口３は図中の左右に配置され、それぞれ光源からの光３１ａ，３１ｂを被検体１に照射する。光音響効果によって被検体１から発生した音響波は、探触子２により受信信号に変換される。すなわち、本図の装置においては、保持部位に存在する被検体に左右から光が照射され、光の進行方向と水平に受信面が配置された探触子によって、被検体から発生し、光の進行方向から垂直な方向に進行した音響波が受信される。

このように被検体が回転する構成を実現する都合上、光の進行方向と探触子の受信面が正対していないため、探触子が実際の測定位置にある状態で被検体を保持しないで光を照射しても、光強度の面内分布が正確には測定できない。かかる装置において、実際の観測状態と同じ探触子の位置で光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）を測定する方法を説明する。

なお、被検体回転型の装置においては、光の進行方向と被検体の位置関係は随時変化し、垂直とは限らない。例えば図９（ａ）を基準の角度（０度）とすると、この基準の状態と、時計回りに４５度回転した図９（ｂ）の状態では、被検体表面における光強度の面内分布は異なったものになる点にも留意する必要がある。

本実施例の光強度の測定においては、図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、被検体が置かれていない状況で、光照射口からの光の進行方向上に所定の角度でミラー５を配置している。図９（ｃ）においては光照射口３ｂからの光３１ｂを探触子２に導くように、光３１ｂの進行方向にミラーの反射面が正対する位置から、反時計回りに４５度傾けて配置している。また図９（ｄ）においては光照射口３ａからの光ａを探触子２に導くように、光３１ａの進行方向にミラーの反射面が正対する位置から、時計回りに４５度傾けて配置している。

このようにミラーを配置することにより、光照射口からの光３１ａまたは３１ｂが９０度反射して光３１ｃとなって探触子２の受信面に入射する。入射した光が探触子の部材や音響整合剤において光音響効果を起こし、音響波を発生させる。この音響波を探触子の各受信素子が受信した受信信号、または受信信号に由来する光音響信号の強度に基づいて、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）を算出することができる。

図１に、上記の方法で求めた光強度の面内分布を例示する。図１（ａ）は、図中左側から照射された光に基づく光強度の面内分布であり、図９（ｄ）の場合に相当する。図１（ｂ）は、図中右側から照射された光に基づく光強度の面内分布であり、図９（ｃ）の場合
に相当する。探触子は１８×１８個の受信素子からなっており、各受信素子における光強度分布をグレースケール表示している。

本実施例では反射角度が９０度であるので、光のプロファイルが歪まずに、光強度の面内分布Ｆ（ｘ，ｙ）をそのまま測定できる。つまり、被検体に照射されるであろう光がプロファイルを保ったまま探触子に入射するので、探触子の各受信素子の出力を当該素子の位置における光強度に対応させられる。
一方、光の進行方向が探触子の受信面と平行ではない場合、光のプロファイルを保ったまま探触子に入射させることはできない。この場合、光が反射する角度や探触子までの距離に応じて、探触子が受信した音響波の強度に適切な補正を施すことが必要となる。

図４は、この方法によって光強度を測定する様子を示す模式図である。説明を簡便にするために、探触子２には３つの受信素子２ａ，２ｂ，２ｃが１次元配列されているものとする。図４（ａ）のように、被検体のない状態で、図中で右側の光照射口３ｂから光３１ｂを照射し、ミラー５により９０度反射させて探触子２に入射させている。ここで、矢印線の太さは光強度に対応している。探触子２の３つの受信素子２ａ，２ｂおよび２ｃは、探触子の部材や音響整合剤が発する音響波を受信する。各受信素子はそれぞれ、光強度に応じた強度を持つ音響波を受信して受信信号とする。

図４（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ受信素子２ｃ、２ｂおよび２ａが出力した受信信号または光音響信号を模式的に示したものである。縦軸は信号の強度（振幅）、横軸は時間を表す。このように、各受信素子において音響波を受信することにより、受信素子の位置に対応した光プロファイル中の位置における光強度を求めることができる。

このように光強度の面内分布を求めた後は、上記実施例１と同様に被検体の表面形状を測定し、初期音圧発生点での光強度の空間分布Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。これにより、被検体に光を照射して得られた音響波に基づく再構成した初期音圧分布を、適切に補正することが可能になる。なお、被検体が回転する構成においては、被検体と光の位置関係が変化するため、その変化に応じて表面形状を再測定するか、実施例１で述べたモーションキャプチャ技術を用いる点に留意する必要がある。

＜実施例３＞
本実施例においては、透明な２枚の保持板で被検体を挟み、保持板に光源と探触子を配置する方法のうち、光源と探触子を同じ側の保持板に配置する場合について説明する。
このような場合、光強度の面内分布を求めるためには、光源と対向する面にミラーを設けておき、被検体を挟持しない状態で光照射すればよい。このとき探触子から出力される受信信号、または受信信号に由来する光音響信号の強度に基づき、光強度の面内分布を算出することができる。

図１（ｃ）に、算出された光強度の面内分布の例を示す。この場合、被検体位置での光強度が鏡像反転された図が得られる。これ以降は、実施例１と同様に被検体表面形状を求め、実測された初期音圧分布を補正・規格化すれば良い。

一方、図１（ｄ）に示したのは、光路の途中に拡散板を入れてレーザを広げた状態で、本実施例の手法により光強度の面内分布を取得したものである。このように、拡散板があったとしてもある程度の光の不均一性は残ってしまうので、本発明の補正・規格化は好ましく適用できる。図１（ｃ）と図１（ｄ）のいずれが良いかは光音響測定の目的や対象範囲によって異なるが、いずれの状態であったとしても、本発明を適用することに問題はない。

２：探触子、３：光照射口、３１：光、６：光源、８：信号処理部、９：情報処理部

Claims (6)

1. 光を照射された被検体から発生する音響波を取得して前記被検体の特性情報を算出する音響波取得装置であって、
   光源と、
   音響波を受信して受信信号を生成する探触子と、
   前記光源が前記探触子に光を照射したときに前記探触子で発生する音響波から生成される受信信号から求められる前記光源の光強度の面内分布と、前記被検体の表面形状とに基づいて前記被検体の表面における光強度の空間分布を求め、前記光源が前記被検体に光を照射したときに前記被検体で発生する音響波から生成される受信信号と、前記光強度の空間分布とから、前記被検体の特性情報を算出する情報処理部と、
   を有することを特徴とする音響波取得装置。
2. 前記情報処理部は、前記被検体の各初期音圧発生点における初期音圧を、前記光源が前記被検体に光を照射したときに前記被検体で発生する音響波から生成される受信信号に基づいて算出し、当該初期音圧を前記光強度の空間分布から求められる前記初期音圧発生点における光強度で補正することにより、前記被検体の特性情報を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響波取得装置。
3. 前記被検体を保持する２枚の保持板をさらに有し、
   一方の保持板に前記光源が、もう一方の保持板に前記探触子が配置されており、
   前記情報処理部は、前記保持板が前記被検体を保持していない状態で前記光源が光を照射した時に前記探触子で発生する音響波から生成される受信信号から、前記光源の光強度の面内分布を求める
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響波取得装置。
4. 前記被検体を保持する２枚の保持板をさらに有し、
   前記光源と前記探触子は、同じ側の保持板に配置されており、
   前記情報処理部は、前記保持板が前記被検体を保持していない状態で前記光源から照射された光が、前記光源および前記探触子が配置されていない側の保持板に配置されたミラーによって反射されたときに、前記探触子で発生する音響波から生成される受信信号から、前記光源の光強度の面内分布を求める
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響波取得装置。
5. 前記光源は、前記被検体の保持部位に左右から光を照射するものであり、
   前記探触子は、前記光の進行方向から垂直に進行した音響波を受信する位置に配置されており、
   前記情報処理部は、前記被検体が存在しない状態で前記光源から照射された光が、前記被検体の保持部位に配置されたミラーによって反射されたときに、前記探触子で発生する音響波から生成される受信信号から、前記光源の光強度の面内分布を求める
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響波取得装置。
6. 光源と、音響波を受信して受信信号を生成する探触子と、情報処理部とを有する音響波取得装置の制御方法であって、
   前記光源が、前記探触子に光を照射するステップと、
   前記情報処理部が、前記探触子で発生する音響波から生成される受信信号から前記光源の光強度の面内分布を求めるステップと、
   前記情報処理部が、前記光強度の面内分布と、被検体の表面形状とに基づいて前記被検体の表面における光強度の空間分布を求めるステップと、
   前記光源が、前記被検体に光を照射するステップと、
   前記探触子が、前記被検体で発生する音響波を受信して受信信号を生成するステップと、
   前記情報処理部が、前記被検体で発生する音響波に基づく受信信号と、前記光強度の空間分布とから、前記被検体の特性情報を算出するステップと、
   を有することを特徴とする音響波取得装置の制御方法。

Images