JP2015073577A - 光音響装置、光音響装置の作動方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】光音響波の反射波に対応する成分による光学特性情報の定量性の低下を抑制することができる光音響装置を提供する。
【解決手段】光音響装置は、特定の領域に送信音響波を送信する音響波送信部と、音響波送信部から送信される送信音響波の送信波形を制御する制御部と、音響波が特定の領域に到達するときに特定の領域を含む領域に照射される光を発する光源と、音響波を受信して時系列の受信信号を出力する音響波受信部と、時系列の受信信号に基づいて光学特性情報を取得する信号処理部とを有し、制御部は、音響波送信部から送信される送信音響波により特定の領域で発生する光音響波の振幅を低減するように送信波形を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は光音響波を利用して光学特性情報を取得する光音響装置、光音響装置の作動方法、およびプログラムに関する。

レーザなどの光源から生体などの被検体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる被検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、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ（ＰＡＩ：光音響イメージング）がある。光音響イメージングでは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝搬・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した被検体組織から発生した音響波（典型的には超音波）を受信し、その受信信号に基づき被検体情報をイメージング（画像化）する。

すなわち、腫瘍などの対象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（光音響波）を探触子で受信する。この受信信号を数学的に解析処理することにより、被検体内の光学特性分布、特に、初期音圧分布、光エネルギー吸収密度分布あるいは吸収係数分布などを得ることができる。

これらの情報は、被検体内の特定物質、例えば、血液中の酸素飽和度などの定量的計測にも利用できる。近年、この光音響イメージングを用いて、小動物の血管像をイメージングする前臨床研究や、この原理を乳がんなどの診断に応用する臨床研究が積極的に進められている（非特許文献１）。光音響イメージングでは、通常、被検体内部にある光吸収体の光学特性分布を画像化することを目的とする。

"Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ： Ｉｎ Ｖｉｖｏ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｆｒｏｍ Ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ ｔｏ Ｏｒｇａｎｓ、 Ｌｉｈｏｎｇ Ｖ．Ｗａｎｇ Ｓｏｎｇ Ｈｕ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ３３５、１４５８（２０１２）" "Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｍｙｏｃａｒｄｉａｌ ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｂｌａｔｉｏｎ： ｉｎｉｔｉａｌ ｉｎ ｖｉｖｏ ｒｅｓｕｌｔｓ"，Ｆａｈｅｙ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ， Ｖｏｌｕｍｅ ５２， Ｉｓｓｕｅ ４， Ａｐｒｉｌ ２００５ Ｐａｇｅ（ｓ）： ６３１−６４１

しかしながら、光吸収体から発生する光音響波は光吸収体の形状を起点に、等方的に送信され伝搬される。そして、探触子は、探触子に光吸収体から直接伝搬した光音響波のほかに、光吸収体で発生した光音響波が被検体内部で反射することにより発生した反射波も受信する。反射波は光が照射されたときに発生した音響波ではないため、この反射波の成分を含む受信信号から得られる光学特性情報の定量性の低下の原因となる。

そこで、本発明は、光音響波の反射波に対応する成分による光学特性情報の定量性の低下を抑制することができる光音響装置を提供することを目的とする。

本明細書が開示する光音響装置は、特定の領域に送信音響波を送信する音響波送信部と、音響波送信部から送信される送信音響波の送信波形を制御する制御部と、音響波が特定の領域に到達するときに特定の領域を含む領域に照射される光を発する光源と、音響波を受信して時系列の受信信号を出力する音響波受信部と、時系列の受信信号に基づいて光学特性情報を取得する信号処理部とを有し、制御部は、音響波送信部から送信される送信音響波により特定の領域で発生する光音響波の振幅を低減するように送信波形を制御する。

本明細書が開示する光音響装置によれば、光音響波の反射波に対応する成分による光学特性情報の定量性の低下を抑制することができる。

第１の実施形態に係る光音響装置の模式図 第１の実施形態に係る光音響装置の作動フローを示す図 音響波の時間進展を示す図 音響波の時間進展を示す別の図 時系列の光音響信号を示す図 第２の実施形態に係る光音響装置の作動フローを示す図

まず、本明細書が開示する光音響装置は、特定の領域に送信音響波を送信する。次に、本明細書が開示する光音響装置は、送信音響波が特定の領域に到達するときに、特定の領域を含む領域に光を照射し、特定の領域で光音響波を発生させる。これにより、特定の領域に送信された送信音響波と特定の領域で発生した光音響波とが重ね合わせられて干渉波を形成する。

このとき本明細書が開示する光音響装置は、特定の領域で発生した光音響波の振幅を低減するように特定の領域に送信する送信音響波の波形を制御する。すなわち、本明細書が開示する光音響装置は、干渉波の振幅が特定の領域で発生した光音響波の振幅よりも小さくなるように送信音響波の送信波形を制御する。そのため、干渉波が反射することにより発生する反射波の振幅は、特定の領域で発生した光音響波が反射することにより発生する反射波の振幅よりも小さくなる。

また、本明細書が開示する光音響装置は、干渉波を含む光音響波の受信信号から光学特性情報を取得する。このように取得された光学特性情報は、特定の領域で発生した光音響波の反射波の成分が低減された情報となる。

以上、本明細書が開示する光音響装置によれば、光音響波の反射波に対応する成分による光学特性情報の定量性の低下を抑制することができる。

特に光が直接照射された部分、例えば被検体表面の皮膚、探触子表面などに配置される音響レンズなどから発生する光音響波は振幅が大きいため、その反射波の振幅も大きくなる。そのため、このような反射波によって光学特性情報の定量性も大きく低下してしまう。そこで、各実施形態では、被検体の表面で発生した光音響波の振幅が低減するように送信する送信音響波の波形を制御する場合を説明する。すなわち、各実施形態では光が照射された被検体の表面を反射波源として説明する。

なお、光学特性情報としては、光音響波の初期音圧分布、光エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布、および被検体を構成する物質の濃度分布などが挙げられる。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。

また、本明細書における反射波は散乱により発生した音響波を含む。

以下、添付図面に従って本発明に係る光音響装置の実施の形態について詳説する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
以下、図１を用いて本実施形態に係る光音響装置を説明する。図１は、本実施形態に係る光音響装置を模式的に図示したものである。

本実施形態に係る光音響装置は、光源１１０、光学系１２０、トランスデューサアレイ１３０、音響整合材１４０、制御部および処理部としてのコンピュータ１５０、表示部１６０、入力部１７０、形状取得部１８０、移動部１９０を有する。なお、トランスデューサアレイ１３０は、被検体１００に音響波を送信する音響波送信部としての機能を備える。また、トランスデューサアレイ１３０は、音響波を受信する音響波受信部としての機能を備える。

次に、図２を用いて本実施形態に係る光音響装置の作動を説明する。なお、コンピュータ１５０が光音響装置を構成する各構成の作動を制御している。

（Ｓ１００：被検体の表面に音響波を送信する工程）
トランスデューサアレイ１３０は、次工程（Ｓ２００）において被検体１００の表面１０５で発生する光音響波１０４ｂの振幅を低減するように、被検体１００の表面１０５に送信音響波としての音響波１０２ａを送信する。本実施形態においてコンピュータ１５０は、被検体１００の表面１０５に到達したときの音響波１０２ａの波形が光音響波１０４ｂの逆位相となるように、トランスデューサアレイ１３０から送信される音響波の波形を制御する。

音響波１０２ａは、被検体１００の表面１０５で一部反射してエコー１０２ｄの成分となり、一部は透過して音響波１０２ｂの成分になる。音響波１０２ｂは反射体としての光吸収体１０１で反射し、エコー１０２ｃが発生する。

＜送信波形の決定方法＞
以下、光音響波１０４ｂの逆位相の波形を再現するためにトランスデューサアレイ１３０から送信すべき波形を決定する方法の例を説明する。なお、光音響波１０４ｂの逆位相の波形を再現できる限り、以下の方法に限らない。

まずコンピュータ１５０は、被検体１００の表面１０５（反射波源）のサイズや形状に基づいて光音響波１０４ｂの波形を推定する。光音響波においては、物体の形状に依存して周波数特性が異なる波形が生成される。この一般解としては光吸収体の形状がスラブ形状の場合は上に凸の波形となり、球形状の場合はＮ型の波形になることが知られている。そのため、反射波源の形状から反射波源で発生する光音響波の波形を推定することができる。

続いて、コンピュータ１５０は、推定された光音響波１０４ｂの波形に対して離散フーリエ変換して各周波数に分離したのち、それぞれの周波数項に位相を１８０度分付与し、光音響波１０４ｂの逆位相の波形を取得することができる。

続いて、コンピュータ１５０は、推定された光音響波１０４ｂの逆位相の波形を再現するためにトランスデューサアレイ１３０から送信すべき波形を光音響の波動方程式により計算することができる。なお、コンピュータ１５０は、再現したい波形に応じて、光音響波の波動方程式により送信すべき波形を適宜計算することができる。

また、コンピュータ１５０は、コンピュータ１５０内の記憶部１５１に格納された複数の送信波形データから被検体１００の表面１０５で発生する光音響波１０４ｂの逆位相に対応する送信波形データを選択し、送信波形とすることができる。このとき、コンピュータ１５０は、形状取得部１８０により取得された被検体１００の表面１０５の形状情報に基づいて、送信波形データを選択することができる。

＜送信波形の振幅＞
ところで、送信波形の振幅が小さいと、発生時の音響波１０２ｂの振幅が次工程（Ｓ２００）で発生する光音響波１０４ｂの振幅よりも小さくなる可能性があり、反射波１０４ｃの振幅を低減する効果は小さい。一方、送信波形の振幅を大きくすると、音響波１０２ｂの振幅が光音響波１０４ｂよりも大きくなる可能性があり、音響波１０２ｂのエコー１０２ｃの振幅が大きくなってしまう。これらの場合、後の工程（Ｓ４００）で取得される光学特性情報に反射波１０４ｂまたはエコー１０２ｃに基づく虚像が現れてしまう可能性がある。

そこでコンピュータ１５０は、光音響波１０４ｂの振幅と音響波１０２ｂの振幅との差が小さくなるように、送信波形の振幅を決定することが好ましい。コンピュータ１５０は、光音響波１０４ｂの振幅と発生時の音響波１０２ａの振幅とを一致させるように送信波形の振幅を決定することがより好ましい。

また、コンピュータ１５０は、被検体内での減衰の影響を考慮して送信波形の振幅を決定することが好ましい。なお、音響波の減衰は周波数によって異なるため、送信波形の周波数毎に異なる値で補正することが好ましい。

また、コンピュータ１５０は、反射源における光量値および典型的な吸収係数に基づいて、反射源で発生する光音響波の振幅（初期音圧）を推定し、音響波１０２ｂの振幅が推定された光音響波の振幅となるように送信波形の振幅を制御することができる。

また、ユーザーが入力部１７０により送信波形の振幅を設定できるようになっていてもよい。これにより、ユーザーは表示部１６０に表示された光学特性情報を確認しながら、虚像が低減される送信波形の振幅を適宜設定することなどができる。

＜音響波の送信手法＞
トランスデューサアレイ１３０は、以上のように決定された送信波形を次のような方法で送信することができる。

トランスデューサアレイ１３０は、非特許文献２に記載されたようなＡＲＦＩ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ）など既知の手法を用いて反射波源の形状に沿って仮想点音源を多数形成して音響波１０２ｂを形成することができる。このとき、コンピュータ１５０は、形状取得部１８０により取得された形状情報に基づいて、仮想点音源を形成する位置を決定することができる。コンピュータ１５０は、決定された位置に仮想点音源を形成するようにトランスデューサアレイ１３０の送信波形を制御することができる。

また、本実施形態のように、反射波源（被検体１００の表面１０５）が平面形状であるような場合、反射波源では平面波形の光音響波が発生するので、トランスデューサアレイ１３０は面内方向で位相がそろったフラットな平面波を送信することが好ましい。

本実施形態において、トランスデューサアレイ１３０は音響波１０２ｂの波形が光音響波１０４ｂの逆位相となるように送信波形を決定し、光音響波１０４ｂの振幅の低減を図った。ただし、反射波源で発生する光音響波の振幅を低減できる限りこの方法に限らない。すなわち、送信波形が、反射波源で発生する光音響波の逆位相でなくとも、反射波源で発生する光音響波の振幅を低減できる波形であればよい。

（Ｓ２００：被検体の表面に送信された音響波が到達したときに光を被検体に照射する工程）
Ｓ１００で送信された音響波１０２ａが被検体１００の表面１０５に到達すると推定されるタイミングに光源１１０がパルス光１２１を発し、光学系１２０を介してパルス光１２１が被検体１００に照射される。このとき、照射されたパルス光１２１が光吸収体１０１に吸収され、光吸収体１０１が瞬間的に膨張することにより光音響波１０３が発生する。

一方、被検体１００の表面１０５でもパルス光１２１は吸収され光音響波が発生する。被検体１００の表面１０５で発生する光音響波は、トランスデューサアレイ１３０の方向に発生する光音響波１０４ａと、トランスデューサアレイ１３０とは逆の方向に発生する光音響波１０４ｂとに大別される。光音響波１０４ａは、音響整合材１４０内を伝搬し、トランスデューサアレイ１３０に到達する。光音響波１０４ｂは、被検体１００内を伝搬し、光吸収体１０１で反射し、反射波１０４ｃが発生する。

図３は、比較例として被検体１００の表面１０５で発生した光音響波の波形の進展を示す。被検体１００の表面１０５で発生した光音響波は等方的に広がるため、時間とともにトランスデューサアレイ１３０の方向３０２とトランスデューサアレイ１３０とは逆の方向３０３へ進展している。

図４は、音響波１０２ａが被検体１００の表面１０５に到達したときに光音響波１０４ａおよび１０４ｂが発生する場合の音響波の進展を示す。

まず、Ｓ１００において、図４（ａ）に示すタイミングでトランスデューサアレイ１３０は音響波１０２ａを送信する。図４（ａ）から図４（ｃ）に示す時間経過において、音響波１０２ａはトランスデューサアレイ１３０とは逆の方向３０３に伝搬する。

次に、Ｓ２００において、図４（ｄ）に示すタイミングで光源１１０はパルス光１２１を発生し、パルス光１２１が被検体１００に照射される。そして、被検体１００の表面１０５で光音響波１０４ａおよび１０４ｂが発生する。さらに、光吸収体１０１で光音響波１０３が発生する。一方、音響波１０２ａは図４（ｄ）に示すタイミングで被検体１００の表面１０５に到達し、被検体１００の表面１０５で発生する光音響波１０４ａおよび１０４ｂと干渉する。

続いて、光音響波１０４ａとエコー１０２ｄとの干渉波および光音響波１０３は、トランスデューサアレイ１３０の方向３０２に進展する。一方、音響波１０２ｂと光音響波１０４ｂとの干渉波は、トランスデューサアレイ１３０とは逆の方向３０３に進展する。なお、本実施形態では、エコー１０２ｄが光音響波１０４ａと比べて無視できる程小さい場合を想定して説明する。

図４（ｅ）および（ｆ）に示すタイミングにおいては、音響波１０２ｂと光音響波１０４ｂとが干渉し、光音響波１０４ｂの振幅が低減されていることが理解される。すなわち、音響波１０２ｂと光音響波１０４ｂとの干渉波の振幅は、図３（ｂ）および（ｃ）で示す光音響波１０４ｂの振幅よりも小さくなっている。そのため、音響波１０２ｂと光音響波１０４ｂとの干渉波による反射波の振幅も、光音響波１０４ｂの反射波の振幅よりも小さくなる。

一方、光吸収体１０１で発生した光音響波１０３は、他の音響波とトランスデューサアレイ１３０の方向３０２に進展する干渉波を形成しない。すなわち、他の音響波との干渉による光音響波１０３の振幅の低下は少ない。そのため、発生時の光音響波１０３の振幅はほぼ維持されたままトランスデューサアレイ１３０に到達する。

＜発光タイミング＞
コンピュータ１５０は、Ｓ１００で送信された音響波１０２が被検体１００の表面１０５に到達したと推定されるタイミングに、光源１１０がパルス光を発するように制御する。到達タイミングは音響波１０２ａのトランスデューサアレイ１３０から被検体１００の表面１０５までの伝搬時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）を推定することにより決定することができる。コンピュータ１５０は、トランスデューサアレイ１３０と被検体１００の表面１０５との距離および音響波１０２ａの伝搬経路での平均音速から伝搬時間を推定することができる。なお、その他伝搬時間を推定できる方法であればいかなる方法を採用することができる。

なお、反射波源で発生した光音響波の振幅を低減する上で送信された音響波の伝搬時間が無視できる程度である場合、トランスデューサから音響波が送信されたタイミングに光源が光を発生させてもよい。

（Ｓ３００：音響波を受信して時系列の受信信号を取得する工程）
この工程では、トランスデューサアレイ１３０が、Ｓ１００、Ｓ２００で形成された音響波を受信して、音響波をアナログ信号である時系列の受信信号Ｓ１（ｔ）に変換する。ｔは時間を表し、ｔ＝０は光源１１０がパルス光１２１を発生したタイミングとする。すなわち、コンピュータ１５０は、光源１１０がパルス光１２１を発生したタイミングに受信信号の取得を開始するように制御する。例えば、コンピュータ１５０は、トランスデューサアレイ１３０の駆動やトランスデューサアレイ１３０から出力された受信信号のメモリへの格納などを制御することにより、受信信号の取得を制御することができる。

また、コンピュータ１５０は、トランスデューサアレイ１３０から出力された時系列の受信信号に増幅およびＡＤ変換の処理を施し、記憶部１５１に格納する。なお、時系列の受信信号はトランスデューサアレイ１３０から出力されたアナログ信号も、ＡＤ変換された後のデジタル信号も含む概念である。

図５は、本工程で得られた時系列の受信信号Ｓ１（ｔ）を示す。まず、トランスデューサアレイ１３０は、トランスデューサアレイ１３０の方向に伝搬した光音響波１０４ａとエコー１０２ｄとの干渉波を受信して受信信号５０１を取得する。続いて、トランスデューサアレイ１３０は、光吸収体１０１で発生した光音響波１０３を受信して受信信号５０２を取得する。続いて、トランスデューサアレイ１３０は、光音響波１０４ｂと音響波１０２ｂとの干渉波の反射波（反射波１０４ｃとエコー１０２ｃとの干渉波）を受信して受信信号５０３を取得する。Ｓ１００において、音響波１０２ｂと光音響波１０４ｂとの干渉波の振幅は、光音響波１０４ｂの振幅よりも小さくなる送信波形としているため、受信信号５０３の振幅は小さくなっている。一方、光吸収体１０１で発生した光音響波１０３の振幅はほぼ維持されてトランスデューサアレイ１３０に到達するので、受信信号５０２の振幅は発生時の光音響波１０３の振幅とほぼ変わらない。

なお、エコー１０２ｄの振幅が光音響波１０４ａの振幅と比べて無視できない大きさである場合、光音響波１０４ａの振幅はエコー１０２ｄとの干渉により維持されない。そこで、コンピュータ１５０は、エコー１０２ｄの振幅を推定し、推定されたエコー１０２ｄの振幅に基づいて光音響波１０４ａの振幅を復元してもよい。

＜トランスデューサアレイの配置＞
本実施形態において、音響波を送信する音響波送信部および音響波を受信する音響波受信部は単一のトランスデューサアレイ１３０であり、いずれも被検体１００の表面１０５（反射波源）の片側に配置されていた。そのため、被検体１００の表面１０５から発生した光音響波１０４ａおよび光音響波１０４ｂのうち、トランスデューサアレイ１３０とは逆方向に発生する光音響波１０４ｂの振幅を選択的に低減することができた。ただし、本発明によれば、反射波源で発生する光音響波のうち、振幅を低減したい光音響波の発生方向（伝搬方向）に応じて音響波送信部および音響波受信部の配置を決定することができる。

例えば、ユーザーが入力部１７０により光音響波の振幅を低減したい特定の領域および特定の方向を設定する。続いて、コンピュータ１５０が、設定された特定の領域および特定の方向の情報に基づいて、音響波送信時のトランスデューサアレイ１３０の位置および音響波受信時のトランスデューサアレイ１３０の位置を決定する。そして、コンピュータ１５０により決定されたトランスデューサアレイ１３０の位置に、移動部１９０がトランスデューサアレイ１３０を移動させることができる。

（Ｓ４００：時系列の受信信号に基づいて光学特性情報を取得する工程）
コンピュータ１５０が、Ｓ３００で取得した時系列の受信信号Ｓ１（ｔ）に基づいて、被検体１００の光学特性情報を取得する。コンピュータ１５０は、光音響波１０４ｂの反射波１０４ｃよりも振幅が小さい反射波の受信信号５０３を含む時系列の受信信号Ｓ１（ｔ）に基づいて光学特性情報を取得している。また、コンピュータ１５０は、発生時の光音響波１０３の振幅がほぼ維持された時系列の受信信号Ｓ１（ｔ）に基づいて光学特性情報を取得している。そのため、本実施形態においては、光音響波１０４ｂの反射波１０４ｃによる定量性の低下が抑制された光学特性情報を取得することができる。

例えば、コンピュータ１５０は、公知の画像再構成により時系列の受信信号Ｓ１（ｔ）から光学特性情報としての光音響波の初期音圧分布を取得することができる。また、コンピュータ１５０は、Ｓ２００において被検体１００に照射された光の被検体１００内での光量分布を取得し、初期音圧分布を光量分布で補正することにより、光学特性情報としての吸収係数分布を取得することができる。さらに、コンピュータ１５０は、複数の波長の光を用いてそれぞれの波長に対応する吸収係数分布を取得し、それらの吸収係数分布を用いて光学特性情報としての被検体１００を構成する物質の濃度を取得することができる。

以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成について説明する。

（被検体１００及び光吸収体１０１）
これらは本発明の光音響装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。本発明の光音響装置は、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する。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頸部、腹部などの診断の対象部位が想定される。

また、被検体内部にある光吸収体としては、被検体内部で相対的に吸収係数が高いものとする。例えば、人体が測定対象であればオキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビン、メト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光吸収体の対象となる。その他、頸動脈壁のプラークなどもその対象となる。

（光源１１０）
光源としては、数ナノから数マイクロ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。具体的には効率的に光音響波を発生させるため、１０ナノ秒程度のパルス幅が使われる。光源としては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。使用する光源の波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長を使うことが望ましい。具体的には、被検体が生体の場合、５００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。

（光学系１２０）
光学系１２０は、光源から出射された光を所望の光分布形状に加工しながら被検体１００に導く部材である。光学系１２０は、レンズやミラーなどの光学部品や光ファイバなどの光導波路などにより構成される。例えば光学部品としては、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、光を拡散させる拡散板などである。このような光学系１２０は、光源から発せられた光が被検体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。なお、光はレンズで集光させるより、ある程度の面積に広げる方が生体への安全性ならびに診断領域を広げられるという観点で好ましい。また、光が照射された領域に音響波を送信しやすくなるため、光学系１２０はトランスデューサアレイ１３０の直下に照明できるように構成されていることが好ましい。

（トランスデューサアレイ１３０）
トランスデューサアレイ１３０に用いられるトランスデューサは、圧電現象、光の共振、静電容量の変化等を用いたものなど、音響波を送受信できるものであれば、どのようなトランスデューサを用いてもよい。

なお、トランスデューサアレイ１３０は、本実施形態のように音響波の送受信機能を兼ねることにより、同一領域での音響波の受信や省スペース化などを行いやすくなる。ただし、音響波送信部および光音響波受信部の機能をそれぞれ異なるトランスデューサアレイによって構成してもよい。

（音響整合材１４０）
音響整合材１４０は本発明の光音響装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。音響整合材１４０は、被検体１００とトランスデューサアレイ１３０との間に設けられることにより、被検体１００とトランスデューサアレイ１３０との音響整合を図る部材である。音響整合材１４０としては、水、オイル、アルコールなどから構成されるジェルなどが用いられる。

（コンピュータ１５０）
典型的にはワークステーションなどが用いられ、補正処理や画像再構成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。なお、本実施形態においてコンピュータ１５０が実行するそれぞれの処理を、それぞれ別の装置としてもよい。

また、ワークステーションで行うようなソフトウェア処理ではなく、ハードウェア処理により被検体の音響インピーダンスなどの特性や、光学特性情報を取得することもできる。

コンピュータ１５０内の演算部１５２は、トランスデューサアレイ１３０から出力された電気信号に対して所定の処理を施すことができる。

また、演算部１５２が光音響装置を構成する各構成の作動を制御することができる。例えば、演算部１５２は、光源から発生するパルス光の発光タイミングの制御し、パルス光をトリガー信号として電気信号の送受信のタイミングを制御することができる。演算部１５２は、トランスデューサアレイ１３０の各トランスデューサの送信波形を制御することにより、トランスデューサアレイ１３０が送信する音響波の波面を任意に制御することができる。

すなわち、演算部１５２は、信号処理部や制御部など複数の機能を担うことができる。

演算部１５２は、典型的にはＣＰＵ、ＧＰＵ、Ａ／Ｄ変換器などの素子や、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなどの回路から構成される。なお、演算部１５２は、１つの素子や回路から構成されるだけではなく、複数の素子や回路から構成されていてもよい。また、演算部１５２が行う各処理をいずれの素子や回路が実行してもよい。

また、コンピュータ１５０内の記憶部１５１は、典型的にはＲＯＭ、ＲＡＭ、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。なお、記憶部１５１は、１つの記憶媒体から構成されるだけでなく、複数の記憶媒体から構成されていてもよい。

また、コンピュータ１５０は、同時に複数の信号をパイプライン処理できるように構成されていることが好ましい。これにより、光学特性情報を取得するまでの時間を短縮することができる。

なお、コンピュータ１５０が行うそれぞれの処理を、演算部１５２に実行させるプログラムとして記憶部１５１に保存しておくことができる。ただし、プログラムが保存される記憶部１５１は、非一時的な記録媒体である。

（表示部１６０）
表示部１６０は、信号処理装置から出力される光学特性情報を表示する装置である。典型的には液晶ディスプレイなどが利用されるがプラズマディスプレイや有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤなど他の方式のディスプレイでも良い。なお、表示部１６０は、本発明の光音響装置とは別に提供されていても良い。

（入力部１７０）
入力部１７０は、ユーザーがコンピュータ１５０に所望の情報を入力するために所望の情報を指定できるように構成された部材である。入力部１７０としては、キーボード、マウス、タッチパネル、ダイヤル、およびボタンなどを用いることができる。入力部１７０としてタッチパネルを採用する場合、表示部１６０が入力部１７０を兼ねるタッチパネルであってもよい。

（形状取得部１８０）
形状取得部１８０は、物体の外形情報や内部の形状情報を取得することのできる部材である。形状取得部１８０としては、外形情報を取得する光学カメラやＢモード画像を取得するためのトランスデューサアレイなどを採用することができる。なお、形状取得部１８０がＢモード画像により形状情報を取得する部材である場合、トランスデューサアレイ１３０を形状取得部１８０として用いてもよい。

（移動部１９０）
移動部１９０は、トランスデューサアレイ１３０を、コンピュータ１５０により設定されたタイミングに、設定された位置に移動させる装置である。移動部１９０はトランスデューサアレイ１３０をステップアンドリピートによって移動させても、連続移動させてもよい。また、移動部１９０は、移動中に移動の速度を変更してもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では音響波を送信せずに光音響波のみを受信して得られた時系列の受信信号から反射波源で発生した光音響波の受信信号を抽出する。そして、この抽出された反射波源で発生した光音響波の受信信号に基づいて、反射波源で発生する光音響波を低減する送信波形を決定する点が第１の実施形態とは異なる。本実施形態においても、図１に示す光音響装置を用いて説明する。第１の実施形態と同じ構成については説明を省略する。

以下、図６に示すフロー図を用いて本実施形態に係る光音響装置の作動を説明する。

（Ｓ５００：光音響波を受信して時系列の光音響信号を取得する工程）
この工程では、光源１１０から出射された予備光としてのパルス光１２１が光学系１２０を介して被検体１００に照射される。そして、被検体１００の表面１０５で光音響波１０４ａおよび１０４ｂが発生する。また、被検体１００内の光吸収体１０１で光音響波１０３が発生する。続いて、トランスデューサアレイ１３０は、光音響波１０３および１０４ａ、ならびに光音響波１０４ｂの反射波１０４ｃを含む光音響波を受信し、不図示の時系列の受信信号Ｓ２（ｔ）に変換する。また、コンピュータ１５０は、トランスデューサアレイ１３０から出力された時系列の受信信号Ｓ２（ｔ）に増幅およびＡＤ変換の処理を施し、記憶部１５１に格納する。なお、本工程で光音響波を受信して得られた時系列の受信信号を、「時系列の光音響信号」と称する。

（Ｓ６００：時系列の光音響信号に基づいて送信波形を決定する工程）
コンピュータ１５０は、Ｓ５００で取得した時系列の光音響信号Ｓ２（ｔ）に基づいて、次工程（Ｓ１００）で送信する音響波１０２ｂの送信波形を決定する。

例えば、コンピュータ１５０は、時系列の光音響信号Ｓ２（ｔ）から被検体１００の表面１０５で発生した光音響波１０４ａの受信信号を抽出し、発生時の光音響波１０４ａの波形を推定する。続いて、コンピュータ１５０は、推定された光音響波１０４ａの波形から光音響波１０４ｂの振幅を低減する送信波形を決定する。光音響波は等方的に発生するため、光音響波１０４ａと光音響波１０４ｂとは同様の波形となる。そのため、光音響波１０４ａの波形を光音響波１０４ｂの波形と考えることができる。光音響波１０４ａの波形から光音響波１０４ｂを低減する送信波形を決定する方法は、Ｓ１００で説明した方法を採用することができる。

なお、以下に記すような方法で、Ｓ５００で取得した時系列の光音響信号Ｓ２（ｔ）から光音響波１０４ａの受信信号を抽出することができる。ただし、光音響波１０４ａの受信信号を抽出できる限り、以下の方法に限らない。

被検体１００の表面１０５は直接光が照射された部分であるため、光音響波１０４ａの振幅は比較的大きくなる。そのため、コンピュータ１５０は、時系列の光音響信号Ｓ２（ｔ）のうち振幅が最大となる波形を、光音響波１０４ａの受信信号として抽出することができる。

また、被検体１００の表面１０５は、トランスデューサアレイ１３０との距離が近いため、光音響波１０４ａは他の光音響波と比べて先にトランスデューサアレイ１３０に到達する。そこで、コンピュータ１５０は、時系列の光音響信号Ｓ２（ｔ）から始めに出力された閾値以上の振幅の波形を光音響波１０４ａの受信信号として抽出することができる。

また、時系列の光音響信号Ｓ２（ｔ）を表示部１６０に表示し、ユーザーが任意の波形を入力部１７０により選択し、光音響波１０４ａの受信信号としてもよい。

また、時系列の光音響信号Ｓ２（ｔ）から取得された初期音圧分布を表示部１６０に表示し、ユーザーが初期音圧分布の任意の位置を入力部１７０により指定することにより、光音響波１０４ａの受信信号を抽出してもよい。例えば、指定された位置の初期音圧を再構成するために用いられた複数の光音響信号を加算平均して、光音響波１０４ａの受信信号とすることができる。また、指定された位置の初期音圧を再構成するために用いられた複数の光音響信号のうちから任意の光音響信号の波形を、光音響波１０４ａの受信信号とすることができる。なお、指向性が高い方向に指定した位置を見込むトランスデューサから出力された光音響信号を、光音響波１０４ａの受信信号とすることが好ましい。

続いて、Ｓ１００において、トランスデューサアレイ１３０は、Ｓ６００で決定された送信波形で音響波１０２ａを送信する。続いて、第１の実施形態と同様にＳ２００〜Ｓ４００の工程を実行する。

以上、本実施形態では、実際に発生した光音響波の受信信号に基づいて送信波形を決定した。そのため、発生する光音響波の波形を推定して送信波形を決定する形態と比べて、光音響波の振幅を低減させる送信波形を精度よく決定することができる。

１００ 被検体
１１０ 光源
１３０ トランスデューサアレイ
１５０ コンピュータ

Claims (18)

1. 特定の領域に送信音響波を送信する音響波送信部と、
   前記音響波送信部から送信される前記送信音響波の送信波形を制御する制御部と、
   前記音響波が特定の領域に到達するときに前記特定の領域を含む領域に照射される光を発する光源と、
   音響波を受信して時系列の受信信号を出力する音響波受信部と、
   前記時系列の受信信号に基づいて光学特性情報を取得する信号処理部とを有し、
   前記制御部は、前記音響波送信部から送信される前記送信音響波により前記特定の領域で発生する光音響波の振幅を低減するように前記送信波形を制御することを特徴とする光音響装置。
2. 前記制御部は、前記特定の領域における前記送信音響波の波形が前記特定の領域で発生する光音響波の波形の逆位相となるように前記送信波形を制御することを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
3. 前記制御部は、前記時系列の受信信号に基づいて前記送信波形を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の光音響装置。
4. 前記制御部は、前記時系列の受信信号から前記特定の領域で発生した光音響波の受信信号を抽出し、前記特定の領域で発生した前記光音響波の受信信号に基づいて前記送信波形を決定することを特徴とする請求項３に記載の光音響装置。
5. 前記制御部は、前記特定の領域で発生した前記光音響波の受信信号に基づいて、光音響波の波動方程式により前記送信波形を決定することを特徴とする請求項４に記載の光音響装置。
6. 複数の送信波形データが格納された記憶部を更に有し、
   前記制御部は、前記特定の領域で発生した前記光音響波の受信信号に基づいて前記複数の送信波形データから前記送信波形を選択することを特徴とする請求項４に記載の光音響装置。
7. 前記制御部は、前記特定の領域で発生する光音響波の波形を推定し、前記推定された光音響波の波形に基づいて前記送信波形を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の光音響装置。
8. 前記特定の領域の形状情報を取得する形状取得部を更に有し、
   前記制御部は、前記形状情報に基づいて前記特定の領域で発生する光音響波の波形を推定することを特徴とする請求項７に記載の光音響装置。
9. 前記制御部は、前記推定された波形に基づいて、光音響波の波動方程式により前記送信波形を決定することを特徴とする請求項７または８に記載の光音響装置。
10. 複数の送信波形データが格納された記憶部を更に有し、
    前記制御部は、前記推定された波形に基づいて前記複数の送信波形データから前記送信波形を選択することを特徴とする請求項７または８に記載の光音響装置。
11. 前記音響波送信部と前記音響波受信部とは前記特定の領域の片側に配置されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光音響装置。
12. 前記音響波送信部と前記音響波受信部とは単一のトランスデューサアレイで構成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光音響装置。
13. 前記特定の領域で特定の方向に発生する光音響波の振幅を低減するように前記音響波送信部および前記音響波受信部を移動させる移動部を更に有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の光音響装置。
14. 前記制御部は、前記音響波送信部から送信される前記送信音響波により前記特定の領域の特定の方向に発生する光音響波の振幅を低減するように前記送信波形を制御することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の光音響装置。
15. 特定の領域に送信音響波を送信する工程と、
    前記送信音響波が前記特定の領域に到達するときに、前記特定の領域を含む領域に光を照射する工程と、
    音響波を受信して時系列の受信信号を取得する工程と、
    前記時系列の受信信号に基づいて光学特性情報を取得する工程と有し、
    前記特定の領域に前記送信音響波を送信する工程において、前記特定の領域で発生する光音響波の振幅を低減する送信波形の前記送信音響波を送信することを特徴とする光音響装置の作動方法。
16. 前記特定の領域に前記送信音響波を送信する工程の前に、予備光を前記特定の領域を含む領域に照射する工程と、
    前記予備光が照射されることにより発生した光音響波を受信して時系列の光音響信号を取得する工程と、
    前記時系列の光音響信号に基づいて、前記特定の領域に送信される前記送信音響波の送信波形を決定する工程とを有することを特徴とする請求項１５に記載の光音響装置の作動方法。
17. 請求項１５または１６に記載の光音響装置の作動方法をコンピュータに実行させるプログラム。
18. 特定の領域に送信音響波を送信する音響波送信部と、
    前記音響波が特定の領域に到達するときに前記特定の領域を含む領域に照射される光を発する光源と、
    音響波を受信して時系列の受信信号を出力する音響波受信部と、
    前記時系列の受信信号に基づいて光学特性情報を取得する信号処理部とを有し、
    前記音響波送信部は、前記特定の領域で発生する光音響波の波形の逆位相となる前記送信音響波を送信することを特徴とする光音響装置。

Images