JP2015123225A - 光音響装置、信号処理方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】被検体と音響波受信器との間に、被検体内の音速とは異なる音速を有する部材を配置する場合において、この音速差の影響が抑制された被検体情報を得られる光音響装置を提供する。【解決手段】光が被検体に照射されることにより発生する光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器１７と、時系列の受信信号に対して特定の音速を用いた再構成処理を行うことにより被検体情報を取得する処理部２０と、を有し、処理部は、再構成処理において、時系列の受信信号の受信時間を特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換する。【選択図】図１

Description

本発明は、光を被検体に照射することで発生する光音響波の受信信号を用いて被検体情報を取得する光音響装置に関する。

レーザー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 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、光源から発生した光を生体に照射し、生体内で伝播・拡散した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（典型的に超音波である）を受信する。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音響波受信器（探触子やトランスデューサーとも言われる）で受信する。この受信信号を解析処理することにより初期圧力分布あるいは光吸収エネルギー密度分布（吸収係数分布と光フルエンス分布の積）に比例した画像を得ることができる（非特許文献１）。また、これらの画像情報は、様々な波長の光で計測することにより、被検体内の特定物質、例えば血液中に含まれるヘモグロビン濃度や血液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・前立腺がん・頸動脈プラーク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。

"Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ"、Ｍ．Ｘｕ、Ｌ．Ｖ．Ｗａｎｇ、ＲＥＶＩＥＷ ＯＦ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＩＮＳＴＵＲＵＭＥＮＴ、７７、０４１１０１、２００６

このような光音響イメージングにおいては、通常、受信信号に対して被検体内の音速を用いた再構成処理を行うことによって被検体情報の診断画像を形成する。

ところで、被検体と音響波受信器との間に被検体の形状を保持する保持部材などの部材を配置する場合を考える。典型的に、被検体と異なる部材は、被検体内の音速とは異なる音速を有する。この場合、被検体内の音速を用いて被検体情報の診断画像を構築すると、音速差の影響によって被検体情報の診断画像の解像度の低下や定量性の低下等が生じる。

そこで、本明細書は、被検体と音響波受信器との間に、被検体内の音速とは異なる音速を有する部材を配置する場合において、この音速差の影響が抑制された被検体情報を得られる光音響装置を提供することを目的とする。

本明細書に記載の光音響装置は、光が被検体に照射されることにより発生する光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器と、時系列の受信信号に対して特定の音速を用いた再構成処理を行うことにより被検体情報を取得する処理部と、を有し、処理部は、再構成処理において、時系列の受信信号の受信時間を特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換する。

本明細書に記載の光音響装置によれば、被検体と音響波受信器との間に、被検体内の音速とは異なる音速を有する部材を配置する場合において、この音速差の影響が抑制された被検体情報を得ることができる。

本実施形態に係る光音響装置の一例を模式的に示した図である。 本実施形態に係る光音響装置の各構成の接続を示す模式図である。 （ａ）本実施形態に係る光音響装置で得られる時系列の受信信号の一例を示す模式図である。（ｂ）本実施形態に係る光音響装置における音響波受信器と被検体との位置関係を示す模式図である。 本実施形態に係る光音響装置の作動を表すフローチャートの一例である。 （ａ）実施例１に係る光音響装置で得られる画像の一例である。（ｂ）比較例で得られる画像の一例である。 実施例２に係る光音響装置の一例を模式的に示した図である。

図１を参照しながら本実施形態にかかる光音響装置の基本的な構成を説明する。本実施形態の光音響装置は、被検体の内部の被検体情報を取得する装置である。なお、本実施形態において被検体情報とは、初期音圧分布や光吸収エネルギー密度分布、あるいは、そこから導かれる吸収係数分布などの光学特性値情報を示す。また、本実施形態における被検体情報としては、複数の波長に対応する複数の吸収係数分布を用いて得られる、被検体を構成する物質の濃度分布も含まれる。

本実施形態の光音響装置は、基本的なハード構成として、光源１１、光学系１３、音響波受信器１７、音響マッチング部材１８、データ収集器１９、処理部としてのコンピュータ２０、および表示装置２１を有する。また、コンピュータ２０は、演算部２０ａおよび記憶部２０ｂを備えている。なお、図２に示すように、演算部２０ａがバス３０を介して光音響装置を構成する各構成の作動を制御している。

光源１１から発せられた光１２は、例えばレンズ、ミラー、光ファイバ、拡散板などの光学系１３により所望の形状に加工されながら導かれ、生体などの被検体１５に照射される。被検体１５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（結果的に音源となる）１４に吸収されると、その光吸収体１４の熱膨張により光音響波（典型的には超音波）１６ａ、ｂが発生する。音響波受信器１７は、光音響波１６ａ、ｂを受信し、時系列の受信信号を出力する。データ収集器１９は、出力された時系列の受信信号に対して増幅やＡ／Ｄ変換等の処理を施し、記憶部２０ｂにデジタル信号としての時系列の受信信号を記憶する。演算部２０ａは、記憶部２０ｂに記憶された時系列の受信信号に対して信号処理を施すことにより被検体情報を生成する。また、生成された被検体情報は表示装置２１に画像や数値データとして表示される。

以下、本実施形態に係る光音響装置が行う信号処理について説明する。

＜信号処理方法＞
本実施形態に係る光音響装置は、時系列の受信信号に対して再構成処理を行って被検体情報を取得する際に、時系列の受信信号の受信時間を特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換する。すなわち、各受信時間に対応する時間サンプリングデータを特定の音速を基準に規格化された受信信号に対応する時間サンプリングデータとして扱う。このように時系列の受信信号を取り扱うことにより、受信時間に特定の音速を掛けた値は、その受信時間の時間サンプリングデータに対応する光音響波が発生した位置と音響波受信器１７との距離を表す。

そのため、本実施形態に係る光音響装置は、光音響波のいずれの伝搬経路における音速も特定の音速であると仮定して再構成処理を行う場合も、被検体１５内の音速と音響マッチング部材１８内の音速との差の影響を抑制することができる。すなわち、本実施形態に係る光音響装置は、時系列の受信信号に対して特定の音速のみを用いた再構成処理を施す場合であっても、被検体１５内の音速と音響マッチング部材１８内の音速との差の影響が抑制された被検体情報を取得することができる。

以下、本実施形態に係る信号処理方法を、図３を用いて詳細に説明する。

図３（ａ）に音響波受信器１７で受信される典型的な受信信号の時間計測データ（時系列の受信信号）を模式的に表した図を示す。図３（ａ）において横軸は受信時間で、光を照射したタイミングをゼロとしている。また、縦軸は音響波受信器１７で受信された音圧に比例した値である。

典型的に音響波受信器１７は、被検体１５内の異なる位置で発生した光音響波を受信する。例えば、図３（ａ）中の信号Ａと信号Ｂが異なる位置で発生した光音響波の受信信号である。通常、被検体１５が生体である場合、生体の表皮付近は高い光吸収を示すメラニンを多く含むため、生体の表皮付近では振幅の大きい光音響波が発生する。そのため、図１に示したシステム構成では、図１に示すように被検体１５の表面２２に起因した光音響波１６ａが最初に音響波受信器１７により受信され、それが図３（ａ）中の信号Ａとして観測される。続いて、被検体１５の内部にある光吸収体１４（後に再構成される領域）から発生した光音響波１６ｂが受信され、それが図３（ａ）中の信号Ｂとして観測される。

図３（ｂ）は音響波受信器１７と被検体１５との位置関係を示す。図３（ｂ）から分かるように、図３（ａ）中の信号Ａは、被検体１５中を伝搬せずに、音響マッチング部材１８中のみを伝搬した光音響波１６ａに由来する受信信号である。図３（ａ）内の信号Ａの受信時間ｔ_ａは、音響波受信器１７と被検体１５の表面２２との最短距離ｄ_ａを音響マッチング部材１８の音速ｃ_ａで割った値である。つまり、受信時間ｔ_ａは式（１）で表わされる。
ｔ_ａ＝ｄ_ａ／ｃ_ａ・・・式（１）

一方、被検体１５の表面２２と音響波受信器１７との距離をｄ_ｂ２、被検体１５の表面２２と被検体１５内の光吸収体１４までの距離をｄ_ｂ１とすると、図３（ａ）内の信号Ｂの受信時間ｔ_ｂは、ｄ_ｂ２をｃ_ａで割った値とｄ_ｂ１をｃ_ｂで割った値との和となる。つまり、受信時間ｔ_ｂは式（２）で表わされる。
ｔ_ｂ＝ｄ_ｂ２／ｃ_ａ＋ｄ_ｂ１／ｃ_ｂ・・・式（２）

ここで、ｄ_ｂ２＝ｄ_ａと近似すると、受信時間ｔ_ｂは式（３）で表わすことができる。
ｔ_ｂ＝ｄ_ａ／ｃ_ａ＋ｄ_ｂ１／ｃ_ｂ＝ｔ_ａ＋ｄ_ｂ１／ｃ_ｂ・・・式（３）

すなわち、式（３）は、被検体１５の表面２２と音響波受信器１７との距離がｄ_ａで一定であると仮定した近似式である。

なお、ｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるように被検体１５と音響波受信器１７との位置関係を構成するとｄ_ｂ２＝ｄ_ａという近似に近づく。また、被検体１５と音響波受信器１７との位置関係がｄ_ｂ２＝ｄ_ａという近似に近くなると、式（３）に示す近似式の精度が高くなり、後述する式（３）に示すｔ_ｂを用いて得られる被検体情報の精度は高くなる。そこで、音響波受信器１７は、ｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるように配置されることが好ましい。また、ｄ_ｂ１は被検体１５の表面２２と再構成される最小構成単位（ピクセルまたはボクセル）、つまり仮想的な音源との距離である。そこで、ｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２とするために、音響マッチング部材１８の厚みを、被検体１５の表面２２とそこから最も離れた最小構成単位との距離よりも大きくすることが好ましい。また、被検体１５として乳房を考えると、典型的な乳房のサイズを鑑みて音響波受信器１７と被検体１５の表面とを５０ｍｍ以上離すことによりｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２の関係となりやすい。

また、式（１）から音響波受信器１７と被検体１５の表面２２の距離ｄ_ａは、式（４）で表わされる。
ｄ_ａ＝ｃ_ａ×ｔ_ａ・・・式（４）

一方、音響波受信器１７と被検体１５内の光吸収体１４との距離ｄ_ｂは、式（５）で表わされる。
ｄ_ｂ＝（ｃ_ａ×ｔ_ａ）＋（ｔ_ｂ−ｔ_ａ）×ｃ_ｂ・・・式（５）

ここで、ｔ_ａ’＝ｔ_ａ×ｃ_ａ／ｃ_ｂとすると、距離ｄ_ｂは式（６）で表わすことができる。
ｄ_ｂ＝（ｔ_ａ’＋ｔ_ｂ−ｔ_ａ）×ｃ_ｂ・・・式（６）

式（６）によれば、ｔ_ａ’＝ｔ_ａ×ｃ_ａ／ｃ_ｂを適用した時間ｔ_ｂ’＝（ｔ_ａ’＋ｔ_ｂ−ｔ_ａ）に被検体１５の音速ｃ_ｂを掛けるのみで距離ｄ_ｂを表現することができることがわかる。

そこで、本実施形態では、時系列の受信信号の受信時間ｔ_ａまでの時間サンプリングデータの各受信時間ｔ１をｔ２＝ｔ１×ｃ_ａ／ｃ_ｂに変換する。さらに、時系列の受信信号の受信時間ｔ_ａ以降の時間サンプリングデータの各受信時間ｔ１をｔ２＝ｔ_ａ×ｃ_ａ／ｃ_ｂ＋（ｔ１−ｔ_ａ）に変換する。そして、時系列の受信信号および変換された受信時間のデータを用いて、被検体１５内の音速ｃ_ｂのみを用いた再構成処理により被検体情報を取得する。すなわち、光音響波のいずれの伝搬経路における音速も被検体１５内の音速ｃ_ｂとして仮定して再構成処理を行う。この処理によれば、被検体１５内の音速と音響マッチング部材１８内の音速との差の影響が抑制された被検体情報を取得することができる。また、光音響波の伝搬経路における音速が被検体１５内の音速のみであると仮定して再構成処理を行うため、音速分布を考慮した再構成処理を行う場合と比べて再構成処理に要する時間が短くなる。

なお、時系列の受信信号の受信時間ｔ_ａより後の時間サンプリングデータの各受信時間ｔ１をｔ２＝ｔ_ａ＋（ｔ１−ｔ_ａ）×ｃ_ｂ／ｃ_ａに変換し、音響マッチング部材１８内の音速ｃ_ａを用いた再構成処理により被検体情報を取得してもよい。この場合も、被検体１５内の音速と音響マッチング部材１８内の音速との差の影響が抑制された被検体情報を取得することができる。

本明細書においては、音響波受信部１７により取得された時系列の受信信号の受信時間ｔ１を第一の受信時間とし、特定の音速を基準に変換された後の受信時間ｔ２を第二の受信時間とする。

なお、被検体１５内の音速および音響マッチング部材１８内の音速の値としては、経験的な値、文献値、または測定値などを用いることができる。また、典型的に音速として、それぞれの部材内の平均的な音速を用いることができる。

＜光音響装置の各構成＞
以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成について詳述する。

（光源１１）
被検体１５が生体の場合、光源１１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ことが好ましい。光源１１は、本実施形態の光音響装置と一体として提供されてもよいし、別体として提供されてもよい。光源１１としては大出力が得られるため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。例えば、ＹＡＧレーザーで励起したＯＰＯレーザーや色素レーザーあるいはＴｉ：ｓａレーザーなどである。使用する光の波長は、被検体１５の内部まで光が伝搬する波長を使うことが好ましい。具体的には、被検体１５が生体の場合、５００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の波長であることが好ましい。また、光源１１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。また、光源１１は、複数の光源で構成されても良い。

（光学系１３）
光学系１３は光源１１から発せられた光１２を伝搬・加工し、被検体表面に所望の形状の光１２を照射できるようにする機能を有する。光１２を所望の方向に伝搬させるために、光学系１３としては、例えば、ミラーや光ファイバなどが用いられる。また、所望な形状に光照射パターンを形成するために、光学系１３としては、例えば、拡散板やレンズなどが用いられる。

光学系１３は、光源１１からの光１２を図１のように音響波受信器側から被検体１５に向かって照射することが好ましい。このように照射することにより、被検体１５の表面２２で発生した光音響波１６ａに対応する受信信号が最初に観測されるため、光音響波１６ａに対応する受信信号を判別しやすくなる。なお、光源１１から発せられた光１２を所望の光照射パターンで被検体１５の所望の位置に照射できる場合、光学系１３は不要である。

（光吸収体１４および被検体１５）
これらは光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、血管の造影、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１５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。ねずみなど小動物の場合は特定の部位だけではなく、小動物全体が対象となることもある。

被検体１５の内部に存在する光吸収体１４としては、被検体１５内で相対的に吸収係数が高いものを示すものを対象とすることが好ましい。使用する光１２の波長にもよるが、例えば、人体が測定対象であればオキシヘモグロビンまたはデオキシヘモグロビンが光吸収体１４に該当する。また、オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンを含む血管も光吸収体１４に該当する。また、新生血管を含む悪性腫瘍も光吸収体１４に該当する。また、被検体１５の表面２２の光吸収体１４としては皮膚表面付近にあるメラニンなどである。また、光吸収体１４はメチレンブルー（ＭＢ）、インドシニアングリーン（ＩＣＧ）などの色素や金微粒子及び、それらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質でもよい。

（音響波受信器１７）
光１２により被検体１５の表面２２及び被検体１５の内部などで発生する光音響波を受信する受信器である音響波受信器１７は、光音響波を受信し、アナログ信号である電気信号に変換するトランスデューサである。以後、単に探触子あるいはトランスデューサということもある。音響波受信器１７は、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を受信できるものであれば、どのようなトランスデューサであってもよい。

本実施形態の音響波受信器１７は、典型的には複数の受信素子が１次元、２次元あるいは３次元的に配置されたものが好ましい。特に平面状・円柱状・球状あるいはその一部に複数の受信素子を配置することが再構成の原理上好ましい。このような多次元配列の受信素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を受信することができ、計測時間を短縮できる。その結果、被検体の振動などの影響を低減できる。ただし、１つの受信素子のみを有する音響波受信器１７を移動させて、複数の位置で音響波を受信できれば、１次元、２次元あるいは３次元アレイの音響波受信器１７を用いなくてもよい。なお、多次元配列の受信素子を用いた音響波受信器１７をさらに移動させて、より様々な位置で音響波を受信することも画質を向上させる上で有効である。

（音響マッチング部材１８）
音響マッチング部材１８は、被検体１５と音響波受信器１７との間に配置された部材であり、音響波受信器１７と被検体１５の間で音響的なマッチングをとるために用いられる。通常、音響マッチング部材１８には被検体１５の音響インピーダンスと音響波受信器１７の音響インピーダンスの間の音響インピーダンスを有する部材を利用する。特に、被検体１５の音響インピーダンスに近い材料を選択することが好ましい。また、本発明の音響マッチング部材は被検体１５と音響波受信器１７の間に不要な隙間などをできるだけなくすために、被検体１５の形状に合わせて自由に変形できることが好ましい。具体的には被検体１５として生体を想定すると、音響マッチング部材１８としては、水、超音波ジェル、水に近い成分を有するゲル状の部材などを用いることができる。なお、音響波マッチング部材１８は、光音響装置とは別に提供されてもよい。

（データ収集器１９）
データ収集器１９は、音響波受信器１７から出力された受信信号を増幅し、その受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。データ収集器１９は、典型的には増幅器、Ａ／Ｄ変換器、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）チップなどで構成される。音響波受信器１７から出力される受信信号が複数の場合は、同時に複数の信号を処理できることが好ましい。それにより、被検体情報を取得するまでの時間を短縮できる。なお、本明細書において「受信信号」とは、音響波受信器１７から出力されるアナログ信号も、その後Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号も含む概念である。

（コンピュータ２０）
コンピュータ２０には典型的にはワークステーションや大規模並列クラスタなどが用いられ、受信信号に対するあらゆ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。なお、コンピュータ２０は、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、ハードウェア処理を行うこともできる。また、本実施形態においてコンピュータ２０が実行するそれぞれの処理をそれぞれ別の装置で行ってもよい。

コンピュータ２０内の演算部２０ａは、音響波受信器１７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、制御部としての演算部２０ａは、図２に示すようにバス３０を介して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。

演算部２０ａ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２０ａ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２０ａ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２０内の記憶部２０ｂ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２０ｂ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２０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、被検体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２０が行う信号処理や光音響装置の作動制御を実行させるプログラムを記憶部２０ｂ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２０ｂは、非一時的な記録媒体である。

また、場合によっては、データ収集器１９、コンピュータ２０は一体化される場合もある。この場合、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画像データを生成することもできる。また、データ収集器１９およびコンピュータ２０を総称して本明細書における処理部としてもよい。

（表示装置２１）
表示装置２１はコンピュータ２０から出力された被検体情報の画像データを画像や数値情報として表示する装置である。表示装置２１には、典型的には液晶ディスプレイなどが利用される。なお、表示装置２１は、本実施形態の光音響装置とは別に提供されていてもよい。

＜光音響装置の作動方法＞
図４も参照しつつ、図１に示す本実施形態に係る光音響装置の作動方法を説明する。下記の処理番号は、図４に示すフローの処理番号と一致する。

（Ｓ１００：光音響波を受信して時系列の受信信号を取得する工程）
まず光源１１は光１２を発生し、光１２が光学系１３を介して被検体１５に照射される。そして、光１２が被検体１５の内部に位置する光吸収体１４に吸収される。光１２を吸収した光吸収体１４が瞬間的に膨張することにより、光音響波１６ａ、ｂが発生する。

音響波受信器１７は、光音響波１６ａ、ｂを受信し、時系列の受信信号に変換する。データ収集器１９は、音響波受信器１７から出力された受信信号に増幅、Ａ／Ｄ変換の処理を施し、デジタル信号としての時系列の受信信号を記憶部２０ｂに格納する。本実施形態においてデータ収集器１９は、光源１１が光１２を発生したタイミングに、音響波受信器１７から出力された受信信号に対して上記処理を開始する。

（Ｓ２００：被検体の表面で発生した光音響波の受信時間を取得する工程）
演算部２０ａは、Ｓ１００で取得した時系列の受信信号に基づいて被検体１５の表面２２で発生した光音響波１６ａを音響波受信器１７が受信した時間ｔ_ａを算出する。本実施形態では光学系１３から照射された光１２は、被検体１５の表面２２のうち音響波受信器１７側に照射が行われる構成となっている。そのため、被検体１５の表面２２から発生する光音響波１６ａは被検体１５から発生する光音響波の中では最初に受信される。すなわち、図３（ａ）に示す時系列の受信信号のうち、信号Ａが被検体１５の表面２２で発生した光音響波に対応する受信信号である。

例えば、信号Ａにノイズが含まれる場合、受信信号が音響波受信器１７のインパルス応答の形状に近い特性を利用してノイズと受信信号とを区別することができる。すなわち、演算部２０ａは、時系列の受信信号に対して音響波受信器１７のインパルス応答でパターンマッチングを行い、そのインパルス応答のパターンとマッチングする信号を光音響波の受信信号とすることができる。さらに、演算部２０ａは、パターンマッチングにより受信信号と判定された信号のうち、最初に受信された信号を被検体１５の表面２２で発生した光音響波の受信信号とすることができる。

また、被検体１５の表面２２は光の照射強度が高く、音響波受信器１７までの距離も近いため、他の被検体１５の光吸収体１４から発生した光音信号よりも大きな音圧で受信される場合が多い。そこで演算部２０ａは、その特性を利用して、時系列の受信信号から一番大きな信号を被検体１５の表面２２で発生した光音響波に対応する受信信号と判定することができる。

以上のように、被検体１５の表面２２で発生した光音響波は、他の光吸収体１４で発生した光音響波とは異なる性質を示す。そのため、演算部２０ａは、時系列の受信信号に基づいて、その特性を利用したあらゆる抽出方法によって被検体１５の表面２２で発生した光音響波の受信時間を取得することができる。この方法によれば、装置規模を大きくすることなく被検体の表面で発生した光音響波の受信時間を取得することができる。

なお、被検体１５の表面２２で発生した光音響波の受信時間を取得することができる限り、その方法はいかなる方法であってもよい。例えば、超音波送信部から送信された超音波の反射波の受信信号から、被検体１５の表面２２で発生した光音響波の受信時間を推定してもよい。その他、被検体１５の表面の座標を取得する装置を用いて、音響波受信器１７と被検体１５の表面２２との距離から被検体１５の表面２２で発生した光音響波の受信時間を推定してもよい。

（Ｓ３００：時系列の受信信号の受信時間を特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換する再構成処理を行って被検体情報を取得する工程）
演算部２０ａは、Ｓ２００で記憶部２０ｂに記憶された時系列の受信信号に対して、特定の音速としての被検体１５内の音速を用いた再構成処理を行うことにより被検体情報を取得する。このとき、演算部２０ａは、前述した信号処理方法によりＳ２００で取得した時系列の受信信号の受信時間ｔ１を被検体１５内の音速を基準に規格化された受信時間ｔ２に変換して再構成処理を行う。この処理によれば、被検体１５内の音速と音響マッチング部材１８内の音速との差の影響が抑制された被検体情報を取得することができる。

なお、複数の時系列の受信信号から特定の最小構成単位の値を再構成するアルゴリズムとしては、例えば、トモグラフィー技術で通常に用いられる特定の音速を用いた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使われる。なお、再構成の時間に多くを有することが可能な場合は、繰り返し処理による逆問題解析法などの再構成手法も利用することができる。光音響イメージングの一つである光音響トモグラフィーの再構成手法には、非特許文献１に記載されているように、代表的なものとして、フーリエ変換法、ユニバーサルバックプロジェクション法やフィルタードバックプロジェクション法などがある。

また、演算部２０ａは、被検体１５に照射された光１２の被検体１５内の光フルエンス分布を取得することができる。また、演算部２０ａは、初期音圧分布を光フルエンス分布で補正することにより、被検体情報としての被検体１５内の吸収係数分布を取得することができる。また、異なる複数の波長の光のそれぞれを用いてＳ１００からＳ４００を実行することにより、複数の波長に対応する吸収係数分布を取得してもよい。また、複数の波長に対応する吸収係数分布を用いて被検体情報としての物質の分布濃度を取得してもよい。

（Ｓ４００：被検体情報を表示する工程）
演算部２０ａは、Ｓ３００で得られた被検体情報を表示装置２１に出力し、表示装置２１に被検体情報の画像や数値情報を表示させる。

以上の工程を行うことで、被検体と音響波受信器との間に音響マッチング部材を配置する場合であっても、被検体と音響マッチング部材との音速差の影響が抑制された被検体情報を得ることができる。

本実施形態を適用した光音響装置の実施例を、図１を用いて説明する。

本実施例においては、光源１１として２倍波のＹＡＧレーザー励起のＴｉ：ｓａレーザーシステムを用いる。Ｔｉ：ｓａレーザーは７００−９００ｎｍの間の波長の光を被検体へ照射することができる。なお、レーザー光はミラーとビームエキスパンダーなどの光学系１３を用いて、半径約１ｃｍ程度まで広げられた後に、音響波受信器１７側の被検体１５の表面２２に照射されるようにセットされる。

音響波受信器１７としては１５×２３素子の２次元配列型ピエゾ探触子を用いる。

また、データ収集器１９は音響波受信器からの３４５ｃｈ全データを同時に受信し、アナログデータを増幅及びデジタル変換後に、コンピュータ２０へ転送する機能を有する。データ収集器１９のサンプリング周波数は２０ＭＨｚであり、光照射のタイミングを受信開始タイミングとしている。

被検体１５は、生体を模擬した半球状のファントムであり、散乱体としての酸化チタンおよび吸収体としてのインクが混ぜられたウレタンゴムからなる。また、この半球状のウレタンファントム内の中心には直径０．５ｍｍの球状の黒色ゴムが光吸収体１４として埋め込まれている。このファントムのサイズは直径４０ｍｍである。また、このウレタンファントムは音響マッチング部材１８である透明なゲルパッドを介して音響波受信器１７と接触している。なお、このゲルパッドはファントムの形状に合わせて自由に変形する。ファントム表面と音響波受信器１７との距離は約３０ｍｍに設定した。ウレタンファントムの音速ｃ_ｂは１４０９ｍ／ｓ、音響マッチング部材１８であるゲルパッドの音速ｃ_ａは１４９０ｍ／ｓであり、それぞれの音速は異なる。

このファントムに、まず、Ｔｉ：ｓａレーザーから波長７５６ｎｍの光を照射する。そのときに得られる時系列の受信信号を記憶部２０ｂに保存する（Ｓ１００）。なお、そのときに受信された信号の模式図が図３（ａ）である。

比較のために、この時系列の受信信号に対して、演算部２０ａがファントム内の音速ｃ_ｂを用いた再構成処理を行う。演算部２０ａは、タイムドメイン再構成処理の一例を表す式（７）に基づいた再構成処理を行うことにより、図５（ｂ）に示す初期音圧分布ｐ_０（ｒ）を表す再構成画像を取得する。

ここで、ｒは再構成されるボクセルの位置ベクトル、Ｓ_０は音響波受信部１７の各素子の受信面積、ｒ_０は音響波受信部１７の各素子の位置ベクトル、ｐ_ｄは時系列の受信信号を表す。

次に、演算部２０ａは、時系列の受信信号から、ウレタンファントム表面で発生した光音響波の受信時間ｔ_ａを算出する（Ｓ２００）。本実施例では、時系列の受信信号と音響波受信器１７のインパルス応答との相関値を算出し、相関係数が高い信号の内、最初に受信する信号をウレタンファントム表面で発生した光音響波の受信信号と判定した。このとき、ウレタンファントム表面で発生した光音響波の受信信号と判定された信号の受信時間は２０．２μ秒であり、その時間をｔ_ａとした。

次に、演算部２０ａは、記憶部２０ｂに記憶された時系列の受信信号に対してファントム内の音速ｃ_ｂを用いた再構成処理を行う（Ｓ３００）。このとき、演算部２０ａは、時系列の受信信号を時間ｔ_ａまでの各時間サンプリングデータの受信時間ｔ１がｃ_ａ／ｃ_ｂ倍されたものとして扱って再構成する。さらに、演算部２０ａは、時系列の受信信号を時間ｔ_ａ以降の各時間サンプリングデータの受信時間ｔ１がｔ_ａ×ｃ_ａ／ｃ_ｂ＋（ｔ１−ｔ_ａ）であるとされたものとして扱って再構成処理を行う。

本実施例において、ｃ_ａ／ｃ_ｂ＝１４９０／１４０９＝１．０５７である。その結果、演算部２０ａは、時間ｔ_ａまでの各時間サンプリングデータの受信時間ｔ１をｔ２＝ｔ１×１．０５７の関係式で新たな受信時間ｔ２に変換する。また、時間ｔ_ａ以降の各時間サンプリングデータの受信時間ｔ１をｔ２＝２０．２秒×１．０５７＋（ｔ１−２０．２秒）の関係式で新しい受信時間ｔ２に変換する。さらに演算部２０ａは、この変換された受信時間ｔ２のデータ、記憶部２０ｂに保存された時系列の受信信号、ファントム内の音速ｃ_ｂを用いて再構成処理を行う。本実施例では、演算部２０ａは、式（７）中の受信時間ｔ１を受信時間ｔ２へと変換した式（８）に基づいた再構成処理を行うことにより、図５（ａ）に示す初期音圧分布ｐ_０（ｒ）を表す再構成画像を取得する。

図５（ａ）と（ｂ）とを比較する。図５（ａ）および（ｂ）ともに、ファントム中心付近の２次元断面図を示している。図５（ｂ）ではウレタンファントム内の光吸収体１４が実際の位置（中心）とは異なる位置に画像化され、図５（ａ）と比較すると解像度の劣化及び画像コントラストが低下している。一方、図５（ａ）は実際の位置に光吸収体１４の画像が確認され、図５（ｂ）に比べて鮮明な画像が得られている。

以上、本実施例によれば、被検体の表面形状が分からない場合においても、装置規模を大きくすることなく、被検体と音響マッチング部材との音速差の影響が抑制された被検体情報を得ることができる。

本実施形態を適用した光音響装置の一例について図６を用いて説明する。なお、図１に示す構成と同様の構成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。

実施例２は、ファントム表面で発生した光音響波の受信時間ｔ_ａより後の時間サンプリングデータの受信時間のみを変換することが実施例１とは異なる。

また、音響波受信器１７を被検体１５に対して相対的に移動させる移動機構２３を備える点が実施例１とは異なる。移動機構２３を備えることにより光音響波の受信位置を変更することができ、複数の位置で光音響波を受信することができる。また、移動機構２３は、音響波受信器１７と同期させて光学系１３も移動させている。なお、移動機構２３の駆動は演算部２０ａにより制御されている。

前述したように、被検体１５の表面２２と被検体内の光吸収体までの距離をｄ_ｂ１、被検体１５の表面２２と音響波受信器１７との距離をｄ_ｂ２とすると、ｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるように被検体１５と音響波受信器１７との位置関係を構成することが好ましい。すなわち、式（３）に示す近似式の精度が高くなるように被検体１５と音響波受信器１７との位置関係を構成することが好ましい。そのため、本実施例では、移動機構２３は、ｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるような位置で音響波受信器１７が光音響波を受信できるように音響波受信器１７を移動させる。さらに、移動機構２３は音響波受信器１７が各受信位置でｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２の関係となるように音響波受信器１７を移動させる。なお、本実施例では、音響波受信器１７の各受信素子とファントム表面までの距離を５０ｍｍ以上離すことによりｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２の関係としている。

本実施例においては、光源１１として固体レーザーである７５５ｎｍの光を発生するアレキサンドライトレーザーを用いた。ファントムは実施例１で使用した半球形状のウレタンファントムである。また、音響波受信器１７は半球状の表面に５１２個の受信素子をスパイラル状に配置されたものを用いた。半球状の音響波受信器１７内には音響マッチング部材１８として水が存在し、その水を介してファントムと音響波受信器１７は接触する。なお、この音響マッチング部材１８である水は液体であるため、ファントムの形状に合わせて自由に変形する。

まず、アレキサンドライトレーザーから波長７５５ｎｍの光を照射する。そのときに得られる時系列の受信信号を記憶部２０ｂに記憶する（Ｓ１００）。

次に、時系列の受信信号から、ウレタンファントム表面で発生した光音響波の受信時間ｔ_ａを算出する（Ｓ２００）。本実施例では、時系列の受信信号と音響波受信器１７のインパルス応答との相関値を算出し、相関係数が高い信号の内、最初に受信する信号をウレタンファントム表面で発生した光音響波の受信信号と判定した。また、ウレタンファントム表面で発生した光音響波の受信信号と判定された信号の受信時間は４２．３μ秒であり、その時間をｔ_ａとした。

次に、演算部２０ａは、記憶部２０ｂに記憶された時系列の受信信号に対して音響マッチング部材１８内の音速ｃ_ａを用いた再構成処理を行う（Ｓ３００）。このとき、演算部２０ａは、時系列の受信信号を時間ｔ_ａより後の各時間サンプリングデータの受信時間ｔ１がｔ２＝ｔ_ａ＋（ｔ１−ｔ_ａ）×ｃ_ｂ／ｃ_ａの関係式に基づいて変換されたものとして扱って再構成処理を行う。

本実施例では２０ＭＨｚでデータをサンプリングしており、全体のサンプリング点数は３０４８点である。２０ＭＨｚでウレタンファントム表面で発生した光音響波の受信信号と判定された信号の受信時間：４２．３μ秒をサンプリングするとサンプリング点数は８４６点となり、それ以降の点数は３０４８−８４６＝２２０２点である。また、ｃ_ｂ／ｃ_ａ＝１４０９／１４９０＝０．９４６である。そのため、演算部２０ａは、８４７〜３０４８点までの受信時間ｔ１をｔ２＝４２．３μ秒＋（ｔ１−４２．３μ秒）×０．９４６の関係式で変換した受信時間ｔ２のデータを生成する。さらに演算部２０ａは、この変換された受信時間ｔ２のデータ、記憶部２０ｂに保存された時系列の受信信号、音響マッチング部材１８内の音速ｃ_ａを用いて再構成処理を行う。なお、本実施例において演算部２０ａは、式（９）に示す再構成処理を行うことにより、図５（ａ）に示す再構成画像を取得する。

なお、本実施例に係る光音響装置は、音響波受信器１７の移動領域が決定されたときにｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるか否かをユーザーに視覚的または聴覚的に通知する通知手段を備えていてもよい。例えば、通知手段としての表示装置２１にｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるか否かを表示することによりユーザーに通知してもよい。また、通知手段としてのランプの色によってｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるか否かをユーザーに通知してもよい。また、通知手段としてのスピーカーから発する音によってｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるか否かをユーザーに通知してもよい。

このようにユーザーは通知手段によりｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるか否かを判別することができる。そこで例えば、ｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２とならないと判別した場合にユーザーはｄ_ｂ１＜ｄ_ｂ２となるように音響波受信器１７の移動領域を再設定することができる。

以上、本実施例では、時系列の受信信号から被検体表面で発生する光音響波の受信時間ｔ_ａを抽出し、ｔ_ａ後の時間サンプリングデータの各受信時間を修正した。本実施例によれば、被検体の表面形状が分からない場合においても、大規模な装置構成の追加をすることなく、被検体と音響マッチング部材との音速差の影響が抑制された被検体情報を得ることができる。また、本実施例によれば、式（３）に示す近似式の精度が高くなるように音響波受信器の位置が移動機構により制御されるため、式（３）に示すｔ_ｂを用いて被検体情報を精度良く取得することができる。

以上、特定の実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限らず、特許請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、種々の変形例、応用例も包含するものである。

１７ 音響波受信器
２０ コンピュータ

Claims (10)

1. 光が被検体に照射されることにより発生する光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器と、
   前記時系列の受信信号に対して特定の音速を用いた再構成処理を行うことにより被検体情報を取得する処理部と、を有し、
   前記処理部は、前記再構成処理において、前記時系列の受信信号の受信時間を前記特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換することを特徴とする光音響装置。
2. 前記処理部は、前記時系列の受信信号における前記被検体の表面で発生した光音響波の受信時間の前または後の受信時間を前記特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換することを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
3. 前記処理部は、前記時系列の受信信号を用いて前記被検体の表面で発生した光音響波の受信時間を取得することを特徴とする請求項２に記載の光音響装置。
4. 前記処理部は、前記被検体内の音速と、前記被検体と前記音響波受信器との間に配置された部材内の音速とを用いて、前記時系列の受信信号の受信時間を前記特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光音響装置。
5. 前記処理部は、前記被検体内の音速と前記部材内の音速との比と、前記被検体の表面で発生した光音響波の受信時間とを用いて、前記時系列の受信信号の受信時間を前記特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換することを特徴とする請求項４に記載の光音響装置。
6. 前記特定の音速は、前記被検体内の音速であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光音響装置。
7. 前記特定の音速は、前記被検体と前記音響波受信器との間に配置された部材内の音速であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光音響装置。
8. 前記被検体と前記音響波受信器との間に配置された前記部材は、前記被検体の音響インピーダンスと前記音響波受信器の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスを有する部材であることを特徴とする請求項７に記載の光音響装置。
9. 光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して得られる時系列の受信信号に対して特定の音速を用いた再構成処理を行うことにより被検体情報を取得する工程を有し、
   前記被検体情報を取得する工程において、前記時系列の受信信号の受信時間を前記特定の音速を基準に規格化された受信時間に変換することを特徴とする信号処理方法。
10. 請求項９に記載の信号処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。