JP2016101425A

JP2016101425A - 光音響波測定装置

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Abstract

【課題】不必要なパルス光の照射による被ばくを低減できる光音響波測定装置を提供する。【解決手段】光音響波測定装置は、光源１０１と、光源１０１からの光が照射された測定対象から発生した光音響波１１４を検知する光音響波検知部（トランスデューサ）１１５と、測定対象１１２の表面における測定位置と光音響波検知部１１５との間の距離を得る測距部（距離算出部）１２２と、測定位置における距離が閾値を上回る場合には、測定対象１１２に照射される光を低減させる光量調整部（測定制御部）１０２を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光音響波測定装置に関するものである。

レーザーなどの光源から照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光に基づく信号を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング装置の研究が、医療分野で進められている。このような光イメージング技術の一つとして、光音響イメージングが知られている。

光音響イメージングとは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した部分から発生した音響波（以下、光音響波とも表記する）を検出し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

例えば、上記に用いるパルス光としてヘモグロビンが吸収する波長の光を用いることで、生体内の血管像を非侵襲で画像化することができる。また、それとは異なる波長を用いることで、皮膚下のコラーゲンやエラスチンを画像化できる。さらに、造影剤を使用することによって血管像を強調したり、リンパ管を画像化したりすることも可能である。

光音響イメージングを用いた三次元可視化技術として代表的なのが、光吸収体から発生した光音響波を二次元面上に配置された超音波トランスデューサなどを用いて検知し、画像再構成計算を行うことで光学特性値に関連した三次元データを作成する技術である。この三次元可視化技術は光音響トモグラフィー（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ；ＰＡＴ）と呼ばれる。

さらに、近年、光音響イメージングを用いて高い空間分解能で可視化を可能とする装置として光音響顕微鏡が注目されている。光音響顕微鏡は、光学レンズまたは音響レンズを用いることで光や音をフォーカスすることにより、高分解能の画像を取得することが可能である。

しかしながら、ＰＡＴを用いた装置や光音響顕微鏡などの光音響装置は、可視化する深度と空間分解能とがトレードオフになることが知られている。すなわち、ＰＡＴは、生体の深い位置にある組織に係る情報ほど空間分解能が低下するという性質を持っている。この原因としては、生体内で光が拡散しやすいことや、生体内から発生する高周波数の光音響波の減衰が大きいことなどが挙げられる。この性質のため、例えば、高い空間分解能を有する光音響顕微鏡について言えば、生体の比較的浅い部分に存在する皮膚内の光吸収体を可視化することが主な用途となる。たとえば、光音響顕微鏡によって血中ヘモグロビンを可視化する場合であれば、皮膚の真皮層に存在する血管を可視化することができる。

非特許文献１では、小動物を用いて音響レンズを用いることによって皮膚内部の血管画像を高解像度にイメージングすることが可能な光音響顕微鏡が記載されている。

Ｉｎｖｉｖｏｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ−ｍｏｄｅｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．６，ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ

光音響顕微鏡によって皮膚内部に存在する血管画像をイメージングする場合、高解像度の画像を取得するために、被検体に照射するパルス光の焦点位置は血管が存在する皮膚内部に来るように位置決めされることが考えられる。しかしながら、通常、皮膚表面は平らではなく凹凸が存在するため、二次元平面走査によって測定を行う際に、測定箇所によってはパルス光の焦点位置が皮膚の外部に来る可能性がある。このような状況では、パルス光が皮膚内部で拡散されないため、拡散される場合よりも高いエネルギー密度の光が直接皮膚にあたることになる。高いエネルギーの光を皮膚に照射した際に皮膚に生じうる影響を考慮すると、不必要なパルス光は皮膚、特に、ヒトの顔の皮膚、に照射することは好ましくない。非特許文献１においては、この問題について何ら認識されていない。

そこで、本発明は、不必要なパルス光の照射による被ばくを低減できる光音響波測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一の側面である光音響波測定装置は、光源と、前記光源からの光が照射された測定対象から発生した光音響波を検知する光音響波検知部と、前記測定対象の表面における測定位置と前記光音響波検知部との間の距離を得る測距部と、前記測定位置における前記距離が閾値を上回る場合には、前記測定対象に照射される光を低減させる光量調整部を有することを特徴とする。

本発明の別の一の側面である光音響波測定装置は、光源と、前記光源からの光が照射された測定対象から発生した光音響波を検知する光音響波検知部と、前記光源からの光を焦点位置に集光させる光学系と、前記測定対象の表面における測定位置と前記光音響波検知部との間の距離を得る測距部と、を有し、前記測距部によって得た距離に基づいて、前記測定位置における前記焦点位置と前記測定対象の表面との間の距離を算出し、前記焦点位置と前記測定対象の表面との間の距離が、閾値を下回る場合には、前記測定対象に照射される光を低減させる光量調整部を有することを特徴とする。

本発明によれば、不必要なパルス光の照射による被ばくを低減できる。

本発明の実施形態に係る光音響測定装置の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る光音響測定装置の測定シーケンスを示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る光音響測定装置の測定シーケンスを示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る光音響測定装置の測定動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態に係る光音響測定装置の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る測定領域および測定位置を示す図である。本発明の実施形態に係る光音響測定装置の測定シーケンスを示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る光音響測定装置の測定動作を示すタイミングチャートである。

［実施形態１］
本実施形態では、光音響波測定装置の一例として、超音波フォーカス型の光音響顕微鏡について説明する。本実施形態において、超音波フォーカス型の光音響顕微鏡とは、超音波の焦点領域に対して、パルス光の焦点領域の方が広くなるような構成を持つ光音響顕微鏡を意味する。本発明は、超音波フォーカス型の光音響顕微鏡に限らず、超音波の焦点領域よりも、パルス光の焦点領域の方が小さくなるような構成をもつ、光フォーカス型の光音響顕微鏡にも適用可能である。

以下では、パルス光を被検体に照射し、被検体から発せられた光音響波を受信することを、光音響測定とも呼ぶ。

また、請求項に記載の光音響波検知部および測距部は、本実施形態における、トランスデューサのことである。

（全体構成の説明）
本実施形態の光音響顕微鏡の全体構成について図を用いて説明する。図１は、超音波フォーカス型の光音響顕微鏡の全体構成を示している。

パルス光源１０１は、測定制御部１０２の制御によりパルス光を発光する。パルス光は、光ファイバ１０３を通り、生体に励起光を照射するための光学系に導光される。換言すると、被検体１１２にパルス光を照射するための光源は、光を発生する光発生部であるパルス光源１０１と、その光を導く導光部である光ファイバ１０３とを含む。測定制御部１０２は、パルス光１０４の光量を調整する光量調整部としての機能も担う。本実施形態においては、この光学系はレンズ１０５、ビームスプリッタ１０６、コニカルレンズ１０７、およびレンズ１０８を含む。光ファイバ１０３から出たパルス光１０４は、レンズ１０５でコリメートされ、一部はビームスプリッタ１０６を透過するとともに、別の一部はビームスプリッタ１０６により反射される。ビームスプリッタ１０６を透過したパルス光は、コニカルレンズ１０７によって円環状に広げられて、ミラー１１１に入射する。一方、ビームスプリッタ１０６で反射されたパルス光は、レンズ１０８で集光されて、フォトディテクタ１０９によって検知される。検知された信号は、データ収集部（ＤａｔａＡｃＱｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＤＡＱ部）１１０によって変換されて得られたデジタル信号が、ＤＡＱ部の内部メモリに蓄積される。フォトディテクタ１０９によって検知されたパルス光は、光音響信号の光量変動に起因する誤差を補正するのに用いたり、光音響波の測定タイミングを決めるトリガー信号として使用したりすることができる。

コニカルレンズ１０７で円環状に広げられたパルス光１０４はミラー１１１によって反射されることで集光される。ミラー１１１は、たとえばガラスのような透明部材を母材として、ミラー１１１とミラー１１１の外部（空気や、後述する水など）との境界でパルス光１０４を反射するように構成される。また、ミラー１１１の周囲に金属膜を蒸着するなどして、光の反射率を高めてもよい。光音響波の測定時はミラー１１１によって集光された光の焦点の位置が、被検体１１２の内部に来るように設定する。本実施形態において、レンズ１０５、コニカルレンズ１０７、およびミラー１１１は、パルス光１０４を被検体１１２に導く光学部として機能する。被検体１１２の内部で拡散したパルス光は、被検体内部の血液などの光吸収体１１３に吸収される。光吸収体１１３は、その種類によって固有の光の吸収係数を持つ。光吸収体１１３は、光を吸収することで光音響波１１４を発生させる。光音響波１１４はミラー１１１の中央付近に設置された、光音響波検知部であるトランスデューサ１１５によって検知され、その音圧強度変化が電気信号に変換される。トランスデューサ１１５は、たとえば超音波の周波数帯域に感度を持つ超音波トランスデューサであって、複数のトランスデューサ素子を含んで成る。トランスデューサ１１５は音響レンズを備えていてもよく、本実施形態においては、トランスデューサ１１５が音響レンズを備えることにより、その焦点位置から発生した音波を感度良く検出することができる。特に、この音響レンズの焦点を、ミラー１１１により集光されたパルス光の焦点位置に設定することで、パルス光の焦点位置から発生した音波を感度良く検出できる。なお、トランスデューサ１１５と被検体１１２との間には、水槽１１６に溜められた媒質が存在し、これにより被検体との音響インピーダンスマッチングが図られている。水槽１１６に溜められる音響インピーダンスマッチング材としては、水や、他の物質を含んでもよい。また、水槽１１６の底部と被検体１１２との間には、ジェル状の音響インピーダンスマッチング材を塗布してもよい。光音響波１１４は、トランスデューサ１１５によって検出され、電気信号に変換される。トランスデューサ１１５によって得られた電気信号は信号増幅器を備えたパルサーレシーバー１１７に送られ、信号強度が増幅される。その後、ＤＡＱ部１１０でデジタル信号に変換され、ＤＡＱ部１１０の内部メモリに蓄積される。ＤＡＱ部１１０に蓄積されたデータは信号処理部１１８によって信号処理される。その後、画像処理部１１９で画像処理を行い、表示部１２０で画像データとして表示される。信号処理部１１８および画像処理部１１９を一体の処理部として構成してもよい。

本実施形態において、１２１の枠線で囲われた部材は、二次元状に走査可能な可動ステージ（不図示）に載置されている。可動ステージが被検体１１２に対して二次元状に相対移動することで、被検体１１２にフォーカスされたパルス光１０４の焦点とトランスデューサ１１５の焦点の位置を移動する。二次元走査した各測定位置において光音響波を検出することで、被検体の二次元の光音響信号データを取得することができる。トランスデューサ１１５と、パルス光の焦点位置との相対位置は固定である。

また、本実施形態では、被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５までの距離を測定することで、パルス光の焦点位置と被検体表面の相対距離を算出し、その情報をもとに照射するパルス光の強度を制御する機構が備わっている。

パルサーレシーバー１１７は、測定制御部１０２で生成されるトリガー信号に基づいて被検体１１２に対して弾性波を送信する指示をトランスデューサ１１５に出す。弾性波は、たとえば超音波である。そして、パルサーレシーバー１１７は、トランスデューサ１１５が検知した被検体表面で反射された弾性波の信号強度を増幅する。増幅された信号はＤＡＱ部１１０でデジタル信号に変換され、距離算出部１２２に送られる。距離算出部１２２では、送られた信号の前記トリガー信号に対する遅延時間から被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５の距離を算出する。そして、パルス光の焦点とトランスデューサのセンサ面との既知の距離を考慮して、被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離を算出することができる。

なお、測定制御部１０２ではパルス光源１０１の発光強度の制御のほか、発光タイミングの制御や、前述の可動ステージ（不図示）の制御、ＤＡＱ部１１０のデータサンプリングに関する制御等を行う。

なお、上記で説明した構成では、パルス光１０４の焦点領域はトランスデューサ１１５に具備された音響レンズの超音波焦点を包含する構成を例示したが、光フォーカス型の光音響顕微鏡のように、この関係性が逆になっている構成でもよい。すなわち、対物レンズなどを用いてパルス光１０４をフォーカスした焦点領域が、トランスデューサ１１５の音響レンズの超音波焦点の領域に包含される構成になっていても良い。光フォーカス型の光音響顕微鏡を用いることで、光の焦点の大きさが光音響顕微鏡の解像度を決定するため、より高解像度の光音響画像を取得することが可能になる。

（データ取得プロセス）
次に、上記の超音波フォーカス型の光音響顕微鏡を用いて、光音響波の測定を行う方法を説明する。

本実施形態では、測定対象である被検体の表面における、ある測定位置と、トランスデューサとの間の距離が閾値を上回る場合に、その測定位置については、被検体に照射される光を低減するというものである。これは言い換えると、パルス光１０４の焦点位置と被検体との間の距離が、閾値を上回る場合には、その測定位置については被検体に照射される光を低減することでもある。以下では、その具体的な実現方法を説明する。

図２は、本実施形態に係るデータ取得プロセスを説明するためのフローチャートである。

ステップ２０１から測定が開始する。

ステップ２０２では、測定対象となる被検体１１２を、たとえば載置台に固定する。載置台は、被検体１１２の全体が載置されうるものでもよいし、被検体１１２の測定部位のみが載置されるもので会ってもよい。また、被検体１１２が生体である場合には、被検体１１２に麻酔を投与するなどして、被検体１１２が測定中に動かないようにしてもよい。

ステップ２０３は、測定アライメントの調整を行う工程である。光音響測定に先立ち、トランスデューサ１１５の音響焦点の、被検体１１２内部における深さを調整する。この調整は、前述したステージ走査を行う二次元面に対して、垂直な方向の調整が可能な高さ調整機構によって行う。トランスデューサ１１５の音響焦点の深さは、もっとも鮮明な画像を取得した被検体内部の表面からの深さに応じて調整する。ただし、被検体１１２内部におけるパルス光１０４の拡散や、光音響波の散乱や減衰があるため、ＰＡＴは、被検体１１２の深い位置ほど、鮮明な画像を得ることが困難になるという特性がある。したがって、ステップ２０３における深さ調整はこの特性を考慮して設定することが好ましい。

ステップ２０４では、光音響測定を行う際の各種測定パラメータの設定を、たとえばユーザーからの入力に応じて測定制御部１０２が行う。具体的には、光音響測定の測定ピッチ、測定範囲、測定位置あたりの光音響信号のサンプリング周波数、取得された光音響信号の保存時間、自動ステージの走査速度、加速度、パルス光源１０１の発光周波数、光量、波長などである。

ステップ２０５は、被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５までの距離を測定する工程である。ステップ２０５では、さらに、その測定結果に基づいて、次の測定位置における光音響測定を実行するか否かを決定する。

被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５との間の距離を測定することで、パルス光の焦点位置と被検体１１２の表面との相対距離を算出することができる。ステップ２０５において、パルサーレシーバー１１７は、測定制御部１０２が生成したトリガー信号４０２に基づいて、被検体１１２に対して弾性波を送信する指示を、トランスデューサ１１５に送信する。トランスデューサ１１５から発せられた弾性波は、被検体表面で反射され、トランスデューサ１１５で受信される。距離算出部１２２は、弾性波の出射時刻から、被検体１１２に反射された弾性波をトランスデューサ１１５が受信する時刻までの時間差Δｔ［ｓ］から、被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５の距離を算出する。パルス光１０４の焦点と、トランスデューサ１１５のセンサ面との距離は既知であるため、距離算出部１２２は、算出された被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５の距離から、被検体表面とパルス光の焦点位置との間の距離を算出する。

ここで、時間差Δｔ、水槽１１６に満たされた媒質中における弾性波の速度をν［ｍｍ／ｓ］、パルス光１０４の焦点位置とトランスデューサ１１５のセンサ面との間の距離をＬ_ｆ１［ｍｍ］とする。このとき、被検体表面とパルス光の焦点位置との間の距離Ｌ_ｓ［ｍｍ］は、下記式（１）を用いて算出することができる。

算出されたＬ_ｓが正の値であるときには、パルス光１０４の焦点は被検体内部に位置し、負の値のときパルス光の焦点は被検体外部に位置する。なお、水槽１１６内の媒質中の弾性波速度νは、媒質温度に依存する。そのため、水槽１１６内の媒質の温度を温度計で測定しておき、その測定値から速度νを決定してもよい。

また、ここではトランスデューサ１１５の音響レンズの中心軸と、パルス光１０４を被検体に導光する光学系の光軸が平行である場合を仮定しているが、両者が平行でない場合には、二つの軸の傾きを考慮して式（１）を補正することで距離Ｌ_ｓを求められる。

ステップ２０５では、ステップ２０４で算出した、被検体表面とパルス光の焦点位置との相対距離に基づき、次の測定位置における光音響測定を実行するか否かの判断を測定制御部１０２が行う。具体的な手法の一例としては、以下の不等式（２）が満たされる場合には光音響測定を実行し、そうでない場合には、光音響測定を実行しないようにする。これは、パルス光の焦点位置と被検体表面との距離が閾値を下回る場合には、光音響測定を行わないようにするとも言える。

ここで、閾値であるＬ_ｔｈ［ｍｍ］は正の値であり、測定実行者が任意に設定できる。被検体表面とパルス光の焦点位置との間の距離Ｌ_ｓが０となるのは、被検体の表面にパルス光の焦点が位置する場合である。特にヒトの表皮下の血管や毛細血管内の血液が画像化の対象である場合には、パルス光の焦点位置が表面よりも被検体の内部に位置することが好ましいため、閾値Ｌ_ｔｈは、０．０５〜０．２［ｍｍ］程度に設定される。

また、

は、次の光音響信号の測定位置における、被検体表面とパルス光の焦点位置との相対距離の近似値を表している。近似値

を決定する方法のいくつかの例としては、次のものが挙げられる。

（１）次の光音響信号測定を行う測定位置に最も近い位置で測定した、被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離Ｌ_ｓを近似値

として代用する。

（２）次の光音響信号測定を行う測定位置に近い複数位置で測定した、被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離Ｌ_ｓの線形補間値を利用する。

（３）次の光音響信号測定を行う測定位置に近い複数位置で測定した被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離Ｌ_ｓの非線形補間値を利用する。

ステップ２０６では、光音響測定を実行する位置であるかどうかの判断を行う。測定シーケンスの最初の測定位置であれば、このステップの結果は必ずＹＥＳとなるので、光音響測定を行う。一方、測定シーケンスの２番目以降の測定位置については、その測定位置の前の測定位置で算出した距離情報に基づいて、その測定位置において光音響測定を行うか否かの判断が行われる。ステップ２０６における判断がＹＥＳである場合には、ステップ２０７に進み光音響測定を実行する。ステップ２０６における判断がＮＯである場合には、ステップ２０８に進み、トランスデューサ１１５を次の測定位置に移動させたのち、ステップ２０５に戻る。光音響測定を行わない測定位置では、測定制御部１０２は、被検体に照射されるパルス光を低減する。これは、パルス光源１０１に発光させなかったり（パルス光の光量をゼロにする）、パルス光源１０１から発光される発光量を、光音響測定時よりも下げたり、パルス光源１０１の発光周波数を低減したりすることによって実現できる。別の手法として、パルス光源１０１から被検体までの光路上に光学素子を挿入することで、被検体の表面近傍における光の集光度を低減することで、被検体１１２に照射されるパルス光のエネルギー密度を低減することもできる。さらに別の手法として、パルス光源１０１から被検体までの光路上にＮＤフィルタのような減光素子を挿入することで、被検体１１２に照射されるパルス光のエネルギー密度を低減することもできる。さらに別の手法として、パルス光源１０１から被検体までの光路上に遮光部材を挿入することで、被検体１１２に照射されるパルス光のエネルギー密度を低減することもできる。なお、光音響測定を実行しない測定位置においては、トランスデューサ１１５を動作させなくてもよい。

ステップ２０６において、光音響信号測定を実行する測定位置であると判断した場合には、ステップ２０７に進んで光音響信号測定を行う。光音響信号測定は、次の順序で実行される。

パルス光源１０１は、測定制御部１０２が生成したパルス光発光トリガー信号に基づいて、パルス光を発生する。被検体１１２にパルス光が照射されることで、被検体１１２から発生した光音響波１１４を、トランスデューサ１１５で受信する。受信した光音響波の音圧は、トランスデューサ１１５によって電気信号に変換される。得られた電気信号は、パルサーレシーバー１１７で増幅され、その後、ＤＡＱ部１１０でデジタル信号に変換され、ＤＡＱ部１１０の内部メモリに蓄積される。ＤＡＱ部１１０に蓄積されたデータは信号処理部１１８に送られる。

ステップ２０９は、ステップ２０４で設定した光音響測定の測定範囲をすべて測定し終えたかを判断する工程である。すべての測定位置における測定を終えていないと判断した場合、ステップ２０８に進み、ステージ走査により、次の被検体距離測定位置までトランスデューサ１１５を移動した後、ステップ２０５に戻る。ステップ２０５からステップ２０９までを、すべての測定が終了するまで繰り返す。その後、ステップ２０９で、すべての測定位置における測定を終えたと判断した場合には、ステップ２１０に進む。

ステップ２１０は、各測定位置における光音響測定によって得られたデータについて信号処理を行う工程である。信号処理の具体的な内容としては、パルス光源１０１のパルス幅を考慮したデコンボリューションや、包絡線検波などである。また、あらかじめ信号に付加されるノイズに特徴的な周波数が分かっており、これを光音響波信号の主たる周波数と分離できる場合には、ノイズに起因する特定の周波数成分を除去することなども可能である。また、被検体１１２の表面や、水槽１１６の底部などの界面における反射のために、光音響波の音源から直接トランスデューサ１１５に到達した光音響波に対して遅延して受信される成分を、信号から除去することもできる。また、被検体１１２の表面で発生した光音響波の成分が顕著である場合には、それをこのステップにおいて削除することも可能である。

ステップ２１１は、画像処理を行うステップである。画像処理部１１９は、ステップ２１１で信号処理を経て得られた信号から、可動ステージ走査面における位置および被検体の深さ方向の信号強度分布などをもとに、ボクセルデータを作成して、可視化するための画像データを生成する。この過程で、既知のアーティファクトがあればボクセルデータから除去してもよい。また、例えば被検体内の光吸収体の酸素飽和度を算出する場合に、複数のパルス光の波長で取得した光音響信号強度のボクセルデータから、酸素飽和度値を含むボクセルデータを作成しておくことも可能である。この他にも、被検体内の血中ヘモグロビンを主な光吸収体とするために、パルス光の波長を設定して測定を行った場合に、例えば取得したボクセルデータから血管の画像を二値化して抽出することも可能である。

なお、このステップでは、ステップ２０６において光音響測定の対象外となった測定位置の座標情報を測定制御部１０２からあらかじめ受け取っておき、それを考慮した上でボクセルデータを作成する。測定データが存在しないボクセルについては、その他の測定データがある領域とは区別可能なようにダミーデータを入れてもよいし、周囲のボクセルデータから補間データを入れてもよい。

ステップ２１１は、ステップ２１１作成されたボクセルデータに基づく画像を表示部１２０に表示するステップである。画像の表示形式は、ユーザーが任意に選択可能で、例えば、３次元の各軸に垂直な断面を表示する方法や、各軸の方向についてのボクセルデータの最大値、最小値または平均値の二次元分布として表示する方法を用いることができる。また、ユーザーが、ボクセルデータ内でＲＯＩ（ＲｅｇｉｏｎＯｆＩｎｔｅｒｅｓｔ；注目領域）を設定して、その領域内の吸収体の形状に関する統計的な情報や、酸素飽和度情報を表示するようにユーザーインターフェースのプログラムが構成されていてもよい。このとき、ステップ２０６で測定対象外となった測定位置については、光音響測定に基づいて計算された値が存在しないため、これらの測定位置を除いた領域のみを参照して各種計算を行う。なお、測定対象外領域については、表示部１２０に表示する際に、ダミーのデータを表示するようにしてもよい。表示部１２０に画像が表示されると、ステップ２１３に進み、測定シーケンスが終了する。

上記の測定シーケンスによれば、パルス光の焦点位置が被検体１１２内部にない場合には、被検体１１２が不必要なパルス光による被ばくを受けること低減できる。

上記の測定シーケンスにおいて、ステップ２０６では、別の測定位置における距離情報に基づいて判断を行っていた。この手法によれば、ステップ２０７あるいは２０８の動作と並行して、次の測定位置における距離情報を推定できるので、ステップ２０５の距離測定を実行してからステップ２０６の判断が決定されるまでの時間が短くできるという利点がある。しかし、距離情報の取得を行う測定位置と光音響測定を行う測定位置とが異なる。そこで、距離情報の取得と光音響測定の両者を同じ測定位置で実行するようにしてもよい。この場合には、ステップ２０５で距離情報を取得した測定位置について、ステップ２０６では、その測定位置で取得した距離情報に基づいて光音響測定を行うか否かの判断を行う。

また、図２を参照しながら説明した測定シーケンスにおいては、各測定位置において被検体距離測定を実行し、ステップ２０６で、光音響測定を実行するかの判断を逐一行った。しかし、測定領域の全域にわたって被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離を測定し、光音響測定を行う測定位置を決定してから、決定された測定位置に対してのみ、光音響測定を行ってもよい。

この測定シーケンスについて、図３を用いて説明する。図２に示した測定シーケンスとは、ステップ２０５からステップ２０９の工程が異なるので、相違点を中心に説明を行う。

図３に示す測定シーケンスにおいて、ステップ２０４の測定パラメータの設定が完了すると、ステップ３０１に進む。ステップ３０１では、ステップ２０４で設定された測定領域の全域にわたって、被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離を算出する。算出には式（１）を用いる。

ステップ３０２では、測定領域の各測定位置について、ステップ３０１で得られた距離情報に基づいて、光音響測定を行うかどうかの判断を行う。この判断は、不等式（２）を用いて行われる。このようにして、ステップ２０４で設定した測定領域の中で、光音響測定を実行する測定位置を決定する。

ステップ３０３では、ステップ３０２で決定した、光音響測定を実行する測定位置の全てについて光音響測定を実行する。

ステップ２１０以降の各ステップは、図２に示した測定シーケンスと同様に行う。図３に示した測定シーケンスによっても、パルス光の焦点位置が被検体１１２内部にない場合には、被検体１１２が不必要なパルス光による被ばくを受けること低減できる。

上記では、被検体表面とパルス光の焦点位置との間の距離Ｌ_ｓが閾値Ｌ_ｔｈを上回るか否かの判定を行い、距離Ｌ_ｓが閾値Ｌ_ｔｈを上回る場合には、その測定位置においては、被検体に照射される光を低減させることを説明した。しかし、判定の対象は距離Ｌ_ｓ以外でもよい。たとえば、トランスデューサ１１５から発した弾性波が被検体で反射されてトランスデューサ１１５によって検知されるまでの時間から、トランスデューサ１１５と被検体表面との間の距離が算出できる。そこで、トランスデューサ１１５と被検体表面との間の距離が閾値を上回る場合には、パルス光の焦点が被検体内部にはないと判定することもできる。そして、その測定位置においては、被検体に照射されるパルス光を低減させるという処理を行ってもよい。

（動作タイミング）
次に、図３の測定シーケンス中の距離測定および光音響波測定について、図４のタイミングチャートを用いて、動作のタイミングを説明する。なお、ここでは説明を簡単に行うために信号形状やタイミングを簡略的に示している。

トリガー信号４０１は、測定制御部１０２で生成される信号であって、前述した不図示の可動ステージの走査に伴って、トランスデューサ１１５の音響レンズの焦点が、光音響波の測定を行う測定位置に到達すると生成される。測定位置の決定の仕方は後述する。トリガー信号４０２は、被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５の間の距離を測定するために、トランスデューサ１１５から送信する弾性波の送信タイミングを決めるトリガー信号である。トリガー信号４０２は、トリガー信号４０１と同時刻に発生してもよいし、トリガー信号４０１の発生時刻に対して時間のずれを持って発生してもよい。反射弾性波４０３は、トランスデューサ１１５が受信した弾性波である。この弾性波は、トランスデューサ１１５から送信され、被検体１１２の表面において反射された弾性波である。反射弾性波４０３は、被検体１１２の表面とトランスデューサ１１５のセンサ面との距離に応じて、トリガー信号４０２に対して遅延時間４０４だけ遅れてトランスデューサ１１５に受信される。距離算出部１２２は、遅延時間４０４に基づいて、トランスデューサ１１５と被検体表面との間の距離を算出する。パルス光発光トリガー信号４０５は、パルス光源１０１にパルス光の発光を行わせるための信号であって、光音響測定位置トリガー信号４０１と同期して生成されてもよい。光音響波４０６は、パルス光発光トリガー信号４０５に起因してパルス光源１０１から発せられるパルス光によって被検体内部で励起され、トランスデューサ１１５に到達した光音響波を示している。トランスデューサ１１５に検知される光音響波は、パルス光発光トリガー信号４０５に対して、光音響波の発生源からトランスデューサ１１５に到達するまでの時間分の遅延τをもつ。光源から光音響波の発生源にパルス光が到達するまでの時間は、ほぼ無視できるものとする。サンプリングパルス４０７は、トランスデューサ１１５に到達した光音響波を測定するサンプリングタイミングを規定する信号である。たとえばサンプリングパルス４０７の各立ち上がりエッジに同期して、その時刻の光音響波のレベルを測定する。サンプリングの開始は、遅延τを考慮して、パルス発光トリガー信号４０５に対して遅延した時刻としてもよいし、ＤＡＱ部１１０のメモリが十分にある場合には、パルス発光トリガー信号４０５と同時刻としてもよい。サンプリングを行う機関は、少なくとも光音響波４０６の最大および最小のピークを含むように設定されるまた、サンプリング周波数は、発生する光音響波の主周波数に対して、少なくとも二倍以上であって、望ましくは、可能な限り十分大きな周波数である。

なお、上記では被検体距離測定のためのトリガー信号４０２はトリガー信号４０１に対して一定の時間ずれがあっても良いとしたが、この時間ずれは反射弾性波４０３と光音響波４０６とがトランスデューサ１１５に到達する時刻が重複しないように設定される。

また、上記の動作タイミングは、不図示の可動ステージの走査が停止せずに連続的に行われる場合について述べた。しかしながら、この場合に限らず、可動ステージが光音響測定を実行する位置ごとや、被検体距離測定ごとに停止する走査方法でも各測定を行うことができる。

上記の光音響波測定装置を用いることで、不必要なパルス光の照射に対する被ばくを低減することができる。

［実施形態２］
第２の実施形態に係る光音響波測定装置は、実施形態と同じく超音波フォーカス型の光音響顕微鏡である。本実施形態では、実施形態１とは異なる方法で被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離を測定する光音響波測定装置を説明する。実施形態１と同様の箇所は説明を省略し、実施形態１とは異なる点を中心に説明する。

なお、請求項に記載の光音響波検知部は、本実施形態における、トランスデューサのことである。請求項に記載の測距部は、本実施形態における光学測距部のことである。

本実施形態の全体構成について、図５を用いて説明する。実施形態１においては、光音響波を検知するためのトランスデューサ１１５が、測距手段としての機能も担っていた。本実施形態に係る光音響波測定装置では、トランスデューサ１１５とは別に測距手段を持つ点で実施形態１とは異なる。ここでは、光学手段を用いた測距方法を用いる。光学手段を用いた光学測距部５０１は、トランスデューサ１１５に近接して備えられている。つまり、光学測距部は、光学的測距手段を含む。光学測距部５０１は、枠線１２１で囲われたパルス光１０４を被検体１１２に導光するための光学系やトランスデューサ１１５とともに、二次元状に走査可能な不図示の可動ステージに載置されている。光学測距部５０１で取得された、被検体１１２と光学測距部５０１との間の距離情報は、距離算出部５０２に送られ、実施形態１と同様に、距離算出部５０２が、被検体表面１１２とパルス光１０４の焦点位置の相対距離を算出する。そして、算出された相対距離情報をもとに、測定制御部１０２は、発光するパルス光の光強度を低下させるか、発光を行わないかを決定するとともに、その決定に従ってパルス光源１０１の発光強度制御を行う。また、トランスデューサ１１５で受信された光音響波１１４は電気信号に変換され、信号増幅器５０３でその強度が増幅される。その他の構成要素については実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、本実施形態では、トランスデューサ１１５から弾性波を発生させる必要がないために、パルサーレシーバー１１７に変えて信号増幅器５０３を用いているが、パルサーレシーバー１１７を用いてもよい。

なお、上記では光学測距部５０１はトランスデューサ１１５に近接して備えられるとしたが、光学測距部５０１のみを、独立に二次元状に走査可能な可動ステージに載置してもよい。ただし、この場合は、トランスデューサ１１５が載置されている可動ステージと光学測距部が載置されている可動ステージは同じ座標系に基づいてステージ位置が制御されていることが望ましい。これによって、トランスデューサ１１５で信号を取得する位置と、光学測距部５０１で測定する位置とが対応可能なように構成される。

なお、光学測距部５０１としては、レーザーを用いた変位計や形状測定機、カメラなどのオートフォーカス機能に用いられる測距手段などを用いることができる。また、図５に示すように、トランスデューサ１１５に近接して光学測距部５０１の全体が設けられている必要はなく、被検体１１２までの距離を測定するための光学系の一部だけが載置されていてもよい。例えばレーザーを用いた変位計の、レーザーを反射するためのミラーのみが載置されていてもよい。

（データ取得プロセス）
次に、上記の超音波フォーカス型の光音響顕微鏡を用いて、光音響波の測定を行う方法を説明する。本実施形態においては、光学測距部５０１の測定位置と、トランスデューサ１１５の音響焦点とが並んだ方向に、光学測距部５０１およびトランスデューサ１１５が被検体１１２に対して相対移動しながら、測距および光音響測定を行う。

図６は、被検体の表面の測定領域を、パルス光１０４を被検体に導く光学系の光軸に対して垂直な方向から観察した図である。多くの場合、パルス光１０４を被検体１１２に導く光学系の光軸は、トランスデューサ１１５の中心軸と並行である。図６において、測定領域６０１において、格子の各交点が、光音響測定が行われる可能性のある測定点６０２である。つまり、格子の交点の間隔が、光音響測定の測定ピッチを表している。白丸は、トランスデューサ１１５の焦点位置６０３である。黒丸は、光学測距部５０１による測定位置６０４である。図５からも分かるように、光学測距部５０１による測定位置６０４は、点線で示す、ミラー１１１の反射面で規定される領域の中に存在する。光学測距部５０１およびトランスデューサは、相対距離を保った状態で、方向６０５に走査される。ここでは、両者の相対距離は、３．５ピッチであるものとする。そのため、光学測距部５０１の測定位置が測定位置６０６や６０７にある場合には、トランスデューサ１１５の焦点位置は測定領域６０１の外になる。１ラインについて、方向６０５に沿った走査が終わると、別のラインについても同様の走査を行う。

次に、本実施形態に係るデータ取得プロセスを説明する。図７は、本実施形態に係るデータ取得プロセスを説明するためのフローチャートである。ステップ２０１からステップ２０４と、ステップ２０７、ならびにステップ２１０以降は、図２に示したフローチャートと同様の処理であるので、説明を省略する。

ステップ７０１では、ステップ２０４で設定された測定領域の中に、光学測距部５０１の測定位置が入るようにした上で、その測定位置における被検体表面と光学測距部との間の相対距離をＬ_ｓ［ｍｍ］を測定する。

ステップ７０２では、ステップ７０１において、光学測距部５０１による測定位置が行われたときのトランスデューサ１１５の焦点位置が、測定領域６０１ないにあるかどうかの判断を行う。たとえば、図６の白丸６０３に示した位置にトランスデューサ１１５の焦点位置があれば、ステップ７０２における判定はＹＥＳとなり、ステップ７０３に進む。一方、光学測距部５０１の測定位置がたとえば測定位置６０６にある場合には、トランスデューサ１１５の焦点位置は測定領域６０１の外になるため、ステップ７０２における判定はＮＯとなるので、ステップ７０４に進む。ステップ７０４では、光学測定部５０１およびトランスデューサ１１５の焦点位置を次の測定位置に移動させ、新しい測定位置において、ステップ７０１の処理を行う。

ステップ７０３以降の動作の説明を行う前に、相対距離Ｌｓの算出方法を説明する。本実施形態においては、トランスデューサ１１５とは別に設けられた光学測距部５０１を用いて、トランスデューサのセンサ面と被検体表面との間の距離を求めることで、被検体表面とパルス光の焦点位置との相対距離Ｌ_ｓを算出する。ここでは、式（１）ではなく式（３）を用いる。
Ｌ_ｓ＝Ｌ_ｆ２−Ｌ_ＯＳ（３）
ここでＬ_ＯＳ［ｍｍ］は、光学測距部５０１の測定原点から被検体表面１１２までの距離であり、この値にはステップ７０１で得た距離情報を代入する。Ｌ_ｆ２［ｍｍ］は、光学測距部５０１の測定原点からパルス光１０４の焦点位置と同等の高さまでの距離であり、既知の値である。

なお、ここではパルス光１０４を被検体に導光する光学系の光軸と、光学測距部５０１の光軸が平行である場合を仮定しているが、両者が平行でない場合には、二つの軸の傾きを考慮して式（３）を補正すればよい。

また、ここでは、測定ステップの間隔の方が、白丸６０３と黒丸６０４との間の距離よりも小さい場合を説明した。しかし、測定ステップの間隔の方が、白丸６０３と黒丸６０４との間の距離よりも大きい場合には、実施形態１と同様の方法で

を算出し、式（２）を用いて光音響測定を実行するか否かの判定を行う。

ステップ７０１で算出した相対距離Ｌ_ｓに基づいて、実施形態１と同様に、不等式（２）を用いて、図８の各測定点における光音響測定の実行可否を判断できる。この判断は、ステップ７０１で行ってもよいし、測定シーケンス中の他のステップと並行して、バックグラウンドで行ってもよい。

ステップ７０３では、ステップ７０２において、測定領域内にトランスデューサ１１５の焦点があると判定された測定位置が、光音響測定を実行する位置か否かの判定を行う。不等式（２）が満たされる場合には、ステップ７０３における判定はＹＥＳとなり、ステップ２０７へと進む。一方、不等式（２）が満たされない場合には、ステップ７０３における判定はＮＯとなり、ステップ２０４を経てステップ７０１に戻る。つまり、ステップ７０３では、パルス光１０４の焦点位置が被検体１１２内部に位置する場合には、光音響測定を行い、パルス光１０４の焦点位置が被検体１１２内部に位置しない場合には、光音響測定を行わないという判定を行っている。

ステップ２０７の光音響測定が終わると、ステップ７０５に進む。

ステップ７０５は、光学測距部５０１による距離測定が終了したか否かの判定を行う工程である。図６に示した状況では、黒丸６０４の右側に測定点が存在するので、ステップ７０５における判定はＮＯとなり、ステップ７０４を経てステップ７０１に戻る。一方、ステップ７０１で距離測定を行った位置が、測定領域６０１の端部にあるために、光学測距部５０１を方向６０５に移動させると測定領域６０１の外に出てしまう場合には、ステップ７０５における判定はＹＥＳとなり、ステップ７０６に進む。

ステップ７０６は、トランスデューサ１１５を用いた光音響測定が終了したか否かの判定を行う工程である。図６において、トランスデューサ１１５の焦点位置が、測定領域６０１の方向６０５における端部にある場合のみ、ステップ７０６の判定はＹＥＳとなり、それ以外は、ステップ７０８に進む。

ステップ７０８では、トランスデューサ１１５の焦点位置が次の測定位置に移動する。

ステップ７０９では、新しい測定位置が、光音響測定を実行するべき測定位置か否かの判定を行う。判定がＮＯである場合には、ステップ７０８に戻り、トランスデューサ１１５の焦点位置をさらに移動させる。一方、判定がＹＥＳである場合には、ステップ２０７に戻り、光音響測定を実行する。

ステップ７０７は、ある走査ラインにおける距離測定および光音響測定が終了したか否かを判定する工程である。図６において、ある走査ラインの最後の測定点まで光音響測定が終了すると、測定領域６０１内に、未測定の測定位置を含む走査ラインの有無を判定する。未測定の測定位置を含む走査ラインがある場合には、ステップ７０７における判定がＮＯとなり、ステップ７０４において、次の走査ラインへと光学測距部５０１およびトランスデューサ１１５を移動させる。未測定の測定位置を含む走査ラインがない場合には、ステップ７０７における判定はＹＥＳとなり、ステップ２１０に進む。

なお、本実施形態においても、実施形態１で図４を用いて説明したように、光音響測定に先立って、あらかじめ、測定領域の全域にわたって被検体表面とパルス光の焦点位置の相対距離を測定することも可能である。

また、本実施形態においても、実施形態１と同様に、トランスデューサ１１５と被検体表面との間の距離が閾値を上回る場合には、パルス光の焦点が被検体内部にはないと判定して、その測定位置においては、被検体に照射されるパルス光を低減させるという処理を行ってもよい。

（動作タイミング）
図７の測定シーケンス中の距離測定及び光音響波測定について、図８を用いて説明する。図４に示した動作タイミングと異なるのは、トリガー信号４０２および反射弾性波４０３がなくなり、換わってトリガー信号８０２が描かれている点にある。図４に示した動作タイミングと同じ信号については、図４と同じ符号を付して、説明を省略する。

図８は、光学測距部５０１から発せられる光の波長領域が、パルス光１０４の波長領域と重複がある場合を想定したタイミング図になっている。光学測距部５０１による距離測定が、光音響測定に影響を及ぼさないように、測定制御部１０２は、パルス光１０４発光用のトリガー信号に対して、遅延８０２ずれたタイミングで、距離測定用のトリガー信号８０１を発生させる。なお、遅延８０２は、トリガー信号４０５のパルス幅よりも長い。

また、光音響測定を行わない測定位置については、トリガー信号４０５をローレベルに保つことで被検体に照射されるパルス光１０４の光量を低減する場合には、トリガー信号８０２の発生時刻を、トリガー信号４０１の発生時刻と同時にしてもよい。

さらにまた、光学測距部５０１から発せられる光の波長領域が、パルス光１０４の波長領域と重ならない場合には、トリガー信号８０１とトリガー信号４０５とを同時に発生させてもよい。なぜなら、光学測距部５０１による光学測定と光音響測定が同時に実行されても互いに影響を与えることはないからである。

（その他）
上記で説明した実施形態の構成及び動作は、例示的なものであり、変更を加えることができる。たとえば、被検体１１２へ照射するパルス光１０４は、被検体１１２を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特性の波長の光を用いる。パルス光１０４のパルス幅は、数ピコから数百ナノ秒オーダーのものであり、被検体が生体の場合には数ナノから数十ナノ秒のパルス光を採用することが好ましい。パルス光１０４を発生するパルス光源１０１としてはレーザーが好ましいが、レーザーの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなどを用いることも可能である。

パルス光源１０１のレーザーとしては、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。発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（ＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）を用いれば、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。

パルス光源１０１の波長に関しては、４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域、さらにはテラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域も使用できる。

なお、パルス光１０４として複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長に関して、生体内の光学特性に関する係数を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質（グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど）固有の波長依存性とを比較する。これによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。

本実施形態においては、光学測距部５０１を一箇所のみに具備した例を示したが、複数の光学測距部を備えていてもよい。さらに、光学測距部５０１の測定方法として、被検体１１２表面の一点において測距が可能な例を示したが、ラインセンサや二次元面の高さ分布を同時に取得可能なセンサを用いることも可能である。

上記の光音響測定装置を用いることで、不必要なパルス光の照射に対する被ばくを低減できる。

上記の各実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で互いに組み合わせることができる。

上記した光音響測定装置によると、被検体が生体物質である場合、医療用画像診断機器として利用可能である。具体的には、腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などのため、生体内の光学特性値分布及び、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の画像化が可能となる。

また、非生体物質を被検体とした非破壊検査などに応用できる。

１０１パルス光源
１０２測定制御部
１０４パルス光
１１２被検体
１１３光吸収体
１１４光音響波
１１５トランスデューサ
１１９画像処理部

Claims

光源と、
前記光源からの光が照射された測定対象から発生した光音響波を検知する光音響波検知部と、
前記測定対象の表面における測定位置と前記光音響波検知部との間の距離を得る測距部と、
前記測定位置における前記距離が閾値を上回る場合には、前記測定対象に照射される光を低減させる光量調整部を有すること
を特徴とする光音響波測定装置。
光源と、
前記光源からの光が照射された測定対象から発生した光音響波を検知する光音響波検知部と、
前記光源からの光を焦点位置に集光させる光学系と、
前記測定対象の表面における測定位置と前記光音響波検知部との間の距離を得る測距部と、を有し、
前記測距部によって得た距離に基づいて、前記測定位置における前記焦点位置と前記測定対象の表面との間の距離を算出し、前記焦点位置と前記測定対象の表面との間の距離が、閾値を下回る場合には、前記測定対象に照射される光を低減させる光量調整部を有すること
を特徴とする光音響波測定装置。
前記測距部は、前記測定対象の表面における前記測定位置とは異なる位置と、前記光音響波検知部との間の距離に基づいて、前記測定位置と前記光音響波検知部との間の距離を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の光音響波測定装置。
前記光量調整部は、前記光源と前記測定対象との光路上にフィルタを挿入することで、前記測定対象に照射される光を低減させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光音響波測定装置。
前記フィルタは、ＮＤフィルタであることを特徴とする請求項４に記載の光音響波測定装置。
前記光量調整部は、前記光の発光周波数を変化させることで、前記測定対象に照射される光を低減させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光音響波測定装置。
前記光量調整部は、前記光源から発せられる光の光量を低下させることで、前記測定対象に照射される光を低減させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光音響波測定装置。
前記光量調整部は、前記光源から発せられる光の光量をゼロに低減することを特徴とする請求項７に記載の光音響波測定装置。
前記光源は、光を発生する光発生部と、前記光を導く導光部と、を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光音響波測定装置。
前記測距部は、弾性波を発する複数のトランスデューサ素子を含んで成り、
前記測距部が発し、前記測定対象で反射された前記弾性波を検知することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光音響波測定装置。
前記測距部は、前記光音響波検知部を兼ねることを特徴とする請求項１０に記載の光音響波測定装置。
前記測距部は、光学的測距手段を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光音響波測定装置。