JP2018086265A - 光音響装置、情報取得方法、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、複数回の光照射により発生する光音響波を利用する光音響装置において、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎを向上させることを目的とする。【解決手段】 本発明に係る光音響装置は、光照射手段、受信手段、及び処理手段を有し、光照射手段は、第１の符号系列に対応する第１の波長の第１の強度変調光と、第１の符号系列とは異なる第２の符号系列に対応する第２の波長の第２の強度変調光とを被検体に照射し、受信手段は、第１及び第２の強度変調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することにより第１の信号を出力し、処理手段は、第１及び第２の符号系列に関する情報に基づいて、第１の信号に対して復号処理を行うことにより、第１の波長に対応する第１の復号信号及び第２の波長に対応する第２の復号信号の少なくとも一方を取得する。【選択図】 図７

Description

本発明は、光音響効果を利用した光音響装置に関する。

被検体に光を照射し、照射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、Ｐｈｏｔｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ）がある。ＰＡＴでは、光源から発生した光を被検体に照射し、被検体内で伝搬、拡散した光のエネルギーを吸収した組織から発生した音響波を検出する。この音響波発生の現象を光音響効果と呼び、発生した音響波を光音響波と呼ぶ。音響波は一般には超音波である。

特許文献１は、パルス光が複数並んだパルス列を被検体に照射することを開示する。また、特許文献１は、光照射により被検体内で発生した光音響波に基づいて、画像データを再構成することを開示する。

特開２０１４−３９８０１号公報

複数回の光照射を利用した光音響トモグラフィの場合、典型的には光照射により発生した光音響波の受信が完了した後に、次の光照射を行い、次に発生する光音響波の受信を開始する。しかしながら、この方法では、単位時間当たりの光照射回数が制限されてしまうため、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎの向上が困難である。

そこで、本発明は、複数回の光照射により発生する光音響波を利用する光音響装置において、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎを向上させることを目的とする。

本発明に係る光音響装置は、光照射手段、受信手段、及び処理手段を有し、光照射手段は、第１の符号系列に対応する第１の波長の第１の強度変調光と、第１の符号系列とは異なる第２の符号系列に対応する第２の波長の第２の強度変調光とを被検体に照射し、受信手段は、第１及び第２の強度変調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することにより第１の信号を出力し、処理手段は、第１及び第２の符号系列に関する情報に基づいて、第１の信号に対して復号処理を行うことにより、第１の波長に対応する第１の復号信号及び第２の波長に対応する第２の復号信号の少なくとも一方を取得する。

本発明に係る光音響装置によれば、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎを向上させることを目的とする。

正負の符号要素に対応する光強度、及び、光音響波の受信信号を模式的に示す図 符号系列に対応する光強度、及び、光音響波の受信信号を模式的に示す図 本実施形態に係る光音響装置を示すブロック図 本実施形態に係るコンピュータとその周辺の構成を示すブロック図 半導体レーザの特性を示す図 正の符号要素に対応する受信信号を説明するための図 実施例１に係る符号化のシーケンスを示す図 実施例１に係る駆動電流、受信信号を示す図 実施例１に係る雑音を考慮した受信信号を示す図 実施例１に係る別の駆動電流、受信信号を示す図 実施例１に係る雑音を考慮した別の受信信号を示す図 実施例１に係る復号信号を示す図 実施例１に係る別の復号信号を示す図 実施例１に係る駆動部の構成を示す図 実施例２に係る光音響装置を示すブロック図 実施例２に係る符号化のシーケンスを示す図 実施例２に係る受信信号を示す図 実施例２に係る別の受信信号を示す図 実施例２に係る別の受信信号を示す図 実施例２に係る別の受信信号を示す図 実施例２に係る復号信号を示す図 実施例２に係る別の復号信号を示す図 実施例２に係る別の復号信号を示す図

物質に光を照射すると光音響効果により音響波（光音響波とも呼ぶ）が発生することが知られている。また、互いに異なる複数の波長の光をそれぞれ物質に照射することにより発生した光音響波に基づいて、分光情報として物質を構成する濃度を算出できることが知られている。特に、血液の光吸収係数スペクトルがヘモグロビン濃度に依存することを利用し、異なる複数の波長の光を血液に照射し、それにより発生した光音響波に基づいて血液のヘモグロビン濃度を計測できることが知られている。

ところで、複数の波長の光を用いる場合に、ある波長の光照射の期間と別の波長の光照射の期間とが重なった場合、いずれの波長の光によって得られた光音響波の受信信号かを判別することができない。そこで、ある波長の光による光音響波を受信完了した後に別の波長の光による光音響波を受信する、というように時間的に受信信号を分離する手法が知られている。しかしながら、このようにそれぞれの波長の光照射間で十分な時間を確保し、各波長の光に対応する受信信号を分離する手法では、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎが低下してしまう。

そこで、本発明者は、ある波長の光をある符号系列に対応する強度変調光で物質に照射し、別の波長の光を別の符号系列に対応する強度変調光で物質に照射することにより符号化を行うことを見出した。このように符号化された光音響波の受信信号を、符号化に利用した符号系列に関する情報を用いて復号することにより、複数の波長のそれぞれに対応する復号信号を得ることができる。このような符号化・復号化により、各波長の照射期間が重なる場合でも、各波長に対応する受信信号を分離することができるため、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎを向上させることができる。

光音響波の受信信号を処理する光音響装置において、照射光の制御により正負それぞれの符号要素を含む符号系列に基づいた符号化を行う方法を説明する。図１は、照射光の強度、及び、その照射光により発生する光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。典型的に、図１（ａ）に示すように、照射光の強度の時間変化を正とすると、正のレベルの受信信号を得ることができる。一方、図１（ｂ）に示すように照射光の強度の時間変化を負とすると、負のレベルの受信信号を得ることができる。さらに、単位時間当たりの照射光の強度変化が大きいほど、受信信号のレベルも大きくなる傾向がある。なお、図１においては、音源から受信手段までの光音響波の伝搬時間については無視している。

本発明者は、図１に示すように、照射光の強度の時間変化の正負を制御することにより、受信信号のレベルの正負を制御できることを着想とし、本発明を見出した。すなわち、本発明者は、照射光の強度の時間変化の正負を制御することにより、符号化における符号系列を構成する符号要素の正負を制御することを見出した。例えば、図１（ａ）に示す光照射のタイミングにおける符号要素を｛１｝とし、図１（ｂ）に示す光照射のタイミングにおける符号要素を｛−１｝とし、これらの光照射を組み合わせることにより、正負それぞれの符号要素を含む符号系列を定義することができる。本明細書において、正の符号要素に対応する光音響波を発生させるための光を「正の強度変調光」とする。また、負の符号要素に対応する光音響波を発生させるための光を「負の強度変調光」とする。

以下、いくつかのパターンの符号系列に対応する光照射のシーケンスの例を、図２を用いて説明する。図２中の点線は、各符号要素の基準タイミングを示す。

図２（ａ）は、符号系列｛１、１｝に対応する照射光の強度、及び、光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。図２（ａ）に示す照射光のシーケンスは、強度が短時間に急上昇した後に、時間と共になだらかに下がっていく光（正の強度変調光）を２つ連続させたものである。また、強度が短時間に急上昇するタイミングが、正の符号要素に対応する基準タイミングに対応するように調整されている。例えば、強度が短時間に急上昇する期間の中心のタイミングを基準タイミングと一致させることができる。この場合、基準タイミングに、正の大きな受信信号が得られる。この正の大きな受信信号が、正の符号要素｛１｝に対応する信号となる。

図２（ｂ）は、符号系列｛−１、−１｝に対応する照射光の強度、及び、光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。図２（ｂ）に示す照射光のシーケンスは、強度が時間と共になだらかに上がっていた後に、短時間に急降下する光（負の強度変調光）を２つ連続させたものである。また、強度が短時間に急降下するタイミングが、負の符号要素に対応する基準タイミングに合うように調整されている。具体的には、強度が短時間に急降下する期間の中心のタイミングを基準タイミングと一致させている。この場合、基準タイミングに、負の大きな受信信号が得られる。この負の大きな受信信号が、負の符号要素｛−１｝に対応する信号となる。

図２（ｃ）は、符号系列｛１、−１｝に対応する照射光の強度、及び、光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。図２（ｃ）に示す照射光のシーケンスは、図２（ａ）に示す正の強度変調光を照射した後に、図２（ｂ）に示す負の強度変調光を照射するものである。正の強度変調光の強度が急上昇するタイミングが正の符号要素｛１｝の基準タイミングに対応し、負の強度変調光の強度が急降下するタイミングが負の符号要素｛−１｝の基準タイミングと対応するように照射タイミングは制御されている。この場合、各基準タイミングに、正の大きな受信信号、および、負の大きな受信信号が得られる。

なお、正の強度変調光の時間と共になだらかに下がっていく部分と、負の強度変調光の時間と共になだらかに上がっていく部分とが時間的に重なるので、重畳部分は結果的に矩形波となる。この場合、各基準タイミングに、正の大きな受信信号、および、負の大きな受信信号が得られる。このように、符号系列の正負の符号要素が隣り合う場合に、これらの基準タイミング間の光強度をほぼ一定にすることにより、その期間に不要な光音響波が発生しない。これにより、精度良く光照射による符号化を実現することができる。図２（ｃ）では、符号系列｛１、−１｝の例を説明したが、符号系列｛−１、１｝の場合にも同様に基準タイミング間の光強度をほぼ一定としてもよい。なお、基準タイミング間の光強度の時間変化は、光音響波を受信するトランスデューサの受信帯域に基づいて、この受信帯域から外れる周波数を有する光音響波を発生させる程度の所定の範囲内であれば、ほぼ一定とみなしてもよい。図２においては、音源から受信手段までの光音響波の伝搬時間については無視している。

このようにして、正負それぞれの符号要素を含む符号系列に対応する光照射を行い、正負それぞれの符号要素を含む符号化を行うことにより、正負それぞれの符号要素を含む符号系列に基づいて復号化を行う際の復号精度を向上させることができる。特に、固体レーザ等の高出力光源と比較して出力される光強度が小さい半導体レーザやＬＥＤ等の場合、単位時間当たりの照射回数を増やして、受信信号のＳ／Ｎを向上させたい。このような場合に、正負それぞれの符号要素を含む符号系列に基づいて、先に発生した光音響波の受信が完了する前に、次の光照射を実行して符号化を行うことにより、Ｓ／Ｎの高い復号信号を精度良く取得することができる。

本発明に係る、光音響効果により発生する音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれるものを含む。本発明は、光音響効果により発生した光音響波に基づいて画像データを取得する光音響装置に適用することができる。

本発明に係る光音響装置により得られる光音響画像は、光照射により発生した光音響波に由来するあらゆる画像を含む概念である。光音響画像は、光音響波の発生音圧（初期音圧）、光吸収エネルギー密度、及び光吸収係数、被検体を構成する物質の濃度（酸素飽和度など）などの少なくとも１つの被検体情報の空間分布を表す画像データである。なお、互いに異なる複数の波長の光照射により発生する光音響波に基づいて得られる被検体情報は、被検体を構成する物質の濃度などの分光情報である。

以下、図３を用いて本実施形態に係る光音響装置の構成を説明する。図３は、光音響装置全体の概略ブロック図である。本実施形態に係る光音響装置は、光照射部１１０、受信部１２０、信号収集部１４０、コンピュータ１５０、表示部１６０、及び入力部１７０を有する。

光照射部１１０が光を被検体１００に照射し、被検体１００から音響波が発生する。光に起因して光音響効果により発生する音響波を光音響波とも呼ぶ。受信部１２０は、光音響波を受信することによりアナログ信号としての電気信号（光音響信号）を出力する。

信号収集部１４０は、受信部１２０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ１５０に出力する。コンピュータ１５０は、信号収集部１４０から出力されたデジタル信号を、光音響波に由来する信号データとして記憶する。

処理手段としてのコンピュータ１５０は、記憶されたデジタル信号に対して後述する処理を行うことにより、光音響画像を表す画像データを生成する。また、コンピュータ１５０は、得られた画像データに対して表示のための画像処理を施した後に、画像データを表示部１６０に出力する。表示部１６０は、光音響画像を表示する。ユーザーとしての医師や技師等は、表示部１６０に表示された光音響画像を確認することにより、診断を行うことができる。表示画像は、ユーザーやコンピュータ１５０からの保存指示に基づいて、コンピュータ１５０内のメモリや、モダリティとネットワークで接続されたデータ管理システムなどに保存される。

また、コンピュータ１５０は、光音響装置に含まれる構成の駆動制御も行う。また、表示部１６０は、コンピュータ１５０で生成された画像の他にＧＵＩなどを表示してもよい。入力部１７０は、ユーザーが情報を入力できるように構成されている。ユーザーは、入力部１７０を用いて測定開始や終了、作成画像の保存指示などの操作を行うことができる。

以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成の詳細を説明する。

（光照射部１１０）
光照射部１１０は、互いに波長の異なる２つの光源として第１の光源１１１ａおよび第２の光源１１１ｂを含む。また、光照射部１１０は、第１の光源１１１ａおよび第２の光源１１１ｂから射出された光を被検体１００へ導く第１の光学系１１２ａおよび第２の光学系１１２ｂを含む。また、光照射部１１０は、第１の光源１１１ａおよび第２の光源１１１ｂの駆動を制御する第１の駆動部１１３ａおよび第２の駆動部１１３ｂを含む。

第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂが発する光のパルス幅としては、１ｎｓ以上、１００ｎｓ以下のパルス幅であってもよい。また、光の波長として４００ｎｍから１６００ｎｍ程度の範囲の波長であってもよい。血管を高解像度でイメージングする場合は、血管での吸収が大きい波長（４００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下）を用いてもよい。生体の深部をイメージングする場合には、生体の背景組織（水や脂肪など）において典型的に吸収が少ない波長（７００ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下）の光を用いてもよい。なお、複数の波長の光をそれぞれ発することのできる波長可変の光源を用いてもよい。

第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂとしては、レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。また、波長の変更が可能な光源であってもよい。

例えば、第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂは、周波数１ＭＨｚ以上の鋸波状の駆動波形（駆動電流）に追随して光を発することのできる半導体レーザもしくはＬＥＤを採用してもよい。

第１、第２の光学系１１２ａ、１１２ｂには、レンズ、ミラー、光ファイバ等の光学素子を用いることができる。乳房等を被検体１００とする場合、パルス光のビーム径を広げて照射するために、光学系の光出射部は光を拡散させる拡散板等で構成されていてもよい。一方、光音響顕微鏡においては、解像度を上げるために、第１、第２の光学系１１２ａ、１１２ｂの光出射部はレンズ等で構成し、ビームをフォーカスして照射してもよい。なお、光照射部１１０が光学系１１２ａ、１１２ｂを備えずに、第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂから直接被検体１００に光を照射してもよい。

第１、第２の駆動部１１３ａ、１１３ｂは、第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂを駆動する駆動電流（第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂに投入する電流）を生成するものである。第１、第２の駆動部１１３ａ、１１３ｂには、時間的に第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂへの投入電流を変化させることのできる電源を用いることができる。第１、第２の駆動部１１３ａ、１１３ｂが、第１、第２の光源１１１ａ、１１１ｂの出力を制御することにより、図１に示すような光を発生させて符号化を実現する。なお、第１、第２の駆動部１１３ａ、１１３ｂは、後述するコンピュータ１５０内の制御部１５３により制御されてもよい。また、第１、第２の駆動部１１３ａ、１１３ｂが電流値を制御する制御部を有し、この制御部が投入電流を制御してもよい。駆動電流と照射光の強度との関係については後述する。

（受信部１２０）
受信部１２０は、音響波を受信することにより電気信号を出力するトランスデューサと、トランスデューサを支持する支持体とを含む。

トランスデューサを構成する部材としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック材料や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。また、圧電素子以外の素子を用いてもよい。例えば、静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）、ファブリペロー干渉計を用いたトランスデューサなどを用いることができる。なお、音響波を受信することにより電気信号を出力できる限り、いかなるトランスデューサを採用してもよい。また、トランスデューサにより得られる信号は時間分解信号である。つまり、トランスデューサにより得られる信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信される音圧に基づく値（例えば、音圧に比例した値）を表したものである。

光音響波を構成する周波数成分は、典型的には１００ＫＨｚから１００ＭＨｚであり、トランスデューサとして、これらの周波数を検出することのできるものを採用することができる。

支持体は、１Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ、１．７５Ｄアレイ、２Ｄアレイと呼ばれるような平面又は曲面内に、複数のトランスデューサを並べて配置してもよい。曲面内に複数のトランスデューサが並べる場合、３次元に配置されたトランスデューサアレイともいえる。

また、受信部１２０が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を備えてもよい。また、受信部１２０が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を時系列のデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備えてもよい。すなわち、受信部１２０が後述する信号収集部１４０を備えてもよい。

なお、音響波を様々な角度で検出できるようにするために、理想的には被検体１００を全周囲から囲むようにトランスデューサを配置してもよい。ただし、被検体１００が大きく全周囲を囲むようにトランスデューサを配置できない場合は、半球状の支持体上にトランスデューサを配置して全周囲を囲む状態に近づけてもよい。なお、トランスデューサの配置や数及び支持体の形状は被検体に応じて最適化すればよく、本発明に関してはあらゆる受信部１２０を採用することができる。

受信部１２０と被検体１００との間の空間は、光音響波が伝搬することができる媒質で満たしてもよい。この媒質には、音響波が伝搬でき、被検体１００やトランスデューサとの界面において音響特性が整合し、できるだけ光音響波の透過率が高い材料を採用する。例えば、この媒質には、水、超音波ジェルなどを採用することができる。

また、本実施形態に係る装置が、光音響画像に加えて、音響波の送受信により超音波画像も生成する場合、トランスデューサは、音響波を送信する送信手段として機能してもよい。受信手段としてのトランスデューサと送信手段としてのトランスデューサとは、単一（共通）のトランスデューサでもよいし、別々の構成であってもよい。

（信号収集部１４０）
信号収集部１４０は、受信部１２０から出力されたアナログ信号である電気信号を増幅するアンプと、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを含む。信号収集部１４０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）チップなどで構成されてもよい。信号収集部１４０から出力されるデジタル信号は、コンピュータ１５０内の記憶部１５２に記憶される。信号収集部１４０は、Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ（ＤＡＳ）とも呼ばれる。本明細書において電気信号は、アナログ信号もデジタル信号も含む概念である。なお、信号収集部１４０は、光照射部１１０の光射出部に取り付けられた光検出センサと接続されており、光が光照射部１１０から射出されたことをトリガーに、同期して処理を開始してもよい。また、信号収集部１４０は、フリーズボタンなどを用いてなされる指示をトリガーとして同期して、当該処理を開始してもよい。

（コンピュータ１５０）
情報処理装置としてのコンピュータ１５０は、演算部１５１、記憶部１５２、制御部１５３を含む。各構成の機能については処理フローの説明の際に説明する。

演算部１５１としての演算機能を担うユニットは、ＣＰＵやＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）チップ等の演算回路で構成されることができる。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されるだけでなく、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。演算部１５１は、入力部１７０から、被検体音速や音響波が伝搬する媒質の音速の構成などの各種パラメータを受けて、受信信号を処理してもよい。

記憶部１５２は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、磁気ディスクやフラッシュメモリなどの非一時記憶媒体で構成することができる。また、記憶部１５２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性の媒体であってもよい。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。なお、記憶部１５２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。

記憶部１５２は、後述する方法で演算部１５１により生成される光音響画像を示す画像データを保存することができる。

制御部１５３は、ＣＰＵなどの演算素子で構成される。制御部１５３は、光音響装置の各構成の動作を制御する。制御部１５３は、入力部１７０からの測定開始などの各種操作による指示信号を受けて、光音響装置の各構成を制御してもよい。また、制御部１５３は、記憶部１５２に格納されたプログラムコードを読み出し、光音響装置の各構成の作動を制御する。

コンピュータ１５０は専用に設計されたワークステーションであってもよい。また、コンピュータ１５０の各構成は異なるハードウェアによって構成されてもよい。また、コンピュータ１５０の少なくとも一部の構成は単一のハードウェアで構成されてもよい。

図４は、本実施形態に係るコンピュータ１５０の具体的な構成例を示す。本実施形態に係るコンピュータ１５０は、ＣＰＵ１５４、ＧＰＵ１５５、ＲＡＭ１５６、ＲＯＭ１５７、外部記憶装置１５８から構成される。また、コンピュータ１５０には、表示部１６０としての液晶ディスプレイ１６１、入力部１７０としてのマウス１７１、キーボード１７２が接続されている。

また、コンピュータ１５０および受信部１２０は、共通の筺体に収められた構成で提供されてもよい。また、筺体に収められたコンピュータで一部の信号処理を行い、残りの信号処理を筺体の外部に設けられたコンピュータで行ってもよい。この場合、筺体の内部および外部に設けられたコンピュータを総称して、本実施形態に係るコンピュータとすることができる。すなわち、コンピュータを構成するハードウェアが一つの筺体に収められていなくてもよい。

（表示部１６０）
表示部１６０は、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などのディスプレイである。コンピュータ１５０により得られた被検体情報等に基づく画像や特定位置の数値等を表示する装置である。表示部１６０は、画像や装置を操作するためのＧＵＩを表示してもよい。なお、被検体情報の表示にあたっては、表示部１６０またはコンピュータ１５０において画像処理（輝度値の調整等）を行った上で表示することもできる。

（入力部１７０）
入力部１７０としては、ユーザーが操作可能な、マウスやキーボードなどで構成される操作コンソールを採用することができる。また、表示部１６０をタッチパネルで構成し、表示部１６０を入力部１７０として利用してもよい。

なお、光音響装置の各構成はそれぞれ別の装置として構成されてもよいし、一体となった１つの装置として構成されてもよい。また、光音響装置の少なくとも一部の構成が一体となった１つの装置として構成されてもよい。

（被検体１００）
被検体１００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、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目的として使用できる。よって、被検体１００としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。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やそれらを含む多く含む血管あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。また、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、金微粒子、または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を光吸収体としてもよい。また、穿刺針や穿刺針に付された光吸収体を観察対象としてもよい。

＜符号要素｛１｝に相当する光音響波の受信信号＞
本実施形態に係る光音響装置を用いたときの各符号要素に相当する照射光、及び、光音響波の受信信号について考察する。まず、図５または図６を用いて、符号要素｛１｝に相当する照射光、及び、光音響波の受信信号について説明する。図５及び６に示すデータは、シミュレーションにより得られたデータである。

図５（ａ）は、第１の光源１１１ａあるいは第２の光源１１１ｂとして半導体レーザを用いた場合の、半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。当該半導体レーザのしきい値電流は０．５Ａ、投入電流が２Ａのときの光出力は１Ｗとなる。半導体レーザの場合、典型的に閾値電流以上の電流の領域では、電流−光出力特性は略線形の関係となる。すなわち、半導体レーザの場合、投入電流の時間波形が光出力（照射光の強度）の時間波形となる。

図５（ｂ）は、正の符号要素に対応する光を発生させるための駆動電流（第１の駆動電流）を示しており、５０ｎｓの時間で電流値を０から２Ａまで上昇させ、９５０ｎｓの時間で電流値を２Ａから０Ａまで低下させている。すなわち、第１の駆動電流の中で、正の符号要素に対応するタイミングでの電流の時間変化に比べて、その他のタイミングの方が電流の時間変化が小さい。この結果、正の符号要素に対応する正の強度変調光は、正の符号要素に対応する基準タイミングでの光強度の時間変化が、その他のタイミングの光強度の時間変化よりも大きい。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）の駆動電流で半導体レーザを駆動した場合の光出力を示している。前述したように、駆動電流に対して光が略線形に出力されていることが理解される。

図６（ａ）は、点状の光吸収体に光を照射した場合に発生する光音響波を受信帯域が無限大のトランスデューサで受信した場合の受信信号を示している。これは、図５（ｃ）の光出力曲線を時間微分したものに等しい。このように、短時間に光出力が急上昇するときに対応じて正の大きな受信信号が得られる。

なお、実際には、トランスデューサの受信帯域が無限大であることはあり得なく、何らかの周波数特性を有している。図６（ｂ）は、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚの周波数特性を持つトランスデューサの受信特性を示したものである。図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示す受信特性を有するトランスデューサで、図５（ｃ）の光照射により発生した光音響波を受信した場合の受信信号を示している。このように、トランスデューサの受信特性を考慮しても、短時間に光出力が急上昇するときに対応じて正の大きな受信信号が得られることになる。この正の大きな受信信号が、正の符号要素（例えば、符号要素｛１｝）に対応する受信信号となる。

図６においては、音源から受信手段までの光音響波の伝搬時間については無視している。

＜符号要素｛−１｝に相当する光音響波＞
詳細の説明は割愛するが、図５（ｂ）の駆動電流を時間軸で反転させた駆動電流（第２の駆動電流）で半導体レーザを駆動した場合に得られる光音響波の受信信号は、図６（ｃ）を時間軸で反転させ、かつ、信号レベルの正負を反転させた波形となる。すなわち、第２の駆動電流の中で、負の符号要素に対応するタイミングでの電流の時間変化に比べて、その他のタイミングの方が電流の時間変化が小さい。この結果、負の符号要素に対応する負の強度変調光は、負の符号要素に対応する基準タイミングでの光強度の時間変化が、その他のタイミングの光強度の時間変化よりも大きい。なお、このようにして得られる負の大きな受信信号が、負の符号要素（例えば、符号要素｛−１｝）に対応する受信信号となる。

＜光音響画像の生成フロー＞
次に、本実施形態に係る光音響装置を用いた符号化・復号化により光音響画像を生成する方法（情報取得方法）を説明する。

Ｓ１．光照射部１１０が第１の符号系列で符号化された第１の波長の光および第２の符号系列で符号化された第２の波長の光を照射する。

Ｓ２．符号化された光によって発生する光音響波を、受信部１２０に含まれる複数のトランスデューサが受信し、第１の受信信号を出力する。

Ｓ３．光照射部１１０が第３の符号系列で符号化された第１の波長の光および第４の符号系列で符号化された第２の波長の光およびを照射する。

Ｓ４．符号化された光によって発生する光音響波を、受信部１２０に含まれる複数のトランスデューサが受信し、第１の受信信号を出力する。

Ｓ５．演算部１５１は、複数のトランスデューサから出力された第１、第２の受信信号に対して復号処理を行い、トランスデューサ毎に復号された受信信号（復号信号）を生成する。

Ｓ６．演算部１５１は、複数のトランスデューサに対応する複数の復号信号を用いて、光音響画像を生成する。

具体的な符号化・復号化の方法に関しては、実施例で後述する。

＜再構成手法＞
演算部１５１は、複数の復号信号を計算空間に逆投影（単純逆投影）して、画像データを生成することができる。すなわち、演算部１５１は、時間信号である復号信号を空間分布データに変換してもよい。例えば、演算部１５１は、複数の復号信号を整相加算して深さ方向に直線状の画像データ（１ライン分の画像データ）を取得してもよい。また、演算部１５１は、この処理を複数のラインに対して実行することにより、二次元または３次元の画像データを生成してもよい。なお、整相加算により得られた空間分布データに対して包絡線処理を行って、画像データを生成してもよい。

ところで、ＰＡＴの画像再構成手法として、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｂａｃｋ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ（ＵＢＰ）法が知られている。これは、受信部で得られた受信信号を時間微分し、かつ正負を反転したデータを逆投影することで光音響画像を得る手法である。これは、インパルス状のパルス光を照射したときに発生する光音響波がＮ−ｓｈａｐｅと呼ばれるアルファベットのＮ字のような形状を持つ場合に採用できる手法である。

一方、本実施形態で発生する光音響波は、Ｎ−ｓｈａｐｅの前半部と後半部を分離し、前半部を符号要素｛１｝に相当する光音響波、後半部を符号要素｛−１｝に相当する光音響波としたものと便宜上理解できる。そのため、本実施形態のように符号化し、復号された受信信号では、ＵＢＰ法を適用しても正しい結果は得られない。そのため、本実施形態においては、演算部１５１は、復号された受信信号に対してＵＢＰ法で行われる前処理を行うことなく、位相を整合した後に加算する整相加算処理を行い、逆投影することが好ましい。本明細書では、復号された受信信号に対してＵＢＰ法で行われる前処理を実行することなく逆投影する再構成手法を、単純逆投影と称している。その他、信号データを３次元のボリュームデータに変換する再構成アルゴリズムとしては、タイムドメインでの逆投影法、フーリエドメインでの逆投影法、モデルベース法（繰り返し演算法）などのあらゆる手法を採用してもよい。

＜相補符号を適用した符号化・復号化＞
相補符号を適用した２波長の光照射による符号化・復号化について説明する。

符号長Ｎの２つの符号系列｛ａ_ｉ｝、｛ｃ_ｉ｝、（ｉ＝１からＮ、Ｎは符号長、各符号要素は１もしくは−１）において、それぞれの自己相関関数の和が、ピークにおいて２Ｎとなり、ピーク以外のすべての点でＯとなる符号系列の組を相補符号と呼ぶ。

ここで、自己相関関数を、

のように表す。

例えば、｛ａ_ｉ｝＝｛１，１｝、｛ｃ_ｉ｝＝｛１，−１｝の組は相補符号である。

すなわち、（ａ＊ａ）＝｛１，２，１｝、（ｃ＊ｃ）＝｛−１，２，−１｝、（ａ＊ａ）＋（ｃ＊ｃ）＝｛０，４，０｝となる。

符号長が２のｎ乗、あるいは５×２のｎ乗の場合、相補符号が存在することが知られている（ｎは自然数）。

相補符号である、ある符号系列の組に対し、それぞれの相互相関関数の和が０となる相補符号が存在する。このように、２組の相補符号において、それぞれの相互相関関数の和が０となる関係のことを便宜上「完全直交の関係」と呼ぶ。

ここで、相互相関関数を、

のように表す。

例えば、相補符号である第１の符号系列｛ａ_ｉ｝＝｛１，１｝、第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝＝｛１，−１｝の組に対し、第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝＝｛１，−１｝、第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝＝｛１，１｝の組は「完全直交の関係」を満たす。すなわち、（ａ＊ｂ）＝｛−１，０，１｝、（ｃ＊ｄ）＝｛１，０，−１｝、（ａ＊ｂ）＋（ｃ＊ｄ）＝０となる。このとき、（ｂ＊ａ）＋（ｄ＊ｃ）＝０も成立する。

符号長８の場合、
第１の符号系列｛ａ_ｉ｝＝｛１，１，−１，１，−１，−１，−１，１｝
第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝＝｛１，１，−１，１，１，１，１，−１｝
第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝＝｛１，−１，−１，−１，−１，１，−１，−１｝
第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝＝｛１，−１，−１，−１，１，−１，１，１｝
とする。このとき、
（ａ＊ａ）＝｛１，０，−３，０，−１，０，−１，８，−１，０，−１，０，−３，０，１｝
（ｃ＊ｃ）＝｛−１，０，３，０，１，０，１，８，１，０，１，０，３，０，−１｝
（ａ＊ａ）＋（ｃ＊ｃ）＝｛０，０，０，０，０，０，０，１６，０，０，０，０，０，０，０｝
となり、第１の符号系列｛ａ_ｉ｝と第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝の組は相補符号である。同様に、
（ｂ＊ｂ）＝｛−１，０，３，０，１，０，１，８，１，０，１，０，３，０，−１｝
（ｄ＊ｄ）＝｛１，０，−３，０，−１，０，−１，８，−１，０，−１，０，−３，０，１｝
（ｂ＊ｂ）＋（ｄ＊ｄ）＝｛０，０，０，０，０，０，０，１６，０，０，０，０，０，０，０｝
となり、第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝と第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝の組も相補符号である。また、
（ａ＊ｂ）＝｛−１，０，３，０，３，０，−１，０，−３，０，１，０，−３，０，１｝
（ｃ＊ｄ）＝｛１，０，−３，０，−３，０，１，０，３，０，−１，０，３，０，−１｝
（ａ＊ｂ）＋（ｃ＊ｄ）＝０
（ｂ＊ａ）＝｛１，０，−３，０，１，０，−３，０，−１，０，３，０，３，０，−１｝
（ｄ＊ｃ）＝｛−１，０，３，０，−１，０，３，０，１，０，−３，０，−３，０，１｝
（ｂ＊ａ）＋（ｄ＊ｃ）＝０
となり、第１の相補符号である符号系列｛ａ_ｉ｝及び｛ｃ_ｉ｝の組と、第２の相補符号である符号系列｛ｂ_ｉ｝及び｛ｄ_ｉ｝の組は「完全直交の関係」を満たす。

このように「完全直交の関係」を満たす符号系列の組を用いると、以下のようなことが実現できる。すなわち、
・第１の符号系列｛ａ_ｉ｝で符号化した信号Ａと第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝で符号化した信号Ｃがあるとき、信号Ａを第１の符号系列｛ａ_ｉ｝で復号化した信号と信号Ｃを第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝で復号化した信号との和はデルタ関数となる。
・信号Ａを第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝で復号化した信号と信号Ｃを第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝で復号化した信号との和は０となる。
・第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝で符号化した信号Ｂと第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝で符号化した信号Ｄがあるとき、信号Ｂを第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝で復号化した信号と信号Ｄを第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝で復号化した信号との和はデルタ関数となる。
・信号Ｂを第１の符号系列｛ａ_ｉ｝で復号化した信号と信号Ｄを第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝で復号化した信号との和は０となる。

このような符号系列を２波長の光を用いた光音響装置に適用し、第１の波長の光を第１の符号系列｛ａ_ｉ｝および第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝で符号化し、第２の波長の光を第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝および第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝で符号化する。この場合、光の照射時間が重複していても、復号処理により、第１の波長の光に起因する信号と、第２の波長の光に起因する信号とを分離して取得することができる。

図３に示す光音響装置を用いて、照射光として、異なる２つの波長の光を用いた場合を説明する。本実施例では、第１の光源１１１ａには、波長７５５ｎｍ（第１の波長λ１）、光出力最大１Ｗの半導体レーザを用いる。また、第２の光源１１１ｂには、波長７９５ｎｍ（第２の波長λ２）、光出力最大１Ｗの半導体レーザを用いる。受信部１２０には、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚの周波数特性を持つ圧電素子からなるリニアアレイを用いる。受信部１２０と被検体１００との間は音響マッチングのために超音波ジェルで埋められている。

本実施例では、符号長８の相補符号を用いる。具体的には、
第１の符号系列｛ａ_ｉ｝＝｛１，１，−１，１，−１，−１，−１，１｝
第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝＝｛１，１，−１，１，１，１，１，−１｝
第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝＝｛１，−１，−１，−１，−１，１，−１，−１｝
第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝＝｛１，−１，−１，−１，１，−１，１，１｝
である。

本実施例では、図７に示すシーケンスで、第１の波長の強度変調光の照射、第２の波長の強度変調光の照射、強度変調光の照射により発生する光音響波の受信信号の取得を行い、符号化が行われる。

まず、光照射部１１０が、第１の符号系列｛ａ_ｉ｝に対応する第１の波長の強度変調光と、第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝に対応する第２の波長の強度変調光とを同期して被検体１００に照射する。そして、受信部１２０は、その光照射により発生した光音響波を受信し、受信信号Ｓ_１を出力する。

次に、光照射部１１０が、第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝に対応する第１の波長の強度変調光と、第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝に対応する第２の波長の強度変調光とを同期して被検体１００に照射する。そして、受信部１２０は、その光照射により発生した光音響波を受信し、受信信号Ｓ_２を出力する。このようにして得られた受信信号Ｓ_１及びＳ_２が、本実施例に係る符号化された信号（符号信号）である。

以下、本実施例に係る符号化及び復号化について詳述する。

制御部１５３は、第１の符号系列｛ａ_ｉ｝に関する情報を第１の駆動部１１３ａに送信し、第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝に関する情報を第２の駆動部１１３ｂに送信する。

図８（ａ）は、第１の符号系列｛ａ_ｉ｝に関する情報に基づいて、第１の駆動部１１３ａが生成した駆動電流によって駆動された第１の光源１１１ａの光出力波形（第１の波長の第１の強度変調光）である。ここで、基準タイミングの時間間隔（符号要素の周期に相当する）は１０００ｎｓである。正の符号要素に対応する第１の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ５０ｎｓ、９５０ｎｓである。負の符号要素に対応する第２の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ９５０ｎｓ、５０ｎｓである。

被検体１００中の深さ３ｍｍの位置に点状の光吸収体が存在すると仮定する。

光吸収体の波長７５５ｎｍの光および波長７９５ｎｍの光に対する吸収係数の比を１：０．５とする。

その点状の光吸収体（音源）に図８（ａ）に示す光を照射した際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図８（ｂ）のような波形となる。実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。

また、図８（ｃ）は、第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝に関する情報に基づいて、第２の駆動部１１３ｂが生成した駆動電流によって駆動された第２の光源１１１ｂの光出力波形（第２の波長の第２の強度変調光）である。ここで、図８（ａ）と同様、基準タイミングの時間間隔（符号要素の周期に相当する）は１０００ｎｓである。正の符号要素に対応する第１の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ５０ｎｓ、９５０ｎｓである。負の符号要素に対応する第２の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ９５０ｎｓ、５０ｎｓである。

上記した点状の光吸収体（音源）に図８（ｃ）に示す光を照射した際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図８（ｄ）のような波形となる。実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。

第１の光源１１１ａの光出力と第２の光源１１１ｂの光出力とを同期させた場合（略同じタイミング光照射した場合）、受信部１２０が受信して得られる受信信号は、図８（ｂ）と図８（ｄ）との和となる。すなわち、第１の波長の第１の強度変調光の照射と第２の波長の第２の強度変調光の照射を略同じタイミングに行うことにより得られる受信信号をＳ_１（ｔ）とし、図９に示す。ここで、雑音の抑圧効果を説明するため、平均値０、標準偏差０．２の雑音を付加している。

続いて、制御部１５３は、第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝に関する情報を第１の駆動部１１３ａに送信し、第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝に関する情報を第２の駆動部１１３ｂに送信する。

図１０（ａ）は、第３の符号系列｛ｃ_ｉ｝に関する情報に基づいて、第１の駆動部１１３ａが生成した駆動電流によって駆動された第１の光源１１１ａの光出力波形（第１の波長の第３の強度変調光）である。ここで、図８（ａ）と同様、基準タイミングの時間間隔（符号要素の周期に相当する）は１０００ｎｓである。正の符号要素に対応する第１の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ５０ｎｓ、９５０ｎｓである。負の符号要素に対応する第２の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ９５０ｎｓ、５０ｎｓである。

上記した点状の光吸収体（音源）に図１０（ａ）に示す光を照射した際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１０（ｂ）のような波形となる。実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。

また、図１０（ｃ）は、第４の符号系列｛ｄ_ｉ｝に関する情報に基づいて、第２の駆動部１１３ｂが生成した駆動電流によって駆動された第２の光源１１１ｂの光出力波形（第２の波長の第４の強度変調光）である。ここで、図８（ａ）と同様、基準タイミングの時間間隔（符号要素の周期に相当する）は１０００ｎｓである。正の符号要素に対応する第１の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ５０ｎｓ、９５０ｎｓである。負の符号要素に対応する第２の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ９５０ｎｓ、５０ｎｓである。

上記した点状の光吸収体（音源）に図１０（ｃ）に示す光を照射した際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１０（ｄ）のような波形となる。実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。

第１の光源１１１ａの光出力と第２の光源１１１ｂの光出力とを同期させた場合、受信部１２０が受信して得られる受信信号は、図１０（ｂ）と図１０（ｄ）との和となる。すなわち、第１の波長の第３の強度変調光の照射と第２の波長の第４の強度変調光の照射を略同じタイミングに行うことにより得られる受信信号をＳ_２（ｔ）とし、図１１に示す。ここで、雑音の抑圧効果を説明するため、平均値０、標準偏差０．２の雑音を付加している。

コンピュータ１５０内の演算部１５１が行う、符号化された受信信号の復号方法について説明する。

基準タイミングの時間間隔をΔｔとしたとき、演算部１５１は、受信信号Ｓ１及びＳ２に対して（式３）にしたがった復号処理を行うことにより、第１の波長に対応する復号信号ＤＳ_１（ｔ）を得る。また、演算部１５１は、受信信号Ｓ１及びＳ２に対して（式４）にしたがった復号処理を行うことにより、第２の波長に対応する復号信号ＤＳ_２（ｔ）を得る。

図９の受信波形（第１の波長の第１の強度変調光、及び、第２の波長の第２の強度変調光による受信信号Ｓ_１）に対して（式３）の右辺第一項の復号処理を行った結果、図１２（ａ）のような復号された受信信号を得ることができる。また、図１１の受信波形（第１の波長の第３の強度変調光、及び、第２の波長の第４の強度変調光による受信信号Ｓ_２）に対して（式３）の右辺第二項の復号処理を行った結果、図１２（ｂ）のような復号された受信信号を得ることができる。そして、図１２（ａ）と図１２（ｂ）の和は、図１２（ｃ）の波形（復号信号ＤＳ_１）となる。すなわち、（式３）により復号された信号ＤＳ_１では、１回の光照射により得られる受信信号と比べてピーク値は１６倍になり、サイドローブは雑音以下に抑えられていることがわかる。

また、図９の受信波形（第１の波長の第１の強度変調光、及び、第２の波長の第２の強度変調光による受信信号Ｓ_１）に対して（式４）の右辺第一項の復号処理を行った結果、図１３（ａ）のような復号された受信信号を得ることができる。また、図１１の受信波形（第１の波長の第３の強度変調光、及び、第２の波長の第４の強度変調光による受信信号Ｓ_２）に対して（式４）の右辺第二項の復号処理を行った結果、図１３（ｂ）のような復号された受信信号を得ることができる。そして、図１３（ａ）と図１３（ｂ）の和は、図１３（ｃ）の波形（復号信号ＤＳ_２）となる。すなわち、（式４）により復号された信号ＤＳ_２では、１回の光照射により得られる受信信号と比べてピーク値は１６倍になり、サイドローブは雑音以下に抑えられていることがわかる。

また、図１２（ｃ）、図１３（ｃ）を比較すると、吸収体の吸収係数の比が保存されていることがわかる。これは、受信信号に含まれる、被検体が有する光吸収に関する情報が、符号化・復号化を行っても保存されることを意味する。よって、各波長に対応する復号信号ＤＳ_１及びＤＳ_２を解析することにより、血液のヘモグロビン濃度などの分光情報を得ることが可能となる。

さらに、図１２（ｃ）または図１３（ｃ）の信号は、図９または図１１の信号と比べ、雑音レベルが抑圧されていることがわかる。本実施例のように符号長８の符号系列の組を用いた場合、信号レベルは１６倍、雑音レベルは４倍となり、Ｓ／Ｎ比は４倍向上する。

演算部１５１は、このようにして得られた復号信号を用いて光音響画像を生成することでＳ／Ｎ比を向上させた光音響画像を得ることが可能となる。受信部１２０が複数のトランスデューサを備える場合、各トランスデューサから出力された受信信号に対して復号処理を行い、トランスデューサ毎に復号信号が生成される。演算部１５１は、複数のトランスデューサに対応する複数の復号信号を用いて、前述した再構成手法等により光音響画像を生成することができる。

本実施例では、光照射による符号化の際に、負の符号要素に対応する光照射（負の強度変調光）を行っているため、負の符号要素を含む符号系列に基づいて精度良く符号化することができる。そのため、本実施例によれば、このように符号化された信号を、負の符号要素を含む符号系列に基づいた復号化（例えば、（式３）、（式４）に示す復号処理）によって精度良く復号することができる。このように、負の符号要素に対応する光照射を行うことにより、負の符号要素を０として光照射しない場合と比べて、精度良く復号することができる。

また、本実施例では、第１の光源１１１ａからの照射光と第２の光源１１１ｂからの照射光とを略同じタイミングに被検体に照射することで、受信時間を共通化している。その結果、２つの波長の光による光音響波を時間的に分離して受信する場合と比べ、より少ない時間でＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

本実施例において、２つの波長の光を同期して被検体に照射する場合を示したが、同じタイミングに光照射することは必須ではない。ただし、測定時間を短くするためには、波長間で光を照射する期間の少なくとも一部を重なるように光照射する（すなわち、波長間で受信期間の少なくとも一部を重ねる）ことが好ましい。

また、２つの波長の光による光音響波を時間的に分離して受信する場合、その時間の間に被検体が動いたりすると信号に時間的なずれが発生する。一方、本実施例の手法によれば、波長間で光を照射する期間を重ねることで、被検体が動いた場合の信号の時間的なずれを小さくできる。

本実施例に係る符号要素の基準タイミングの時間間隔の上限について説明する。

本実施例では、ひとつの波長において、符号長８の符号系列を２つ用いており、復号された受信信号においては、信号レベルは１６倍、雑音レベルは４倍となっている。そのため、Ｓ／Ｎ比は４倍向上することになる。

一般的に知られるインパルス状のパルス光を照射して光音響波を発生させる手法で同じＳ／Ｎ比の向上を得るには、単純に受信信号を１６回取得しそれを平均する必要がある。被検体中の光の伝搬の時間は短いので無視すると、一般的な手法において、受信信号を１６回取得するのに要する時間は１６Ｔ_ｔｏｆとなる。さらに、２波長分の受信信号を得る必要があるので、測定に要する時間は３２Ｔ_ｔｏｆとなる。

第１の符号系列｛ａ_ｉ｝に相当する受信信号の取得に要する時間は、第１の符号系列｛ａ_ｉ｝に相当する光を照射する時間に、最後の符号要素に対応する光によって発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間を加えたものとなる。すなわち、その時間は７Δｔ＋Ｔ_ｔｏｆとなる。第２〜第４の符号系列｛ｂ_ｉ｝、｛ｃ_ｉ｝、及び｛ｄ_ｉ｝に相当する受信信号の取得に要する時間も同一である。そのため、第１〜第４の符号系列｛ａ_ｉ｝、｛ｂ_ｉ｝、｛ｃ_ｉ｝、及び｛ｄ_ｉ｝に対応する受信信号の取得を順番に（直列に）実行する場合、第１の波長及び第２の波長に起因する受信信号の取得に要する時間は２８Δｔ＋４Ｔ_ｔｏｆとなる。

本実施例では、第１の波長の光と第２の波長の光とを同時に照射し、受信信号の取得の同時に行っている。これにより、本実施例による受信信号の取得に要する時間は１４Δｔ＋２Ｔ_ｔｏｆとなり、各波長の信号を時間的に分離する手法と比べて、受信信号の取得に要する時間は削減される。

本実施例による手法のほうが受信信号の取得に要する時間が短ければ、一般的な手法と比較してＳ／Ｎ比の向上の効果が高いといえる。この条件は、１４Δｔ＜３０Ｔ_ｔｏｆである。符号長Ｎを用いて一般化すると、この条件は、

Ｎがある程度大きいとき、Δｔ＜２Ｔ_ｔｏｆであることが望ましい。すなわち、基準タイミングの時間間隔は、被検体の観察領域の最深部で発生した光音響波が受信部に到達するのに要する時間の２倍よりも小さいことが好ましい。例えば、被検体の観察領域の最深部が５ｃｍ、被検体内の音速が１５００ｍ／ｓの場合、最深部で発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間は３３μｓとなる。この場合、基準タイミングの時間間隔は６６μｓよりも短くすることが好ましい。符号長８の場合は、（式５）より、７１μｓよりも短くすることが好ましい。なお、制御部１５３は、ユーザーが入力部１７０を用いて指示した関心領域に応じて、最深部で発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間よりも短い基準タイミングの時間間隔となるように変更してもよい。また、制御部１５３は、ユーザーの指示や計算により決定された被検体の音速に応じて、最深部で発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間よりも短い基準タイミングの時間間隔となるように変更してもよい。最深部とは、受信部から最も離れている観察領域（関心領域）の位置のことを指す。

＜駆動部の構成＞
第１の駆動部１１３ａあるいは第２の駆動部１１３ｂは、第１の駆動電流と第２の駆動電流の双方を発生可能な１つの電源から構成されてもよい。また、第１の駆動部１１３ａあるいは第２の駆動部１１３ｂは、は、第１の駆動電流を発生可能な第１の電源と、第２の駆動電流を発生可能な第２の電源とで構成されてもよい。ここでは、各駆動電流を別々の電源で生成する例を、図１４を用いて説明する。

図１４に示す第１の駆動部１１３ａは、第１の駆動電流を発生可能な第１の電源２１０ａ、及び、第２の駆動電流を発生可能な第２の電源２２０ａを含む。制御部１５３は、１と０からなる第１の制御信号２３０と−１と０からなる第２の制御信号２４０を第１の駆動部１１３ａに送信する機能を有する。

例えば、上記した第１の符号系列｛ａ_ｉ｝＝｛１，１，−１，１，−１，−１，−１，１｝に対応する光照射を行う場合、第１の制御信号｛１，１，０，１，０，０，０，１｝と、第２の制御信号｛０，０，−１，０，−１，−１，−１，０｝に分離し、それぞれを第１の駆動部１１３ａに送信する。すなわち、制御部１５３は、第１の制御信号２３０を第１の電源２１０ａに送信し、第２の制御信号２４０を第２の電源２２０ａに送信する。

第１の電源２１０ａは、第１の制御信号の符号要素｛１｝のタイミングに合わせて第１の駆動電流を生成し、第１の制御信号の符号要素｛０｝のタイミングでは電流を０とする、もしくは光音響波の発生が抑制された電流を生成する。第２の電源２２０ａは、第２の制御信号の符号要素｛−１｝のタイミングに合わせて第２の駆動電流を生成し、第２の制御信号の符号要素｛０｝のタイミングでは電流を０とする、もしくは光音響波の発生が抑制された電流を生成する。その結果、第１の光源１１１ａには、第１の符号系列｛ａ_ｉ｝に対応する駆動電流（図８（ａ））と同様の電流が投入される。

図１４に示す第２の駆動部１１３ｂは、第１の駆動電流を発生可能な第３の電源２１０ｂ、及び、第２の駆動電流を発生可能な第４の電源２２０ｂを含む。制御部１５３は、１と０からなる第３の制御信号２５０と−１と０からなる第４の制御信号２６０を第２の駆動部１１３ｂに送信する機能を有する。

例えば、上記した第２の符号系列｛ｂ_ｉ｝＝｛１，１，−１，１，１，１，１，−１｝に対応する光照射を行う場合、第３の制御信号｛１，１，０，１，１，１，１，０｝と、第４の制御信号｛０，０，−１，０，０，０，０，−１｝に分離し、それぞれを第２の駆動部１１３ｂに送信する。すなわち、制御部１５３は、第３の制御信号２５０を第３の電源２１０ｂに送信し、第４の制御信号２６０を第４の電源２２０ｂに送信する。

第３の電源２１０ｂは、第３の制御信号の符号要素｛１｝のタイミングに合わせて第１の駆動電流を生成し、第３の制御信号の符号要素｛０｝のタイミングでは電流を０とする、もしくは光音響波の発生が抑制された電流を生成する。第４の電源２２０は、第４の制御信号の符号要素｛−１｝のタイミングに合わせて第２の駆動電流を生成し、第４の制御信号の符号要素｛０｝のタイミングでは電流を０とする、もしくは光音響波の発生が抑制された電流を生成する。その結果、第２の光源１１１ｂには、第３の符号系列｛ｂ_ｉ｝に対応する駆動電流（図８（ｃ））と同様の電流が投入される。

異なる駆動電流をひとつの電源で発生することに比べ、駆動電流毎に別々の電源を用いる装置の方が、第１の駆動部１１３ａあるいは第２の駆動部１１３ｂの設計を簡略化できる。また、駆動電流毎に別々の電源を用いる場合、異なる駆動電流を高速に切り替えるときの応答性が高い。その結果、異なる符号要素の光を時間的に重複して被検体に照射することができる。これにより、光の照射効率を高めることができ、短時間で高いＳ／Ｎの復号信号を取得することができる。

本実施例において、第１の光源１１１ａと第２の光源１１１ｂのピーク光出力の最大強度を同一としたがそれに限ったものではなくい。本実施例において、第１の波長における｛１｝のレベルと｛−１｝のレベルはある程度揃っている必要があり、第２の波長における｛１｝のレベルと｛−１｝のレベルもある程度揃っている必要がある。ここで、ある程度、とは、平均化することでそのばらつきは無視できる程度に揃っている、という意味である。しかし、第１の波長における｛１｝のレベルと第２の波長における｛１｝のレベルは一致している必要はない。例えば、光源の個体差により、同じ投入電流でもその時の光出力が異なる場合がある。その場合、光出力の最大強度が一致するように投入電流を波長ごとにかえてもよい。また、ピーク光出力の最大強度が異なる場合でも、複数の復号信号をそれぞれの光出力の最大ピーク強度で規格化することで補正できる。 あるいは、受信信号をそれぞれの光出力の最大強度で規格化したのちに復号処理を施してもよい。

また、本実施例において、符号長、基準タイミングの時間間隔はここに示したものに限らず、被検体中の観察領域の深さや光源駆動部の性能などに合わせて、Ｓ／Ｎ比の向上が図れるよう適切なものを用いればよい。

なお、本実施例では、２つの波長のそれぞれに対応する復号信号を取得する例を説明したが、２つの波長の少なくとも一方に対応する復号信号を取得すればよい。すなわち、本実施例では、複数の波長の少なくとも一つに対応する復号信号を取得すればよい。この場合も、所望の波長に対応する復号信号を取得することができる。

＜直交符号を適用した符号化・復号化＞
「完全直交の関係」を満たす２組の相補符号は存在するが、互いに「完全直交の関係」を満たす３組以上の相補符号は存在しない。よって、実施例１で述べた手法を３波長以上の光に適用することはできない。

３波長以上の光を用いる場合の符号化・復号化の手法について以下に説明する。

以下に示す、符号長４の互いに直交する４つの符号系列｛ａ_ｉ ^ｋ｝（ｋ＝１から４、ｉ＝１から４）を考える。
第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝＝｛１，−１，−１，１｝
第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝＝｛１，−１，１，−１｝
第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝＝｛１，１，−１，−１｝
第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝＝｛１，１，１，１｝

さらに、以下に示す、この４つの符号系列を重複なく順次並べるための順番を表す互いに異なる４つの順列｛ｇ_ｍ｝（ｍ＝１から４、各要素は１から４のいずれか）を考える。
第１の順列｛ｇ_１｝＝｛｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^４｝｝
第２の順列｛ｇ_２｝＝｛｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^３｝｝
第３の順列｛ｇ_３｝＝｛｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^２｝｝
第４の順列｛ｇ_４｝＝｛｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^１｝｝

ここで、順列ｇ_ｐおよびｇ_ｑに従って４つの符号系列を並べた場合の、それぞれの相互相関関数の総和を考える。式で表すと以下のように表現できる。

（ｐ，ｑは１から４の整数）
ここで、ｐ＝ｑのとき、（式６）は自己相関関数の総和となり、ピークにおいて１６となり、ピーク以外のすべての点でＯとなる。すなわち、
（ａ^１＊ ａ^１）＝｛１，−２，−１，４，−１，−２，１｝
（ａ^２＊ ａ^２）＝｛−１，２，−３，４，−３，２，−１｝
（ａ^３＊ ａ^３）＝｛−１，−２，１，４，１，−２，−１｝
（ａ^４＊ ａ^４）＝｛１，２，３，４，３，２，１｝
であり、任意のｐにおいて、

が成立する。

また、ｐ≠ｑのとき、（式６）は相互相関関数の総和となり、ｐ≠ｑであるすべての組み合わせにおいて、すべての点でＯとなる。例えば、ｐ＝１、ｑ＝２の場合、
（ａ^１＊ ａ^２）＝｛−１，２，−１，０，１，−２，１｝
（ａ^２＊ ａ^１）＝｛１，−２，１，０，−１，２，−１｝
（ａ^３＊ ａ^４）＝｛１，２，１，０，−１，−２，−１｝
（ａ^４＊ ａ^３）＝｛−１，−２，−１，０，１，２，１｝
であり、

が成立する。

このような特性を有する符号系列の組を用いると、以下のようなことが実現できる。すなわち、
・ある順列ｇ_ｐで決まる順番の４つの符号系列に従って、符号化した信号を順次取得し、取得した信号を同じ順列ｇ_ｐで決まる順番の４つの符号系列に従って順次復号化した場合、復号化した信号の総和はデルタ関数となる。
・ある順列ｇ_ｐで決まる順番の４つの符号系列に従って、符号化した信号を順次取得し、取得した信号をそれと異なる順列ｇ_ｑで決まる順番の４つの符号系列に従って順次復号化した場合、復号化した信号の総和は０となる。

このような符号系列とその順番を示す順列を互いに異なる複数の波長の光を用いた光音響装置に適用した場合、光の照射時間が重複していても、ある波長の光に起因する信号と、その他の波長の光に起因する信号とを分離して取得することができる。

波長の数、符号長、及び互いに直交する符号系列の数の好適な関係について説明する。波長数が２から４の場合、符号長は４、直交する符号の数は４とするのが好ましい。波長数が５から８の場合、符号長は８、直交する符号の数は８とするのが好ましい。直交する符号系列の数は波長の数以上の２のべき乗数とするのが好ましい。

本実施例では、図１５に示す光音響装置を用いて、照射光として異なる３つの波長の光を用いた場合を説明する。図３と共通する部材には同じ番号を付し、説明は省略する。本実施例では、第１の光源３１１ａには、波長７５５ｎｍ（第１の波長λ１）、光出力最大１Ｗの半導体レーザを用いる。また、第２の光源３１１ｂには、波長７９５ｎｍ（第２の波長λ２）、光出力最大１Ｗの半導体レーザを用いる。また、第３の光源３１１ｃには、波長８２５ｎｍ（第３の波長λ３）、光出力最大１Ｗの半導体レーザを用いる。受信部１２０には、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚの周波数特性を持つ圧電素子からなるリニアアレイを用いる。受信部１２０と被検体１００との間は音響マッチングのために超音波ジェルで埋められている。

本実施例では、符号長４の互いに直交する４つの符号系列を用いる。具体的には、
第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝＝｛１，−１，−１，１｝
第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝＝｛１，−１，１，−１｝
第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝＝｛１，１，−１，−１｝
第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝＝｛１，１，１，１｝
である。また、第１、第２、第３の波長の光それぞれに割り当てた順列を
第１の順列｛ｇ_１｝＝｛｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^４｝｝
第２の順列｛ｇ_２｝＝｛｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^３｝｝
第３の順列｛ｇ_３｝＝｛｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^２｝｝
とする。

すなわち、第１の順列で決まる順番で４つの符号系列を第１の波長の光に割り当てる。また、第２の順列で決まる順番で４つの符号系列を第２の波長の光に割り当てる。また、第３の順列で決まる順番で４つの符号系列を第３の波長の光を割り当てる。

本実施例に係る光音響装置の符号化・復号化のフローを説明する。ここで、被検体１００中の深さ３ｍｍの位置に点状の光吸収体が存在すると仮定する。光吸収体の波長７５５ｎｍの光、波長７９５ｎｍ、波長８２５ｎｍの光に対する吸収係数の比を１：０．５：０．７５とする。

本実施例では、図１６に示すシーケンスで、各順列の同じ番号の要素の強度変調光を同期して被検体１００に照射し、符号化が行われる。

まず、１番目の順列要素については、光照射部１１０が、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第１の波長の強度変調光、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に対応する第３の波長の強度変調光を同期して照射する。そして、受信部１２０は、その光照射により発生した光音響波を受信し、受信信号Ｓ_１を出力する。

次に、２番目の順列要素については、光照射部１１０が、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に対応する第１の波長の強度変調光、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に対応する第３の波長の強度変調光を同期して照射する。そして、受信部１２０は、その光照射により発生した光音響波を受信し、受信信号Ｓ_２を出力する。

次に、３番目の順列要素については、光照射部１１０が、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に対応する第１の波長の強度変調光、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第３の波長の強度変調光を同期して照射する。そして、受信部１２０は、その光照射により発生した光音響波を受信し、受信信号Ｓ_３を出力する。

次に、４番目の順列要素については、光照射部１１０が、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第１の波長の強度変調光、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に対応する第３の波長の強度変調光を同期して照射する。そして、受信部１２０は、その光照射により発生した光音響波を受信し、受信信号Ｓ_４を出力する。

なお、各順列要素の各波長の光照射を完全に同期させずに行ってもよい。ただし、単位時間当たりの取得信号のＳ／Ｎ向上のために、複数の波長の強度変調光の照射期間が互いに少なくとも一部重なっていることが好ましい。

＜Ｓ１．１番目の順列要素に対応する強度変調光照射＞
制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に関する情報を第１の駆動部３１３ａに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に関する情報を第２の駆動部３１３ｂに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に関する情報を第３の駆動部３１３ｃに送信する。

第１の光源３１１ａは、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に関する情報に基づいて第１の駆動部３１３ａが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第１の光学系３１２ａを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１７（ａ）のような波形となる。

第２の光源３１１ｂは、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に関する情報に基づいて第２の駆動部３１３ｂが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第２の光学系３１２ｂを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１７（ｂ）のような波形となる。

第３の光源３１１ｃは、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に関する情報に基づいて第３の駆動部３１３ｃが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第３の光学系３１２ｃを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１７（ｃ）のような波形となる。

＜Ｓ２．１番目の順列要素に対応する受信信号の取得＞
第１の光源３１１ａ、第２の光源３１１ｂ、第３の光源３１１ｃの光出力を同期させた場合（略同じタイミングに照射した場合）、受信部１２０が受信して得られる受信信号は、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）の和となる。このとき得られる受信信号をＳ_１（ｔ）とし、図１７（ｄ）に示す。すなわち、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第１の波長の強度変調光、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に対応する第３の波長の強度変調光を略同じタイミングに照射することによりＳ_１（ｔ）が得られる。ここで、雑音の抑圧効果を説明するため、平均値０、標準偏差０．２の雑音を付加している。

＜Ｓ３．２番目の順列要素に対応する強度変調光照射＞
制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に関する情報を第１の駆動部３１３ａに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に関する情報を第２の駆動部３１３ｂに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に関する情報を第３の駆動部３１３ｃに送信する。

第１の光源３１１ａは、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に関する情報に基づいて第１の駆動部３１３ａが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第１の光学系３１２ａを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１８（ａ）のような波形となる。

第２の光源３１１ｂは、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に関する情報に基づいて第２の駆動部３１３ｂが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第２の光学系３１２ｂを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１８（ｂ）のような波形となる。

第３の光源３１１ｃは、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に関する情報に基づいて第３の駆動部３１３ｃが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第３の光学系３１２ｃを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１８（ｃ）のような波形となる。

＜Ｓ４．２番目の順列要素に対応する受信信号の取得＞
第１の光源３１１ａ、第２の光源３１１ｂ、第３の光源３１１ｃの光出力を同期させた場合（略同じタイミングに照射する場合）、受信部１２０が受信して得られる受信信号は、図１８（ａ）、図１８（ｂ）、図１８（ｃ）の和となる。このとき得られる受信信号をＳ_２（ｔ）とし、図１８（ｄ）に示す。すなわち、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に対応する第１の波長の強度変調光、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に対応する第３の波長の強度変調光を略同じタイミングに照射することによりＳ_２（ｔ）が得られる。ここで、雑音の抑圧効果を説明するため、平均値０、標準偏差０．２の雑音を付加している。

＜Ｓ５．３番目の順列要素に対応する強度変調光照射＞
制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に関する情報を第１の駆動部３１３ａに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に関する情報を第２の駆動部３１３ｂに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に関する情報を第３の駆動部３１３ｃに送信する。

第１の光源３１１ａは、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に関する情報に基づいて第１の駆動部３１３ａが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第１の光学系３１２ａを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１９（ａ）のような波形となる。

第２の光源３１１ｂは、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に関する情報に基づいて第２の駆動部３１３ｂが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第２の光学系３１２ｂを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１９（ｂ）のような波形となる。

第３の光源３１１ｃは、第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に関する情報に基づいて第３の駆動部３１３ｃが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第３の光学系３１２ｃを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１９（ｃ）のような波形となる。

＜Ｓ６．３番目の順列要素に対応する受信信号の取得＞
第１の光源３１１ａ、第２の光源３１１ｂ、第３の光源３１１ｃの光出力を同期させた場合（略同じタイミングに照射する場合）、受信部１２０が受信して得られる受信信号は、図１９（ａ）、図１９（ｂ）、図１９（ｃ）の和となる。このとき得られる受信信号をＳ_３（ｔ）とし、図１９（ｄ）に示す。すなわち、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に対応する第１の波長の強度変調光、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第３の波長の強度変調光を略同じタイミングに照射することによりＳ_３（ｔ）が得られる。ここで、雑音の抑圧効果を説明するため、平均値０、標準偏差０．２の雑音を付加している。

＜Ｓ７．４番目の順列要素に対応する強度変調光照射＞
制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に関する情報を第１の駆動部３１３ａに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に関する情報を第２の駆動部３１３ｂに送信する。また、制御部１５３は、割り当てられた順列に従い、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に関する情報を第３の駆動部３１３ｃに送信する。

第１の光源３１１ａは、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝に関する情報に基づいて第１の駆動部３１３ａが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第１の光学系３１２ａを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図２０（ａ）のような波形となる。

第２の光源３１１ｂは、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に関する情報に基づいて第２の駆動部３１３ｂが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第２の光学系３１２ｂを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図２０（ｂ）のような波形となる。

第３の光源３１１ｃは、第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に関する情報に基づいて第３の駆動部３１３ｃが生成した駆動電流によって駆動される。発生した光は、第３の光学系３１２ｃを通して、点状の光吸収体（音源）に照射される。その際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図２０（ｃ）のような波形となる。

＜Ｓ８．４番目の順列要素に対応する受信信号の取得＞
第１の光源３１１ａ、第２の光源３１１ｂ、第３の光源３１１ｃの光出力を同期させた場合（略同じタイミングに照射する場合）、受信部１２０が受信して得られる受信信号は、図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）の和となる。すなわち、第４の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝に対応する第１の波長の強度変調光、第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝に対応する第２の波長の強度変調光、及び第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝に対応する第３の波長の強度変調光を略同じタイミングに照射することによりＳ_４（ｔ）が得られる。このとき得られる受信信号をＳ_４（ｔ）とし、図２０（ｄ）に示す。ここで、雑音の抑圧効果を説明するため、平均値０、標準偏差０．２の雑音を付加している。

図１７から２０において、実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。

＜Ｓ９．復号化＞
コンピュータ１５０内の演算部１５１が行う、符号化された受信信号の復号方法について説明する。

基準タイミングの時間間隔をΔｔとしたとき、演算部１５１は、（式７）から（式９）にしたがった復号処理を行うことにより、それぞれの波長に対する復号信号ＤＳ_１（ｔ）、ＤＳ_２（ｔ）、ＤＳ_３（ｔ）を得る。ここで、第１、第２、第３の波長の光それぞれに割り当てたのと同じ順列で決まる順番で、４つの符号系列を復号処理に用いている。

符号長をＮ、互いに直交する符号系列の数（すなわち順列の要素数）をＫとして（式７）から（式９）を一般化すると、（式１０）のようになる。

ここで、ｉは１以上の自然数、｛ｇ_ｍ（ｊ）｝は複数の波長のそれぞれに割り当てられた順列、Ｓ_ｊは順列要素に対応する受信信号、ｊは１以上の自然数、ＫはＫ≧Ｍを満たす２のべき乗数である。また、ｍは１以上Ｍ以下の自然数、Ｍは複数の波長の数、ｔは時間、Δｔは符号系列の符号要素の基準タイミングの時間間隔、である。

第１の波長に対応する復号の様子を、図２１を用いて説明する。

図１７（ｄ）の受信波形（Ｓ_１）に対して（式７）の右辺第一項の復号処理を行った結果、図２１（ａ）のような復号された受信信号を得ることができる。また、図１８（ｄ）の受信波形（Ｓ_２）に対して（式７）の右辺第二項の復号処理を行った結果、図２１（ｂ）のような復号された受信信号を得ることができる。また、図１９（ｄ）の受信波形（Ｓ_３）に対して（式７）の右辺第三項の復号処理を行った結果、図２１（ｃ）のような復号された受信信号を得ることができる。また、図２０（ｄ）の受信波形（Ｓ_４）に対して（式７）の右辺第四項の復号処理を行った結果、図２１（ｄ）のような復号された受信信号を得ることができる。そして、図２１（ａ）〜（ｄ）の和は、第１の波長に対応する復号信号ＤＳ_１を示す図２１（ｅ）となる。すなわち、（式７）により復号された信号ＤＳ_１では、１回の光照射により得られる受信信号と比べてピーク値は１６倍になり、サイドローブは雑音以下に抑えられていることがわかる。

同様に、第２の波長の光照射に対応する復号の様子を図２２（ａ）〜（ｅ）に、第３の波長の光照射に対応する復号の様子を図２３（ａ）〜（ｅ）に示す。これらより、（式８）、（式９）により復号された信号ＤＳ_２またはＤＳ_３では、１回の光照射により得られる受信信号と比べてピーク値は１６倍になり、サイドローブは雑音以下に抑えられていることがわかる。

また、図２１（ｅ）、図２２（ｅ）、図２３（ｅ）を比較すると、吸収体の吸収係数の比が保存されていることがわかる。これは、受信信号に含まれる、被検体が有する光吸収に関する情報が、符号化・復号化を行っても保存されることを意味する。よって、複数の波長に対応する復号信号ＤＳ_１、ＤＳ_２、及びＤＳ_３を解析することにより、血液のヘモグロビン濃度などの分光情報を得ることが可能である。

なお、実施例１と同様に、制御部１５３は、観察領域（関心領域）や被検体の音速などに応じて、短時間で高Ｓ／Ｎの信号を取得することができるように、基準タイミングの時間間隔を設定してもよい。また、再構成手法に関しても、実施例１と同様の手法を採用してもよい。また、本実施例においても、実施例１で説明した駆動部の構成を採用してもよい。

なお、本実施例では、３つ以上の波長のそれぞれに対応する復号信号を取得する例を説明したが、３つ以上の波長の少なくとも一方に対応する復号信号を取得すればよい。すなわち、本実施例では、複数の波長の少なくとも一つに対応する復号信号を取得すればよい。この場合も、所望の波長に対応する復号信号を取得することができる。

＜少ない符号系列数での符号化・復号化＞
実施例２で説明した手法において、例えば、符号長を４ではなく８にすることで、よりＳ／Ｎ比を向上させることが可能である。しかしながら、その場合、互いに直交する符号系列の数も８となり、符号化するための光照射と光音響波の受信についても８回繰り返す必要があり、測定時間が増加する。

本実施例では、符号系列の数を少なくすることにより、測定時間の増大を抑えつつ、Ｓ／Ｎ比を向上させる例を説明する。

以下に示す、符号長８の互いに直交する４つの符号系列｛ａ_ｉ ^ｋ｝（ｋ＝１から４、ｉ＝１から８）を考える。
第１の符号系列｛ａ_ｉ ^１｝＝｛１，１，−１，−１，−１，−１，１，１｝
第２の符号系列｛ａ_ｉ ^２｝＝｛１，１，−１−１，１，１，−１，−１｝
第３の符号系列｛ａ_ｉ ^３｝＝｛１，１，１，１，−１，−１，−１，−１｝
第４の符号系列｛ａ_ｉ ^４｝＝｛１，１，１，１，１，１，１，１｝

これは、実施例２で説明した各符号系列の｛１｝に｛１，１｝を割り当て、｛−１｝に｛−１，−１｝を割り当てたものである。すなわち、互いに直交する４つの符号系列の各符号要素を２回ずつ繰り返すことにより、符号要素の数を２倍としている。なお、各符号要素の繰り返し回数は、２以上の自然数であればいかなる値を採用してもよい。

さらに、以下に示す、この４つの符号系列を重複なく順次並べるための順列を表す互いに異なる４つの順列を考える。
第１の順列｛ｇ_１｝＝｛｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^４｝｝
第２の順列｛ｇ_２｝＝｛｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^３｝｝
第３の順列｛ｇ_３｝＝｛｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^１｝，｛ａ_ｉ ^２｝｝
第４の順列｛ｇ_４｝＝｛｛ａ_ｉ ^４｝，｛ａ_ｉ ^３｝，｛ａ_ｉ ^２｝，｛ａ_ｉ ^１｝｝

ここで、（式６）で示したように、順列ｇ_ｐおよびｇ_ｑ従って４つの符号系列を並べた場合の、それぞれの相互相関関数の総和を考える。

ｐ＝ｑのとき、（式６）は自己相関関数の総和となり、ピーク近傍において１６、３２、１６、それ以外のすべての点でＯとなる。すなわち、
（ａ^１＊ ａ^１）＝｛１，−２，−１，−４，−３，−２，３，８，３，−２，−３，−４，−１，２，１｝
（ａ^２＊ ａ^２）＝｛−１，−２，１，４，−１，−６，１，８，１，−６，−１，４，１，−２，−１｝
（ａ^３＊ ａ^３）＝｛−１，−２，−３，−４，−１，２，５，８，５，２，−１，−４，−３，−２，−１｝
（ａ^４＊ ａ^４）＝｛１，２，３，４，５，６，７，８，７，６，５，４，３，２，１｝
であり、任意のｐにおいて、

が成立する。

また、ｐ≠ｑのとき、（式６）は相互相関関数の総和となり、ｐ≠ｑであるすべての組み合わせにおいて、すべての点でＯとなる。例えば、ｐ＝１、ｑ＝２の場合、
（ａ^１＊ ａ^２）＝｛−１，−２，１，４，１，−２，−１，０，１，２，−１，−４，−１，２，１｝
（ａ^２＊ ａ^１）＝｛１，２，−１，−４，−１，２，１，０，−１，−２，１，４，１，−２，−１｝
（ａ^３＊ ａ^４）＝｛１，２，３，４，３，２，１，０，−１，−２，−３，−４，−３，−２，−１｝
（ａ^４＊ ａ^３）＝｛−１，−２，−３，−４，−３，−２，−１，０，１，２，３，４，３，２，１｝
であり、

が成立する。

このような符号系列とその順番を示す順列を互いに異なる複数の波長の光を用いた光音響装置に適用した場合、光の照射時間が重複していても、ある波長の光に起因する信号と、その他の波長の光に起因する信号とを分離して取得することができる。このようにして、分離された複数の波長に対応する復号信号を解析することにより、血管のヘモグロビン濃度などの分光情報を取得してもよい。

実施例２と比べると、Δｔ＜Ｔ_ｔｏｆの場合、測定時間をほとんど増加させずに、より各波長に対応する復号信号のピーク強度を増加させることが可能となる。その際、サイドローブも増大するが、そのパターンは既知であるので必要に応じ、復号した受信信号に所望の補正をかければよい。例えば、復号した受信信号のうち、あるしきい値以上の信号のみを有効としたりしてもよい。また、復号した受信信号はΔｔの間隔で１：２：１の信号比を有することがわかっているので、これを０：１：０の信号に補正するデコンボリューションフィルタを重畳してもよい。

なお、本実施例では、複数の波長のそれぞれに対応する復号信号を取得する例を説明したが、複数の波長の少なくとも１つに対応する復号信号を取得すればよい。この場合も、所望の波長に対応する復号信号を取得することができる。

（その他の実施例）
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。

１１０ 光照射部
１２０ 受信部
１５０ コンピュータ

Claims (19)

1. 光照射手段、受信手段、及び処理手段を有し、
   前記光照射手段は、
   第１の符号系列に対応する第１の波長の第１の強度変調光と、前記第１の符号系列とは異なる第２の符号系列に対応する第２の波長の第２の強度変調光とを被検体に照射し、
   前記受信手段は、
   前記第１及び第２の強度変調光が前記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することにより第１の信号を出力し、
   前記処理手段は、
   前記第１及び第２の符号系列に関する情報に基づいて、前記第１の信号に対して復号処理を行うことにより、前記第１の波長に対応する第１の復号信号及び前記第２の波長に対応する第２の復号信号の少なくとも一方を取得する
   ことを特徴とする光音響装置。
2. 前記第１の強度変調光の照射期間と前記第２の強度変調光の照射期間とが少なくとも一部重なる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
3. 前記処理手段は、前記第１及び第２の復号信号を取得し、前記第１及び第２の復号信号に基づいて、分光情報を取得する
   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. 前記分光情報は、酸素飽和度である
   ことを特徴とする請求項３に記載の光音響装置。
5. 前記第１及び第２の符号系列のそれぞれは、正の符号要素及び負の符号要素を含む
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光音響装置。
6. 前記光照射手段は、
   半導体レーザまたは発光ダイオードで構成された光源と、
   前記光源へ駆動電流を投入する駆動手段と、
   を有し、
   前記駆動手段は、前記正の符号要素に対応する基準タイミングに合わせて、前記正の符号要素に対応する正の強度変調光を発生させるための第１の駆動電流を前記光源に投入し、
   前記駆動手段は、前記正の符号要素に対応する基準タイミングに合わせて、前記負の符号要素に対応する負の強度変調光を発生させるための第２の駆動電流を前記光源に投入する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光音響装置。
7. 前記駆動手段は、前記第１の駆動電流を前記光源に投入する第１の駆動手段と、前記第２の駆動電流を前記光源に投入する第２の駆動手段とを含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の光音響装置。
8. 前記光照射手段は、前記第１の波長の光を発する半導体レーザまたは発光ダイオードで構成された第１の光源と、前記第２の波長の光を発する半導体レーザまたは発光ダイオードで構成された第２の光源とを含む
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光音響装置。
9. 前記光照射手段は、
   第３の符号系列に対応する前記第１の波長の第３の強度変調光と、前記第３の符号系列とは異なる第４の符号系列に対応する前記第２の波長の第４の強度変調光とを前記被検体に照射し、
   前記受信手段は、
   前記第３及び第４の強度変調光が前記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することにより第２の信号を出力し
   前記処理手段は、
   前記第１及び第３の符号系列に関する情報に基づいて、前記第１の信号及び前記第２の信号に対して復号処理を行うことにより、前記第１の波長に対応する前記第１の復号信号を取得し、
   前記第２及び第４の符号系列に関する情報に基づいて、前記第１及び第２の信号に対して復号処理を行うことにより、前記第２の波長に対応する前記第２の復号信号を取得する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光音響装置。
10. 前記第１及び第３の符号系列は相補の関係を有する第１の相補符号であり、
    前記第２及び第４の符号系列は相補の関係を有する第２の相補符号であり、
    前記第１の符号系列と前記第２の符号系列の相互相関関数と前記第３の符号系列と前記第４の符号系列の相互相関関数との和が０となる関係である
    ことを特徴とする請求項９に記載の光音響装置。
11. 前記第１の強度変調光の照射期間と前記第２の強度変調光の照射期間とが少なくとも一部重なり、
    前記第３の強度変調光の照射期間と前記第４の強度変調光の照射期間とが少なくとも一部重なり、
    前記第１及び第２の強度変調光の照射期間と、前記第３及び第４の強度変調光の照射期間とは重ならない
    ことを特徴とする請求項９または１０に記載の光音響装置。
12. 前記処理手段は、
    符号要素に対応する基準タイミングの時間間隔をΔｔ、前記第１、第２、第３、及び第４の符号系列を｛ａ_ｉ｝、｛ｂ_ｉ｝、｛ｃ_ｉ｝、｛ｄ_ｉ｝（ｉ＝１からＮの整数、Ｎは符号長、符号要素は１もしくは−１）、前記第１の信号をＳ_１（ｔ）、前記第２の信号をＳ_２（ｔ）としたとき、以下の式にしたがった前記復号処理を行うことにより、前記第１の復号信号ＤＳ_１（ｔ）、および、前記第２の復号信号ＤＳ_２（ｔ）を取得する
    ことを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の光音響装置。
    

    
13. 光照射手段、受信手段、及び処理手段を有し、
    前記光照射手段は、複数の符号系列に対応する複数の波長の強度変調光を照射し、
    前記受信手段は、前記複数の波長の強度変調光が照射されることにより発生する光音響波を受信することにより信号を出力し、
    前記処理手段は、前記複数の符号系列に関する情報に基づいて、前記信号に対して復号処理を行うことにより、前記複数の波長の少なくとも１つに対応する復号信号を取得する
    ことを特徴とする光音響装置。
14. 前記処理手段は、前記信号に対して、以下の式にしたがった前記復号処理を行うことにより、前記復号信号ＤＳ_ｍ（ｔ）（ｍは１以上Ｍ以下の自然数、Ｍは前記複数の波長の数、ｔは時間）を取得する
    ことを特徴とする請求項１３の光音響装置。
    

    

    
    （｛ａ_ｉ ^ｋ｝は符号系列、ｉは１以上の自然数、Ｎは符号長、Δｔは符号系列の符号要素の基準タイミングの時間間隔、｛ｇ_ｍ（ｊ）｝は前記複数の波長のそれぞれに割り当てられた符号系列の順番を決める要素数Ｋの順列、ｊは１以上の自然数、Ｋは順列の要素数、ＫはＫ≧Ｍを満たす２のべき乗数、Ｓ_ｊは順列要素に対応する前記信号）
15. 前記複数の符号系列は、互いに直交する関係である
    ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の光音響装置。
16. 前記複数の波長は３つ以上の波長である
    ことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載の光音響装置。
17. 第１の符号系列に対応する第１の波長の第１の強度変調光と、前記第１の符号系列とは異なる第２の符号系列に対応する第２の波長の第２の強度変調光とが被検体に照射されることにより発生する光音響波の受信信号に対して、復号処理を行うことにより復号信号を取得する情報取得方法であって、
    前記第１及び第２の符号系列に関する情報に基づいて、前記受信信号に対して復号処理を行うことにより、前記第１の波長に対応する第１の復号信号及び前記第２の波長に対応する第２の復号信号の少なくとも一方を取得する
    ことを特徴とする情報取得方法。
18. 複数の符号系列に対応する複数の波長の強度変調光が被検体に照射されることにより発生する光音響波の受信信号に対して、復号処理を行うことにより復号信号を取得する情報取得方法であって、
    前記複数の符号系列に関する情報に基づいて、前記受信信号に対して復号処理を行うことにより、前記複数の波長の少なくとも１つに対応する前記復号信号を取得する
    ことを特徴とする情報取得方法。
19. 請求項１７または１８に記載の情報取得方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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