JP2021516352A - 音響光学画像化方法および音響光学画像化システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】音響光学画像化方法。複数の周期的空間強度変調ｊに従って、超音波トランスデューサの強度を空間変調することにより、光波および複数の伝播方向ｍを持つフォーカスされていない音波が媒体内に放射され、光信号Ｓｍｊ（ｔ）が取得される。媒体の画像を再構成するために使われる信号Ｓｍ（ｔ）を決定するために、信号Ｓｍｊ（ｔ）は、各伝播方向ｍに関し空間復調される。【選択図】図１

Description

本発明は、音響光学画像化方法および音響光学画像化システムに関する。

より具体的には、本発明は、特に媒体の観測領域を画像化するための音響光学画像化方法に関する。このような方法は、媒体（例えば生体組織）内のある深さに位置する観測領域の光学的特性に関する情報を、非侵襲的に取得することを目的とする。光学的特性は、観測領域内における生体組織構造の、色、吸収などであってよい。観測領域は、例えば、対象（人体、組織など）において数ミリメートルまたは数センチメートルの深さにあってよい。

［先行技術］
このような方法は、媒体の観測領域内で超音波が生成され、観測領域の焦点にフォーカスされ、同時にこの領域内で光波が放射されるものが知られている。その後、媒体内の光波と音響振動との間の結合に結び付けられた信号を検出することにより、情報が得られる。これは、超音波が音響周波数ｆａで散乱媒体（例えば、生体その他の組織）内を通過すると、散乱中心の周期的な変位および媒体の屈折率の周期的な変化が発生することによる。入射周波数ｆｉの入射光（特にレーザ光）が媒体によって散乱されると、散乱中心の動きおよび媒体の屈折率の変化は、タグ付けされた光波を生成する。すなわちこの光波は、一方で入射周波数ｆｉのキャリア成分を持ち、他方で音響サイドバンドの一方または他方に向けて散乱される周波数がｆａｏ＝ｆａ±ｎ＊ｆｉの音響光学成分を持つ。

このような方法は、特に以下に開示されている。
"Ultrasound-mediated optical tomography: a review of current methods" Daniel S. Elson, Rui Li, Christopher Dunsby, Robert Eckersley and Meng-Xing Tang, published in Interface Focus (2011) vol. 1, pages 632-648

これらの既知の方法は、連続したフォーカスされた超音波を用いて、観測領域をスキャンする必要があるので遅い。すなわち画像を生成するためには、約２００，０００個のフォーカスされた超音波を放射する必要がある。

こうした既知の方法は、国際特許出願公開WO2016193554に記載された発明により、かなりの改良がされた。この発明のアイデアは、フォーカスされた超音波に代えて、連続したフォーカスされていない（異なる伝搬方向を持つ）超音波を観測領域に放射するところにある。この方法によれば、画像を形成するのに必要な超音波のバーストの数を、前述の方法に比べて大幅に限定することができる。実際、画像を形成するための超音波のバーストの数は、最大５０にまで分割される。

特に、装置をこれ以上に複雑化せず、かつ処理速度を落とさず、方位分解能（特に、超音波トランスデューサのアレイに平行な方向の）を改善するためには、既知の音響光学画像化方法および装置をさらに改良する必要があることが分かった。

この目的のために、媒体の観測領域を画像化するための音響光学画像化方法が与えられる。この方法は、
・測定ステップと、
・空間復調ステップと、
・処理ステップと、を備える。
測定ステップにおいて、光学手段を用いて、複数の方向ｍにそれぞれ伝播するフォーカスされていない音波に関連した複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が取得される。
フォーカスされていない音波はそれぞれ、超音波トランスデューサのアレイにより、観測領域内で放射される。
空間変調されたフォーカスされていない音波を形成するために、フォーカスされていない音波はそれぞれ、Ｊ個の周期的空間強度変調ｊとともに、続けてＪ回、各伝播方向ｍに放射される。
周期的空間強度変調ｊは、少なくとも１つの空間周期性に関する方向に同一の空間周期を持ち、所定の数Ｐ個のトランスデューサに相当する。
周期的空間強度変調ｊは、互いに空間的に位相シフトされる。
測定ステップは、各周期的空間強度変調ｊに関し、複数の連続する測定操作を含む。
測定操作は、以下のサブステップ、すなわち、
○音響放射サブステップと、
○光放射サブステップと、
○取得サブステップと、を備える。
音響放射サブステップにおいて、空間変調されたフォーカスされていない音波が、周期的空間強度変調ｊを用いて放射され、伝播方向ｍに伝播する。
光放射サブステップにおいて、空間変調されたタグ付けされた光波を生成するために、入射光波が、観測領域内で、空間変調されたフォーカスされていない音波と同時に放射される。
空間変調されたタグ付けされた光波は、空間変調されたフォーカスされていない音波によって周波数シフトされた、少なくとも１つの音響光学成分を備える。
取得サブステップにおいて、空間変調されたタグ付けされた光波が取得され、周期的空間強度変調ｊと、方向ｍに伝播するフォーカスされていない音波と、に相当する測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が取得される。
空間復調ステップにおいて、伝播方向ｍに特化した復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を取得するために、Ｊ個の周期的空間強度変調に相当する複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が、同一の伝播方向ｍに関して結合される。
処理ステップにおいて、複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を用いて、観測領域の少なくとも部分的な画像が決定される。

これらの構成のおかげで、超音波の空間変調を用いて、音響光学信号を介して、より高い空間周波数の情報が得られ、画像の横方向の解像度が改善される。

音響光学画像化方法はさらに、以下の特徴の１つまたはいくつかを含んでよい。
・トランスデューサのアレイは、リニアアレイであり、空間周期性に関する方向に延びる。
・周期的空間強度変調ｊは、所定の周期的空間強度変調ｊに関して、所定の超音波トランスデューサのみが起動されるような２値関数である。従って、超音波トランスデューサは、周期Ｐの周期的パターンｊおよび空間周期の部分によって互いに空間的にオフセットされた周期的空間強度変調ｊに従って起動される。
・Ｊは４であり、空間周期は４の倍数であるトランスデューサの数Ｐに相当する。周期的空間強度変調ｊは、空間周期の四分の一に相当する位相により、互いに空間的に位相シフトされる。
・空間復調ステップにおいて、信号^vＳ_ｍ（ν）を逆フーリエ変換することにより、復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）が計算される。

である。
ここで、

である。
^vＳ_ｍ（ν）の項は、測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）の時間領域フーリエ変換である。
ｊは、０以上３以下の整数である。
νは、時間領域周波数である。
・フォーカスされていない音波は、平面音波または発散音波である。
・フォーカスされていない音波の伝播方向ｍは、３０度以上５０度以下の角度範囲の扇形をカバーする。
・フォーカスされていない音波の伝播方向ｍは、０．５度以上２度以下の角度刻みで分割される。
・各測定操作は、Ｌ回繰り返される。これにより各測定操作は、フォーカスされていない音波の各伝播方向ｍと、各周期的空間強度変調ｊと、に関連するＬ個の生の測定信号Ｓ_ｉｊｌ（ｔ）を取得する。空間復調ステップで使われる測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を決定するために、Ｌ個の生の測定信号Ｓ_ｍｊｌ（ｔ）は、互いに平均化される。
・各測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）は、２メガヘルツより高い、好ましくは１０メガヘルツより高い周波数でサンプリングされる。
・処理ステップは、逆ラドン変換を実行するステップを含む。
・処理ステップは、チャネル生成アルゴリズムを実行するステップを含む。
・処理ステップは、逆投影アルゴリズムまたはフィルタされた逆投影アルゴリズムを実行するステップを含む。
・処理ステップは、以下のステップを含む。
○少なくとも１つの測定信号に関連する複数のプロファイルスライスを決定するステップ。各プロファイルスライスは、関連する測定信号の１次元フーリエ変換の関数である。
○複数のプロファイルスライスを用いて、２次元スペクトルを決定するステップ。
○観測領域内の光の強度を表す少なくとも１つの値を決定するステップ。この値は、２次元スペクトルの２次元逆フーリエ変換の関数である。
○複数のプロファイルスライスをフーリエ空間内に再位置付けすることにより（好ましくは、各プロファイルスライスを、プロファイルスライスに関する測定信号に関連する、フォーカスされていない音波の伝播方向の関数として再位置付けすることにより）、２次元スペクトルを決定するステップ。

媒体の観測領域を画像化するための音響光学画像化システムもまた与えられる。このシステムは、
・空間的に規則的に配置された超音波トランスデューサのアレイと、
・光放射デバイスと、
・光検出器と、
・光検出器を介して、それぞれ異なる伝播方向ｍに伝播する空間変調されたフォーカスされていない音波に関連した複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を取得するように構成された制御デバイスと、を備える。
制御デバイスは、
・観測領域内で、空間変調されたフォーカスされていない音波をそれぞれ、Ｊ個の周期的空間強度変調ｊとともに、続けてＪ回放射させ、
・空間変調されたタグ付けされた光波を生成するために、光放射デバイスを用いて、入射光波を、観測領域内で、空間変調されたフォーカスされていない音波と同時に放射させ、
・空間変調されたタグ付けされた光波の各々に関し、トランスデューサのアレイを用いて、周期的空間強度変調ｊと、方向ｍに伝播するフォーカスされていない音波と、に相当する測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を取得し、
・伝播方向ｍに特化した復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を取得するために、Ｊ個の周期的空間強度変調に相当する複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を、同一の伝播方向ｍに関して結合することにより、空間復調を実行し、
・複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を用いて、観測領域の少なくとも部分的な画像を決定する。
周期的空間強度変調ｊは、少なくとも１つの空間周期性に関する方向に同一の空間周期を持ち、所定の数Ｐ個のトランスデューサに相当する。
周期的空間強度変調ｊは、互いに空間的に位相シフトされる。
空間変調されたタグ付けされた各光波は、空間変調されたフォーカスされていない音波によって周波数シフトされた、少なくとも１つの音響光学成分を備える。
音響光学画像化システムはさらに、以下の特徴の１つまたはいくつかを含んでよい。
・トランスデューサのアレイは、リニアアレイであり、空間周期性に関する方向に延びる。
・周期的空間強度変調ｊは、所定の周期的空間強度変調ｊに関して、所定の超音波トランスデューサのみが起動されるような２値関数である。
・Ｊは４であり、空間周期は、４の倍数であるトランスデューサの数Ｐに相当する。周期的空間強度変調ｊは、空間周期の四分の一に相当する位相により、互いに空間的に位相シフトされる。
・制御デバイスは、測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）の時間領域フーリエ変換^vＳ_ｍｊ（ν）計算し、時間領域フーリエ変換^vＳ_ｍｊ（ν）の線形結合によって信号^vＳ_ｍ（ν）を決定し、信号^vＳ_ｍ（ν）を逆フーリエ変換することにより、復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を決定するように構成される。νは時間領域周波数である。
・制御デバイスは、信号^vＳ_ｍ（ν）を逆フーリエ変換することにより、復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を計算するように構成される。

である。
ここで、

である。
^vＳ_ｍ（ν）の項は、測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）の時間領域フーリエ変換である。
ｊは、０以上３以下の整数である。
νは、時間領域周波数である。
・制御デバイスは、フォーカスされていない音波の各伝播方向ｍと、各周期的空間強度変調ｊと、に関連するＬ個の生の測定信号Ｓ_ｉｊｌ（ｔ）を取得するように構成される。空間復調で使われる測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を決定するために、Ｌ個の生の測定信号Ｓ_ｍｊｌ（ｔ）は、互いに平均化される。

本発明のその他の特徴および利点は、非限定的な実例を用いて示される以下の実施の形態の説明を、添付の図面を参照して読むことにより明らかになるだろう。

前述の音響光学画像化システムの一例の模式図である。 本システムを実行するための音響光学画像化方法の模式的なフロー図である。 空間変調を得るために、図２の方法により起動された超音波トランスデューサによって形成されたパターンの例を示す図である。 超音波トランスデューサの起動により一連の周期的パターンに導入された空間変調およびその後の復調を示す図である。 図２の方法の処理ステップの一例の詳細を示す図である。 図２の方法の処理ステップの一例の詳細を示す図である。 音響光学画像化によって得られた同一媒体の画像を示す図である。ａ）はフォーカスされた音波、ｂ）は空間変調されていない平面波、ｃ）は前述の方法で空間変調された平面波をそれぞれ表す。

いくつかの図面において、同一または類似の要素には同一の符号を付す。

図１に、本発明のある実施の形態に係る音響光学画像化システム１を模式的に示す。

媒体２（例えば、対象または生体組織）は画像化されるべき対象物であり、観測領域３を含む。観測領域３は、媒体２の表面上にあってもよいが、媒体２の内部の所定の深さ（例えば、深さ数センチメートル）にあってもよい。

媒体２は、散乱媒体である。特に「散乱媒体」とは、特徴的な厚さｌ＊（例えば、生体媒体内における数ミリメートルの厚さ）であって、ｌ＊より厚い当該媒体内を光が通過すると、その光が持つ情報が完全にスクランブルされ、何らかの処理なしには解読できないような厚さｌ＊を持つ媒体を意味すると理解されてよい。従ってこれは、通常の光学画像化ができない深さを意味する。この現象は、光の多重散乱とも呼ばれる。

超音波トランスデューサのアレイ４が、媒体２と、直接的または間接的に音響接触する。例えばアレイ４は、結合素子（例えば、水で満たされた容器や水で満たされたクッション）を介して媒体２と音響結合する。

超音波トランスデューサのアレイ４は、例えば数１００個（例えば１００から３００）のトランスデューサ５を備えるリニアアレイである。トランスデューサ５は、例えば、Ｘ軸に沿って並列している。いくつかの実施の形態では、トランスデューサ５は、曲線に沿って配置されてもよく、２次元のマトリックスを形成するように配置されてもよい。ある特定の実施の形態では、超音波トランスデューサのアレイ４は、１９２個のトランスデューサからなるリニアアレイである。

超音波トランスデューサのアレイ４は、例えば電子機器ラック６および電子機器ラック６を制御するマイクロコンピュータ７を備える制御手段によって制御される。

超音波トランスデューサのアレイ４は、観測領域３の内部で所定の方向に伝播する、フォーカスされていない音波を生成することができる。伝播方向は、観測領域３の内部で様々な方向に伝播する、フォーカスされていない音波を生成するように制御されてもよい。

限定されないが、超音波トランスデューサのアレイ４は、例えば数メガヘルツのオーダの（例えば６ＭＨｚの）中央周波数を持つ超音波を、観測領域３の内部で生成することができる。超音波トランスデューサのアレイ４は、例えば３０度より大きい角度（例えば４０度）を持つ扇型の中から選択した伝播方向を持つ複数の超音波を、観測領域３の内部で生成することができる。

ある実施の形態では、フォーカスされていない音波は平面波である。別の実施の形態では、フォーカスされていない音波は発散波（例えば球面波）である。

フォーカスされていない音波は、所定の時間領域における半値幅（典型的には数マイクロ秒から数１０マイクロ秒）のパルスであることが実用的には好ましい。

システム１はまた、光放射デバイス８を備える。光放射デバイス８は、観測領域３の内部で少なくとも１つの入射光波を放射するように設計される。特に光放射デバイス８は、この光波を、超音波トランスデューサのアレイ４による超音波放射と同時に放射するように設計される。光放射デバイス８は、例えばレーザであり、一般的には入射光波のスペクトルを制御することのできる光放射デバイスである。

より広義には「光波」は、媒体２の内部を伝播することのできる電磁輻射を意味すると理解してよい。特にこれは、赤外、可視または紫外スペクトルに属する電磁輻射であると考えてよい。

非限定的には、光放射デバイス８は、パワー２ワットで波長７８０ナノメートル（これは、入射周波数ｆｉに相当する）の増幅単一周波数半導体レーザである。入射波の偏光は、制御されてもよい。ある実施の形態では、光波は、時間的および空間的に変調されてもよく、あるいは媒体２の内部に侵入する前にフィルタリングされてもよい。

システム１は、タグ付けされた光波を表す測定信号を取得するように設計された検出器９をさらに備える。すなわち検出器９は、タグ付けされた光波の波長に相当する１つ以上の電磁波長に敏感な光検出器である。従って検出器９は、例えば、観測領域内を伝播する入射光波と超音波との相互作用によって生成された音響光学成分に敏感である。検出器９は、キャリア成分、すなわちタグ付けされた光波の入射周波数ｆｉにおける成分に敏感であってもよい。

検出器９は、例えばフォトダイオードである。

システム１は、信号１０を前処理または後処理する部品を備えてもよい。こうした部品は、潜在的には検出器９に統合される。信号１０を前処理または後処理する部品は、例えば、ハイパスフィルタ１０ａ、広帯域増幅器１０ｂ（例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ、ＤＨＰＶＡ）およびアナログ‐デジタル変換器１０ｃを備えてもよい。

特に測定信号は、数メガヘルツより高い周波数（好ましくは１０メガヘルツより高い周波数、例えばサンプリン周波数４０ＭＨｚ）で、アナログ‐デジタル変換器１０ｃによってサンプリングされてよい。

このようにして、特に各測定信号は、フォーカスされていない超音波によって周波数シフトされた、タグ付けされた光波の音響光学成分の光強度の、時間的に連続する値を含んでよい。

トランスデューサのアレイ４、光放射デバイス８および検出器９は、本発明に係るシステム１の取得デバイス１１を形成してもよい。特にこのような取得デバイス１１は、複数のフォーカスされていない超音波に関連する複数の測定信号を取得するように設計される。これについては後で詳述する。

媒体の観測領域の音響光学画像化方法は、特に図２に詳しく示されるように、例えばシステム１を用いて以下のように実行されてよい。

（ａ）測定ステップ
測定ステップ１００（ＭＥＳ）において、複数の音波（超音波）に関連する複数の測定信号が取得されてよい。

測定ステップ１００は、複数の測定操作１５０を備える。

各測定操作１５０において、以下のサブステップが実行される。

（ａ１）音響放射
トランスデューサのアレイ４を用いて、観測領域３の内部でフォーカスされていない音波（例えば、パルス）が生成される。この音波は、画像平面内で、Ｘ軸に直行するＹ軸とのなす角度がθである方向に伝播する（平面波の場合は、これは、Ｘ軸と等位相線とがなす角度でもある）。音波は、複数の伝播方向に放射される。これらの伝播の各方向は、符号ｍで示され、Ｙ軸とθ_ｍの角度をなす。伝播方向ｍは、３０度以上５０度以下（例えば、４０度）の角度範囲の扇形をカバーしてよい。フォーカスされていない音波の伝播方向ｍは、０．５度以上２度以下（例えば、１度）の角度刻みで分割されてもよい。角度範囲が４０度で角度刻みが１度の場合、伝搬方向を示す数ＭはＭ＝４１である。

さらに、同じｍの伝播方向に関し、音波はＪ回放射される。この放射のたびに、アレイ４のトランスデューサ５に空間強度変調ｊが与えられる。空間強度変調ｊは、周期的である。その空間周期は、Ｘ方向に並んだＰ個のトランスデューサＴ_ｋである（トランスデューサＴ_ｋは、規則的に配置される。トランスデューサの数で表されたこの空間周期は、所定の距離ｘｐと同等である）。空間強度変調ｊは、互いに、Ｘ方向に空間的にオフセットされる。

前述の空間強度変調は、空間関数Ａ（ｋ）に相当する。Ａ（ｋ）は、＋Ｘ方向に周期的である。このとき、各トランスデューサＴ_ｋから放射された信号ｅ_ｍｊｋ（ｔ）は、Ａ（ｋ）・Ａ０に等しい強度を持つ。ただしＡ０は所定の数である。

図３に示される実施の形態では、空間強度変調Ａ（ｋ）は、トランスデューサＴ_ｋに応じて０または１の値を取る２値関数である。このとき、所定の周期的空間強度変調ｊに関し、所定の超音波トランスデューサのみが起動される。

図３に示されるように、各放射でこのように起動されるトランスデューサ５は、周期的パターンに従って配置される。この周期的パターンは、前述のＸ方向に並んだＰ個のトランスデューサＴ_ｋの空間周期を持つ。

各周期的空間強度変調ｊに関して起動されるトランスデューサＴ_ｋによって形成されるパターンは、様々な形を取ってもよい。図３の例では、４個のトランスデューサＴ_ｋのうち１個だけが起動される（例えば、１９２個のトランスデューサのアレイの場合、各周期的空間強度変調ｊに関して、４８個のトランスデューサが起動される）。すなわち、
・ｊ＝０の場合：トランスデューサＴ１、Ｔ５等が起動される（図３の網掛け部分）。
・ｊ＝１の場合：トランスデューサＴ２、Ｔ６等が起動される。
・ｊ＝２の場合：トランスデューサＴ３、Ｔ７等が起動される。
・ｊ＝３の場合：トランスデューサＴ４、Ｔ８等が起動される

図４に示されるように、周期的空間強度変調ｊは、超音波によって生成されたＸ方向の圧力Ｐ_ｍｊ（ｔ）の周期的変化となる。この圧力曲線は、ある周期的空間強度変調ｊが別の周期的空間強度変調に変わると、Ｘ方向外側にＰ／４だけずれる。

（ａ２）光放射
音響放射の間、フォーカスされていない音波によって周波数シフトされた少なくとも１つの音響光学成分を備える、タグ付けされた光波を生成するために、光放射デバイス８を用いて、観測領域３の内部で入射光波が放射される。

（ａ３）取得
各伝播方向ｍおよび周期的空間強度変調ｊに関し、タグ付けされた光波を表す測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）（ｔは時間を示す）が、検出器９を用いて取得される。

測定ステップ１００で、合計ｎ＝Ｍ＊Ｊ個の信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が取得される。従って、Ｍ＝４１、Ｊ＝４の場合、ｎ＝１６４個の信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が取得される。

本発明のある実施の形態では、Ｌ個の測定信号Ｓ_ｍｊｌ（ｔ）を取得するために、各測定操作はＬ回繰り返される。その後、次の処理で使うための信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を得るために、これらの測定信号は、値ｍおよびｊに関して平均化される。Ｌは例えば、１０より大きくてよい（例えば１００回または１０００回）。従って、Ｍ＝４１、Ｊ＝４、Ｌ＝１０００の場合、媒体２の画像を得るために、１６４，０００個の音波のバーストが実行される。

（ｂ）空間復調
図２および図４に示されるように、信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）はその後、復調ステップ１８０（ＤＥＭＯＤ）で空間的に復調される。より正確には、同じｍの伝播方向の信号Ｓ_ｍ（ｔ）を得るために、様々な周期的空間強度変調ｊに相当する信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）は、結合される。

前述のＪ＝４でパターン間の空間オフセットがＰ／４の例では、Ｓ_ｍｊ（ｔ）は、以下で説明するように、位相復調４によって得られてもよい。

各超音波ｍは、媒体２の内部を伝播する。平面波の場合、この波ｍの等位相線は、Ｘ方向に対し角度θ_ｍ傾いた直線Ｄである（図５Ａ参照）。直線Ｄは、時間ｔ後にこの波が到達する点の位置に相当し、距離Ｖ_US・ｔに相当する。ここでＶ_USは超音波の速さである。入射波の傾きを生成するために、トランスデューサＴ_ｋの（Ｘ方向の）励起遅延が調整される。この目的のために、横座標ｘの各トランスデューサＴ_ｋは、例えば参照要素に対してｘ・ｓｉｎθ_ｍ／Ｖ_US遅延している。

従って、時間ｔ後にこの波が到達する点の位置は、以下で与えられる。
ｘ・ｓｉｎθ_ｍ＋ｙ・ｃｏｓθ_ｍ＝Ｖ_US・ｔ （１）

例えば、放射された超音波によって生成される圧力は、
１／２［１＋ｃｏｓ（２πηｘ＋φ_ｊ）］
に比例するように、Ｘ方向に変調されてよい。ここで、
・η＝１／ｘｐは、空間強度変調の空間周波数である。
・φ_ｊは、空間強度変調ｊの空間位相である（Ｊ＝４、φ_ｊがｊ・π／２に等しい場合、ｊは０以上３以下の整数である）。

射影により、伝播方向ｍの波の有効空間周波数が、以下で与えられる。
η_ｍ＝η／ｃｏｓθ_ｍ （２）

従って、等位相線（直線Ｄ）に沿って、以下の形の波によって生成された圧力の有効変調が与えられる。
［１＋ｃｏｓ（２πη_ｍ（ｘ・ｃｏｓθ_ｍ−ｙ・ｓｉｎθ_ｍ）＋φ_ｊ］ （３）

従って、時空間圧力が以下のように書ける。

ここで、
ν_USは、超音波の時間領域周波数である。
ｆ（ｔ）は、各トランスデューサ５に与えられた超音波励起の時間的応答を示す。

従って、得られたタグ付けされた光子の信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）は、以下のように書ける。

ここで、
ＩＮ（ｘ，ｙ）は、再構成されるべき画像の信号（ＸＹ平面内の光信号の局所的強度）を示す。

その後、この信号の時間領域フーリエ変換が以下を与える（中央断面）。

ここで、
νは、時間領域周波数を示す。
Ｆ（ν）は、関数ｆ^２（ｔ）の時間領域フーリエ変換を示す。
空間構造を発展させると、以下のようになる。

この積分は、５つの項の和となる。

ここで、

の各項は、信号の空間周波数ベクトルへの射影に相当する。

各伝播方向ｍに関し、例えば位相φ_ｊの４つの値に関する信号が記録される。これは、媒体２の内部の圧力構造の空間オフセットに相当する。

関連する項（ｐ＝０、１、−１）が、以下のように抽出されてよい。

実際には、ｐ＝０に相当する項

は、空間的に変調されていない平面波で得られた情報を含む。ｐ＝１およびｐ＝−１に相当する項（１次高調波）は、空間周波数空間でのさらなる情報を与える。これにより、改善されるべき信号の再構成の品質が実現される。再構成信号の品質を最適化するためには、ｐ＝２およびｐ＝−２に相当する項（２次高調波）は除去されることが望ましい。

各傾きｍに関し信号^vＳ_ｍ（ν）を得るために、前述の３つの信号は足し合わされる。

その後逆フーリエ変換^vＳ_ｍ（ν）により得られた復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）が、これから減算される。

（ｃ）処理
この方法は、前述に続く処理ステップ２００を備える。ステップ２００では、観測領域３の画像が決定される。この画像のピクセルは、復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を用いて、観測領域３の内部の光の強度を表す。

この処理は、前述の国際特許出願公開WO2016193554に記載された手法により実行されてよい。

非限定的な例示として、この処理ステップ２００は、好ましくは、図５Ａおよび図５Ｂに示されるラドン変換を実行するステップを備える。この処理ステップは、２重フーリエ変換を含んでもよい（先ず時間領域、次に空間領域）。

概略的には、処理ステップ２００（ＴＲＴＭＴ）は、以下の操作を備えてよい。
・複数の復調信号Ｓ_ｉ（ｔ）に関連する複数のプロファイルスライスを決定（２１０ プロファイルスライスを決定）する（図５Ａ）。
・複数のプロファイルプロセスを用いて、２次元プロファイルを決定（２２０ ２Ｄプロファイルを決定）する（図５Ｂ）。
・２次元プロファイルを用いて、観測領域内の光強度を表す少なくとも１つの値を決定（２３０ 光強度を決定）する（図５Ｂ）。

より正確には、各復調信号Ｓ_ｉ（ｔ）に関して、プロファイルスライスＴを決定することから開始する。

この目的のために、復調信号Ｓ_ｉ（ｔ）の１次元フーリエ変換が実行される。これにより、図５Ａに示される、関連するプロファイルスライスＴが与えられる。

その後、複数の復調信号Ｓ_ｉ（ｔ）に関連する複数のプロファイルスライスＴを用いて、２次元プロファイルＰが決定される。図５Ｂに示されるように、２次元プロファイルＰは、複数のプロファイルスライスをフーリエ空間内に再位置付けすることにより、決定される。このように、各プロファイルスライスＴは、フォーカスされていない音波の伝播方向ｍの関数としてフーリエ空間内に再位置付けされる。この音波は、プロファイルスライスＴに関連する復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）に関連付けられている。

このようにして、例えば、フォーカスされていない波の伝播方向によって形成された扇形を埋めるように、プロファイルスライスＴを再位置付けすることができる。

一旦２次元プロファイルＰが得られると、その後、２次元プロファイルＰｒの２次元逆フーリエ変換を用いて、光の強度ＩＮ（ｘ、ｙ）を表す１つ以上の値を、観測領域３の内部で決定することができる。これもまた図５Ｂに示される。

本発明のいくつかの実施の形態では、２次元プロファイルＰｒを決定するように、プロファイルスライスＴが完成されてもよい。

図６ｃは、前述の方法の典型的な一例（Ｍ＝４１、Ｊ＝４、Ｌ＝１０００）を実行することにより得られた、２つのインクルージョンを持つ媒体の画像を示す。図６ａおよび図６ｂは、同じ媒体の画像である。図６ａは、フォーカスされた音波の音響光学画像化で得られたものである。図６ｂは、前述の国際特許出願公開WO2016193554に記載された手法で得られたものである。

図６ｂの画像では、横方向の解像度が改善されていることは明らかである。図６ａの画像に関して、図６ｃの画像は解像度は同等であるが、図６ａの画像より約１０倍高速に取得することができる。

Claims (15)

1. 媒体（２）の観測領域（３）を画像化するための音響光学画像化方法であって、
   ・測定ステップ（１００）と、
   ・空間復調ステップと、
   ・処理ステップ（２００）と、を備え、
   前記測定ステップ（１００）において、
   光学手段を用いて、複数の方向ｍにそれぞれ伝播するフォーカスされていない音波に関連した複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が取得され、
   前記フォーカスされていない音波はそれぞれ、超音波トランスデューサ（Ｔ_ｋ）のアレイ（４）により、観測領域（３）内で放射され、
   空間変調されたフォーカスされていない音波を形成するために、前記フォーカスされていない音波はそれぞれ、Ｊ個の周期的空間強度変調ｊとともに、続けてＪ回、各伝播方向ｍに放射され、
   前記周期的空間強度変調ｊは、少なくとも１つの空間周期性に関する方向（Ｘ）に同一の空間周期を持ち、所定の数Ｐ個のトランスデューサに相当し、
   前記周期的空間強度変調ｊは、互いに空間的に位相シフトされ、
   前記測定ステップは、各周期的空間強度変調ｊに関し、複数の連続する測定操作（１５０）を含み、
   前記測定操作（１５０）は、以下のサブステップ、すなわち、
   ○音響放射サブステップと、
   ○光放射サブステップと、
   ○取得サブステップと、を備え、
   前記音響放射サブステップにおいて、空間変調されたフォーカスされていない音波が、前記周期的空間強度変調ｊを用いて放射され、伝播方向ｍに伝播し、
   前記光放射サブステップにおいて、空間変調されたタグ付けされた光波を生成するために、入射光波が、前記観測領域（３）内で、前記空間変調されたフォーカスされていない音波と同時に放射され、
   前記空間変調されたタグ付けされた光波は、前記空間変調されたフォーカスされていない音波によって周波数シフトされた、少なくとも１つの音響光学成分を備え、
   前記取得サブステップにおいて、
   前記空間変調されたタグ付けされた光波が取得され、
   前記周期的空間強度変調ｊと、方向ｍに伝播するフォーカスされていない音波と、に相当する測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が取得され、
   前記空間復調ステップにおいて、
   伝播方向ｍに特化した復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を取得するために、前記Ｊ個の周期的空間強度変調に相当する複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）が、同一の伝播方向ｍに関して結合され、
   前記処理ステップ（２００）において、
   前記複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を用いて、前記観測領域（３）の少なくとも部分的な画像が決定されることを特徴とする音響光学画像化方法。
2. 前記トランスデューサのアレイ（４）は、リニアアレイであり、前記空間周期性に関する方向（Ｘ）に延びることを特徴とする請求項１に記載の音響光学画像化方法。
3. 前記周期的空間強度変調ｊは、所定の周期的空間強度変調ｊに関して、所定の超音波トランスデューサ（Ｔ_ｋ）のみが起動されるような２値関数であることを特徴とする請求項１または２に記載の音響光学画像化方法。
4. 前記Ｊは４であり、
   前記空間周期は、４の倍数であるトランスデューサの数Ｐに相当し、
   前記周期的空間強度変調ｊは、前記空間周期の四分の一に相当する位相により、互いに空間的に位相シフトされることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の音響光学画像化方法。
5. 前記空間復調ステップにおいて、
   前記復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）は、信号^vＳ_ｍ（ν）を逆フーリエ変換することにより計算され、
   

   

   であり、
   ここで、
   

   

   

   

   であり、
   前記^vＳ_ｍ（ν）の項は、前記測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）の時間領域フーリエ変換であり、
   前記ｊは、０以上３以下の整数であり、
   前記νは、時間領域周波数であることを特徴とする請求項４に記載の音響光学画像化方法。
6. 前記フォーカスされていない音波は、平面音波または発散音波であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の音響光学画像化方法。
7. 前記フォーカスされていない音波の伝播方向ｍは、３０度以上５０度以下の角度範囲の扇形をカバーすることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の音響光学画像化方法。
8. 前記フォーカスされていない音波の伝播方向ｍは、０．５度以上２度以下の角度刻みで分割されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の音響光学画像化方法。
9. 各測定操作（１５０）は、
   Ｌ回繰り返され、
   フォーカスされていない音波の各伝播方向ｍと、各周期的空間強度変調ｊと、に関連するＬ個の生の測定信号Ｓ_ｉｊｌ（ｔ）を取得し、
   前記空間復調ステップで使われる前記測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を決定するために、前記Ｌ個の生の測定信号Ｓ_ｍｊｌ（ｔ）は、互いに平均化されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の音響光学画像化方法。
10. 媒体（２）の観測領域（３）を画像化するための音響光学画像化システム（１）であって、
    ・空間的に規則的に配置された超音波トランスデューサ（Ｔ_ｋ）のアレイ（４）と、
    ・光放射デバイス（８）と、
    ・光検出器（９）と、
    ・前記光検出器（９）を介して、それぞれ異なる伝播方向ｍに伝播する空間変調されたフォーカスされていない音波に関連した複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を取得するように構成された制御デバイスと、を備え、
    前記制御デバイスは、
    ・前記観測領域（３）内で、前記空間変調されたフォーカスされていない音波をそれぞれ、Ｊ個の周期的空間強度変調ｊとともに、続けてＪ回放射させ、
    ・空間変調されたタグ付けされた光波を生成するために、光放射デバイス（８）を用いて、入射光波を、前記観測領域（３）内で、前記空間変調されたフォーカスされていない音波と同時に放射させ、
    ・前記空間変調されたタグ付けされた光波の各々に関し、前記トランスデューサのアレイ（４）を用いて、前記周期的空間強度変調ｊと、方向ｍに伝播するフォーカスされていない音波と、に相当する測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を取得し、
    ・伝播方向ｍに特化した復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を取得するために、前記Ｊ個の周期的空間強度変調に相当する複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を、同一の伝播方向ｍに関して結合することにより、空間復調を実行し、
    ・前記複数の測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を用いて、前記観測領域（３）の少なくとも部分的な画像を決定し、
    前記周期的空間強度変調ｊは、少なくとも１つの空間周期性に関する方向（Ｘ）に同一の空間周期を持ち、所定の数Ｐ個のトランスデューサに相当し、
    前記周期的空間強度変調ｊは、互いに空間的に位相シフトされ、
    前記空間変調されたタグ付けされた各光波は、前記空間変調されたフォーカスされていない音波によって周波数シフトされた、少なくとも１つの音響光学成分を備えることを特徴とする音響光学画像化システム。
11. 前記トランスデューサのアレイ（４）は、リニアアレイであり、前記空間周期性に関する方向（Ｘ）に延びることを特徴とする請求項１０に記載の音響光学画像化システム。
12. 前記周期的空間強度変調ｊは、所定の周期的空間強度変調ｊに関して、所定の超音波トランスデューサ（Ｔ_ｋ）のみが起動されるような２値関数であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の音響光学画像化システム。
13. 前記Ｊは４であり、
    前記空間周期は、４の倍数であるトランスデューサの数Ｐに相当し、
    前記周期的空間強度変調ｊは、前記空間周期の四分の一に相当する位相により、互いに空間的に位相シフトされることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の音響光学画像化システム。
14. 前記制御デバイスは、
    信号^vＳ_ｍ（ν）を逆フーリエ変換することにより、復調信号Ｓ_ｍ（ｔ）を計算するように構成され、
    

    

    であり、
    ここで、
    

    

    

    

    であり、
    前記^vＳ_ｍ（ν）の項は、前記測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）の時間領域フーリエ変換であり、
    前記ｊは、０以上３以下の整数であり、
    前記νは、時間領域周波数であることを特徴とする請求項１３に記載の音響光学画像化システム。
15. 前記制御デバイスは、 フォーカスされていない音波の各伝播方向ｍと、各周期的空間強度変調ｊと、に関連するＬ個の生の測定信号Ｓ_ｉｊｌ（ｔ）を取得するように構成され、
    前記空間復調で使われる前記測定信号Ｓ_ｍｊ（ｔ）を決定するために、前記Ｌ個の生の測定信号Ｓ_ｍｊｌ（ｔ）は、互いに平均化されることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の音響光学画像化システム。

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