JP5317449B2

JP5317449B2 - 測定装置

Info

Publication number: JP5317449B2
Application number: JP2007237320A
Authority: JP
Inventors: 裕西原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2009068977A; EP2036490B1; US20090069676A1; EP2036490A1

Description

本発明は、被検体の分光特性を音響光学トモグラフィを利用して測定する測定装置に関する。

マンモグラフィなど、生体組織内部の分光特性を計測する測定装置は知られている。従来の分光特性測定装置には、音響光学トモグラフィ（ＡＯＴ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃａｌＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を利用するものがある。ＡＯＴは、特許文献１に開示されているように、生体組織内部にコヒーレント光及び集束超音波を照射し、超音波が集束された領域において光が変調される効果（音響光学効果）を利用し、変調光を光検出器で検出する。

超音波による光の変調効果によって検出される光信号強度は、超音波と光が相互作用する領域の大きさ（表面積）によって変化する（例えば、非特許文献１参照。）。また、超音波と光が相互作用する領域の超音波強度によって、光が変調する効率も変化する（例えば、非特許文献２参照。）。更に、超音波と光が相互作用する領域の超音波の周波数によって、光が変調する効率も変化する（例えば、非特許文献３参照。）。
米国特許第６７３８６５３号明細書 "ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｃａｔｔｅｒｅｄＬｉｇｈｔｉｎＴｕｒｂｉｄＭｅｄｉａａｎｄａＰｏｔｅｎｔｉａｌＮｏｖｅｌＴｏｍｏｇｒａｐｈｙｉｎＢｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ"，ＬｉｈｏｎｇＶ．Ｗａｎｇ，ＰｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｏｔｏｂｉｏｌｏｇｙ，１９９８，６７（１）：４１−４９ "ＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉｐｌｙＳｃａｔｔｅｒｅｄＣｏｈｅｒｅｎｔＬｉｇｈｔ: ＡｎＡｎａｌｙｔｉｃａｌＭｏｄｅｌ", ＬｉｈｏｎｇＶ. Ｗａｎｇ, Ｐｈｙｓ.Ｒｅｖ.Ｌｅｔｔ.,ｖｏｌ.８７，Ｎｏ.４，２００１ "Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｙｓｃａｔｔｅｒｅｄｃｏｈｅｒｅｎｔｌｉｇｈｔ：Ａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｅｄｉａ", ＬｉｈｏｎｇＶ. Ｗａｎｇ, ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷＥ６６，０２６６０３，２００２

ＡＯＴにおける被検部位の解像度は、被検部位における超音波の集束サイズが小さくなるほど向上する。一方、検出信号となる変調光が発生する変調効率（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｅｐｔｈ）は、被検部位における超音波の集束サイズが大きくなるほど大きくなり、変調光を検出し易くなる。また、被検体の内部組織を測定するには被検部位（超音波の集束位置）を走査するが、この測定時間は被検部位における超音波の集束サイズが大きいほど短時間になる。

特許文献１及び非特許文献１に開示された従来のＡＯＴ測定装置は、被検部位における超音波集束サイズが一定に設定されている。このため、解像度も、変調効率も、測定時間も固定されており。いずれかを変更したいという需要に対応できない。例えば、ＳＮ比が悪ければ測定不能になり測定結果としての価値がなくなるので、この場合には解像度を多少犠牲にしてもＳＮ比を改善して測定結果を得たい需要がある。また、明らかに異常がない部位は解像度を落として高速で走査して測定時間を短縮し、異常又は異常である可能性がある（以下、単に「異常」と称す。）部位は時間がかかっても解像度を上げて綿密に測定したい需要がある。

本発明では、測定上の要求に柔軟に対応可能な測定装置に関する。

本発明の一側面としての測定装置は、被検体の分光特性を音響光学トモグラフィを利用して測定する測定装置において、前記被検体に照射する光を発生する光源部と、前記光が前記被検体の被検部位に照射されている間に、超音波を発生させ、前記超音波を前記被検部位に集束する超音波照射部と、前記被検部位において前記光が音響光学効果により変調されることによって発生した変調光を検出する光検出部と、前記光検出部から出力された前記変調光の検出信号がしきい値よりも小さい場合に、前記被検部位における超音波の集束サイズを増加させるとともに、前記超音波照射部から発生する超音波の強度を増加させるように前記超音波照射部を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、測定上の要求に柔軟に対応可能な測定装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１の測定装置のブロック図である。測定装置は、被検体Ｅの組織内部の被検部位（集束位置）Ｘの分光特性をＡＯＴを利用して測定する。測定装置は、光源部１００と、光学系２００と、超音波照射部３００と、光検出部４００と、信号解析部５００と、制御部６００と、筐体７００と、超音波検出部８００と、を有する。

被検体Ｅは、乳房などの生体組織である。癌などの腫瘍が成長する際には新生血管の形成や酸素の消費量が増大することが知られている。このような新生血管の形成や酸素消費量の増大を評価する方法として、酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）と還元ヘモグロビン（Ｈｂ）の吸収スペクトルの特徴を利用することができる。図１２は、波長６００−１０００ｎｍ範囲におけるＨｂＯ_２とＨｂの吸収スペクトルである。

測定装置は複数波長のＨｂＯ_２とＨｂの吸収スペクトルから、生体組織内の血液中に含まれるＨｂとＨｂＯ_２の濃度を測定する。そして、複数の位置でＨｂとＨｂＯ_２の濃度を測定し、濃度分布の画像を作成することにより生体組織内で新生血管が形成されている領域を判別することができる。また、ＨｂとＨｂＯ_２の濃度から酸素飽和度を算出し、酸素飽和度から酸素の消費量が増大している領域を判別することができる。このように測定装置で測定したＨｂとＨｂＯ_２の分光情報を診断に利用することができる。

光源部１００は、光源としてのレーザー１とレーザードライバー２から構成され、複数の波長の光を発する。レーザー１は、コヒーレンス長が、例えば、１ｍ以上と長く、強度が一定のＣＷ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）光を発する。但し、本実施例のレーザー１は制御部６００による制御の下でその強度を変更可能に構成されている。波長λ０は、生体組織を構成する水、脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、などの吸収スペクトルに応じた波長を選定する。一例としては、生体内部組織の主成分である水の吸収が小さいため光が良く透過し、脂肪、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンのスペクトルに特徴がある６００乃至１５００ｎｍ範囲が適当である。レーザー１には、異なる波長を発生する半導体レーザー、波長可変レーザーなどを適用可能である。

光学系２００は、レンズ群３と光ファイバー４から構成され、被検体Ｅに光源部１００からの光を導く。レンズ群３は、レーザー１からの光を光ファイバー４の端部に効率良く導光する集光光学系である。光ファイバー４は、筐体７００に収納した被検体Ｅに光を導く導光光学系である。

超音波照射部３００は、超音波発生部５ａと超音波集束部５ｂとドライバー６とを有する。ドライバー６は、超音波発生部５ａと超音波集束部５ｂを駆動する。

超音波発生部５ａは、超音波（超音波パルス）を発生させる。また、超音波発生部５ａは、制御部６００による制御の下で、超音波の強度及び周波数を変更可能に構成されている。本実施例は、超音波の周波数Ω０の範囲を、被検体Ｅの測定深さや分解能により適当な周波数が異なるが、１から数十（ＭＨｚ）の範囲に設定している。

図２は、超音波発生部５ａの一例としての２Ｄアレイ探触子の構造を示す概略斜視図である。また、図３は図２に示すＡ断面図を示すものである。小さな角柱形の超音波振動子１３がバッキング材１４上に点線で示す直径Ｂ０の領域内に複数個配列されている。超音波振動子１３の超音波を放射する面には音響整合層１５が設けられている。各超音波振動子１３にはリード線１６が接続されている。

超音波振動子１３は、印加した電圧を超音波に変換、及び受信した圧力変化を電圧に相互に変換する圧電効果を有する圧電素子で構成される。圧電素子としては、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。このように超音波による機械的振動と電気信号を相互に変換するデバイスを超音波トランスデューサという。

バッキング材１４は、超音波の送信方向と逆方向へ発生する音波を吸収し、超音波振動子１３の不必要な振動を抑制する。圧電素子と生体では音響インピーダンスが大きく異なるため、圧電素子と生体が直接接した場合は、界面での反射が大きくなり超音波を効率よく伝達することができない。このため圧電素子で構成される超音波振動子１３と生体の間に中間的な音響インピーダンスを有する物質で構成した音響整合層１５を挿入して超音波を効率よく伝達する。

リード線１６は、ドライバー６から送信される駆動信号を超音波振動子１３に伝える。

超音波集束部５ｂは、超音波発生部５ａからの超音波を被検体Ｅの組織内部の被検部位Ｘに集束する。また、超音波集束部５ｂは、制御部６００による制御の下で集束サイズを変更可能に構成されている。超音波を集束する方法としては、球面、円筒面、非球面形状の凹面超音波振動子や音響レンズを用いるものやアレイ探触子を用いた電子フォーカスなどがある。凹面超音波振動子では凹面の曲率によって焦点位置が決まり、焦点距離と振動子の直径によって集束サイズが決まる。音響レンズは、生体組織内部の音速よりも遅い音速の材料で構成すると形状は凸レンズとなり、凹面超音波振動子と同様に凸面の曲率によって焦点位置が決まり、焦点距離と音響レンズの直径によって集束サイズが決まる。

本実施例は、前述した２Ｄアレイ探触子を用いた電子フォーカスを用いる。以下、図４を参照してかかる例について説明する。ここで、図４は、超音波集束部５ｂの一例のブロック図である。便宜上、ｘ方向の関係について説明するが、ｙ方向についても同様に考えることができる。

複数個配列された夫々の超音波振動子１３ａ〜ｍには、可変遅延素子１７ａ〜ｍとパルサ１８がリード線１６ａ〜ｍを介して接続されている。可変遅延素子１７は、細長い電線をコイル状に巻いたものなどを用いて、電線を伝わる電気信号の伝導を遅らせる。また、コイルの途中に複数個設けたタップを切り替えることにより、電気信号の遅延時間を調節することができる。パルサ１８は、超音波振動子１３に印加するパルス電圧を発生する装置である。

超音波振動子１３ａ〜ｍに与える遅延時間を夫々τａ〜ｍとする。図４に示すように中心部の可変遅延素子１７ほど遅延時間を長くすると（例えば、τａ＝τｍ＜τｂ＝τｌ＜τｃ＝τｋ＜τｄ＝τｊ＜τｅ＝τｉ＜τｆ＝τｈ＜τｇ）、各超音波振動子１３によって形成される合成波面は集束波面となる。

図４においては、全ての超音波振動子１３（設置範囲Ｂ０）が駆動され、超音波を中央の振動子１３ｇからｚ方向に距離ｚ１の被検部位（集束位置）Ｘに集束径Ｄ１で集束している。図５においては、全ての超音波振動子１３（設置範囲Ｂ０）が駆動され、超音波を中央の振動子１３ｇからｚ方向に距離ｚ２及びｘ方向に距離ｘ１の被検部位（集束位置）Ｘに集束径Ｄ２で集束している。図６においては、一部の超音波振動子１３（設置範囲Ｂ１）が駆動され、超音波を中央の振動子１３ｇからｚ方向に距離ｚ１の被検部位（集束位置）Ｘに集束径Ｄ３で集束している。図６は、図４の集束径をＤ１を集束径Ｄ３に変更している。このように超音波振動子１３の範囲と可変遅延素子１７が与える遅延時間を制御することにより、超音波の集束位置Ｘと集束径と進行方向を制御することができる。

図７は、図６に示す超音波の集束位置におけるｘ方向の圧力Ｐの分布を示すグラフである。被検体Ｅの内部を伝播する超音波の速度をｖｓとすると、集束径Ｄ３は概ね以下の式で与えられる。

電子フォーカスが可能な探触子としては、２Ｄアレイ探触子の他に、超音波振動子を一次元に配列したリニアアレイ探触子、リング状の振動子を同心円状に並べたアニュラアレイ探触子、などがある。また、球面、円筒面、非球面形状の凹面超音波振動子や音響レンズを用いる場合は、これらの部材の位置を機械的駆動により変更することによって超音波の集束位置を制御することができる。

光検出部４００は、被検体Ｅの被検部位Ｘにおいて音響光学効果により変調された変調光を検出し、光センサー７、アパーチャ８から構成されている。光センサー７には、ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）などの光電変換素子が適用可能である。但し、光源部１００が発生する光の波長λ０（例えば、６００−１５００ｎｍ範囲）に十分な感度を有するものを選定する必要がある。アパーチャ８は、被検体Ｅの内部組織を伝播して筐体７００の外部に射出した光を透過する開口部と、遮光する遮光部材で構成されている。アパーチャ８は光センサー７に導く光を制限する。

光センサー７は、図８に示すショットノイズ特性を有している。このため、被検出光は、ショットノイズαよりも大きくなければ光センサー７で検出することができない。好ましくは、被検出光はαの２倍〜１０倍である。また、光センサー７には許容入射光強度βが設定されており、βを超える強度の光を入射することができない。ショットノイズαは許容入射光強度βでの値であり、βよりも弱い光強度ではショットノイズがαよりも大きくなる。「光センサー７のショットノイズαよりも小さなノイズレベルで効率的に被検出光を検出する」ために、バンドパスフィルタやロックインアンプを用いてもよい。

図１に示す光ファイバー４から筐体７００に入射した光は、マッチング材１０や被検体Ｅの内部で吸収と散乱を繰り返して多重散乱して様々な方向に伝播する。吸収散乱媒質中の光の伝播は、光拡散方程式によって記述することができる。ここで、レーザー１から集束超音波までの光の伝播による光子のフルエンス率をΦ（ｒｓ）、集束超音波から光センサー７までの光の伝播による光子のフルエンス率をΦ（ｒｄ）とする。

一方、超音波の集束位置Ｘの近傍では音圧が大きくなるため吸収散乱媒質に密度変化が生じ、屈折率変化及び散乱体が変位する。この超音波が集束した領域を光が通過すると、屈折率変化や散乱体の変位によって光の光学的位相が変化する。このため、集束位置Ｘでは、局所的に音圧が高くなり周辺部に比べて超音波による影響（屈折率変化と散乱体の変位）を強く受け、周波数Ω（ＭＨｚ）の超音波によって変調された変調光が、周辺部に比べて多く発生する。この音響光学効果による変調光を選択的に検出することにより、被検部位Ｘの分光特性を計測することができる。

非特許文献１は、音響光学効果による変調光の強度は集束位置Ｘの集光サイズ（表面積）に依存することを開示している。ここで、光が許容超音波強度γの超音波によって変調される変調効率（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｄｅｐｔｈ）をｍとする。許容超音波強度γは、生体組織に照射することが許される超音波の強度であり、ＦＤＡ（米国食品医薬局）の定める超音波診断装置のγの上限値は７２０ｍＷ／ｃｍ^２となっている。また、相互作用領域の表面積（集束超音波領域の表面積）をＡｍ、入射光の強度をＩ０とすると、検出する光信号Ｉａｃは次式で与えられる。Ａｍは超音波の集束サイズに依存し、集束サイズを制御することにより、光信号Ｉａｃを適当な強度に設定することができる。数式２から入射光の強度Ｉ０を増加すると光信号Ｉａｃが増加することが理解される。生体組織に照射することが許される光の強度は、以下に示す安全規格によって最大許容露光量（ＭＰＥ：ｍａｘｉｍｕｍｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅｅｘｐｏｓｕｒｅ）δが定められている。（ＩＥＣ６０８２５−１：Ｓａｆｅｔｙｏｆｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｔｓ、ＪＩＳＣ６８０２：レーザ製品の安全基準、ＦＤＡ：２１ＣＦＲＰａｒｔ１０４０．１０、ＡＮＳＩＺ１３６．１：ＬａｓｅｒＳａｆｅｔｙＳｔａｎｄａｒｄｓ、など）最大許容露光量δは、照射する光の波長や露光時間に応じて設定されるもので、δを超えない範囲で光強度を変化させることができる。

また、非特許文献２は、超音波強度が変化することにより変調効率ｍが変化することを開示している。即ち、ＦＤＡ（米国食品医薬局）の定める許容超音波強度７２０ｍＷ／ｃｍ^２を超えない範囲で超音波強度を変化させることでも光信号Ｉａｃを適当な強度に設定することができる。

更に、非特許文献３は、超音波の周波数が変化することにより変調効率ｍに関係した数値（非特許文献３の中で「１−Ｇ_１（０．５Ｔ_ａ）」として記述されている数値）が変化することを開示している。この文献では超音波の周波数が増加すると変調効率が高くなることを示している。一方、数式１から超音波の周波数Ωが増加すると集束サイズが小さくなることが理解される。このように、超音波の周波数Ωが変調効率に与える影響は従属な関係にある。しかし、数式１は超音波振動子の駆動範囲Ｂ１で集束サイズが変化することも示している。この時、例えば、集束サイズを変化させずに超音波の周波数が増加するΩとＢ１の組み合わせを選択することもできる。即ち、超音波の周波数を変化させることでも光信号Ｉａｃを適当な強度に設定することができる。

光センサー７では、超音波によって変調された変調光と超音波の変調を受けずに多重散乱した非変調光を同時に検出する。超音波照射部３００により、超音波の集束位置Ｘを制御（走査）することにより、光センサー７は所望の位置の光信号を計測することができる。

超音波検出部８００は、被検体Ｅ内に集束した超音波の強度を検出する。制御部６００は、超音波検出部８００の検出結果に基づいて超音波発生部５ａが発生する超音波の強度を制御する。超音波検出部８００は、超音波発生部５ａと同様に圧電素子で構成され、前述した探触子の例では送信と受信の両方の機能を１つのデバイス（超音波トランスデューサ）に備えることができる。

信号解析部５００は、光検出部４００の出力を解析し、解析結果を制御部６００に通知する。信号解析部５００には幾つかの機能があるが、それらの一部又は全てを制御部６００が行ってもよい。後者の場合には、信号解析部５００と制御部６００とは一体になる。

本実施例の信号解析部５００は、まず、光検出部４００の光センサー７で検出した周波数Ω（ＭＨｚ）の超音波による変調光と非変調光の混合した光信号の強度情報を制御部６００に送信する。また、信号解析部５００は、光センサー７で検出した超音波による変調光と非変調光の混合した光信号から変調光の光信号Ｉａｃを抽出する。信号解析部５００は、図示しないフィルタを有し、変調光を非変調光から分離抽出することができる。フィルタには、特定周波数の信号を選択的に検出するバンドパスフィルタや、特定周波数の光を増幅して検出するロックインアンプが適用可能である。また、信号解析部５００は、変調光の光信号Ｉａｃの信号レベルを光センサー７のショットノイズαのノイズレベル（本実施例では、ノイズレベルの２倍を閾値としている）と比較し、比較結果を制御部６００に通知する。閾値は、後述するメモリー１１に格納されている。また、信号解析部５００は、集束位置Ｘの座標データと座標データに対応した光信号Ｉａｃから被検体内の分光特性の分布データを作成する。

制御部６００は、光検出部４００の出力に基づいて、超音波発生部５ａが発生する超音波の強度、超音波の周波数、超音波集束部５ｂが集束する超音波の集束サイズ、光源部１００からの入射光の強度の少なくとも一つを制御する。本実施例では、光検出部４００の出力は信号解析部５００の比較結果として取得する。また、制御部６００は、測定装置の各部を制御する。更に、制御部６００は信号解析部５００と共に信号処理装置としても機能し、被検体Ｅの被検部位の分光特性の画像を生成する。制御部６００は画像生成機能を有し、信号解析部５００が作成した被検体内の分光特性の分布データから画像を生成する。

メモリー（記憶装置）１１は、後述する測定装置の動作フローやそれに使用されるデータ（例えば、ショットノイズαのノイズレベル）、測定装置が生成した分光特性の画像を格納する。メモリー１１は、光ディスク、磁気ディスク、半導体メモリー、ハードディスク、などのデータ記録装置を用いることができる。ディスプレイ１２は、測定装置が生成した画像を表示し、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ、有機ＥＬ、などの表示デバイスを用いることができる。

筐体７００は、マッチング材１０が満たされた本体９から構成され、被検体Ｅを収納する。本体９は、被検体Ｅとマッチング材１０を収納する容器として機能する。本体９は、光源部１００が発生する光の波長λ０（例えば、６００乃至１５００ｎｍ範囲）を透過する材料で構成されている。マッチング材１０は、超音波照射部３００からの超音波を効率よく被検体Ｅに伝達する音響インピーダンスの材料から構成される。

以下、図９を参照して、測定装置の動作を説明する。ここで、図９は、測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。なお、図９において、Ｓはステップを示す。

まず、制御部６００は、被検部位の初期位置ｒ０を設定する（Ｓ１）。

次に、制御部６００は、光源部１００の光の波長を初期値λ１に設定する（Ｓ２）。本実施例では、酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）及び還元ヘモグロビン（Ｈｂ）の分光情報を取得するめに適当な光の波長として、λ１、λ２、λ３の３種類の波長を用いる。これらの波長は図１２に示すスペクトルの特徴から選定され、例えば、ＨｂＯ_２とＨｂの吸収特性が逆転する８００ｎｍと、その前後で吸収特性の差が大きくなる７２０ｎｍと９７０ｎｍを設定している。（λ１＝７２０ｎｍ、λ２＝８００ｎｍ、λ３＝９７０ｎｍ）。

次に、制御部６００は、超音波集束部５ｂの集束サイズを初期値Ｄ１に設定する（Ｓ３）。本実施例では設定される集束サイズの最大値は、例えば、乳癌における腫瘍の成長が劇的に加速するといわれる１０ｍｍである。Ｄ１をこの範囲内で設定する。

次に、制御部６００は、超音波発生部５ａが発生する超音波の強度を初期値Ｆ１に設定する（Ｓ４）。まず、超音波発生部５ａは周波数Ω（ＭＨｚ）で強度が許容超音波強度γを超えない初期値Ｆ１に設定される。次に、実際に超音波検出部８００で検出した強度が初期値Ｆ１になるように、制御部６００は、超音波発生部５ａが発生する超音波の強度を制御する。この結果、超音波検出部８００で検出した強度が初期値Ｆ１となる。また、制御部６００は、超音波発生部５ａからの超音波の周波数を初期値Ω１に設定する（Ｓ５）。

次に、制御部６００は、光源部１００が発生する光の強度を初期値Ｇ１に設定する（Ｓ６）。まず、光源部１００は、設定した波長の連続光を光センサー７の許容入射光強度β及び最大許容露光量δを超えない強度Ｇ１に設定される。次に、光学系２００により、被検体Ｅに光が導光され、信号解析部５００が、光検出部４００で検出した変調光と非変調光の混合した光信号の強度情報を制御部６００に送信する。次に、制御部６００は、前記混合した光信号が実際にＧ１になるように光源部１００が発生する光の強度を制御する。この結果、光検出部４００で検出した強度が初期値Ｇ１となる。

初期値の調整と同時に測定が開始される。この結果、光源部１００から、波長λ１、強度Ｇ１の連続光を発光され、光学系２００を通じて被検体Ｅに照射され、超音波照射部３００から強度Ｆ１の超音波が集束サイズＤ１で初期位置ｒ０に集束される。次に、信号解析部５００が光検出部４００で検出した変調光と非変調光の混合した光信号から変調光による光信号Ｉａｃを抽出する（Ｓ７）。次に、信号解析部５００は、光信号Ｉａｃの信号レベル（絶対値）がショットノイズαのノイズレベル（絶対値）の２倍よりも大きいかどうか、即ち、Ｉａｃ＞２αを判断する（Ｓ８）。信号解析部５００は、光信号Ｉａｃの信号レベルとショットノイズαのノイズレベルの２倍の比較結果、即ち、Ｉａｃ＞２αの判断結果を制御部６００に通知する。なお、式Ｉａｃ＞２αにおいて、Ｉａｃは光信号Ｉａｃの信号レベルを簡略的に表しており、αはショットノイズαのノイズレベルの２倍を簡略的に表している。また、本発明はショットノイズαのノイズレベルの２倍に限定されないことは上述の通りである。

Ｉａｃ＞２αの場合（即ち、Ｓ８のＹＥＳの場合）、信号解析部５００は、集束超音波の座標データとこの座標データに対応した光信号Ｉａｃから被検体Ｅ内の分光特性の分布データを作成する（Ｓ９）。また、制御部６００は、集束位置の座標データと、この座標データに対応した光信号Ｉａｃ、信号解析部５００が作成した被検体Ｅ内の分光特性の分布データをメモリー１１に記録する（Ｓ１０）。

次に、制御部６００は、設定位置が全波長で測定されたかどうかを判断する（Ｓ１１）。Ｓ１１において測定されたと判断すれば、被検体Ｅの全領域が測定されたかどうかを判断する（Ｓ１２）。Ｓ１２において測定されたと判断すれば、制御部６００は、測定を終了し、メモリー１１に記録した各測定位置のデータに基づいて３Ｄ分布データを再構成してディスプレイ１２に表示する（Ｓ１３）。

一方、Ｓ１１において測定されていないと判断すれば、制御部６００は新たな波長を光源部１００の光の波長を設定し（Ｓ１４）、Ｓ６に帰還する。Ｓ１２において測定されていないと判断すれば、制御部６００は新たな測定位置（集束位置）を設定し（Ｓ１５）、Ｓ２に帰還する。測定位置は被検体Ｅ内で連続していてもよいし離散的に分布していてもよい。

一方、光信号Ｉａｃの信号レベルとショットノイズαのノイズレベル以下の場合（即ち、Ｓ８のＮＯの場合）、制御部６００は、光強度、超音波の強度、超音波の周波数、集光サイズの少なくとも一つを増加する（Ｓ１６）。具体的には、制御部６００は、光源部１００からの光の強度を初期値Ｇ１よりも増分値ｇだけ増加した値（Ｇ１＋ｇ）を新たな値Ｇ１に設定する。若しくは、制御部６００は、超音波発生部５ａの超音波の強度を初期値Ｆ１よりも増分値ｆだけ増加した値（Ｆ１＋ｆ）を新たな値Ｆ１に設定する。若しくは、制御部６００は、超音波発生部５ａの超音波の周波数を初期値Ω１よりも増分値ωだけ増加した値（Ω１＋ω）を新たな値Ω１に設定する。若しくは、制御部６００は、超音波集束部５ｂによる集束サイズを初期値Ｄ１よりも増分値ｄだけ増加した値（Ｄ１＋ｄ）を新たな値Ｄ１に設定する。これらのうち複数を組み合わせてもよい。そして、フローはＳ７に帰還する。各増分値は予め設定され、メモリー１１に格納されている。

集束サイズを変更する場合、制御部６００は、数式１及び２を利用して集束サイズを決定する。超音波の集束サイズを増加すると集束位置での超音波強度が変化（減少）するため、必要があれば、超音波強度や入射光の強度も合わせて増加してもよい。また、超音波の周波数を増加すると集束サイズが小さくなるので、必要があれば、集束サイズや入射光の強度も合わせて増加してもよい。なお、超音波強度や入射光の強度の増加は上限値がβやγやδ以内でなければならないことはいうまでもない。

その後、フローはＳ７に帰還するが、このループが無限に繰り返されることを防止するために、制御部６００は、変更毎に内部カウンタ値Ｃをインクリメントし（Ｓ１７）、許容回数ｔに到達したかどうかを判断する（Ｓ１８）。許容回数ｔに到達していなければ（Ｓ１８のＮＯ）、Ｓ６に帰還する。内部カウンタ値Ｃが許容回数ｔに到達すれば（Ｓ１８のＹＥＳ）、制御部６００は、ディスプレイ１２にエラーメッセージを表示し、座標データと波長及び測定不可情報をメモリー１１に格納する（Ｓ１９）。Ｓ１９後はＳ１１に移行する。

本実施例では、制御部６００は、超音波集束部５ｂによる超音波の集束位置Ｘを走査（即ち、測定位置を変更）する。そして、超音波の第１の集束位置において変調光のＳＮ比が閾値以下の場合（即ち、変調光の信号レベルがショットノイズαのノイズレベル以下である低い場合）に、超音波の強度及び周波数、集光サイズ、光の強度の少なくとも一つを増加（変更）する。そして、光検出部４００の光センサー７のショットノイズαよりも大きな光信号Ｉａｃが得られるように、増加した超音波の強度、超音波の周波数、集光サイズ、光の強度の少なくとも一つで第１の走査位置の測定をやり直す。一方、Ｓ１５で第１の集束位置とは異なる第２の集束位置が設定された場合には、第１の集束位置のために増加された超音波の強度、集光サイズ、及び／又は、光の強度を初期値に戻して測定を行う。

また、本実施例では、Ｓ１６で増加するパラメータの種類を固定している。即ち、Ｓ１６において集束サイズが選択されている場合には、集束サイズのみを許容回数ｔに亘って増加する。しかし、異なるパラメータが許容回数において選択されてもよい。例えば、第１回目では集束サイズが増加され、第２回目では超音波強度が増加されるなどである。

本実施例は、波長６００−１５００ｎｍを利用する一例として、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収スペクトルの特徴を利用する分光分析方法を示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、生体組織の主要な構成物質である水、脂肪、タンパク質（コラーゲン）などを分光分析の対象としてもよい。

本実施例の測定装置によれば、変調光の光信号のＳＮ比が悪い場合に解像度を多少犠牲にしてもＳＮ比を改善して測定結果を得ることができる。

図１０は、本発明の実施例２の測定装置のブロック図である。本実施例の測定装置は、実施例１の測定装置と同様であるが、モード切替スイッチ９００と、入力部９５０とを有する点で実施例１の測定装置と相違する。

モード切替スイッチ９００は、オペレータがラフスキャンモードとファインスキャンモードとの間で測定装置の動作モードを切り替えるスイッチである。なお、モード切替スイッチ９００は入力装置９５０と一体であってもよい。

入力部９５０は、キーボード、マウスその他のポインティングデバイスから構成される。入力部９５０は、オペレータが、超音波の集束サイズと被検体Ｅにおける被検部位Ｘの走査領域である測定領域を入力及び設定する入力部（測定領域設定部）である。従って、入力部９５０は、集束サイズ設定装置として機能すると共に測定領域設定装置として機能する。

実施例１では、変調光の光信号ＩａｃのＳＮ比が閾値以下である場合に測定不能を回避するために超音波の強度、集束サイズ、及び／又は、光の強度を変更（増加）している。一方、被検体全体が異常である可能性は低い。本実施例では、かかる事実に鑑み、被検体全体の測定においては高解像度よりも測定時間の短縮を優先し、異常部位については測定時間の短縮よりも解像度の向上を優先している。そこで、本実施例では、被検体全体をまずラフスキャンモードで測定し、次いで、ラフスキャンで異常部位を発見した場合にファインスキャンモードで異常部位を測定する。もちろん事前の検査で異常部位が判明していればラフスキャンを行うことなく直ちにファインスキャンを行ってもよい。但し、被検体Ｅが乳房で構造が変化しやすく異常部位が変位し易いことから、本実施例では、ラフスキャンを行った後にファインスキャンを行っている。ラフスキャンとファインスキャンを連続して行うことによって異常部位の特定が容易になる。

制御部６００は、モード切替スイッチ９００が、ファインスキャンモードを設定している場合にはラフスキャンモードよりも超音波パルスの集束サイズを小さく設定する。集束サイズを小さくすると解像度が向上することが知られている。

制御部６００は、ラフスキャンモードとファインスキャンモードにおける集束サイズを自動的に設定してもよいし、ディスプレイ１２に集束サイズの入力をオペレータに促してもよい。後者の場合、制御部６００は、オペレータに入力可能な集束サイズの候補を表示して選択可能としてもよい。オペレータが手動で入力する場合には、オペレータは入力部９５０を介して集束サイズを入力及び設定する。本実施例のラフスキャンモードにおける集束サイズは、乳癌における腫瘍の成長が劇的に加速するといわれている１０ｍｍ程度である。また、本実施例のファインスキャンモードにおける集束サイズは、数ｍｍ程度である。

また、制御部６００は、ラフスキャンモードで異常と判定された被検部位を自動的にファインスキャンの対象に設定してもよいし、本実施例のようにファインスキャンの設定範囲の入力をオペレータに促してもよい。後者の場合、制御部６００は、オペレータに入力可能な測定範囲の候補を表示して選択可能としてもよい。オペレータが手動で入力する場合には、オペレータは入力部９５０を介して測定範囲を入力及び設定する。

以下、図１１を参照して、測定装置の動作を説明する。ここで、図１１は、本実施例の測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。まず、オペレータはモード切替スイッチ９００をラフスキャンモードに設定する（Ｓ２１）。次に、制御部６００は、超音波の集束サイズをＤ１に自動的に設定してラフスキャンを行う（Ｓ２２）。ラフスキャンは図９に示す手順と同様であるので説明は省略する。

次に、制御部６００は、異常部位があるかどうかをＳ１０及びＳ１３の結果を参照して判断する（Ｓ２３）。異常部位がなければ（Ｓ２３のＮＯ）、終了する。異常部位があれば（Ｓ２３のＹＥＳ）、異常部位が存在する旨、及び異常部位の位置をディスプレイ１２に表示すると共にメモリー１１に格納する（Ｓ２４）。異常部位は異常又は異常の可能性がある測定部位であり、その最終判断はオペレータ（医師）に委ねられる。Ｓ２４で制御部６００がディスプレイ１２に異常部位を表示してもオペレータは異常ではないと判断して測定を終了することができる。一方、オペレータは更なる詳細な測定が必要であると判断した場合には、モード切替スイッチ９００をファインスキャンモードに設定してファインスキャンモードに移行する（Ｓ２５）。ファインスキャンモードでは、まず、オペレータは、入力部９５０を介して集束サイズをＤ２（＜Ｄ１）に設定すると共に（Ｓ２６）、入力部９５０を介して被検体Eにおける測定領域を設定する（Ｓ２７）。この状態で、ファインスキャンを行う（Ｓ２８）。なお、ファインスキャンは集束サイズが変更されている以外は図９に示す手順又はラフスキャンと同様であるので説明は省略する。

本実施例の測定装置によれば、被検体全体はラフスキャンで測定して測定時間を短縮し、異常部位はファインスキャンで測定して高解像度で診断の信頼性を高めることができる。このように、測定上の要求に柔軟に対応することができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の実施例１の測定装置のブロック図である。図１に示す測定装置の超音波発生部の概略斜視図である。図２に示すＡ断面図である。図１に示す測定装置の超音波集束部のブロック図である。図１に示す測定装置の超音波集束部のブロック図である。図１に示す測定装置の超音波集束部のブロック図である。図６に示す超音波の集束位置における圧力分布を示すグラフである。図１に示す光検出部の光センサーのショットノイズ特性を示すグラフである。図１に示す測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の実施例２の測定装置のブロック図である。図１０に示す測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。波長６００−１０００ｎｍ範囲におけるＨｂＯ_２とＨｂの吸収スペクトルである。

符号の説明

５ａ超音波発生部
５ｂ超音波集束部
１００光源部
４００光検出部
５００信号解析部
６００制御部
８００超音波検出部
９００モード切替スイッチ
９５０入力部

Claims

被検体の分光特性を音響光学トモグラフィを利用して測定する測定装置において、
前記被検体に照射する光を発生する光源部と、
前記光が前記被検体の被検部位に照射されている間に、超音波を発生させ、前記超音波を前記被検部位に集束する超音波照射部と、
前記被検部位において前記光が音響光学効果により変調されることによって発生した変調光を検出する光検出部と、
前記光検出部から出力された前記変調光の検出信号がしきい値よりも小さい場合に、前記被検部位における超音波の集束サイズを増加させるとともに、前記超音波照射部から発生する超音波の強度を増加させるように前記超音波照射部を制御する制御部と、を有することを特徴とする測定装置。
前記光検出部の出力から前記変調光の検出信号を抽出する信号解析部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記変調光の検出信号に基づき、前記被検体内の分光特性の分布データを取得する信号解析部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記光検出部の出力から前記変調光の検出信号を抽出し、
前記変調光の検出信号に基づき、前記被検体内の分光特性の分布データを取得する信号解析部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記信号解析部は、前記超音波照射部が前記超音波を集束させた集束位置の座標データと、前記座標データに対応した前記変調光の検出信号に基づき、前記被検体内の分光特性の分布データを取得することを特徴とする請求項３または４に記載の測定装置。
前記しきい値は、前記光検出部のショットノイズに基づく値であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。
前記制御部は、
前記超音波の集束サイズおよび前記超音波の強度が初期値である超音波、が第１の集束位置に集束されたときに前記光検出部から出力された変調光の検出信号がしきい値より小さい場合に、
前記超音波の集束サイズおよび前記超音波の強度が初期値から増加された超音波、を前記第１の集束位置に照射し、
前記超音波の集束サイズおよび前記超音波の強度が初期値から増加された超音波、を前記第１の集束位置に照射した後に、前記超音波の集束サイズおよび前記超音波の強度が初期値である超音波、を前記第１の集束位置とは異なる第２の集束位置に照射するように前記超音波照射部を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の測定装置。