JP5907918B2 - 光音響計測装置および光音響計測方法並びにプローブの接触判断方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検体内で発生した光音響信号に基づいて被検体内の計測を行うための光音響計測装置に関するものである。また本発明は、その装置を用いて実施される光音響計測方法およびプローブの接触判断方法に関するものである。

近年、光音響効果を利用した非侵襲の計測法が注目されている。この計測法は、所定の波長（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を有するパルス光を被検体に照射し、被検体内の吸収物質がこのパルス光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その吸収物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の吸収物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。また、このような光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）と呼ばれる。

上記のような光音響計測においては、光ファイバ等の光出射部と圧電素子等の音響波検出素子とを内包するプローブによって光音響波が検出される。しかしながら、上記のようなプローブを使用した場合、ハンドリング性能が向上する反面、意図しない方向に測定光が放出されてしまうという問題が生じうる。

そこで、このような問題を解決するべく、例えば特許文献１から４は、プローブと被検体とが接触状態にあるか否かの接触判断を行い、その判断結果に応じて測定光の強度を増減させる方法を開示している。

具体的には、特許文献１には、圧電センサによる検出信号から所定の２つのピークを抽出し、これらのピーク位置の情報に基づいて接触判断を行い、その判断結果に応じて測定光の強度を増加させることが開示されている。また特許文献２または３には、直前に取得した超音波画像に基づいて接触判断を行い、その判断結果に応じて測定光を出射させることが開示されている。また特許文献４には、距離計測用レーザ光によって計測した距離に基づいて接触判断を行い、その判断結果に応じて測定光を出射させることが開示されている。

特開２００９−０１１５９３号公報 特開２０１２−１８７３８９号公報 特開２０１２−２０５８８６号公報 特開２０１２−１８７３９４号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、単一の音響波検出素子（圧電センサ）によって検出された光音響信号量からグルコース量やヘモグロビン量を計測することが前提であるため、必ずしもそのような方法が、複数の音響波検出素子を有するプローブを使用した光音響計測に適したものであるとは言えない。例えば、複数の音響波検出素子を有するプローブを使用した場合に、１つの音響波検出素子が信号を検出していても、プローブの当接部（或いは検出面）の大部分が露出していることもあり得る。

また、フレームレートの向上やプローブの小型化を考慮すると、より簡便な方法で接触判断を行えることが好ましい。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、複数の音響波検出素子を有するプローブを使用した光音響計測において、より簡便な方法で接触判断を行うことを可能とする光音響計測装置および光音響計測方法並びにプローブの接触判断方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の光音響計測装置は、
測定光を出射する光出射部および複数の音響波検出素子を有するプローブを備え、測定光の出射に起因する被検体からの光音響信号を上記複数の音響波検出素子によって計測する光音響計測装置において、
プローブおよび被検体が接触状態にあるかまたは非接触状態にあるかの判断を行う判断部と、
判断部においてプローブおよび被検体が非接触状態にあると判断されたときに測定光の強度を第１強度に制御し、プローブおよび被検体が接触状態にあると判断されたときに測定光の強度を第１強度よりも大きい第２強度に制御する光強度制御部とを備え、
判断部が、複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて上記判断を行うものであることを特徴とするものである。

そして、本発明の光音響計測装置において、判断部は、複数の光音響信号に基づいてこの複数の光音響信号をそれぞれ検出している音響波検出素子の個数を求め、当該個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱って、上記個数と閾値個数とを比較したときの大小に基づいて上記判断を行うものとすることができる。

上記個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合において、接触状態から非接触状態への変化を判断するときの閾値個数は、非接触状態から接触状態への変化を判断するときの閾値個数よりも小さいことが好ましい。または、接触状態から非接触状態への変化を判断するときの閾値個数と、非接触状態から接触状態への変化を判断するときの閾値個数とは同一にしてもよい。

また、上記個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合において、判断部は、複数の音響波検出素子のうち特定の音響波検出素子のみを対象にして上記個数を計数するものとすることができる。この場合において、特定の音響波検出素子は、配列された複数の音響波検出素子のうち、中央近傍の連続した音響波検出素子であることが好ましい。

或いは、本発明の光音響計測装置において、判断部は、複数の光音響信号に基づいて生成された光音響画像における、被検体中の吸収体を表す吸収体領域および測定光の出射に起因するアーチファクトを表すアーチファクト領域の出現または消失を検出し、上記両領域の出現または消失を上記複数の光音響信号の変化として取り扱って上記両領域の出現および消失の組合せに基づいて上記判断を行うものとすることができる。

また本発明の光音響計測装置において、上記両領域の出現または消失を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合、判断部は、接触状態から非接触状態への変化を判断する際、光音響画像中にアーチファクト領域が検出されたときに、プローブおよび被検体の状態が接触状態から非接触状態へ変化したと判断するものとすることができる。また、判断部は、非接触状態から接触状態への変化を判断する際、光音響画像中にアーチファクト領域が検出され、当該検出以後に吸収体領域が検出されたときに、プローブおよび被検体の状態が非接触状態から接触状態へ変化したと判断するものとすることもできる。

本発明の光音響計測方法は、
測定光を出射する光出射部および複数の音響波検出素子を有するプローブを使用し、
複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて、プローブおよび被検体が接触状態にあるかまたは非接触状態にあるかの判断を行い、
測定光の強度を、プローブおよび被検体が非接触状態にあると判断されたときに第１強度に制御し、プローブおよび被検体が接触状態にあると判断されたときに第１強度よりも大きい第２強度に制御して、被検体からの光音響信号を計測することを特徴とするものである。

そして、本発明の光音響計測方法において、複数の光音響信号に基づいてこの複数の光音響信号をそれぞれ検出している音響波検出素子の個数を求め、当該個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱って、上記個数と閾値個数とを比較したときの大小に基づいて上記判断を行うことができる。

また上記光音響計測方法において、上記個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合、接触状態から非接触状態への変化を判断するときの閾値個数は、非接触状態から接触状態への変化を判断するときの閾値個数よりも小さいことが好ましい。

また上記光音響計測方法において、上記個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合、複数の音響波検出素子のうち特定の音響波検出素子のみを対象にして上記個数を計数することができる。

或いは、本発明の光音響計測方法において、複数の光音響信号に基づいて生成された光音響画像における、被検体中の吸収体を表す吸収体領域および測定光の出射に起因するアーチファクトを表すアーチファクト領域の出現または消失を検出し、上記両領域の出現または消失を複数の光音響信号の変化として取り扱って上記両領域の出現および消失の組合せに基づいて上記判断を行うことができる。

上記光音響計測方法において、上記両領域の出現または消失を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合、接触状態から非接触状態への変化を判断する際、光音響画像中にアーチファクト領域が検出されたときに、プローブおよび被検体の状態が接触状態から非接触状態へ変化したと判断することができる。また、非接触状態から接触状態への変化を判断する際、光音響画像中にアーチファクト領域が検出され、当該検出以後に吸収体領域が検出されたときに、プローブおよび被検体の状態が非接触状態から接触状態へ変化したと判断することもできる。

本発明のプローブの接触判断方法は、
測定光を出射する光出射部および複数の音響波検出素子を有するプローブを使用し、
複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて、プローブおよび被検体が接触状態にあるかまたは非接触状態にあるかの判断を行うことを特徴とするものである。

そして、本発明の接触判断方法において、複数の光音響信号に基づいてこの複数の光音響信号をそれぞれ検出している音響波検出素子の個数を求め、当該個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱って、上記個数と閾値個数とを比較したときの大小に基づいて上記判断を行うことができる。

或いは、本発明の接触判断方法において、複数の光音響信号に基づいて生成された光音響画像における、被検体中の吸収体を表す吸収体領域および測定光の出射に起因するアーチファクトを表すアーチファクト領域の出現または消失を検出し、上記両領域の出現または消失を複数の光音響信号の変化として取り扱って上記両領域の出現および消失の組合せに基づいて上記判断を行うことができる。

上記接触判断方法において、上記両領域の出現または消失を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合、接触状態から非接触状態への変化を判断する際、光音響画像中にアーチファクト領域が検出されたときに、プローブおよび被検体の状態が接触状態から非接触状態へ変化したと判断することができる。

本発明の光音響計測装置は、複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて接触判断を行う判断部を有するから、プローブおよび被検体の状態をより細かく把握することが可能となる。また、本発明によれば、接触検知用の他の構成要素（例えば接触検知用センサや測長手段）を設ける必要がない。この結果、複数の音響波検出素子を有するプローブを使用した光音響計測において、より簡便な方法で接触判断を行うことが可能となる。

そして、本発明の光音響計測方法およびプローブの接触判断方法は、複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて接触判断を行うから、プローブおよび被検体の状態をより細かく把握すること可能となる。この結果、上記同様に、複数の音響波検出素子を有するプローブを使用した光音響計測において、より簡便な方法で接触判断を行うことが可能となる。

第１の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概念図である。 プローブの構成を示す（ａ）概略正面図および（ｂ）概略側面図である。 信号を検出している音響波検出素子の個数に基づく接触判断の例（すべての検出素子を使用した場合）を示す概念図である。 信号を検出している音響波検出素子の個数に基づく接触判断の例（両端の検出素子を使用した場合）を示す概念図である。 第１の実施形態の光音響計測方法の工程を示すフロー図である。 反射光に起因する（ａ）アーチファクト信号と（ｂ）アーチファクト領域が出現した光音響画像を示す概念図である。 吸収体領域またはアーチファクト領域の出現および消失の組合せに基づく接触判断の例を示す概念図である。 第３の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。

「第１の実施形態」
まず、本発明の光音響計測装置および光音響計測方法並びにプローブの接触判断方法の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概念図であり、図２は、プローブの構成を示す（ａ）概略正面図および（ｂ）概略側面図である。

本実施形態の光音響計測装置１０は、例えば光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成機能を有する。具体的には図１に示されるように、本実施形態の光音響計測装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および表示部１４を備えている。

＜プローブ＞
プローブ１１は、被検体に向けて超音波を照射したり、被検体Ｍ内を伝搬する音響波Ｕを検出したりするものである。すなわち、プローブ１１は、被検体Ｍに対する超音波の照射（送信）、および被検体Ｍから反射して戻って来た反射超音波（反射音響波）の検出（受信）を行うことができる。さらにプローブ１１は、被検体Ｍ内の吸収体６５がレーザ光を吸収することにより被検体Ｍ内に発生した光音響波の検出も行うことができる。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とはプローブにより送信された弾性波を意味し、「光音響波」とは測定光の照射による光音響効果により被検体Ｍ内に発生した弾性波を意味する。また吸収体６５としては、例えば血管、金属部材等が挙げられる。

本実施形態のプローブ１１は、例えば図１および図２に示されるように、振動子アレイ２０、光ファイバ４０、導光板４２およびこれらを包含する筺体４５を備える。振動子アレイ２０は、例えば一次元または二次元に配列された複数の超音波振動子２０ａ（音響波検出素子）から構成される。超音波振動子２０ａは、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。超音波振動子２０ａは、音響波Ｕを受信した場合にその受信信号を電気信号に変換する機能を有している。この電気信号は後述する受信回路２１に出力される。プローブ１１は、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等の中から撮像部位に応じて選択される。また、必要に応じて、音響波をより効率よく検出するために、音響レンズ等の音響整合部材を振動子アレイ２０の検出面（プローブ１１の当接部）に設けてもよい。

光ファイバ４０は、レーザユニット１３からのレーザ光Ｌを導光板４２にまで導く。光ファイバ４０は、特に限定されず、石英ファイバ等の公知のものを使用することができる。例えば本実施形態では、レーザ光Ｌは、レーザユニット１３からプローブ１１の内部まで１本の光ファイバで導光され、プローブ１１の内部で分岐カプラ４１によって複数に分岐されて後述する２つの導光板４２へ導光されている。また、バンドルファイバを使用することもできる。

導光板４２は、例えばアクリル板や石英板の表面に特殊な加工を施して、一方の端面から入れた光を他方の端面から均一に面発光させる板である。本実施形態において本発明の光出射部に相当する。図２に示されるように、本実施形態では２つの導光板４２が、振動子アレイ２０を挟んで対向するように、振動子アレイ２０のエレベーション方向（振動子アレイのアレイ方向に垂直で検出面に平行な方向）の両側に配置されている。光ファイバ４０と導光板４２とは互いに光学的に結合されている。

光ファイバ４０と結合された側の導光板４２の部分は、図２に示されるように、例えばテーパー形状に形成される。これにより、測定光の照射範囲を効率よく広げることができる。さらに、光ファイバ４０と結合される導光板４２の部分は、光エネルギーによる破損を回避するために、ガラス材料で形成されることが好ましい。一方、その他の部分は、例えばアクリル等の樹脂材料で形成される。

光ファイバ４０によって導光されたレーザ光Ｌは、導光板４２に入射した後、反対側の端部から被検体Ｍに照射される。導光板４２は、より広範囲の被検体Ｍをレーザ光Ｌによって照射できるように、その先端部に光を拡散させる機構（散乱粒子を包含する樹脂等）または光の進行方向を振動子アレイ２０側へ向ける機構（光を屈折させるための切り欠き等）を有していてもよい。

プローブ１１を上記のように構成することにより、同じ撮像範囲についての反射音響画像としての超音波画像および光音響画像を精度よく生成することができる。これにより、超音波画像と光音響画像の複雑な位置合わせ処理が不要となる場合もある。

＜レーザユニット＞
レーザユニット１３は、被検体Ｍに照射すべきレーザ光Ｌを測定光として出射する光源部である。このレーザ光を被検体Ｍが吸収することにより被検体Ｍ内で光音響波が発生する。レーザユニット１３が出射するレーザ光は、例えば光ファイバ４０などの導光手段を用いてプローブ１１の先端まで導光され、プローブ１１から被検体Ｍに照射される。

例えば本実施形態のレーザユニット１３は、Ｑスイッチアレキサンドライトレーザのようなレーザ光源３５と、強度切替部３７を用いてレーザ光源３５から出射したレーザ光Ｌの強度（或いは光量）を増減させる切替制御部３６と、強度が調整されたレーザ光Ｌを光ファイバ４０に接続する接続部３８とを有する。切替制御部３６および強度切替部３７が本発明における光強度制御部に相当する。

例えば、強度切替部３７はＮＤ（neutral density）フィルタである。この場合、レーザ光Ｌの強度は、このＮＤフィルタの挿入の有無によって調整される。そして、切替制御部３６は、後述する判断部２８の接触判断の判断結果に応じて強度切替部３７を制御（例えばＮＤフィルタを入れたり出したり）して、光強度の大小を切り換える。具体的には、接触判断の結果、プローブ１１および被検体Ｍが非接触状態にあると判断されたとき、切替制御部３６は、例えばＮＤフィルタを挿入して、レーザ光Ｌの強度を比較的小さい第１強度に制御する。一方、接触判断の結果、プローブ１１および被検体Ｍが接触状態にあると判断されたとき、切替制御部３６は、例えばＮＤフィルタを外して、レーザ光Ｌの強度を第１強度よりも大きい第２強度に制御する。例えば、第２強度は、所望の光音響計測を実施する上で必要とされる光強度である。また、第１強度は、レーザ光の安全基準に則した適切な強度とする。一例としては、波長７５６ｎｍのレーザ光を使用する場合、１０ｃｍ離れた位置で直径７ｍｍの領域に入射するエネルギー量としての第１強度の目安は、クラス３Ｒレベルに光強度を下げるためには８４μＪであり、クラス１レベルに光強度を下げるためには１６μＪである。

レーザユニット１３は、制御部３４内のトリガ制御回路（図示省略）が光トリガ信号を出力すると、フラッシュランプを点灯し、レーザ光源３５を励起する。例えば本実施形態ではレーザユニット１３は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の吸収体の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、メトヘモグロビン等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には３６０〜１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、生体内でのヘモグロビンを計測する場合には、他の生体物質の吸収が比較的少ない６００〜１０００ｎｍの程度とすることが好ましい。また、より生体内での被検体の深部まで届くという観点から、レーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましく、特に近赤外波長域（７００〜８５０ｎｍ）であることが好ましい。

なお、レーザ光源３５としては、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、他の固体レーザ、ガスレーザ等の光源を用いることもできる。

＜超音波ユニット＞
本実施形態の超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換部２２、受信メモリ２３、光音響画像生成部２４、判断部２８、表示制御部３０および制御部３４を有する。

制御部３４は、光音響計測装置１０の各部を制御するものであり、本実施形態では例えばトリガ制御回路を備える。トリガ制御回路は、例えば光音響計測装置の起動の際に、レーザユニット１３に光トリガ信号を送る。これによりレーザユニット１３で、フラッシュランプが点灯し、レーザロッドの励起が開始される。そして、レーザロッドの励起状態は維持され、レーザユニット１３はレーザ光を出力可能な状態となる。

そして、制御部３４は、その後トリガ制御回路からレーザユニット１３へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御部３４は、このＱｓｗトリガ信号によってレーザユニット１３からのレーザ光の出力タイミングを制御している。例えば、制御部３４は、プローブ１１に設けられた所定のスイッチが押された時に、Ｑｓｗトリガ信号の送信を開始するように構成することができる。このように構成すれば、スイッチが押された時のプローブ１１の位置をプローブ走査の開始地点として取り扱うことができる。さらに次に当該スイッチが押された時にＱｓｗトリガ信号の送信を終了するように構成すれば、その時のプローブ１１の位置をプローブ走査の終了地点として取り扱うことができる。

また本実施形態では、制御部３４は、Ｑｓｗトリガ信号の送信と同時にサンプリングトリガ信号をＡＤ変換部２２に送信する。サンプリングトリガ信号は、ＡＤ変換部２２における光音響信号のサンプリングの開始タイミングの合図となる。このように、サンプリングトリガ信号を使用することにより、レーザ光の出力と同期して光音響信号をサンプリングすることが可能となる。

受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。受信回路２１で受信された光音響信号はＡＤ変換部２２に送信される。

ＡＤ変換部２２は、サンプリング手段であり、制御部３４からのサンプリングトリガ信号の受信を合図にして、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部２２は、例えば外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で受信信号をサンプリングする。

受信メモリ２３は、ＡＤ変換部２２でサンプリングされた光音響信号を記憶する。そして、受信メモリ２３は、プローブ１１によって検出された光音響信号を光音響画像生成部２４に出力する。

光音響画像生成部２４は、受信メモリ２３から受信した光音響信号データを再構成して、光音響画像を生成する。具体的には、光音響画像生成部２４は、各超音波振動子２０ａの位置に応じた遅延時間で各超音波振動子２０ａからの信号データを加算し、１ライン分の信号データを生成する（遅延加算法）。光音響画像生成部２４は、遅延加算法に代えて、フーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。再構成されたデータは、検波処理および対数変換処理等の信号処理を経て、断層画像として構築される。

表示制御部３０は、光音響画像生成部２４から取得した光音響画像データに基づいて、光音響画像をディスプレイ装置等の表示部１４に表示させる。表示制御部３０は、プローブ１１が二次元配列した振動子アレイを有することまたはプローブ走査により、複数の光音響画像が取得された場合には、例えば、それらの光音響画像に基づいてボリュームデータを作成し、三次元画像として合成画像を表示部１４に表示させることもできる。

判断部２８は、振動子アレイ２０（つまり複数の超音波振動子）によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて、プローブ１１および被検体Ｍが接触状態にあるかまたは非接触状態にあるかの判断を行う。プローブ１１および被検体Ｍの距離や接触の仕方に応じて、振動子アレイ２０によって検出される光音響信号の内容（その強度およびピーク幅等の形状並びに信号が現に検出されている位置）は変化する。そこで、判断部２８は複数の光音響信号の変化の態様に基づいて接触判断を行う。

具体的には、例えば判断部２８は、複数の光音響信号に基づいてこの複数の光音響信号をそれぞれ検出している超音波振動子２０ａの個数を求め、当該個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱って、上記個数と閾値個数とを比較したときの大小に基づいて上記判断を行うことができる。上記個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合において、光音響信号とは、特に、被検体Ｍ中の吸収体からの光音響信号を意味する。また閾値個数とは、接触状態であると判断されるための最小個数を意味する。例えば、上記個数がＮ個以上であるとき、プローブ１１および被検体Ｍは接触状態にある（閾値個数＝Ｎ）という基準を設けておけば、判断部２８は、上記個数がＮ−１個からＮ個に変化した時にプローブ１１および被検体Ｍの状態が非接触状態から接触状態に至ったと判断し、上記個数がＮ個からＮ−１個に変化した時にその状態が接触状態から非接触状態に至ったと判断する。例えば、上記閾値個数を、２個以上に設定したりまたは複数の超音波振動子の総数の１／２個以上に設定したりすれば、１つの素子のみから信号が検出されているような接触状態よりも、より測定光が漏れない接触状態を段階的に把握することができる。

また上記では、非接触状態から接触状態への変化を判断するときの閾値個数と、接触状態から非接触状態への変化を判断するときの閾値個数とが同一である場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、接触状態から非接触状態への変化を判断するときの閾値個数を、非接触状態から接触状態への変化を判断するときの閾値個数よりも小さく設定することができる。

図３は、このような接触判断の例を示す概念図である。例えば図３では、１８個の超音波振動子２０ａから構成される振動子アレイ２０が２つの導光板４２によって挟まれた状態を示している。まず、プローブと被検体とが離れているときは、どの超音波振動子２０ａによっても光音響信号は検出されていない（図３のａ）。そして、プローブと被検体とが接触し始めると、信号を実際に検出している超音波振動子２０ａ（図３のｂの網かけ部分）の個数は増加していく（図３のｂ）。さらに、上記素子の個数が、非接触状態から接触状態への変化を判断するときの閾値個数（図３では１５個）に達した時、つまり左端から１５番目の超音波振動子４６ａが信号を検出した時、判断部２８は接触状態に至ったと判断し、その判断結果は制御部３４を介して切替制御部３６に送信される。この結果、導光板４２から第２強度のレーザ光が出射することになる（図３のｃ）。なお、導光板４２の網かけは、第２強度のレーザ光が出射している状態を表している。その後、振動子アレイ２０の全体が接触した状態で光音響計測が実施される（図３のｄ）。次に、その実施修了後、プローブが被検体から離され始めると、信号を実際に検出している超音波振動子２０ａの個数は減少していく（図３のｅ）。さらに、上記素子の個数が、接触状態から非接触状態への変化を判断するときの閾値個数（図３では９個）を下回った時、つまり左端から９番目の超音波振動子４６ｂが信号を検出しなくなった時、判断部２８は非接触状態に至ったと判断し、その判断結果は制御部３４を介して切替制御部３６に送信される。この結果、導光板４２から第１強度のレーザ光が出射することになる（図３のｆ）。したがって、接触状態から非接触状態へ変化する際、プローブが完全に被検体から離れた状態（図３のｇ）になる前に、レーザ光の強度を下げることが可能となる。

なお、上記では、振動子アレイ２０の端から接触が進行する場合について説明したが、接触の進行はランダムに進行する場合もある。また、光音響信号を実際に検出している超音波振動子の個数を求めるということは、超音波振動子の総数がわかっている場合には、光音響信号を検出できない超音波振動子の個数を求めることと等価である。

プローブを当接しながら手動により被検体上を走査させる場合、腕のブレや被検体の体動等の影響により、短い時間ではあるが、振動子アレイと被検体とが接触しない領域が部分的に生じ得る。このような場合、そのような非接触の部分領域が生じるごとにレーザ光の強度が変更される方が、かえって光音響計測を実施する上で煩わしいこともある。そこで、上記のように、接触状態から非接触状態への変化を判断するときの閾値個数を、非接触状態から接触状態への変化を判断するときの閾値個数よりも小さくすることにより、一旦接触状態になった後、上記非接触の部分領域が若干生じたとしても、光音響計測を滞りなく継続することが可能となる。

また、上記では、すべての超音波振動子を使用して接触判断する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、上記個数の変化を上記複数の光音響信号の変化として取り扱う場合において、判断部は、複数の超音波振動子（音響波検出素子）のうち特定の超音波振動子（音響波検出素子）のみを対象にして上記個数を計数してもよい。

図４は、このような接触判断の例を示す概念図である。例えば図４では、特定の超音波振動子として、振動子アレイ２０の両端にある２つの超音波振動子４７ａおよび４７ｂを採用している。まず、プローブと被検体とが離れているときは、どちらの超音波振動子によっても信号は検出されていない（図４のａ）。そして、超音波振動子４７ａが信号を検出した時、判断部２８は接触状態に至ったと判断し、その判断結果は制御部３４を介して切替制御部３６に送信される。この結果、導光板４２から第２強度のレーザ光が出射することになる（図４のｂ）。その後、振動子アレイ２０の全体が接触した状態で光音響計測が実施される（図４のｃ）。次に、その実施修了後、超音波振動子４７ｂが信号を検出しなくなった時、判断部２８は非接触状態に至ったと判断し、その判断結果は制御部３４を介して切替制御部３６に送信される。この結果、導光板４２から第１強度のレーザ光が出射することになる（図４のｄ）。したがって、接触状態から非接触状態へ変化する際、プローブが完全に被検体から離れた状態（図４のｅ）になる前に、レーザ光の強度を下げることが可能となる。

また、特定の超音波振動子は、例えばプローブの型や計測部位に応じて適宜選択される。例えば、振動子アレイ２０の中央付近にある連続した超音波振動子の集団を採用したり、１つ置き或いは２つ置きの超音波振動子の集団を採用したりすることもできる。

次に、図５を用いて光音響計測方法および接触判断方法の流れについて説明する。図５は、本実施形態の光音響計測方法の工程を示すフロー図である。まずＳＴＥＰ１において、プローブ１１および被検体Ｍは非接触状態にあるため、第１強度に下げられたレーザ光Ｌが出射する。例えばレーザ光の出射は、装置１０の電源が入れられた直後に、または適当なボタン操作に応じて実行される。そしてＳＴＥＰ２において、そのレーザ光の出射に起因する光音響信号が検出される。次にＳＴＥＰ３において、検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて、判断部２８によって接触判断が実施され、その結果接触状態と判断された場合には光強度が第２強度に上げられて、ＳＴＥＰ４において第２強度のレーザ光Ｌが出射する。一方、非接触状態と判断された場合には光強度はそのままとなり、所定の時間後再度第１強度のレーザ光Ｌが出射する。ＳＴＥＰ４で第２強度のレーザ光Ｌが出射した場合には、ＳＴＥＰ５において、そのレーザ光の出射に起因する光音響信号が検出される。この光音響信号は、光音響画像生成部２４での光音響画像の生成に利用される。その後、ＳＴＥＰ６において、光音響計測が終了したか否かが判断され、すべての光音響計測が終了していない場合には、直近に検出した複数の光音響信号の変化の態様に基づいて再度接触判断が行われる。接触判断は、１つのパルス発生ごとに行ってもよいし、複数のパルス発生ごとに行ってもよいし、所定の時間ごとに行ってもよい。

以上のように、本実施形態の光音響計測装置は、複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて接触判断を行う判断部を有するから、プローブおよび被検体の状態をより細かく把握することが可能となる。また、本発明によれば、接触検知用の他の構成要素（例えば接触検知用センサや測長手段）を設ける必要がない。この結果、複数の音響波検出素子を有するプローブを使用した光音響計測において、より簡便な方法で接触判断を行うことが可能となる。

そして、本実施形態の光音響計測方法およびプローブの接触判断方法は、複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて接触判断を行うから、プローブおよび被検体の状態をより細かく把握すること可能となる。この結果、上記同様に、複数の音響波検出素子を有するプローブを使用した光音響計測において、より簡便な方法で接触判断を行うことが可能となる。

＜設計変更＞
上記では、レーザ光源３５が主として固体レーザである場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、レーザ光源３５として半導体レーザを使用することも可能であり、この場合には、半導体レーザの駆動電流値を制御する制御手段が本発明の光強度制御部として機能する。

「第２の実施形態」
次に、本発明の光音響計測装置および光音響計測方法並びにプローブの接触判断方法の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、接触判断が、光音響画像中の吸収体領域およびアーチファクト領域の出現または消失を複数の光音響信号の変化として取り扱って上記両領域の出現および消失の組合せに基づいて行われる点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は特に必要がない限り省略する。

本実施形態の光音響計測装置は、第１の実施形態と同様に、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および表示部１４を備えている。

本実施形態では、判断部２８は、光音響画像中の吸収体領域およびアーチファクト領域の出現または消失を複数の光音響信号の変化として取り扱って上記両領域の出現および消失の組合せに基づいて接触判断を行う。吸収体領域とは、被検体中の吸収体を表す画像領域であり、アーチファクト領域とは、測定光の出射に起因するアーチファクトを表す画像領域である。プローブ１１が被検体Ｍから離れているとき、超音波振動子２０ａは被検体Ｍからの反射光を受ける。このとき、反射光は超音波振動子に吸収され、その吸収に起因して超音波振動子自体が光音響信号の発生源となる。図６は、その反射光に起因する（ａ）アーチファクト信号と（ｂ）アーチファクト領域Ｒ１が出現した光音響画像Ｐを示す概念図である。なお、図６のａでは、超音波振動子を発生源とするアーチファクト信号（左側のピーク）の他に、振動子アレイ２０の検出面に音響整合部材を設けた場合に発生する、音響整合部材を発生源とするアーチファクト信号（右側のピーク）も示している。これらのアーチファクト信号では信号レベルが飽和しており、このような光音響信号を再構成して画像化すると、例えば図６のｂのような光音響画像が得られる。図６のｂにおいて、上の帯状の領域が、超音波振動子を発生源とするアーチファクト領域Ｒ１であり、下の帯状の領域が、音響整合部材を発生源とするアーチファクト領域Ｒ１を表す。

判断部２８は、受信メモリ２３から受信した複数の光音響信号に基づいて光音響画像のデータを生成し、または光音響画像生成部２４によって生成された光音響画像のデータを受け取り、その光音響画像データの中から吸収体領域およびアーチファクト領域を検出する。

図７を用いて、プローブ１１および被検体Ｍの距離と、吸収体領域およびアーチファクト領域の出現または消失の関係について説明する。図７の左側はプローブ１１および被検体Ｍの位置関係を表した概念図であり、右側は、左側の各状態において検出される光音響信号に基づいてそれぞれ生成された光音響画像Ｐを示す概念図である。

まず、プローブ１１と被検体Ｍが離れているときは、レーザ光Ｌの反射光ＲＬはまだ弱いため、アーチファクト信号は検出されない（図７のａ）。また、レーザ光Ｌの多くは被検体Ｍの表面で反射され、被検体内部に充分な光が届かないため、吸収体からの光音響もほとんど検出されない。そして、プローブ１１と被検体Ｍが近接すると、レーザ光Ｌの反射光ＲＬが強くなり、その反射光ＲＬに起因して振動子アレイ２０からアーチファクト信号が生じる（図７のｂ）。通常このアーチファクト信号は、振動子アレイ２０の全体にわたって生じるため、このとき光音響画像Ｐ中には帯状のアーチファクト領域Ｒ１が出現する。なお、図７では表示されていないが、前述したように、音響整合部材がプローブの当接部に設けられている場合には、音響整合部材が反射光を吸収したことに起因するアーチファクト領域も出現する。このとき、プローブ１１と被検体Ｍとの距離によっては、吸収体領域も出現することもある。

次に、プローブ１１および被検体が接触すると、レーザ光Ｌは被検体内部を伝搬し、また振動子アレイ２０の検出面が被検体で覆われるため、振動子アレイ２０に直接到達するレーザ光が減少する。その結果、アーチファクト信号が検出されなくなり、アーチファクト領域Ｒ１が、光音響画像Ｐ中から消失する（図７のｃ）。一方、被検体内部からは吸収体からの光音響信号が検出されるようになるため、光音響画像Ｐ中に吸収体領域Ｒ２が出現する（図７のｃ）。ただし、判断部２８において、プローブ１１および被検体Ｍが非接触状態にあると判断されている間は、レーザ光Ｌの強度が小さいため、被検体深部にある吸収体からの光音響信号はほとんど検出されない。判断部２８において、プローブ１１および被検体Ｍが接触状態にあると判断されたときは、レーザ光Ｌの強度が第１強度から第２強度へと上げられる（図７のｄ）。これにより、被検体Ｍの深部にまで充分なレーザ光Ｌが到達できるようになるため、被検体深部にある吸収体からの光音響信号も検出可能となり、光音響画像Ｐにも深部の吸収体領域Ｒ３が出現する。

判断部２８は、上記のような両領域の出現または消失を踏まえて、その組合せに基づき接触判断を行う。

例えば、判断部２８は、非接触状態から接触状態への変化を判断する際、アーチファクト領域Ｒ１が検出された時、プローブ１１および被検体Ｍの状態が非接触状態から接触状態へ変化したと判断することができる。また、判断部２８は、非接触状態から接触状態への変化を判断する際、アーチファクト領域Ｒ１の検出以降に吸収体領域Ｒ２が検出された時に、プローブ１１および被検体Ｍの状態が非接触状態から接触状態へ変化したと判断することもできる。このように、被検体Ｍに近接していることの目安となるアーチファクト領域Ｒ１の検出を接触状態と判断するための必須要件とすることにより、例えば金属部品等の吸収体が意図せずプローブ１１の検出面前に配置された場合に、レーザ光Ｌが意図しない方向に放出されることを防止できるという利点がある。なお、レーザ光Ｌの繰返し周期およびプローブ１１の被検体Ｍへの近づけ方によっては、アーチファクト領域Ｒ１および吸収体領域Ｒ２が同時に検出される場合もある。

また、判断部２８は、接触状態から非接触状態への変化を判断する際、光音響画像Ｐ中にアーチファクト領域が検出されたときに、プローブ１１および被検体Ｍの状態が接触状態から非接触状態へ変化したと判断することができる。このように判断すれば、より早い段階でプローブ１１が被検体Ｍから離れたことを検知することが可能となる。これは、接触状態から非接触状態への変化において、吸収体領域Ｒ２の消失よりもアーチファクト領域Ｒ１の出現の方が早いためである。

以上のように、本実施形態の光音響計測装置も、複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて接触判断を行う判断部を有するから、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

そして、本実施形態の光音響計測方法およびプローブの接触判断方法も、複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて接触判断を行うから、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

「第３の実施形態」
次に、本発明の光音響計測装置および光音響計測方法並びにプローブの接触判断方法の第３の実施形態について説明する。図８は、第３の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概念図である。本実施形態は、光音響画像に加えて反射音響波画像としての超音波画像も生成する点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。

本実施形態の光音響計測装置１０は、第１の実施形態と同様に、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および表示部１４を備える。

＜超音波ユニット＞
本実施形態の超音波ユニット１２は、図１に示す光音響計測装置の構成に加えて、超音波画像生成部２９および送信制御回路３３を備える。

本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波（反射音響波）の検出（受信）を行う。超音波の送受信を行う超音波振動子としては、本発明における超音波振動子を使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな超音波振動子を使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。

制御部３４は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路３３は、このトリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。

プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換部２２に入力される。制御部３４は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換部２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ＡＤ変換部２２は、反射超音波のサンプリング信号を受信メモリ２３に格納する。光音響信号のサンプリングと、反射超音波のサンプリングとは、どちらを先に行ってもよい。

超音波画像生成部２９は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリング信号）に基づいて、再構成処理、検波処理および対数変換処理等の信号処理を施して、超音波画像のデータを生成する。画像データの生成には、光音響画像生成部２４における画像データの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。

表示制御部３０は、例えば、光音響画像と超音波画像とを別々に、またはこれらの合成画像を表示部１４に表示させる。表示制御部３０は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。

本実施形態では、光音響計測装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。したがって、第１の実施形態の効果に加えて、超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。

１０ 光音響計測装置
１１ プローブ
１２ 超音波ユニット
１３ レーザユニット
１４ 表示部
２０ 振動子アレイ
２０ａ 超音波振動子
２１ 受信回路
２２ 変換部
２３ 受信メモリ
２４ 光音響画像生成部
２８ 判断部
２９ 超音波画像生成部
３０ 表示制御部
３３ 送信制御回路
３４ 制御部
３５ レーザ光源
３６ 切替制御部
３７ 強度切替部
４０ 光ファイバ
４１ 分岐カプラ
４２ 導光板
４５ 筺体
６５ 吸収体
Ｍ 被検体
Ｐ 光音響画像
Ｒ１ アーチファクト領域
Ｒ２、Ｒ３ 吸収体領域
ＲＬ 反射光
Ｕ 音響波

Claims (20)

1. 測定光を出射する光出射部および複数の音響波検出素子を有するプローブを備え、前記測定光の出射に起因する被検体からの光音響信号を前記複数の音響波検出素子によって計測する光音響計測装置において、
   前記プローブおよび前記被検体が接触状態にあるかまたは非接触状態にあるかの判断を行う判断部と、
   前記判断部において前記プローブおよび前記被検体が非接触状態にあると判断されたときに前記測定光の強度を第１強度に制御し、前記プローブおよび前記被検体が接触状態にあると判断されたときに前記測定光の強度を前記第１強度よりも大きい第２強度に制御する光強度制御部とを備え、
   前記判断部が、前記複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて前記判断を行うものであることを特徴とする光音響計測装置。
2. 前記判断部が、前記複数の光音響信号に基づいて該複数の光音響信号をそれぞれ検出している音響波検出素子の個数を求め、該個数の変化を前記複数の光音響信号の変化として取り扱って、前記個数と閾値個数とを比較したときの大小に基づいて前記判断を行うものである請求項１に記載の光音響計測装置。
3. 前記接触状態から前記非接触状態への変化を判断するときの閾値個数が、前記非接触状態から前記接触状態への変化を判断するときの閾値個数よりも小さい請求項２に記載の光音響計測装置。
4. 前記接触状態から前記非接触状態への変化を判断するときの閾値個数と、前記非接触状態から前記接触状態への変化を判断するときの閾値個数とが同一である請求項２に記載の光音響計測装置。
5. 前記判断部が、前記複数の音響波検出素子のうち特定の音響波検出素子のみを対象にして前記個数を計数するものである請求項２から４いずれか１項に記載の光音響計測装置。
6. 前記特定の音響波検出素子が、配列された前記複数の音響波検出素子のうち、中央近傍の連続した音響波検出素子である請求項５に記載の光音響計測装置。
7. 前記判断部が、前記複数の光音響信号に基づいて生成された光音響画像における、前記被検体中の吸収体を表す吸収体領域および前記測定光の出射に起因するアーチファクトを表すアーチファクト領域の出現または消失を検出し、前記両領域の出現または消失を前記複数の光音響信号の変化として取り扱って前記両領域の出現および消失の組合せに基づいて前記判断を行うものである請求項１に記載の光音響計測装置。
8. 前記判断部が、前記接触状態から前記非接触状態への変化を判断する際、前記光音響画像中に前記アーチファクト領域が検出されたときに、前記プローブおよび前記被検体の状態が前記接触状態から前記非接触状態へ変化したと判断するものである請求項７に記載の光音響計測装置。
9. 前記判断部が、前記非接触状態から前記接触状態への変化を判断する際、前記光音響画像中に前記アーチファクト領域が検出され、該検出以後に前記吸収体領域が検出されたときに、前記プローブおよび前記被検体の状態が前記非接触状態から前記接触状態へ変化したと判断するものである請求項７または８に記載の光音響計測装置。
10. 測定光を出射する光出射部および複数の音響波検出素子を有するプローブを使用し、
    前記複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて、前記プローブおよび前記被検体が接触状態にあるかまたは非接触状態にあるかの判断を行い、
    前記測定光の強度を、前記プローブおよび前記被検体が非接触状態にあると判断されたときに第１強度に制御し、前記プローブおよび前記被検体が接触状態にあると判断されたときに前記第１強度よりも大きい第２強度に制御して、前記被検体からの光音響信号を計測することを特徴とする光音響計測方法。
11. 前記複数の光音響信号に基づいて該複数の光音響信号をそれぞれ検出している音響波検出素子の個数を求め、該個数の変化を前記複数の光音響信号の変化として取り扱って、該個数と閾値個数とを比較したときの大小に基づいて前記判断を行う請求項１０に記載の光音響計測方法。
12. 前記接触状態から前記非接触状態への変化を判断するときの閾値個数が、前記非接触状態から前記接触状態への変化を判断するときの閾値個数よりも小さい請求項１１に記載の光音響計測方法。
13. 前記複数の音響波検出素子のうち特定の音響波検出素子のみを対象にして前記個数を計数する請求項１１または１２に記載の光音響計測方法。
14. 前記複数の光音響信号に基づいて生成された光音響画像における、前記被検体中の吸収体を表す吸収体領域および前記測定光の出射に起因するアーチファクトを表すアーチファクト領域の出現または消失を検出し、前記両領域の出現または消失を前記複数の光音響信号の変化として取り扱って前記両領域の出現および消失の組合せに基づいて前記判断を行う請求項１０に記載の光音響計測方法。
15. 前記接触状態から前記非接触状態への変化を判断する際、前記光音響画像中に前記アーチファクト領域が検出されたときに、前記プローブおよび前記被検体の状態が前記接触状態から前記非接触状態へ変化したと判断する請求項１４に記載の光音響計測方法。
16. 前記非接触状態から前記接触状態への変化を判断する際、前記光音響画像中に前記アーチファクト領域が検出され、該検出以後に前記吸収体領域が検出されたときに、前記プローブおよび前記被検体の状態が前記非接触状態から前記接触状態へ変化したと判断する請求項１４または１５に記載の光音響計測方法。
17. 測定光を出射する光出射部および複数の音響波検出素子を有するプローブを使用し、
    前記複数の音響波検出素子によって検出された複数の光音響信号の変化の態様に基づいて、前記プローブおよび前記被検体が接触状態にあるかまたは非接触状態にあるかの判断を行うことを特徴とするプローブの接触判断方法。
18. 前記複数の光音響信号に基づいて該複数の光音響信号をそれぞれ検出している音響波検出素子の個数を求め、該個数の変化を前記複数の光音響信号の変化として取り扱って、該個数と閾値個数とを比較したときの大小に基づいて前記判断を行う請求項１７に記載のプローブの接触判断方法。
19. 前記複数の光音響信号に基づいて生成された光音響画像における、前記被検体中の吸収体を表す吸収体領域および前記測定光の出射に起因するアーチファクトを表すアーチファクト領域の出現または消失を検出し、前記両領域の出現または消失を前記複数の光音響信号の変化として取り扱って前記両領域の出現および消失の組合せに基づいて前記判断を行う請求項１７に記載のプローブの接触判断方法。
20. 前記接触状態から前記非接触状態への変化を判断する際、前記光音響画像中に前記アーチファクト領域が検出されたときに、前記プローブおよび前記被検体の状態が前記接触状態から前記非接触状態へ変化したと判断する請求項１９に記載のプローブの接触判断方法。

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