(57)【要約】【課題】  生体情報映像装置操作性において、高いコントラスト分解能と空間分解能を有する画像データの生成を可能とする。【解決手段】  特定波長成分を含む光を被検体７に照射する光送信部１と、前記光送信部１が照射した光によって被検体７の内部に発生する音響波を受信して電気信号に変換する電気音響変換部２３と、この電気音響変換部２３によって得られる受信信号に基づいて第１の画像データを生成する画像データ生成部２と、被検体７に超音波を送信して得られる超音波反射信号を受信して電気信号に変換する電気音響変換部２３と、電気音響変換部２３によって得られる受信信号に基づいて第２の画像データを生成する画像データ生成部２と、前記第１の画像データと前記第２の画像データを合成して表示する表示部６とを備えている。【選択図】図１
2010012295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定波長成分を含む光を発生する光発生部と、
この光発生部が発生する光を被検体内に照射する光照射部と、
前記光発生部が発生する光を前記光照射部に導く導波手段と、
前記光照射部が照射した光によって被検体内に発生する音響波を複数個配列された電気音響変換素子を用いて電気信号に変換する第１の電気音響変換手段と、
この第１の電気音響変換手段によって得られる信号に基づいて第１の画像データを生成する第１の画像データ生成手段と、
被検体内に超音波を送信する超音波送信手段と、
この超音波送信手段によって送信する超音波のうち前記被検体内で反射する成分を複数個配列された電気音響変換素子を用いて電気信号に変換する第２の電気音響変換手段と、
この第２の電気音響変換手段によって得られる信号に基づいて第２の画像データを生成する第２の画像データ生成手段と、
前記第１の画像データと前記第２の画像データを表示する表示手段とを備え、
前記複数の光ファイバ開口部と前記複数の電気音響変換素子は、１次元に配設されることを特徴とする生体情報映像装置。
【請求項２】
前記複数の光ファイバ開口部と前記複数の電気音響変換素子は、ほぼ同一平面上に配設されることを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項３】
前記複数の光ファイバ開口部は、前記電気音響変換素子を配列する際に形成される間隙に配置されることを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項４】
前記第１の電気音響変換手段は、複数の電気音響変換素子のうち隣接する複数の電気音響変換素子を選択して用いて前記音響波を電気信号に変換することを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項５】
前記第１の画像データ生成手段は、前記第１の電気音響変換手段において選択された電気音響変換素子によって得られる複数の電気信号に対して整相加算処理を行なうことを特徴とする請求項８記載の生体情報映像装置。
【請求項６】
光走査手段を更に備え、この光走査手段は、前記複数の光ファイバの中から所定の光ファイバを選択して前記光照射部に光を供給することを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項７】
前記第１の電気音響変換手段において選択される複数の電気音響変換素子の中心位置は、前記光走査手段よって選択される光ファイバの前記光照射部における開口位置とほぼ一致することを特徴とする請求項６記載の生体情報映像装置。
【請求項８】
前記第１および第２の電気音響変換手段における電気音響変換素子は、チタン酸鉛を含む圧電単結晶から構成されことを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項９】
前記電気音響変換素子は、前記光照射部と被検体の間に配置され、この光照射部から出力される光は、前記電気音響変換素子を透過して前記被検体に照射することを特徴とする請求項８記載の生体情報映像装置。
【請求項１０】
前記光照射部における複数の光ファイバ開口部の配列密度は、前記複数の電気音響変換素子の配列密度より高いことを特徴とする請求項９記載の生体情報映像装置。
【請求項１１】
前記光照射部と１次元に複数個配列された前記電気音響変換素子の間に光学レンズを更に備え、この光学レンズは、前記光照射部から出力される光を前記電気音響変換素子の配列方向において所定の幅に設定することを特徴とする請求項９記載の生体情報映像装置。
【請求項１２】
前記光学レンズと前記電気音響変換素子の間にスリット板を更に備え、このスリット板は、前記光学レンズから出力される光に対して、前記電気音響変換素子の配列方向に直交するスライス方向のビーム幅を設定することを特徴とする請求項１１記載の生体情報映像装置。
【請求項１３】
前記第２の画像データ生成手段は、前記第２の電気音響変換手段によって収集される受信信号の高調波成分を抽出し画像データを生成することを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項１４】
前記第１の画像データを生成するための前記照射部の光の照射と、前記第２の画像データを生成するための前記超音波送信手段の超音波の送信は交互に行われることを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項１５】
前記照射部の光の照射と、前記超音波送信手段の超音波の送信は、複数の方向の各々に対して交互に行うことを特徴とする請求項１４記載の生体情報映像装置。
【請求項１６】
前記照射部が複数の方向に対して順次光を照射することによって１枚分の前記第１の画像データの生成が終了した後、前記超音波送信手段は、前記複数の方向に対して順次超音波を送信することによって１枚分の前記第２の画像データの生成を行うことを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項１７】
前記第１の画像データを生成するための前記照射部の光の照射と、前記第２の画像データを生成するための前記超音波送信手段の超音波の送信はほぼ同時に行われることを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項１８】
前記表示手段は、前記第１の画像データと前記第２の画像データを同一モニタ上に表示することを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項１９】
前記表示手段は、前記第１の画像データと前記第２の画像データを重畳表示することを特徴とする請求項１８記載の生体情報映像装置。
【請求項２０】
前記表示手段は、前記第１の画像データと前記第２の画像データを色別して表示することを特徴とする請求項１９記載の生体情報映像装置。
【請求項２１】
前記光発生部における光の発生と、前記超音波送信手段による超音波の発生はほぼ同時に行なうことを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項２２】
前記第１の電気音響変換手段と前記超音波送信手段と前記第２の電気音響変換手段は圧電振動子として共通化され、前記複数の圧電振動子は、一定の間隔を隔ててマトリスク状に配列され、前記圧電振動子の間隙には光路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項２３】
前記第１の電気音響変換手段と前記超音波送信手段と前記第２の電気音響変換手段は圧電振動子として共通化され、前記複数の圧電振動子は、多心光ファイバテープを挟んで両側においてそれぞれ一列に配列されていることを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項２４】
前記第１の電気音響変換手段と前記超音波送信手段と前記第２の電気音響変換手段は圧電振動子として共通化され、前記ペアの圧電振動子が光ファイバと共にフレキシブルプリント基板に貼り付けられて振動子板が構成され、前記複数の振動子板が重ねられ接着剤により一体に接着されていることを特徴とする請求項１記載の生体情報映像装置。
【請求項２５】
被検体に光を照射する光照射手段と、前記被検体に超音波を送信する超音波送信手段と、前記照射光によって、もしくは前記送信超音波によって被検体内に生じた音響波を受波し電気信号に変換し出力する電気音響変換手段と、この電気音響変換手段により出力される電気信号を入力し、前記照射光に起因する音響波に基づいて第１の画像データを生成する第１の画像データ生成手段と、前記電気音響変換手段により出力される電気信号を入力し、前記送信超音波に起因する音響波に基づいて第２の画像データを生成する第２の画像データ生成手段と、これら第１の画像データ及び第２の画像データを表示する表示手段とを有することを特徴とする生体情報映像装置。
【請求項２６】
前記超音波送信手段は、前記電気音響変換手段と一部共通に用いられることを特徴とする請求項２５記載の生体情報映像装置。
【請求項２７】
前記表示手段は、前記第１の画像データと前記第２の画像データを同一モニタ上に表示することを特徴とする請求項２５記載の生体情報映像装置。
【請求項２８】
被検体に光及び超音波を照射し、これら光及び超音波によってこの被検体内に生じる音響波を受波して各々を電気信号に変換し、これら各々の電気信号に基づいて各々の画像データを生成し、これら各々の画像データを表示することを特徴とする生体情報映像装置。
【請求項２９】
被検体に光を照射し、この光によってこの被検体内に生じる音響波を受波して電気信号に変換し、この電気信号に基づいて画像データを生成し、この画像データを表示することを特徴とする生体情報映像装置。
【請求項３０】
ａ）超音波撮像素子と光音響照射及び検出素子を備えた診断プローブを胸の組織に接触させる工程と、
ｂ）前記胸の組織をヘモグロビンの吸光スペクトルバンドにある波長を有する短い光パルスで照射し、光音響信号を生成する工程と、
ｃ）超音波振動子を使って前記光音響信号を検出し、胸の組織における新生血管の分布を判定する工程と、
ｄ）前記光音響信号の検出において使用する前記光音響検出振動子と重ね合わせた超音波振動子を使って、前記人間の胸の組織の形態学の超音波画像を生成及び検出する工程と、
ｅ）前記光音響新生血管分布画像を前記超音波形態学画像に重ねて、胸の異なる形態学的構造における血管の分布の合成画像を生成する工程と、を含み
前記形態学的構造とは、対象の腫瘍であることを特徴とする、人間の乳がんを診断する方法。
【請求項３１】
光の波長は、５３０ｎｍから１３００ｎｍの間のスペクトル域に含まれることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
光音響検出素子及び超音波検出素子は共通であることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
ａ）特定の波長成分を有する光を生成する光生成装置と、
ｂ）光生成装置によって生成された光を検査を受ける被検者に照射する照射装置と、
ｃ）光生成装置によって生成した光を照射装置に誘導する導波手段と、
ｄ）照射装置によって照射された光によって被検者内で生成された音波を、複数の電子音響変換素子の配列を使用することによって、電気信号に変換するための第１の電子音響変換手段と、
ｅ）第１の電子音響変換手段によって得た信号に基づいて、第１の画像データを生成するための第１の画像データ生成手段と、
ｆ）超音波を被検者に伝送する超音波伝送手段と、
ｇ）超音波伝送手段によって伝送され、被検者の体内で反射した超音波の成分を、複数の電子音響変換素子の配列を使って、電気信号に変換する第２の電子音響変換手段と、
ｈ）第２の電子音響変換手段によって得た信号に基づいて、第２の画像データを生成するための第２の画像データ生成手段と、
ｉ）第１の画像データと第２の画像データを表示するための表示手段とを備えてなる、ヘモグロビンなどのような検体の濃度の分布を腫瘍のような撮像した形態的特性の上に重ねることによって、人間の乳がんなどのような病気を診断するための装置。
【請求項３４】
特定の波長成分を有する光を生成する光生成装置と、
光生成装置によって生成された光を検査を受ける被検者に照射する照射装置と、
光生成装置によって生成した光を照射装置に誘導する導波手段と、
照射装置によって照射された光によって被検者内で生成された音波を、複数の電子音響変換素子の配列を使用することによって、電気信号に変換するための第１の電子音響変換手段と、
第１の電子音響変換手段によって得た信号に基づいて、第１の画像データを生成するための第１の画像データ生成手段と、
超音波を被検者に伝送する超音波伝送手段と、
超音波伝送手段によって伝送され、被検者の体内で反射した超音波の成分を、複数の電子音響変換素子の配列を使って、電気信号に変換する第２の電子音響変換手段と、
第２の電子音響変換手段によって得た信号に基づいて第２の画像データを生成するための第２の画像データ生成手段と、
第１の画像データと第２の画像データを表示するための表示手段とを備えてなる、組織の撮像した形態学的特性上において、検体の濃度の分布を判定するための被検者情報撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体内部に照射された光のエネルギーに基づいて発生する音響信号を収集して被検体の生体情報を画像化する生体情報映像装置に関する。さらに具体的には、検査を受ける被検者に照射した光のエネルギーから生成したものと、検査を受ける被写体に照射した超音波から生成した超音波エコー画像の二つの聴覚映像を撮影して重ねる方法と装置に関し、二つの画像を重ねることにより、被検者の組織の中の形態的な特徴に対する物質濃度の分布を知ることができるものである。
【背景技術】
【０００２】
被検体の血液や細胞液などの体液、あるいは生体組織に含まれる物質成分の濃度を測定する生体情報計測法は、健康管理、あるいは治療効果の判定等において従来から行われてきた。この物質成分の濃度計測を目的とした体液の成分分析においては、まず採血によって体液を体外に取り出す必要があり、従って、この方法は被検者に対して皮膚の損傷にともなう多大な苦痛を与えると共に、被検者や作業者を生物災害汚染の危険にさらすことになる。
【０００３】
このような従来の問題点に対して、数多くの特許と新聞の記事が、人間の被検者の組織の中の検体濃度に関する情報を得る非侵襲的方法について説明している。これらの方法のうちの１つに“光音響分光分析法”がある。光音響分光分析法では、この光音響分光分析法では、所定の波長をもつ可視光、近赤外光、又は中間赤外光を被検体に照射した際に、被検体内の血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどの特定物質がこの照射光のエネルギーを吸収した結果生じる音響波を検出して、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。これに関しては、米国特許第５，３４８，００２号、欧州特許第９８３８９０４Ａ１、欧州特許第０２１５７７６Ａ１号では、光音響測定を使って人間の組織内の物質を非侵襲的に判定する方法について開示している。光は可視光でも、赤外線でも、あるいは中間赤外線でもよい。
【０００４】
非侵襲生体情報計測の対象となる物質として上記のグルコースやヘモグロビンの他にコレステロール、中性脂肪、ビリルビン、コラーゲンなどがある。これらの中から最適な物質を選択し、その物質において吸収が最大となる光波長を用いた光音響分光分析による皮膚癌や乳癌などの診断は、近年、その臨床的有用性が明らかになりつつあり、更に、この新しい分光分析技術を適用し、上記物質の濃度分布を２次元画像として映像化する画像診断法に対しての期待も高まってきている。
【０００５】
従来の非侵襲的なグルコース測定法は、被検体の皮膚表面などに異なる波長の近赤外光を照射し、このとき得られる音響波を演算処理することによりグルコース濃度を測定する方法がある（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【０００６】
また、従来の光音響分光分析法では、音響波の検出にマイクロフォンやジルコン−チタン酸鉛系セラミックス（ＰＺＴ）等の圧電素子を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献３および特許文献４参照。）。
【０００７】
ヘモグロビンやグルコースに加え、光音響分光分析法を使って、コレステロール、天然脂肪、ビルルビン、コラーゲンなどのような人間の組織の中の他の検体を判定することもできる。光音響分光分析法の結果に基づく皮膚がんや乳がんの診断が、医療分野で有効であることが最近証明された。光音響分光分析法は、これらの物質から選択した適当な物質と、選択した物質がもっとも吸収しやすい波長を有する光を使用する。さらに、これらの物質の濃度の分布を表す二次元の画像を提供する診断方法の発明に対する期待がますます高まっている。
【０００８】
光音響分光分析法は、組織内の物質濃度を測定するために使用するのに対し、超音波画像は、人間の器官の中の嚢胞やしこりのような形態的特徴の存在を判定する場合に広く使用されてきた。人間の組織の中の物質の分布と形態的特徴を組み合わせることにより、組織をより細かく特徴付けられると共に、悪性腫瘍をより正確に診断でき、異常な病巣領域の限定をより正確に行ってこれらの領域の外科的除去に導くことができるため、よりよい診断と、改善された健康管理が実現する。
【０００９】
乳がんは、女性の主な死亡原因のひとつである。乳がんのスクリーニングと早期診断は、死亡率を削減し、健康管理の費用の抑制において非常に大きな価値を持つ。現在の方法では、異常なしこりを発見するための乳房の組織の触診と、疑わしい組織変形を探すための定期的な乳房Ｘ線撮影を行う。乳房Ｘ線写真に疑わしい箇所があると、超音波撮像を行い、さらに外科的生体組織検査を行う。これらの一連の工程は、最終的な結論に達するまでにはかなりの時間がかかる。
【００１０】
非侵襲的な光学技術により、組織内における血管の分布を判定することができるようになり、よって、組織領域内における異常血管新生によって、潜在的腫瘍の位置を知ることができる。
【００１１】
非侵襲的な光学技術には、組織内の時間分解光伝達を含む。もう一つの方法は、組織内を光子密度波動の伝播に伴う変調と位相角の変化を測定するものである。これらは、いくつかの新聞記事で紹介された（Ｂ．チャンス“血液及び血液酸化の定量化に連続的位相変調パルス光を使った近赤外線画像”Advances in Optical Biopsy and Optical Mammography, R.Alfano ed, Annals of the New York Academy of Sciences 1998； 第８３８巻、２９〜４５頁、Ｓ．ファンティーニ他による“周波数領域光学乳房撮影法；エッジエフェクト修正”Medical Physics 1996”；  第２３巻、１〜６頁、Ｍ．Ａ．フランセッチーニ他“周波数領域技術が光学的乳房撮影法を進化させる；始めての医療結果”Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 1997；第９４巻、６４６８〜６４７３頁（１９９７年））。これらの方法では、画像変換の不正確性と乳房などの体の部位の縁部に近い領域における画像のゆがみが問題となっている。
【００１２】
超音波、ＣＡＴ走査、Ｘ線、ＭＲＩを含む従来の撮像方法は、ヘモグロビンの分布を示さずに、体の部位、この場合は胸の形態を示す。さらに、ＭＲＩ及びＣＡＴ走査は、大型で高価な機器であり、容易に変形させることはできない。
【００１３】
形態的画像と形態的特徴における物質の分布を利用した診断方法及び装置により、よりよい診断が行えるようになる。
【００１４】
光音響撮像を使って胸の組織における検体の分布を判定する方法については、Ａ．Ａ．オラエフスキ他による“胸のレーザ光音響撮像：がんによる血管形成の検出”SPIE Proceedings 1999；第３５９７巻、３５２〜３６３頁、及びＡ．Ａ．オラエフスキ他による、“血液の可視化のための光音響撮像と乳がんの診断”SPIE Proceedings 2002；第４６１８巻、８１〜９４頁で説明している。また、米国特許第５，８４０，０２３号では、“医療診断用の光音響撮像”を開示しており、欧州特許第０１／１０２９５号では、“血液の酸化の光音響による監視”、そして米国特許第６，３０９，３５２Ｂ１では、“組織の特性の変化の実時間光音響監視”においても説明している。
【００１５】
オラエフスキー他は、光音響撮像のみを使用して超音波撮像とは組み合わせていない。彼らは、位置合わせした超音波振動子を使用して検出される光音響及び超音波画像の組み合わせについては教示していない。この方法によると、組織の体積弾性率に対する形態学的特性の影響により血管画像がゆがむ可能性がある。
【００１６】
組織における検体分布の画像を生成するための光学的方法の他の応用については、Ｑ．Ｚｈｕ他による“超音波と光学を組み合わせた断層撮影画像” SPIE Proceedings 1999；第３５７９巻、３６４〜３７０頁と、Ｑ．Ｚｈｕ他による“良性の組織変形と悪性の組織変形の区別における超音波への付随物としての光学的撮像” SPIE Proceedings 1999；第３５７９巻、５３２〜５３９頁においても説明している。Ｚｈｕ他は、超音波撮像を使用して組織における形態学的特性を定義し、周波数領域撮像を適用して血管新生、例えばヘモグロビンの分布を判定する。光ファイバー及び光電子増倍管は光学的方法の検出器として使用して、超音波振動子は、最適さにおいては劣る血管新生画像と形態学的画像の位置合わせによって超音波撮像を行うために使用する。位置合わせした超音波振動子を使って検出する光音響及び超音波画像の組み合わせについては教示していない。
【００１７】
これに対して、近年、この光音響効果を乳癌の診断に適用した場合の映像法についての研究が進められている（例えば、非特許文献１参照。）。図１４はこの非特許文献１に記載されている光音響画像データの収集システム１００であり、パルス状の光を発生するレーザ発生器１０１と、この光パルスを被検体の乳房１０２に供給する光ファイバ１０３と、この光ファイバ１０３に対向させて配置される凹面状の配列型電気音響変換素子１０４と、光パルスの送信制御や音響波の収集、更には画像再構成を行うコンピュータシステム１０５から構成されている。この光ファイバ１０３と配列型電気音響変換素子１０４の間に乳房２を挿入した後、光ファイバ１０３から乳房１０２の内部組織に光（レーザ光）を照射することによって、内部組織の血液成分にて新たに発生する音響波を配列型電気音響変換素子１０４によって受信する。
【００１８】
この方法によれば、所定の光波長による光音響効果により、例えば血中のヘモグロビンの濃度が他の物質成分と比較して感度よく計測できる。従って、血流量が正常組織より増大している乳癌などの腫瘍組織に対して得られる光音響画像は、従来行われてきた超音波診断装置やＸ線装置あるいはＭＲＩ装置などによって得られる画像より優れた検出能を有する可能性がある。これは、血管の数である血管新生と血管の流量が、腫瘍の中の高代謝活性に対応するために正常な組織より腫瘍組織内の方が高くなっているためである。腫瘍とその周りの血管が増えると、血管新生がより頻繁に起こるようになる。腫瘍の中の新しい血管の生成は血管形成として知られている。
【００１９】
しかしながら特許文献１乃至４において提案されている方法は、いずれも局所的な部位における特定物質の濃度の計測が目的であり、濃度分布の映像化技術については触れられていない。
【００２０】
また非特許文献１で述べられている方法によれば、光ファイバ１０３と配列型電気音響変換素子１０４は、乳房１０２を挟んだ状態で対向して配置されているため、操作性に問題がある。特に生体内から音響波を受信して画像化を行う場合には、配列型電気音響変換素子１０４と生体の間に介在する空気を極力排除する必要があるため、光ファイバ１０３と配列型電気音響変換素子１０４は一体化させることが望ましい。
【００２１】
更に、この音響波を用いた画像化（以下、光音響イメージング法）は、例えばヘモグロビンのように特定の成分についてのみ行われるものであり、この特定成分が無い領域からは信号が得られない。従って、例えば非特許文献１のように乳癌の検査に光音響イメージング法を適用する場合、周囲の正常乳腺組織に対する腫瘍組織の正確な位置関係が把握し難いという問題点があった。
【００２２】
従って、形態学的特性とその特性の中に物質濃度の分布の撮像を組み合わせ、一方で、画像のゆがみをなくし、撮像測定と物質分布測定に対して共通のボディインターフェースと共通の検出器を組み込むことによって病気の状態を診断する方法と装置を開発する必要がある。この方法と装置は、撮像測定と物質分布測定に対して同じ圧力、同じ空隙、同じインターフェースを適用できるはずである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特公平３−４７０９９号公報
【特許文献２】特公平５−５８７３５号公報
【特許文献３】特開平１０−１８９号公報
【特許文献４】特開平１１−２３５３３１号公報
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Alexander A,et.al：Laser optoacoustic imaging of breast cancer in vivo, Proc.SPIE , Vol.4256: pp.6-15,2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は、生体内の光音響効果を用いて得られる生体情報の映像化（光音響イメージング法）において、操作性に優れたデータ収集システムを備え、更に、高いコントラスト分解能と空間分解能を有する画像データを生成することが可能な生体情報映像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明のある局面は、特定波長成分を含む光を発生する光発生部と、この光発生部が発生する光を被検体内に照射する光照射部と、前記光発生部が発生する光を前記光照射部に導く導波手段と、前記光照射部が照射した光によって被検体内に発生する音響波を複数個配列された電気音響変換素子を用いて電気信号に変換する第１の電気音響変換手段と、この第１の電気音響変換手段によって得られる信号に基づいて第１の画像データを生成する第１の画像データ生成手段と、被検体内に超音波を送信する超音波送信手段と、この超音波送信手段によって送信する超音波のうち前記被検体内で反射する成分を複数個配列された電気音響変換素子を用いて電気信号に変換する第２の電気音響変換手段と、この第２の電気音響変換手段によって得られる信号に基づいて第２の画像データを生成する第２の画像データ生成手段と、前記第１の画像データと前記第２の画像データを表示する表示手段とを備え、前記複数の光ファイバ開口部と前記複数の電気音響変換素子は、１次元に配設される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、生体内の光音響効果を用いて得られる生体情報の映像化（光音響イメージング法）において、操作性に優れたデータ収集システムを備え、更に、高いコントラスト分解能と空間分解能を有する画像データを生成することが可能な生体情報映像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第1の実施の形態における生体情報映像装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第1の実施の形態における生体情報映像装置の画像データ生成部のブロック図。
【図３】本発明の第1の実施の形態におけるアプリケータの構成図。
【図４】本発明の第1の実施の形態におけるアプリケータの外観図。
【図５】本発明の第1の実施の形態における光ファイバによる照射方法を示す図。
【図６】本発明の第１の実施の形態における音響波の受信方法を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態における受信超音波の周波数スペクトラムを示す図。
【図８】本発明の第３の実施の形態における照射光の照射位置と音響波の受信位置を示した図。
【図９】本発明の第４の実施の形態におけるアプリケータの構成図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態における電気音響変換部の構成図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の変形例おけるアプリケータの構成図。
【図１２】本発明の第５の実施の形態におけるスリットを用いた照射方法を示す図。
【図１３】本発明の実施の形態における光音響イメージング法パルスエコー法の走査方法を示すタイムチャート。
【図１４】従来の光音響画像データの収集システムを示す図。
【図１５】本発明の第６の実施の形態における電気音響変換部の一部分の外観図。
【図１６】図１４の電気音響変換部の一部分の平面図。
【図１７】本発明の第７の実施の形態における電気音響変換部の構成図。
【図１８】本発明の第８の実施の形態における電気音響変換部の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の一つの局面は、人間の組織の中の検体濃度の分布を判定し、この分布を検査を受ける体の部位の形態学的画像上に重ね、より正確な診断を行う方法である。
【００３０】
本発明の一つの局面は、
ａ）超音波撮像素子と光音響照射及び検出素子をさらに備えた診断プローブを胸の組織に接触させる工程と、
ｂ）前記胸の組織をヘモグロビンの吸光スペクトルバンドにある波長を有する短い光パルスで照射し、光音響信号を生成する工程と、
ｃ）超音波振動子を使って前記光音響信号を検出し、胸の組織における新生血管の分布を判定する工程と、
ｄ）前記光音響信号の検出において使用する前記光音響検出振動子と位置合わせした超音波振動子を使って同時にまたは順に、前記人間の胸の組織の形態学の超音波画像を生成及び検出する工程と、
ｅ）前記光音響ヘモグロビン分布画像を前記超音波形態学画像に重ねて胸の異なる形態学的構造における血管の分布の合成画像を生成し、前記形態学的構造は目的の腫瘍である工程と、
ｆ）前記腫瘍上の前記新生血管の分布に基づいて診断の可能性を予測する工程とを含む、人間の乳がんを診断するための方法である。
【００３１】
本発明の方法と装置を使用して、人間の正常な組織と悪性の組織における化学療法物質の濃度を判定することができ、よって治療の潜在的効果を引き出すための方法を提供する。このようなクラスの治療物質は、光力学療法に使用するものがある。よって、より良い、そしてより正確な診断を助けるだけでなく、本発明の方法と装置は、治療への方向付けのために使用することもできる。
【００３２】
光の波長は、組織の水分や組織の色素によってあまり吸収されないで組織の中に十分に深く浸透できるものよりも、波長が長い可視近赤外線スペクトルの域のものである。好ましいスペクトル域は５３０ｎｍから１３００ｎｍの間である。
【００３３】
本発明の方法と装置に使用する光音響検出素子と超音波検出素子は共通である。これにより、二つの画像の間の位置合わせを最大限とし、二つの撮像方法の間の検出器と体の間の境界面の変化を最低限に抑えることができる。
【００３４】
超音波振動子は、圧電セラミクス、またはフッ化ポリビニルピロリドンのような高分子フィルムのような圧電素子である。好ましい材料はＰＺＮＴ（鉛・ジルコニウム・ニオブ・チタン）単結晶である。
【００３５】
本発明のもう一つの局面は、しこりや腫瘍のような組織の形態的特性においてヘモグロビンのような物質の濃度を判定し、人間の乳がんのような病気の診断を改善するための装置である。この装置は、
ａ）特定の波長成分を有する光を生成する光生成装置と、
ｂ）光生成装置によって生成された光を検査を受ける被検者に照射する照射装置と、
ｃ）光生成装置によって生成した光を照射装置に誘導する導波手段と、
ｄ）照射装置によって照射された光によって被検者内で生成された音波を、複数の電子音響変換素子の配列を使用することによって電気信号に変換するための第１の電子音響変換手段と、
ｅ）第１の電子音響変換手段によって得た信号に基づいて第１の画像データを生成するための第１の画像データ生成手段と、
ｆ）超音波を被検者に伝送する超音波伝送手段と、
ｇ）超音波伝送手段によって伝送され、被検者の体内で反射した超音波の成分を、複数の電子音響変換素子の配列を使って、電気信号に変換する第２の電子音響変換手段と、
ｈ）第２の電子音響変換手段によって得た信号に基づいて第２の画像データを生成するための第２の画像データ生成手段と、
ｉ）第１の画像データと第２の画像データを表示するための表示手段とを備えている。
【００３６】
この被検者情報撮像装置としての一般化された申請において、本発明の装置のいくつかの局面を次に示す８つの実施形態において説明する。
【００３７】
（第1の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について図１乃至図６を用いて説明する。
【００３８】
この第1の実施の形態で述べる生体情報映像装置は、乳癌の診断を目的とした生体内のヘモグロビン分布の画像化を可能とするものであり、その特徴は、電気音響変換部に配列して置かれた電気音響変換素子の間隙に光照射部の光ファイバ出力端を配置することによって光照射部と一体化した電気音響変換部を形成する。そして、生体内の同一部位に対してこの電気音響変換部を用いた光音響イメージング法および従来のパルスエコー法によって得られるそれぞれの画像データを合成表示することにある。
【００３９】
なお、以下では光音響イメージング法によって発生する音波を音響波と呼び、通常のパルスエコー法において送受信される音波を超音波と呼ぶ。
【００４０】
図１および図２を用いて第1の実施の形態における生体情報映像装置の構成を説明する。図１は第1の実施の形態における生体情報映像装置全体の概略構成を示すブロック図であり、図２は生体情報映像装置の画像データ生成部２のブロック図を示す。
【００４１】
この生体情報映像装置は、被検体７に所定波長の光を照射する光送信部１と、この光を被検体７に照射することによって得られる音響波に基づく光音響画像データと従来の超音波画像データを生成する画像データ生成部２と、この光音響画像データおよび超音波画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。
【００４２】
光送信部１は、波長の異なる複数の光源を備える光源部１１と、複数の波長の光を同一光軸上に合成する光合波部１２と、この光を被検体７の体表面まで導く多チャンネルの導波部１４と、この導波部１４において使用するチャンネルを切り換えて走査を行う光走査部１３と、導波部１４によって供給される光を被検体７に照射する光照射部１５とを備えている。
【００４３】
光源部１１は、異なる波長の光を発生する複数個の光源を有する。光源として、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）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いる。例えば、被検体７のヘモグロビン濃度を測定する場合には、固体レーザの一種である波長が約１０００ｎｍのNd：YAGレーザや、ガスレーザの一種である６３３ｎｍのHe-Neガスレーザを用い、１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅を有したレーザ光を形成する。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン、等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。
【００４４】
また、ＬＤやＬＥＤ等の小型発光素子を用いる場合には、発光波長が５５０〜６５０ｎｍ程度ではＩｎＧａＡlＰ、発光波長が６５０〜９００ｎｍ程度ではＧａＡlＡｓ、発光波長が９００〜２，３００ｎｍ程度ではＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰなどの材料を用いた素子を使用することができる。また最近では、波長が５５０ｎｍ以下で発光する ＩｎＧａＮを用いた発光素子も使用可能になりつつある。
【００４５】
更には、波長可変可能な非線形光学結晶を用いたＯＰＯ（Optical Parametrical Oscillators）レーザを用いることもできる。
【００４６】
光合波部１２は、複数個の光源から発生する波長の異なる光を同一光軸に重ね合わせるためのものであり、それぞれの光は、まずコリメートレンズによって平行光線に変換され、次に直角プリズムやダイクロイックプリズムにより、光軸が合わせられる。このような構成により比較的小型の合波光学系とすることができるが、光通信用に開発されている市販の多重波長合波・分波器を用いてもよい。また光源部１１に前述の波長が連続的に変更可能なＯＰＯレーザ等の発生源を使用する場合は、この光合波部１２は必ずしも必要ではない。
【００４７】
導波部１４は、光合波部１２から出力される光を被検体７まで導くためのものであり、効率のよい光伝搬を行うために光ファイバや薄膜光導波路を用いるが、直接空間伝搬することも可能である。本発明の第1の実施の形態において使用する導波部１４は、後述する複数の光ファイバ７１から構成されており、これらの複数の光ファイバ７１の中から所定の光ファイバ７１を選択して光の供給を行う。
【００４８】
光走査部１３は、導波部１４において配列される複数の光ファイバ７１を順次選択しながら光の供給を行うことによって被検体７に対して光による走査を行う。
【００４９】
光照射部１５は、導波部１４の出力端であり、後述する電気音響変換部２３と一体化されている。例えば、この光照射部１５における光ファイバ７１の出力端部は、電気音響変換部２３を構成する配列型の変換素子５４に隣接して配置される。
【００５０】
一方、生体情報映像装置の画像データ生成部２は、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部２３と、この電気音響変換部２３を選択駆動し、また電気音響変換部２３からの受信信号を選択受信すると共に、送受信信号に所定の遅延時間を与え、整相加算を行う送受信部２２と、電気音響変換部２３の選択動作や送受信部２２の遅延時間を制御する走査制御部２４と、被検体７の内部に放射する送信超音波の繰り返し周期を設定するためのレートパルスを出力するレート信号発生部２１と、送受信部２２から得られる受信信号に対して各種の処理を行う信号処理部２５とを備えている。
【００５１】
電気音響変換部２３は、１次元にＭ個配列される微小な変換素子５４をその先端部に有しており、被検体７の体表面に対してその先端部を接触させ音響波や超音波の送受信を行う。この変換素子５４は、送信時において電気的な駆動パルスを送信超音波に変換し、また受信時においては音響波や受信超音波を電気信号に変換する機能を有している。この電気音響変換部２３は、一般に超音波プローブとも呼ばれ、小型、軽量に構成されており、多チャンネルケーブルによって後述する送受信部２２に接続される。この電気音響変換部２３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診断部位に応じて選択されるが、本実施の形態ではリニア走査用の電気音響変換部２３を用いた場合について述べる。
【００５２】
送受信部２２は、図２に示すように、送信遅延回路５１と、パルサ５２と、電子スイッチ５３と、プリアンプ５５と、受信遅延回路５６と、加算器５７とを備えている。
【００５３】
送信遅延回路５１は、送信時における送信超音波の収束距離を設定するための遅延回路であり、電気音響変換部２３を構成するＭ個の変換素子５４のうちのＮ’個（Ｍ＞Ｎ’）の変換素子５４を駆動するタイミングをレート信号発生部２１から出力されるレートパルスに与え、パルサ５２に供給する。
【００５４】
また、パルサ５２は、Ｎ’個の変換素子５４を駆動するための高圧パルスを生成する駆動回路であり、送信遅延回路５１の出力信号をトリガ信号として、例えば、波高値が数百Ｖのインパルスを形成する。
【００５５】
電子スイッチ５３は、パルスエコー法の送信時において、電気音響変換部２３を構成するＭ個の変換素子５４の中から隣接するＮ’個の変換素子５４を選択する。また、光音響イメージング法の受信時においては、Ｍ個の変換素子５４から隣接するＮ個の変換素子５４を選択し、パルスエコー法の受信時においては、Ｎ’個の変換素子５４を選択する。そして、これらＮ個、Ｎ’個の変換素子５４によって得られるそれぞれの受信信号をプリアンプ５５に供給する。
【００５６】
一方、プリアンプ５５は、電子スイッチ５３によって選択されるＮ’個の変換素子５４によって受信される微小な受信信号を増幅し、十分なＳ／Ｎを確保する。
【００５７】
受信遅延回路５６は、電子スイッチ５３によって選択されるＮ個、あるいはＮ’（Ｍ＞Ｎ’、Ｍ＞Ｎ）の変換素子５４から得られる音響受信信号、あるいは超音波受信信号に対して、所定の部位からの音響波、あるいは受信超音波の位相を一致させて収束受信ビーム形成するための遅延時間を与える。
【００５８】
加算器５７は、Ｎ’チャンネルの超音波受信信号、あるいはＮチャンネルの音響受信信号を加算することによって１つの受信信号に纏める。このＮ’チャンネル、あるいはＮチャンネルの加算によって所定の深さからの受信信号は整相加算され、受信収束点が設定される。
【００５９】
レート信号発生部２１は、所定の繰り返し周波数によって行う超音波パルスの送信タイミングを設定するためのクロックパルスを発生する。この繰り返し周波数は、画像の視野深度に依存するが本実施の形態では４ＫＨｚ〜８ＫＨｚに設定される。
【００６０】
走査制御部２４は変換素子選択制御回路６８とビーム集束制御回路６７を備え、変換素子選択制御回路６８は電子スイッチ５３によって選択される送信時のＮ’個の変換素子５４および受信時のＮ個あるいはＮ’個の変換素子５４の位置情報を電子スイッチ５３に供給する。一方、ビーム集束制御回路６７は、上記Ｎ個の変換素子５４およびＮ’個の変換素子５４が形成する送信収束点および受信収束点を形成するための遅延時間情報を送信遅延回路５１および受信遅延回路５６に供給する。
【００６１】
信号処理部２５は、フィルタ６６と、対数変換器５８と、包絡線検波器５９と、Ａ／Ｄ変換器６０と画像データメモリＡ６１および画像データメモリＢ６２とを備えている。送受信部２２の加算器５７の出力は、信号処理部２５のフィルタ６６において不要なノイズを除去した後、対数変換器５８にて受信信号の振幅を対数変換し、弱い信号を相対的に強調する。一般に、被検体７からの受信信号は、８０ｄＢ以上の広いダイナミックレンジをもった振幅を有しており、これを２３ｄＢ程度のダイナミックレンジをもつ通常のＣＲＴモニタに表示するためには弱い信号を強調する振幅圧縮が必要となる。
【００６２】
なお、フィルタ６６は、帯域通過特性を有し、受信信号における基本波を抽出するモードと高調波成分を抽出するモードを有している。包絡線検波器５９は、対数変換された受信信号に対して包絡線検波を行い、Ａ／Ｄ変換器６０は、この包絡線検波器５９の出力信号をＡ／Ｄ変換し画像データを形成する。
【００６３】
なお、この画像データとは、光音響イメージング法によって被検体７に光を入射させた場合に得られる音響受信信号に基づいて生成される画像データ（以下、光音響画像データ）と、通常のパルスエコー法において広く行われているように、被検体７に送信超音波を送信した場合に反射波として得られる超音波受信信号に基づいて生成される画像データ（以下、超音波画像データ）をいう。画像データメモリＡ６１は、前者の光音響画像データを保存する記憶回路であり、画像データメモリＢ６２は、後者の超音波画像データを保存する記憶回路である。
【００６４】
表示部６は、表示用画像メモリ６３と変換器６４とＣＲＴモニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、ＣＲＴモニタ６５に表示する画像データを一時的に保存するバッファメモリであり、画像データメモリＡ６１に保存される光音響画像データと画像データメモリＢ６２に保存される超音波画像データは、この表示用画像メモリ６３において合成される。変換器６４は、表示用画像メモリ６３から読み出された合成画像データに対してＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換を行い、その出力はＣＲＴモニタ６５において表示される。
【００６５】
操作部５は、操作パネル上にキーボード、トラックボール、マウス等を備え、装置操作者が患者情報や装置の撮影条件など必要な情報を入力するために用いられる。
【００６６】
システム制御部４は、図示しないＣＰＵと図示しない記憶回路を備え、操作部５からのコマンド信号に従って光送信部１、画像データ生成部２、表示部６などの各ユニットの制御やシステム全体の制御を統括して行う。特に、内部のＣＰＵには、操作部５を介して送られる操作者の入力コマンド信号が保存される。
【００６７】
次に、光照射部１５と電気音響変換部２３を一体化したアプリケータ７０について図３および図４を用いて説明する。図３（ａ）は導波部１４を構成する光ファイバ７１と電気音響変換部２３を構成する変換素子５４の配列方法の具体例を示したものであり、長さｓ、厚みｔ、幅ａを有するＭ本の変換素子５４−１〜５４−Ｍが配列間隔ｄで１次元に配列されている。一方、光ファイバ７１は、この変換素子５４の配列隙間内で、且つ長さ方向の中心付近において変換素子５４の配列方向と同一方向に配列されている。
【００６８】
図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面におけるアプリケータ７０の断面図を示す。すなわち、被検体７の体表面に直接接触し、照射光および送信超音波の照射と音響波および受信超音波の受信を行うアプリケータ７０は、光照射用の光ファイバ７１と、音響信号の受信および超音波の送受信を行う変換素子５４とを備えている。そして、この変換素子５４の第1の面（上面）および第２の面（下面）には、駆動信号の供給や、受信信号取り出しのための電極７３−１、７３−２がそれぞれ装着され、この電極７３−１は支持台７２に固定されている。また、他の電極７３−２には、超音波の送受信を効率良く行うための音響マッチング層７４が設けられ、更に、その表面は保護膜７５によって覆われている。なお、図３（ａ）では支持台７２、音響マッチング層７４および保護膜７５は省略されている。
【００６９】
図４は前記アプリケータ７０の外観図であり、このアプリケータ７０の左面に配置される電気音響変換部２３と光照射部１５は、被検体７の表面に接触し、照射光の照射と音響波の受信および超音波の送受信が行われる。一方、光照射部１５に繋がる光ファイバ７１と変換素子５４の電極７３に接続される同軸ケーブル７７は被覆７６によって纏められ、この光ファイバ７１の他の端部は光走査部１３に、また同軸ケーブル７７の他の端部は画像データ収集部２の送受信部２２に接続されている。
【００７０】
次に本発明の第1の実施の形態における光音響画像データの生成手順について図１乃至図６を用いて説明する。但し、図５はアプリケータ７０における照射光の照射方法を、また図６は同じアプリケータ７０における音響波の受信方法を示す図であり、この図においても支持台７２、音響マッチング層７４および保護膜７５は省略されている。
【００７１】
操作者は、光音響イメージング法およびパルスエコー法における必要な画像撮影条件を操作部５において設定する。画像撮影条件として、フレーム数、視野深度、レート周波数、画像表示方法の他にアプリケータ７０の各種仕様などがある。更に、操作者は、光音響イメージングに用いる光波長など光源に関する諸条件の設定についても同時に行い、設定されたこれらの撮影条件をシステム制御部４の図示しない記憶回路に保存する。
【００７２】
上記の各種撮影条件の設定が終了したならば、操作者は、アプリケータ７０を被検体７の所定の位置に設置した後、光音響イメージングにおける光音響画像データの収集開始コマンドを操作部５より入力する。
【００７３】
この光音響画像データの収集開始コマンドを受けたシステム制御部４は、内部の記憶回路から光源に関する設定条件を読み出し、この設定条件に従って光源部１１より、例えばNd・YAGレーザを選択して１０００ｎｍの波長を有する単色光を発生する。光源部１１で発生した単色光は、光合波部１２を介して光走査部１３に送られ、光走査部１３は、図５に示すように配列された複数本の光ファイバ７１（７１−１〜７１−Ｍ−１）の中の、例えば光ファイバ７１−３を選択して上記単色光を供給する。選択された光ファイバ７１−３は、この光をアプリケータ７０の光照射部１５まで導き、その先端部より被検体７に照射する。この場合、光ファイバ７１−３から照射された単色光は、図５の矢印で示すように、アプリケータ７０の被検体接触面に対してほぼ垂直の方向に照射される。
【００７４】
被検体７の血液中のヘモグロビンは、照射された単色光のエネルギーを吸収して温度上昇を引き起こし、この温度上昇に起因する圧力変化によって音響波を発生する。このとき発生する音響波は、１００ＫＨｚ〜２ＭＨｚの広帯域スペクトル成分を有するパルス波である。
【００７５】
なお、光音響効果では、計測しようとする物質によって照射する光の波長が決定され、この波長による照射の結果得られる音響波の大きさから、その成分量を定量化することが可能となる。すなわち、上記Nd・YAGレーザにより１０００ｎｍの波長を有する単色光を被検体７に照射することによって、照射部位におけるヘモグロビンの量を定量的に計測することができる。
【００７６】
この被検体７への光の照射に引き続いて音響波の受信を行う。例えば、図６に示すようなアプリケータ７０の被検体接触面から距離Ｌの部位の血管領域において発生する音響波に対して、システム制御部４は、その記憶回路に予め保存されている走査情報の中の変換素子５４の選択情報を走査制御部２４の変換素子選択制御回路６８に供給し、また受信時の焦点距離設定に関する遅延時間情報を同じ走査制御部２４のビーム収束制御回路６７に供給する。
【００７７】
電子スイッチ５３は、変換素子選択制御回路６８の制御信号に基づいて、アプリケータ７０のＭ個の変換素子５４−１〜５４−Ｍの中から隣接するＮ本（Ｎ＝６）の変換素子５４−１〜５４−６を選択する。一方、受信遅延回路５６は、ビーム収束制御回路６７の制御信号に基づいて、これらの変換素子５４によって得られた受信信号に対して受信焦点距離をＬに設定するための遅延時間を与える。すなわち、変換素子選択制御回路６８は、システム制御部４から供給される変換素子５４の選択情報に基づいて、電子スイッチ５３−１〜５３−Ｎ（Ｎ＝６）をＯＮ状態にし、光照射時に選択して用いた光ファイバ７１−３を中心として変換素子５４−１〜５４−６を受信用の変換素子５４として選択する。被検体７の内部で発生した音響波は、変換素子５４−１〜５４−６で電気信号に変換された後、電子スイッチ５３を介してプリアンプ５５に供給され、所定の振幅に増幅されて受信遅延回路５６に入力される。
【００７８】
Ｎチャンネルから構成される受信遅延回路５６において、ｎ番目の受信遅延回路５６は、変換素子５４−ｎによって得られる受信信号に対して次式で示す遅延時間τ（ｎ）を与える。
【００７９】
τ（ｎ）＝ｄ２（Ｎ−１）２−（２ｎ−Ｎ−１）２／８ＣＦo ・・・（１）
但し、ｄは変換素子５４の配列間隔、Ｃは被検体７の音響波伝播速度（約１５００ｍ／ｓｅｃ）、Ｆoは受信焦点距離であり、Ｆo＝Ｌに設定すれば変換素子５４−１〜５４−６によって得られる受信信号に対して上記の遅延時間が与えられた後加算器５７において加算することにより、距離Ｌにおいて発生した音響波の位相を一致させて加算合成することできる。
【００８０】
本実施の形態によれば、光が被検体７に照射されてから音響波が変換素子５４によって受信されるまでの時間は距離Ｌの大きさに比例する。従って、音響波の受信において上記（１）式における受信焦点距離Ｆｏの値を時間的に増加させる、いわゆるダイナミック収束法が適用でき、光ファイバ７１−３の照射によって発生する音響波は、深さ（距離）によらず、常に収束状態で受信されるため、これらの受信信号から良好な感度と空間分解能を有した光音響画像データを生成することが可能となる。
【００８１】
加算器５７において合成された変換素子５４−１〜５４−６の受信信号は、信号処理部２５のフィルタ６６においてノイズ成分が除去された後、対数変換器５８および包絡線検波５９において振幅圧縮と検波がなされ、更にＡ／Ｄ変換器６０にてデジタル信号に変換されて、光音響画像データ用の画像データメモリＡ６１に保存される。
【００８２】
上記の手順によって光音響イメージングにおける第１の走査が終了したならば、
光ファイバ７１−４を使用して第２の走査を行う。システム制御部４の制御信号に従い、光走査部１３は、光ファイバ７１（７１−１〜７１−Ｍ−１）の中の光ファイバ７１−４を選択し、光源部１１の単色光をアプリケータ７０の光照射部１５より被検体７に照射する。
【００８３】
光ファイバ７１−４による光の照射によって被検体７の内部で発生する新たな音響波に対して、変換素子選択制御回路６８は、システム制御部４から供給される変換素子５４の選択情報に基づいて、電子スイッチ５３−２〜５３−７をＯＮ状態にし、光の照射時に選択して用いた光ファイバ７１−４を中心として変換素子５４−２〜５４−７を受信用の変換素子５４として選択する。このとき、変換素子５４−２〜５４−６は、第１の走査と同様に電子スイッチ５３−２〜５３−６を介してプリアンプ５５−２〜５５−６、更には受信遅延回路５６−２〜５６−６に接続されるが、変換素子５４−７は、電子スイッチ５３−７を介してプリアンプ５５−１、更には受信遅延回路５６−１に接続される。
【００８４】
この場合、変換素子５４−２〜５４−６の受信信号が供給される受信遅延回路５６−２〜５６−６を＃１〜＃５、また変換素子５４−７の受信信号が供給される受信遅延回路５６−１を＃６とすると、＃ｎの受信遅延回路５６に供給される変換素子５４の受信信号に対して前式（１）で示す遅延時間が与えられ、加算器５７において加算合成される。なお、この場合も第１の走査と同様にダイナミック収束法を適用し、被検体７の内部で発生する音響波を深さによらずに常に収束状態で受信することができる。加算器５７において合成された変換素子５４−２〜５４−７の受信信号は、フィルタ６６、対数変換器５８および包絡線検波５９においてノイズ除去や振幅圧縮更には包絡線検波がなされ、更にＡ／Ｄ変換器６０にてデジタル信号に変換されて、画像データメモリＡ６１に保存される。
【００８５】
以下同様にして、システム制御部４は、光走査部１３において光ファイバ７１−５、光ファイバ７１−６・・・光ファイバ７１−Ｍ−３を選択して被検体７に光を照射し、このとき新たに発生する音響波を電子スイッチ５３により変換素子５４−３〜５４−８、変換素子５４−４〜５４−９・・変換素子５４−Ｍ−５〜５４−Ｍを選択して受信する。そして各々６チャンネルの受信信号は、プリアンプ５５、受信遅延回路５６、フィルタ６６、対数変換器５８、包絡線検波５９、更にはＡ／Ｄ変換器６０を介して光音響画像データとして画像データメモリＡ６１に順次保存され、１枚分の画像データの収集を終了する。
【００８６】
以上の手順により、光音響イメージング法による光音響画像データの収集が終了したならば、この光音響画像データと同時表示するパルスエコー法による超音波画像データの収集に移行する。装置の操作者は、上記の光音響画像データの収集が終了したことを確認したならば、操作部５よりパルスエコー法による超音波画像データ収集の開始コマンドを入力する。
【００８７】
システム制御部４からパルスエコー法の第１走査の指示信号を受けた走査制御部２４のビーム収束制御回路６７は、送信超音波および受信超音波の収束点の設定に関するデータを送信用遅延回路５１および受信用遅延回路５６に送り、遅延時間の設定を行う。一方、走査制御回部２４の変換素子選択制御回路６８は、電子スイッチ５３に対し、この第１の走査において選択して使用する電気音響変換部２３の変換素子５４に関するデータを供給し、所定のチャンネルをＯＮ状態に設定する。
【００８８】
これらの設定が終了すると同時にレート信号発生部２１から最初の超音波パルスの送信タイミングを決定するパルスがＮ’チャンネルで構成される送信遅延回路５１に送られ、ここで送信超音波の収束距離を決定する遅延時間τｆが与えられた後、パルサ５２に供給される。ここでｎ’（ｎ’＝１〜Ｎ’）番目の遅延回路における遅延時間τｆ（ｎ）は、次のように設定される。
【００８９】
τｆ（ｎ’）＝ｄ２{(Ｎ’−１)２ー(２ｎ’−Ｎ’−１)２}/８ＣＦ０・・・（２）但し、ｄは変換素子５４の配列間隔、Ｃは被検体７の音響波伝播速度、Ｆｏは送信集束点である。
【００９０】
（２）式の送信遅延時間が与えられたレート信号発生部２１の出力は、パルサ５２に供給され、変換素子５４を駆動して被検体７に超音波を放射するための駆動パルスが形成される。パルサ５２の出力、すなわち変換素子５４の駆動信号は、電子スイッチ５３を介してＭ個配列された変換素子５４のうちのＮ’個の変換素子５４−１〜５４−Ｎ’を選択駆動して送信超音波を被検体７に放射する。
【００９１】
被検体７の内部に放射された超音波の一部は、臓器の境界面あるいは生体組織の音響散乱体にて反射し、受信超音波として再び変換素子５４によって受信され、電気信号に変換される。電子スイッチ５３は、変換素子５４−１〜５４−Ｎ’によって得られる超音波受信信号を選択し、これらのＮ’チャンネルの受信信号は、それぞれプリアンプ５５を介して受信遅延回路５６に送られ、受信超音波のビーム収束に必要な遅延時間が与えられた後、加算器５７に供給される。この加算器５７においてＮ’チャンネルの超音波受信信号は、加算合成され、更にフィルタ６６、対数変換器５８、包絡線検波器５９においてノイズ除去や対数圧縮、更には包絡線検波が行われた後、Ａ／Ｄ変換され、画像データメモリＢ６２に第１の走査における画像データとして保存される。なお、受信時においては、ダイナミック収束法を適用することが好適であるが、その方法は、既に述べた光音響イメージング法の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００９２】
以上述べた第１の走査と同様な手順を繰り返すことによって第２以降の走査を行う。すなわち、第２の走査では、電子スイッチ５３によって変換素子５４−２〜５４−Ｎ’＋１を選択し、また、第３の走査では、変換素子５４−３〜５４−Ｎ’＋２を選択して超音波の送受信を行い、このような動作は、変換素子５４−Ｍ−Ｎ＋１〜５４−Ｍが選択駆動されるまで繰り返される。また、送信遅延回路５１や受信遅延回路５６によって送信超音波ビームおよび受信超音波ビームの収束が行われるが、その遅延時間の設定方法についても光音響イメージング法の場合とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００９３】
以上述べた手順により、パルスエコー法によって得られる１枚分の画像データは、信号処理部２５の画像データメモリＢ６２に保存される。システム制御部４は、光音響画像データおよび超音波画像データの収集が終了したならば、光音響画像データと超音波画像データを画像データメモリＡ６１および画像データメモリＢ６２から読み出し、表示用画像メモリ６３にて合成して一旦保存する。更に合成した画像データを変換回路６４に供給してＤ／Ａ変換とＴＶフォーマット変換を行った後、ＣＲＴモニタ６５において表示する。
【００９４】
このようにして光音響画像データと超音波画像データの収集を繰り返して行い、このとき得られる夫々の画像データを合成してＣＲＴモニタ６５に表示することによって、この合成画像を操作者は、リアルタイムで観測することが可能となる。
【００９５】
なお、上記表示用画像メモリ６３において光音響画像データと超音波画像データを合成してＣＲＴモニタ６５にて表示する場合、それぞれの画像データを重畳して表示することによって光音響画像による音響波発生源の把握が容易となる。この場合、例えば白黒の超音波画像に赤色の光音響画像を重畳表示するなど、両者を色によって識別して表示する方法が好適である。
【００９６】
以上述べた第１の実施の形態によれば、光音響画像と超音波画像が同一の変換素子５４を用いて収集できるため、それぞれの画像を精度よく重畳表示することが可能となる。特に、光音響画像の生成においては、多くの変換素子５４から得られる音響受信信号の位相を合わせて加算する、いわゆる整相加算方式を行っているため、例え、被検体７に照射された光が散乱あるいは拡散しても音響波の発生源を正確に捉えることが可能となる。
【００９７】
なお、上記の第1の実施の形態の説明において、光音響イメージングの音響受信信号の収集に使用した変換素子数は、説明の都合上６としたが、これに限定されない。また、パルスエコー法に使用した送信用変換素子数と受信用変換素子数は、いずれもＮ’としたが、夫々異なる変換素子数によって送受信を行ってもよい。
【００９８】
また、この実施の形態の説明においては、光音響画像データの収集後に超音波画像データの収集を行ったが、これらの画像データの収集順序については限定されない。また、光音響画像データと超音波画像データをそれぞれ複数枚収集して前者を画像データメモリＡ６１に、また後者を画像データメモリＢ６２に一旦保存し、この画像データメモリＡ６１および画像データメモリＢ６２から所望の画像を選択して表示用画像メモリ６３において合成してもよい。
【００９９】
一方、光音響画像データを収集する場合、1つの物質に対して複数の波長の光を用いて、その成分量を求めてもよい。例えば、ヘモグロビンの成分量を計測する場合、前述の通り生体内のヘモグロビンは６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収するが、６００ｎｍ近傍では酸化ヘモグロビンに比べ還元ヘモグロビンの吸収が相対的に大きく、１０００ｎｍ近傍では還元ヘモグロビンに比べ酸化ヘモグロビンの吸収が大きい。この様な吸収特性の違いを利用する事により、生体内中の酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンを分離して定量化したり、総ヘモグロビン量を求めることができる。上記の１０００ｎｍのNd：YAGレーザや、６３３ｎｍのHe-Neガスレーザを用い、それぞれの波長によって得られる計測結果を異なる色で識別して表示してもよい。この場合、光音響画像は超音波画像と重畳表示してもよいが、並べて表示することも可能である。
【０１００】
また、同じ被検体７の部位に対して、コレステロールやグルコースなど、ヘモグロビン以外の物質についても最適な波長の単色光を用いて同様な手順で計測を行ない、その計測結果とヘモグロビンの計測結果を異なる色で識別して表示してもよい。この場合も光音響画像は超音波画像と重畳表示してもよいが、並べて表示することも可能であり、その表示方法は限定されない。
【０１０１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、超音波画像データをハーモニックイメージング法によって収集する場合につき図７を用いて説明する。なお、本実施の形態における光音響画像データの収集方法およびパルスエコー法における超音波の送信方法は、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
【０１０２】
光音響イメージング法における音響波の周波数スペクトラムは、１ＭＨｚを中心周波数として２００ＫＨｚ〜２ＭＨｚの範囲に分布しており、従って、電気音響変換部２３の変換素子５４は、この周波数成分に対応した特性を有するものを用いる必要があるが、これは通常のパルスエコー法の中心周波数（ｆｏ：例えば３．５ＭＨｚ）と比較すると低い。
【０１０３】
第１の実施の形態では、光音響画像データと超音波画像データの収集を同一の変換素子５４を用いて行うため、従来のパルスエコー法を適用して得られる超音波画像において空間分解能の劣化を招くことになる。
【０１０４】
このような問題点を改善するために、ハーモニックイメージング法を適用した超音波画像データの収集について説明する。ハーモニックイメージング法とは、被検体７の組織において生ずる超音波非線形現象を有効に利用したイメージング法であり、例えば、中心周波数がｆｏの超音波パルスを被検体７に放射した場合、被検体組織の非線型現象によって、例えば２倍の高調波成分（２ｆｏ）が新たに発生し、この高調波成分は、基本波成分（ｆｏ）とともに変換素子５４によって受信される。この高調波成分の発生は、被検体７の組織性状や反射部位までの伝搬距離、あるいは反射部位における超音波強度に依存する。
【０１０５】
超音波画像データの収集において、被検体７に放射された送信超音波の一部は、音響インピーダンスの異なる被検体７の臓器の境界面あるいは組織にて反射する。これらの超音波は、組織の非線型特性により、中心周波数が２ｆｏの超音波パルスが新たに発生する。従って、被検体７の組織内にて反射して変換素子５４に戻る受信超音波は、送信時の中心周波数ｆｏの超音波パルス（基本波成分）と中心周波数が２ｆｏの超音波パルス（高調波成分）が混在したものとなる。
【０１０６】
このときの受信超音波の周波数スペクトラムを図７に示す。図７（ａ）は被検体７に送信される送信超音波の周波数スペクトラムであり、ｆｏを中心に分布している。これに対して図７（ｂ）に示した被検体７からの受信超音波の周波数スペクトラムは、ｆｏを中心に分布する基本波成分と、２ｆｏを中心に分布する高調波成分とで構成され、一般に、高調波成分は、基本波成分に対して約２０ｄＢ小さい。因みに、この高調波の発生原因は超音波パルスの被検体組織内の伝播速度が超音波の音圧に依存するためであり、この性質のために受信信号に波形歪が生じ、高調波成分が発生することが知られている。
【０１０７】
被検体７からの受信超音波は、変換素子５４において超音波から電気信号（超音波受信信号）に変換され、この超音波受信信号は、送受信部２２を介して信号処理部２５のフィルタ６６に送られる。このフィルタ６６は、図７（ｃ）に示すような２ｆｏを中心とした帯域通過特性と図示しないｆｏを中心とした帯域通過特性を有している。ハーモニックイメージング法においては、このフィルタ６６によって第２高調波成分が抽出され、その出力は、対数変換器５８、包絡線検波器５９、Ａ／Ｄ変換器６０を介して、画像データメモリＢ６２に保存される。一方、光音響イメージング法においては、第１の実施の形態と同様にフィルタ６６によって基本波成分が抽出され、その出力は対数変換器５８、包絡線検波器５９、Ａ／Ｄ変換器６０を介して、画像データメモリＢ６２に保存される。
【０１０８】
次いで、システム制御部４は、画像データメモリＢ６２に保存された超音波画像データと、画像データメモリＡ６１に保存されている光音響画像データを読み出し、表示用画像メモリ６３において合成した後、変換回路６４を介してＣＲＴモニタ６５に表示する。
【０１０９】
この第２の実施の形態によれば、超音波画像データは、第１の実施の形態と比較して２倍の周波数成分によって生成される。従って、光音響画像データと超音波画像データを同一の変換素子５４を用いて収集する場合においても解像度の優れた超音波画像に光音響画像を重畳して表示することが可能となり、更に、これらの画像データの収集と表示を同時に行うこともできるため操作性に優れた装置の提供が可能となる。
【０１１０】
なお、上記の本実施の形態の説明においては、第２高調波成分を用いたハーモニックイメージング法について述べたが、これに限定されるものではなく、第３次以上の高調波成分を用いて超音波画像データの生成を行ってもよい。
【０１１１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態として、光音響イメージングにおける簡易化した受信方法について図８を用いて説明する。なお、本実施の形態における超音波画像データの収集方法および光音響イメージング法の光照射方法は、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
【０１１２】
図８は第３の実施の形態における照射光の照射位置と音響波の受信位置を示した図であり、例えば、この図に示すように光ファイバ７１−１を用いて光を被検体７に照射した場合、照射光は細い幅を維持したまま直進するため、強い指向性を有している。従って、音響波を受信する際の整相加算処理を行わなくても光音響画像の生成は可能となる。
【０１１３】
光音響イメージングの第１の走査において、光ファイバ７１−１からの照射光によって被検体７の血液中のヘモグロビンは、照射された光のエネルギーを吸収して音響波を発生する。この音響波の受信に際して、システム制御部４は、その記憶回路に予め保存されている走査情報の中の変換素子５４の選択情報を走査制御部２４の変換素子選択制御回路６８に供給する。
【０１１４】
変換素子選択制御回路６８は、システム制御部４から供給される変換素子５４の選択情報に基づいて、電子スイッチ５３−１〜５３−２をＯＮ状態にし、光の照射時に選択して用いた光ファイバ７１−１の両側に位置する変換素子５４−１〜５４−２を受信用変換素子として選択する。被検体７の内部で発生した音響波は、変換素子５４−１〜５４−６で電気信号に変換された後、電子スイッチ５３を介してプリアンプ５５に供給され、所定の振幅に増幅されて受信遅延回路５６に入力する。この受信遅延回路５６は、同時表示される超音波画像データの収集のために備えられており、この光音響画像データ収集においては使用されない。すなわち、変換素子５４−１および５４−２によって得られる信号は、この受信遅延回路５６をそのまま通過し、加算器５７にて合成される。
【０１１５】
加算器５７において合成された変換素子５４−１〜５４−２の音響受信信号は、信号処理部２５のフィルタ６６においてノイズ成分が除去された後、対数変換器５８および包絡線検波５９において振幅圧縮と検波がなされ、更に、Ａ／Ｄ変換器６０にてデジタル信号に変換されて、光音響画像データ用の画像データメモリＡ６１に保存される。
【０１１６】
次いで行われる第２の走査では、光ファイバ７１−２によって光の照射が行われ、変換素子５４−２〜５４−３を用いて音響波の受信が行われる。そしてこのとき得られた音響画像データも第１の走査と同様に画像データメモリＡ６１に保存される。以上のような動作は光ファイバ７１−Ｍ−１と変換素子５４−Ｍ−１〜５４−Ｍを用いた画像データの収集まで繰り返して行われ、このとき得られる１枚分の光音響画像データは画像データメモリＡ６１に保存される。
【０１１７】
次に、画像データメモリＡ６１に保存された光音響画像データと、後続して行われるパルスエコー法によって収集され、画像データメモリＢ６２に保存される超音波画像データは、表示用画像メモリ６３において合成された後、変換回路６４を介してＣＲＴモニタ６５に表示される。
【０１１８】
この第３の実施の形態によれば、受信に用いる振動子数を大幅に低減することが出来るため、端部の光ファイバ７１を有効に使用することができ、従って広い画像幅（視野幅）を得ることが可能となる。
【０１１９】
なお、上記の第３の実施の形態の説明では、音響波の受信に使用する変換素子数を２としたが、これに限定されない。
【０１２０】
（第４の実施の形態）
既に述べた第１乃至第３の実施の形態では、光ファイバ７１と変換素子５４を同一方向に複数個配列する際、図３において示したように変換素子５４の間隙に光ファイバ７１を配置した。この場合、各々の変換素子５４では、その間隙に光ファイバ７１が挿入されたことによって隣接の変換素子５４との間で音響的なカップリングが発生して独立な素子としての機能を低下させる。すなわち、この音響的なカップリングが原因となって、光音響画像および超音波画像のいずれにおいても画質劣化を招く可能性がある。
【０１２１】
この第４の実施の形態では、光ファイバ７１と変換素子５４をアプリケータ７０において一体化する場合に、変換素子５４の性能を劣化させること無く光ファイバ７１を配置する方法について図９乃至図１１を用いて説明する。
【０１２２】
図９に本実施の形態に用いられるアプリケータ７０の構成を示す。このアプリケータ７０は、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態において用いたアプリケータ７０と同様に、光ファイバ７１の出力端である光照射部１５と、変換素子５４を備える電気音響変換部２３が一体化されているが、光照射部１５から照射した光は、電気音響変換部２３を透過して被検体７に照射されるように構成されている。すなわち、電気音響変換部２３は、光の透過が可能な材料によって構成される。
【０１２３】
このような電気音響変換部２３を構成する各々の材料につき図１０を用いて説明する。但し、図１０は第４の実施の形態において使用されるアプリケータ７０の構成を示している。電気音響変換部２３の変換素子５４は、透明な圧電材料であるＰＺＮＴ単結晶ウェハを所定の厚さｔに研磨した後、この単結晶板をダイシングソーによってピッチｄでアレイ状に切断し、この切断によって生じる幅ｂの間隙は光学的に透明な樹脂８０を充填して硬化する。
【０１２４】
次に、１次元に配列された単結晶の第１の面には、夫々独立した電極７３−１を、また第２の面には電極７３−２をスパッタにより形成する。
【０１２５】
更に、電極７３−２が装着された面には、音響的な音響マッチング層７４と保護膜７５を積層する。但し、音響マッチング層７４や保護膜７５にも光学的に透明な樹脂を使用する。また電極７３の材料には、例えば、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等に用いられているＩＴＯ（indium-tin-oxide）、Ｉｎ２Ｏ３（Ｓｎ）等の透明導電性物質を用いる。このように透明導電性物質を電極７３に用い、音響マッチング層７４や保護膜７５、更に変換素子５４の間隙に充填した樹脂８０に光学的に透明な樹脂を用い、変換素子５４にも透明な圧電単結晶を使用する。これらの材料を更に透明な樹脂からなる支持台７２に固定して構成した電気音響変換部２３は、光学的に透明に構成することが可能となり、光照射部１５より照射した光は、電気音響変換部２３を透過して被検体７に照射することが可能となる。
【０１２６】
なお第１乃至第３の実施の形態において、光ファイバ７１の配列間隔は、変換素子５４の配列間隔によって決定されたが、この第４の実施の形態においては、このような制約が無いため、図１１に示すように、高密度に配列することが可能となる。光ファイバ７１の配列間隔は、光音響イメージングにおける走査間隔を決定しており、従って、本実施の形態によれば、走査密度の高い光音響画像を得ることが可能となる。特に、第３の実施の形態のように照射光の指向性によって画像の空間分解能が決定される場合には、光の高密度走査により画質を改善することができる。
【０１２７】
以上述べた第４の実施の形態によれば、光学的に透明な電気音響変換部２３を用いることによって光照射部１５をこの電気音響変換部２３の後方に配置することが可能となる。従って、変換素子５４における音響的カップリングを低減することができるため、良好な光音響画像およびパルスエコー画像が得られる。
【０１２８】
更に、この方法によれば、光ファイバ７１を高密度に配置することができるため光音響画像の空間分解能を向上させることが可能となる。
【０１２９】
（第５の実施の形態）
上記の第1乃至第４の実施の形態において、光走査部１３は、複数配列された光ファイバ７１を順次選択することによって、被検体７における照射位置の移動を行ったが、この方法によれば、導波部１４における多くの光ファイバ７１とこれらを選択する光走査部１３が必要となり、装置を複雑にする。
【０１３０】
本実施の形態は、このような照射光の形成における問題点の改善を目的に行われるものであり、光音響イメージング法における照射光は、広範囲でほぼ一様な特性を有し、光音響画像の空間分解能は変換素子５４における音響波の収束によって決定される。なお、本実施の形態における音響波の受信方法については、第１の実施の形態と同様である。
【０１３１】
以下に、本発明の第５の実施の形態における照射光の形成方法の概要を図１２を用いて説明する。この図１２（ａ）はこの実施の形態において新たに用いられるスリット板７８と変換素子５４の位置関係を、また図１２（ｂ）は本実施の形態におけるアプリケータ７０の概略構成を示す図であり、電気音響変換部２３は第４の実施の形態において述べたものと同様に光学的に透明な構成となっている。
【０１３２】
この実施の形態では、図１２（ａ）に示すように、変換素子５４の配列面に平行にスリット板７８が配置される。このスリット板７８のほぼ中央には、変換素子５４の配列方向にスリットが開けられており、このスリットを通過した光は、変換素子５４の配列方向に対して広いビーム幅を有し、一方、この配列方向と直角なスライス方向においては細いビーム幅を有する。
【０１３３】
図１２（ｂ）に示した本実施の形態におけるアプリケータ７０は、前記スリット板７８の他に、光照射部１５から出力された拡散光を進行方向に対して平行ビームに形成するレンズ７９を備えている。光照射部１５に供給される光は、光源部１１あるいは光合波部１２から導波部１４によって直接導くことが可能であり、光走査部１３は不要となる。この場合の導波部１４は、光ファイバ７１に限定されず、十分なパワーが得られるものであれば１チャンネルでもよい。
【０１３４】
次に本実施の形態における光音響画像データの収集手順を図２、図６および図１２を用いて説明する。
【０１３５】
操作者は、光音響イメージング法およびパルスエコー法における必要な画像撮影条件を操作部５において設定する。更に、操作者は、計測に使用される光波長など光源に関する諸条件の設定についても同時に行い、システム制御部４は、図示しない内部の記憶回路にこれらの撮影条件を保存する。上記の各種撮影条件の設定が終了したならば、操作者は、アプリケータ７０を被検体７の所定の位置に設置した後、光音響画像データ収集の開始コマンドを操作部５より入力する。
【０１３６】
光音響画像データの収集開始コマンドを受けたシステム制御部４は、記憶回路から光源に関する設定条件を読み出し、この設定条件に従って光源部１１における、例えばNd・YAGレーザを選択して１０００ｎｍの波長を有する単色光を発生させる。光源部１１で発生した単色光は、例えば光ファイバ７１で構成される導波部１４によってアプリケータ７０の光照射部１５まで導かれ、その先端部より拡散して照射される。この拡散光は、レンズ７９によって平行ビームに変換され、スリット板７８のスリットに供給される。スリット板７８のスリットを通過した光の配列方向のビーム幅とスライス方向のビーム幅は、スリットのそれぞれの方向における開口幅によって設定される。
【０１３７】
このスリットによってスライス方向のビーム幅が狭められた光は、光学的に透明な電気音響変換部２３を透過して図１２（ｂ）に示した被検体７の光ビーム照射範囲に照射される。被検体７の血液中のヘモグロビンは、この照射光を吸収して音響波を発生する。
【０１３８】
図６において、アプリケータ７０の被検体接触面から距離Ｌの部位の血管領域で発生する音響波に対して、アプリケータ７０内の電気音響変換部２３は、Ｍ個の変換素子５４−１〜５４−Ｍの中から５４−１〜５４−Ｎ（Ｎ＝６）が選択され、これらの変換素子５４によって受信された音響受信信号に対して受信焦点距離がＬに設定される。すなわち、システム制御部４は、その記憶回路に予め保存されている走査情報の中から変換素子５４の選択情報を走査制御部２４の変換素子選択制御回路６８に供給し、また、受信時の焦点距離に対応する遅延時間情報を同じ走査制御部２４のビーム収束制御回路６７に供給する。
【０１３９】
変換素子選択制御回路６８は、システム制御部４から供給される変換素子５４の選択情報に基づいて、電子スイッチ５３−１〜５３−Ｎ（Ｎ＝６）をＯＮ状態にし、変換素子５４−１〜５４−６を受信用変換素子として選択する。被検体７の内部で発生する音響波は、変換素子５４−１〜５４−６で電気信号に変換された後、電子スイッチ５３を介してプリアンプ５５に供給され、所定の振幅に増幅されて受信遅延回路５６に入力する。
【０１４０】
Ｎチャンネルから構成される受信遅延回路５６において、ｎ番目の受信遅延回路５６に供給される変換素子５４−ｎの音響受信信号に対して、第１の実施の形態の説明において示した式（１）の遅延時間が与えられる。ここでＦo＝Ｌとすれば変換素子５４−１〜５４−６によって得られるＮ（Ｎ＝６）チャンネルの音響受信信号に対して上記の遅延時間が与えられた後加算器５７において加算することにより、変換素子５４−３と５４−４の中点からの変換素子配列面に対する垂線（破線で示す）上で、距離Ｌの位置にて発生した音響波の位相を一致させて合成することができる。更に、本実施の形態においてもダイナミック収束法の適用を行い、深さ（距離）によらず常に収束状態で受信を行う。
【０１４１】
加算器５７において合成された変換素子５４−１〜５４−６の音響受信信号は、信号処理部２５のフィルタ６６においてノイズ成分が除去された後、対数変換器５８および包絡線検波器５９において振幅圧縮と検波がなされ、更に、Ａ／Ｄ変換器６０にてデジタル信号に変換されて、光音響画像データ用の画像データメモリＡ６１に保存される。
【０１４２】
上記の手順によって光音響イメージングにおける第１の走査が終了したならば、
第１の走査の場合と同様にしてレンズ７９とスリット板７８を用い、被検体７の光ビーム照射範囲に平行ビームを照射する。この照射光によって被検体７の内部で発生する新たな音響波に対して、変換素子選択制御回路６８は、システム制御部４から供給される変換素子５４の選択情報に基づいて、電子スイッチ５３−２〜５３−７をＯＮ状態にし、変換素子５４−２〜５４−７を受信用の変換素子５４として選択する。このとき、変換素子５４−２〜５４−６は、第１の走査と同様に電子スイッチ５３−２〜５３−６を介してプリアンプ５５−２〜５５−６、更には受信遅延回路５６−２〜５６−６に接続されるが、変換素子５４−７は、電子スイッチ５３−７を介してプリアンプ５５−１、更には受信遅延回路５６−１に接続される。
【０１４３】
この場合、変換素子５４−２〜５４−６の受信信号が供給される受信遅延回路５６−２〜５６−６を＃１〜＃５、また変換素子５４−７の受信信号が供給される受信遅延回路５６−１を＃６とすると、＃ｎの受信遅延回路５６に供給される変換素子５４の受信信号に対して式（１）で示す遅延時間が与えられ、加算器５７において加算合成される。なお、この場合も第１の走査と同様にダイナミック収束法を適用し、被検体７の内部で発生する音響波は、深さによらずに常に収束状態で受信することができる。この変換素子５４−１〜５４−６によって得られるＮ（Ｎ＝６）チャンネルの音響受信信号に対して上記の遅延時間が与えられた後、加算器５７において加算することにより、変換素子５４−４と５４−５の中点からの変換素子配列面に対する垂線（破線で示す）上で発生した音響波の位相を一致させて合成することができる。
【０１４４】
加算器５７において合成された変換素子５４−２〜５４−７の音響受信信号は、フィルタ６６、対数変換器５８および包絡線検波器５９においてノイズ除去や振幅圧縮、更には包絡線検波がなされ、更にＡ／Ｄ変換器６０にてデジタル信号に変換されて、光音響画像データとして画像データメモリＡ６１に保存される。
【０１４５】
以下同様にして第３以降の走査が行われ、システム制御部４は、平行光の照射によって得られる音響信号を電子スイッチ５３により変換素子５４−３〜５４−８、変換素子５４−４〜５４−９・・変換素子５４−Ｍ−５〜５４−Ｍを用いて受信する。そして各々６チャンネルの受信信号は、プリアンプ５５、受信遅延回路５６、フィルタ６６、対数変換器５８、包絡線検波５９、更にはＡ／Ｄ変換器６０を介して光音響画像データとして画像データメモリＡ６１に順次保存され、１枚分の音響画像データの生成を終了する。
【０１４６】
次いで、パルスエコー法による画像データの収集を行うが、本実施の形態におけるパルスエコー法の画像データの収集手順は、第1の実施の形態と同様であるため、説明を省略する
この第５の実施の形態によれば、導波部１４における光ファイバ７１の数を大幅に削減することができ、光走査部１３も不要となる。更に照射光は配列方向において連続的に照射されているため、受信時の遅延時間設定によって走査密度は自由に設定することが可能であり、光ファイバ７１を使用した場合の制約を排除することができる。
【０１４７】
なお、第５の実施の形態の説明において、受信収束点は破線で示した変換素子配列面に対する垂線上に設定される場合について述べたが、変換素子５４から得られる受信信号の遅延時間制御によって収束点の位置は自由に設定できる。
【０１４８】
次に、本実施の形態における走査方法の変形例について図１３を用いて説明する。上記の実施の形態における各画像データの収集は、フレーム単位で交互に行う場合について示したが走査単位で交互に行ってもよい。例えば光音響イメージング法による第1の方向に対する走査が終了したならばパルスエコー法による第１の方向に対する走査を行い、次いで光音響イメージング法の第２の方向に対する走査を行ってもよい。更に、上記の実施の形態においては光音響画像データの収集とパルスエコー画像データの収集を分離して行う場合について述べたが、システム制御回路４の制御信号に基づいて光送信部１の光源部１１から発生する光パルスと、音響画像データ生成部２のレート信号発生部２１から発生するレートパルスのタイミングを揃えることによって光音響画像データと超音波画像データを同時に収集してもよい。
【０１４９】
図１３は上記の走査順序を比較した図であり、図１３（ａ）は第1の実施の形態において述べたフレーム単位の走査方法、また図１３（ｂ）は走査単位の走査方法、そして図１３（ｃ）は同時走査方法における光音響イメージング法及びパルスエコー法の走査順序を示しており、光音響画像データと超音波画像データはいずれもα方向（θ１乃至θα）の走査によって生成されている。
【０１５０】
即ち、図１３（ａ）に示すフレーム単位の走査方法では、1枚分の光音響画像データ収集のための走査をθ１乃至θα方向に対してα回行った後、超音波画像データ収集のための走査をα回行う。これに対して、図１３（ｂ）に示す走査単位の走査方法では、光音響画像データ収集のためのθ１方向の走査を行った後、超音波画像データ収集のためのθ１方向の走査を行い、更に光音響画像データ収集のためのθ２方向の走査を行う。このような動作を繰り返す走査単位の走査方法によれば、所定方向におけるデータ間の収集タイミングのズレが大幅に短縮されるため、特に動きの速い臓器あるいは血液が計測の対象の場合であっても同じ時相の計測が可能となる。
【０１５１】
なお、図１３（ｂ’）は図１３（ｂ）の変形例であり、例えば光音響イメージングにおいて受信感度を改善するために送信の光量を増大させる場合には、生体安全確保のために単位時間当たりの照射回数を低減させる必要があるため、図１３（ｂ’）に示すように単位時間当たりの光音響イメージング法の走査数をパルスエコー法の走査数より低減させることが望ましい。
【０１５２】
一方、図１３（ｃ）に示した光音響イメージング法の走査とパルスエコー法の走査を同時に行う方法は、画像データ間の収集タイミングのズレがないため、上記走査単位の走査方法より更に動きの速い計測対象に対して正確な計測が可能となる。なお、この同時走査方法において、光音響イメージング法における音響波の周波数とパルスエコー法における超音波画像の周波数が同じ場合には、上記の２つの画像データは混合されて受信されるため、夫々をカラーによって識別して表示することは不可能となるが、信号処理部２５のＡ／Ｄ変換器６０の出力は、直接表示用画像メモリ６３に保存すればよいため、画像データメモリＡ６１および画像データメモリＢ６２は削除でき、更に光音響画像データと超音波画像データの合成処理も不要となる。
【０１５３】
また、電気音響変換部１３の変換素子５４として２周波数プローブを用いることによって、同時走査方法においても光音響イメージング法とパルスエコー法の画像を識別して表示する。この２周波数プローブは特開昭６１−１００２３７号公報、あるいは特開昭６２−３９７６１号公報において記載されているように厚みの異なる２枚の変換素子５４を接合することによって２種類の周波数の超音波を受信することができる。
【０１５４】
したがって、例えば、光音響イメージング法の音響波の周波数を１．５ＭＨｚ、パルスエコー法の超音波の周波数を３Ｍｚに設定することによって、これらの信号が同時に前記変換素子５４によって受信されても、信号処理部２２のフィルタ６６によって弁別することによって光音響画像データと超音波画像データを独立に生成することが可能となり、更にカラーによって識別して表示部６のＣＲＴモニタ６５において表示することができる。（第６の実施の形態）  
第６の実施の形態は、上述した実施の形態の電気音響変換部に関する。図１５（ａ），図１５（ｂ）には本発明の第６の実施の形態に係る電気音響変換部の外観図を示している。図１６には図１５の電気音響変換部の平面図を示している。図１５（ａ）には光透過性を有するＰＺＮＴ単結晶を変換素子の圧電体に用いた例を示し、図１５（ｂ）には光透過性を有しないＰＺＴセラミクスを変換素子の圧電体に用いた例を示している。
【０１５５】
図１５（ａ）に示すように、光透過性を有する複数の圧電体８１が一定の間隔を隔ててマトリスク状（２次元状）に配列される。近隣４個の圧電体８１に囲まれたスペース各々には、光路８３として例えば短い光ファイバが配置される。なお、光路８３は、スキャン方向に関して隣り合う２個の圧電体８１の間に配置されてもよい。圧電体８１及び光路８３の隙間には、圧電体８１より高く、しかし光ファイバより低い光透過率を有する樹脂８２が充填される。充填された樹脂８２の硬化により、電気音響変換部は一体化される。
【０１５６】
ここで、中心周波数が１ＭＨｚであると仮定すると、圧電体８１は幅が０．３５ｍｍで高さが０．５８ｍｍの直方体形状を有する。また、圧電体８１は０．１８ｍｍの間隔を隔てて配置される。その場合、光路８３は、例えば０．２５ｍｍの直径を有する。
【０１５７】
図１６に示すように、スキャン方向に直交する方向に一列に配された複数の圧電体８１には光透過性を有する単一の電極パターン８７が共通に形成される。単一の電極パターン８７に共通に接続された複数の圧電体８１は、実質的に単一の圧電振動子を構成する。
【０１５８】
上記光路８３には、光ファイバ７１が光学用接着剤で接続される。光ファイバ７１を経由して導かれた光は、光路８３を介して被検体に照射される。なお、圧電体８１及び樹脂８２は、光透過性を有している、すなわち電気音響変換部は、光の透過が可能な材料によって構成されているので、光ファイバ７１を光路８３に接続して光路８３を介して光を出力する構造を採用しなくても、上述した図９乃至図１２に示したいずれかの構造を採用することができる。
【０１５９】
（第７の実施の形態）  
第７の実施の形態は、上述した実施の形態の電気音響変換部に関する。図１７（ａ），図１７（ｂ）には本発明の第７の実施の形態に係る電気音響変換部の外観図を示している。本実施の形態の電気音響変換部には、複数の光ファイバ９３がテープ材に一定の間隔で整然と配列された多心光ファイバテープ８８が採用される。ＰＺＮＴ又はＰＺＴの複数の圧電体９０が一列に配列される。各圧電体９０の上下面にはそれぞれ電極が形成され、それにより圧電振動子が構成される。
【０１６０】
各振動子の前方には音響整合層８９が個別に貼り付けられ、背面にはバッキング材９１が共通に貼り付けられる。配列された複数の振動子の電極は配線用フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）９２により、配列と直交する向きに引き出される。２セットの振動子アレイ９４が、上記多心光ファイバテープ８８を挟んで張り合わされる。このような多心光ファイバテープ８８の採用は、光ファイバにより光透過性を備えた電気音響変換部の製造を簡易化する。
【０１６１】
（第８の実施の形態）  
第８の実施の形態は、上述した実施の形態の電気音響変換部に関する。図１８（ａ），図１８（ｂ）には本発明の第８の実施の形態に係る電気音響変換部の外観図を示している。図１８（ａ）に示すように、例えば０．０５ｍｍの厚さを有するフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）９７には、その略中心部分を挟んでペアの信号側電極９８が形成され、同様にペアのグラウンド側電極９９が略中心部分を挟んで形成されている。このフレキシブルプリント基板９７の略中心部分には、例えば０．２ｍｍの直径を有する光ファイバ１１０が貼り付けられる。光ファイバ１１０を挟んで一方の側の信号側電極９８とグラウンド側電極９９とにはＰＺＮＴ又はＰＺＴを圧電体とする振動子９６の信号側電極とグラウンド側電極とがそれぞれＡｕスパッタ等により電気的に接続される。光ファイバ１１０を挟んで他方の側にも同様に、ＦＰＣ９７の信号側電極９８とグラウンド側電極９９とには振動子９６の信号側電極とグラウンド側電極とがそれぞれＡｕスパッタ等により電気的に接続される。
【０１６２】
このように構成された複数の振動子板１１１は、図１８（ｂ）に示すように、スキャン方向に関して重ねられ、接着剤により一体に接着される。
【０１６３】
本実施の形態によっても、第７実施の形態と同様に、光ファイバにより光透過性を備えた電気音響変換部の製造を簡易化することができる。
【０１６４】
以上、本発明の実施の形態について述べてきたが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態において電気音響変換部２３の変換素子５４および光照射部１５の光ファイバ７１は平面状に配列したが、凸面状あるいは凹面状に配列してもよい。
【０１６５】
また、表示部６において光音響画像と超音波画像は重畳表示する例を述べたが、光音響画像の重畳表示が超音波画像の観測を妨げる場合には、これら２つの画像は並べて表示してもよい。
【０１６６】
更に、光音響画像データおよび超音波画像データの収集は、操作者の収集開始コマンドに基づいて行う方法を示したが、例えば光音響画像データの収集が終了したならば自動的に超音波画像データの収集に移行してもよい。
【０１６７】
一方、本発明においては、光音響画像の表示範囲と超音波画像の表示範囲は一致させる必要はなく、例えば光音響画像において特定物質の分布が表示されている領域につき、超音波画像によって詳細に表示することが可能であり、この領域の選択は操作者が操作部５において入力する指示信号に基づいて操作制御部が行う方法が好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
本発明は、生体内の光音響効果を用いて得られる生体情報の映像化（光音響イメージング法）において、操作性に優れたデータ収集システムを備え、更に、高いコントラスト分解能と空間分解能を有する画像データを生成することが可能な分野に利用可能性がある。
【符号の説明】
【０１６９】
１…光送信部
２…画像データ生成部
４…システム制御部
５…操作部
６…表示部
７…被検体
１１…光源部
１２…光合波部
１３…光走査部
１４…導波部
１５…光照射部
２１…レート信号発生部
２２…送受信部
２３…電気音響変換部
２４…走査制御部
２５…信号処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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