(57)【要約】【課題】音響光学トモグラフィー測定においてＳ／Ｎを最大とする測定時間を容易に求める。【解決手段】音響光学トモグラフィー（ＡＯＴ）測定装置は、測定対象物からの射出光を検出する高感度な射出光検出手段と、その検出結果からスペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）と、前記エリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）を算出し、これらに基づいて、ＡＯＴ測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のＳ／Ｎが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間ｔｓを決定する測定時間決定手段と、を有する。スペックル検出手段としては、光電子増倍管などの高感度なセンサーを用いることが好適である。【選択図】図４
2010117306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物にコヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
を有し、音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定装置であって、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
前記射出光検出手段による検出結果から、スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）と前記エリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）を算出し、算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）とエリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のＳ／Ｎが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間ｔｓを決定する測定時間決定手段と、
を有することを特徴とする音響光学トモグラフィー測定装置。
【請求項２】
前記測定時間決定手段は、ｔ・Ｃｏｆｆ（ｔ）／σｎｏｉｓｅ（ｔ）が最大となるｔを測定時間ｔｓとして決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。
【請求項３】
前記測定時間決定手段は、前記コヒーレント光源からコヒーレント光を前記測定対象物に照射した際に前記測定対象物から射出される光の強度の相関を求め、当該相関に基づいて前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。
【請求項４】
前記測定時間決定手段は、前記コヒーレント光源から短パルス光を前記測定対象物に照射した際に前記測定対象物から射出される光の時間プロファイルを測定し、当該時間プロファイルに基づいて前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。
【請求項５】
前記測定時間決定手段は、前記コヒーレント光源から周波数変調光を前記測定対象物に照射した際に前記測定対象物から射出される光に基づいて前記測定対象物の吸収係数および散乱係数を算出し、当該吸収係数および散乱係数に基づいて前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。
【請求項６】
前記射出光検出手段は、光電子増倍管またはアバランシェ・フォトダイオードである
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。
【請求項７】
前記エリアセンサーの画素面積をｐ、前記測定対象物から光が射出される射出開口の面積をＡｓ、前記コヒーレント光の波長をλとしたときに、
前記エリアセンサーと前記射出開口との間の光学的距離が以下の式で表されるｚであり、
前記射出光検出手段に面積ｐの開口が設けられるとともに、前記射出光検出手段と前記射出開口との間の光学的距離がｚである
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の音響光学トモグラフィー測定装置。
【数１】
2010117306.tif 000017
【請求項８】
測定対象物にコヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
を有する音響光学トモグラフィー測定装置が行う音響光学トモグラフィー測定方法であって、
前記測定対象物からの射出光を測定する射出光検出工程と、
前記射出光検出工程の検出結果からスペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する工程と、
前記エリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）を算出する工程と、
算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）とエリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のＳ／Ｎが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間ｔｓを決定する測定時間決定工程と、
前記エリアセンサーによる測定時間をｔｓとして音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定工程と
を含むことを特徴とする音響光学トモグラフィー測定方法。
【請求項９】
前記測定時間決定工程では、ｔ・Ｃｏｆｆ（ｔ）／σｎｏｉｓｅ（ｔ）が最大となるｔを測定時間ｔｓとして決定する
ことを特徴とする請求項８に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。
【請求項１０】
前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する工程では、前記コヒーレント光源から光を前記測定対象物に照射した際に前記測定対象物から射出される光の強度の相関を求め、当該相関に基づいて前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する
ことを特徴とする請求項８または９に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。
【請求項１１】
前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する工程では、前記コヒーレント光源から短パルス光を前記測定対象物に照射した際に前記測定対象物から射出される光の時間プロファイルを測定し、当該時間プロファイルに基づいて前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する
ことを特徴とする請求項８または９に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。
【請求項１２】
前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する工程では、前記コヒーレント光源から周波数変調光を前記測定対象物に照射した際に前記測定対象物から射出される光に基づいて前記測定対象物の吸収係数および散乱係数を算出し、当該吸収係数および散乱係数に基づいて前記スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する
ことを特徴とする請求項８または９に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。
【請求項１３】
前記射出光検出工程では、光電子増倍管またはアバランシェ・フォトダイオードを用いて、前記測定対象物からの射出光を検出する
ことを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の音響光学トモグラフィー測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光と超音波を利用して生体などの吸収散乱体内部における光の吸収特性や散乱特性を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体内部をイメージングする技術の一つとして、近赤外光を用いた光ＣＴの技術がある。光を用いることでより簡便に、被爆の恐れなく生体内部を測定することが可能である。またその分光情報から、生体内部のヘモグロビンの代謝など機能的なイメージングをすることも可能であり、光を用いて非侵襲で生体内を測定することは非常に有用である。その反面、光が強く散乱され、生体内部に侵入した光は次々に散乱を繰り返し、数ミリメートル程度進むと直進性が失われてしまう。その結果、生体内部の局所的な分光特性を得ることが困難となる。
【０００３】
生体内部の局所的な分光特性を取得する方法として、超音波による光の変調効果（音響光学効果）を用いるものがある。この測定方法はＡＯＴ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：音響光学トモグラフィー）として知られている。特許文献１では、生体に近赤外光を照射し、同時に超音波を生体内部に集束させる。超音波集束領域において、超音波との相互作用によって変調された光を検出することで局所的な光学情報を取得している。このようなＡＯＴの技術により、前述の光ＣＴよりも高解像度のイメージングが可能になる。
【０００４】
ＡＯＴにおいては、超音波を印加した際のスペックルコントラストと超音波を印加していない状態でのスペックルコントラストを比較することにより、超音波と光の相互作用の強弱をＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｔｈとして数値化する。このＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ
Ｄｅｐｔｈは生体内部の吸収係数・散乱係数に依存するため、生体内部の吸収散乱情報がわかる。さらに、超音波の収束領域を移動させることで、生体内部の吸収散乱情報の分布を取得することが可能となる。
【０００５】
非特許文献１には、超音波と光の相互作用における時間変化に伴うスペックルパターンの相関の変化が記載されている。
【特許文献１】米国特許第６７３８６５３号明細書
【非特許文献１】“Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ―  ａｎｄ  ｓｉｄｅ―ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ―ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｏｆ  ｔｈｉｃｋ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｔｉｓｓｕｅｓ”，  Ｌｉｈｏｎｇ  Ｖ．  Ｗａｎｇ，  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＯＰＴＩＣＳ，２００３，  Ｖｏｌ４２，  Ｎｏ．１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
生体においては、生体分子や血流による時間的な流動により、スペックルの状態が時間に伴って変化する。そのため、エリアセンサーなどを用いてスペックルを観測する場合、エリアセンサーによる取り込み時間が増えるほどスペックルコントラストが低下し、ＡＯＴ測定におけるＳ／Ｎが低下してしまう。一方で、エリアセンサーによる取り込み時間を短くすることによってスペックルコントラストは大きくなるものの、エリアセンサーでの積算時間が十分ではないためにＳ／Ｎが低下してしまう。ＡＯＴ測定においては、Ｓ／Ｎが最大となるような取り込み時間を用いてスペックル観測することが望まれる。
【０００７】
非特許文献１は、超音波と光の相互作用における時間変化に伴うスペックルパターンの相関の変化を測定するに留まり、Ｓ／Ｎが最も大きくなる時間の設定に関しては言及していない。また、エリアセンサーのみを用いてＳ／Ｎが最大となる測定時間を見積もることも原理的には可能であるが、エリアセンサーによる信号のＳ／Ｎが悪い上に時間分解して測定しなければならず、誤差が大きく含まれてしまうことが考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、音響光学トモグラフィー測定においてＳ／Ｎが最大となる測定時間（取り込み時間）を容易に算出できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る音響光学トモグラフィー測定装置は、
測定対象物にコヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
を有し、音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定装置であって、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
前記射出光検出手段による検出結果から、スペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）と前記エリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）を算出し、算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）とエリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のＳ／Ｎが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間ｔｓを決定する測定時間決定手段と、
を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る音響光学トモグラフィー測定方法は、
測定対象物にコヒーレント光を照射するコヒーレント光源と、
前記測定対象物に超音波を照射する超音波照射手段と、
前記測定対象物から射出される光のスペックルを検出するエリアセンサーと、
前記測定対象物からの射出光を検出する射出光検出手段と、
を有する音響光学トモグラフィー測定装置が行う音響光学トモグラフィー測定方法であって、
前記測定対象物からの射出光を測定する射出光検出工程と、
前記射出光検出工程の検出結果からスペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）を算出する工程と、
前記エリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）を算出する工程と、
算出されたスペックルコントラストの時間的な変化Ｃｏｆｆ（ｔ）とエリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅ（ｔ）とに基づいて、音響光学トモグラフィー測定の際の前記エリアセンサーによる前記スペックルの検出信号のＳ／Ｎが最大となるように前記エリアセンサーによる前記スペックルの測定時間ｔｓを決定する測定時間決定工程と、
前記エリアセンサーによる測定時間をｔｓとして音響光学トモグラフィー測定を行う音響光学トモグラフィー測定工程と
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、音響光学トモグラフィー測定においてＳ／Ｎを最大とする測定時間を確度高く求めることが可能になり、生体などの吸収散乱体の分光特性を確度高く取得することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。ただし、実施例に記載されている構成部品の機能、形状、その相対配置などは、特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、以下の説明で一度説明した構成や部品についての機能、形状などは、特に改めて記載しない限り初めの説明と同様のものとする。
【００１３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る音響光学トモグラフィー測定装置（ＡＯＴ測定装置）の構成を示す図である。本実施形態に係る測定システムでは、生体組織などを測定対象として音響光学トモグラフィー測定（ＡＯＴ測定）を行い、測定情報を画像化して表示する。本実施形態では、ＡＯＴ測定時における検出信号のＳ／Ｎが最大となる測定時間（取り込み時間）を求めて、その測定時間でＡＯＴ測定を行う。
【００１４】
〈構成〉
まず、ＡＯＴ測定を行うための構成について説明する。
【００１５】
生体組織などの測定対象物１は測定容器２に収められる。測定対象物１と測定容器２の間は、光の屈折率や散乱係数及び、超音波の音響特性が測定対象物１とほぼ同等とみなせる、特性が既知で均一の媒質（マッチング材３）で満たされている。
【００１６】
信号発生器１１は制御部１０によって駆動され、コヒーレント光源１２からコヒーレント光を照射する。照射されたコヒーレント光は光ファイバー１３に導かれる。光ファイバー１３は測定容器２の側面に接続されていて、測定容器２を介して測定対象物１にコヒーレント光が照射される。照射されたコヒーレント光は測定対象物１内部を吸収・散乱を繰り返して、様々な方向に拡散光として伝播する。測定対象物１内を伝搬した光は射出開口２１から射出される。
【００１７】
なお、光の照射位置は、光ファイバー１３を動かすことで変えてもよい。またコヒーレント光源に２つ以上の光ファイバーに接続し、切り替え器を用いて導光される光ファイバーを選択することで、光の入射位置を順次切り替えてもよい。
【００１８】
また、信号発生器１１は制御部１０によって駆動され、超音波発生器５から超音波を測定対象物１に照射する。超音波発生器５が、本発明の超音波照射手段に相当する。信号発生器１１は、超音波収束位置４で収束するように超音波を照射する。超音波収束位置４では、音圧による媒質の密度変化が生じる。超音波収束位置４をコヒーレント光が通過すると、この密度変化により、光の位相がある効率に応じて変調される。つまり、光と超音波の相互作用（音響光学効果）が生じる。
【００１９】
超音波との相互作用により変調された光は、エリアセンサー２３によって検出される。エリアセンサー２３は、例えばＣＣＤ(Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ)やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などを用いる。エリアセンサー２３は制御部によって駆動時間ｔｓだけ駆動されて光の検出を行う。後述するように、駆動時間ｔｓは信号のＳ／Ｎが最大となるような時間として別途求められるものである。
【００２０】
エリアセンサー２３によって検出された光は電気信号に変換され、信号抽出部３１において変調光と非変調光とに分離される。このうち変調光の成分から、測定対象物１内部の吸収係数と散乱係数を算出する。算出された吸収係数と散乱係数はメモリ３３に蓄積される。さらに超音波収束位置４を順次動かすことによって、測定対象物１内部の情報を求め
ていく。それらの情報は全てメモリ３３に保存される。その保存された値を画像生成部３４でマップ化し、モニター３５で３次元的な吸収係数と散乱係数および構成要素の割合の分布を表示する。
【００２１】
次に、Ｓ／Ｎを最大とする駆動時間ｔｓを求めるための構成を説明する。
【００２２】
検出器２５は、射出開口２１から射出される拡散光を、開口２４を介して検出する。検出器２５が、本発明の射出光検出手段に相当する。検出器２５には、例えばＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏ  ＭｕｌｔｉＰｌｉｅｒ：光電子増倍管）やＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ：アバランシェ・フォトダイオード）などの高感度な検出器を用いる。
【００２３】
射出開口２１と開口２４の間にはビームスプリッター２４が配置されており、射出された光の一部は上述したエリアセンサー２３に導かれる。このとき、射出開口２１からエリアセンサー２３までの光学的距離と射出開口２１から検出器２５までの光学的距離は同じにしてある。さらに開口２４の面積とエリアセンサー２３の画素面積とが同じにしておく。このようにすることにより、エリアセンサー２３のノイズの見積もりを検出器２５で行うことができる。また、射出開口２１の開口サイズＡｓと上記の光学的距離ｚは以下の式を満たしたものに設定する。
【００２４】
【数１】
2010117306.tif 000003
【００２５】
ここで、ｚは射出開口２１から検出器２５およびエリアセンサー２３までの光学的距離である。また、Ａｓは射出開口２１の面積であり、ｐは開口２４の面積およびエリアセンサー２３の画素面積であり、λはコヒーレント光の波長である。
【００２６】
このように設定することで、エリアセンサー２３におけるスペックルの大きさが画素面積ｐと等しくなり、スペックルコントラストを最大にして測定することができる。また、後述するように、検出器２１の検出結果から、エリアセンサー２３のノイズ量を容易に算出可能となる。
【００２７】
検出器２５で検出された光は電気信号に変換され、信号抽出部３１において必要な情報が抽出される。演算処理部３２は、抽出された情報に基づいて自己相関関数ｇ２（τ）を求める。演算処理部３２は、また、抽出した情報からエリアセンサー２３のノイズ量を見積もり、メモリ３３に蓄積する。そして、演算処理部３２は、メモリ３３に蓄積された強度の自己相関関数ｇ２（τ）とエリアセンサー２３のノイズ量とから、ＡＯＴ測定時における検出信号のＳ／Ｎが最大となるためのエリアセンサー２３の駆動時間ｔｓを求める。上述したように、ＡＯＴ測定の際には、エリアセンサー２３が駆動時間ｔｓだけ駆動されて測定が行われる。
【００２８】
射出開口２１からエリアセンサー２３までの光学的距離と射出開口２１から検出器２５までの光学的距離が同じであれば、エリアセンサー２３と検出器２５は同時に利用しなくても良い。すなわち、ビームスプリッター２２を利用せずに、検出器２５で測定した後に、エリアセンサー２３を検出器２５の位置に置き換えてもよい。
【００２９】
本実施形態における、信号抽出部３１、演算処理部３２、画像生成部４５は、信号処理部８として、汎用的なコンピュータがプログラムを実行することで実現することができる。ただし、これらの各機能部のうち一部または全部について、専用のハードウェアによっ
て実現しても構わない。また、各機能部を複数のプロセッサによって実現しても構わない。たとえば、測定時間ｔｓを決定するための処理と、音響光学測定を行う際の処理とを異なるプロセッサで行うように実装しても構わない。なお、信号処理部８が本発明における測定時間決定手段に相当する。
【００３０】
〈処理内容〉
次に、本実施形態にかかる測定システムによってＡＯＴ測定する際の処理の流れを、図２のフローチャートを参照しつつより詳細に説明する。図２は、第１の実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【００３１】
ステップ１０１では、開口２４と検出器２５を用いて光子相関法の測定を行う。すなわち、コヒーレント光源１１から測定対象物１にコヒーレント光を照射し、散乱光の強度の時間的な揺らぎを測定する。なお、この段階では超音波の照射はせずにコヒーレント光のみを照射する。
【００３２】
次にステップ１０２で、検出器２５による射出光（散乱光）の検出結果から演算処理部３２が光強度の自己相関関数ｇ２（τ）を求める。または、演算処理部３２が相関器と接続され、相関器を用いて自己相関関数ｇ２（τ）を求めてもよい。
【００３３】
次にステップ１０３で、演算処理部３２が、検出器２５で検出した光強度からエリアセンサー２３のノイズ量σｎｏｉｓｅを見積もる。開口２４の面積とエリアセンサーの画素面積とが同じであり、かつ、射出開口２１からエリアセンサー２３までの光学的距離と射出開口２１から検出器２５までの光学的距離が同じであるので、検出器２５で検出される光強度はエリアセンサー２３で検出される光強度と等しい。そのため検出器２５で測定した光強度からエリアセンサー２３のノイズ量を見積もることが可能となる。以下にエリアセンサーのノイズ量（光強度の標準偏差）を示す。
【００３４】
【数２】
2010117306.tif 000004
【００３５】
ここで、σｒは読み出しノイズ、Ｄｔは暗電流ノイズを表し、Ｄが暗電流、ｔがエリアセンサーの取り込み時間（測定時間）である。またＱＩ０ｔはショットノイズを表し、Ｑが量子効率、Ｉ０は単位時間あたりの光強度であり単位はＷ（ワット）である。検出器２５で検出した光強度をＩ０ｔに当てはめる。σｒ，Ｄ、Ｑはエリアセンサー２３に固有な値であり既知なので、メモリ３３に格納しておきそれを利用する。これにより、式（２）を用いて取り込み時間ｔに応じたエリアセンサー２３のノイズ量を見積もることができる。
【００３６】
次にステップ１０４で、算出したｇ２（τ）とσｎｏｉｓｅからエリアセンサー２３の検出信号のＳ／Ｎが最大となる測定時間ｔｓを演算処理部３２において決定する。まず測定時間ｔｓを算出方法の原理について説明する。
【００３７】
エリアセンサー２３で検出したスペックルの程度を表す値にスペックルコントラストがある。スペックルコントラストは以下の式で与えられる。
【００３８】
【数３】
2010117306.tif 000005
【００３９】
＜Ｉ＞はエリアセンサー２３で取得した光強度の平均値であり、σはエリアセンサー２３で取得した光強度の標準偏差である。標準偏差σは、式（３）からスペックルコントラストと光強度の平均値の積として表される（σ＝Ｃ〈Ｉ〉）。
【００４０】
超音波を印加した際のスペックルコントラストをＣｏｎ、超音波を印加していない状態でのスペックルコントラストをＣｏｆｆとおくと、Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｐｔｈ（
Ｍ）と呼ばれる相互作用の程度を表す量を以下の式で表すことができる。
【００４１】
【数４】
2010117306.tif 000006
【００４２】
これからＣｏｆｆとＣｏｎの差ΔＣは以下となる。
【００４３】
【数５】
2010117306.tif 000007
【００４４】
測定対象物が生体組織などの場合、Ｍはほぼ一定（１／１０００程度）となるので、ΔＣはＣｏｆｆに比例する。
【００４５】
一方、生体分子や血流による時間的な流動により、Ｃｏｆｆの時間的変化Ｃｏｆｆ（ｔ）はエリアセンサー２３の取り込み時間に応じて値が小さくなる。それは上で求めたｇ２（τ）に以下の式により対応づけることができる。
【数６】
2010117306.tif 000008
ｔはエリアセンサーでの取り込み時間である。また、ΔＣも時間に応じて変化し、
【数７】
2010117306.tif 000009
となる。
【００４６】
ここでエリアセンサーのノイズ量σｎｏｉｓｅと比較するために、スペックルコントラストを標準偏差で表すと、超音波印加・非印加での標準偏差の差Δσは、式（３）との関係から以下で表すことができる。
【００４７】
【数８】
2010117306.tif 000010
【００４８】
ＡＯＴ測定においては超音波印加時・非印加時でのこの差を検出し、Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｔｈを演算処理部３２において算出する。以上の関係を模式的に示した図を図３に示す。図３はエリアセンサー２３における強度の頻度分布（ヒストグラム）である。太線で超音波非印加時の強度分布を示し、点線で超音波印加時の強度分布を示し、細線でエリアセンサー２３のノイズ分布を示す。ＡＯＴにおいては、超音波印加・非印加での標準偏差の差Δσがノイズの標準偏差以上であることが測定可能な必要条件となる。ＡＯＴ測定におけるＳ／Ｎは、Δσを信号（Ｓ）とし、式（２）をノイズ（Ｎ）とすると以下となる。
【００４９】
【数９】
2010117306.tif 000011
【００５０】
したがって、この値が最大となるように取り込み時間ｔ＝ｔｓを演算処理部３２において定めることで、Ｓ／Ｎの高いＡＯＴ測定を行うことができる。なお、式（９）中でＩ０およびＭは定数であるので、結局、ｔ・Ｃｏｆｆ（ｔ）／σｎｏｉｓｅ（ｔ）が最大となるｔを求めればよい。
【００５１】
まとめると、式（９）の分子、すなわち式（８）は、ステップ１０１で算出した自己相関関数ｇ２（τ）を用いて式（６）によって求めることができる。また、式（９）の分母はステップ１０２で求めたエリアセンサー２３のノイズである。したがって、ステップ１０１および１０２の測定結果を利用して、ＡＯＴ測定において最大のＳ／Ｎを与える測定時間ｔｓを求めることができる。以上がステップ１０４となる。
【００５２】
ステップ１０４を以下で例示する。図４Ａから図４Ｄは式（９）の関係を模式的に示したものである。これらの図は横軸を時間としたときの特性である。図４Ａは太線でスペックルコントラストＣｏｆｆ（ｔ）を表し、細線で光強度Ｉ（ｔ）を表す。スペックルコントラストは時間とともに式（６）で示されるように減衰する。反対に、光強度は時間とともに線形に増加する。両者を掛け算し、Ｍｏｕｄｌａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｔｈを加えた式（８）を表したものが図４Ｂである。Ｍｏｕｄｌａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｔｈは時間に対して一定であるので、最大値を１つ持った特性となる。図４Ｃにはエリアセンサー２３のノイズ(式（２）)を示している。時間とともに光強度が増加するのにともなって、おおよそ平方根の形で増大する。図４Ｂと図４Ｃの比を図４Ｄに示す。すなわちこれがＳ／Ｎであり、この場合約０．０５秒においてＳ／Ｎが最大となっていることがわかる。この時間がｔｓである。以上のようにしてｔｓを求めることができる。
【００５３】
次に、ステップ１０５である場所に超音波を収束させＡＯＴ測定を行う。ステップ１０６で、超音波収束位置４の位置を変える。変える方法は、超音波発生器５がアレイ状の素子でできている場合にはそれぞれの素子を駆動する時間に遅延を持たせ、その遅延状態を変えてもよく、１つの凹面でできている場合には位置を動かしてもよい。この間はステップ１０３で求めた測定時間ｔｓで測定すればよい。ただし、判定１１１で光源もしくは検出位置を変更した場合には、測定対象物１内の光の経路が変化するため、ｇ２（τ）が変化し、Ｓ／Ｎが最大となる時間ｔｓも変化することとなる。ゆえにこの場合にはステップ
１０１まで遡って同様の操作を繰り返す必要がある。光源もしくは検出位置を変更する方法は、光ファイバー１２の測定対象物１に対する位置をずらしたり、予めずらした位置に光ファイバー１２を複数取り付けておいたりしてもよい。光源もしくは検出位置を変更しない場合にはステップ１０５に戻りＡＯＴ測定を繰り返す。
【００５４】
以上のようにして繰り返し測定することで、測定対象物１内部のＡＯＴ測定情報を取得する。その情報をステップ１０７で画像化して測定終了となる。ここで言うＡＯＴ測定情報とは、上記のＣｏｆｆとＣｏｎから求めたＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｔｈや、Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｔｈを吸収係数および散乱係数に変換した値や、分光測定することでヘモグロビンや脂肪、水、コラーゲン、メラニンなどの生体中の構成物に変換した値である。画像生成部３４においてこれらを配置し、モニター３５にこれらのうちいずれかまたは複数を表示してもよい。
【００５５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の測定システムの構成は基本的に第１の実施形態と同じ構成となる。第１の実施形態との違いは、コヒーレント光源１２がピコ秒（１０−１２秒）オーダーの短パルス光を照射し、その時間応答（時間プロファイル）を計測し、これに基づいて強度の自己相関関数ｇ２（τ）を算出し、スペックルコントラストの時間変化を求める点である。
【００５６】
図５は、第２の実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。ステップ２０１では、光ファイバー１２を介してコヒーレント光源１１からピコ秒オーダーの短パルス光を測定対象物１に照射する。検出器２５で検出した光を演算処理部３２で時間応答測定を行い、光路長分布関数Ｐ（ｌ）を算出する。
【００５７】
ステップ２０２で、ステップ２０１で算出した光路長分布関数Ｐ（ｌ）から強度の自己相関関数ｇ２（τ）を以下の手順で求める。
【００５８】
電場の自己相関関数ｇ１（τ）を以下で定義する。
【００５９】
【数１０】
2010117306.tif 000012
【００６０】
Ｅ（τ）が時間τでの電場強度であり、＜＞が平均操作である。
また、ｇ1（τ）は光路長分布関数Ｐ（ｌ）で記述でき、
【数１１】
2010117306.tif 000013
となる。τ０が物体固有の相関時間であり、生体の場合は部位により数百マイクロ秒から数十ミリ秒であり、この値を用いてｇ１（τ）を算出する。またｌ＊は光子の平均自由行程である。ｌ＊は等価散乱係数μｓ’の逆数となる。等価散乱係数は、Ｐ（ｌ）を解析解でフィッティングして求めた値を用いてもよく、拡散方程式を元に解いた値を用いてもよい。光の信号強度Ｔは
【数１２】
2010117306.tif 000014
と記述できる。ここで、D=1/3（μａ+μｓ’）、ｚ０＝１／μｓ’、μａは吸収係数、ｄは測定対象物１の厚さ、ｚは光の入射位置から観測点までの距離、ｃは光速である。時間ｔを光路長／光速（ｌ／ｃ）で表すことにより、光路長分布にすることができる。これよりμｓ’を求め、ｇ１（τ）を算出することができる。
【００６１】
また電場強度の自己相関関数ｇ1（τ）と散乱光強度の自己相関関数ｇ２（τ）は以下
の関係を満たす。
【００６２】
【数１３】
2010117306.tif 000015
βは測定系に依存するパラメータであり、理想的な場合には１となる。
【００６３】
以上の式（１１）から（１３）を用い、測定で得られる光路長分布関数Ｐ（ｌ）から強度の自己相関関数ｇ２（τ）を算出することができる。
【００６４】
ｇ２（τ）からＣｏｆｆ（ｔ）を見積もり、エリアセンサー２３のノイズ量とあわせてＳ／Ｎが最も高くなる時間ｔｓを求める手段およびＡＯＴの測定手順は第１の実施形態と同様である。
【００６５】
(第３の実施形態)
本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の測定システムの構成は基本的に第１の実施形態と同じ構成となる。第１の実施形態と異なる点は、コヒーレント光源が周波数変調された光を照射し、その位相および振幅を計測して、これに基づいて強度の自己相関関数ｇ２（τ）を算出し、スペックルコントラストの時間変化を求める点である。
【００６６】
本実施形態においては、コヒーレント光源は周波数ｆで変調された光を照射する。周波数ｆは通常数十〜数百ＭＨｚである。照射された周波数変調光は、測定対象物１内部で吸収・散乱を繰り返して検出器２５で検出される。この検出される変調光の位相と振幅を測定することで、測定対象物１内部の情報を抽出することができる。
【００６７】
図６は、第３の実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。ステップ３０１では、測定によって得られた振幅と位相から吸収係数μａおよび等価散乱係数μｓ’を求める。なお、本実施形態は、光拡散方程式から導かれる近似解を用いるが、本発明は、より厳密な解にも適用することができる。
【００６８】
均一な吸収散乱体内の点光源から距離ｒの位置で時刻ｔにおける光強度Ｉ（ｒ，ｔ）［光子／ｓｅｃ・ｍｍ２］は次式で与えられる。
【００６９】
【数１４】
2010117306.tif 000016
【００７０】
ここで、ＩＤＣは検出光強度のバイアス成分［光子／ｓｅｃ・ｍｍ２］、εは任意の位相項、Ａは測定対象物１に入射した入射光子数［光子／ｓｅｃ］、Ｄは拡散係数［ｍｍ］、νは吸収散乱体内部の光速度［ｍｍ／ｓｅｃ］である。また、μaは吸収係数［ｍｍ−
１］、μｓ’は等価散乱係数［ｍｍ−１］、ωは超音波で変調された変調波の角周波数［ｒａｄ／ｓｅｃ］（変調周波数をｆとするとω＝２πｆ）である。
【００７１】
振幅ＩＡＣ（ｒ，ｔ）と位相Φ（ｒ，ｔ）を測定すれば、数式（１４）及び（１５）より、吸収係数μａおよび等価散乱係数μｓ’を算出することができる。これら求めたμａ、μｓ’を式（１２）に代入することで、光路長分布関数Ｐ（ｌ）を求めることができる。
【００７２】
求めたＰ（ｌ）からｇ１（τ）、ｇ２（τ）を求め、Ｃｏｆｆ（ｔ）を見積もり、エリアセンサー２３のノイズ量からＳ／Ｎが最も高くなる時間ｔｓを求める手段およびＡＯＴの測定手順は第２の実施形態と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、第１〜第３の実施形態の測定システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施形態におけるＡＯＴ測定処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、エリアセンサーでの強度の頻度分布とノイズの頻度分布を比較した図である。
【図４】図４は、Ｓ／Ｎ算出の関係を示す図である。
【図５】図５は、第２の実施形態におけるＡＯＴ測定処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、第３の実施形態におけるＡＯＴ測定処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７４】
１  測定対象物
２  測定容器
３  マッチング材
４  超音波収束位置
５  超音波発生器
１０  制御部
１１  信号発生器
１２  光源
１３  光ファイバー
２１  射出開口
２２  ビームスプリッター
２３  エリアセンサー
２４  開口
２５  検出器
３１  信号抽出部
３２  演算処理部
３３  メモリ
３４  画像生成部
３５  モニター
【図１】
2010117306.tif 000018
【図２】
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【図３】
2010117306.tif 000020
【図４】
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【図５】
2010117306.tif 000022
【図６】
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