(57)【要約】【課題】  本発明は、複数回の光照射により発生する光音響波を利用する光音響装置において、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎを向上させることを目的とする。【解決手段】  本発明に係る光音響装置は、光照射手段、受信手段、及び処理手段を有し、光照射手段は、符号系列を構成する正の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第１の光と、符号系列を構成する負の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第２の光とを被検体に照射し、受信手段は、第１の光が被検体に照射されることにより発生する、正の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第１の信号を出力し、第２の光が被検体に照射されることにより発生する、負の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第２の信号を出力し、処理手段は、符号系列に関する情報に基づいて、第１の信号及び第２の信号に対して復号処理を行うことにより復号信号を取得する。【選択図】  図１
2018068496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射手段、受信手段、及び処理手段を有し、
前記光照射手段は、
符号系列を構成する正の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第１の光と、前記符号系列を構成する負の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第２の光とを被検体に照射し、
前記受信手段は、
前記第１の光が前記被検体に照射されることにより発生する、前記正の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第１の信号を出力し、
前記第２の光が前記被検体に照射されることにより発生する、前記負の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第２の信号を出力し、
前記処理手段は、
前記符号系列に関する情報に基づいて、前記第１の信号及び前記第２の信号に対して復号処理を行うことにより復号信号を取得する
ことを特徴とする光音響装置。
【請求項２】
前記第１の光は、前記正の符号要素に対応する基準タイミングでの光強度の時間変化が、その他のタイミングの光強度の時間変化よりも大きい
前記第２の光は、前記負の符号要素に対応する基準タイミングでの光強度の時間変化が、その他のタイミングの光強度の時間変化よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
【請求項３】
前記受信手段の受信帯域の中心周波数をｆＨｚとしたときに、前記第１の光の、前記正の符号要素に対応する基準タイミングの立ち上がり時間は、１／（２ｆ）秒以下である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光音響装置。
【請求項４】
前記受信手段の受信帯域の中心周波数をｆＨｚとしたときに、前記第１の光の、前記負の符号要素に対応する基準タイミングの立ち下がり時間は、１／（２ｆ）秒以下である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光音響装置。
【請求項５】
前記受信手段の受信帯域の中心周波数をｆＨｚとしたときに、前記第１の光の照射タイミングと前記第２の光の照射タイミングとの時間間隔は、２／ｆ秒以上である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光音響装置。
【請求項６】
前記光照射手段は、前記符号系列の前記正の符号要素及び前記負の符号要素が隣り合う場合に、前記正の符号要素に対応する基準タイミングと、前記負の符号要素に対応する基準タイミングとの間の光強度を所定の範囲内とする
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光音響装置。
【請求項７】
前記光照射手段は、前記符号系列の前記正の符号要素及び前記負の符号要素が隣り合う場合に、光強度の時間変化の波形を矩形波とする
ことを特徴とする請求項６に記載の光音響装置。
【請求項８】
前記符号系列は、Ｂａｒｋｅｒ符号にしたがった符号系列であり、
前記処理手段は、
前記符号系列を｛ａｉ｝（ｉ＝１からＮ、Ｎは符号長、各符号要素は１もしくは−１）、前記第１の光の照射タイミングと前記第２の光の照射タイミングとの時間間隔をΔｔ、前記第１の信号及び前記第２の信号を含む信号をＳ（ｔ）としたときに、以下の式にしたがった前記復号処理を行うことにより、前記復号信号ＤＳ（ｔ）を取得する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光音響装置。
【数１】
2018068496.tif 000005
【請求項９】
前記符号系列は、相補の関係を有する、互いに異なる第１の符号系列及び第２の符号系列を含み、
前記処理手段は、
前記第１の符号系列及び前記第２の符号系列を｛ａｉ｝、｛ｂｉ｝、（ｉ＝１からＮ、Ｎは符号長、各要素は１もしくは−１）、前記第１の光の照射タイミングと前記第２の光の照射タイミングとの時間間隔をΔｔ、前記第１の符号系列に相当する前記第１の信号及び前記第２の信号を含む信号をＳａ（ｔ）、前記第２の符号系列に相当する前記第１の信号及び前記第２の信号を含む信号をＳｂ（ｔ）としたとき、以下の式にしたがった前記復号処理を行うことにより、前記復号信号ＤＳ（ｔ）を取得する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光音響装置。
【数２】
2018068496.tif 000006
【請求項１０】
前記光照射手段は、
半導体レーザまたは発光ダイオードで構成された光源と、
前記光源へ駆動電流を投入する駆動手段と、
を有し、
前記駆動手段は、前記正の符号要素に対応する基準タイミングに前記第１の駆動電流を前記光源に投入することにより、前記第１の光を前記被検体に照射し、
前記駆動手段は、前記負の符号要素に対応する基準タイミングに前記第２の駆動電流を前記光源に投入することにより、前記第２の光を前記被検体に照射する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光音響装置。
【請求項１１】
前記光源は、
前記第１の光を発生する半導体レーザまたは発光ダイオードで構成された第１の光源と、
前記第２の光を発生する半導体レーザまたは発光ダイオードで構成された第２の光源と、
をそれぞれ有し、
前記駆動手段は、
前記第１の光源に前記第１の光を発生させるための前記第１の駆動電流を投入する第１の駆動手段と、
前記第２の光源に前記第１の光を発生させるための第２の駆動電流を投入する第１の駆動手段と、
をそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項１０に記載の光音響装置。
【請求項１２】
前記受信手段は、複数のトランスデューサを有し、
前記複数のトランスデューサのそれぞれは、前記第１の信号及び前記第２の信号を出力し、
前記処理手段は、
前記複数のトランスデューサに対応する複数の前記第１の信号及び前記第２の信号のそれぞれに対して前記復号処理を行うことにより、前記複数のトランスデューサに対応する複数の前記復号信号を取得し、
前記複数のトランスデューサに対応する複数の前記復号信号に基づいて、画像データを取得する
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光音響装置。
【請求項１３】
前記処理手段は、
前記複数のトランスデューサに対応する複数の前記復号信号を単純逆投影することにより、前記画像データを取得する
ことを特徴とする請求項１２に記載の光音響装置。
【請求項１４】
符号系列を構成する正の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第１の光を被検体に照射し、
前記符号系列を構成する負の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第２の光を被検体に照射し、
前記第１の光が前記被検体に照射されることにより発生する、前記正の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第１の信号を取得し、
前記第２の光が前記被検体に照射されることにより発生する、前記負の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第２の信号を取得し、
前記符号系列に関する情報に基づいて、前記第１の信号及び前記第２の信号に対して復号処理を行うことにより復号信号を取得する
ことを特徴とする情報取得方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の情報取得方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響効果を利用した光音響装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体に光を照射し、照射光に基づいて得られる被検体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ）がある。ＰＡＴでは、光源から発生した光を被検体に照射し、被検体内で伝搬、拡散した光のエネルギーを吸収した組織から発生した音響波を検出する。この音響波発生の現象を光音響効果と呼び、発生した音響波を光音響波と呼ぶ。音響波は一般には超音波である。
【０００３】
特許文献１は、パルス光が複数並んだパルス列を被検体に照射することを開示する。また、特許文献１は、光照射により被検体内で発生した光音響波に基づいて、画像データを再構成することを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−３９８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数回の光照射を利用した光音響トモグラフィの場合、典型的には光照射により発生した光音響波の受信が完了した後に、次の光照射を行い、次に発生する光音響波の受信を開始する。しかしながら、この方法では、単位時間当たりの光照射回数が制限されてしまうため、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎの向上が困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、複数回の光照射により発生する光音響波を利用する光音響装置において、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎを向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光音響装置は、光照射手段、受信手段、及び処理手段を有し、光照射手段は、符号系列を構成する正の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第１の光と、符号系列を構成する負の符号要素に対応する光音響波を発生させるための第２の光とを被検体に照射し、受信手段は、第１の光が被検体に照射されることにより発生する、正の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第１の信号を出力し、第２の光が被検体に照射されることにより発生する、負の符号要素に対応する光音響波を受信することにより第２の信号を出力し、処理手段は、符号系列に関する情報に基づいて、第１の信号及び第２の信号に対して復号処理を行うことにより復号信号を取得する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る光音響装置によれば、単位時間当たりに得られる光音響波の受信信号のＳ／Ｎを向上させることを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】正負の符号要素に対応する光強度、及び、光音響波の受信信号を模式的に示す図
【図２】符号系列に対応する光強度、及び、光音響波の受信信号を模式的に示す図
【図３】本実施形態に係る光音響装置を示すブロック図
【図４】本実施形態に係るコンピュータとその周辺の構成を示すブロック図
【図５】半導体レーザの特性を示す図
【図６】正の符号要素に対応する受信信号を説明するための図
【図７】正の符号要素において、立ち上がり時間を変化させたときの受信信号を示す図
【図８】立ち上がり時間とＦＷＨＭとの関係を示す図
【図９】正の符号要素において、立ち下がり時間を変化させたときの受信信号を示す図
【図１０】負の符号要素において、立ち下がり時間を変化させたときの受信信号を示す図
【図１１】基準タイミングの時間間隔と、正の符号要素及び負の符号要素に対応する受信信号の相関値との関係を示す図
【図１２】実施例１に係る駆動電流、受信信号、及び復号信号を示す図
【図１３】実施例１に係る雑音を考慮した受信信号及び復号信号を示す図
【図１４】実施例１に係る駆動部の構成を示す図
【図１５】実施例２に係る駆動電流及び受信信号を示す図
【図１６】実施例２に係る復号信号を示す図
【図１７】実施例２に係る雑音を考慮した受信信号を示す図
【図１８】実施例２に係る雑音を考慮した復号信号を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
物質に光を照射すると光音響効果により音響波（光音響波とも呼ぶ）が発生することが知られている。この光音響波の受信信号を処理する光音響装置において、照射光の制御により正負それぞれの符号要素を含む符号系列に基づいた符号化を行う方法を説明する。図１は、照射光の強度、及び、その照射光により発生する光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。典型的に、図１（ａ）に示すように、照射光の強度の時間変化を正とすると、正のレベルの受信信号を得ることができる。一方、図１（ｂ）に示すように照射光の強度の時間変化を負とすると、負のレベルの受信信号を得ることができる。さらに、単位時間当たりの照射光の強度変化が大きいほど、受信信号のレベルも大きくなる傾向がある。なお、図１においては、音源から受信手段までの光音響波の伝搬時間については無視している。
【００１１】
本発明者は、図１に示すように、照射光の強度の時間変化の正負を制御することにより、受信信号のレベルの正負を制御できることを着想とし、本発明を見出した。すなわち、本発明者は、照射光の強度の時間変化の正負を制御することにより、符号化における符号系列を構成する符号要素の正負を制御することを見出した。例えば、図１（ａ）に示す光照射のタイミングにおける符号要素を｛１｝とし、図１（ｂ）に示す光照射のタイミングにおける符号要素を｛−１｝とし、これらの光照射を組み合わせることにより、正負それぞれの符号要素を含む符号系列を定義することができる。本明細書において、正の符号要素に対応する光音響波を発生させるための光を「第１の光」とする。また、負の符号要素に対応する光音響波を発生させるための光を「第２の光」とする。
【００１２】
以下、いくつかのパターンの符号系列に対応する光照射のシーケンスの例を、図２を用いて説明する。図２中の点線は、各符号要素の基準タイミングを示す。
【００１３】
図２（ａ）は、符号系列｛１、１｝に対応する照射光の強度、及び、光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。図２（ａ）に示す照射光のシーケンスは、強度が短時間に急上昇した後に、時間と共になだらかに下がっていく光（第１の光）を２つ連続させたものである。また、強度が短時間に急上昇するタイミングが、正の符号要素に対応する基準タイミングに対応するように調整されている。例えば、強度が短時間に急上昇する期間の中心のタイミングを基準タイミングと一致させることができる。この場合、基準タイミングに、正の大きな受信信号が得られる。この正の大きな受信信号が、正の符号要素｛１｝に対応する信号となる。
【００１４】
図２（ｂ）は、符号系列｛−１、―１｝に対応する照射光の強度、及び、光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。図２（ｂ）に示す照射光のシーケンスは、強度が時間と共になだらかに上がっていた後に、短時間に急降下する光（第２の光）を２つ連続させたものである。また、強度が短時間に急降下するタイミングが、負の符号要素に対応する基準タイミングに合うように調整されている。具体的には、強度が短時間に急降下する期間の中心のタイミングを基準タイミングと一致させている。この場合、基準タイミングに、負の大きな受信信号が得られる。この負の大きな受信信号が、負の符号要素｛−１｝に対応する信号となる。
【００１５】
図２（ｃ）は、符号系列｛１、−１｝に対応する照射光の強度、及び、光音響波の受信信号のレベルの時間変化を模式的に示した図である。図２（ｃ）に示す照射光のシーケンスは、図２（ａ）に示す第１の光を照射した後に、図２（ｂ）に示す第２の光を照射するものである。第１の光の強度が急上昇するタイミングが正の符号要素｛１｝の基準タイミングに対応し、第２の光の強度が急降下するタイミングが負の符号要素｛−１｝の基準タイミングと対応するように照射タイミングは制御されている。この場合、各基準タイミングに、正の大きな受信信号、および、負の大きな受信信号が得られる。なお、第１の光の時間と共になだらかに下がっていく部分と、第２の光の時間と共になだらかに上がっていく部分とが時間的に重なるので、重畳部分は結果的に矩形波となる。このように、符号系列の正負の符号要素が隣り合う場合に、これらの基準タイミング間の光強度をほぼ一定にすることにより、その期間に不要な光音響波が発生しない。これにより、精度良く光照射による符号化を実現することができる。図２（ｃ）では、符号系列｛１、−１｝の例を説明したが、符号系列｛−１、１｝の場合にも同様に基準タイミング間の光強度をほぼ一定としてもよい。なお、基準タイミング間の光強度の時間変化は、光音響波を受信するトランスデューサの受信帯域に基づいて、この受信帯域から外れる周波数を有する光音響波を発生させる程度の所定の範囲内であれば、ほぼ一定とみなしてもよい。
【００１６】
なお、図２においては、音源から受信手段までの光音響波の伝搬時間については無視している。
【００１７】
このようにして、正負それぞれの符号要素を含む符号系列に対応する光照射を行い、正負それぞれの符号要素を含む符号化を行うことにより、正負それぞれの符号要素を含む符号系列に基づいて復号化を行う際の復号精度を向上させることができる。特に、レーザと比較して出力される光強度が小さい半導体レーザやＬＥＤ等の場合、単位時間当たりの照射回数を増やして、受信信号のＳ／Ｎを向上させたい。このような場合に、正負それぞれの符号要素を含む符号系列に基づいて、先に発生した光音響波の受信が完了する前に、次の光照射を実行して符号化を行うことにより、Ｓ／Ｎの高い復号信号を精度良く取得することができる。
【００１８】
本発明に係る、光音響効果により発生する音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれるものを含む。本発明は、光音響効果により発生した光音響波に基づいて画像データを取得する光音響装置に適用することができる。
【００１９】
本発明に係る光音響装置により得られる光音響画像は、光照射により発生した光音響波に由来するあらゆる画像を含む概念である。光音響画像は、光音響波の発生音圧（初期音圧）、光吸収エネルギー密度、及び光吸収係数、被検体を構成する物質の濃度（酸素飽和度など）などの少なくとも１つの被検体情報の空間分布を表す画像データである。
【００２０】
以下、図３を用いて本実施形態に係る光音響装置の構成を説明する。図３は、光音響装置全体の概略ブロック図である。本実施形態に係る光音響装置は、光照射部１１０、受信部１２０、信号収集部１４０、コンピュータ１５０、表示部１６０、及び入力部１７０を有する。
【００２１】
光照射部１１０が光を被検体１００に照射し、被検体１００から音響波が発生する。光に起因して光音響効果により発生する音響波を光音響波とも呼ぶ。受信部１２０は、光音響波を受信することによりアナログ信号としての電気信号（光音響信号）を出力する。
【００２２】
信号収集部１４０は、受信部１２０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ１５０に出力する。コンピュータ１５０は、信号収集部１４０から出力されたデジタル信号を、光音響波に由来する信号データとして記憶する。
【００２３】
処理手段としてのコンピュータ１５０は、記憶されたデジタル信号に対して後述する処理を行うことにより、光音響画像を表す画像データを生成する。また、コンピュータ１５０は、得られた画像データに対して表示のための画像処理を施した後に、画像データを表示部１６０に出力する。表示部１６０は、光音響画像を表示する。ユーザーとしての医師や技師等は、表示部１６０に表示された光音響画像を確認することにより、診断を行うことができる。表示画像は、ユーザーやコンピュータ１５０からの保存指示に基づいて、コンピュータ１５０内のメモリや、モダリティとネットワークで接続されたデータ管理システムなどに保存される。
【００２４】
また、コンピュータ１５０は、光音響装置に含まれる構成の駆動制御も行う。また、表示部１６０は、コンピュータ１５０で生成された画像の他にＧＵＩなどを表示してもよい。入力部１７０は、ユーザーが情報を入力できるように構成されている。ユーザーは、入力部１７０を用いて測定開始や終了、作成画像の保存指示などの操作を行うことができる。
【００２５】
以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成の詳細を説明する。
【００２６】
（光照射部１１０）
光照射部１１０は、光を発する光源１１１、光源１１１から射出された光を被検体１００へ導く光学系１１２、及び光源１１１の駆動を制御する駆動部１１３を含む。
【００２７】
光源１１１が発する光のパルス幅としては、１ｎｓ以上、１００ｎｓ以下のパルス幅であってもよい。また、光の波長として４００ｎｍから１６００ｎｍ程度の範囲の波長であってもよい。血管を高解像度でイメージングする場合は、血管での吸収が大きい波長（４００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下）を用いてもよい。生体の深部をイメージングする場合には、生体の背景組織（水や脂肪など）において典型的に吸収が少ない波長（７００ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下）の光を用いてもよい。
【００２８】
光源１１１としては、レーザや発光ダイオードを用いることができる。また、複数波長の光を用いて測定する際には、波長の変更が可能な光源であってもよい。なお、複数波長を被検体に照射する場合、互いに異なる波長の光を発生する複数台の光源を用意し、それぞれの光源から交互に照射することも可能である。複数台の光源を用いた場合もそれらをまとめて光源として表現する。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用することができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやアレキサンドライトレーザなどのパルスレーザを光源として用いてもよい。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光を励起光とするＴｉ：ｓａレーザやＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）レーザを光源として用いてもよい。また、光源１１１としてフラッシュランプや発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いてもよい。また、光源１１１としてマイクロウェーブ源を用いてもよい。
【００２９】
例えば、光源１１１は、周波数１ＭＨｚ以上の鋸波状の駆動波形（駆動電流）に追随して光を発することのできる半導体レーザもしくはＬＥＤを採用してもよい。
【００３０】
光学系１１２には、レンズ、ミラー、光ファイバ等の光学素子を用いることができる。乳房等を被検体１００とする場合、パルス光のビーム径を広げて照射するために、光学系の光出射部は光を拡散させる拡散板等で構成されていてもよい。一方、光音響顕微鏡においては、解像度を上げるために、光学系１１２の光出射部はレンズ等で構成し、ビームをフォーカスして照射してもよい。なお、光照射部１１０が光学系１１２を備えずに、光源１１１から直接被検体１００に光を照射してもよい。
【００３１】
駆動部１１３は、光源１１１を駆動する駆動電流（光源１１１に投入する電流）を生成するものである。駆動部１１３には、時間的に光源１１１への投入電流を変化させることのできる電源を用いることができる。駆動部１１３が、光源１１１の出力を制御することにより、図１に示すような光を発生させて符号化を実現する。なお、駆動部１１３は、後述するコンピュータ１５０内の制御部１５３により制御されてもよい。また、駆動部１１３が電流値を制御する制御部を有し、この制御部が投入電流を制御してもよい。駆動電流と照射光の強度との関係については後述する。
【００３２】
（受信部１２０）
受信部１２０は、音響波を受信することにより電気信号を出力するトランスデューサと、トランスデューサを支持する支持体とを含む。
【００３３】
トランスデューサを構成する部材としては、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。また、圧電素子以外の素子を用いてもよい。例えば、静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）、ファブリペロー干渉計を用いたトランスデューサなどを用いることができる。なお、音響波を受信することにより電気信号を出力できる限り、いかなるトランスデューサを採用してもよい。また、トランスデューサにより得られる信号は時間分解信号である。つまり、トランスデューサにより得られる信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信される音圧に基づく値（例えば、音圧に比例した値）を表したものである。
【００３４】
光音響波を構成する周波数成分は、典型的には１００ＫＨｚから１００ＭＨｚであり、トランスデューサとして、これらの周波数を検出することのできるものを採用することができる。
【００３５】
支持体は、１Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ、１．７５Ｄアレイ、２Ｄアレイと呼ばれるような平面又は曲面内に、複数のトランスデューサを並べて配置してもよい。
【００３６】
また、受信部１２０が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を備えてもよい。また、受信部１２０が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を時系列のデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備えてもよい。すなわち、受信部１２０が後述する信号収集部１４０を備えてもよい。
【００３７】
なお、音響波を様々な角度で検出できるようにするために、理想的には被検体１００を全周囲から囲むようにトランスデューサを配置してもよい。ただし、被検体１００が大きく全周囲を囲むようにトランスデューサを配置できない場合は、半球状の支持体上にトランスデューサを配置して全周囲を囲む状態に近づけてもよい。なお、トランスデューサの配置や数及び支持体の形状は被検体に応じて最適化すればよく、本発明に関してはあらゆる受信部１２０を採用することができる。
【００３８】
受信部１２０と被検体１００との間の空間は、光音響波が伝播することができる媒質で満たしてもよい。この媒質には、音響波が伝搬でき、被検体１００やトランスデューサとの界面において音響特性が整合し、できるだけ光音響波の透過率が高い材料を採用する。例えば、この媒質には、水、超音波ジェルなどを採用することができる。
【００３９】
また、本実施形態に係る装置が、光音響画像に加えて、音響波の送受信により超音波画像も生成する場合、トランスデューサは、音響波を送信する送信手段として機能してもよい。受信手段としてのトランスデューサと送信手段としてのトランスデューサとは、単一（共通）のトランスデューサでもよいし、別々の構成であってもよい。
【００４０】
（信号収集部１４０）
信号収集部１４０は、受信部１２０から出力されたアナログ信号である電気信号を増幅するアンプと、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを含む。信号収集部１４０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）チップなどで構成されてもよい。信号収集部１４０から出力されるデジタル信号は、コンピュータ１５０内の記憶部１５２に記憶される。信号収集部１４０は、Ｄａｔａ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＤＡＳ）とも呼ばれる。本明細書において電気信号は、アナログ信号もデジタル信号も含む概念である。なお、信号収集部１４０は、光照射部１１０の光射出部に取り付けられた光検出センサと接続されており、光が光照射部１１０から射出されたことをトリガーに、同期して処理を開始してもよい。また、信号収集部１４０は、フリーズボタンなどを用いてなされる指示をトリガーとして同期して、当該処理を開始してもよい。
【００４１】
（コンピュータ１５０）
情報処理装置としてのコンピュータ１５０は、演算部１５１、記憶部１５２、制御部１５３を含む。各構成の機能については処理フローの説明の際に説明する。
【００４２】
演算部１５１としての演算機能を担うユニットは、ＣＰＵやＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）チップ等の演算回路で構成されることができる。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されるだけでなく、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。演算部１５１は、入力部１７０から、被検体音速や保持部の構成などの各種パラメータを受けて、受信信号を処理してもよい。
【００４３】
記憶部１５２は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）、磁気ディスクやフラッシュメモリなどの非一時記憶媒体で構成することができる。また、記憶部１５２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性の媒体であってもよい。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。なお、記憶部１５２は、１つの記憶媒体から構成されるだけでなく、複数の記憶媒体から構成されていてもよい。
【００４４】
記憶部１５２は、後述する方法で演算部１５１により生成される光音響画像を示す画像データを保存することができる。
【００４５】
制御部１５３は、ＣＰＵなどの演算素子で構成される。制御部１５３は、光音響装置の各構成の動作を制御する。制御部１５３は、入力部１７０からの測定開始などの各種操作による指示信号を受けて、光音響装置の各構成を制御してもよい。また、制御部１５３は、記憶部１５２に格納されたプログラムコードを読み出し、光音響装置の各構成の作動を制御する。
【００４６】
コンピュータ１５０は専用に設計されたワークステーションであってもよい。また、コンピュータ１５０の各構成は異なるハードウェアによって構成されてもよい。また、コンピュータ１５０の少なくとも一部の構成は単一のハードウェアで構成されてもよい。
【００４７】
図４は、本実施形態に係るコンピュータ１５０の具体的な構成例を示す。本実施形態に係るコンピュータ１５０は、ＣＰＵ１５４、ＧＰＵ１５５、ＲＡＭ１５６、ＲＯＭ１５７、外部記憶装置１５８から構成される。また、コンピュータ１５０には、表示部１６０としての液晶ディスプレイ１６１、入力部１７０としてのマウス１７１、キーボード１７２が接続されている。
【００４８】
また、コンピュータ１５０および受信部１２０は、共通の筺体に収められた構成で提供されてもよい。また、筺体に収められたコンピュータで一部の信号処理を行い、残りの信号処理を筺体の外部に設けられたコンピュータで行ってもよい。この場合、筺体の内部および外部に設けられたコンピュータを総称して、本実施形態に係るコンピュータとすることができる。すなわち、コンピュータを構成するハードウェアが一つの筺体に収められていなくてもよい。
【００４９】
（表示部１６０）
表示部１６０は、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などのディスプレイである。コンピュータ１５０により得られた被検体情報等に基づく画像や特定位置の数値等を表示する装置である。表示部１６０は、画像や装置を操作するためのＧＵＩを表示してもよい。なお、被検体情報の表示にあたっては、表示部１６０またはコンピュータ１５０において画像処理（輝度値の調整等）を行った上で表示することもできる。
【００５０】
（入力部１７０）
入力部１７０としては、ユーザーが操作可能な、マウスやキーボードなどで構成される操作コンソールを採用することができる。また、表示部１６０をタッチパネルで構成し、表示部１６０を入力部１７０として利用してもよい。
【００５１】
なお、光音響装置の各構成はそれぞれ別の装置として構成されてもよいし、一体となった１つの装置として構成されてもよい。また、光音響装置の少なくとも一部の構成が一体となった１つの装置として構成されてもよい。
【００５２】
（被検体１００）
被検体１００は光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的として使用できる。よって、被検体１００としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。また、メチレンブルー（ＭＢ）、インドシニアングリーン（ＩＣＧ）などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を光吸収体としてもよい。
【００５３】
＜符号要素｛１｝に相当する光音響波の受信信号＞
本実施形態に係る光音響装置を用いたときの各符号要素に相当する照射光、および、光音響波の受信信号について考察する。まず、図５または図６を用いて、符号要素｛１｝に相当する照射光、及び、光音響波の受信信号について説明する。図５及び６に示すデータは、シミュレーションにより得られたデータである。
【００５４】
図５（ａ）は、光源１１１として半導体レーザを用いた場合の、半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。当該半導体レーザのしきい値電流は０．５Ａ、投入電流が２Ａのときの光出力は１Ｗとなる。半導体レーザの場合、典型的に閾値電流以上の電流の領域では、電流−光出力特性は略線形の関係となる。すなわち、半導体レーザの場合、投入電流の時間波形が光出力（照射光の強度）の時間波形となる。
【００５５】
図５（ｂ）は、正の符号要素に対応する光を発生させるための駆動電流（第１の駆動電流）を示しており、５０ｎｓの時間で電流値を０から２Ａまで上昇させ、９５０ｎｓの時間で電流値を２Ａから０Ａまで低下させている。すなわち、第１の駆動電流の中で、正の符号要素に対応するタイミングでの電流の時間変化に比べて、その他のタイミングの方が電流の時間変化が小さい。この結果、正の符号要素に対応する第１の光は、正の符号要素に対応する基準タイミングでの光強度の時間変化が、その他のタイミングの光強度の時間変化よりも大きい。
【００５６】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）の駆動電流で半導体レーザを駆動した場合の光出力を示している。前述したように、駆動電流に対して光が略線形に出力されていることが理解される。
【００５７】
図６（ａ）は、点状の光吸収体に光を照射した場合に発生する光音響波を受信帯域が無限大のトランスデューサで受信した場合の受信信号を示している。これは、図５（ｃ）の光出力曲線を時間微分したものに等しい。このように、短時間に光出力が急上昇するときに対応じて正の大きな受信信号が得られる。
【００５８】
なお、実際には、トランスデューサの受信帯域が無限大であることはあり得なく、何らかの周波数特性を有している。図６（ｂ）は、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚの周波数特性を持つトランスデューサの受信特性を示したものである。図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示す受信特性を有するトランスデューサで、図５（ｃ）の光照射により発生した光音響波を受信した場合の受信信号を示している。このように、トランスデューサの受信特性を考慮しても、短時間に光出力が急上昇するときに対応じて正の大きな受信信号が得られることになる。この正の大きな受信信号が、正の符号要素（例えば、符号要素｛１｝）に対応する受信信号となる。
【００５９】
図６においては、音源から受信手段までの光音響波の伝搬時間については無視している。
【００６０】
＜符号要素｛−１｝に相当する光音響波＞
詳細の説明は割愛するが、図５（ｂ）の駆動電流を時間軸で反転させた駆動電流（第２の駆動電流）で半導体レーザを駆動した場合に得られる光音響波の受信信号は、図６（ｃ）を時間軸で反転させ、かつ、正負を反転させた波形となる。すなわち、第２の駆動電流の中で、負の符号要素に対応するタイミングでの電流の時間変化に比べて、その他のタイミングの方が電流の時間変化が小さい。この結果、負の符号要素に対応する第２の光は、負の符号要素に対応する基準タイミングでの光強度の時間変化が、その他のタイミングの光強度の時間変化よりも大きい。なお、このようにして得られる負の大きな受信信号が、負の符号要素（例えば、符号要素｛−１｝）に対応する受信信号となる。
【００６１】
＜第１の駆動電流の立ち上がり時間＞
図５（ｂ）において、５０ｎｓの時間で電流値を０から２Ａまで上昇させ、９５０ｎｓの時間で電流値を２Ａから０Ａまで低下させる例を示した。ここで、電流値を０から２Ａまで上昇させる時間を立ち上がり時間、２Ａから０Ａまで低下させる時間を立ち下がり時間とする。立ち上がり時間と立ち下がり時間の和を１０００ｎｓと固定し、立ち上がり時間を２５ｎｓから３００ｎｓまで変えた場合の受信信号の変化を図７に示す。トランスデューサの受信特性は図６（ｂ）と同様に、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚである。図７のグラフ中の右上に示した数値は立ち上がり時間である。また、立ち上がり時間と受信信号の半値全幅（ＦＷＨＭ）の関係を図８に示す。図７、図８で示したように、立ち上がり時間が長いほど、受信信号の半値全幅が大きくなることが理解される。半値全幅が大きくなると画像化したときの解像度が低下することになるので、立ち上がり時間は小さいほうが望ましい。一方、本シミュレーションの場合、１２５ｎｓ以下であればＦＷＨＭの上昇は１０％程度に抑えられるので、立ち上がり時間は１２５ｎｓ以下であることが好ましい（図８中の点線は１２５ｎｓを示す）。ところで、立ち上がり時間の上限値はトランスデューサの受信帯域の中心周波数に反比例する。すなわち、トランスデューサの受信帯域の中心周波数をｆＨｚとすると、立ち上がり時間は１／（２ｆ）秒以下であればよい。
【００６２】
＜第２の駆動電流の立ち下がり時間＞
前述したように、負の符号要素に対応する駆動電流で半導体レーザを駆動した場合に得られる光音響波の受信信号は、正の符号要素に対応する光音響波の受信信号を時間軸で反転させ、かつ、正負を反転させた波形となる。そのため、第２の駆動電流の立ち下がり時間は、第１の駆動電流の立ち上がり時間と同様に、１／（２ｆ）秒以下とすればよい。
【００６３】
なお、駆動部１１３は、第１の駆動電流の立ち上がり時間、または、第２の駆動電流の立下り時間を１／（２ｆ）秒以下とするような駆動電流を光源１１１に投入してもよい。ただし、駆動電流の立ち上がり時間及び立下り時間の好適な範囲について説明したが、照射光の強度の時間変化についても同様のことが言える。すなわち、解像度の低下を抑制するために、正の符号要素に対応する光（第１の光）の立ち上がり時間を１／（２ｆ）秒以下としてもよい。また、解像度の低下を抑制するために、負の符号要素に対応する光（第２の光）の立ち下がり時間を１／（２ｆ）秒以下としてもよい。
【００６４】
＜駆動電流の基準タイミング＞
第１の駆動電流で半導体レーザを駆動した場合において、立ち上がり時間を５０ｎｓと固定し、立ち上がり時間と立ち下がり時間の和を１０００ｎｓから１００ｎｓまで変えた場合の受信信号の変化を図９に示す。トランスデューサの受信特性は図６（ｂ）と同様に、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚである。図９のグラフ中の右上に示した数値は立ち上がり時間と立ち下がり時間の和を示している。
【００６５】
また、第２の駆動電流で半導体レーザを駆動した場合において、立ち下がり時間を５０ｎｓと固定し、立ち上がり時間と立ち下がり時間の和を１０００ｎｓから１００ｎｓまで変えた場合の受信信号の変化を図１０に示す。トランスデューサの受信特性は図６（ｂ）と同様に、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚである。図１０のグラフ中の右上に示した数値は立ち上がり時間と立ち下がり時間の和を示している。
【００６６】
なお、図９、図１０において、基準タイミングで発生した光音響波がトランスデューサに到達した時間が０となるように横軸を調整している。
【００６７】
符号要素を連続させる場合、立ち上がり時間と立ち下がり時間の和は、基準タイミングの時間間隔（符号要素の周期）に相当する。
【００６８】
符号要素｛１｝に相当する受信信号と符号要素｛−１｝に相当する受信信号は正負反転していることが理想であるが、立ち上がり時間と立ち下がり時間の和が小さくなるに従って、これらの受信信号の形が近くなってしまう。すなわち、正の符号要素に対応する受信信号と、負の符号要素に対応する受信信号との区別がつきにくくなってしまう。
【００６９】
立ち上がり時間と立ち下がり時間の和（基準タイミングの時間間隔）と、符号要素｛１｝に相当する受信信号及び符号要素｛−１｝に相当する受信信号の相関値との関係を図１１に示す。受信信号の波形が完全に反転している場合、相関値が−１になり、−１に近いほど理想状態に近いことを意味する。図１１より、立ち上がり時間と立ち下がり時間の和（基準タイミングの時間間隔）が小さくなると、相関値の−１からのずれが大きくなることが理解される。この例では、立ち上がり時間と立ち下がり時間の和（基準タイミングの時間間隔）は５００ｎｓ以上であることが好ましい（図１１中の点線は５００ｎｓを示す）。ところで、基準タイミングの時間間隔の下限値は受信部の受信帯域の中心周波数に反比例する。すなわち、正負の符号要素に対応する受信信号の相関値を小さくするために、トランスデューサの受信帯域の中心周波数をｆＨｚとすると、基準タイミングの時間間隔は２／ｆ秒以上としてもよい。なお、駆動部１１３は、基準タイミングの時間間隔を２／ｆ秒以上とするような駆動電流を光源１１１に投入してもよい。
【００７０】
＜光音響画像の生成フロー＞
次に、本実施形態に係る光音響装置を用いた符号化・復号化により光音響画像を生成する方法（情報取得方法）を説明する。
【００７１】
Ｓ１．光照射部１１０が符号化された光を照射する。
【００７２】
Ｓ２．符号化された光によって発生する光音響波を、受信部１２０に含まれる複数のトランスデューサが受信する。
【００７３】
Ｓ３．演算部１５１は、複数のトランスデューサから出力された各受信信号に対して復号処理を行い、トランスデューサ毎に復号された受信信号（復号信号）を生成する
Ｓ４．演算部１５１は、複数のトランスデューサに対応する複数の復号信号を用いて、光音響画像を生成することができる。
【００７４】
なお、符号化・復号化で用いられる符号系列については、例えば、Ｂａｒｋｅｒ符号などの公知の符号系列を適用することができる。具体的な符号化・復号化の方法に関しては、実施例で後述する。
【００７５】
＜再構成手法＞
演算部１５１は、複数の復号信号を計算空間に逆投影（単純逆投影）して、画像データを生成することができる。すなわち、演算部１５１は、時間信号である復号信号を空間分布データに変換してもよい。例えば、演算部１５１は、複数の復号信号を整相加算して深さ方向に直線状の画像データ（１ライン分の画像データ）を取得してもよい。また、演算部１５１は、この処理を複数のラインに対して実行することにより、二次元または三次元の画像データを生成してもよい。なお、整相加算により得られた空間分布データに対して包絡線処理を行って、画像データを生成してもよい。
【００７６】
ところで、ＰＡＴの画像再構成手法として、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｂａｃｋ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ（ＵＢＰ）法が知られている。これは、受信部で得られた受信信号を時間微分し、かつ正負を反転したデータを逆投影することで光音響画像を得る手法である。これは、インパルス状のパルス光を照射したときに発生する光音響波がＮ−ｓｈａｐｅと呼ばれるアルファベットのＮ字のような形状を持つ場合に採用できる手法である。
【００７７】
一方、本実施形態で発生する光音響波は、Ｎ−ｓｈａｐｅの前半部と後半部を分離し、前半部を符号要素｛１｝に相当する光音響波、後半部を符号要素｛−１｝に相当する光音響波としたものと便宜上理解できる。そのため、本実施形態のように符号化し、復号された受信信号では、ＵＢＰ法を適用しても正しい結果は得られない。そのため、本実施形態においては、演算部１５１は、復号された受信信号に対してＵＢＰ法で行われる前処理を行うことなく、位相を整合した後に加算する整相加算処理を行い、逆投影することが好ましい。本明細書では、復号された受信信号に対してＵＢＰ法で行われる前処理を実行することなく逆投影する再構成手法を、単純逆投影と称している。
【実施例１】
【００７８】
＜Ｂａｒｋｅｒ符号を適用した符号化・復号化＞
次に、Ｂａｒｋｅｒ符号に基づいた符号化・復号化の例を説明する。これまで説明してきた図３に示す光音響装置を用いて説明する。本実施例では、光源１１１には、波長７８０ｎｍ、光出力最大１Ｗの半導体レーザを用いる。受信部１２０には、中心周波数４ＭＨｚ，６ｄＢ帯域２−６ＭＨｚの周波数特性を持つ圧電素子からなるリニアアレイを用いる。受信部１２０と被検体１００との間は音響マッチングのために超音波ジェルで埋められている。
【００７９】
本実施例では、制御部１５３は、符号長７のＢａｒｋｅｒ符号に関する情報を駆動部１１３に送信する。Ｂａｒｋｅｒ符号は、その自己相関関数の絶対値において、ピーク値が符号長に等しく、その他は０もしくは１となる符号であり、符号長１３以下で存在することが知られている。
【００８０】
符号長７のＢａｒｋｅｒ符号は｛１，１，１，−１，−１，１，−１｝である。
【００８１】
図１２（ａ）は、符号長７のＢａｒｋｅｒ符号に関する情報に基づいて、駆動部１１３が生成した駆動電流によって駆動された光源１１１の光出力波形である。ここで、基準タイミングの時間間隔（符号要素の周期に相当する）は１０００ｎｓである。正の符号要素に対応する第１の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ５０ｎｓ、９５０ｎｓである（図５参照）。負の符号要素に対応する第２の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ９５０ｎｓ、５０ｎｓである。
【００８２】
被検体１００中の深さ３ｍｍの位置に点状の光吸収体が存在すると仮定して、その点音源に図１２（ａ）に示す光を照射した際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１２（ｂ）のような波形となる。実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。
【００８３】
コンピュータ１５０内の演算部１５１が、符号化された受信信号の復号方法について説明する。
【００８４】
符号系列を｛ａｉ｝（ｉ＝１からＮ、Ｎは符号長、各符号要素は１もしくは−１）、基準タイミングの時間間隔をΔｔ、受信信号をＳ（ｔ）としたとき、演算部１５１は、（式１）にしたがった復号処理を行うことにより、復号信号ＤＳ（ｔ）を得る。
【００８５】
【数１】
2018068496.tif 000003
【００８６】
図１２（ｂ）の受信信号に対して（式１）の処理を行った結果、図１２（ｃ）のような復号された受信信号（復号信号）を得ることができる。このように、復号された受信信号では、ピーク値は７倍になり、サイドローブは０もしくは−１に抑えられていることが理解される。
【００８７】
さらに、最大値１の受信信号に対して、平均値０、標準偏差０．５の雑音を付加した場合を想定する。図１３（ａ）は、図１２（ａ）の受信信号に雑音が付加された受信信号である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の受信信号に対して、（式１）の復号処理を行った結果得られた復号された受信信号である。このように、Ｂａｒｋｅｒ符号を適用して復号された図１３（ｂ）の復号信号は、図１３（ａ）の受信信号と比べて、光音響波に対応する信号は強調され、雑音は抑制されていることが理解される。
【００８８】
演算部１５１は、このようにして得られた復号信号を用いて光音響画像を生成することでＳ／Ｎ比を向上させた光音響画像を得ることが可能となる。受信部１２０が複数のトランスデューサを備える場合、各トランスデューサから出力された受信信号に対して復号処理を行い、トランスデューサ毎に復号信号が生成される。演算部１５１は、複数のトランスデューサに対応する複数の復号信号を用いて、前述した再構成手法等により光音響画像を生成することができる。
【００８９】
本実施例では、光照射による符号化の際に、負の符号要素に対応する光照射（第２の光）を行っているため、負の符号要素を含む符号系列（例えば、Ｂａｒｋｅｒ符号）に基づいて精度良く符号化することができる。そのため、本実施例によれば、このように符号化された信号を、負の符号要素を含む符号系列に基づいた復号化（例えば、（式１）に示す復号処理）によって精度良く復号することができる。このように、負の符号要素に対応する光照射を行うことにより、負の符号要素を０として光照射を行う場合と比べて、精度良く復号することができる。
【００９０】
本実施例に係る符号要素の基準タイミングの時間間隔の上限について考察する。
【００９１】
本実施例では、符号長７の符号を用いており、復号された受信信号においては、信号レベルは７倍、雑音レベルはサイドローブにかかる部分を除くと√７倍となっている。そのため、Ｓ／Ｎ比は√７倍向上することになる。
【００９２】
一般的に知られるインパルス状のパルス光を照射して光音響波を発生させる手法で同じＳ／Ｎ比の向上を得るには、単純に受信信号を７回取得しそれを平均する必要がある。被検体中の光の伝搬の時間は短いので無視すると、一般的な手法において、１回の受信信号の取得に要する時間は、被検体中の観察領域の最深部で発生した光音響波が受信部に到達するのに要する時間と等しい。この時間をＴｔｏｆとすると、受信信号を７回取得するのに要する時間は７Ｔｔｏｆとなる。
【００９３】
本実施例において、これと同程度のＳ／Ｎ比の受信信号の取得に要する時間は、符号系列に相当する光を照射する時間に、最後の符号要素に対応する光によって発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間を加えたものとなり、６Δｔ＋Ｔｔｏｆとなる。
【００９４】
本実施例による手法のほうが受信信号の取得に要する時間が短ければ、一般的な手法と比較してＳ／Ｎ比の向上の効果が高いといえる。この条件は、Δｔ＜Ｔｔｏｆである。すなわち、基準タイミングの時間間隔は、被検体の観察領域の最深部で発生した光音響波が受信部に到達するのに要する時間よりも小さいことが好ましい。例えば、被検体の観察領域の最深部が５ｃｍ、被検体内の音速が１５００ｍ／ｓの場合、最深部で発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間は３３μｓとなる。この場合、基準タイミングの時間間隔は３３μｓよりも短くすることが好ましい。なお、制御部１５３は、ユーザーが入力部１７０を用いて指示した関心領域に応じて、最深部で発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間よりも短い基準タイミングの時間間隔となるように変更してもよい。また、制御部１５３は、ユーザーの指示や計算により決定された被検体の音速に応じて、最深部で発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間よりも短い基準タイミングの時間間隔となるように変更してもよい。最深部とは、受信部から最も離れている観察領域（関心領域）の位置のことを指す。
【００９５】
＜駆動部の構成＞
駆動部１１３は、第１の駆動電流と第２の駆動電流の双方を発生可能な１つの電源から構成されてもよい。また、駆動部１１３は、第１の駆動電流を発生可能な第１の電源と、第２の駆動電流を発生可能な第２の電源とで構成されてもよい。ここでは、各駆動電流を別々の電源で生成する例を、図１４を用いて説明する。
【００９６】
図１４に示す駆動部１１３は、第１の駆動電流を発生可能な第１の電源２１０、及び、第２の駆動電流を発生可能な第２の電源２２０を含む。制御部１５３は、１と０からなる第１の制御信号２３０を駆動部１１３に送信する機能を有する。また、制御部１５３は、−１と０からなる第２の制御信号２４０を駆動部１１３に送信する機能を有する。
【００９７】
例えば、符号長７のＢａｒｋｅｒ符号｛１，１，１，−１，−１，１，−１｝を発生する場合、第１の制御信号｛１，１，１，０，０，１，０｝と、第２の制御信号｛０，０，０，−１，−１，０，−１｝に分離し、それぞれを駆動部１１３に送信する。すなわち、制御部１５３は、第１の制御信号２３０を第１の電源２１０に送信し、第２の制御信号２４０を第２の電源２２０に送信する。
【００９８】
第１の電源２１０は、符号要素｛１｝のタイミングに合わせて第１の駆動電流を生成し、符号要素｛０｝のタイミングでは電流を０とする、もしくは光音響波の発生が抑制された電流を生成する。第２の電源２２０は、符号要素｛−１｝のタイミングに合わせて第２の駆動電流を生成し、符号要素｛０｝のタイミングでは電流を０とする、もしくは光音響波の発生が抑制された電流を生成する。その結果、光源１１１には、Ｂａｒｋｅｒ符号に対応する駆動電流（図１２（ａ））と同様の電流が投入される。
【００９９】
異なる駆動電流をひとつの電源で発生することに比べ、駆動電流毎に別々の電源を用いる装置の方が、駆動部１１３の設計を簡略化できる。また、駆動電流毎に別々の電源を用いる場合、異なる駆動電流を高速に切り替えるときの応答性が高い。また、駆動電流毎に光源を用意する場合に、駆動電流毎に別々の電源を用いると、同じ期間に異なる駆動電流を別々の光源に投入できる。その結果、異なる符号要素の光を時間的に重複して被検体に照射することができる。これにより、光の照射効率を高めることができ、短時間で高いＳ／Ｎの復号信号を取得することができる。
【実施例２】
【０１００】
＜相補符号を適用した符号化・復号化＞
次に、相補符号を適用した符号化・復号化について説明する。本実施例についても、実施例１と同様の光音響装置を用いて説明する。
【０１０１】
符号長Ｎの２つの符号系列｛ａｉ｝、｛ｂｉ｝、（ｉ＝１からＮ、Ｎは符号長、各符号要素は１もしくは−１）において、それぞれの自己相関関数の和が、ピークにおいて２Ｎとなり、ピーク以外のすべての点でＯとなる相補符号と呼ぶ。例えば、｛ａｉ｝＝｛１，１｝、｛ｂｉ｝＝｛１，−１｝の組は相補符号である。符号長が２のｎ乗、あるいは１０×２のｎ乗の場合、相補符号が存在することが知られている（ｎは自然数）。
【０１０２】
本実施例では、符号長８の相補符号を用いる。具体的には、｛ａｉ｝＝｛１，１，−１，１，−１，−１，−１，１｝、｛ｂｉ｝＝｛１，−１，−１，−１，−１，１，−１，−１｝である。
【０１０３】
図１５（ａ）は、符号系列｛ａｉ｝に関する情報に基づいて駆動部１１３が生成した駆動電流によって駆動された光源１１１の光出力波形である。ここで、基準タイミングの時間間隔（符号要素の周期に相当する）は１０００ｎｓである。正の符号要素に対応する第１の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ５０ｎｓ、９５０ｎｓである（図５参照）。負の符号要素に対応する第２の駆動電流の立ち上がり時間、立ち下がり時間はそれぞれ９５０ｎｓ、５０ｎｓである。
【０１０４】
被検体１００中の深さ３ｍｍの位置に点状の光吸収体が存在すると仮定して、その点音源に図１５（ａ）に示す光を照射した際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１５（ｂ）のような波形となる。実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。
【０１０５】
図１５（ｃ）は、符号系列｛ｂｉ｝に関する情報に基づいて駆動部１１３が生成した駆動電流によって駆動された光源１１１の光出力波形である。また、被検体１００中の深さ３ｍｍの位置に点状の光吸収体が存在すると仮定して、その点音源に図１５（ｃ）に示す光を照射した際に発生する光音響波を受信部１２０で受信して得られる受信信号は、図１５（ｄ）のような波形となる。実際には、点状の光吸収体から受信部１２０まで光音響波が伝搬する時間（約２μｓ）の分だけ時間がずれるが、その時間は無視して表記している。
【０１０６】
コンピュータ１５０内の演算部１５１が、符号化された受信信号の復号方法について説明する。
【０１０７】
符号要素の基準タイミングの時間間隔をΔｔとし、符号｛ａｉ｝に相当する受信信号をＳａ（ｔ）とし、符号｛ｂｉ｝に相当する受信信号をＳｂ（ｔ）としたとき、演算部１５１は、（式２）に従った復号処理を行うことにより、復号信号ＤＳ（ｔ）を得る。
【０１０８】
【数２】
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【０１０９】
図１５（ｂ）の受信波形に対して（式２）の右辺第一項の復号処理を行った結果、図１６（ａ）のような復号された受信信号を得ることができる。また、図１５（ｄ）の受信波形に対して（式２）の右辺第二項の復号処理を行った結果、図１６（ｂ）のような復号された受信信号を得ることができる。そして、図１６（ａ）と図１６（ｂ）の和は、図１６（ｃ）となる。すなわち、（式２）により復号された受信信号では、ピーク値は１６倍になり、サイドローブはほぼ０に抑えられていることがわかる。
【０１１０】
さらに、最大値１の受信信号に対して、平均値０、標準偏差０．５の雑音を付加した場合を想定する。図１７（ａ）は、雑音が付加された符号系列｛ａｉ｝に相当する受信信号であり、図１７（ｂ）は雑音が付加された符号系列｛ｂｉ｝に相当する受信信号である。
【０１１１】
図１８（ａ）は、図１７（ａ）に示す雑音が付加された符号系列｛ａｉ｝に相当する受信信号に、（式２）の右辺第一項の復号処理を行った結果得られた復号された受信信号である。図１８（ｂ）は、図１７（ｂ）に示す雑音が付加された符号｛ｂｉ｝に相当する受信信号に、（式２）の右辺第二項の復号処理を行った結果得られた復号された受信信号である。そして、図１８（ａ）と図１８（ｂ）の和は、図１８（ｃ）となる。このように、相補符号を適用して復号された図１８（ｃ）の復号信号は、図１７（ａ）または図１７（ｂ）の受信信号と比べて、光音響波に対応する信号は強調され、雑音は抑制されていることが理解される。
【０１１２】
本実施例では、光照射による符号化の際に、負の符号要素に対応する光照射（第２の光）を行っているため、負の符号要素を含む符号系列（例えば、Ｂａｒｋｅｒ符号）に基づいて精度良く符号化することができる。そのため、本実施例によれば、このように符号化された信号を、負の符号要素を含む符号系列に基づいた復号化（例えば、（式１）に示す復号処理）によって精度良く復号することができる。
【０１１３】
本実施例に係る符号要素の基準タイミングの時間間隔の上限について説明する。
【０１１４】
本実施例では、符号長８の符号系列を２つ用いており、復号された受信信号においては、信号レベルは１６倍、雑音レベルは４倍となっている。そのため、Ｓ／Ｎ比は４倍向上することになる。
【０１１５】
一般的に知られるインパルス状のパルス光を照射して光音響波を発生させる手法で同じＳ／Ｎ比の向上を得るには、単純に受信信号を１６回取得しそれを平均する必要がある。被検体中の光の伝搬の時間は短いので無視すると、一般的な手法において、受信信号を１６回取得するのに要する時間は１６Ｔｔｏｆとなる。
【０１１６】
本実施例において、符号系列｛ａｉ｝に相当する受信信号の取得に要する時間は、符号系列｛ａｉ｝に相当する光を照射する時間に、最後の符号要素に対応する光によって発生した光音響波が受信部に到達するまでの時間を加えたものとなる。すなわち、その時間は１６Δｔ＋Ｔｔｏｆとなる。符号系列｛ｂｉ｝に相当する受信信号の取得に要する時間も同一である。そのため、符号系列｛ａｉ｝に対応する受信信号の取得と｛ｂｉ｝に対応する受信信号の取得とを順番に（直列に）実行する場合、本実施例による受信信号の取得に要する時間は１４Δｔ＋２Ｔｔｏｆとなる。なお、符号系列｛ａｉ｝に対応する受信信号の取得と｛ｂｉ｝に対応する受信信号の取得とは、少なくとも一部が時間的に重複して実行されてもよい。この場合も、符号系列｛ａｉ｝に対応する受信信号と｛ｂｉ｝に対応する受信信号と分離して復号することができ、結果的に光音響波に対応する信号を強調された復号信号を取得することができる。
【０１１７】
なお、実施例１と同様に、制御部１５３は、観察領域（関心領域）や被検体の音速などに応じて、短時間で高Ｓ／Ｎの信号を取得することができるように、基準タイミングの時間間隔を設定してもよい。また、再構成手法に関しても、実施例１と同様の手法を採用してもよい。また、本実施例においても、実施例１で説明した駆動部の構成を採用してもよい。
【０１１８】
また、本発明は、実施形態及び各実施例において上述してきた、負の符号要素を含む符号系列に対応する光照射を行う光照射方法として捉えることもできる。
【０１１９】
（その他の実施例）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。
【符号の説明】
【０１２０】
１１０  光照射部
１２０  受信部
１５０  コンピュータ
【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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