(57)【要約】試料領域を照射するように構成された電磁放射源と音響信号を検出する音響信号プローブの構成を備える熱音響イメージング装置。放射エネルギを受けて音響エネルギを発生する音響信号発生体（放射応答型音響信号発生体）が前記試料領域の外側に付加されている。前記検出プローブの構成は、前記照射に対応して試料領域で発生した信号と、放射応答型前記音響発生体からの音響信号で前記試料領域を伝播したものの両方を検出する。計算システムは、前記放射応答型音響発生体で発生する前記音響信号に起因する第１の音響信号検出と、前記試料領域で発生する前記音響信号に起因する第２の音響信号検出を識別する。前記計算システムは、前記第１の音響信号検出から、前記試料領域において位置の関数として音響伝達パラメータの断層撮影演算を実行する。前記音響伝達パラメータは音の速さであっても、吸収であっても良い。前記音響伝達パラメータは熱音響像の計算を補正するのに用いられる。
2010512940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料領域を照射するように構成された電磁放射源と、
この試料領域の外側に設置された放射に反応する音響信号発生体と、
前記照射に対応して前記試料領域で発生した複数の音響信号と、前記放射に反応する前記音響発生体から前記試料領域を伝播した音響信号を検出する音響信号検出プローブ配置と、
前記放射に反応する前記音響発生体により発生した音響信号に起因する第１の複数の音響信号の検出と、前記試料領域により発生した音響信号に起因する第２の複数の音響信号の検出を識別し、前記第１の複数の音響信号検出により、前記試料領域において位置の関数として音響伝達パラメータの断層撮影演算を行うように構成された計算装置とを備えるイメージング装置。
【請求項２】
前記計算装置が、前記第１の複数の検出から計算された前記位置に依存する音響伝達パラメータを用いて、前記第２の複数の音響信号の検出から前記試料の音響信号発生強度画像の断層撮影演算を実施するように構成されたイメージング装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のイメージング装置において、
前記音響伝達パラメータは位置の関数としての音の速さであるイメージング装置。
【請求項４】
請求項３に記載のイメージング装置において、
前記計算装置は前記音の速さの計算を反復計算を連続して行うように構成され、
各反復計算は前記試料領域を通る複数の各々の音響経路を通り音速の平均値を計算し、この複数の音響経路は最初の反復計算を除く全ての反復計算で、前回の反復計算で計算された前記試料領域の位置の関数としての音の速さから計算されるイメージング装置。
【請求項５】
請求項１−４のいずれかに記載のイメージング装置において、
前記計算装置は、前記第１の複数の信号検出から、前記試料領域での位置の関数として複数の音響信号の減衰を計算するように構成されているイメージング装置。
【請求項６】
請求項５に記載のイメージング装置において、
前記計算装置は、前記第１の複数の音響信号検出から計算された、前記位置に依存した複数の音響信号の減衰を用いて、前記第２の複数の音響信号検出から、前記試料の前記音響発生強度の画像を計算するように構成されているイメージング装置。
【請求項７】
請求項１−６のいずれかに記載のイメージング装置において、
前記計算装置は、前記放射の共通パルスに対応した複数の音響信号検出を用いて、前記音響伝達パラメータの計算と、この共通パルスに対応した前記第２の複数の信号検出から前記試料の音響発生強度画像の断層撮影演算とを行うように構成され、前記共通パルスに対応した前記第１の複数の検出から計算された前記位置に依存した音響伝達パラメータを用いるよう構成されたイメージング装置。
【請求項８】
請求項１−７のいずれかに記載のイメージング装置において、
放射源は光源であって、前記放射に反応する音響発生体はカーボンファイバー、着色したナイロンファイバー、または人間もしくは動物の黒い毛髪を束ねたものであるイメージング装置。
【請求項９】
請求項１−８のいずれかに記載のイメージング装置において、
前記試料領域は前記放射源と前記音響信号検出プローブの配置の間に設置され、前記放射に反応する音響信号発生体は前記放射源の出口と前記試料領域の間に設置されるイメージング装置。
【請求項１０】
請求項１−８のいずれかに記載のイメージング装置において、
前記放射に反応する音響信号発生体からの音響信号を反射して前記試料領域を通り前記音響信号検出プローブの配置まで到達するように構成されるイメージング装置。
【請求項１１】
請求項１−１０のいずれかに記載のイメージング装置において、
前記計算装置は基準音響検出結果を格納し、前記試料での前記位置に依存した音響減衰を前記第１の複数の検出結果と複数の基準音響検出結果の大きさを比較することにより計算するよう構成されているイメージング装置。
【請求項１２】
請求項１−１１のいずれかに記載のイメージング装置において、
前記計算装置は基準音響信号検出結果を格納し、前記第１の複数の検出結果と前記複数の基準音響信号検出結果を比較することにより、試料の有り／無しの音の速さの差として、音の速さを計算するよう構成されているイメージング装置。
【請求項１３】
試料に電磁放射を照射し、この放射に応答して前記試料に複数の音響信号を発生させ、
放射エネルギを受けて音響エネルギを発生する音響発生体(以下、放射応答型音響発生体)を前記照射の経路にある前記試料の外側に設け、
前記試料により発生される複数の音響信号と、前記試料を通り伝搬した前記照射に対応した前記放射応答型音響発生体からの音響信号とを検出し、
前記放射応答型音響発生体により発生される音響信号に由来する第１の複数の音響信号検出と、前記試料により発生される前記音響信号に由来する第２の複数の音響信号検出を識別し、
前記第１の複数の音響信号検出から前記試料における位置の関数として、前記試料の音響伝達関数の断層撮影演算を実行する工程を備える、画像を生成する方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、
前記第１の複数の検出から計算される前記音響伝達パラメータである前記位置に依存した速度を用いて、前記第２の複数の音響信号検出から、前記試料の音響信号発生強度画像の断層撮影演算を実行する工程を備える方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の方法において、
前記照射の照射源と前記音響信号の検出器の間に音響結合媒体を供給する工程を備え、前記放射応答型音響信号発生体と前記試料は共に前記音響結合媒体に浸漬される方法。
【請求項１６】
請求項１３、１４、または１５に記載の方法において、
前記放射応答型音響信号発生体を用いて、前記試料領域に前記試料を設置せずに試料領域を照射することにより基準測定を行い、、前記放射応答型音響信号発生体により発生する音響信号を検出し、
前記試料領域に前記試料を設置して得られた前記第１の複数の音響信号検出結果と前記試料領域に前記試料を設置しないで得られた複数の検出結果を比較する工程を備える方法。
【請求項１７】
請求項１３−１６のいずれかに記載の方法において、
前記第１の複数の音響信号検出から、前記試料領域での位置の関数として音の速さの計算を行う工程を備える方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、
前記第１の複数の音響信号検出から計算された前記位置に依存する音の速さを用いて、前記第２の複数の音響信号検出から前記試料の前記音響信号発生強度画像を計算する工程を備える方法。
【請求項１９】
請求項１３−１８のいずれかに記載の方法において、
前記第１の複数の音響信号検出から、前記試料領域における位置の関数として音響信号の減衰を計算する工程を備える方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、
前記第１の複数の音響信号検出から計算された前記位置に依存した音響信号の減衰を用いて、前記第２の複数の音響信号検出から前記試料の前記音響信号発生強度画像を計算する工程を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイメージング装置および方法に関し、特に熱音響イメージングに使用される装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱音響イメージングは光音響イメージング(photoacoustic imagingまたはoptoacoustic imaging) とも呼ばれ、例えば米国特許５８４００２３号や５７１３３５６号で知られている。生体組織の熱音響イメージングは、短パルスの電磁波を生体組織に照射し、電磁波パルスに対応してこの生体組織内の吸収構造体から放出される音波を検出する方法を含んでいる。ここで使用される「音響（acoustic）」という用語は超音波、可聴帯域、また可聴帯域外の低周波と本発明のこれらとの組み合わせを包含する。またこれらはすべて「音（sound）」とも呼称する。電磁波パルスの照射は急激な加熱を生じ、結果として局所的な温度上昇となり、照射吸収部位は熱膨張する。これによりこの部位で音響パルスが発生する。これが光音響効果である。
【０００３】
音響パルスの音響検出器（これは生体組織に音響的に結合している）での検出時刻は、音響パルスの発生部位と検出器の距離に依存する。従って、１つの部位の音響検出は生体組織における複数の異なる距離からの音響源の強度を求めることに利用される。複数の部位で音響パルスを検出すると２次元または３次元の熱音響イメージが再構成でき、これは生体組織による電磁波の吸収度合いのイメージとなる。
【０００４】
このようなイメージの再構成は、時間的分解能（または時間位相分解能）を空間分解能に変換するために、生体組織内での音の速さの知識を必要とする。米国特許公開番号２００５／２７７８３４号では、位置によらない音の速さが用いられている。場所に依存する音の速さを用いることは、「透過超音波トモグラフィーを用いた熱音響トモグラフィーにおける音響不均一性の効果の補正」と題する論文、”Correction of the effects of acoustic heterogeneity on thermoacoustic tomography using transmission ultrasound tomography”by Xin Jin, Lihong V. Wang and published in the 7th Conference on Biomedical Thermoacousticsm Optoacoustics and Acousto-optics, (Editor A.A. Oraevsky), Proceedings SPIE Vol 6086 6086W-32、に記載されている。.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Wangは、音の速さの空間的変化を測定するため、熱音響実験に加えて追加測定を利用することを提案している。これは、超音波断層撮影法による測定である。超音波送信機がこの熱音響実験での音響受信機に加えて用いられている。送信機で発生され、水中の試料を通過した音響パルスの到着時刻の測定から、試料なしでの音響パルスの到着時刻と比較して、音の速さが推定される。この測定は試料の回りの突起物を考慮して行われる。音の速さによる断層撮影像はコンピュータＸ線トモグラフィーの標準的な再構築方法を用いて生成される。得られた音の速さの部位による変化は、部位に依存しない単一の音の速さを使用する代わりに、熱音響像（熱音響イメージ）を補正するのに用いられる。Wangの方法の不利な点は独立した音響送信機と独立した測定を必要とすることである。
【０００６】
米国特許公開番号２００３/０１６７００２号から、音速の変化を観察することにより、生体組織への放射による熱的効果を調べることが知られている。しかしながら、この文献は熱音響効果に関わるものではない。
【０００７】
熱音響像（熱音響イメージ）の信頼性に影響を与える他の音響伝達特性としては、試料における音の部位に依存した減衰がある。
【０００８】
とりわけ本発明の目的は、次の画像生成方法とその装置を提供することにある。すなわち、この装置では、熱音響像を形成するのに適した装置において殆どオーバーヘッドなしに、音響の伝達パラメータが得られる。
【０００９】
一実施形態では、熱音響像を改善する方法と装置を提供することを目的とする。
【００１０】
請求項１に基づいた画像装置（イメージング装置）を説明する。ここで放射は音響信号を生成する試料に向かう経路に沿って伝搬する。この経路には、放射エネルギを受けて音響エネルギを発生する音響発生体（以下、放射応答型音響発生体）が試料の外側に設けられている。この放射応答型音響発生体で発生した音響信号はこの後試料を通過する。
【００１１】
放射反応型音響発生体からの信号は、試料を通過した後に、受信されて認識され、音響伝達パラメータ、例えば音の速さまたは試料領域の位置の関数として音響的減衰など、を推定することに用いられる。
【００１２】
一実施形態では、放射は光パルスの形態であるが、他のタイプの放射であっても良い。一実施形態では、カーボンファイバーが放射反応型音響発生体として用いられているが、他の材質であっても放射に反応して、光音響効果により放射を吸収して音響信号を発生するものであれば何でも良い。例えば着色したナイロンファイバー（照射源の光の種類を吸収するように着色されている）でも、または人間あるいは動物の黒い毛を束ねたものでも良い。一実施形態では、放射反応型音響発生体は、放射の断面に比べ小さな断面を持っており、入射した放射のごく一部だけが吸収され、他の部分は通過しして更に試料を照射する。
【００１３】
一実施形態では、伝達パラメータの推定値が、試料内部で発生した音響信号から試料の音響発生強度の画像での断層撮影（熱音響像とも呼ばれる）法による計算に用いられる。1つの例として、位置の関数とした音速推定値を試料の輪郭あるいは表面を計算するのに用いることができる。試料の輪郭あるいは表面からの音は検出位置に同じ時刻に到達する。この輪郭または表面は断層撮影法による計算（以下、断層撮影計算）において輪郭または表面の部位での音響発生強度の計算に用いられる。もう１つの例として、場所の関数とした減衰の推定値は測定された音響発生強度の補正に使用されても良い。この場合、位置の関数とした減衰の推定値は検出位置と計算された輪郭または表面（部位に依存した音速の推定値を用いてあるいは用いずに計算される）における複数の異なる部位との間で、音の合成減衰を計算するのに用いられる。受信した輪郭または表面の信号は、計算された合成減衰に基づき決定された重み付きで、輪郭または表面の異なる部位からの寄与とされる。
【００１４】
放射反応型音響発生体で試料の照射に使用されたものと同じタイプの放射源により励起されるものを用いると、簡単な構成が実現できる。一実施形態では、この発生体とこれに伴う計算を行う装備は、現存の、部位に依存する音響伝達パラメータの推定ができない熱音響イメージング装置に、簡単に追加できる。
【００１５】
一実施形態では、音の速さは反復計算を連続して行うことにより計算され、この際、音響伝搬経路は、前の反復で計算された試料の領域の位置の関数として計算される音の速さにより、計算される。このようにして更に正確な音の速さの分布の推定値が得られる。
【００１６】
一実施形態では、放射の共通パルスへの反応が音響伝達パラメータの測定と試料の中の音響信号発生強度の分布測定の両方に用いられる。これは必要な測定回数を削減する。他の方法として別々のパルスを用いても良い。
【００１７】
一実施形態では、放射反応型音響発生体と試料領域は、放射源の出力と音響検出プローブの配置の間で連続的に設置されている。これにより放射反応型音響発生体で発生した音響信号が試料を通って音響検出プローブの配置されているところまで伝搬することが容易に保証される。これを「前方検出モード（forward detection mode）」と呼称する。
【００１８】
「後方検出モード（backward detection mode）」も試料に対し音響検出器を放射源と同じ側に設置することで可能である。このような場合、試料領域を通過した、放射反応型音響発生体からの音響信号を、配置された音響検出プローブに向けて反射する、音響信号を反射するために音響ミラーを用いて良い。このようにして音の速さの測定を、音響検出プローブの配置と放射源が試料の対向する側にない構成で追加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
上記およびその他の目的と有利な特徴が以下に示す図を用いた実施形態の説明により明確になる。
【図１】図１は、熱音響イメージング装置を示す。
【図２】図２は、試料領域を通過する音響経路を示す。
【図３】図３は、熱音響イメージングの他の可能な構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は熱音響イメージング装置で、光源１０、光ファイバー束１２、撮像槽１５、カーボンファイバー１４、試料領域１６、超音波プローブ１８、および計算装置１９を備えている。カーボンファイバー１４と試料領域１６は撮像槽１５の中に設置されている。光ファイバー束１２は光源１０と試料領域１６の間を結合している。試料領域１６は光ファイバー１２の出口と超音波プローブ１８の間に位置している。カーボンファイバー１４は光ファイバー１２の出口の前に位置し、光ファイバー１２の出口と試料領域１６の間にある。超音波プローブ１８はそれ自体良く知られたものであり、音圧を超音波プローブ１８の表面で２次元の位置の関数として測定するように構成されている。超音波プローブの代わりに他の音響検出プローブを用いても良い。
【００２１】
計算装置１９は光源１０と超音波プローブ１８に接続されている。一実施形態では、計算装置１９は、以下に説明する動作を実行するようにプログラムされた回路、または同様に動作するハードウェアで構成された回路を備えている。ここで使用する用語「circuit」は、このようなハードウェア回路とプログラムされたプログラマブルな回路の両方を意味する。任意で追加可能な表示装置１９ａが計算装置１９に接続されている。
【００２２】
装置を運転する際は、水や超音波ジェルのような音響結合媒体を撮像槽１５に導入し、試料とカーボンファイバー１４をこの音響結合体に浸す。装置１９は光源１０を制御して光パルスを放出させる。光ファイバー１２はその出口まで光パルスを伝達し、光パルスは、その出口からカーボンファイバー１４と試料領域１６に伝達される。光音響効果の結果、良く知られているように、カーボンファイバー１４と試料領域１６の試料は光パルスに反応して音響信号を発生する。発生した音響信号は通常局所的に発生した音響パルスに由来する信号の和となる。この発生した音響信号は超音波プローブ１８まで伝搬し、超音波プローブ１８は結果として生じた音圧を２次元領域の位置で検出する。
【００２３】
計算装置１９は、試料領域１６で発生した音響信号の測定値を用いて、試料領域１６の音響発生強度を計算する。その結果として得られる画像は３次元画像、または２次元画像である。３次元画像は、発生した音響エネルギーの強度を、試料領域１６での音響信号パルスが発生した３次元の位置の関数として生成したものである。２次元画像は、例えば試料をスライスしたような２次元画像である。この音響発生強度画像は光吸収度の画像を表わすと考えられる。また、試料領域での経路に沿った位置の関数である音響発生強度の１次元画像と考えることもできる。もしくは、経路に沿った位置の関数として、この経路を横断する連続面の複数位置における音響発生強度の和の１次元画像と考えることもできる。位置の関数としての音響発生強度の推定値は更に処理され、例えば、ある特徴を強調するための画像、疑似カラーを表示するための画像、合成画像を生成するための画像などを生成する。画像は画像ディスプレイ１９ａに表示することができる。また、これらの画像は、選択された音響発生強度を持つ部分の体積のようなパラメータを推定するのに用いても良く、この場合は画像を表示する必要はない。
【００２４】
このような画像の計算は良く知られている。この基本原理は試料領域１６での個々の部位の音響信号の発生が結果として超音波プローブ１８の測定位置での音響信号になることである。この信号は、試料領域１６から超音波プローブ１８の各々の測定場所に到達するのに必要な時間で決定される遅延時間を伴う。測定場所から試料領域での部位までの距離は、放射反応型音響発生体と試料に光パルスが照射された時点から、超音波プローブ１８の各位置で音響信号を受信する時点までの遅延時間から計算される。しかしながら、測定場所で測定された信号は、発生部位が作る面で発生した音響エネルギーの平均値である（または、もし光の照射がある平面に集中している場合は、発生部位の作るライン上でのものである。）
【００２５】
音響発生強度を試料の場所の関数として決定するには断層撮影法による計算が用いられる。断層撮影法による計算技術は良く知られている。断層撮影は例えばＸ線断層撮影で用いられている。
【００２６】
断層撮影法による計算のもとになるものは、試料を通った各々の面（またはライン）に沿った平均信号を各々が提供する測定値のセットである。断層撮影法による計算では、各々の面（またはライン）に対し数回の測定が用いられる。断層撮影法による計算の結果は、試料における推定場所の関数である信号値の推定値のセットである。このような推定値は、十分に多くの表面（またはライン）のセットに対し平均値が測定された場合に、計算が可能である。好ましくは面（またはライン）のセットは、各々の場所の推定に対し、推定部位に異なる方向から交わるような面（またはライン）を含むと良い。これらの面（またはライン）の複数の測定結果は推定部位の信号値を表わす。
【００２７】
しかしながら、断層撮影法による計算は更に複雑な信号値計算方法を含んでも良い。平均信号値は、ボケを最小化するためのフィルタリングを行なった後、各ラインあるいは各面に沿って像空間に逆投影される。この作業を全てのラインあるいは面で行い、結果を集計することで画像が形成される。この方法はまたフィルタ補正逆投影法（filtered back projection）とも呼ばれる。他の更に高度な方法について米国特許第６２１６０２５号で議論されている。
【００２８】
Ｘ線および熱音響イメージングにおいて共に、断層撮影演算は信号値（Ｘ線吸収と音響発生強度にそれぞれ対応）を推定位置の関数として推定するのに用いられる。Ｘ線断層撮影の場合、平均信号は、Ｘ線源から各Ｘ線検出器までの各ラインでの吸収の寄与が投影されたものである。熱音響イメージングの場合、平均信号は、超音波プローブの部位から音響的に等距離にある面の音響発生強度の平均となる。言い換えれば、熱音響イメージングにおいては、音響信号の到着時刻は、光ファイバー１２の出口に向かう方向に沿って、試料領域１６における位置を決定る。
【００２９】
もし音の速度が試料領域で位置によらないとされるならば、これらの面は３次元の場合は球面であり、２次元の場合は円である。本発明の装置では、球面からずれた面が使用されており、面の形状は、試料領域１６における位置の関数として音の速度を推定したものを用いて計算される。
【００３０】
１次元の断層撮影の場合は非常にシンプルである。到着時間の関数とした信号は単に位置の関数とした音響信号発生強度に対応し、この位置と超音波プローブ１８の間の部分経路に沿った場所における音の速度の平均値に基づいた時間依存のファクターで、時間を場所に関係づける。更に高次元の場合は、音響信号発生強度を位置の関数として再構成するには、もっと複雑な計算が用いられる。
【００３１】
一実施形態では、複数本の光ファイバー１２が直線状に配列されており、光が実質的にそれらの各々の光ファイバの面内を伝達するように構成されている（すなわち、第１の空間的な面内において広い角度で強度が分散しており、第２の空間的な面内において第１の空間的面内に比べて狭い角度で分散する）。この実施形態では光パルスは異なる光ファイバ１２から連続的に伝達され、試料領域１６の順次のスライス面が照射され、この順次のスライス面からの音響信号が順次に検出される。もう一実施形態では、光ファイバー束１２の代わりに１本のファイバーを用いるか、あるいは、レーザービームを用いることでファイバーを用いないで、光をカーボンファイバー１６と試料領域１８に向けてもよい。レンズを用いて、レーザー、ファイバーまたは複数のファイバーからの光を広げて試料領域１８に照射することもできる。
【００３２】
各遅延時間から距離を決定するには、試料領域１６の画像の計算は試料領域１６内での音の速度についての情報を必要とする。音の速度は試料領域１６の各表面を規定し、各表面から音響信号が超音波プローブの一つの位置に同時に到達する。従来の方法では、音の速度は試料領域１６内での位置に依存しないと仮定していた。各表面と超音波プローブ１８との間の距離を決定するために、せいぜい音の速度の平均値が推定されていた。もし音の速度が位置の関数として変化する場合、画像がボケてしまう。
【００３３】
本発明の装置では、音の速度は、画像計算に使用するため位置の関数として、カーボンファイバー１４によって音響信号を発生させる光の到着時刻の測定値から推定される。これらの推定値は試料領域１６の表面を規定するのに用いられる。この表面からは信号が超音波プローブ１８に同時に到達する。音の速度の場所依存のため、これらの面は球状または円状からずれる。
【００３４】
光の速度と音の速度の差により、超音波プローブの各々の位置には光パルスに応じて試料で発生した音響信号が、光パルスに対応してカーボンファイバーで発生した音響信号より、先に到着する。超音波プローブ１８は発生した音響信号を検出し、結果を計算システム１９に伝達する。一実施形態では、データ取得装置（図示されていない）が超音波プローブ１８と計算システムの間に用いられても良い。カーボンファイバー１４からの音響信号は、これらの信号が光パルスの後の遅い時間ウィンドウに到達することで、試料で発生した音響信号から識別される。光パルスの後の早い時間ウィンドウでの音響信号は試料で発生する音響信号に由来するものである。
【００３５】
計算システム１９は断層撮影法による計算をカーボンファイバー１４で発生した音響信号に由来する音響信号の測定を用いて実行し、試料領域１６の試料の位置の関数として音の速度を計算する。単純な近似として、カーボンファイバー１４で発生した音響信号が超音波プローブ１８の各位置に届くまでの遅延時間が、カーボンファイバー１４から超音波プローブ１８までのこれらの位置までの音響経路の長さに対応するとし、音の平均速度はこの経路に沿ったものとする。音の平均速度から、音の速度は断層撮影法による計算により試料領域１６の位置の関数として計算される。この断層撮影法による計算に含まれる幾何的形状はＸ線測定での扇型ビームのものと相似しており、Ｘ線での吸収の代わりに経路に沿った音の速さを用いたものとなる。
【００３６】
一実施形態では、従って、計算システム１９は以下のようなステップを実行する。第１のステップでは超音波プローブ１８の各々の測定位置は試料領域１６を通る各々の部分経路と、カーボンファイバー１４から試料領域１６への部分経路と、試料領域１６から超音波プローブ１８までの部分経路とに対応する。
【００３７】
図２は音響経路２０とこれに対応する超音波プローブ１８の位置２２の例を示す。音の速度が全ての部分経路２４、２５、２６で実質的に同じ場合は、カーボンファイバー１４から超音波プローブ１８の異なる測定点まで直線２０を用いて良い。もし音の速度が、異なる部分経路で異なる場合は、屈折した経路を使用して良い。第３のステップでは計算システム１９が光パルスとカーボンファイバー１４で発生した音響信号の受信する間の遅延時間を各々の測定位置で測定し、これらの位置での経路長を測定された遅延時間で除算して経路に沿った音の速さの平均値を求める。他の方法として、試料領域１６の外側の部分経路で既知の遅延時間を最初に減算し、試料領域の部分経路を残りの遅延時間で除算して計算される。
【００３８】
更にもう一実施形態では、試料を用いない基準測定も行う。例えば音響結合媒体とカーボンファイバー１６のみを撮像槽に入れるか、または標準試料で測定を行う。この実施形態では、平均速度は、試料の有り／無しでのカーボンファイバー１６に起因する音響信号の到着時刻の差から決定される。超音波プローブ１８の全ての位置において、試料有り／無しで得られた各音響信号応答（acoustic signal responses）は相互相関(cross-correlated)計算される。試料無し／有りの場合の遅延時間の差が相互相関関数が最大になるポイントで求められる。
【００３９】
更にもう一実施形態では、相互相関計算の前に、音響信号応答の包絡線を計算してもよい。これは検出された音響信号のヒルベルト変換計算を行い、この相互相関計算の前に、ヒルベルト変換の絶対値を求めることにより計算する。これにより遅延時間の推定値の精度を改善する。
【００４０】
相互相関計算を用いた実施形態では、音の速さの測定値または画像は、結合媒体での音の速さに対し相対的に計算される。ここでは、たとえば脱ガスし、脱塩した水のような、音響特性の明確な媒体を用いることが好ましい。ここでは、音速の測定のための検出と音の速さに言及する場合、これはまた音速の変化の検出または測定も対象に考える、すなわち試料の有無による音速の違いも対象に考える。
【００４１】
一実施形態では、複数の光ファイバー１２、カーボンファイバー１４、および超音波プローブ１８が試料領域１６に対し連続して異なる方向で、前述のステップのいくつかまたは全部が繰り返される。この際、ひとつの光ファイバー１２、カーボンファイバー１４、および超音波プローブ１８の相対的な位置を保持することが好ましい。
【００４２】
図２は、超音波プローブ１８ａの位置２２ａに対応したカーボンファイバー１４ａからの経路２０ａを示す。ここでは、カーボンファイバー１４ａと超音波プローブ１８ａは異なる方向である。異なる方向からの測定により、異なる方向に沿った一組の経路２０、２０ａに沿った音速の平均値（または試料に由来する音速の変化）が求められる。このような、複数の異なる方向に沿った経路に対する、複数の平均の音速（または試料に由来する音速の変化）の複数のセットから、音速（または試料に由来する音速の変化）が位置の関数として推定される。
【００４３】
たとえば前述のような、いかなる断層撮影演算の技術も使用可能である。断層撮影演算は扇型ビームのＸ線断層撮影で用いられるものと同様であり、Ｘ線での吸収の代わりに音速（または試料に由来する音速の変化）を用いたものとなる。このような計算技法自体は良く知られているので、これらはここでは詳説しない。
【００４４】
この断層撮影演算においては、音響経路２０、２０ａが仮定されて用いられている。第１近似では、試料領域１６を直進する音響経路２０、２０ａを断層撮影演算に使用することができる。しかしながら、音の速さが場所により変化する場合、屈折が生じて、実際の音響経路はカーボンファイバー１４から試料領域１６を直進しなくなるので、これにより誤差が生じる。一一実施形態では音の速さの断層撮影計算を反復することにより、屈折の補正が行われる。この各々の反復計算は、その前の反復計算での位置に依存して計算された音の速さを用いて行われる。尚、反復計算は新しい測定は必要としない。ただ以前の測定値から音の速さが計算され、異なる経路で次々に繰り返し計算される必要がある。
【００４５】
上記で説明した実施形態は、発生した音響パルスの伝搬が、直線、すなわち短い波長の音響パルスのセットで近似されている。回折効果（wave effect）が完全に無視できない場合は他の計算方法が用いられる。
【００４６】
光が最初の平面で広がり、この最初の平面に交差する方向には狭い分布で放射される実施形態にあっては、カーボンファイバー１４は最初の平面に交差する方向に延在するように設けられており、各々の光ファイバー１２はカーボンファイバーの極く小さな部分にのみ照射される。一実施形態では、各々の光パルスに対し、この光パルスが伝播した最初の平面での超音波プローブ１８の測定位置における音響信号の測定値のみが音の速さを計算するのに用いられる。このように、低次元ではあるが、そのため高速な音速再構成アルゴリズムが満足できるものとなる。また、光パルスと測定は、診断の目的で、もし２、３の平面だけで十分であるならば、これらの平面に対してのみ適用される。代替方法として、超音波プローブ１８を光ファイバー束１２の異なる部分から発生する音響パルスを分離して検出するのに用いても良く、各々２次元で、異なる交差点の経路のセットでの経路に沿って平均の速度を求めることができる。このようにして、更に多くの経路で音の速さが位置の関数として計算できる。
【００４７】
上記の実施形態では、光ファイバー１２からの光パルスは、第１に試料領域１６での位置の関数としての音速の計算を行うための測定に、また、第２に試料領域１６での位置の関数として音響信号発生強度の計算を行うための測定に用いられる。好ましくは、第１および第２の計算が共に同じ光パルスまたは同じ複数の光パルスに対応した測定値を用いる。代替方法として、別々の光パルスをそれぞれ第１および第２の計算に用いて良い。同じ光パルスまたは同じ複数の光パルスに対応した測定値を用いることは、必要な測定がより少なくて済む、試料領域１６での動きに敏感でない、という利点がある。
【００４８】
このようにして計算された位置の関数としての音の速さは、超音波プローブに同時に到達する音響パルスの試料領域１６での発生部位の面（またはライン）の形状を計算するのに用いられる。このように定まった複数の面（またはライン）は、これに続いて、音響発生強度による断層撮影演算に用いられる。
【００４９】
一定の音速を仮定した試料での音響発生強度の画像または熱音響画像の断層撮影計算では、前述したとおり、フィルタ補正逆投影法が用いられ、測定された音響信号の逆投影（時間軸が距離に変換される）は円上または球面上での像空間で行われる。このような画像を補正するため、計算された音の速さの画像から得られた試料における音の速さの３次元的変化が用いられる。円または球面の歪みの大きさは、放射応答型音響信号発生体からこれに適した超音波プローブの部位までの経路に沿った音の速さの画像の重み付き加算により決定される。円または球面は、従って、それらの経路に沿って試料に依存して進んだり遅れたりする。
【００５０】
断層撮影演算は、さらにこれらの歪んだ円または球面に沿って行われ、計算された音の速さの画像から得られた音の速さの３次元的変化で補正された熱音響像を与える。
【００５１】
多くの測定位置で音響信号を同時に検出することのできる超音波プローブ１８を用いる一実施形態を説明したが、代替として１つの位置でのみ音響信号を検出するプローブを用いることも可能である。このようなプローブで走査することにより更に多くの測定値が得られる。また、超音波プローブ１８を１個のみ示したが、１個または多くのプローブを使用したプローブ配置が利用可能である。このようなプローブ配置は、例えば、音の速さと音響発生強度画像の測定に別々のプローブを備える。また、直線的なプローブが示されているが、曲線的なプローブでも良い。更に、円柱や半球のプローブを使用しても良い。
【００５２】
一実施形態の説明では、放射エネルギを受けて音響エネルギを発生する音響源としてカーボンファイバー１４を用いて音の速さを測定するものとしたが、他の材料、または他の形状の音響源でも良い。そのような材料としては、光パルスに応答して音響パルスを受動的に生成するものであれば十分であり、熱音響測定自身に不要な励起手段は追加不要である。音響源は点状の断面を持つファイバーのようなもので良い。これにより演算が簡素化される。あるいは、所定の音響発生パターンを位置の関数として提供する異なる形状の音響源でも良い。例えばカーボンファイバーをアレイ状にしたものがある。これは音の速さの計算に用いられる。
【００５３】
試料領域１６とカーボンファイバー１４で音響信号を発生するのに光を用いる実施形態を説明したが、代替として他の放射エネルギを使用しても良い。例えば、マイクロ波放射、ラジオ波、Ｘ線等がある。一実施形態では、ＵＶ領域の波長のレーザーや、可視または赤外波長の領域を用いても良く、キセノンフラッシュランプからの光パルスを用いても良い。
【００５４】
もちろん、他のタイプの放射エネルギが用いられた場合、カーボンファイバー１４は、放射エネルギのタイプに適した他の材質のものを使用して良い。
【００５５】
光パルスを用いる実施形態を説明したが、その他のタイプの時間依存の放射を使用して、音響信号を発生しても良い。
【００５６】
特に音速の計算は、試料領域で位置の関数として音響発生強度を測定する任意の装置であって、これではまだ位置に依存する音速の測定はできないものに、付加的に用いられてよい。原理的に、カーボンファイバー１４のような放射エネルギを受けて音響エネルギを発生する音響信号源(以下、放射応答型音響信号源)と、試料領域１６に由来する音響信号と放射応答型音響信号源に由来する音響信号を分離するプログラムと、付加された放射応答型音響信号源に由来する音から音速を計算するプログラム、を付加することで十分である。
【００５７】
好ましい実施形態として、試料領域１６が光ファイバー１２の出口と超音波プローブ１８の間に設置され、試料領域１６は放射応答型音響信号源と超音波プローブ１８の間に設置され、音響信号は放射応答型音響信号源から試料領域１６を経由して超音波プローブ１８に伝播するものが示されている。しかしながら、他の設定も可能である。例えば、試料領域１６は光ファイバー１２と超音波プローブの間に設置される必要はない。この場合、放射応答型音響信号源は試料領域１６の超音波プローブ１８の反対側に設けられる。
【００５８】
図３は他の実施形態を示す。この実施形態では、放射応答型音響信号源が光ファイバー１２と試料領域１６の間に設置され、放射応答型音響信号源からの音響信号を反射して試料領域１６を通して超音波プローブ１８に向ける音響信号反射器３０が設置されるｓ。
【００５９】
推定された音の速さが音響発生強度画像の改善に用いられる実施形態を示したが、推定された音速分布も音速画像を生成するのに用いられて良い。この音速画像は画像自身でも、または音響発生強度画像と合わせても、医療目的の診断に有用である。
【００６０】
更に他の実施形態として、試料における位置の関数として音の減衰を推定することもできる。推定された減衰は、減衰の補正を適用して音響発生強度画像の改善に用いられ。あるいは、それ自身の減衰がそのまま使用されてもよいが、この際、音響発生強度画像の計算は行われない。この減衰は、位置の関数とした音の速さと同様に、位置の関数として推定される。この際、受信した音響信号の遅延時間の代わりに、放射エネルギを受けて音響エネルギを発生する音響パルス発生体からの音響信号を受信した測定値が用いられる。一実施形態では、カーボンファイバー１６で生成された音響信号の大きさが超音波プローブ１８の位置で、結合媒体の中での試料有り／無しで測定される。試料無しでの測定では、たとえば脱ガスし、脱塩した水のように、音響特性の明確な媒体を用いることが好ましい。
【００６１】
一実施形態では、所定の音響伝搬経路に沿った相対的音響減衰の計算方法が実施される。この計算方法は、ピーク値の比を用いるか、または超音波プローブの所定の位置で受信したカーボンファイバーからの音響パルスの総エネルギーを用いて、結合媒体の中で試料有り／無しで実施される。これが結合媒体と比較した、試料を通る経路での音響減衰の測定である。
【００６２】
しかしながら、この方法は媒体−試料の結合境界での反射による伝達損失に敏感で、減衰の過大評価となることがある。他の用いられる方法として、カク（A.C. Kak）とダインズ（K.A. Dines）により説明されている周波数シフト法が、論文（「Signal processing of broadband pulsed ultrasound:measurement of attenuation of soft biological tissues」、IEEE Transactions on Biomedical Engineering（1978） Jul;25（4）、321-44頁）に記載されている。ここで彼らは、結合媒体の中で試料有り／無しで受信した音響信号の中央周波数の周波数シフトの測定を用いて、相対的な音響減衰を推定している。この方法では反射損失に敏感でなく、相対的な音響減衰のより正確な推定が可能である。尚、結合媒体の音響減衰を知ることにより、試料による減衰を計算することができる。
【００６３】
代替の実施形態では、試料の無い基準測定を用いない測定から、減衰の絶対値が計算される。更に他の代替実施形態として、実際の測定無しに計算された既定の基準値と比較した相対的な減衰を用いることも可能である。
【００６４】
音の速さが、到着時間から、位置の関数として測定されるのと同様に、減衰が位置の関数として、検出された平均的減衰から測定される。これらの音響の測定または画像、または相対的な音響減衰は、それ自体診断の目的で有用であるが、作成される熱音響像の補正にも有用である。
【００６５】
もう１つの実施形態では、試料が設置された状態での測定のみが用いられる。この場合、カーボンファイバー１４からの異なる音響パルス経路の終端で検出された、カーボンファイバー１４からの音響パルスのピーク信号強度を、所定の基準値で除算したものを、減衰の断層撮影演算に用いる。
【００６６】
音響発生強度画像の減衰の補正を行うことも可能である。上述したように、試料の熱音響像は測定された音響信号の断層撮影演算により作成される。このような場合、逆投影は逆投影された信号の振幅重み無しに行われる。音響減衰の３次元的変化の補正を行う実施形態をここで説明する。一点における積分された音響減衰が、放射反応型音響発生体からこれに適した超音波プローブの部位までの音響経路に沿って、各々の点で計算される。一点において積分された音響減衰とは、任意の点におけるこの値が、その点までの音響経路に沿った全ての音響減衰の総和であることを意味する。この点を通過する、音響的に逆投影された円または球面、または歪んだ円または球面の部分はこの積分値で逆に重みを付けられる。このようにして、検出位置での全ての点からの等しい寄与を生成するように、ライン上または面上の各々の点の逆投影値は、これらの点で発生する音響発生強度に対応して、計算される。この計算は各々の点から検出器の位置までの減衰をそれぞれ計算した後で行われる。
【００６７】
更にもう１つの実施例では、熱音響像に加えて、音の速さと音響減衰が共に推定される。最も単純なモデルでは、これは、結合媒体の中の試料の有り／無しでの、カーボンファイバー１６により発生される音響パルスの検査で本質的な内容である。このような場合、（相対的）音響減衰とおよび（相対的）遅延時間の両方に対し、特性の明らかな結合媒体を用いて、カーボンファイバーにより発生した音響パルスの分析を行うように、計算装置は構成される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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