(57)【要約】【課題】集音性能に優れた新たな光音響イメージング装置を実現する手法の提案。【解決手段】集音効果を有する周期構造体１０と、周期構造体１０を透過した音を検出する検出部２０と、周期構造体１０と検出部２０との相対位置を変化させる駆動部３０とを備えて光音響イメージング装置１を構成する。駆動部３０は、周期構造体１０と検出部２０間の距離を変化させることができる。このときの距離変化の最大は、周期構造体１０の音の透過方向の長さ未満に定められる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集音効果を有する周期構造体と、
前記周期構造体を透過した音を検出する検出部と、
前記周期構造体と前記検出部との相対位置を変化させる駆動部と、
を備えた光音響イメージング装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記周期構造体と前記検出部間の距離を変化させる第１駆動部を有する、
請求項１に記載の光音響イメージング装置。
【請求項３】
前記第１駆動部による可変距離の最大は、前記周期構造体の前記音の透過方向の長さ未満に定められた、
請求項２に記載の光音響イメージング装置。
【請求項４】
前記周期構造体は、音の透過方向に対する対向面が、前記検出部よりも大きく構成された、
請求項１〜３の何れか一項に記載の光音響イメージング装置。
【請求項５】
前記駆動部は、前記周期構造体および前記検出部の一方を、他方に対して平行移動させる第２駆動部を有する、
請求項１〜４の何れか一項に記載の光音響イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に医療分野において光音響効果を利用したイメージング装置の研究が盛んである。
これまでは、造影ＣＴ（Computed Tomography）やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）等を利用したイメージング装置でしか機能イメージング（Functional Imaging）が実現されてこなかったが、研究が進むにつれて、光音響効果を利用したイメージングの有用性、特に機能イメージングの有用性が明らかとなりつつある。
【０００３】
ここで、「イメージング」とは画像化、可視化のことであり、「機能イメージング」とは、単純Ｘ線や超音波といった信号を基にした解剖学的な画像化ではなく、代謝情報や成分等を画像化する機能的な画像化手法を指す。しかしながら、光音響効果を利用したイメージング手法（以下「光音響イメージング」という）を医療分野に適用する場合には、人体に照射できる光強度に制限があるため、信号強度が非常に微弱となる。また、光音響イメージングの原理は、光を照射することで被測定体内で光吸収を起こさせ、この吸収光に応じた周期的な体積変化によって生じる弾性波（音波）を検出する、というものである。したがって、微弱な照射光によって生じるほんの僅かな弾性波（音波）を高感度に検出する必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に記載されているような光音響装置を用いて集音する手法が考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６３６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の光音響装置を用いた集音を行う場合、音響レンズを用いることとなる。そのため、レンズの中心軸付近では集音性能・集音精度を十分高くすることができるが、中心軸から離れると収差の影響で集音性能が低下する問題がある。
【０００７】
なお、光音響イメージングの測定対象は人体のみならず動物を含む生体が考えられる。勿論、照射光を全反射せずに透過する物であれば生体以外も被測定体とすることが可能である。
【０００８】
本発明は上述した課題に鑑みて考案されたものであり、その目的とするところは、集音性能に優れた新たな光音響イメージング装置を実現する手法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するための第１の発明は、集音効果を有する周期構造体と、前記周期構造体を透過した音を検出する検出部と、前記周期構造体と前記検出部との相対位置を変化させる駆動部と、を備えた光音響イメージング装置である。
【００１０】
この第１の発明によれば、周期構造体を用いて集音するため、集音レンズのような収差が生じることがない。また、周期構造体と検出部との相対位置を変化させることができるため集音性能を十分に発揮させることができる。これにより高性能な光音響イメージング装置を実現することができる。
【００１１】
また、第２の発明は、前記駆動部が、前記周期構造体と前記検出部間の距離を変化させる第１駆動部を有する、第１の発明の光音響イメージング装置である。
【００１２】
この第２の発明によれば、音の透過方向を含めた３次元のイメージングを実現することができるようになる。
【００１３】
また、第３の発明は、前記第１駆動部による可変距離の最大が、前記周期構造体の前記音の透過方向の長さ未満に定められた、第２の発明の光音響イメージング装置である。
【００１４】
この第３の発明によれば、周期構造体と検出部間の距離変化が、周期構造体の音の透過方向の長さ未満に制限されるため、集音性能の低下を抑制することができる。
【００１５】
また、第４の発明は、前記周期構造体が、音の透過方向に対する対向面が、前記検出部よりも大きく構成された、第１〜第３の何れかの発明の光音響イメージング装置である。
【００１６】
この第４の発明によれば、音の透過方向に対する周期構造体の対向面の大きさを、検出部よりも大きく構成することができる。集音範囲を広くとることができるため、検出感度を向上させることができる。
【００１７】
また、第５の発明は、前記駆動部が、前記周期構造体および前記検出部の一方を、他方に対して平行移動させる第２駆動部を有する、第１〜第４の何れかの発明の光音響イメージング装置である。
【００１８】
この第５の発明によれば、周期構造体および検出部の一方を、他方に対して平行移動させることができるため、一方の大きさを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】周期構造体の基本的な構造を説明するための図。
【図２】周期構造体と検出部との位置関係を説明するための図。
【図３】周期構造体と検出部との位置関係を説明するための図。
【図４】周期構造体と検出部との位置関係を説明するための図。
【図５】周期構造体と検出部との位置関係を説明するための図。
【図６】光音響イメージング装置の全体機能構成を示すブロック図。
【図７】検出器の具体的な構造の一例を示す図。
【図８】検出処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。なお、以下説明において、説明の文脈上、用語として適宜“音”、“音波”、“弾性波”を使用するが、技術的な意味はともに同じである。
【００２１】
本実施形態の光音響イメージング装置の特徴の１つは集音機能にある。集音機能は、主に、周期構造体と、検出部と、周期構造体と検出部との相対位置を変化させる駆動部とによって実現される。
【００２２】
［本実施形態の原理］
まず、その周期構造体について説明する。周期構造体は、音響インピーダンスの異なる複数の材料を周期的に配列した構造を有しており、フォノニック結晶やメタマテリアル等と呼ばれる。図１に、周期構造体の基本的な構造を説明するための図を示す。図１（１）が１次元の周期構造体、図１（２）が２次元の周期構造体、図１（３）が３次元の周期構造体の概略構造例を示す。ここでは、白色と黒色とで示す音響インピーダンスが異なる２種類の材料で周期構造体を構成する例を示している。また、図に向かって左右方向が音の透過方向であり、各次元の周期構造体には特有の性質があることが知られている。例えば、１次元の周期構造体であれば、特定の周波数を遮断する特徴がある。２次元および３次元の周期構造体には集音機能があることが知られている。本実施形態では、２次元或いは３次元の周期構造体を用いる。
なお、周期構造体の製造方法などは適宜公知の手法を採用することができる。
【００２３】
また、周期構造体を透過した音を検出する検出部は、音響（圧力）を電気信号に変換する音響・電気変換トランスデューサーによって構成することができる。周期構造体と検出部間の弾性波伝播媒体を空気とするならば、検出部はいわゆるマイクロフォンを利用して構成することができる。また、周期構造体と検出部間の弾性波伝播媒体を水とするならば、検出部はいわゆる水中聴音器を利用して構成することができる。検出部は、弾性波伝播媒体に応じた超小型の音響・電気変換トランスデューターをアレイ状に配列することで検出面を構成し、画像のピクセルよろしく、各ピクセルでの音波の検出レベルを検知する構成とすることで、イメージングを実現することができる。
【００２４】
周期構造体は負の屈折率を有することが知られている。そのため、本実施形態では、周期構造体と検出部とを特異な位置関係を満たすように構成する。
図２は、この特異な位置関係を説明するための図である。２つの音源ＳＦ，ＳＮと、周期構造体１０と、検出部２０との位置関係を側方から見た概念図を示している。２つの音源ＳＦ，ＳＮからの音波の伝達方向及び範囲は一点鎖線で示す通りである。また、図２を含め、本実施形態では、３次元方向を図２に示すＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の直交三軸方向として示す。Ｚ方向が音の透過方向である。
【００２５】
周期構造体１０に入射する前の音波は発散波であり、その伝達方向は音源ＳＦ，ＳＮから発散する方向である。しかし、周期構造体１０は負の屈折率を有するため、周期構造体１０の内外境界面において、発散／収束の方向が変わる。従って、周期構造体１０内に伝播した音波は一旦、収束波となる。しかし、音源ＳＦのように、音源から周期構造体１０までの距離ＤＳが、周期構造体１０のＺ方向（音の透過方向）の長さＷＡより長くなると、周期構造体１０内で音波が完全に収束しきれずに周期構造体１０から出射することとなる。すると、音波は、周期構造体１０の内外境界において収束波から発散波に変化し、音が発散することとなる。このため、いくら検出部２０の位置を変化させても検出面で音波が収束することはない。
【００２６】
他方、音源ＳＮのように、音源から周期構造体１０までの距離ＤＳが、周期構造体１０のＺ方向（音の透過方向）の長さＷＡ未満の場合には、周期構造体１０内に収束点が位置するため、音波が一旦、収束点で収束し、その後発散波となる。しかし、周期構造体１０から抜ける（出射する）ときに負の反射率によって収束波となる。よって、周期構造体１０と検出部２０間の距離ＤＤを適切に定めることで、音源ＳＮの音波を検出部２０の検出面で収束させることができる。
【００２７】
この位置関係は、周期構造体１０と検出部２０間の距離ＤＤが、周期構造体１０のＺ方向（音の透過方向）の長さＷＡから、周期構造体１０と音源間の距離ＤＳを引いた長さとなる。
【００２８】
すなわち、図３に示すように、周期構造体１０と検出部２０間の距離ＤＤを変化させ、音波が集音されたか否かを判定することで、音源がＺ方向のどの位置にあるかを判断することができる。具体的には、検出部２０をＺ方向に移動させつつ音波検出範囲の大きさを判断する。音波検出範囲の大きさが最小となった位置が最適位置である。周期構造体１０のＺ方向の長さＷＡは既知である。そのため、長さＷＡから、最適位置における周期構造体１０と検出部２０間の距離ＤＤを減算することで音源ＳのＺ方向の位置（距離ＤＳに相当）を判断することができる。
【００２９】
なお、音源のＸ方向およびＹ方向の位置は、音波検出範囲の大きさが最小となったときのその音波検出範囲の検出部２０の検出面の座標から判断することができる。よって、音源の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の三次元位置を判断することができるため、音源の３次元マップを生成することができる。
【００３０】
また、図４に示すように、検出部２０をＺ方向に移動させて、複数の音源の位置を判断することもできる。図４では、検出部２０を位置Ｐ１とすることで音源Ｓ１からの音を１点で集音することができ、位置Ｐ２とすることで音源Ｓ２からの音を１点で集音することができ、位置Ｐ３とすることで音源Ｓ３からの音を１点で集音することができる。このように、音源が複数であった場合も、周期構造体１０と検出部２０間の距離ＤＤを変化させ、音波が集音されたか否かを判定することで、それぞれの音源がどの位置にあるかを判断することができる。
【００３１】
また、検出部２０の移動方向をＺ方向として説明したが、図５に示すように、検出部２０をＸ方向やＹ方向に移動可能としてもよい。その場合には、検出部２０を小型化することができる。このとき、検出部２０の検出面（音の透過方向に対する対向面（Ｚ方向対向面））よりも、周期構造体１０のＺ方向対向面の方が大きくなる。したがって、周期構造体１０の集音範囲を広くとることができるため、集音性能の低減を抑えつつ装置全体の小型化を図ることができる。
【００３２】
［全体構成］
図６は、本実施形態の光音響イメージング装置１の全体機能構成を示すブロック図である。
光音響イメージング装置１は、被測定体に向けてレーザー光を照射するレーザー光照射部６０と、照射された光を吸収して生じる周期的な体積変動によって現れた弾性波を検出する検出器１００と、レーザー光照射部６０及び検出器１００を制御する制御部７０と、制御部７０に検出処理（図８参照）を実行させるための検出プログラム８２や各種データを記憶する記憶部８０を備えて構成され、一種のコンピューター制御装置や電子機器ともいえる装置である。また、光音響イメージング装置１は、操作部９２と、表示部９４と、音出力部９６と、通信部９８とを備える。
【００３３】
検出器１００は、上述した周期構造体１０と、検出部２０と、駆動部３０とを備える。駆動部３０は、検出部２０を図２〜図５に示したＸ，Ｙ，Ｚ方向それぞれに移動させることができる。但し、Ｚ方向に移動させる際の検出部２０と周期構造体１０間の距離の最大は、周期構造体１０のＺ方向の長さ未満に定められる。図２を参照して説明した通り、周期構造体１０と検出部２０間の距離ＤＤは、周期構造体１０のＺ方向の長さＷＡ未満である必要があるからである。
【００３４】
なお、図６中、一点鎖線で示すように、周期構造体１０の位置をＸ，Ｙ，Ｚ方向に変更する駆動部を設けて、駆動部３０を省略して検出部２０を固定とすることとしてもよい。この場合、周期構造体１０のＺ方向対向面の大きさを、検出部２０の検出面の大きさより小さくすることができる。
【００３５】
検出器１００の具体的な構造の一例を図７に示す。音波の入射面として受音面４２を配した筒体４１内に、音の透過方向に沿って周期構造体１０、流体ＦＬの収容室、検出部２０が配置される。受音面４２は、弾性波の透過率の高い材料によって構成される弾性波透過膜である。周期構造体１０は、例えば２種類の材料のうちの１種類（第１部材）をゴムとし、もう１種類（第２部材）を流体ＦＬで構成することができる。周期構造体１０を２次元構造体とするならば、複数の円柱体または角柱体（例えば図１（２）の黒色の柱状体）を周期的な間隔で平行配列して第１部材を構成することができる。隣り合う第１部材の間に間隙も設けることで、その間隙に流体ＦＬが充填され、この流体ＦＬで第２部材（例えば図１（２）の白色の柱状体）が構成される。
【００３６】
また、筒体４１内には、第２駆動部であるＸ方向駆動部３１およびＹ方向駆動部（不図示）と、第１駆動部であるＺ方向駆動部３３とが収容されており、検出部２０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させることができるように構成されている。検出部２０と筒体４１の内面との間は、流体ＦＬを収容室内に密閉させつつ、検出部２０の自由移動を確保するための弾性を有する隔離膜４３でシールされている。
【００３７】
流体ＦＬはガス（気体）又は液体とすることができる。収容室内を流体ＦＬで満たすために、流体ＦＬの収容室は不図示の流体溜めに接続されている。
【００３８】
図６に戻る。操作部９２は、ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ、ペダルスイッチ等の各種スイッチや、タッチパネル等の入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた操作信号を制御部７０に出力する。
【００３９】
表示部９４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＥＬディスプレイ（Electroluminescence display）等の表示装置によって実現されるものであり、制御部７０から入力される表示信号をもとに表示画面等の各種画面を表示する。
【００４０】
音出力部９６は、スピーカーで実現されるものであり、制御部７０から入力される音声信号に従った音声を出力する。
【００４１】
通信部９８は、光音響イメージング装置１と外部装置とを通信接続して情報のやり取りを行う装置である。通信方式は無線であるか有線であるかを問わない。記憶部８０に記憶されるプログラムは、この通信部９８を介して外部から入力・更新される構成とすることができ、また、記憶部８０に記憶される検出結果のデータは、この通信部９８を介して外部に出力する構成とすることができる。
【００４２】
制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のマイクロプロセッサー、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の制御装置及び演算装置によって実現されるものであり、光音響イメージング装置１の各部を統括的に制御する。
【００４３】
記憶部８０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の各種ＩＣ（Integrated Circuit）メモリーやハードディスク等の記憶媒体により実現されるものである。記憶部８０には、光音響イメージング装置１を動作させ、この光音響イメージング装置１が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が記憶され、また処理後のデータが記憶される。
【００４４】
記憶部８０には、制御部７０に検出処理（図８参照）を実行させるための検出プログラム８２の他、初期設定データ８４、音波検出データ８６、音源位置検出データ８８が記憶される。初期設定データ８４には、検出部２０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるステップ量（単位量；移動幅）や移動させる範囲、レーザー光照射部６０に照射させるレーザー光に係るパラメーター（光強度など）等が格納される。音波検出データ８６には、検出部２０により検出されたデータ（検出面の各ピクセルに対応する音波レベルのデータ）が、そのときの検出部２０の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標値）と対応付けて複数記憶される。音源位置検出データ８８には、音波検出データ８６に基づいて制御部７０によって判断された音源の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標値）が格納される。音源位置検出データ８８は、いわば音源の３Ｄマップといえる。
【００４５】
［処理の流れ］
図８は、光音響イメージング装置１の制御部７０が行う検出処理の流れを示すフローチャートである。まず、制御部７０は、操作部９２からの操作入力に従って初期設定を行う（ステップＡ２）。例えば、１回の光音響検出ごとに検出部２０を移動させるＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動ステップ量（移動量）を定める。
【００４６】
そして、制御部７０は、駆動部３０に、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の何れかに所定の移動ステップ量だけ検出部２０を移動させつつ、レーザー光照射部６０によるレーザー光の照射（ステップＡ１０）と、検出部２０により検出された検出データの取り込み（ステップＡ１２）とを行う（ステップＡ４〜Ａ１８）。これにより、検出部２０が検出可能な３次元範囲における音源からの音響検出を行う。
【００４７】
次いで、制御部７０は、音波検出データ８６を合成することで、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の各座標値における音波の検出レベルを判断する（ステップＡ２０）。そして、音源位置を判定することで音源位置検出データ８８を生成する（ステップＡ２２）。図３を参照して説明したように、あるＺ座標値におけるＸ−Ｙ平面で、ひとまとまりの音波検出範囲が検出された場合、Ｚ座標値を加減して、Ｘ―Ｙ平面上の同じ位置に現れた音波検出範囲の大きさが最小となるＺ座標値を求める。この最小となったときの音波検出範囲のＸ，Ｙ，Ｚの座標値から、音源の位置を判断することができる。
音源位置検出データ８８を生成した後、検出処理を終了する。
【００４８】
［作用効果］
以上、本実施形態によれば、周期構造体１０を用いて集音するため、集音レンズのような収差が生じることがない。また、周期構造体１０と検出部２０との相対位置を変化させることができるため集音性能を十分に発揮させることができる。これにより高性能な光音響イメージング装置１を実現することができる。
【００４９】
また、駆動部３０が、周期構造体１０と検出部２０間の距離を変化させることができるため、音の透過方向を含めた３次元のイメージングを実現することができるようになる。但しこのとき、周期構造体１０と検出部２０間の距離変化が、周期構造体１０の音の透過方向（Ｚ方向）の長さ未満に制限されるため、集音性能の低下を抑制することができる。
【００５０】
［変形例］
本発明を適用した実施形態の一例を説明したが、本発明の適用可能な形態が上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、図６を参照して説明した通り、検出部２０を移動させるのではなく、周期構造体１０を移動させることとしてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  光音響イメージング装置、１０  周期構造体、２０  検出部、３０  駆動部
【図１】
2016163647.tif 000003
【図２】
2016163647.tif 000004
【図３】
2016163647.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016163647.tif 000007
【図６】
2016163647.tif 000008
【図７】
2016163647.tif 000009
【図８】
2016163647.tif 000010