(57)【要約】【課題】低いコストで高い検出感度が得られる音響波検出装置を提供する。【解決手段】干渉膜に計測光を照射し、前記干渉膜で反射した計測光の強度に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波の強度を計測する音響波検出装置であって、対向する二枚の反射層からなる干渉膜と、前記干渉膜の少なくとも異なる二点以上の場所に光を照射可能な光源であって、光の波長を変更可能な第一の光源と、前記光が前記干渉膜で反射した反射光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器が検出した反射光の強度の変化に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波に対応する電気信号を取得する信号取得部と、前記干渉膜上にある第一の点に対して計測を行った際に照射した計測光の波長である参照波長を取得する波長取得部と、前記干渉膜上にある第二の点に対して計測を行う際に照射する計測光の波長を、前記参照波長に基づいて決定し、前記第一の光源に設定する波長制御部と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉膜に計測光を照射し、前記干渉膜で反射した計測光の強度に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波の強度を計測する音響波検出装置であって、
対向する二枚の反射層からなる干渉膜と、
前記干渉膜の少なくとも異なる二点以上の場所に光を照射可能な光源であって、光の波長を変更可能な第一の光源と、
前記光が前記干渉膜で反射した反射光の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器が検出した反射光の強度の変化に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波に対応する電気信号を取得する信号取得部と、
前記干渉膜上にある第一の点に対して計測を行った際に照射した計測光の波長である参照波長を取得する波長取得部と、
前記干渉膜上にある第二の点に対して計測を行う際に照射する計測光の波長を、前記参照波長に基づいて決定し、前記第一の光源に設定する波長制御部と、
を有することを特徴とする音響波検出装置。
【請求項２】
前記第一の点に対して計測を行う際に、
前記第一の光源から照射される光を、補助計測光として、波長を変更しながら前記第一の点に複数回照射し、波長ごとに取得した反射光の強度に基づいて、前記第一の点に照射する計測光の波長を決定する第二の波長制御部をさらに有する
ことを特徴とする、請求項１に記載の音響波検出装置。
【請求項３】
前記波長制御部は、前記第二の点に対して計測を行う際に、
前記参照波長に基づいて、波長を掃引する範囲である掃引範囲を決定し、
前記第一の光源から照射される光を、補助計測光として、前記掃引範囲内で波長を変更しながら前記第二の点に複数回照射し、波長ごとに取得した反射光の強度に基づいて、前記第二の点に照射する計測光の波長を決定する
ことを特徴とする、請求項２に記載の音響波検出装置。
【請求項４】
前記第一の点は、前記第二の点に対して、干渉膜の厚みの差が所定の値より小さい点である
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の音響波検出装置。
【請求項５】
前記第一の点は、前記第二の点に対して、干渉膜上の温度の差が所定の値より小さい点である
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の音響波検出装置。
【請求項６】
被検体に励起光を照射する第二の光源と、
前記励起光に起因して前記被検体内から発生する音響波に対応する電気信号を取得する、請求項１から５のいずれか１項に記載の音響波検出装置と、
前記音響波検出装置が取得した電気信号に基づいて、前記被検体内の特性情報を取得する情報生成部と、
を有することを特徴とする、光音響測定装置。
【請求項７】
被検体に音響波を照射するトランスデューサと、
前記被検体内で反射した音響波に対応する電気信号を取得する、請求項１から５のいずれか１項に記載の音響波検出装置と、
前記音響波検出装置が取得した電気信号に基づいて、前記被検体内の特性情報を取得する情報生成部と、
を有することを特徴とする、音響測定装置。
【請求項８】
対向する二枚の反射層からなる干渉膜と、前記干渉膜の少なくとも異なる二点以上の場所に光を照射可能な光源であって、光の波長を変更可能な第一の光源と、前記干渉膜で反射した光の強度を検出する光検出器と、を有する音響波検出装置が行う音響波検出方法であって、
前記干渉膜上にある第一の点に対して計測を行った際に照射した計測光の波長である参照波長を取得する波長取得ステップと、
前記干渉膜上にある第二の点に対して計測を行う際に照射する計測光の波長を、前記参照波長に基づいて決定し、前記第一の光源に設定する波長制御ステップと、
前記第一の光源から前記干渉膜に計測光を照射する照射ステップと、
前記光検出器が検出した反射光の変化に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波に対応する電気信号を取得する信号取得ステップと、
を含むことを特徴とする、音響波検出方法。
【請求項９】
前記第一の点に対して計測を行う際に、
前記第一の光源から照射される光を、補助計測光として、波長を変更しながら前記第一の点に複数回照射し、波長ごとに取得した反射光の強度に基づいて、前記第一の点に照射する計測光の波長を決定する第二の波長制御ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項８に記載の音響波検出方法。
【請求項１０】
前記波長制御ステップでは、前記第二の点に対して計測を行う際に、
前記参照波長に基づいて、波長を掃引する範囲である掃引範囲を決定し、
前記第一の光源から照射される光を、補助計測光として、前記掃引範囲内で波長を変更しながら前記第二の点に複数回照射し、波長ごとに取得した反射光の強度に基づいて、前記第二の点に照射する計測光の波長を決定する
ことを特徴とする、請求項８または９に記載の音響波検出方法。
【請求項１１】
前記第一の点は、前記第二の点に対して、干渉膜の厚みの差が所定の値より小さい点である
ことを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項に記載の音響波検出方法。
【請求項１２】
前記第一の点は、前記第二の点に対して、干渉膜上の温度の差が所定の値より小さい点である
ことを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項に記載の音響波検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響波の強度を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において、被検体内の形態情報や、生理的情報、すなわち機能情報をイメージングするための研究が進められている。このような技術の一つとして、近年、光音響トモグラフィ（PAT：PhotoAcoustic Tomography）が提案されている。
【０００３】
パルスレーザ光などの光を被検体である生体に照射すると、光が被検体内の生体組織で吸収される際に音響波（典型的には超音波）が発生する。この現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。被検体を構成する組織は、光エネルギーの吸収率がそれぞれ異なるため、発生する光音響波の音圧も異なったものとなる。ＰＡＴでは、発生した光音響波を音響波検出器で受信し、受信信号を数学的に解析することにより、被検体内の光学特性、特に、光エネルギー吸収密度の分布を画像化することができる。
【０００４】
光音響トモグラフィにおいては、光が吸収される対象によって異なる周波数の音響波が発生するため、帯域の広い音響波検出器を用いる必要がある。
このような音響波検出器として、圧電現象を用いたトランスデューサや、容量の変化を用いたトランスデューサが利用されているが、近年、光の共振を用いた音響波検出器が開発されている。例えば、光干渉膜に光（以下、計測光）を照射した状態で音響波を当該光干渉膜に入射させると、音圧の変化にともなって反射光の強度が変化する。そこで、フォトダイオードなどの光検出センサを用いて反射光の強度を検知することで、音響波の音圧の変化を検出することができる。光干渉膜の代表的なものとして、ファブリーペロー干渉膜がある。
【０００５】
これに関連する発明として、例えば、非特許文献１には、計測光の照射位置をファブリーペロー干渉膜上で移動させ、干渉膜上の複数の位置で音響波を検出する装置が記載されている。
このような、光の共振を用いた音響波検出器は、広帯域の音響波を検出できるという特徴を持っているため、光音響トモグラフィに適した音響波検出器であると言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−００３９６９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Edward Zhang, Jan Laufer, and Paul Beard,"Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner  using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasoundsensor for high-resolution three-dimensional imaging of  biological tissues",1 February 2008  Vol. 47, No. 4  APPLIED OPTICS.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
被検体内で発生した音響波を検出し、当該音響波に基づいて被検体内の情報を取得する場合、ＳＮ比を向上させるため、音響波の検出感度をできるだけ高くすることが求められる。
【０００９】
一方で、ファブリーペロー干渉膜を用いた音響波検出器においては、高い検出感度を得ることができる計測光の波長が、干渉膜の膜厚によって変化するという特徴がある。
すなわち、干渉膜の膜厚にばらつきがある場合や、温度の変化に起因して干渉膜の膜厚が変化するような環境下においては、最適な計測光の波長が一意に定まらない。
【００１０】
この問題に対し、非特許文献１に記載の装置では、検出感度が最適となるよう、計測光の波長を都度調整している。具体的には、波長を時間変化させ、干渉膜の反射光の光量変化をモニターすることで、音響波の検出感度が高い波長を探索しながら測定を行っている。しかし、この方法を用いた場合、測定の長時間化を引き起こしてしまうという別の問題が発生する。特に、被検体内の光学特性値分布を表す三次元画像を生成する場合、複数の個所で光音響波信号を取得する必要があるため、波長探索のプロセスを複数個所で行う必要があり、測定が長時間化してしまう。生体を測定対象とする場合、対象となる生体に負荷がかからないよう、できるだけ短時間で測定を完了させることが好ましい。
【００１１】
一方、特許文献１に記載の装置では、ブロードバンド光を分光し、各波長の光を用いて最適な波長を決定している。当該構成によると、波長を変化させながら探索する必要がなくなるため、測定時間を短縮することができる。
しかし、当該構成では、測定箇所ごとに複数の光検出センサを設置する必要があるため、解像度を向上させようとすると、装置構成が煩雑になり、コストが上昇してしまう。
【００１２】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、低いコストで高い検出感度が得られる音響波検出装置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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明に係る音響波検出装置は、
干渉膜に計測光を照射し、前記干渉膜で反射した計測光の強度に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波の強度を計測する音響波検出装置であって、対向する二枚の反射層からなる干渉膜と、前記干渉膜の少なくとも異なる二点以上の場所に光を照射可能な光源であって、光の波長を変更可能な第一の光源と、前記光が前記干渉膜で反射した反射光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器が検出した反射光の強度の変化に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波に対応する電気信号を取得する信号取得部と、前記干渉膜上にある第一の点に対して計測を行った際に照射した計測光の波長である参照波長を取得する波長取得部と、前記干渉膜上にある第二の点に対して計測を行う際に照射する計測光の波長を、前記参照波長に基づいて決定し、前記第一の光源に設定する波長制御部と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る音響波検出方法は、
対向する二枚の反射層からなる干渉膜と、前記干渉膜の少なくとも異なる二点以上の場所に光を照射可能な光源であって、光の波長を変更可能な第一の光源と、前記干渉膜で反射した光の強度を検出する光検出器と、を有する音響波検出装置が行う音響波検出方法であって、前記干渉膜上にある第一の点に対して計測を行った際に照射した計測光の波長である参照波長を取得する波長取得ステップと、前記干渉膜上にある第二の点に対して計測を行う際に照射する計測光の波長を、前記参照波長に基づいて決定し、前記第一の光源に設定する波長制御ステップと、前記第一の光源から前記干渉膜に計測光を照射する照射ステップと、前記光検出器が検出した反射光の変化に基づいて、前記干渉膜に入射した音響波に対応する電気信号を取得する信号取得ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低いコストで高い検出感度が得られる音響波検出装置を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一の実施形態に係る光音響測定装置のシステム構成図である。
【図２】音響波の検出感度を説明する図である。
【図３】第一の実施形態に係る光音響測定装置の処理フローチャート図である。
【図４】第一の実施形態に係る光音響測定装置の処理フローチャート図である。
【図５】計測光の波長と計測感度との関係を示す図である。
【図６】第一の実施形態における参照点の配置を説明する図である。
【図７】第二の実施形態に係る光音響測定装置の処理フローチャート図である。
【図８】第二の実施形態における参照点の配置を説明する図である。
【図９】第三の実施形態に係る光音響測定装置のシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、実施形態の説明で用いる数値、材質、形状、配置等は、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、発明の範囲を限定するものではない。
【００１８】
（第一の実施形態）
第一の実施形態に係る光音響測定装置は、パルス光を被検体に照射し、当該パルス光に起因して被検体内で発生した光音響波を受信および解析することで、被検体内の光学特性情報を可視化、すなわち画像化する装置である。被検体内の光学特性情報とは、例えば、初期音圧分布や光吸収エネルギー密度分布、あるいは、そこから導かれる吸収係数分布などである。
【００１９】
<システム構成>
図１を参照しながら、本実施形態に係る光音響測定装置の構成を説明する。本実施形態に係る光音響測定装置は、励起光源１１、探触子１２、計測光源１３、走査部１４、ハーフミラー１５、光検出部１６、処理部１７、表示部１８、制御部１９、を有している。
以下、本実施形態に係る光音響測定装置を構成する各手段を説明しながら、被検体情報を取得する方法について概要を説明する。
【００２０】
励起光源１１は、パルス光を発生させ、被検体に照射する手段である。
励起光源１１は、大出力を得るためレーザ光源であることが望ましいが、レーザの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いることもできる。光源としてレーザを用いる場合、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ものが使用できる。
理想的には、出力が強く連続的に波長を変えられる、Ｎｄ：ＹＡＧ励起のＯＰＯレーザ、色素レーザ、Ｔｉ:ｓａレーザや、アレキサンドライトレーザを用いるとよい。また、
異なる波長の単波長レーザを複数有していてもよい。
パルス光の波長は、被検体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特定の波長であって、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、被検体が生体である場合、７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることが望ましい。しかし、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域、さらにはテラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。
また、光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間に光を照射させなければならない。被検体が生体である場合、光源から発生するパルス光のパルス幅は５ナノから５０ナノ秒程度が好適である。
なお、励起光源１１は、必ずしも本実施形態に係る光音響測定装置の一部である必要はなく、外部に接続されていてもよい。
【００２１】
励起光源１１から出射したパルス光は、被検体１０１に照射される。被検体１０１は、生体の一部（例えば乳房）であってもよいし、生体の特性を模したファントム等であってもよい。被検体１０１が生体である場合、腫瘍や血管などの、生体内部にある光吸収体や、生体表面にある光吸収体を画像化することができる。これら被検体１０１の内部もしくは表面にある光吸収体（符号１０２）は、パルス光が照射されると、そのエネルギーの一部を吸収することによって光音響波を発生させる。
【００２２】
探触子１２は、ファブリーペロー型の音響波探触子である。探触子１２は、対向する二枚の反射層からなる光干渉膜を有している。具体的には、二枚の共振ミラーが高分子膜を挟んだ構造をとっている。探触子１２に音響波が入射すると、音響波が入射した側のミラーが高分子膜の膜厚方向に変形し、二枚のミラー間の距離が変化する。この距離の変化を検出することで、入射した音響波の音圧を検出することができる。具体的には、音響波が入射する面とは反対側の面から、ミラー間の距離の変化を計測するための光（計測光）を照射し、当該計測光が反射した光（以下、反射光）の強度の変化を検出する。これにより、探触子１２に印加された音圧の変化を検出することができる。
【００２３】
計測光源１３は、出射するレーザ光の波長を変更可能な波長可変型のレーザ装置であり、後述する制御部１９で決定された波長のレーザ光を発生させる手段である。計測光源１３から発生した所定の波長のレーザ光が、計測光として用いられる。計測光の波長を決定する方法については後述する。
【００２４】
本実施形態に係る光音響測定装置は、計測光が照射される位置（以下、照射位置）を、探触子１２上の任意の位置に設定することができる。
走査部１４は、探触子１２上における計測光の照射位置を変更する手段である。走査部１４は、可動するミラー（例えばガルバノミラー）等の光学部材によって構成され、当該光学部材を移動させることで、計測光の照射位置を、探触子上（干渉膜上）の二点以上の場所に移動させることができる。
【００２５】
探触子１２の表面に照射された計測光は、共振ミラーによって反射し、ハーフミラー１５を通して光検出部１６に入射する。
光検出部１６は、入射した光の強度を測定する手段（本発明における光検出器および信号取得部）である。探触子１２に音響波が入射すると、共振ミラーの間隔が変化し、反射光の強度が変化する。この反射光の強度を測定することで、探触子１２に入射した音響波の音圧変動を電気信号に変換することができる。以下、音響波の音圧変動を表す電気信号を、光音響信号と称する。なお、光検出部１６は、光音響信号を増幅する手段や、アナログの電気信号をデジタル信号に変換する手段を有していてもよい。なお、本明細書における光音響信号とは、光検出部１６で得られたアナログの電気信号と、変換されたデジタル信号の双方を含む概念である。
【００２６】
光検出部１６によって生成された光音響信号は、探触子１２上の一点における反射光量の変動を表す信号である。光検出部１６は、当該光音響信号とともに、対応する探触子上の座標を処理部１７に送信する。
本実施形態では、走査部１４を用いて計測光の照射位置を変更しながら、前述した動作を繰り返し行う。すなわち、探触子１２上の複数の位置で取得した、複数の光音響信号が、処理部１７に送信される。
なお、以降の説明において、特に明示しない限り、測定とは、探触子１２に入射した音響波の音圧を、光音響信号に変換することを指す語として用いる。
【００２７】
処理部１７は、光検出部１６から送信された情報を一時的に記憶し、記憶した情報に基
づいて、被検体内の情報、例えば、光学特性値の分布を表す画像を生成（再構成）する手段（本発明における情報生成部）である。再構成の手法としては、フーリエ変換法、ユニバーサルバックプロジェクション法（ＵＢＰ法）やフィルタードバックプロジェクション法、整相加算などがあるが、どのような手法を用いてもよい。なお、膜厚が著しく異常である領域がある場合（例えば、素子に異物が存在するような場合）、画像を再構成する際に、当該領域で得られたデータを除外して処理を行うようにしてもよい。
【００２８】
表示部１８は、処理部１７が生成した情報を画像として表示する装置であり、典型的には液晶ディスプレイなどが利用されるが、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤなど、他の方式のディスプレイであってもよい。
【００２９】
制御部１９は、前述した各手段を制御する手段（本発明における波長制御部および波長取得部）である。具体的には、被検体に照射する励起光および探触子に照射する計測光の、照射強度、照射タイミング、照射位置などを制御する。また、音響波の受信タイミングなどを制御する。制御部１９は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
【００３０】
なお、本実施形態に係る光音響測定装置では、走査部１４を用いて計測光の照射位置を変更するものとしたが、探触子１２上の任意の個所に計測光を導く構成であれば、他の構成を採用してもよい。例えば、複数の波長の光を照射可能な発光素子アレイを計測光源として用い、発光する素子を切り替えることによって計測光の照射位置を変える構成などを採用してもよい。
【００３１】
<最適波長の説明>
具体的な測定方法を説明する前に、ファブリーペロー型探触子における、音響波の検出感度と波長との関係について説明する。
【００３２】
ファブリーペロー型の探触子は、入射した音響波の音圧に起因して発生する、干渉ミラー間距離の変動を、計測光の反射光強度を検知することで取得する。
ここで、探触子１２に照射した計測光の強度をＩiとし、反射光の強度をＩrとした場合の反射率（Ｉr／Ｉi）は、式（１）によって表すことができる。
【数１】
2016077803.tif 000003
【００３３】
式（１）中のＲは、探触子１２が有するミラーの反射率であり、φは位相である。ここで、計測光の波長をλ、干渉ミラー間に積層されたスペーサー膜の屈折率をｎ、ミラー間の距離をｄとすると、式（２）の関係が成り立つ。この関係をグラフにしたものが図２である。
φ＝（４π／λ）×ｎｄ  ・・・式（２）
【００３４】
図２のグラフは、横軸が位相を表し、縦軸が反射率を表す。当該グラフからわかるように、位相の変化に対する反射率の変化が最大になる位相は、図中のφ0である。ところで
、式（２）からわかるように、位相とミラー間距離ｄは線形の関係にある。したがって、音響波の音圧によるミラー間距離ｄの微小変動に対して反射率の変化がもっとも大きくな
るのも、位相がφ0になるときである。すなわち、このような位相φ0を実現するときに、音響波の検出感度が最大となる。つまり、ある一定のミラー間距離ｄを仮定した場合、検出感度が最も高くなる波長（以下、最適波長）λ0は、式（３）で表すことができる。
λ0＝（４π／φ0）×ｎｄ  ・・・式（３）
【００３５】
しかし、最適波長は、探触子上の全ての位置において必ずしも同一とはならない。
その理由の一つが、温度の変動である。干渉膜は温度によって熱変形をするため、それに伴って膜厚が変化し、膜厚に依存する最適波長が変化してしまう。例えば、被検体である生体が探触子と接触すると、体温によって探触子の温度が変動し、これによって最適波長が変動してしまう。また、最適波長の変動は、環境温度の変化によっても発生する。
また、もう一つの理由が、探触子の干渉膜の膜厚のばらつきである。膜厚のばらつきは、主に製造時に発生する。膜厚が均一でない場合、測定位置ごとに最適波長が変化してしまう。
【００３６】
このように、最適波長は、測定位置ごとに異なる可能性があり、また、同じ測定位置であっても経時的に変化する可能性がある。そこで、感度の高い測定を実現するためには、各測定箇所において最適波長の探索を行い、計測光の波長を追従させる必要がある。
【００３７】
<測定の概要>
本実施形態に係る光音響測定装置は、探触子１２上に設定された複数の測定位置（以下、測定点）についての情報を保持しており、当該測定点に順番に計測光を照射していくことで、探触子に入射した音響波の音圧の分布を取得する。
また、複数の測定点のうちのいくつかを参照点（本発明における第一の点）とし、当該参照点を測定する際に、最適波長の探索を行う。また、それ以外の測定点（本発明における第二の点。以下、非参照点）においては、最適波長の探索は行わず、参照点において取得した最適波長（以下、参照波長）を用いて測定を行う。
測定点および参照点の位置についての情報は、測定を行う順序とともに、予め制御部１９に記憶される。なお、測定点と参照点の具体的な配置例については後述する。
【００３８】
<処理フローチャート>
本実施形態に係る光音響測定装置が、被検体に対して行う測定の方法について、処理フローチャートである図３を参照しながら説明する。
まず、ステップＳ１１で、計測光を照射する測定点を決定し、走査部１４を用いて、計測光の照射位置を当該測定点に移動させる。
次に、ステップＳ１２で、対象の測定点が、参照点として設定された点であるか否かを判断する。対象の測定点が参照点である場合、ステップＳ１３で、最適波長を探索する処理を実行し、当該参照点における最適波長を決定する。ステップＳ１３で行う処理は、最適波長が存在する可能性がある全ての範囲を対象として波長掃引を行い、最適波長を探索する処理である。このような処理を以降、全範囲掃引と呼ぶ。
【００３９】
図４は、ステップＳ１３において行われる、最適波長の探索処理を詳細に示したフローチャートである。ステップＳ１３では、探触子上にある任意の測定位置に、補助測定を行うための光（以下、補助計測光）を照射して、当該光の波長を変化させながら、反射光量の変化を記録し、当該結果に基づいて最適波長を算出する。
【００４０】
まず、ステップＳ１３１で、最適波長を探索するための波長掃引範囲を設定する。具体的には、まず、干渉膜の設計値から計算される、最適波長の予測値を取得し、次に、干渉膜の膜厚ばらつきの最大値や、最大温度差から計算される、波長の変動予測量を取得する。そして、最適波長の予測値に変動予測量を適用し、波長掃引範囲を決定する。
次に、ステップＳ１３２で、波長掃引を行う。本明細書における波長掃引とは、設定し
た波長掃引範囲内で波長を変えながら、計測光源１３から補助計測光を複数回照射し、反射光の強度を波長ごとに取得する動作を指す。
【００４１】
最後に、ステップＳ１３３で、波長掃引の結果得られた反射光の強度に基づいて、前述した方法によって、最適波長を算出する。例えば、取得したデータ（反射光量の波長依存性を示すデータ）を波長によって微分演算し、その最大値となる波長を最適波長とすることができる。
なお、最適波長を算出する方法は、最大感度を示す波長を特定できれば、例示した方法以外のものを用いてもよい。ステップＳ１３３で決定した最適波長は、参照点の位置と対応付けられて一時的に記憶される。
【００４２】
図３に戻って説明を続ける。
ステップＳ１２の判定において、対象の測定点が参照点ではなかった場合、処理をステップＳ１４に遷移させ、対応する参照点における最適波長（参照波長）を取得する。ステップＳ１３およびＳ１４で取得した参照波長は、計測光源１３に設定される。
【００４３】
ステップＳ１５では、設定された波長の計測光を、探触子１２上の測定点に照射するとともに、励起光源１１で発生したパルス光を被検体に照射する。照射された計測光は探触子１２で反射し、当該反射光の強度（光量）が光検出部１６で検出される。なお、光検出部１６が行う光量の検出は、励起光源１１から出力される発光トリガ信号に同期して行われる。光検出部１６で検出された反射光量の変化（光音響信号）は、処理部１７内部のメモリに蓄積される。
ステップＳ１６では、他の測定点で測定を行う必要があるか否かを判定し、未処理の測定点がある場合、処理をステップＳ１３に遷移させ、測定を継続する。全ての測定を完了した場合、処理はステップＳ１７に遷移する。
【００４４】
ステップＳ１７では、処理部１７が、蓄積された光音響信号を用いて画像再構成を行い、被検体内部の光エネルギー吸収密度分布を表す三次元画像を生成する。さらに、適切な画像処理を行った後、当該画像を表示部１８に出力する。
【００４５】
<参照点の配置方法>
前述したように、本実施形態に係る光音響測定装置は、探触子上にある複数の測定点を、最適波長の探索を行う測定点（参照点）と、最適波長の探索を行わない測定点（非参照点）とに分け、探索した最適波長を再利用することで測定時間の短縮を行う。しかし、対象の測定点と参照点とが離れすぎている場合、最適波長のずれが許容量を超えてしまうおそれがある。そこで、本実施形態に係る光音響測定装置は、最適波長のずれ量が、所定の範囲内に収まるように参照点を設定する。
【００４６】
具体的な例を挙げて説明する。
図５は、計測光の波長（横軸）と、規格化した計測感度（縦軸）との関係を表した図である。なお、計測感度は、反射率を位相φで微分した値に比例する。図５は、干渉膜の反射率を０．９、干渉膜の屈折率を１．６５（パリレン膜）、膜厚を３０[ｕｍ]とした場合における、波長＝１５５０[ｎｍ]付近の特性を表したものである。なお、パラメータはこれ以外であってももちろんよい。
図５に示したように、許容される最小感度を、最大感度に対する比で表したもの（以下、許容感度）をＳlimとすると、感度がＳlim以上となる波長の幅はΔλlimとなる。
また、当該波長幅に含まれる任意の波長と、最大感度を示す波長（最適波長）の差分の最大値をΔλmax、最小値をΔλminとする。
参照点は、干渉膜上での移動に伴う最適波長の変化量が、Δλlim以内となる範囲内に
設定すればよい。
【００４７】
最適波長がずれる主な要因は、前述した通り、温度の変化や、温度変化による干渉膜の膜厚の変化、または、干渉膜の製造時における膜厚のばらつき等である。
ここで、干渉膜上の移動量Δｌに対する膜厚の変化量を（Δｄ／Δｌ）とおくと、当該変化量は、式（２）のように表すことができる。
【数２】
2016077803.tif 000004
【００４８】
ここで、ｋは、ファブリーペロー干渉膜の熱膨張率[１／℃]であり、ΔＴx／Δｌは、
干渉膜上の移動量に対する温度の変化量のうち、初期の温度分布に伴う変化量[℃／ｍ]である。また、ΔＴt／Δｌは、干渉膜上の移動量に対する温度の変化量のうち、時間の経
過に伴う変化量[℃／ｍ]である。なお、ΔＴt／Δｌは、音響波の計測時刻に依存する量
であるため、計測光の走査速度や走査方法に依存する。
【００４９】
また、Δｄx／Δｌは、干渉膜上の移動量に対する膜厚の変化量[ｍ／ｍ]（製造時の膜
厚ばらつきに起因するもの）である。
先述の式より、膜厚差がΔｄだけ存在する二点間の最適波長の差分Δλは、式（３）のように表すことができる。
Δλ＝（４π／φ0）×ｎΔｄ  ・・・式（３）
したがって、感度が許容感度Ｓlim以上となる移動量は、Δλmin≦Δλ≦Δλmaxを満
たす移動量ｌlとなる。ｌminおよびｌmaxを、式（４）および式（５）のように置くと、
ｌmin≦ｌl≦ｌmaxと表せる。
【数３】
2016077803.tif 000005
【数４】
2016077803.tif 000006
【００５０】
以上を整理すると、対象の測定点から参照点までの距離をｌlとした場合に、ｌmin≦ｌl≦ｌmaxを満たすような範囲に参照点を配置することで、許容感度Ｓlimを担保すること
ができることがわかる。
なお、以上の例では、干渉膜上の一次元方向についてのみ説明を行ったが、二次元座標においても同等の説明が適用できるため、ここではその説明を省略する。
なお、以上の例では、ｌmin≦ｌl≦ｌmaxの範囲は十分に微小であるとし、そのため、
この範囲においてはΔｄ／Δｌが一定であることを仮定している。しかしながら、この仮定が満たされない場合においても、以上の例と同等の説明が可能であるため、ここではその場合の説明を省略する。
【００５１】
図６は、前述した条件を満たすように、探触子１２上に、複数の測定点と参照点を配置した例である。符号６０１は、探触子１２上において計測光が照射される領域（以下、測定領域）である。また、符号６０２で示した測定点が、測定を開始する点を表す。測定点
に付された数字は、測定を行う順番である。
なお、図中、黒丸で示した点が参照点であり、点線で示した点が、非参照点である。また、９つの測定点を含む正方領域が、同一の波長で測定を行う範囲を示す。すなわち、正方領域の中心に位置する参照点における最適波長を用いて、他の８つの測定点に対する測定を行う。９つの測定点に対する測定が終わると、次の正方領域に移動し、同様の処理を繰り返す。
【００５２】
なお、前述したｌmin≦ｌl≦ｌmaxの関係を満たせば、参照点の配置方法は例示したも
のに限られない。また、測定の順番も、例示したものに限られない。ただし、探触子の温度変化が急峻とならないように配慮することが望ましい。
また、前述したような演算を用いるのではなく、計測感度が干渉膜上の距離に対してどのように変化するかを実測することで、参照点の位置を定めるようにしてもよい。
【００５３】
次に、第一の実施形態において得られる効果について説明する。
発明者らが行った検討結果によると、許容感度Ｓlimは０．５以上であれば十分である
ことがわかっている。この場合のΔλlimは、０．５[ｎｍ]程度である。
また、干渉膜上の移動量に対する膜厚の変化量を１０-6[ｍ／ｍ]とし、干渉膜上の温度変化量を５０[℃／ｍ]とする。なお、参照点の間を走査する間における、探触子温度の時間変化の最適波長への影響は無視するものとする。
また、探触子の干渉膜には、パリレンを用いる。以上のような条件の場合、ｌlの範囲
は最大で±２５０[ｕｍ]程度となる。
【００５４】
ここで、波長掃引の速度を１００[ｎｍ／ｓ]とし、掃引幅を１０[ｎｍ]、計測光の照射間隔を１００[ｕｍ]とすると、少なくとも一回の波長掃引にかかる時間は１００[ｍｓ]となる。従って、１００×１００ｓｔｅｐの二次元平面上で測定を行う場合、全ての測定点で波長掃引を行うと、１０００[ｓ]程度の時間が必要となる。
一方、図６に示したパターンで測定を行う場合、全ての測定点で波長掃引を行った場合と比較して、処理量が１／９となるため、処理時間を１１１[ｓ]程度に短縮することができる。もちろん、上記で仮定した計測環境以外でも、計測時間の短縮化を図ることができる。
【００５５】
以上説明したように、第一の実施形態では、探触子上にある複数の測定点を、最適波長の探索を行う測定点（参照点）と、最適波長の探索を行わない測定点（非参照点）とに分け、非参照点に対する測定において、既に探索した最適波長を再利用する。このように構成することで、干渉膜の温度のばらつきや、膜厚のばらつきに起因する検出感度の低下を防ぐことができるとともに、測定時間を短縮することができる。
【００５６】
（第二の実施形態）
第一の実施形態では、参照点で取得した参照波長を用いて、非参照点に対する測定を行った。しかし、参照点と非参照点は離れて存在しているため、少なからず膜厚や温度の変動が発生し、真に最適な波長との間にずれが生じる可能性がある。
【００５７】
第二の実施形態は、この問題に対応するため、参照点で取得した参照波長をそのまま用いるのではなく、当該参照波長の前後の波長を掃引し、真に最適な波長を求める実施形態である。ここで行う掃引は、第一の実施形態で例示したような全範囲掃引ではなく、波長の僅かなずれを修正するための、範囲を限定した掃引である。
第二の実施形態における光音響測定装置のシステム構成図は、第一の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略し、第一の実施形態との処理の相違点のみを説明する。
【００５８】
第二の実施形態では、第一の実施形態で示した、ステップＳ１２，Ｓ１３，Ｓ１４の処
理が、図７に示した処理に置き換わる。
ステップＳ２１では、測定点が、測定を開始する地点（測定開始点）であるか否かを判断する。測定点が、測定開始点であった場合、ステップＳ２２に遷移し、ステップＳ１３と同様の処理によって、最適波長を探索する。測定点が、測定開始点ではない場合、ステップＳ２３に遷移し、一つ手前の測定点における最適波長（参照波長）を取得し、当該参照波長に基づいて、波長掃引範囲を決定する。以下、具体的な方法について説明する。
【００５９】
ここで、干渉膜上の移動量Δｌに対する膜厚の変化量を（Δｄ／Δｌ）とおき、参照点と非参照点との距離をｌ2とおくと、最適波長の変化量の絶対値Δλrangeは、式（６）のように表すことができる。
【数５】
2016077803.tif 000007
【００６０】
また、参照波長をλ0とすると、最適波長を求めるために必要な波長掃引範囲は、λ0−Δλrange≦λ≦λ0＋Δλrangeで表された範囲となる。
ステップＳ２４およびＳ２５の処理は、ステップＳ１３２およびＳ１３３と同様であるため、説明は省略する。
【００６１】
図８は、探触子１２上における複数の測定点と、参照点の配置位置を例示した図である。符号８０１で示した測定点が、測定を始める点（測定開始点）であり、測定点に付された数字は、測定を行う順番を示す。本実施形態では、あるタイミングにおいて測定を行った非参照点が、次の測定点を測定する際の参照点となる。
このように、第二の実施形態では、一つ手前の測定点を参照点として参照波長を取得し、当該参照波長に基づいて、波長の範囲を絞り込んで波長掃引を行う。これにより、各測定点における最適波長を正確かつ高速に取得することができる。
【００６２】
なお、本実施形態では一つ手前の測定点を参照しながら波長掃引範囲を決定したが、参照点は、必ずしも一つ手前の測定点でなくてもよい。例えば、二つ手前の測定点や、その他の離れた箇所にある測定点を参照点とすることも可能である。また、過去に測定を行った、その他の測定点を参照点とするようにしてもよい。
また、Δλrangeの値は、既知のパラメータから演算してもよいし、実測によって求め
てもよい。
また、第二の実施形態では、測定開始点においてのみ全範囲掃引を行ったが、例示した箇所以外の任意の測定点において全範囲掃引を行うようにしてもよい。例えば、複数の測定点が複数列にわたって配置されている場合、測定位置が次の列に移動するごとに全範囲掃引を行うようにしてもよい。また、所定回数の測定を行うごとに全範囲掃引を行うようにしてもよい。
【００６３】
また、ステップＳ２３で設定した波長掃引範囲内において最適波長を決定できない場合、波長掃引範囲を拡大したうえで、再度探索を行うようにしてもよい。この場合、例えば、Δλrangeの値を基準として、範囲の上限と下限を拡大してもよい。
【００６４】
次に、第二の実施形態において得られる効果について説明する。ここでは、第一の実施形態と同一のパラメータで、図８に示した方法で測定を行う場合を考える。
波長掃引の速度を１００[ｎｍ／ｓ]とし、Δλrangeを０．１[ｎｍ]、計測光の照射間
隔を１００[ｕｍ]とすると、λ0を中心波長として、±０．１[ｎｍ]の範囲を掃引するた
め、少なくとも一回の波長探索にかかる時間は２[ｍｓ]となる。従って、１００×１００ｓｔｅｐの二次元平面上で測定を行う場合、波長掃引にかかる総時間は２０[ｓ]程度とな
り、第一の実施形態と同様に、従来技術と比較して、大幅に測定時間を短縮することができる。
【００６５】
なお、実際は、レーザの波長切換えに多少の時間がかかるため、総測定時間は、必ずしも上述したような値になるとは限らない。しかし、従来技術に係る光音響測定装置と比較すると、測定時間を大幅に短縮することができる。
【００６６】
（第三の実施形態）
第一および第二の実施形態では、被検体にパルス光を照射することで音響波を発生させる光音響測定装置について説明した。一方で、本発明は、被検体に音響波を送信し、反射した音響波を検出することで、被検体内の情報を取得する装置（音響測定装置）に適用することもできる。第三の実施形態は、本発明を音響測定装置に適用した実施形態である。
【００６７】
図９は、第四の実施形態に係る超音波測定装置のシステム構成図である。本実施形態に係る超音波測定装置は、被検体に超音波を送信し、反射した超音波を検出することで、被検体内にある、音響インピーダンスに差がある界面を画像化する装置である。第一および第二の実施形態と同様の手段については同一の符号を付し、説明は省略する。
【００６８】
本実施形態に係る超音波測定装置は、被検体に向けて超音波を送信するトランスデューサ９０１を有している。また、本実施形態では、制御部１９が、トランスデューサ９０１から送信される超音波の波形を制御する機能を有している。
本実施形態では、探触子１２は、被検体内で反射した超音波を受信する手段である。すなわち、腫瘍などの、音響インピーダンスが周囲と異なる組織の界面において反射した超音波の音圧を検出することができる。
【００６９】
なお、検出した超音波に基づいて画像を生成する処理については第一の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
第四の実施形態によると、被検体内に存在する、音響インピーダンスに差がある界面を画像化する装置（音響測定装置）において、第一および第二の実施形態と同様に、測定時間の短縮と検出感度の向上を両立させることができる。
【００７０】
（変形例）
なお、各実施形態の説明や、実施例の説明は本発明を説明する上での例示であり、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更または組み合わせて実施することができる。
例えば、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む光音響測定装置や音響測定装置として実施することもできる。また、上記処理の少なくとも一部を含む、光音響測定装置や音響測定装置の制御方法として実施することもできる。また、音響波検出装置単体として実施することもできるし、当該音響波検出装置が実行する音響波検出方法として実施することもできる。上記処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。
【００７１】
また、第一および第二の実施形態では、探触子１２の影にならない方向から励起光を照射しているが、探触子１２のミラーを透過する波長を持つ励起光を用い、探触子を介して励起光を被検体に照射するようにしてもよい。
【００７２】
また、被検体と探触子との間に、例示したもの以外の音響結合媒体を配置してもよい。例えば、水槽の中に被検体を配置し、探触子１２を水面に密着させて測定を行うようにしてもよい。
【００７３】
また、第一および第二の実施形態では、励起光として単一の波長のパルス光を照射する例を挙げたが、複数の波長のパルス光を照射し、それぞれ得られた被検体内の光学係数に基づいて、被検体の組織を構成する物質の濃度分布を取得してもよい。例えば、被検体内の物質濃度、特に、血管内の血液中に含まれる酸素濃度や、脂肪、コラーゲン、グルコース、ヘモグロビンなどの濃度分布を、複数の波長で取得された光音響信号とスペクトル情報を用いて算出することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１２・・・探触子、１３・・・計測光源、１４・・・制御部、１７・・・光検出部
【図１】
2016077803.tif 000008
【図２】
2016077803.tif 000009
【図３】
2016077803.tif 000010
【図４】
2016077803.tif 000011
【図５】
2016077803.tif 000012
【図６】
2016077803.tif 000013
【図７】
2016077803.tif 000014
【図８】
2016077803.tif 000015
【図９】
2016077803.tif 000016