(57)【要約】【課題】複数波長の光を用いた光音響イメージングにおいて、コストを抑制しつつ精度の良い測定を実現する。【解決手段】第１の波長のパルス光と、第１の波長とは異なる第２の波長のパルス光を、異なるタイミングで出射する光源と、第１の波長のパルス光を第２の波長のパルス光に対して遅延させる遅延光学系と、第１および第２の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、変換素子から出力された、第１および第２の波長のパルス光のそれぞれに由来する受信信号と、光検出器により検出した第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの光量に基づいて、被検体の特性情報を取得する処理部を有する被検体情報取得装置を用いる。【選択図】図１
2016101393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長のパルス光と、前記第１の波長とは異なる第２の波長のパルス光を、異なるタイミングで出射する光源と、
前記第１の波長のパルス光を前記第２の波長のパルス光に対して遅延させる遅延光学系と、
前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置。
【請求項２】
前記光源は、少なくとも前記第１の波長と前記第２の波長を含む複数の波長のパルス光を出射する
ことを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
【請求項３】
前記光源は、発振ユニットと波長変換ユニットを有し、
前記第１の波長のパルス光および前記第２の波長のパルス光の少なくともいずれかは、前記発振ユニットから出射したのち前記波長変換ユニットによって波長を変換されたものである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の被検体情報取得装置。
【請求項４】
前記光源は、第１の波長のパルス光および前記第２の波長のパルス光のセットを繰り返し出射する
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項５】
前記遅延光学系は光ファイバーを有する
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項６】
前記光ファイバーの長さは２００ｍ以上である
ことを特徴とする請求項５に記載の被検体情報取得装置。
【請求項７】
前記処理部は、前記第１の波長のパルス光に由来する前記受信信号と、前記第１の波長のパルス光の前記光量とに基いて、前記第１の波長における前記被検体の光吸収分布を取得し、前記第２の波長のパルス光に由来する前記受信信号と、前記第２の波長のパルス光の前記光量とに基づいて、前記第２の波長における前記被検体の光吸収分布を取得する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項８】
前記処理部は、前記第１および第２の波長における前記光吸収分布を用いて、前記被検体内の物質の濃度分布を取得する
ことを特徴とする請求項７に記載の被検体情報取得装置。
【請求項９】
前記物質の濃度分布は酸素飽和度分布である
ことを特徴とする請求項８に記載の被検体情報取得装置。
【請求項１０】
前記発振ユニットは基本波、２倍波または３倍波のうち少なくとも１つを出射する
ことを特徴とする請求項３に記載の被検体情報取得装置。
【請求項１１】
前記発振ユニットはＮｄ：ＹＡＧレーザーである
ことを特徴とする請求項３に記載の被検体情報取得装置。
【請求項１２】
前記処理部は、前記変換素子から出力された前記受信信号を波長ごとに分離する
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項１３】
前記被検体の特性情報を表示する表示部をさらに有する
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
【請求項１４】
複数の波長のパルス光を異なるタイミングで出射する光源と、
各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させる遅延光学系と、
前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
前記遅延光学系は、各波長の前記パルス光のそれぞれが通る光路の光路長が互いに異なるように構成される
することを特徴とする被検体情報取得装置。
【請求項１５】
前記遅延光学系は、長さの異なる複数の光ファイバーを有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の被検体情報取得装置。
【請求項１６】
光源が、第１の波長のパルス光と、前記第１の波長とは異なる第２の波長のパルス光を、異なるタイミングで出射するステップと、
遅延光学系が、前記第１の波長のパルス光を前記第２の波長のパルス光に対して遅延させるステップと、
変換素子が、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。
【請求項１７】
光源が、複数の波長のパルス光を異なるタイミングで出射するステップと、
遅延光学系が、各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させるステップと、
変換素子が、前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有し、
前記遅延させるステップでは、各波長の前記パルス光がそれぞれ光路長の異なる光路を
通る
することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体情報取得装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を用いたイメージング技術の一つとして、光音響イメージング技術がある。光音響イメージングでは、まず、光源から発生したパルス光が被検体に照射される。照射光は被検体内で伝播・拡散し、被検体内の複数の箇所でこの光のエネルギーを吸収して音響波（以降、光音響波と呼ぶ）が発生する。この光音響波をトランスデューサーで受信し、処理装置内で受信信号を解析処理することで、被検体内部の光学特性に関する情報が画像データとして取得される。これにより、被検体内の光学特性分布が可視化される。
【０００３】
近年、光音響を用いてより微細な光吸収体をイメージングするために、分解能の向上が求められている。そして、音を集束させたり、パルス光を集光させたりすることで、被検体表面付近の微細血管等の吸収体を高解像度でイメージングする、光音響顕微鏡の開発が進められている。特許文献１では、パルス光をレンズにより集光させて、被検体を光の焦点位置に配置することにより分解能を向上させている。
【０００４】
また、互いに異なる波長を有する光を照射することにより、被検体内に存在する物質の濃度に関する分布を求めることができる。この場合、波長毎に求めた被検体内の光の吸収係数の値と、求める物質固有の光吸収の波長依存性とを用いて、物質の濃度に関する分布を画像化できる。特に、オキシヘモグロビンＨｂＯとデオキシヘモグロビンＨｂとの濃度を基に、血液の酸素飽和度を取得できる。
【０００５】
２波長を用いた場合、酸素飽和度ＳＯ２は次式（１）で取得できる。
【数１】
2016101393.tif 000003
ここで、μａλ１は波長λ１における吸収係数、μａλ２は波長λ２における吸収係数を示す。また、εＨｂ０λ１は波長λ１におけるオキシヘモグロビンのモル吸光係数、εＨｂλ１は波長λ１におけるデオキシヘモグロビンのモル吸光係数を示す。εＨｂ０λ２は波長λ２におけるオキシヘモグロビンのモル吸光係数、εＨｂλ２は波長λ２におけるデオキシヘモグロビンのモル吸光係数を示す。εＨｂ０λ１、εＨｂλ１、εＨｂ０λ２、εＨｂλ２は既知の値である。なお、ｒは位置座標を示す。式（１）のように、血液の酸素飽和度を求めるためには、２波長における吸収係数の比が必要となる。
【０００６】
２波長を用いて酸素飽和度分布を算出する場合、まず第１の波長により光音響測定を行い、その後第２の波長による光音響測定を行うことより、各波長における被検体の血液の光吸収分布が得られる。しかし、生体には体動、拍動、呼吸などがあるため、第１の波長と第２の波長の測定の間に被検体が動いてしまう。これにより各波長において得られる光吸収分布、つまり各波長における血管の位置がずれてしまう。位置ずれが発生すると、各位置における２波長間の吸収係数の比が誤った値となるため、誤った酸素飽和度を求めてしまう。
【０００７】
この課題に対処するために、各波長の光を交互に被検体に照射する方法がある（以降、交互照射と呼ぶ）。交互照射により、各測定点における体動による波長間の位置ずれを抑制できる。２波長間のパルス光の発光間隔、つまり第１の波長のパルス光が被検体に照射されてから、第２の波長のパルス光が被検体に照射されるまでの間隔が短いほど、各測定点における体動による波長間の位置ずれの影響が低減され、酸素飽和度分布の正確性が増す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２０１１−５１９２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
交互照射を行うために、発光する波長の異なる２台の光源を使用し、発光のタイミングをずらして交互にパルス光を照射する方法が考えられる。しかし、この手法では光源２台を搭載するためのコストがかかり、さらに２台の光源間での発光制御が必要である。
また、１台の波長可変光源の波長可変機構を用いて交互照射を行う手法も考えられる。しかし、拍動や呼吸などの位置ずれを防ぐには、２波長間のパルス光の発光間隔は短くする必要があるため、高速波長可変制御の高度な技術が必要となる。
【００１０】
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数波長の光を用いた光音響イメージングにおいて、コストを抑制しつつ精度の良い測定を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
第１の波長のパルス光と、前記第１の波長とは異なる第２の波長のパルス光を、異なるタイミングで出射する光源と、
前記第１の波長のパルス光を前記第２の波長のパルス光に対して遅延させる遅延光学系と、
前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置である。
【００１２】
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
複数の波長のパルス光を異なるタイミングで出射する光源と、
各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させる遅延光学系と、
前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力する変換素子と、
各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出する光検出器と、
前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
前記遅延光学系は、各波長の前記パルス光がそれぞれ光路長の異なる光路を通る
することを特徴とする被検体情報取得装置である。
【００１３】
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源が、第１の波長のパルス光と、前記第１の波長とは異なる第２の波長のパルス光を、異なるタイミングで出射するステップと、
遅延光学系が、前記第１の波長のパルス光を前記第２の波長のパルス光に対して遅延させるステップと、
変換素子が、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれに由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した前記第１および第２の波長のパルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。
【００１４】
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源が、複数の波長のパルス光を異なるタイミングで出射するステップと、
遅延光学系が、各波長の前記パルス光を波長ごとに異なる遅延時間で遅延させるステップと、
変換素子が、前記遅延光学系を通った各波長の前記パルス光のそれぞれが被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して受信信号を出力するステップと、
光検出器が、各波長の前記パルス光のそれぞれの光量を検出するステップと、
処理部が、前記変換素子から出力された、各波長の前記パルス光に由来する前記受信信号と、前記光検出器により検出した各波長の前記パルス光のそれぞれの前記光量に基づいて、前記被検体の特性情報を取得するステップと、
を有し、
前記遅延させるステップでは、各波長の前記パルス光がそれぞれ光路長の異なる光路を通る
することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数波長の光を用いた光音響イメージングにおいて、コストを抑制しつつ精度の良い測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】光音響装置の構成を示す模式図
【図２】被検体情報の取得フローの一例を示すフローチャート
【図３】光音響装置の測定の一例を示すタイムチャート
【図４Ａ】光照射と発生する光音響波の受信信号を示すグラフ
【図４Ｂ】光照射と発生する光音響波の受信信号を示す部分拡大グラフ
【図４Ｃ】光照射と発生する光音響波の受信信号を示す部分拡大グラフ
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、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、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
【００１８】
本発明は、被検体から伝播する音響波を検出し、被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本発明は、被検体情報取得装置またはその制御方法、あるいは被検体情報取得方法や信号処理方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法をＣＰＵ等のハードウェア資源を備える情報処理装置に実行させるプログラムや、そのプログラムを格納した記憶媒体としても捉えられる。本発明はまた、音響波測定装置やその制御方法としても捉えられる。
【００１９】
本発明の被検体情報取得装置は、被検体に光（電磁波）を照射し、光音響効果に従って被検体内または被検体表面で発生して伝播した音響波を受信（検出）する、光音響技術を利用した装置を含む。このような被検体情報取得装置は、光音響測定に基づき被検体内部の特性情報を画像データ等の形式で得ることから、光音響イメージング装置、光音響画像装置、あるいは単に光音響装置と呼べる。
【００２０】
光音響装置における特性情報は、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を含む。具体的には、オキシヘモグロビン・デオキシヘモグロビン濃度分布や、それらから求められる酸素飽和度分布などの血液成分分布を含む。また、脂肪、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、脂肪や水の体積分率などでもよい。
また、特性情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として求めてもよい。すなわち、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの２次元または３次元の分布情報でもよい。
【００２１】
本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。探触子により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼び、光音響波に由来する音響信号を特に光音響信号と呼ぶ。
【００２２】
本発明の装置の主な目的は、人や動物の血管疾患や悪性腫瘍などの診断や化学治療の経過観察などである。よって、被検体としては生体の一部、具体的には人や動物の皮膚や皮下部位、乳房、頸部、腹部などの検査対象が想定される。特に、皮膚表面から数ミリメートル以内の浅い部位が検査対象として好適である。ただし被検体はこれに限られず、生体の他の部位や、非生体材料の測定も可能である。
【００２３】
被検体内の光吸収体としては、典型的には生体内における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、新生血管を多く含む悪性腫瘍などがある。光吸収体としては、被検体内部で相対的に光吸収係数が高いものが好ましい。その他、メラノーマや頸動脈壁のプラークなども光吸収体となる。
【００２４】
［実施形態１］
以下、第１の実施形態の被検体情報取得装置の構成及び処理について説明する。
【００２５】
［装置構成］
図１は本実施形態の光音響装置の構成を示す模式図である。本実施形態の光音響装置は、発振ユニット１１０および波長変換ユニット１２０から成る光源１００、変換素子２１０を含む探触子２００、発振ユニット１１０から出射される光を遅延させるための遅延光学系３００を備える。光音響装置はまた、複数波長の光を被検体に導くための導波光学系４００、光検出器５００、水槽６００、処理部７００、制御部８００、走査機構９００、表示部１０００を備える。
【００２６】
発振ユニット１１０から出射された第１の波長のパルス光１２００は、遅延光学系３００に導かれる。
遅延光学系３００を通って遅延した第１の波長のパルス光１２００と、発振ユニット１１０からのパルス光１２１０により励起され波長変換ユニット１２０から出射した第２の波長のパルス光１３００は、光学素子によって同一光路に導かれる。光学素子とは例えば、ダイクロイックミラー３６０である。この際、第１の波長のパルス光１２００は第２の波長のパルス光１３００に対して、遅延光学系３００を伝播した分だけ遅延して到達する。そして、同一光路に導かれた各波長のパルス光１４００は、導波光学系４００を通って被検体１１００に交互に照射され、被検体１１００内の光吸収体１１１０に到達する。
【００２７】
光吸収体１１１０は、各波長の光のエネルギーを吸収して、波長毎の光音響波をそれぞれ発生させる。発生した光音響波は、被検体内を伝搬し変換素子２１０に到達する。
変換素子２１０は、光音響波を受信することにより時系列の受信信号を出力する。なお、本実施形態において、探触子２００の変換素子２１０（受信面）は、水槽６００内の音響整合材としての水６１０に浸かっている。これにより、被検体１１００と変換素子２１０との音響整合が図られている。
【００２８】
光検出器５００はパルス光１４００の一部を検出し受信信号を出力する。
走査機構９００は、光音響測定時に、探触子２００、光学系４００の一部および光検出器５００を含む測定部１５００を走査する。
制御部８００は、光音響装置内の各構成ブロックに必要な制御信号やデータを供給することで、各構成ブロックを制御する。
処理部７００には、変換素子２１０および光検出器５００から出力された受信信号が順次入力される。処理部７００は、変換素子２１０および光検出器５００から入力された信号を用いて、被検体情報を生成する。そして処理部７００は、生成された被検体情報のデータを表示部１０００に送信して、被検体情報の画像や数値を表示させる。
【００２９】
以下、各構成ブロックについて詳しく説明する。
（光源１００）
光源１００は、発振ユニット１１０および波長変換ユニット１２０から構成される。発振ユニット１１０および波長変換ユニット１２０において発生する光は、ナノ秒からマイクロ秒オーダーのパルス光であることが好ましい。具体的なパルス幅としては、１〜１００ナノ秒程度が好ましい。また、波長としては３００ｎｍから１６００ｎｍ程度の範囲が好ましい。特に、生体表面近傍の血管を高解像度でイメージングする際は可視領域の波長（４００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下）の光が好ましい。一方、生体の深部をイメージングする際には、生体の背景組織において吸収が少ない波長（７００ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下）の光が好ましい。ただし、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。
【００３０】
発振ユニット１１０としては、固体レーザー、半導体レーザー、ガスレーザーなど様々なレーザーを使用できるが、固体レーザーが特に好ましい。具体的には、半導体レーザーまたはフラッシュランプを励起光とするＮｄ：ＹＡＧレーザー（ネオジウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネッット結晶を用いたレーザー）を使用できる。さらに、これらのレーザーは２倍波および３倍波を生成可能であり、各波長の光を出射出来ることが好ましい。Ｎｄ：ＹＡＧレーザー以外に、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー（ネオジウムをドープしたイットリウム・バナデート結晶を用いたレーザー）やＮｄ：ＹＬＦレーザー（ネオジウムをドープしたイットリウム・リチウム・フロライド結晶を用いたレーザー）等も用い得る。
【００３１】
発振ユニット１１０において発振した基本波、２倍波および３倍波などの光のうちの１
つは第１の波長のパルス光１２００として発振ユニット１１０から出射する。また、同様に発振ユニット１１０において発振した基本波、２倍波および３倍波などの光のうちの１つはパルス光１２１０として波長変換ユニット１２０に導かれ、第１の波長のパルス光１２００とは波長の異なる、第２の波長のパルス光１３００となる。パルス光１２００とパルス光１２１０は同じ波長でも異なる波長でもよい。
【００３２】
波長変換ユニット１２０としては、色素レーザー、Ｔｉ：ｓａ（チタン・サファイヤ）レーザーまたはＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）レーザーなどを用いることが可能である。これらのレーザー中の色素や結晶は、パルス光１２１０により励起され、第１の波長のパルス光１２００とは波長の異なる第２の波長のパルス光１３００を発振する。色素レーザーを用いる場合は、色素として例えばＰｙｒｒｏｍｅｔｈｅｎｅ５９７を用いることが可能である。この際、パルス光１２１０としては、波長が５３２ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波を用いることが出来る。また、ＯＰＯレーザーを用いる場合は、第２の波長のパルス光１３００の波長に応じて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波や波長が３５５ｎｍの３倍波をパルス光１２１０として用いる。さらに、Ｔｉ：ｓａレーザーを用いる場合は、パルス光１２１０としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波を用いることが出来る。
【００３３】
また、様々な波長の光を用いて測定する際には、波長変換ユニット１２０は発振する波長の変更が可能なレーザーがより好ましい。波長可変レーザーにおいて第１および第２の波長を選択する際には、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンのそれぞれに効率よく吸収される波長の光を用いることが好ましい。
このように、光源１００としてはレーザーが好ましいが、レーザーの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなども利用可能である。
【００３４】
（探触子２００）
探触子２００は、１つ以上の変換素子２１０と筺体とを備える。変換素子２１０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電現象を用いた圧電素子、光の共振を用いた変換素子、ＣＭＵＴ等の静電容量型の変換素子など、音響波を受信して電気信号に変換できるものであればどのような変換素子を用いてもよい。
光音響装置が図１のような光音響顕微鏡の場合は、探触子２００はフォーカス型探触子とすることが好ましい。すなわち、変換素子２１０の受信面には音響レンズが設けられていることが好ましい。
【００３５】
また、広い範囲の被検体情報を取得するために、探触子２００は、走査機構９００により、被検体１１００に対して機械的に移動できることが好ましい。その際、光学系４００の一部（パルス光１４００の照射位置）と探触子２００とは同期して移動することが好ましい。
また、探触子２００がハンドヘルド型の場合は、ユーザーが探触子２００を把持する把持部を有する。
【００３６】
光音響装置が光音響トモグラフィー装置である場合は、探触子２００には変換素子２１０は複数設けられていることが好ましい。複数の変換素子２１０を備える場合は、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並ぶように配置されることが好ましい。
また、探触子２００内には、変換素子２１０から出力されるアナログ信号を増幅する増幅器を設けてもよい。
【００３７】
（遅延光学系３００）
遅延光学系３００は、第２の波長のパルス光１３００に対して第１の波長のパルス光１
２００を遅延させるための光学系である。遅延光学系３００は光学ミラー３１０、レンズ３２０、光ファイバー３３０、コリメータレンズ３４０、光学ミラー３５０およびダイクロイックミラー３６０を備える。
【００３８】
発振ユニット１１０から出射された第１の波長のパルス光１２００は、光学ミラー３１０によってレンズ３２０に導かれ、集光されて光ファイバー３３０に入射する。なお、パルス光１２００およびパルス光１２１０として同じ波長の光を用いる場合は、光学ミラー３１０の位置にビームスプリッターを配置して、同じ光を分岐させることが好ましい。
【００３９】
遅延光学系３００は第１の波長のパルス光１２００を所望の時間遅延させるための光路長が必要であるため、光ファイバー３３０は光路長の長いものを用いる。
また、光遅延による２波長間の交互照射で生じる各波長の光音響信号を分離するためには、各波長の光音響信号の発生が少なくとも１μｓ程度離れていることが好ましい。このため少なくとも１μｓの光遅延が必要である。光ファイバー中の光速が２００ｍ／μｓであるので、少なくとも２００ｍ以上の光ファイバーを用いることが好ましい。光ファイバー３３０はボビンに巻いた状態で用いることが好ましい。
光ファイバー３３０を通った光は、コリメータレンズ３４０によって平行光となり光学ミラー３５０によって反射される。
【００４０】
ダイクロイックミラー３６０としては、第１の波長のパルス光１２００は反射し、第２の波長のパルス光１３００は透過するものを用いる。
以上の構成により、第１の波長のパルス光１２００と第２の波長のパルス光１３００は同一光路に導かれ、第１の波長と第２の波長のパルス光が交互に照射されるパルス光１４００となる。また、第１の波長と第２の波長のパルス光を合波できれば、ダイクロイックミラーに代えて、他の光学素子（例えば偏光ミラー）を用いても良い。
【００４１】
例えば、発振ユニット１１０が１００Ｈｚで第１の波長のパルス光１２００を発振し、４００ｍの光ファイバー３３０を用いた場合について考える。各発振においてダイクロイックミラー３６０には、第２の波長のパルス光１３００から２μｓ遅れて第１の波長のパルス光１２００が到達する。この結果、２μｓ間隔の空いた第１の波長のパルス光１２００と第２の波長のパルス光１３００のセット（パルス光１４００）が、１０ｍｓ毎に出射される。すなわち、２μｓ間隔の空いた第１の波長のパルス光と第２の波長のパルス光のセットが、１００Ｈｚの繰り返し周波数で被検体１１００に照射される。
なお、光音響測定は光エネルギーを吸収した光吸収体の膨張により生じた音響波を受信するため、第１の波長の光パルスと第２の波長の光パルスの間には、被検体が収縮するのに必要なインターバルを取ることが好ましい。
【００４２】
なお、本実施形態では第２の波長のパルス光１３００に対して、第１の波長のパルス光１２００を遅延させることにより、第１の波長のパルス光１２００と第２の波長のパルス光１３００の交互照射を行った。しかし逆に、第１の波長のパルス光１２００に対して第２の波長のパルス光１３００を遅延させても良い。その場合、波長変換ユニット１２０から出射した第２の波長のパルス光１３００に対して遅延光学系を適用する。
【００４３】
また、本実施形態では光ファイバー３３０を用いて長い光路長を得ているが、他の手法を用いても良い。例えば、レンズ３２０、光ファイバー３３０およびコリメータレンズ３４０の代わりに、光学ミラーを用いて繰り返し反射させることでも光路長を得られる。
【００４４】
（導波光学系４００）
導波光学系４００は、ダイクロイックミラー３６０により同一光路に導かれた各波長のパルス光１４００を被検体１１００および光検出器５００に導く。
導波光学系４００には、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学素子を使用できる。光音響顕微鏡においては、解像度を上げるために、導波光学系４００の光出射部はレンズ等で構成し、ビーム光の径をフォーカスして照射することが好ましい。また、導波光学系４００を被検体１１００に対して移動してもよく、これにより被検体１１００の広い範囲のイメージングが可能になる。
【００４５】
また、本実施形態においては、導波光学系４００として、光ファイバー４１０、レンズ４２０、コリメータレンズ４３０、ビームスプリッター４４０、アキシコンレンズ４５０、光学ミラー４６０を備える。光学ミラー４６０は、アキシコンレンズ４５０により円環状に導光したパルス光１４００を、被検体１１００の対象位置に集光させるように配置されている。また、ビームスプリッター４４０は４５度の入射角度において反射率が５％以内のものを用いることが好ましい。
また、乳房等を検査対象とする生体情報取得装置においては、導波光学系４００の光出射部はレンズ等によりビーム光の径を広げて照射することが好ましい。
【００４６】
（光検出器５００）
光検出器５００としてフォトダイオードや光エネルギーメーターを使用できる。ビームスプリッター４４０によって導かれた照射光の一部を検出できるものであれば、これら以外の光検出器を用いても良い。
【００４７】
（水槽６００）
水槽６００は、音響整合材としての水６１０を保持可能な容器である。本実施形態において、探触子２００に備えられた変換素子２１０は水６１０に浸かっている。これにより、水６１０を介して、被検体１１００と変換素子２１０との音響整合をとることができる。また、被検体１１００との接触面は、光音響波を通しやすいように、光音響波の波長よりも薄いフィルムで構成されていることが好ましい。より好ましくは、接触面は、光音響波の波長の１／４の厚さであることが好ましい。また、音響整合材や接触面の材料としては、パルス光１４００を吸収しにくいものが好ましい。例えば、音響整合材としては水、超音波ジェルもしくは油等が好適であり、接触面としてはポリエチレン等が好適である。
また、被検体１１００と接触面の間は、超音波ジェル等により音響整合がとられていることが好ましい。
【００４８】
（処理部７００）
処理部７００は光音響信号収集部７１０、光量信号収集部７２０および特性情報算出部
７３０を備える。
【００４９】
光音響信号収集部７１０は、変換素子２１０から出力される時系列のアナログ受信信号を収集し、受信信号の増幅や、アナログの受信信号のＡＤ変換、デジタル化された受信信号の記憶等の信号処理を行う。光音響信号収集部７１０としては、一般的にＤＡＳ（Ｄａｔａ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる回路を使用できる。光音響信号収集部７１０は、例えば、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル化するＡＤ変換器から構成される。
【００５０】
光量信号収集部７２０は光検出器５００から出力される受信信号を収集する。光量信号収集部７２０は、必要に応じて受信信号の増幅や、アナログの受信信号のＡＤ変換、デジタル化された受信信号の記憶および得られた受信信号を光量値に変換する処理等の信号処理を行う。光量信号収集部７２０は、例えば、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル化するＡＤ変換器から構成される。
【００５１】
特性情報算出部７３０は、光音響信号収集部７１０および光量信号収集部７２０から出
力される受信信号を用いて、被検体内の吸収係数や組織を構成する物質の濃度、等に関する特性情報を取得する。特に酸素飽和度に関する情報を取得する。以下、被検体内の各位置の酸素飽和度に関わる特性情報のことを、被検体内の酸素飽和度分布とも呼ぶ。また、被検体内の各位置の光の吸収率に関わる特性情報のことを、被検体内の光吸収分布とも呼ぶ。
【００５２】
特性情報算出部７３０としては、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を使用できる。なお、１つ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。また、受信信号、生成された分布データ、表示画像データ、各種測定パラメーター等を記憶するメモリを備えていてもよい。メモリは、典型的には１つ以上のＲＯＭ、ＲＡＭ、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。
【００５３】
（制御部８００）
制御部８００は各構成ブロックに必要な制御信号やデータを供給する。具体的には、光源１００へ発光を指示する信号や、変換素子２００の受信制御信号および走査機構９００の制御信号を供給する。さらに、処理部７００の信号増幅制御、ＡＤ変換タイミング制御、受信信号の記憶制御などを行う。
【００５４】
制御部８００についても、処理部７００と同様にＣＰＵやＧＰＵ等のプロセッサ、ＦＰＧＡチップ等の回路を１つ又は複数組み合わせて構成することができる。また、各種測定パラメーター等を記憶するメモリを備えていてもよい。メモリは、典型的には１つ以上のＲＯＭ、ＲＡＭ、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。これらは処理部７００と併用することも可能である。
【００５５】
（走査機構９００）
走査機構９００として例えば、ステッピングモーターやサーボモーターによる自動ステージを使用できる。図１の構成では、走査機構９００は測定部１５００を走査する。これにより被検体１１００上の測定点を走査しながら光音響測定が行われる。しかし、必ずしもこのような構成をとる必要はなく、被検体１１００上の測定点を走査しながら測定を行う事ができればよい。
また、照射光１４００を被検体１１００の広い範囲に照射し、走査機構９００は探触子２００のみを走査する構成も可能である。
【００５６】
また、広範囲の光音響波を受信可能な探触子（例えば、フォーカス範囲の広いシングルトランスデューサーやアレイ型トランスデューサー）を固定した、音響フォーカス型の構成も可能である。この場合、照射光１４００は集光させて被検体１１００に照射し、走査機構９００は導波光学系４００の一部のみを走査することで、測定点が走査される。
このように探触子２００を走査しない場合は、必ずしも音響整合材として水などの液体を用いる必要はない。例えば、水槽６００および水６１０のかわりに、ゲル部材（例えばポリウレタン系のゲル）などを用いることも可能である。
【００５７】
走査機構９００による走査方法として、探触子２１０や導波光学系４００の一部の位置を変える方法や、角度を変える方法がある。
さらに、走査機構９００は、光音響波や照射光１４００を反射するミラーを用いて、このミラーを動かすことにより、光音響波の検出位置や照射光１４００の照射位置を走査しても良い。この場合でも、照射光１４００と光音響波の検出位置両方を走査する方法と、いずれか片方のみを走査する方法の両方が採用可能である。ミラーを動かす際には、ミラーの角度または位置を変えると良い。このような動作が可能なミラーとして例えば、ガル
バノミラーやＭＥＭＳミラーがある。
【００５８】
（表示部１０００）
表示部１０００としては、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）やＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）、有機ＥＬディスプレイ等のディスプレイを使用できる。なお、表示部１０００は、本実施形態の光音響装置とは別に用意して光音響装置に接続してもよい。
【００５９】
（ハンドヘルド型）
また、本発明をハンドヘルド型の光音響装置にも適用可能である。その際は、点線１６００で囲まれた部材を一つの筺体として保持すると良い。
【００６０】
[被検体情報取得方法］
次に、本実施形態に係る光音響装置が被検体情報を取得するフローを、図２を用いて説明する。制御部８００が、処理部７００に保存された、被検体情報取得方法が記述されたプログラムを読み出し、光音響装置に以下の被検体情報取得方法を実行させている。
【００６１】
（Ｓ１１０：光音響測定を開始するステップ）
本ステップでは、制御部８００が光音響測定の開始を各構成部に指示する。具体的には、走査機構９００の走査を開始し、走査機構９００が出力する信号をトリガーとして、発振ユニット１１０が第１の波長のパルス光１２００を発振する。
【００６２】
（Ｓ１２０：光音響信号を収集するステップ）
本ステップでは、光音響測定中に、光音響信号収集部７１０が変換素子２１０から出力される時系列のアナログ受信信号を各測定位置において収集する。
光音響測定中は走査機構９００が等距離走査する毎に出力する信号をトリガーとして、発振ユニット１１０が第１の波長のパルス光１２００を発振することにより、等間隔毎の光音響信号を収集することが好ましい。
【００６３】
図３は光音響測定の処理のタイミングチャートの一例である。図３において、上段は光音響測定中のトリガー信号、中段は第１の波長のパルス光１２００と第２の波長のパルス光１３００の被検体１１００への照射タイミング、下段は各パルス光によって生じる光音響信号の変換素子２１０への到達のタイミングである。この例では、発振ユニット１１０が１００Ｈｚのパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）で第１の波長のパルス光１２００を発振する。
【００６４】
トリガー信号３０１は１００Ｈｚで発振ユニット１１０に入力されるので、入力間隔３０２は１０ｍｓとなる。トリガー信号３０１が発振ユニット１１０に入力されると、発振ユニット１１０は発振し、まず第２の波長のパルス光３０３、次に第１の波長のパルス光３０４の順に被検体１１００に照射される。第２の波長のパルス光３０３と第１の波長のパルス光３０４の照射間隔３０５は、遅延光学系３００によって生じる遅延時間であり、例えば４００ｍの光ファイバー３３０を用いた場合は２μｓとなる。この第２の波長のパルス光３０３および第１の波長のパルス光３０４のセットが、１０ｍｓおきに被検体１１００に照射される。
【００６５】
そして、第２の波長のパルス光３０３の照射から間隔３０６後に、第２の波長のパルス光３０３によって生じる光音響信号３０７が変換素子２１０に到達する。間隔３０６は、変換素子と光吸収体の距離、および媒質の音速により定まるので、これらの値が分かっていれば計算により取得できる。そして、間隔３０９だけ遅れて、第１の波長のパルス光３０４によって生じる光音響信号３０８が変換素子２１０に到達する。間隔３０９は照射間
隔３０５と同じ時間となる。
なお、光音響信号収集部７１０は光源１００において発光するパルス光をトリガーとして、光音響信号を受信する。トリガー信号はフォトダイオードによる光検出結果に基づき作成できる。
【００６６】
（Ｓ１３０：光量信号を収集するステップ）
本ステップでは、光音響測定中に、光量信号収集部７２０は光検出器５００から出力される受信信号を各測定位置において収集する。
【００６７】
図４Ａ〜図４Ｃは、光音響信号収集部７１０や光量信号収集部７２０における受信信号の一例を示す。この例では、発振ユニット１１０として２倍波、３倍波を出射可能なＮｄ：ＹＡＧレーザー、波長変換ユニット１２０としてＯＰＯユニット、光ファイバー４１０として５４ｍの光ファイバーを用いた。この際、第１の波長のパルス光としてはＮｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波である波長５３２ｎｍのパルス光、第２の波長のパルス光としてはＮｄ：ＹＡＧレーザーの３倍波によりＯＰＯユニットで励起した５５６ｎｍのパルス光を用いた。光吸収体としてフィルムに印刷された黒色体を用いた。
【００６８】
図４Ａにおいて、点線で示す系列は光量信号収集部７２０で受信された光量強度であり、左軸に対応する。この系列において、信号４０１は第２の波長のパルス光の受信信号であり、信号４０２は第１の波長のパルス光の受信信号である。
また、実線で示す系列は光音響信号収集部７１０で受信された光音響信号強度であり、右軸に対応する。この系列において、信号４０３は第２の波長のパルス光に由来する光音響信号であり、信号４０４は第１の波長のパルス光に由来する光音響信号である。各波長の光音響信号は、発生した光音響波が光吸収体から変換素子２１０へ到達するために要する時間だけ（ここでは約７．５μｓ）、光照射した時間から遅れて受信されていることが分かる。
【００６９】
図４Ｂは、図４Ａにおける光量信号収集部７２０での波長毎のパルス光の信号を拡大したグラフである。５４ｍの光ファイバーの光路分の約２７０ｎｓのだけ信号４０１から遅延して、信号４０２が受信されていることが分かる。
また、図４Ｃは、図４Ａにおける光音響信号収集部７１０で受信された光音響信号を拡大したグラフである。波長間の光照射の遅延を反映して、信号４０３から約２７０ｎｓ遅延して信号４０４が受信されていることが分かる。
【００７０】
（Ｓ１４０：各波長の光音響信号強度分布を算出するステップ）
本ステップでは、特性情報算出部７３０は、光音響信号収集部７１０において収集した波長毎の受信信号を基に、波長毎の光音響信号強度分布（音圧分布とも呼ぶ）を算出する。
【００７１】
光音響信号収集部７１０が、第２の波長のパルス光１３００と第１の波長のパルス光１２００のどちらか一方をトリガーとして光音響信号を受信する場合について考える。この場合、第２の波長のパルス光１３００に由来する光音響波と、光遅延時間だけ遅れた第１の波長のパルス光１２００に由来する光音響波が一連の光音響信号として光音響信号収集部７１０から出力される。
【００７２】
この場合、特性情報算出部７３０は、第１の波長のパルス光１２００に由来する光音響波と、第２の波長のパルス光１３００に由来する光音響波を分離する必要がある。分離する手法としては、受信信号を時間で区切って分離する手法、パターンマッチング、閾値処理などが使用できる。なお、光音響信号収集部７１０が、第２の波長のパルス光１３００および第１の波長のパルス光１２００の両方をトリガーとして光音響信号を受信する場合
この処理は不要である。
【００７３】
本実施形態のように光音響装置が光音響顕微鏡である場合、特性情報算出部７３０は、得られた波長毎の光音響受信信号に対し、時間変化に対して包絡線検波した後、光パルス毎の信号における時間軸方向を奥行き方向に変換して、空間座標上にプロットする。そして、これを各測定位置（走査位置）毎に行うことにより、音圧分布データを取得する。
【００７４】
一方、光音響装置が光音響トモグラフィー装置の場合、特性情報算出部７３０は、得られた波長毎の光音響受信信号を用いて画像再構成を行う。これにより、２次元又は３次元の空間座標上の位置に対応する発生音圧のデータが取得できる。画像再構成手法として、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｂａｃｋ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ（ＵＢＰ）や、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ
Ｂａｃｋ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ（ＦＢＰ）等の公知の手法を利用できる。画像再構成手法としてまた、整相加算（Ｄｅｌａｙ  ａｎｄ  Ｓｕｍ）処理を用いてもよい。
【００７５】
（Ｓ１５０：各波長の照射光量を算出するステップ）
本ステップでは、特性情報算出部７３０は、光量信号収集部７２０において収集した波長毎の受信信号を基に、各測定位置における波長毎の光量を算出する。
例えば光検出器５００がフォトダイオードの場合、特性情報算出部７３０は、各測定点においてフォトダイオードから出力される波長毎の受信信号のピーク値を光量とする。また、受信信号の積分値を計算して光量としてもよい。
さらに、波長毎のピーク値や積分値を基に、被検体１１００に照射される光量に変換できることが好ましい。その際、特性情報算出部７３０は、このような変換係数および変換式を記憶しておくことが好ましい。
【００７６】
（Ｓ１６０：各波長の光吸収分布を算出するステップ）
本ステップでは、特性情報算出部７３０は、Ｓ１４０で求めた各波長の光音響信号強度分布と、Ｓ１５０で求めた各測定位置における各波長の照射光量から、各波長の光吸収分布を算出する。
【００７７】
本実施形態のように、光音響装置が光音響顕微鏡である場合には、特性情報算出部７３０はＳ１５０で求めた波長毎の各測定位置における光量値を用いて、Ｓ１４０で求めた各測定位置での音圧分布データを補正する。これにより、各測定位置での光吸収分布データが得られる。例えば、音圧分布データを光量値で除算することにより、波長毎の各測定位置における光吸収分布データを取得する。
【００７８】
一方、光音響装置が光音響トモグラフィー装置の場合は、特性情報算出部７３０は、Ｓ１５０において求めた波長毎の各測定位置における光量値を用いて、被検体１１００内における波長毎光量分布を計算する。そして、Ｓ１４０で求めた波長毎の音圧分布データを波長毎の光量分布により除算することで、波長毎の各測定位置における光吸収分布データを算出する。被検体１１００内における波長毎光量分布は、光輸送方程式や光拡散方程式を基に、有限要素法やモンテカルロ法を用いて算出できる。
【００７９】
（Ｓ１７０：酸素飽和度分布を算出するステップ）
本ステップでは、特性情報算出部７３０は、Ｓ１６０で求めた各波長の光吸収分布データを用いて、被検体内に存在する物質の濃度に関する分布を求める。特に、オキシヘモグロビンＨｂＯとデオキシヘモグロビンＨｂとの濃度を基に、血液の酸素飽和度分布を求める。
【００８０】
（Ｓ１８０：酸素飽和度分布画像を表示する）
本ステップでは、特性情報算出部７３０は、Ｓ１７０において求めた特性情報のデータ
を表示部１０００に送信し、被検体情報の画像を表示部１０００に表示させる。なお、表示部１０００は、画像の代わりに、または画像とともに、被検体情報の数値や、体内の組織または機能を示す図や記号など、様々な情報を表示できる。
【００８１】
本実施形態では２波長のパルス光を交互照射する装置構成およびフローについて説明した。しかし、光源が３波長以上のパルス光を発光することができる場合に、各波長のパルス光に対し、光路長の異なる遅延光学系を用いることで、３波長以上の光をセットとした照射も可能である。その場合、各波長に対応した長さの異なる複数の光ファイバーを有する遅延光学系が好適である。これにより、各波長の光が通る光路の光路長が、それぞれ互いに異なるように構成できる。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態に係る光音響装置によれば、２波長の光を短い間隔で交互照射できるので、被検体の体動に起因する波長間の位置ずれが低減される。その結果、酸素飽和度の算出精度が向上する。また、単一の発振ユニットから複数波長の光を照射できるので、コストや装置規模を抑制できる。
【００８３】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明は上記特定の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施形態の修正をすることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１００：光源，２００：探触子，３００：遅延光学系，４００：導波光学系，５００：光検出器，７００：処理部
【図１】
2016101393.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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