(57)【要約】【課題】本発明は、被検体の光学係数情報を簡易に取得する処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の処理装置は、光が照射された被検体から伝搬する音響波を受信することにより得られた電気信号に基づいた前記被検体の第１特性情報の分布を取得する第１取得手段と、前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量を取得する第２取得手段と、光学係数と第１特性情報の分布の特徴量との対応関係を示す情報を取得する第３取得手段と、前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量と、前記対応関係を示す情報とを用いて前記被検体の光学係数を取得する第４取得手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図３
2017164222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が照射された被検体から伝搬する音響波を受信することにより得られた電気信号に基づいた前記被検体の第１特性情報の分布を取得する第１取得手段と、
前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量を取得する第２取得手段と、
光学係数と第１特性情報の分布の特徴量との対応関係を示す情報を取得する第３取得手段と、
前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量と、前記対応関係を示す情報とを用いて前記被検体の光学係数を取得する第４取得手段と、
を有することを特徴とする処理装置。
【請求項２】
前記特徴量は、前記被検体内の光学係数に含まれる吸収係数と散乱係数に関する、前記被検体に前記光源からの光が照射される照射方向の第１特性情報の値と、前記照射方向とは異なる方向の第１特性情報の値である
ことを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
前記第４取得手段は、
前記照射方向の第１特性情報の分布の特徴量と、前記対応関係を示す情報とを用いて前記吸収係数を取得し、
前記異なる方向の第１特性情報の分布の特徴量と、前記対応関係を示す情報とを用いて前記散乱係数を取得することを特徴とする請求項２に記載の処理装置。
【請求項４】
前記異なる方向は、前記照射方向と略直交する方向である
ことを特徴とする請求項２または３に記載の処理装置。
【請求項５】
前記第４取得手段が取得した光学係数を用いて前記被検体内での前記光の光量分布を取得し、前記光量分布を用いて、前記被検体内での第２特性情報の分布を取得する第５取得手段を更に有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項６】
前記第５取得手段は、前記第１特性情報の分布を取得するために用いた前記電気信号と、前記光量分布を用いて、前記第２特性情報の分布を取得する
ことを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項７】
前記第５取得手段は、前記光量分布を用いて前記第１特性情報の分布を補正することにより、前記第２特性情報の分布を取得する
ことを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項８】
前記第５取得手段は、前記第１特性情報の分布を取得するために用いた前記電気信号とは異なる電気信号と、前記光量分布を用いて、前記第２特性情報の分布を取得する
ことを特徴とする請求項５に記載の処理装置。
【請求項９】
前記第１特性情報は、初期音圧または光エネルギー吸収密度であり、
前記第２特性情報は、吸収係数である
ことを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項１０】
前記被検体に超音波を送信するとともに、前記被検体で反射したエコー波を受信して第２の電気信号を出力する送受信部をさらに有し、
前記情報処理部は、前記第２の電気信号に基づいて前記被検体内の超音波画像データを生成し、当該超音波画像データに基づいて、前記探触子が受信した音響波の前記被検体内
での減衰を補正する
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項１１】
前記対応関係は、複数の被検体から予め取得された統計的なデータである
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項１２】
前記対応関係を示す情報が保存された記憶手段を更に有し、
前記第３取得手段は、前記記憶手段から前記対応関係を示す情報を読み出すことにより、前記対応関係を示す情報を取得する
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項１３】
前記第１取得手段は、前記電気信号を用いて画像再構成を行うことにより、前記被検体の第１特性情報の分布を取得する
ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の処理装置と、
光を前記被検体に照射する光源と、
前記光が照射された前記被検体から伝搬する音響波を受信して電気信号を出力する探触子と、
を有することを特徴とする光音響装置。
【請求項１５】
光が照射された被検体から伝搬する音響波を受信することにより得られた電気信号に基づいた前記被検体の第１特性情報の分布を取得する第１取得ステップと、
前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量を取得する第２取得ステップと、
光学係数と第１特性情報の分布の特徴量との対応関係を示す情報を取得する第３取得ステップと、
前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量と、前記対応関係を示す情報とを用いて前記被検体の光学係数を取得する第４取得ステップと、
を含むことを特徴とする処理方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の処理方法の各ステップ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、処理装置および処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体等の被検体の光学係数情報（光吸収係数、等価散乱係数、有効減衰係数等）を推定する装置の臨床応用が提案されている。また、被検体の光学係数情報を測定する手法として、非特許文献１に記載されたＴＲＳ（Ｔｉｍｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などが提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】ＱＵＡＮＴＩＴＡＴＩＶＥ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ  ＩＮ  ＮＯＲＭＡＬ  ＢＲＥＡＳＴＳ  ＵＳＩＮＧ  ＴＩＭＥ−ＲＥＳＯＬＶＥＤ  ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ：  ＩＮ  ＶＩＶＯ  ＲＥＳＵＬＴＳ  ＯＦ  ３０  ＪＡＰＡＮＥＳＥ  ＷＯＭＥＮ，Ｋａｚｕｎｏｒｉ  Ｓｕｚｕｋｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  ｏｐｔｉｃｓ  １（３），３３０−３３４（Ｊｕｌｙ１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、被検体の光学係数情報をより簡易に取得するための方法が求められている。本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、被検体の光学係数情報を簡易に取得する処理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】
【０００５】
本発明の処理装置は、光が照射された被検体から伝搬する音響波を受信することにより得られた電気信号に基づいた前記被検体の第１特性情報の分布を取得する第１取得手段と、前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量を取得する第２取得手段と、光学係数と第１特性情報の分布の特徴量との対応関係を示す情報を取得する第３取得手段と、前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量と、前記対応関係を示す情報とを用いて前記被検体の光学係数を取得する第４取得手段と、を有することを特徴とする。
【０００６】
本発明の処理方法は、光が照射された被検体から伝搬する音響波を受信することにより得られた電気信号に基づいた前記被検体の第１特性情報の分布を取得する第１取得ステップと、前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量を取得する第２取得ステップと、光学係数と第１特性情報の分布の特徴量との対応関係を示す情報を取得する第３取得ステップと、前記被検体の第１特性情報の分布の特徴量と、前記対応関係を示す情報とを用いて前記被検体の光学係数を取得する第４取得ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、被検体の背景光学係数を簡易に取得できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】異なる光学係数のファントムの光音響画像
【図２】実施例１における処理装置の構成の一例
【図３】実施例１における処理装置の動作の一例を示すフローチャート
【図４】実施例２における投影像
【図５】実施例２における処理装置の動作の一例を示すフローチャート
【図６】実施例３における処理装置の構成の一例
【図７】実施例３における光照射位置を走査する図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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、形状及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る。よって、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。
【００１０】
本発明は、被検体から伝播する音響波に基づいて被検体の光学係数情報を取得する技術に関する。被検体の光学係数情報は、被検体の光学係数の代表値や被検体の内部の複数位置の光学係数を表す分布情報を含む。代表値としては、被検体の内部の光学係数の平均値や中央値などを採用することができる。本明細書では、被検体の光学係数の代表値を被検体の背景光学係数とも呼ぶ。光学係数は、光吸収係数、光散乱係数、及び光減衰係数の少なくとも１つを含む。本発明は、処理装置、処理装置の制御方法、処理方法、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やメモリ等のハードウェア資源を備える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。
【００１１】
本発明の処理装置には、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体の特性情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した光音響装置を含む。この場合、特性情報とは、光音響波を受信することにより得られる受信信号を用いて生成される、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値の情報である。
【００１２】
光音響測定により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収率を反映した値である。例えば、光照射によって生じた音響波の発生源、被検体内の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や吸収係数、組織を構成する物質の濃度を含む。また、物質濃度として参加ヘモグロビン濃度と還元ヘモグロビン濃度を求めることにより、酸素飽和度分布を算出できる。また、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も求められる。
【００１３】
被検体内の各位置の特性情報に基づいて、二次元又は三次元の特性情報分布が得られる。分布データは画像データとして生成され得る。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、初期音圧分布、エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報である。三次元（または二次元）画像データは、三次元（または二次元）空間に配置された再構成単位の特性情報の分布を表す。再構成単位は、三次元の場合、ボクセルに相当し、二次元の場合、ピクセルに相当する。
【００１４】
本発明で言う音響波とは、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。探触子など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ぶ。ただし、本明細書における超音波または音響波という記載は、それらの弾性波の波長を限定する意図ではない。光音響効果により発生した音響波は、光音響波または光超音波と呼ばれる。光音響波に由来する電気信号を光音響信号とも呼ぶ。
また、本明細書では、光音響測定から特性情報を画像化する技術のことを光音響トモグラフィーと呼んでいる。
【００１５】
＜実施例１＞
（原理）
本発明の原理を説明する。まず、吸収体に光が照射された時に発生する音圧（Ｐ）は、式（１）で表される。
【数１】
2017164222.tif 000003
Γは弾性特性値であるグリューナイセン（Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ）係数であり、体積膨張係数（β）と音速（ｃ）の二乗の積を比熱（Ｃｐ）で割ったものである。μａｏは吸収体での吸収係数であり、背景の光学係数ではない。Φは局所的な領域での光量（吸収体に照射された光量）である。
光量Φは、深さの関数ｚを用いて、例えば式（２）のように表せる。
【数２】
2017164222.tif 000004
Φ０は、被検体表面での入射光である。したがって式（２）は、光が深さ方向に進行するにつれ指数関数的に減衰することを示している。なお、μｅｆｆは、媒体内での平均的な等価減衰係数であり、散乱係数や吸収係数を反映したもので背景の光学係数に含まれる。
【００１６】
次に、図１に処理装置で撮像したファントム１０１の画像を示す。この処理装置は、後述する実施例３で述べるような半球面に探触子が配置されており、ＸＹ平面でスキャンしながら光を照射していくものである。ファントム１０１にはＺの負の方向から光が照射される。なお、再構成の画像は、スキャン位置毎に計算した一定の領域のデータを足し合わせるため、ファントム１０１のＺ軸方向に略平行の光が照射されていることと等価になる。すなわち、深さ方向にのみ等価減衰係数を反映した光の減衰があることになる。なお、点光源のような場合はＸＹ方向に対しても分布が生じ、散乱係数、吸収係数を反映した光の分布となる。
【００１７】
図１（ａ）は、ファントム１０１の構造である。ファントム１０１の母材はウレタン樹脂でその中に背景光学係数を調整するための吸収体及び散乱体が分布している。実験には、２種類のウレタン樹脂を使用した。第一のファントムの背景の吸収係数は、０．００２／ｍｍ、散乱係数は０．４／ｍｍである。第二のファントムの背景の吸収係数は０．００４／ｍｍ、散乱係数は０．８／ｍｍである。これらの値は人の肌を想定した範囲である。それぞれのファントムには、吸収係数が０．１／ｍｍ、太さ１．０ｍｍのナイロンワイヤがターゲットとして入っている。この光学係数は人の血管に近い値である。また、ターゲットの間隔はＹ方向およびＺ方向にそれぞれ１０ｍｍ離れた位置に合計４本配置されている。
【００１８】
図１（ｂ）は、第一のファントムの光音響画像で、Ｙ方向に最大値を投影したものであり、表面から３本目のターゲットまで視認できる。図１（ｃ）は第二のファントムの光音響画像で、Ｙ方向に最大値を投影したものである。表面から３本目のターゲットは認識することが難しい。第一のファントムは第二のファントムより背景光学係数が小さく、その結果深い位置のターゲットが視認できている。
【００１９】
このように、信号の範囲は背景光学係数を反映したものとなる。なお、信号の範囲とは、ここでは最大値を投影した光音響画像のうち、ターゲットを視認できる範囲のことを指している。一方、式（１）、式（２）の理論式はいくつかの仮定が入ったものであり実験と結果が異なることもある。そこで、実験値と背景光学係数を関連付けしたデータベースを作成しておけば、さらに確からしい背景光学係数を得ることができる。
【００２０】
（装置構成）
本発明の処理装置の一例として、ハンドヘルドタイプの光音響プローブを用いる装置について説明する。図２（ａ）は、ハンドヘルドタイプの光音響プローブにおける探触子と光照射部の配置である。ライン状の光照射部２０１が中央にあり、その両側に二次元の探触子２０２が配置されている。
【００２１】
図２（ｂ）は、処理装置の構成である。装置は、上述のハンドヘルドタイプの光音響プローブ２０３、光制御部２０５、信号処理部２０６、装置制御部２０７、情報処理部２０８、表示部２０９からなる。光音響プローブ２０３は、探触子面が被検体２０４に接触するように配置されている。この処理装置では、光照射部２０１から照射される光に、探触子２０２の受信タイミングを同期させることで光音響測定が可能となる。
【００２２】
装置制御部２０７は、光源、探触子の受信制御など、装置全体の制御に関する指令を行う。また、装置制御部はユーザインターフェース（ＵＩ）を備えており、操作者からの指示を基に、測定パラメータの変更、測定の開始・終了、画像の処理方法の選択、患者情報や画像の保存、データの解析などを実行できる。情報処理部２０８は画像再構成などの情報処理を行う。そして、得られた画像は表示部２０９に表示される。
【００２３】
光照射部２０１は、被検体２０４にパルス光を照射するライン状の部分である。パルス光は光源から光学系（不図示）によって光照射部２０１まで伝送される。光学系は、例えば、レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバー、拡散板などの光学機器である。また、光を導く際、これらの光学機器を用いて、所望の光分布となるように形状や光密度を変更することもある。なお、生体組織に対するレーザー光などの照射に関する基準として、単位面積に照射できる光の強度（最大許容露光量）が定められている。この基準を満たすためには、光をある程度の面積に広げるとよい。本実施例では、パルス光は光源から光照射部２０１までバンドルファイバによって導かれている。つまり、複数の点光源がライン状に並び、結果としてライン状の光源を形成している。なお、照射部の構造はこれに限らない。レンズなどで光を拡大してスリットによってライン状の光源としてもよい。また、ここでは二次元断層像を作るために照射形状をライン状としているが、被検体の広い領域に光を照射する構成でも構わない。
【００２４】
光源としては、大出力を得るためにレーザー光源が望ましい。ただし、発光ダイオードやフラッシュランプ等でもよい。レーザーを用いる場合、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なものが使用できる。光の照射のタイミング、波形、強度等は光制御部２０５によって制御される。
【００２５】
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１０〜５０ナノ秒程度が好適である。また、パルス光の波長は、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、生体の場合、７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。この領域の光は、比較的生体深部まで到達するので、生体深部の情報を取得できる。生体表面部の測定に限定すれば、５００〜７００ｎｍ程度の可視光から近赤外領域も使用してもよい。さらに、パルス光の波長は、観測対象による吸収係数が高いことが望ましい。ここでは、光源として固体レーザーであるチタンサファイアレーザーを用い、波長は７６０、８００ｎｍとする。複数波長の光を照射可能な構成であれば、波長ごとの吸収の程度の違いを利用して、物質濃度の算出が可能である。
【００２６】
探触子２０２は、光を照射された被検体から伝搬する音響波を受信して電気信号を出力する。被検体で発生した光音響波に対し、受信感度が高く、周波数帯域が広い探触子が望ましい。二次元の探触子２０２は、光音響波の受信と超音波の送受信を行う素子であり、
トランスデューサとも呼ばれる。このような素子として、ＰＺＴ（圧電セラミックス）、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン探触子）などが挙げられる。本実施例のハンドヘルド型の探触子２０２は、例えば片側６４×１０素子で構成されている。素子は、音響波を受信して電気信号を出力する。探触子２０２によって電気信号に変換された信号は、信号処理部２０６に伝送される。なお、音響波の受信タイミングは、光照射と同期するように装置制御部２０７によって制御される。探触子２０２の帯域は、例えば２−５ＭＨｚである。後述する超音波送受信部を用いる場合、探触子２０２と兼用してもよい。あるいは、中心周波数に応じて、光音響測定用と超音波測定用に分けて使用してもよい。
【００２７】
信号処理部２０６は、探触子２０２から受信した電気信号の信号処理を行う。信号処理部２０６は、前述の電気信号のフィルタリング、増幅、Ａ／Ｄ変換によるデジタル信号の生成を行い、装置制御部２０７に送信する。また、サンプリング周波数は４０ＭＨｚで２０４８サンプリングを行う。データは符号付きの１２ビットとする。信号処理部２０６は、典型的にはＯＰアンプ、Ａ／Ｄ変換器、ＦＰＧＡやＡＳＩＣなどにより構成される。
【００２８】
情報処理部２０８は、信号処理部２０６から受信した電気信号を用いて被検体内の各位置における特性情報の分布を生成する。より具体的には、情報処理部２０８は、光音響波に由来する光音響信号を用いた画像再構成により被検体内部の光音響画像を生成する。その他、光量計算や背景光学係数取得に必要な情報処理能力を有する。また、超音波測定によって超音波減衰特性を取得する場合、超音波エコーに由来する超音波信号を処理する。情報処理部２０８はさらに、信号補正など所望の処理を実施する。情報処理部はプロセッサやメモリなどを備える情報処理装置により構成できる。情報処理部２０８の各機能は、メモリに格納されたプログラムをプロセッサが実行することにより実現される。ただし、情報処理部２０８の一部又は全部の機能をＡＳＩＣやＦＰＧＡなどの回路でも実現できる。また、情報処理部２０８を、光制御部２０５や装置制御部２０７と共通の情報処理装置で構成してもよい。なお、信号処理部２０６および情報処理部２０８は、複数の素子や回路から構成されてもよい。情報処理部２０８としては、コンピュータやワークステーションなどが好適である。なお、本明細書では、情報処理部２０８の各機能を取得手段としても記載している。
【００２９】
（画像再構成）
画像再構成は情報処理部２０８にて行われる。画像再構成とは、例えば３次元画像再構成であり、情報処理部２０８が、探触子が出力した電気信号から３次元画像を再構成し、さらに３次元画像から所望の特性情報分布を取得する。画像再構成は、ユニバーサルバックプロジェクション法や整相加算法など既知の再構成手法を用いる。ここでは、ユニバーサルバックプロジェクション法を用いる方法を説明する。初期音圧分布ｐ（ｒ）は式（３）で示される。
【数３】
2017164222.tif 000005
このとき投影データに相当する項ｂ（ｒ０，ｔ）を、式（４）に示す。
【数４】
2017164222.tif 000006
ここで、ｐｄ（ｒ０，ｔ）は検出素子で検出される光音響信号、ｒ０は各検出素子の位置、ｔは時間、Ω0は探触子の立体角である。光音響画像としては、上述したように初期
音圧分布を用いても良いし、初期音圧および吸収係数により規定されるエネルギー吸収密度分布を用いてもよい。なお、被検体内部での血管の配置場所や向き（角度）によって画
像精度が変化するため、それを補正することが好ましい。例えば半球状の容器に探触子が配置されている場合、半球の中心付近では画像化時の分解能が高く、周辺にいくほど分解能が低い。そこで、光音響画像を生成する際には周辺領域に対して、複数箇所の測定データを用いるなどして補正を行うと良い。また、図６（ａ）のような半球状の容器の場合、Ｚ軸と為す角が小さくなるほど信号が弱くなる。そこで、Ｚ軸との角度に応じて吸収体の信号強度を強調する処理を行っても良い。
【００３０】
（データベース）
光音響画像と背景光学係数が紐づけられた情報（以下「対応関係」と呼ぶ）は、処理装置が有する不図示の記憶部においてデータベースの一部として保存される。データベースは、例えば臨床研究や実際の臨床現場のデータを集めることによって作成できる。当然、同じ部位であれば、血管など同じ様な構造をしているため、部位ごとにデータベースを作成することが望ましい。なお、処理装置とは別体の記憶装置にデータベースを構築し、処理装置が必要に応じてアクセスする構成としてもよい。
（処理フロー）
【００３１】
本実施例における処理装置の動作の流れを図３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３２】
ステップＳ３０１では、光源が発するパルス光によって被検体が照射される。被検体内部に入射したパルス光は、パルス光の波長に対応した特定の吸収体で吸収される。光を吸収した吸収体は、膨張、収縮することで、周囲に音響波を発生させる。
【００３３】
ステップＳ３０２では、被検体内の吸収体が発生した音響波を探触子２０２が受信する。
ステップＳ３０３では、探触子２０２が、取得した音響波を電気信号に変換し、信号処理部２０６に出力する。信号処理部２０６では、入力されたアナログの電気信号が増幅され、Ａ／Ｄ変換器によって所定のサンプリング周波数で取得されデジタル信号に変換されたのちに、情報処理部２０８に出力される。
【００３４】
ステップＳ３０４では、情報処理部２０８が、探触子２０２が取得した光音響波に由来する光音響信号に基づいて被検体内部の光音響画像を生成する。なお、ここでの光音響画像は、初期音圧分布、吸収係数分布または光エネルギー吸収密度分布（第１特性情報の分布）を用いて生成される。このとき情報処理部は、本発明の第１取得手段として動作する。この時点で吸収係数分布を用いる場合は、光量分布は一般的な統計上の値など、仮の背景光学係数によって計算される。ここで、光量分布には照射光の位置および強度と、被検体の表面形状および被検体内部での光学係数分布が関係する。そこで、処理装置が被検体の表面形状を撮像するカメラを備えておく構成や、探触子が超音波エコーに基づいて表面形状を取得する構成も好ましい。また後述するように、被検体を保持して表面形状を規定する保持部材を備えることも好ましい。
【００３５】
ステップＳ３０５では、情報処理部２０８が、背景光学係数と第１特性情報の分布（例えば、光エネルギー吸収密度分布）の特徴量との対応関係に基づいて、背景光学係数を取得する。ここでは、ステップＳ１０４で再構成された画像と記憶部がデータベースとして有する対応関係とに基づいて、被検体内の背景光学係数を取得する。より具体的には、まず情報処理部は、光学係数と特性情報の分布の対応関係を示す情報を、例えばデータベースから取得する。このとき情報処理部は、本発明の第３取得手段として動作する。続いて、情報処理部２０８は、ステップＳ３０４で再構成された画像を例えばパターン認識などの技術を用いてデータベースで検索し、被検体の背景光学係数を取得する。このとき情報処理部は、本発明の第４取得手段として動作する。この場合、再構成された画像の中に現
れるパターンは、第１特性情報の特徴量としても捉えられる。また、前述したファントムの「信号の範囲」のように、最大値を投影した光音響画像のターゲットを視認できる範囲も、第１特性情報の特徴量と言える。このように、第１特性情報の特徴量を取得するとき、情報処理部２０８は、本発明の第３取得手段として動作する。再構成画像と背景光学係数との対応関係は、例えば臨床現場などで多数の被検体から取得した画像データと背景光学係数のデータベースであってもよいし、再構成された画像から抽出されたパラメータと背景光学係数の関係式などでもよい。なお、光源から被検体に光が入射する方向（以下「照射方向」と呼ぶ）と異なる方向（略直交する方向、典型的には垂直な方向であり、以下「垂直方向」と呼ぶ）への光音響信号の広がりには、散乱係数の寄与が大きい。また、照射方向への光音響信号の広がりには、吸収係数と散乱係数の寄与がある。
【００３６】
ステップＳ３０６では、処理装置が光音響波の再測定を行い、光音響信号を再取得する。光音響波からデジタル信号を得るところまではステップＳ３０１〜３０３と同様の手順を踏むため、説明は割愛する。また、再測定の代わりに、ステップＳ３０１〜３０３で測定した結果を処理装置が有する記憶装置に保存しておき、ステップＳ３０６ではそのデータの読み込みをすることにしてもよい。この場合、図３に示すフローチャートの処理の中で光音響測定は一度で済み、全体の処理が簡易になる。また、精度よく得られた背景光学係数を用いて補正演算を行ってもよい。
【００３７】
ステップＳ３０７では、情報処理部２０８が、背景光学係数分布を用いて被検体内での光の光量分布を取得し、光量分布とステップＳ３０６で取得された光音響測定結果を用いて、被検体内での吸収係数分布（第２特性情報の分布）を取得する。このとき情報処理部は、本発明の第５取得手段として動作する。
【００３８】
本実施例の処理によれば、分光器などの測定器を用いることなく、光音響画像の画像データから簡易に背景光学係数を取得できる。また、取得した背景光学係数を用いることにより、補正された光量分布による吸収係数分布（第２特性情報の分布）が得られる。また、データベースが有する対応関係の数量を増加させることにより、背景光学係数の精度がより向上する。
【００３９】
＜実施例２＞
（データベースの作成方法）
以下、本実施例におけるデータベース作成の方法を説明する。なお、装置構成は実施例１と同様なので、説明は割愛する。また、実施例１のステップＳ３０１〜３０４と同様の手順で、光音響画像が得られたものとして以下、説明する。
【００４０】
本実施例では、背景光学係数の決定に光音響画像から抽出された特徴量を用いる点に特徴がある。本実施例では、特徴量と背景光学係数の対応関係を保存したデータベースを活用する。目的とする被検体の光音響測定に先立って、前述したデータベースが用意されている必要がある。以下の手順はデータベース作成のためのもので、多数の被検体を対象に行われる。あるいは、最終的な測定対象である被検体自身から得られた測定データに基づいてデータベースを作成してもよい。
測定の一例として、光照射部２０１は図２（ａ）に示すように、ライン状の照射領域を有するものとする。上述の光照射部２０１を用いて、本実施例の処理装置はラインに垂直な断面を所定間隔で作成する。
【００４１】
まず、情報処理部２０８は光音響画像から所望の太さの血管のみを抽出した画像を生成する。さらに、図４（ａ）のように、ライン状の光照射部４０１をＺ軸とし、光源からの距離をＲとする円柱座標系をとる。そして、Ｚ方向に光音響画像の最大信号強度を投影した投影像（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ像）を作成する
。ＭＩＰ像の作成処理は、ラインに垂直な複数の断面像の対応位置から最大値を抽出することで実施できる。このようにすることによって吸収体４０３が投影され、２次元のマップを得ることができる。
【００４２】
さらに、図４（ｂ）のようにＲ軸に対して最大信号強度を投影してもよい。こうすることで図４（ａ）の点線で示すような光照射部４０１から等距離の位置における最大の信号が得られることになる。ただしＸ軸と為す角θの値を制限して、投影する信号の範囲を制限してもよい。投影する信号の範囲を制限するのは、生体組織が異方性を持つ場合があり誤差が大きくなる場合があるからである。さらにデータとしては、閾値４０５以上の信号のＲ軸の範囲を算出する。この範囲は、例えば、図４（ｂ）の最大信号強度投影像から包絡線４０４を算出し、包絡線４０４と閾値４０５との交点と原点との間の距離とする。この距離のことを、以下「特性情報距離」と呼ぶ。このようにして、各被検体に対して特徴量として特性情報距離が抽出される。なお、包絡線４０４は、結果的に、式（１）の同種の吸収体からの信号から求められたものとなることがある。吸収体によって強い信号を発生する波長が違い、強い信号を発生する吸収体だけを選択することになるからである。当然、異なる吸収体で同じ強度の信号強度を出す波長を選択してもよい。例えば、動脈と静脈の場合、８００ｎｍ付近の光を照射したときに信号強度が同じになる。
なお、光音響画像の作成方法は、ここで述べた方法に限定されない。例えば、２次元画像データまたは３次元ボリュームデータであってもよい。また、光照射部２０１の形態はライン状に限定されず、たとえば点照射でもよいし、面照射であってもよい。
【００４３】
次に、背景光学係数の取得方法について説明する。被検体に対応する吸収係数、散乱係数等の光学係数は、例えば近赤外光を使った分光システム（ＮＩＲＳ）によって計測できる。分光システムによる測定は、例えば２本のファイバーを用い、一方からパルス光を生体に照射し、生体を介して伝搬した光を他方のファイバーで受光する。そして、受光した光の時間応答や周波数応答を解析して吸収係数、散乱係数を算出する。この測定は光音響測定を行う前または後に行うことが望ましい。図１のようにＺ方向にのみ減衰する場合、あるいは図４の様にＲ方向にのみ減衰する場合は、分光システムで計測した吸収係数μａ、散乱係数μｓからさらに式（１）に現れる等価減衰係数を算出する変換式を用いてもよい。等価減衰係数μｅｆｆの変換式はモデルによって異なるが、例えば異方散乱パラメータｇを用いて式（５）のように表すことができる。
【数５】
2017164222.tif 000007
なお、背景光学係数取得の方法はここで述べた方法に限定されない。光源の種類などに応じて、適当な方法を利用できる。
【００４４】
そして、同じ被検体の背景光学係数と光音響画像から算出した特性情報距離をそれぞれ紐付けてデータベースに記録する。このようにすることによって、特性情報距離と光学係数のデータベースを作成できる。具体的には、例えば、処理装置の記憶部（不図示）は、特性情報距離と背景光学係数の対応関係をテーブルまたは数式として保存する。ただし、すべてのデータを集めることができないので、ファントムやシミュレーションによって不足するデータを補間してもよい。また、データベースは多数の被検体から予め対応関係を取得しておき、統計的な処理を施したデータとしてもよい。こうすることによって、データとしての信頼性が向上し、また数理的な処理も可能となる。このようにして、背景光学係数と光音響画像から抽出された特徴量である特性情報距離が対応関係として紐づけられ、予めデータベースが準備されているものとする。
なお、本実施例では背景光学係数と紐づける情報として、最大信号強度を投影した投影像から求めた特性情報距離を用いたが、この方法に限らない。例えば、初期音圧などから求めた２次元または３次元の画像も利用できる。この場合、記憶部に保存された多数の画
像と、類似度判定やパターン認識などを用いて照合できる。また、画像から指標を数値化し、この数値と背景光学係数を関連付けた指揮を予め求めておき、この数式を用いて背景光学係数を求めてもよい。
【００４５】
（処理フロー）
本実施例の背景光学係数の決定の手順を図５のフローチャートに示す。以下の測定は、データベース作成にかかわった被検体とは別の、新たな被検体に対して行われる。
ステップＳ５０１で、測定を開始する。この状態では、術者が光音響プローブ２０３を持ち、被検体に音響整合用のジェルを介して探触子２０２を接触させる。
【００４６】
ステップＳ５０２では、光音響測定が行われる。光照射部２０１からパルス光を照射し、それと同期して探触子２０２が光音響波を受信する。波長を変えて光音響測定を行うことによって、動脈または静脈を選択的に画像化できる。
【００４７】
ステップＳ５０３では、光音響画像から血管が抽出される。このステップでは、血管や腫瘍などの異なる形状の吸収体があっても、所望の形状を有する吸収体を抽出できる。ここでは、所望の吸収体として太さが一定の範囲内となる血管（０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ）を抽出する。所望の形状の血管を抽出するのは、光音響波に含まれる周波数帯域が吸収体の形状により異なることや、探触子２０２の感度に周波数特性があることの影響を低減するためである。血管抽出には一般的な方法を利用できる。例えば、画素値の閾値を決めて二値化し、信号があるところを血管とする。さらに、バンドパスフィルタ等の画像フィルタを用いることで同じ太さの血管を得ることができる。
【００４８】
ステップＳ５０４では、血管画像から特性情報距離を計算する。これは、前述した図４（ｂ）の一次元投影像における包絡線４０４と閾値４０５の交点の原点からの距離である。なお、皮膚の色によって包絡線４０４の原点での値が異なる場合がある。このような場合は皮膚表面である原点付近の強度に基づいて値を補正してもよい。
【００４９】
ステップＳ５０５で、ステップＳ５０４で算出した特性情報距離に相当する背景光学係数をデータベースから検索する。この場合の背景光学係数は等価減衰係数で、特性情報距離に最も近い値および次に近い値を求める。
【００５０】
ステップＳ５０６で、誤差の範囲に相当する特性情報距離が見つかれば、その値に対応する等価減衰係数を本実施例の背景光学係数とする。あるいは、それぞれの特性情報距離に対応する等価減衰係数からその間の値を補間することによって、ステップＳ５０４で得られた特性情報距離における所望の等価減衰係数を算出できる。補間の仕方は、例えば線形補間でもよいし、多項式補間でもよい。
ステップＳ５０７で、測定は終了する。
【００５１】
このようにして得られた被検体の背景光学係数は、光量分布の算出に利用できる。そして光量分布は初期音圧分布から吸収係数分布を算出する際に利用できる。このとき用いる初期音圧分布は、ステップＳ５０２で取得したものを用いても良いし、改めて光音響測定を行って取得してもよい。あるいは、取得した光学係数を、既に生成した光音響画像の補正に利用してもよい。このような実施例では、図５のフローチャートにおける測定の回数が一度で済むという利点がある。
【００５２】
以上のように本発明によれば、光音響画像を用いた演算により被検体内部における光の散乱や吸収を示す背景光学係数を簡易に算出できる。また、一定の太さを有する血管を対象に特性情報距離を求めることで、再現性の高い背景光学係数の算出が期待できる。その結果、光音響画像の再構成精度も向上する。
【００５３】
＜実施例３＞
（装置構成）
本実施例における乳房測定用の処理装置のプローブ部分を図６に示す。図６（ａ）は、処理装置のプローブの断面図である。図６（ｂ）は、探触子を上面から見た平面図である。
【００５４】
まず、処理装置のプローブ部分に関して説明する。半球容器６０１の内面に沿って、探触子６０２がスパイラル状に５１２個配置されている。さらに半球容器６０１の底部には、光照射部６０３からの計測光が通過する空間６０５が設けられている。そして、被検体にＺ軸の負の方向から計測光が照射される。被検体は保持部材６０６に配置される。保持部材６０６としてはポリエチレンテレフタラートのように被検体を支える強度を有し、光と音響波を透過させる材質が好ましい。半球容器６０１の内部や保持部材６０６の内部には、必要に応じて音響整合材が満たされる。音響整合材は、被検体と保持部材６０６の間、及び、保持部材６０６と探触子６０２との間の空間を満たし、被検体と探触子６０２を音響的に結合させる。それぞれの空間における音響整合材の材質は、異なっていてもよい。音響整合材としては、被検体及び探触子６０２の音響インピーダンスに近く、音響波の減衰が小さい材料がよい。また、パルス光を透過することが好ましい。例えば、水、ひまし油、ジェルなどを使用できる。
【００５５】
半球容器６０１と被検体の相対的な位置関係は、走査ステージ（不図示）によって変化する。走査ステージは被検体に対する半球容器６０１の相対位置をＸ、Ｙ、Ｚ方向に変化させる。走査ステージは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のガイド機構と、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の駆動機構及び半球容器６０１のＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置を測定する位置センサを備えている。典型的には、走査ステージの上に半球容器６０１が載積される。そのため、ガイド駆動機構は大きな荷重に耐えることが可能なリニアガイドなどを用いることが好ましい。また、駆動機構としては、リードスクリュー機構、リンク機構、ギア機構、油圧機構などを利用できる。駆動力としてモータなどを利用できる。また、位置センサとしては、光学式や磁気式のエンコーダなどを利用できる。
【００５６】
そして、半球容器６０１が走査ステージにより走査された各位置で、略平行なパルス光６０７を照射する。探触子６０２は、光音響波を検出する素子である。探触子６０２で得たデータを情報処理部が再構成することによって、三次元の光音響画像が取得できる。なお、被検体内部の音響特性を取得する際に用いられる超音波エコー測定は、リニア型の超音波プローブ６０４によって行う。リニア型の超音波プローブ６０４は半球容器６０１と共に走査可能である。
【００５７】
光照射部６０３から発せられた計測光は、空間６０５を通って被検体を照射する。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する必要がある。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１０〜５０ナノ秒程度が好適である。ここでは、光照射部６０３には、固体レーザーであるチタンサファイアレーザーが用いられる。また、酸素飽和度を計測するために７６０ｎｍ、８００ｎｍの２つの波長の光を用いる。
【００５８】
探触子６０２は、光音響波を受信し、電気信号に変換して信号処理部（不図示）へ出力する。ここでは、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン探触子）を用いる。探触子は単素子で、φ３ｍｍの開口を持ち、帯域は０．５ＭＨｚ〜５ＭＨｚの帯域である。帯域に低周波数を含むことによって、太さ３ｍｍ程度の血管であっても良好な画像が取得できる。すなわち、血管の中が抜けてリング状に見えるような状況が発生し難くなる。
【００５９】
信号処理部は、探触子６０２が出力した電気信号の信号処理を行い、サンプリング周波数は４０ＭＨｚで、２０４８サンプリングを行う。また、データは符号付きの１２ビットとする。
【００６０】
リニア型超音波プローブ６０４は、被検体に超音波を送信するとともに、被検体で反射したエコー波を受信して電気信号を出力する送受信部である。このような素子として、ＰＺＴ（圧電セラミックス）を用いる。素子数は２５６であり、その帯域は５ＭＨｚ〜１０ＭＨｚである。また、サンプリング周波数は４０ＭＨｚで２０４８サンプリングを行う。また、データは符号付きの１２ビットとする。
なお、光音響波は、発生後、探触子に到達するまでの伝搬の過程で減衰を起こす。そこで、その補正を行うことが好ましい。つまり、式（１）に示されるような吸収体で発生した初期音圧は、探触子に到達するまでに減衰する。式（５）は、初期音圧（Ｐi）と、検
出器で検出される音圧（Ｐｄ）との関係を示す。
【数６】
2017164222.tif 000008
ここで、α：減衰係数、Ｐｉ：初期音圧、ｆ：送信周波数、Ｌ：伝搬距離である。このように光音響波は指数的に減衰する。そのため、光学係数を算出するときの精度を上げるためにはこの減衰を補正する必要がある。
【００６１】
また、本実施例の処理装置は、図６には不図示の情報処理部、光制御部、信号処理部、装置制御部を備える。各部の機能は実施例１と同様のため、説明は割愛する。
【００６２】
（処理フロー）
図５のフローチャートを参照して、実施例２と異なる部分に関して特に説明する。
ステップＳ５０１での測定開始時には、乳房が保持部材６０５に配置されている。
ステップＳ５０２では、光音響測定を行う。図７は、被検体に対する照射光６０７の入射位置を走査しながら光音響測定をする模式図である。光の入射位置は、矢印７０１の方へと順次移動する。光は、音響整合材の中をほぼ平行を保ちながら進む。しかし、光が保持部材６０６に収納された被検体内部に入射した後は、散乱係数に応じて被検体内部で拡散する。探触子６０２は、被検体内部で発生した光音響波を受信する。
なお、ステップＳ５０２では、光音響測定を行った後にさらに超音波測定を行う。この場合、リニア型の超音波プローブ６０４がＸ方向に走査される。情報処理部は、超音波プローブ６０４から出力された電気信号に基づいて、被検体内の音響インピーダンスを示す超音波画像データを生成する。その結果、ＺＹ平面と平行なＢ−ｓｃａｎ画像を得ることができる。また、このＢ−ｓｃａｎ画像から減衰特性値が算出され、被検体内での光音響波の減衰が補正される。
【００６３】
ステップＳ５０３では、情報処理部はパルス毎の光音響画像から血管を抽出する。その際、フィルタ等を用いて、情報処理部は血管の中から、０．５ｍｍ〜３ｍｍの太さの血管を選択する。
【００６４】
ステップＳ５０４では、情報処理部は２次元信号強度分布を作成し、照射方向と垂直方向それぞれの特徴量として特性情報距離を算出する。ここでは図７で示すように各高さＺにおいて信号強度をＹ軸に対して投影し、ＺＸ平面の２次元強度像を得る。２次元の強度像において、照射方向（Ｚ方向）と垂直方向（Ｘ方向）に対してそれぞれ包絡線により特性情報距離を算出する。この際、光の照射位置毎の２次元強度像の原点を同じ位置にして、最大値を投影して２次元の強度像を作成してもよい。２次元信号強度分布は、照射方向の深達長に寄与する吸収係数、垂直方向の光の拡散にも寄与する散乱係数それぞれに関連した情報を含んでいる。例えば、散乱が全くないと光は直進するので垂直方向（光軸に垂
直な面内方向、この図ではＸ方向）に広がらないことになる。すなわち光が到達しないため、そのような領域から光音響信号が出ないことを意味する。逆に、散乱がある場合、光軸から垂直方向へ広がった領域から信号を取得できる。また、深達長は吸収係数、散乱係数の両方の寄与があるため単純には分離できない。
ここで、垂直方向への広がりはある深さにおいて、閾値以上の信号がＸ方向にどこまで到達するかによって算出する。これは散乱係数を反映した情報であるため、散乱係数の算出ができる。また、照射方向の特性情報距離から等価減衰係数を算出できる。等価減衰係数μｅｆｆは、先に述べた式（５）のように吸収係数μａと散乱係数μｓをパラメータとして持っている。この結果、画像から算出した散乱係数μｓと等価減衰係数μｅｆｆを用いることによって、吸収係数μａを算出できることになる。
光源がライン光源や面光源の場合、被検体への光の入射位置ごとに上記のような散乱や吸収に関する処理を行ったのち統合処理を行う。
【００６５】
ステップＳ５０５で、情報処理部はデータベース検索を行う。データベースには、照射方向の特性情報距離と等価減衰係数μｅｆｆの対応関係、及び垂直方向の特性情報距離と散乱係数μｓの対応関係がそれぞれ蓄積されている。
ステップＳ５０６で、最も近い特性情報距離が見つかれば、対応する散乱係数μｓと等価減衰係数μｅｆｆを背景光学係数として決定する。また、情報処理部（不図示）は、散乱係数μｓと等価減衰係数μｅｆｆから吸収係数μａを算出する。なお、本実施例では照射方向、垂直方向への信号強度の広がりの指標に特性情報距離を用いたが、広がりの算出方法はこれに限らない。例えば、２次元信号強度分布画像から各方向の広がりを読み取ってもよい。先に述べたように、２次元信号強度分布画像の垂直方向への広がりは散乱係数と一定の相関があり、照射方向への広がりは吸収係数と一定の相関がある。このことから、第１特性情報の分布のうち前記照射方向の第１特性情報の分布と対応関係に基づいて、吸収係数を取得し、特性情報分布のうち垂直方向の第１特性情報の分布と対応関係に基づいて、散乱係数を取得することも可能である。また、例えば、データベースに予め２次元信号強度分布画像と背景光学係数の対応関係を多数用意しておき、パターン認識などによってデータベース中の画像と照合し、背景光学係数を取得できる。
ステップＳ５０７で、終了する。
【００６６】
以上のように本発明によれば、光音響画像から算出したデータを用いて、被検体内部における光の吸収係数や拡散係数などの背景光学係数を算出できる。
【００６７】
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【００６８】
２０８  情報処理部
【図１】
2017164222.tif 000009
【図２】
2017164222.tif 000010
【図３】
2017164222.tif 000011
【図４】
2017164222.tif 000012
【図５】
2017164222.tif 000013
【図６】
2017164222.tif 000014
【図７】
2017164222.tif 000015