JP2010071692A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＯＴを利用して被検体の吸収特性及び散乱特性を高精度に測定することができる測定装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】被検体内部の分光特性をＡＯＴを利用して測定する測定装置は、変調度の超音波の振幅に対する変化率と変調度の超音波の周波数に対する変化率を利用して、被検体の被測定領域の散乱特性と吸収特性の少なくとも一方を算出する信号処理部９を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定装置及び測定方法に関する。

生体組織内部の分光特性（又は減衰特性）を測定する手法として、非特許文献１は、音響光学トモグラフィ（ＡＯＴ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を提案している。ＡＯＴは、生体組織内部にコヒーレント光及び超音波を照射し、超音波照射領域（被測定領域）において、光と超音波の相互作用によって光が変調される効果（音響光学効果）を利用する。超音波は一般的に集束超音波を使用し、超音波の集束領域が被測定領域となる。ＡＯＴでは、音響光学効果によって変調を受けた光から得られる交流成分と、変調を受けていない直流成分の双方の信号を測定し、両者の比である変調度を取得し、変調度をマッピングすることによって生体組織内部の吸収散乱情報が得ている。

より具体的には、超音波によって変調された光の自己相関関数は、光路長ｓ［ｍｍ］の確率密度関数Ｐ（ｓ）と散乱電場Ｅ_Ｓを用いて以下のように表される。

また、平面超音波が照射された均質媒質をコヒーレント光が伝播しているとき、散乱光の電場の時間τ［ｓｅｃ］における自己相関関数は以下のように表される。

ここで、Ｃ、Ｓ_Ｕ、Ｓ_Ｂは次式で表される。

数式４は、超音波による相互作用による影響を示す項であり、数式５はブラウン運動による影響を示す項である。ここで、Ｄは拡散係数（＝１／３μ’_Ｓ）［ｍｍ］、ｎ_０は媒質の屈折率、ｋ_０は真空中の光の波数［ｍｍ^−１］、ω_ａは超音波の角周波数（＝２πｆ_ａ）、ｌは平均自由行程（＝１／μ_ｓ）［ｍｍ］、ｌ*＝ｌ／（１−ｇ）［ｍｍ］である。また、Ｌは媒質の厚さ［ｍｍ］、Ｌ_０（＝Ｌ＋２ｌ*γ）は外挿境界間の距離［ｍｍ］、ｚ_０（＝ｌ*（１＋γ））［ｍｍ］、γ＝０．７１０４、τ_０はブラウン運動による１粒子の緩和時間［ｓｅｃ］である。また、次式が成立する。

ここで、η（＝（∂ｎ／∂ｐ）ρν_ａ ^２）は光弾性係数、ｋ_ａは超音波の波数［ｍｍ^−１］、ρは密度［ｋｇ／ｍｍ^３］、ν_ａは音速［ｍｍ／ｓｅｃ］、Ｐ_ｊ（ｘ）はｊ番目のルジャンドル多項式である。ｆ（ｃｏｓθ）は散乱位相関数、

は、マトリクス

の（０， ０）成分の実部である。散乱位相関数は、例えば、Ｈｅｎｙｅｙ−Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ関数を用いる。

数式１１のように数式２で表される自己相関関数をフーリエ変換し、変調度Ｍを求めると以下のようになる。

但し、Ｔ_ａは超音波の周期［ｓｅｃ］である。以上によって求められた変調度Ｍが、測定装置で得られるＡＣ信号（Ｉ_０）とＤＣ信号（Ｉ_１）の比と対応する。即ち、変調度Ｍは変調光Ｉ_１の信号強度を非変調光Ｉ_０の信号強度で割ったものである。

その他の従来技術としては特許文献１〜３がある。
米国特許第６７３８６５３号明細書 米国特許第６９５７０９６号明細書 米国特許第６０４１２４８号明細書 Ｓａｖａ Ｓａｋａｄｚｉｃ ａｎｄ Ｌ．Ｖ．Ｗａｎｇ，"Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｌｉｇｈｔ： Ａｎ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｄｉａ"， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｅ６６， ０２６６０３ （２００２）

分光特性（又は減衰特性）は吸収（分光）特性と散乱（分光）特性を含み、光の吸収特性からヘモグロビン、脂肪、コラーゲン、水などの構成要素の量を計算することができるため、吸収特性を取得する需要がある。しかしながら、変調度のままでは吸収と散乱が分離されていないため、吸収特性を正確に評価することができず、従来のＡＯＴでは吸収特性を高精度に取得することができなかった。

そこで、本発明は、ＡＯＴを利用して被検体の吸収特性及び散乱特性を高精度に測定することができる測定装置及び方法を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての測定装置は、被検体内部の分光特性を音響光学トモグラフィを利用して測定する測定装置であって、第１の周波数と第１の振幅を有する超音波、第１の周波数と第２の振幅を有する超音波、及び、第２の周波数と第１の振幅を有する超音波を含む少なくとも三種類の超音波と光を前記被検体の被測定領域に照射し、前記被測定領域に照射された光が前記超音波による音響光学効果によって変調された変調光と、非変調光を測定する第１の測定部と、各超音波に対して前記変調光の強度を前記非変調光の強度で割った変調度を算出し、前記変調度の前記超音波の振幅に対する変化率又はそれに対応する量と前記変調度の前記超音波の周波数に対する変化率又はそれに対応する量を利用して、前記被検体の前記被測定領域の散乱特性と吸収特性の少なくとも一方を算出する信号処理部と、を有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての測定方法は、被検体内部の分光特性を音響光学トモグラフィを利用して測定する測定方法であって、第１の周波数と第１の振幅を有する超音波、第１の周波数と第２の振幅を有する超音波、及び、第２の周波数と第１の振幅を有する超音波のそれぞれに対して前記被検体の被測定領域に照射して前記被測定領域に照射された光が前記超音波による音響光学効果によって変調された変調光と、非変調光を検出し、検出された結果から前記変調光の強度を前記非変調光の強度で割った変調度を少なくとも３つ算出し、前記変調度の前記超音波の振幅に対する変化率又はそれに対応する量と前記変調度の前記超音波の周波数に対する変化率又はそれに対応する量を利用して、前記被検体の前記被測定領域の散乱特性と吸収特性の少なくとも一方を算出することを特徴とする。

本発明によれば、ＡＯＴを利用して被検体の吸収特性及び散乱特性を高精度に測定することができる測定装置及び方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１の測定装置のブロック図である。測定装置は、被検体内部の分光特性（吸収散乱特性）を音響光学トモグラフィ（ＡＯＴ）を利用して測定する測定装置であって、測定部（第１の測定部）と、信号処理部９と、表示部１４とを有する。

測定部（第１の測定部）は、少なくとも三種類の超音波と光を被検体７の被測定領域６に照射する。少なくとも三種類の超音波は、周波数ｆ_ａ（第１の周波数）と振幅Ａ（第１の振幅）を有する超音波と、周波数ｆ_ａと振幅Ａ_１（第２の振幅）を有する超音波、及び、周波数ｆ_ａ１（第２の周波数）と振幅Ａを有する超音波を含む。そして、測定部は、被測定領域６に照射された光が超音波による音響光学効果によって変調された変調光Ｉ_１と、非変調光Ｉ_０を測定する。測定部は、正弦波などの信号を発生する信号発生器１と、光源２と、光ファイバ３と、被検体固定板４と、超音波発振器（超音波トランスデューサアレイ）５と、光検出器８と、を有する。

被検体７は、***などの生体組織であり、吸収散乱体である。被検体７は、被検体固定板４で２方向から軽く抑えて固定された状態にある。被検体固定板４は、光学的に透明であり、被検体７と音響インピーダンスが比較的近いもので構成されている。

光源２はコヒーレンス長が長く（例えば、１ｍ以上）、強度が一定のＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ光）光を発し、複数の波長の光を発生する光源である。光源の波長は、生体組織を構成する水、脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、などの吸収スペクトルに応じた波長を選定する。一例としては、生体内部組織の主成分である水の吸収が小さいため光が良く透過し、脂肪、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンのスペクトルに特徴がある６００乃至１５００ｎｍ範囲が適当である。例えば、異なる波長を発生する半導体レーザ、波長可変レーザなどである。

光ファイバ３は光源２から発生した光を被検体７に導く。光ファイバ３の前段に光源２からの光を光ファイバ３の端部に効率良く導光する集光光学系を設けてもよい。被検体７内部に入射した光は、吸収と散乱を繰り返しながら伝播する。

超音波発生器５は、対向にある光検出器８に沿って伝播する平面超音波を発生する。超音波の周波数の範囲は、およそ１から１０ＭＨｚの範囲である。超音波発生器５は、例えば、リニアアレイ探触子から構成される。超音波発生器５が発生する超音波の周波数及び振幅は信号処理部９で制御可能である。

超音波照射領域６は、超音波発生器５で設定された超音波の周波数と振幅に応じた音場を生成する。この領域内部では、音圧による媒質の密度変化が生じ、媒質の屈折率変化や散乱体の変位が生じる。この領域に光が入射すると、媒質の屈折率変化や散乱体の変位により、光の位相が超音波の周波数で変調される。ここでは、この現象を音響光学効果と呼ぶ。

光検出器８は、超音波照射領域６において音響光学効果により変調された変調光と、超音波照射領域６において変調を受けなかった非変調光及び、超音波照射領域６以外を通過した非変調光を検出する。本実施例の光検出器８は、ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）やＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）などのシングルセンサや、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのマルチセンサも適用可能である。ＣＣＤやＣＭＯＳを用いて変調度を測定する場合も、本実施例を適用することができる。

図１に示していないが、光ファイバ３と超音波発生器５及び光検出器８は同期して、被検体固定板４の表面を２次元的に走査できる機構をもつ。これらのユニットを被検体７に対して走査することで、被検体７の空間的な測定分布を得ることができる。

信号処理部９は、各超音波に対して変調光Ｉ_１の強度を非変調光Ｉ_０の強度で割った変調度Ｍを算出し、被検体７の被測定領域６の散乱特性と吸収特性の少なくとも一方を算出する。その際、信号処理部９は、変調度Ｍの超音波の振幅に対する変化率（超音波振幅変化率）又はそれに対応する量と変調度の超音波の周波数に対する変化率（超音波周波数変化率）又はそれに対応する量を利用する。信号処理部９は、被検体７内部の吸収や散乱についての分光特性に関連する情報を解析し、画像化する処理を行い、信号抽出部１０、演算処理部１１、画像生成部１２及びメモリ１３を有する。

信号抽出部１０は、フィルタとして機能し、変調光と非変調光を分離する。信号抽出部１０には、特定周波数の信号を選択的に検出するバンドパスフィルタ、特定周波数の光を増幅して検出するロックインアンプが適用可能である。例えば、光検出器８にＰＭＴやＡＰＤを用いた場合は、信号抽出部１０で変調光Ｉ_１と非変調光Ｉ_０をそれぞれ測定し、演算処理部１１で変調度Ｍ＝Ｉ_１／Ｉ_０を算出する。或いは、ＣＣＤやＣＭＯＳなどを光検出器８に用いた場合は、出力信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換を行って演算処理部１１にデータを渡す。演算処理部１１は、超音波照射時と非照射時のそれぞれのスペックルコントラストから変調度Ｍを算出する。算出された変調度Ｍは、メモリ１３に保存される。

また、演算処理部１１は、分光特性の吸収に寄与した被検体内部の構成要素の濃度及び成分比率を算出する。また、算出されたこれら分光特性に関するデータは全て、超音波が照射された座標データと対応させて、被検体７内部の分光特性の分布データを作成する。

画像生成部１２は、演算処理部１１で作成した被検体７内の分光特性の分布データから被検体７の三次元的な断層像（画像）を生成する。

メモリ１３は、演算処理部１１が生成したデータや画像生成部１２が生成した分光特性の画像などを記録する。メモリ１３は、光ディスク、磁気ディスク、半導体メモリ、ハードディスク、などのデータ記録装置を用いることができる。

表示部１４は、信号処理部９で生成した画像を表示し、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ、有機ＥＬ、などの表示デバイスを用いることができる。

図２は、ある１点の超音波照射位置で１波長の光における信号処理部９（の特に演算処理部１１）による測定手順（又は算出手順）を示している。図２において、「Ｓ」はステップを表している。まず、Ｓ１００において、信号処理部９は、超音波発生器５を制御して、超音波の周波数ｆ_ａと振幅Ａにおいて変調光Ｉ_１と非変調光Ｉ_０を測定し、得られた測定結果と数式１２変調度Ｍを算出する。

次に、Ｓ１０１において、信号処理部９は、超音波発生器５を制御して、超音波の振幅をＳ１００で設定したＡの近傍で変化させて振幅Ａ_１とし、その他の条件は変えずに（即ち、周波数ｆ_ａを維持した状態で）変調光Ｉ_１と非変調光Ｉ_０を測定する。そして、信号処理部９は、得られた測定結果と数式１２から変調度Ｍ_１を算出する。振幅Ａと異なる振幅Ａ_１における変調度を少なくとも１つ算出すればよいが、変調度の振幅に対する変化率を精度良く求めるためには、振幅Ａの近傍において複数点で変調度の算出を行ったほうがよい。このとき得られた測定データもメモリ１３に保存される。

次に、Ｓ１０２において、信号処理部９は、超音波発生器５を制御して、超音波の周波数をＳ１００で設定したｆ_ａの近傍で変化させて周波数ｆ_ａ１とし、その他の条件は変えずに（即ち、振幅Ａを維持した状態で）変調光Ｉ_１と非変調光Ｉ_０を測定する。そして、信号処理部９は、得られた測定結果と数式１２から変調度Ｍ_２を算出する。異なる周波数における変調度の測定も少なくとも１点測定すればよいが、変調度の周波数に対する変化率を高精度に求めるために、ｆ_ａの近傍において複数点で変調度の測定を行い、測定結果をメモリ１３に保存する。

次に、Ｓ１０３において、信号処理部９は、Ｓ１０１の測定で得られたデータを用いて、変調度Ｍの超音波の振幅に対する変化率（超音波振幅変化率）∂Ｍ／∂Ａを算出する。また、信号処理部９は、Ｓ１０２の測定で得られたデータを用いて、変調度Ｍの超音波の周波数に対する変化率（超音波周波数変化率）∂Ｍ／∂ｆ_ａを算出する。なお、これらを実際に算出して保持しなくても数式２３〜２６に必要な値を代入するだけでもよい。

次に、Ｓ１０４において、信号処理部９は、変調度Ｍと変調度の超音波振幅と周波数のそれぞれに対する変化率∂Ｍ／∂Ａ及び、∂Ｍ／∂ｆ_ａを用い、超音波照射領域６における光の吸収特性及び散乱特性を算出する。超音波照射領域６では屈折率が変化するが、屈折率は吸収にも散乱にも直接的には影響しない。また、散乱物質が超音波で振動して変調されるが、この時超音波による変調は主として散乱に依存する。このため、超音波変化率（超音波振幅変化率、超音波周波数変化率）を調べることによって散乱特性のみを抽出することができる。

以下、変調度Ｍと変調度の超音波振幅と周波数のそれぞれに対する変化率∂Ｍ／∂Ａ及び、∂Ｍ／∂ｆ_ａを用い、吸収特性及び散乱特性の求め方を以下で示す。

まず、数式１において、確率密度関数ｐ（ｓ）は、光路長ｓの他に、吸収係数μ_ａ［ｍｍ^−１］、散乱係数μ_ｓ［ｍｍ^−１］、異方性パラメータｇに依存する関数であるので、ｐ（ｓ，μ_ａ，μ_ｓ，ｇ）と記述する。また、数式１の電場の相関の部分〈Ｅ_Ｓ（ｔ）Ｅ*_Ｓ（ｔ＋τ）〉は、光路長ｓと時間τの他に、散乱係数μ_ｓ、異方性パラメータｇ、超音波の振幅Ａ［ｎｍ］、超音波の周波数ｆ_ａ［Ｈｚ］に依存した関数となるので、ｈ（ｓ，τ，μ_ｓ，ｇ，Ａ，ｆ_ａ）と記述する。従って、数式１は次式のようになる。

数式１３をフーリエ変換して０次成分と１次成分の比をとれば変調度Ｍが得られる。次に、数式１３を超音波の振幅Ａで微分すると、次式が得られる。

また、数式１３を超音波の周波数ｆ_ａで微分すると次式のようになる。

数式１３から数式１５までの独立の３つの式を用いれば、吸収係数μ_ａ、散乱係数μ_ｓ、異方性パラメータｇの３つのパラメータを連立方程式から算出できる。また、吸収特性と散乱特性とを分離するだけで十分な場合も多く、このときは、数式１３から数式１５までを利用して、吸収係数μ_ａと等価散乱係数μ_ｓ’（＝（１−ｇ）μ_ｓ）［ｍｍ^−１］を分離して求めればよい。

ＡＯＴを実現させる上述の音響光学効果は、超音波照射による屈折率変化と散乱体の変位による光の位相変調が主な物理的要因である。従って、ＡＯＴの信号である変調度Ｍは、散乱特性による影響に敏感であることが予想される。このことから、照射する超音波のパラメータを変更して信号の変化を測定することによって散乱による影響を敏感に捉えることができる。数式１３のフーリエ変換から得られる変調度のみの従来の測定に加えて、上述の条件を付加し、これを連立させることによって、ＡＯＴにおいて吸収と散乱の分離が比較的容易に可能である。

次に、数式２の自己相関関数から吸収係数と散乱係数を分離する方法について説明する。生体計測や医用診断で用いられる超音波の周波数〜ＭＨｚ程度であり、診断における超音波照射安全基準以下の超音波振幅（エネルギー）においては、数式２及び３の各ハイパボリックサイン関数を１次で展開して近似することが可能である。また、ｚ_０＜＜１よりｚ_０の２次以上の項を無視して整理すると次式が得られる。

数式１６から明らかなように、超音波による影響を示すＳ_Ｕと吸収係数μ_ａが和として表現され、それぞれ独立している。従って、数式１６の超音波の振幅Ａや周波数ｆ_ａによる変化率は、吸収特性に依存せず、散乱特性にのみ依存する項となる。後述するように、数式１６の左辺と変調度Ｍとは相関関係があるため、結局、変調度Ｍに対する超音波の振幅Ａや周波数ｆ_ａによる変化率は、散乱特性のみを反映したものと捉えることができる。

従って、変調度Ｍの上記変化率を測定することによって散乱特性を求めることができる。散乱特性を求めることができれば、吸収特性についても求めることができる。以下では、このモデルに沿って吸収特性と散乱特性の導出について説明する。ブラウン運動による効果が無視できる測定系においてτ＝Ｔ_ａ／２を代入して整理すると次式のようになる。

数式１７をＡで微分して整理すると次式が得られる。

数式１７と数式１８より次式が得られる。

一方、数式６におけるマトリクス

の（０，０）成分は次式のように表すことができる。

上述した超音波周波数と生体組織中での平均自由行程を考慮すれば、数式２０は次式のように近似することができる。

数式２１を数式１７のδ_ｎの部分に代入したものを、ｋ_ａ＝（２π／ν_ａ）ｆ_ａの関係を使って整理し、これをｆ_ａで微分すれば次式が得られる。

数式１７、１８、２２及び２１を用いて等価散乱係数μ’_ｓ、吸収係数μ_ａについて解くと次式のようになる。

また、図３に示すように、生体における吸収係数及び散乱係数の範囲内において、超音波の振幅Ａが１ｎｍ以下では変調度Ｍと［１−Ｇ_１（Ｔ_ａ／２）］には比例関係が成り立つ。従って、最終的に変調度Ｍを用いて数式２３と２４は次式のように表すことができる。また、∂［１−Ｇ_１（Ｔ_ａ／２）］／∂Ａは∂Ｍ／∂Ａに対応する量である。同様に、∂［１−Ｇ_１（Ｔ_ａ／２）］／∂ｆ_ａは∂Ｍ／∂ｆ_ａに対応する量である。

但し、Ｃ_ｓとＣ_ａは比例定数である。測定する被検体の厚さが十分厚い場合はＬ_０をＬとしてもよい。数式２５及び２６より、変調度Ｍと変調度Ｍの超音波振幅に対する変化率∂Ｍ／∂Ａや変調度Ｍの超音波周波数に対する変化率∂Ｍ／∂ｆ_ａから等価散乱係数μ’_ｓに比例関係にあるものと、吸収係数μ_ａと比例関係にあるものが得られる。前者を被測定領域における散乱特性、後者を被測定領域における吸収特性と呼ぶ。

本実施例では、信号処理部９は、変調度Ｍの超音波振幅変化率と超音波周波数変化率を算出し、算出結果を利用して被検体７の被測定領域６の散乱特性を算出する。そして、数式２４や２６に示すように、信号処理部９は、算出された散乱特性を利用して被検体内部の吸収特性を求める。

なお、数式２３〜２６は、被検体がある形状を採る限り成立するが、複雑な形状を採る場合には更に別の条件を付加する必要がある可能性がある。このため、散乱特性と吸収特性は必ずしも数式２３〜２６で定義するものに限定されない。

また、超音波の振幅Ａが１ｎｍ以上であっても、図３から変調度Ｍと［１−Ｇ_１（Ｔ_ａ／２）］の関係を多項式などで補正テーブルを用意して、吸収特性・散乱特性を求めることもできる。

このように、本実施例は、従来の変調度Ｍのみの測定に加えて、変調度Ｍの超音波振幅に対する変化率∂Ｍ／∂Ａや変調度Ｍの超音波周波数に対する変化率∂Ｍ／∂ｆ_ａを算出する。そして、数式２５及び２６の関係を利用することで吸収係数に比例する吸収特性と等価散乱係数に比例する散乱特性を分離して測定している。

なお、特許文献３は、超音波の進行方向の解像度とＳ／Ｎを向上させるために超音波周波数をスイープさせて測定を行っているが、本実施例のように変調度に対する超音波周波数の依存性を取得しておらず、吸収と散乱の特性を分離するためのものではない。

以上より、図２のＳ１０４では、数式２５及び２６を用いて、超音波照射領域６の吸収特性と散乱特性を算出する。図２のフローを光源２の波長を変化させて繰り返すことで、吸収と散乱特性に関する分光情報を得ることができる。更に、光ファイバ３や超音波発生器５、光検出器８の位置を走査することで、異なる超音波照射領域６の位置において図２のフローを行って散乱特性と吸収特性の空間的な分布を得ることができる。演算処理部１１において、超音波照射領域６の被検体固定板４の面内における位置座標と散乱特性及び吸収特性を対応づけ、このデータを画像生成部１２で画像化する。これにより超音波照射領域６内の散乱特性及び吸収特性の２次元的な空間分布が得られ、表示部１４に表示する。この散乱特性及び吸収特性は、空間的な分布の中の最大値で規格化してもよいし、或いは等価散乱係数や吸収係数が既知で校正されたものを事前に測定し、これに基づいて規格化して表示することもできる。

また、複数の波長を用いて得られた吸収特性から、被検体７を構成する主要成分、例えば、酸化ヘモグロビン・還元ヘモグロビン・水・脂肪・コラーゲンなどの濃度や、ヘモグロビンの代謝などの機能情報を演算処理部１１で求める。これら機能情報を上述したのと同様に超音波照射領域６の位置の座標と対応させてマッピングし、これを画像生成部１２で画像化して画像データを生成し、表示部１４で画像データを表示する。

また、被検体７の散乱特性はほぼ一様と見なせ、吸収特性や或いは上述の構成成分の比率等の内部分布のみに着目し可視化する場合には数式２５で得られる散乱特性は、吸収特性を算出するための内部パラメータとして処理する。このとき表示部１４には吸収特性や或いは構成成分の比率等の空間分布を表示する。

本実施例では、２次元的に超音波照射領域で特定された高解像度でかつ高精度に吸収特性と散乱特性が分離され、構成成分比率や機能情報を精度よく測定することができる。

図４は、実施例２の測定装置のブロック図である。信号処理部９及び表示部１４は実施例１と同じである。本実施例では、被検体７は容器１７に収められ、これらの間を光の屈折率や散乱係数及び、超音波の音響特性が被検体７とほぼ同等とみなせる、特性が既知で均一の媒質（マッチング材１６）で満たされる。超音波集束機構を備え、被検体内部の超音波集束領域１５に集束する。超音波集束領域１５がＡＯＴの被測定領域となる。

図５は、図４に示す容器１７の横断面図である。図５では、単純化のため、ある断面において容器１７に被検体７が充填された状態を示しており、被検体７の外表面である表層７ａは容器１７の外面と一致している。もちろん、被検体７と容器１７との間にマッチング材１６が配置されてもよい。１５は被検体７に同心円状に設定された被測定領域であり、分光特性を求めたい黒丸の被検部位を含む。本実施例では、図５に示すように、超音波集束領域１５の位置を容器１７内部で順次走査して測定する。これにより、容器１７の内部の全領域を超音波集束領域１５が３次元的に網羅することができる。超音波集束領域１５の位置に応じて光ファイバ３の光入射位置と光検出器８の検出位置は移動可能に構成されている。両者は、図５に示すように、後方散乱光を測定する反射型測定系であり、超音波集束領域１５の位置が容器１７の中心になるに従って、光ファイバ３と光検出器８の間の距離を広げている。

このようにして容器１７内部を超音波集束領域１５で分割したすべての被測定領域において、図２のフローのＳ１００からＳ１０２までを実施し、それぞれの測定した変調度をメモリ１３に保存する。このとき超音波集束領域１５の位置座標、及び超音波照射条件などの測定条件も含めてメモリ１３に記憶する。全ての被測定領域においてデータを測定し終わると、演算処理部１１にてデータを解析する。

本実施例では、図５に示すように、超音波集束領域１５で生じる変調度Ｍは、光ファイバ３から超音波集束領域１５までの光の伝播経路上の吸収と散乱による影響と、超音波集束領域１５から光検出器８までの光の伝播経路上の同様の影響に依存する。例えば、超音波集束領域１５から光検出器８までの間に吸収が大きい物体が存在すると、測定される変調度Ｍは小さく測定される。従って、変調度Ｍを測定するにはこのようなクロストークの影響を考慮する必要がある。

一方、変調度Ｍの超音波周波数変化率と超音波振幅変化率は、超音波集束領域１５における局所的な領域のみに生じ、光ファイバ３から超音波集束領域１５まで、或いは超音波集束領域１５から光検出器８までの伝播経路による影響とは無関係である。測定される変調度Ｍはクロストークの影響を受けて変動するが、変調度Ｍの超音波周波数変化率と超音波振幅変化率はクロストークの影響を受けずに保存される。これを利用して、例えば、数式２５から明らかなように、散乱特性を算出する際には、変調度Ｍの超音波周波数変化率と超音波振幅変化率を用いるので、クロストークの影響を考慮しなくても散乱特性の相対的な分布を求めることができる。

以上のような考え方に基づき、演算処理部１１で、メモリ１３から測定データ及び測定条件を読み出し、変調度Ｍの超音波周波数変化率と超音波振幅変化率を算出する。この値を用いて数式２５から散乱特性を算出する。この散乱特性を超音波集束領域１５の位置の座標と対応させて、容器１７内部の散乱特性をマッピングする。画像生成部１２でこのマッピングの結果を画像化して画像データを生成して表示部１４で画像データを表示させる。

また、散乱特性が均質で既知であるマッチング材１６で予め数式２５の比例定数などのパラメータを校正して散乱係数を求めることができる。

なお、測定系を反射型でなく、被検体を透過した光を検出する透過型の測定系であってもよい。

本実施例では、被検体７の散乱特性の分布を精度よく、超音波集束領域１５で設定された空間解像度で求めることができる。

実施例３は、実施例２と同じ図４に示す測定装置を使用、実施例２と同様に散乱特性を算出するだけでなく吸収特性も算出する。即ち、実施例３の測定装置は、実施例２と同様に、超音波集束領域１５の位置を容器１７内部で順次走査して測定し、容器１７の内部の全領域を超音波集束領域１５が３次元的に網羅するように設定して測定を行う。超音波集束領域１５の位置に応じて、光ファイバ３の光入射位置と光検出器８の検出位置は移動可能に構成されていて、両者は、実施例２と同じく、後方散乱光を測定する反射型測定系になっている。超音波集束領域１５の位置が容器１７の中心になるに従って、光ファイバ３と光検出器８の間の距離を広げる。

まず、実施例２と同じ方法によって、容器１７内の超音波集束領域１５で設定された被測定領域全てにおいて図２に示すＳ１００からＳ１０２までのステップを実行する。次に実施例２と同様にして、被測定領域全てに対して散乱特性を算出する。このデータを超音波集束領域１５の位置座標と対応させてメモリ１３内部に格納する。実施例２と同じように、特性が既知で均質であるマッチング材１６を測定して、予め数式２５及び２６における比例定数などのパラメータを校正する。

次に、演算処理部１１において、メモリ１３から容器１７の最外周領域の測定データ、変調度Ｍと変調度Ｍの超音波振幅変化率∂Ｍ／∂Ａ、及び上で述べた散乱特性の測定値を読み出す。これらの値を使って、数式２６より吸収特性を算出する。これを図５で示す容器１７の断面図の最外周領域全てについて実行し、最外周領域の吸収特性及び散乱特性を求める。この際、数式２４及び２６を参照すると理解されるように、吸収特性の式にはＭ又は［１−Ｇ_１（Ｔ_ａ／２）］を含んでおり、クロストークの影響を受けることになる。本実施例は、被測定領域の吸収特性を帰納的に算出する。

容器１７の最外周領域より内側のデータの解析は、図６に示すフローを用いて実行する。まず、図７のように、Ｓ２００で解析のターゲットとなっている被解析領域（測定時の超音波集束領域１５に対応）に隣接する最外周領域の吸収特性を読み出し、これを被解析領域の吸収特性と仮定する。

Ｓ２０１で、Ｓ２００で仮定した吸収特性と既に測定によって求められている散乱特性とを用いて、数式２〜１２で算出される予想変調度Ｍ’を算出する。このとき、被解析領域と光検出器８との間の伝播領域については、例えば、モンテカルロシミュレーションや輸送方程式、拡散方程式などを用いて伝播による効果を考慮したうえで、予想変調度Ｍ’を算出する。

Ｓ２０２において、測定された変調度Ｍ（実測値）とＳ２０１で算出した予想変調度Ｍ’（予想値）との差分ΔＭを算出する。変調度Ｍの超音波振幅変化率は伝播経路の影響を受けないので、Ｓ２０２で算出されたΔＭは数式２７に示すように、吸収特性に寄与する。

数式２７で得られた吸収特性の差分を数式２８のように順次修正し、被解析領域の吸収特性を求める。

以上のように、Ｓ２００からＳ２０４までのフローを繰り返し、容器１７内の最外周領域から中心に向かって帰納的に吸収特性を算出する。全測定データを読み出し、上記フローの解析が終了するまで続ける。

得られた吸収特性及び散乱特性を実施例２と同様に、位置座標に合わせてマッピングすることで、容器１７内部の被検体７の吸収特性及び散乱特性の分布を３次元データとして得ることができる。また、吸収特性については、実施例１のように、吸収特性の波長依存性から、被検体７を構成する主要成分や代謝などの機能情報を求めたものをマッピングすることもできる。

図８は実施例４の測定装置のブロック図である。本実施例では、２つの測定部を有し、その一つの測定部（第２の測定部）は、被検体７の分光特性を拡散光トモグラフィ（ＤＯＴ：Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を利用して測定する。ＤＯＴを用いた測定部は、可視から近赤外帯域の光を用いて生体組織内部の分光特性を測定し、生体組織内部の分光特性や主要構成成分、或いは代謝情報などの空間分布を画像化する。

信号発生器１は、周波数ｆの正弦波信号を発生する。信号発生器１が発生する正弦波信号は光源２を駆動するのに使用する。一般に生体計測においては、数十〜数百ＭＨｚの正弦波で強度変調する。光源２は実施例１などで述べたものを用いる。

光源２からは周波数ｆの強度変調光として放射され、光ファイバ３に導かれる。光ファイバ３は容器１７の側面に接続され、容器１７と光ファイバ３との間に切替器１８が配置されている。

切替器１８は、シャッターなどの開閉機構の機能を備え、ｎ本のファイバのうち１本の光ファイバ３に光源２からの光を入射させ、残りのｎ−１本の光ファイバ３への光源２からの光を遮光する。ｎ−１本の光ファイバ３は、容器１７の側面から放射される、被検体７やマッチング材１６を通過した拡散光を光検出器８にそれぞれ導く。切替器１８は、光源２からの光を容器１７に導く光ファイバ３から光検出器８への光路を遮光する。光源２からの光を容器１７へと導く１本の光ファイバ３と容器１７からの拡散光を光検出器８へと導くｎ−１本の光ファイバ３は排他的である。

光検出器８で検出された信号は信号抽出部１０に伝達される。信号抽出部１０は、信号発生器１から送られた信号を参照信号とし、参照信号と光検出器８で検出された信号とを比較して、変調信号の振幅と位相を測定する。これをｎ−１本の全ての信号に対して行う。

信号抽出部１０で算出された振幅と位相のデータはメモリ１３で保存する。同時に、光源として使用した光ファイバなどの測定条件もメモリ１３に保存する。これをｎ本のファイバそれぞれが光源になるように測定をｎ回繰り返し、全ての測定データをメモリ１３に保存する。第１の測定部が取得したデータを第２の測定データと呼ぶ。

光ファイバ３は容器１７の側面に３次元的に配置されていてもよいし、２次元的に光ファイバ３が配置されたモジュールを容器１７の側面に沿って、上下方向に走査することで３次元データを取得してもよい。

本実施例は、ＤＯＴの測定方法の一例を説明しているが、本発明はこれに限定されず、時間分解法を用いた測定法を使用してもよい。

もう一つの測定部（第１の測定部）は、被検体７の分光測定をＡＯＴを利用して測定する。光源２から連続光を射出させる。前述と同様に光源２からの光は光ファイバ３に導かれ、切替器１８により、１本の光ファイバ３を光源として選択する。選択された光ファイバ３を通して光源２からの光は、容器１７の側面から入射される。

信号発生器１は超音波発生器５を駆動する。超音波発生器５は超音波集束機構を備えている。

光検出器８は、超音波集束領域１５を通過し、超音波によって変調された変調光と、超音波の変調を受けていない非変調光とを同時に検出する。信号抽出部１０では、実施例１と同様にして変調度Ｍを測定する。

第１の測定部では、図３のフローに従い、超音波集束領域１５の吸収特性及び散乱特性を算出する。容器１７内の少なくとも１つ以上の任意の位置に被測定領域である超音波集束領域１５を設定し、吸収特性及び散乱特性を測定行する。第１の測定部でこのようにして得られたデータを第１の測定データと呼ぶ。第１の測定データも第２の測定データと同様に、測定条件と合わせてメモリ１３に保存される。

第１の測定部と第２の測定部での測定が終了すると、演算処理部１１でメモリ１３から読み出し、画像再構成を行う。

画像再構成は第２の測定データを用いて、一般的に知られて手法、例えば拡散方程式に基づくモデルや、モンテカルロシミュレーションによる光伝播をモデル化したもの、輸送方程式を用いたものなどを利用する。

本実施例は、被検体内部の分光特性の分布を仮定し、当該仮定から得られる分光特性の予想値と第２の測定部による測定結果との差が許容範囲になるように前記仮定を変更している。この仮定を変更して最適解を得るステップにおいて、第１の測定データは、被測定領域の局所的な吸収特性及び散乱特性を表すものであり、第２の測定データを用いて画像再構成するときの、局所的な位置での解として用いる。或いは、初期条件として利用する。

第１の測定データを上記のように画像再構成を行う際の条件として使用することで、ＤＯＴの課題である不良設定問題（ｉｌｌ−ｐｏｓｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍ）における解の自由度を制限することができる。これにより、高解像度に被検体７の吸収特性及び散乱特性や、或いは主要成分や代謝などの機能情報の分布を測定することができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

実施例１の測定装置のブロック図である。 図１に示す信号処理部の動作を説明するためのフローチャートである。 振幅とＭ／｛１−Ｇ_１（Ｔ_ａ／２）｝の関係を示すグラフである。 実施例２の測定装置のブロック図である。 図４に示す容器の断面図である。 実施例３の測定装置の信号処理部の動作を説明するためのフローチャートである。 図５の超音波集束領域と光検出器との間を伝播する光の伝播経路とそこに配置された被解析領域を示す概略平面図である 実施例４の測定装置のブロック図である。

符号の説明

２ 光源
５ 超音波発生器
６ 超音波照射領域（被測定領域）
９ 信号処理部
１１ 演算処理部
１４ 表示部
１５ 超音波集束領域（被測定領域、被解析領域）

Claims (8)

1. 被検体内部の分光特性を音響光学トモグラフィを利用して測定する測定装置であって、
   第１の周波数と第１の振幅を有する超音波、第１の周波数と第２の振幅を有する超音波、及び、第２の周波数と第１の振幅を有する超音波を含む少なくとも三種類の超音波と光を前記被検体の被測定領域に照射し、前記被測定領域に照射された光が前記超音波による音響光学効果によって変調された変調光と、非変調光を測定する第１の測定部と、
   各超音波に対して前記変調光の強度を前記非変調光の強度で割った変調度を算出し、前記変調度の前記超音波の振幅に対する変化率又はそれに対応する量と前記変調度の前記超音波の周波数に対する変化率又はそれに対応する量を利用して、前記被検体の前記被測定領域の散乱特性と吸収特性の少なくとも一方を算出する信号処理部と、
   を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記信号処理部は、前記変調度の前記超音波の振幅に対する変化率と前記変調度の前記超音波の周波数に対する変化率を算出し、算出結果を利用して前記被検体の前記被測定領域の前記散乱特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記信号処理部は、算出された前記散乱特性を利用して前記被検体内部の吸収特性を求めることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
4. 前記信号処理部は前記吸収特性を算出し、算出された前記吸収特性から、吸収に寄与した前記被検体内部の構成要素の濃度及び成分比率を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
5. 前記信号処理部は、前記被測定領域の座標と前記被検体の前記被測定領域の散乱特性と吸収特性の少なくとも一方を対応させてマッピングし、マッピングの結果を画像化して画像データを生成し、
   前記測定装置は、前記画像データを表示する表示部を更に有する請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記信号処理部は、前記被検体の表層に最も近い領域において前記散乱特性と前記吸収特性を算出し、前記被検体の前記領域における前記散乱特性及び前記吸収特性を利用して前記被測定領域から検出位置までの光の伝播経路にある前記被測定領域の前記吸収特性及び前記散乱特性を前記検出位置から前記被測定領域に向かって順次修正することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
7. 前記被検体の分光特性を拡散光トモグラフィを利用して測定する第２の測定部を更に有し、
   前記信号処理部は、前記被検体内部の前記吸収特性と前記散乱特性の分布を仮定し、当該仮定から得られる第２の測定部による測定の予想値と実測値との差が許容範囲になるように前記仮定を変更して画像再構成を行い、
   当該信号処理部は、前記第１の測定部による測定結果から取得した前記吸収特性と前記散乱特性の少なくとも一方を前記画像再構成の初期条件、又は、局所的な位置での解に利用することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
8. 被検体内部の分光特性を音響光学トモグラフィを利用して測定する測定方法であって、
   第１の周波数と第１の振幅を有する超音波、第１の周波数と第２の振幅を有する超音波、及び、第２の周波数と第１の振幅を有する超音波のそれぞれに対して前記被検体の被測定領域に照射して前記被測定領域に照射された光が前記超音波による音響光学効果によって変調された変調光と、非変調光を検出し、
   検出された結果から前記変調光の強度を前記非変調光の強度で割った変調度を少なくとも３つ算出し、前記変調度の前記超音波の振幅に対する変化率又はそれに対応する量と前記変調度の前記超音波の周波数に対する変化率又はそれに対応する量を利用して、前記被検体の前記被測定領域の散乱特性と吸収特性の少なくとも一方を算出することを特徴とする測定方法。