JP2011072721A

JP2011072721A - 測定装置

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Publication number: JP2011072721A
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Inventors: Kazuhiko Fukutani; 和彦福谷; Shuichi Kobayashi; 秀一小林
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Abstract

【課題】形状維持部材による音響波の屈折効果により、画像の解像度が大きく劣化していた。
【解決手段】本発明の測定装置は、被検体の少なくとも一部の形状を保つ形状維持部材と、前記被検体に光が照射されることにより前記被検体内部で発生した音響波を前記形状維持部材を介して受信し第１の電気信号に変換する素子と、前記第１の電気信号を用いて画像データを生成する処理部と、を有する測定装置であって、
前記処理部は、前記被検体内部で前記音響波が発生してから前記素子の受信面に到達するまでの第１の時間を、前記第１の電気信号から取得し、
前記第１の時間と、前記形状維持部材の前記被検体側の表面近傍に定められた仮想的な受信領域から前記素子の受信面に前記音響波が到達する第２の時間と、の差を用いて、前記第１の電気信号を前記仮想的な受信領域で受信したものとみなす第２の電気信号に変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置に関する。特に、被検体内を伝播した音響波を受信して画像データを生成する測定装置に関する。

レーザーなど、光源から照射した光を用いて生体などの被検体内の情報から画像データを生成する測定装置の研究が医療分野で積極的に進められている。このような測定装置の一つとして、ＰｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）を利用したＰＡＴ装置がある。光音響トモグラフィーとは、光源から光を照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織が発生した音響波（典型的に超音波である）を、探触子で受信する。そして、音響波を受信することにより得られた電気信号を数学的に解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報から画像データを生成する技術である。探触子は、音響波を効率よく受信するために、被検体と物理的に接触する必要がある。そのため密着性を向上させる液体ジェルなどを通して、被検体と直接接触させることが好ましい。ところが、被検体である小動物やヒトの***など被検体の外形が複雑な場合、探触子の受信面と被検体表面を完全に接触することが困難になる。そのような場合、被検体の形状を平坦にさせる等の目的で平板プレート等の形状維持部材を用い、形状維持部材を介して探触子と接触させる。しかしながら、そのような形状維持部材を用いた場合、被検体の平均音速と形状維持部材の平均音速が異なるため、スネルの法則に基づいて被検体内を伝搬してきた音響波が被検体と形状維持部材との界面で屈折する。その結果、音速が一定と仮定する通常の画像再構成では、画像の解像度が低下する。

界面での屈折の影響を解決する方法として、特許文献１がある。特許文献１はＸ線マンモグラフィと超音波診断装置（送信した超音波が被検体内で反射して戻ってきた反射超音波を受信する装置）との複合機である。Ｘ線マンモグラフィは形状維持部材としての圧迫プレートで被検体を圧迫させ、Ｘ線を透過させて被検体の情報から画像データを生成する。そのＸ線マンモグラフィに超音波装置を複合させると、探触子は圧迫プレート越しに超音波を送受信することになる。そのため、圧迫プレートと被検体との音速差によって生じる超音波の屈折を補正するように、探触子の有する複数の素子間の遅延時間を計算して遅延処理を行い、各素子からの信号を加算していた。

米国特許第６６０７４８９号

しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、特許文献１の方法では、屈折を補正する演算に多大な時間を消費することが明らかとなった。特許文献１より、図７に示すパラメータにはスネルの法則などから次式（１０１）の関係がある。

なお、図７において、６１は注目ボクセル（あるいは電子フォーカス点）、６２は圧迫プレート、６３は探触子、ｄは圧迫プレートの厚さ、ｘは探触子と注目ボクセルの面内方向での距離、ｆは注目ボクセルと探触子におけるプレート厚さ方向の距離、ｃ_２は被検体内での平均音速、ｃ_１はプレート内での平均音速、ｈは屈折点までの距離、Ｌ_２は注目ボクセルと屈折点までの距離、Ｌ_１は屈折点と探触子までの距離である。式（１０１）においては単純化のため、ｈ_ｎ＝ｈ／ｄ、ｃ_ｎ＝ｃ_２／ｃ_１、ｆ_ｎ＝ｆ／ｄ、ｘ_ｎ＝ｘ／ｄと無次元化している。この式を用いて、ｈ_ｎを計算し、さらに、ｈ_ｎからｈを計算すれば、Ｌ_２、Ｌ_１が求まる。一般的に音響波（典型的には超音波）を利用した測定装置においては、同一の音響波が素子毎に異なる時間に到着するので、素子毎の遅延時間を調整した後に各素子からの信号を加算する整相加算処理を行って、各ボクセルに対応する画像データを取得する。そのため、それぞれの音速とＬ_２およびＬ_１を用いれば、各ボクセルにおける屈折を考慮した遅延時間が計算できる。しかしながら、ｈ_ｎの値を式（１０１）から導出するためには、４次方程式を解く必要がある。その結果、この演算を含んだ画像再構成では、通常の画像再構成に比べて、少なくとも数倍以上の演算時間を要することが分かった。

そこで、本発明は複雑な演算を行うことなく、音響波の屈折による解像度劣化のない画像データを生成できる測定装置を提供することを目的とする。

被検体の少なくとも一部の形状を保つ形状維持部材と、前記被検体に光が照射されることにより前記被検体内部で発生した音響波を前記形状維持部材を介して受信し第１の電気信号に変換する素子と、前記第１の電気信号を用いて画像データを生成する処理部と、を有する測定装置であって、前記処理部は、前記被検体内部で前記音響波が発生してから前記素子の受信面に到達するまでの第１の時間を、前記第１の電気信号から取得し、
前記第１の時間と、前記形状維持部材の前記被検体側の表面近傍に定められた仮想的な受信領域から前記素子の受信面に前記音響波が到達する第２の時間と、の差を用いて、前記第１の電気信号を前記仮想的な受信領域で受信したものとみなす第２の電気信号に変換する。

音響波の屈折による影響を補正するための複雑な演算を用いることなく、屈折による解像度劣化の小さい画像データを得ることができる。

本発明の第１の実施形態の測定装置を示す模式図。探触子表面と仮想的な受信領域での受信信号の一例を示す模式図。仮想受信点を形成可能な探触子の例を示す模式図。本発明の第２の実施形態の測定装置を示す模式図。比較例の測定装置を示す模式図。本発明の効果を示す再構成画像の例を示す模式図。従来例の圧迫プレートによる超音波の屈折を示す模式図。

以下、図を用いて本発明の測定装置を説明する。本発明の測定装置は、形状維持部材の被検体側の表面近傍に仮想的な受信領域を設定し、この仮想的な受信領域で音響波を受信したものとみなすように信号処理する。仮想的な受信領域については、後述の各実施形態において詳細に説明する。

さらに、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、例えば、被検体内部に近赤外線等の光（電磁波）を照射して被検体内部で発生する音響波や、被検体内部に音響波を送信して被検体内部で反射した反射音響波を含む。すなわち本発明の測定装置とは、被検体に光を照射して、被検体内部で発生する光音響波を探触子で受信して画像データを生成するＰＡＴ装置や、被検体内部に超音波を送受信して画像データを生成する超音波装置を含む。

（第１の実施形態）
図１を用いて本発明の第１の実施形態を具体的に説明する。図１（ａ）は、本発明を適用可能な測定装置の一例を示した模式図であり、図１（ｂ）は仮想的な受信領域を説明するため探触子と形状維持部材の構成を拡大した模式図である。本実施形態では、光のパルス照射により被検体内で発生した音響波を受信し、画像データを生成する光音響トモグラフィー技術を用いたＰＡＴ装置を例にして説明する。

本実施形態のＰＡＴ装置は、光源１１、光学部品１３、形状維持部材である圧迫プレート１５、探触子１８、処理部７０と、を備える。処理部で生成した画像データは表示装置２１により表示する。処理部７０は、信号処理部１９、画像再構成処理部２０とを有する。光源１１から発せられた光１２はミラーやレンズ等の光学部品１３により導かれ、生体などの被検体１６に照射される。被検体１６の内部を伝播した光のエネルギーの一部が血管などの光吸収体１４（結果的に音響波の発生源となる）に吸収されると、その光吸収体１４の熱膨張により音響波１７（典型的には超音波）が発生する。その発生した音響波１７は探触子１８により受信され、その後の処理により画像データとして生成（画像再構成）される。

光源１１は生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の光を照射することを目的とする。ただし、光源は本発明の測定装置と一体として設けられていても良いし、光源を分離して別体として設けられていても良い。光源としては数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源を少なくとも一つは備える。光源としては大きな出力が得られるレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザーとしては、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レーザーを使用することができる。照射のタイミング、波形、強度などは信号処理部１９または不図示の制御部によって制御される。

光学部品１３は、例えば、光を反射するミラーや、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズなどである。このような光学部品は、ミラーやレンズ以外にも、光導波路などが挙げられ、光源から発せられた光１２を被検体１６に所望の形状で照射することができればどのようなものを用いてもよい。なお、一般的に光はレンズで拡散させることにより、ある程度の面積に広げる方が好ましい。また、光を被検体に照射する領域は被検体上を移動可能であることが好ましい。言い換えると、本発明の測定装置は、光源から発生した光が被検体上を移動可能となるように構成されていることが好ましい。移動可能であることにより、より広範囲に光を照射することができる。また、光を被検体に照射する領域（被検体に照射される光）は、探触子１８と同期して移動するとさらに好ましい。光を被検体に照射する領域を移動させる方法としては、可動式ミラー等を用いる方法、光源自体を機械的に移動させる方法などがある。

本発明の測定装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断を主な目的とする。よって被検体１６としては、人体や動物の***や指・手足などの診断の対象部位が想定される。光音響トモグラフィーの場合、光吸収体（あるいは音響波発生源）１４としては、被検体内で吸収係数が高いものを示し、例えば、人体が測定対象であれば酸化あるいは還元ヘモグロビンやそれらを多く含む血管あるいは新生血管を多く含む悪性腫瘍が該当する。また、超音波装置として用いられる場合、音響波発生源１４としては周囲との音響インピーダンスが異なるものを示している。

形状維持部材１５は、被検体と探触子との間に設けられ、被検体１６の少なくとも一部の形状を一定に保つために用いられ、保持や圧迫の機能を持たせても良く、平板プレート、圧迫プレート、平行平板と呼ばれるものを含む。形状維持部材１５の材料としては、効率よく音響波を受信するために、被検体の音響インピーダンスと近いものを選ぶのが好ましい。被検体が***などの場合、ポリメチルペンテンからなる形状維持部材を使うことが望ましい。形状維持部材の形状は平板であることが好ましいが、探触子の受信面と形状維持部材の面が密着できればどのような形状を用いてもかまわない。なお、形状維持部材が平板の場合、形状維持部材の厚さは音響波の減衰などを考慮すると薄いほうが好ましいが、その形状が変形しない程度に厚くすることが望ましい。典型的には５から１０ｍｍ程度である。また、形状維持部材と被検体との間や形状維持部材と探触子との間には空隙を無くすために形状維持部材と同程度の音響インピーダンス（例えば、被検体が***の場合、１．３５×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ）を持つ音響ジェルや、水などの液体で隙間を埋めることが好ましい（図示せず）。

探触子１８は、音響波を受信して電気信号に変換する１つ以上の素子を有し、圧電現象を用いたトランスデューサー、光の共振を用いたトランスデューサー、容量の変化を用いたトランスデューサーなどで構成される。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探触子１８を用いてもよい。図１（ａ）及び（ｂ）においては、音響波を受信する素子２５を複数有する探触子の例を示したが、典型的には複数の素子が２次元的に配置されたものがよい。このような２次元配列素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を受信することができ、受信時間を短縮できると共に、被検体の振動などの影響を低減できる。なお、１つ素子を操作することで、素子を２次元あるいは１次元的に配置したものと同様な信号を得ることも可能である。

また、探触子１８の素子は、仮想的な受信領域を形状維持部材１５の被検体側の表面近傍に設定する。本実施形態の探触子としては、図３（ａ）に示すように素子の受信面が円形凹型である探触子や、図３（ｂ）、（ｃ）に示す凹あるいは凸型の音響レンズを素子の受信面の前面に設置した探触子などが利用できる。レンズ材料の音速が形状維持部材より小さければ凸型、大きければ凹型を用いる。例えば、音響レンズを音速１０００ｍ／秒のシリコンゴムで形成し、音響レンズ周りの音速が１５００ｍ／秒である場合、音響レンズは凸型構造となる。

本実施形態においては、「仮想的な受信領域」は、形状維持部材１５の被検体側の表面近傍に定められた、受信面から音響的に等距離とみなせる領域を示す。受信面から音響的に等距離とみなせる領域とは、その領域から音響波が受信面のどの位置に到達しても到達時間が同じとみなせる領域である。理論的には、受信面のどの位置からも音響的に等距離な位置は一点であり、例えば、図３（ａ）のように受信面が凹型の素子を用いた場合は、音響的に等距離な位置は、受信面の曲率中心の１点となる。しかし、実際の素子は有限の幅を持っており、受信面のどの位置で音響波を受信したか区別できないため、「仮想的な受信領域」としては、幅を持っていてよい。よって、「仮想的な受信領域」とは、受信面から音響的に等距離な理想的な１点を中心とした領域（つまり、受信面から音響的に等距離とみなせる領域）とする。この領域は、素子の受信面から音響波を送信した場合には音響波が集束する集束領域（フォーカスゾーン）である。

仮想的な受信領域についてさらに詳細に説明する。本実施形態では図１を用いて仮想的な受信領域２２を説明する。上述したように、仮想的な受信領域２２は受信面から音響的に等距離とみなせる領域であり、実在するものではない。また、解像度の観点から、仮想的な受信領域は、探触子の素子２５の受信面積に対して小さいものが好ましい。よって、本実施形態においては、受信面から音響的に等距離に位置する理想的な点（仮想的な受信領域の中心）の感度（最大感度）に対して半分の感度が得られる領域までを、音響的に等距離とみなせる領域（つまり、仮想的な受信領域）とする。感度とは、受信される音響波の大きさであり、入力信号に対して出力される信号の大きさを示す。素子の受信面から音響波を送信した場合に音響波が集束する集束領域（フォーカスゾーン）の断面の大きさは第一種第一次のベッセル関数で近似される。よって、例えば、円形の仮想的な受信領域を仮定した場合、仮想的な受信領域の直径をＬとすると、直径Ｌは、受信する音響波の周波数：ｆ、形状維持部材の音速：ｃ_１、音響的に等距離に位置する点と素子の受信面までの距離：ｄ、素子の受信面の直径：Ｄ（受信面を円形と仮定した場合）により決まり、次式（１０２）であらわすことができる。

図１のような平面型測定の場合、仮想的な受信領域の直径Ｌが素子の受信面の直径Ｄに対して小さくすることができれば、従来技術よりも解像度を向上させることができる。例えば、形状維持部材として１０ｍｍ厚のポリメチルペンテンの平板（音速：２２００ｍ／秒）を仮定し、音響波の周波数を５ＭＨｚ、円形素子の受信面の直径を５ｍｍとすると、各々の仮想的な受信領域の直径は約０．９ｍｍとなる。つまり、仮想的な受信領域の径は素子の受信面の直径よりも小さくなる。このように仮想的な受信領域の受信面積を素子の受信面の面積よりも小さくすることができれば、実効的に音響波１７の受信面の面積が小さくなり、平面測定の場合、容易に解像度を高めることができる。なお、ここで示した解像度は受信器の受信面と平行な方向の解像度である。

また、本発明において、形状維持部材の被検体側の表面近傍とは、形状維持部材１５と被検体１６との物理的な界面と、下記の式（１０３）で決まる範囲である。仮想的な受信領域として設定可能な範囲は、３次元的な大きさを有したフォーカスゾーンであり、界面に対して垂直な方向の大きさをＦｚとすると、Ｆｚは、受信する音響波の周波数：ｆ、形状維持部材の音速：ｃ_１、音速で規格化した仮想的な受信領域と素子の受信面までの距離：Ｓ_Ｆ、素子の受信面の直径：Ｄ（受信面を円形と仮定した場合）により決まり、次式（１０３）であらわすことができる。

つまり、本発明では、形状維持部材と被検体との物理的な界面を含み、界面の位置から±Ｆ_Ｚの距離までの領域を形状維持部材の被検体側の表面近傍と定義している。

次に、図１（ａ）の処理部７０で行われる信号処理について説明する。本実施形態の処理部７０は、信号処理部１９と画像再構成処理部２０とから構成される。信号処理部１９は素子より出力された電気信号（第１の電気信号）を増幅し、それをアナログ信号からデジタル信号に変換する。信号処理部１９は、典型的には増幅器、Ａ／Ｄ変換器、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）チップなどで構成される。なお、このＦＰＧＡは、増幅器での増幅率や受信タイミングなどを制御する目的等で利用される。画像再構成処理部２０では、信号処理部１９でデジタル変換された受信信号に対して、後述する所定の処理を施した後に、画像再構成を行い、画像データを生成する。

画像再構成処理部２０において施される所定の信号処理について説明する。ここでは、図２を用いて、信号処理部１９でデジタル変換された第１の電気信号（受信信号）から、仮想的な受信領域２２で得られたものとみなす第２の電気信号に変換する作業の一例を説明する。図２の（ａ）は図１（ｂ）の探触子３２の素子から出力される音響波の受信信号（第１の電気信号）の例である。なお、この受信信号の例は、信号処理回路１９でデジタル信号に変換され、画像再構成処理２０に送られたものである。また、図２（ｂ）は仮想的な受信領域２２で受信したと仮定した際に出力される音響波の受信信号（第２の電気信号）の例である。図２において、横軸は計測時間、縦軸は受信された音圧に比例する値である。図２に示されるように、理想的な探触子で受信される、均質に光が吸収された球体の吸収体から発生する音響波の受信信号はＮ型形状になることが知られている。

また、図２（ａ）において、光照射の時点を０秒とすると、被検体中の光吸収体から音響波が発生する時点も０秒とみなすことができる。この場合、第１の電気信号であるＮ型信号が出力される時間ｔ_２は、被検体中で音響波が発生してから該音響波を素子が受信して電気信号（第１の電気信号）に変換するまでの時間であり、光が照射されて被検体中で発生した音響波が素子の受信面に到達するまでの時間（第１の時間）である。つまり、この第１の電気信号から取得される時間ｔ_２は、音響波が被検体内を伝播する時間ｔ_３と音響波が仮想的な受信領域から素子の受信面に到達する時間（第２の時間）ｔ_４とを足した時間として表される。
ｔ_２＝ｔ_３＋ｔ_４・・・（１０４）
さらに言うと、ｔ_２は、図１（ｂ）において、光吸収体１４から仮想的な受信領域２２までの距離Ｌ_３を被検体の平均音速ｃ_２で割った時間と、仮想的な受信領域２２から素子２５の受信面までの距離Ｌ_４を形状維持部材１５の平均音速ｃ_１で割った時間と、の合計である。ここで、形状維持部材１５と素子の界面は、形状維持部材と同じ音速を有するジェル、または形状維持部材そのもので隙間を埋めるため、仮想的な受信領域から素子の受信面に音響波が到達する時間はＬ_４をｃ_１で割った時間とみなすことができる。

一方、図２（ｂ）の仮想的な受信領域２２で受信されるべき音響波の受信信号においては、Ｎ型信号が出力される時間ｔ_１は、被検体中の光吸収体から発生した音響波が被検体内を伝播する時間ｔ_３であり、光吸収体１４から仮想的な受信領域２２までの距離Ｌ_３を被検体の平均音速ｃ_２で割った時間である。つまり、図２（ａ）の第１の電気信号を図２（ｂ）の第２の電気信号に変換するためには、第１の時間（ｔ_２）から、音響波が仮想的な受信領域から素子の受信面に到達する第２の時間（仮想的な受信領域２２と素子２５との距離Ｌ_４を形状維持部材の平均音速ｃ_１で割った時間ｔ_４）を差し引けばよいことになる。
ｔ_１＝ｔ_３＝ｔ_２−ｔ_４・・・（１０５）

また、本実施形態において、音響波発生源から伝播する音響波は、仮想的な受信領域以外の形状維持部材の領域にも実際には到達する。しかしながら、仮想的な受信領域以外に到達した音響波は素子の受信面に対して大きな角度を持っているため、素子で受信される音響波はわずかであり、整相加算すると受信感度が著しく低下し、再構成する画像データに対して大きな影響を与えない。つまり、本実施形態では、素子の受信面を凹型にしたり、受信面に凹型又は凸型の音響レンズを設けることにより、仮想的な受信領域以外の形状維持部材に到達する音響波をカットするフィルタとしての役割も担っている。

通常、素子の受信面と仮想的な受信領域２２との距離Ｌ_４及び、形状維持部材の平均音速ｃ_１はあらかじめ分かっている。そのため、上述のように、第１の電気信号から第１の時間を取得し、第１の時間と第２の時間との差を求める単純な演算で、素子で得られた音響波の受信信号である第１の電気信号から、仮想的な受信領域２２における音響波の受信信号である第２の電気信号を算出できる。つまり、本発明は引用文献１のように４次方程式解法など複雑な演算を行うことなく、仮想的な受信領域２２での受信信号を得られるため、高速に画像再構成を行うことができる。

また、本発明を適用できる測定装置の画像再構成処理部２０は、上記の方法で生成された第２の電気信号に対して演算処理を行い、画像データを生成する装置でもある。典型的にはワークステーションなどが用いられ、第１の電気信号から第２の電気信号に変換する処理や、第２の電気信号を用いた画像再構成処理などが、あらかじめプログラミングされたソフトウェアにより行われる。例えば、ソフトウエアは、第１の電気信号から第２の電気信号への変換処理やノイズ低減処理を行う信号処理モジュールと、画像再構成を行う２つのモジュールと、からなる。なお、第１の電気信号から第２の電気信号への変換処理とは、上述したように受信信号に対して、仮想的な受信領域から素子に到達する時間（ｔ_４）をオフセットとして設けることである。光音響トモグラフィーの場合、例えば、画像再構成前の前処理として、ノイズ低減処理などが各位置で受信された信号に対して行われるが、それらは信号処理モジュールで行われることが好ましい。また、画像再構成モジュールでは、画像再構成が行われ、画像再構成アルゴリズムとして、例えば、トモグラフィー技術で通常に用いられるタイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影などが適応される。なお、場合によっては、信号処理部１９、画像再構成処理部２０は一体化される場合もある。この場合、ワークステーションで行うようなソフトウェア処理ではなく、ハードにより画像データを生成することもできる。また、探触子１８から出力された信号を仮想的な受信領域２２で出力されるべき受信信号に変換する処理は信号処理部１９のＦＰＧＡにより行われる場合もある。また、複数の素子が配列した探触子を用いる場合、仮想的な受信領域は素子毎に定められる。そして、処理部７０は複数の第２の電気信号を用いて、画像データを生成する。

また、表示装置２１は画像再構成処理部２０で出力される画像を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。

上記のような構成の測定装置を用いることにより、被検体と探触子の間に被検体とは音速が大きく異なる形状維持部材が存在する場合においても、従来よりも高速に解像度の高い画像が得られる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、図４に示されるように、形状維持部材４８は表面に開口５１を有するフィルタ４７を有し、この開口５１を仮想的な受信領域とする点と、素子が複数の受信面に分割されている点が実施形態１と異なる。

図４に示されるように、形状維持部材４８の上に、物理的な開口５１を超音波反射材あるいは吸収材を用いたフィルタ４７により形成し、その開口５１を通過した音響波を素子５２で受信する。なお、素子５２は複数の受信面４９に分割されている。音響波は、その複数の受信面で受信されて複数の電気信号（受信信号）５０に変換される。その後、処理部は、開口と各受信面の距離ａ１〜ａ５に応じた遅延処理を行い複数の受信信号５０を足す。遅延処理とは、受信面毎に音響波が到達する時間が異なるため、複数の受信面のうちいずれか１つを基準受信面とし、基準受信面から出力された受信信号を基準として、到達時間のずれを補正することを示す。本実施形態では、遅延処理により受信面ごとの到達時間のずれを補正した受信信号を加算し、その加算信号を、素子が出力した受信信号（第１の実施形態でいうところの第１の電気信号）とする。つまり、光が照射されてから素子の受信面に音響波が到達する時間第１の時間（つまり、第１の電気信号が出力される時間）は、光が照射されてから基準受信面に音響波が到達して受信信号に変換される時間である。また、音響波が仮想的な受信領域から素子の受信面に到達する時間（第２の時間）は、音響波が仮想的な受信領域から基準受信面に到達する時間である。例えば、図４において、遅延処理の際に、距離ａ１を基準として遅延処理を行った場合、第２の時間としては、形状維持部材内の距離ａ１を音響波が伝播した時間を示す。

素子が出力した受信信号（第１の電気信号）を仮想的な受信領域で受信したとみなす受信信号（第２の電気信号）に変換するには、第１の実施形態と同様に、第１の時間と、第２の時間と、の差を用いるとよい。

このように本実施形態では、素子の中心に位置する形状維持部材表面に物理的な開口５１を形成することで、形状維持部材の被検体側の表面近傍に仮想的な受信領域４６を設定する。また、開口以外に到達する音響波は、フィルタにより反射もしくは吸収されるため、素子には到達しない。本実施形態においても仮想的な受信領域４６の大きさは、素子の受信面に対して十分小さいものが好ましい。よって、開口の中心の感度（最大感度）の半分の感度が得られる領域までが、仮想的な受信領域となるような開口を設けるとよい。

以上のように、本実施形態では、仮想的な受信領域である開口を形状維持部材の被検体側の表面近傍に形成できればどのような構成の探触子を用いることができる。また、本実施形態の測定装置において、探触子及び形状維持部材以外の構成は実施形態１と同様のものを利用することができる。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では光照射により被検体内で発生した音響波を受信する光音響波トモグラフィー技術を用いたＰＡＴ装置の場合について詳しく述べたが、探触子から音響波（典型的には超音波）を送信し、被検体内で反射した反射音響波を受信することで画像データを生成する測定装置（超音波装置）においても同じ原理を適用できる。このような場合、受信に関しては第１及び第２の実施形態と同様に仮想的な受信領域を利用することができるが、音響波の送信に関しても、仮想的な受信領域の場所を仮想的な送信領域として利用することができる。この場合、前述した仮想的な受信領域がそのまま、仮想的な送信領域となり、あたかもその仮想的な送信領域（仮想的な受信領域）から超音波を送信したものとみなすことができ、送信音響波に対しても形状維持部材の屈折効果による波面の乱れを低減可能となる。

なお、音響波を送信する音響波送信器は、音響波を受信する探触子と一体化される。つまり、本実施形態においては図２における探触子１８は音響波を受信して電気信号に変換するだけではなく、電気信号を音響波に変換し音響波を送信する役割も同時に担う。また、本実施形態の場合、素子から出力された信号（第１の電気信号）を仮想的な受信領域で出力されたとみなす信号（第２の電気信号）に変換するには、探触子が送信音響波を送信して反射音響波を受信するまでの時間の１／２の時間（第１の時間）から、反射音響波が仮想的な受信領域から素子に到達する時間（第２の時間）を引くことにより求められる。
そして、第２の電気信号を用いて画像データを生成する。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した各実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

［実施例１］
シミュレーションにより本発明を実施した結果を示す。構成としては図３（ａ）のような凹型の受信面を備えた素子を有する探触子を仮定した。本実施例に用いた計算条件は次の通りである。被検体としては４ｃｍ×４ｃｍ×４ｃｍの立方体の中心に、底面の直径が０．０５ｃｍ、高さが２ｃｍの円柱形状の音響波の発生源を円柱の軸方向が形状維持部材に平行になるよう設置したものを考えた。また、被検体の平均音速を１５００ｍ／秒とした。形状維持部材は平板型で、厚さが１ｃｍ、大きさが４ｃｍ×４ｃｍのポリメチルペンテンからなる形状維持部材の使用を想定し、平均音速は２２００ｍ／秒とした。この形状維持部材は図１（ｂ）のように探触子と被検体との間に設置される。探触子は受信面（つまり素子）が一つのシングルエレメント型、直径０．６ｃｍ、中心周波数５ＭＨｚとした。受信面の形状は凹型円形のフォーカス型とし、フォーカス点を形状維持部材と被検体との界面にくるように、フォーカス距離を１ｃｍと仮定した。この場合、式（１０２）から円形の仮想的な受信領域の直径は０．０７５ｃｍとなる。また、４ｃｍ×４ｃｍ×４ｃｍの領域を画像化するために、探触子は２ｍｍ間隔で移動し、Ｘ方向に２０点、Ｙ方向に２０点操作され、各位置で音響波を計測すると仮定した。そのときの計測はサンプリング周波数２０ＭＨｚ、測定点数１２８０点とする。画像再構成方法としては公知技術のタイムドメイン法であるユニバーサルバックプロジェクションで行った。

また、比較例として次の２種類を計算した。

［比較例１］
図５はプレートによる音響波の屈折効果を説明する図である。図５において、１４は音響波の発生源、１５は形状維持部材である平板プレート、１６は被検体、１７は音源から発生した音響波、３１は探触子、２５は探触子内の素子を示している。また、ここでは被検体１６の平均音速をｃ_２、平板プレート１５の平均音速をｃ_１とし、ｃ_２＜ｃ_１とする。素子２５はフォーカス型ではない通常の平板型素子である。なお、平板型素子で音響波を受信できる領域は点線で示された２６の領域である。このような構成においては、音響波の発生源１４から発生した音響波１７は被検体と平板プレート界面で音速の違いによる屈折が起こる。図５において、平板プレートの平均音速が被検体の平均音速と一致する場合では、屈折効果が起こらないため、音響波はポイントＡで受信されることを示し、平板プレートと被検体の間に音速差がある場合は、屈折効果によりポイントＢで音響波は受信されることを示す。

比較例１では、音響波の受信面は直径２ｍｍの円形平板と仮定し、その探触子で得られた信号を、平板プレートによる屈折効果を考えずに被検体の音速のみを仮定し、画像再構成を行った。

［比較例２］
比較例２では、探触子の受信面は直径２ｍｍ円形平板と仮定し、平板プレートによる音響波の屈折効果を、従来技術である特許文献１に記載の方法を用いて補正して画像再構成を行った。具体的には、図５に示すように、距離Ｌ_２とＬ_１を式（１０１）に基づいて計算し、平板プレート及び被検体でのそれぞれの音速を考慮して遅延処理を行う。

（シミュレーション結果）
上記２つの比較例と、実施例１の仮想的な受信領域を用いて画像再構成したものの３つを用意し、それぞれの方法で得られた画像を比較した。

図６に画像再構成により得られた画像を示す。図６のすべての画像は探触子の方向に最大強度のボクセル値を投影したＭＩＰ（ＭａｘｉｍｕｍＩｎｔｅｎｓｉｔｙＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）画像を示しており、白色領域が高い音圧を示している。また、各々の図上に示したプロットは図の中心の音圧変化を模式的に示したものである。図６（ａ）は被検体内の音響波発生源のＭＩＰ像を示しており、本シミュレーションではこの画像に近い画像が得られることを解像度の高い画像としている。図６（ｂ）は比較例１で得られたＭＩＰ画像、（ｃ）は比較例２で得られたＭＩＰ画像、（ｄ）は本実施例の手法で得られたＭＩＰ画像である。図６（ａ）と（ｂ）を比べると、明らかに像が不鮮明であることがわかり、解像度が大きく低下していることが分かる。これは前述したように、音響波の屈折効果によるものである。図６（ｃ）において、再構成された音響波発生源の幅は若干広がって画像化されているものの図６（ｂ）と比較して解像度は向上している。一方、図６（ｄ）の画像においては、像のボケはわずかであり、音響波発生源をよく再現している。図６（ｃ）と（ｄ）を比べると、本実施例の方法を用いた方がわずかながら、解像度が増加している。この理由は仮想的な受信領域の幅が０．７５ｍｍと小さいため、比較例２で用いた素子の受信幅２ｍｍよりも小さくなったためである。つまり、本実施例の方法を用いることで、引用文献１と同じ受信面の大きさを持つ素子を用いて、引用文献１よりも解像度の高い画像を得ることができる。

また、画像再構成に要する時間においては、図６（ｃ）の画像を得るためには、図６（ｄ）と比べて演算が複雑なため、約２０倍の時間がかかった。以上のように、本実施例の測定装置を用いることにより、高速に屈折効果による解像度劣化のない画像を形成できた。

［実施例２］
実施例２として、図３（ｃ）で示したように凸型の音響レンズを受信面に設けた探触子を用いたシミュレーション結果について示す。本実施例に用いた計算条件は次の通りである。被検体と形状維持部材は実施例１と同様なものを用いた。探触子は素子が一つで、直径０．６ｃｍ、中心周波数５ＭＨｚとした。素子の受信面の形状は円形平板であり、素子だけでは音響波をフォーカスすることはない。次に、形状維持部材である平板プレートと探触子の間に凸型の音響レンズを設置した。音響レンズは音速１０００ｍ／秒のシリコンゴムで作られると仮定し、そのフォーカス点をプレートと被検体との界面にくるようにした。この場合、式（１０３）から円形の仮想的な受信領域の直径は０．０７５ｃｍとなる。また、実施例１と同様に、４ｃｍ×４ｃｍ×４ｃｍの領域を画像化するために、探触子は２ｍｍ間隔で移動し、Ｘ方向に２０点、Ｙ方向に２０点操作され、各位置で音響波を計測すると仮定した。そのときの計測はサンプリング周波数２０ＭＨｚ、測定点数１２８０点とした。画像再構成方法としては公知技術のタイムドメイン法であるユニバーサルバックプロジェクションで行った。実施例１と同様な比較を行った。

得られた画像は実施例１とほぼ同じであり、本実施例の測定装置を用いることにより、従来技術よりも高速にかつ、屈折効果による解像度劣化のない画像を形成できた。なお、探触子を操作することなく、素子を複数並べて、同時に音響波を受信する構成においても同様の画像を得ることができた。

［実施例３］
次に、音響波の送信と受信が可能な測定装置を用いて、測定装置から音響波（典型的には超音波）を送信し、被検体内で反射した反射音響波（超音波）を受信することで、前記反射音響波から画像データを生成する超音波診断技術を用いた測定装置の例について説明する。

シミュレーションにより、仮想的な音響波の送信領域が形成可能か調べた。本シミュレーションにおいても、実施例１と同様に、形状維持部材として、平板型、厚さ：１ｃｍ、大きさ：４ｃｍ×４ｃｍのポリメチルペンテンのプレートを仮定した。ここでは音響波の送信と受信が可能な探触子を仮定した。探触子は受信面（つまり素子）が一つのシングルエレメント型、直径０．６ｃｍ、中心周波数５ＭＨｚと仮定した。受信面の形状は凹型円形のフォーカス型とし、フォーカス点をポリメチルペンテンと被検体との界面にくるように、フォーカス距離を１ｃｍと仮定した。このような探触子を用いて、送信した音響波の強度分布を計算したところ、ポリメチルペンテンの端部にフォーカスした音響波を送信することができ、その幅は約０．７５ｍｍであった。このような探触子を複数設置して、各々遅延処理して音響波を送信すれば、プレートによる音響波の屈折効果を考えることなく、被検体内の任意の場所に音響波を送信できるようになる。

１１光源
１２光
１３光学部品
１４光吸収体
１５、４８、６２形状維持部材
１６被検体
１７音響波
１８、６３探触子
１９信号処理回路
２０画像再構成処理部
７０処理部
２１表示部
２２、４１、４３、４６仮想受信領域
２５素子
２６音響波受信可能領域
３１、４５、４９、３２、４２探触子
４４音響レンズ
４７フィルタ
５０受信信号
５１開口
６１注目ボクセル

Claims

被検体の少なくとも一部の形状を保つ形状維持部材と、前記被検体に光が照射されることにより前記被検体内部で発生した音響波を前記形状維持部材を介して受信し第１の電気信号に変換する素子と、前記第１の電気信号を用いて画像データを生成する処理部と、を有する測定装置であって、
前記処理部は、前記被検体内部で前記音響波が発生してから前記素子の受信面に到達するまでの第１の時間を、前記第１の電気信号から取得し、
前記第１の時間と、前記形状維持部材の前記被検体側の表面近傍に定められた仮想的な受信領域から前記素子の受信面に前記音響波が到達する第２の時間と、の差を用いて、前記第１の電気信号を前記仮想的な受信領域で受信したものとみなす第２の電気信号に変換することを特徴とする測定装置。
前記素子は、前記受信面に音響レンズを備えるか、又は受信面が凹型に形成されており、
前記仮想的な受信領域は、前記素子から音響的に等距離とみなせる領域であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記形状維持部材は、前記被検体側の表面近傍に前記仮想的な受信領域としての開口が形成されたフィルタを有し、
前記素子は、複数の受信面に分割されており、
前記複数の受信面のうちいずれか１つを基準受信面として、前記複数の受信面で前記音響波を受信して変換された複数の電気信号を、前記基準受信面の電気信号を基準として遅延処理して加算することにより前記第１の電気信号とし、
前記仮想的な受信領域から前記基準受信面に前記音響波が到達するまでの時間を第２の時間とすることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記測定装置は、前記素子を複数有し、
前記仮想的な受信領域は、前記素子毎に夫々定められ、
前記処理部は、前記複数の第２の電気信号から画像データを生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測定装置。
被検体の少なくとも一部の形状を保つ形状維持部材と、前記被検体に送信音響波を送信することにより前記被検体内部で反射された反射音響波を前記形状維持部材を介して受信し第１の電気信号に変換する素子と、前記第１の電気信号を用いて画像データを生成する処理部と、を有する測定装置であって、
前記処理部は、前記素子が前記送信音響波を送信してから前記反射音響波を受信するまでの時間の１／２の時間を第１の時間として前記第１の電気信号から取得し、
前記第１の時間と、前記形状維持部材の前記被検体側の表面近傍に定められた仮想的な受信領域から前記素子の受信面に前記反射音響波が到達する第２の時間と、の差を用いて、前記第１の電気信号を前記仮想的な受信領域で受信したものとみなす第２の電気信号に変換することを特徴とする測定装置。
前記素子は、前記受信面に音響レンズを備えるか、又は受信面が凹型に形成されており、
前記仮想的な受信領域は、前記素子から音響的に等距離とみなせる領域であることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
前記形状維持部材は、前記被検体側の表面近傍に前記仮想的な受信領域としての開口が形成されたフィルタを有し、
前記素子は、複数の受信面に分割されており、
前記複数の受信面のうちいずれか１つを基準受信面として、前記複数の受信面で前記反射音響波を受信して変換された複数の電気信号を、前記基準受信面の電気信号を基準として遅延処理して加算することにより前記第１の電気信号とし、
前記仮想的な受信領域から前記基準受信面に前記反射音響波が到達するまでの時間を第２の時間とすることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
前記測定装置は、前記素子を複数有し、
前記仮想的な受信領域は、前記素子毎に夫々定められ、
前記処理部は、前記複数の第２の電気信号から画像データを生成することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の測定装置。