JP2013545111A - 媒体を照射する装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

媒体（７０６）を照射する方法は、媒体（７０６）で散乱され、且つ、媒体（７０６）の位置で周波数変調される電磁波によって媒体（７０６）を照射することと、アパーチャ（７０７）を通過する変調電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに対応する情報を取得することと、取得された情報に基づいて媒体（７０６）を照射する位相共役波を生成することとを含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、媒体を照射する装置及び方法に関する。
光の散乱は、その散乱の過程が支配的な媒体の内部を見えにくくし、場合によっては媒体の内部をまったく見えなくしてしまう本質的な要因の１つである。これは、散乱光が媒体中を直線的に伝播せず、ランダムな光路をとるために、光の指向性及びそれに関連する情報が失われるからである。従って、散乱された可視光又は拡散された可視光を検出することによって、そのような散乱が起こっている媒体に関する詳細な内部情報を抽出することは困難である。例えば、医療の分野で生体組織の検査に適用された場合、組織を透過する間に光が散乱すると、その散乱光の検出によって内部情報を取得することは困難になる。
更に、例えば、光線力学療法において病的組織の治療を可能にするために、及び、意図的無秩序ランダム物質（ｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ ｒａｎｄｏｍ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）ではこれまで取得することが不可能であった独自の有用な機能を実現するために、散乱媒体中の目標位置に光エネルギーを集中できるようにすることが求められることも多くなっている。
散乱媒体の中の位置に光を集束すること、或いは、散乱媒体を通して光を集束することは、ごく最近になるまで実現されていなかった。しかしながら、近年、散乱効果を抑制するために入射光の波面を最適化する技術が提案された。
米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号（Ｙａｇｏｏｂ他、２００９年１月８日公開）には、散乱媒体を介して送信された散乱光の波面をホログラム記録材料によって記録し、且つ、記録された波面の位相に対して実質的に逆となる位相を有する位相共役波を生成するのに使用することができる位相共役光技術が開示されている。位相共役波は、散乱媒体に入射し、散乱媒体を通して見ることができるように生成される。
弾性光散乱は確定的で時間反転可能な過程であるため、位相共役光は、散乱媒体を通して元の光路を辿って進み、元の入射点に戻る。米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号に開示されたような方法は、散乱効果を抑制し、且つ、散乱媒体に関して取得される像の空間分解能を向上する上で効果的である。
しかしながら、米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号は、そこで説明される光位相共役方法が、入射光が最初に入射した散乱媒体のすぐ後の領域に光を集束させることしかできないことを開示している。従って、そこで説明されているように、この方法は、散乱媒体中のいずれかの特定の位置に光を任意に集束させることができない。但し、米国特許出願公開第２００９／０００９８３４号は、更に、媒体中で強い前方散乱を引き起こす特定の散乱体の一部を照明するために、そこで説明される位相共役方法を使用可能であることを示唆している。
しかしながら、この状況は、媒体の散乱特性が非常に小さいために、強い散乱体が位置している媒体中の幾つかの特定のポイントでのみ散乱が起こると仮定できる場合に適用できるだけである。また、撮像又は治療などの他の用途で集束効果を利用できるようにするためには、それらの特定のポイント（場所）を知っておかなければならない。
生体組織を含めて強い散乱を起こす媒体では、多くの場合、上述の状況は現実的ではない。例えば、散乱の強い媒体では、媒体の中で複数の散乱過程が起こるため、どの散乱体が主に散乱を起こしており、前方散乱を起こす主な原因になっているのかを特定することは非常に困難である（場合によっては、散乱が前方方向ではない場合もある）。従って、位相共役光を利用して、多重散乱過程によって形成された光路を再び辿って照明することは困難である。このような多重散乱過程は、例えば、媒体中に存在する散乱体の数が多すぎるために起こる。
また、媒体中の「強い散乱体」の場所は、通常、わからないため、「強い散乱体」の付近に光が集束されたとしても、散乱媒体に光を集束させるために位相共役光が戻るべき厳密な場所を決定することも困難である。
従って、散乱媒体において位相共役方法を適用する場合には、上述のような問題点が考慮されなければならない。
本発明の実施形態は、媒体を照射する装置及び方法を提供する。
本発明の１つの側面によれば、媒体を照射する方法は、電磁波によって媒体を照射することと、媒体のある位置で電磁波を周波数変調することと、アパーチャを通過する変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、取得された情報に基づいて媒体を照射するための位相共役波を生成することとを含む。
本発明の別の側面によれば、装置は、媒体を照射するために電磁波を放射する光源と、超音波トランスデューサによって特定される媒体の位置で電磁波を周波数変調する変調器と、媒体から射出する光を選択するアパーチャと、アパーチャを通過する変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得する検出器と、取得された情報に基づいて媒体を照射するための位相共役波を生成する生成器とを含む。
本発明の別の側面によれば、媒体を照射する方法は、電磁波によって媒体を照射することと、媒体の複数の位置で電磁波をそれぞれ異なる周波数によって周波数変調することと、変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、取得された情報に基づいて媒体を照射する位相共役波を生成することとを含む。
本発明の別の側面によれば、媒体を照射する方法は、電磁波によって媒体を照射することと、媒体のある位置で電磁波を周波数変調することと、変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、取得された情報に基づいて媒体を照射するための位相共役波を生成することと、位相共役波による照射に応答して媒体から発生される信号を検出することとを含む。
本発明の別の側面によれば、媒体を照射する方法は、電磁波によって媒体を照射することと、媒体のある位置では電磁波は変調されるが、媒体のその位置以外の領域では変調されないように、媒体の位置で電磁波を周波数変調することと、媒体から射出される周波数変調されていない電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、取得された情報に基づいて照射するための位相共役波を生成することとを含む。
本発明の更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される例示的な実施形態によって明らかにされるであろう。
図１Ａは、散乱媒体における複数の散乱光を示す図である。 図１Ｂは、散乱媒体における周波数シフト光の「再放射」を示す図である。 図１Ｃは、散乱媒体における光の集束を示す図である。 図２Ａは、第１のステップ（記録処理）の構成を示す図である。 図２Ｂは、第２のステップ（照射のための再生処理）の構成を示す図である。 図３Ａは、例示的な実施形態における第１のステップの構成を示す図である。 図３Ｂは、例示的な実施形態における第２のステップの構成を示す図である。 図４は、別の例示的な実施形態の構成を示す図である。 図５は、例示的な動作を示すフローチャートである。 図６は、別の例示的な実施形態の構成を示す図である。 図７は、共焦点撮像システムの構成を含む図である。 図８は、超音波によって照射される特定の層を示す図である。 図９は、超音波によって照射される特定の層を示す図である。 図１０は、複数の超音波焦点を示す図である。 図１１は、照射系を示す図である。 図１２は、信号の減衰を示す図である。 図１３は、媒体における小球を示す図である。 図１４は、媒体における平面領域を示す図である。
添付図面を参照して、以下に本発明の実施形態を説明する。
図１Ａは、散乱媒体１０１における多重光散乱及び位置１０２を示す。位置１０２において、入射光束１００の周波数は変調される。散乱粒子１９９を含む散乱媒体１０１に入射光束１００が入射すると、光束１００は、媒体１０１を伝播する間に複数回の散乱を受け、最終的には、散乱光１０３として媒体１０１の表面から射出する。この際、入射光束１００の一部は位置１０２に到達し、位置１０２において周波数変調される。例えば、位置１０２において入射光束１００の周波数を変調するために、超音波が使用可能である。また、媒体の局所的な位置において入射光束１００の周波数を変調する手段を、超音波の代わりに利用することも可能である。
音響光学イメージング（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ）又は超音波変調トモグラフィー（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれる技術では、散乱媒体１０１が超音波によって照射された場合、媒体の屈折率が変調されるのに加えて、印加された超音波の周波数によって散乱媒体１０１における散乱体の変位が誘起される。入射光束１００の一部が媒体１０１の位置１０２において超音波照射ボリュームに到達すると、超音波の周波数によって光の光学的位相が変調され、光の周波数シフトが起こる。
図１Ｂは、散乱媒体１０１における相互作用（周波数シフト）光１０４の発生及び伝播を示す。相互作用光１０４の周波数は、超音波の周波数によってシフト（変調）される。従って、相互作用光１０４の周波数は、入射光束１００及び超音波によって変調されていない散乱光１０３の周波数とは異なる。位置１０２における周波数照射ボリュームから発生する周波数シフト光１０４は、伝播し続ける間に複数回の散乱を受け、散乱媒体１０１から射出する。
換言すれば、位置１０２における超音波照射ボリュームは、元の光とは異なる周波数を有する光を発生する散乱媒体１０１の内部の別の光源であるかのように作用する。かかる周波数シフト光１０４が位置１０２における超音波照射ボリュームから発生することは明らかである。
周波数シフト光１０４に主に対応する波面が記録され、且つ、その位相共役光１０５によって再生されると、図１Ｃに示されるように、位相共役光は、元の光路を辿り、位置１０２に到達するか、或いは、位置１０２に向かって進む。位相共役（即ち、再構成波、位相共役波）を実現するために、ホログラフィが使用される。ホログラフィにおいて、変調光と参照波との干渉によって生成される干渉パターンがホログラム材料に記録され、更に、干渉パターンは、ＣＣＤセンサやＳＭＯＳセンサなどの光検出器によって検出することが可能である。光検出器によって干渉パターンを検出する技術は、デジタルホログラフィと呼ばれる。位相共役波は、干渉パターンに対応する取得情報に基づいて、生成される。例えば、ホログラム材料に干渉パターンが記録された場合、後述するように、ポンプ光によって共役波を生成することができる。一方、情報がアレイセンサによって取得された場合、第４の実施形態で説明するように、共役波は、空間光変調器などの生成器を使用することによって生成される。
以下で更に詳細に説明するように、散乱媒体に照射を集束する方法は、一般に、２つのステップを含む。第１のステップは、記録ステップであり、第２のステップは、再生（再構成）ステップである。
図２Ａは、第１の（記録）ステップの構成を例示的に示す図である。コヒーレント光源２００は、初期光束を放射する。初期光束は、ビームスプリッタ２０１によって、入射光束２１１と参照光束２１２とに分割される。通常、光源２００によって放射される光の波長は、可視光（可視光線）から近赤外線光（近赤外線光線）の範囲である。例えば、４００ｎｍ〜１５００ｎｍのように、約３８０ｎｍ〜約２５００ｎｍの範囲の波長を放射する電磁波源が光源２００として使用される。
音響光学変調器（ＡＯＭ）２０２及び２０４などの外部変調器は、それぞれ個別のクロック周波数で駆動され、それら２つのＡＯＭの周波数の差が超音波システム２０７に印加される周波数とほぼ等しくなるように調整される。例えば、ＡＯＭ２０２の周波数がｆ１（＝７０ＭＨｚ）であり、且つ、超音波の周波数がｆａ（＝２ＭＨｚ）である場合、ＡＯＭ２０４の周波数ｆ２は、ｆ１＋ｆａ（＝７２ＭＨｚ）である。入射光束２１１は、ＡＯＭ２０２を通過し、参照光束２１２は、ＡＯＭ２０４を通過する。
ＡＯＭの変調周波数を調整する別の方法は、ＡＯＭ２０２を、入射光束２１１の光路ではなく、参照光束２１２の光路に配置するという方法である。従って、この場合、参照光束２１２は、２つのＡＯＭを通過するが、入射光束２１１は、ＡＯＭを通過しない。第１のＡＯＭの周波数は、例えば、ｆ１＝−７０ＭＨｚに設定され、第２のＡＯＭの周波数は、ｆ２＝＋７２ＭＨｚに設定されるため、ｆ１＋ｆ２＝２ＭＨｚとなり、これは、超音波の周波数ｆａ（＝２ＭＨｚ）と同等である。また、周波数を上述したように設定した上で、２つのＡＯＭを参照光束２１２の光路ではなく、入射光束２１１の光路に配置することも可能である。この場合、第１のＡＯＭの周波数ｆ１＝−７０ＭＨｚであり、第２のＡＯＭの周波数ｆ２＝＋７２ＭＨｚであるため、ｆ１＋ｆ２＝２ＭＨｚとなる。
超音波装置２０７は、大きさ及び位置が事前に決定されている焦点ボリューム２０８を形成するために、超音波を送信する。小さく細長い焦点ボリュームを実現するために、パルス超音波を放射することが可能である。超音波のパルス幅は、焦点ボリューム２０８の大きさ及び散乱媒体２０９における超音波の速度に応じて設定される。更に、ストロボ照射も使用することが可能であり、その場合、光源２００からの照射のタイミングは、超音波パルスが照射されるべき位置を限定している期間にのみ媒体２０９を照射するように同期される。焦点ボリューム２０８を散乱媒体２０９の位置に設定するために、集束超音波が使用される。
可動ミラー２０３は、入射光束２１１が散乱媒体２０９に入射するように制御され、且つ、調整される。第１の照射ユニットは、散乱媒体２０９を照射するための光源２００を含むシステムを含み、光源２００の出力を制御するための制御部を任意に含んでもよい。散乱媒体２０９において、入射光束２１１は複数回散乱し、光の一部は、複数回の散乱過程を介して超音波焦点ボリューム２０８に到達し、ボリューム２０８の位置において超音波と相互作用する。
光と超音波との相互作用の結果、超音波焦点ボリューム２０８は、周波数シフト光として光を再放射する。周波数シフト光の少なくとも一部、及び、周波数シフトされなかった光は、反射されて元の光路を辿り、入射光束２１１が入射した散乱媒体２０９の表面から射出する。散乱媒体２０９の表面から射出する信号光束は、散乱波面２１０として示される。散乱波面２１０は、入射光束２１１が入射した場所とは異なる場所からも射出する。この波面２１０は、ホログラム材料２０６に入射する。
ＡＯＭ２０４によって周波数シフト光と同一の周波数を有するように調整された参照光束２１２は、ミラー２０５によって反射され、ホログラム材料２０６を照明する。第２の照射ユニットは、ホログラム材料２０６を照射するためのミラー２０５などのシステムを含む。
相互作用光及び非相互作用光の双方を含む信号光束と参照光束２１２との干渉によって、ホログラム材料２０６の内部において、干渉像が生成される。かかる干渉像は、（１）非周波数シフト光と参照光束２１２との干渉、及び、（２）周波数シフト光と参照光束２１２との干渉、の２つの成分から主に構成される。
異なる光周波数によって形成される第１の干渉成分は、超音波装置２０７に印加されるのと同一のビート周波数の速度で移動する。通常、この速度は非常に速いため、干渉縞は平均化され、ホログラム材料２０６に刻印されることはない。同一の周波数によって形成される第２の干渉成分は、ホログラム材料２０６に静止した干渉パターンを形成する。
ホログラムを形成するように非周波数シフト光を除去し、且つ、周波数シフト光を効率よく回収するために、バンドパスフィルタが使用されてもよい。例えば、ファブリ−ペロー干渉計又は極低温冷却スペクトラルホールバーニング結晶は、この目的に適する。ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサなどのアレイセンサは、干渉パターンに対応する情報を取得するために、ホログラム材料２０６の代わりに使用することができる。
このように、局所的な超音波焦点ボリューム２０８から発生する周波数シフト光は、ホログラム材料２０６における静止ホログラムの形成に主に寄与する。換言すれば、参照光束と周波数シフト光束との干渉に対応する情報がホログラム材料２０６に記録される。
位相共役光は元の光路を再度辿るため、刻印された波面の位相共役は、超音波焦点ボリューム２０８に向かって伝播する。これは、周波数シフト光の位相共役である入射光が散乱媒体２０９における局所的な超音波焦点ボリューム２０８に向かって戻り、超音波焦点ボリューム２０８に集束されることを意味する。
図２Ｂは、超音波焦点ボリューム２０８を照射するための再生ステップである第２のステップの例示的な構成を示す図である。
図２Ｂに示されるように、光源２００によって放射された光は、最終的には、ポンプ光束２１３として、参照光束２１２の方向に対して実質的に逆の方向からホログラム材料２０６を照明する。また、第３の実施形態で説明するように、光源２００の代わりに、ポンプ光を放射する別の光源が使用されてもよい。第１の照射ユニットは、ホログラム材料に情報が記録された後、散乱媒体２０９を通さずにホログラム材料を照射する。ポンプ光束２１３は、連続波又はパルス波のいずれであってもよい。
ポンプ光束は、ホログラム材料２０６の中で記録波面の位相共役波２１０’を生成する。位相共役波２１０’は、散乱媒体２０９に向かって伝播し、散乱媒体２０９に入射する。位相共役波２１０’は、散乱媒体２０９において、記録ステップの際に辿った元の光路を再度辿り、超音波焦点ボリューム２０８に戻る。その結果、局所的な超音波焦点ボリューム２０８は、位相共役光２１０’の焦点となる。換言すれば、ホログラム材料は、媒体における超音波焦点ボリューム２０８の位置で媒体を照射する再構成波を生成し、再構成波は、散乱媒体２０９における超音波焦点ボリューム２０８の位置まで進む位相共役波から構成される。再構成波の強度が変調された電磁波２１０を取得するために使用された電磁波２１１の強度とは異なるように、再構成波の強度を調整する制御部が更に使用される。制御部は、例えば、制御部を使用することによって、再構成波の強度が変調された電磁波２１０を取得するために使用された電磁波２１１の強度より弱くなるか、又は、強くなるように、光の強度を調整する。媒体からの信号を検出するために、光検出器及び／又は超音波検出器が使用される。検出器は、再構成波による散乱媒体２０９の照射に応じて散乱媒体２０９から出力される信号を使用して断層画像を形成するための画像形成ユニットである。
超音波焦点ボリューム２０８の特性（例えば、ボリュームの大きさ、形状、位置）は、超音波装置２０７及びその制御部（不図示）を動作させることによって調整することが可能である。この特徴は、実際に適用する場合に極めて重要である。従って、散乱媒体の内部で調整可能である特定の局所的なボリュームに向かって再び元の光路を辿ることができる位相共役波を生成することが可能である。多重散乱光を扱うイメージングにおいて、照射装置又は照射方法として本実施形態を適用することによって、出力画像の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上することができる。また、本実施形態は、散乱媒体の内部に光を集束することによって、撮像方法の測定深度を改善することができる。かかる照射方法は、散乱媒体の内部に光を集中させることを伴う多様な種類の撮像方法及び他の装置に適用可能である。ポンプ光束２１３のエネルギーは、ホログラムを作成するために使用される光のエネルギーよりも低くなるように、任意に調整されてもよい。
ここで、散乱媒体は、例えば、生物組織、又は、他の何らかの混濁媒体、又は、無秩序物質である。
ホログラム材料２０６は、従来の乳濁液、或いは、ニオブ酸リチウム、ヒ化ガリウム、ＢＳＯ（酸化ビスマスシリコン）などのフォトリフラクティブ結晶、又は、例えば、米国特許第６，６５３，４２１号公報（ヤマモト他、２００３年１１月２５日発行）に記載されるフォトリフラクティブポリマーなどのフォトリフラクティブ結晶である。更に、以下に説明するデジタルホログラフィ技術も適用可能である。
周波数シフト光の強度は、位相共役波を生成するためのホログラムを作成するのに十分なレベルである。この強度は、散乱媒体の位置及び散乱媒体２０９における超音波焦点ボリューム２０８の大きさに依存する。散乱媒体２０９の内部の深い位置に光を集束させるように超音波焦点ボリューム２０８を設定するために使用可能な方法の１つは、ホログラムを形成するために周波数シフト光が相対的に容易に検出される相対的に浅い領域から超音波焦点ボリュームの設定を開始する。
次のステップとして、周波数シフト光をまだ検出できる媒体の僅かに深い場所に、超音波焦点ボリューム２０８を設定する。この段階では、入射光は、光を集束するのに十分なほど最適化されていないが、通常の照射と比べて適切に集束される。新たなホログラムの作成が完了したならば、入射位相共役波は、散乱媒体のこの新たな焦点に集束する。この処理を何度も繰り返すことによって、散乱媒体の徐々に深い位置に焦点を設定することができる。
超音波焦点深度を増加する別の方法は、ホログラムを形成するのに十分に大きい超音波焦点ボリュームから開始し、超音波焦点ボリュームを所定の大きさまで徐々に縮小してもよい。
更に、医療の分野に適用される場合、例えば、本実施形態を使用して異常組織を撮像（監視）するか、或いは、治療するために適用される場合、Ｘ線、ＭＲＩ、超音波又は他の何らかの診断結果などの他の方法によって提供された事前情報を使用することで、超音波焦点は、その異常領域に設定される。
本発明の第１の実施形態における照射装置及び照射方法を以下に説明する。図３Ａは、記録ステップの例示的な構成を示す図であり、図３Ｂは、再生ステップの例示的な構成を示す図である。
第１の実施形態は、音響光学イメージング技術を含む。レーザー３００は、初期光を放射し、初期光は、図３Ａのビームスプリッタ３０１によって、入射光束３１４と参照光束３１５とに分割される。入射光束３１４は、ＡＯＭ３０２に入射し、参照光束３１５は、ＡＯＭ３０５に入射する。それら２つのＡＯＭの周波数は、通常、５０ＭＨｚ〜８０ＭＨｚであり、超音波システム３１１に印加される周波数に等しい量だけ互いに僅かに異なっている。その差は、約１〜数十ＭＨｚの範囲である。ＡＯＭの機能は、上述したのと同一である。
レンズ系３０３は、入射光束３１４の大きさを調整し、可動ミラー３０４は、散乱媒体３１２の表面の入射点を調整する。入射光束３１４が散乱媒体３１２に入射すると、光は媒体３１２の内部で複数回の散乱過程を経る。
散乱媒体３１２に音響的に整合された超音波システム３１１は、散乱媒体３１２のある位置に、通常数ｍｍの大きさの焦点ボリューム３１３を形成するために、事前に操作される。超音波システム３１１は、例えば、リニアアレイ探触子を含む。従って、超音波焦点ボリューム３１３は、アレイ探触子を使用した電子集束によって、散乱媒体３１２の任意の位置に生成される。また、円形凹面超音波トランスデューサ又は音響レンズを含むトランスデューサを含む超音波トランスデューサを機械的に走査することによって、所望の位置に超音波焦点ボリューム３１３を形成してもよい。このようなトランスデューサとして、圧電現象を利用するトランスデューサ、光の共振を利用するトランスデューサ又は容量の変化を利用するトランスデューサが使用される。
入射光束３１４の少なくとも一部は、超音波焦点ボリューム３１３に到達し、そこで超音波と相互作用する。相互作用光の一部は、反射されて戻り、散乱媒体３１２から周波数シフト光３１６として射出する。レンズ系３１０は、フォトリフラクティブ結晶などの動的ホログラム素子３０７に射出した散乱光を集光する。
例えば、フォトリフラクティブ結晶は、十分な回折効率を得るために、数ｍｍ〜数ｃｍの範囲の大きさ及び数百μｍを超える厚さを有するニオブ酸リチウムである。
周波数シフト光３１６と同一の周波数を有する参照光束３１５は、ミラー３０６を介して、フォトリフラクティブ結晶３０７を照明し、その結果、参照光束は、周波数シフト光３１６と干渉する。これにより、周波数シフト光の波面は、フォトリフラクティブ結晶３０７に静的な屈折率格子として記録される。
ホログラムを形成した後も続く参照光束３１５によるフォトリフラクティブ結晶３０７の照明は、順方向ポンプ光として作用する。順方向ポンプ光束３１５は、フォトリフラクティブ結晶３０７の内部に形成されている屈折率格子によって回折される。かかる回折光と、フォトリフラクティブ結晶３０７を透過した周波数シフト光３１６とが互いに干渉し、例えば、米国特許出願公開第２００８／００３７３６７号（Ｇｒｏｓｓ他、２００８年２月１４日公開）に開示されているように、集光レンズ系３０８を介して光検出器３０９によって、この干渉を検出することができる。光検出器３０９に関しては、光電子増倍管（ＰＭＴ）又はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの単一のセンサを使用することが可能である。また、ＣＣＤ又はＣＭＯＳのようなマルチセンサが使用されてもよい。光検出器３０９は、ホログラム材料を監視するために使用される。
ホログラムが形成される間、光検出器３０９からの出力は増加する。ホログラムを形成した後、出力信号は増加しない。従って、この出力信号を監視することによって、フォトリフラクティブ結晶３０７の内部におけるホログラムの形成を確認することが可能である。
図３Ｂに示される順方向ポンプ光束３１５の方向に対して、入射光束３１７が実質的に逆の方向にフォトリフラクティブ結晶３０７に入射するように、可動ミラー３０４は角度を変更する。入射光束３１７は、逆方向ポンプ光として作用し、フォトリフラクティブ結晶３０７に刻印された波面の位相共役（位相共役波）を生成する。位相共役光束３１８は、レンズ系３１０を介して伝播し、散乱媒体３１２に入射する。
位相共役光束３１８は、散乱媒体３１２の超音波焦点ボリューム３１３に至るまで元の光路を再度辿るため、より多くの光が超音波焦点ボリューム３１３に入射し、超音波と相互作用する。従って、局所的なボリューム３１３からは、より多くの周波数シフト光３１６が再放射され、再放射された周波数シフト光３１６は、フォトリフラクティブ結晶３０７を通過し、図３Ｂのレンズ系３０８、３１０及び光検出器３０９によって検出される。その結果、音響光学イメージングのための信号である周波数シフト光の強度が向上する。
上述した測定処理の間、超音波システム３１１が焦点ボリューム３１３を形成するために超音波を送信し続けること、及び、光束３１５が参照光及び順方向ポンプ光としてフォトリフラクティブ結晶３０７を照明し続けることは可能である。同時に、位相共役光束３１８を生成するために、逆方向ポンプ光束３１７は、順方向ポンプ光３１５とは逆の方向にフォトリフラクティブ結晶３０７を照明する。
この種の動的ホログラム法においては、フォトリフラクティブ結晶３０７に刻印されるホログラムは、周波数シフト波面の変化に自己適応しながら追従する。この適応的に変化するホログラムにより、逆方向ポンプ光束３１７によって生成される位相共役光束３１８（位相共役波を有する）が、媒体３１２の僅かに変化した散乱環境で光を集束させやすくなる。特に、生物組織の場合、主に生体活動によって、散乱体の場所を含めた散乱環境は、時間の経過に伴って変化している。再生ステップにおける周波数シフト光の波面は記録ステップの波面とは異なり、動的ホログラム法は、このように変化している媒体で位相共役を生成するための自己適応性を有しているため有効である。
図３Ａの入射光束３１４又は位相共役光束３１８が散乱媒体に入射する直前に、光束のパワーが監視され、且つ、調整される（図３Ａ及び図３Ｂには不図示）。散乱媒体が生体組織である場合、安全を考慮して入力パワーを最大露光レベル以下に保持しつつ、入力パワーがホログラムを形成するための適切な周波数シフト光を取得するのに十分な大きさになるように、レーザー３００の出力が調整される。ホログラムの形成は、光検出器３０９からの出力信号によって確認することができる。
更に、このシステムは、記録処理と再生処理との間において、光の強度を変更することができる。例えば、ホログラムを作成するのに十分な周波数シフト光３１６を取得するために、相対的に高い強度の光が注入される。次に、再生ステップにおいて、集光効果によって十分なＳＮＲを保持しながら電力消費を節約するために、位相共役光束３１８を生成するための逆方向ポンプ光束３１７として、相対的に強度を落とした光が使用される。
更に、例えば、米国特許第６，９５７，０９６号公報（Ｓｆｅｚ他、２００５年１０月１８日発行）で説明されているように、散乱媒体３１２における吸収及び散乱などの光学的特性分布を取得するために、散乱媒体３１２の内部の超音波焦点ボリューム３１３が走査され、ボリュームの各位置に対して上述したステップが順次処理されてもよい。画像生成ユニット（不図示）は、超音波焦点ボリューム３１３の各位置に従って光学的特性をマッピングすることによって、それらの光学的特性の３次元空間分布を取得する。再構成波の照射に応じて媒体から出力される信号を検出するために、光検出器が使用される。
更に、上述した処理は、レーザー源３００の複数の所望の波長を使用して実行されてもよく、その場合、随時フォトリフラクティブ結晶３０７を変え、散乱媒体３１２の成分の割合、例えば、散乱媒体３１２が医療に適用される生物組織である場合、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、水、脂肪、コラーゲンの割合、及び媒体３１２の酸素飽和指数などの機能情報を取得してもよい。これに関連して、参考として本明細書に内容の全体が取り入れられている技術文献は、米国特許第６，７３８，６５３号公報（Ｓｆｅｚ他、２００４年５月１８日発行）及び米国特許出願公開第２００８／００３７３６７号（Ｇｒｏｓｓ他、２００８年２月１４日公開）である。
次に、本発明の第２の実施形態における照射装置及び照射方法を説明する。本実施形態の撮像システムの構成は、散乱媒体３１２の周囲に光検出器が追加されること（不図示）を除いて、図３Ａ及び図３Ｂに示す第１の実施形態の構成と同一である。第２の実施形態の撮像システムは、拡散光トモグラフィー（ＤＯＴ）と呼ばれる技術を含む。
動作フローは、フォトリフラクティブ結晶３０７でホログラムが形成されるまでは、第１の実施形態と同一である。フォトリフラクティブ結晶３０７でホログラムが形成された後、位相共役光束３１８（位相共役波を含む）を生成するために、逆方向ポンプ光束３１７は、フォトリフラクティブ結晶３０７を照明する。この時点で、ＤＯＴ測定を実行するために、超音波システム３１１がオフにされる。
位相共役光束３１８は、散乱媒体３１２に入射した後、超音波焦点ボリューム３１３まで戻り、更に、元の入射点まで戻る。散乱媒体３１２の周囲に適切に配置された光検出器は、射出する散乱光を検出する。ＤＯＴで使用される技術を利用しながら超音波焦点ボリューム３１３の位置を調整することによって、散乱媒体３１２の内部の光路を制限又は短縮することが可能である。従って、この撮像システムは、ＤＯＴにおける問題の１つである非適切性を減少するのに効果的である。本実施形態で説明したように、散乱媒体の位置に光が集束されると、集束照射に応じて媒体から出力される信号を解析することが容易になる。
異なる入射点から光を入射させながら上述の測定処理を繰り返すことによって、システムは、吸収率及びＤＯＴで使用される特性などの光学的特性の内部分布の画像を再構成するためのデータを収集する。散乱媒体３１２の内部の吸収特性及び散乱特性の分布の３次元画像を取得するために、画像形成システム（不図示）は、その測定データに基づいて、分布画像を再構成する。
また、第１の実施形態と同様に、生体組織の機能情報を抽出するようにスペクトル情報を取得するために、複数の波長で測定を実行することも可能である。
その場合、照射ステップにおいて、パルスレーザーを使用し、且つ、時間相関光子計数システム（不図示）を使用することによって時間領域測定を実行すること、或いは、レーザー３００の出力の強さを変調し、且つ、例えば、ロックイン検出システム（不図示）を使用することによって周波数領域測定を実行することが可能である。これに関連して、参考として本明細書に内容の全体が取り入れられている技術文献は、米国特許第５，４４１，０５４号公報（Ｔｓｕｃｈｉｙａ、１９９５年８月１５日発行）、米国特許第５，４７７，０５１号公報（Ｔｓｕｃｈｉｙａ、１９９５年１２月１９日発行）、米国特許第５，５１７，９８７号公報（Ｔｓｕｃｈｉｙａ、１９９６年５月２１日発行）及び米国特許第５，４２４，８４３号公報（Ｔｒｏｍｂｅｒｇ他、１９９５年６月１３日発行）である。
本発明の第３の実施形態における照射装置及び照射方法を説明する。図４は、本実施形態における照射装置を有する撮像システムの例示的な構成を示す図である。本実施形態の撮像システムは、２つの撮像システムの組み合わせ、即ち、音響光学イメージングシステムと光音響イメージングシステムとの組み合わせを含む。
レーザー源４００（第１の照射ユニットの一部としての第１の電磁波源）は、初期光を放射し、初期光は、ビームスプリッタ４０１によって、入射光束４１５と参照光束４１６とに分割される。ＡＯＭ４０２及びＡＯＭ４０５は、周波数を調整するために、上述したのと同じ機能を有する。入射光束４１５は、光学系４０６を介して、散乱媒体４０９に入射する。
散乱媒体４０９に音響的に整合された超音波装置を含む超音波システム４０７は、散乱媒体４０９の内部の超音波焦点ボリューム４０８の大きさ及び位置を制御する。局所的なボリューム４０８から発生する周波数シフト光４１７の少なくとも一部は、散乱媒体４０９から射出してフォトリフラクティブ素子４１０に入射し、ミラー４０３及び４０４（第２の照射ユニットの一部）から反射された参照光束４１６と干渉することによって、ホログラムを形成する。
フォトリフラクティブ素子４１０の内部においてホログラムが形成されている間、上述した第１の実施形態について説明したのと同様に、ホログラムの形成を確認するために、周波数シフト光である音響光学信号４１８は、集光レンズ系４１１を介して、光検出器４１２によって監視される。この際、周波数シフト光信号は、メモリ（不図示）に記憶され、画像を再構成するために使用される。
ホログラムの形成が完了すると、光音響イメージングのためのパルスレーザー源４１４（第２の電磁波源）を備えた第３の照射ユニットは、数ナノ秒のパルス光を放射する。かかるパルス光は、参照光束４１６の方向に対して実質的に逆の方向に、レンズ４１３を介して、フォトリフラクティブ素子４１０を照明し、それにより、フォトリフラクティブ素子４１０に刻印された周波数シフト波面の位相共役を生成する。位相共役光束（位相共役波を含む）４１９は、逆方向に伝播して散乱媒体４０９に戻る。
送信モードに使用された集束設定を変更することなく、光音響信号を検出するために、超音波システム４０７は、その動作モードを、送信モードから受信モードに変更する。
入射位相共役光束４１９は散乱媒体４０９の局所的なボリューム４０８に至るまで元の光路を再度辿るため、入射光束４１９は、光音響イメージングの測定ボリュームである局所的なボリューム４０８に集束される。
局所的なボリューム４０８に吸収された光のエネルギーは、局所的に温度を上昇させ、その結果、この局所領域のボリュームが膨張し、音波（光音響信号）が生成される。式（１）によれば、光音響信号Ｐは、その場所の局所吸収係数μａ及び光フルエンス率Φに比例する。
Ｐ＝ΓμａΦ （１）
式において、Γは、グリュンアイゼン係数（熱−音響変換効率）である。
従って、フルエンス率が高くなるほど、大きな光音響信号が生成される。入射位相共役光束４１９は光を局所的なボリューム４０８に集束させるため、局所的なボリューム４０８からより大きな光音響信号が生成される。受信モードにおいて局所的なボリューム４０８に集束するように設定された超音波システム４０７は、局所的なボリューム４０８から生成した光音響信号を検出する。その代わりに、或いは、これに加えて、再構成波４１９による照射に応じて散乱媒体４０９から出力される信号を検出するために、別の超音波検出器が配置されてもよい。
図５は、このシステムの例示的な動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳ５００において、焦点ボリュームの大きさ又は位置などの超音波システム４０７の焦点に関するパラメータ条件が設定され、次に、超音波システム４０７は、超音波焦点ボリューム４０８を形成するためにパルス超音波を送信する。ステップＳ５０１において、レーザー４００は、初期光束を放射する。
ステップＳ５０２において、音響光学イメージングによって音響光学信号（周波数シフト光）が光検出器４１２によって監視され、ステップＳ５０３において、光検出器４１２はホログラムの形成が完了したか否かを確認する。ステップＳ５０２及びＳ５０３の処理は、ホログラムの形成が確認されるまで繰り返される。また、ホログラムが完成した後にステップＳ５０４へ移行する前に、音響光学信号は、記憶される。
ホログラムが形成されると、ステップＳ５０４において、レーザー４００の動作が停止され、超音波システム４０７の動作モードは、送信モードから受信モードに切り替えられる。その後、ステップＳ５０５において、位相共役光束４１９を生成するために、レーザー４１４は、フォトリフラクティブ素子４１０に対して、参照光束４１６の方向に対して実質的に逆の方向にパルス状光束を放射する。ステップＳ５０６において、光音響信号が超音波システム４０７によって検出される。
これは例示的な基本動作フローチャートであり、光音響イメージング時の測定位置を変更する必要がある場合、超音波システムは焦点位置を変化させ、ステップＳ５００に戻ってフローチャート全体（ステップＳ５００〜Ｓ５０６）を繰り返す。
上述の測定に続いて、画像生成処理が実行される。画像生成ユニット（不図示）は、上述のデータを使用することによって、３次元画像を再構成する。画像生成ユニットは、光音響測定によって取得された吸収信号を、超音波焦点ボリューム４０８の位置に従ってマッピングする。この際、散乱分布画像を同様に生成するために、ステップＳ５０３において記憶された音響光学信号が読み取られ、且つ、使用される。光音響画像は吸収に対する感度に敏感で、音響光学画像は散乱に対する感度に敏感であるため、これら２つの測定結果を組み合わせることによって、吸収分布画像及び散乱分布画像を生成することができる。
更に、超音波システム４０７からパルス超音波を送信し、且つ、その反射波として作用する超音波エコーを超音波システム４０７によって受信するステップを、ステップＳ５００の前に追加することが可能である。この超音波エコー測定は、パルス超音波の送信される方向が散乱媒体４０９に対して変化されている間に実行され、これにより、散乱媒体４０９の内部に関する構造データを取得することができる。超音波エコー測定によって取得された構造データを利用して、例えば、エコー画像において特性の相違が見られた位置に超音波焦点ボリューム４０８を設定することによって、超音波焦点ボリューム４０８が設定される。
また、ステップＳ５０３で取得され、且つ、記憶された音響光学信号を解析することによって、光音響イメージングの測定点を選択することも可能である。まず、光音響イメージングシステムによって測定されるべき領域を求めるために、音響光学イメージングシステムが使用される。音響光学信号に明確な変化が見られた場合、光音響イメージングに使用されるレーザー４１４がパルス光を放射する。また、超音波焦点ボリューム４０８を決定する前に音響光学イメージングシステムを使用するのではなく、特性領域を探索するために光音響イメージングシステムを使用することも可能である。
本実施形態の撮像システムは、図３Ａ及び図３Ｂに示される構成によっても実現可能である。この場合、光源ユニット３００は、少なくとも２種類のレーザーから光を放射する。一方のレーザーは、音響光学イメージングシステムに対応するレーザーであり、他方のレーザーは、光音響イメージングシステムに対応するパルスレーザーである。これらのレーザーは、記録ステップと再生ステップとの間で互いに切り替え可能である。
光音響イメージングの測定ボリュームに光を集束することによって、光音響イメージングの測定深度及びＳＮＲを向上することができる。これに関連して参考として本明細書に内容の全体が取り入れられている技術文献は、米国特許第４，３８５，６３４号公報（Ｂｏｗｅｎ、１９８３年５月３１日発行）、米国特許第５，８４０，０２３号公報（Ｏｒａｅｖｓｋｙ他、１９９８年１１月２４日発行）及び米国特許第５，７１３，３５６号公報（Ｋｒｕｇｅｒ、１９９８年２月３日発行）である。音響光学イメージングシステム及び光音響イメージングシステムの２つの撮像システムの組み合わせを含む撮像システムは、診断を実施する際に、より鮮明な画像又は有用な画像を取得するために実現される。
本発明の第４の実施形態における照射装置及び照射方法を説明する。図６は、無秩序散乱体の特定の位置に光を送信するための光照射装置の例示的な構成を示す図である。
レーザー源６００を備えた照射装置は、初期光束を放射する。初期光束は、ビームスプリッタ６０１によって、入射光束６１６と参照光束６１７とに分割される。レンズ系６０６は、散乱体６０７を照射するために、入射光束６１６を拡張する。参照光束６１７の周波数を調整できるように、参照光束６１７の光路にＡＯＭ６０３及び６０４、並びに、ミラー６０２及び６０５が配置される。
超音波システム６０９を備えた変調器は、散乱体６０７に音響的に整合され、且つ、超音波を照射する。散乱体６０７に、超音波システム６０９によって超音波焦点ボリューム６０８が形成される。
上述したように、焦点ボリューム６０８から発生した周波数シフト光６１９の一部は、散乱体６０７の表面から射出し、レンズ系６１０及びダイクロイックミラー６１１を介して、ＣＣＤセンサ６１２を備えた検出器に入射する。イメージ増倍管を有するＣＭＯＳセンサ又はエリアセンサ、或いは、ＥＭＣＣＤ（電子増倍ＣＣＤ）も使用可能である。参照光束６１７は、ミラー６０５によって反射されてＣＣＤ６１２に到達し、最終的には、ＣＣＤ６１２における参照光束６１７と周波数シフト光６１９との干渉に基づいてホログラムを形成する。
このシステムには、処理ユニット（不図示）が配置される。この処理ユニットは、デジタルホログラフィ技術を利用することによって位相共役（位相共役波）と同等である再構成光を生成するために、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）又はデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの空間光変調器（ＳＬＭ）６１４を備えた生成器を制御する。
周波数シフト光の干渉像は、位相シフトデジタルホログラフィ技術によって取得される。ＣＣＤ６１２の平面には、非周波数シフト光、周波数シフト光及び参照光束が入射する。参照光束の周波数（ｆＲ）は、例えば、以下の式（２）に従ってＡＯＭ６０３及び６０４を調整することによって調整される。
ｆＲ＝ｆＵ＋ｆＡ＋ｆＣ／Ｎ （２）
式において、ｆＵは、非シフト光の周波数であり、ｆＡは、超音波の周波数であり、ｆＣは、ＣＣＤ６１２のフレームレートであり、Ｎは、位相シフト方法における測定回数である。ＣＣＤ６１２はローパスフィルタとして作用するため、主に、周波数シフト光６１９と参照光束６１７との干渉による干渉像の成分は、時間の経過に伴ってゆっくり変化する干渉縞を含み、そのため、ＣＣＤ６１２は干渉像（デジタルホログラム）を効率よく検出することができる。
デジタルホログラムの画素ごとに検出された周波数シフト光の位相を位相シフト方法によって計算することによって、位相分布が取得される。処理ユニットは、デジタルホログラムによって取得された位相分布に従ってＳＬＭ６１４の各画素の位相値を設定する。位相共役波を形成するために、ＳＬＭ６１４の各画素の位相値は、デジタル処理によって反転される。この際、ＣＣＤ６１２の光路長とＳＬＭ６１４の光路長との差、又は、他の何らかのシステム誤差が校正されてもよく、それにより、位相値が補正される。また、散乱体６０７の射出面からＣＣＤ６１２までの光路長とＳＬＭ６１４までの光路長とが同一になるように、ＣＣＤ６１２及びＳＬＭ６１４が配置されてもよい。
ＳＬＭ６１４は、レーザー６１５によって放射された光の位相を変調する。この位相変調によって生成される再構成光束６１８は、位相共役と同等であり、散乱媒体６０７の超音波焦点ボリューム６０８まで元の光路を辿って戻る。ＳＬＭ６１４によって生成された再構成光束６１８は、ビームスプリッタ６１３を介して、散乱媒体６０７を照射する。装置が媒体の内部に像を形成するために使用される場合、別の実施形態で説明したように、再構成光束６１８によって媒体が照射されることで媒体から出力される信号を検出して、像を形成することができる。
ＣＣＤ６１２がＳＬＭ６１４よりも多くの数の画素を有する場合、ＣＣＤ６１２の画素の数とＳＬＭ６１４の画素の数とが等しくなり、且つ、それらの画素が互いに対応するように、ＣＣＤ６１２はビニングを実行する。
更に、再構成光の特性を改善するために、デジタルホログラフィで使用される他の何らかのデジタル技術が適用されてもよい。
第４の実施形態で説明した照射装置は、生体組織の光線力学療法などの治療又は処置にも適用可能である。第５の実施形態における装置の構成は、図６に示す構成と同一である。
デジタルホログラムが取得され、且つ、そのデジタルホログラムに従ってＳＬＭ６１４が位相変調を実行する準備が完了すると、レーザー６１５は、デジタルホログラムを形成するために使用されるレーザー６００によって放射される光と比較して、相対的に強い出力を有する光を放射する。レーザー６１５の光出力は、治療の内容に応じて調整することができる。
更に、治療又は処置の目的に応じて、多くの種類のレーザーを適用することができる（例えば、フェムト秒パルスレーザーからピコ秒、ナノ秒、マイクロ秒レーザーなど）。
治療に適用される再構成光束６１８の位相は、ＳＬＭ６１４によって制御される。再構成光束６１８は、超音波焦点ボリューム６０８に到達し、治療が必要とされる組織領域に光エネルギーを供給する。超音波焦点ボリューム６０８の位置は、他の診断結果を参照することによって設定されてもよい。
本発明における実施形態を使用することによって、高密度の光エネルギーを特定の場所に、効率よく、損傷を抑えて、供給することが可能である。
上述の実施形態は、組織の異常などの生化学情報を取得するために化学的プローブ（分子）を使用する蛍光イメージングにも適用することができる。その場合、例えば、超音波焦点ボリュームは、蛍光プローブが配置される場所に設定される。照射の際の再生ステップは、上述したステップと同じである。化学的プローブの場所が確定されていない場合、散乱媒体の内部の位置を一度に１つずつ照射することで、超音波焦点ボリュームが単純に走査される。蛍光プローブが配置される位置に光を集束させることによって、例えば、腫瘍などのターゲットの高コントラスト画像を取得することが可能である。
（共焦点系を使用する他の実施形態）
周波数シフト光と参照光との干渉による干渉パターン（ホログラム）を、ＣＣＤ又はＣＭＯＳなどのアレイセンサによって記録するためにデジタルホログラフィ技術が使用される場合、センサのダイナミックレンジは、重要な要因の１つである。バックグランドノイズが非常に大きい場合、バックグランドノイズによってセンサのダイナミックレンジが縮小されてしまう。従って、散乱媒体の内部に光を集束させるために、信号光の位相共役を生成するように効率よくホログラムを取得するためには、非周波数シフト光であるバックグランドノイズを阻止するか、或いは、減少させることが望ましい。
図７は、照射装置を有する共焦点撮像システムを含む例示的な構成を示す図である。レーザー７００は、初期光（例えば、ＣＷ光）を放射する。初期光は、ビームスプリッタ７０１によって、入射光と参照光とに分割される。入射光は、ＡＯＭ７１３に向かって進み、参照光は、ＡＯＭ７１４に向かって進む。入射光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）７０２を介して、ＳＬＭ７０３に入射する。制御部（不図示）によって制御されるＳＬＭ７０３は、デジタルホログラフィ技術によって取得された位相分布に従って、入射光の波面の位相を変化させる。空間変調された入射光は、ＢＳ７０２、ビームスプリッタ７０４及びレンズ系７０５を介して、散乱媒体７０６に入射する。
音響光学変調器（ＡＯＭ）７１３及び７１４などの外部変調器は、それら２つの変調器の周波数の差が超音波システム７１１に印加される周波数とほぼ等しくなるように調整された周波数のクロックによって、個別に駆動される。例えば、ＡＯＭ７１３の周波数がｆ１（＝７０ＭＨｚ）であり、且つ、超音波の周波数がｆａ（＝２ＭＨｚ）である場合、ＡＯＭ７１４の周波数ｆ２は、ｆ１＋ｆａ（＝７２ＭＨｚ）である。入射光は、ＡＯＭ７１３を通過し、参照光は、ＡＯＭ７１４を通過する。
レンズ系７０５及びアパーチャ７０７を含む共焦点系によって、散乱媒体７０６の内部に焦点（不図示）が設定される。同時に、周波数シフト光を生成するために、超音波が照射される焦点は、超音波システム７１１によって特定された同一の位置に設定される。この場合、超音波焦点ボリューム７１２は、共焦点系が光を集束させる領域を覆うことが望ましい。
アパーチャ７０７は、典型的な共焦点系と同様に、焦点から射出していない光を遮断し、焦点から射出した光子のみがアパーチャ７０７を通過して、ＣＣＤ７０９によって検出される。超音波システム７１１と焦点が同一であるため、焦点から入射する光子の大半は周波数シフトされ、周波数シフトされていない光子は効率よく拒絶される。ＣＣＤ７０９の代わりに、ＣＭＯＳセンサが使用されてもよい。
ここで、イメージ増倍管を有するＣＭＯＳセンサ又はエリアセンサ、或いは、ＥＭＣＣＤ（電子増倍ＣＣＤ）も適用可能である。一方、参照光は、ＡＯＭ７１４、レンズ７１０及びビームスプリッタ７０８を介して、ＣＣＤ７０９に入射し、参照光と散乱媒体７０６の内部の焦点から生成された周波数シフト光との干渉に基づいて、ホログラムが形成される。上述したように、参照光と周波数シフト光との干渉は、ＣＣＤ７０９に記録される。
これが記録処理（第１のステップ）である。簡単に言えば、電磁波によって媒体を照射し、且つ、媒体の領域で電磁波を周波数変調した後、センサと、メモリ又はハードディスクドライブなどの記憶装置とを使用することによって、変調された電磁波と参照光との干渉によって形成される干渉パターンに関する情報が記録される。次のステップは、取得された情報に基づいて、媒体を照射するための位相共役波を生成することによる再構成（照射）処理（第２のステップ）である。
ＳＬＭ７０３からの反射（又は再構成）光がデジタルホログラフィ技術を利用することによって記録された光の位相共役（位相共役波）と同等になるように、制御部はＳＬＭ７０３を制御する。位相シフトホログラフィ技術を使用することによって、検出された光の位相情報及び振幅情報を取得することができる。位相共役波を形成するために、ＳＬＭ７０３の各画素の位相値は、デジタル処理によって反転される。制御部は、デジタルホログラムによって取得された位相分布に従って、ＳＬＭ７０３の各画素の位相値を設定する。この際、ＣＣＤ７０９の光路長とＳＬＭ７０３との光路長との差、又は、他の何らかのシステム誤差が校正されてもよく、それにより、位相値が補正される。また、散乱媒体７０６の射出面からＣＣＤ７０９までの光路長とＳＬＭ７０３までの光路長とが同一になるように、ＣＣＤ７０９及びＳＬＭ７０３が配置される。
ＳＬＭ７０３は、レーザー７００によって放射された光の位相を変調する。ＳＬＭ７０３によって生成される再構成光束は、散乱媒体７０６を照射する。この位相変調は、再構成光を生成し、位相共役が時間反転可能な性質を有するため、再構成光は、共焦点系及び超音波システム７１１によって設定された焦点まで元の光路を辿って戻る。
局所領域に光を集束させることによって、超音波システム７１１によって決定された散乱媒体７０６の内部の特定の１つの場所に光を供給することができる。これは、治療に適用する場合に、又は、無秩序ランダム物質によって独自の機能を実現する上で有用である。照射処理の間、超音波システムをオン状態に保持する必要はない（即ち、超音波が遮断されてもよい）。
照射ステップにおいて、共焦点撮像システムに集束光が使用される。この場合、照射処理において、超音波システムは必要とされない。散乱媒体７０６の測定領域に光を集束させることによって、共焦点レーザー走査顕微鏡検査などの共焦点を利用する撮像システム又は共焦点分光測定装置の測定深度及びＳＮＲを向上することができる。２光子共焦点顕微鏡検査、多光子共焦顕微鏡検査又は共焦点ラマン顕微鏡検査の場合のように、高エネルギーによって非線形効果を発生させることが必要なシステムでは、特に、上述の構成が有効である。
散乱媒体の焦点又は照射点が走査される。この場合、共焦点系及び超音波システムの焦点は、同時に走査されてもよい。
図７において、光軸と超音波軸は、厳密に同一でなくてもよい。しかしながら、参考として本明細書に内容の全体が取り入れられている米国特許出願公開第２０１０／０２６８０４２号（Ｗａｎｇ他、２０１０年１０月２１日公開）に示されるように、それら２つの軸が位置合わせされた構成を実現することも可能である。
図７を参照して説明したシステムは、デジタルホログラフィ技術ではなく、フォトリフラクティブ材料などのホログラム材料を利用するシステムにも適用可能である。上述した他の実施形態は、必要に応じて、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態に適用可能である。
（超音波焦点ボリュームに関する他の実施形態）
図２の超音波焦点ボリューム２０８の特性（例えば、体積、形状、位置）は、超音波装置２０７及びその制御部（不図示）を動作させることによって調整される。超音波焦点ボリューム２０８の形状は、線状又は層であってもよい。
図８に示すように、光と超音波との干渉が起こる領域８０２を覆うように超音波を照射することによって、特定の層に光を照射することが可能である。
この照射は、超音波照射領域８０２を覆うように光を照射し、測定装置で吸収率などのその領域の光学的特性を測定することによって、特定の線又は層（平面）に光を供給するために、或いは、その特定の層の吸収率などの光学的特性を測定するために使用される。
図９に示すように、超音波照射領域は、入射光の方向である光軸と揃えられる。超音波システムを制御することによって、又は、散乱媒体１０１の光路を制限することによって、光の照射を調整可能である。上述した他の実施形態は、必要に応じて、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態に適用可能である。
（超音波焦点ボリュームに関する他の実施形態）
上述したように、図１Ｃの周波数シフト光１０５の位相共役は、記録処理において、超音波が集束された散乱媒体１０１の局所的なボリューム１０２まで元の光路を辿って戻る。
図１０に示すように、それぞれ異なる超音波周波数によって、複数の超音波焦点（１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃ）を形成することが可能である。それらの焦点は、３つの独立した超音波システム（不図示）を使用することによって生成されてもよいし、媒体１０１の異なる場所に集束し、且つ、それぞれ異なる周波数を有する３つの異なる超音波を生成する超音波システムを使用することによって生成されてもよい。
例えば、上述のような超音波の周波数は、焦点１０２ａではｆａ１＝１ＭＨｚ、焦点１０２ｂではｆａ２＝５ＭＨｚ、焦点１０２ｃではｆａ３＝１０ＭＨｚである。一方、図１１に示す照射系において、ＡＯＭ１ １２１３（入射光の変調）とＡＯＭ２ １２１４（参照光の変調）との周波数差は、超音波システムで使用される周波数の和（＝ｆａ１＋ｆａ２＋ｆａ３＝１６ＭＨｚ）に設定される。例えば、ＡＯＭ１ １２１３の周波数がｆ１（＝７０ＭＨｚ）である場合、ＡＯＭ２ １２１４の周波数ｆ２は、ｆ１＋ｆａ１＋ｆａ２＋ｆａ３（＝８６ＭＨｚ）である。この場合、３つの異なる超音波焦点ボリューム（１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃ）を通過した周波数シフト光の波面は、ＣＣＤなどの検出器１２０９によって検出されたデジタルホログラムに記録される。デジタルホログラムシステムではなく、ホログラム材料が使用される場合、情報は、フォトリフラクティブ材料などのホログラム材料に記録される。周波数ｆ１＋ｆａ１＋ｆａ２＋ｆａ３を有する光子の大部分は、異なる超音波によって決定された３つの局所場所を通って進む。従って、ｆ１＋ｆａ１＋ｆａ２＋ｆａ３の周波数を有する周波数シフト光の位相共役は、元の光路を辿って進み、図１０に示すような３つの場所を通過する。
ここで、超音波システムで設定される周波数のうち、十分に離れた周波数を使用することが望ましい。これは、ホログラムを記録するために、周波数が参照光路でＡＯＭ２ １２１４において設定された周波数になるまで、３つの焦点ボリュームのうち１つ又は２つのみ（全ての超音波焦点でない）を何度となく光子が入射と射出を繰り返す可能性があるからである。しかしながら、各周波数が互いに十分に離れていれば、光と超音波との相互作用の効率を考慮すると、ｆ１＋ｆａ１＋ｆａ２＋ｆａ３の周波数を有する光子は、全ての超音波焦点を通過したと考えてもよい。再構成光は複数の周波数シフト光の位相共役であるため、再構成光は、超音波システムによって調整可能な超音波焦点の全てを通過する。この照射装置又は照射方法において、散乱媒体の主光路を調整又は制限することが可能である。図１１には、光源１２００、ビームスプリッタ１２０１、１２０２、１２０８及び１２０４、ＳＬＭ１２０３、ＡＯＭ１２１３及び１２１４、レンズ１２１０、ＣＣＤなどのセンサ１２０９、超音波システム１２１１、並びに、超音波焦点ボリューム１２１２が示される。上述の実施形態は、必要に応じて、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態に適用可能である。
（減衰情報に関する他の実施形態）
散乱媒体を通して見る（シースルー）ために、又は散乱媒体の内部に光を集束させるために位相共役波を利用する方法に関して、散乱体の運動は、重要な要因の１つであると考えられる。上述した技術は、記録ステップ及び再構成（照射）ステップを含む処理を通して散乱体が動かないという仮定に基づいている。
記録処理と再構成処理とで散乱体の位置が大きく異なる場合、位相共役波は、散乱媒体に光を集束させるための「最適化照射」にならないことがある。
散乱体の運動は、光を集束させることに関しては問題になるが、位相共役に基づく信号の減衰は、散乱体の運動に関する有用な情報を提供する。例えば、散乱媒体が血流などの生体組織である場合、この情報を診断情報と関連付けることができる。
上述の実施形態に関して説明したいずれの構成も、この方法で使用できる。位相共役波は、超音波システムによって決定された局所的なボリュームに集束する。従って、光音響信号測定に続いて照射が実行される場合、図４の超音波装置４０７によって検出される光音響信号は、記録処理の直後は最適化によって最大になる。しかしながら、散乱体に動きがあると、位相共役波である最適化波面は、時間の経過に伴って最適な状態から遠ざかる。その結果、図１２に示すように、取得される光音響信号は、時間の経過に伴って小さくなる。光音響信号は、記録ステップによって、固定された位相共役波を用い、時間の関数として測定される。この減衰は、散乱媒体の散乱体の速度を反映する。散乱体が急速に動いている場合、信号の減衰は非常に急速である。一方、散乱体の動きが非常に遅い場合、信号の減衰も遅い。この測定から、散乱体の流れに関する情報を抽出することができる。減衰の速度及び減衰の量などの減衰に関する情報は、診断のために、モニタを使用することによって表示される。位相共役波による照射に応じて媒体から発生される信号の変化は、モニタなどの表示装置に表示される。
上述の信号は、光音響信号、第１の実施形態で説明した音響光学信号、蛍光信号（化学的プローブが使用される場合）、或いは、この照射方法を利用する共焦点系によって取得される光信号である。この照射装置を備えた撮像システムで取得される信号を監視することによって、媒体の散乱特性に関する情報を取得することができる。上述の他の実施形態は、必要に応じて、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態に適用可能である。
（参照光束と非周波数シフト波との干渉に関する他の実施形態）
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、音響光学変調器（ＡＯＭ）２０２及び２０４などの外部変調器は、それらの変調器の周波数の差が超音波システム２０７に印加される周波数とほぼ等しくなるように調整される周波数のクロックによって、個別に駆動される。
例えば、ＡＯＭ２０２の周波数がｆ１（＝７０ＭＨｚ）であり、且つ、超音波の周波数がｆａ（＝２ＭＨｚ）である場合、ＡＯＭ２０４の周波数ｆ２は、ｆ１＋ｆａ（＝７２ＭＨｚ）である。入射光束２１１は、ＡＯＭ２０２を通過し、参照光束２１２は、ＡＯＭ２０４を通過する。上述したように、参照光束に対応するＡＯＭ２０４の周波数を、周波数シフト光（信号）の周波数と等しくなるように調整することによって、参照光と周波数シフト光との干渉がホログラム材料２０６（又は第４の実施形態のようにデジタルホログラフィ技術が使用される場合はＣＣＤ）に記録される。
同様に、参照光束を変調するようにＡＯＭ２０４の周波数を調整することによって、非周波数シフト光がホログラム材料２０６に記録される。例えば、ＡＯＭ２０２の周波数がｆ１（＝７０ＭＨｚ）であり、且つ、超音波の周波数がｆａ（＝２ＭＨｚ）である場合、ＡＯＭ２０４の周波数ｆ２は、ｆ１と同一である（＝７０ＭＨｚ）。この場合、参照光と非周波数シフト光との干渉は、ホログラム材料２０６に記録される。焦点ボリューム２０８に入射した光子の大部分が周波数シフトされるように、焦点ボリューム２０８における超音波の振幅は、十分に大きい。また、周波数シフト光子を発生する効率を向上させるために、高周波数の超音波を使用することが望ましい。
そして、図２Ａに示す記録処理において、参照光束の方向に対して実質的に逆の方向からホログラム材料を励起することによって、非周波数シフト光の位相共役が生成される。位相共役は、元の光路を辿って進み、特に、超音波システム２０７によって決定された焦点ボリューム２０８に到達するのを回避する。
簡単に言えば、散乱媒体２０９に光を集束させることが可能なだけではなく、照射処理において、その領域が照射されるのを回避する（即ち、非照射領域を形成する）ことも可能である。
記録処理において、照射ステップにおける非照射領域への照射を可能な限り少なく抑えるために、入射光２１１のパワーは、再構成光のパワーと比較して相対的に小さい。
超音波システム２０７によって決定される非照射領域は、図１３に示すような小球１３０２又は図１４に示すような平面領域１４０２である。例えば、照射が回避される領域を設定するために、平面波が使用されてもよい。
非照射領域は、２つ以上あってもよい。上述したような超音波システムを複数使用することによって、幾つかの非照射領域を実現することができる。上述した他の実施形態は、必要に応じて、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態に適用可能である。
上述したように、本発明に係る実施形態は、散乱媒体の内部で制御可能である特定の位置に光を集中させるという目的のために、多様な光学撮像又は光学治療の方法又は装置に適用可能である。
本発明に係る実施形態について例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことを理解すべきである。添付の特許請求の範囲の範囲は、全ての変形や同等の構造及び機能を含むように、最も広い意味で解釈されるべきである。

Claims (12)

  1. 媒体を照射する方法であって、
    電磁波によって媒体を照射することと、
    前記媒体の位置で前記電磁波を周波数変調することと、
    アパーチャを通過する前記変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、
    前記取得された情報に基づいて前記媒体を照射するための位相共役波を生成することと、
    を備えることを特徴とする方法。
  2. 前記電磁波の周波数は、超音波によって変調されることを特徴とする請求項１に記載の媒体を照射する方法。
  3. 前記変調された電磁波の周波数は、前記参照波の周波数と等しいことを特徴とする請求項１に記載の媒体を照射する方法。
  4. 前記電磁波の波長は、３８０ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の媒体を照射する方法。
  5. 前記アパーチャ及びレンズユニットを使用することによって焦点を設定することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の媒体を照射する方法。
  6. 前記位相共役波による照射に応じて前記媒体から出力される信号を検出することと、
    前記検出された信号を使用して断層撮影画像を形成することと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の媒体を照射する方法。
  7. 装置であって、
    媒体を照射するための電磁波を放射する光源と、
    超音波トランスデューサによって特定される前記媒体の位置で前記電磁波を周波数変調する変調器と、
    前記媒体から射出する光を選択するアパーチャと、
    前記アパーチャを通過する前記変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得する検出器と、
    前記取得された情報に基づいて前記媒体を照射するための位相共役波を生成する生成器と、
    を備えることを特徴とする装置。
  8. 前記生成器は、空間光変調器を含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
  9. 媒体を照射する方法であって、
    電磁波によって媒体を照射することと、
    前記媒体の複数の位置で前記電磁波をそれぞれ異なる周波数によって周波数変調することと、
    前記変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、
    前記取得された情報に基づいて前記媒体を照射する位相共役波を生成することと、
    を備えることを特徴とする方法。
  10. 媒体を照射する方法であって、
    電磁波によって媒体を照射することと、
    前記媒体の位置で前記電磁波を周波数変調することと、
    前記変調された電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、
    前記取得された情報に基づいて前記媒体を照射するための位相共役波を生成することと、
    前記位相共役波による照射に応じて前記媒体から発生される信号を検出することと、
    を備えることを特徴とする方法。
  11. 前記信号の変化に関する情報を表示することを更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 媒体を照射する方法であって、
    電磁波によって媒体を照射することと、
    前記媒体の位置で前記電磁波が周波数変調され、前記媒体の前記位置以外の領域で前記電磁波が変調されないように、前記媒体の前記位置で前記電磁波を周波数変調することと、
    前記媒体からの周波数変調されていない電磁波と参照波との干渉によって生成される干渉パターンに関する情報を取得することと、
    前記取得された情報に基づいて照射するための位相共役波を生成することと、
    を備えることを特徴とする方法。
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