JP5009058B2 - 被検体情報分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被検体情報分析装置に関し、特に、音波を利用して被検体を光学的に分析する被検体情報分析装置に関するものである。
近年、生体の光断層イメージングを実現するものとして、例えば、光ＣＴ、光コヒーレンス断層影像法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：以下ＯＣＴ）及び光音響断層影像法等の様々な技術が提案されている。
光ＣＴは、生体内部での光散乱の影響が比較的弱い波長域７００ｎｍ〜１２００ｎｍの近赤外光を利用するため、粘膜下数ｃｍまでの生体深部の断層像を得ることができる。
また、干渉を利用したＯＣＴは２ｍｍ程度の深さまでの生体断層イメージを高分解能（数μｍ〜十数μｍ）かつ短時間で取得することが可能である。ＯＣＴは眼科領域での網膜疾患診断において既に実用化されている技術であり、その医学的関心度は非常に高い。
光ＣＴは深部の情報は得られるが、空間分解能は数ｍｍ程度と非常に低い。一方、ＯＣＴは生体粘膜下約２ｍｍ以深を観察すること、更に、癌等の腫瘍組織に対して良好な画質を得ることは難しい。
これは、生体深部及び腫瘍組織における、血液の吸収や強い散乱の影響により、光のコヒーレンス性が著しく乱れるためである。
そこで、光ＣＴ及びＯＣＴとは異なる方法により生体内部の情報を得るための技術として、例えば、生体内部の対象部位へ超音波及び光を出射するとともに、該対象部位において該光が該超音波により変調を受けた度合いを検出することにより、該対象部位の生体情報を得ることを可能とするための技術が、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。
また、光ＣＴ及びＯＣＴとは異なる方法により生体内部の情報を得るための技術として、例えば、生体内部の対象部位へ超音波パルス及び電磁放射線を出射するとともに、該対象部位において後方散乱した電磁放射線を検出することにより、該対象部位の情報を得ることを可能とするための技術が、特許文献２に開示されている。
特開２０００−８８７４３号公報 特開平１０−１７９５８４号公報 Ｌ．Ｖ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｇ．Ｋｕ，"Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｓｗｅｐｔ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄｏｐｔｉｃａｌ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｏｆ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｄｉａ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．２３，Ｉｓｓｕｅ １２，ｐｐ．９７５−９７７（１９９８)
ところで、生体組織における腫瘍の癌化に伴う核内クロマチンの濃縮状態や核の空間分布変化といった組織の構造的変化は、特に光散乱特性の変化を引き起こす。このため、生体内部の対象部位において、癌組織等に関連する組織の構造変化を検出する際には、光散乱特性の変化を示す情報として、例えば、該対象部位における複素屈折率の実部の変化を捉えることが有用である。
しかし、特許文献１及び非特許文献１に開示されている技術は、対象部位の光吸収特性の変化に応じた情報を得る目的において特化された構成を有するため、癌組織等に関連する組織の構造変化を検出することが困難である。
また、特許文献２に開示されている技術は、後方散乱した電磁放射線から、光散乱特性の変化を示す情報を抽出するための方法についての詳細な言及がなされていないため、特許文献１及び非特許文献１と同様に、癌組織等に関連する組織の構造変化を検出することが困難である。
本発明は、前述した点に鑑みてなされたものであり、被検体深部の対象部位における光散乱特性の変化を容易に捉えることが可能な被検体情報分析装置を提供することを目的としている。
本発明における被検体情報分析装置は、互いに異なる複数の周波数の波形成分を有し当該複数の波形成分に係る周波数を経時的に漸次変化させた音波を、または、互いに異なる複数の出力時間間隔の波形成分を有し当該複数の波形成分間の時間間隔を経時的に漸次変化させた音波を、前記被検体へ出射する音波発生部と、前記被検体の内部に到達可能な照明光を発する照明光発生部と、前記照明光発生部から出射された前記照明光に対して前記被検体の内部において前記音波発生部から前記被検体へ出射された前記音波により周波数変調が施された光であってかつ、当該被検体の内部の各部位において反射した物体光を受光する受光部と、前記受光部に入射された前記物体光に係るスペクトル分布を取得する光スペクトル取得部と、前記光スペクトル取得部において取得した前記スペクトル分布に応じた周波数変調量と、前記音波発生部から出力された前記音波に係る前記複数の周波数または前記複数の出力時間間隔と、に基づき、前記各部位における光散乱情報を算出する演算部と、を有することを特徴とする。
本発明における被検体情報分析装置によると、被検体内部の対象部位における光散乱特性の変化を容易に捉えることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１から図８は、本発明の第１の実施形態に係るものである。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の一例を示す図である。図２Ａは、図１のユニットから出射される所定の超音波の波形の一例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａの波形の始端付近を示す図である。図２Ｃは、図２Ａの波形の終端付近を示す図である。図２Ｄは、図１のユニットから出射される所定の超音波の波形の、図２Ａとは異なる例を示す図である。図３は、図１の信号処理部により得られた演算結果の一例を示す図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図１とは異なる例を示す図である。図５は、図４のＣＰＵにより得られた演算結果の一例を示す図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図１及び図４とは異なる例を示す図である。図７は、図６の光カプラ周辺における詳細な構成を示す図である。図８は、図６の光イメージング装置が有する光ファイバの端部の構成の一例を示す図である。
被検体情報分析装置としての光イメージング装置１は、図１に示すように、被検体としての生体組織１０１へ超音波及び照明光を出射するとともに、該照明光が該生体組織１０１において反射及び散乱した光である物体光を受光可能なユニット２と、スキャニング信号発生部９から出力されるスキャニング信号に応じてユニット２の位置（スキャン位置）を変更しつつ該超音波及び該照明光を出射させるスキャニングユニット３と、超音波駆動信号生成部４と、増幅部５と、信号処理部６と、パーソナルコンピュータ（以降、ＰＣと略記する）７と、モニタ等により構成される表示部８と、スキャニング信号発生部９と、を要部として有している。
超音波駆動信号生成部４は、周波数が漸次変化する連続波からなる所定の超音波をユニット２から出力させるための超音波駆動信号を生成するとともに、生成した超音波駆動信号を増幅部５及び信号処理部６に対して出力する。また、超音波駆動信号生成部４は、前記所定の超音波がユニット２から出力された直後の所定のタイミングにおいて、ユニット２の照明光発生部２１に対してタイミング信号を出力する。
パワーアンプ等により構成される増幅部５は、超音波駆動信号生成部４から出力された超音波駆動信号を増幅するとともに、増幅後の超音波駆動信号をユニット２に対して出力する。
ユニット２は、照明光発生部２１と、ハーフミラー２２と、参照ミラー２５と、中央部に開口部２６ａが形成された超音波トランスデューサ２６と、光検出部２７と、を有して構成されている。
照明光発生部２１は、生体組織１０１に到達可能な照明光を発する、例えば図示しないレーザ光源及び集光レンズ等を有して構成されている。そして、照明光発生部２１は、超音波駆動信号生成部４から出力されるタイミング信号に基づく所定のタイミングにおいて、前記レーザ光源において発せられた照明光としてのパルス光をハーフミラー２２に対して出射する。なお、生体組織１０１に到達可能な照明光を発する光源としては、前述したレーザ光源に限るものでなく、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ、またはＳＬＤ等を用いるものであっても良い。また、本実施形態において、照明光発生部２１において発せられる照明光は、パルス光に限らず、連続波の光であっても良い。
ハーフミラー２２は、照明光発生部２１からの照明光の一部を反射して参照ミラー２５側へ出射するとともに、該照明光の他の一部を超音波トランスデューサ２６側へ透過させる。
ハーフミラー２２から参照ミラー２５側へ出射された照明光は、参照ミラー２５において反射した後、ハーフミラー２２に参照光として入射される。
ハーフミラー２２から超音波トランスデューサ２６側へ透過した照明光は、開口部２６ａを通過した後、生体組織１０１に対して出射される。
なお、本実施形態において、ユニット２（の超音波トランスデューサ２６）と生体組織１０１との間は、水等の超音波伝達媒体により満たされているものであるとする。
一方、超音波発生部としての超音波トランスデューサ２６は、超音波駆動信号生成部４からの超音波駆動信号に応じ、開口部２６ａを通過する照明光の光軸に沿って、所定の超音波を生体組織１０１へ出射する。そして、超音波トランスデューサ２６から出射された所定の超音波は、周波数が漸次変化する周期的な粗密波として生体組織１０１の内部を伝播する。なお、本実施形態において、前記所定の超音波は、音響レンズ等により収束されない状態として生体組織１０１へ出力されるが、収束された状態として生体組織１０１へ出力されるものであっても良い。
これにより、ユニット２から出射された照明光は、前記所定の超音波により密度が極大化された生体組織１０１の内部の各位置において反射し、開口部２６ａを通過した後、ハーフミラー２２に物体光として入射される。すなわち、ハーフミラー２２を透過した照明光は、生体組織１０１内部の、前記所定の超音波により密度が増大された、生体組織１０１の内部の各位置において反射した後、物体光としてハーフミラー２２に入射される。
なお、本実施形態のユニット２は、ハーフミラー２２と参照ミラー２５との間、及び、ハーフミラー２２と超音波トランスデューサ２６との間各々に、照明光の周波数に比べて遥かに低い周波数を用いて変調を行う光変調部、及び、該光変調部を駆動するための発振器を各１つずつ有して構成されるものであっても良い。そして、ユニット２が前述した構成を有することにより、表示部８に出力される映像信号のＳ／Ｎが向上する。
そして、ハーフミラー２２は、参照ミラー２５側から入射される参照光と、超音波トランスデューサ２６側から入射される物体光との２束の光を各々干渉させつつ、該２束の光の干渉後に生じる干渉光を光検出部２７側へ出射する。
光検出部２７は、ハーフミラー２２から出射される干渉光をヘテロダイン検出するとともに、検出した該干渉光を電気信号としての干渉信号に変換して信号処理部６へ出力する。
信号処理部６は、例えば、スペクトラムアナライザまたはディジタルオシロスコープ等を有して構成されている。また、光スペクトル取得部としての機能を有する信号処理部６は、ユニット２から出力される干渉信号と、超音波駆動信号生成部４から出力される超音波駆動信号とに基づき、干渉光のスペクトル分布と、超音波トランスデューサ２６から出力された所定の超音波が有する各周波数のスペクトル分布とを取得する。そして、信号処理部６は、前記干渉光のスペクトル分布に応じたドップラーシフト量（周波数変調量）と、前記各周波数と、に基づく演算結果として得られた各値を物体光の散乱成分として、また、該各値における強度を物体光の吸収成分として各々算出する。そして、信号処理部６は、算出した前記散乱成分及び前記吸収成分の情報をＰＣ７へ出力する。
ＰＣ７は、各種演算及び処理を行うＣＰＵ７ａと、各種データ等を蓄積するメモリ７ｂと、を有して構成されている。
また、ＰＣ７は、信号処理部６から出力される散乱成分の情報に基づく演算をＣＰＵ７ａにおいて行うことにより画像データを生成するとともに、生成した該画像データを、スキャニングユニット３によりスキャン可能な範囲内の位置を示す情報である、スキャニング位置情報と関連付けつつメモリ７ｂに蓄積する。そして、ＰＣ７は、生成した該画像データのスキャニング位置が、スキャニングユニット３におけるスキャン範囲の終端でない場合には、スキャン位置を変更させつつ超音波及び照明光を出射させるための制御をスキャニング信号発生部９に対して行う。
また、ＰＣ７は、１画面分の画像データがメモリ７ｂに蓄積されたことを検出すると、該画像データを映像信号に変換して表示部８へ出力する。
なお、本実施形態において、ＰＣ７のＣＰＵ７ａは、物体光の散乱成分に応じた映像信号を表示部８に出力するものに限らず、例えば、物体光の吸収成分に応じた映像信号を併せて表示部８に出力するものであっても良く、また、物体光の散乱成分及び吸収成分の映像信号を統合したもの（組み合わせたもの）を表示部８に出力するものであっても良い。
スキャニング信号発生部９は、ＰＣ７の制御に基づき、スキャン位置を変更させつつ超音波及び照明光を出射させるためのスキャニング信号をスキャニングユニット３に対して出力する。
次に、本実施形態の光イメージング装置１の作用について説明を行う。
まず、ユーザは、光イメージング装置１の各部の電源を投入した後、図１に示すｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）に超音波及び照明光が出射されるように、ユニット２の超音波トランスデューサ２６を配置するとともに、超音波トランスデューサ２６と生体組織１０１との間を水等の超音波伝達媒体により満たす。
その後、ユーザは、例えば、図示しない操作部が有するスイッチ等をオンすることにより、所定の超音波を超音波トランスデューサ２６から生体組織１０１へ出射させるための指示を行う。
そして、超音波駆動信号生成部４は、前記指示に基づき、例えば、図２Ａに示すような波形の所定の超音波を生体組織１０１に対して出射させるための超音波駆動信号を、増幅部５を介して超音波トランスデューサ２６へ出力する。なお、図２Ｂは、図２Ａの波形の始端付近を示す図であり、図２Ｃは、図２Ａの波形の終端付近を示す図である。
具体的には、前記所定の超音波は、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、経過時間に伴い周波数が高くなる（１周期の長さが短くなる）とともに、一のスキャン位置において強度が極大となるタイミングをＮ回有する超音波である。なお、前記タイミング各々を、図２Ａにおける時間Ｔ１、Ｔ２、・・・、ＴＮとして示すものとする。また、一のスキャン位置において出射される前記所定の超音波は、周波数ｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮ（ｆｕｓ１＜ｆｕｓ２＜、・・・、＜ｆｕｓＮ）の波形を各々１周期分ずつ有する、Ｎ周期分の連続波であるとする。さらに、前記所定の超音波が有する周波数ｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮは、主に超音波トランスデューサ２６の性能に応じて決定される値である。
超音波トランスデューサ２６から出射された所定の超音波は、強度が極大となるタイミング各々に応じたｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）の各位置において、生体組織１０１の密度を極大化する。なお、前記ｚ軸方向の各位置（生体組織１０１の内部において密度が極大化した位置）を、図１における超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮとして示す。
一方、超音波駆動信号生成部４は、生体組織１０１へ出射された所定の超音波により超音波波面ＲＮが生じたタイミング（一のスキャン位置における所定の超音波の出力が完了した直後のタイミング）において、ユニット２の照明光発生部２１に対してタイミング信号を出力する。
照明光発生部２１は、前記タイミング信号に基づき、パルス光を照明光としてハーフミラー２２へ出射する。
照明光発生部２１から出射された周波数ｆＬの照明光は、ハーフミラー２２及び参照ミラー２５等を介した後、開口部２６ａからｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）に出射される。そして、開口部２６ａから出射された照明光は、生体組織１０１において生じた各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて反射した後、該各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮのドップラーシフト（周波数変調）を受けた物体光（反射光）として開口部２６ａ及び変調部２３ｂを介してハーフミラー２２に入射される。
超音波トランスデューサ２６側から入射した物体光は、ハーフミラー２２において、参照ミラー２５側から入射した参照光と干渉することにより、照明光発生部２１から出射される照明光の周波数ｆＬが打ち消された状態の干渉光として光検出部２７に入射される。
光検出部２７は、ハーフミラー２２から出射される干渉光をヘテロダイン検出するとともに、検出した該干渉光を電気信号としての干渉信号に変換して信号処理部６へ出力する。
信号処理部６は、光検出部２７から出力される干渉信号に基づき、干渉光のスペクトル分布を検出する。具体的には、前記干渉光のスペクトル分布は、ドップラーシフト量（周波数変調量）を示す周波数として前述した、周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮと略同一の値を有するものになる。
また、信号処理部６は、超音波駆動信号生成部４から出力される超音波駆動信号に基づき、超音波トランスデューサ２６から出力された所定の超音波のスペクトル分布（ｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮ）を取得する。
そして、演算部としての機能を有する信号処理部６は、ドップラーシフト量（周波数変調量）を示す各周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮと、超音波トランスデューサ２６から出力された所定の超音波の周波数ｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮと、に基づく演算を行うことにより得られる値である、ｆｄ１／ｆｕｓ１、ｆｄ２／ｆｕｓ２、・・・、ｆｄＮ／ｆｕｓＮの各値を物体光の散乱成分として、また、前記各値における強度を物体光の吸収成分として各々算出する。これにより、信号処理部６は、ユーザの所望の観察部位において、ｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）のＮ個の部位の生体情報を一度に取得することができる。なお、信号処理部６により得られた演算結果の一例を図３に示す。
ＰＣ７は、信号処理部６から出力される散乱成分の情報に基づく演算をＣＰＵ７ａにおいて行うことにより画像データを生成するとともに、生成した該画像データを、スキャニングユニット３によりスキャン可能な範囲内の位置を示す情報である、スキャニング位置情報と関連付けつつメモリ７ｂに蓄積する。そして、ＰＣ７は、生成した該画像データのスキャニング位置がスキャニングユニット３におけるスキャン範囲の終端でないことを検出した場合には、スキャン位置を（図１のｘ軸方向またはｙ軸方向のいずれかに）変更させつつ超音波及び照明光を出射させるための制御をスキャニング信号発生部９に対して行う。
また、ＰＣ７は、生成した該画像データのスキャニング位置がスキャニングユニット３におけるスキャン範囲の終端であること、すなわち、１画面分の画像データがメモリ７ｂに蓄積されたことを検出すると、該画像データを映像信号に変換して表示部８へ出力する。これにより、表示部８には、ユーザの所望の観察部位における生体組織１０１の断層像が画像表示される。
以上に述べたように、本実施形態の光イメージング装置１は、生体組織１０１の深さ方向のＮ個の部位の散乱成分を一度に取得することが可能な構成を有している。故に、本実施形態の光イメージング装置１は、被検体内部の対象部位における光散乱特性及び光吸収特性の変化を容易に捉えること（短い時間により取得すること）ができる。
なお、本実施形態において、超音波トランスデューサ２６から出力される所定の超音波は、周波数が漸次増加する図２Ａに示すようなものに限らず、周波数が漸次減少するものであっても良い。
また、本実施形態において、超音波トランスデューサ２６から出力される所定の超音波は、図２Ａに示すような連続波に限るものではなく、例えば、図２Ｄに示すようなパルス波であっても良い。
具体的には、前記パルス波は、例えば図２Ｄに示すように、一のスキャン位置においてＮ回発せられるとともに、経過時間に伴って出力時間間隔Ｔｐ１、Ｔｐ２、…、ＴｐＮ−１が減少する超音波である。
なお、前記パルス波は、出力時間間隔が漸次減少する図２Ｄに示すようなものに限らず、出力時間間隔が漸次増加するものであっても良い。
また、本実施形態において、ユニット２から出力される所定の超音波及び照明光は、共に図１のｚ軸方向に対して平行に出射されるが、これに限るものではなく、例えば、いずれか一方が図１のｚ軸方向に対して斜めに出射されるものであっても良い。
なお、図１に示す光イメージング装置１は、前述した効果と同様の効果を得るために、例えば、信号処理部６において行われる各処理と略同様の処理をＰＣ７のＣＰＵ７ａが代わりに行うような、図４に示す、被検体情報分析装置としての光イメージング装置１Ａとして構成されるものであっても良い。
具体的には、図４に示す光イメージング装置１Ａは、ユニット２Ａと、スキャニングユニット３と、超音波駆動信号生成部４と、増幅部５と、ＰＣ７と、表示部８と、スキャニング信号発生部９と、を要部として有している。
前述した構成により、光イメージング装置１Ａにおいては、光検出部２７から出力される干渉信号が直接ＰＣ７に入力される。
前記干渉信号における直流成分をＩｄｃ，１、Ｉｄｃ，２、・・・、Ｉｄｃ，Ｎとし、交流成分の振幅をＩａｃ，１、Ｉａｃ，２、・・・、Ｉａｃ，Ｎとした場合、前記干渉信号に基づく光強度Ｉ（ｔ）は、下記数式（１）により示される。

Figure 0005009058

ＰＣ７のＣＰＵ７ａは、前記数式（１）により示される光強度Ｉ（ｔ）に対してフーリエ変換を施すことにより、さらに、下記数式（２）により示される数式を得る。

Figure 0005009058

なお、前記数式（２）においては、ωｉ＝２πｆｄｉであるとする。
光スペクトル取得部としての機能を有するＣＰＵ７ａは、前記数式（２）における実数成分（強度）を、干渉光のスペクトル分布として抽出する。
そして、演算部としての機能を有するＣＰＵ７ａは、前記干渉光のスペクトル分布に応じたドップラーシフト量（周波数変調量）を示す各周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮと、超音波トランスデューサ２６から出力された所定の超音波の周波数ｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮと、に基づく演算を行うことにより得られる値である、ｆｄ１／ｆｕｓ１、ｆｄ２／ｆｕｓ２、・・・、ｆｄＮ／ｆｕｓＮの各値を物体光の散乱成分として、また、前記各値における強度を物体光の吸収成分として各々算出する。なお、ＣＰＵ７ａにより得られた演算結果の一例を図５に示す。これにより、ユーザの所望の観察部位において、ｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）のＮ個の部位の情報を一度に取得することが可能となる。すなわち、図４に示す光イメージング装置１Ａにおいても、前述した、光イメージング装置１により得られる効果と同様の効果を得ることができる。また、光イメージング装置１Ａは、信号処理部６を有しないため、光イメージング装置１に比べて簡易な構成により、前述した（光イメージング装置１により得られる）効果と同様の効果を得ることができる。
また、図１に示す光イメージング装置１は、前述した効果と同様の効果を得るために、例えば、光ファイバ及び光カプラを有する、図６に示す、被検体情報分析装置としての光イメージング装置１Ｂとして構成されるものであっても良い。
具体的には、図６に示す光イメージング装置１Ｂは、スキャニングユニット３と、超音波駆動信号生成部４と、増幅部５と、信号処理部６と、ＰＣ７と、表示部８と、スキャニング信号発生部９と、照明光発生部２１と、参照ミラー２５と、超音波トランスデューサ２６と、光検出部２７と、に加え、光ファイバ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ及び５２ｄと、光カプラ５３と、コリメートレンズ５６と、を要部として有して構成されている。
また、光カプラ５３は、図７に示すように、第１カプラ部５３ａと、第２カプラ部５３ｂと、を有して構成されている。
光ファイバ５２ａは、図６及び図７に示すように、一端側が照明光発生部２１に接続されているとともに、他端側が第１カプラ部５３ａに接続されている。
光ファイバ５２ｂは、図７に示すように、受光用のファイババンドル６０ａと、送光用のファイババンドル６０ｂと、を有している。また、ファイババンドル６０ａは、一端側が第２カプラ部５３ｂに接続されているとともに、他端側が超音波トランスデューサ２６の中央部に形成された開口部（例えば図６には図示しない開口部２６ａ）に挿通されつつ接続されている。さらに、ファイババンドル６０ｂは、一端側が第１カプラ部５３ａに接続されているとともに、他端側が超音波トランスデューサ２６の中央部に形成された開口部（例えば図６には図示しない開口部２６ａ）に挿通されつつ接続されている。なお、ファイババンドル６０ａ及び６０ｂの各端部は、超音波トランスデューサ２６の中央部に形成された開口部において、例えば図８に示すような状態として配置されている。
光ファイバ５２ｃは、図７に示すように、受光用のファイババンドル６０ｃと、送光用のファイババンドル６０ｄと、を有している。また、ファイババンドル６０ｃは、一端側が第２カプラ部５３ｂに接続されているとともに、他端側がコリメートレンズ５６からの光の入射が可能な位置に配置されている。さらに、ファイババンドル６０ｄは、一端側が第１カプラ部５３ａに接続されているとともに、他端側がコリメートレンズ５６への光の出射が可能な位置に配置されている。
光ファイバ５２ｄは、図６及び図７に示すように、一端側が第２カプラ部５３ｂに接続されているとともに、他端側が光検出部２７に接続されている。
前述した構成により、光イメージング装置１Ｂにおいては、照明光発生部２１において発せられた照明光は、光ファイバ５２ａ、第１カプラ部５３ａ及びファイババンドル６０ｂを介して生体組織１０１に対して出射されるとともに、光ファイバ５２ａ、第１カプラ部５３ａ及びファイババンドル６０ｄを介してコリメートレンズ５６に対して出射される。
コリメートレンズ５６に入射された照明光は、平行な光束を有する光として出射され、参照ミラー２５において反射し、再びコリメートレンズ５６を通過した後、参照光としてファイババンドル６０ｃに入射される。また、ファイババンドル６０ｃに入射された参照光は、第２カプラ部５３ｂへ出射される。
一方、生体組織１０１に対して出射された照明光は、生体組織１０１において生じた各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて反射した後、該各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮのドップラーシフト（周波数変調）を受けた物体光（反射光）としてファイババンドル６０ａに入射される。また、ファイババンドル６０ａに入射された物体光は、受光部としての機能を有する第２カプラ部５３ｂへ出射される。
そして、ファイババンドル６０ａから入射した物体光は、第２カプラ部５３ｂにおいて、ファイババンドル６０ｃから入射した参照光と干渉することにより、照明光発生部２１から出射される照明光の周波数ｆＬが打ち消された状態の干渉光として光検出部２７に入射される。
その後、光イメージング装置１と同様の処理等が行われることにより、図６に示す光イメージング装置１Ｂにおいても、前述した（光イメージング装置１における）効果と同様の効果を得ることができる。
（第２の実施形態）
図９から図１２は、本発明の第２の実施形態に係るものである。図９は、本発明の第２の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の一例を示す図である。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図９とは異なる例を示す図である。図１１は、図１０のＣＰＵにより得られた演算結果の一例を示す図である。図１２は、本発明の第２の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図９及び図１０とは異なる例を示す図である。
なお、第１の実施形態と同様の構成を持つ部分については、詳細説明は省略する。また、本実施形態における各光イメージング装置の構成は、第１の実施形態における各光イメージング装置（光イメージング装置１、１Ａ及び１Ｂ）と類似の構成を有している。そのため、本実施形態においては、第１の実施形態における各光イメージング装置と異なる部分について主に説明を行うものとする。
被検体情報分析装置としての光イメージング装置１Ｃは、図９に示すように、被検体としての生体組織１０１へ超音波及び照明光を出射するとともに、該照明光が該生体組織１０１において反射した光である物体光（反射光）を受光可能なユニット２Ｂと、スキャニング信号発生部９から出力されるスキャニング信号に応じてユニット２Ｂの位置（スキャン位置）を変更しつつ該超音波及び該照明光を出射させるスキャニングユニット３と、超音波駆動信号生成部４と、増幅部５と、信号処理部６と、パーソナルコンピュータ（以降、ＰＣと略記する）７と、モニタ等により構成される表示部８と、スキャニング信号発生部９と、ドライバ１０と、を要部として有している。
また、ユニット２Ｂは、照明光発生部２１と、受光部としての機能を有するハーフミラー２２と、中央部に開口部２６ａが形成された、超音波発生部としての超音波トランスデューサ２６と、光検出部２７と、分光装置２８と、を有して構成されている。
ドライバ１０は、スキャニング信号発生部９からのスキャニング信号に同期して、分光装置２８を駆動するための駆動信号を出力する。
分光装置２８は、ハーフミラー２２と光検出部２７との間に配置されており、例えば、音響光学素子または液晶チューナブルフィルタのうちのいずれかを有して構成されている。また、分光装置２８は、ドライバ１０から出力される駆動信号に応じて動作し、透過波長をスイープさせることにより、ハーフミラー２２からの物体光を波長分解して光検出部２７へ出射する。また、分光装置２８は、前記波長分解の結果に関する情報を有する波長分解信号を、光検出部２７を介して信号処理部６へ出力する。
次に、本実施形態の光イメージング装置１Ｃの作用について説明を行う。
まず、ユーザは、光イメージング装置１Ｃの各部の電源を投入した後、図９に示すｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）に超音波及び照明光が出射されるように、ユニット２Ｂの超音波トランスデューサ２６を配置するとともに、超音波トランスデューサ２６と生体組織１０１との間を水等の超音波伝達媒体により満たす。
その後、ユーザは、例えば、図示しない操作部が有するスイッチ等をオンすることにより、所定の超音波を超音波トランスデューサ２６から生体組織１０１へ出射させるための指示を行う。
そして、超音波駆動信号生成部４は、前記指示に基づき、例えば、図２Ａに示すような波形の所定の超音波を生体組織１０１に対して出射させるための超音波駆動信号を、増幅部５を介して超音波トランスデューサ２６へ出力する。なお、前記所定の超音波に関しては、第１の実施形態の図２Ａ（、図２Ｂ及び図２Ｃ）に関する説明として既述であるため、本実施形態においては説明を省略するものとする。
超音波トランスデューサ２６から出射された所定の超音波は、強度が極大となるタイミング各々に応じたｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）の各位置において、生体組織１０１の密度を極大化する。なお、前記ｚ軸方向の各位置（生体組織１０１の内部において密度が極大化した位置）を、図９における超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮとして示す。
一方、超音波駆動信号生成部４は、生体組織１０１へ出射された所定の超音波により超音波波面ＲＮが生じたタイミング（一のスキャン位置における所定の超音波の出力が完了した直後のタイミング）において、ユニット２Ｂの照明光発生部２１に対してタイミング信号を出力する。
照明光発生部２１は、前記タイミング信号に基づき、パルス光を照明光としてハーフミラー２２へ出射する。
照明光発生部２１から出射された周波数ｆＬの照明光は、ハーフミラー２２により反射された後、超音波トランスデューサ２６の開口部２６ａからｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）ヘ出射される。そして、開口部２６ａから出射された照明光は、生体組織１０１において生じた各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて反射した後、該各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮのドップラーシフト（周波数変調）を受けた物体光（反射光）として、開口部２６ａを通過し、ハーフミラー２２を透過して分光装置２８側へ出射される。
そして、ハーフミラー２２を透過した物体光は、分光装置２８により波長分解が施され、光検出部２７により検出された後、電気信号としての分光信号に変換されつつ信号処理部６へ出力される。
信号処理部６は、超音波駆動信号生成部４から出力される超音波駆動信号に基づき、例えばｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮとして示される、超音波トランスデューサ２６から出力された所定の超音波のスペクトル分布を取得する。また、信号処理部６は、光検出部２７から出力される分光信号に基づき、例えばｆＬ−ｆｄ１、ｆＬ−ｆｄ２、・・・、ｆＬ−ｆｄＮとして示される、物体光のスペクトル分布を取得する。
そして、光スペクトル取得部及び演算部としての機能を有する信号処理部６は、前記物体光のスペクトル分布及び照明光の周波数ｆＬに基づき、ドップラーシフト量（周波数変調量）を示す各周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮを算出する。その後、信号処理部６は、前記ドップラーシフト量（周波数変調量）を示す各周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮと、超音波トランスデューサ２６から出力された所定の超音波の周波数ｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮと、に基づく演算を行うことにより得られる値である、ｆｄ１／ｆｕｓ１、ｆｄ２／ｆｕｓ２、・・・、ｆｄＮ／ｆｕｓＮの各値を物体光の散乱成分として、また、前記各値における強度を物体光の吸収成分として各々算出する。これにより、信号処理部６は、ユーザの所望の観察部位において、ｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）のＮ個の部位の情報を一度に取得することができる。
ＰＣ７は、信号処理部６から出力される散乱成分の情報に基づく演算をＣＰＵ７ａにおいて行うことにより画像データを生成するとともに、生成した該画像データを、スキャニングユニット３によりスキャン可能な範囲内の位置を示す情報である、スキャニング位置情報と関連付けつつメモリ７ｂに蓄積する。そして、ＰＣ７は、生成した該画像データのスキャニング位置がスキャニングユニット３におけるスキャン範囲の終端でないことを検出した場合には、スキャン位置を（図９のｘ軸方向またはｙ軸方向のいずれかに）変更させつつ超音波及び照明光を出射させるための制御をスキャニング信号発生部９に対して行う。
また、ＰＣ７は、生成した該画像データのスキャニング位置がスキャニングユニット３におけるスキャン範囲の終端であること、すなわち、１画面分の画像データがメモリ７ｂに蓄積されたことを検出すると、該画像データを映像信号に変換して表示部８へ出力する。これにより、表示部８には、ユーザの所望の観察部位における生体組織１０１の断層像が画像表示される。
以上に述べたように、本実施形態の光イメージング装置１Ｃは、生体組織１０１の深さ方向のＮ個の部位の散乱成分を一度に取得することが可能な構成を有している。故に、本実施形態の光イメージング装置１Ｃは、被検体内部の対象部位における光散乱特性の変化を容易に捉えること（短い時間により取得すること）ができる。
なお、本実施形態のユニット２Ｂは、生体組織１０１へ出力される照明光を収束させるために、例えば開口数の小さいレンズをハーフミラー２２と超音波トランスデューサ２６との間に有していても良い。
また、本実施形態において、ユニット２Ｂから出力される所定の超音波及び照明光は、共に図９のｚ軸方向に対して平行に出射されるが、これに限るものではなく、例えば、いずれか一方が図９のｚ軸方向に対して斜めに出射されるものであっても良い。
なお、図９に示す光イメージング装置１Ｃは、前述した効果と同様の効果を得るために、例えば、信号処理部６において行われる各処理と略同様の処理をＰＣ７のＣＰＵ７ａが代わりに行うような、図１０に示す、被検体情報分析装置としての光イメージング装置１Ｄとして構成されるものであっても良い。
具体的には、図１０に示す光イメージング装置１Ｄは、図９に示す光イメージング装置１Ｃから信号処理部６を取り除いたものと略同様の構成を有している。
前述した構成により、光イメージング装置１Ｄにおいては、光検出部２７から出力される分光信号、及び、分光装置２８から出力される波長分解信号が直接ＰＣ７に入力される。
前記分光信号における直流成分をＩＤＣ，１、ＩＤＣ，２、・・・、ＩＤＣ，Ｎとし、交流成分の振幅をＩＡＣ，１、ＩＡＣ，２、・・・、ＩＡＣ，Ｎとした場合、前記分光信号に基づく光強度Ｉ１（ｔ）は、下記数式（３）により示される。

Figure 0005009058

ＰＣ７のＣＰＵ７ａは、前記数式（３）により示される光強度Ｉ１（ｔ）に対してフーリエ変換を施すことにより、さらに、下記数式（４）により示される数式を得る。

Figure 0005009058

なお、前記数式（４）においては、ωｉ＝２πｆｄｉであるとともに、ωＬ＝２πｆＬであるとする。
光スペクトル取得部としての機能を有するＣＰＵ７ａは、前記数式（４）における実数成分（強度）を、物体光のスペクトル分布として抽出する。
そして、演算部としての機能を有するＣＰＵ７ａは、前記物体光のスペクトル分布及び照明光の周波数ｆＬに基づき、ドップラーシフト量（周波数変調量）を示す各周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮを算出する。その後、ＣＰＵ７ａは、前記ドップラーシフト量（周波数変調量）を示す各周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮと、超音波トランスデューサ２６から出力された所定の超音波の周波数ｆｕｓ１、ｆｕｓ２、・・・、ｆｕｓＮと、に基づく演算を行うことにより得られる、ｆｄ１／ｆｕｓ１、ｆｄ２／ｆｕｓ２、・・・、ｆｄＮ／ｆｕｓＮの各値を物体光の散乱成分として、また、前記各値における強度を物体光の吸収成分として各々算出する。なお、ＣＰＵ７ａにより得られた演算結果の一例を図１１に示す。これにより、信号処理部６は、ユーザの所望の観察部位において、ｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）のＮ個の部位の生体情報を一度に取得することができる。すなわち、図１０に示す光イメージング装置１Ｄにおいても、前述した、光イメージング装置１Ｃにより得られる効果と同様の効果を得ることができる。また、光イメージング装置１Ｄは、信号処理部６を有しないため、光イメージング装置１Ｃに比べて簡易な構成により、前述した（光イメージング装置１Ｃにより得られる）効果と同様の効果を得ることができる。
また、図９に示す光イメージング装置１Ｃは、前述した効果と同様の効果を得るために、例えば、光ファイバ及び光カプラを有する、図１２に示す、被検体情報分析装置としての光イメージング装置１Ｅとして構成されるものであっても良い。
具体的には、図１２に示す光イメージング装置１Ｅは、スキャニングユニット３と、超音波駆動信号生成部４と、増幅部５と、信号処理部６と、ＰＣ７と、表示部８と、スキャニング信号発生部９と、ドライバ１０と、照明光発生部２１と、超音波トランスデューサ２６と、光検出部２７と、分光装置２８と、に加え、光ファイバ５７ａ、５７ｂ及び５７ｃと、受光部としての機能を有する光カプラ５８と、を要部として有して構成されている。
光ファイバ５７ａは、図１２に示すように、一端側が照明光発生部２１に接続されているとともに、他端側が光カプラ５８に接続されている。
光ファイバ５７ｂは、送光用のファイババンドル及び受光用のファイババンドルを内部に有しており、一端側が光カプラ５８に接続されているとともに、他端側が超音波トランスデューサ２６の中央部に形成された開口部（例えば図１２には図示しない開口部２６ａ）に挿通されつつ接続されている。
光ファイバ５７ｃは、図１２に示すように、一端側が光カプラ５８に接続されているとともに、他端側が分光装置２８に接続されている。
前述した構成により、光イメージング装置１Ｅにおいては、照明光発生部２１において発せられた照明光は、光ファイバ５７ａ、光カプラ５８及び光ファイバ５７ｂ（の図示しない送光用のファイババンドル）を介して生体組織１０１に対して出射される。
そして、生体組織１０１に対して出射された照明光は、生体組織１０１において生じた各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて反射した後、該各超音波波面Ｒ１、Ｒ２・・・、ＲＮにおいて周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・、ｆｄＮのドップラーシフト（周波数変調）を受けた物体光（反射光）としてフ光ファイバ５７ｂ（の図示しない受光用のファイババンドル）に入射される。また、光ファイバ５７ｂ（の図示しない受光用のファイババンドル）に入射された物体光は、光カプラ５８及び光ファイバ５７ｃを介し、分光装置２８へ出射される。
その後、光イメージング装置１Ｃと同様の処理等が行われることにより、図１２に示す光イメージング装置１Ｅにおいても、前述した（光イメージング装置１Ｃにおける）効果と同様の効果を得ることができる。
なお、図９、図１０及び図１２の各光イメージング装置において、分光装置２８は、音響光学素子または液晶チューナブルフィルタにより構成されるものに限らず、例えば、回折格子等により構成されるものであっても良い。また、図９、図１０及び図１２の各光イメージング装置が有するドライバ１０は、音響光学素子または液晶チューナブルフィルタではなく、回折格子等により分光装置２８が構成される場合には不要である。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更や応用が可能であることは勿論である。
本発明の第１の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の一例を示す図。 図１のユニットから出射される所定の超音波の波形の一例を示す図。 図２Ａの波形の始端付近を示す図。 図２Ａの波形の終端付近を示す図。 図１のユニットから出射される所定の超音波の波形の、図２Ａとは異なる例を示す図。 図１の信号処理部により得られた演算結果の一例を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図１とは異なる例を示す図。 図４のＣＰＵにより得られた演算結果の一例を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図１及び図４とは異なる例を示す図。 図６の光カプラ周辺における詳細な構成を示す図。 図６の光イメージング装置が有する光ファイバの端部の構成の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図９とは異なる例を示す図。 図１０のＣＰＵにより得られた演算結果の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る光イメージング装置の要部の構成の、図９及び図１０とは異なる例を示す図。
符号の説明
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ・・・光イメージング装置、２，２Ａ，２Ｂ・・・ユニット、３・・・スキャニングユニット、４・・・超音波駆動信号生成部、５・・・増幅部、６・・・信号処理部、７・・・ＰＣ、８・・・表示部、９・・・スキャニング信号発生部、１０・・・ドライバ、２１・・・照明光発生部、２２・・・ハーフミラー、２５・・・参照ミラー、２６・・・超音波トランスデューサ、２７・・・光検出部、２８・・・分光装置

Claims (7)

  1. 互いに異なる複数の周波数の波形成分を有し当該複数の波形成分に係る周波数を経時的に漸次変化させた音波を、または、互いに異なる複数の出力時間間隔の波形成分を有し当該複数の波形成分間の時間間隔を経時的に漸次変化させた音波を、前記被検体へ出射する音波発生部と、
    前記被検体の内部に到達可能な照明光を発する照明光発生部と、
    前記照明光発生部から出射された前記照明光に対して前記被検体の内部において前記音波発生部から前記被検体へ出射された前記音波により周波数変調が施された光であってかつ、当該被検体の内部の各部位において反射した物体光を受光する受光部と、
    前記受光部に入射された前記物体光に係るスペクトル分布を取得する光スペクトル取得部と、
    前記光スペクトル取得部において取得した前記スペクトル分布に応じた周波数変調量と、前記音波発生部から出力された前記音波に係る前記複数の周波数または前記複数の出力時間間隔と、に基づき、前記各部位における光散乱情報を算出する演算部と、
    を有することを特徴とする被検体情報分析装置。
  2. 前記光スペクトル取得部は、前記受光部に入射された前記物体光と前記照明光に係る参照光との干渉光のスペクトル分布を取得し、
    前記演算部は、前記光スペクトル取得部において取得した前記干渉光のスペクトル分布に応じた前記周波数変調量と、前記音波発生部から出力された前記音波に係る前記複数の周波数または前記複数の出力時間間隔と、に基づき、前記各部位における光散乱情報を算出する
    ことを特徴とする請求項１に記載の被検体情報分析装置。
  3. 前記音波発生部は、前記互いに異なる複数の周波数を有する音波においては、周波数が漸次増加または漸次減少する連続波を前記被検体へ出射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の被検体情報分析装置。
  4. 前記音波発生部は、前記互いに異なる複数の出力時間間隔を有する音波においては、出力時間間隔が漸次増加または漸次減少するパルス波を前記被検体へ出射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の被検体情報分析装置。
  5. 前記照明光発生部は、前記音波発生部における前記音波の出射が完了したことを検出した際に、パルス光を前記照明光として出射することを特徴とする請求項乃至請求項４のいずれか一に記載の被検体情報分析装置。
  6. 前記照明光発生部は、連続光を前記照明光として出射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の被検体情報分析装置。
  7. 前記音波発生部から出射される前記音波は、前記照明光発生部から出射される前記照明光の光軸に沿って出射されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の被検体情報分析装置。
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