JP5201920B2

JP5201920B2 - 測定装置

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Publication number: JP5201920B2
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Inventors: 考洋増村; 裕西原; 拓史吉田
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Description

本発明は、被検部位の分光特性を測定する測定装置に関する。

光マンモグラフィなど、生体組織内部の分光特性又は減衰特性を測定して分光特性の空間分布や生体組織の代謝を画像化する測定装置は知られている。かかる測定装置は、分光特性を画像化するため、生体組織を高解像度で測定することが要求される。分光特性は吸収（分光）特性と散乱（分光）特性を含み、生体組織を高解像度で測定するためには、吸収特性及び散乱特性（以下、「吸収散乱特性」と呼ぶ場合もある。）を取得する必要がある。例えば、光の吸収特性からヘモグロビン、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。

従来の測定装置は、音響光学トモグラフィ（ＡＯＴ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃａｌＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）や光音響トモグラフィ（Ｐｈｏｔｏ−ＡｃｏｕｓｔｉｃＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＰＡＴ）を利用する。ＡＯＴは、特許文献１に開示されているように、生体組織内部にコヒーレント光及び集束超音波を照射し、超音波が集束された領域（被検部位）において光が変調される効果（音響光学効果）を利用し、変調光を光検出器で検出する。一方、ＰＡＴは、腫瘍などの被検部位とそれ以外の組織との光エネルギーの吸収率の差を利用し、被検部位が照射された光エネルギーを吸収して瞬間的に膨張する際の弾性波（超音波又は光音響信号）をトランスデューサで受信する。ＰＡＴは、例えば、特許文献２及び非特許文献１に開示されている。

その他の従来技術としては特許文献３、非特許文献２がある。
米国特許第６７３８６５３号明細書米国特許第５８４００２３号明細書特許第３１０７９１４号明細書Ａ．Ｏｒａｅｖｓｋｙｅｔａｌ， "Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｉｓｓｕｅｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｙｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔｒｅｓｓ"，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１，ｐｐ．４０２−４１５（１９９７）Ｓ．Ｆｅｎｇｅｔａｌ， "Ｐｈｏｔｏｎｍｉｇｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｓｅｏｆ a ｓｉｎｇｌｅｄｅｆｅｃｔ：ａｐｅｒｔｕｒａｂａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ"，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１９，ｐｐ．３８２６−３８３７（１９９５）

ＡＯＴにおいて、変調光は、光検出器に至る伝播経路において吸収散乱し、被検部位と光検出器を結ぶ光の伝播経路は紡錘形となる。このように、変調光は、光の伝播経路の影響を受けているため被検部位の局所的な分光特性を抽出することができない。特許文献１は紡錘状に広がる組織全体の代謝量を求めることができるかもしれないが、組織内の局所的領域である被検部位における代謝量を知ることはできない。また、ＰＡＴにおいて、光音響信号の振幅は被検部位の吸収係数に比例する。この被検部位の吸収係数を精度良く見積もるためには被検部位の光強度を精度良く見積もらなければならないが、特許文献２や非特許文献１にはこの方法を開示していない。なお、特許文献３のように、内部分布を仮定し、測定結果に応じて仮定を変更するアルゴリズムを使用して内部分布を再構成する方法を使用することが考えられる。しかし、かかる方法は計算が複雑かつ膨大で時間がかかり、最適解に短時間で収束しにくいという問題がある。

本発明は、被検体の局所的な吸収散乱特性を高精度かつ比較的簡単に測定することが可能な測定装置に関する。

本発明の一側面としての測定装置は、被検体内部の被検部位の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を、音響光学トモグラフィを利用して測定する測定装置において、前記被検部位から光検出位置までの光の伝播経路上に前記被検部位とは別に設定された被測定領域の光強度を測定する測定部と、前記測定部が測定した前記被検体の表層に最も近い最外周領域にある被測定領域の光強度を利用して、前記光の伝播経路上にある前記被測定領域及び前記被検部位の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を、前記最外周領域から前記被検部位に向かって順次修正する信号処理装置と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、被検体の局所的な吸収散乱特性を高精度かつ比較的簡単に測定することが可能な測定装置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、本発明の実施例１のＡＯＴ測定装置１００のブロック図である。測定装置１００は、被検体Ｅの組織内部の吸収散乱特性をＡＯＴを利用して測定する装置であって、測定部と、信号処理装置１０と、表示装置１５とを有する。

被検体Ｅは、***などの生体組織であり、吸収散乱体である。

測定部は、正弦波発振器１と、光源２と、光ファイバ３と、測定容器４と、マッチング材５と、超音波発振器（超音波トランスデューサアレイ）６と、超音波集束装置７と、光検出器８と、を有する。

正弦波発振器１は、周波数

の正弦波信号で超音波発生器６を駆動する。

光源２は、被検体Ｅに照射する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。また、コヒーレンス長が長く（例えば、１ｍ以上）、強度が一定のＣＷ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ光）光を発するものである。具体的な光源の例として、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構成するとよい。

光ファイバ３は、被検体Ｅに光源２から発した光を導く。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。測定容器４内に入射した光は、内部を吸収と散乱を繰り返しながら伝播する。

測定容器４は、被検体Ｅとマッチング材５を収納する。測定容器４は、光源２が発生する光の波長を透過する材料で構成されている。マッチング材５は、超音波を効率良く被検体Ｅに伝達する音響インピーダンス材料から構成される。マッチング材５は、被検体Ｅと測定容器４との間に均一に満たされる。マッチング材５の屈折率、吸収係数、散乱係数及び音響特性は既知である。

超音波発生器６は超音波（パルス）を発生する。超音波の周波数の範囲は、被検体Ｅの測定深さや分解能により異なるが、１から数十（ＭＨｚ）の範囲である。超音波発生器６は、例えば、リニアアレイ探触子から構成される。本実施例では、超音波発振器と超音波検出器が一体である超音波トランスデューサアレイを使用する。

超音波集束装置７は、超音波発生器６が送信する超音波を被検体Ｅの組織内部の被検部位（超音波集束領域）Ｘに集束する。超音波を集束する方法としては、円形凹面超音波振動子や音響レンズを用いるものやアレイ探触子を用いた電子フォーカスなどがある。被検部位Ｘ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。被検部位Ｘを光が通過すると、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ことにする。

光検出器８は、被検体Ｅの被検部位Ｘにおいて音響光学効果により変調された変調光を検出する。光検出器８には、ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）などの光電変換素子が適用可能である。光検出器８は、変調光と非変調光の両方からの信号を検出する。この信号を、信号処理装置１０の内部の信号抽出部１１においてフーリエ変換し、非変調信号Ｉ_１と変調信号Ｉ_２とを分離する。非変調信号Ｉ_１と変調信号Ｉ_２を用いて、特許文献１に記載されているように、被検体Ｅの分光特性を算出する。

信号処理装置１０は、被検体Ｅの被検部位の分光特性の画像を生成し、信号抽出部１１、演算処理部１２、画像生成部１３及びメモリ１４を有する。信号抽出部１１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１１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。演算処理部１２は、分光特性若しくは分光特性の吸収に寄与した構成要素の濃度及び成分比率を算出する。また、演算処理部１２は、集束超音波の座標データとこの座標データに対応した光信号から被検体Ｅ内の分光特性の分布データを作成する。この際、演算処理部１２は、後述するように、測定部の測定結果を修正する。画像生成部１３は、演算処理部１２で作成した被検体Ｅ内の分光特性の分布データから被検体Ｅの三次元的な断層像（画像）を生成する。メモリ１４は、演算処理部１２が生成したデータや、画像生成部１３が生成した分光特性の画像を記録する。メモリ１４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。

表示装置１５は、信号処理装置１０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、測定容器４の概略断面図である。なお、図２では、単純化のため、ある断面において測定容器４に被検体Ｅが充填された状態を示しており、被検体Ｅの外表面である表層Ｅは測定容器４の外面と一致している。もちろん、被検体Ｅと測定容器４との間にマッチング材５が配置されてもよい。

図２において、Ｋは吸収散乱特性が既知又は測定済み領域を示し、Ｕは吸収散乱特性が未知の領域又は未測定領域を示す。Ｇは円環状の最外周領域であり、被検体内部において被検体Ｅ表層Ｅ_１に最も近い領域である。ＭＡは被検体Ｅ内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被検部位Ｘを含む。被検部位Ｘは円形領域Ｕ内にある。但し、分光特性を求めたい領域は被測定領域ＭＡの全体であってもよく、被検部位Ｘと被測定領域ＭＡとは区別されなくてもよい。領域Ｋは、領域Ｕと被検体Ｅの表層Ｅ_１との間に配置される。本実施例は、被検部位Ｘ及び被測定領域ＭＡの分光特性を最外周領域Ｇの分光特性を利用して帰納的に算出する。なお、本発明は、被検部位Ｘの吸収特性及び散乱特性の少なくとも一方が最外周領域の当該少なくとも一方に対応するものを利用して帰納的に算出される場合も含む。

本実施例は、図２に示すように、被測定領域ＭＡを測定容器４の内部の全体に亘って設定し、その分光特性を外側の分光特性から算出する。なお、図２は、被測定領域ＭＡを同心円状に配置しているが、本発明は被測定領域ＭＡの配置を限定するものではない。また、以下の図３に示すように、被測定領域ＭＡは被検部位Ｘから光検出器８までの光の伝播経路上に設定されれば足りる。本実施例は、被検部位Ｘの光強度の実測値と予測値との差分を利用し、予測値は、後述するように、被検部位Ｘの外側の被測定領域ＭＡの測定結果を利用して算出される。

図３は、被検部位Ｘと光検出器８との間の光の伝播経路Ｐとそこに配置される被測定領域ＭＡを示す概略平面図である。被検部位Ｘと光検出器８との間の光の伝播経路Ｐ上にある各被測定領域ＭＡの分光特性は既知の領域Ｋ内にある。このとき、光ファイバ３からの光入射位置と光検出器８の検出位置は、光入射位置から入射された光が被測定領域ＭＡ又は被検部位Ｘで反射された光を光検出器８が測定することができるように設定されている。また、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。この結果、両者は、図２に示すように、後方散乱光を主に測定する反射型の測定系の関係になっている。これによって、入射光が被検部位Ｘを経由して光検出器８に至る経路が全て領域Ｋに存在するように光入射位置と検出位置を設定することができ、領域Ｋの影響を除去して被検部位Ｘのみの分光特性を測定することができる。即ち、音響光学効果によってタグ付けされた局所的な領域である被検部位Ｘの分光特性を、分光特性が既知の領域Ｋから帰納的に算出することができる。

未測定領域Ｕの分光特性を測定する場合、光強度の実測値と領域Ｋの測定結果を利用して得られる光強度の差分を求め、領域Ｋの影響を除去し、被検部位Ｘの分光特性を取得することができる。この処理を繰り返して最外周領域Ｇから経路上にある被測定領域ＭＡの分光特性を帰納的に算出することができる。また、被検部位Ｘの位置に対応させて吸収特性や散乱特性をマッピングすれば、被検体Ｅの一断面の断層像を得ることができる。この断面を走査することで、最終的に被検体Ｅの三次元の吸収散乱情報を取得することができる。

図４は、信号処理装置１０（又は演算処理部１２）による、被検体Ｅの一断面の断層像を得る動作を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップ１００において、超音波集束位置である被測定領域ＭＡを設定する。この位置は、超音波集束装置７を制御することで決定可能である。次に、ステップ１０１において、光ファイバ３からの光入射位置及び光検出器８の検出位置を反射型の測定になるように調整し、両者の間隔は、光の伝播経路Ｐの平均分布が領域Ｋに収まるように設定する。光の伝播経路Ｐの分布は、既に測定された吸収散乱特性を利用して拡散理論、モンテカルロ法などを用いて演算処理部１２で算出する。光入射位置及び検出位置は、被検部位Ｘの位置に応じて適宜変更する。

光検出器８は、測定容器４の中心４ａから被検部位Ｘへ向かう延長線上で、測定容器４の側面に隣接して配置する。図６に示すように、測定容器４のある断面における中心４ａを原点とした二次元極座標系において、測定容器４の境界から中心に向かう動径座標

（但し、

〜

）と円周方向に偏角

（但し、

〜

）を考える。

の分割数は位置

に応じて変更する。

ステップ１０２において、被検部位Ｘ又は被測定領域ＭＡの位置

における非変調光の強度

と変調光の強度

を測定する。本実施例では、被測定領域ＭＡを、図５に示すように、測定容器４の断面内部の境界付近にまず設定し、そこから円周方向Ｊに被測定領域ＭＡの位置が隣接するように順にずらして測定を行う。このため、最初は、ステップ１０２は、非変調光の強度

と変調光の強度

を測定する。最外周領域（即ち、ｒ_０）における非変調光の強度

と変調光の強度

は帰納的ではなく直接的に測定可能である。

ステップ１０３において、被検部位Ｘが測定容器４の境界近傍の外周である位置

で測定を行っているかどうかを判断する。最外周領域の測定の場合、例えば、特許文献１に記載された手法を用いて吸収特性

と散乱特性

を算出する（ステップ１０４）。ここで、吸収特性

は吸収による強度の減衰係数であり、散乱特性

は散乱による強度の減衰係数である。本実施例では、図５において、測定が一周分終了したら、被測定領域ＭＡの位置を動径方向Ｒに沿って一つ内側に移動して、同様の測定を繰り返す。このため、ステップ１０８において、位置

で測定が一周走査して終了するまで、ステップ１０９で被検部位Ｘの位置を現在の位置と隣接するように円周方向に移動する。

ステップ１００で超音波集束位置を設定して測定を繰り返し、測定容器内の最外周領域の吸収特性

と散乱特性

を算出する（ステップ１０４）。被測定領域ＭＡの位置

で測定された測定データ及び算出された吸収散乱特性は信号処理装置１０のメモリ１４に随時記憶される。ステップ１０８において最外周領域の測定が一周分終了すると、ステップ１１０において、動径方向Ｒに沿って一つ内側に被測定領域ＭＡを移動させる。ステップ１１１において、ステップ１００に戻り、ステップ１０２で非変調光の強度

と変調光の強度

を測定する。

ステップ１０３の分岐でステップ１０５に移る。ステップ１０５においては、ステップ１０４において測定された結果を利用して、現在の測定条件において、光検出器８で測定される非変調光と変調光の予想値

、

を算出する。

予想値

及び

は、実測値（既知）である非変調光の強度

と変調光の強度

を利用して以下のように表現される。

但し、Ｌは被測定領域ＭＡの直径である。

また、数式１は、ｒ＝ｉとｒ＝ｉ−１（但し、ｉは２以上）の場合に拡張することができ、次式で与えられる。

ここで、ｒ＝ｉ、θ＝ｊの位置にある新たな被測定領域ＭＡ又は被検部位Ｘの光強度は、ｒ＝ｉ−１にある被測定領域ＭＡのうち光の伝播経路上にあるものの光強度によって予想される。例えば、図３において、被検部位Ｘの光強度は右側に隣接している３つの被測定領域ＭＡ_１乃至ＭＡ_３の光強度よって予想される。θ_ｋはこの範囲を規定しており、非特許文献２などで示されるように、媒質の吸収散乱特性と光源・検出器間の距離に応じて決まるバナナ形状で知られる光路分布で表される範囲で規定される。

また上記以外にも、図２で示されている吸収散乱特性が既知の領域Ｋの範囲にある被測定領域ＭＡの吸収特性

と散乱特性

を用いて、光拡散方程式を例えば有限要素法を用いて解いたり、モンテカルロシミュレーションを用いるなどして、光検出器８で測定される非変調光と変調光の予想値

、

を直接算出してもよい。

ステップ１０６は、測定値と予想値との差分

及び

を算出する。但し、同じ偏角θ_jの測定点が存在しない場合は、近傍の複数の測定点から補間して求めればよい。

ステップ１０７で、数式３から得られた結果を用いて、超音波集束位置が

における

及び

を算出する。ここでは、被測定領域ＭＡ又は被検部位Ｘの位置

の吸収散乱特性を次式のように仮定する。但し、同じ偏角θ_jの測定点が存在しない場合は、近傍の測定点から補間して求める。

数式３から得られる差分量から、数式４を仮定した吸収散乱特性からのズレ量

、

を次式のように設定し、数式４を修正する。

このように、領域Ｋを伝播する効果を差分処理によって除去することで、被検部位Ｘの領域における局所的な吸収散乱特性を得ることができる。即ち、演算処理部１２は、まず、数式４に示すように、光の伝播経路Ｐにおいて隣接する２つの被測定領域の分光特性が等しいと仮定する。次に、演算処理部１２は、隣接する２つの被測定領域のうち光検出器側にある一方の測定結果に基づいて予想された被検部位側にある他方の光強度Ｉ’と、他方の光強度の実測値Ｉとの差ΔＩを求める。そして、演算処理部１２は、この差に対応したズレ量δにより前記他方の分光特性を数式５のように修正する。

以上の処理を、位置

において一周測定するまでステップ１０８で繰り返す。一周測定するたびに、ステップ１１０で被測定領域ＭＡを動径方向Ｒの内側に移動させて、同様の処理を実行する。これを繰り返して、測定容器４の中心４ａの位置まで測定を続ける。図４に示すフローにより、被検体Ｅとマッチング材５を含めた一断面における、局所的な吸収に関する減衰係数

と散乱に関する減衰係数

を測定することができる。

このように、演算処理部１２は、測定部が測定した被検体Ｅの被検部位Ｘの測定結果を修正する。修正においては、演算処理部１２は、測定部が測定した最外周領域Ｇにある被測定領域ＭＡの光強度を利用して、光の伝播経路上にある被測定領域ＭＡの分光特性を図３に示す光検出器８から被検部位Ｘに向かうＷ方向に順次修正する。そして、演算処理部１２は、測定部が測定した被検部位Ｘの分光特性を、被検部位Ｘが光の伝播経路上にある全ての隣接する被測定領域（図３においては被測定領域ＭＡ_１乃至ＭＡ_３）の修正された分光特性に基づいて修正する。

これを画像生成部１３で、位置

において

、

をマッピングすることで、被検体Ｅ内部の吸収散乱特性を示す断層像を得ることができる。以上の処理を実行することで、分光特性を測定を行いながらリアルタイムで修正して表示装置１５に表示することができる。

各位置

における吸収特性

を複数の波長で測定して、被検部位Ｘの領域に対してランベルト・ベールの法則を適用する。被検体Ｅの主要な構成要素に対して、その構成要素の吸収特性で重みをフィッティングすることで成分分析を行うこともできる。例えば、生体内部の主要な構成要素である、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比率を算出し、それらの生体内部での分布を断層像として示すことができる。また、酸化・還元ヘモグロビンの比率からヘモグロビンの酸素飽和度などの代謝イメージを断層像として可視化してもよい。

また、本実施例では、被検体Ｅとマッチング材５の区別なく、被検部位Ｘを一断層面全域に配置させたが、被検体Ｅの内部のみに被検部位Ｘを設定して断層像を得てもよい。例えば、超音波発生器６からのエコー信号により、被検体Ｅとマッチング材５の境界を測定する。被検部位Ｘをその境界の内部に隣接するように設定し、ステップ１０２の測定を行う。これに対し、ステップ１０６における差分値の算出を、吸収散乱特性が既知であるマッチング材５を利用すれば、被検体Ｅの境界領域の

、

を算出できる。この測定結果を利用して、図４と同様のフローを用いて被検体内部の吸収散乱特性を算出することができる。また、本実施例では、被検体Ｅと測定容器４との間にマッチング材５を用いたが、マッチング材５を用いずに被検体Ｅを直接測定してもよい。

また、本実施例では、図５に示すように測定容器の外周を測定してから、その内側へと同心円状に測定を行ったが、図４のフローが成り立つ範囲で外周から中心まで測定を行ったのちに、偏角を変えて再び外周から中心まで測定を行うことを繰り返してもよい。

実施例２は、図１と同じ測定装置１００を使用する。実施例１では、測定を行いながら吸収散乱特性をリアルタイムで算出する。一方、実施例２は、測定をまず行って測定データを取得した後に、信号処理装置１０で吸収散乱特性の算出を行う。測定は実施例１と同様であるが、本実施例では測定の順番は限定されず、図２に示すように被測定領域ＭＡと被検部位Ｘが全面に設定されて、その測定値が存在していればよい。また、メモリ１４は、演算処理部１２が処理を開始する前に、測定部が測定した、全ての被測定領域ＭＡの光強度を格納する。

測定時においては、被検部位Ｘの位置

において測定された非変調光と変調光の強度

と

、及びそのときの光ファイバ３や光検出器８の配置などの測定条件をメモリ１４に格納する。データ解析時には、随時メモリ１４に蓄えたデータを読み出しながら、演算処理部１２で解析を行う。ここでは、メモリ１４からデータを読み出す順序を、実施例１で測定した順序と同じ順序にする。

図７は、本実施例の信号処理装置１０（又は演算処理部１２）による、被検体Ｅの一断面の断層像を得る動作を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップ２００で、メモリ１４から、被検部位Ｘの位置

において測定された、非変調光と変調光の信号強度

と

、及び測定条件を読み出す。測定容器４の内部の最外周領域Ｇのデータから読み出し、ステップ２０１の分岐でステップ２０２に移る。ステップ２０２では、実施例１と同様にして

、

を算出する。ステップ２０８を経由して、ステップ２００からステップ２０２までを繰り返して測定容器４の最外周領域Ｇの吸収散乱特性を算出する。次に被検部位Ｘの隣接した領域で測定したデータを円周方向に沿って読み出す。このときステップ２０１からステップ２０３に移る。ステップ２０３では、数式４を仮定している。

ステップ２０４で、数式４の仮定の下に、光入射点から被検部位Ｘの位置

、光検出器８を考慮して光子の伝播を計算する。この計算から、光検出器８で測定値として予想される非変調光、変調光の測定予想値

、

を求める。この計算は光拡散方程式を用いてもよいし、モンテカルロシミュレーションなどを用いてもよい。

ステップ２０５では、数式３のように、ステップ２００で読み出した測定値と、ステップ２０４で算出した測定予想値との差分をとる。ステップ２０６において、測定値と予想値との差分量から、数式４を仮定した吸収散乱特性からのズレ量

、

を算出する。ステップ２０７では、ステップ２０６で求めたズレ量を数式５式のように修正して、位置

における吸収散乱特性を算出する。以下、ステップ２０８において全測定データを読み出し、上述のフローで解析が終了するまで続ける。

図７に示したフローにおいても、測定容器４の内部において、位置

に応じた吸収散乱特性を算出することができる。これらを実施例１と同様に、位置座標に合わせてマッピングすることで測定対象物内部の吸収散乱特性の分布を断層像として容易に得ることができる。また、吸収特性から主要な構成要素の成分比率に分離してそれぞれに断層像を作成して可視化してもよい。また、本実施例においても、被検体Ｅと測定容器４との間のマッチング材５を用いずに、被検体Ｅを直接測定してもよい。

図８は、本発明の実施例３のＰＡＴ測定装置１００Ａのブロック図である。測定装置１００Ａは、被検体Ｅの組織内部の分光特性（吸収特性及び散乱特性）をＰＡＴを利用して測定し、測定部、光検出器８、遅延回路２３、信号処理装置２４、演算処理部２６、メモリ１４、表示装置１５を有する。なお、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して詳しい説明を省略する。測定部は、光源２０、光ファイバ２１、超音波検出器（超音波トランスデューサアレイ）２２を有する。

光源２０からパルス光を発生させ、パルス光は光ファイバ２１を経由し、被検体Ｅに入射する。被検体Ｅ内部で吸収されたエネルギーは熱に変換され、熱弾性過程により弾性波Ｎが誘起される。このとき、光源２０のパルス幅は応力緩和時間より短い、応力閉じ込め条件を満たすように設定する。パルス光の照射により、被検体Ｅ内部で発生した弾性波Ｎを、超音波検出器２２で検出する。予め集束領域が設定されていて、その設定に応じて遅延回路２３が動作して、ある局所的な被検部位Ｘからの音圧を検出する。検出された信号は信号処理装置２４に伝達される。信号処理装置２４の演算処理部２６は、非特許文献１に開示されているように、測定した音圧から、吸収特性と散乱特性及び実効的な光の減衰特性を算出することができる。

本実施例においても、被検体内部の表層近傍の最外周領域に被測定領域を設定して測定を行う。図９に示すように、被検部位Ｘまでの光の伝播は、これまでの測定において吸収散乱特性が既知の領域Ｋを伝播するので、光の減衰量を見積もることができる。従って、被検部位Ｘにおける光強度を高精度に推定することができ、この光強度と測定された音圧から、被検部位Ｘにおける局所的な分光特性を算出することができる。このように、ＰＡＴに本発明を適用した場合は、領域Ｋで得られている分光特性を利用して領域Ｕにある被検部位Ｘの光強度を高精度に見積もることができる。この帰納的測定によって、局所的な測定を被検体内部の全領域に対して実施して分光特性の内部分布を得ることができる。

図１０は、信号処理装置２４（又は演算処理部２６）の動作を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップ３００において、被検部位Ｘ及び被測定領域ＭＡを設定する。次に、ステップ３０１において、被検体Ｅに光を入射する入射位置を設定する。このとき、光の入射位置は、被検体Ｅの表面から被検部位Ｘまでの距離が短くなるように設定する。次に、ステップ３０２において、被測定領域ＭＡが最外周領域Ｇの場合はステップ３０３に移り、光を照射して超音波検出器２２で弾性波Ｎを検出して音圧を測定する。ステップ３０４では、以下に示すような手法を用いて、得られた音圧から分光特性を算出する。測定結果は随時メモリ１４に保存される。

ここで、光強度である光子のフルエンス率

は、吸収散乱媒質中の位置ｒ、時刻ｔにおいて次式で与えられる。

但し、

は光子のフルエンス率［光子数／（ｍｍ^２・ｓｅｃ）］、

は拡散係数［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、

は等価散乱係数［１／ｍｍ］、

は被検体内部の光速度［ｍｍ／ｓｅｃ］、

は吸収係数［１／ｍｍ］である。また、

は、光源の放射光子流密度［光子数／（ｍｍ^３・ｓｅｃ）］である。

一方、吸収散乱媒質中の位置ｒにおける弾性波の圧力

は一般的に以下の式で表される。

但し、

はグリュナイゼン係数（熱−音響変換効率）、

は位置ｒにおける吸収係数、

は位置ｒにおける光子のフルエンス率である。

ステップ３０４では、被検部位Ｘの吸収係数

及び等価散乱係数

を仮定してモンテカルロシミュレーションを用いて光強度を求め、音圧予想値を算出する。この信号予想値と測定値とが合致するように繰り返し計算を行って吸収係数

及び等価散乱係数

を推定する。モンテカルロシミュレーションの代わりに光拡散方程式を用いてもよい。

或いは、非特許文献１にあるように、別途被検体Ｅの表面拡散反射率

を測定する。被検体Ｅの表面直下（最外周領域Ｇ）における光強度

と被検体Ｅに入射する光源２０からの光強度

には以下の式で表される。

数式８より

を求め、これと数式７から吸収係数

を求める。次に、最外周領域Ｇの音圧の時間プロファイルを

でフィッティングして、光の実効的な減衰係数

を求める。フィッティングの範囲は音速から時間を距離に換算して、最外周領域Ｇに相当する範囲とすればよい。減衰係数

と吸収係数

、等価散乱係数

とは以下の関係で表される。

上で求めた吸収係数

と減衰係数

を用いて、数式９より等価散乱係数

を算出する。

若しくは、表面拡散反射率

と数式７で得られた吸収係数

を用いて、表面拡散反射率

と吸収係数

と等価散乱係数

について公知である以下の数式１０〜１３を利用して等価散乱係数

を算出してもよい。

但し、ｎは被検体Ｅの屈折率である。
以上のような手法を用いてステップ３０４では、被検体Ｅの最外周領域Ｇの吸収散乱特性（分光特性）を算出する。

ステップ３０２からステップ３０４までのフローを、被検体Ｅの最外周領域Ｇに対して測定が終了するまで繰り返す。最外周領域Ｇの測定が終了すると、ステップ３０５に移る。ステップ３０５では、実施例１と同様に被検部位Ｘの吸収散乱特性を仮定する。これと領域Ｋでの既知の分光特性を利用して、光入射位置から被検部位Ｘまでの光の減衰量を見積もり、被検部位Ｘにおける光強度を数式６を用いて算出する。更に数式７を用いて音圧予想値を求める。

次にステップ３０６で弾性波の音圧を測定する。ステップ３０５で得られた音圧予想値と、ステップ３０６で得られた音圧から、ステップ３０７において音圧の差分値を算出し、被検部位Ｘ又は被測定領域ＭＡにおける吸収散乱特性を実施例１で示した数式５のように修正して算出する。このように、測定済み領域Ｋの光の吸収散乱特性を利用して、帰納的に未測定領域Ｕの吸収散乱特性を算出することによって精度良く局所的な吸収散乱特性を求めることができる。

ステップ３０８で全測定領域に対して測定が終了するまで、前述のフローを繰り返す。全測定領域に対して測定が終了すると、画像形成部１３は、メモリ１４から結果を読み出し、局所的な位置情報と得られた吸収散乱特性とをマッピングすることで、被検体Ｅの吸収特性や散乱特性の断層像を取得し、これを表示装置１５に表示する。以上のフローを実行することで、計測を行いながら吸収散乱特性をリアルタイムで算出して表示装置１５に表示することができる。

本実施例においても、複数の波長を用いて得られた吸収特性から、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画像形成部１３及び表示装置１５が画像化することができる。

また、本実施例は、実施例１及び２のように、形状が固定されている測定容器４に被検体Ｅを収め、両者の間をマッチング材５で満たしているような測定系においても同様に適用できる。このとき、測定容器４の外側から同心円状に、また中心に向かって帰納的に本手法を実行してもよい。

また、実施例２のように、被検体Ｅの全領域において測定した結果をメモリ１４に随時保存し、測定終了後に、演算処理部２６において、測定データをメモリ１４から読み出して本手法を適用することも可能である。

実施例１乃至３の測定装置によれば、被検体Ｅの被検部位Ｘの分光特性を高精度かつ比較的簡単に（即ち、特許文献３のような再構成なしに）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。

本発明の実施例１の測定装置のブロック図である。図１に示す測定装置の測定容器の概略断面図である。図２の被検部位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測定領域を示す概略平面図である。図１に示す測定装置の信号処理装置の動作を説明するためのフローチャートである。図４に示すステップ１００及び１０１を説明する概略断面図である。図４に示すステップ１００及び１０１を説明する概略断面図である。実施例２の測定装置の信号処理装置の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の実施例３の測定装置のブロック図である。図８に示す光入射位置と被検部位との関係を示す概略断面図である。図８に示す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。

符号の説明

３、２１光ファイバ
８光検出器
１０信号処理装置
１２、２６演算処理部
１４メモリ
１００、１００Ａ測定装置

Claims

被検体内部の被検部位の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を、音響光学トモグラフィを利用して測定する測定装置において、
前記被検部位から光検出位置までの光の伝播経路上に前記被検部位とは別に設定された被測定領域の光強度を測定する測定部と、
前記測定部が測定した前記被検体の表層に最も近い最外周領域にある被測定領域の光強度を利用して、前記光の伝播経路上にある前記被測定領域及び前記被検部位の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を、前記最外周領域から前記被検部位に向かって順次修正する信号処理装置と、を有することを特徴とする測定装置。
前記被検体への光入射位置と前記光検出位置は、前記光入射位置から入射された前記光が前記被測定領域又は前記被検部位で反射された光を前記光検出位置で測定することができるように設定され、
前記被検体への光入射位置と前記光検出位置は移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記信号処理装置は、
隣接する２つの被測定領域の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方が等しいと仮定し、
前記隣接する２つの被測定領域のうち前記最外周領域側にある一方の測定結果に基づいて予想された前記隣接する２つの被測定領域のうち前記被検部位側にある他方の光強度と、前記他方の光強度の実測値との差を求め、
前記差に対応したズレ量により前記他方の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を修正することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記信号処理装置が処理を開始する前に、前記測定部が測定した、被検部位と全ての被測定領域の光強度を格納するメモリを更に有することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
被検体内部の被検部位の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を光音響トモグラフィを利用して測定する測定装置において、
光入射位置から前記被検部位までの光の伝播経路上に前記被検部位とは別に設定された被測定領域の音圧を測定する測定部と、
前記測定部が測定した前記被検体の表層に最も近い最外周領域にある被測定領域の音圧を利用して、前記光の伝播経路上にある前記被測定領域及び被検部位の吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を前記最外周領域から前記被検部位に向かって順次修正する信号処理装置と、を有することを特徴とする測定装置。
前記信号処理装置は、前記測定部が測定した前記被測定領域の音圧から前記被検部位における前記光の強度を算出し、前記測定部が測定した前記被検部位の音圧と前記算出された光強度から、前記被検部位における吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
前記被測定領域は前記被検体の内部の全体に設定されることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の測定装置。
前記信号処理装置は、前記吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方若しくは当該吸収特性と散乱特性のうち少なくとも一方の吸収に寄与した構成要素の濃度及び成分比率を前記被検部位又は前記被測定領域の位置座標と対応づけることによって前記被検体の三次元的な断層像を形成し、
前記測定装置は、前記三次元的な断層像を表示する表示装置を更に有することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の測定装置。