JP6351365B2

JP6351365B2 - 光音響装置、情報処理方法、プログラム

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Description

本発明は、光音響効果を利用して被検体情報を取得する光音響装置に関する。

レーザーなどの光源から生体などの被検体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる被検体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、ＰｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃＩｍａｇｉｎｇ（ＰＡＩ：光音響イメージング）がある。光音響イメージングでは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝搬・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した被検体組織から発生した音響波（典型的には超音波）を受信し、その受信信号に基づき被検体情報をイメージング（画像化）する。

すなわち、腫瘍などの対象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に発生する弾性波（光音響波）を探触子で受信する。この受信信号を数学的に解析処理することにより、被検体内の情報、特に、初期音圧分布、光エネルギー吸収密度分布あるいは吸収係数分布などを得ることができる。これらの情報は、被検体内の特定物質、例えば、血液中の酸素飽和度などの定量的計測にも利用できる。近年、この光音響イメージングを用いて、小動物の血管像をイメージングする前臨床研究や、この原理を乳がんなどの診断に応用する臨床研究が積極的に進められている（非特許文献１）。

特許文献１には、胸部組織に電磁波が照射され、電磁波の照射により発生した光音響波を探触子が受信して受信信号を出力し、受信信号はメモリに保存されることが記載されている。また、特許文献１には、保存された受信信号のデータを用いて胸部組織の画像を形成することが記載されている。

米国特許第５７１３３５６号明細書

"ＰｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＩｎＶｉｖｏＩｍａｇｉｎｇＦｒｏｍＯｒｇａｎｅｌｌｅｓｔｏＯｒｇａｎｓ"，ＬｉｈｏｎｇＶ．ＷａｎｇＳｏｎｇＨｕ，Ｓｃｉｅｎｃｅ３３５，１４５８（２０１２）

ところで、特許文献１に記載されたような装置においては、トランスデューサから出力された受信信号をメモリに保存する必要がある。一方、メモリに保存される受信信号のデータ量を低減することが望まれている。

そこで本発明は、メモリに保存する受信信号のデータ量を低減することのできる光音響装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光音響装置は、光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、信号データ取得部に保存された受信信号データに基づいて、被検体情報を取得する情報取得部と、を有し、信号データ取得部は、入力部を介してユーザーによって入力された特定の位置に関する情報に基づいて、特定の位置から被検体の表面までの距離に基づいてサンプリング周波数を決定し、時系列の受信信号をサンプリング周波数でサンプリングすることにより受信信号データを生成し、保存する。

本発明に係る光音響装置によれば、メモリに保存する受信信号のデータ量を低減することができる。

本実施形態に係る光音響装置の構成を表す図本実施形態に係るコンピュータとその他の構成との接続を表す図本実施形態に係るサンプリング周波数の決定方法を説明するための図本実施形態に係る光音響装置の作動フローを表す図本実施形態に係るコンピュータの詳細を表す図本実施形態に係るサンプリング周波数の一例を表す図本実施形態に係るサンプリングシーケンスを表す図

以下に図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状及びそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

例えば、光音響イメージングでは、光音響イメージングにおいて高画質な画像を得るためには、高画質化に大きく寄与する光音響波の受信信号から被検体情報の画像を生成することが有効である。

しかしながら、特許文献１に記載された光音響波の受信において、高画質化に大きく寄与しない光音響波についても受信している可能性がある。例えば、高画質化に大きく寄与しない光音響波としては、被検体内で発生した光音響波のうち、被検体内を伝搬中に大きく減衰した周波数成分の光音響波が挙げられる。このように大きく減衰した周波数成分の光音響波の受信信号を用いたとしても、被検体情報の高画質化には大きく寄与しない。典型的に光音響波に含まれる低周波成分に比べて高周波成分の方が大きく減衰しやすいため、被検体情報の高画質化に寄与しにくい。そして、このように高画質化に大きく寄与しない受信信号についてもメモリに保存することは、メモリ容量を大きくする要因となる。

一方、被検体内で発生した光音響波のうち、被検体内を伝搬による減衰が小さい周波数成分については高画質化に大きく寄与する成分であるため、メモリに保存する意義は大きい。典型的に光音響波に含まれる高周波成分に比べて低周波成分の方が、減衰が小さいため被検体情報の高画質化に寄与しやすい。

そこで、本発明では、高画質化に大きく寄与しない周波数成分の光音響波の受信信号のデータ量を選択的に低減できる光音響装置を提供することを目的とする。

なお、本明細書においてトランスデューサが光音響波を受信して出力した電気信号のうち、信号データ取得部の最後段のメモリに保存されるまでの信号を「受信信号」とする。また、信号データ取得部の最後段のメモリに記憶された後の信号データを「受信信号データ」とする。

光源より発せられたパルス光が被検体の表面から深部まで到達して発生した光音響波は、被検体の内部を伝搬した後、音響波受信素子へ到達する。被検体内で発生した光音響波は、被検体内を周波数依存性減衰（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｐｅｎｄｅｎｔａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｋｏｒｏｎ：ＦＤＡ）の影響を受けながら伝搬する。例えば、正常な***での周波数依存性減衰は、０．７５ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ程度であり、高周波の光音響波ほど生体を伝搬する間に大きく減衰する。一方、水やゲルなどから構成される音響マッチング材のＦＤＡは、生体と比べて無視できるほどに小さいため、本実施形態では音響マッチング材内での音響波の減衰は無視して説明する。

それゆえ、典型的に、光音響波が被検体内を伝搬する距離が長くなればなるほど、光音響波の減衰の影響により被検体の高周波成分は低周波成分と比べて大きく減衰する。すなわち、光音響波が被検体内を伝搬する距離が長くなればなるほど、音響波受信素子が受信する光音響波の周波数帯域特性は低周波成分が支配的となる。そして、音響波の減衰に伴い信号強度が低下した高周波成分の受信信号は、被検体内の高画質化には大きく寄与しない受信信号となる。そのため、この場合、高周波成分に光音響波に対応する受信信号を用いずに画像化したとしても被検体内の低画質化を招く可能性は少ない。

そこで、本実施形態では、音響波に支配的に含まれる低周波成分の音響波を選択的にサンプリングできるサンプリング周波数を設定する。これにより、高周波成分の音響波に対応する受信信号のデータ量を低減することができる。

以下、本実施形態に係る光音響装置について説明する。図１は、本実施形態に係る光音響装置の概略図を示す。

図１に示す光音響装置は、光音響効果により発生した光音響波の受信信号に基づいて被検体Ｅの情報（被検体情報）を取得する装置である。

本実施形態に係る光音響装置により得られる被検体情報としては、光音響波の初期音圧分布、光エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布、および被検体を構成する物質の濃度分布などがある。物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。

＜基本構成＞
本実施例における光音響装置は、光源１００、光学系２００、複数の音響波受信素子３００、支持体４００、移動部としてのスキャナー５００から構成される。さらに、本実施例における光音響装置は、撮像装置６００、コンピュータ７００、表示部としてのディスプレイ９００、入力部１０００、形状保持部１１００から構成されている。また、コンピュータ７００は、信号データ取得部７１０、情報取得部７２０、制御部７３０、および記憶部７４０を備えている。

以下、光音響装置の各構成および測定に用いる構成について説明する。

（被検体）
被検体Ｅは測定の対象となるものである。具体例としては、***等の生体や、装置の調整などにおいては生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。音響特性とは具体的には音響波の伝搬速度および減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数および散乱係数である。被検体としての生体内の光吸収体としてはヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが挙げられる。ファントムでは、光学特性を模擬した物質を光吸収体として内部に封入する。なお、便宜上、図１において被検体Ｅは点線で示している。

（光源）
光源１００はパルス光を発生させる装置である。光源としては大出力を得るため、レーザーが望ましいが、発光ダイオードなどでもよい。光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間に光を照射させなければならない。被検体が生体の場合、光源１００から発生するパルス光のパルス幅は数十ナノ秒以下にすることが望ましい。また、パルス光の波長は生体の窓と呼ばれる近赤外領域であり、７００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度が望ましい。この領域の光は比較的生体深部まで到達することができ、深部の情報を得ることができる。生体表面部の測定に限定すれば、５００〜７００ｎｍ程度の可視光から近赤外領域も使用してもよい。さらに、パルス光の波長は観測対象に対して吸収係数が高いことが望ましい。

（光学系）
光学系２００は、光源１００で発生させたパルス光を被検体Ｅへ導く装置である。具体的にはレンズ、ミラー、プリズム、光ファイバー、拡散板、などの光学機器である。また光を導く際に、これらの光学機器を用いて、所望の光分布となるように形状や光密度を変更することもある。光学機器はここにあげたものだけに限定されず、このような機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。本実施形態において光学系２００は、半球の曲率中心の領域を照明するように構成されている。

また、生体組織に照射することが許される光の強度は、以下に示す安全規格によって最大許容露光量（ＭＰＥ：ｍａｘｉｍｕｍｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅｅｘｐｏｓｕｒｅ）が定められている。（ＩＥＣ６０８２５−１：Ｓａｆｅｔｙｏｆｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｔｓ、ＪＩＳＣ６８０２：レーザー製品の安全基準、ＦＤＡ：２１ＣＦＲＰａｒｔ１０４０．１０、ＡＮＳＩＺ１３６．１：ＬａｓｅｒＳａｆｅｔｙＳｔａｎｄａｒｄｓ、など）。最大許容露光量は、単位面積あたりに照射することができる光の強度を規定している。このため被検体Ｅの表面を広い面積で一括して光を照射することにより、多くの光を被検体Ｅに導くことができるので、光音響波を高いＳＮ比で受信することができる。このため光をレンズで集光させることにより、図１の破線で示す様に、ある程度の面積に広げる方が好ましい。

（音響波受信素子）
音響波受信素子３００は、光音響波を受信して電気信号に変換する素子である。被検体Ｅからの光音響波に対して、受信感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。

音響波受信素子３００を構成する部材としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック材料や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。また、圧電素子以外の素子を用いても良い。例えば、ｃＭＵＴ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＭｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）などの静電容量型の素子、ファブリペロー干渉計を用いた音響波受信素子、などを用いることができる。

典型的に音響波受信素子の受信感度特性は、受信面の法線方向から入射する場合の受信感度が最も高く、入射角度が大きくなるほど受信感度が低くなる。なお、受信感度の最大値をＳに対して最大値の半分Ｓ／２になるときの入射角度がαとすると、本実施例においては、音響波受信素子３００の受信面に入射角度α以下で光音響波が入射する領域を高感度に受信可能な受信領域とする。図１において、音響波受信素子３００の最も受信感度の高い方向を一点鎖線で示した。以下、本明細書において、最も受信感度が高い方向に沿った軸を「指向軸」とも呼ぶ。

（支持体）
支持体４００は、略半球形状の容器であり、半球の内側の面に音響波受信素子３００を複数支持している。また、半球形状の支持体４００の底部（極）には光学系２００が設置されている。また、半球の内側には、後述する音響マッチング材１３００が充填される。本実施形態において、複数の音響波受信素子３００は、図１で示した通り半球面形状に沿って配置される。点Ｘは半球面形状の支持体４００の曲率中心点を示している。支持体４００は、複数の音響波受信素子３００の指向軸が集まるように複数の音響波受信素子３００を支持している。

複数の音響波受信素子３００の指向軸を半球面形状の曲率中心点Ｘ付近へ集めることで、曲率中心点Ｘを中心に高精度に可視化可能な領域Ｇが形成される。本明細書において、このように高精度に可視化可能な領域Ｇを高感度領域と呼ぶ。なお、後述するスキャナー５００により被検体Ｅに対して支持体４００を移動させることで、高感度領域Ｇが移動されて広い範囲の被検体情報を高精度に可視化することができる。

高感度領域Ｇは、最高分解能Ｒ_Ｈを得る曲率中心点Ｘを中心とした、式（１）で示す半径ｒを有する略球形状の領域として考えることができる。

ここで、Ｒは高感度領域Ｇの下限分解能、Ｒ_Ｈは最高分解能、ｒ_０は半球形状の支持体４００の半径、φ_ｄは音響波受信素子３００の直径である。Ｒはたとえば、上述の通り曲率中心点Ｘで得る最高分解能の半分の分解能とすればよい。

高感度領域Ｇが探触子の曲率中心点Ｘを中心とした略球形状で形成される場合、その形状と探触子（すなわち曲率中心点Ｘ）の位置から、探触子の２次元走査上の各位置での高感度領域Ｇの範囲を式（１）に従って推定することができる。

なお、本発明において、複数の音響波受信素子３００の配置は図１のような半球形状の例に限定されない。複数の音響波受信素子３００の指向軸が集まり、所定の高感度領域を形成できる配置であればよい。すなわち、所定の高感度領域Ｇが形成されるように、所定の領域にするよう曲面形状に沿って複数の音響波受信素子が配置されればよい。さらに、本明細書において曲面とは、真球形状や半球面等の開口がある球面を含む。また、球面と見なせる程度の表面上の凹凸がある面や、球面と見なせる程度の楕円体（楕円を三次元へ拡張した形であり、表面が二次曲面からなる形）上の面も含む。

また、球を任意の断面で切った形状の支持体に沿って複数の音響波受信素子を配置する場合、その支持体の形状の曲率中心に指向軸が最も集まる。本実施形態で説明する半球形状の支持体４００も、球を任意の断面で切った形状の支持体の一例である。本明細書において、このように球を任意の断面で切った形状のことを球に基づく形状と呼ぶ。また、このように球に基づく形状の支持体に支持される複数の音響波受信素子は、球面上に支持されることとなる。

また、支持体４００の底面には、光を導光するための照射光としての光学系２００が備えられている。

なお、所望の高感度領域を形成できる限り、必ずしも各音響波受信素子の指向軸が交わらなくてもよい。また、特定の領域で発生した光音響波を高感度に受信できるように、支持体４００により支持された複数の音響波受信素子３００の少なくとも一部の素子の指向軸が特定の領域に集まっていればよい。すなわち、複数の音響波受信素子３００の少なくとも一部の素子が高感度領域で発生する光音響波を高感度に受信することができるように支持体４００上に配置されていればよい。

また、支持体４００は、機械的強度が高い金属材料などを用いて構成することが好ましい。

（スキャナー）
スキャナー５００は、支持体４００の位置を図１のＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動することにより、被検体Ｅに対する支持体４００の相対位置を変更する装置である。このためスキャナー５００は、不図示のＸ、Ｙ、Ｚ方向のガイド機構と、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の駆動機構と、支持体４００のＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置を受信する位置センサを備えている。図１に示すように、スキャナー５００の上に支持体４００が積載されるため、ガイド機構は大きな荷重に耐えることが可能なリニアガイドなどを用いることが好ましい。また、駆動機構としては、リードスクリュー機構、リンク機構、ギア機構、油圧機構、などを用いることができる。駆動力はモーターなどを用いることができる。また、位置センサとしては、エンコーダー、可変抵抗器、などを用いたポテンショメータなどを用いることができる。

なお、本発明においては、被検体Ｅと支持体４００との相対的な位置が変わればよいため、支持体４００を固定し、被検体Ｅを移動させてもよい。被検体Ｅを移動させる場合は、被検体Ｅを支持する支持部（不図示）を動かすことで被検体Ｅを移動させる構成が考えられる。さらに、被検体Ｅと支持体４００の両方を移動させてもよい。

また、スキャナー５００は被検体Ｅと支持体４００との相対位置を三次元的に変更させるものに限らず、一次元または二次元的に変更させてもよい。

また、移動は連続的に行うのが望ましいが、一定のステップで繰り返しても良い。スキャナー５００は、電動ステージであることが望ましいが、手動ステージでも良い。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、被検体Ｅと支持体４００のうち少なくとも一方を移動可能に構成させているものであれば、どのようなものであってもよい。

（撮像装置）
撮像装置６００は、被検体Ｅの画像データを生成し、生成した画像データをコンピュータ７００に出力する。撮像装置６００は、撮像素子６１０および画像生成部６２０を有する。画像生成部６２０は、撮像素子６１０から出力された信号を解析することにより被検体Ｅの画像データを生成し、生成した画像データをコンピュータ７００内の記憶部７４０に記憶する。

例えば、撮像素子６１０には、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサなどの光学撮像素子を採用することができる。また、撮像素子６１０には、ピエゾ素子やＣＭＵＴなどの音響波を送受信する音響撮像素子などを採用することができる。なお、複数の音響波受信素子３００の一部の素子を撮像素子６１０として採用してもよい。また、画像生成部６２０が撮像素子６１０から出力された信号に基づいて被検体の画像を生成できる限り、撮像素子にはいかなる素子を採用してもよい。

また、画像生成部６２０は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、またはＡ／Ｄ変換器などの素子や、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣなどの回路から構成される。なお、コンピュータ７００が画像生成部６２０の機能を兼ねることできる。すなわち、コンピュータ７００内の演算部を画像生成部６２０として用いることができる。

なお、撮像装置６００は光音響装置とは別に提供されてもよい。

（コンピュータ）
コンピュータ７００は、信号データ取得部７１０、情報取得部７２０、制御部７３０、および記憶部７４０を有している。

信号データ取得部７１０は、複数の音響波受信素子３００から出力された時系列の受信信号をデジタル信号に変換し、受信信号データとして保存する。

情報取得部７２０は、信号データ取得部７１０が保存した受信信号データに基づいて被検体情報を生成する。なお、受信信号データは時系列の信号データであり、被検体情報は空間的な２次元データまたは３次元データである。空間的な２次元データをピクセルデータ、空間的な３次元データをボクセルデータまたはボリュームデータとも呼ぶ。

例えば、被検体情報を取得するための画像再構成アルゴリズムとしては、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用いられる。なお、再構成の時間に多くを有することが可能な場合は、繰り返し処理による逆問題解析法などの画像再構成手法を用いることもできる。

制御部７３０は、図２に示すようにバス２０００を介して光音響装置を構成する各構成の作動を制御することができる。制御部７３０は、典型的にはＣＰＵによって構成される。なお、制御部７３０が記憶部７４０に格納された作動制御を行うためのプログラムを読み出すことにより光音響装置の作動制御は実行される。なお、プログラムが保存される記憶部７４０は、非一時的な記録媒体である。

信号データ取得部７１０および情報取得部７２０のそれぞれは、演算部および記憶部を含む。演算部は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、またはＡＤ変換器などの演算素子や、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣなどの演算回路から構成される。なお、演算部は、１つの素子や回路から構成されるだけではなく、複数の素子や回路から構成されていてもよい。また、本発明に係る各処理をいずれの素子や回路が実行してもよい。記憶部は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、またはハードディスクなどの記憶媒体から構成される。なお、記憶素子は、１つの記憶媒体から構成されるだけでなく、複数の記憶媒体から構成されていてもよい。

なお、本明細書では便宜上、信号データ取得部７１０、情報取得部７２０、制御部７３０、および記憶部７４０を異なる構成として説明するが、共通の素子がそれぞれの構成の機能を達成してもよい。例えば、ある演算部が信号データ取得部７１０、情報取得部７２０、および制御部７３０が行う演算処理を行ってもよい。

また、コンピュータ７００は、同時に複数の信号をパイプライン処理できるように構成されていることが好ましい。これにより、被検体情報を取得するまでの時間を短縮することができる。

（音響マッチング材）
音響マッチング材１３００は、被検体Ｅと音響波受信素子３００との間の空間を満たし、被検体Ｅと音響波受信素子３００を音響的に結合させるためのものである。本実施形態では、形状保持部１１００と被検体Ｅとの間にも音響マッチング材１３００を満たしている。

なお、音響波受信素子３００と形状保持部１１００との間にも音響マッチング材１３００を満たすことができる。また、音響波受信素子３００と形状保持部１１００との間、および形状保持部１１００と被検体Ｅとの間にそれぞれ異なる材料の音響マッチング材を満たしてもよい。

なお、音響マッチング材１３００は、その内部で光音響波が減衰しにくい材料であることが好ましい。音響マッチング材１３００は、被検体Ｅおよび音響波受信素子３００に音響インピーダンスが近い材料であることが好ましい。また、音響マッチング材１３００は、被検体Ｅおよび音響波受信素子３００の中間の音響インピーダンスを有する材料であることがより好ましい。また、音響マッチング材１３００は、光源１００で発生するパルス光を透過する材料であることが好ましい。また、音響マッチング材１３００は液体であることが好ましい。具体的に音響マッチング材１３００としては、水、ひまし油、ジェルなどを用いることができる。

なお、音響マッチング材１３００は、本発明の光音響装置とは別に提供されていてもよい。

（ディスプレイ）
ディスプレイ９００は、コンピュータ７００から出力される被検体情報を分布画像や数値データなどで表示する装置である。典型的には液晶ディスプレイなどが利用されるがプラズマディスプレイや有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤなど他の方式のディスプレイでもよい。なお、ディスプレイ９００は、本発明の光音響装置とは別に提供されていてもよい。

（入力部）
入力部１０００は、ユーザーがコンピュータ７００に所望の情報を入力するために所望の情報を指定できるように構成された部材である。入力部１０００としては、キーボード、マウス、タッチパネル、ダイヤル、およびボタンなどを用いることができる。入力部１０００としてタッチパネルを採用する場合、ディスプレイ９００が入力部１０００を兼ねるタッチパネルであってもよい。なお、入力部１０００は、本発明の光音響装置とは別に提供されていてもよい。

（形状保持部）
形状保持部１１００は、被検体Ｅの形状を一定に保つための部材である。形状保持部１１００は、取り付け部１２００に取り付けられている。なお、被検体Ｅを複数の形状にそれぞれ保持するために複数の形状保持部を用いる場合、取り付け部１２００は複数の形状保持部を取り付け可能に構成されていることが好ましい。

形状保持部１１００を介して被検体Ｅに光を照射する場合、形状保持部１１００は照射光に対して透明であることが好ましい。例えば、形状保持部１１００の材料としては、ポリメチルペンテンやポリエチレンテレフタラートなどを用いることができる。

また、被検体Ｅが***である場合、***形状の変形を少なくして形状を一定に保持するために、形状保持部１１００の形状は球をある断面で切った形状であることが好ましい。なお、被検体の体積や保持後の所望の形状に応じて、形状保持部１１００の形状を適宜設計することができる。形状保持部１１００が被検体Ｅの外形にフィットし、被検体Ｅの形状が形状保持部１１００の形状とほぼ同様になるように構成されていることが好ましい。なお、光音響装置は、形状保持部１１００を用いることなく、測定を行ってもよい。

＜サンプリング周波数の決定方法の一例＞
次に本実施形態において高い強度で受信することのできる周波数成分の受信信号を選択的に保存するためのサンプリング周波数の決定方法の一例を説明する。

図３に示すように配置された複数の音響波受信素子３００を用いる場合、各素子の指向が集まる支持体の曲率中心Ｘ（高感度領域の中心点）で発生する光音響波を高感度に受信することができる。一方、複数の音響波受信素子３００の各々から曲率中心Ｘ方向を見たときの、被検体表面から曲率中心Ｘまでの距離は異なる。この場合、音響波受信素子３００−Ｎ（Ｎ＝１〜８）から見た、曲率中心Ｘの被検体表面からの距離ＬＮ＿ａ（Ｎ＝１〜８）は、点ＡＮ（Ｎ＝１〜８）と曲率中心Ｘを結ぶ線分の長さに相当する部分とする。例えば、音響波受信素子３００−１から見た、曲率中心Ｘの被検体表面からの距離Ｌ１は、点Ａ１と曲率中心Ｘを結ぶ線分の長さに相当する部分となる。例えば、図３の場合、音響波受信素子３００−Ｎ（Ｎ＝１〜８）から見た、曲率中心Ｘの被検体表面からの距離ＬＮ＿ａ（Ｎ＝１〜８）は、Ｎ＝１からＮ＝８に向かうに従って長くなっている。この場合、Ｎが大きい音響波受信素子３００−Ｎに到達する曲率中心Ｘで発生した光音響波ほど大きく減衰される。特に光音響波に含まれる高周波成分については、Ｎが小さい音響波受信素子３００−Ｎに到達するものよりもＮが大きい音響波受信素子３００−Ｎに到達するものの方がより大きく減衰される。

そこで、本工程では、高周波成分の減衰が大きく低周波成分が支配的な光音響波を受信する音響波受信素子と、高周波成分の減衰の小さい光音響波を受信する音響波受信素子とで、サンプリング周波数を変化させる。例えば、高周波成分の減衰の大きい光音響波を受信する音響波受信素子３００−８におけるサンプリング周波数を、高周波成分の減衰の小さい光音響波を受信する音響波受信素子３００−１におけるサンプリング周波数よりも低くする。音響波受信素子３００−８においては、サンプリング周波数を低くしたことにより高周波成分の光音響波については忠実にサンプリングされず、低周波成分の光音響波について選択的にサンプリングされることとなる。一方で、サンプリング周波数を低くしたことにより、音響波受信素子３００−８に対応する受信信号データのデータ量は、音響波受信素子３００−１に対応する受信信号データのデータ量よりも小さくなる。ところが、音響波受信素子３００−８に到達する高周波成分の光音響波は減衰により信号強度が低下しており、被検体Ｅ内の高画質化には大きく寄与しないデータである。そのため、このような光音響波を忠実にサンプリングできなかったことにより、被検体内の低画質化を招く可能性は少ない。

そこで、図５に示すサンプリング周波数決定部７１１は、Ｓ２００で設定された測定位置に基づく情報に基づいて、以上のようにサンプリング周波数を設定することにより、音響波受信素子に高い強度で到達した周波数成分を選択的に保存することができる。

ある周波数ｆ［ＭＨｚ］の光音響波が、ＦＤＡがα［ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ］の被検体内を深さＬ［ｃｍ］だけ伝搬したときの減衰量ΔＩ［ｄＢ］は式（２）で表わされる。
ΔＩ＝α・Ｌ・ｆ・・・式（２）
ここで、光音響波の発生時の音圧から高画質化に大きく寄与するＳ／Ｎを下回るときの許容減衰量をΔＩ’とすると、式（３）に示す周波数ｆより高い周波数の光音響波の受信信号については、高画質化に大きく寄与しない周波数成分となる可能性がある。

そこで、サンプリング周波数決定部７１１は、式（３）によって決定される周波数ｆを十分サンプリングできるサンプリング周波数で時系列の受信信号をサンプリングすることにより、周波数ｆ以下の周波数成分については十分サンプリングすることができる。すなわち、サンプリング周波数決定部７１１は、特定の位置で発生した光音響波の周波数成分のうち、減衰量が許容減衰量以下の周波数成分をサンプリングすることのできるサンプリング周波数を決定する。また、サンプリング周波数決定部７１１は、特定の位置で発生した光音響波の周波数成分のうち、減衰量が許容減衰量よりも大きい周波数成分をサンプリングすることのできないサンプリング周波数を決定する。これにより、高画質化に大きく寄与する周波数成分については十分なサンプリング周波数でサンプリングし、高画質化に大きく寄与しない周波数成分については忠実にサンプリングせずにデータ量を低減することができる。

例えば、光音響波の発生時の音圧から１０ｄＢ以上減衰する場合に高画質化に大きく寄与しないＳ／ＮとなるとしてΔＩ’を設定することが好ましい。なお、ΔＩ’を小さい値に設定すると、高画質化に大きく寄与する周波数成分についても忠実にサンプリングできなくなってしまう可能性があるため、ΔＩ’は５ｄＢ以上とすることが好ましい。すなわち、ΔＩ’は５ｄＢ以上、１０ｄＢ以下に設定することが好ましい。また、ΔＩ’は、音響波受信素子の最小受信音圧によって適宜設定することができる。また、ユーザーは入力部１０００を用いてΔＩ’の値を入力し、設定することができる。

また、ＦＤＡは被検体の種類に合わせて入力部１０００により適宜設定することができる。あるいは、被検体の種類が予め分かっている場合、記憶部７４０としてのＲＯＭ７４１に予めＦＤＡの値を格納しておくことができる。

なお、音響波の減衰として球面波伝播、円筒波伝播等によるエネルギー散逸による距離依存の減衰も考慮してサンプリング周波数は決定されてもよい。

サンプリング周波数は、サンプリング定理にしたがって式（３）で決定される周波数を十分にサンプリングできるように設定されることが好ましい。例えば、典型的にサンプリング周波数は、サンプリングの定理にしたがって、式（３）によって決定される周波数ｆの２倍以上とすることが好ましい。

ただし、サンプリング周波数が高くなるにつれて受信信号データのデータ量は多くなるため、限りなくサンプリング周波数を高くすることは好ましくない。そこで、本発明者が鋭意検討した結果、光音響装置においては、周波数ｆの１０倍以上となるとデータの再現性の向上に大きく寄与しないことがわかった。また、周波数ｆの４倍程度で周波数ｆの成分を十分にサンプリングできることがわかった。そのため、サンプリング周波数は周波数ｆの１０倍以下とすることが好ましい。また、受信信号のデータ量を少なくするために、サンプリング周波数は周波数ｆの４倍以下とすることが好ましい。

すなわち、サンプリング周波数は、周波数ｆの２倍以上、１０倍以下とすることが好ましい。さらに、受信信号のデータ量を少なくするために、サンプリング周波数は、周波数ｆの２倍以上、４倍以下とすることが好ましい。

以上のように各音響波受信素子のサンプリング周波数を設定することにより、高い強度で各音響波受信素子に到達する周波数成分の受信信号のデータを選択的に取得することができる。一方、減衰により強度の小さくなった周波数成分の受信信号のデータ量を低減することができる。このように各音響波受信素子に到達する光音響波の周波数成分に応じて、各音響波受信素子に個別にサンプリング周波数を設定することができる。

＜光音響装置の作動＞
次に図４に示すフローを用いて、被検体の形状情報に基づいて被検体内で発生した光音響波を選択的にメモリに保存する方法について説明する。

（Ｓ１００：被検体の形状情報を取得する工程）
まず、形状保持部１１００に被検体Ｅが挿入され、支持体４００と形状保持部１１００との間、および形状保持部１１００と被検体Ｅとの間に音響マッチング材１３００が満たされる。

続いて、信号データ取得部７１０内のサンプリング周波数決定部７１１は、被検体Ｅの形状に基づく情報を取得する。本発明において「被検体の形状に基づく情報」とは、被検体Ｅの表面の位置座標の情報または形状保持部１１００の種類の情報のことを指す。また、「被検体Ｅの形状に基づく情報を取得する」とは、サンプリング周波数決定部７１１が被検体の形状に基づく情報を受け取ることを指す。

以下、サンプリング周波数決定部７１１が被検体の形状に基づく情報を取得する方法を説明する。

まず、画像処理部７１５は、撮像装置６００により取得された被検体Ｅの画像データをＲＯＭ７４１から読み出す。続いて、画像処理部７１５が被検体Ｅの画像データに基づいて被検体Ｅの表面の座標情報を算出し、サンプリング周波数決定部７１１に出力する。例えば、画像処理部７１５が、複数の画像データを基にステレオ法などの三次元計測技術を用いて被検体Ｅの表面の座標情報を算出してもよい。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、画像処理部７１５から出力された被検体Ｅの表面の位置座標の情報を受け取り、被検体の形状情報として取得することができる。

あるいは、予め分かっている形状保持部１１００の表面の位置座標の情報をＲＯＭ７４１に格納しておくことができる。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、ＲＯＭ７４１から形状保持部１１００の表面の位置座標の情報を読み出し、被検体Ｅの表面の位置座標の情報として取得することができる。

あるいは、取り付け部１２００に取り付けられた形状保持部の種類を検知し、コンピュータ７００に形状保持部の種類の情報を出力する検知部１４００を設けることができる。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、検知部１４００から出力された形状保持部の種類の情報を受け取り、被検体の形状に基づく情報として取得することができる。例えば、検知部１４００は、形状保持部に搭載された形状保持部の種類を表すＩＤチップを読み取るリーダーを採用することができる。これにより、計算をおこなうことなく、被検体の形状に基づく情報を取得することができる。

あるいは、ユーザーが入力部１０００を用いて使用する形状保持部の種類を入力することにより、入力部１０００は入力された情報をサンプリング周波数決定部７１１に出力する。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、入力部１０００から出力された形状保持部の種類の情報を受け取り、被検体の形状に基づく情報として取得することができる。これにより、計算をおこなうことなく、被検体の形状に基づく情報を取得することができる。

また、形状保持部の種類が変わることなく、装置の仕様上、形状保持部のサイズが変わることが想定されていない場合、サンプリング周波数決定部７１１が使用する被検体の形状に基づく情報は一定であってもよい。

なお、光音響装置が複数回の測定を行う場合、先に本工程を行って得られた被検体の形状に基づく情報を後の測定に援用してもよい。また、光音響装置が複数回の測定を行う場合、本工程を測定毎に本工程を行うことや数回の測定毎に本工程を行うことなど、任意のタイミングで本工程を行うことができる。

測定毎に本工程をおこなうことにより、測定間で被検体の形状が変化してしまった場合であっても、その都度正確な被検体の形状に基づく情報に基づいて後の工程を行うことができる。

なお、後述する工程で被検体の形状に基づく情報を用いない場合、本工程をおこなう必要はない。

（Ｓ２００：複数の測定位置を設定する工程）
続いて、制御部７３０としてのＣＰＵ７３１が、複数の測定位置を設定し、設定された複数の測定位置の情報をＲＯＭ７４１に格納する。後述するＳ３００の工程において、支持体４００が設定された複数の測定位置に位置するときに被検体Ｅに光が照射される。すなわち、複数の測定位置の情報は、複数の光照射タイミングにおける支持体４００の位置の情報に相当する。以下、「測定位置」は光照射時の支持体４００の位置のことを指す。

なお、ＣＰＵ７３１は、高感度領域Ｇが被検体Ｅの内側に形成されるときに光を照射するように複数の測定位置を設定することが好ましい。そこで、ＣＰＵ７３１は、Ｓ１００で取得した被検体Ｅの形状情報に基づいて高感度領域Ｇが被検体Ｅの内側に形成されるときに光を照射するように複数の測定位置を設定することができる。ところで、高感度領域Ｇの位置や大きさは支持体４００上の複数の音響波受信素子３００の配置から予め計算され、ＲＯＭ７４１に格納しておくことができる。そこで、ＣＰＵ７３１は、被検体Ｅの表面の位置座標情報とＲＯＭ７４１に格納された高感度領域Ｇの位置および大きさとに基づき、複数の測定位置を設定できる。特にＣＰＵ７３１は、これらの情報に基づいて高感度領域Ｇが被検体Ｅの内側に形成されるときに光を照射するように複数の測定位置を設定できる。

また、高感度領域Ｇの中心が被検体Ｅの内側に形成されるように複数の測定位置を設定することが好ましい。本実施形態の場合、各測定位置において被検体Ｅ内に半球状の支持体４００の曲率中心が存在するように移動領域を設定することが好ましい。さらには、移動領域の最外周に対応する高感度領域Ｇの中心が被検体Ｅの外縁に沿っているように複数の測定位置を設定することがより好ましい。

また、ＣＰＵ７３１は、光照射タイミング間の支持体４００の位置が一定の間隔となるように、複数の測定位置を設定することができる。

なお、ユーザーが入力部１０００を用いて複数の測定位置を入力し、入力部１０００から出力された情報に基づきＣＰＵ７３１が複数の測定位置を設定してもよい。

以上のように複数の測定位置を設定することにより、小さい支持体の移動領域にもかかわらず被検体Ｅの広範囲で発生した光音響波を高感度で受信することができる。その結果、得られる被検体Ｅ内の被検体情報は、広範囲において高分解能となる。

また、経路設定部としてのＣＰＵ７３１は、移動領域内に設定された複数の測定位置を通る支持体４００の移動経路を適宜設定することができる。例えば、支持体４００を円運動に近い移動経路で移動させることができる。このような移動経路を採用することにより、支持体４００の進行方向に対する加速度の変化が小さいため、音響マッチング材１３００の揺れや装置の揺れを抑えることができる。ここで、円運動に近い移動経路とは、進行方向に対して９０°より小さい角度で曲がる場合の移動経路のことを指す。

なお、ユーザーが入力部１０００を用いて移動経路を入力し、入力部１０００から出力された情報に基づきＣＰＵ７３１が移動経路を設定してもよい。

（Ｓ３００：特定の周波数成分の受信信号をサンプリングするためのサンプリング周波数を決定する工程）
続いて、信号データ取得部７１０が、複数の音響波受信素子３００のそれぞれについて、前述した方法で高い強度で音響波受信素子に到達する周波数成分の受信信号のデータを選択的に取得することができるサンプリング周波数を決定する。

以下、図３および図５を用いてサンプリング周波数の決定方法の具体例を説明する。図５は、コンピュータ７００の構成の具体例を示す。

サンプリング周波数決定部７１１は、Ｓ２００で取得された測定位置の情報から複数の音響波受信素子３００の位置座標および曲率中心Ｘの位置座標の情報を取得する。典型的に複数の音響波受信素子３００の配置については予め分かっているため、支持体４００の各位置に対応する複数の音響波受信素子３００および曲率中心Ｘの位置座標を予め計算し、ＲＯＭ７４１に格納しておくことができる。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、Ｓ２００で取得された測定位置の情報に基づいて、その測定位置に対応する複数の音響波受信素子３００および曲率中心Ｘの位置座標をＲＯＭ７４１から読み出し取得することができる。あるいは、サンプリング周波数決定部７１１は、Ｓ２００で取得された測定位置の情報と複数の音響波受信素子３００の配置の情報とに基づいて、支持体４００の各位置に対応する複数の音響波受信素子３００および曲率中心Ｘの位置座標を算出してもよい。

続いて、サンプリング周波数決定部７１１は、複数の音響波受信素子３００と曲率中心Ｘの位置座標と、Ｓ１００で取得された被検体Ｅの表面の位置座標とに基づいて距離Ｌ１＿ａ〜Ｌ８＿ａを算出する。

続いて、サンプリング周波数決定部７１１が距離Ｌ１＿ａ〜Ｌ８＿ａの情報から式（３）に基づいて複数の音響波受信素子３００に対応するサンプリング周波数として取得する。

なお、あらゆる被検体の形状および測定位置に対応する複数の音響波受信素子３００に対応するサンプリング周波数を算出してＲＯＭ７４１に格納しておくことができる。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、被検体の形状に基づく情報あるいは測定位置の情報に基づいて、それらに対応するサンプリング周波数をＲＯＭ７４１から読み出して取得することができる。

また、形状保持部１１００を取り換えられる場合、形状保持部１１００の各種類に対応しかつ各測定位置に対応する複数の音響波受信素子３００に対応するサンプリング周波数を予め計算し、ＲＯＭ７４１に格納しておくことができる。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、形状保持部１１００の種類の情報と測定位置の情報とに基づいて複数の音響波受信素子３００に対応するサンプリング周波数をＲＯＭ７４１から読み出して取得することができる。

以上、本実施形態では、支持体４００の曲率中心を基準として、曲率中心で発生した光音響波に含まれる成分のうち、減衰した成分に対応する受信信号のデータ量を選択的に低減するサンプリング周波数を決定した。なお、本工程では、支持体４００の曲率中心に限らず任意の位置で発生した光音響波に含まれる成分のうち、減衰した成分に対応する受信信号のデータ量を選択的に低減するサンプリング周波数を設定することもできる。例えば、ユーザーが入力部１０００を用いて設定した画像化される関心領域内の特定の位置を基準にサンプリング周波数を決定してもよい。また、設定された関心領域内の探触子から最も遠い位置を特定の位置としてサンプリング周波数を決定してもよい。また、ユーザーが入力部１０００を用いて基準となる位置を入力してもよい。これらの特定の位置を決定するためにユーザーが入力部１０００を用いて入力する情報を特定の位置に関する情報とする。

なお、複数の音響波受信素子３００−１〜３００−８毎に個別にサンプリング周波数を設定する態様だけに限らず、被検体の形状に応じて特定の周波数成分のデータ量を低減できる限りあらゆる手法を採用することができる。

例えば、サンプリング周波数決定部７１１は、複数の音響波受信素子３００の各々から曲率中心Ｘ方向を見たときの、曲率中心Ｘから被検体Ｅの表面までの距離の中で一番短い距離Ｌ１＿ａに基づいてサンプリング周波数を決定する。そして、サンプリング周波数決定部７１１は、距離Ｌ１＿ａに基づいて決定されたサンプリング周波数を、複数の音響波受信素子３００のそれぞれに対応するサンプリング周波数としてもよい。このように決定されたサンプリング周波数によれば、少なくとも曲率中心Ｘで発生し音響波受信素子３００−１に到達した光音響波の高周波成分についてはデータ量低減の対象とならないため、低画質化を防ぐことができる。

また、複数の音響波受信素子３００をいくつかのグループにまとめて、グループ毎にサンプリング周波数を割り当てるようにしてもよい。例えば、被検体と素子との距離がほぼ等しい素子同士や素子間の距離が近い素子同士などをグループとしてまとめることができる。例えば、素子間の距離の近い素子３００−１と３００−２とをグループ１、素子３００−３と３００−４とをグループ２、素子３００−５と３００−６とをグループ３、素子３００−７と３００−８とをグループ４とすることなどができる。なお、グループ分けのしかたを光照射時の支持体４００の測定位置に応じて変更してもよい。このとき、測定位置毎にグループ分けを変えてもよいし、ある測定位置群ではグループ分けのしかたが同じであってもよい。

また、サンプリング周波数の設定は、支持体４００の測定位置毎に異なっていてもよい。また、複数の測定位置で同じサンプリング周波数の設定を行ってもよい。

また、グループ分けやサンプリング周波数設定は、同一の測定位置であっても、光照射の態様を変えて測定を行う場合、異ならせてもよい。

また、上記では時系列の受信信号を一定のサンプリング周波数でサンプリングする形態を説明したが、各素子が出力した時系列の受信信号に対して、サンプリング周波数を時系列に変化させてサンプリングしてもよい。時系列の受信信号において、典型的に受信タイミングが早い光音響波は被検体の表面付近で発生した光音響波であるため、減衰は小さい。一方、典型的に受信タイミングが遅い光音響波は、被検体の深部で発生した光音響波であるため、減衰は大きい。また、特に高周波成分については、低周波成分に比べて深部で発生した光音響波の方が大きく減衰する。そこで、サンプリング周波数決定部７１１は、時系列の受信信号のうち、受信タイミングが遅くなるについて、サンプリング周波数を小さくすることにより、減衰した高周波成分のデータをより選択的に低減することができる。

ところで、上記した例のように曲率中心を基準位置として時系列の受信信号に一定のサンプリング周波数を設定した場合、被検体の表面付近で発生した減衰の小さい光音響波について忠実にサンプリングできない可能性がある。すなわち、被検体表面付近で発生したＳ／Ｎの高い高周波成分について忠実にサンプリングできない可能性がある。それに対し、時系列にサンプリング周波数を変化させることにより、受信タイミングのそれぞれにおいて十分なＳ／Ｎの周波数成分を選択的に保存し、データ量の低減を効果的に行うことができる。

例えば、図３の音響波受信素子３００−１に対応するサンプリング周波数を時系列に変化させる場合を考える。図６は音響波受信素子３００−１に対応するサンプリング周波数の一例を示す。図６において、横軸は受信時間ｔ、縦軸はサンプリング周波数Ｆを示す。なお、被検体の表面で発生した光音響波が音響波受信素子３００−１に到達したタイミングを受信時間ｔ＝０としている。ここで、受信時間ｔは、曲率中心Ｘから被検体Ｅの表面までの距離Ｌを被検体Ｅ内の音速ｃ１で除した値に相当する。

前述したように深部で発生した光音響波の方が大きく減衰するため、低周波成分が支配的となってくる。そのため、図６においても、受信時間、すなわち受信タイミングが遅くなるにつれてサンプリング周波数Ｆが低くし、低周波成分を選択的にサンプリングできるようにしている。また、図６では式（３）で決定された周波数ｆの２倍の値をサンプリング周波数Ｆとしている。例えば、曲率中心Ｘで発生した光音響波の受信時間ｔ１＝Ｌ１＿ａ／ｃ１に対応する受信信号は、サンプリング周波数Ｆ＝２ΔＩ’／αＬ１＿ａでサンプリングすることとなる。

受信時間ｔ＝０における音響波では減衰が観念できず、いかなる周波数の音響波を受信できることになり、Ｆの初期値（Ｆ（０））は無限大になり得る。しかし実際は、ユーザーがターゲットとする周波数帯域の上限値の２倍以上の適値をＦ（０）とすることができる。Ｆ（０）を初期値とし、受信時間が遅くなるにつれて、サンプリング周波数を図６に示すサンプリング周波数値Ｆ以上、かつＦ（０）より低い値に設定して、データ量低減を達成してもよい。

なお、受信時間毎にサンプリング周波数を変えるのではなく、ある受信時間に対応するサンプリング周波数を近いタイミングの受信時間のサンプリング周波数としてもよい。すなわち、サンプリング周波数を段階的に時系列に変化させてもよい。

ところで、測定位置の位置が異なると音響波受信素子と被検体との相対位置が変わることがある。そのため、測定位置に応じて音響波受信素子が受信する光音響波に含まれる周波数成分も変わることがある。それゆえ、測定位置の位置が変化したときにサンプリング周波数を変更しない場合、高い強度で受信することのできた高周波成分の光音響波の受信信号のデータ量を低減してしまう可能性がある。そこで、サンプリング周波数決定部７１１は、測定位置の情報に基づいて複数の音響波受信素子３００に対応するサンプリング周波数を決定することにより、各測定位置に適したサンプリング周波数を決定することができる。

また、被検体の形状が異なると音響波受信素子と被検体との相対位置が変わることがある。そのため、被検体の形状に応じて音響波受信素子が受信する光音響波に含まれる周波数成分も変わることがある。それゆえ、被検体の形状が変化したときにサンプリング周波数を変更しない場合、高い強度で受信することのできた高周波成分の光音響波の受信信号のデータ量を低減してしまう可能性がある。そこで、サンプリング周波数決定部７１１は、被検体の形状に基づいた情報に基づいて複数の音響波受信素子３００に対応するサンプリング周波数を決定することにより、測定時の被検体の形状に適したサンプリング周波数を決定することができる。

（Ｓ４００：決定されたサンプリング周波数で時系列の受信信号をサンプリングして受信信号データを取得する）
スキャナー５００は、Ｓ２００で設定されたある測定位置に支持体４００を位置させる。ＣＰＵ７３１は、設定された測定位置に支持体４００が位置するときに、光源１００が光を発生するように制御信号を出力する。光は光学系２００によって導かれ、音響マッチング材１３００を介して被検体Ｅに照射される。そして、被検体Ｅに照射された光が被検体Ｅ内で吸収され光音響波が発生する。

複数の音響波受信素子３００は、音響マッチング材１３００内を伝搬した被検体Ｅ内で発生した光音響波を受信し、時系列の受信信号としての電気信号に変換する。

そして、信号データ取得部７１０は、Ｓ３００で決定されたサンプリング周波数で時系列の受信信号をサンプリングし、サンプリングされたデータを受信信号データとして保存する。

以下、図５に示すコンピュータ７００を用いてＳ３００で決定されたサンプリング周波数でサンプリングする方法の具体例を説明する。

複数の音響波受信素子３００−１〜３００−８は、光音響波を受信して電気信号に変換し、ＡＤＣ（ＡＤ変換器）７１７−１〜７１７−８へ出力する。ＡＤＣ７１７−１〜７１７−８は、システムＣＬＫ７１３が出力するクロックに従ってある周波数で電気信号をサンプリングし、電気信号をデジタル信号に変換してＦＩＦＯ（先入れ先出しメモリ、以下ＦＩＦＯ）７１６−１〜７１６−８へ出力する。ＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８は、システムＣＬＫ７１３が出力するクロックと、ＦＩＦＯ制御部７１２が出力する書き込みイネーブルに従って、ＡＤＣ７１７−１〜７１７−８が出力したデジタル信号を記憶する。

信号データ取得部７１０では、サンプリング周波数決定部７１１が出力するＳ３００で決定されたサンプリング周波数の情報がＦＩＦＯ制御部７１２とシステムＣＬＫ７１３に入力される。ＦＩＦＯ制御部７１２は、書き込みイネーブル［１］〜［８］と読み出しイネーブル［１］〜［８］をＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８に供給する。また、システムＣＬＫ７１３は、サンプリングクロック［１］〜［８］をＡＤＣ７１７−１〜７１７−８に供給する。さらに、システムＣＬＫ７１３は、書き込みクロック［１］〜［８］、読み出しクロック［１］〜［８］をＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８に供給する。ＦＩＦＯ制御部７１２とシステムＣＬＫ７１３は、サンプリング周波数決定部７１１が出力するサンプリング周波数の情報に従って、複数の音響波受信素子３００が出力した時系列の受信信号のサンプリングの態様を制御する。

図７は、図３の測定状態のときに、システムＣＬＫ７１３がＡＤＣ７１７−１〜ＡＤＣ７１７−８、ＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８に供給するサンプリングクロック［１］〜［８］と書き込みクロック［１］〜［８］を示した図である。すなわち、図７は、Ｓ３００で決定されたサンプリング周波数に基づいたサンプリングシーケンスを示す図である。図７において、サンプリングクロックのレベルがＬからＨに変化するときはＡＤＣ７１７−１〜７１７−８によるＡＤ変換が行われ、それ以外の場合はＡＤＣ７１７−１〜７１７−８によるＡＤ変換は行われないことを示す。また、書き込みクロックのレベルがＬからＨに変化するときはＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８に対する書き込みが行われ、それ以外のときはＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８に対する書き込みは行われないことを示す。

例えば、本実施形態では、Ｓ３００で決定されたサンプリング周波数を基に、音響波受信素子３００−１から３００−８に向かうに従って、サンプリング周波数を低くする。

また、音響波受信素子３００−１および３００−２で受信した光音響波の受信信号に対しては、同じ周波数のサンプリングクロック［１］、［２］および書き込みクロック［１］、［２］でサンプリングを行う。また、音響波受信素子３００−３および３００−４で受信した光音響波の受信信号に対しては、同じ周波数のサンプリングクロック［３］、［４］および書き込みクロック［３］、［４］でサンプリングを行う。また、音響波受信素子３００−５および３００−６で受信した光音響波の受信信号に対しては、同じ周波数のサンプリングクロック［５］、［６］および書き込みクロック［５］、［６］でサンプリングを行う。また、音響波受信素子３００−７および３００−８で受信した光音響波に対しては、同じ周波数のサンプリングクロック［７］、［８］および書き込みクロック［７］、［８］でサンプリングを行う。

次に、ＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８は、システムＣＬＫ７１３が出力するクロックと、ＦＩＦＯ制御部７１２が出力する読み出しイネーブルに従って、記憶した受信信号データを最後段の記憶部に相当するＤＲＡＭ７１８へ転送する。セレクトスイッチ７１４が、ＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８のうち、１つを選択してＤＲＡＭ７１８へ接続し、デジタル信号をＤＲＡＭ７１８へ転送する。このようにＤＲＡＭ７１８は、高周波成分に対応する受信信号が低減されたデジタル信号を受信信号データとして保存する。ＤＲＡＭ７１８に保存されるデータは、高周波成分に対応する受信信号が低減されているため、データ量が低減されている。そのため、本実施形態によれば、ＤＲＡＭ７１８は時系列の受信信号のすべてを保存することのできるメモリ容量を必要としないため、ＤＲＡＭ７１８のメモリ容量を抑制することができる。なお、ＤＲＡＭ７１８、７２２は、ＳＲＡМ、フラッシュメモリなど、別種の記憶媒体であってよい。これらの記憶媒体は、システム動作に問題のない容量、書き込み速度、読み出し速度が保証される限り、どのような記憶媒体を用いてもよい。

なお、本明細書において受信信号データとは、後述する情報取得部７２０で被検体情報の取得に使用される直前の時系列の信号データのことを指す。すなわち、信号データ取得部７１０の最後段の記憶部、すなわちＤＲＡＭ７１８に保存される時系列の信号データのことを指す。そのため、本実施形態によれば、信号データ取得部７１０の最後段の記憶部に保存されるデータがＳ３００で決定されたサンプリング周波数でサンプリングされたものであればよい。

なお、最前段の記憶部に保存される段階では所定のサンプリング周波数でサンプリングし、前段の記憶部から後段の記憶部に転送する際にＳ３００で決定されたサンプリング周波数でリサンプリングしてもよい。この場合も、最後段の記憶部に保存される受信信号データのデータ量を低減することができる。

なお、信号データ取得部７１０内の各記憶部のメモリ容量を低減するために、できるだけ前段の記憶部に保存されるデータ量を低減することが好ましい。特に、本実施形態のように信号データ取得部７１０の最前段の記憶部、すなわちＦＩＦＯ７１６に保存される前にＳ３００で決定されたサンプリング周波数でサンプリングしてデータ量を低減することが好ましい。このように前段の記憶部においてデータ量を低減することにより、その記憶部以降に転送されるデータ量を抑制することができるため、データ転送に要する時間を短くすることができる。

なお、サンプリング周波数を時系列に変化させる場合、ＡＤＣ７１７へのクロック周波数を変更することが困難である可能性がある。そのため、ＡＤＣ７１７が一定の周波数でＡＤ変換して最前段の記憶部としてのＦＩＦＯ７１６にデジタル信号を保存した後に、ＦＩＦＯ７１６から後段の記憶部に転送するときにＳ３００で決定したサンプリング周波数でリサンプリングしてもよい。

また、サンプリングクロックは所定の周波数ｆ_Ｈに設定するが、ＦＩＦＯ７１６の書き込みイネーブルをＮクロックサイクル毎に１サイクル分Ｈにすることで、実質的にサンプリング周波数をｆ_Ｈ／Ｎと設定してもよい。Ｎを経時的に変化させていけば、サンプリング周波数を時系列に変化させることも可能である。

なお、最前段の記憶部が取得したデジタル信号の転送先は後段の記憶部に限らない。すなわち、最前段の記憶部が取得したデジタル信号を演算部に出力し、演算部にてノイズ処理等の前処理をおこなった後に後段の記憶部に転送してもよい。

また、受信信号データは支持体の位置情報や光の照射回数等の情報と関連付けされて保存されることが好ましい。例えば、ＦＩＦＯ７１６−１〜７１６−８からＤＲＡＭ７１８へデジタル信号を転送する際に、デジタル信号群の先頭もしくは最後尾にヘッダ、トレイラを付与してもよい。ヘッダ、トレイラに含まれる情報は、そのデジタル信号群が取得された受信素子の番号、支持体の位置情報、光の照射回数、データ量低減期間、といったものである。ヘッダ、トレイラは両方設けてもよいし、片方だけ設けてもよい。両方設ける場合に、どちらにどの情報を割り振るかは、適宜決定すればよい。

また、ＦＩＦＯの代わりにＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を用いても本実施形態と同様の制御を実現できる。

また、本工程において、被検体以外の領域で発生した受信信号のデータ量を低減する処理をおこなってもよい。

また、目的の周波数成分の受信信号を選択的に適切にサンプリングできる限り、複数の音響波受信素子３００の各々が出力した時系列の受信信号に対し、いかなる手法により受信信号データを取得してもよい。

（Ｓ５００：全ての測定位置で受信信号データを取得したか否かを判定する工程）
続いて、ＣＰＵ７３１は、Ｓ２００で設定された全ての測定位置で受信信号データの取得が完了したかを判定する。まだ全ての測定位置で受信信号データの取得が完了していない場合はＳ４００へ戻る。すなわち、ＣＰＵ７３１は、スキャナー５００により支持体４００を次の測定位置へ移動させ、Ｓ４００で説明した受信信号データの取得工程を光音響装置に実行させる。

このように、各測定位置においてＳ４００を繰り返すことにより、各測定位置に対応するデータ量低減期間の受信信号のデータ量を低減することができる。

（Ｓ６００：受信信号データに基づいて被検体情報を取得する工程）
情報取得部７２０は、Ｓ４００で取得された受信信号データに基づいて、被検体情報を取得する。すなわち、情報取得部７２０内のＧＰＵ７２１は、ＤＲＡＭ７１８に保存された受信信号データに対して画像再構成アルゴリズムに基づく処理を施すことにより被検体情報を取得し、ＤＲＡＭ７２２に保存する。

前述したように、Ｓ４００で取得された受信信号データは、被検体内で発生した光音響波のうち、高い強度で音響波受信素子に到達した光音響波の周波数成分に対応するデータである。そのため、本工程では、低い強度の光音響波の周波数成分を用いて被検体情報を取得した場合と比べて、高いＳ／Ｎの被検体情報を取得することができる。

なお、本工程はＳ４００とＳ５００との間に行われてもよい。すなわち、支持体４００が各測定位置に位置するときに取得した受信信号データに基づいて逐次被検体情報を取得してもよい。この場合、逐次取得した支持体４００の各位置に対応する複数の被検体情報を加算することや平均化することにより合成し、一つの被検体情報を生成することが好ましい。このように、すべての測定位置における受信信号データを取得する前に、少なくとも１つの測定位置で取得した受信信号データに基づいて被検体情報を取得することにより全受信信号データに基づく被検体情報を取得するまでの時間を短縮することができる。

（Ｓ７００：被検体情報を表示する工程）
ディスプレイ９００は、Ｓ６００で取得された被検体情報を分布画像や数値データとして表示する。例えば、ＣＰＵ７３１はＤＲＡＭ７２２から被検体情報を読み出し、被検体情報の分布画像をディスプレイ９００に表示させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る光音響装置は、複数の音響波受信素子３００に到達する強度の高い光音響波の受信信号を選択的にサンプリングするためのサンプリング周波数を設定することができる。これにより、光音響波に含まれる減衰した周波数成分の受信信号のデータ量を選択的に低減することができる。すなわち、高Ｓ／Ｎの被検体情報の取得に寄与する受信信号を選択的に取得することができる。よって、光音響波に含まれる減衰した周波数成分のデータ量を低減することができるため、受信信号データを保存するためのメモリ容量を抑えることができる。

なお、本発明におけるデータ量低減期間の設定は、距離を単位に行っても良く、時間を単位に行ってもよい。もしくは、ＡＤＣのサンプリングクロック数、システムＣＬＫ数、データ数を単位にしてデータ量低減期間設定を行ってもよい。その他、領域を指定できる手段であれば、どのような手段を用いてデータ量低減期間設定を行ってもよい。

また、本発明では音響波受信素子の数が８個の例を示したが、音響波受信素子の数は必ずしもこれに限定されない。装置の仕様に応じ、いかなる数値も取り得るとする。

データ取得期間の終了タイミングは、全ての音響波受信素子で同時になるよう設定しても良いし、音響波受信素子毎に個別に設定してもよい。

データ取得期間の終了タイミングを音響波受信素子毎に個別に設定する場合、被検体の形状情報をもとに、受信素子毎に指向軸上に被検体が存在しない領域を判定し、データ取得期間の終了タイミングに反映させてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

１００光源
３００複数の音響波受信素子
７００コンピュータ
Ｅ被検体

Claims

光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、
前記信号データ取得部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する情報取得部と、を有し、
前記信号データ取得部は、
入力部を介してユーザーによって入力された特定の位置に関する情報に基づいて、前記特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいてサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより前記受信信号データを生成し、保存する
ことを特徴とする光音響装置。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を、指向軸が集まるように配置された複数の受信素子が受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、
前記信号データ取得部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する情報取得部と、を有し、
前記信号データ取得部は、
特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいてサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより前記受信信号データを生成し、保存する
ことを特徴とする光音響装置。
前記特定の位置は、前記複数の受信素子の指向軸が集まる領域である
ことを特徴とする請求項２に記載の光音響装置。
前記信号データ取得部は、球に基づく形状の支持体によって支持された前記複数の受信素子から出力された前記時系列の受信信号に基づいて前記受信信号データを生成し、
前記特定の位置は、前記支持体の曲率中心である
ことを特徴とする請求項２または３に記載の光音響装置。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、
前記信号データ取得部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する情報取得部と、を有し、
前記信号データ取得部は、
特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいて、時系列に変化するサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより前記受信信号データを生成し、保存する
ことを特徴とする光音響装置。
前記信号データ取得部は、前記光音響波の受信タイミングが遅くなるにつれて前記サンプリング周波数を小さくする
ことを特徴とする請求項５に記載の光音響装置。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、
前記信号データ取得部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する情報取得部と、を有し、
前記信号データ取得部は、
第１の記憶部および第２の記憶部を含み、
特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいてサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号をデジタル信号にサンプリングして前記第１の記憶部に保存し、
前記第１の記憶部に保存された前記デジタル信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより前記受信信号データを生成し、前記第２の記憶部に保存する
ことを特徴とする光音響装置。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を、複数の受信素子のそれぞれが受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、
前記信号データ取得部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する情報取得部と、を有し、
前記信号データ取得部は、
特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいて、前記複数の受信素子のそれぞれから出力される前記時系列の受信信号を、互いに異なるサンプリング周波数でサンプリングすることにより前記受信信号データを生成し、保存する
ことを特徴とする光音響装置。
前記信号データ取得部は、前記被検体の周波数依存性減衰をα、許容減衰量をΔＩ’、前記距離をＬとしたときに次の式で表される周波数ｆの成分の光音響波をサンプリングできる前記サンプリング周波数を決定する
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光音響装置。
前記信号データ取得部は、前記周波数ｆの２倍以上、１０倍以下を前記サンプリング周波数として決定する
ことを特徴とする請求項９に記載の光音響装置。
前記信号データ取得部は、前記周波数ｆの２倍以上、４倍以下を前記サンプリング周波数として決定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の光音響装置。
前記許容減衰量を入力できるように構成された入力部を更に有する
ことを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の光音響装置。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、
前記信号データ取得部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体の情報を取得する情報取得部と、を有し、
前記信号データ取得部は、
特定の位置で発生した光音響波の周波数成分のうち、減衰量が許容減衰量以下の周波数成分をサンプリングすることができ、かつ、減衰量が前記許容減衰量よりも大きい周波数成分をサンプリングすることができないサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングして前記受信信号データを生成し、保存する
ことを特徴とする光音響装置。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を、複数の受信素子のそれぞれが受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号に基づいて受信信号データを生成し、保存する信号データ取得部と、
前記信号データ取得部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体の情報を取得する情報取得部と、を有し、
前記信号データ取得部は、前記複数の受信素子がそれぞれに出力した前記時系列の受信信号を互いに異なるサンプリング周波数でサンプリングして前記受信信号データを生成し、保存する
ことを特徴とする光音響装置。
光源と、
前記光源から発生した光が前記被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して前記時系列の受信信号を出力する受信素子と、
を更に有する
ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の光音響装置。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する情報処理方法であって、
入力部を介してユーザーによって入力された特定の位置に関する情報に基づいて、前記特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいてサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより受信信号データを生成し、
前記受信信号データを保存し、
保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を、指向軸が集まるように配置された複数の受信素子が受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する情報処理方法であって、
前記複数の受信素子の指向軸が集まる領域から前記被検体の表面までの距離に基づいてサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより受信信号データを生成し、
前記受信信号データを保存し、
保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する情報処理方法であって、
特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいて、時系列に変化するサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより受信信号データを生成し、
前記受信信号データを保存し、
保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する情報処理方法であって、
特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいて、サンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号をデジタル信号にサンプリングして第１の記憶部に保存し、
前記第１の記憶部に保存された前記デジタル信号を前記サンプリング周波数でサンプリングすることにより受信信号データを生成し、
第２の記憶部に前記受信信号データを保存し、
前記第２の記憶部に保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を、複数の受信素子のそれぞれが受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する情報処理方法であって、
特定の位置から前記被検体の表面までの距離に基づいて、前記複数の受信素子のそれぞれから出力される前記時系列の受信信号を、互いに異なるサンプリング周波数でサンプリングすることにより受信信号データを生成し、
前記受信信号データを保存し、
保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する情報処理方法であって、
特定の位置で発生した光音響波の周波数成分のうち、減衰量が許容減衰量以下の周波数成分をサンプリングすることができ、かつ、減衰量が前記許容減衰量よりも大きい周波数成分をサンプリングすることができないサンプリング周波数を決定し、
前記時系列の受信信号を前記サンプリング周波数でサンプリングして受信信号データを生成し、
前記受信信号データを保存し、
保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。
光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を、複数の受信素子のそれぞれが受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて被検体情報を取得する情報処理方法であって、
前記複数の受信素子がそれぞれに出力した前記時系列の受信信号を互いに異なるサンプリング周波数でサンプリングして受信信号データを生成し、
前記受信信号データを保存し、
保存された前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。
請求項１６から２２のいずれか１項に記載の情報処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。