JPWO2010095487A1 - 生体観測装置及び生体断層画像生成方法 - Google Patents

Abstract

本発明の生体観測装置は、被検体の内部の所定の領域に対して超音波を出力する超音波発生部と、超音波が入射された前記所定の領域に照明光を出射する照明光発生部と、所定の領域へ出射された照明光の戻り光に対し、第１番目のタイミングから第Ｎ番目のタイミングにかけて時間分解を行うことにより、各タイミングに応じた該戻り光の位相成分を第１個目から第Ｎ個目まで検出する位相成分検出部と、位相成分検出部において検出された各位相成分に基づき、第１個目から第Ｎ−１個目までの位相成分の和を、第Ｎ個目の位相成分から差し引く処理を行う演算部と、を有する。

Description

本発明は、生体観測装置及び生体断層画像生成方法に関し、特に、音波と光とをあわせて用いつつ生体内部の情報を取得する生体観測装置及び生体断層画像生成方法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。

これに対し、生体粘膜内部における光と超音波との相互作用の結果を光の位相成分の変化量として検出することにより、正常組織と癌等の腫瘍組織とを可視化するための技術が日本国特開２００７−２１６００１号公報に開示されている。

また、生体組織に出射された超音波により変調された光を検出することにより、光ＣＴに比べてさらに高い空間分解能を具備する生体深部の断層像を得ることが可能な、超音波光変調トモグラフィ（Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）に関する技術がＣ．Ｋｉｍ，Ｋ．Ｈ．Ｓｏｎｇ，Ｌ．Ｖ．Ｗａｎｇ、「Ｓｅｎｔｉｎｅｌ ｌｙｍｐｈ ｎｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｅｘ ｖｉｖｏ ｕｓｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」、Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．１３（２）、２００８（以下、非特許文献と称する）に開示されている。

ところで、生体媒質内部の所望の位置に超音波及び照明光を出射し、該所望の位置において発生した物体光に基づいて生体情報を得る場合、該物体光の位相成分の観測量は、該照明光及び該物体光の経路上に存在する生体媒質から受けた位相成分の変化量に応じて変動する。そのため、例えば日本国特開２００７−２１６００１号公報に記載の技術のように、物体光の位相成分の観測量のみを用いて所望の領域の断層像を生成した場合、正常組織と癌等の腫瘍組織との識別が困難な（ぼやけた）画像が生成されてしまう場合がある。そして、日本国特開２００７−２１６００１号公報に記載の技術においては、このような課題に対する提案が何らなされていない。

また、上記非特許文献に記載の技術は、各種の生体媒質のうち、光を吸収する対象物に特化したイメージングを行うものである。そのため、上記非特許文献に記載の技術によれば、正常組織と癌等の腫瘍組織とを明確に識別可能な画像を生成することができない、という課題が生じている。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、正常組織と癌等の腫瘍組織とを高コントラストにより可視化可能な生体観測装置及び生体断層画像生成方法を提供することを目的としている。

本発明における生体観測装置は、被検体の内部の所定の領域に対して超音波を出力する超音波発生部と、前記超音波が入射された前記所定の領域に照明光を出射する照明光発生部と、前記所定の領域へ出射された前記照明光の戻り光に対し、第１番目のタイミングから第Ｎ番目のタイミングにかけて時間分解を行うことにより、各タイミングに応じた該戻り光の位相成分を第１個目から第Ｎ個目まで検出する位相成分検出部と、前記位相成分検出部において検出された各位相成分に基づき、第１個目から第Ｎ−１個目までの位相成分の和を、第Ｎ個目の位相成分から差し引く処理を行う演算部と、を有することを特徴とする。

本発明における生体断層画像生成方法は、被検体の内部の所定の領域に対して超音波を出力し、前記超音波が入射された前記所定の領域に照明光を出射し、前記所定の領域へ出射された前記照明光の戻り光に対し、第１番目のタイミングから第Ｎ番目のタイミングにかけて時間分解を行うことにより、各タイミングに応じた該戻り光の位相成分を第１個目から第Ｎ個目まで検出し、前記位相成分検出部において検出された各位相成分に基づき、第１個目から第Ｎ−１個目までの位相成分の和を、第Ｎ個目の位相成分から差し引く処理を行い、前記処理における処理結果を画素成分として用いることにより、前記所定の領域の断層画像を生成することを特徴とする。

本発明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の光イメージング装置において行われる処理の一例を示すフローチャート。 生体組織の表面から数えてｊ＋１番目の深さ位置において物体光が発生した場合を示す模式図。 本発明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の光カプラ周辺における詳細な構成を示す図。 図４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。 図４の光イメージング装置において行われる処理の一例を示すフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１から図７は、本発明の実施形態に係るものである。図１は、本発明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２は、図１の光イメージング装置において行われる処理の一例を示すフローチャートである。図３は、生体組織の表面から数えてｊ＋１番目の深さ位置において物体光が発生した場合を示す模式図である。図４は、本発明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の光カプラ周辺における詳細な構成を示す図である。図６は、図４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。図７は、図４の光イメージング装置において行われる処理の一例を示すフローチャートである。

生体観測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ドライバ３と、任意波形発生部４と、増幅部５と、信号処理部６と、端末装置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、を有している。

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、中央部に開口部が形成された超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａ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の内部における検査対象位置に到達可能な照明光として、コヒーレント光を発することが可能なレーザ光源、または、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）または白色光源と干渉フィルタとの組み合わせ等により構成されている。なお、照明光発生部２１から発せられる照明光は、連続光に限るものではなく、例えばパルス光であっても良い。

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、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａの中央部に設けられた開口部を通過した後、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（の音響レンズ２６ａ側）と生体組織１０１との間は、光イメージング装置１の各部により生体組織１０１の生体情報を得るための処理等が行われる事前に、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、超音波トランスデューサ２６は、任意波形発生部４からの超音波駆動信号に応じ、開口部を通過する照明光の光軸に沿って、連続波である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、音響レンズ２６ａにより収束されつつ、周期的な粗密波として生体組織１０１の内部を伝播した後、生体組織１０１の深さ方向（図１のｚ軸方向）における所定の領域において収束する。

音響レンズ２６ａは、例えばスキャニングドライバ３の制御により、生体組織１０１の深さ方向（図１のｚ軸方向）において所定の超音波が収束する領域を適宜変更可能な構成を有している。

一方、ユニット２から出射された照明光は、生体組織１０１の深さ方向（図１のｚ軸方向）の各位置のうち、所定の超音波が収束した領域に相当する位置において反射し、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａの開口部を通過した後、物体光（戻り光）としてハーフミラー２２に入射される。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の内部の、前記所定の超音波により密度が増大された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。

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した後、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。

スキャニングドライバ３は、スキャニング信号発生部９からのスキャニング信号が入力される毎に、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａの位置を図１のｘ軸方向またはｙ軸方向のいずれかに変更する。

任意波形発生部４は、所定の波長（または所定の周波数）を有する所定の超音波を超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａから出力させるための超音波駆動信号を増幅部５へ出力する。また、任意波形発生部４は、超音波駆動信号を増幅部５へ出力したタイミングを示すタイミング信号をスキャニング信号発生部９へ出力する。さらに、任意波形発生部４は、スキャニングドライバ３におけるスキャン範囲の終端に達した際に、トリガ信号を端末装置７及びスキャニング信号発生部９へ出力する。さらに、任意波形発生部４は、前述のタイミング信号を所定の時間遅延させつつ信号処理部６へ出力する。

パワーアンプ等により構成される増幅部５は、任意波形発生部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超音波トランスデューサ２６に対して出力する。

図示しない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具備する信号処理部６は、光検出部２７から出力される干渉信号を検出する。そして、信号処理部６は、任意波形発生部４からのタイミング信号に基づく時間分解を前記干渉信号の検出結果に対して行うことにより位相成分の観測量を取得した後、該位相成分の観測量を端末装置７へ出力する。

コンピュータ等からなる端末装置７は、各種演算及び処理を行うＣＰＵ７ａと、メモリ７ｂと、を有して構成されている。

ＣＰＵ７ａは、信号処理部６から出力される位相成分の観測量に基づき、生体組織１０１の最表層部以外の深さ方向の各位置における位相成分の相対量を各々算出する。

また、ＣＰＵ７ａは、生体組織１０１の最表層部における位相成分の観測量と、前記位相成分の相対量の算出結果とに基づき、生体組織１０１の深さ方向に沿ったＮ個の画素からなる画像データを１ライン分づつ生成した後、生成した１ライン分の画像データを順次メモリ７ｂに蓄積する。

そして、ＣＰＵ７ａは、任意波形発生部４から出力されるトリガ信号に基づいてスキャンが完了したことを検知すると、前回のトリガ信号入力時から今回のトリガ信号入力時までにメモリ７ｂに蓄積されたＭライン分の画像データを読み込むことにより、垂直方向の画素数Ｎ及び水平方向の画素数Ｍのサイズを具備する１画面分の画像データを生成する。その後、ＣＰＵ７ａは、前記１画面分の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、図１に示す各座標軸のうち、例えばｘｚ平面における生体組織１０１の内部の像（断層像）が画像表示される。

スキャニング信号発生部９は、任意波形発生部４からのタイミング信号及びトリガ信号が入力されるタイミング毎に、スキャン位置を変更させるためのスキャニング信号をスキャニングドライバ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、一のスキャン位置における図１の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超音波トランスデューサ２６（及び音響レンズ２６ａ）を配置するとともに、超音波トランスデューサ２６（及び音響レンズ２６ａ）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、生体組織１０１における生体情報の取得を開始させるための指示を行う。

任意波形発生部４は、図示しない操作部からの前記指示に基づき、所定の超音波を出力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。

超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａは、入力される超音波駆動信号に応じ、照明光の出射方向に沿うように、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目（ｊ＝１、２、…、Ｎ）の深さ位置へ所定の超音波を出射する（図２のステップＳ１）。これにより、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａから出射された所定の超音波は、周期的な粗密波として生体組織１０１の内部を内部を伝播した後、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目の深さ位置において収束する。なお、本実施形態において、生体組織１０１の表面から数えた場合の深さ位置のインデックス値ｊは、出力画像の１画素に対して１つずつ設定される値であるとする。

一方、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａから所定の超音波が出射された後、照明光発生部２１からの照明光がハーフミラー２２に対して出射される（図２のステップＳ２）。

照明光発生部２１から出射された照明光は、ハーフミラー２２及び参照ミラー２５等を経た後、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａに設けられた開口部から図１のｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）に出射される。なお、以降においては、前記開口部から出射される照明光の位相が０であるとして説明を進めるものとする。

生体組織１０１に対して出射された照明光は、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目の深さ位置において反射し、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａの開口部を通過した後、物体光としてハーフミラー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した後、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した後、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。

そして、位相成分検出部としての機能を有する信号処理部６は、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目の深さ位置において発生した物体光の位相成分をφ_jとして取得し（図２のステップＳ３）、任意波形発生部４からのタイミング信号の入力タイミングに応じた時間分解を行うことにより、深さ位置のインデックス値ｊとの関連付けを行った後、該位相成分φ_jの値を一時的に蓄積する。

その後、光イメージング装置１の各部は、生体組織１０１の表面から数えてＮ番目の深さ位置において発生した物体光の位相成分φ_Nが取得されるまでの間、図２のステップＳ１からステップＳ３までの動作を繰り返し行う（図２のステップＳ４及びＳ５）。

すなわち、図２のステップＳ１からステップＳ３までの動作が繰り返し行われることにより、生体組織１０１の表面から数えて第１番目から第Ｎ番目までのそれぞれ異なる深さ位置に超音波が入射され、第１番目から第Ｎ番目までのそれぞれ異なるタイミングにおいて照明光発生部２１から順次照明光が出射され、深さ位置のインデックス値１、２、・・・、Ｎ−１、Ｎと関連付けられた位相成分φ₁、φ₂、・・・、φ_N-1、φ_Nの各値が信号処理部６に一時的に蓄積される。

ここで、生体組織１０１の表面から数えて１番目の深さ位置、すなわち、生体組織１０１の最表層部において反射した照明光は、位相成分φ₁を具備する物体光としてハーフミラー２２に入射される。生体組織１０１の表面から数えて１番目の深さ位置における屈折率をｎ₁とし、生体組織１０１の表面から１番目の深さ位置までの距離（物理長）をｌ₁とし、照明光の波長をλとした場合、位相成分φ₁は、下記数式（１）のように示される。

これに倣い、例えば図３に示すように、生体組織１０１の表面から数えてｊ＋１番目の深さ位置における屈折率をｎ_j+1とし、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目の深さ位置からｊ＋１番目の深さ位置までの距離（物理長）をｌ_j+1とし、照明光（及び物体光）の波長をλとした場合、生体組織１０１の表面から数えてｊ＋１番目の深さ位置からの戻り光としての物体光が具備する位相成分φ_j+1は、下記数式（２）のように示される。

すなわち、信号処理部６により取得される位相成分φ_j+1は、位相成分φ₁、φ₂、・・・、φ_jに相当する値を含んだものとなる。

そして、信号処理部６は、生体組織１０１の表面から数えてＮ番目の深さ位置において発生した物体光が具備する位相成分φ_Nを取得した後、前述の時間分解を行うことにより、該位相成分φNとインデックス値Ｎとを関連付ける。その後、信号処理部６は、深さ位置のインデックス値１、２、・・・、Ｎ−１、Ｎと関連付けられた位相成分φ₁、φ₂、・・・、φ_N-1、φ_Nの各値を、位相成分の観測量の取得結果として端末装置７へ出力する。

演算部としての機能を有するＣＰＵ７ａは、信号処理部６から出力される位相成分の観測量に基づき、ｊ＋１番目の深さ位置において得られた位相成分φ_j+1から、該ｊ＋１番目の深さ位置に隣接するｊ番目の深さ位置において得られた位相成分φ_jを差し引くことにより、ｊ番目の深さ位置に対するｊ＋１番目の深さ位置の位相成分φ_j+1,jを、下記数式（３）に示すものとして算出する（図２のステップＳ６）。換言すると、ＣＰＵ７ａは、生体組織１０１の表面から入射された後ｊ番目の深さ位置に達するまでの間に照明光が受けた位相成分の変化量と、該ｊ番目の深さ位置を通過した後生体組織１０１の表面に達するまでの間に物体光が受けた位相成分の変化量との総和に相当する位相成分φ_jを、検査対象位置に相当するｊ＋１番目の深さ位置において得られた位相成分φ_j+1から差し引く処理を行う。その結果、位相成分の相対量に相当するφ_2,1、φ_3,2、・・・、φ_N,N-1の各値が算出される。

そして、ＣＰＵ７ａは、生体組織１０１の表面から数えて１番目の深さ位置における位相成分φ₁の値と、生体組織１０１の表面から数えて２番目〜Ｎ番目の深さ位置における位相成分φ_2,1、φ_3,2、・・・、φ_N,N-1の各値とを画素成分として用いつつ、生体組織１０１の深さ方向に沿ったＮ個の画素からなる１ライン分の画像データを生成した（図２のステップＳ７）後、該１ライン分の画像データを順次メモリ７ｂに蓄積する。

なお、本実施形態のＣＰＵ７ａは、位相成分φ₁の値と、位相成分φ_2,1、φ_3,2、・・・、φ_N,N-1の各値とを画素成分として用いることにより１ライン分の画像データを生成するものに限らず、該位相成分それぞれに含まれる屈折率ｎ₁、ｎ₂、・・・、ｎ_N-1、ｎ_Nの値を画素成分として用いることにより１ライン分の画像データを生成するものであっても良い。

ＣＰＵ７ａは、任意波形発生部４からのトリガ信号が入力されたか否かに基づき、図２のステップＳ７の処理において１ライン分の画像データを取得した際の一のスキャンラインがスキャニングドライバ３におけるスキャン範囲の終端であるか否かを判定する（図２のステップＳ８）。

そして、ＣＰＵ７ａは、前記スキャンラインがスキャニングドライバ３におけるスキャン範囲の終端でない場合（スキャンが完了していない場合）には、スキャンラインを前記一のスキャンラインから（図１のｘ軸方向またはｙ軸方向のいずれかに対して異なる）他のスキャンラインへ変移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（図２のステップＳ９）。そして、これ以降、スキャンラインがスキャニングドライバ３のスキャン範囲の終端に達するまでの間、作用として以上に述べた動作が光イメージング装置１の各部において繰り返し行われる。

また、ＣＰＵ７ａは、トリガ信号の入力によりスキャンが完了したことを検知すると、前回のトリガ信号入力時から今回のトリガ信号入力時までにメモリ７ｂに蓄積されたＭライン分の画像データを読み込み、垂直方向の画素数Ｎ及び水平方向の画素数Ｍのサイズを具備する１画面分の画像データを生成する。その後、ＣＰＵ７ａは、前記１画面分の画像データを映像信号に変換して表示部８へ出力する（図２のステップＳ１０）。これにより、表示部８には、図１に示す各座標軸のうち、例えばｘｚ平面における生体組織１０１の内部の像（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、生体媒質内部の所望の位置に超音波及び照明光を出射し、該所望の位置において発生した物体光に基づいて生体情報を得る場合に、該照明光及び該物体光の経路上に存在する生体媒質から受けた位相成分の変化量を除去しつつ、該所望の位置の生体情報を得ることが可能な構成及び作用を有している。そのため、本実施形態の光イメージング装置１によれば、光の屈折率がそれぞれ異なる生体媒質である、正常組織と癌等の腫瘍組織とが高コントラストにより可視化される。

なお、本実施形態の光イメージング装置１は、生体組織１０１の深さ方向における一のスキャンライン上の位相成分φ₁、φ₂、・・・、φ_N-1、φ_Nの各値を取得する場合に、生体組織１０１の表面側から深部側にかけて順番に超音波及び照明光を出射するように構成されたものでなくとも良い。

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の構成として、例えば図４に示すような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、光イメージング装置１Ａは、スキャニングドライバ３と、任意波形発生部４と、増幅部５と、信号処理部６と、端末装置７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、音響レンズ２６ａ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、を有して構成されている。

また、光カプラ５３は、図５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５及び図６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６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及び音響レンズ２６ａの中央部に形成された開口部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及び音響レンズ２６ａの中央部に形成された開口部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及び音響レンズ２６ａの中央部に形成された開口部において、例えば図６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５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４及び図５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。

そして、前述した光イメージング装置１Ａの構成によれば、照明光発生部２１から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、ファイババンドル６０ｂを介して出射された照明光は、生体組織１０１の深さ方向（図４のｚ軸方向）の各位置のうち、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａから出射された所定の超音波が収束した領域に相当する位置（生体組織１０１の表面から数えてｊ番目の深さ位置）において反射した後、物体光としてファイババンドル６０ａに入射される。

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干渉光となる。そして、前記干渉光は、光ファイバ５２ｄを経て光検出部２７に入射される。

なお、光イメージング装置１Ａは、図６に示すようなファイババンドル６０ａ及びファイババンドル６０ｂを内蔵する光ファイバ５２ｂを用いて構成されるものに限らず、送受光兼用の一本の光ファイバを用いて構成されるものであっても良い。

その後、図２のフローチャートに示す一連の処理として述べたものと同様の処理が行われることにより、Ｎ個の画素からなる画像データが１ライン分づつ生成され、垂直方向の画素数Ｎ及び水平方向の画素数Ｍのサイズを具備する１画面分の画像データが生成される。

以上に述べた構成及び作用を有することにより、光イメージング装置１Ａにおいても、光イメージング装置１と同様に、正常組織と癌等の腫瘍組織とが高コントラストにより可視化される。

なお、前述した効果は、図１及び図４に例示したような干渉型のシステムにおいてのみではなく、非干渉型のシステムにおいても同様に得ることができる。

また、本実施形態によれば、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａから出射される所定の超音波は、連続波に限らず、パルス波であっても良い。

ここで、図４に示した光イメージング装置１Ａにおいて、照明光発生部２１から出射される照明光が連続光であり、かつ、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａから出射される所定の超音波がパルス波である場合を例に挙げて説明を行う。

まず、ユーザは、光イメージング装置１Ａの各部の電源を投入した後、一のスキャン位置における図４の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超音波トランスデューサ２６（及び音響レンズ２６ａ）を配置するとともに、超音波トランスデューサ２６（及び音響レンズ２６ａ）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、生体組織１０１における生体情報の取得を開始させるための指示を行う。

照明光発生部２１は、図示しない操作部からの前記指示に基づき、連続光を照明光として出射する（図７のステップＳ２１）。

照明光発生部２１から出射された照明光は、光ファイバ５２ａ、第１カプラ部５３ａ及びファイババンドル６０ｂをを経た後、図４のｚ軸方向（生体組織１０１の深さ方向）に出射される。

一方、任意波形発生部４は、照明光発生部２１から照明光が出射された後、所定の超音波をパルス出力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。

超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａは、入力される超音波駆動信号に応じ、照明光の出射方向に沿うように、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目（ｊ＝１、２、…、Ｎ）の深さ位置へ所定の超音波をパルス出力する（図７のステップＳ２２）。

これにより、超音波トランスデューサ２６及び音響レンズ２６ａからパルス出力された所定の超音波は、周期的な粗密波として生体組織１０１の内部を内部を伝播した後、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目の深さ位置において収束する。

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の表面から数えてｊ番目の深さ位置において反射した後、物体光としてファイババンドル６０ａに入射される。

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干渉光となる。そして、前記干渉光は、光ファイバ５２ｄを経て光検出部２７に入射される。

光検出部２７は、光ファイバ５２ｄから出射される干渉光をヘテロダイン検出した後、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。

そして、信号処理部６は、生体組織１０１の表面から数えてｊ番目の深さ位置において発生した物体光の位相成分をφ_jとして取得する（図７のステップＳ２３）。その後、信号処理部６は、任意波形発生部４からのタイミング信号の入力タイミングに応じた時間分解を行うことにより、位相成分φ_jと深さ位置のインデックス値ｊとを関連付けるとともに、該位相成分φ_jの値を一時的に蓄積する。

その後、光イメージング装置１Ａの各部は、生体組織１０１の表面から数えてＮ番目の深さ位置において発生した物体光の位相成分φ_Nが取得されるまでの間、図７のステップＳ２２及びステップＳ２３の動作を繰り返し行う（図７のステップＳ２４及びＳ２５）。

すなわち、図７のステップＳ２２及びステップＳ２３の動作が繰り返し行われることにより、生体組織１０１の表面から数えて第１番目から第Ｎ番目までのそれぞれ異なる深さ位置にパルス超音波が入射されるタイミング毎に物体光が発せられ、深さ位置のインデックス値１、２、・・・、Ｎ−１、Ｎと関連付けられた位相成分φ₁、φ₂、・・・、φ_N-1、φ_Nの各値が信号処理部６に一時的に蓄積される。

そして、信号処理部６は、生体組織１０１の表面から数えてＮ番目の深さ位置において発生した物体光が具備する位相成分φ_Nを取得し、前述の時間分解を行うことにより該位相成分φ_Nとインデックス値Ｎとを関連付ける。その後、信号処理部６は、深さ位置のインデックス値１、２、・・・、Ｎ−１、Ｎと関連付けられた位相成分φ₁、φ₂、・・・、φ_N-1、φ_Nの各値を、位相成分の観測量の取得結果として端末装置７へ出力する。

演算部としての機能を有するＣＰＵ７ａは、信号処理部６から出力される位相成分の観測量に基づき、ｊ＋１番目の深さ位置において得られた位相成分φ_j+1から、該ｊ＋１番目の深さ位置に隣接するｊ番目の深さ位置において得られた位相成分φ_jを差し引くことにより、ｊ番目の深さ位置に対するｊ＋１番目の深さ位置の位相成分φ_j+1,jを、上記数式（３）に示すものとして算出する（図７のステップＳ２６）。

そして、ＣＰＵ７ａは、生体組織１０１の表面から数えて１番目の深さ位置における位相成分φ₁の値と、生体組織１０１の表面から数えて２番目〜Ｎ番目の深さ位置における位相成分φ_2,1、φ_3,2、・・・、φ_N,N-1の各値とを画素成分として用いつつ、生体組織１０１の深さ方向に沿ったＮ個の画素からなる１ライン分の画像データを生成した（図７のステップＳ２７）後、該１ライン分の画像データを順次メモリ７ｂに蓄積する。

ＣＰＵ７ａは、任意波形発生部４からのトリガ信号が入力されたか否かに基づき、図７のステップＳ２７の処理において１ライン分の画像データを取得した際の一のスキャンラインがスキャニングドライバ３におけるスキャン範囲の終端であるか否かを判定する（図７のステップＳ２８）。

そして、ＣＰＵ７ａは、前記スキャンラインがスキャニングドライバ３におけるスキャン範囲の終端でない場合（スキャンが完了していない場合）には、スキャンラインを前記一のスキャンラインから（図４のｘ軸方向またはｙ軸方向のいずれかに対して異なる）他のスキャンラインへ変移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（図７のステップＳ２９）。そして、これ以降、スキャンラインがスキャニングドライバ３のスキャン範囲の終端に達するまでの間、作用として以上に述べた動作が光イメージング装置１Ａの各部において繰り返し行われる。

また、ＣＰＵ７ａは、トリガ信号の入力によりスキャンが完了したことを検知すると、前回のトリガ信号入力時から今回のトリガ信号入力時までにメモリ７ｂに蓄積されたＭライン分の画像データを読み込み、垂直方向の画素数Ｎ及び水平方向の画素数Ｍのサイズを具備する１画面分の画像データを生成する。その後、ＣＰＵ７ａは、前記１画面分の画像データを映像信号に変換して表示部８へ出力する（図７のステップＳ３０）。これにより、表示部８には、図４に示す各座標軸のうち、例えばｘｚ平面における生体組織１０１の内部の像（断層像）が画像表示される。

そして、図７に示す一連の処理が行われた場合においても、正常組織と癌等の腫瘍組織とを高コントラストに可視化することができる。

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。

本出願は、２００９年２月２３日に日本国に出願された特願２００９−３９７０９号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

本発明における生体観測装置は、被検体の内部の所定の領域に対して超音波を出力する超音波発生部と、前記超音波が入射された前記所定の領域に照明光を出射する照明光発生部と、前記所定の領域へ出射された前記照明光の戻り光に対し、第１番目のタイミングから第Ｎ番目のタイミングにかけて時間分解を行うことにより、各タイミングに応じた該戻り光の位相成分を第１個目から第Ｎ個目まで検出する位相成分検出部と、前記位相成分検出部において検出された各位相成分に基づき、第１個目から第Ｎ−１個目までの位相成分の和を、第Ｎ個目の位相成分から差し引くための処理を行う演算部と、を有する。

本発明における生体断層画像生成方法は、被検体の内部の所定の領域に対して超音波を出力し、前記超音波が入射された前記所定の領域に照明光を出射し、前記所定の領域へ出射された前記照明光の戻り光に対し、第１番目のタイミングから第Ｎ番目のタイミングにかけて時間分解を行うことにより、各タイミングに応じた該戻り光の位相成分を第１個目から第Ｎ個目まで検出し、前記位相成分検出部において検出された各位相成分に基づき、第１個目から第Ｎ−１個目までの位相成分の和を、第Ｎ個目の位相成分から差し引くための処理を行い、前記処理における処理結果を画素成分として用いることにより、前記所定の領域の断層画像を生成する。

Claims (5)

1. 被検体の内部の所定の領域に対して超音波を出力する超音波発生部と、
   前記超音波が入射された前記所定の領域に照明光を出射する照明光発生部と、
   前記所定の領域へ出射された前記照明光の戻り光に対し、第１番目のタイミングから第Ｎ番目のタイミングにかけて時間分解を行うことにより、各タイミングに応じた該戻り光の位相成分を第１個目から第Ｎ個目まで検出する位相成分検出部と、
   前記位相成分検出部において検出された各位相成分に基づき、第１個目から第Ｎ−１個目までの位相成分の和を、第Ｎ個目の位相成分から差し引く処理を行う演算部と、
   を有することを特徴とする生体観測装置。
2. 前記演算部は、前記処理における処理結果を画素成分として用いることにより、前記所定の領域の断層画像を生成することを特徴とする請求項１に記載の生体観測装置。
3. 前記照明光は、コヒーレント光であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の生体観測装置。
4. 被検体の内部の所定の領域に対して超音波を出力し、
   前記超音波が入射された前記所定の領域に照明光を出射し、
   前記所定の領域へ出射された前記照明光の戻り光に対し、第１番目のタイミングから第Ｎ番目のタイミングにかけて時間分解を行うことにより、各タイミングに応じた該戻り光の位相成分を第１個目から第Ｎ個目まで検出し、
   前記位相成分検出部において検出された各位相成分に基づき、第１個目から第Ｎ−１個目までの位相成分の和を、第Ｎ個目の位相成分から差し引く処理を行い、
   前記処理における処理結果を画素成分として用いることにより、前記所定の領域の断層画像を生成する
   ことを特徴とする生体断層画像生成方法。
5. 前記照明光は、コヒーレント光であることを特徴とする請求項４に記載の生体断層画像生成方法。

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