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【発明の名称】 音波計測装置
【発明者】 【氏名】堀中 博道

【氏名】張 吉夫

【氏名】松中 敏行

【氏名】細美 昌平
【要約】 【課題】超音波と光を組み合わせた新たな計測技術を提供する。

【解決手段】光ファイバ１６を用い光源１０の光を被検体１００にできるだけ均等に照射する。第１ロックインアンプ３０の内部参照信号で送波振動子２８ａを駆動し、向かい側の受波振動子２８ｂで得られる受信信号をその内部参照信号で同期検波して両者の位相差を求める。ライトチョッパ１５で被検体１００に対する光照射を断続すると、光吸収による温度変化により被検体各部の音速が変わり、振動子２８ａ、２８ｂ間の音響的な距離が変わり、第１ロックインアンプ３０の位相差出力のレベルが変化する。この変化を第２ロックインアンプ３４でライトチョッパ１５の断続に同期して検出すれば、光照射の有無による被検体の音速変化が分かる。被検体全周にわたって超音波ビームを走査し、各ビーム毎の音速変化にＣＴの逆投影演算を適用することで、被検体の光吸収分布の断層像が得られる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 物体に所定エネルギーを照射する照射手段と、物体内に音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、前記エネルギーの照射時と非照射時の前記送受波手段の受信信号に基づいて物体を評価する評価手段と、を含む音波計測装置。
【請求項２】 前記評価手段は、照射時と非照射時の前記受信信号から、照射の有無による前記物体の音速変化に対応する物理量を求め、この物理量に基づき前記物体を評価することを特徴とする請求項１記載の音波計測装置。
【請求項３】 前記音速変化に対応する物理量は、照射時と非照射時とでの前記受信信号の位相差であることを特徴とする請求項２記載の音波計測装置。
【請求項４】 前記照射手段は、エネルギー照射を断続するための断続手段を有し、前記評価手段は、前記断続手段による照射の断続に同期して前記受信信号を検波することにより、照射時と非照射時の前記受信信号の位相差を検出することを特徴とする請求項３記載の音波計測装置。
【請求項５】 前記音速変化に対応する物理量は、照射時と非照射時とでの前記物体内の音波伝搬時間の差であることを特徴とする請求項２記載の音波計測装置。
【請求項６】 前記送受波手段は、音波パルスのビームを送波し、その反射波を受波して前記受信信号を生成し、前記評価手段は、照射時と非照射時の前記受信信号同士の比較により、前記ビーム上の各点ごとに照射の有無による音速変化に対応する物理量を求め、この物理量に基づき前記物体を評価することを特徴とする請求項１記載の音波計測装置。
【請求項７】 前記評価手段は、前記送受波手段の前記ビームで前記物体が走査された場合の各ビーム毎の前記物理量の分布を求め、前記物体各部の前記エネルギーの吸収率の分布を表す断層像を構成する手段を有することを特徴とする請求項６記載の音波計測装置。
【請求項８】 前記送受波手段は、音波ビームを送受波し、前記評価手段は、前記音波ビームで前記物体が走査された場合に、各ビーム毎に前記物理量を求め、これをビーム走査に沿った分布として表示することを特徴とする請求項２記載の音波計測装置。
【請求項９】 前記送受波手段は、前記物体の周囲から音波ビームを走査し、前記物体を透過した音波ビームを受波して前記受信信号を生成し、前記評価手段は、ビーム走査に沿った前記物理量の分布から前記物体の断層像を構成する手段を有することを特徴とする請求項８記載の音波計測装置。
【請求項１０】 前記評価手段は、前記照射手段が照射するエネルギーに対して吸収性が高い造影剤を注入した前記物体についての前記送受波手段の受信信号に基づき、前記造影剤が集まりやすい特定の部位が強調された前記物体の画像を構成することを特徴とする請求項７又は請求項９に記載の音波計測装置。
【請求項１１】 前記送受波手段のビーム走査により前記物体内各部の音波反射特性を表す断層エコー画像を形成するエコー画像形成手段を有し、前記評価手段は、前記物体各部の前記エネルギーの吸収率の分布を表す断層像を前記断層エコー画像に重畳して表示することを特徴とする請求項７記載の音波計測装置。
【請求項１２】 物体に対して、所定エネルギーを、照射強度を変化させながら照射する照射手段と、物体内に音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を出力する音波送受波手段と、前記照射手段によるエネルギーの照射量の変化と前記音波送受波手段の受信信号の変化との関係に基づいて物体を評価する評価手段と、を含む音波計測装置。
【請求項１３】 前記評価手段は、前記照射強度の変化による前記受信信号の位相変化に基づき前記物体を評価することを特徴とする請求項１２記載の音波計測装置。
【請求項１４】 物体に所定エネルギーを照射する照射手段と、前記物体内に音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、前記照射手段によるエネルギー照射の影響下で前記送受波手段に音波送受を行わせ、その受信信号に基づいて物体を評価する評価手段と、を含む音波計測装置。
【請求項１５】 前記評価手段は、前記受信信号に基づき、前記物体各部の前記エネルギーの吸収特性の分布を表す画像を形成することを特徴とする請求項１２又は請求項１４に記載の音波計測装置。
【請求項１６】 前記照射手段が照射するエネルギーは赤外線であることを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれかに記載の音波計測装置。
【請求項１７】 （ａ）所定エネルギー照射時の物体に対して音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を生成するステップと、（ｂ）所定エネルギー非照射時の物体に対して音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を生成するステップと、（ｃ）ステップ（ａ）で得られた受信信号とステップ（ｂ）で得られた受信信号との比較により、前記物体の前記音波の伝搬経路を評価するステップと、を含む音波計測方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波等の音波を用いて生体その他の計測対象の物体内部の状態を計測するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】医療分野で利用される超音波診断装置は、超音波ビームを生体内に送波し、これに対する生体内からのエコーを検知してこれを画像化する。電子走査方式などにより断層画像をリアルタイム表示する装置が広く普及しており、体内の非侵襲的な診断に大きな威力を発揮している。
【０００３】広く普及している超音波診断装置には、ＢモードやＭモードなどのようにエコーの強さを輝度変調などで画像化するものと、カラードプラなどのように反射体の運動によるエコーのドプラシフト成分を画像化するものとがあり、これら両者の機能を併せ持つ装置もよく用いられている。
【０００４】超音波診断装置は、リアルタイム画像の画質向上や、画像からの血流量の算出その他の応用ソフトウエアの開発など、様々な面で進歩しつつある。
【０００５】このように、超音波診断装置の進歩は続いているが、開発の方向性がある程度定まって来ており技術的に成熟に近づいている面もある。超音波を利用した新たな診断・計測の技法の模索が続いている。
【０００６】そのような試みに、光と超音波の相互作用を利用したものがある。その一つとして、生体に超音波を透過させた状態で生体にコヒーレント光を照射し、超音波によるその光の変調を、参照光とのビート信号により検出し、これをもとに生体の断層像を形成しようとするものがある（M.Kemple,M.Larionov,D.Zaslavsky,and A.Z.Genack;J.Opt.Soc.Am,A 14(1997)1151等）。また別の試みとして、生体に光照射を行い、これにより吸収体が発生した超音波を検出する方式が提案され、実験が行われている（H.Nathel;Optics & Photonics News,27(1999)28.等）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記Ｋｅｍｐｌｅらの提案する方式は、相互作用の検出のために光のコヒーレンスを利用しなければならないと言う問題がある。生体内では、光は複雑に反射・散乱されるため、超音波による変調成分だけを感度よく取り出すことは難しい。
【０００８】また、Ｎａｔｈｅｌの方式は、光吸収により発生した超音波を検出するという方式なので、強力な光を用いないと十分な大きさの信号が得られない。生体内では光は拡散するので、そのような強力な光を供給することには困難が予想される。また、この方式では、超音波が広い範囲で発生するので、空間分解能を高めることが難しいと考えられる。
【０００９】以上、生体計測の技術を例にとって超音波利用装置の問題点を説明したが、生体計測以外の分野でも、超音波を用いた計測技術に新しい展開が求められている。
【００１０】本発明は、このような見地に立ってなされたものであり、超音波を用いた従来にない新たな計測・解析のための装置を提供することを目的とする。特に、本発明は、超音波と、光などの他のエネルギーとの相互作用を用いた新たな計測・解析技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明に係る音波計測装置は、物体に所定エネルギーを照射する照射手段と、物体内に音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、前記エネルギーの照射時と非照射時の前記音波送受波手段の受信信号に基づいて物体を評価する評価手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】この構成では、エネルギーを照射すると、物体内の各部が、そのエネルギーに対する各々の吸収特性に応じてそのエネルギーを吸収する。そのエネルギーをよく吸収する部位は、そうでない部位よりも大きな温度上昇を示す。超音波を含む音波は、媒質の温度変化に応じてその伝搬速度（音速）が変化する。エネルギー照射時と非照射時とでは、物体の音波伝搬経路各部の温度分布が異なっているので、受信信号に差が現れる。この差を分析することで、当該物体のそのエネルギーに対する吸収性を評価できる。なお、照射するエネルギーは、光、電波、超音波などを用いることができる。
【００１３】本発明の好適な態様では、評価手段は、照射時と非照射時の受信信号から、照射の有無による前記物体の音速変化に対応する物理量を求め、この物理量に基づき前記物体を評価する。この物理量は、例えば照射時と非照射時の受信信号の位相差や、被検体を横切る超音波の伝搬時間の差などである。音速変化は、音波伝搬経路上の各部の温度変化に依存し、この温度変化は、それら各部のエネルギー吸収特性に依存する。したがって、求めた物理量は、物体の音波伝搬経路のエネルギー吸収特性の評価のために利用できる。
【００１４】また別の好適な態様では、送受波手段は、音波パルスのビームを送波し、その反射波を受波して受信信号を生成し、評価手段は、照射時と非照射時の受信信号同士の比較により、ビーム上の各点ごとに照射の有無による音速変化に対応する物理量を求める。
【００１５】この態様では、パルスエコー法を用いることにより、ビーム上の深さ方向の分解能を得ることができる。各反射体に対応する受信信号上の各パルスの位置が、光照射の有無によりどのように変わるかを調べることにより、そのビーム上の各部の音速変化に関する情報を得ることができる。この態様において、ビームを走査し、その走査に従って、各ビームの音速変化の分布を合成すれば、物体内各部のエネルギー吸収率の分布を示す、２次元又は３次元の画像を得ることができる。
【００１６】別の好適な態様では、音波ビームで物体を走査したときの、ビーム走査方向に沿った前記物理量の分布を表示する。
【００１７】更に別の好適な態様では、そのビーム走査方向に沿った物理量の分布から、例えばＸ線ＣＴなどで用いられる逆投影演算などを用いることで、ビーム走査面についての断層画像を形成することができる。
【００１８】また、別の好適な態様では、照射手段が照射するエネルギーに対して吸収性が高い造影剤を物体に注入し、この状態で送受波手段で超音波を送受してその受信信号を解析することで、造影剤が集まりやすい特定の部位が強調された物体の画像を構成することができる。
【００１９】また、本発明の好適な態様では、送受波手段のビーム走査により物体内各部の音波反射特性を表す断層エコー画像を形成するエコー画像形成手段を有し、評価手段は、物体各部のエネルギーの吸収率の分布を表す断層像を前記断層エコー画像に重畳して表示する。音波反射特性は、例えば反射強度やエコーに与えるドプラシフトなどのことであり、音波反射特性を表す画像には従来の超音波診断装置のＢモード断層像やカラードプラ画像などが含まれる。この態様によれば、従来からの断層画像の情報で確認した部位がどのようなエネルギー吸収特性を示しているかなどを一目で確認できる。
【００２０】また、本発明に係る音波計測装置は、物体に対して、所定エネルギーを、照射強度を変化させながら照射する照射手段と、物体内に音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を出力する音波送受波手段と、前記照射手段によるエネルギーの照射量の変化と前記音波送受波手段の受信信号の変化との関係に基づいて物体を評価する評価手段とを含む。
【００２１】この構成によれば、照射強度の変化に応じた受信信号の位相等の変化から、物体のエネルギー吸収に関する情報を得ることができる。
【００２２】また、本発明に係る音波計測装置は、物体に所定エネルギーを照射する照射手段と、物体内に音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、前記照射手段によるエネルギー照射の影響下で前記音波送受波手段に音波送受を行わせ、その受信信号に基づいて物体を評価する評価手段とを含む。
【００２３】この構成で、「照射手段によるエネルギー照射の影響下」とは、エネルギー照射により物体各部の温度が、そのエネルギーの吸収特性に応じて上昇した後、平衡状態まで下がりきっていない状態であり、必ずしもエネルギー照射中でなくてもよい。このような状態での音波送受の受信信号から、例えば物体の音波伝搬経路上の音速を求めるなどの評価演算を行うことで、物体のエネルギー吸収に関する評価を行うことができる。
【００２４】また、本発明に係る超音波計測方法は、（ａ）所定エネルギー照射時の物体に対して音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を生成するステップと、（ｂ）所定エネルギー非照射時の物体に対して音波を送波し、前記物体からの透過音波又は反射音波を受波して受信信号を生成するステップと、（ｃ）ステップ（ａ）で得られた受信信号とステップ（ｂ）で得られた受信信号との比較により、前記物体の前記音波の伝搬経路を評価するステップと、を含む。
【００２５】この方法によれば、物体のエネルギー吸収に関する特性を、そのエネルギー吸収による温度上昇から引き起こされる音速変化の影響を含んだ受信信号から検出することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００２７】発明者らは、生体にエネルギーを照射した場合に、生体各部のエネルギー吸収特性の相違により各部で温度上昇に差が生じることに着目した。この差により生じた生体各部の温度の差は、超音波の伝搬速度、すなわち音速の差として検出できる。そこで、本発明の実施形態では、生体に対して比較的透過しやすく、しかも安全なエネルギーとして近赤外線を利用し、これを生体に照射した時の音速の変化を超音波プローブで検出することとした。
【００２８】［実施形態１］図１は、本発明の第一の実施形態の計測装置の概略構成を示す図である。この装置は、大きく分けて、生体にエネルギーを与えるための光照射機構と、エネルギー吸収による温度変化を音速変化として検出するための超音波計測機構とからなる。
【００２９】光照射機構は、光源１０、色フィルタ１２、電磁シャッター１４、光ファイバ１６から構成される。色フィルタ１２は、光源１０から発せられた光の中から所望の近赤外線だけを透過させる。色フィルタ１２を通過した光は、電磁シャッタ１４を介して多数の光ファイバ１６に入力される。電磁シャッター１４は、、制御・解析用コンピュータ２０から供給されるシャッター制御信号に応じて開閉される。
【００３０】光ファイバ１６群は、一端を結束バンド１７で留められており、その結束部が電磁シャッタ１４の出射側に配設されている。各光ファイバ１６の他端は、それぞれ被検体１００の周囲を取り巻くように分布配置されている。したがって、結束部側から入射した近赤外線は、光ファイバ１６群によって被検体１００の周囲各部に導かれ、被検体１００に向かって照射される。照射された近赤外線２００は、被検体１００の内部を伝搬し、被検体１００内各部のその光に対する吸収特性に応じて吸収される。例えば、病変部１１０に吸収されやすい波長の光を選べば、照射によりその病変部１１０が他より光エネルギーを多く吸収し、高い温度上昇を示す。
【００３１】この構成では、光ファイバ１６群で多数の箇所から被検体１００に向かって光を照射するので、被検体１００内各部に、できるだけ均一なエネルギー密度で光を照射することができる。また、光ファイバ１６を用いることにより、被検体１００の形状に合わせて適切な光照射が可能となるという利点もある。
【００３２】超音波計測機構は、パルス発生器２２、高周波パワーアンプ２４、入出力切り替え回路２６、振動子２８及びＡ／Ｄ変換器２９を含む。パルス発生器２２は、制御・解析用コンピュータ２０から与えられるトリガ信号に従って高周波の電気パルスを発生する。このパルスが高周波パワーアンプ２４で増幅され、入出力切り替え回路２６を介して振動子２８に供給される。振動子２８は、この電気パルスを機械的振動に変換し、超音波パルスを発生する。振動子２８は、音響レンズその他の機構により超音波を絞ってビームとする能力を有する。振動子２８は、送受波兼用であり、送波した超音波に対するエコーを検出してそれを電気信号（受信信号）に変換する。また、振動子２８は、走査機構（図示省略）により、被検体１００の周りを所定範囲にわたって走査される。このような機構により、超音波ビーム２１０で被検体１００の所望の断層面を走査することができる。このビーム走査は、制御・解析用コンピュータ２０が生成する走査制御信号に従って行われる。
【００３３】入出力切り替え回路２６は、振動子２８の送受信を切り替えるための機構である。この切り替えにより、送信時には高周波パワーアンプ２４から振動子２８に駆動パルスが供給され、受信時には振動子２８のエコー検出による高周波の受信信号が入出力切り替え回路２６を介してＡ／Ｄ変換器２９に入力される。Ａ／Ｄ変換器２９は、その受信信号をディジタル信号に変換し、制御・解析用コンピュータ２０に入力する。制御・解析用コンピュータ２０は、そのディジタル化された受信信号を解析して、被検体１００内各部の光吸収による温度上昇を評価する。
【００３４】本実施形態では、電磁シャッター１４を閉じて光照射を行っていないときと、電磁シャッター１４を開いて光照射を行っているときとで、それぞれ超音波パルスの送受を行い、それぞれの場合の被検体内からのエコーの受信信号同士を比較することにより、光照射による被検体内各部の温度上昇を解析する。このための一連の制御及び解析は、制御・解析用コンピュータ２０によって実行される。その一連の処理手順は、例えば次のようになる（図２参照）。
【００３５】制御・解析用コンピュータ２０は、振動子２８を所定の走査開始位置まで移動させ、電磁シャッター１４に対して開動作を指示する制御信号を送る（Ｓ１０）。これにより、光源１０の光が光ファイバ１６を介して被検体１００に照射される。そして、この照射開始から所定時間経過後にパルス発生器２２に対してトリガ信号を送り、振動子２８に超音波パルスビームの送受を行わせる（Ｓ１２）。ここで、光照射開始から超音波送受開始までの時間は、被検体１００各部が十分な光エネルギーを吸収するのに要する時間であり、予め実験等で定めてコンピュータ２０に設定しておく。そして、制御・解析用コンピュータ２０は、この超音波送受によって得られた受信信号の波形を記憶する（Ｓ１４）。このようにして光照射時の超音波受信波形の記憶が終わると、制御・解析用コンピュータ２０は電磁シャッター１４に対して閉動作を指示する制御信号を送る（Ｓ１６）。これにより被検体１００に対する光照射が停止される。この照射停止から所定時間経過して被検体１００が十分に温度低下したところで、制御・解析用コンピュータ２０から超音波パルス出力が指示され、送受波が行われる（Ｓ１８）。そして、その超音波送受により得られた受信信号の波形が制御・解析用コンピュータ２０に記憶される（Ｓ２０）。
【００３６】制御・解析用コンピュータ２０は、このようにして取得した光照射時と非照射時の受信信号同士を比較し、超音波ビーム上の各点の光照射の有無による音速の変化を解析する（Ｓ２２）。この解析処理の概念を図３を参照して説明する。
【００３７】周知のように、超音波は音響インピーダンスの異なる組織同士の境界面で反射される。本実施形態では、パルス状の超音波を送波するので、エコーの受信信号は、超音波ビーム上の各境界での反射によるパルス成分が重なったものとなり、振動子２８に近い順に各境界に対応した反射パルス（高振幅部）が現れる。図３の（ａ）は、光を照射していないときの受信信号の波形を模式的に示したものである。この例では、受信信号にＡ，Ｂ，Ｃの３つの反射パルスが認められ、それらはそれぞれビーム経路上の強反射体（すなわち組織境界）に対応している。これに対し（ｂ）は光照射を行ったときの受信信号波形を示したものである。波形（ｂ）には、波形（ａ）と同じく３カ所の反射パルスが現れているが、温度上昇による音速変化によりその位置（受信時刻）が少しずつずれている。例えば、振動子２８に近い境界からの反射による反射パルスＡは位置ずれが起きていないが、２、３番目のパルスＢ，Ｃには位置ずれが起こっている。これから、振動子２８からパルスＡに対応する組織境界までの間の組織は光照射による音速変化（すなわち温度変化）がほとんど起こっていないのに対し、それより深い組織では温度上昇による音速変化が起こっていることが分かる。そこで、本実施形態では、非照射時の受信信号波形と照射時の受信信号波形の比較から、図３に示すように、光照射の有無による各反射パルスの位置の差（位置ずれ）を表す信号（ｃ）を求め、この信号（ｃ）から、反射が生じた組織の位置と、その組織の内部での音速の変化を求める。
【００３８】ここで、反射パルスの位置の変化は、超音波がその反射点まで往復するのに要した時間の変化に対応していると考えられる。その往復時間の変化は、超音波の往復経路上の各組織の温度上昇による音速変化が重畳したものと考えられる。したがって、隣り合う反射パルス同士の位置ずれ量の差が、それら反射パルスが表す境界同士の間の組織を超音波が往復するのに要する時間の、光照射による変化に対応すると考えることができる。また、その組織の厚みは反射パルス同士の間隔に対応する。従って、これらを総合すると、各組織の位置と、光吸収による温度上昇によるそれら各組織の音速変化を求めることができる。
【００３９】Ｓ２２では、このような原理に従った演算処理により、超音波ビームに沿った各組織の光照射による音速変化度の分布情報が得られる。
【００４０】以上の処理により、光照射の有無による音速変化のビーム方向に沿った分布が得られると、制御・解析用コンピュータ２０は、予定したビーム走査が完了したかどうか検査し（Ｓ２４）、完了していなければ振動子２８を１ビーム分移動させ（Ｓ２６）、上記のＳ１０からＳ２２までの処理を繰り返す。これにより、各ビーム毎に、それに沿った各組織の音速変化の分布情報が得られる。これらを合成することにより、光照射による音速変化の２次元分布が得られる。音速変化は、照射された光エネルギーの吸収特性に依存するので、得られた２次元分布は、被検体断層面における光吸収特性の分布と捉えることができる。
【００４１】例えば、１ビームずつ、Ｓ２６でそのビーム方向に沿った各反射点での音速変化の値を画像メモリに書き込んでいけば、ビーム走査により光吸収特性の２次元分布を画像化することができる。
【００４２】以上説明したように、本実施形態によれば、光エネルギーの吸収特性から見た被検体の断層画像を生成することができる。
【００４３】本実施形態では、光は被検体組織の加熱のために用いるだけなので、照射する光のコヒーレンスは必要でない。したがって、光照射機構を簡素な構造とすることができる。また、本実施形態では、被検体内で発生する超音波ではなく振動子から放射した超音波の反射波を受信するので、「従来の技術」で説明したＮａｔｈｅｌの技術と比べて受信信号がはるかに強くなり、信号処理が容易である。また、本実施形態では、走査方向について基本的に超音波ビームのビーム幅程度の、深さ方向については従来の超音波診断装置と同等の分解能が得られるので、Ｎａｔｈｅｌの技術と比べて高い分解能が得られる。
【００４４】以上の例では、ビームを走査することにより２次元的な画像を得たが、走査せずに得られるビーム方向の光吸収分布の情報だけでも、有益な診断情報となる。
【００４５】また、このようにして得た光吸収の分布情報は、画像表示だけでなく、生体組織の定量分析への利用も期待される。
【００４６】［実施形態２］上記実施形態１では、超音波パルスを用いたのに対し、この第二の実施形態では連続波の超音波を用いる。
【００４７】図４は、実施形態の装置の概略構成を示す図である。図４において、図１に示した構成要素に相当する構成要素には同一の符号を付して説明を簡略化する。
【００４８】この実施形態の装置も、実施形態１の装置と同様、光照射機構と超音波計測機構から構成される。本実施形態の光照射機構は、電磁シャッターの変わりにライトチョッパ１５を用いる点を除いては、実施形態１の構成と同様である。ライトチョッパ１５は、光源１０から出力された光が光ファイバ１６群に入射するのを、所定周期で断続する。
【００４９】超音波計測機構は、実施形態１とは異なり、送波振動子２８ａと受波振動子２８ｂを対向配置し、前者から発した連続波の超音波ビームを後者で受波する構成をとっている。送波振動子２８ａ及び受波振動子２８ｂは、図示しない走査機構に取り付けられ、制御・解析用コンピュータ２０の走査制御信号に従って、対向状態を維持したまま移動させられる。
【００５０】本実施形態では、連続波の超音波を被検体１００に送波する。連続波ではパルスとは違って距離分解能は得られないので、１送信ビームではそのビーム経路についての音速変化のみを求める。そして、ビーム走査を行って多数のビームについて音速変化の情報を求め、それらの情報からＣＴ（コンピュータ断層像）の逆投影（バックプロジェクション）の手法を用いて断層画像を構成する。
【００５１】第１ロックインアンプ３０の内部参照信号を高周波パワーアンプ３２で増幅し、これで送波振動子２８ａを駆動する。内部参照信号としては、例えば５ＭＨｚの正弦波を用いる。これにより、送波振動子２８ａからは内部参照信号と同じ周波数の連続波の超音波ビーム２２０が出力される。向かい側の受波振動子２８ｂは、被検体１００内を伝搬した超音波を受信し、電気的な受信信号に変換する。この受信信号は第１ロックインアンプ３０に入力される。
【００５２】第１ロックインアンプ３０は、入力された受信信号を内部参照信号で同期検波する。送波した超音波は内部参照信号から生成したものなので、受波振動子２８ｂで得られる受信信号も基本的に内部参照信号と同じ周波数になる。第１ロックインアンプ３０で受信信号を同期検波すると、受信信号と内部参照信号との位相差の情報が得られる。この位相差の信号が、第１ロックインアンプ３０の位相差出力から出力され、第２ロックインアンプ３４に入力される。
【００５３】ここで、被検体１００に光を照射すると、被検体１００の温度が上昇するため音速が変化する。この音速が変化するとこれに応じて波長が変わるので、温度上昇の前後では受波振動子２８ｂで受信した受信信号の位相が変化する。したがって、光照射時と非照射時では被検体の温度が変化するので、第１ロックインアンプ３０の出力する位相差信号のレベルが異なってくる。
【００５４】第２ロックインアンプ３４には、ライトチョッパ１５の断続制御信号が外部参照信号として入力される。第２ロックインアンプ３４は、この外部参照信号を用いて、光照射時と非照射時での第１ロックインアンプ３０の位相差信号の変化（振幅）を求める。求められた位相差信号の振幅は、光照射時と非照射時の受信信号の位相の差分に対応しており、光照射の有無による超音波伝搬路の音速の変化を反映している。第２ロックインアンプ３４の出力は制御・解析用コンピュータ２０に入力される。
【００５５】制御・解析用コンピュータ２０は、走査制御信号により送波振動子２８ａ及び受波振動子２８ｂを被検体１００の周囲に沿って移動させ、これにより超音波ビームを走査する。そして、各走査位置ごとに、第２ロックインアンプ３４から出力された光照射時と非照射時の受信信号の位相変化の情報を記憶する。このようにして、被検体１００の全周にわたって走査が完了すると、各走査位置での位相変化に対し、Ｘ線ＣＴ等で周知のバックプロジェクション・アルゴリズムを適用することにより、被検体１００の断層像を形成する。
【００５６】次に、図５を参照して、第１ロックインアンプ３０と第２ロックインアンプ３４の動作、すなわち光照射の有無による音速変化の検出手法を説明する。
【００５７】図５に示すように、第１ロックインアンプ３０の内部参照信号（ａ）は正弦波であり、送波振動子２８ａからはこの正弦波に対応した超音波が出力される。超音波は、被検体各部の組織ごとに音速が異なっても同一周波数で被検体内を伝搬する（血流等の運動体による変調成分が若干加わるがレベルとしては小さい）。したがって、受波振動子２８ｂの受信信号波形は内部参照信号に近い波形となる。光源１０の光を被検体１００に照射しない時（非照射時）の受信信号と内部参照信号との位相差を０に調整すると、このときの受信信号（ｂ１）は、内部参照信号とほぼ同位相同周波数の信号となる。したがって、受信信号と内部参照信号の位相差を求める第１ロックインアンプ３０の出力（ｂ２）は、ほぼ０で一定の信号となる。
【００５８】一方、被検体１００に光を照射すると、被検体１００内の各部がその光の吸収特性に応じた温度上昇を示す。この温度上昇により被検体各部の音速が変化する。この音速変化により、送波振動子２８ａと受波振動子２８ｂとの間の音響的な距離が変化し、これが受信信号の位相変化として現れる。すなわち、光照射時の受信信号（ｃ１）は、内部参照信号（ａ）に対して位相がずれた、ほぼ同一周波数の信号となっている。したがって、光照射時の第１ロックインアンプ３０の出力（ｃ２）は、受信信号（ｃ１）と内部参照信号（ａ）との位相差を表すほぼ一定値の信号となる。
【００５９】ここで、ライトチョッパ１５により制御信号（ｄ）に従って被検体１００に対する光照射を断続すると、その断続に応じて被検体１００各部の温度、ひいては音速が変化する。第１ロックインアンプ３０の時定数を、光照射の断続周期よりも十分短く設定しておく。第１ロックインアンプ３０の位相差出力は、模式的には、光照射の断続に対応して、光照射時（ｃ２）と非照射時（ｂ２）のレベルを交互に繰り返す（信号（ｅ））。光照射を断続したときのこの第１ロックインアンプ３０の出力変化（振幅）を、第２ロックインアンプ３４でその光の断続に同期して検出すれば、光照射の有無による受信信号の位相変化のみを高い感度で取り出せる。この位相変化は、振動子２８ａ、２８ｂ間の超音波伝搬経路の各点の音速変化を総合したものに対応する。
【００６０】制御・解析用コンピュータ２０は、振動子２８ａ、２８ｂのペアを被検体１００の周りに沿って少しずつ移動させ、各走査位置ごとに上記の処理を行って光照射の有無による受信信号の位相変化を検出して記憶する。そして、これら各操作位置での検出結果をＣＴのアルゴリズムで処理すれば、被検体１００の走査断面各部の、光照射の有無による音速変化の分布が求められる。被検体各部の音速変化は、その部分の光吸収率に依存していると考えられるので、その音速変化の分布は、被検体各部の光吸収率を表す断層画像とみなすことができる。
【００６１】このように、本実施形態によれば、光エネルギーの吸収特性に着目した、被検体の断層画像を形成することができる。
【００６２】本実施形態でも、実施形態１と同様、光のコヒーレンスは必要なく、十分強い受信信号を処理すればよいので、装置や信号処理回路の構成が簡素化できる。また、超音波ビームのビーム幅程度の分解能が得られる。
【００６３】また、以上では、被検体の全周にわたって超音波ビームの走査を行い、得られた結果に逆投影アルゴリズムを用いて断層像を形成したが、これに限らず、超音波ビームを例えばリニアに走査し、各走査線ごとに光照射の有無による音速変化を求め、これを走査方向に沿った一次元的な分布として表示するだけでも、有益な診断情報となると考えられる。
【００６４】［実施形態３］図６は、第３の実施形態の概略構成を示す図である。この実施形態は、Ｂモード等の従来の断層画像と本発明に係るエネルギー吸収分布画像とを重畳表示するための装置構成である。
【００６５】被検体１００は、光源４０により光照射を受ける。光源４０は、例えば赤外線レーザである。光源４０の出射側には、被検体１００への光照射を断続するシャッター４２が配設される。このシャッター４２は、光吸収解析部６０により開閉制御される。
【００６６】超音波の送受は、リニアアレイ探触子５０により行われる。リニアアレイ探触子５０は、直線状に配列された複数の振動子を有する。各振動子は、送受信部５２からの駆動信号により励振されて超音波を発し、この超音波に対する被検体内からのエコーを電気的な受信信号に変換して送受信部５２に返す。走査制御部５４は、送受波を行う振動子を順に切り換えることにより、超音波ビームを走査する。以上のビーム送受信及び走査の機構は、従来の超音波診断装置のものと同様でよい。
【００６７】このようにして得られる探触子５０の受信信号は、Ｂモード信号処理回路５６及び光吸収解析部６０に入力される。Ｂモード信号処理回路５６は、その受信信号に対して周知のＢモード断層画像形成処理を行ってビーム走査範囲の断層画像を形成し、ＤＳＣ（ディジタルスキャンコンバータ）５８に書き込む。
【００６８】光吸収解析部６０は、受信信号を解析してビーム走査範囲の光吸収分布の画像を形成する。光吸収分布は、光照射時と非照射時での受信信号の変化に基づき求める。このための制御の手順を以下説明する。まず、光吸収解析部６０は、シャッター４２を閉じ、被検体１００に光吸収による温度上昇がない状態での探触子５０の受信信号を１走査分記憶する。このとき、光吸収解析部６０は、走査制御部５４からの走査情報に基づき、受信信号を各走査線（ビーム）ごとに区別して記憶する。次に光吸収解析部６０は、シャッター４２を開いて被検体１００に光照射を行い、被検体各部に検出可能な温度上昇が起こる程度の時間（これは予め実験で求めて設定しておく）の経過後、再び探触子５０の受信信号を１走査分取得する。そして、光吸収解析部６０は、１走査線ずつ、光吸収前と吸収後の受信信号について実施形態１と同様の解析を行い、各走査線毎に、その上の各点の音速変化の程度を求める。この解析結果はＤＳＣ５８に書き込まれる。
【００６９】ＤＳＣ５８は、この光吸収解析部６０の解析結果である光吸収分布画像をＢモード画像に重畳し、その結果を表示装置６２に表示する。表示形態としては、輝度表示のＢモード画像に対し、光吸収分布をカラーで重畳するなどが考えられる。光吸収分布は、被検体各部の温度上昇に対応しているので、暖色系の色を用い、吸収率が高い（照射前後の位相差が大きい）ほど明度の高い色になるようにするなどの形態をとれば、診断者に直感的に把握しやすい画像が得られる。
【００７０】本実施形態の表示によれば、超音波の反射強度の分布（Ｂモード画像）と、光吸収特性の分布という、異なる物理量の分布を一目で把握できる。したがって、被検体組織の多面的な把握が可能になる。なお、ここではＢモード画像と光吸収分布の画像を重畳表示したが、カラードプラや組織ドプラの画像に光吸収分布の画像を重畳することも可能である。この場合、ドプラ画像はカラーで、光吸収分布は輝度で表すなど、互いの表示情報が混ざり合わないようにする。
【００７１】なお、この装置で検査を行う際、造影剤注入器７０により造影剤を注入することも好適である。造影剤としては、光吸収率が高く、被検体中の注目組織（例えばガン細胞などの病変部１１０）に特異的に取り込まれやすいものを用いることが好適である。このような造影剤を注入した後、本実施形態の光吸収イメージングを行えば、注目組織の光吸収による温度上昇が他の部分より大きくなるので、注目組織を強調した画像を形成することができる。なお、この造影剤は、上記実施形態１や２、次の実施形態４にも適用可能である。
【００７２】以上、本実施形態ではリニアアレイ探触子５０を用いたが、コンベックス探触子など他のタイプのアレイ探触子を用いても同様の処理が行える。
【００７３】［実施形態４］本発明の第４の実施形態を図７を参照して説明する。
【００７４】上記実施形態では、光照射時と非照射時との受信信号の比較から、光照射の有無による音速の変化の程度を表す情報を得、これを画像化した。これに対し、本実施形態では、被検体１００を横切る超音波の絶対的な音速を求め、この音速情報から画像を形成する。
【００７５】このため、送波振動子７０ａから超音波パルス２３０を被検体１００内に送波し、これを向かい側の受波振動子７０ｂで受信する。解析部７６には、送波振動子７０ａに送る駆動パルスが与えられるとともに、受波振動子２８ｂの受信信号が入力される。解析部７６は、駆動パルスと受信信号のピークとの時間差を求める。この時間差が、送波振動子７０ａから受波振動子７０ｂまでの音波伝搬時間である。送波振動子７０ａと受波振動子７０ｂにはレーザ測長器７２が取り付けられており、このレーザ測長器７２によりそれら両振動子間の距離を計測することができる。この距離計測結果は、解析部７６に入力される。なお、両振動子間の距離を測る手段は、レーザ測長器７２には限られない。
【００７６】解析部７６は、超音波送受により得た音波伝搬時間と、レーザ測長器７２から得た両振動子間の距離とから、両振動子間の音波伝搬経路での平均音速を求める。解析部７６は、図示しない走査制御部に制御信号を送り、振動子７０ａ、７０ｂを、対向状態を維持しつつ被検体１００の周囲に沿って所定間隔ずつ移動させることにより、被検体１００を走査する。振動子ペアの各停止位置ごとに、超音波の送受を行って両振動子間の平均音速を求める。このようにして求められた各走査線の平均音速に対してバックプロジェクション演算を適用すれば、被検体１００の走査断層面の音速分布の情報が得られる。
【００７７】解析部７６は、光源４０を発光させ、パルス発生器７４にトリガ信号を送って超音波パルスを送信させる。そして、このときの受信信号から、上述の手法で平均音速を求める。振動子ペアを被検体１００の全周にわたって移動させながら超音波の送受を行うことにより、光照射を行ったときの被検体１００の断層面の音速分布が求められる。仮に非照射時の被検体内各部の温度がほぼ一定であるなら、光照射時の音速分布から被検体各部の光吸収性を知ることができる。
【００７８】より厳密を期すなら、光照射前にも同様の走査を行って被検体断面の音速分布を求め、光照射時の音速分布との差分を求めればよい。これにより、被検体断面各部の光吸収の程度を求めることができる。
【００７９】以上説明したように、本実施形態でも、被検体各部の光エネルギーの吸収特性に関する情報を、超音波の受信信号に基づき得ることができる。
【００８０】このように、本実施形態では、音速を求めるに当たり振動子間の距離を実測した。これに対し、上述の実施形態２では、光照射時と非照射時の受信信号の差を求めており、この差分演算により距離のファクタはキャンセルされる。したがって、実施形態２では、振動子間の距離を実測しなくても音速の変化に相当する物理量を求めることができる。同様の考え方をすれば、本実施形態でも、非照射時と照射時の各々について振動子間の音波伝搬時間を求め、それらの差分に対してバックプロジェクションを行うことにより、音速変化の分布と等価な画像が得られる。この場合、レーザ測長器などの距離計測手段は不要になる。
【００８１】［まとめ］以上、本発明の好適な実施の形態を説明した。以上説明したように、上記各実施形態によれば、照射した光エネルギーを吸収しやすい部分とそうでない部分とが区別できる光吸収分布画像を得ることができる。生体組織の中には吸収しやすい光の波長が他と異なるものもあるので、注目する組織に応じて使用する光の波長を選ぶことにより、適切な画像化が行える。照射する光に対する吸収性がよく、特定組織に結びつきやすい造影剤を用いることにより、その特定組織を明確に検出することもできる。
【００８２】また、上記実施形態１、２などでは機械的なビーム走査機構を用い、実施形態３では電子的な走査機構を用いたが、これに限らず、手動走査にも本発明は適用可能である。手動走査の場合、各ビーム送受の際の振動子の位置及びビームの方向を例えば機械的な機構により検出し、これを解析部に渡して画像形成のためのアドレッシングを行わせればよい。
【００８３】また、上記実施形態での「光照射時」の超音波の送受は、厳密に光を照射している間に行わなくてもよい。光照射を止めた後でも、光照射による被検体各部の温度上昇の影響が残っている段階であればよい。逆に、「非照射時」とは、単に光照射を行っていない時点ではなく、被検体が、光照射の影響下の温度分布とは異なる温度分布を示すようになった時点である。両時点の温度分布の差が、分隊各部の音速変化をもたらし、これが受信信号の変化として現れる。逆に言えば、「光照射時」と「非照射時」では、原理的には、受信信号に検出可能な差異（位相差など）が現れる程度に被検体内の温度分布が変化していればよい。したがって、光照射を止めずに単にその強度を、例えば周期的に、変化させるだけで、被検体の温度分布に検出可能な変化をもたらすことができれば、本実施形態の装置でその照射強度の変化に応じた音速変化を求めることで、被検体の断層画像を形成することができる。
【００８４】また、以上の各実施形態では、音速変化の計測のために超音波を用いたが、本発明は原理上は超音波に限らず音波一般に適用可能である。どの周波数帯域の音波を用いるかは、計測対象の物体の音響特性に応じて適宜定めればよい。
【００８５】また、以上の各実施形態では、被検体内部に加熱エネルギーを供給する媒体として近赤外線を用いたが、これに限らず、マイクロ波等の他の波長帯の電磁波を用いてもよいし、場合によっては超音波を用いることも可能である。超音波でエネルギーを供給する場合、エネルギー供給用の超音波と、計測用の超音波との干渉が起こらないよう、その波長や送波の向きを適切に定める。
【００８６】また上記各実施形態の手法は、体表からの診断だけでなく、内視鏡下の術式にも応用可能である。この場合、内視鏡の照明を被検体加熱用の光源として利用することができる。
【００８７】また以上では、生体診断のための装置への本発明の適用例を説明したが、本発明は生物以外の対象物体の計測・診断にも適用可能である。加熱のためのエネルギーは、その対象物体に対してある程度の透過性を持つものを選ぶ。
【００８８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、照射したエネルギーに対する物体各部の吸収性の情報を、その物体内を伝搬した超音波の受信信号から得ることができる。
【出願人】 【識別番号】３９００２９７９１
【氏名又は名称】アロカ株式会社
【出願日】 平成１１年１１月１９日（１９９９．１１．１９）
【代理人】 【識別番号】１０００７５２５８
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 （外２名）
【公開番号】 特開２００１−１４５６２８（Ｐ２００１−１４５６２８Ａ）
【公開日】 平成１３年５月２９日（２００１．５．２９）
【出願番号】 特願平１１−３２９０８９