被検体情報取得装置およびその制御方法ならびに音響信号取得装置およびその制御方法

本発明は、被検体情報取得装置およびその制御方法ならびに音響信号取得装置およびその制御方法に関する。

近年では一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴法）を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。 一方で、レーザーなどの光源から照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング装置の研究も医療分野で積極的に進められている。 このような光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）が提案されている。

ＰＡＴにおいては、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波（以降光音響波と呼ぶ）を複数の個所で検出して二次元の音圧分布を取得する。 そして、それらの信号を解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する。 これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を取得できる。

光音響波の検出器としては、従来、圧電現象を用いたトランスデューサーや容量の変化を用いたトランスデューサーが挙げられる。 さらに近年、光の共振を用いた検出器が開発されている。 この検出器は、光音響波の音圧変化にともなって変化する光干渉膜の反射光量を、二次元アレイ化された光センサを用いて検知することで、光音響波を検出する。

一方、医療用の音響信号取得装置に求められることは、コストを抑えることに加え、短時間で二次元音圧分布の時間変化を取得することと、より速い周期でデータ取得を行うことである。 被検体が生体である場合、特に医療現場などでは短時間で音響信号を取得し、イメージングすることは被検者の負担軽減につながる。 さらに、速い周期でデータ取得を行うことで、より高い周波数の音響波まで検出することができる。 このことは、被検体内を高解像度にイメージングする上で重要である。

短時間で二次元音圧データを取得するために、二次元面にアレイ化された複数の検出器を用いてデータを取得する検出方法が考案されている。 例えば光の共振を用いた検出器においては、音響波の二次元音圧分布を一括で取得するために、光電変換素子の二次元アレイ型センサとしてＣＣＤカメラを用いて光干渉膜の反射光量変化を検知する、という報告例がある（非特許文献１）。 また、トランスデューサーを二次元面に配列してデータ取得を行う方法なども考案されている。

二次元アレイ化されたセンサのデータ取得方法に関しては、大きく二つに分けられる。 一つは、二次元センサ面を一括でデータを取得する方法であり、もうひとつはアレイ化された一部の素子群ごとに順番にデータ取得を行う方法である。 光の共振を用いた検出器に関して言えば、光センサとして全素子同時にデータ取得を行うＣＣＤセンサを用いるのが前者であり、一部の素子群ごとに時間差でデータ取得を行うＣＭＯＳセンサを用いるのが後者である。

前者の一括方式はグローバルシャッター方式と呼ばれ、後者の時間差方式はローリングシャッター方式と呼ばれる。 一般的にローリングシャッター方式のＣＭＯＳセンサは、撮像素子制御の自由度が高いことからデータ取得周期の高速化が容易であり、より高周波での音響波の取得が期待できる。 また、一般にローリングシャッター方式のＣＭＯＳセンサはＣＣＤセンサよりも消費電力が小さく、かつ量産が容易なので安価であるという特長がある。

圧電素子やｃＭＵＴなどを使用する二次元アレイ化されたトランスデューサーに関しても、素子群ごとに順次データ取得を行う方法を採用できる。 このようなデータ取得方法とすることで、増幅器やＡ／Ｄ変換器などの数の低減によるコスト抑制を見込むことができる。

一方で、アレイ化された一部の素子群ごとに順番にデータ取得を行うローリングシャッター方式では、素子群ごとにデータ取得時刻がずれることに伴い、最終的に受信される信号も素子群ごとにずれてしまうという課題がある。 特にビデオカメラなどに用いるローリングシャッター方式のＣＭＯＳセンサにおいては、この課題はローリングシャッター歪みとして知られている。 これは手ぶれなどによって本来の二次元画像とは異なる歪んだ画像を取得してしまう現象である。 特許文献１では、手ぶれ量の検知センサの情報をもとにローリングシャッター歪みを補正する方法が提示されている。

非特許文献１に記載されている音響信号取得装置ではＣＣＤセンサを用いているため、高周波数の音響波を取得するためにデータ取得周期の高速化を行うことがＣＭＯＳセンサに比べて困難であり、広帯域の音響信号を受信するのは難しい。

また、特許文献１に記載されているローリングシャッター歪みの解決手段では、手ぶれなどの影響による空間的な画像の歪みを解決することは可能だが、ＣＭＯＳセンサを音響波検出用センサとして用いる場合の課題は解決できない。 すなわち、音響波を検出する場合、素子群ごとの反射光量波形の時間的なずれを補正する必要があるが、特許文献１の手法はこれに対応していない。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子群ごとに順次信号取得する方式の音響信号取得装置において、良好な画像を取得することにある。

本発明は、以下の構成を採用する。 すなわち、
被検体から伝搬する音響波に基づく音響信号を受信する複数の受信素子が二次元面に配置された受信手段であって、前記複数の受信素子は、それぞれ少なくとも１つの受信素子を含む複数の受信素子群に分けられている受信手段と、
前記受信手段による受信信号を補正する補正手段と、
前記補正手段が補正した信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理手段と、を有し、
前記受信手段は、前記複数の受信素子群ごとに時間差をもって前記音響信号を受信して受信信号を取得し、
前記補正手段は、それぞれの前記受信素子群が前記音響信号を受信したタイミングに基づいて、前記受信素子群ごとに取得された前記受信信号の間の時間的なずれを補正することを特徴とする被検体情報取得装置である。

本発明はまた、以下の構成を採用する。 すなわち、
音響信号を受信する複数の受信素子が二次元面に配置された受信手段であって、前記複数の受信素子は、それぞれ少なくとも１つの受信素子を含む複数の受信素子群に分けられている受信手段と、
前記受信手段による受信信号を補正する補正手段と、
前記補正手段が補正した信号を解析する処理手段と、を有し、
前記受信手段は、前記複数の受信素子群ごとに時間差をもって前記音響信号を受信して受信信号を取得し、
前記補正手段は、それぞれの前記受信素子群が前記音響信号を受信したタイミングに基づいて、前記受信素子群ごとに取得された前記受信信号の間の時間的なずれを補正することを特徴とする音響信号取得装置である。

本発明はまた、以下の構成を採用する。 すなわち、
複数の受信素子が二次元面に配置された受信手段であって、前記複数の受信素子は、それぞれ少なくとも１つの受信素子を含む複数の受信素子群に分けられている受信手段と、補正手段と、処理手段と、を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
前記受信手段が、被検体から伝搬する音響波に基づく音響信号を、前記複数の受信素子群ごとに時間差をもって受信して、受信信号を取得するステップと、
前記補正手段が、それぞれの前記受信素子群が前記音響信号を受信したタイミングに基づいて、前記受信素子群ごとに取得された前記受信信号の間の時間的なずれを補正するステップと、
前記処理手段が、前記補正手段が補正した信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。

本発明はまた、以下の構成を採用する。 すなわち、
複数の受信素子が二次元面に配置された受信手段であって、前記複数の受信素子は、それぞれ少なくとも１つの受信素子を含む複数の受信素子群に分けられている受信手段と、補正手段と、処理手段と、を有する音響信号取得装置の制御方法であって、
前記受信手段が、音響信号を、前記複数の受信素子群ごとに時間差をもって受信して、受信信号を取得するステップと、
前記補正手段が、それぞれの前記受信素子群が前記音響信号を受信したタイミングに基づいて、前記受信素子群ごとに取得された前記受信信号の間の時間的なずれを補正するステップと、
前記処理手段が、前記補正手段が補正した信号を解析するステップと、
を有することを特徴とする音響信号取得装置の制御方法である。

本発明によれば、素子群ごとに順次信号取得する方式の音響信号取得装置において、良好な画像を取得できる。

実施形態１のイメージング装置の構成を示す図。

ファブリーペロー型干渉計の構成を示す図。

ファブリーペロー型探触子の構造を示す図。

ローリングシャッター方式の光センサの構造を示す図。

光センサのデータ取得タイミング、および、メモリ内の時刻を示す図。

光センサのメモリに蓄積される受信波形を示す図。

撮像素子の各ラインのデータ取得時間のずれを示すグラフ。

光センサの信号ずれ補正プロセスを示すフロー図。

光センサのデータ取得タイミングを示す図。

光センサの信号ずれを補正する方法を示す図。

光センサの信号のデータ補完方法を示す図。

実施形態２のイメージング装置の構成を示す図。

実施形態３のイメージング装置の構成を示す図。

受信信号を一度に出力するアレイ型トランスデューサーの構成を示す図。

スイッチを切り替えるアレイ型トランスデューサーの構成を示す図。

実施形態４のイメージング装置の構成を示す図。

以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の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、形状およ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。

本発明の被検体情報取得装置には、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体情報として特性情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置を含む。 この場合、取得される特性情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。 物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。

本発明はまた、被検体に弾性波を送信し、被検体内部で反射したエコー波を受信して、被検体情報を画像データとして取得する超音波エコー技術を利用した装置にも適用できる。 この場合の特性情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。

ただし本発明はこれらに限られず、後述するような音響信号取得装置を用いて音響波を取得する装置であれば、適用可能である。 以下の説明では、音響信号取得装置を用いた被検体情報取得装置の代表的な例として、光音響トモグラフィーを用いたイメージング装置、または、送信された弾性波の反射波に基づいて特性情報を取得するイメージング装置について記載する。

本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。 光音響トモグラフィーにおける光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。

なお、本発明における、二次元面に配置された音響信号受信素子群とは、実施形態１および２においてはアレイ型光センサのことであり、実施形態３および４においてはアレイ型トランスデューサーのことである。

＜実施形態１＞
（構成の説明）
初めに、図１を用いて本実施形態におけるイメージング装置の構成の概要を説明する。 本実施形態のイメージング装置は、励起光１０３を出射する励起光源１０４を備える。 励起光１０３は、被検体１０１に照射される。 被検体１０１が生体である場合には、腫瘍、血管など被検体１０１の内部の光吸収体や、被検体１０１の表面の光吸収体を画像化できる。 これらの光吸収体が励起光１０３のエネルギーの一部を吸収すると、光音響波１０２が発生し、被検体内を伝搬する。 被検体１０１は、水で満たされた水槽１１８中に設置される。

イメージング装置は、測定光用光源１０７によって測定光１０６を生成し、ファブリーペロー型探触子１０５に照射することによって、光音響波１０２の音圧を検出する。 具体的には、測定光１０６がファブリーペロー型探触子１０５に入射したのち反射したときの反射光量を、アレイ型光センサ１０８が電気信号に変換する。

励起光源１０４の励起光の発生タイミングとアレイ型光センサ１０８のデータ取得タイミングは、制御部１１４によって制御される。 本実施形態ではアレイ型光センサ１０８の代表的な例として、ローリングシャッター方式のＣＭＯＳセンサを用いる。 以上の各ブロックにより音響信号取得装置が構成される。

上記音響信号取得装置に、さらにメモリ１０９と補正手段１１０からなる信号補正部１１１、信号処理部１１２、表示部１１３を備えることによって、イメージング装置が構成される。 信号補正部１１１は、アレイ型光センサ１０８で取得された電気信号を適切に補正し、信号処理部１１２に受け渡す。 信号処理部１１２は補正された信号を解析し、光学特性値分布情報を算出する。 表示部１１３は、算出された光学特性値分布情報を表示する。 ここでメモリ１０９は信号補正部１１１のみに所属する必要はなく、アレイ型光センサ１０８のメモリまたは信号処理部のメモリと共通であってもよい。

測定光１０６はレンズ１１５で拡大されて、ハーフミラー１１７、ミラー１１６を経て、ファブリーペロー型探触子１０５において反射する。 その後、ミラー１１６、ハーフミラー１１７を再度通過した反射光１１９がアレイ型光センサ１０８に入射することで、ファブリーペロー型探触子１０５上での反射光の強度分布を取得できる。
測定光を導くための光学系は、ファブリーペロー型探触子１０５における反射光量を測定できるような構成であればよい。 例えば、ハーフミラー１１７の代わりに偏光ミラーと波長板を用いてもよい。

（光の共振を用いた音響波検出のメカニズム）
次に、本実施形態に用いられる光の共振を用いた音響波検出のメカニズムと使用するデバイスの構造について詳説する。
図２は光の共振を用いた音響波検出器の略図である。 このような、平行な反射板の間で光を共振させる構造をファブリーペロー型干渉計という。 このファブリーペロー型干渉計を利用した音響波検出器を、ファブリーペロー型探触子と呼ぶ。

ファブリーペロー型探触子は、高分子膜２０４が第１のミラー２０１と第２のミラー２０２で挟まれた構造をとる。 高分子膜２０４の厚みはｄであり、ミラー間距離に相当する。 入射光２０５は、第１のミラー２０１の側から干渉計に照射される。 このとき、反射光２０６の光量Ｉｒは次の式（１）のようになる。

ここで、Ｉｉは入射光２０５の入射光量、Ｒは第１のミラー２０１と第２のミラー２０２の反射率、λ _０は入射光２０５および反射光２０６の波長、ｄはミラー間距離、ｎは高分子膜２０４の屈折率である。 φは二枚のミラー間を往復する際の位相差に相当し、式（２）で示される。

ファブリーペロー型探触子に音響波２０７が入射すると、ミラー間距離ｄが変化する。 これによってφが変化した結果、反射率Ｉｒ／Ｉｉが変化する。 反射光量Ｉｒの変化をフォトダイオード等の光センサで測定することにより、入射した音響波２０７を検出できる。 検出した反射光量変化が大きいほど、入射した音響波２０７の強度は大きい。
また、ファブリーペロー型探触子は入射光２０５が当たっている位置のみの反射光量変化を測定するため、入射光２０５のスポット領域が受信感度のある領域となる。

本実施形態では、ファブリーペロー型探触子の受信感度のある領域の二次元音圧分布を短時間で取得するため、アレイ型光センサ１０８を用いる。
さらに、ファブリーペロー型探触子はＰＺＴを用いた探触子と比較して、音響波の受信周波数帯域が広い。 そのため、分解能の高い、高精細な画像が得られる。

図３は、ファブリーペロー型探触子の断面構造を説明する図である。 第１のミラー３０１と第２のミラー３０２の材料としては誘電多層膜や金属膜を利用できる。 ミラーの間にはスペーサー膜３０４が存在する。 スペーサー膜３０４としては、弾性波がファブリーペロー型探触子に入射した際に変形する膜が好適である。 例えば、パリレン、ＳＵ８、またはポリエチレンなどの有機高分子膜は、弾性波受信時のひずみが大きい点で好ましい。 また、音波への変形特性があれば、無機膜など他の材料でも構わない。

ファブリーペロー型探触子全体は保護膜３０３で保護されている。 保護膜３０３としては、パリレンなどの有機高分子膜やＳｉＯ _２などの無機膜を薄膜形成した物が用いられる。 第２のミラー３０２が成膜される基板３０５としては、ガラスやアクリルを使用できる。 基板３０５内での光の干渉による影響を減らすために、基板３０５は楔形であることが好ましい。 さらに、基板３０５表面における光の反射を避けるために、ＡＲコート処理３０６を施すことが好ましい。

（ローリングシャッター方式の光センサの課題）
次に、アレイ型光センサ１０８として、ローリングシャッター方式のＣＭＯＳセンサを用いることによって発生する課題を述べる。 なお、ＣＭＯＳセンサ以外の場合でも、ローリングシャッター方式の光センサであれば、同様の説明が可能である。

図４にＣＭＯＳセンサの概観図を示す。 ＣＭＯＳセンサには、フォトダイオードなどの固体撮像素子４０１が、水平および垂直方向にアレイ状に配置されている。 撮像素子は、指定された撮像素子群ごとに時間差で順番にデータ取得を行う。 図４の場合、水平方向のラインごとに撮像素子群が構成される。 撮影時には、第一行目の撮像素子の水平ライン４０２が最初にデータ取得を行い、次にある所定の時間差をもって第二行目のライン４０３がデータ取得を行う。 そのようにして、図中の矢印４０５の順番で撮像領域の最終ライン４０４までデータ取得が行われて、１フレームの撮像が完了する。 このような撮像方式をローリングシャッター方式と呼ぶ。

上記のような１つのフレームの撮像により、ＣＭＯＳセンサ全域の情報が取得できる。 さらに、１フレームの撮像完了後、再度、第一行目の水平ライン４０２がデータを取得することで、次のフレームの撮像を開始できる。 このように、撮像素子群がフレーム単位で所定の順番で繰り返し撮像を行うことにより、ことでデータ取得回数が増えるため、ＳＮ比の向上や、被検体の長期観測などが可能になる。 これをフレーム撮像とも言う。 また、検出器の面積が撮像領域よりも狭い場合、検出器を被検体上で移動させながらフレーム撮像を繰り返す必要がある。 本実施形態であればファブリーペロー型探触子が移動され、後述する圧電現象などを利用する実施形態であれば、アレイ型トランスデューサーが移動される。 なお、図４では、個々の撮像素子が本発明の受信素子に相当し、各ラインが受信素子群を構成する。 また、この場合における本発明の音響信号は、光音響波の強度から変換された反射光の光量の強度に該当する。

なお、図４では、同時にデータ取得する撮像素子群は、同じライン上に配置された複数の素子により構成されていた。 しかし、撮像素子群の構成は、必ずしもこれに限られない。 各撮像素子群が少なくとも１つ、通常は複数の撮像素子群を含むように構成すれば良い。 また、ラインごとにデータ取得する場合であっても、データ取得する順番を、矢印４０５に示したように一方向とするのではなく、任意の順番としても良い。 また、１フレームの撮像において、必ずしもすべての撮像素子がデータ取得する必要はない。 高速撮像を実現するために、ラインを適宜飛ばしながらデータ取得することも可能である。 したがって、以下の記載におけるラインごとの処理は、適宜、撮像素子群ごとの処理に読み替えて実施できる。

図５に、ＣＭＯＳセンサ面に入射する反射光量の変化波形５０１、各ラインのデータ取得タイミング５０２、受信信号の出力タイミング５０５、を示す。 上で説明したように、ＣＭＯＳセンサ面に入射する反射光量は、ファブリーペロー型探触子１０５のセンサ面における音響波１０２の強度に換算される量である。 したがって、この反射光量を検出することで、音響波１０２の二次元音圧分布を取得できる。

符号５０１は、ＣＭＯＳセンサ面に入射する反射光量の時間変化を示すグラフである。 横軸は時間、縦軸は反射光量を示す。 ここでは、説明を簡単にするため、すべての撮像素子のラインに入射する反射光量の時間変化は同一であるとしている。 ただし、ラインごとに反射光量の時間変化が異なる場合も、以下の説明と同様であるためここでは省略する。

符号５０２は、各ラインのデータ取得タイミング（露光タイミング）とデータ取得時間を表すタイミングチャートである。 ライン数をｎ本とすると、図中、ＬＩＮＥ（１）は１番目のラインのデータ取得タイミング、ＬＩＮＥ（ｉ）はｉ番目のラインのデータ取得タイミング、ＬＩＮＥ（ｎ）はｎ番目のライン（最終ライン）のデータ取得タイミングを示す。

タイミングチャート５０２が示すように、各ラインのデータ取得タイミング（露光タイミング）は少しずつずれている。 例えば、１番目のラインは時刻５０３にデータ取得し、それからΔＴｉ経過後の時刻５０４に、ｉ番目のラインがデータ取得する。 このように、
それぞれのラインの撮像素子は、１フレーム内の異なる時刻における反射光の光量を検出する。 従って、１フレーム撮像時間（１〜ｎライン目までのデータ取得が完了するのに要する時間）は、図中のＬＩＮＥ（ｎ）上に符号５０９で示した期間となる。

符号５０５は、各ラインで受信した信号が書き込まれるメモリ１０９内の時刻を示すタイミングチャートである。 ＣＭＯＳセンサなどで取得したデータは通常、１フレームごとのデータとして外部に出力されるため、ここで示したように１フレームの撮像後にすべてのラインの受信信号が同時刻のデータとしてメモリに蓄積される。 矢印５０７、矢印５０８はそれぞれ、１番目のラインとｉ番目のラインのデータ取得時刻と実際にメモリ１０９に書き込まれる時刻の差を示している。

図６を用いて、更に詳細に検討する。 符号６０２は、図５のような撮像を複数フレームに渡って行い、メモリ１０９に蓄積された各ラインの受信信号の時間変化を表すグラフである。 グラフ６０１および６０２において、横軸は時間、縦軸は反射光量を示している。

グラフ６０２中、１ライン目の受信波形はＷ（１）、ｉライン目の受信波形はＷ（ｉ）のように表す。 実際には、蓄積される受信波形は各データ取得時刻における信号のプロットの集合であるが、ここでは説明の便宜上連続線で表している。 例えばＷ（１）は、１ライン目の撮像素子が各フレームで取得した反射光量を、取得時刻から矢印５０７の期間だけ遅れたタイミングでメモリに蓄積し、その蓄積時点に取得された反射光量とみなして座標上にプロットしたものである。

符号６０１は、ＣＭＯＳセンサ面に入射する実際の反射光量の時間変化を示すグラフであり、図５の符号５０１に対応する。 グラフ６０２に示すように、各ラインの受信信号は、実際のデータ取得タイミングとメモリ１０９内への蓄積タイミングとの差に応じてずれることが分かる。 例えばＷ（１）は、ＣＭＯＳセンサ面に入射する実際の反射光量波形から、時間差５０７の分だけ遅れる。 またＷ（ｉ）は、実際の反射光量波形から、時間差５０８の分だけ遅れる。

なお、図５の符号５０５の説明において、各ラインで受信した信号が１フレームの撮像後にメモリ１０９に書き込まれるとした。 しかし、１フレームの撮像の途中で複数回の書き込みが行われる場合でも、上記の説明と同様に処理できる。

さらに図７には、検出する音響波（正弦波の場合）の周波数とＣＭＯＳセンサのフレーム周波数の比によって、１フレーム内の撮像素子のラインの受信波形がどの程度相対的にずれるかを示した。 図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、音響波周波数のフレーム周波数における割合（Ａ／Ｆ）が１％、５％、１０％、２５％の場合の、１ライン目と最終ラインの受信波形のシミュレーション結果を示している。 図の横軸は信号の位相（単位：ラジアン）を表し、縦軸は信号の最大強度で規格化された値を表している。

図７から、音響波周波数のフレーム周波数における割合（Ａ／Ｆ）が増加するのにともなって、受信波形が連続的でなくなるのと同時に、１ライン目と最終ラインが受信する波形の時間的なずれが顕著になることが分かる。 シミュレーションの結果、この割合が１％以上、２５％以下の範囲で、受信信号として有効な連続性を保った状態において、信号の時間的なずれが顕著になることが分かった。

このような時間的なずれを生じた受信波形をそのまま信号処理に用いると、本来の位置からずれた画像を表示するなどの不具合を生じる。 そのため、本実施形態では信号補正部１１１において、メモリ１０９に書き込まれるＣＭＯＳセンサからの信号を以下に示す方法によって適切に補正する。

（信号補正方法）
図８に、上記の課題を解決するための信号ずれ補正のプロセスを示す。 信号ずれの補正には二種類の方法がある。 一つ目は図８（ａ）のように、ＣＭＯＳセンサから出力されたデータをメモリ１０９に書き込む際に、各ラインのデータ取得タイミングに一致するように、データの出力時刻をずらしてメモリへの書き込みを行うプロセスである（ステップＳ８１０１）。 信号処理の際には、そのデータを読み出すことで、ずれが補正された信号が得られる（ステップＳ８１０２）。

二つ目の方法では、図８（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳセンサから出力された各ラインのデータを、そのままメモリ１０９に書き込む（ステップＳ８２０１）。 その後、メモリからデータを読み出す際に補正を行う。 この場合は、データ読み出しの際に各ラインのデータ取得タイミングに一致するように、メモリ内の時刻をずらす（ステップＳ８２０２）。

データの書き込みまたは読み込みの際にデータの時刻をずらすための具体的な方法を説明する。
図９にＣＭＯＳセンサによる各ラインのデータ取得タイミングを示す。 ライン１、ラインｉ、ラインｎのデータ取得時刻はそれぞれ、Ｔ１、Ｔｉ、Ｔｎとする。

図１０（ａ）に、一つ目の方法、すなわちメモリ１０９への書き込みの際にデータの補正を行う方法を示す。 まず、補正部は符号１００１に示す時刻Ｔｒで出力された各ラインのデータを受け取る。 このデータをメモリに書き込む際に、符号１００２で示すように、メモリへの書き込み開始時刻を各ラインでずらす。 ここで書き込み開始時刻１００２は、メモリに書き込んだ際に、符号１００３のように、各ラインのデータ取得タイミングが図９で示した本来のタイミングを再現するようにずらす。 このようにすることで、各ラインのデータは図９に示した正しいデータ取得タイミングでメモリに書き込まれる。

図１０（ｂ）に、二つ目の方法、すなわちメモリ１０９からデータを読み出す際に補正を行う方法を示す。 この場合は、補正部は符号１００４に示す出力時刻で各ラインのデータを受け取った後、出力データをそのままメモリ１０９へ書き込む。 そのためメモリ内の各ラインのデータ取得タイミングは、符号１００５に示すように、符号１００４と同時刻となる。 その後メモリから読み出す際に、読み出し開始時刻を、符号１００６に示すように各ラインでずらす。 この時、読み出し開始時刻１００６は、各ラインのデータ取得タイミングが、読み出し後に、符号１００７のように、図９に示した正しいタイミングになるようにずらす。 このようにして、各ラインのデータは図９に示した正しいデータ取得タイミングでメモリから読み出される。

なお符号１００１、１００４で、各ラインのＣＭＯＳセンサからの出力時刻は同一としたが、それぞれが異なっていても同様の補正を行うことができる。
また、図１０（ａ）にようにメモリへの書き込み開始時刻をずらすのではなく、図９に示したデータ取得タイミングと一致するように、信号遅延装置などを用いて符号１００１の各ラインの出力データの時刻をずらした後、メモリへの書き込みを行っても良い。 さらに、図１０（ｂ）のようにメモリ読み出し開始時刻をずらすのではなく、図９に示したデータ取得タイミングと一致するように、信号遅延装置などを用いて各ラインのタイミングをずらしてメモリからの読み出しを行っても良い。

（データ補完方法）
上で説明したように、メモリ１０９に蓄積される信号のずれ、または、メモリから読み出される信号のずれは、補正部１１１がＣＭＯＳセンサの各ラインのデータ取得タイミングに基づいて補正することで解消される。 しかしながら各ラインのデータ取得は同時刻に行われない。 そのため補正部１１１では、各ラインで同時刻のデータを得るため、図８に示した信号ずれ補正の他に以下に示すデータ補完を行うことが好ましい。 なお以下の補正は図８に示した信号ずれ補正プロセスの前後どちらに行っても良い。

図１１にデータ取得を行っていない時刻でのデータの補完方法を示す。 符号１１０１は、ＣＭＯＳセンサのセンサ面に入射する反射光量の時間変化を示すグラフである。 横軸は時間、縦軸は反射光量を示す。 符号１１０２は、ｉ番目のラインとｊ番目のラインのデータの取得タイミング（図中ではそれぞれ、ＬＩＮＥ（ｉ）、ＬＩＮＥ（ｊ）と記載）を示すタイミングチャートである。 Ｔｉ１、Ｔｉ２はｉ番目のラインのデータ取得時刻であり、Ｔｊ１、Ｔｊ２はｊ番目のラインのデータ取得時刻を示す。 また、Ｓｊ１およびＳｊ２はそれぞれ時刻Ｔｊ１、時刻Ｔｊ２におけるｊ番目のラインの反射光量である。 ここでは、任意の撮像素子で同じ時刻において同一の強度の信号が受信されているものとする。 しかしながらセンサ面において強度分布がある場合も同様に補完が可能である。

本実施形態ではｊ番目のラインがデータ取得を行っていない時刻Ｔｉ２でのデータ補完をする場合、Ｓｊ１とＳｊ２のデータを用い補完を行う。 すなわち、図中の線分Ｌ上の、時刻Ｔｉ２のデータＩｊ１２を補完データとして用いる。 同様の方法で、各ラインのデータ補完を行う。 このようにして、すべてのラインで同一時刻のデータが得られる。
なおここでは、両隣のデータの線形近似による補完によってデータの補完を行うとしたが、複数のデータを用いて補完することも可能である。 さらに、線形近似ではなく曲線による近似でも良い。

（装置の構成要素）
次に、上記に説明した本実施形態における音響信号取得装置およびイメージング装置の好ましい構成について追記する。

測定光１０６を出射する測定光用光源１０７には、波長可変レーザーを好適に使用できる。 測定光１０６は第１のミラー３０１と第２のミラー３０２に対して、反射率が９０％以上であることが好ましい。 また、測定光１０６の波長はファブリーペロー型探触子の感度が最大になる最適波長を用いることが好ましい。
被検体１０１へ照射する励起光１０３は、被検体１０１を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特性の波長の光を用いる。 励起光１０３としては、パルス光が好適である。 パルス光は数ピコから数百ナノ秒オーダーのものであり、被検体が生体の場合には数ナノから数十ナノ秒のパルス光がより好ましい。

励起光１０３を発生する励起光源１０４としてはレーザーが好ましいが、レーザーの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなども使用できる。 レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用できる。 発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）を用いれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。
使用する光源の波長に関しては、生体内において吸収が少ない７００ｎｍから１１００ｎｍの領域が好ましい。 しかし上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域、さらにはテラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。

図１では被検体に対して、ファブリーペロー型探触子１０５の影にならない方向から励起光１０３を照射している。 しかし、励起光１０３としてファブリーペロー型探触子１０５のミラーを透過する波長を用いることにより、ファブリーペロー型探触子１０５側から励起光１０３を照射することも可能である。

被検体１０１から生じる光音響波１０２を効率的にファブリーペロー型探触子１０５で検出するために、被検体１０１とファブリーペロー型探触子１０５との間には音響結合媒体を使うことが望ましい。 図１では音響結合媒体の例として水を用いており、水を充填した水槽１１８中に被検体１０１を配置している。 別の例として、被検体１０１とファブリーペロー型探触子１０５との間に、音響インピーダンスマッチングジェルを塗る構成にしてもよい。

アレイ型光センサ１０８における電気信号の分布は、ファブリーペロー型探触子１０５において測定光１０６が照射されている領域上に届く光音響波１０２の強度分布、すなわち、光音響波１０２の圧力分布を表す。 得られた電気信号の分布から光学特性値分布（特性情報）を得るための再構成アルゴリズムとしては、ユニバーサルバックプロジェクションや整相加算など、既知の手法を採用できる。 なお素子に異物が存在するなどで膜厚が著しく異常を示す領域は、あらかじめデータとして利用できないことを考慮した上で、画像再構成処理の際にデータ欠損部を補正して画像化するとよい。

なお、信号処理部１１２は光音響波１０２の強度を表す電気信号の時間変化の分布を記憶し、それを演算手段により、光学特性値分布（特性情報）に変換できるものであればどのようなものを用いてもよい。 例えば記憶手段に格納されたプログラムに従って動作するＰＣ等の情報処理装置を利用できる。 また、信号処理により得られた画像情報を表示する表示部１１３を備えることが望ましい。
また、励起光１０３として複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長に関して、生体内の光学係数を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質（グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど）固有の波長依存性とを比較する。 これによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化できる。

上記のイメージング装置を用いることで、アレイ型光センサとしてローリングシャッター方式の光センサを用いても、撮像素子群のデータ取得タイミングずれに伴う表示画像の不具合を発生させないで被検体内部の光学特性値分布を取得できる。
なお、医療用途に用いる際は、図１のように水槽は使用せず、被検体つまり患部に音響インピーダンスマッチングジェル等の音響整合剤を塗り、その上にファブリーペロー型探触子１０５を接するように配置してイメージングを行う。

＜実施形態２＞
図１２に、本実施形態におけるイメージング装置の構成例を説明する図を示す。 本実施形態のイメージング装置は、被検体内の音響インピーダンス分布を画像化する。 上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態のイメージング装置は、励起光の発生装置に代えて、被検体１２０１に向けて弾性波１２０２を発生するトランスデューサー１２０４と、トランスデューサー１２０４に弾性波を発生させるパルサー１２０５を備える。

装置はまた、被検体内１２０１における腫瘍等の、音響インピーダンスの異なる組織の界面において反射し、被検体内を伝搬した弾性波を検出するための、ファブリーペロー型探触子１２０６を備える。 なお、ローリングシャッター方式のアレイ型光センサ１２０８（ここではＣＭＯＳセンサ）、測定光１２１３を照射する測定光用光源１２１２、反射光をＣＭＯＳセンサに導く光学系の構成や機能については、上記実施形態と同様である。 制御部１２０７ではパルサー１２０５の弾性波発生タイミングやアレイ型光センサ１２０８の撮像タイミングを制御する。 以上により音響信号取得装置が構成される。

上記音響信号取得装置に、さらに信号補正部１２０９、信号処理部１２１０、表示部１２１１を備えることによって、イメージング装置は構成される。 信号補正部１２０９は、アレイ型光センサ１２０８で取得された電気信号を適切に補正し、信号処理部１２１０に受け渡す。 信号処理部１２１０は補正された信号を解析し、音響インピーダンス分布情報（特性情報）を算出する。 表示部１２１１は、算出された音響インピーダンス分布情報を表示する。 信号補正部１２０９における信号の補正方法は上記実施形態と同様である。

ファブリーペロー型探触子１２０６は、被検体１２０１に弾性波１２０２を照射した際に、被検体内または表面において音響インピーダンスの異なる界面において反射する弾性波１２０３を、反射光量変化として検出する。 弾性波１２０３を検出する方法は、上記実施形態における光音響波１０２の検出方法と同様である。
得られた電気信号の分布から音響インピーダンス分布を得るための信号処理としては、整相加算などが考えられる。 異物等による膜厚異常の補正は上記実施形態と同様に行えば良い。 また、信号処理部１２１０としても、上記実施形態と同様の演算手段を使用できる。 また、図１２のような水槽中の水ではなく、マッチングジェル等により音響整合を取ってもよい。

本実施形態のイメージング装置を用いればアレイ型光センサとしてローリングシャッター方式の光センサを用いても、撮像素子のデータ取得タイミングずれに伴う表示画像の不具合を発生させずに被検体内部の音響インピーダンス分布画像を取得できる。

＜実施形態３＞
本実施形態のイメージング装置は、実施形態１と同様に、光の照射によって被検体から発生した光音響波を検出し、生体内の光学特性値分布情報を画像化する装置である。

図１３に、本実施形態におけるメージング装置の構成例を示す。 本実施形態の実施形態１との主な相違点は、光音響波１０２を検出する手段として、ファブリーペロー型探触子１０５やアレイ型光センサ１０８ではなく、圧電現象や容量の変化を用いたアレイ型トランスデューサー１３０１を備えることである。 そのため本実施形態では、測定光用光源や、測定光および反射光を導くための光学系は存在しない。

また本実施形態の制御部１３０６は、トランスデューサー１３０１の信号取得および出力と、励起光源１３０５の発光タイミングを制御する。 さらに、アレイ型トランスデューサー１３０１からの信号を適切に補正する補正部１３０４を備える。 補正部１３０４はメモリ１３０３と補正手段１３０２から成る。 処理部１３１０、表示部１３１１の機能は実施形態１と同様である。 他の構成については実施形態１と同様であるため説明を省略する。

アレイ型トランスデューサー１３０１には、ＰＺＴなどの圧電材料を用いる探触子、または容量性超音波探触子のｃＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）などを用いる。 探触子が二次元のアレイ状に配置されたトランスデューサーによって、二次元面の音圧分布を検出して電気信号として出力できる。 本実施形態のアレイ型トランスデューサー１３０１では、すべての探触子からの信号を一度に出力するのではなく、いくつかの探触子群の受信信号ごとにある時間差をもって順次出力する。 この場合の受信素子はアレイにおける各探触子であり、受信素子群とはアレイの水平ラインを意味する。

図１４に、比較例として、すべての探触子からの受信信号を一度に出力する場合のアレイ型トランスデューサーの構成図を示す。 トランスデューサーは、探触子１４０１（受信素子）、受信信号を増幅する増幅器１４０２、受信信号をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器１４０３を有する。 各探触子からの受信信号は、一つの探触子からの信号のみを転送する信号線１４０４を通って外部に出力される。 この場合、各探触子につき増幅器とＡ／Ｄ変換器が一つずつ必要になり、広域または高密度で二次元面の音圧分布を取得する場合、必要な探触子の数が増えるとともに、コストが増大するという問題がある。

そのため本実施形態では、図１５に示すアレイ型トランスデューサーを採用する。 トランスデューサーは、探触子１５０１と、信号線１５０４にそれぞれ一つずつ備えられた増幅器１５０２およびＡ／Ｄ変換器１５０３を有する。 さらに信号線１５０４には、信号を読み出すラインを切り替えるスイッチ１５０５が備えられている。 各垂直ラインの信号は信号線１５０９で外部に出力される。

図１５のアレイ型トランスデューサーは、各水平ラインのスイッチを順番に切り替えながら信号を出力する。 すなわち、初めに水平ライン１５０６のスイッチのみをＯＮにし、ライン１５０６の探触子群の信号を外部に出力する。 次に１５０７の水平ラインのみのスイッチをＯＮにして、このラインの信号を出力する。 この操作を順次繰り返し、二次元に配列された探触子の受信信号を外部に出力する。 このような構成により、増幅器とＡ／Ｄ変換器は各垂直ラインに一つずつのみ配置されるため、図１４の構成と比較してコストを抑制できる。 例えば、Ｎ×Ｎ個の探触子を配置する場合、図１４ではＮの二乗個の増幅器及びＡ／Ｄ変換器が必要なのに対し、本実施形態ではＮ個のみで済む。

しかしながら、本実施形態では、実施形態１および２でローリングシャッター方式の光センサを用いた場合のように、ローリングシャッター方式でトランスデューサー１３０１の受信信号を出力するため、実施形態１で述べたのと同様の課題が発生する。 すなわち、各水平ラインから順次信号を読み出すため、実施形態１および２のようにメモリ１３０３への書き込み時刻を適切に補正しない場合、各ラインでずれが生じている信号を処理するため正しい画像を出力できない。 補正手段１３０２における各水平ラインからの信号の補正方法については実機形態１と同様のため、ここでは説明を省略する。

上記の説明において、各水平ラインの探触子群の音響信号を同時に読み出す方法についてスイッチでの切り替えを行うとしたが、同様の読み出しが行えれば他の方法でも良い。 また、各水平ラインの探触子群の信号を同時に読み出す必要はなく、任意の探触子群であっても良く、読み出す順番についても任意の順番で良い。 また、二次元に配置されたすべての探触子群からの信号を出力する必要はなく、例えばデータ取得の高速化のために１ラインおきに信号の出力をしても良い。

本実施形態に示されたイメージング装置を用いることで、探触子群から順次信号取得を行うアレイ型トランスデューサーを用いても、信号取得タイミングのずれに伴う表示画像の不具合を発生させないで、被検体内部の光学特性値分布を取得できる。
また、図１３のような水槽中の水ではなく、マッチングジェル等により音響整合を取ってもよいことは、上記各実施形態と同様である。

＜実施形態４＞
本実施形態のイメージング装置は、実施形態２と同様にトランスデューサーから被検体に向けて発せられた弾性波の反射波を検出することで、被検体内の音響インピーダンス分布を画像化する。

図１６に本実施形態におけるイメージング装置の構成例を示す。 本実施形態の実施形態２との主な相違点は、弾性波９０３を検出する手段として、ファブリーペロー型探触子９０６やアレイ型光センサ９０８ではなく、圧電現象や容量の変化を用いたアレイ型トランスデューサー１６０１を備えることである。 この相違にともなって本実施形態においては、実施形態２の光源９１２及び、測定光９１３をファブリーペロー型探触子９０６に導き、アレイ型光センサ９０８にその反射光を導くための光学系は存在しない。

一方、アレイ型トランスデューサー１６０１と信号補正部１６０２、信号処理部１６０３、信号表示部１６０４については実施形態３と同様であるため説明を省略する。
本実施形態は、トランスデューサー１６０１の信号取得および出力と、パルサー１６０５の信号発生タイミングを制御する制御部１６０６を備える。 パルサーからの信号に応じて、トランスデューサー１６０７から送信波が発生する。

本実施形態に示されたイメージング装置を用いることで、探触子群から順次信号取得を行うアレイ型トランスデューサーを用いても、信号取得タイミングのずれに伴う表示画像の不具合を発生させないで、被検体内の音響インピーダンス分布を取得できる。
また、図１６のような水槽中の水ではなく、マッチングジェル等により音響整合を取ってもよいことは、上記各実施形態と同様である。

以上各実施形態で述べたように、本発明によれば、アレイ型のトランスデューサー、特にローリングシャッター方式を用いるＣＭＯＳセンサを利用するファブリーペロー型探触子を用いる場合の不具合を抑制できる。 その結果、被検体が生体の場合、生体内の光学特性値分布及び、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布の画像化が可能となる。 従って、腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などのための医療用画像診断機器として利用可能である。
また被検体として非生体物質を対象とした非破壊検査などに応用することも当業者にとって容易に実現することができる。 すなわち、本発明は広く検査装置としても利用できる。

１０５：ファブリーペロー型探触子，１０７：測定光用光源，１０８：アレイ型光センサ，１１１：信号補正部，１１２：信号処理部，１１４：制御部