JP2018100923A - 光照射装置、光照射方法および光照射プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】媒質の内部等の所望の位置により高いエンハンスメントで光をフォーカスさせる。
【解決手段】光照射装置は、光源１００からの光を変調して該光の波面を成形する空間光変調手段１０７と、波面が成形された光を媒質に照射する光学系１０８と、光が照射された媒質から発生する信号を検出する検出手段１１０と、媒質の内部または外部の検出位置において検出される信号の強度が増加するように空間光変調手段に波面を成形させる最適化処理を行う制御手段１１１とを有する。制御手段は、検出位置を含む所定領域での信号の強度分布を取得し、該強度分布に基づいて検出位置または信号を補正する補正処理を行い、該補正処理後の信号の強度が増加するように最適化処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、媒質に光を照射してイメージングする技術に関する。

可視域から近赤外の光を用いて生体等の媒質の内部の光学特性を非侵襲または低侵襲でイメージングする際に、媒質に入射する光の波面を適切に成形することで、該光を効率的に媒質の内部やその背後の位置に到達させることができる。非特許文献１には、散乱媒質に光を照射する際に特定位置の透過光の強度が増加するように、入射波面を空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）で成形する方法が開示されている。また、特許文献１には、透過光に代えて、光音響信号を波面最適化のターゲットに用いる方法が開示されている。さらに、非特許文献２には、２光子吸収による蛍光信号（ＴＰＦ：Two-photon fluorescence）をターゲットにする方法が開示されている。

このように、様々な信号を、波面を成形するためのターゲットとして用いて、散乱媒質に入射させる光の波面を適切に成形することで、該光を散乱媒質の内部やその背後の所望の位置にフォーカスさせることができる。そして、光がフォーカスする位置における信号（透過光、蛍光および光音響信号等）の強度を増加させて測定することで、生体組織を含む様々な散乱媒質を対象とするイメージングの侵達長を向上させることができる。また、イメージングのＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）を改善することもできる。

米国特許公開第２０１１／００８３５０９号公報

I. M. Vellekoop and A. P. Mosk, "Focusing coherent light through opaque strongly scattering media", Optics Letters Vol.32, No.16 2309-2311(2007) Jianyong Tang, Ronald N. Germain and Meng Cui, Superpenetration optical microscopy by iterative multiphoton adaptive compensation technique", Proceeding of the National Academy of Sciences USA, 109(22) 8434-8439 (2012)

上記のような波面成形方法では、ある指定位置において透過光等の信号強度をフィードバック信号としてモニタする。例えば、媒質に入射する光の位相をＳＬＭで変調することに追従して変化する信号をモニタし、その信号の強度が最大となるときの位相（最適位相）をＳＬＭに設定する。しかしながら、ノイズの影響によって高い精度で位相を測定することができない場合があり、この場合は光強度の増加効果（エンハンスメント）が低下する。

本発明は、媒質の内部等の所望の位置により高いエンハンスメントで光をフォーカスさせることができるようにした光照射装置等を提供する。

本発明の一側面としての光照射装置は、光源からの光を変調して該光の波面を成形する空間光変調手段と、波面が成形された光を媒質に照射する光学系と、光が照射された媒質から発生する信号を検出する検出手段と、媒質の内部または外部の検出位置において検出される信号の強度が増加するように空間光変調手段に波面を成形させる最適化処理を行う制御手段とを有する。そして、制御手段は、検出位置を含む所定領域での信号の強度分布を取得し、該強度分布に基づいて検出位置または信号を補正する補正処理を行い、該補正処理後の信号の強度が増加するように最適化処理を行うことを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としての光照射方法は、光源からの光を変調して該光の波面を成形する空間光変調手段、波面が成形された光を媒質に照射する光学系および光が照射された媒質から発生する信号を検出する検出手段を設けるステップと、媒質の内部または外部の検出位置において検出される信号の強度が増加するように空間光変調手段に波面を成形させる最適化処理を行う制御ステップとを有する。そして、制御ステップにおいて、検出位置を含む所定領域での信号の強度分布を取得し、該強度分布に基づいて検出位置または信号を補正する補正処理を行い、該補正処理後の信号の強度が増加するように最適化処理を行うことを特徴とする。

なお、上記光照射方法に従う処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムとしての光照射プログラムも、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、媒質の内部等の検出位置により高いエンハンスメントで光をフォーカスさせることができる。

本発明の実施例１であるイメージング装置の構成を示す図。 実施例１における入射波面の最適化処理を示すフローチャート。 実施例１における波面最適化処理前の透過光の強度分布を示す図。 実施例１におけるターゲット位置での信号強度を最適化処理における反復回数Ｎを関数としてプロットした図。 実施例１における初期ターゲット位置と修正後ターゲット位置とを示す図。 本発明の実施例２であるイメージング装置の構成を示す図。 実施例２における処理フローを示す概略図。 実施例２における初期ターゲット位置での信号の補正を示す図。 実施例２におけるフォーカス位置をスキャンして行われるイメージングを示す図。 本発明の実施例３であるイメージング装置の構成を示す図。 実施例３における初期ターゲット位置と修正後ターゲット位置とを示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である光照射装置としてのイメージング装置の構成を示している。光源１００は、４００〜１５００ｎｍ等の可視域から近赤外域の波長を有し、強度が時間的に一定な連続光（ＣＷ光）を発するレーザ光源である。光源１００の波長は、光照射装置の使用目的に応じて任意に設定することができる。また、光源１００は、強度変調された光やパルス光を発するものであってもよい。

光源１００から発せられた光は、空間フィルタ１０１およびレンズ１０２によって平行光に変換され、そのビームサイズは可変絞り１０３によって、またその光強度はＮＤフィルタ１０４によってそれぞれ適切に調整される。ＮＤフィルタ１０４を用いる代わりに、光源１００の出力を直接変更して光強度を調整してもよい。ビームサイズは、後述する空間光変調器（ＳＬＭ）１０７の有効領域を基準として調整される。

ビームサイズと光強度が調整された光１２０は、ビームスプリッタ（ＢＳ）１０６を透過してＳＬＭ１０７に入射する。ＳＬＭ１０７としては、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal On Silicon）を用いることができる。また、ＳＬＭ１０７として、図１に示すように反射型ＳＬＭを用いたり、透過型ＳＬＭを用いたりすることができる。

ＳＬＭ１０７は、制御手段としてのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１１に接続され、該ＰＣ１１１により制御される。制御手段として、専用のＣＰＵやＭＰＵを用いてもよい。ＳＬＭ１０７は、後述する波面最適化処理によって入射する光１２０を変調（位相変調）して該光の波面を成形する。なお、入射光１２０の偏光は、ＳＬＭ１０７で位相変調を行う偏光方向と一致するように調整される。

ＳＬＭ１０７で反射し、かつ波面が成形された光１２１は、レンズ１０８を介して媒質であるサンプル１２５に入射する。このとき、レンズ１０８とＳＬＭ１０７との間隔およびレンズ１０８とサンプル１２５の入射面との間隔は、いずれもレンズ１０８の焦点距離と等しい。ＳＬＭ１０７とサンプル１２５の入射面はフーリエ変換の関係にある。すなわち、ＳＬＭ１０７で成形された波面をフーリエ変換したものがサンプル１２５に入射する。サンプル１２５は、入射光１２１に対して散乱媒質である。例えば、サンプル１２５は、生体組織であってもよいし、拡散板や樹脂等の媒質でもよい。

散乱媒質であるサンプル１２５を透過して該サンプル１２５を出射した散乱光（光信号）１２２は、レンズ１０９を通って撮像デバイスとしてのＣＣＤセンサ（以下、単にＣＣＤという）１１０により撮像される。撮像デバイスとしては、ＣＭＯＳセンサ、イメージインテンシファイアを有するエリアセンサ、ＥＭＣＣＤおよびｓＣＭＯＳ等を用いてもよい。ＣＣＤ１１０は、ＰＣ１１１に接続され、該ＰＣ１１１によって制御される。ＣＣＤ１１０による撮像によって取得されたモニタ画像は、ＰＣ１１１に転送されて解析される。

次に、波面最適化処理について説明する。この処理では、まずモニタする信号の位置を設定する。具体的には、本装置のユーザがモニタ画像における任意の位置をターゲット位置（検出位置）として指定する。以下の説明では、ターゲット位置をサンプル１２５の背後（ＣＣＤ１１０の位置）にて指定するが、サンプル１２５の内部にて指定してもよい。

次に、本処理では、ターゲット位置において検出手段としてのＣＣＤ１１０により検出される光信号の強度、つまりはＣＣＤ１１０から出力される電気信号の強度（以下、信号強度という）が増加するようにＳＬＭ１０７で位相変調を行う。この位相変調を反復的に行うることで、最終的には、ターゲット位置にフォーカススポットが形成され、光強度の増加効果（エンハンスメント）が得られる。ターゲット位置、言い換えれば信号強度をモニタするターゲット領域は、ＣＣＤ１１０の画素を単位として任意のサイズに設定することが可能である。ただし、エンハンスメントを大きくするために、ターゲット位置（ターゲット領域）は、ＣＣＤ１１０により観測されるスペックルグレインのサイズ以下に設定するとよい。スペックルグレインのサイズは、レンズ１０９の口径や、サンプル１２５、レンズ１０９およびＣＣＤ１１０の配置によって決まり、ＣＣＤ１１０において所望のサイズになるように調整することが可能である。

ＳＬＭ１０７上では、入射光１２０を複数のセグメントに分割し、それぞれのセグメントにおいて入射光１２０の波面を独立に成形（位相変調）する。各セグメントはＳＬＭ１０７の複数の画素を含み、セグメントのサイズやセグメントの数Ｎ（すなわち入射波面の分割数）は目的に応じて適宜設定される。セグメント数Ｎを増やせばフォーカスによるエンハンスメントは大きくなるが、測定の反復回数も増えるため、測定時間がかかる。エンハンスメントと測定時間のバランスを考慮してセグメント数Ｎを設定する。

次に図２を用いて、波面最適化処理（Ｓ１２００）について説明する。ＰＣ１１１がコンピュータプログラムである光照射プログラム（光照射方法）に従って本処理を実行する。以下の説明および図２において、Ｓはステップを意味する。

まずＳ１２２１において、ＰＣ１１１は、ＳＬＭ１０７のセグメントｊ（ｊ＝１〜Ｎ）を選択する。ここでは、セグメント数Ｎは、後述するセグメントごとの波面最適化処理の反復回数と等しい。Ｓ１２２２では、ＰＣ１１１は、ｊがセグメント数Ｎより大きい（つまりは全てのセグメントについて処理が完了した）か否かを確認し、ｊ＞Ｎであれば本処理を終了する。一方、まだｊがセグメント数Ｎ以下である場合は、ＰＣ１１１はＳ１２２３に進む。

Ｓ１２２３では、ＰＣ１１１は、ＣＣＤ１１０を通じてターゲット位置を透過した光の強度を測定（検出）してその光強度を示すＣＣＤ１１０からの信号の値を、セグメントｊの位相の値φ_ｊと共にＰＣ１１１内のメモリにφ_ｊ信号データとして保存する。

次にＳ１２２４では、ＰＣ１１１は、位相φ_ｊが２πを超えたか否かを判定し、超えていなければＳ１２２５に進んで、セグメントｊの位相φ_ｊを位相Δφを加えて更新する（φ_ｊ→φ_ｊ＋Δφ）。位相Δφは、離散化された位相のステップサイズを有し、測定の精度やスピードを考慮して設定する。ＰＣ１１１は、更新された位相φ_ｊに対して、再びＳ１２２３において、ターゲット位置における光の強度を測定し、ＰＣ１１１内のメモリにφ_ｊ信号データを保存する。こうしてセグメントｊの位相φ_ｊが２πを超えるまでＳ１２２５およびＳ１２２３の処理を繰り返す。

Ｓ１２２４においてセグメントｊの位相φ_ｊが２πを超えると、ＰＣ１１１は、Ｓ１２２６に進み、メモリに保存されたセグメントｊのφ_ｊ信号データから、ターゲット位置での光強度が最大となる最適な位相φ_{ｊ＿ｍａｘ}を読み出す。そして、この最適な位相φ_{ｊ＿ｍａｘ}をＳＬＭ１０７のセグメントｊの位相として設定する。

次にＳ１２２７では、ＰＣ１１１は、セグメントｊ＋１について上述したＳ１２２２〜Ｓ１２２７の波面最適化処理を反復する。このようにしてＳＬＭ１０７の全てのセグメントに対して波面最適化処理を実行することで、ＳＬＭ１０７からターゲット位置に向かう光の波面が最適化され、ターゲット位置にフォーカススポットを形成することができる。なお、波面最適化処理として、上述したＳＬＭのセグメントごとの位相を最適化するアルゴリズムに代えて、文献Ａに開示されている複数のセグメントを同時に最適化するPartitioning algorithmを用いてもよい。また、文献Ｂに開示されているように、遺伝的アルゴリズムを用いることもできる。

（文献Ａ）I. M.Vellekoop, A. P. Mosk, ”Phase control algorithms for focusing light through turbid media”, Optics Communications 281 (2008) 3071-3080
（文献Ｂ）Donald B. Conkey et al., ”Genetic algorithm optimization for focusing through turbid media in noisy environments”, Optics Express Vol.20, No.5 (2012)
図３（ａ）は、波面最適化処理を行う前にＣＣＤ１１０を通じて観察される透過像１３０を示す。透過像１３０において白くなるほど信号強度が高く、黒くなるほど信号強度が低い。１３１と１３２はターゲット位置である。図３（ｂ）は、波面最適処理によってターゲット位置１３１,１３２に形成されたフォーカススポット周辺の信号強度分布（１次元断面）１４０を示す。図中の分布１４１（△点線）と分布１４２（＋実線）はそれぞれ、ターゲット位置１３１,１３２に設定したときの信号強度分布である。

分布１４３（●破線）は、波面最適化処理を行う前の透過像１３０の平均信号強度分布である。これらの図３（ａ），（ｂ）は、ターゲット位置での信号強度と形成されるフォーカススポットでのエンハンスメントの例を示している。波面最適化処理を行う前において、ターゲット位置１３２のように信号強度レベルが低い位置をターゲット位置とすることで、装置の様々な要因で発生するノイズの影響を敏感に受ける。このため、図２のＳ１２２３における測定において測定誤差が生じ、Ｓ１２２６で最適位相φ_{ｊ＿ｍａｘ}を精度良く求めることができなくなる。その結果、図３（ｂ）の分布１４２に示すように、分布１４１に比べてエンハンスメントが低下し、フォーカススポットでのピーク強度に差が生じる。このように測定のＳＮＲに応じて、最終的に形成されるフォーカスのエンハンスメントが影響を受ける。

ターゲット位置１３２の信号強度は、その周囲の平均信号強度より低く、信号強度が平均信号強度以上であるターゲット位置１３１に比べてノイズの影響をより敏感に受けやすい。図２のフローチャートに従って反復的な波面最適化処理を行う過程において、ターゲット位置１３１,１３２いずれにおいても信号強度が徐々に増加するため、ＳＮＲが徐々に改善される。ただし、波面最適化処理における初期段階では、通常は信号強度レベルが微弱であることが多く、ノイズの影響を受けやすい。したがって、波面最適化処理の初期段階で、できる限りＳＮＲが良い状態でＳＬＭ１０７の位相変調によるターゲット位置での信号強度の変化をモニタすることが必要となる。

図４は、波面最適化処理の初期段階での測定に対するＳＮＲの影響を示す別の例を示す。この図は、ターゲット位置での信号強度を、波面最適化処理の反復回数の関数としてプロットしたものである。ターゲット位置での信号強度１５１は、反復回数Ｎの増加と共に上昇し、セグメント数を超えた反復回数の領域１５３において波面最適化処理を反復しても信号強度が増加する。領域１５３における信号強度は、セグメントｊ＝Ｎに対する処理（Ｓ１２２２）が終了した後に、再びｊ＝１のセグメントに戻って波面最適化処理を行ったときの結果を示す。この領域１５３にて示す反復回数は、領域１５２にて示す初期状態から信号強度がおおよそ周囲の平均信号強度まで増加するまでに要する反復回数に相当する。つまり、領域１５２における波面最適化処理の反復では、求めたい位相φ_{ｊ＿ｍａｘ}が十分な精度で求められていないことになる。これも、前述したＳＮＲに起因する問題である。

以上のことから分かるように、波面最適化処理の初期段階においてＳＮＲをできるだけ改善することで、セグメント数Ｎを超えた余計な反復回数を増やす必要なく、フォーカスポイントでのエンハンスメントを効率良く向上させることができる。

ＳＮＲを改善するためには、ターゲット位置での信号強度が大きい方が有利である。このため、できるだけ高い信号強度を波面最適化処理における初期信号強度とすることが望ましい。

図５は、ＣＣＤ１１０で観測される透過像であって、初期ターゲット位置２０１を含み、該初期ターゲット位置２０１の近傍の領域（所定領域：以下、ターゲット近傍領域という）の透過像を示す。初期ターゲット位置は、本実施例の光照射装置の使用目的に応じて任意に設定される。例えば、本実施例の光照射装置を用いてイメージングを行う場合には、イメージングしたい注目領域内の任意の点を初期ターゲット位置として設定すればよい。

図５において、初期ターゲット位置２０１での信号強度は非常に小さく、その周辺の平均信号強度より低い。これに対して、位置２０２〜２０４には、平均信号強度以上の信号強度を有するスペックルグレインが存在する。

初期ターゲット位置２０１に対して、フォーカススポットが形成される点が横方向（透過像２００の面内）にシフトしても許される範囲を、ターゲット近傍領域２１０として設定する。このターゲット近傍領域２１０の大きさは、イメージング等の目的やスペックルグレインのサイズ等に基づいて設定される。例えば、初期ターゲット位置２０１を中心に直径１００画素以内をターゲット近傍領域２１０とする。

このターゲット近傍領域２１０内で信号強度分布を測定するとともに信号強度の閾値（所定値）を設定し、その閾値以上（所定値以上）の信号強度を有するスペックルグレインを探索する。例えば、閾値を初期ターゲット位置２０１の付近の平均信号強度に設定することで、位置２０２，２０３のスペックルグレインが選択される。閾値は初期ターゲット位置２０１の付近の平均信号強度より高くてもよい。

そして、選択された位置２０２，２０３のスペックルグレインのうち信号強度の最大値がより大きいスペックルグレインの位置（特定位置）２０２を新たなターゲット位置として選択する。この際、信号強度が最大値である位置２０２を中心として平均的なスペックルグレインサイズ以内に収まる領域をターゲット位置のサイズとしてもよい。また、位置２０２のスペックルグレインのサイズを測定し、測定したサイズ以内の領域をターゲット位置のサイズに設定してもよい。このようにして、波面最適化処理のターゲット位置を、初期ターゲット位置２０１からこの新たに選択した位置２０２に修正（補正）する。

このようなターゲット位置の修正により、初期の信号強度が高い状態で波面最適化処理（Ｓ１２００）を実行することができる。ターゲット位置の修正は、任意に設定した初期ターゲット位置に対して許容し得る微小距離の範囲内で行われ、光照射装置として実用上問題ない範囲での修正である。このようにターゲット位置を許容範囲内で微小修正することで、波面最適化処理の初期状態でのＳＮＲを改善することができる。

なお、ターゲット近傍領域２１０内に閾値以上のスペックルグレインで信号強度もほぼ同じである複数のスペックルグレインが存在する場合は、初期ターゲット位置２０１により近いスペックルグレインの位置にターゲット位置を修正することが好ましい。また、閾値は、測定のＳＮＲに応じて任意に設定することが可能である。

ターゲット近傍領域２１０内に閾値以上の信号強度を有する信号が存在しない場合は、閾値を下げたりターゲット近傍領域２１０を許容範囲内で広げたりして閾値以上の信号が存在する位置を探索してもよい。

このように初期ターゲット位置から修正されたターゲット位置を用いて波面最適化処理を実行することで、修正後のターゲット位置により効率的にフォーカススポットを形成することができる。さらに、光源１００の波長を変えて波面最適化処理を実行し、波長ごとにエンハンスメントされた信号を測定することで、同位置の光学特性を評価することも可能である。

以上説明したように、本実施例では、最終的にフォーカススポットを形成するターゲット位置を初期ターゲット位置からより高い信号強度が得られる位置に移動させる補正処理を行った後に該補正処理後のターゲット位置に対して波面最適化処理を実行する。さらに、本実施例では、波面最適化処理における信号強度の初期値を、波面最適化処理の実行前の初期状態における信号強度の平均値以上に設定する。

図６は、本発明の実施例２である光照射装置としてのイメージング装置の構成を示している。光源３００は、可視域から近赤外域の波長を有し、サンプル３２０の内部の蛍光体３２１を励起させる光を発する。蛍光体は、外部からサンプル３２０に注入した蛍光色素であってもよいし、サンプル３２０内の構造に起因する自家蛍光体であってもよい。また、サンプル３２０は生体組織であり、後述するＳＬＭ３０３からの入射光３１６に対して散乱媒質である。

光源３００から射出した光は、光学系３０１によって適切なビーム径の平行光に変換され、ＢＳ３０２を透過し、ＳＬＭ３０３に入射する。ＳＬＭ３０３で位相変調された入射光３１６は、ダイクロイックミラー（ＤＭ）３０５を透過して光学系３０４と光学系３０６によって適当な倍率でサンプル３２０の表面に結像する。サンプル３２０に入射した光は、サンプル３２０の内部で散乱されながら蛍光体３２１に到達し、蛍光体３２１を励起して蛍光を発生させる。蛍光体３２１から発生した蛍光３１８は、サンプル３２０の内部で散乱しながらサンプル３２０から出射して光学系３０６を通り、ＤＭ３０５で反射されて光学系３０７を介して蛍光信号としてＣＣＤ３０９により撮像される。ＣＣＤ３０９の前面には、蛍光３１８の波長領域のみを通過させる波長フィルタ３０８が配置されており、これによりＣＣＤ３０９は蛍光３１８のみを効率的に撮像する。また、ＳＬＭ３０３とＣＣＤ３０９は、ＰＣ３１０に接続されており、該ＰＣ３１０により制御される。本実施例においても、実施例１と同様に、ＣＣＤ３０９により測定（検出）した信号強度に基づいてＳＬＭ３０３でサンプル３２０に入射する入射光３１６の波面を成形する。

図７のフローチャートは、本実施例において画像を生成するまでの処理の流れを示す。まずＳ１０００において、ＰＣ３１０は、フォーカススポットを形成するための初期ターゲット位置を設定する。初期ターゲット位置は、何等かの事前情報を利用して蛍光体が存在する位置付近に設定する。事前情報としては、本実施例のイメージング装置とは別に、Ｘ線、ＭＲＩ、超音波および光等を用いて測定した結果やそれ以外の病理的な診断結果等、他のモダリティにより提供される情報を用いることが可能である。また、Ｓ１０００において、ＰＣ３１０はターゲットのサイズ（ターゲット領域）も設定する。

Ｓ１０００で初期ターゲット位置を設定したＰＣ３１０は、Ｓ１１００においてターゲット位置で得られた信号を以下に説明するように補正する補正処理を行う。

図８は、ＣＣＤ３０９で撮像される蛍光像３３０を示す。蛍光像３３０は、サンプル３２０内部のうち光学系３０６の焦点位置における深さで発生した蛍光（蛍光信号）３１８の強度分布を含む。図中の位置３３１が、Ｓ１０００にて設定された初期ターゲット位置である。実施例１において説明したように、ターゲット近傍領域内で閾値以上の信号強度を有する複数の位置に着目する。その複数の位置のうち信号強度が最大値である位置を抽出し、その位置を中心としたターゲットサイズの範囲内の領域を注目信号位置（特定位置）３３２とする。本実施例では、実施例１で示したように初期ターゲット位置３３１を注目信号位置３３２に修正するのではなく、注目信号位置３３２の信号強度を初期ターゲット位置３３１にシフトさせる補正処理を行う。

観測された蛍光像３３０の面内において、位置３３１の中心と位置３３２の中心は、Ｘ方向にΔＸ、Ｙ方向にΔＹだけ離れている。このとき、注目信号位置３３２がＸおよびＹ方向にそれぞれΔＸおよびΔＹだけシフトして、初期ターゲット位置３３１に重なるようにＳＬＭ３０３の向き（傾き）を調整する。例えば、ＳＬＭ３０３を多軸ステージに固定しておき、Ｘおよび方向のそれぞれにおいて、サンプル３２０に対するＳＬＭ３０３の傾きを調整する。シフト量ΔＸとＳＬＭ３０３から観測面までの距離から、ＳＬＭ３０３をＸ方向に傾ける角度（傾斜角）を求めることができる。ΔＸおよびΔＹのシフトをＳＬＭ３０３の傾斜角で調整して、注目信号位置３３２の蛍光信号を初期ターゲット位置３３１に移動させることができる。また、ＳＬＭ３０３に設定する位相分布にＸおよびＹ方向のそれぞれに、傾斜角に応じて線形の位相シフト量を与えることで上記シフトを行ってもよい。この場合、線形のシフト量を与えた位相分布をＳＬＭ３０３の初期値として、波面最適化処理を行う。さらに、ＳＬＭ３０３に代えて又はＳＬＭ３０３とともに光学系であるレンズ１０８の向き（傾き）を変更してもよい。

このように、初期ターゲット位置３３１の近傍で閾値以上の信号強度を有する信号を初期ターゲット位置にシフトさせることで、波面最適化処理における初期信号強度を増加させることができる。

図７のＳ１１００で上述したようにしてターゲット位置での信号を補正した後、Ｓ１２００において、ＰＣ３１０は、ターゲット位置３３１にフォーカススポットを形成して、実施例１で説明した波面最適化処理（図２に示したＳ１２００）を実行する。なお、計測スピードが要求されるような場合は、ターゲット位置３３１の信号強度をモニタし、十分な信号強度に達することに応じて波面最適化処理を終了して次のステップＳ１３００に進んでもよい。また、必ずしも全てのセグメントについて波面最適化処理を実行する必要はない。

次のＳ１３００以降では、ＰＣ３１０は、生成したフォーカススポットを利用してイメージングを行う。図９は、Ｓ１３００でのイメージングを模式的に示している。ＰＣ３１０は、ターゲット位置に生成したフォーカススポット３３１を撮像領域としての物体面３３６に対して水平方向に順次移動させるスキャン３３７を行う。スキャンは、物体面３３６内をＸ方向とＹ方向のそれぞれに順に行ってもよいし、スパイラルに行ってもよい。このスキャンは、メモリ効果と呼ばれる散乱の相関を利用する。このメモリ効果を利用すれば、波面最適化処理で既に得られているＳＬＭ３０３の最適化された位相分布を用いて、再度の波面最適化処理を行う必要なく、フォーカススポットを保つことができる。

フォーカススポットのスキャンは、前述したように多軸ステージに固定されたＳＬＭ３０３をスキャンシフト量に応じて傾けることで行ってもよいし、ＳＬＭ３０３と共役な位置に配置された２軸のミラーを制御することで行ってもよい。また、シフト量に応じて線形の位相のシフト量を、既に得られたＳＬＭ３０３の位相分布に足し合わせることでスキャンを行ってもよい。

メモリ効果が得られる、すなわち波面最適化処理の効果が得られる角度範囲θを、例えばフォーカスピーク強度が１／ｅになる強度の範囲とすれば、

と見積もることができる。λは入射光３１６の波長であり、Ｌは媒質の厚さ（サンプル３２０の表面から物体面３３６までの距離）である。本実施例では、ＰＣ３１０は、上記スキャンによりイメージング（画像を生成）する領域を上記メモリ効果が得られる角度範囲内に設定する。

Ｓ１３００では、ＰＣ３１０は、フォーカススポット３５０のスキャンを行いながら各スキャン位置（検出位置）において蛍光信号を測定（検出）する。スキャンする際のステップサイズ（シフト量）は、イメージングの解像度に応じて任意に設定することができる。物体面３３６における蛍光信号の測定が終了すると、ＰＣ３１０はＳ１４００に進む。

Ｓ１４００では、画像生成手段としてのＰＣ３１０は、各測定位置に対応した蛍光信号をマッピングすることで画像を生成し、得られた画像をディスプレイ等の画像表示装置に表示する。なお、フォーカススポットのスキャンを行う際に、Ｓ１２００でフォーカススポットを生成した位置３３１からのシフト量に応じて、フォーカススポットのピーク強度が減衰する。この減衰効果を、メモリ効果の理論モデルから導かれる相関関数である、
Ｃ（ｑＬ）＝［ｑＬ／ｓｉｎｈ（ｑＬ）］^２
でフィッティングして、スポットの強度減衰を補正してもよい。さらに、サンプル３２０を可動ステージ上に配置して、該ステージを光軸方向に移動させることで、異なる深さ位置の画像をイメージングすることもできる。

また、撮像領域を広げるため、上記メモリ効果が得られる範囲の境界位置で、再度、波面最適化処理を行ってフォーカススポットを再形成し、更にスキャンとイメージングを継続することも可能である。

上述したＳ１０００〜Ｓ１４００の処理によって、生体組織等のサンプル３２０の内部の蛍光信号の信号強度をエンハンスメントして、より高精度にイメージングを行うことができる。

本実施例は、初期設定されたターゲット位置での信号強度が閾値以上となるように、撮像領域内の信号強度分布をシフトすることで波面最適化処理における信号強度の初期値を十分に高くすることができる。

なお、本実施例にいう蛍光信号は、非線形現象の多光子励起により発光した信号も含む。また、本実施例を、蛍光信号を用いたイメージングだけでなく、媒質に光を照射して該媒質の内部の第二次高調波（ＳＨＧ）や第三次高調波（ＴＨＧ）を測定してイメージングする場合に適用してもよい。さらに、本実施例を、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）およびコヒーレント反ストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ）等を含むラマン散乱に起因するラマン散乱信号のイメージングに適用してもよい。加えて、本実施例を、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）における光干渉信号の）イメージングに適用してもよい。

図１０は、本発明の実施例３である光照射装置としてのイメージング装置の構成を示している。本実施例のイメージング装置は、実施例１等で説明した波面最適化処理による光のフォーカシングを利用した光音響イメージング装置である。

サンプル４２０は生体組織であり、散乱粒子４２１を含む。このサンプル４２０は、可視域から近赤外域の光に対して散乱媒質である。光源４００からは数ｎｓのパルス光が発せられる。また、光源４００の波長としては、生体組織４２０の主要な構成成分である水、脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビン等の吸収スペクトルに応じた複数の波長を選択することができる。例えば、光源４００として、４００〜１５００ｎｍ等の可視域から近赤外域の範囲の波長を放射する電磁波源を使用することができる。

光源４００から発せられた光は、ビームスプリッタ４０１を透過してＳＬＭ４０２に入射する。ＳＬＭ４０２は、制御部（制御手段）４０５によって制御され、前述した波面最適化処理によってサンプル４２０に入射する光４１０の波面を成形する。ＳＬＭ４０２で反射し、かつ波面成形された光４１０は、ビームスプリッタ４０１で反射して光学系４０３を介してサンプル４２０に照射される。

散乱媒質であるサンプル４２０に入射した光４１１は、散乱されながらサンプル４２０の内部を伝搬し、その一部のエネルギーはサンプル４２０の内部のある位置としての局所領域４２５の吸収体で吸収される。これにより、局所領域４２５の温度が上昇し、その局所領域４２５の体積が膨張して音響波（光音響信号）４２３が発生する。超音波トランスデューサを含む超音波装置（検出手段）４０４は、この光音響信号４２３を測定（検出）する。このとき、制御部４０５は、超音波装置４０４を制御して、サンプル４２０内の局所領域４２５からの光音響信号４２３を含む信号が検出されるように、超音波トランスデューサのフォーカスを制御する。

超音波トランスデューサは、例えばリニアアレイ探触子により構成され、アレイ探触子を用いた電子フォーカスによってサンプル４２０の内部の任意の位置に超音波フォーカス領域を生成することが可能である。トランスデューサとしては、圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量変化を用いたトランスデューサ等を用いることができる。また、超音波トランスデューサは、サンプル４２０と音響的に整合されている。

サンプル４２０の内部における光４１１の入射位置からの深さがｚの位置における光音響信号Ｐ（ｚ）は、以下の式（１）ように表わされる。式（１）において、Φ（ｚ）は位置ｚにおける光強度であり、μ_ａ（ｚ）は該位置ｚにある吸収体の吸収係数である。また、Γは熱から音響波への変換効率を表すグリュナイゼン係数である。

式（１）から分かるように、位置ｚにてグリュナイゼン係数Γと吸収係数μ_ａ（ｚ）が媒質固有で一定であるとすれば、光音響信号は位置ｚでの光強度に応じて変化する。したがって、位置ｚに効率良く光をフォーカスさせれば、光音響信号Ｐ（ｚ）の信号強度は増加する。

ＳＬＭ４０２は光学系４０３の瞳面に配置され、ＳＬＭ４０２上の各セグメントがそれぞれ入射光４１０の波面を独立に成形する。波面最適化処理においてモニタする信号として、局所領域４２５から発生する光音響信号を利用する。波面最適化処理としては、図２にＳ１２００として示した処理を用いてもよいし、前述した遺伝的アルゴリズムを用いてもよい。本実施例は、この光音響信号をターゲットとして波面最適化処理を行って該波面最適化処理における初期値としての光音響信号の信号強度を増加させる。

図１１は、本実施例において、光音響信号の信号強度の初期値に対する補正処理を示している。補正処理では、まずサンプル４２０の内部における光音響イメージングを行う撮像領域のうち任意の位置に初期ターゲット位置（局所領域）４５０を設定する。初期ターゲット位置４５０は、予め取得された診断結果等の事前情報や、超音波装置４０４を用いて取得した超音波エコー画像に基づいて設定すればよい。例えば、超音波エコー画像において、何らかの信号の変化が認められる部位を、光音響イメージングを行う撮像領域とし、その領撮像域内で任意に初期ターゲット位置４５０を設定する。また、超音波エコー画像に加えて、予め取得した光音響信号を併せ用いて初期ターゲット位置４５０を設定してもよい。

次に、サンプル４２０の内部における初期ターゲット位置４５０を含むその近傍の領域であるターゲット近傍領域４６０において、互いに異なる深さの位置Ｚ_０〜Ｚ_ｎの光音響信号の分布を超音波装置４０４を用いて測定し、信号強度の３次元データを取得する。ターゲット近傍領域４６０は、入射光のフォーカススポットの修正が許容できる範囲内で３次元的に設定する。ターゲット近傍領域４６０の内部には、光音響信号が相対的に大きい、複数の注目位置４５１〜４５３が存在する。これら注目位置４５１〜４５３のうち信号強度が最大値である注目位置（特定位置）４５３を選択する。そして、ターゲット位置を初期ターゲット位置４５０から注目位置４５３に修正（補正）し、ここでの信号強度を初期値として波面最適化処理を行う。

本実施例においても、実施例２で説明したように、ターゲット近傍領域４６０またはメモリ効果が得られる範囲内でのフォーカススポットのスキャンとイメージングを行うことも可能である。また、メモリ効果が得られる範囲の境界位置で再度、波面最適化処理を行ってフォーカススポットを再形成し、さらにフォーカススポットのスキャンとイメージングを行ってもよい。

このようにして光音響イメージングにより生成された画像は、ディスプレイ４０６に表示される。また、この画像と他の診断結果や測定データとを重ね合わせて表示することも可能である。

さらに、任意の複数の波長を用いて上述した処理を行い、サンプルの内部の分光特性を測定し、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンおよび水等の成分比率や、酸素飽和度等の代謝情報を求め、これを３次元断層画像としてイメージングすることも可能である。

また、モニタする信号として、光音響信号ではなく、超音波変調光の光強度を示す信号を用いることも可能である。超音波変調光は、下記の文献Ｃにて開示されているように、サンプルに光と超音波を照射し、超音波で変調され周波数シフトした光である。例えば、サンプルの内部の位置に集束する集束超音波を照射する。そして、その位置において、周波数が照射した超音波の周波数に応じて周波数シフトした光をモニタ信号として測定する。この際、モニタ信号の測定には、フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）および光電子増倍管（ＰＭＴ）等の単一センサと、ロックインアンプ（lock-in amplifier）またはバンドパスフィルタとを組み合わせて用いる。これらに代えて、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、ＥＭＣＣＤセンサまたはＣＣＤセンサにイメージインテンシファイアを組み合わせた２次元センサアレイを用いてもよい。
（文献Ｃ） 特開２０１０−７１６９２号公報

次に、本発明の実施例４である光照射装置としての光治療装置の構成を示している。本実施例の光治療装置は、実施例１等で説明した波面最適化処理による光のフォーカシングを利用して光線力学療法等に用いられる。

本実施例の説明に、再び図１０を用いる。本実施例でも、光のフォーカススポットを形成する位置をターゲット位置（局所領域４２５）として設定する。このターゲット位置４２５は、予め行われた様々な診断結果から、治療を実施すべき位置に設定する。このターゲット位置４２５に光がフォーカスするように、光音響信号をモニタ信号として、波面最適化処理を行うことで、ターゲット位置４２５にフォーカスポットを形成する。このとき、良好なＳＮＲで波面最適化処理が行えるように、ターゲット位置４２５における光音響信号（初期値）を補正する。

本実施例においては、ＳＬＭ４０２に任意の位相パターンを設定し、ターゲット位置４２５での光音響信号が、例えばその近傍の領域の平均信号強度としての閾値（所定値）以上となるように、ＳＬＭ４０２に与える位相パターンを調整する。ＳＬＭ４０２に与える位相パターンは、完全にランダムな位相パターンであってもよいし、直交基底のベクトルを適当に足し合わせた位相パターンであってもよい。ＳＬＭ４０２に複数の位相パターンを順次与え、ターゲット位置４２５における光音響信号が閾値以上となったら波面最適化処理を実行する。

フォーカススポットが形成された後に、光源４００を治療目的に使用する光源に切り替えてもよい。例えば、波長が同じで出力がより大きいレーザ光源に切り替える。または、光源４００は切り替えず、光源４００の出力を波面最適化処理時に比べて大きくする等、調整してサンプル４０２に光を照射してもよい。

以上説明したように、上記各実施例では、媒質に入射する光の波面を適切に成形する際に、モニタする信号の強度の初期値や該信号強度をモニタする位置を補正する補正処理を行うことによって、モニタする信号のＳＮＲを向上させることができる。これにより、モニタ位置でより光強度が増加したフォーカススポットを形成することが可能である。そして、この波面最適化処理を、様々なイメージング方法および装置と組み合わせることで、より効率的にイメージングや治療等を行うことができる。（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１００ 光源
１０７ 空間光変調器
１０８ レンズ
１１０ 撮像デバイス（ＣＣＤ）
１１１ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１２５ サンプル

Claims (10)

1. 光源からの光を変調して該光の波面を成形する空間光変調手段と、
   前記波面が成形された光を媒質に照射する光学系と、
   前記光が照射された前記媒質から発生する信号を検出する検出手段と、
   前記媒質の内部または外部の検出位置において検出される前記信号の強度が増加するように前記空間光変調手段に前記波面を成形させる最適化処理を行う制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記検出位置を含む所定領域での前記信号の強度分布を取得し、該強度分布に基づいて前記検出位置または前記信号を補正する補正処理を行い、該補正処理後の前記信号の強度が増加するように前記最適化処理を行うことを特徴とする光照射装置。
2. 前記制御手段は、前記補正処理において、該補正処理が行われる前の前記信号の強度が所定値以上である又は前記強度分布において最大である特定位置に前記検出位置を移動させることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記制御手段は、前記補正処理において、前記強度分布における前記信号の強度が所定値以上である又は該強度分布において最大である特定位置を検出し、該特定位置が前記検出位置に移動するように前記空間光変調手段を制御することで前記信号を補正することを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
4. 前記制御手段は、前記補正処理において、前記強度分布における前記信号の強度が所定値以上である又は該強度分布において最大である特定位置を検出し、該特定位置が前記検出位置に移動するように前記空間光変調手段および前記光学系のうち少なくとも一方の向きを変更することで前記信号を補正することを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
5. 前記制御手段は、前記補正処理において、前記検出位置における前記信号の強度が所定値以上となるように前記空間光変調手段からの前記光の波面を変更することを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
6. 前記所定値は、前記補正処理が行われる前の前記強度分布における平均信号強度またはそれよりも高いことを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の光照射装置。
7. 前記制御手段は、前記最適化処理の効果が得られる範囲で前記検出位置を順次移動させるように前記空間光変調手段を制御し、
   順次移動する前記検出位置で検出された前記信号を用いて画像を生成する画像生成手段をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光照射装置。
8. 前記信号は、前記媒質を透過した光、光音響信号、超音波変調光、蛍光、第２次または第３次高調波、ラマン散乱信号および光干渉信号のうちいずれかであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光照射装置。
9. 光源からの光を変調して該光の波面を成形する空間光変調手段、前記波面が成形された光を媒質に照射する光学系および前記光が照射された前記媒質から発生する信号を検出する検出手段を設けるステップと、
   前記媒質の内部または外部の検出位置において検出される前記信号の強度が増加するように前記空間光変調手段に前記波面を成形させる最適化処理を行う制御ステップとを有し、
   前記制御ステップにおいて、前記検出位置を含む所定領域での前記信号の強度分布を取得し、該強度分布に基づいて前記検出位置または前記信号を補正する補正処理を行い、該補正処理後の前記信号の強度が増加するように前記最適化処理を行うことを特徴とする光照射方法。
10. 光源からの光を変調して該光の波面を成形する空間光変調手段、前記波面が成形された光を前記媒質に照射する光学系および前記光が照射された前記媒質から発生する信号を検出する検出手段とともに用いられるコンピュータに、前記媒質の内部または外部の検出位置において検出される前記信号の強度が増加するように前記空間光変調手段に前記波面を成形させる最適化処理を行わせるコンピュータプログラムであって、
    前記検出位置を含む所定領域での前記信号の強度分布を取得させ、
    該強度分布に基づいて前記検出位置または前記信号を補正する補正処理を行わせ、
    該補正処理後の前記信号の強度が増加するように前記最適化処理を行わせることを特徴とする光照射プログラム。