JP6548405B2 - ファントム - Google Patents

Description

本発明は、装置の評価用のファントムに関し、特に、光音響波による測定と、超音波エコーによる測定とを行える装置の評価用のファントムに関する。

光イメージング技術の一つとして、ＰＡＴ（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；光音響トモグラフィー）が知られている。光音響トモグラフィーにおいては、被検査物に対してパルス光を照射することで、被検査物のうち、光のエネルギーを吸収した領域から発生した音響波（以下、光音響波とも記す）を検出する。検出された光音響波から、被検査物内部の光学特性値に関する情報を可視化することができる。

ＰＡＴ技術は、超音波エコー技術と併用することが知られており、特許文献１には、光音響波の測定により、被検者の胸の組織の新生血管の分布を得るとともに、超音波エコーにより、被検者の形態学画像を得る装置が記載されている。

また、一般に、ＰＡＴ装置の性能を評価するために、既知の内部構造を有するファントムが利用される。このファントムを被検査物として得られた光音響波による画像から、ＰＡＴ装置の性能を評価することができる。特許文献２には、人体組織を模したファントムが記載されている。

特開２００５−０２１３８０号公報 特開２０１１−２０９６９１号公報

しかしながら、超音波エコーによる測定も行えるＰＡＴ装置を評価するのに好適なファントムの構成は、従来検討されていなかった。本発明は、超音波エコーによる測定も行えるＰＡＴ装置の評価に好適なファントムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の一つの側面であるファントムは、測定面を有する母材と、前記母材の中に設けられた第１のターゲットおよび第２のターゲットと、を有するファントムであって、前記第１のターゲットと前記母材との音響特性の差は、前記第２のターゲットと前記母材との音響特性の差よりも小さく、前記第２のターゲットと前記母材との光学特性の差は、前記第１のターゲットと前記母材との光学特性の差よりも小さく、さらに、前記第２のターゲットは、前記測定面から、前記測定面と直交する方向において、前記第１のターゲットよりも離れた位置に設けられたことを特徴とする。

本発明の別の側面であるファントムは、測定面を有する母材と、前記母材の中に設けられた、第１のターゲットと第２のターゲットとを有するファントムであって、前記第１のターゲットは、前記第２のターゲットよりも光を吸収しやすく、前記第２のターゲットは、前記第１のターゲットよりも音響波を反射しやすく、さらに、前記第２のターゲットは、前記測定面から、前記測定面と直交する方向において、前記第１のターゲットよりも離れた位置に設けられたことを特徴とする。

超音波エコーによる測定も行えるＰＡＴ装置の評価に好適なファントムが得られる。

ファントムの構成例を示す図である。 ＰＡＴ装置の構成例を示す図である。 ファントムの構成例を示す図である。 ＰＡＴ装置の構成例を示す図である。 ファントムの構成例を示す図である。

本発明が解決しようとする課題の理解を容易にするために、まず、ＰＡＴ装置（以下では、光音響装置とも記す）用のファントムについて説明する。

ＰＡＴ装置の評価に使われるファントムは、光音響波の測定に適したターゲットを有する。このターゲットは、トランスデューサによって検出できる程度の強度を持つ光音響波を生成するのに十分なだけの光の吸収率を有する。しかし、光音響波の生成に適したターゲット材料は、超音波エコーの測定には適さないことが多い。そのため、従来のＰＡＴ装置用のファントムでは、超音波エコーによる測定も行えるＰＡＴ装置の評価に適さないおそれがある。

そこで、光音響波の生成に適したターゲットを持つファントムと、超音波エコーによる測定に適したターゲットを持つファントムとを用意して、評価する対象に応じてファントムを交換する方法が考えられる。しかし、その場合には、測定に応じてファントムを交換することは、操作者にとって負担となる。

そのため、本発明では、同一のファントムに、光音響波の測定に適したターゲットと、超音波エコーの測定に適したターゲットとをともに有するファントムとした。特に、ファントム内のターゲットの好適な配置を見出した。以下では、本発明の実施形態に係るファントムを説明する。以下では、光音響波の測定に適したターゲットを光音響測定用ターゲットと呼び、超音波エコーの測定に適したターゲットを超音波測定用ターゲットと呼ぶ。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るファントムを示す図である。ファントムは、外枠１０１によって囲まれた領域に、母材１０２が充填されており、母材１０２の一部に、第１のターゲットである光音響測定用ターゲット１０３と第２のターゲットである超音波測定用ターゲット１０４とが設けられている。本実施形態においては、光音響測定用ターゲット１０３および超音波測定用ターゲット１０４はともに円柱形状で、ｘ軸に沿って設けられている。図１（ａ）では、理解を容易にするために、外枠１０１が母材１０２のｚ−ｙ面を覆わない例を示しているが、母材１０２のｚ−ｙ面を覆うようにしても良い。

外枠は、母材１０２の形状を保つための支持部材としての役割を果たすものである。本実施形態においては、ｚ軸と直交する面は、測定面１０５として母材１０２が露出する。支持部材は、母材よりも剛性が高いものを用いることで、特に母材１０２が柔らかい場合には、ファントムの取り扱いを容易にすることができる。また、母材１０２は、測定面とは異なる面を介して支持部材に固定されるが、図１（ａ）に示すように、母材１０２の測定面を露出させてもよいし、光音響測定に利用する光の波長に対して透明なものであれば、母材１０２の測定面を覆う保護部材を設けても良い。保護部材は、支持部材と一体的に構成されていても良い。なお、ＰＡＴ装置の評価を行う際には、測定面に近接するように探触子が配置される。

光音響測定用ターゲット１０３は、光音響測定の際に検出されるとともに、超音波エコーによる測定の際には観察されにくいことを目的としている。このターゲットは、ＰＡＴ装置によって得られる初期音圧分布の画像コントラスト、酸素飽和度や解像度等を評価するためのものである。そのため、超音波エコーによる測定では観察されにくい構成となっている。具体的には、光音響測定用ターゲット１０３内部の音速や音響減衰のような音響特性が母材に近くて、光の吸収係数等の光学的特性が母材と異なるものである。

超音波測定用ターゲット１０４は、超音波エコー測定の際に観察されるとともに、光音響測定の際には観察されにくいことを目的としている。このターゲットは、超音波エコー測定によって得られる画像コントラストや解像度などを評価するためのものである。そのため、音速や減衰率等の音響特性が母材と異なり、光の吸収係数等の光学特性が母材に近くて低いものである。

以上を踏まえると、光音響測定用ターゲット１０３と母材１０２との音響特性の差は、超音波測定用ターゲット１０４と母材１０２との音響特性の差よりも小さい。さらに、超音波測定用ターゲット１０４と母材１０２との光学特性の差は、光音響測定用ターゲット１０３と母材１０２との光学特性の差よりも小さいと言える。また、別の言い方をすると、光音響測定用ターゲット１０３は、超音波測定用ターゲットよりも光を吸収しやすく、超音波測定用ターゲット１０４は、光音響測定用ターゲット１０３よりも音響波を反射しやすいとも言える。

上述の特性を満たすための材料を次に説明する。

本実施形態において、光音響測定用ターゲット１０３は、母材１０２と同様の材料で作製しても良い。母材１０２と共通の材料を使うことにより、音響特性を互いに近い値にすることができるので、光音響測定用ターゲット１０３が超音波測定時に観察されにくくなる。母材１０２は、ポリオールと、ポリオールに分散可能なフィラーから成ってもよい。ポリオールとしては、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール等を挙げることができる。このうち、ポリエーテルポリオールは、人体組織の音響伝播特性に関する相関性の点においてより好ましい。なお、ポリオールは通常では液体状態であり、必要に応じて硬化剤を含ませることにより固体状に樹脂を硬化させることが可能である。人体組織の音響伝播特性に近似させる上では、イソシアネート化合物を用いることが好ましい。

また、母材１０２および光音響測定用ターゲット１０３を人体組織の光伝播特性に近似させるためには、フィラーの分散により光の等価散乱係数と吸収係数を適当な値にする必要がある。光散乱性を有する光散乱性フィラーとしては、酸化チタン等の無機酸化物が挙げられる。また、光吸収性を有する光吸収性フィラーとしては、顔料を用いることが望ましい。顔料としてはカーボンブラックのような黒色顔料、銅フタロシアニン等のシアン顔料、モノアゾレーキ系顔料、モノアゾ系顔料等のマゼンダ顔料、およびジアリライドイエロー等のイエロー顔料などが挙げられる。

超音波測定用ターゲット１０４の一例として、主剤としてのポリブタジェンポリオールを希釈し、これに硬化剤としてのジフェニルメタンジイソシアネートを反応させて得たウレタン樹脂が考えられる。このウレタン樹脂に有機体フィラーを添加して、超音波の反射および散乱が均一になるようにする。なお、有機粉体フィラーは、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン・酢酸ビニル、ビニルアルコール共重合体等の粉体を利用することができる。

次に、母材１０２中の各ターゲットの形状および配置について説明する。図１（ｂ）は、本実施形態に係るファントムのｚ−ｙ平面における断面図である。

本実施形態において、母材１０２はｘ、ｙ、ｚ各軸に沿う向きにそれぞれ６０ｍｍ、８０ｍｍ、６０ｍｍの大きさを持つ立方体である。一方、光音響測定用ターゲット１０３は、φ１ｍｍの円柱形状で、測定面１０５から１０ｍｍの深さに、ｘ軸に平行に設けられている。また、超音波測定用ターゲット１０４は、φ１ｍｍの円柱形状で、測定面から２０ｍｍの深さに、ｘ軸に平行に設けられている。本実施形態では、光音響測定用ターゲット１０３および超音波測定用ターゲット１０４は、ｙ座標は同じで、ｚ軸方向が異なるように配置されている。なお、各ターゲットの形状は円柱に限らず、球などでもよいが、型に樹脂を流して成型するため、円柱等の柱形状であると、再現性良く作製できる点で望ましい。

図１（ｂ）において、各ターゲットと測定面１０５との間に結ばれた点線は、ｘ軸方向に延在するリニアタイプの超音波プローブ（不図示）を用いた場合に、超音波プローブによって検知される音響波の範囲を示す音線である。一般的に、リニアタイプの超音波プローブは、探触子の中心線上にターゲットを置いたときに、解像度などの特性が良い。そのため、各ターゲットの配置を図１に示す構成にすることで、超音波プローブを動かすことなく、同じ位置において、超音波エコーおよび光音響波測定の両面から装置を評価することができる。

本実施形態においては、第１のターゲットである光音響測定用ターゲット１０３は、第２のターゲットである超音波測定用ターゲット１０４と比較して、母材１０２との音響特性の差を小さくしている。そのため、超音波測定の評価を行う場合に、超音波測定用ターゲット１０４で反射されて測定面に向かう音響波は、光音響測定用ターゲット１０３によって反射されにくい。つまり、超音波プローブの音響波受信面と超音波測定用ターゲット１０４との間に光音響測定用ターゲット１０３が存在しても、光音響測定用ターゲット１０３は超音波測定を妨害しにくい。仮に、光音響測定用ターゲット１０３が、超音波測定用ターゲット１０４よりも深い位置に設けられている場合を考えると、光音響測定用ターゲット１０３から発生した光音響波が、超音波測定用ターゲット１０４によって反射されるおそれがある。したがって、光音響測定用ターゲット１０３は、超音波測定用ターゲット１０４と同等あるいはより測定面に近く配置されることが望ましい。言い換えると、第２のターゲットは、第１のターゲットよりも測定面から遠い位置に設けられることが望ましい。

また、評価対象となるＰＡＴ装置が、生体を被検査物とする場合には、ファントムの光学特性や音響特性も、生体を模することが望ましい。たとえば、母材１０２の光学定数を、生体の値の範囲内である吸収係数０．００５ｍｍ^−１、等価散乱係数を１ｍｍ^−１、母材１０２中における音速を１４５０ｍ／ｓ、減衰率を０．５ｄＢ／ｃｍＭＨｚとしてもよい。一方、光音響測定用ターゲット１０３の吸収係数は、血液相当の０．２ｍｍ^−１、等価散乱係数を１ｍｍ^−１とするとともに、超音波測定用ターゲット１０４の音速を１５３０ｍ／ｓ、減衰率を０．５ｄＢ／ｃｍＭＨｚ程度とする。なお、超音波測定用ターゲット１０４の吸収係数、等価散乱係数は、母材と同程度の小さい値とする。

ファントムの母材１０２、および各ターゲットの光伝播特性の評価は、たとえば、それらを作製した時に作った試験片を、分光光度計により透過率と反射率を測定することによって行う。測定した結果をモンテカルロシミュレーションによってこれらの測定値と計算値の差が最小となるように条件設定を行い、等価散乱係数と吸収係数を求めることができる。一方、音響伝播特性の測定は、送信用のトランスデューサと受信用のニードル型ハイドロフォンの間に、ファントム作製時に作った試験片などを配置して測定することができる。試験片の厚みを変えた場合の、超音波の到達時間の差から音速、超音波の振幅の差から減衰特性を測定することができる。

次に、本実施形態に係るファントムを用いて性能の評価を行うＰＡＴ装置およびその評価方法を説明する。

図２に、ＰＡＴ装置によってファントムの測定を行う様子を示す。本実施形態に係るＰＡＴ装置は、２つの光照射部２０１、光音響波の受信および超音波の送受信を行うハンドヘルド型の超音波プローブ２０２、光制御部２０３、超音波制御部２０４、装置制御部２０５、表示部２０６を含んでなる。このＰＡＴ装置では、光源２０１からの発せられる光２０７の出射タイミングに、超音波プローブ２０２による音響波のサンプリングタイミングを調整することで光音響測定が可能となる。タイミングの制御は装置制御部２０５によって行われる。また、超音波プローブ２０２により超音波の送受信を行うことで、超音波測定が可能となる。

ここで、光源２０１から照射された光２０７の一部は、母材１０２の中で拡散しながら伝搬し、光音響測定用ターゲット１０３で吸収される。光音響測定用ターゲット１０３は、光２０７を吸収すると光音響波２０８を発生する。一方、超音波測定用ターゲット１０４においては、光の吸収係数が母材に近く、その値も低いため光音響波は無視できる。また、超音波プローブ２０２から送信された超音波は、光音響測定用ターゲット１０３を透過し、超音波測定用ターゲット１０４により反射されて、超音波プローブ２０２で受信される。

装置の評価に際しては、ファントムの光音響測定および超音波測定を順次行う。そして、光音響測定用ターゲット１０３から発せられた光音響波に基づく画像から、初期音圧分布および解像度が所望の性能を発揮しているかを判断する。次に、超音波測定用ターゲット１０４によって反射された超音波に基づく画像から、コントラストの解像度が所望の性能を発揮しているかを判断する。判断は、ＰＡＴ装置の操作者が行っても良いし、ＰＡＴ装置が自動的に判断するようにしても良い。

光照射部２０１は、被検体に照射するパルス光を照射する装置である。本実施形態においては、ファントムに対して２方向から照射することで、できるだけ均一な光を照射するようにしている。パルス光の照射のタイミング、波形、強度等は、光制御部２０３によって制御される。光源としては、大出力を得るためにレーザー光源であることが望ましい。ただし、これに限るものではなく、レーザー光源の代わりに発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いても良い。なお、レーザー光源を用いる場合には、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ものが使用できる。

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することが好ましい。特に、被検体が生体である場合には、光源から発生するパルス光のパルス幅は１０〜５０ナノ秒程度が好適である。また、パルス光の波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。被検体が生体である場合を例にとると、７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。ここでは、固体レーザーであるチタンサファイアレーザーを用い、波長は８００ｎｍとする。

本実施形態に係るリニア型の超音波プローブ２０２は、トランスデューサが少なくとも一次元状に配列されたトランスデューサアレイを備え、光音響波の受信と超音波の送受信を行うために用いられる。一例として、１９２個のトランスデューサを１列に配列しても良い。超音波プローブ２０２は、超音波および光音響波を受信すると、アナログの電気信号を出力する。トランスデューサに利用される素子として、圧電セラミックスの一種であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）などが利用できる。

さらに、トランスデューサから出力されたアナログ電気信号は、超音波制御部２０４に伝送され、増幅器、Ａ／Ｄ変換器などを経てデジタル信号に変換され、その後、デジタル信号として装置制御部２０５に送られる。超音波プローブ２０２の帯域は、例えば２−５ＭＨｚである。また、サンプリング周波数は５０ＭＨｚで２０４８サンプリングを行う。データは符号付きの１２ビットとする。

上述したファントムによれば、光音響測定と超音波エコー測定の評価を１個のファントムで実現することができる。特に、光音響測定用の第１のターゲットを、超音波測定用の第２のターゲットよりも測定面に近い位置に設けることにより、一方のターゲットが、他方の測定を妨害することを抑制できる。

（第２の実施形態）
本実施形態に係るファントムは測定面が球面状のファントムであって、半球面上に配置された超音波探触子を用いるＰＡＴ装置の評価に利用される場合を想定している。このようなＰＡＴ装置は、たとえば乳房の測定に用いられる。

本実施形態に係るファントムは、母材の中に、第１のターゲットである光音響測定ターゲット、第２のターゲットである超音波測定用ターゲットに加えて、第３のターゲットである光音響測定と超音波測定の共用ターゲットが埋め込まれている。共用ターゲットは、光音響装置と超音波装置両方で観察されるものである。すなわち、音響特性も光学特性も母材と異なるものである。別の言い方をすると、第３のターゲットは、光音響波を発生する程度に光吸収係数が高く、かつ、入射した音響波の大部分が、母材との界面で反射するような特性を持つ。これは、光音響装置と超音波装置の画像の位置合わせを行うことに利用できる。

図３（ａ）に、本実施形態に係るファントム３０１を示す。このファントムは、半球状の容器に光音響用探触子が配置され、ＰＡＴ装置の評価に用いられる。本例において、母材３０２は、φ１２０ｍｍの円柱に曲面の測定面３０６が配置された構造である。測定面３０６を構成する曲面の頂点は、上記の円柱の中心軸上にある。局面は、たとえば上記の円柱の中心軸上に中心をもつ球の球面であってもよい。また、第３のターゲットである共用ターゲット３０５は測定面３０６の頂点から１０ｍｍの深さに配置されている。共用ターゲット３０５の太さはφ０．１ｍｍである。また、第１のターゲットである光音響測定用ターゲット３０３は、測定面の頂点から１５ｍｍの深さに配置されている。ターゲットの太さはφ１ｍｍで、２本の光音響測定用ターゲット３０３は、円柱の中心軸を挟んで３２ｍｍの間隔で配置される。さらに、超音波測定用ターゲット３０４が測定面３０６の頂点から２５ｍｍの深さに配置されている。ターゲットの太さはφ５ｍｍで、２本の超音波測定用ターゲット３０４は、円柱の中心軸を挟んで１６ｍｍ離れて配置されている。上記の各ターゲットは、互いに平行に設けられる。図３（ａ）に示すように、第１、第２、および第３のターゲットを異なる深さに設けることにより、その断面を測定したときに他のターゲットが映らないようにすることができる。

図３（ｂ）には、光音響測定用ターゲット３０３、超音波測定用ターゲット３０４、および共用ターゲット３０５から、光音響波の画像生成用の探触子に対する音線の例を点線で示した。光音響測定用ターゲット３０３および共用ターゲット３０５から発せられる光音響波は、ターゲットのすべての方向に伝搬し、曲面上に設けられた探触子で受信するため、音線の広がりが広くなっている。一方、超音波測定用ターゲット３０４によって反射される超音波は、焦点を形成させることができるため、音線の広がりが光音響波の音線よりも狭くなっている。共用ターゲット３０５は超音波と光音響の画像の位置合わせを行うためのターゲットとして利用できる。一方、光音響測定用ターゲット３０３は、ＰＡＴ装置の酸素飽和度測定の精度を評価するためのもので、２本の光音響測定用ターゲットのうち一方は酸素飽和度が７５％に、他方は酸素飽和度が９５％に対応するように作られている。また、超音波測定用ターゲット３０４は、超音波画像のコントラストを評価するために用いられる。

超音波測定用ターゲット３０４は、音響波を反射しやすい性質を持つ。そのため、光音響測定用ターゲット３０３または共用ターゲット３０５と測定面３０６とを結ぶ音線の範囲内に配置すると、音響波の伝搬を妨害するので、たとえば光音響波に基づく画像に、アーチファクトが現れるおそれがある。したがって、超音波測定用ターゲット３０４は、光音響測定用ターゲット３０３および共用ターゲット３０５よりも測定面から遠く設けるか、同じ深さとして、光音響測定の妨害をしないようにすることが好ましい。

共用ターゲット３０５は、光音響測定用ターゲット３０３とは音響特性を異ならせることで、母材との音響特性の差を大きくすることで作製することができる。また、超音波測定用ターゲット３０４に色材を加えることによって、母材との光学特性の差を大きくすることで作製してもよい。この他、色材を添加したナイロンワイヤを共用ターゲットとして利用することもできる。一般に、ナイロンワイヤはウレタン系の樹脂とは違い、細くて硬くすることができるので、ＰＡＴ装置の解像力を評価するのに好適である。共用ターゲットは、光音響測定および超音波エコー測定のそれぞれの分解能より細くしておく。こうすることによって、例えば、光音響波の解像度が０．３ｍｍ、超音波の解像度が０．２ｍｍと異なる場合であっても、元の太さのより太く見えるため、光音響波、超音波の解像度を評価することができる。

また、本実施形態において、酸素飽和度を評価するための２個の光音響測定用ターゲット３０３は、８００ｎｍ、７６０ｎｍの２つの波長を使った場合に、それぞれの波長における吸収係数の比が、酸素飽和度７５％および９５％の比と同じになるように材料設計されている。

本実施形態においては、第１のターゲットとして、互いに光学特性が異なるターゲット一対のターゲットを設けた。しかし、別の構成として、ファントムがこの対を二組以上有するようにしてもよい。その場合には、異なる一組のターゲットは、互いに太さが異なるようにすると、ＰＡＴ装置の解像度を評価する上で有用である。また、第２および第３のターゲットについても同様に、それぞれが互いに太さが異なるターゲットを設けることで、互いに光学特性や音響波の反射率のような音響特性を異ならせても良い。第１から第３のターゲットのそれぞれは、異なる太さのターゲットを含む場合に、より細いターゲットを測定面に近接して設けることが好ましい。

また、第１のターゲットは、同じ太さの１組のターゲットと、この１組のターゲットとは異なる太さの別のターゲットを有しても良い。その場合には、同じ太さのターゲットどうしは、異なる太さの別のターゲットよりも近接して設けることが好ましい。第２および第３のターゲットについても同様である。

本実施形態に係る乳房測定用のＰＡＴ装置の一部を図４に示す。図４（ａ）は、ＰＡＴ装置のうち、被検体を保持する部分の構成を示した断面図である。また、図４（ｂ）は、被検体を保持する部分の構成のｘ−ｙ平面と平行な面における上面図である。半球状の容器４０１の内面に、複数の超音波トランスデューサ４０２が、でスパイラル状に５１２個配置されている。

ＰＡＴ装置は、被検体を保持するための保持部材４０５を有する。保持部材４０５は、たとえばポリエチレンテレフタラートからなる。保持部材４０５を構成する材料はポリエチレンテレフタラートに限らず、音響波および光照射部４０３から発せられる光を透過させることができるようなものであればよい。図４（ａ）および図４（ｂ）には、保持部材４０５上に載置されたファントム４０６を点線で示している。ファントム４０６は、図３からも分かるように、測定面が球面状になっており、球面状の保持部材４０５と接触する。また、保持部材４０５には、水のような、音響の整合層となる溶液が満たされていてもよい。

さらに、半球状の容器４０１も、保持部材４０５と同様に、水のような、音響の整合層となる溶液が満たされる。さらに、半球状の容器４０１と保持部材４０５との間にも整合層が存在するように、両者の間を密閉する構成を持っても良いし、測定時に、空隙が生じないように、容器４０１を保持部材４０５に近づけても良い。容器４０１には、光照射部４０３からの光が通過する空間が設けられている。そして、被検体にｚの負の方向から光が照射することができる。

また、ＸＹステージ（不図示）によって容器４０１の位置を被検体であるファントム４０６に対して相対的に変えることができる。そして、ＸＹステージにより走査しながら被検体にパルス光を照射し、発生した音響波を超音波トランスデューサ４０２で検出をする。そのデータを再構成することによって３次元の光超音波画像を得ることができる。さらに、超音波画像はリニア型の超音波プローブ４０４によって行う。リニア型の超音波プローブ４０４は、ＸＹステージによって走査することができる。

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。被検体が生体である場合、光源から発生するパルス光のパルス幅は１０〜５０ナノ秒程度が好適である。一例としては、固体レーザーであるチタンサファイアレーザーがあり、酸素飽和度を計測するために７６０ｎｍ、８００ｎｍの２つの波長の光を用いる。

超音波トランスデューサ４０２は、被検体から発せられた光音響波を受信して、電気信号を出力するものである。ここでは、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波探触子）を用いる。このトランスデューサは単素子で、φ３ｍｍの開口を持ち、帯域は０．５−５ＭＨｚの帯域である。低周波数を含むことによって３ｍｍ程度の血管であっても中が抜けてリング状に見えるような状況が発生し難くなる。サンプリング周波数は５０ＭＨｚで２０４８サンプリングを行う。また、データは符号付きの１２ビットとする。

リニア型超音波プローブ４０４は、超音波の送受信を行い、形態画像を得ることができる。このような素子として、ＰＺＴ（圧電セラミックス）を用いる。素子数は２５６であり、その帯域は５−１０ＭＨｚである。また、サンプリング周波数は５０ＭＨｚで２０４８サンプリングを行う。また、データは符号付きの１２ビットとする。

ＰＡＴ装置の評価は、ファントムの超音波測定および光音響測定を順次行う。そして、光音響測定用ターゲットの画像から酸素飽和度が所望の性能を発揮しているかを判断する。次に、超音波測定用ターゲット３０４の画像から、コントラストの分解能が所望の性能を発揮しているかを判断する。さらに、共用ターゲット３０５から光音響画像と超音波画像を重畳させた時に、その画像の位置にずれがないかを評価する。また、共用ターゲット３０５は、光音響用装置の分解能および超音波装置の分解能を評価にも利用できる。実施形態１と同じく、ＰＡＴ装置が所望の性能を発揮しているか否かの判断は、操作者が行っても良いし、ＰＡＴ装置に、判断する機能を持たせても良い。

なお、共用ターゲットは、光学特性とともに音響特性を母材と異ならせたターゲットとすると、光音響と超音波画像の評価に有効である。一方、光音響の画像化自体の評価を行う際には、音響特性を母材と同様のターゲットを用意することで、音響散乱の効果を受けない光音響画像の評価が可能になるという効果がある。

実施形態１と同様に、本実施形態に係るファントムによっても、光音響測定と超音波エコー測定の評価を１個のファントムで実現することができる。特に、光音響測定用の第１のターゲットを、超音波測定用の第２のターゲットよりも測定面に近い位置に設けることにより、一方のターゲットが、他方の測定を妨害することを抑制できる。さらに、光音響測定と超音波エコー測定の双方に利用できる第３のターゲットである共用ターゲットを設けることで、ＰＡＴ装置の光音響測定による画像と超音波エコーによる画像とのずれを評価することが可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るファントムは、実施形態２で示した、乳房用の光音響装置の評価に用いるものである。

図５に、本実施形態に係るファントムを示す。本実施形態に係るファントムは、外枠５０１に光音響測定用ターゲット５０２、超音波測定用ターゲット５０３を有している。外枠５０１は、アクリルなどの透明体で、光を吸収しないため、光音響波をほとんど発生しない。光音響測定用ターゲット５０２および超音波測定用ターゲット５０３は、外枠５０１にあけた穴を通して固定されている。光音響測定用ターゲット５０２はφ０．５ｍｍ、超音波測定用ターゲット５０３はφ５ｍｍなどである。測定面から近い位置に光音響測定用ターゲット５０２を、遠い位置に超音波測定用ターゲット５０３をそれぞれ配置した。

測定に際しては、外枠５０１と保持部材４０５によって規定される領域に、光音響波および超音波が伝搬するような液体を入れて測定する。つまり、本実施形態においては、この液体が母材となる。液体としては、たとえば、水や静脈の栄養管理に用いる脂肪乳剤（ダイズ油を含有する液体）を薄めたものが利用できる。この場合、保持部材４０５が測定面としての機能を担う。なお、保持部材４０５に液体を入れ、その中に外枠５０１を沈めるような場合でも、保持部材４０５が測定面となる。

図５（ｂ）は、ターゲットとセンサの関係を模式的に示したものである。図のように配置することによって、光音響波の音線５０４は、超音波測定用ターゲット５０３に妨害されることなく半球状の容器４０１上にある探触子に到達することができる。一方、超音波測定用ターゲット５０３から超音波プローブ４０４の検知面に描いた音線５０５によって囲まれた範囲は、光音響測定用ターゲット５０２を含む。しかし、光音響測定用ターゲット５０２の音響特性が周辺の液体と同程度であれば、光音響測定用ターゲット５０２の影響を無視することができる。

なお、複数の光音響測定用の探触子がある場合において、超音波測定用ターゲットが、光音響測定用ターゲット５０２と光音響測定用ターゲット５０３の音線上にある場合であっても、妨害する音線の場所と数によって、画像への影響が小さい場合がある。例えば、光軸に近い方の探触子から７０％の音線を含めば良い。

以上のようなファントムの配置をすることにより、超音波測定用ターゲットがあっても光音響測定用ターゲットおよび共用ターゲットからの音響波が妨害されることなく、検出することができる。

実施形態１と同様に、本実施形態に係るファントムによっても、光音響測定と超音波エコー測定の評価を１個のファントムで実現することができる。特に、光音響測定用の第１のターゲットを、超音波測定用の第２のターゲットよりも測定面に近い位置に設けることにより、一方のターゲットが、他方の測定を妨害することを抑制できる。

上記の各実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で互いに組み合わせることができる。

１０３、３０３、５０２ 光音響測定用ターゲット（第１のターゲット）
１０４、３０４、５０３ 超音波測定用ターゲット（第２のターゲット）
３０５ 共用ターゲット（第３のターゲット）
１０５、３０６ 測定面

Claims (23)

1. 測定面を有する母材と、
   前記母材の中に設けられた、第１のターゲットおよび第２のターゲットと、を有するファントムであって、
   前記第１のターゲットと前記母材との音響特性の差は、前記第２のターゲットと前記母材との音響特性の差よりも小さく、
   前記第２のターゲットと前記母材との光学特性の差は、前記第１のターゲットと前記母材との光学特性の差よりも小さく、さらに、
   前記第２のターゲットは、前記測定面から、前記測定面と直交する方向において、前記第１のターゲットよりも離れた位置に設けられたことを特徴とするファントム。
2. 前記第１のターゲットは、フィラーを分散させたポリオールを含んで成ることを特徴とする請求項１に記載のファントム。
3. 前記ポリオールは、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、およびポリカーボネートポリオールのいずれかを含むことを特徴とする請求項２に記載のファントム。
4. 前記フィラーは、光散乱性フィラーと光吸収性フィラーを含むことを特徴とする請求項２または３に記載のファントム。
5. 前記光吸収性フィラーは、顔料であることを特徴とする請求項４に記載のファントム。
6. 前記第２のターゲットは、有機粉体フィラーを含むウレタン樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のファントム。
7. 前記有機粉体フィラーは、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン、酢酸ビニル、およびビニルアルコール共重合体のいずれかを含むことを特徴とする請求項６に記載のファントム。
8. 前記第１および第２のターゲットは柱形状を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のファントム。
9. 前記第１および第２のターゲットは、互いに平行に設けられたことを特徴とする請求項８に記載のファントム。
10. 前記母材よりも剛性が高い支持部材をさらに有し、
    前記母材は、前記測定面とは異なる面を介して前記支持部材に固定されたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のファントム。
11. 前記測定面が、透明な保護部材によって覆われたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のファントム。
12. 前記測定面は、曲面であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のファントム。
13. 光学特性が互いに異なる、複数の第１のターゲットを有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のファントム。
14. 前記複数の第１のターゲットは、互いに光学特性が異なる一対のターゲットを二組以上有し、異なる組の前記一対のターゲットは、互いに太さが異なることを特徴とする請求項１３に記載のファントム。
15. 前記光学特性は、異なる波長における光の吸収係数であることを特徴とする請求項１２または１３に記載のファントム。
16. 音響特性が互いに異なる、複数の前記第２のターゲットを有することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のファントム。
17. 第３のターゲットをさらに有し、
    前記第３のターゲットと前記母材との音響特性の差は、前記第１のターゲットと前記母材との音響特性の差よりも大きく、かつ、
    前記第３のターゲットと前記母材との光学特性の差は、前記第２のターゲットと前記母材との光学特性の差が大きいことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載のファントム。
18. 前記第３のターゲットは、少なくとも２個の第１の太さのターゲットと、前記第１の太さよりも太い第２の太さのターゲットとを含むことを特徴とする請求項１７に記載のファントム。
19. 前記少なくとも２個の第１の太さのターゲットは、前記第２の太さのターゲットよりも互いに近接して設けられたことを特徴とする請求項１８に記載のファントム。
20. 第１乃至第３のターゲットは、前記測定面に対して前記母材の異なる深さに設けられたことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれかに記載のファントム。
21. 前記第１、第２、および第３のターゲットには、互いに太さの異なるターゲットが含まれることを特徴とする請求項１７に記載のファントム。
22. 前記互いに太さの異なるターゲットのうち、より細いターゲットが、より測定面に近接して設けられたことを特徴とする請求項２１に記載のファントム。
23. 測定面を有する母材と、
    前記母材の中に設けられた、第１のターゲットと第２のターゲットとを有するファントムであって、
    前記第１のターゲットは、前記第２のターゲットよりも光を吸収しやすく、
    前記第２のターゲットは、前記第１のターゲットよりも音響波を反射しやすく、さらに、
    前記第２のターゲットは、前記測定面から、前記測定面と直交する方向において、前記第１のターゲットよりも離れた位置に設けられたことを特徴とするファントム。

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