JP2000197635A - 一塊の組織の内部の特性を検出する方法及びシステム - Google Patents

一塊の組織の内部の特性を検出する方法及びシステム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光音響式拡散波に基づく腫瘍検出システムを
提供する。 【解決手段】 光拡散波(12)は、高散乱性媒体(乳
房組織4)の局在化された領域(8)の内部に、可視・
近赤外光を用いると同時に該領域に超音波を集束させる
ことにより発生される。振動する組織媒体が入射光を散
乱させて、強度変調された拡散波を発生させる。領域
(8)から発する拡散波は、超音波の周波数(又はその
高調波)に等しい周波数を有しており、各々の領域での
密度、吸収パラメータ及び散乱パラメータのデータを取
得するために乳房の境界において検出される。多数の拡
散波検出器(14)が乳房の境界に配列されていて、散
乱された拡散波を検出する。各々の拡散波検出器からの
出力信号は、拡散波の振幅及び位相を検出する検出器
(22)へ供給される。拡散波の振幅及び位相信号成分
は、モニタ(26)で表示するためのピクセル値を算出
するプロセッサ(24)へ供給される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波及び光波の
両方を用いて人体組織をイメージング(画像化)するシ
ステムに関し、より具体的には、変調された光強度波
(拡散波)を形成するために超音波を用い、非侵襲的な
方式で乳房等の高散乱性媒体の内部をイメージングする
システムに関する。
【0002】
【発明の背景】組織媒体の内部をイメージングするため
に、可視・近赤外光断層撮影法が用いられている。ま
た、組織をイメージングするために、拡散波断層撮影法
が用いられている。可視・近赤外光断層撮影法は、比較
的浅い侵入、例えば乳房組織では数ミリメートル程度の
侵入に限られており、また、拡散波断層撮影法は、比較
的低い分解能、例えば乳房組織では1センチメートル程
度の分解能を有している。以上の従来技術の欠点を克服
するシステムが開発されれば、現行技術における進歩と
なろう。具体的には、可視・近赤外光を用いて、高度な
空間分解能によって非侵襲的に乳房の内部の不均一性、
例えば腫瘍をイメージングすることが極めて望ましい。
【0003】
【発明の開示】本発明では、乳房組織等の高散乱性媒体
の局在化された領域の内部に、可視・近赤外光を用いる
と同時に該局在化された領域に超音波を集束させること
により、光拡散波を発生するシステムを開示する。複数
の可視・近赤外光源の各々が少なくも1つのレーザで構
成される。振動する組織媒体は、そこに入射した光を散
乱させて、強度変調された拡散波を発生する。超音波照
射(insonified)領域から発する拡散波は、超音波の周波
数(又はその高調波)に等しい周波数を有する。こうし
て得られる拡散波を乳房の境界において検出し、処理し
て、超音波照射領域の吸収パラメータ及び散乱パラメー
タについてのデータを取得する。1つの好ましい実施態
様によれば、1つ以上の拡散波検出器が乳房の境界に配
列されており、それぞれの位置で、散乱された拡散波を
検出する。各々の拡散波検出器は、光から電気への変換
器(トランスデューサ)、即ち光検出器、例えば光増倍
管又はフォトダイオードで構成される。各々の拡散波検
出器からの出力信号は、次いで、拡散波の振幅及び位相
を検出する検出器へ供給される。次いで、これらの振幅
信号成分及び位相信号成分が、モニタで表示するための
ピクセル値を算出するプロセッサへ供給される。
【0004】散乱された拡散波の振幅及び位相は、超音
波照射領域の密度又は組成に比例する。従って、超音波
によって組織内の様々な領域を走査すると共に、散乱さ
れた拡散波の振幅及び位相を記録することにより、高散
乱性の乳房組織の内部の密度及び組織を悉くマッピング
(写像)することが可能になる。可視・近赤外波長(5
00nm〜1400nm)内の選択された波長でのこれ
らのパラメータのスペクトル特性から、乳房内部の局在
化された領域を、癌性若しくは良性の腫瘍、又は健全な
乳房組織として分類することができる。
【0005】
【好適な実施態様の説明】本発明の好ましい実施例によ
れば、乳房等の高散乱性媒体が、可視・近赤外領域の光
によって照射される。送出された光は、組織の内部に拡
散するかの如くに乳房の内部に侵入して分布する。組織
の内部での光波の強度は、次のような拡散様波動方程式
に従う。
【0006】
【数1】
【0007】
【外1】
【0008】は、外部光源の変調後の強度である。本発
明のこの実施例では、外部光源は変調されておらず、一
定である。この状況については、式(1)の右辺は、密
度及び散乱パラメータの時間依存性に追随し、次の式を
与える。
【0009】
【数2】
【0010】この手法を利用するときには、超音波ビー
ムが、乳房内部の局在化された領域に集束させられる。
超音波は、不均一な媒体の細胞又は構成成分の寸法を変
化させることにより、この領域の組織の密度を変動さ
せ、また散乱係数を変動させる。組織の密度は、次の式
に従って超音波の関数として変動する。
【0011】
【数3】
【0012】ここで、パラメータF及びTは、超音波の
ビーム幅及びパルス幅を画定しており、超音波の焦点領
域の外部では本質的にゼロである。
【0013】式(3)を式(2)に代入すると、次の式
が得られる。
【0014】
【数4】
【0015】式(4)は明らかに、超音波による拡散波
の生起についての機構を指示している。レーザ光の強度
は超音波の周波数の関数として変化し、この光の強度の
変化が、超音波ビームが集束される領域から発する拡散
波を構成する。これらの波の自己相互作用のため、拡散
波の高調波もまた超音波照射領域から発せられる。
【0016】図1に、この手法を実行するシステムの基
本的な構造を示す。超音波トランスデューサ・アレイ2
が、乳房組織等の高散乱性媒体4に音響的に結合され
て、局在化された領域8に集束する超音波6を送信す
る。超音波ビームの周波数は好ましくは数メガヘルツ程
度であり、これは高散乱性媒体4における減衰を最小に
するように選択される。同時に、媒体4は、複数の非干
渉性光源又は複数のレーザ光源10からの光によって照
射される。これらの光源は、様々な方向から光が高散乱
媒体4に入射するように配置される。
【0017】超音波照射領域8に侵入する光は、超音波
6によって変調されて、拡散波12の形態で照射領域か
ら発散する。これに対して、超音波による変動を受けな
い領域に侵入する光波は、変調されずに拡散波を形成す
る。高散乱媒体4の周囲に設けられている多数の拡散波
検出器14を用いて、拡散波12を検出する。拡散波の
強度は、超音波の強度と光の強度との関数であるが、よ
り重要なこととして、超音波照射領域8の吸収係数と散
乱係数との関数となっている。様々な波長(可視・近赤
外領域、即ち、500nm〜1400nm)の光源を用
いることにより、超音波照射領域の吸収係数及び散乱係
数を記録することが可能となる。超音波照射領域が腫瘍
であるならば、近赤外領域での癌性組織の吸収係数及び
散乱係数が良性組織のものとは異なっているので、腫瘍
の吸収特性及び散乱特性を用いて、腫瘍が良性であるか
癌性であるかを決定することができる。
【0018】この手法を実行するときには、超音波ビー
ムが集束されている領域から発している拡散波を収集す
ることにより、反射拡散波及び回折拡散波を抑制するこ
とができる。超音波が存在しなければ拡散波は存在しな
い一方、超音波が存在すれば拡散波は超音波の周波数及
びその高調波に対応して形成されるので、信号対ノイズ
比が高くなる。
【0019】図2に、本発明の好ましい実施例による腫
瘍検出システムの一部を示す。レーザ10が、第1のフ
ァイバ・カプラ18によって第1の多数の光ファイバ1
6に光学的に結合されている。第1の多数の光ファイバ
16の遠端は、乳房又は他の高散乱性媒体4に接触配置
されていて、トランスデューサ・アレイ2によって送信
された超音波ビームが集束する領域8にレーザ光を指向
させるようになっている。光検出器20が、第2の多数
の光ファイバ16′及び第2のファイバ・カプラ18′
を介して乳房組織に光学的に結合されている。第2の多
数の光ファイバ16′の遠端は、乳房に接触配置されて
いて、超音波照射領域4から発する散乱された拡散波が
光検出器20によって検出されるようになっている。光
検出器は拡散波を電気信号へ変換し、電気信号は検出器
22へ供給される。検出器22は、同相(I)成分及び
直角位相(Q)成分を形成する従来のミクサと、I成分
及びQ成分から拡散波の振幅及び位相を決定する回路と
を含んでいる。拡散波の振幅及び位相は、超音波照射領
域における組織の密度と吸収係数と散乱係数とに関連し
ている。振幅及び/又は位相の情報は、表示プロセッサ
24へ供給され、表示プロセッサ24はこのデータを表
示モニタ26での表示に適したピクセル情報へ変換す
る。乳房の内部をカバーするように超音波焦点領域を走
査することによって、乳房の内部の振幅画像及び/又は
位相画像を合成又は構成することができる。
【0020】図2は単一のレーザ光及び単一の光検出器
のみを示しているが、このシステムは、好ましくは、多
数の光源と多数の光検出器とを含んでいることが理解さ
れよう。多数の光検出器からの出力信号は、超音波照射
領域からそれぞれの光検出器までの伝播距離の関数とし
て適当な時間遅延を適用することにより、拡散波の振幅
及び位相の検出の前又は後に加算することができる。
【0021】レーザ光の周波数は、異なる組織種別の間
に可視・近赤外領域(500nm〜1400nm)にお
けるスペクトル差を設けるように選択される。具体的に
は、癌性組織の光散乱パラメータと非癌性組織の光散乱
パラメータとが異なっているので、送信される光として
異なる光波長を用いることにより、異なる種別である癌
性組織及び非癌性組織を区別することが可能になる。最
終の再構成においては、この差はカラー・パラメータと
して現われ、正常組織を異常で且つ癌性の組織から区別
し易くする。
【0022】以上に述べた処理によって得られる分解能
を、画像再構成手順の利用によって強化することができ
る。拡散波源、即ち超音波照射領域を再構成するときに
は、いわゆるエバネセント波(evanescent wave )及び
ウィンドウ関数を組み入れてサイド・ローブの増大を制
限する近距離音場再構成手順を用いることができる。本
質的に、このアプローチは次の通りである。(1)超音
波照射領域から離隔した平面における拡散波の位相及び
振幅を測定する。(2)ウィンドウ付き余弦変換(フー
リエ変換)を行って、角度スペクトル振幅を得る。
(3)エバネセント波伝播ファクタをフィルタ除去す
る。そして、(4)ウィンドウ付き余弦変換を行う。こ
のアプローチにより、超音波照射領域の散乱パラメータ
の再構成が行われる。超音波ビームで様々な部分にわた
って走査を行い、以上の手順を繰り返して、乳房の内部
の全体の画像を得る。代替的には、有限差分要素法(fi
nite differential element technique )を用いて波源
再構成を行うこともできる。
【0023】このように、乳房内部の腫瘍又は高散乱媒
体の内部の不均一な領域についての光に基づき且つ超音
波に基づいた非電離型で且つ非侵襲的なイメージング・
システム及び方法を記載した。このシステムは、散乱光
及びパルス式超音波を利用している。用いられている手
法は、組織の内部での干渉性の(コヒーレントな)光の
位相に基づいているわけではない。このシステムは、散
乱(拡散)光によって照射されると共にパルス式超音波
によって超音波照射された組織の内深部の腫瘍をイメー
ジングすることができる。超音波の周波数を適正に選択
することにより、乳房組織では約10cmの侵入を達成
することができる。また、この手法は、拡散光又は散乱
光を用いており、パルス式超音波を乳房内部の異なる局
在化された領域に集束させることによりこれら局在化さ
れた領域において光拡散波を発生させているので、干渉
性光源が必須ではない。これらの干渉性の光拡散波の位
相及び振幅は、乳房又は散乱性媒体の表面に設けられた
検出器を用いて測定される。
【0024】本発明のいくつかの好ましい特徴のみを例
示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想
到されよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨
に含まれるすべての改変及び変形を網羅しているものと
理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本明細書に記載されている光音響式拡散波に基
づく腫瘍検出システムの略図である。
【図2】本発明の1つの好ましい実施例による光音響式
拡散波に基づく腫瘍検出システムの一部の略図である。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一塊の組織の内部の特性を検出する方法
    であって、 1つの検出サイクル中に、前記組織内の局在化された領
    域に、所定の超音波周波数を有する超音波ビームを集束
    させる工程と、 前記1つの検出サイクル中に、変調されていない強度を
    有し且つ第1の光周波数を有する第1の光ビームを前記
    組織内に指向させる工程と、 前記1つの検出サイクル中に、前記組織から発する前記
    超音波周波数を有する拡散波を検出する工程と、を含ん
    でいる前記方法。
  2. 【請求項2】 前記検出された拡散波の振幅を決定する
    工程を更に含んでいる請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記検出された拡散波の位相を決定する
    工程を更に含んでいる請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記検出された拡散波の前記振幅の関数
    を画像として表示する工程を更に含んでいる請求項2に
    記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記検出される拡散波の前記位相の関数
    を画像として表示する工程を更に含んでいる請求項3に
    記載の方法。
  6. 【請求項6】 拡散波を検出する前記工程は、前記超音
    波周波数を有する前記拡散波を電気信号へ変換する工程
    を含んでいる請求項1に記載の方法。
  7. 【請求項7】 第2の検出サイクル中に、前記局在化さ
    れた領域に、前記超音波周波数を有する前記超音波ビー
    ムを集束させる工程と、 前記第2の検出サイクル中に、強度が変調されておらず
    且つ前記第1の光周波数と異なる第2の光周波数を有す
    る第2の光ビームを前記組織に指向させる工程と、 前記第2の検出サイクル中に、前記組織から発する前記
    超音波周波数を有する拡散波を検出する工程と、を更に
    含んでいる請求項1に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記の集束させる工程、指向させる工程
    及び検出する工程を前記組織内の多数の局在化された領
    域の各々について繰り返す工程を更に含んでいる請求項
    1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記1つの検出サイクル中に、強度が変
    調されておらず且つ前記第1の光周波数と異なる第2の
    光周波数を有する第2の光ビームを前記組織塊内に指向
    させる工程を含んでいる請求項1に記載の方法。
  10. 【請求項10】 一塊の組織の内部の特性を検出するシ
    ステムであって、 1つの検出サイクル中に、前記組織内の局在化された領
    域に、所定の超音波周波数を有する超音波ビームを集束
    させるように構成され制御される超音波トランスデュー
    サ・アレイと、 第1の光周波数を有していて、前記1つの検出サイクル
    中に、変調されていない強度を有する第1の光ビームを
    前記組織内に指向させるように構成されている光源と、 前記1つの検出サイクル中に、前記組織から発する前記
    超音波周波数を有する拡散波を検出するように構成され
    ている拡散波検出器と、を備えている前記システム。
  11. 【請求項11】 前記拡散波検出器に動作上結合されて
    いて、前記検出された拡散波の振幅を決定する振幅検出
    器を更に含んでいる請求項10に記載のシステム。
  12. 【請求項12】 前記拡散波検出器に動作上結合されて
    いて、前記検出された拡散波の位相を決定する位相検出
    器を更に含んでいる請求項10に記載のシステム。
  13. 【請求項13】 前記検出される拡散波の前記振幅の関
    数を画像と表示する表示モニタを更に含んでいる請求項
    11に記載のシステム。
  14. 【請求項14】 前記検出される拡散波の前記位相の関
    数を画像として表示する表示モニタを更に含んでいる請
    求項12に記載のシステム。
  15. 【請求項15】 前記拡散波検出器は、光検出器で構成
    されている請求項10に記載のシステム。
  16. 【請求項16】 前記光源は、非干渉性の光源で構成さ
    れている請求項10に記載のシステム。
  17. 【請求項17】 前記光源は、レーザで構成されている
    請求項10に記載のシステム。
  18. 【請求項18】 前記第1の周波数と異なる第2の光周
    波数を有していて、前記1つの検出サイクル中に、変調
    されていない強度を有する第2の光ビームを前記組織内
    に指向させるように構成されている第2の光源を含んで
    いる請求項10に記載のシステム。
JP33899899A 1998-12-07 1999-11-30 一塊の組織の内部の特性を検出する方法及びシステム Expired - Fee Related JP4705707B2 (ja)

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