JP2008523881A - 体の構造を調査する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

パルス化放射線ビームは、時間経過と共に変化する構成及び物理特性を有する体の構造の方に方向付けられていて、その放射線はパルス変調周波数においてパルス化される。検出器は入射パルス化放射線からもたらされる体において設定された音響振動を検出し、音響信号の１つ又はそれ以上のパラメータを表す出力信号を生成する。制御システムは、検出器の出力信号を処理するように放射線供給手段及び処理器の動作を制御する。パルス化放射線のパルス変調周波数は変調周波数の所定領域において変えられ、処理器は検出器の出力から構造共振周波数を決定する。

Description

本発明は、体の構造、特に、人間又は動物の体の軟らかい構造の調査に関する。

本発明は、例えば、血液及び血管の解析のために用いられる光音響イメージングのような光音響調査技術に対して、特に適用可能である。

光音響イメージングは熱膨張の原理に基づいている。典型的に、レーザからの光放射は、ソースから方向付けられて、組織の制限された体積に吸収され、その結果、熱膨張及び緩和を受ける。温度上昇は音響通過現象をもたらし、その音響通過現象はその組織を介して表面に伝播する。例えば、約１２ｎｓｅｃの短いレーザパルスについては、圧力は、吸収されたエネルギー密度に対して直線的に比例する。組織表面においては、感応性音響検出器、例えば、圧電検出器は音響振幅を検出し、体の内部構造は、音響通過時間を用いることにより再構成されることが可能である。一般に、その検出器の出力は吸収されたエネルギーに比例する。

全体積が走査される場合、その技術は、血管の三次元画像をさえ与えることが可能である。レーザの波長は、血管における強い吸収が起こるように選択され、それ故、光波血管の血液において吸収され、大きい熱膨張及び緩和に繋がる。

調査中の構造の吸収係数は小さい及び／又は、例えば、その構造は、１０ｍｍ以下の真皮のような周囲の組織において深い。この課題に対処するために、構造の共振周波数に適合するパルス変調周波数において入射光放射ビームをパルス化することにより、音響信号を改善するように音響共振効果を用いることが可能である。このことは、例えば、共振周波数において入射連続波光を切ることにより達成されることが可能である。その音響共振効果は、その技術の実施可能性を改善する。レーザから出射する光を吸収することにより、血液の温度は局所的に高くなり、組織において音波を短時間で生成される。光の繰り返し周波数が血管の共振周波数に適合する場合、音波は、共振によりかなり増幅される。このことはまた、音響センサに到達する信号を有意に増加させる。共振技術を使用する光音響技術については、米国特許第Ａ−６４６６８０６号明細書に記載されている。
米国特許第Ａ−６４６６８０６号明細書

本発明において、改善された技術が考案された。

第１の特徴にしたがって、本発明は、時間経過と共に変化する構成又は物理特性を有する体の構造を調査する装置であって：
体の構造の方にパルス化放射線を方向付けるように備えられた放射線供給手段であって、放射線はパルス変調周波数においてパルス化される、放射線供給手段；
入射パルス化放射線からもたらされる体において設定された音響振動を検出し、音響振動の１つ又はそれ以上のパラメータを表す出力信号を生成するように備えられている検出手段；及び
放射線供給手段の動作を制御するように備えられた制御システムであって、検出器の出力信号を処理するように備えられている、制御システム；
を有し、
パルス化放射線のパルス変調周波数は変調周波数の所定領域において変化され、処理器は検出器の出力から構造共振周波数を決定する；
装置を提供する。

放射線供給手段は、好適には、処理器により決定された構造共振周波数に適合されたパルス変調周波数においてパルス化された放射線を出射するように制御される。

好適な具現化においては、構造共振周波数は時間経過と共に変化し、制御システムは、時間経過と共に構造共振周波数を適合させるようにパルス変調周波数を変える。パルス変調周波数は、好適には、時間経過と共に変わる構造共振周波数を適合されるように連続的に変えられる。

処理器は、好適には、異なる時間に構造共振周波数を決定する。処理器が、構造について予測された時間差共振周波数を解析する結果として、構造の物理特性を決定することは好ましい。

構造は周期的に変化することが可能であり、パルス変調周波数はその周期を通して共振周波数に適合されることが可能である。周期において異なる時点でパルス変調周波数の変化をモニタすることにより、体の構造の物理的変化の表現が与えられる。例えば、血管を調査している場合に、周期において異なる時点で（又は、周期を通して一定の時点で）パルス変調周波数の変化をモニタすることにより、血管の柔軟性、心拍、血圧又は他のパラメータの表現が与えられることが可能である。

更なる特徴にしたがって、本発明は、時間経過と共に変化する構成又は物理特性を有する体の構造を調査する装置であって：
体の構造の方にパルス化放射線を方向付ける段階であって、放射線はパルス変調周波数においてパルス化されている、段階；
入射パルス化放射線からもたらされる体において設定された音響振動を検出し、音響振動の１つ又はそれ以上のパラメータを表す出力信号を生成する段階；及び
変調周波数の所定領域において及び構造共振周波数を決定する検出された音響振動から、パルス化放射線のパルス変調周波数を調節する段階；
を有する、方法を提供する。

パルス化放射線は、決定された構造共振周波数に適合されたパルス変調周波数においてパルス化された放射線を出射するように制御されることは好ましい。

更なる特徴にしたがって、本発明は、時間経過と共に変化する構成又は物理特性を有する体の構造を調査することが可能であるシステムであって：
構造の方に方向付けられたパルス化放射線からもたらされる構造又は体において設定される音響振動を検出するための検出手段からの出力信号；及び
変調周波数の所定領域に亘ってパルスか放射線のパルス変調周波数の変化
を表すデータを解析することにより構造の共振周波数を決定する手段を有する；
システムを提供する。

有利であることに、パルス化放射線のパルス変調周波数は、システムにより決定される構造共振周波数に対して適合される。好ましいことに、異なる時間において構造共振周波数が決定される。システムが、構造について予測される時間差共振周波数を解析する結果として構造の物理特性が決定されることを可能にすることは好ましい。

本発明は実施されることが可能であり、システムはコンピュータプログラムプロダクトとして実施されることが可能である。

本発明について、以下、本発明にしたがった装置の模式図である添付図を参照して、単なる例示として更に詳述する。

レーザ１は、周囲の生きている組織５内の血管の形の構造４の方に所定の波長の光ビーム２を方向付ける。レーザ１から出射される光ビームの波長は、典型的には、血液、血液成分又は血管に所定の吸収波長を適合させるように選択される。光波血管の血液において吸収され、そのことは、光音響振動の生成を熱膨張及び緩和にもたらす。図示されている実施形態においては、レンズ８は、ビーム２をフォーカシングするために存在し、そのようなレンズは、実際には必要ない可能性がある。

音響検出器６は、光−音響相互作用により設定される音響振動を検出するように方向付けられている。その検出器６は、圧電トランスジューサ手段、光検出器手段等であることが可能である。

光ビーム２は、ここでは適切に説明するために、変調パルス周波数においてパルス化されている。周波数変調光ビーム２は複数の様式で与えられることが可能である。例えば、ビームチョッパ７が、連続波レーザビームを切るように実施されることが可能である。これは、図に示すような実施形態において例示されている。ビーム２は、レーザビーム２の経路を周期的に遮断する回転チョッパ７によりパルスに切られる。

代替として、音響光変調器（ＡＯＭ）は連続波レーザビームを変調するように用いられることが可能である。この方法は従来のチョッパより高い変調周波数を可能にし、チョッパ手段に関連する部品を動かす必要性を回避する。更なる代替として、可変繰り返し周波数を有するパルス化レーザを実施することが可能である。何れにしても、本発明にしたがって、装置の制御システムはパルス繰り返し（変調）周波数を可能にし、及び／又はパルス持続時間はある程度制御された方式で可変である必要がある。

本発明にしたがって、パルス変調周波数は、調査中の構造、この実施例においては、血管の自然の周波数に対して適合される。血管の共振は２つの様式で起こることが可能である。

血管は、主共振振動を生成するように器官管としての役割を果たす。その管の径方向音響励起（主共振振動である）が考慮される場合、一次共振周波数は式ｆ＝ｖ／Ｄにより評価されることができ、ここで、ｖ＝１４０２ｍ／ｓｅｃは水中の音速であり、その音速は血液中の音速の良好な評価を与える。Ｄ＝１００ｍｍの血管については、ＡＯＭの範囲内にある約１４ＭＨｚの共振周波数が得られる。

血管壁の伸長及び弛緩がまた、起こる。血管が、血圧の変化（心拍）のために拡張するとき、血管の径方向の音響共振周波数は変化する。この効果は、心拍周波数、血圧及び血管の柔軟性を決定するように用いられることが可能である。

次に、強度変調の周波数が選択される必要がある。異なる直径を有する血管が体中に存在するため、各々の血管は異なる共振周波数を有する。それ故、光の変調周波数は、測定又は画像化される必要がある血管の大きさに応じて、特定の周波数領域において走査される必要がある。このようにして、血管の共振周波数に対してレーザのパルス変調周波数を調節することにより、共振のために、血管の改善された音響振動が得られる。

組織表面において、検出器６は音響振幅及び位相を検出し、内側表面は、適切な処理器９を使用して、音響通過時間及び位相を用いることにより再構成されることが可能である。一般に、検出器の出力は、吸収された光エネルギーに比例する。

共振改善音響イメージングを用いる場合、信号は従来の音響イメージングよりかなり強い。そのことはまた、その改善は血管の画像のみを改善するために、非常に特有である（血管のみが共振するために）。特定の周波数領域における走査による変調光パルス繰り返し周波数の選択、及び共振目的周波数を選択するための検出器の出力のモニタリングは特に有利である。

改善された感度は、血液中の一部の特定の分子（即ち、グルコースのような）の濃度の測定を可能にする。これは、先ず、所望の分子に関するピークの吸収に対してレーザの波長を調節し、次いで、強い共振信号を有する周波数に対して変調周波数を調節することにより行われる。音響センサにおける強度は、その場合、吸収量を測定し、その吸収量は、血液中のその分子の濃度に関連している。

心拍のための血管の伸長及び弛緩は、血管の直径における変化をもたらし、それ故、ちょうどよく音響共振周波数を変化させる。この影響は検出器において用いられることが可能である。レーザの出力は、特定の周波数領域において走査するように制御され（特に、処理器９からの出力により）、ちょうどよく異なる時点（例えば、心周期における異なる時点）について、共振目的周波数を選択するように検出器の出力をモニタすることができる。

心拍のための共振周波数における変化をモニタすることにより、血管の伸長量を求めることが可能である。このことは、血管の柔軟性に関する情報を与える。音響共振周波数は、血管における圧力に依存することが可能である。その場合、本発明は血圧計で用いられることが可能である。ちょうどよく異なる時点について及び走査光パルス変調周波数を変えるために検出器の信号を処理することにより、異なる測定及び観測を行うことが可能になる。

複数の改善を行うことが可能である。例えば、共振信号は改善されるために、ビームをフォーカシングする必要はない。イメージングは、異なる位置により多くの音響センサを置き、表示装置に画像をレンダリングするように信号を適切に処理することにより、実行されることができる。心拍、血圧及び血液における濃度レベルの測定は皮膚組織における単独のセンサにより行われる。

上記の実施形態は本発明を制限するのではなく、例示としてのものであり、同時提出の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく多くの代替の実施形態をデザインすることができることに留意する必要がある。用度“を有する”及びその派生用語は、全体として、明細書又は何れの請求項に列挙されている要素又は段階以外の要素又は段階の存在を排除するものではない。要素の単数表現は、その要素の複数の存在を排除するものではなく、その逆も真である。複数の手段を列挙している装置請求項においては、それらの手段の幾つかは、ハードウェアと全く同じアイテムにより実施されることが可能である。特定の手段が互いに異なる従属請求項に列挙されているということは、それらの手段の組み合わせが有利であるように用いられないことを意味するものではない。

本発明にしたがって用いる装置及びシステムの模式図である。

Claims (12)

1. 時間経過に伴って変化する構成又は物理特性を有する体の構造を調べる装置であって：
   前記の体の構造の方にパルス化放射線を方向付けるように備えられている放射線供給手段であって、前記放射線はパルス変調周波数においてパルス化される、放射線供給手段；
   入射パルス化放射線からもたらされる前記体において設定された音響振動を検出するための、及び前記音響振動の１つ又はそれ以上のパラメータを表す出力信号を生成するように備えられている検出器手段；並びに
   前記放射線検出器手段の動作を制御するように備えられている制御システムであって、前記の検出器の出力信号を処理するように備えられている処理器を有する、制御システム；
   を有する、装置であり、
   前記パルス化放射線の前記パルス変調周波数は変調周波数の特定領域において変化され、前記処理器は検出器の出力から構造共振周波数を決定する；
   装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記放射線供給手段は、前記処理器により決定された前記構造共振周波数に適合されたパルス変調周波数においてパルス化される放射線を出射するように制御されている、装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記構造共振周波数は時間経過に伴って変わり、前記制御システムは、前記構造共振周波数を適合させるように前記パルス変調周波数を変える、装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、前記パルス化放射線は、前記構造に関連する構造又は媒体の吸収特性を適合する所定の特定波長プロファイルを有する、装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、前記パスル化放射線はレーザ放射線である、装置。
6. 請求項１に記載の装置であって、前記パスル化放射線はパルス化され、方向付けされたビームである、装置。
7. 請求項１に記載の装置であって、前記検出器手段は圧電トランスジューサを有する、装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、前記検出器手段は光検出器手段を有する、装置。
9. 請求項１に記載の装置であって、前記放射線供給手段及び前記検出器手段は、データが線、断面積又は体積から捕捉されることを可能にし、前記処理器は、検出器手段のデータを処理し、そして表示装置における画像をレンダリングすることを可能にするための画像レンダリング手段を有する、装置。
10. 時間経過に伴って変化する構成又は物理特性を有する体の構造を調べる方法であって：
    前記の体の構造の方にパルス化放射線を方向付ける段階であって、前記放射線はパルス変調周波数においてパルス化される、段階；並びに
    入射パルス化放射線からもたらされる前記体において設定された音響振動を検出し、そして前記音響振動の１つ又はそれ以上のパラメータを表す出力信号を生成する段階；
    変調周波数の所定領域において及び前記構造共振周波数を決定する検出された前記音響振動から前記パルス化放射線の前記パルス変調周波数を調節する段階；
    を有する方法。
11. 時間経過に伴って変化する構成又は物理特性を有する体の構造を調べることが可能であるシステムであって：
    前記構造の方に方向付けられたパルス化放射線からもたらされる前記体又は構造において設定された音響振動を検出するための検出器手段からの出力信号；及び
    変調周波数の所定領域において前記パルス化放射線のパルス変調周波数の変化；
    を表すデータを解析することにより前記構造の前記共振周波数を決定するための手段を有する、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムであって、前記構造について予測される時間差共振周波数を解析する結果として、前記構造の物理特性が決定されることが可能である、システム。

Images