JP2013172895A - 被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光音響計測において、被検体内で発生した音響波を探触子で検出する際の、信号強度の低下を抑制する。
【解決手段】光を照射された被検体から伝播する音響波に基づいて被検体内の特性情報を生成する被検体情報取得装置であって、互いに対向して被検体を保持する第一の保持プレートおよび第二の保持プレートと、第一の保持プレートおよび第二の保持プレートの間に位置し、第一の保持プレートの側から被検体を押圧する凸部材と、第二の保持プレートを介して被検体からの音響波を受信する探触子を有する被検体情報取得装置を用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検体情報取得装置に関する。

レーザーなどの光源から生体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる生体内の情報を画像化する光音響計測装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光音響計測技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィ）が提案されている。光音響トモグラフィは、光源から発生したパルス光を生体に照射し、生体内で伝播・拡散したパルス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（典型的に超音波である）を検出し、その検出信号に基づき生体情報を画像化するものである。

非特許文献１には、乳がんの検査用に開発された光音響計測装置が開示されている。図７は非特許文献１の概略を示したものであり、ガラスプレート７０１と音響波探触子７０２で被検体（乳房）７０３を圧迫し、ガラスプレート越しに、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー７０４を光源とする照明光を乳房に照射する。そして、被検体で発生する音響波を音響波探触子で信号として検出し、その検出信号を処理することで、被検体内部の組織、特に乳がんにおける血管新生の画像データを取得する。

しかしながら、非特許文献１の装置では、被検体の一部に音響波探触子と接触できない領域を発生させてしまう（図７中Ａ）。この接触できない領域は、間隙となり空気が介在するため、音響インピーダンスが被検体と著しく異なってしまう。これにより、被検体内で発生した音響波の大部分は、被検体と間隙の界面で反射されてしまう。そのため、領域Ａにおいて、音響波探触子で検出する信号の強度が低下する。これに伴い、信号処理による画像データを取得できない領域が生じてしまう。

このような課題に鑑み、特開２００３−３２５５２３号公報（特許文献１）には、超音波像を生成する装置において、被検体を音響波探触子へ音波的に連結するためのゲルパッドを備えた構成が開示されている。詳細には、被検体を圧迫するための二枚の圧迫プレートと、圧迫プレートの一方に隣接して配置された超音波変換器（探触子）と、二枚の圧迫プレートの間に設けられたゲルパッドを備える構成が開示されている。ゲルパッドは、被検体と音響波探触子の音響インピーダンスの不一致が最小の状態になるように配置されている。このような装置により、被検体と探触子側プレートとが接触できない領域において、音響波探触子で検出する信号の強度低下を抑制することができる。

特開２００３−３２５５２３号公報

Srirang Manohar, et al., "The Twente photoacoustic mammoscope: system overview and performance", Physisc in Medicine and Biology 50 (2005) 2543-2557.

特許文献１に記載されている超音波像を生成する装置は、被検体と音響波探触子とが接
触できない領域における、音響波探触子で検出する信号強度の低下抑制の点で、さらなる改善が望まれていた。
具体的には、ゲルパッドに用いる材料がソナーゲルの場合、ゲルパッド自身に気泡が混入しやすく、かつ、気泡が抜けにくいという性質がある。そのため、ゲルパッドと被検体の音響インピーダンスの不一致が生じてしまい、検出される信号強度の低下抑制が不十分であった。

そのため、特許文献１に記載された構成を光音響計測に適用した場合、非特許文献１における課題を改善できるものの、必ずしも解消できるわけではないと考えられる。

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、光音響計測において、被検体内で発生した音響波を探触子で検出する際の信号強度の低下を抑制することにある。

本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
光を照射された被検体から伝播する音響波に基づいて前記被検体内の特性情報を生成する被検体情報取得装置であって、
互いに対向して前記被検体を保持する第一の保持プレートおよび第二の保持プレートと、
前記第一の保持プレートおよび第二の保持プレートの間に位置し、前記第一の保持プレートの側から前記被検体を押圧する凸部材と、
前記第二の保持プレートを介して前記被検体からの音響波を受信する探触子と、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置である。

本発明によれば、光音響計測において、被検体内で発生した音響波を探触子で検出する際の信号強度の低下を抑制することができる。

実施の形態に係る被検体情報取得装置の構成を示す模式図。 実施の形態に係る被検体情報取得装置の構成を示す別の模式図。 第一の実施例に係る被検体情報取得装置の一部模式図。 第二の実施例に係る被検体情報取得装置の一部模式図。 比較例に係る被検体情報取得装置の一部模式図。 第三の実施例に係る被検体情報取得装置の一部模式図。 背景技術に係る装置の構成概略図。 変形例に係る検体情報取得装置の一部模式図。

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。

ここで説明する被検体情報取得装置は、悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的で用いられる。被検体情報取得装置は、被検体内の特性情報である被検体情報を取得する。被検体情報には、生体内の光学特性値分布および、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、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などが含まれる。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。そして、被検体情報に基づき、被検体内部の画像化、すなわち画像再構成を可能とする。このように光音響計測を行う本発明の被検体情報取得装置は、光音響計測装置と呼ぶこともできる。

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。音響波検出器（例えば探触子）は、被検体内で発生した音響波を受信する。

まず、本発明の基本的な実施の形態について図１と図２を用いて説明する。図１は被検体情報取得装置の一例を示す構成模式図である。なお、以下の説明において、二枚の対向するプレートが拡がる平面をＸＹ平面とし、プレートに垂直な方向をＺ方向とする。

図１（ａ）は被検体情報取得装置を模式化したＹ−Ｚ平面図である。図１（ａ）中、符号１は第一の保持プレート、符号２は第二の保持プレート、符号３は第二の保持プレート２の被検体接触面（被検体と接する側の面）に配置された凸部（凸部材）である。符号４は被検体へ光を照射するための光源、符号５は被検体内から発生する音響波を信号として検出する探触子である。符号１〜５の構成部材を合わせて、保持機構６と呼ぶこともある。符号７は検出された信号を処理する信号処理部、符号８は信号処理部７で処理された信号からなる画像データを表示する画像表示部である。

図１（ｂ）は保持機構６の斜視図である。なお、各図面において、同じ部材、または同じ機能を有する部材には、共通の符号を示してある。

また、図２は、被検体を保持機構６で圧迫、および保持した場合の一例を模式化したＹ−Ｚ平面図である。図２中、符号９は被検体であり、第一の保持プレート１と第二の保持プレート２により圧迫、および保持されている。

図２を用いて、ＰＡＴによる光音響計測について説明する。まず、光源４から被検体９に向けて、第一の保持プレート１越しにパルス光を照射する。照射方法としては、走査機構（不図示）を用いて、第一の保持プレート１の全面に渡り駆動して、照射するのが好ましい。光源４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などを用いることも可能である。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が挙げられ、適宜選択される。また、被検体９が生体の場合に、光源４から照射されるパルス光は、近赤外線が好ましく用いられ、例えば６５０ｎｍから１１００ｎｍ程度の波長が選択される。なお光の波長は、被検体内の光吸収体に応じて適宜選択される。

第一の保持プレート１の材料としては、光源４から照射される光に対して、高透過性と低減衰特性を有する材料が好ましい。例えば、ガラス、ポリメチルペンテン、ポリカーボネート、アクリルなどが挙げられる。また、厚みは保持によるプレートの変形が抑えられる強度を保てれば、どのような厚さでも良いが、典型的には１０ｍｍ程度が好ましく用いられる。サイズは、被検体を保持できればどのようなサイズでも問題ないが、被検体と同サイズのものが好ましい。

光源４から照射された光は、被検体９内を伝播して吸収される。例えば、被検体９が生体の場合に、上述の近赤外線を照射すると、生体内の血液および血管において特異的に吸収され、熱膨張により音響波が発生する。生体内にがんが存在する場合は、がんの新生血管において他血管と同様に光が特異的に吸収され、音響波が発生する。

被検体９内で発生し伝播した音響波は、第二の保持プレート２を通過して、探触子５により信号として検出される。前述の光源４が、走査機構（不図示）により走査して光を照射した場合、探触子５も走査機構（不図示）を用いて、光源４と同期しながら駆動することが好ましい。探触子５は受信した音響波を電気信号に変換できれば良く、例えば圧電素子やＣＭＵＴ素子を、一つまたは複数配置したものを好適に利用できる。

第二の保持プレート２の材料としては、被検体９内で発生した音響波を通過させる必要があるため、被検体９と第二の保持プレート２の界面での音響波の反射を抑える材料が好ましい。具体的には、被検体９との音響インピーダンスの差が小さい材料が好ましい。例えば、ポリメチルペンテンなどの樹脂材料が挙げられる。厚みについては、音響波が第二の保持プレート２を通過する際に、厚みが厚いほど減衰が大きくなるため、より薄いものが好ましいが、保持によるプレートの変形を抑える強度を有する厚さが必要である。典型的には１０ｍｍ程度が好ましく用いられる。サイズは、被検体を保持できればどのようなサイズでも問題ないが、被検体と同サイズのものが好ましい。

信号処理部７は、探触子５により得られた電気信号（アナログ信号）を増幅して、デジタル信号（検出信号）に変換する。信号処理部７はさらに、検出信号を元に被検体内部の特性情報に基づく画像を生成する（画像再構成）。

画像表示部８は、信号処理部７で生成された再構成画像を表示する。画像表示部８としては、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤなどを利用することができる。

続いて、図２を用いて、第二の保持プレート２と被検体９の接触面積が増大する効果を説明する。
凸部３は、被検体９を介して、第二の保持プレート２と対向するように配置される。この場合、凸部３が無い場合と比較して、保持機構６の第一の保持プレート１と第二の保持プレート２の間の容積は、凸部３の体積分だけ減少する。すると、被検体９の体積は変わらないため、２枚の保持プレートの間において、被検体９の体積の一部は凸部３によって押しのけられる。

被検体９の体積の一部を押しのけるためには、凸部３として、被検体９よりも剛性が高い、すなわちヤング率が高い材料を用いる必要がある。例えば、被検体９が乳房の場合、凸部３の材料として、ヤング率は１００ｋＰａ以上のものが好ましい。例えば、ガラス、アクリル、ゴムなどが挙げられる。凸部３は、必ずしも中心まで材料が詰まっているものではなくとも、被検体９を押しのけることができる。

また、凸部３の被検体９と接触する部分については、角部を無くすなどの処理を実施するのが好ましい。被検体９が生体の場合、凸部３が被検体９に接触することで発生する、被検者に与える痛みなどを軽減する工夫が必要である。図１および図２の凸部３においては、被検体９と接触する部分において、角部の面取り加工を施している。
なお、凸部３を配置する場所としては第一の保持プレートが最も簡易であるが、被検体の圧迫に応じてその先端を第二の保持プレートに押圧できるのであれば、その他の場所でも構わないし、独立して配置しても良い。

このとき押しのけられる被検体の体積は、凸部３の体積と同等である。また、被検体が押しのけられる方向は、凸部３と被検体９の接触面を基準に、第二の保持プレート２に向かって等方的に広がる方向である。よって、凸部３により第二の保持プレート２に押しつけられる被検体９の体積が増加し、結果として、第二の保持プレート２と被検体９の接触面積が増大する。

本発明において、被検体９を介した、第一の保持プレート１と第二の保持プレート２間の距離を縮めることによっても、第二の保持プレート２と被検体９の接触面積が増大する効果が得られる。
しかし、被検体９として生体、特に乳房を計測する場合には、プレート間の距離を縮めることは、乳房をより圧迫することになるため、被検者に与える痛みなどの不快感が増してしまう。

一方、上述のように、凸部３を第一の保持プレート１の被検体９と接触する面に配置する方法であれば、被験者に与える不快感を増大させずに、第二の保持プレート２と被検体９の接触面積を増大させることができる。

＜実施例１＞
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。
本実施例では、図３に示す被検体情報取得装置を作成して、被検体の計測を実施した。図３は、図２における保持機構６を抽出したＹ−Ｚ平面模式図である。

まず、第一の保持プレート１として、横２５０ｍｍ、縦１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのアクリルプレートを用意した。凸部３としては、横２５０ｍｍ、縦５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの、角柱状のアクリルからなる部材を用意した。そして凸部３のＹ方向最下部が、第一の保持プレート１のＹ方向最下部から、４０ｍｍ上方になるように設置した。凸部３の材料であるアクリルのヤング率は３．１４ＧＰａ、ポアソン比は０．２３である。

第二の保持プレート２として、横２５０ｍｍ、縦１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのポリメチルペンテンからなる樹脂プレートを用意して、第一の保持プレート１とＸ−Ｙ平面に沿って、対向するように配置した。
なお、横方向とは図中のＸ方向、縦方向とはＹ方向であり、厚さとはＺ方向での距離のことを指す。保持機構６を本図の方向に配置した場合、被検者は伏臥位になり、二枚のプレートの間に乳房を挿入して検査を受ける。ただし保持機構６の配置方向や被検者の体位はこれに限られない。

探触子５としては、圧電素子が２次元的に配置されたものを用意して、第二の保持プレート２の被検体９と接触しない面に配置した。光源４としては、固体レーザーの一種である、チタンサファイアレーザーを用意して、第一の保持プレート１の被検体９と接触しない面に配置した。また、チタンサファイアレーザーの波長は７５０ｎｍに設定した。

続いて、上述の作製した被検体情報取得装置を用いて、被検体９を計測した。被検体９としては乳房を用いて、Ｙ方向上部から、Ｙ方向下部へ向かう方向で保持機構６へ挿入し、その後、第一の保持プレート１および第二の保持プレート２により、圧迫、および保持を行った。

この状態において、Ｙ−Ｚ平面における、第二の保持プレート２と被検体９の接触面の最上位部と最下位部を結ぶ距離（図３中、Ａ−Ａ’）を測定したところ、１２０ｍｍという結果が得られた。なお、この距離は、第二の保持プレート２と被検体９の接触面積がＹ方向で最も大きい箇所の距離である。

続いて、光源４から第一の保持プレート１越しにパルス光を照射して、被検体９内で発生した音響波を第二の保持プレート２を通過させて、探触子５で検出した。このとき、走査機構（不図示）を用いて、光源４および探触子５を同期して走査させることにより、第一の保持プレート１および第二の保持プレート２の全面において、光の照射と音響波の検
出を実施した。

さらに、検出信号を信号処理部７で処理し、画像再構成を行うことにより、画像表示部８にて前記Ａ−Ａ'の領域において被検体９内部の画像データを表示することができた。

このように本実施例の装置によれば、凸部３が、第一の保持プレート１の側から被検体９を押圧することによって、被検体９と第二の保持プレート２の接触面積が増大する。その結果、凸部材なしではプレートに被検体が接触しないために発生する信号強度の低下が抑制される。

＜実施例２＞
実施例２について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、保持機構を模式化した斜視図である。図４（ｂ）はＹ−Ｚ平面模式図、図４（ｃ）はＸ−Ｚ平面模式図である。

実施例２が実施例１と異なる点は凸部３の形状と配置にある。すなわち、凸部３として、横８０ｍｍ、縦１１０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのアクリルからなる、角柱状の部材を用意した。また、凸部の位置は、第一の保持プレート１のＸ方向における中点位置と、凸部３のＸ方向中点位置が一致するように配置した。さらに、凸部３のＹ方向最下部が、第一の保持プレート１のＹ方向最下部から４０ｍｍ上方になるように設置した。

凸部３により、被検体９の体積の一部が押しのけられる方向は、凸部３と被検体９の接触面を基準に、第二の保持プレート２に向かって等方的に広がる方向である。よって、本実施例のように凸部３を配置することで、実施例１と同様にＹ方向において、第二の保持プレート２と被検体９の接触面積が増大する。さらに本実施例では、Ｘ方向においても接触面積を増大させることができる。

実施例１と同様に、Ｙ−Ｚ平面における、第二の保持プレート２と被検体９の接触面の最上位部と最下位部を結ぶ距離（図４（ｂ）中、Ａ−Ａ’）を測定したところ、１２０ｍｍという結果が得られた。また、Ｘ−Ｚ平面における、第二の保持プレート２と被検体９の接触面の端部間を結ぶ距離（図４（ｃ）中、Ｂ−Ｂ’）を測定したところ、１００ｍｍという結果が得られた。

さらに、検出信号を信号処理部７で処理、画像再構成を行うことにより、画像表示部８にて前記Ａ−Ａ'、およびＢ−Ｂ'の領域において被検体９内部の画像データを表示することができた。

＜比較例＞
上記各実施例との比較のために、第一の保持プレート１に凸部３が配置されていない構成の保持機構について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、保持機構を模式化したＹ−Ｚ平面模式図、図５（ｂ）はＸ−Ｚ平面模式図である。

他実施例と同様に、Ｙ−Ｚ平面における、第二の保持プレート２と被検体９の接触面の最上位部と最下位部を結ぶ距離（図５中、Ａ−Ａ’）を測定したところ、１００ｍｍという結果が得られた。また、Ｘ−Ｚ平面における、第二の保持プレート２と被検体９の接触面の端部間を結ぶ距離（図５中、Ｂ−Ｂ’）を測定したところ、７０ｍｍという結果が得られた。

さらに、検出信号を信号処理部７で処理、画像再構成を行うことにより、画像表示部８にて前記Ａ−Ａ'、およびＢ−Ｂ'の領域において被検体９内部の画像データを表示することができた。
この結果から、凸部３を配置した他の実施例と比べて、第二の保持プレート２に接触する被検体の領域が狭くなっていることが分かる。

＜実施例３＞
実施例３について、図６を用いて説明する。実施例３が実施例１と異なる点は、第一の保持プレート１の端面に可動機構１０を備えており、凸部３が第一の保持プレートの上で移動可能である点である。この可動機構はリニアガイド１１とリニアブロック１２によって構成されている。リニアガイド１１は、第一の保持プレート１の端面にＹ方向に沿う形で設置されている。リニアブロック１２は、このリニアガイド１０上で、Ｙ方向上下に移動することが可能である。また、リニアブロックは、ストップボルト（不図示）を備えており、リニアガイド上の任意の位置で固定することが可能である。

凸部３はリニアブロック１２と接合しており、通常、第一の保持プレート１のＹ方向最下部に位置している。リニアブロック１２が移動するのに伴い、凸部３は第一の保持プレート１上をＹ方向において、上下に移動することが可能である。

実施例１と同様に、被検体９として乳房を用いて、Ｙ方向上部から、Ｙ方向下部へ向かう方向で保持機構６へ挿入した。そして、凸部３をＹ方向上部へ４０ｍｍ移動させ、被検体９（乳房）を介して、第二の保持プレート２と対向する位置で固定した。その後、第一の保持プレート１と第二の保持プレート２により、圧迫、保持を行った。この状態は、図３に示すものと同じである。

本実施例のように、被検体９に乳房を用いた場合、乳房の大きさが個人差により異なる場合がある。すると、凸部３を第一の保持プレート１上の特定の箇所に固定した際、乳房の大きさによっては、凸部３を、乳房（被検体９）を介して第二の保持プレート２と対向する位置に配置できない問題が発生し得る。例えば、乳房のサイズが小さいために凸部まで届かないような場合である。

しかし、本実施例のように、凸部３を可動機構１０で移動させることにより、大きさが異なる乳房（被検体９）においても、凸部３を、乳房（被検体９）を介して第二の保持プレート２に対向する位置に配置できる。

この可動機構１０を用いて、凸部３の配置位置をＹ方向の上下において、任意に移動することができる。その後、実施例１と同様に計測を実施したところ、遜色のない結果を得ることができた。

＜変形例＞
上記の実施例１または実施例３において、凸部の形状を変えることにより、被検体９と第二の保持プレート２の接触面積をさらに増大させる構成も考えられる。すなわち、被検体９は通常、先端になるほど厚さが薄くなることに対応させるために、Ｚ方向において突出する高さのバリエーションがある凸部を用いる構成である。

かかる凸部の一例として、断面が三角形のものが考えられる。すなわち、上記実施例の凸部３は面取り加工をした略長方形であるが、これを図８に示すように、三角形の断面を持つ部材にする。これにより、乳房が薄くなる先端部分ほど、より第二の保持プレートに近い位置に被検体を押しやることができる。

図８では直角三角形の断面形状を示したが、乳房の先端に行くほど凸部が高く突出する形状であれば直角三角形に限定されず、ひいては三角形にも限定する必要はない。例えば、第一の保持プレート１に、出っ張り量の異なる複数の凸部を配置し、乳房の先端ほどＺ
方向の高さを大きくしても良い。

以上各実施例で説明したように、本発明によれば、光音響測定の際に、凸部（凸部材）での押圧によって、探触子が配置された保持プレートと被検体との接触面積を増大させることができる。その結果、被検内で発生した音響波を探触子で検出するときの信号強度の低下を抑制できる。さらに、接触面積の増大に伴い、検出した信号から得られる画像データ取得領域を拡大することができる。

１：第一の保持プレート，２：第二の保持プレート，３：凸部，５：探触子，７：信号処理部

Claims (6)

1. 光を照射された被検体から伝播する音響波に基づいて前記被検体内の特性情報を生成する被検体情報取得装置であって、
   互いに対向して前記被検体を保持する第一の保持プレートおよび第二の保持プレートと、
   前記第一の保持プレートおよび第二の保持プレートの間に位置し、前記第一の保持プレートの側から前記被検体を押圧する凸部材と、
   前記第二の保持プレートを介して前記被検体からの音響波を受信する探触子と、
   を有することを特徴とする被検体情報取得装置。
2. 前記凸部材は、前記第一の保持プレートに配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
3. 前記凸部材は、前記被検体よりも剛性が高い材料で構成される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の被検体情報取得装置。
4. 前記凸部材は、前記第一の保持プレートの上で移動可能である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
5. 前記凸部材は、リニアガイドとリニアブロックによる可動機構により移動可能となる
   ことを特徴とする請求項４に記載の被検体情報取得装置。
6. 前記凸部材は、被検体の厚さが薄くなるほど、突出する高さが高いものである
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。

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