JP2016101415A - 被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の音響受信器を有するトモグラフィー用の探触子を用いて、高コントラスト・高ＳＮの特性情報を取得する被検体情報取得装置を提供する。【解決手段】 光源から出射された光が照射されることにより、被検体から発生する光音響波を受信して時系列の電気信号に変換する、円弧状に配置された複数の受信手段と、前記受信手段を走査させる駆動手段と、前記時系列の電気信号を用いて、前記被検体内部の特性情報を取得する処理手段と、を有し、前記光源は、複数のタイミングで光を出射し、前記受信手段は、前記光の出射に同期した複数のタイミングで光音響波を受信し、前記駆動手段は、前記複数のタイミングに同期して、予め指定された領域内で、前記光音響波を受信するように、前記受信手段を走査し、前記処理手段は、前記領域内の位置座標と前記複数のタイミングの各々に対応する時系列の電気信号を積算した信号に基づいて、前記特性情報を取得する。【選択図】 図２

Description

本発明は、被検体の特性情報を取得する被検体情報取得装置に関する。

光源から被検体に光を照射し、照射した光に対する応答に基づいて得られる被検体内の情報を画像化する光イメージングの研究が医療分野で進められている。この光イメージング技術の一つとして、光音響イメージング（Ｐｈｏｔｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）がある。光音響イメージングでは、被検体内で伝播・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した組織から発生した弾性波が受信され、受信信号に基づいて被検体内の特性情報が画像化される。

被検体に光が照射されると、被検部位（生体の腫瘍等）とそれ以外の組織では光エネルギーの吸収率に差があるため、被検部位が光エネルギーを吸収して瞬間的に膨張し、弾性波を発生させる。この弾性波を音響受信器で受信した信号を解析処理することにより、光音響イメージングに係る特性情報が得られる。特性情報とは、初期音圧分布、光吸収エネルギー密度分布、光吸収係数分布等の光学特性値分布である。また、これらの情報を複数の波長の光で計測することにより、被検体内の特定物質（血液中のヘモグロビン濃度や、血液の酸素飽和度等）の定量的計測にも利用できる（非特許文献１）。

これらの特性情報の算出にあたり、以下の２つの方式が用いられる。一つは、単一の音響受信器の沿面直下から伝搬した弾性波を包絡線検波した多点のデータを用いて多次元の画像再構成をする顕微鏡方式である。他は、多点に配置した音響受信器で、被検体内で三次元的に発生した弾性波を受信し、それらの受信信号に基づいて多次元の画像再構成するトモグラフィー方式である。

"Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：Ｉｎ Ｖｉｖｏ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｆｒｏｍ Ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ ｔｏ Ｏｒｇａｎｓ、Ｌｉｈｏｎｇ Ｖ．Ｗａｎｇ Ｓｏｎｇ Ｈｕ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ３３５、１４５８（２０１２）"

顕微鏡（スキャン）方式では、多点を１点ずつスキャンすることで高コントラスト、高解像度の像（フォーカス像）を得ることができるが、各点でデータを取得する必要があり、広域な画像生成には時間がかかることがある。それに対して、多点のデータを一度に受信して再構成を行うトモグラフィー方式では、測定時間は短くすることができるが、音響受信器の配置によっては、データ欠落や再構成アーティファクトといったノイズが発生し、視認性を低下させる場合がある。

本発明の被検体情報取得装置は、光源と、前記光源から出射された光が照射されることにより、被検体から発生する光音響波を受信して時系列の電気信号に変換する、円弧状に配置された複数の受信手段と、前記受信手段を走査させる駆動手段と、前記時系列の電気信号を用いて、前記被検体内部の特性情報を取得する処理手段と、を有し、前記光源は、複数のタイミングで光を出射し、前記受信手段は、前記光の出射に同期した複数のタイミングで光音響波を受信し、前記駆動手段は、前記複数のタイミングに同期して、予め指定された領域内で、前記光音響波を受信するように、前記受信手段を走査し、前記処理手段は、前記領域内の位置座標と前記複数のタイミングの各々に対応する時系列の電気信号を積算した信号に基づいて、前記特性情報を取得することを特徴とする。

本発明によれば、複数の音響受信器を有するトモグラフィー用の探触子を用いた装置であっても、複数のタイミングに応じた異なる座標で取得した受信信号を用いることにより、高コントラスト・高ＳＮの特性情報を精度良く取得することができる。

本発明に係る被検体情報取得装置の模式図である。 本発明に係る被検体情報取得装置の処理を示すフロー図である。 本発明に係る音響受信器を説明するための模式図である。 本発明に係る被検体情報取得方法の表示画面を示す模式図である。 実施例１に係る被検体情報取得装置の処理を示すフロー図である。 実施例１に係る被検体情報取得装置の表示画面を示す模式図である。 実施例２に係る被検体情報取得装置の処理を示すフロー図である。 実施例２に係る音響受信器を説明するための模式図である。 実施例３に係る被検体情報取得装置の表示画面を示す模式図である。 実施例３に係る音響受信機を説明するための模式図である。 実施例３に係る被検体情報取得装置の処理を示すフロー図である。 実施例３に係る被検体情報取得装置の表示画面を示す模式図である。

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。但し、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状及びそれらの相対配置等は、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。

本発明の被検体情報取得装置は、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生し伝播した音響波を受信して、被検体内部の特性情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置である。本発明の被検体情報取得装置は、超音波の送信機能と、被検体内からの反射波（エコー波）を受信する機能を有し、反射波の情報から画像データとして特性情報を取得することもできる。

特性情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布、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、組織を構成する物質の濃度分布を示す。組織を構成する物質とは、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等の血液成分、あるいは脂肪、コラーゲン、水分等である。また、反射波に基づく電気信号に対して既知の情報処理を行うことにより得られる、被検体内部の音響インピーダンスの分布を示す情報のことも、一種の特性情報と捉えてもよい。

本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、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、光音響波又は光超音波と呼ぶ。これ以降、音響波の中でも、音響受信器によって被検体内に送信されたものや、送信後、被検体内で反射したものを指すとき、「超音波」と記載する。また、音響波の中でも、光照射により被検体内で発生したものを指すとき、「光音響波」と記載する。但しこれは両者を区別する便宜上のものであり、それぞれの音響波の波長等を限定するものではない。

本発明では、音響受信器の被検体に対する方向や位置を変更させながら、複数の光音響波を時系列にサンプリングし、時系列に得られたサンプリングデータを用いて、画像を再構成する。プローブの構成は、２つ以上の音響受信器が配置された構成からなり、１か所以上のフォーカススポットを有することが望ましい。この時受信した複数の光音響波のデータに対し、共通するフォーカススポットを有する音響受信器群のデータを積算する。さらに、包絡線検波を行って、曲率と音速から推定されるサンプリングポイント周辺のデータから、フォーカススポット近傍の振幅値を算出する。これを取得データごとに行うことにより、特性分布画像データを得ることができる。また、単一の測定箇所において、多数の音響受信器から受信した光音響信号であっても、それらを積算することで疑似的に高開口の受信信号として合成することができる。

これにより、多数の音響受信器から受信した光音響波を用いて、フォーカススポット領域近傍のデータを算出して、特性分布の画像データを生成することができる。また、複数のフォーカススポットのデータを取得できれば、高速にデータの取得が実施できる。さらに、フォーカススポットからの見込み角が大きくなるように音響受信器を配置したプローブであれば、フォーカススポットの信号を常に受信することができるので、トモグラフィーの画像データ推定過程で生じるデータ欠損が起こす視認性の悪さを改善することができる。

図１を用いて、本発明に係る被検体情報取得装置を説明する。被検体１００は、被検体情報取得装置の構成要素ではないが、情報取得対象であるので、その例を説明する。本発明の被検体情報取得装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患等の診断や化学治療の経過観察等を主な目的とする。よって、被検体１００としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や頸部、腹部、腕、足、手等の診断の対象部位が想定される。また、被検体内部にある光吸収体とは、被検体内部で相対的に吸収係数が高いものを指す。例えば、人体が測定対象であればオキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンや、それらを含む多く含む血管、あるいは新生血管を多く含む悪性腫瘍が光吸収体となる。その他、頸動脈壁のプラーク等も光吸収体となる。

以下、被検体情報取得装置の各構成要素について説明する。

（光源）
光源１２０としては、数ナノから数マイクロ秒オーダーのパルス光（１２２）を発生可能なパルス光源が好ましい。具体的には効率的に光音響波を発生させるため、１０ナノ秒程度のパルス幅が使われる。光源１２０としては、レーザのかわりに発光ダイオードも使用できる。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザ等を使用できる。照射光の波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長が望ましい。具体的には、被検体が生体の場合、５００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。

（光学系）
光源１２０から出射された光は、レンズやミラー等の光学部品により、所望の光分布形状に加工されながら被検体に導かれる。また、光ファイバ等の光導波路を用いて光を伝搬させることも可能である。光学系１２１は、光を反射するミラーや、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズ、光を拡散させる拡散板等からなる。尚、光はレンズで集光させるより、ある程度の面積に広げる方が、生体への安全性ならびに診断領域を広げられるという観点で好ましい。

（音響受信器）
音響受信器１１０（受信手段）は、音響波（光音響波及びエコー波）を受信し、アナログの電気信号に変換する。圧電現象、光の共振、静電容量の変化を用いたもの等が適用可能である。音響受信器１１０は通常、トランスデューサが筐体に保持された探触子の形態で提供される。尚、本明細書においては、音響受信器を探触子とも呼ぶ。

音響波を送受信する複数のトランスデューサは、１列に配置するだけではなく、１Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ、１．７５Ｄアレイ、２Ｄアレイ、と呼ばれるように複数列配置されてもよい。さらに、アーク状、円弧状に並べることにより、一か所以上のフォーカススポットを有するように配置される。複数のトランスデューサは、球殻状の支持体に配置してもよい。具体的には、国際公開第２０１０／０３０８１７号に記載されているように、ボウル状の支持体の内側表面に、複数のトランスデューサの受信面が３次元スパイラル状に並ぶように配置させてもよい。このとき、トランスデューサが、アレイ状に複数個配列されることで、単一のトランスデューサデータのみでは算出できないトモグラフィー画像の算出や、複数のフォーカススポットの信号データの弁別、それぞれの信号別の補正等を行うことができる。また、ボウルの内側に配置された複数のトランスデューサの受信面と、生体との界面との間に、水や、水に音響インピーダンスが近いゲル状の材質等を配置してもよい。それにより、測定対象の形状に依存することなく、容易に、音響受信機１１０を操作でき、音響波を測定することができる。

音響受信器１１０は、被検体１００に超音波を送信する送信器の機能と、被検体１００の内部を伝搬したエコー波を受信する受信器の機能を備えることが好ましい。これにより、同一領域での信号検知や省スペース化が期待できる。送信器と受信器とを別にしてもよい。また、光音響波とエコー波の受信器とを別にしてもよい。音響受信器１１０は、音響受信器１１０を機械的に移動させるタイプだけでなく、ユーザが手で持って操作するハンドヘルド型でもよい。

（探触子駆動部）
探触子駆動部１３０（駆動手段）は、音響受信器１１０を被検体に対して走査し、既定の三次元空間内で、音響受信器１１０の位置を変更することができる。探触子駆動部１３０は、ステッピングモーターや、ピエゾ素子等からなる。被検体情報取得装置が、操作者に対し、音声や画面表示の形式で揺動のガイド指示を与えることも可能である。また位置の変更方法は、ハンドヘルド探触子であれば、操作者の手技によることも可能である。その場合は、操作者が走査した距離や探触子の角度を把握するためのセンサを有することで、位置等の情報を取得する機構を有する。センサのデータは、音響受信器１１０が信号を検出したタイミングや、その他のトリガから信号を検出したタイミングの情報を補完してデータを推定してもよい。センサは、磁気センサや、赤外線センサ、角度センサ、加速度センサ等である。特に、ハンドヘルド探触子は、操作者の意図をより測定領域に反映しやすくなる観点で好ましい。

（制御装置）
制御装置１４０は、音響受信器１１０より出力されたアナログの電気信号に対して、増幅処理と、デジタル変換処理を施す。制御装置１４０は、増幅器、Ａ／Ｄ変換器、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）チップ、ＣＰＵ等で構成される。ここで、音響受信器１１０が複数のトランスデューサからの複数の受信信号を出力する場合、それらの信号を積算して出力することができる。また複数の受信信号を個別に出力するように設定を変更することもできる。

本発明において、光音響波信号とは、音響受信器１１０から出力されたアナログの時系列の電気信号も、制御装置１４０で処理された時系列の信号も含む概念である。また、超音波信号とは、エコー波を受信した音響受信器１１０から出力されるアナログの時系列の電気信号と、制御装置１４０での処理後の時系列の信号を含む概念である。

制御装置１４０は、パルス光の照射タイミングの制御や、パルス光をトリガ信号とした電気信号の送受信タイミングの制御を行う。制御装置１４０は、探触子駆動部を制御する。具体的には、モーターの動作の開始停止処理、及び光音響波信号受信時の位置制御を行う。また測定時の位置情報の信号の指示の設定を行うこともできる。

（信号処理装置）
信号処理装置１５０は、デジタル信号に基づき被検体内部の情報を生成する。信号処理装置１５０としては、ワークステーション等の情報処理装置が用いられる。後述する補正処理や画像再構成処理等は、あらかじめプログラミングされたソフトウェアにより行われる。ソフトウェアは、本発明の特徴的な処理であるフォーカス画像再構成モジュール１５１と、トモグラフィー画像再構成モジュール１５２を含んでいる。尚、それぞれのモジュールを、信号処理装置１５０とは別の装置として設けてもよい。また信号処理装置１５０は１Ｄ空間、２Ｄ空間、３Ｄ空間のいずれにも信号処理を適用できる。

フォーカス画像再構成モジュール１５１は、光音響イメージングにおいて、フォーカススポットを有した探触子のうち複数の音響受信器１１０で取得された光音響波信号を積算した信号を用いることで、生体内のフォーカススポット近傍の特性情報を算出できる。これを探触子駆動部１３０により音響受信器１１０を移動させて、他の複数の座標点で取得した特性情報をマッピングすることで、特性情報であるフォーカス画像を得ることができる。

トモグラフィー画像再構成モジュール１５２は、光音響波信号を用いて画像再構成を行い、特性情報であるトモグラフィー画像を形成する。画像再構成とは、任意に抽出した受信信号（又は受信信号を任意に重みづけ処理した投影信号）を各再構成ピクセル（ボクセル）に割り当てる（投影する）処理のことである。
また、超音波信号を用いて、被検体の音響インピーダンス分布等の特性情報を生成する。画像再構成アルゴリズムとしては、トモグラフィー技術で既知の手法が実行可能である。例えば、タイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影や、整相加算（ディレイ・アンド・サム）である。再構成の時間を多く使える場合は、繰り返し処理による逆問題解析法等の画像再構成手法を使用してもよい。また、トモグラフィー画像再構成モジュール１５２は、超音波信号に対して、位相を整合するための遅延加算処理や、その後の加算処理を行う。これにより、被検体内での音響インピーダンス等の特性情報や、被検体内での散乱に起因するスペックルパターンデータを形成できる。

また、フォーカス画像再構成モジュール１５１及びトモグラフィー画像再構成モジュール１５２は、それぞれ、ＣＰＵ、ＧＰＵ等の素子や、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の回路から構成される。制御装置１４０と信号処理装置１５０とは、一体化される場合もある。この場合、ワークステーションで行うようなソフトウェア処理ではなく、ハードウェア処理により、被検体の音響インピーダンス等の特性情報や、光学特性値分布を生成できる。制御装置１４０及び信号処理装置１５０は、本発明の処理手段に相当する。

（表示装置）
表示装置１６０（表示手段）は、信号処理装置１５０から出力される光学特性値分布等の特性情報を表示する。表示装置１６０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、メガネ型ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等を使用できる。表示装置１６０は、被検体情報取得装置の本体とは別に提供されていても良い。その時は、取得した被検体情報を、有線又は無線で表示装置１６０に送信してもよい。

（処理フロー）
次に、図２を参照して、被検体情報取得装置により実行される被検体情報取得方法を説明する。尚、制御装置１４０が、制御装置内のメモリに保存された被検体情報取得方法が記述されたプログラムを読み出し、被検体情報取得装置の各構成の作動を制御することにより以下のフローを実行させる。

（Ｓ１００：測定エリアを決定する工程）
この工程では、探触子駆動部１３０が音響受信器１１０を走査する領域を指定する。走査領域は、探触子駆動部１３０が走査できる絶対座標を基準にした領域を指定してもよい。又は、事前に他の画像診断装置等で取得した被検体の情報や、走査領域内にある、被検体の形状や内部状態が観察できる情報をもとに指定してもよい。形状の情報は、デジタルカメラやビデオカメラ等で撮影された画像情報から取得できる。内部状態の情報は、光音響画像、超音波画像、Ｘ線ＣＴ画像、ＭＲＩ画像、ＰＥＴ画像から取得できる。光音響イメージングや超音波イメージングでは、被検体情報取得装置に前述の撮像機能を一体化することができるので、装置部品の共通化ができるためより好ましい。

また、被検体情報画像を表示装置１６０に表示し、操作者が、画像内にＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を任意に選択して設定できることが好ましい。例えば、図４に示すように、表示装置１６０に、事前にトモグラフィー方式で取得して走査領域範囲にある光音響画像４００を表示させたとき、マウスやタッチパネル等の入力機器を用いて、走査領域選択アイコン４２０を設定して、操作者が不明瞭領域４１０に対して領域をマウスで囲む操作や、タッチパネル上を指先等で囲む操作で走査範囲を設定できる。また、原点位置は、装置の校正表や外部装置によって校正されることが望ましいが、測定開始時に指定した点を原点として、測定後算出される特性画像の座標が変更されてもよい。

（Ｓ２００：光音響波信号を取得する工程）
この工程では、音響受信器１１０が、被検体から発生した光音響波を受信し、光音響波信号を生成する。

まず、光源１２０から出射されたパルス光１２２が、光学系１２１を介して被検体１００に照射される。パルス光１２１は、被検体１００内の光吸収体に吸収され、光音響波が発生する。制御装置１４０は、パルス光の出射に同期して、音響受信器１１０にある複数のトランスデューサで光音響波の受信を開始させる。音響受信器１１０から出力された光音響波信号は、制御装置１４０での処理を経て、メモリに格納される。このとき制御装置１４０では、複数の光音響波信号をフォーカススポットごとに積算した信号を出力する。図３を用いて、フォーカススポットについて説明する。音響受信器群３０１と音響受信器群３０２とは、プローブ上の互いに異なる曲率の面上に配置されている。ここで、フォーカススポットとは、音響受信器群の音響受信エリアが重なっている領域を指し、音響受信器群３０１に対しては領域３０３、音響受信器群３０２に対しては領域３０４、を指す。従って、図３の場合は、２つのフォーカススポットを有している。尚、本実施形態においては、本工程を行う回数は１回に限らず、複数回行ってもよい。

（Ｓ３００：フォーカススポットの振幅値を算出する工程）
この工程では、フォーカス画像再構成モジュール１５１が、フォーカススポットごとに積算された光音響波信号のフォーカス領域近傍の振幅値のデータを取得する。光音響波は、信号が発生した地点から球面波として被検体１００内を進行する。フォーカススポットごとに積算された光音響波信号は、それぞれがフォーカススポットから等距離（空間距離）上に配置されたトランスデューサで受信した信号である。よって、フォーカススポット近傍で光音響波信号が発生していれば、その近傍で位相が揃った信号を得ることができる。各トランスデューサが曲率半径Ｒ［ｍ］上に配置されていており、生体内の光音響波の伝搬速度をｃ［ｍ／ｓ］としたとき、フォーカススポットからトランスデューサまで伝搬にかかる時間τはτ＝Ｒ／ｃで算出することができる。伝搬速度ｃは、一般的な生体の場合は１５４０［ｍ／ｓ］が用いられる。従って、フォーカススポットごとに積算された光音響波信号の時間τにあたる振幅値、もしくはサンプリング周波数がｆｓ［Ｈｚ］であったときτ・ｆｓ番目のサンプリング点の振幅値を、フォーカススポットの振幅値として算出する。また、受信信号のトランスデューサの帯域による波形のひずみの影響を少なくするために、積算した光音響波信号は、包絡線検波した信号を使用してもよい。算出した値は、メモリのフォーカススポットの位置座標インデックスに保存する。フォーカススポットが複数点ある場合は、対応する曲率半径Ｒ［ｍ］に従って、それぞれ振幅値を算出し、メモリに保存する。

また、フォーカススポットは、トランスデューサの配置によって１点だけでなく、算出した点を中心にフォーカスが高い領域を複数点算出してもよい。このとき、事前の測定点とデータのインデックスが同じ箇所にデータがメモリに保存されている場合は、事前に設定した方式に従って、保存されているデータと算出したデータの平均値の保存、又は算出したデータによる上書きを行う。

また、操作者がハンドヘルド探触子を手技で移動させて、探触子駆動部１３０を使用しない場合は、メモリに保存する際のインデックス（位置座標）付与のために、音響受信器１１０の位置情報を別途算出する。相対位置座標算出に当たっては、音響受信器１１０に磁気センサを配置し、磁気の変動から位置座標を算出する方法がある。また、音響受信器１１０に光学式のトラックボール等の光学センサを配置し、それに用いる赤外線測定データを利用して位置座標を算出してもよい。尚、Ｓ２００で一旦トランスデューサごとに保存された各信号から振幅値を算出して、その振幅値を積算するように計算の順序は入れ替えてもよい。また、フォーカススポットごとに光音響波信号を積算するとき、被検体内の音速が不均一である場合は、積算の前に特定のフォーカススポットから到達した信号成分の位相が揃うように各トランスデューサに伝搬する音速成分を調整して積算してもよい。もしくは、各トランスデューサに一様な音速を仮定して、フォーカススポットから到達した信号成分の位相が揃う音速を算出してもよい。位相の一致度の判定方法は既存の信号ばらつきを評価するＣＦ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒ）等を使用して、その値が高くなる音速を採用すればよい。

（Ｓ４００：Ｓ２００、Ｓ３００の繰り返し回数を判定する工程）
この工程では、信号処理装置１４０において、Ｓ２００、Ｓ３００での光音響波信号の取得回数が、所定数に達しているかどうかが判定される。所定数に達していなければＳ２００、Ｓ３００を繰り返す。繰り返し回数は、予め探触子駆動部１３０の走査ピッチを設定しておくことから算出される。あるいは、測定開始前に操作者がタッチパネル、キーボード等の入力手段から走査ピッチを入力してもよい。ハンドヘルドタイプの場合は、外部に設置した押しボタンを押し込んでいる間は測定を繰返すように設定する等、測定をしながら繰り返し回数の判断をしてもよい。又は、ハンドヘルド探触子に接触センサを設けておき、操作者がハンドヘルド探触子を被検体に当てている間は測定が行われるようにしてもよい。

（Ｓ５００：次の測定位置に音響受信器を移動する工程）
この工程では、探触子駆動部１３０が、音響受信器１１０を事前にＳ１００で設定された測定エリア内の測定位置に移動する工程。移動動作を終了した後、Ｓ２００を繰り返してもよいし、音響受信器１１０の移動量及び加速度が小さい場合は、移動しながらＳ２００以下の工程を実行してもよい。

（Ｓ６００：音響受信器を初期位置に移動する工程）
この工程では、探触子駆動部１３０が、音響受信器１１０を既定の原点位置に移動させる。

（Ｓ７００：光音響画像情報を表示する工程）
この工程では、フォーカス画像再構成モジュール１５１が、メモリに保存した光音響波の振幅データを、表示装置１６０に画像として表示する。振幅データが三次元データである場合は、レンダリングして３次的に表示してもよいし、各２次元断面のＭＩＰ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）画像を表示してもよい。

＜実施例１＞
本実施例では、同一の音響受信器を用いて、予め撮影されたトモグラフィー画像から、その一部である関心領域を選択し、選択された関心領域をもとに走査領域を指定して、より詳細に関心領域の光音響画像を取得する。処理のフローを図５に示すが、ステップＳ１００以下の処理は、図２に示したものと同様であるため説明は省略する。

音響受信器１１０には、２５６素子のトランスデューサ（大きさはΦ３ｍｍの円形で平板）が、曲率半径５ｃｍのボウル状の支持体に配置されたものを使用した。スキャンピッチは０．１ｍｍとし、走査領域は水平の２次元領域と設定し、音響受信器１１０を水平に走査した際のフォーカスポイントが水平に走査されるように配置した。また、装置構成として、探触子を走査してデータを取得している最中は、探触子走査中に関する表示を画面上に表示し、既定のシーケンス終了後は、データ取得完了のメッセージを表示させるようにした。測定対象は半径０．５〜１ｍｍの光吸収体を散乱体ファントム内に配置したものを使用した。また光吸収体は音響受信器のフォーカスポイントと同じ水平面に設置した。

シーケンス開始後、まず、Ｓ５０１において光音響波信号を取得する。光源１２０から出射されたパルス光１２２が光学系１２１を介して被検体１００に照射される。パルス光１２１は、被検体１００内の光吸収体に吸収され、光音響波が発生する。制御装置１４０は、パルス光の出射を検知して、音響受信器１１０にある複数のトランスデューサで光音響波の受信を開始させる。音響受信器１１０から出力された光音響波信号は、制御装置１４０での処理を経て、それぞれメモリに格納される。

次にＳ５０２において、トモグラフィー画像再構成モジュール１５２は、メモリに格納された光音響波信号を用いて画像再構成を行い、特性情報を形成する。算出された特性情報は表示装置１６０に表示する。このときの表示画面を図６（ａ）に示す。トモグラフィー光音響画像６００には、ランダムに配置された球状の光吸収体が存在するが、不明瞭な形状と背景に筋状の信号が確認できる。

次にＳ１００の工程で、トモグラフィー光音響画像６００から選択領域６０１をマウスでドラッグして操作範囲を決定し、以降の工程を実行した。このときのＳ７００で表示された画面を図６（ｂ）に示す。選択領域６０１の範囲は、フォーカス画像６０２として、予め取得したトモグラフィー光音響画像の隣に表示され、それぞれの領域の差異が認識しやすくなっている。また、フォーカス画像を確認すると、球形状以外の筋状の線がアーティファクトであったことが分かり、明瞭なコントラストが得られており、背景と光吸収体とのコントラスト比は２５ｄＢ程度改善している画像を提示することができた。即ち、本手法により、トモグラフィー光音響画像に比べ、光吸収体の形状をより正確に再現できることが分かる。さらに、共通の音響受信器を用いて画像を形成することができたので、光音響の画像形成にしばしば影響を与える探触子のサイズや帯域の特性等が同じ条件下で、トモグラフィー光音響画像に加え、より詳細なフォーカス画像が得られる。そのため、装置全体として簡略化され、探触子の交換等の時間を必要としない点で効果がある。また本実施例では、トモグラフィー光音響画像の画像範囲に比べて、フォーカス画像の画像領域を小さく指定することができた。つまり、フォーカス画像は各点をスキャンするため測定に時間がかかるが、事前に全領域に対して１／４サイズの注目領域を指定していることで計測時間を１／４にするすることができ、また体動等の影響を抑制した良好な画像を取得することができた。

＜実施例２＞
本実施例では、図７のフローを参照しつつ、ハンドヘルド型の探触子を操作者の手技によって走査してリアルタイムに画像を出力する方法を説明する。

使用したハンドヘルド探触子を、図８を用いて説明する。ハンドヘルド探触子８００には、音響受信器１１０として２５６素子のトランスデューサ８０４（大きさはΦ３ｍｍの円形で平板、）を、曲率半径５ｃｍのボウル状の支持体に配置したものを使用した。フォーカススポットは、ボウルの表面から等距離にあたるボウルの中心の空間に形成される。音響受信器１１０は、被検体に平面上で接触できるように、ボウル内部に音響整合性の良いジェルを充填させた（不図示）。探触子駆動部１３０とハンドヘルド探触子とは着脱可能である。探触子駆動部１３０とハンドヘルド探触子との連結が外された状態で、操作者の手技で走査できるように、ホールド部８０３が設けられている。ホールド部８０３の筐体内部には、磁気センサ８０２を取りつけ、制御装置１４０は、位置情報の取得のために探触子の相対位置座標、角度情報を外部のレシーバで受信し、情報を取得するようにした。レーザの繰り返し周波数は５０Ｈｚのものを使用した。

また、装置構成として、探触子を走査してデータを取得している最中は、探触子走査中に関する表示を画面上に表示し、既定のシーケンス終了後はデータ取得完了のメッセージを表示させるようにした。

まず、Ｓ７０１で、実施例１と同様に事前に取得した光音響トモグラフィー画像を元に関心領域を決める。関心領域は、操作者の手技によって決定されるため、実施例１のように画面上で領域を選択する作業はないが、現在のハンドヘルド探触子のフォーカス位置が表示されている光音響トモグラフィー画像のどの位置にあたるかを、磁気センサ８０２による情報をもとにカーソルで表示した。これによりフォーカス画像の測定開始位置を正確に認識することができた。

Ｓ７０２において、図８の光音響信号取得スイッチ８０１を押すことで、光音響波信号を取得されるシーケンスが開始される。

Ｓ７０３において、Ｓ３００と同様の工程が実行される。

Ｓ７０４において、基準像となる光音響トモグラフィー画像の上から測定したフォーカス光音響像を重畳して表示する。

Ｓ７０５において、ハンドヘルド探触子の光音響信号取得スイッチの接触判定を行い、ボタンが押下されていなければ測定を終了する。

Ｓ７０６において、画面中のフォーカスカーソルアイコンを確認しながら、次の関心地点へプローブを動かす動作を実行する。

測定中の表示画面を図９に示す。基準画像としてトモグラフィー光音響画像９００があり、フォーカス点ごとに画像が更新されたフォーカス光音響画像９０１がその上に重畳して表示されている。これにより、よりアーティファクトの低減された画像箇所をリアルタイムにかつ明瞭に認識できるようになった。また、現在測定中であることを示す撮影中警告アイコン９０３が表示された状態で注意喚起を促す。同時に、現在のフォーカスポイントがトモグラフィー光音響画像９００に対してどこに存在しているかを示すフォーカスカーソルアイコン９０２が表示されていることで次の測定箇所を柔軟に知ることができる。

本実施例によれば、被検体内の関心領域の情報をより自由に操作で得ることができ、よりアーティファクトを低減した画像をリアルタイムに再現できる。

＜実施例３＞
本実施例では、音響受信器の走査点を、関心領域全てにわたって走査せずに、システムの応答から画像を推定して、走査点を生成する方法を説明する。この方法であれば、走査時間が短縮されるため、体動等の影響を抑制した良好な画像を取得することができる。

使用したリング型探触子を、図１０を用いて説明する。リング型探触子１０００には、音響受信器１１０として２５６素子のトランスデューサ１００２（各サイズは０．３５ｍｍ×７ｍｍ）を、曲率半径１．５ｃｍの曲面状の支持体に配置したものを使用した。フォーカススポットは、リング型探触子表面から等距離にあたるリングの中心の空間に形成される。フォーカススポットのエレベーションサイズをさらに小さくして解像度を上げるために、探触子表面には音響レンズを付与した。スキャンピッチは１ｍｍ、走査領域は水平の２次元の１ｃｍ四方の領域と設定し、リング型探触子１０００を水平に走査した際のフォーカスポイントが水平に走査されるように配置した。光源からの光は、導波路を経由して光主射端１００３から被検体１００１に向かって一様に主射光１００４が照射される。測定には、リング型探触子１０００と被検体１００１との間には水を充填し、音響整合を取った。また、被検体１００１内には光吸収体を配置した。

測定フローは図１１に示すが、前記実施例と同様の工程は説明を省略する。

まず、Ｓ１１０１において、リング探触子の原点座標を中心に１ｃｍ四方の領域を関心領域と設定した。

Ｓ１１０２において、Ｓ２００に記載の工程を実行する。Ｓ１１０３において、Ｓ４００に記載の工程を実行する。Ｓ１１０４において、Ｓ５００に記載の工程を実行する。Ｓ１１０５において、Ｓ６００に記載の工程を実行する。Ｓ１１０６において、フォーカス画像再構成モジュール１５１がフォーカススポットごとに積算された光音響波信号から関心領域の画像の再構成を実行する。

光音響の受信信号Ｐｄは、微小な点音源からの発生音圧ｐ_０と探触子に受信されるまでの空間応答Ａのコンボルーションとして表現することができる（式１）。

従って、事前に空間応答Ａに関する情報を得ておくことで発生信号ｐ_０を推定することができる（特開２０１１?１４３１７５参照）。発生音圧ｐは、最小二乗解を用いて推定した（式２）。また、解の取りうる条件としてｐ＞０の制約を加えた。

本実施例のスキャンの各位置に対して検討を重ねた結果、事前情報となる空間応答の情報を算出すると、スキャン位置が近い場合は空間応答が似ているため、全スキャン点のデータを使わなくても十分に画像を再構成できることがわかった。そこで、スキャンした１ｍｍごとのデータをもとに０．１ｍｍピッチの各空間を推定して、発生音圧ｐの画像再構成を行った。この際使用する空間応答は０．１ｍｍを表現することができるサンプリング点で信号を生成した。この方法で再構成した画像を図１２に示す。図１２（ａ）は比較としてトモグラフィー方式で信号データを再構成したものである。それに対して、１２１点スキャンした地点の信号からフォーカスポイントのみの点を画像化したものが図１２（ｂ）となる。点数が少ないため全体的な概要を把握することが困難である。図１２（ｃ）に本実施例での再構成画像を示した。１２１点のスキャン数しか情報は使用していないが、時系列信号をもとに再構成することでほぼ内部の状態を再現していると思われる画像を提示することができている。

最後に得られた画像は、Ｓ１１０７においてＳ７００に記載の工程で表示された。

本実施例によれば、スキャン点数が抑えられることで測定時間の負荷が大幅に低減され、１００００点の以上のスキャンを実施するところを１／１００程度まで抑えることができた。さらに、得られた画像は、空間応答が得られている状態ではコントラストの高い画像を提示することができ、診断能の向上に貢献できる。

１００ 被検体
１１０ 音響受信器
１２０ 光源
１２１ 光学系
１３０ 探触子駆動部
１４０ 制御装置
１５０ 信号処理装置
１６０ 表示装置

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光が照射されることにより、被検体から発生する光音響波を受信して時系列の電気信号に変換する、円弧状に配置された複数の受信手段と、
   前記受信手段を走査させる駆動手段と、
   前記時系列の電気信号を用いて、前記被検体内部の特性情報を取得する処理手段と、を有し、
   前記光源は、複数のタイミングで光を出射し、
   前記受信手段は、前記光の出射に同期した複数のタイミングで光音響波を受信し、
   前記駆動手段は、前記複数のタイミングに同期して、予め指定された領域内で、前記光音響波を受信するように、前記受信手段を走査し、
   前記処理手段は、前記領域内の位置座標と前記複数のタイミングの各々に対応する時系列の電気信号を積算した信号に基づいて、前記特性情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
2. 前記領域は、予め撮影された前記被検体のトモグラフィー画像の一部を選択することにより指定され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. 前記受信手段の受信面は、複数の曲率を有し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。
4. 前記処理手段は、各受信手段の受信面の曲率ごとに信号を積算することを特徴とする請求項３に記載の被検体情報取得装置。
5. 前記受信手段は、曲率を持った支持体の面上に形成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。
6. 前記処理手段は、前記電気信号を積算するときに、空間距離が等しい箇所から伝搬した光音響波に対応する電気信号の位相が一致するように、前記光音響波の音速を調整でき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。
7. 前記処理手段は、画像再構成アルゴリズムが実行可能であ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。
8. 前記受信手段は、前記駆動手段から着脱が可能で、操作者が手技によって位置を制御できるハンドヘルド型であ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。
9. 前記受信手段は、磁気センサ又は光学センサを有し、
   前記処理手段は、前記磁気センサ又は前記光学センサの出力に基づいて、前記複数のタイミングのそれぞれにおける前記受信手段と前記被検体との相対位置座標を検出する
   ことを特徴とする請求項８に記載の被検体情報取得装置。
10. 前記領域内の位置座標を検出する検出手段をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の被検体情報取得装置。