JP2016106960A - 生体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保持部材で被検体を保持したときに、マッチング液が十分に満たされていることを確認してから撮影することができる光音響装置を提供する。【解決手段】音響マッチング液を貯留し、かつ、挿入口に挿入された被検体を保持する保持手段１０２と、撮影指示に基づいて、被検体内で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する複数の探触子１０４と、複数の探触子のうち、少なくとも一部の探触子の指向軸が集まるように複数の探触子を支持する支持体１０６と、取得された電気信号に基づいて、被検体内の特性情報を取得する信号処理手段１０５と、保持手段内に供給された音響マッチング液の水位を検知する検知手段１１０と、検知手段の出力に基づいて、撮影指示を出力する撮影指示手段１１１と、を備える光音響装置。【選択図】図１

Description

本発明は、生体内で発生した音響波を受信することにより生体情報を取得する生体情報取得装置に関する。

光音響イメージングでは、パルス光を被検体である生体に照射し、パルス光のエネルギー吸収により腫瘍等の被検部位で発生した音響波を探触子で受信する。そして探触子から出力される受信信号を解析処理することにより、生体内の光学特性分布を画像データとして取得する。

特許文献１では、保持部材で両側から乳房を保持し、保持部材上を探触子が二次元的に走査しながら音響波を受信する装置について開示されている。探触子を二次元的に走査することで、被検体内の複数位置の特性情報を取得することができる。

また、レーザ装置から複数の波長の光を照射し、得られた音響波からの信号を用いて、光吸収スペクトルが異なる物質の存在比率を算出する技術が研究されている。非特許文献１では、血液中に存在する酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで光吸収スペクトルが異なる点に注目し、複数の波長の光を用いることで血液中の酸素飽和度を算出する手法が記載されている。

特許文献２では、複数の検出素子を被検体側の面が球面の容器上に配置し、さらに被検体の形状に合わせた保持部材を持つことで、分解能を向上させた光音響イメージング装置が開示されている。

特開２０１０−０２２８１２ ＵＳ２０１１／０３０６８６５

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ １４（５），０５４００７

保持部材で乳房を保持したときに、乳房と保持部材との間に隙間が空いてしまうと、その個所の信号は取得できない。そのため、マッチング液で保持部材と乳房との隙間を満たし、信号を取得可能にする必要がある。

しかしながら、従来は保持部材と乳房との隙間をマッチング液で満たしてから、特性情報を取得する手段がなかったため、保持部材に接していない個所の乳房の特性情報を取得することができない可能性があった。

本発明は、上記課題に鑑み、保持部材で被検体を保持したときに、マッチング液が十分に満たされていることを確認してから撮影することで、信号が取得できない範囲を軽減して撮影を可能とすることを目的とする。

被検体を保持する保持手段と光源からの光を被測定物に照明する照明手段を有する光音響装置において、前記光源による光の投入により生じる光音響波を検出するための複数の超音波探触子と、前記複数の探触子の少なくとも一部を、夫々の受信指向性の最も感度の高い方向が交わるように支持する支持体と、前記保持手段内に供給されたマッチング液の量を検知する水位検知手段と前記水位検知手段の判断をもとに撮影を行うかを指示する撮影指示手段とを備えた生体情報取得装置。

本発明によれば、保持部材で被検体を保持したときに、マッチング液が十分に満たされていることを確認してから撮影することで、信号が取得できない範囲を軽減して撮影できる。

本発明に係る生体情報取得装置のブロック図である。 本発明の実施形態に係るフローチャートである。 本発明に係る保持手段を示す模式図である。

本発明において、音響波とは、音波、超音波、光音響波、光超音波と呼ばれる弾性波を含み、受信器は、被検体内を伝播した音響波を受信する。つまり、本発明の生体情報取得装置とは、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た音響波を受信して、被検体内の特性情報を取得する光音響効果を利用した装置を含む。光音響効果を利用した装置の場合、取得される被検体内の特性情報とは、光照射によって生じた音響波の初期音圧や、初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度、吸収係数、組織を構成する物質の濃度等を反映した被検体情報を示す。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度やオキシ・デオキシヘモグロビン濃度などである。また、特性情報としては、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として取得しても良い。つまり、吸収係数分布や酸素飽和度分布等の分布情報を画像データとして取得しても良い。

また、本発明の生体情報取得装置は、被検体に超音波を送信し、被検体内部で反射した反射波を受信して、被検体内の特性情報を取得する超音波エコー技術を利用した装置であってもよい。この超音波エコー技術を利用した装置の場合、取得される特性情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の符号を付して、説明を省略する。

本実施形態では、光音響効果を利用した装置において、被検体保持手段（以下、単に、保持手段）で被検体を保持後、貯留される音響マッチング液（以下、単にマッチング液）が十分に満たされてから、撮影を開始可能にする。

図１は、本実施形態における生体情報取得装置の構成を示すブロック図である。

（支持台）
被検者の一部である被検体（生体）１０１は、本実施形態においては、乳房である。被検者は、伏臥位で、支持台に形成された挿入口に被検体を挿入する。

（保持手段）
保持手段１０２は、光の光路上に位置するため、ポリメチルペンテン等、使用する光に対して高い透過率を有する材料が好ましい。また、厚みを薄くすることで超音波を通過しやすくなることや、有害なノイズを低減することができるため、薄い部材であり、被検体の体重に耐えうる強度を有する部材で構成されることが好ましい。また、探触子１０４との音響整合性が高い部材であることが好ましい。具体的にはＰＥＴフィルムを用いたお椀形の形状のものが考えられる。但し、この形状に限られるものではなく、伸縮性がある膜のようなものを用いてもよい。

（照射ユニット）
生体１０１に対して光を照射する照射ユニット１０３は、光を発生する光源と、光源からの光を被検体へ導き照射する照射部から構成される。光源としては、５３０〜１３００ｎｍの近赤外領域に中心波長を有するパルス光（パルス幅１００ｎｓｅｃ以下）を発生可能な固体レーザが好ましい。なお、計測光の波長は、計測対象とする生体内の光吸収物質（例えばヘモグロビンやグルコース、コレステロールなど）に応じて５３０ｎｍから１３００ｎｍの間で選択される。照射部としては、例えば、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、光を分散・屈折・反射するプリズム、光を伝搬させる光ファイバ、拡散板等からなる。本実施形態では、照射部からの光の出射端は後述の支持体１０６の底部に位置し、走査制御手段１０７により支持体１０６を移動制御することで移動する。

（探触子）
探触子１０４は、音響波を受信して電気信号（受信信号）に変換する複数の素子を備える。探触子１０４の素子としては、圧電現象や光の共振、静電容量の変化を用いた変換素子が用いられる。

（信号処理手段）
信号処理手段１０５は、探触子１０４から入力されるアナログ信号（アナログの受信信号）を増幅する信号増幅部と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部から構成される。信号増幅部では、生体内の深度によらずに均一なコントラストをもつ画像データを得るために、光の照射から音響波が探触子の素子に到達するまでの時間に応じて増幅利得を増減する制御等を行う。また、デジタルの受信信号に対しては、素子の感度ばらつき補正や、物理的又は電気的に欠損した素子の補完処理、記録媒体への記録動作も行う。

（支持体）
支持体１０６は、探触子１０４を支持する面に曲率を有した容器である。探触子は、支持体１０６にスパイラル状に配置することが好ましい。探触子１０４の受信面は、夫々の受信指向軸の最も感度の高い方向が交わるように曲面状に配置され、探触子１０４の受信指向性が交わる点が高分解能を有することが可能となる。支持体１０６内と保持手段１０２との間には、マッチング液を満たし空気層を無くすことで、空気と生体１０１の音響インピーダンスの違いが解消され、超音波信号が検出しやすくする。マッチング液は人体の音響インピーダンスと近く、超音波の減衰が小さいものが好ましい。

（走査制御手段）
走査制御手段１０７は、上述したように、光の出射端と支持体１０６の走査位置を制御する。本実施形態ではステッピングモータなどを搭載し、ＸＹ方向に水平走査可能なものを採用した。

（画像再構成手段）
画像再構成手段１０８は、信号処理手段１０５から出力された信号を用いて、生体１０１内の各位置の光学的な特性情報を示す分布（吸収係数分布や酸素飽和度分布等の特性分布）を画像データとして取得する特性情報取得部である。また、生成した画像データに対して、輝度の調整や歪補正、注目領域の切り出しなどの各種補正処理を適用して、より診断に好ましい画像データを取得してもよい。

（画像表示手段）
画像表示手段１０９は、画像再構成手段１０８より画像データが入力され、得性分布の画像を表示する。

（水位検知手段）
水位検知手段１１０は、保持手段１０２で生体１０１を保持後に、マッチング液の水位を検出し、マッチング液が検体保持手段１０２内に十分に満たされているかを判断する。水位検知手段１１０は、水量計、超音波などを用いた液面計、水位計や、レベルスイッチ等で、測定精度を上げるため複数配置してもよい。保持手段１０２内のマッチング液と水位検知手段１１０が接触するように、水位検知手段１１０は、保持手段１０２内に配置される。本実施形態では、水位検知手段１１０として水位計を用い、図３に示すように、保持手段１０２の最上部に配置した。水位計がマッチング液と接触し、設定水位を検知した場合、撮影を開始することが可能となる。しかしながら、この構成によると生体１０１と水位検知手段１１０とが接触する可能性がある。このとき、水位検知手段１１０が正常に動作しない可能性があるため、接触を回避できるように、水位検知手段１１０が保持手段１０２内において物理的に移動できる構成が好ましい。例えば、保持手段１０２の最上部に位置したまま、保持手段１０２のふちに沿って平面上に移動させてもよい。また、水位検知手段１１０を複数配置して、各水位検知手段の検出値の内、異常な検出値を破棄することにより、接触による誤動作を回避してもよい。さらに、マッチング液と非接触でも保持手段１０２内のマッチング液の水位を検出できる構成の場合、水位検知手段１１０は、支持台の挿入口に配置してもよい。水の界面を検知するようなセンサを用いる場合においても、センサを物理的に移動することにより、水位の検出が可能である。

生体１０１を保持した際に、生体１０１の胸壁側に近い個所までの特性情報を取得できる水位をユーザが手動で水位検知手段１１０に入力することにより、設定水位が設定される。例えば、生体１０１を保持した際に、保持手段１０２からマッチング液がこぼれない限界の位置を設定する。入力方法としては水位検知手段１１０自身に備え付けられているスイッチなどを用いてもよいし、パソコンなどを水位検知手段１１０に取り付けて入力してもよい。この設定された値は水位検知手段１１０において記憶される構成にしてもよい。また、保持手段１０２が交換可能な構成の場合、保持手段１０２の容量が変化することが考えられる。そのとき所望のマッチング液の水位も変わるため、保持手段１０２に応じて、所望の水位が保持手段１０２に取り付けられた水位検知手段１１０へ自動的に入力される構成にしてもよい。

水位検知手段１１０で十分にマッチング液が満たされたことを検出すると、その情報が後述の撮影指示手段１１１に送られ、特性情報の取得（撮影）が開始可能となる。

（撮影指示手段）
撮影指示手段１１１は、ユーザが撮影開始を指示するための入力手段である。マウスやキーボードといったポインティングデバイスに表示装置を組み合わせても良く、ペンタブレットでも良い。また、走査制御手段１０７で走査する領域を、予め指定可能な構成でもよく、生体１０１を参照しながら、随時走査領域を撮影指示手段１１０から指定してもよい。その場合は、ユーザが入力した撮影領域を伝送された走査制御手段１０７では、その撮影領域の音響波を取得できるように、支持体１０６の走査位置を制御する。そして、取得した音響波に基づく受信信号を画像再構成手段１０８において再構成し、画像データとする。

ユーザからの撮影指示を受け付けると走査制御手段１０７では走査を開始し、照射ユニット１０３ではレーザの照射を開始する。撮影を開始するタイミングは、前述の水位検知手段１１０における判定結果をもとに制御される。水位検知手段１１０において、マッチング液が満たされていないときには、ユーザが撮影開始指示を出せない構成にする。具体的には、ユーザが撮影開始の入力を行っても、撮影指示手段１１１で受け付けないようにする。また、撮影不能である旨をユーザに提示する。表示装置を組み合わせている場合には、ＧＵＩ上における、撮影を開始するボタンをユーザが押せないようにしてもよい。逆に、マッチング液が満たされ、水位検知手段１１０から撮影可能である情報を取得した場合には、ユーザからの撮影開始指示を受け付ける。その場合、撮影可能である旨を、表示装置の画面上に表示し、さらに、撮影の残り時間などの情報を表示してもよい。

走査制御手段１０７において、照射ユニット１０３と支持体１０６とを走査することで、より大きな領域を撮影することができる。その走査に時間がかかることで、生体１０１が動く可能性がある。生体１０１が動くことによりマッチング液が保持手段１０２からこぼれた時は、撮影を停止することが好ましい。

本実施形態では、水位検知手段１１０が、保持手段１０２内のマッチング液の水位を監視することで、撮影禁止と撮影許可とが選択される。

保持手段内へのマッチング液の供給（注入）は、ユーザにより手動で行われる。又は、水位検知手段１１０により自動で行われる。その際には、図示しないポンプ等を用いて、水位検知手段１１０の出力に基づいて、保持手段１０２内へのマッチング液の供給や、排出が行われる。

図２は、本実施形態に係る動作のフローを示している。生体１０１を保持手段１０２で保持したところからフローが開始される。

ステップＳ３０１において、ユーザ又は水位検知手段１１０により、保持手段１０２内へのマッチング液の注入が行われる。

ステップＳ３０２で、水位検知手段１１０が保持手段１０２内のマッチング液の水位を検出する。

ステップＳ３０３で、水位検知手段１１０が保持手段１０２内のマッチング液の水位が設定水位であるか否かを判断する。

ステップＳ３０４で、保持手段１０２内のマッチング液の水位が設定水位であった場合、撮影開始可能である通知を撮影指示手段１１１に送る。これにより生体情報取得装置では、撮影を許可した状態に遷移する。このとき撮影指示手段１１１では、何らかの表示を行うなどして、生体情報取得装置において撮影が可能であることをユーザに通知する構成にしてもよい。

ステップＳ３０５で、保持手段１０２内のマッチング液の水位が設定水位でなかった場合、撮影を開始不可能である通知を撮影指示手段１１１に送る。これにより生体情報取得装置では、撮影を禁止した状態に遷移する。

ステップＳ３０６で、撮影を開始する。撮影の開始のタイミングは、撮影が許可された状態に遷移したタイミングで撮影指示手段１１１が自動的に撮影を開始してもよいし、ユーザからの撮影開始指示を受け付けて、撮影を開始してもよい。

ステップＳ３０７で、水位検知手段１１０が、保持手段１０２内のマッチング液の水位を検出する。ここでは撮影時において生体１０１が動くなどして、保持手段１０２内のマッチング液の水位の変動を検出するために保持手段１０２内のマッチング液の水位を検出する。

ステップＳ３０８で、水位検知手段１１０において保持手段１０２内のマッチング液の水位が設定水位を保っているかを判断する。

ステップＳ３０９で、保持手段１０２内のマッチング液の水位が、所定の範囲内で設定水位だった場合、水位検知手段１１０から撮影を継続可能である通知を撮影指示手段１１１に送る。これにより生体情報取得装置では撮影を継続する制御を行う。

ステップＳ３１０で、保持手段１０２内のマッチング液の水位が、所定の範囲以上に、設定水位を上回っていた又は下回っていた場合、水位検知手段１１０から撮影を停止する通知を撮影指示手段１１１に送る。撮影指示手段１１１では、撮影を停止するため、照射ユニット１０３や走査制御手段１０７に撮影停止命令を送り、撮影を停止する。これが検知された場合は、生体情報取得装置では、撮影を禁止した状態に遷移し、ステップを終了する。

ステップＳ３１１で、水位検知手段１１０では撮影が終了しているかを撮影指示手段１１１に問い合わせる。撮影が終了していた場合は、本ステップは終了し、撮影が終了していなかった場合、水位検知手段１１０において保持手段１０２内のマッチング液の水位を検出するステップに戻る。

上記フローに示されるように、保持手段１０２内のマッチング液の水位に基づき、装置の動作が制御される。

１０１ 被検体
１０２ 保持手段
１０３ 照射ユニット
１０４ 探触子
１０５ 信号処理手段
１０６ 支持体
１１０ 水位検知手段
１１１ 撮影指示手段

Claims (4)

1. 被検者を支持し、前記被検者の一部である被検体を挿入する挿入口を有する支持台と、
   音響マッチング液を貯留し、かつ、前記挿入口に挿入された前記被検体を保持する保持手段と、
   撮影指示に基づいて、前記被検体内で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する複数の探触子と、
   前記複数の探触子のうち、少なくとも一部の探触子の指向軸が集まるように前記複数の探触子を支持する支持体と、
   前記電気信号に基づいて、前記被検体内の特性情報を取得する信号処理手段と、
   前記保持手段内に供給された音響マッチング液の水位を検知する検知手段と、
   前記検知手段の出力に基づいて、撮影指示を出力する撮影指示手段と、
   を備えたことを特徴とする生体情報取得装置。
2. 前記検知手段は、前記保持手段に配置されていることを特徴とする請求項１記載の生体情報取得装置。
3. 前記検知手段は、水位計であることを特徴とする請求項２記載の生体情報取得装置。
4. 前記撮影指示手段は、前記音響マッチング液の水位が設定水位でない場合に、撮影不能である情報を、ユーザに提示することを特徴とする請求項１記載の生体情報取得装置。

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