JP2018094279A - 光音響型のカテーテル及び光音響型のカテーテルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】どのような方向に光が照射されても、音響素子の向きを変えずに音波を検出することを課題とする。【解決手段】カテーテル１０１の進行方向に対して、所定の方向に光を照射するように駆動する駆動装置３と、照射された光によって生じた音波を受信する音響素子１と、を有し、音響素子１は、カテーテル１０１の周方向にわたって備えられるとともに、光の進行方向に対して、所定の角度を有する方向に備えられることを特徴とする。さらに、複数の音響素子１がアレイ状に配置されることで、音響素子アレイ１０を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、光音響技術を用いた光音響型のカテーテル及び光音響型のカテーテルシステムの技術に関する。

カテーテルを用いた治療（カテーテル治療）は開胸手術と比較し、患者負担が少ない術式であるため、使用が増大してきている。このようなカテーテル治療において、狭窄部位の特定、ガイドワイヤ留置、術後評価等体内の血管等を可視化するために、Ｘ線造影が用いられている。しかし、Ｘ線造影は、患者及び医者にとって好ましくない。そこで、Ｘ線造影を減らすための可視化技術が求められている。

そのような技術の１つに、カテーテルを用いた血管内３次元撮像技術（カテーテルイメージング法）がある。この技術では、カテーテルを移動させつつ、軸周りに回転させて、カテーテル先端部で撮像を行っていくことで３次元画像を取得することができる。
このようなカテーテルイメージング法が用いられることにより、直感的に優れている３次元的な構造を医師に提供することができる。さらに、このような技術を用いることで、カテーテル留置操作をサポートすることができる。ここで、現状のカテーテルイメージング法では、カテーテル軸周りの回転に１８００ｒｐｍ程度のモータを用いている。ここで、モータは、カテーテル自体をカテーテル軸と垂直方向に回転するものである。すなわち、モータは、カテーテル自体をねじれる方向に回転させる。

この回転速度は、平面撮像時では十分なフレームレートを得ることができるが、立体撮像におけるリアルタイム３次元撮像には不十分である。すなわち、平面撮像と比較して多くの画像を取得する立体撮像では、前記した回転速度では撮像に時間がかかってしまう。

また、光や音波を用いて血管内を可視化するカテーテルイメージング法として、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography；光干渉断層）撮像、ＩＶＵＳ（Intravascular Ultrasound；血管内超音波）撮像、ＩＶＰＡ（Intravascular Photoacoustic；血管内光音響）撮像等がある。これら３つの手法は、３次元撮像について別個の課題を有する。

特許文献１には、「外部シース３１は、管腔に挿入される。外部シース３１の内部は液体で満たされており、内部シース３２は、その外部シース３１内を管腔の延在方向に沿って移動可能である。内部シース３２内には、超音波検出器２１と、例えばレンズ２２及びミラー２３で構成される光照射部とが配置される。外部シース３１は、外部シースの外側に存在する液体をろ過するフィルタ２４、２５を有する」カテーテル型光音響用プローブが開示されている（要約参照）。

特開２０１３−２２１７１号公報

カテーテルイメージング法におけるカテーテルの回転速度を上げるための技術として、光ファイバスキャン技術がある。光ファイバスキャン技術とは、光ファイバの先端が制御されることで、光ファイバの先端からの光の射出向き（撮像向き）を制御する技術である。これにより、カテーテル自体を回転させなくても、光ファイバの先端から射出される光の向きを変えることができる。

信号の送受が光で行われる場合、光ファイバスキャン技術単独で、リアルタイム３次元撮像が可能である。しかし、特許文献１に記載されているようなカテーテル型光音響用プローブ（カテーテル）では、観察対象（生体）に照射された光によって生じる音波が音響素子で検出される。なお、特許文献１に記載されているカテーテルでは、音響素子は１つしか設けられていない。そのため、特許文献１に記載されているようなカテーテル型光音響用プローブ（カテーテル）は、音響素子を光を照射する方向に傾けなければならない。すなわち、ファイバスキャン技術で、カテーテル自体を回転させることなく、光ファイバの先端から射出される光の向きを変えられたとしても、音響素子が１つしか備えられていないため、音響素子を射出された光によって生じる音波の飛来方向へ向ける必要がある。すなわち、結局、カテーテル自体を回転させる必要がる。
このように、特許文献１に記載されているような光音響技術は光ファイバスキャン技術との相性が悪い。

すなわち、ファイバスキャン技術と、光ファイバの口径より一桁大きい音響素子の受信方向を変化させる技術とを用いると、カテーテルの径自体が数ｍｍオーダとなってしまう。このような径は、実臨床では大きなデメリットとなってしまう。
つまり、光音響技術では、光を照射した方向に音響素子を向けることになる。しかし、光ファイバスキャン技術を用いて音響素子の向きを変えようとすると、音響素子自体の大きさが大きいことに加えて、音響素子の向きを変えるための機構が必要となる。すると、カテーテル自体の径が大きくなってしまう。

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、どのような方向に光が照射されても、音響素子の向きを変えずに音波を検出することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明は、カテーテルの進行方向に対して、所定の方向に光を照射するように駆動する駆動部と、前記照射された光によって生じた音波を受信する音響検出部と、を有し、前記音響検出部は、前記カテーテルの周方向にわたって備えられるとともに、前記光の進行方向に対して、所定の角度を有する方向に備えられることを特徴とする。
その他の解決手段については実施形態中に記載する。

本発明によれば、どのような方向に光が照射されても、音響素子の向きを変えずに音波を検出することができる。

第１実施形態で用いられるカテーテルの先端部の構成を示す図である。 カテーテルの先端部における光照射機構を示す図である。 第１実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムの構成を示す機能ブロック図である。 第１実施形態で用いられる画像生成装置のハードウェア構成例を示す機能ブロック図である。 第１実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態で用いられる音響素子アレイのグループを示す図である。 音響素子のグループ化のパターン例を示す図（その１）である。 音響素子のグループ化のパターン例を示す図（その２）である。 第２実施形態で用いられる画像生成装置のハードウェア構成例を示す機能ブロック図である。 第２実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。 第３実施形態で用いられる音響素子アレイのグループを示す図である。 入力音波波形及び各グループにおける信号波形を示す図である。 第３実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。 シミュレーション条件を示す図である。 音源から出力される音波波形を示す図である。 音響素子１Ａ〜１Ｄにおける検出信号の波形を示す図である。 第２実施形態で示すグループのシミュレーション結果を示すものである。 第３実施形態で示すグループのシミュレーション結果を示すものである。 第２実施形態で用いられる手法及び第３実施形態で用いられる手法におけるＤｅｌａｙ＆Ｓｕｍの結果を示す図である。 第４実施形態で用いられるカテーテルの先端部の構成を示す図である。 第４実施形態で用いられるカテーテルの先端部の別の構成例を示す図である。 第５実施形態で用いられるカテーテルの先端部の構成を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は、カテーテルの光音響技術に関する発明である。ちなみにカテーテルとは、医療用（主に血管内部の観察）に用いられる、直径０．５〜３ｍｍ程度の管である。

［第１実施形態］
（カテーテル先端部）
図１は、第１実施形態で用いられるカテーテルの先端部の構成を示す図である。図２は、カテーテルの先端部における光照射機構を示す図である。
光音響型のカテーテル１０１（以下、単にカテーテル１０１と称する；カテーテル部）はカテーテル１０１自身の周囲（カテーテル１０１の軸周り）にアレイ状の音響素子（音響検出部）１を備えている。すなわち、音響素子１はアレイ状に配置されることで音響素子アレイ１を構成している。カテーテル１０１内部に備えられた光ファイバ（光ファイバ部）２から射出された光が、生体である観察対象Ｂに照射されると、観察対象Ｂが熱を放出し、その結果、観察対象Ｂが体積膨張する。この体積膨張の結果、生じる音波を音響素子１が検出する。つまり、音響素子１は照射された光によって生じた音波を受信する。
なお、図１では音響素子１をドットで示している。

まず、以下において、第１実施形態で用いられるカテーテル１０１における光照射機構について説明する。
カテーテル１０１において、信号光は光ファイバ２によって、レーザ生成装置（光源部）１０４（図３参照）から伝達される。駆動装置（駆動部）３は、図２に示すように、例えば円筒状の４極ＰＺＴ素子（以下、単にＰＺＴ素子と称する）のような圧電素子が用いられるのが好ましい。図２に示すようにＰＺＴ素子において対向する電極間に、導線Ｄを介して電位差を与えることで、その方向にＰＺＴ素子が屈曲される。対向する２対の電極に与える電圧を正弦波とし、その位相をπ／２だけずらすことによって、ＰＺＴ素子中に通した光ファイバ２の先端を図２の符号ｒで示すように回転させることができる。なお、光ファイバ２の回転半径（図２の符号ｒで示される回転の半径）はＰＺＴ素子に与えられる正弦波電圧の振幅によって制御される。
このようにして、駆動装置３は、カテーテル１０１の進行方向に対して、所定の方向に光を照射するように駆動する。

また、図１、図２に示すように、カテーテル１０１は、駆動装置３に対してカテーテル１０１の先端側に反射ミラー（ミラー部）４を備えている。反射ミラー４は、光ファイバ２の光射出端（以降、先端と称する）の近傍に備えられている。そして、反射ミラー４は、中空の（図２における中空部Ｈｏを有する）円錐台形状を有している。反射ミラー４の周囲は金属等がコーティングされることで、図２に示す反射部Ｒｆが形成されている。
なお、図１では、反射ミラー４の側面の全面に反射部Ｒｆが形成されているが、これに限らない。光ファイバ２の先端から射出された光が照射される部分のみに反射部Ｒｆが形成されていたり、反射ミラー４の側面の一部に反射部Ｒｆが形成されない構成としたりしてもよい。反射ミラー４の形状を円錐台形状とすることで、光ファイバ２の先端から射出された光を側方へ光を反射することができる反射ミラー４を容易に作成することができる。また、反射ミラー４が中空部Ｈｏを有することで、ファイバ１１の先端から射出された光が中心部を透過（通過）して直進することができる反射ミラー４を容易に作成することができる。

光ファイバ２の先端から射出される光は、その光ファイバ２に固有の角度で発散する。そのため、図１に示すように、観察対象Ｂへの集光を行うレンズ８が設けられている。すなわち、レンズ８は、光ファイバ２が反射ミラー４の反射部Ｒｆに向かうよう屈曲させられているときに、光が反射ミラー４の反射部Ｒｆの方向に進むよう光を屈曲させ、さらに、反射ミラー４で反射された光が観察対象Ｂにほぼ集光するような、屈折率及び曲率半径を有する凸レンズである。このようなレンズ８が設けられることによって、光が反射ミラー４の方向に進むよう光を屈曲させ、さらに、観察対象Ｂにほぼ集光するよう（少なくとも観察対象Ｂ近傍に集光するよう）、光を屈折させることができる。そして、レンズ８に対してカテーテル１０１の先端側に、前方と側方との観察を切り替えるための反射ミラー４が設けられている。
また、光が反射ミラー４の中空部Ｈｏを通って前方へ進む場合、レンズ８によって光が観察対象Ｂへ集光する。

図１に示すように、これらの素子類はカテーテル１０１の機械的特性を担うカバー５（７）で覆われているが、光を透過させる部分のカバーは透明な樹脂（透明カバー６（７））等で形成される。

（動作概要）
次に、主に図２を参照して、カテーテル１０１の先端部における光照射機構の動作概要を示す。
なお、図２では、カテーテル１０１先端部の構成のうち、動作を説明するのに必要な最小限の構成のみを示す。具体的には、音響素子アレイ１０を省略し、カバー５及び透明カバー６を省略してカバー７としている。さらに、図２では、駆動装置３が簡略化した図形として示されている。
カテーテル１０１の側方を観察する場合、駆動装置３は太い破線で示すように光ファイバ２を駆動装置３（ＰＺＴ素子）で大きく屈曲させる。ここで、「大きく屈曲させる」とは、光ファイバ２の先端から射出された光が、レンズ８を介して、反射ミラー４の側面（反射部Ｒｆ）に照射されるような角度に屈曲されるという意味である。この状態の光ファイバ２から射出された光は、細い破線Ｐｈ２に示されるように、レンズ８で平行光になった後、反射ミラー４の側面に設けられた反射部Ｒｆで反射され、カテーテル１０１の側方へ照射される。
なお、図２において太い破線は、前記のように駆動装置３によって屈曲された光ファイバ２を示している。

一方、カテーテル１０１の前方を観察する場合、駆動装置３は光ファイバ２を小さく屈曲、又は、まったく屈曲させない。ここで、「小さく屈曲させる（屈曲させない）」とは、光ファイバ２の先端から射出された光が、レンズ８を介して、反射ミラー４の中空部Ｈｏの内側を通る程度に屈曲されるという意味である。この状態の光ファイバ２から射出された光は、符号Ｐｈ１に示されるように、レンズ８で集光された後、反射ミラー４の中空部Ｈｏを抜け、カテーテル１０１の前方へ照射される。

すなわち、光ファイバ２の先端が符号ｒで示されるように回転する場合、そして、その回転半径（曲率）が一定以上の場合、光ファイバ２の先端から射出された光は反射ミラー４の反射部Ｒｆで反射される（符号Ｐｈ２)。その結果、カテーテル１０１の周囲について円形状に観察される（符号Ｒ２）。
一方、光ファイバ２の先端の回転半径（曲率）が一定未満の場合、光ファイバ２の先端から射出された光は反射ミラー４の中空部Ｈｏを抜けて、前方へ照射される（符号Ｐｈ１）。

このようにすることで、光ファイバ２の先端から射出された光が反射ミラー４の反射部Ｒｆで反射されない場合、射出された光はカテーテル１０１の前方へ照射される。また、光ファイバ２の先端から射出された光が反射ミラー４の反射部Ｒｆで反射される場合、射出された光はカテーテル１０１の側方へ照射される。このように、カテーテル１０１を交換することなく前方、側方の観察を切り替えることが可能となる。
なお、光が前方へ照射される場合、符号Ｒ１に示すように、観察対象Ｂ（図１参照）に対して渦巻状に光が照射されるよう、光ファイバ２の先端の回転半径が変化することが望ましい。
図２に示すように、光ファイバ２の先端を回転させることで、光の照射方向を制御することを光ファイバスキャン制御、又は、単にスキャンという。

図１の説明に戻る。
前記したように、カテーテル１０１の周囲には音響素子１がアレイ状に備えられている（音響素子アレイ１０）。音響素子１の数は、１つのカテーテル１０１（音響素子アレイ１０）につき、１〜１２００個程度である。音響素子１が１つの場合、カテーテル１０１周囲に筒状の音響素子１が１つ備えられる。なお、図１の構成は、カテーテル１０１の側方で生じる音波を検出する構成である。このように、音響素子１は、カテーテル１０１の周方向にわたって備えられるとともに、光の進行方向に対して、所定の角度を有する方向に備えられる。

このように、アレイ状の複数の音響素子１をカテーテル１０１側面に備えることで、カテーテル１０１側面の全面で音波を受信することが可能となる。これにより、音響素子１を光照射方向（音波の飛来方向）に向ける必要がなくなり、光音響技術に用いられるカテーテル１０１の小型化を実現することができる。

（システム）
図３は、第１実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムの構成を示す機能ブロック図である。
光音響カテーテルシステム（カテーテルシステム）１１０は、カテーテル１０１、画像生成装置１０２、表示装置１０３、レーザ生成装置１０４、スキャン制御装置１０５、同期信号発生装置１０６を有している。
カテーテル１０１及びカテーテル１０１を構成する音響素子１、光ファイバ２、駆動装置３については、図１及び図２で説明済みであるので、ここでの説明を省略する。
画像生成装置１０２は、カテーテル１０１における音響素子１から取得した検出信号を基に、画像を再構成し、再構成した画像を表示装置１０３に表示する。

レーザ生成装置１０４は、レーザを発信し、光ファイバ２に発信したレーザを導入する。なお、発信されるレーザは、パルスレーザが好ましい。
スキャン制御装置１０５は、図２で説明した光ファイバ２のスキャン動作を制御する。
同期信号発生装置１０６は、レーザ生成装置１０４と、スキャン制御装置１０５とを同期させ、その同期信号を画像生成装置１０２へ送る。画像生成装置１０２は、この同期信号によって、光ファイバ２のスキャンがどのような状態のときに、どのレーザが発信されたかを管理することができる。さらに、音響素子１は、取得した検出信号が、どの方向にレーザが射出された時のものかを管理することができる。なお、同期信号発生装置１０６は、レーザ生成装置１０４に組み込まれていることが多い。

スキャン制御装置１０５は、同期信号に従って駆動信号を駆動装置３へ送ることにより駆動装置３を駆動させる。さらに、スキャン制御装置１０５は、駆動装置３へ送った駆動信号を画像生成装置１０２へ送る。

（画像生成装置）
図４は、第１実施形態で用いられる画像生成装置のハードウェア構成例を示す機能ブロック図である。適宜、図３を参照する。
画像生成装置１０２は、メモリ２０１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０２、ＨＤ（Hard Disk）等の記憶装置２０３、入力装置２０４、通信装置２０５を有している。
入力装置２０４は、キーボードやマウス等である。通信装置２０５は、音響素子１からの検出信号を受信したり、同期信号発生装置１０６から送られる同期信号を受信したりする。

メモリ２０１は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等である。記憶装置２０３に格納されているプログラムがメモリ２０１にロードされ、ＣＰＵ２０２がロードされたプログラムを実行することにより、処理部２１０及び処理部２１０を構成する画像生成部２１１、表示処理部２１２が具現化している。
画像生成部２１１は、音響素子１から受信した検出信号と、同期信号発生装置１０６から受信した同期信号とを基に、画像の再構成を行う。
表示処理部２１２は、再構成した画像を表示装置１０３に表示させる。

（フローチャート）
図５は、第１実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。
まず、同期信号発生装置１０６が同期信号を発信する（Ｓ１０１）。レーザ生成装置１０４、スキャン制御装置１０５、画像生成装置１０２の画像生成部２１１のそれぞれが同期信号を受信する。
スキャン制御装置１０５は、光ファイバスキャン制御信号を駆動装置３に送信する（Ｓ１０２）。光ファイバスキャン制御信号は、具体的には、駆動装置３のＰＺＴ素子の電極へ送る正弦波電圧である。
駆動装置３は、受信した信号に従った振幅と位相で回転する（Ｓ１０３）。駆動装置３の回転に従って光ファイバ２も回転する。

レーザ生成装置１０４は、レーザを生成し、光ファイバ２に生成したレーザを発信する（Ｓ１０４）。
レーザが光ファイバ２の先端に到達すると、光ファイバ２の先端からレーザが射出される（Ｓ１０５）。射出されたレーザは、反射ミラー４の反射部で反射され、観察対象（生体）に照射される。

レーザを照射された観察対象は熱膨張を生じ、その膨張によって観察対象は音波を発生する（Ｓ１０６）。
音響素子１は、発生した音波を受信する（Ｓ１０７）。音響素子１は、検出信号を画像生成装置１０２へ送信する。
画像生成装置１０２の画像生成部２１１は、音響素子１から検出信号を受信する（Ｓ１０８）とともに、同期信号発生装置１０６とスキャン制御装置１０５とから光照射方向情報を取得する（Ｓ１０９）。光照射方向情報には、同期信号発生装置１０６から取得する同期情報と、スキャン制御装置１０５から取得する光ファイバスキャン制御情報（すなわち、駆動装置３の電極へ送る正弦波電圧の位相情報）とが含まれている。
画像生成部２１１は、光照射方向情報に含まれる同期信号からステップＳ１０９で取得したステップＳ１０８で受信した検出信号は、駆動装置３の電極へ送る正弦波電圧が、どのような位相のときに射出された光に由来するものであるかを特定する。駆動装置３の電極へ送る正弦波電圧の位相により、駆動装置３の動作が特定でき、光ファイバ２の先端の方向も特定できる。このようにして、画像生成部２１１は、光の照射方向（音波の飛来方向）を特定する。

そして、画像生成装置１０２の画像生成部２１１は、ステップＳ１０８で受信した検出信号と、ステップＳ１０９で受信した光照射方向情報とを基に、画像の再構成処理を行う（Ｓ１１０）。
なお、画像の再構成の際に、音波の発生源と、音響素子１の各位置との距離を考慮したＤｅｌａｙ＆Ｓｕｍ技術が用いられてもよい。
そして、表示処理部２１２は、ステップＳ１１０で再構成した画像を表示装置１０３に表示する（Ｓ１１１）。

第１実施形態に示すように、音響素子１がカテーテルの周方向（光ファイバ２の軸周り）にわたって備えられるとともに、光の進行方向に対して、所定の角度を有する方向に備えられることで、どの方向から音波が飛来しても、その音波を検出することができる。すなわち、第１実施形態に示すカテーテル１０１によれば、どのような方向に光が照射されても、音響素子１の向きを変えずに音波を検出することができる。
さらに、複数の音響素子１がカテーテル１０１の周方向にわたって備えられることにより、音響素子１毎に検出信号を処理できるので、検出解像度を向上させることができる。

そして、音響素子１は、カテーテル１０１の側面の周方向にわたって備えられることで、カテーテル１０１の側方に照射された光に由来する音波を検出することができる。

また、カテーテル１０１は、駆動装置３、反射ミラー４を有することで、高速なスキャンを可能とするとともに、側方と、前方との観察を切り替えることができる。

［第２実施形態］
次に、図６〜図１０を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態において、光音響カテーテルシステム１１０の構成は図３に示すものと同様であるので、ここでの説明を省略する。また、第３実施形態の説明において、適宜、図１〜図３を参照する。
第２実施形態では、音響素子１をグループ化する。
（音響素子アレイ）
図６は、第２実施形態で用いられる音響素子アレイのグループを示す図である。
図６では、２０個の音響素子１を備えた音響素子アレイ１０をカテーテル１０１（図１参照）軸方向からみた模式図である。
図６において、同じハッチングで示されている音響素子１は、同一の配線でまとめられる。図６では、黒で塗りつぶした音響素子１のグループの配線Ｄａのみを示している。その他のハッチングが施されている音響素子１のグループも同様に配線が共通化されている。
このように、第２実施形態では、図６において同じハッチングで示されている音響素子１同士でグループ化されており、同じグループに属する音響素子１の配線は共通となっている。図６では、２０個の音響素子１が５つのグループに分けられている。

このようにすることにより、配線数を減少させることができ、カテーテル１０１を細径化することができる。

このとき、グループ化は以下の規則によって行われる。
各音響素子１は、少なくとも隣り合わないように配置されている。具体的には、音響素子１の数をＮ、グループの数をｎとするとき、（Ｎ／ｎ）−１個おきに同じグループの音響素子１が存在する
さらに具体的には、音波の飛来方向（光の照射方向）に近い方向を向いている音響素子１と、異なる方向を向いている音響素子１をグループ化している。具体的には、図６において、同じハッチングが付されている音響素子１ａ〜１ｄは、同一のグループに属している。図６の実線矢印の方向から音波Ｆが来た場合、音響素子１ａは、その音波Ｆを強く検出するが、他の音響素子１ｂ〜１ｄに示す音響素子１は、音波Ｆの来る方角からずれているので、信号強度は小さい。従って、音響素子１ａ〜１ｄをグループ化し、配線を共通としても、音波Ｆの方向がわかっていれば、音波Ｆを検出した音響素子１を特定することができる。音波Ｆの方向は、光ファイバスキャン制御の管理より容易にわかる。

また、音響素子１ｅや、音響素子１ｆは、音波Ｆに対して、音響素子１ａと同程度の信号強度となる。従って、音響素子１ａ，１ｅ，１ｆを同一のグループとして、配線を共通にしてしまうと、音波Ｆの方向がわかっていても、各音響素子１の検出信号が重複してしまい、音響素子１ａ，１ｅ，１ｆのうち、どの音響素子１がどのような検出信号を送ったのかがわからなくなる。
従って、音響素子１ａ，１ｅ，１ｆは同じグループとはしない。

このように、ある方向から来る音波Ｆに対して、信号強度が大きい音響素子１と、信号強度が小さい音響素子１との配線を共通とすることで、音響素子１のグループ化を行う。
ちなみに、カテーテル１０１の直径は、０．５〜３ｍｍ程度、配線の直径は０．１ｍｍ程度、光ファイバ２の直径は０．１〜０．２ｍｍ程度である。

（グループ化のバリエーション）
図７及び図８は、音響素子のグループ化のパターン例を示す図である。
ここで、図７及び図８では、１６個の音響素子１が備えられている音響素子アレイ１０をカテーテル１０１の軸方向からみた場合の模式図である。
図７は、１６個の音響素子１を２つのグループにしたものを示しており、図８は、４つのグループにしたものを示している。図７及び図８において、「Ａ」で示されている音響素子１は同一のグループに属しており、「Ｂ」で示されている音響素子１は同一のグループに属している。「Ｃ」〜「Ｈ」についても同様である。

１つのカテーテル１０１における音響素子１の数Ｎは、前記したように１〜１２００等様々であるが（図７及び図８の例ではＮ＝１６）、信号強度が大きい音響素子１と、信号強度が小さい音響素子１とを同じグループとすることから、図７及び図８に示すようにグループは点対象で行われる。

ここで、グループのパターンとして、３６０°／ｎだけパターンが考えられる。ｎはグループの数であり、ｎ＝２〜Ｎ／２（Ｎは、音響素子アレイ１０における音響素子１の数、図７及び図８の例ではＮ＝１６）である。このとき、配線数はＮ／ｎ本となる。例えば、図７に示すグループ化では、本来１６本ある配線が最終的に８本にまで減少し、図８に示すグループ化では最終的に４本にまで減少する。

例えば、以下のようなグループ分けが考えられる。
３６０°／２＝１８０度ごと（２グループ）：図７に相当
３６０°／３＝１２０度ごと（３グループ）
３６０°／４＝９０度ごと（４グループ）：図８に相当
３６０°／５＝７２度ごと（５グループ）
３６０°／６＝６０度ごと（６グループ）
・・・

第２実施形態では、同じグループに属する音響素子１の配線を単純に共通化しているため、画像生成装置１０２ａ（図９参照）へ送られる信号は、グループに属している音響素子１の信号が加算された信号となる。しかし、前記したように、光の照射方向（音波の飛来方向）に近い方向を向いている音響素子１と、異なる方向を向いている素子をグループとすることで、同じグループに属している音響素子１の信号の干渉度は低くなる。

（画像生成装置）
図９は、第２実施形態で用いられる画像生成装置のハードウェア構成例を示す機能ブロック図である。
図９において、図４と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図９に示す画像生成装置１０２ａにおいて、図４に示す画像生成装置１０２と異なる点は、メモリ２０１において、信号処理部２１３が処理部２１０ａを構成するものとしてＣＰＵ２０２によって実行されている点である。すなわち、図４に示す画像生成装置１０２と、図９に示す画像生成装置１０２ａの違いは信号処理部２１３の有無である。
信号処理部２１３は、各グループ（各配線）における主成分の検出信号を特定する。

（フローチャート）
図１０は、第２実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。なお、図１０において、図５と同様の処理については、同一のステップ番号を付して、説明を省略する。
ステップＳ１０８で画像生成装置１０２ａは、検出信号を受信するとともに、ステップＳ１０９で、同期信号発生装置１０６とスキャン制御装置１０５とから光照射方向情報を取得する。その後、画像生成装置１０２ａの信号処理部２１３は、各グループ（各配線）における主成分の検出信号を特定する（Ｓ２０１）。信号処理部２１３は、各グループで最も早い時刻の信号や、最も信号強度の大きい信号を主成分の検出信号とする。

そして、画像生成装置１０２ａの画像生成部２１１は、ステップＳ２０１で特定した各グループにおける主成分の検出信号と、ステップＳ１０９で受信した光照射方向情報とを基に、画像の再構成処理を行う（Ｓ１１０）。
そして、表示処理部２１２はステップＳ１１１の処理を行う。

第２実施形態によれば、音響素子アレイ１０を構成している音響素子１のうち、所定の音響素子１をグループ化し、同じグループに属している音響素子１の配線を共通とすることで、配線数を減らすことができる。これにより、カテーテル１０１の細形化を実現することができる。

さらに、第２実施形態では、光の照射方向に近い方向を向いている音響素子１と、異なる方向を向いている音響素子１をグループ化している。つまり、複数の音響素子１は、グループを形成しており、同一のグループに属する音響素子１の配線が、１つの配線にまとめられている。このようにすることで、カテーテル１０１の細径化を可能とすることができる。

また、第２実施形態では、少なくとも同じグループに属する音響素子１は、隣りあわないように配置される。これにより、配線を共通化しても、同一グループ内で音響素子１の検出信号が干渉することがなくなる。
さらに、音響素子１の数をＮ、グループの数をｎとするとき、（Ｎ／ｎ）−１個おきに同じグループの音響素子１が存在するよう、音響素子１が配置される。このようにすることで、同一グループ内における検出信号の非干渉性を高めることができる。
そして、少なくとも同じグループに属する音響素子１は、隣りあわないように配置されている状態で、グループで検出された検出信号が加算されることにより、配線や、処理の負荷を軽減することができる。

また、配線数を減らす手法として、音響素子１毎に遅延時間を計算することで、配線数を減らすチャネルリダクションＩＣ（Integrated Circuit）が備えられることが考えられる。しかしながら、カテーテル１０１をディスポーザブルなデバイスと考えると、コスト面で好ましくない。

これに対して、第２実施形態に示すカテーテル１０１によれば、チャネルリダクションＩＣを備えることなく、配線数を減らすことができる。

［第３実施形態］
次に、図１１〜図１３を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態において、光音響カテーテルシステム１１０の構成は図３に示すものと同様であり、画像生成装置１０２ａの構成は図９に示すものと同様であるので、ここでの説明を省略する。また、第３実施形態の説明において、適宜、図１〜図３、図９を参照する。
（音響素子アレイ）
図１１は、第３実施形態で用いられる音響素子アレイのグループを示す図である。
図１１では、１６個の音響素子１を備えた音響素子アレイ１０をカテーテル１０１の軸方向からみた模式図である。
グループ化の方法は、図８に示す方法と同じであり、１６個の音響素子１を第２実施形態で説明した方法でグループ化している。
ただし、図１１では、一部の音響素子１における信号を反転させている。図１１において、「Ａ−」、「Ｃ−」と記載されている音響素子１が信号を反転している音響素子１である。また、「Ａ＋」、「Ｂ＋」、「Ｃ＋」、「Ｄ＋」と記載されている音響素子１は信号が反転しない音響素子１である。信号の反転は、信号処理部２１３が、信号が反転している音響素子からの検出信号を反転させることで、容易に実現可能である。どの検出信号が、信号が反転している音響素子からの検出信号であるかは、遅延時間等を基に処理部２１３が特定する。
なお、矢印Ｆ０〜Ｆ２については後記する。
図１１に示すように、信号を反転させる音響素子１を設置することで、ノイズをキャンセルすることができる。図１２を参照して、このことを説明する。

（信号波形）
図１２は、入力音波波形及び各グループにおける信号波形を示す図である。
図１２に示される波形はいずれも横軸が時間を示し、縦軸が音圧（グラフＧ０）又は信号強度（グラフＧ１〜Ｇ４）を示している。
図１１に示すように、音響素子１が配置され、矢印Ｆ０の方角から図１２の波形Ｇ０に示すような音波が音響素子アレイ１０に入力されるものとする。

図１２の波形Ｇ１はグループ「Ａ」のグループから画像生成装置１０２ａに送られる波形である。同様に、図１２の波形Ｇ２はグループ「Ｂ」のグループから画像生成装置１０２ａに送られる波形であり、波形Ｇ３はグループ「Ｃ」のグループから画像生成装置１０２ａに送られる波形であり、波形Ｇ４はグループ「Ｄ」のグループから画像生成装置１０２ａに送られる波形である。

なお、波形Ｇ０を示すグラフでは、横軸が音源からの距離、縦軸が音圧を示している。また、波形Ｇ１〜Ｇ４を示すグラフでは、横軸が時間、縦軸が音圧を示している。
波形Ｇ１における符号Ｗ１及び波形Ｇ３における符号Ｗ３は信号が反転される音響素子１における検出信号である。

そして、波形Ｇ１の信号と、波形Ｇ２の信号とを足し合わせると、波形Ｇ１における符号Ｗ１の信号と、波形Ｇ２における符号Ｗ２の信号とがキャンセルしあう。そして、符号Ｗ１１の信号と、符号Ｗ１２の符号とが強めあう。
同様に、波形Ｇ３の信号と、波形Ｇ４の信号とを足し合わせると、波形Ｇ３における符号Ｗ３の信号と、波形Ｇ４における符号Ｗ４の信号とがキャンセルしあう。そして、符号Ｗ１３の信号と、符号Ｗ１４の符号とが強めあう。

さらに、Ｄｅｌａｙ＆Ｓｕｍを行って、すなわち、波形Ｇ１，Ｇ２の信号を波形Ｇ３，Ｇ４の信号と重なるよう遅らせて、波形Ｇ１〜Ｇ４を足し合わせると、符号Ｗ１〜Ｗ４の信号は互いにキャンセルしあい、符号Ｗ１１〜Ｗ１４の信号が強められる。
このように、第３実施形態に示すカテーテル１０１は、各グループで検出された検出信号を加算する際、各グループにおいて最初に検出した検出信号の後に検出した検出信号がキャンセルされるよう、検出信号が反転される音響素子１が存在するグループを有する。

また、例えば、図１１の矢印Ｆ１から音波が飛来している場合、図１１の符号３０１の方向が矢印Ｆ１の方向となるよう、信号処理部２１３が「＋」、「−」の符号の組み合わせを変更する。このような処理は、カテーテル１０１を回転させなくても、信号処理部２１３において、信号の符号が反転している検出素子１からの検出信号を反転させることで、容易に行うことができる。
また、矢印Ｆ２の方向から音波が飛来してくる場合、符号３０１の方向が矢印Ｆ２の方向となるよう、信号処理部２１３が「＋」、「−」の符号の組み合わせを変更し、さらに、検出信号の到達時間を遅らせればよい。
この場合、専用のＩＣを検出素子１毎に備える必要もない。

（フローチャート）
図１３は、第３実施形態で用いられる光音響カテーテルシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。なお、図１３において、図１０と同様の処理については、同一のステップ番号を付して、説明を省略する。
ステップＳ１０９で、画像生成装置１０２の画像生成部２１１は、同期信号発生装置１０６とスキャン制御装置１０５とから光照射方向情報を取得した後、信号処理部２１３は方向処理を行う（Ｓ３０１）。方向処理とは、光照射方向（すなわち、音波の飛来方向）が図１１の符号３０１に一致するよう、信号処理部２１３が「＋」、「−」の組み合わせを変更することである。
その後、信号処理部２１３は、ステップＳ２０１の処理を行う。

前記の第２実施形態では、図１２における符号Ｗ１，Ｗ３の信号が反転していないため、各グループの信号を足し合わせると、符号Ｗ１の信号と符号Ｗ２の信号、符号Ｗ３の信号と符号Ｗ４の信号が強めあい、ノイズとして観測されてしまう。
第３実施形態によれば、図１２の符号Ｗ１の信号と符号Ｗ２の信号、符号Ｗ３の信号と符号Ｗ４の信号がキャンセルされるため、ノイズをキャンセルすることができる。
このように、第３実施形態では、各グループで検出された検出信号を加算する際、各グループにおいて最初に検出した検出信号の後に検出した検出信号がキャンセルされるよう、検出信号が反転される音響素子１が存在するグループを有するよう、音響素子アレイ１０が構成されている。このようにすることで、ノイズをキャンセルすることができ、主成分の検出信号の検出精度を向上させることができる。

［シミュレーション］
次に、図１４〜図１９を参照して、第２実施形態及び第３実施形態に示す光音響カテーテルシステム１１０のシミュレーション結果を示す。
図１４は、シミュレーション条件を示す図であり、図１５は音源から出力される音波波形を示す図である。
本シミュレーションでは、図１４のように配置された音響素子アレイ１０に対し、符号４０１で示される音源から図１５に示す波形の音波が出力される。図１５に示すように、ここで出力される音波は、正方向と、負方向とにパルスを有する形を有している。
すなわち、図１４に示すような二次元平面上に音源４０１を配置し、さらに、図１４に示す位置に、第２実施形態及び第３実施形態で用いられる音響素子アレイ１０が配置され、音波伝搬シミュレーションが実施される。なお、音源４０１及び音響素子アレイ１０は、いずれも生体を模した水中に設置されていることが想定されている。また、音響素子アレイ１０の半径は０．５ｍｍとした。
なお、図１４に示す音響素子１Ａ〜１Ｄについては後記する。

図１６は、図１４に示す音響素子１のうち、音響素子１Ａ〜１Ｄにおける検出信号の波形を示している。なお、図１６〜図１９において、横軸は時間（Ｔｉｍｅ）を示し、縦軸は、音圧（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を示している。また、図１６〜図１９において、０．５μｓより前に検出されている波形は、光の照射による影響を模したものである。
つまり、図１６では、グループの検出信号ではなく、音響素子１Ａ〜１Ｄ個々における検出信号を示している。
図１６において符号Ｗ２１が音響素子１Ａでの検出信号、符号Ｗ２２が音響素子１Ｂでの検出信号、符号Ｗ２３が音響素子１Ｃでの検出信号、符号Ｗ２４が音響素子１Ｄでの検出信号をそれぞれ示している。
図１６に示すように、音源に最も近い音響素子１Ａ，１Ｂの検出信号（符号Ｗ２１，Ｗ２２）が最も早い時刻に、図１５に示す波形に近い形状を有する波形が現れている。
そして、符号Ｗ２１，Ｗ２２からやや遅れて検出信号１Ｃ（符号Ｗ２３）が現れ、さらに遅れて検出信号１Ｄ（符号Ｗ２４）が現れている。

図１７は、図１４及び図１５で示されるシミュレーション条件によるシミュレーションで、第２実施形態で示すグループのシミュレーション結果を示すものである。
図１７において符号Ｗ３１がグループ「Ａ」での検出信号、符号Ｗ３２がグループ「Ｂ」での検出信号、符号Ｗ３３がグループ「Ｃ」での検出信号、符号Ｗ３４がグループ「Ｄ」での検出信号をそれぞれ示している。ここでの、グループは図８で示すグループであり、図８において「音波」と記載されている方向に音源４０１（図１４参照）が配置されている。

図１８は、図１４及び図１５で示されるシミュレーション条件によるシミュレーションで、第３実施形態で示すグループのシミュレーション結果を示すものである。すなわち、図１８は、図１１に示すように一部の音響素子１の検出信号を反転させている場合の各グループの検出信号を示している。
図１８において符号Ｗ４１がグループ「Ａ」での検出信号、符号Ｗ４２がグループ「Ｂ」での検出信号、符号Ｗ４３がグループ「Ｃ」での検出信号、符号Ｗ４４がグループ「Ｄ」での検出信号をそれぞれ示している。ここでの、グループは図１１で示すグループであり、図１１において矢印Ｆ０の方向に音源４０１（図１４参照）が配置されている。

図１７と図１８とを比較すると、図１８の符号４１１に示す範囲で信号が反転していることがわかる。

図１９は、第２実施形態で用いられる手法及び第３実施形態で用いられる手法におけるＤｅｌａｙ＆Ｓｕｍの結果を示す図である。
図１９において、符号Ｗ５１は図１７に示す各グループの信号Ｗ３１〜Ｗ３４に対してＤｅｌａｙ＆Ｓｕｍ処理を行った結果を示している。すなわち、符号Ｗ５１に示す波形は、第２実施形態において、画像生成処理に用いられる信号波形である。
また、符号Ｗ５２は図１８に示す各グループの信号Ｗ４１〜Ｗ４４に対してＤｅｌａｙ＆Ｓｕｍ処理を行った結果を示している。すなわち、符号Ｗ５２に示す波形は、第３実施形態において、画像生成処理に用いられる信号波形である。

符号Ｗ５１の信号波形と、符号Ｗ５２の信号波形とを比較すると、符号Ｗ５２の信号波形において、図１８における符号４１１で示されるように信号が反転していることで、符号４１２で示す範囲のノイズが大幅に低減していることがみてとれる。

符号５１の信号波形に示すように、第２実施形態の手法でも検出信号の主成分を抽出することは十分可能であるが、符号５２に示すように、第３実施形態に記載の手法によれば、ノイズを大幅に低減することができる。従って、第３実施形態に記載の手法によれば、検出精度を大幅に向上させることができる。

［第４実施形態］
図２０は、第４実施形態で用いられるカテーテルの先端部の構成を示す図である。
図２０に示すカテーテル１０１ａでは、リング状の音響素子１Ｚが図１のようなカテーテル１０１ａの側面ではなく、反射ミラー４よりカテーテル１０１ａの先端側に設けられている。なお、図２０では駆動装置３が省略されているが、実際には駆動装置３が備えられている。
音響素子１Ｚの構造以外は、図１に示す構成と同じであるので、ここでの説明を省略する。

図２０に示すカテーテル１０１ａによれば、前方スキャン時でも音波を検出することができる。

図２１は、第４実施形態で用いられるカテーテルの先端部の別の構成例を示す図である。
図２０では、１つのリング状の音響素子１Ｚが反射ミラー４よりカテーテル１０１ａの先端側に設けられているが、図２１に示すカテーテル１０１ｂでは、複数の音響素子１Ｗがリング状に配置された音響アレイ１０Ｂが、反射ミラー４よりカテーテル１０１ｂの先端側に設けられている。このようにすることで、前方に光が照射された際の音波の検出解像度を向上させることができる。
なお、図２１では駆動装置３が省略されているが、実際には駆動装置３が備えられている。

なお、第４実施形態で用いられるカテーテル１０１ａと、第１〜第３実施形態で用いられるカテーテル１０１ａのうちのいずれか１つが組み合わされてもよい。

［第５実施形態］
図２２は、第５実施形態で用いられるカテーテルの先端部の構成を示す図である。
図２２に示すカテーテル１０１ｃは、カテーテル１０１ｃの側面周方向に音響素子１が複数設けられるとともに、カテーテル１０１ｃの軸方向にも音響素子１が複数配置された音響素子アレイ１０Ｃを有している。つまり、図２２に示す音響素子アレイ１０Ｃは、音響素子１が２次元アレイを形成している。

このようにすることで、音波の検出解像度を向上させることができる。

また、本実施形態では、反射ミラー４が中空部Ｈｏを有することで、前方への光の照射と、側方への光の照射を切り替えることができるが、反射ミラー４が中空部Ｈｏを有さない構成であってもよい。この場合、光は側方のみへ照射可能となる。

本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を有するものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

第１〜第４実施形態において、駆動装置３では、前記したＰＺＴ素子の他に、ＰＶＤＦ素子や、ＭＥＭＳ素子等が用いられてもよいし、電磁誘導によって光ファイバ２を回転させてもよい。

また、前記した各構成、機能、各部２１０〜２１３、記憶装置２０３等は、それらの一部又はすべてを、例えば集積回路で設計すること等によりハードウェアで実現してもよい。また、図４及び図９に示すように、前記した各構成、機能等は、ＣＰＵ２０２等のプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、ＨＤ（Hard Disk）に格納すること以外に、メモリ２０１や、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣカードや、ＳＤ（Secure Digital）カード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に格納することができる。
また、各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。

１，１ａ〜１ｆ，１Ａ〜１Ｄ，１Ｗ，１Ｚ 音響素子（音響検出部）
２ 光ファイバ（光ファイバ部）
３ 駆動装置（駆動部）
４ 反射ミラー（ミラー部）
５，７ カバー
６ 透明カバー
８ レンズ
１０，１０Ｂ，１０Ｃ 音響素子アレイ
１０１，１０１ａ〜１０１ｃ カテーテル（カテーテル部）
１０２，１０２ａ 画像生成装置
１０３ 表示装置
１０４ レーザ生成装置（光源部）
１０５ スキャン制御装置
１０６ 同期信号発生装置
１１０ 光音響カテーテルシステム（カテーテルシステム）
２１０，２１０ａ 処理部
２１１ 画像生成部
２１２ 表示処理部
２１３ 信号処理部
Ｈｏ 中空部
Ｒｆ 反射部

Claims (12)

1. カテーテルの進行方向に対して、所定の方向に光を照射するように駆動する駆動部と、
   前記照射された光によって生じた音波を受信する音響検出部と、
   を有し、
   前記音響検出部は、前記カテーテルの周方向にわたって備えられるとともに、前記光の進行方向に対して、所定の角度を有する方向に備えられる
   ことを特徴とする光音響型のカテーテル。
2. 複数の前記音響検出部が、前記カテーテルの周方向にわたって備えられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光音響型のカテーテル。
3. 前記音響検出部は、前記カテーテルの側面の周方向にわたって備えられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光音響型のカテーテル。
4. 前記音響検出部は、複数備えられており、
   複数の前記音響検出部は、グループを形成しており、
   同一の前記グループに属する音響検出部の配線が、１つの配線にまとめられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光音響型のカテーテル。
5. 同じ前記グループに属する音響検出部は、隣りあわないように配置される
   ことを特徴とする請求項４に記載の光音響型のカテーテル。
6. 音響検出部の数をＮ、前記グループの数をｎとするとき、（Ｎ／ｎ）−１個おきに同じグループの音響検出部が存在する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光音響型のカテーテル。
7. 前記グループで検出された信号が加算される
   ことを特徴とする請求項５に記載の光音響型のカテーテル。
8. 各グループで検出された信号を加算する際、各グループにおいて最初に検出した信号の後に検出した信号がキャンセルされるよう、前記信号が反転される前記音響検出部が存在するグループを有する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光音響型のカテーテル。
9. 前記カテーテルの先端に、リング状の前記音響検出部が備えられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光音響型のカテーテル。
10. 音響検出部は複数備えられる
    ことを特徴とする請求項９に記載の光音響型のカテーテル。
11. 光を伝達する光ファイバ部と、
    前記光ファイバ部の光射出端の近傍に設けられ、中心部が光を透過可能であるとともに、前記光ファイバ部の光射出端から射出された光を側方へ反射させる反射部を周囲に有するミラー部を、
    有し、
    前記駆動部は、
    前記光ファイバ部の光射出端を回転駆動させる
    ことを特徴とする請求項１に記載の光音響型のカテーテル。
12. 光を発光する光源部と、
    前記光源部で発光された前記光を導く光ファイバ部を有するカテーテル部と、
    画像処理部と、
    を有し、
    前記カテーテル部は、
    前記カテーテル部の進行方向に対して、所定の方向に光を照射するように、前記光ファイバ部の先端を駆動する駆動部と、
    前記照射された光によって生じた音波を受信する音響検出部と、
    を有し、
    前記音響検出部は、前記カテーテル部の周方向にわたって備えられるとともに、前記光の進行方向に対して、所定の角度を有する方向に備えられ、
    前記画像処理部は、
    前記音響検出部から取得する信号に基づいて、画像を生成する
    ことを特徴とする光音響型のカテーテルシステム。

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