JP2019010423A - 音響波プローブ及び音響波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トランスデューサの均等分散性が不十分であることに起因して発生するアーティファクトが低減された再構成画像を取得できる音響波プローブを提供すること。【解決手段】 音響波を受信する複数のトランスデューサと、螺旋配列をなすように前記複数のトランスデューサを支持する球面状の支持部を有する支持体と、を備える音響波プローブであって、前記支持部において前記トランスデューサが支持される支持位置Ｒを、球半径ｒ０、天頂角θ、方位角φとして、前記球面の中心に対する極座標表示で、Ｒ（ｒ０、θ、φ）と定めたとき、前記複数のトランスデューサは、方位角方向に所定の方位角螺旋ピッチと、前記中心から極点に向かう中心軸方向に平行な所定の軸方向螺旋ピッチと、を有して配列されており、、前記方位角螺旋ピッチは、２πを１＋黄金数で割った角度であることを特徴とする音響波プローブ。【選択図】 図１

Description

本発明は、音響波を受信する音響波プローブに関する。

音響波を受信して生体などの被検体内部の情報を取得する技術として、光音響イメージング装置や超音波エコーイメージング装置などの音響波装置が提案されている。

非特許文献１は、赤外光を照射する光源と音響波プローブとを備え断層画像を得る光音響イメージング装置が記載されている。非特許文献１は、さらに、音響波プローブのアレイ形状を球面とすることで注目領域（ＲＯＩ：ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）からの音響波を広い立体角で受信し、再構成画像に発生するアーティファクトを低減することが開示されている。

特許文献１は、マイクロ波源と音響波プローブとを備え断層画像を得る熱音響イメージング装置が記載されている。特許文献１では、球面形状のアレイ状音響波プローブにおいて方位角方向と螺旋中心軸方向のそれぞれにおいてトランスデューサを均等に螺旋配置することが開示されている。

米国特許６２１６０２５号明細書

"Ｐｏｒｔａｂｌｅ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｒｒａｙ ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｏｐｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ａｔ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ−ｓｃａｌｅ ｄｅｐｔｈｓ"、ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．２３、２８０６２（２０１３）

非特許文献１に記載の音響波プローブでは、トランスデューサの均等分散配置が考慮されていないためトランスデューサの実装密度に偏りが生じて再構成画像にアーティファクトが生じ、取得された再構成画像の画質が低下する場合があった。

特許文献１に記載の音響波プローブでは、トランスデューサの均等分散配置を考慮してはいるものの方位角方向の分散性が十分ではなく再構成画像の画質が低下する場合があった。

本発明は、このような課題認識に基づいてなされたものである。本発明の目的は、方位角方向と螺旋中心軸方向のそれぞれにおいてトランスデューサの均等分散性が高く、アーティファクトが低減された再構成画像を取得できる音響波プローブを提供することである。

本発明に係る音響波プローブの第１は、
音響波を受信する複数のトランスデューサと、螺旋配列をなすように前記複数のトランスデューサを支持する球面状の支持部を有する支持体と、を備える音響波プローブであって、
前記支持部において前記トランスデューサが支持される支持位置Ｒを、球半径ｒ_０、天頂角θ、方位角φとして、前記球面の中心に対する極座標表示で、Ｒ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と定めたとき、
前記複数のトランスデューサは、方位角方向に所定の方位角螺旋ピッチと、前記中心から極点に向かう中心軸方向に平行な所定の軸方向螺旋ピッチと、を有して配列されており、
前記方位角螺旋ピッチは、２π［ｒａｄ］を１＋黄金数で割った角度［ｒａｄ］であることを特徴とする。

また、本発明に係る音響波プローブの第２は、
音響波を受信する複数のトランスデューサと、前記複数のトランスデューサを支持する球面状の支持部を有する支持体と、を備える音響波プローブであって、
前記支持部において前記トランスデューサが支持される支持位置Ｒを、球半径ｒ_０、天頂角θ、方位角φとして、前記球面の中心に対する極座標表示で、Ｒ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と定めたとき、
前記複数のトランスデューサは、以下の一般式（１）、（２）及び（３）を満足する螺旋配列で前記支持部に支持されていることを特徴とする。

但し、Ｎはトランスデューサ数、ｉは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｎ−１｝である。

さらにまた、本発明に係る音響波プローブの第３は、
音響波を受信する複数のトランスデューサと、前記複数のトランスデューサを支持する球面状の支持部を有する支持体と、を備える音響波プローブであって、
前記支持部において前記トランスデューサが支持される支持位置Ｒを、球半径ｒ_０、天頂角θ、方位角φとして、前記球面の中心に対する極座標表示で、Ｒ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と定めたとき、
前記複数のトランスデューサは、以下の一般式（４）、（２）及び（５）を満足する螺旋配列で前記支持部に支持されていることを特徴とする。

但し、Ｎはトランスデューサ数、ｉは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｎ−１｝である。

本発明に係る音響波プローブによれば、方位角方向と螺旋中心軸方向のそれぞれにおいてトランスデューサの均等分散性が高いため、アーティファクトが低減された再構成画像を取得することができる。

第１の実施形態に係る音響波プローブ１００のトランスデューサの配置を示す断面模式図（ａ）、鳥瞰図（ｂ）、極座標表示（ｃ）、平面図（ｃ）である。 参考形態に係る音響波プローブ９００（ａ）と、音響波プローブ９００を合成する螺旋配列ａ、螺旋配列ｂ（ｂ）を示す鳥瞰図である。 第１の実施形態と参考形態の音響波プローブをｘｙ平面に重畳させた平面図（ａ）と、第１の実施形態と参考形態の音響波プローブのそれぞれの有効受信面積の度数分布グラフを示すものである。 第２の実施形態に係る音響波プローブ２００を示す鳥瞰図（ａ）とｘｚ平面に投影した投影模式図（ｂ）である。 第３の実施形態に係る音響波プローブ３００を示す鳥瞰図である。 第４の実施形態に係る音響波装置４００を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。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。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る音響波プローブ１００のトランスデューサの配置を示す断面模式図（ａ）、鳥瞰図（ｂ）、極座標表示（ｃ）、平面図（ｃ）である。

音響波プローブ１００は、図１（ａ）に示すように、複数の音響波を受信するトランスデューサ１０４と、螺旋配列をなすように複数のトランスデューサ１０４を支持する球面状の支持部１０２を有する支持体１０６と、を備える。

ここで、本願明細書において、螺旋配列を説明するときに用いる用語を説明する。トランスデューサ１０４（Ｒｉ）の螺旋配列内の位置は、図１（ｃ）に示すように、ｚ軸を螺旋配列の中心軸、支持部１０２を曲率中心Ｏおよび曲率半径ｒ_０と与えられたとき、Ｒｉ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と極座標で一意に表記される。支持部１０２上におけるトランスデューサ１０４の支持位置Ｒは、図１（ｃ）に示すように、球半径ｒ_０、天頂角θ、方位角φとして、球面１１０の曲率中心Ｏに対する極座標表示で、Ｒ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と定めていると換言される。

ここで、天頂角θは、図１（ｃ）に示すように、曲率中心Ｏからみたトランスデューサ１０４のｚ軸に対する角度に一致する。同様にして、方位角φは、トランスデューサ１０４とｚ軸を含む仮想平面とｘｙ平面との交点Ｒｉｈのｘ軸とのなす角度に一致する。方位角φは、ｘｙ平面にトランスデューサ１０４を正射影した点Ｒｘｙ（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）としたとき、ａｒｃｔａｎ（ｘ_ｉ／ｙ_ｉ）に一致すると換言される。

本実施形態の音響波プローブ１００は、天頂角θ方向において近接するトランスデューサ間の方位角差Δφを黄金角とし、中心軸方向の軸方向の螺旋ピッチを等ピッチとする配列規則に従い複数のトランスデューサが支持部１０２に実装されている。

かかる配列規則満たすように複数のトランスデューサ１０４を備えた音響波プローブは、トランスデューサの配置において高い均等性と高い分散性とを有し、取得した音響波画像に含まれるアーティファクトを軽減することが可能となる。

なお、本願明細書において、均等性は、複数のトランスデューサが分担する支持部１０２上のセグメントの面積の均一性であり、分散性は、複数のトランスデューサのうち近接するトランスデューサ間の相互の距離の均一性に相当するものである。

また、本願明細書においては、黄金数は、方位角で使用する小文字のφ（ファイ）との区別のため、Ψ（プサイ）を使用する。黄金数Ψは、二次方程式ｘ^２−ｘ−１＝０の正の解であり、（１＋√５）／２に一致する。また、円周角２π［ｒａｄ］を１＋黄金数Ψで割った角度［ｒａｄ］は黄金角と称され、円周角２π［ｒａｄ］を黄金比１：Ψで分割した角度のうち狭い方の角度に一致する。黄金角２π／（１＋Ψ）は、１３７．５度に近似される。

なお、「天頂角θ方向において近接するトランスデューサ間の方位角差Δφを黄金角とする」ことは、「フィボナッチ配列で螺旋に配列されたトランスデューサ１０４が１配列のみ存在する」ことと等価な意味を持ち、後述する参考形態に対する相違点となる。

本実施形態に係るトランスデューサ配列は、互いに異なる幾何的表現で等価に説明することが可能である。

第一の説明は、複数のトランスデューサ１０４は、方位角φ方向に所定の方位角螺旋ピッチΔφと、中心Ｏから極点に向かう中心軸方向に平行な所定の軸方向螺旋ピッチΔｚと、を有している。かかる方位角螺旋ピッチΔφは、時計回りの円周角−２π［ｒａｄ］を１＋黄金数Ψで割った角度［ｒａｄ］であり、螺旋配列の開始点から終点に亘って等角度ピッチをなしている。なお、方位角螺旋ピッチΔφは、天頂角θ方向において最も近接する２つのトランスデューサ１０４間の方位角差Δφ（＝φ_ｉ−φ_ｉ−１）に一致する。また、軸方向螺旋ピッチΔｚは、天頂角θ方向において最も近接する２つのトランスデューサ間のｚ軸方向の距離Δｚ（＝ｒ_０ｃｏｓθ_ｉ−ｒ_０ｃｏｓθ_ｉ−１）に一致し、螺旋配列の開始点から終点に亘って等長のピッチをなしている。

なお、本願明細書において、支持体１０６が有する球面状の部分である支持部１０２は、完全な真球に対して作成上許容される公差が存在する。すなわち、支持部１０２の曲率半径に作成上許容される公差が存在し、受信する音響波の位相差が許容可能な位置ずれを許容する。具体的には、球面１１０に対する公差は、４分の１波長以下を許容するものであり、水系の音響整合液、トランスデューサ１０４の動作条件が中心周波数４ＭＨｚの場合、±１００μｍの曲率半径の公差が許容される。

第二の説明は、複数のトランスデューサ１０４は、以下の一般式（８）、（２）及び（３）を満足する螺旋配列で支持部１０２に支持されている。

但し、Ｎは支持部１０２に実装されているトランスデューサ数、ｉは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｎ−１｝である。

また、第三の説明は、複数のトランスデューサ１０４は、以下の一般式（９）、（２）及び（５）を満足する螺旋配列で支持部１０２に支持されている。

但し、Ｎは支持部１０２に実装されているトランスデューサ数、ｉは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｎ−１｝である。

また、支持部１０２は、仮想的に定まる球面１１０と、曲率中心Ｏ、曲率半径ｒ_０を共有しており、球面１１０に倣う部分を有している。

なお、本実施形態のトランスデューサ１０４（Ｒ_ｉ）の方位角φ螺旋ピッチΔφは負の値をとる。すなわち、トランスデューサ１０４（Ｒ_ｉ）の方位角方向の螺旋配列は、開始点からみて時計回りであるので、一般式（９）のφ_ｊは、配列内番号ｊの係数に負号を有している。一方、本実施形態の変形例として、トランスデューサ１０４（Ｒ_ｉ）の配列を反時計回りとした形態が含まれ、一般式（９）のφ_ｉの配列内番号ｉの係数、および、一般式（６）のΔφ_ｉはいずれも正の値をとっても良い。

支持体１０６は、複数のトランスデューサ１０４、後述する光照射部１２２を所定の配列となるように支持し、音響波プローブ１００を構成する。支持体１０６は、支持部１０２以外の領域において、複数のトランスデューサ１０４から伸びる複数のケーブル群をまとめ、音響波プローブ１００を移動させる際の取り回しを良好なものとしている。一般に、受信する音響波信号のチャネル数の増大に伴い音響波プローブ１００のとり回し性が低下するが、支持体１０６はこの点を救済している。かかるケーブル群をまとめる作用は、音響波プローブ１００をハンドヘルドタイプのプローブ（不図示）に適用した際により有効である。

また、トランスデューサ１０４は、焦電性セラミックを備えるピエゾ型トランスデューサ、電極間にキャビティを備える静電容量型トランスデューサ、ファブリペロー干渉計を備えたトランスデューサ等が適用される。ピエゾ型のトランスデューサ１０４を構成する部材としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック材料や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。なお、音響波を受信することにより電気信号を出力できる限り、いかなるトランスデューサを採用してもよい。

また、トランスデューサ１０４により得られる電気信号は時間分解信号である。つまり、受信素子により得られる電気信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信される音圧に基づく値（例えば、音圧に比例した値）を表したものである。生体からの音響波の周波数帯域は、典型的には１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であるので、トランスデューサ１０４は、少なくとも１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数帯域に受信感度を有していることが望ましい。

なお、本実施形態の音響波プローブ１００のトランスデューサ１０４の螺旋配列は、開始点の天頂角θ_０を１７７．０６３２度とし、終点の天頂角θ_２５５を１０９．２０１７度としている。

＜参考形態＞
図２は、参考形態に係る音響波プローブ９００のトランスデューサ配列を示すｘｙ平面図（ａ）と、音響波プローブ９００を構成するトランスデューサ配列９０１と９０２をそれぞれ示す平面図（ｂ）、（ｃ）である。

参考形態の音響波プローブ９００は、ともに方位角方向の螺旋ピッチが黄金角の２倍角である１２８素子のトランスデューサ９０４の螺旋配列９０１と、１２８素子のトランスデューサ９１４の螺旋配列９０２とを重ね合わせたものである。参考形態の音響波プローブ９００は、いずれも方位角方向の螺旋ピッチが黄金角でない２つの螺旋配列を有していると換言される。

図２（ｂ）に示す螺旋配列９０１は、１２８素子のトランスデューサ９０４（Ｓ_０、Ｓ_１、・・Ｓ_ｉ・・Ｓ_１２７）のそれぞれの位置に対応し、一般式（１０）、（２）及び（１１）及び（１２）の螺旋規則に従う。

図２（ｂ）には、天頂角方向において最も近接する２点９０４（Ｓ_ｉ−１）、９０４（Ｓ_ｉ）の方位角差Δφ_ｉと、螺旋配列９０１の開始点９０４（Ｓ_０）とが、示されている。天頂角方向において最も近接する２点９０４（Ｓ_ｉ−１）と９０４（Ｓ_ｉ）の方位角差Δφ_ｉは、時計回りの黄金角の２倍角に相当する―４π／Ψ[ｒａｄ]であることが読み取れる。

また、図２（ｃ）に示す螺旋配列９０２は、１２８素子のトランスデューサ９１４（Ｔ_０、Ｔ_１、・・Ｔ_ｉ・・Ｔ_１２７）のそれぞれの位置に対応し、一般式（１３）、（２）、（１４）及び（１５）の螺旋規則に従う。

螺旋配列９０２は、螺旋配列９０１を、２つの螺旋配列９０１、９０２の共通の方位角螺旋ピッチの二分の一角である―２π／（１＋Ψ）［ｒａｄ］分回転したものに一致している。

図２（ｃ）には、天頂角θ方向において最も近接する２点９１４（Ｔ_ｉ−１）、９１４（Ｔ_ｉ）と、螺旋配列９０１の開始点９０４（Ｓ_０）とが、示されている。

２つの螺旋配列９０１、９０２は、同一の天頂角θにおいて、トランスデューサ９０４（Ｓ_ｉ）、９１４（Ｔ_ｉ）をそれぞれ１つだけ持つため、螺旋開始点ｉ＝０の方位角δ［ｒａｄ］が不一致であれば、螺旋配列９０１、９０２は支持部１０２上で干渉しない。

螺旋配列９０２の螺旋開始点の方位角δは、共通の方位角螺旋ピッチの二分の一角に相当する―２π／（１＋Ψ）［ｒａｄ］とする条件において、螺旋配列９０１、９０２は互いの同一天頂角θを有する素子が近接しない条件となる。本参考形態の音響波プローブ９００は、一見すると、均等分散性が担保されたトランスデューサ９０４、９１４の螺旋配列を有しているように見える。

図３は、第１の実施形態と参考形態の音響波プローブをｘｙ平面に重畳させた平面図（ａ）と、第１の実施形態と参考形態の音響波プローブのそれぞれの有効担当面積の度数分布グラフである。

図３（ａ）からは、ｚ軸が通過する極点付近で、第１の実施形態に対応するトランスデューサ１０４の位置を示す白丸と、参考形態に対応するトランスデューサが９０４、９１４の位置を示す黒丸との間の不一致が大きいことが読み取ることができる。

一方、図３（ａ）は、第１の実施形態の音響波プローブ１００のトランスデューサ１０４の１素子の担当面積の頻度を示す度数分布グラフである。同様にして、図３（ｂ）は、参考形態の音響波プローブ９００のトランスデューサ９０４、９１４の１素子の担当面積の頻度を示す度数分布グラフである。担当面積頻度の計算には、ボロノイ図による方法を用いた。

図３（ｂ）、（ｃ）からは、トランスデューサの均等分散性において、第１の実施形態に係る音響波プローブ１００が、参考形態に係る音響波プローブ９００より、少なくとも２倍程度の差異を有して高いことを読み取ることできる。図３（ｂ）、（ｃ）から読み取られるトランスデューサの均等分散性の差異は、図３（ａ）の極点付近の２つの音響波プローブ１００、９００の不一致を裏付けるものである。

すなわち、方位角φ方向の螺旋ピッチが黄金角である螺旋配列を１つ備えている第１の実施形態に係る音響波プローブ１００は、方位角φ方向の螺旋ピッチが黄金角ではない参考形態の音響波プローブ９００より、トランスデューサの均等分散性が高い。従って、方位角φ方向の螺旋ピッチが黄金角である螺旋配列を１つ備えている第１の実施形態に係る音響波プローブ１００は、方位角φ方向の螺旋ピッチが黄金角ではない参考形態の音響波プローブ９００より、アーティファクトを低減する効果が高い。

＜第２の実施形態＞
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本実施形態にかかる音響波プローブ２００の鳥瞰図とｘｚ平面に投影した投影模式図である。本実施形態の音響波プローブ２００は、支持部１０２の極点（０、０、ｒ_０）近傍に、トランスデューサが配置されない非配置部１２０が設けられている点において、第１の実施形態の音響波プローブ１００と相違する。

本実施形態の音響波プローブ２００について以下に詳述する。

なお、第１の実施形態と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。

本実施形態の音響波プローブ２００は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、支持部１０２にフィボナッチ螺旋配列で配列された２５６素子のトランスデューサ１０４を備えている。本実施形態のトランスデューサ１０４の螺旋配列は、開始点の天頂角θ_０を１６５度（１１／１２ ｒａｄ）とし、終点の天頂角θ_２５５を１２０度（π ｒａｄ）としている。すなわち、非配置部１２０は、支持部１０２のうち天頂角θが１６５度より大きく１８０度以下の範囲であり、配置部１２６は、支持部１０２のうち１２０度以上１６５度以下の範囲である。

音響波プローブ２００は、支持部１０２の曲率中心Ｏに向けて光を照射するように、支持部１０２の極点（０、０、ｒ_０）と重なる位置に光照射部１２２が設けられている。音響波プローブ２００は、支持部１０２の曲率中心Ｏに向けて光照射を行うことで、関心領域に対して対称性を有して光照射を行うことが可能となり、関心領域の周辺の光音響信号の低下を軽減することが可能となる。光照射部１２２は、被検体に光が照射されるように配置されていれば、曲率中心Ｏにその照射方向を必ずしも向けなくとも良いが、関心領域の周辺の光音響信号の低下を軽減する点においては、曲率中心Ｏにその照射方向を向けることが好ましい。音響波プローブ２００に配置された光照射部１２２は、トランスデューサ１０４の螺旋配列の開始点の天頂角θ_０より大きい天頂角を有する位置において支持部１０２に支持されていると換言される。光照射部１２２とトランスデューサ１０４とは、照射光と音響波の受信とが互いを妨害しないように、互いを干渉しない場所に配置されることが好ましい。

また、光照射部１２２は、レンズ、ミラー、光ファイバ等の光学素子を用いることができる。乳房等を被検体８０１とする場合、照射光のビーム径を広げて照射することが好ましいため、光照射部１２２は光を拡散させる拡散板等で構成されていてもよい。一方、光音響顕微鏡においては、解像度を上げるために、光照射部１２２の光出射部はレンズ等で構成し、ビームをフォーカスして照射してもよい。

また、音響波プローブ２００は、支持部１０２の内側、すなわち、支持部１０２の曲率中心Ｏの側に音響整合液を供給または排出するポート１２４が、非配置部１２０に光照射部１２２とともに配置されている。本実施形態の音響波プローブ２００によれば、所定の品質に管理された所定の音響伝搬特性を有する不図示の音響整合液を、過不足なく必要なタイミングで供給し、残差がほとんどない状態で排出することができる。音響波プローブ２００は、トランスデューサ１０４の螺旋配列の開始点の天頂角θ_０より大きい天頂角を有する位置において、音響整合液を供給するまたは排出するためのポート１２４を備えていると換言される。

なお、非配置部１２０には、被検体に撮影野を向けたカメラ（不図示）、または、カメラの撮影照度を確保する照明（不図示）、を配置することが可能である。かかる形態の音響波プローブは、トランスデューサの螺旋配列の開始点の天頂角θ_０より大きい天頂角を有する位置において、被検体に撮影野を向けたカメラ、または、照明を備えていると換言される。

音響波プローブ２００の備える２５６素子のトランスデューサ１０４は、配置部１２６において、第１の実施形態の音響波プローブ１００と同様に、フィボナッチ配列で高い均等分散性を有して配置されている。従って、音響波プローブ２００は、非配置部１２０を有しているものの、第１の実施形態の音響波プローブ１００と同様に、取得する再構成画像に含まれるアーティファクトが低減される効果を有している。

本実施形態の音響波プローブ２００の開始点の天頂角θ_０は、１６５度（＝１１π／１２ｒａｄ）であったが、本願発明の態様はこれに限らない。複数のトランスデューサ１０４のうち、最も天頂角θが大きい螺旋配列の開始点は、８π／９［ｒａｄ］以上、π［ｒａｄ］以下の天頂角θ_０をとることができる。

また、同様にして、本実施形態の音響波プローブ２００の終点の天頂角θ_２５５は、１２０度（＝２π／３ｒａｄ）であったが、本願発明の態様はこれに限らない。Ｎ素子のトランスデューサ１０４を有する螺旋配列において、複数のトランスデューサ１０４のうち、最も天頂角θが小さい前記螺旋配列の終点は、π／３［ｒａｄ］以上、３π／４［ｒａｄ］以下の天頂角θ_Ｎ−１をとることができる。

＜第３の実施形態＞
図５は、本実施形態にかかる音響波プローブ３００の鳥瞰図である。本実施形態の音響波プローブ３００は、螺旋配列した複数の光照射部１１４を備える点において、第１の実施形態の音響波プローブ１００と相違する。本実施形態の音響波プローブ３００は、トランスデューサ１０４の高い均等分散性によるアーティファクトの低減効果に加えて、得られる音響波信号のＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を改善することができる。本実施形態の音響波プローブ３００について以下に詳述する。

なお、第１乃至第２の実施形態と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。

本実施形態の音響波プローブ３００は、第１の実施形態の共通の配列規則に従って螺旋配列されている複数のトランスデューサ１０４（Ｒ_０、Ｒ_１、・・・Ｒ_ｉ・・）と、複数の光照射部１１４（Ｕ_０、Ｕ_１、・・・Ｕ_ｋ・・）とを、支持部１０２に備えている。

本実施形態の複数の光照射部１１４（Ｕ_ｋ）は、一般式（１６）、（２）及び（７）を満足するように支持部１０２に螺旋配列されている。

ここで、Ｍは音響波プローブ３００が備える光照射部の数、ｊは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｍ−１｝、ξ（グザイ）は光照射部１１４の配列の開始点Ｕ_０のトランスデューサ１０４の配列の開始点Ｒ_０に対する方位角差である。

なお、本実施形態の光照射部１１４（Ｕ_ｋ）の方位角螺旋ピッチΔφは負の値をとる。すなわち、光照射部１１４（Ｕ_ｋ）の方位角方向の螺旋配列は、開始点からみて時計回りであるので、一般式（１６）のφ_ｊは配列内番号ｊの係数に負号を有している。一方、本実施形態の変形例として、トランスデューサ１０４（Ｒ_ｊ）と光照射部１１４（Ｕ_ｋ）とは共通の方位角螺旋ピッチをとれば、反時計回りとすることが可能であり、一般式（１６）のφ_ｊの配列内番号ｊの係数、および、方位角螺旋ピッチΔφ_ｊはいずれも正の値をとっても良い。

一般式（１６）が一般式（９）と異なる点は、φ_０にゼロでない角度ξ［ｒａｄ］が加算されていることである。すなわち、光照射部１１４の螺旋配列は、トランスデューサ１０４の螺旋配列と共通の方位角螺旋ピッチ―２π／（１＋Ψ）（＝Δφ）、共通の軸方向螺旋ピッチΔｚを有し、トランスデューサ１０４の螺旋配列の開始点と相違する開始点を有する。

音響波プローブ３００のトランスデューサ１０４（Ｒ_ｉ）は、一般式（２）の方位角φ_ｉ、天頂角θ_ｉに従うように位置するため、任意のトランスデューサ１０４（Ｒ_ｉ）が配列される天頂角には、他のトランスデューサは配置されない。すなわち、開始点の方位角以外の螺旋ピッチ条件をトランスデューサ１０４の共通するものとした光照射部１１４（Ｕ_ｋ）は、トランスデューサ１０４（Ｒ_ｉ）と干渉することなく支持部１０２に螺旋配列することができる。

本実施形態の光照射部１１４（Ｕ_ｋ）は、トランスデューサ１０４（Ｒ_ｉ）と同等の均等分散配置となっているため、音響波プローブ３００が被検体８０１に対して臨む任意の方向において、被検体８０１に均等に光を照射することができる。

なお、開始点の光照射部１１４（Ｕ_０）に対応する方位角δは、π［ｒａｄ］を用いることが好ましいが、トランスデューサ１０４と光照射部８０１が物理的に干渉しない角度であれば他の方位角を採用してよい。また、本実施形態では、支持部１０２に実装する素子数Ｍ、Ｎにおいて、Ｍ＝Ｎ＝２５６としたが、螺旋ピッチΔφ、Δｚ条件を揃え、開始点の方位角をずらす条件を満足すれば、光照射部の素子数Ｍとトランスデューサの素子数Ｎは不一致としてもよい。

本実施形態の音響波プローブ３００は、複数の光照射部１１４（Ｕ_ｋ）が均等分散配置となっているため、より広い範囲に均等に光を照射することができる。従って、最大許容照度であるＭＰＥ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を守りつつより大きな光量を被検体８０１の内部に位置する関心領域ＲＯＩに到達させることができる。これにより、関心領域で発生する光音響波の音圧が大きくなり光音響波信号のＳＮ比を改善することができる。なお、本実施形態を、被検体のボリュームデータが得られる音響波装置に適用した場合、かかるボリュームデータに発生するアーティファクトが低減される効果も得られるため、より精度の高い音響波像（再構成画像）を得ることができる。

なお、図４（ａ）、（ｂ）の直交座標軸のスケールは、支持部１０２の曲率半径ｒ_０を１２７（ｍｍ）と読み替えると、図１（ｂ）―（ｄ）、図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、図５の直交座標軸のスケールと一致する。

＜第４の実施形態＞
図６は、第４の実施形態に係る音響波装置４００を示す模式図である。

本実施形態に係る音響波装置４００は、保持ユニット４４０、第２の実施形態に係る音響波プローブ２００、音響波プローブ２００を備えた液槽４３０、液槽４３０を略水平面内において並進移動させる走査部４１０、を有している。以下に各要素について説明する。

保持ユニット４４０は、図６に示すように、被験者８００の一部である被検体８０１が挿入される挿入口４４２が設けられるとともに、被験者８００を保持する保持台４４４、を有している。保持ユニット４４０は、さらに、図６に示すように、挿入された被検体８０１が保持される保持部８４５、被験者８００が腰掛けられる椅子４４７、保持台４４４の周囲の４辺に連なる側面パネル４２９、を備えている。

なお、椅子４４７は、被験者８００の撮影姿勢を安定化させる為に保持台４４４上に設けられている。また、側面パネル４２９は、撮影時に移動する液槽４３０、ＸＹステージ４１２、及び、音響波プローブ２００が備える不図示の光照射部を囲み、被験者８００及び不図示の操作者の移動空間と装置内部とを分離するために設けられている。保持台４４４または椅子４４７は、被験者８００の撮影時の負担を軽減するために、不図示のクッションが配置される形態をとることができる。

挿入口４４２は、被験者８００の一部である被検体８０１を挿入可能なように保持台４４４に開口された挿入口となっている。保持台４４４は、挿入口４４２に挿入されなかった被験者８００の部位を載置可能となっており、被験者８００の撮影姿勢を安定化させることが可能である。撮影対象の部位は、被験者８００の、上肢、下肢、頭部、乳房等が含まれるが、図６においては、被検体８０１である左足を挿入口４４２に挿入し、不図示の右足を保持台４４４の載置部に載置させた座位の撮影姿勢を示している。

保持部８４５は、被検体８０１を撮影時に安定化させる意図により、挿入口４４２に重なる位置において保持台４４４に固定されている。保持部８４５は、保持台４４４から下方に突出する半容器状の形をしており、保持台４４４より下側で被検体８０１を保持することを可能とする。

保持部８４５は、さらに、被検体８０１から伝搬する音響波を音響波プローブ２００が受信するための音響波の伝搬性を有した音響整合材を備え、赤外線を透過するＩＲゴム、シリコーンゴム、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂材料が適用される。かかる樹脂材料が可橈性を有する場合、保持位置の下端を補償する意図から、かかる可橈性部材より剛性の高いメッシュ状の樹脂材料を保持部８４５に付加する形態も本願発明の実施形態に含まれる。

保持部８４５は、液槽４３０に貯留された音響整合液と被検体８０１が直接触れない様にする空間を分離するシール性を有していることが望ましい。これにより、液槽４３０に貯留された音響整合液に対する衛生性を担保することが可能となる。かかるシール性と半容器形状の突出部とを有した保持部８４５は、音響整合液が貯留され、保持部８４５と被検体８０１とを音響的な結合することが可能となる。

なお、被験者８００の不安感を軽減する意図から、保持ユニット４４０に不図示の手すり、保護柵等を適宜設けてもよい。

受信走査ユニット４０は、挿入口４４２を介して挿入された被検体８０１から伝搬された音響波を受信する音響波プローブ２００と、音響波プローブ２００を水平面に平行に二次元に移動させる走査部４１０と、を備え、保持台４４４の下に位置している。

ＸＹステージ４１２は、音響波プローブ２００を水平面に略平行に、挿入口４４２に対して二次元に相対移動させるように構成されている。ＸＹステージ４１２は、後述する走査制御部４１６から出力される走査信号に基づいて、回転走査、螺旋走査、牛耕式走査、ラスター走査等を含む任意の二次元走査パターンで音響波プローブ２００の走査を可能とする。液槽４３０は、音響波プローブ２００を被検体８０１に対する相対位置を変更するように走査する走査部４１０に接続されていると換言される。

走査部４１０は、ＸＹステージ４１２に対して走査信号を出力する走査制御部４１６と、ＸＹステージ４１２と走査制御部４１６とを接続する走査信号ケーブル４１２を備えている。

走査制御部４１６は、保持ユニット４４０の外部に配置され、走査信号ケーブル４１２を介して、ＸＹステージ４１２に対して走査信号を出力する。尚、走査信号ケーブル４１２は、側面パネル４２９に設けられたケーブル開口を介して配線されている。また、係る走査信号の伝送を無線化することで、走査信号ケーブル４１２は省略することが可能である。

なお、本願明細書における水平とは、水準器、レーザー変位系等によって可観測な物理量である。本実施形態に係る音響波装置４００における水平には実効的な傾きの許容が存在し、傾き角に該当するｔａｎθの上限下限は、鉛直方向と垂直な完全水平に対して±０．５ｍｍ／ｍ以内である。かかる傾き角に該当するｔａｎθの上限下限は、好ましくは±０．１ｍｍ／ｍ以内、より好ましくは±０．０４ｍｍ／ｍ以内に制限される。

音響波プローブ２００及び音響整合液ごと二次元に走査される液槽４３０を備えた本実施形態に係る音響波装置４００は、走査に伴い貯留された音響整合液が慣性による流動、造波、泡の抱き込みが発生する。

このようなＸＹステージ４１２に連結された液槽４３０を備える音響波装置４００に対して、高い均等分散性を有してトランスデューサが螺旋配列された音響波プローブを適用することは特に好ましい。

本実施形態の音響波装置４００は、さらに、複数のトランスデューサ１０４のそれぞれが出力する音響波信号を伝送する複数の信号線４８４と、複数の信号線を介して音響波プローブ２００と電気的に接続される信号中継器４８０とを備えている。

本実施形態の音響波プローブ２００は、受診した音響波をアナログの音響波信号として出力する。従って、複数の信号線４８４は、音響波プローブ２００が有する複数のトランスデューサ１０４（Ｒ_０、Ｒ_１、・・Ｒ_ｉ・・）の素子数分のチャネル数を有し、各チャネルの音響波信号（アナログ）を並列に伝送するパラレル伝送ケーブルとなっている。パラレル伝送ケーブルは、複数の信号線４８４を一部または全部を束ねたケーブル群となっている。

信号中継器４８０は、音響波プローブ２００から並列に伝送されたアナログの音響波信号を、デジタル音響波信号に変換するＡＤコンバータ４８２を備えている。

音響波装置４００は、さらに、信号中継器４８０とシリアルケーブル４９４を介して接続される統合制御ユニット４９０を備えている。統合制御ユニット４９０は、信号中継器４８０から出力されるデジタルの音響波信号を受信し、画像再構成処理を行い被検体８０１のボリュームデータを取得する信号処理部４９２を備えている。シリアルケーブル４９４は、デジタル信号が時系列に伝送されるケーブルである。音響波装置４００は、音響波プローブ２００が受信した受信信号に基づき、被検体８０１に関する情報を取得する信号処理部４９２を備えていると換言される。

統合制御ユニット４９０が備える信号処理回路４９２は、信号中継器４８０から出力されたデジタルの音響波信号を再構成処理し撮影画像を不図示の記憶媒体、または、表示手段に出力する。なお、統合制御ユニット４９０は、走査制御部４１６、不図示の給液機構、温度制御機構に対して制御指令を出力することが可能となっている。

また、本実施形態の音響波プローブ２００は、図６に示すように、近赤外光域のパルス光を出力する光源４２０から光学的に結合された不図示の光照射部を備えている。光照射部は、近赤外光が伝送可能な光ファイバ４８４を介して光源４２０に光学的に結合されている。光照射部から被検体８０１に向けて照射された近赤外光により被検体８０１の内部で発生した光音響波を音響波プローブ２００が受信するように構成されている。なお、図４に図示された光照射部１２２は、図６の音響波装置４００においては省略されているが、走査部４１０により、複数のトランスデューサ１０４（音響波プローブ２００）と一体的に走査されるように構成されている。

（光源４２０）
光照射部１２２から照射される光のパルス幅は、１ｎｓ以上、１００ｎｓ以下のパルス幅であってもよい。また、光照射部１２２から照射される光の波長は、４００ｎｍ以上、１６００ｎｍ以下の範囲の波長であってもよい。生体表面近傍の血管をイメージングする場合は、血管における光減衰が大きい波長である４００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の光を採用することができる。一方、生体の深部をイメージングする場合には、生体の背景組織である水や脂肪などに対して吸収が少ない波長である７００ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下の光を採用することができる。

光源４２０は、レーザーや発光ダイオードを用いることができる。また、複数波長の光を切り替えて光音響波を受信する態様においては、照射光の波長の変換が可能な光源であってもよい。なお、複数波長を切り替えて被検体に照射する場合、互いに異なる波長の光を発生する複数台の光源を用意し、それぞれの光源から交互に照射することも可能である。本願明細書においては、光源は、単一の光源、と、複数の光源を含む意味で用いている。

光照射部１２２に光学的に結合され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様々なレーザーを使用することができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーやアレキサンドライトレーザーなどのパルスレーザーを光源１１１として用いてもよい。

また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光を励起光とするＴｉ：ｓａレーザーやＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）レーザーを光源として用いてもよい。また、光源としてマイクロウェーブ源を用いてもよい。

なお、被検体８０１が光音響特性を有する吸光体を含有する場合は、光音響測定の対象となる。かかる吸光体としては、ヘモグロビン、グリコーゲン、コレステロール等の血液成分、メラニン、毛根等が含まれる。また、吸光体は、メチレンブルー（ＭＢ）、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を含む。

従って、本実施形態に係る音響波装置４００を光音響波装置として利用した場合は、脂肪等の背景組織中に局在する吸光体の濃度分布がボリュームデータとして取得される。前述の吸光体の信号強度と有意な相関が認められる悪性腫瘍、血管疾患等の疾患に対しては、腫瘍悪性度の読影支援や、化学療法の経過観察に適用される。光音響測定の適用が期待されている疾患には、新生血管を付随する悪性腫瘍、頸動脈壁に堆積するプラークなどが含まれる。

本明細書では、主に光音響イメージング装置に用いる音響波プローブについて説明したが、超音波エコー装置に用いる音響波プローブに関しても本発明を適用することができる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明は上記特定の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施形態の修正をすることができる。

１００ 音響波プローブ
２００ 音響波プローブ
３００ 音響波プローブ
１０２ 支持部
１０６ 支持体
１０４ トランスデューサ
１１０ 球面
Ｏ 支持体の曲率中心
ｒ 支持部の曲率半径
θ 支持位置の天頂角
Φ 支持位置の方位角
Δφ 方位角螺旋ピッチ
Δｚ 軸方向螺旋ピッチ
ｉ トランスデューサの配列内番号
Ｒ（Ｒ_０、Ｒ_１、・・・Ｒ_ｉ・・） 支持位置
（ｘ、ｙ、ｚ） 支持位置Ｒ_ｉの直交座標表示
［ｒ、θ、φ］ 支持位置Ｒ_ｉの極座標表示

Claims (20)

1. 音響波を受信する複数のトランスデューサと、螺旋配列をなすように前記複数のトランスデューサを支持する球面状の支持部を有する支持体と、を備える音響波プローブであって、
   前記支持部において前記トランスデューサが支持される支持位置Ｒを、球半径ｒ_０、天頂角θ、方位角φとして、前記球面の中心に対する極座標表示で、Ｒ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と定めたとき、
   前記複数のトランスデューサは、方位角方向に所定の方位角螺旋ピッチと、前記中心から極点に向かう中心軸方向に平行な所定の軸方向螺旋ピッチと、を有して配列されており、
   前記方位角螺旋ピッチは、２π［ｒａｄ］を１＋黄金数で割った角度［ｒａｄ］であることを特徴とする音響波プローブ。
2. 前記方位角螺旋ピッチは、天頂角θ方向において最も近接する２つの前記トランスデューサ間の方位角差Δφに一致することを特徴とする請求項１に記載の音響波プローブ。
3. 前記軸方向螺旋ピッチは、天頂角θ方向において最も近接する２つの前記トランスデューサ間の前記軸方向の距離Δｚに一致することを特徴とする請求項１または２に記載の音響波プローブ。
4. 音響波を受信する複数のトランスデューサと、前記複数のトランスデューサを支持する球面状の支持部を有する支持体と、を備える音響波プローブであって、
   前記支持部において前記トランスデューサが支持される支持位置Ｒを、球半径ｒ_０、天頂角θ、方位角φとして、前記球面の中心に対する極座標表示で、Ｒ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と定めたとき、
   前記複数のトランスデューサは、以下の一般式（１）、（２）及び（３）を満足する螺旋配列で前記支持部に支持されていることを特徴とする音響波プローブ。
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   但し、Ｎはトランスデューサ数、ｉは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｎ−１｝である。
5. 音響波を受信する複数のトランスデューサと、前記複数のトランスデューサを支持する球面状の支持部を有する支持体と、を備える音響波プローブであって、
   前記支持部において前記トランスデューサが支持される支持位置Ｒを、球半径ｒ_０、天頂角θ、方位角φとして、前記球面の中心に対する極座標表示で、Ｒ（ｒ_０、θ、φ）［ｍ、ｒａｄ、ｒａｄ］と定めたとき、
   前記複数のトランスデューサは、以下の一般式（４）、（２）及び（５）を満足する螺旋配列で前記支持部に支持されていることを特徴とする音響波プローブ。
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   但し、Ｎはトランスデューサ数、ｉは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｎ−１｝である。
6. 前記支持部は、前記螺旋配列を１配列のみ有するように、前記複数のトランスデューサを支持することを特徴とする請求項１、４、５のうちのいずれか１項に記載の音響波プローブ。
7. 前記螺旋配列は、フィボナッチ配列であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
8. 前記複数のトランスデューサのうち、最も天頂角θが大きい前記螺旋配列の開始点は、８π／９［ｒａｄ］以上、π［ｒａｄ］以下の天頂角θを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
9. 前記複数のトランスデューサのうち、最も天頂角θが小さい前記螺旋配列の終点は、π／３［ｒａｄ］以上、３π／４［ｒａｄ］以下の天頂角θを有することを特徴とする請求項８に記載の音響波プローブ。
10. 前記トランスデューサは、焦電性セラミックを備えるピエゾ型トランスデューサ、または、電極間にキャビティを備える静電容量型トランスデューサであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
11. 被検体に光を照射する光照射部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
12. 前記光照射部は前記開始点より大きい天頂角を有する位置において前記支持部に支持されていることを特徴とする請求項１１に記載の音響波プローブ。
13. 前記光照射部は、前記支持部において均等分散配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の音響波プローブ。
14. 前記複数の光照射部の螺旋配列は、前記複数のトランスデューサの螺旋配列と共通の方位角螺旋ピッチ２π／（１＋Ψ）を有していることを特徴とする請求項１３に記載の音響波プローブ。
15. 前記複数の光照射部は、以下の一般式（６）、（２）及び（７）を満足する螺旋配列で前記支持部に支持されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の音響波プローブ。
    

    

    
    

    

    
    

    

    
    但し、Ｍは光照射部の数、ｊは、天頂角θがπの側を開始点として各トランスデューサに０から振られた配列内番号｛０、１、・・Ｍ−１｝、ξは光照射部の配列の開始点のトランスデューサの配列の開始点に対する方位角差である。
16. 前記開始点の天頂角より大きい天頂角を有する位置において、前記被検体に撮影野を向けたカメラを備えていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
17. 前記開始点の天頂角より大きい天頂角を有する位置において、音響整合液を供給するまたは排出するためのポートを備えていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の音響波プローブと、
    前記音響波プローブを並進移動させる走査部と、を有することを特徴とする音響波装置。
19. 前記光照射部に光学的に結合された光源をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の音響波装置。
20. 前記音響波プローブが受信した受信信号に基づき、被検体に関する情報を取得する信号処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１８または１９に記載の音響波装置。

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