JP2019107421A - 光音響装置および被検体情報取得方法 - Google Patents
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Abstract
Description
レーザ光などの光を被検体である生体に照射すると、光が被検体内の生体組織で吸収される際に音響波(典型的には超音波)が発生する。この現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。被検体を構成する組織は、光エネルギーの吸収率がそれぞれ異なるため、発生する光音響波の音圧も異なったものとなる。PATでは、発生した光音響波を探触子で受信し、受信信号を数学的に解析することにより、被検体内の特性情報を取得することができる。
光が照射された被検体から発生した音響波を、被検体に対する複数の相対位置において変換素子を用いて受信し、前記被検体に関する情報を表す光音響画像を取得する光音響装置であって、前記被検体の光学像を取得する撮像手段と、前記光学像における第一の座標系と、前記光音響画像における第二の座標系と、の位置関係を表す情報である位置関係情報に基づいて、前記光音響画像と、前記光学像との位置合わせを行う位置合わせ手段と、を有することを特徴とする。
光が照射された被検体から発生した音響波を受信し、光音響信号に変換する変換素子を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、前記変換素子を前記被検体に対して相対的に移動させる走査ステップと、前記光音響信号に基づいて、前記被検体に関する
情報を表す光音響画像を取得する第一の取得ステップと、撮像手段によって前記被検体を撮像し、光学像を取得する撮像ステップと、前記光学像における第一の座標系と、前記光音響画像における第二の座標系と、の位置関係を表す情報である位置関係情報を取得する第二の取得ステップと、前記位置関係情報に基づいて、前記光音響画像と、前記光学像との位置合わせを行う位置合わせステップと、を含むことを特徴とする。
また、異なる複数波長の光によって発生する光音響波に基づいて、被検体を構成する物質の濃度といった分光情報が得られる。分光情報は、酸素飽和度、酸素飽和度に吸収係数等の強度を重み付けした値、トータルヘモグロビン濃度、オキシヘモグロビン濃度、またはデオキシヘモグロビン濃度であってもよい。また、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、または脂肪や水の体積分率であってもよい。
以下に説明する実施形態では、ヘモグロビンを吸収体として想定した波長の光を被検体に照射することで、被検体内の血管の分布・形状のデータと、その血管における酸素飽和度分布のデータを取得し、画像化する光音響イメージング装置を想定する。
ところで、皮弁の採取手術の際に、皮弁採取部位の光音響測定を行って光音響画像(血管像)を取得し、この血管像から血管の位置や走行状態を把握することにより、採取する皮弁の位置と範囲の決定に役立てることが検討されている。このとき術者は、血管像が被検体のどの部分に対応するかを把握する必要がある。しかし通常、皮弁採取には、大腿部などの、比較的広く体表形状に特徴が少ない領域が用いられる。そのため、血管像と実際の被検体との位置関係の特定が難しくなるおそれがある。
そこで以下の各実施例では、光音響画像と被検体の対応関係の把握を容易にするために、光音響画像が被検体のどの場所に位置するのかを術者に分かりやすく提示する。これにより術者は、血管像に基づいて血管(たとえば穿通枝)の実際の被検体における位置を把握し、良好に皮弁を採取できるようになる。
<システム構成>
図1は、本実施形態に係る光音響装置の構成を説明する概要図である。本実施形態に係る光音響装置は、光源101、信号取得部102、データ処理部103、駆動部104、入力装置105、表示装置106、カメラ107、探触子ユニット110を有して構成される。また、探触子ユニット110は、支持部材111、変換素子112、走査機構113を有して構成される。
生体から発生する音響波は、100KHzから100MHzの超音波であるため、音響波検出素子には、上記の周波数帯を受信できる素子を用いる。具体的には、圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量の変化を用いたトランスデューサなどを用いることができる。
また、パルス光の波長は、被検体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特定の波長であって、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、600nm以上1100nm以下であることが望ましい。この領域の光は、比較的生体深部まで到達することができるため、被検体深部の情報を得ることができる。
また、光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間に光を照射させなければならない。本実施形態に示すように被検体が生体である場合は、光源から発生するパルス光のパルス幅は10〜100ナノ秒程度が好適である。
なお、光照射のタイミング、波形、強度等は、後述するデータ処理部103によって制御される。
光学系は、例えば、レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバ、拡散板、シャッター、フィルタなどの光学機器を含んでいてもよい。光源から発せられた光を被検体に所望の形状で照射できれば、光学系には、どのような光学部品を用いてもよい。なお、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。
特性を有する材質であることが好ましい。なお、必要に応じて、保持部材108の内側に音響整合材を貯留してもよい。
信号取得部102は、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル変換するA/D変換器、受信信号を記憶するFIFO等のメモリと、FPGAチップ等の演算回路を用いて構成されてもよい。また、信号取得部102は、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。
また、データ処理部103は、被検体に照射される光量に関する情報に基づいて、被検体内における三次元の光強度分布を生成する。三次元の光強度分布は、二次元の光強度分布に関する情報から光拡散方程式を解くことで取得できる。また、光音響信号から生成された被検体内の初期音圧分布と、三次元の光強度分布とを用いて、被検体内の吸収係数分布を得ることができる。また、複数の波長における吸収係数分布を演算することで、被検体内の酸素飽和度分布を得ることができる。
また、データ処理部103は、後述する表示装置106や入力装置105を介して、測定パラメータの変更、測定の開始・終了、画像の処理方法の選択、患者情報や画像の保存、データの解析などに関する指示を取得してもよい。
表示装置106は、データ処理部103が取得した情報およびその加工情報を表示する手段であり、典型的にはディスプレイ装置である。表示装置106は、複数の装置であっ
てもよいし、単一の装置に複数の表示部を備え、並列表示が可能な装置であってもよい。
次に、本実施形態に係る光音響装置が、被検体である生体を測定する方法について説明する。
まず、光源101から発せられたパルス光が、光学系を介して被検体に照射される。被検体の内部を伝搬した光のエネルギーの一部が血液などの光吸収体に吸収されると、熱膨張により当該光吸収体から音響波が発生する。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の正常部の血液と同様に光が特異的に吸収され、音響波が発生する。生体内で発生した光音響波は、複数の変換素子112によって受信される。
例えば、被検体に対して測定したい領域を、スパイラルやラスタースキャン等によって走査しながら、一定の周期でパルス光の照射と光音響波の受信を繰り返す。
データ処理部103は、信号取得部102から出力された光音響信号と、駆動部104から出力された位置情報に基づいて、測定対象領域の特性分布を取得するための画像再構成を行う。特性分布は、3次元情報を取得する場合はボクセルデータの集合として、2次元情報を取得する場合はピクセルデータの集合として取得することができる。取得された特性分布は、生体内の特性情報(例えば、初期音圧分布や吸収係数分布)を表すボリュームデータとなり、二次元の画像(光音響画像)に変換されたのちに表示装置106を介して出力される。
次に、第一の実施形態に係る光音響装置に特有な処理の概要について説明する。
光音響画像は、被検体内の光学特性に関する情報であるため、そのままでは、被検体のどの部分に対応する画像であるかを判別することが難しい。そこで、第一の実施形態に係る光音響装置は、光学像の座標系(第一の座標系)と、光音響画像の座標系(第二の座標系)との位置関係に関する情報(位置関係情報)を予め取得し、取得した情報を用いて、光音響画像と光学像との位置合わせを行う。
2が備わっており、一回の光照射で、所定の範囲における光音響画像を取得することができる。換言すると、探触子ユニット110の位置(走査機構113の位置)と、光音響画像の範囲とが関連付いている。従って、光学像と、探触子ユニット110の位置との関係が取得できれば、光音響画像の座標系と、光学像の座標系とを対応付けることができる。
本実施形態では、カメラ107によって読み取り可能な光学マーカー(位置検出マーカー)を支持部材111の裏面に設け、光学像中に検出した光学マーカーの位置を用いて、光音響画像の座標系と、光学像の座標系とを対応付ける。
まず、ステップS11で、図2に示したように、走査機構113によって探触子ユニット110をラスタ状に移動させ、光学像中における光学マーカーの座標を検出する。そして、探触子ユニット110の位置情報(X,Y)と、光学像中における光学マーカーの座標(Px,Py)を関連付けて記憶させる。なお、本例ではラスタ状に探触子ユニット110を移動させたが、駆動パターンはこれに限られない。また、記憶する座標は、幾つかの代表点(代表位置)における座標であってもよい。この場合、代表点間の座標は線形補完等によって生成してもよい。また、事前に光学像の収差を画像処理で補完しておいてもよい。
光音響画像の座標は、パルス光の照射座標(探触子ユニット110の座標)と関連付いている。また、光学像に含まれている光学マーカーに基づいて、光学像の座標と、探触子ユニット110の座標を対応付けることができる。すなわち、光学像における座標系と、光音響画像における座標系とを対応付けることができる。
以上説明したように、第一の実施形態によると、光音響画像と光学像との位置関係を取得したうえで、双方の画像を合成することができる。すなわち、装置のユーザは、光音響画像を撮像した被検体上の位置を正確に把握することができる。
第一の実施形態では、支持部材111の裏側から被検体を撮像できる位置にカメラ107を配置した。これに対し、第二の実施形態は、探触子上(支持部材111上)にカメラ107を配置する実施形態である。
図5は、第二の実施形態に係る光音響装置の構成を説明する概要図である。
光音響画像の座標は、パルス光の照射位置(探触子ユニット110の座標)と関連付いている。また、光学像も、同様に探触子ユニット110の座標と関連付いている。よって、光学像における座標系と、光音響画像における座標系とを対応付けることができる。
以上説明したように、第二の実施形態によると、カメラ107が支持部材111上に配置されているため、光学マーカーの読み取りを行うことなく、光音響画像の座標系と光学像の座標系との間における位置関係情報を取得することができる。
第二の実施形態では、光音響画像の取得を行うよりも前のタイミングで光学像の取得を行った。これに対し、第三の実施形態は、光音響測定を行いながら光学像の取得を行う実施形態である。
るため、光学像の取得にかかる時間と、光音響画像の取得にかかる時間の双方が必要になる。しかしながら、光音響装置においては、測定中において被検体が動かないように固定する必要があるため、測定にかかる時間が増大すると、被検者に与える快適性が低下してしまう。
第三の実施形態に係る光音響装置は、光源101によって発生した光を検出し、光学像を取得するためのトリガを生成する手段であるトリガ生成部109をさらに有して構成される。
なお、パルス光の発光周期は、走査機構113が次の位置に移動するまでの時間を考慮して設定することが好ましい。
光音響画像の座標は、探触子ユニット110の座標と関連付いている。また、光学像も、同様に探触子ユニット110の座標と関連付いている。よって、光学像における座標系と、光音響画像における座標系とを対応付けることができる。
以上説明したように、第三の実施形態によると、光音響画像の取得と光学像の取得を並行して実施するため、測定時間を短縮することができ、被検者に与える負荷を軽減することができる。
第二の実施形態では、光学像は、探触子ユニット110の座標と関連付けられ、光音響画像の座標は、パルス光の照射位置、すなわち、探触子ユニット110の座標と関連付けられた。これに対して第四の実施形態では、光学像の座標、光音響画像の座標、および探触子ユニット110の座標とを、時間情報を用いて関連付ける。
情報を取得する機能を備える点で、第二の実施形態と異なる。
データ処理部103は、カメラ107により光学像が取得されたタイミングの時間情報を取得し、取得された光学像と関連付けて記憶部に記憶する。同様に、データ処理部103は、光音響信号が取得されたタイミングの時間情報を取得し、取得された光音響信号と関連付けて記憶部に記憶する。さらに、データ処理部103は、所定のタイミングにおける探触子ユニット110の座標情報と、当該タイミングの時間情報を取得し、両者を関連付けて記憶部に記憶する。これにより、データ処理部103は、光学像および各光音響信号が取得されたタイミングにおける探触子ユニット110の座標を光学像と光音響信号と関連付けることができ、結果として光学像と光音響画像との位置合わせを実現できる。
また、装置の構成次第では、光学像が取得されるタイミングとその時間情報が取得されるタイミングとの間のずれと、光音響信号が取得されたタイミングとその時間情報が取得されるタイミングとの間のずれとが一致していないことがあり得る。そのような場合には、この時間差を補償する処理をデータ処理部103が実行して、光学像と光音響画像との位置合わせを実施することにより、位置合わせの精度を向上させることができる。探触子ユニット110の座標情報を取得するタイミングと、その時間情報が取得されるタイミングとの間のずれについても同様である。
処理の手順としては、第三の実施形態と同様に、光音響画像の取得と光学像の取得を並行して実行することができる。
なお、実施形態の説明は本発明を説明する上での例示であり、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更または組み合わせて実施することができる。
Claims (14)
- 光が照射された被検体から発生した音響波を、被検体に対する複数の相対位置において変換素子を用いて受信し、前記被検体に関する情報を表す光音響画像を取得する光音響装置であって、
前記被検体の光学像を取得する撮像手段と、
前記光学像における第一の座標系と、前記光音響画像における第二の座標系と、の位置関係を表す情報である位置関係情報に基づいて、前記光音響画像と、前記光学像との位置合わせを行う位置合わせ手段と、
を有することを特徴とする、光音響装置。 - 前記位置合わせ後の前記光音響画像と前記光学像を出力する出力手段をさらに有する
ことを特徴とする、請求項1に記載の光音響装置。 - 前記位置合わせの結果に基づいて、前記光音響画像と前記光学像を合成する合成手段をさらに有する
ことを特徴とする、請求項1または2に記載の光音響装置。 - 前記第二の座標系は、前記光を照射した際の前記変換素子の位置と関連付いており、
前記変換素子の位置に基づいて、前記位置関係情報を生成する生成手段をさらに有する
ことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記変換素子は支持部材上に配置され、
前記撮像手段は、前記支持部材を挟んで前記被検体に対向する位置に配置され、
前記支持部材の前記撮像手段に向いた側に位置検出マーカーが配置され、
前記生成手段は、前記光学像中における前記位置検出マーカーの位置に基づいて前記位置関係情報を生成する
ことを特徴とする、請求項4に記載の光音響装置。 - 前記変換素子は支持部材上に配置され、
前記撮像手段は、前記支持部材上の前記被検体に対向する位置に配置される
ことを特徴とする、請求項4に記載の光音響装置。 - 前記撮像手段は、複数の位置で前記光学像を取得し、
前記光学像を取得した際の前記変換素子の位置に基づいて、複数の前記光学像を結合する
ことを特徴とする、請求項6に記載の光音響装置。 - 光が照射された被検体から発生した音響波を受信し、光音響信号に変換する変換素子を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、
前記変換素子を前記被検体に対して相対的に移動させる走査ステップと、
前記光音響信号に基づいて、前記被検体に関する情報を表す光音響画像を取得する第一の取得ステップと、
撮像手段によって前記被検体を撮像し、光学像を取得する撮像ステップと、
前記光学像における第一の座標系と、前記光音響画像における第二の座標系と、の位置関係を表す情報である位置関係情報を取得する第二の取得ステップと、
前記位置関係情報に基づいて、前記光音響画像と、前記光学像との位置合わせを行う位置合わせステップと、
を含むことを特徴とする、被検体情報取得方法。 - 前記位置合わせ後の前記光音響画像と前記光学像を出力する出力ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項8に記載の被検体情報取得方法。 - 前記位置合わせの結果に基づいて、前記光音響画像と前記光学像を合成する合成ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項8または9に記載の被検体情報取得方法。 - 前記第二の座標系は、前記光を照射した際の前記変換素子の位置と関連付いており、
前記変換素子の位置に基づいて、前記位置関係情報を生成する生成ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項8から10のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法。 - 前記変換素子は支持部材上に配置され、
前記撮像手段は、前記支持部材を挟んで前記被検体に対向する位置に配置され、
前記支持部材の前記撮像手段に向いた側に位置検出マーカーが配置され、
前記生成ステップでは、前記光学像中における前記位置検出マーカーの位置に基づいて前記位置関係情報を生成する
ことを特徴とする、請求項11に記載の被検体情報取得方法。 - 前記変換素子は支持部材上に配置され、
前記撮像手段は、前記支持部材上の前記被検体に対向する位置に配置される
ことを特徴とする、請求項11に記載の被検体情報取得方法。 - 前記撮像ステップでは、複数の位置で前記光学像を取得し、
前記光学像を取得した際の前記変換素子の位置に基づいて、複数の前記光学像を結合する
ことを特徴とする、請求項13に記載の被検体情報取得方法。
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