JP4820239B2

JP4820239B2 - 光トモグラフィ装置用プローブ

Info

Publication number: JP4820239B2
Application number: JP2006230919A
Authority: JP
Inventors: 博道堀中; 敏行松中
Original assignee: Osaka Prefecture University PUC
Current assignee: Osaka Metropolitan University
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-08-28
Also published as: JP2008049063A

Description

本発明は、生体等の物体内部への光を照射したときの変化を、超音波を利用して画像化する光トモグラフィ装置において使用される光トモグラフィ装置用プローブに関する。

医療分野で利用される超音波診断装置は、超音波振動子から発振される超音波ビーム信号を生体内に送波し、生体内からの超音波エコー信号を受波検知して、これを断層画像化している。これらの超音波診断装置では、いわゆるＢモードやＭモードなどのように受波した超音波エコー信号の強さを輝度変調などで画像化する。最近は、アレイ型探触子による電子走査の採用などにより、生体断層画像をリアルタイム表示する装置が広く普及しており、体内の非侵襲的な診断に大きな威力を発揮している。

超音波診断装置を利用して行う新たな診断方法のひとつとして、測定領域に対して光を照射する機構を設け、光照射前と光照射後の受信信号（超音波エコー信号）の変化から、光照射による測定領域の超音波速度変化の分布を求めて断層画像（光断層画像）を得ることが提案されている（特許文献１参照）。

この診断方法で得られる光断層画像は、測定領域の光吸収特性、音速変化、あるいは温度変化の二次元分布である断層画像を現している。つまり、生体内に光を照射したときに、生体内の各部位ごとで光吸収特性が異なると、それぞれの部位の光吸収特性に応じて生体内に温度分布が生じる。生体内を伝播する超音波の音速は、温度に依存して変化することから、光照射前と光照射後の超音波エコー信号の音速変化を各部位ごとに求めて断層画像化することにより、超音波速度変化分布、あるいは温度変化分布、光吸収分布の断層画像として表示させることができる。したがって、以下の説明では、超音波速度変化に関する分布の断層画像というときは、超音波速度変化分布、温度変化分布、光吸収分布の断層画像を含むものとする。

図５は、特許文献１に記載された光断層画像を表示するための装置構成を示す図である。被検体１００は、赤外線レーザからなる光源４０により光照射を受ける。光源４０の出射側には、被検体１００への光照射を断続するシャッタ４２が設けられている。このシャッタ４２は、光吸収解析部６０により開閉制御される。
超音波の送受は、リニアアレイ探触子５０により行われる。リニアアレイ探触子５０は、送受信部５２からの駆動信号により励振されて超音波信号を発し、この超音波信号に対する被検体内からの受信信号（超音波エコー信号）を送受信部５２に返す。走査制御部５４は、送受波を行う振動子を順に切り換えることにより、複数の超音波信号を走査する。
リニアアレイ探触子５０の受信信号は、Ｂモード信号処理回路５６及び光吸収解析部６０に入力される。Ｂモード信号処理回路５６は、その受信信号に対して周知のＢモード断層画像形成処理を行ってビーム走査範囲の断層画像を形成し、ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）５８に書き込む。また、光吸収解析部６０は、受信信号を解析してビーム走査範囲の光吸収分布（すなわち超音波速度変化分布）の画像を形成する。この光吸収分布は、非照射時と光照射後の受信信号の変化を計算することにより求められる。

上記装置による光吸収分布画像を得るための制御の手順を以下に説明する。まず、光吸収解析部６０は、シャッタ４２を閉じ、被検体１００に光吸収による温度上昇がない状態での探触子５０の受信信号（Ｂモード画像用の受信信号）を１走査分記憶する。このとき、光吸収解析部６０は、走査制御部５４からの走査情報に基づき、受信信号を各走査線（ビーム）ごとに区別して記憶する。次に光吸収解析部６０は、シャッタ４２を開いて被検体１００に光照射を行い、被検体各部に検出可能な温度上昇が起こる程度の時間（これは予め実験で求めて設定しておく）の経過後、再び探触子５０の受信信号を１走査分取得する。そして、光吸収解析部６０は、１走査線ずつ、光吸収前と吸収後の受信信号について比較し、超音波の音速変化を解析する。この解析結果はＤＳＣ５８に書き込まれる。ＤＳＣ５８は、この光吸収解析部６０の解析結果である光吸収分布画像（すなわち超音波速度変化分布）を表示装置６２に表示する。このときＢモード画像に重畳して光吸収分布画像をカラー表示するようにしてもよい。例えば、光吸収分布は、被検体各部の温度上昇に対応しているので、暖色系の色を用い、吸収率が高いほど（照射前後の位相差が大きい）、明度の高い色になるようにするなどの形態をとれば、診断者に直感的に把握しやすい画像が得られる。

このようにして、超音波の反射強度の分布（Ｂモード画像）とは別に、光吸収特性の分布（すなわち超音波速度変化分布）という異なる物理量の分布を表示することができ、被検体組織の多面的な把握が可能になる。
なお、造影剤注入器７０により造影剤を注入することも行われる。すなわち、造影剤として光吸収率が高く、被検体中の注目組織（例えばガン細胞などの病変部１１０）に特異的に取り込まれやすいものを注入した後、光吸収特性の画像表示を行えば、注目組織の光吸収による温度上昇が他の部分より大きくなるので、注目組織を強調した画像を形成することができる。
特開２００１−１４５６２８号公報

特許文献１に記載された計測装置では、通常の超音波診断装置で使用されているリニアアレイ型探触子５０を、そのまま本装置での超音波信号の送受用に使用している。そして、リニアアレイ型探触子５０とは独立した赤外線レーザ光源４０を、別途に被検体１００に取付け、超音波信号とは別方向（横方向）から被検体に独立に光照射するようにしている。
この場合、被検体の広範囲にわたって比較的均一な光エネルギーが照射できるが、その反面、超音波信号を測定する領域から離れた部分にも多くの光エネルギーが照射されるので、測定領域に効率よく光照射することが困難であり、出力の大きな光源が必要になる。
また、再現性のよい計測を行うには、測定の際に、常にリニアアレイ探触子５０と、赤外線レーザ光源４０との位置関係を正確に調整する必要があり、セッテイングに手間を要する。
そこで、本発明は、照射された光源からの光が効率よく利用され、また、再現性のよい計測を行うことができる光トモグラフィ装置用のプローブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の光トモグラフィ装置用プローブは、光を照射していない時の測定領域から受波した非照射時超音波エコー信号と光照射後の測定領域から受波した光照射後超音波エコー信号とに基づいて測定領域への光照射に対する超音波速度変化を求めて超音波速度変化に関する分布を断層画像として表示する光トモグラフィ装置に使用するための光トモグラフィ装置用プローブであって、測定領域に光を照射する複数の光源と、測定領域に超音波信号を送波するとともに測定領域からの超音波エコー信号を受波する超音波探触子とを備え、前記複数の光源と超音波探触子とが隣接するようにして一体に固定され、前記複数の光源は超音波探触子からの超音波信号が進行する方向に光照射方向が向けられるとともに、超音波探触子を挟んで対称に取り付けられるようにしている。

この発明によれば、プローブは、光源と超音波探触子とが隣接するようにして一体に固定され、光源は超音波探触子からの超音波信号が進行する方向に光照射方向が向けられるようにしてあるので、計測に際し、光源と超音波探触子との位置関係を常に一定に維持することができ、再現性よい計測が可能になる。また、光源は超音波探触子からの超音波信号が進行する方向に光照射方向が向けてあるので、超音波信号により測定が行われる部位に効率よく光が照射できる。

また、複数の光源が、超音波探触子を挟んで対称に取り付けられるようにしているので、複数の光源により、照射光量を十分に確保でき、また、対称な位置に配置することにより、超音波信号が通過する領域に対して、より均一な光を照射することができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
上記発明において、光源の光照射面および超音波探触子の超音波送受面には、照射光および超音波信号を吸収しない媒質からなるスタンドオフが取り付けられるようにしてもよい。
これにより、超音波探触子が接触する表面近傍の断層画像の計測を行う際も、計測位置が表面に近過ぎて、断層画像が得られない不具合をなくし、所望の位置の断層画像を得ることができる。

また、上記発明において、光源は、波長可変光源であってもよい。
これにより、超音波速度変化の分布を計測する際に、分光学的な情報を追加して計測することができる。

また、上記発明において、光源は、超音波探触子から離隔した位置に取り付けた発光体からの光が導かれる光ファイバ端であるようにしてもよい。
これにより、発光体を必ずしも超音波探触子と一体に取り付ける必要がなくなり、プローブ自体を小型かつ軽量なものにすることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である光トモグラフィ装置用のプローブの斜視図であり、図２はその断面図である。また、図３はこのプローブを使用する光トモグラフィ装置全体の構成を示すブロック図である。

光トモグラフィ装置１は、リニアアレイ探触子２、光源３、ホルダ１６、スタンドオフ１７からなるプローブ５と、送受信部６、走査制御部７、超音波速度解析部８（光吸収解析部）、Ｂモード信号処理部９、ＤＳＣ１０（デジタルスキャンコンバータ）からなる制御系１１と、表示装置１２とを備えている。

プローブ５のリニアアレイ探触子２は、通常の超音波診断装置用と同じものであり、直線状に配列された複数の振動子を有しており、各振動子は、送受信部６からの駆動信号により励振されて超音波信号を発し、この超音波信号に対する被検体１００内からの超音波エコー信号を送受信部６に返す。この送受信部６は走査制御部７により制御され、送受波を行う振動子を順に切り換えることにより、複数（例えば３４５本）の超音波信号を走査する。リニアアレイ探触子２の受信信号（超音波エコー信号）は、Ｂモード信号処理回路９及び超音波速度解析部８（光吸収解析部）に入力される。Ｂモード信号処理回路９は、その受信信号に対して周知のＢモード断層画像形成処理を行ってビーム走査範囲の断層画像を形成し、ＤＳＣ１０に書き込む。

光源３は、リニアアレイ探触子２を挟んで対称な位置に複数配置するようにして、均一で影が生じないように測定領域を照射できるようにしてある。光源３には半導体レーザを使用する。半導体レーザは、測定領域に応じて適当な波長の赤外光を照射するものが用いられる。使用される光源の波長は、測定領域内に検出しようとする特異部分（例えば病変部位１１０）が存在するときに、この部分で吸収される波長が用いられる。あるいは、可変波長レーザを用いてもよい。この場合は、波長依存性を計測することにより、分光学的な測定を行うことができる。なお、光源３は、半導体レーザに限らず、所望の波長の光を発しうるものであれば、他の光源であってもよい。

ホルダ１６は、リニアアレイ探触子２と光源３とを取り付ける孔が形成してあり、それぞれの位置にリニアアレイ探触子２と光源３とを取り付けることによって、これらの位置関係が一定に保持されるようにしてある。そして、リニアアレイ探触子２から出射される超音波信号の進行方向に向けて、光源３からの光が照射されるようにしてある。

スタンドオフ１７は、ホルダ１６に着脱できるように取り付けられている。スタンドオフ１７は、リニアアレイ探触子２からの超音波信号、光源３から照射光のいずれをも吸収しない媒体で形成され、スタンドオフ１７を通過して被検体１００の測定領域に超音波信号と照射光が伝播されることにより、被検体１００の表面近傍の計測ができるようにしている。なお、被検体１００の深部を測定するときは、スタンドオフ１７を取り外してもよい。

このような構成のプローブ５を使用するときは、被検体１００に押し当てた状態で、リニアアレイ探触子２から超音波信号が送波されるとともに、光源３から赤外光が照射される。このとき、光源３は、超音波速度解析部８（光吸収解析部）により点灯制御される。超音波速度解析部８は、受信信号（超音波エコー信号）を解析してビーム走査範囲の超音波速度変化の分布の画像を形成する処理を行う。すなわち、非照射時と光照射後との超音波エコー信号の相互相関の計算を行う。この相互相関の計算についても周知のソフトを利用して行うことができる。超音波速度解析部８は、計測した３４５本すべてについて同様の解析を行い、それぞれの相互相関のデータを取得する。取得した相互相関のデータから、超音波速度の変化を算出し、計算結果に基づいて、断層画像（光断層画像）を作成し表示装置１２に表示する。測定位置を変更するときは、プローブ５を新しい位置に向けて移動するだけで、リニアアレイ探触子２と光源３とを、所望の方向に向けることができる。

（変形実施形態）
上記実施形態では、ホルダ１６に、発光体である半導体レーザを光源３として取り付けるようにしたが、プローブ５をできるだけ小型軽量にするため、図４に示すように、発光体をプローブ５のホルダ１６から離して設置してもよい。すなわち、発光体３ａをホルダから離れた位置に配置する（例えば制御系１１の筐体に収納する）とともに、光ファイバ１８の光入射側端部１８ａを発光体３ａに向けるようにする。一方、ホルダ１６には、光ファイバ１８の光出射側端部１８ｂを固定する孔を設けて、これにより光ファイバ１８を固定する。このようにして、細くて軽量な光ファイバ１８を光源３として取り付けたプローブ５とすることができる。

本発明は、光照射前後の被検体の音速変化に関する分布の断層画像を表示する光トモグラフィ装置に利用することができる。

本発明の一実施形態である光トモグラフィ装置用のプローブの構成を示す斜視図。図１のプローブの断面図。図１のプローブを用いた光トモグラフィ装置全体の構成を示すブロック図。本発明の他の一実施形態である光トモグラフィ装置用のプローブの要部断面図。従来の光トモグラフィ装置の構成を示す図。

符号の説明

１：光トモグラフィ装置
２：リニアアレイ型探触子
３：半導体レーザ
５：プローブ
１６：ホルダ
１７：スタンドオフ

Claims

光を照射していない時の測定領域から受波した非照射時超音波エコー信号と光照射後の測定領域から受波した光照射後超音波エコー信号とに基づいて測定領域への光照射に対する超音波速度変化を求めて超音波速度変化に関する分布を断層画像として表示する光トモグラフィ装置に使用するための光トモグラフィ装置用プローブであって、
測定領域に光を照射する複数の光源と、測定領域に超音波信号を送波するとともに測定領域からの超音波エコー信号を受波する超音波探触子とを備え、
前記複数の光源と超音波探触子とが隣接するようにして一体に固定され、前記複数の光源は超音波探触子からの超音波信号が進行する方向に光照射方向が向けられるとともに、超音波探触子を挟んで対称に取り付けられることを特徴とする光トモグラフィ装置用プローブ。
光源の光照射面および超音波探触子の超音波送受面には、照射光および超音波信号を吸収しない媒質からなるスタンドオフが取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の光トモグラフィ装置用プローブ。
光源は、波長可変光源であることを特徴とする請求項１に記載の光トモグラフィ装置用プローブ。
光源は、超音波探触子から離隔した位置に取り付けた発光体からの光が導かれる光ファイバ端であることを特徴とする請求項１に記載の光トモグラフィ装置用プローブ。