JP5305818B2 - 生体情報取得装置 - Google Patents

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Description

本発明は、生体情報取得装置に関する。
一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴法）を用いた画像化装置が医療分野で多く使われている。一方、レーザーなどの光源から生体に照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング装置の研究も医療分野で積極的に進められている。このような光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）がある。
光音響トモグラフィーとは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波の時間による変化を、被検体を取り囲む複数の個所で検出し、得られた信号を数学的に解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光照射によって生じた初期圧力発生分布あるいは光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布などを得ることができ、悪性腫瘍場所の特定などに利用できる。
一般に、光音響トモグラフィーでは、被検体に対して、被検体全体を取り囲む、閉じられた空間表面、特に球状測定表面の様々な点において、音響波の時間変化を理想的な音響検出器（広帯域・点検出）を用いて測定できれば、理論的には光照射により生じた初期音圧分布を完全に可視化できる。しかしながら、現実の被検体では、被検体全体を囲む、閉じた空間表面全体で、音響波検出情報を得ることは不可能である。そのため、図１のような平板型測定系などが用いられる場合がある。図１において、１は音響波検出器、２は光吸収体あるいは音響波発生源、３は被検体、４は画像再構成領域、５は音響波である。このような平板型測定系においても、パルス光照射により発生した圧力による初期圧力分布を可視化する領域４に対して十分に大きな領域（理想的には無限表面）で音響波を測定できれば、音響波の発生源分布をほぼ再現できることが数学的に知られている（非特許文献１参照）。
ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｅ７１、０１６７０６（２００５）
しかしながら、音響波の測定領域を大きくするために、音響波検出器１のサイズを大きくし、その中に含まれる検出器の素子数を増やすと、それを制御する電子制御システムが大規模になり、結果として、非常に高価なシステムとなる。また、素子数の多い大きな音響波検出器を製造する場合には、製造が容易な小さな素子群に分割して作製し、複数配列することにより大きな音響波検出器を作成する方法がとられる。
しかしながら、素子数が膨大になるとそれぞれの素子からの電気信号を外部に送る配線ケーブルの制約上（ケーブルが太くなる）、すべての素子は配線されない場合がある。さらに、分割した素子群の間には素子のクロストークを低減するための溝（境界部）が設けられていて、その領域は音響波を検出できない。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、最終的に得られる生体情報画像において、音響波検出器内で同時に検出できるサイズや素子数が制限されても、より実際の音響波の発生源分布に近い画像を再構成することのできる生体情報取得装置を提供することを目的とする。
本発明の被検体情報取得装置は、被検体から発生した音響波を検出し電気信号に変換する素子を複数配列した音響波検出器と、前記音響波検出器を第１の位置から第２の位置に移動させる移動制御手段と、前記電気信号に基づき被検体情報画像を再構成する信号処理装置と、を有する被検体情報取得装置であって、前記音響波検出器には、前記素子間に空隙が設けられており、前記音響波検出器は、前記第１の位置で音響波を検出し、前記移動制御手段により前記第１の位置では前記空隙であった個所に前記第２の位置では前記素子が対応するように移動した後、前記第２の位置で音響波を検出し、前記空隙は、前記素子の寸法の整数倍であり、前記第１の位置から前記第２の位置への移動幅は、移動方向における前記素子の幅の整数倍であり、前記信号処理装置は、前記第１の位置で得た電気信号と前記第２の位置で得た電気信号とから被検体情報画像を再構成することを特徴とする。
本発明の生体情報取得装置においては、音響波検出器内で同時に計測できるサイズや素子数が制限されても、より実際の音響波の発生源分布に近い画像を再構成することのできる生体情報取得装置を提供できる。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の生体情報取得の実施形態について示したものである。ここでは、図２に基づいて、本発明を実施するための最良の形態について説明する。本実施の形態で説明する生体情報取得装置は悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的として、生体情報の画像化を可能とするものである。本発明において生体情報とは、音響波の発生源分布であり、生体内の初期圧力分布、あるいはそれから導かれる光学特性値分布及び、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布を示す。例えば、物質の濃度分布とは酸素飽和度などである。
本実施形態における生体情報取得装置は、光１２を被検体１３に照射する光源１１と、光源１１から照射された光１２を被検体１３に導くレンズなどの光学装置１４と、血管などの光吸収体１５が光のエネルギーの一部を吸収して発生した音響波１６を検出し電気信号に変換する音響波検出器１７と、前記電気信号を増幅やデジタル変換などを行う電子制御システム１８、生体情報に関する画像を構築する信号処理装置１９及び、その画像を表示する表示装置２０、音響波検出器１７を移動制御するシステム２１から構成される。
なお、光１２をパルス化して被検体に照射することにより、生体内部にある光吸収体１５からは音響波１６が発生する。これは、パルス光の吸収により、吸収体の温度が上昇し、その温度上昇により体積膨張が起こり、音響波が発生するためである。また、このときの光パルスの時間幅は光吸収体１５に吸収エネルギーを効率に閉じ込めるために、熱・ストレス閉じ込め条件が当てはまる程度にすることが好ましい。典型的には数から数十ナノ秒程度である。発生した音響波１６は音響波検出器１７により検出され、検出された電気信号は制御システムにより処理される。また、音響波検出器１７は移動制御システム２１で機械的に移動しながら音響波１６を様々な場所で測定できるように構成されている。さらに、ＰＣなどの信号処理装置１９により、その電気信号は生体情報画像へと変換され、ディスプレイなどの画像表示装置２０に表示される。
次に、本発明の生体情報取得装置における音響波検出器の移動制御方法に関する説明を行う。図３は、図２の音響波検出器１７の一例であり、被検体１３と接する面側から見た模式図である。
図３において、３１は音響波検出器全体、３２は素子を示している。図３の音響波検出器３１は、素子３２が千鳥状（素子と空隙とが交互）に配列されている。このような素子配列をした音響波検出器３１を、移動方向（Ｘ方向）における素子の幅の分だけずらして移動させると、図４に示されるように見かけ上、素子の配列中に空隙を設けずに素子を配列した形態と素子数は同じになる。なお、ここで言う空隙とは音響波を電気信号として、電気システムに送ることができない領域のことであり、配線されていない素子も空隙と考える。つまり、見かけ上、音響波検出器には素子が詰まって配置されているが、配線されていない素子は電気信号をシステムに１８の電子制御システムに送信できないため空隙となる。図４において、３３は移動前（第１の位置）の音響波検出器の検出領域で、３４は移動後（第２の位置）の音響波検出器の検出領域である。３５は音響波検出器移動後の音響波検出領域が移動前の音響波検出領域と重複する領域を示している。
なお、素子の配列に関しては、ここで示した千鳥状配置に限定されるものではない。例えば、列ごとに素子と空隙が順に並んでいる形態でも良く、音響波検出器の移動により、空隙を設けずに密に配列した場合の素子数と同じになれば、どのような配列を用いてもかまわない。つまり、音響波検出器の移動により、移動前（第１の位置）は空隙であった個所が、移動後（第２の位置）では素子が対応するように配列されていればよい。
また、画像の再構成のしやすさの観点から、前記空隙は素子の寸法の整数倍の大きさであることが好ましく、音響波検出器の移動幅は素子の寸法（移動方向における素子の幅）の整数倍であることが好ましい。
図５（ａ）は音響波検出器上にある初期音響波発生源分布の一例を示している。ここで６４は音響波発生源である。６４から発生した音響波を図３で示した音響波検出器で移動制御せずに検出し、画像を従来手法であるタイムドメインアルゴリズムあるいはフーリエドメインアルゴリズムなどの画像再構成手法を用いて再構成した画像の概念図を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）において、６５は再構成された音響波発生源の形状を示している。ここで、Ｄａは再構成された音響波発生源の直径を示している。次に、図５（ｃ）は図３の音響波検出器を１素子分だけ移動し、移動前後での音響波の情報を用いて再構成した画像の概念図である。ここでも、再構成手法としては従来手法であるタイムドメイン法あるいはフーリエドメイン法を用いることができる。なお、移動前後でのデータは結合され、それぞれの計測素子位置にあわせた情報として扱われ、画像再構成を行う。図において、６６は再構成された音響波発生源の形状、Ｄｂは再構成された音響波発生源の直径を示している。これらを比べると、６５より６６の方が実際の音響波発生源である６４の形状に近いものが再現され、直径も小さい。これは、音響波検出器を素子の幅だけ移動して移動前後で音響波検出領域に重なりをもたせ、画像を再構成するときに使う素子の見かけ上の数を増やすことができる（空隙の無い音響波検出器と同様の信号入力が可能となる）ためである。その結果、画像再構成の制度が上がり、音響波検出器のサイズや素子数が制限されていても音響波の発生源の位置と大きさを高精度に画像化できる。
また、小さな素子群を複数配列して大きな音響波検出器を作成する場合、小さな素子群の間に音響波を検出できない境界部が設けられるが、この境界部を上記空隙部として構成すれば、境界部を大きくすることでき、製造が容易になる。
さらに、空隙部に光ファイバ等で光源を配置することで配列した音響波検出器側から光を照射することも容易となる。被検体に光を照射して音響波を発生させる方法の場合、音響波検出器外側から光を照射すると、音響波検出器が大きい場合、その直下に光を伝播させるのが困難となり、画質の低下となる。一方、上記のように音響波の検出素子内から光を照射できれば、音響波検出器直下にも光を照射でき、再構成画像の品質向上に有効である。
次に、本実施形態を具体的に説明する。
図２において、光源１１は生体を構成する成分のうち特性の成分に吸収される特定の波長の光を照射することを目的とする。ただし、光源は本発明の生体情報取得装置と一体として設けられていても良いし、光源を分離して別体として設けられていても良い。光源としては数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源を少なくとも一つは備える。なお、検出する音響波の音圧が小さくてよい場合は、上記で記述したオーダーのパルス光ではなく、サイン波など時間的に強度が変化する光であればよい。光源としては大きな出力が得られるレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。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。
なお、本実施形態においては、光源１１が一つである例を示しているが、複数の光源を用いても良い。その場合は、生体に照射する光の照射強度を上げるため、同じ波長を発振する光源を複数用いても良いし、光学特性値分布の波長による違いを測定するために、発振波長の異なる光源を複数個用いても良い。なお、光源１１として、発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）やチタンサファイヤ及びアレキサンドライトの結晶を用いることができれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。使用する光源の波長に関しては、生体内において吸収が少ない７００ｎｍから１１００ｎｍの領域が好ましい。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域を使用することも可能である。
図２の１２は光源から照射された光であり、光導波路などを用いて、伝搬させることも可能である。図で示してはいないが光導波路としては、光ファイバが好ましい。光ファイバを用いる場合は、それぞれの光源に対して複数の光ファイバを使用して、生体表面に光を導くことも可能であるし、複数の光源からの光を一本の光ファイバに導き、一本の光ファイバのみを用いて、すべての光を生体に導いても良い。図２の１４は光学部品であり、主に光を反射され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などを意味している。このような光学部品は、所望の形状で光源から発せられた光１２が被検体１３に照射されれば、どのようなものを用いてもかまわない。なお、一般的に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好ましい。また、光を被検体に照射する領域は移動可能であることが好ましい。言い換えると、本発明の生体情報取得装置は、光源から発生した光が被検体上を移動可能となるように構成されていることが好ましい。移動可能であることにより、より広範囲に光を照射することができる。また、光を被検体に照射する領域（被検体に照射される光）は、音響波検出器と同期して移動するとさらに好ましい。光を被検体に照射する領域を移動させる方法としては、上記可動式ミラー等を用いて移動させてもよいが、光源自体を機械的に移動させてもよい。
被検体１３としては、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的としているため、人体や動物の乳房や指・手足など診断の対象ならばそのようなものを被検体として用いることができる。被検体１３の光吸収体としては、被検体内で吸収係数が高いものを示し、例えば、人体が測定対象であればヘモグロビンやそれを含む多く含む血管あるいは新生血管を多く含む悪性腫瘍である。
図２の音響波検出器１７は被検体内を伝播した光のエネルギーの一部を吸収した物体から発生した音響波を検知し、電気信号に変換するものである。本発明における音響波検出器は、圧電現象を用いたトランスデューサー、光の共振を用いたトランスデューサー、容量の変化を用いたトランスデューサーなど音響波を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。
なお、本発明の生体情報取得装置における音響波検出器は、図３で示されたような２次元的に素子が配置したものがよい。このような２次元配列素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を検出することができ、検出時間を短縮できると共に、被検体の振動などの影響を低減できる。また、音響波検出器１７と被検体との間には、図示してはしないが音響波の反射を抑えるためのジェルや水などの音響インピーダンスマッチング剤を使うことが望ましい。
図２の音響波検出器の移動制御システム２１は、通常のモーターなどを用いた駆動ステージとステージコントローラーが使われるが、音響波検出器１７を２次元的に操作できればどのようなものを用いてもかまわない。
本発明の音響波検出器は、静止→検出→移動を繰り返すステップアンドリピート式に位置決めをして移動し、停止状態で音響波を検出する。この１つの位置での停止状態で音響波の受信は複数回行うことが好ましい。複数の信号の平均値を利用することにより、ノイズの少ない画像を再構成することができる。
図２の電子制御システム１８は音響波検出器１７より得られた電気信号を増幅し、それをアナログからデジタルに変換する。図２の信号処理装置１９は電子制御システムから得られたデータを記憶し、それを演算手段により、光学特性値分布の画像データに変換できるものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、様々なデータを解析できるコンピューターなどが使用できる。なお、データ解析手法（画像再構成手法）としては通常の光音響トモグラフィーで使われているフィルタ補正逆投影法、フーリエ変換法、球状ラドン変換法、合成開口法などを用いることができる。図２の画像表示装置は信号処理装置で作られた画像データを表示できれば、どのようなものでも用いることができる。たとえば、液晶ディスプレイなどを利用できる。
なお、複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長に関して、上記のシステムにより被検体内の吸収係数分布を算出する。そして、それらの値と生体組織を構成する物質（グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど）固有の波長依存性とを比較することによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。
従来の生体情報取得装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明を適用できる生体情報取得装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明を適用できる生体情報取得装置の音響波検出器の構成の一例を示す模式図である。 本発明を適用できる生体情報取得装置の音響波検出器の移動方法の一例である。 （ａ）は音響波発生源の一例であり、（ｂ）は音響波検出器を移動せずに得られる画像の一例であり、（ｃ）は本発明の生体情報取得装置で得られる画像の一例である。
符号の説明
１１ 光源
１２ 光
３、１３ 被検体
１４ 光学部品
２、１５、３５、６４ 光吸収体あるいは初期圧力分布
５、１６、 音響波
１、１７、３１ 音響波検出器
１８ 電子制御システム
１９ 信号処理装置
２０ 画像表示装置
２１ 移動制御システム
４ 画像化領域
３２ 素子
３３ 音響波検出器移動前の検出領域
３４ 音響波検出器移動後の検出領域
６５、６６ 画像化された初期圧力分布

Claims (7)

  1. 被検体から発生した音響波を検出し電気信号に変換する素子を複数配列した音響波検出器と、前記音響波検出器を第１の位置から第２の位置に移動させる移動制御手段と、前記電気信号に基づき被検体情報画像を再構成する信号処理装置と、を有する被検体情報取得装置であって、
    前記音響波検出器には、前記素子間に空隙が設けられており、
    前記音響波検出器は、前記第１の位置で音響波を検出し、前記移動制御手段により前記第１の位置では前記空隙であった個所に前記第２の位置では前記素子が対応するように移動した後、前記第２の位置で音響波を検出し、
    前記空隙は、前記素子の寸法の整数倍であり、前記第１の位置から前記第２の位置への移動幅は、移動方向における前記素子の幅の整数倍であり、
    前記信号処理装置は、前記第１の位置で得た電気信号と前記第２の位置で得た電気信号とから被検体情報画像を再構成することを特徴とする被検体情報取得装置。
  2. 前記信号処理装置は、前記第１の位置で得た電気信号と前記第２の位置で得た電気信号の結合データを生成し、前記結合データを画像再構成することで被検体情報画像を再構成することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
  3. 前記音響波検出器は、前記素子と前記空隙とが交互に配列しており、前記第１の位置から前記第２の位置への移動幅は、移動方向における前記素子の幅と同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の被検体情報取得装置。
  4. 前記音響波は、光源から発生した光を被検体に照射することにより発生することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の被検体情報取得装置。
  5. 前記光源から発生した光が前記被検体上を移動可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の被検体情報取得装置。
  6. 前記光源から発生した光が前記被検体に照射される領域と同期して前記音響波検出器が移動することを特徴とする請求項５に記載の被検体情報取得装置。
  7. 前記音響波検出器は、前記素子を２次元的に配列してなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の被検体情報取得装置。
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