JP5451506B2 - 光音響トモグラフィー装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光音響トモグラフィー装置およびその制御方法に関する。

一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）を用いたイメージング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）が提案されて
いる。

光音響トモグラフィーにおいては、まず、光源から被検体にパルス光を照射し、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放出された音響波（以下光音響波ともよぶ）を複数の個所で検出する。そして、検出した信号を解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

光音響トモグラフィーにおいて、光吸収により被検体内の光吸収体から放出される光音響波の初期音圧（Ｐ_０）は次の式（１）で表すことができる。
Ｐ_０＝Γ・μ_ａ・Φ … 式（１）

ここで、Γはグリューナイゼン係数であり、体積膨張係数（β）と音速（ｃ）の二乗の積を定圧比熱（Ｃ_Ｐ）で割ったものである。μ_ａは光吸収体の吸収係数である。Φは局所的な領域での光量（光吸収体に照射された光量で、光フルエンスとも言う）である。従来の技術によれば、光音響波の大きさである音圧Ｐの変化を複数の個所で測定及び解析することにより、被検体の初期発生音圧分布（Ｐ_０）を画像化することができる。なお、Γは組織が決まれば、ほぼ一定の値をとることが知られているので、式（１）の関係から、μ_ａとΦの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布も得ることができる。

光音響トモグラフィーでは、上記の光音響波を音響波検出素子が検知して電気信号に変換する。続いて信号処理回路において、その電気信号を増幅器で増幅し、ＡＤ変換器がデジタル化する。このデジタル信号に基づく画像再構成を行うことで、検体内の生体情報を画像化することが可能となる。
このような光音響トモグラフィーを用いた装置においては、被検体から放出される光音響波をできるだけ多くの音響波検出素子によって取得することが、良い画像を得るための条件となる。しかし、多数の音響波検出素子からの電気信号を増幅し、ＡＤ変換などを経て画像化する装置においては、増幅器やＡＤ変換器などの回路規模が増大してしまう。そのため、それらの信号処理回路が消費する電力も増大し、発生する熱も大きくなる。

上記の消費電力の増大という問題は、超音波エコーを用いる超音波診断装置にも存在する。特許文献１には、超音波診断装置において、超音波エコー信号を取得していない間、信号処理回路を停止して消費電力を低減する方法が開示されている。特許文献１に開示された方法では、定期的な撮影を開始するためのクロック信号を起因として、信号処理回路の停止を解除し、回路を動作させる。このクロック信号が信号処理回路を動作させるためのトリガー信号となる。しかし、この方法では、信号処理回路の停止状態からの復帰時間は非常に短いものが採用されていたため、消費電力の低減量が少ないものとなっていた。

特開昭６１−２１３０４２号公報

一方、光音響トモグラフィーによる装置においては、撮影を開始するタイミングになると、光源にクロックに基づく制御信号を送信して、レーザー光などのパルス光を被検体に照射させる。しかし、光源に対して制御信号を送信しても、実際に発光が行われるまでのタイミングが装置によってずれる場合がある。このずれは、光源の経年変化や個体差などに原因がある。発光のタイミングがずれると、被検体から光音響波が放出されるタイミングもずれることになる。

そのため、光源に対する制御信号を、信号処理回路の停止期間（スリープ期間）を制御するトリガーとして利用しようとした場合、光音響波を受信できる期間と信号処理回路を動作させる期間の間にずれが生じることがあった。すなわち、光音響波が放出されているのに信号処理回路を停止させることや、光音響波が放出されていないのに信号処理回路が動作することがあった。
また、光源を発光させる制御信号と同時に信号処理回路を停止から復帰させる場合、発光直後の光音響波を取りこぼしてしまい、信号処理ができない可能性があった。これは、信号処理回路の停止からの復帰には、ある程度の時間を必要とするためである。

したがって、光音響波を受信して処理する期間以外では信号処理回路を停止しようとする場合、実際に発光が行われたことを検知し、その検知したタイミングを基準として信号処理回路を停止させるような制御信号を生成する必要がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光音響トモグラフィー装置において、信号処理回路の停止期間を適切に制御することにより、消費電力を低減するための技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、光源から照射される光を吸収した被検体から放出される音響波を取得して電気信号に変換する音響波取得手段と、前記電気信号に対して増幅およびＡＤ変換を行う信号処理手段であって、スリープ信号を入力されている間は、前記増幅と前記ＡＤ変換のうち少なくとも一方の処理を行わないスリープ状態で動作し、前記スリープ信号の入力が停止すると、所定の復帰時間を経て、前記増幅と前記ＡＤ変換のどちらの処理も行い得る状態に遷移する信号処理手段と、前記スリープ信号を生成して前記信号処理手段に出力するスリープ信号生成手段と、前記被検体に照射された光を検知してトリガー信号を生成し、前記スリープ信号生成手段に出力する光検知手段と、を備える光音響トモグラフィー装置であって、前記スリープ信号生成手段は、前記トリガー信号を入力されてから、前記音響波取得手段が前記被検体から放出される音響波を取得する所定の時間である光音響取得時間が経過するまでの間は、前記スリープ信号を出力せず、前記光音響取得時間が経過した後は、前記スリープ信号を出力することを特徴とする光音響トモグラフィー装置である。

本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、光源から照射される光を吸収した被検体から放出される音響波を取得して電気信号に変換する音響波取得手段と、前記電気信号に対して増幅およびＡＤ変換を行う信号処理手段であって、スリープ信号を入力されている間は、前記増幅と前記ＡＤ変換のうち少なくとも一方の処理を行わないスリープ状態で動作し、前記スリープ信号の入力が停止すると、所定の復帰時間を経て、前記増幅と前
記ＡＤ変換のどちらの処理も行い得る状態に遷移する信号処理手段と、を備える光音響トモグラフィー装置の制御方法であって、前記被検体に照射された光を検知してトリガー信号を生成するステップと、前記トリガー信号に基づき前記スリープ信号を生成して前記信号処理手段に出力するステップであって、前記トリガー信号が生成されてから、前記音響波取得手段が前記被検体から放出される音響波を取得する所定の時間である光音響取得時間が経過するまでの間は、前記スリープ信号の出力を停止するステップと、前記光音響取得時間が経過した後は、前記スリープ信号を出力するステップと、を含むステップと、を有することを特徴とする光音響トモグラフィー装置の制御方法である。

本発明によれば、光音響トモグラフィー装置において、信号処理回路の停止期間を適切に制御することにより、消費電力を低減することが可能になる。

光音響トモグラフィー装置の構成を示す図。 実施例の処理のタイミングを示すタイミングチャート。 スリープ信号生成手段の内部構成を示すブロック図。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。本発明に係る装置は、光音響トモグラフィー（ＰＡＴ）を利用して生体などの被検体内部の情報を画像化する。なお本発明において、光照射により発生する音響波のことを「光音響波」とも呼ぶ。光音響波は、光の照射により被検体で発生した弾性波であり、典型的には超音波である。

＜実施例＞
図１を用いて、装置の構成について説明する。ここで説明する光音響トモグラフィー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するものである。その目的のため、光音響波の測定データをもとに生体内の光学特性値分布（光吸収係数など）を求め、それらの情報から、生体組織等の被検体を構成する物質の濃度分布を画像化する。

光音響トモグラフィー装置は、光音響波取得手段１０１と、信号処理手段１０２、トリガー信号生成手段１０３、光音響取得信号生成手段１０４、スリープ信号生成手段１０５、画像再構成装置１０６から構成される。
光音響波取得手段１０１は、光吸収体から発生した光音響波を検出し、電気信号（アナログ信号）に変換する装置である。これ以降、このアナログ信号を、光音響信号とも記述する。光音響波は、不図示の光源から光を照射された被検体が膨張収縮することにより発生したものである。通常、光音響波取得手段１０１としては圧電素子などの音響波検出素子が用いられるが、音響波検出器であればその他のものであってもかまわない。

信号処理手段１０２は、光音響波取得手段１０１で光音響波から変換されたアナログの電気信号（光音響信号）を受信し、増幅した後ＡＤ変換を行ってデジタル信号に変換する。そして信号処理手段１０２は、そのデジタル信号を記録し、画像再構成装置１０６へと転送する。
トリガー信号生成手段１０３は、光音響を発生させたレーザー光をＰＤ（フォトダイオード）などの光センサによって検知し、レーザー光が照射されたタイミングを示す信号を生成する。このトリガー信号生成手段１０３から出力された信号をトリガー信号として、実際の光音響信号の取得が制御される。トリガー信号生成手段は、本発明の光検知手段に当たる。

光音響取得信号生成手段１０４は、トリガー信号から、光音響信号を取得する期間を示す光音響取得信号を生成し、信号処理手段に出力する。光音響取得信号は、トリガー信号の立ち上がりエッジに同期してオンになり、ある一定の時間が経過した後にオフになる。この一定時間の間、光音響信号の取得が行われる。その際、測定する被検体の厚さと被検体内の光音響波の伝播速度を考慮して、一定時間が決定される。このような光音響取得信号生成手段は、例えばダウンカウンタで実現される。ダウンカウンタの初期値を変更することで光音響信号の取得時間が変わる。

スリープ信号生成手段１０５は、トリガー信号から、信号処理手段１０２を省電力モードであるスリープモードに遷移させる信号であるスリープ信号を生成する。信号処理手段１０２はスリープ信号がオンになると、スリープモードに遷移し、動作を停止する。スリープ信号がオフになると、動作を再スタートする。ここで、スリープモードとは、光音響信号の増幅とＡＤ変換のうち少なくとも一方の処理を停止するとともに、消費電力を低減する状態である。光音響信号の増幅とＡＤ変換のどちらも停止すると、より消費電力が低減するため好ましい。スリープモードからの復帰には、ある程度（装置により所定の値であり、例えば、数ミリ秒）の復帰時間がかかる。そのため、スリープモードからの復帰は、次のトリガー信号が来てからでは遅く、光音響信号を取りこぼしてしまう可能性がある。したがって、トリガー信号が立ち上がるよりも、復帰時間の分だけ先にスリープモードからの復帰が開始されていなければならない。言い換えると、次のトリガー信号が立ち上がるより前に、スリープ信号はオフになっている必要がある。

画像再構成装置１０６は、信号処理手段１０２で処理されたデジタル信号に再構成処理を行い、光学特性値分布に基づき被検体の内部構成を画像データとして生成する。画像データは不図示の表示装置に送られ、画像として表示される。

図２は、本発明のトリガー信号、光音響取得信号、スリープ信号の詳細なタイミングチャートである。図２を参照して、本発明の信号の出力タイミングを説明する。トリガー信号２０１およびトリガー信号２０２は、光音響信号を取得するタイミングをとるためのトリガー信号であり、上述のトリガー信号生成手段１０３により生成される。トリガー信号の生成周期は所定の間隔で発光するパルスレーザー光の発光周期に従い、例えば１００ミリ秒である。光音響トモグラフィー装置で用いられるようなパルスレーザー光は、非常にエネルギーの高いものである。エネルギーの高いパルスレーザー装置は、数ミリ秒から数百ミリ秒の周期でのみ発光可能である。エネルギーの高いパルスレーザー装置としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザー装置を利用できる。

光音響取得信号２０３は、信号処理手段１０２で光音響信号を取得する期間を示す信号であり、光音響取得信号生成手段１０４により生成される。光音響取得信号２０３は、トリガー信号２０１の立ち上がりエッジに同期してオンになり、あらかじめ決められた一定の光音響取得時間の経過後、オフになる。たとえば、光音響波の取得を行う被検体の厚さが数ｃｍである場合には、光音響波が放出されるのは数１０マイクロ秒から数１００マイクロ秒の間である。以下、例として１００マイクロ秒とする。

スリープ信号２０４は、信号処理手段１０２をスリープモードに遷移させる信号であり、スリープ信号生成手段１０５により生成される。スリープ信号は、信号処理手段１０２をスリープモードに遷移させる信号であるため、光音響取得時間の間にはオンにはしてはいけない。つまり、トリガー信号２０１の立ち上がりエッジから光音響取得時間経過後にオンになる。また、次のトリガー信号２０２が立ち上がるよりも、スリープからの復帰に要する時間の分だけ前にスリープ信号をオフにして、信号処理手段１０２の動作を再開させなければならない。信号処理手段１０２の復帰時間が例えば５ミリ秒であった場合に、
トリガーの立ち上がりを基準としたスリープ解除時間は、トリガー周期１００ミリ秒と復帰時間５ミリ秒の差である９５ミリ秒となる。

図３にスリープ信号生成手段１０５の内部詳細ブロックを示す。スリープ信号生成手段１０５はダウンカウンタ３０１および３０２、比較器３０３および３０４、およびＡＮＤ回路３０５からなる。ダウンカウンタの入力は、システムクロック、初期化信号としてのトリガー信号、および初期値である。

システムクロックはダウンカウンタが時間を計測するためのクロックであり、信号処理手段１０５のサンプリング周波数と同じクロックが通常用いられる。ただし、そのほかのクロックを用いてもよいし、ダウンカウンタごとに別々のクロックを利用してもよい。
ダウンカウンタの初期化信号としては、トリガー信号の立ち上がりエッジが用いられる。つまり、ダウンカウンタは、トリガー信号の立ち上がりエッジに同期して動作を開始する。

ダウンカウンタ３０１の初期値としては、光音響取得時間／クロックサイクルを入力する。こうすることで、ダウンカウンタ３０１は光音響取得時間を計測することが可能となる。一方、ダウンカウンタ３０２の初期値としては、スリープ解除時間／クロックサイクルを入力する。これにより、ダウンカウンタ３０２はスリープ解除時間を計測することが可能となる。

比較器３０３にはダウンカウンタ３０１のカウンタ出力値が入力される。入力されたカウンタ値はゼロと比較され、カウンタ値がゼロであった場合には、比較器３０３の出力がオンになる。つまり、トリガー信号の立ち上がりエッジから出力はオフになり、それから光音響取得時間の経過後にオンになる。さらに、次のトリガー信号の立ち上がりエッジに応じて、出力は再びオフになる。

比較器３０４にはダウンカウンタ３０２のカウンタ出力値が入力される。入力されたカウンタ値はゼロと比較され、ゼロより大きければ比較器３０４の出力がオンになる。つまりトリガー信号の立ち上がりエッジからスリープ解除時間まで、出力はオンであり、スリープ解除時間経過後に出力はオフに変化する。さらに、次のトリガー信号の立ち上がりエッジに応じて、出力は再びオンになる。

この比較器３０３と比較器３０４の出力信号をＡＮＤ回路３０５に入力する。そして、両方の比較器の出力信号のＡＮＤ演算を行った結果が、スリープ信号生成手段１０５からのスリープ信号として出力される。
すると、まず、トリガー信号の立ち上がりエッジから光音響取得時間が経過するまでは、比較器３０３の出力がオフ、比較器３０４の出力がオンであるため、ＡＮＤ演算の結果、スリープ信号はオフになる。
続いて、光音響取得時間が経過してからスリープ解除時間が経過するまでは、比較器３０３の出力がオン、比較器３０４の出力もオンであるため、ＡＮＤ演算の結果、スリープ信号はオンになる。
そして、スリープ解除時間が経過してから次のトリガー信号までは、比較器３０３の出力がオン、比較器３０４の出力がオフであるため、ＡＮＤ演算の結果、スリープ信号はオフになる。

スリープ信号生成手段１０５が上記のような動作を行うことで、実際に光源から光が照射されたことを検知して光音響信号取得がなされる。その結果、信号処理手段が通常動作する期間を、被検体から放出された光音響波が検出される期間に合わせることが可能になるので、スリープ期間を長く取ることができ、消費電力を少なくすることができる。また
、光音響波の放出される期間と信号処理手段が動作する期間のずれがなくなる。また、次回のトリガー信号が来る前に、信号処理手段がスリープ状態から復帰するのに十分な時間を取ることが可能になり、光音響信号の取りこぼしを防ぐことができる。

１０１：光音響波取得手段，１０２：信号処理手段，１０３：トリガー信号生成手段，１０５：スリープ信号生成手段

Claims (3)

1. 光源から照射される光を吸収した被検体から放出される音響波を取得して電気信号に変換する音響波取得手段と、
   前記電気信号に対して増幅およびＡＤ変換を行う信号処理手段であって、スリープ信号を入力されている間は、前記増幅と前記ＡＤ変換のうち少なくとも一方の処理を行わないスリープ状態で動作し、前記スリープ信号の入力が停止すると、所定の復帰時間を経て、前記増幅と前記ＡＤ変換のどちらの処理も行い得る状態に遷移する信号処理手段と、
   前記スリープ信号を生成して前記信号処理手段に出力するスリープ信号生成手段と、
   前記被検体に照射された光を検知してトリガー信号を生成し、前記スリープ信号生成手段に出力する光検知手段と、
   を備える光音響トモグラフィー装置であって、
   前記スリープ信号生成手段は、
   前記トリガー信号を入力されてから、前記音響波取得手段が前記被検体から放出される音響波を取得する時間である光音響取得時間が経過するまでの間は、前記スリープ信号を出力せず、
   前記光音響取得時間が経過した後は、前記スリープ信号を出力する
   ことを特徴とする光音響トモグラフィー装置。
2. 前記光源からは所定の間隔で被検体に光が照射されており、
   前記スリープ信号生成手段は、
   前記トリガー信号が入力された後、前記光音響取得時間が経過してから、前記光源が光を照射する間隔よりも前記復帰時間だけ短い時間であるスリープ解除時間が経過するまでの間は、前記スリープ信号を出力し、
   前記スリープ解除時間が経過した後は、前記スリープ信号を出力しない
   ことを特徴とする請求項１に記載の光音響トモグラフィー装置。
3. 光源から照射される光を吸収した被検体から放出される音響波を取得して電気信号に変換する音響波取得手段と、前記電気信号に対して増幅およびＡＤ変換を行う信号処理手段であって、スリープ信号を入力されている間は、前記増幅と前記ＡＤ変換のうち少なくとも一方の処理を行わないスリープ状態で動作し、前記スリープ信号の入力が停止すると、所定の復帰時間を経て、前記増幅と前記ＡＤ変換のどちらの処理も行い得る状態に遷移する信号処理手段と、を備える光音響トモグラフィー装置の制御方法であって、
   前記被検体に照射された光を検知してトリガー信号を生成するステップと、
   前記トリガー信号に基づき前記スリープ信号を生成して前記信号処理手段に出力するステップであって、
   前記トリガー信号が生成されてから、前記音響波取得手段が前記被検体から放出される音響波を取得する時間である光音響取得時間が経過するまでの間は、前記スリープ信号の出力を停止するステップと、
   前記光音響取得時間が経過した後は、前記スリープ信号を出力するステップと、を含むステップと、
   を有することを特徴とする光音響トモグラフィー装置の制御方法。

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