JP5635462B2 - 光音響用穿刺針及び光音響画像生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光音響用穿刺針に関し、更に詳しくは、光音響画像が生成されるべき被検体内に穿刺される光音響用穿刺針に関する。また、本発明は、そのような光音響用穿刺針を含む光音響画像生成装置に関する。

生体内部の状態を非侵襲で検査できる画像検査法の一種として、超音波検査法が知られている。超音波検査では、超音波の送信及び受信が可能な超音波探触子を用いる。超音波探触子から被検体（生体）に超音波を送信させると、その超音波は生体内部を進んでいき、組織界面で反射する。超音波探触子でその反射音波を受信し、反射超音波が超音波探触子に戻ってくるまでの時間に基づいて距離を計算することで、内部の様子を画像化することができる。

また、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響イメージングが知られている。一般に光音響イメージングでは、レーザパルスなどのパルスレーザ光を生体内に照射する。生体内部では、例えば生体組織がパルスレーザ光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーによる断熱膨張により超音波（光音響信号）が発生する。この光音響信号を超音波プローブなどで検出し、検出信号に基づいて光音響画像を構成することで、光音響信号に基づく生体内の可視化が可能である。

ここで、特許文献１には、光音響を用いた生体情報イメージングと穿刺針を用いた処置との組み合わせが言及されている。特許文献１では、光音響画像を生成し、その画像を観察することで、腫瘍などの患部や、患部の疑いがある部位などを見つける。そのような部位をより精密に検査するために、或いは患部に注射などを行うために、注射針や細胞診針等の穿刺針を用いて、細胞を採取や患部への注射などを行う。特許文献１では、光音響画像を用いて、患部を観察しながら穿刺を行うことができるとしている。

特開２００９−３１２６２号公報

ところで、穿刺針を所望の位置に穿刺するためには、穿刺針が現在どの位置にあるかを正確に把握することが重要である。穿刺針の位置を超音波画像を用いて把握することも考えられるが、穿刺針は超音波単独ではよく見えない場合がる。また、磁気センサなどを用いて穿刺針の位置を把握することも考えられるが、針が体内で曲がることもあり、針先端の位置を正確に検出することは困難である。光音響画像でも通常の金属が見えることはあるが、通常の金属針だと全体で血管との光吸収係数の差が大き過ぎ、画像アーティファクトの原因となり得る。

本発明は、上記に鑑み、観察対象の観察を妨げることなく、光音響画像上で穿刺針の位置を確認することができる光音響用穿刺針を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような光音響用穿刺針を含む光音響画像生成装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は、光音響用の穿刺針であって、表面の少なくとも一部に光散乱部分を有することを特徴とする光音響用穿刺針を提供する。

ここで、穿刺針の表面の光散乱部分は、例えば光吸収性を有する穿刺針本体の表面を、光散乱性を有する材料で覆うことで形成できる。あるいは、光散乱性を有する材料で形成された穿刺針本体が、穿刺針表面の光散乱部分を構成してもよい。

本発明の光音響用穿刺針では、前記穿刺針の表面の一部に光吸収部分が更に設けられている構成を採用できる。

前記光吸収部分は、少なくとも前記穿刺針の先端部分に設けられていることが好ましい。

本発明では、前記穿刺針の長さ方向にわたって前記光吸収部分を離散的に設けてもよい。前記光吸収部分は、例えば所定の間隔で設けることができる。

前記光吸収部分の前記穿刺針の長さ方向の幅は、前記穿刺針の長さ方向の位置に応じて異なっていてもよい。例えば、前記光吸収部分の前記穿刺針方向の長さの幅が、前記穿刺針の長さ方向の位置が前記穿刺針の先端に近いほど広くなるようにしてもよい。

前記光散部分が、前記穿刺針の表面にコーティングされた光散乱材料を含む構成を採用できる。

また、前記光散部分が、前記穿刺針の表面にコーティングされた光散乱材料を含み、前記光吸収部が、前記光散乱材料がコーティングされない非コーティング部分から成る構成を採用することもできる。

光散乱材料は、表面粗さが粗くなる製膜方法を用いてコーティングすることができる。

前記光散乱材料は、前記穿刺針にレーザ光が照射されたときに穿刺針で発生する光音響信号の信号強度を低下させるものであることが好ましい。

光散乱材料の非コーティング部分を光吸収部分とするのに代えて、前記光吸収分が、穿刺針の表面にコーティングされた光吸収材料を含むものとしてもよい。

本発明は、また、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、前記被検体内に穿刺される穿刺針であって、表面の少なくとも一部に光散乱部分を有する穿刺針と、被検体内の光吸収体及び前記穿刺針が、前記光照射手段から照射されたレーザ光を吸収することで発生する光音響信号を検出する信号検出手段と、前記光音響信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段とを備えたことを特徴とする光音響画像生成装置を提供する。

本発明の光音響用穿刺針は、その表面の少なくとも一部に光散乱部分を有するため、レーザ光が照射されたときに穿刺針部分で発生する光音響信号の信号強度を、光散乱部分を設けない場合に比して弱くすることができる。このため、穿刺針の光吸収係数と、光音画像における観察対象、例えば血管との光吸収係数の差を小さくすることができ、画像アーティファクトの原因となることなく、光音響画像上で穿刺針の位置を確認することができる。

本発明の第１実施形態の光音響用穿刺針を含む光音響画像生成装置を示すブロック図。 本発明の第１実施形態の光音響用穿刺針を示す側面図。 動作手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態の光音響用穿刺針を示す側面図。 本発明の変形例の光音響用穿刺針を示す側面図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の光音響用穿刺針を含む光音響画像生成装置を示す。光音響画像生成装置（光音響画像診断装置）１０は、プローブ（超音波探触子）１１と、超音波ユニット１２と、レーザユニット（レーザ光源）１３と、穿刺針（光音響用穿刺針）１５を含む。

レーザユニット１３は、生体組織などの被検体に照射するレーザ光を生成する。レーザ光の波長は、観察対象の生体組織などに応じて適宜設定すればよい。レーザユニット１３から出射したレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。レーザ光の照射位置は特に限定されず、プローブ１１以外の場所から被検体にレーザ光を照射してもよい。

穿刺針１５は、被検体内に穿刺される針であり、例えば金属性の針である。穿刺針１５は、表面の少なくとも一部に光散乱部分を有する。光吸収部分は、例えば光吸収性を有する穿刺針の表面を覆う光散乱材料により構成される。光散乱材料は、例えば種々のコーティング技術を用いて、穿刺針１５の表面にコーティングされている。光散乱材料は、穿刺針１５にレーザ光が照射されたときに穿刺針１５で発生する光音響信号の信号強度を、穿刺針の表面が光散乱材料で覆われていない場合に比して低下させる働きをする。

プローブ１１は、例えば内視鏡用の超音波プローブとして構成される。プローブ１１は内視鏡用の超音波プローブには限定されず、例えばハンドヘルド型のプローブでもよいし、マンモグラフィ用の透過型プローブでもよい。プローブ１１は、信号検出手段を構成し、例えば一次元的に配列された複数の超音波振動子を有している。プローブ１１は、被検体内の光吸収体が照射されたレーザ光を吸収することで発生する光音響信号を検出する。穿刺針１５が被検体内に穿刺された状態で被検体内にレーザ光が照射されると、被検体内にもともと存在する光吸収体に加えて、穿刺針１５においても光音響信号が発生する。プローブ１１、被検体に由来する光音響信号と、穿刺針１５に由来する光音響信号との双方を検出する。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、画像生成手段２３、及び制御手段２４を有する。受信回路２１は、プローブ１１が有する複数の超音波振動子が検出した光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した光音響信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば外部から入力される所定のサンプリングクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で光音響信号をサンプリングする。

画像生成手段２３は、プローブ１１が検出した光音響信号に基づいて光音響画像を生成する。光音響画像の生成は、例えば、位相整合加算などの画像再構成や、検波、対数変換などを含む。光音響画像では、被検体内に存在する光吸収体と、被検体内に穿刺された穿刺針１５（その光吸収部分）とが、画像化される。このとき、穿刺針１５には光音響信号が強く出過ぎないように光散乱材料がコーティングされているため、穿刺針１５の全体と血管の吸収係数差はあまり大きくない。このため、穿刺針１５からの光音響信号が画像アーティファクトの原因とはならない。画像表示手段１４は、画像生成手段２３が生成した光音響画像を、表示モニタなどに表示する。

制御手段２４は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御手段２４は、例えばレーザユニット１３にレーザ発振トリガ信号を送り、レーザユニット１３からレーザ光を出射させる。また、レーザ光の照射に合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、光音響信号のサンプリング開始タイミングを制御する。

図２は、穿刺針１５を示す。穿刺針１５は、表面の一部に光散乱材料がコーティングされない非コーティング部分を有する。図２において、グレーで示される部分が光散乱材料がコーティングされていない非コーティング部分５２であり、白で示される部分が光散乱材料が表面にコーティングされた光散乱材料コーティング部分５１である。光散乱材料コーティング部分５１が光散乱部分に相当し、非コーティング部分５２が光吸収部分に相当する。非コーティング部分５２では、穿刺針１５を形成している例えば金属材料などがその表面に露出している。

光散乱材料には、例えば生体適合性が高い酸化チタン粒子を用いる。例えば、その酸化チタン粒子を含んだ塗料を穿刺針の表面に塗布することで、光散乱材料コーティング部分５１を形成する。または、表面粗さが粗くなる製膜法で、穿刺針の表面に光散乱材料をコーティングしてもよい。表面粗さが粗くなる製膜法としては、例えば高い真空度における電子ビーム蒸着などが考えられる。光散乱材料の製膜又は塗布の後に表面を研磨するなどして、表面粗さを粗くしてもよい。ここで、表面粗さが粗いとは、例えば中心線平均粗さ（Ｒａ）が７０ｎｍ以上のことである。光散乱材料は、気相製膜であれば例えば１００ｎｍの膜厚で、塗布であれば例えば３０μｍの膜厚で形成される。

光散乱材料コーティング部分５１では、光散乱材料が照射されたレーザ光を散乱させる。その結果、光散乱材料コーティング部分５１の光吸収係数は、非コーティング部分５２の光吸収係数よりも低くなる。それにより、穿刺針１５全体において発生する光音響信号の信号レベルは、光散乱材料をコーティングしない場合に比して低くなる。

非コーティング部分５２は、少なくとも穿刺針１５の先端部分に設けられていることが好ましい。この場合、光音響画像上で、穿刺針１５の先端の位置を把握することができる。また、図２に示す例のように、穿刺針１５の長さ方向にわたって、非コーティング部分５２を所定の間隔を隔てて離散的に設けてもよい。非コーティング部分５２の穿刺針１５の長さ方向の幅は例えば０．３ｍｍであり、そのような非コーティング部分５２を５ｍｍの間隔で離散的に設けてもよい。非コーティング部分５２を離散的に設けた場合、非コーティング部分５２に対応する部分が光音響画像上で目盛りのように見える。非コーティング部分５２の間隔は、等間隔である必要はなく不等間隔でもよい。

図３は、動作手順を示す。超音波ユニット１２の制御手段２４は、レーザユニット１３にレーザ発振トリガ信号を送る。レーザユニット１３は、レーザ発振トリガ信号を受けると、レーザ発振を開始し、パルスレーザ光を出射する。レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される（ステップＳ１）。

被検体内の血管や病変部などは、照射されたレーザ光を吸収して光音響信号を発生する。また、被検体内に穿刺された穿刺針１５も、照射されたレーザ光を吸収して光音響信号を発生する。プローブ１１内の超音波振動子は、レーザ光の照射により被検体内で発生した光音響信号を検出する（ステップＳ２）。

制御手段２４は、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、光音響信号のサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１を介して光音響信号を受け取り、光音響信号をサンプリングする。画像生成手段２３は、サンプリングされた光音響信号に基づいて光音響画像を生成し（ステップＳ３）、画像表示手段１４は、生成された光音響画像を表示する（ステップＳ４）。光音響画像の生成に加えて、被検体に対する超音波の送受信を行い、超音波画像を生成してもよい。画像表示に際しては、光音響画像と超音波画像とを重ねて表示してもよい。

本実施形態では、穿刺針１５の表面が光散乱材料で覆われている。穿刺針１５の表面にコーティングされた光散乱材料が、光音響画像生成時に照射されるレーザ光を散乱させることで、穿刺針１５の光吸収係数が低くなり、光音響信号の信号強度が弱まる。光散乱材料をコーティングする面積などを調整することにより、光音響画像の観察対象、例えば血管などで生じる光音響信号の信号強度と、穿刺針１５から生じる光音響信号の信号強度とを同程度にすることができ、観察対象の観察が妨げられることなく、光音響画像上で穿刺針１５の位置を確認することができる。光散乱材料のコーティングでは、特に穿刺針１５の先端部分を非コーティングとすることで、光音響画像上で穿刺針１５の先端部分の位置の確認が容易となる。また、光散乱材料がコーティングされない部分を複数個所設け、それを間隔を隔てて離散的に並べることで、穿刺針１５の複数のポイントの位置が把握でき、例えば光音響画像上で穿刺針１５の曲がり具合などを確認することができる。

次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図４は、本発明の第２実施形態の光音響用穿刺針を示す。第１実施形態における穿刺針１５は、図２に示されるように、光散乱材料コーティング部分５１と非コーティング部分５２とが設けられていた。本実施形態における穿刺針１５ａは、非コーティング部分５２に代えて、光吸収材料がコーティングされた光吸収材料コーティング部分５３が設けられている点で、第１実施形態における穿刺針１５と相違する。その他の点は、第１実施形態と同様である。

図４において、白で示される部分が光散乱材料が表面にコーティングされた光散乱材料コーティング部分５１であり、黒で塗りつぶされた部分が吸収材料がコーティングされた光吸収材料コーティング部分５３である。光散乱材料コーティング部分５１には、第１実施形態と同様に、例えば生体適合性が高い酸化チタン粒子を含んだ塗料を穿刺針１５ａの表面に塗布することで形成される。あるいは、酸化チタン粒子を、表面粗さが粗くなる製膜法で穿刺針１５ａの表面に形成することで光散乱材料コーティング部分５１を形成してもよい。

光吸収材料コーティング部分５３は、光吸収部分に相当する。光吸収材料コーティング部分５３には、例えば生体適合性が良好なＤＬＣ（Diamond Like Carbon）をコーティングする。ＤＬＣと血液との光吸収係数差は大きいため、光吸収材料コーティング部分５３の面積は狭くてよい。光吸収材料コーティング部分５３は、レーザ光が照射されたときに光を吸収し、光音響信号を発生する。例えば先端部に設けられた光吸収材料コーティング部分５３から局所的に光音響信号を発生させることで、穿刺針１５ａの先端部の位置精度を向上させることができる。

本実施形態では、穿刺針１５ａの表面に光散乱材料がコーティングされた部分と、光吸収材料がコーティングされた部分とを設ける。光散乱材料をコーティングする部分の面積と光吸収材料をコーティングする部分の面積とを調整することなどにより、光音響画像の観察対象、例えば血管など生体からの信号強度と、穿刺針１５ａからの信号強度を同程度にすることができる。その結果、観察対象の観察が妨げられることなく、光音響画像上で穿刺針１５ａの位置を確認することができる。特に穿刺針１５ａの先端部分に光吸収材料をコーティングすることで、光音響画像上で穿刺針１５ａの先端部分の位置の確認が容易となる。また、光吸収材料がコーティングされた部分を複数個所設け、それを間隔を隔てて離散的に並べることで、穿刺針１５ａの複数のポイントの位置が把握でき、光音響画像上で穿刺針１５ａの曲がり具合などを確認することができる。

なお、第１実施形態と第２実施形態とは適宜組み合わせてもよい。例えば、穿刺針の先端部分に光吸収材料をコーティングすると共に、穿刺針の長さ方向の複数個所を光散乱材料がコーティングされない非コーティング部分とすることも可能である。また、穿刺針の表面を光散乱材料で覆うことで光散乱部分を形成するのに代えて、穿刺針自体を光散乱材料で形成し、穿刺針本体の表面を光散乱部分としてもよい。その場合でも、いくらかの光は穿刺針本体で吸収されるため、穿刺針部分からの光音響信号がプローブ１１で検出され、光音響画像上で穿刺針の位置を確認できる。

図２及び図４では、穿刺針の長さ方向の幅がほぼ同じ幅の光吸収部分（非コーティング部分５３又は光吸収材料コーティング部分５３）を、穿刺針の長さ方向にわたってほぼ等間隔に設けているが、これには限定されない。図５は、変形例の穿刺針を示す。この変形例では、穿刺針１５ｂの先端に幅０．３ｍｍの非コーティング部５２を１つ設け、先端から２つ目には、幅０．３ｍｍの非コーティング部分５２を２つ近接して設けている。以降、順次、近接した配置する幅０．３ｍｍの非コーティング部分５２の数を１つずつ増やしていく。この変形例のように、穿刺針の長さ方向の位置に応じて光吸収部分の本数（ストライプの本数）を変えてもよい。このようにする場合、目盛りがわかりやすくなる効果が期待できる。非コーティング部５２のストライプは、図５に示すように、穿刺針の長さ方向に対してほぼ垂直とするものは限定されず、斜めでも螺旋でも構わない。目盛りとしても効果を考慮すると、垂直ストライプが好ましい。

上記で説明した変形例（図５）では、長さ方向の位置に応じて、近接して設ける所定の幅の光吸収部分の数を変えたが、穿刺針の長さ方向の位置に応じて、光吸収部分の穿刺針の長さ方向の幅を変えるようにしてもよい。例えば、穿刺針の先端に近い位置に光吸収部分ほど、光吸収部分の穿刺針の長さ方向の幅が広くなるようにしてもよい。その場合、一様な光量で穿刺針全体に光が照射されたとすれば、先端に近い部分ほど光音響信号の信号強度が強くなる。このことから、生体の深部に到達し、表面側から照射される光が届きにくい穿刺針の先端付近から、十分な信号強度で光音響信号が発生することが期待でき、光音響画像上での穿刺針の先端部分の視認性を向上できる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の穿刺針及び光音響画像生成装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

１０：光音響画像生成装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザユニット
１４：画像表示手段
１５：穿刺針
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：画像生成手段
２４：制御手段

Claims (11)

1. 光音響用の穿刺針であって、
   表面の少なくとも一部に光散乱部分を有し、
   前記穿刺針の表面の一部に光吸収部分が更に設けられており、
   前記光吸収部分が前記穿刺針の長さ方向にわたって離散的に設けられ、かつ、前記光吸収部分の前記穿刺針の長さ方向の幅が、前記穿刺針の長さ方向の位置に応じて異なることを特徴とする光音響用穿刺針。
2. 前記光吸収部分が、少なくとも前記穿刺針の先端部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光音響用穿刺針。
3. 前記光吸収部分が所定の間隔で設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の光音響用穿刺針。
4. 前記光吸収部分の前記穿刺針の長さ方向の幅が、前記穿刺針の長さ方向の位置が前記穿刺針の先端に近いほど広いことを特徴とする請求項１から３何れか１項に記載の光音響用穿刺針。
5. 前記光散部分が、前記穿刺針の表面にコーティングされた光散乱材料を含むものであることを特徴とする請求項１から４何れか１項に記載の光音響用穿刺針。
6. 前記光散乱材料が、表面粗さが粗くなる製膜方法を用いてコーティングされていることを特徴とすることを特徴とする請求項５に記載の光音響用穿刺針。
7. 前記光散乱材料は酸化チタンを含む請求項５又は６に記載の光音響用穿刺針。
8. 前記光散乱材料が、前記穿刺針にレーザ光が照射されたときに穿刺針で発生する光音響信号の信号強度を低下させるものであることを特徴とする請求項５から７何れか１項に記載の光音響用穿刺針。
9. 前記光吸収部分が、穿刺針の表面にコーティングされた光吸収材料を含むものである請求項１から８何れか１項に記載の光音響用穿刺針。
10. 前記光吸収部分の前記穿刺針の長さ方向の幅は、前記光散乱部分の穿刺針の長さ方向の幅よりも狭い請求項１から９何れか１項に記載の光音響用穿刺針。
11. レーザ光を出射するレーザ光源と、
    前記レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
    前記被検体内に穿刺される穿刺針であって、表面の少なくとも一部に光散乱部分を有する穿刺針と、
    被検体内の光吸収体及び前記穿刺針が、前記光照射手段から照射されたレーザ光を吸収することで発生する光音響信号を検出する信号検出手段と、
    前記光音響信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段とを備え、
    前記穿刺針の表面の一部に光吸収部分が更に設けられており、
    前記光吸収部分が前記穿刺針の長さ方向にわたって離散的に設けられ、かつ、前記光吸収部分の前記穿刺針の長さ方向の幅が、前記穿刺針の長さ方向の位置に応じて異なることを特徴とする光音響画像生成装置。