JP5882687B2 - 音響波取得装置 - Google Patents
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Description
被検体の測定部位として、生体の乳房のような丸い部位を扱う場合、その辺縁部では被検体3と被検体保持板4との間に空隙が生まれ、被検体3と音響インピーダンスが大きく違う空気が入ることがある。空隙が存在すると音響波が伝播しないため、音響検出器5で音響波が受信できず、内部情報を得ることができないブラインド領域3cができる。空隙を被検体3と音響インピーダンスの近い水やジェルなどで埋めることも考えられるが、被検者に負担を強いることになる。
また、乳房の根元部分には体や保持板を支える構造物18が必要である。しかし、装置
の強度を保つためには、構造物18に被検体3と音響インピーダンス近い材料を用いることは難しい。そのため、音響波が伝播できず、ブラインド領域3aができる。
被検体を保持する保持板と、
光を照射された前記被検体内の光吸収体から発生し、前記保持板を透過して伝播する音響波を検出する音響検出手段と、
前記音響検出手段を前記保持板の上で走査する走査手段と、
前記音響検出手段が有する音響波受信面と、前記保持板との角度を、第一の角度から第二の角度に変更することで、前記音響波を有効に検出できる領域である有効受信領域の方向を変更する角度変更手段と、
前記走査手段および前記角度変更手段を、前記被検体内における測定部位の位置に応じて制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記音響検出手段が第一の位置から第二の位置までの間にある場合に、前記音響波受信面と前記保持板との角度が第一の角度となり、前記音響検出手段が第二の位置から第三の位置までの間にある場合に、前記音響波受信面と前記保持板との角度が第二の角度となるように、前記走査手段および角度変更手段を制御する
ことを特徴とする音響波取得装置である。
前者の超音波エコー技術を利用した装置の場合、取得される特性情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。後者の光音響効果を利用した装置の場合、取得される特性情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。物質の濃度分布とは、例えば、測定部位における酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。
実施形態1では、本発明の基本的な実施形態について説明する。図2は本実施形態に係る装置の構成要素を示すブロック図である。本実施形態では、光音響効果を利用した光音響トモグラフィー装置に発明を適用している。装置は、光源1、光照射装置2、被検体保持板4、音響検出器5、走査機構6、角度変更機構7、連動制御装置8、電気信号処理装置9、データ処理装置10、表示装置11を含む。装置の測定対象は、被検体3である。
光源1はパルス光を発生させる装置である。光源としては大出力を得るため、レーザーが望ましいが、発光ダイオードなどでもよい。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。被検体が生体の場合、光源1から発生するパルス光のパルス幅は数十ナノ秒以下にすることが望ましい。また、パルス光の波長は生体の窓と呼ばれる近赤外領域であり、700nm〜1200nm程度が望ましい。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、深部の情報を得ることができる。生体表面部の測定に限定すれば、500〜700nm程度の可視光から近赤外領域も使用してもよい。さらに、パルス光の波長は観測対象に対して吸収係数が高いことが望ましい。
光照射装置2は、光源1で発生させたパルス光を被検体3へ導く装置である。具体的には光ファイバーやレンズ、ミラー、拡散板などの光学機器である。また、これらの光学機器がパルス光を導く際に、パルス光の形状や光密度を変更することもある。光学機器はここにあげたものだけに限定されず、必要とされる機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
被検体3は測定の対象となるものである。被検体3としては主に、生体または、生体の音響特性と光学特性を模擬したファントム(模擬生体)を用いる。例えば乳癌の検査が目的であれば、被検体は生体の乳房である。音響特性とは具体的には音響波の伝播速度および減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数および散乱係数である。被検体3の内部には、測定部位として光吸収係数の大きい光吸収体が存在する必要がある。具体的な光吸収体としては、生体の場合はヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが挙げられる。ファントムの場合は、以上のものの光学特性を模擬した物質を光吸収体と
して内部に封入する。
被検体保持板4は被検体を保持する平板である。被検体保持板4の材料は被検体3と音響インピーダンスが近いものが望ましい。被検体保持板4は被検体3と密着させて設置する。この際、被検体3と被検体保持板4の間に空気層ができることを避けるために、ジェルなどを塗布する。しかし、課題として上で述べたように、生体を被検体として用いた場合には、辺縁部が被検体に密着せず空隙が生じる。
音響検出器5は音響波をアナログの電気信号に変換するものである。音響検出器5は被検体保持板4を挟んで被検体3の反対側に設置される。この時、音響波を良好に伝播させるには、被検体保持板4と音響検出器5の音響インピーダンスマッチングを取る必要があるため、両者の間にマッチング溶液を満たすことが望ましい。閉じた空間にマッチング溶液を満たすことが望ましいが、空間を閉じずに被検体保持板4と音響検出器5の間にマッチング溶液を常に流しておいてもよい。
光音響トモグラフィーでは複数の場所で音響波を捉えなければならないので、音響検出器としては複数の受信素子を平面上に並べた2D型のものが望ましい。ただし、単一素子型や、受信素子を一列に並べた1D型の音響検出器を、走査機構6を用いて複数の場所に移動させてもよい。音響検出器は感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましく、具体的にはPZT、PVDF、cMUT、ファブリペロー干渉計を用いた音響検出器などが挙げられる。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、必要とされる機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
走査機構6は音響検出器5を走査させる機構である。走査は被検体保持板4と平行に行われる。走査機構はステッピングモーターなどを搭載した電動ステージであることが望ましいが、手動ステージでもよい。また、走査は二次元的に行えることが望ましい。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、必要とされる機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
角度変更機構7は、音響検出器5の被検体保持板4に対する角度を変更する機構である。角度を変更することによって音響検出器5と被検体保持板4との間に空隙ができるが、空隙に音響マッチング液を満たしておくことにより、音響インピーダンスマッチングを保つことができる。角度変更機構は電動で角度変更できることが望ましいが、手動でもよい。
連動制御装置8は音響検出器の走査と角度を連動して制御するものである。そのために連動制御装置8は、走査機構6と角度変更機構7を制御する機能を持つ。本発明の特徴は、走査と角度を関連付けて制御することであり、その制御の方法については後に詳述する。
電気信号処理装置9は音響検出器5で得られたアナログの電気信号を増幅し、デジタル信号へと変換するものである。効率的にデータを取得するため、音響検出器の受信素子数と同じだけアナログ−デジタル変換器(ADC)があることが望ましいが、一つのADCを順々につなぎ換えて使用してもよい。
データ処理装置10は電気信号処理装置9によって得られたデジタル信号を処理することによって、画像データを再構成するものである。すなわち、デジタル信号に基づいて被検体内の特性情報を画像データとして生成するものである。データ処理装置として、具体的にはコンピュータ、電気回路などが挙げられる。この時の処理方法は、微分処理した信号を重ね合わせるユニバーサルバックプロジェクション法が望ましいが、画像を再構成できる方法ならどのような方法であってもよい。被検体保持板と被検体の音響波伝播速度が異なるとき、角度に応じて音響波が屈折するので、それを補正して再構成を行うことが望ましい。
表示装置11はデータ処理装置10で生成された画像データを表示するものである。具体的にはコンピュータやテレビなどのディスプレイが挙げられる。
あるいは、有効受信領域は、受信素子の指向性と感度に応じて、最大の感度で音響波を検出できる方向から所定の範囲の角度と定めても良い。また、最大の感度で受信された音響波の強度と比較して、所定の割合の強度で音響波を受信できる範囲の角度と定めても良い。これらのように受信素子の感度で有効受信領域を定義する場合、所定の角度の範囲内で検出された音響波、あるいは所定の割合の強度で検出された音響波が、有効に受信された音響波と呼べる。音響波受信面に受信素子が配列された音響検出器の場合、通常は音響波受信面の法線方向が、感度が最大の方向となる。この場合、角度変更機構が音響検出器の角度を変化させることは、音響波受信面が音響波を受信する方向を変化させることによって行われる。
受信できないブラインド領域3a,3cが広く存在する。
図4(b)に示すように、角度1を保ったまま、走査機構6が音響検出器5を位置2まで走査する。走査の間、被検体3にパルス光16を照射し、音響検出器5により信号を取得する作業を、一定間隔で繰り返し行う(ステップS3)。この時パルス光16は領域A(3a)に集中して照射することが望ましいが、光は生体中で拡散するために被検体全体に照射してもよい。
図4(d)に示すように、角度2を保ったまま、走査機構6が音響検出器5を位置4まで走査する。走査の間、被検体3にパルス光16を照射し、音響検出器5により信号を取得する作業を、一定間隔で繰り返し行う(ステップS6)。この時、有効受信領域17にパルス光16を集中して照射し、有効受信領域17の走査とともにパルス光16も同様に移動させることが望ましいが、被検体全体に照射を行ってもよい。
図4(f)に示すように、角度3を保ったまま、走査機構6が音響検出器5を位置6まで走査する。走査の間、被検体3にパルス光16を照射し信号を取得する作業を一定間隔で繰り返し行う(ステップS9)。この時パルス光16は領域C(3c)に集中して照射することが望ましいが、被検体全体に照射してもよい。
制約条件の一つは被検体3、被検体保持板4、マッチング溶液の各界面での全反射である。いずれかの界面で全反射が起こると被検体3中の信号が音響検出器まで伝わらない。これを避けるため、角度を緩やかに(0度の側寄りに)しなければならず、全反射条件によって音響検出器の角度の上限が決定される。全反射条件は各部材の中を音響波が伝播するときの音速と、スネルの法則を用いることで算出される。各部材の全ての音速が同じであれば全反射条件はなく、どのような角度でも全反射は起きない。
角度1については、角度を緩やかにしすぎると、音響検出器の有効受信領域が被検体3と被検体保持板4で生じる空隙を通ってしまい、音響波が伝わらない。よって、図4(b)のように有効受信領域が領域Aの右上端部を通り、領域Cの左下端部を通る時の音響検出器の角度が、もう一つの上限である。
角度3については、角度を緩やかにしすぎると、領域Cの左上端部を取得するときに、より左の方に走査しなければならず、構造物に当たってしまう。よって、図4(e)のように音響検出器が最も構造物に近い位置にあるとき有効受信領域が領域Cの左上端部を通る角度が、もう一つの上限である。
被検体が生体の場合、形状に個人差があり、再現性よく保持するのは難しいため、測定のたびに角度と走査の関係が変化してくる。本実施形態では、実施形態1の角度、位置を、被検体の外形をカメラ等で得て、自動で決定する方法について述べる。
と同様である。
最初に、形態取得装置12によって被検体の形態情報を取得する(ステップS11)。取得された携帯情報は、角度・位置決定装置13に送信される。
続いて、形態情報をもとに角度・位置決定装置13は角度1、3、位置1〜6を決定する(ステップS12)。このように決定された角度1、3、位置1〜6を用いて、実施形態1と同様の方法で、ステップS1〜S10に従って光音響測定を行う。
被検体保持板が透明でない場合、被検体と被検体保持板の接触部分を、カメラなどで光学的に測定することは難しい。また、被検体保持板が透明であっても、接触部位を正確に測定することは難しい場合がある。本実施形態では、接触情報を音響波信号に基づいて取得する方法について述べる。
通常、パルス光が生体界面に照射されると、界面で大きな音響波が発生し、それに基づく大きな光音響信号(電気信号)が生成される。しかし、被検体と被検体保持板が接触していない部位では音響波が伝播されないため、光音響信号が検出されない。斜め方向から伝播してくる界面信号は音響検出器で検出されるため、被検体保持板中の音速から伝播時間を計算し、音響検出器の正面の界面信号が伝播してくる時間の信号を調べることによって、音響検出器の正面の接触を判定することができる。このとき、パルス光が被検体と被検体保持板の境界界面付近に照射されている必要がある。また、音響検出器の角度は角度2、つまり0度で行う必要がある。
接触情報は角度・位置決定装置13に送られ、形態取得装置14から得られる情報(ステップS12)と統合されて、角度、位置を決定する(ステップS12)。その後は、図7に示した実施形態2のフローと同様に、ステップS11〜S10の処理を行う。
実施形態1で述べたように、界面に対する音響波の入射角が大きくなる、すなわち音響波に角度がつくことによって、音響波の全反射が発生する。全反射まではいかなくとも、角度がつくことによって被検体保持板を透過する透過率が低下してくる。本実施形態では角度がつくことによる影響を補正する方法について述べる。
本発明を、超音波診断装置等の超音波装置に適用した実施形態について述べる。光音響トモグラフィーでは被検体に光を照射していたが、超音波装置では被検体に超音波を送信する。また、光音響トモグラフィーでは光吸収体が測定部位として画像化されていたが、超音波装置では音響インピーダンスの異なる箇所が測定部位として画像化される。
領域Aを測定するために、音響波送受信装置を角度1、位置1に設定する(ステップS1、S2)。位置2まで走査を行いながら、音響送受信機15で超音波を送受信する。受信された信号は、電気信号処理装置9で処理され画像化される(ステップS15)。
同様に、領域Bを測定するために響検出器を角度2、位置3に設定する(ステップS4、S5)。位置4まで走査を行いながら、超音波を送受信、画像化を行う(ステップS16)。
さらに、領域Cを測定するために響検出器を角度3、位置5に設定する(ステップS4、S5)。位置6まで走査を行いながら、超音波を送受信、画像化を行う(ステップS17)。
最後に得られた画像をつなぎ合わせて、画像を表示する(ステップS18)。
本実施形態ではさらに多くのブラインド領域からデータを取得する方法を述べる。装置の構成要素や処理の流れは、基本的には実施形態1と同じである。
のうち、光吸収体から見て被検体保持板4と反対側の面の方へも伝播する。ここで、被検体3の外側は通常空気であり、被検体と空気では音響インピーダンスが大きく異なる。そのために、光吸収体から見て被検体保持板4と反対側に伝播した光音響波は、被検体と空気の界面で反射し、被検体保持板4の方へ伝播する。この反射した音響波が音響検出器により受信された結果、光音響波の発生源からの直接波から遅れて、反射波が得られる。
本発明の効果を実験にて確認した実施例について述べる。被検体は模擬生体であり、乳房形状で内部に光吸収体が設置されている。また、被検体保持板は、厚さ6.8mmのポリメチルペンテンである。音響検出器は、音響検出器表面と被検体保持板の表面の距離が15mm、音響検出器表面から角度変更機構の回転軸までの距離が5mmとなるように設置した。また、音響検出器と被検体保持板の間を水で満たした。
このとき、被検体の厚さ(被検体保持板に対し垂直方向)は50mm、幅(被検体保持板に対し平行方向)は115mmである。被検体のうち、被検体保持板を支える構造物によるブラインド領域の幅が20mm、丸みのため被検体と被検体保持板が離れていることによるブラインド領域の幅が35mmである。
角度1:35度、角度2:0度、角度3:35度。
位置1:15mm、位置2:35mm、位置3:0mm、位置4:40mm、位置5:5mm、位置6:20mm。
本実施例では、測定により取得した信号から、実施形態3で説明した方法で接触判定を行った結果について述べる。装置のセットアップについては実施例1と同じように行った。そして、音響検出器の角度を0度にしたまま被検体全域の走査を行い、一定間隔で、パルス光の照射、音響波の受信、電気信号の増幅、デジタルアナログ変換を行い、デジタル信号を得た。ポリメチルペンテン中の音響波伝播速度は2200m/s、水中の音響波伝播速度は1500m/sであるので、パルス光照射から13.1μs後の信号が被検体と被検体保持板の界面を表している。
図14(b)に見られるように、模擬生体と被検体保持板が接触している場合は光の回り込みがないので13.1μsの信号レベルがベースラインレベルに下がっている。一方、図14(a)に見られるように、模擬生体と被検体保持板が接触していない場合は、光が回り込むことによって、13.1μsの時点で信号が観測される。
そのため、角度1〜3、位置1〜6を以下のように設定した。角度1:35度、角度2:0度、角度3:35度、位置1:15mm、位置2:35mm、位置3:0mm、位置4:42mm、位置5:5mm、位置6:22mm。その後、実施例1と同様に信号を取得、画像再構成処理を行い、光吸収体を画像化した。
反射板を用いて全ブラインド領域の画像化を行った実施例について述べる。実施例1のセットアップに加えて、被検体保持板と反射板で模擬生体を挟むように反射板を設置した。反射板の材質はガラスであり、音響インピーダンスは16.0[MRayl]である。模擬生体の音響インピーダンスは1.5[MRayl]であるので、模擬生体中から発生し反射板に向かって伝播する光音響波は、ガラスとの界面にて83%が反射されて音響検出器に向かって伝播する。パルス光はガラスをほとんど透過するので、パルス光の照射は、実施例1と同様に行うことができる。
収体画像が得られた。得られた画像において、音響検出器がある方を手前とし、反射板の方を奥とすると、被検体保持板との境界面から50mmより奥の領域は鏡像のみで構成される鏡像領域である。鏡像領域を被検体保持板との境界面から50mmの線で線対称になるように折り返し、被検体保持板との境界面から50mm手前の実像領域の各ボクセルと平均値を取って、光吸収体の画像を得た。
Claims (13)
- 被検体を保持する保持板と、
光を照射された前記被検体内の光吸収体から発生し、前記保持板を透過して伝播する音響波を検出する音響検出手段と、
前記音響検出手段を前記保持板の上で走査する走査手段と、
前記音響検出手段が有する音響波受信面と、前記保持板との角度を、第一の角度から第二の角度に変更することで、前記音響波を有効に検出できる領域である有効受信領域の方向を変更する角度変更手段と、
前記走査手段および前記角度変更手段を、前記被検体内における測定部位の位置に応じて制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記音響検出手段が第一の位置から第二の位置までの間にある場合に、前記音響波受信面と前記保持板との角度が第一の角度となり、前記音響検出手段が第二の位置から第三の位置までの間にある場合に、前記音響波受信面と前記保持板との角度が第二の角度となるように、前記走査手段および角度変更手段を制御する
ことを特徴とする音響波取得装置。 - 前記制御手段は、前記被検体の一部の領域が、第一の角度と第二の角度とによって走査されるように、前記走査手段および角度変更手段を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の音響波取得装置。 - 前記音響検出手段は、音響波受信面に複数の受信素子が配列されたものであり、
前記有効受信領域は、前記音響波受信面の正面の領域である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の音響波取得装置。 - 前記有効受信領域は、前記音響検出手段に含まれる受信素子が所定の感度で音響波を受信できる範囲である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の音響波取得装置。 - 前記被検体内の測定部位のうち、前記音響検出手段の前記有効受信領域の方向が前記保
持板の法線の方向である場合に、当該測定部位から伝播する音響波を前記音響検出手段が検出できない測定部位をブラインド領域とすると、
前記制御手段は、測定部位が前記ブラインド領域に含まれる場合、前記有効受信領域が前記ブラインド領域にかかるように、前記角度変更手段および前記走査手段を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記ブラインド領域は、測定部位から前記保持板の法線の方向に伝播した音響波が前記保持板を透過する位置に構造物があることにより、前記走査手段が前記音響検出手段を走査することができない領域である
ことを特徴とする請求項5に記載の音響波取得装置。 - 前記ブラインド領域は、前記被検体と前記保持板の間に空隙があることにより、測定部位からの音響波が前記保持板の法線の方向に伝播しない領域である
ことを特徴とする請求項5または6に記載の音響波取得装置。 - 測定部位が前記ブラインド領域に含まれる場合、前記制御手段は、前記音響検出手段が前記ブラインド領域に向かい合う領域に含まれないように前記走査手段を制御するとともに、前記有効受信領域の方向が前記ブラインド領域のある方向になるように前記角度変更手段を制御する
ことを特徴とする請求項5ないし7のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記被検体の形態を取得する形態取得手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記形態取得手段が取得した形態情報に基づいて、前記走査手段および前記角度変更手段を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記制御手段は、前記音響検出手段が検出した音響波から前記被検体と前記保持板との接触情報を取得し、当該接触情報に基づいて前記走査手段および前記角度変更手段を制御する
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記音響検出手段が検出した音響波に基づき前記被検体内の特性情報を生成するデータ処理手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の音響波取得装置。 - 前記データ処理手段は、前記音響検出手段が検出した音響波ごとに前記保持板に対する角度情報を取得し、当該角度情報を用いて前記保持板による音響波の透過率の低下を補正する
ことを特徴とする請求項11に記載の音響波取得装置。 - 前記被検体を挟んで前記保持板の反対側に設置される反射板をさらに有し、
前記音響検出手段は、前記被検体内の測定部位で発生して前記反射板で反射した音響波を検出し、
前記データ処理手段は、前記反射板で反射した音響波も用いて特性情報を生成する
ことを特徴とする請求項11または12に記載の音響波取得装置。
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