JP6322578B2 - 機能的および解剖学的同時表示マッピングのための二重モダリティ画像処理システム - Google Patents
機能的および解剖学的同時表示マッピングのための二重モダリティ画像処理システム Download PDFInfo
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Description
以下の説明および図は、例示のためのものであり、限定するものと解釈されるべきではない。完全な理解を得るために多くの特定の詳細説明が記載される。しかし、特定の例では、記述を曖昧にするのを避けるために、周知のまたは通常の詳細事項は記載されない。本開示の1つのまたは任意の実施形態への言及は、必ずしも同じ実施形態への言及ではなく、このような言及は、少なくとも1つを意味する。
少なくとも一部の実施形態では、本開示は、器官の皮膚表面に沿って走査するためのハンドヘルドプローブを使用する医用診断二重モダリティ超音波/光音響システムに関し、組織の深さでの2つのタイプ:解剖学的(形態学的)および機能的(血液ヘモグロビン指数および血液酸素化指数)2次元マップを提供する。一実施形態では、これらの2つのマップは、診断対象の組織中で起こりうるどのような生理的な変化よりも速く、同じアレイの超音波振動子を使って空間的に同時表示され、また、2つのタイプの画像をリアルタイムで取得することにより時間的に同時表示される。血液ヘモグロビン指数は、診断対象領域中のバックグラウンド血液濃度に対する診断対象の血液ヘモグロビン濃度変化を表す。血液酸素化指数は、診断対象領域中の血液酸素化のバックグラウンドレベルに対する血液酸素化の変化を表す。これらの同時表示マップを使って、良性腫瘤および嚢腫から悪性腫瘍を非侵襲的に鑑別できる。
一実施形態では、レーザーは、2つの(またはさらに多い)異なる切替波長、すなわち、2つの異なるスペクトル帯で、短い、ナノ秒パルスの近赤外線を発光できる。一実施形態では、波長の1つは、血液ヘモグロビンにより優先的に吸収され、その他の波長は、血液中の酸化へモグロビンにより優先的に吸収される。一実施形態では、1つの波長(スペクトル帯)の第1のレーザーパルスで調査対象の器官の照射、および第1の照射から生じた第1の光音響信号プロファイルの検出、続けて、第2の波長帯域の第2のレーザーパルスでの照射、および第2の光音響信号プロファイルの検出、により、(i)血液ヘモグロビン指数および(ii)血液酸素化指数に基づいて、診断対象領域の機能マップ生成に使うことができる2枚の同時表示断層撮影画像の再構築に使用可能なデータを得ることができる。
一実施形態では、光伝送システムは、光ファイバーバンドルを含む。一実施形態では、光ファイバーバンドルの入力部は、入射レーザービームに合わせるために環状であり、一方、ファイバーバンドルの出力部は、超音波振動子アレイのサイズと形状に合わせるために矩形である。一実施形態では、各ファイバーは、バンドルに優れた柔軟性を付与するために小さい直径である(例えば、50ミクロンまで小さくされる)。一実施形態では、ファイバーバンドルの入力チップを溶融し、バンドルを六角形の形状にして、バンドル中のファイバー間の空隙を除去し、それにより、レーザーエネルギー伝送の20%もの改良が行われる。一実施形態では、ファイバーバンドルの出力チップが、完全に無作為化され、それにより、入力部で相互に接近して現れたファイバーが、出力部で、または二股のファイバーバンドルの異なる分岐部でも、相互に離れて現れるようになる。
プローブは、光音響および超音波画像に高コントラストおよび高解像度を与えるように設計される。一実施形態では、プローブは、超音波/光音響振動子アレイを有するハンドヘルドプローブであり、これは、1次元、1.5次元、または2次元となるように設計できる。一実施形態では、振動子は、超広帯域の超音波周波数内の音波を検出し、超広帯域は、診断対象組織により放出される光音響信号のスペクトルに合うような形状にされる。また、一実施形態では、振動子は、短いリングダウン時間および徐々に大きさが減少する最小限の反響を有する短パルス幅の超音波として、音波を放出するように設計される。
<光照射およびプローブ設計>
音響レンズは、典型的な例では、超音波ビームの焦点を合わせるために、光音響プローブ内の振動子上に置かれる。プローブは、音響レンズがなくても提供できるが、レンズがない場合は、超音波振動子は、直接光に曝露され、このような光を吸収する可能性があり、このような光がパルス出力される場合は特に、これにより、非常に大きなアーチファクトの超音波信号が生ずる場合がある。超音波プローブ上へのレンズの光照射は、画像アーチファクトに繋がる非常に強い過渡的音波を生じる。50%以下の近赤外線が、皮膚色に応じて、皮膚によって拡散的に散乱される可能性がある。振動子素子のレンズ間の音響インピーダンスのミスマッチは、長いリングダウン時間をもつ反響を起こす可能性がある。従って、プローブ設計の実施形態は、強散乱白色不透明レンズを含む。各振動子要素の湾曲形状によりこのようなレンズが必要でない場合は、白色強散乱前面整合層を採用して、近赤外光から振動子素子を保護する必要がある。
一実施形態では、本開示は、光音響および超音波の両モードで動作し、これらのモード間を急速に切り替えることができる電子データ取得システムを有する光音響画像処理システムに関する。一実施形態では、これは、電子データ取得システムの主マイクロプロセッサであるフィールドプログラマブルゲートアレー(FPGA)の機能を制御するファームウェアを使って実現される。一実施形態では、再プログラム可能FPGAにより、光音響および超音波操作モード間をリアルタイムに切り替えることができ、その結果、超音波および光音響画像の同時表示を可能とし、この同時表示画像は、機能的および解剖学的マップに基づく画像診断に使用できる。一実施形態では、FPGAの機能には、リアルタイム画像再構築および処理のために、光音響および/または超音波データ、信号処理および伝達データを制御すること、取得すること、および保存することが含まれる。また、一実施形態では、FPGAは、超音波ビーム形成および画像再構築するために採用されてもよい。
信号処理
種々の実施形態では、画像診断手順の目的は、画像上に表示された組織の各ボクセルで最初に生成された信号を正しく再現する明るさで各ピクセルを表示することである。他方、組織内の光パルスにより生成される固有の圧力信号は、組織を通る伝搬の過程、および特に、超音波振動子および電子機器サブシステムによる検出と記録の過程で、大きく変えられる場合がある。
種々の実施形態では、画像再構築は、典型的な例では、処理された、および、フィルタリングされた信号の画像面への放射逆投影を使用する。しかし、小さいハンドヘルドプローブから利用出来る限定された視野のために、不完全なデータセットのみ、得ることができる。結果として、2D光音響画像は、画像上に表示される対象の形状および明るさを歪ませるアーチファクトを含む可能性がある。一実施形態では、開口積分正規化放射逆投影(aperture integrated normalized radial back projection)を使って、制限された開口による光音響断層撮影で観察される一部の再構築アーチファクトが補正される。
一実施形態では、光音響画像パレットは、組織内の光分布の影響を減少させるために同一にされる。このような同等化は、浅い対象、および深い対象の両方をより良く可視化するために、光音響画像のダイナミックレンジを変える。
機能的画像診断の原理は、腫瘍病態生理学に基づくことが可能である。例えば、悪性腫瘍では、総ヘモグロビン濃度が高められ、血液ヘモグロビン中の酸素飽和度レベルが低減される。一実施形態では、光音響画像は、再処理され、特に、(i)総ヘモグロビン[tHb]および(ii)ヘモグロビンの酸素飽和度[SO2]の画像に変換できる。図18は、2つの乳房腫瘍の例を示す。
一部の実施形態は、十分に機能するコンピュータおよびコンピュータシステムに実装可能であるが、種々の実施形態は、コンピュータ製品として種々の形態で配布可能であり、実際の配布に使用される特定のタイプのマシンまたはコンピュータ可読メディアに関わらず、適用可能である。
Claims (50)
- 少なくとも身体の一部の組織の深さまで切片を可視化するための画像処理システムであって、
光放出部および超音波振動子アレイを含むハンドヘルド画像処理プローブ;および
前記ハンドヘルド画像処理プローブ由来の超音波信号を含むデータを受け取り、前記データの少なくとも一部に基づいて少なくとも3枚の独立した画像を処理するように構成された処理システム、
を含み、
前記少なくとも3枚の独立した画像の処理は、i)前記ハンドヘルド画像処理プローブのハードウェアに関連するインパルス応答のデコンヴォルーションであって、前記インパルス応答は強吸収性光媒体中で短レーザーパルスにより生成されるデルタ関数超音波信号に基づいているデコンヴォルーションと、ii)ノイズを除くための信号フィルタリングであって、前記デコンヴォルーションおよび前記信号フィルタリングによって、組織および前記ハンドヘルド画像処理プローブの前記ハードウェアを通る信号伝搬の過程で生じる信号の変化を元に戻す信号フィルタリングとを、含んでおり、
前記3枚の独立した画像が、
総ヘモグロビン濃度分布を反映する第1の機能的画像;
血液酸素飽和度分布を反映する第2の機能的画像;および
組織構造の形態学的画像;
を一緒に含み、
前記処理システムが、前記第1の機能的画像、前記第2の機能的画像、および前記形態学的画像を時間的、空間的に実質的に同時表示し、実質的に同時表示された画像を出力するようにさらに構成された、
画像処理システム。 - 前記ハンドヘルド画像処理プローブ中の前記光放出部および前記超音波振動子アレイが、概ね平坦直線形状に配列された請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブ中の前記光放出部および前記超音波振動子アレイが、湾曲凹円弧形状に配列された請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、前記超音波振動子アレイのそれぞれの側に位置する少なくとも2本の光ビームを生成し、それにより、前記超音波振動子アレイの下で、皮膚の厚さ以内の距離で、前記光ビームが1本のビームにマージされる程度の前記光ビーム間の角度と距離で光エネルギーを皮膚表面に伝送するように構成される請求項1に記載
の画像処理システム。 - 1つまたは複数の二波長短パルス幅レーザーをさらに含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 複数の単一波長短パルス幅レーザーをさらに含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 光ファイバー光伝送システムをさらに含む請求項1に記載の画像処理システム。
- あるビデオフレームレートで動作させることにより、実質的にリアルタイムで画像を提示するように構成される請求項1に記載の画像処理システム。
- 光発光部分のハンドヘルド光音響プローブが、前記超音波振動子アレイ面の下またはその側面のいずれかから光エネルギーを伝送するように構成される請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、音響レンズを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記音響レンズが、光反射材料を含む請求項10に記載の画像処理システム。
- 前記光反射材料が、前記音響レンズとの光相互作用に関連する画像アーチファクトを除去する高光反射金属薄層を含む請求項11に記載の画像処理システム。
- 前記音響レンズが、白色不透明材料から形成される請求項12に記載の画像処理システム。
- 前記高光反射金属薄層が、アルミニウム、金、または銀を含む請求項12に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、複数のサブバンドルを含む出力ファイバーバンドルを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記複数のサブバンドルが、前記画像面に均一の照射および滑らかな照射端部を提供し、それにより、端部関連光音響アーチファクトを減らすような形状にされる請求項15に記載の画像処理システム。
- 前記超音波振動子アレイが、中心周波数から200%までの帯域の超広帯域の超音波周波数帯感度を有する超音波振動子を含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、入射レーザービームに適合する形状を有する入力ファイバーバンドルを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、ファイバー間の空隙を通る光の損失を避けるように前記バンドル中の実質的に全ファイバーを再成形した熱融合ファイバーバンドルチップを有する入力ファイバーバンドルを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、少なくとも2つのサブバンドルをさらに含み、各サブバンドル中のファイバーが無作為に位置付けられ、それにより、ファイバーバンドルの入力時の2つの隣接ファイバーがファイバーバンドルの出力の異なるサブバンドル中に現れるファイバーバンドルを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、少なくとも2つのサブバンドルを有し、少なくとも第1のサブバンドルが前記超音波振動子アレイの一方の側に置かれ、第2のサブバンドルが前記超音波振動子アレイの他方の側に置かれ、各サブバンドルがさらに小さいサブバンドルに構造的に分割され、それぞれのさらに小さいサブバンドルが前記サブバンドル中に構造的に位置付けられている溝の中に構造的に位置付けられ、それにより、光ビームの制御されたプロファイルを提供するファイバーバンドルを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、ファイバーバンドルを含み、このバンドルが、前記超音波振動子アレイのサイズおよび形状を補完する形状にされている光ビームを生成する請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、三角の形状の端部を有し、それにより、光ディフューザを通過後に出力ビームが滑らかな端部の光フルエンスを有することができる出力ファイバーバンドルを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが複数の光学的窓を含み、それぞれが画像化対象組織に整合する超音波インピーダンスを有する1つまたは複数の反射防止コートプレートを含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記反射防止コートプレートが、ガラス、ポリマーまたはその他の光学的に透明な固体材料を含む請求項24に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、
第1および第2の光ディフューザ;
第1および第2の光学的窓;
少なくとも2つの出力ファイバーバンドルであって、少なくとも2つの出力ファイバーバンドルからそれぞれ出現する光ビームは、前記それぞれの光ディフューザを通過して、次に、前記それぞれの光学的窓を通過して、その後、少なくとも部分的にマージされるように、配置された少なくとも2つの出力ファイバーバンドル、
を含む請求項1に記載の画像処理システム。 - 前記ハンドヘルドプローブの位置を制御し、それにより、少なくとも前記身体の一部の表面に沿って前記ハンドヘルドプローブを走査することにより取得された深さの組織から作られた2次元切片から前記身体の3次元画像の構築を可能とするように構成された3次元位置決めシステムをさらに含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、実質的に吸収されない照射部品からの光を反射および散乱することを可能にする材料であって、光学的に不透明である材料から形成された音響レンズをさらに含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記音響レンズが、シリコンゴムから形成される請求項28に記載の画像処理システム。
- 前記シリコンゴムに、二酸化チタンが充填される請求項29に記載の画像処理システム。
- 前記シリコンゴムに、硫酸バリウム粉末が充填される請求項29に記載の画像処理システム。
- 前記ハンドヘルド画像処理プローブが、前記プローブの低エコー封入を提供する筺体をさらに含む請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記筺体の内部または外部が、近赤外レーザー光を吸収しない材料を含む請求項32に記載の画像処理システム。
- 前記筺体の内部または外部が、レーザー光吸収後、超音波を発生しないように低熱膨張特性を有する材料を含む請求項33に記載の画像処理システム。
- 前記超音波振動子アレイのアセンブリが、低エコー材料で作られる請求項1に記載の画像処理システム。
- 前記超音波振動子アレイのアセンブリと光ファイバーアセンブリとの間に低エコー材料層をさらに含み、光と前記超音波振動子アレイのアセンブリとの間の相互作用時に超音波の発生を回避する請求項1に記載の画像処理システム。
- 少なくとも身体の一部の組織の機能的および解剖学的マッピングを共記載する画像処理システムであって、
a)画像処理プローブで超音波パルスを前記組織に伝送する、および身体形態に関連する構造組織境界から反射された後方散乱超音波信号を検出する;
b)画像処理プローブで前記組織に異なる電磁エネルギースペクトル帯を有する少なくとも2つの光パルスを順次伝送する、および組織に含まれる血液のヘモグロビンおよび酸化へモグロビンでの前記少なくとも2つのそれぞれの光パルスの選択的吸収から生じる過渡的超音波信号を検出する;
c)1)ノイズを除去し、2)組織および検出システムのハードウェア部品を通る信号伝搬過程での信号の変化を元に戻し、さらに、3)元の信号の一時的形状および超音波スペクトルを復元するために検出超音波信号を処理することであって、前記処理することは前記検出システムの前記ハードウェア部品に関連するインパルス応答のデコンヴォルーションを含み、前記インパルス応答は強吸収性光媒体中で短レーザーパルスにより生成されるデルタ関数超音波信号に基づいており;
d)総ヘモグロビン濃度および血液酸素飽和度を反映している部分的に透過性の機能的画像と共に同時表示され、重ねられた組織構造の形態学的画像を生成するために画像再構築を行い、さらに処理する;および、
e)組織機能的および形態学的変化を、実質的にその発生時にリアルタイム画像が表示するように、上記a)〜d)をあるビデオフレームレートで反復すること、
を含む操作を実行するように構成されている画像処理システム。 - それぞれの異なる電磁照射スペクトル帯を有する3つ以上の光パルスが前記組織に順次伝送され、それにより、重要な組織の分子発色団を反映している改善された正確さの機能的画像が生成される請求項37に記載の画像処理システム。
- 前記組織の分子発色団が、水を含む請求項38に記載の画像処理システム。
- 前記組織の分子発色団が、脂質を含む請求項38に記載の画像処理システム。
- それぞれの異なる電磁照射スペクトル帯を有する4つの光パルスが、前記組織に順次伝送される請求項38に記載の画像処理システム。
- 前記2つの光パルスのスペクトル帯が、それらの内の1つが757nm近傍のヘモグロビン吸収の局所的極大ピークに整合し、もう一つがヘモグロビンの光吸収に対する酸化へモグロビンの光吸収の最大比率に対応する1064nm近傍のスペクトル範囲に整合するように選択される請求項37に記載の画像処理システム。
- 腫瘍の腫瘍識別を示すことであって、第1および第2の波長で測定された前記腫瘍の吸収係数に少なくとも一部基づく、をさらに含む請求項37に記載の画像処理システム。
- 前記第1の波長が、757ナノメータを含む請求項43に記載の画像処理システム。
- 前記第2の波長が、1064ナノメータを含む請求項43に記載の画像処理システム。
- 前記腫瘍識別を示すことが、
良性腫瘍を示すために、前記総ヘモグロビンの濃度の比較的低い上昇および正常な血液酸素飽和度と重ね合わされた比較的滑らかな形状の腫瘍、または腫瘍の周辺の組織、
または
悪性腫瘍を示すために、前記総ヘモグロビンの濃度の高い上昇および低い血液酸素飽和度と重ね合わされた粗形状の腫瘍、または前記腫瘍の周辺の組織、
のいずれかを表示することを含む請求項43に記載の画像処理システム。 - 前記組織の表面に対応する画像ピクセルの相対的明るさを低減させ、それにより、組織のより大きい深度に対応するピクセルの相対的明るさを強調することにより画像表示パレットを再正規化し、より大きい深度に位置する対象をより高いコントラストで可視化することをさらに含む請求項37に記載の画像処理システム。
- 前記検出超音波信号を前記処理することは、前記検出超音波信号の固有の光音響振幅およびプロファイル、並びに前記身体の光吸収係数の分布を取得する請求項37に記載の画像処理システム。
- 前記身体の一部中の組織形態の可視化、および機能情報のコントラストを強調するために、光音響および超音波造影剤をさらに含む請求項37に記載の画像処理システム。
- 前記身体中の所定のタイプの分子、細胞または組織の分布の特徴付けを強調するために、光音響および超音波造影剤をさらに含む請求項37に記載の画像処理システム。
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