JP6386093B2 - 光音響計測装置及び光音響計測システム - Google Patents

Description

本発明は、光音響計測装置及び光音響計測システムに関し、更に詳しくは、被検体への光出射後に被検体内で生じた光音響波を検出する光音響計測装置及び光音響計測システムに関する。

外部から血流を制限し、その制限を解除して血流の還流状態を評価する先行技術として、皮膚還流圧（ＳＰＰ:Skin Perfusion Pressure）測定装置が知られている（例えば特許文献１）。ＳＰＰ測定装置は、計測部位にレーザ光を照射する。照射したレーザ光に対する反射光の量及びドップラシフトは、血流に応じて変化する。カフ圧を高圧力から低圧力に変化させつつ反射光の量及びドップラシフトを計測し、血流が急激に増加するカフ圧を求め、そのカフ圧を“皮膚還流圧”として表示する。

血流の観察に関して、特許文献２に血流画像の生成方法が記載されている。特許文献２では、皮膚の反射型共焦点レーザ顕微鏡画像を動画で撮影し、動画のフレーム同士の輝度差画像を複数生成し、複数の輝度差画像を加算することにより、血流画像が生成される。特許文献２には、被験者の上腕にカフを巻きつけて圧迫することで、心臓から見て遠位である前腕部（測定部位）の皮膚血流を一時的に止め（虚血）、その後、圧迫を解除して皮膚血流を戻す（再還流）ことも記載されている。特許文献２には、虚血前、虚血中、及び再還流直後のそれぞれにおいて血流画像を生成することが記載されている。

特表２００９−５０６８７１号公報 特開２０１２−１１３１９１号公報

特許文献１では、被測定ポイントの一点において血流を測定しており、還流の空間的な分布、特に深さ方向に関して評価することができない。特許文献２では血流画像により還流の空間的な分布を評価することができる。しかしながら、特許文献２では、反射型共焦点レーザ顕微鏡で観察しており、皮膚表面付近しか主に観察することができない。

ここで、生体内部の状態を非侵襲でかつ皮膚表面からより深いところまで検査できる画像検査法の一種として、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、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（光音響波）が発生する。この光音響波を超音波探触子などによって検出し、検出信号に基づいて光音響画像を生成することにより、光音響波に基づく生体内の可視化が可能である。

本発明者は、上記光音響画像を用いて血液の還流を評価することを考えた。血液での吸収が筋肉脂肪などの周辺組織に比べて強い波長の短パルスレーザ光を測定光として用い、吸収によって発生する光音響波をプローブを用いて検出することで、血液（ヘモグロビン）の信号を検出し画像化できる。光音響画像を用いることで、特に超音波ドップラでは描出が困難な細かい血管を描出できる。しかしながら、光音響画像では、表層からより強い光音響波が発生するため、単純に光音響画像を表示しただけでは、深部や毛細血管などが存在する領域の還流を評価することは困難であると考えられる。

本発明は、上記事情に鑑み、光音響画像を用いて所望の領域における血流情報を生成可能な光音響計測装置及び光音響計測システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、被検体が駆血された状態にある駆血状態と、被検体が駆血されていない状態にある非駆血状態とのそれぞれにて、被検体に対する測定光の出射により被検体内で生じた光音響波の検出信号を受信する受信回路と、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、光音響画像内に設定された関心領域内の光音響画像の信号強度に基づいて血流情報を生成する血流情報生成手段とを備えた光音響計測装置を提供する。

本発明の光音響計測装置は、被検体を駆血状態及び非駆血状態にするために、カフ圧を可変にすることが可能な駆血帯を更に有することが好ましい。

上記光音響計測装置において、駆血帯のカフ圧を制御するカフ圧制御手段を更に有することが更に好ましい。

血流情報生成手段は、信号強度が第１のしきい値以上でかつ第１のしきい値よりも大きな第２のしきい値以下のときを第１の値とし、信号強度が第１のしきい値未満又は第２のしきい値よりも大きなときを第１の値とは異なる第２の値とすることによって信号強度を２値化し、２値化された信号強度に基づいて血流情報を生成してもよい。

血流情報生成手段は、血流情報と時間との関係を示すグラフを更に生成してもよい。

受信回路は、被検体に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号を更に受信することが好ましく、光音響計測装置は、反射音響波の検出信号に基づいて反射音響波画像を生成する反射音響波画像生成手段と、反射音響波画像を用いて関心領域の位置を追跡する関心領域追跡手段とを更に有することが好ましい。

血流情報生成手段は、関心領域内の信号強度の合計値又は平均値を血流情報として生成してもよい。

本発明の光音響計測装置は、被検体の駆血圧を計測する圧力計測手段を更に有していてもよい。その場合、血流情報生成手段は、血流情報と駆血圧との関係を示すグラフを更に生成してもよい。

血流情報生成手段は、関心領域内の信号強度の合計値又は平均値を算出し、一定の期間内における合計値又は平均値の最小値と最大値との差に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。

血流情報生成手段は、駆血状態における関心領域内の信号強度の合計値又は平均値と、非駆血状態における関心領域内の信号強度の合計値又は平均値との差に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。

血流情報生成手段は、被検体が駆血状態から非駆血状態へと変化させられた場合において、関心領域内の信号強度の合計値又は平均値の時間変化率に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。

血流情報生成手段は、被検体が駆血状態から非駆血状態へと変化させられた場合において、基準となる時刻から一定の時間経過後の関心領域内の信号強度の合計値又は平均値に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。

血流情報生成手段は、被検体が駆血状態から非駆血状態へと変化させられた場合において、基準となる時刻から、関心領域内の信号強度の合計値又は平均値が一定のレベルに到達する時刻までの間の時間に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。

血流情報生成手段は、血流情報に基づいて血流情報画像を更に生成してもよい。

関心領域が複数設定された場合において、複数の関心領域のそれぞれについて血流情報が生成され、血流情報画像は、各関心領域にその関心領域の血流情報を表示する空間マップ画像であってもよい。

血流情報画像においては、各関心領域は血流情報に応じた輝度で表示されることが好ましい。

血流情報生成手段は、第１の時刻における血流情報が第１の時刻以前である第２の時刻における血流情報よりも大きい場合と、第１の時刻における血流情報が第２の時刻における血流情報よりも小さい場合とで、血流情報画像における各関心領域の表示色を異なる表示色としてもよい。

関心領域は複数かつ格子状に設定されていてもよい。

本発明は、また、測定光を出射する光源と、少なくとも、被検体が駆血された状態にある駆血状態と、被検体が駆血されていない状態にある非駆血状態とのそれぞれにて、被検体に対する測定光の出射により被検体内で生じた光音響波を検出する音響波検出手段と、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、光音響画像内に設定された関心領域内の光音響画像の信号強度に基づいて血流情報を生成する血流情報生成手段とを備えた光音響計測システムを提供する。

本発明の光音響計測装置及び光音響計測システムは、光音響画像を用いて所望の領域における血流情報を生成することができる。

本発明の第１実施形態に係る光音響計測装置を含む光音響計測システムを示すブロック図。 駆血状態における光音響画像を示す図。 関心領域内の信号強度平均値の時間変化を示すグラフ。 駆血状態から非駆血状態へと急激に変化させた後の光音響画像を示す図。 ＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフ。 駆血状態から非駆血状態へと段階的に変化される過程における光音響画像を示す図。 ＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフ。 駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフ。 駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフ。 駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフ。 駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフ。 本発明の第２実施形態の光音響計測システムを示すブロック図。 ＲＯＩ信号値とカフ圧との関係を示すグラフ。 光音響画像内に格子状に設定された複数の関心領域を示す図。 血流情報画像の画像例を示す図。 本発明の第４実施形態の光音響計測システムを示すブロック図。

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実施形態に係る光音響計測装置を含む光音響計測システムを示す。光音響計測システム１０は、プローブ（超音波探触子）１１、超音波ユニット１２、及び光源１３を有する。

光源１３は、測定光を出射する。光源１３から出射した測定光は、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から被検体に向けて出射される。光源１３は、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）やアレキサンドライトなどを用いた固体レーザ光源である。測定光の波長は、血液での吸収が筋肉脂肪など周辺組織に比べて強い波長が好ましい。以下では、主に波長７５５ｎｍの光を用いた例を説明する。光源のタイプは特に限定されず、光源１３が、レーザダイオード光源（半導体レーザ光源）であってもよいし、或いはレーザダイオード光源を種光源とする光増幅型レーザ光源であってもよい。レーザ光源以外の光源を用いてもよい。

プローブ１１は、音響波検出手段であり、例えば一次元的に配列された複数の検出器素子（超音波振動子）を有している。プローブ１１は、リニアプローブに限定されず、コンベクスプローブ、又はセクタープローブでもよい。プローブ１１は、エコーゲルや水などを介して、被検体の血液還流を計測する部位（計測部位）に配置される。プローブ１１は、体毛や皮膚メラニン量が少ない掌側に配置されることが好ましい。例えば、被検体の計測部位はステージ上に載せられ、プローブ１１は、ステージに設けられた把持部によって把持される。

計測に際して、被検体の計測部位よりも心臓に近い側の位置に駆血帯（カフ）が巻かれる。駆血帯は、カフに給排気するための送気球などのポンプと、カフの印加圧力を計測するための水銀柱などの圧力計とを備えていることが好ましい。駆血帯は、加圧速度及び減圧速度の少なくとも一方を制御可能であることがより好ましい。駆血帯は例えば上腕に巻かれ、プローブ１１は掌の中央又は指先に配置される。

プローブ１１は、被検体が駆血された状態にある駆血状態と、被検体が駆血されていない状態にある非駆血状態とのそれぞれについて、被検体に対する測定光の出射後に被検体内で生じた光音響波を検出する。ここで、駆血状態とは、被検体の計測部位における血流が少なくとも部分的に止められた状態を指す。好ましくは、収縮期血圧以上の圧力で被検体の計測部位よりも心臓に近い側の部分を圧迫した状態を指す。非駆血状態とは、被検体の計測部位における血流が妨げられない状態を指す。好ましくは、被検体を圧迫しないか、又は拡張期血圧以下の圧力で被検体の計測部位よりも心臓に近い側の部分を圧迫した状態を指す。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、受信メモリ２３、光音響画像生成手段２５、血流情報生成手段２７、及びトリガ制御手段２８を有する。超音波ユニット１２は、光音響計測装置を構成する。超音波ユニット１２は、典型的にはプロセッサ、メモリ、及びバスなどを有する。

受信回路２１は、プローブ１１が出力する検出信号を受信し、受信した検出信号を受信メモリ２３に格納する。受信回路２１は、典型的には、低ノイズアンプ、可変ゲインアンプ、ローパスフィルタ、及びＡＤ変換器（Analog to Digital convertor）を含む。プローブ１１の検出信号は、低ノイズアンプで増幅された後に、可変ゲインアンプで深度に応じたゲイン調整がなされ、ローパスフィルタで高周波成分がカットされた後にＡＤ変換器でデジタル信号に格納され、受信メモリ２３に格納される。受信回路２１は、例えば１つのＩＣ（Integrated Circuit）で構成される。受信メモリ２３には、例えば半導体記憶装置が用いられる。

プローブ１１は、光音響波の検出信号を出力し、受信メモリ２３には、ＡＤ変換された光音響波の検出信号（サンプリングデータ）が格納される。光音響画像生成手段２５は、受信メモリ２３から光音響波の検出信号を読み出し、読み出した光音響波の検出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。光音響画像生成手段２５は、例えばＤＳＰ（digital signal processor）などのＬＳＩ（Large Scale Integration）で構成される。光音響画像生成手段２５の機能は、超音波ユニット１２に含まれるプロセッサによるソフトウェア処理によって実現してもよい。

血流情報生成手段２７は、光音響画像内に設定された関心領域内の光音響画像の信号強度に基づいて血流情報を生成する。関心領域は、例えば被検体の皮膚表面から深さ方向に一定の距離だけ離れた位置に設定される。関心領域は、好ましくは毛細血管が存在する領域に設定される。血流情報生成手段２７は、光音響画像の関心領域内の信号強度をスコア化することにより、血流情報を生成する。例えば関心領域内の光音響画像の信号強度の合計値又は平均値を算出し、その値に基づくスコア値を血流情報として生成する。ここで、光音響画像の信号強度は、検出された光音響波の検出信号の大きさに応じた値であり、必ずしも表示用の光音響画像の画素値と同一である必要はない。光音響画像生成段階における何れの信号も、光音響画像の信号強度として用いることができる。具体的には、再構成後の光音響波の検出信号、検波後の光音響波の検出信号、及び対数変換後の光音響波の検出信号を、光音響画像の信号強度として用いてもよい。血流情報生成手段２７は、血流情報と時間との関係を示すグラフを更に生成してもよい。血流情報生成手段２７は、例えばＤＳＰで構成される。血流情報生成手段２７の機能は、超音波ユニット１２に含まれるプロセッサによるソフトウェア処理によって実現してもよい。

血流情報生成手段２７は、生成した血流情報をディスプレイ装置などの画像表示手段１４に出力する。血流情報生成手段２７は、血流情報と時間との関係を示すグラフを画像表示手段１４に出力してもよい。血流情報生成手段２７は、光音響画像と関心領域とを画像表示手段１４に表示させてもよい。

トリガ制御手段２８は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。トリガ制御手段２８は、例えば光音響画像を取得する場合は、光源１３に光トリガ信号を送信し、光源１３から測定光を出射させる。また、測定光の出射に合わせて、受信回路２１にサンプリングトリガ信号を送信し、光音響波のサンプリング開始タイミングなどを制御する。光音響波を検出するエリアは複数のエリアに分割されていてもよい。その場合、被検体に対する光出射と光音響波の検出は、エリアごとに行う。トリガ制御手段２８は、例えばＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などのＰＬＤ（programmable logic device）で構成される。

計測は、以下の手順で行う。被検体に駆血帯を巻き付け、カフ圧を収縮期血圧以上の圧力、例えば２００ｍｍＨｇとして駆血を開始し、測定光の出射及び光音響波の検出を開始する。駆血後、駆血状態を維持したまま測定光の出射及び光音響波の検出を継続して行う。駆血状態を一定の期間継続した後、例えば送気球の弁を解放することによりカフ圧を急激に減圧する。カフ圧の変化の前後を通して測定光の照射及び光音響波の検出を継続して行う。あるいは、駆血状態を一定期間継続した後、カフ圧を一定の割合、例えば１秒当たり２ｍｍＨｇの割合で段階的に減圧しつつ、測定光の照射及び光音響波の検出を継続して行ってもよい。各時相で検出した光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成し、血流情報を生成する。例えば関心領域内の光音響画像の信号強度の平均値を血流情報として生成する。関心領域は１つでもよいし、複数あってもよい。関心領域が複数ある場合は、関心領域ごとに血流情報を生成する。

図２は、駆血状態における光音響画像を示す。図２において、関心領域ＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）は、被検体の深さ方向の内部に設定されている。特に波長７５５ｎｍの光を測定光とした場合、光音響画像では、表層部分から発せられた光音響波が強く描画される。深さ方向の内部に関心領域が設定されていることで、例えば毛細血管などにおける血流が判別しやすくなる。

図３は、関心領域内の信号強度平均値の時間変化を示すグラフである。時刻ｔ＝０では非駆血状態とされており、その後駆血状態へ変化させられる。非駆血状態から駆血状態へと変化させられると、毛細血管の血流が止まることで、関心領域内に光吸収体である血液が存在しなくなる。従って、図３に示すグラフの通り、関心領域内の信号強度平均値（ＲＯＩ信号値）は時間が経過するに連れて減少し、あるレベルの値に到達する。

図４は駆血状態から非駆血状態へと急激に変化させた後の光音響画像を示す。カフ圧を急激に低下させ、駆血状態から非駆血状態へと急激に変化させると、毛細血管に血液が還流することで、関心領域内に存在する血液が増加する。従って、関心領域ＲＯＩ内の信号強度（輝度）は、駆血状態時よりも上昇する。

図５は、駆血状態から非駆血状態へと急激に変化させた駆血状態から非駆血状態へと急激に変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフである。駆血状態から非駆血状態にされると、駆血により止められた血液が流れ始めることで、ＲＯＩ信号値は、図５に示すように、駆血状態とする前の状態のレベルに回復する。

図６は、駆血状態から非駆血状態へと段階的に変化される過程における光音響画像を示す。カフ圧を段階的に低下させ、駆血状態から非駆血状態へと段階的に変化させた場合、毛細血管に血液が徐々に還流していき、関心領域内に存在する血液が徐々に増加する。従って、関心領域ＲＯＩ内の信号強度（輝度）は、駆血前の状態のレベルに到達するまで、駆血状態時の信号強度から徐々に上昇していく。

図７は、駆血状態から非駆血状態へと急激に変化させた駆血状態から非駆血状態へと急激に変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフである。一定の期間駆血状態を保った後に、カフ圧を段階的に低下させていくと、駆血状態とされて低下したＲＯＩ信号値は、図７に示すように、カフ圧を低下させていくに従って上昇していく。カフ圧を段階的に低下させた場合、ＲＯＩ信号値は、駆血状態から非駆血状態へ急激に変化させる場合（図５を参照）に比べて緩やかに上昇する。

ここで、被検体内で発生する光音響波の強度は、ヘモグロビン濃度と酸素飽和度とに依存して変化する。測定光として波長７５５ｎｍの光を用いた場合は、血量が減少すると光音響波は弱くなり、血量が増加すると光音響波は強くなる。また、酸素飽和度が減少すると光音響波は強くなり、酸素飽和度が増加すると光音響波は弱くなる。非駆血状態から駆血状態にされると、血量と酸素飽和度とが減少する。一方、駆血状態から非駆血状態にされると、血量と酸素飽和度とが増加する。駆血状態時にＲＯＩ信号値が減少するのは、血量の減少に伴う光音響波の検出信号の低下が、酸素飽和度の減少に伴う光音響波の検出信号の増加よりも大きいためであると考えられる。また、非駆血時にＲＯＩ信号値が増加するのは、血量の増加に伴う光音響波の検出信号の増加が、酸素飽和度の増加に伴う光音響波の検出信号の低下よりも大きいためであると考えられる。

上記では、関心領域内の光音響画像の信号強度の平均値又は合計値（ＲＯＩ信号値）を血流情報とする例について説明したが、血流情報はこれには限定されない。血流情報生成手段２７は、一定の期間内におけるＲＯＩ信号値の最小値と最大値との差に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。あるいは、血流情報生成手段２７は、駆血状態におけるＲＯＩ信号値と、非駆血状態におけるＲＯＩ信号値との差に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。

図８に、駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフを示す。図８には、被検体ＡのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＡと、被検体ＢのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＢとが示されている。被検体Ａについては、ＲＯＩ信号値の最大と最小の差はΔＳ１となり、このΔＳ１を被検体Ａの血流情報とする。被検体Ｂについては、ＲＯＩ信号値の最大と最小の差はΔＳ２となり、このΔＳ２を被検体Ｂの血流情報とする。このＲＯＩ信号値の差分により、還流により血液が駆血時に比べてどの程度増加したかを評価することができる。ＲＯＩ信号値の差分そのものを血流情報にするのに代えて、ＲＯＩ信号値の差分をルックアップテーブルや関数などを用いてスコア値に変換したものを血流情報としてもよい。

上記に代えて、血流情報生成手段２７は、駆血状態から非駆血状態へと変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化率に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。時間変化率は、例えばＲＯＩ信号値を時間で微分することで計算することができる。

図９に、駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフを示す。図９には、被検体ＡのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＡと、被検体ＢのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＢとが示されている。被検体Ｂは、被検体Ａに比べて、非駆血状態となった後にＲＯＩ信号値が駆血前のレベルまで回復する速度が速い。従って、被検体ＢのＲＯＩ信号値の時間変化率（その最大値）は、被検体Ａのそれよりも大きくなる。この時間変化率の大小により、還流による血液の増加速度を評価することができる。

血流情報生成手段２７は、駆血状態から非駆血状態へと変化させたときの、基準となる時刻からＲＯＩ信号値が一定のレベルに到達する時刻までの間の時間に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。基準となる時刻は、例えば駆血状態から非駆血状態へと変化させた時刻としてもよい。あるいは、カフ圧を段階的に変化させる場合は、カフ圧を変化させ始めた時刻を基準となる時刻としてもよい。

図１０に、駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフを示す。図１０には、被検体ＡのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＡと、被検体ＢのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＢとが示されている。被検体Ｂは、非駆血状態となった後に、ＲＯＩ信号値が被検体Ａに比べて早くあるレベルＬに到達する。被検体ＡのＲＯＩ信号値は、基準となる時刻からΔｔ１後にあるレベルＬに到達する。一方、被検体Ｂは、基準となる時刻からΔｔ２（＜Δｔ１）後にあるレベルＬに到達する。あるレベルＬに到達するまでの時間により、還流による血液の増加速度を評価することができる。

また、血流情報生成手段２７は、駆血状態から非駆血状態へと変化させたときに、基準となる時刻から一定の時間経過した時刻のＲＯＩ信号値に基づくスコア値を血流情報として生成してもよい。基準となる時刻は、上記したものと同様に、例えば駆血状態から非駆血状態へと変化させた時刻としてもよい。あるいは、カフ圧を段階的に変化させる場合は、カフ圧を変化させ始めた時刻を基準となる時刻としてもよい。

図１１に、駆血状態から非駆血状態へ変化させたときのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフを示す。図１１には、被検体ＡのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＡと、被検体ＢのＲＯＩ信号値の時間変化を示すグラフＢとが示されている。被検体ＢのＲＯＩ信号値は、基準となる時刻から一定の時間が経過した時刻Ｔにおいて、既に駆血状態とされる前のレベルＳ２に到達している。一方、被検体ＡのＲＯＩ信号値は、時刻Ｔでは、駆血状態とされる前のレベルまで到達しておらず、Ｓ１（＜Ｓ２）となっている。時刻ＴにおけるＲＯＩ信号値により、還流による血液の増加速度を評価することができる。

ここで、ＲＯＩ信号値は光音響波の検出信号の信号強度に依存するため、血流の多い（信号強度の強い）比較的太い血管などの影響が強い。組織を栄養する細かい血管の血液還流状態を評価するには、信号強度に依存しない量、例えば２値化量で評価することが好ましい。２値化は、下側しきい値から上側しきい値までの範囲内のものと、範囲外のものとを区別するように行うことが好ましい。例えば、血流情報生成手段２７は、光音響画像の信号強度が第１のしきい値（下側しきい値に対応）以上でかつそれより大きな第２のしきい値（上側しきい値に対応）以下のときを第１の値（例えば信号値１）とし、光音響画像の信号強度が第１のしきい値未満又は第２のしきい値よりも大きなときを第２の値（例えば信号値０）とすることによって光音響画像の信号強度を２値化し、２値化された光音響画像の信号強度に基づいて血流情報を生成してもよい。より詳細には、血流情報生成手段２７は、関心領域内の２値化値を加算し、関心領域の面積で規格化した値を血流情報として生成してもよい。

本実施形態では、駆血状態と非駆血状態のそれぞれにおいて光出射及び光音響波の検出を行って光音響画像を生成し、関心領域内の光音響画像の信号強度に基づいて血流情報を生成する。このようにすることで、光音響画像を用いて所望の領域における血流情報を生成することができる。特に、関心領域を被検体の深さ方向の内部に設定することで、被検体表面のアーチファクト等に惑わされずに、深部や細かな血管の還流を評価するための血流情報を生成することができる。

なお、上記では、主に波長７５５ｎｍの光を測定光とする例について説明したが、測定光の波長はこれには限定されない。例えば波長１０６４ｎｍや８００ｎｍの光を測定光として用いることも可能である。

測定光の波長は１つには限定されず、複数の波長の測定光を用いてもよい。前述のように、被検体内で発生する光音響波の強度はヘモグロビン濃度と酸素飽和度とに依存して変化し、その変化の仕方は測定光の波長に応じて異なる。例えば測定光の波長が７５５ｎｍの場合、動脈と静脈のうち、酸素飽和度が低い静脈からより強い光音響波が発生し、測定光の波長が１０６４ｎｍの場合は、酸素飽和度が高い動脈からより強い光音響波が発生する。別の言い方をすれば、測定光の波長が７５５ｎｍの場合は、酸素飽和度が低いときに光音響波の検出信号は増加し、測定光の波長が１０６４ｎｍの場合は、酸素飽和度が高いときに光音響波の検出信号は増加する。測定光の波長が８００ｎｍの場合は、発生する光音響波の強度は酸素飽和度によってほとんど変化しない。測定光として、波長７５５ｎｍの光と波長１０６４ｎｍの光を用いて光音響波の検出を行い、光音響波の検出信号の波長依存性を調べることで、血流と酸素飽和度とを分離することができる。波長の組み合わせは上記したものには限定されず、例えば波長７５５ｎｍの光と波長８００ｎｍの光とを測定光としてもよい。このように、複数波長の測定光を用いることで血流と酸素飽和度とを分離することができ、血流情報生成手段２７は、血流に関連した血流情報に代えて又はこれに加えて、酸素飽和度に関連した血流情報を生成することができる。

次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図１２は、本発明の第２実施形態の光音響計測システムを示す。本実施形態の光音響計測システム１０は、図１に示す第１実施形態の光音響計測システム１０の構成要素に加えて、駆血帯１５及び圧力計測手段１６を更に有する。また、超音波ユニット１２内に、カフ圧制御手段３０を更に有する。

駆血帯１５は、カフ圧が可変な駆血帯である。駆血帯１５に付随するポンプなどにより駆血帯１５に空気を送り込むことでカフ圧を上昇させ、排気弁を開くことによりカフ圧を低下させることが可能である。圧力計測手段１６は、例えば圧力センサであり、駆血帯１５のカフ圧を計測する。カフ圧制御手段３０は、駆血帯１５のカフ圧を制御する。カフ圧制御手段３０は、圧力計測手段１６が計測したカフ圧に基づいて、駆血帯１５のカフ圧を所望の圧力に制御する。カフ圧制御手段３０には、例えばＦＰＧＡが用いられる。

カフ圧制御手段３０は、計測が開始されると、駆血帯１５のカフ圧を上昇させて被検体を駆血状態とする。その後、一定の期間駆血状態を保った後に、段階的にカフ圧を低下させて被検体を非駆血状態とする。その間、被検体に対する測定光の出射と光音響波の検出を継続して行う。血流情報生成手段２７は、光音響画像に基づいて血流情報を生成し、血流情報をカフ圧と関連付けて記憶する。本実施形態では、血流情報生成手段２７は、血流情報とカフ圧との関係を示すグラフを更に生成してもよい。

図１３は、ＲＯＩ信号値とカフ圧との関係を示すグラフである。ＲＯＩ信号値をカフ圧に対してプロットすると、図１３に示すグラフが得られる。このグラフを参照することで、血液が還流し始めるカフ圧、カフ圧に対するＲＯＩ信号値の傾き、血流が駆血状態とされる前のレベルに到達するカフ圧などが分かり、被検体の還流の評価が可能である。

本実施形態では、カフ圧を計測しながら被検体に対する光出射及び光音響波の計測を行う。カフ圧と光音響画像に基づいて生成された血流情報とを対応付けることで、血流情報とカフ圧との関係を示すグラフを生成することができる。そのようなグラフを参照することで、還流の評価が可能である。また、本実施形態では、被検体の駆血をカフ圧制御手段３０が行うので、計測を少なくとも部分的に自動化できるメリットもある。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。本発明の第３実施形態の光音響計測システムの構成は、図１に示す第１実施形態の光音響計測システム１０の構成と同様である。または、本発明の第３実施形態の光音響計測システムの構成は、図１２に示す第２実施形態の光音響計測システム１０の構成と同様であってもよい。本実施形態では、血流情報生成手段２７は、更に、血流情報に基づいて血流情報画像を生成する。その他の点は、第１実施形態又は第２実施形態と同様でよい。

本実施形態では、光音響画像内に複数の関心領域が設定される。例えば、光音響画像において、外枠を示す領域の内部に複数の関心領域が格子状に設定される。血流情報生成手段２７は、複数の関心領域のそれぞれについて血流情報を生成する。血流情報生成手段２７が生成する血流情報画像は、各関心領域にその関心領域の血流情報を表示する空間マップ画像である。血流情報画像において、各関心領域は血流情報に応じた輝度で表示される。

図１４は、光音響画像内に格子状に設定された複数の関心領域を示す。関心領域ＲＯＩは、光音響画像において、外枠を示す領域の内部に格子状に設定される。このように関心領域ＲＯＩが格子状に設定されることで、血液の還流状態を、画像の幅方向及び深さ方向に評価することが可能となる。

血流情報生成手段２７は、格子状の関心領域ＲＯＩのそれぞれについて、例えば一定期間内のＲＯＩ信号値の最大値と最小値との差を血流情報として生成する。例えば関心領域ＲＯＩ内の光音響画像の信号強度の合計値を求め、その合計値を関心領域ＲＯＩの面積で規格化することにより、ＲＯＩ信号値を計算する。関心領域ＲＯＩ内の光音響画像の信号強度の合計値を計算する際は、光音響画像の信号強度を２値化するとよい。

図１５は、血流情報画像の画像例を示す。血流画像において、各画素の輝度は、各関心領域ＲＯＩ（図１４を参照）の血流情報の大きさに対応する。図１５に示す血流画像を参照することで、被検体内の各部分において、血液の還流の量を評価することが可能となる。

血流情報生成手段２７は、例えば時系列に沿って血流情報画像を生成する。その場合、血流情報生成手段２７は、第１の時刻における血流情報が第１の時刻よりも以前である第２の時刻における血流情報よりも大きい場合と、第１の時刻における血流情報が第２の時刻における血流情報よりも小さい場合とで、血流情報画像における各関心領域の表示色を異なる表示色としてもよい。第１の時刻の１つの例としては例えば現時刻であり、より詳細な例としては、血流情報画像が画面に表示されている（現在の）時刻であるが、これに限定されない。例えば血流が増加傾向にあり、第１の時刻の血流情報が第２の時刻の血流情報よりも大きくなっている部分については表示色を赤色とし、血流が減少傾向にあり、第１の時刻の血流情報が第２の時刻の血流情報よりも小さくなっている部分について表示色を青色にしてもよい。その場合、血流画像を参照することで、どの部分において血液が増え、どの部分において血液が減少したかがわかりやすくなる。

本実施形態では、血流情報に基づいて血流情報画像を生成する。血流情報を画像化することで、血流情報の空間的な分布を把握しやすくなる。特に、複数の関心領域ＲＯＩを比較する場合、光音響画像の関心領域ＲＯＩの位置に対応してその関心領域ＲＯＩの血流情報をマップ表示することにより、全体の中の局所の挙動を比べやすくなる。その他の効果は第１実施形態又は第２実施形態と同様である。

引き続き、本発明の第４実施形態を説明する。図１６は、本発明の第４実施形態の光音響計測システムを示す。本実施形態の光音響計測システム１０は、超音波ユニット１２がデータ分岐手段２４、超音波画像生成手段２６、送信制御回路２９、及び関心領域追跡手段３１を更に有する点で、図１に示す第１実施形態の光音響計測システム１０と相違する。その他の点は、第１実施形態から第３実施形態と同様でよい。なお、本発明の実施形態では、音響波として超音波を用いるが、超音波に限定されるものでは無く、被検対象や測定条件等に応じて適切な周波数を選択してさえいれば、可聴周波数の音響波を用いても良い。

本実施形態では、プローブ１１は、光音響波の検出に加えて、被検体に対する音響波（超音波）の送信、及び送信した超音波に対する反射音響波（反射超音波）の受信を行う。音波の送受信は分離した位置で行ってもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。

プローブ１１は、光音響波の検出信号と反射超音波の検出信号とを出力し、受信メモリ２３には、ＡＤ変換された光音響波及び反射超音波の検出信号（サンプリングデータ）が格納される。データ分岐手段２４は例えば切替えスイッチであり、受信メモリ２３から読み出された光音響波の検出信号のサンプリングデータを光音響画像生成手段２５に送信する。また、データ分岐手段２４は、受信メモリ２３から読み出された反射超音波のサンプリングデータを超音波画像生成手段２６に送信する。超音波画像生成手段（反射音響波画像生成手段）２６は、プローブ１１で検出された反射超音波の検出信号に基づいて超音波画像（反射音響波画像）を生成する。超音波画像生成手段２６には、例えばＤＳＰなどが用いられる。超音波画像生成手段２６の機能は、超音波ユニット１２に含まれるプロセッサによるソフトウェア処理によって実現してもよい。超音波画像の生成も、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。生成された超音波画像を画像表示手段１４に表示してもよい。

トリガ制御手段２８は、超音波画像を取得する場合は、送信制御回路２９に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送信する。送信制御回路２９は、超音波送信トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。送信制御回路２９には例えばＦＰＧＡなどが用いられる。プローブ１１は、例えば音響ラインを一ラインずつずらしながら走査して反射超音波の検出を行う。トリガ制御手段２８は、超音波送信のタイミングに合わせて受信回路２１にサンプリングトリガ信号を送信し、反射超音波のサンプリングを開始させる。光音響画像の取得と超音波画像の取得とは、同期して行ってもよい。

ここで、被検体は体動などにより位置が変動するため、光音響画像の関心領域の位置は、フレーム間で変動することがある。フレーム間の位置ずれの補正に、超音波画像を用いる。関心領域追跡手段３１は、超音波画像を用いて関心領域の位置を追跡する。特に、関心領域追跡手段３１は、複数の連続的な超音波画像（複数の連続的なフレーム）を用いて関心領域の位置を追跡する。関心領域追跡手段３１は、例えばフレーム間のテンプレートマッチングなどの手法により、フレーム間での画像の動きを検出する。関心領域追跡手段３１には例えばＤＳＰが用いられる。関心領域追跡手段３１の機能は、超音波ユニット１２に含まれるプロセッサによるソフトウェア処理によって実現してもよい。関心領域追跡手段３１は、検出したフレーム間の画像の動きの分だけ関心領域の位置を移動させ、移動させた関心領域の位置を血流情報生成手段２７に通知する。血流情報生成手段２７は、通知された関心領域の位置を用いて血流情報を生成する。なお、血流情報の生成では、関心領域が体外の領域を含まないことが好ましい。光音響画像と同期して生成された超音波画像内における関心領域において皮膚境界を検出し、皮膚境界よりも被検体の内部方向の部分を関心領域の面積とすることが好ましい。

本実施形態では、超音波画像生成手段２６により超音波画像を生成する。この超音波画像を用いることで、フレーム間の画像の動きを検出することができ、フレーム間で関心領域を追跡することができる。この場合、体動などによって位置ずれが生じたときでも、被検体内の同じ部分の血流情報を生成することができ、生成される血流情報の精度を上げることができる。その他の効果は、第１実施形態から第３実施形態と同様である。

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、本発明の光音響計測装置及び光音響計測システムは、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：光音響計測システム
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：光源
１４：画像表示手段
１５：駆血帯
１６：圧力計測手段
２１：受信回路
２３：受信メモリ
２４：データ分岐手段
２５：光音響画像生成手段
２６：超音波画像生成手段
２７：血流情報生成手段
２８：トリガ制御手段
２９：送信制御回路
３０：カフ圧制御手段
３１：関心領域追跡手段

Claims (19)

1. 少なくとも、被検体が駆血された状態にある駆血状態と、前記被検体が駆血されていない状態にある非駆血状態とのそれぞれにて、前記被検体に対する測定光の出射により該被検体内で生じた光音響波の検出信号を受信する受信回路と、
   前記光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、
   前記光音響画像内に設定された関心領域内の前記光音響画像の信号強度に基づいて血流情報を生成する血流情報生成手段とを備えた光音響計測装置。
2. 前記被検体を前記駆血状態及び前記非駆血状態にするために、カフ圧を可変にすることが可能な駆血帯を更に有する請求項１に記載の光音響計測装置。
3. 前記駆血帯のカフ圧を制御するカフ圧制御手段を更に有する請求項２に記載の光音響計測装置。
4. 前記血流情報生成手段は、前記信号強度が第１のしきい値以上でかつ該第１のしきい値よりも大きな第２のしきい値以下のときを第１の値とし、前記信号強度が第１のしきい値未満又は第２のしきい値よりも大きなときを前記第１の値とは異なる第２の値とすることによって前記信号強度を２値化し、該２値化された信号強度に基づいて前記血流情報を生成する請求項１から３何れか１項に記載の光音響計測装置。
5. 前記血流情報生成手段は、前記血流情報と時間との関係を示すグラフを更に生成する請求項１から４何れか１項に記載の光音響計測装置。
6. 前記受信回路は、前記被検体に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号を更に受信し、
   前記反射音響波の検出信号に基づいて反射音響波画像を生成する反射音響波画像生成手段と、
   前記反射音響波画像を用いて前記関心領域の位置を追跡する関心領域追跡手段とを更に有する請求項１から５何れか１項に記載の光音響計測装置。
7. 前記血流情報生成手段は、前記関心領域内の前記信号強度の合計値又は平均値を血流情報として生成する請求項１から６何れか１項に記載の光音響計測装置。
8. 前記被検体の駆血圧を計測する圧力計測手段を更に有し、
   前記血流情報生成手段は、前記血流情報と前記駆血圧との関係を示すグラフを更に生成する請求項１から７何れか１項に記載の光音響計測装置。
9. 前記血流情報生成手段は、前記関心領域内の前記信号強度の合計値又は平均値を算出し、一定の期間内における該合計値又は平均値の最小値と最大値との差に基づくスコア値を前記血流情報として生成する請求項１から６何れか１項に記載の光音響計測装置。
10. 前記血流情報生成手段は、前記駆血状態における前記関心領域内の前記信号強度の合計値又は平均値と、前記非駆血状態における前記関心領域内の前記信号強度の合計値又は平均値との差に基づくスコア値を前記血流情報として生成する請求項１から６何れか１項に記載の光音響計測装置。
11. 前記被検体が前記駆血状態から前記非駆血状態へと変化させられた場合において、前記血流情報生成手段は、前記関心領域内の前記信号強度の合計値又は平均値の時間変化率に基づくスコア値を前記血流情報として生成する請求項１から６何れか１項に記載の光音響計測装置。
12. 前記被検体が前記駆血状態から前記非駆血状態へと変化させられた場合において、前記血流情報生成手段は、基準となる時刻から一定の時間経過後の前記関心領域内の前記信号強度の合計値又は平均値に基づくスコア値を前記血流情報として生成する請求項１から６何れか１項に記載の光音響計測装置。
13. 前記被検体が前記駆血状態から前記非駆血状態へと変化させられた場合において、前記血流情報生成手段は、基準となる時刻から、前記関心領域内の前記信号強度の合計値又は平均値が一定のレベルに到達する時刻までの間の時間に基づくスコア値を前記血流情報として生成する請求項１から６何れか１項に記載の光音響計測装置。
14. 前記血流情報生成手段は、前記血流情報に基づいて血流情報画像を更に生成する請求項１から１３何れか１項に記載の光音響計測装置。
15. 前記関心領域が複数設定された場合において、該複数の関心領域のそれぞれについて前記血流情報が生成され、前記血流情報画像は、各関心領域に当該関心領域の血流情報を表示する空間マップ画像である請求項１４に記載の光音響計測装置。
16. 前記血流情報画像において、各関心領域は前記血流情報に応じた輝度で表示される請求項１５に記載の光音響計測装置。
17. 前記血流情報生成手段は、第１の時刻における血流情報が該第１の時刻以前である第２の時刻における血流情報よりも大きい場合と、前記第１の時刻における血流情報が前記第２の時刻における血流情報よりも小さい場合とで、前記血流情報画像における各関心領域の表示色を異なる表示色とする請求項１５又は１６に記載の光音響計測装置。
18. 前記関心領域が複数かつ格子状に設定されている請求項１から１７何れか１項に記載の光音響計測装置。
19. 測定光を出射する光源と、
    少なくとも、被検体が駆血された状態にある駆血状態と、前記被検体が駆血されていない状態にある非駆血状態とのそれぞれにて、前記被検体に対する前記測定光の出射により該被検体内で生じた光音響波を検出する音響波検出手段と、
    前記音響波検出手段が検出した光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、
    前記光音響画像内に設定された関心領域内の前記光音響画像の信号強度に基づいて血流情報を生成する血流情報生成手段とを備えた光音響計測システム。