JP6678189B2 - 音響光学撮像方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、音響光学撮像方法およびシステムに関する。

より詳細には、本発明は、媒体の観察領域を撮像する音響光学撮像方法に関する。このような方法は、生物学的組織のような媒体内の深部に位置する観察領域の光学特性について非侵襲的に情報を得ることを意図している。例えば、光学特性は、観察領域の生物学的組織の色、吸収、または構造であってもよい。観察領域は、例えば、身体、器官、物体内といった対象物内の、例えば数ミリメートルまたはセンチメートルの深さに位置する。

このような方法では、媒体の観察領域に観察領域の焦点に集束された超音波を発生させ、この同じ領域に同時に光波を照射する方法が知られている。次いで、情報は、媒体内の光波と音響振動との間のリンクに関連する信号を検出することによって得られる。実際、音響周波数faの超音波が散乱媒体（例えば生物学的または他の組織）を通って進むと、それは散乱体の周期的な変位および媒体の屈折率の周期的な変調を引き起こす。入射周波数fiの入射光波、特にレーザ波が媒体によって散乱されると、散乱体の移動および媒体の屈折率の変調は、入射周波数fiでキャリア成分と、周波数fao=fa±n*fiの音響側波帯の一方または他方に散乱された音響光学成分とを含むマーキングされた光波を生成する。

このような方法は、Interface Focus (2011) vol.1, 第632-648頁に掲載されたDaniel S. Elson、Rui Li、Christopher Dunsby、Robert Eckersley、およびMeng-Xing Tangによる「Ultrasound-mediated optical tomography: a review of current methods」に記載されている。

これらの既知の方法では、次いで、キャリア成分に対する音響光学成分の重量を決定することによって、媒体に関する情報を得る。さらに、マーキングされた光波が超音波の焦点から来るため、散乱媒体内の局所光強度に関する情報を得ることができる。これらの方法では、一連の集束された超音波で観察領域を掃引することによって、観察領域内の光強度の画像がラインごとに形成される。

これらの既知の方法は、観察領域の画像を得るために多数の超音波を発する必要があり、従ってゆっくりであるという欠点がある。さらに、信号対雑音比は低く、それらを平均化して使用可能な信号を得ることを可能にするために、同じ焦点で多数の取得を必要とする。

この目的のため、本発明の第1の目的は、媒体の観察領域を撮像する音響光学撮像方法であって、方法は、
少なくとも1つの非集束音波に関連する少なくとも1つの測定信号が取得される、取得ステップであって、取得ステップは、
伝搬方向に伝搬する非集束音波が、観察領域において生成され、
非集束音波によって周波数がシフトされた少なくとも1つの音響光学成分を含むマーキングされた光波を生成するために、入射光波が観察領域に照射され、
マーキングされた光波に関する情報を含む測定信号が取得される、
うちの少なくとも1つの測定動作を含む、ステップと、
観察領域における光強度を表す少なくとも1つの値が、測定信号から決定される、処理ステップと
を含む。

本発明の好ましい実施形態では、以下の条件の1つ以上の使用がされてもよい：
非集束音波は、音響平面波である；
非集束音波は、音響発散波である；
取得ステップは、取得ステップの間に、複数の非集束音波に関連する複数の測定信号が取得される、という複数の測定動作を含み、
各非集束音波は、複数の測定動作の測定動作の間に生成され、非集束音波に関連する測定信号は、測定動作の間に取得される；
複数の非集束音波の非集束音波は、非共線の伝搬方向に伝搬する；
複数の非集束音波の伝搬方向は、10度よりも大きな中心角を有する扇形をカバーする；
複数の非集束音波の伝搬方向は、0.1度より大きい、好ましくは0.5度より大きい角度間隔で隔てられている；
複数の非集束音波の伝搬方向は、45度未満、好ましくは20度未満の角度間隔で隔てられている；
非集束音波に関連する各測定信号は、非集束音波によって周波数がシフトされたマーキングされた光波の音響光学成分に関する情報を含む光強度値の時系列を含む；
非集束音波に関連する各測定信号は、2MHzより大きい、好ましくは10MHzより大きい周波数でサンプリングされる；
処理ステップは、逆ラドン変換の実施を含む；
処理ステップは、ビームフォーミングアルゴリズムの実施を含む；
処理ステップは、逆投影またはフィルタリングされた逆投影アルゴリズムの実施を含む；
処理ステップは、
少なくとも1つの測定信号に関連する複数のプロファイルスライスを決定するステップであって、各プロファイルスライスは、関連する測定信号の1次元フーリエ変換の関数である、ステップと、
複数のプロファイルスライスから2次元スペクトルを決定するステップと、
観察領域における光強度を表す少なくとも1つの値を決定するステップであって、代表値は、2次元スペクトルの2次元逆フーリエ変換の関数である、ステップと
を含む；
フーリエ空間において複数のプロファイルスライスを再調整することによって、好ましくは、プロファイルスライスに関連する測定信号に関連する非集束音波の伝搬方向に従って各プロファイルスライスを再調整することによって、2次元スペクトルが決定される；
非集束音波の伝搬方向に関連するn個の測定信号を取得するために、測定動作がn回繰り返され、かつn個の測定信号は共に平均化されて、処理ステップに使用される非集束音波に関連する測定信号を決定する；
測定動作は1回以上であるn回繰り返される。

本発明は、さらに媒体の観察領域を撮像する音響光学撮像システムに関し、システムは、
少なくとも1つの非集束音波に関連する少なくとも1つの測定信号を取得する取得装置であって、取得装置は、
観察領域において、伝搬方向に伝搬する少なくとも1つの非集束音波を生成するトランスデューサアレイと、
少なくとも1つの非集束音波によって周波数がシフトされた少なくとも1つの音響光学成分を含む少なくとも1つのマーキングされた光波を生成するために、少なくとも1つの入射光波を観察領域に照射する光照射装置と、
少なくとも1つのマーキングされた光波を表す少なくとも1つの測定信号を取得する検出器と
を備える取得装置と、
取得装置によって取得された少なくとも1つの測定信号に基づいて、観察領域における光強度を表す少なくとも1つの値を決定するように構成された処理装置と
を備える。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して、非限定的な実施例によって与えられるいくつかの実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態によるシステムの概略図である。 本発明の一実施形態による方法の概略フローチャートである。 図2の方法の処理ステップにおける動作の一実施形態の詳細を示す。 図2の方法の処理ステップにおける動作の一実施形態の詳細を示す。 本発明の一実施形態および従来技術の方法で得られた代表的な光強度値を示す。

様々な図において、同一参照符号は同一または類似の要素を示す。

図1は、本発明の一実施形態による音響光学撮像システム1を概略的に示す。

従って観察領域3を含む、撮像される媒体2、例えば対象物または生物学的組織が提供される。観察領域3は、媒体2の表面上にあってもよいが、例えば、数センチの深さといった、媒体2内の深さにあってもよい。

媒体2は、散乱媒体である。「散乱媒体」は、典型的な厚さ1*（輸送の平均自由行程）を超えて、例えば生物学的媒体中の約1ミリメートルを超えて、媒体を通過する光波に含まれる情報が完全にスクランブルされ、処理することなく読み取ることが不可能であることを意味する。従って、これは、これは従来の光学撮像を深度で不可能にする。この現象は多重光散乱とも呼ばれる。

音響トランスデューサアレイ4は、直接接触するか、または例えば水または水で満たされたタンクまたはクッションのような結合要素によって媒体2に音響的に結合されて、媒体2と音響的に接触している。

音響トランスデューサアレイ4は、例えば、例えば数十個のトランスデューサ5（例えば、100から300）を含む線形アレイである。トランスデューサ5は、例えば、軸Xに沿って並置されている。代替の実施形態では、トランスデューサ5は、曲線に従うように構成されてもよいし、2次元アレイを形成するように構成されてもよい。

音響トランスデューサアレイ4は、例えば、電子ラック6と、ラック6を制御するマイクロコンピュータ7とを含む制御手段によって制御される。

音響トランスデューサアレイ4は、このようにして、観察領域3において、所定の伝搬方向に伝搬する非集束音波を生成してもよい。観測領域3には、様々な伝搬方向に伝搬する非集束音波を発生させるように伝搬方向が制御されてもよい。

限定するものではないが、例えば、音響トランスデューサアレイ4は、数メガヘルツ、例えば8MHz前後の中心周波数を有する超音波を観測領域3において生成してもよい。音響トランスデューサアレイ4は、例えば、30度より大きな中心角、例えば40度の中心角を有する扇形内の選択された伝搬方向を有する複数の超音波を観測領域3において生成してもよい。

本発明の一実施形態では、非集束音波は音響平面波である。別の実施形態では、非集束音波は音響発散波である。

システム1はまた、光照射装置8を備える。光照射装置8は、観察領域3において、少なくとも1つの入射光波を照射してもよい。特に、光照射装置8は、音響トランスデューサアレイ4による超音波の照射と同時に光波を照射するように構成されている。光照射装置8は、例えば、レーザであり、または一般に、照射された入射光波のスペクトルを制御することができる照射装置である。

「光波」は広義に理解され、媒体2内を伝搬することができる電磁放射線を意味する。特に、それは、赤外線、可視または紫外スペクトル内の電磁放射線を意味すると理解されてもよい。

限定ではなく例示として提供される実施例では、光照射装置8は、波長が2ワットおよび780ナノメートル（従って、入射周波数fiに対応する）に増幅された単一周波数半導体レーザである。入射光波の偏光も制御されてもよい。いくつかの実施形態では、光波は、媒体2に入る前に時間的および空間的に変調またはフィルタリングされてもよい。

システム1はさらに、マーキングされた光波を表す測定信号を取得することができる検出器9を含む。従って、検出器9は、マーキングされた光波の波長に対応する1つ以上の電磁波波長に感応する光検出器である。例えば、検出器9は、入射光波と観察領域において伝搬する非集束音波との相互作用によって生成された音響光学成分に敏感である。検出器9はまた、入射周波数fiでマーキングされた光波の成分を意味するキャリア成分に敏感であってもよい。

検出器9は、例えばフォトダイオードである。

システム1は、おそらくは検出器9に統合された信号を前処理または後処理するための要素10を含んでもよい。信号を後処理するための要素10は、例えば、ハイパスフィルタ10a、広帯域増幅器10b（例えばThorlabs、DHPVA）、およびアナログ/デジタル変換器10cを含んでもよい。

従って、特に、測定信号は、数MHzより大きい、好ましくは10メガヘルツより大きい周波数、例えば40MHzのサンプリング周波数で、アナログ/デジタル変換器10cによってサンプリングされてもよい。

このようにして、各測定信号は、特に、非集束音波によって周波数がシフトされたマーキングされた光波の音響光学成分の光強度値の時系列を含んでもよい。

従って、トランスデューサアレイ4、光照射装置8、および検出器9は、本発明によるシステム1の取得装置11を形成してもよい。そのような取得装置11は、以下でさらに詳細に説明するように、複数の非集束音波に関連する複数の測定信号を取得するのに特に適している。

最後に、本発明によるシステム1はまた、取得装置11によって取得された複数の測定信号に基づいて、観察領域3内の光強度を表す少なくとも1つの値を決定するように構成された処理装置12を備える。

媒体の観察領域を撮像するための音響光学撮像方法が図2に詳細に示されており、例えば、システム1によって以下のように実施されてもよい。

取得ステップ100の間に、複数の非集束音波に関連する複数の測定信号Sが取得されてもよい。

そのような取得ステップ100は、非集束音波に関連する測定信号S、特に非集束音波θの伝搬方向に関連する測定信号Sの取得を可能にする少なくとも1つの測定動作150を含んでもよい。

有利には、取得ステップ100は、複数の非集束音波に関連する複数の測定信号（S）を取得するように複数の測定動作150を含んでもよい。

従って、各測定動作150の間、
-伝搬方向θに伝搬する非集束音波が、トランスデューサアレイ4により、観測領域3において生成され、
-光照射装置8により、非集束音波によって周波数がシフトされた少なくとも1つの音響光学成分を含むマーキングされた光波を生成するために、入射光波が観察領域3に照射され、
-マーキングされた光波を表す測定信号Sが検出器9によって取得される。

特に、取得ステップ100の複数の測定動作150は、複数の非集束音波の非集束音波が非共線の伝搬方向に伝搬するようであってもよい。

より具体的には、複数の非集束音波の伝搬方向θは、30度よりも大きな中心角を有する扇形をカバーしてもよい。扇形は、60度または90度よりも大きい、またはさらには180度に近い中心角を有してもよい。

一実施形態では、複数の非集束音波の伝搬方向θは、0.25度より大きい、好ましくは0.5度より大きい角度間隔で互いに隔てられる。

さらに、複数の非集束音波の伝搬方向θは、45度未満、好ましくは20度未満の角度間隔によって隔てられてもよい。

従って、非限定的な例として、取得ステップ100は、41の異なる伝搬方向θの平面波の照射を含んでもよく、当該伝搬方向は、トランスデューサアレイ4に垂直の方向Zに対して-20度と20度との間に、1度間隔で配置された伝搬角度を有する。平面波は、例えばSupersonic Imagine社の「Aixplorer」システムによって照射されてもよい。

本発明の一実施形態において、非集束音波の伝搬方向θに関連するn個の測定信号Sを取得するために、伝搬方向における測定動作150がn回繰り返されてもよい。測定動作150は、例えば、10回より大きいn回、例えば100回または1000回繰り返されてもよい。

このような測定動作150の繰り返しは、後続の処理ステップで使用される測定信号Sを決定するために、n個の測定信号を共に平均化することを可能にする。このような測定信号は、より高い信号対雑音比を有するという利点を提供する。

この方法は、次に、複数の測定信号から観察領域内の光強度を表す少なくとも1つの値が決定される処理ステップ200を含む。

限定するものではないが、この処理ステップ200は、有利には、図3Aおよび図3Bに示すようなラドン変換の実施を含む。処理ステップはまた、二重フーリエ変換（時間的、次に空間的）を含んでもよい。

概略的には、処理ステップ200は、以下の動作を含んでもよい：
-複数の測定信号に関連する複数のプロファイルスライスを決定するステップ(210)と(図3A)、
-複数のプロファイルスライスから2次元プロファイルを決定するステップ(220)と(図3B)、
-2次元プロファイルに基づいて、観察領域における光強度を表す少なくとも1つの値を決定するステップ(230)(図3B)。

具体的には、まず、処理ステップ中に得られた各測定信号SについてプロファイルスライスTを決定する。

そうするために、測定信号Sの1次元フーリエ変換が使用され、図3Aに示すような関連するプロファイルスライスTを提供する。従って、測定信号Sのサンプリングの品質は、フーリエ変換中の情報の保存を保証するために重要であることは明らかである。

次に、複数の測定信号Sに関連する複数のプロファイルスライスTから、2次元プロファイルPが決定される。図3Bに示すように、2次元プロファイルPは、複数のプロファイルスライスをフーリエ空間で再調整することによって決定される。従って、各プロファイルスライスTは、プロファイルスライスTに関連付けられた測定信号Sに関連付けられた非集束音波の伝搬方向θに従って、フーリエ空間において再調整される。

従って、例えば非集束波の伝搬方向によって形成される扇形を埋めるようにプロファイルスライスTを再調整することが可能である。

図3Bにも示されているように、2次元プロファイルPが得られると、2次元プロファイルPの2次元逆フーリエ変換によって、観察領域3内の光強度Iを表す1つ以上の値を決定することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態では、プロファイルスライスTは、2次元プロファイルPを決定するために完了されてもよい。

図4は、本発明の例示的な実施形態の実施中に得られた結果を示す。この図のグラフは、観測領域を通過する軸に沿った位置に応じた光強度を示している。本発明のこの実施態様において、画像化された媒体は、イントラリピッド(Intralipid)10％と混合された寒天ゲル(agar gel)である。このようなゲルはミリメートルを超えて非常に散乱しており、内部のものを観察することは不可能である。吸収性があるか、またはゲルよりも局所的に多かれ少なかれ散乱する物体は、散乱するゲル中に置かれる。純粋に例示的な例として、直径約1mmおよび長さ5mmの黒色電線シースが、図4の実施例を得るために実質的にゲルの中央に配置されてもよい。

図4のグラフは、本発明の実施によって得られた位置の関数としての光強度（点線）と、集束された超音波を用いて観察領域を走査する、本明細書の冒頭に記載されているような既知の方法の実施によって得られた位置の関数としての光強度（実線）とを比較する。

両方の実施において、各測定動作は、平均化された測定信号を得るために1000回繰り返される。

図4（点線）の本発明の実施形態では、トランスデューサアレイ4によって、1度間隔で-20度と20度との間の平面波が照射されている。

図4の既知の方法の実施形態では、100列で観察領域3内の光強度の画像を得るために、光強度値は、それらの焦点が互いに0.2mmオフセットされた一連の集束された超音波を照射することによって得られる。

図4に示すように、本発明の実施形態によって得られる位置の関数としての光強度の信号対雑音比（SNR）は、前述した既知の方法の実施によって得られた位置の関数としての光強度の信号対雑音比よりもはるかに優れている。

この驚くべき結果は、非集束超音波が、各マーキングされた光波において、観察領域の全ての点から来る情報を符号化することができるという事実によって説明される。対照的に、既知の方法では、集束超音波の使用は、各マーキングされた光波が、焦点の近傍からのみ来る情報を含むことを意味する。

同等の信号対雑音比では、集束音波よりも非集束音波での測定操作が少なくて済む（数十倍少ない）。

提示された実施例と比較して、可変の実施形態では、以下の1つ以上の規定を実施することが可能である：
-より強力なレーザの使用
-ペルチェ冷却フォトダイオードなどの低ノイズフォトダイオードの使用
-発散波の使用
-より大きな中心角（360度CTスキャン）の扇形のスキャン
-例えば、標準的な超音波のエネルギーに近い、高出力の非集束音波の使用。

このように、同等の信号対雑音比では、本明細書の冒頭に記載された既知の方法と比較して、撮像時間を10分の1または100分の1以上に節約することが可能である。

１ 音響光学撮像システム
３ 観察領域
４ 音響トランスデューサアレイ
５ トランスデューサ
６ 電子ラック
７ マイクロコンピュータ
８ 光照射装置
９ 検出器
１０ 信号を後処理するための要素
１０ａ ハイパスフィルタ
１０ｂ 広帯域増幅器
１０ｃ アナログ/デジタル変換器
１１ 取得装置
１２ 処理装置
１００ 取得ステップ
１５０ 測定動作
２００ 処理ステップ
２１０ プロファイルスライスを決定するステップ
２２０ ２次元プロファイルを決定するステップ
２３０ 光強度を表す少なくとも1つの値を決定するステップ

Claims (14)

1. 媒体（２）の観察領域（３）を撮像するための音響光学撮像方法であって、前記方法は、
   異なる伝搬方向（θ）に伝搬する複数の非集束音波に関連する複数の測定信号（Ｓ）が取得される、取得ステップ（１００）であって、前記取得ステップは、
   前記異なる伝搬方向（θ）の１つの伝搬方向に伝搬する前記複数の非集束音波の１つの非集束音波が、前記観察領域（３）において生成され、
   前記非集束音波によって周波数がシフトされた少なくとも１つの音響光学成分を含むマーキングされた光波を生成するために、入射光波が前記観察領域（３）に照射され、
   前記マーキングされた光波に関する情報を含む、前記非集束音波に関連する、測定信号（Ｓ）が取得される、
   という複数の測定動作（１５０）の各測定動作（１５０）で前記複数の測定動作（１５０）を含む、ステップと、
   前記観察領域（３）における光強度（Ｉ）を表す少なくとも１つの値が、前記複数の測定信号（Ｓ）から決定される、処理ステップ（２００）と
   を含み、
   前記処理ステップ（２００）は、
   複数のプロファイルスライス（Ｔ）を決定するステップであって（２１０）、当該複数のプロファイルスライス（Ｔ）の各々は、前記複数の測定信号（Ｓ）の１次元フーリエ変換の関数である、ステップと、
   前記複数のプロファイルスライス（Ｔ）から２次元プロファイル（Ｐ）を決定するステップと、
   前記観察領域（３）における光強度（Ｉ）を表す少なくとも１つの値を決定するステップであって、代表値は、前記２次元プロファイル（Ｐ）の２次元逆フーリエ変換の関数である、ステップと
   を含む、音響光学撮像方法。
2. 前記非集束音波は音響平面波である、請求項１に記載の方法。
3. 前記非集束音波は音響発散波である、請求項１に記載の方法。
4. 前記複数の非集束音波の前記伝搬方向（θ）は、１０度よりも大きな中心角を有する扇形をカバーする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記複数の非集束音波の前記伝搬方向（θ）は、０．１度より大きい、好ましくは０．５度より大きい角度間隔で隔てられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記複数の非集束音波の前記伝搬方向（θ）は、４５度未満、好ましくは20度未満の角度間隔で隔てられている、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 非集束音波に関連する各測定信号（Ｓ）は、前記非集束音波によって周波数がシフトされた前記マーキングされた光波の前記音響光学成分に関する情報を含む光強度値の時系列を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 非集束音波に関連する各測定信号（Ｓ）は、２ＭＨｚより大きい、好ましくは１０メガヘルツより大きい周波数でサンプリングされる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記処理ステップ（２００）は、逆ラドン変換の実施を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記処理ステップ（２００）は、逆投影またはフィルタリングされた逆投影アルゴリズムの実施を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. フーリエ空間において前記複数のプロファイルスライス（Ｔ）を登録することによって、前記２次元プロファイル（Ｐ）が決定され、
    各プロファイルスライスは、前記プロファイルスライス（Ｔ）に関連する前記測定信号（Ｓ）に関連する前記非集束音波の伝搬方向（θ）に従って登録される、請求項１０に記載の方法。
12. 非集束音波の伝搬方向（θ）に関連するn個の測定信号（Ｓ）を取得するために、測定動作（１５０））がｎ回繰り返され、かつ前記ｎ個の測定信号は共に平均化されて、前記処理ステップ（２００）に使用される前記非集束音波に関連する測定信号を決定する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記測定動作（１５０）は１回以上であるｎ回繰り返される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 媒体（２）の観察領域（３）を撮像する音響光学撮像システム（１）であって、前記システムは、
    異なる伝搬方向（θ）に伝搬する複数の非集束音波に関連する複数の測定信号（Ｓ）を取得する取得装置（１１）であって、
    前記観察領域（３）において、前記異なる伝搬方向（θ）に伝搬する前記複数の非集束音波を生成するトランスデューサアレイ（４）と、
    前記複数の非集束音波の少なくとも１つによって周波数がシフトされた少なくとも１つの音響光学成分をそれぞれが含む複数のマーキングされた光波を生成するために、少なくとも1つの入射光波を前記観察領域（３）に照射する光照射装置（８）と、
    前記複数の非集束音波に関連し、かつ前記複数の非集束音波の各マーキングされた光波をそれぞれが表す複数の測定信号（Ｓ）を取得する検出器（９）と
    を備える前記取得装置と、
    前記取得装置（１１）によって取得された前記複数の測定信号（Ｓ）に基づいて、前記観察領域（３）における光強度（Ｉ）を表す少なくとも１つの値を決定するように構成された処理装置（１２）と
    を備え、
    前記処理装置（１２）は、
    複数のプロファイルスライス（Ｔ）を決定するステップであって（２１０）、当該複数のプロファイルスライス（Ｔ）の各々は、前記複数の測定信号（Ｓ）の１次元フーリエ変換の関数である、ステップと、
    前記複数のプロファイルスライス（Ｔ）から２次元プロファイル（Ｐ）を決定するステップと、
    前記観察領域（３）における光強度（Ｉ）を表す少なくとも１つの値を決定するステップであって、代表値は、前記２次元プロファイル（Ｐ）の２次元逆フーリエ変換の関数である、ステップと
    を含む、音響光学撮像システム（１）。