JP6808362B2 - ハイブリッド光学音響断層撮影及び超音波検査に関するデバイスおよび方法 - Google Patents
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Description
本発明は、独立請求項に記載の、物体のハイブリッド光学音響及び超音波検査撮影に関するデバイスおよび方法に関する。
超音波検査法は、体の内部構造を可視化するために使用される、超音波による診断撮影技術である。医療撮影法の他の周知な方法と比較して、超音波検査法はいくつかの利点を有している。超音波検査法は（取得後ではなく、または処理遅延なく）、リアルタイムで画像を得ることができ、持ち運び可能であり、病気の患者のベッドの横まで持っていくことができ、コストが実質的に低く、損傷を与える電離放射線を使用しない。
光学音響撮影法は、光学音響効果とも呼ばれる物理的効果に基づくものであり、それによれば、超音波が物体、例えば生体組織による電磁放射の吸収によって引き起こされ、続いて物体内の熱弾性拡張が引き起こされる。そのため、光学音響撮影法は、光学吸収及び超音波伝搬を使用する非侵襲的なハイブリッド技術であり、構造的、機能的及び分子的撮影を可能にする。これによって、光学音響撮影法は、高コントラストの光学画像を有し、光散乱に対して独立な高い（超音波）解像度を有する、深部組織の画像を得ることを可能にする。
ハイブリッド光学音響超音波検査撮影法は、両方法の利点及び相補的なコントラストを組み合わせることを目的とする。
本発明は、特に、高い画質を有し、定量的な結論を可能にする光学音響画像及び超音波検査画像の両方を得ることができるように、物体の改善されたハイブリッド光学音響超音波検査撮影のためのデバイスおよび対応する方法を得るという課題に基づいている。
本課題は、独立請求項に記載のデバイスおよび方法によって解決する。本発明の好適な実施形態は、従属請求項の一部である。
本発明の一態様によれば、物体のハイブリッド光学音響超音波検査撮影のためのデバイスは、撮影される物体に電磁放射を照射するように構成された、照射ユニットと、物体に電磁放射を照射して、撮影される物体で生じた超音波を検出するように構成された第１のトランスデューサ素子と、物体によって反射され、及び／または物体を透過した超音波を検出するように構成された第２のトランスデューサ素子と、第１のトランスデューサ素子が配置された少なくとも１つの第１の表面区画及び、第２のトランスデューサ素子が配置された少なくとも１つの第２の表面区画を含む表面と、を含む。少なくとも１つの第１の表面区画及び/または少なくとも１つの第２の表面区画は湾曲形状を有し、第１のトランスデューサ素子は、第１の大きさ及び第１の間隔を有し、第２のトランスデューサ素子は、第２の大きさ及び第２の間隔を有し、第１の間隔が第２の間隔とは異なり、及び／または第１の大きさが第２の大きさと異なる。
本発明の別の態様によれば、物体のハイブリッド光学音響超音波検査撮影のための方法は、撮影される物体に電磁放射を照射する段階と、表面の少なくとも１つの第１の表面区画に配置された複数の第１のトランスデューサ素子によって、物体に電磁放射を照射して物体内で発生した超音波を検出する段階と、表面の少なくとも１つの第２の表面区画に配置された第２のトランスデューサ素子によって、物体によって反射され、及び／または物体を透過した超音波を検出する段階と、を含む。少なくとも１つの第１の表面区画及び／または少なくとも１つの第２の表面区画は湾曲形状を有し、第１のトランスデューサ素子は、第１の大きさ及び第１の間隔を有し、第２のトランスデューサ素子は第２の大きさ及び第２の間隔を有し、第１の間隔は第２の間隔と異なり、及び／または第１の大きさは第２の大きさと異なる。
本発明のさらに別の態様によれば、物体のハイブリッド光学音響超音波検査撮影のための方法は、撮影される物体に電磁放射を照射する段階と、表面の少なくとも１つの第１の表面区画に配置された複数の第１のトランスデューサ素子によって、物体に電磁放射を照射して物体内で発生した第１の超音波を検出する段階と、表面の少なくとも１つの第２の表面区画に配置された複数の第２のトランスデューサ素子によって、物体によって反射され、及び／または物体を透過した第２の超音波を検出する段階と、を含む。好適には、この第２の超音波は、トランスデューサの表面など、撮影される物体の外側に配置された吸収性構造、または撮影される物体とトランスデューサとの間に配置された追加的な吸収性構造内の電磁放射の吸収に応じて放出される。好適には、少なくとも１つの第１の表面区画及び／または少なくとも１つの第２の表面区画は湾曲形状を有し、第１のトランスデューサ素子は、第１の大きさ及び第１の間隔を有し、第２のトランスデューサ素子は第２の大きさ及び第２の間隔を有し、第１の間隔は第２の間隔と異なり、及び／または第１の大きさは第２の大きさと異なる。
本発明において、トランスデューサ素子に関する「間隔」という用語は、好適には、隣り合うトランスデューサ素子、すなわち互いに境界を接するトランスデューサ素子の中心間の距離に関する。
本発明の態様は、第１のトランスデューサ素子によって、光学音響信号、すなわち、物体への電磁放射の照射に応じて物体内で発生した超音波を検出し、第２のトランスデューサ素子によって、超音波検査信号、すなわち物体への超音波の照射に応じて物体によって反射され、及び／または物体を透過する超音波を発生し、検出する手法に基づいており、第１及び第２のトランスデューサ素子の幾何学的特性及び／または幾何学的配置は異なる。具体的には、第１及び第２のトランスデューサ素子は、異なる素子間隔及び／または異なる大きさを有し、すなわち、第１の検出器素子の大きさは第２の検出器素子の大きさと異なり、及び／または第１の検出器素子の間隔は第２のトランスデューサ素子の間隔と異なる。代替的に、または追加的に、第１及び／または第２のトランスデューサ素子は、検出器表面の湾曲した表面区画に設けられる。その結果、物体から放出された超音波は検出器表面のトランスデューサ素子の配置によって検出され、検出器表面の第１の区画に設けられた第１のトランスデューサ素子の特性及び／または配置は、光学音響信号検出に最適化することができ、その一方、検出器表面の第１の区画とは異なる第２の区画に設けられた第２のトランスデューサ素子の特性及び／または配置は、超音波検査信号の発生及び検出に最適化することができる。
本発明のさらに他の態様は、光学音響撮影モード及び超音波撮影モードの両方において、改善したリアルタイム撮影性能を可能にするトランスデューサ素子の空間的分布を有する、具体的に設計されたハイブリッドトランスデューサアレイ構成を提供するという概念に基づいている。トランスデューサアレイ構成は、２次元及び３次元撮影のための設置型撮影デバイスおよび携帯型撮影デバイスの両方に適している。好適には、第１及び第２のトランスデューサ素子の不均一な分布が提供され、トランスデューサアレイの一部を形成する第１のトランスデューサ素子の空間分布及び／または大きさは光学音響撮影に最適化され、その一方、トランスデューサアレイの残りの部分を形成する第２のトランスデューサ素子の空間分布及び／または大きさは超音波検査撮影に最適化される。例えば、超音波検査撮影、すなわち超音波放出及び検出に最適化されて構成されたアレイの部分は、特定の用途及び／または撮影される物体の種類に応じて、例えば、２次元撮影が実施される場合には凸面または線形、３次元撮影については平面または球面など、異なる幾何形状を有してもよい。光学音響撮影、すなわち電磁放射の照射で物体内に発生した超音波を検出するように構成されたアレイの残りの部分は、アレイの超音波検査撮影部の幾何学的形状とは独立した、例えば凹面、線形、平面、球面または円筒形状などの幾何学的形状を有してもよい。一般に、不規則な形状のトランスデューサアレイが、撮影される物体の正確な形状に応じて最適な断面カバー範囲を提供するために提供されてもよい。一般に、第１のトランスデューサ素子の大きさ及び間隔は、アレイの異なる部分に設けられた第２のトランスデューサ素子の大きさ及び間隔とは異なる。さらに、画像形成手順は、２つの様式について異なってもよく、例えば、超音波検査部分は直線ごとのビーム形成に基づいて画像を提供するパルスエコーモードで動作され、その一方、光学音響信号は２次元もしくは３次元ラドン変換、逆投影、またはモデルに基づく反転アルゴリズムなどの断面再構成アルゴリズムを用いて画像を形成するために、同時に取得可能である。好適には、アレイの超音波部分によって検出された信号は、追加的に光学音響画像形成に使用されてもよく、またその逆が行われてもよい。追加的に、または代替的に、光学音響撮影のために最適化されたアレイの部分もまた、超音波を放出するように構成され、そのため反射または透過に基づく超音波画像を形成するために追加的に使用されることができる。
すなわち、本発明の態様は、特に高い画質を有し、定量的な結論を可能にする光学音響画像及び超音波検査画像の両方を得るための、物体のハイブリッド光学音響超音波検査撮影の改善を可能にする。
別の好適な実施形態によれば、第１の表面区画及び／または第２の表面区画は、電磁放射の吸収に応じて超音波を発生するように構成される。それにより、超音波は、光学音響効果により第１及び／または第２の表面区画によって発生し、撮影される物体に向けて放出され、撮影される物体による反射及び／または撮影される物体の透過の後に、第２のトランスデューサ素子によって検出される。
別の好適な実施形態によれば、吸収素子は撮影される物体と第１の表面区画及び／または第２の表面区画との間に設けられ、吸収素子は、電磁放射の吸収に応じて超音波を発生するように構成される。前述の実施形態と同様に、超音波は光学音響効果により吸収素子によって発生し、撮影される物体に向けて放出され、撮影される物体による反射及び／または撮影される物体の透過の後に第２のトランスデューサ素子によって検出される。
好適には、吸収素子は、短いパルスの電磁放射の吸収に応じて高い周波数の超音波を発生させるように構成される。代替的に、または追加的に、吸収素子は、５０μｍから５００μｍの範囲、好適には約１００μｍの直径を有し、及び／または１００ナノ秒未満、好適には約１０ナノ秒未満の持続時間を有するレーザーパルスの吸収に応じて、４ＭＨｚから１０ＭＨｚの範囲、好適には約７．５ＭＨｚのピーク周波数を示す超音波を放出する、少なくとも１つの電磁放射吸収性微小球体を含む。代替的に、または追加的に、吸収素子は、短いレーザーパルスの吸収に応じて広帯域の平面超音波を放出するように構成された少なくとも１つの電磁放射吸収箔を含む。
好適には、第２のトランスデューサ素子は、物体に向けて超音波を放出し、物体によって反射され、及び／または物体を透過した超音波を検出するように構成される。
好適な実施形態によれば、少なくとも１つの第１の表面区画は、凹面形状を有する。これにより、光学音響信号を検出する第１のトランスデューサ素子は、少なくとも１つの凹面形状の第１の表面区画に沿って配置される。
別の好適な実施形態によれば、少なくとも１つの第１の表面区画は凸面形状または平面形状を有する。従って、超音波を放出し、検出する第２のトランスデューサ素子は、少なくとも１つの凸面形状及びまたは少なくとも１つの平面形状の第２の表面区画に沿って配置される。
さらに別の好適な実施形態によれば、第１の間隔は第２の間隔よりも大きい。好適には、２つの隣接する第１のトランスデューサ素子間の中心間距離は、２つの隣接する第２のトランスデューサ素子の中心間距離よりも大きい。
好適には、第１の間隔は、第２の間隔の少なくとも１．５倍、及び／または少なくとも２倍、及び／または少なくとも２．５倍、及び／または少なくとも３倍である。
さらに、第１のトランスデューサ素子の第１の大きさが、第２のトランスデューサ素子の第２の大きさよりも大きいことが好適である。
好適には、第１の大きさは、第２の大きさの少なくとも１．５倍、及び／または少なくとも２倍、及び／または少なくとも２．５倍、及び／または少なくとも３倍である。
前述の好適な実施形態のそれぞれは、単独で、または組み合わせて、得られる光学音響画像及び超音波検査画像の両方の画質ならびに定量的及び／または診断的決定性をさらに改善する。
さらに好適な実施形態によれば、第１のトランスデューサ素子は互いに隣接し、及び／または第２のトランスデューサ素子は互いに隣接する。好適には、隣り合うトランスデューサ素子は、それらがたがいに接するように空間的に配置される。好適には、表面は、少なくとも１つの第１の表面区画及び少なくとも１つの第２の表面区画によって形成される連続的な表面である。追加的に、または代替的に、第１の表面区画に設けられた第１のトランスデューサ素子及び／または第２の表面区画に設けられた第２のトランスデューサ素子は、連続的な表面を形成する。前述の態様の１つまたは複数は、画質ならびに定量的及び／または診断的決定性のさらなる改善に寄与する。
さらに他の好適な実施形態によれば、デバイスは、物体に電磁放射を照射して物体から発生した、検出された超音波に基づく、第１の解像度及び第１の視野を示す第１の画像（光学音響画像）を再構成し、物体によって反射され、及び／または物体を透過した、検出された超音波に基づく、第２の画像（超音波検査画像）を再構成するように構成された制御ユニットを含む。
本発明の他の好適な態様によれば、第１のトランスデューサ素子は、物体に電磁放射を照射して物体から発生した超音波と、物体によって反射され、及び／または物体を透過した超音波と、の両方を検出するように構成される。代替的に、または追加的に、第２のトランスデューサ素子は、物体によって反射され及び／または物体を透過した超音波と、物体に電磁放射を照射して物体から発生した超音波と、の両方を検出するように構成される。
好適には、制御ユニットは、物体に電磁放射を照射して物体から発生し、第１のトランスデューサ素子及び第２のトランスデューサ素子の両方によって検出された超音波に基づいて、第１の画像（光学音響画像）を再構成するように構成される。このようにして、光学音響画像は、第１の表面区画に配置された第１のトランスデューサ素子と、第２の表面区画に配置された第２のトランスデューサ素子との両方から受信した情報に基づいて形成される。
代替的に、または追加的に、制御ユニットは、物体によって反射され及び／または物体を透過し、第１のトランスデューサ素子及び第２のトランスデューサ素子の両方によって検出された超音波に基づいて、第２の画像（超音波検査画像）を再構成するように構成される。従って、第１の表面区画に配置された第１のトランスデューサ素子及び第２の表面区画に配置された第２のトランスデューサ素子の両方によって、反射され及び／または透過した超音波を放出し、検出することによって、超音波画像を形成することも同様に実施可能である。
好適な実施形態によれば、制御ユニットは、少なくとも１つの再構成された第２の画像に含まれる第２の情報を用いて第１の画像を再構成し、及び／または少なくとも１つの再構成された第１の画像に含まれる第１の情報を用いて第２の画像を構成するように構成される。好適には、第２の情報は物体内の音響散乱体及び／または不均一性の位置に関連し、物体によって反射された、検出された超音波に基づいて再構成された少なくとも１つの第２の画像に含まれ、及び／または、第２の情報は、物体内の音速及び／または音響減衰に関連し、物体を透過した、検出された超音波に基づいて再構成された少なくとも１つの第２の画像に含まれる。このようにして、アレイの超音波部分によって描画された画像は、追加的に光学音響画像の形成の支援に使用してもよく、またその逆が行われてもよい。例えば、反射モード超音波画像によって描画された音響散乱体または不均一性の位置に関する情報は、光学音響画像の再構成における演繹的な情報として使用可能であり、そのためその画質や正確性を改善することができる。同様に、撮影された媒質内の音速及び音響減衰のマップを描画する透過モードで形成された超音波画像は、画像の空間解像度及び全体の画質を改善させることができるように、再び光学音響再構成プロセスに供給することができる。
好適には、第２の画像は第２の解像度及び第２の視野を示し、第１の解像度、第１の視野、第２の解像度及び第２の視野の少なくとも１つは、最適化される。追加的に、または代替的に、デバイスは、第１の画像及び第２の画像の解像度が整合され、及び／または第１の画像及び第２の画像の視野が整合されるように構成される。「整合される」という用語は、好適には第１の画像及び第２の画像の両方の解像度及び／または視野が本質的に同一であり、または所定のパーセンテージ、例えば２％、５％、または１０％だけ異なることを指している。
代替的に、デバイスは、第１の画像及び第２の画像の解像度が異なり、及び／または第１の画像及び第２の画像の視野が異なるように構成される。例えば、第１の画像（光学音響画像）の第１の視野は、第２の画像（超音波検査画像）の第２の視野より小さく、特にずっと小さい。好適には、第１の視野は、第２の視野よりも少なくとも２倍、及び／または３倍、及び／または４倍小さい。例えば、超音波検査画像の視野は、撮影された物体の全体をカバーしうる一方で、光学音響画像の視野は撮影された物体の小さな部分をカバーするのみである。この種の視野が異なる実装形態は、好適には、例えば、超音波モダリティを使用した粗い解剖学的ナビゲーションのために使用され、その一方、光学音響モダリティを使用した、より小さな領域の機能的または分子情報を可視化するために使用される。
好適には、第１のトランスデューサ素子は第１の中心周波数を有し、第２のトランスデューサ素子は第２の中心周波数を有し、第１の中心周波数は第２の中心周波数とは異なる。好適には、第１の中心周波数は、第２の中心周波数よりも、好適には少なくとも１．５倍、及び／または２．５倍、及び／または３．５倍小さい。
さらに他の好適な実施形態によれば、第１の画像（光学音響）及び第２の画像（超音波検査）の時間的解像度は、実質的に異なる。好適には、光学音響画像の時間的解像度は、超音波検査画像の時間的解像度よりも実質的に高く、またはその逆である。例えば、高速信号の挙動は、光学音響画像に関してのみ提供可能であり、その一方超音波画像は、例えば光学音響画像が１０枚、２０枚、４０枚、６０枚、８０枚、または１００枚ごとにしか取得されない。換言すれば、超音波画像の時間的解像度は、光学音響画像の時間的解像度よりも１０倍、２０倍、４０倍、６０倍、８０倍、または１００倍小さい。このようにして、取得され、処理されるデータ量を適切に低減することが可能になる。
好適には、第１のトランスデューサ素子は、第１の画像の第１の解像度が調整可能であることまたは調整されるということに基づいて、第１の帯域及び角度カバレージを有する。代替的に、または追加的に、第１の画像の第１の視野は、第１のトランスデューサ素子の第１の大きさ及びそれらのサンプルまでの距離に基づいて調整可能であり、または調整される。
好適には、第２の画像の第２の解像度は、第２の軸方向解像度及び第２の水平方向解像度を含み、第２の視野は第２の軸方向視野及び第２の水平方向視野を有し、
制御ユニット及び第１のトランスデューサ素子の検出帯域が、第２の軸方向解像度が調整可能であり、または調整されることに基づく空間的パルス長を有する超音波を第２のトランスデューサ素子が放出するように構成され、及び／または
第２のトランスデューサ素子が、トランスデューサ素子からある焦点距離を有する少なくとも１つの焦点に、放出された超音波を集束するように構成され、第２の水平方向解像度が、焦点距離に基づいて調整可能であり、または調整され、及び／または
第２の水平方向解像度が、第２のトランスデューサ素子の第２の大きさに基づいて調整可能であり、または調整され、制御ユニットが、水平方向解像度を調整するために適応性ビーム形成を実施するように構成され、及び／または
制御ユニットは、あるパルス反復率で超音波のパルスを放出するように第２のトランスデューサ素子を制御するように構成され、第２の軸方向視野がパルス反復率に基づいて調整可能でありまたは調整され、及び／または
第２の水平方向視野が、物体に向けて超音波を放出する第２のトランスデューサ素子の第２の数に基づいて調整可能であり、または調整される。
制御ユニット及び第１のトランスデューサ素子の検出帯域が、第２の軸方向解像度が調整可能であり、または調整されることに基づく空間的パルス長を有する超音波を第２のトランスデューサ素子が放出するように構成され、及び／または
第２のトランスデューサ素子が、トランスデューサ素子からある焦点距離を有する少なくとも１つの焦点に、放出された超音波を集束するように構成され、第２の水平方向解像度が、焦点距離に基づいて調整可能であり、または調整され、及び／または
第２の水平方向解像度が、第２のトランスデューサ素子の第２の大きさに基づいて調整可能であり、または調整され、制御ユニットが、水平方向解像度を調整するために適応性ビーム形成を実施するように構成され、及び／または
制御ユニットは、あるパルス反復率で超音波のパルスを放出するように第２のトランスデューサ素子を制御するように構成され、第２の軸方向視野がパルス反復率に基づいて調整可能でありまたは調整され、及び／または
第２の水平方向視野が、物体に向けて超音波を放出する第２のトランスデューサ素子の第２の数に基づいて調整可能であり、または調整される。
本発明の、上述の、及びその他の要素、特徴、特性及び利点は、図面を参照して、好適な実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
図１は、撮影される物体１０のハイブリッド光学音響超音波検査撮影のためのデバイスの第１の例を示す。本デバイスは、物体１０に、例えば可視、近赤外線、マイクロ波または高周波（ＲＦ）の範囲の電磁放射５を照射するように構成された照射ユニット３を含む。好適には、照射ユニット３は、パルス化され、強度変調され、及び／または周波数変調された電磁放射を物体１０に向けて放出するように構成される。撮影される物体１０に一部が物体１０に吸収される過渡的な電磁放射を照射することによって、機械波１１、具体的には超音波が発生し、物体１０によって放出される。
本デバイスはさらに、機械波、特に超音波に対して感度を有し、物体１０を部分的に取り囲む有感検出器表面を有する検出器ユニット４を含む。本例において、検出器表面は、物体１０から見て凹形状である２つの第１の表面区画１と、物体１０から見て凸形状である第２の表面区画２とを含む。
検出器ユニット４の第１の表面区画１は、電磁放射５の照射により物体１０内で生じた超音波１１を検出するように構成された複数の第１のトランスデューサ素子を含む。検出器ユニット４の第２の表面区画２は、物体１０の方へ超音波１２を放出し、物体１０によって反射され、及び／または物体１０を透過した超音波１３を検出するように構成され、及び／または制御された複数の第２のトランスデューサ素子を含む。その結果、検出器ユニット４は、物体１０の光学音響画像を得ることができるようにさらに処理可能である光学音響的に生じた超音波１１と、物体１０の超音波検査画像を得ることができるようにさらに処理される超音波１３と、の両方を検出するように構成される。
代替的に、または追加的に、検出器ユニット４の第１の表面区画１の第１のトランスデューサ素子は、物体１０の方へ超音波１２を放出し、電磁放射５の照射で物体１０内で生じた超音波１１を検出し、並びに／または物体１０によって反射され、及び／もしくは物体１０を透過した超音波１３を検出するように構成され、及び／または制御される。代替的に、または追加的に、検出器ユニット４の第２の表面区画２の第２のトランスデューサ素子は、物体１０に向けて超音波１２を放出し、電磁放射５の照射により物体１０内に生じた超音波１１を検出し、並びに／または物体１０によって反射され、及び／もしくは物体１０を透過した超音波１３を検出するように構成され、及び／または制御される。このように、第１の表面区画１及び第２の表面区画２に配置された第１及び第２のトランスデューサ素子の全て（またはそれらの素子の任意の組み合わせもしくはサブセット）は、物体１０の光学音響画像及び超音波検査画像の両方を得るために使用することができる。
好適には、第２のトランスデューサ素子は、圧電効果によって電気的エネルギーを超音波の形態の機械的エネルギーに変換して超音波１２を発生し、またその逆も行うように構成された圧電素子である。代替的にまたは追加的に、超音波１２’（破線矢印）は、撮影される物体１０の外側、例えば検出器ユニット４の第１の表面区画１及び／または第２の表面区画２における電磁放射５の吸収に起因する光学音響効果によって生じる。この場合、第２のトランスデューサ素子は、単に、またはそれぞれ、撮影される物体１０の外側における電磁放射５の吸収により発生し、物体１０に向けて放出したのち、物体１０によって反射され及び／または物体１０を透過した超音波１３を検出するように構成され、及び／または制御される。
好適には、本デバイスはさらに、第１の表面区画１に設けられた第１のトランスデューサ素子及び第２の表面区画２に設けられた第２のトランスデューサ素子２によってそれぞれ生じたトランスデューサ信号に基づいて、２次元または３次元の光学音響画像及び超音波検査画像を再構成するように構成された制御ユニット２０を含む。
さらに、制御ユニット２０は、好適には必要に応じて、例えばパルス化され、または変調された電磁放射によって物体１０を照射するように照射ユニット３を制御するように構成される。同様に、制御ユニット２０は、好適には、第２の表面区画２に設けられた第２のトランスデューサを、物体１０に向けて超音波パルス１２を放出するように制御するように構成される。
好適には、本デバイスはさらに、再構成された２次元または３次元光学音響画像及び超音波検査画像を表示するように構成されたディスプレイユニット２１を含んでもよい。同一の関心領域から得られた光学音響画像及び超音波検査画像は、別個の画像に、または、適切な画像融合の後、単一の融合画像に表示されうる。
第１の表面区画１の第１のトランスデューサ素子は、第１の大きさ及び第１の間隔を有し、これは、隣り合う、または隣接する第１のトランスデューサ素子の中心間の距離に関連する。第２の表面区画２に設けられた第２のトランスデューサ素子は、第２の大きさ及び第２の間隔を有し、これは、隣り合う、または隣接する第２のトランスデューサ素子の中心間の距離に関連する。
好適には、第１のトランスデューサ素子の第１の大きさは、第２のトランスデューサ素子の第２の大きさと異なり、及び／または第１のトランスデューサ素子の第１の間隔は、第２のトランスデューサ素子の第２の間隔とは異なる。さらに、または代替的に、第１のトランスデューサ素子について使用されるトランスデューサ素子の種類は、第２のトランスデューサ素子について使用されるトランスデューサ素子の種類とは異なってもよい。１つまたは複数の上述の測定により、検出器ユニット４の第１及び第２の区画１、２のそれぞれは、１つの検出器ユニット４のみで、光学音響画像及び超音波検査画像の両方の最適な取得を達成できるように、適切に設計可能である。
特に、第１の表面区画１の第１のトランスデューサ素子の大きさ及び／または間隔及び／または空間的配置は、所望の画質、特に解像度、視野、鮮明度等を有する光学音響画像が得られるように選択される。同様に、第２の表面素子２に設けられた第２のトランスデューサ素子の大きさ及び／または間隔及び／または空間配置は、所望の画質、特に解像度、視野、鮮明度などを有する超音波検査画像が得られるように選択される。
例えば、第２の表面区画２の形状、曲率及び／または大きさは、パルスエコー超音波画像を取得するように最適化される。好適には、カバーされる視野は、第２の表面区画２の曲率によって効果的に調整可能である。当該例において、第２のトランスデューサ素子が設けられた第２の表面区画２は凸形状を有し、その形状により、パルスエコー超音波モードで有効視野が拡大する。さらに、第２のトランスデューサ素子の間隔及び／または数が、所定の周波数に関してサイドローブが最小化され、及び／または画質が空間合成を介して最適化されるように設計される。例えば、第２のトランスデューサ素子は、中心周波数が６ＭＨｚであり、約０．４ｍｍの範囲の間隔の大きさを有する１２８個の素子からなる超音波フェーズドアレイを形成する。
例えば、第１のトランスデューサ素子が設けられる第１の表面区画１は、撮影される物体１０の外周の全体または少なくとも主要部を覆うように設計される。好適には、検出器ユニット４の第１の表面区画１に配置される第１のトランスデューサ素子は、第２のトランスデューサ素子の大きさよりも大きな間隔の大きさ、特に幅を有しうる。代替的にまたは追加的に、第１のトランスデューサ素子の間隔は、第２のトランスデューサ素子の間隔よりも大きいものであってよい。このようにして、光学音響モードにおける良好な検出感度が達成される。例えば、同一の中心周波数に対して、第１のトランスデューサ素子の幅はおよそ１ｍｍの範囲とすることができる。
例えば、２次元、すなわち断面撮影構成において、検出器ユニット４の第１のトランスデューサ素子及び第２のトランスデューサ素子は、超音波モード及び光学音響モードの両方において、断面画像を得ることができるように、円筒形に集束されてもよい。
図１において、検出器ユニット４は、断面図で表される。そのため、第１の表面区画１及び第２の表面区画２は、それぞれ第１及び第２のトランスデューサ素子の帯状湾曲アレイで構成されうる。例えば、検出器ユニット４の第１の表面区画のそれぞれは、第１のトランスデューサ素子の１次元アレイで形成されてもよく、及び／または検出器ユニット４の第２の表面区画２は、第２のトランスデューサ素子の１次元アレイで形成されてもよい。
代替的にまたは追加的に、第１及び／または第２の表面区画１、２はそれぞれ、第１及び／または第２のトランスデューサ素子の湾曲２次元アレイで構成されてもよい。例えば、第１の表面区画１は、円筒面または球面の区画の形状に対応する形状を有してもよい。同様に、第２の表面区画２は、円筒面または球面の形状に対応する形状を有してもよい。
所定の例において、第２の表面区画２は、第１の表面区画１に隣接し、それによって、第１及び第２のトランスデューサ素子が配置される連続的な検出器表面が得られる。
以下において、検出器ユニット４及び／または照射ユニット３の様々な設計を有するハイブリッド光学音響超音波検査撮影のためのデバイスのさらなる例を詳細に説明する。単純化のために、制御ユニット２０及びディスプレイユニット２１は表示しない。しかし、画像形成及び表示に関する上述の説明は同様に適用される。さらに、図１において示された第１の例の他の任意の態様に関する上述の説明は、特に明記しない限り、以下に与えられる例に対しても同様に適用される。
図２は、ハイブリッド光学音響超音波撮影のためのデバイスの第２の例を示しており、検出器ユニット４の第１の表面区画１は、電磁放射５の照射により物体１０で生じた超音波１１を検出するように構成された複数の第１のトランスデューサ素子を含む。追加的な吸収素子６は、撮影される物体１０と、検出器ユニット４の表面区画１及び／または２との間に配置される。超音波７は、この吸収素子６内の電磁波５の吸収に応じて発生し、撮影される物体１０に向けて放出される。検出器ユニット４の第２の表面区画２は、物体１０によって反射され、及び／または物体１０を透過した超音波１３のみを検出するように構成され及び／または制御された複数の第２のトランスデューサ素子を含む。その結果、検出器ユニット４は、物体１０の光学音響画像を得ることができるようにさらに処理可能な、光学音響的に生じた超音波１１と、物体１０の超音波検査画像を得ることができるようにさらに処理される超音波１３と、の両方を検出するように構成される。
好適には、追加的な吸収素子６は、短いパルスの電磁放射の吸収を介して高周波数超音波信号の発生が可能な特徴的な大きさを有する。このようにして、より優れた空間解像度を有する物体のパルスエコー超音波画像が形成可能である。そのような素子の一例は、１０ナノ秒未満の持続時間のレーザーパルスの吸収により、約７．５ＭＨｚのピーク周波数を有する広帯域球面超音波を発生する直径１００μｍの吸収性微小球体である。もう１つの例は、短いレーザーパルスの吸収により、広帯域平面超音波を放出する吸収性箔である。
図３は、ハイブリッド光学音響超音波撮影のためのデバイスの第３の例の検出器ユニットの断面図を示しており、第１のトランスデューサ素子が設けられた第１の表面区画１が湾曲し、その一方第２のトランスデューサ素子が設けられた第２の表面素子２が平面である。図４に示された第４の例においては、第１の表面区画１及び第２の表面区画２のいずれも凹形状を有する。
図１の第１の例についてすでに説明したように、第１の表面区画１及び第２の表面区画２に設けられたトランスデューサ素子のアレイは、トランスデューサ素子の１次元または２次元アレイを含んでもよく、第１の及び／または第２の表面区画１、２はそれぞれ、帯状の形状または、円筒形状、球面形状、もしくはボウル状の形状を有する。
図５は、デバイスの第５の例の検出器ユニット４の断面図を示しており、全部で４つの第１の表面区画１及び３つの第２の表面区画２が設けられている。そのため、第２のトランスデューサ素子は物体１０の１つの側面に面するように設けられている（図１から４を参照）だけでなく、物体の、全部で３つの異なる側面に面し、これによって、第１の表面区画１に設けられた第１のトランスデューサ素子によって生じた信号から得られた光学音響画像の画質に顕著な影響を及ぼすことなく、超音波検査画像の取得がさらに改善される。
図６は、体積的な、すなわち３次元のハイブリッド光学音響超音波撮影に特に適したデバイスの第６の例の検出器ユニット４の斜視図を示す。検出器ユニット４は、第１のトランスデューサ素子が設けられた２次元凹形状の第１の表面区画１を含む。第１の表面区画１は、検出器ユニット４に設けられた凹部の表面の一部である。好適には、凹部の表面の底部に、第２のトランスデューサ素子が配置される平面状の第２の表面区画２が設けられる。好適には、撮影される物体は、検出器ユニット４の凹部内の位置に置かれ、及び／または保持される。代替的に、物体は、凹部の外側に配置することもできる。
物体に電磁放射、特に光を照射することができるように、照射ユニット３を検出器ユニット４の外側に設けることができる。これは、図７に例示的に示されており、照射ユニット３は、４つの光導波素子を含み、この光導波素子によって光が物体（図示せず）の方へ導かれる。光導波素子は、例えば、ファイバーの束とすることができる。
図８に示された検出器ユニット４の例において、照射ユニット３は、第１の表面区画１と第２の表面区画２との間にある検出器ユニット４の凹部表面の表面区画の領域に設けられる。例えば、リング状の断面を有するファイバーの束が、第１の表面区画１と第２の表面区画２との間のアパーチャに設けられる。
同様に、図９の例に示されるように、照射ユニット３は、帯状凹面の第１の表面区画１と帯状凸面の表面区画２との間の過渡的領域に設けられ（図９の左側）、または帯状の表面区画１、２の外側に設けられ（図９の右側）に設けられてもよい。後者の場合、照射ユニット３の光導波素子は、検出器ユニット４の凹形状の表面の底部及び／または中央の近くに配置されることが好適である。
図１０において、検出器ユニット４の別の例の断面図が示されており、第１のトランスデューサユニットが設けられた第１の表面区画１が平面であり、その一方、第２のトランスデューサ素子が設けられた第２の表面区画２が凹形状または凸形状の曲率を有する。
図１１は、光学音響パルスエコー超音波撮影による、内視鏡撮影または血管内撮影に特に適したデバイスの別の例の断面図を示している。この例において、検査する物体の内部に挿入されるプローブ８は、図１または図９の例において示されたものと同様の設計を有する検出器ユニット４が設けられており、プローブ８の遠位端に設けられた凹部の表面が、２つの凹形状の第１の表面区画１及びその間の凸形状の第２の表面区画２によって構成されている。電磁放射５は、プローブ８の外側から照射ユニット（図示せず）によって照射される。代替的に、または追加的に、照射ユニットは、例えば、図８及び９（左側）に例示的に示されるように、第１の表面区画１と第２の表面区画２との間のアパーチャ内に配置可能である。この例において、第１の表面区画１または第２の表面区画２にそれぞれ設けられた第１及び／または第２のトランスデューサ素子は、撮影面において好適には円筒状に集束され、それによって、プローブ軸９に対して垂直な平面の断面画像が容易に取得できる。好適には、プローブ８は、異なる平面からの画像を得るように、軸９の周りに回転するように構成される。代替的に、第１及び／または第２のトランスデューサ素子は、集束されなくてもよく、すなわち平面形状でもよく、３次元画像再構成の完全なデータセットは、プローブ８を３６０°完全に回転した後に得ることができる。
本発明の好適な態様によれば、特に、取得される光学音響画像及び超音波検査画像の空間的及び／もしくは時間的解像度、並びに／または検出器ユニット４の第１の表面区画１及び／もしくは第２の表面区画２の視野が整合される。これは、第１及び第２のトランスデューサ素子の異なる特性、例えば、各区画の中心周波数、曲率及び空間の配向、各素子の大きさ、間隔及び集束特性、放出される超音波または光のパルスの持続時間、撮影される物体と表面区画１及び／または２の間に配置された任意の追加的な吸収素子の大きさを変更することによって達成可能である。この場合、「整合した」との用語は、上述の画像特性（空間的及び／もしくは時間的解像度、並びに／または視野）の１つまたは複数が、光学音響画像及び超音波画像の両方について等しく、または任意の所定のパーセンテージ、例えば最大１０％だけ異なるような設計を意味する。代替的にまたは追加的に、光学音響画像及び超音波検査画像の解像度、並びに／または検出器ユニット４の第１の表面区画１及び／もしくは第２の表面区画２の視野は、所定の用途に対して最適化される。例えば、超音波画像の視野は、撮影される物体の全体をカバーしうる一方で、光学音響画像の視野は、撮影される物体の小さな部分をカバーするのみであることができる。同様に、画像の時間的解像度は、特定の用途に適しているかによって実質的に異なりうる。例えば、高速信号の挙動が光学音響画像において予測されるのみである場合、超音波画像は、１０または１００光学音響画像ごとに取得されるのみであり、そのため、取得され処理されるデータの量を節約することとなる。同様な考えは、画像の空間的解像度にも適用可能である。例えば、超音波画像が非常に粗い解剖学的案内のために使用されるのみであり、その一方光学音響画像が高い空間的解像度で非常に正確な生物角的または分子的情報を提供することとされる場合、超音波画像の空間的解像度は、光学音響画像の対応する解像度よりも実質的に低くなるように設計可能である。代替的な例として、表面区画２は、超音波モードで高い空間的解像度を得られるように設計可能であり、その一方表面区画１は、弱い光学音響応答を検出する感度を増大させるように、その素子が大きな寸法を有するように設計される。この場合、光学音響画像は非常に粗い空間的解像度を有することとなり、これはより良い空間的解像度を有する超音波画像を得ることによって部分的に補償されることとなる。所望のパラメータを有する第１及び第２の表面区画の設計の方法は、以下に詳細に説明する。
超音波検査画像
第２の表面区画２の第２のトランスデューサ素子によって形成される超音波アレイで得られる超音波画像の軸方向及び水平方向の解像度は、以下のように決定される（図１２を参照）。
第２の表面区画２の第２のトランスデューサ素子によって形成される超音波アレイで得られる超音波画像の軸方向及び水平方向の解像度は、以下のように決定される（図１２を参照）。
軸方向解像度（ＡＲ）は、空間的パルス長（ＳＰＬ）によって、ＡＲ＝ＳＰＬ／２＝Ｎｃｙｃｌｅｓ＊λ／２で決定され、λ＝ｃ／ｆは、放出される超音波の所定の中心周波数ｆの音響波長であり（ｃは音速であり）、Ｎｃｙｃｌｅｓは、放出される超音波パルスのサイクルの有効数を表す。
水平方向解像度（ＬＲ）は、アレイによって生成された超音波ビームの集束能力によって決定され、ＬＲ＝λＦ／Ｄであり、Ｆは焦点距離であり、Ｄはアレイの大きさ（アパーチャ）である。水平方向解像度は、焦点において最適であり、物体が焦点から離れるにつれて低下する。好適には、より大きな視野で水平方向解像度を維持することができるように、動的ビーム形成法が、異なる深さで集束するために使用され、これは、例えば、個々のアレイ素子によって送信され、及び／または受信されるパルスの位相をシフトすることによって実現可能である。
第２の表面区画２の第２のトランスデューサ素子によって形成された超音波アレイで得られる超音波画像の視野は、用途および達成可能な画像の時間的解像度の条件によって適合可能である（図１２を参照）。
最大となる視野の軸方向の大きさは、２つの連続したパルスエコー信号が重複しないような超音波パルスのパルス反復率によって決定される。一方、周波数に依存する音響減衰は、達成可能な深さ、従って視野の軸方向の大きさを制限する。
水平方向の視野は、Ｂモード画像を形成するために使用される線の数に依存し、特定の用途に対して適合することもできる。
図１３は、Ｂモード画像における線を表す超音波ビームを取得する様々な手法の例を示している。一般に、超音波ビームは第２のトランスデューサ素子の線の表面に対して垂直であるが、ビーム形成手段によって、図１３（ｃ）の台形視野で例示的に示されているようにラインアレイを使用する際にビームの方向を変えることもできる。
光学音響画像
全角度範囲に渡る断層光学音響画像撮影の場合、第１の表面区画１の第１のトランスデューサ素子によって形成されるアレイで得られる光学音響画像の解像度（Ｒ）は、採用される超音波トランスデューサの帯域（Δｆ）によって決定され、Ｒ＝ｃ／Δｆで近似可能であり、ｃは撮影される媒体の中の音速である。
全角度範囲に渡る断層光学音響画像撮影の場合、第１の表面区画１の第１のトランスデューサ素子によって形成されるアレイで得られる光学音響画像の解像度（Ｒ）は、採用される超音波トランスデューサの帯域（Δｆ）によって決定され、Ｒ＝ｃ／Δｆで近似可能であり、ｃは撮影される媒体の中の音速である。
第１の表面区画１の第１のトランスデューサ素子によって形成される超音波アレイで得られる光学音響画像の視野（ＦＯＶ）は、光学音響トランスデューサアレイの個々の第１のトランスデューサ素子の大きさからの回折によって決定される。光学音響信号が広帯域信号である場合には、視野は様々な吸収体によって放出される信号に含まれる周波数によって決定される。例えば、高い周波数を放出する小さな吸収体は小さなＦＯＶで可視化され、その一方低い音響周波数を放出する大きな吸収体は大きなＦＯＶで見ることができる。第１のトランスデューサ素子の所定の中心周波数ｆｃを考慮すると、予測されるＦＯＶは、およそＦＯＶ＝２．４４ｃＲ／ｄｆｃ’であり、Ｒはアレイの半径、すなわち第１の表面区画１の半径であり、ｄは第１のトランスデューサ素子の特徴的な大きさ（または間隔）である。例えば、図１に示されるように、以下の特性、すなわち曲率半径が４ｃｍ、素子の大きさが１ｍｍ、中心周波数が５ＭＨｚである、特定の撮像平面に円筒形状に集束される第１のトランスデューサ素子を有する、円筒形状に集束されたアレイの場合、撮像平面における有効ＦＯＶは曲率中心の周囲で約２．９ｃｍの大きさとなる。
１ 第１の表面区画
２ 第２の表面区画
３ 照射ユニット
４ 検出器ユニット
５ 電磁放射
６ 吸収素子
７ 超音波
８ プローブ
９ プローブ軸
１０ 物体
１１ 超音波
１２ 超音波
１３ 超音波
２０ 制御ユニット
２１ ディスプレイユニット
２ 第２の表面区画
３ 照射ユニット
４ 検出器ユニット
５ 電磁放射
６ 吸収素子
７ 超音波
８ プローブ
９ プローブ軸
１０ 物体
１１ 超音波
１２ 超音波
１３ 超音波
２０ 制御ユニット
２１ ディスプレイユニット
Claims (13)
- 物体（１０）のハイブリッド光学音響超音波検査撮影のためのデバイスであって、
撮影される前記物体（１０）に電磁放射（５）を照射するように構成された、照射ユニット（３）と、
前記物体（１０）に前記電磁放射（５）を照射して、前記物体（１０）で生じた超音波（１１）を検出するように構成された第１のトランスデューサ素子と、
前記物体（１０）によって反射され、及び／または前記物体（１０）を透過した超音波（１３）を検出するように構成された第２のトランスデューサ素子と、
前記第１のトランスデューサ素子が配置された少なくとも１つの第１の表面区画（１）及び、前記第２のトランスデューサ素子が配置された少なくとも１つの第２の表面区画（２）を含む表面と、を含み、
前記少なくとも１つの第１の表面区画（１）及び／または前記少なくとも１つの第２の表面区画（２）が湾曲形状を有し、
前記第１のトランスデューサ素子が、第１の大きさ及び第１の間隔を有し、前記第２のトランスデューサ素子が、第２の大きさ及び第２の間隔を有し、前記第１の間隔が前記第２の間隔とは異なり、及び／または前記第１の大きさが前記第２の大きさと異なり、
前記第１の表面区画（１）及び／または前記第２の表面区画（２）が、電磁放射（５）の吸収に応じて超音波（１２’）を発生させる、デバイス。 - 少なくとも１つの吸収素子（６）が、撮影される前記物体（１０）と前記第１の表面区画（１）及び／または前記第２の表面区画（２）との間に設けられ、前記吸収素子（６）が、電磁放射（５）の吸収に応じて超音波（７）を発生させるように構成された、請求項１に記載のデバイス。
- 前記吸収素子（６）が、短いパルスの電磁放射（５）の吸収に応じて高い周波数の超音波（７）を発生させるように構成された、請求項２に記載のデバイス。
- 前記吸収素子（６）が、１００ナノ秒未満、好適には約１０ナノ秒未満の持続時間を有するレーザーパルスの吸収に応じて、５０μｍから５００μｍの間の範囲、好適には１００μｍの直径を有し、及び／または４から１０ＭＨｚの範囲、好適には約７．５ＭＨｚのピーク周波数を示す超音波（７）を放出する、少なくとも１つの電磁放射（５）吸収性微小球体を含む、請求項２または３に記載のデバイス。
- 前記吸収素子（６）が、短いレーザーパルスの吸収に応じて、広帯域の平面超音波（７）を放出するように構成された、少なくとも１つの電磁放射（５）吸収性箔を含む、請求項２から４のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第２のトランスデューサ素子が、前記物体（１０）に向かって超音波（１２）を放出し、前記物体（１０）によって反射され、及び／または前記物体（１０）を透過した超音波（１３）を検出するように構成された、請求項１に記載のデバイス。
- 前記少なくとも１つの第１の表面区画（１）が凹形状を有し、及び／または、
前記少なくとも１つの第２の表面区画（２）が凸形状を有し、及び／または、
前記少なくとも１つの第２の表面区画（２）が平面形状を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記第１の間隔が前記第２の間隔よりも大きく、及び／または前記第１の大きさが前記第２の大きさよりも大きい、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記第１のトランスデューサ素子が互いに隣接し、及び／または前記第２のトランスデューサ素子が互いに隣接する、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記表面が、前記少なくとも１つの第１の表面区画（１）及び前記少なくとも１つの第２の表面区画（２）によって形成された連続的な表面である、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記デバイスが、制御ユニット（２０）を含み、前記制御ユニット（２０）が、
前記物体（１０）に前記電磁放射（５）を照射して、前記物体（１０）の内部で発生した、検出された前記超音波（１１）に基づき、第１の解像度及び第１の視野を示す第１の画像を再構成し、
前記物体によって反射され、及び／または前記物体を透過した、検出された前記超音波（１３）に基づき、第２の解像度及び第２の視野を示す第２の画像を再構成するように構成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記第１の解像度、前記第１の視野、前記第２の解像度、及び前記第２の視野の少なくとも１つが最適化され、及び／または整合される、請求項１１に記載のデバイス。
- 物体（１０）のハイブリッド光学音響超音波検査撮影のための方法であって、
前記物体（１０）に電磁放射（５）を照射する段階と、
表面の少なくとも１つの第１の表面区画（１）に配置された第１のトランスデューサ素子によって、前記物体（１０）に前記電磁放射（５）を照射して前記物体（１０）内で発生した超音波（１１）を検出する段階と、
前記表面の少なくとも１つの第２の表面区画に配置された第２のトランスデューサ素子によって、前記物体（１０）によって反射され、及び／または前記物体（１０）を透過した超音波（１３）を検出する段階と、を含み、
前記少なくとも１つの第１の表面区画及び／または前記少なくとも１つの第２の表面区画が湾曲形状を有し、前記第１のトランスデューサ素子が、第１の大きさ及び第１の間隔を有し、前記第２のトランスデューサ素子が第２の大きさ及び第２の間隔を有し、前記第１の間隔が前記第２の間隔と異なり、及び／または前記第１の大きさが前記第２の大きさと異なり、
前記第１の表面区画（１）及び／または前記第２の表面区画（２）が、電磁放射（５）の吸収に応じて超音波（１２’）を発生させる、方法。
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