JP5279435B2 - 被検体情報取得装置、被検体情報取得装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検体情報取得装置に関する。

一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴法）を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。一方、レーザーなどの光源から生体に照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング装置の研究も医療分野で積極的に進められている。このような光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）がある。

光音響トモグラフィーとは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波の時間による変化を、被検体を取り囲む複数の個所で検出する。そして、得られた信号を数学的に解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光照射によって生じた初期圧力発生分布あるいは光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布などを得ることができ、悪性腫瘍場所の特定などに利用できる。

この光音響トモグラフィーの例として、特許文献１では、光の照射領域及び音響波検出器を移動して画像を再構成する方法が開示されている。
ＵＳＰ５８４００２３

一般に、光音響トモグラフィーでは、被検体に対して、被検体全体を取り囲む閉じられた空間表面、特に球状測定表面の様々な点において、音響波の時間変化を理想的な音響波検出器（広帯域・点検出）を用いて測定できれば、理論的には光照射により生じた初期音圧分布を完全に可視化できる。しかしながら、現実の被検体では、被検体全体を囲む閉じた空間表面全体で、音響波検出情報を得ることは不可能である。そのため、図１のような平板型測定系などが用いられる場合がある。図１において、１は音響波検出器、２は光吸収体あるいは音響波発生源、３は被検体、４は画像再構成領域、５は音響波である。このような平板型測定系においても、初期圧力分布を可視化する領域４に対して十分に大きな領域（理想的には無限表面）で、音響波を測定できれば、音響波の発生源分布をほぼ再現できることが数学的に知られている。しかしながら、音響波の測定領域を大きくするために、音響波検出器１のサイズ及び、その中に含まれる検出器の素子数を大きくすると、それを制御する電子制御システムが大規模になり、結果として非常に高価なシステムとなる。そのため、特許文献１のように、音響波検出器を移動して、見かけ上、大きな領域で音響波を検知する方法などが提案されている。しかしながら、このような方法は、光を照射できる領域の制限、移動機械の精度により、得られる画像に位置ズレが生じるという課題があった。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、位置ズレを補正することにより、音響波検出器を移動しても、最終的に得られる生体情報画像が、より実際の生体情報に近い画像を再現できる生体情報取得装置の提供を目的とする。

本発明の被検体情報取得装置は、被検体から発生した音響波を検出し電気信号に変換する素子を複数配列した音響波検出器と、前記音響波検出器を移動させる移動制御手段と、前記電気信号に基づき被検体情報を再構成する信号処理装置と、を有する被検体情報取得装置であって、前記音響波検出器は、第１の位置で音響波を検出し、前記移動制御手段により前記第１の位置の一部の領域と重複する領域を有する第２の位置に移動した後に、前記第２の位置で前記音響波を検出し、前記信号処理装置は、前記第１及び第２の位置で得た電気信号を利用して前記重複する領域における被検体情報を再構成し、前記音響波検出器の、前記第１の位置から前記第２の位置への移動幅は、移動方向における前記１素子の幅の整数倍であることを特徴とする。

移動前後での音響波検出器の検出領域に重複する領域を持たせることで、位置ズレを補正し、より実際の生体情報に近い画像を再構成する生体情報取得装置を提供できる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の生体情報取得の実施形態について示したものである。ここでは、図２に基づいて、本発明を実施するための最良の形態について説明する。本実施の形態で説明する生体情報取得装置は悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的として、生体情報の画像化を可能とするものである。本発明において生体情報とは、音響波の発生源分布であり、生体内の初期圧力分布、あるいはそれから導かれる光学特性値分布及び、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布を示す。例えば、物質の濃度分布とは酸素飽和度などである。

本実施形態における生体情報取得装置は、光１２を被検体１３に照射する光源１１と、光源１１から照射された光１２を被検体１３に導くレンズなどの光学装置１４と、血管などの光吸収体１５が光のエネルギーの一部を吸収して発生した音響波１６を検出し電気信号に変換する音響波検出器１７と、前記電気信号を増幅やデジタル変換などを行う電子制御システム１８、生体情報に関する画像を構築する信号処理装置１９及び、その画像を表示する表示装置２０、音響波検出器１７を移動制御するシステム２１から構成される。

なお、光１２をパルス化して被検体に照射することにより、生体内部にある光吸収体１５からは音響波１６が発生する。これは、パルス光の吸収により、吸収体の温度が上昇し、その温度上昇により体積膨張が起こり、音響波が発生するためである。また、このときの光パルスの時間幅は光吸収体１５に吸収エネルギーを効率に閉じ込めるために、熱・ストレス閉じ込め条件が当てはまる程度に知ることが好ましい。典型的には数から数十ナノ秒程度である。発生した音響波１６は音響波検出器１７により検出され、検出された電気信号は制御システムにより処理される。また、音響波検出器１７は移動制御システム２１で機械的に移動しながら音響波１６を様々な場所で測定できるように構成されている。さらに、ＰＣなどの信号処理装置１９により、その電気信号は生体情報画像へと変換され、ディスプレイなどの画像表示装置２０に表示される。

次に、本発明の生体情報取得における音響波検出器の移動制御方法に関する説明を行う。図３は、図２の音響波検出器１７の一例であり、被検体１３と接する面側から見た模式図である。音響波検出器３１は、音響波を検出し、電気信号に変換する素子（エレメント）３２が複数配列して構成されている。ここではＭ×Ｎ個の素子が２次元的に配列して音響波検出器を構成している例を示している。なお、音響波検出器３１は、図２の移動制御システム２１により静止→測定→移動の繰り返しを行い、ステップアンドリピート式に位置決めをして移動する。具体的な移動方法としては、図４（ａ）のように、音響波検出器を１つの方向（Ｘ方向）に移動して、１つのストライプ領域の検出を完了させ、次に、前記Ｘ方向と直交した方向（Ｙ方向）に移動して再び隣接ストライプ領域の検出を行う方法が考えられる。また、（ｂ）に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向、順番に検出していき、外側から中側もしくは中側から外側に渦巻き状に移動する方法でもよい。つまり、素子が２次元で配列している場合、音響波検出器は、素子の配列方向（Ｘ方向又はＹ方向）に移動する。

本発明における生体情報取得装置では、図５で示したように、移動前後での音響波検出器の検出領域が重複する領域をもつことが特徴である。なお、図５において、３３は移動前（第１の位置）の音響波検出器の検出領域、３４は移動後（第２の位置）の音響波検出器の検出領域、３５は移動前後での音響波検出器の検出領域の重複する領域である。このような重複する領域を持つことで、位置ズレの補正を行うことができる。例えば、第１の位置で測定したデータを用いて重複領域直上の画像を構成する。同様に、第２の位置で測定したデータを用いて重複領域直上の画像を構成する。原理的にはこの画像は同じにならなければいけないが、被検体の振動あるいは移動機構の機械的精度などにより、測定位置がずれた場合、画像ズレが生じる。その結果、その２つの画像の差を取ると、移動ズレがある場合、そのズレ量に対応した画像が生成される。その画像を解析すると測定位置のズレを計算できる。そして、そのズレ量を考慮して第２の位置でのデータで画像再構成を行えば、画像ズレを低減することができる。

図６（ａ）は、音響波検出器上に分布した初期音圧分布の一例を表したものであり、３６が音響波発生源を示している。この図６（ａ）は３次元的に分布した音響波発生源を音響波検出器方向に投影したものを示している。このような初期圧力分布を検出領域に重複する領域を持たせない、従来の方法で画像を再構成した場合に得られる画像の概念図をあらわしたものが図６（ｂ）である。図６（ｂ）に示したように、被検体の振動あるいは移動機構の機械的精度などにより、画像再構成領域の境界に画像ズレが生じる場合がある。

一方、移動前後で検出領域に重複する領域を持たせた場合に得られる画像の概念図を表したものが図６（ｃ）である。図６（ｃ）のように、移動前後で検出領域に重複する領域を持たせた場合には、重複する領域３５で、移動前後での音響波検出信号を利用できるために、前述した方法で画像再構成を行うことで画像の位置ズレを補正でき、より実際の初期圧力分布に近い画像が得られる。なお、位置ズレの補正方法としては、前述した方法とは別に、第１及び第２の位置で得た別々の電気信号から夫々画像を再構成し、その夫々の画像を平均化する方法や、第１及び第２の位置で得た別々の電気信号を平均化してから画像を再構成する方法が考えられる。画像の平均化方法は重複測定領域上の各ボクセル値を足し合わせ、２で割ればよい。電気信号の平均化も同様に、重複測定領域にある素子で得られた信号を単純に平均化すればよい。このような信号あるいは画像を平均化する方法では、位置ズレの量も平均化されるので、そのデータを用いた再構成により得られる画像においても画像ズレが低減される。

このように、音響波検出器で音響波を検出する領域を重ねることで、位置ズレを補正し、より実際の生体情報に近い画像を再構成することができる。

次に、本実施形態を具体的に説明する。

図２において、光源１１は生体を構成する成分のうち特性の成分に吸収される特定の波長の光を照射することを目的とする。ただし、光源は本発明の生体情報取得装置と一体として設けられていても良いし、光源を分離して別体として設けられていても良い。光源としては数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源を少なくとも一つは備える。なお、検出する音響波の音圧が小さくてよい場合は、上記で記述したオーダーのパルス光ではなく、サイン波など時間的に強度が変化する光であればよい。光源としては大きな出力が得られるレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。

なお、本実施形態においては、光源１１が一つである例を示しているが、複数の光源を用いても良い。その場合は、生体に照射する光の照射強度を上げるため、同じ波長を発振する光源を複数用いても良いし、光学特性値分布の波長による違いを測定するために、発振波長の異なる光源を複数個用いても良い。なお、光源１１として、発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）やチタンサファイヤ及びアレキサンドライトの結晶を用いることができれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。使用する光源の波長に関しては、生体内において吸収が少ない７００ｎｍから１１００ｎｍの領域が好ましい。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域を使用することも可能である。

図２の１２は光源から照射された光であり、光導波路などを用いて、伝搬させることも可能である。図で示してはいないが光導波路としては、光ファイバが好ましい。光ファイバを用いる場合は、それぞれの光源に対して複数の光ファイバを使用して、生体表面に光を導くことも可能であるし、複数の光源からの光を一本の光ファイバに導き、一本の光ファイバのみを用いて、すべての光を生体に導いても良い。図２の１４は光学部品であり、主に光を反射されるミラーや光を集光したり拡大したり、形状を変化させるレンズなどを意味している。このような光学部品は、所望の形状で光源から発せられた光１２が被検体１３に照射されれば、どのようなものを用いてもかまわない。なお、一般的に光はレンズで集光させるより、ある程度の面積に広げる方が好ましい。また、光を被検体に照射する領域は移動可能であることが好ましい。言い換えると、本発明の生体情報取得装置は、光源から発生した光が被検体上を移動可能となるように構成されていることが好ましい。移動可能であることにより、より広範囲に光を照射することができる。また、光を被検体に照射する領域（被検体に照射される光）は、音響波検出器と同期して移動するとさらに好ましい。光を被検体に照射する領域を移動させる方法としては、上記可動式ミラー等を用いて移動させてもよいが、光源自体を機械的に移動させてもよい。

被検体１３としては、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的としているため、人体や動物の乳房や指・手足など診断の対象ならばそのようなものを被検体として用いることができる。被検体１３の光吸収体としては、被検体内で吸収係数が高いものを示し、例えば、人体が測定対象であればヘモグロビンやそれを含む多く含む血管あるいは新生血管を多く含む悪性腫瘍である。

図２の音響波検出器１７は被検体内を伝播した光のエネルギーの一部を吸収した物体から発生した音響波を検知し、電気信号に変換するものである。圧電現象を用いたトランスデューサー、光の共振を用いたトランスデューサー、容量の変化を用いたトランスデューサーなど音響波を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。

なお、本発明の生体情報取得装置における音響波検出器は、図３で示されたような２次元的に素子が配置したものがよい。このような２次元配列素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を検出することができ、検出時間を短縮できると共に、被検体の振動などの影響を低減できる。また、音響波検出器１７と被検体との間には、図示してはしないが音響波の反射を抑えるためのジェルや水などの音響インピーダンスマッチング剤を使うことが望ましい。

図２の音響波検出器の移動制御システム２１は、通常のモーターなどを用いた駆動ステージとステージコントローラーが使われるが、音響波検出器１７を２次元的（Ｘ方向もしくはＹ方向）に操作できればどのようなものを用いてもかまわない。上述したように、音響波検出器１７の移動後の音響波検出領域が移動前の音響波検出領域と重複する領域をもたせる制御機構を含むことが必要であり、そのような制御ができればどのようなコントローラーを用いることも可能である。なお、重複する領域としてはＸ方向、Ｙ方向の少なくとも一方に有するように音響波検出器を移動するが、Ｘ方向Ｙ方向のどちらにも重複する領域を有するように移動することが好ましい。

また、音響波検出器１７の一回の移動幅は、移動方向における１素子の幅の整数倍であることが好ましい。つまり、図３のように、素子がＭ×Ｎ個の２次元アレイとし、１素子の面積をＳとすると、音響波検出器がＸ方向に移動する場合の重複する領域は、Ｓ×Ｎ×ｉ（ｉは１以上Ｍ−１以下の整数）で表される。同様に、Ｙ方向に移動する場合は、Ｓ×Ｍ×ｊ（ｊは１以上Ｎ−１以下の整数）で表される。このように移動することで、位置ズレの補正がより正確となる。

本発明の音響波検出器は、静止→移動を繰り返すステップアンドリピート式に位置決めをして移動し、停止状態で音響波を検出する。この１つの位置での停止状態で音響波の受信は複数回行うことが好ましい。複数の信号の平均値を利用することにより、ノイズの少ない画像を再構成することができる。

図２の電子制御システム１８は音響波検出器１７より得られた電気信号を増幅し、それをアナログからデジタルに変換する。図２の信号処理装置１９は電子制御システムから得られたデータを記憶し、それを演算手段により、光学特性値分布の画像データに変換できるものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、様々なデータを解析できるコンピューターなどが使用できる。なお、データ解析手法（画像再構成手法）としては通常の光音響トモグラフィーで使われているフィルタ補正逆投影法、フーリエ変換法、球状ラドン変換法、合成開口法などを用いることができる。次に、図２の画像表示装置は信号処理装置で作られた画像データを表示できれば、どのようなものでも用いることができる。たとえば、液晶ディスプレイなどを利用できる。

なお、複数の波長の光を用いた場合は、それぞれの波長に関して、上記のシステムにより被検体内の吸収係数分布を算出する。そして、それらの値と生体組織を構成する物質（グルコース、コラーゲン、酸化・還元ヘモグロビンなど）固有の波長依存性とを比較することによって、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。

このような実施形態に示された生体情報取得装置を用いることで、より実際の生体情報に近い画像を再構成できる。

従来の生体情報取得装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明を適用できる生体情報取得装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明を適用できる生体情報取得装置の音響波検出器の構成の一例を示す模式図である。 本発明を適用できる生体情報取得装置の音響波検出器の移動方法の一例である。 本発明を適用できる生体情報取得装置の音響波検出器の移動前後の重複する領域を示す模式図である。 （ａ）は音響波発生源の一例であり、（ｂ）は従来の生体情報取得装置で得られる画像の一例であり、（ｃ）は本発明の生体情報取得装置で得られる画像の一例である。

符号の説明

１１ 光源
１２ 光
３、１３、４３ 被検体
１４ 光学部品
２、１５、３６ 光吸収体あるいは初期圧力分布
５、１６ 音響波
１、１７、３１ 音響波検出器
１８ 電子制御システム
１９ 信号処理装置
２０ 画像表示装置
２１ 移動制御システム
４ 画像化領域
３２ 素子
３３ 音響波検出器移動前の検出領域
３４ 音響波検出器移動後の検出領域
３５ 移動前後での音響波検出器検出領域の重複する領域
３７ 画像化された初期圧力分布

Claims (8)

1. 被検体から発生した音響波を検出し電気信号に変換する素子を複数配列した音響波検出器と、前記音響波検出器を移動させる移動制御手段と、前記電気信号に基づき被検体情報を再構成する信号処理装置と、を有する被検体情報取得装置であって、
   前記音響波検出器は、第１の位置で前記音響波を検出し、前記移動制御手段により前記第１の位置の一部の領域と重複する領域を有する第２の位置に移動した後に、前記第２の位置で前記音響波を検出し、
   前記信号処理装置は、前記第１及び第２の位置で得た電気信号を利用して前記重複する領域における被検体情報を再構成し、
   前記音響波検出器の、前記第１の位置から前記第２の位置への移動幅は、移動方向における前記１素子の幅の整数倍であることを特徴とする被検体情報取得装置。
2. 前記音響波は、光源から発生した光を被検体に照射することにより発生することを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
3. 前記光源から発生した光が被検体上を移動可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の被検体情報取得装置。
4. 前記光源から発生した光が被検体に照射される領域に同期して前記音響波検出器が移動することを特徴とする請求項３に記載の被検体情報取得装置。
5. 前記音響波検出器は、前記素子を２次元的に配列してなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の被検体情報取得装置。
6. 前記信号処理装置は、前記第１及び第２の位置で得た別々の電気信号から夫々被検体情報を再構成し、前記夫々の被検体情報を平均化することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の被検体情報取得装置。
7. 前記信号処理装置は、前記第１及び第２の位置で得た別々の電気信号を平均化して被検体情報を再構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の被検体情報取得装置。
8. 被検体から発生した音響波を検出し電気信号に変換する素子を複数配列した音響波検出器と、前記音響波検出器を移動させる移動制御手段と、前記電気信号に基づき被検体情報を再構成する信号処理装置と、を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
   第１の位置で前記音響波を検出する工程と、
   前記第１の位置で前記音響波を検出する工程の後に、前記第１の位置の一部の領域と重複する領域を有する第２の位置へ前記音響波検出器を移動させる工程と、
   前記第２の位置で前記音響波を検出する工程と、
   前記第１及び第２の位置で得た電気信号を利用して前記重複する領域における被検体情報を再構成する工程とを有し、
   前記音響波検出器の、前記第１の位置から前記第２の位置への移動幅は、移動方向における前記１素子の幅の整数倍であることを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。

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