JP4705707B2 - 一塊の組織の内部の特性を検出する方法及びシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波及び光波の両方を用いて人体組織をイメージング（画像化）するシステムに関し、より具体的には、変調された光強度波（拡散波）を形成するために超音波を用い、非侵襲的な方式で***等の高散乱性媒体の内部をイメージングするシステムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
組織媒体の内部をイメージングするために、可視・近赤外光断層撮影法が用いられている。また、組織をイメージングするために、拡散波断層撮影法が用いられている。可視・近赤外光断層撮影法は、比較的浅い侵入、例えば***組織では数ミリメートル程度の侵入に限られており、また、拡散波断層撮影法は、比較的低い分解能、例えば***組織では１センチメートル程度の分解能を有している。以上の従来技術の欠点を克服するシステムが開発されれば、現行技術における進歩となろう。具体的には、可視・近赤外光を用いて、高度な空間分解能によって非侵襲的に***の内部の不均一性、例えば腫瘍をイメージングすることが極めて望ましい。
【０００３】
【発明の開示】
本発明では、***組織等の高散乱性媒体の局在化された領域の内部に、可視・近赤外光を用いると同時に該局在化された領域に超音波を集束させることにより、光拡散波を発生するシステムを開示する。複数の可視・近赤外光源の各々が少なくも１つのレーザで構成される。振動する組織媒体は、そこに入射した光を散乱させて、強度変調された拡散波を発生する。超音波照射(insonified)領域から発する拡散波は、超音波の周波数（又はその高調波）に等しい周波数を有する。こうして得られる拡散波を***の境界において検出し、処理して、超音波照射領域の吸収パラメータ及び散乱パラメータについてのデータを取得する。１つの好ましい実施態様によれば、１つ以上の拡散波検出器が***の境界に配列されており、それぞれの位置で、散乱された拡散波を検出する。各々の拡散波検出器は、光から電気への変換器（トランスデューサ）、即ち光検出器、例えば光増倍管又はフォトダイオードで構成される。各々の拡散波検出器からの出力信号は、次いで、拡散波の振幅及び位相を検出する検出器へ供給される。次いで、これらの振幅信号成分及び位相信号成分が、モニタで表示するためのピクセル値を算出するプロセッサへ供給される。
【０００４】
散乱された拡散波の振幅及び位相は、超音波照射領域の密度又は組成に比例する。従って、超音波によって組織内の様々な領域を走査すると共に、散乱された拡散波の振幅及び位相を記録することにより、高散乱性の***組織の内部の密度及び組織を悉くマッピング（写像）することが可能になる。可視・近赤外波長（５００ｎｍ〜１４００ｎｍ）内の選択された波長でのこれらのパラメータのスペクトル特性から、***内部の局在化された領域を、癌性若しくは良性の腫瘍、又は健全な***組織として分類することができる。
【０００５】
【好適な実施態様の説明】
本発明の好ましい実施例によれば、***等の高散乱性媒体が、可視・近赤外領域の光によって照射される。送出された光は、組織の内部に拡散するかの如くに***の内部に侵入して分布する。組織の内部での光波の強度は、次のような拡散様波動方程式に従う。
【０００６】
【数１】

【０００７】
【外１】

【０００８】
は、外部光源の変調後の強度である。本発明のこの実施例では、外部光源は変調されておらず、一定である。この状況については、式（１）の右辺は、密度及び散乱パラメータの時間依存性に追随し、次の式を与える。
【０００９】
【数２】

【００１０】
この手法を利用するときには、超音波ビームが、***内部の局在化された領域に集束させられる。超音波は、不均一な媒体の細胞又は構成成分の寸法を変化させることにより、この領域の組織の密度を変動させ、また散乱係数を変動させる。組織の密度は、次の式に従って超音波の関数として変動する。
【００１１】
【数３】

【００１２】
ここで、パラメータＦ及びＴは、超音波のビーム幅及びパルス幅を画定しており、超音波の焦点領域の外部では本質的にゼロである。
【００１３】
式（３）を式（２）に代入すると、次の式が得られる。
【００１４】
【数４】

【００１５】
式（４）は明らかに、超音波による拡散波の生起についての機構を指示している。レーザ光の強度は超音波の周波数の関数として変化し、この光の強度の変化が、超音波ビームが集束される領域から発する拡散波を構成する。これらの波の自己相互作用のため、拡散波の高調波もまた超音波照射領域から発せられる。
【００１６】
図１に、この手法を実行するシステムの基本的な構造を示す。超音波トランスデューサ・アレイ２が、***組織等の高散乱性媒体４に音響的に結合されて、局在化された領域８に集束する超音波６を送信する。超音波ビームの周波数は好ましくは数メガヘルツ程度であり、これは高散乱性媒体４における減衰を最小にするように選択される。同時に、媒体４は、複数の非干渉性光源又は複数のレーザ光源１０からの光によって照射される。これらの光源は、様々な方向から光が高散乱媒体４に入射するように配置される。
【００１７】
超音波照射領域８に侵入する光は、超音波６によって変調されて、拡散波１２の形態で照射領域から発散する。これに対して、超音波による変動を受けない領域に侵入する光波は、変調されずに拡散波を形成する。高散乱媒体４の周囲に設けられている多数の拡散波検出器１４を用いて、拡散波１２を検出する。拡散波の強度は、超音波の強度と光の強度との関数であるが、より重要なこととして、超音波照射領域８の吸収係数と散乱係数との関数となっている。様々な波長（可視・近赤外領域、即ち、５００ｎｍ〜１４００ｎｍ）の光源を用いることにより、超音波照射領域の吸収係数及び散乱係数を記録することが可能となる。超音波照射領域が腫瘍であるならば、近赤外領域での癌性組織の吸収係数及び散乱係数が良性組織のものとは異なっているので、腫瘍の吸収特性及び散乱特性を用いて、腫瘍が良性であるか癌性であるかを決定することができる。
【００１８】
この手法を実行するときには、超音波ビームが集束されている領域から発している拡散波を収集することにより、反射拡散波及び回折拡散波を抑制することができる。超音波が存在しなければ拡散波は存在しない一方、超音波が存在すれば拡散波は超音波の周波数及びその高調波に対応して形成されるので、信号対ノイズ比が高くなる。
【００１９】
図２に、本発明の好ましい実施例による腫瘍検出システムの一部を示す。レーザ１０が、第１のファイバ・カプラ１８によって第１の多数の光ファイバ１６に光学的に結合されている。第１の多数の光ファイバ１６の遠端は、***又は他の高散乱性媒体４に接触配置されていて、トランスデューサ・アレイ２によって送信された超音波ビームが集束する領域８にレーザ光を指向させるようになっている。光検出器２０が、第２の多数の光ファイバ１６′及び第２のファイバ・カプラ１８′を介して***組織に光学的に結合されている。第２の多数の光ファイバ１６′の遠端は、***に接触配置されていて、超音波照射領域４から発する散乱された拡散波が光検出器２０によって検出されるようになっている。光検出器は拡散波を電気信号へ変換し、電気信号は検出器２２へ供給される。検出器２２は、同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分を形成する従来のミクサと、Ｉ成分及びＱ成分から拡散波の振幅及び位相を決定する回路とを含んでいる。拡散波の振幅及び位相は、超音波照射領域における組織の密度と吸収係数と散乱係数とに関連している。振幅及び／又は位相の情報は、表示プロセッサ２４へ供給され、表示プロセッサ２４はこのデータを表示モニタ２６での表示に適したピクセル情報へ変換する。***の内部をカバーするように超音波焦点領域を走査することによって、***の内部の振幅画像及び／又は位相画像を合成又は構成することができる。
【００２０】
図２は単一のレーザ光及び単一の光検出器のみを示しているが、このシステムは、好ましくは、多数の光源と多数の光検出器とを含んでいることが理解されよう。多数の光検出器からの出力信号は、超音波照射領域からそれぞれの光検出器までの伝播距離の関数として適当な時間遅延を適用することにより、拡散波の振幅及び位相の検出の前又は後に加算することができる。
【００２１】
レーザ光の周波数は、異なる組織種別の間に可視・近赤外領域（５００ｎｍ〜１４００ｎｍ）におけるスペクトル差を設けるように選択される。具体的には、癌性組織の光散乱パラメータと非癌性組織の光散乱パラメータとが異なっているので、送信される光として異なる光波長を用いることにより、異なる種別である癌性組織及び非癌性組織を区別することが可能になる。最終の再構成においては、この差はカラー・パラメータとして現われ、正常組織を異常で且つ癌性の組織から区別し易くする。
【００２２】
以上に述べた処理によって得られる分解能を、画像再構成手順の利用によって強化することができる。拡散波源、即ち超音波照射領域を再構成するときには、いわゆるエバネセント波（evanescent wave ）及びウィンドウ関数を組み入れてサイド・ローブの増大を制限する近距離音場再構成手順を用いることができる。本質的に、このアプローチは次の通りである。（１）超音波照射領域から離隔した平面における拡散波の位相及び振幅を測定する。（２）ウィンドウ付き余弦変換（フーリエ変換）を行って、角度スペクトル振幅を得る。（３）エバネセント波伝播ファクタをフィルタ除去する。そして、（４）ウィンドウ付き余弦変換を行う。このアプローチにより、超音波照射領域の散乱パラメータの再構成が行われる。超音波ビームで様々な部分にわたって走査を行い、以上の手順を繰り返して、***の内部の全体の画像を得る。代替的には、有限差分要素法（finite differential element technique ）を用いて波源再構成を行うこともできる。
【００２３】
このように、***内部の腫瘍又は高散乱媒体の内部の不均一な領域についての光に基づき且つ超音波に基づいた非電離型で且つ非侵襲的なイメージング・システム及び方法を記載した。このシステムは、散乱光及びパルス式超音波を利用している。用いられている手法は、組織の内部での干渉性の（コヒーレントな）光の位相に基づいているわけではない。このシステムは、散乱（拡散）光によって照射されると共にパルス式超音波によって超音波照射された組織の内深部の腫瘍をイメージングすることができる。超音波の周波数を適正に選択することにより、***組織では約１０ｃｍの侵入を達成することができる。また、この手法は、拡散光又は散乱光を用いており、パルス式超音波を***内部の異なる局在化された領域に集束させることによりこれら局在化された領域において光拡散波を発生させているので、干渉性光源が必須ではない。これらの干渉性の光拡散波の位相及び振幅は、***又は散乱性媒体の表面に設けられた検出器を用いて測定される。
【００２４】
本発明のいくつかの好ましい特徴のみを例示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨に含まれるすべての改変及び変形を網羅しているものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本明細書に記載されている光音響式拡散波に基づく腫瘍検出システムの略図である。
【図２】本発明の１つの好ましい実施例による光音響式拡散波に基づく腫瘍検出システムの一部の略図である。

Claims (7)

1. 一塊の組織の内部の特性を光音響拡散波を用いてイメージングするシステムであって、
   １つの検出サイクル中に、前記組織内の局在化された領域に対して、所定の超音波周波数を有する超音波ビームを集束させるように構成され制御される超音波トランスデューサ・アレイ（２）と、
   前記１つの検出サイクル中に、第１の光周波数と変調されていない強度とを有する第１の非干渉性光ビームを前記組織内に指向させるように構成された第１の光源（１０，１０，…）と、
   前記１つの検出サイクル中に、前記第１の周波数と異なる第２の光周波数と変調されていない強度を有する第２の非干渉性光ビームを前記組織内に指向させるように構成された第２の光源（１０，１０，…）と、
   前記１つの検出サイクル中に、前記組織から発せられる前記超音波周波数またはその高調波に等しい周波数を有する第１と第２の拡散波であって、前記第１の光周波数に対応する第１の拡散波と、前記第２の光周波数に対応する第２の拡散波とを夫々検出するように構成された少なくとも１つの拡散波検出器（１４，１４，…）と、
   前記拡散波検出器に動作上結合され、前記検出された第１と第２の拡散波の変調振幅を決定する振幅検出器（２２）と、
   前記拡散波検出器に動作上結合され、前記検出された第１と第２の拡散波の変調位相を決定する位相検出器（２２）と、
   を備えたことを特徴とする光音響拡散波イメージングシステム。
2. 前記検出される拡散波の前記振幅に基づいて生成した画像を表示する表示モニタを更に含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
3. 前記検出される拡散波の前記位相に基づいて生成した画像を表示する表示モニタを更に含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
4. 前記拡散波検出器は、光検出器で構成されている請求項１に記載のイメージングシステム。
5. 前記光源は、レーザで構成されている請求項１に記載のイメージングシステム。
6. 前記第１の周波数と前記第２の光周波数の各々が５００ｎｍ〜１４００ｎｍの波長を有している請求項１に記載のイメージングシステム。
7. 一塊の組織の内部の特性を光音響拡散波を用いてイメージングする方法であって、
   １つの検出サイクル中に、前記組織内の局在化された領域に、所定の超音波周波数を有する第１の超音波ビームを集束させる工程と、
   前記１つの検出サイクル中に、変調されていない強度と第１の光周波数を有する第１の非干渉性光ビームを前記組織内に指向させる工程と、
   前記１つの検出サイクル中に、変調されていない強度と前記第１の光周波数と異なる第２の光周波数を有する第２の非干渉性光ビームを前記組織内に指向させる工程と、
   前記１つの検出サイクル中に、前記組織から発する前記超音波周波数またはその高調波に等しい周波数を有し、前記第１と第２の光周波数に夫々対応する第１と第２の拡散波を夫々検出する工程と、
   前記検出された第１と第２の拡散波の夫々の変調振幅と変調位相を決定する工程とを具備することを特徴とする光音響拡散波イメージング方法。

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