JP6373089B2 - 被検体情報取得装置 - Google Patents
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Description
ところが、特許文献1に記載されたように一定の高分解能領域を利用した測定では、測定の分解能に関するユーザのニーズに対応することが困難である場合がある。
光源と、
前記光源からの光が被検体に照射されることにより発生した音響波を検出して電気信号を出力する複数の検出素子と、
前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子の指向軸が集まるように前記複数の検出素子を支持する支持体と、
ユーザによる測定条件の入力を受け付けることのできる入力部と、
少なくとも2つ以上の前記検出素子を含む素子の組み合わせからなり、それぞれ所定の形状の高分解能領域を形成する複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する選択部と、
前記選択部により選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
前記複数の検出素子は、所定の指向角を有する少なくとも2つ以上の前記検出素子の組み合わせからなる第一のパターンと、前記所定の指向角よりも狭い指向角を有する少なくとも2つ以上の前記検出素子の組み合わせからなる第二のパターンとを含み、
前記選択部は、前記第一のパターンと前記第二のパターンとを含む前記複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
また、本発明の第2の態様に係る被検体情報取得装置は、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、
前記光源からの光が被検体に照射されることにより発生した音響波を検出して電気信号を出力する複数の検出素子と、
前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子の指向軸が集まるように前記複数の検出素子を支持する支持体と、
ユーザによる測定条件の入力を受け付けることのできる入力部と、
少なくとも2つ以上の前記検出素子を含む素子の組み合わせからなり、それぞれ所定の形状の高分解能領域を形成する複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する選択部と、
前記選択部により選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子は、前記検出素子の指向角に応じて決定される
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
また、本発明の第3の態様に係る被検体情報取得装置は、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、
前記光源からの光が被検体に照射されることにより発生した音響波を検出して電気信号を出力する複数の検出素子と、
前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子の指向軸が集まるように前記複数の検出素子を支持する支持体と、
ユーザによる測定条件の入力を受け付けることのできる入力部と、
少なくとも2つ以上の前記検出素子を含む素子の組み合わせからなり、それぞれ所定の形状の高分解能領域を形成する複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する選択部と、
前記選択部により選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子は、前記支持体における前記検出素子の位置に応じて決定される
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
本発明の好適な実施例の光音響装置の構成を示した概略図を図1に示す。図1に示す光音響装置は、被検体E(例えば、***)の特性情報を取得し、被検体E内の画像データを生成する。
本実施例における光音響装置は、光源100、光照射部としての光学系200、音響検出素子300、支持体400、素子選択部500、信号処理部600、入力部700、走査領域設定部800、スキャナ900、音響マッチング材1000を備える。
以下、被検体及び各構成について説明する。
被検体Eは測定の対象である。具体例としては、***等の生体や、装置の調整などにおいては生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。音響特性とは具体的には音響波の伝搬速度および減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数および散乱係数である。被検体の内部には、光吸収係数の大きい光吸収体が存在する必要があり、生体では、ヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが光吸収体となる。ファントムでは、光学特性を模擬した物質を光吸収体として内部に封入する。
光源100はパルス光を発生させる装置である。光源としては大出力を得るため、レーザーが望ましいが、発光ダイオードなどでもよい。光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間に光を照射させなければならない。被検体が生体の場合、光源100から発生するパルス光のパルス幅は数十ナノ秒以下にすることが望ましい。また、パルス光の波長は生体の窓と呼ばれる近赤外領域であり、700nm〜1200nm程度が望ましい。この領域の光は比較的生体深部まで到達できるので、深部の情報を取得するのに好適である。生体表面部の測定に限定すれば、500〜700nm程度の可視光から近赤外領域も使用してもよい。さらに、パルス光の波長は観測対象に対して吸収係数が高いことが望ましい。
光学系200は、光源100で発生させたパルス光を被検体Eへ導く装置である。具体的にはレンズ、ミラー、プリズム、光ファイバー、拡散板などの光学機器や、それらの組み合わせである。また光を導く際に、これらの光学機器を用いて、所望の光分布となるように形状や光密度を変更することもある。光学機器はここにあげたものだけに限定されず、このような機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。光学系は本発明の照射部に相当する。
laser productsがある。他に、JIS C 6802:レーザー製品の安全基準、FDA:21CFR Part 1040.10、ANSI Z136.1:Laser Safety Standards、などがある。最大許容露光量は、単位面積あたりに照射することができる光の強度を規定している。そこで、最大許容露光量を守りつつ、良好な被検体内部画像を得るためには、被検体Eの表面に広い面積で一括して光を照射することが好ましい。こうすることで、単位面積当たりの光強度を抑制しながら多くの光を被検体Eに導けるので、光音響波の高いSN比での受信が可能になる。このため光をレンズで集光させるより、図1の光学系200から伸びる破線で示す様に、ある程度の面積に広げる方が好ましい。
音響検出素子300は、光音響波を受信して電気信号に変換する。被検体Eからの光音響波に対して、受信感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。音響検出素子300を構成する部材としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミック材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。また、圧電素子以外の素子を用いてもよい。例えば、cMUT(Capacitive Micro−machined Ultrasonic Transducers)などの静電容量型の素子、ファブリペロー干渉計を用いた音響検出素子、などを用いることができる。
図2(a)は、音響検出素子300の感度特性の一例を示したものである。図2(b)に示すように、音響検出素子300は、典型的には円形の平面形状の受信面を有している。図2(a)は、受信面の法線方向から光音響波が入射する場合を0度として、図2(b)に示す音響検出素子300の中心線を通る断面における、入射角度に応じた感度特性を示している。図2(a)の例では、受信面の法線方向から入射する場合の感度が最も高く、入射角度が大きくなるほど感度が低くなる。
このように、音響検出素子300は、指向軸を有し、指向軸の周りに光音響波を高感度に受信する高感度受信領域が形成されている。なお、角度αの設定は、最大感度の半値幅に限らず、場合に応じて様々であってよい。
図1に示す支持体400は、略半球形状の容器であり、半球の内側の面に複数の音響検出素子300が設置され、半球の下部(極)に光学系200が設置されている。また、半球の内側には、後述する音響マッチング材1000を成す溶液が充填される。また、各音響検出素子300は、不図示のリード線によって後述する信号処理部600に接続されている。なお、支持体400の形状は半球に限られず、球冠形状、楕円体の一部分を切り取った形状、複数の平面または曲面を組み合わせた形状なども使用できる。後述するように、複数の音響検出素子の少なくとも一部の音響検出素子の指向軸が集まるように、複数の音響検出素子を支持できる形状であればよい。
り、照射部からの光や被検体内部からの光音響波に対して透過性を持つことが望ましい。
また、支持体400における各音響検出素子300と光学系200の位置情報が、不図示のメモリーなどの記録装置に保存され、画像を生成する時に利用される。
この時、支持体400を走査することで、被検体内の高分解能領域を広げることができる。
図1の素子選択部500は、音響検出素子300の中から、実際に使用する音響検出素子を選択するユニットである。素子選択部500では、ユーザからの撮影指示に基づき、実際に使用する音響検出素子を選択し、使用する音響検出素子と信号処理部とを接続する役割を果たす。使用する音響検出素子の選択方法の具体的な方法は、後述する。
本実施例において、選択部では使用する音響検出素子と信号処理部を接続するスイッチ部も含む構成としているが、回路接続を切り替えるスイッチと素子選択部500を別の装置として分割してもかまわない。素子選択部は本発明の選択部に相当する。
信号処理部600は、音響検出素子300から入力された電気信号を保存する機能を有している。また、音響検出素子300から入力された電気信号を用いて被検体E内の光学特性などの特性情報を生成し、特性情報に基づいて被検体E内の画像を生成する機能を備えている。さらに、信号処理部600は、光源100の発光制御とスキャナ900の駆動制御などの,光音響装置を動作させる処理を行う機能を備えている。信号処理部は本発明
の処理部に相当する。
また、信号処理部600内の記憶部は、典型的にはROM、RAM、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。なお、記憶部は、1つの記憶媒体から構成されるだけでなく、複数の記憶媒体から構成されていてもよい。
また、信号処理部600は、同時に複数の信号をパイプライン処理できるように構成されていることが好ましい。これにより、被検体情報を取得するまでの時間を短縮できる。
入力部700は、ユーザが測定指示を行うための入力手段である。本実施において、入力部700では、三次元の関心領域の指定や測定を実現するための細かな設定を指示することができる。ユーザは、不図示の表示部に表示された被検体Eの撮影画像を参照しながら、関心領域を指定する。このとき被検体Eの撮影画像は、不図示のキャプチャカメラの撮影した画像を表示する。また、測定を実現するための細かな設定について、本実施例では測定条件の選択が可能である。測定条件の選択内容については、後述する。本実施例では測定条件の選択によって、測定に使用する素子を確定する。同じ目的の入力として、他にも、使用する素子の選択、または高分解能領域を形状やサイズを指定する入力ができる方式であってもよい。
走査領域設定部800は、支持体400を移動させるX,Y,Z方向の走査領域を設定する装置である。走査領域設定部800は、支持体400をX,Y,Z方向に走査させることで形成される高分解能領域Gの軌跡範囲内部に、入力部700で指定された三次元関心領域が内包されるように支持体400を移動させるX,Y,Z領域を設定する。本実施例においては、関心領域が収まるZ座標位置を算出し、XY平面を渦巻状に走査する方式とする。このとき、選択部が選択した音響検出素子の組み合わせによって確定する高分解能領域の形状(サイズ)に基づいて、スキャン軌道をスケジューリングする。スキャン軌道スケジューリングの詳細は、後述する。
スキャナ900は、支持体400の位置を図1のX,Y,Z方向に走査することにより、被検体Eに対する支持体400の位置を変更する装置である。このためスキャナ900は、不図示のX,Y,Z方向のガイド機構と、X,Y,Z方向の駆動機構と、支持体400のX,Y,Z方向の位置を検出する位置センサを備えている。図1に示すように、スキャナ900の上に支持体400が積載されるため、ガイド機構は大きな荷重に耐えることが可能なリニアガイドなどを用いることが好ましい。また、駆動機構としては、リードスクリュー機構、リンク機構、ギア機構、油圧機構、などを用いることができる。駆動力はモータなどを用いることができる。また、位置センサとしては、エンコーダ、可変抵抗器、などを用いたポテンショメータなどを用いることができる。スキャナは本発明の走査部に相当する。
音響マッチング材1000は、被検体Eと音響検出素子300との間の空間を満たし、被検体Eと音響検出素子300を音響的に結合させるためのものである。材料は、被検体Eと音響検出素子300に音響インピーダンスが近く、光源100で発生するパルス光を透過する液体が望ましい。具体的には、水、ひまし油、ジェルなどを用いることができる。
まず被検体が装置に挿入される(ステップS1)。すると上述のように、撮影された被検体画像が表示部に表示される(ステップS2)。それを見たユーザにより、入力部700を介して、測定が指示される。測定指示の際は、三次元の関心領域と測定波長、および測定方法などの測定条件が設定される(ステップS3)。
入力部700で設定された測定指示は素子選択部500に伝えられ、使用する素子の決定が下記要領で行われる(ステップS4)。
本実施例において、音響検出素子300は、広指向角の音響検出素子301のグループと、狭指向角の音響検出素子302グループが存在する。これらはそれぞれ、広指向角の素子のみを組み合わせた第一のパターンと、狭指向角の素子のみを組み合わせた第二のパターンとも呼べる。ここで「広指向角」「狭指向角」とは具体的な角度を規定する意図ではなく、所定の指向角を持つ素子の組み合わせからなる第一のパターンと、所定の指向角より狭い指向角の素子を組み合わせた第二のパターンを比較する意味である。
て小さくなる。走査方法および測定条件について、クイックスキャンを、ピッチが比較的大きい所定の値である第一の測定条件と呼び、ディテールスキャンを、ピッチが所定の値よりも小さい第二の測定条件と呼ぶこともできる。
次に、走査領域設定部800において、スキャン軌道のスケジューリングを行う。
走査領域設定部800は、素子選択部500において決定された素子グループの情報を参照し、その組み合わせで形成される高分解能領域のサイズを算出する。このとき算出される高分解能領域のサイズにより、螺旋軌道の径方向のピッチ(スパイラルピッチ)および、スキャン中の光音響測定位置が決定できる。また、ユーザによって設定された三次元関心領域によって、スパイラルスキャンの巻き数が決定できる。
図4Aは、広指向角の素子群を選択した場合のスキャン軌道スケジューリングの様子である。G1は広指向角の素子群により形成される高分解能領域である。丸い実線は、ユーザにより設定された関心領域R1で、XYのスキャン平面での断面図となっている。このとき、走査領域設定部800は、関心領域R1の内部を高分解能領域G1で満たすように、スパイラルピッチおよび光音響の測定位置を決定する。この場合、スパイラルピッチは、高分解能領域G1の直径で決定される。関心領域R1内部を高分解能領域G1で満たすためには、スパイラルピッチは、高分解能領域G1の直径以下にする必要がある。本実施例ではスパイラルピッチは高分解能領域G1の直径と同じとする。
なお、発光および音響波検出は、支持体が停止と移動を繰り返す中で停止位置において実施されてもよいし、支持体が連続的に移動する中で実施されてもよい。
指向角の素子すべてからの電気信号を取得してから条件に応じて選択してもよいし、予め行われるスイッチ処理等によって、選択された指向角を持つ素子からの電気信号のみが取得されるようにしてもよい。これは選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を保存することに相当する。また、選択されたパターンに含まれない検出素子から出力された電気信号を保存しないような処理としてもよい。
以下、上述と同様の工程により、走査領域設定部800によって設定された移動領域内の全ての測定位置における電気信号が取得される。
信号処理部600は、各測定位置で取得された電気信号を用いて、被検体内部の関心領域の画像を生成する(ステップS6)。
本実施例では、高分解能領域の形状を変化させる方法について説明する。本実施例でも
、実施例1で説明したものと同様の構成を持つ光音響装置を利用できる。
ここで、広指向角グループのみで構成される高分解能領域を形成すれば、大きな高分解能領域での測定は可能であるが、全体的に感度は下がる傾向となる。一方、図5のような方式をとれば、狭指向角の素子も使用することで、高分解能領域を広げつつも感度の落ち込みを抑制できる。特に、関心領域のアスペクト比がZ軸方向に大きくなる、または、従来の球形状の高分解能領域の直径より大きくなる程に、その効果は顕著になる。
装置は、プリセット値として、高分解能領域の形状パターン(基準パターン)を有している。ユーザは入力部700により、どの形状パターンを用いるかを指定する。例えば表示部に表示された複数のパターンから所望のものを選ぶ方式が考えられる。素子選択部500は、高分解能領域の形状パターン毎に、どの素子組み合わせを選択すればよいか、参照テーブルを持っているので、ユーザの選んだ形状パターンに応じて前記テーブルを参照し、使用する素子を確定する。各パターンは、少なくとも2つ以上の特性の異なる素子を組み合わせて構成してもよい。
これによりユーザは、自らの設定する関心領域の形状に応じて、適していると考える高分解能領域での測定を指定することが可能となる。
他の実装方法として、ユーザの指定する三次元関心領域の形状に合わせて、自動的に高分解能の形状を変化させる機能も考えられる。その一例として、ユーザの指定する三次元関心領域の形状に着目し、そのアスペクト比で使用する素子組み合わせを変化させるシステムについて説明する。
いる場合は、図5に示すように、Z軸方向に長軸のある楕円形状の高分解能領域が形成されるような素子組み合わせを選択する。本実施例において、形状別の素子組み合わせの決定方法は、数種類の形状を実現するための素子組み合わせ情報をプリセット値としてメモリーに格納していて、その中から選択する方式である。
これ以降の処理については、実施例1と同様で、三次元関心領域と高分解能領域の形状に基づいて走査領域設定部800で走査がスケジューリングされ、測定が実施される。
Claims (17)
- 光源と、
前記光源からの光が被検体に照射されることにより発生した音響波を検出して電気信号を出力する複数の検出素子と、
前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子の指向軸が集まるように前記複数の検出素子を支持する支持体と、
ユーザによる測定条件の入力を受け付けることのできる入力部と、
少なくとも2つ以上の前記検出素子を含む素子の組み合わせからなり、それぞれ所定の形状の高分解能領域を形成する複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する選択部と、
前記選択部により選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
前記複数の検出素子は、所定の指向角を有する少なくとも2つ以上の前記検出素子の組み合わせからなる第一のパターンと、前記所定の指向角よりも狭い指向角を有する少なくとも2つ以上の前記検出素子の組み合わせからなる第二のパターンとを含み、
前記選択部は、前記第一のパターンと前記第二のパターンとを含む前記複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記支持体を移動させる走査部を更に有し、
前記入力部は、各光照射時の前記支持体の位置のピッチが所定の値である第一の測定条件、および、前記ピッチが前記所定の値よりも小さい値である第二の測定条件の入力を受け付けることができ、
前記選択部は、前記入力部により前記第一の測定条件が入力されたときに前記第一のパターンを選択し、前記入力部により前記第二の測定条件が入力されたときに前記第二のパターンを選択する
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。 - 光源と、
前記光源からの光が被検体に照射されることにより発生した音響波を検出して電気信号を出力する複数の検出素子と、
前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子の指向軸が集まるように前記複数の検出素子を支持する支持体と、
ユーザによる測定条件の入力を受け付けることのできる入力部と、
少なくとも2つ以上の前記検出素子を含む素子の組み合わせからなり、それぞれ所定の形状の高分解能領域を形成する複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する選択部と、
前記選択部により選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子は、前記検出素子の指向角に応じて決定される
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子の指向角は、パターンごとに異なる
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。 - 光源と、
前記光源からの光が被検体に照射されることにより発生した音響波を検出して電気信号を出力する複数の検出素子と、
前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子の指向軸が集まるように前記複数の検出素子を支持する支持体と、
ユーザによる測定条件の入力を受け付けることのできる入力部と、
少なくとも2つ以上の前記検出素子を含む素子の組み合わせからなり、それぞれ所定の形状の高分解能領域を形成する複数のパターンから、前記入力部により入力された前記測定条件に応じたパターンを選択する選択部と、
前記選択部により選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理部と、
を有し、
それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子は、前記支持体における前記検出素子の位置に応じて決定される
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記支持体を移動させる走査部を更に有し、
前記入力部は、前記走査部による前記支持体の走査方法を前記測定条件として入力を受け付けることができ、
前記選択部は、前記複数のパターンから前記入力部により入力された前記支持体の走査方法に応じたパターンを選択する
ことを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記走査部は、前記選択部により選択されたパターンにより形成される、前記高分解能領域に基づいた走査軌道で前記支持体を移動させる
ことを特徴とする請求項2または6に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理部は、前記選択部により選択されたパターンに含まれる検出素子から出力された電気信号を保存する
ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理部は、前記選択部により選択されたパターンに含まれない検出素子から出力された電気信号を保存しない
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記入力部は、前記特性情報を取得する領域である関心領域の指定を含む前記測定条件の入力を受け付けることができる
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記入力部は、前記関心領域における前記特性情報の分解能を含む前記測定条件の入力を受け付けることができる
ことを特徴とする請求項10に記載の被検体情報取得装置。 - 前記入力部は、前記関心領域から前記特性情報を取得するのに要する時間を含む前記測定条件の入力を受け付けることができる
ことを特徴とする請求項10または11のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記高分解能領域は、所定以上の分解能で前記特性情報を取得可能な領域である
ことを特徴とする請求項1ないし12のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子は、前記検出素子の指向角に応じて決定される
ことを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。 - それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子の指向角は、パターンごとに異なる
ことを特徴とする請求項1、2および5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - それぞれの前記パターンに含まれる前記検出素子は、前記支持体における前記検出素子の位置に応じて決定される
ことを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記特性情報に基づき前記被検体内の画像を表示する表示部をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし16のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
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