JP6452410B2

JP6452410B2 - 光音響装置

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Description

本発明は、光音響効果を利用した光音響装置に関するものである。

光を用いたイメージング技術の一つとして、光音響イメージング技術がある。光音響イメージングでは、まず、光源から発生したパルス光が被検体に照射される。照射光は被検体内で伝播・拡散し、被検体内の複数の箇所で吸収されることにより、光音響波が発生する。トランスデューサはこの光音響波を電気信号に変換し、処理装置がその電気信号を解析処理することで、被検体内部の光学特性値に関する情報を取得する。

被検体内の光吸収体から発生する光音響波の発生音圧（以下、初期音圧とも呼ぶ）Ｐ_０は次式で表すことができる。
Ｐ_０＝Γ・μ_ａ・Φ・・・・・・・・・・（１）
ここで、Γはグリューナイセン（Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ）係数であり、体積膨張係数βと音速ｃの二乗との積を定圧比熱Ｃ_ｐで除したものである。Φはある位置（局所的な領域）での光量（吸収体に到達した光量であり、光フルエンスとも言う）である。

初期音圧Ｐ_０は、光音響波を受信した探触子から出力される受信信号（ＰＡ信号）を用いて求めることができる。

グリューナイセン係数は組織が決まれば、ほぼ一定の値をとることが知られているので、ＰＡ信号の時間的変化を複数の個所で測定及び解析することにより光吸収係数μ_ａと光量Φの積、すなわち、光エネルギー吸収密度を得ることができる。

特許文献１は、光に起因して発生した光音響波に基づいて、血管の光音響画像を生成する光音響画像生成装置を開示する。

特開２０１３−２４８０７７号公報特開２０１４−１２８４５５号公報特開２０１４−１００２４４号公報

ＢｉｎＬｕｏａｎｄＳａｉｌｉｎｇＨｅ，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１５，Ｉｓｓｕｅ１０，ｐｐ．５９０５−５９１８（２００７）

ところで、測定対象となる光吸収体としてヘモグロビンを想定する場合、血管内の血液量が少ない領域についてはヘモグロビンの量が少ないため、その領域における光吸収係数は比較的低い。そのため、式（１）にしたがって発生する光音響波の音圧は小さくなる。すなわち、血液量が少ない領域で発生した光音響波の受信信号のＳ／Ｎは比較的小さくなる。そのため、光音響装置によって関心領域の被検体情報を取得するときに、血液量が少ない領域においては取得される被検体情報の精度が低下してしまう可能性がある。

そこで、本発明は、血管内の血液量による、取得される被検体情報の精度への影響を抑制することのできる光音響装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光音響装置は、光照射タイミングを設定する制御部と、光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、光照射部からのパルス光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、関心領域の部位の種類の入力を受け付ける入力部と、関心領域の部位の種類と、心電図信号のＲ波の発生タイミングからＲ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間と、の関係テーブルが保存された記憶部と、を有し、制御部は、入力部により入力された関心領域の部位の種類に対応する第二の時間を、関係テーブルから読み出し、心電図信号のＲ波の発生タイミングと、関係テーブルから読み出された第二の時間と、に基づいて、心電図信号のＲ波の発生タイミングから第二の時間の経過後、心電図信号のＲ波の発生タイミングから心電図信号のＴ波の発生タイミングまでの長さの第一の時間が経過するまでの間に、被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように光照射タイミングを設定する。
また、本発明に係る光音響装置は、光照射タイミングを設定する制御部と、光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、光照射部からのパルス光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、を有し、光照射部は、パルス光の減衰量を制御することができる光学系と、を含み、制御部は、減衰量を制御することにより、心電図信号のＲ波の発生タイミングからＲ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間の経過後、心電図信号のＲ波の発生タイミングから心電図信号のＴ波の発生タイミングまでの長さの第一の時間が経過するまでの間に、被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように光照射タイミングを設定する。
また、本発明に係る光音響装置は、光照射タイミングを設定する制御部と、光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、光照射部からのパルス光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、を有し、制御部は、心電図信号のＲ波の発生タイミングからＲ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間の経過後、心電図信号のＲ波の発生タイミングから心電図信号のＴ波の発生タイミングまでの長さの第一の時間が経過するまでの間に、被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように光照射タイミングを設定し、光照射部は、互いに異なる複数の波長のそれぞれのパルス光を発することができる光源を有し、光源は、心電図信号のＲ波の発生タイミングから第二の時間の経過後、第一の時間が経過するまでの間以外の期間に、複数の波長を切り替える。
また、本発明に係る光音響装置は、光照射タイミングを設定する制御部と、光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、光照射部からのパルス光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、を有し、制御部は、心電図信号のＲ波の発生タイミングからＲ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間の経過後、０．３秒間以上、０．４５秒間以下の長さの時間が経過するまでの間に、被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように光照射タイミングを設定する。

本発明に係る光音響装置によれば、血管内の血液量による、取得される被検体情報の精度への影響を抑制することができる。

本実施形態に係る光音響装置の構成図本実施形態に係る被検体情報取得方法のフローチャートを示す図本実施形態に係る各種シーケンスを示す図本実施形態に係る各種シーケンスを示す別の図

以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の符号を付して、説明を省略する。

［実施形態１］
本実施形態に係る光音響装置は、光音響波の受信信号に基づいて被検体情報を取得する装置である。本実施形態に係る被検体情報とは、光音響効果により発生した光音響波の受信信号から得られる被検体に関する情報のことを指す。具体的に被検体情報は、発生音圧（初期音圧）、光エネルギー吸収密度、光吸収係数、および組織を構成する物質の濃度等である。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度等である。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。また、光吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布データを被検体情報としてもよい。

（基本的構成）
図１を参照しながら本実施形態に係る光音響装置の基本的構成を説明する。

図１は本実施形態の光音響装置の構成を示す模式図である。本実施形態の光音響装置は、光照射部１１０、音響波受信部１３０、心電図取得部１５０、入力部１７０、表示部１８０、および処理部１９０を備える。光照射部１１０は、光源１１１と光学系１１３を備えている。なお、これらの構成の詳細については後述する。

まず、光源１１１からのパルス光１１２は、光学系１１３によりに導かれる。光学系１１３から出射されたパルス光１１２は被検体１２０に照射され、被検体１２０内の光吸収体１２１に到達する。光吸収体１２１としては、典型的には生体内における血管、特に血管内に存在するヘモグロビン等の物質、腫瘍などである。光吸収体１２１は、光のエネルギーを吸収して、光音響波１２２を発生する。発生した光音響波１２２は、被検体内を伝搬し音響波受信部１３０に到達する。

音響波受信部１３０は、光音響波１２２を受信することにより時系列の受信信号を出力する。処理部１９０には、音響波受信部１３０から出力された受信信号が順次入力される。

処理部１９０は、入力された時系列の受信信号を用いて、関心領域における被検体情報を生成する。そして、処理部１９０は、生成された被検体情報のデータを表示部１８０に送信し、表示部１８０に関心領域における被検体情報の画像や数値を表示させる。なお、関心領域は予め設定されてもよいし、ユーザーが入力部１７０を用いて関心領域を入力してもよい。関心領域は被検体１２０の少なくとも一部を含むように設定される。なお、被検体情報の取得方法の詳細については後述する。

ところで、光吸収体としてヘモグロビンを想定する場合、血管内の血液量が少ない領域についてはヘモグロビンの量が少ないため、その領域における光吸収係数は比較的低い。そのため、式（１）にしたがって発生する光音響波の音圧は小さくなる。すなわち、血液量が少ない領域で発生した光音響波の受信信号のＳ／Ｎは比較的小さい。また、血液量が極めて少ない場合、光音響波の受信信号がノイズに埋もれてしまう可能性もある。そのため、光音響装置によって関心領域の被検体情報を取得するときに、血液量が少ない領域においては取得される被検体情報の精度が低下してしまう可能性がある。

上記課題を鑑みて、本実施形態に係る光音響装置は、被検体１２０の心電図信号を取得する心電図取得部１５０を有する。心電図取得部１５０により得られる心電図信号の波形から、被検体１２０の心臓の態様を推定し、被検体１２０の血流状態を推定することができる。そこで、処理部１９０は、心電図取得部１５０によって取得された被検体１２０の心電図信号に基づいて、関心領域における血液量が少ないときに被検体１２０にパルス光１１２を照射しないように、光照射部１１０の光照射タイミングを設定する。また、処理部１９０は、関心領域における血液量が多いときに被検体１２０に光を照射するように、光照射部１１０の光照射タイミングを設定する。

このような光照射タイミングの設定により、血液量の多いとき、すなわち、光吸収体としてのヘモグロビンの量が多い状態であるときに選択的に光を照射することができるため、Ｓ／Ｎの高い光音響波の受信信号を多く取得することができる。そして、本実施形態によれば、血液量の少ない状態で発生した、Ｓ／Ｎの低い光音響波の受信信号が含まれる可能性が低いため、関心領域における被検体情報を精度よく取得することができる。なお、光の照射タイミングの詳細については後述する。

以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成ブロックについて説明する。

（光源１１１）
光源１１１は、ナノ秒からマイクロ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源が好ましい。具体的なパルス幅としては、１〜１００ナノ秒程度のパルス幅であることが好ましい。また、波長としては４００ｎｍから１６００ｎｍ程度の範囲の波長であることが好ましい。特に、生体表面近傍の血管を高解像度でイメージングする際は可視光領域の波長（４００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下）の光であることが好ましい。一方、生体の深部をイメージングする際には、生体の背景組織において吸収が少ない波長（７００ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下）の光を用いることが好ましい。ただし、テラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。

具体的な光源１１１としては、レーザーが好ましい。また、複数波長の光を用いて測定する際には、発振する波長の変換が可能なレーザーがより好ましい。なお、複数波長を被検体１２０に照射する場合、互いに異なる波長の光を発振する複数台のレーザーを、それぞれ発振切り替えを行いながら、もしくは交互に照射しながら用いることも可能である。複数台のレーザーを用いた場合もそれらをまとめて光源として表現する。

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。特に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーやアレキサンドライトレーザーなどのパルスレーザーが好ましい。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光を励起光とするＴｉ：ｓａレーザーやＯＰＯ（ＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）レーザーを用いてもよい。また、レーザーの代わりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。

（光学系１１３）
光学系１１３は、光源１１１から被検体１２０までパルス光１１２を伝達させる。光学系１１３には、レンズ、ミラー、光ファイバ等の光学素子を用いることができる。また、本実施形態に係る光学系１１３は、パルス光１１２の進行方向を変更するための光学ミラー１１４、調光部１１５、拡散板１１６を備えている。

***等を被検体とする生体情報取得装置においては、光学系１１３の光出射部は拡散板１１６等によりパルス光のビーム径を広げて照射することが好ましい。一方、光音響顕微鏡においては、解像度を上げるために、光学系１１３の光出射部はレンズ等で構成し、ビーム径をフォーカスして照射することが好ましい。

また、光学系１１３は、光源１１１から発せられたパルス光１１２の減衰量を調整することのできる調光部１１５を含むことができる。調光部１１５としては、メカニカルシャッターや液晶シャッターなど、パルス光１１２の減衰量を調整することのできるあらゆる手段を用いることができる。なお、本明細書において、「パルス光を照射しない」とは、照射されるパルス光の強度をゼロとする場合だけでなく、そのパルス光によって発生する光音響波が検出困難となる程度まで強度が減衰されたパルス光を照射する場合も含む。本発明において、パルス光１１２の減衰量を調整する光学系は、心電図信号から推定される血液量に応じて、パルス光１１２の減衰量に重みづけしているともいえる。

また、光学系１１３を被検体１２０に対して移動してもよく、これにより被検体１２０の広い範囲のイメージングが可能になる。

なお、光学系１１３を用いずに、光源１１１から直接被検体１２０に光を照射することも可能である。

（被検体１２０）
被検体１２０は本発明の光音響装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、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主な目的とする。よって、被検体１２０としては生体、具体的には人体や動物の***や頸部、腹部などの診断の対象部位が想定される。

また、被検体１２０の内部にある光吸収体１２１としては、被検体１２０の内部で相対的に光吸収係数が高いものが好ましい。例えば、人体が測定対象であればオキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管が光吸収体１２１の対象となる。

（音響波受信部１３０）
音響波受信部１３０は、１つ以上の変換素子と筺体とを備える。変換素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電現象を用いた圧電素子、光の共振を用いた変換素子、ＣＭＵＴ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）等の静電容量型の変換素子など、音響波を受信して電気信号に変換できるものであればどのような変換素子を用いてもよい。複数の変換素子を備える場合は、１Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ、１．７５Ｄアレイ、２Ｄアレイ、と呼ばれるような平面又は曲面内に並ぶように配置されることが好ましい。

また、広い範囲の被検体情報を取得するために、音響波受信部１３０は、走査機構（不図示）により、被検体１２０に対して機械的に移動するよう構成されていることが好ましい。また、光学系１１３（パルス光１１２の照射位置）と音響波受信部１３０とは同期して移動することが好ましい。

また、ハンドヘルド型の音響波受信部１３０の場合は、ユーザーが音響波受信部１３０を把持する把持部を有する。また、音響波受信部１３０の受信面には音響レンズが設けられていてもよい。また、音響波受信部１３０には変換素子が複数設けられていてもよい。

また、音響波受信部１３０に、変換素子から出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を設けてもよい。

（心電図取得部１５０）
心電図取得部１５０は、被検体１２０の心電図信号を取得する。典型的に、心電図取得部１５０は、心電図信号を取り出す誘導電極、アンプ、Ａ／Ｄ変換器などから構成される。例えば、心電図取得部１５０としては、特許文献２または特許文献３に記載された装置などを用いることができる。心電図取得部１５０によって得られる心電図信号によれば、被検体１２０の心臓の態様を推定することができる。また、心電図信号から推定される心臓の態様から血管内の血流を推定することもできる。

（入力部１７０）
入力部１７０は、ユーザー（主に医療従事者などの検査者）からの各種入力を受け付け、入力された情報をシステムバスを介して処理部１９０などの構成に送信する。例えば、入力部１７０により、ユーザーが撮像に関するパラメータ設定や撮像開始の指示、そして関心領域の範囲や形状などの観察パラメータ設定など、その他、画像に関する画像処理操作を行うことができる。

入力部１７０は、マウスやキーボード、タッチパネルなどで構成され、ユーザーの操作に従って制御部１９３上で動作しているＯＳなどのソフトウェアに対するイベント通知を行う。また、ハンドヘルド型光音響装置には、光照射部１１０の駆動を指示するための入力部１７０を設けることが好ましい。このような入力部１７０としては、プローブに設けられたボタン型のスイッチやフットスイッチなどを採用することができる。

（表示部１８０）
表示部１８０は、ＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）やＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）、有機ＥＬディスプレイ等のディスプレイを用いることができる。なお、表示部１８０は、本実施形態の光音響装置が備える構成とはせずに、別に用意して光音響装置に接続してもよい。

（処理部１９０）
コンピュータとしての処理部１９０は、演算部１９１、記憶部１９２、および制御部１９３を備える。

演算部１９１は、音響波受信部１３０から出力される時系列のアナログ受信信号を収集し、受信信号の増幅や、アナログの受信信号のＡＤ変換、デジタル化された受信信号の記憶等の信号処理を行う。このような処理を行う演算部１９１としては、一般的にＤＡＳ（ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）と呼ばれる回路を用いることができる。具体的に、演算部１９１は、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル化するＡＤ変換器などから構成される。

また、演算部１９１は、受信信号を用いて、被検体内の各位置の発生音圧情報を取得することができる。被検体内の各位置の発生音圧情報のことを、被検体内の初期音圧分布とも呼ぶ。なお、光音響装置が光音響トモグラフィー装置の場合、演算部１９１は、得られた受信信号を用いて画像再構成を行うことにより、２次元又は３次元の空間座標上の位置に対応する発生音圧のデータを求めることができる。演算部１９１は、画像再構成手法として、ＵｎｉｖｅｒｓａｌＢａｃｋＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ（ＵＢＰ）や、ＦｉｌｔｅｒｅｄＢａｃｋＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ（ＦＢＰ）、モデルベース法等の公知の再構成手法を用いることができる。また、演算部１９１は、画像再構成手法として、整相加算（ＤｅｌａｙａｎｄＳｕｍ）処理を用いてもよい。

また、演算部１９１は、得られた受信信号を包絡線検波した後、包絡線検波後の信号における時間軸方向の振幅値を、変換素子の指向方向（典型的には奥行き方向）にプロットしてもよい。演算部１９１は、これを変換素子の位置毎に行うことにより、初期音圧分布データを取得することができる。特に光音響装置が光音響顕微鏡である場合に、本手法を用いることが好ましい。

発生音圧情報を取得する処理を行う演算部１９１としては、ＣＰＵやＧＰＵ（ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサ、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）チップ等の演算回路を用いることができる。なお、演算部１９１は、１つのプロセッサや演算回路から構成されるだけでなく、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。

記憶部１９２は、ＡＤ変換後の受信信号、各種分布データ、表示画像データ、各種測定パラメータ等を保存することができる。また、後述する被検体情報取得方法で行われるそれぞれの処理を、処理部１９０内の制御部１９３に実行させるプログラムとして記憶部１９２に保存しておくことができる。なお、プログラムが保存される記憶部１９２は、非一時的な記録媒体である。記憶部１９２は、典型的にはＦＩＦＯメモリ、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１９２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、処理部１９０は、光音響装置の各構成ブロックの作動を制御するための制御部１９３を備える。制御部１９３は、バスを介して光音響装置の各構成ブロックに必要な制御信号やデータを供給する。具体的には、制御部１９３は、光源１１１へ発光を指示する発光制御信号や音響波受信部１３０内の変換素子の受信制御信号などを供給する。制御部１９３には、典型的にＣＰＵが用いられる。

なお、処理部１９０が備えるそれぞれの構成は、一体の装置で構成されていてもよいし、それぞれ別の装置で構成されていてもよい。また、演算部１９１と制御部１９３は、単一のデバイスにより構成されていてもよい。すなわち、処理部１９０は、演算部１９１と制御部１９３の機能を担う単一のデバイスを有していてもよい。

［被検体情報取得方法］
次に、本実施形態に係る光音響装置が被検体情報を取得するフローを、図２を用いて説明する。制御部１９３が、記憶部１９２に保存された、被検体情報取得方法が記述されたプログラムを読み出し、光音響装置に以下の被検体情報取得方法を実行させている。

（Ｓ１００：心電図信号を取得するステップ）
本ステップでは、心電図取得部１５０が被検体１２０の心電図信号を取得し、処理部１９０に送信する。なお、心電図取得部１５０が備える電極は、心臓に関する筋電図信号（心電図信号）を取得できるように適宜配置されている。

図３（ａ）は、心電図取得部１５０によって得られる典型的な心電図信号の波形を示す。図３（ａ）に示す心電図信号は、約１．２秒の周期の波形となっている。典型的に、心電図信号の波形は、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波の合成によって形成される。一般的に、Ｒ波の頂点からＴ波の終わり付近までの期間が、心室の収縮期に相当し、血液が動脈に拍出される。また、Ｔ波の終わり付近からＲ波の頂点までの期間が、心室の拡張期に相当する。なお、本明細書では、Ｒ波の頂点からＴ波の終わり付近までの時間ｔ１のことを、「Ｒ波の発生タイミングからＴ波の発生タイミングまでの第一の時間」と呼ぶ。

図３（ｂ）は、関心領域における血液量の変化を示すグラフである。前述したように、心臓の態様については、心電図信号のＲ波をトリガーに心室の収縮が開始し、動脈への拍出が開始される。ところが、図３（ｂ）から理解されるように、関心領域における血液量は、Ｒ波の発生タイミングに増大するのではなく、Ｒ波の発生タイミングから、関心領域に心室収縮に対応した血流が到達するまでの時間ｔ２だけ時差をもって増大する。そして、Ｒ波の発生タイミングから時間ｔ２が経過後、心室の収縮期間の時間ｔ１だけ、血液量が多い期間が維持されると考えられる。

本明細書では、Ｒ波の発生タイミングから、関心領域に心室収縮に対応した血流が到達するまでの時間ｔ２を「遅延時間」とも呼ぶ。

（Ｓ２００：心電図信号に基づいて関心領域における血液量が多いときに光を照射するステップ）
本ステップでは、制御部１９３が、心電図取得部１５０により得られた心電図信号に基づいて、関心領域における血液量が多いタイミングを決定する。そして、制御部１９３は、光照射部１１０がそのタイミングにパルス光１１２を被検体１２０に照射するように、光照射部１１０の光照射タイミングを設定する。

一方、制御部１９３は、関心領域における血液量が少ないときに光照射部１１０がパルス光１１２を被検体１２０に照射しないように、光照射部１１０の光照射タイミングを設定する。

制御部１９３が、Ｓ１００で得られた心電図信号に基づいて、光照射部１１０に照射制御信号を供給する。光照射部１１０は、制御部１９３からの照射制御信号に基づいた光照射タイミングで、パルス光１１２を被検体１２０に照射する。被検体１２０でパルス光１１２が吸収され、光音響効果により光音響波１２２が生じる。

図３（ｃ）は、制御部１９３が光照射部１１０に供給する照射制御信号の一例を示す。図３（ｃ）の「１」の状態のときに照射し、「０」のときに照射しないことを表す。制御部１９３は、Ｒ波の発生タイミングから遅延時間ｔ２が経過後、時間ｔ１が経過するまでの期間に、光照射部１１０が被検体１２０にパルス光１１２を照射するように照射制御信号を供給する。すなわち、制御部１９３は、関心領域に心室収縮による血流が存在する、血液量の多い期間に光照射するように照射制御信号を供給する。一方、制御部１９３は、血液量の多い期間以外に光照射しないように、照射制御信号を供給する。

光の速度は、光音響波の速度と比べると桁違いに速いため、パルス光１１２が照射されたタイミングに関心領域内の各位置で同時に光音響波が発生したとみなすことができる。本明細書においては、パルス光１１２を被検体１２０に照射したタイミングを、そのパルス光１１２による光音響波が発生したタイミングとする。

また、典型的に、Ｒ波の発生タイミングからＴ波の発生タイミングまでの時間ｔ１は、０．３秒以上、０．４５秒以下の時間であることが知られている。そのため、光照射部１１０は、血液量が多い期間として、Ｒ波の発生タイミングから時間ｔ２が経過後、０．３秒以上、０．４５秒以下の所定の時間だけ光照射してもよい。

ここで、制御部１９３が、心電図信号からＲ波やＴ波などの特定の波の発生タイミングを検知する。例えば、制御部１９３が、所定の振幅よりも大きい心電図信号の波をＲ波として検知することができる。また、例えば、制御部１９３は、心電図信号に対して記憶部１９２に保存されたＲ波やＴ波のテンプレート波形とのテンプレートマッチングを行い類似度の高い波をＲ波やＴ波として検知することができる。なお、特定の波を検知する方法としては、Ｒ波やＴ波などの特徴的な波形を検知することができれば、どのような方法であってもよい。

なお、Ｒ波が発生してから、心臓と関心領域との間の血管長を血流速で割った値の時間後に、関心領域に心室収縮に対応する血流が到達する。そのため、制御部１９３は、Ｒ波の発生タイミング、心臓と関心領域との間の血管長の情報、および血流速の情報に基づいて、光照射の開始タイミングを決定することができる。ただし、上記のように光照射の開始タイミングを決定するには、被検体毎に心臓と関心領域との距離や血流速を測定する必要があるため、装置規模が大きくなる可能性がある。

そこで、光照射のタイミングについては、関心領域の部位ごとに予め決定されたものの中から選択することが好ましい。すなわち、記憶部１９２は、関心領域の部位の種類と、遅延時間ｔ２との関係テーブルを有することが好ましい。また、光音響装置が、ユーザーが関心領域の部位の種類を入力することができるように構成された入力部１７０を有していることが好ましい。例えば、入力部１７０は、表示部１８０に表示された複数種類の部位から、ユーザーが関心領域の部位の種類を選択できるように構成することなどができる。そして、制御部１９３は、入力部１７０によって入力された部位の種類に対応する遅延時間ｔ２を記憶部１９２に格納された関係テーブルから読み出すことができる。制御部１９３は、心電図信号からＲ波の発生タイミングを検知し、そのタイミングから記憶部１９２から読み出した遅延時間ｔ２が経過した後に光照射を開始させることができる。

なお、ここでは、遅延時間ｔ２を決定するために必要な情報として、関心領域の部位の種類を用いて説明したが、遅延時間ｔ２を決定するために必要な情報はこれに限らない。例えば、関心領域の部位の種類が同じであっても、被検体の年齢などによっても遅延時間ｔ２は変わると考えられる。そのため、入力部１７０は、部位の種類の他に、被検体の年齢などの情報を入力することができるように構成されていることが好ましい。すなわち、入力部１７０は、少なくとも関心領域の部位の種類を入力できるように構成されていることが好ましい。そして、制御部１９３は、入力された被検体の年齢などの情報に対応する遅延時間ｔ２を関係テーブルから読み出すことが好ましい。

また、光音響装置のターゲット部位が予め決まっている場合は、記憶部１９２が、予め求められた遅延時間ｔ２の情報を保存していることが好ましい。そして、制御部１９３が、心電図信号からＲ波の発生タイミングを検知し、そのタイミングから記憶部１９２に格納された遅延時間ｔ２後に光照射を開始させることができる。

なお、Ｒ波の発生タイミングから関心領域に心室収縮に対応した血流が到達するまでの期間を無視できる場合は、Ｒ波の発生タイミングを光照射の開始タイミングとしてもよい。すなわち、この場合、遅延時間ｔ２＝０としてもよい。

また、光照射部１１０は、血液量が多い期間に１パルスだけの光を照射してもよいし、複数回パルス光を照射してもよい。すなわち、光照射部１１０は、血液量が多い期間に、パルス光１１２を少なくとも１回照射すればよい。

なお、光源１１１が熱の生じやすいランプ励起による固体レーザーなどの場合、光源の安定駆動のために一定の繰り返し周波数で発光させることが好ましい。そして、被検体１２０への光照射タイミングについては、光学系１１３により制御することが好ましい。図３（ｄ）は、光源の駆動シーケンスを示し、「ｏｎ」のときに発光し、「ｏｆｆ」のときに非発光とすることを示す。図３（ｄ）から理解されるように、光源１１１は、上述したように一定の繰り返し周波数（５Ｈｚ）で発光している。また、図３（ｅ）は光学系１１３の駆動シーケンスを示し、「Ｔ」のときに調光部１１５が光源１１１からの光を透過し、「Ｓ」のときに調光部１１５が光源１１１からの光を遮断することを示す。このようにして、光照射部１１０は、図３（ｃ）に示す照射制御信号に従って選択的にパルス光１１２を被検体１２０に照射することができる。

ただし、光照射部による光照射タイミングの制御方法については、図３に示す方法に限らず、血液量が多いときに選択的に光照射できれば、いかなる方法を採用してもよい。例えば、図４に示すように、制御部１９３が光源１１１の発光タイミングを制御することにより、光照射タイミングを制御してもよい。図４（ａ）〜（ｅ）に示す各シーケンスの種類は、図３（ａ）〜（ｅ）と同じである。図４（ｄ）から理解されるように、光源１１１は、血液量が少ないときには発光せずに、血液量が多いときに発光するように、制御部１９３により制御されている。一方、調光部１１５は、光源１１１で発生したパルス光１１２を常に透過するように、制御部１９３により制御されている。なお、この場合、光照射部１１０は調光部１１５を有していなくてもよい。また、この場合、光源１１１の発光回数を減らすことができるため、光源１１１を構成する部品の消耗を低減することができる。

また、ハンドヘルド型光音響装置のように、ユーザーからの光照射部１１０の駆動の指示を受け付けるスイッチとしての入力部１７０を有する場合を考える。この場合、光照射部１１０は、心電図信号に基づいて、血液量が多いとき、かつ、スイッチからの光照射部１１０の駆動の指示に関する情報を受信したときのみ、パルス光を照射するように構成されていることが好ましい。すなわち、光照射部１１０は、血液量が少ないとき、または、スイッチからの駆動の指示に関する情報を受信しないときには、光を照射しないことが好ましい。

なお、本実施形態では、Ｒ波の発生タイミングから遅延時間ｔ２が経過後の心室収縮期の時間ｔ１の間、血液量が増大すると考え、光照射タイミングを設定したが、光照射タイミングの設定はこの形態に限らない。例えば、時間ｔ１は心室の収縮期の時間に相当するが、貯留血液量などによっては時間ｔ１が経過する前に血液の送り出しの大半が完了する場合が考えられる。すなわち、心室の収縮期の時間と血液の送り出しに要する時間とが一致しない場合が考えられる。この場合、時間ｔ１よりも短い時間の間だけ、血液量が増大する可能性が考えられる。この場合は、制御部１９３は、Ｒ波の発生タイミングから遅延時間ｔ２が経過後、時間ｔ３が経過するまでに、パルス光１１２を少なくとも１回照射するように光照射部１１０を制御することが好ましい。すなわち、制御部１９３は、Ｒ波の発生タイミングから遅延時間ｔ２が経過後、電圧印加時間ｔ１の半分の時間が経過するまでに、この時間が経過後よりも多く光照射するように光照射部１１０を制御することが好ましい。（Ｓ３００：光音響波の受信信号を取得するステップ）
本ステップでは、音響波受信部１３０が、Ｓ２００で照射されたパルス光１１２によって発生した光音響波１２２を受信し、時系列のアナログ受信信号を出力する。演算部１９１は、音響波受信部１３０から出力された時系列のアナログ受信信号を収集し、受信信号の増幅処理や、アナログの受信信号のＡＤ変換処理を行う。そして、演算部１９１は、デジタル化された受信信号を記憶部１９２に保存する。記憶部１９２に保存された時系列の受信信号データを、光音響データとも呼ぶ。本発明において、受信信号とは、アナログ信号もデジタル信号も含む概念である。本ステップでは、関心領域における血流量が多い状態のときにパルス光が照射されて得られたＳ／Ｎの高い信号を選択的に取得することができる。

（Ｓ４００：受信信号に基づいて関心領域における被検体情報を取得するステップ）
本ステップでは、被検体情報取得部としての演算部１９１が、Ｓ３００で取得された受信信号に基づいて、関心領域における被検体情報を取得する。本実施形態では、演算部１９１は、記憶部１９２に格納された受信信号に基づいて、関心領域内の各位置での光音響波の発生音圧情報、すなわち初期音圧分布を被検体情報として算出し、記憶部１９２に保存する。

本ステップで得られた初期音圧分布は、Ｓ３００において得られたＳ／Ｎの高い受信信号に基づいて算出されるため、精度は高い。そのため、演算部１９１が、記憶部１９２に格納された初期音圧分布の画像を表示部１８０に表示させると、解像度やコントラストなどの画質が高い画像をユーザーに提供することができる。

なお、演算部１９１は、関心領域内の各位置に到達したパルス光１１２の光フルエンス、すなわち光量分布を算出してもよい。本実施形態では、演算部１９１は、非特許文献１に記載された光拡散方程式を解くことにより、パルス光１１２の関心領域内の光量分布の情報を取得し、記憶部１９２に保存することができる。なお、関心領域内の光量分布を取得できる限り、演算部１９１はいかなる手法により光量分布を取得してもよい。

続いて、演算部１９１は、記憶部１９２に保存された、関心領域内の初期音圧分布および光量分布を用いて、式（１）にしたがって関心領域内の光吸収係数分布を被検体情報として取得してもよい。

なお、本ステップにおいて、演算部１９１は、１パルスの光照射によって得られた時系列の受信信号から１フレームの被検体情報を取得してもよいし、複数回の光照射によって得られた複数の時系列の受信信号から１フレームの被検体情報を取得してもよい。

また、例えば、Ｒ波の発生タイミングから遅延時間ｔ２が経過後であっても、血液量の増大が十分に大きくないタイミングにおいては、取得される受信信号のＳ／Ｎが十分に大きくない場合も考えられる。そこで、演算部１９１は、振幅が所定の値よりも大きい受信信号を用いて被検体情報を取得することが好ましい。

以上の被検体情報取得方法により、血管内の血液量による、取得される被検体情報の精度への影響を抑制することができる。

なお、本実施形態に係る光音響装置は、異なる波長の光を用いて上記の各ステップを行うことにより、同様に光吸収係数分布を取得することもできる。そして、演算部１９１は、互いに異なる複数の波長の光に対応する複数の光吸収係数分布を用いて、被検体１２０を構成する物質の濃度分布の情報を被検体情報として取得することもできる。

ただし、単一の光源を用いて複数の波長のそれぞれの光を発生される場合、波長を切り替える際に時間を要する場合がある。ここで、血液量が多い状態のときに波長の切り替えを行うと、血液量が多い状態の間に光照射することのできる回数が低下し、被検体情報の精度の低下を招く可能性がある。そこで、血液量の少ない状態のときに波長の切り替えを行うことが好ましい。例えば、あるＲ波から次のＲ波までを１周期としたときに、心電図信号のある１つの周期の間に、光照射部１１０は、第一の波長λ１の光を照射する。続いて、その周期内血液量が少ない期間に、光源１１１内の波長可変機構を駆動して、光源１１１が第二の波長λ２の光を発生できる状態とさせる。続いて、次の周期内で、光照射部１１０は、第二の波長λ２の光を被検体１２０に照射する。

このように、血液量が少なく、光を照射しないと定めている期間に波長の切り替えを行うことが好ましい。これにより、血液量が多く、光照射すべきと定めている期間の光照射回数を減少させることなく、効率良く複数の波長の光を血液量の多い状態のときに照射することができる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明は上記特定の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施形態の修正をすることができる。

１１０光照射部
１２０被検体
１３０音響波受信部
１５０心電図取得部
１９０処理部

Claims

光照射タイミングを設定する制御部と、
前記光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、
前記光照射部からのパルス光が前記被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、
前記被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、
前記信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
関心領域の部位の種類の入力を受け付ける入力部と、
前記関心領域の部位の種類と、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記Ｒ波に対応する血流が前記関心領域に到達するまでの第二の時間と、の関係テーブルが保存された記憶部と、
を有し、
前記制御部は、
前記入力部により入力された前記関心領域の部位の種類に対応する前記第二の時間を、前記関係テーブルから読み出し、
前記心電図信号のＲ波の発生タイミングと、前記関係テーブルから読み出された前記第二の時間と、に基づいて、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記第二の時間の経過後、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記心電図信号のＴ波の発生タイミングまでの長さの第一の時間が経過するまでの間に、前記被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように前記光照射タイミングを設定する
ことを特徴とする光音響装置。
光照射タイミングを設定する制御部と、
前記光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、
前記光照射部からのパルス光が前記被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、
前記被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、
前記信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
を有し、
前記光照射部は、
前記パルス光の減衰量を制御することができる光学系と、を含み、
前記制御部は、
前記減衰量を制御することにより、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記Ｒ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間の経過後、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記心電図信号のＴ波の発生タイミングまでの長さの第一の時間が経過するまでの間に、前記被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように前記光照射タイミングを設定する
ことを特徴とする光音響装置。
光照射タイミングを設定する制御部と、
前記光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、
前記光照射部からのパルス光が前記被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、
前記被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、
前記信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
を有し、
前記制御部は、
前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記Ｒ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間の経過後、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記心電図信号のＴ波の発生タイミングまでの長さの第一の時間が経過するまでの間に、前記被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように前記光照射タイミングを設定し、
前記光照射部は、
互いに異なる複数の波長のそれぞれのパルス光を発することができる光源を有し、
前記光源は、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記第二の時間の経過後、前記第一の時間が経過するまでの間以外の期間に、前記複数の波長を切り替える
ことを特徴とする光音響装置。
光照射タイミングを設定する制御部と、
前記光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、
前記光照射部からのパルス光が前記被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、
前記被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、
前記信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
を有し、
前記制御部は、
前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記Ｒ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間の経過後、０．３秒間以上、０．４５秒間以下の長さの時間が経過するまでの間に、前記被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように前記光照射タイミングを設定する
ことを特徴とする光音響装置。
前記制御部は、前記心電図信号に基づいて、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングおよび前記心電図信号のＴ波の発生タイミングを決定する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光音響装置。
前記制御部は、前記心電図信号に基づいて、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングを決定する
ことを特徴とする請求項４に記載の光音響装置。
前記制御部は、前記心電図信号のＲ波の発生タイミング、前記被検体の心臓と前記関心領域との距離の情報、および血流速の情報に基づいて、前記第二の時間を決定する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光音響装置。
前記光照射部は、パルス光を発する光源を含み、
前記制御部は、前記心電図信号に基づいて、前記光源の発光タイミングを設定することにより、前記光照射タイミングを設定する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光音響装置。
前記光学系は、前記光源からのパルス光を遮光することができるように構成された遮光部であり、
前記制御部は、前記心電図信号に基づいて、前記遮光部に前記光源からのパルス光を遮光させるか否かを設定することにより、前記光照射タイミングを設定する
ことを特徴とする請求項８に記載の光音響装置。
前記光照射部は、パルス光を発する光源を含み、
前記光源は、所定の繰り返し周波数でパルス光を発する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光音響装置。
光照射タイミングを設定する制御部と、
前記光照射タイミングで被検体にパルス光を照射する光照射部と、
前記光照射タイミングで前記光照射部から前記パルス光を照射することを認めるための指示を受け付ける入力部と、
前記光照射部からのパルス光が前記被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信し、信号を出力する受信部と、
前記被検体の心電図信号を取得する心電図取得部と、
前記信号に基づいて被検体情報を取得する被検体情報取得部と、
を有し、
前記制御部は、
前記指示を前記入力部が受け付けており、かつ、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記Ｒ波に対応する血流が関心領域に到達するまでの第二の時間の経過後、前記心電図信号のＲ波の発生タイミングから前記心電図信号のＴ波の発生タイミングまでの長さの第一の時間が経過するまでの間に、前記被検体にパルス光を少なくとも１回照射するように前記光照射タイミングを設定する
ことを特徴とする光音響装置。