JP6621819B2 - 音響波を用いた光源および音響レシーバの相対的な向きの検出を伴う光音響撮像システム - Google Patents

Description

この出願は、２０１４年１０月３０日に出願された米国特許仮出願第６２／０７２，９９７号の非仮出願であって、米国特許仮出願第６２／０７２，９９７号の優先権を主張し、米国特許仮出願第６２／０７２，９９７号の全開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。この仮出願は、２０１３年３月１１日に出願された米国特許出願第１３／７９３，８０８号に記載のシステムなどの光音響撮像システムに関し、米国特許出願第１３／７９３，８０８号の全開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、広くには、医療における撮像の分野に関し、とくには光音響撮像システムに関する。

本発明の目的、特徴、および利点は、添付の図面に示される好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面において、参照符号は様々な図を通じて同じ部分を指す。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ本発明の原理を説明することに重点を置いている。

組織のボリュームを通過して音響源から近接物体まで伝わる音響波を示す図である。 組織のボリュームを通過して音響源から近接物体まで伝わる音響波を示す図である。 近接物体の外面に配置された基準マーカのパターンを示す図である。 被験者の組織を光学的に照明するように配置された光エネルギー出口ポートを備える光送出ユニットと、照明された組織からの光音響戻り信号および光送出ユニットの基準マーカサイトからの音響信号を受信するように配置された音響受信ユニットとを示す斜視図である。 音響信号が組織から受信される第２の位置に対する座標基準フレーム内の位置において組織へともたらされる光エネルギーを示す斜視図である。 ボリュームに接するデータ収集位置に複数の音響レシーバを備えている第１の接触ユニットと、ボリュームを通って伝播する音響応答を放出するパターンを形成している光吸収基準マーキングを備えている第２の接触ユニットとを示す斜視図である。 光を吸収する半径方向において対称な放出体を示す図である。 同心リングを有する光吸収基準マーカパターンを示す図である。 同心リングを有する光吸収基準マーカパターンを示す図である。

ここで、添付の図面にいくつかの例が示されている本発明の好ましい実施形態を詳細に参照する。以下の説明および図面は、例示的なものであり、限定として解釈されるべきではない。完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が記載されている。しかしながら、特定の例では、説明を不明瞭にすることを避けるために、周知または従来からの詳細は記載されていない。本開示における１つの実施形態または一実施形態への言及は、必ずしも同じ実施形態への言及ではなく、そのような言及は、「少なくとも１つ」を意味する。

本明細書における「一実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な場所における「一実施形態において」という表現の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではなく、他の実施形態と相互に排他的な別個または代替の実施形態でもない。さらに、一部の実施形態が呈するが、他の実施形態は呈さないかもしれない様々な特徴が記載される。同様に、一部の実施形態には必要であるが、他の実施形態には必要でないかもしれない様々な要件が記載される。

本発明は、光音響撮像を実行するための方法および装置のブロック図および動作説明図を参照して以下で説明される。ブロック図または動作説明図の各ブロックならびにブロック図または動作説明図におけるブロックの組み合わせは、アナログまたはデジタルハードウェアならびにコンピュータプログラム命令によって実行できると理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読媒体に格納され、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、ＡＳＩＣ、または他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサへと提供され、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサによって実行され、ブロック図または１つ以上の動作ブロックに指定された機能／動作を実行する。いくつかの代案の実施形態において、ブロックに示されている機能／動作は、動作説明図に示されている順序ではない順序で行われてもよい。例えば、関連の機能／動作に応じ、連続して示される２つのブロックは、実際には実質的に同時に実行されてもよく、あるいはブロックは、場合によっては逆の順序で実行されてもよい。

ハンドヘルドな音響レシーバおよびハンドヘルドな光源が組織の近くに手動で配置される場合、光源の相対的な向きおよび相対位置は不明である。音響レシーバからの信号を用いた光音響画像の形成に関して、光源の位置および向きを知ることがこのプロセスにとって重要であるため、これが問題となる。さらに、組織のボリュームの表面は、未知の変形を免れず、光源またはレシーバとの接触が失われ、あるいは不完全となることを免れない。

解決策は、プローブに対する光源の相対的な向きおよび／または位置を追跡することである。理想的な状況においては、音響レシーバおよび光源の両方に慣性測位装置を配置することで、各々の装置の位置および向きが追跡され、この情報を既知の初期基準位置と組み合わせることで、相対的な位置および向きを算出することができる。しかしながら、慣性測位装置は、信頼性の問題を免れない。慣性測位の実行と組み合わせられても、あるいは組み合わせられなくてもよい信頼できる方法は、音響波の使用を含む。

図１Ａおよび図１Ｂは、音響源１６０から１つ以上の近接物体１６４へと組織のボリューム１７０を通って伝わる音波を示す図である。音響波は、組織のボリューム１７０を通って組織の表面上の或る地点から表面上の別の地点まで伝わる。音響波は、組織の表面の付近の音響源１６０から伝わり、組織の表面に近接した近接物体１６４に到達することができる。そのようなやり方で、伝播時間および／または波からの方向情報を用いて、近接物体に対する音響源の位置および向きを計算することができる（図１を参照）。一実施形態では、トランスデューサアレイなどの音響トランスミッタが、１つまたは複数の指向性音響波面１６２を送信することができ、各々の波面は特定の方向に向けられている。一実施形態では、音響トランスミッタは、無指向性の波面を送信することができる。一実施形態では、トランスミッタは、音響レシーバ上に配置される。一実施形態では、トランスミッタは、光源上に配置される。一実施形態では、送信された波面を、光源または音響レシーバなどの組織に近接した物体１６４上の検出器によって受信することができる。一実施形態では、検出器は、音響レシーバの受信素子であってよい。一実施形態では、検出器は、光源上に配置されてよい。一実施形態では、送信された音響波面は、近接物体上の音響検出器によって直接受信される。一実施形態では、送信された音響波面は、近接物体１６４から後方散乱する。一実施形態では、送信された音響波面は、音響レシーバによって使用される受信素子と同じ受信素子によって送信される。

一実施形態では、近接物体１６４が音響検出器を収容していない場合、近接物体１６４は基準マーカを収容することができる。図２は、近接物体１６４の外面２００上に配置された基準マーカ２０８のパターンを示す図である。一実施形態では、基準マーカ２０８は、近接物体１６４の外面２００上に配置される。一実施形態では、近接物体１６４は、送信された音響波を後方散乱させるための基準マーカ２０８を有し、基準マーカ２０８からの後方散乱させられた波面は、音響レシーバによって受信され、物体の位置を割り出すために使用される。基準マーカ２０８は、既知の構成のエアポケットなど、強い音響後方散乱を生成することができる。

一実施形態では、（例えば、近接物体１６４の）外面２００は、光源からの光を吸収して光音響波面を生み出す基準マーカ２０８を有し、音響レシーバによって受信される音響波面１５２が、物体の位置を割り出すために使用される。基準マーカ２０８は、強い光音響戻り信号を生成することができる。一実施形態では、基準マーカは、照明によって強い信号を生成する光吸収体であるカーボンブラックを含む。一実施形態では、基準マーカ２０８は、マーカの向きが対称軸によって混同されることがないように、非対称パターンを有する。

一実施形態では、指向性音響波１６２が近接物体１６４へと直接に向けられたとき、この直接的方向において、近接物体１６４に到達する音響波の強度が最高になり、したがって最も高い強度の音響波を受信したとき、方向の向きが明らかになる。さらに、波面が発生してから受信されるまでの伝播時間も計測することができ、組織内での推定または既知の音速と組み合わせて、２つの近接物体間の距離を計算することができる。

一実施形態では、音響レシーバの受信素子は線形アレイの構成であり、典型的には、そのような素子が送信素子として多重化されると、波面は面内でしか導かれ得ず、実質的に面外ではないため、そのような構成においては、撮像平面内に直接的に存在しない近接物体１６４の位置を突き止めることが困難であり得る。

一実施形態では、基準マーカが、光源の直接的な経路に配置され、したがって光源による照明の際に、基準マーカは音響源となる。一実施形態では、光出口ポートとして機能する光学窓に配置された基準マーカが、光エネルギーをボリュームへともたらす。一実施形態では、マーカパターンの非対称性ゆえに、各々のマーカの向き、したがって身元が、混同されることがない。一実施形態では、近接物体１６４は、音響レシーバである。音響源のマーカパターンにおける各々のマーカ２０８の伝搬時間を、音響レシーバによって測定することができる。組織内での音速を推定し、あるいは知ることによって、各々のマーカ２０８の音響レシーバまでの距離を求めることができる。さらに、単一のマーカが使用される場合、２Ｄの撮像平面を画像化する線形アレイの音響レシーバを用いると、単一のマーカ２０８の位置が３Ｄにおいて未確定となり得るが、複数のマーカが使用される場合、既知の構成のマーカの向きおよび位置を独自の３Ｄ位置に固定することができる。したがって、一実施形態では、３Ｄにおけるマーカパターンの位置および向きも求められる。一実施形態では、これを、受信された音響信号または計算された距離に対して、位置および向きの最小二乗適合を解くことによって行うことができる。一実施形態では、同様の技術を、後方散乱モードで使用することができる。

一実施形態では、組織のボリュームを、光音響撮像のために照明すると同時に、基準マーカ用の音響源を生成することができ（これが「受動モード」である）、音響源信号が撮像平面内の画像と干渉する場合に、基準マーカの音響源からの干渉信号を画像から減算または軽減することができる。一実施形態では、基準マーカは、別々に動作することができる基準部を照らす単一または複数の光ファイバなど、主たる光音響撮像光源とは別の光源によって動作させられる（これが「能動モード」である）。一実施形態では、基準音響源を、光吸収によって生成される光音響波によるよりもむしろ、音響トランスデューサによって直接生成することができる。一実施形態では、全方向性の音響波を、照明された光ファイバの端部のコーティングから生成することができる。

一実施形態では、光音響画像を、音響光源を第１の位置に配置して音響応答を収集し、次いで第２の位置に配置して音響応答を収集し、第１および第２の光源光からの音響応答を比較し、その後に第１の音響応答位置および第２の音響応答位置からの情報の少なくとも一部を使用してエンハンスト画像を生成することによって、改善することができる。一実施形態では、エンハンスト画像は、光学フルエンスまたは光学的透過の影響を軽減する。一実施形態では、画像は、各々の位置における照明の間の差にもとづいて画像を表示することによって、コントラストを明らかにする。一実施形態では、フルエンスプロファイルが求められ、吸収画像から軽減される。

図３は、被験者の組織３０５を光学的に照明するように配置された光エネルギー出口ポート３０２を備える光送出ユニット３０４と、照明された組織３０５の光吸収生理学的構造３０８からの光音響戻り信号および光送出ユニット３０４の基準マーカサイト３０１、３０３からの音響信号を受信するように配置された音響受信ユニット３０６とを示す斜視図である。座標基準フレームが、３０７に示されている。

一実施形態において、本発明は、光音響撮像の分野における応用のために、音響受信ユニット３０６に対する光送出ユニット３０４の位置および向きを割り出すための方法を提供することができる。一実施形態では、光送出ユニット３０４は、音響応答を放出するように構成された第１の基準マーカサイト３０１を備える。一実施形態では、光送出ユニット３０４は、音響応答を放出するように構成された第２の基準マーカサイト３０３を備える。一実施形態では、本方法は、被験者のボリュームから複数の音響信号をサンプリングして記録することを含む。複数の音響信号の各々を、座標基準フレーム３０７に対して異なるデータ収集位置において収集することができる。一実施形態では、本方法は、複数の音響信号の各々において、第１の基準マーカの応答を識別することを含み、一実施形態では、第２の基準マーカの応答を識別することを含む。識別された各々の応答は、基準マーカサイトと音響信号が収集されるデータ収集位置との間の隔たり（例えば、計時された事象間の時間的な隔たりまたは距離の隔たり）を示す。一実施形態では、隔たりが、音響波が最初に（例えば、基準マーカサイトによって）放出される引き金の事象から音響波が音響レシーバによって受信されるまでの経過時間を割り出すことによって明らかにされ、隔たりを、推定される音速を用いることによって距離へと変換することができる。識別された信号は、第１の基準マーカの識別された応答の各々（および、第２の基準マーカの識別された応答の各々）を使用することによって、座標基準フレームにおける光送出ユニットの位置および向きを割り出すことを可能にする。

特定の状況では、単一の基準マーカを使用して位置を割り出すことは可能であるが、方向は不可能である。特定の状況では、２つ以上の基準マーカを使用することにより、相対的な位置ならびに相対的な向きを割り出すことができる。

一実施形態では、第１の基準マーカおよび第２の基準マーカは、光送出ユニットによって送出される光エネルギーの吸収ゆえに音響応答を生成する。一実施形態では、第１の光吸収基準マーカにおいて生成される応答が、光送出ユニットによって送出される第１の支配的な光エネルギー波長において、光送出ユニットによって送出される第２の支配的な光エネルギー波長における応答と比較して、よりも強い。一実施形態では、第２の基準マーカにおいて生成される応答が、第１の支配的な光エネルギー波長と比較して、第２の支配的な光エネルギー波長においてより強い。一実施形態では、応答を識別するステップは、第１の支配的な光エネルギー波長についての再構成サイノグラムにおいて高強度を有し、第２の支配的な光エネルギー波長についての再構成サイノグラムにおいて低強度を有する第１のターゲットの位置を特定することと、第１の支配的な光エネルギー波長についての再構成サイノグラムにおいて低強度を有し、第２の支配的な光エネルギー波長についての再構成サイノグラムにおいて高強度を有する第２のターゲットの位置を特定することと、第１の基準マーカの応答を位置特定された第１のターゲットからの応答として識別することと、第２の基準マーカの応答を位置特定された第２のターゲットからの応答として識別することとを含む。したがって、一実施形態では、基準マーカを、波長固有の光吸収を有することによって識別することができる。

一実施形態では、光送出ユニットの位置および向きを割り出すことは、第１の基準マーカの応答および／または第２の基準マーカの識別された応答を識別するときに測定された隔たりを説明するために適した構成（例えば、位置および向き）へと基準マーカ位置を表すベクトル値を回転および平行移動させる回転マトリクスおよび並進ベクトルの値を決定することを含む。一実施形態では、隔たりは、サンプルを単位として測定された時間における隔たりであり、ボリュームにおける一定の音速を掛け算し、アナログ−デジタル変換器の一定のサンプリングレートで割り算することによって距離の隔たりに変換される。一実施形態では、第１の基準マーカの応答は、第２の基準マーカの応答から区別することができる識別可能な音響応答を含む。一実施形態では、複数の音響信号の各々が処理される。一実施形態では、処理された音響信号を使用するボリュームの画像が、ディスプレイに出力される。一実施形態では、第１の基準マーカの識別された応答の各々が、区別可能な音響応答を含み、処理のステップは、区別可能な音響応答を複数の音響信号の各々から分離することを含む。

ワイヤレス無線センサネットワークの状況において位置および方向を求めるための回転マトリクスおよび並進ベクトルの値を決定するための方法は、参照によって本明細書に組み込まれるＣｈｅｐｕｒｉ，Ｓｕｎｄｅｅｐ Ｐｒａｂｈａｋａｒ，ｅｔ ａｌ．“Ｒｉｇｉｄ Ｂｏｄｙ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．”Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ６２．１８（２０１４）：４９１１−４９２４の式４ｂによって説明される。

一実施形態では、システムが、光エネルギーを被験者のボリュームへと送出するように構成された光エネルギー出口ポートを備える光エネルギー送出ユニットと、ボリュームからの音響信号を受信するように構成された音響レシーバを備える音響受信ユニットと、音響受信ユニットによって受信される音響応答を放出するように構成された基準マーカサイトと、前記音響受信ユニットによって受信された信号について、基準マーカから放出されて受信された音響応答を使用して音響受信ユニットに対する光エネルギー送出ユニットの相対位置を割り出すことを含む処理を実行するように構成された処理ユニットと、ボリュームを表す光音響画像を表示するように構成された表示ユニットとを備える。光音響画像を、割り出された相対位置に関する情報を使用することによって生成することができ、なぜならば、そのような情報は、得られる光音響画像を向上させるうえで有用であり得るからである（例えば、フルエンス補償、光源補正、など）。一実施形態では、追加の基準マーカサイトが、前記音響レシーバによって受信される音響応答を放出するように構成される。一実施形態では、処理ユニットは、基準マーカサイトによって放出されて受信される音響応答および／または追加の基準マーカサイトによって放出されて受信される音響応答を使用して、音響受信ユニットに対する光エネルギー送出ユニットの相対的な向きおよび／または相対的な位置を割り出す。一実施形態では、基準マーカサイトおよび追加の基準マーカサイトは、光エネルギー送出ユニットの遠位表面に配置される。一実施形態では、光エネルギー出口ポートは、光エネルギー送出ユニットの遠位表面に配置される。一実施形態において、処理ユニットによって実行される処理は、ｉ）第１の座標基準フレームに対する位置の値のリスト（典型的には、基準マーカサイトの位置および追加の基準マーカサイトの位置を含むと考えられる）を読み出すステップと、ｉｉ）位置の値のリストを第２の座標基準フレームに対する構成へと回転および平行移動させるための回転マトリクスおよび並進ベクトルの値を決定するステップ（典型的には、決定された値は、音響受信ユニットによって受信された信号の基準応答成分の伝播遅延を考慮する解を含むと考えられる）と、ｉｉｉ）後に使用することができる相対的な向きおよび相対的な位置を回転マトリクスおよび並進ベクトルによって生成するステップとをさらに含む。

一実施形態では、処理ユニットは、ｉ）基準マーカによって発せられた区別可能な音響応答成分を、音響受信ユニットによって受信された信号の残りの成分から分離するステップと、ｉｉ）それらの残りの成分を使用してボリュームの光音響画像を生成するステップとを実行するようにさらに構成される。分離された成分を使用する光音響画像の生成は、参照により本明細書に組み込まれる「Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｉｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ」という名称の米国特許出願第１４／５１２，８９６号にさらに説明されている。そのような技術を、基準マーカを使用するときに生成された画像を改善するために、基準マーカの信号を光音響信号の残りの部分から分離するために使用することができる。

一実施形態では、処理ユニットは、ｉ）光エネルギー送出ユニットが処理ユニットによって割り出されたとおりの音響受信ユニットの配置に対する第１の相対配置にあるときのボリュームの第１の光音響表現を生成するステップと、ｉｉ）光エネルギー送出ユニットが前記処理ユニットによって割り出されたとおりの前記音響受信ユニットの配置に対する第２の相対配置にあるときのボリュームの第２の光音響表現を生成するステップと、ｉｉｉ）ボリュームの第１の光音響表現とボリュームの第２の光音響表現との間の差を計算するステップと、ｉｖ）計算された差にもとづいて表示されるべき画像を生成するステップとを実行するようにさらに構成される。一実施形態では、生成された画像は、計算された差を空間的に表す画像である。２つ以上の異なる光学的照明条件の間でボリュームにおいて生じる差は、ボリュームの物理的詳細についての有用な洞察をもたらすことができる。

一実施形態では、処理ユニットは、光エネルギー送出ユニットおよび音響受信ユニットが適切な光音響画像を形成するためのお互いに対する相対位置に適切に配置されたと判断することを含むステップを実行するように構成される。例えば、特定の状況では、光エネルギー送出ユニットが遠すぎると、光エネルギーが弱すぎて画像が良好でなくなる可能性があるので、いつこれが生じるのか、あるいは生じないのかを検出することが、有益である。さらに、本明細書に記載のシステムおよび方法を使用して、光エネルギーユニットおよび音響受信ユニットの両方がボリュームに音響的に結合しているかどうかを判断することで、ユニットが適切に配置されたことを知らせることができる。例えば、光送出ユニットがボリュームに触れていない場合、これは、基準マーカからの音響信号が音響レシーバに到達することを妨げる可能性があり、したがってユニットがボリュームに触れているか否かを判断するために使用することができ、これは、ボリュームとの接触が適切な照明のために必要である場合や、一実施形態においてボリュームとの接触の喪失をもって光エネルギーの送出を停止させる安全機構を作動させる場合に、有用である。

一実施形態では、システムは、第１の接触ユニットの遠位表面に配置された音響レシーバを含む。第１の接触ユニットは、ボリュームと接触する。一実施形態では、第１の接触ユニットは、遠位表面を含む遠位端を備える。一実施形態では、第１の接触ユニットの遠位端は、ボリューム（例えば、組織）の表面と音響的に結合するように構成される。一実施形態では、第１の接触ユニットは、遠位端から離れて配置された近位端をさらに備える。一実施形態では、第１の光吸収基準部が、第２の接触ユニットの遠位表面に配置される。第２の接触ユニットも、ボリュームと接触する。一実施形態では、第２の接触ユニットは、遠位表面を含む遠位端を備える。一実施形態では、第２の接触ユニットの遠位端は、ボリュームと音響的に結合するように構成される。一実施形態において、システムは、ｉ）音響レシーバによって受信された信号を分析することによって第１の光吸収基準部（および／または、第２の光吸収基準部）の応答を識別することと、ｉｉ）識別された応答を使用して第１の接触ユニットに対する第２の接触ユニットの位置および向きを割り出すこととを含む処理を実行するように構成された処理サブシステムを備える。

図４は、撮像される組織内の関心対象４０４へと光送出ユニット４０６によってもたらされる光エネルギーを示す斜視図であり、光送出ユニットは、音響信号が組織から受信される第２の位置に対して座標基準フレーム４０３内の第１の位置に配置されている。基準マーカ４０８が、光送出ユニット４０６の光出口ポート／光学窓４０５に設けられている。

一実施形態では、第１の光吸収基準部は、光エネルギーによって活性化されたときに音響レシーバによって受信され得る音響応答を生成する第１の光吸収パターンを含む。図５は、ボリューム５０１に接する第１および第２のデータ収集位置５０３、５０４に複数の音響レシーバを備えている第１の接触ユニット５０２と、遠位表面５０６に光吸収基準マーキング５０９を備えている第２の接触ユニット５０８とを示す斜視図であり、基準マーキング５０９は、ボリューム５０１を通って伝播する音響応答５０５を発するパターン５０７を形成している。典型的な使用では、第１の接触ユニット５０２および第２の接触ユニット５０８の両方が、ボリューム５０１に結合させられる。図５では、第１の接触ユニット５０２は、あくまでも説明の目的のためだけに、ボリューム５０１から切り離されて示されている。

一実施形態では、基準部は、半径方向に対称な球面層を含む。一実施形態では、基準部は、光吸収同心リングを含む。一実施形態では、第２の光吸収基準部が、第２の接触ユニットの遠位表面に位置し、第２の光吸収基準部は、第２の光吸収パターンを含む。一実施形態では、第１の光吸収パターンは、光エネルギーの支配的な波長における光吸収係数が、同じ支配的な波長における遠位表面の光吸収係数と比較して大きい光吸収材料を含む。一実施形態では、光吸収材料は、トナー、染料、着色剤、スクリーン印刷インク、プラスチゾルベースのインク、ＰＶＣベースのインク、化学堆積物、マスクされたスクリーニング堆積物、接着フィルム、およびデカールで構成されるグループから選択される。一実施形態では、生成された基準部の音響応答は、第１の光吸収パターンに対応する特有の周波数スペクトル特性によって特徴付けられる区別可能な音響応答成分を含む。一実施形態では、同心の球面層または平坦な表面上の同心リングを含む放出体を用いて、層またはリングの幾何学的形状および強度を変化させることによって調整可能な、特有の周波数スペクトル特性を生成することができる。

図６を参照すると、一実施形態では、すべての関連する方向へとほぼ等しい信号内容の音響信号を多方向に放出するための放出体が、半径方向に対称な光音響源において生じるような物理現象にもとづく。一実施形態では、半径方向に対称な放出体６６０は、担体材料と第１の濃度の電磁吸収材料とを含む第１の同心層６６１と、担体材料と第２の濃度の電磁吸収材料とを含む第２の同心層とを備え、放出体は、電磁エネルギーの吸収後に、第１の方向に向けて音響信号を放出するとともに、同様の信号を第２の方向に向けて放出するように構成され、放出体からの信号を検出するように構成された音響レシーバが、第１の方向による信号を受信するように配置されるか、あるいは第２の方向による信号を受信するように他の場所に配置されるかにかかわらず、同じ信号を受信するようなやり方で、第１の方向に向けて放出される音響信号は第２の方向に向けて放出される同様の信号と基本的に同じである。一実施形態では、放出体は、追加の同心層をさらに含み、追加の同心層の各々は、担体材料および或る濃度の電磁吸収材料を含む。そのような放出体が、図６に示されている。一実施形態では、放出体の最外径は１ｍｍであり、したがって放出体は、組織のボリュームに接するハンドヘルドなユニットの表面上のコンパクトな基準部として機能し得る。一実施形態では、そのような放出体を、類似および／または識別可能な音響信号を複数の位置へと放出することが望まれる様々な用途に適したより大きな（または、より小さな）サイズへと拡大／縮小することができる。

一実施形態では、同心層は、球形である。一実施形態では、放出体は、根本的に対称なエネルギー吸収プロファイルに対応する無指向性の音響応答を放出する。一実施形態では、電磁吸収材料の濃度は、連続的な帯域限定放出音響信号プロファイルを達成するために連続した同心層の間で滑らかに変化させられる。半径方向に対称なプロファイルから距離ｘだけ離れた位置で時刻ｔにおいて受信される時間ドメイン信号は、ｐ（ｔ−ｔ０，ｘ）＝（ｘ−ｃ＊（ｔ−ｔ０））／ｘ＊Ｈ（｜ｘ−ｃ＊（ｔ−ｔ０）｜）であり、ここで、Ｈ（｜ｘ｜）は半径方向のプロファイルを表す関数であり、ｃは音速であり、ｔ０は放出の時刻である。一実施形態では、加熱プロファイルＨ（｜ｘ｜）をもたらす物理的物体の半径方向プロファイルＧ（｜ｘ｜）は、物理的物体の各部分に到達する光エネルギーのフルエンスに依存する。これにより、適切な放射状源を構成することによって受信信号を制御および予測することが可能になる。時間ドメインの形状は、Ｈ（｜ｘ−ｃ＊（ｔ−ｔ０）｜）であり、したがって一実施形態では、異なるこのような時間ドメインの形状を検出することによって異なる基準マーカを識別することが可能である。一実施形態では、放出された音響信号は、各層の電磁吸収材料の特有の濃度に起因する識別可能な音響信号を含み、識別可能な音響信号を、放出された音響信号が音響レシーバによって受信されたときに処理することによって識別することができる。一実施形態では、信号を識別することは、（処理された）受信信号を基準部の既知の特有のシグネチャと相関させることと、相関が最大であるか（または、しきい値よりも大きいか）どうか、およびどこで最大になるか（または、しきい値よりも大きくなるか）を明らかにすることとを含む。一実施形態では、相関は、周波数ドメインにおいて実行され、相互相関ピークを明らかにするために再び時間ドメインへと変換される相互相関である。一実施形態では、各層における電磁吸収材料の特有の濃度は、電磁吸収材料の第１または第２の濃度のいずれかにもとづいて２進法のゼロおよび１を表す２進コードを生成する。一実施形態では、これが、特有のシグネチャを生成するために使用される。一実施形態では、異なる識別可能な基準部に対応する異なる特有のシグネチャは直交しているので、或る基準部が他の基準部と混同される可能性は低いと考えられる。一実施形態では、各層における電磁吸収材料の特有の濃度は、特有の時間ドメインまたは周波数ドメインのシグネチャを生む。一実施形態では、電磁吸収材料は、光吸収材料である。一実施形態では、担体材料は、プラスチゾルなどのポリマーであり、光吸収材料は、着色剤である。一実施形態では、球状の放出体の層は、球状のコア物体をワイヤで吊り下げ、担体と様々な濃度の吸収体とを含む一連の材料槽に浸漬して層を形成することによって製造される。一実施形態では、層は、各層の光吸収を変えることによって各層の光吸収を制御する蒸着プロセスによって製造される。一実施形態では、光源または光ファイバが、球状コアの中心にある。一実施形態では、放出体は、ビーズである。一実施形態では、放出体は、ハンドヘルドなプローブの外面に埋め込まれる。実施形態では、放出体は、ブイである。一実施形態では、放出体は、光ファイバの端部に固定された球状の先端部である。

図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、一実施形態では、基準部は、ボリュームへと結合させられる表面５６２に印刷された射手の的の様な形状のデカールである。射手の的の形状の幾何学的形状（すなわち、リングのサイズおよび間隔）を変えることで、得られる光音響信号を左右することができる。一実施形態では、識別可能な音響信号を放出するように構成された光吸収基準マーカが、第１の材料および第２の材料を有する表面５６２（例えば、ボリュームに結合するように構成された光送出ユニットの外面）を備え、第１の材料は、第２の材料の光吸収係数よりも大きい光吸収係数を有し、第１の材料は、表面５６２上で複数の光吸収同心リング５６０を形成するようなパターンとされ、同心リング５６０は、表面５６２上の共通の点５６５に対して同心であり、各々の同心リング５６０は、内径５６３寸法および外径５６４寸法を有し、各々のリング５６０において、第１の材料は、共通の点５６５に対して内径５６３から外径５６４までの径方向距離にわたって表面５６２上に分布している。一実施形態では、複数の光吸収同心リング５６０の各々は、第２の材料に付着した第１の材料の薄い層を含む。一実施形態では、表面の大半が、第２の材料から作られる。一実施形態では、第２の材料は、プラスチックであり、第１の材料は、インクである。一実施形態では、表面５６２は、同心リング５６０による光エネルギーの吸収からもたらされる識別可能な音響信号を放出するように構成され、識別可能な音響信号は、音響レシーバによって受信された信号を処理することによって基準マーカを識別することができるように同心リング５６０の空間分布を符号化する。一実施形態では、表面５６２は、一式の追加の光吸収同心リングをさらに含み、追加の同心リングは、共通の点とは異なる表面上の第２の点に対して同心である。例えば、表面は、表面上に２つの識別可能なマーカを有することができる。

一実施形態では、基準部は、（例えば、付着先の材料よりも）弱い光吸収を有する光反射材料を含み、強い光吸収に起因して音響信号を生成するパターンが、光反射材料を含まないパターンの緩和部と組み合わせられる。

上記開示のシステムおよび方法のいくつかの態様は、少なくとも部分的に、ソフトウェアにて具現化可能である。すなわち、これらの技術を、専用または汎用のコンピュータシステムあるいは他のデータ処理システムにおいて、ＲＯＭ、揮発性ＲＡＭ、不揮発性メモリ、キャッシュ、または遠方の記憶装置などのメモリに格納された一連の命令を実行するコンピュータシステムまたは他のデータ処理システムのマイクロプロセッサなどのプロセッサに応答して、実行することができる。特許請求の範囲に記載されている機能は、プロセッサによって、コードを保存するメモリとの組み合わせにおいて実行可能であり、手段プラス機能（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の限定事項として解釈されるべきではない。

実施形態を実現するために実行されるルーチンは、オペレーティングシステム、ファームウェア、ＲＯＭ、ミドルウェア、サービス配信プラットフォーム、ＳＤＫ（ソフトウェア開発キット）コンポーネント、ウェブサービス、あるいは他の特定のアプリケーション、コンポーネント、プログラム、オブジェクト、モジュール、または「コンピュータプログラム」と呼ばれる一連の命令の一部として実現され得る。これらのルーチンの呼び出しインタフェースを、ＡＰＩ（アプリケーションプログラミングインタフェース）としてソフトウェア開発コミュニティに公開することができる。コンピュータプログラムは、典型的には、コンピュータの様々なメモリおよび記憶装置に様々な時点において設定され、コンピュータの１つ以上のプロセッサによって読み出されて実行されたときにコンピュータに種々の態様を含む要素の実行に必要な動作を実行させる１つ以上の命令を含む。

機械可読媒体を、データ処理システムによって実行されたときにシステムに様々な方法を実行させるソフトウェアおよびデータを格納するために使用することができる。実行可能なソフトウェアおよびデータを、例えばＲＯＭ、揮発性ＲＡＭ、不揮発性メモリ、および／またはキャッシュを含む様々な場所に格納することができる。このソフトウェアおよび／またはデータの一部を、これらの記憶装置の任意の１つに格納することができる。さらに、データおよび命令を、集中サーバまたはピアツーピアネットワークから取得することができる。データおよび命令の異なる部分を、異なる時点において、異なる通信セッションまたは同じ通信セッションにて、異なる集中サーバおよび／またはピアツーピアネットワークから取得することができる。データおよび命令の全体を、アプリケーションの実行前に取得することができる。あるいは、データおよび命令の一部を、動的に、ジャストインタイムで、実行のために必要なときに取得することができる。したがって、データおよび命令は、特定の時点において全体が機械可読媒体上に存在する必要はない。

コンピュータ可読媒体の例として、これらに限られるわけではないが、とりわけ揮発性および不揮発性メモリデバイス、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリデバイス、フロッピー（登録商標）および他のリムーバブルディスク、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体（例えば、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、など）、など、記録可能および記録不可能な種類の媒体が挙げられる。

一般に、機械可読媒体は、機械（例えば、コンピュータ、ネットワークデバイス、携帯情報端末、製造ツール、１つ以上のプロセッサの組を有する任意のデバイス、など）によるアクセスが可能な形態で情報を提供（例えば、格納）する任意の機構を含む。

様々な実施形態では、配線で接続された回路を、上述の技術を実施するためにソフトウェア命令と組み合わせて使用することができる。したがって、上述の技術は、ハードウェア回路およびソフトウェアのいかなる特定の組み合わせにも、データ処理システムによって実行される命令のためのいかなる特定のソースにも限定されない。

上述の実施形態および選択は、本発明の例示にすぎない。すべての可能な組み合わせまたは実施形態を概説または定義することは、この特許のために必要ではなく、意図されてもいない。本発明の発明者は、本発明の少なくとも１つの実施形態を当業者にとって実施可能にするための充分な情報を開示した。上記の説明および図面は、あくまでも本発明の例示にすぎず、構成要素、構造、および手順における変更が、以下の特許請求の範囲において定義されるとおりの本発明の技術的範囲から逸脱することなく可能である。例えば、上記および／または特許請求の範囲において特定の順序で記載された要素および／またはステップを、本発明から逸脱することなく別の順序で実行することが可能である。したがって、本発明を、その実施形態を参照しつつ具体的に示し、説明したが、それらにおいて、本発明の技術的思想および技術的範囲から逸脱することなく形態および詳細における種々の変更を行うことができることを、当業者であれば理解できるであろう。

Claims (19)

1. 光音響撮像の分野において、第１の音響応答を放出するように構成された第１の基準マーカサイトと第２の音響応答を放出するように構成された第２の基準マーカサイトとを備える光送出ユニットの音響受信ユニットに対する位置および向きを割り出すための方法であって、
   被験者のボリュームから、各々が座標基準フレームに対する異なるデータ収集位置において収集される複数の音響信号をサンプリングして記録するステップと、
   第１の基準マーカの応答および第２の基準マーカの応答を前記複数の音響信号の各々の音響信号において識別するステップであって、識別された各々の応答は、基準マーカサイトとデータ収集位置との間の隔たりを示しているステップと、
   前記第１の基準マーカの前記識別された応答の各々および前記第２の基準マーカの前記識別された応答の各々を使用することにより、前記座標基準フレームにおける前記光送出ユニットの位置および向きを割り出すステップと、
   を含む方法。
2. 前記第１の基準マーカおよび前記第２の基準マーカは、前記光送出ユニットによってもたらされる光エネルギーの吸収に起因する音響応答を生成する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の基準マーカが生成する応答は、前記光送出ユニットによってもたらされる第１の支配的な光エネルギー波長において、前記光送出ユニットによってもたらされる第２の支配的な光エネルギー波長における応答と比べて、より強い、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の基準マーカが生成する応答は、前記第２の支配的な光エネルギー波長において、前記第１の支配的な光エネルギー波長における応答と比べて、より強い、請求項３に記載の方法。
5. 前記応答を識別するステップは、
   前記第１の支配的な光エネルギー波長についての再構成サイノグラムにおいて比較的高い強度を有し、前記第２の支配的な光エネルギー波長についての再構成サイノグラムにおいて比較的低い強度を有する第１のターゲットの位置を特定するステップと、
   前記第１の支配的な光エネルギー波長についての前記再構成サイノグラムにおいて第２の比較的低い強度を有し、前記第２の支配的な光エネルギー波長についての前記再構成サイノグラムにおいて第２の比較的高い強度を有する第２のターゲットの位置を特定するステップと、
   前記第１の基準マーカの前記応答を前記位置特定された第１のターゲットからの応答として識別するステップと、
   前記第２の基準マーカの前記応答を前記位置特定された第２のターゲットからの応答として識別するステップと、
   を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記光送出ユニットの位置および向きを割り出すステップは、
   前記基準マーカサイトと前記データ収集位置との間の前記隔たりを説明するために適した構成へと、基準マーカ位置についての値を回転および平行移動させるための回転マトリクスおよび並進ベクトルの値を決定するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記隔たりは、サンプルを単位として測定された時間における隔たりであり、前記ボリュームにおける一定の音速を掛け算し、アナログ−デジタル変換器の一定のサンプリングレートで割り算することによって距離の隔たりに変換される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の基準マーカの前記応答は、前記第２の基準マーカの前記応答から区別することができる音響応答を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記複数の音響信号の各々を処理して、処理済み音響信号を生成するステップと、
   前記処理済み音響信号を使用して前記ボリュームの画像を表示装置へと出力するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記第１の基準マーカの前記識別された応答の各々は、区別可能な音響応答を含み、
    前記処理するステップは、前記複数の音響信号の各々から区別可能な音響応答を分離するステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 光エネルギーを被験者のボリュームへともたらすように構成された光エネルギー出口ポートを備えている光エネルギー送出ユニットと、
    前記ボリュームからの音響信号を受信するように構成された１つ以上の音響レシーバを備えている音響受信ユニットと、
    前記音響受信ユニットによって受信される音響応答を放出するように構成された基準マーカサイトと、
    前記音響受信ユニットによって受信された信号について、前記基準マーカサイトから放出されて受信される音響応答を用いて、前記音響受信ユニットに対する前記光エネルギー送出ユニットの相対位置を割り出すことを含む処理を実行するように構成された処理ユニットと、
    前記ボリュームを表す光音響画像を表示するように構成された表示ユニットと
    を備えるシステム。
12. 前記光音響画像は、少なくとも部分的には、前記割り出された相対位置を表すデータを使用することによって生成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記音響レシーバによって受信される音響応答を放出するように構成された追加の基準マーカサイト
    をさらに備え、
    前記処理ユニットによる処理は、前記基準マーカサイトから放出されて受信される音響応答および前記追加の基準マーカサイトから放出されて受信される音響応答を用いて、前記音響受信ユニットに対する前記光エネルギー送出ユニットの相対的な向きおよび前記相対位置を割り出すことをさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記基準マーカサイトおよび前記追加の基準マーカサイトは、前記光エネルギー送出ユニットの遠位表面に配置される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記光エネルギー出口ポートは、前記光エネルギー送出ユニットの前記遠位表面に配置される、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記処理ユニットによって実行される処理は、
    第１の座標基準フレームに対する位置の値のリストであって、前記基準マーカサイトについての位置および前記追加の基準マーカサイトについての位置を含むリストを読み出すステップと、
    前記位置の値のリストを第２の座標基準フレームに対する構成へと回転および平行移動させるための回転マトリクスおよび並進ベクトルの値を決定するステップであって、前記決定された値は、前記音響受信ユニットによって受信された前記信号の基準応答成分の伝播遅延を考慮する解を含むステップと、
    前記相対的な向きおよび前記相対位置を前記回転マトリクスおよび前記並進ベクトルによって生成するステップと
    をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記処理ユニットは、
    前記基準マーカサイトによって放出された区別可能な音響応答成分を、前記音響受信ユニットによって受信された前記信号の残りの成分から分離するステップと、
    前記残りの成分を使用して前記ボリュームの光音響画像を生成するステップと
    を実行するようにさらに構成されている、請求項１１に記載のシステム。
18. 前記処理ユニットは、
    前記光エネルギー送出ユニットが前記処理ユニットによって割り出されたとおりの前記音響受信ユニットの配置に対する第１の相対配置にあるときの前記ボリュームの第１の光音響表現を生成するステップと、
    前記光エネルギー送出ユニットが前記処理ユニットによって割り出されたとおりの前記音響受信ユニットの前記配置に対する第２の相対配置にあるときの前記ボリュームの第２の光音響表現を生成するステップと、
    前記ボリュームの前記第１の光音響表現と前記ボリュームの前記第２の光音響表現との間の差を計算するステップと、
    前記計算された差を表示するための画像を生成するステップと
    を実行するようにさらに構成されている、請求項１１に記載のシステム。
19. 前記処理ユニットは、前記光エネルギー送出ユニットおよび音響受信ユニットが光音響画像を形成するための適切な近さにある場合を判断するようにさらに構成されている、請求項１１に記載のシステム。

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