JP2015093007A - 被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定を簡便に行うことができ、かつ、測定結果の術者依存が少ない被検体情報取得装置を提供する。
【解決手段】音響波およびレーザ光を透過する透過部材を一部に有する筐体と、前記筐体の内部に配置され、前記透過部材を介して被検体にレーザ光を照射する光照射部１２と、前記筐体の内部に配置され、前記透過部材を介して音響波を受信する音響波探触子１１と、前記筐体の内部に配置され、前記光照射部１２および前記音響波探触子１１を前記筐体に対して相対的に移動させる走査機構１３と、を有し、前記筐体が前記被検体上で移動可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体内の情報を取得する被検体情報取得装置に関する。

光を用いて、生体内部の情報を非侵襲で取得する光音響イメージング技術の研究が進められている。パルスレーザ光などの計測光を被検体に照射すると、計測光が被検体内の生体組織で吸収され、膨張する際に音響波が発生する。この発生した音響波（光音響波とも呼ばれ、典型的には超音波である）を受信し、解析することにより、被検体内部の光学特性に関連した情報を可視化することができる。このような技術は、光音響トモグラフィ（ＰＡＴ：Photoacoustic Tomography）と呼ばれている。

光音響トモグラフィによる測定装置（以下、光音響測定装置）では、広い範囲から音響波を受信するために、音響波の受信を行うプローブを被検体に対して走査させる構成が広く採用されている。
例えば、特許文献１には、被検体を二枚の保持部材で挟持し、保持部材の表面をプローブが走査するタイプの光音響測定装置が記載されている。また、特許文献２には、可搬型の光音響プローブを用いて、手動で被検体表面をスキャンするタイプの光音響測定装置が記載されている。

特開２０１１−１２５５７１号公報 特開２０１２−２３１９８０号公報

従来の光音響測定装置には、測定結果が術者に依存するという問題があった。
例えば、特許文献１に記載された装置のように、保持部材を用いて被検体の圧迫保持を行う装置では、被検体を十分に引き伸ばして保持部材に密着させる必要がある。もし、被検体の引き伸ばしが不十分な状態で測定を行うと、被検体の深部までレーザ光が到達せず、測定精度が低下してしまう。また、被検体の表面にしわが生じていると、音響波の反射が発生してしまい、同様に測定精度が低下してしまう。すなわち、術者の技能によって測定結果が変わってしまう。
また、特許文献２に記載の装置のように、可搬型のプローブを用いて手動で走査を行う場合、プローブの動かし方によって測定結果が変化してしまう。

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、測定を簡便に行うことができ、かつ、測定結果の術者依存が少ない被検体情報取得装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る被検体情報取得装置は、
音響波およびレーザ光を透過する透過部材を一部に有する筐体と、前記筐体の内部に配置され、前記透過部材を介して被検体にレーザ光を照射する光照射部と、前記筐体の内部に配置され、前記透過部材を介して音響波を受信する音響波探触子と、前記筐体の内部に配置され、前記光照射部および前記音響波探触子を前記筐体に対して相対的に移動させる走査機構と、を有し、前記筐体が前記被検体上で移動可能であることを特徴とする。

本発明によれば、測定を簡便に行うことができ、かつ、測定結果の術者依存が少ない被検体情報取得装置を提供することができる。

第一の実施形態に係る光音響測定装置のシステム構成を示す図。 第一の実施形態に係る光音響測定装置の斜視図。 第一の実施形態に係る測定ユニットの斜視図。 第一の実施形態に係る測定ユニットの断面図。 第一の実施形態に係る測定ユニットのレーザ光路を説明する図。 第二の実施形態に係る光音響測定装置のシステム構成を示す図。 第二の実施形態に係る測定ユニットのレーザ光路を説明する図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照符号を付して、説明を省略する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態に係る光音響測定装置は、レーザ光を被検体に照射し、当該レーザ光に起因して被検体内で発生した音響波を解析することで、被検体である生体内部の光学特性に関連した情報を画像化する装置である。光学特性に関連した情報とは、光に起因して発生する音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、光の吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布などである。

<システム構成>
まず、図１を参照しながら、第一の実施形態に係る光音響測定装置のシステム構成を説明する。本実施形態に係る光音響測定装置は、測定ユニット１、レーザユニット２、制御部３、画像処理部４、表示部５を有している。また、測定ユニット１は、トランスデューサ１１、照射部１２、走査機構１３、撮影部１４を有している。
本実施形態に係る光音響測定装置は、レーザユニット２によって発生したレーザ光を測定ユニット１に導き、レーザ光を被検体に照射し、被検体内部で発生した音響波をトランスデューサ１１で受信し、電気信号に変換する。これを画像処理部４で解析することにより、被検体内部の情報（断層像、光学特性値の分布など）を取得することができる。
以下、本実施形態に係る光音響測定装置を構成する各手段について説明する。

レーザユニット２は、被検体に照射するパルス光を発生させる装置である。光源は、大出力を得るためレーザ光源であることが望ましいが、レーザの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いることもできる。光源としてレーザを用いる場合、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なものが使用できる。
また、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。被検体が生体である場合、光源から発生するパルス光のパルス幅は１０〜５０ナノ秒程度が好適である。また、パルス光の波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、被検体が生体である場合、４００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下であることが望ましく、更に、生体内において吸収が少ない、７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
レーザユニット２で発生するパルス光を以下、計測光と称する。

導光部２１は、レーザユニット２で発生したレーザ光を測定ユニット１に導く手段であり、光学素子や光ファイバ、ミラーやプリズムといった光学部材からなる。光ファイバを
用いて導光する場合、大光量の伝送と可撓性を両立できるバンドルファイバを用いることが好ましい。また、空中伝播によってレーザ光を測定ユニット１まで導いてもよい。

制御部３は、本実施形態に係る光音響測定装置の制御を司る手段である。具体的には、レーザの発光制御、照射部およびトランスデューサの走査制御、トランスデューサによって受信した信号のデジタル変換等を行う。

画像処理部４は、制御部３が変換したデジタル信号を処理し、被検体内の吸収係数の分布を表す二次元または三次元の画像データを生成する手段である。画像の生成には、整相加算や、微分処理した信号を重ね合わせるユニバーサルバックプロジェクション法のような既知の方法を用いることができる。生成された画像は、表示部５（例えば液晶ディスプレイ等）によって利用者に提示される。
なお、制御部３および画像処理部４は、ＣＰＵと主記憶装置、および補助記憶装置を有するコンピュータであってもよいし、専用に設計されたハードウェアであってもよい。

次に、測定ユニット１を構成する要素について説明する。
測定ユニット１は、導光部２１によって導光されたレーザ光を被検体に照射し、被検体から到来する音響波を受信するユニットである。

トランスデューサ１１は、被検体の内部で発生した音響波を、機械電気変換素子（以下、変換素子）によってアナログの電気信号に変換する手段である。トランスデューサ１１は、音響波検出器、音響波探触子、あるいは単に探触子とも呼ばれる。なお、本発明における音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、光音響波、光超音波と呼ばれる弾性波を含む。
また、トランスデューサ１１は、感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。具体的にはＰＺＴ（圧電セラミックス）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン樹脂）、ＣＭＵＴ（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）、ファブリペロー干渉計を用いたものなどが挙げられる。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、トランスデューサとしての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。
また、光音響測定によって三次元画像を再構成する場合、画像分解能の方向依存性を少なくするため、二次元に配列された変換素子を用いることが好ましい。

照射部１２は、被検体に対して計測光を照射する手段である。照射部１２は、レンズやミラー、拡散板、光ファイバ等の光学部材で構成されており、導光部２１によって導光されたレーザ光を被検体表面まで導く。具体的な導光方法については後述する。
照射部１２が、本発明における光照射部である。

走査機構１３は、照射部１２およびトランスデューサ１１を、少なくとも一方向に並進、回転移動させる機構である。
被検体表面の広い領域から音響波を受信する方法として、対象の領域全面に変換素子を配列する方法と、走査機構を用いて比較的小規模な変換素子群を機械的に走査させる方法があるが、コストを考慮すると、走査機構を用いる方式が好ましい。走査機構１３によって、トランスデューサ１１および照射部１２を移動させながら走査することで、複数の位置で音響波を受信することができ、広い範囲に対して測定を行うことができる。機構の具体的な配置については後述する。

<光音響測定装置の構造>
次に、第一の実施形態に係る光音響測定装置の構造を、装置の斜視図である図２を参照しながら説明する。本実施形態に係る光音響測定装置は、仰臥位の被検者の乳房を測定する装置である。
測定ユニット１は、アーム６を介して装置の支柱６２と接続されている。また、アーム６は、複数のジョイント６１を有しており、これにより、測定ユニット１を被検体上の任意の位置に移動させることができる。ジョイント６１は、複数の自由度を持つジョイントであってもよいし、単一の自由度を持つジョイントを複数組み合わせたものであってもよい。また、アーム６はロック機構を有していてもよい。これにより、測定ユニット１を三次元方向に移動させ、所望の姿勢で被検者に密着させた状態で固定することができる。
なお、アーム６が本発明における支持機構である。
寝台７は、被検者９を載置する台であり、本発明における被検体載置部である。術者８が使用しやすいように、台の高さや位置を調整する調整機構（不図示）を有している。

<測定ユニットの構造>
次に、測定ユニット１の構造を、図３および図４を参照しながら説明する。
図３は、測定ユニット１の外観図である。測定ユニット１を構成する各要素は、筐体１０に格納されている。術者は、ハンドル１０３を把持して、筐体１０を被検者９の所望の位置に移動させ、所望の姿勢で押し付けた状態で測定を行う。

筐体１０は、透過部材１０１および遮光カバー１０２により構成されている。透過部材１０１は、被検者の被検部位と密着する部分であり、被検体に照射する計測光と、被検体内で発生した音響波が透過する部材で構成される。透過部材１０１は、被検体と音響インピーダンスが近い部材で構成されることが好ましい。測定ユニットは被検体に密着させて使用するため、透過部材の音響インピーダンスを被検体と整合させることで、透過部材１０１の表面で発生する音響波の反射を抑制することができる。さらに、透過部材１０１は薄い部材で構成することが好ましい。これにより、発生した音響波の減衰を抑制することができる。

遮光カバー１０２は、被検体に照射される計測光（すなわちレーザ光）を遮光する機能を有する部材であり、本発明における遮光部材である。本実施形態では、筐体１０の透過部材１０１以外の部分は遮光カバー１０２からなる。これにより、術者８および被検者９の目をレーザ光から保護することができる。
なお、遮光カバー１０２は、少なくとも計測光を遮光できる材質であればよい。例えば、計測光が近赤外光である場合、近赤外光を透過させない材質であればよい。また、計測光以外の波長の光を透過する材質であってもよい。例えば、可視光等を透過する材質で構成してもよい。可視光を透過する材質で構成することにより、筐体と被検者との接触状態を筐体の外部から確認できるようになる。

さらに、筐体１０は、透過部材１０１と被検体が接触する部分の状態を確認するためのモニタ５１を備えている。モニタ５１には、被検体と透過部材１０１の接触状態が表示される。これにより、例えば被検体にしわが寄っていたり、被検体と透過部材１０１の間に気泡が混入していたりしないかを画像で確認することができる。モニタ５１に表示するための画像を撮影するカメラについては後述する。

次に、測定ユニット１の断面図である図４を参照しながら、測定ユニット１の内部構造を説明する。
測定ユニットの内部には、被検体にレーザ光を照射する手段である照射部１２と、被検体から発生した音響波を受信するトランスデューサ１１が内蔵されている。また、照射部１２およびトランスデューサ１１を走査させるための走査機構１３が内蔵されている。これにより、照射部１２およびトランスデューサ１１を移動させながら計測光の照射と音響波の受信を繰り返し行うことができる。

走査機構１３は、照射部１２およびトランスデューサ１１を、透過部材１０１と平行な
平面に沿って移動させるように配置されている。なお、照射部１２およびトランスデューサ１１は、同一のステージ（不図示）に載置されていることが好ましい。もし、照射部１２をトランスデューサ１１と異なるステージに搭載した場合には、両ステージの位置制御の同期が必要になり、制御が複雑になるためである。また、トランスデューサ１１のみを機械走査し、照射部１２を固定した場合、所望の位置に十分な強度のレーザ光を照射することが困難になるためである。両者を同一のステージに載置することで、常にトランスデューサ１１の近傍に計測光を照射することができ、かつ、装置をコンパクトにすることができる。

本実施形態における測定ユニット１は、筐体と被検体との接触面を撮影するための撮影部１４を有している。撮影部１４は、被検体表面を撮影するカメラと照明（いずれも不図示）から構成されている。カメラは、走査機構１３から見て、透過部材１０１の逆側の、測定エリア全体を撮影できる位置に配置されている。なお、本実施形態では一つのカメラを用いているが、二つ以上のカメラを配置し、画像を合成するようにしてもよい。カメラによって撮影された画像は、遮光カバー１０２上に設けられたモニタ５１に出力される。
なお、照射部１２およびトランスデューサ１１は、測定時以外は、走査機構１３によってカメラの撮影エリア外に退避させることが好ましい。カメラの撮影範囲内に照射部１２とトランスデューサ１１が滞在している状態では、被検体表面を確認する際の障害になるためである。

術者８は、光音響測定を開始する前に、モニタ５１に表示された画像を見ながら、透過部材１０１と被検体との接触状態を確認することができる。例えば、被検体が被検者９の乳房である場合、術者８は透過部材１０１と乳房の間に気泡が混入していないか、乳房表面にしわが発生していないかを確認し、必要に応じて測定ユニットを再設置することができる。
なお、より詳細に確認したい部分が画像上にある場合、その部分を拡大表示するようにしてもよい。例えば、モニタ５１をタッチパネルで構成し、ピンチイン・ピンチアウト操作によって表示画像の拡大および縮小を行うようにしてもよい。
また、光音響測定を行う際に、術者８が、モニタ５１上のカメラ画像を用いて、測定を行う範囲を指定するようにしてもよい。例えば、モニタ５１をタッチパネルで構成し、タッチ操作やドラッグ操作によって撮像範囲を指定できるようにしてもよい。また、光音響測定が完了した後、画像処理部４で生成した画像をモニタ５１に表示するようにしてもよい。すなわち、表示部５をモニタ５１と兼用してもよい。これにより術者は、手元で画像を見ながら測定の成果を確認することができる。

なお、筐体１０の内部には、音響インピーダンスを整合させるための液体が密封されている。このような液体としては、水、ひまし油などがあげられる。当該液体は、透過部材１０１と同様に、被検体と音響インピーダンスが近い液体であることが好ましい。第一の実施形態では、これを音響マッチング液と称する。音響インピーダンスの整合を取ることにより、各部材表面における音響波の反射を抑制し、トランスデューサが受信する音響波の音圧を高くすることができる。
また、筐体内を音響マッチング液で充填することで、トランスデューサと透過部材との間に常に音響マッチング材が介在するようになるため、測定ユニットの姿勢にかかわらず、部材間の音響インピーダンス整合が保たれた状態となる。なお、筐体１０は、外部に音響マッチング液が漏れださないようなシール機能を有している。

次に、筐体１０の内部におけるレーザ光の光路について、図５を参照しながら説明する。レーザユニット２により生成されたレーザ光は、導光手段である光ファイバ２１１を介して測定ユニットに供給される。光ファイバを用いて導光することで、測定ユニットがどのような位置および姿勢にある場合であっても、確実に計測光を供給することができる。

光ファイバ２１１によって測定ユニットの内部に供給されたレーザ光は、ミラーもしくはプリズムによって照射部１２に導かれる。筐体の内部において、光ファイバを用いて導光することも不可能ではないが、光ファイバは曲率半径が大きいため、走査機構１３によって移動する照射部１２に直接光ファイバを取り付けると、光ファイバが移動する空間を筐体内に確保する必要がある。従って、測定ユニット１をコンパクトにするためには、筐体内において、ミラーもしくはプリズムを用いて導光することが望ましい。

第一の実施形態によると、被検体に対して自由に移動可能な筐体の内部に測定系を格納し、筐体に対して相対的に移動させることで、測定系の位置を固定した状態で測定を行うことができる。このように構成することで、従来のように、被検体の一部を挟持する必要がなくなるため、測定が簡便になる。また、測定ユニットを被検者に押し付けるだけで所望の範囲に対する測定が行えるため、測定結果が術者の技能に左右されなくなる。

（第二の実施形態）
第二の実施形態は、第一の実施形態に対して、測定ユニットの筐体内部に充填された音響マッチング液を循環させる手段と、当該音響マッチング液の温度を調節する手段を追加した実施形態である。
図６は、第二の実施形態に係る光音響測定装置のシステム構成図である。温度調節部１５および循環制御部１６以外の構成は、第一の実施形態と同様である。

温度調節部１５は、音響マッチング液の温度を所定の温度に調節する手段である。例えば、内蔵されたヒータ等によって液体の温度を調節する。温度調整部１５が、本発明における温度調整手段である。
また、循環制御部１６は、所定の温度となった液体を筐体内に送り出すポンプである。循環制御部１６は、所定の流量で音響マッチング液を送出することで、当該液体を循環させる。図７は、温度調節部１５および循環制御部１６の配置を説明する図である。

第二の実施形態によると、筐体１０の内部に充填された音響マッチング液の温度を調節し、循環させることで、音響波の伝搬経路上の温度を一定に保つことができる。音響波の音速は温度によって変化するため、音響波の伝搬経路上の温度を一定にすることで、測定結果の変動を抑制することができる。また、レーザ光による筐体内部の温度上昇を防ぐことができる。さらに、測定ユニットと被検者が接触する部分の温度を被検者体温に近づけることで、被検者の不快感を軽減することができる。

（変形例）
なお、各実施形態の説明は本発明を説明する上での例示であり、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更または組み合わせて実施することができる。例えば本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む被検体情報取得装置の制御方法として実施することもできる。上記処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。

例えば、実施形態の説明では、仰臥位の被検者を測定する例を示したが、本発明に係る被検体情報取得装置は、伏臥位、座位または立位の被検者に対しても測定を行うことができる。また、被検者を載置する手段は、寝台であってもよいし、椅子であってもよい。

１・・・測定ユニット、２・・・レーザユニット、６・・・アーム、１１・・・トランスデューサ、１２・・・照射部、１３・・・走査機構

Claims (9)

1. 音響波およびレーザ光を透過する透過部材を一部に有する筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、前記透過部材を介して被検体にレーザ光を照射する光照射部と、
   前記筐体の内部に配置され、前記透過部材を介して音響波を受信する音響波探触子と、
   前記筐体の内部に配置され、前記光照射部および前記音響波探触子を前記筐体に対して相対的に移動させる走査機構と、
   を有し、
   前記筐体が前記被検体上で移動可能である
   ことを特徴とする、被検体情報取得装置。
2. 被検体を載置する被検体載置部をさらに有し、
   前記筐体は、前記被検体載置部に対して移動可能である
   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. アームを介して前記筐体を支持する支持機構をさらに有し、
   前記筐体は、前記支持機構によって移動可能に構成される
   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。
4. 前記支持機構は、被検体に対する前記筐体の姿勢を変更する機構をさらに備える
   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. 前記筐体内に、音響インピーダンスを整合させるための液体が密封されている
   ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
6. 前記筐体内に密封された液体の温度を調整する温度調整手段をさらに有する
   ことを特徴とする、請求項５に記載の被検体情報取得装置。
7. 前記筐体の少なくとも一部が、前記レーザ光を遮光する遮光部材からなる
   ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
8. 前記筐体の内部に配置された、前記透過部材と被検体とが接触する部分を撮影するカメラと、
   前記カメラが撮影した画像を表示するモニタと、
   をさらに有する
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
9. 前記筐体の外部に配置された、レーザ光を発生させる光源と、
   前記光源と前記光照射部とを結ぶ導光手段と、
   をさらに有し、
   前記導光手段は、筐体の外部において前記レーザ光を光ファイバによって導光し、筐体の内部において前記レーザ光をミラーもしくはプリズムによって導光する
   ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。

Images