(57)【要約】【課題】解剖学的構造体を模倣するファントム装置であって、所定の動的挙動を使用して画像化装置の画像化性能が試験され、較正されることができるファントム装置を提供する。【解決手段】  解剖学的構造体を模倣するファントム装置であって、前記ファントム装置は、解剖学的構造体のグラフィックレイアウトを構成する区分された液晶エリアを含む少なくとも１つの電子デバイス層であって、それらの区分が、血管などの解剖学的構造体を模倣するさまざまな吸収特性の染料を含み、それらのエリアがさらに、解剖学的構造体の動的特性を模倣するように、それらの区分の吸収を変化させる電気的に制御可能な光学拡散および／または吸収要素を含む電子デバイス層を備える。
2008541829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
解剖学的構造体を模倣するファントム装置であって、
解剖学的構造体のグラフィックレイアウトを構成する区分されたエリアを含む少なくとも１つの電子デバイス層であって、
前記区分が、血管などの解剖学的構造体を模倣するさまざまな吸収特性の染料を含み、
前記エリアがさらに、前記解剖学的構造体の動的特性を模倣するように、前記区分の光学および／または超音波吸収を変化させる配向可能な拡散および／または吸収要素を含む電子デバイス層
を備えるファントム装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの電子デバイスを覆う組織層であって、前記解剖学的構造体を覆う組織を模倣する組織層をさらに備える、請求項１に記載のファントム装置。
【請求項３】
組織層の中に埋め込まれた複数の電子デバイス層を備える、請求項１または２に記載のファントム装置。
【請求項４】
前記組織層の厚さが増大する、請求項２に記載のファントム装置。
【請求項５】
前記区分されたエリアが、埋没構造体を画像化する画像化装置の分解能を試験するテストパターンを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のファントム装置。
【請求項６】
前記ファントム装置が変形可能であり、前記ファントム装置を所定の形態に変形させるアクチュエータを備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のファントム装置。
【請求項７】
前記電子デバイス層がポリマー分散液晶デバイスである、請求項１乃至６のいずれかに記載のファントム装置。
【請求項８】
埋没構造体を画像化する画像化装置を較正するために、前記ファントム装置の所定の動的挙動を表す信号を出力する出力ユニットをさらに備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のファントム装置。
【請求項９】
埋没構造体を画像化する画像化装置と、請求項８に記載のファントム装置とを備えるシステムであって、
前記画像化装置が、出力された前記信号を受け取る入力と、出力された前記信号に基づいて前記画像化装置の前記較正を調整するユニットと、を含むシステム。
【請求項１０】
前記画像化装置が赤外線カメラである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記画像化装置が超音波画像化装置である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記超音波画像化装置が、ハーモニック超音波画像化装置またはドップラー超音波装置である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
超音波画像化装置を較正する方法であって、
解剖学的構造体の動的特性を模倣するように、区分の超音波吸収を変化させる配向可能な拡散および／または吸収要素を含む少なくとも１つの電子デバイス層を使用すること、
を含む方法。
【請求項１４】
血管を模倣する２Ｄまたは３Ｄ領域に形成された隣接する液晶要素の吸収特性を、前記領域内の血流を模倣するために順次に変化させること、
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、解剖学的構造を模倣するファントム装置（ｐｈａｎｔｏｍ  ｄｅｖｉｃｅ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
写真や映画撮影のような、可視、赤外または紫外光放射を使用した画像化技法は当技術分野において一般に知られており、組織の表面を画像化し、測定し、特徴づけるために普通に使用される。生物組織の表面下に埋没した解剖学的構造体を検出し、表示する光学的画像化技法も記述されている。
【０００３】
生理的パラメータの値（心拍数、呼吸数、パルスオキシメトリなど）を検出し、表示する光学的画像化技法の原理も記述されている。例えばＷＯ１０／１５５９７に開示されているように、これらの原理のいくつかは、解剖学的画像化と生理的パラメータ画像化との組合せを提供する。上記公開特許文献は、さまざまな赤外波長を使用して埋没構造体を画像化する画像化装置を開示している。血液の酸化および他の関心のある生理的パラメータを得るために吸収比（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）が使用される。
【０００４】
上記画像化装置および従来技術の他の画像化技法に関連した問題の１つは較正が難しいことである。真の較正のためには、志願者に対する制御された酸素調査が実行され、これには多大な費用および労力がかかる。当技術分野のファントム装置は、画像化装置のある種の機能を試験することが知られているが、それらの装置は一般に、本来、静的であり、画像化装置を試験する臨床的に実行可能な解決方法を高い信頼性で再現することができない。知られている１つの装置が米国特許第６４００９７３号に記載されている。ポリマー分散液晶デバイスを使用して動脈血の脈拍を模倣する電子装置が開示されている。しかし、この装置は、画像化装置の画像化性能を試験するようには設計されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、その目的の１つとして、解剖学的構造体を模倣するファントム装置であって、所定の動的挙動を使用して画像化装置の画像化性能が試験され、較正されることができるファントム装置を提供することを有する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのために、本発明は、請求項１の特徴に基づくファントム装置を提供する。特に、本発明によれば、このファントム装置は、解剖学的構造体のグラフィックレイアウトを構成する区分された液晶エリアを含む少なくとも１つの電子デバイス層であって、それらの区分が、血管などの解剖学的構造体を模倣するさまざまな吸収特性の染料を含み、それらのエリアがさらに、解剖学的構造体の動的特性を模倣するようにそれらの区分の吸収を変化させる電気的に制御可能な光学拡散および／または吸収要素を含む電子デバイス層を備える。
【０００７】
ポリマー分散液晶デバイス中での色素の使用は、例えばＥＰ０４３４３６６から知られていることに留意される。しかし、この出願では、表示装置のコントラストを均一に増大させるために２色性色素が使用される。
【０００８】
区分されたエリア内のこれらのさまざまな染料は、例えば血管内の酸化の異なる段階に対応する複数のＤＣ成分を模倣するが、吸収の動的変化は、光を拡散させ、装置のトランスルーセンス（ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｃｅ）を変化させる散乱結晶によって実現されてよい。
【０００９】
一実施形態では、ファントム装置がさらに、前記少なくとも１つの電子デバイスを覆う組織層であって、前記解剖学的構造体を覆う組織を模倣する組織層を含む。特に、好ましくは、腕などの生物体の３Ｄ特性を模倣するために、これらの組織層の中に複数の電子デバイス層が埋め込まれる。その最も単純な形態では、ファントム装置が、画像化装置によって測定されることができる所定の一連の静的および動的試験パラメータを提供する。しかし、好ましくは、ファントム装置が、埋没構造体を画像化する画像化装置を較正するために、前記ファントム装置の所定の動的挙動を表す信号を出力する出力ユニットを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、添付図面を参照して本発明がさらに説明される。  
それらの図面では、同じまたは対応する特徴が、同じ参照符号を使用して参照される。
【００１１】
図１にはファントム装置１が示されており、この装置は、人間の腕などの物体の内部の血管の構造を写実的に表現するために、基板３上に埋め込まれた染色された構造体２を有する。図２に示された断面図から分かるとおり、染色された構造体は、好ましくは、通常の生物組織と同様の吸収、反射、散乱および透過特性を与える材料４によって覆われる。例えば脂肪層、骨などを表現するために、この構造体には、異なる光学特性を有する異なる領域が存在してよい。
【００１２】
染色された構造体２は、基板、好ましくはポリマー基板３上に提供され、この基板は、画像化装置５によって画像化される対象である血管などの解剖学的構造体を模倣するためにさまざまな吸収特性の染料で染色された区分されたエリアを収容する。さらに、これらのエリアには、前記解剖学的構造体の動的特性を模倣するようにそれらの区分の吸収を変化させるため、電気的に制御可能な光学拡散および／または吸収要素が提供される。一実施形態では、染色されたエリアに、電極を形成する導電性ゾーンによって形成された境界が提供される。このようにして、拡散／吸収要素の拡散／散乱特性を変化させるために、これらの要素を電気的に制御することができる。これらの特性を変化させることによって、結果として、画像化目的に使用される光学的放射の経路の長さが変化され、その結果、染色されたエリアの散乱および／または吸収特性、あるいは他の光学特性が変化する。このようにして、血管の拍動特性を模倣するために、血管の動的特性が模倣されることができる。それらの血管内の血液のさまざまな程度の酸化が模倣されうるように、さまざまな種類の染料を使用して、吸収特性が予め正確に決められる。特に、静脈および動脈血管が模倣されることができ、図２に示されているように、動脈血管は、最も深い電子デバイス６によって形成されてよく、静脈血管は、より表面近くに配置された電子デバイス３によって形成されてよい。デバイス３、６間には組織層７が提供される。
【００１３】
電子デバイス３、６では、適当な染料混合物で満たされたトレース（ｔｒａｃｅ）によって、管パターン２が形成されることができる。液体染料の場合、それらの染料は液晶流体と混合されることができる。異なるエリアに割り当てられたＬＣＤの散乱および吸収特性は、再現可能な方法で、電気的に調節することができる。図２に示された実施形態では、それぞれが異なる管パターンを有する２つのデバイスが積み重ねられている。最上位の層は、組織表面、例えば皮膚、嚢壁、胃壁などの光学特性を有する拡散層である。この最上位層の内部または表面には、例えば皮膚の色を模倣するために、天然発色団（例えばメラニン）または人工染料が組み込まれてよい。
【００１４】
図３は、好ましい一実施形態を概略的に示し、この図では、装置１が変形可能であり、前記装置１を所定の形態に変形させるアクチュエータ８を備える。このような実施形態は、組織ファントム１の動的な凸形または凹形の歪みを生み出すことを可能とする。曲面の規定された動的挙動は、試験され／較正される対象である装置の動的挙動を試験するのに非常に重要である（例えばこのような表面上の交番する反射（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ）は一時的な検出器の飽和（ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）につながることができる）。
【００１５】
最大で空間の３次元（Ｘ、ＹおよびＺ軸）までの、ならびに時間の経過に伴う（制御された動作速度）、明確に規定された動作を可能とする他の機械的アクチュエータが提供されてよい。画像化装置では、制限されたフレームレート、動作補償機構の正確さなどに起因するぼけ（ｂｌｕｒｒｉｎｇ）などのアーチファクトに対するチェックおよび調整手順を標準化するために、このような動的特徴が重要である。
【００１６】
図４は、本発明に係るファントム装置９の他の実施形態を示す。この装置では、区分されたエリアが、埋没構造体を画像化する画像化装置の分解能を試験するためのテストパターン１０、１１を含む。テストパターン１０は、図５の断面図から明らかなように、ファントム装置９の異なる深さに提供されてよい。他の実施形態（図示せず）では、組織層の厚さが増大するようにパターンが提供されてよい。このようなテストパターンを用いて、画像化装置の最大侵入深さを決定することができる。
【００１７】
図示されているように、組織に似た光学材料中に、いくつかのテストパターン（例えばさまざまなスペクトル挙動を有する、さまざまなピッチの平行線対１０および／または扇形に配置されたビーム（ｂｅａｍ）１１）が埋め込まれている。生理的信号（例えば呼吸および心拍動）を追加するために、これらのテストパターンに、電気的に制御可能なＬＣＤデバイスが組み合わせられることができる。スペクトル的に中立なグレースケールおよび参照色パターン（ＩＲを含む）が組み込まれてもよい。テストパターン１０、１１は、よく知られた３次元形状およびパターン（例えばスリット、トレンチ、シリンダなど）を有してよい。装置９の外面および内面は、身体の一部と密接に一致する凸凹な形状を有することができる。
【００１８】
このファントムは、血管のような埋没構造体の画像化を可能とする装置と組み合わされて、参照または訓練ツールとして使用することができる。ファントム上で、（例えば針で）穿刺するのに適した軟質材料の領域が、その下の標的（例えば管パターン）と組み合わされて使用されてよい。このことは、使用者が、手術、注射または採血の技能を実践することを可能とするであろう。それは、組織表面下を画像化する異なる装置の機能パラメータを比較するための、明確に規定された反復可能な方法ともなろう。
【００１９】
図６は、ファントム１に、中央処理ユニット１２と、１つまたは複数の光学検出器１３と、生理的参照信号を提供する接続１４と、較正されまたは試験される対象である装置１６との通信手段１５とが備え付けられることができることを示す。組織から生理的パラメータを光学的に抽出するいくつかの装置は、受け入れられた臨床的パラメータを、当技術分野で一般に知られている方法によって利用するように設計されている。
【００２０】
一般に、これは、図７に示されているような、心電図（ＥＣＧ）、伝統的なパルスオキシメータから得られたフォトプレチスモグラフィトレース（ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｔｒａｃｅ）、人工呼吸器または患者モニタからの呼吸信号、動的血圧などの生理的記録であるだろう。特に、図７Ａは、カメラから得られた反射率モードフォトプレチスモグラフィ信号の一例（下側の２つのトレース）を示す。上側の３つのトレースは、臨床装置（ＨＰ患者モニタおよびＮｅｌｌｃｏｒパルスオキシメータ）を使用して得られた参照信号である。図７Ｂは、カメラから得られた信号と比較された２つの参照トレース（呼吸およびパルスオキシメータプレチスモグラフィ出力）のフーリエスペクトルを示す。
【００２１】
この装置は既に、ＬＣＤデバイスを調節するために、これらのような信号を生成する必要がある。このことは、当分野によって受け入れられた標準的な接続を使用して、これらの信号を外部から入手することも可能とする。これらの信号を提示するだけではなく、（例えばディジタル通信プロトコルを使用して）それらの設定値をも提示することによって、自動較正を実行することができる。
【００２２】
たとえ自動調整が望まれていない場合であっても、このファントムは、記憶された波形または画像と実際に得られた波形または画像との間の比較を提供することができる。このファントムと両立する装置（および両立しない装置）の自動認識は、前述の通信バスによって、および／またはファントムの中の光学検出器によって受信された信号を参照パラメータと比較することによって、達成することができる（すなわち、通信バスを介して、装置がそれ自体をモデルＸとして提示するが、異なる特性の波長または変調を送った場合、両立性は保証されず、例えばエラーメッセージが表示されうる）。
【００２３】
図８は、較正される対象である他の画像化装置を示す。特に、画像化装置は超音波画像化装置１７である。というのは、液晶デバイス１９の電子的に配向可能な結晶１８は、ファントム装置の音響特性を変化させる際にも有効であることが分かっているためである。確かに、このファントム装置では、コントローラ２０によって電気的に制御されたときに、超音波に対する液晶材料の散乱挙動も変化することが示されることができる。したがって、個別に制御可能な超音波散乱ボリューム要素の３次元アレイを構築することが可能である。
【００２４】
伝統的な超音波ファントムでは、交換可能な機械的部品、液体またはゲルを有する液体またはゲルで満たされたファントムを使用して、動的な散乱挙動を達成することができる。このような装置はあまり安定でなく、輸送するのが難しい。
【００２５】
対照的に、ＰＤＬＣなどの液晶デバイスは非常に安定であり、固体の構成部品のようにふるまう。それらの液晶デバイスの再現性は優れており、個別に制御可能な区分は、複雑で詳細な３次元構造体（「ホログラフィ構造体シミュレータ」）に統合することができる。
【００２６】
（図８から分かるように、３Ｄ血管を模倣し、または、本特許出願の光学的挙動についての項で以前に説明したようにも成形された）既知の可変散乱特性を有する３Ｄ構造体２１は、一般的なエコースコピー（ｅｃｈｏｓｃｏｐｉｃ）画像化装置の較正ツールとして使用することができる。
【００２７】
非散乱液体から散乱液体への散乱挙動の連続的な可変性のため、さまざまな構造体間のコントラストを識別するコントラストレベルを決定することができる。このコントラストレベルは、エコースコピー画像化品質の指標である。
【００２８】
このＰＤＬＣ技法は、（非線形散乱挙動を使用して画像を形成する）ハーモニック超音波画像化装置の較正にも大いに適用可能である。代表的な応用は、例えばシミュレートされた嚢（ｂｌａｄｄｅｒ）内の液体体積の段階的な可変散乱レベルを有するブラダスキャン（ｂｌａｄｄｅｒｓｃａｎ）較正ファントムであろう。
【００２９】
ＰＤＬＣ技術は、ドップラー超音波装置を較正するためにも使用することができる。一列に配置された多くのＰＤＬＣ要素の散乱挙動を順次に変更することによって、拍動性血流の伝搬を模倣することができる。区分のピッチおよび区分励起のタイミングを非常に正確に制御することができるため、シミュレートされた拍動性血流の明確に決定された時間／速度プロファイルを生成することができる。
【００３０】
ドップラーシステム用の既存の較正装置は、液体またはゲルファントムの中に微粒子（例えばラテックス球）の懸濁液をポンプ送入する。微粒子は散乱する傾向があり、可搬性が非常に限定されるため、これらの装置は扱いにくい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るファントム装置の第１の実施形態を示す図である。
【図２】図１のファントム装置の断面図である。
【図３】本発明に係るファントム装置の好ましい一実施形態の概略図である。
【図４】本発明に係るファントム装置の第２の実施形態を示す図である。
【図５】図４のファントム装置の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図６】本発明に係るファントムの他の実施形態を示す図である。
【図７】心電図、伝統的なパルスオキシメータから得られたフォトプレチスモグラフィトレース、人工呼吸器または患者モニタからの呼吸信号、動的血圧などの生理的記録を示す図である。
【図８】本発明に係るファントム装置によって較正される対象の他の画像化装置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2008541829.tif 000011
2008541829.tif 000012