(57)【要約】  光音響イメージングで用いられるセンサアレイ（１０）をイメージングされる組織に対して横方向に走査して、複数の相対的な横方向位置における複数の組織画像（７０、７１、７２、７３）を集めて、複数の相対的な横方向位置において撮られた画像を組み合わせて組織の光音響画像（８０）を生成することによって、光音響イメージングを向上させる。
2015500064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織の光音響イメージング方法であって、
光の源で前記組織を光音響的に刺激するステップと、
前記組織の周りに配置され間隔の空いた複数のトランスデューサによって、前記組織から光音響的に発生した音響信号を取得するステップと、
共通の変位距離及び方向で前記組織に対して相対的に各トランスデューサを再配置するステップと、前記刺激するステップ及び前記光音響的に発生した音響信号を取得するステップを繰り返すステップと、
前記取得するステップで取得された音響信号を組み合わせることによって、前記組織の画像を生成するステップと、を備えた方法。
【請求項２】
前記トランスデューサが表面に機械的に取り付けられている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記表面が滑らかに湾曲した表面である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記表面が半球である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記光の源がパルス光を発生させる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光の源が、連続的変調光の変調パルスを発生させる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光がレーザ光である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光の源が中心光源を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
各トランスデューサを再配置するステップ、前記組織を光音響的に刺激するステップ、及び、前記光音響的に発生した音響信号を取得するステップを更に１回以上繰り返すステップを更に備えた請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記組織に対して相対的に各トランスデューサを再配置するステップが、前記センサを静止させたままで前記組織を移動させるステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記組織に対して相対的に各トランスデューサを再配置するステップが、前記組織を静止させたままで前記センサを移動させるステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記組織に対して相対的に各トランスデューサを再配置するステップが、前記センサ及び前記組織を移動させるステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光音響的に刺激するステップ及び前記取得するステップが、前記再配置するステップの前及び後に行われるが、前記再配置するステップ中には行われない、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記組織の画像を生成するステップが、
前記組織の複数の画像を生成するステップであって、各画像が、前記取得するステップ及び前記光音響的に刺激するステップの各繰り返しによって生成される、ステップと、
前記複数の画像を前記組織の一つの画像に組み合わせるステップと、を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の画像を組み合わせるステップが、前記共通の変位距離及び方向で間隔の空いた各画像の点を組み合わせるステップを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記光音響的に刺激するステップ及び前記取得するステップが、前記再配置するステップ中に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記組織の画像を生成するステップが、複数回の取得するステップで取得された音響信号から画像の点を生成する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記画像を生成するステップが、各センサが音響信号を取得した時点における前記組織に対する相対的な各センサの変位位置の計算結果を用いて、音響信号を組み合わせるステップを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記再配置するステップ及び前記繰り返すステップが、前記トランスデューサと前記組織との間の相対的な移動の矩形パターンを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記再配置するステップ及び前記繰り返すステップが、前記トランスデューサと前記組織との間の相対的な移動の矩形パターンを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記再配置するステップ及び前記繰り返すステップが、前記トランスデューサと前記組織との間の相対的な移動の円形パターンを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記再配置するステップ及び前記繰り返すステップが、前記トランスデューサと前記組織との間の相対的な移動の螺旋パターンを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記光音響的に刺激するステップと前記組織から音響信号を取得するステップとの間において、前記組織に対して相対的に各トランスデューサを回転させて再配置するステップを更に備えた請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響コンピュータトモグラフィ（ＰＡＴ又はＰＣＴ，ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｃｏｍｐｕｔｅｄ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）（光音響トモグラフィ（ＯＡＴ，ｏｐｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）としても知られている）に関する。
【背景技術】
【０００２】
変調光源からの光の吸収を用いて、光が吸収された生体組織（例えば乳房組織）における音響放出（アコースティックエミッション）を刺激することができる。一般的な光源の一つは、電磁スペクトルの近赤外領域（波長＝７００〜１２００ｎｍ）で動作するレーザである。最も一般的なタイプの光変調では、短期間パルス（５〜２００ナノ秒）を用いて、１秒当たり１０〜１０００回のパルスを発する。典型的には、２５回の連続的な音響放出が、医療用超音波周波数範囲（１秒当たり１００００００〜２０００００００サイクル）内に入る。それらの放出は、略１５００メートル／秒で組織を通り抜け、組織表面の外に配置された音響センサアレイによって検出され得る。典型的には、こうしたアレイは、湾曲表面（一般的には球形又は円筒形）に機械的に取り付けられた６４〜５１２個のセンサで構成されるが、他の湾曲表面も使用可能である。検出された音波に適用される画像再構成用の数学的アルゴリズムを用いて、組織における光吸収パターンの三次元（３Ｄ）画像を形成することができ、この方法は、一般的に光音響トモグラフィ（ＰＡＴ）と呼ばれている。
【０００３】
こうした方法の説明は、特許文献１及び特許文献２（これらの全内容は参照として本願に組み込まれる）に見出すことができる。特に、この方法で形成された３Ｄ‐ＰＡＴ画像は、血管及び腫瘍を主に描画する。何故ならば、近赤外の光は、主に、血液及び悪性腫瘍中に濃縮されているヘモグロビンによって吸収されるからである。また、その画像を用いて、静脈投与される光吸収性造影剤を検出することもできる。
【０００４】
本出願人は、組織のイメージングにおける超音波及び光音響超音波の使用に関する特許を以前に取得しており、そうした特許として、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８が挙げられる。これらの特許は全て参照として本願に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５７１３３５６号明細書
【特許文献２】米国特許第６１０２８５７号明細書
【特許文献３】米国特許第６１０４９４２号明細書
【特許文献４】米国特許第６２１６０２５号明細書
【特許文献５】米国特許第６２９２６８２号明細書
【特許文献６】米国特許第６４９０４７０号明細書
【特許文献７】米国特許第６６３３７７４号明細書
【特許文献８】米国特許第７７７４０４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半球アレイを用いた三次元ＰＡＴイメージングの従来の実施形態では、イメージングされる組織（例えば、乳房）の一部を照射する光の静止ビームを使用していた。半球アレイが垂直軸周りに回転するにつれて、光源がパルスを発する。この幾何学的形状においては、検出器アレイの各素子が、半球の曲率中心を“指す”。この中心点は、平坦なディスク状トランスデューサの各々の中心を通る光線の交点に存在し、そのトランスデューサの表面は、中心と交差する光線に対して９０度に向けられる。こうした検出器は、曲率中心の方向、つまり“軸上”方向から検出器の前面に当たる光音響信号に対して最も感度が高いという性質を有する。軸外角度が大きくなるにつれて、トランスデューサは軸外感度の低下を示す。結果として、ＰＡＴイメージングシステムは、アレイの曲率中心近くに位置する組織からの光音響信号を最大感度で検出し、その感度は、回転中心からの距離が増えるのと共に、減少する。従って、ＰＡＴシステムは、回転中心に中心がある限られたボリューム内部においてのみ有用な３Ｄ画像を生成する。
【０００７】
従来の実施形態のＰＡＴシステムによってイメージング可能なボリュームは、半球アレイの半径を大きくすることによって、増大可能であるが、大ボリュームの組織（例えば、１０００ｍＬの乳房）をイメージングしようとすると、半球のサイズが極めて大きくなる。トランスデューサの物理的サイズ（典型的には直径３〜５ｍｍ）を減少させることによって、軸外感度を上昇させることもできるが、これは、全体的な感度を望ましくなく低下させ、組織内に生じる一般的に弱い光音響信号を検出するのに必要な感度よりも低くなる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の原理に従って、ＰＡＴスキャナの従来の実施形態における感度の問題に対して代替策が適用される。具体的には、光音響データを取得しながら、半球アレイを平面内で横方向に、例えば直線状（右左、前後）に走査することによって、感度が改善される。重要なのは、この平面走査が、従来技術の実施形態において知られている半球アレイの回転走査とは独立して行われるという点である。一部実施形態では、回転及び走査が共に行われ、他の実施形態では、平面走査全体にわたって、半球アレイを回転させない。いずれの場合においても、正味の効果は、位置が固定されていて走査全体にわたって同じボリュームを常に指している半球アレイでイメージング可能なものよりも大きなボリュームの組織全体にわたってスキャナの高感度ボリュームを多様に配置するというものである。
【０００９】
本発明の原理に従った平面走査は、静止試験テーブルの下でアレイを移動させ、イメージングされる患者を支持することによって、又は、回転のみが可能な静止アレイの上にテーブルを支持する試験テーブルを移動させることによって、行われ得る。
【００１０】
上述の及び他の利点は、添付図面及び以下の本発明の原理の詳細な説明を参照して、明らかになるものである。
【００１１】
本明細書に組み込まれてその一部を成す添付図面は、本発明の実施形態を例示し、上述の本発明の一般的な説明及び以下の実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＰＡＴスキャナの全体構造を示す断面図である。
【図２】図１のスキャナの半球センサアレイの幾何学的形状の詳細を示す。
【図３】図２の半球アレイの角度感度のグラフである。
【図４】ＰＡＴスキャナの均一性試験に用いられるターゲットの図である。
【図５】ターゲット上に中心のある図１のＰＡＴスキャナで撮られた図４のターゲットの一枚の画像である。
【図６】本発明の原理に従って視野を広げるために図２の半球センサアレイに適用可能な横方向変位を示す概略図である。
【図７Ａ】図６に示される横方向変位位置の各々において撮られた独立したＰＡＴ画像である。
【図７Ｂ】図６に示される横方向変位位置の各々において撮られた独立したＰＡＴ画像である。
【図７Ｃ】図６に示される横方向変位位置の各々において撮られた独立したＰＡＴ画像である。
【図７Ｄ】図６に示される横方向変位位置の各々において撮られた独立したＰＡＴ画像である。
【図８】図６に示される四つの横方向変位位置においてセンサアレイによって形成された図４のターゲットの合成画像であり、図５よりもターゲットの詳細が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付図面は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の基本原理を例示する多様な好ましい特徴を幾分単純化して示す。本願で開示される工程シーケンスの具体的な設計の特徴（例えば、例示される多様な構成要素の具体的な寸法、配向、位置、機能、形状等）は、一部には、意図される特定の応用及び使用環境によって決められる。例示される実施形態の特定の特徴は、可視化及び明確な理解を促進するために他の部分に対して拡大又は変形されたものであり得る。
【００１４】
図１は、ＰＡＴスキャナが備える基本素子を示す。液体で充填された半球検出器アレイ１０が、イメージングされる組織１３を照射する光ビーム１２を生成するパルスレーザ１１に応答して組織から放出される光音響信号を検出する。組織は、音響的及び光学的に透明なプラスチック膜１４によって固定され、そのプラスチック膜１４は、患者が横たわるテーブルトップ１５に取り付けられる。検出器アレイ１０が、垂直軸周りに３〜２４秒で１回転するように回転するのにつれて、レーザ１１が、１秒当たり１０回（１０ヘルツ）の典型的な割合でパルスを発する。
【００１５】
図２は、半球検出器アレイ１０の詳細を示す。半球のベースの光学的に透明な開口部２０が、アレイの上に配置された組織に光ビーム１２を照射することを可能にする。この半球のボウルは、データ取得中において参照符号２１で示されるように光ビームの周りで回転する。光音響信号は、各光パルスに従ってアレイが備える各トランスデューサ２２によって検出される。これらのトランスデューサは、平面状であり、全てのトランスデューサからの軸上光線２３が収束するアレイの曲率中心２４を“指す”。
【００１６】
図３の遠視野角度応答のグラフ３０は、半球アレイに備わる典型的なトランスデューサ素子についての軸上光線（図２の参照符号２３）に対する相対的な角度感度を記述する。この場合、トランスデューサは直径２ｍｍのディスクであり、２ＭＨｚ（１秒当たり２００００００サイクル）においてピーク音響感度を有する。図示されているように、この特定のトランスデューサは、ディスクの垂線から±１５度の角度範囲にわたってピーク感度の少なくとも５０％の感度を有している。このディスクの垂直軸の角度範囲内で検出される光音響信号は、三次元ＰＡＴイメージングにとって最も有用である。
【００１７】
三次元ＰＡＴスキャナの有効視野を、均一性ターゲット４０（図４に示されるようなもの）をスキャナ内に配置することによって、評価することができる。このターゲットは、透明プラスチックのシートで構成され、そのシートの上に、黒色ドットのパターンが、放射状に５ｍｍの間隔で印刷されている。このターゲットを、液体で充填されたプラスチック膜（図２の参照符号１４）内に配置して、三次元ＰＡＴ画像を取得して、本願に組み込まれる上述の特許文献に開示されているイメージング法に従って可視化用に再構成する。
【００１８】
均一性ターゲット（４０）の三次元ＰＡＴ画像の一枚（５０）を図５に示す。明らかなように、視野は、僅か略±２０ｍｍの幅である（ターゲットの中心点からの四つのドット）。
【００１９】
本発明の原理に従った代替データ取得法では、均一性ファントム４０の四組のＰＡＴデータを用いて、図６に示されるパターンに従って、四回の走査において２×２の直線状６１で光場６０を横方向に変位させて、直線走査を用いずに得られるものよりも大きな合成視野６２が得られる。
【００２０】
光ビームの各位置における四枚の独立したＰＡＴ画像７０、７１、７２及び７３が図７に示されている。これらの画像は、光場を四箇所に変位させることによって得られたものであり、一辺３２ｍｍの正方形のパターンで配置されている。
【００２１】
図８は、均一性ファントム（図４の参照符号４０）の視野が、半球アレイ１０に結合された光ビーム１２の直線走査を用いることによって増大した様子を示す。特に、合成画像８０が四枚の成分画像（図７の参照符号７０、７１、７２、７３）から合成されていて、これは、各成分画像をずらして、データ取得中に用いられた均一性ファントム４０の中心からの直線シフト６１を補償して、結果としての画像データを合せることによって合成されている。図８の視野は、直線走査を用いずに得られたものよりも明らかにコントラストが優れて均一である。
【００２２】
本発明の実施形態を多様な実施形態及び例の説明によって例示してきて、これらの実施形態を非常に詳細に説明してきたが、これは、添付の特許請求の範囲をこのような詳細に限定するものではない。追加的な利点及び修正が当業者には明らかである。例えば、アレイ表面を“半球”と説明してきたが、他の湾曲した又は区分的に直線状の表面も使用可能である。更に、上述の特許文献で詳述されているように、多数の箇所に湾曲表面を回転及び移動させて、装置内に存在する物理的なトランスデューサよりも多くの仮想的なトランスデューサの箇所からデータを集めることができる。従って、本発明の一般的な進歩的概念の精神及び範囲から逸脱することなく、このような詳細からの変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００２３】
１０  検出器アレイ
１１  レーザ
１２  光ビーム
１３  組織
１４  プラスチック膜
１５  テーブルトップ
２０  開口部
２２  トランスデューサ
４０  均一性ターゲット（均一性ファントム）
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【国際調査報告】
2015500064.tif 000014
2015500064.tif 000015
2015500064.tif 000016
2015500064.tif 000017