光音響撮像システムおよび装置並びにそれらに使用されるプローブユニット
【課題】手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることを可能にする。
【解決手段】光音響撮像システム（１０、Ｍ）において、手術用の処置具Ｍと、光音響波Ｕを電気信号に変換する電気音響変換部３を有するプローブユニット７０と、上記電気信号に基づいて三次元の光音響画像Ｐを生成する画像生成手段２と、処置具Ｍおよびプローブユニット７０の空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段（８１、８２ａ、８２ｂ、８３）と、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具Ｍの位置および姿勢を示す処置具表示ＭＩを重畳する画像処理手段６１と、処置具表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐを表示する表示部６と、処置具表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐがリアルタイムに表示部６に表示されるようにこれらを制御する制御手段４とを備える。
【解決手段】光音響撮像システム（１０、Ｍ）において、手術用の処置具Ｍと、光音響波Ｕを電気信号に変換する電気音響変換部３を有するプローブユニット７０と、上記電気信号に基づいて三次元の光音響画像Ｐを生成する画像生成手段２と、処置具Ｍおよびプローブユニット７０の空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段（８１、８２ａ、８２ｂ、８３）と、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具Ｍの位置および姿勢を示す処置具表示ＭＩを重畳する画像処理手段６１と、処置具表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐを表示する表示部６と、処置具表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐがリアルタイムに表示部６に表示されるようにこれらを制御する制御手段４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光が被検体に照射されることにより被検体内で発生した光音響波を検出して光音響画像を生成する光音響撮像システムおよび装置並びにそれらに使用されるプローブユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外科手術を行う場合には、メス等の処置具によって血管を傷つけないように充分に注意する必要がある。しかしながら従来、被検体の生体組織表面から一定の深さ以上に存在する血管を術者が肉眼によって確認することは難しいという問題があった。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１には、血管造影剤が投与された被検体に対して、この血管造影剤を発光させるための特定の波長域の励起光と可視光とを所定の時間間隔で交互に照射し、励起光に基づく蛍光画像と可視光に基づく通常画像とを生成し、これらの画像を重畳してリアルタイムに表示することにより、処置具と血管との位置関係を術者に認識させ、血管を傷つける可能性を低減する方法が開示されている。
連続的に照射す
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２６０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の方法では、予め血管造影剤を投与する必要があり、さらには血中での血管造影剤の濃度を一定に保つように投与する必要があるため、処置具と血管との位置関係を術者に認識させる方法として効果はあるが、全体として作業が煩雑となってしまう場合もある。さらには、特許文献１の方法では、上記のような蛍光画像および通常画像に基づいて生体組織表面の二次元情報しか提供することができないため、血管の表面からの深さを術者が正確に認識しづらい場合もある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることを可能にする光音響撮像システムおよび装置並びにそれらに使用されるプローブユニットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る光音響撮像システムは、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像システムにおいて、
手術用の処置具と、
測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
上記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本明細書において、「三次元画像生成用のプローブユニット」とは、生体組織表面に沿った二次元領域で信号の受信が可能な電気音響変換部を有するプローブユニットを意味する。
【０００９】
そして、本発明に係る光音響撮像システムにおいて、電気音響変換部は、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることが好ましい。或いは、電気音響変換部は、一次元に配列した複数の変換素子と、この複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へこの複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることが好ましい。
【００１０】
そして、本発明に係る光音響撮像システムにおいて、プローブユニットは、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることが好ましい。
【００１１】
本明細書において、第１の探触子部および第２の探触子部が「互いに離間され」とは、第１の探触子部および第２の探触子部が、処置具を配置することができる程度の間隙を設けるように構成されていることを意味する。
【００１２】
第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが「略一致するように構成された」とは、２つの検出面を含む平面が完全に一致する場合の他、第１の探触子部および第２の探触子部を被検体に同時に当接させて光音響波の検出を手術支援の観点から適切に実施できる範囲で２つの検出面を含む平面が異なる場合も含む意味である。
【００１３】
そして、本発明に係る光音響撮像システムにおいて、情報取得手段は、磁気センサまたは赤外線センサを用いて上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。或いは、画像生成手段は、上記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、情報取得手段は、超音波画像中から処置具を表す画像領域を抽出して上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。
【００１４】
そして、本発明に係る光音響撮像システムは、光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出してこの画像領域の光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、上記分布情報、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、血管と処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、距離計算手段によって計算された上記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係る光音響撮像装置は、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
上記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
手術用の処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１６】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、電気音響変換部は、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることが好ましい。或いは、電気音響変換部は、一次元に配列した複数の変換素子と、この複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へこの複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることが好ましい。
【００１７】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、プローブユニットは、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることが好ましい。
【００１８】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、情報取得手段は、磁気センサまたは赤外線センサを用いて上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。或いは、画像生成手段は、電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、情報取得手段は、超音波画像中から処置具を表す画像領域を抽出して上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。
【００１９】
そして、本発明に係る光音響撮像装置は、光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出してこの画像領域の光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、上記分布情報、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、血管と処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、距離計算手段によって計算された上記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係るプローブユニットは、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する際に使用されるプローブユニットにおいて、
測定光を照射する光照射部と、
測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、
第１の電気音響変換部とは異なる第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、
第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光音響撮像システムおよび装置は、特に、測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、上記位置および上姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。これにより、血管に造影剤を投与する等の前処理を必要とすることなく、かつ、処置具表示が重畳された光音響画像に基づいて処置具と血管との位置関係を三次元画像で分かりやすく術者に提供することができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明に係るプローブユニットは、測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第１の電気音響変換部とは異なる第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであるから、処置具を光音響画像の撮像範囲に容易に配置することができる。これにより、本発明に係る光音響撮像システムおよび装置を使用して、血管に造影剤を投与する等の前処理を必要とすることなく、かつ、処置具表示が重畳された光音響画像に基づいて処置具と血管との位置関係を三次元画像で分かりやすく術者に提供することができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態の光音響撮像システムおよび装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態の画像生成部の構成を示す概略図である。
【図３】処置具表示が重畳された三次元の光音響画像を示す概略図である。
【図４】第２の実施形態の光音響撮像システムおよび装置の構成を示す概略図である。
【図５】第２の実施形態のプローブユニットを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２５】
「第１の実施形態」
図１は、本実施形態の光音響撮像システムの構成を示す概略図である。図２は、図１における画像生成部の構成を示す概略図である。
【００２６】
本実施形態の光音響撮像システムは、図１に示すように、手術用の処置具としてのメスＭ、および、このメスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段を持った光音響撮像装置１０から構成される。
【００２７】
より具体的には、光音響撮像装置１０は、図１および２に示されるように、特定波長成分を含むレーザ光Ｌを測定光として発生させこのレーザ光Ｌを被検体７に照射する光送信部１と、このレーザ光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体７内で発生する光音響波Ｕを検出して任意断面の光音響画像データを生成する画像生成部２と、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部３と、この光音響画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、磁気発生部８３および磁気センサ８２ａ・８２ｂから構成される磁気センサユニットと、メスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得部８１と、光音響画像から血管を表す画像領域を抽出する血管認識部８６と、血管およびメスＭの互いの距離を計算する距離計算部８４と、上記距離に応じて警告を発する警告部８５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。
【００２８】
そして、本実施形態においてプローブユニット７０は、電気音響変換部３、光照射部１５、および磁気センサ８２ａを備えている。
【００２９】
光送信部１は、例えばそれぞれ波長の異なるレーザ光Ｌを出力する複数の光源を備える光源部１１と、複数の波長のレーザ光Ｌを同一光軸上に合成する光合波部１２と、このレーザ光Ｌを被検体７の体表面まで導く多チャンネルの導波部１４と、この導波部１４において使用するチャンネルを切り換えて走査を行う光走査部１３と、導波部１４によって供給されるレーザ光Ｌが被検体７の撮像部位に向けて出射する光照射部１５とを備えている。
【００３０】
光源部１１は、例えば所定の波長の光を発生する１以上の光源を有する。光源として、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることができる。光源部１１は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン、等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、例えば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、一般的には６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被検体７の深部まで届くという観点から、上記レーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。そして、上記レーザ光の出力は、レーザ光と光音響波の伝搬ロス、光音響変換の効率および現状の検出器の検出感度等の観点から、１０μＪ／ｃｍ２〜数１０ｍＪ／ｃｍ２であることが好ましい。さらに、パルス光出力の繰り返しは、画像構築速度の観点から、１０Ｈｚ以上であることが好ましい。また、レーザ光は上記パルス光が複数並んだパルス列とすることもできる。
【００３１】
より具体的には例えば、被検体７のヘモグロビン濃度を測定する場合には、固体レーザの一種であるＮｄ：ＹＡＧレーザ（発光波長：約１０００ｎｍ）や、ガスレーザの一種であるＨｅ-Ｎｅガスレーザ（発光波長：６３３ｎｍ）を用い、１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅を有したレーザ光を形成する。また、ＬＤ等の小型発光素子を用いる場合には、ＩｎＧａＡｌＰ（発光波長：５５０〜６５０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ（発光波長：６５０〜９００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ（発光波長：９００〜２３００ｎｍ）などの材料を用いた素子を使用することができる。また最近では、波長が５５０ｎｍ以下で発光するＩｎＧａＮを用いた発光素子も使用可能になりつつある。更には、波長可変可能な非線形光学結晶を用いたＯＰＯ（Optical Parametrical Oscillators）レーザを用いることもできる。
【００３２】
光合波部１２は、光源部１１から発生する波長の異なるレーザ光を同一光軸に重ね合わせるためのものである。それぞれのレーザ光は、まずコリメートレンズによって平行光線に変換され、次に直角プリズムやダイクロイックプリズムにより、光軸が合わせられる。このような構成により比較的小型の合波光学系とすることができる。また、光通信用に開発されている市販の多重波長合波・分波器を用いてもよい。また光源部１１に前述の波長が連続的に変更可能なＯＰＯレーザ等の発生源を使用する場合は、この光合波部１２は必ずしも必要ではない。
【００３３】
導波部１４は、光合波部１２から出力された光を光照射部１５まで導光するためのものである。効率のよい光伝搬を行うために光ファイバや薄膜光導波路を用いる。本実施形態では、導波部１４は、複数の光ファイバから構成される。これらの複数の光ファイバの中から所定の光ファイバを選択して、当該選択された光ファイバによって被検体７に対するレーザ光の照射を行う。なお、図１では、明確に示してはいないが、光学フィルタやレンズ等の光学系と合わせて使用することもできる。
【００３４】
光走査部１３は、導波部１４において配列される複数の光ファイバを順次選択しながら光の供給を行う。これにより、被検体７に対して光による走査が可能となる。
【００３５】
電気音響変換部３は、迅速かつ正確に三次元画像の生成ができるように、生体組織表面に沿った二次元領域で信号の受信が可能な構成を有している。このような構成は、例えば、二次元に配列した複数の変換素子によって実現でき、または、一次元に配列した複数の変換素子と、この複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へこの複数の変換素子を機械的に走査する走査部とによっても実現することができる。変換素子５４は、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。電気音響変換部３は、光照射部１５からの光の照射により被検体内に発生する光音響波Ｕを受信する。この変換素子５４は、受信時において光音響波Ｕを電気信号に変換する機能を有している。電気音響変換部３は、小型、軽量に構成されており、多チャンネルケーブルによって後述する受信部２２に接続される。この電気音響変換部３は、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等の中から診断部位に応じて選択される。電気音響変換部３は、光音響波Ｕを効率よく伝達するために音響整合層を備えてもよい。一般に圧電素子材料と生体では音響インピーダンスが大きく異なるため、圧電素子材料と生体が直接接した場合には、界面での反射が大きくなり光音響波Ｕは効率よく伝達することができない。このため、圧電素子材料と生体の間に中間的な音響インピーダンスを有する音響整合層が配置されることにより、光音響波Ｕは効率よく伝達することができる。音響整合層を構成する材料の例としては、エポキシ樹脂や石英ガラスなどが挙げられる。
【００３６】
光音響撮像装置１０の画像生成部２は、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４を選択駆動するとともに、また電気音響変換部３からの電気信号に所定の遅延時間を与え、整相加算を行うことにより受信信号を生成する受信部２２と、変換素子５４の選択駆動や受信部２２の遅延時間を制御する走査制御部２４と、受信部２２から得られる受信信号に対して各種の処理を行う信号処理部２５とを備えている。この画像生成部２は本発明における画像生成手段に相当する。
【００３７】
受信部２２は、図３に示すように、電子スイッチ５３と、プリアンプ５５と、受信遅延回路５６と、加算部５７とを備えている。
【００３８】
電子スイッチ５３は、光音響走査における光音響波の受信に際して、連続して隣接する所定数の変換素子５４を選択する。例えば、電気音響変換部３がアレイ型の１９２個の変換素子ＣＨ１〜ＣＨ１９２から構成される場合、このようなアレイ型変換素子は、電子スイッチ５３によってエリア０（ＣＨ１〜ＣＨ６４までの変換素子の領域）、エリア１（ＣＨ６５〜ＣＨ１２８までの変換素子の領域）およびエリア２（ＣＨ１２９〜ＣＨ１９２までの変換素子の領域）の３つの領域に分割されて取り扱われる。このようにＮ個の変換素子から構成されるアレイ型変換素子をｎ（ｎ＜Ｎ）個の隣接する振動子のまとまり（エリア）として取り扱い、このエリアごとにイメージング作業を実施した場合には、すべてのチャンネルの変換素子にプリアンプやＡ／Ｄ変換ボードを接続する必要がなくなり、プローブユニット７０の構造を簡素化できコストの増大を防ぐことができる。また、それぞれのエリアを個別に光照射することができるように、複数の光ファイバを配置した場合には、１回あたりの光出力が大きくならずに済むので、大出力の高価な光源を用いる必要がないといった利点もある。そして、変換素子５４によって得られるそれぞれの電気信号はプリアンプ５５に供給される。
【００３９】
プリアンプ５５は、上記のように選択された変換素子５４によって受信された微小な電気信号を増幅し、充分なＳ／Ｎを確保する。
【００４０】
受信遅延回路５６は、電子スイッチ５３によって選択された変換素子５４から得られる光音響波Ｕの電気信号に対して、所定の方向からの光音響波Ｕの位相を一致させて収束受信ビームを形成するための遅延時間を与える。
【００４１】
加算部５７は、受信遅延回路５６により遅延された複数チャンネルの電気信号を加算することによって１つの受信信号にまとめる。この加算によって所定の深さからの音響信号は整相加算され、受信収束点が設定される。
【００４２】
走査制御部２４は、ビーム集束制御回路６７と変換素子選択制御回路６８とを備える。変換素子選択制御回路６８は、電子スイッチ５３によって選択される受信時の所定数の変換素子５４の位置情報を電子スイッチ５３に供給する。一方、ビーム集束制御回路６７は、所定数個の変換素子５４が形成する受信収束点を形成するための遅延時間情報を受信遅延回路５６に供給する。
【００４３】
信号処理部２５は、フィルタ６６と、信号処理器５９と、Ａ／Ｄ変換器６０と、画像データメモリ６２と、画像処理部６１とを備えている。受信部２２の加算部５７から出力された電気信号は、信号処理部２５のフィルタ６６において不要なノイズを除去した後、信号処理器５９にて受信信号の振幅を対数変換し、弱い信号を相対的に強調する。一般に、被検体７からの受信信号は、８０ｄＢ以上の広いダイナミックレンジをもった振幅を有しており、これを２３ｄＢ程度のダイナミックレンジをもつ通常のモニタに表示するためには弱い信号を強調する振幅圧縮が必要となる。なお、フィルタ６６は、帯域通過特性を有し、受信信号における基本波を抽出するモードと高調波成分を抽出するモードを有している。また、信号処理器５９は、対数変換された受信信号に対して包絡線検波を行う。そして、Ａ／Ｄ変換器６０は、この信号処理器５９の出力信号をＡ／Ｄ変換し、１ライン分の光音響画像データを形成する。この１ライン分の光音響画像データは、画像データメモリ６２に保存される。
【００４４】
画像データメモリ６２は、前述のように生成された１ライン分の光音響画像データを順次保存する記憶回路である。システム制御部４は、画像データメモリ６２に保存されたある断面についての１ライン分のデータであって１フレームの光音響画像を生成するのに必要なデータを読み出す。システム制御部４は、空間的に補間しながらそれら１ライン分のデータを合成して当該断面の１フレーム分の光音響画像データを生成し、さらに断面の位置を変えた１フレーム分の光音響画像データを複数結合することにより三次元の光音響画像データを生成する。そして、システム制御部４は、この三次元の光音響画像データを画像データメモリ６２に保存する。
【００４５】
画像処理部６１は、三次元の光音響画像データを画像データメモリ６２から読み出し、この光音響画像データに基づく光音響画像Ｐに加工を施すものである。具体的には画像処理部６１は、後述する情報取得部８１によって取得されたメスＭの位置および姿勢を表す情報に基づいて、図３のように、メスＭが存在する位置に対応する光音響画像Ｐ中の領域に、メスＭの位置および姿勢を示すメス表示ＭＩ（処置具表示）を当該光音響画像Ｐに重畳するものである。メス表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐのデータは再度画像データメモリ６２に保存される。
【００４６】
表示部６は、表示用画像メモリ６３と、光音響画像データ変換器６４と、モニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、モニタ６５に表示する三次元の光音響画像データ（つまり、メス表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐのデータ）を画像データメモリ６２から読み出し、それを一時的に保存するバッファメモリである。光音響画像データ変換器６４は、表示用画像メモリ６３に保存された三次元の光音響画像データに対してＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換を行い、その出力はモニタ６５において表示される。この表示部６は本発明における表示手段に相当する。
【００４７】
操作部５は、操作パネル上にキーボード、トラックボール、マウス等を備え、装置操作者が患者情報、装置の撮影条件、表示断面など必要な情報を入力するために用いられる。
【００４８】
磁気センサ８２ａ・８２ｂおよび磁気発生部８３は、プローブユニット７０およびメスＭの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得するための三次元磁気センサユニットを構成する。三次元磁気センサユニットは、磁気発生部８３が形成するパルス磁場上の空間において、磁気発生部８３に対する磁気センサ８２ａ・８２ｂの相対的位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）、および磁気センサ８２ａ・８２ｂの姿勢情報（角度（α、β、γ）の情報）を取得することができる。例えば、プローブユニット７０の姿勢情報とは、例えば磁気発生部８３を原点とするｘｙｚ軸空間における当該プローブユニット７０の状態に関する情報であって、特に当該空間における基準状態からの傾きや回転の情報を含むものである。磁気発生部８３の配置場所は特に限定されず、プローブユニット７０を操作する範囲が磁気発生部８３の形成する磁場空間に含まれればどこでもよい。磁気センサ８２ａおよび磁気センサ８２ｂのそれぞれは、プローブユニット７０およびメスＭの上記位置および姿勢を表す情報を取得するために、複数の磁気センサから構成されてもよい。
【００４９】
情報取得部８１は、三次元磁気センサユニットを用いてプローブユニット７０およびメスＭの空間における上記位置および姿勢を表す情報をリアルタイムに磁気センサ８２ａ・８２ｂのそれぞれから受信するものである。つまり、磁気センサ８２ａからは磁気発生部８３に対するプローブユニット７０の位置および姿勢を表す情報が取得でき、磁気センサ８２ｂからは磁気発生部８３に対するメスＭの位置および姿勢を表す情報が取得できる。上記三次元磁気センサユニットおよび情報取得部８１が、本発明における情報取得手段に相当する。情報取得部８１によって受信された磁気発生部８３に対するプローブユニット７０の位置および姿勢を表す情報、並びに、磁気発生部８３に対するメスＭの位置および姿勢を表す情報は距離計算部８４に送られる。
【００５０】
血管認識部８６は、画像生成部２によって生成された三次元の光音響画像データを読み込み、光音響画像中から血管を表す画像領域を抽出してこの画像領域の光音響画像における分布情報を取得するものである。光音響画像では、血管の光音響効果を利用して画像が生成されており、抽出処理自体は既知の方法を用いて容易に血管を表す画像領域を抽出することができる。この血管認識部８６は本発明における血管認識手段に相当する。
【００５１】
距離計算部８４は、情報取得部８１から送信された磁気発生部８３に対するプローブユニット７０およびメスＭの空間における位置および姿勢を表す情報に基づいて、プローブユニット７０およびメスＭの互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を計算する。さらに、距離計算部８４は、この位置および姿勢を表す情報とともに、プローブユニット７０と光音響画像の撮像領域との位置関係も踏まえて、光音響画像の中の仮想的な空間における血管Ｖとメス表示ＭＩとの距離Ｄを算出する（図３）。距離計算部８４は本発明にける距離計算手段に相当する。「距離」とは、手術用メスなどの処置具が血管を損傷することのない範囲に位置することを確保するための指標を意味する。「距離」に関して、血管Ｖおよびメス表示ＭＩのどの部分を基準にした長さとするかについては適宜設定することができる。例えば、血管Ｖの基準点としては、抽出できた血管Ｖのうち最もメス表示ＭＩに近い部分や、所定の太さの血管Ｖの部分であって最もメス表示ＭＩに近い部分を挙げることができる。一方、メス表示の基準点としては、メス表示ＭＩのうち最も血管Ｖに近い部分やメス表示ＭＩ上で任意に設定した点を挙げることができる。血管Ｖの基準点として抽出できた血管Ｖのうち最もメス表示ＭＩに近い部分を採用し、メス表示ＭＩの基準点としてメス表示ＭＩのうち最も血管Ｖに近い部分を採用した場合には、抽出できた血管Ｖとメス表示ＭＩとの最短距離を求めることができる。距離計算部８４によって計算された上記距離Ｄは警告部８５に送信される。この距離計算部８４は本発明における距離計算手段に相当する。
【００５２】
警告部８５は、距離計算部８４から送信された上記距離Ｄが所定値以下である場合に警告を発するものである。この所定値は、例えば操作部５によって予め設定される。警告は、例えば警告音を発したり表示部６に警告画面を表示したりすることにより行われる。この警告部８５は本発明における警告手段に相当する。
【００５３】
システム制御部４は、メス表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐがリアルタイムに表示部６に表示されるようにシステム全体を制御するものである。システム制御部４は本発明における制御手段に相当する。手術を適切に支援するために、例えば光音響画像の表示を１０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ以上、より好ましくは１５〜６０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃの画像構築速度で行うことが好ましい。したがって、システム制御部４は、レーザ光Ｌを１０Ｈｚ以上、より好ましくは１５〜６０Ｈｚの繰り返し周波数で照射し、システム全体をこのレーザ光Ｌの照射に同期して制御することとなる。具体的には例えば、システム制御部４は、レーザ光Ｌの照射に同期して、光音響波および／または超音波を受信するようにプローブユニット７０を制御し、光音響波画像および／または超音波画像を生成するように画像生成部２を制御し、プローブユニット７０およびメスＭの互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得するように三次元磁気センサユニットおよび情報取得部８１を制御し、光音響波画像および／または超音波画像を表示するように表示部６を制御する。
【００５４】
以上のように、本実施形態の光音響撮像システムおよび装置は、特に、測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。これにより、血管に造影剤を投与する等の前処理を必要とすることなく、かつ、処置具表示が重畳された光音響画像に基づいて処置具と血管との位置関係を三次元画像で分かりやすく術者に提供することができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【００５５】
＜設計変更＞
第１の実施形態では、情報取得手段は磁気センサを用いて上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであるとして説明したが、磁気センサに代えて赤外線センサを用いてもよい。
【００５６】
また、画像生成手段が、上記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものである場合には、情報取得手段は、超音波画像中から処置具を表す画像領域を抽出して上記位置および姿勢を表す情報を取得するものとすることもできる。具体的には、例えば光音響画像と超音波画像とを交互に１／６０フレームずつ生成し、超音波画像に映った処置具の陰影から当該処置具の空間的な位置および姿勢を表す情報を抽出するようにしてもよい。或いは、超音波画像を同時に撮像する場合には、位置合わせをした上で超音波画像および光音響画像を重畳するだけでも、処置具と血管との位置関係が把握できるという効果もある。このように超音波画像を利用して処置具の位置および姿勢を表す情報を取得する場合には、既存のプローブユニットおよび画像生成手段を用いることが可能であるため、磁気センサ等を設けるコストを低減することができる。
【００５７】
「第２の実施形態」
次に、第２の実施形態の光音響撮像システムおよび装置について説明する。本実施形態の光音響撮像システムおよび装置は、プロ−ユニットの構造の点で第１の実施形態の場合と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、同様の構成要素についての詳細な説明は特に必要がない限り省略する。
【００５８】
本実施形態の光音響撮像システムは、手術用の処置具としてのメスＭ、および、このメスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段を持った光音響撮像装置１０から構成される。
【００５９】
より具体的には、光音響撮像装置１０は、図４に示されるように、特定波長成分を含むレーザ光Ｌを測定光として発生させこのレーザ光Ｌを被検体７に照射する光送信部１と、このレーザ光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体７内で発生する光音響波Ｕを検出して任意断面の光音響画像データを生成する画像生成部２と、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部７４ａ・７４ｂと、この光音響画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、磁気発生部８３および磁気センサ８２ａ・８２ｂから構成される磁気センサユニットと、メスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得部８１と、光音響画像から血管を表す画像領域を抽出する血管認識部８６と、血管およびメスＭの互いの距離を計算する距離計算部８４と、上記距離に応じて警告を発する警告部８５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。
【００６０】
そして、本実施形態においてプローブユニット７１は、測定光を照射する光照射部７３と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部７４ａを有する第１の探触子部７２ａと、第１の電気音響変換部７４ａとは異なる第２の電気音響変換部７４ｂを有する第２の探触子部７２ｂと、磁気センサ（図示略）とを備え、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂが、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部７４ａの検出面７６ａ（電気音響変換部の底面）を含む平面と第２の電気音響変換部７４ｂの検出面７６ｂを含む平面とが略一致するように構成されたものである。
【００６１】
すなわち、図５に示されるプローブユニット７１は、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂが互いに離間された二股構造を有し、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂの間隙ＳにメスＭを挿入することができるように構成されている。この間隙Ｓの幅は、１〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００６２】
光照射部７３は、例えば光ファイバ等の導波部７５の先端部であり、２つの電気音響変換部のそれぞれの周囲にレーザ光Ｌを導くためのものである。なお、図４では、便宜上一部の導波部のみを図示している。導波部７５は第１の実施形態における導波部１４と同様である。
【００６３】
第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂのそれぞれが光音響撮像を行うための探触子として機能する。第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂは同時に被検体に当接するものであるため、第１の電気音響変換部７４ａの検出面７６ａを含む平面と第２の電気音響変換部７４ｂの検出面７６ｂを含む平面とが互いに略一致するように構成されている。これにより、プローブユニット７１を被検体に当接したとき、２つの検出面７４ａ・７６ａは生体組織表面から同じ高さに配置され、検出信号のばらつきを低減することができる。
【００６４】
第１の電気音響変換部７４ａおよび第２の電気音響変換部７４ｂのそれぞれは、第１の実施形態における電気音響変換部３を２つの領域に区分したものと考えることができるため、それらの駆動の仕方や材料等は第１の実施形態における電気音響変換部３とほぼ同様である。例えば、第１の電気音響変換部７４ａおよび第２の電気音響変換部７４ｂのそれぞれが検出した信号が合算されて１つの光音響画像データが生成され、画像データメモリ６２に保存される。ここで、間隙Ｓ直下の光音響画像データに関して間隙Ｓがある分だけ取得できる信号が減少するが、間隙Ｓ直下の光音響画像データの生成は可能である。通常、光音響画像データの１ライン分は６４ｃｈ分の検出データを使って作成するが、１〜１０ｍｍ程度（これは４〜３３ｃｈ程度に相当する長さである。）の間隙Ｓがあったとしても、残りのおよそ３１〜６０ｃｈの検出データを用いて光音響画像データの構築が可能だからである。上記のような場合、取得できる信号が減少した結果、加算部５７によって整相加算された信号の強度が下がってしまう。したがって、本実施形態では、必要に応じて上記整相加算された信号に対して強調処理等の別途の信号処理を実施してもよい。
【００６５】
その後の画像を重畳させて表示する処理、血管を抽出する処理、血管とメスとの処理を算出する処理および警告を発する処理等は第１の実施形態と同様である。
【００６６】
本実施形態では、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂが互いに離間された二股構造を有し、その間隙ＳにメスＭを挿入することができるように構成されていることにより、適切にメスを光音響画像の撮像範囲内に配置することができる。これにより、本発明の光音響撮像システムおよび装置を用いた手術支援の精度を高めることができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 光送信部
２ 画像生成部
３ 電気音響変換部
４ システム制御部
５ 操作部
６ 表示部
７ 被検体
１０ 光音響撮像装置
１１ 光源部
１４ 導波部
１５ 光照射部
２２ 受信部
２４ 走査制御部
２５ 信号処理部
７０、７１ プローブユニット
７２ａ、７２ｂ 探触子部
７３ 光照射部
７４ａ、７４ｂ 電気音響変換部
７５ 導波部
７６ａ、７６ｂ 電気音響変換部の検出面
８１ 情報取得部
８２ａ、８２ｂ 磁気センサ
８３ 磁気発生部
８４ 距離計算部
８５ 警告部
８６ 血管認識部
Ｌ レーザ光
Ｍ メス
ＭＩ メス表示
Ｐ 光音響画像
Ｓ 間隙
Ｕ 光音響波
Ｖ 血管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光が被検体に照射されることにより被検体内で発生した光音響波を検出して光音響画像を生成する光音響撮像システムおよび装置並びにそれらに使用されるプローブユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外科手術を行う場合には、メス等の処置具によって血管を傷つけないように充分に注意する必要がある。しかしながら従来、被検体の生体組織表面から一定の深さ以上に存在する血管を術者が肉眼によって確認することは難しいという問題があった。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１には、血管造影剤が投与された被検体に対して、この血管造影剤を発光させるための特定の波長域の励起光と可視光とを所定の時間間隔で交互に照射し、励起光に基づく蛍光画像と可視光に基づく通常画像とを生成し、これらの画像を重畳してリアルタイムに表示することにより、処置具と血管との位置関係を術者に認識させ、血管を傷つける可能性を低減する方法が開示されている。
連続的に照射す
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２６０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の方法では、予め血管造影剤を投与する必要があり、さらには血中での血管造影剤の濃度を一定に保つように投与する必要があるため、処置具と血管との位置関係を術者に認識させる方法として効果はあるが、全体として作業が煩雑となってしまう場合もある。さらには、特許文献１の方法では、上記のような蛍光画像および通常画像に基づいて生体組織表面の二次元情報しか提供することができないため、血管の表面からの深さを術者が正確に認識しづらい場合もある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることを可能にする光音響撮像システムおよび装置並びにそれらに使用されるプローブユニットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る光音響撮像システムは、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像システムにおいて、
手術用の処置具と、
測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
上記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本明細書において、「三次元画像生成用のプローブユニット」とは、生体組織表面に沿った二次元領域で信号の受信が可能な電気音響変換部を有するプローブユニットを意味する。
【０００９】
そして、本発明に係る光音響撮像システムにおいて、電気音響変換部は、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることが好ましい。或いは、電気音響変換部は、一次元に配列した複数の変換素子と、この複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へこの複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることが好ましい。
【００１０】
そして、本発明に係る光音響撮像システムにおいて、プローブユニットは、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることが好ましい。
【００１１】
本明細書において、第１の探触子部および第２の探触子部が「互いに離間され」とは、第１の探触子部および第２の探触子部が、処置具を配置することができる程度の間隙を設けるように構成されていることを意味する。
【００１２】
第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが「略一致するように構成された」とは、２つの検出面を含む平面が完全に一致する場合の他、第１の探触子部および第２の探触子部を被検体に同時に当接させて光音響波の検出を手術支援の観点から適切に実施できる範囲で２つの検出面を含む平面が異なる場合も含む意味である。
【００１３】
そして、本発明に係る光音響撮像システムにおいて、情報取得手段は、磁気センサまたは赤外線センサを用いて上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。或いは、画像生成手段は、上記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、情報取得手段は、超音波画像中から処置具を表す画像領域を抽出して上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。
【００１４】
そして、本発明に係る光音響撮像システムは、光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出してこの画像領域の光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、上記分布情報、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、血管と処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、距離計算手段によって計算された上記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係る光音響撮像装置は、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
上記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
手術用の処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、
処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１６】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、電気音響変換部は、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることが好ましい。或いは、電気音響変換部は、一次元に配列した複数の変換素子と、この複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へこの複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることが好ましい。
【００１７】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、プローブユニットは、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることが好ましい。
【００１８】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、情報取得手段は、磁気センサまたは赤外線センサを用いて上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。或いは、画像生成手段は、電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、情報取得手段は、超音波画像中から処置具を表す画像領域を抽出して上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることが好ましい。
【００１９】
そして、本発明に係る光音響撮像装置は、光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出してこの画像領域の光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、上記分布情報、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、血管と処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、距離計算手段によって計算された上記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係るプローブユニットは、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する際に使用されるプローブユニットにおいて、
測定光を照射する光照射部と、
測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、
第１の電気音響変換部とは異なる第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、
第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光音響撮像システムおよび装置は、特に、測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、上記位置および上姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。これにより、血管に造影剤を投与する等の前処理を必要とすることなく、かつ、処置具表示が重畳された光音響画像に基づいて処置具と血管との位置関係を三次元画像で分かりやすく術者に提供することができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明に係るプローブユニットは、測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第１の電気音響変換部とは異なる第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、第１の探触子部および第２の探触子部が、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであるから、処置具を光音響画像の撮像範囲に容易に配置することができる。これにより、本発明に係る光音響撮像システムおよび装置を使用して、血管に造影剤を投与する等の前処理を必要とすることなく、かつ、処置具表示が重畳された光音響画像に基づいて処置具と血管との位置関係を三次元画像で分かりやすく術者に提供することができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態の光音響撮像システムおよび装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態の画像生成部の構成を示す概略図である。
【図３】処置具表示が重畳された三次元の光音響画像を示す概略図である。
【図４】第２の実施形態の光音響撮像システムおよび装置の構成を示す概略図である。
【図５】第２の実施形態のプローブユニットを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２５】
「第１の実施形態」
図１は、本実施形態の光音響撮像システムの構成を示す概略図である。図２は、図１における画像生成部の構成を示す概略図である。
【００２６】
本実施形態の光音響撮像システムは、図１に示すように、手術用の処置具としてのメスＭ、および、このメスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段を持った光音響撮像装置１０から構成される。
【００２７】
より具体的には、光音響撮像装置１０は、図１および２に示されるように、特定波長成分を含むレーザ光Ｌを測定光として発生させこのレーザ光Ｌを被検体７に照射する光送信部１と、このレーザ光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体７内で発生する光音響波Ｕを検出して任意断面の光音響画像データを生成する画像生成部２と、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部３と、この光音響画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、磁気発生部８３および磁気センサ８２ａ・８２ｂから構成される磁気センサユニットと、メスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得部８１と、光音響画像から血管を表す画像領域を抽出する血管認識部８６と、血管およびメスＭの互いの距離を計算する距離計算部８４と、上記距離に応じて警告を発する警告部８５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。
【００２８】
そして、本実施形態においてプローブユニット７０は、電気音響変換部３、光照射部１５、および磁気センサ８２ａを備えている。
【００２９】
光送信部１は、例えばそれぞれ波長の異なるレーザ光Ｌを出力する複数の光源を備える光源部１１と、複数の波長のレーザ光Ｌを同一光軸上に合成する光合波部１２と、このレーザ光Ｌを被検体７の体表面まで導く多チャンネルの導波部１４と、この導波部１４において使用するチャンネルを切り換えて走査を行う光走査部１３と、導波部１４によって供給されるレーザ光Ｌが被検体７の撮像部位に向けて出射する光照射部１５とを備えている。
【００３０】
光源部１１は、例えば所定の波長の光を発生する１以上の光源を有する。光源として、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることができる。光源部１１は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン、等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、例えば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、一般的には６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被検体７の深部まで届くという観点から、上記レーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。そして、上記レーザ光の出力は、レーザ光と光音響波の伝搬ロス、光音響変換の効率および現状の検出器の検出感度等の観点から、１０μＪ／ｃｍ２〜数１０ｍＪ／ｃｍ２であることが好ましい。さらに、パルス光出力の繰り返しは、画像構築速度の観点から、１０Ｈｚ以上であることが好ましい。また、レーザ光は上記パルス光が複数並んだパルス列とすることもできる。
【００３１】
より具体的には例えば、被検体７のヘモグロビン濃度を測定する場合には、固体レーザの一種であるＮｄ：ＹＡＧレーザ（発光波長：約１０００ｎｍ）や、ガスレーザの一種であるＨｅ-Ｎｅガスレーザ（発光波長：６３３ｎｍ）を用い、１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅を有したレーザ光を形成する。また、ＬＤ等の小型発光素子を用いる場合には、ＩｎＧａＡｌＰ（発光波長：５５０〜６５０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ（発光波長：６５０〜９００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ（発光波長：９００〜２３００ｎｍ）などの材料を用いた素子を使用することができる。また最近では、波長が５５０ｎｍ以下で発光するＩｎＧａＮを用いた発光素子も使用可能になりつつある。更には、波長可変可能な非線形光学結晶を用いたＯＰＯ（Optical Parametrical Oscillators）レーザを用いることもできる。
【００３２】
光合波部１２は、光源部１１から発生する波長の異なるレーザ光を同一光軸に重ね合わせるためのものである。それぞれのレーザ光は、まずコリメートレンズによって平行光線に変換され、次に直角プリズムやダイクロイックプリズムにより、光軸が合わせられる。このような構成により比較的小型の合波光学系とすることができる。また、光通信用に開発されている市販の多重波長合波・分波器を用いてもよい。また光源部１１に前述の波長が連続的に変更可能なＯＰＯレーザ等の発生源を使用する場合は、この光合波部１２は必ずしも必要ではない。
【００３３】
導波部１４は、光合波部１２から出力された光を光照射部１５まで導光するためのものである。効率のよい光伝搬を行うために光ファイバや薄膜光導波路を用いる。本実施形態では、導波部１４は、複数の光ファイバから構成される。これらの複数の光ファイバの中から所定の光ファイバを選択して、当該選択された光ファイバによって被検体７に対するレーザ光の照射を行う。なお、図１では、明確に示してはいないが、光学フィルタやレンズ等の光学系と合わせて使用することもできる。
【００３４】
光走査部１３は、導波部１４において配列される複数の光ファイバを順次選択しながら光の供給を行う。これにより、被検体７に対して光による走査が可能となる。
【００３５】
電気音響変換部３は、迅速かつ正確に三次元画像の生成ができるように、生体組織表面に沿った二次元領域で信号の受信が可能な構成を有している。このような構成は、例えば、二次元に配列した複数の変換素子によって実現でき、または、一次元に配列した複数の変換素子と、この複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へこの複数の変換素子を機械的に走査する走査部とによっても実現することができる。変換素子５４は、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。電気音響変換部３は、光照射部１５からの光の照射により被検体内に発生する光音響波Ｕを受信する。この変換素子５４は、受信時において光音響波Ｕを電気信号に変換する機能を有している。電気音響変換部３は、小型、軽量に構成されており、多チャンネルケーブルによって後述する受信部２２に接続される。この電気音響変換部３は、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等の中から診断部位に応じて選択される。電気音響変換部３は、光音響波Ｕを効率よく伝達するために音響整合層を備えてもよい。一般に圧電素子材料と生体では音響インピーダンスが大きく異なるため、圧電素子材料と生体が直接接した場合には、界面での反射が大きくなり光音響波Ｕは効率よく伝達することができない。このため、圧電素子材料と生体の間に中間的な音響インピーダンスを有する音響整合層が配置されることにより、光音響波Ｕは効率よく伝達することができる。音響整合層を構成する材料の例としては、エポキシ樹脂や石英ガラスなどが挙げられる。
【００３６】
光音響撮像装置１０の画像生成部２は、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４を選択駆動するとともに、また電気音響変換部３からの電気信号に所定の遅延時間を与え、整相加算を行うことにより受信信号を生成する受信部２２と、変換素子５４の選択駆動や受信部２２の遅延時間を制御する走査制御部２４と、受信部２２から得られる受信信号に対して各種の処理を行う信号処理部２５とを備えている。この画像生成部２は本発明における画像生成手段に相当する。
【００３７】
受信部２２は、図３に示すように、電子スイッチ５３と、プリアンプ５５と、受信遅延回路５６と、加算部５７とを備えている。
【００３８】
電子スイッチ５３は、光音響走査における光音響波の受信に際して、連続して隣接する所定数の変換素子５４を選択する。例えば、電気音響変換部３がアレイ型の１９２個の変換素子ＣＨ１〜ＣＨ１９２から構成される場合、このようなアレイ型変換素子は、電子スイッチ５３によってエリア０（ＣＨ１〜ＣＨ６４までの変換素子の領域）、エリア１（ＣＨ６５〜ＣＨ１２８までの変換素子の領域）およびエリア２（ＣＨ１２９〜ＣＨ１９２までの変換素子の領域）の３つの領域に分割されて取り扱われる。このようにＮ個の変換素子から構成されるアレイ型変換素子をｎ（ｎ＜Ｎ）個の隣接する振動子のまとまり（エリア）として取り扱い、このエリアごとにイメージング作業を実施した場合には、すべてのチャンネルの変換素子にプリアンプやＡ／Ｄ変換ボードを接続する必要がなくなり、プローブユニット７０の構造を簡素化できコストの増大を防ぐことができる。また、それぞれのエリアを個別に光照射することができるように、複数の光ファイバを配置した場合には、１回あたりの光出力が大きくならずに済むので、大出力の高価な光源を用いる必要がないといった利点もある。そして、変換素子５４によって得られるそれぞれの電気信号はプリアンプ５５に供給される。
【００３９】
プリアンプ５５は、上記のように選択された変換素子５４によって受信された微小な電気信号を増幅し、充分なＳ／Ｎを確保する。
【００４０】
受信遅延回路５６は、電子スイッチ５３によって選択された変換素子５４から得られる光音響波Ｕの電気信号に対して、所定の方向からの光音響波Ｕの位相を一致させて収束受信ビームを形成するための遅延時間を与える。
【００４１】
加算部５７は、受信遅延回路５６により遅延された複数チャンネルの電気信号を加算することによって１つの受信信号にまとめる。この加算によって所定の深さからの音響信号は整相加算され、受信収束点が設定される。
【００４２】
走査制御部２４は、ビーム集束制御回路６７と変換素子選択制御回路６８とを備える。変換素子選択制御回路６８は、電子スイッチ５３によって選択される受信時の所定数の変換素子５４の位置情報を電子スイッチ５３に供給する。一方、ビーム集束制御回路６７は、所定数個の変換素子５４が形成する受信収束点を形成するための遅延時間情報を受信遅延回路５６に供給する。
【００４３】
信号処理部２５は、フィルタ６６と、信号処理器５９と、Ａ／Ｄ変換器６０と、画像データメモリ６２と、画像処理部６１とを備えている。受信部２２の加算部５７から出力された電気信号は、信号処理部２５のフィルタ６６において不要なノイズを除去した後、信号処理器５９にて受信信号の振幅を対数変換し、弱い信号を相対的に強調する。一般に、被検体７からの受信信号は、８０ｄＢ以上の広いダイナミックレンジをもった振幅を有しており、これを２３ｄＢ程度のダイナミックレンジをもつ通常のモニタに表示するためには弱い信号を強調する振幅圧縮が必要となる。なお、フィルタ６６は、帯域通過特性を有し、受信信号における基本波を抽出するモードと高調波成分を抽出するモードを有している。また、信号処理器５９は、対数変換された受信信号に対して包絡線検波を行う。そして、Ａ／Ｄ変換器６０は、この信号処理器５９の出力信号をＡ／Ｄ変換し、１ライン分の光音響画像データを形成する。この１ライン分の光音響画像データは、画像データメモリ６２に保存される。
【００４４】
画像データメモリ６２は、前述のように生成された１ライン分の光音響画像データを順次保存する記憶回路である。システム制御部４は、画像データメモリ６２に保存されたある断面についての１ライン分のデータであって１フレームの光音響画像を生成するのに必要なデータを読み出す。システム制御部４は、空間的に補間しながらそれら１ライン分のデータを合成して当該断面の１フレーム分の光音響画像データを生成し、さらに断面の位置を変えた１フレーム分の光音響画像データを複数結合することにより三次元の光音響画像データを生成する。そして、システム制御部４は、この三次元の光音響画像データを画像データメモリ６２に保存する。
【００４５】
画像処理部６１は、三次元の光音響画像データを画像データメモリ６２から読み出し、この光音響画像データに基づく光音響画像Ｐに加工を施すものである。具体的には画像処理部６１は、後述する情報取得部８１によって取得されたメスＭの位置および姿勢を表す情報に基づいて、図３のように、メスＭが存在する位置に対応する光音響画像Ｐ中の領域に、メスＭの位置および姿勢を示すメス表示ＭＩ（処置具表示）を当該光音響画像Ｐに重畳するものである。メス表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐのデータは再度画像データメモリ６２に保存される。
【００４６】
表示部６は、表示用画像メモリ６３と、光音響画像データ変換器６４と、モニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、モニタ６５に表示する三次元の光音響画像データ（つまり、メス表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐのデータ）を画像データメモリ６２から読み出し、それを一時的に保存するバッファメモリである。光音響画像データ変換器６４は、表示用画像メモリ６３に保存された三次元の光音響画像データに対してＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換を行い、その出力はモニタ６５において表示される。この表示部６は本発明における表示手段に相当する。
【００４７】
操作部５は、操作パネル上にキーボード、トラックボール、マウス等を備え、装置操作者が患者情報、装置の撮影条件、表示断面など必要な情報を入力するために用いられる。
【００４８】
磁気センサ８２ａ・８２ｂおよび磁気発生部８３は、プローブユニット７０およびメスＭの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得するための三次元磁気センサユニットを構成する。三次元磁気センサユニットは、磁気発生部８３が形成するパルス磁場上の空間において、磁気発生部８３に対する磁気センサ８２ａ・８２ｂの相対的位置座標（ｘ、ｙ、ｚ）、および磁気センサ８２ａ・８２ｂの姿勢情報（角度（α、β、γ）の情報）を取得することができる。例えば、プローブユニット７０の姿勢情報とは、例えば磁気発生部８３を原点とするｘｙｚ軸空間における当該プローブユニット７０の状態に関する情報であって、特に当該空間における基準状態からの傾きや回転の情報を含むものである。磁気発生部８３の配置場所は特に限定されず、プローブユニット７０を操作する範囲が磁気発生部８３の形成する磁場空間に含まれればどこでもよい。磁気センサ８２ａおよび磁気センサ８２ｂのそれぞれは、プローブユニット７０およびメスＭの上記位置および姿勢を表す情報を取得するために、複数の磁気センサから構成されてもよい。
【００４９】
情報取得部８１は、三次元磁気センサユニットを用いてプローブユニット７０およびメスＭの空間における上記位置および姿勢を表す情報をリアルタイムに磁気センサ８２ａ・８２ｂのそれぞれから受信するものである。つまり、磁気センサ８２ａからは磁気発生部８３に対するプローブユニット７０の位置および姿勢を表す情報が取得でき、磁気センサ８２ｂからは磁気発生部８３に対するメスＭの位置および姿勢を表す情報が取得できる。上記三次元磁気センサユニットおよび情報取得部８１が、本発明における情報取得手段に相当する。情報取得部８１によって受信された磁気発生部８３に対するプローブユニット７０の位置および姿勢を表す情報、並びに、磁気発生部８３に対するメスＭの位置および姿勢を表す情報は距離計算部８４に送られる。
【００５０】
血管認識部８６は、画像生成部２によって生成された三次元の光音響画像データを読み込み、光音響画像中から血管を表す画像領域を抽出してこの画像領域の光音響画像における分布情報を取得するものである。光音響画像では、血管の光音響効果を利用して画像が生成されており、抽出処理自体は既知の方法を用いて容易に血管を表す画像領域を抽出することができる。この血管認識部８６は本発明における血管認識手段に相当する。
【００５１】
距離計算部８４は、情報取得部８１から送信された磁気発生部８３に対するプローブユニット７０およびメスＭの空間における位置および姿勢を表す情報に基づいて、プローブユニット７０およびメスＭの互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を計算する。さらに、距離計算部８４は、この位置および姿勢を表す情報とともに、プローブユニット７０と光音響画像の撮像領域との位置関係も踏まえて、光音響画像の中の仮想的な空間における血管Ｖとメス表示ＭＩとの距離Ｄを算出する（図３）。距離計算部８４は本発明にける距離計算手段に相当する。「距離」とは、手術用メスなどの処置具が血管を損傷することのない範囲に位置することを確保するための指標を意味する。「距離」に関して、血管Ｖおよびメス表示ＭＩのどの部分を基準にした長さとするかについては適宜設定することができる。例えば、血管Ｖの基準点としては、抽出できた血管Ｖのうち最もメス表示ＭＩに近い部分や、所定の太さの血管Ｖの部分であって最もメス表示ＭＩに近い部分を挙げることができる。一方、メス表示の基準点としては、メス表示ＭＩのうち最も血管Ｖに近い部分やメス表示ＭＩ上で任意に設定した点を挙げることができる。血管Ｖの基準点として抽出できた血管Ｖのうち最もメス表示ＭＩに近い部分を採用し、メス表示ＭＩの基準点としてメス表示ＭＩのうち最も血管Ｖに近い部分を採用した場合には、抽出できた血管Ｖとメス表示ＭＩとの最短距離を求めることができる。距離計算部８４によって計算された上記距離Ｄは警告部８５に送信される。この距離計算部８４は本発明における距離計算手段に相当する。
【００５２】
警告部８５は、距離計算部８４から送信された上記距離Ｄが所定値以下である場合に警告を発するものである。この所定値は、例えば操作部５によって予め設定される。警告は、例えば警告音を発したり表示部６に警告画面を表示したりすることにより行われる。この警告部８５は本発明における警告手段に相当する。
【００５３】
システム制御部４は、メス表示ＭＩが重畳された光音響画像Ｐがリアルタイムに表示部６に表示されるようにシステム全体を制御するものである。システム制御部４は本発明における制御手段に相当する。手術を適切に支援するために、例えば光音響画像の表示を１０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃ以上、より好ましくは１５〜６０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃの画像構築速度で行うことが好ましい。したがって、システム制御部４は、レーザ光Ｌを１０Ｈｚ以上、より好ましくは１５〜６０Ｈｚの繰り返し周波数で照射し、システム全体をこのレーザ光Ｌの照射に同期して制御することとなる。具体的には例えば、システム制御部４は、レーザ光Ｌの照射に同期して、光音響波および／または超音波を受信するようにプローブユニット７０を制御し、光音響波画像および／または超音波画像を生成するように画像生成部２を制御し、プローブユニット７０およびメスＭの互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得するように三次元磁気センサユニットおよび情報取得部８１を制御し、光音響波画像および／または超音波画像を表示するように表示部６を制御する。
【００５４】
以上のように、本実施形態の光音響撮像システムおよび装置は、特に、測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、処置具およびプローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、上記位置および姿勢を表す情報に基づいて、処置具が存在する位置に対応する光音響画像中の領域に、処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、処置具表示が重畳された光音響画像を表示する表示手段と、処置具表示が重畳された光音響画像がリアルタイムに表示手段に表示されるように、プローブユニット、画像生成手段、情報取得手段および表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするものである。これにより、血管に造影剤を投与する等の前処理を必要とすることなく、かつ、処置具表示が重畳された光音響画像に基づいて処置具と血管との位置関係を三次元画像で分かりやすく術者に提供することができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【００５５】
＜設計変更＞
第１の実施形態では、情報取得手段は磁気センサを用いて上記位置および姿勢を表す情報を取得するものであるとして説明したが、磁気センサに代えて赤外線センサを用いてもよい。
【００５６】
また、画像生成手段が、上記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものである場合には、情報取得手段は、超音波画像中から処置具を表す画像領域を抽出して上記位置および姿勢を表す情報を取得するものとすることもできる。具体的には、例えば光音響画像と超音波画像とを交互に１／６０フレームずつ生成し、超音波画像に映った処置具の陰影から当該処置具の空間的な位置および姿勢を表す情報を抽出するようにしてもよい。或いは、超音波画像を同時に撮像する場合には、位置合わせをした上で超音波画像および光音響画像を重畳するだけでも、処置具と血管との位置関係が把握できるという効果もある。このように超音波画像を利用して処置具の位置および姿勢を表す情報を取得する場合には、既存のプローブユニットおよび画像生成手段を用いることが可能であるため、磁気センサ等を設けるコストを低減することができる。
【００５７】
「第２の実施形態」
次に、第２の実施形態の光音響撮像システムおよび装置について説明する。本実施形態の光音響撮像システムおよび装置は、プロ−ユニットの構造の点で第１の実施形態の場合と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、同様の構成要素についての詳細な説明は特に必要がない限り省略する。
【００５８】
本実施形態の光音響撮像システムは、手術用の処置具としてのメスＭ、および、このメスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段を持った光音響撮像装置１０から構成される。
【００５９】
より具体的には、光音響撮像装置１０は、図４に示されるように、特定波長成分を含むレーザ光Ｌを測定光として発生させこのレーザ光Ｌを被検体７に照射する光送信部１と、このレーザ光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体７内で発生する光音響波Ｕを検出して任意断面の光音響画像データを生成する画像生成部２と、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部７４ａ・７４ｂと、この光音響画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、磁気発生部８３および磁気センサ８２ａ・８２ｂから構成される磁気センサユニットと、メスＭの空間における位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得部８１と、光音響画像から血管を表す画像領域を抽出する血管認識部８６と、血管およびメスＭの互いの距離を計算する距離計算部８４と、上記距離に応じて警告を発する警告部８５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。
【００６０】
そして、本実施形態においてプローブユニット７１は、測定光を照射する光照射部７３と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部７４ａを有する第１の探触子部７２ａと、第１の電気音響変換部７４ａとは異なる第２の電気音響変換部７４ｂを有する第２の探触子部７２ｂと、磁気センサ（図示略）とを備え、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂが、互いに離間されかつ第１の電気音響変換部７４ａの検出面７６ａ（電気音響変換部の底面）を含む平面と第２の電気音響変換部７４ｂの検出面７６ｂを含む平面とが略一致するように構成されたものである。
【００６１】
すなわち、図５に示されるプローブユニット７１は、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂが互いに離間された二股構造を有し、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂの間隙ＳにメスＭを挿入することができるように構成されている。この間隙Ｓの幅は、１〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００６２】
光照射部７３は、例えば光ファイバ等の導波部７５の先端部であり、２つの電気音響変換部のそれぞれの周囲にレーザ光Ｌを導くためのものである。なお、図４では、便宜上一部の導波部のみを図示している。導波部７５は第１の実施形態における導波部１４と同様である。
【００６３】
第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂのそれぞれが光音響撮像を行うための探触子として機能する。第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂは同時に被検体に当接するものであるため、第１の電気音響変換部７４ａの検出面７６ａを含む平面と第２の電気音響変換部７４ｂの検出面７６ｂを含む平面とが互いに略一致するように構成されている。これにより、プローブユニット７１を被検体に当接したとき、２つの検出面７４ａ・７６ａは生体組織表面から同じ高さに配置され、検出信号のばらつきを低減することができる。
【００６４】
第１の電気音響変換部７４ａおよび第２の電気音響変換部７４ｂのそれぞれは、第１の実施形態における電気音響変換部３を２つの領域に区分したものと考えることができるため、それらの駆動の仕方や材料等は第１の実施形態における電気音響変換部３とほぼ同様である。例えば、第１の電気音響変換部７４ａおよび第２の電気音響変換部７４ｂのそれぞれが検出した信号が合算されて１つの光音響画像データが生成され、画像データメモリ６２に保存される。ここで、間隙Ｓ直下の光音響画像データに関して間隙Ｓがある分だけ取得できる信号が減少するが、間隙Ｓ直下の光音響画像データの生成は可能である。通常、光音響画像データの１ライン分は６４ｃｈ分の検出データを使って作成するが、１〜１０ｍｍ程度（これは４〜３３ｃｈ程度に相当する長さである。）の間隙Ｓがあったとしても、残りのおよそ３１〜６０ｃｈの検出データを用いて光音響画像データの構築が可能だからである。上記のような場合、取得できる信号が減少した結果、加算部５７によって整相加算された信号の強度が下がってしまう。したがって、本実施形態では、必要に応じて上記整相加算された信号に対して強調処理等の別途の信号処理を実施してもよい。
【００６５】
その後の画像を重畳させて表示する処理、血管を抽出する処理、血管とメスとの処理を算出する処理および警告を発する処理等は第１の実施形態と同様である。
【００６６】
本実施形態では、第１の探触子部７２ａおよび第２の探触子部７２ｂが互いに離間された二股構造を有し、その間隙ＳにメスＭを挿入することができるように構成されていることにより、適切にメスを光音響画像の撮像範囲内に配置することができる。これにより、本発明の光音響撮像システムおよび装置を用いた手術支援の精度を高めることができる。この結果、手術を支援するに際し、術者に処置具と血管との位置関係をより容易かつ正確に認識させることが可能となる。
【符号の説明】
【００６７】
１ 光送信部
２ 画像生成部
３ 電気音響変換部
４ システム制御部
５ 操作部
６ 表示部
７ 被検体
１０ 光音響撮像装置
１１ 光源部
１４ 導波部
１５ 光照射部
２２ 受信部
２４ 走査制御部
２５ 信号処理部
７０、７１ プローブユニット
７２ａ、７２ｂ 探触子部
７３ 光照射部
７４ａ、７４ｂ 電気音響変換部
７５ 導波部
７６ａ、７６ｂ 電気音響変換部の検出面
８１ 情報取得部
８２ａ、８２ｂ 磁気センサ
８３ 磁気発生部
８４ 距離計算部
８５ 警告部
８６ 血管認識部
Ｌ レーザ光
Ｍ メス
ＭＩ メス表示
Ｐ 光音響画像
Ｓ 間隙
Ｕ 光音響波
Ｖ 血管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像システムにおいて、
手術用の処置具と、
測定光を照射する光照射部と、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
前記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
前記処置具および前記プローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記処置具が存在する位置に対応する前記光音響画像中の領域に、前記処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像を表示する表示手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像がリアルタイムに前記表示手段に表示されるように、前記プローブユニット、前記画像生成手段、前記情報取得手段および前記表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする光音響撮像システム。
【請求項２】
前記電気音響変換部が、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響撮像システム。
【請求項３】
前記電気音響変換部が、一次元に配列した複数の変換素子と、該複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へ前記複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響撮像システム。
【請求項４】
前記プローブユニットが、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、前記第１の探触子部および前記第２の探触子部が、互いに離間されかつ前記第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と前記第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項５】
前記情報取得手段が、磁気センサまたは赤外線センサを用いて前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項６】
前記画像生成手段が、前記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、
前記情報取得手段が、前記超音波画像中から前記処置具を表す画像領域を抽出して前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項７】
前記光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出して該画像領域の前記光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、
前記分布情報、前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記血管と前記処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、
該距離計算手段によって計算された前記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項８】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
測定光を照射する光照射部と、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
前記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
手術用の処置具および前記プローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記処置具が存在する位置に対応する前記光音響画像中の領域に、前記処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像を表示する表示手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像がリアルタイムに前記表示手段に表示されるように、前記プローブユニット、前記画像生成手段、前記情報取得手段および前記表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする光音響撮像装置。
【請求項９】
前記電気音響変換部が、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることを特徴とする請求項８に記載の光音響撮像装置。
【請求項１０】
前記電気音響変換部が、一次元に配列した複数の変換素子と、該複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へ前記複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることを特徴とする請求項８に記載の光音響撮像装置。
【請求項１１】
前記プローブユニットが、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、前記第１の探触子部および前記第２の探触子部が、互いに離間されかつ前記第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と前記第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることを特徴とする請求項８から１０いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１２】
前記情報取得手段が、磁気センサまたは赤外線センサを用いて前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項８から１１いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１３】
前記画像生成手段が、前記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、
前記情報取得手段が、前記超音波画像中から前記処置具を表す画像領域を抽出して前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項８から１１いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１４】
前記光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出して該画像領域の前記光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、
前記分布情報、前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記血管と前記処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、
該距離計算手段によって計算された前記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることを特徴とする請求項８から１３いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１５】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する際に使用されるプローブユニットにおいて、
測定光を照射する光照射部と、
該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、
前記第１の電気音響変換部とは異なる第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、
前記第１の探触子部および前記第２の探触子部が、互いに離間されかつ前記第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と前記第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたことを特徴とするプローブユニット。
【請求項１】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像システムにおいて、
手術用の処置具と、
測定光を照射する光照射部と、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
前記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
前記処置具および前記プローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記処置具が存在する位置に対応する前記光音響画像中の領域に、前記処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像を表示する表示手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像がリアルタイムに前記表示手段に表示されるように、前記プローブユニット、前記画像生成手段、前記情報取得手段および前記表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする光音響撮像システム。
【請求項２】
前記電気音響変換部が、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響撮像システム。
【請求項３】
前記電気音響変換部が、一次元に配列した複数の変換素子と、該複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へ前記複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響撮像システム。
【請求項４】
前記プローブユニットが、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、前記第１の探触子部および前記第２の探触子部が、互いに離間されかつ前記第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と前記第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項５】
前記情報取得手段が、磁気センサまたは赤外線センサを用いて前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項６】
前記画像生成手段が、前記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、
前記情報取得手段が、前記超音波画像中から前記処置具を表す画像領域を抽出して前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項７】
前記光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出して該画像領域の前記光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、
前記分布情報、前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記血管と前記処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、
該距離計算手段によって計算された前記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の光音響撮像システム。
【請求項８】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
測定光を照射する光照射部と、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを有する三次元画像生成用のプローブユニットと、
前記電気信号に基づいて三次元の光音響画像を生成する画像生成手段と、
手術用の処置具および前記プローブユニットの三次元空間における互いの相対的な位置および姿勢を表す情報を取得する情報取得手段と、
前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記処置具が存在する位置に対応する前記光音響画像中の領域に、前記処置具の位置および姿勢を示す処置具表示を重畳する画像処理手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像を表示する表示手段と、
前記処置具表示が重畳された前記光音響画像がリアルタイムに前記表示手段に表示されるように、前記プローブユニット、前記画像生成手段、前記情報取得手段および前記表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする光音響撮像装置。
【請求項９】
前記電気音響変換部が、二次元に配列した複数の変換素子から構成されるものであることを特徴とする請求項８に記載の光音響撮像装置。
【請求項１０】
前記電気音響変換部が、一次元に配列した複数の変換素子と、該複数の変換素子が配列した方向と垂直な方向へ前記複数の変換素子を走査する走査部とから構成されるものであることを特徴とする請求項８に記載の光音響撮像装置。
【請求項１１】
前記プローブユニットが、第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、前記第１の探触子部および前記第２の探触子部が、互いに離間されかつ前記第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と前記第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたものであることを特徴とする請求項８から１０いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１２】
前記情報取得手段が、磁気センサまたは赤外線センサを用いて前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項８から１１いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１３】
前記画像生成手段が、前記電気音響変換部が照射した超音波の反射波に基づいて超音波画像を生成するものであり、
前記情報取得手段が、前記超音波画像中から前記処置具を表す画像領域を抽出して前記位置および姿勢を表す情報を取得するものであることを特徴とする請求項８から１１いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１４】
前記光音響画像中の血管を表す画像領域を抽出して該画像領域の前記光音響画像における分布情報を取得する血管認識手段と、
前記分布情報、前記位置および姿勢を表す情報に基づいて、前記血管と前記処置具との互いの距離を計算する距離計算手段と、
該距離計算手段によって計算された前記距離が、所定値以下である場合に警告を発する警告手段とをさらに備えることを特徴とする請求項８から１３いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１５】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する際に使用されるプローブユニットにおいて、
測定光を照射する光照射部と、
該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する第１の電気音響変換部を有する第１の探触子部と、
前記第１の電気音響変換部とは異なる第２の電気音響変換部を有する第２の探触子部とを備え、
前記第１の探触子部および前記第２の探触子部が、互いに離間されかつ前記第１の電気音響変換部の検出面を含む平面と前記第２の電気音響変換部の検出面を含む平面とが略一致するように構成されたことを特徴とするプローブユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２７４８１（Ｐ２０１３−２７４８１Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４５８２（Ｐ２０１１−１６４５８２）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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