JP5868458B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受信する探触子を用いることにより癌などの診断を行う超音波診断装置、光音響を利用して診断画像を撮像する光音響診断装置等の、測定対象内を伝播した音響波を受信して画像データなどを生成する測定装置及び測定方法に関する。本明細書において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、例えば、測定対象内部に近赤外線等の光（電磁波）を照射して測定対象内部で発生する音響波や、測定対象内部に音響波を送信して測定対象内部で反射した反射音響波を含む。

探触子を用いることにより癌などの診断を行う測定装置は、医療分野において広く利用されている。近年、探触子を有する測定装置を集団検診の様なスクリーニング検診に適用する為に、術者依存性の低減及び検査時間の短縮が求められている。この為の提案として、測定対象となる臓器に関して、輪郭等の境界線付近での探触子の走査密度を高密度、他の領域での探触子の走査密度を低密度にすることにより、検査時間を短縮する方法が開示されている（特許文献１参照）。しかしながら、この方法の場合、探触子の走査領域は全ての被験者において同一である。このため、乳癌のスクリーニング診断の様に被験者により測定対象が異なる場合、探触子は測定対象の存在しない領域も走査することになり、検査時間が冗長になる場合もあると考えられる。

また、測定対象を固定するための保持板などの形状維持部材を備える場合がある。こうした場合、形状維持部材により測定対象を保持しながら、装置として決められた走査領域をフルサイズで撮像すると、測定対象の有無に関わらず形状維持部材の表面の全走査領域に亘って計測動作を完遂するため、診断毎に一律の時間を要することになる。同時に、必要以上に被験者に負担を負わせることになる。

特開２００４-２９０２４９号公報

上記課題に鑑み、本発明は、測定対象を保持しながら測定を行う装置及び方法において、受信信号の特性に基づき測定対象の有無を判定して測定対象毎に、例えば、探触子の走査態様、信号処理態様等を調整することで、測定時間を短縮可能とすることを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明の測定装置は、測定対象を保持する保持部材と、前記測定対象に対して光を照射するための光照射手段と、探触子と、受信信号を処理する受信回路と、前記受信回路で処理された受信信号を記録するための記憶部と、を有する。前記探触子は、前記光照射手段により光が照射されることにより前記測定対象から発生する光音響波を前記保持部材を介して受信し、受信信号に変換するための電気機械変換装置を備え、且つ走査されるように構成されている。前記光照射手段は、前記測定対象への照射領域が前記探触子と同期して移動するように構成されており、前記受信信号の振幅がほぼ変化しない場合に、前記探触子の走査位置が前記測定対象を測定するために有効でない領域にあると判定するための判定手段が備えられ、且つ前記判定手段による判定に基づき前記光照射手段の制御が行われるとともに、前記受信回路での受信信号の処理または前期記憶部での受信信号の記録が省略される。

本発明によれば、探触子の走査領域において、保持部材で保持された測定対象を測定するために有効でない領域にあることの判定に基づき適宜に光照射手段の制御を行うことができる。

本発明の測定装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図。 探触子の走査態様の例を説明する平面図。 本発明の測定装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図。

本発明の特徴は、保持部材で保持された測定対象からの音響波を受信する探触子が測定対象を測定するために有効でない領域にあることの判定を音響波の受信信号に基づき判定し、該判定に基づき、測定態様を制御することにある。この考え方に基づき、本発明の測定装置は、上記課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。より具体的な実施の形態としては、以下に述べる様なものが可能である。

探触子が備える電気機械変換装置は、少なくとも音響波を受信可能であればよい。電気機械変換装置が音響波の送信機能と受信機能を有する場合は、電気機械変換装置は、生体などの測定対象に対して音響波を発すると共に、測定対象からの音響波の反射波を受信する。電気機械変換装置が音響波の受信機能のみを有する場合は、光照射手段から測定対象への光照射による測定対象の熱膨張から生じる光音響波を電気機械変換装置は受信する。探触子は、手動で形状維持部材の表面に沿って動かされてもよいが、測定対象に対して探触子を形状維持部材の表面に沿って走査するための探触子可動手段を備える場合、更に便利且つ前記判定に基づく測定態様の制御を行い易くなる。

前記判定は、例えば、受信信号の振幅が所定時間ほぼ変化していないと判定したとき、探触子が測定対象の存在しない形状維持部材の表面領域を走査していると判定する。或いは、探触子が測定対象の存在しない形状維持部材の表面領域を走査しているときに受信される参照信号を予め測定して格納しておく。そして、格納された参照信号と受信信号とがほぼ一致したとき、探触子が測定対象の存在しない形状維持部材の表面領域を走査していると判定することもできる。測定対象の存在しない形状維持部材の表面領域を探触子が走査していると判定したとき、次の様に測定態様の制御を行うことができる。例えば、探触子可動手段による探触子の走査の停止、探触子の走査速度変更、探触子の走査方向変更を行う。また、電気機械変換装置の送信機能の停止、受信機能の停止、光照射手段の計測光出射機能の停止を行うこともできる。また、受信信号を用いた画像データの生成の開始に続く画像表示の開始を行うこともできる。これらのうちの少なくとも１つの制御を行うことで測定時間を短縮することができる。例えば、探触子の走査を停止して、それまでに格納した受信信号を用いて画像データの生成を行う処理の開始に続き画像表示の開始を行えば、必要のない走査を行わなくて済み、測定時間を短縮できる。探触子を手動で走査する場合は、停止の指示信号を発して操作者に停止を促せばよい。このとき、送信機能の停止、受信機能の停止、光照射手段の計測光出射機能の停止を同時に行うこともできる。探触子の走査速度変更、走査方向変更などは、測定対象の存在領域の走査で得られる受信信号の後に比較的短い時間上記の如き測定対象の不存在を示す受信信号が受信された場合に、行う様にすることができる。これに対して、探触子の走査停止は、測定対象の存在領域の走査で受信信号を得た後に或る程度長い時間に亘って測定対象の不存在を示す受信信号が受信された場合に、行う様にすることができる。或る程度長い時間は、例えば、それに対応する走査長が形状維持部材の長さの３倍以上となる様な時間である。探触子の走査停止は、測定対象の不存在が確実に確かめられた後に行うのが好ましいからである。本発明において、電気機械変換装置は、どの様な方式（例えば、圧電セラミックを用いた変換装置や、静電容量型のＣＭＵＴ、磁性膜を用いるＭＭＵＴ、圧電薄膜を用いるＰＭＵＴなど）のものでも用いることができる。

以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１のブロック図は、本発明の測定装置の第１の実施形態の全体構成を示す。図１に示す様に、この測定装置は探触子４を備え、探触子４は、音響波を受信して受信信号（電気信号）に変換する電気機械変換装置である超音波トランスデューサを有し、乳房などの生体等の測定対象１に、形状維持部材である平板２を介して当接して使用される。探触子４には、探触子可動手段５、送信回路７及び受信回路８が接続されている。受信回路８には記憶部１０が接続され、受信回路８と記憶部１０には検知部１１が接続され、探触子可動手段５と検知部１１には探触子制御部６が接続され、送信回路７と受信回路８と検知部１１には信号制御部９が接続されている。また、記憶部１０と検知部１１には画像処理部１２が接続され、画像処理部１２には画像表示手段１３が接続されている。画像処理部１２と画像表示手段１３、或いは画像表示手段１３は、測定装置とは別体となっていて、必要に応じて測定装置に着脱可能に接続される構成であってもよい。

測定装置の測定動作時には、探触子４を測定対象１に当接させた状態において、信号制御部９により制御される送信回路７から探触子４へ超音波発信用の信号を供給する。探触子４と測定対象１との間には形状維持部材である平板２が配置され、軽圧迫により測定対象１の固定化ないし形状維持が行われている。また、音響整合剤３により測定対象１と探触子４との隙間を埋めてもよい。探触子４は、探触子可動手段５により平板２の表面上で移動させられ、走査が行われる。探触子４から送信された超音波は、測定対象１の生体組織などで反射され、探触子４により受信され受信信号に変換される。探触子から出力される受信信号は信号の増幅やＡ／Ｄ変換を行う受信回路８に入力された後、記憶部１０に格納される。

ここで、受信時間tを、生体などの測定対象１が存在しない領域における走査距離xと探触子４の走査速度vからt=x/vと定義する。このとき、振幅がほぼ同じ受信信号の受信時間tが一定時間継続した場合、判定手段である検知部１１により、生体などの測定対象１の存在しない領域を一定時間継続して探触子４が走査していることを検知する。生体などの測定対象１が存在しない領域の判定基準は、例えば、乳房を平板２により固定し、平板２上から探触子４を走査することにより乳癌の検出を行う場合を考えると、例えば、次の様にする。振幅がほぼ同じ受信信号の受信時間が一定時間継続して、それに対応する走査長が所定以上（例えば、平板２の長さの３倍以上）となった場合（走査は、後述する様に平板２上で折り返し行われるとする）、生体が存在しない領域の走査と判定する。この判定結果に基づき、次の様な動作制御を行うことができる。例えば、探触子制御部６による探触子走査の停止、信号制御部９による信号送受信の停止、画像処理部１２による画像化処理領域の決定と記憶部１０に格納された受信信号を用いた画像データの生成、画像表示手段１３による画像表示を行う。この動作制御により、記憶部１０に格納された受信信号に基づく画像が表示されるべきと判定されて必要な走査が終了され、診断時間を短縮することができる。或いは、上記判定結果に基づき、例えば、探触子走査の方向変更と速度変更を実行することもできる。この場合、走査方向変更を行なって走査位置を垂直方向に少しずらした後に再び水平方向逆方向に比較的高速で走査し、測定対象１の存在する領域に達したと判断される所で走査速度を通常速度に戻して走査を続ける。これによっても診断時間を短縮することができる。この場合は、上記一定時間は比較的短い時間とするのが良い。

本実施形態の動作制御の例を図２の平面図で説明すると次の様になる。図２中の走査線１０１は、探触子４中の電気機械変換装置の中心の走査軌跡を示しており、実線は測定対象１がある領域の走査、破線は測定対象１がない領域の走査を示している。１０２は、測定対象１の有無を判定する為に注目する電気機械変換装置のエレメント群（各エレメントは１つ以上のセルを有する）である。注目エレメント群１０２は、探触子４中央に位置する複数のエレメントから構成され、注目エレメント群１０２の受信信号は、例えば、振幅がほぼ同じである状態が一定時間継続するか否かの判定の為に使用する。走査位置Ａは、走査の原点で、この位置から探触子４の走査が開始される。走査位置Ａでは測定対象１がない（注目エレメント群１０２が測定対象１を認識しない）ため、受信信号の記録動作や信号処理（信号の増幅やＡ／Ｄ変換等）を省くともに走査速度を高速化する。水平走査を開始して走査位置ＡからＢまでは、注目エレメント群１０２が測定対象１を認識しないため水平走査を継続する。走査位置Ｂは、注目エレメント群１０２が、測定対象１がない領域からある領域へ移った位置を示している。走査位置Ｂからは測定対象１がある領域に入るため、測定対象診断に有効な領域として、受信信号の記録動作や信号処理を実行して、画像の撮像に好ましい速度まで走査速度を低下させる。

走査位置Ｃは、注目エレメント群１０２が、測定対象１がある領域からない領域へ移った位置を示している。走査位置Ｃからは測定対象１から外れるため、測定対象診断に有効でない領域として、受信信号の記録動作や信号処理を省くと同時に走査速度を高速化して、走査位置Ａと同様の走査制御を行い、走査方向を垂直方向にずらした後に逆転させる。走査位置Ｄでは、注目エレメント群１０２が、測定対象１がない領域からある領域へ移るため、測定対象診断に有効な領域として走査位置Ｂと同様の撮像制御を行う。以後、各位置Ｅ、Ｆ、Ｇでの測定対象１の有無判定に基づいて走査制御を繰り返し、平板２上を走査する。以上の動作制御により、測定対象１の有無を判定して測定対象診断に寄与しない走査領域において少なくとも走査速度を高速化することで全体の診断時間を短縮できる。こうした動作制御は、上記判定とは別に、予め設定しておく。そこで、この動作制御例では、これに加えて、振幅がほぼ同じ受信信号の受信時間が一定時間（例えば、平板２の長さの３倍以上に相当する時間）継続した場合、生体が存在しない領域の走査が続いて走査を終了すべきと判定する。この判定結果に基づき、探触子制御部６による探触子走査の停止、信号制御部９による信号送受信の停止、画像処理部１２による画像化処理領域の決定と記憶部１０に格納された受信信号を用いて画像データの生成、画像表示手段１３による画像表示を行う。これにより、全体の診断時間を更に短縮することができる。

（第２の実施形態）
図３を用いて本発明の測定装置の第２の実施形態を説明する。本実施形態は、光のパルス照射により測定対象内で発生した音響波を受信し、画像データを生成する光音響トモグラフィ技術を用いたＰＡＴ（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置に関する。

本実施形態のＰＡＴ装置は、光源１１１、光学部品１１３、形状維持部材である圧迫プレート２、探触子４、処理部３０を備える。処理部３０で生成した画像データは表示装置１３により表示する。処理部３０は、信号処理部２０（第１の実施形態の受信回路、記憶部、検知部などを含む部分）、画像処理部１２を有する。光源１１１から発せられた光１１２はミラーやレンズ等の光学部品１１３により導かれ、生体などの測定対象１に照射される。測定対象１の内部を伝播した光のエネルギーの一部が血管などの光吸収体１４（結果的に音響波の発生源となる）に吸収されると、その光吸収体１４の熱膨張により音響波１７（典型的には超音波）が発生する。その発生した音響波１７は探触子４により受信され、その後の処理により画像データとして生成（画像再構成）される。光源１１１は、生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特定の波長の光を照射することを目的とする。光源１１１と光学部品１１３は測定装置と一体に設けられていても良いし、分離して別体として設けられていても良い。光源としては大きな出力が得られるレーザが好ましいが、レーザの代わりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。照射のタイミング、波形、強度などは信号処理部２０または不図示の制御部によって制御される。光源１１１から発生した光は、測定対象１上を移動可能となる様に構成されていることが好ましい。光を測定対象１に照射する領域（測定対象１に照射される光）は、探触子４と同期して移動すると更に好ましい。

形状維持部材２は、測定対象１と探触子４との間に設けられ、測定対象１の少なくとも一部の形状を一定に保つ為に用いられ、保持や圧迫の機能を持たせても良く、平板プレート、圧迫プレート、平行平板などである。形状維持部材１の材料としては、効率良く音響波を受信する為に、測定対象１の音響インピーダンスと近いものを選ぶのが好ましい。測定対象が乳房などの場合、ポリメチルペンテンからなる形状維持部材を使うことが望ましい。形状維持部材１が平板の場合、形状維持部材の厚さは音響波の減衰などを考慮すると薄い方が好ましいが、その形状が変形しない程度に厚くすることが望ましい。形状維持部材１と測定対象１との間や形状維持部材１と探触子４との間の隙間は、空隙を無くす為に、形状維持部材と同程度の音響インピーダンスを持つ音響整合剤である音響ジェルや水などの液体で埋めることが好ましい。

探触子４は、音響波を受信して電気信号に変換する１つ以上のエレメントを有し、圧電現象を用いた電気機械変換装置、光の共振を用いた電気機械変換装置、容量の変化を用いた電気機械変換装置などで構成される。音響波を受信して電気信号に変換できるものであればどの様な探触子４を用いてもよい。典型的には、複数のエレメントが２次元的に配置されたものがよい。この様な２次元配列エレメントを用いることで、同時に複数の場所で音響波を受信することができ、受信時間を短縮できると共に、測定対象１の振動などの影響を低減できる。本実施形態で形状維持部材や探触子などについて述べたことは、第１の実施形態のこれらのものに関しても言い得る。図３の処理部３０で行われる信号処理は、第１の実施形態のものと同じである。表示装置１３は画像処理部１２から出力される画像データを画像として表示する装置であり、典型的には液晶ディスプレイなどが利用される。これも、第１の実施形態の画像表示手段と同じである。ＰＡＴ装置に係る本実施形態においても、測定動作の制御は第１の実施形態と同様に行うことができる。

本実施形態のＰＡＴ装置でも、測定対象１の有無を判定して測定対象診断に寄与しない走査領域において探触子の走査速度を高速化したり、適切なところで走査を終了させたりすることにより全体の診断時間を短縮することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、図１や図３に示す測定装置において、生体などの測定対象が存在しない領域における受信信号を参照信号として記憶部に予め格納しておく。参照信号としては、例えば、空気のみが存在した場合における空気に由来する受信信号、音響整合剤のみが存在した場合における音響整合剤に由来する受信信号を格納する。

測定装置の測定動作は第１や第２の実施形態と同様に行われる。このとき、記憶部に格納した参照信号と受信回路で受信した受信信号が所定時間ほぼ一致した場合、探触子４が測定対象１の存在しない領域を走査していることを検知部により判定する。測定対象が存在しない領域の判定基準は、乳房を平板により固定し平板上から探触子を走査することにより乳癌の検出を行う様な場合も、同様である。すなわち、参照信号とほぼ同じ受信信号の受信が所定時間続いた場合（例えば、該所定時間に相当する走査長が平板長さの３倍以上となった場合）、生体が存在しない領域の走査と判定する。そして、この判定結果に基づき、第１や第２の実施形態と同様な測定動作の制御を行う。

本発明は、乳癌のスクリーニング診断の様に、被験者数が多く、被験者により被験領域が異なる場合などにおける検査時間の短縮手段として有用である。

１…生体(測定対象)、２…平板（形状維持部材）、４…探触子、１０…記憶部、１１…検知部（判定手段）

Claims (6)

1. 測定対象を保持する保持部材と、
   前記測定対象に対して光を照射するための光照射手段と、
   前記光照射手段により光が照射されることにより前記測定対象から発生する光音響波を前記保持部材を介して受信し、受信信号に変換するための電気機械変換装置を備え、且つ走査されるように構成されている探触子と、前記受信信号を処理する受信回路と、前記受信回路で処理された受信信号を記録するための記憶部と、を有する測定装置であって、
   前記光照射手段は、前記測定対象への照射領域が前記探触子と同期して移動するように構成されており、
   前記受信信号の振幅がほぼ変化しない場合に、前記探触子の走査位置が前記測定対象を測定するために有効でない領域にあると判定するための判定手段を備え、且つ前記判定手段による判定に基づき前記光照射手段の制御を行うとともに、前記受信回路での受信信号の処理または前記記憶部での受信信号の記録を省略することを特徴とする測定装置。
2. 前記電気機械変換装置を複数備え、前記測定対象から発生する光音響波は、同時に複数の場所で受信されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記電気機械変換装置は、静電容量の変化を用いた装置であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の測定装置。
4. 前記判定手段が、前記探触子の走査位置が前記測定対象を測定するために有効でない領域にあると判定した場合に、前記探触子を高速で走査させることを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の測定装置。
5. 前記判定手段により前記探触子の走査位置が前記測定対象を測定するために有効でない領域にあると判定された場合に、前記光照射手段からの光の照射を停止することを特徴とする請求項１から４のいずれか1項に記載の測定装置。
6. 前記記憶部は、参照信号を予め格納しており、前記探触子の走査位置が前記測定対象を測定するために有効でない領域にあることを判定するために前記受信信号と前記参照信号との比較を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか1項に記載の測定装置。

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