JP2011072567A - 生体情報処理装置および生体情報処理プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】生体から発せられる超音波を受信し、アナログ信号に変換する変換素子と、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換部と、前記デジタル信号を記録する第1のメモリと、前記第1のメモリに記録された信号から生体内の情報を出力する信号処理部と、前記超音波が通過する領域のうち、情報を記録する必要が無いと決定された領域である無効領域に関する情報を記録する第2のメモリと、前記A/D変換部の作動又は前記第1のメモリへの記録を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記第2のメモリに記録された前記情報に基づいて、前記無効領域内の点から発せられる超音波を受信している期間においては、前記A/D変換部の作動又は前記第1のメモリへの記録を停止する生体情報処理装置を用いる。
【選択図】図1
Description
図8に、かかる光音響生体情報処理装置の測定部20の構成を示す。測定部20は、光源5、トランスデューサ6、圧迫板7、対向圧迫板8を備える。トランスデューサ6は演算部19と接続されている。被験者の***9が被検体であり、その内部に吸収体10がある。吸収体10は例えば癌などであり、周囲の生体組織とは光照射に対する特性が異なる。なお、***9は、光を透過させる透明な圧迫板7、および、対向圧迫板8により薄く変形され、厚さT2になっている。この圧迫処理は、光が透過し難い生体組織である***9を、光が到達可能な厚さT2にするために行われる。
測定時には、光源5が***9に光11を照射する。光11は生体組織内で拡散され、拡散光12となる。そして吸収体10に拡散光12が当たると、吸収体10が膨張伸縮し、超音波13が発生する。そしてトランスデューサ6が超音波13を受信し、電気信号(アナログ信号)に変換して演算部19へ送信する。演算部19はA/D変換等の処理を行い、CPUにデータを転送する。そしてCPUが位相計算を行い、吸収体10の位置や大きさ、光学特性などを求め、さらにイメージ再構成を行って表示する。
φ(d)=φ0×exp(-μeff×d) … 式(1)
式(1)の中で、dは生体において光源からの光が照射された領域から光吸収体までの距離であり、φ0は照射された領域での光の強度であり、μeffは生体内での光の散乱や吸収による減衰特性を示す有効減衰係数である。これより、距離dにおける光の分布φ(d)
が定まる。
式(2)を用いて、有効減衰係数μeffについて説明する。
μeff=[3×μa×(μa+μs×(1-g))]-1/2 --- (2)
式(2)の中で、μaは吸収係数,μsは拡散係数,gは異方性因子である。これらの値
は物質により異なり、ここでは生体に応じた値となる。
式(1)および式(2)から、光の強度は、生体での距離dが増大するにつれて指数関数的に減衰し、生体深部までは到達しにくいことが分かる。
図9は、超音波生体情報処理装置の測定部20を示す図である。上述した光音響効果を用いる装置と同様に、測定部20は、圧迫板7と対向圧迫板8により***9を圧迫し、超音波が到達可能な厚さT2になるよう変形させている。***9の中には、周囲とは超音波に対する特性が異なる被測定物17が存在する。測定部20はさらにトランスデューサ15を備える。ここでのトランスデューサは、超音波を受信し電気信号(アナログ信号)に変換する機能に加え、超音波を発信する機能を持つものである。すなわち、トランスデュ
ーサ15は***9に超音波16を発信し、体内の被測定物17が反射した超音波13を受信し、電気信号を演算部19へ送信する。演算部19はA/D変換等の処理を行い、CPUにデータを転送する。CPUはデータ演算を行い、被測定物17の位置や大きさなどを求めたり、イメージ再構成を行ったりする。
また、2次元マトリクス状に配列されたトランスデューサを用いて複数のデータを並行して取得しようとした場合、圧迫板7を通過する間の取得データ数はさらに増加する。かかる多数の取得データをCPUへ転送する場合、通常、ケーブル等の伝送経路にはパラレルに転送できる数に制約があるので、長い時間がかかる。
発せられる超音波を変換素子が変換して生成されたアナログ信号を受信するステップと、前記アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換ステップと、前記デジタル信号を第1のメモリに記録する記録ステップと、前記第1のメモリに記録された信号から生体内の情報を出力するステップと、前記超音波が通過する領域のうち、情報を記録する必要が無いと決定された領域である無効領域に関する情報を第2のメモリに記録するステップと、前記A/D変換ステップの実行又は前記記録ステップの実行を制御する制御ステップとを演算装置に実行させる生体情報処理プログラムであって、前記制御ステップは、前記第2のメモリに記録された前記情報に基づいて、前記無効領域内の点からの情報を受信可能な期間においては、前記A/D変換ステップの実行又は前記記録ステップの実行を停止することを特徴とする生体情報処理プログラムである。
以下、本発明にかかる生体情報処理装置の実施形態1について図1、図2、および、上述した図8を用いて詳細に説明する。
図1に、本実施形態で用いる生体情報処理装置の演算部19の構成を示す。演算部19は、図8に示した測定部20からの信号線Sig5に接続され、トランスデューサ6から信号を受信する。演算部19は、デジタル・データの先入れ先出し記憶装置1(以下、FIFOと記述)、アナログ・デジタル変換部2(以下、A/D変換部と記述)、遅れ制御部3、遅れ設定部4を備える。演算部19はさらに、制御信号を出力可能なFIFO蓄積クロック21と、制御信号を出力する変換周期クロック22を備える。クロック合成部24aはFIFO1に接続されており、クロック合成部24bはA/D変換部2に接続されている。演算部19は、CPU26と信号線Sig7で接続される。CPU26は演算処理や表示処理を行うための情報処理装置であり、コンピュータ等を用いて構成される。
なお、トランスデューサ6は、本発明の変換素子に相当する。また、FIFO1は、本発明の第1のメモリに相当する。また、遅れ設定部4は、本発明の第2のメモリに相当する。また、遅れ制御部3は、本発明のタイマーに相当する。また、CPU26は、本発明の信号処理部に相当する。
た領域(例えば、癌ではない通常の生体組織)や、圧迫板のように明らかに記録不要な領域を無効領域と呼ぶ。また、無効領域内の点から発せられる超音波をトランスデューサ6で受信可能な期間に取得した信号(またはそれをデジタル変換したデータ)を無効データと呼ぶ。
なお、圧迫板7は、本発明の板状部材に相当し、被検体(生体)である***9を固定する役割を果たす。さらに本実施形態における圧迫板7は、光源5からの照射光を通過し、***まで到達させるような光学特性を備える(典型的には透明)。
このデータをFIFO1より、CPU26に転送する。本実施形態では、転送速度は、LANの規格である100Mbpsとする。すると、1回測定当たりのデータ転送には約56.3msかかる。ここで、本実施形態における圧迫板7中の音波の伝播速度を2200m/s、厚さT1を1cmとすると、圧迫板7を超音波13が通過する時間は約4.5μsとなる。
また、本実施形態では、A/D変換レートは20MHzとする。従って、この圧迫板7を超音波13が通過する期間に相当する、A/D変換された無効データ数は、4.5μs×20MHz、すなわち90個である。
まず、遅れ設定部4には、圧迫板7の音速と厚さより予め求めた、圧迫板7を超音波13が通過する時間である4.5μSを記憶させておく。そして、遅れ制御部3は、この記憶された時間を計数し、光照射開始時t0からt1だけ遅延させた制御信号Sig1を発生させる。
クロック合成部24aにおいて、変換周期クロック22が発生させるタイミングと、前記のSig1とが合成され、Sig2としてA/D変換部2に供給される。そして、A/D変換部2は、このSig2の立ち上がりから、A/D変換を開始する。このように、A/D変換部2の作動を制御することができる。
また、クロック合成部24bにおいて、FIFO蓄積クロック21が発生させるタイミングと、前記のSig1とが合成され、Sig3としてFIFOに供給される。そして、FIFO1は、このSig3の立ち上がりから、A/D変換部2から供給されるデータの
記録を開始する。
以下、本発明にかかる生体情報処理装置の実施形態2について図3、図4、および、図6を用いて詳細に説明する。本実施形態の装置は、実施形態1と同じく光音響生体情報処理装置である。
図3に、本実施形態で用いる生体情報処理装置の演算部19の構成を示す。ここで、図1と機能的に同じものには共通の番号をふり、説明を省略する。本実施形態の演算部19は、A/D変換およびFIFOへの記録に関する制御信号を出力する、期間制御部23を備えている。
図6に、本実施形態で用いる測定部20の構成を示す。本実施形態では、各ブロックの配置と機能は図8(実施形態1)と同じであるものの、無効領域についての考え方が異なる。すなわち、図8における***9の厚さT2を、T3、T4、T7の3つに分けている。厚さT7は、吸収体10を含む部分であり、測定対象領域となる。この場合、T3、T4は生体内ではあるが検査上の無効領域と見なす。
そして、図4における光照射開始のタイミングt0を基準として、遅れ設定部4から遅れ制御部3の時間設定を行う。このときに、光吸収体10のある深さT7を特定するために、遅れ制御部3の遅れ時間を遅れ設定部4からの設定により調整しながら測定する。なお、X線や超音波診断とのマルチモダリティ診断では、予め吸収体の位置を略特定することも可能である。この要測定域の特定により、A/D変換部2によるアナログ信号からデジタル信号への変換、および、FIFO蓄積装置1へのデジタル・データ蓄積回数を、少なく抑えることが可能となる。
遅れ制御部3には、圧迫板7の厚さT1を超音波13が通過する時間である約4.5μSと、検査上の無効領域T3を通過する時間20μsを加算した24.5μsを、遅れ設定部4から入力する。そして、遅れ制御部3は、図4に示すように、この時間を計数し、A/D変換の開始時間を光照射開始時t0からt1だけ遅延させた制御信号Sig1を発生する。そして、T7に相当するt1からt4の期間には、吸収体10から発生する超音波に対応するピークを含む、Sig5が検出される。
続いて、クロック合成部24aにおいて、変換周期クロック22が発生させるタイミングと、前記のSig6とが合成され、Sig2としてA/D変換部6に供給される。そして、A/D変換部2は、このSig2の立ち上がりから、A/D変換を開始し、アナログ信号をデジタル信号に変換する。
また、クロック合成部24bにおいて、FIFO蓄積クロック21が発生させるタイミングと、前記のSig6とが合成され、Sig3としてFIFO1に供給される。そして
、FIFO1は、このSig3の立ち上がりから、A/D変換部から供給されるデータの記録を開始する。
この1回の測定におけるデータ取得フローを図10に示す。処理スタート後、まずステップS101で、遅れ設定部4に遅れ時間が設定される。続いてステップS102で、期間制御部23に、A/D変換に関わる期間が設定される。続いてステップS103で、光照射が行われたかどうかが判断される。S103=NOであれば、一定時間待機して判断を繰り返す。S103=YESであれば、ステップS104に進み、トランスデューサ6が超音波から変換したアナログ信号をA/D変換し、FIFO1に取り込む。このとき、先に述べた遅れ時間および期間制御部に設定された情報により制御信号が生成されるので、不必要なデータはA/D変換されず、FIFOに取り込まれることもない。続いてステップS105で、期間制御部23に記憶された個数である200個のデータが処理されたかどうかが判断される。S105=NOであれば、S104に戻って次のデータを取得する。S105=YESであれば、FIFO1に記録されたデータをCPU6に転送する。本発明は、このように、演算装置や計測装置を制御し、各処理を実行させるような生体情報処理プログラムとして実現することができる。
また、この生体情報処理装置において、イメージ再構成を行ってディスプレイで診断をおこなう場合、本実施形態の手段を用いれば1回測定当たり11.3msでデータ転送できる。したがって、標準的な表示更新速度である60Hz(16.7ms)での表示が充分可能である。しかし、図6に示される被検体の厚さT3、T4と圧迫板7の厚さT1を加えた全ての深さのデータを取得した場合は、標準的な表示更新速度での表示は行えないことになる。
以下、本発明にかかる生体情報処理装置の実施形態3について、図5、図7、および、上述した図3を参照して説明する。本実施形態の装置は、超音波を発信し、生体から反射した超音波を受信する。上記の実施形態1および2では、生体に照射する光の速度は無視できるほど高速なものとして扱った。一方、本実施形態では、送信時の超音波の速度も考慮した。
図7に示した、本実施形態における測定部20は、図9を用いて説明した従来の超音波を用いた装置と同様の構成を取る。ただし、被検体たる***9の厚さを、被測定物17を含む範囲T7と、生体内ではあるが検査上の無効領域T3およびT4に分けて考えることとする。また、圧迫板7を通過する期間についても無効領域として情報処理を行う。トランスデューサ15は、超音波を発信し、反射してきた超音波を受信する機能を持つ。
また、本実施形態における演算部19は、上で図3を用いて説明したものと同様の構成である。本実施形態のA/D変換部2は、測定部のトランスデューサ15から、信号Sig5を受信する。
23には、A/D変換、および、FIFO蓄積の回数が設定されている。本実施形態では、A/D変換部2がA/D変換する回数は200回であり、FIFO1がデータ記憶する回数も200回である。このとき、光吸収体10のある深さT7を特定するために、遅れ制御部3の遅れ時間を遅れ設定部4により調整しながら測定する。なお、X線や光超音波診断とのマルチモダリティ診断では、予め設定値を略特定することも可能である。この要測定域の特定により、A/D変換、および、FIFO1への蓄積回数を少なく抑えることが可能となる。
続いて、クロック合成部24aにて、変換周期クロック22の発生させるタイミングと、前記のSig6が合成され、Sig2としてA/D変換部2に供給される。A/D変換部2は、Sig2の立ち上がりを受けてA/D変換を開始する。
また、クロック合成部24bにて、FIFO蓄積クロック21の発生させるタイミングと、前記のSig6が合成され、Sig3としてFIFO1に供給される。FIFO1は、Sig3の立ち上がりを受けて、A/D変換部2からデータを受信蓄積する。このときのデータ取得フローは、上で図10を用いて説明した時と同様である。
一方、図9に示される、被検体の厚さT2と圧迫板7の厚さT1を加えた全ての深さのデータを取得する場合、1回測定あたりのデータ量は、16(Bit)×1000(個数)×352(画素数)=5632000Bitになる。このデータFIFO1からCPU26へ転送する場合、LANの規格である100Mbpsで行うと、約56.3msかかることになる。したがって、図7に示したように、被検体である***9のうちのT3、T4と、圧迫板7の厚さT1を無効領域とすれば、データ転送速度がはるかに向上することが分かる。また、CPUでイメージ再構成を行いビデオで診断をおこなう場合、本実施形態のデータ転送速度であれば、標準的な表示更新速度の60Hz(16.7ms)での表示が十分に可能である。
上記の実施形態1〜3では、無効領域のデータについてはタイミングを制御してA/D変換を行わないことによりデータ削減を図った。本実施形態では、無効領域のデータについてA/D変換するものの、FIFOには蓄積しない手法について述べる。このような制御は、演算部19の遅れ制御部3、期間制御部23の動作を変更することにより実現できる。
例えば、実施形態1で図1を用いて説明した演算部19において、遅れ制御部3が、無効領域T1に関する遅れ時間を、FIFO蓄積クロック21と接続したクロック合成部2
4bにのみ発信する。クロック合成部24bは、FIFO蓄積クロック21からのタイミングと、遅れ制御部からのSig1を合成し、FIFO1に供給する。一方、A/D変換部2はトランスデューサから受信した信号をデジタル化して、FIFO1に送信し続ける。FIFO1は、クロック合成部24bからのSig3に従って、無効領域のデータを除外しつつデータ蓄積を行う。
このような構成を取ることによっても、FIFO1が必要とするメモリ資源の量や、CPU26へのデータ転送量を削減することができる。また、図3を用いて説明した実施形態2および3でも同様に、FIFOの側でデータを蓄積するタイミングを制御することよって、使用するメモリ資源およびデータ転送量を削減する効果を得ることができる。
Claims (7)
- 生体から発せられる超音波を受信し、アナログ信号に変換する変換素子と、
前記アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記デジタル信号を記録する第1のメモリと、
前記第1のメモリに記録された信号から生体内の情報を出力する信号処理部と、
前記超音波が通過する領域のうち、情報を記録する必要が無いと決定された領域である無効領域に関する情報を記録する第2のメモリと、
前記A/D変換部の作動又は前記第1のメモリへの記録を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記第2のメモリに記録された前記情報に基づいて、前記無効領域内の点からの情報を受信可能な期間においては、前記A/D変換部の作動又は前記第1のメモリへの記録を停止する
ことを特徴とする生体情報処理装置。 - 前記生体と前記変換素子との間に、前記生体を固定するための板状部材を有し、
前記無効領域は、前記板状部材がある領域である
ことを特徴とする請求項1に記載の生体情報処理装置。 - 前記無効領域は、前記生体内の、操作者により決定された測定対象領域を除いた領域である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の生体情報処理装置。 - 前記制御部は、前記第2のメモリに記録された前記情報に基づいて、前記A/D変換部の作動を制御するタイミングを発生させるタイマーである
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 - 生体に光を照射するための光源を有し、
前記超音波は、前記光により生体から発生する光音響波である
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 - 生体に超音波を発信するための素子を有し、
前記変換素子が受信する超音波は、前記発信した超音波が反射したものである
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 - 生体から発せられる超音波を変換素子が変換して生成されたアナログ信号を受信するステップと、
前記アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換ステップと、
前記デジタル信号を第1のメモリに記録する記録ステップと、
前記第1のメモリに記録された信号から生体内の情報を出力するステップと、
前記超音波が通過する領域のうち、情報を記録する必要が無いと決定された領域である無効領域に関する情報を第2のメモリに記録するステップと、
前記A/D変換ステップの実行又は前記記録ステップの実行を制御する制御ステップと、
を演算装置に実行させる生体情報処理プログラムであって、
前記制御ステップは、前記第2のメモリに記録された前記情報に基づいて、前記無効領域内の点の情報を受信可能な期間においては、前記A/D変換ステップの実行又は前記記録ステップの実行を停止する
ことを特徴とする生体情報処理プログラム。
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