JP2011167228A - 生体情報処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被検体内で反射した第1の周波数を有する音響波を受信してアナログ信号にする第1の音響変換素子と、光が被検体に照射されたときに発生する第2の周波数を有する音響波を受信してアナログ信号にする第2の音響変換素子と、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換部と、デジタル信号を保持するデータ保持部と、データ保持部に対してデジタル信号を受信軸毎に所定のサンプリング周波数で出力するよう指示する制御部と、第1の周波数は第2の周波数よりも高く、第2の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号の1つの受信軸に関する単位時間あたりのサンプル数が、第1の周波数を有する音響波のものより少ない生体情報処理装置を用いる。
【選択図】図1
Description
超音波エコーは医用分野で生体を対象として一般的に用いられており、生体内の音響インピーダンスの違いを画像化することが出来るだけでなく、その安全性、簡便性、リアルタイム性などから非常に有用な診断手段として広まっている。一方で、光エネルギーを送信し光音響波を受信する光音響トモグラフィも、その安全性や組織の光吸収係数の違いを描出できる可能性などから、注目を浴びている。
超音波エコーと光音響トモグラフィとにおいて、複数の音響変換素子によって電気信号(受信信号)に変換されたそれぞれの信号に対して、注目位置に応じた時間ずれを与えて加算する。この加算された信号に対して、さらにフィルタリングなどの処理を行うことでそれぞれの受信信号を画像化することが可能となる。
さにおける組織の光吸収係数の差を検出している。
超音波エコーの送信時には、目標とする収束点に応じた時間ずれをそれぞれの音響変換素子に出力される電気信号(送信信号)に与え、超音波を送信することで、目標とする点
もしくは方向に収束された超音波送信ビームを形成することが可能である。このように超音波エコーにおいては、送信、受信ともに注目点もしくは方向に収束した超音波の送受信が出来る。そのため、送信受信の注目点もしくは方向を揃えることで、送信した超音波エネルギーを効率良く被検体内の画像化に活用することが出来る。
このように光エネルギーが被検体内で散乱され広がった送信範囲になる状況で、従来の超音波エコーのように送信方向と受信方向を揃えて受信処理する手法では、送信された光エネルギーの広がる範囲に対して受信処理の際に注目する領域が狭くなってしまう。そのため送信した光エネルギーを画像化に効率よく活用できない。
このように送信した光エネルギーを画像化に効率よく活用できない場合、その効率の低下と共に画像のSN比が低下してしまう。低下してしまう画像のSN比を向上させるためには、送信する光エネルギーを増大させる、送信範囲全体をカバーするように受信の注目点や方向を増やすなどの手法が考えられる。しかし、例えば生体などに光を照射する場合には、安全上の理由から最大許容照度が決められており、際限なく送信する光エネルギーを増大させていくことは出来ない。また、単純に受信の注目点や方向の数を増加させていくと受信信号の処理回路の規模が増大してゆく。
超音波エコーでは送信した超音波が被検体内の音響インピーダンスの違う界面や散乱体で反射してくる。超音波は被検体内を伝播するに従って周波数依存減衰を受けるため、送信した超音波の周波数に対して中心周波数が低い超音波を受信することになる。例えば生体内の画像化において、典型的には10cm以上の深さを観察する場合は3MHzから5MHz程度、5cm未満の浅い部分を観察する場合には7MHzから15MHz程度の中心周波数を有する超音波を受信する。
一方、光音響トモグラフィでは、光の吸収係数の違う物体から光音響波が発生する。この物体のサイズが大きい場合は中心周波数の低い光音響波が、物体のサイズが小さい場合は中心周波数の高い光音響波が発生する。また同じ吸収係数の物体であれば、物体のサイズが大きい場合発生する光音響波の振幅は大きくなり、物体のサイズが小さい場合は光音響波の振幅が小さくなる。つまり小さい物体は中心周波数が高く、振幅が小さい光音響波を発生するため音響変換素子まで伝播することが難しくなる。例えば、5cm程度の深さを
観察する場合、光音響トモグラフィによって受信される光音響波は中心周波数が1MHzから3MHzである。さらに深い部分を観察する場合、さらに中心周波数が低い信号が受信される。例えば非特許文献1では、1cm〜5cm程度の深さを観察するのに1MHzの中心周波数を有する音響変換素子を採用している。このように光音響トモグラフィと超音波エコーとで被検体内の同じ深さを画像化する場合、受信される音響波の中心周波数は大きく異なる。
まれている超音波信号を処理する場合、サンプリング周波数は40MHz以上である必要があ
る。例えば、20MHzまで有意な信号成分を含む64CH分の入力に対してリアルタイムに加算
処理を行う場合、40MHz以上で加算処理が行える加算回路が63個、1秒当り2,520,000,000回の加算処理を行う処理能力を有する回路が必要となる。また例えば、3MHzまで有意な信号成分を含む64CH分の光音響信号を処理する場合を考えると、必要な加算処理能力は6MHz以上で加算処理が行える加算回路が63個、1秒当り189,000,000回の処理能力となる。こ
のように信号の周波数によって最低限必要な加算処理能力が大きく変化する。中心周波数の高い超音波エコーの信号を加算する回路と中心周波数の低い光音響信号を加算する回路をそのまま共通化した場合、高い処理能力を必要とする超音波エコーの信号に合わせて回路が構成される。そのため、より低い処理能力で構わない光音響信号の処理時には必要以上な処理を行うことになり、非効率である。
なお、特許文献1ではアナログ回路によって加算処理を行い、その後デジタル信号へ変換しており、加算処理回路を含む処理回路における受信信号の特性に応じた効率的な処理は開示されていない。
図1は本発明の第1の実施形態にかかる生体情報処理装置のシステム構成を示す図である。
本システムは、複数の音響変換素子002を含む探触子001、システム制御部003、送信機能ブロック004、A/D変換ブロック005、データ保持ブロック006を備える。さらに、加算ブロック007、後段処理ブロック008、画像処理ブロック009、画像表示装置012、受信データ制御部011、光源013を備える。
らPA-Rx1-4で示す受信軸毎に矢印で示す方向で画像化を行うことを表している。受信軸とは、ピクセルデータ又はボクセルデータを生成する画像再構成(画像データの生成)の際に、画像再構成を行う空間軸上の点の軌跡であり、図3においては、音響変換素子の位置に対して被検体の深さ方向に移動させる注目点の軌跡を示している。また、領域301は便宜上、探触子001に近い順に302〜305と区切られる場合がある。図3(b)は図
2のUS-Tx1で送信した超音波によりUS-Rx1の期間で受信した超音波の受信軸をUS-TR1として、受信軸US-TR1からUS-TR4の計4回の超音波送受信によって画像化を行うことを表している。なお、図3(a)で示した領域と図3(b)で示した領域は同じ広さの領域である。超音波エコーにおける送信は音響変換素子からタイミングをずらした超音波を送信することで収束できるが、光を強散乱体内で収束することは難しいため、光照射された領域301は光音響信号の受信軸を複数含む広さとなる。また、本実施形態では超音波エコーで得られる受信信号の中の有意な信号はFUSHzまで含まれており、光音響トモグラフィで得られる
光音響波の中の有意な信号はFPAHzまで含まれているとする。一例として本実施形態ではFUSは20MHz、FPAは5MHzとして説明を行うが、本発明の効果はFUS>FPAの条件を満たせば得
られる。
本実施形態では、音響変換素子が超音波送信部(音響波送信部)であり、第1の音響変換素子(超音波を受信する音響変換素子)および第2の音響変換素子(光音響波を受信する音響変換素子)も兼ねている。ただし、第1の音響波変換素子と第2の音響波変換素子を別々に用意してもよく、本発明は上述の例に限らない。また、超音波エコーで送信する超音波の周波数が第1の周波数であり、光音響波の周波数が第2の周波数である。また、A/D変換ブロックは本発明のA/D変換部にあたり、データ保持ブロックがデータ保持部にあたる。また、加算ブロック、後段処理ブロックおよび画像処理ブロックが画像データを生成する処理部であり、受信データ制御部が制御部である。
ングの送信とUS-Rx1で示す期間での動作を例にとって説明する。
まず、システム制御部003から送信機能ブロック004に送信トリガが出力される。送信機能ブロック004は、超音波を送信する方向US-TR1内の焦点位置に対するそれぞれの音響変換素子002からの距離と被検体内の音速を用いて、送信に与える遅延時間を音響変換素子ごとに算出する。そして、この遅延時間だけずらされた電気信号である電圧信号を、それぞれの音響変換素子002へ送信する。なお、超音波エコーにおいて超音波を送信する送信ビームや反射した超音波の受信ビームは受信軸と一致している。例えば、図3(b)のUS-TR1で表す受信軸などが送信ビームならびに受信ビームに相当する。
音響変換素子002は、入力された電圧信号を超音波に変換し被検体内へ送信する。被検体内で反射された超音波は音響変換素子002で受信されアナログ電気信号(アナログ信号)に変換され、それぞれA/D変換ブロック005に入力される。A/D変換ブロック005は、入力された、超音波に由来するアナログ電気信号をデジタルデータ(デジタル信号)に変換し、データ保持ブロック006に送信する。データ保持ブロック006は、入力された、超音波に由来するデジタルデータを内部に有するメモリ内に保持する。
ここで図5を用いてメモリ内のデータ読み出しについて説明する。図5はデータ保持ブロック006内の個々の音響変換素子にそれぞれ対応するメモリ401から405を模式的に示している。図1の加算ブロック007では入力が8CH分存在するが、ここでは簡略化してデータ保持ブロック006内のメモリを5CH分として表記している。なお受信時間が早いデジタルデータが図中の右側に保持されている。図では受信データ制御部011内から指示された加算前データのうち、同じタイミングで出力するよう指示されたデータを同じ色で示し、さらに線501で繋いで示している。
本実施形態における超音波エコーには有意な信号成分が20MHz(FUS)まで含まれているため、40MHz(2×FUS)以上のサンプリング周波数が必要となる。40MHzのサンプリング周波数は、メモリ401から405の時間方向の刻み25ナノ秒(1/(2×FUS))に対応する。データ保持ブロック006から出力されるデータは、メモリ401から405のそれぞれで、時間方向に連続して、スキップせずに読み出される必要がある。その結果として本実施形態では、加算前データの受信軸US-TR1に関する単位時間当りのデータ数はサンプリング周波数と同じ値、つまり40,000,000個となる。
6は内部に有するメモリ内に、入力された、光音響波に由来するデジタルデータを保持する。
ここで図4を用いてメモリ内のデータ読み出しについて説明する。図4はデータ保持ブロック006内の、個別の音響変換素子に対応するそれぞれのメモリ401から405を模式的に示している。なお、受信時間が早いデジタルデータが図中の右側に保持されている。受信軸PA-Rx1-1に対応するのが図4(a)、受信軸PA-Rx1-2に対応するのが図4(b)、受信軸PA-Rx1-3に対応するのが図4(c)、受信軸PA-Rx1-4に対応するのが図4(d)である。図で受信データ制御部011内から指示された加算前データのうち、同じタイミング(時刻)で出力するデータを同じ色で示し、さらに線410等で示すように同じ時刻で出力するデータを線で繋いで示している。
本実施形態における光音響トモグラフィで受信される光音響波には有意な信号成分が5MHz(FPA)まで含まれているため、10MHz(2×FPA)以上のサンプリング周波数が必要となる。ここで、本システムは超音波エコーの受信信号に合わせて40MHz(2×FUS)のサンプ
リングを行っている。そのため、メモリ401から405内で、時間方向に4サンプル中の3サンプルをスキップして、加算前データとして読み出せば、光音響トモグラフィによる受信信号の情報を失わずに処理することができる。そのため、PA-Rx1-1の受信軸に関しては、線410から413で示すように、連続する4サンプル中3サンプルをスキップしたデータを加算前データとして読み出しても、光音響トモグラフィにより受信した情報を失うことなく処理できる。同様に、PA-Rx1-2の受信軸に関しては線420から423で示すメモリ内の4サンプルごとのデータを加算前データとして読み出せば良い。また、PA-Rx1-3の受信軸に関しては線430から433で示すメモリ内の4サンプルごとのデータを加算前データとして読み出せば良い。また、PA-Rx1-4の受信軸に関しては線440から
443で示すメモリ内の4サンプルごとのデータを加算前データとして読み出せば良い。
このように光音響トモグラフィの処理では、データを時間方向にスキップしながら読み出すことで、それぞれの受信軸に関する単位時間当りの加算前データのデータ数はサンプリング周波数よりも小さくなる。つまり、超音波エコーにおける受信データの受信軸に関する単位時間当りのデータ数よりも少なくすることができる。
画像処理ブロック009では入力されたデータに対して、観察領域に合わせたデータの並べ替えやスムージング、エッジ強調などの各種画像処理を行い、画像表示装置012に輝度値データとして送信する。最終的に画像表示装置012で画像が表示される。
このように光照射領域301の中で複数の受信軸を設定し画像化することで、照射した光エネルギーを効率よく利用して被検体内の画像化を行うことが出来る。そのため光エネルギーの利用効率の低下による画像のSN比の低下を抑制することが可能となる。
中、右側にある加算前データほど、データ保持ブロック006から先に出力されたデータである。加算前データ605が上下方向に8段に分離しているのは、それぞれ図1における加算ブロック007への8CH分の入力を示している。本実施形態の加算ブロック007は40MHz毎に8CH分のデータを入力として処理できるよう設計されている。すなわち、図
中の加算前データ605はそのまま40MHzごと、つまり受信軸US-TR1に関する単位時間あ
たりのサンプル数を40,000,000として入力されていく。
図6(a)は光音響トモグラフィによる受信信号の加算前データを示しており、加算前デ
ータ601は、受信軸PA-Rx1-1に関する加算前データである。同様に、受信軸PA-Rx1-2に関する加算前データ602、受信軸PA-Rx1-3に関する加算前データ603、受信軸PA-Rx1-4に関する加算前データ604が示されている。それぞれの受信軸に関する加算前データは先ほど図5で説明したように、それぞれの受信軸においてはメモリから4サンプル毎に読み出されたデータ、言い換えれば10MHzでサンプリングされたデータである。
ここで、加算ブロック007に注目すると、超音波エコーと光音響トモグラフィとのいずれにおいても、40MHzで8CH分のデータが連続して入力されることになる。その結果、加算ブロック007を含む回路の共有化だけでなく、加算能力を効率よく利用した小規模な処理回路が実現できる。
また本実施形態では超音波エコーでの送受信は送信1回に対して受信軸を1方向になるように説明したが、実際はこれに限るものではない。超音波エコーの送信1回に対してN方向の受信軸の処理を実施可能な規模の回路であれば、光音響トモグラフィの処理の受信軸もN倍増加させることができ、同様の効果が得られる。
また本実施形態ではリニアスキャンの例で説明したが、セクタスキャン、コンベックススキャンなどのスキャン方法にも、同様の処理により効果を得ることができる。
図7は本発明の第2の実施形態にかかる生体情報処理装置のシステム構成の概略を示す図である。
本システムの、第1の実施形態のシステム概略図(図1)との差異は、受信データ制御部011がA/D変換ブロック005へ接続している点である。また加算ブロック007は加算機能を有する回路であり、Σの記号で表記してある。
光音響トモグラフィと超音波エコーとを行うタイミングは、第1の実施形態で示した図2と同じである。本実施形態においても、超音波エコーで得られる受信信号の中の有意な
信号はFUSHzまで含まれており、光音響トモグラフィで得られる光音響波の中の有意な信
号はFPAHzまで含まれているとする。一例として本実施形態ではFUSは20MHz、FPAは5MHzとして説明を行うが、本発明の効果はFUS>FPAの条件を満たせば得られる。
1回の光照射と複数回の超音波エコーで取得する被検体内の範囲は図3で示した通りである。図3の中の番号302から305は深さの範囲を示す。
また、超音波エコーによる画像化の時のシステム動作は第1の実施形態と同様であるため省略する。
りも低く、光音響波に含まれる有意な信号の倍の周波数よりも高ければ本発明の効果は得られる。
その後、光源013から光エネルギーを被検体に送信し、発生した光音響波を複数の音響変換素子002が受信する。複数の音響変換素子002では光音響波がアナログ電気信号に変換され、それぞれA/D変換ブロック005に入力される。A/D変換ブロック005においては、先ほど変更された10MHzのサンプリング周波数で、入力されたアナログ
電気信号をデジタルデータに変換しデータ保持ブロック006に送信する。データ保持ブロック006は、内部に有するメモリ内に入力されたデジタルデータを保持する。
ここで図9を用いてメモリ内のデータ読み出しについて説明する。図9はデータ保持ブロック006内の個別の音響変換素子に対応するそれぞれのメモリ401から405を模式的に示している。なお、受信時間が早いデジタルデータが図中の右側に保持されている。本実施形態では10MHzでサンプリングしているため、100ナノ秒ごとの信号が保持されている。受信軸PA-Rx1-1に対応するのが図9(a)、受信軸PA-Rx1-2に対応するのが図9(b)、受信軸PA-Rx1-3に対応するのが図9(c)、受信軸PA-Rx1-4に対応するのが図9(d)である。図で受信データ制御部011内から指示された加算前データのうち、同じタイミングで出力するデータを同じ色で示し、さらに線910から913、920から923、930から933、940から943で繋いで示している。本実施形態における光音響トモグラフィで受信される光音響波には有意な信号成分が5MHz(FPA)まで含まれているため、10MHz(2×FPA)以上のサンプリング周波数が必要となる。ここで本実施形態では上記のように、A/D変換ブロック005において既に10MHz(2×FPA)でサンプリングしている。そ
のため、時間軸方向のスキップなどを行う必要がなく、そのまま加算前データとして出力しても、複数の受信軸のデータを情報を失うことなく処理できる。
図3を参照しつつ詳細を説明する。第1の実施形態では受信軸PA-Rx1-1のデータを加算前データとして出力した後、受信軸PA-Rx1-2のデータを送信していた。本実施形態では、まず、受信軸PA-Rx1-1の深さ302の受信エリアのデータを出力する。続いて、受信軸PA
-Rx1-2の深さ302の受信エリアのデータ、受信軸PA-Rx1-3の深さ302の受信エリアのデータ、受信軸PA-Rx1-4の深さ302の受信エリアのデータ、という順に出力する。そして次の深さに移り、受信軸PA-Rx1-1の深さ303の受信エリアのデータ、といった順序で加算前データを出力してゆく。つまり、被検体内部の領域のうち、音響変換素子に近い領域に関するデジタルデータから順に出力する。なお、受信エリアとは、ある受信軸で所定の距離範囲(音響変換素子から被検体の深さ方向への所定の距離範囲)で規定できる範囲を意味する。
このような順序で加算前データを出力する場合、深さ302に関する加算前データを出力した後は深さ302に関するデジタルデータは不要となる。そのため深さ302に関する加算前データを出力した後すぐに、そのメモリ領域に新たなデジタルデータを書き込むことが可能となる。このような動作を行うことでシステムに必要なメモリサイズを抑制することができ、より低コストな生体情報処理装置を提供可能となる。
このようにして出力された加算前データを加算ブロック007に入力した後は第1の実施形態と同様のため、省略する。
本実施形態ではさらに、A/D変換ブロックの動作周波数を下げることで、ADC(アナログデジタル変換機)の発熱を要因とするノイズが低減され、システムの消費電力も抑制される。つまり画像のSN比が高く消費電力の小さい生体情報処理装置を得ることができる。
図10は本発明の第3の実施形態にかかる生体情報処理装置のシステム構成の概略を示す図である。
本システムは、第1の複数の音響変換素子014を含む第1の探触子017、第2の複数の音響変換素子015を含む第2の探触子018、システム制御部003、送信機能ブロック004、A/D変換ブロック005を備える。さらに、データ保持ブロック006、加算ブロック007、後段処理ブロック008、画像処理ブロック009、画像表示装置012、受信データ制御部011、光源013、切換スイッチ016を備える。
探触子が2種類に増加した点、切換スイッチが加わった点以外はこれまでの実施形態と同様である。
特に超音波エコーによる反射超音波を受ける第1の音響変換素子の中心周波数が、光音響トモグラフィによる光音響波を受ける第2の音響変換素子の中心周波数よりも高いことが、高い効率で超音波を受信するためには好ましい。
特性を有するものとする。例えば音響変換素子014は12MHz、音響変換素子015は
3MHzの中心周波数となる。
信号処理の流れはこれまでの実施形態と同様であるため省略し、これまでの実施形態と異なる動作の部分のみ説明を行う。
切換スイッチ016は音響変換素子014と音響変換素子015と、A/D変換ブロックとの接続を切り換える機能を有しており、音響変換素子のいずれかとA/D変換ブロックとを接続することができる。光音響トモグラフィを行う場合は切換スイッチ016を音響変換素子015に接続するよう動作し、超音波エコーを行う場合は切換スイッチ017を音響変換素子014に接続するように動作する。図11はその動作タイミングを示した図である。PA-Tx1のタイミングで光エネルギーを送信した場合には、音響変換素子015に切り換えた状態(SW1)である。その後US-Tx1からUS-Tx4までの超音波エコーを実施している期間は、音響変換素子14に切り換えた状態(SW2)を保持するよう、切換スイッチ016は動作する。
Claims (7)
- 音響波送信部から送信され被検体内で反射した第1の周波数を有する音響波を受信してアナログ信号に変換する複数の第1の音響変換素子と、
光源から発せられた光が被検体に照射されたときに発生する第2の周波数を有する音響波を受信してアナログ信号に変換する複数の第2の音響変換素子と、
前記複数の第1および第2の音響変換素子のそれぞれで変換されたアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部で変換されたデジタル信号を保持するデータ保持部と、
前記データ保持部に対してデジタル信号を受信軸毎に所定のサンプリング周波数で出力するよう指示する制御部と、
前記データ保持部から出力されたデジタル信号に基づいて画像データを生成する処理部と
を備える生体情報処理装置であって、
前記第1の周波数は前記第2の周波数よりも高くなるように設定されており、
前記データ保持部から出力されるデジタル信号は、前記第2の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号の1つの受信軸に関する単位時間あたりのサンプル数が、前記第1の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号の1つの受信軸に関する単位時間あたりのサンプル数よりも少ない
ことを特徴とする生体情報処理装置。 - 前記複数の第1の音響変換素子は前記音響波送信部を兼ねている
ことを特徴とする請求項1に記載の生体情報処理装置。 - 前記複数の第1の音響変換素子は前記複数の第2の音響変換素子を兼ねている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の生体情報処理装置。 - 前記A/D変換部は前記第2の周波数を有する音響波に由来するアナログ信号と前記第1の周波数を有する音響波に由来するアナログ信号を同じサンプリング周波数でデジタル信号に変換し、
前記制御部が前記データ保持部への出力を指示するときに前記第2の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号を前記第1の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号よりも疎らに出力するよう指示することにより、前記データ保持部から出力されるデジタル信号は、前記第2の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号の1つの受信軸に関する単位時間あたりのサンプル数が、前記第1の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号の1つの受信軸に関する単位時間あたりのサンプル数よりも少なくなる
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 - 前記A/D変換部が前記第2の周波数を有する音響波に由来するアナログ信号を前記第1の周波数を有する音響波に由来するアナログ信号よりも低いサンプリング周波数でデジタル信号に変換することにより、前記データ保持部から出力されるデジタル信号は、前記第2の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号の1つの受信軸に関する単位時間あたりのサンプル数が、前記第1の周波数を有する音響波に由来するデジタル信号の1つの受信軸に関する単位時間あたりのサンプル数よりも少なくなる
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。 - 前記第1の周波数を有する音響波を受信する期間においては前記複数の第1の音響変換素子を用いて受信を行い、前記第2の周波数を有する音響波を受信する期間においては前記複数の第2の音響変換素子を用いて受信を行うように切換えを行う切換えスイッチをさらに備える
ことを特徴とする請求項1または2に記載の生体情報処理装置。 - 前記制御部は、前記音響変換素子からの距離で規定される受信エリアごとに、受信軸を順次変更して前記保持部からデジタル信号を出力する
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の生体情報処理装置。
Priority Applications (7)
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