JP2013056032A - 被検体情報取得装置および被検体情報取得方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光を照射された被検体内部で発生して被検体表面に伝搬する音響波を受信して受信信号とする探触子と、受信信号の強度を用いて被検体内部の光学特性値に基づく情報である被検体情報を生成する処理部を有し、処理部は、探触子に音響波が入射する角度、ならびに、被検体および探触子の音響インピーダンスおよび音速を用いて計算された、探触子に音響波が入射するときの反射率を用いて、受信信号の強度を補正する被検体情報取得装置を用いる。
【選択図】図1
Description
度が低下する。これは、光音響トモグラフィーの原理上、理想的には光吸収体の全周で音響波を受信して画像再構成することにより光吸収体のサイズを正確に知ることができる一方、音響波を受信する範囲が限られている場合は再構成画像がぼやけてしまうことによる。
まず、図12に、生体組織の音響インピーダンスの表を示す(出典:非特許文献1、p.13の表2.1)。ここから分かるように、生体組織の音響インピーダンスは伝搬媒質ごとに異なる。
本発明の光音響信号取得装置は、被検体内部の情報(被検体情報)を計算により生成する装置である。光音響信号取得装置は、基本的なハードウェア構成として、光源、音響波の受信器としての探触子、処理部を有する。光源から発せられたパルス光は生体などの被検体に照射される。被検体内部を伝搬した光のエネルギーの一部が血液などの光吸収体(音源)に吸収されると、その光吸収体の熱膨張により音響波(典型的には超音波であり、光音響波または光超音波とも呼ぶ)が発生する。音響波は探触子により受信されて電気信号となり、処理部に転送される。転送された電気信号は、処理部で被検体内の光学特性値分布情報などに変換されて被検体情報となる。光学特性値分布情報の形式は特に限定されることはなく、2次元とするか3次元とするか等、測定の目的や装置の構成等により任意に定めることが出来る。生成される被検体情報には、光学特性値分布や吸収係数分布の他、それに基づく初期音圧分布、物質濃度や酸素飽和度を含めることができる。さらにこれらの情報に基づいて画像を形成し表示するための画像データも含め得る。
被検体が生体の場合、光源から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。光源は、光音響信号取得装置と一体として設けられていても良いし、光源を分離して別体として設けられていても良い。光源のパルス幅としては、効率的に光音響波を発生させるため10ナノ秒程度のパルス幅が使われる。光源としては大出力が得られるためレーザーが好ましいが、レーザーの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いることも可能である。レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することが出来る。照射のタイミング、波形、強度等は不図示の光源制御部によって制御される。なお、この光源制御
部は、光源と一体化されていても良い。本発明において、使用する光源の波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、被検体内が生体の場合、500nm以上1200nm以下である。
探触子は、パルス光を照射された被検体表面及び被検体内部で発生し、伝搬する音響波を受信する受信器である。探触子は、受信した音響波を、アナログ信号である電気信号(受信信号)に変換する。圧電現象を用いた探触子、光の共振を用いた探触子、静電容量の変化を用いた探触子等、音響波を受信できるものであれば、どのような探触子を用いても構わない。探触子として、複数の受信素子が1次元、或いは2次元に配置された素子を用いれば、同時に複数の場所で音響波を受信することにより、測定時間を短縮できる。受信素子が1つの場合には、探触子を走査させることで複数の位置で音響波を受信しても良い。また、探触子は通常、音響整合層を備えるため、以下の補正で用いる探触子の音響インピーダンスや音速等は、探触子の最表面の音響整合層の値とする。
処理部は、コンピュータ等の情報処理装置や回路により構成され、電気信号の処理や演算を行う。処理部は、探触子より得られた電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する変換部を有する。変換部は、同時に複数の信号を処理できることが望ましい。それにより、画像を形成するまでの時間を短縮できる。変換されたデジタル信号はメモリに格納される。
図1は、本発明の実施例1に係る光音響信号取得装置の構成を示したものである。
光源101はYAGレーザーの2倍波で励起されたチタンサファイアレーザーであり、パルス光102を発生する。照射光学系103は、例えばレンズ、ミラー、光ファイバなどで構成される。光源101から発せられたパルス光102は、照射光学系103により導かれ、被検体104に照射される。被検体104の内部を伝搬した光のエネルギーの一部が血液などの光吸収体105に吸収されると、音響波106が発生し、被検体104内を伝搬する。探触子108の方向に伝搬した音響波の一部は反射波107となり、それ以
外は探触子により受信される。
(ステップS102)補正演算部110dは、選択したボクセルを再構成するために利用できる信号を選択する。これは、ボクセルの位置に基づいて、再構成に利用可能な音響波が受信できる探触子の素子を選択することに相当する。
(ステップS103)補正演算部110dは、図2(b)のような位置関係に起因する音響波の到達時間に基づき、選択した信号のうち、ステップS101で選択したボクセル由来の音響波に基づく時間範囲を算出する。
(ステップS105)補正演算部110dは、ボクセルと素子の位置関係から角度を求めた上で、探触子表面での音響波の反射率Rを計算する。反射率Rは、第1のテーブル110cに入力されたデータと、角度θを基に、式(1)、(2)により計算される。
R=|(Z1cosθ2−Z2cosθ1)/(Z1cosθ2+Z2cosθ1)|2
…(1)
θ2=sin−1(c2sinθ1/c1) …(2)
θ1≧sin−1(c2/c1) …(3)
(ステップS108)補正演算部110dは、補正された信号を用いて、FBP(Filtered Backprojection)や整相加算(DELAY−AND−SUM)などの既知の手法により画像再構成する。
≒1であり、調節可能な係数)を乗じた式を用いることが可能である。
実施例1では、第1のテーブル110cに格納された被検体の音響インピーダンスと音速から探触子表面での反射損失をボクセルまたはピクセルごとに補正する構成を述べた。本実施例では、画像再構成領域内の全てのボクセルまたはピクセルに対応した、受信位置ごとの増幅率を用いて補正する方法について説明する。
(ステップS201)補正演算部110dは、第2のテーブル110eから補正データを取得する。上述したように、補正データには、選択したボクセルと選択した素子の位置関係と、被検体と探触子の音速や音響インピーダンス等の特性とから求められる反射率に基づく、適切な増幅率が格納されている。よって選択した信号にこの増幅率をもって増幅処理を行うことにより、反射損失を補正できる。なお、増幅率に変えて、単に反射率を格納しておいても良い。
(ステップS106〜S109)補正演算部110dは、増幅処理が行われた信号を用いてボクセルの再構成を行い、対象領域に含まれる全ボクセルの再構成が完了した時点で処理が終了する。
本実施例では、探触子の開口による感度の低下を補正する構成について述べる。補正の方法は、探触子表面での反射損失を補正する方法と同様である。つまり、第1のテーブル
110cに探触子の情報を予め格納しておく。そして補正演算部110dは、任意のボクセルまたはピクセルから受信されるべき時間範囲の信号に対して、音響波の入射角度θ1に応じて増幅処理を行う。
A(θ)=|{sin(kasinθ)}/(kasinθ)| …(4)
(ステップS104)本実施例においては、補正演算部110dは、第1のテーブル110cから、反射率を求めるためのデータ(例えば音響インピーダンスと音速)に加えて、指向性の計算に用いるデータ(例えば波数や素子サイズ)を取得する。
(ステップS105)補正演算部110dは、ボクセルと素子の位置関係から角度を求めた上で、探触子表面での音響波の反射率Rを、式(1)、(2)から計算する。
(ステップS301)本実施例においては、補正演算部110dは、式(4)を用いて探触子の指向性A(θ)を計算する。
ただし、開口の補正に用いる値はA(θ)に限定されることはなく、例えばbA(θ)(bはb≒1の係数であり、操作者により任意に調節可能)としても良い。また、素子サイズが大きい場合にノイズの影響が大きくなることを避けるため、1/A(θ)に上限値を設けても良い。
被検体を固定して測定したい場合や被検体上で探触子を走査したい場合には、被検体を保持板で保持すると良い。この場合、被検体を圧迫した保持板を介して、探触子で音響波を受信することになる。すると、被検体と保持板との界面や、保持板と探触子との界面で音響波の反射損失が生じるため、正確な画像が得られなくなるという問題が新たに生じる。
び保持板と探触子の界面における音響波の反射損失を補正し、正確な画像を得るための構成例について説明する。
補正方法は、実施例1のような計算手法で反射率を求めた後、信号強度を反射率で除算して増幅する処理を、それぞれの界面ごとに適用すれば良い。
実施例4では、被検体と保持板界面、保持板と探触子界面での音響波の反射損失を補正したが、保持板内での音響波の減衰率も求め、この減衰を補正すれば、より正確に被検体内の情報を画像化することができる。本実施例では、この方法について図8を用いて以下に説明する。
S1=S0exp(−μd/cosθ) …(5)
実施例1〜5では被検体の音響インピーダンスとして推定値を用いたが、音響インピー
ダンスは被検体ごとに異なる場合がある。従って、より正確な画像を得るためには被検体ごとに音響インピーダンスを実測して、その結果を用いて音響波の反射損失を補正することが望ましい。本実施例では被検体の音響インピーダンスを実測し、その結果に基づいて反射損失を補正する構成例について説明する。
R=|(Z2−Z1)/(Z2+Z1)│2 …(6)
304の音響インピーダンスはテーブル310cに格納される。
Claims (9)
- 光を照射された被検体内部で発生して被検体表面に伝搬する音響波を受信して受信信号とする探触子と、
前記受信信号の強度を用いて前記被検体内部の光学特性値に基づく情報である被検体情報を生成する処理部と、
を有する被検体情報取得装置であって、
前記処理部は、前記探触子に前記音響波が入射する際の角度に応じて求められる前記音響波の反射損失に対応した増幅を行って、前記受信信号の強度を補正する
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記探触子に前記音響波が入射する際の反射率をRとしたとき、前記処理部は、前記被検体情報の生成に用いる前記受信信号の強度を(1−R)で除算することにより、前記増幅を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体および前記探触子に関して、音響インピーダンス、密度および音速のうち少なくとも2つが格納されている第1のテーブルをさらに有し、
前記処理部は、前記第1のテーブルに格納されている情報に基づく計算により、前記反射率を求める
ことを特徴とする請求項2に記載の被検体情報取得装置。 - 前記探触子に前記音響波が入射する角度ごとに、前記受信信号の強度の補正に用いる増幅率が格納されている第2のテーブルをさらに有し、
前記処理部は、前記被検体情報の生成に用いる前記受信信号の強度を前記増幅率で増幅する
ことを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理部は、前記探触子に前記音響波が入射する角度に応じて低下する前記探触子の前記音響波に対する感度に基づいて、前記受信信号の強度を補正する
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体を保持する保持板をさらに有し、
前記探触子は、前記保持板を介して前記被検体からの音響波を受信するものであり、
前記処理部は、前記探触子に前記音響波が入射するときの反射損失に対応した増幅に加えて、前記保持板に前記音響波が入射するときの反射損失に対応した増幅を行って、前記受信信号の強度を補正する
ことを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理部は、前記保持板における前記音響波の減衰率を前記保持板の厚さと吸収係数に基づいて計算し、当該減衰率に基づいて前記受信信号の強度の増幅を行う
ことを特徴とする請求項6に記載の被検体情報取得装置。 - 前記探触子は、前記被検体を保持していない状態の前記保持板に音響波を送信して第1の反射波を受信した後、前記被検体を保持している状態の前記保持板に音響波を送信して第2の反射波を受信し、
前記処理部は当該第1および第2の反射波の強度ならびに前記保持板の音響インピーダンスから求められる前記被検体の音響インピーダンスを用いて、前記反射損失を求める
ことを特徴とする請求項6または7に記載の被検体情報取得装置。 - 探触子が、光を照射された被検体内部で発生して被検体表面に伝搬する音響波を受信して受信信号とする受信ステップと、
処理部が、前記受信信号の強度を用いて前記被検体内部の光学特性値に基づく情報である被検体情報を生成する処理ステップと、
を有する被検体情報取得方法であって、
前記処理ステップでは、前記探触子に前記音響波が入射する際の角度に応じて求められる前記音響波の反射損失に対応した増幅が行われて、前記受信信号の強度が補正される
ことを特徴とする被検体情報取得方法。
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