JP2017113095A - 光音響装置、情報取得装置、情報取得方法、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、新規の方法により得られる音速情報を、光音響イメージング(PAI:Photoacoustic imaging)に利用する例を説明する。
光照射部100は、光130を発する光源110と、光源110から射出された光130を被検体1000へ導く光学系120とを含む。
保持部300は被検体の形状を測定中に保持するために使用される。保持部300により被検体1000を保持することによって、被検体の動きの抑制および被検体1000の位置を保持部300内に留めることができる。保持部300の材料には、PET等を用いることができる。
なお、本実施形態に係る光音響装置は、保持部300を有していなくてもよい。また、本実施形態に係る光音響装置は、保持部300を有さず、***を挿入できる開口を有していてもよい。
受信部400は、音響波を受信することにより電気信号を出力する受信素子411−414からなる受信素子群410と、受信素子群410を支持する支持体420とを含む。
信号データ収集部600は、各受信素子411−414から出力されたアナログ信号である電気信号を増幅するアンプと、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器とを含む。信号データ収集部600から出力されるデジタル信号は、コンピュータ700内のメモリ710に記憶される。信号データ収集部600は、Data Acquisition System(DAS)とも呼ばれる。本明細書において電気信号は、アナログ信号もデジタル信号も含む概念である。
コンピュータ700は、メモリ710、光学係数取得部720、初期音圧取得部730、音速取得部740、光フルエンス取得部750、光吸収係数取得部760、制御部770、および濃度取得部780を含む。
表示部800は、液晶ディスプレイや有機EL(Electro Luminescence)などのディスプレイである。コンピュータ700により得られた音速情報、光学係数情報、または被検体情報等に基づく画像や特定位置の数値等を表示する装置である。表示部800は、画像や装置を操作するためのGUIを表示してもよい。
入力部900は、ユーザーが操作可能な、マウスやキーボードなどで構成されることができる。また、表示部800をタッチパネルで構成し、表示部800を入力部900としてもよい。
音響整合材1100は光音響装置の構成ではないが説明する。音響整合材1100には、水、超音波ジェルなどが用いられる。音響整合材1100は、保持部300と受信素子411−414との間を音響波伝搬させるためのものである。音響整合材1100は音響波減衰が少ないものであってもよい。照射光が音響整合材を透過する場合、照射光に対して透明であってもよい。
光源110が発した光は、光学系120としてのバンドルファイバにより被検体1000に導かれる。光学系120は、光を保持部300越しに被検体1000に照射する。被検体1000内の光吸収体は、照射された光を吸収し、体積膨張することにより光音響波を発生する。この光音響波1020は、被検体1000および音響整合材1100を伝搬し、受信素子群410に到達する。各受信素子411−414がこの光音響波を受信することによって電気信号を出力することにより、受信素子群410は電気信号群を出力する。受信素子から出力される電気信号は、受信素子に到達した光音響波の圧力の時間変動を表す時系列の信号である。
光学係数取得部720は、被検体の光学係数情報を取得する。光学係数取得部720は、公知のあらゆる方法により被検体の光学係数情報を取得してもよい。
(S300:音速情報を取得する工程)
メモリ710には、音速情報と光学係数情報との関係を表す関係式または関係テーブルが格納されている。音速取得部740は、メモリ710に格納された関係式にしたがって、光学係数取得部720により取得された被検体の光学係数情報に基づいて被検体の音速情報を算出する。あるいは、音速取得部740は、光学係数取得部720により取得された被検体の光学係数情報に対応する被検体の音速情報を、メモリ710に格納された関係テーブルから読み出す。
被検体情報取得部としての初期音圧取得部730は、メモリ710に記憶された電気信号群と、S300で取得された音速情報と、各受信素子411−414の位置情報とに基づいて、被検体1000内の初期音圧分布を取得する。初期音圧分布を再構成する手法については、タイムドメイン再構成手法、フーリエドメイン再構成手法、モデルベース再構成手法(繰り返し再構成手法)などの公知の再構成手法を採用することができる。例えば、PHYSICAL REVIEW E 71,016706(2005)に記載されたようなUniversal Back−Projection(UBP)と呼ばれるタイムドメイン再構成手法を採用することができる。
光音響波は、被検体に照射された光を吸収するエネルギーを音圧に変換することで発生する。光音響波が発生する際の初期音圧P0は式(1)で表すことができる。
rは被検体内の位置を表す。P0は初期音圧であり、光音響波の受信信号に基づいて取得される。Γはグリューナイゼン係数であり、組織が決定すると一意に決定される既知のパラメータである。μaは光吸収係数を表す。Φは光フルエンスを表す。
被検体情報取得部としての光吸収係数取得部760は、S400で取得された初期音圧分布とS500で取得された光フルエンス分布とに基づいて光吸収係数分布を取得する。光吸収係数取得部760は、式(1)にしたがって、関心領域の各位置における初期音圧P0を光フルエンスΦで除算することにより、光吸収係数μaを取得することができる。なお、グリューナイゼン係数Γについては既知であるとして、光吸収係数取得部760は、予めメモリ710に格納されたグリューナイゼン係数を読み出すことにより計算に用いてもよい。
制御部770は、被検体1000の光吸収係数分布のデータを表示部800に送信し、光吸収係数分布の画像や光吸収係数分布中の特定位置の数値等を表示部800に表示させる。被検体情報が3次元の場合、制御部770は、任意の断面で切断した断層画像、最大値投影(Maximum Intensity Projection:MIP)画像、またはボリュームレンダリングした画像などを表示させることができる。例えば、3D画像を異なる複数の方向から表示してもよい。また、表示画像の傾きや表示領域、ウインドウレベルやウインドウ幅を、利用者が表示部800の表示を確認しながら入力部900を用いて変更するようにしてもよい。制御部770は、S100で得られた信号データ、S200で得られた光学係数情報、S300で得られた音速情報、S400で得られた初期音圧分布、またはS500で得られた光フルエンス分布を、表示部800に表示させてもよい。入力部900は、それぞれの情報の表示のON/OFFを切り替えられるように構成されていてもよい。また、これらの表示形式として、例えば、重畳表示や並列表示するようにしてもよい。
第一の実施形態では、被検体1000を均質な媒質と仮定したときの音速の代表値を被検体の音速情報として取得したが、本実施形態では、被検体1000の各位置における音速の値を表す分布情報を被検体の音速情報として取得する例を説明する。本実施形態に係る装置構成は第一の実施形態と同様である。以下、第一の実施形態と異なる部分について説明する。
本実施形態では、互いに異なる複数の波長の光をそれぞれ被検体に照射することにより発生した光音響波に基づいて分光情報、例えば被検体を構成する物質の濃度に関する情報を取得する例を説明する。
モラー光吸収係数は既知であるため、式(4)から理解されるように、濃度取得部780は、第1波長に対応する光吸収係数分布と、第2波長に対応する光吸収係数分布とに基づいて、酸素飽和度分布を算出することができる。
μa(λ1,r)/μa(λ2,r)=P0(λ1)φ0(λ1)/P0(λ2)φ0(λ2)・exp(μeff(λ1)d(r)−μeff(λ2)d(r)) ・・・(5)
ここで、dは光照射位置(被検体表面)からの距離であり、φ0は光照射位置における光フルエンスである。この場合、式(4)および式(5)から理解されるように、第1波長における等価減衰係数と第2波長における等価減衰係数との差から酸素飽和度を取得することができる。すなわち、2波長間の等価減衰係数の差を光学係数情報として、音速情報と光学係数情報との関係テーブルまたは関係式をメモリ710に格納してもよい。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
400 受信部
700 コンピュータ
Claims (16)
- 光を被検体に照射する光照射手段と、
前記光照射手段からの光が照射された前記被検体から発生する光音響波を電気信号に変換する受信手段と、
前記被検体の光学係数情報を取得する光学係数取得手段と、
前記光学係数取得手段により得られた前記光学係数情報を用いて、前記被検体の音速情報を取得する音速取得手段と、
前記電気信号と前記音速情報とを用いて、被検体情報を取得する被検体情報取得手段と、
を有することを特徴とする光音響装置。 - 前記光学係数取得手段は、前記電気信号を用いて前記光学係数情報を取得し、
前記音速取得手段は、前記電気信号を用いて得られた前記光学係数情報を用いて前記音速情報を取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。 - 前記光学係数取得手段は、前記被検体の光学係数の代表値を前記光学係数情報として取得する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の光音響装置。 - 前記音速取得手段は、前記被検体の光学係数の代表値を用いて、前記被検体の音速の代表値を前記音速情報として取得する
ことを特徴とする請求項3に記載の光音響装置。 - 前記光学係数取得手段は、前記被検体の各位置における光学係数を前記光学係数情報として取得し、
前記音速取得手段は、前記被検体の各位置における光学係数を用いて、前記被検体の各位置における音速の値を前記音速情報として取得する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の光音響装置。 - 前記被検体情報取得手段は、前記電気信号、前記音速情報、及び前記光学係数情報を用いて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記被検体情報取得手段は、
前記電気信号と前記音速情報とを用いて、前記被検体内の初期音圧分布を取得し、
前記光学係数情報を用いて、前記被検体内の光フルエンス分布を取得し、
前記初期音圧分布と前記光フルエンス分布とを用いて、前記被検体内の光吸収係数分布に関する前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする請求項5に記載の光音響装置。 - 前記音速情報と前記光学係数情報との関係テーブルまたは関係式が格納されたメモリを更に有し、
前記音速取得手段は、前記光学係数取得手段により得られた前記光学係数情報に対応する前記音速情報を、前記メモリに格納された前記関係テーブルまたは前記関係式を用いて取得する
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記メモリには、異なる乳腺密度に関する情報に対応した複数の前記関係テーブルまたは前記関係式が格納され、
前記音速取得手段は、前記被検体の乳腺密度に関する情報に対応する前記関係テーブルまたは前記関係式を用いて、前記音速情報を取得する
ことを特徴とする請求項8に記載の光音響装置。 - 前記光照射手段は、互いに異なる複数の波長の光をそれぞれ前記被検体に照射し、
前記受信手段は、前記光照射手段からの前記複数の波長の光が照射された前記被検体から発生する光音響波を、前記複数の波長のそれぞれに対応する電気信号に変換し、
前記光学係数取得手段は、前記複数の波長の一部の波長に対応する光学係数情報を取得し、
前記音速取得手段は、前記一部の波長に対応する光学係数情報を用いて、前記音速情報を取得し、
前記被検体情報取得手段は、前記一部の波長に対応する光学係数情報を用いて得られた前記音速情報と、前記複数の波長のそれぞれに対応する前記電気信号と、を用いて、前記複数の波長のそれぞれに対応する被検体情報を取得する
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記被検体情報取得手段は前記一部の波長に対応する光学係数情報を用いて得られた前記音速情報と、前記複数の波長のそれぞれに対応する電気信号と、を用いて、前記複数の波長のそれぞれに対応する初期音圧分布を取得し、
前記光学係数取得手段は、前記複数の波長のそれぞれに対応する光学係数情報を取得し、
前記複数の波長のそれぞれに対応する前記光学係数情報を用いて、前記複数の波長のそれぞれに対応する光フルエンス分布を取得し、
前記複数の波長のそれぞれに対応する前記初期音圧分布と、前記複数の波長のそれぞれに対応する前記光フルエンス分布と、を用いて、前記被検体情報を取得する
ことを特徴とする請求項10に記載の光音響装置。 - 音速情報と光学係数情報との関係テーブルまたは関係式が格納されたメモリと、
前記メモリに格納された前記関係テーブルまたは前記関係式にしたがって、被検体の光学係数情報から前記被検体の音速情報を取得する音速取得手段と、
を有することを特徴とする情報取得装置。 - 音速情報と光学係数情報との関係テーブルまたは関係式にしたがって、被検体の光学係数情報から前記被検体の音速情報を取得する工程を有することを特徴とする情報取得方法。
- 前記被検体の光学係数情報を取得する工程を更に有することを特徴とする請求項13に記載の情報取得方法。
- 光が照射された前記被検体から発生する光音響波を電気信号に変換する工程を更に有し、
前記光学係数情報を取得する工程は、前記電気信号を用いて前記光学係数情報を取得する工程を含む
ことを特徴とする請求項14に記載の情報取得方法。 - 請求項13から15のいずれか1項に記載の情報取得方法をコンピュータに実行させるプログラム。
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