JP5751769B2 - 画像情報取得装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
音響トモグラフィ)がある。PATでは、光源から発生したパルス光を生体に照射し、生体内で伝播・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波(典型的には超音波)を検出する。この光音響波発生機序を、光音響効果と呼ぶ。光音響効果により発生した音響波を光音響波とも呼ぶ。
波形を図8(b)に、光音響画像を図8(c)に示す。
、上述のファントムから発生する界面光音響波の強度は、被検体で発生する界面光音響波と異なるため、アーティファクトを除去できない。
を出力し、前記信号処理装置は、前記被検体音響信号と前記リファレンス音響信号の強度を比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行い、前記被検体音響信号から被検体画像データを生成し、当該被検体画像データと、前記記憶装置に記憶された前記リファレンス画像データとの差分画像データを生成することを特徴とする画像情報取得装置である。
実施例1では、本発明を適用した画像情報取得装置の構成例について説明する。
図1(a)に本実施例における画像情報取得装置の構成を説明する概略図を示す。図1(a)の画像情報取得装置は、光源1、光学系2、トランスデューサ3、音響伝達部材4、メモリー5、信号処理装置6、出力装置7、音響波検出プローブ11を有する。図中、Eは被検体である。被検体Eは、例えば、***などの生体組織である。被検体Eには内部組織α1及びα2が含まれる。内部組織としては例えば、腫瘍などのような光吸収体を想定することができる。
光源1は、被検体Eに照射する特定波長のナノ秒オーダーのパルス光を発する光源である。光源1が発する光の波長は、生体組織を構成する水、脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンなどの吸収スペクトルに応じた波長を選定する。一例としては、生体内部組織の主成分である水の吸収が小さいため光が良く透過し、脂肪、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンのスペクトルに特徴がある600−1500nm範囲が適当である。
いては、光音響効果によって発生した音響波をトランスデューサ3で電気信号に変換したものを音響信号とする。トランスデューサ3は、音響波を受信して電気信号に変換する素子を複数配置したアレイ型としても良い。ところで、癌などの腫瘍の成長に伴って腫瘍のサイズが2−3mm以上になる場合に、新生血管の形成が増大することが知られている。このためトランスデューサ3としては、光音響効果により数mm以下の光吸収体から発生した0.5MHz−数10MHzの音響波の検出に適した材料が好適に用いられる。具体的には、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミック材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。また、圧電素子以外の素子を用いても良い。例えば、CMUT(Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers)などの静電容量型の素子を配置したトランスデューサを用いても良い。
ファントムFは、被検体Eと略等しい音響インピーダンス(音響パラメータ)と、光吸収特性と光散乱特性(光学パラメータ)を有している。ファントムFは、被検体を模した模擬生体であるとも言える。例えば、音響インピーダンスは1.5〜1.6×106kg/m2secに設定すると良い。また、光吸収特性と光散乱特性は光源1が発する波長によって設定する値が異なる。皮膚の光吸収特性と光散乱特性については、既に知られているものを用いることができる。例えば、波長が700nm以上1100nm以下の範囲の光に対して光散乱係数が0.45mm−1以上2.8mm−1以下、光吸収係数が0.001mm−1以上0.03mm−1以下に設定すると良い。さらには、光散乱係数が0.45mm−1以上1.2mm−1以下、光吸収係数が0.005mm−1以上0.015mm−1以下とすると、より生体に近似した光学特性が得られるため好ましい。特に、***組織の波長1064nmにおける代表的な光吸収係数μaは0.01mm−1、光散乱
係数μs’は0.9mm−1であるため、この付近に設定すると良い。
過してトランスデューサ3の音響伝達部材4に接している面に達する。
T−0はパルス光が照射された時にトランスデューサ3と音響伝達部材4の接触面で光音響効果によって発生した界面光音響波による信号振幅である。F−0はパルス光が照射された時に音響伝達部材4とファントムFの接触面で光音響効果によって発生した界面光音響波が音響伝達部材4の中を伝播してトランスデューサ3に達した音響波による信号振幅である。
図1(a)に示す装置において、光源1から射出されたパルス光は光学系2によって拡大され、音響伝達部材4を透過して被検体Eの表面に導かれる。被検体Eに達した光は被検体Eの表面及び内部で散乱する。散乱した光の一部はプローブ側に反射され、再び音響伝達部材4を透過してトランスデューサ3の音響伝達部材4に接している面に達する。
音響伝達部材4とトランスデューサ3の夫々の界面で反射されて多重反射界面光音響波が発生する。
T−0は図3(a)で説明したものと同じ、トランスデューサ3と音響伝達部材4の接触面における界面光音響波の信号振幅である。E−0はパルス光が照射された時に音響伝達部材4と被検体Eの接触面で光音響効果によって発生した界面光音響波が音響伝達部材4の中を伝播してトランスデューサ3に達した音響波の信号振幅である。
F−0に遅れて発生している音響波は、被検体Eの内部組織で光音響効果によって発生した音響波と図3aで説明した多重反射界面光音響波T−1,T−2・・・、F−1、F−2・・・が合成されたものである。
また、本実施例の画像情報取得装置の変形例として、図4(a)及び4(b)に示すものがある。以下、図1と異なる構成要素を中心に説明する。
図4(a)の例では、音響伝達部材4と被検体Eの間に被検体Eを保持するための第二音響伝達部材12を設けている。第二音響伝達部材12は、被検体Eに接触して被検体Eを保持するとともに、光音響効果により発生した音響波に対して高透過特性と低減衰特性を有し、更に光源1が発する光に対して高透過特性と低減衰特性を有する平板である。音響伝達部材4を構成する材料の例としては、石英ガラス、ポリメチルペンテンポリマー、ポリカーボネート、アクリルなどがある。
被検体Eの光吸収特性と光散乱特性には個人差がある。実施例1で示したファントムFを各々に適したファントムを用意することも考えられるが、測定する人数が多くなると高コストになるとともにリファレンス音響信号取得のための時間も要する。実施例2は、光吸収特性と光散乱特性の平均値を有するファントムFを用いて、これらの個人差によるずれを補正できる画像情報取得装置の構成例に関するものである。
実施例1と同様に図3(a)に示すファントムFのリファレンス音響信号を取得する。この時、F−0の界面光音響波の信号強度はAF0、F−1の音響波の信号強度はAF1、F−2の音響波の信号強度はAF2である。
すなわち、リファレンス音響信号のF−0の信号強度AF0をAE0に補正することにより、ファントムFと被検体Eの光吸収特性と光散乱特性の違いを補正することができる。
得ることが可能となる。
断層画像データを用いて多重反射界面光音響波の影響を除去する画像情報取得装置の構成例に関して、図5(a)を用いて説明する。図1(a)と同じ番号を付けた構成部材は上述したものと同じ機能を有するものである。
図5(a)に示した装置は、一次元アレイトランスデューサ8、音響レンズ9、画像生成装置10を有する。一次元アレイトランスデューサ8は、トランスデューサ3で説明した圧電素子を一次元に配列したものである。複数個の圧電素子から取得した複数の音響信号から、Sum And Delay Beamforming法を用いて所望の位置の信号を取得する。
図5(b)に示す装置において、光源1から射出されたパルス光は光学系2によって拡大され、音響レンズ9の側面付近からファントムFの表面に導かれる。ファントムFに達した光はファントムFの表面及び内部で散乱する。散乱した光の一部はプローブ側に反射され、音響レンズ9及び一次元アレイトランスデューサ8に達する。
図の縞模様Ti−0はパルス光が照射された時に一次元アレイトランスデューサ8と音響レンズ9の接触面で光音響効果によって発生した界面光音響波による像である。なお、説明を簡略化するため、本実施例では音響伝達部材4の厚みについては考えないが、音響伝達部材表面で界面光音響波が発生する場合でも他の接触面と同様に考えることができる
。縞模様Fi−0はパルス光が照射された時に音響レンズ9とファントムFの接触面で光音響効果によって発生した界面光音響波が音響レンズ9の中を伝播して一次元アレイトランスデューサ8に達した音響波による像である。
図5(a)に示す装置において、光源1から射出されたパルス光は光学系2によって拡大され、音響レンズ9の側面付近から被検体Eの表面に導かれる。被検体Eに達した光は被検体Eの表面及び内部で散乱する。散乱した光の一部はプローブ側に反射され、音響レンズ9及び一次元アレイトランスデューサ8に達する。
縞模様Ti−0は図5(a)で説明したものを画像化した例である。縞模様Ei−0はパルス光が照射された時に音響レンズ9と被検体Eの接触面で光音響効果によって発生した界面光音響波が音響レンズ9の中を伝播して一次元アレイトランスデューサ8に達した音響波による像である。
−2・・・、Fi−1、Fi−2・・・、が合成されたものである。
図6(c)は出力装置7に表示された被検体画像データからリファレンス画像データを減算した差分画像である。αi−1は図5(a)に示す被検体Eの内部組織α1から、αi−2は内部組織α2から発生した音響波を示している。
Claims (13)
- 光源と、
音響波を検出して電気信号に変換するトランスデューサと、
前記電気信号を用いて画像データを生成する信号処理装置と、
前記光源からの光が被検体を模したファントムに照射されたことにより発生した光音響波を、前記トランスデューサが検出して出力したリファレンス音響信号を記憶する記憶装置と、
を有し、
前記トランスデューサは、前記光源からの光が被検体に照射されたことにより発生した光音響波を検出して被検体音響信号を出力し、
前記信号処理装置は、
前記被検体音響信号と前記リファレンス音響信号の強度を比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行い、
前記被検体音響信号と前記リファレンス音響信号との差分音響信号を生成し、
当該差分音響信号から画像データを生成する
ことを特徴とする画像情報取得装置。 - 光源と、
音響波を検出して電気信号に変換するトランスデューサと、
前記電気信号を用いて画像データを生成する信号処理装置と、
前記光源からの光が被検体を模したファントムに照射されたことにより発生した光音響波を、前記トランスデューサが検出して出力したリファレンス音響信号から生成されたリファレンス画像データを記憶する記憶装置と、
を有し、
前記トランスデューサは、前記光源からの光が被検体に照射されたことにより発生した光音響波を検出して被検体音響信号を出力し、
前記信号処理装置は、
前記被検体音響信号と前記リファレンス音響信号の強度を比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行い、
前記被検体音響信号から被検体画像データを生成し、
当該被検体画像データと、前記記憶装置に記憶された前記リファレンス画像データとの差分画像データを生成する
ことを特徴とする画像情報取得装置。 - 前記ファントムの光散乱係数は0.45mm−1以上、2.8mm−1以下であり、前記ファントムの光吸収係数は0.01mm−1以上、0.03mm−1以下である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の画像情報取得装置。 - 前記ファントムの光散乱係数は0.45mm−1以上、1.2mm−1以下であり、前記ファントムの光吸収係数は0.005mm−1以上、0.015mm−1以下である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の画像情報取得装置。 - 前記ファントムの音響インピーダンスは1.5×106kg/m2sec以上、1.6×106kg/m2sec以下である
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の画像情報取得装置。 - 前記光源は、700nm以上、1100nm以下の波長の光を出射する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の画像情報取得装置。 - 前記信号処理装置は、
前記リファレンス音響信号のうち、前記ファントムの表面から発生した光音響波に基づく信号の強度を取得し、
前記被検体音響信号のうち、前記被検体の表面から発生した光音響波に基づく信号の強度を取得し、
前記ファントムの表面で発生した前記光音響波及び前記被検体の表面で発生した前記光音響波に基づく信号の強度を比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行う
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の画像情報取得装置。 - 前記信号処理装置は、前記リファレンス音響信号のうち最も強度の高い信号と、前記被検体音響信号のうち最も強度の高い信号とを比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行う
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の画像情報取得装置。 - 前記トランスデューサと前記被検体との間に配置される音響伝達部材をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の画像情報取得装置。 - 前記記憶装置は、前記音響伝達部材を前記トランスデューサと前記ファントムとの間に配置したときに、前記光源からの光が前記ファントムに照射されたことにより発生した光音響波を前記トランスデューサが検出して出力した前記リファレンス音響信号を記憶することを特徴とする請求項9に記載の画像情報取得装置。
- 光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を検出して得られた被検体音響信号に基づいて画像データを生成する画像情報取得装置の制御方法であって、
光が前記被検体を模したファントムに照射されることにより発生した光音響波を検出して得られたリファレンス音響信号と、前記被検体音響信号の強度とを比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行い、前記被検体音響信号と前記リファレンス音響信号の差分音響信号を生成するステップと、
前記差分音響信号から画像データを生成するステップと、
を有することを特徴とする画像情報取得装置の制御方法。 - 光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を検出して得られた被検体音響信号に基づいて画像データを生成する画像情報取得装置の制御方法であって、
光が前記被検体を模したファントムに照射されることにより発生した光音響波を検出して得られたリファレンス音響信号と、前記被検体音響信号の強度とを比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行い、前記リファレンス音響信号からリファレンス画像データを生成するステップと、
前記被検体音響信号から被検体画像データを生成するステップと、
前記信号処理装置が、前記被検体画像データと、前記リファレンス画像データとの差分画像データを生成するステップと、
を有することを特徴とする画像情報取得装置の制御方法。 - 前記リファレンス音響信号のうち、前記ファントムの表面で発生した光音響波に基づく信号の強度を取得するステップと、
前記被検体音響信号のうち、前記被検体の表面で発生した光音響波に基づく信号の強度を取得するステップと、
前記ファントムの表面で発生した前記光音響波及び前記被検体の表面で発生した前記光音響波に基づく信号の強度を比較した結果に基づき、前記リファレンス音響信号の強度の補正を行うステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項11または12に記載の画像情報取得装置の制御方法。
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