JP6366356B2 - 光音響装置、信号処理方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
特許文献1に記載された光音響波の受信においては、探触子と被検体の間に存在する被検体以外の領域で発生した光音響波も受信する場合がある。この被検体以外の領域で発生した光音響波の受信信号は、被検体内における高S/Nの被検体情報を取得するためは大きく寄与しない受信信号である。すなわち、特許文献1に記載された走査では、被検体情報を取得するための受信信号を取得する場合に、被検体内の高S/Nの被検体情報の取得に大きく寄与しないデータも取得してしまう可能性がある。
本実施例における光音響装置は、光源100、光学系200、複数の音響波受信素子300、支持体400、移動部としてのスキャナー500から構成される。さらに、本実施例における光音響装置は、撮像装置600、コンピュータ700、表示部としてのディスプレイ900、入力部1000、形状保持部1100から構成されている。また、コンピュータ700は、信号データ取得部710、情報取得部720、制御部730、および記憶部740を備えている。
被検体Eは測定の対象となるものである。具体例としては、***等の生体や、装置の調整などにおいては生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。音響特性とは具体的には音響波の伝搬速度および減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数および散乱係数である。被検体としての生体内の光吸収体としては、ヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが挙げられる。ファントムでは、光学特性を模擬した物質を光吸収体として内部に封入する。なお、便宜上、図1において被検体Eは点線で示している。
光源100はパルス光を発生させる装置である。光源としては大出力を得るため、レーザーが望ましいが、発光ダイオードなどでもよい。光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間に光を照射させなければならない。被検体が生体の場合、光源100から発生するパルス光のパルス幅は数十ナノ秒以下にすることが望ましい。また、パルス光の波長は生体の窓と呼ばれる近赤外領域であり、700nm〜1200nm程度が望ましい。この領域の光は比較的生体深部まで到達することができ、深部の情報を得ることができる。生体表面部の測定に限定すれば、500〜700nm程度の可視光から近赤外領域も使用してもよい。さらに、パルス光の波長は観測対象に対して吸収係数が高いことが望ましい。
光学系200は、光源100で発生させたパルス光を被検体Eへ導く装置である。具体的にはレンズ、ミラー、プリズム、光ファイバー、拡散板、などの光学機器である。また光を導く際に、これらの光学機器を用いて、所望の光分布となるように形状や光密度を変更することもある。光学機器はここにあげたものだけに限定されず、このような機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。本実施形態において光学系200は、半球の曲率中心の領域を照明するように構成されている。
音響波受信素子300は、光音響波を受信して電気信号に変換する素子である。被検体Eからの光音響波に対して、受信感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。
支持体400は、略半球形状の容器であり、半球の内側の面に複数の音響波受信素子300が設置され、半球の底部(極)に光学系200が設置されている。また、半球の内側には、後述する音響マッチング材1300が充填される。
スキャナー500は、支持体400の位置を図1のX、Y、Z方向に移動することにより、被検体Eに対する支持体400の相対位置を変更する装置である。このためスキャナー500は、不図示のX、Y、Z方向のガイド機構と、X、Y、Z方向の駆動機構と、支持体400のX、Y、Z方向の位置を受信する位置センサを備えている。図1に示すように、スキャナー500の上に支持体400が積載されるため、ガイド機構は大きな荷重に耐えることが可能なリニアガイドなどを用いることが好ましい。また、駆動機構としては、リードスクリュー機構、リンク機構、ギア機構、油圧機構、などを用いることができる。駆動力はモーターなどを用いることができる。また、位置センサとしては、エンコーダー、可変抵抗器、などを用いたポテンショメータなどを用いることができる。
撮像装置600は、被検体Eの画像データを生成し、生成した画像データをコンピュータ700に出力する。撮像装置600は、撮像素子610および画像生成部620を有する。画像生成部620は、撮像素子610から出力された信号を解析することにより被検体Eの画像データを生成し、生成した画像データをコンピュータ700内の記憶部740に記憶する。
コンピュータ700は、信号データ取得部710、情報取得部720、制御部730、および記憶部740を有している。
音響マッチング材1300は、被検体Eと音響波受信素子300との間の空間を満たし、被検体Eと音響波受信素子300を音響的に結合させるためのものである。本実施形態では、形状保持部1100と被検体Eとの間にも音響マッチング材1300を配置している。
ディスプレイ900は、コンピュータ700から出力される被検体情報を分布画像や数値データなどで表示する装置である。典型的には液晶ディスプレイなどが利用されるがプラズマディスプレイや有機ELディスプレイ、FEDなど他の方式のディスプレイでもよい。なお、ディスプレイ900は、本発明の光音響装置とは別に提供されていてもよい。
入力部1000は、ユーザーがコンピュータ700に所望の情報を入力するために所望の情報を指定できるように構成された部材である。入力部1000としては、キーボード、マウス、タッチパネル、ダイヤル、およびボタンなどを用いることができる。入力部1000としてタッチパネルを採用する場合、ディスプレイ900が入力部1000を兼ねるタッチパネルであってもよい。なお、入力部1000は、本発明の光音響装置とは別に提供されていてもよい。
形状保持部1100は、被検体Eの形状を一定に保つための部材である。形状保持部1100は、取り付け部1200に取り付けられている。なお、被検体Eを複数の形状にそれぞれ保持するために複数の形状保持部を用いる場合、取り付け部1200は複数の形状保持部を取り付け可能に構成されていることが好ましい。
次に図3に示すフローを用いて、被検体の形状情報に基づいて被検体内で発生した光音響波を選択的にメモリに保存する方法について説明する。
まず、形状保持部1100に被検体Eが挿入され、支持体400と形状保持部1100との間、および形状保持部1100と被検体Eとの間に音響マッチング材1300が満たされる。
続いて、信号データ取得部710が、S100で取得された被検体Eの形状に基づく情報に基づいて、被検体E以外で発生した音響波が音響波受信素子300に到達する期間を決定する。そして、この期間を受信信号データのデータ量を低減する期間とする。以下、受信信号データのデータ量を低減する期間を「データ量低減期間」とし、この期間に対応する空間的な領域を「データ量低減領域」とする。
スキャナー500は、S200で設定された測定位置に支持体400を位置させる。測定位置における支持体400の位置情報がコンピュータ700に送られ、ROM741に測定位置情報として保存される。もしくは、測定位置情報は測定開始前に既知のものであってもよい。
情報取得部720は、S300で取得された受信信号データに基づいて、被検体情報を取得する。すなわち、情報取得部720内のGPU721は、DRAM718に保存された受信信号データに対して画像再構成アルゴリズムに基づく処理を施すことにより被検体情報を取得し、DRAM722に保存する。
ディスプレイ900は、S400で取得された被検体情報を分布画像や数値データとして表示する。例えば、CPU731はDRAM722から被検体情報を読み出し、被検体情報の分布画像をディスプレイ900に表示させることができる。
以下、実施形態2を実施形態1における光音響装置と同じ装置を用いて説明する。なお、実施形態1で説明した構成には同じ番号を付し、詳細な説明を省略する。
次に図7に示すフローを用いて、高い強度で受信することのできる周波数成分の受信信号を選択的に保存する方法について説明する。なお、図3に示す工程と同じ工程には同じ番号を付し、詳細な説明を省略する
(S210:被検体の形状に基づく情報に基づいてサンプリング周波数を決定する工程)
信号データ取得部710は、S100で取得した被検体Eの形状に基づく情報に基づいて、複数の音響波受信素子300のそれぞれに対応するサンプリング周波数を決定する。
ΔI=α・L・f ・・・式(1)
ここで、光音響波の発生時の音圧から高画質化に大きく寄与するS/Nを下回るときの許容減衰量をΔI’とすると、式(2)に示す周波数fより高い周波数の光音響波の受信信号については、高画質化に大きく寄与しない周波数成分となる可能性がある。
スキャナー500は、設定された測定位置に支持体400を位置させる。測定位置における支持体400の位置情報がコンピュータ700に送られ、ROM741に測定位置情報として保存される。もしくは、測定位置情報は測定開始前に既知のものであってもよい。
情報取得部720は、S310で取得した受信信号データに基づいて被検体情報を取得する。すなわち、情報取得部720内のGPU721は、DRAM718に保存された受信信号データに対して画像再構成アルゴリズムに基づく処理を施すことにより被検体情報を取得し、DRAM722に保存する。
ディスプレイ900は、S400で取得された被検体情報を分布画像や数値データとして表示する。例えば、CPU731はDRAM722から被検体情報を読み出し、被検体情報の分布画像をディスプレイ900に表示させることができる。
300 複数の音響波受信素子
700 コンピュータ
E 被検体
Claims (12)
- 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複数の位置で受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて、被検体情報を取得する光音響装置であって、
前記時系列の受信信号のデータ量を低減して受信信号データを生成し、を保存する信号データ取得部と、
前記被検体の形状を複数の形状のそれぞれに保持することができる複数の保持部のそれぞれに対応する第1の期間を示す情報を保存する記憶部と、
前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する情報取得部と、
を有し、
前記信号データ取得部は、
取り付け部に取り付けられた保持部の種類を示す情報に基づいて、前記保持部の種類に対応する前記第1の期間を示す情報を前記記憶部から読み出し、前記複数の位置のそれぞれに対応する前記時系列の受信信号に対して、互いに異なる前記第1の期間を決定し、
前記第1の期間に対応する前記時系列の受信信号のデータ量を低減して前記受信信号データを生成し、保存し、
前記第1の期間に対応する前記受信信号データの単位時間当たりのデータ量は、前記第1の期間とは異なる第2の期間に対応する前記受信信号データの単位時間当たりのデータ量よりも低い
ことを特徴とする光音響装置。 - 前記信号データ取得部は、前記被検体以外の領域で発生した光音響波を受信する期間を前記第1の期間として決定することを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。
- 前記信号データ取得部は、ユーザの指定に基づいて決定された前記保持部の種類を示す情報を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。
- 前記信号データ取得部は、前記第1の期間に対応する前記時系列の受信信号を保存しないことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記信号データ取得部は、前記保持部の種類を示す情報に基づいて、前記第1の期間に対応するサンプリング周波数と、前記第2の期間に対応するサンプリング周波数とを異なるサンプリング周波数とし、前記時系列の受信信号を当該サンプリング周波数でサンプリングして前記受信信号データを生成し、保存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。
- 前記記憶部は、前記複数の保持部のそれぞれに対応する前記サンプリング周波数を示す情報を保存し、
前記信号データ取得部は、
前記保持部の種類を示す情報に基づいて、前記保持部に対応する前記サンプリング周波数を示す情報を前記記憶部から読み出し、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。 - 前記光音響波を受信することにより前記時系列の受信信号を出力する複数の受信素子と、
前記複数の受信素子の指向軸が集まるように前記複数の受信素子を支持する支持体と、を有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 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複数の位置で受信することにより得られた時系列の受信信号に基づいて、被検体情報を取得する信号処理方法であって、
取り付け部に取り付けられた保持部の種類を示す情報に基づいて、前記被検体の形状を複数の形状のそれぞれに保持することができる複数の保持部のそれぞれに対応する第1の期間を示す情報が保存された記憶部から、前記保持部の種類に対応する第1の期間を示す情報を読み出し、前記複数の位置のそれぞれに対応する前記時系列の受信信号に対して、互いに異なる前記第1の期間を決定する工程と、
前記第1の期間に対応する前記時系列の受信信号のデータ量を低減して受信信号データを生成し、保存する工程と、
前記受信信号データに基づいて、前記被検体情報を取得する工程と、
を有し、
前記第1の期間に対応する前記受信信号データの単位時間当たりのデータ量は、前記第1の期間とは異なる第2の期間に対応する前記受信信号データの単位時間当たりのデータ量よりも低い
ことを特徴とする信号処理方法。 - 前記第1の期間は、前記被検体以外の領域で発生した光音響波を受信する期間であることを特徴とする請求項8に記載の信号処理方法。
- ユーザの指定に基づいて決定された前記保持部の種類を示す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8または9に記載の信号処理方法。
- 前記受信信号データを生成し、保存する工程は、前記第1の期間に対応する前記時系列の受信信号を保存しない工程を含むことを特徴とする請求項8から10のいずれか1項に記載の信号処理方法。
- 請求項8から11のいずれか1項に記載の信号処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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