JP6381718B2 - 装置および画像生成方法 - Google Patents
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Description
ある。光音響トモグラフィー装置では、被検体内を伝播し、拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から発生される音響波(典型的に超音波である)を、被検体を取り囲む複数の個所で検出する。そして、得られた信号を数学的に解析処理し、被検体内部の光学特性値、特に吸収係数分布に関連した情報を可視化する。近年、この光音響トモグラフィー装置を用いて、小動物の血管像をイメージングする前臨床研究や、この原理を乳がんなどの診断に応用する臨床研究が積極的に進められている。
、第2の伝播速度を決定し、前記画像生成手段は、前記第2の伝播速度と前記保存手段に保存された信号とに基づいて、第2の光音響画像を生成し、前記第2の光音響画像を表示手段に表示させることを特徴とする。
また、本発明の第二の形態に係る装置は、被検体への光照射に起因して発生する音響波に基づいて光音響画像を生成する装置であって、前記音響波を検出することにより得られる信号を保存する保存手段と、前記音響波の伝播速度を決定する決定手段と、前記伝播速度と、前記保存手段に保存された信号とに基づいて、前記光音響画像を生成する画像生成手段と、を有し、前記画像生成手段は、第1の伝播速度と前記保存手段に保存された信号とに基づいて、第1の光音響画像を生成し、前記決定手段は、前記第1の光音響画像に対するユーザの指示に基づいて、注目位置を設定し、前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目位置に対応する信号に基づいて、第2の伝播速度を決定し、前記画像生成手段は、前記第2の伝播速度と前記保存手段に保存された信号とに基づいて、第2の光音響画像を生成し、前記第2の光音響画像を表示手段に表示させることを特徴とする。
また、本発明の第二の形態に係る画像生成方法は、被検体への光照射に起因して発生する音響波に基づいて光音響画像を生成する画像生成方法であって、第1の伝播速度と、前記音響波を検出することにより得られ、保存手段に保存された信号とに基づいて、第1の光音響画像を生成する第1の生成ステップと、前記第1の光音響画像に対するユーザの指示に基づいて、注目位置を設定する設定ステップと、前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目位置に対応する信号に基づいて、前記音響波の第2の伝播速度を決定する決定ステップと、前記保存手段に保存された信号と前記第2の伝播速度とに基づいて、第2の光音響画像を生成する第2の生成ステップと、前記第2の光音響画像を表示する表示ステップと、を含むことを特徴とする。
以下、本発明の原理について説明する。
図1は本発明の原理を示す模式図である。図1において、符号1は(被検体内部の)音源、符号2はボクセル(あるいはピクセル)、符号3は検出素子を示す。各検出素子は、時間分割測定により被検体内部から伝播してくる音響波を検出して、検出信号を出力する。なお、検出素子3の数はN(Nは2以上の整数)個とする。
一般的に、音響波(超音波)を利用した画像生成装置では、複数の検出素子iから得られる複数の検出信号S(i,t)を用いて被検体内部の情報を表す画像を再構成する。こ
のような画像は再構成画像と呼ばれ、再構成画像が3次元画像(ボクセルの集合体)の場合にはボリュームデータとも呼ばれる。再構成画像が2次元画像の場合にはピクセルデータとも呼ばれる。再構成画像の各画素(ボクセルあるいはピクセル)は、一般的には各検出素子からその画素に対応する位置までの距離と伝播速度(被検体内部における音響波の伝播速度)に基づいて位相が調整された検出信号から算出される。ただし、フーリエドメイン法などでは、周波数空間での演算により、画像が再構成される。なお、図1においてiは検出素子の番号(0からN−1の範囲の整数)、tは時間を示す。
以下、一般的な画像再構成法であるタイムドメイン法について具体的に説明する。まず、検出素子毎に、i番目の検出素子から再構成画像内の或る画素に対応する位置までの距離を伝播速度で除算する。それにより、その画素位置で音響波が発生した場合において、該音響波が検出素子iに到達するまでの時間τi(遅延時間)を算出する(発生時刻をt=0とする)。そして、検出素子毎に、時間τiのときの検出信号の強度S(i,τi)を算出し、それらを足し合わせることにより、再構成画像の画素を生成する(同様に複数の位置について画素を生成することにより、再構成画像が生成される)。このような再構成画像の生成方法において、各ボクセル(またはピクセル)のデータが最大になるように伝播速度、すなわち時間τiを決定するのが特許文献1に開示の技術である。なお、強度S(i,τi)は時間τiでの検出信号S(i,t)の強度(位相が調整された検出信号の強度)を示す。
ここで、S(i)は、検出素子iから出力され、位相が調整された検出信号の強度、即ち、ある速度に基づいて算出された時間τiでの検出信号の強度S(i,τi)である。S(i)が検出素子によらず同じ値となる場合、指標CF=1となり、S(i)の値のばらつきが大きいほど、指標CFは0に近づく。つまり、強度S(i,τi)のばらつきが大きいほど、指標CFは0に近い値となり、ばらつきが小さいほど1に近い値となる。本発明では、強度S(i,τi)のばらつきが最小、すなわち指標CFが最大となる速度を伝播速度に決定する。なお、指標はCFに限らない。分散値や標準偏差値など統計分野で使われる尺度を用いてばらつきを評価しても良い。
能となる。また、本発明では、強度S(i,τi)のばらつきを最小とする領域を制限することにより、バックグラウンドノイズの増加を抑制することができる。また、本発明では、強度S(i,τi)のばらつきが最小となる速度を伝播速度とするため、検出信号にノイズがランダム含まれていたとしても、そのノイズを平均化することができる(即ち、ノイズの影響を小さくすることができる)。その結果、検出信号にノイズが含まれていても、実際の伝播速度を精度良く推測することができる。
そのため、本発明によれば、ノイズおよび画像生成時に用いた速度と実際の伝播速度との不一致による画質劣化が抑制された、被検体内部の情報を表す画像を再構成することができる。
次に、本実施形態に係る画像生成装置及び画像生成方法について説明する。図2は、本実施形態に係る画像生成装置の構成の一例を示す。ここでは、被検体内部から伝播してくる音響波を検出し、生体情報を可視化する光音響トモグラフィー技術を用いた画像生成装置(光音響トモグラフィー装置)の場合を例にして説明する。なお、本発明は音響波探触子から音響波(超音波)を送信し、被検体内で反射した反射音響波(超音波)を検出することで被検体内部を表す情報を画像化する超音波診断技術を用いた画像生成装置(超音波診断装置)にも適用できる。
に利用される。そのため、被検体15としては、人体や動物の***や指・手足などの診断の対象部位が想定される。光音響トモグラフィー装置では、光吸収体(あるいは音源)14は、被検体内の吸収係数が高い部分である。例えば、人体が測定対象である場合には、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、それらを多く含む血管、及び、新生血管を多く含む悪性腫瘍などが光吸収体となる。また、超音波診断装置では、音源14は、周囲との音響インピーダンスが異なる組織界面である。
Array)チップなどで構成される。なお、複数の検出信号を同時に処理できることが望ましい。それにより、画像を生成するまでの時間を短縮できる。
画像再構成処理部19に接続される信号処理器20は、被検体内部における音響波の伝播速度を決定する(決定手段)。本実施形態では、信号収集器18から出力される複数のデジタル信号と画像再構成処理部19で得られた画像を用いて伝播速度を決定する。
まず、画像再構成処理部19が、被検体の予想される伝播速度(所定の速度)に基づいて仮の再構成画像(ボリュームデータ)を生成する(ステップ301)。仮の再構成画像の生成方法としては、光音響トモグラフィー装置や超音波診断装置で従来から用いられている手法を用いることができる。例えば、タイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影法などである。
なお、ステップ301では、超音波診断装置や光音響トモグラフィー装置などのような、音響波を検出して再構成画像を生成する画像生成装置を用いることが好ましい。但し、これに限らず、X線CTやMRIなど、別原理の画像生成装置を用いて、生体情報にかかわるボリュームデータ(再構成画像)を生成してもよい。
む領域を注目領域に決定する(ステップ302)。注目画素は、光音響トモグラフィー装置の場合、吸収体を構成する画素であり、超音波再構成画像の場合、超音波の反射が大きい領域の画素である。
そして、信号処理器20が、複数の仮定の速度のうち、強度のばらつきが最小となる速度を伝播速度に決定する(ステップ304)。また、画像再構成処理部19が、該決定された伝播速度に基づいて再構成画像を生成する。
以上の処理により、ノイズおよび画像再構成時に用いた速度と実際の伝播速度との不一致による画質劣化が抑制された、被検体内部の情報を表す画像を再構成することができる。
ここで、検出素子の形状は正方形とする。式(103)において、dは検出素子の幅、θは処理対象位置と検出素子を結ぶ直線と、検出素子の向きとの間の角度、kは2π/λ、λは音響波の波長である。
なお、画像再構成処理部19、信号処理器20の処理は、ソフトウェアではなく、ハードウェアで実現されていてもよい。
シミュレーションにより本発明を実施し、その効果を検証した。以下、図5,6を用いて説明する。
被検体として、図5(A)に示すように、X方向:4cm、Y方向:4cm、Z方向:4cmの立方体ファントム43を用いた。立方体ファントム43の中心には、直径が0.05cm、高さが2cmの円柱形状の音源41を、その軸方向がX方向と平行になるように設置した。ここで、音源41は、光音響トモグラフィーでは光吸収体、超音波診断装置では超音波反射体のことを示す。なお、被検体内部における音響波の伝播速度を1500m/秒、音源41で発生する初期発生音圧を3000Pa(パスカル)とした。
画像Bは、伝播速度として1580m/秒の速度を用いたときに得られる再構成画像である。このように実際の伝播速度1500m/秒と異なる速度を用いると、画像にボケが生じ、解像度が低下することが分かる。
その結果、中心のボクセル(152×152×160の全ボクセルにおいて、76×76×80番目)が検出された。そして、このボクセルを中心として21×21×21ボクセルに対応する領域を注目領域として設定した。
以上の結果を表1に示す。
なお、実際の伝播速度が1500m/秒であるのに対し、本実施例では伝播速度が1492m/秒と推定されたのは、ノイズと検出素子の指向性の影響による。
なお、本実施例では、注目領域内の位置毎に検出信号の強度のばらつきを算出するものとしたが、注目領域内の一部の位置についてばらつきを算出する構成であってもよい。例えば、注目領域の中心位置のみについてのばらつきを算出する構成であってもよい。
次に、光音響トモグラフィー装置に本発明を適用した例について、図2を用いて説明する。本実施例では、光源11として波長1064nmで約10ナノ秒のパルス光を発生するQスイッチYAGレーザーを用いた。パルスレーザー光(光12)のエネルギーは0.6Jであり、そのパルス光をミラーとビームエキスパンダーなどの光学機器13を用いて、半径約2cm程度まで広げた。被検体15としては生体を模擬したファントムを用いた。ファントムは1%のイントラリピッドを寒天で固めたものを利用した。ファントムの大きさは幅:12cm、高さ:8cm、奥行き:4cmとした。また、このファントム内には直径0.03cmのゴム製の黒色ワイヤが中心付近に光吸収体14として埋め込まれている。このようなファントムに、半径2cmまで広げた光12を照射した。音響波探触子17としてはPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)で作られた超音波トランスデューサーを用
いた。このトランスデューサーは2次元アレイ型で、素子数は18×18個、各素子の形状は正方形形状、素子ピッチは2mmである。また、素子の幅は約2mmである。なお、この音響波探触子は光照射領域と同期して、XY方向に移動可能になっており、大きな領域を画像化できるように構成されている。
このように、本実施例では、被検体内部における音響波の伝播速度を正確に推定することができ、ひいては、再構成画像の解像度を向上させることができる。
5 注目領域
15 被検体
16 音響波
17 音響波探触子
19 画像再構成処理部
20 信号処理器
Claims (37)
- 被検体への光照射に起因して発生する音響波に基づいて光音響画像を生成する装置であって、
前記音響波を検出することにより得られる信号を保存する保存手段と、
前記音響波の伝播速度を決定する決定手段と、
前記伝播速度と、前記保存手段に保存された信号とに基づいて、前記光音響画像を生成する画像生成手段と、
を有し、
前記画像生成手段は、
第1の伝播速度と前記保存手段に保存された信号とに基づいて、第1の光音響画像を生成し、
前記決定手段は、
前記第1の光音響画像に基づいて、注目位置を設定し、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目位置に対応する信号に基づいて、第2の伝播速度を決定し、
前記画像生成手段は、
前記第2の伝播速度と前記保存手段に保存された信号とに基づいて、第2の光音響画像を生成し、
前記第2の光音響画像を表示手段に表示させる
ことを特徴とする装置。 - 被検体への光照射に起因して発生する音響波に基づいて光音響画像を生成する装置であって、
前記音響波を検出することにより得られる信号を保存する保存手段と、
前記音響波の伝播速度を決定する決定手段と、
前記伝播速度と、前記保存手段に保存された信号とに基づいて、前記光音響画像を生成する画像生成手段と、
を有し、
前記画像生成手段は、
第1の伝播速度と前記保存手段に保存された信号とに基づいて、第1の光音響画像を生成し、
前記決定手段は、
前記第1の光音響画像に対するユーザの指示に基づいて、注目位置を設定し、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目位置に対応する信号に基づいて、第2の伝播速度を決定し、
前記画像生成手段は、
前記第2の伝播速度と前記保存手段に保存された信号とに基づいて、第2の光音響画像を生成し、
前記第2の光音響画像を表示手段に表示させる
ことを特徴とする装置。 - 前記決定手段は、
前記第1の光音響画像の中から、ユーザにより選択された、前記注目位置を含む領域を注目領域として設定し、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目領域に対応する信号に基づいて、前記第2の伝播速度を決定する
ことを特徴とする、請求項2に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記第1の光音響画像を解析することにより、前記注目位置を設定する
ことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記第1の光音響画像の輝度に基づいて、前記注目位置を設定する
ことを特徴とする、請求項4に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記第1の光音響画像のうち、輝度値が最も高い位置を前記注目位置として設定する
ことを特徴とする、請求項5に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記第1の光音響画像のコントラストに基づいて、前記注目位置を設定する
ことを特徴とする、請求項4に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記第1の光音響画像のうち、コントラストが最も高い位置を前記注目位置として設定する
ことを特徴とする、請求項7に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記第1の光音響画像のうち、血管を含む位置を前記注目位置として設定する
ことを特徴とする、請求項4に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記注目位置を含む注目領域を設定し、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目領域に対応する信号に基づいて、前記第2の伝播速度を決定する
ことを特徴とする、請求項4から9のいずれか1項に記載の装置。 - 前記決定手段は、前記注目位置から所定のピクセル数またはボクセル数の範囲内にある領域を前記注目領域として設定する
ことを特徴とする、請求項3または10に記載の装置。 - 前記画像生成手段は、前記注目領域における前記第2の光音響画像を生成する
ことを特徴とする、請求項3,10,または11に記載の装置。 - 前記決定手段は、
仮定の伝播速度を設定し、
前記音響波の検出位置から前記注目位置までの距離と、前記仮定の伝播速度とに基づいて、前記保存手段に保存された信号の中から前記注目位置に対応する信号を決定する
ことを特徴とする、請求項1から12のいずれか1項に記載の装置。 - 前記決定手段は、
前記音響波の検出位置から前記注目位置までの前記距離と、前記仮定の伝播速度とに基づいて、前記注目位置に対応する信号を決定する処理を、複数の仮定の伝播速度に対して実行し、
前記複数の仮定の伝播速度に対応する前記注目位置に対応する信号に基づいて、前記第2の伝播速度を決定する
ことを特徴とする、請求項13に記載の装置。 - 前記被検体に光を照射する光照射手段と、
前記音響波を検出することにより得られる信号を出力する音響波検出手段と、を有する
ことを特徴とする、請求項1から14のいずれか1項に記載の装置。 - 前記光照射手段は、半導体レーザまたは発光ダイオードを含む
ことを特徴とする、請求項15に記載の装置。 - 前記画像生成手段は、3次元ボリュームデータとしての前記第2の光音響画像を生成する
ことを特徴とする、請求項1から16のいずれか1項に記載の装置。 - 前記画像生成手段は、2次元ピクセルデータとしての前記第2の光音響画像を生成する
ことを特徴とする、請求項1から17のいずれか1項に記載の装置。 - 前記保存手段は、前記被検体への複数回の光照射に起因して発生する音響波を検出することにより得られる信号を保存する
ことを特徴とする請求項1から18のいずれか1項に記載の装置。 - 被検体への光照射に起因して発生する音響波に基づいて光音響画像を生成する画像生成方法であって、
第1の伝播速度と、前記音響波を検出することにより得られ、保存手段に保存された信号とに基づいて、第1の光音響画像を生成する第1の生成ステップと、
前記第1の光音響画像に基づいて、注目位置を設定する設定ステップと、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目位置に対応する信号に基づいて、前記音響波の第2の伝播速度を決定する決定ステップと、
前記保存手段に保存された信号と前記第2の伝播速度とに基づいて、第2の光音響画像を生成する第2の生成ステップと、
前記第2の光音響画像を表示する表示ステップと、を含む
ことを特徴とする、画像生成方法。 - 被検体への光照射に起因して発生する音響波に基づいて光音響画像を生成する画像生成方法であって、
第1の伝播速度と、前記音響波を検出することにより得られ、保存手段に保存された信号とに基づいて、第1の光音響画像を生成する第1の生成ステップと、
前記第1の光音響画像に対するユーザの指示に基づいて、注目位置を設定する設定ステップと、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目位置に対応する信号に基づいて、前記音響波の第2の伝播速度を決定する決定ステップと、
前記保存手段に保存された信号と前記第2の伝播速度とに基づいて、第2の光音響画像を生成する第2の生成ステップと、
前記第2の光音響画像を表示する表示ステップと、を含む
ことを特徴とする、画像生成方法。 - 前記決定ステップでは、
前記第1の光音響画像の中から、ユーザにより選択された、前記注目位置を含む領域を注目領域として設定し、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目領域に対応する信号に基づいて前記第2の伝播速度を決定する
ことを特徴とする、請求項21に記載の画像生成方法。 - 前記設定ステップでは、
前記第1の光音響画像を解析することにより、前記注目位置を設定する
ことを特徴とする、請求項20に記載の画像生成方法。 - 前記設定ステップでは、
前記第1の光音響画像の輝度に基づいて、前記注目位置を設定する
ことを特徴とする、請求項23に記載の画像生成方法。 - 前記設定ステップでは、
前記第1の光音響画像のうち、輝度値が最も高い位置を前記注目位置として設定する
ことを特徴とする、請求項24に記載の画像生成方法。 - 前記設定ステップでは、
前記第1の光音響画像のコントラストに基づいて、前記注目位置を設定する
ことを特徴とする、請求項23に記載の画像生成方法。 - 前記設定ステップでは、
前記第1の光音響画像のうち、コントラストが最も高い位置を前記注目位置として設定する
ことを特徴とする、請求項26に記載の画像生成方法。 - 前記設定ステップでは、
前記第1の光音響画像のうち、血管を含む位置を前記注目位置として設定する
ことを特徴とする、請求項23に記載の画像生成方法。 - 前記決定ステップでは、
前記注目位置を含む注目領域を設定し、
前記保存手段に保存された信号のうち、前記注目領域に対応する信号に基づいて、前記第2の伝播速度を決定する
ことを特徴とする、請求項23から28のいずれか1項に記載の画像生成方法。 - 前記決定ステップでは、前記注目位置から所定のピクセル数またはボクセル数の範囲内にある領域を前記注目領域として設定する
ことを特徴とする、請求項22または29に記載の画像生成方法。 - 前記第2の生成ステップでは、前記注目領域における前記第2の光音響画像を生成する
ことを特徴とする、請求項22,29,または30に記載の画像生成方法。 - 前記決定ステップでは、
前記音響波の仮定の伝播速度を設定し、
前記音響波の検出位置から前記注目位置までの距離と、前記仮定の伝播速度とに基づいて、前記保存手段に保存された信号の中から前記注目位置に対応する信号を決定する
ことを特徴とする、請求項20から31のいずれか1項に記載の画像生成方法。 - 前記決定ステップでは、
前記音響波の検出位置から前記注目位置までの前記距離と、前記仮定の伝播速度とに基づいて、前記注目位置に対応する信号を決定する処理を、複数の仮定の伝播速度に対して実行し、
前記複数の仮定の伝播速度に対応する前記注目位置に対応する信号に基づいて、前記第2の伝播速度を決定する
ことを特徴とする、請求項32に記載の画像生成方法。 - 前記第2の生成ステップでは、3次元ボリュームデータとしての前記第2の光音響画像を生成する
ことを特徴とする、請求項20から33のいずれか1項に記載の画像生成方法。 - 前記第2の生成ステップでは、2次元ピクセルデータとしての前記第2の光音響画像を生成する
ことを特徴とする、請求項20から34のいずれか1項に記載の画像生成方法。 - 前記保存手段に保存された信号は、前記被検体への複数回の光照射に起因して発生する音響波を検出することにより得られる信号である
ことを特徴とする、請求項20から35のいずれか1項に記載の画像生成方法。 - 請求項20から36のいずれか1項に記載の画像生成方法をコンピュータに実行させるプログラム。
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