JP6701005B2 - 装置および情報処理方法 - Google Patents
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Description
例えば光音響イメージング装置は、特に皮膚がんや乳がんの診断での有用性が示されている。光音響イメージング装置は、これらの診断で従来使用されてきた超音波エコー診断装置、X線装置、MRI装置などに代わる医療機器としての期待が高まっている。
光音響イメージング装置は、この光音響波を計測することで生体組織の情報を可視化する。このような光音響効果を利用した断層撮影の技術を光音響イメージング(Photoacoustic Imaging:PAI)とも呼ぶ。
非特許文献1及び非特許文献2では、空間波数領域における画像再構成方法が開示されている。
特許文献2では、被検体とトランスデューサとの間にある保持板による空間波数成分の変調を考慮して超音波画像を取得する装置が開示されている。
いて前記空間波数成分の補正を行う補正ステップと、前記補正された空間波数成分を用いて前記特性情報を取得する情報取得ステップと、を有することを特徴とする情報処理方法である。
で反射、散乱されて伝搬してきた音響波を受信(検出)する、エコー技術を利用した装置を含む。このような被検体情報取得装置は、音響波の反射、散乱特性に基づく被検体内部の特性情報を画像データ等の形式で得ることから、エコーイメージング装置や超音波エコー装置とも呼べる。エコーイメージング装置における特性情報とは、被検体内の音響インピーダンス差、音響インピーダンス差のある位置、音速、密度を示す。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の符号を付して説明を省略する。
図1の(a)は、本実施形態にかかる被検体情報取得装置の模式図である。以下、装置の各構成要素について説明する。装置は、光源110、光学系120、トランスデューサ131を備えた探触子130、保持板140、処理部150、表示部160を有する。測定対象は、被検体100である。
基づく情報である。
これは本発明の被検体情報取得装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。本発明の被検体情報取得装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを主な目的とする。よって、被検体としては生体、具体的には人体や動物の***や頭部、頸部、腹部などの診断対象部位が想定される。
光源110としては、数ナノから数マイクロ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源が好ましい。具体的には、効率的に光音響波を発生させるため、光源110は10ナノ秒程度のパルス幅の光を発生可能であることが好ましい。光源110が発生させる光の波長としては、被検体内部まで光が伝搬する波長が望ましい。具体的には、被検体が生体の場合、好適な波長は、500nm以上、1200nm以下である。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い波長領域(例えば400nmから1600nm)でも使用できる。
光源110から出射された光は、光学系120の光学部品により伝搬され、所望の光分布形状に成型されて被検体100に導かれる。光学部品には、例えば、光を反射するミラー、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズ、光を分散・屈折・反射するプリズム、光を伝搬させる光ファイバ、光を拡散させる拡散板などが含まれる。他にも、光源110から発せられた光を被検体に所望の形状で照射することができるのであれば、どのような光学部品を用いてもよい。
探触子130は、音響波を検出可能な素子であるトランスデューサ131と、トランスデューサを囲う筺体とを備えている。トランスデューサ131は、音響波を受信し、アナログ信号である電気信号に変換する。トランスデューサ131としては、圧電現象、光の共振、静電容量の変化等を用いたものなど、光音響波を受信できればどのようなものを用いてもよい。
探触子130は複数のトランスデューサ131を備えている。これにより一度の光の照射で生じる光音響波を複数の位置で取得できる。その結果、画像化に用いる情報量が増加し画質が改善する。
保持板140は、被検体100を載置、保持する機能を持つ。載置することで、画質低下の要因となる測定中の体動を抑制できる。加えて、被検体100の自重等により被検体を圧迫する機能を有する。圧迫により被検体100を薄くして深部まで光を到達させることで、被検体100の深部での画質が改善する。これらの効果を増すために、複数の保持板140により被検体100を挟む構成にしてもよい。また、探触子130またはマッチング材と、被検体100との接触を防止することで、衛生状態が向上し、安全性が高まる。
ば、本発明の媒質に相当する。
このように保持板の正確な諸元を処理部150に設定することで、後述する被検体情報取得方法をより高い精度で実行することができる。
処理部150は、受信信号を用いて被検体内部の被検体情報を取得するための演算を行う。典型的にはCPU、GPU、A/D変換器などの素子や、FPGA、ASICなどの回路から構成される。また、信号増幅器を含んでもよい。トランスデューサ131により音響波から変換された電気信号はアナログ信号であるため、通常、デジタル信号に変換するとともに、増幅処理を施す。なお、処理部150は、1つの素子や回路から構成されるだけではなく、複数の素子や回路から構成されていてもよい。また、被検体情報取得方法で行われる各処理をいずれの素子や回路が実行してもよい。各処理を実行する装置を総称して本実施形態に係る処理部とする。
表示部160は、処理部150から出力される被検体情報を表示する装置である。表示部160は、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良い。なお、被検体情報
の表示にあたっては、表示部160または処理部150において画像処理(輝度値の調整等)を行った上で表示することもできる。
次に、本実施形態に係る被検体情報取得方法の各工程を、図4を参照して説明する。なお、各工程は、処理部150が被検体情報取得装置の各構成の動作を制御することにより実行される。
光源110で発生させた光は、光学系120を介してパルス光として被検体100に照射される。そして、被検体100内部でパルス光が吸収され、光音響効果により光音響波が生じる。
本工程では、探触子130が光音響波を受信(検出)して、トランスデューサ131から受信信号を出力する。出力された受信信号は、処理部150に渡される。このとき、処理部150のメモリに受信信号(アナログ電気信号でも良いし、AD変換後のデジタル電気信号でも良い)を格納しておき、下記の情報処理は別途行うようにしても良い。あるいは、後述するステップS140で得られる補正済みの信号をメモリに保存しておき、画像再構成を別途行うようにしても良い。あるいは、注目領域内のある領域から得られた受信信号を処理しつつ、別の領域からの光音響波取得を行ってもよい。
本工程では、受信信号の空間波数成分を取得する。非特許文献2によれば、球面形状の探触子において、式(1)により受信信号の空間波数成分p^(kx、ky、ω)を取得できる。
ここで、kxは空間波数kのx成分、kyは空間波数kのy成分、ωは時間角周波数、
c1は被検体100の縦波音速、RSは探触子130の曲率半径、Sは探触子130の表
面、rSはトランスデューサ131の位置ベクトル、tは時間を表す。p(rS、t)は
rSの位置にあるトランスデューサ131の受信信号で、時系列の信号である。F1{・
}は時間フーリエ変換を、Re{・}は実部を取ることを示す。
式(3)は、各トランスデューサ131の受信信号p(rS、t)に時間tを乗算したものを時間フーリエ変換してその実部をとり、重みeik・rSを乗算して和を取ることで、空間波数成分を取得できることを意味する。
本工程では、音響波が保持板140を通過する際に受けた、横波への変換を含む振幅及び位相の変調を補正する。
内を伝搬する縦波の伝搬角、保持板140内を伝搬する横波の伝搬角、探触子130内のマッチング材を伝搬する縦波の伝搬角を表す。このように、本発明の媒質には、保持板(保持手段)およびマッチング材が含まれ得る。
cosθ2Tについても同様に、虚数となる場合は、式(12)のようにする。
分母のλはノイズの増幅とゼロ割を抑制するパラメータであり、一般的には|h^|の最大値の数〜数十%程度にするとよい。
板140側に透過する波の複素振幅透過率をt12L、横波として保持板140側に透過する波の複素振幅透過率をt12Tとしている。これら保持板140内の縦波と横波が、保持板140の厚さTを伝搬しきった際に受ける位相シフトを、それぞれφ2L、φ2Tとしている。なお、cosθ2L、2Tが虚数の場合、これらの項は減衰を示す項となる。保持板140から探触子130内のマッチング材へ向かって、縦波として透過する波の複素振幅透過率をt23L、横波として透過する波の複素振幅透過率をt23Tとしている。
本工程では、処理部150において、S140で取得した補正空間波数成分を用いて被検体100内の初期音圧分布p0(r)を算出する。注目領域が複数の画像化最小単位(ボクセル等)を含む場合、最小単位ごとの初期音圧、すなわち注目領域内の初期音圧分布を算出する。
F3 −1{・}は、三次元逆フーリエ変換を表す。kz’は、p0(r)を取得する際に必要な空間波数成分のz成分である。式(3)の時間フーリエ変換で得られる離散的なωとkz’は対応していないため、kz’に対応したω’の空間波数成分をωから補間する。補間には、線形補間、sinc補間、不等間隔補間等、いかなる方法を用いてもよいが、補間精度の高い不等間隔補間を用いることが望ましい。更には、高速不等間隔補間が望ましい。
本工程では、S150で取得した初期音圧分布を用いて、注目領域の被検体情報を表示部160に表示する。被検体情報として、初期音圧分布、吸収係数分布、酸素飽和度等を表示できる。吸収係数分布や酸素飽和度等を表示させる場合は、処理部150において初期音圧分布に対して演算を行って所望の情報を取得する。
表示部160に表示された被検体情報は、デフォーカス等が抑制され、解像度及びコントラストが改善されているため、医師等の作業者が診断等に用いる上で好適な情報となっている。
本実施形態では、平面形状の探触子を有する被検体情報取得装置について説明する。なお、第一の実施形態と同一の構成要素には、原則として同一の符号を付して説明を省略する。
図7(a)は、本実施形態にかかる被検体情報取得装置の模式図である。第一の実施形態における球面形状の探触子130が平面形状の探触子730に置き換えられている。探触子730は、本発明の受信手段に相当する。図7(b)は、処理部750と周辺の構成との関係を示す模式図である。第一の実施形態における処理部150が処理部750に置き換えられている。処理部750は、本発明の処理手段に相当する。
探触子730は、音響波を検出可能な素子であるトランスデューサ131と、トランスデューサを囲う筺体とを備え、本実施形態では平面形状をとる。トランスデューサ131は、平面上に配置されているのであればいかなる分布で配置されてもよい。たとえば、格子状配置、スパース配置、ランダム配置等を採用できる。後述する被検体情報取得方法において高速フーリエ変換を用いて計算時間を短縮するためには、格子状に配置することが望ましい。
次に、本実施形態に係る被検体情報取得方法の各工程を、図8を参照して説明する。なお、各工程は、処理部750が被検体情報取得装置の各構成の動作を制御することにより実行される。
S110、S120、S140、S160は、第一の実施形態の同一の符号を有する工程と同一であるため、説明を省略する。
本工程では、受信信号の空間波数成分を取得する。非特許文献1によれば、平面形状の探触子において、式(22)により受信信号の空間波数成分p^(kx、ky、ω)を取得できる。
ここで、p(x、y、t)は座標(x、y)のトランスデューサ131の時系列の受信信号を示す。Fx、y、t{・}は、座標x、yに関する空間フーリエ変換と、時間tに関する時間フーリエ変換を実行することを示す。
)、デコンボリューション、包絡線検波、ウェーブレットフィルタリング、等をかけることができる。これにより受信信号のSN改善等を期待できる。
本工程では、処理部150において、S140で取得した補正空間波数成分を用いて被検体100内の初期音圧分布p0(r)を算出する。注目領域が複数の画像化最小単位(ボクセル等)を含む場合、最小単位ごとの初期音圧、すなわち注目領域内の初期音圧分布を算出する。
F3 −1{・}は、三次元逆フーリエ変換を表す。kz’は、p0(r)を取得する際に必要な空間波数成分のz成分である。式(22)の時間フーリエ変換で得られる離散的なωとkz’は対応していないため、kz’に対応したω’の空間波数成分をωから補間する。補間には、線形補間、sinc補間、不等間隔補間等、いかなる方法を用いてもよいが、補間精度の高い不等間隔補間を用いることが望ましい。更には、高速不等間隔補間が望ましい。
本実施形態では、横波変換を含む位相の変調を少ない計算量で補正可能な被検体取得装置について説明する。特に、保持板140が十分な厚さを有する場合に好適である。なお、第一の実施形態および第二の実施形態と同一の構成要素には、原則として同一の符号を付して説明を省略する。
図9(a)と(b)は、それぞれ本実施形態にかかる被検体情報取得装置の模式図と処理部950と周辺の構成との関係を示す模式図である。第二の実施形態における処理部750が処理部950に置き換えられている。処理部950は、本発明の処理手段に相当する。
次に、本実施形態に係る被検体情報取得方法の各工程を、図10を参照して説明する。なお、各工程は、処理部950が被検体情報取得装置の各構成の動作を制御することにより実行される。
S110、S120、S830、S850、S160は、第一または第二の実施形態の同一の符号を有する工程と同一であるため、説明を省略する。
本工程では、音響波が保持板140を通過する際に受けた、横波への変換を含む位相の変調を補正する。
特許文献2によれば、保持板140による位相の変調は式(24)により補正できる。
θ1は空間波数成分p^(kx、ky、ω)に対応する連続平面波が保持板140に入射する際の角度、θcはθ1に関する臨界角度である。
すなわち、θ1<θcである場合、空間波数成分を縦波音速c2Lと横波音速c2Tの両方で補正し、それらを足し合わせたものを補正空間波数成分pc^とする。θ1≧θcである場合、空間波数成分を横波音速c2Tで補正し、補正空間波数成分pc^とする。これは、保持板140が厚い場合、臨界角未満では横波と縦波が保持板140内を伝搬し、臨界角以上では横波のみが伝搬することを反映している。臨界角未満でも横波の補正をかけることで、情報量を増加させ、被検体情報の精度を改善できる。式(26)では縦波と横波の補正量計算を2回行うことになるが、それでも式(4)や式(14)よりは計算量が少ないため、高速に計算できる。
さらに、被検体を測定した直後に第三の実施形態を実行し、その後で第二の実施形態を実行することもできる。この方法によれば、第三の実施形態の高速性を活かして被検体情報を早期に確認し、測定が正しく行われたことを即座に確認できる。その上で、第二の実施形態により位相に加え振幅も補正された高精度な被検体情報を取得することで、診断等
の精度をより高められる。
記憶装置に記録されたプログラムを読み込み実行することで前述した実施形態の機能を実現するシステムや装置のコンピュータ(又はCPU、MPU等のデバイス)によっても、本発明を実施することができる。また、例えば、記憶装置に記録されたプログラムを読み込み実行することで前述した実施形態の機能を実現するシステムや装置のコンピュータによって実行されるステップからなる方法によっても、本発明を実施することができる。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。この目的のために、上記プログラムは、例えば、ネットワークを通じて、又は、上記記憶装置となり得る様々なタイプの記録媒体(つまり、非一時的にデータを保持するコンピュータ読取可能な記録媒体)から、上記コンピュータに提供される。したがって、上記コンピュータ(CPU、MPU等のデバイスを含む)、上記方法、上記プログラム(プログラムコード、プログラムプロダクトを含む)、上記プログラムを非一時的に保持するコンピュータ読取可能な記録媒体は、いずれも本発明の範疇に含まれる。
Claims (17)
- 被検体から伝搬し、前記被検体と受信手段との間に配置された媒質内を伝搬した音響波に由来する信号に基づいて前記被検体の特性情報を取得する装置であって、
前記信号の空間波数成分を取得する波数取得手段と、
前記被検体の縦波音速および前記媒質の横波音速に関するパラメータを用いて前記空間波数成分の補正を行う補正手段と、
前記補正された空間波数成分を用いて前記特性情報を取得する情報取得手段と、
を有することを特徴とする装置。 - 前記補正手段は、前記被検体の縦波音速ならびに前記媒質の縦波音速および横波音速に関するパラメータを用いて、前記空間波数成分の補正を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記補正手段は、前記空間波数成分の位相と振幅の少なくとも一つについて補正を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
- 前記補正手段は、前記媒質の前記横波音速に関するパラメータに基づく複素振幅透過率を用いて前記補正を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の装置。 - 前記補正手段は、前記複素振幅透過率を用いて前記空間波数成分をデコンボリューションすることにより前記補正を行う
ことを特徴とする請求項4に記載の装置。 - 前記デコンボリューションの補正特性を調整する補正特性調整手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項5に記載の装置。 - 前記複素振幅透過率は、前記媒質の内部での干渉に応じて設定された透過率である
ことを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1項に記載の装置。 - 前記複素振幅透過率は、前記媒質の内部での干渉に関わらず設定された透過率である
ことを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1項に記載の装置。 - 前記補正手段は、前記媒質における前記音響波の横波への変換を含む位相の変調に関する補正を行う
ことを特徴とする請求項3に記載の装置。 - 前記補正手段は、前記被検体の縦波音速ならびに前記媒質の縦波音速および横波音速に関するパラメータを用いて、前記空間波数成分の補正を行うものであり、前記空間波数成分に対応する連続平面波の前記媒質への入射角度に応じて、前記媒質の縦波音速を用いた前記補正と、横波音速を用いた前記補正とを切り替える
ことを特徴とする請求項9に記載の装置。 - 前記補正手段は、前記媒質の縦波音速を用いた前記補正と、横波音速を用いた前記補正との間で加重を変える
ことを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記加重の調整を可能にする補正特性調整手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項11に記載の装置。 - 前記媒質の関連情報を取得する関連情報取得手段をさらに有し、
前記補正手段は、前記関連情報を用いて前記パラメータを取得する
ことを特徴とする請求項1ないし12のいずれか1項に記載の装置。 - 前記媒質は、前記被検体を保持する保持手段である
ことを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載の装置。 - 前記音響波を受信することにより前記信号を出力する前記受信手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1項に記載の装置。 - 被検体から伝搬し、前記被検体と受信手段との間に配置された媒質内を伝搬した音響波に由来する信号に基づいて前記被検体の特性情報を取得する装置であって、
前記信号の空間波数成分を取得する波数取得手段と、
前記被検体で発生した縦波である前記音響波の一部が前記媒質の内部で変換された横波に基づく成分に関する情報を用いたデコンボリューションにより前記空間波数成分を補正する補正手段と、
前記補正された空間波数成分を用いて前記特性情報を取得する情報取得手段と、
を有することを特徴とする装置。 - 被検体から伝搬し、前記被検体と受信手段との間に配置された媒質内を伝搬した音響波に由来する信号に基づいて前記被検体の特性情報を取得する情報処理方法であって、
前記信号の空間波数成分を取得する波数取得ステップと、
前記被検体の縦波音速および前記媒質の横波音速に関するパラメータを用いて前記空間波数成分の補正を行う補正ステップと、
前記補正された空間波数成分を用いて前記特性情報を取得する情報取得ステップと、
を有することを特徴とする情報処理方法。
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