JP6759032B2 - 光音響装置、情報処理方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
本明細書においては、撮像対象とプローブとの相対位置が変動する事象を「位置ずれ」と呼ぶ。また、撮像対象とプローブとの相対位置の変動量を「位置ずれ量」と呼ぶ。また、位置ずれに起因する、複数の画像データに現れる撮像対象の位置の変化量を、「複数の画像データ間の位置ずれ量」と呼ぶ。並進量、回転量、または変形量などの位置ずれを表現するパラメータを「位置ずれ情報」と呼ぶ。
光照射部110は、パルス光113を発する光源と、光源から射出されたパルス光113を被検体100へ導く光学系とを含む。なお、パルス光は、いわゆる矩形波、三角波などの光を含む。
受信部120は、音響波を受信することにより電気信号を出力するトランスデューサ121と、トランスデューサ121を支持する支持体122とを含む。また、トランスデューサ121は、音響波を送信することもできる。便宜上、図2においてはトランスデューサ121を1つしか図示していないが、受信部120は複数のトランスデューサを含んでいてもよい。
駆動部130は、被検体100と受信部120との相対位置を変更する部分である。本実施形態では、駆動部130は、支持体122をXY方向に移動させる装置であり、ステッピングモータを搭載した電動のXYステージある。駆動部130は、駆動力を発生させるステッピングモータなどのモータと、駆動力を伝達させる駆動機構と、受信部120の位置情報を検出する位置センサとを含む。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。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。
信号収集部140は、トランスデューサ121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。信号収集部140は、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップなどで構成されてもよい。信号収集部140から出力されるデジタル信号は、コンピュータ150内の記憶部152に記憶される。信号収集部140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。なお、信号収集部140は、光照射部110の光射出部に取り付けられた光検出センサと接続されており、パルス光113が光照射部110から射出されたことをトリガーに、同期して処理を開始してもよい。また、信号収集部140は、フリーズボタンなどを用いてなされる指示をトリガーに同期して、当該処理を開始してもよい。
コンピュータ150は、演算部151、記憶部152、制御部153を含む。各構成の機能については処理フローの説明の際に説明する。
表示部160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150により得られた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160は、画像や装置を操作するためのGUIを表示してもよい。なお、被検体情報の表示にあたっては、表示部160またはコンピュータ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。
入力部170としては、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操作コンソールを採用することができる。入力できる内容としては、画像再構成の条件の選択であったり、位置ずれ補正の方法の選択であったり、補間方法の選択であったりしてもよい。また、スライダーバーのような形で、合成された画像を確認しながら、位置ずれ量の足し合わせの重みなどを変更できるようにしてもよい。また、表示部160をタッチパネルで構成し、表示部160を入力部170として利用してもよい。
被検体100は光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、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目的として使用できる。よって、被検体100としては、生体、具体的には人体や動物の***や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。また、メチレンブルー(MB)、インドシニアングリーン(ICG)などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を光吸収体としてもよい。
光照射部110は、互いに異なる波長λ1及び波長λ2の光のそれぞれを複数回照射し、受信部120は、それらの光照射により発生する光音響波を受信する。 制御部153は、走査情報と光照射を示す情報(制御信号)をプローブ180に送信する。駆動部130が受信部120を移動させながら、光照射部110は複数回にわたって複数の波長のパルス光を被検体100に照射する。すなわち、複数回の光照射が行われる期間に、駆動部130は受信部120を移動させる。その結果、駆動部130は、受信部120が各光照射時に互いに異なる位置に位置するように受信部120を移動させることができる。トランスデューサ121は、光照射部110が複数回パルス光を照射することにより発生した光音響波を受信することにより、光照射回数分だけ信号を出力する。以下、複数波長による複数回の光照射回数分出力された信号を総称して、複数波長に対応する信号群と呼ぶ。
演算部151は、S100で取得された信号群に基づいて、第1の波長の光照射に対応する複数の画像データを取得する。演算部151は、各光照射の信号のそれぞれから画像データを生成し、その中から波長λ1の光照射により得られた画像データを取得してもよい。また、演算部151は、信号群の中から波長λ1の光照射に対応する信号を選択的に用いて、波長λ1の光照射により得られた画像データを取得してもよい。
演算部151は、S200で取得された波長λ1に対応する複数の画像データに基づいて、波長λ1の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報を取得する。例えば、以下説明するように、パルスボリュームデータ間の位置ずれ量を算出することや、パルスボリュームデータが合成されたボリュームデータの位置ずれ量を算出することにより、当該位置ずれ情報を取得することができる。
F_k(x,y,z)=fsimil(P_k,x,y,z)・・・式1
M_k=arg max(F_k(x,y,z))・・・式2
E_k=(M_k−(PosPλ1,k1−PosPλ1,k2)2)
=(M_k(x)−(PosPλ1,k1(x)−PosPλ1,k2(x))2)
+(M_k(y)−(PosPλ1,k1(y)−PosPλ1,k2(y))2)
+(M_k(z)−(PosPλ1,k1(z)−PosPλ1,k2(z))2)
・・・式3
演算部151は、S300で取得された波長λ1の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報に基づいて、波長λ2の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報を取得する。すなわち、S300に記載されたような方法で算出された特定の波長に対応する位置ずれ情報から、その他の波長に対応する位置ずれ情報を算出する。例えば、光の照射タイミングが既知である場合、λ1の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報を時間的に補間してもよい。また、光の照射タイミングにおけるプローブ180の位置、すなわち受信部120の位置が既知である場合、波長λ1の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報を空間的に補間してもよい。演算部151は、これらの補間により、波長λ2の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報を取得してもよい。
演算部151は、S300で得られた波長λ1に対応する位置ずれ情報、及び、S400で得られた波長λ2に対応する位置ずれ情報に基づいて位置ずれ補正を行う。
μa(λ1)=εox(λ1)Cox+εde(λ1)Cde・・・式11
μa(λ2)=εox(λ2)Cox+εde(λ2)Cde・・・式12
以下、第2の実施形態の光音響装置の構成の構成及び処理について説明する。第2の実施形態では、第1の実施形態の光音響装置と同様の装置を用いる。第2の実施形態においては、第1の実施形態の光音響装置と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
演算部151は、S200と同様に、S100で取得された信号群に基づいて、第2の波長の光照射に対応する複数の画像データを取得する。
演算部151は、S300と同様に、S210で取得された波長λ2に対応する複数の画像データに基づいて、波長λ2の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報を取得する。
(S600:波長λ1及び波長λ2の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報に基づいて、位置ずれ情報を更新する)
演算部151は、S300で得られた波長λ1の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報と、波長λ2の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報とに基づいて、それぞれの位置ずれ情報を更新する。
Mopt_stλ1=(Moptλ1+Moptλ2)/2
Mopt_stλ2=(Moptλ1+Moptλ2)/2・・・式15
演算部151は、S600で更新された、波長λ1及び波長λ2の光の照射タイミングにおける位置ずれ情報に基づいて、S500で説明した同様の方法で、位置ずれ補正を行う。
以下、第3の実施形態の光音響装置の構成の構成及び処理について説明する。第3の実施形態では、第1また第2の実施形態の光音響装置と同様の装置を用いる。第3の実施形態においては、第1または第2の実施形態の光音響装置と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
(S800:波長λ1に対応する複数の画像データと波長λ2に対応する複数の画像データとの画像特性の差を小さくする処理を行う)
演算部151は、S200で得られた波長λ1の複数の画像データと、S210で得られた波長λ2の複数の画像データとの画像特性の差が小さくなるように、波長λ1の複数の画像データ及び波長λ2の複数の画像データに対して画像処理を行う。例えば、波長間の画像特性の差を小さくする処理としては、画像強度の最大値または最小値を揃える処理や複数波長の画像強度の画像平均や分散が同程度となるような処理を行うことが挙げられる。なお、本明細書においては、画像データの画像特性の差を小さくする処理のことを正規化処理と呼ぶ。
P′x,y,z=Px,y,z*val/valmax・・・式16
演算部151は、S800で波長間の画像特性の差を小さくする処理を行った後の、波長λ1及び波長λ2の複数の画像データに基づいて、第1及び第2の波長の光照射タイミングにおける位置ずれ情報を取得する。画像データを用いた位置ずれ情報の取得方法については、S300で説明した方法と同様の方法を採用することができる。
以下、第4の実施形態の光音響装置の構成の構成及び処理について説明する。第4の実施形態では、第1、第2、または第3の実施形態の光音響装置と同様の装置を用いる。第4の実施形態においては、第1、2、または第3の実施形態の光音響装置と同様の構成については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
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。
120 受信部
150 コンピュータ
Claims (15)
- 第1の波長の光、及び、前記第1の波長とは異なる第2の波長の光のそれぞれを複数回被検体に照射する光照射手段と、
前記第1の波長の光及び前記第2の波長の光のそれぞれの複数回の光照射により発生する光音響波を受信することにより、信号群を出力する受信手段と、
前記信号群に基づいて、前記第1の波長に対応する第1の複数の画像データを生成し、
前記第1の波長に対応する第1の複数の画像データに基づいて、前記第1の波長の光の照射タイミングにおける第1の位置ずれ情報を取得し、
前記第1の位置ずれ情報に基づいて、前記第2の波長の光の照射タイミングにおける第2の位置ずれ情報を取得する処理手段と、
を有する
ことを特徴とする光音響装置。 - 前記処理手段は、
前記第1の位置ずれ情報、前記第2の位置ずれ情報、及び前記信号群に基づいて、合成画像データを生成する
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。 - 前記処理手段は、
前記第1の位置ずれ情報に基づいて、前記第1の複数の画像データを位置ずれ補正し、
前記信号群に基づいて、前記第2の波長に対応する第2の複数の画像データを生成し、
前記第2の位置ずれ情報に基づいて、前記第2の複数の画像データを位置ずれ補正し、
位置ずれ補正された前記第1及び第2の複数の画像データに基づいて、合成画像データを生成する
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。 - 前記処理手段は、
前記第1の波長の光の照射タイミングにおける前記受信手段の第1の位置情報を取得し、
前記第1の位置情報及び前記信号群を用いて、前記第1の複数の画像データを生成する
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。 - 前記処理手段は、
前記第1の波長の光の照射タイミングにおける前記受信手段の第1の位置情報を取得し、
前記第1の位置ずれ情報に基づいて、前記第1の位置情報を位置ずれ補正し、
前記第2の波長の光の照射タイミングにおける前記受信手段の第2の位置情報を取得し、
前記第2の位置ずれ情報に基づいて、前記第2の位置情報を位置ずれ補正し、
位置ずれ補正された前記第1及び第2の位置情報及び前記信号群を用いて、合成画像データを取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。 - 前記処理手段は、
前記第1の位置ずれ情報を時間的または空間的に補間することにより、前記第2の位置ずれ情報を取得する
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。 - 前記処理手段は、
時間的に近傍する、前記第1及び第2の波長の光の照射タイミングにおける前記第1の位置ずれ情報を、前記第2の位置ずれ情報として取得する
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。 - 前記処理手段は、
空間的に近傍する、前記第1及び第2の波長の光の照射タイミングにおける前記受信手段の位置に対応する前記第1の位置ずれ情報を、前記第2の位置ずれ情報として取得する
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。 - 前記処理手段は、
酸素飽和度の空間分布を示すデータを、前記合成画像データとして生成する
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記第1の波長は、オキシヘモグロビンのモル吸収係数とデオキシヘモグロビンのモル吸収係数が略等しい波長である
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。 - 前記処理手段は、
前記第1の波長は、前記複数回の光照射のうち、所定の回数より多く照射された光の波長を前記第1の波長として決定する
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。 - 前記処理手段は、
前記複数回の光照射のうち、最も多くの照射された光の波長を判定し、当該波長を前記第1の波長として決定する
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。 - 前記処理手段は、
前記第1の複数の画像データ間の位置ずれ情報を前記第1の位置ずれ情報として取得する
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 第1の波長の光、及び、前記第1の波長とは異なる第2の波長の光のそれぞれが複数回被検体に照射されることにより発生する音響波に基づいて生成された、前記第1の波長に対応する第1の複数の画像データを取得し、
前記第1の複数の画像データに基づいて、前記第1の波長の光の照射タイミングにおける第1の位置ずれ情報を取得し、
前記第1の位置ずれ情報に基づいて、前記第2の波長の光の照射タイミングにおける第2の位置ずれ情報を取得する
ことを特徴とする情報処理方法。 - 請求項14に記載の情報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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