JP2010068885A - 測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光音響トモグラフィを利用した測定装置において被検体の吸収特性を高精度に測定することができる測定装置を提供する。
【解決手段】被検体４の吸収特性を光音響トモグラフィを利用して測定する測定装置は、被検体の内部の不均質部５から分離された均質部４ａに由来する信号成分を近似することによって得られる均質部の異物位置における光強度と、μａ＝２Ｐ（ｚ）／（ΓΦ（ｚ））に基づいて異物の吸収特性を求める信号処理部８を有する。ここで、μａは光源１からの距離ｚにおける吸収係数、Ｐ（ｚ）は弾性波の距離ｚにおける圧力、Γはグリュナイゼン係数、Φ（ｚ）は光強度である。
【選択図】図４
【解決手段】被検体４の吸収特性を光音響トモグラフィを利用して測定する測定装置は、被検体の内部の不均質部５から分離された均質部４ａに由来する信号成分を近似することによって得られる均質部の異物位置における光強度と、μａ＝２Ｐ（ｚ）／（ΓΦ（ｚ））に基づいて異物の吸収特性を求める信号処理部８を有する。ここで、μａは光源１からの距離ｚにおける吸収係数、Ｐ（ｚ）は弾性波の距離ｚにおける圧力、Γはグリュナイゼン係数、Φ（ｚ）は光強度である。
【選択図】図４
Description
本発明は、測定装置に関する。
従来、生体組織内部の分光特性（又は減衰特性）を測定する手法として、光音響トモグラフィ（Ｐｈｏｔｏ−Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＰＡＴ）は知られている。ＰＡＴは、腫瘍（異物）などの被検部位とそれ以外の組織との光エネルギーの吸収率の差を利用し、被検部位が照射された光エネルギーを吸収して瞬間的に膨張する際の弾性波（超音波又は光音響信号）を弾性波検出部で検出する方法である（特許文献１）。
光源から被検体に照射される光のパルス幅が応力緩和時間より短い応力閉じ込め条件が満たされる場合、弾性波は、光源からの距離ｚを用いて、音源となる被検部位の位置における光強度と吸収係数に比例した次式の音圧を有する。ここで、Ｐ（ｚ）は弾性波の距離ｚにおける圧力、Γはグリュナイゼン係数（熱-音響変換効率）、μａ（ｚ）は距離zにおける吸収係数、Φ（ｚ）は距離zにおける光強度である。
ＰＡＴの分野ではなく拡散光トモグラフィ（ＤＯＴ：Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）の分野では、吸収散乱体における光強度Φ（ｚ）は、吸収と散乱をマクロ的に見れば次式に従うことが知られている。ＤＯＴは、近赤外光を被検体に導入してその拡散光を検出する測定手法である。ここで、Ａは比例定数、μeffは実効的な減衰係数である。
均質とみなせる被検体内部に不均質な（例えば、吸収係数が高い）異物が存在する場合の弾性波の音圧分布は図１に示すようになる。即ち、異物信号領域ＨがＮ字に似たバイポーラ型の波形になり、それ以外は指数関数的に変化するバックグラウンド信号領域Ｂとなる（非特許文献１及び２）。非特許文献３や非特許文献４は均質部であるバックグラウンド信号成分を、数式２を利用してフィッティングして減衰係数を算出することを提案している。
米国特許第６７３８６５３号明細書
バレリー・ブイ・ツチン、「ハンドブック・オブ・オプティカル・バイオメディカル・ディアグノスティックス」、５８５−６４６頁（Ｖａｌｅｒｙ Ｖ．Ｔｕｃｈｉｎ， "ＨＡＮＤＢＯＯＫ ＯＦ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ"， ｐｐ．５８５−６４６）
ライナット・オー・エセナィーヴら、「センシティビティ・オブ・レーザー・オプトアコースティック・イメージング・イン・ディテクション・オブ・スモール・ディープリー・エンベディッド・チューモアズ」、ＩＥＥＥジャーナル・オブ・セレクティッド・トピックス・イン・クオンタム・エレクトロニクス、５巻４号９８１−９８８頁（１９９９年）（Ｒｉｎａｔ Ｏ．Ｅｓｅｎａｌｉｅｖ ｅｔ ａｌ， "Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｏｐｔｏ−Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｍａｌｌ Ｄｅｅｐｌｙ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｕｍｏｒｓ"， ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， Ｖｏｌ．５， Ｎｏ．４，ｐｐ．９８１−９８８ （１９９９））
エム・ズら、「フォトアコースティック・イメージング・イン・バイオメディスン」、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストルーメンツ７７号、０４１１０１頁（２００６年Ｍ．Ｘｕｅｔ ａｌ．， "Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ"， Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ７７， ０４１１０１ （２００６））
Ａ・オラブスキーら、「メジャーメント・オブ・ティッシュー・オプティカル・プロパティーズ・バイ・タイムリソルブド・ディテクション・オブ・レーザー・インデューストトランシエント・ストレス」アプライド・オプティクス、１巻３６号４０２−４１５頁（１９９７年）（Ａ．Ｏｒａｅｖｓｋｙ ｅｔ ａｌ， "Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｉｓｓｕｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｙ ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ"， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．， Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１， ｐｐ．４０２−４１５ （１９９７））
分光特性（又は減衰特性）は吸収（分光）特性と散乱（分光）特性を含み、光の吸収特性からヘモグロビン、コラーゲン、水などの構成要素の量を計算することができるため、吸収特性を取得する需要がある。しかしながら、減衰係数のままでは吸収と散乱が分離されておらず、吸収特性を正確に評価することができず、ＰＡＴでは従来は吸収特性を取得することができなかった。また、特許文献３や４のようにバックグラウンド信号の減衰係数を求めるだけではなく異物の特性を評価することが重要である。
そこで、本発明は、ＰＡＴを利用した測定装置において被検体の吸収特性を高精度に測定することができる測定装置を提供することを例示的な目的とする。
本発明の一側面としての測定装置は、被検体の吸収特性を測定する測定装置であって、ＰＡＴを利用して前記被検体に光源からの光が吸収されて発生する弾性波を検出する弾性波検出部と、当該弾性波検出部の検出信号を利用して前記被検体の内部の不均質部に由来する信号成分が分離された均質部に由来する信号成分を近似することによって得られる前記均質部の不均質部の位置における光強度と、μａ＝２Ｐ（ｚ）／（ΓΦ（ｚ））に基づいて前記不均質部の吸収特性を求める信号処理部と、を有することを特徴とする。ここで、μａは前記光源からの距離ｚにおける吸収係数、Ｐ（ｚ）は前記弾性波の距離ｚにおける圧力、Γはグリュナイゼン係数、Φ（ｚ）は前記光強度である。
本発明によれば、ＰＡＴを利用した測定装置において被検体の吸収特性を高精度に測定することができる測定装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
実施例１は、被検体内部の吸収特性及び散乱特性（以下、「吸収散乱特性」と呼ぶ場合もある。）が一様と見なせる媒質部（均質部）からのバックグラウンド信号の減衰係数を、数式２を利用して算出する。次に、算出された減衰係数と数式２を用いて異物である不均質部の位置における光強度を算出する。これにより、被検体の任意の位置における光強度を求めることができ、数式１から異物の吸収係数（又は吸収特性）を測定する。
図２は、本実施例の測定装置（例えば、光マンモグラフィ装置）のブロック図である。光源１で近赤外帯域の波長をもつパルス光を発生させ、ファイバ２を経由し、光学系３でビームを拡張させて被検体４に照射する。被検体４は生体（例えば、乳房）などの被検体（吸収散乱体）であり、これに入射した光は、被検体４の内部で吸収と散乱を繰り返しながら伝播する。被検体４の内部で吸収されたエネルギーは熱に変換され、熱弾性過程により弾性波１１が誘起される。このとき、光源１のパルス幅は応力緩和時間より短い応力閉じ込め条件を満たすように設定する。
被検体４は、均質部４ａと不均質部５とを有する。均質部４ａは、被検体内部の吸収特性及び散乱特性（以下、「吸収散乱特性」と呼ぶ場合もある。）が一様と見なせる媒質部である。図１に示すバックグラウンド信号領域Ｂは均質部４ａの領域に対応する。一方、不均質部５は、吸収散乱特性が一様ではない腫瘍やその他の異物の部分であり、本実施例では均質部４ａよりも吸収特性が高い部分（吸収体）である。図１に示す異物信号領域Ｈは不均質部５の領域に対応する。
パルス光の照射により、被検体４の内部で数式１に基づく図１に示すような音圧分布が得られる。これをトランスデューサアレイ６の素子の１つで検出したときの信号の時間応答は図３に示すようになる。このように、トランスデューサアレイ６は、光音響トモグラフィ（ＰＡＴ）を利用して被検体４に光源１からの光が吸収されて発生する弾性波１１を検出する弾性波検出部として機能する。図３で代表される信号をトランスデューサアレイ６の素子それぞれで検出し、遅延回路７を経由して信号処理部８へと信号が伝達される。光の入射位置や入射波長を任意に変化させて弾性波によって生じる信号の測定を行い、測定データとそのときの測定条件も含めて全てメモリ９に格納される。測定が終了すると信号処理部８にて解析を実行する。
図４は、信号処理部８のフローである。図４において、「Ｓ」はステップの略であり、これは、図５及び図７でも同様である。
まず、各トランスデューサから出力された検出信号に対して、信号処理部８は前処理（Ｓ１００）を行う（Ｓ１００）。前処理では、信号処理部８は平均化処理等のフィルタリングを用いてノイズ成分を除去する。次に、信号処理部８は、図３に示す信号の時間プロファイルを図１に示す距離と音圧のプロファイルに変換する（Ｓ２００）。
次に、信号処理部８は、異物信号が存在するかを判断し（Ｓ３００）、異物信号が存在しないと判断すれば（Ｓ３００のＮＯ）、処理を終了する。この場合、被検体には異常がないと判断される。
一方、信号処理部８は、異物信号が存在すると判断すれば（Ｓ３００のＹＥＳ）、被検体４の内部の不均質部５の信号成分（異物信号成分）を均質部４ａに由来する信号成分（バックグラウンド信号成分）から分離する（Ｓ４００）。即ち、信号処理部８は、以下のＳ５００ではバックグラウンド信号成分のみを使用し、異物信号成分を使用しない。異物信号の判定及び分離手法は、波形の近傍領域の差分値を比較して、変化率がある値以上であることを利用してもよいし、周波数解析によってある周波数以上の成分をフィルタリングすることで分離するなどの方法を用いてもよい。Ｎ字形の波形であれば変曲点を調べて分離してもよい。異物信号成分を除去したことによる、バックグラウンド信号成分の不連続点を線形補間、或いはスプライン補間によって補間し、連続的なバックグラウンド信号成分のデータを生成する。このとき、異物信号領域Ｈと光入射点からの距離ｚを求め、メモリ９に保存する。
次に、信号処理部８は、バックグラウンド信号成分を、数式２で示す関数でフィッティング（近似）することによって被検体４の均質媒質と見なせる領域の比例定数Ａと減衰係数μeffを得る（Ｓ５００）。このように、フィッティングとは数式２の比例定数Ａと減衰係数μeffを求めることに相当する。
次に、信号処理部８は、メモリ９から異物信号の光入射点からの距離ｚを読み出し、Ｓ５００でフィッティングして求めた関数を使用して均質部４ａの不均質部の位置（異物位置）における光強度を算出する（Ｓ６００）。
次に、信号処理部８は、メモリ９から異物信号の音圧振幅を読み出し、数式１を用いて不均質部５における吸収係数μaを算出する（Ｓ７００）。この場合、数式１を次式のように変形して光強度と音圧を代入することは言うまでもない。上述したように、Ｐ（ｚ）は弾性波の距離ｚにおける圧力、Γはグリュナイゼン係数（熱-音響変換効率）、μａ（ｚ）は距離zにおける吸収係数、Φ（ｚ）は距離zにおける光強度である。
本発明では、音圧プロファイルの信号から、異物信号を適切に除去し、不連続点を補間して得られるバックグラウンド信号成分に対して、数式２のフィッティングを行うことが特徴である。数式２でフィッティングする範囲を、異物信号以外の全バックグランド信号に設定することで、より精度よく被検体内部の減衰特性（比例定数Ａ、減衰係数μeff）を得ることができる。従って、数式３によって算出される吸収係数μaの精度を向上させることができる。
Ｓ１００〜Ｓ７００までの処理を全てのトランスデューサアレイ６に対して実行した後に、信号処理部８は、弾性波１１の伝達時間を考慮して被検体４の内部における異物の位置やバイポーラ型の波形から異物のサイズを算出する（Ｓ８００）。
以上、Ｓ１００からＳ８００までの処理を、光入射位置を変えて測定した複数のデータに対しても同様に実行し、得られた情報から被検体４内部の不均質部５の３次元的な分布を再構成することができる。
本実施例によれば、信号処理部８が、Ｓ６００において、被検体４内部の光強度を推定するので吸収体の吸収係数を精度よく求めることができる。また、信号処理部８が、複数波長のそれぞれの波長で吸収係数μaを算出し、分光情報から被検体４の主要な構成要素、例えばヘモグロビン、酸化ヘモグロビン、水、脂肪、コラーゲンなどの成分比率を算出する。表示部１０は、ある波長における異物の分布を表示してもよいし、上記成分比率の内部分布を表示してもよい。
また、Ｓ５００のフィッティングにおいて、数式２を用いたが、被検体４への光の入射条件によっては、光拡散理論に基づく次式で光強度の減衰を見積ってμeffを推定してもよい。
また、本実施例の弾性波検出部はトランスデューサアレイ６でなく、単一の平板振動子や曲率をもった振動子でもよいし、音響レンズを含めた検出系でもよい。また、散乱特性が一様な媒質であれば減衰係数μeffは、吸収特性とほぼ等価的に扱うことができ、これを３次元的に再構成して表示してもよい。
実施例２も図２に示す測定装置を使用し、基本的には図４に示すフローを使用するが、Ｓ１００、Ｓ５００、Ｓ６００において実施例１と相違する。図５は、本実施例の前処理（図４に示すＳ１００）の詳細を示すフローである。
まず、実施例１と同様に、信号処理部８は、平均化処理によってノイズ信号を除去する（Ｓ１１０）。メモリ９は、トランスデューサアレイ６の個々の素子についての共振周波数や増幅回路を含めた出力のバラツキ等の装置特性を記憶しておく。測定前に測定環境に応じて変動する装置特性については擬似測定を行い、その補正値を算出してメモリ９に保存しておく。
次に、信号処理部８は、得られた信号波形に対して、トランスデューサアレイ６の各チャネルに応じた装置特性を補正する（Ｓ１２０）。例えば、振動子の共振周波数を周波数空間上で補正する、出力のばらつきを調整するなどの補正を実施する。
次に、信号処理部８は、弾性波１１が被検体４の内部を伝播する際の減衰を補正する。このように、信号処理部８は、近似前に（フィッティング前に）検出信号のそれぞれの音源からの距離に応じて減衰量の補正を行う（Ｓ１３０）。弾性波の減衰は生体のような被検体の場合、散乱の影響はほぼ無視してよいので、減衰は主に吸収の影響による。例えば、生体組織における音波の吸収係数αを次式のように表して、この吸収係数αによる減衰の効果を光強度の減衰と同様に考慮して減衰量を見積った上で補正する。ここで、ａは定数［ｃｍ−１ＭＨｚ-ｂ］である。
本実施例では均質と見なせる媒質が複数存在する中に不均質部５が存在する場合を考える。均質媒質中では、比例定数Ａと減衰係数μeffで特徴づけられる音圧プロファイルが得られる。均質媒質が複数存在する場合は、これらの足し合わせによって図６に示す信号が検出される（Ｓ２００）。不均質部５の吸収係数の算出に図４に示すフローを適用することができるが、Ｓ５００は図７に示す処理に置換される。本処理は実施例１と同様に異物信号成分が分離されたバックグラウンド信号成分に対して実施する。
まず、信号処理部８は、減衰係数を算出するためのフィッティングを信号波形のどの領域に行うか、即ち、フィッティング領域を設定する（Ｓ５１０）。ここでフィッティング領域は、図６の横軸の距離の範囲を指す。例えば最初は、信号波形全領域を対象とする。
次に、信号処理部８は、数式２や４などに示される関数を用いて信号波形をフィッティングし（Ｓ５２０）、フィッティング誤差が予め設定した許容誤差εより小さいかどうかを判断する（Ｓ５３０）。信号処理部８は、フィッティング誤差が許容誤差εより小さいと判断すると（Ｓ５３０のＹＥＳ）、フィッティングによって得られた減衰係数をＳ５１０で設定した領域の減衰係数として採用する（Ｓ５４０）。その後、信号処理部８は、全信号領域で減衰係数を算出したかどうかを判断する（Ｓ５５０）。フィッティング誤差の許容値εは、高周波成分のノイズに極端に敏感過ぎず、適度にバックグランド信号を表すように決める。測定する被検体によって許容誤差εは任意に設定できる。
信号処理部８は、フィッティング誤差が許容誤差ε以上であると判断した場合（Ｓ５３０のＹＥＳ）、Ｓ５１０に戻り、再度フィッティング領域を設定する。この場合、フィッティング領域である距離の範囲を狭くして、フィッティングが許容誤差εに収まるように信号処理部８は、Ｓ５１０からＳ５３０までのフローを繰り返す。フィッティング領域を限定することによって、例えば図６に示す領域１において、許容誤差ε以下を満たす減衰係数μeff1を算出する。また、信号処理部８は、フィッティング誤差が許容誤差εに収まるような範囲で減衰係数を算出しているので、全信号領域で減衰係数を算出していないと判断した場合（Ｓ５５０のＮＯ）、再度Ｓ５１０に戻って上記処理を実行する。このとき、フィッティング処理は、減衰係数が算出されていない領域２から再度実行する。
このように信号処理部８は、Ｓ５１０からＳ５５０までで示される処理を実行することによって、図６に示すように、均質媒質と見なせる領域ごとに減衰係数をそれぞれ算出する。図６では、領域１〜４及び６がバックグラウンド信号領域に対応し、領域５が異物信号領域に対応する。このように、図６では、均質部４ａの数は５つであり、複数の均質部４ａは異なる減衰係数と比例定数を有する。このように複数の領域ごとに減衰係数が算出された後に異物位置での光強度を算出する（Ｓ６００）際は、信号処理部８は、光入射点から異物位置までにおいて数式６のように各領域での光の減衰を見積って入射光強度にそれぞれ掛け合わせる。
異物の位置での光強度が数式６によって算出されると、その後、信号処理部８は、実施例１と同様に数式３のμａ＝２Ｐ（ｚ）／（ΓΦ（ｚ））を利用して不均質部５の吸収係数を求める。本実施例の処理を実施することによって、不均質媒質においても、均質媒質と見なせる領域に分割して減衰係数を求めることで異物位置の光強度を高精度に算出し、異物の吸収係数をより高精度に求めることができる。本実施例は、Ｓ５００からＳ６００における処理が特徴的である。
本実施例でも、複数波長を用いて吸収分光情報を測定し、被検体４の主要な構成要素比率を算出することができる。また、本実施例では数式２や４で示される関数を使用したが、装置の条件に応じて、光拡散理論から予想される他の関数で光強度の減衰を見積って減衰係数μeffを推定してもよい。
１ 光源
４ 被検体
４ａ 均質部
５ 不均質部
６ トランスデューサアレイ（弾性波検出部）
８ 信号処理部
１１ 弾性波
４ 被検体
４ａ 均質部
５ 不均質部
６ トランスデューサアレイ（弾性波検出部）
８ 信号処理部
１１ 弾性波
Claims (4)
- 被検体の吸収特性を測定する測定装置であって、
光音響トモグラフィを利用して前記被検体に光源からの光が吸収されて発生する弾性波を検出する弾性波検出部と、
当該弾性波検出部の検出信号を利用して前記被検体の内部の不均質部に由来する信号成分が分離された均質部に由来する信号成分を近似することによって得られる前記均質部の不均質部の位置における光強度と、次式に基づいて前記不均質部の吸収特性を求める信号処理部と、
を有することを特徴とする測定装置
μａ＝２Ｐ（ｚ）／（ΓΦ（ｚ））
ここで、μａは前記光源からの距離ｚにおける吸収係数、Ｐ（ｚ）は前記弾性波の距離ｚにおける圧力、Γはグリュナイゼン係数、Φ（ｚ）は前記光強度である。 - 前記信号処理部は、前記均質部の減衰係数及び比例定数を算出することによって前記光強度を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
- 前記信号処理部は、近似前に前記弾性波が前記被検体の内部を伝播する際の減衰を補正することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
- 前記信号処理部は、許容誤差に収まるように前記信号成分を複数の領域に分割して減衰係数を算出し、前記不均質部の光強度を各領域の減衰係数の積により求めることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
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