JP2011147649A - 画像形成方法及び音響波測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 音速が異なる媒体同士（例えば被検体と圧迫板）の境界における音響波の屈折をスネルの法則を用いて補正した場合、適用可能な逆投影法はタイムドメイン法に制限されていた。
【解決手段】 本発明の画像形成方法は、被検体に光を照射することにより発生する音響波を、前記被検体とは音速の異なる媒体を介して音響波受信器により受信して電気信号に変換し、前記電気信号を用いて画像データを生成する画像形成方法であって、先進グリーン関数を用いた積分計算により、前記電気信号から、前記被検体と前記媒体との境界又は前記境界より前記被検体側に設定した仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を生成し、前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いて画像データを生成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、音響波を受信して画像データを生成する画像形成方法及び音響波測定装置に関する。

近年、光音響トモグラフィー（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＰＡＴ）を利用したＰＡＴ装置の研究が積極的に進められている。光音響トモグラフィーとは、まずレーザーなどの光源から被検体に照射したパルス光を被検体内に伝播させ、その伝播光が被検体内の測定対象で吸収されることによって発生した音響波（典型的には超音響波）を音響波受信器で受信する。そして音響波受信器から出力された電気信号を用いて被検体内の初期発生圧力分布あるいは吸収係数分布を画像データ化（イメージング）する。

被検体内の光吸収体の画像データを生成する（画像再構成する）手法としては、測定した信号の逆投影によって画像データを生成する方法があり、タイムドメイン法やフーリエドメイン法といった手法が知られている。ここで、人体を診断する装置の場合、体系の各部（各媒体）における音速は一様とは限らない。例えば、人体の片側に音響波受信器を配置し、被検体を圧迫板で固定保持する場合には、被検体と圧迫板の音速は異なる場合がある。また、被検体内部においても、脂肪層と筋肉層といった異なる組織部分の音速は異なる。こうした音速が異なる媒体の境界においては、音響波の屈折が生じ、画像の劣化の要因となるため、特許文献１では、媒体境界（圧迫板と被検体との界面）での音響波の屈折の影響をスネルの法則に基づいて補正した上で、タイムドメイン法を用いて画像データを生成する手法が提案されている。

米国特許第６６０７４８９号明細書

しかしながら、特許文献１の様に、スネルの法則に基づき音響波の屈折補正をする手法では、音響波の屈折補正後の点（圧迫板通過前の点であり、図７（ｂ）の信号ｓ_０（ｘ_０，ｔ_０）が得られる点。以下、「仮想受信点」という。）同士が等間隔にならない。そのため、適用可能な逆投影法はタイムドメイン法に制限されていた。また、タイムドメイン法に、上記屈折補正を適用する場合においても、仮想受信点同士が等間隔でなく、分布の偏りにより実効上の視野角が減少していた。

そこで、本発明では、音速が異なる媒体同士（例えば被検体と圧迫板）の境界における音響波の屈折の影響を低減しつつ、タイムドメイン法だけでなくフーリエドメイン法にも適用できる汎用的な画像形成方法及び音響波測定装置を提供することを目的とする。

本発明の画像形成方法は、被検体に光を照射することにより発生する音響波を、前記被検体とは音速の異なる媒体を介して音響波受信器により受信して電気信号に変換し、前記電気信号を用いて画像データを生成する画像形成方法であって、先進グリーン関数を用いた積分計算により、前記電気信号から、前記被検体と前記媒体との境界又は前記境界より前記被検体側に設定した仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を生成し、前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いて画像データを生成することを特徴とする。

また、本発明の音響波測定装置は、被検体に光を照射することにより発生する音響波を受信し電気信号に変換する音響波受信器と、前記被検体と前記音響波受信器との間に設けられた前記被検体とは音速の異なる媒体と、前記電気信号を用いて画像データを生成する信号処理装置と、を備える音響波測定装置であって、前記信号処理装置は、先進グリーン関数を用いた積分計算により、前記電気信号から、前記被検体と前記媒体との境界又は前記境界より前記被検体側に設定した仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を生成し、前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いて画像データを生成することを特徴とする。

本発明によれば、仮想受信点で音響波を受信した場合の電気信号を考えることにより、音速が異なる媒体同士の境界における音響波の屈折の影響を低減しつつ、タイムドメイン法だけでなくフーリエドメイン法にも適用できる汎用的な画像形成方法及び音響波測定装置を提供できる。

本発明が適用できる音響波測定装置の構成例を説明する模式図である。 本発明の適用できるの音響波測定装置において、出力される受信信号の一例を示す模式図である。 本発明の適用できるの音響波測定装置を用いて、生体内の光学特性値分布に関する情報を求めるためのフローチャートの一例である。 本発明の信号処理装置で行う処理のフローチャートである。 音速が異なる媒体同士の境界における音響波の屈折を示す模式図である。 音響波受信器より出力された受信信号と、その写像により求めた仮想受信点における受信信号との関係を示す模式図である。 従来法を用いた場合の受信点と仮想受信点との関係を示す模式図である。 従来法を用いた場合と本発明を用いた場合の実効上の視野角の違いを示す模式図である。 音速の異なる複数の媒体（３つ以上）が存在する場合の模式図である。 本発明の効果を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について、フローチャートと図面を参照しながら具体的に説明する。以下の具体例は本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるが、本発明はかかる具体的形態に限定されるものではない。なお、本発明において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、被検体に近赤外線等の光（電磁波）を照射して被検体内部で発生する弾性波のことを示す。

まず、本発明の実施形態における音響波測定装置の構成について図１を用いて説明する。本実施形態の音響波測定装置は、パルス光２を被検体１１である生体に照射する光源４を備える。通常は、光源４から発生したパルス光は光ファイバや液体ライトガイドなどの光伝播装置３を通して、被検体表面に照射されるが、ミラー等を用いて空間中を伝播させてもよい。また、本装置は、被検体内の光吸収体８が光のエネルギーの一部を吸収して発生した音響波７を受信し電気信号に変換する音響波受信器９を備える。音響波受信器９は、夫々が音響波７を受信し電気信号に変換する複数の音響波受信素子から構成され、複数の音響波受信素子が１次元アレイ又は２次元アレイ状に配置されている。音響波受信器９の前部（音響波受信器９と被検体１１との間）には、被検体の少なくとも一部の形状を固定するための被検体固定部材である圧迫板１０が存在する。また、本装置は、音響波受信器９で得られた電気信号を解析し、画像データを生成する信号処理装置６及び、その画像データに基づいた画像を表示する画像表示装置５を備える。本発明において「画像データ」とは、２次元、３次元を問わず被検体内の情報を画像として示すデータのことであり、画像データを生成する（画像再構成を行う）ための一手段として逆投影法がある。

図３は、本発明の実施形態によって、被検体に光を照射し、画像データを生成してから結果を出力するまでの過程を示したフローチャートであり、図１の各構成とあわせて説明する。

まず、Ｓ３−１において、光源４からパルス光を被検体１１表面へ照射する。この際、光の速度は速いため、光源４から光を発生する時刻と被検体に照射する時刻は同じとみなせる。

Ｓ３−２においては、被検体内の光吸収体８から発生する音響波を音響波受信器で受信し電気信号（以下、「受信信号」という）に変換する。通常、球状物体の光吸収体８から発生した音響波の受信信号は、横軸に時間、縦軸に音響波の強度をとると、図２に示すようなＮ字型の波形を示す。

Ｓ３−３においては、Ｓ３−２で得られた受信信号を、後述する手法を用いて仮想受信点で音響波を受信した場合の電気信号（以下、「仮想受信信号」という）に変換し、仮想受信信号を用いて画像再構成する。つまり、Ｓ３−３により、被検体と圧迫板との境界における音響波の屈折補正を行って画像データを生成することになる。

そして、得られた画像データの画像出力を行い（Ｓ３−４）、画像表示装置５で表示する。

次に、本発明の実施形態で使用する音響波の屈折補正手法（仮想受信信号の生成方法）について説明する。以下、説明を容易にするために二次元の場合で説明する。三次元の場合の考え方も同様である。

本発明では、先進グリーン関数（先進Ｇｒｅｅｎ関数）を用いた積分により、通常の時間発展（これは遅延Ｇｒｅｅｎ関数を用いた積分に対応する）とは逆方向の時間発展が計算できることを利用する。すなわち、ある媒体（例えば圧迫板）を通過した後の受信信号をソースとして、先進Ｇｒｅｅｎ関数を用いた積分を行なうことにより、当該媒体を通過する前の任意の点（以下、これを仮想受信点と呼ぶ）における仮想受信信号を計算することができる。つまり、先進Ｇｒｅｅｎ関数を用いることで、受信信号から仮想受信信号に変換することができる。

図４は、本発明における信号処理装置６で行われる画像形成方法のフローチャートの一例である。また、図５は、音速が異なる媒体として、媒体０（例えば被検体）と媒体１（例えば圧迫板）が存在する場合に、媒体１通過前の音響波の仮想受信信号である信号ｓ_０（ｘ_０，ｔ_０）と、実際に音響波受信器から出力される受信信号である媒体１通過後の信号ｓ_１（ｘ_１，ｔ_１）との関係を示す模式図である。媒体０中の音速をｃ_０、媒体１中の音速をｃ_１とする。ここで、信号ｓ_０（ｘ_０，ｔ_０）は座標（ｘ_０，ｔ_０）における仮想受信信号であり、信号ｓ_１（ｘ_１，ｔ_１）は座標（ｘ_１，ｔ_１）における受信信号（つまり座標（ｘ_１，ｔ_１）で複数の音響波受信点に対応する複数の素子から出力される受信信号全体からなる信号）である。

以下、図４のフローチャートの順に、処理手順を説明する。

Ｓ４−１においては、実際に音響波を響波受信器で受信することで出力された受信信号をソースとして、先進Ｇｒｅｅｎ関数を用いた積分を（式１）に従って行う。この処理により、媒体１通過後の信号ｓ_１（ｘ_１，ｔ_１）から媒体１通過前の信号ｓ_０（ｘ_０，ｔ_０）を求める。ここで、ｘは位置座標であり、ｔは時間である。先進Ｇｒｅｅｎ関数Ｇ_Ａは、音響波伝播の基礎方程式である波動方程式（式３）に対応する遅延Ｇｒｅｅｎ関数（式４）と、先進Ｇｒｅｅｎ関数Ｇ_Ａと遅延Ｇｒｅｅｎ関数Ｇ_Ｒの関係（式２）と、によって与えられる。ここで、（式２）右辺の＊は複素共役を表す。

Ｓ４−２においては、前述した積分計算により、仮想受信点での仮想受信信号を求める。ただし、Ｓ４−１の積分計算により信号ｓ_０（ｘ_０，ｔ_０）は求まるため、図４ではＳ４−１とＳ４−２を分けて記載しているが、実質的にＳ４−２とＳ４−１は同じ１つのステップとして考えるとよい。

Ｓ４−３においては、複数の仮想受信点での仮想受信信号を用いて、画像再構成を行う。画像再構成の手法としては、逆投影法（タイムドメイン法やフーリエドメイン法等）を用いればよい。

図６に示すのは、音響波源（光吸収体）を点とみなす場合（図６（ａ）参照）に、本手法によって、媒体１通過後の信号ｓ_１（ｘ_１，ｔ_１）（図６（ｃ）参照）から、媒体１通過前の仮想受信点における信号ｓ_０（ｘ_０，ｔ_０）（図６（ｂ）参照）を求めたものである。ここで、図６（ｂ）（ｃ）の横軸は音響波の受信点に対応する空間位置であり、縦軸は信号をサンプリングした時間に相当する。媒体１通過前の媒体０内（被検体領域）の音速は一定であるため、かかる信号ｓ_０（ｘ_０，ｔ_０）を考えることにより、仮想受信点を起点として、逆投影法による画像再構成を実行することが可能となる。この手法により、音響波の屈折に起因する画像（画像データ）の劣化が抑制される。

図７は、スネルの法則を用いた従来の屈折補正手法を示す模式図である。従来法では、音響波の受信点から、音響波の仮想受信点をスネルの法則によって求める（図７（ａ）参照）。従って、媒体０と媒体１との音速が異なる場合には、音響波の実際の受信点が等間隔であると、音響波の仮想受信点は等間隔とはならない（図７（ｂ）参照）。しかしながら、画像再構成手法としてフーリエドメイン法を適用する場合には、音響波の分散関係から、時間周波数と空間周波数が線形の関係であることが前提となる。よって、音響波を取得する際の時間サンプリング間隔が一様な場合には、空間周波数に対応する受信点の間隔も一様でなければならない。従って、この場合、そのままでは、音響波の受信点が等間隔であることを前提とした、フーリエドメイン法を適用することはできない。また、補間処理によって非等間隔点上の信号から等間隔点上の信号を求めることは可能ではあるが、受信点の間隔が広い場合には、補間処理に起因する情報の散逸により解像度が低下するため好ましくない。

一方、本発明においては、任意の位置の仮想受信点を設定し、該仮想受信点における仮想受信信号を求めることが可能である。

従って、フーリエドメイン法に適した様に最初から等間隔点上での仮想受信信号を求めることが可能である。また、フーリエドメイン法で使用するＦＦＴ（高速フーリエ変換）を適用する際には、処理対象の信号点の数が二のべき乗個である方が好ましい。そこで、受信点の数が二のべき乗個ではない場合であっても、本発明の場合は、二のべき乗個の仮想受信点上の信号を生成することでＦＦＴを適用することが可能である。

さらに、本発明はタイムドメイン法にも適用できる。タイムドメイン法で屈折補正する場合においては、等間隔な仮想受信点上の仮想受信信号を求めれば、従来のスネルの法則を用いた屈折補正手法を適用した場合と異なり、実効上の視野角に仮想受信点の分布の重みが付与されない。そのため、実効的な視野角が減少しない。なお、ここで実効的な視野角の減少とは、重み付けにより信号の存在する点が中心に偏り、有効な視野角が減少することを意味する。図８に示すのは、従来法を屈折補正に適用した場合（図８（ａ））と、本手法を屈折補正に適用した場合（図８（ｂ））と、での実効的な視野角の変化を示したものである。前述した様に、従来法を適用した場合には、媒体１中の音速が媒体０中の音速よりも速い場合に、仮想受信点の分布が中央部に偏るため、視野角が狭くなることになる。一方、本手法を適用した場合は、仮想受信点の位置を任意に指定できるため、仮想受信点の分布が中央部に偏らない様に一様にすることができる。そのため、本手法の方が、実効的な視野角を広くすることができ、より好適な画像を得ることが可能である。

図９は、多層系に本手法を適用する場合の模式図である。体系が、音速の異なるｎ個の媒体、すなわち媒体０から媒体ｎ−１から成る場合には、（式５）より、受信した音響波信号ｓ_ｎ−１からｓ_ｎ−２‥ｓ_１、ｓ_０を順次求めることができる。この場合、先進Ｇｒｅｅｎ関数との積の積分を逐次的に求めることになる。なお、図９においては、各層として平面形状を考えているが、各層は形状が既知であれば曲面であってもよい。

例えば、体系に、被検体と圧迫板との間に音響インピーダンスを整合するためのジェルを設ける場合や、脂肪層と筋肉層及び圧迫板といった三つ以上の音速が異なる媒体が存在する場合で、各層の形状と音速が既知の場合には、かかる逐次的な信号の写像を順次考えればよい。

また、今までの説明においては、仮想受信点を被検体と圧迫板の境界（つまり音速の異なる媒体同士の境界）に設定していたが、被検体内を音速一定とみなす場合、本発明は、被検体内（つまり境界より被検体側）であればどの位置に設定してもよい。ただし、好ましくは音速の異なる媒体同士の境界又は境界近傍に仮想受信点を設定するとよい。

シミュレーションによって本発明を実施した。図１０を用いて実施例について説明する。本実施例では６４×８０ピクセルを有する２次元の系において計算を行った。体系は、被検体部分と圧迫板部分との二層から構成される。被検体領域に相当する部分の音速は、１５００ｍ／ｓであり、圧迫板部分の音速は、２２００ｍ／ｓである。この二次元平面の左上を原点（０，０）、圧迫板通過前の右下の座標を（６３，６３）と定義する。

図１０（ａ）はサンプルデータを生成するための初期音響波源分布を示している。（３１、１５）、（３１、３１）、（３１、４７）に初期音響波源を設定した。また、音響波を受信する音響波受信器は、圧迫板を通過した下辺に配置されている。音響波受信素子の数は６４個である。時間サンプリングデータ数は５１２である。

図１０（ｂ）は、このサンプルデータから、屈折補正を行なわずに、音響波の受信点における受信信号から、被検体部分の音速を用いてフーリエドメイン法を適用したものである。屈折補正を行なわないと、音響波源推定の際の横方向の解像度が大きく低下してしまうことがわかる。

図１０（ｃ）は、このサンプルデータから、本発明の屈折補正を適用し、仮想受信点上の仮想受信信号を等間隔格子上で生成した上で、被検体部分の音速を用いてフーリエドメイン法を適用したものである。本発明の屈折補正手法を適用することにより、横解像度が大きく低下することなく音響波源の推定が可能であることがわかる。

２ パルス光
３ 光導波路
４ 光源
５ 画像表示装置
６ 信号処理装置
７ 光吸収体から発生した音響波
８ 光吸収体
９ 音響波受信装置
１０ 圧迫板
１１ 被検体（生体）

Claims (8)

1. 被検体に光を照射することにより発生する音響波を、前記被検体とは音速の異なる媒体を介して音響波受信器により受信して電気信号に変換し、前記電気信号を用いて画像データを生成する画像形成方法であって、
   先進グリーン関数を用いた積分計算により、前記電気信号から、前記被検体と前記媒体との境界又は前記境界より前記被検体側に設定した仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を生成し、
   前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いて画像データを生成することを特徴とする画像形成方法。
2. 前記仮想受信点を等間隔に設定することを特徴とする請求項１に記載の画像形成方法。
3. 前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いてフーリエドメイン法により画像データを生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成方法。
4. 前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いてタイムドメイン法により画像データを生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成方法。
5. 被検体に光を照射することにより発生する音響波を受信し電気信号に変換する音響波受信器と、前記被検体と前記音響波受信器との間に設けられた前記被検体とは音速の異なる媒体と、前記電気信号を用いて画像データを生成する信号処理装置と、を備える音響波測定装置であって、
   前記信号処理装置は、
   先進グリーン関数を用いた積分計算により、前記電気信号から、前記被検体と前記媒体との境界又は前記境界より前記被検体側に設定した仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を生成し、前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いて画像データを生成することを特徴とする音響波測定装置。
6. 前記信号処理装置は、前記仮想受信点を等間隔に設定することを特徴とする請求項５に記載の音響波測定装置。
7. 前記信号処理装置は、前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いてフーリエドメイン法により画像データを生成することを特徴とする請求項５又は６に記載の音響波測定装置。
8. 前記仮想受信点において音響波を受信した場合の電気信号を用いてタイムドメイン法により画像データを生成することを特徴とする請求項５又は６に記載の音響波測定装置。

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