JP2011229815A - 生体情報イメージング装置および生体情報イメージング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光音響トモグラフィーにおいて、増幅器のゲインを被検体の状況に応じて適切に調整しつつ、信号・ノイズ比を高くするための技術を提供する。
【解決手段】光を吸収した被検体内部の光吸収体から発生する音響波を検出し、検出信号に変換する検出器と、検出信号の強度に応じて増幅器の利得を決定する利得制御部と、決定された利得により検出信号を増幅する増幅器と、増幅された検出信号の加算回数を決定する回数決定部と、増幅された検出信号を加算回数の分だけ加算平均を行い、画像データを生成する信号処理部とを有し、回数決定部は、決定された利得により増幅を行った場合のＳＮ比に基づいて、加算平均の後の信号のＳＮ比があらかじめ設定された値以上になるように加算回数を決定する生体情報イメージング装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体情報イメージング装置および生体情報イメージング方法に関する。

一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。一方、レーザーなどの光源から照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング装置の研究も医療分野で積極的に進められている。このような光イメージング技術の一つとして、Photoacoustic Tomography（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）が提案されている（非特許文献１）。

ＰＡＴの技術を用いた装置においては、まず、光源から被検体にパルス光を照射する。被検体内では、伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から音響波（典型的には超音波であり、以下、光音響波とよぶ）が発生する。そして、発生した光音響波を複数の個所で検出し、検出した信号を解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化する。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

非特許文献１によれば、光音響トモグラフィーにおいて、光吸収により被検体内の吸収体から発生する光音響波の初期音圧（Ｐ_０）は次式で表すことができる。
Ｐ_０＝Γ・μ_ａ・Φ … 式（１）
ここで、Γはグリューナイゼン係数であり、体積膨張係数（β）と音速（ｃ）の二乗の積を定圧比熱（Ｃ_Ｐ）で割ったものである。μ_ａは吸収体の吸収係数、Φは局所的な領域での光量（吸収体に照射された光量で、光フルエンスとも言う）である。
非特許文献１によれば、光音響波の大きさである音圧Ｐの変化を複数の個所で測定および解析することにより、被検体の初期発生音圧分布（Ｐ_０）を画像化することができる。なお、Γは組織が決まれば、ほぼ一定の値をとることが知られているので、式（１）の関係から、μ_ａとΦの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布も得ることができる。

M. Xu, L. V. Wang, "Photoacoustic imaging in biomedicine", Review of scientific instruments, 77, 041101(2006)

光音響トモグラフィーでは、上記の光音響波を超音波検知器で検知して電気信号に変換し、その電気信号を増幅器で増幅する。そして、増幅された信号をＡＤ変換器によってデジタル化して、信号処理を行うことで被検体内の生体情報を画像化することが可能となる。このような光音響を用いた生体情報イメージング装置においては、被検体から発生する光音響波を、できるだけノイズを少なくして取得することが、良い画像を得るための条件となる。しかしながら、被検体から発生する光音響波の強弱は、被検体内部の状況に左右され、実際に計測してみるまで信号の強弱は判別できない。

そのため、信号を増幅する増幅器のゲインを最大まで上げておくと、被検体からの信号が強かった場合に、増幅器やその後段のＡＤ変換器が飽和してしまい正しい信号データが得られない。逆に、増幅器のゲインを小さめにしておくと、被検体からの信号が弱かった
場合に、得られた信号がノイズに隠れてしまい信号・ノイズ比（ＳＮ比）の低い画像しか得られなくなってしまう。つまり、光音響トモグラフィーを用いた生体情報イメージング装置においては、信号を増幅する増幅器のゲインをあらかじめ適切に決めておくことが困難であるという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光音響トモグラフィーにおいて、増幅器のゲインを被検体の状況に応じて適切に調整しつつ、信号・ノイズ比を高くするための技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、光源から照射された光を吸収した被検体内部の光吸収体から発生する音響波を検出し、検出信号に変換する検出器と、前記検出信号の信号強度に応じて増幅器の利得を決定する利得制御部と、前記利得制御部が決定した利得により前記検出信号を増幅する増幅器と、前記増幅された検出信号を加算する回数である加算回数を決定する回数決定部と、前記増幅された検出信号の前記加算回数の分の加算平均を行い、画像データを生成する信号処理部とを有する生体情報イメージング装置であって、前記回数決定部は、前記利得制御部により決定された利得により増幅を行った場合のＳＮ比に基づいて、加算平均の後の信号のＳＮ比があらかじめ設定された値以上になるように前記加算回数を決定することを特徴とする生体情報イメージング装置である。

本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、光源から照射された光を吸収した被検体内部の光吸収体から発生する音響波を検出し、検出信号に変換するステップと、前記検出信号の信号強度に応じて増幅器の利得を決定し、決定した利得により前記検出信号を増幅するステップと、前記増幅された検出信号を加算する回数である加算回数を決定するステップと、前記増幅された検出信号の前記加算回数の分の加算平均を行い、画像データを生成するステップとを有する生体情報イメージング方法であって、前記決定するステップでは、前記決定した利得により増幅を行った場合のＳＮ比に基づいて、加算平均の後の信号のＳＮ比があらかじめ設定された値以上になるように前記加算回数を決定することを特徴とする生体情報イメージング方法である。

本発明によれば、光音響トモグラフィーにおいて、増幅器のゲインを被検体の状況に応じて適切に調整しつつ、信号・ノイズ比を高くすることが可能になる。

実施例１の生体情報イメージング装置の構成を示す図。 実施例１の利得制御と加算回数の調整方法を示す流れ図。 実施例２の利得制御と加算回数の調整方法を示す流れ図。

本発明の生体情報イメージング装置は、光音響トモグラフィー（ＰＡＴ）を利用したイメージング装置である。以下の実施例で説明する生体情報イメージング装置は、生体内の情報（光学特性値分布）および、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布の画像化を可能とするものである。これにより、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の目的を達成することができる。
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る生体情報イメージング装置の構成を示したものである。
生体情報イメージング装置は、光源１０１と、光音響波検出器（探触子ともいう）１０６と、増幅器１０７と、信号処理装置１０８と、加算回数決定部１０９と、利得制御部１１０と、表示装置１１１から構成される。
光源１０１は、光１０２を発する装置である。発せられた光１０２は、生体などの被検体１０３に照射される。図では、被検体１０３に対して両側から照射可能な形態になっているが、片側からの照射や別方向からの照射でもかまわない。また、複数の光源を同期させて利用することも可能である。

被検体１０３の内部を伝播した光のエネルギーの一部が血管などの光吸収体１０４に吸収されると、その光吸収体１０４から光音響波（例えば超音波）１０５が発生する。光音響波検出器１０６は、光吸収体１０４から発生した光音響波１０５を検出し、その光音響波信号を電気信号に変換して検出信号とする。増幅器１０７は、光音響波検出器１０６から出力される検出信号の増幅を行う。この増幅処理のとき、増幅器１０７は、予め定められたゲインテーブルに従って増幅を行う。ゲイン時の増幅率は、ゲインテーブルを変更（再生成）することによって変更される。信号処理装置１０８は、増幅器１０７にて増幅後の検出信号をデジタル信号に変換し、信号処理を行い、被検体内部の画像（生体情報画像）データを生成（画像再構成）する装置である。信号処理装置は例えばＡＤ変換器とパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）で構成される。表示装置１１１は生成された画像データに基づき画像として表示する装置である。加算回数決定部１０９と、利得制御部１１０での処理については後述する。なお、光音響波検出器は本発明の検出器に、信号処理装置は本発明の信号処理部に、加算回数決定部は本発明の回数決定部に、それぞれ相当する。

光吸収体１０４から発生した光音響波１０５は微弱な信号であるため、光音響波検出器１０６に通常の超音波探触子などを用いた場合、出力される電気信号も微弱な信号となる。そのため増幅器１０７の増幅率は高めに設定される。しかし、増幅器１０７の増幅率を高くすると、測定される信号には機器内部のノイズや機器外部からのノイズが混入する。その結果、光音響波の信号は信号・ノイズ比（ＳＮ比）の低いものとなってしまう。光音響トモグラフィー装置においては、通常このようなノイズを低減するために、複数回の測定を行い取得された信号データを加算して平均化している。例えば検出回数を１００回として計測を行い、加算平均を取った場合、ノイズが白色雑音であれば、ＳＮ比は１０分の１に低減される。
そこで、本実施例においては、実際の取得信号のデータに基づいて、増幅器１０７の増幅率と、探触子による検出回数の両方を自動調整する。これにより、取得信号のＳＮ比を一定の値以上に保つよう制御する。

図２の流れ図を参照し、具体的な増幅率と加算回数の自動調整の手順を説明する。ステップＳ２０１〜Ｓ２０３は、信号処理装置１０８が行う処理である。
ステップＳ２０１では、信号処理装置が、このステップ以前に取得していた信号データから、被検体内の信号を取り出す。以前に取得していた信号としては、自動調整用に試行して計測した信号データを用いてもよいし、実際にイメージングのために計測した信号データを用いてもよい。ただし、今回測定する被検体内の部位と同じ部位を計測したデータを用いる必要がある。また、この信号データは一回の測定によるデータであっても、複数回の測定データを平均化したものであってもよい。

なお、このステップＳ２０１では、探触子への信号の到達時間を考慮した信号取り出しが行われる。その理由は、信号は時間軸に沿ってデータが並んでいるため、探触子表面に被検体からの光音響波信号が到達する時間を考慮する必要があるからである。具体的には、探触子表面から被検体表面までの距離と、探触子と被検体間に挟まれた物体の音速とから到達時間が計算できる。そこで、測定データのうち、この時間分の信号は取り除く。さらに、被検体の音速と厚みが分かれば、実際の被検体からの信号部分を取り出すことが可
能となる。本実施例では、被検体の厚みは計測できているものとする。あるいは、被検体表面から発生する強度の高い光音響波信号を判別することによって被検体からの信号を判別することも可能である。

ステップＳ２０２では、信号処理装置が、ゲインを最適化する対象となる光音響波の最大値を取り出す。まずステップＳ２０１で得られた光音響波信号のうち、どの部分に注目して最適化するかを判別する。この時、単純に信号強度が最大の部分を取り出す方法、信号を包絡線検波した後に最大部分を取り出す方法、光音響波の特徴であるＮシェイプ信号をパターン認識手法にて取り出す方法などのいずれを用いてもよい。いずれかの方法で注目する部分を取り出した後、その部分の信号強度（絶対値）の最大値を取り出す。

ステップＳ２０３では、信号処理装置が、最適なゲインの割り出しを行う。ステップＳ２０２にて取り出した信号強度の最大値と、ＡＤ変換器の能力から見た最適値との関係から、現在の増幅器に与えているゲインの値をどのように変えるべきかを判別する。ＡＤ変換器の能力からみた最適値は、例えば、ＡＤ変換器の出力値の最大値の７０〜８０パーセントの値である。このようにＡＤ変換器の出力値の最大値に達しないようにする理由は、ＡＤ変換器の出力値の最大値を超えてしまうと、信号は飽和し歪むことになるからである。また、アナログ回路で飽和するようであれば、その分を見込んで最適値を抑えて設定する必要がある。

そして、この最適値と現在の信号強度の最大値との割合から、最適なゲインを割り出す。例えば、現在の信号強度の最大値がＡＤ変換器の能力から見た最適値の半分であった場合には、最適なゲインは現在のゲインの倍であると決定できる。ただし、ゲインには上限があるため、もしその上限を超えていた場合にはゲインは最適化されずにその上限値までとなる。しかしその上限のゲイン値でもこの装置の能力としては最適であるため、以下ではゲインの最適値としてあつかう。信号処理装置は、このゲインの最適値と、ゲインを最適化したときに得られる信号強度の予測値を、利得制御部と加算回数決定部に通知する。

ステップＳ２０４，Ｓ２０５は、利得制御部の処理である。
ステップＳ２０４では、利得制御部が、通知されたゲインの最適値と、以前に設定されているゲイン曲線から、ゲインテーブルの再生成を行う。ゲイン曲線の中間部分がどのようにカーブするかは、被検体内での光の減衰を補正することや光音響波の減衰を補正する目的などによって決まるが、ゲインの絶対値は、上記の最適なゲイン値によって決定される。
ステップＳ２０５では、利得制御部が、増幅器へのゲインテーブルの設定を行う。ゲインテーブルの設定においては、増幅器に直接設定できる場合や、増幅器への設定するための補助装置が設置されている場合もあるが、どのような方法であってもよい。

ステップＳ２０６〜Ｓ２０８は、加算回数決定部がＳＮ比の予測値から加算回数を決定する処理である。
ステップＳ２０６では、加算回数決定部が、１回の計測におけるＳＮ比の予測を行う。加算回数決定部にはあらかじめ、増幅器に与えるゲインの大きさと、回路から発生する白色雑音のレベルとの関係が、表や式によって記憶されている。したがって、信号処理装置内で決定された最適なゲイン値を参照して、回路から発生する白色雑音を推定できる。また、信号処理装置によって、最適なゲイン値のときに得られる信号強度の予測値が通知されているので、１回の計測に関してはこの時点でＳＮ比の予測ができる。

加算回数決定部にはあらかじめ、ユーザーの設定等により、ＳＮ比の目標値が定められている。ステップＳ２０７では、そのＳＮ比の目標値が得られるように、加算回数決定部が加算回数の自動調整を行う。このとき、前ステップで予測されたＳＮ比に基づき、設定
されたＳＮ比の目標値に到達するためには加算回数を何回にすればよいかが計算される。例えば目標とするＳＮ比が、予測される１回の計測でのＳＮ比の１０分の１である場合には、加算回数を１００回に設定する。
ステップＳ２０８では、加算回数決定部が、計算した加算回数を信号処理装置に通知し、信号処理回路は繰り返し回数を設定する。

本実施例の処理手順によれば、被検体内の信号から得られた光音響波の最大値と増幅器の性能から、ゲインの最適値を割り出すことができる。この最適値を用いることにより、利得制御部において増幅器のゲインを適切に設定することが可能になる。また、ゲイン値とゲインを最適化したときの信号強度から１回の測定でのＳＮ比を予測することができるので、目標のＳＮ比を達成するための測定加算回数を決定できるようになる。

以上の説明においては、先に計測した信号データを加算回数には含めなかったが、先に計測した信号データも加算することも可能である。この場合は、計測回数の合計が本実施例で計算された加算回数になるように制御する。つまり、先に計測した信号データが１回分の場合、残りの繰り返し回数は、計算された加算回数から１回を引いた回数となる。
ただし、このような場合には、先に計測したデータの設定ゲインが、それ以降の最適化されたゲインとは異なっている。したがって、先に計測した信号データと、ゲインを変更して計測した信号データを加算する場合には、加算時にゲインの補正を行うことが好ましい。そのために、例えば先に計測した信号データに対してゲイン補正分の係数の乗算を行って補正することができる。

また、本実施例においては最適化しようとする信号強度が弱いときには加算回数が大きくなってしまう。特に、被検体内に光吸収体がない場合には、光音響波信号が出てこないため、信号はノイズのみになってしまう。このような場合に本実施例を適用すると、加算回数が非常に大きくなり、計測時間が延びてしまう。この現象を防止するために、加算回数に上限を設定しておくことも好ましい。この上限値の設定により計測時間にも一定の上限が設定されるので、被検体内に光吸収体がない場合にも一定時間内で計測が終了する。

＜実施例２＞
実施例１においては、最適なゲインの決定も、加算回数の決定も、一連の計測の最初に一度だけ行っていた。一方、本実施例においては、毎回の信号計測において最適なゲインの再設定と加算回数の決定（加算を終了するかの判定）を行う。

図３の流れ図を参照し、本実施例の最適なゲインの設定方法と、加算回数の決定方法について、実施例１と異なる点を中心に説明する。
本実施例では、最適なゲインを決定するプロセス（信号処理装置の処理であるステップＳ３０１〜Ｓ３０３）において、今回の計測より前に計測した信号の加算平均を用いる（ステップＳ３０１）。これにより、これまでの計測信号の全てを反映した最適ゲインを、毎回設定することが可能になる。
利得処理部の処理（ステップＳ３０４，３０５）は、実施例１と同様に行う。

加算回数の決定方法においては、実施例１のように加算回数を最初に決定してしまうのではなく、それまでに計測した信号を用いてＳＮ比が十分であるかを判別することで加算回数を決定する。
具体的には、まずステップＳ３０６において、それまでに計測した信号の加算平均信号から、信号のＳＮ比を計算する。続いてステップＳ３０７において、計算した値が設定されたＳＮ比を超えていたら、その計測は終了とする（Ｓ３０７＝ＹＥＳ）。もし超えていなければ、計測を繰り返す（Ｓ３０７＝ＮＯ）。このようにすると、加算回数は実際のＳＮ比を計算しながら決定されるので、確実に設定されたＳＮ比を超えた信号が計測される
。

本実施例の処理手順によれば、それまでに計測した信号の加算平均を反映して、ゲインの最適値を割り出し、増幅器のゲインを適切に設定することが可能になる。また、計測ごとにＳＮ比を算出して計測を継続するかどうかを判定するので、確実に目標のＳＮ比を達成することが可能になる。

なお、被検体内に光吸収体がない場合に加算回数の上限を設けなければならない点は、実施例１と同様である。本実施例の場合は、計測を繰り返す回数に上限を設けておくことにより、対応可能である。

１０１：光源，１０６：光音響波検出器（検出器），１０７：増幅器，１０８：信号処理装置（信号処理部），１０９：加算回数決定部（回数決定部），１１０：利得制御部

Claims (7)

1. 光源から照射された光を吸収した被検体内部の光吸収体から発生する音響波を検出し、検出信号に変換する検出器と、
   前記検出信号の信号強度に応じて増幅器の利得を決定する利得制御部と、
   前記利得制御部が決定した利得により前記検出信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅された検出信号を加算する回数である加算回数を決定する回数決定部と、
   前記増幅された検出信号の前記加算回数の分の加算平均を行い、画像データを生成する信号処理部と
   を有する生体情報イメージング装置であって、
   前記回数決定部は、前記利得制御部により決定された利得により増幅を行った場合のＳＮ比に基づいて、加算平均の後の信号のＳＮ比があらかじめ設定された値以上になるように前記加算回数を決定する
   ことを特徴とする生体情報イメージング装置。
2. 前記回数決定部は、前記利得制御部により決定された利得、および、あらかじめ記憶されている利得とノイズの関係から、１回の検出におけるＳＮ比を推定し、当該推定したＳＮ比に基づいて前記加算回数を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体情報イメージング装置。
3. 前記検出器は、画像データを生成するための音響波の検出を行う前に、少なくとも１回、音響波の検出を試行して検出信号に変換し、
   前記利得制御部は、前記試行により得られた検出信号の信号強度に応じて利得を決定し、
   前記回数決定部は、前記試行により得られた検出信号の信号強度に応じて決定された利得に基づいて前記加算回数を決定する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報イメージング装置。
4. 前記利得制御部は、すでに取得された検出信号を加算平均した信号の強度に応じて利得を決定する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報イメージング装置。
5. 前記回数決定部は、すでに取得された検出信号の信号強度の加算平均からＳＮ比を求め、
   前記検出器は、当該ＳＮ比があらかじめ設定された値以上であれば、音響波の検出を終了する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体情報イメージング装置。
6. 前記回数決定部は、前記加算回数にあらかじめ上限値を設定している
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の生体情報イメージング装置。
7. 光源から照射された光を吸収した被検体内部の光吸収体から発生する音響波を検出し、検出信号に変換するステップと、
   前記検出信号の信号強度に応じて増幅器の利得を決定し、決定した利得により前記検出信号を増幅するステップと、
   前記増幅された検出信号を加算する回数である加算回数を決定するステップと、
   前記増幅された検出信号の前記加算回数の分の加算平均を行い、画像データを生成するステップと
   を有する生体情報イメージング方法であって、
   前記決定するステップでは、前記決定した利得により増幅を行った場合のＳＮ比に基づ
   いて、加算平均の後の信号のＳＮ比があらかじめ設定された値以上になるように前記加算回数を決定する
   ことを特徴とする生体情報イメージング方法。

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