JP2012135462A - 被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の被検体情報取得装置は、被検体の外部に設けられる光吸収部材と、前記被検体及び前記光吸収部材にパルス光を照射するための光源と、前記パルス光により前記被検体及び前記光吸収部材において発生する音響波を検出する検出器と、前記検出器から取得される検出信号を用いて、被検体情報を取得する信号処理部と、を有し、該信号処理部は、前記検出器により取得される第一の検出信号のうち、前記光吸収部材で発生した音響波に起因する信号を特定し、該特定された信号を用いてインパルス応答データを取得した後に、該インパルス応答データを用いて該第一の検出信号をデコンボリューションした第二の検出信号を算出し、前記第二の検出信号を用いて、前記被検体情報を取得することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
図1を参照しながら本実施形態にかかる被検体情報取得装置の構成を説明する。本実施形態の被検体情報取得装置は、被検体の内部の光学特性値に関する被検体情報を画像データとして取得する装置である。本発明において、音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、音響波、光音響波、光超音波と呼ばれる弾性波を含む。本発明の被検体情報取得装置とは、被検体に光(電磁波)を照射することにより被検体内で発生した音響波(典型的には超音波)を受信して、被検体情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置を含む。取得される被検体情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布や、被検体内の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や、吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度情報分布を示す。物質の濃度情報分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。
被検体が生体の場合、光源11からは生体を構成する成分のうち検出対象となる特定の成分に吸収される特定の波長の光を照射する。光源は、本実施形態の被検体情報取得装置と一体として設けられていても良いし、光源を分離して別体として設けられていても良い。光源としては数ナノから数百ナノ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、10ナノ秒程度のパルス幅が使われる。光源としては大出力が得られるためレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。照射のタイミング、波形、強度などは不図示の光源制御部によって制御される。
光源11から照射された光12は、典型的にはレンズやミラーなどの光学部品により、所望の光分布形状に加工されながら被検体に導かれるが、光ファイバなどの光導波路などを用いて伝搬させることも可能である。光学系13は、例えば、光を反射するミラーや、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズ、光を拡散させる拡散板、光ファイバなどからなる。このような光学部品は、光源から発せられた光12が被検体15に所望の形状で照射されれば、どのようなものを用いてもかまわない。なお、光はレンズで集光させるより、ある程度の面積に広げる方が生体への安全性ならびに診断領域を広げられるという観点で好ましい。
これら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15としては生体、具体的には人体や動物の乳房や指、手足などの診断の対象部位が想定される。動物においては、マウス又はラットなどの小動物の場合は特定の部位だけではなく、小動物全体が対象となってもよい。被検体内部の光吸収体14としては、被検体内で相対的に吸収係数が高いものを示し、使用する光の波長にもよるが、例えば、人体が測定対象であれば酸化あるいは還元ヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管あるいは新生血管を多く含む悪性腫瘍が該当する。また、被検体表面22の光吸収体としては皮膚表面付近にあるメラニンなどが挙げられる。
パルス光により被検体表面及び被検体内部などで発生する音響波を検出する検出器である音響波探触子17は、音響波を検知し、アナログ信号である電気信号に変換するものである。以後、単に探触子あるいはトランスデューサということもある。圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量の変化を用いたトランスデューサなど音響波信号を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。本実施形態の探触子17は、典型的には複数の受信素子が1次元あるいは2次元に配置されたものが良い。このような多次元配列素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を検出することができ、計測時間を短縮できる。その結果、被検体の振動などの影響を低減できる。
本発明においては、光吸収部材18を被検体15の外部に設けるのが特徴である。光吸収部材18は光源11から発せられるパルス光12を吸収し、平面波的な光音響波(例えば、図1のA)を発生させる。そのため、光吸収部材は平板形状であることが望まれる。また、光吸収部材は平面波を発生させるために平面内において光を均一に吸収し、かつ、光音響波探触子の検出面に対して大きいサイズであることが望まれる。なお、光吸収部材は光源から発せられるパルス光を直接吸収してもよいし、被検体情報取得装置内における光吸収部材の設置の態様によっては、被検体で反射されたパルス光や、被検体を透過してきたパルス光を吸収してもよい。本発明において、光源からパルス光を光吸収部材に照射するという場合は、上記のいかなる態様であるかに関わらず、光源から発せられたパルス光を光吸収部材が吸収することを意味する。さらに、光吸収部材18に照射されるパルス光12の強度分布は均一、かつ、音響波探触子17の検出面よりも十分に大きな領域に光照射されることが望ましい。また、音響波探触子の検出素子の大きさによる効果を低減するために、光吸収部材18は光音響波探触子の検出面に対してほぼ平行であることが望ましい。
d≦c/(k×fmax)
本実施形態の被検体情報取得装置は、音響波探触子17より得られた電気信号を増幅し、その電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する信号収集器19を有することが好ましい。信号収集器19は、典型的には増幅器、A/D変換器、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップなどで構成される。音響波探触子から得られる検出信号が複数の場合は、同時に複数の信号を処理できることが望ましい。それにより、画像データを生成するまでの時間を短縮できる。なお、本明細書において「検出信号」とは、探触子17から取得されるアナログ信号及び、その後AD変換されたデジタル信号のいずれをも含む概念である。本発明は光音響トモグラフィーを対象としているため、検出信号は照射された光のエネルギーを吸収した生体組織から発生される音響波による「光音響波信号」である。また、本発明では、検出信号のうち、後述のデコンボリューションをする以前の検出信号を第一の検出信号と、デコンボリューションを行った後の検出信号を第二の検出信号とする。
信号処理部20は、本発明の特徴的処理である検出信号から各音響波検出素子のインパルス応答を算出する処理を行う。上記光吸収部材が発生するインパルス的でかつ平面波的な音響波に対する音響波検出素子の応答は、インパルス応答と等価なものであると考えられる。本発明においては、音響波検出素子が上記音響波に対して応答し算出するデータをインパルス応答データという。そして、算出されたインパルス応答データを利用して、検出信号に対してデコンボリューション処理を行い、探触子特性による信号劣化を回復する。さらに、探触子特性による信号劣化を回復したデータを用いて、被検体内部の画像データを取得する(画像再構成)。詳細は後述するが、光吸収部材18から発生したインパルス的光音響波を音響波探触子で受信し、その光音響波検出信号をインパルス応答として利用することが本発明の特徴である。なお、本発明において、デコンボリューション処理とは図2(b)のような周波数特性の音響波探触子で受信された信号を信号処理により、図2(a)のような周波数特性の音響波探触子で受信された信号のようにすることである。
表示装置21は信号処理部20で出力される画像データを画像として表示する装置であり、典型的には液晶ディスプレイなどが利用される。なお、本発明の被検体情報取得装置とは別に提供されていても良い。
次に、本発明の特徴である信号処理部20で行う検出信号における探触子特性効果の低減処理について、図3、4,5も参照しつつ説明する。下記の番号は図3における処理の番号と一致する。
図1に示された信号収集器19から得られるデジタル信号から、光吸収部材18起因の光音響波信号を特定する。図4(a)は、音響波探触子17のある検出素子で得られたデジタル信号の例を示したものである。この図において、横軸は受信時間で縦軸は受信音圧である。通常、被検体15にパルス光照射を行うと、図4(a)に示されたように、信号として複数の音圧信号が観測される。なお、図1に示した実施例の場合、被検体内部にある光吸収体14(例えば生体の場合は血液など)、被検体表面(例えば生体の場合は皮膚表面の色素など)及び、光吸収部材18から発生した光音響波が受信される。図4(a)においては、Aが光吸収部材18、Bが被検体表面、Cが被検体内部にある光吸収体14から発生した光音響波による検出信号を示している。ただし、受信時間ゼロの点はパルス光照射時間とする。なお、図2(a)のような理想的な音響波探触子を用いた場合、理論上、球音源からの検出信号としてはA、B及びCのそれぞれにおいて単一のN型形状の信号が受信されるはずであるが、本実施例のように理想的でない音響波探触子を用いた場合は、図4(a)のように、A、B及びCのいずれもN型信号ではなく、複数のN型信号が重なったようなN型ライク形状となる。これは上述したが図2(b)のように探触子が特定の領域の周波数成分しか応答しないことによるものである。つまり、実際の理想的でない探触子により検出される音響波信号pd(t)は理想的な音響波探触子で検出される音響波preal(t)と探触子特性であるインパルス応答h(t)のコンボリューションとなる。式に示すと以下のように表すことができる。
例えば、上記の処理で特定された光吸収部材による信号以外のデータをゼロとし、さらに、特定した信号の最初の受信時間をゼロとしたデータ(インパルス応答データ:h(t))を作成する。図4(b)に作成したインパルス応答データの例を示す。この図から分かるように図4(a)におけるAの信号のみをデータとして切り出し、他の時間のデータ値をゼロとする。さらに、次の信号処理のため、Aの受信開始時間を受信時間ゼロの点とする。その結果、図4(b)のようなデータを作成することができる。次に、上記のデータ処理をすべての検出素子の検出信号において行う。つまり、受信素子の数が100ならば、100個の図4(b)のようなデータ群が作成される。なお、信号処理の関係で検出信号の数とインパルス応答データのサンプリング点数とは同じであることが望ましい。以上のような処理を行うことで、各検出素子のインパルス応答データを作成することができる。
処理IIで得られた検出素子ごとのインパルス応答データh(t)を用いて、各検出信号を補正する。例えば、同じ受信素子に対応する検出信号pd(t)と処理IIで作成されたインパルス応答データh(t)をそれぞれフーリエ変換し、周波数データPd(ω)とH(ω)に変換したデータを用いる方法である。前述の方法は、以下の式に従って、デコンボリューションを行う。
処理IIIで得られたデコンボリューション後の検出信号を用いて画像再構成処理を行い、被検体の光学特性値分布に関連した被検体情報の画像データを形成する。図4(c)のような探触子特性による信号劣化を低減した信号を使えるため、画像劣化の少ない診断画像データを形成できる。なお、どのような画像再構成方法を用いてもよいが、通常は、一般的な光音響トモグラフィーで利用されるタイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影などが適応される(非特許文献1参照)。
17 音響波探触子
18 光吸収部材
20 信号処理部
Claims (9)
- 被検体の外部に設けられる光吸収部材と、
前記被検体及び前記光吸収部材にパルス光を照射するための光源と、
前記パルス光により前記被検体及び前記光吸収部材において発生する音響波を検出する検出器と、
前記検出器から取得される検出信号を用いて、被検体情報を取得する信号処理部と、を有し、
該信号処理部は、
前記検出器により取得される第一の検出信号のうち、前記光吸収部材で発生した音響波に起因する信号を特定し、該特定された信号を用いてインパルス応答データを取得した後に、該インパルス応答データを用いて該第一の検出信号をデコンボリューションした第二の検出信号を算出し、
前記第二の検出信号を用いて、前記被検体情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記光吸収部材は平板形状であることを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。
- 前記光吸収部材の光吸収厚さdは、前記音響波を検出する検出器の最大検出可能周波数をfmax、該光吸収部材の音速をcとしたとき、少なくともc/fmax以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の被検体情報取得装置。
- 前記光吸収部材は少なくとも前記音響波を検出する検出器の検出面のサイズよりも大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記光吸収部材は前記音響波を検出する検出器の検出面に平行であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記光吸収部材は前記音響波を検出する検出器と前記被検体との間に設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記光吸収部材は該パルス光を前記被検体の方向に反射させることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 被検体及び該被検体の外部に設けられた光吸収部材へのパルス光の照射により、前記被検体及び前記光吸収部材で発生した音響波を検出器で検出し、検出信号を用いて被検体情報を取得する被検体情報取得方法であって、
前記検出信号において前記光吸収部材から発生した音響波に起因する信号を特定する工程と、
前記特定した信号を前記検出信号から取り出してインパルス応答データを取得する工程と、
前記インパルス応答データを用いて前記検出信号をデコンボリューションする工程と、
前記デコンボリューションにより得られた信号を用いて、前記被検体情報を取得する工程と、
を有することを特徴とする被検体情報取得方法。 - コンピュータに、
請求項8に記載の被検体情報取得方法の各工程を実行させることを特徴とするプログラム。
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