JP2012135462A

JP2012135462A - 被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法

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Publication number: JP2012135462A
Application number: JP2010290254A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Fukutani; 和彦福谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: US20130245420A1; WO2012090742A1; JP5661451B2; US9560973B2

Abstract

【課題】光音響トモグラフィーにおいて、予め探触子のインパルス応答を計測していなくても、探触子特性による画像劣化を低減すること。
【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

本発明は、被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法に関する。特に、光を被検体に照射することで被検体内から発生する音響波を検出して、被検体内部の情報を画像データとして取得する被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法に関する。

レーザーなどの光源から生体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる生体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）がある。光音響トモグラフィーでは、光源から発生したパルス光を生体に照射し、生体内で伝播・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波（典型的には超音波である）を検出・解析し、被検体内部情報を可視化する。すなわち、腫瘍などの被検部位とそれ以外の組織との間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に発生する弾性波を音響波検出器（探触子やトランスデューサーとも言われる）で受信する。この検出信号を数学的に解析処理することにより初期音圧分布、あるいは生体内の光学特性分布、特に、吸収係数分布を得ることができる。これらの情報は、様々な波長の光で計測することにより、被検体内の特定物質、例えば血液中に含まれるヘモグロビン濃度や血液の酸素飽和度などの定量的計測にも利用できる。近年、この光音響トモグラフィーを用いて、小動物の血管像をイメージングする前臨床研究や、この原理を乳がんなどの診断に応用する臨床研究が積極的に進められている（非特許文献１）。

光音響トモグラフィー装置で通常用いられる音響波探触子は、検出できる音響波の周波数に制限（帯域制限）がある。そのため、理想的な音響波探触子特性を仮定している通常の画像再構成手法を用いると、得られる画像が劣化するという課題がある。この課題に対して、音響波探触子のインパルス応答（素子固有の応答特性データ）を予め測定し、そのインパルス応答で検出信号を補正（デコンボリューションなど）することで、画像劣化に対する探触子の影響を低減する手法が提案されている（非特許文献２）。

"Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｉｍａｇｉｎｇｉｎｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ"、Ｍ．Ｘｕ、Ｌ．Ｖ．Ｗａｎｇ、ＲＥＶＩＥＷＯＦＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣＩＮＳＴＵＲＵＭＥＮＴ、７７、０４１１０１、２００６ "Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ−ｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ"、Ｒ．Ａ．Ｋｒｕｇｅｒ、Ｄ．Ｒ．Ｒｅｉｎｅｃｋｅ、Ｇ．Ａ．Ｋｒｕｇｅｒ、ＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ．９、１３８２、１９９９

しかしながら、これまでの方法では、予め計測により求めた探触子のインパルス応答を常に利用しつづけるため、探触子の経年特性変化などには対応できなかった。なお、ここで言う経年特性変化とは周波数特性や受信感度の変化である。また、探触子の変更があると、そのたびに新しい探触子が検出できる周波数や探触子の大きさに応じたインパルス応答を取り直さなければならず、手間がかかっていた。

本発明は、このような課題認識に基づいてなされたものである。本発明の目的は、予め探触子のインパルス応答を計測していなくても、あるいは、探触子特性が経年劣化しても、測定時に得られる探触子のインパルス応答と等価なデータを用いて検出信号の補正を行うことにより、探触子特性による画像劣化を低減することである。

上記課題に鑑み、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

本発明によれば、予め探触子のインパルス応答を計測していなくても、あるいは、探触子特性が経年劣化しても、測定時に得られる探触子のインパルス応答と等価なデータを用いて検出信号の補正を行うことにより、探触子特性による画像劣化を低減することが可能となる。

本発明の実施形態による被検体情報取得装置の構成を模式的に示した図である。（ａ）は理想的な音響波探触子の周波数特性の一例を示した図であり、（ｂ）は理想的でない音響波探触子の周波数特性の一例を示した図である。本発明の実施形態において、検出信号の処理の一例を説明するフロー図である。（ａ）は本発明において、デジタル信号である検出信号の一例を示す模式図であり、（ｂ）は本発明において、インパルス応答データの一例を示す模式図であり、（ｃ）は本発明で取得したインパルス応答を利用して、検出信号をデコンボリューションした信号の一例を示す模式図である。（ａ）は本発明の第１の実施例による被検体情報取得装置の構成を模式的に示した図であり、（ｂ）は第１の実施例において得られる検出信号の一例であり、（ｃ）は第１の実施例において得られるインパルス応答データである。（ａ）は第１の実施例において得られるインパルス応答補正を行った画像であり、（ｂ）は第１の実施例において得られるインパルス応答補正を行わない画像である。

以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、本発明は単一の装置のみに限定されるものではなく、例えば、以下の実施形態に説明される被検体情報の取得方法、及びこの方法をコンピュータに実行させるためのプログラムも本発明には包含される。

（被検体情報取得装置）
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。

本実施形態の被検体情報取得装置は、基本的なハード構成として、光源１１、光吸収部材１８、音響波の検出器としての音響波探触子１７、信号処理部２０を有する。光源１１から発せられたパルス光１２は例えばレンズ、ミラー、光ファイバ、拡散板などの光学系１３により所望の光分布形状に加工されながら導かれ、生体などの被検体１５に照射される。被検体１５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（結果的に音源となる）１４や光吸収部材１８に吸収されると、その光吸収体１４や光吸収部材１８の熱膨張により音響波（典型的には超音波）１６が発生する。これは「光音響波」と呼ばれることもある。音響波１６は音響波探触子１７により検出され、信号収集器１９で増幅やデジタル変換された後、信号処理器２０で被検体情報の画像データに変換される。

（光源１１）
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。

本発明において、使用する光源の波長は、被検体が生体の場合、被検体内部まで光が伝搬する波長を使うことが望ましい。具体的には５００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下である。

（光学系１３）
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。

本発明では被検体に効率よく光エネルギーを伝播させるため、音響波探触子１７の検出面直下にある被検体表面２２に光照射を行うことが可能な光学系１３を用いることが好ましい。また、図示してはいないが、被検体により多くの光エネルギーを伝播させるために、音響波探触子１７とは対向側の被検体表面方向から被検体に光照射することが可能な光学系１３を用いることも好ましい。さらに、光を被検体に照射する領域は移動可能であることが好ましい。言い換えると、本発明の被検体情報取得装置は、光学系１３を移動させることにより光源から発生した光が被検体上の複数の領域を照射することができるように構成されていることが好ましい。光学系１３が移動可能であることにより、より広範囲に光を照射することができる。また、光が被検体に照射される領域（被検体に照射される光）は、音響波探触子１７と同期して移動されるとさらに好ましい。これにより広範囲の領域を画像化できるようになる。なお、光が被検体に照射される領域を移動させる方法としては、可動式ミラー等を用いる方法、光源自体を機械的に移動させる方法などがある。

（被検体１５及び光吸収体１４）
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。

（音響波探触子１７）
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。

なお、音響波探触子は図２（ａ）のように様々な周波数の音響波に対して同じような感度を持つことが望ましいが、通常、市販されている多くの音響波探触子は、図２（ｂ）のように特定の周波数の音響波にしか感度がない（帯域制限とも言われる）。つまり、理想的でない。本発明では、このような帯域制限がある理想的でない音響波探触子を用いても、音響波探触子のこのような特性による画像劣化を低減するものである。また、音響波探触子１７は被検体１５から発生する音響波を様々な角度で検出できるように設置されていることが好ましい。例えば、被検体１５を３６０°取り囲む球体表面上を音響波探触子が移動できるように設置することである。ただし、被検体１５を３６０°囲むように音響波探触子１７を設置できない場合は、図１のようにある方向のみの音響波を受信できるように音響波探触子を設置しても良い。

（光吸収部材１８）
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。

光吸収部材１８はパルス光１２を吸収し、インパルス的でかつ、平面波的な音響波を発生できれば、どのようなものを用いてもかまわない。ただし、光吸収部材はインパルス的な光音響波を発生するために、光吸収長が十分薄いことが望まれる。この光吸収部材の光吸収厚さｄは、光吸収部材自体の音速ｃと音響波探触子１７の最大検出可能周波数ｆ_ｍａｘで決まり、以下の式で表現される。
ｄ≦ｃ／（ｋ×ｆ_ｍａｘ）

ここでｋは比例定数であり、典型的には１-１０の範囲である。例えば、光吸収部材の音速を２５００ｍ／ｓｅｃ．、音響波探触子の最大受信周波数を５ＭＨｚ、ｋを２とすると、光吸収部材の吸収厚さｄは２５０μｍ以下となる。このように材質にもよるが光吸収部材はシート状（平板状）になる。光吸収部材１８は図１のように音響波探触子１７と被検体１５の間に設置することが望ましい。その理由は、光吸収部材で発生した光音響波が被検体などを伝播してから検出されると、被検体により一部の周波数成分の吸収が起こり、インパルス的な音響波にはならなくなってしまうからである。また、光吸収部材１８は音響波探触子１７に直接光が照射されるのを防ぐ役割を同時に果たすことが望ましい。その理由は、探触子表面に直接、光照射されると照射された探触子表面から光音響波が発生し、画像劣化の原因となるからである。そのため、音響波探触子とは対向側の被検体表面方向から被検体に光照射する場合や、光吸収部材と被検体との間に光を照射する場合のように、光吸収部材が被検体側の面で光を吸収する場合は、吸収される光以外は光吸収部材により被検体方向へ反射されることが望ましい。そのため、光の反射率の高いアルミ箔や金箔などの金属薄膜を使用することが望ましい。

（信号収集器１９）
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（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）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）
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。

信号処理部２０には典型的にはワークステーションなどが用いられ、被検体表面で生じた光音響波に起因する信号（光音響波信号）の低減処理や画像再構成処理などがあらかじめプログラミングされたソフトウェアにより行われる。例えば、ワークステーションで使われるソフトウェアは探触子特性による検出信号の劣化を補正する処理（本発明におけるデコンボリューションもこれに含まれる）を行う信号処理モジュール２０ａと、画像再構成を行う画像再構成モジュール２０ｂとの２つのモジュールからなる。ただし、通常は一つのプログラムとして扱われるため、共通となることが多い。なお、光音響トモグラフィーにおいては、通常、画像再構成前の前処理として、ノイズ低減処理などが各位置で受信された信号に対して行われるが、それらは信号処理モジュールで行われることが好ましい。このとき、デコンボリューションの効率を上げるため、ノイズ低減処理はデコンボリューションの前に行われることが好ましい。また、画像再構成モジュールでは、画像再構成による画像データの形成が行われ、画像再構成アルゴリズムとして、例えば、トモグラフィー技術で通常に用いら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使われる。なお、再構成の時間に多くを有することが可能な場合は、繰り返し処理による逆問題解析法（ｉｔｅｒａｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄ）などの画像再構成手法も利用することができる。ＰＡＴの画像再構成手法には、非特許文献１に記載されているように、代表的なものとして、フーリエ変換法、ユニバーサルバックプロジェクション法やフィルタードバックプロジェクション法などがある。

なお、場合によっては、信号収集器１９、信号処理部２０は一体化される場合もある。この場合、ワークステーションで行うようなソフトウェア処理ではなく、ハードウェア処理により被検体の画像データを生成することもできる。

（表示装置２１）
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。

（検出信号の処理）
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。

処理Ｉ（Ｓ３０１）：検出信号において光吸収部材１８から発生した光音響波に起因する信号（光吸収部材起因の光音響波信号）を特定する工程
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ｐ_ｄ（ｔ）は理想的な音響波探触子で検出される音響波ｐ_ｒｅａｌ（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。

ここで「＊」はコンボリューション（畳み込み）を表す記号である。この式は、理想的でない音響波探触子で受信される信号は理想的な音響波探触子で受信される場合に比べて信号が歪むことを示している。また、図４（ａ）のようにＡ，Ｂ，Ｃの受信時間がそれぞれ異なるのは、音響波検出器１７に近いところにある光音響波発生源の方が早く受信されるからである。つまり、それぞれの検出信号は時間的に異なる位置で検出されるため、それを利用することで光吸収部材１８から発生した光音響波の検出信号を特定することができる。図１に示した実施例においては、最初に受信されるＮ型ライク信号が音響波検出器からの位置が最も近い光吸収部材１８から発生した光音響波であることが、受信時間により容易に特定できる。つまり、光吸収部材１８と音響波検出器１７の距離とその間の音速が分かれば、光吸収部材から発生した光音響波が信号として観測される時間がわかるため、光吸収部材による信号を特定できる。以上のような処理を行うことで、検出信号において光吸収部材１８起因の光音響波信号を特定する。

処理II（Ｓ３０２）：Ｓ３０１で特定したデータのみを抜き出し、各検出素子のインパルス応答データを作成する工程
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III（Ｓ３０３）：上記で得られたインパルス応答データを用いて、検出信号をデコンボリューションする工程
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ｐ_ｄ（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Ｐ_ｄ（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。

ここでｉｆｆｔは逆高速フーリエ変換のことであり、ｐ_ｒｅａｌ（ｔ）はデコンボリューション後の検出信号である。なお、デコンボリューションは上記の式に限られたものではなく、ウィーナーデコンボリューション法や繰り返し計算を用いるデコンボリューションなど様々な方式を利用することができる。デコンボリューション後の検出信号ｐ_ｒｅａｌ（ｔ）の一例を図４（ｃ）に示す。このように、デコンボリューションにより探触子特性による信号劣化を回復することで、Ｎ型に近い光音響波信号に変換できる。なお、この図において、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Ｎ型検出信号を示している。

処理IV（Ｓ３０４）：処理IIIで補正された検出信号を用いて、被検体内部の画像データを形成する工程
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）。

以上の工程を行うことで、測定時にインパルス応答データがなくても、検出信号のみを解析処理することで、探触子特性に影響を受けた検出信号からその影響を低減でき、その低減処理された検出信号を画像再構成に用いることで、被検体内部にある光吸収体の光学特性値分布を劣化させること無く画像化できる。

本実施形態を適用した光音響トモグラフィーを用いた被検体情報取得装置の一例について説明する。図１と図５（ａ）の装置概略図を用いて説明する。本実施例においては、光源１１として波長１０６４ｎｍで約１０ナノ秒のパルス光を発生するＱスイッチＹＡＧレーザーを用いた。パルスレーザー光１２から発せられる光パルスのエネルギーは０．６Ｊであり、そのパルス光をミラーとビームエキスパンダーなどの光学システム１３を用いて、半径約１ｃｍ程度まで広げたあと、ビームスプリッターで２つに分離し、ミラーやプリズムを用いて光を探触子直下の被検体に照射できるように光学系１３をセッティングした。被検体１５としては生体を模擬した図５（ａ）のような長方形ファントムを用いた。ファントムは１％のイントラリピッドを寒天で固めたものを利用した。ファントムの大きさは幅：６ｃｍ、高さ：６ｃｍ、奥行き：５ｃｍとした。また、このファントム内には図５（ａ）に示されているように、直径１ｍｍの円柱状に固めたインクで着色した物体が光吸収体１４として４本、音響波探触子側に埋め込まれている。このファントムと探触子の間には光吸収部材１８として、アルミニウム箔が置かれている。このアルミニウム箔の厚さは１００μｍであり、大きさは用いた探触子１７よりも大きい５ｃｍ×５ｃｍである。また、このアルミニウム箔は図１及び図５（ａ）のように探触子１７の検出面と平行に、かつ、ファントム表面で反射した光が探触子１７に入射せず、光をファントム方向に反射するよう設置されている。なお、ファントムや音響波探触子は音響マッチングのため、水で充たされた水槽の中に置かれている。このようにセッティングされたファントムに対して、探触子１７の直下のファントム表面にパルス光１２を照射した。なお、音響波探触子１７としてはＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）で作られた超音波トランスデューサを用いた。この音響波探触子は２次元アレイ型で、素子数は３４５（１５×２３）の素子、素子ピッチは２ｍｍである。また、素子の幅は約２ｍｍである。

図１及び図５（ａ）のように、パルス光１２を探触子１７直下のファントム表面に照射すると、光吸収部材１８であるアルミニウム箔の光吸収により発生した光音響波、光照射側のファントム表面による光吸収による光音響波と、ファントム内に拡散した光が円柱状の光吸収体１４で吸収されることにより生じる光音響波の３つが発生する。それらの光音響波を音響波探触子１７で、３４５チャンネル同時に受信し、その検出信号をアンプ、ＡＤコンバーター、ＦＰＧＡからなる信号収集器１９を用いて、全チャンネルでの光音響波信号のデジタルデータを取得した。なお、信号のＳ／Ｎ比を向上させるために、３０回レーザーを照射し、得られたすべての検出信号を時間平均化した。その後、得られたデジタルデータを信号処理器２０であるワークステーション（ＷＳ）へ転送し、ＷＳ内に保存した。

図５（ｂ）に実際に受信された信号の一例を示す。この図において、横軸は受信時間、縦軸は受信された音響波の強度を示している。図５（ｂ）において、Ａがアルミニウム箔より発生した光音響波に起因する光音響波信号、Ｂがファントム表面で発生した光音響波に起因する光音響波信号、Ｃがファントム内に設置した４つの柱状光吸収体から発生した光音響波に起因する光音響波信号をそれぞれ示している。この信号において、Ａ信号の受信時間データ以外の時間データをゼロとし、Ａの最初の受信時間をゼロ秒としたインパルス応答データを３４５チャンネルのすべての検出信号に対して作成した。その一例が、図５（ｃ）である。この図においても、横軸は受信時間、縦軸は受信された音響波の強度を示している。それぞれの検出素子ごとに作成した図５（ｃ）のようなインパルス応答データをＰＣ上のメモリに保管した。次に、保管したそれぞれのインパルス応答データを用いて、周波数空間で全検出信号をデコンボリューションし、補正された新しい検出信号データを作成した。その後、このデータを用いて画像再構成を行った。ここではタイムドメイン方式であるユニバーサルバックプロジェクション法を用いて３次元のボリュームデータを形成した。このとき使用したボクセル間隔は０．０５ｃｍとした。画像化範囲は３．０ｃｍ×４．６ｃｍ×５．０ｃｍである。そのときに得られた画像の一例を図６（ａ）に示す。図６（ａ）は３次元のボリュームデータを各方向へ投影し、最大値を示したＭＩＰ（ＭａｘｉｍｕｍＩｎｔｅｎｓｉｔｙＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）画像である。

次に、検出信号のインパルス応答補正を行わず、ＷＳに保存した検出信号データをそのまま用いて再び画像再構成を行った。そのときの得られた画像の一例を図６（ｂ）に示す。なお、図６（ｂ）も図６（ａ）同様にＭＩＰ画像を示している。

図６（ａ）と（ｂ）を比較する。図６（ｂ）では探触子特性の影響を受けた検出信号をそのまま利用しているため、柱状の光吸収体像以外のアーティファクト（図中の矢印の部分）が目立つ。一方、図６（ａ）においては、探触子特性による検出信号の劣化を低減した結果、理想的に近い光音響波信号を用いて画像再構成できるため、４本の柱状光吸収体以外の目立ったコントラスト像（アーティファクト）は見られない、つまり、画像が大きく改善さえていることが分かる。このように、検出信号から得られたインパルス応答データを用いて、検出信号を補正することで、被検体内部にある光吸収体の画像を劣化させること無く画像化できた。

本実施形態を適用した光音響トモグラフィーを用いた被検体情報取得装置の一例について説明する。本実施例においては、実施例１と同様なファントム及び測定系を用いた。ただし、探触子の特性変化を模擬するために、２次元アレイ検出器の３４５チャンネルの約１／４素子に当る８０素子の後段アンプの受信感度を５０％低減し、受信感度特性を変化させた。次に、実施例１と同様にファントムに光照射を行い、得られたデジタルデータを信号処理器２０であるワークステーション（ＷＳ）へ転送し、ＷＳ内に保存した。その後、実施例１と同様に光吸収部材起因の光音響波信号を用いて、各受信素子のインパルス応答を算出し、それを用いて検出信号を補正した。さらに、その補正した検出信号を用いて、画像再構成を行い、画像データを形成した。その結果、図６（ａ）とほぼ同様な劣化のない画像を得ることができた。

以上のことから、本発明により、探触子特性が変化しても、探触子特性による画像劣化を低減することができる。

本実施形態を適用した光音響トモグラフィーを用いた被検体情報取得装置の一例について説明する。本実施例においては、実施例１と同様なファントム及び測定系を用いた。まず、実施例１で用いた探触子のインパルス応答を計測に組み込む前に測定してデータとしてＷＳに保存した。次に、探触子特性を変化させるために、別の日に作製された探触子（実施例１で使われたのとは別の探触子）を測定系に組み込んだ。実施例１と同様にファントムに光照射を行い、得られたデジタルデータを信号処理器２０であるワークステーション（ＷＳ）へ転送し、ＷＳ内に保存した。その後、実施例１と同様に光吸収部材起因の光音響波信号を用いて補正した検出信号を用いて、画像を得た。その結果、図６（ａ）とほぼ同様な劣化のない画像を得ることができた。次に、比較のため、予め計測された実施例１で用いた探触子のインパルス応答を用いて、検出信号の補正を行い、その補正信号を用いて画像を得た。これら二つの画像を比較した。予め計測された探触子のインパルス応答で補正した検出信号を用いて得られた画像は、本発明の光吸収部材起因の光音響波信号を用いて補正した検出信号を用いて得られた画像と比べると、アーティファクトが多く、また、光吸収体の像もぼやけていた。

以上のことから、本発明により、使用する探触子を変更しても、そのたびに新しい探触子のインパルス応答を取り直すことなく、探触子特性による画像劣化を低減することが可能となる。

１１光源
１７音響波探触子
１８光吸収部材
２０信号処理部

Claims

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ｆ_ｍａｘ、該光吸収部材の音速をｃとしたとき、少なくともｃ／ｆ_ｍａｘ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。