JP2012217717A - 被検体情報取得装置および被検体情報取得方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光を照射された被検体から発生する音響波を検出して検出信号に変換する複数の検出素子と、複数の検出素子のうち被検体と音響的に接触していない検出素子により検出された検出信号を判別する信号判別部と、判別された検出信号のうち少なくとも被検体内部から発生した音響波に基づかない領域を削除し補正済み検出信号を生成する信号補正部と、被検体と音響的に接触する検出素子により検出された検出信号および補正済み検出信号から被検体の画像データを形成する画像処理部を有する被検体情報取得装置を用いる。
【選択図】図3
Description
済み検出信号を生成する信号補正部と、前記被検体と音響的に接触する検出素子により検出された検出信号、および、前記補正済み検出信号から被検体の画像データを形成する画像処理部と、を有することを特徴とする被検体情報取得装置である。
図1を参照しながら本実施形態にかかる光音響画像形成装置の構成を説明する。本実施形態の光音響画像形成装置は、被検体の内部の光学特性値情報を画像化する装置である。なお、光学特性値情報とは、一般的には初期音圧分布や光吸収エネルギー密度分布、あるいは、そこから導かれる吸収係数分布を示す。後述するように、光学特性値情報は被検体情報とも呼べるので、本発明における光音響画像形成装置は被検体情報取得装置としてとらえることもできる。
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、本実施形態の画像形成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、光強度などは不図示の光源制御部によって制御される。なお、この光源制御部は通常、光源と一体化されている。本発明において、使用する光源の波長は、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、被検体が生体の場合、500nm以上1200nm以下である。
これらは本発明の光音響画像形成装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。本発明の光音響画像形成装置は、血管の造影、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13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。動物では、ねずみなど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ることもある。
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す。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。本発明において「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であり、生体内の初期音圧分布、あるいはそれから導かれる光吸収エネルギー密度分布、吸収係数分布を示す。さらに、それらの被検体情報から得られる、生体組織を構成する物質(特に酸化・還元ヘモグロビン)の濃度分布を示す。例えば、物質の濃度分布とは酸素飽和度などである。画像化したこれらの被検体情報が「画像データ」である。
被検体13は音響波探触子17の各検出素子22と広範囲において音響的に結合するため、保持板16により接触面が平坦化される。通常、保持板16は被検体13を保持あるいは形状を一定に保つために利用される。保持板の材料としては効率よく音響波を受信するために、被検体の音響インピーダンスと近いものを選ぶのが好ましい。被検体が乳房などの場合、ポリメチルペンテンで形成されたプレートを使うなどすることが望ましい。プレートの形状は平板であることが好ましいが、音響波受信器とプレートの設置面が密着できればどのような形状を用いてもかまわない。なお、プレートが平板の場合、プレートの厚さは音響波の減衰などを考慮すると薄いほうが好ましいが、その形状が変形しない程度厚くすることが望ましい。典型的には5から10mm程度である。なお、音響波探触子の検出面に保持板と同様な機能を持たせることができる場合、本発明において保持板16はなくても良い。
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光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、どのような音響波探触子を用いてもよい。本実施形態の音響波探触子17は、典型的には複数の検出素子22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。
本実施形態の光音響画像形成装置は、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18を有することが好ましい。信号収集器18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17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、画像を形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、音響波探触子17から取得されるアナログ信号も、その後AD変換されたデジタル信号も含む概念である。そして、検出信号は「光音響信号」ともいう。
信号処理部19は、主な役割として、信号収集器18から得られたデジタル信号を信号処理した後、画像再構成を行い、被検体の内部の光学特性値情報を画像化する。また、本発明の信号処理部19は、本発明の特徴的処理である信号収集器18から得られたデジタル信号に対して、被検体と音響的に接触していない領域21にある検出素子で受信された不要な音響波信号を検出し、低減あるいは削除する。その結果、そのような不要な音響波信号による画像劣化を低減できる。
ここで言う被検体と音響的に接触していない領域21について説明する。すなわち領域21とは、図1に示したように音響波探触子17の検出素子22の検出面の中心から引いた垂線上において、被検体13と探触子の検出面が保持板16やジェルなどの音響波伝搬物質を通して、物理的に接触していない領域である。つまり、被検体13と検出素子22から引いた垂線上には空気など音響波の伝達が困難な物質が介在している領域を意味している。なお、図1において、被検体と音響的に接触していない状態の検出素子とは検出素子22bであり、被検体と音響的に接触している状態の検出素子とは検出素子22aのことである。
信号判別モジュール19aは、受信した信号に基づいて、被検体と音響的に接触していない領域にある検出素子21aを判別する。信号処理モジュール19bは、被検体と音響的に接触していない領域21にある検出素子21aと判別された検出素子で受信された信号を補正して、補正された検出信号(補正済み検出信号)を生成する。画像再構成モジュール19cは、補正された信号を用いて画像再構成を行う。
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、再構成に多くの時間をかけることが可能な場合は、繰り返し処理を行う逐次再構成法(iterative method)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様々は手法がある。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、デコンボリューション法、フィルタードバックプロジェクション法、逐次再構成法などがある。本発明においてはどのような画像再構成手法を用いても構わない。
表示装置20は信号処理部19で出力される画像データを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、本発明の光音響画像形成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19で行う検出信号に対する不要信号の補正処理方法の一例について、図2と図3も参照しつつ説明する。下記のステップ番号は図2におけるステップ番号と一致する。
また、保持板16の厚さと音速が分かっていれば、ある特定の時刻、例えば、図3(a)ではt1に検出されることが予め推測できる。なお、図3(b)の破線Cの領域にある信号は図3(a)では観測されていないことから、被検体内部で発生した光音響波によるものと推測される。
図3(a)の破線Aで示した領域の信号は探触子の表面に光が直接照射されたことで発生した検出信号(光音響信号)である。その信号は図3(b)でも観測されることがあるが、図3(a)と(b)を比べると明らかに図3(a)の強度が大きい。例えば、検出素子が被検体と音響的に接触している場合、検出素子の表面は被検体でカバーされているため、パルス光は直接的に検出素子表面には到達しない。たとえ、光音響波が拡散光などにより発生したとしても小さな信号しか観測されない。
いることが可能である。例えば、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である。
本実施形態を適用した光音響トモグラフィーを用いた光音響画像形成装置の一例について説明する。図1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を用いて、半径約2cm程度まで広げる。その後、パルス光を音響波探触子17とは反対側の被検体に照射できるように光学系をセッティングした。
成した。
本実施形態を適用した光音響トモグラフィーを用いた光音響画像形成装置の一例について図5を用いて説明する。本実施例においては、実施例1とほぼ同様なファントム及び測定系を用いた。ただし、図1の装置概略図とは異なり、図5に示したように音響波探触子17側から乳房型ファントム方向に光12を照射した。また、乳房型ファントム全体を画像化するために音響波探触子17と光12を走査した。
このような装置において、本実施例においても、実施例1と同様に発生した光音響波のデジタル信号を取得した後、得られたデジタル信号を信号処理器19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、WS内のソフトウェアプログラムである信号判別モジュール19a及び信号処理モジュール19bにて、デジタル信号を解析した。
波とその音響波が保持板で反射して再び受信された信号を切り出す。そして、切り出した信号を、信号処理器19であるワークステーション(WS)にテンプレートとして保存しておく。次に、そのテンプレートと受信されたすべての信号との相互相関を算出し、相関値が高い検出信号を被検体と物理的に接触していない検出素子で受信された信号である判定した。また、そのように判定された検出器の検出信号は、検出信号として扱わず、それらを排除した新たな補正信号を作成した。
本実施形態を適用した光音響トモグラフィーを用いた光音響画像形成装置の一例について説明する。本実施例においては、保持板16が存在しない以外、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と同様にパルス光12の照射により発生した光音響波のデジタル信号を取得した後、得られたデジタル信号を信号処理器19であるワークステーション(WS)へ転送し、WS内に保存した。次に、WS内のソフトウェアプログラムである信号判別及び信号処理モジュールにて、デジタル信号を解析した。本実施例では、実施例1と同様に探触子表面で発生した光音響波の受信強度を用いて、ファントムと音響的に接触していない検出素子を判別した。次に、ファントムと音響的に接触していないと判定された検出素子のデータをすべて削除し、ファントムと音響的に接触している検出素子のみの検出信号のみを用いて画像再構成を行った。このような方法で得られた画像は図4(c)と同様なものであり、従来技術で得られた画像である図4(b)よりも明瞭な画像が得られた。
Claims (6)
- 光を照射された被検体から発生する音響波を検出して検出信号に変換する複数の検出素子と、
前記検出信号から、前記複数の検出素子のうち前記被検体と音響的に接触していない検出素子により検出された検出信号を判別する信号判別部と、
前記被検体と音響的に接触していない検出素子により検出された検出信号のうち、少なくとも被検体内部から発生した音響波に基づかない領域を削除し、補正済み検出信号を生成する信号補正部と、
前記被検体と音響的に接触する検出素子により検出された検出信号、および、前記補正済み検出信号から被検体の画像データを形成する画像処理部と、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記被検体を保持する保持板を有す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。
- 前記信号判別部は、被検体と検出素子を音響的に接触させない状態で光を照射して得られた検出信号の強度に基づいて決定された所定の閾値を用いて、前記検出素子により検出された検出信号の強度が前記所定の閾値以上のとき、当該検出信号は前記被検体と音響的に接触していない検出素子により検出されたと判別する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。 - 被検体と音響的に接触していない状態の検出素子に光が照射されて発生した第一の音響波に基づく検出信号と、前記第一の音響波が前記保持板により反射されたのち再び前記検出素子により検出されて生成される検出信号と、から作成された信号をテンプレートとして記憶している記憶部を有しており、
前記信号判別部は、前記検出素子により検出された検出信号の波形と前記テンプレートの信号の波形との相関値が所定の閾値以上のとき、当該検出信号は前記被検体と音響的に接触していない検出素子により検出されたと判別する
ことを特徴とする請求項2に記載の被検体情報取得装置。 - 前記信号補正部は、前記被検体と音響的に接触していない検出素子により検出された検出信号の全体を削除する
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 複数の検出素子が、光を照射された被検体から発生する音響波を検出して検出信号に変換するステップと、
信号判別部が、前記検出信号から、前記複数の検出素子のうち前記被検体と音響的に接触していない検出素子により検出された検出信号を判別するステップと、
信号補正部が、前記被検体と音響的に接触していない検出素子により検出された検出信号のうち、少なくとも被検体内部から発生した音響波に基づかない領域を削除し、補正済み検出信号を生成するステップと、
画像処理部が、前記被検体と音響的に接触する検出素子により検出された検出信号、および、前記補正済み検出信号から被検体の画像データを形成するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得方法。
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