JP2013233414A - 被検体情報取得装置、被検体情報取得方法、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明に係る被検体情報取得装置は被検体に光が照射されることにより発生した光音響波を検出して、時系列の検出信号を出力する複数の音響波検出素子と、被検体の外部に設けられた部材と、時系列の検出信号と、部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子とに基づき、繰り返し再構成法による画像再構成を行うことにより被検体内部の光学特性情報を取得する信号処理部と、を有する。
【選択図】 図3
Description
まず、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基本的構成を説明する。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情報を取得するものである。本実施形態に係る光学特性情報とは、光音響効果により発生した光音響波の初期音圧、初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度、吸収係数、組織を構成する物質の濃度等などである。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。
また、被検体の周囲に設けられた部材としては、例えば被検体としての乳房の全周を保持するお椀状の保持部材などが挙げられる。
p(rd,t)=a(rd,r,t)・p0(r) ・・・式(2)
ここで、a(rd,r,t)は、位置rで発生する単位初期音圧を有する光音響波が、外部から影響を受けずに位置rdで検出されて検出信号に変換されるまでを示す被演算子である。すなわち、a(rd,r,t)は、部材による光音響波の応答を考慮していない被演算子である。
Pd=A・P0 ・・・式(3)
ここで、Pdは、部材に由来する影響を受けた光音響波を複数の音響波検出素子が検出して得られた時系列の検出信号を行列で表現したベクトルである。また、Aは、部材に由来する光音響波の応答を考慮していない被演算子を行列で表現したベクトルである。また、P0は空間の離散化した初期音圧を行列で表現したベクトルである。
Pd=B・P0 ・・・式(7)
ここで、Bは、被検体の外部に設けられた保持部材140を考慮した被演算子bを行列で表現したものである。
次に、図1を用いて、信号処理装置190が行う被検体情報処理方法を説明する。本実施形態では、光音響波122が被検体120と複数の音響波検出素子131との間に設けられた保持部材140により多重反射された後に、複数の音響波検出素子131で検出される場合を考える。下記の番号は図5における処理の番号と一致する。
この工程では、光源111から発せられたパルス光112が、例えば、レンズ、ミラー、光ファイバ、拡散板などの光学系113により所望の光分布形状に加工されながら導かれ、被検体120に照射される。そして、被検体120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(音源)121に吸収されると、その光吸収体121の熱膨張により光音響波122が発生する。
この工程では、複数の音響波検出素子131が、被検体120と複数の音響波検出素子131との間に設けられた保持部材140で多重反射した光音響波122を検出して、時系列の検出信号を出力する。ここで、時系列の検出信号は、行列Pdとして、信号処理装置190内の記憶部192に格納される。
この工程では、演算部191が、計算または実験により、繰り返し再構成法に用いる保持部材140を考慮した被演算子を取得する。ただし、部材を考慮した被演算子が予め取得され、記憶部192等に格納されている場合は、本工程を行う必要はない。
計算による方法では、演算部191が、仮想音源、仮想音響波検出素子、仮想部材などを設定して光音響波の伝搬シミュレーションを行うことにより得られる仮想検出信号から、部材を考慮した被演算子を取得する。
この工程では、演算部191が、仮想音源621の位置、複数の仮想音響波検出素子631の位置、被検体に対応する仮想被検体620の外部に設けられた仮想部材640の位置を設定する。このとき、光音響波を検出時の被検体情報取得装置の構成を考慮して、それぞれの位置を設定することが好ましい。なお、本実施形態において、仮想部材640は、仮想被検体620と複数の仮想音響波検出素子631との間に位置している。また、本実施形態において、仮想音源621は、仮想被検体620を微小空間に分割したときのある微小空間に設定する。
この工程では、複数の仮想音響波検出素子631が、仮想音源621から発生した仮想光音響波622を検出して、仮想検出信号を取得する。
この工程では、演算部191が、S312で取得した仮想検出信号に基づき、部材を考慮した被演算子を取得する。
この工程では、被演算子取得用の光吸収体721が配置されたファントム720に被演算子取得用の光が照射される。なお、被演算子取得用の光を発する光源は、S100で用いた光源111と同様の構成であることが好ましい。また、被演算子取得用の光源として、S100で用いた光源111を用いてもよい。
この工程では、光吸収体721に被演算子取得用の光源からの光を照射することにより発生した被演算子取得用の光音響波722を、被演算子取得用の音響波検出素子731で検出して、被演算子取得用の検出信号を取得する。このとき、ファントム720と被演算子取得用の音響波検出素子731との間には、被演算子取得用の保持部材740が設けられている。
この工程では、演算部191が、S322で取得した被演算子取得用の検出信号に基づき、部材を考慮した被演算子を取得する。
この工程では、信号処理装置190の演算部191が、S200で取得した検出信号と、S300で取得した部材を考慮した被演算子とに基づいた繰り返し再構成法による画像再構成を行うことにより、被検体内部の光学特性情報を取得する。
P0=B−1・Pd ・・・式(8)
ここで、B−1はBの逆行列である。この式から分かるように、保持部材140を考慮した被演算子の行列Bの逆行列を、検出信号の行列Pdに掛けることで、初期音圧の行列P0を求めることができる。
一方、図10(c)では、矢印で示した位置における初期音圧が、図10(b)と比べて小さくなっている。すなわち、保持部材840において多重反射した光音響波の検出信号によるアーティファクトが抑えられている。
光源111は被検体に光を照射し、光音響波を発生させる。被検体が被検体の場合、光源111からは被検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ことが好ましい。光源は、本実施形態の光音響イメージング装置と一体として設けられていてもよいし、光源を分離して別体として設けられていてもよい。
光源111から出射されたパルス光112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113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などである。このような光学部品は、光源から出射されたパルス光112が被検体120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被検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120としては、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。
音響波検出器130は、被検体で発生した光音響波を検出して、アナログ信号である電気信号に変換する音響波検出素子131や、音響波検出素子131を囲む筐体などから構成されている。音響波検出器130は、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光音響波を検出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。
信号処理装置190には典型的にはワークステーションなどが用いられ、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。
表示装置180は、信号処理装置190から出力される光学特性情報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、本発明の被検体情報取得装置とは別に提供されていてもよい。
部材は、被検体120の外部に設けられた部材である。前述したように、ここで、被検体の外部に設けられた部材は、被検体と音響波検出素子との間に設けられた部材や被検体の周囲に設けられた部材などを含む。
被検体を模したファントム720としては、水槽などに入れられた水が簡便で好ましいが、生体同様に音響波を伝搬できればどのようなものを用いてもかまわない。また、イントラリピッドやインクなどを混ぜて、光学定数を生体に近づけてもよい。
光吸収体721としては、例えば、光ファイバの出射部である先端を着色したものや、光を吸収するシートなどを用いることができる。
Claims (20)
- 被検体に光が照射されることにより発生した光音響波を検出して、時系列の検出信号を出力する複数の音響波検出素子と、
前記被検体の外部に配置された部材と、
前記時系列の検出信号と、前記部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子とに基づき、繰り返し再構成法による画像再構成を行うことにより前記被検体内部の光学特性情報を取得する信号処理部と、を有することを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記部材に由来する光音響波の応答は、前記部材内での光音響波の多重反射を含む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。
- 前記部材は、前記被検体と前記複数の音響波検出素子との間に配置されていることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記部材を考慮した被演算子は、前記複数の音響波検出素子の位置と、前記光音響波の発生位置と、前記部材の形状、前記部材の密度、前記部材内での光音響波の音速、および前記部材の光音響波の減衰係数の少なくとも1つとによって決定される被演算子であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記信号処理部は、前記被検体内部の仮定した光学特性情報を設定し、
前記時系列の検出信号、前記部材に由来する応答を考慮した被演算子、および前記仮定した光学特性情報を用いた最小二乗法により、前記光学特性情報を取得することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記信号処理部は、行列で表わされた前記時系列の検出信号と、行列で表わされた前記部材に由来した光音響波の応答を考慮した被演算子の逆行列とを掛けることにより、前記光学特性情報を取得することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 光音響波が外部からの影響を受けないと仮定した場合の光音響波から検出信号への変換を表わす被演算子と、前記部材に由来した光音響波の応答を表わす被演算子とを保存する記憶部を更に有し、
前記信号処理部は、前記記憶部に保存された前記検出信号への変換を表わす被演算子と、前記部材に由来した光音響波の応答を表わす被演算子とをコンボリューションすることにより、前記部材に由来した光音響波の応答を考慮した被演算子を取得することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記信号処理部は、仮想光音響波を発生させる仮想音源の位置と、前記仮想光音響波を検出する複数の仮想音響波検出素子の位置と、前記被検体に対応する仮想被検体の外部に配置される仮想部材の位置と、を設定し、
前記仮想光音響波を前記複数の仮想音響波検出素子が検出したときに得られる仮想検出信号を用いて、前記部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子を取得することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記部材および前記複数の音響波検出素子の位置を測定する測定部を更に有し、
前記信号処理部は、前記測定部により測定された前記部材および前記複数の音響波検出素子の位置に基づき、前記仮想部材および前記複数の仮想音響波検出素子の位置を設定することを特徴とする請求項8に記載の被検体情報処理装置。 - 前記被検体を模したファントムと、
前記ファントム内に配置された光吸収体と、
前記光吸収体に被演算子取得用の光が照射されることにより発生した被演算子取得用の光音響波を検出して、被演算子取得用の検出信号を出力する被演算子取得用の複数の音響波検出素子と、
前記ファントムの外部に配置された被演算子取得用の部材と、を更に有し、
前記信号処理部は、前記被演算子取得用の検出信号に基づき、前記部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子を取得することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記複数の音響波検出素子と、前記被演算子取得用の複数の音響波検出素子とは同一の構成であり、
前記部材と、前記被演算子取得用の部材とは同一の構成であることを特徴とする請求項10に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被演算子取得用の光を発する光源を更に有し、
前記光吸収体は、前記光源の出射部に配置されていることを特徴とする請求項10または11に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体を模したファントムと、
前記ファントム内に配置された光吸収体と、
前記光吸収体に被演算子取得用の光が照射されることにより発生した被演算子取得用の光音響波を検出して、被演算子取得用の検出信号を出力する被演算子取得用の複数の音響波検出素子と、
前記ファントムの外部に配置された被演算子取得用の部材と、を更に有し、
前記信号処理部は、仮想光音響波を発生させる仮想音源の位置と、前記仮想光音響波を検出する複数の仮想音響波検出素子の位置と、前記被検体に対応する仮想被検体の外部に配置される仮想部材の位置と、を設定し、
前記仮想光音響波を前記複数の仮想音響波検出素子が検出したときに得られる仮想検出信号と、前記被演算子取得用の検出信号とを用いて、前記部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子を取得することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 被検体に光を照射することにより発生した光音響波を検出して得られた時系列の検出信号と、前記被検体の外部に配置された部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子とに基づき、繰り返し再構成法による画像再構成を行うことにより前記被検体内部の光学特性情報を取得する工程を有することを特徴とする被検体情報取得方法。
- 前記部材に由来する光音響波の応答は、前記部材内での光音響波の多重反射を含むことを特徴とする請求項14に記載の被検体情報取得方法。
- 記憶部に保存された前記検出信号への変換を表わす被演算子と、部材に由来した光音響波の応答を表わす被演算子とをコンボリューションすることにより、前記部材に由来した光音響波の応答を考慮した被演算子を取得する工程を更に有することを特徴とする請求項14または15に記載の被検体情報取得方法。
- 仮想光音響波を発生させる仮想音源の位置と、前記仮想光音響波を検出する複数の仮想音響波検出素子の位置と、前記被検体に対応する仮想被検体の外部に配置される仮想部材の位置とを設定する工程と、
前記仮想音源から発生した前記仮想光音響波を前記複数の仮想音響波検出素子が検出し、仮想検出信号を取得する工程と、
前記仮想検出信号に基づき、前記部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子を取得する工程とを更に有することを特徴とする請求項14または15に記載の被検体情報取得方法。 - 前記被検体を模したファントムと被演算子取得用の複数の音響波検出素子との間に被演算子取得用の部材を配置された状態で、前記ファントム内にある光吸収体から発生した被演算子取得用の光音響波を検出して得られた被演算子取得用の検出信号に基づき、前記部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子を取得する工程を更に有することを特徴とする請求項14または15に記載の被検体情報取得方法。
- 仮想光音響波を発生させる仮想音源の位置と、前記仮想光音響波を検出する複数の仮想音響波検出素子の位置と、前記被検体に対応する仮想被検体の外部に配置される仮想部材の位置とを設定する工程と、
前記仮想音源から発生した前記仮想光音響波を前記複数の仮想音響波検出素子が検出し、仮想検出信号を取得する工程と、
前記被検体を模したファントムと被演算子取得用の複数の音響波検出素子との間に被演算子取得用の部材を配置された状態で、前記ファントム内にある光吸収体から発生した被演算子取得用の光音響波を検出して得られた被演算子取得用の検出信号と、前記仮想検出信号とに基づき、前記部材に由来する光音響波の応答を考慮した被演算子を取得する工程とを更に有することを特徴とする請求項14または15に記載の被検体情報取得方法。 - コンピュータに、請求項14から19のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法を実行させることを特徴とするプログラム。
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