JP2014188045A - 被検体情報取得装置および被検体情報取得方法 - Google Patents

被検体情報取得装置および被検体情報取得方法 Download PDF

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Abstract

【課題】探触子の周波数帯域の影響を低減し、被検体の特性情報をより正確に算出するための技術を提供する。
【解決手段】光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響検出部と、音響波に基づいて被検体内部の画像データを生成する処理部と、第二の光源と、第二の光源から照射されたのち被検体を伝播した光を検出する光検出部を有し、処理部は、音響波を用いて被検体内部の特性情報を算出し、特性情報に関して、光検出部により検出された光の強度に基づいて、音響検出部の感度に関する特性を補正することで、画像データを生成する被検体情報取得装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体情報取得装置およ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被検体に照射した光を被検体内に伝播させ、被検体内の情報を得る光イメージング装置の研究が、医療分野を中心に積極的に進められている。特許文献１では、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。
ＰＡＴとは、光源から発生したパルス光を生体等の被検体に照射し、生体内を伝播・拡散した光が生体組織で吸収されて発生する音響波を検出し、検出した音響波を解析処理することで、生体内部の光学特性に関連した情報を可視化する技術である。これにより、被検体内の光学特性値、特に、光エネルギー吸収密度を得ることができる。
初期音圧を算出するために、主に使われる再構成方法としてバックプロジェクション法がある。ＰＡＴでは、被検体内における光吸収体から発生する音響波の初期音圧Ｐ０は次式（１）で表すことができる。
Ｐ０＝Γ・μａ・Φ …（１）
ここで、Γはグル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ＣＰで割ったものである。Γは被検体が決まれば、ほぼ一定の値をとることが知られている。μａは吸収体の光吸収係数である。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。
特許文献１には、被検体中を伝搬してきた音響波の大きさである音圧Ｐの時間変化を音響波検出器で測定し、その測定結果から初期音圧分布を算出する技術が開示されている。特許文献１によると、算出された初期音圧分布をグルナイゼン係数Γで除することにより、μａとΦの積、つまり光エネルギー吸収密度を得ることができる。
式（１）で示されるように、初期音圧Ｐ０の分布から光吸収係数μａを得るためには、被検体内の光量Φの分布を求める必要がある。つまり、初期音圧を光量で除することにより光吸収係数を得ることができる。
特開２０１０−８８６２７号公報
しかし、測定信号を再構成する事によって得られる初期音圧は、探触子の周波数帯域の影響を受けてしまう。そのため、式（１）で示すような、被検体内部の吸収係数と光量の積に基づく初期音圧を正確には得られない。その結果、吸収係数・酸素飽和度・成分濃度などの特性情報を正確に算出できないという課題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、探触子の周波数帯域の影響を低減し、被検体の特性情報をより正確に算出するための技術を提供することにある。
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、
前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響検出部と、
前記音響波に基づいて前記被検体内部の画像データを生成する処理部と、
第二の光源と、
前記第二の光源から照射されたのち前記被検体を伝播した光を検出する光検出部と、
を有し、
前記処理部は、
前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出し、
前記特性情報に関して、前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記音響検出部の感度に関する特性を補正することで、前記画像データを生成する
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、
前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響検出部と、
前記音響波に基づいて前記被検体内部の画像データを生成する処理部と、
を有し、
前記処理部は、
前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出し、
前記被検体を、注目領域と、前記注目領域よりも発生する音響波の空間周波数が低い背景領域とに区別したときに、前記特性情報を、前記注目領域と前記背景領域のそれぞれについての前記音響検出部の感度に関する特性に基づいて補正することで、前記画像データを生成する
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、音響検出部と、処理部と、第二の光源と、光検出部と、
を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
前記音響検出部が、前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出するステップと、
前記光検出部が、前記第二の光源から照射されたのち前記被検体を伝播した光を検出するステップと、
前記処理部が、
前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出するステップと、
前記特性情報に関して、前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記音響検出部の感度に関する特性を補正することで、前記画像データを生成するステップと、を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、音響検出部と、処理部と、
を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
前記音響検出部が、前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出するステップと、
前記処理部が、
前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出するステップと、
前記被検体を、注目領域と、前記注目領域よりも発生する音響波の空間周波数が低い背景領域とに区別したときに、前記特性情報を、前記注目領域と前記背景領域のそれぞれについての前記音響検出部の感度に関する特性に基づいて補正することで、前記画像データを生成するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。
本発明によれば、探触子の周波数帯域の影響を低減し、被検体の特性情報をより正確に算出するための技術を提供することができる。
本発明に係る装置の構成図。 音響波検出器の帯域に起因した補正方法を説明するための図。 本発明の動作を説明するためのフローチャート。 実施例１に係る装置の構成図。 実施例１の動作を説明するためのフローチャート。 実施例２に係る装置の構成図。 実施例２の動作を説明するためのフローチャート。
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
本発明の被検体情報取得装置は、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伝播した音響波を受信して、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である。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、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分布を示す。組織を構成する物質とは、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の血液成分、あるいは脂肪、コラーゲン、水分などである。
本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。本発明の装置は、探触子等の音響波検出器によって被検体内で発生又は反射して伝播した音響波を受信する。
（装置構成の概要）
図１は被検体情報取得装置を模式的に図示したものである。光源１はパルス光１ａを発する。パルス光１ａは照射光学系２によって、照射光３として、被検体４に照射される。被検体内部を伝搬・拡散した照射光が吸収体５に吸収されると、光音響波６が発生する。光音響波６は音響波検出器７で受信され、電気信号に変換される。処理装置８は、再構成等の情報処理、例えば電気信号から被検体内の関心領域の特性情報を生成する処理を行う。モニタ９に、生成された特性情報に基づく画像データが表示される。音響波検出器は、本発明の音響検出部に相当する。処理装置は、本発明の処理部に相当する。
処理装置８は、音響波検出器７により得られた電気信号から、被検体４の内部の特性情報である第一の被検体情報を算出する。本発明の特徴は、処理装置８が、第一の被検体情報を補正し、第二の被検体情報を算出する点にある。
第一の被検体情報は、被検体４内で発生する光音響波の初期音圧分布や、そこから算出された吸収係数分布など、光音響波の発生に関与する特性情報の空間分布である。初期音圧分布は、処理装置８が音響波検出器７より出力された電気信号にバックプロジェクション法などを施すことで生成される。その際、音響波検出器７より出力された信号をＡＤ変換器により時系列デジタル信号に変換したのち、処理装置８により処理することが好ましい。処理装置８としては、ＰＣなどの情報処理装置を好適に使用できる。吸収係数分布は
、上記のように算出された初期音圧分布と、光量分布と、被検体のグルナイゼン係数分布から、式（１）を用いて算出される。ここで、グルナイゼン係数は被検体に応じた所定の値である。また、被検体内の光量分布には、後述のように計算値、推定値、計測値等を使用できる。
（処理フローの概要）
図３に、本発明の動作の概要をフローチャートとして示す。
ステップＳ３０１において、光源１から被検体４にパルス光を照射する。ステップＳ３０２において、被検体表面に設置された音響波検出器７が、被検体内部の吸収体５から発生した音響波を受信して電気信号に変換する。ステップＳ３０３において、処理装置８が、電気信号を用いて被検体内部の第一の被検体情報を算出する。第一の被検体情報は特性情報、またはその分布として表わされる。ステップＳ３０４において、処理装置８が、補正値を用いて第一の被検体情報を補正する。ステップＳ３０５において、補正された第一の被検体情報から、第二の被検体情報が算出される。
（周波数帯域感度特性）
バックプロジェクション法では、音響波検出器７より出力された時系列の信号から初期音圧の空間分布を算出（再構成）する。そのため、時系列信号の周波数特性が、算出される空間分布の空間周波数に影響を及ぼす。すなわち、生体内の微小空間から発生する光音響波は音響波検出器７に高周波成分の信号として受信され、空間周波数が高い（微小領域での）初期音圧分布として再構成される。また、生体内の広い領域から発生する光音響波は音響波検出器７に低周波成分の信号として受信され、空間周波数が低い（広い領域での）初期音圧分布として再構成される。このように、音響波検出器７に周波数帯域感度特性（周波数帯域ごとの音響波受信感度の相違）がある場合、再構成された初期音圧の空間分布に影響が生じる。現実的には、音響波検出器には何らかの周波数帯域感度特性が存在する場合が多い。
例えば、音響波検出器７の高周波領域での感度低下がある場合、再構成される初期音圧分布において、細かな領域での初期音圧の変化は再現されない（解像度限界）。逆に、音響波検出器７の低周波領域での感度低下がある場合、被検体内での初期音圧分布の緩やかな変化は再現されない。すなわち、低周波領域で感度が低ければ、被検体内に均一に分布する初期音圧の分布はバックプロジェクション法によって再現できないこととなる。
吸収係数分布は初期音圧分布をもとに算出されるので、上と同様に、音響波検出器７の周波数帯域感度特性の影響を受ける。また、バックプロジェクション法による再構成に限らず、音響波の伝搬関係を用いて行われる他の再構成法においても、周波数帯域感度特性の影響を受ける。
上述の問題点は、次のように言い換えることができる。すなわち、音響波検出器は、得意な帯域以外の音波に対しては、受信感度が低いか、受信できない。仮に、ある音響波検出器が高い周波数帯域に感度特性があるとすると、微小な吸収体から発生する高周波の光音響波は検出しやすいが、均一性が高い一様な領域（背景領域）から発生する低周波数の光音響波は検出しにくい（または検出できない）。つまり、吸収体以外の部分（背景吸収係数を持つ背景領域）から発生した低周波の光音響波は検出できない。その結果、検出信号を用いて画像再構成を行っても、吸収体以外の背景領域の初期音圧が再現できない。さらに、吸収体の位置においても、吸収体で発生した初期音圧と、吸収体の周囲の背景吸収係数による初期音圧との差分しか再現されない。
（補正値による補正処理）
本発明を特徴づける補正処理における補正値は、音響波検出器の周波数帯域感度に基づく値である。この補正値は、被検体全領域にわたり均一に、または緩やかに変化する背景
分布が、周波数帯域感度特性のせいで再構成できないという問題を補正するためのものである。
図２を用いて、音響波検出器の周波数帯域感度特性にせいで背景領域の初期音圧が観測できない場合の補正方法について述べる。
図２（ａ）に本説明のための構成図を示す。被検体４に対して、照射光３が、右側から十分広い面積で照射されている。音響波検出器７は、光照射面と被検体を挟んで反対側に配置され、被検体に接している。吸収体５ａ、吸収体５ｂは被検体内部の異なる深さにある。ここでは、吸収体５ａおよび５ｂを本発明の注目領域とする。背景領域は、均一性が比較的高い点で、注目領域と区別できる。
図２（ｂ）は、図２（ａ）の被検体内の線上における実際の初期音圧分布Ｐ０ ｒｅ（ｚ）である。横軸は音響波検出器が設置された側の被検体表面からの深さｚ、縦軸は音圧Ｐである。図２（ｃ）は、図２（ａ）の被検体内の線上における光量分布Φ（ｚ）である。横軸は上と同じく深さｚ、縦軸は光量Φである。図２（ｄ）は、図２（ａ）の被検体内の線上における吸収係数分布μａ ｒｅ（ｚ）である。横軸は深さｚ、縦軸は吸収係数である。
図２（ｂ）に見られるように、実際の初期音圧はＰ０ ｒｅ（ｚ）である。しかし、音響波検出器７として、吸収体５ａおよび５ｂの大きさの部位から発生する光音響波の周波数帯域を、中心感度帯域とするものを使用した場合、背景の吸収係数に依存した初期音圧は検出できない。その結果、測定された初期音圧を再構成すると、図２（ｅ）の様になってしまう。図２（ｅ）は音響波検出器で検出した信号から再構成して得られた初期音圧分布Ｐ０ ｍｅ（ｚ）である。横軸は深さｚ、縦軸は音圧Ｐである。図２（ｅ）を図２（ｂ）と比較すると、背景吸収係数における成分が欠落している。
つまり、被検体４の背景吸収係数をμａ Ｂ、吸収体の吸収係数をμａ Ｔ、吸収体５ａの位置をｚＴ１、吸収体５ｂの位置をｚＴ２、背景の位置をｚＢとすると、それぞれの位置での初期音圧は、次の式（２ａ）〜（２ｃ）、式（３ａ）〜（３ｃ）で表わされる。
Ｐ０ ｒｅ（ｚＴ１）＝μａ Ｔ・Φ（ｚＴ１） …（２ａ）
Ｐ０ ｒｅ（ｚＴ２）＝μａ Ｔ・Φ（ｚＴ２） …（２ｂ）
Ｐ０ ｒｅ（ｚＢ）＝μａ Ｂ・Φ（ｚＢ） …（２ｃ）
Ｐ０ ｍｅ（ｚＴ２）＝（μａ Ｔ−μａ Ｂ）・Φ（ｚＴ１） …（３ａ）
Ｐ０ ｍｅ（ｚＴ１）＝（μａ Ｔ−μａ Ｂ）・Φ（ｚＴ２） …（３ｂ）
Ｐ０ ｍｅ（ｚＢ）＝（μａ Ｂ−μａ Ｂ）・Φ（ｚＢ） …（３ｃ）
そのため、再構成して得られた初期音圧Ｐ０ ｍｅ（ｚ）からΦ（ｚ）を除しても正確な吸収係数分布が得られず、図２（ｆ）の様になる。図２（ｆ）は図２（ｅ）の初期音圧Ｐ０ ｍｅ（ｚ）を光量Φ（ｚ）で除する事で得られたＰ０ ｍｅ（ｚ）／Φ（ｚ）である。横軸は音響波検出器が設置された側の被検体表面からの深さｚ、縦軸は吸収係数である。図２（ｆ）の吸収係数は、実際の吸収係数分布（図２（ｄ））に比べて、背景の吸収係数μａ Ｂの分だけ低くなっている。このように、被検体内の吸収体の大きさに音響波検出器の中心帯域を合わせると、被検体の背景領域からの音響波を十分に受信できないため、初期音圧の再構成や吸収係数の算出が不正確となる。
そこで本発明では、図２（ｆ）で得られた吸収係数に背景吸収係数を足すことで、図２（ｈ）に示すように正確な吸収係数を算出可能となる。図２（ｈ）は、横軸は深さｚ、縦軸は吸収係数である。
また、図２（ｇ）に示すように図２（ｅ）の初期音圧Ｐ０ ｍｅ（ｚ）に背景吸収係数に起因した初期音圧μａ Ｂ・Φ（ｚ）を加算する方法もある。加算処理後の値をΦ（ｚ）で除することにより、正確な吸収係数分布Ｐ０ ｍｅ（ｚ）／Φ（ｚ）＋μａ Ｂを算出可能と
なる。
背景吸収係数は、時間分解スペクトロスコピー測定から取得できる。背景吸収係数は、また、周波数分解スペクトロスコピー測定から取得できる。背景吸収係数は、入力部より入力されることにより取得できる。
例えば、吸収体５ａと吸収体５ｂの吸収係数μａ ｒｅ（ｚＴ１）、μａ ｒｅ（ｚＴ２）がそれぞれ０．０１２／ｍｍ、０．００９／ｍｍ、背景吸収係数μａ ｒｅ（ｚＢ）が０．００５／ｍｍとする。また、吸収体５ａと吸収体５ｂの位置での光量Φ（ｚＴ１）、Φ（ｚＴ２）がそれぞれ５０ｍＪ／ｍｍ２、９００ｍＪ／ｍｍ２とする。このとき、吸収体５ａと吸収体５ｂの位置での実際の初期音圧は、それぞれ０．６ｍＪ／ｍｍ３、８．１ｍＪ／ｍｍ３となる。
一方、これらの吸収体の大きさの周波数帯域に合わせた探触子を用いて検出した検出信号を再構成して得られた初期音圧（測定値）は、０．３５ｍＪ／ｍｍ３、３．６ｍＪ／ｍｍ３となる。この再構成して得られた初期音圧から、それぞれの位置での光量を除して吸収係数を算出すると、０．００７／ｍｍ、０．００４／ｍｍとなる。したがって、実際の吸収係数より相当低い数値となり、正確な吸収係数を算出できない。
そこで本発明の手法により、この吸収係数（測定値由来）に背景光学係数（０．００５／ｍｍ）を足すと、吸収体５ａ、吸収体５ｂの吸収係数は、０．０１２／ｍｍ、０．００９／ｍｍとなり、正確な値が算出できる。また、再構成して得られた吸収体５ａ、吸収体５ｂの初期音圧０．３５ｍＪ／ｍｍ３、３．６ｍＪ／ｍｍ３に、背景吸収係数に光量をかけた値（それぞれ０．２５ｍＪ／ｍｍ２、４．５ｍＪ／ｍｍ２）を足すと、０．６ｍＪ／ｍｍ２、８．１ｍＪ／ｍｍ２となる。これらを光量で割ることによっても、吸収係数０．０１２／ｍｍ、０．００９／ｍｍを正確に算出できる。
＜実施例１＞
本実施例は、被検体を乳房として、乳房中の酸素飽和度分布をイメージングする被検体情報取得装置について述べる。本実施例において、被検体は、平行平板の保持板ではさみこむ形で保持される。また、本実施例の被検体情報取得装置は、周波数分解スペクトロスコピー測定機構を備えており、周波数分解スペクトロスコピー測定により被検体の背景吸収係数を算出して補正値として用いる。
図４を用いて、本実施例の装置構成に関して説明する。図１と異なる部品を中心に説明する。保持板１６、１７は光と音響波の両方の透過性の高いポリメチルペンテンを材料とする。保持板１６，１７は平行平板になっており、少なくとも一方が可動である。そして、保持板１６と保持板１７との間隔が変わることで、被検体４を挟み込んで固定できる。
最初に、本実施例の被検体情報取得装置における、被検体４の背景吸収係数を算出する機構について述べる。第二の光源１０と光検出器１２は、保持板越しに被検体を挟んで、対峙して配置されている。第二の光源１０は、複数の波長の光を照射できる。すなわち、第二の光源１０は、波長６３７ｎｍ、６８６ｎｍ、７５６ｎｍ、７９７ｎｍ、８０８ｎｍ、８５２ｎｍ、９１２ｎｍ、９７５ｎｍのレーザーダイオードを切り替えることで被検体を照射できる。光検出器１２はアバランシェフォトダイオードであり、第二の光源１０から照射された照射光１１が被検体４内を拡散して光検出器１２の位置に出てきた光を検出する。レーザーダイオードで光を出力するための、印可電圧の時間波形を参照波形とし、アバランシェフォトダイオードで検出された光の強度波形を測定波形として、ロックインアンプに入力し、位相の変化と光の強度減衰を測定する。この測定される位相変化と光の強度減衰を用いて、背景吸収係数、背景散乱係数を算出する。背景吸収係数・背景散乱係数は、被検体４の吸収係数・散乱係数が均一として、光伝搬の逆問題を解き、算出される。さらに、被検体４の各波長の背景吸収係数・背景散乱係数に対して、脂肪・水・酸化ヘ
モグロビン・還元ヘモグロビンの吸収スペクトルを用いてフィッティングを行い、各成分量を算出する。なお図４では、第二の光源１０を、光音響測定用の光源１とは別に設けている。しかし、光源１から照射光学系２を経由して照射された光を光検出器１２で検出しても良い。また、光源１から光ファイバ等で分岐させた光を光検出器１２で検出しても良い。光検出器は、本発明の光検出部に相当する。
次に、本実施例の被検体情報取得装置における、波長７５６ｎｍ、７９７ｎｍを使って光音響測定を行い、それぞれの波長の吸収係数分布を算出し、吸収係数分布を背景吸収係数分布で補正して、酸素飽和度を算出する機構について説明する。このように複数の波長で吸収係数を求めることで、物質の濃度が計算できる。
照射光学系２と音響波検出器７は、透過型光音響測定を行うために被検体を挟んで対峙して配置されている。
光源１は７５６ｎｍ、７９７ｎｍを出射可能なチタンサファイアレーザーである。光源１から出射された波長７５６ｎｍのパルス光１ａは、バンドルファイバ入射光学系１４を通して、バンドルファイバ１３に入射する。バンドルファイバ１３の出射端は照射光学系２に接続され、ファイバから出射したパルス光は、照射波長依存が少なくなるように、レンズや、拡散板等を通して、照明光３として被検体４に照射される。
照射光３は、被検体４内を拡散して、吸収体５で吸収され、光音響波６が発生する。
光音響波６は、音響波検出器７で電気信号に変換される。音響波検出器７は、２次元アレイトランスデューサで、中心周波数が２ＭＨｚのピエゾ素子からなる。この電気信号を用い、バックプロジェクション法により波長７５６ｎｍの初期音圧分布Ｐ０（７５６ｎｍ，ｒ）を算出する。あらかじめ測定した被検体の形状と照射光３の分布と、背景吸収係数、背景散乱係数から、光拡散方程式を有限要素法で解いて、波長７５６ｎｍの光量分布φ（７５６ｎｍ，ｒ）を算出する。このようにして算出された初期音圧Ｐ０（７５６ｎｍ，ｒ）と光量φ（７５６ｎｍ，ｒ）から、式（１）を用いて吸収係数μａ（７５６ｎｍ，ｒ）を算出する。さらに周波数分解スペクトロスコピー測定で得られた背景吸収係数μａ Ｂ（７５６ｎｍ）を吸収係数分布μａ（７５６ｎｍ，ｒ）に加えることにより、被補正吸収係数分布μａ Ｃ（７５６ｎｍ，ｒ）を算出する。
同様に、光源１から出射された波長７９７ｎｍのパルス光１ａは、バンドルファイバ入射光学系１４、バンドルファイバ１３の出射端に接続された照射光学系２、レンズや拡散板等を経由して、照明光３として被検体４に照射される。照射光３は、被検体４中を拡散して、吸収体５で吸収され、光音響波６が発生する。光音響波６は、音響波検出器７で電気信号に変化される。音響波検出器７は、２次元アレイトランスデューサで、中心周波数が２ＭＨｚのピエゾ素子からなる。この電気信号を用い、バックプロジェクション法により波長７９７ｎｍの初期音圧分布Ｐ０（７９７ｎｍ，ｒ）を算出する。あらかじめ測定した被検体の形状と照射光３の分布と、背景吸収係数、背景散乱係数から、光拡散方程式を有限要素法で解いて、波長７９７ｎｍの光量分布φ（７９７ｎｍ，ｒ）を算出する。このようにして算出された初期音圧Ｐ０（７９７ｎｍ，ｒ）と光量φ（７９７ｎｍ，ｒ）から、式１を用いて吸収係数μａ（７９７ｎｍ，ｒ）を算出する。さらに周波数分解スペクトロスコピー測定で得られた背景光学係数μａ Ｂ（７９７ｎｍ）を吸収係数分布μａ（７９７ｎｍ，ｒ）に加えることにより、被補正吸収係数分布μａ Ｃ（７９７ｎｍ，ｒ）を算出する。
これらのそれぞれの波長における被補正吸収係数分布μａ Ｃ（７５６ｎｍ，ｒ）、μａ Ｃ（７９７ｎｍ，ｒ）から、式（４）を用いて酸素飽和度を算出する。
Figure 2014188045
ここで、εＨｂ（λ）とεＨｂＯ（λ）は、それぞれ波長λｎｍにおける還元ヘモグロビンの吸収係数、酸化ヘモグロビンの吸収係数である。
算出された酸素飽和度分布は、モニタ９に３次元画像やスライス画像等の形式で表示される。
図５に本実施例のフロー図を示す。図５を用いて本実施例の手法について説明する。
まず、ステップＳ５０１において、周波数分解光スペクトロスコピー測定を行い、波長７５６ｎｍと７９７ｎｍの背景吸収係数・背景散乱係数を算出する。
続いて波長７５６ｎｍでの測定に移る。ステップＳ５０２において、波長７５６ｎｍのパルス光を被検体に照射する。ステップＳ５０３において、波長７５６ｎｍのパルス光を照射したことにより吸収体から発生した音響波を音響波検出器で検出し、電気信号に変換する。ステップＳ５０４において、前記電気信号から波長７５６ｎｍの初期音圧分布を算出し、あらかじめ計測した被検体形状と、照射光の分布と、波長７５６ｎｍの被検体の背景吸収係数と背景散乱係数から光量分布を算出し、吸収係数分布を算出する。ステップＳ５０５において、前記吸収係数分布に前記背景吸収係数を加算することにより波長７５６ｎｍの被補正吸収係数分布を算出する。このステップは本発明を特徴づける補正値による補正である。
続いて波長７９７ｎｍでの測定に移る。ステップＳ５０６において、波長７９７ｎｍのパルス光を被検体に照射する。ステップＳ５０７において、波長７９７ｎｍのパルス光を照射したことにより吸収体から発生した音響波を音響波検出器で検出し、電気信号に変換する。ステップＳ５０８において、前記電気信号から波長７９７ｎｍの初期音圧分布を算出し、あらかじめ計測した被検体形状と、照射光の分布と、波長７９７ｎｍの被検体の背景吸収係数と背景散乱係数から光量分布を算出し、吸収係数分布を算出する。ステップＳ５０９において、前記吸収係数分布に前記背景吸収係数を加算することにより波長７９７ｎｍの被補正吸収係数分布を算出する。このステップも、補正値による補正処理である。
最後に、ステップＳ５１０において、波長７５６ｎｍの被補正吸収係数分布と波長７９７ｎｍの被補正吸収係数分布を用いて、式２から酸素飽和度分布を算出する。
以上に述べたように、音響波検出器の周波数帯域感度特性により背景領域の音響波が十分に受信できず、正確な初期音圧（あるいはそれから求められる吸収係数や酸素飽和度など）が求められない場合が存在する。しかし本発明によれば、そのような場合であっても、背景吸収係数や背景散乱係数に基づく補正値を用いて測定された初期音圧、あるいは算出された吸収係数を補正し、より正確な値を求めて画像データの生成や診断に利用できるようになる。
本発明は、上記のように被検体情報取得装置として捉えることができる。本発明はまた、かかる装置の制御方法として捉えることもできる。本発明はさらに、かかる制御方法の各ステップを装置の処理装置等に実行させるプログラムとして実現することもできる。
＜実施例２＞
本実施例は、被検体を乳房として、乳房中の酸素飽和度分布をイメージングする被検体情報取得装置について述べる。本実施例において、被検体は、水槽内に挿入されて測定される。また、本実施例は入力部を備えており、予め測定または推定された背景吸収係数を
入力されることにより補正値として用いる。
図６を用いて、本実施例の装置構成に関して説明する。図１と異なる部品を中心に説明する。容器１８は光と音響波の両方の透過性の高いポリメチルペンテンを材料とする。容器１８は、上面（紙面上側）が解放されて、水１９で満たされている。被検体４は、上面から容器１８に挿入され、水１９に漬けられる。
実施例１の装置には、周波数スペクトロスコピー測定装置が内蔵されており、周波数スペクトロスコピー測定装置を使って被検体４の背景吸収係数・背景散乱係数を算出する。それに対して、本実施例の装置は入力部２０を備えており、本装置の操作者が入力部２０から被検体４の背景吸収係数・背景散乱係数を入力することで、被検体４の背景吸収係数・背景散乱係数を取得する。入力される背景吸収係数・背景散乱係数は、他の装置によって測定された値を入れてもいいし、年齢やＢＭＩ値等を使って推定した値を入力してもよい。被検体４の背景吸収係数・背景散乱係数が既知であるならば、既知の値を入力してもよい。また、背景吸収係数・背景散乱係数を推定できる年齢・ＢＭＩ値等を入力できるようになっていてもよい。
次に、本実施例の被検体情報取得装置における、波長１０６４ｎｍの光を使って光音響測定を行い、初期音圧分布を算出し、初期音圧分布を背景吸収係数と光量分布で補正して、被補正初期音圧分布を算出する機構について説明する。照射光学系２は、被検体４を下から照射するように配置されている。音響波検出器７は、被検体４の吸収体５から発生する光音響波６を、被検体４の周りを３６０度方向で測定できるように水槽１８の側面に配置されており、水槽１８の壁面をスキャン出来るように配置されている。
光源１は１０６４ｎｍを出射可能なＹＡＧレーザーである。光源１から出射された波長１０６４ｎｍのパルス光１ａは、空中伝搬光学系１５に入射する。空中伝搬光学系１５の出射端は照射光学系２に接続され、照射光３が被検体４のある程度の範囲に均一に照射されるために、レンズや拡散板を通じて照射光３として被検体４に照射される。
照射光３は被検体４内を拡散して、吸収体５で吸収され、光音響波６が発生する。
光音響波６は、音響波検出器７で電気信号に変換される。音響波検出器７は、１次元アレイトランスデューサで、中心周波数が３ＭＨｚのｃＭＵＴ素子からなる。この電気信号を用い、逐次再構成法により波長１０６４ｎｍの初期音圧分布Ｐ０（１０６４ｎｍ，ｒ）を算出する。あらかじめ測定した被検体の形状と照射光３の分布と、背景吸収係数、背景光学係数から、光輸送方程式を有限要素法で解いて、波長１０６４ｎｍの光量分布φ（１０６４ｎｍ，ｒ）を算出する。このように算出された初期音圧Ｐ０（１０６４ｎｍ，ｒ）と、光量Φ（１０６４ｎｍ，ｒ）と背景吸収係数μａＢ（１０６４ｎｍ）の積Ｐ０Ｂ(１
０６４ｎｍ，ｒ）を加えることにより被補正初期音圧分布Ｐ０Ｃ（１０６４ｎｍ，ｒ）を算出する。
図７に本実施例のフロー図を示す。図７を用いて本実施例の手法について説明する。
まず、ステップＳ７０１において、入力部により入力された波長１０６４ｎｍの背景吸収係数・背景散乱係数を取得する。
続いて波長１０６４ｎｍでの測定に移る。ステップＳ７０２において，波長１０６４ｎｍのパルス光を被検体に照射する。ステップＳ７０３において、波長１０６４ｎｍのパルス光を照射したことにより吸収体から発生した音響波を音響波検出器で検出し、電気信号に変換する。ステップＳ７０４において、前記電気信号から波長１０６４ｎｍの初期音圧分布を算出する。ステップＳ７０５において、予め計測した被検体形状と、照射光分布と、波長１０６４ｎｍの被検体の背景吸収係数と背景散乱係数から光量分布を算出する。ステップＳ７０６において、前記初期音圧分布に前記背景吸収係数と前記光量分布の積を加
算する事により波長１０６４ｎｍの被補正初期音圧分布を算出する。このステップは本発明を特徴づける補正値の補正である。
以上に述べたように、音響波検出器の周波数帯域感度特性により背景領域の音響波が十分に受信できず、正確な初期音圧（あるいはそれから求められる吸収係数や酸素飽和度など）が求められない場合が存在する。しかし本発明によれば、そのような場合であっても、背景吸収係数や背景散乱係数に基づく補正値を用いて測定された初期音圧、あるいは算出された吸収係数を補正し、より正確な値を求めて画像データの生成や診断に利用できるようになる。
本発明は、上記のように被検体情報取得装置として捉えることができる。本発明はまた、かかる装置の制御方法として捉えることもできる。本発明はさらに、かかる制御方法の各ステップを装置の処理装置等に実行させるプログラムとして実現することもできる。
１：光源，２：照射光学系，７：音響波検出器，８：処理装置，１２：光検出器

Claims (60)

  1. 光源と、
    前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響検出部と、
    前記音響波に基づいて前記被検体内部の画像データを生成する処理部と、
    第二の光源と、
    前記第二の光源から照射されたのち前記被検体を伝播した光を検出する光検出部と、
    を有し、
    前記処理部は、
    前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出し、
    前記特性情報に関して、前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記音響検出部の感度に関する特性を補正することで、前記画像データを生成する
    ことを特徴とする被検体情報取得装置。
  2. 前記処理部は、前記音響波を用いて、前記被検体内部における初期音圧分布を算出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。
  3. 前記処理部は、前記特性情報として、前記初期音圧分布を用いる
    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。
  4. 前記処理部は、前記初期音圧分布に基づいて、前記被検体内部における吸収係数分布を算出する
    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。
  5. 前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布を用いる
    ことを特徴とする請求項４に記載の被検体情報取得装置。
  6. 前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布に基づいて、前記被検体内部における物質の濃度分布を算出する
    ことを特徴とする請求項４に記載の被検体情報取得装置。
  7. 前記物質の濃度分布は、酸素飽和度分布である
    ことを特徴とする請求項６に記載の被検体情報取得装置。
  8. 前記光源は、複数の波長の光を照射するものである
    ことを特徴とする請求項６または７に記載の被検体情報取得装置。
  9. 前記処理部は、
    前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記被検体内部の背景領域の吸収係数を求め、
    前記背景領域の吸収係数を補正値として用いて、前記吸収係数分布を補正する
    ことを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  10. 前記処理部は、
    前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記被検体の背景領域の吸収係数を求め、前記背景領域の吸収係数を用いて前記背景領域の初期音圧を求め、
    前記背景領域の初期音圧を補正値として用いて、前記初期音圧分布を補正する
    ことを特徴とする請求項３に記載の被検体情報取得装置。
  11. 前記背景領域の吸収係数は、時間分解スペクトロスコピーまたは周波数分解スペクトロ
    スコピーによって取得される
    ことを特徴とする請求項９または１０に記載の被検体情報取得装置。
  12. 前記背景領域とは、前記被検体内部で吸収係数が高い注目領域である吸収体よりも、発生する音響波の空間周波数が低い領域である
    ことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  13. 前記背景領域とは、前記被検体内部の吸収体よりも均一性が高い領域である
    ことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  14. 前記光源は、前記第二の光源を兼ねる
    ことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  15. 前記画像データを表示するモニタをさらに有する
    ことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  16. 光源と、
    前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響検出部と、
    前記音響波に基づいて前記被検体内部の画像データを生成する処理部と、
    を有し、
    前記処理部は、
    前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出し、
    前記被検体を、注目領域と、前記注目領域よりも発生する音響波の空間周波数が低い背景領域とに区別したときに、前記特性情報を、前記注目領域と前記背景領域のそれぞれについての前記音響検出部の感度に関する特性に基づいて補正することで、前記画像データを生成する
    ことを特徴とする被検体情報取得装置。
  17. 情報が入力される入力部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１６に記載の被検体情報取得装置。
  18. 前記入力部は、前記背景領域の特性情報を入力できる
    ことを特徴とする請求項１７に記載の被検体情報取得装置。
  19. 前記入力部は、前記背景領域の特性情報を推定または計算できる値を入力できる
    ことを特徴とする請求項１７に記載の被検体情報取得装置。
  20. 前記処理部は、前記入力部で入力された情報から前記背景領域の吸収係数と散乱係数を取得する
    ことを特徴とする請求項１７ないし請求項１９のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  21. 前記処理部は、前記音響波を用いて、前記被検体内部における初期音圧分布を算出することを特徴とする請求項１６に記載の被検体情報取得装置。
  22. 前記処理部は、前記特性情報として、前記初期音圧分布を用いる
    ことを特徴とする請求項２１に記載の被検体情報取得装置。
  23. 前記処理部は、前記初期音圧分布に基づいて、前記被検体内部における吸収係数分布を算出する
    ことを特徴とする請求項２１に記載の被検体情報取得装置。
  24. 前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布を用いる
    ことを特徴とする請求項２３に記載の被検体情報取得装置。
  25. 前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布に基づいて、前記被検体内部における物質の濃度分布を算出する
    ことを特徴とする請求項２３に記載の被検体情報取得装置。
  26. 前記物質の濃度分布は、酸素飽和度分布である
    ことを特徴とする請求項２５に記載の被検体情報取得装置。
  27. 前記光源は、複数の波長の光を照射するものである
    ことを特徴とする請求項２５または２６に記載の被検体情報取得装置。
  28. 前記注目領域は、前記被検体内部で吸収係数が高い吸収体であり、
    前記背景領域とは、前記吸収体よりも、発生する音響波の空間周波数が低い領域であることを特徴とする請求項１６ないし２７のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  29. 前記背景領域とは、前記被検体内部の吸収体よりも均一性が高い領域である
    ことを特徴とする請求項１６ないし２７のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  30. 前記画像データを表示するモニタをさらに有する
    ことを特徴とする請求項１６ないし２９のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
  31. 光源と、音響検出部と、処理部と、第二の光源と、光検出部と、
    を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
    前記音響検出部が、前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響波検出ステップと、
    前記光検出部が、前記第二の光源から照射されたのち前記被検体を伝播した光を検出する光検出ステップと、
    前記処理部が、前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出する算出ステップと、
    前記処理部が、前記特性情報に関して、前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記音響検出部の感度に関する特性を補正することで、前記画像データを生成する生成ステップと、
    を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。
  32. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記音響波を用いて、前記被検体内部における初期音圧分布を算出する
    ことを特徴とする請求項３１に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  33. 前記生成ステップにて、前記処理部は、前記特性情報として、前記初期音圧分布を用いる
    ことを特徴とする請求項３２に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  34. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記初期音圧分布に基づいて、前記被検体内部における吸収係数分布を算出する
    ことを特徴とする請求項３２に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  35. 前記生成ステップにて、前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布を用いる
    ことを特徴とする請求項３４に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  36. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布に基づいて、前記被検体内部における物質の濃度分布を算出する
    ことを特徴とする請求項３４に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  37. 前記物質の濃度分布は、酸素飽和度分布である
    ことを特徴とする請求項３６に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  38. 前記光源は、複数の波長の光を照射するものである
    ことを特徴とする請求項３６または３７に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  39. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記被検体内部の背景領域の吸収係数を求め、
    前記生成ステップにて、前記処理部は、前記背景領域の吸収係数を補正値として用いて、前記吸収係数分布を補正する
    ことを特徴とする請求項３５ないし３８のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  40. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記光検出部により検出された光の強度に基づいて、前記被検体の背景領域の吸収係数を求め、前記背景領域の吸収係数を用いて前記背景領域の初期音圧を求め、
    前記生成ステップにて、前記処理部は、前記背景領域の初期音圧を補正値として用いて、前記初期音圧分布を補正する
    ことを特徴とする請求項３３に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  41. 前記背景領域の吸収係数は、時間分解スペクトロスコピーまたは周波数分解スペクトロスコピーによって取得される
    ことを特徴とする請求項３９または４０に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  42. 前記背景領域とは、前記被検体内部で吸収係数が高い注目領域である吸収体よりも、発生する音響波の空間周波数が低い領域である
    ことを特徴とする請求項３９ないし４１のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  43. 前記背景領域とは、前記被検体内部の吸収体よりも均一性が高い領域である
    ことを特徴とする請求項３９ないし４１のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  44. 前記光源は、前記第二の光源を兼ねる
    ことを特徴とする請求項３１ないし４３のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  45. 前記画像データを表示するモニタをさらに有する
    ことを特徴とする請求項３１ないし４４のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  46. 光源と、音響検出部と、処理部と、
    を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
    前記音響検出部が、前記光源からの光を照射された被検体から発生する音響波を検出する検出ステップと、
    前記処理部が、前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を算出する算出ステップと、
    前記処理部が、前記被検体を、注目領域と、前記注目領域よりも発生する音響波の空間周波数が低い背景領域とに区別したときに、前記特性情報を、前記注目領域と前記背景領域のそれぞれについての前記音響検出部の感度に関する特性に基づいて補正することで、前記画像データを生成する生成ステップと、
    を有することを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。
  47. 前記被検体情報取得装置は、情報が入力される入力部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項４６に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  48. 前記入力部は、前記背景領域の特性情報を入力できる
    ことを特徴とする請求項４７に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  49. 前記入力部は、前記背景領域の特性情報を推定または計算できる値を入力できる
    ことを特徴とする請求項４７に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  50. 前記処理部は、前記入力部で入力された情報から前記背景領域の吸収係数と散乱係数を取得する
    ことを特徴とする請求項４７ないし請求項４９のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  51. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記音響波を用いて、前記被検体内部における初期音圧分布を算出する
    ことを特徴とする請求項４６に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  52. 前記生成ステップにて、前記処理部は、前記特性情報として、前記初期音圧分布を用いる
    ことを特徴とする請求項５１に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  53. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記初期音圧分布に基づいて、前記被検体内部における吸収係数分布を算出する
    ことを特徴とする請求項５１に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  54. 前記生成ステップにて、前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布を用いる
    ことを特徴とする請求項５３に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  55. 前記算出ステップにて、前記処理部は、前記特性情報として、前記吸収係数分布に基づいて、前記被検体内部における物質の濃度分布を算出する
    ことを特徴とする請求項５３に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  56. 前記物質の濃度分布は、酸素飽和度分布である
    ことを特徴とする請求項５５に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  57. 前記光源は、複数の波長の光を照射するものである
    ことを特徴とする請求項５５または５６に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  58. 前記注目領域は、前記被検体内部で吸収係数が高い吸収体であり、
    前記背景領域とは、前記吸収体よりも、発生する音響波の空間周波数が低い領域であることを特徴とする請求項４６ないし５７のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  59. 前記背景領域とは、前記被検体内部の吸収体よりも均一性が高い領域である
    ことを特徴とする請求項４６ないし５７のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
  60. 前記被検体情報取得装置は、前記画像データを表示するモニタをさらに有する
    ことを特徴とする請求項４６ないし５９のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置の制御方法。
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