JP2016013421A - 光音響装置、信号処理方法、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、第1の実施形態の光音響装置の構成及び処理について説明する。
図1は本実施形態の光音響装置の構成を示す模式図である。本実施形態の光音響装置は、光源1、光音響波を受信する変換素子3を備えるプローブ30、変換素子3から出力される受信信号を用いて信号処理を行う信号処理部40、を少なくとも備える。
次に、本実施形態の信号処理部40内の構成を説明する。本実施形態の信号処理部40は、信号収集部9、第1分布取得部4、第2分布取得部5、表示制御部10、制御部11、を備える。制御部11は、領域設定部13、統計情報取得部6、シフト部7、決定部14を備える。なお、信号処理部40内での処理フローは図2を用いて後述するものとし、先に信号処理部40内の各構成部について説明する。
このような処理を各位置に対して行うことにより、各位置での酸素飽和度が求められるため、酸素飽和度分布が取得できる。図3に、波長λ1の吸収係数分布と波長λ2の吸収係数分布とから酸素飽和度分布を得た場合の表示画面の一例を示す。符号301が波長λ1の吸収係数分布、符号302が波長λ2の吸収係数分布、符号303が酸素飽和度分布の画像を示す。酸素飽和度分布は、被検体内のある領域に対応する3次元分布データ(ボクセルの集合データ)でもよいし、そのうちの一断面に対応する2次元分布データ(ピクセルの集合データ)でもよい。
次に、信号処理部40の処理フローを説明する。図2は、本実施形態の信号処理部40の処理フローを示すフローチャートである。なお、図2のフローは、信号処理部40内の信号収集部9に、照射された光の波長毎にプローブから順次受信信号が入力され、信号収集部9においてAD変換や増幅等の処理が行なわれた状態からスタートしている。
式6において、m個のデータ(x1・・・xm)からなる母集団に対し、その平均値がMで表される時、相加平均で表されるσ2が分散を示す。なお、本実施形態では、xiが各ボクセル値(もしくはピクセル値)に対応し、Mはその平均値に対応する。
光源1は、ナノ秒からマイクロ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。具体的なパルス幅としては、1ナノ秒以上100ナノ秒以下程度のパルス幅が使われる。また、波長としては400nm以上1600nm以下の範囲の波長が使われる。特に、生体の深部をイメージングする際には、「生体の窓」と呼ばれる波長帯域(生体の背景組織において吸収が少ない波長帯域)の光を用いる。具体的には、700nm以上1100nm以下の波長域が好ましい。一方、生体表面近傍の血管を高解像度でイメージングする際は可視光領域を用いることが好ましい。ただし、テラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。
プローブ30は1つ以上の変換素子3を備える。変換素子3は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電現象を用いた圧電素子、光の共振を用いた変換素子、CMUT等の静電容量型の変換素子など、音響波を受信して電気信号に変換できるものであればどのような変換素子を用いてもよい。複数の変換素子3を備える場合は、1Dアレイ、1.5Dアレイ、1.75Dアレイ、2Dアレイ、と呼ばれるような平面又は曲面内に並ぶように配置されることが好ましい。
入力部としては、マウス、キーボード、タッチパネル、音声入力部、などを用いることができる。なお、入力部12は、本実施形態の光音響装置が備える構成とはせずに、別に用意して光音響装置に接続してもよい。
表示部8は、LCD(Liquid Crystal Display)やCRT(Cathode Ray Tube)、有機ELディスプレイ等のディスプレイを用いることができる。なお、表示部8は、本実施形態の光音響装置が備える構成とはせずに、別に用意して光音響装置に接続しても良い。
信号収集部9は、一般的にDAS(Data Acquisition System)と呼ばれる回路を用いることができる。具体的には、信号収集部9は、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル化するAD変換器、受信信号を記憶するFIFO、RAM等のメモリ等を含む。
次に、第2の実施形態について説明する。本実施形態の光音響装置は、第1の実施形態の光音響装置と同様の装置構成を用いため、各構成の詳細説明は省略する。ただし、信号処理部40における処理内容に第1の実施形態とは異なる部分があるため、以下では、第1の実施形態とは異なる部分に絞って説明する。
次に、第3の実施形態について説明する。本実施形態の光音響装置は、第1及び第2の実施形態の光音響装置と同様の装置構成を用いため、各構成の詳細説明は省略する。ただし、信号処理部40における処理内容に第1及び第2の実施形態とは異なる部分があるため、以下では、異なる部分に絞って説明する。
次に、第4の実施形態について説明する。本実施形態の光音響装置を図10に示す。第1、第2及び第3の実施形態の光音響装置と変形部17の部分が異なっている。それ以外の部分では同様の装置構成を用いるため、同様な部分に関する詳細説明は省略する。ただし、信号処理部40における処理内容にも第1、第2及び第3の実施形態とは異なる部分があるため、以下では、異なる部分に絞って説明する。
この式7で、右辺第一項目は正規化相互相関係数によるコスト関数であり、第二項目のf(I,T)は制約条件項あるいはペナルティー項と呼ばれるものである。第二項は、第一項の正規化相互相関コスト関数の解に制約条件を付与して、より適切な解に絞る項(正則化項)である。また、λは任意の定数であり、最小二乗項と制約条件項とのバランスを取るためのもので、経験的に決められる値である。ここで、I、Tはそれぞれ756nmと797nmの吸収係数分布の関心領域内部の分布である。また、正規化相互相関(ZNCC:Zero−mean Normalized Cross−Correlation)は、以下の式8で与えられる。
は797nmの関心領域の分布の平均値である。これによりI、Tに対する正規化相互相関係数が算出できる。ここで変形手法としてFFDを用いたが、その他放射基底関数(Radius Basis Function)など、公知の補間方法を用いて行ってよい。
次に、第5の実施形態について説明する。本実施形態の光音響装置を図12に示す。第1、第2及び第3の実施形態の光音響装置と走査部20の部分が異なっている。それ以外の部分では同様の装置構成を用いるため、同様な部分に関する詳細説明は省略する。また、信号処理部40における処理内容にも第1〜第4の実施形態とは異なる部分があるため、以下では、異なる部分に絞って説明する。
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した各実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出して実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、FPGAやASIC)によっても実現可能である。
Claims (16)
- 互いに異なる波長を有する複数の光を発生する光源と、
前記互いに異なる波長の光がそれぞれ照射されることにより被検体内でそれぞれ発生する光音響波を受信する変換素子と、
前記波長毎に前記変換素子からそれぞれ出力される時系列の受信信号を用いて、前記被検体内の光吸収に基づく特性分布を、前記波長毎に求める第1分布取得部と、
前記波長毎の光吸収に基づく特性分布を複数用いて、前記被検体の対象領域内の物質の濃度関連分布を求める第2分布取得部と、
前記濃度関連分布のうち少なくとも一部の分布のばらつきを示す統計情報を求める統計情報取得部と、
を備え、
前記第2分布取得部は、前記統計情報を基に、前記複数の波長間での前記対象領域と前記変換素子との間の位置ずれが抑制された濃度関連分布を取得することを特徴とする光音響装置。 - 前記光源は、互いに異なる第1波長の光と第2波長の光とを少なくとも含む前記複数の光を発生し、
前記変換素子は、前記第1波長の光が照射されることにより被検体内で発生する第1光音響波と、前記第2波長の光が照射されることにより被検体内で発生する第2光音響波と、を受信し、
前記第1分布取得部は、前記第1光音響波の受信により前記変換素子から出力される時系列の第1受信信号を用いて前記第1波長の光吸収に基づく特性分布を求め、前記第2光音響波の受信により前記変換素子から出力される時系列の第2受信信号を用いて前記第2波長の光吸収に基づく特性分布を求め、
前記第2分布取得部は、前記第1波長の光吸収に基づく特性分布に対する前記第2波長の光吸収に基づく特性分布の座標シフトまたは変形処理を複数回行なうことにより、前記対象領域内の少なくとも一部の濃度関連分布を複数求め、
前記統計情報取得部は、前記複数の濃度関連分布を基に、複数の前記統計情報を求め、
前記第2分布取得部は、前記複数の統計情報を基に、前記第1及び第2の波長間での前記対象領域と前記変換素子との間の位置ずれが抑制された濃度関連分布を取得することを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。 - 前記対象領域内の一部の分布として、前記対象領域内に関心領域を設定する領域設定部を備え、
前記統計情報取得部は、前記関心領域の濃度関連分布の統計情報を求めることを特徴とする請求項1又は2に記載の光音響装置。 - 前記領域設定部は、ユーザからの入力に基づき前記関心領域を設定することを特徴とする請求項3に記載の光音響装置。
- 前記領域設定部は、前記光吸収に基づく特性分布内の強度に基づき、前記関心領域を設定することを特徴とする請求項3に記載の光音響装置。
- 前記領域設定部は、前記対象領域内において互いに位置が異なる複数の関心領域を設定することを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記第2分布取得部は、前記複数の光吸収に基づく特性分布に対して相対的な座標シフト処理または変形処理を複数回行うことにより、前記対象領域内の少なくとも一部の濃度関連分布を複数求め、
前記統計情報取得部は、前記複数の濃度関連分布を基に、複数の前記統計情報を求めることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記第2分布取得部は、前記複数の統計情報のうち最小の統計情報の場合の濃度関連分布を、前記位置ずれが抑制された濃度関連分布として取得する請求項2又は7に記載の光音響装置。
- 前記第2分布取得部は、前記複数の統計情報のうち所定値よりも小さい統計情報の場合の濃度関連分布を、前記位置ずれが抑制された濃度関連分布として取得する請求項2又は7に記載の光音響装置。
- 表示部を制御する表示制御部を備え、
前記表示制御部は、前記位置ずれが抑制された濃度関連分布の画像を前記表示部に表示させることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記第1分布取得部は、前記光吸収に基づく特性分布として、前記被検体内に光が照射されることにより発生する音圧の分布を取得することを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記第1分布取得部は、前記光吸収に基づく特性分布として、吸収係数分布を取得することを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記第2分布取得部は、前記濃度関連分布は、酸素飽和度分布を取得することを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 前記統計情報取得部は、前記統計情報として、分散値を求めることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の光音響装置。
- 互いに異なる波長の光がそれぞれ照射されることにより被検体内でそれぞれ発生する光音響波を変換素子が受信することにより得られる、前記波長毎の受信信号を用いて、前記被検体内の光吸収に基づく特性分布を、前記波長毎に求めるステップと、
前記波長毎の光吸収に基づく特性分布を複数用いて、前記被検体の対象領域内の物質の濃度関連分布を求めるステップと、
前記濃度関連分布のうち少なくとも一部の分布のばらつきを示す統計情報を求めるステップと、
前記統計情報を基に、前記複数の波長間での前記対象領域と前記変換素子との間の位置ずれが抑制された濃度関連分布を取得するステップと、
を備えることを特徴とする信号処理方法。 - 請求項15に記載の信号処理方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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