JP2016016159A - 被検体情報取得装置および被検体情報取得装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
パルスレーザ光などの計測光を被検体である生体に照射すると、計測光が被検体内の生体組織で吸収される際に音響波が発生する。この現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。被検体を構成する組織は、光エネルギーの吸収率がそれぞれ異なるため、発生する光音響波の音圧も異なったものとなる。PATでは、発生した光音響波を探触子で検出し、受信信号を数学的に解析することにより、被検体内の光学特性分布を画像化することができる。
しかし、一般的に、トランスデューサの高周波領域の感度を上げると、広帯域をカバーできるトランスデューサでない限り、低周波領域の感度が低下してしまう。低周波領域の感度が低下した場合、ハイパスフィルタがかけられたような画像になり、血管内の血液部分のエッジのみが画像化され、中抜け状態になることがある。
被検体にパルス光を照射する光照射手段と、前記パルス光に起因して前記被検体内で発生した音響波を取得し、光音響波信号に変換する音響波探触子と、前記光音響波信号に基づいて、前記被検体内の特性を表す三次元画像を生成する画像生成手段と、前記三次元画像における第一の断層面を示す第一の断層画像と、前記三次元画像を二次元平面に投影した画像である投影画像と、を取得し、前記第一の断層画像と前記投影画像とに基づいて、第二の断層画像を生成する画像処理手段と、を有することを特徴とする。
被検体にパルス光を照射する光照射手段と、前記パルス光に起因して前記被検体内で発生した音響波を取得し、光音響波信号に変換する音響波探触子と、を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、前記光音響波信号に基づいて、前記被検体内の特性を表す三次元画像を生成する画像生成ステップと、前記三次元画像における第一の断層面を示す第一の断層画像と、前記三次元画像を二次元平面に投影した画像である投影画像と、を取得し、前記第一の断層画像と前記投影画像とに基づいて、第二の断層画像を生成する画像処理ステップと、を含むことを特徴とする。
第一の実施形態に係る被検体情報取得装置は、パルス光を被検体に照射し、当該パルス光に起因して被検体内で発生した光音響波を受信および解析することで、被検体内の光学特性に関連した機能情報を可視化、すなわち画像化する装置である。光学特性に関連した情報とは、一般的には、初期音圧分布や、光吸収エネルギー密度分布、吸収係数分布、あるいは、組織を構成する物質の濃度に関連する特性分布である。濃度に関連する特性分布とは、例えば、酸素飽和度、酸素飽和度に吸収係数等の強度を重み付けした値、トータルヘモグロビン濃度、オキシヘモグロビン濃度、あるいは、デオキシヘモグロビン濃度などの分布を含む。さらに、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、脂肪や水の体積分率などの分布であってもよい。第一の実施形態に係る被検体情報取得装置を、光音響測定装置と称する。
図1を参照しながら、第一の実施形態に係る光音響測定装置の構成を説明する。本実施形態に係る光音響測定装置は、光源101、光照射部102、保持板103および104、音響波探触子105、走査機構106および107、信号処理部108、装置制御部109を有している。
なお、符号110は、被検体である生体の一部であり、保持板103および104によって保持される。本実施形態では、被検体110は人の乳房である。また、符号111は、音響波の反射を抑えるための音響マッチング剤である。
以下、第一の実施形態に係る光音響測定装置を構成する各手段を説明しながら、測定の方法について概要を説明する。
光源101は、被検体に照射するパルス光を発生させる装置である。光源は、大出力を得るためレーザ光源であることが望ましいが、レーザの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いることもできる。光源としてレーザを用いる場合、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なものが使用できる。照射のタイミング、波形、強度等は不図示の光源制御部によって制御される。この光源制御部は、光源と一体化されていても良い。
また、パルス光の波長は、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であって、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、被検体が生体である場合、700nm以上1100nm以下であることが望ましい。
また、光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間に光を照射させなければならない。被検体が生体である場合、光源から発生するパルス光のパルス幅は10ナノから50ナノ秒程度が好適である。本実施形態では、固体レーザであるチタンサファイアレーザを用い、波長を800nmとする。なお、光源101から発生するパルス光を以下、計測光と称する。
光照射部102は、光源101で発生したパルス光を被検体に照射する手段である。光照射部102は、光源と一体となっていてもよいし、レンズやミラー、拡散板、光ファイバ等の光学部材を介して光源と接続されていてもよい。ここでは、光源101と光照射部102が、光ファイバなどの光伝送路を介して互いに接続されているものとする。
光照射部102から出射した計測光は、後述する保持板を介して被検体の表面に照射される。また、光照射部102は、後述する走査機構106により、計測光の照射位置を変えることができる。
保持板103および104は、被検体110を保持する手段である。具体的には、二枚の平板状の保持部材のうち、いずれか片方、または両方が、図中のZ軸方向に移動することで被検体を圧迫保持する。
光照射部102から出射した計測光は、保持板103を介して被検体表面に照射されるため、保持板103は、計測光に対する透過率が高い素材であることが好ましい。典型的には石英ガラス、アクリル、ポリカーボネイトなどが好適である。
被検体110に入射した計測光は、1mm以上進むと、その大半が拡散しながら被検体内を伝搬する。そして、ヘモグロビンなどの光吸収体によって吸収されると音響波が発生する。
また、被検体内で発生した音響波は、保持板104を介して音響波探触子105に入射する。そのため、保持板104は、音響波を伝達しやすい素材であることが望ましい。典型的には石英ガラス、アクリル、ポリメチルペンテン、エポキシ樹脂などが好適である。
なお、保持板107と被検体110との間には、音響波の反射を抑えるための音響マッチング剤111が挿入されている。
音響波探触子105は、被検体内部で発生した音響波を検出し、電気信号(光音響波信号)に変換する手段である。音響波探触子は、単に探触子あるいは音響波検出器、トランスデューサとも呼ばれる。なお、本発明における音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、光音響波、光超音波と呼ばれる弾性波を含む。
生体から発生する光音響波は、100KHzから100MHzの超音波であるため、光音響波探触子105には、上記の周波数帯を受信できる超音波検出器を用いる。具体的には、圧電セラミックス(PZT)を利用した変換素子や、静電容量型のCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)などを用いることができる。また、音響波探触子105は、感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。
また、音響波探触子105は、複数の受信素子が一次元、或いは二次元に配置されたものであってもよい。多次元配列素子を用いると、同時に複数の場所で音響波を受信することができるため、測定時間を短縮することができ、被検体の振動などの影響を低減することができる。本実施形態では、複数の受信素子を二次元に配置したものを使用する。
本実施形態では、音響波探触子105の帯域を2−5MHzとし、サンプリング周波数を30MHzとする。このような構成によると、例えば内径1mmの血管を観察すると、その断層像は、0.3mm程度の幅の2本のラインに挟まれ、中空になっているように観察される。
走査機構106は、図中のXY平面上において、光照射部102を二次元方向に移動させる機構である。これにより、被検体表面の所望の位置に光を照射することができる。また、走査機構107は、図中のXY平面上において、音響波探触子105を二次元方向に移動させる機構である。これにより、被検体表面の所望の位置から音響波を取得することができる。なお、走査機構106および107は、XY平面上における、光照射部102と音響波探触子105の位置が互いに一致するように連動して動作する。
信号処理部108は、増幅器、A/D変換器などからなる手段であり、音響波探触子105によって変換された電気信号を増幅し、デジタル信号に変換する手段である。変換後の信号は、装置制御部109に送信される。
装置制御部109は、前述した各手段を制御することで、計測光の照射や音響波の受信を制御する手段である。具体的には、操作用のスイッチ、ボタン、キーボード等のインターフェース(不図示)を介して利用者からの指示を受け付け、当該指示を元に、測定のパラメータの変更、測定の開始、画像の処理方法の選択、情報や画像の保存、データの解析などを行う。
なお、装置制御部109は、CPUと主記憶装置、および補助記憶装置を有する、独立したコンピュータであってもよいし、専用に設計されたハードウェアであってもよい。
つまり、画像生成手段や画像処理手段等として機能する装置制御部109は、CPU、MPU、GPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサから構成される。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップ等の演算回路を用いてもよい。さらに、1つのプロセッサや演算回路から構成されるだけでなく、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。
また、装置制御部109は、メモリを備えていてもよい。メモリは、典型的にはROM、RAM、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。なお、メモリは、1つの記憶媒体から構成されるだけでなく、複数の記憶媒体から構成されていてもよい。
次に、従来の光音響測定装置において発生していた、血管の中抜けについて説明する。
本例では、装置制御部109が生成した三次元画像は、XZ平面に対応する600×600画素の画像が、Y軸方向に600枚積層されたものであるとする。また、画素ピッチを0.15mmとする。すなわち、測定対象領域は、90×90×90mmの大きさとなる。
断層画像310は、局所領域301に対応する三次元画像を、断層面302でスライスして得られた画像(本発明における第一の断層画像)である。断層画像310には、血管303に対応する血管像311と、血管304に対応する血管像312が含まれる。
局所領域301に対応する三次元画像に対して、Y軸方向、すなわち、断層面302の法線方向に投影を行うと、図3に示したような、MIP画像320(本発明における投影画像)を得ることができる。
MIP画像320は、Y軸方向の投影経路上にある画素の最大輝度値によって構成された画像である。血管壁の間隔は、Y軸方向に対してスライス毎に徐々に変わるため、投影経路上にある全ての血管に対応する血管像を、中抜けを発生させることなく得ることができる。なお、スライス毎に血管壁の重なりがあるため、ピーク値を投影することにより、多少のノイズがあっても血管などの構造の連続性が良くなる効果がある。
このようにして取得したMIP画像320には、血管303に対応する血管像321と、血管304に対応する血管像322が含まれる。また、断層面302からずれて存在している血管305に対応する血管像323が含まれる。
しかし、断層画像を用いると、血管の中抜けが発生するおそれがあり、MIP画像を用いると、任意の断層面における血管像を取得することができない。
そこで、本実施形態では、両画像を比較した結果に基づいて、新たな断層画像(中抜け
の無い断層画像、本発明における第二の断層画像)である合成画像を生成する。以下、合成画像の生成法について説明する。
本実施形態に係る光音響測定装置は、三次元画像を生成したのちに、(1)断層画像を生成するステップと、(2)MIP画像を生成するステップと、(3)断層画像およびMIP画像を比較合成することで合成画像を生成するステップを実行する。各ステップの処理内容について、処理フローチャートである図4を参照しながら説明する。
まず、生成した三次元画像から、断層画像およびMIP画像を生成する(ステップS1)。断層画像を生成する対象の断層面は、ユーザが設定してもよいし、装置が自動的に設定してもよい。ここでは、図2に示したように、XZ平面に平行な断層面302を設定し、断層画像310を生成するものとする。
また、三次元画像に基づいて、MIP画像を生成する。具体的には、図3に示したように、Y軸方向に対して、XZ座標における最大輝度値を投影した平面画像(MIP画像320)を得る。
ステップS2〜S6は、断層画像310と、MIP画像320を比較および合成することで、合成画像330を生成するステップである。各ステップについて説明する。
図5を参照して、当該処理について説明する。図5(A)は断層画像において、血管の輪郭がノイズ等によって途切れてしまった状況を表した図である。ここで、注目画素の周囲にある8画素を対象とし、拡張処理を行うと、図5(B)のようになる。また、同様に、注目画素の周囲にある8画素を対象とし、収縮処理を行うと、図5(C)のようになる。
このような処理によって、ノイズに起因して途切れてしまった血管の輪郭を埋めることができる。なお、拡張処理や収縮処理は、複数回行ってもよいし、任意の順番で行ってもよい。また、本例では注目画素の周囲にある8画素を利用したが、上下左右にある4画素を利用してもよい。
ここで説明した拡張収縮処理は、断層画像およびMIP画像の双方に対して行われる。
領域を一つずつ順番に選択する。ここで、抽出された領域を抽出領域と称する。
ステップS4では、抽出領域に対応する断層画像上の領域を参照し、当該断層画像上の領域に、輝度値がHighである画素が一つ以上存在するか否かを判定する。ここで、輝度値がHighである画素が一つ以上存在した場合、処理はステップS5へ遷移する。図6の例では、血管像321および322に対応する領域が該当する。一方、血管像323に対応する領域は、断層画像上の対応する領域の全ての画素の輝度値がLowであるため、処理の対象とならない。
まず、抽出領域について、断層画像上の対応する領域の画素の輝度値が全てHighであるかを判定する。この結果、断層画像上の対応する領域の画素の輝度値が全てHighであった場合、当該画素を強調した合成画像330を生成する。強調は、例えば、高輝度画素を配置することで行ってもよいし、より鮮やかな色を持つ画素を配置することで行ってもよい。
例えば、血管像321に対応する領域は、断層画像上の対応する領域にある画素の輝度値が全てHighである。すなわち、当該領域を強調した合成画像330を生成する。
(1)走査ラインの設定
まず、断層画像および投影画像上に、走査ラインを設定する。走査ラインは、投影画像上にある、輝度値がHighである画素列上に設定される。本例では、図6の符号401で示した位置に走査ラインを設定するものとする。図7は、走査ライン上にある画素の画素値を示した図である。なお、走査ラインの設定方向は、血管が走っている方向と垂直をなす方向であることが好ましいが、特に限定されない。
(2)走査ラインの中心を抽出
次に、抽出領域において、走査ラインの中心(すなわち、輝度値がHighである領域の中心)を抽出する。図7では、符号402が、抽出された中心である。
(3)断層画像上の画素の輝度値をチェック
次に、断層画像上の、設定した走査ラインの中心に対応する箇所を参照する。ここで、当該中心にある画素の輝度値がLowであって、当該画素を囲むように、輝度値がHighである画素が走査ライン上に存在している場合、当該Lowである輝度値を、Highであるものとして扱う。すなわち、両端に輝度のエッジが立つように中間の画素が囲まれていた場合である。図7の例では、領域403に位置する画素の輝度値が、全てHighであるものとして扱われる。
(4)合成画像の生成
次に、上記(3)で輝度値がHighとみなされた画素を強調した合成画像330を生成する。
なお、合成画像330が既に生成されている場合、強調対象の画素を追加する。この結果、図8に示したように、領域331および332の内部が強調表示された合成画像330が生成される。
ステップS5の処理が完了すると、処理はステップS6へ遷移し、ステップS4で選択されていない領域があるか否かを判定する。ここで、まだ選択されていない領域がある場合、処理をステップS4へ遷移させる。未処理の領域が無い場合、処理は終了する。
なお、上記の例では、輝度値を基に比較処理を行ったが、本実施形態は、輝度値(輝度変換後の強度値)だけでなく、輝度変換前の値を基に比較を行ってもよい。つまり、輝度値だけでなく、各画素の信号強度を示す値(画素値)であれば本実施形態の比較処理を適用することができる。
前述した例は、断層面と平行に血管が通っていた場合の例であるが、血管が断層面に対して平行以外の角度で走っている場合であっても、同様の効果を得ることができる。図9は、局所領域401と、当該局所領域をXZ平面でスライスした断層面402の関係を示した図であるが、血管403および血管404が、断層面402を貫通するように斜めに走っているという点において、図6の例とは相違する。
第一の実施形態に係る光音響測定装置では、被検体を保持板で挟み、平面に配置したセンサを用いて測定を行った。これに対し、第二の実施形態は、半球状に配置したセンサを用いて被検体を測定する実施形態である。
光源501は、光源101と同様に、被検体に照射する計測光を発生させる手段である
。光源501から出射した計測光は、空間中に設けられた伝播経路502を経由して被検体に照射される。また、被検体は、半球型の保持部材503によって保持される。
また、第二の実施形態では、被検体内から発生した音響波を、半球型の容器504上に分散して設けられた複数の音響素子505によって受信する。なお、容器504と保持部材503の間、保持部材503と被検体との間は、音響インピーダンスを整合させるための液体(音響マッチング液、典型的には水)で満たされている。
測定を行う際は、XYステージを動かしながら被検体に計測光を照射し、発生した音響波を音響素子505によって受信する。そして、当該受信信号を再構成することによって、三次元画像データを得る。
このような構成は、第一の実施形態のような平面型の装置と比べると構造が複雑になるが、信号源から発生した音響波を様々な角度で検出できるため、Limited−Viewの問題が低減され、良好な連続性を持つ血管像を得ることができる。なお、説明した手段以外の手段については、第一の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略し、処理の相違点についてのみ述べる。
ステップS4以降の処理では、前述した処理によって抽出された抽出領域に対して処理を行う。すなわち、第一の実施形態で、輝度値がHighである画素で構成された領域が、第二の実施形態では、パターンに一致する領域に置き換わる。また、合成画像に対して適宜、スムージング処理を行う。
なお、各実施形態の説明は本発明を説明する上での例示であり、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更または組み合わせて実施することができる。
例えば、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む被検体情報取得装置として実施することもできる。また、上記処理の少なくとも一部を含む被検体情報取得装置の制御方法として実施することもできる。上記処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。
Claims (11)
- 被検体にパルス光を照射する光照射手段と、
前記パルス光に起因して前記被検体内で発生した音響波を取得し、光音響波信号に変換する音響波探触子と、
前記光音響波信号に基づいて、前記被検体内の特性を表す三次元画像を生成する画像生成手段と、
前記三次元画像における第一の断層面を示す第一の断層画像と、前記三次元画像を二次元平面に投影した画像である投影画像と、を取得し、前記第一の断層画像と前記投影画像とに基づいて、第二の断層画像を生成する画像処理手段と、
を有することを特徴とする、被検体情報取得装置。 - 前記投影画像は、最大値投影画像である
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。 - 前記画像処理手段は、前記第一の断層画像および前記投影画像を、第一の画素値を有する第一の領域と、第二の画素値を有する第二の領域に分類し、当該分類の結果に基づいて前記第二の断層画像を生成する
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。 - 前記第一の画素値は、所定の強度より低い強度を持ち、
前記第二の画素値は、所定の強度より高い強度を持つ
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。 - 前記第二の領域は、画像中における配置が所定のパターンと一致する領域である
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。 - 前記画像処理手段は、
前記第一の断層画像と前記投影画像のそれぞれ対応する画素が、共に第二の画素値を有する場合に、当該画素を強調した第二の断層画像を生成し、
かつ、
前記投影画像から、第二の画素値を有する画素のみを含む第一の画素列を抽出し、前記第一の断層画像から、前記第一の画素列に対応する第二の画素列を抽出した場合において、前記第二の画素列に、第二の画素値を有する画素で囲まれた、第一の画素値を有する画素が含まれる場合に、前記第一の画素値を全て第二の画素値として扱う
ことを特徴とする、請求項3から5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記画像処理手段は、前記第二の領域を拡張または収縮させる処理を行い、当該処理を行った後で、前記第二の断層画像の生成処理を行う
ことを特徴とする、請求項3から6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記画像処理手段は、前記第一の断層画像と、前記第二の断層画像を比較可能な形式で出力する
ことを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記投影画像は、前記三次元画像を前記第一の断層面に対して法線方向に投影した画像である
ことを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 被検体にパルス光を照射する光照射手段と、前記パルス光に起因して前記被検体内で発
生した音響波を取得し、光音響波信号に変換する音響波探触子と、を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
前記光音響波信号に基づいて、前記被検体内の特性を表す三次元画像を生成する画像生成ステップと、
前記三次元画像における第一の断層面を示す第一の断層画像と、前記三次元画像を二次元平面に投影した画像である投影画像と、を取得し、前記第一の断層画像と前記投影画像とに基づいて、第二の断層画像を生成する画像処理ステップと、
を含むことを特徴とする、被検体情報取得装置の制御方法。 - 請求項10に記載の制御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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