JP2017104752A - 被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被検体内を伝搬した音響波を受信して電気信号に変換する音響検出器と、前記電気信号を用いて被検体情報分布を生成するデータ処理装置と、を有する被検体情報取得装置であって、前記データ処理装置は、実像とアーティファクトとの関係を示すテンプレートデータと、マッチング用情報分布としての前記被検体情報分布と、の類似度を計算して類似度分布を取得するマッチング処理部を具備する被検体情報取得装置。
【選択図】図2
Description
これは、還元ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンとでは光吸収スペクトルが異なるため、異なる波長で測定しスペクトルを比較することによって、それぞれの含有率が分かるという原理を用いている。
音響波検出器は、被検体内で発生又は反射し、被検体内を伝搬した音響波を受信する。本発明の被検体情報取得装置とは、被検体に超音波を送信し、被検体内部で反射した反射波(反射した超音波)を受信して、被検体情報分布を画像データとして取得する超音波エコー技術を利用した装置や、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た音響波(典型的には超音波)を受信して、被検体情報分布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を含む。前者の超音波エコー技術を利用した装置の場合、取得される被検体情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。後者の光音響効果を利用した装置の場合は、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や、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情報分布を示す。物質の濃度情報分布とは、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である。
本発明は、実像とアーティファクト(虚像)に一定の関係があることを利用して、像とバックグラウンドを区別するものである。これを実施する基本的な実施形態について説明する。図1に示すように、本実施形態は、光源1、光照射装置2、被検体3、音響検出器4、電気信号処理装置5、データ処理装置6、表示装置7から構成される。
光源1はパルス光を発生させる装置である。光源としては、大出力を得るためにはレーザーが望ましいが、発光ダイオードなどでもよい。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だけ光を照射させなければならない。本実施形態において、被検体としては生体を想定しているため、光源1から発生するパルス光のパルス幅は数十ナノ秒以下にすることが望ましい。また、パルス光の波長は、生体の窓と呼ばれる500nm〜1200nm程度の近赤外領域であることが望ましい。この領域の光は比較的生体深部まで到達することができるため、深部の情報を得ることができる。さらに、パルス光の波長は観測対象に対して吸収係数が高いものであることが望ましい。
光照射装置2は、光源1で発生させたパルス光を被検体3へ導く装置である。具体的には光ファイバーやレンズ、ミラー、拡散板などの光学機器が挙げられる。また、パルス光を導く際に、これらの光学機器を用いて、形状や光密度を変更することもできる。光学機器はここにあげたものには限定されず、このような機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
被検体3は測定の対象となるものである。被検体として、生体又は、生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムを用いることができる。音響特性とは具体的には音響波の伝搬速度及び減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数及び散乱係数である。
被検体の内部には、光吸収係数の大きい光吸収体が存在する必要がある。光吸収体としては、具体的には生体の場合はヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが挙げられる。ファントムの場合は以上のものの光学特性を模擬した物質を光吸収体として内部に封入する。
音響検出器4は、被検体に音響的に結合されており、光吸収体が照射されたパルス光のエネルギーの一部を吸収して励起する音響波を受信して電気信号(受信信号)に変換するものである。光音響トモグラフィーでは、複数の場所で音響波を捉えなければならないので、複数の音響検出素子を平面上に並べた2D型のものを用いることが望ましいが、音響検出素子を一列に並べた1D型のものや単一の音響検出素子を用いて、走査装置によって複数の場所に移動させて音響波を捉えてもよい。音響検出器としては感度が高くて周波数帯域が広いものが望ましく、具体的にはPZT、PVDF、cMUT、ファブリペロー干渉計を用いた音響検出器などが挙げられる。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、音響波を捉える機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
電気信号処理装置5は音響検出器4で得られたアナログの電気信号を増幅し、デジタル信号へと変換するものである。効率的にデータを取得するため、音響検出器の数と同じだけAnalog−digital Converter(ADC)があることが望ましいが、一つのADCを順々につなぎ換えて使用してもよい。
データ処理装置6は電気信号処理装置5によって得られたデジタル信号(デジタルの受信信号)を加工することによって、被検体情報分布を画像データとして取得するものである。本発明の特徴は、このデータ処理装置において行われる処理である。データ処理装置としては、具体的にはコンピュータ、電気回路などが挙げられる。
表示装置7はデータ処理装置6で生成された画像データを画像として表示するものである。具体的にはコンピュータやテレビなどのディスプレイが挙げられる。
次にデータ処理装置6の内部構成について述べる。図2に示すように、データ処理装置6は画像再構成処理部8、テンプレートデータ9を保持するテンプレートデータ保持部、マッチング処理部10で構成される。画像再構成処理部8は各位置で得られたデジタル信号にフィルターを掛けて各位置から逆投影する処理を行うものであり、これによって音源の位置を示す初期音圧分布等の被検体情報分布をピクセルまたはボクセルデータとして取得する。テンプレートデータ9はあとで述べるように、実像とその実像の前後または背後のアーティファクトとの関係を示すテンプレートとなる初期音圧分布等の被検体情報分布である。マッチング処理部10はあとで述べるように、テンプレートデータと、初期音圧分布等の被検体情報分布と、の類似度を計算し、類似度分布を取得するものである。
ここで、L、M、NはそれぞれXYZ座標系におけるX方向、Y方向、Z方向のボクセル数、I(i,j,k)は画像再構成処理部8によって得られた初期音圧分布から抜き出した分布、
ここでは[基本的な実施形態]で得られる類似度分布を活用して実像の抽出処理を行う実施形態を述べる。全体の装置構成は[基本的な実施形態]と同じであり、実施方法も類似度分布を作成するS4までは同じであるので、差異部分について述べる。
[基本的な実施形態]及び[実施形態2]では初期音圧分布による類似度分布の算出及び初期音圧分布の抽出を行ったが、ここでは吸収係数分布を類似度分布の算出や抽出に用いる実施形態について述べる。
ここでΓは光吸収体のグリューナイゼン定数、μaは光吸収体の吸収係数、φは光吸収体に届いた光量である。グリューナイゼン定数は一定と見なすことができるので、発生音圧は吸収係数と光量の積に比例する。光量は入射した光分布から生体内部の光伝搬を計算することによって得られるので、発生音圧を光量で割ることによって吸収係数を算出できる。
本発明を全ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビンの濃度、つまり酸素飽和度の抽出に用いる実施形態を述べる。装置構成は図10に示すように、[基本的な実施形態]の光源1の代わりに光源A14、光源B15を配置したものとなっている。光源Aと光源Bは波長が異なり、それぞれ異なるタイミングで光を照射する。さらに、波長とタイミングの異なる光源C、光源D・・・を追加してもよい。それぞれの光源によって作成された吸収係数分布を比較処理することによって、酸素飽和度分布を算出することができる。
ここで、CoxとCdeはそれぞれ酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンの量(mol)であり、εox(λ)とεde(λ)はそれぞれ波長λにおける酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンのモル吸収係数[mm−1mol−1]である。εox(λ)とεde(λ)はあらかじめ測定や文献値によって得られており、測定値μa(λ1)、μa(λ2)を用いて式3、4の連立方程式を解き、CoxとCdeを得る。光源が多い場合は、式が光源の数だけ増えるので、最小二乗法によってCoxとCdeを得る。酸素飽和度は全ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビンの割合で定義され、式5のように計算でき、これによって酸素飽和度を得ることができる。
[基本的な実施形態]で述べたように像と背後のアーティファクトの強度比は、光吸収体の大きさに依存する。よって、テンプレートデータの作成時に用いた光吸収体の大きさによって、類似度分布の結果は異なり、テンプレートデータの作成時に用いた光吸収体の大きさと近いものの類似度が高く評価される。よって、本実施形態では複数の光吸収体の大きさに対応するテンプレートデータを用意し、それぞれで類似度分布を作成し、最後に重ね合わせを行って様々な光吸収体の大きさに対応した類似度分布を作成する。
閾値手法では閾値以上の値を持つボクセルのみを表示させるが、破線円24で示したノイズが破線円25の中に存在する光吸収体よりも強い強度であるために、本来見るべき光吸収体が除去され、ノイズが残ってしまっている。正面図をみると、光を左側から照射しているのでノイズは左側に集中しており、X軸に添わせる方向に設置してある柱状光吸収体は、ノイズが原因となってほとんど見えていない。上面図をみると、Z=2.5cmに柱状光吸収体が見えるが、右側は光が弱くなっているために、強度が弱くなり閾値以下となることによって除去されてしまっている。
正面図、側面図、上面図において、光吸収体部分のみが酸素飽和度80%で表示されていることが分かる。以上のように、酸素飽和度を計算するときに、本発明が有効であることが示された。
2 光照射装置
3 被検体
4 音響検出器
5 電気信号処理装置
6 データ処理装置
7 表示装置
8 画像再構成処理部
9 テンプレートデータ
10 マッチング処理部
11 抽出処理部
12 光量分布
13 吸収係数算出部
14 光源A
15 光源B
16 メモリA
17 メモリB
18 比較処理部
19 テンプレートデータa
20 テンプレートデータb
21 メモリa
22 メモリb
23 重畳処理部
24 ノイズ部分を示す破線円
25 10dBの光吸収体の位置を示す破線円
26 10dBの光吸収体の位置を示す破線円
Claims (13)
- 被検体内を伝搬した音響波を受信して電気信号に変換する音響検出器と、前記電気信号を用いて被検体情報分布を生成するデータ処理装置と、を有する被検体情報取得装置であって、
前記データ処理装置は、
実像とアーティファクトとの関係を示すテンプレートデータと、マッチング用情報分布としての前記被検体情報分布と、の類似度を計算して類似度分布を取得するマッチング処理部を具備することを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記データ処理装置は、
前記類似度分布に対して任意の閾値を設け、抽出用情報分布としての前記被検体情報分布のうち、類似度分布において閾値より類似度が高い値の部位に対応する部位を抽出する抽出処理部をさらに具備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。 - 前記マッチング用情報分布は初期音圧分布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。
- 前記マッチング用情報分布及び抽出用情報分布はいずれも初期音圧分布であ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。
- 前記データ処理装置は、被検体中の光量分布と初期音圧分布とを用いて吸収係数分布を算出する吸収係数算出部を具備し、
前記マッチング処理部は、前記マッチング用情報分布としての前記吸収係数分布と、前記テンプレートデータと、の類似度を計算して類似度分布を得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。 - 前記データ処理装置は、
前記類似度分布に対して任意の閾値を設け、抽出用情報分布としての前記初期音圧分布又は前記吸収係数分布のうち、類似度分布において閾値より類似度が高い値の部位に対応する部位を抽出する抽出処理部を具備することを特徴とする請求項5に記載の被検体情報取得装置。 - 前記データ処理装置は、被検体中の光量分布と初期音圧分布とを用いて吸収係数分布を算出する吸収係数算出部を具備し、
前記マッチング処理部は前記マッチング用情報分布としての前記初期音圧分布と、前記テンプレートデータと、の類似度を計算して類似度分布を得、
前記抽出処理部は前記類似度分布に対して任意の閾値を設け、マッチング用情報分布としての前記吸収係数分布のうち、類似度分布において閾値より類似度が高い値の部位に対応する部位を抽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。 - 前記音響波は互いに異なる波長をもつ複数のパルス光を前記被検体に照射することにより発生する複数の音響波であり、
前記データ処理装置は、
前記被検体中の光量分布と、前記複数のパルス光のそれぞれについて算出された複数の初期音圧分布と、を用いて複数の吸収係数分布を算出する吸収係数算出部と、
前記複数の吸収係数分布を用いて濃度情報分布を算出する濃度情報算出部と、を具備し、
前記マッチング処理部は、前記マッチング用情報分布としての、前記複数の初期音圧分布又は前記複数の吸収係数分布から選択された一又は複数の初期音圧分布又は吸収係数分布と、前記テンプレートデータと、の類似度を計算して類似度分布を得、
前記抽出処理部は、前記類似度分布に対して任意の閾値を設け、前記抽出用情報分布としての前記濃度情報分布のうち、類似度分布において閾値より類似度が高い値の部位に対応する部位を抽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。 - 前記データ処理装置は、複数の前記テンプレートデータを保持しており、
前記マッチング処理部は、マッチング用情報分布としての前記被検体情報分布と前記複数のテンプレートデータと、の類似度をそれぞれ計算して複数の類似度分布を得、
前記データ処理装置は、前記複数の類似度分布の重ね合わせ処理を行う重畳処理部を具備することを
特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記アーティファクトは、発生した音響波のうち一部の角度に伝搬する音響波のみを用いることに起因するアーティファクトであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記アーティファクトは、前記音響検出器の応答特性に起因するアーティファクトであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 被検体内を伝搬した音響波を音響検出器で受信して電気信号に変換し、前記電気信号を用いて被検体情報分布を生成する方法であって、
実像とアーティファクトとの関係を示すテンプレートデータと、マッチング用情報分布としての前記被検体情報分布と、の類似度を計算して類似度分布を取得するステップ
を含むことを特徴とする方法。 - コンピュータに
音響検出器で被検体内を伝搬した音響波を受信して変換された電気信号を用いて被検体情報分布を生成するステップと、
実像とアーティファクトとの関係を示すテンプレートデータと、マッチング用情報分布としての前記被検体情報分布と、の類似度を計算して類似度分布を得るステップと
を実行させることを特徴とするプログラム。
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