JP2018011772A - ファントムおよび評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光音響装置の性能評価を良好に行うためのファントムを提供する。【解決手段】被検体の特性情報を取得する光音響装置の性能を評価するためのファントムであって、背景光学係数および音響特性を被検体に近似させた母材と、母材の内部に配置された、所定の光学特性を持つターゲットを備え、母材には、背景光学係数を測定するための領域が設けられているファントムを用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、ファントムと、ファントムを用いた光音響装置の評価方法に関する。

近年、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。光音響トモグラフィーを用いる光音響装置は、パルス光を被検体に照射して、被検体を伝搬・拡散させ、パルス光のエネルギーを吸収した被検体組織から発生する光音響波を検出する。そして、検出信号を処理し、被検体内部や表面の光学特性値に関連した特性情報（被検体情報）を取得し、画像データを生成する。

一般的に、光音響装置の性能評価にはファントムを用いる。ファントムに配置されている被評価物（ターゲット）の形状や配置状況は既知である。したがって、性能評価の際には、ファントムを光音響測定して得られた画像データ中のターゲットと、実際のファントムでのターゲット配置を比較することにより、光音響装置が所定の性能を発揮しているかどうかを判定できる。性能評価の対象は例えば、解像度、コントラスト、ターゲットの検出性能、酸素飽和度などの光学特性値の算出精度である。また評価結果に基づいて、測定結果（検出信号、被検体情報、画像データなど）の補正や、装置の校正（部品の位置ずれや歪みの補正、探触子劣化の検出）が可能になる。

特許文献１には、光音響装置を評価するための、人体組織に近い光学特性と音響特性を有する材料を使用したファントムが開示されている。特許文献１に記載の人体組織を測定するＰＡＴ装置では、このファントムを使用して界面での反射を抑制している。

特開２０１１−２０９６９１号公報

正確性の高い光音響測定を行うためには、酸素飽和度などの光学特性値が正しく測定できるかどうかの性能評価を行い、装置を校正することが重要である。そのためには、性能評価の時点でのファントムの構造情報（外形形状やターゲットの配置状況など）や物性情報（光学特性・音響特性など）を正確に知る必要がある。ここで、樹脂製のファントムにおいては、光学特性などが経時変化する場合がある。光学特性が変化すると光吸収体（ターゲット）へ到達する光量が変化し、それに伴って発生する音圧分布も変化する。その結果、性能評価が正確に行われないおそれがある。このようなファントムの経時変化に伴う光学特性の変化を踏まえた性能評価の技術が求められている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。本発明は、光音響装置の性能評価を良好に行うためのファントムを提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
被検体の特性情報を取得する光音響装置の性能を評価するためのファントムであって、
背景光学係数および音響特性を前記被検体に近似させた母材と、
前記母材の内部に配置された、所定の光学特性を持つターゲットと、
を備え、
前記母材には、前記背景光学係数を測定するための領域が設けられている
ことを特徴とするファントムである。

本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
ファントムを用いて被検体の特性情報を取得する光音響装置の性能の評価方法であって、
前記ファントムは、背景光学係数および音響特性を前記被検体に近似させた母材と、前記母材の内部に配置された所定の光学特性を持つターゲットを備え、前記母材には前記背景光学係数を測定するための領域が設けられており、
前記領域を用いて前記背景光学係数を測定するステップと、
前記ファントムの形状に関する情報を含むファントム情報を取得するステップと、
前記背景光学係数および前記ファントム情報を用いて前記被検体内の光分布を取得するステップと、
前記被検体に光が照射されて発生する光音響波を電気信号に変換するステップと、
前記光分布と前記電気信号を用いて前記被検体内の光学特性値を示す画像データを取得するステップと、
前記画像データに含まれる前記ターゲットの画像を用いて前記性能を評価するステップと、
を有することを特徴とする評価方法である。

本発明によれば、光音響装置の性能評価を良好に行うためのファントムを提供することができる。

実施例１におけるファントムの構成を示す図 実施例１における金型の構成を示す図 実施例１おけるファントムの母材の光学係数の測定を示す図 実施例２における光音響装置を示す図 実施例２における光音響装置の評価のフローチャートを示す図 実施例３におけるファントムの構成を示す図

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る。よって、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。

本発明は、光音響トモグラフィー技術を用いた被検体情報取得装置の性能評価や校正に用いるファントムに関する。本発明はまた、ファントムを用いた評価方法または校正方法、あるいはファントムの製造方法に関する。被検体情報取得装置は、光音響装置または画像処理装置とも呼べる。本発明はまた、上記の評価方法や校正方法を、ＣＰＵやメモリ等のハードウェア資源を備える情報処理装置に実行させるプログラムや、そのプログラムを格納したコンピュータにより読み取り可能な非一時的な記憶媒体としても捉えられる。

ファントムが模擬する被検体の例としては、乳房などの生体の一部がある。他にも、手、足、胴体など生体の他の部位や、マウスのようなヒト以外の動物、変形しやすい非生物なども模擬の対象となり得る。

＜実施例１＞
（ファントムの構成）
図１に、本実施例のファントム１００の構成を示す。このファントムは乳房用の光音響装置の性能評価のために用いられる。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）は下面図、図１（ｄ）はファントム中央における断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ’線での断面図）である。

ファントムは、樹脂である母材と一体化した、装置に取り付けるためのフランジ１０１、光音響装置とファントムの位置を規定するための位置決め部となるガイド１０３、ファントムの樹脂部１０５の光学測定のための開口１０２、ファントムを把持するための把持部１０４、生体相当の光学係数を有する樹脂部１０５、複数のターゲット１０６を含んでいる。フランジ１０１の外径はφ３００ｍｍ、開口１０２の内径はφ９０ｍｍである。また、ファントムの底面は曲面で、側面は一部が平坦になっている外径φ２００ｍｍの円柱である。複数のターゲット１０６により光音響装置の画像コントラスト、酸素飽和度などの光学特性の測定精度、解像度、ターゲットの検出性能などが評価できる。

（ファントムの材料）
本発明におけるファントムの樹脂部１０５の母材は、いわゆるウレタン樹脂で、ポリオールと、ポリオールに分散可能なフィラーから成る。ポリオールとしては、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール等を利用できる。ここでは、人体組織の音響伝搬特性に近いポリエーテルポリオールを用いる。なお、ポリオールは通常液体状態であり、硬化剤を含ませることにより硬化する。本発明では、樹脂部１０５の音響伝搬特性を人体組織に近似させるため、硬化剤としてイソシアネート化合物を用いる。

フィラーは、樹脂部１０５の光の散乱係数と吸収係数を人体組織に近似させるために用いられる。光散乱性を有するフィラーとしては酸化チタン等の無機酸化物が挙げられる。また、光吸収性を有するフィラーとしては顔料を用いることが望ましい。顔料としてはカーボンブラックのような黒色顔料が好適である。本発明では、ファントムの樹脂部１０５の光学係数が、生体の値の範囲内である吸収係数０．００５ｍｍ^−１、等価散乱係数１ｍｍ^−１程度になるよう調整する。また、音響特性は、音速１４５０ｍ／ｓ、減衰率：０．５ｄＢ／ｃｍＭＨｚ程度に調整する。

（ターゲット）
ファントムには、装置の分解能、酸素飽和度、コントラストを評価するための指標となる、ターゲットが配置されている。ターゲットとは光音響装置の性能を評価するための被評価物である。ターゲットや樹脂部の光学特性や音響特性は既知であるため、実測値と理論値との比較に基づく校正や性能評価が可能となる。

ここではターゲット１０６として、色材を添加したナイロンワイヤを用いる。ナイロンワイヤは、金型への装着が容易だという利点がある。ただし、ターゲットはこれに限定されない。ターゲット形状は、リングや球体でもよい。これらの場合は、ナイロンワイヤでターゲットを両端から引っ張ることによって金型に配置できる。また、ターゲットの材料は、ウレタン樹脂、ゴムなどであっても良い。

ナイロンワイヤはウレタン系の樹脂と比べて硬く、細くできるので、解像度を評価するのに好適である。ここでは、解像度評価のために、光音響装置の解像度より細い、φ０．１ｍｍのナイロンワイヤを用いる。また酸素飽和度を評価するターゲットとしては、酸素飽和度７５％および９５％相当となるように色材の波長ごとの吸収係数を調整したナイロンワイヤを用いる。色材の候補としては、銅フタロシアニン等のシアン顔料、モノアゾレ
ーキ系顔料、モノアゾ系顔料等のマゼンダ顔料、ジアリライドイエロー等のイエロー顔料などが挙げられる。なお、光音響装置と超音波装置を兼用する場合、ナイロンワイヤは超音波画像の解像度評価にも使用できる。

画像コントラストや酸素飽和度の評価は、広い面積のターゲットを用いる方が精度よく実行できる。そこで本実施例では、解像度評価用のターゲットとは別に、コントラストおよび酸素飽和度を評価するための広いターゲットを配置する。しかし、面積が広くなるほど中抜けが発生しやすくなるため、φ１−２ｍｍ程度が好適である。ここではシアン顔料を添加した、解像度より太いφ１．０ｍｍのナイロンワイヤを用いる。

（金型）
金型２００を用いたファントムの成型について述べる。図２（ａ）は金型の上面図、図２（ｂ）はフランジをつけた状態での中央の断面図（図２（ｃ）のＢ−Ｂ’線での断面図）、図２（ｃ）はフランジをつけた状態での上面図、図２（ｄ）はフランジをつけた状態での側面図である。

金型は、曲面構造を成型する底部２０７、ターゲットを通す穴を有する側面部２０２、円柱を成型する円弧部２０１といった、複数の部品で構成されている。このように複数の部品に分割することによって、ファントムの母材であるウレタン樹脂から金型を離型しやすくなる。それぞれの金型同士を組み合わせるときは、位置決めピンによって位置を規定し、ボルトによって固定することが好ましい。

なお、ファントムの成型の際、フランジ１０１を金型の蓋としても使用される。フランジ１０１の開口１０２の内径はφ９０ｍｍであるが、図２（ｂ）に示すように、開口表面からファントムの深部に進むに連れて、内径が狭くなっている構造である。このように、表面に対して深部が狭い部分を有することで、樹脂が硬化した後は、ウレタン樹脂が抜けにくくなる。フランジの位置決めは、フランジのガイド１０３と、金型の位置決め部２０３を用いて行う。フランジの固定は、フランジの裏面にあるネジ穴１０７と金型にあるガイド２０４を貫通させたボルトを用いて行う。位置決め部およびガイド部としては、ピンと穴の組み合わせが好適に用いられる。フランジと金型のいずれに穴を設けても良い。また、溝や段差などの噛み合わせにより位置決めを行っても良い。なお、必ずしも、開口の深部の内径の全体が、開口の表面の内径よりも狭くなっている必要はない。例えば深部において複数の突出した部分を設けることにより、樹脂の開口からの脱落を防ぐ構造でもよい。

（ファントムの成型）
ファントムの成型工程は次のとおりである。まず、フランジの傾斜部１０８、１０９に樹脂が密着しやすくする処理を施す。また、金型に離型材を塗布する処理を施す。そして、ナイロンワイヤを側面部２０２の穴に通すことで、ターゲットを配置する。そして、フランジ１０１と金型を固定する。

次に、フィラーを真空脱泡・攪拌装置によって空気が入らないようにポリオールに分散させる。さらに、ポリオールに硬化剤を分散させた後、ポリオールを開口１０２から注型する。注型後、９０度で１時間加熱することによってポリオールを硬化させる。最後に金型を外すことによって、フランジ１０１とウレタン樹脂が一体となった光音響用のファントムができる。なお、開口１０２を覆う蓋や扉を設けておき、光学特性評価のとき以外は樹脂部を保護することが好ましい。

(光学特性の評価)
続いて、性能評価の前または後にファントムの樹脂部１０５の光学特性を測定し、経時
変化による変化を検出する方法を説明する。ここでは、光学特性測定装置として近赤外分光装置を用いる。近赤外分光装置には、パルス光を照射して時間波形を解析する方法や、光を変調して周波数領域で解析する方法がある。なお、必ずしも光音響装置にファントムを設置した状態でなくとも、光学特性評価は実行できる。

図３に、近赤外分光装置の光ファイバからなるプローブが接触しているときのファントム１００の断面を示す。ファントムの開口１０２から露出している樹脂部１０５には、光ファイバの近赤外照射部３０１と受光部３０２を接触させる。光ファイバは、固定部品３０４によって、樹脂部１０５の表面に対して垂直に光（近赤外光）が照射されるように固定される。光ファイバの近赤外照射部３０１と受光部３０２の距離は３０ｍｍである。ファントムの光学係数が生体相当の値の場合、近赤外照射部３０１から受光部３０２の光の経路はいわゆるバナナシェイプ３０３で示されるような範囲である。このとき、受光部３０２に戻る光の最大深度は開口から３０ｍｍ程度である。受光した信号を既知の手法で解析することにより、吸収係数や散乱係数などの光学特性情報を取得できる。

なお、静脈相当のターゲット３０５、解像度ターゲット３０６、動脈相当のターゲット３０７は、曲面部から深さ１０ｍｍごとに配置され最大３０ｍｍ深さにある。そのため、樹脂部１０５の光学特性測定は、ターゲットから影響をほぼ受けない。すなわち、照射された近赤外光は、ターゲットの影響をほぼ受けずに受光部に到達する。ここで「影響をほぼ受けない」とは、例えばターゲット領域まで達する近赤外光が照射光量の０．５％以下であれば良い。ただしこの範囲は診断の目的や装置の性能に応じて適宜決定すればよい。

このように、開口１０２を設けることにより、ファントムの樹脂部１０５の光学特性を直接評価することができる。その結果、ファントムに温度や湿度などの環境による劣化が起こったり、経時変化が起こったりしても、現時点での光学係数を取得できる。なお、光学特性の計測には、樹脂部１０５の側面や底面を用いることも可能である。ただし、側面や底面は曲率を有していることが多く、近赤外分光測定結果の解析時の計算量増大や、近赤外光照射部３０１や受光部３０２を押し付けることによる歪みの発生が起こる可能性がある。また、側面や底面は、ファントムの性能評価時に露出したり他の部材に押し当てられたりするため、部位による劣化状況の差が大きい。一方、開口１０２に露出した樹脂部１０５は、光学特性の性能評価のみに用いられるため、標準的な変化状況を測定できる。

(音響特性の評価)
樹脂部１０５の音響伝播特性の測定は、送信用のトランスデューサーと受信用のニードル型ハイドロフォンの間に、ファントム作製時に作った音響試験片を配置して行う。試験片の厚みを変えた場合の、超音波の到達時間の差から音速を、超音波の振幅の差から減衰特性を、それぞれ測定できる。なお、音の伝播は数センチ単位での変化であるため、評価用サンプルを分けても大きく影響しない。一方、光の伝播は数ミリ単位で大きく変化するため、上述したようにファントム本体を用いることが好ましい。

以上のようなファントムの構成にすることで、光音響装置の性能の評価を行うのに好適なファントムを提供できる。ファントムに開口１０２を設けることにより、ファントムの光学特性を容易に測定できるため、経時変化が起こった場合でも正確な被検体情報や画像データを取得できる。特に、ターゲットの埋め込み位置と開口１０２の位置を離すことにより、近赤外照射部から射出された光がターゲットの影響を受けずに受光部まで到達するため、背景光学係数の測定結果に対してターゲットが与える影響を無くすことができる。

＜実施例２＞
以下に、図面等を用いて本発明の光音響装置の画像評価について説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。

（光音響装置）
本実施例における乳房測定用の光音響装置４００を図４に示す。図４（ａ）は、光音響装置にファントム４１０を配置した状態の、センサ部分およびファントム４１０の断面図を示す。図４（ａ）にはさらに、光音響装置の模式的ブロック図を示す。図４（ａ）の光音響装置は、典型的には寝台式の乳房検査装置である。被検者は寝台に伏臥位で横たわり、寝台の穴から乳房を挿入する。そして、穴の下方の探触子により測定が行われる。光音響装置の性能評価時には、本実施例のファントムは、その寝台の穴から挿入される。

図４（ｂ）は、センサ部分の上面図である。半球容器４０１には、センサである探触子４０２が半球面に沿う位置でスパイラル状に５１２個配置されている。そして、被検体は、ポリエチレンテレフタラートからなる保持部材４０６に配置される。ここでは、乳房の代わりにファントム４１０が位置決め機構４１１によって光音響装置に配置されている。なお位置決めには、フランジのガイド１０３を用いても構わない。

半球容器４０１は音響の整合層となる溶液（例えば、水、ジェル、油）で満たされる。さらに、半球容器４０１には、光照射部４０３からの計測光が通過する空間が設けられている。そして、被検体にｚ方向の負の向きから計測光が照射される。光を照射された被検体（またはファントム）から発生する光音響波を各探触子が受信し、その検出信号を再構成することによって３次元の光音響画像を得ることができる。

また、光音響装置に、半球容器４０１と保持部材４０６の相対位置を変えるＸＹステージなどの走査機構を設けることも好ましい。ＸＹステージを走査しながら光照射と光音響波検出を行うことにより、広範囲を光音響測定することが可能になる。

なお、光音響装置が超音波装置を兼ねるようにすれば、複数のモダリティによる多面的な診断が可能になる。図４の装置の場合は、リニア型の超音波プローブ４０４を備えている。超音波プローブは被検体（またはファントム）に超音波を送信し、音響インピーダンスの界面で反射したエコー波を受信する。その受信信号を解析することにより、被検体の構造情報を取得できる。リニア型の超音波プローブ４０４を半球状容器４０１とともに走査することで、広範囲の超音波画像を取得できる。

（光照射部）
光照射部４０３は、被検体やファントムに、照射端４０５を経由して、光源からのパルス光を照射する装置である。光源としては、大出力を得るためにレーザー光源であることが望ましい。ただしこれに限るものではなく、レーザー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。なお、レーザーを用いる場合、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なものが使用できる。その照射のタイミング、波形、強度等は光制御部によって制御される。

なお、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１０〜５０ナノ秒程度が好適である。また、パルス光の波長は、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、生体の場合、７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。ここでは、固体レーザーであるチタンサファイアレーザーを用いる。酸素飽和度を測定するためには複数の波長の光を照射する。本実施例では、波長は７６０ｎｍと８００ｎｍとする。

（光音響測定用の探触子）
探触子４０２は、光音響波を受信して、アナログ電気信号に変換する。ここでは、ＣＭ
ＵＴ（容量性マイクロマシン超音波探触子）を用いる。ＰＺＴ（圧電セラミックス）やファブリペロー干渉計を用いてもよい。探触子４０２は単素子で、φ３ｍｍの開口を持ち、帯域は０．５−５ＭＨｚの帯域である。低周波数の音響波を受信可能とすることによって、３ｍｍ程度の太い血管であっても、中が抜けてリング状に見えるような状況が発生し難くなる。なお、装置の解像度は０．４ｍｍである。

探触子４０２で受信した信号はデータ取得部４０７に伝送される。データ取得部４０７は、増幅処理を行うアンプや、デジタル変換処理を行うＡ／Ｄ変換器などを備える。アナログ電気信号は、データ取得部４０７の処理を経てデジタル電気信号として装置制御部４０８に送られる。サンプリング周波数は５０ＭＨｚで２０４８サンプリングを行う。また、データは符号付きの１２ビットである。装置制御部４０８では後述する再構成処理を行って被検体情報を示す画像データを生成し、表示部４０９に送信する。

（装置制御部）
装置制御部としては、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭやＨＤＤなどの記憶部、通信装置、入力部を備え、記憶部に格納されているプログラムを実行することにより制御を実施する、ＰＣやワークステーションを利用できる。複数のＰＣが協働して装置制御部として機能してもよい。ユーザが情報を入力するための入力部としては、マウス、キーボード、タッチパネルなどを利用できる。

（超音波プローブ）
リニア型の超音波プローブ４０４は、被検体またはファントムに超音波を送信し、エコー波を受信してアナログ電気信号に変換する超音波素子を含む。超音波素子としても、ＰＺＴ、ＣＭＵＴなどが挙げられる。図４の超音波プローブ４０４は、一列に１９２個の素子が配置されたリニアアレイである。エコー波に由来する信号は、光音響波と同様に処理されて装置制御部４０８で画像データ化される。

（画像再構成）
画像再構成は装置制御部４０８にて行われる。これには、ユニバーサルバックプロジェクション法や整相加算法など既知の再構成手法を利用できる。ここでは、ユニバーサルバックプロジェクション法を用いる方法について説明をする。まず、光音響測定で発生する初期音圧分布Ｐ（ｒ）は数式（１）で表わされる。

このとき投影データに相当する項ｂ（ｒ_０，ｔ）を、数式（２）に示す。ここで、ｐ_ｄ（ｒ_０）は探触子４０２で検出される光音響信号、ｒ_０は各検出素子の位置、ｔは時間、Ω_０は探触子４０２の立体角である。不図示の記憶部に格納されている光音響信号を数式（１）に基づいて処理をすることにより、初期音圧分布Ｐ（ｒ）を得ることができる。

次に、吸収係数分布は、初期音圧分布Ｐ（ｒ）から算出できる。吸収体に光が照射され
た時に発生する音圧Ｐ（ｒ）は、数式（３）で表される。

Γは弾性特性値であるグリューナイセン（Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ）係数であり、体積膨張係数（β）と音速（ｃ）の二乗の積を比熱（Ｃｐ）で割ったものである。μ_ａはターゲットの吸収体での吸収係数である。また、Φ（ｒ）は局所的な領域で吸収体に照射された光量である。数式３を吸収係数について解くことによって、吸収係数分布μ_ａ（ｒ）を得ることができる。なお、樹脂部１０５の背景光学係数は、吸収体（ターゲット）の吸収係数より十分小さいため、吸収係数分布には表れない。典型的には、背景光学係数はターゲットの１／１００〜１／１０００である。

光量Φ（ｒ）は、深さ方向に一様に減衰するような場合、例えば数式（４）のように変数ｚを用いて表すことができる。

Φ_０は、表面での入射光の光量である。μ_ｅｆｆは、被検体内またはファントムでの平均的な等価減衰係数で、散乱係数μ_ｂｓや吸収係数μ_ｂａを反映したものであり、例えば数式（５）のように表わされる。

このように指数関数で減衰していくため、背景光学係数が少しずれると吸収係数分布や酸素飽和度分布に大きな影響を与えることとなる。

次に、吸収係数分布からヘモグロビン分布を求める方法を示す。吸収体の吸収係数μａ（λ）は、単位体積当たりの酸化ヘモグロビンＣＨｂＯと還元ヘモグロビンＣＨｂＲの吸収によって決まる。酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収係数をそれぞれの波長でＥＨｂＯ（λ_１），ＥＨｂＲ（λ_１），ＥＨｂＯ（λ_２），ＥＨｂＲ（λ_２）とすると、数式（６）のように表わされる。なお、左辺は数式（３）によって得た吸収係数分布である。

数式（６）から酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンについて変形するとそれぞれ数式（７）のようになる。

酸素飽和度ＳｔＯは、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンを合わせた総ヘモグロビン量に対する酸化ヘモグロビンの割合であるため数式（８）のように表わされる。

各座標ｒで計算をすれば、酸素飽和度の画像を得ることができる。

（光学特性の取得と光音響装置の評価の処理フロー）
次に、ファントムの光学特性の取得と、ファントムを用いた光音響装置の性能評価について、図５のフローチャートを参照して説明する。なお、以下の例では酸素飽和度を示す画像データを用いたが、初期音圧分布、吸収係数分布、光エネルギー吸収密度分布など、他の被検体情報に由来する画像データを用いてもよい。

Ｓ１工程ではまず、ファントムの光学特性値を取得する。技師などのユーザは、開口１０２の蓋を開けて樹脂部１０５を露出させた状態にして、近赤外分光装置の近赤外照射部と受光部を樹脂部１０５に押し当てて、照射と受光を行う。得られた信号を解析することで、樹脂部１０５の光学係数（吸収係数および散乱係数）を取得できる。なお、この測定は毎回必須のものでなく、例えば２週間に1回程度でもよい。

Ｓ２工程で、ファントムの光音響測定を行う。まず、ファントム４１０を位置決め機構４１１によって光音響装置に設置する。位置決め機構４１１を用いることによってファントムを正確な位置に配置できる。ファントムには、解像度および酸素飽和度を評価するためのターゲットが異なる深さに配置されている。光音響測定においては、光照射部４０３が７６０ｎｍと８００ｎｍの光を交互に照射する。このとき、走査機構であるＸＹステージによる相対移動も行われる。発生した光音響波は各探触子より検出され、データ取得部によりデジタル電気信号に変換され、記憶部に保存される。

Ｓ３工程で、装置制御部４０８がファントム情報を取得する。ファントム情報とは、ファントムの形状、構造情報、ターゲットの吸収係数、ターゲット位置情報、樹脂部１０５の吸収係数および散乱係数である。その他、画像再構成に利用可能な種々の情報をファントム情報に含み得る。ファントム情報の取得の際には、ＰＣやワークステーションの入力部を用いたユーザからの入力を受け付ける。あるいは、ファントムにＩＣタグやバーコートを取り付けておき、ＩＣタグリーダーやバーコードリーダーを用いて予め格納されたファントム情報を読みだしてもよい。また、ユーザが入力する情報や、ＩＣタグに格納される情報は、ファントム情報そのものではなく、ファントムの型番でもよい。

Ｓ４工程で装置制御部は、記憶部に保存されたファントム由来のデジタル電気信号を用いて、被検体の機能画像としての酸素飽和度画像を生成する。光音響画像は、被検体内部の構成物を反映していることから、被検体の機能情報を表す機能画像と呼べる。まず上述の画像再構成手法により、デジタル電気信号から波長ごとの初期音圧分布を生成する。次に、ファントムの形状と、Ｓ１で取得した背景光学係数から、ファントム内の光分布を求める。これらを用いて波長ごとの吸収係数画像や、酸素飽和度画像を取得できる。

なお、経時変化や欠損によりファントムが設計値から変形し、ファントム形状に関するファントム情報が不正確になる場合がある。この場合、光分布を正確に求めることができない。そこで、ファントム形状を正確に把握するために、カメラ等を用いて形状情報を取得すると良い。また、光音響装置が超音波装置を兼ねている場合、超音波送受信に要した時間に基づいて形状情報を取得してもよい。

Ｓ５工程で装置制御部は、ファントムの光音響画像（機能画像）から、ファントム内の異なる深さに配置された静脈および動脈に相当するターゲット画像を抽出する。２次元または３次元の光音響画像は、単位領域（ピクセルまたはボクセル）の集合として表わされる。そこで、光音響画像に対して信号強度に基づく閾値処理や、ターゲット形状に基づくパターン判定処理を施すことで、ターゲットを抽出できる。このようにして、ファントム内の異なる深さにおける静脈相当と動脈相当のターゲットの酸素飽和度を算出する。なお、解像度用のターゲットについても酸素飽和度を求めても良いし、他の光学特性値を求めても良い。

Ｓ６工程で装置制御部は、光音響画像中のターゲットの状況に基づいて、光音響装置の性能の判定処理を行う。ターゲットの状況とは例えば、位置、サイズまたは太さ、吸収係数、酸素飽和度などである。光音響画像と実際のファントムを比較することで、性能評価が可能となる。また、性能評価の結果に基づいて校正情報を生成することも好ましい。

なお、本実施例のファントムでは、異なる深さに同じ酸素飽和度のターゲットが複数配置されている。そこで、深さが異なる場合でも酸素飽和度の誤差が所定の範囲内であるかどうかを検出することが好ましい。所定の誤差とは例えば、酸素飽和度の差にして±１％以内である。この場合、装置が所望の性能を発揮していると判断できる。このような比較処理を、動脈相当のターゲット群と、静脈相当のターゲット群それぞれについて行うことで、より精度の高い性能判定が可能になる。なお、酸素飽和度は数式（８）に示すように比で表されるため、位置による感度の影響を受けにくい。一方、吸収係数は、位置による感度の影響を比較的受けやすい。そのため、ここでは酸素飽和度を用いる。

ところで、上記フローではファントムの光学係数の測定値を利用した。しかし、光学係数を未知のパラメータとしてＳ２〜Ｓ５の工程を繰り返し、異なる深さにある同種のターゲットの酸素飽和度が所定の許容範囲内に収まるような光学係数が存在するかどうかを判定してもよい。この場合、ターゲットの酸素飽和度の絶対値が不明であっても装置の評価をすることができる。

このように、本実施例の手法によれば、本発明に係るファントムを利用して光音響装置の性能評価と校正を良好に実施できる。

＜実施例３＞
本発明にかかるファントムは、様々な形状とすることができる。図６に、ハンドヘルド型のプローブを備える光音響装置に好適なファントム６００を示す。ここでは、筐体の中に光照射部と２次元探触子アレイを備える光音響測定用プローブを想定している。筐体には医師や技師が手に持つための把持部があり、探触子アレイの素子面を被検部位に押し当
てた状態で光を照射し、発生する光音響波を受信する。

ファントム６００の大きさは横幅１３０ｍｍ、高さ１００ｍｍ、奥行８０ｍｍである。筺体６０１内部にウレタン母材からなる樹脂が封入されている。構造体である上面にハンドヘルド型のプローブに対する位置を規定する位置決め部６０２、側面に樹脂の光学測定用の開口６０４が配置されている。ウレタン母材は、少なくとも、構造体である上面には固定されている。好ましくは、筐体にウレタン母材が収められることにより、ウレタン母材が構造体に固定される。酸素飽和度を評価するための３本のターゲット６０３が、上面から深さ１０ｍｍごとに配置されている。なお、ファントム製造時においては、側面の開口６０４に蓋をしておき、位置決め部６０２から樹脂を注入する。

図６のファントムに対して近赤外分光法による光学係数取得処理を施すときは、側面の開口６０４の蓋を開けて、近赤外照射部と受光部を樹脂部に接触させる。これにより、ターゲット６０３が配置されていない領域を使って正確な光学係数を測定できる。そのため、背景光学係数の測定結果に対してターゲットが与える影響を無くすことができる。

続いて光音響装置の性能評価をする際には、上面の位置決め部６０２の開口にハンドヘルド型プローブの素子面を接触させる。そしてプローブに含まれる光照射部から光を照射し、発生する光音響波を探触子アレイで受信する。続いて装置制御部が検出信号に基づく画像再構成を行い、上述のフローと同様の手法で性能評価を行う。

以上のようなファントムの構成にすることで、ハンドヘルド型の光音響装置の性能評価に好適なファントムを提供することができる。

＜その他の実施形態＞
記憶装置に記録されたプログラムを読み込み実行することで前述した実施形態の機能を実現するシステムや装置のコンピュータ（又はＣＰＵ、ＭＰＵ等のデバイス）によっても、本発明を実施できる。また、例えば、記憶装置に記録されたプログラムを読み込み実行することで前述した実施形態の機能を実現するシステムや装置のコンピュータによって実行されるステップからなる方法によっても、本発明を実施できる。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。この目的のために、上記プログラムは、例えば、ネットワークを通じて、又は、上記記憶装置となり得る様々なタイプの記録媒体（つまり、非一時的にデータを保持するコンピュータ読取可能な記録媒体）から、上記コンピュータに提供される。したがって、上記コンピュータ（ＣＰＵ、ＭＰＵ等のデバイスを含む）、上記方法、上記プログラム（プログラムコード、プログラムプロダクトを含む）、上記プログラムを非一時的に保持するコンピュータ読取可能な記録媒体は、いずれも本発明の範疇に含まれる。

１０５：樹脂部、１０１：フランジ、１０２：開口、１０６：ターゲット

Claims (9)

1. 被検体の特性情報を取得する光音響装置の性能を評価するためのファントムであって、
   背景光学係数および音響特性を前記被検体に近似させた母材と、
   前記母材の内部に配置された、所定の光学特性を持つターゲットと、
   を備え、
   前記母材には、前記背景光学係数を測定するための領域が設けられている
   ことを特徴とするファントム。
2. 前記母材の前記領域は、光学特性測定装置を用いて前記背景光学係数を測定するときに、前記ターゲットが前記背景光学係数の測定結果にほぼ影響を与えない位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載のファントム。
3. 前記光学特性測定装置は、近赤外照射部と受光部を備える近赤外分光装置であり、
   前記母材の前記領域は、前記近赤外照射部から照射された近赤外光が前記ターゲットの影響をほぼ受けずに前記受光部に到達できる位置に設けられる
   ことを特徴とする請求項２に記載のファントム。
4. 前記光音響装置に対する位置決め部を有する構造体をさらに備え、
   前記構造体は前記母材と固定されており、
   前記背景光学係数の測定は、前記構造体に設けられた開口から露出する前記領域を用いて行われる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のファントム。
5. 前記光音響装置には、前記ファントムが挿入される穴が設けられた寝台を有しており、
   前記構造体は、前記母材を固定するとともに前記寝台と位置決めされるフランジであり、
   前記フランジに設けられた前記開口は、表面に対し深部が狭くなる部分を有する構造である
   ことを特徴とする請求項４に記載のファントム。
6. 前記構造体の前記位置決め部は、前記母材を成型するときに用いられる金型に対する位置決めにも用いられる
   ことを特徴とする請求項４または５に記載のファントム。
7. 前記光音響装置は、ハンドヘルド型プローブを有し、
   前記構造体は、前記母材が配置された筐体である
   ことを特徴とする請求項４に記載のファントム。
8. 前記特性情報は、前記被検体内の吸収体の酸素飽和度である
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のファントム。
9. ファントムを用いて被検体の特性情報を取得する光音響装置の性能の評価方法であって、
   前記ファントムは、背景光学係数および音響特性を前記被検体に近似させた母材と、前記母材の内部に配置された所定の光学特性を持つターゲットを備え、前記母材には前記背景光学係数を測定するための領域が設けられており、
   前記領域を用いて前記背景光学係数を測定するステップと、
   前記ファントムの形状に関する情報を含むファントム情報を取得するステップと、
   前記背景光学係数および前記ファントム情報を用いて前記被検体内の光分布を取得する
   ステップと、
   前記被検体に光が照射されて発生する光音響波を電気信号に変換するステップと、
   前記光分布と前記電気信号を用いて前記被検体内の光学特性値を示す画像データを取得するステップと、
   前記画像データに含まれる前記ターゲットの画像を用いて前記性能を評価するステップと、
   を有することを特徴とする評価方法。

Images