JP2019033806A - 光音響装置および被検体情報取得方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光音響装置において、被検体の動きの影響を軽減し、計測の精度を向上させた光音響装置を提供する。
【解決手段】被検体に光を照射する光源200と、光が照射されたことによって被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段120と、被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで光の照射および電気信号の取得を行う制御手段153と、撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成手段150と、合成された電気信号に基づいて、被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成手段151と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】被検体に光を照射する光源200と、光が照射されたことによって被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段120と、被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで光の照射および電気信号の取得を行う制御手段153と、撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成手段150と、合成された電気信号に基づいて、被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成手段151と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、光音響効果を利用して被検体の情報を取得する装置に関する。
近年、医療分野において、被検体内の構造情報や、生理的情報、すなわち機能情報をイメージングするための研究が進められている。このような技術の一つとして、近年、光音響トモグラフィ(PAT:PhotoAcoustic Tomography)が提案されている。
レーザ光などの光を被検体である生体に照射すると、光が被検体内の生体組織で吸収される際に音響波(典型的には超音波)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受信し、受信信号を数学的に解析することにより、被検体内の特性情報を取得することができる。
レーザ光などの光を被検体である生体に照射すると、光が被検体内の生体組織で吸収される際に音響波(典型的には超音波)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受信し、受信信号を数学的に解析することにより、被検体内の特性情報を取得することができる。
光音響トモグラフィを利用した装置では、光吸収体である、血液中のオキシヘモグロビンやデオキシヘモグロビンを検出することができ、血管の構造情報や、酸素飽和度といった機能情報を取得することができる。
ところで、血液や血管に関する情報を取得する場合、脈動によって血液量が変化するため、信号を取得するタイミングによってはS/N比が変動してしまうことが知られている。このような脈動の影響を抑えるための技術として、例えば、特許文献1には、血流量の変動周期に合わせたタイミングで光音響信号を取得し、画像化する光音響装置が開示されている。
特許文献1に記載の装置では、脈動に合わせたフレームレートで画像が生成される。しかし、人の脈動は一分間に60〜100回と遅いため、画像の生成インターバルの間に被検体に位置ずれが生じてしまうと、画像にブレやボケが発生してしまうという課題があった。
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、光音響装置において、被検体の動きの影響を軽減し、計測の精度を向上させることを目的とする。
本発明の第一の形態に係る光音響装置は、
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、前記被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御手段と、前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成手段と、前記合成された電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする。
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、前記被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御手段と、前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成手段と、前記合成された電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする。
また、本発明の第二の形態に係る光音響装置は、
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、前記被検体の略周期的な動きに対応する撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御手段と、得られた前記電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを前記撮像周期ごとに生成する画像生成手段と、前記撮像周期ごとに生成した複数の画像データを合成する合成手段と、を有することを特徴とする。
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、前記被検体の略周期的な動きに対応する撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御手段と、得られた前記電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを前記撮像周期ごとに生成する画像生成手段と、前記撮像周期ごとに生成した複数の画像データを合成する合成手段と、を有することを特徴とする。
また、本発明の第一の形態に係る被検体情報取得方法は、
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、前記被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御ステップと、前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成ステップと、前記合成された電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成ステップと、を含むことを特徴とする。
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、前記被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御ステップと、前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成ステップと、前記合成された電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明の第二の形態に係る被検体情報取得方法は、
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、前記被検体の略周期的な動きに対応する撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御ステップと、得られた前記電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを前記撮像周期ごとに生成する画像生成ステップと、前記撮像周期ごとに生成した複数の画像データを合成する合成ステップと、を含むことを特徴とする。
被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、前記被検体の略周期的な動きに対応する撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御ステップと、得られた前記電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを前記撮像周期ごとに生成する画像生成ステップと、前記撮像周期ごとに生成した複数の画像データを合成する合成ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、光音響装置において、被検体の動きの影響を軽減し、計測の精度を向上させることができる。
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施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、被検体から伝搬する音響波を検出し、被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本発明は、光音響装置(被検体情報取得装置)またはその制御
方法、あるいは被検体情報取得方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法を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。
方法、あるいは被検体情報取得方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法を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。
本発明に係る光音響装置(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た音響波を受信して、被検体の特性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。この場合、特性情報とは、光音響波を受信することにより得られる受信信号を用いて生成される、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値の情報である。
光音響測定により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収率を反映した値である。例えば、光照射によって生じた音響波の発生源、被検体内の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や吸収係数、組織を構成する物質の濃度を含む。
また、異なる複数波長の光によって発生する光音響波に基づいて、被検体を構成する物質の濃度といった分光情報が得られる。分光情報は、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、またはデオキシヘモグロビン濃度であってもよい。また、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、または脂肪や水の体積分率であってもよい。
また、異なる複数波長の光によって発生する光音響波に基づいて、被検体を構成する物質の濃度といった分光情報が得られる。分光情報は、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、またはデオキシヘモグロビン濃度であってもよい。また、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、または脂肪や水の体積分率であってもよい。
被検体内の各位置の特性情報に基づいて、二次元または三次元の特性情報分布が得られる。分布データは画像データとして生成され得る。特性情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として求めてもよい。すなわち、初期音圧分布、エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報である。
本明細書における音響波とは、典型的には超音波であり、音波、光音響波と呼ばれる弾性波を含む。探触子等により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼ぶ。ただし、本明細書における超音波または音響波という記載には、それらの弾性波の波長を限定する意図はない。光音響効果により発生した音響波は、光音響波または光超音波と呼ばれる。光音響波に由来する電気信号を光音響信号とも呼ぶ。なお、本明細書において、光音響信号とは、アナログ信号とデジタル信号の双方を含む概念である。分布データは、光音響画像データや再構成画像データとも呼ばれる。
(第一の実施形態)
<システム構成>
第一の実施形態に係る光音響装置は、被検体にパルス光を照射し、被検体内において発生した光音響波を受信することで被検体内の血管画像(構造画像)を生成する装置である。なお、以下の実施形態では、ハンドヘルド型プローブを有する光音響装置を取り上げているが、本発明は、機械ステージにプローブを設けて機械的にスキャンする光音響装置にも適用できる。
<システム構成>
第一の実施形態に係る光音響装置は、被検体にパルス光を照射し、被検体内において発生した光音響波を受信することで被検体内の血管画像(構造画像)を生成する装置である。なお、以下の実施形態では、ハンドヘルド型プローブを有する光音響装置を取り上げているが、本発明は、機械ステージにプローブを設けて機械的にスキャンする光音響装置にも適用できる。
以下、図1を参照して、第一の実施形態に係る光音響装置の構成を説明する。第一の実施形態に係る光音響装置は、プローブ180、信号収集部140、コンピュータ150、表示部160、入力部170を有して構成される。プローブ180は、光源部200、光学系112、光照射部113、受信部120を含む。コンピュータ150は、演算部151、記憶部152、制御部153、フレームレート変換部159を含む。
ここで、被検体に対する光音響計測の概要について説明する。
まず、光源部200が、光ファイバ(バンドルファイバ)等によって構成された光学系112を介して、光照射部113に周期的にパルス光を供給する。また、光照射部113
は、供給された光を被検体100に照射する。これにより、被検体100からは音響波が周期的に発生する。
受信部120は、被検体100から発生した光音響波を受信して、アナログの電気信号を出力する。そして、信号収集部140が、受信部120から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ150に出力する。
以下、被検体に対してパルス光を照射し、電気信号を取得する周期をサンプリング周期と称する。
まず、光源部200が、光ファイバ(バンドルファイバ)等によって構成された光学系112を介して、光照射部113に周期的にパルス光を供給する。また、光照射部113
は、供給された光を被検体100に照射する。これにより、被検体100からは音響波が周期的に発生する。
受信部120は、被検体100から発生した光音響波を受信して、アナログの電気信号を出力する。そして、信号収集部140が、受信部120から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ150に出力する。
以下、被検体に対してパルス光を照射し、電気信号を取得する周期をサンプリング周期と称する。
コンピュータ150は、信号収集部140からサンプリング周期ごとに出力されたデジタル信号を合成する処理を行い、記憶部152に記憶する。なお、合成とは、単純な加算に限らず、重みづけ加算、加算平均、移動平均などを含む。以下では主に加算平均を例にとって説明するが、加算平均以外の合成方法を適用することもできる。
また、コンピュータ150は、記憶部152に記憶されたデジタル信号に対して画像再構成などの処理を行うことにより、撮像フレームレートに対応する周期(以下、撮像周期)ごとに光音響画像データを生成する。具体的な処理については後述する。
また、コンピュータ150は、記憶部152に記憶されたデジタル信号に対して画像再構成などの処理を行うことにより、撮像フレームレートに対応する周期(以下、撮像周期)ごとに光音響画像データを生成する。具体的な処理については後述する。
また、コンピュータ150は、生成した光音響画像データを、撮像周期ごとにフレームレート変換部159に出力する。フレームレート変換部159は、撮像周期ごとに入力された光音響画像データを、表示部160に対応するリフレッシュレート(以下、表示周期)に変換する。詳細な方法については後述する。
そして、表示部160が、表示周期ごとに光音響画像データをリフレッシュして表示する。
そして、表示部160が、表示周期ごとに光音響画像データをリフレッシュして表示する。
装置のユーザ(医師や技師等)は、表示部160に表示された光音響画像を確認することにより、診断を実施できる。表示画像は、ユーザやコンピュータ150からの保存指示に基づいて、コンピュータ150内のメモリや、光音響装置とネットワークで接続されたデータ管理システムなどに保存されてもよい。装置のユーザは、入力部170を介して装置に対する入力を行うことができる。
続いて、各構成要素の詳細について説明する。
<<プローブ180>>
図2Aは、本実施形態に係るプローブ180の模式図である。プローブ180は、光源部200、光学系112、光照射部113、受信部120、ハウジング181を含む。
ハウジング181は、光源部200、光学系112、光照射部113、受信部120を収納する筺体である。ユーザは、ハウジング181を把持することにより、プローブ180をハンドヘルド型プローブとして利用できる。
光照射部113は、光学系112により伝搬されたパルス光を被検体に照射する手段である。なお、図中のXYZ軸は、プローブを静置した場合の座標軸を示すものであり、プローブ使用時の向きを限定するものではない。
図2Aに示すプローブ180は、ケーブル182を介して、信号収集部140と接続されている。ケーブル182は、光源部200に電力を供給する配線や、発光制御信号を伝送する配線、受信部120から出力されたアナログ信号を信号収集部140に出力する配線などを含む(いずれも不図示)。なお、ケーブル182にコネクタを設け、プローブ180と光音響装置のその他の構成とを脱着可能な構成としてもよい。
また、図2Bに示したように、光源部200として半導体レーザや発光ダイオード等を用い、光学系112を用いずに、被検体に直接パルス光を照射してもよい。この場合、半導体レーザやLED等の発光端部分(ハウジングの先端)が光照射部113となる。
<<プローブ180>>
図2Aは、本実施形態に係るプローブ180の模式図である。プローブ180は、光源部200、光学系112、光照射部113、受信部120、ハウジング181を含む。
ハウジング181は、光源部200、光学系112、光照射部113、受信部120を収納する筺体である。ユーザは、ハウジング181を把持することにより、プローブ180をハンドヘルド型プローブとして利用できる。
光照射部113は、光学系112により伝搬されたパルス光を被検体に照射する手段である。なお、図中のXYZ軸は、プローブを静置した場合の座標軸を示すものであり、プローブ使用時の向きを限定するものではない。
図2Aに示すプローブ180は、ケーブル182を介して、信号収集部140と接続されている。ケーブル182は、光源部200に電力を供給する配線や、発光制御信号を伝送する配線、受信部120から出力されたアナログ信号を信号収集部140に出力する配線などを含む(いずれも不図示)。なお、ケーブル182にコネクタを設け、プローブ180と光音響装置のその他の構成とを脱着可能な構成としてもよい。
また、図2Bに示したように、光源部200として半導体レーザや発光ダイオード等を用い、光学系112を用いずに、被検体に直接パルス光を照射してもよい。この場合、半導体レーザやLED等の発光端部分(ハウジングの先端)が光照射部113となる。
<<光源部200>>
光源部200は、被検体100に照射する光を発生させる手段である。
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よい。
また、酸素飽和度などの物質濃度を取得する場合、複数の波長を出力できる光源を利用することが好ましい。また、光源部200をハウジング181内に実装する場合、図2Bに示したような、半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子を用いることが好ましい。また、複数の波長を出力する場合、異なる波長の光を発生する複数の種類の半導体レーザや発光ダイオードを用いて波長を切り換えるようにしてもよい。
光源部200は、被検体100に照射する光を発生させる手段である。
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よい。
また、酸素飽和度などの物質濃度を取得する場合、複数の波長を出力できる光源を利用することが好ましい。また、光源部200をハウジング181内に実装する場合、図2Bに示したような、半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光素子を用いることが好ましい。また、複数の波長を出力する場合、異なる波長の光を発生する複数の種類の半導体レーザや発光ダイオードを用いて波長を切り換えるようにしてもよい。
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〜1マイクロ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、被検体が生体の場合、400nm以上1600nm以下であることが望ましい。もちろん、画像化したい光吸収体の光吸収特性に応じて波長を決定してもよい。
なお、血管を高解像度でイメージングする場合は、血管での吸収が大きい波長(400nm以上、800nm以下)を用いてもよい。また、生体の深部をイメージングする場合は、生体の背景組織(水や脂肪など)において吸収が少ない波長(700nm以上、1100nm以下)の光を用いてもよい。
なお、血管を高解像度でイメージングする場合は、血管での吸収が大きい波長(400nm以上、800nm以下)を用いてもよい。また、生体の深部をイメージングする場合は、生体の背景組織(水や脂肪など)において吸収が少ない波長(700nm以上、1100nm以下)の光を用いてもよい。
なお、本実施形態では、光源として半導体発光素子を用いるため、被検体に大光量を照射することができない。すなわち、一回の照射で得られる光音響信号が所望のS/N比に達しづらくなる。そのため、光源をサンプリング周期ごとに発光させ、光音響信号を加算平均することで、S/N比を向上させる。
本実施形態で用いる光源部200の好適な波長の例として、797nmが挙げられる。この波長は、被検体の深部まで届く波長であり、かつ、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸収係数が略等しいため、血管構造の検出に適している。この他にも、第2の波長として、756nmを用いれば、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸収係数差を用い、酸素飽和度を求めることができる。
本実施形態で用いる光源部200の好適な波長の例として、797nmが挙げられる。この波長は、被検体の深部まで届く波長であり、かつ、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸収係数が略等しいため、血管構造の検出に適している。この他にも、第2の波長として、756nmを用いれば、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの吸収係数差を用い、酸素飽和度を求めることができる。
<光照射部113>
光照射部113は、被検体に照射する光が出射する部位(出射端)である。光学系112としてバンドルファイバを使用した場合、終端部が光照射部113となる。また、生体の一部(乳房など)を被検体とする場合、光照射部113に、光を拡散させる拡散板等を配置してもよい。このようにすることで、パルス光のビーム径を広げて被検体を照射することができる。
また、図2Bに示したように、光源部200として複数の半導体発光素子を用いる場合、各素子の発光端部分(ハウジング先端)を並べ、光照射部113とすることによって、広範囲にわたり被検体を照射することが可能となる。
光照射部113は、被検体に照射する光が出射する部位(出射端)である。光学系112としてバンドルファイバを使用した場合、終端部が光照射部113となる。また、生体の一部(乳房など)を被検体とする場合、光照射部113に、光を拡散させる拡散板等を配置してもよい。このようにすることで、パルス光のビーム径を広げて被検体を照射することができる。
また、図2Bに示したように、光源部200として複数の半導体発光素子を用いる場合、各素子の発光端部分(ハウジング先端)を並べ、光照射部113とすることによって、広範囲にわたり被検体を照射することが可能となる。
<<受信部120>>
受信部120は、パルス光に起因して発生する光音響波を受信して電気信号を出力するトランスデューサ(音響波検出素子)と、トランスデューサを支持する支持体と、からなるユニットである。
トランスデューサを構成する部材として例えば、圧電材料、静電容量型トランスデューサ(CMUT)、ファブリペロー干渉計を用いたトランスデューサなどが挙げられる。また、圧電材料として、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電セラミック材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の高分子圧電膜材料が挙げられる。
トランスデューサにより得られる電気信号は時間分解信号である。すなわち、得られた電気信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信された音圧に基づく値(例えば、音圧に比例した値)となる。
受信部120は、パルス光に起因して発生する光音響波を受信して電気信号を出力するトランスデューサ(音響波検出素子)と、トランスデューサを支持する支持体と、からなるユニットである。
トランスデューサを構成する部材として例えば、圧電材料、静電容量型トランスデューサ(CMUT)、ファブリペロー干渉計を用いたトランスデューサなどが挙げられる。また、圧電材料として、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電セラミック材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の高分子圧電膜材料が挙げられる。
トランスデューサにより得られる電気信号は時間分解信号である。すなわち、得られた電気信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信された音圧に基づく値(例えば、音圧に比例した値)となる。
なお、トランスデューサには、光音響波を構成する周波数成分(典型的には100KHzから10MHz)を検出できるものを用いることが好ましい。また、支持体に複数のトランスデューサを並べて配置して、1Dアレイ、1.5Dアレイ、1.75Dアレイ、または2Dアレイと呼ばれるような平面や曲面を形成してもよい。
また、受信部120が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を備えてもよい。また、受信部120が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を時系列のデジタル信号に変換するA/D変換器を備えてもよい。すなわち、受信部120が信号収集部140を兼ねていてもよい。
また、受信部120が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を備えてもよい。また、受信部120が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を時系列のデジタル信号に変換するA/D変換器を備えてもよい。すなわち、受信部120が信号収集部140を兼ねていてもよい。
なお、本実施形態では、ハンドヘルド型のプローブを例示したが、画像精度を向上させるためには、音響波を様々な角度から検出できるよう、被検体100を全周囲から囲むようなトランスデューサを用いることが好ましい。また、全周囲を囲めないほど被検体100が大きい場合は、半球状の支持体上にトランスデューサを配置してもよい。プローブがこのような形状の受信部を備える場合、プローブを被検体100に対して機械的に相対移動させるようにしてもよい。プローブの移動には、XYステージなどの機構を用いることができる。なお、トランスデューサの配置および数、ならびに支持体の形状は、上記に限定されず、被検体100に応じて最適化すればよい。
受信部120と被検体100との間には、光音響波を伝搬させる媒質(音響マッチング材)を配置するとよい。これにより、被検体100とトランスデューサの界面における音響インピーダンスを整合させることができる。音響マッチング材として例えば、水、油、超音波ジェルなどがある。
また、本実施形態に係る光音響装置は、被検体100を保持して形状を安定させる保持部材を備えていてもよい。保持部材としては光透過性と音響波透過性がともに高いものが好ましい。例えば、ポリメチルペンテンやポリエチレンテレフタレート、アクリルなどを利用できる。
また、本実施形態に係る光音響装置は、被検体100を保持して形状を安定させる保持部材を備えていてもよい。保持部材としては光透過性と音響波透過性がともに高いものが好ましい。例えば、ポリメチルペンテンやポリエチレンテレフタレート、アクリルなどを利用できる。
なお、本実施形態に係る装置が、光音響画像に加えて、超音波を送受信することで超音波画像を生成する機能を有する場合、トランスデューサを、音響波を送信する送信手段として機能させてもよい。受信手段としてのトランスデューサと送信手段としてのトランスデューサは、共通であってもよいし、別々であってもよい。
<<信号収集部140>>
信号収集部140は、受信部120から出力されたアナログの電気信号を増幅するアンプと、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器とを含む。信号収集部140は、FPGA(Field Programmable Gate
Array)チップなどで構成されてもよい。
信号収集部140は、受信部120から出力されたアナログの電気信号を増幅するアンプと、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器とを含む。信号収集部140は、FPGA(Field Programmable Gate
Array)チップなどで構成されてもよい。
受信部120にアレイ状に配置された複数のトランスデューサが出力したアナログ信号は、各々に対応する複数のアンプにより増幅され、各々に対応する複数のA/D変換器でデジタル信号に変換される。A/D変換のレートは、入力される信号の帯域の少なくとも2倍以上であることが好ましい。前述したように、光音響波を構成する周波数成分が100KHzから10MHzである場合、A/D変換レートは20MHz以上、望ましくは40MHz以上となる。
信号収集部140は、発光制御信号を用いることにより、光照射のタイミングと信号収
集処理のタイミングを同期させる。すなわち、サンプリング周期毎に訪れる発光時刻を基準にして、前述したレートでA/D変換を開始し、アナログ信号をデジタル信号に変換する。その結果、A/D変換レート分の1の間隔(A/D変換クロックの周期)で、トランスデューサ毎にデジタル信号列が取得できる。信号収集部140は、Data Acquisition System(DAS)とも呼ばれる。
集処理のタイミングを同期させる。すなわち、サンプリング周期毎に訪れる発光時刻を基準にして、前述したレートでA/D変換を開始し、アナログ信号をデジタル信号に変換する。その結果、A/D変換レート分の1の間隔(A/D変換クロックの周期)で、トランスデューサ毎にデジタル信号列が取得できる。信号収集部140は、Data Acquisition System(DAS)とも呼ばれる。
信号収集部140は、ハウジング181の内部に配置してもよい。このような構成とすることで、プローブ180とコンピュータ150との間の情報をデジタル信号で伝搬できるため、耐ノイズ性が向上する。また、アナログ信号を伝送する場合に比べ、配線数を少なくすることが可能となり、プローブ180の操作性が向上する。また、後述する加算平均も信号収集部140で行ってもよい。この場合FPGA等のハードウェアを用いて加算平均を行うと好適である。
<<コンピュータ150>>
コンピュータ150は、演算部151、記憶部152、制御部153、フレームレート変換部159を含む演算手段(本発明における画像生成手段および表示制御手段)である。演算部151としての演算機能を担うユニットは、CPUやGPU(Graphics
Processing Unit)等のプロセッサ、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップ等の演算回路で構成できる。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されてもよいし、複数のプロセッサや演算回路から構成されてもよい。
コンピュータ150は、演算部151、記憶部152、制御部153、フレームレート変換部159を含む演算手段(本発明における画像生成手段および表示制御手段)である。演算部151としての演算機能を担うユニットは、CPUやGPU(Graphics
Processing Unit)等のプロセッサ、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップ等の演算回路で構成できる。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されてもよいし、複数のプロセッサや演算回路から構成されてもよい。
コンピュータ150は、複数のトランスデューサの各々について、以下のような処理を行う。
コンピュータ150は、まず、サンプリング周期毎に信号収集部140から出力される複数のデジタル信号(光音響信号)を合成する。合成された光音響信号は、撮像周期ごとに記憶部152に記憶される。
そして、演算部151が、記憶部152に記憶された合成後の光音響信号に基づいて、撮像周期ごとに画像の再構成を行い、光音響画像(構造画像や機能画像)の生成や、その他の演算処理を実行する。なお、撮像周期は、後述する心電計173を用いて、被検者の心拍に同期したタイミングで生成される。撮像周期の設定方法については後述する。
コンピュータ150は、まず、サンプリング周期毎に信号収集部140から出力される複数のデジタル信号(光音響信号)を合成する。合成された光音響信号は、撮像周期ごとに記憶部152に記憶される。
そして、演算部151が、記憶部152に記憶された合成後の光音響信号に基づいて、撮像周期ごとに画像の再構成を行い、光音響画像(構造画像や機能画像)の生成や、その他の演算処理を実行する。なお、撮像周期は、後述する心電計173を用いて、被検者の心拍に同期したタイミングで生成される。撮像周期の設定方法については後述する。
演算部151が光音響信号を光音響画像(例えば3次元のボリュームデータ)に変換する際の再構成アルゴリズムには、タイムドメインでの逆投影法、フーリエドメインでの逆投影法、モデルベース法(繰り返し演算法)など、任意の手法を採用できる。タイムドメインでの逆投影法として、ユニバーサルバックプロジェクション(UBP)、フィルタードバックプロジェクション(FBP)、または整相加算(ディレイアンドサム)などが挙げられる。
光源部200が、異なる2波長の光を発生させる場合、演算部151は、画像再構成処理によって、第1の波長の光に由来する光音響信号から第1の初期音圧分布を生成し、第2の波長の光に由来する光音響信号から第2の初期音圧分布を生成する。さらに、第1の初期音圧分布を、第1の波長の光の光量分布で補正することによって、第1の吸収係数分布を取得し、第2の初期音圧分布を、第2の波長の光の光量分布で補正することによって第2の吸収係数分布を取得する。さらに、第1および第2の吸収係数分布から、酸素飽和度分布を取得する。なお、最終的に酸素飽和度分布を得ることができれば、演算の内容や順序はこれに限られない。
記憶部152は、RAM(Random Access Memory)などの揮発性のメモリや、ROM(Read only memory)、磁気ディスクやフラッシュ
メモリなどの非一時記憶媒体により構成される。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。記憶部152は、複数の記憶媒体から構成されてもよい。
記憶部152は、撮像周期ごとに加算平均された光音響信号や、演算部151により生成される光音響画像データ、光音響画像データに基づいた再構成画像データなど、各種のデータを保存できる。
メモリなどの非一時記憶媒体により構成される。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。記憶部152は、複数の記憶媒体から構成されてもよい。
記憶部152は、撮像周期ごとに加算平均された光音響信号や、演算部151により生成される光音響画像データ、光音響画像データに基づいた再構成画像データなど、各種のデータを保存できる。
制御部153は、光音響装置の各構成要素の動作を制御する手段であり、CPUなどの演算素子で構成される。制御部153は、入力部170を介して入力された指示信号(例えば測定開始信号など)に基づいて、光音響装置の各構成要素を制御してもよい。
また、制御部153は、記憶部152に格納されたプログラムコードを読み出し、光音響装置の各構成要素の動作を制御する。
また、制御部153は、生成した画像の調整などを行うこともできる。
また、制御部153は、記憶部152に格納されたプログラムコードを読み出し、光音響装置の各構成要素の動作を制御する。
また、制御部153は、生成した画像の調整などを行うこともできる。
フレームレート変換部159は、撮像周期に対応する所定のフレームレート(撮像フレームレート)で生成された光音響画像を、表示周期に対応する所定のフレームレート(以下、表示フレームレート)に変換し、表示部160に出力する手段である。
なお、図1の例では、フレームレート変換部159が独立した構成となっているが、フレームレート変換部159は必ずしも独立していなくてもよい。例えば、撮像フレームレートごとに光音響画像を記憶部152に記憶させ、記憶された光音響画像を、表示フレームレートに従って読み出すようにしてもよい。
なお、図1の例では、フレームレート変換部159が独立した構成となっているが、フレームレート変換部159は必ずしも独立していなくてもよい。例えば、撮像フレームレートごとに光音響画像を記憶部152に記憶させ、記憶された光音響画像を、表示フレームレートに従って読み出すようにしてもよい。
表示フレームレートは、汎用ディスプレイに対応したフレームレート(例えば50Hz,60Hz,72Hz,120Hz等)とするとよい。このように、撮像周期と表示周期をそれぞれ独立させることで、測定に好適なフレームレートと、画像の表示に好適なフレームレートを個別に設定できる。換言すると、画像表示に好適なフレームレートとは無関係に、測定に好適なフレームレートを自由に設定することができる。また、撮像周期のみを、例えばユーザの指示により自由に変更することも可能となる。
表示部160は、光音響画像を表示する手段である。表示部160は、表示フレームレートに同期して実画面の書き換えを行う。なお、表示フレームレートと、実画面の書き換えを行うレート(リフレッシュレート)は同じであってもよい。
近年の液晶ディスプレイの中には、複数のフレームレート(フレーム周波数)での入力に対応する機能を有したものがある。このような液晶ディスプレイの中には、入力されたフレームレートを実画面の書き換えレート(リフレッシュレート)に変換する機能を持つものもある。表示部160がこのような機能を持つ場合、表示部160が、表示フレームレートを実際のリフレッシュレートに変換する手段を内蔵しているといえる。
また、このような手段を内蔵した表示部160を使用する場合、図1で示したフレームレート変換部159をコンピュータ150に持たせる必要はない。表示部160にフレームレート変換機能を持たせる場合、コンピュータ150の構成を簡略化できる。
なお、表示部160は、撮像周期や表示周期に関する情報を、光音響画像と同時に表示するようにしてもよい。
また、このような手段を内蔵した表示部160を使用する場合、図1で示したフレームレート変換部159をコンピュータ150に持たせる必要はない。表示部160にフレームレート変換機能を持たせる場合、コンピュータ150の構成を簡略化できる。
なお、表示部160は、撮像周期や表示周期に関する情報を、光音響画像と同時に表示するようにしてもよい。
コンピュータ150は、専用に設計されたワークステーションであってもよいし、汎用的なPCやワークステーションであってもよい。コンピュータ150は、記憶部152に格納されたプログラムの指示に従って動作させてもよい。また、コンピュータ150が有する各構成は、それぞれ異なるハードウェアによって構成されてもよい。また、コンピュータ150の少なくとも一部の構成は単一のハードウェアで構成されてもよい。
図3は、本実施形態に係るコンピュータ150の具体的な構成例である。本実施形態に
係るコンピュータ150は、CPU154、GPU155、RAM156、ROM157、外部記憶装置158、フレームレート変換部159を有して構成される。また、コンピュータ150には、表示部160としての液晶ディスプレイ161、入力部170としてのマウス171、キーボード172が接続されている。
係るコンピュータ150は、CPU154、GPU155、RAM156、ROM157、外部記憶装置158、フレームレート変換部159を有して構成される。また、コンピュータ150には、表示部160としての液晶ディスプレイ161、入力部170としてのマウス171、キーボード172が接続されている。
コンピュータ150および受信部120は、共通の筺体に収めた構成としてもよい。また、筺体に収められたコンピュータで信号処理の一部を行い、筺体の外部に設けられたコンピュータで残りの信号処理を行ってもよい。この場合、筺体の内部および外部に設けられたコンピュータを総称して、本実施形態に係るコンピュータとすることができる。すなわち、コンピュータを構成するハードウェアは分散していてもよい。また、コンピュータ150として、クラウドコンピューティングサービスなどで提供される、遠隔地に設置された情報処理装置を用いてもよい。
なお、コンピュータ150は、必要に応じて、得られた光音響画像に対して画像処理を行ったり、GUIグラフィック等を合成する処理を行ってもよい。また、これらの処理は、フレームレートの変換を行う前に行ってもよいし、後に行ってもよい。
<<表示部160>>
表示部160は、液晶ディスプレイや有機ELなどの表示装置である。表示部160によって、コンピュータ150により生成された画像や、特定位置における数値等が表示される。表示部160には、前述したように、表示周期に対応するフレームレート(例えば、50Hz,60Hz,72Hz,120Hz等)で画像が入力される。表示部160は、入力されたフレームレートで画像を表示してもよいし、フレームレートをさらに変換してもよい。また、表示部160は、画像や装置を操作するためのGUIを画面上に表示してもよい。
表示部160は、液晶ディスプレイや有機ELなどの表示装置である。表示部160によって、コンピュータ150により生成された画像や、特定位置における数値等が表示される。表示部160には、前述したように、表示周期に対応するフレームレート(例えば、50Hz,60Hz,72Hz,120Hz等)で画像が入力される。表示部160は、入力されたフレームレートで画像を表示してもよいし、フレームレートをさらに変換してもよい。また、表示部160は、画像や装置を操作するためのGUIを画面上に表示してもよい。
<<入力部170>>
入力部170は、指示や数値などの入力をユーザから取得する手段である。入力部170は、例えば、ユーザが操作可能なマウスやキーボード、専用のつまみ等で構成される操作コンソールであってもよい。なお、表示部160としてタッチパネルを利用する場合、表示部160が入力部170を兼ねてもよい。ユーザは、入力部170を用いて測定開始や終了、撮像周期(撮像フレームレート)の指定や、画像の保存指示などの操作を行うことができる。また、入力部170が、被検体内部における音速や、保持部の構成などに関する各種パラメータ入力を取得し、コンピュータ150が当該情報を利用して処理を行うようにしてもよい。
入力部170は、指示や数値などの入力をユーザから取得する手段である。入力部170は、例えば、ユーザが操作可能なマウスやキーボード、専用のつまみ等で構成される操作コンソールであってもよい。なお、表示部160としてタッチパネルを利用する場合、表示部160が入力部170を兼ねてもよい。ユーザは、入力部170を用いて測定開始や終了、撮像周期(撮像フレームレート)の指定や、画像の保存指示などの操作を行うことができる。また、入力部170が、被検体内部における音速や、保持部の構成などに関する各種パラメータ入力を取得し、コンピュータ150が当該情報を利用して処理を行うようにしてもよい。
<<心電計173>>
心電計173は、被検者である患者の心臓を伝わる電気信号を検出する手段である。心電計173が検出した信号をコンピュータ150に出力することで、コンピュータ150は被検者の脈動を検出することができる。本実施形態では、コンピュータ150が、心電計の出力(心電波形)に同期してパルス光の照射および光音響信号の取得を行い、再構成画像データを算出する。詳細な処理については後述する。
心電計173は、被検者である患者の心臓を伝わる電気信号を検出する手段である。心電計173が検出した信号をコンピュータ150に出力することで、コンピュータ150は被検者の脈動を検出することができる。本実施形態では、コンピュータ150が、心電計の出力(心電波形)に同期してパルス光の照射および光音響信号の取得を行い、再構成画像データを算出する。詳細な処理については後述する。
以上に説明した、光音響装置の各構成要素は、それぞれ別の装置として構成されてもよいし、全てが一体となった構成であってもよい。また、光音響装置の少なくとも一部の構成が一体となり、残りが別の装置によって構成されてもよい。
<<被検体100>>
被検体100は、本発明に係る光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療
の経過観察などを目的として使用できる。よって、被検体100としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。また、メチレンブルー(MB)、インドシニアングリーン(ICG)などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を光吸収体としてもよい。また、穿刺針や穿刺針に付された光吸収体を観察対象としてもよい。被検体は、ファントムや試験対象物などの無生物であってもよい。
被検体100は、本発明に係る光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療
の経過観察などを目的として使用できる。よって、被検体100としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。また、メチレンブルー(MB)、インドシニアングリーン(ICG)などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を光吸収体としてもよい。また、穿刺針や穿刺針に付された光吸収体を観察対象としてもよい。被検体は、ファントムや試験対象物などの無生物であってもよい。
<処理の詳細>
次に、第一の実施形態に係る光音響装置の動作を説明するためのタイミング図である図4を参照して、処理の詳細について説明する。なお、各図において横軸は時間軸である。
次に、第一の実施形態に係る光音響装置の動作を説明するためのタイミング図である図4を参照して、処理の詳細について説明する。なお、各図において横軸は時間軸である。
図4の符号T1で示したように、本実施形態に係る光音響装置は、サンプリング周期(tw1)ごとに光源部200が発光し、発光に伴う光音響信号を、サンプリング周期ごとに取得する。サンプリングを行う期間は、心電波形からR波を検出したタイミングから、遅延時間DLYが経過した後、サンプリング有効期間SWが経過するまでの間である。これにより、R波を検出してから次のR波を検出するまでの周期において、略同位相のタイミングでサンプリングを行うことができる。
なお、サンプリング有効期間SWは、被検体である生体の動き(心臓の鼓動により発生する血管の防縮の動き)に対して、十分に短い時間とする。このようにすると、被検体の動きの影響が無い光音響信号を取得することができる。
なお、サンプリング有効期間SWは、被検体である生体の動き(心臓の鼓動により発生する血管の防縮の動き)に対して、十分に短い時間とする。このようにすると、被検体の動きの影響が無い光音響信号を取得することができる。
なお、サンプリング周期tw1の長さは、皮膚に対する最大露光許容量(MPE:Maximum Permissible Exposure)を考慮して設定すればよい。例えば、測定波長が750nm、パルス光のパルス幅が1マイクロ秒であり、サンプリング周期tw1が0.1ミリ秒である場合、皮膚に対するMPE値は約14J/m2となる
。一方、光照射部113から照射されるパルス光のピークパワーが2kWで、光照射部113からの照射面積が150mm2である場合、被検体100に照射される光エネルギー
は、約13.3J/m2になる。この場合、光照射部113から照射される光エネルギー
はMPE値以下になる。
このように、サンプリング周期tw1が0.1ミリ秒以上という条件を満たせば、光エネルギーがMPE値を超えないことを保証できる。このように、サンプリング周期tw1の値、パルス光のピークパワー、照射面積を用いて、被検体に照射される光エネルギーを算出することができる。ここでは、時系列の光音響信号をサンプリング周期ごとに8回取得し、加算平均するものとする。
。一方、光照射部113から照射されるパルス光のピークパワーが2kWで、光照射部113からの照射面積が150mm2である場合、被検体100に照射される光エネルギー
は、約13.3J/m2になる。この場合、光照射部113から照射される光エネルギー
はMPE値以下になる。
このように、サンプリング周期tw1が0.1ミリ秒以上という条件を満たせば、光エネルギーがMPE値を超えないことを保証できる。このように、サンプリング周期tw1の値、パルス光のピークパワー、照射面積を用いて、被検体に照射される光エネルギーを算出することができる。ここでは、時系列の光音響信号をサンプリング周期ごとに8回取得し、加算平均するものとする。
また、コンピュータ150は、心電計173で検出した心電波形T5のRR周期(tw4)に撮像周期tw2を同期させる。具体的には心電波形T5の最大振幅であるR波をトリガとして撮像周期tw2をスタートさせる。
ここで、加算平均された光音響信号A1が、撮像周期tw2ごとに得られる(T2)。なお、加算平均には、単純平均や移動平均、重み付け平均等を用いることができる。例えば、サンプリング周期tw1の平均値が0.1ミリ秒、撮像フレームレートが60Hzである場合、tw2は16.7ミリ秒となり、撮像フレームレートの周期内に最大167回の加算を行うことができる。
ここで、加算平均された光音響信号A1が、撮像周期tw2ごとに得られる(T2)。なお、加算平均には、単純平均や移動平均、重み付け平均等を用いることができる。例えば、サンプリング周期tw1の平均値が0.1ミリ秒、撮像フレームレートが60Hzである場合、tw2は16.7ミリ秒となり、撮像フレームレートの周期内に最大167回の加算を行うことができる。
次に、加算平均された光音響信号A1に基づいて、前述した再構成処理を行い、再構成後の画像データR1を求める(T3)。画像データは、撮像周期ごとに順次生成される。
本実施形態では、撮像周期tw2ごとに求まる複数の画像データから移動平均を取得し、合成後の画像データを生成する。例えば、直近の撮像周期において生成した画像データがRnであり、過去5周期ぶんの移動平均を取得する場合、合成後の画像データRsは以下の式で求めることができる。
Rs=(1/5)×(Rn−4+Rn−3+Rn−2+Rn−1+Rn)
本実施形態では、撮像周期tw2ごとに、このようにして求めた合成後の画像データを生成する。
Rs=(1/5)×(Rn−4+Rn−3+Rn−2+Rn−1+Rn)
本実施形態では、撮像周期tw2ごとに、このようにして求めた合成後の画像データを生成する。
また、フレームレート変換部159は、T3で生成した画像データRsを、表示フレームレートに対応する周期(表示周期)tw3で出力する。そして、表示部160が、表示周期tw3で入力された画像データを表示する。
なお、図4に示すタイミングは例示的なものに過ぎず、実際の装置では、サンプリング周期は0.1から数msec程度、撮像周期は0.4から2sec程度、表示フレームレートは50から240Hz程度となることが考えられる。
血管は心臓の鼓動によって略周期的に動く。そのため、被検者の脈動と撮像周期を一致させたうえで、同位相のタイミングでサンプリングを行うことで、血圧が略同様の期間に光音響信号が取得できるようになる。これにより、心臓の鼓動による血管の収縮や動きによる動きボケを少なくし、S/N比の良好な再構成画像を取得することが可能となる。特に、動脈の動きボケを少なくし、動脈の光音響画像を明瞭に取得することが可能となる。
さらに、本実施形態では、撮像周期ごとに得られた複数の光音響画像データに対して移動平均を取得して画像を出力する。これにより、脈動と脈動の間において被検体が動いたような場合であっても、画像の精度低下を抑えることができる。
さらに、本実施形態では、撮像周期ごとに得られた複数の光音響画像データに対して移動平均を取得して画像を出力する。これにより、脈動と脈動の間において被検体が動いたような場合であっても、画像の精度低下を抑えることができる。
なお、計測の対象部位によっては、心臓からの距離が異なるため、心電波形に対して血圧が変化する時刻や変化量が異なる。そこで、遅延時間DLYとサンプリング有効時間SWを調整可能にし、ユーザが再構成画像を見ながら良好な値を探れるようにするとよい。例えば、遅延時間DLYとサンプリング有効時間SWを、入力部170を介してユーザが自由に設定できるようにしてもよい。
図5は、撮像に関するパラメータを、入力部170を介してユーザから取得する際に表示部160に表示されるインタフェース画面の例である。
例えば、図5(a)に示すように、DLYおよびSWの長さ(時間)を指定できるようにしてもよい。また、図5(b)に示すように、撮像周期内における位相や、撮像周期に対する相対的な時間を指定できるようにしてもよい。なお、DLYはサンプリング開始時における遅延を時間で表したものであり、PHはサンプリング開始時における遅延を位相で表したものである。また、図5(c)に示すように、心電波形を同時に表示するようにしてもよい。
例えば、図5(a)に示すように、DLYおよびSWの長さ(時間)を指定できるようにしてもよい。また、図5(b)に示すように、撮像周期内における位相や、撮像周期に対する相対的な時間を指定できるようにしてもよい。なお、DLYはサンプリング開始時における遅延を時間で表したものであり、PHはサンプリング開始時における遅延を位相で表したものである。また、図5(c)に示すように、心電波形を同時に表示するようにしてもよい。
(第二の実施形態)
第一の実施形態では、撮像周期ごとに生成した光音響画像データに対して移動平均を取得することで光音響画像データ同士の合成を行った。これに対し、第二の実施形態は、撮像周期ごとに得られた光音響信号に対して移動平均を取得して合成を行い、合成後の光音響信号を用いて画像の再構成を行う実施形態である。
第一の実施形態では、撮像周期ごとに生成した光音響画像データに対して移動平均を取得することで光音響画像データ同士の合成を行った。これに対し、第二の実施形態は、撮像周期ごとに得られた光音響信号に対して移動平均を取得して合成を行い、合成後の光音響信号を用いて画像の再構成を行う実施形態である。
図6は、第二の実施形態におけるタイミングを示す図である。第二の実施形態に係る光音響装置は、第一の実施形態と同様に、サンプリング周期tw1ごとに、光の照射と光音響信号の取得を複数回行う。サンプリング有効期間SWは、サンプリング周期tw1に発光回数(この場合8回)を乗じた値となる。
第二の実施形態では、第一の実施形態と同様に、信号収集部140が、サンプリング周期tw1ごとに複数回取得した光音響信号に対して加算平均を行い、光音響信号A1を算出するが、再構成画像ではなく、複数の光音響信号同士を合成する。
具体的には、撮像周期tw2ごとに得られる複数の光音響信号の移動平均を取得し、合成後の光音響信号を生成する。例えば、直近の撮像周期において生成した光音響信号がAnであり、過去5周期ぶんの移動平均を取得する場合、合成後の光音響信号Asは以下の式で求めることができる。
As=(1/5)×(An−4+An−3+An−2+An−1+An)
本実施形態では、撮像周期tw2ごとに、このようにして求めた合成後の光音響信号を生成する。
具体的には、撮像周期tw2ごとに得られる複数の光音響信号の移動平均を取得し、合成後の光音響信号を生成する。例えば、直近の撮像周期において生成した光音響信号がAnであり、過去5周期ぶんの移動平均を取得する場合、合成後の光音響信号Asは以下の式で求めることができる。
As=(1/5)×(An−4+An−3+An−2+An−1+An)
本実施形態では、撮像周期tw2ごとに、このようにして求めた合成後の光音響信号を生成する。
また、演算部151は、移動平均後の光音響信号に基づいて再構成処理を行う。これにより、再構成画像データRnが撮像周期tw2ごとに順次算出される。
なお、フレームレートの変換処理や、画像データを表示する処理については第一の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
なお、フレームレートの変換処理や、画像データを表示する処理については第一の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
なお、図6に示すタイミングも例示的なものに過ぎず、実際の装置では、サンプリング周期は0.1から数msec程度、撮像周期は0.4から2sec程度、表示フレームレートは50から240Hz程度となることが考えられる。
以上説明したように、第二の実施形態によると、複数の撮像周期ごとにそれぞれ取得した複数の電気信号同士の移動平均を取得するため、再構成画像同士を合成して得られる画像とは異なる自然な画像を得ることができる。
(第三の実施形態)
第一および第二の実施形態では、生体が自発的に行っている周期的な運動に撮像周期を同期させた。これに対し、第三の実施形態は、光音響装置が、被検体である生体に対して周期的な運動を誘発させる形態である。
第一および第二の実施形態では、生体が自発的に行っている周期的な運動に撮像周期を同期させた。これに対し、第三の実施形態は、光音響装置が、被検体である生体に対して周期的な運動を誘発させる形態である。
図7は、第三の実施形態に係る光音響装置の構成図である。本実施形態では、心電計173の代わりに印加パッド174が実装されている。印加パッド174は、電極を有するパッドであり、例えば低周波治療器等で実現されているように、被検体である生体に微弱な電流を流すことで、筋肉の伸縮運動を発生させることができる。すなわち、印加パッドは、被検体である生体に運動を誘発する刺激信号を印加する印加手段である。
第三の実施形態では、撮像周期に同期して、印加パッドより生体へ微弱な電流を流すことにより、撮像周期に同期した被検体の運動を誘発することができる。また、第三の実施形態では、撮像周期の同位相に相当する時刻に光の照射および光音響信号の取得を行う。
光音響信号に基づいて画像データを生成する方法については、第一ないし第二の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
光音響信号に基づいて画像データを生成する方法については、第一ないし第二の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
第三の実施形態では、被検体である生体に運動を誘発する刺激信号を印加することによって、筋肉の伸縮を作り出すことができる。すなわち、筋肉伸縮の注目する状態における血管の状況を観察することが可能となる。
なお、刺激信号を印加する印加手段は電気的刺激を与える印加パッド以外であってもよい。例えば、痛点に対してアクチュエータ等で機械的な刺激を印加してもよい。また、他の感覚器官に刺激信号を印加してもよい。
(その他の実施形態)
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実施する光音響装置として実施することもできる。また、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。
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実施する光音響装置として実施することもできる。また、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。
また、実施形態の説明では、心電波形に基づいて心臓の鼓動を検出したが、心電波形以外の生体信号を用いてもよい。例えば、動脈圧の波形や心臓が発する音波(心音)等を用いてもよい。また、心臓の鼓動以外の生体の周期的な活動に対しても、本発明を適用することができる。
また、実施形態の説明では、移動平均として単純移動平均を挙げたが、加重移動平均や指数移動平均等を用いてもよい。
また、実施形態の説明では、サンプリング周期、撮像周期、表示周期という言葉を用いたが、これらの周期は完全に一定である必要はない。すなわち、本明細書における周期とは、一定でない時間間隔で繰り返す場合を含む。また、サンプリング周期においては休止期間を設けてもよい。
また、光源部200で発生させる光の波長は、前述したように複数であってもよい。複数の波長を用いた場合、機能情報としての酸素飽和度を算出することができる。例えば、撮像周期ごとに2波長を交互に切り換えて光音響信号を取得し、再構成画像データを算出し、さらに、算出した再構成画像データに基づいて酸素飽和度を計算するようにしてもよい。酸素飽和度の算出方法については公知であるため、詳細な説明は省略する。
また、例示した複数の実施形態を一つの光音響装置に実装し、切り換え可能としてもよい。また、本発明に係る光音響装置に、トランスデューサから超音波を送信する機能と、被検体にて反射した超音波エコーを受信し、当該超音波エコーに基づいて測定を行う機能を追加してもよい。
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、前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一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。
120:受信部、140:信号収集部、151:演算部、200:光源部
Claims (21)
- 被検体に光を照射する光源と、
前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、
前記被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御手段と、
前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成手段と、
前記合成された電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成手段と、
を有することを特徴とする、光音響装置。 - 前記合成手段は、前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号の移動平均を取得することで前記合成を行う
ことを特徴とする、請求項1に記載の光音響装置。 - 前記制御手段は、前記撮像周期内において、前記光の照射および前記電気信号の取得を複数回行い、
前記合成手段は、前記撮像周期内において複数回取得した電気信号をさらに合成する、
ことを特徴とする、請求項1または2に記載の光音響装置。 - 前記撮像周期で生成された前記画像データのフレームレートを、前記撮像周期よりも短い表示周期に対応するフレームレートに変換する変換手段をさらに有する
ことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の光音響装置。 - 前記表示周期で前記画像データを表示手段に表示させる表示制御手段をさらに有する
ことを特徴とする、請求項4に記載の光音響装置。 - 前記表示制御手段は、前記表示周期に関する情報を前記表示手段に表示させる
ことを特徴とする、請求項5に記載の光音響装置。 - 前記被検体は生体であり、
前記生体の略周期的な活動に基づいて前記撮像周期を決定する決定手段をさらに有する
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。 - 前記撮像周期ごとに前記生体に対して刺激を印加する印加手段をさらに有する
ことを特徴とする、請求項7に記載の光音響装置。 - 被検体に光を照射する光源と、
前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、
前記被検体の略周期的な動きに対応する撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御手段と、
得られた前記電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを前記撮像周期ごとに生成する画像生成手段と、
前記撮像周期ごとに生成した複数の画像データを合成する合成手段と、
を有することを特徴とする、光音響装置。 - 前記合成手段は、前記撮像周期ごとに得られた複数の画像データの移動平均を取得することで前記合成を行う
ことを特徴とする、請求項9に記載の光音響装置。 - 前記光源は半導体発光素子を含んだ光源である
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。 - 被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、
前記被検体の略周期的な動きに対応した撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御ステップと、
前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号同士を合成する合成ステップと、
前記合成された電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを生成する画像生成ステップと、
を含むことを特徴とする、被検体情報取得方法。 - 前記合成ステップでは、前記撮像周期ごとに得られた複数の電気信号の移動平均を取得することで前記合成を行う
ことを特徴とする、請求項12に記載の被検体情報取得方法。 - 前記制御ステップでは、前記撮像周期内において、前記光の照射および前記電気信号の取得を複数回行い、
前記合成ステップでは、前記撮像周期内において複数回取得した電気信号をさらに合成する、
ことを特徴とする、請求項12または13に記載の被検体情報取得方法。 - 前記撮像周期で生成された前記画像データのフレームレートを、前記撮像周期よりも短い表示周期に対応するフレームレートに変換する変換ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項12から14のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法。 - 前記表示周期で前記画像データを表示手段に表示させる表示制御ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項15に記載の被検体情報取得方法。 - 前記表示制御ステップでは、前記表示周期に関する情報を前記表示手段に表示させる
ことを特徴とする、請求項16に記載の被検体情報取得方法。 - 前記被検体は生体であり、
前記生体の略周期的な活動に基づいて前記撮像周期を決定する決定ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項12から17のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法。 - 前記撮像周期ごとに前記生体に対して刺激を印加する印加ステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項18に記載の被検体情報取得方法。 - 被検体に光を照射する光源と、前記光が照射されたことによって前記被検体で発生した音響波を受信し、電気信号に変換する音響波検出手段と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、
前記被検体の略周期的な動きに対応する撮像周期を設定し、前記撮像周期内のそれぞれ略同位相のタイミングで前記光の照射および前記電気信号の取得を行う制御ステップと、
得られた前記電気信号に基づいて、前記被検体の特性情報を表す画像データを前記撮像周期ごとに生成する画像生成ステップと、
前記撮像周期ごとに生成した複数の画像データを合成する合成ステップと、
を含むことを特徴とする、被検体情報取得方法。 - 前記合成ステップでは、前記撮像周期ごとに得られた複数の画像データの移動平均を取得することで前記合成を行う
ことを特徴とする、請求項20に記載の被検体情報取得方法。
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