JP5641723B2 - 被検体情報取得装置 - Google Patents

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Description

本発明は被検体から放出された音響波を画像化する被検体情報取得装置に関する。
非特許文献1に記載されている従来の被検体情報取得装置としては、乳がんの検診用途に開発された光音響装置がある。非特許文献1の装置は、ガラスプレートと超音波探触子で被検体(乳房)を圧迫し、ガラスプレート越しに、Nd:YAGレーザを光源とする照明光(近赤外線)を被検体に照射する。そして被検体内部で発生する音響波としての光音響波を探触子で受信し、被検体内部の組織、特に乳がんにおける血管新生の画像を生成して表示する。このような画像生成のための演算を画像再構成という。なお、探触子表面には18.6mmの厚さのポリマーが設けられている。ポリマーと被検体とではそれぞれの中を伝播する音速が異なるため、光音響波を探触子で受信する前に、ポリマーで屈折する。画像再構成において、この屈折を考慮しないと解像度が低下してしまう。
このような課題を解決する方法が、特許文献1に記載されている。特許文献1にはX線マンモグラフィと超音波装置との複合機が記載されている。X線マンモグラフィは被検体保持部材としての圧迫プレートで被検体を圧迫させ、被検体にX線を透過させて得られたX線の情報を基に画像化する。そのX線マンモグラフィに超音波装置を複合させると、超音波探触子は圧迫プレート越しに超音波を送受信することになる。図9は超音波がプレートに入射する際に屈折する様子を示している。そのため、圧迫プレートと被検体との音速差によって生じる超音波の屈折を補正するように、図9から、式(101)から式(104)に基づき遅延時間を計算し、各素子からの信号を加算している。Tは超音波の到達時間、c、cは夫々プレート中と被検体中を伝播する音速、L、L、R、R、Dは図9中に示す夫々の距離を表し、β、βは図9中に示す角度である。なお、式(104)は特許文献1で明らかに示されていない。
Figure 0005641723
Srirang Manohar,et al.,The Twente photoacoustic mammoscope:system overview and performance,Physics in Medicineand Biology 50(2005)2543−2557
米国特許第6607489号
非特許文献1では、画像再構成における屈折の補正については記述されておらず、被検体から発せられた光音響波がポリマーで屈折してしまい、解像度を低下させてしまう。特許文献1はこの課題解決を目的としているが、特許文献1では信号を加算するときに、連立方程式あるいは解析的に屈折角を計算する必要があり、画像情報取得までの計算時間を増大させていた。
本発明はこのような背景技術の課題解決を目的としており、本発明の目的は、被検体と被検体保持部材との間に生じる超音波の屈折に伴う解像度低下を抑制するとともに、計算時間を低減させた被検体情報取得装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の生体情報取得装置は、被検体から発生した音響波を受信して電気信号に変換する探触子と、前記被検体と前記探触子との間に設けられた被検体保持部材と、前記電気信号から画像情報を取得する処理部と、前記被検体の音速を測定する音速測定手段と、を備える生体情報取得装置であって、前記音速測定手段は、前記探触子から送信された音響波が伝搬する被検体の厚みと、前記音響波を送信してから反射波が受信されるまでの時間と、前記被検体保持部材の音速と、前記被検体保持部材の厚みと、を用いて前記被検体の音速を求め、前記処理部は、少なくとも前記被検体と前記被検体保持部材の音速の違いによって生じる音響波の屈折を補正するため、前記音速測定手段により求められた音速と前記被検体保持部材の音速とに基づく補正テーブルまたは補正式を有し、前記電気信号から取得した前記屈折を考慮しない画像情報を、前記補正テーブルまたは前記補正式に基づいて画素ごとに補正して新たな画像情報を取得することを特徴とする。
本発明では、補正テーブルもしくは補正式を介して新たな画像情報を得ることで、被検体と被検体保持部材との間に生じる音響波の屈折に伴う解像度低下を抑制し、解像度を向上させることができる。さらに、背景技術に記載した、信号加算時に、連立方程式あるいは解析的に屈折角を計算する方法に比べ、計算時間を低減させることができる。
本発明の第一の実施形態におけるシステム構成を説明する模式図である。 本発明の第一の実施形態における信号処理部を説明する模式図である。 本発明の第一の実施形態における屈折に伴う画像の歪みを説明する模式図である。 本発明の第一の実施形態における新たな画像情報を取得する処理部を説明する模式図である。 本発明の第一の実施形態における屈折に伴う画像の歪みを数式で説明するための模式図である。 本発明の第一の実施形態におけるcircular back projection方式について説明する模式図である。 本発明の第二の実施形態における信号処理部を説明する模式図である。 本発明の第二の実施形態における新たな画像情報を取得する処理部を説明する模式図である。 背景技術を説明する模式図である。
被検体と音響波を受信する探触子との間に被検体保持部材が設けられている場合、被検体保持部材の厚さと、被検体保持部材と被検体それぞれの音速から、スネルの法則に従い、音響波の屈折を幾何学的に求めることができる。そこで、画素ごとの位置の変換量を計算し、その位置変換量を補正テーブルまたは補正式として格納する。そして、屈折を考慮せずに取得した画像情報に対して、その補正テーブルまたは補正式によって画素位置を変換して、新たな画像情報を取得する。すなわち、この新たな画像情報が屈折を考慮した画像情報となる。
なお、本発明において音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含み、例えば、被検体内部に近赤外線等の光を照射して被検体内部で発生する光音響波や、被検体内部に超音波を送信して反射された超音波を含む。また、被検体から放出された音響波とは、被検対の少なくともある部分で反射した音響波や、当該部分で発生した音響波を含む。すなわち本発明の被検体情報取得装置とは、被検体内部に光を照射して、被検体内部で発生する光音響波を探触子で受信し、被検体内部の組織画像を表示する光音響装置や、被検体内部に超音波を送受信して、被検体内部の組織画像を表示する超音波装置を含む。探触子は、前記音響波を受信して信号(電気信号)に変換する複数の素子から構成される。被検体保持部材としては、被検体と探触子との間に設けられ、被検体の少なくとも一部の形状を保つものであり、圧迫板、平行平板、プレートと呼ばれるものを含み、表面が曲率を持っていてもよい。
以下、実施の形態について説明する。なお、第一の実施形態はPhotoacoustic tomography(以下、PATと表記)を原理とするPhotoacoustic mammography(以下、PAMと表記)の光音響波の屈折を考慮した画像再構成方法とPAM装置について説明する。そして、第二の実施形態では、超音波装置における超音波の屈折を考慮した例について説明する。
[第一の実施形態]
図1はPAMの構成を示した模式図である。Photoacoustic(光音響波)は、特異的に血液や血管の画像を取得できるため、がんの血管新生を撮影できる。図1はこの原理を乳がんの検診用に適用した構成である。
図1において、プレート1は被検体を固定する平行平板である。圧迫機構2は、二枚のプレート1を相対的に近づけたり遠ざけるように駆動する。これらは、被検体(乳房)をプレート1の間に入れ、圧迫させるためのものである。なお、圧迫機構5はロボット機構を図示したが、これに限定されず、エアシリンダ機構や、万力機構あるいはラックアンドピニオンやウォームギアなどを用いた手動機構でも良い。
照明光学系3は被検体から光音響波を発生させるために、700nmから1100nm程度の波長のレーザ光を照射するための光学系である。なお、レーザ光源ならびに、レーザ光源から照明光学系3までの照明光の引き回しは不図示とした。4は照明光学系を走査させる照明光スキャンユニットである。探触子5は被検体から発せられた光音響波を受信する音響波トランスデューサであり、6は探触子5を走査させる探触子スキャンユニットである。
照明光学系3側のプレート1の材質、アクリルやポリカーボネートのような透光性の樹脂や石英ガラスなどの無機材料が好適である。もう一方の探触子5側の被検体保持部材としてのプレート1は被検体から探触子5までの音響インピーダンスの整合を合わせるため、材質は樹脂が好ましく、特にポリメチルペンテンが好適である。
次に、光音響波を探触子5で受信してから、画像再構成を行うまでの構成について説明する。図2(a)は探触子5が検出した光音響波から被検体情報を画像化するまでの信号の流れを示したものである。図2(a)において、7はADC(A/D変換器)で、探触子5が受信したアナログの信号をディジタル化する。なお、探触子5とADC7の間には信号を増幅するための増幅器を設けることが好ましく、例えば探触子5に内蔵していてもよい。8はメモリで、ディジタル化した信号を一時的に記憶する手段である。そして、9は処理部であり、ノイズ低減のためのフィルタ処理が施され、探触子スキャンユニット6からの信号取得位置情報に基づき画像再構成を行う。10は表示部で、処理部9で画像再構成した画像情報を表示する。
図1および図2(a)で説明したPAM装置において、被検体中を伝播する音速とプレート中を伝播する音速が異なるため、光音響波はその界面で屈折する。例えば、被検体の音速は約1540m/s(乳房の場合約1510m/s)であり、プレート1の材質をポリメチルペンテンとするとその音速は約2200m/sである。ただし、被検体の音速は上記数値を用いても良いが、音速測定手段12であらかじめ音速を測定し、測定した音速を後述の補正テーブル又は補正式を求める際に用いることが好ましい。図2(b)のように、音速測定手段12は、探触子5から、被検体を挟んだ状態のプレート1同士の間に超音波を送信し、反射した超音波を受信するまでの時間tusと二枚のプレート1の距離Lから音速を計算する等の方法を用いて測定すれば良い。なお、図2(b)の場合、被検体の音速は、プレート1の厚さz、プレート1の音速cは既知なので、被検体の音速c=L/(tus/2―z/c)で計算できる。
図3は探触子5の素子を基準とした音響波としての超音波の広がりを示している。なお、図3以降では説明を容易にするため二次元で説明するが、これに限定されず、三次元に拡張することができる。そのため、これ以降の説明では、画素をボクセルと表記する。
従来の画像再構成では光音響波の波面が球面波であることを前提に計算していた。これは図3において、被検体の音速がプレート1の音速と等しいと仮定するとき、破線がその球面波である。しかしながら実際は、被検体の音速の方が遅いため、被検体とプレート1との界面で屈折する。その波面を実線で示した。
すなわち、従来の画像再構成方法を行った後、図3の破線で示した波面から実線で示した波面へ歪むように、各ボクセルを歪ませると光音響波の屈折による補正ができる。つまり、屈折を考慮せずに取得した画像情報をボクセルごとに補正する。なお、図3は超音波の送信の様子であるが、受信の場合も同様に説明できる。
そこで図4に示すように、処理部9に、画像再構成部91と、補正テーブル92と、画像レンダリング部93を設ける。画像再構成部91はメモリ8からのPA信号情報と、探触子スキャンユニット6からの信号取得位置情報に基づき、タイムドメインで代表的なdelay and sum方式やcircular back projection方式、あるいはフーリエドメインによる従来の画像再構成による計算を行う。その際、背景技術で示した特許文献1のようにプレート1と被検体の界面で生じる光音響波の屈折は計算に考慮する必要はない。すなわちこの状態で取得した画像情報を表示すると、光音響波が発生した発生源の形状は歪んでいる。その歪みを補正するため、本発明では、補正テーブル92を持つ。この補正テーブル92は探触子5の素子Eからの距離に応じて歪み量が異なるため、その歪み量をテーブル化しておけばよい。
図5(a)を用いて補正テーブル92について説明する。例えば実線で示した曲線(点Aの連続線)を通るボクセルは、素子Eからの距離Dをθの関数で表せれば良い。そこでβ=sin−1(z/cτ)からβend=π−βまでの点Aが通る曲線を求める。zはプレート1の厚さ、cはプレート1の音速で、ともに既知であるため、界面までの距離がわかる。したがって、その距離の光音響波の伝搬時間τが計算できる。そして、屈折する角度はスネルの法則θ=sin−1(sinθ・c/c)より計算できる。取得したPA信号から光音響波の到達時間をτとし、被検体内を通る時間τ=τ−τで計算でき、屈折した角度方向にc・τだけ伸ばした点を点Aとして求めることができる。また点Aが求まれば、素子Eとの直線を結んだ時の角度θ、点Aまでの距離Dが計算できる。こうすることで、Dはθの関数(D(θ))で表すことができる。また、屈折を考慮しないで画像再構成すると、破線の位置(距離cτ)になるので、角度θについて、D(θ)−cτを歪み量(ボクセル位置変換量)としてボクセルごとに補正させる。なお、補正方法は補正テーブル92に限定されず、補正式による補正でもよい。そして、画像再構成データと補正テーブル92から画像レンダリング部93で歪みが補正された新たな画像情報を求め、表示部10がその新たな画像情報を表示させる。このようにすれば、歪み量を定量的に求めることができる。
なお、上記の通り、少なくとも被検体とプレート1との界面での屈折を補正することで解像度が向上するが、プレート1と探触子5との間には図5(b)に示すように、水や油のような音響マッチング剤を設ける場合がある。さらに、プレート1と被検体との間にもソナーゲルなど音響マッチング剤を設ける場合もある。これらの音速は被検体に近いものの、これらの界面で生じる屈折も補正することが好ましい。特にプレート1と探触子5との間に設けた音響マッチング剤による屈折は補正することが好ましい。この場合、上記Dは、図5(b)より、D(θ)=((Ztanθ+Ztanθ+Ztanθ+(Z+Z+Z1/2、tanθ=(Z+Z+Z)/(Ztanθ+Ztanθ+Ztanθ)から計算ができる。図5(b)において、Zは音響マッチング剤の厚みであり、cは音響マッチング剤の音速である。
また、光音響波の到達時間τ=τ+τ+τである。τは音響マッチング剤中の光音響波の伝播時間であり、τ=Z/(ccosθ)で表される。同じようにプレート中の光音響波の伝播時間τ=Z/(ccosθ)であり、被検体中の光音響波の伝播時間τ=Z/(ccosθ)である。これらの式から、屈折による歪み量は角度θについて、τと音速(例えば被検体の音速c)を掛けた値と、D(θ)と、の差分として計算できる。このように屈折する界面の数が増えても、幾何学的に歪み量を求めることができる。ただし、以降の説明では解像度低下に起因する屈折の内、最も補正の効果の大きい被検体とプレート1での屈折の部分について説明し、プレート1と探触子5との間やプレート1と被検体との間の音響マッチング剤での屈折に関しては説明を省略する。
次に、図6を用いて画像再構成でcircular back projection方式を行う場合の補正方法について説明する。circular back projection方式とは、探触子5の素子が受信した時間τから、音源となる距離を半径として円弧(球面)を描き、各素子について同様に円弧を描いて、その交点を音源(光音響波の発振源)として画像化する方法である。被検体とプレート1で音速が一定(この時の音速をcとする)であれば、破線で示した点Aが交点となり、音源として画像再構成される。しかしながら、実際は被検体よりもプレート1の音速が速く、光音響波がプレート界面で屈折するため、音源は点Bとなる(実線上の点Bが交点となるべきである)。図5を用いて説明した通り、点Bの位置は計算で求めることができ、点Aも半径c・τiからなる円弧の重なりであるので、計算から求めることができる。ただし、実際は被検体とプレート1で音速が異なるため、点線の円弧は図5のように完全に重ならないが、図5では模式的に交点として点Aで表す。
この方法では、あらかじめ点Bに対する点Aの位置と領域の関係を求め、音速を一定として得られた点Aを点Bに位置をずらせば、被検体とプレート1の音速差によって生じる屈折補正した画像情報を取得することができる。つまり、点Aを点Bに移動させるように、すべてのボクセルに対して位置変換量を補正テーブル92にしておけば、音速を一定として画像再構成した後、補正テーブル92に基づき新たな画像情報、すなわち被検体とプレート1の音速差によって生じる屈折補正した画像情報を取得することができる。なお、画像再構成ではcircular back projectionについて説明したが、これに限定されず、他のタイムドメインの画像再構成法や、フーリエドメインでの画像再構成法に対しても、同じ補正テーブル92が適用できる。
なおここまで、プレート1は平面の板を想定して説明してきたが、これに限定されず、その平面度が曲率を持っていても有効である。なお、プレート1の面に曲率がある場合、入射角としてその分を補正テーブル92または補正式に反映させるとさらに良い。さらに図1において、プレート1は二枚の平行平板として説明したが、ここまで説明した被検体情報取得装置は被検体と探触子5との間にプレート1を設けた場合に適用でき、被検体を圧迫することに限定するものではない。
以上のように、あらかじめ補正テーブル92あるいは補正式を設けることで、光音響波の屈折に伴う画像の歪みを補正できるだけでなく、画像再構成時に屈折補正のための複雑な計算を行う必要がなくなり、計算時間を短縮できる。
[第二の実施形態]
第一の実施形態ではPATを原理とするPAM装置について説明した。第二の実施形態では超音波装置に適用した場合の構成ならびに処理方法について説明する。超音波を検体へ向けて送受信する超音波装置でも、超音波探触子と被検体との間にプレートがあれば、超音波は屈折する。一般的に超音波装置はプレート越しに被検体に超音波を送受信することはない。しかしながら、図1のPAM装置の探触子5と並列に超音波探触子を設けた場合、あるいはX線マンモグラフィ装置の圧迫プレートに超音波探触子を設けた場合を想定すると、被検体とプレートとの音速差によって生じる屈折を考慮する必要がある。このような場合を想定して、図7は超音波探触子から被検体に向けて超音波を送信し、被検体から反射した超音波を受信して画像化するまでの信号の流れを示したものである。
図7において、11は超音波を送波するための送信ビームフォーミングなどの処理を行う送信手段である。51は超音波探触子で、送信手段11からの送信信号に基づき超音波を送受信する。94はフィルタ処理や増幅を行うアナログ信号処理部である。7はアナログ信号処理部94で信号処理されたアナログ信号をディジタル化するA/D変換器(ADC)である。8はそのディジタル信号を時系列に格納するメモリ、95はディジタル信号処理部で、メモリ8の受信信号から画像情報を取得し、表示部10に画像情報を表示させる。
超音波装置の場合、ディジタル信号処理部95は図8に示すような構成になる。図8において、96は画像形成部であり、メモリ8の受信信号から、超音波エコーの検波や整相加算など受信ビームフォームングを行い、対数圧縮などの信号処理、ならびに画像処理を行う。この際、整相加算における遅延時間は、被検体とプレート1の音速差を考慮しなくて良い。また、超音波探触子51が二次元アレイの場合、画像形成部96で得られる画像情報は三次元となり、超音波探触子51が一次元アレイの場合、画像形成部96で得られる画像情報は二次元となる。また、探触子スキャンユニット6の信号取得位置情報から、二次元画像をつなぎ合わせて三次元画像情報を所得しても良い。そして、補正テーブル92はボクセル(あるいはピクセル)ごとの歪み量(ボクセル位置変換量)をテーブル化しておき、画像レンダリング部93で画像形成部96の画像情報を補正する。なお、補正テーブル92における補正量の求め方は、第一の実施形態において、図5を用いて説明した方法が適用でき、スネルの法則に基づいて幾何学的に補正量を求めることができる。また、第一の実施形態と同様に、補正方法は補正テーブル92に限定されず、補正式でも良い。
以上のように、第二の実施形態によれば超音波装置でも、被検体とプレート1との音速差によって超音波が屈折することを考慮せずに、画像情報を取得し、その後、画像を補正テーブル92または補正式に従って画素ごとに補正させることによって、画像の歪みを抑制することができる。
1 プレート
2 圧迫機構
3 照明光学系
4 照明光スキャンユニット
5 探触子
51 超音波探触子
6 探触子スキャンユニット
7 ADC
8 メモリ
9 処理部
91 画像再構成部
92 補正テーブル
93 画像レンダリング部
94 アナログ信号処理部
95 ディジタル信号処理部
96 画像形成部
10 表示部
11 送信手段
12 音速測定手段

Claims (5)

  1. 被検体から放出された音響波を受信して電気信号に変換する探触子と、
    前記被検体と前記探触子との間に設けられた被検体保持部材と、
    前記電気信号から画像情報を取得する処理部と、
    前記被検体の音速を測定する音速測定手段と、
    を備える被検体情報取得装置であって、
    前記音速測定手段は、前記探触子から送信された音響波が伝搬する被検体の厚みと、前記音響波を送信してから反射波が受信されるまでの時間と、前記被検体保持部材の音速と、前記被検体保持部材の厚みと、を用いて前記被検体の音速を求め、
    前記処理部は、
    少なくとも前記被検体と前記被検体保持部材の音速の違いによって生じる音響波の屈折を補正するため、前記音速測定手段により求められた音速と前記被検体保持部材の音速とに基づく補正テーブルまたは補正式を有し、
    前記電気信号から取得した前記屈折を考慮しない画像情報を、前記補正テーブルまたは前記補正式に基づいて画素ごとに補正して新たな画像情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
  2. 前記音響波は、前記被検体に光を照射することにより発せられた光音響波であり、前記探触子は、前記光音響波を受信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。
  3. 前記音響波は、前記被検体に送信した超音波が前記被検体中で反射して返ってきた超音波であり、前記探触子は、前記反射して返ってきた超音波を受信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。
  4. 前記被検体保持部材の厚さと、前記被検体保持部材及び前記被検体の各音速と、前記画像情報の画素位置と、からスネルの法則に基づき計算した画素ごとの位置変換量を前記補正テーブルまたは補正式として前記処理部に格納していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
  5. 前記被検体保持部材は、前記被検体を挟むことにより前記被検体を固定し、
    前記音速測定手段は、前記被検体の厚みを、前記被検体を挟んだ状態の前記被検体保持部材同士の距離として、前記被検体の音速を測定することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
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