JP5988598B2 - 被検体情報取得装置および被検体情報取得方法 - Google Patents
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Description
P=Γ・μa・Φ …(1)
ここで、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。μaは吸収体の吸収係数、Φは局所的な領域での光量(吸収体に照射された光量)である。
グリューナイゼン係数Γは、組織が決まれば、ほぼ一定の値をとることが知られている。よって、音響波の大きさである音圧Pの変化を複数の個所で時分割測定することにより、吸収係数μaと光量Φの積、すなわち、光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。
光源からの光を被検体に照射する複数の光照射部と、
前記複数の光照射部ごとに、照射される光の強度を変調させる強度変調部と、
前記光を照射された被検体から発生する音響波を検出する複数の音響検出部と、
前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を生成する情報処理部と、
を有し、
前記情報処理部は、前記強度変調部により変調された、前記複数の光照射部それぞれの光の強度の組み合わせに応じて、前記特性情報の生成における前記複数の音響検出部ごとの比重の組み合わせを設定し、前記比重の組み合わせ毎に画像を生成し、前記比重の組み合わせ毎に生成された複数の画像を組み合わせた画像を生成する
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
複数の光照射部が、光源からの光を被検体に照射する光照射ステップと、
強度変調部が、前記複数の光照射部ごとに、照射される光の強度を変調させる強度変調ステップと、
複数の音響検出部が、前記光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響検出ステップと、
情報処理部が、前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を生成する情報処理ステップと、
を有し、
前記情報処理ステップは、前記強度変調部により変調された、前記複数の光照射部それぞれの光の強度の組み合わせに応じて、前記特性情報の生成における前記複数の音響検出部ごとの比重の組み合わせを設定し、前記比重の組み合わせ毎に画像を生成し、前記比重の組み合わせ毎に生成された複数の画像を組み合わせた画像を生成する
ことを特徴とする被検体情報取得方法である。
ン濃度分布などである。そして、特性情報に基づき、被検体内部の画像化、すなわち画像再構成を可能とする。すなわち、本発明の生体情報処理装置は、被検体情報取得装置と呼ぶこともできる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る生体情報処理装置の構成を示したものである。図1に基づいて、本発明の第1実施形態について説明する。
生体情報処理装置は、光源102と、光学カップラ103と、音響波検出器106と、光量測定部107と、再構成部108と、表示部109と、制御部110と、強度変調部111と、固定部材112を備える。またここでは、測定対象となる被検体(被写体)は生体110とする。
光源は生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の光を発生する。光源としては数ナノから数百ナノ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源を少なくとも一つは備える。光源としてはレーザーが好ましいが、レーザーのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザーとしては、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レーザーを使用することができる。使用する波長に関しては、生体内において吸収が少ない700nm以上、1100nm以下の近赤外領域の光が好ましい。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば400nm以上、1600nm以下の波長領域を使用することも可能である。光源102が半導体レーザーである場合は、強度変調は電流或いは電圧制御により簡便に行うことができる。
制御部110は、音響波検出器106、光量測定部107と強度変調部111の制御を行う。制御部110による制御方法は複数種類ある。本発明の情報処理部は、再構成部や制御部に相当するものであり、プロセッサを備えてプログラムに従って動作する情報処理装置等により実現可能である。
図4に、本発明の概略的なフローチャートを示す。本図において、ステップS100〜S103は準備段階の処理であり、ステップS104〜S107において実際の光音響測定と生体内の画像化が行われる。
次に、各光学カップラ103ごとに光量分布を測定する(ステップS101)。詳細な内容については後述するが、この処理において、各光学カップラから照射された光が、生体内を画像化する際の画素においてどの程度の光量になるかが推定される。
次に、照射される光量の組合せPmを決定する(ステップS102)。すなわち、各光学カップラにより実際に生体に照射される光量が決定される。
次に、各Pmに対する再構成重み係数Amを決定する(ステップS103)。
次に、再構成画像Imを光量分布推定に従って補正する。具体的には、再構成画像Imを推定した光量分布で割ることにより光量分布を補正する(ステップS105)。
そして、光量Pmを変えつつ、S104、S105を規定回数であるM回繰り返す(ステップS106)。
サイドに、補正された再構成画像Imを平均化することで最終再構成画像が得られる(ステップS107)。
上記フロー中の個別処理について、より詳細に検討する。
本発明の課題である、音響波検出器の近傍で光照射が行われることによる雑音の混入への対策として、単純な方法としては、光照射する光学カップラ近傍の音響波検出器が取得した音響データを画像再構成に使用しないやり方がある。あるいは、光学カップラ近傍の音響検出器による音響データの再構成画像に対する寄与度を下げるやり方がある。
一方、光学カップラ103−3から光照射する場合は、近傍の音響波検出器106−4や音響波検出器106−5の音響データを使用せずに画像再構成する(表1のT=3)。光学カップラ103−2、103−4から光照射するときも同様に、近傍の音響検出器の音響データを使用しない。
なお上記表1の例では、再構成に使用する音響波検出器の重み=1、再構成に使用しない音響波検出器の重み=0と解釈できる。例えばT=1では、音響波検出器106−1と106−8が重み0、音響波検出器106−2〜7は重み1であると解釈できる。
表2ではこのような重みの付け方を示している。重みの決定の判断材料の一つに、光照射する光学カップラから各音響波検出器までの距離を用いることができる。すなわち、光学カップラからの距離が近い音響波検出器は雑音が入りやすいため重みを下げる(T=1のときの106−1と106−8)。別の判断材料として、光学カップラから入射する光の到達距離がある。すなわち、光学カップラから距離が離れるほど到達する光量が少なくなるため、そのような部位の重みを低くする(T=1のときの106−4と106−5)。そして、複数の再構成画像を加算するときに互いに画像を補う。
続いて、本発明のさらなる課題である、生体内での光量の均一化について述べる。このときの光量推定処理は実際の光音響測定に先立って行われる(S101)が、必ず実施されるとは限らない。実際の測定値から光量を推定する代わりに、生体における標準的な光伝播に基づいて光量値を定めても良い。単純に上記の重み処理を行うだけでも、本発明の雑音低減の効果は得られる。
実際の光音響測定時には、複数の光学カップラから同時に光を照射しても良いし、個別に照射することもできる。前者の場合、各光学カップラについて推定した光量を合わせることにより、同時に照射した場合の生体内での光量分布を求められる。各光学カップラから照射される光量は、強度変調部111で制御することが可能である。従って生体内での光量についても、推定値に基づいて強度変調部を制御することにより、補正することが可能である。
Φ=Φ0・exp(−μ・d1) …(2)
ここで、Φ0は入射光量、μは光入射位置から光量測定部までの生体の平均減衰係数、d1は光入射位置から光量測定部までの距離である。
プラ103と光量測定部107が配置されている。中心付近にある画素Xの光量は未だに推定されていない。光量測定部107から光学カップラ103に逆投影したラインを光線Rn(n=1..Nであり、Nは光量測定部に含まれる光検出器の数)と置く。ある光学カップラ103から照射した場合の光線は、光量測定部107を構成する光検出器の数だけあるものとする。
XL=(Ri(L)+Rj(L))/2 …(3)
光量の代入がされていない画素全てに対して、式(3)が計算される。ただし、画素によっては、Rn(L)を外挿によって便宜的に求める必要がある。また、光量推定の精度をより向上させたい場合、光学カップラから画素までの線と光学カップラから光検出器までの線がなす角度に応じて数式を適宜変更しても良い。
続いて、複数光源から同時に光を照射する場合に、生体内での光量分布を均一化する手段を説明する。光量分布の均一化に際しては、厳密な解を求める必要はなく、近似的な解で十分である。これは、図1および図2の構造から分かるように、生体の中心部は光量が必然的に小さくなり、厳密に均一化することは難しいからである。ところで、光量分布を均一化した場合においても、音響波検出器が光学カップラから受ける雑音を考慮する必要がある。生体内での光量分布の均一性を評価する評価関数には種々の式が考えられる。この実施形態では、3次元メモリ内の特定の場所(複数個)の光量と平均光量との差分を最小にする評価関数を使用する。
Bxyz=Fxyz(P1,P2,P3,P4) …(4)
ここで、Fxyzは、座標(X,Y,Z)での光量を決める関数で、P1、P2、P3、P4の一次関数である。この一次関数の係数は、各光学カップラ103に対する光量分布推定で決定される。
Ba=1/N・ΣFi(P1,P2,P3,P4) …(5)
ここで、i=1..Nで、Nは生体100内に含まれる座標である。
H=Σ(Ba―Fj(P1,P2,P3,P4))2 …(6)
ここで、j=1..Kで、生体100内の特定の座標を表している。特定の座標は、生体100内に均等に分布するように選択される。Kは光学カップラの個数に合わせる。本実施形態では光学カップラが4つであるので、K=4とすれば、評価関数Hを最小にするP1、P2、P3、P4を決定できる。
H/∂Pj=0, (j=1..K) …(7)
特定の座標の組合せ(本実施形態では要素は4個)毎に、式(7)を満たすP1、P2、P3、P4を決定することができる。
特定の座標の組合せとして、複数組を選択しておく。各組合せをSm(m=1..M)と置くと、各Smに対して、4つの光学カップラそれぞれからの出力強度Pm=(Pm1、Pm2、Pm3、Pm4)が決定される。
Aj=C・ΣPi・(Lij2) …(8)
ここで、J=1..8である。Cは係数で、ΣAj=1になるように決定される。Pm、Amが決定された後に、Pm(m=1..M)が時系列に駆動されて、決定されたAmに依存した再構成画像Imが作成される。
図5は、光量分布推定S101、異なる光量Pmで光照射して、再構成画像Imが再構成されるタイムチャートを表している。
本タイムチャートの左側は、実際の光音響測定の前の準備段階であり、上述のフローチャートのS101〜S103に対応している。まず、各光学カップラ103−1〜4のそれぞれが強度の定まった光を照射し、光量測定部による測定と、制御部による光量分布推定が行われる。各光学カップラによる測定後、光量の組み合わせPmと重み係数Amが求められる。
特に光源としてレーザー光源を用いた場合、生体の安全を確保するために照射される光量や出力を把握する必要がある。本発明の第2実施形態として、光による生体へのダメー
ジを抑制する方法について述べる。
光量Pmから予定される光量分布推定をもとに制御部で制御を行うことにより、単位時間当たりの入射光量を所定値以下抑制することが可能になる。所定値とは例えば安全基準の規定に基づく値がある。また光量を平均化することにより、安全基準に従いながらも、可及的に光量を強められるので、より良好な再構成画像を得ることができる。
また、光量を適切に制御することにより、被写体に与えるダメージを抑制することもできる。
したがって本発明は、光音響効果を利用する技術、とりわけ人間や動物の生体情報イメージング分野で好適に使用することができる。
Claims (12)
- 光源からの光を被検体に照射する複数の光照射部と、
前記複数の光照射部ごとに、照射される光の強度を変調させる強度変調部と、
前記光を照射された被検体から発生する音響波を検出する複数の音響検出部と、
前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を生成する情報処理部と、
を有し、
前記情報処理部は、前記強度変調部により変調された、前記複数の光照射部それぞれの光の強度の組み合わせに応じて、前記特性情報の生成における前記複数の音響検出部ごとの比重の組み合わせを設定し、前記比重の組み合わせ毎に画像を生成し、前記比重の組み合わせ毎に生成された複数の画像を組み合わせた画像を生成する
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記情報処理部は、前記複数の音響検出部のそれぞれが検出した音響波のうち、光を照射した前記光照射部に近い音響検出部が検出したものほど、前記特性情報の生成における比重を低くする
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。 - 前記情報処理部は、前記被検体内の光量分布に基づいて、前記特性情報の生成における前記複数の音響検出部ごとの比重を制御する
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。 - 前記光照射部から照射された後、前記被検体内を伝播した光の強度を測定する光量測定部をさらに有し、
前記被検体内の光量分布は、前記光量測定部の測定結果から推定されたものである
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。 - 前記強度変調部は、前記被検体内の光量分布に基づいて、前記複数の光照射部ごとの光の強度を変調させることにより、前記被検体内の光量のばらつきを低減させる
ことを特徴とする請求項3または4に記載の被検体情報取得装置。 - 前記強度変調部は、前記被検体内の光量分布に基づいて、前記複数の光照射部ごとの光の強度を変調させることにより、単位時間あたりに前記被検体に照射される光量を所定値以下とする
ことを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 複数の光照射部が、光源からの光を被検体に照射する光照射ステップと、
強度変調部が、前記複数の光照射部ごとに、照射される光の強度を変調させる強度変調ステップと、
複数の音響検出部が、前記光を照射された被検体から発生する音響波を検出する音響検出ステップと、
情報処理部が、前記音響波を用いて前記被検体内部の特性情報を生成する情報処理ステップと、
を有し、
前記情報処理ステップは、前記強度変調部により変調された、前記複数の光照射部それぞれの光の強度の組み合わせに応じて、前記特性情報の生成における前記複数の音響検出部ごとの比重の組み合わせを設定し、前記比重の組み合わせ毎に画像を生成し、前記比重の組み合わせ毎に生成された複数の画像を組み合わせた画像を生成する
ことを特徴とする被検体情報取得方法。 - 前記情報処理ステップは、前記複数の音響検出部のそれぞれが検出した音響波のうち、光を照射した前記光照射部に近い音響検出部が検出したものほど、前記特性情報の生成における比重を低くする
ことを特徴とする請求項7に記載の被検体情報取得方法。 - 前記情報処理ステップは、前記被検体内の光量分布に基づいて、前記特性情報の生成における前記複数の音響検出部ごとの比重を制御する
ことを特徴とする請求項7または8に記載の被検体情報取得方法。 - 光量測定部が、前記光照射部から照射された後、前記被検体内を伝播した光の強度を測定する光量測定ステップをさらに有し、
前記被検体内の光量分布は、前記光量測定部の測定結果から推定されたものである
ことを特徴とする請求項9に記載の被検体情報取得方法。 - 前記強度変調ステップは、前記被検体内の光量分布に基づいて、前記複数の光照射部ごとの光の強度を変調させることにより、前記被検体内の光量のばらつきを低減させる
ことを特徴とする請求項9または10に記載の被検体情報取得方法。 - 前記強度変調ステップは、前記被検体内の光量分布に基づいて、前記複数の光照射部ごとの光の強度を変調させることにより、単位時間あたりに前記被検体に照射される光量を所定値以下とする
ことを特徴とする請求項9ないし11のいずれか1項に記載の被検体情報取得方法。
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