JP6184146B2 - 被検体情報取得装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
p=Γ・φ・μa …(1)
ここでΓはグリューナイゼン定数、μaは光吸収係数である。この式で表わされるように、光吸収体の光吸収係数が大きな値だったとしても、光吸収体に到達する光が少なければ発生する音響波は小さい。逆に、光吸収係数がそれほど大きくない場合でも、光吸収体に到達する光が多ければ発生する音響波は大きくなる。
診断装置は様々な大きさの被検体を診断することを想定して、大きめのサイズで作られる。そして、想定される最大サイズよりも小さい被検体を診断する場合、上記の位置関係が、「パルス光源−(ブランク)−音響波検出器」の順になる場合(場所)がある。つまり被検体がない場所では、音響波検出器の表面に直接光が照射される。また、その他の配
置であっても、反射などによってパルス光が音響波検出器に照射される場合がある。このように直接音響波検出器にパルス光が照射されると、音響波検出器自身による光吸収によって光音響波を生じる。以下の記載では、このような、本来測定すべき被検体以外からの信号を、ノイズと呼ぶ。
光源と、
前記光源からの光の照射を制御する制御手段と、
前記光源から光を照射された被検体から生じる音響波を受信する検出手段と、
前記検出手段が受信した前記音響波を用いて前記被検体の内部の特性情報を生成する処理手段と、
前記被検体の形状を取得する取得手段と、
前記制御手段からの光が照射される範囲である光照射範囲を走査する走査手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記取得手段が取得した前記被検体の形状に基づいて、前記光源から前記被検体に光を照射する際の照射領域を制御し、前記光照射範囲内の走査位置に応じて前記照射領域の形状を変化させる
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、
光源と、前記光源からの光の照射を制御する制御手段と、検出手段と、処理手段と、取得手段と、走査手段と、
を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
前記取得手段が、被検体の形状を取得するステップと、
前記走査手段が、前記光源からの光を光照射範囲において走査するステップと、
前記制御手段が、前記取得手段が取得した前記被検体の形状に基づいて、前記光源から前記被検体に光を照射する際の照射領域を制御するステップと、
前記検出手段が、前記光源から光を照射された前記被検体から生じる音響波を受信するステップと、
前記処理手段が、前記検出手段が受信した前記音響波を用いて前記被検体の内部の特性情報を生成するステップと、
を有し、
前記照射領域を制御するステップにおいて、前記制御手段は、前記光照射範囲内の走査位置に応じて前記照射領域の形状を変化させる
ことを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
光源と、
前記光源からの光の照射を制御する制御手段と、
前記光源から光を照射された被検体から生じる音響波を受信する検出手段と、
前記検出手段が受信した前記音響波を用いて前記被検体の内部の特性情報を生成する処理手段と、
前記被検体の形状を取得する取得手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記取得手段が取得した前記被検体の形状に基づいて、前記光源から前記被検体に光を照射する際の照射領域を制御するものであり、かつ、デジタルミラーデバイスと、反射型液晶素子と、透過型液晶素子と、λ/2板と、の少なくともいずれかを有する制御部材を用いて、前記光源から前記検出手段への光の照射を抑制する
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
本発明の基本的な実施形態について説明する。本発明の特徴である光照射位置の制御について図1を用いて説明する。図1ではZ軸方向を紙面左右方向とし、Y軸方向を紙面垂直方向、X軸方向を紙面上下方向とする。
図1の装置は、制御部材102、保持板A(104)および保持板B(103)、音響波検出器106、パルス光105を照射する光源107、カメラ108、制御装置109を備える。装置の測定対象は、保持板A(104)および保持板B(103)と直接的もしくは間接的に接している被検体101である。
光105
同様に光源107による光照射範囲が狭い場合、光学系(特に、光の出射端)をXY方向に走査することによって、パルス光105を被検体101全体に照射可能になる。
この走査の際に、音響波検出器106もしくはパルス光105が、被検体101の保持板B(104)への正射影領域よりも外側にまで移動すると、光学系と音響波検出器106の間に被検体101が存在しない状態となる。この状態では、音響波検出器106に直接光が照射され、ノイズを発生させる。
以下、本実施形態および後述の実施形態において、光照射領域を制御する具体的な方法について説明する。本実施形態では基本的な概念を説明するために、照射制御を自動的に行う方法について記載する。
なお制御の際は、光が直接音響波検出器に到達するのを防ぐため、多少のマージンを設定することが好ましい。具体的には、図2の点線201で示すように、抽出した輪郭202のやや内側を照射するように制御する。
次いで図3(b)では、被検体が存在する一部の領域のみに光を照射し、残る被検体が存在しない領域においては光を照射しないように制御する。図3(c)に移動しても一部の領域は被検体の外側に位置しているので、その部分で光が照射されないように制御する。
図3(d)〜図3(g)では光照射領域が被検体の内側に入っているので、直接パルス光が音響波検出器に照射されることはない。そのため、全面で光を被検体に照射するように制御する。
図3(j)では、すべての光照射領域が被検体の外側に位置している。そのためパルス光が音響波検出器に直接照射されるのを防ぐために、制御部材102の素子の全面を光照射オフ状態とする制御を行う。
以上のように制御することで、被検体のみに光照射し、被検体以外には光照射しないで済むため、音響波検出器に直接光を照射されることがなくなる。
光源401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、レーザーが望ましいが、発光ダイオードやキセノンランプなどのパルス光源を用いてもよい。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。被検体が生体の場合、光源401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近赤外領域であり、700nm〜1200nm程度が望ましい。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、深部の情報を得ることができる。生体表面部の測定に限定すれば、500〜700nm程度の可視光から近赤外領域も使用してもよい。さらに、パルス光の波長は観測対象に応じて、測定すべき被検体の吸収係数が背景の吸収係数よりも高いこと、など様々な要件を勘案し、適切に設定する。
光学系402は、光源401で発生させたパルス光を制御部材403ならびに被検体404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である。また、これらの光学機器を用いて、パルス光の照射形状や光密度を変更することもある。光学機器はここにあげたものだけに限定されない。被検体に光を所望の形状や密度で照射できれば、どのようなものでもよい。
上述した通り、制御部材は一般的なデータプロジェクターに用いられる素子が利用可能であるので、ここで用いる光学系にもプロジェクター用のものを利用できる。
制御部材403は後述のビデオキャプチャ画像に基づいて光照射領域を制御する。原理はデータプロジェクターに用いるライトバルブと同様であり、所望の領域を設定すればその領域だけに光を照射して、それ以外の領域には光を照射しないようにする。制御部材403として例えば、DMD、透過型液晶素子、あるいはLCOSなどの反射型液晶素子を使用できる。
被検体404は測定の対象である。被検体として、生体または、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。光音響診断装置では被検体の内部に存在する光吸収係数の大きい光吸収体をイメージングできる。被検体が生体の場合、イメージング対象としてはヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが挙げられる。被検体がファントムの場合、上記のイメージング対象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。また、生体は形状、特性に個人差、個体差がある。
カメラ405は被検体の外形を観察し計測する。光照射領域を正確に求めるため、光照射方向とカメラの撮影方向をなるべく一致させることが好ましい。これらを一致させることができない場合には、カメラの設置角度、画角などを考慮して、計算によって光照射領域を導出しても良い。
画像処理装置406は、カメラ405によって得られた画像から被検体の輪郭を抽出して、光を照射すべき領域を導出するための装置である。輪郭抽出は公知のエッジ抽出技術を利用できる。
上述した通り、カメラの撮像方向とパルス光の照射方向とにずれが生じていると、正しく光照射領域を制御することができない。そのため、ずれを補正するための計算アルゴリズムもこの装置に含まれる。また、計算による誤差、あるいは光学系から被検体に照射する光の拡散を考慮してマージンを設定する、すなわち抽出した輪郭とは異なる領域に光照射領域を設定するためのアルゴリズムもこの装置に含まれる。アルゴリズムは、記憶装置に格納されCPU等によって実行されるプログラムとして含まれても良い。
制御装置407は画像処理装置406の演算結果に基づいて、制御部材403の状態を制御する装置である。制御部材403として、DMDやLCOSなどのプロジェクターに用いられるディスプレイデバイスを利用する場合、制御装置407として、一般のディスプレイドライバと同等のものを使用できる。
保持板408は被検体を安定に保持するための部材である。同時に、光音響診断の際に生体内の深部領域を測定するために、被検体に圧力を加えて厚みを減少させる目的で用いても良い。本実施形態では2枚の保持板を用いて被検体を保持する構成を想定しているが、3枚以上の板を用いて保持しても良い。また、被検体を乗せる台座として1枚のみの板を用いることも可能であり、その台座に用いる板も本発明の保持板に含まれる。
2枚の保持板を用いる場合、音響波検出器と被検体の間に保持板(保持板Bと称する)がある場合には、被検体から生じる音響波がなるべく減衰しないような材質を用いることが好ましい。アクリル、PETなどの樹脂を用いることが可能であり、ポリメチルペンテ
ン(商品名:ティーピーエックス)を好適に用いることができる。
もう一方の保持板(保持板Aと称する)については音響波を伝搬させる機能が不要であるので、ガラスや樹脂など、どの様な素材を用いても良い。ただしこの保持板Aを介して光学系から射出される光を被検体に照射する場合には、光透過性の高い素材を用いることが好ましい。
音響波検出器409は音響波を電気信号に変換する装置である。単一の音響波検出器を走査させ複数の場所に移動させるか、複数の音響波検出器を別々の場所に設置して使用する。音響波とアナログ電気信号を変換する受信素子を複数個、一次元または二次元に配置したものであれば、測定時間の短縮やSN比の向上が期待できる。
被検体404内部から発生した音響波を音響波検出器409で受信する際、発生した音響波の反射や減衰を抑制するために、音響波検出器409は、被検体404と音響的に結合されるように設置される必要がある。そのために、音響波検出器409と被検体404の間には音響マッチングGELや水、オイルなどの音響整合材を設けることが望ましい。音響波検出器409が保持板Bを介して被検体に接する場合、保持板との間に音響整合材を配置する。
音響波検出器409は感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。例えば、PZT、PVDF、cMUT、ファブリペロー干渉計を用いた音響波検出器409などが挙げられる。
電気信号処理装置410は音響波検出器409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装置である。効率的にデータを取得するため、音響波検出器409の受信素子数と同じだけAnalog−digital Converter(ADC)があることが望ましい。しかし、一つのADCを時分割で切り替えて使用してもよい。
データ処理装置411は電気信号処理装置410によって得られたデジタル信号を処理して、画像データを再構成する装置である。データ処理装置411として、具体的にはコンピュータ、電気回路などが挙げられる。この時の処理方法は、微分処理した信号を重ね合わせるユニバーサルバックプロジェクション法をはじめとして、画像を再構成できる方法どのような方法でも利用できる。
表示装置412はデータ処理装置411で生成された画像データを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。
まず、ステップS501にて、カメラにより被検体を撮影する。
ステップS502にて、このキャプチャ画像を画像処理装置によって処理して輪郭を抽出し、パルス光の照射範囲を決定する。
ステップS503にて、この情報に基づいて、あらかじめ制御部材を制御しておく。
制御が完了すると、ステップS504にて、光源からパルス光を照射する。
ステップS505にて、光音響効果により発生した音響波を音響波検出器が取得する。このとき、ステップS503での制御によって被検体にのみ光が照射されるため、音響波検出器から光音響波が発生することはない。
ステップS506にて、データ処理装置が、得られた音響波に由来するデジタル信号を処理し、被検体内部の特性情報に基づく画像データを生成する。
ステップS507にて、表示装置が画像データに基づき被検体内部の画像を表示する。
以上の処理フローによれば、音響波検出器表面で音響波を発生しないので、信号上においてノイズを除去でき、画像の画質を向上することができる。
上記の基本的な実施形態では、光を照射する範囲を、画像処理装置におけるカメラ画像の処理結果に基づいて決定した。本実施形態では、手動で光照射範囲を設定する。
この指定された領域に基づいて光を照射することにより、音響波検出器に直接光を照射することなく、ノイズの少ない良好な画像を得ることが可能となる。
上記各実施形態では、照射領域を制御するための構成、すなわち制御部材や光学系に、データプロジェクターに類似した構成を採用した。本実施形態では直視型LCD技術を応用した手法について述べる。
まず一つ目の理由は、通常構成では光利用効率の点で若干暗くなるということである。
二つ目の理由は、照射領域を決定し、液晶ディスプレイ606を制御すると、被検体601の輪郭の外側は完全に遮光された状態となり、カメラ609でも観察することができなくなる。そのため、被検体周辺部の僅かな異状をモニタリングできなくなる。一方、本実施形態のように、偏光板を分離することによって、パルス光611を照射しない領域に関してもカメラ609にて測定状態をモニタリングすることが可能となる。
以上、本実施形態の構成によっても、ノイズの少ない良好な画像を得ることが可能となる。
上記各実施形態は、データプロジェクター技術の応用や液晶テレビ等の直視型ディスプレイを応用したものであるため、簡便で精度が高い反面、若干コストがかかる。また、マトリクス基板を用いるため、開口率が必ずしも100%にはならないことから、パルス光の有効利用に関しては不十分である。
そこで本実施形態では、より低コストで光利用効率の高い構成を記載する。本実施形態を図6に示した実施形態3と比較すると、構成は概ね同一であるが、液晶ディスプレイの代わりに短冊状にカットしたλ/2板を被検体の両側から挿入する点が異なる。
図6と同様に偏光板の吸収軸をX軸およびY軸にとる場合、λ/2板の光軸は、符号703に示すように、X軸から45度方向に設定することが好ましい。これにより、実施形態3と同様に音響波検出器への光照射を抑制できる。また、カメラによる被検体のモニタリングも可能である。
以上、本実施形態の構成によっても、ノイズの少ない良好な画像を得ることが可能となる。
本発明の効果を表す実施例について、上述の基本的な実施形態を採用した場合について図8を用いて説明する。
光源として、Nd:YAGレーザーを用いて波長1064nmのナノ秒オーダーのパルス光を発生するパルス光源を用いる。光源は、音響波検出器と逆の面からDMDを介して被検体にパルス光を照射する。DMDを専用のディスプレイドライバで制御することによって被検体への照射領域を調整できる。またこの光学系はXYステージに接続されており、音響波検出器と同期してXY方向に走査することができるようにする。
なお本実施例では、比較のために、DMD用ディスプレイドライバを適宜制御して、音響波検出器にも光が照射されるような状態で、同様の測定を行う。
図8(b)では、ファントム内部に設置された三本の光吸収体は見えているものの、被検体外形802の外側において、破線803に示すように、大きなノイズが発生している。このノイズは被検体内部の方まで浸食しており、診断には好ましくない。
図8(a)の場合は、被検体外形の外側のノイズは発生せず、光吸収体が浮かび上がっている。また、光吸収体の部分のシグナルノイズ比は、図8(b)では2.8だったのに対し、図8(a)では4.2となり、画質の改善がみられる。
なお、実施形態2〜4にしたがって画像取得を行なっても、本実施例と同様に高い品位の画像が得られる。
また本発明の明細書中では直線偏光を用いて説明を行ったが、円偏光、楕円偏光のパルス光、ならびにそれに対応して適切に設計された偏光板を用いても同様の効果が得られる。
Claims (21)
- 光源と、
前記光源からの光の照射を制御する制御手段と、
前記光源から光を照射された被検体から生じる音響波を受信する検出手段と、
前記検出手段が受信した前記音響波を用いて前記被検体の内部の特性情報を生成する処理手段と、
前記被検体の形状を取得する取得手段と、
前記制御手段からの光が照射される範囲である光照射範囲を走査する走査手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記取得手段が取得した前記被検体の形状に基づいて、前記光源から前記被検体に光を照射する際の照射領域を制御し、前記光照射範囲内の走査位置に応じて前記照射領域の形状を変化させる
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記制御手段の制御に応じて、前記検出手段への光の照射を抑制する制御部材をさらに有し、
前記制御手段は、前記制御部材を用いて、前記光源から前記検出手段への光の照射を抑制する
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。 - 前記被検体を保持する保持手段をさらに有し、
前記検出手段は、前記保持手段を介して前記被検体からの音響波を受信するものであり、
前記制御手段は、前記被検体の前記保持手段への正射影領域の外側において、前記検出手段への光の照射を抑制する
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。 - 前記検出手段は、前記保持手段を介して前記被検体に接し、前記保持手段の上を走査しながら音響波を受信するものである
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。 - 前記取得手段は、前記保持手段に接する前記被検体を撮像するカメラである
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。 - 前記制御手段は、前記取得手段が撮像した画像を処理して前記被検体の輪郭を検出し、前記輪郭に基づいて前記照射領域を制御する
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。 - 前記取得手段が撮像した画像を表示する表示手段と、測定者からの入力を受ける入力手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記表示手段に表示された画像に基づき前記測定者が入力した情報に基づいて前記照射領域を制御する
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。 - 前記制御部材は、デジタルミラーデバイスと、反射型液晶素子と、透過型液晶素子と、λ/2板と、の少なくともいずれかを有する
ことを特徴とする請求項2ないし7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記制御手段は、前記制御手段と前記検出手段との間に配置された前記被検体に対して前記光源からの光を照射する
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記特性情報に基づく再構成により前記被検体の内部の画像データを生成する
ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 光源と、前記光源からの光の照射を制御する制御手段と、検出手段と、処理手段と、取得手段と、走査手段と、
を有する被検体情報取得装置の制御方法であって、
前記取得手段が、被検体の形状を取得するステップと、
前記走査手段が、前記光源からの光を光照射範囲において走査するステップと、
前記制御手段が、前記取得手段が取得した前記被検体の形状に基づいて、前記光源から前記被検体に光を照射する際の照射領域を制御するステップと、
前記検出手段が、前記光源から光を照射された前記被検体から生じる音響波を受信するステップと、
前記処理手段が、前記検出手段が受信した前記音響波を用いて前記被検体の内部の特性情報を生成するステップと、
を有し、
前記照射領域を制御するステップにおいて、前記制御手段は、前記光照射範囲内の走査位置に応じて前記照射領域の形状を変化させる
ことを特徴とする被検体情報取得装置の制御方法。 - 光源と、
前記光源からの光の照射を制御する制御手段と、
前記光源から光を照射された被検体から生じる音響波を受信する検出手段と、
前記検出手段が受信した前記音響波を用いて前記被検体の内部の特性情報を生成する処理手段と、
前記被検体の形状を取得する取得手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記取得手段が取得した前記被検体の形状に基づいて、前記光源から前記被検体に光を照射する際の照射領域を制御するものであり、かつ、デジタルミラーデバイスと、反射型液晶素子と、透過型液晶素子と、λ/2板と、の少なくともいずれかを有する制御部材を用いて、前記光源から前記検出手段への光の照射を抑制する
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記制御手段の制御に応じて、前記検出手段への光の照射を抑制する、前記制御部材をさらに有する
ことを特徴とする請求項12に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体を保持する保持手段をさらに有し、
前記検出手段は、前記保持手段を介して前記被検体からの音響波を受信するものであり、
前記制御手段は、前記被検体の前記保持手段への正射影領域の外側において、前記検出手段への光の照射を抑制する
ことを特徴とする請求項13に記載の被検体情報取得装置。 - 前記検出手段は、前記保持手段を介して前記被検体に接し、前記保持手段の上を走査しながら音響波を受信するものである
ことを特徴とする請求項14に記載の被検体情報取得装置。 - 前記取得手段は、前記保持手段に接する前記被検体を撮像するカメラである
ことを特徴とする請求項14または15に記載の被検体情報取得装置。 - 前記制御手段は、前記取得手段が撮像した画像を処理して前記被検体の輪郭を検出し、前記輪郭に基づいて前記照射領域を制御する
ことを特徴とする請求項16に記載の被検体情報取得装置。 - 前記取得手段が撮像した画像を表示する表示手段と、測定者からの入力を受ける入力手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記表示手段に表示された画像に基づき前記測定者が入力した情報に基づいて前記照射領域を制御する
ことを特徴とする請求項16に記載の被検体情報取得装置。 - 前記制御部材は、前記デジタルミラーデバイスである
ことを特徴とする請求項12に記載の被検体情報取得装置。 - 前記制御手段は、前記制御手段と前記検出手段との間に配置された前記被検体に対して前記光源からの光を照射する
ことを特徴とする請求項12ないし19のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記特性情報に基づく再構成により前記被検体の内部の画像データを生成する
ことを特徴とする請求項12ないし20のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
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