JP6218884B2 - 情報取得装置 - Google Patents
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Description
本実施形態は、本発明における基本的な実施形態である。まず、本実施形態の構成要素の説明を行い、次に本発明の特徴となる音響検出素子の配置方法及び走査方法について説明する。その後、本実施形態の実施方法を説明し、最後に考えられるバリエーションについて述べる。
光源1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、発光ダイオードなどでもよい。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1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対して吸収係数が高いことが望ましい。
光照射装置2は、光源1で発生させたパルス光を被検体3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。また導く際に、これらの光学機器を用いて、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ず、このような機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
被検体3は測定の対象となるものである。具体例としては、乳房等の生体や、装置の調整などにおいては生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。音響特性とは具体的には音響波の伝搬速度および減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数および散乱係数である。被検体の内部には、光吸収係数の大きい光吸収体が存在する必要があり、生体では、ヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが光吸収体となる。ファントムでは、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、本発明において、音響波を受信することにより生成する被検体内部の情報分布とは、光照射によって生じた音響波の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や、吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。
整合層4は、被検体3と音響アレイ検出器5との間の空間を満たし、被検体3と音響アレイ検出器5を音響的に結合させるためインピーダンスマッチング材である。材料は、被検体3と音響検出素子に音響インピーダンスが近く、パルス光を透過する液体が望ましい。具体的には水、ひまし油、ジェルなどが用いられる。後で述べるように被検体3と音響アレイ検出器5の相対位置が変化するため、被検体3、音響アレイ検出器5ともに整合層4をなす溶液中に設置すると良い。
音響アレイ検出器5は音響波を電気信号に変換する音響検出素子が複数集まった検出器である。音響アレイ検出器5は整合層4をなす溶液と接する面に、被検体3を取り囲むように設置される。被検体からの音響波を受信する音響検出素子は感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましいが、具体的にはPZT、PVDF、cMUT、ファブリペロー干渉計を用いた音響検出素子などが挙げられる。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
走査装置6は、音響アレイ検出器5を3次元的に走査(移動)させる装置である。本実施形態では、被検体3は固定であり、走査装置6としてXYZステージを用いることで、音響アレイ検出器を移動(走査)させ、被検体3と音響アレイ検出器5の相対的な位置を変える。ただし、本発明においては、被検体3と音響アレイ検出器5の相対的な位置が変わればよく、音響アレイ検出器を固定し、被検体を走査してもよい。被検体を走査する場合は、被検体を支持する支持部(不図示)を動かすことで被検体を走査する構成が考えられる。さらに、被検体3と音響アレイ検出器5の両方を走査してもよい。また、走査は連続的に行うのが望ましいが、一定のステップで繰り返しても良い。走査装置はステッピングモーターなどを搭載した電動ステージであることが望ましいが、手動ステージでも良い。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、被検体3と音響アレイ検出器5のうち少なくとも一方を移動可能に構成させているものであれば、どのようなものであってもよい。
走査制御装置601は、走査装置の制御を行い、被検体3と音響アレイ検出器5とを相対的に移動させる。具体的には、走査制御装置601は、走査装置6の移動速度や方向を決定し、走査装置6に指示する。また、走査装置6の移動速度や方向に関する情報をデータ処理装置8に出力する。
電気信号処理装置7は音響アレイ検出器5から出力されたアナログの電気信号(受信信号)を増幅し、デジタル信号(デジタルの受信信号)へと変換する機能を備える。効率的にデータを取得するため、音響アレイ検出器に設けられた検出素子数と同じだけAnalog−digital Converter(ADC)があることが望ましいが、一つのADCを順々につなぎ換えて使用してもよい。
データ処理装置8は電気信号処理装置7によって得られたデジタル信号を処理することによって、画像データを生成(画像再構成)するものである。データ処理装置として、具体的にはコンピュータ、電気回路などが挙げられる。画像再構成手法としては、例えば、フーリエ変換法、ユニバーサルバックプロジェクション法やフィルタードバックプロジェクション法、逐次再構成法(iterative method)などがある。本発明においてはどのような画像再構成手法を用いても構わない。
表示装置9はデータ処理装置8で生成された画像データを画像として表示するものである。具体的には液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等が挙げられる。なお、表示装置は、本発明の音響波取得装置とは別に提供されていても良い。
ここで、Rは許容できる分解能、RHは最高分解能、r0は音響検出素子を配置する球の直径、Φdは音響検出素子501の直径である。この高分解能領域と被検体との相対的な位置を変化させ、再構成を行うことによって分解能の均一化を図る。本発明では、最高分解能領域と被検体との相対的な位置を変化させることにより、結果的に、高分解能領域と被検体との相対的な位置を変化させる。
ここでa,b,cはそれぞれx軸、y軸、z軸方向の径の半分の長さに相当する。なおa=b=cである楕円体は真球である。またa,b,cのうちいずれか2つが等しい楕円体は楕円の軸を中心に楕円を回転して得られる回転楕円体であり、本発明の球は、回転楕円体も含む。楕円体は球と同様にxy平面、yz平面、zx平面に関して対称である。
図3(b)の位置まで来たら、音響アレイ検出器5全体を紙面下へ走査し、図3(c)の状態になる。続いて、走査と信号取得を図3(d)の位置関係になるまで行う。これを一つの平面内(XZ平面内)全域で行った後、紙面奥行き方向(Y方向)に音響アレイ検出器5の位置をずらし、同様に走査と信号取得を行う。
特に、高分解能領域301と被検体3との相対位置が、高分解能領域の大きさ(直径)と等しい距離分だけ変化する間に、少なくとも一回はパルス光が照射されるよう、音響アレイ検出器5を移動させることが好ましい。これは、高分解能領域が、高分解能領域の大きさと等しい距離を移動する間に、少なくとも1回は受信信号を取得することを意味する。
(信号減衰補正)
本実施形態では、受信信号を補正する形態について説明する。音響波が被検体中や整合層中を伝播する場合、音響波の強度が減衰する。また、音響アレイ検出器5の走査位置によって、発生した音響波の発生位置から音響検出素子501までの経路中における被検体中を伝搬する距離と整合層中を伝搬する距離が異なる。被検体と整合層とが、生体と水とから夫々構成される場合など、夫々の減衰率が異なる場合、コントラストが正しく算出されないことがある。よって、本実施形態では、異なる強度減衰を補正する手法について述べる。
(屈折補正)
本実施形態では、界面での音響波の屈折を考慮して信号を補正することを特徴とする。
整合層4は被検体3と近い音響インピーダンスを持つことが望ましいが、実際には完全に一致させることは難しい。よって、音響インピーダンスは音響波の伝播速度と密度との積であるために、整合層4と被検体3は音響波の伝搬速度が異なることがある。その場合、音響波の屈折が起こり、分解能を低下させてしまう。ここでは、屈折を補正し分解能を向上させる方法について述べる。
(リアルタイムに表示)
実施形態1で示した再構成は全信号を取得した後にまとめて再構成を行うものであったが、測定時間が長いと測定結果は最後になるまで確認できない。また、測定を失敗している場合には時間を無用に消費してしまう。そこで、本実施形態では、リアルタイムに結果を表示させる手法について述べる。
2 光照射装置
3 被検体
4 整合層
5 音響アレイ検出器
6 走査装置
7 電気信号処理装置
8 データ処理装置
9 表示装置
10 被検体保持具
11 形状取得装置
Claims (23)
- 被検体からの音響波を受信して、該被検体に関する情報を取得する情報取得装置であって、音響波を受信して受信信号を出力する複数の検出素子が、該複数の検出器の受信面の向く方向が集まるように設けられた検出器と、
前記被検体と前記検出器のうち少なくとも一方を移動させることにより、前記被検体に対する前記検出器の相対位置を変化させる走査部と、
前記被検体の境界に関する情報を取得する境界情報取得部と、
前記被検体に関する情報を取得するために、前記境界に関する情報と、前記走査部により前記相対位置を変えて取得した複数の前記受信信号と、を用いた信号処理を行う信号処理部と、
を備えることを特徴とする情報取得装置。 - 前記検出器は前記被検体側の面が球面の容器を含んで構成され、
前記複数の検出素子は、前記球面に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の情報取得装置。 - 前記走査部は、前記被検体と前記検出器のうち少なくとも一方を2次元的に移動させることを特徴とする請求項1又は2に記載の情報取得装置。
- 前記走査部は、前記被検体と前記検出器のうち少なくとも一方を3次元的に移動させることを特徴とする請求項1又は2に記載の情報取得装置。
- 前記走査部の移動を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記被検体を保持する保持部材を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記被検体の外形を測定する形状測定装置を有し、前記外形に基づいて前記境界に関する情報を取得することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記複数の検出素子は半球面状に配置され、
前記複数の検出素子からなる半球面の直径は前記保持部材の外側の直径の2倍以上であることを特徴とする請求項6または7に記載の情報取得装置。 - 前記保持部材は、前記被検体の少なくとも一部が挿入される凹部を有することを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記保持部材は、厚みが0.1mm以上かつ5mm以下であることを特徴とする請求項6乃至9のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記制御装置は、前記複数の検出素子の配置により定まる前記検出器の分解能の勾配がある方向に前記被検体と前記検出器のうち少なくとも一方を移動させるよう前記走査部を制御することを特徴とする請求項5に記載の情報取得装置。
- 前記制御装置は、前記被検体と前記検出器のうち少なくとも一方の移動と、前記音響波の受信とを所定の時間間隔で行わせることを特徴とする請求項11に記載の情報取得装置。
- パルス光を発生させる光源をさらに備え、前記音響波は前記被検体に前記光源が発生させたパルス光を照射することにより被検体で発生する音響波であり、
前記制御装置は、前記相対位置が、前記複数の検出素子の配置により定まる高分解能領域の大きさと等しい距離分だけ変化する間に、少なくとも一回は前記パルス光が前記被検体に照射されるよう、前記走査部の移動を制御することを特徴とする請求項12に記載の情報取得装置。 - 前記パルス光は、500nm〜1200nmの波長の光であることを特徴とする請求項13に記載の情報取得装置。
- 前記光源は、レーザーあるいは発光ダイオードであることを特徴とする請求項13又は14に記載の情報取得装置。
- 前記信号処理部は、前記被検体と前記検出器のうち少なくとも一方の移動により各位置で得られた複数の受信信号を用いて前記情報を生成することを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記複数の検出素子から出力される受信信号をデジタル信号に変換するAD変換部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記AD変換部は、前記複数の検出素子と同数のAD変換器を有することを特徴とする請求項17に記載の情報取得装置。
- 前記AD変換部は、前記複数の検出素子の数よりも少ない数のAD変換器を有することを特徴とする請求項17に記載の情報取得装置。
- 前記AD変換器と前記複数の検出素子との接続を切り替えることを特徴とする請求項19に記載の情報取得装置。
- 前記信号処理部は、前記境界に関する情報に基づいて補正処理を行うことを特徴とする請求項1乃至20のいずれか1項に記載の情報取得装置。
- 前記信号処理部は、前記補正処理として、前記音響波の音響減衰率の補正を行うことを特徴とする請求項21に記載の情報取得装置。
- 前記信号処理部は、前記被検体と前記被検体以外の領域との音速に関する情報を用いて前記補正処理を行うことを特徴とする請求項21に記載の情報取得装置。
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