JP6362420B2 - 被検体情報取得装置、被検体情報取得方法、および、プログラム - Google Patents
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Description
る。指標として輝度を用いた場合の強度非依存情報は、「輝度非依存情報」とも呼べる。これ以降、ボクセル地の強度の代表例として輝度を用いて説明する。
を作成することである。
被検体から発生した音響波に基づいた強度依存三次元画像データを取得し、
前記被検体から発生した音響波に基づいた強度非依存三次元画像データを取得し、
投影方向に存在するボクセルのうち、前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルのボクセル座標を決定し、
前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを前記投影面に投影することにより、投影画像データを取得する、処理手段を備える
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、
被検体から発生した音響波に基づいた強度依存三次元画像データを取得するステップと
、
前記被検体から発生した音響波に基づいた強度非依存三次元画像データを取得するステップと、
投影方向に存在するボクセルのうち、前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルのボクセル座標を決定するステップと、
前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを前記投影面に投影することにより、投影画像データを取得するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得方法である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
被検体から発生した音響波に基づいた強度依存三次元画像データを取得するステップと、
前記被検体から発生した音響波に基づいた強度非依存三次元画像データを取得するステップと、
投影方向に存在するボクセルのうち、前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルのボクセル座標を決定するステップと、
前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを前記投影面に投影することにより、投影画像データを取得するステップと、
を情報処理装置に実行させることを特徴とするプログラムである。
内の初期音圧分布、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。具体的には、酸化・還元ヘモグロビン濃度分布や、それらから求められる酸素飽和度分布などの血液成分分布、あるいは脂肪、コラーゲン、水分の分布などである。また、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、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報を被検体情報としてもよい。
本発明の基本的な実施形態について説明する。本発明は、吸収係数情報や音響インピーダンス分布情報、つまり、輝度依存情報に基づいて投影するボクセルを選択し、そのボクセルの分光情報やカラードプラ情報、つまり輝度非依存情報の値を二次元平面上に投影するものである。まず、構成要素について述べ、次に、実施方法、最後に効果について述べる。
本発明の構成要素について図1を用いて説明する。本発明の装置の構成要素は、光源1、音響検出器2、信号取得装置3、画像作成装置4、表示装置10である。画像作成装置4は、初期音圧分布算出部5、吸収係数分布算出部6、分光情報分布算出部7、投影ボクセル座標取得部8、投影画像作成部9を含む。
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ので、深部の情報を取得できる。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。また、酸素飽和度を算出する場合、異なるタイミングで、複数の異なる波長のパルス光を照射する必要がある。パルス光が被検体に照射されると、血液など被検体中の吸収体から光音響効果によって音響波が生じる。
音響検出器2は、被検体内部で発生し伝播した音響波を電気信号に変換する音響検出素子を含む。光音響トモグラフィーでは、複数の場所からの音響波を受信することによって、三次元イメージングを行うので、単一の音響検出素子を走査させ複数の測定位置に移動させるか、複数の音響検出素子を別々の場所に設置して、複数の測定位置での音響波を受信する。音響検出器2は感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。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器などが挙げられる。ただし、伝播してきた音響波を検出する機能を満たすものであれば、ここに挙げたものに限定されない。音響検出器は、本発明の受信手段に相当する。
信号取得装置3は、音響検出器2で得られた電気信号を増幅、デジタル信号へと変換する。信号取得装置3は、具体的には電気回路から成るアンプやAnalog−digital Converter(ADC)などを含む。効率的にデータを取得するため、音響検出器2の受信素子数と同じだけアンプ及びADCがあることが望ましい。ただし、一つずつ用意したアンプ及びADCを順々につなぎ換えて使用してもよい。
画像作成装置4は、信号取得装置3で得られたデジタル信号から、被検体内部の特性情報を示すデータを二次元平面状に投影した画像を作成する。ここではデータとして、三次元酸素飽和度データを用いる。画像作成装置4は、具体的にはコンピューターやFPGAなどのデジタル信号処理装置などからなり、計算回路やCPUがプログラムに従って動作して情報処理を行う。画像作成装置4は、初期音圧分布算出部5、吸収係数分布算出部6、分光情報分布算出部7、投影ボクセル座標取得部8、投影画像作成部9から構成される。画像作成装置は、本発明の処理手段に相当する。
初期音圧分布算出部8は、デジタル化された信号を再構成して、音源での初期音圧を示す三次元画像である初期音圧分布を作成する。初期音圧分布は光源の波長ごとに一つずつ作成される。再構成の処理方法は、微分処理した信号を、信号を得た位置から逆伝搬させ、重ね合わせるユニバーサルバックプロジェクション法が望ましいが、画像を再構成できる方法ならどのような方法であってもよい。初期音圧分布は、SN比が十分に高ければ、測定対象像とノイズ成分の値域が異なり、両者を見分けることができるので、輝度依存情報である。
吸収係数分布算出部6は被検体に入射した光の減衰を計算し、初期音圧分布を光分布で除算することによって、吸収体の吸収係数分布を作成する。光音響波の初期音圧pは式(1)の関係で表わされるように、光強度φに依存する。
p=Γ・φ・μa …(1)
ここでΓはグリューナイゼン定数、μaは吸収係数である。
ーナイゼン定数で除算しなくても得られる。吸収係数分布は、SN比が十分に高ければ、測定対象像とノイズ成分の値域が異なり、両者を見分けることができるので、輝度依存情報である。
分光情報分布算出部7は、複数の波長によって得られた吸収係数分布を比較処理することによって、吸収体の割合である分光情報の分布を作成する。酸素飽和度を求める場合、複数の吸収係数分布がそろってから演算する必要がある。そこで、第1の波長による測定で吸収係数分布を算出したら、そのデータを装置内部または外部のメモリに格納しておくことが好ましい。そして、第2の波長による測定で得られた吸収係数分布と合わせて演算する。
μa(λ,X)=ε1(λ)・C1(X)+ε2(λ)・C2(X)+…+εN(λ)・CN(X) …(2)
ここで、εn(λ)は波長λにおける吸収体nの吸収係数、Cn(X)は座標Xにおける吸収体nの存在量である。εn(λ)は決まった物性なので、事前に調査しておくことによって得られる。μa(λ,X)は吸収係数分布算出部6によって得られ、Cn(X)は未知数である。N種類の波長のパルス光を用いてそれぞれ吸収係数分布を得ることによって、式(2)がN種類得られ、未知数もN種類なので、連立方程式を解くことによってN種類のCn(X)を取得でき、これが分光情報分布となる。
この存在比率は、SN比が十分高かったとしても、吸収体が存在しない座標の値と吸収体が存在する座標の値が原理的に同じ値域となる。そのため、分光情報分布だけに基づいて吸収体の存在する座標と存在しない座標を見分けるのは困難である。したがって、光音響トモグラフィーにおいて、分光情報は輝度非依存情報である。
投影ボクセル座標取得部8は、三次元画像である吸収係数分布を二次元平面上に投影した際に、寄与したボクセルの座標を取得する。吸収係数分布算出部6では各波長のパルス
光について吸収係数分布が得られており、投影ボクセル座標取得部8で使用する吸収係数分布は一つであるので、得られた吸収係数分布のうち、ここで使用する吸収係数分布を一つに決める必要がある。各吸収体の吸収係数が同じである場合、各吸収体の存在比率によらず得られる吸収係数分布は同じであるので、各吸収体の吸収係数ができるだけ近くなるような波長を選択し、その波長に対する吸収係数分布を用いることが望ましい。また、各吸収体の吸収係数の波長依存性を考慮して、投影させたい波長を選択し、その波長に対する吸収係数分布を用いてもよい。
投影画像作成部9は、分光情報分布算出部7で得られた分光情報分布のうち、投影ボクセル座標取得部8で得られた座標に該当するボクセルの値を取得する。図2(c)に示すような分光情報分布が得られた場合、図2(b)で示されたボクセルの座標に該当する分光情報分布の値を参照し、投影方向に直行するXY平面上の各座標に参照した値を割り当てる。図2(d)が、これにより得られた投影画像である。このような手法によって、観測対象像の分光情報を反映した画像が得られ、測定対象像の三次元の分光情報分布を二次元平面上で把握しやすくなる。
対象像とノイズ成分のボクセルをラベル付けし、観測対象像のボクセルのみを用いて分光情報分布の投影画像を作成することが望ましい。例えば、図2(e)では、図2(a)において最も濃い色に対応するボクセル値(吸収係数値)を所定の閾値としている。そして、所定の閾値より大きい値を持つボクセルを投影画像に使用し、それより低い値をもつボクセルの分光情報値を投影に用いなかった場合の2次元画像である。このとき、分光情報の値をある色分布で表し、観測対象像ではないボクセルは分光情報で使用されていない色に割り当てて画像を作成する。これによって、吸収係数分布の構造に分光情報分布の値を反映させることができ、三次元の構造と特性を二次元上で理解できるようになる。また、ラベル付けは、観測対象像とノイズ成分を分離しやすくなるように画像処理を施した吸収係数分布を用いてもよい。また、ラベル付けは、閾値を用いる方法でなくてもよく、領域分割できる方法であれば何であってもよい。
表示装置10は、投影画像作成部9によって得られた投影画像を表示する装置である。具体的にはディスプレイなどである。画像の表示はカラーであることが望ましいが、白黒であってもよい。表示装置は、情報分布の強度を輝度の強弱として表現できる。
本発明の実施方法について、図3のフローチャートの各ステップに沿って説明する。
まず、光源が、ある波長のパルス光を照射する(S1)。このときの波長λ=λ1とする。そのとき被検体から発生した音響波を、音響検出器が受信し、音響信号(電気信号)に変換する(S2)。次いで、初期音圧分布算出部が、再構成を行って、波長λ=λ1での初期音圧分布を作成する(S3)。吸収係数分布算出部において光分布補正を行って、波長λ1に対する吸収係数分布を作成する(S4)。
本実施形態では、細かい立体構造を把握しやすくするために、三次元画像のうち一部を投影した投影画像を、投影領域を変化させて複数枚作成する方法について述べる。
手動で指定する方法について述べるが、投影量はあらかじめ決めておいてもよいし、三次元データの大きさに合わせて自動的に決めてもよい。
本実施形態の装置によれば、一部の範囲の投影を行うことにより、重なり合う構造物が少なくなるので、輝度非依存情報の細かい立体構造を把握しやすくなる。
本実施形態では、輝度非依存情報の立体構造に加え、その信頼性を把握しやすくなるような表示方法について述べる。
本実施形態の装置は、構成要素自体は実施形態1と同じである。ただし、図5に示すように、吸収係数算出部6から投影画像作成部9への矢印が加わり、投影画像作成部9での処理内容が異なる。
本実施形態の装置によれば、分光情報とその信頼度を示す吸収係数が一目でわかるような投影画像を作成でき、分光情報を理解しやすくなる。
本実施形態では、光音響装置において、分光情報以外の輝度非依存情報を扱う場合につ
いて述べる。
超音波診断装置において、輝度依存情報として音響インピーダンス分布を示す三次元Bモード画像を用い、輝度非依存情報として血液の流れを示すカラードプラ画像を用いる場合について述べる。
T、PVDF、cMUT、ファブリペロー干渉計を用いた音響送受信器などが挙げられる。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、どのようなものでもよい。信号取得装置3は、実施形態1と同様に、受信した電気信号を増幅し、デジタル信号へと変換する。
まず音響送受信器11は、第1の送信音響波を送信し(S12)、被検体から反射してきた第1の反射音響波を受信する(S13)。Bモード画像算出部は、第1の反射音響波を用いてBモード画像を作成する(S14)。次に音響送受信器11は、第1の送信音響波の送信(S12)から一定時間後に第2の送信音響波を送信し(S15)、被検体から反射してきた第2の反射音響波を受信する(S16)。
Claims (21)
- 被検体から発生した音響波に基づいた強度依存三次元画像データを取得し、
前記被検体から発生した音響波に基づいた強度非依存三次元画像データを取得し、
投影方向に存在するボクセルのうち、前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルのボクセル座標を決定し、
前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを投影することにより、投影画像データを取得する、処理手段を備える
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記ボクセル座標に対応する前記強度依存三次元画像データを色相、明度、および、彩度のいずれかに割り当て、前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを色相、明度、および、彩度のうち前記強度依存三次元画像データを割り当てていないもののいずれかに割り当てることにより、前記投影画像データを取得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。
- 前記処理手段は、前記ボクセル座標に対応する前記強度依存三次元画像データを明度に割り当て、前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを色相または彩度に割り当てることにより、前記投影画像データを取得する
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。 - 前記処理手段は、ユーザーからの指示に基づいて、前記投影方向におけるボクセルの範囲を決定する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記投影方向におけるボクセルの範囲をずらすことにより、複数の投影画像データを取得する
ことを特徴とする請求項4に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記投影方向におけるボクセルの範囲を1ボクセルずつずらすことに
より、複数の投影画像データを取得する、
ことを特徴とする請求項4に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記複数の投影画像データを用いて三次元画像データを取得する
ことを特徴とする請求項5または6に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記強度依存三次元画像データの座標系と、前記強度非依存三次元画像データの座標系を対応させる
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記強度依存三次元画像データは、値に応じて前記被検体の内部の測定対象の像とノイズを判別できるデータであり、前記強度非依存三次元画像データは、値に応じて前記測定対象の像とノイズを判別することが困難なデータである
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記強度依存三次元画像データは、初期音圧分布、光エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布、および、Bモード画像、のいずれかであり、前記強度非依存三次元画像データは、前記被検体を構成する物質の存在比率の分布、血管走行情報、および、カラードプラ画像データのいずれかである
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体を構成する物質の存在比率の分布とは、酸素飽和度分布である
ことを特徴とする請求項10に記載の被検体情報取得装置。 - 前記血管走行情報は、血管の角度または太さを含む情報である
ことを特徴とする請求項10に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記投影画像データを表示手段に表示させる
ことを特徴とする請求項1から12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、前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを二次元平面の投影面に投影することにより、前記投影画像データを取得する
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体に光を照射する光源と、
前記音響波を複数の測定位置で受信する受信手段と、
をさらに備え、
前記受信手段は、前記光源から発した前記光により照射された前記被検体から発生した前記音響波を受信し、
前記強度依存三次元画像データは、初期音圧分布、光エネルギー吸収密度分布、および、吸収係数分布のいずれかであり、
前記強度非依存三次元画像データは、前記被検体を構成する物質の存在比率の分布である
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体を構成する物質の存在比率の分布とは、酸素飽和度分布である
ことを特徴とする請求項15に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段は、前記投影方向に前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルが複数存在する場合、当該複数のボクセルのうち、近傍に投影に寄与しているボクセ
ルが存在するボクセルのボクセル座標を前記ボクセル座標として決定する
ことを特徴とする請求項1から16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、前記投影方向に前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルが複数存在する場合、当該複数のボクセルのうち、近傍に同程度の値を持つボクセルがあるボクセルのボクセル座標を前記ボクセル座標として決定する
ことを特徴とする請求項1から16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、前記投影方向に前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルが複数存在する場合、当該複数のボクセルのうち、前記投影方向に最初に存在するボクセルまたは最後に現れるボクセルのボクセル座標を前記ボクセル座標として決定することを特徴とする請求項1から16のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 被検体から発生した音響波に基づいた強度依存三次元画像データを取得するステップと、
前記被検体から発生した音響波に基づいた強度非依存三次元画像データを取得するステップと、
投影方向に存在するボクセルのうち、前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルのボクセル座標を決定するステップと、
前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを投影することにより、投影画像データを取得するステップと、
を有することを特徴とする被検体情報取得方法。 - 被検体から発生した音響波に基づいた強度依存三次元画像データを取得するステップと、
前記被検体から発生した音響波に基づいた強度非依存三次元画像データを取得するステップと、
投影方向に存在するボクセルのうち、前記強度依存三次元画像データの値が最大となるボクセルのボクセル座標を決定するステップと、
前記ボクセル座標に対応する前記強度非依存三次元画像データを投影することにより、投影画像データを取得するステップと、
を情報処理装置に実行させることを特徴とするプログラム。
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