JP6544910B2 - 情報処理装置、被検体情報取得装置及び音速決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、情報処理装置、被検体情報取得装置及び音速決定方法に関する。

医療診断の目的で、音響波を利用して測定対象である被検体の内部を画像化する装置として、光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を利用した装置が提案されている。光音響トモグラフィー装置は、レーザパルス光を被検体に照射し、被検体内の組織が照射光のエネルギーを吸収した結果生じる光音響波を探触子で受信する。そして、光音響波から変換された電気信号を用いて、被検体内部の光学特性値に関連した情報を画像化する。

光音響トモグラフィー装置は、画像を生成する際に、光を照射された被検体内で音響波が発生してから探触子に到達するまでの時間と、被検体内での音響波の伝播速度（音速）とを用いる。その際、被検体内の音速が均一であることを前提とすれば、情報処理は簡便になる。しかしながら実際の生体内の音速は不均一であるため、このような前提を用いた場合、画像のコントラストおよび解像度が低下するおそれがある。

特許文献１には、指定した領域からの光音響波信号のバラつきをもとに被検体の音速を求めて、その音速をもとに画像化を行う技術が開示されている。

特開２０１１−１２０７６５号公報

特許文献１では、画像化前の光音響信号の位相が揃う音速を求めることで指定領域の音速を求め、その音速をもとに画像を生成している。そのため、被検体内部を実際に画像化した際に、領域ごとに微小な差異が生じ、部分的な不連続や歪曲が生じる場合があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光音響トモグラフィーにおいて被検体内部の音速を精度良く求めることにより、良好な画像生成を行うことにある。

本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
光が照射された被検体から発生する音響波に基づいて音速を決定する情報処理装置であって、
第一領域と、前記第一領域との共通領域を有する第二領域と、を少なくとも含む互いに異なる複数の小領域を設定する領域設定部と、
複数の音速を設定する音速決定部と、
前記複数の音速ごとに、前記音響波を受信することにより生成された電気信号を用いて前記第一領域の第一画像を取得し、前記複数の音速ごとに、前記電気信号を用いて前記第二領域の第二画像を取得する画像化処理部と、
前記複数の音速のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第一画像と、前記複数の音速のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第二画像との間のずれ量、画素強度の差、相関の指標値の少なくとも一つを示す比較特徴量を取得する特徴量取得部と、
を有し、
前記音速決定部は、前記共通領域における前記比較特徴量を用いて、前記第一領域に対する最適音速および前記第二領域に対する最適音速を決定する
ことを特徴とする情報処理装置である。
また、上記目的を達成するために、本発明である被検体情報取得装置は、
上記の情報処理装置と、
光源と、
前記光源からの光が前記被検体に照射されることにより発生する音響波を受信することにより前記電気信号を出力する探触子と、
を有することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明である音速決定方法は、
光が照射された被検体から発生する音響波に基づいて音速を決定する音速決定方法であって、
第一領域と、前記第一領域との共通領域を有する第二領域と、を少なくとも含む互いに異なる複数の小領域を設定し、
複数の音速を設定し、
前記複数の音速ごとに、前記音響波を受信することにより生成された電気信号を用いて前記第一領域の第一画像を取得し、
前記複数の音速ごとに、前記電気信号を用いて前記第二領域の第二画像を取得し、
前記複数の音速のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第一画像と、前記複数の音速
のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第二画像との間のずれ量、画素強度の差、相関の指標値の少なくとも一つを示す比較特徴量を取得し、
前記共通領域における前記比較特徴量を用いて、前記第一領域に対する最適音速および前記第二領域に対する最適音速を決定する
ことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明であるプログラムは、上記の音速決定方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明によれば、光音響トモグラフィーにおいて被検体内部の音速を精度良く求めることにより、良好な画像生成を行うことができる。

光音響トモグラフィー装置の構成を示す図 領域設定部の設定する領域の模式図 実施の形態に係る第一の音速算出フローを示す図 実施の形態に係る第二の音速算出フローを示す図 第一の実施例に係る処理フローを示す図 第一の実施例に係る第一の音速分布を示す図 第一の実施例に係る第二の音速分布を示す図 第一の実施例に係る光音響トモグラフィー装置の効果を示す図 第二の実施例に係る処理フローを示す図 第二の実施例に係る第二の音速分布を示す図

以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

本発明は、被検体から伝播する音響波を検出し、被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本発明は、被検体情報取得装置またはその制御方法、あるいは被検体情報取得方法や信号処理方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法をＣＰＵ等のハードウェア資源を備える情報処理装置に実行させるプログラムや、そのプログラムを格納した記憶媒体としても捉えられる。本発明はまた、音響波測定装置やその制御方法としても捉えられる。

本発明の被検体情報取得装置は、被検体に光（電磁波）を照射し、光音響効果に従って被検体内または被検体表面で発生して伝播した音響波を受信（検出）する、光音響トモグラフィー技術を利用した装置を含む。このような被検体情報取得装置は、光音響測定に基づき被検体内部の特性情報を画像データ等の形式で得ることから、光音響撮像装置や、光音響トモグラフィー装置と呼べる。

光音響装置における特性情報は、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、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。

本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。探触子により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼び、光音響波に由来する音響信号を特に光音響信号と呼ぶ。
本発明における被検体としては、生体の乳房が想定できる。ただし被検体はこれに限られず、生体の他の部位や、非生体材料の測定も可能である。

［基本的な実施例］
以下、本発明の基本的な実施例について、装置構成と機能、処理フローを説明する。

＜装置構成＞
図１において光音響トモグラフィー装置は、光源１０１、光照射部１０２と音響整合材１０３、探触子アレイ１０５、探触子１０６、不図示の探触子スキャン駆動部およびスキャン制御部を備える。測定対象は被検体１０４である。光音響トモグラフィー装置は、また、信号処理部１０７、信号メモリ１０８、画像化処理部１０９、領域設定部１１０、音速決定部１１１、表示部１１２、特徴量決定部１１３を備える。また操作者が指示内容の入力や数値指定をする入力手段を設けることが好ましい。

（光照射）
光源１０１は、パルス光を発生させ、光照射部１０２により被検体１０４に照射する。パルス光を照射された被検体内部や表面の吸収体からは光音響波が発生する。
光源１０１はナノ秒オーダーのパルス光を発生させるものが好ましい。照射光の波長は、被検体内部の深部まで光を到達させるために、ヘモグロビンやコラーゲン等に吸収されにくい７００ｎｍ以上であることが好ましい。また、被検体内部の構成物ごとに光吸収スペクトルが異なることに鑑み、光源１０１として、画像化する構成物に応じて波長を変えられる波長可変レーザーを用いると良い。

光源１０１として大出力を得るために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ても良い。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。照射のタイミング、波形、強度などは、不図示の光源制御部によって制御される。
また、光を光源から被検体に導くために、光を反射するミラーや、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズ、光を分散・屈折・反射するプリズム、光を伝播させる光ファイバ、拡散板等の光学部材を用いても良い。これら光学部材の端部に光照射部１０２が配置される。

（音響波受信）
探触子アレイ１０５上の探触子１０６は、音響整合材１０３を伝播した光音響波を受信する。探触子１０６は、音響波を受信する素子を１つ以上有する検出器である。探触子の面内に素子が複数並べられていれば、一度に複数の位置で信号を取得できる。これにより、受信時間の短縮、被検体の振動などの影響の低減、ＳＮ比向上などの効果が得られる。
探触子１０６は、音響波を受信し、電気信号に変換して出力する。探触子に用いられる素子には、圧電現象を用いた変換素子、光の共振を用いた変換素子、容量の変化を用いた変換素子などがある。ただし、音響波を受信して電気信号に変換できる素子であれば、これらに限定されない。

探触子アレイ１０５は、略半球面形状の構造物である。探触子アレイ上には複数の探触子１０６が配列されるので、ある程度の強度を持った支持部材が好適である。探触子１０
６の配列方式としては、らせん配置が好ましい。図１の例では、半球の下部の極に光照射部１０２が設置されている。半球内部には、水やひまし油など、音響整合用の溶液を満たすことが好ましい。

探触子アレイ１０５は、光照射部１０２を通る回転軸に沿って回転可能とすることが好ましい。その場合、光源１０１は、探触子アレイ１０５の回転と連動して複数の光パルスを被検体に照射する。そして複数の探触子１０６は、光パルスごとに生じるそれぞれの光音響波を、被検体周囲の複数の位置で受信する。このような構成は、限られた数の探触子１０６で被検体周囲の全域から音響波を受信できる点で好ましい。

また、複数の探触子１０６を半球面上に配置することで、半球の中心付近に各々の探触子１０６の感度の高い方向（受信指向性）が重なる領域ができる。この領域は高分解能領域と呼ばれ、被検体内部を高精度で画像化できる。
なお、探触子アレイ１０５の形状は半球に限られない。例えば球冠形状、楕円体の一部分を切り取った形状、複数の平面または曲面を組み合わせた形状などでも良い。複数の探触子の少なくとも一部の探触子の指向軸が集まるように、複数の探触子を支持できる形状であれば良い。

探触子１０６の回転位置は、スキャン駆動部により光源１０１の発光と同期して制御される。さらに、探触子アレイ１０５が被検体に対して移動できる構成であると良い。スキャン駆動部による探触子アレイ１０５自体の移動は、並進方向（図１の紙面において、左右および奥行方向）が好ましい。このような走査により、高分解能領域を被検体中で移動し、被検体全体が高精細に画像化される。探触子のスキャンと信号取得のタイミングは、スキャン制御部によって制御される。

また、探触子アレイの上部に、被検体を支えるための保持部材を設けても良い。これにより、被検体の形状が保持される、被検体内部の光量分布の推定が簡易になる等の効果が得られる。保持部材の形状はカップ状やお椀状が好適である。保持部材は、照射される光や被検体内部からの光音響波に対して透過性を持つことが望ましい。

（信号処理）
信号処理部１０７は、音響波に由来する電気信号にデジタル変換と増幅処理を行う。信号処理部は同位置、同方向でとられた信号を平均し、出力する。また、信号処理部が受信信号にバンドパスをかけ、ノイズを低減することも好ましい。このような機能を有する回路や情報処理装置であれば、信号処理部として利用できる。
信号メモリ１０８は、信号処理部から出力された信号を記録する。信号メモリ１０８は、探触子アレイ１０５の回転及び並進方向の走査に従って、光源１０１の発光ごとに、探触子１０６が出力した電気信号を記録する。信号メモリとしてはＦＩＦＯメモリなど、必要な機能を有する既存の回路や部品を使用できる。

（領域設定）
領域設定部１１０は、関心領域、および、小領域を設定する。関心領域は被検体において特性情報を求める領域であり、装置の構成に基づく設計値や、ユーザからの範囲指定に応じて定まる。通常、関心領域は画像化の対象となるため、表示画像領域とも呼べる。小領域は、画像最適音速を算出する領域である。領域設定部１１０は、好ましくは、関心領域を含む領域において、各小領域が、少なくとも一つの他の小領域と重畳する共通領域を持つようにする。

小領域の大きさは例えば、音速分布、装置解像度、音速決定部の音速設定範囲、探触子と吸収体の距離（探触子−吸収体間距離）、などに応じて設定される。小領域の形状は四
角形に限定されず、円形など様々な形状をとり得る。
小領域内の画質が均一である方が、画像特徴量の比較に適している。そのため領域設定部は、音速がほとんど均一となるような範囲で小領域を設定すると良い。例えば被検体内のある部分において同じ音速の組織が５０ｍｍ程度続いている場合には、小領域の一辺を５０ｍｍ以下とする。

また、小領域内の画像に基づいて音速を算出する本発明の性質上、小領域の大きさは、装置の解像度よりも十分広く設定する。逆に、装置解像度で識別できる距離を一辺とするサイズで小領域を設定した場合、画像内の信号がノイズやぼやけであるか、吸収体であるかの判断が付きにくいため、画像特徴量の取得精度が悪くなる。
以下の記載においては、関心領域を含む領域において設定された複数の小領域から、まず２つの小領域（本発明の第一領域と第二領域に対応）を選択して比較する。しかし、同時に３つ以上の小領域を選択して比較することも、本発明の範囲に含み得る。

同一の吸収体を画像化した場合であっても、音速決定部による設定音速に応じて、画像上に表れる当該吸収体の位置が変わる。この位置変化は、探触子−吸収体間の音速が一様な場合に顕著になる。たとえば、吸収体が探触子から１３０ｍｍの位置にあり、その間の音速が１４５０ｍ／ｓであるとする。この場合、音速決定部が音速を１４００ｍ／ｓと設定すると画像上での吸収体の位置は１２５．５ｍｍとなり、音速を１５００ｍ／ｓと設定すると吸収体位置は１３４．５ｍｍとなる。このような場合、設定音速変化による位置ずれをカバーするために、小領域の大きさを１０ｍｍ以上に設定することが好ましい。

また、領域設定部では、小領域ごとに、その小領域の画像作成に用いる電気信号を選択する。その際、小領域内の吸収体から発せられた光音響波に由来する可能性が高い電気信号を、探触子の受信感度や指向角等に応じて選択するとよい。また一般的に、小領域内の音源から探触子までの光音響波の伝播経路の音速変化が小さいとき、画像特徴量が精度よく取得できる。そのため、一つの小領域の画像再構成に用いる音響波の取得位置は、小領域から見て大きく分散していないことが好ましい。

なお、ある小領域の画像化に使用した電気信号を他の小領域の画像化に使用すると、それらの小領域同士の共通領域の画像が同一になる。その結果、共通領域を比較する画像特徴量が最高値になってしまうので、比較する意義が小さくなる。よって、共有領域を含む２つの小領域の画像化には、同じ信号を使用しない、すなわち異なる条件で取得された電気信号を用いることが好ましい。
ただし、双方の小領域の画像再構成に用いる音響波が同じ光照射に由来するものであっても、被検体内部での音響波の伝達経路の違いなどがあるため、比較する意義はある。このように共有領域を含む小領域の画像化に同じ信号を使用する際には、各小領域画像の画像特徴量に重み付けを行うと良い。

また、ある小領域と、それに隣接する小領域を画像化して比較する際に、用いる探触子のパターンを変えることも有効である。その場合、小領域を高感度で画像化できるような探触子を、小領域との距離や角度に基づいて選択してパターン化するとよい。後述する領域設定部は、被検体を小領域に分割する際に、小領域ごとに探触子パターンを決定しておいても構わない。
さらに、スキャン駆動部による走査に応じて、被検体内部での探触子の高分解能領域の位置は移動する。そこで、領域設定部は、各走査位置における高分解能領域に相当する被検体内部の部位を、それぞれ小領域として設定してもよい。この場合、隣接小領域間の比較に用いる再構成画像が高感度で得られるという利点がある。
さらに、双方の小領域の画像再構成に用いる音響波として、異なる光照射によって得られたものを用いても良い。

領域設定部１１０で設定する領域を図２に示す。領域設定部は被検体領域を含む関心領域２０１を決定する。その後、領域設定部は関心領域２０１を含む領域を複数の小領域２０２に分割する。この小領域２０２は、近接する少なくとも１つの小領域範囲との間で共通領域２０３を持つように設定される。各領域の画像化は画像化処理部によって行われる。画像化の際に必要な画像化音速は音速決定部から出力されることが好ましい。図示したように、関心領域から小領域がはみ出す場合もある。また、小領域が設けられていない関心領域もある。後者の場合、後述するように補間処理が有効である。

（画像化）
画像化処理部１０９は、設定された音速と、信号メモリ１０８に記録されている電気信号のうち、領域設定部で選択されたものを用いて小領域を画像化する。画像化の方法として例えば、ユニバーサルバックプロジェクション、フーリエドメインでの逆投影、合成開口法、タイムリバーサル法などが挙げられる。その他の画像再構成ロジックを用いても良い。これにより、小領域内の特性情報（例えば吸収係数分布）が取得される。なお、ここでは表示画像の元となる画像データを作成することを画像化と呼んでいる。この画像データは被検体の特性情報を反映しているので、本発明における画像化処理部は、特性情報に由来するボリュームデータを作成する情報取得部と呼ぶこともできる。画像化処理部は、中間的な処理において特徴量抽出のために用いられる画像を作成するとともに、ユーザへの最終的な表示画像も作成する。したがって画像化処理部は、本発明の情報取得部の役割も果たしている。

画像化時には、１つの小領域に対して複数の音速を設定しても良い。例えば、被検体外に水が満たされている場合は、被検体外の水の音速と被検体内の音速の２つを指定する。そして、経路を分割してそれぞれに適した音速を使用する。あるいは、被検体形状を保持する保持板など、被検体ともマッチング材とも音速が異なる物体があれば、その分の音速設定を増やしても構わない。

（特徴量取得と音速決定）
画像化処理部で作成された小領域画像は、特徴量取得部に入力される。続いて音速決定部が、特徴量取得部から出力された画像特徴量を用いて、小領域や、小領域同士の重畳部分である共通領域の画像特徴量を比較し、最適音速を決定する。この処理は、各小領域の画像特徴量が最適となる第一の音速を求める第一音速算出処理と、共通領域の画像特徴量が最適となる第二の音速を求める第二音速算出処理を含む。

（第一の音速算出処理）
音速決定部１１１は初めに、小領域２０２の画像音速を算出する。特徴量取得部は、画像化された小領域画像をもとに画像特徴量を算出する。画像特徴量とは、小領域画像の特徴を表す何らかの指標や、複数の指標の組み合わせである。例えば、画像の解像度、コントラスト、エッジ先鋭度、画像強度、画像間のずれ量などである。コントラストとしては、画像化された領域内の画像強度の最大値と最小値の比を用いたり、操作者が指定した吸収体と背景範囲それぞれにおける画像強度の平均の比を用いたりできる。
そして音速決定部は、画像特徴量が所定の値になるような第一の音速を算出して記録する。第一の音速は、単一の小領域画像の最適な音速である。

第一の音速算出処理について、図３のフローチャートを参照しつつ、具体的に説明する。本フローの処理は、被検体から伝播する光音響波が探触子アレイによって受信され、メモリされた時点から開始する。好ましくは、光音響波の受信は複数回行われる。

処理開始後、ステップＳ３０１において、ある小領域の繰り返し条件が設定される。こ
こでは繰り返し回数ｎと、各回での画像再構成に用いる音速Ｖ（ｎ）が設定される。
ステップＳ３０２において、画像化処理部１０９は、信号メモリ１０８に格納された電気信号と、設定された音速を用いて小領域を画像化して、音速決定部に入力する。

続くステップＳ３０３において、特徴量取得部は入力された画像から画像特徴量を算出する。この処理は、比較処理前にまとめて行ってもよい。そしてステップＳ３０４にて繰り返し回数に達したと判定された場合、ステップＳ３０５に移行する。
Ｓ３０５では、音速決定部が、各音速を用いて得られた画像の特徴量同士を比較して処理対象の小領域の第一の音速を決定し、記録する。

第一の音速を決定する方法は、図３のフローの方法に限られない。例えば、第一の音速を画像解析など何らかの方法で推定できれば、その第一の音速に基づいて画像特徴量を算出しても良い。

図３では、予め音速を決定しておき、全ての音速について画像特徴量を求めた。しかし、必ずしも図３のフロー通りにする必要はない。すなわち、音速を初期値から少しずつ変化させながら特徴量抽出を繰り返して行き、特徴量が予め定められた所定の閾値に達した場合は、そのときの音速を利用するような手法も採用できる。
この場合、音速の変化分は、前回の音速変化に対する画像特徴量の変化分を用いて推定する。その際、最適化処理法として用いられる二分法、ニュートン法、最急降下法、最少勾配法、黄金分割法、直接探索法などの処理方法を適用できる。

音速決定部は典型的には、小領域全体または共通領域の画像特徴量の総和を比較する。しかし、画像特徴量の平均値を比較してもよいし、領域内の特定の画素もしくは特定の画素周辺の範囲について画像特徴量を比較してもよい。特定の画素とは、小領域内の吸収体と思われる強度を持つ画素や小領域内で強度が一番強い画素のことである。
光音響トモグラフィーにおいては、波長の異なる吸収係数画像の比較によって、吸収体の酸素飽和度分布、グルコース分布、コラーゲン分布などが取得できる。このような被検体の特性情報から特定の画素を決定してもよい。

小領域内に吸収体が少ない場合、画像内のノイズやアーチファクトが画像の大半を占める。このような場合には、画像特徴量がノイズやアーチファクトに引きずられてしまう可能性がある。小領域に吸収体が一定以上ないと判断される場合には、その小領域の最適音速を計算しない、もしくは吸収体の画素周辺の画像特徴量を比較することが好ましい。

（第二の音速算出処理）
図３のフローを各小領域に適用することで、全小領域で第一の音速が決定される。この第一の音速を用いて小領域ごとに画像再構成を行い、それらを単純に結合しても、被検体の部位ごとに音速が最適化された画像が取得できるので、本発明の効果は得られる。その意味で、第一の音速は本発明の最適音速だと言える。

しかし、単純な結合処理だけを行った場合、画像の境界において吸収体の断面が不連続になり画像にゆがみが生じる。また、共通領域を設ける場合、画像処理方法によっては、吸収体像が二重になったり、ぼやけたりする可能性もある。そこで、共通部分の吸収体像が重なるように、共通部分を含む複数の小領域で音速を検索し、各小領域における画像化最適音速（第二の音速）を決定することが好ましい。

以下、境界部分における画像の急激な変化や、共通領域の画質低下を防ぐための、第二の音速算出処理について説明する。第二の音速は、複数の小領域２０２にまたがる共通領域内の画像特徴量が最適条件を満たすような音速である。第二の音速も第一の音速と同様
に小領域ごとに求められ、その小領域の画像再構成に利用される。また、共通領域の画像作成時には、重複する２つの領域のいずれかの電気信号と音速を用いて画像再構成する方法、新たに中間的な音速を求めて画像再構成する方法、２つの画像を合成する方法などが採用できる。

画像化処理部は、各小領域での第一の音速を基準として、音速を所定の値ずつ変化させながらその小領域を画像化する。特徴量取得部が各画像の特徴量を取得し、音速決定部が、隣接する小領域間で、複数の音速を用いて取得された画像の特徴量を比較する。これにより、各小領域について、画像特徴量が最も好適な値となるような第二の音速が得られる。

第二の音速を決める画像特徴量として例えば、共通領域における各小領域画像のずれを示す値がある。これを、各小領域（第一領域と第二領域）の最適音速を求めるための特徴量と対比するために、第二の特徴量と呼んでもよい。共通領域において画像間のずれが小さくなれば、表示画像内で小領域間でのゆがみも小さくなる。各小領域画像間のずれは、各小領域画像の共通領域画像の特徴量を抽出して比較することで求められ、例えば正規化相互相関を用いたマッチング手法を適用できる。最適条件は、表示画像全体の画質を向上させるための条件である。

図４のフローチャートを参照しつつ、第二の音速を決定する処理手順を説明する。本フローの開始時には、各小領域における第一の音速は求められており、小領域ＡではＶＡ、小領域ＢではＶＢとする。これらの第一の音速は、ステップＳ４０１において装置に設定される。また、本フローにより求めようとする、共通領域画像を最適化するような小領域Ａと小領域Ｂとにおける第二の音速をそれぞれＶＡ’、ＶＢ’とする。

ステップＳ４０２において、各小領域における処理の繰り返し条件を設定する。繰り返し回数はｐ、各回における音速の増加分（差分）はΔＶＡおよびΔＶＢとする。この基本フローでは繰り返し回数を条件としているが、共通領域画像の画像特徴量が所定の最適条件を満たした時点で繰り返し処理を打ち切っても良い。また、ΔＶＡおよびΔＶＢを予め定めておくのではなく、各回ごとに前回の画像特徴量の増減分に基づいて画像特徴量を決定してもよい。繰り返しの度に、画像化処理部に音速値としてＶＡ＝ＶＡ＋ΔＶＡ、ＶＢ＝ＶＢ＋ΔＶＢが入力される。

小領域Ａおよび小領域Ｂそれぞれにおける第一の音速に開きがある場合、各領域における第二の音速は両者の中間の値になる可能性が高い。そこで、ΔＶＡおよびΔＶＢを決定する際には、例えば小領域Ａの音速のほうが大きい場合、ΔＶＡは値を減らす方向に、ΔＶＢは増やす方向に設定することも可能である。

画像化処理部は、現時点でのＶＡを用いて小領域Ａを、ＶＢを用いて小領域Ｂを、それぞれ画像化する（ステップＳ４０４，Ｓ４０５）。作成された画像は音速決定部に入力される。画像化処理が規定の回数に達した場合（ステップＳ４０４，Ｓ４０６）、次の処理に進む。すなわちこのフローでは、各繰り返し回ごとに、各小領域について、第一の音速を基準として少しずつ異なる音速を用いた画像が生成され、保存される。

特徴量取得部は、各音速における再構成画像を用いて、少なくとも共通領域の画像特徴量を算出する。音速決定部は、共通領域の画像特徴量を比較する（ステップＳ４０７〜Ｓ４０８）。この共通領域画像の画像特徴量は、例えば、小領域Ａおよび小領域Ｂが重なる共通領域での、画像の画素強度の差や画像間のずれ量、相関の程度を表す指標値である。このような特徴量は、複数の小領域（例えば第一領域と第二領域）の間の比較特徴量と呼べる。比較特徴量は、小領域ごとの個別特徴量を求めてそれらを比較することにより取得
できる。個別特徴量としては例えば、解像度、コントラスト、エッジ先鋭度、画像強度等がある。

なおこれ以降、小領域Ａの側の共通領域画像をＩ_Ａ、小領域Ｂの側の共通領域画像をＩ_Ｂとする。共通領域の画像特徴量は、小領域画像の共通領域部分の比較により算出される特徴量を含む。共通領域の画像特徴量は、例えばＩ_ＡとＩ_Ｂの画像特徴量の差分や、両画像のずれ量などの値である。画像特徴量の比較は、繰り返し取得した複数の画像を総当りで比較してもよいし、所定の基準で適切な画像を選択し、その画像についてのみ比較を行ってもよい。

音速決定部は、好ましくは、ΔＶＡおよびΔＶＢがとり得る最大量を決定する。最大量は具体的な音速値（例えば１０ｍ／ｓ）で設定してもよい。また、ΔＶＡおよびΔＶＢを用いて算出された小領域の画像特徴量に対して閾値を設定してもよい。音速決定部は、ΔＶＡとΔＶＢを複数設定し、各々の音速値を用いて小領域を画像再構成し、画像特徴量を算出する。そして、共通領域部分の特徴量が最適となる第二の音速ΔＶＡ’、ΔＶＢ’を決定する（ステップＳ４０９）。

（画像表示）
画像化処理部は、第二の音速を用いて生成された小領域画像を合成することで表示画像を作成し、表示部１１２に表示する。このとき、小領域の境界線や、小領域ごとの音速（第一および第二の音速の少なくともいずれか）を共に表示しても良い。これにより、小領域２０２間の不連続や歪みが抑制される。

画像化処理部による、共通領域における小領域画像の合成には様々な手法を適用できる。例えば、画素値の平均化処理や、画素ごとにいずれか適切な小領域の画素値を採用する方法などである。
小領域画像に含まれない関心領域がある場合は、画像化処理部は、近接の小領域の第二の音速から音速値を推定し、画像を補間する。あるいは画像化処理部は、各小領域の最適音速から関心領域全体の最適音速を推定し、その音速を用いて関心領域の全体を画像化し直してもよい。

上記フローでは２つの小領域間の合成について検討したが、小領域が３つ以上の場合でも同様に次々と第二の音速を求められる。例えば、小領域Ａ、小領域Ａに隣接する小領域Ｂ、小領域Ａには隣接しないが小領域Ｂには隣接する小領域Ｃがある場合を考える。このとき、小領域Ａおよび小領域Ｂについて図４の方式で第二の音速を求めた後、小領域Ｂと小領域Ｃの間で第二の音速を求める。すると、小領域Ｂの第二の音速が２つ算出される。このような場合、いずれかの小領域の音速を固定して、それを基準として他の小領域の音速を求めてもよい。あるいは、３つの小領域の第二の音速をバランスさせる形で小領域Ｂの第二の音速を決定してもよい。

本フローでは、第二の音速の候補値それぞれについて画像化を行った。しかし、各小領域での第一の音速を求めるために作成した再構成画像を保存しておき、第二の音速の算出に用いてもよい。
また本フローでは、小領域の最適音速と共通画像の最適音速を別々に求めた。しかし、小領域の画像特徴量から第一の音速を求める処理と、共通領域の画像特徴量を用いて第二の音速を求める処理を組み合わせることで、一回の処理フロー中で表示画像の最適音速を決定できる。

画像化処理部、領域設定部、音速決定部および特徴量取得部は、それぞれ専用の回路で構成されても良いし、図１に示したように、プロセッサーを有してプログラムに従って動
作する情報処理装置を用いても実現され得る。ここで示した各ブロックの分け方は模式的なものであり、単一のまとまりとして構成されても良い。また、機能に応じて細かいモジュールに分けても構わない。図１の例においては、破線で示した情報処理装置１１５の不図示のプロセッサーが制御部として機能して、バス１１４で接続された各ブロックを制御する。

作成された表示画像は表示部に表示される。表示方法はＭＩＰ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）画像や、スライス画像が好適である。他にも、３Ｄ画像を異なる複数の方向から表示する方法がある。表示画像の傾きや表示領域、ウインドウレベルやウインドウ幅を、利用者が表示を確認しながら変更できるユーザインタフェースを設けることは好ましい。
表示部には、例えば、表示画像、小領域の最適音速分布、推定された最適音速分布、操作者が選択した小領域画像が表示可能である。これら画像は同時に表示されてもよい。

［実施例１］
図５に、本実施例における、ある小領域での第一の音速算出の処理フローを示す。本実施例においては、上述したような繰り返し回数と各回における音速を設定しておく方式は用いない。その代わりに２つの音速から最適な音速を選ぶ処理を、所定の条件を満たす音速が得られるまで続ける処理を行う。

まず音速決定部が、１４５０ｍ／ｓと１５６０ｍ／ｓを設定する（ステップＳ５０１，Ｓ５０４）。続いて画像化処理部が当該音速を用いて小領域の画像を作成する（ステップＳ５０２，Ｓ５０５）。ここでは、画像化処理部で得られた特性情報の強度に基づき、ｘ、ｙ、ｚ方向のそれぞれにおいてＭＩＰ画像を作成する。

続いてステップＳ５０３，Ｓ５０６において、特徴量取得部が各ＭＩＰ画像の２方向の一階微分を計算し、得られた微分値の絶対値の総和を算出して画像特徴量Ｐ１，Ｐ２を得る。この画像特徴量は画像のエッジ先鋭度に対応する。最適音速に画像音速が近づくとき、画像内の吸収体の境界ははっきりとして画像のエッジ先鋭度は増加する。各音速について３方向全ての特徴量を得られたら、次の処理に移行する。

ステップＳ５０７において、音速決定部は画像特徴量Ｐ１，Ｐ２を比較してより良い値を得られる方の音速を選択する。そして、選択されなかった音速に変えて、新たな音速を設定する。このとき例えば、選択された音速を基準として、±１０ｍ／ｓの範囲内で２ｍ／ｓ刻みで音速を変化させる方法が採用できる。また例えば、選択されなかった音速値から、選択された音速値に向かって所定の値だけ近づけるように、新たな音速値を設定してもよい。こうして設定された新たな音速値から得られる画像特徴量が前回の音速値から得られる画像特徴量よりも低い場合、前回の音速値を適用すれば良い。

続いてステップＳ５０８において、選択された側の音速が所定の最適条件を満たすかどうかが判定される。ここで、最適音速は例えば、以下の式（１）で表される。

なお、Ｉｖは音速ｖで画像化される小領域画像の例である。Ｉｖｘ、Ｉｖｙ、Ｉｖｚはそれぞれ、ｘ、ｙ、ｚ方向におけるＭＩＰ画像を表す。小領域の最適音速を効率よく見つけるため、例えば黄金分割法を好適に利用できる。ここでは最適音速は１ｍ／ｓ以下の精度で求めるものとする。本実施例では３方向からのＭＩＰ画像を用いているが、３次元デ
ータ画像をそのまま用いてもよい。

Ｓ５０８では音速決定部は、選択された音速が最適音速の条件から所定の範囲内であるかどうかを判定する。なお、Ｓ５０７における新たな音速の設定処理は、この条件を満たさなかった場合のみ行うこととしても良い。続いて、ステップＳ５０９〜Ｓ５１０では、新たな音速によって小領域が画像化され、特徴量Ｐｎが抽出される。そして、特徴量の比較処理が再度行われる。
ステップＳ５０７〜Ｓ５０８における処理の一例として、音速決定部が新しい音速を黄金分割法により設定し、繰り返し条件を満たすかを判断する手法がある。繰り返し条件として例えば、２つの音速の差分の絶対値が１［ｍ／ｓ］以下かどうかが挙げられる。

本実施例では、このような処理が最適条件を満たす音速が取得できるまで繰り返される。その後ステップＳ５１１にて、最適な音速が第一の音速として決定され、記録される。
図６に、上記のように算出した各小領域の最適音速分布（第一の音速）を示す。図６中の小さな白い丸は設定した小領域の中心座標を示し、グレースケールが最適音速値を示す。
その後音速決定部は、ある小領域と、近接する小領域との共通領域の画像特徴量を算出して比較することで、第二の音速を算出する。このとき、共通領域の画像特徴量としては、共通領域に存在する吸収体のずれ量が好適である。ずれ量は正規化相互相関値が高くなる量とする。なお、正規化相互相関値はずれ量を求める指標値の代表例であり、それ以外の相関値を用いても良い。

本実施例では、中心に近い小領域から順に、表示画像用最適音速である第二の音速を求める。一度求めた第二の音速は変化させない条件のもとで、すべての小領域で第二の音速を求めた。この第二の音速分布を図７に示す。ただし、情報処理装置の演算能力によっては、一旦既に求めた第二の音速を、別の場所で求めた第二の音速からのフィードバックによって修正し、表示画像全体でのバランスを取っても良い。

画像化処理部は、各小領域で第二の音速に基づいて画像再構成を行い、それぞれの小領域画像を合成して表示画像を作成する。作成した画像データは記憶装置に保存しても良いし、表示部に送信して表示させてもよい。
合成した画像の概略図を図８に示す。図８（Ａ）は第二の音速で画像化した小領域を合成した画像である。図８（Ｂ）は第一の音速で画像化した小領域を合成した画像である。図８（Ｃ）は生体の音速として代表的に使用される１５３０ｍ／ｓで画像化した小領域を合成した画像である。

第一の音速を用いた図８（Ｂ）は、一般的な音速を用いた図８（Ｃ）と比較して解像度がよくなっている。第二の音速を用いた図８（Ａ）は、第一の音速を用いた図８（Ｂ）と比較して、小領域２０２境界と共通領域の吸収体のずれや広がりが低減されている。このように、小領域ごとの最適音速を求めて画像化に用いることで、表示画像における被検体内の吸収体の解像度がよくなることが確認した。さらに、小領域間の共通領域を比較して求めた第二の音速を使った画像化により、解像度の向上に加えて、境界部分における違和感の低減効果が得られることを確認した。

［実施例２］
上記各実施例においては、まず小領域画像の最適音速を求めたのちに、共有領域の画像特徴量を考慮して表示画像の最適音速を決定した。実施例２では、小領域と共通領域の画像特徴量を合わせて計算する。このことによって、最適音速決定に掛かる時間を短縮できる。ここでは、実施例１と異なる部分を詳しく説明する。

本実施例の処理フローを図９に示す。初めにステップＳ９０１にて、音速決定部が小領域Ａの最適な第一の音速ＶＡを求める。ここでは、ＶＡとして１５１０ｍ／ｓが得られたものとする。そして、画像化処理部がＶＡを使って画像再構成をする。
続いてステップＳ９０２にて、音速決定部および画像化処理部は、小領域Ａに隣接する小領域（ここでは小領域Ｂ）の音速としてＶＡ±１０ｍ／ｓの値（１５００ｍ／ｓ、および、１５２０ｍ／ｓ）を設定し、それぞれ画像化する。

ステップＳ９０３では、小領域Ａと小領域Ｂの共通領域について、小領域Ａの音速１５１０ｍ／ｓの画像が、小領域Ｂの音速１５００ｍ／ｓの画像および音速１５２０ｍ／ｓの画像とそれぞれ比較される。比較に用いる画像特徴量としては、画像間のずれ量を用いる。この際、精度の良い比較を行うために、特徴的な吸収体の画像のずれ量を用いると良い。比較には既知の画像識別アルゴリズムを利用可能であり、ずれ量は正規化相互相関が高くなる量とした。

ここで、小領域Ｂの画像のエッジ先鋭度を画像特徴量Ｐ_Ｂとする。小領域Ａと小領域Ｂの共通領域の画像特徴量であるずれ量は、Ｐ_ＡＢとする。この画像特徴量Ｐ_ＢとＰ_ＡＢを合わせた画像特徴量Ｐを以下の式（２）のように定義する（ステップＳ９０４）。
Ｐ＝Ｐ_Ｂ−αＰ_ＡＢ …（２）
ここでαは重み係数である。本実施例ではα＝０．３とした。
小領域Ｂの初期音速が１５００ｍ／ｓおよび１５２０ｍ／ｓであるので、黄金分割を用い、この範囲で一番Ｐが大きくなる音速を小領域Ｂの最適音速ＶＢとする（ステップＳ９０５）。

ステップＳ９０７にて全ての小領域で音速が決定された否かが判定される。例えば小領域Ｂに近接している小領域Ｃの音速が未決定の場合、その最適音速ＶＣも同様の手法で求める。すなわち、小領域Ｂの最適音速ＶＢ±１０ｍ／ｓの範囲で、上と同じ画像特徴量式を使用した黄金分割法である。このように近接している小領域において繰り返し最適音速を決定する。算出した音速を図１０に示す。

以上述べたように、本実施例においては各小領域の画像特徴量から最適音速を求める処理と、共通部分の画像特徴量から隣接する小領域の最適音速を求める処理を一連の流れの中で実行できる。その結果、画像化回数を実施例１の約４分の１に低減できる。よって、処理時間の短縮やそれによる被検者やユーザの負担軽減、演算能力に関わるコスト削減などの効果が得られる。また、被検体の部位ごとに最適な音速が得られるという本発明の効果は保たれるので、被検体内部の高精細な画像が取得できる。

１０１：光源，１０６：探触子，１０９：画像化処理部，１１０：領域設定部，１１１音速決定部

Claims (18)

1. 光が照射された被検体から発生する音響波に基づいて音速を決定する情報処理装置であって、
   第一領域と、前記第一領域との共通領域を有する第二領域と、を少なくとも含む互いに異なる複数の小領域を設定する領域設定部と、
   複数の音速を設定する音速決定部と、
   前記複数の音速ごとに、前記音響波を受信することにより生成された電気信号を用いて前記第一領域の第一画像を取得し、前記複数の音速ごとに、前記電気信号を用いて前記第二領域の第二画像を取得する画像化処理部と、
   前記複数の音速のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第一画像と、前記複数の音速のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第二画像との間のずれ量、画素強度の差、相関の指標値の少なくとも一つを示す比較特徴量を取得する特徴量取得部と、
   を有し、
   前記音速決定部は、前記共通領域における前記比較特徴量を用いて、前記第一領域に対する最適音速および前記第二領域に対する最適音速を決定する
   ことを特徴とする情報処理装置。
2. 前記特徴量取得部は、
   前記複数の音速ごとに前記第一画像の特徴量を取得し、
   前記複数の音速ごとに前記第二画像の特徴量を取得し、
   前記音速決定部は、
   前記複数の音速のそれぞれに対応する前記第一画像の特徴量を用いて、前記第一領域に対する音速を決定し、
   前記複数の音速のそれぞれに対応する前記第二画像の特徴量を用いて、前記第二領域に対する音速を決定し、
   前記第一領域に対する音速と、前記第二領域に対する音速と、前記比較特徴量とを用いて、前記第一領域に対する最適音速および前記第二領域に対する最適音速を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
3. 前記特徴量取得部は、
   前記第一画像の解像度、前記第一画像のコントラスト、前記第一画像のエッジ先鋭度、および前記第一画像の画像強度の少なくとも一つを、前記第一画像の特徴量として取得し、
   前記第二画像の解像度、前記第二画像のコントラスト、前記第二画像のエッジ先鋭度、および前記第二画像の画像強度の少なくとも一つを、前記第二画像の特徴量として取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
4. 前記画像化処理部は、前記電気信号、前記第一領域に対する最適音速、および前記第二領域に対する最適音速を用いて、前記被検体の特性情報を示す表示画像を生成する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の情報処理装置。
5. 前記画像化処理部は、
   前記電気信号および前記第一領域に対する最適音速を用いて、前記第一領域の前記特性情報を取得し、
   前記電気信号および前記第二領域に対する最適音速を用いて、前記第二領域の前記特性情報を取得し、
   前記第一領域の前記特性情報および前記第二領域の前記特性情報を合成して、前記共通領域の前記特性情報を示す前記表示画像を生成する
   ことを特徴とする請求項４に記載の情報処理装置。
6. 前記画像化処理部は、それぞれ異なる条件で取得された前記電気信号を用いて、前記第一画像及び前記第二画像を取得する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の情報処理装置。
7. 前記画像化処理部は、前記異なる条件として、それぞれ異なる探触子のパターンによって取得された前記電気信号を用いて、前記第一画像及び前記第二画像を取得する
   ことを特徴とする請求項６に記載の情報処理装置。
8. 前記画像化処理部は、前記異なる条件として、それぞれ異なる光照射によって取得された前記電気信号を用いて、前記第一画像及び前記第二画像を取得する
   ことを特徴とする請求項６に記載の情報処理装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の情報処理装置と、
   光源と、
   前記光源からの光が前記被検体に照射されることにより発生する音響波を受信することにより前記電気信号を出力する探触子と、
   を有することを特徴とする被検体情報取得装置。
10. 光が照射された被検体から発生する音響波に基づいて音速を決定する音速決定方法であって、
    第一領域と、前記第一領域との共通領域を有する第二領域と、を少なくとも含む互いに異なる複数の小領域を設定し、
    複数の音速を設定し、
    前記複数の音速ごとに、前記音響波を受信することにより生成された電気信号を用いて前記第一領域の第一画像を取得し、
    前記複数の音速ごとに、前記電気信号を用いて前記第二領域の第二画像を取得し、
    前記複数の音速のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第一画像と、前記複数の音速のそれぞれに対応する前記共通領域の前記第二画像との間のずれ量、画素強度の差、相関
    の指標値の少なくとも一つを示す比較特徴量を取得し、
    前記共通領域における前記比較特徴量を用いて、前記第一領域に対する最適音速および前記第二領域に対する最適音速を決定する
    ことを特徴とする音速決定方法。
11. 前記複数の音速ごとに前記第一画像の特徴量を取得し、
    前記複数の音速ごとに前記第二画像の特徴量を取得し、
    前記複数の音速のそれぞれに対応する前記第一画像の特徴量に基づいて、前記第一領域に対する音速を決定し、
    前記複数の音速のそれぞれに対応する前記第二画像の特徴量に基づいて、前記第二領域に対する音速を決定し、
    前記第一領域に対する音速と、前記第二領域に対する音速と、前記比較特徴量と、に基づいて、前記第一領域に対する最適音速および前記第二領域に対する最適音速を決定することを特徴とする請求項１０に記載の音速決定方法。
12. 前記第一画像の解像度、前記第一画像のコントラスト、前記第一画像のエッジ先鋭度、および前記第一画像の画像強度の少なくとも一つを、前記第一画像の特徴量として取得する
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の音速決定方法。
13. 前記電気信号、前記第一領域に対する最適音速、および前記第二領域に対する最適音速を用いて、前記被検体の特性情報を示す表示画像を生成する
    ことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の音速決定方法。
14. 前記電気信号および前記第一領域に対する最適音速を用いて、前記第一領域の前記特性情報を取得し、
    前記電気信号および前記第二領域に対する最適音速を用いて、前記第二領域の前記特性情報を取得し、
    前記第一領域の前記特性情報および前記第二領域の前記特性情報を合成して、前記共通領域の前記特性情報を示す前記表示画像を生成する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の音速決定方法。
15. それぞれ異なる条件で取得された前記電気信号を用いて、前記第一画像及び前記第二画像を取得する
    ことを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の音速決定方法。
16. 前記異なる条件として、それぞれ異なる探触子のパターンによって取得された前記電気信号を用いて、前記第一画像及び前記第二画像を取得する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の音速決定方法。
17. 前記異なる条件として、それぞれ異なる光照射によって取得された前記電気信号を用いて、前記第一画像及び前記第二画像を取得する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の音速決定方法。
18. 請求項１０から１７のいずれか１項に記載の音速決定方法をコンピュータに実行させるプログラム。

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