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
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Description
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。
などの分布情報を被検体情報としてもよい。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
P=PB−αPAB …(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)。
Claims (18)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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