JP6682207B2 - 光音響装置、画像処理方法、プログラム - Google Patents

光音響装置、画像処理方法、プログラム Download PDF

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Description

光音響効果により発生した音響波を利用して画像データを取得する技術に関する。
光が対象物に照射され、当該光のエネルギーが吸収されることで光音響効果により対象物内から発せられる音響波(光音響波)を利用して対象物の画像データを取得する光音響イメージング技術が研究されている。光音響イメージングにおいては、複数回の光照射のそれぞれによって得られる対象物の画像データを合成する手法がある。
ところが、各光照射間で対象物と光音響波の受信部との相対的な位置関係が変動する可能性がある。この場合、各光照射に対応する各画像データで当該変動による位置ずれが生じてしまう。その結果、位置ずれが生じた対象物の画像データ同士を合成することとなってしまい、合成後の対象物の画像データの品質を低下させてしまうこととなる。この課題に対して、画像データ同士を比較することにより、各画像データの位置ずれ量(動きベクトル)を推定し、補正する手法が知られている。
特許文献1には、対象物の画像データ同士を比較することにより位置ズレ量を推定し、位置ずれを補正した後に当該対象物の画像データ同士を合成することが開示されている。
特開2014−140716号公報
しかしながら、特許文献1における位置ズレ量の推定方法に対しては、さらなる推定精度の向上が望まれている。
そこで、本発明は、複数の画像データを用いて、複数の画像データの位置ずれ量の推定精度を向上させる技術を提供することを目的とする。
本発明に係る処理装置は、第1の複数の画像データを取得する第1の取得手段と、第1の複数の画像データのうち、第1の2つ以上の画像データを用いて、第1の合成画像データを取得する第2の取得手段と、第1の複数の画像データのうち、2つ以上の画像データとは異なる組み合わせの第2の2つ以上の画像データを用いて、第2の合成画像データを取得する第3の取得手段と、第1の合成画像データと第2の合成画像データとを用いて、第1の合成画像データと第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報を取得する第4の取得手段と、第1の合成画像データと第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報を用いて、第1の複数の画像データの位置ずれに関する情報を取得する第5の取得手段と、を有する。
本発明に係る光音響装置によれば、複数の画像データを用いて、複数の画像データの位置ずれ量の推定精度を向上させることのできる
実施形態1に係る光音響装置を示す図 実施形態1に係る各光照射時の受信部の位置を示す図 実施形態1に係る画像データ取得部の処理フローを示す図 実施形態1に係るパルスボリュームデータを示す図 実施形態1に係る合成対象のパルスボリュームデータを表す図 実施形態1に係る合成ボリュームデータを示す図 実施形態1に係る位置ずれ量の取得フローを示す図 実施形態1に係る合成ボリュームデータの位置ずれ量を示す図 実施形態1に係るパルスボリュームデータの位置ずれ量を示す図 実施形態1に係るパルスボリュームデータの位置ずれ補正処理を説明するための図 実施形態1に係る光音響装置の別の構成例を示す図 実施形態1に係る別の処理フローチャートを示す図
以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の符号を付して、説明を省略する。
〔実施形態1〕
本実施形態に係る光音響装置について、図1を用いて説明する。本実施形態に係る光音響装置は、光照射部100、受信部200、駆動部300、信号収集部400、画像データ取得部、表示部600、入力部700、および制御部800を有する。
以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成について説明する。
(光照射部100)
光照射部100は、光を発する光源110と、光源110から射出された光を対象物900へ導く光学系120とを含む。
光源110としては、レーザーや発光ダイオード等を用いることができる。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。Nd:YAGレーザーやアレキサンドライトレーザーなどのパルスレーザーを光源110としてもよい。また、Nd:YAGレーザー光を励起光とするTi:saレーザーやOPO(Optical Parametric Oscillators)レーザーを光源110としてもよい。
光源110は、ナノ秒からマイクロ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源であってもよい。光のパルス幅としては、1〜100ナノ秒程度のパルス幅であってもよい。また、光の波長としては400nmから1600nm程度の範囲の波長であってもよい。生体表面近傍の血管を高解像度でイメージングする場合は、血管での吸収が大きい波長(400nm以上、700nm以下)としてもよい。一方、生体の深部をイメージングする場合には、生体の背景組織(水や脂肪など)において典型的に吸収が少ない波長(700nm以上、1100nm以下)の光を用いてもよい。また、複数波長の光を用いて測定する際には、波長の変換が可能な光源であってもよい。なお、複数波長を対象物に照射する場合、互いに異なる波長の光を発生する複数台の光源を用意し、それぞれの光源から交互に照射することも可能である。複数台の光源を用いた場合もそれらをまとめて光源として表現する。
光学系120には、レンズ、ミラー、光ファイバ等の光学素子を用いることができる。光のビーム径を広げて照射するために、光学系120の光出射部は光を拡散させる拡散板等で構成されていてもよい。一方、光音響顕微鏡においては、解像度を上げるために、光学系120の光出射部はレンズ等で構成し、ビームをフォーカスして照射してもよい。なお、光照射部100が光学系120を備えずに、光源110から直接対象物900に光を照射してもよい。
(受信部200)
受信部200は、音響波を受信することにより電気信号を出力する受信素子211−215からなる受信素子群210と、受信素子群210を支持する支持体220とを含む。
各受信素子211−215を構成する部材としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミック材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。また、圧電素子以外の素子を用いてもよい。例えば、静電容量型トランスデューサ(cMUT:Capacitive Micro−machined Ultrasonic Transducers)、ファブリペロー干渉計を用いたトランスデューサなどを用いることができる。なお、音響波を受信することにより電気信号を出力できる限り、いかなるトランスデューサを受信素子として採用してもよい。
支持体220は、機械的強度が高い金属材料などから構成されることが好ましい。本実施形態において支持体220は半球殻形状であり、半球殻上に受信素子群210を支持できるように構成されている。この場合、各受信素子の指向軸は半球の曲率中心付近に集まる。そして、これらの受信素子から出力された電気信号群を用いて画像化したときに曲率中心付近の画質が高くなる。なお、支持体220は受信素子群210を支持できる限り、いかなる構成であってもよい。
(駆動部300)
駆動部300は、対象物900と受信部200との相対位置を変更する装置である。本実施形態では、駆動部300は、支持体220をXY方向に移動させる装置であり、ステッピングモータを搭載した電動のXYステージである。
駆動部300は、駆動力を発生させるステッピングモータなどのモータと、駆動力を伝達させる駆動機構と、受信部200の位置情報を検出する位置センサとを含む。駆動機構としては、リードスクリュー機構、リンク機構、ギア機構、油圧機構、などを用いることができる。また、位置センサとしては、エンコーダー、可変抵抗器、などを用いたポテンショメータなどを用いることができる。
なお、駆動部300は対象物900と受信部200との相対位置をXY方向(二次元)に変更させるものに限らず、一次元または三次元に変更させてもよい。
なお、駆動部300は、対象物900と受信部200との相対的な位置を変更できれば、受信部200を固定し、対象物900を移動させてもよい。対象物900を移動させる場合は、対象物900を支持する対象物支持部(不図示)を動かすことで対象物900を移動させる構成などが考えられる。また、対象物900と受信部200の両方を移動させてもよい。
また、駆動部300は、相対位置を連続的に移動させてもよいし、ステップアンドリピートによって移動させてもよい。駆動部300は、電動ステージであることが好ましいが、手動ステージであってもよい。
(信号収集部400)
信号収集部400は、各受信素子211−215から出力されたアナログ信号である電気信号を増幅するアンプ410と、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器とを含む。信号収集部400から出力されるデジタル信号は、画像データ取得部500内の記憶部510に記憶される。信号収集部400は、Data Acquisition System(DAS)とも呼ばれる。本明細書において電気信号は、アナログ信号もデジタル信号も含む概念である。
(画像データ取得部500)
画像データ取得部500は、信号収集部400から出力されたデジタル信号を記憶し、記憶されたデジタル信号に基づいて対象物900の画像データを取得する装置である。画像データ取得部500の行う処理の詳細については後述する。
本実施形態において画像データとは、光音響効果により発生した光音響波を受信して得られる電気信号群に基づいて得られる2次元または3次元の空間の各位置における情報の総称である。具体的に画像データは、光音響波の発生音圧(初期音圧)[Pa]、光エネルギー吸収密度[J/m]、光吸収係数[1/m]、または対象物を構成する物質の濃度に関する情報等である。物質の濃度に関する情報とは、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度、または酸素飽和度等である。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和のことである。酸素飽和度とは、全ヘモグロビンに対するオキシヘモグロビンの割合のことである。
画像データ取得部500は、記憶部510、再構成部520、選択部530、合成部540、投影データ取得部550、および位置推定部560を備える。記憶部510は、磁気ディスクやフラッシュメモリなどの非一時記憶媒体で構成することができる。また、記憶部510は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)などの揮発性の媒体であってもよい。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。
再構成部520、選択部530、合成部540、投影データ取得部550、位置推定部560等の演算機能を担うユニットは、CPUやGPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサ、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップ等の演算回路で構成されることができる。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されるだけでなく、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。
(表示部600)
表示部600は、液晶ディスプレイや有機EL(Electro Luminescence)などのディスプレイである。画像データ取得部500により得られた画像データに基づく画像や画像データ中の特定位置の数値等を表示する装置である。表示部600は、画像や装置を操作するためのUIが表示してもよい。なお、表示部600は、光音響装置とは別に提供されてもよい。
(入力部700)
入力部700は、ユーザが操作可能な、マウスやキーボード、タッチパネルなどで構成されることができる。なお、入力部700は、光音響装置とは別に提供されてもよい。
(制御部800)
制御部800は、入力部700からの撮像開始などの各種操作による信号を受けて、光音響装置の各構成を制御する。制御部800は、記憶部に格納されたプログラムを読み出し、光音響装置の各構成の作動を制御する。制御部800はCPUなどの演算素子で構成される。
なお、光音響装置の各構成はそれぞれ別の装置として構成されてもよいし、一体となった単一の装置として構成されてもよい。また、光音響装置の複数の構成が一体となった単一の装置として構成されてもよい。
以下、本実施形態における光音響装置の動作を説明する。
光照射部100は、対象物900に光130を20Hzの繰り返し周波数で照射する。光130に起因する光音響効果により、対象物900内で音響波(光音響波)が発生する。各受信素子211−215がこの光音響波を受信することによって電気信号を出力することにより、受信部200は電気信号群を出力する。各受信素子から出力される電気信号は、各受信素子に到達した光音響波の圧力の時間変動を表す時系列の信号である。
駆動部300が受信部200を移動させながら、光照射部100は複数回に亘って光を対象物900に照射する。すなわち、複数回の光照射が行われる期間に、駆動部300は受信部200を移動させる。その結果、駆動部300は、受信部200が各光照射時に互いに異なる位置に位置するように受信部200を移動させることができる。図2は、各光照射時の受信部200の位置の例を表す。図2における点は、各光照射時の支持体220の底部の位置をプロットしたものである。光照射部100はN回の光照射を行い、受信部200はN箇所で光音響波を受信する。図2において、光照射回数は2050回であり、光照射間の受信部200の平均移動距離は約1.5mmである。
受信素子群210は光照射部100が複数回光を照射により発生した光音響波を受信することにより、複数回の光照射のそれぞれに対応する複数の電気信号群を出力する。すなわち、受信素子群210は、光照射部100の光照射回数分だけ電気信号群を出力する。以下、複数回の光照射のそれぞれに対応する複数の電気信号群を、単に複数の電気信号群と呼ぶ。
以下、N回の光照射をおこなう場合を説明する。なお、i回目の光照射により得られた受信信号群をPdp_i(1≦i≦N)と表記する。添え字iが付されたアイテムは、i回目の光照射に対応するアイテムであることを表す。iは正の整数であり、パルスインデックスとも呼ぶ。添え字pが付されたアイテムは、1回の光照射に対応するアイテムであることを表す。
信号収集部400は、受信素子群210から出力されたアナログ信号群である複数の電気信号群をデジタル信号群に変換し、記憶部510に記憶させる。
画像データ取得部500は、記憶部510に記憶された複数の電気信号群に基づいて対象物の画像データを取得する。画像データ取得部500は、対象物の画像データを表示部600に送信し、画像データに基づいた画像や画像データ中の特定位置の数値等を表示部600に表示させる。画像データが3次元の場合、画像データ取得部500は、任意の断面で切断した断層画像、最大値投影(Maximum Intensity Projection:MIP)画像、またはボリュームレンダリングした画像などを表示させることができる。
以下、画像データ取得部500が対象物の画像データを取得する処理を図3に示す処理フローチャートにしたがって詳述する。
(S210:複数のパルスボリュームデータを取得する工程)
再構成部520は、記憶部510に記憶された複数の電気信号群のそれぞれの電気信号群に基づいて、複数回の光照射のそれぞれに対応する、対象物の複数の画像データを取得する。すなわち、再構成部520は、圧力の時間変動を表す電気信号群を対象物の画像データに変換する。1回の光照射によって得られる画像データをパルスボリュームデータとも呼ぶ。パルスボリュームデータは、2次元または3次元に配列したボクセル(2次元の場合はピクセルとも呼ぶ)の夫々に当該位置における値を収めたボリュームデータの形式で取得される。ボリュームデータは、2次元または3次元ボリューム、2次元または3次元画像、2次元または3次元断層像とも呼べる。
本実施形態において再構成部520は、記憶部510に記憶された複数の電気信号群のそれぞれの電気信号群に基づいて、複数回の光照射のそれぞれに対応する複数の初期音圧分布データP0p_iを取得する。複数の初期音圧分布データP0p_iは記憶部510に記憶される。本実施形態においては、対象物の画像データとして、初期音圧の3次元の空間分布情報を取得する場合を説明する。P0p_i(x,y,z)のように関数表現によって初期音圧分布データの各位置での値を表記する。以下、複数回の光照射のそれぞれに対応する複数の初期音圧分布データP0p_iを、単に複数の初期音圧分布データとも呼ぶ。
再構成手法については、タイムドメイン再構成手法、フーリエドメイン再構成手法、モデルベース再構成手法(繰り返し再構成手法)などの公知の再構成手法を採用することができる。例えば、PHYSICAL REVIEW E 71, 016706 (2005)に記載されたようなUniversal Back−Projection(UBP)と呼ばれるタイムドメイン再構成手法を採用することができる。
再構成部520は、複数の電気信号群に加え、各光照射時の各受信素子の位置情報に基づいて、複数の初期音圧分布データを取得する。再構成部520は、記憶部510に予め記憶された各光照射時の各受信素子の位置情報を読み出すことにより位置情報を取得することができる。また、再構成部520は、光照射をトリガーとして、駆動部300に備えられた位置センサから受信部200の位置情報を受け取ることにより、各受信素子の位置情報を取得してもよい。
図4は、本実施形態に係るパルスボリュームデータの一部(P0p_1〜P0p_30)を示す。本実施形態におけるパルスボリュームデータは3次元空間中のボリュームデータであるが、紙面上での説明の都合からパルスボリュームデータをXY面で表す。本実施形態においては、時間的に隣接する初期音圧分布データの少なくとも一部の領域が重畳するように、再構成領域が設定される。本実施形態では、半球状の支持体220の曲率中心を中心とした60mm角の立方体領域を、1回の光照射、すなわち1つの電気信号群に基づいて再構成される再構成領域とする。この場合、1回の光照射による再構成領域の大きさ(60mm)は、光照射間の受信部200の移動量(1.5mm)と比べて大きい。そのため、図4に示すように、時間的に一続きの光照射に対応する2つ以上のパルスボリュームデータが重畳することとなる。再構成領域の大きさや形状は、予め設定されていてもよい。また、ユーザが入力部700を用いて再構成領域の大きさや形状を指定してもよい。基準位置Oに対する各パルスボリュームデータの紙面左上の端部の位置を、各パルスボリュームデータの位置とする。図4では、一例としてパルスボリュームデータP0p_1の位置PosP0p_1を示した。図2に示すように光照射毎に受信部200の位置が異なるため、図4に示された本実施形態で得られる各パルスボリュームデータは、基準位置Oに対して互いに異なる位置に位置する。すなわち、本実施形態においては、あらかじめ設定された、光照射時の受信部の位置により、パルスボリュームデータの位置が決定される。なお、光照射時の受信部の位置情報を取得し、この位置情報に基づいて、取得されるパルスボリュームデータの位置が決定されてもよい。また、光が照射された位置に基づいて、パルスボリュームデータの位置が決定されてもよい。また、本工程で取得されるパルスボリュームデータの位置は、予め設定されていてもよい。
なお、本工程において、再構成部520は、対象物内での光フルエンス分布データΦ[J/m]と対象物内のグリュナイゼン係数分布データΓ[Pa・m/J]とを取得してもよい。そして、再構成部520は、初期音圧分布データを、光フルエンス分布データとグリュナイゼン係数分布データとで除算することにより、対象物内の光吸収係数分布データμ[1/m]を取得してもよい。この場合、光吸収係数分布データをパルスボリュームデータとしてもよい。
例えば、再構成部520は、Proc.of SPIE Vol.7561 756117−1に記載されたように、光拡散方程式を解くことにより光フルエンス分布データを取得してもよい。
また、例えば、グリュナイゼン係数は対象物の種類が決定するとほぼ一意に値が決定されることが知られているため、対象物に対応するグリュナイゼン係数分布データΓを予め記憶部510に記憶しておくことができる。そして、再構成部520は、予め記憶部510に記憶されたグリュナイゼン係数分布データΓを読み出すことにより、取得してもよい。
なお、ユーザが、把持部を有する受信部200を把持し、受信部200を移動させてもよい。また、複数回の光照射を行っている期間に受信部200を移動させなくてもよい。また、再構成部520は、1回の光照射により得られる電気信号群に基づいて全画像化領域の画像データを取得し、それを複数回の光照射について繰り返してもよい。
(S220:パルスボリュームデータを選択する工程)
選択部530は、記憶部510に記憶された複数のパルスボリュームデータから、時間的に一続きの光照射に対応する2つ以上のパルスボリュームデータを選択する。ここで選択された2つ以上のパルスボリュームデータを総称して第1の集合データG_1と呼ぶ。
また、選択部530は、第1の集合データとはパルスボリュームデータの組み合わせが異なり、かつ、第1の集合データに含まれるパルスボリュームデータの一部を含む、時間的に一続きの光照射に対応する2つ以上のパルスボリュームデータを選択する。ここで選択された2つ以上のパルスボリュームデータを総称して第2の集合データG_2と呼ぶ。
本明細書において第jの集合データをG_j(1≦j≦M)と表記する。添え字jが付されたアイテムは、第jの集合データに対応するアイテムであることを表す。jは正の整数であり、集合インデックスとも呼ぶ。添え字gが付されたアイテムは、1つの集合データに対応するアイテムであることを表す。
図5は、本実施形態におけるパルスボリュームデータの選択例を示す。選択部530は、1回目から10回目の光照射に対応する10個の初期音圧分布データP0p_1〜P0p_10を第1の集合データG_1として選択する。また、選択部530は、6回目から15回目の光照射に対応する10個の初期音圧分布データP0p_6〜P0p_15を第2の集合データG_2として選択する。ここでは、それぞれの集合データにおいて、6回目から10回目の光照射に対応する初期音圧分布データが共通の初期音圧分布データとして選択されている。同様に、選択部530は、10回分の光照射に対応する初期音圧分布データを、5回の光照射分ずつずらして選択することにより複数の集合データG_1〜G_Mを選択することができる。すなわち、集合データG_jは、初期音圧分布データP0p_(5j−4)〜P0p_(5j+5)を含む。本実施形態の場合、1つの集合データが10つの電気信号群で構成され、5つの電気信号群ずつずらしながら複数の集合データが形成される。そのため、パルスボリュームデータの数(N)よりも合成ボリュームデータの数(M)の方が少ない。
なお、選択部530が各パルスボリュームの画質に基づいてパルスボリュームデータを選択してもよい。選択部530は、選択されたパルスボリュームデータが合成されたときに所定の画質以上となるようにパルスボリュームデータを選択してもよい。選択部530は、画質が高いパルスボリュームデータについては、画質が小さいパルスボリュームデータと比べて、より少ない数のパルスボリュームデータを1つの集合として選択してもよい。ここで画質は、ボリュームデータにおける信号レベル、S/N、またはコントラストなどである。例えば、当該パルスボリュームデータにおいて、強い光音響波が発生した被検体の部位が撮像されている領域では強い輝度値が観測され、それ以外では弱い輝度値が観測される場合を想定する。選択部530は当該パルスボリュームデータ内の輝度値の平均や、輝度値の分散等に基づいて信号レベルを算出してもよい。また、選択部530がパルスボリュームデータの輝度値に基づいて光音響波に基づいた成分とノイズ成分との割合を算出し、それに基づいてS/Nを算出してもよい。この場合、例えば、選択部530が当該パルスボリュームデータの輝度値に関して空間周波数解析を行う。そして、選択部530が、所定の周波数以上の輝度値の成分をノイズとし、それ以下の周波数の輝度値の成分を光音響波に基づいた成分とし、これらの成分の比率によってS/Nを算出してもよい。以上、各パルスボリュームボリュームデータの画質に応じて合成対象とするパルス数を適応的に変更することができる。そのため、画質が所定のレベル以上となる合成されたボリュームデータが生成することができる。
また、選択部530は対象物の大よその体動の変化が分かっている場合には、その体動の大きさに基づいてパルスボリュームデータを選択してもよい。具体的には、選択部530は、体動が大きい場合には選択するパルス数を少なくし、体動が小さい場合には選択するパルス数を多くするようにできる。これにより、被検体の体動が大きい場合には、後述するS230において少数のパルスボリュームデータが合成される。そのため、体動の影響により合成されたボリュームデータにボケが含まれることを抑制することができる。一方、対象物の体動が小さい場合には、後述するS230において多数のパルスボリュームデータが合成される。これにより、パルスボリュームデータに含まれるノイズの影響を低減させた合成されたボリュームデータを生成できる効果がある。
なお、後述するように、選択されたパルスボリュームデータは合成される。合成後のボリュームデータのボケを抑制するため、選択されたパルスボリュームの間での位置ずれが小さい方が好ましい。そこで、所定の期間内に行われた光照射のうち、2つ以上の光照射に対応するパルスボリュームを選択してもよい。第1の集合データに対応する所定の期間を第1の期間、第2の集合データに対応する所定の期間を第2の期間と称する。所定の期間は、位置ずれの大きさや周期によって決定される。例えば、位置ずれの1/4周期に対応する期間に含まれるパルスボリュームデータを選択してもよい。呼吸による位置ずれを想定する場合、1秒以内に含まれるパルスボリュームデータを選択してもよい。比較的早い呼吸による位置ずれを想定する場合、0.5秒以内に含まれるパルスボリュームデータを選択してもよい。また、所定の期間内のパルスボリュームデータを選択する限り、いかなる組み合わせのパルスボリュームデータを選択してもよい。すなわち、時間的に一続きのパルスボリュームデータを選択しなくてもよい。
(S230:選択されたパルスボリュームデータを合成する工程)
合成部540は、S220で選択された2つ以上のパルスボリュームデータを合成することにより、合成ボリュームデータを取得する。
本実施形態において合成部540は、選択部530により選択された第1の集合データG_1に含まれる初期音圧分布データP0p_1〜P0p_10を合成し、第1の合成された初期音圧分布データP0g_1を取得する。第1の合成された初期音圧分布データが第1の合成ボリュームデータ(第1の画像データ)に相当する。また、第1の合成ボリュームデータを取得するための合成を第1合成と称する。
図6Aは、第1合成により取得された第1の合成ボリュームデータP0g_1を示す。本実施形態においては、合成対象のパルスボリュームデータP0p_1〜P0p_10をすべて包含し、かつ、最小となる矩形の領域を第1の合成ボリュームデータP0g_1とする。なお、少なくとも2つ以上のパルスボリュームデータが重畳した領域を包含する任意の領域を合成ボリュームデータとしてもよい。すなわち、合成ボリュームデータの領域は、合成対象のパルスボリュームデータをすべて包含しなくてもよい。
また、パルスボリュームデータと同様に、基準位置Oに対する紙面左上の端部の位置を、第1のボリュームデータの位置PosP0g_1とする。
また、合成部540は、選択部530により選択された第2の集合データに含まれる初期音圧分布データP0p_6〜P0p_15を合成し、第2の合成された初期音圧分布データP0g_2を取得する。なお、第jの集合データに含まれる初期音圧分布データを合成することにより得られた第jの合成された初期音圧分布データをP0g_jと表記する。第2の合成された初期音圧分布データが第2の合成ボリュームデータ(第2の画像データ)に相当する。また、第2の合成ボリュームデータを取得するための合成を第2合成と称する。
図6Bは、図6Aで示したパルスボリュームデータP0p_1〜P0p_30に基づいて取得された合成ボリュームデータP0g_1〜P0g_5を示す。図6
Bにおいて、実線はパルスボリュームデータを表し、破線は合成ボリュームデータを表す。
図6Cは、図6Bで示した合成ボリュームデータP0g_1〜P0g_5のみを示す。実線は合成ボリュームデータP0g_1、P0g_3、P0g_5を表し、破線はP0g_2、P0g_4を表す。
本実施形態において、合成部540は、選択されたパルスボリュームデータに対して平均化処理することにより合成ボリュームデータを取得する。平均化処理(加算平均)は、各パルスボリュームが重なる領域について、各パルスボリュームの輝度を加算し、重なるパルスボリュームの数で除する演算により行われる。
合成部540は、合成ボリュームデータP0g_jとともに、重みボリュームデータWg_j(x,y,z)を取得してもよい。重みボリュームデータWg_jは、合成ボリュームデータP0g_jの各位置における、パルスボリュームデータの重畳数(平均化処理の場合、除算する際の値)を表すボリュームデータである。多くのパルスボリュームデータを合成することにより得られた位置における合成ボリュームデータの値は信頼度が高いと考えられる。すなわち、重みボリュームWg_jは、合成ボリュームデータの各位置の信頼度を表す値と捉えられる。
なお、合成する手法は、平均化処理に限らず、1つのパルスボリュームデータに比べて、対象物の特徴をより正確に再現したボリュームデータを取得できる限り、あらゆる手法を用いることができる。ただし、光照射間の対象物900と受信部200との相対位置の変動を補正する処理(例えば、パルスボリュームの位置を変更する処理)については、本明細書に係る「合成」に含まない。
例えば、合成部540は、合成対象のパルスボリュームデータのそれぞれを重みづけした後に加算することにより合成してもよい。また、合成部540は、外れ値除去法などによってノイズを多く含む値を除外したパルスボリュームデータに対して加算値や平均値を算出するようにしてもよい。
これらの合成処理により、各パルスボリュームデータに含まれるノイズが低減され、対象物の特徴をより正確に再現した合成ボリュームデータを取得することができる。
本実施形態のように、S230において時間的に連続するパルスボリュームデータを選択することにより、本工程において時間変化の小さいパルスボリュームデータを合成することができる。これにより、本工程では、複数回の光照射間の対象物と光音響波の受信部との相対的な位置関係の変動による影響が極力抑制された合成ボリュームデータを取得することができる。
本工程において、1つでは品質の低いパルスボリュームデータを複数個合成することにより、品質が改善した合成ボリュームデータを取得することができる。ただし、本工程で得られる合成ボリュームデータには、複数回の光照射間の対象物と光音響波の受信部との相対的な位置関係の変動による影響が含まれている。そのため、合成ボリュームデータには当該変動のよる品質の低下が生じている可能性がある。以下、この品質の低下を抑制するために、合成ボリュームデータの推定位置からパルスボリュームデータの位置を推定する処理を説明する。
なお、選択部530が、本工程で得られた合成ボリュームデータの画質に基づいて、合成対象となるパルスボリュームデータを再度選択してもよい。具体的に、選択部530は、合成ボリュームデータの画質が所定の画質より小さい場合、合成対象となるパルスボリュームデータを追加して選択し直してもよい。これにより、合成ボリュームデータを所定の画質以上とすることができるため、後述するS250における合成ボリュームデータの位置の推定精度が向上する。また、選択部530は、合成ボリュームデータの画質が所定の画質以上の場合、合成対象となるパルスボリュームデータを削減して選択し直してもよい。所定の画質以上とするためのパルスボリュームデータの数を少なくできるため、体動の影響により合成ボリュームデータにボケが含まれることを抑制することができる。
再構成部520が、S220で選択される2つ以上のパルスボリュームデータに対応する光照射により得られた2つ以上の電気信号群に基づいて、合成ボリュームデータを取得してもよい。この場合、S220で説明したパルスボリュームデータを選択する方法と同様の方法で電気信号群を選択してもよい。また、再構成部520は、電気信号群ごとにパルスボリュームデータを生成することなく、2つ以上の電気信号群から1つのボリュームデータを生成してもよい。なお、1つの電気信号群を適用する再構成領域の大きさは、S210で説明したように全画像化領域よりも小さい大きさであってもよい。また、1つの電気信号群を適用する再構成領域の大きさは、全画像化領域の大きさであってもよい。すなわち、再構成部520は、全ての電気信号群のそれぞれを全画像化領域に適用してもよい。
(S240:合成ボリュームデータを選択する工程)
位置推定部560は、S230で得られた複数の合成ボリュームデータから任意の合成ボリュームデータのペアを選択する。k個目のペアをR_kと表記する。また、ペアR_kを構成する合成ボリュームデータの一方をP0g_k1、もう一方をP0g_k2と表記する。以下、本実施形態では、K個のペアが選択された場合について説明する。
なお、オーバーラップ領域を有する2つの合成ボリュームデータをペアとすることが好ましい。これにより、後述するS250において共通の特徴を有さない合成ボリュームデータ同士を比較することを避けることができるため、冗長な計算を減らすことができる。さらに、オーバーラップ領域の大きい合成ボリュームデータ同士をペアとすることが好ましい。そこで、例えば、位置推定部560は、合成ボリュームデータ間のオーバーラップ領域の体積が所定の値以上のペアを選択してもよい。また、例えば、位置推定部560は、合成ボリュームデータに対するオーバーラップ領域の体積の割合が所定の値以上のペアを選択してもよい。また、合成ボリュームデータ内でパルスボリュームデータの重畳数が多い領域同士が重なるようなペアを選択してもよい。
また、ある合成ボリュームデータに対して、当該合成ボリュームデータの集合インデックスから集合インデックスが所定の範囲に含まれる合成ボリュームデータをペアの対象として選択してもよい。また、集合インデックスが連続する、すなわち時間的に連続する合成ボリュームデータをペアの対象として選択してもよい。
例えば、本実施形態では、位置推定部560は、P0g_jに対して、P0g_(j+1)〜P0g_(j+60)のうち、P0g_jに対するオーバーラップ領域が50%以上となる合成ボリュームデータを合成対象としてペアを選択する。
(S250:合成ボリュームデータの位置ずれ量を推定する工程)
続いて、位置推定部560は、光照射間における、対象物と光音響波の受信部との相対的な位置関係の変動による、各合成ボリュームデータの位置ずれ量を推定する。以下、S250の詳細な処理フローを示す図7を参照しつつ、合成ボリュームデータの位置ずれ量を推定する画像処理方法の例を説明する。
(S251:合成ボリュームデータ間の類似度関数を取得する工程)
位置推定部560は、式(1)に示すようにP0g_k1とP0g_k2との間の類似度関数F_kを取得する。
F_k(x,y,z)=fsimil(P0g_k,x,y,z) ・・・式(1)
ここで、類似度関数F_kは、ペアR_kを構成する片方の合成ボリュームデータP0g_k1に対する、もう一方の合成ボリュームデータP0g_k2の相対位置を(x,y,z)だけ並進させた場合の類似度を算出する関数である。ここで関数fsimilは、画像間の類似度が高い場合には関数値として高い値を返すものとする。類似度関数F_kの取得とは、各関数の引数である並進量(x,y,z)、すなわち画像間の相対位置を所定の範囲内で離散的に変化させた場合の関数値の取得を意味する。例えば、x、y、zのそれぞれの値を−Lから+Lまでの整数値として変化させた場合の夫々についてF_kが返す(2L+1)×(2L+1)×(2L+1)個の値の集合の取得を意味する。より発展的には、(2L+1)×(2L+1)×(2L+1)個の値の集合をさらにバイリニア法やバイキュービック法などを用いて、より連続関数に近い情報として類似度関数F_kを導出し、これを取得するものとしてよい。
なお、P0g_k1に対するP0g_k2の相対位置(光照射間の受信部200の移動量)だけ並進させた位置を基準として、P0g_k2の位置を所定の範囲内で離散的に変化させた場合の関数値を取得してもよい。
例えば、類似度を算出する関数としては、SSD(Sum of Squared Difference)やSAD(Sum of Absolute Difference)、相互情報量、相互相関など、任意の類似度尺度が適用できる。また、例えば、合成ボリュームデータから特徴的な形態を抽出し、それらの位置との一致度を測ることによって類似度関数を取得してもよい。抽出する特徴としては、血管などの解剖学的な特徴、エッジ検出やコーナー検出などの画像処理分野で一般的に用いられる公知の技術によって抽出された特徴を用いてもよい。また、抽出する特徴としては、コンピュータビジョン等の技術分野で一般的に使われるSIFT特徴やSURF特徴などのより高次の局所画像特徴等を用いてもよい。これらの方法によれば、合成ボリュームデータ間の輝度分布の相違やノイズの混入などに対して、より頑健な類似度関数を取得することができると考えられる。
なお、位置推定部560は、式(1)に示す各位置の類似度の計算(SSDであれば各画素値の差の二乗の計算)の結果に、S240で説明した重みボリュームデータWg_jを乗ずる処理を施すことにより類似度関数を取得してもよい。この処理により、位置推定部560は、信頼度の高い合成ボリュームデータの領域を強く反映した類似度関数を取得することができる。
また、類似度算出の対象となる合成ボリュームデータ間で正しく類似度を算出することができなかった場合、その結果を以降の処理には使用しなくてもよい。正しく類似度を算出することができない場合としては、いずれに並進させても類似度が十分小さい、または変わらない場合などが考えられる。この処理によれば、同一の特徴が十分に現れている合成ボリュームデータ同士の比較結果(類似度関数)を選択的に、以降の処理に使用することができる。
(S252:類似度関数が最大となるときの並進量を取得する工程)
続いて、位置推定部560は、式(2)に示すように、類似度関数F_kの関数値が最大となる、合成ボリュームデータP0g_k1に対する合成ボリュームデータP0g_k2の並進量M_k(x,y,z)を取得する。
M_k(x,y,z)=argmax{(F_k(x,y,z)} ・・・式(2)
位置推定部560は、各ペアについて類似度関数F_kの関数値が最大となる並進量M_kの取得を行う。
(S253:類似度関数に基づいて類似度関数の信頼度を取得する工程)
続いて、位置推定部560は、類似度関数F_kに基づいて、類似度関数F_kの信頼度S_kを取得する。類似度関数の信頼度とは、類似度関数に基づいて得られる、類似度関数が最大となる並進量(画像間の相対位置)の尤もらしさを表すパラメータである。すなわち、類似度関数の信頼度とは、類似度関数に基づいて得られる、比較対象の合成ボリュームデータ間の位置関係の尤もらしさを表すパラメータである。例えば、類似度関数が最大となる位置における、類似度関数の尖鋭度を類似度関数の信頼度としてもよい。すなわち、類似度関数が最大となる位置の周辺の類似度関数の値の変化の大きさ(尖鋭度)に基づいた値を類似度関数の信頼度としてもよい。具体的に、位置推定部560は、類似度関数F_kの二次微分値にしたがった式(3)により、尖鋭度を表す信頼度S_kを取得する。
Figure 0006682207

なお、位置推定部560は、類似度関数に基づいて、類似度関数が最大となる並進量(画像データ間の相対位置)の尤もらしさを表すパラメータを取得できる限り、いかなる方法を採用してもよい。
(S254:類似度関数の信頼度に基づいて合成ボリュームデータの位置ずれ後の位置情報を取得する工程)
合成ボリュームデータの位置を推定する場合に、ペアR_kに対する個別最適値である並進量M_kをなるべく保つような評価関数を定義する。すなわち、P0g_k1に対するP0g_k2の位置が並進量M_kから離れるにつれて、値が低下する評価関数を定義する。さらに、このように定義された評価関数を、S253で取得した類似度関数の信頼度S_kを用いて重みづける。式(4)は、類似度関数の信頼度S_kで重みづけされた評価関数E_kの例を表す。
E_k=S_k・(M_k−(PosP0g_k1−PosP0g_k2))
=S_k(x)×(M_k(x)−(PosP0g_k1(x)−PosP0g_k2(x)))
+S_k(y)×(M_k(y)−(PosP0g_k1(y)−PosP0g_k2(y)))
+S_k(z)×(M_k(z)−(PosP0g_k1(z)−PosP0g_k2(z)))
・・・式(4)
PosP0g_k1は、基準位置に対するP0g_k1の位置を表す。PosP0g_k2は、基準位置に対するP0g_k2の位置を表す。なお、評価関数を定義する際に、類似度関数F_kを当該類似度関数F_kにフィットするような二次関数に近似してもよい。また、類似度関数F_kが、並進量M_kの周辺において、二次関数に従って低下すると近似できる場合には、式(3)はP0g_k1とP0g_k2との位置関係から類似度関数F_kの値を並進量M_kの周辺で近似する関数となる。
続いて、位置推定部560は、式(5)のように定義されたコスト関数Eが最小化したときの、基準位置に対する全ての合成ボリュームデータの位置PosP’0g_jを取得する。
Figure 0006682207

コスト関数が最小化したときの、基準位置に対する合成ボリュームデータの位置は、対象物900と受信部200との相対的な位置関係の変動による位置ずれ後の合成ボリュームデータの位置情報を表す。
類似度関数の信頼度で重みづけられた評価関数を用いることにより、共通する構造が含まれている画像データのペアの評価結果を強く反映した位置情報を取得することができる。一方、画像データ中に共通の構造が含まれていないペアに対する評価を強く反映せずに位置情報を取得することができる。すなわち、類似度関数の信頼度を用いることで、ボリュームデータの位置情報を精度よく取得することができる。
例えば、位置推定部560は、式(5)に示すコスト関数Eを最小化する(0に最近接する)解を線形最小二乗法で解く。これにより、一意に各合成ボリュームデータの位置PosP’0g_jを算出することができる。式(5)に示すコスト関数においては、線形最小二乗法により一意に各合成ボリュームデータの位置PosP’0g_jを求めることができるため、計算コストが小さい。
なお、上記で説明した線形最適化によるコスト関数の最適化に限らず、コスト関数の最適化は公知のいかなる方法を用いてもよい。例えば、最急降下法、ニュートン法のような繰り返し計算による非線形最適化の方法などによって最適化してもよい。すなわち、位置推定部560は、コスト関数が最小化するような各合成ボリュームデータの位置を探索することにより、基準位置に対する合成ボリュームデータの位置ずれ後の位置情報を取得する。
なお、コスト関数は、想定される各合成ボリュームデータの位置の光照射間の変動(動き)に対して正則化をかけるように定義してもよい。対象物として乳房を考えた場合、呼吸による動きが支配的であると想定される。この場合、対象物の動きは最大で数mm程度の動きであり、その動きは時間的に連続で滑らかなものであることが想定される。また、その動きは周期的な動きとなることが想定される。上記のように想定される対象物の動きから逸脱するような動きが算出されることに対して抑制を働かせるような正則化をかけることができる。
正則化のかけ方はいかなる方法であってよい。例えば、導出過程の対象物の変動量(移動距離)の総和に所定の重み係数をかけてコスト関数に加算することで、正則化することができる。また、対象物の変動の時間微分(加速度)の総和をコスト関数に加算してもよい。また、対象物の変動の周波数成分値に基づいて算出された値をコスト関数に加算してもよい。また、対象物の典型的な変動の仕方をモデルとして用意し、そのモデルにおける変動との相違をコストとしてコスト関数に加算するようにしてもよい。
また、「コスト関数を最小化させる」とは、コスト関数が厳密に最小となる場合だけではなく、解の候補を変化させたときにコスト関数の値が所定の値以下となる場合やコスト関数の変化量が所定の値以下となる場合も含む。すなわち、位置推定部560は、コスト関数が所定の条件を満たすことをもって、コスト関数が最小化した判断してもよい。また、ユーザが入力部700を用いて、コスト関数が最小化したことを指示してもよい。この場合、位置推定部560は、入力部700からの指示を受けてコスト関数が最小化したと判断する。
(S255:位置ずれ後の位置情報に基づいて合成ボリュームデータの位置ずれ量を取得する工程)
続いて、位置推定部560は、S230で得られた合成ボリュームデータに対する、コスト関数が最小化したときの合成ボリュームデータの位置ずれ量M_jを取得する。この位置ずれ量M_jは、対象物900と受信部200との相対的な位置関係の変動による、各合成ボリュームデータの位置ずれ量を表す。
図8は、S230で得られた合成ボリュームデータPog_2の位置PosP0g_2と、コスト関数が最小化したときの合成ボリュームデータP’og_2の位置PosP’og_2(位置ずれ後の位置)とを示す。図8において、S230で得られた合成ボリュームデータPog_2を実線で表し、コスト関数が最小化したときの合成ボリュームデータP’og_2を破線で表す。
S254において類似度関数の信頼度に基づいて合成ボリュームデータの位置ずれ後の位置情報を精度よく推定できるため、S255において合成ボリュームデータの位置ずれ量についても精度良く取得される。
なお、S250においては、類似度関数の信頼度に基づいて、対象物900と受信部200との相対位置の変動による、各合成ボリュームデータの位置ずれ量を取得することができる限り、いかなる手法を用いてもよい。
S250においては、パルスボリュームデータと比べて品質が改善された合成ボリュームデータを用いることにより、合成ボリュームデータの位置ずれ量を精度良く推定することができる。
(S260:パルスボリュームデータの位置ずれ量を推定する工程)
位置推定部560は、S250で推定された合成ボリュームデータの位置ずれ量M_jに基づいて、パルスボリュームデータの位置ずれ量M_iを推定する。すなわち、位置推定部560は、S210で設定されたパルスボリュームデータの位置に対する位置ずれを推定する。
位置推定部560は、合成ボリュームデータに対応付けられたパルスボリュームデータの位置ずれ量については、S250で推定された合成ボリュームデータの位置ずれ量を割り当てることができる。その他のパルスボリュームデータの位置ずれ量については、位置推定部560が、割り当てられたパルスボリュームデータの位置ずれ量に対して補間処理を行うことにより推定することができる。補間処理の手法について、線形補間やスプライン補間など公知の手法を採用することができる。また、S250で説明した想定される対象物の動きから逸脱するような位置を算出しないような制約をかけて補間処理を行ってもよい。
合成の対象となったパルスボリュームデータのうち、任意のパルスボリュームデータを、合成ボリュームデータに対応付けられたパルスボリュームデータとしてもよい。
例えば、合成対象のパルスボリュームデータが奇数個である場合、時間的に中心に位置するパルスボリュームデータを合成ボリュームデータに対応付けてもよい。
また、例えば、本実施形態のように合成対象のパルスボリュームデータが偶数個である場合、時間的に中心付近に位置するいずれかのパルスボリュームデータを合成ボリュームデータに対応付けてもよい。例えば、本実施形態のように10個のパルスボリュームデータを合成対象とする場合、合成ボリュームデータP0g_jの位置ずれ量M_jを、パルスボリュームデータP0p_5jの位置ずれ量M_5iとして割り当ててもよい。
また、合成対象のパルスボリュームデータが偶数個である場合、時間的に中心に位置する仮想のパルスボリュームデータを合成ボリュームデータに対応付けてもよい。例えば、本実施形態のように10個のパルスボリュームデータを合成対象とする場合、合成ボリュームデータP0g_jの位置ズレ量を、パルスインデックスが5.5jの仮想のパルスボリュームデータの位置ずれ量に割り当ててもよい。
また、重みづけを伴って合成される場合、合成対象のパルスボリュームデータのうち、最も高い重み係数で重みづけられたパルスボリュームデータを、合成ボリュームデータに対応付けてもよい。また、合成対象のパルスボリュームデータのうち、重み係数が中央値となるパルスボリュームデータを、合成ボリュームデータに対応付けてもよい。
図9は、本実施形態におけるパルスボリュームデータの位置ズレ量を推定する処理の一例を示す。
図9Aは、後述する位置ずれ補正を行う前のパルスボリュームデータに対する位置ずれ量を矢印で表した図である。まず、位置推定部560は、図9Aに示すように、合成ボリュームデータP0g_2の位置ずれ量M_2を、ハッチングされたパルスボリュームデータP0p_10の位置ずれ量M_10に割り当てる。位置推定部560は、その他の合成ボリュームデータP0g_jの位置ずれ量M_jについても、パルスボリュームデータP0p_5jの位置ずれ量M_5jに割り当てる。本実施形態において、M_1は0であるため、M_5についても0とする。なお、図9Aにおいて、パルスボリュームデータの位置ずれ後の位置PosP’op_10を示した。
続いて、位置推定部560は、図9Bに示すように、ハッチングされたパルスボリュームデータP0p_5j以外の並進量については、位置ずれ量M_5jを線形補間することにより取得される。図9Bにおいて、位置ずれ量M_5jを実線で表し、位置ずれ量M_5j以外の補間により推定された位置ずれ量を点線で表す。すなわち、パルスボリュームデータの位置ずれ後の位置PosP’op_iをつなぐように位置ずれ量を補間することにより、各パルスボリュームデータの位置ずれ量を推定することができる。なお、最適化後の合成ボリュームデータP’og_jの位置PosP’og_jを補間することにより得られた位置を、パルスボリュームデータの位置ずれ後の位置として推定してもよい。また、このようにして得られたパルスボリュームデータの位置ずれ後の位置に基づいて、パルスボリュームデータの位置ずれ量を取得してもよい。
以上の処理により、各合成ボリュームデータの位置ずれ量に基づいて各パルスボリュームデータの位置ずれ量を取得することができる。
本工程では、高い精度で推定された合成ボリュームデータの位置ずれ量に基づいて、パルスボリュームデータの位置ずれ量を推定することができる。これにより、品質の低いパルスボリュームデータから直接位置ずれ量を推定する場合と比べて、パルスボリュームデータの位置ずれ量の推定精度は高い。
また、前述したように、本実施形態においては、パルスボリュームデータの数(N)よりも合成ボリュームデータの数(M)の方が少ない。この場合、パルスボリュームデータ同士を比較することにより全パルスボリュームデータの位置ずれを推定する手法に比べて、合成ボリュームデータ同士を比較することにより全合成ボリュームデータの位置ずれを推定する手法の方が、計算量が少なくて済む。そのため、前者により全パルスボリュームデータの位置ずれを推定する手法に比べて、後者により得られた全合成ボリュームデータの位置ずれ量に基づいて全パルスボリュームデータの位置ずれ量を推定する手法の方が計算コストを少なくすることもできる。
(S270:位置ずれ補正後の複数のパルスボリュームデータを合成する工程)
合成部540は、各パルスボリュームデータの位置を、S260で推定された位置ずれ量だけ補正する処理(並進処理)を行った後に、それらを合成することにより第3の合成ボリュームデータ(第3の画像データ)を取得する。すなわち、位置ずれ後の位置に配置されたパルスボリュームデータを合成することにより第三の合成ボリュームデータを取得する。第3の合成ボリュームデータを取得するための合成を第3合成と称する。
図10は、本工程における位置ずれ補正処理(並進処理)の一例を示す。
図10Aは、本実施形態における並進処理前のパルスボリュームデータの一部(P0p_23〜P0p_25)を示す。破線は、P0p_25の外周およびP0p_25内の特徴701を表す。実線は、P0p_24の外周および内部の特徴711を表す。点線は、P0p_23の外周および内部の特徴721を現す。なお、特徴701、特徴711、特徴721はいずれも同一の特徴を表している。図10Aの状態では、各パルスボリュームデータ内の特徴は異なる位置に位置している。
図10Bは、並進前のパルスボリュームデータP0p_25を、S260で推定された位置ずれ量M_25だけ並進させた後のパルスボリュームデータP’0p_25を示す。図10Cは、並進前のパルスボリュームデータP0p_24を、S260で推定された位置ずれ量M_24だけ並進させた後のパルスボリュームデータP’0p_24を示す。図10Dは、並進前のパルスボリュームデータP0p_23を、S260で推定された位置ずれ量M_23だけ並進させた後のパルスボリュームデータP’0p_23を示す。
図10Eは、並進後のパルスボリュームデータP’0p_23、P’0p_24、およびP’0p_25を重ね合わせた様子を示す。図10Eにおいては、各パルスボリュームデータ内の特徴701、711、および721がほぼ同じ位置で重なっている。合成部540は、図10Eに示すように並進処理された各パルスボリュームデータを合成することにより、位置合わせされたボリュームデータを取得することができる。位置合わせされたボリュームデータは第3の合成ボリュームデータに相当する。「位置合わせ」とは、位置ずれ補正処理(並進処理)と合成処理の両処理を行うことを指す。
本工程においてパルスボリュームデータが重畳する領域については、S240で説明した合成手法や、任意のパルスボリュームデータのみを残す合成手法などを適用することができる。
本工程では、合成ボリュームデータを用いて精度よく推定された位置ずれ量に基づいて各パルスボリュームデータの位置ずれを補正した後に合成することができる。これにより、合成ボリュームデータには含まれる、光照射間の対象物と光音響波の受信部との相対的な位置関係の変動の影響が抑制された画像データ(位置合わせされたボリュームデータ)を取得することができる。
なお、光照射間で受信部200が移動しない場合であっても上記処理を適用することができる。すなわち、光音響装置が駆動部300を備えない場合であっても上記処理を適用することができる。この場合も、複数回の光照射間の対象物と光音響波の受信部との相対的な位置関係の変動の影響が抑制された画像データを取得することができる。
[回転または変形を考慮した位置ずれ補正例]
本実施形態では対象物と受信部との相対的な位置関係の変動として並進が生じる場合の例を説明した。ただし、当該変動として回転や変形が生じる場合についても同様に本発明を適用することができる。
例えば、回転を考慮する場合、位置推定部560は、S250において、並進量に加えて回転量を引数として、各合成ボリュームデータの位置および回転量(位置ずれ量)を推定することができる。続いて、位置推定部560は、S260において、各合成ボリュームデータの位置および回転量(位置ずれ量)に基づいて、各パルスボリュームデータの位置および回転量(位置ずれ量)を推定することができる。続いて、位置推定部560は、S270において、推定された位置および回転量に基づいて各パルスボリュームデータを剛体変換処理(位置ずれ補正処理)した後に第3合成することにより、第3の合成ボリュームデータを取得することができる。なお、回転量のみを位置ずれ量としてもよい。
また、例えば、変形を考慮する場合、位置推定部560は、S250において、合成ボリュームデータに設定された各点での変位量(並進及び回転量の少なくとも1つ)を引数として変位量を推定することができる。続いて、位置推定部560は、S260において、各合成ボリュームデータの各点における変位量に基づいて、各パルスボリュームデータの各点における変位量を推定することができる。続いて、位置推定部560は、S270において、推定された変位量に基づいて各パルスボリュームデータを変形処理(位置ずれ補正処理)した後に第3合成することにより、第3の合成ボリュームデータを取得することができる。例えば、Free Form Deformation(以下FFDを称する)やThin Plate Splineなどの変形を表現する手法によって、合成ボリュームデータ間の変位量を算出することにできる。これらの処理により、変形を含むより高次な変動を考慮して、品質の高い第3の合成ボリュームデータを取得することができる。
[対象物を保持する例]
光音響装置は、図11に示すように対象物900を保持する対象物保持部1000を備えてもよい。図11においては、寝台1100の上で伏臥位となった生体1200の乳房を対象物900としている。対象物保持部1000は、対象物900の動きを抑制するための部材である。例えば、対象物保持部1000の材料としては、ポリメチルペンテンやポリエチレンテレフタラートなどを用いることができる。図11に示すように対象物保持部1000を介して対象物900に光130を照射する場合、対象物保持部1000は光130に対して透明であってもよい。対象物保持部1000は、対象物保持部1000の保持面と対象物900の外形がほぼ一致するように構成されていてもよい。
例えば、対象物保持部1000により対象物900の動きが特定の方向に限定される場合、位置推定部560は、特定の方向への位置ずれ補正のみを行ってもよい。すなわち、位置推定部560は、対象物保持部1000により位置ずれが抑制された方向以外への位置ずれを考慮せずに、位置ずれ後の位置情報を取得してもよい。これにより、位置ズレ補正に要する処理量を低減することができる。
なお、図11においては生体1200が伏臥位の状態において乳房を撮像する例を説明したが、本実施形態に係る光音響装置は、伏臥位に限らず、あらゆる体位で対象物900を撮像することができる。
[パルスボリュームデータの表示例]
本実施形態では全光照射による光音響波の測定が完了した後にパルスボリュームデータの取得を開始する例を説明したが、光照射の度に逐次パルスボリュームデータを取得してもよい。後者の場合、取得されたパルスボリュームデータを逐次表示部600に表示させてもよい。これにより、ユーザは全測定が完了する前に取得済みのパルスボリュームデータを確認することができる。このとき、パルスボリュームデータが重畳した領域については、S270で説明した合成手法で合成してもよい。
[MIP画像に基づく位置推定例]
S250においては、3次元の画像データを2次元の投影データに変換した後に、基準位置に対する、位置ずれ後の各合成ボリュームデータの位置を推定してもよい。以下、その処理の一例を説明する。
投影データ取得部550は、合成された初期音圧分布データP0g_j(x,y,z)について、X方向、Y方向、Z方向のそれぞれの方向に投影した投影データとしてMIPデータを取得する。X方向に投影したMIPデータはY軸とZ軸によって表わされる2次元の空間分布情報であり、Ixg_j(y,z)と表記される。Y方向に投影したMIPデータはZ軸とX軸によって表わされる2次元の空間分布情報であり、Iyg_j(z,x)と表記される。Z方向に投影したMIPデータはX軸とY軸によって表わされる2次元の空間分布情報であり、Izg_j(x,y)と表記する。なお、Ixg_j(y,z)、Iyg_j(z,x)、Izg_j(x,y)のように関数表現によって各MIPデータの各位置での値を表記する。
なお、3次元の画像データを2次元の画像データへと変換できる限り、MIP画像以外の投影手法を採用してもよい。例えば、MIP画像に代えて最小値投影(Minimum Intensity Projection:MinP)画像を生成して用いるようにしてもよい。また、投影方向の複数のスライドを加算することにより、投影データを取得してもよい。
続いて、位置推定部560は、XY面、YZ面、ZX面のそれぞれについて、P0g_k1のMIPデータとP0g_k2のMIPデータとの類似度を取得する。すなわち、位置推定部560は、式(6)〜式(8)に示すように類似度を取得する。
FX_k(y,z)=fsimil(Ixg_k,y,z) ・・・式(6)
FY_k(x,z)=fsimil(Iyg_k,x,z) ・・・式(7)
FZ_k(x,y)=fsimil(Izg_k,x,y) ・・・式(8)
ここで、FX_k(y,z)は、YZ面によって表わされるMIPデータについて、ペアR_kを構成する片方のMIPデータに対するもう一方のMIPデータの相対位置を(y,z)だけ並進させた場合の類似度を算出する関数である。FY_k(x,z)はZX面に関する関数であり、FZ_k(x,y)はXY面に関する関数である。なお、類似度算出の手法については、S250で説明した手法を用いることができる。
続いて、位置推定部560は、式(9)〜(11)に示すように、YZ面、ZX面、XY面のそれぞれについて、関数値が最大となる、P0g_k1に対するP0g_kの並進量MX_k,MY_k,MZ_kを算出する。
Figure 0006682207
Figure 0006682207
Figure 0006682207

例えば、式(12)に示すように、並進量MX_k,MY_k,MZ_kの各座標軸の成分の平均値を、類似度が最大となる、P0g_k1に対するP0g_kの三次元の並進量M_kの各成分値とする。
Figure 0006682207

また、位置推定部560は、式(13)〜(15)に示すように、各座標軸について類似度関数F_kの二次微分値を算出することにより、類似度関数の信頼度S_k(x)、S_k(y)、S_k(z)を取得する。
Figure 0006682207
Figure 0006682207
Figure 0006682207

続いて、位置推定部560は、式(12)に示す並進量M_k、式(13)〜式(15)に示す類似度関数の信頼度を用いて、S250で説明したように、式(5)に示すコスト関数が最小化したときの各合成ボリュームデータの位置を推定することができる。
以上の処理により、3次元の画像データから変換された2次元の画像データに基づいて、基準位置に対する各合成ボリュームデータの位置を取得することができる。3次元画像データから2次元画像データに変換することにより、3次元画像データのまま処理を行う場合と比べて少ない計算コストで、位置ずれ後の合成ボリュームデータの位置を取得することができる。
[受信位置情報の位置ずれ補正例]
本実施形態に係る光音響装置は、初期音圧分布データの取得に用いる、各光照射時の各受信素子の位置情報を、各光照射に対応する位置ずれ量に基づいて補正してもよい。すなわち、本実施形態に係る光音響装置は、各光照射時の光音響波の受信位置情報を補正してもよい。受信位置情報の位置ずれ補正を行う処理を、図12に示す処理フローチャートにしたがって詳述する。図3に示す工程と同様の工程については同一の符号を付し、説明を省略する。
(S280:受信素子の位置情報を補正する工程)
まず、再構成部520は、位置ずれを考慮しないときの各受信素子の位置情報を取得する。例えば、再構成部520は、記憶部510に予め記憶された各光照射時の各受信素子の位置情報を読み出すことにより、位置ずれを考慮しないときの位置情報を取得することができる。また、再構成部520は、光照射をトリガーとして、駆動部300に備えられた位置センサから受信部200の位置情報を受け取ることにより、位置ずれを考慮しないときの各受信素子の位置情報を取得してもよい。
続いて、再構成部520は、各光照射における位置ずれを考慮しないときの各受信素子の位置情報に対応する位置を、S260で得られたパルスボリュームデータの位置ずれ量だけ補正(並進処理)する。これにより、再構成部520は、各光照射における位置ずれ補正された各受信素子の位置情報を取得することができる。すなわち、再構成部520は、S260で得られたパルスボリュームデータの位置ずれ量に基づいて、受信素子の位置ずれ後の位置情報を取得する。
(S290:受信素子の位置ずれ後の位置情報に基づいてボリュームデータを取得する工程)
再構成部520は、記憶部510に記憶された複数の電気信号群の電気信号群と、S280で取得された各受信素子の位置ずれ後の位置情報と、に基づいて、ボリュームデータとしての画像データを取得する。本工程では、S210で説明したように、再構成部520が、1回の光照射に対応する電気信号群からは全画像化領域よりも小さい領域を再構成し、これを全ての光照射に繰り返すことにより1つのボリュームデータを生成してもよい。また、再構成部520は、いずれの光照射に対応する電気信号群からも全画像化領域を再構成することにより、1つのボリュームデータを生成してもよい。
なお、本実施例においては、S210でパルスボリュームデータを生成することなく、S220で所望の電気信号群の組み合わせを選択し、選択された電気信号群を用いてS230で合成ボリュームデータを生成してもよい。この場合、S220で説明したパルスボリュームデータを選択する方法と同様の方法で電気信号群を選択してもよい。
[パルスボリュームデータの類似度関数の信頼度に基づいた、位置ずれ後の位置情報の取得例]
本実施形態に係る光音響装置は、パルスボリュームデータのペアの類似度関数の信頼度に基づいてパルスボリュームデータの位置ずれ後の位置情報を取得してもよい。すなわち、S250における合成ボリュームデータのペアの類似度関数の信頼度を用いた位置情報を取得する画像処理方法を、パルスボリュームデータに適用してもよい。なお、本実施形態の画像処理の対象となる画像データは、画像データ間の類似度関数を取得できるものであれば、いかなる画像データであってもよい。
[光音響装置以外の例]
以上、光音響装置を用いた例で本発明の一実施形態を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではない。複数の画像データに基づいて、当該複数の画像データの位置情報を取得する、あらゆる装置に対して本発明は適用することができる。例えば、超音波を送受信することにより画像データを取得する超音波診断装置により得られた複数の超音波画像データに対して本発明の位置情報の取得方法を適用してもよい。また、本発明は音響波を用いて得られた画像データに限らず、例えば拡散光トモグラフィ(DOT)装置や、光干渉トモグラフィ(OCT)装置などにより光を用いて得られた複数の画像データに本発明の位置情報の取得方法を適用してもよい。また、X線透視像取得装置やX線断層像取得装置などによりX線を用いて得られた複数の画像データに対して本発明の位置情報の取得方法を適用してもよい。
[その他の実施例]
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
100 光照射部
200 受信部
500 画像データ取得部

Claims (18)

  1. 第1の複数の画像データを取得する第1の取得手段と、
    前記第1の複数の画像データのうち、第1の2つ以上の画像データを用いて、第1の合成画像データを取得する第2の取得手段と、
    前記第1の複数の画像データのうち、前記2つ以上の画像データとは異なる組み合わせの第2の2つ以上の画像データを用いて、第2の合成画像データを取得する第3の取得手段と、
    前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとを用いて、前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報を取得する第4の取得手段と、
    前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報を用いて、前記第1の複数の画像データにおける各画像データの位置ずれに関する情報を取得する第5の取得手段と
    前記位置ずれに関する情報を用いて、前記第1の複数の画像データにおける各画像データを位置合わせすることにより、第3の合成画像データを取得する第6の取得手段とを有することを特徴とする処理装置。
  2. 前記画像データは、ボリュームデータであることを特徴とする請求項1に記載の処理装置。
  3. 受信手段が複数回の光照射により対象物から発生する音響波を受信することにより出力した、前記複数回の光照射に対応する複数の信号を取得する信号取得手段を有し、
    前記第1の取得手段は、前記複数の信号を用いて、前記第1の複数の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に記載の処理装置。
  4. 前記第2の取得手段は、前記第1の複数の画像データから、第1の期間に行われた2つ以上の光照射に対応する前記第1の2つ以上の画像データを選択し、
    前記第3の取得手段は、前記第1の複数の画像データから、前記第1の期間とは異なる第2の期間に行われた2つ以上の光照射に対応する第2の2つ以上の画像データを選択することを特徴とする請求項3に記載の処理装置。
  5. 前記第2の取得手段は、前記複数の画像データから、前記第1の期間に時間的に一続きに行われた2つ以上の光照射に対応する前記第1の2つ以上の画像データを選択し、
    前記第3の取得手段は、前記複数の画像データから、前記第2の期間に時間的に一続きに行われた2つ以上の光照射に対応する前記第2の2つ以上の画像データを選択することを特徴とする請求項4に記載の処理装置。
  6. 前記第2の取得手段は、
    前記第3の合成画像データを用いて、前記第3の合成画像データの画質に関する情報を
    取得し、前記第3の合成画像データの画質に関する情報を用いて、前記複数の画像データから、前記第1の2つ以上の画像データを選択することを特徴とする請求項4に記載の処理装置。
  7. 前記第2の取得手段は、
    前記複数の画像データを用いて、前記複数の画像データの画質に関する情報を取得し、
    前記複数の画像データの画質に関する情報を用いて、前記複数の画像データから、前記第1の2つ以上の画像データを選択することを特徴とする請求項4に記載の処理装置。
  8. 前記第4の取得手段は、前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとの間の並進、回転、および変形の少なくとも1つによる位置ずれに関する情報を取得する
    ことを特徴とする請求項1に記載の処理装置。
  9. 前記第5の取得手段は、前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報に対する補間処理を行うことにより、前記複数の画像データの位置ずれに関する情報を取得することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の処理装置。
  10. 前記第1の複数の画像データの位置ずれに関する情報を用いて、前記複数回の光照射のときの前記受信手段の位置に関する情報を取得し、当該位置に関する情報及び前記複数の信号を用いて、画像データを取得する第7の取得手段と、ことを特徴とする請求項3に記載の処理装置。
  11. 前記第7の取得手段は、
    前記位置に関する情報及び前記複数の信号を用いて、前記複数回の照射に対応する第2の複数の画像データを取得し、
    前記第2の複数の画像データを位置合わせすることにより前記画像データを取得することを特徴とする請求項10に記載の処理装置。
  12. 前記第2の取得手段及び前記第3の取得手段は、前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとが重なるように、前記第1の2つ以上の画像データ及び前記第2の2つ以上の画像データを選択することを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の処理装置。
  13. 光照射手段と、
    前記光照射手段からの光が照射された対象物から発生する音響波を受信することにより信号を出力する受信手段と、
    を有し、
    前記光照射手段は、前記対象物に対して複数回光を照射し、
    前記受信手段は、前記複数回の光照射により前記対象物から発生する光音響波を受信することにより、前記複数回の光照射に対応する複数の信号を出力し、
    前記第1の取得手段は、前記複数の信号に基づいて、前記複数回の光照射に対応する前記対象物の複数の画像データを取得し、
    前記第2の取得手段は、前記複数の画像データから、第1の期間に行われた2つ以上の光照射に対応する前記第1の2つ以上の画像データを選択し、
    前記第3の取得手段は、前記複数の画像データから、前記第1の期間とは異なる第2の期間に行われた2つ以上の光照射に対応する第2の2つ以上の画像データを選択することを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の処理装置。
  14. 前記複数回の光照射が行われる期間に、前記受信手段を移動させる駆動手段を有することを特徴とする請求項13に記載の処理装置。
  15. 前記第1の取得手段は、1回の光照射に対応する信号を用いて、光照射の時間間隔における前記受信手段の移動量よりも大きな領域の画像データを取得することにより、前記第1の複数の画像データを取得することを特徴とする請求項14に記載の処理装置。
  16. 特定の方向への前記対象物の位置ずれを抑制するように前記対象物を保持する保持手段を有し、
    前記第4の取得手段は、前記特定の方向への位置ずれを考慮せずに、前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報を取得することを特徴とする請求項13から15のいずれか1項に記載の処理装置。
  17. 第1の複数の画像データを取得する工程と、
    前記第1の複数の画像データのうち、第1の2つ以上の画像データを用いて、第1の合成画像データを取得する工程と、
    前記第1の複数の画像データのうち、前記2つ以上の画像データとは異なる組み合わせの第2の2つ以上の画像データを用いて、第2の合成画像データを取得する工程と、
    前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとを用いて、前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報を取得する工程と、
    前記第1の合成画像データと前記第2の合成画像データとの間の位置ずれに関する情報を用いて、前記第1の複数の画像データにおける各画像データの位置ずれに関する情報を取得する工程と、
    前記位置ずれに関する情報を用いて、前記第1の複数の画像データにおける各画像データを位置合わせすることにより、第3の合成画像データを取得する工程と、を有することを特徴とする処理方法。
  18. 請求項17に記載の処理方法を実行するためのプログラム。
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