JP6682207B2 - 光音響装置、画像処理方法、プログラム - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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Gg_1と呼ぶ。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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))2
=S_k(x)×(M_k(x)−(PosP0g_k1(x)−PosP0g_k2(x)))2
+S_k(y)×(M_k(y)−(PosP0g_k1(y)−PosP0g_k2(y)))2
+S_k(z)×(M_k(z)−(PosP0g_k1(z)−PosP0g_k2(z)))2
・・・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、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Mg_jを取得する。この位置ずれ量Mg_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。
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Mg_jに基づいて、パルスボリュームデータの位置ずれ量Mp_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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
200 受信部
500 画像データ取得部
Claims (18)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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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