JP7013215B2 - 情報処理装置、情報処理方法、プログラム - Google Patents

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Description

本発明は、モダリティ(画像診断装置)により生成された画像データを処理する情報処理装置に関する。
医療現場においては、モダリティ(画像診断装置)により生成された画像データに基づいた診断がなされている。例えば、モダリティとしては、音響波を受信することにより得られた受信信号に基づいて画像データを生成する光音響装置が知られている。光音響装置は、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝搬・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した被検体組織から発生した音響波(典型的には超音波であり、光音響波とも呼ぶ)を受信する。そして、光音響装置は、受信信号に基づき被検体情報を画像化する。
非特許文献1は、光音響波の受信信号から初期音圧分布を画像化する方法として、逆投影法の一つであるユニバーサルバックプロジェクション(UBP:Universal Back-Projection)を開示する。
"Universal back-projection algorithm for photoacou"stic computed tomography", Minghua Xu and Lihong V.Wang,PHYSICAL REVIEW E 71, 016706(2005)
ところで、音響波の受信信号を用いて画像データを生成する場合、音響波の発生位置以外にもアーティファクトとして画像に現れる。これにより、画像中の像がターゲット(観察対象)の像であるのか否かを判別することが困難な場合がある。また、アーティファクトの発生する、光音響装置以外のモダリティにおいても、同様の課題が発生し得る。
そこで、本発明は、画像中の注目位置にターゲット(観察対象)が存在する可能性が高いか低いかを判別しやすくすることのできる情報処理装置を提供することを目的とする。
本発明に係る情報処理装置は、被検体への光照射により被検体から発生する光音響波に基づいた情報を処理する情報処理装置であって、被検体への光照射を複数回行うことにより発生する光音響波に基づいた、複数回の光照射に対応する複数の画像データを取得する画像データ取得手段と、複数回の光照射に対応する複数のテンプレートデータを取得し、注目位置における複数の画像データの画像値列と、注目位置における複数のテンプレートデータのテンプレートデータ列との相関を示す情報を取得する相関情報取得手段と、を有する。
本発明に係る情報処理装置によれば、画像中の注目位置にターゲット(観察対象)が存在する可能性が高いか低いかを判別しやすくすることができる。
UBPによる時間微分処理及び正負反転処理を説明するための図 UBPによる逆投影処理を説明するための図 UBPによって得られた画像値の変動を示す図 比較例及び本発明に係る処理で得られた画像を示す図 第1の実施形態に係る光音響装置を示すブロック図 第1の実施形態に係るプローブを示す模式図 第1の実施形態に係るコンピュータとその周辺の構成を示すブロック図 第1の実施形態に係る画像生成方法のフロー図 第1の実施形態に係る画像データを生成する工程のフロー図 第1の実施形態に係る、複数回の光照射に対応する部分ボリュームデータを示す図 第1の実施形態に係るテンプレートデータを示す図 第1の実施形態に係る光照射の番号、部分ボリュームデータ、画像値、テンプレートデータの対応関係を示す図 第1の実施形態に係る部分ボリュームデータの画像値の変化を示したグラフ 第1の実施形態に係る、各種ボリュームデータ及びテンプレートデータを示す図
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施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、形状及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、光照射により発生した光音響波に由来する、二次元または三次元の空間分布を表す画像データの処理に関する発明である。光音響画像データは、光音響波の発生音圧(初期音圧)、光吸収エネルギー密度、及び光吸収係数、被検体を構成する物質の濃度(酸素飽和度など)などの少なくとも1つの被検体情報の空間分布を表す画像データである。
ところで、光音響イメージングの主な被検体である生体は、光を散乱及び吸収する特性を備える。そのため、光が生体の深部に進むにつれて、光強度が指数的に減衰する。その結果、典型的に、被検体表面付近では振幅の大きい光音響波が生じ、被検体深部では振幅の小さい光音響波が生じる傾向がある。特に被検体の表面付近に存在する血管から振幅の大きい光音響波が生じやすい。
非特許文献1に記載のUBP(Universal Back-Projection)と呼ばれる再構成法では、トランスデューサを中心とする円弧上に受信信号を逆投影する。その際、被検体の表面付近の振幅が大きい光音響波の受信信号が被検体深部に逆投影され、その結果被検体深部でのアーティファクトとなる。このため、被検体深部に存在する生体組織を画像化する際に、被検体表面から発生した光音響波に起因するアーティファクトにより画質(コントラスト等)が低下するおそれがある。
本発明は、アーティファクトによる光音響画像の画質低下を抑制することのできる発明である。以下、本発明に係る処理について説明する。
光音響波の受信信号は、一般的に図1(a)に示すようなN-Shapeと呼ばれる波形を持つことが知られている。UBPでは図1(a)に示すN-Shape信号に対して時間微分処理を行い、図1(b)に示す時間微分信号を生成する。続いて、時間微分信号の信号レベルの正負を反転する正負反転処理を行い、図1(c)に示す正負反転信号を生成する。なお、N-Shape信号に時間微分処理及び正負反転処理を施して生成された信号(投影信号とも呼ぶ)には、図1(c)の矢印A,Cで示すような負の値を持つ部分と、図1(c)の矢印Bに示すような正の値を持つ部分が現れる。
図2は、被検体内部の微小球形状の光吸収体であるターゲット10から発生した光音響波をトランスデューサ21及びトランスデューサ22で受信する場合にUBPを適用する例を示す。ターゲット10に光を照射すると、光音響波が発生し、光音響波はトランスデューサ21及びトランスデューサ22にてN-Shape信号としてサンプリングされる。図2(a)は、トランスデューサ21によりサンプリングされたN-Shape状の受信信号をターゲット10に重畳して示した図である。なお、便宜上、トランスデューサ21から出力された受信信号のみを示すが、トランスデューサ22からも同様に受信信号が出力される。
図2(b)は、図2(a)に示すN-Shape状の受信信号に時間微分処理及び正負反転処理を施した投影信号をターゲット10に重畳して示した図である。
図2(c)は、トランスデューサ21を用いて得られた投影信号をUBPで逆投影する様子を示す。UBPではトランスデューサ21を中心とした円弧上に投影信号を投影する。この場合、トランスデューサ21の指向角(例えば60°)の範囲に投影信号を逆投影している。その結果、あたかも領域31、32、及び33にわたってターゲット10が存在するかのような画像となる。ここで、領域31及び33は負の値を持つ領域であり、領域32は正の値を持つ領域である。図2(c)において、負の値を持つ領域31及び33を灰色で塗りつぶした。
図2(d)は、トランスデューサ22を用いて得られた投影信号をUBPで逆投影する場合を示す。その結果、あたかも領域41、42、及び43にわたってターゲット10が存在するかのような画像となる。ここで、領域41、43は負の値を持つ領域であり、領域42は正の値を持つ領域である。図2(d)において、負の値を持つ領域41及び43を灰色で塗りつぶした。
図2(e)は、複数のトランスデューサ21及び22のそれぞれに対応する投影信号をUBPで逆投影する場合の図を示す。このようにして逆投影された複数の投影信号を合成することにより、光音響画像データが生成される。
図2(e)に示すように、ターゲット10の内部の位置51においては、トランスデューサ21に対応する投影信号の正値の領域32と、トランスデューサ22に対応する投影信号の正値の領域42が重なる。すなわち、典型的にターゲット10の存在する領域(ターゲット領域とも呼ぶ)では、正値の領域同士が優位に重なる。そのため、ターゲット10の存在する領域では、典型的に光照射毎の画像データが正値となる傾向がある。
一方、ターゲット10の外部の位置52においては、トランスデューサ21に対応する投影信号の正値の領域32と、トランスデューサ22に対応する投影信号の負値の領域43とが重なる。また、ターゲット10の外部の位置53においては、トランスデューサ21に対応する投影信号の負値の領域31と、トランスデューサ22に対応する投影信号の正値の領域41とが重なる。このようにターゲット10以外の領域では、正値の領域と負値の領域とが複雑に重なる傾向がある。すなわち、ターゲット10以外の領域では、光照射毎に画像データが正値にも負値にもなる傾向がある。このような傾向となる理由としては、トランスデューサ22とターゲット10との相対位置が光照射毎に変わることなどが考えられる。
次に、光照射の度に光音響波の受信位置の組み合わせを変えたときの、光照射毎の画像データの値(画像値)の変動について説明する。図3(a)は、非特許文献1に記載のUBPで再構成したときのターゲット10の領域の画像データの値(画像値)の変動を示す。横軸は光照射の番号を示し、縦軸は画像値を示す。一方、図3(b)は、非特許文献1に記載のUBPで再構成したときのターゲット10以外の領域の画像データの値(画像値)の変動を示す。横軸は光照射の番号を示し、縦軸は画像値を示す。
図3(a)によれば、ターゲット10の領域の画像値は、光照射毎に変動があるものの、常に正値となっていることが分かる。一方、図3(b)によれば、ターゲット10以外の領域の画像値は、光照射毎に正値にも負値にもなることが分かる。
ここで、全ての光照射に対応する画像データを結合することにより画像データを生成すると、ターゲット10の領域では正値同士の結合となるので最終的な画像値が大きくなる。一方で、ターゲット10以外の領域では、画像データの正値と負値とが相殺して、最終的な画像値がターゲット10の領域よりも小さくなる。その結果、光音響画像データに基づいた画像上でターゲット10の存在を視認することができる。
ところが、ターゲット10以外の領域では、ターゲットが存在しないにもかかわらず画像値が0とはならず、最終的な画像値が正値となる場合がある。この場合、ターゲット10以外の位置にアーティファクトが発生し、ターゲットの視認性を低下させることとなる。
そこで、ある領域における画像が、ターゲットの画像であるかターゲット以外の画像であるかを判定しやすくすることが望まれている。この方法により、ターゲットであるか否かを精度よく判別することができる。
そこで、本発明者は、上記課題を解決するために、ターゲットの領域とターゲット以外の領域では、典型的に光照射毎の画像データの変動特性が異なる傾向を持つことを利用することを着想した。すなわち、本発明者は、光照射毎の画像データの画像値の変動特性から、ターゲットの領域とターゲット以外の領域とを判定することを着想した。
また、本発明者は、ターゲット領域であるか否かの判定結果を表す画像を表示させることを着想した。このような画像を表示させることにより、画像中のある位置にターゲットが存在するか否かを容易に判別することができる。
また本発明者は、上記の方法でターゲットの領域を決定し、画像データからターゲットの画像を分離した画像を生成することを着想した。すなわち、本発明者は、ある位置にターゲットが存在しない場合に、当該位置の画像値に対応する輝度よりも低い輝度で、当該位置における画像データに基づいた画像を表示することを着想した。このような画像生成方法によれば、ターゲットが強調された画像をユーザーに提供することができる。このような画像を表示させることにより、ユーザーはある位置にターゲットが存在するのか否かを容易に判別することができる。
また本発明者は、複数回の光照射に対応する複数の画像データの特徴を表す特徴情報に基づいた画像を表示させることを着想した。このような特徴情報を表示することにより、ユーザーはある位置にターゲットが存在するのか否かを容易に判別することができる。
本発明に係る処理の詳細については以下の実施形態で後述する。以下の実施形態では、図4に示す被検体モデル1000に対するシミュレーションにより光音響波の受信信号を生成し、当該受信信号を用いて画像データを生成する例を説明する。図4は、シミュレーションに用いる被検体モデル1000を示す。被検体モデル1000としては、表面付近に血管1010が存在し、表面から20[mm]の深さの箇所にY軸方向に走行する0.2[mm]の血管1011が存在するモデルを作成した。この被検体モデル1000においては血管をターゲットとしている。そして、光照射を複数回行ったときに被検体モデル1000内の血管1010及び1011から発生した光音響波を、被検体モデル1000の紙面下側に設けられた受信部が受信するときの受信信号をシミュレーションにより作成した。なお、シミュレーションにて光照射毎に光音響波の受信位置を変更して受信信号を作成した。また、シミュレーションにより得られた受信信号を用いて後述するUniversal back-projection(UBP)で再構成処理を行い、複数回の光照射のそれぞれに対応する画像データを作成した。
[第1の実施形態]
第1の実施形態は、光音響装置により光音響画像データを生成する例を説明する。以下、本実施形態の光音響装置の構成及び情報処理方法について説明する。
図5を用いて本実施形態に係る光音響装置の構成を説明する。図5は、光音響装置全体の概略ブロック図である。本実施形態に係る光音響装置は、光照射部110及び受信部120を含むプローブ180、駆動部130、信号収集部140、コンピュータ150、表示部160、及び入力部170を有する。
図6は、本実施形態に係るプローブ180の模式図を示す。測定対象は、被検体100である。駆動部130は、光照射部110と受信部120を駆動し、機械的な走査を行う。光照射部110が光を被検体100に照射し、被検体100内で音響波が発生する。光に起因して光音響効果により発生する音響波を光音響波とも呼ぶ。受信部120は、光音響波を受信することによりアナログ信号としての電気信号(光音響信号)を出力する。
信号収集部140は、受信部120から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ150に出力する。コンピュータ150は、信号収集部140から出力されたデジタル信号を、光音響波に由来する信号データとして記憶する。
コンピュータ150は、記憶されたデジタル信号に対して信号処理を行うことにより、被検体100に関する情報(被検体情報)の二次元または三次元の空間分布を表す光音響画像データを生成する。また、コンピュータ150は、得られた画像データに基づいた画像を表示部160に表示させる。ユーザーとしての医師は、表示部160に表示された画像を確認することにより、診断を行うことができる。表示画像は、ユーザーやコンピュータ150からの保存指示に基づいて、コンピュータ150内のメモリや、モダリティとネットワークで接続されたデータ管理システムなどのメモリに保存される。
また、コンピュータ150は、光音響装置に含まれる構成の駆動制御も行う。また、表示部160は、コンピュータ150で生成された画像の他にGUIなどを表示してもよい。入力部170は、ユーザーが情報を入力できるように構成されている。ユーザーは、入力部170を用いて測定開始や終了、作成画像の保存指示などの操作を行うことができる。
以下、本実施形態に係る光音響装置の各構成の詳細を説明する。
(光照射部110)
光照射部110は、光を発する光源111と、光源111から射出された光を被検体100へ導く光学系112とを含む。なお、光は、いわゆる矩形波、三角波などのパルス光を含む。
光源111が発する光のパルス幅としては、1ns以上、100ns以下のパルス幅であってもよい。また、光の波長として400nmから1600nm程度の範囲の波長であってもよい。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)を用いてもよい。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。
光源111としては、レーザーや発光ダイオードを用いることができる。また、複数波長の光を用いて測定する際には、波長の変更が可能な光源であってもよい。なお、複数波長を被検体に照射する場合、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。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。例えば、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として用いてもよい。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)レーザーを光源として用いてもよい。また、光源111としてフラッシュランプや発光ダイオードを用いてもよい。また、光源111としてマイクロウェーブ源を用いてもよい。
光学系112には、レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバー、拡散板、シャッターなどの等の光学素子を用いることができる。
生体組織に照射することが許される光の強度は、以下に示す安全規格によって最大許容露光量(MPE:maximum permissible exposure)が定められている。(IEC 60825-1:Safety of laser products、JIS C 6802:レーザー製品の安全基準、FDA:21CFR Part 1040.10、ANSI Z136.1:Laser Safety Standards、など。)最大許容露光量は、単位面積あたりに照射することができる光の強度を規定している。このため被検体Eの表面を広い面積で一括して光を照射することにより、多くの光を被検体Eに導くことができるので、光音響波を高いSN比で受信することができる。乳房等の生体組織を被検体100とする場合、高エネルギーの光のビーム径を広げて照射するために、光学系112の射出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112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110が光学系112を備えずに、光源111から直接被検体100に光を照射してもよい。
(受信部120)
受信部120は、音響波を受信することにより電気信号を出力するトランスデューサ121と、トランスデューサ121を支持する支持体122とを含む。また、トランスデューサ121は、音響波を送信する送信手段としてもよい。受信手段としてのトランスデューサと送信手段としてのトランスデューサとは、単一(共通)のトランスデューサでもよいし、別々の構成であってもよい。
トランスデューサ121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採用してもよい。また、トランスデューサにより得られる信号は時間分解信号である。つまり、トランスデューサにより得られる信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信される音圧に基づく値(例えば、音圧に比例した値)を表したものである。
光音響波を構成する周波数成分は、典型的には100KHzから100MHzであり、トランスデューサ121として、これらの周波数を検出することのできるものを採用することができる。
支持体122は、機械的強度が高い金属材料などから構成されていてもよい。照射光を被検体に多く入射させるために、支持体122の被検体100側の表面に鏡面もしくは光散乱させる加工が行われていてもよい。本実施形態において支持体122は半球殻形状であり、半球殻上に複数のトランスデューサ121を支持できるように構成されている。この場合、支持体122に配置されたトランスデューサ121の指向軸は半球の曲率中心付近に集まる。そして、複数のトランスデューサ121から出力された信号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122はトランスデューサ121を支持できる限り、いかなる構成であってもよい。支持体122は、1Dアレイ、1.5Dアレイ、1.75Dアレイ、2Dアレイと呼ばれるような平面又は曲面内に、複数のトランスデューサを並べて配置してもよい。例えば、複数のトランスデューサをらせん配置やフィボナッチ数列に従った配置で配置してもよい。複数のトランスデューサ121が複数の受信手段に相当する。
また、支持体122は音響マッチング材210を貯留する容器として機能してもよい。すなわち、支持体122をトランスデューサ121と被検体100との間に音響マッチング材210を配置するための容器としてもよい。
また、受信部120が、トランスデューサ121から出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を備えてもよい。また、受信部120が、トランスデューサ121から出力される時系列のアナログ信号を時系列のデジタル信号に変換するA/D変換器を備えてもよい。すなわち、受信部120が後述する信号収集部140を備えてもよい。
なお、音響波を様々な角度で検出できるようにするために、理想的には被検体100を全周囲から囲むようにトランスデューサ121を配置してもよい。ただし、被検体100が大きく全周囲を囲むようにトランスデューサを配置できない場合は、半球状の支持体122上にトランスデューサを配置して全周囲を囲む状態に近づけてもよい。
なお、トランスデューサの配置や数及び支持体の形状は被検体に応じて最適化すればよく、本発明に関してはあらゆる受信部120を採用することができる。
受信部120と被検体100との間の空間は、光音響波が伝播することができる媒質で満たす。この媒質には、音響波が伝搬でき、被検体100やトランスデューサ121との界面において音響特性が整合し、できるだけ光音響波の透過率が高い材料を採用する。例えば、この媒質には、水、超音波ジェルなどを採用することができる。
図6(a)は、プローブ180の側面図を示し、図6(b)は、プローブ180の上面図(図6(a)の紙面上方向から見た図)を示す。図6に示された本実施形態に係るプローブ180は、開口を有する半球状の支持体122に複数のトランスデューサ121が三次元に配置された受信部120を有する。また、図6に示されたプローブ180は、支持体122の底部に光学系112の光射出部が配置されている。
本実施形態においては、図6に示すように被検体100は、保持部200に接触することにより、その形状が保持される。本実施形態では、被検体100が乳房の場合に、伏臥位の被検者を支持する寝台に乳房を挿入するための開口を設けて、開口から鉛直方向に垂らされた乳房を測定する形態を想定している。
受信部120と保持部200の間の空間は、光音響波が伝播することができる媒質(音響マッチング材210)で満たされる。この媒質には、光音響波が伝搬でき、被検体100やトランスデューサ121との界面において音響特性が整合し、できるだけ光音響波の透過率が高い材料を採用する。例えば、この媒質には、水、ひまし油、超音波ジェルなどを採用することができる。
保持手段としての保持部200は被検体100の形状を測定中に保持するために使用される。保持部200により被検体100を保持することによって、被検体100の動きの抑制および被検体100の位置を保持部200内に留めることができる。保持部200の材料には、ポリカーボネートやポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等、樹脂材料を用いることができる。
保持部200は、被検体100を保持できる硬度を有する材料であることが好ましい。保持部200は、測定に用いる光を透過する材料であってもよい。保持部200は、インピーダンスが被検体100と同程度の材料で構成されていてもよい。乳房等の曲面を有するものを被検体100とする場合、凹型に成型した保持部200であってもよい。この場合、保持部200の凹部分に被検体100を挿入することができる。
保持部200は、取り付け部201に取り付けられている。取り付け部201は、被検体の大きさに合わせて複数種類の保持部200を交換可能に構成されていてもよい。例えば、取り付け部201は、曲率半径や曲率中心などの異なる保持部に交換できるように構成されていてもよい。
また、保持部200には保持部200の情報が登録されたタグ202が設置されていてもよい。例えば、タグ202には、保持部200の曲率半径、曲率中心、音速、識別ID等の情報を登録することができる。タグ202に登録された情報は、読み取り部203により読み出され、コンピュータ150に転送される。保持部200が取り付け部201に取り付けられたときに容易にタグ202を読み取るために、読み取り部203は取り付け部201に設置されていてもよい。例えば、タグ202はバーコードであり、読み取り部203はバーコードリーダである。
(駆動部130)
駆動部130は、被検体100と受信部120との相対位置を変更する部分である。本実施形態では、駆動部130は、支持体122をXY方向に移動させる装置であり、ステッピングモーターを搭載した電動のXYステージある。駆動部130は、駆動力を発生させるステッピングモーターなどのモーターと、駆動力を伝達させる駆動機構と、受信部120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、リニアスケール、磁気センサ、赤外線センサ、超音波センサ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130は被検体100と受信部120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。移動経路は平面的にスパイラル状やライン&スペースで走査してもよいし、さらに三次元的に体表に沿うように傾けてもよい。また、被検体100の表面からの距離を一定に保つようにしてプローブ180を移動させてもよい。このとき駆動部130は、モーターの回転数をモニターするなどしてプローブの移動量を計測してもよい。
なお、駆動部130は、被検体100と受信部120との相対的な位置を変更できれば、受信部120を固定し、被検体100を移動させてもよい。被検体100を移動させる場合は、被検体100を保持する保持部を動かすことで被検体100を移動させる構成などが考えられる。また、被検体100と受信部120の両方を移動させてもよい。
駆動部130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130は、プログラムされた軌跡で移動させる電動ステージであってもよいし、手動ステージであってもよい。すなわち、光音響装置は、駆動部130を有さずに、ユーザーがプローブ180を把持して操作するハンドヘルドタイプであってもよい。
また、本実施形態では、駆動部130は光照射部110と受信部120を同時に駆動して走査を行っているが、光照射部110だけを駆動したり、受信部120だけを駆動したりしてもよい。
(信号収集部140)
信号収集部140は、トランスデューサ121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140は、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップなどで構成されてもよい。信号収集部140から出力されるデジタル信号は、コンピュータ150内の記憶部152に記憶される。信号収集部140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。なお、フォトダイオードなどの光検出センサが、光照射部110から光射出を検出し、信号収集部140がこの検出結果をトリガーに同期して上記処理を開始してもよい。また、信号収集部140は、フリーズボタンなどを用いてなされる指示をトリガーに同期して、当該処理を開始してもよい。
(コンピュータ150)
情報処理装置としてのコンピュータ150は、演算部151、記憶部152、制御部153を含む。各構成の機能については処理フローの説明の際に説明する。
演算部151として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。演算部151は、入力部170から、被検体音速や保持部の構成などの各種パラメータを受けて、受信信号を処理してもよい。
記憶部152は、ROM(Read only memory)、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152は、RAM(Random Access Memory)などの揮発性の媒体であってもよい。また、記憶部152は、PACS(Picture Archiving and Communication System)等のネットワークを介した記憶サーバであってもよい。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。なお、記憶部152は、1つの記憶媒体から構成されるだけでなく、複数の記憶媒体から構成されていてもよい。
記憶部152は、後述する方法で演算部151により生成される光音響画像を示す画像データを保存することができる。
制御部153は、CPUなどの演算素子で構成される。制御部153は、光音響装置の各構成の動作を制御する。制御部153は、入力部170からの測定開始などの各種操作による指示信号を受けて、光音響装置の各構成を制御してもよい。また、制御部153は、記憶部152に格納されたプログラムコードを読み出し、光音響装置の各構成の作動を制御する。例えば、制御部153が制御線を介して、光源111の発光タイミングを制御してもよい。また、光学系112がシャッターを含む場合、制御部153が制御線を介して、シャッターの開閉を制御してもよい。
コンピュータ150は専用に設計されたワークステーションであってもよい。また、コンピュータ150の各構成は異なるハードウェアによって構成されてもよい。また、コンピュータ150の少なくとも一部の構成は単一のハードウェアで構成されてもよい。
図7は、本実施形態に係るコンピュータ150の具体的な構成例を示す。本実施形態に係るコンピュータ150は、CPU154、GPU155、RAM156、ROM157、外部記憶装置158から構成される。また、コンピュータ150には、表示部160としての液晶ディスプレイ161、入力部170としてのマウス171、キーボード172が接続されている。
また、コンピュータ150および複数のトランスデューサ121は、共通の筺体に収められた構成で提供されてもよい。ただし、筺体に収められたコンピュータで一部の信号処理を行い、残りの信号処理を筺体の外部に設けられたコンピュータで行ってもよい。この場合、筺体の内部および外部に設けられたコンピュータを総称して、本実施形態に係るコンピュータとすることができる。すなわち、コンピュータを構成するハードウェアが一つの筺体に収められていなくてもよい。
(表示部160)
表示部160は、液晶ディスプレイや有機EL(Electro Luminescence)FED、メガネ型ディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどのディスプレイである。コンピュータ150により得られたボリュームデータに基づいた画像や特定位置の数値等を表示する装置である。表示部160は、ボリュームデータに基づいた画像や装置を操作するためのGUIを表示してもよい。なお、被検体情報の表示にあたっては、表示部160またはコンピュータ150において画像処理(輝度値の調整等)を行った上で表示することもできる。表示部160は、光音響装置とは別に提供されていてもよい。コンピュータ150は、光音響画像データを有線または無線で表示部160へ送信することができる。
(入力部170)
入力部170としては、ユーザーが操作可能な、マウスやキーボードなどで構成される操作コンソールを採用することができる。また、表示部160をタッチパネルで構成し、表示部160を入力部170として利用してもよい。
入力部170は、観察したい位置や深さの情報などを入力できるように構成されていてもよい。入力方法としては、数値を入力してもよいし、スライダーバーを操作することにより入力ができてもよい。また、入力された情報に応じて表示部160に表示される画像が更新されていってもよい。これにより、ユーザーは自身の操作によって決定されたパラメータにより生成された画像を確認しながら、適切なパラメータに設定できる。
また、ユーザーが光音響装置の遠隔に設けられた入力部170を操作し、入力部170を用いて入力された情報を、ネットワークを介して光音響装置に送信してもよい。
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1つの装置として構成されてもよい。また、光音響装置の少なくとも一部の構成が一体となった1つの装置として構成されてもよい。
また、光音響装置の各構成間で送受信される情報は、有線または無線でやりとりがなされる。
(被検体100)
被検体100は光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的として使用できる。よって、被検体100としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管や腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。また、皮膚等に含まれるメラニン、コラーゲン、脂質などを光吸収体の対象としてもよい。また、メチレンブルー(MB)、インドシニアングリーン(ICG)などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を光吸収体としてもよい。また、生体を模したファントムを被検体100としてもよい。
本明細書においては、上述した画像化の対象とする光吸収体のことを、ターゲットと呼ぶ。また、画像化の対象としない、すなわち観察の対象としない光吸収体についてはターゲットではない。例えば、乳房を被検体とし、血管をターゲットとしての光吸収体とする場合、乳房を構成する脂肪や乳腺などの組織はターゲットではないと考えることができる。なお、血管をターゲットとする場合、血管での光吸収に適した波長の光が採用されることが考えられる。
次に、本実施形態に係る情報処理を含む画像表示方法を、図8を参照して説明する。なお、各工程は、コンピュータ150が光音響装置の構成の動作を制御することにより実行される。
(S100:制御パラメータを設定する工程)
ユーザーが、被検体情報の取得のために必要な光照射部110の照射条件(繰り返し周波数や波長など)やプローブ180の位置などの制御パラメータを、入力部170を用いて指定する。コンピュータ150は、ユーザーの指示に基づいて決定された制御パラメータを設定する。
(S200:プローブを指定位置に移動させる工程)
制御部153が、S100で指定された制御パラメータに基づいて、駆動部130にプローブ180を指定の位置へ移動させる。S100において複数位置での撮像が指定された場合には、駆動部130は、まずプローブ180を最初の指定位置へ移動させる。なお、駆動部130は、測定の開始指示がなされたときに、あらかじめプログラムされた位置にプローブ180を移動させてもよい。なお、ハンドヘルド型の場合、ユーザーがプローブ180を把持して所望の位置まで移動させてもよい。
(S300:光を照射する工程)
光照射部110は、S100で指定された制御パラメータに基づいて、被検体100に光を照射する。
光源111から発生した光は、光学系112を介してパルス光として被検体100に照射される。そして、被検体100内部でパルス光が吸収され、光音響効果により光音響波が生じる。光照射部110はパルス光の伝送と併せて信号収集部140へ同期信号を送信する。
(S400:光音響波を受信する工程)
信号収集部140は、光照射部110から送信された同期信号を受信すると、信号収集の動作を開始する。すなわち、信号収集部140は、受信部120から出力された、音響波に由来するアナログ電気信号を、増幅・AD変換することにより、増幅されたデジタル電気信号を生成し、コンピュータ150へ出力する。コンピュータ150は、信号収集部140から送信された信号を記憶部152に保存する。S100で複数の走査位置での撮像を指定した場合には、指定した走査位置において、S200-S400の工程を繰り返し実行し、パルス光の照射と音響波に由来するデジタル信号の生成を繰り返す。なお、コンピュータ150は、発光をトリガーとして、発光時の受信部120の位置情報を駆動部130の位置センサからの出力に基づいて取得し、記憶してもよい。
(S500:光音響画像データを生成する工程)
画像データ取得手段としてのコンピュータ150の演算部151は、記憶部152に記憶された信号データに基づいて、光音響画像データを生成し、記憶部152に保存する。
信号データを空間分布としてのボリュームデータに変換する再構成アルゴリズムとしては、タイムドメインでの逆投影法やフーリエドメインでの逆投影法などの解析的な再構成法やモデルベース法(繰り返し演算法)を採用することができる。例えば、タイムドメインでの逆投影法として、Universal back-projection(UBP)、Filtered back-projection(FBP)、または整相加算(Delay-and-Sum)などが挙げられる。
また、演算部151は、被検体100に照射された光の被検体100の内部での光フルエンス分布を計算し、初期音圧分布を光フルエンス分布で除算することにより、吸収係数分布情報を取得してもよい。この場合、吸収係数分布情報を光音響画像データとして取得してもよい。コンピュータ150は、光を吸収、散乱する媒質における光エネルギーの挙動を表す輸送方程式や拡散方程式を数値的に解く方法により、被検体100の内部における光フルエンスの空間分布を算出することができる。数値的に解く方法としては、有限要素法、差分法、モンテカルロ法等を採用することができる。例えば、コンピュータ150は、式(1)に示す光拡散方程式を解くことにより、被検体100の内部における光フルエンスの空間分布を算出してもよい。
Figure 0007013215000001
ここで、Dは拡散係数、μaは吸収係数、Sは照射光の入射強度、φは到達する光フルエンス、rは位置、tは時間を示す。
また、複数の波長の光を用いて、S300、S400の工程を実行し、演算部151は、複数の波長の光のそれぞれに対応する吸収係数分布情報を取得してもよい。そして、演算部151は、複数の波長の光のそれぞれに対応する吸収係数分布情報に基づいて、分光情報として被検体100を構成する物質の濃度の空間分布情報を、光音響画像データとして取得してもよい。すなわち、演算部151は、複数の波長の光に対応する信号データを用いて、分光情報を取得してもよい。
なお、本工程の詳細については、図9に示すフローチャートを用いて後述する。
(S600:光音響画像データに基づいた画像を生成・表示する工程)
表示制御手段としてのコンピュータ150は、S500で得られた光音響画像データに基づいて画像を生成し、表示部160に表示させる。画像データの画像値は、そのまま表示画像の輝度値としてもよい。また、画像データの画像値に所定の処理を加えて、表示画像の輝度を決定してもよい。例えば、画像値が正値の場合は画像値を輝度に割り当てとし、画像値が負値の場合は輝度を0とする表示画像を生成してもよい。
次に、図9に示すフローチャートを用いて、S500における画像生成方法を説明する。S500においては、コンピュータ150が、光照射毎に得られた、光音響波に由来するデジタル信号を記憶した信号データに基づいて、光音響画像データを生成する。
(S510:受信信号に対して時間微分信号及び反転処理を行う工程)
信号処理手段としてのコンピュータ150は、記憶部152に記憶された受信信号に対して、時間微分処理及び信号レベルの正負を反転させる反転処理を含む信号処理を行う。これらの信号処理が行われた受信信号を投影信号とも呼ぶ。本工程では、記憶部152に記憶された各受信信号に対して、これらの信号処理を実行する。その結果、複数回の光照射及び複数のトランスデューサ121のそれぞれに対応する投影信号が生成される。
例えば、コンピュータ150は、式(2)に示すように、受信信号p(r,t)に対して時間微分処理及び反転処理(時間微分信号にマイナスを付与)を行い、投影信号b(r,t)を生成し、投影信号b(r,t)を記憶部152に記憶する。
Figure 0007013215000002
ここで、rは受信位置、tは光照射からの経過時間、p(r,t)は受信位置rで経過時間tに受信された音響波の音圧を示す受信信号、b(r,t)は投影信号である。なお、時間微分処理及び反転処理に加えてその他の信号処理を行ってもよい。例えば、その他の信号処理は、周波数フィルタリング(ローパス、ハイパス、バンドパス等)、デコンボリューション、包絡線検波、ウェーブレットフィルタリングの少なくとも一つである。
なお、本実施形態において反転処理を実行しなくてもよい。この場合でも、本実施形態の効果は損なわれない。
(S520:信号処理後の受信信号に基づいて画像データを生成する工程)
画像データ生成手段としてのコンピュータ150は、S510で生成された複数回の光照射及び複数のトランスデューサ121のそれぞれに対応する受信信号(投影信号)に基づいて、複数の光音響画像データを生成する。複数の光音響画像データを生成できる限り、光照射毎に光音響画像データを生成してもよいし、複数回の光照射に由来する投影信号から1つの光音響画像データを生成してもよい。
例えば、コンピュータ150は、式(3)に示すように、投影信号b(r,t)に基づいて、光照射毎の初期音圧pの空間分布を示す画像データを生成する。その結果、複数回の光照射のそれぞれに対応する画像データが生成され、複数の画像データを取得することができる。
Figure 0007013215000003
ここで、rは再構成する位置(再構成位置、注目位置とも呼ぶ)を示す位置ベクトル、p(r)は再構成する位置での初期音圧、cは伝搬経路の音速を示す。また、ΔΩは再構成する位置からi番目のトランスデューサ121を見込む立体角、Nは再構成に用いるトランスデューサ121の個数を示す。式(3)は、投影信号に立体角の加重をかけて整相加算すること(逆投影)を示している。
なお、本実施形態では、前述したように解析的な再構成法やモデルベース再構成法により、画像データを生成することができる。
ここで生成された複数の光音響画像データは、再構成範囲が三次元の空間領域の場合はボリュームデータであり、光照射毎に生成されたボリュームデータを部分ボリュームデータと呼称する。例えば図10に示したように、受信部120が撮像領域Aに対して相対的位置を変化しながら部分ボリュームデータを生成する場合を考える。この場合、コンピュータ150は、図10(a)で示した位置で光照射し、その際に受信された信号から生成された部分ボリュームデータVp1を生成する。また、コンピュータ150は、図10(b)の位置で光照射し、その際に受信された信号から部分ボリュームデータVp2を生成する。また、コンピュータ150は、図10(c)の位置で光照射し、その際に受信された信号から部分ボリュームデータVp3を生成する。図10に示す各部分ボリュームにおいて同一の位置に対応するボクセルVox1を一点鎖線、ボクセルVox2を破線で示す。
なお、本実施形態において部分ボリュームデータは、撮像領域Aよりも小さい領域を設定したが、撮像領域Aの全領域を部分ボリュームデータの生成領域として設定してもよい。すなわち、光照射毎に同じ領域の部分ボリュームデータを生成してもよい。
(S530:テンプレートデータを読み出す工程)
テンプレートデータ取得手段としてのコンピュータ150は、光音響装置に対応したテンプレートデータを読み出す。
テンプレートデータは、複数回の光照射及び光音響波の受信を実行する光音響装置の空間感度分布を反映したデータである。テンプレートデータは、複数回の光照射のそれぞれにおいて、各位置に光吸収体が存在するときに生成されうる画像データを示すデータであるともいえる。すなわち、テンプレートデータは、各位置に光吸収体が存在したときの画像値の推定値を示す空間分布であるともいえる。さらに、テンプレートデータは、光音響装置に対応する空間感度分布に加えて、被検体100の特性も反映したテンプレートデータであってもよい。
ここでは、支持体122上に配置された複数のトランスデューサ121が形成する感度分布を記憶部152としてのRAMもしくはROMから読み出す。この感度分布は部分ボリュームに対応した領域の中に吸収体が存在した場合に、吸収体と複数のトランスデューサ121との相対位置関係と、その位置の吸収体を画像化した時の部分ボリュームの画像値との関係性をデータにしたものである。半球殻状の配置の場合は典型的には図11に示したように球殻の中心に近いほど感度分布が高くなる(図中色が濃いほど感度が高いことを示す)傾向のテンプレートデータとなる。すなわち、本実施形態において、テンプレートデータは、吸収体(再構成対象であるボクセル)と複数のトランスデューサ121との相対位置関係に基づいて、音響波に対するトランスデューサ121の感度を反映した空間分布データを採用している。
コンピュータ150は、各光照射における受信部120と注目位置との相対位置情報に基づいて、所定のテンプレートデータに座標を割り当てることにより、各光照射に対応するテンプレートデータを取得してもよい。例えば、コンピュータ150は、光音響装置の空間感度分布を、光照射時の受信部120の位置に連動させて座標を定義することにより、各光照射に対応するテンプレートデータを生成することができる。
また、コンピュータ150は、複数回の光照射について、受信部120と注目位置との相対位置情報を取得してもよい。続いて、コンピュータ150は、相対位置情報に対応するテンプレートデータを記憶部152から読み出すことにより、複数回の光照射に対応するテンプレートデータを取得してもよい。この場合、記憶部152には、複数の相対位置情報に対応する複数のテンプレートデータが格納されていてもよい。なお、記憶部152に、取得した相対位置情報に対応するテンプレートデータが格納されていない場合、取得した相対位置情報の近傍の相対位置情報に対応するテンプレートデータを用いて補間により、新たなテンプレートデータを生成してもよい。
ここでは読み出しする手法を述べたが、コンピュータ150が撮像の度に装置内でテンプレートデータを算出してもよく、その場合であっても本発明の効果を得ることができる。なお、テンプレートデータの算出に際しては、注目位置と複数のトランスデューサ121との相対位置の情報に加え、光音響波の伝播経路における音速や音響波の減衰特性などの情報を考慮してもよい。また、テンプレートデータは、照射光の光強度分布を考慮したテンプレートデータであってもよい。また、被検体内での光伝播による拡散や減衰を考慮したテンプレートデータでもよい。すなわち、各光照射における画像データに与えるあらゆる影響を考慮したテンプレートデータを採用することができる。光照射毎に異なるテンプレートデータを用いてもよいし、光照射間で共通のテンプレートデータを用いてもよい。
また、コンピュータ150は、観察対象のサイズ、例えば血管径などに応じて、テンプレートデータを変更してもよい。すなわち、コンピュータ150は、受信周波数帯域や処理に用いる周波数帯域に応じてテンプレートデータを変更してもよい。具体的には受信する光音響信号の周波数に応じて受信素子の指向性が変化する影響をテンプレートデータに反映してもよい。また、コンピュータ150は、ターゲットの形状やターゲットの光学特性に応じてテンプレートデータを変更してもよい。例えば、ユーザーがターゲットに関する情報(ターゲットのサイズ、形状等)を指示する場合を考える。この場合、コンピュータ150は、ターゲットに関する情報とテンプレートデータとの関係を示す情報(関係テーブルや関係式)にしたがって、指示されたターゲットに関する情報に対応するテンプレートデータを取得してもよい。
(S540:テンプレート演算処理)
相関情報取得手段としてのコンピュータ150はテンプレートデータと複数位置で生成された部分ボリュームデータとを用いてテンプレート演算処理を行う。ここで特定のボクセルVox1に着目してテンプレート演算処理の内容を説明する。複数の部分ボリュームデータVp1、Vp2、Vp3のボクセルVox1の位置の画像値データをそれぞれP1、P2、P3とする。次に注目位置と複数のトランスデューサ121との相対位置関係を用いてその相対位置に対応するデータをテンプレートデータから抽出する。具体的には図10(a)での部分ボリュームデータVp1のボクセルVox1に対応する位置である位置T1でのテンプレートデータα1を抽出する。また、コンピュータ150は、部分ボリュームデータVp2のボクセルVox1に対応する位置T2でのテンプレートデータα2を抽出する。また、コンピュータ150は、部分ボリュームデータVp3のボクセルVox1に対応する位置T3でのテンプレートデータα3を抽出する。さらに、コンピュータ150は、これらのデータを用いて以下の相関値計算を行う。
Figure 0007013215000004
Rvox1は、ボクセルVox1に対応する相関値である。iは、光照射の番号である。Pは、i番目の光照射に対応する、ボクセルVox1の画像値である。αは、i番目の光照射に対応する、ボクセルVox1のテンプレートデータである。
すなわち、コンピュータ150は、ボクセルVox1の画像値、及び、ボクセルVox1とトランスデューサ121との相対位置情報に対応するテンプレートデータを用いて、ボクセルVox1に対応する相関を示す情報を算出する。このときコンピュータ150は、複数回の光照射に対応する複数のテンプレートデータと、複数回の光照射に対応する画像値データとを用いて、ボクセルVox1に対応する相関値を算出する。
また、N個のボリュームデータから算出する場合は以下の計算を行う。
Figure 0007013215000005
R(X,Y,Z)はボリュームデータの注目位置(X,Y,Z)に対応するテンプレート演算の結果(ここでは相関値)である。P(X,Y、Z,i)はボリュームデータの注目位置(X,Y,Z)に対応するi番目の光照射に対応する部分ボリュームデータの画像値である。α(X,Y,Y)は、ボリュームデータの注目位置(X,Y,Z)に対応するi番目の光照射に対応するテンプレートデータの値である。R(X,Y,Z)は-1から1までの値をとる。部分ボリュームデータの座標と、テンプレートデータの座標とが完全に一致しない場合、一方のデータの座標をもう一方の座標に変換してもよいし、両方のデータの座標を新たな座標に置き換えてもよい。その際に、ある座標における値を別の座標における値として置き換えてもよいし、別の座標における値を補間により算出してもよい。
これはつまり、ボリュームデータの特定の位置に注目したときに、その特定の位置に対応する部分ボリュームの画像値列と、その特定の位置に対応したテンプレートデータ列との相関値を算出していることになる。すなわち、相関情報取得手段としてのコンピュータ150は、注目位置における複数の画像データの画像値列と、注目位置における複数のテンプレートデータのデータ列との相関を示す情報を取得することができる。
撮像領域A全体に渡ってテンプレート演算処理を行うことで、撮像領域A全体に対応したテンプレート演算結果(ここでは相関値)を得ることができる。なお、撮像領域Aの一部の領域もしくは撮像領域A以外の領域をテンプレート演算の対象としてもよい。
図12は、i番目の光照射に対応する部分ボリュームデータ、画像値、及びテンプレートデータの対応関係を示す表である(i=1~N)。図12に示すように、画像値とテンプレートデータとは共通の光照射の番号iに対応づいている。すなわち、画像値列及びテンプレートデータ列は、共通の光照射の番号を介して対応づいているといえる。例えば、複数の画像データの画像値列は、iが1からNの画像値Pを、1からNの順に並べたデータ(例えば行列データ)である。また、複数のテンプレートデータのテンプレートデータ列は、iが1からNのテンプレートデータαを、1からNの順に並べたデータ(例えば行列データ)である。画像値列及びデータ列は、画像値またはテンプレートデータが、iが1からNの順に並んだデータでなくてもよい。
ここでこの相関値がどのような性質を有するのかを図13を用いて説明する。図13において、横軸は光照射の番号を表し、縦軸は注目位置における画像値を表す。実線1300は、注目位置に光吸収体が存在する場合の注目位置における部分ボリュームデータVp1、Vp2、Vp3の画像値の変化を示したグラフである。破線1310は、注目位置におけるテンプレートデータα1、α2、α3の画像値の変化を示したグラフである。一点鎖線1320は、注目位置に光吸収体が存在しない場合の注目位置における部分ボリュームデータVp1、Vp2、Vp3の画像値の変化を示したグラフである。
注目位置に吸収体がある場合、複数のトランスデューサ121に対する注目位置が変わるにつれて、注目位置に対応するテンプレートデータの変化に連動して、部分ボリュームデータの注目位置に対応する画像値が変化する。例えば図10のVox1の位置に吸収体が存在した場合、図13の実線1300に模式的に示したように画像値が変化する。
次に注目位置(注目ボクセル)に吸収体がなく、注目位置とは異なる位置に吸収体がある場合、注目位置以外の吸収体からの光音響信号を画像再構成した際に生じるアーティファクトが注目位置の画像値に影響を及ぼす可能性がある。例えば、図10のVox1の位置が注目位置であるがその位置には吸収体がなく、Vox2の位置に吸収体が存在した場合を考える。この場合、部分ボリュームデータの注目位置Vox1は、Vox2の吸収体が要因となって発生するアーティファクトの影響を受け、図13の破線1310に模式的に示したように画像値が変化する。
部分ボリュームデータ内での注目位置Vox1の相対位置に対応したテンプレートデータは図13の一点鎖線1320のようになる。
注目位置に吸収体があるときの実線1300と一点鎖線1320とで示すデータ間の相関値は正で高い値(1に近い)を示す傾向にあることが分かる。一方、注目位置に吸収体がないときの破線1310と一点鎖線1320とで示すデータ間の相関値は低い値、もしくは負の値になる傾向であることが分かる。つまり、注目位置に吸収体がある場合は相関値が高く出る傾向があり、注目位置に吸収体がない場合は相関値が低く出やすい傾向となる。
このように、テンプレートデータを用いて演算を行うことで、それぞれのボクセルにおける吸収体の有無に関連した情報を得ることが可能となる。すなわち、相関を示す情報は、ターゲットが存在する可能性を示す情報に相当する。
表示制御手段としてのコンピュータ150は、相関を示す情報に基づいた画像を表示部160に表示させてもよい。コンピュータ150が、複数の位置に対応する相関を示す情報を算出し、相関を示す情報の空間分布を表示部160に表示させてもよい。画像値を輝度値に割り当ててもよいし、画像値をカラーマップに割り当てて色を付けてもよい。このようにして得られた合成ボリュームデータを光音響画像データとする。
また、ユーザーが入力部170を用いて所望の位置を指示すると、指示された位置に対応する相関を示す情報が表示部160に表示されてもよい。この場合、コンピュータ150は、ユーザーの指示に基づいて決定された位置に対応する相関を示す情報を取得し、当該位置に対応する相関を示す情報に基づいたテキスト画像を表示部160に表示させることができる。コンピュータ150は、予め算出された、指示された位置に対応する相関を示す情報を記憶部152から読み出してもよい。また、コンピュータ150は、位置の指示を受け付けた後に、当該指示に対応する相関を示す情報を算出してもよい。なお、ユーザーは、表示部160に表示された部分ボリュームデータの画像、後述する結合ボリュームデータの画像、別のモダリティで生成された画像などに対して位置の指示を行ってもよい。
このように、相関を示す情報はターゲットが存在する可能性を示す情報に相当するため、相関を示す情報に基づいた画像を表示させることにより、ユーザーは注目位置にターゲットが存在するかどうかの判別をしやすくなる。
(S550:部分ボリュームの結合処理)
画像データ生成手段としてのコンピュータ150は、複数の部分ボリュームデータを結合する結合処理を行うことにより、結合ボリュームデータ(結合画像データ)を生成する。コンピュータ150は、撮像領域Aの中で同じ位置つまり同一ボクセル(たとえばVox1)の画像値をそれぞれの部分ボリュームデータから抽出する。コンピュータ150は、抽出された画像値を加算もしくは加算平均することで部分ボリュームデータを結合し、撮像領域Aに対応した結合ボリュームデータを算出する。コンピュータ150は、この結合処理を撮像領域Aに対応する各ボクセルに対して行うことにより、撮像領域Aの結合ボリュームデータを生成する。なお、結合処理は、必ずしも撮像領域Aの全領域に対応するボクセルに対して行わなくてもよい。ユーザーが所望する領域の複数の位置に対応するボクセルに対して結合処理を行ってもよい。
(S560:合成ボリュームデータの生成)
画像データ生成手段としてのコンピュータ150は、結合ボリュームデータとテンプレート演算結果とを用いて、合成ボリュームデータを生成する。合成ボリュームデータは、テンプレート演算結果である相関を示す情報を用いて、結合ボリュームデータを重みづけすることによって得られる、重みづけされた結合ボリュームデータである。
ここで図14を用いて、本工程における重みづけの演算内容を説明する。
図14(a)は、ある領域の結合ボリュームデータ1400を模式的に示した図である。結合ボリュームデータ1400においては、明るいほど(白に近い色ほど)画像値が高いことを表す。
図14(b)は、結合ボリュームデータ1400と同等の位置のテンプレート演算結果(相関を示す情報の空間分布)1410を模式的に示したものである。テンプレート演算結果1410において、明るいほど(白に近い色ほど)相関が高いことを表す。
図14(c)は、合成ボリュームデータ(重みづけされた結合ボリュームデータ)1420の例を示す。合成ボリュームデータ1420は、テンプレート演算結果1410の値がある一定以上の部分の結合ボリュームデータの画像値を選択的に使用した画像データである。さらに合成ボリュームデータ1420は、テンプレート演算結果1410の値がある一定以下のボクセルには小さな画像値、たとえば0を入れた画像データである。すなわち、合成ボリュームデータ1420は、テンプレート演算結果1410を用いて結合ボリュームデータ1400が重みづけされた結果を示している。このように重みづけすることで例えばボクセル1422は、結合ボリュームの画像値は高いが、テンプレート演算結果が低いところであるため、合成ボリュームデータにおいては小さな値がそのボクセル位置の画像値となっている。このようにテンプレート演算結果に閾値を定めマスクとして使用することで、吸収体が存在する可能性の高い領域を視認しやすい画像値となる。
図14(d)は、合成ボリュームデータ(重みづけされた結合ボリュームデータ)1430の別の例を示す。テンプレート演算結果の相関が高いボクセル(例えばボクセル1433)では大きな重み、テンプレート演算結果の相関が低いボクセル(例えばボクセル1432)では小さな重みとして、結合ボリュームデータの画像値に対して重みづけ処理を行う。この処理内容は乗算でもよいし、別途定めた関係テーブルや関係式(相関と重みの関係を示すテーブルや式)に沿った重みのかけ方でもよい。結合ボリュームデータでは同じ画像値であったボクセル1433とボクセル1432である。ところが、このような処理を行うことで、相関が小さいボクセル1432については、合成ボリュームデータ1430において小さな画像値となり、相関が大きいボクセル1433については、合成ボリュームデータ1430において大きな画像値となる。これにより、アーティファクトの可能性が高いボクセル1432に対して、吸収体が存在する可能性が高いボクセル1433が視認しやすい画像値となる。
ここではテンプレート演算結果に対して閾値を設定する重みづけの例と、テンプレート演算結果を重みとして用いる重みづけの例とを述べたが、この2種類の処理を混合してもよい。例えば、テンプレート演算結果がある一定の値までの合成ボリュームデータには0を入れ、それ以上のテンプレート演算結果を有する合成ボリュームではそのテンプレート演算結果に基づいた重みを結合ボリュームデータに適用して画像値を定めてもよい。
画像値を輝度値に割り当ててもよいし、画像値をカラーマップに割り当てて色を付けてもよい。このようにして得られた合成ボリュームデータを光音響画像データとする。S600において、光音響画像データとしての合成ボリュームデータに基づいた画像が表示部160に表示される。
また、ユーザーの指示に従って、コンピュータ150は、合成ボリュームデータ(重みづけされた結合ボリュームデータ)に基づいた画像と、重みづけされていない結合ボリュームデータに基づいた画像とを切り替えて表示させてもよい。また、コンピュータ150は、これらの画像を自動的に交互に切り替えてもよい。この場合、コンピュータ150は、画面上にどちらのボリュームデータに基づいた画像が表示されているのかを表示させてもよい。
また、コンピュータ150は、合成ボリュームデータ(重みづけされた結合ボリュームデータ)と重みづけされていない結合ボリュームデータとの重みを変化させて合成して表示してもよい。この場合、コンピュータ150は、画面上にどの程度の重みで合成されているかを表示させてもよい。
また、図14(c)においてテンプレート演算結果1410の値がある一定以下のボクセルには小さな画像値を入れたが、この一定値をユーザーの指示や撮像部位に応じて変化させてもよく、またその場合にはその一定値を画面上に表示してもよい。
また、コンピュータ150は、相関値や合成ボリュームデータの画像値に応じて透明度を変化させて、表示させてもよい。例えば相関値や合成ボリュームデータの画像値が低いほど透明度を上げてもよい。
また、合成ボリュームデータもしくは重みづけされていない結合ボリュームデータに対して相関値をカラーマップとした画像を重畳してもよい。
また、コンピュータ150は、光音響画像データにひも付された情報(例えば撮像部位や診療科)、もしくはユーザーの指示に応じて、これらの表示方法を切り替えてもよい。
また、本実施形態ではテンプレートデータと注目位置の画像値の変化との相関値をテンプレート演算の結果(相関を示す情報)として用いたが、以下の計算で算出できる内積値をテンプレート演算の結果(相関を示す情報)として用いてもよい。
Figure 0007013215000006
また、以下の式で算出できる相互相関係数を算出しその正のピークがデータ列のずれがないとき(つまりj=0のとき)に生じる場合は相関があると判定し、テンプレート演算の結果として用いてもよい。例えば、データ列のずれがないとき(j=0のとき)に正のピークが生じる場合はテンプレート演算の結果として1を代入し、それ以外の場合は0もしくは1よりも小さい値を代入してもよい。
Figure 0007013215000007
これらの値はいずれもテンプレートデータと注目位置の画像値とがどの程度同じように変化するかを算出しているものである。なお、この他の指標であってもそれがテンプレートデータと注目位置の画像値との相関、関連性を評価できる指標であれば本発明の効果を得ることができる。
また、本実施形態では注目位置に対応する部分ボリュームデータとテンプレートデータを使用して相関値を出す式を示した。なお、部分ボリュームデータを取得するたびに、その部分ボリュームデータのボクセルに対して、そのボクセルの各位置に光吸収体が存在したときの画像値の推定値を示す空間分布(つまりテンプレートデータ)を乗じ、その積を合成してもよい。この場合も、本実施形態と同様の計算結果を得ることができる。具体的には部分ボリュームデータを取得する度(つまりiが増える度)に以下の計算を行う。
Figure 0007013215000008
また、さらに以下の演算によってボクセルごとにデータを更新する。
Figure 0007013215000009
さらに、必要な数の部分ボリュームデータを取得した段階で、以下の計算によってテンプレート演算の結果を得る。
Figure 0007013215000010
このような手法を採用することで演算中に保持しておくべきデータ量を低減することが可能となる。これによってより多くのデータをより規模の小さいシステムで演算することができる。
また、本実施形態では、コンピュータ150が画像データを生成することにより画像データを取得する例を説明したが、コンピュータ150は記憶装置に予め記憶された画像データを読み出すことにより、画像データを取得してもよい。画像データが記憶された記憶装置は、PACS(Picture Archiving and Communication System)等のネットワークを介した記憶サーバであってもよい。また、画像データ記憶された記憶装置は、コンピュータ150の記憶部であってもよい。
複数回の測定において、空間感度分布が変化するような場合に本発明を適用することができる。例えば、光音響装置においては、複数回の光照射間で、光照射位置の変化、光音響波の受信位置の変化などが生じることによって空間感度分布が変化する場合に本発明を適用することができる。
以上の実施形態では、光音響装置に本発明を適用する場合を説明したが、本発明を適用可能なモダリティは光音響装置に限られない。すなわち、アーティファクトが発生するモダリティにより生成された画像データに対しては、本発明を適用可能である。例えば、本発明を適用可能なモダリティとしては、超音波診断装置、MRI装置、X線-CT装置などが挙げられる。これらのモダリティに適用する場合も、情報処理装置は、複数回の測定タイミングに対応する複数の画像データの画像列と、複数回の測定に対応する複数のテンプレートデータのテンプレートデータ列との相関を示す情報を取得することができる。ここで測定とは、1フレームの画像データを生成するために必要な測定(撮影)のことを指す。例えば、超音波診断装置であれば、1回の測定は1フレームの画像データを生成するための超音波の送受信に相当する。このような情報処理方法によって、画像中の注目位置にターゲット(観察対象)が存在する可能性が高いか低いかを判別しやすくすることができる。
(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。
150 コンピュータ
160 表示部

Claims (13)

  1. 被検体への光照射により前記被検体から発生する光音響波に基づいた情報を処理する情報処理装置であって、
    前記被検体への光照射を複数回行うことにより発生する光音響波に基づいた、前記複数回の光照射に対応する複数の画像データを取得する画像データ取得手段と、
    前記複数回の光照射に対応する複数のテンプレートデータを取得するテンプレートデータ取得手段と、
    注目位置における前記複数の画像データの画像値列と、前記注目位置における前記複数のテンプレートデータのテンプレートデータ列との相関を示す情報を取得する相関情報取得手段とを有し、
    前記テンプレートデータ取得手段は、前記複数回の光照射について、光音響波を受信する受信手段と前記注目位置との相対位置情報に基づいて、所定のテンプレートデータに座標を割り当てることにより、前記複数のテンプレートデータを取得する
    ことを特徴とする情報処理装置。
  2. 被検体への光照射により前記被検体から発生する光音響波に基づいた情報を処理する情報処理装置であって、
    前記被検体への光照射を複数回行うことにより発生する光音響波に基づいた、前記複数回の光照射に対応する複数の画像データを取得する画像データ取得手段と、
    前記複数回の光照射に対応する複数のテンプレートデータを取得するテンプレートデータ取得手段と、
    注目位置における前記複数の画像データの画像値列と、前記注目位置における前記複数のテンプレートデータのテンプレートデータ列との相関を示す情報を取得する相関情報取得手段とを有し、
    前記テンプレートデータ取得手段は、前記複数回の光照射について、光音響波を受信する受信手段と前記注目位置との相対位置情報を取得し、前記相対位置情報に対応するテンプレートデータを記憶手段から読み出すことにより、前記複数のテンプレートデータを取得する
    ことを特徴とする情報処理装置。
  3. 前記複数のテンプレートデータのそれぞれは、前記複数回の光照射及び前記光音響波の受信を実行する光音響装置の空間感度分布を反映したテンプレートデータである
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
  4. 前記複数のテンプレートデータのそれぞれは、前記複数回の光照射のそれぞれにおいて、前記注目位置に光吸収体が存在するときに生成されうる画像データの画像値の推定値である
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
  5. 前記画像値列に含まれる画像値と、前記テンプレートデータ列に含まれるテンプレートデータとは、共通の光照射に対応づけられている
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
  6. 前記相関情報取得手段は、
    前記注目位置の座標を(X,Y、Z)、光照射の番号をi(i=1~N)、前記相関を示す情報をR、前記画像値列に含まれる画像値をP、前記テンプレートデータをαとしたときに、次に示す式にしたがって、前記相関を示す情報を算出する
    Figure 0007013215000011

    ことを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
  7. 前記相関を示す情報に基づいた画像を表示手段に表示させる表示制御手段を更に有することを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
  8. 前記画像データ取得手段は、
    前記複数の画像データを結合することにより結合画像データを生成し、
    前記相関を示す情報を用いて、前記結合画像データを重みづけすることにより、重みづけされた結合画像データを生成する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
  9. 前記重みづけされた結合画像データに基づいた画像を表示手段に表示させる表示制御手段を更に有する
    ことを特徴とする請求項に記載の情報処理装置。
  10. 前記複数の画像データは、前記複数回の光照射のそれぞれで光照射位置または光音響波の受信位置が異なるようにして生成された画像データである
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の情報処理装置。
  11. 被検体への光照射により前記被検体から発生する光音響波に基づいた情報を処理する情報処理方法であって、
    前記被検体への光照射を複数回行うことにより発生する光音響波に基づいた、前記複数回の光照射に対応する複数の画像データを取得し、
    前記複数回の光照射に対応する複数のテンプレートデータを取得し、
    注目位置における前記複数の画像データの画像値列と、前記注目位置における前記複数のテンプレートデータのテンプレートデータ列との相関を示す情報を取得し、
    前記複数回の光照射について、光音響波を受信する受信手段と前記注目位置との相対位置情報に基づいて、所定のテンプレートデータに座標を割り当てることにより、前記複数のテンプレートデータを取得する
    ことを特徴とする情報処理方法。
  12. 被検体への光照射により前記被検体から発生する光音響波に基づいた情報を処理する情報処理方法であって、
    前記被検体への光照射を複数回行うことにより発生する光音響波に基づいた、前記複数回の光照射に対応する複数の画像データを取得し、
    前記複数回の光照射に対応する複数のテンプレートデータを取得し、
    注目位置における前記複数の画像データの画像値列と、前記注目位置における前記複数のテンプレートデータのテンプレートデータ列との相関を示す情報を取得し、
    前記複数回の光照射について、光音響波を受信する受信手段と前記注目位置との相対位置情報を取得し、前記相対位置情報に対応するテンプレートデータを記憶手段から読み出すことにより、前記複数のテンプレートデータを取得する
    ことを特徴とする情報処理方法。
  13. 請求項11または12に記載の情報処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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