WO2013108375A9 - 被検体情報取得装置及び被検体情報取得方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a subject information acquisition apparatus and a subject information acquisition method for acquiring subject information by detecting a photoacoustic wave generated by irradiating a subject with light.
- Photoacoustic imaging refers to detecting and detecting photoacoustic waves generated by irradiating a subject (living body) with pulsed light generated from a light source and absorbing and propagating light within the subject. This is a technique for visualizing information related to optical characteristics in a subject by analyzing acoustic waves. Thereby, an optical characteristic value distribution in the subject, in particular, an absorption coefficient distribution, an oxygen saturation distribution, and the like can be obtained.
- gamma is Gurunaizen coefficient is obtained by dividing the product of the square of the volume expansion coefficient ⁇ and sonic c at constant pressure specific heat C P. It is known that ⁇ takes a substantially constant value when the subject is determined. ⁇ a is an absorption coefficient of the region of interest, and ⁇ is an integrated light amount value in the region of interest.
- Patent Document 1 describes a technique for detecting a temporal change in the sound pressure P of a photoacoustic wave propagating through a subject with an acoustic wave detector and calculating an initial sound pressure distribution in the subject from the detection result.
- Patent Document 1 by dividing the calculated initial sound pressure in Gurunaizen coefficient gamma, it is possible to obtain a product of mu a and [Phi, i.e. the optical energy absorption density. Then, as shown by the equation (1), in order to obtain the absorption coefficient ⁇ a from the initial sound pressure P 0, it is necessary to divide the light energy absorption density by the light quantity ⁇ .
- an object of the present invention is to provide a subject information acquisition apparatus and a subject information acquisition method capable of acquiring an optical characteristic value with higher accuracy in photoacoustic imaging.
- the subject information acquisition apparatus is based on the sensitivity distribution of the plurality of acoustic wave detection elements, and sets a predetermined sensitivity region corresponding to each of the plurality of acoustic wave detection elements;
- An initial sound pressure acquisition unit that acquires an initial sound pressure in a region of interest without using a detection signal corresponding to the region of interest acquired by an acoustic wave detection element that does not include the region of interest in a predetermined sensitivity region;
- the light amount value acquisition unit that acquires the integrated light amount value in the region of interest, the initial sound pressure acquired by the initial sound pressure acquisition unit, and the integrated light amount value acquired by the light amount value acquisition unit ,
- an optical characteristic value acquisition unit that acquires an optical characteristic value in the region of interest.
- the present invention it is possible to provide a subject information acquisition apparatus and a subject information acquisition method capable of acquiring optical characteristic values with higher accuracy.
- a detection signal obtained by detecting a photoacoustic wave includes background noise. Therefore, in photoacoustic imaging, it is desirable to acquire the initial sound pressure in the region of interest without using a detection signal with low S / N including background noise.
- Patent Document 2 although ultrasound imaging is used, if the angle formed between the region of interest and the acoustic wave detection element is equal to or smaller than a predetermined value (the region of interest is in a predetermined sensitivity region corresponding to the acoustic wave detection element). If not, it is described that the acoustic wave detection element prevents the reception of acoustic waves from the region of interest. By performing such a method, an ultrasonic image is acquired without using a detection signal having a low S / N.
- the present inventor applied the technique described in Patent Document 2 to photoacoustic imaging. Specifically, reconstruction was performed by using a detection signal acquired by an acoustic wave detection element that does not include a region of interest in a predetermined sensitivity region by simulation, and an initial sound pressure in the region of interest was acquired. Since the initial sound pressure obtained in this manner is an initial sound pressure reconstructed without using a detection signal having a low S / N, an error due to noise is small. And this inventor calculated
- the detection signal to be used is selected based on the sensitivity of the acoustic wave detection element. It was found that the cause was that the sensitivity of the acoustic wave detection element was not taken into account when acquiring the.
- the present inventor obtains the integrated light amount value based on the sensitivity of the acoustic wave detection element in addition to selecting the detection signal used based on the sensitivity of the acoustic wave detection element when acquiring the absorption coefficient.
- an absorption coefficient as an optical characteristic value can be obtained with high accuracy.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a subject information acquisition apparatus according to this embodiment.
- the pulsed light emitted from the light source 10 is guided to the optical system 11 and irradiated onto the subject 30 as the irradiation light 12.
- the photoacoustic wave 32 generated from the light absorber 31 in the subject 30 is detected by the acoustic wave detector 20 including the acoustic wave detection elements e1, e2, and e3.
- the plurality of detection signals acquired by the acoustic wave detector 20 are amplified and digitally converted by the signal collector 47 and stored in the memory of the signal processing device 40.
- the initial sound pressure acquisition module 42 as the initial sound pressure acquisition unit provided in the signal processing device 40 as the signal processing means reconstructs an image using a plurality of detection signals, and thereby interests in the subject 30.
- the initial sound pressure in the area 33 is acquired.
- the light quantity value acquisition module 43 as a light quantity value acquisition unit provided in the signal processing device 40 acquires the integrated light quantity value in the region of interest 33.
- the optical characteristic value acquisition module 44 as an optical characteristic value acquisition unit provided in the signal processing device 40 acquires the optical characteristic value in the region of interest 33 using the initial sound pressure and the light amount value in the region of interest 33. And the acquired optical characteristic value is displayed on the display apparatus 50 as a display means.
- the region of interest refers to a voxel that is the minimum unit of the region reconstructed by the initial sound pressure acquisition module 42.
- the initial sound pressure acquisition module 42 can acquire the initial sound pressure distribution of the entire subject by setting the region of interest over the entire region of the subject 30.
- the light amount value acquisition module 43 and the optical characteristic value acquisition module 44 can acquire the integrated light amount value distribution and the absorption coefficient distribution of the entire subject by setting the region of interest over the entire region of the subject. it can.
- P d1 (r T ), P d2 (r T ), P d3 (r T ) are detected signals corresponding to the region of interest 33 acquired by each of the acoustic wave detection elements e1, e2, e3 shown in FIG.
- the conversion efficiency of the photoacoustic wave entering from the front of the acoustic wave detecting element to the detection signal of the photoacoustic wave entering at an angle of ⁇ from the front of the acoustic wave detecting element is A ( ⁇ ).
- the distance from the acoustic wave detection element to the region of interest 33 is r
- the propagation speed of the photoacoustic wave in the subject is c
- a region (predetermined sensitivity region) where the conversion efficiency of the acoustic wave detection element is larger than a predetermined value is indicated by a dotted triangular region.
- the conversion efficiency A ( ⁇ ) 0.5 is set as a predetermined value.
- the region of interest 33 is not included in the triangular region (predetermined sensitivity region) corresponding to the acoustic wave detection element e1. Therefore, the initial sound pressure acquisition module 42 does not use the detection signal P d1 (r T ) corresponding to the region of interest 33 acquired by the acoustic wave detection element e1, and the initial sound in the region of interest 33 represented by the expression (3).
- the pressure P 0 ′ (r T ) is acquired.
- the light amount acquisition module 43 acquires the integrated light amount value in the subject using the light propagation Monte Carlo method, the transport equation, the light diffusion equation, etc. from the background optical coefficient of the subject.
- the light quantity value acquisition module 43 includes the light quantity values ⁇ 1 (r T ) and ⁇ in the region of interest 33 corresponding to the detection signals P d1 (r T ), P d2 (r T ), and P d3 (r T ). 2 (r T ) and ⁇ 3 (r T ) are calculated.
- S100 a step of setting a predetermined sensitivity region based on the sensitivity distribution of the acoustic wave detection element
- a predetermined sensitivity region corresponding to each of the plurality of acoustic wave detection elements is set based on the sensitivity distribution of the plurality of acoustic wave detection elements.
- a table of predetermined sensitivity regions corresponding to each acoustic wave detection element is stored in the memory of the signal processing device 40.
- the setting module 41 as a setting unit provided in the signal processing device 40 may set a region where the sensitivity of the acoustic wave detection element is larger than a predetermined value as the predetermined sensitivity region.
- the predetermined value may be automatically set by the setting module 41 based on the system noise.
- the predetermined value may be displayed on the display device 50 as a sensitivity of the acoustic wave detection element as a histogram, and the operator may select the predetermined value based on the histogram. At this time, the predetermined value is preferably selected in consideration of system noise.
- the image data of the sensitivity distribution of the acoustic wave detection element stored in the memory of the signal processing device 40 is displayed on the display device 50. Then, the worker selects an arbitrary region from the displayed sensitivity distribution image using the PC input device. Then, the setting module 41 can set the selected arbitrary region as a predetermined sensitivity region. At this time, for example, while displaying an image of the sensitivity distribution, an arbitrary region can be selected by connecting from the start point to the end point by recognition with a mouse or a recognition method using a sensor on the touch panel.
- the setting module 41 may set as a predetermined sensitivity region based on the sensitivity distribution of the selected arbitrary region. For example, a predetermined sensitivity region can be set with the smallest sensitivity as a reference.
- S200 A step of acquiring the initial sound pressure in the region of interest without using the detection signal acquired by the acoustic wave detection element whose region of interest is not included in the predetermined sensitivity region
- the detection signal corresponding to the region of interest acquired by the acoustic wave detection element is not used, and the initial value in the region of interest. Get sound pressure. Then, the initial sound pressure data is stored in the memory of the signal processing device 40.
- the initial sound pressure acquisition module 42 detects the detection signal corresponding to the region of interest acquired by the acoustic wave detection element e1 among the detection signals P d1 (r T ), P d2 (r T ), and P d3 (r T ).
- the initial sound pressure P 0 ′ (r T ) represented by the equation (4) is acquired.
- the image reconstruction algorithm performed by the initial sound pressure acquisition module 42 includes, for example, back projection in the time domain or Fourier domain normally used in the tomography technique.
- a predetermined sensitivity region is included in a part of the region of interest, it can be assumed that the region of interest is included in the predetermined sensitivity region.
- not using a detection signal is a concept including not using a detection signal at all and acquiring substantially no detection signal when acquiring an initial sound pressure.
- Step 300 Step of acquiring the integrated light amount value in the region of interest without using the light amount value corresponding to the detection signal not used when acquiring the initial sound pressure
- the integrated light amount value in the region of interest is acquired without using the light amount value in the region of interest corresponding to the detection signal not used in S200.
- the integrated light quantity value data is stored in the memory of the signal processing device 40.
- the light quantity value acquisition module 43 detects the detection signal P d1 (r) that is not used by the initial sound pressure acquisition module 42 among the light quantity values ⁇ 1 (r T ), ⁇ 2 (r T ), and ⁇ 3 (r T ). without using the light quantity value ⁇ 1 (r T) in the region of interest corresponding to T), to obtain the formula (integrated light intensity values in the region of interest indicated by 6) ⁇ '(r T) .
- the light amount acquisition module 43 acquires the integrated light amount value in the region of interest using the light amount value in the region of interest corresponding to the detection signal used when the initial sound pressure acquisition module 42 calculates the initial sound pressure. ing.
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Abstract
Description
図1は、本実施形態に係る被検体情報取得装置の模式図である。光源10から発したパルス光は、光学系11に導かれ、照射光12として被検体30に照射される。被検体30内の光吸収体31から発生した光音響波32は、音響波検出素子e1,e2,e3を備えた音響波検出器20で検出される。そして、音響波検出器20が取得した複数の検出信号は、信号収集器47で増幅、デジタル変換され、信号処理装置40のメモリに格納される。そして、信号処理手段としての信号処理装置40に備えられた初期音圧取得部としての初期音圧取得モジュール42は、複数の検出信号を用いて画像再構成することにより、被検体30内の関心領域33における初期音圧を取得する。また、信号処理装置40に備えられた光量値取得部としての光量値取得モジュール43は、関心領域33における積算光量値を取得する。そして、信号処理装置40に備えられた光学特性値取得部としての光学特性値取得モジュール44は、関心領域33における初期音圧及び光量値を用いて、関心領域33における光学特性値を取得する。そして、取得した光学特性値を表示手段としての表示装置50に表示させる。
以下に、図1を用いて、音響波検出素子の感度に基づき、一部の検出信号を用いずに取得した初期音圧より、吸収係数を取得するシミュレーションの例を説明する。本シミュレーションでは、光吸収体31の吸収係数を、μa=0.088/mmと設定した。
Pd1(rT)=132Pa
Pd2(rT)=231Pa
Pd3(rT)=198Pa
A(θ1)=0.4
A(θ2)=0.7
A(θ3)=0.6
Φ1(rT)=3750mJ/m2
Φ2(rT)=3750mJ/m2
Φ3(rT)=3750mJ/m2
そこで、以下に、本発明者が見出した本実施形態に係る被検体情報取得方法を、図2のフローチャートを用いて説明する。以下の番号は、図2に示す処理番号と一致する。
この工程では、複数の音響波検出素子の感度分布に基づいて、複数の音響波検出素子のそれぞれに対応する所定の感度領域を設定する。それぞれの音響波検出素子に対応する所定の感度領域のテーブルを、信号処理装置40のメモリに格納する。
この工程では、S100で設定した所定の感度領域に、関心領域が含まれない音響波検出素子について、その音響波検出素子が取得した関心領域に対応する検出信号を用いずに、関心領域における初期音圧を取得する。そして、この初期音圧のデータを信号処理装置40のメモリに格納する。
この工程では、S200で用いなかった検出信号に対応する、関心領域における光量値を用いずに、関心領域における積算光量値を取得する。そして、この積算光量値のデータを、信号処理装置40のメモリに格納する。
この工程では、S200で取得した関心領域における初期音圧と、S300で取得した関心領域における積算光量値とを用いて、関心領域における光学特性値としての吸収係数を取得する。
例えば、前述したパラメータを用いて、式(7)より求められた関心領域33における吸収係数は、μa=0.088/mmである。一方、式(5)より求められた関心領域33における吸収係数は、μa=0.059/mmであった。そして、シミュレーションで設定した光吸収体31の吸収係数は、μa=0.088/mmである。すなわち、式(7)によれば、式(5)と比べ、より精度良く吸収係数を求めることができる。
図3A~3Cは、本実施形態に係る被検体情報取得装置の模式図である。
本実施形態に係る被検体情報取得装置は、1つの音響波検出素子を備えた音響波検出器20を有している。また、被検体30と音響波検出器20とを相対的に移動させるための検出器走査機構21を有している。本実施形態において、検出器走査機構21は、1つの音響波検出素子を備えた音響波検出器20を紙面右方向に走査することにより、複数の位置で光音響波を検出可能としている。ここで、図3A、3B、3Cに示すそれぞれの位置における音響波検出素子を、e1,e2,e3とする。また、三角形で示した領域は、音響波検出素子に対応する所定の感度領域を示す。
第1の実施形態および第2の実施形態では、所定の感度領域に関心領域が含まれていない音響波検出素子について、その音響波検出素子が取得した関心領域に対応する検出信号、および、その検出信号に対応する関心領域における光量値を用いずに吸収係数を取得していた。一方、本実施形態では、上記検出信号と、この検出信号に対応する関心領域における光量値とを低減して、吸収係数を取得する。
(第4の実施形態)
本発明は、図4A~4Cに示される被検体情報取得装置や、図5A~5Cに示される被検体情報取得装置にも適用可能である。図4A~4Cに示す被検体情報取得装置は、検出器走査機構21が音響波検出器20を被検体30の周囲を回転走査することにより、複数の位置で光音響波を検出可能としている。また、被検体30と音響波検出器20との間の音響インピーダンスマッチングを図るために、被検体30は水槽81に満たされた水80に浸かっている。また、被検体30を走査する被検体走査機構34を有している。このような構成とすることで、保持板等で形状を規定出来ない部位でも測定可能となる。また、被検体に対して多くの方向に検出素子を設置可能となるため、情報量の多いデータの取得が可能となる。
(光源10)
光源10は、5ナノ秒乃至50ナノ秒のパルス光を発生可能な光源を備えている。光源としては大きな出力が得られる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ることも可能である。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。理想的には、出力が強く連続的に波長を変えられる、Nd:YAG励起のTi:Saレーザーや、アレキサンドライトレーザーがよい。異なる波長の単波長レーザーを複数で保有していてもよい。
光源10から出射されたパルス光は、典型的にはレンズやミラーなどの光学部品により、所望の光分布形状に加工されながら被検体に導かれるが、光ファイバなどの光導波路などを用いて伝搬させることも可能である。光学系11は、例えば、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、光を拡散させる拡散板などである。このような光学部品は、光源から発せられたパルス光が被検体に所望の形状で照射されれば、どのようなものを用いてもかまわない。なお、光はレンズで集光させるより、ある程度の面積に広げる方が被検体への安全性ならびに診断領域を広げられるという観点で好ましい。なお、照射光を走査するために、光学系11に光学走査機構を設けてもよい。
光により被検体表面及び被検体内部で発生する光音響波を検出する検出器である音響波検出器20は、音響波を検知し、アナログ信号である電気信号に変換するものである。以後、単に探触子あるいはトランスデューサということもある。圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量の変化を用いたトランスデューサなど音響波信号を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。
音響波検出器20より得られた電気信号を増幅し、その電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する信号収集器47を有することが好ましい。信号収集器47は、典型的には増幅器、A/D変換器、FPGA(Field Programmable Gate Array)チップなどで構成される。音響波検出器から得られる検出信号が複数の場合は、同時に複数の信号を処理できることが望ましい。それにより、画像を形成するまでの時間を短縮できる。なお、本明細書において「検出信号」とは、音響波検出器20から出力されるアナログ信号も、信号収集器47によりAD変換されたデジタル信号も含む概念である。
信号処理装置40は、画像再構成などを行うことにより被検体内部の光学特性値を取得する。信号処理装置40には、典型的にはワークステーションなどが用いられ、画像再構成処理などがあらかじめプログラミングされたソフトウェアにより行われる。例えば、ワークステーションで使われるソフトウェアとしては、設定モジュール41、初期音圧取得モジュール42、光量値取得モジュール43、光学特性値取得モジュール44などがある。
30 被検体
40 信号処理装置
41 設定モジュール
42 初期音圧取得モジュール
43 光量値取得モジュール
44 光学特性値取得モジュール
Claims (10)
- 被検体に光を照射することにより発生した光音響波を検出する複数の音響波検出素子を備える音響波検出器と、
前記複数の音響波検出素子が取得した、前記被検体内の関心領域に対応する複数の検出信号と、前記関心領域における積算光量値と、を用いて前記関心領域における光学特性値を取得する信号処理手段と、
を有する被検体情報取得装置において、
前記信号処理手段は、
前記複数の音響波検出素子の感度分布に基づき、所定の感度領域を設定する設定部と、
前記所定の感度領域に前記関心領域が含まれていない音響波検出素子が取得した、前記関心領域に対応する検出信号を用いずに、前記関心領域における初期音圧を取得する初期音圧取得部と、
前記初期音圧取得部が用いない検出信号に対応する、前記関心領域における光量値を用いずに、前記関心領域における積算光量値を取得する光量値取得部と、
前記初期音圧取得部が取得した初期音圧と、前記光量値取得部が取得した積算光量値と、を用いて、前記関心領域における光学特性値を取得する光学特性値取得部と、
を備えることを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記設定部は、音響波検出素子の感度分布のうち、所定の値より大きい感度の領域を、前記所定の感度領域として設定することを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。
- 音響波検出素子の感度分布に基づき、前記音響波検出素子の感度分布の画像を表示する表示手段を有し、
前記設定部は、前記表示手段に表示された前記音響波検出素子の感度分布の画像から選択された任意の領域に基づいた領域を、前記所定の感度領域として設定することを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記音響波検出器と、前記被検体とを相対的に移動させる走査機構を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記音響波検出素子の感度は、前記音響波検出素子の前記光音響波から前記検出信号への変換効率、及び前記関心領域から前記音響波検出素子までの前記光音響波の減衰率のうち少なくとも1つに基づいて設定されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 被検体に光を照射することにより発生した光音響波を検出する複数の音響波検出素子を備える音響波検出器と、
前記複数の音響波検出素子が取得した、前記被検体内の関心領域に対応する複数の検出信号と、前記関心領域における積算光量値と、を用いて前記関心領域における光学特性値を取得する信号処理手段と、
を有する被検体情報取得装置において、
前記信号処理手段は、
前記複数の音響波検出素子の感度分布に基づき、所定の感度領域を設定する設定部と、
前記所定の感度領域に前記関心領域が含まれていない音響波検出素子が取得した、前記関心領域に対応する検出信号に、第1の低減係数を掛けて、前記関心領域における初期音圧を取得する初期音圧取得部と、
前記初期音圧取得部が前記第1の低減係数を掛けた検出信号に対応する、前記関心領域における光量値に、第2の低減係数を掛けて、前記関心領域における積算光量値を取得する光量値取得部と、
前記初期音圧取得部が取得した初期音圧と、前記光量値取得部が取得した積算光量値と、を用いて、前記関心領域における光学特性値を取得する光学特性値取得部と、
を備えることを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記第1の低減係数と、前記第2の低減係数と、は同一の値であることを特徴とする請求項6に記載の被検体情報取得装置。
- 被検体に光を照射することにより発生した光音響波を複数の音響波検出素子が検出し、前記被検体内の関心領域における複数の検出信号を取得する工程と、
前記複数の検出信号と、前記関心領域における積算光量値と、を用いて前記関心領域における光学特性値を取得する工程と、
を有する被検体情報取得方法において、
前記複数の音響波検出素子の感度分布に基づき、所定の感度領域を設定する工程と、
前記所定の感度領域に前記関心領域が含まれていない音響波検出素子が取得した、前記関心領域に対応する検出信号を用いずに、前記関心領域における初期音圧を取得する工程と、
前記初期音圧を取得する工程で用いない検出信号に対応する、前記関心領域における光量値を用いずに、前記関心領域における積算光量値を取得する工程と、
前記初期音圧を取得する工程で取得した初期音圧と、前記積算光量値を取得する工程で取得した積算光量値と、を用いて、前記関心領域における光学特性値を取得する工程と、
を有することを特徴とする被検体情報取得方法。 - 被検体に光を照射することにより発生した光音響波を複数の音響波検出素子が検出し、前記被検体内の関心領域における複数の検出信号を取得する工程と、
前記複数の検出信号と、前記関心領域における積算光量値と、を用いて前記関心領域における光学特性値を取得する工程と、
を有する被検体情報取得方法において、
前記複数の音響波検出素子の感度分布に基づき、所定の感度領域を設定する工程と、
前記所定の感度領域に前記関心領域が含まれていない音響波検出素子が取得した、前記関心領域に対応する検出信号に、第1の低減係数を掛けて、前記関心領域における初期音圧を取得する工程と、
前記初期音圧を取得する工程で前記第1の低減係数を掛けた検出信号に対応する、前記関心領域における光量値に、第2の低減係数を掛けて、前記関心領域における積算光量値を取得する工程と、
前記初期音圧を取得する工程で取得した初期音圧と、前記積算光量値を取得する工程で取得した積算光量値と、を用いて、前記関心領域における光学特性値を取得する工程と、
を有することを特徴とする被検体情報取得方法。 - 請求項8または9に記載の被検体情報取得方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
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