(57)【要約】  光を照射された被検体から発生する音響波の受信信号を用いて、被検体の特性情報を取得する情報取得装置であって、被検体における、特性が互いに異なる複数の領域を示す情報を取得する領域取得手段と、複数の領域を示す情報を用いて、複数の領域のそれぞれの音速を決定する音速決定手段と、音速と受信信号とを用いて、被検体の特性情報を取得する特性情報取得手段を有する情報取得装置を用いる。
2018043193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射された被検体から発生する音響波の受信信号を用いて、前記被検体の特性情報を取得する情報取得装置であって、
前記被検体における、特性が互いに異なる複数の領域を示す情報を取得する領域取得手段と、
前記複数の領域を示す情報を用いて、前記複数の領域のそれぞれの音速を決定する音速決定手段と、
前記音速と前記受信信号とを用いて、前記被検体の前記特性情報を取得する特性情報取得手段と、
を有することを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
前記領域取得手段は、前記被検体の互いに異なる複数の組織に対応する前記複数の領域を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
【請求項３】
前記領域取得手段は、前記被検体における脂肪、乳腺および腫瘍の少なくともいずれかの組織に対応するような前記領域を設定する
ことを特徴とする請求項２に記載の情報取得装置。
【請求項４】
前記領域取得手段は、前記被検体における血管密度を示す情報に基づいて前記複数の領域を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の情報取得装置。
【請求項５】
前記領域取得手段は、前記受信信号を用いて生成された前記被検体の前記特性情報の分布に基づいて前記複数の領域を設定する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項６】
前記領域取得手段は、光音響装置とは異なるモダリティで得られた前記被検体の画像に基づいて前記複数の領域を設定する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項７】
前記光音響装置とは異なるモダリティで得られた前記被検体の画像とは、ＭＲＩ画像、造影ＭＲＩ画像、反射超音波画像、または、透過超音波画像である
ことを特徴とする請求項６に記載の情報取得装置。
【請求項８】
前記領域取得手段は、人体アトラスデータに基づいて前記複数の領域を設定する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項９】
前記領域取得手段は、ユーザによる入力に基づいて前記複数の領域を設定する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項１０】
前記受信信号は、変換手段により前記音響波から変換された信号であり、
前記領域取得手段は、前記変換手段との距離に応じて前記複数の領域を設定し、
前記音速決定手段は、前記変換手段との距離が近い順に前記複数の領域それぞれの音速を決定する
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項１１】
前記音速決定手段は、前記複数の領域のうち前記変換手段との距離が近い領域の音速を決定した後、当該近い領域の音速を用いて、より前記変換手段から遠い領域の音速を決定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の情報取得装置。
【請求項１２】
前記音速決定手段は、前記変換手段との距離に応じて前記複数の領域それぞれの前記音速を用いるために初期値を決定する
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の情報取得装置。
【請求項１３】
前記音速決定手段は、ユーザによる入力に基づいて前記複数の領域それぞれの音速を決定する
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項１４】
前記音速決定手段は、一つの前記領域について複数の前記音速を設定し、それぞれの前記音速を用いて前記領域の画像を生成し、所定の目的関数を最大化または最小化するような画像が得られる前記音速を前記領域の前記音速として決定する
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項１５】
前記音速決定手段は、前記領域に関心領域を設定し、当該関心領域において前記目的関数を最大化する
ことを特徴とする請求項１４に記載の情報取得装置。
【請求項１６】
前記目的関数は、画像の線らしさ、面らしさ、および点らしさの少なくともいずれかを指標とする項を含む
ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の情報取得装置。
【請求項１７】
前記音速決定手段は、前記領域に複数の前記音速を設定するときに、前記領域に対応する組織について想定される範囲で前記音速を設定する
ことを特徴とする請求項１４から１６のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項１８】
前記受信信号は、変換手段により前記音響波から変換された信号であり、
前記特性情報取得手段は、前記複数の領域ごとに決定された前記音速に基づいて、前記被検体内部の画像化単位領域から前記変換手段への音線における、前記音響波の伝搬に要する時間を取得する
ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の情報取得装置。
【請求項１９】
複数の前記変換手段を有し、
前記特性情報取得手段は、複数の前記画像化単位領域それぞれと、複数の前記変換手段それぞれとの間で前記伝搬に要する時間を取得する
ことを特徴とする請求項１８に記載の情報取得装置。
【請求項２０】
光を照射された被検体から発生する音響波の受信信号を用いて、前記被検体の特性情報を取得する信号処理方法であって、
前記被検体における、特性が互いに異なる複数の領域を示す情報を取得する領域取得ステップと、
前記複数の領域を示す情報を用いて、前記複数の領域のそれぞれの音速を決定する音速決定ステップと、
前記音速と前記受信信号とを用いて、前記被検体の前記特性情報を取得する特性情報取得ステップと、
を有することを特徴とする信号処理方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の信号処理方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報取得装置および信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーなどの光源から被検体に照射したパルス光を被検体内に伝播させ、被検体内の情報を得る装置の研究が医療分野を中心に積極的に進められている。このようなパルス光を使った被検体情報取得技術の一つとして、特許文献１では、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（以下ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）が提案されている。【０００３】
光音響トモグラフィーは、被検体にパルス光を照射し、被検体内部の光吸収体で発生する音響波を複数の位置で受信し、例えば、受信信号を式（１）に従って計算することで、光吸収に関係する特性分布を算出する技術である。
【数１】
2018043193.tif 000003
【０００４】
ここで、ｒ０は画像化する位置を示す位置ベクトル、ｐ０（ｒ０）は画像化する位置の初期音圧、ｒｉはｉ番目の素子の位置を示す。また、ΔΩｉは画像化する位置からｉ番目の素子を見込む立体角、Ｎは画像化に用いる素子の個数を示す。式（１）は、受信信号ｐ（ｒｉ，ｔ）に微分等の処理を行い、それら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。ｃ（ｒｉ，ｒ０）はｉ番目の素子と画像化位置ｒ０を結んだ直線の平均音速を示す。式（１）のｔは、画像化位置ｒ０とｉ番目の素子ｒｉとを結ぶ音線を光音響波が伝搬する時間（伝搬時間）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公報第５７１３３５６号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Oruganti, J. G. Laufer, B. E. Treeby, “Vessel filtering of photoacoustic images”, Proc. SPIE 8581 (2013) 85811W.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、音響波を利用したトモグラフィーにおいては、あるボクセルの再構成を行うためには音響波の伝搬時間を求める必要がある。そのためには、各素子と各ボクセル間の音速分布が必要になることが分かる。つまり、取得信号から正確に再構成を行うためには、被検体内部の音速分布が必要である。ところが、未知の被検体内部の音速分布を精度良く取得することは困難である。【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、被検体内部の音速分布に関する情報を精度良く取得することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
光を照射された被検体から発生する音響波の受信信号を用いて、前記被検体の特性情報を取得する情報取得装置であって、
前記被検体における、特性が互いに異なる複数の領域を示す情報を取得する領域取得手段と、
前記複数の領域を示す情報を用いて、前記複数の領域のそれぞれの音速を決定する音速決定手段と、
前記音速と前記受信信号とを用いて、前記被検体の前記特性情報を取得する特性情報取得手段と、
を有することを特徴とする情報取得装置である。【００１０】
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
光を照射された被検体から発生する音響波の受信信号を用いて、前記被検体の特性情報を取得する信号処理方法であって、
前記被検体における、特性が互いに異なる複数の領域を示す情報を取得する領域取得ステップと、
前記複数の領域を示す情報を用いて、前記複数の領域のそれぞれの音速を決定する音速決定ステップと、
前記音速と前記受信信号とを用いて、前記被検体の前記特性情報を取得する特性情報取得ステップと、
を有することを特徴とする信号処理方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被検体内部の音速分布に関する情報を精度良く取得することができる。
本発明のさらなる特徴は、添付の図面を参照した後述される各実施形態の記載により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態を説明するための装置図
【図２】本発明の実施形態を説明するためのフローチャート
【図３】実施例１を説明するための装置図
【図４】実施例１を説明するためのフローチャート
【図５】実施例１の領域分布と各領域の音速を考慮した再構成の説明図
【図６】音速決定手法説明図
【図７】実施例２を説明するための装置図
【図８】実施例２を説明するためのフローチャート
【図９】実施例２の領域分布と各領域の音速を考慮した再構成の説明図
【図１０】実施例３を説明するための装置図
【図１１】実施例３を説明するためのフローチャート
【図１２】実施例３の反射信号画像化部の計算手法
【図１３】実施例４を説明するための装置図
【図１４】実施例４を説明するためのフローチャート
【図１５】実施例５を説明するための装置図
【図１６】実施例５を説明するためのフローチャート
【図１７】実施例５のフローの具体例
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の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、形状およ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る。よって、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。
【００１４】
本発明は、被検体から伝播する音響波を検出し、被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本発明は、被検体情報取得装置またはその制御方法、被検体情報取得方法、信号処理方法、あるいは情報処理装置または情報処理方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法をＣＰＵやメモリ等のハードウェア資源を備える情報処理装置に実行させるプログラムや、そのプログラムを格納した記憶媒体としても捉えられる。記憶媒体は、コンピュータにより読み取り可能な非一時的な記憶媒体であって良い。
【００１５】
本発明の情報取得装置は、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体の特性情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した光音響イメージング装置を含む。この場合、特性情報とは、光音響波を受信することにより得られる受信信号を用いて生成される、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値の情報である。
【００１６】
光音響装置により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収率を反映した値である。例えば、単一の波長の光照射によって生じた音響波の発生源、被検体内の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や吸収係数を含む。また、互いに異なる複数の波長により得られる特性情報から、組織を構成する物質の濃度を取得できる。物質濃度として酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を求めることにより、酸素飽和度分布を算出できる。また、物質濃度としては、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、脂肪や水の体積分率なども求められる。
【００１７】
被検体内の各位置の特性情報に基づいて、二次元または三次元の特性情報分布が得られる。分布データは画像データとして生成され得る。特性情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として求めてもよい。すなわち、初期音圧分布、エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報である。
【００１８】
本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。トランスデューサ等により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼ぶ。ただし、本明細書における超音波または音響波という記載は、それらの弾性波の波長を限定する意図ではない。光音響効果により発生した音響波は、光音響波または光超音波と呼ばれる。光音響波に由来する電気信号を光音響信号とも呼ぶ。
【００１９】
以下の実施形態では、情報取得装置として、被検体にパルス光を照射し、光音響効果により被検体から音響波を受信し解析する事により被検体内の光吸収体の分布を取得する光音響装置を取り上げる。被検体として被検者の乳房を想定する。ただし被検体はこれに限られず、被検者の他の部位、ヒト以外の動物、無生物、ファントムなども考えられる。
【００２０】
＜装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る光音響装置の模式図である。本実施形態における光音響装置は、被検体にパルス光２を照射する光照射部１、音響波受信部６、情報処理部７を含む。さらに情報処理部７は、領域分割部８と音速決定部９、特性情報取得部１０を含む。測定対象は被検体３であり、その内側にはパルス光２を吸収して音響波５を発生させる吸収体４が存在する。
【００２１】
光照射部１はパルス光を発する光源と、発せられたパルス光を被検体３に照射する照射光学系からなる。パルス光２は被検体内（被検体が生体の場合、生体組織）で拡散し、吸収体４で吸収される。その結果として発生した音響波５は、被検体内を伝搬し、音響波受信部６で検出される。音響波受信部６は音響波５をアナログの電気信号に変換する。アナログ電気信号は、増幅処理やデジタル変換処理を経て、受信データとしてメモリ（不図示）に格納される。情報処理部７は、領域分割部８、音速決定部９、特性情報取得部１０からなり、被検体内部の領域分割情報と、各領域の音速と、受信データに基づいて、被検体内部の特性情報を算出する。
続いて、各構成要素の詳細な材料、構造や機能を説明する。
【００２２】
（光照射部）
光照射部は、光を発する光源と、光源から射出された光を被検体へ導く光学系とを含む。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。
【００２３】
光源としては、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。
【００２４】
光学系には、レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバ、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。
【００２５】
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。また、光照射部が光学系を機械的に移動させる走査機構を備えていてもよいし、スイッチによって選択可能な複数の光出射口を備えていてもよい。
なお、光照射部が光学系を備えずに、光源から直接被検体に光を照射してもよい。
【００２６】
（音響波受信部）
音響波受信部は、信号を物理的に受信する受信器と信号処理部を有している。受信器は被検体表面及び被検体内部で発生する光音響波を検出し、アナログの電気信号に変換する。受信器には、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を利用できる。なお、複数の位置で音響波を検出するため、音響波検出素子が１次元、２次元、または３次元に並べて複数配列されており、音響波検出部走査機構によって機械的に走査可能に構成されていてもよい。また、音響波発生源の位置が特定できるように、音響レンズでフォーカスされた単一素子でもよい。素子は本発明の変換手段に相当する。音響波受信部を含むプローブが、ユーザがプローブを把持することを可能とする把持部を備えていてもよい。すなわち、本実施形態に係るプローブが、ハンドヘルド型のプローブであってもよい。
【００２７】
信号処理部は、アナログ電気信号を増幅してデジタル変換する。信号処理部は、増幅器、Ａ／Ｄ変換器、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）チップなどで構成される。音響波受信部が複数の素子を備え、複数の受信信号が得られる場合は、処理時間を短縮するために、同時に複数の信号を処理できることが望ましい。またＳＮ比の向上のため、被検体に対して同じ位置で受信した受信信号を積算してもよい。積算方法としては、単純な加算以外に、加算平均や重み付け加算も利用できる。なお、本明細書における「受信信号」とは、音響波検出器または光検出器から出力されるアナログ信号も、その後ＡＤ変換されたデジタル信号も含む概念である。
【００２８】
（情報処理部）
情報処理部７は、領域分割部８、音速決定部９、特性情報取得部１０を有している。情報処理部７としては、ＣＰＵや記憶装置や通信装置などを備え、メモリに展開されたプログラムの指示に従って動作する、ＰＣやワークステーションなどの情報処理装置を利用できる。複数の情報処理装置が協働して情報処理部７として機能してもよい。各機能ブロックはそれぞれ、情報処理装置の演算資源を利用して処理を実行させるプログラムモジュールと考えてもよい。なお、光照射部１や音響波受信部６などの構成を含まない情報処理部７がユーザに提供されてもよい。
【００２９】
情報処理部７の演算部は、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。
【００３０】
情報処理部７の記憶部は、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、記憶部は、ＲＡＭ（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。なお、記憶部は、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。
【００３１】
情報処理部７の制御部は、ＣＰＵなどの演算素子で構成される。制御部は、光音響装置の各構成の動作を制御する。制御部は、入力部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、制御部は、記憶部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、制御部が制御線を介して、光源の発光タイミングを制御してもよい。また、光学系がシャッターを含む場合、制御部が制御線を介して、シャッターの開閉を制御してもよい。
【００３２】
なお、上記の情報処理装置は、不図示の表示装置への画像データの表示を制御する表示制御部を兼ねても良い。表示装置は液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなど任意である。また、情報処理装置のユーザインタフェース（例えばマウス、キーボード、タッチパネル）は、後述する入力部として利用できる。表示装置には、分割領域ごとに異なるコントラスト・色を用いるとよい。
【００３３】
（領域分割部）
領域分割部は、光音響装置で得られた分布データや、ＭＲＩ画像、造影ＭＲＩ画像、反射超音波画像、透過超音波画像などの光音響装置とは異なるモダリティで得られた分布データ、人体アトラスデータ、入力データに従って、前記被検体内部の領域を分割する。そして、領域分割部は、分割された複数の領域を示す情報を取得する。すなわち、領域分割部は、分割された複数の領域の境界を示す情報を取得する。音速が変わることが予想される被検体内部の組織などの特定の違いに基づいて、被検体内部の領域を分割できればどのような方法でも構わない。領域分割部は、本発明の領域取得手段に相当する。
【００３４】
分割手法の一例として、モダリティで得られた分布データを、強度がある閾値以上の領域と、強度が閾値より小さい領域とに分ける方法がある。分割手法の別例として、人体アトラスデータの組織の境界で分ける方法がある。また別の例として、光音響装置で得られた分布データを、吸収体が多く映っている領域と、ほとんど映っていない領域に分ける方法がある。また別の例として、医師や技師などのユーザが、入力部を使って境界を指定する方法がある。なお、モダリティで得られた分布データや人体アトラスの分布データは、測定体位などにより光音響装置で得られた分布データと形状が異なることもある。そこで、領域を分ける前に予め、モダリティで得られた分布データや人体アトラスの分布データを、光音響波の測定の際の被検体形状に変形位置合わせしておいてもよい。
【００３５】
（音速決定部）
音速決定部は、領域分割部で分割した領域の音速を決定する。そして、音速決定部は、決定された複数の領域の音速（音速分布）を示す情報を取得する。決定手法の例を説明する。まず、入力部などを用いて被検体内に関心領域ＲＯＩを設定（指定）する。そして、分割領域における音速値を、その分割領域で想定可能な範囲で複数設定し、それぞれの音速値を用いて関心領域の画像を再構成する。そしてユーザが各音速値に対応する画像を比較して最適な音速値を選択し、入力部を用いて指定する。このように、音速値をあり得る値の範囲で設定し、更新しながら入力を受け付けることにより、適切な値を決定できる。音速決定部は、本発明の音速決定手段に相当する。
【００３６】
別の決定手法として、目的関数を指定し、関心領域の分布から求められる目的関数の値が最大になるように、音速を決定してもよい。このように、音速値をあり得る値の範囲で設定し、更新しながら目的関数を最大化することにより、適切な値を決定できる。目的関数としては、観察対象（例えば血管）が精度よく観察できた時に値が最大になるような目的関数が好ましい。目的関数には、点らしさ・線らしさ・面らしさを指標とする項を含めてもよいし、境界を検出する項を含めてもよい。さらに、明らかに異常な解に落ちないように、制約項を入れてもよい。例えば、点らしさ・線らしさ・面らしさを指標については、非特許文献１に開示された指標を採用することができる。また、境界を検出する項の具体的な例としては、関心領域の分布の各方向の微分値の合計を用いることができる。
【００３７】
また、すべての分割領域の音速を一度に決定する必要はなく、各分割領域の音速を順次決定する手法でもよい。その場合、被検体の音響波検出素子に近い領域に関心領域を設定し、その領域の音速を決定してから、次に音響波検出素子に近い領域に関心領域を設定し、その領域の音速を決定する、という手順が好ましい。このように音速を順次決定する場合、被検体表面に近い領域の音速を決定してから、より深い（より、素子から遠い）位置の小領域の音速を推定することが好ましい。このように表面側（素子に近い側）から順に音速を決定すると、被検体深部の音速を推定する際に、音線が通過する浅部の音速が既知となっているため、深部の推定精度が高まる。
【００３８】
音速を順次決定する場合、分割領域によって目的関数を変えてもよい。また、分割領域によっては、その分割領域で想定し得る範囲内で音速を変化させて、各音速に対応する関心領域の画像を表示してもよい。その他、最終的な画像向上に繋がるのであれば、どのような音速決定手法を採用してもよい。目的関数の最大化（または最小化）にあたっては、音速の初期値を適切な値に設定することで、計算精度の向上や計算時間の短縮が可能になる。例えば、音速の初期値として、生体の典型的な音速値や、探触子と被検体の間に存在する媒質の音速値を用いる。さらに、音速値の温度依存性に鑑み、被検体の温度に応じて初期値を決めることが更に好ましい。またさらに、目的関数の最大化（または最小化）を行う際に変更する音速値の範囲を、被検体組織の種類と、被検体温度により決定される音速値の近傍に限定してもよい。
【００３９】
なお、最大化とは、目的関数が極大値をとる場合だけでなく、目的関数が所定の閾値以上となる場合も含む。また、最小化とは、目的関数が極小値をとる場合だけでなく、目的関数が所定の閾値以下となる場合も含む。また、所定の回数だけ音速を更新し、所定の回数の計算結果のうち、最も目的関数が最大または最小となったときを最大化または最小化したと決定してもよい。
【００４０】
（特性情報取得部）
特性情報取得部は、領域分割部で算出した被検体の領域分割情報と、音速決定部で算出した各分割領域の音速に基づき、受信信号を用いて、被検体内部の吸収体の分布を算出する。分布算出手法としては、音速分布を考慮したタイムドメインユニバーサルバックプロジェクション、周波数ドメイン・ユニバーサルバックプロジェクション、ディレイアンドサムや、モデルベース再構成、タイムリバーサル法などを利用できる。分布情報としては、初期音圧分布だけでなく、光量分布に応じた吸収係数分布、物質濃度分布などを作成できる。特性情報取得部は、本発明の特性情報取得手段に相当する。
【００４１】
＜処理手順＞
以下に、本実施形態に係る情報取得方法を図２のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ１）：光照射部１から被検体３に対してパルス光２を照射する。被検体内部を伝搬したパルス光が被検体内部の吸収体４で吸収されると、光音響効果により音響波５が発生する。音響波受信部６がこの音響波を受信し、受信信号に変換する。
【００４２】
（ステップＳ２）：領域分割部８が、被検体３の内部を、組成や特性の違いがわかる分布情報に基づいて、音速が大きく異なると考えられる複数の領域に分割する。
【００４３】
（ステップＳ３）：音速決定部９が、分割領域毎の音速を決定する。決定にあたっては、入力部からの入力情報や、目的関数を利用できる。目的関数を利用する場合、各分割領域の音速値を想定し得る範囲内で複数設定し、それぞれの設定音速値ごとに受信信号を再構成して分布情報を取得し、目的関数値が最大化されるような音速値を選択する。
【００４４】
（ステップＳ４）：特性情報取得部１０が、Ｓ２で得られた領域分割の情報とＳ３で得られた各分割領域の音速を用いて、各素子と各ボクセルにおける受信信号の遅延時間を調整し、再構成を行う。これにより、初期音圧分布や吸収係数分布、さらに分光情報を使った物質の濃度分布を算出する。なお、再構成を行うときの画像化単位領域は、三次元画像化においてはボクセルと呼ばれるが、二次元画像化においてはピクセルと呼ばれる。
なお、分割領域の音速の取得を目的とする場合、特性情報を取得しなくてもよい。すなわち、ステップＳ４を実行しなくてもよい。
また、情報取得装置が、ステップＳ１を実行せずに、情報取得装置とは別の装置が音響波の受信を実行してもよい。この場合、情報取得装置は、別の装置で音響波から変換された信号を取得することにより、信号処理を実行することができる。
【００４５】
［実施例１］
本実施例は、お椀型の探触子で人間の乳房を測定し、乳房内部の血液情報や、血液の酸素飽和度分布を取得するＰＡＴ診断装置について述べる。
【００４６】
（構成と動作）
図３を用いて、本実施例の装置の構成と動作に関して説明する。Ｔｉ：ｓａレーザー１１０から出射したパルス光１２０は、光バンドルファイバ１１１を通って、照射光学系１１２に入り、ミラーとレンズと拡散板を通り、被検体である人間の乳房１３０に照射される。パルス光１２０のパルス幅は２０ｎｓｅｃであり、波長は７５６ｎｍおよび７９７ｎｍであり、周波数は１０ＭＨｚである。お椀型探触子１６０は水で満たされており、厚さ３００μｍのＰＥＴ製の乳房カップ１３１は、その水につかっている。乳房カップ１３１の中も水で満たされており、乳房１３０は水につかっている。ここでは音響マッチングのために水を用いたが、油や超音波ジェルなどを用いてもよい。
【００４７】
光音響効果により乳房１３０から発生した音響波は、水などを伝搬したのち、お椀型探触子１６０にフィボナッチ配列状に並んだ複数のピエゾ素子により受信される。ピエゾ素子の中心周波数は３ＭＨｚで、帯域幅は８０％である。お椀型探触子１６０と照射光学系１１２は、スキャン機構１６２によって、乳房１３０に対する相対位置を紙面の横方向と奥行き方向において変更可能である。このように、パルス光照射位置と音響波受信位置をスキャンしながら光音響波の測定を行うことで、広範囲からの情報を取得できる。
【００４８】
受信された音響波に由来する電気信号（受信信号）は、増幅され、サンプリング周波数２０ＭＨｚでデジタル変換されて、データ取得システム１６１内部のメモリ（不図示）に格納される。本実施例での情報処理部７であるワークステーション１７０は、領域分割部２００、音速決定部１９０、特性情報取得部１８０を含む。
【００４９】
領域分割部２００は、乳房内部が乳腺領域、脂肪領域、腫瘍領域の各分割領域に分割された、領域分布を作成する。このとき、ＭＲＩ画像を光音響波の測定時の被検体の形状に変形させた画像を用いると良い。音速決定部１９０は、各分割領域の音速を、後述の手法で決定する。特性情報取得部１８０は、分割領域の配置や分布と、各領域の音速に基づき、受信信号を用いた再構成を行い乳房内部のヘモグロビン濃度分布を生成する。表示部２１０は画像を表示する。
【００５０】
ワークステーション１７０の処理について詳しく述べる。まず領域分割部２００は、ＰＡＴ測定の前または後に被検体をＭＲＩ測定した画像であるＭＲＩ画像をＰＡＴ画像に変形位置合わせする。変形位置合わせには、被検体表面の乳頭のような特異点や、被検体内部の血管の分岐などの特徴的な部分を用いた既知の手法を利用できる。
【００５１】
続いて音速決定部１９０は、変形位置合わせ済みのＭＲＩ画像に基づいて、閾値法、領域拡張法またはＳＮＡＫＥ法などのセグメンテーション手法や、入力部からの入力情報により、領域分布を作成する。乳腺領域を抽出するためには、通常のＭＲＩ画像をＰＡＴ画像に合わせて変形位置合わせした画像を使い、腫瘍領域を抽出する場合は、造影剤を使ったサブトラクション画像を使って抽出する。領域分布は、乳房全体を含んだ領域をボクセルで細分化して、各ボクセルに、乳腺領域、脂肪領域、腫瘍領域が分かるようにラベリングしたものである。本実施例では、脂肪領域を１、乳腺領域を２、脂肪領域を３、それ以外を０とラベリングする。なお、ＰＡＴ画像に変形位置合わせしたＭＲＩ画像の代わりに、３次元アトラス画像、超音波画像あるいはＣＴ画像を使ってもよい。
【００５２】
（画像再構成）
図５を用いて、特性情報取得部１８０における、領域分布と各領域の音速を考慮した再構成について詳しく説明する。被検体領域は複数のボクセル１３３に区切られている。ある素子１６３が座標（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）にある時に受信した受信信号のうち、座標（ｘｖ、ｙｖ、ｚｖ）のボクセル１３２を再構成する際に使う音速の算出方法を示す。ここでは、説明を簡易にするために、ある２次元平面上のボクセル群を説明対象とする。また、屈折は考えないものとする。ただし、音響波が伝搬する音線は隣接する媒質同士の屈折率の違いに応じて屈折するため、伝搬経路を決定する際に屈折を考慮することがより好ましい。
【００５３】
ある素子１６３の座標（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）は予めキャリブレーションなどで分かっている。乳房カップ１３１は、ある位置を中心とした時の半径８０ｍｍの球の一部の形状をしている。乳房カップ１３１の形状は既知であるため、素子１６３の座標と再構成ボクセルｖの座標を結ぶ直線（距離をＬとおく）と、乳房カップ１３１との交点ｃの座標は算出できる。よって、素子１６３と交点ｃの距離Ｌｗ（ｅ，ｖ）も算出できる。距離Ｌｗの間の音速は、音響マッチング材（水）の音速である。また、本実施例では乳房が乳房カップ１３１に接しているものとする。
【００５４】
続いて、交点ｃから再構成ボクセルｖに向かって、距離ｄの線分ｌｉを順次配置する。そして、各線分ｌｉの中心座標に一番近いボクセルの音速を、その線分の音速Ｓｌｉとする。Ｌｗをｄで割って余った距離ｄｓについても同様に、中心座標に一番近いボクセルの音速を、その線分の音速Ｓｌｓとする。これにより、素子１６３で受信した信号を再構成する際に使う平均音速Ｓを、下記の式（２）で算出可能となる。
【数２】
2018043193.tif 000004
【００５５】
ここでＳｗは、お椀探触子内部の水の音速である。この音速Ｓｗと、素子１６３から注目ボクセルまでの距離に基づいて、素子１６３から出力された受信信号からのサンプリング位置が決定される。再構成対象の全ボクセルと、探触子が備える全素子との間でそれぞれ式（２）の計算を行い、各素子に対する各ボクセルの平均音速を算出する。その平均音速を用いた画像再構成により特性情報分布が取得される。再構成手法としてはタイムドメインユニバーサルバックプロジェクション法が好適だが、他の手法でも良い。なお、式（２）のように平均音速を算出せずに、遅延時間またはサンプリング点番号を用いて受信信号からのサンプリングデータを特定してもよい。
【００５６】
（音速決定）
次に各分割領域の音速の決定手法について、図６を用いて説明する。乳房１３０は、脂肪領域１３４、乳腺領域１３５、腫瘍領域１３６に分けられている。まず図６（Ａ）に示すように、一番探触子側に近い領域を占めている脂肪領域１３４の中に、第１のＲＯＩ（関心領域）１３７を指定する。そして、第１のＲＯＩ１３７の内部の画像の先鋭度、つまり画像のｘ方向の微分とｙ方向の微分とｚ方向の微分の全ボクセルの総和を目的関数にして音速を推定する。このとき、脂肪領域、乳腺領域および腫瘍領域に対して、同じ音速を設定する。この音速は、脂肪がとりえる得る数値範囲の中に収める。この時、音速が変わって第１のＲＯＩ１３７の内部の画像領域がずれることを防ぐために、第１のＲＯＩ１３７のｚ方向の座標を調整する。その結果、図６（Ｂ）で示すように、脂肪領域内の血管１４０が描出され、脂肪領域の音速Ｓｌが決定する。
【００５７】
次に、探触子側に近い領域を占めている乳腺領域に第２のＲＯＩ１３８を指定して、第２のＲＯＩ１３８の内部の画像の先鋭度の全ボクセルの総和を目的関数にして音速を推定する。このとき、乳腺領域と腫瘍領域に、同じ音速であり、乳腺と腫瘍がとりえる音速の数値範囲内の音速を設定する。また、脂肪領域の音速にはＳｌを使う。その結果、図６（Ｃ）で示すように、乳腺領域内の血管１４１が描出され、乳腺領域の音速Ｓｇが決定する。
【００５８】
最後に腫瘍領域に第３のＲＯＩ１３９を指定して音速を推定する。このとき、脂肪領域の音速Ｓｌおよび乳腺領域の音速Ｓｇを利用しつつ、腫瘍領域１３６の音速を１０ｍ／ｓｅｃ毎に変化させることにより、第３のＲＯＩ１３９の画像を複数枚作成する。これら複数の画像を表示部２１０に表示し、ユーザが入力部２２０を用いて最適な画像を選択することで、音速が決定される。図６（Ｄ）のように、血管１４２が描出される。ここでは脂肪領域と乳腺領域を画像の先鋭度、腫瘍領域は音速を振って複数枚表示し、入力部からの入力により決定するとしたが、それぞれの領域の音速が決まればどのような組み合わせでも構わない。
【００５９】
ここで、第１〜第３のＲＯＩ１３７，１３８、１３９の位置指定方法については、ユーザが表示部２１０に表示された画像を見ながら入力部を用いて指定する方法でもよいし、ワークステーション１７０が自動的に決定してもよい。
【００６０】
（処理手順）
以下に、本実施例に係る情報取得方法を図４のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ１１０）：照射光学系１１２から乳房１３０に対してパルス光１２０を照射する。乳房内部を伝搬したパルス光が被検体内部のヘモグロビンで吸収され、光音響効果により音響波が発生する。お椀型探触子１６０が音響波を受信し、受信信号に変換する。
【００６１】
（ステップＳ１２０）：領域分割部２００が、入力部２２０により入力されたＭＲＩ画像の画像強度に従って、乳房内部を脂肪領域・乳腺領域・腫瘍領域に分割し、領域分布を取得する。
（ステップＳ１３０）：続いて領域分割部２００は、どの領域から音速を決定するか決める。基本的には、お椀型探触子１６０に近い領域から順に決定する。なお、領域分布を表示部２１０に表示し、ユーザからの入力部２２０への入力に従って順番を決めても良い。
（ステップＳ１４０）：音速決定部１９０が各分割領域の音速を決定する
【００６２】
（ステップＳ１５０）：特性情報取得部１８０が、領域分割情報と各分割領域の音速に基づいて、各素子が受信した各ボクセルからの受信信号の遅延時間を調整して画像再構成を行い、被検体の特性情報を算出する。これにより、初期音圧分布や吸収係数分布、さらに分光情報を使ってヘモグロビン濃度分布や酸素飽和度分布を算出する。
【００６３】
ここでは、１つの分割領域ずつ音速を決定したが、すべての領域、または一番深い領域の画像の特徴を表す目的関数を用いて、すべての領域の音速を一気に推定してもよい。また、目的関数として画像の先鋭度の他にも、画像の面らしさ、線らしさ、点らしさを利用できる。また、ＭＲＩ画像における対応部位との類似度を目的関数としてもよい。その他、画像化対象が描出されていることを数値化できる目的関数であれば、何を用いてもよい。また、脂肪領域、乳腺領域および腫瘍領域の音速として、文献値、統計値、被検者の以前の測定値、などを用いてもよい。さらに、一つの分割領域を一つの音速値に決めるのではなく、細分化してもよい。例えば乳腺領域については、ＭＲＩ画像の画像強度に従って音速に勾配をつけることが好ましい。
【００６４】
本実施例によれば、被検体を複数の領域に分割し、各分割領域の音速を反映した画像再構成を行う。その結果、光音響トモグラフィーにおいて、音速分布に関する情報を用いた再構成の精度を向上させることができる。
【００６５】
［実施例２］
本実施例では、超音波の受信と光音響波の受信兼用の、ハンドヘルド型の１Ｄアレイの探触子を用いる。また、各分割領域の境界を、凸型の幾何学形状で近似する。また、各分割領域の音速値をユーザが入力するのに応じてリアルタイムに画像再構成を行い、画像を生成・表示する。
【００６６】
（構成と動作）
図７を用いて、本実施例の装置の構成と動作に関して説明する。ＯＰＯレーザー３１０から出射した７９７ｎｍのパルス光３２０は、光バンドルファイバ３１０を通り、照射光学系３１２においてレンズでの拡大、拡散板での散乱を経て、被検体である乳房３３０に照射される。照射されたパルス光は乳房３３０内部を散乱して伝搬し、吸収体で光音響効果により音響波に変換される。
【００６７】
１Ｄアレイ探触子３６０は、リニア状に配列された複数の素子と、その両サイドに配列された光出射端を有する。吸収体から発生した光音響波は、１Ｄアレイ探触子３６０により電気信号に変換されたのち、信号変換器３６１で増幅されデジタル変換されて、メモリ（不図示）に光音響受信信号として格納される。本実施例はハンドヘルド型の探触子を用いるため、乳房を保持するカップは用いず、超音波伝達用のジェルを被検体に塗布して測定を行う。
【００６８】
さらに、１Ｄアレイ探触子３６０は、超音波を乳房３３０に対してフォーカスして送信し、反射してきた超音波（エコー波）を受信する機能を有する。受信したエコー波は電気信号に変換され、信号変換器３６１で増幅されデジタル変換されて、メモリ（不図示）に反射超音波受信信号として格納される。なお、「超音波」または「エコー波」という名称は、光音響波との区別を明確にする必要上付けられたものであり、波長を限定する意図ではない。なお、光音響受信用の素子と超音波送受信用の素子は、本実施例のように同一であっても良いし、別々でもよい。
【００６９】
本実施例での情報処理部７であるワークステーション３７０は、領域分割部４００、音速決定部３９０、特性情報取得部３８０、超音波画像作成部３７１を含む。
【００７０】
ワークステーション３７０は、信号変換器３６１内部のメモリに格納された、光音響受信信号と反射超音波受信信号を取得する。超音波画像作成部３７１は、反射超音波受信信号を用いて超音波画像を生成する。領域分割部４００は、超音波画像の画像強度を使って、被検体を乳腺・脂肪領域と、腫瘍領域に分割して領域分布を取得する。
音速決定部３９０は各分割領域の音速を決定する。その際、ユーザが入力部４２０から入力した値を用いてもよい。特性情報取得部３８０は、領域分割情報と音速情報を用いて、光音響受信信号に基づいて画像再構成を行い、ヘモグロビン濃度分布を算出する。算出されたヘモグロビン濃度分布は、表示部４１０に表示される。
【００７１】
ユーザが入力部４２０から各分割領域の音速を入力すると、入力値を反映した画像再構成がリアルタイムに行われ、表示部４１０に画像が表示される。これにより、精度よく音速値を設定できる。また、入力部４２０から入力できる値は、各分割領域において想定し得る数値範囲に基づいて制約を設けると良い。あるいは、ある分割領域に取り得ない数値が入力された場合は警告を表示してもよい。また、リアルタイムに表示される画像のスナップショットを、領域分割情報、各領域の音速情報、またそれらの情報を使って再構成された超音波画像とともに保存できる機能を設けても良い。
【００７２】
超音波画像作成部３７１は、通常の超音波装置が有する画像作成機能を有し、超音波反射画像、エラスト画像およびドップラ画像の少なくともいずれかを作成できる。領域分割部４００は、超音波反射画像を分割するときに、コントラストが周りと大きく異なる部分を抽出する。その際、各領域の境界を凸型の幾何学形状で近似する。つまり本実施例では、ある凸型の幾何学形状の外側と内側という形で領域が分割される。そのため、領域分割情報として、幾何学形状を示す数式とその領域名が保存される。これにより、各素子と各ボクセル間での平均音速の算出時間が早められる。
【００７３】
音速決定部３９０に音速値を与える入力部は、各分割領域に対応するつまみを備える。また、表示部４１０に表示された各分割領域にはラベルがつけられている。ユーザは、ラベルに対応したつまみを回すことにより音速値を入力する。また、一つのつまみをスイッチで切り替えながら使用してもよい。
【００７４】
特性情報取得部３８０について詳しく述べる。リニア配列に含まれる素子３６３が座標（ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ）に位置する時に、座標（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）のボクセル３３３を再構成する際に使う音速の算出方法を、図９を参照して説明する。こここでは、説明を簡易にするために、ある２次元平面上のボクセル群を説明対象とする。また、屈折は考えないものとする。
【００７５】
被検体表面３３１および腫瘍領域３３２の境界を示す幾何学形状は、予め領域分割部４００により数式化されている。特性情報取得部３８０は、幾何学形状と、素子３６３とボクセル３３３を結ぶ線分との交点を算出し、各ボクセルと交点の位置関係に基づいて各ボクセルがどの分割領域に含まれるかを決定する。図９では、楕円形状の腫瘍領域３３２と線分との交点はｃ１である。また、放物線形状の被検体表面３３１と線分との交点はｃ０である。これらの交点座標と、ボクセル座標と、素子座標より、ジェル領域における線分距離Ｌｅ０と、脂肪および乳腺領域における線分距離Ｌ０１と、腫瘍領域における線分距離Ｌ１ｖが決まる。ジェル、脂肪および乳腺、腫瘍の設定音速をそれぞれＳｇ、Ｓｌ、Ｓｃとすると、下記式（３）より、ボクセル３３３を再構成する際に素子３６３による受信信号に使う音速が算出される。
【数３】
2018043193.tif 000005
【００７６】
ここで、Ｌはあるボクセル３３３と素子３６３の線分の長さである。またここでは平均音速を算出したが、素子３６３の受信信号からのサンプリング位置を算出してもよい。その他、各分割領域の音速を反映した再構成ができるのであれば、どのような方法でも良い。また、ここでは、各分割領域の音速を使って、より正確な反射超音波画像を取得してもよい。なお、各分割領域を計算容易な幾何学形状で近似することが困難な場合、いったん分割領域を計算容易な形状に変形させてもよい。その場合、変形後の形状において各線分距離を算出した後、各線分の変形率をもとに距離を補正する。この線分距離を式（３）に適用することで、計算を容易にできる。
【００７７】
（処理手順）
以下に、本実施例に係る情報取得方法を図８のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ２１０）：照射光学系３１２から乳房３３０に対してパルス光３２０を照射する。乳房内部を伝搬したパルス光が被検体内部のヘモグロビンで吸収され、光音響効果により発生した光音響波が発生する。１Ｄアレイ探触子３６０が光音響波を受信し、光音響受信信号に変換する。
【００７８】
（ステップＳ２２０）：１Ｄアレイ探触子３６０は、乳房３３０内部の各位置にフォーカスされた超音波を送信し、反射して帰ってきたエコー波を受信する。これにより反射超音波信号が取得される。
（ステップＳ２３０）：超音波画像作成部３７１が反射超音波受信信号から乳房内部の反射超音波画像を作成する。続いて領域分割部４００が、超音波画像のコントラストから乳房内部を複数の領域に分割する。
【００７９】
（ステップＳ２４０）：音速決定部３９０が入力部情報を用いて各分割領域の音速を決定する。
（ステップＳ２５０）：特性情報取得部３８０が、領域分割情報と各領域の音速に基づいて、光音響受信信号を再構成して、ヘモグロビン濃度分布などの特性情報分布を算出する。このとき遅延時間算出に組織の特徴を反映した音速が用いられるので、ハンドヘルド型の装置においても測定精度が向上する。また、各分割領域の形状を幾何学形状で近似することで計算を容易にできる。
【００８０】
［実施例３］
本実施例の装置は実施例１とほぼ同様であるが、パルス光が照射される位置に平面の半吸収体膜を配置可能になっている。これにより、被検体および半吸収体膜の両方にパルス光を照射可能である。その結果、半吸収体膜から平面波が発生する。平面波の一部は乳房に入射し、乳房内部で反射してエコー波となる。本実施例の装置は、そのエコー波をお椀型探触子により受信して超音波画像を作成し、乳房内部の領域を分割する。本実施例の装置はさらに、光音響受信信号より得られたヘモグロビン分布に基づいて血管領域を分割し、血液の音速を割り当てる。
【００８１】
（構成と動作）
本実施例の装置構成と動作を、本実施例に特有な部分を中心に図１０を用いて説明する。照射光学系１１２と被検体１３０の間の、パルス光１２０が通過する位置に、半吸収体膜１６９が配置されている。この半吸収体膜は、照射光学系１１２から照射されたパルス光１２０の一部を吸収して光音響効果により音響波を発生させるとともに、パルス光１２０の一部を透過させて乳房１３０まで到達させる。半吸収体膜１６９の材質としては、音響インピーダンスが水に近く、グルナイゼン係数がなるべく大きいものが好ましい。例えばゼラチンシートやＴＰＸシートが好適である。半吸収体膜１６９の厚さとしては、お椀型探触子１６０に配置されている素子の中心周波数に近い帯域の光音響波が放出されるような厚さが好ましい。お椀型探触子１６０の素子の中心周波数が３ＭＨｚの場合、厚さを０．５ｍｍ程度にする。
【００８２】
お椀型探触子１６０は光音響波を受信して光音響受信信号に変換する。本実施例の情報処理部７であるワークステーション１７０は、領域分割部２００、音速決定部１９０、特性情報取得部１８０、反射信号画像化部１７１を含む。
【００８３】
反射信号画像化部１７１は、光音響受信信号を分布データに変換する。この手法について図１２を用いて述べる。半吸収体膜１６９から発生した平面波は、ボクセル１３２で散乱されて、素子１６３で反射超音波として受信される。ボクセル１３２から半吸収体膜に下ろした垂線の足をｐとする。ここで、点ｐ→点ｖ→点ｅという経路をたどる光音響波は、距離Ｌｐｖ＋Ｌｖｅを伝搬する。ボクセル１３２を再構成する際は、この伝搬時間に基づき、素子１６３による受信信号に対するサンプリング番号を決定できる。各ボクセルと各素子の組みあわせに対して、同様な処理を行うことで、反射信号画像を作成できる。
【００８４】
領域分割部２００は、反射信号画像を画像コントラストに基づいて、脂肪および乳腺領域と腫瘍領域とに分割する。音速決定部１９０は、お椀型探触子１６０に近い分割領域から順に、音速を決める。特性情報取得部１８０は領域分割情報と各分割領域の音速を使って画像再構成を行ってヘモグロビン分布を算出し、表示部２１０に表示する。
【００８５】
なお、領域分割情報と各分割領域の音速を使って反射信号画像を再度作成することも好ましい。これにより反射信号画像の精度が向上する。また、精度が向上した反射信号画像を用いて再度領域分割と音速決定を行うことも好ましい。これらの処理を繰り返すに連れて再構成画像の画質が向上する。
さらに、ヘモグロビン分布に基づいて被検体から血管領域を抽出し、その血管領域には血液の音速値を適用して再構成を行ってもよい。
【００８６】
（処理手順）
以下に、本実施例に係る情報取得方法を図１１のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ３１０）：照射光学系１１２からパルス光１２０を照射する。パルス光１２０の一部は、半吸収体膜１６９に吸収され、光音響波（送信超音波）を発生させる。送信超音波は、乳房内部の音響インピーダンスにより反射して反射超音波となる。また、パルス光１２０の残りは半吸収体膜１６９を透過して、被検体内部のヘモグロビンで吸収され、光音響波を発生させる。お椀型探触子１６０は、光音響波および反射超音波を受信し、それぞれ光音響受信信号と反射超音波受信信号に変換して出力する。
【００８７】
（ステップＳ３２０）：反射信号画像化部１７１は、反射超音波受信信号から反射信号画像を作成し、画像コントラストに基づいて乳房内部に複数の分割領域を設定する。
（ステップＳ３３０〜３４０）：音速決定部１９０は、複数の分割領域に対して、探触子に近い側から順に、順番を決める。続いて、決定した順番に従って、各分割領域の音速を決定する。
【００８８】
（ステップＳ３５０）：特性情報取得部１８０は、領域分割情報と各分割領域の音速に従って、音速分布を考慮した再構成を行う。このフローにより、探触子が超音波送受信機能を持たない場合でも、半吸収体膜から発生した超音波に由来する超音波画像を用いて領域分割を行える。その結果、音速を用いて画像再構成する際の精度が向上する。
【００８９】
［実施例４］
本実施例の装置は、ハンドヘルド型プローブを機械的に自動でスキャンしながら測定を行う。測定対象は被検者の手である。本実施例の１Ｄアレイ探触子５６０には、帯域が高い素子と、帯域が低い素子が交互にリニア状に並んでいる。ワークステーション５７０は、帯域の低い素子を使って取得した信号を用いて手の内部の大きな構造を取得し、手の内部の領域を分割する。
【００９０】
（構成と動作）
図１３を用いて、本実施例の装置構成と動作に関して説明する。照射光学系５１０は、ＬＥＤ（不図示）から射出された波長７９７ｎｍのパルス光１２０を、被検体である手５３０に照射する。パルス光１２０が手５３０の内部の吸収体に吸収されると光音響波が発生する。１Ｄ探触子５６０は、スキャン機構５６２により移動しながら光音響波を受信して電気信号に変換する。１Ｄ探触子５６０は、中心周波数の帯域が２ＭＨｚのピエゾ素子（低周波素子）と、中心周波数の帯域が９ＭＨｚのピエゾ素子（高周波素子）が交互に配列されたリニア状アレイ探触子である。１Ｄ探触子５６０で受信された信号は、増幅され、デジタル化されて、それぞれ、低周波素子受信信号と高周波素子受信信号として、信号変換器５６１内部のメモリ（不図示）に格納される。
【００９１】
ワークステーション５７０は、領域分割部６００、音速決定部５９０、特性情報取得部５８０、低周波画像作成部５７１を備える。低周波画像作成部５７１は、低周波素子受信信号に対してタイムドメインユニバーサルバックプロジェクション法を用いて低帯域画像に変換される。領域分割部６００は、低帯域画像を用いて領域を分割する。音速決定部５９０は、１Ｄ探触子５６０に近い領域から順に音速を決定する。特性情報取得部５８０は領域分割情報と各分割領域の音速に基づいて手の内部のヘモグロビン濃度を算出する。
【００９２】
（処理手順）
以下に、本実施例に係る情報取得方法を図１４のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ４１０）：照射光学系５１０から手５３０にパルス光を照射すると、手の内部から光音響波が伝搬する。１Ｄ探触子５６０の低周波素子と高周波素子がそれぞれ、光音響波の低周波成分と高周波成分を受信して低周波素子受信信号と高周波素子受信信号を出力する。
【００９３】
（ステップＳ４２０）：低周波画像作成部５７１が、低周波素子受信信号を用いが画像再構成により低周波画像を作成する。低周波の音響波は高周波の音響波と比べて伝搬中に屈折や散乱の影響を受けにくいため、被検体内部における比較的大きな形態を画像化するのに適している。そこで領域分割部６００は、低周波画像のコントラストに基づいて手の内部の大きな形態情報を取得し、領域を分割する。
（ステップＳ４３０）：続いて領域分割部６００は、各分割領域に対して、１Ｄ探触子５６０がスキャンされる面からの距離に応じた順位づけを行う。
【００９４】
（ステップＳ４４０〜Ｓ４５０）：音速決定部５９０は、順番に従って、各領域の音速を決定する。続いて特性情報取得部５８０は、領域分割情報と各分割領域の音速に基づいて、音速分布を考慮した画像再構成を行い、特性情報を算出する。このとき、高周波素子信号だけを用いてもよいし、高周波素子信号と低周波素子信号の両方を用いてもよい。
以上の手法によれば、１回の測定で被検体内部の領域分割用の受信信号と、被検体内部の画像化用の受信信号を取得できるので、処理に要する時間を短縮できる。
【００９５】
［実施例５］
本実施例は、装置構成は実施例１とほぼ同じで、被検体内部の領域を分割する方法と、音速算出手順が異なる。
【００９６】
（構成と動作）
図１５を用いて、本実施例の装置の構成と動作を、実施例１との相違点を中心に説明する。本実施例のワークステーション１７０は、ＲＯＩ決定部８０１、領域分割部８００、音速決定部７９０、特性情報取得部７８０を備える。ＲＯＩ決定部８０１は、受信信号をある音速で再構成した画像に基づいて、被検体内部にＲＯＩを設定する。
【００９７】
本実施例の音速決定部７９０は、そのＲＯＩにおける音速を決める。具体的には、ある音速を設定してＲＯＩを画像再構成したとき、ＲＯＩ中の血管を所定の閾値以上の密度で画像化できた場合に、その設定値を音速として決定する。一方、設定された音速では所定の閾値より低い密度で血管が画像化された場合は音速の設定値を変更する。この処理を繰り返すことで、画像化したい全領域について音速を設定する。
【００９８】
（処理手順）
本実施例のフローについて図１６と図１７を用いて説明する。
（ステップＳ５１０）：乳房にパルス光を照射して光音響波を受信する。この処理の詳細は実施例１と同様である。
【００９９】
（ステップＳ５２０）：ＲＯＩ決定部８０１が、乳房内部のＲＯＩを決定する。ＲＯＩ決定部８０１はまず、図１７（Ａ）のように、乳房１３０内部の比較的探触子に近い位置にＲＯＩ７３７を設定する
（ステップＳ５３０）：音速決定部７９０は、設定されたＲＯＩ７３７の音速を決定する。その際、乳房全体の音速を均一に変化させながらＲＯＩ７３７の線らしさを算出し、線らしさが最大になったときの音速に決定する。線らしさの評価は非特許文献１に記載の手法による。
【０１００】
（ステップＳ５４０）：領域分割部８００は、図１７（Ｂ）のように線らしさが算出された画像に基づいて、図１７（Ｅ）のような、乳房内部の線らしさをぼかした血管密度分布を算出し、その血管密度がある閾値を超えている領域と超えていない領域に分割する。すなわち、領域分割部８００は、血管密度を示す情報に基づいて、各領域の境界を決定する。
（ステップＳ５５０：画像化領域全体の線らしさが閾値以上か判断する）
画像化したい領域全体の血管密度がある閾値以上になっていれば処理を終了する。一方、画像化したい領域中に血管密度が閾値より小さい部分があれば、Ｓ５２０〜Ｓ５５０の処理を繰り返す。
【０１０１】
Ｓ５２０〜Ｓ５５０の処理を繰り返した場合について説明する。ＲＯＩ決定部８０１は、図１７（Ｂ）に示すように、音速が未決定の領域（血管密度が閾値より小さい領域）において、探触子に比較的近い位置に、ＲＯＩ７３８を設定する。音速決定部７９０は、ＲＯＩ７３８の線らしさが最大になるように音速を決定する。
【０１０２】
領域分割部８００は、図１７（Ｃ）のように音速未決定領域における線らしさが算出された画像に基づいて、図１７（Ｆ）のような、線らしさをぼかした血管密度分布を算出し、その血管密度がある閾値以上の領域と閾値未満の領域を分割する。なお、ここでの閾値は上述の閾値と違ってもいても良い。例えば組織の種類（乳腺、脂肪、腫瘍）に応じて閾値を変えても良い。
【０１０３】
続いてＳ５５０での判定が再度行われる。画像化領域全体が閾値以上になっていなければＳ５２０に戻る。領域分割部８００は、図１７（Ｃ）に示すように、血管密度がある閾値以下の領域７３９をＲＯＩに設定し、ＲＯＩ内部の線らしさが最大になるような音速を決定する。
領域分割部８００は、図１７（Ｇ）のように線らしさをぼかした血管密度分布を算出し、その血管密度がある閾値以上の領域と閾値未満の領域を分割する。本実施例では、この処理により画像化領域全体の血管密度が閾値以上になるため、処理を終了する。
【０１０４】
ここでは、目的関数が所定の閾値以上の値かどうかに基づいて音速を決定した。しかし、ステップごとに分割領域を表示部２１０に表示し、ユーザが分割領域の音速を入力部を用いて指定してもよい。
【０１０５】
［実施例６］
上記各実施例では、測定を行うたびに、被検体内部の領域分割と音速決定を行った。しかし、同一の被検者に対して時間を空けて複数回の測定を行う場合、例えば薬物療法などの経過観察をする場合には、２回目以降の測定において、以前の領域分割情報および音速を利用できる。
【０１０６】
具体的には、以前の被検体形状と今回の被検体形状との間で変形位置合わせを行い、以前の各分割領域に対応するような領域を設定する。被検体が乳房の場合、位置合わせに用いる特徴点として乳頭などを利用できる。なお、病状の進行により腫瘍領域が拡大する可能性のある場合、脂肪や乳腺についてのみ変形位置合わせを行い、腫瘍については上記各実施例の手法を用いて領域を決定してもよい。本実施例によれば、以前の領域分割情報と音速を利用することで処理時間の短縮が可能になる。
【０１０７】
また、装置が人体アトラスのような被検体の内部の一般的な領域情報を取得し、実際の被検者と人体アトラスとの間で変形位置合わせを行って領域分割を行ってもよい。この場合、各分割領域の音速として統計的な値を利用できる。
【０１０８】
［実施例７］
実施例１ではお椀型探触子１６０を用いた。本実施例では、円柱状探触子やリング状探触子などの、透過超音波の発生に適した探触子を用いる。円柱状探触子やリング状探触子の各素子から超音波を発生させて、被検体を透過した超音波を受信することで、被検体内部の透過超音波画像を生成できる。この透過超音波画像により被検体内部の構造を精度よく取得できるので、良好な領域分割が可能になる。
【０１０９】
以上述べたように、本発明は、光音響効果を使って被検体内部の情報を取得する情報取得装置及び情報取得方法に関するものである。本発明の各実施例によれば、照射されたパルス光を吸収する被検体内部の血管中の血液などの光吸収体の空間分布を視認性よく算出する装置または手法に関する。
【０１１０】
＜その他の実施形態＞
記憶装置に記録されたプログラムを読み込み実行することで前述した実施形態の機能を実現するシステムや装置のコンピュータ（又はＣＰＵ、ＭＰＵ等のデバイス）によっても、本発明を実施することができる。また、例えば、記憶装置に記録されたプログラムを読み込み実行することで前述した実施形態の機能を実現するシステムや装置のコンピュータによって実行されるステップからなる方法によっても、本発明を実施することができる。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。この目的のために、上記プログラムは、例えば、ネットワークを通じて、又は、上記記憶装置となり得る様々なタイプの記録媒体（つまり、非一時的にデータを保持するコンピュータ読取可能な記録媒体）から、上記コンピュータに提供される。したがって、上記コンピュータ（ＣＰＵ、ＭＰＵ等のデバイスを含む）、上記方法、上記プログラム（プログラムコード、プログラムプロダクトを含む）、上記プログラムを非一時的に保持するコンピュータ読取可能な記録媒体は、いずれも本発明の範疇に含まれる。
【０１１１】
本発明の実施形態はまた、システムまたは装置のコンピュータが記憶媒体（例えば、非一時的コンピュータ読込み可能記憶媒体）に記録されたコンピュータ実行可能命令を読み出し、実行し、本発明の上記した実施形態の１つまたは複数の機能を行うことによって、および、例えば、システムまたは装置のコンピュータが記憶媒体からコンピュータ読み実行可能命令を読み出し、実行して、上記した実施形態の１つまたは複数の機能を行うことにより実行される方法によって、実現することができる。コンピュータは、１つまたはそれ以上の中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセシング装置（ＭＰＵ）、または他の回路を備え、別々のコンピュータまたは別々のコンピュータプロセッサのネットワークを含んでも良い。コンピュータ実行可能命令は、例えば、ネットワークまたは記憶媒体からコンピュータに供給されても良い。記憶媒体は、例えば、１つまたはそれ以上の、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、分散演算システムの記憶部、光学ディスク（例えばコンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、またはＢｌｕ−ｒａｙディスク（ＢＤ）（商標））、フラッシュメモリデバイス、およびメモリカードなどを含んでいても良い。
【０１１２】
本発明は例示的な各実施形態を参照して記載されているが、本発明はこれら開示された例示的な各実施形態には限定されないと理解されるべきである。後述の各クレームの範囲は、全ての変形物や同等な構造および機能を包含するように最も広い解釈をなされるべきである。
【０１１３】
本出願は、２０１６年８月３０日に出願された日本国特許出願第２０１６−１６８２０５号の利益を主張するものであり、その開示の全体は参照により本出願に組み込まれる。
【符号の説明】
【０１１４】
７：情報処理部、８：領域分割部、９：音速決定部、１０：特性情報取得部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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