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JP2016013189A - Photoacoustic apparatus - Google Patents

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JP2016013189A
JP2016013189A JP2014135386A JP2014135386A JP2016013189A JP 2016013189 A JP2016013189 A JP 2016013189A JP 2014135386 A JP2014135386 A JP 2014135386A JP 2014135386 A JP2014135386 A JP 2014135386A JP 2016013189 A JP2016013189 A JP 2016013189A
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JP
Japan
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wave number
number component
photoacoustic
time
subject
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Pending
Application number
JP2014135386A
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Japanese (ja)
Inventor
隆一 七海
Ryuichi Nanami
隆一 七海
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoacoustic apparatus capable of reducing a time required from the completion of reception of a photoacoustic wave to the acquisition of a space distribution of subject information in a reconfiguration using a Fourier transformation method.SOLUTION: A photoacoustic apparatus includes: a light source for emitting light at first and second timings; a probe for receiving a photoacoustic wave generated by the irradiation of light to a subject at the first and second timings, and outputting first and second time series reception signals; and a processing part for starting conversion from the first time series reception signal to a first wavenumber component between the first timing and the second timing, converting the second time series reception signal to a second wavenumber component, synthesizing the first wavenumber component and the second wavenumber component to acquire a third wavenumber component, and acquiring a space distribution of subject information based on the third wavenumber component.

Description

本発明は、光音響効果を利用して被検体情報を取得する光音響装置に関する。   The present invention relates to a photoacoustic apparatus that acquires subject information using a photoacoustic effect.

従来から音響波を受信して生体などの被検体内部の情報を取得する技術として、これまで光音響イメージング装置や超音波エコーイメージング装置などの光音響装置が提案されてきた。   Conventionally, photoacoustic apparatuses such as a photoacoustic imaging apparatus and an ultrasonic echo imaging apparatus have been proposed as techniques for receiving acoustic waves and acquiring information inside a subject such as a living body.

例えば光音響イメージング装置は、特に皮膚がんや乳がんの診断での有用性が示されており、診断で従来使用されてきた超音波エコー診断装置、X線装置、MRI装置などに代わる医療機器としての期待が高まっている。   For example, the photoacoustic imaging apparatus has been shown to be particularly useful in the diagnosis of skin cancer and breast cancer, and as a medical device that replaces an ultrasonic echo diagnostic apparatus, an X-ray apparatus, an MRI apparatus, etc. that have been used in the diagnosis. Expectations are growing.

可視光や近赤外光等の計測光を生体組織に照射すると、生体内部の光吸収物質、例えば血液中のヘモグロビン等の物質が、計測光のエネルギーを吸収して瞬間的に膨張した結果、音響波が発生することが知られている。この現象を光音響効果といい、発生した音響波を光音響波とも呼ぶ。   When measuring light such as visible light or near-infrared light is irradiated to a living tissue, a light-absorbing substance inside the living body, for example, a substance such as hemoglobin in the blood absorbs the energy of the measuring light and instantaneously expands. It is known that acoustic waves are generated. This phenomenon is called a photoacoustic effect, and the generated acoustic wave is also called a photoacoustic wave.

光音響イメージング装置は、この光音響波を計測することで生体組織の情報を可視化する。このような光音響効果を利用した断層撮影の技術を光音響イメージング(Photoacoustic Imaging:PAI)とも呼ぶ。   The photoacoustic imaging apparatus visualizes information on a living tissue by measuring the photoacoustic wave. Such a tomographic technique using the photoacoustic effect is also referred to as photoacoustic imaging (PAI).

光音響イメージングでは、被検体内部の光吸収係数に関連した被検体情報を画像化することができる。光吸収係数とは生体組織が光エネルギーを吸収する率である。例えば、光音響波が発生した瞬間の音圧である初期音圧を画像化することができる。初期音圧は光エネルギーと光吸収係数の積に比例するので、適切な処理を施すことで光吸収係数を画像化することができる。さらに、光吸収係数は生体組織を構成する成分の濃度に依存するので、それらの濃度を取得することができる。特に、異なる波長の光のそれぞれにより取得された光吸収係数に基づいて、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの濃度比、すなわち酸素飽和度を取得することができる。生体内に腫瘍組織がある場合、当該箇所において酸素飽和度が低下することが知られているため、光吸収係数を測定することで、腫瘍の診断が可能になることが期待されている。   In photoacoustic imaging, object information related to the light absorption coefficient inside the object can be imaged. The light absorption coefficient is a rate at which living tissue absorbs light energy. For example, the initial sound pressure that is the sound pressure at the moment when the photoacoustic wave is generated can be imaged. Since the initial sound pressure is proportional to the product of the light energy and the light absorption coefficient, the light absorption coefficient can be imaged by performing appropriate processing. Furthermore, since the light absorption coefficient depends on the concentrations of the components constituting the living tissue, those concentrations can be acquired. In particular, the concentration ratio of oxyhemoglobin and reduced hemoglobin, that is, the oxygen saturation can be acquired based on the light absorption coefficient acquired by each of the light of different wavelengths. When a tumor tissue is present in a living body, it is known that the oxygen saturation is reduced at the location. Therefore, it is expected that a tumor can be diagnosed by measuring a light absorption coefficient.

非特許文献1と非特許文献2では、光音響波の受信信号から光吸収係数に関連した被検体情報の空間分布を取得する方法(再構成法)としてフーリエ変換法が開示されている。これらの文献では、光音響波の受信信号を被検体で発生した光音響波の波数成分に変換し、その波数成分を逆フーリエ変換することで被検体情報の空間分布を取得している。特に非特許文献1では平面上で光音響波を受信した場合のフーリエ変換法が開示されている。また、非特許文献2では球面上で光音響波を受信した場合のフーリエ変換法が開示されている。   Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose a Fourier transform method as a method (reconstruction method) for acquiring a spatial distribution of object information related to a light absorption coefficient from a received signal of a photoacoustic wave. In these documents, the received signal of the photoacoustic wave is converted into a wave number component of the photoacoustic wave generated by the subject, and the spatial distribution of the subject information is acquired by performing inverse Fourier transform on the wave number component. In particular, Non-Patent Document 1 discloses a Fourier transform method when a photoacoustic wave is received on a plane. Non-Patent Document 2 discloses a Fourier transform method when a photoacoustic wave is received on a spherical surface.

Journal of Biomedical Optics 15(2), 021314 (March/April 2010)Journal of Biomedical Optics 15 (2), 021314 (March / April 2010) Physics in Medicine and Biology 57(2012) N493−N499Physics in Medicine and Biology 57 (2012) N493-N499

しかしながら、これらの文献に記載されたようなフーリエ変換法においては、光音響波の全測定が完了してから被検体情報の空間分布を取得するまでに多くの時間を要する場合がある。   However, in the Fourier transform methods described in these documents, it may take a long time to acquire the spatial distribution of the subject information after all the photoacoustic wave measurements are completed.

そこで本発明は、フーリエ変換法を用いた再構成において、光音響波の受信が完了してから被検体情報の空間分布を取得するまでに要する時間を低減することのできる光音響装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a photoacoustic apparatus capable of reducing the time required to acquire the spatial distribution of subject information after the completion of reception of photoacoustic waves in reconstruction using a Fourier transform method. For the purpose.

本明細書に開示された光音響装置は、第一のタイミングおよび第一のタイミングよりも後の第二のタイミングに光を発する光源と、第一のタイミングで光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信して第一の時系列の受信信号を出力し、第二のタイミングで光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信して第二の時系列の受信信号を出力する探触子と、被検体情報の空間分布を取得する処理部と、を有し、処理部は、第一のタイミングと第二のタイミングとの間に、第一の時系列の受信信号から第一の波数成分への変換を開始し、第二の時系列の受信信号を第二の波数成分に変換し、第一の波数成分と第二の波数成分とを合成して第三の波数成分を取得し、第三の波数成分に基づいて被検体情報の空間分布を取得する。   The photoacoustic apparatus disclosed in this specification includes a light source that emits light at a first timing and a second timing that is later than the first timing, and the subject is irradiated with light at the first timing. The photoacoustic wave generated by the first time-series received signal is output, and the photoacoustic wave generated by irradiating the subject with light at the second timing is received at the second time. A probe that outputs a series of received signals, and a processing unit that acquires a spatial distribution of the subject information. The processing unit includes a first timing and a second timing between the first timing and the second timing. Starts conversion from time-series received signal to first wavenumber component, converts second time-series received signal to second wavenumber component, and combines first wavenumber component and second wavenumber component To obtain a third wavenumber component, and obtain a spatial distribution of the subject information based on the third wavenumber component. To.

本明細書に開示された別の光音響装置は、複数のタイミングで光を発する光源と、前記複数のタイミングで光が被検体に照射されることにより各タイミングで発生した光音響波を受信して前記複数のタイミングに対応する時系列の受信信号を出力する探触子と、被検体情報の空間分布を取得する処理部と、を有し、前記処理部は、前記複数のタイミングの光照射が完了する前に、時系列の受信信号に関する複数の次元の一部の次元に関する波数成分を取得し、前記複数のタイミングの光照射が完了した後に、前記複数の次元の残りの次元に関する波数成分を取得することにより、前記複数の次元に関する波数成分を取得し、前記複数の次元に関する波数成分に基づいて前記被検体情報の空間分布を取得する。   Another photoacoustic apparatus disclosed in this specification receives a light source that emits light at a plurality of timings, and a photoacoustic wave generated at each timing by irradiating the subject with the light at the plurality of timings. A probe that outputs a time-series received signal corresponding to the plurality of timings, and a processing unit that acquires a spatial distribution of subject information, and the processing unit irradiates light at the plurality of timings. Wave number components related to some dimensions of the plurality of dimensions related to the time-series received signal are acquired before completion of light irradiation, and after the light irradiation at the plurality of timings is completed, the wave number components related to the remaining dimensions of the plurality of dimensions are acquired. To obtain wave number components related to the plurality of dimensions, and obtain a spatial distribution of the subject information based on the wave number components related to the plurality of dimensions.

本明細書に開示された光音響装置によれば、フーリエ変換法を用いた再構成において、光音響波の全測定が完了してから被検体情報の空間分布を取得するまでに要する時間を低減することができる。   According to the photoacoustic apparatus disclosed in the present specification, in reconstruction using the Fourier transform method, the time required to acquire the spatial distribution of the subject information after completion of all photoacoustic wave measurements is reduced. can do.

比較例および第一の実施形態に係る測定シーケンスを示す図。The figure which shows the measurement sequence which concerns on a comparative example and 1st embodiment. 第一の実施形態に係る光音響装置の模式図。The schematic diagram of the photoacoustic apparatus which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る処理部の詳細およびその周辺の構成を示す図。The figure which shows the detail of the process part which concerns on 1st embodiment, and the structure of the periphery. 第一の実施形態に係る探触子の構成を示す図。The figure which shows the structure of the probe which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る探触子の移動を示す図。The figure which shows the movement of the probe which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る被検体情報取得方法のフローを示す図。The figure which shows the flow of the subject information acquisition method which concerns on 1st embodiment. 第二の実施形態に係る被検体情報取得方法のフローを示す図。The figure which shows the flow of the subject information acquisition method which concerns on 2nd embodiment. 第三の実施形態に係る光音響装置の模式図。The schematic diagram of the photoacoustic apparatus which concerns on 3rd embodiment. 第三の実施形態に係る探触子の構成を示す図。The figure which shows the structure of the probe which concerns on 3rd embodiment. 第三の実施形態に係る探触子の移動を示す図。The figure which shows the movement of the probe which concerns on 3rd embodiment.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の符号を付して説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component in principle, and description is abbreviate | omitted.

本実施形態に係る光音響装置は、光音響効果により発生した光音響波を検出することにより、被検体情報を取得することができる。   The photoacoustic apparatus according to the present embodiment can acquire subject information by detecting a photoacoustic wave generated by the photoacoustic effect.

本実施形態において被検体情報とは、光音響波の初期音圧、初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度、光吸収係数、被検体を構成する物質の濃度などである。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。   In this embodiment, the subject information includes the initial sound pressure of the photoacoustic wave, the light energy absorption density derived from the initial sound pressure, the light absorption coefficient, and the concentration of the substance constituting the subject. Here, the concentration of the substance includes oxygen saturation, oxyhemoglobin concentration, deoxyhemoglobin concentration, total hemoglobin concentration, and the like. The total hemoglobin concentration is the sum of the oxyhemoglobin concentration and the deoxyhemoglobin concentration.

また、本実施形態において被検体情報は、数値データとしてではなく、分布情報であってもよい。すなわち、光吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報を被検体情報としてもよい。   In the present embodiment, the subject information may be distribution information instead of numerical data. That is, distribution information such as a light absorption coefficient distribution and an oxygen saturation distribution may be used as the subject information.

ところで、複数のタイミングで光照射を行って得られた受信信号のデータを用いたフーリエ変換法においては、光音響波の全測定が完了してから被検体情報の空間分布の取得までに多くの時間を要する場合があることを本発明者は見出した。以下、この課題について図1を用いて説明する。   By the way, in the Fourier transform method using the received signal data obtained by performing light irradiation at a plurality of timings, there are many processes from the completion of all the photoacoustic wave measurements until the acquisition of the spatial distribution of the subject information. The inventor has found that this may take time. Hereinafter, this problem will be described with reference to FIG.

図1は光音響波の測定と再構成処理のフローを時系列に並べたものである。Mnはn回目の測定を表している。Knは、n回目の測定で得られた時系列の受信信号から波数成分への変換処理を表している。また、IFは、波数成分から被検体情報の空間分布を求めるための逆フーリエ変換処理を表している。すなわち、図1は、時系列の受信信号から波数成分を求めるためのフーリエ変換に要する時間および波形成分から空間分布を求めるための逆フーリエ変換に要する時間を示している。   FIG. 1 shows a flow of photoacoustic wave measurement and reconstruction processing arranged in time series. Mn represents the nth measurement. Kn represents a conversion process from a time-series received signal obtained in the n-th measurement to a wave number component. IF represents inverse Fourier transform processing for obtaining the spatial distribution of the subject information from the wave number component. That is, FIG. 1 shows the time required for the Fourier transform for obtaining the wave number component from the time-series received signal and the time required for the inverse Fourier transform for obtaining the spatial distribution from the waveform component.

本明細書において測定とは、光を照射し、光照射により発生した光音響波を受信することを指す。また、測定位置とは光が照射されたときの探触子の位置のことを指す。   In this specification, measurement refers to receiving light and receiving a photoacoustic wave generated by the light irradiation. Further, the measurement position refers to the position of the probe when light is irradiated.

(比較例1)
図1(a)は比較例1における1回目からn回目までの測定シーケンスおよび各処理のシーケンスを示している。比較例1では、光照射毎に時系列の受信信号から波数成分への変換処理および波数成分から被検体情報の空間分布への変換処理を行う場合を考える。
(Comparative Example 1)
FIG. 1A shows the measurement sequence from the first time to the n-th time and the sequence of each process in the first comparative example. In the first comparative example, a case where a conversion process from a time-series received signal to a wave number component and a conversion process from a wave number component to a spatial distribution of subject information is performed for each light irradiation is considered.

図1(a)から理解されるように、比較例1では時系列の受信信号から波数成分への変換に要する時間と波数成分から被検体情報の空間分布の取得の処理に要する時間とを光照射数倍した時間だけ被検体情報の空間分布を取得するのに要する。そのため、時系列の受信信号から被検体情報の空間分布を取得するまでの計算コストが大きくなる。また、図1(a)に示すように測定間で1照射分の処理が完了しない場合、光音響波の受信完了から被検体情報の空間分布を取得するのに多くの時間を要してしまう。特に3次元の多くのボリュームデータを再構成する場合、波数成分から被検体情報の空間分布を取得する処理に多くの時間を要してしまう。   As can be understood from FIG. 1A, in the first comparative example, the time required for converting the time-series received signal into the wave number component and the time required for acquiring the spatial distribution of the subject information from the wave number component are calculated as light. It is necessary to acquire the spatial distribution of the subject information for the time multiplied by the number of irradiations. Therefore, the calculation cost for acquiring the spatial distribution of the subject information from the time-series received signal increases. In addition, as shown in FIG. 1A, when the process for one irradiation is not completed between measurements, it takes a lot of time to acquire the spatial distribution of the subject information from the completion of the reception of the photoacoustic wave. . In particular, when reconstructing a large amount of three-dimensional volume data, it takes a lot of time to acquire the spatial distribution of the subject information from the wave number component.

(比較例2)
図1(b)は比較例2における1回目からn回目までの測定シーケンスおよび各処理のシーケンスを示している。比較例2では、全測定位置での光音響波の受信が完了した後に、時系列の受信信号から波数成分への変換処理および波数成分から被検体情報の空間分布への変換処理を行う場合を考える。図1(b)から理解されるように、比較例2では、全測定位置での光音響波の受信が完了した後にn回の光照射分の時系列の受信信号から波数成分への変換処理を行う必要があるため、光音響波の受信完了から被検体情報の取得までに多くの時間を要する。
(Comparative Example 2)
FIG. 1B shows the measurement sequence from the first time to the n-th time in Comparative Example 2 and the sequence of each process. In the second comparative example, after the reception of the photoacoustic waves at all measurement positions is completed, the conversion process from the time-series received signal to the wave number component and the conversion process from the wave number component to the spatial distribution of the subject information are performed. Think. As can be understood from FIG. 1B, in the comparative example 2, after the reception of the photoacoustic wave at all the measurement positions is completed, the conversion process from the time-series received signal for the n times of light irradiation to the wave number component is performed. Therefore, it takes a lot of time from the completion of reception of photoacoustic waves to acquisition of object information.

比較例1および比較例2のいずれの場合においても、全測定位置での光音響波の受信完了から被検体情報の空間分布を取得するまでに多くの時間を要する場合がある。そのため、被検体情報の空間分布を診断画像に用いる場合、測定の完了から診断画像を提示するまでに冗長な時間を要してしまい、診断上で不都合が生じ得る。   In both cases of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it may take a long time from the completion of reception of photoacoustic waves at all measurement positions until the spatial distribution of subject information is acquired. Therefore, when the spatial distribution of the subject information is used for the diagnostic image, it takes a redundant time from the completion of the measurement to the presentation of the diagnostic image, which may cause inconvenience in diagnosis.

なお、比較例1および比較例2において、時系列の受信信号から波数成分への変換または波数成分から被検体情報の空間分布の取得をパイプライン処理により並行処理することが可能である。ただし、この場合、並行処理を行うために処理部の装置規模が大きくなってしまう。   In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it is possible to perform parallel processing using pipeline processing to convert a time-series received signal into a wave number component or to acquire a spatial distribution of subject information from the wave number component. However, in this case, since the parallel processing is performed, the apparatus scale of the processing unit becomes large.

(第一の実施形態)
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、処理部の装置規模を抑えつつ、光音響波の測定完了から被検体情報の空間分布を取得するまでに要する時間を低減することのできる光音響装置を着想した。以下、本実施形態に係る光音響装置について図1(c)を用いて説明する。図1(c)は本実施形態における1回目からn回目までの測定シーケンスおよび各処理のシーケンスを示している。
(First embodiment)
As a result of earnestly examining the above problems, the present inventor has been able to reduce the time required from acquisition of the photoacoustic wave to acquisition of the spatial distribution of the subject information while suppressing the apparatus scale of the processing unit. Inspired by the device. Hereinafter, the photoacoustic apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1C shows a measurement sequence from the first time to the n-th time and a sequence of each process in the present embodiment.

波数成分から被検体情報の空間分布に変換するときのボリュームデータの数が同じであれば、逆フーリエ変換に要する時間はほぼ変わらない。すなわち、異なる波数成分から同じ領域の空間分布を得る場合でも、逆フーリエ変換に要する時間はほぼ変わらない。一方、時系列の受信信号から波数成分に変換する処理に要する時間は、時系列の受信信号のデータ量が増えるにつれて多くなる。   If the number of volume data when converting the wave number component to the spatial distribution of the subject information is the same, the time required for the inverse Fourier transform is almost the same. That is, even when the spatial distribution of the same region is obtained from different wave number components, the time required for the inverse Fourier transform does not change substantially. On the other hand, the time required for the process of converting the time series received signal into the wave number component increases as the data amount of the time series received signal increases.

そこで本発明者は、上記知見に基づいて、全測定位置で光音響波が受信される前に、それまでに受信された光音響波の受信信号のデータから第一の波数成分への変換を開始することを着想した。例えば、図1(c)においては、n回目の光音響波の受信が完了する前に、1回目の測定で得られた時系列の受信信号が波数成分に変換されている(K1)。   Therefore, based on the above knowledge, the present inventor converts the received signal data of the photoacoustic wave from the received signal data to the first wave number component before receiving the photoacoustic wave at all measurement positions. Inspired to start. For example, in FIG. 1C, the time-series received signal obtained by the first measurement is converted into a wave number component (K1) before the reception of the nth photoacoustic wave is completed.

また、本発明者は、残りの測定位置で得られた受信信号のデータを第二の波数成分に変換することを着想した。図1(c)においては、その他の測定で得られた時系列の受信信号についても同様に、n回目の光音響波の受信が完了する前に波数成分に変換されている(K1〜Kn−1)。   Further, the present inventor has conceived of converting received signal data obtained at the remaining measurement positions into a second wave number component. In FIG. 1C, the time-series received signals obtained by other measurements are similarly converted into wave number components before the completion of the n-th photoacoustic wave reception (K1 to Kn−). 1).

また、本発明者は、第一の波数成分と第二の波数成分とを合成し、合成後の第三の波数成分を被検体情報の空間分布に変換することを着想した。図1(c)においては、n回目の光音響波の受信が完了した後に、n回目の測定で得られた時系列の受信信号を波数成分に変換している(Kn)。続いて、1〜n回目の測定で得られた波数成分を合成した後に、合成された波数成分を被検体情報の空間分布に変換する処理を行っている(IF)。   The inventor has also conceived of synthesizing the first wave number component and the second wave number component and converting the synthesized third wave number component into a spatial distribution of the subject information. In FIG. 1C, after the reception of the nth photoacoustic wave is completed, the time-series received signal obtained by the nth measurement is converted into a wave number component (Kn). Subsequently, after the wave number components obtained by the 1st to n-th measurements are synthesized, a process of converting the synthesized wave number components into a spatial distribution of the subject information is performed (IF).

すなわち、n回目の測定後は、1回の測定分の時系列の受信信号から波数成分への変換処理(Kn)と、波数成分から被検体情報の空間分布への変換処理(IF)を行うだけである。全測定位置の光音響波の受信完了の後に、この2つの処理を行うだけで被検体情報を取得することができる。   That is, after the n-th measurement, a conversion process (Kn) from a time-series received signal for one measurement to a wave number component and a conversion process (IF) from the wave number component to a spatial distribution of subject information are performed. Only. After the reception of the photoacoustic waves at all measurement positions is completed, the subject information can be acquired simply by performing these two processes.

図1からも、本実施形態によれば比較例と比べて、全測定位置での光音響波の受信完了から被検体情報の空間分布を取得するのに要する時間は低減されていることが理解される。   1 that the time required to acquire the spatial distribution of the subject information from the completion of reception of photoacoustic waves at all measurement positions is reduced according to the present embodiment as compared with the comparative example. Is done.

なお、図1(c)に示す本実施形態では、光照射毎に得られた時系列の受信信号を波数成分に変換している。   In the present embodiment shown in FIG. 1C, a time-series received signal obtained for each light irradiation is converted into a wave number component.

<光音響装置の構成>
図2は、本発明の実施形態に係る光音響装置の模式図である。以下、装置の各構成要素について説明する。なお、本実施形態に係る光音響装置は、光音響効果を利用した光音響イメージング装置である。
<Configuration of photoacoustic apparatus>
FIG. 2 is a schematic diagram of a photoacoustic apparatus according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, each component of the apparatus will be described. Note that the photoacoustic apparatus according to the present embodiment is a photoacoustic imaging apparatus using a photoacoustic effect.

本実施形態の光音響装置は、被検体100の被検体情報を取得するために、光源110、光学系120、探触子130、移動部140、処理部150、表示部160を有する。   The photoacoustic apparatus according to the present embodiment includes a light source 110, an optical system 120, a probe 130, a moving unit 140, a processing unit 150, and a display unit 160 in order to acquire subject information of the subject 100.

また、図3は、処理部150の詳細、および、処理部150の周辺の構成を示す模式図である。図3に示すように、処理部150は、制御部151、汎用記憶部152、波数成分算出部153、波数成分記憶部154、逆フーリエ変換部155を備えている。なお、本発明の構成及び効果を分かり易くするために波数成分記憶部154と汎用記憶部152とを独立させているが、波数成分記憶部154を汎用記憶部152の一部としても良い。   FIG. 3 is a schematic diagram showing details of the processing unit 150 and a configuration around the processing unit 150. As illustrated in FIG. 3, the processing unit 150 includes a control unit 151, a general-purpose storage unit 152, a wave number component calculation unit 153, a wave number component storage unit 154, and an inverse Fourier transform unit 155. Note that the wave number component storage unit 154 and the general-purpose storage unit 152 are made independent in order to facilitate understanding of the configuration and effects of the present invention, but the wave number component storage unit 154 may be part of the general-purpose storage unit 152.

制御部151は、バス200を介して光音響装置を構成する各構成の動作を制御している。また、制御部151は、汎用記憶部152に保存された後述する被検体情報取得方法が記述されたプログラムを読み出し、光音響装置に被検体情報取得方法を実行させている。   The control unit 151 controls the operation of each component constituting the photoacoustic apparatus via the bus 200. In addition, the control unit 151 reads a program in which a later-described subject information acquisition method stored in the general-purpose storage unit 152 is described, and causes the photoacoustic apparatus to execute the subject information acquisition method.

汎用記憶部152は被検体情報取得方法が記述されたプログラムを格納する以外に、装置全体の撮像動作を行う際に各部からの入出力データを一時格納し、各部間のデータ交換を可能にする。但し、各部が汎用記憶部152と独立して各処理を行うためのデータ格納手段を有してもよい。   In addition to storing a program in which the object information acquisition method is described, the general-purpose storage unit 152 temporarily stores input / output data from each unit when performing an imaging operation of the entire apparatus, and enables data exchange between the units. . However, each unit may have a data storage unit for performing each process independently of the general-purpose storage unit 152.

まず、光源110から発生した光が、光学系120を介してパルス光121として被検体100に照射される。そして、光音響効果により被検体100内で光音響波が発生する。続いて、伝搬した光音響波を探触子130で受信して時系列の電気信号を取得し、汎用記憶部152に格納し受信信号データとする。   First, light generated from the light source 110 is irradiated to the subject 100 as pulsed light 121 through the optical system 120. Then, a photoacoustic wave is generated in the subject 100 due to the photoacoustic effect. Subsequently, the propagated photoacoustic wave is received by the probe 130 to acquire a time-series electrical signal, which is stored in the general-purpose storage unit 152 and used as reception signal data.

また、以上の工程を移動部140により探触子130の位置を変えて行い、複数の測定位置で受信信号データを生成する。ここで測定位置とは、パルス光121が被検体100に照射されたときに探触子130が位置する位置のことを指す。また、複数のタイミングでパルス光121が被検体100に照射されたときに各タイミングで探触子130が位置する位置を総称して「複数の測定位置」とする。   Further, the above process is performed by changing the position of the probe 130 by the moving unit 140, and reception signal data is generated at a plurality of measurement positions. Here, the measurement position refers to a position where the probe 130 is positioned when the subject 100 is irradiated with the pulsed light 121. Further, the positions where the probe 130 is positioned at each timing when the subject 100 is irradiated with the pulsed light 121 at a plurality of timings are collectively referred to as “a plurality of measurement positions”.

また、処理部150は、探触子130から出力された時系列の受信信号に基づいて、フーリエ変換法により被検体100内の被検体情報の空間分布を取得する。すなわち、処理部150は、時系列の受信信号を空間波数及び角周波数に関する波数成分に変換する。続いて、処理部150は、変換された波数成分に対して被検体情報の空間分布としての初期音圧分布に変換する。なお、処理部150は、変換された初期音圧分布に対して被検体100内の光量分布補正などを行って、被検体100内の光吸収係数分布や物質濃度分布などの被検体情報の空間分布を取得することができる。   Further, the processing unit 150 acquires the spatial distribution of the subject information in the subject 100 by the Fourier transform method based on the time-series received signal output from the probe 130. That is, the processing unit 150 converts the time-series received signal into a wave number component related to the spatial wave number and the angular frequency. Subsequently, the processing unit 150 converts the converted wave number component into an initial sound pressure distribution as a spatial distribution of the subject information. Note that the processing unit 150 performs light amount distribution correction in the subject 100 on the converted initial sound pressure distribution and the like, and a space for subject information such as a light absorption coefficient distribution and a substance concentration distribution in the subject 100. Distribution can be obtained.

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。   Hereafter, the detail of each structure of the photoacoustic apparatus which concerns on this embodiment is demonstrated.

(被検体100)
これらは本発明の光音響装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。本発明の光音響装置は、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主な目的とする。よって、被検体としては生体、具体的には人体や動物の乳房や頸部、腹部などの診断の対象部位が想定される。
(Subject 100)
These do not constitute a part of the photoacoustic apparatus of the present invention, but will be described below. The main purpose of the photoacoustic apparatus of the present invention is to diagnose a human or animal malignant tumor or vascular disease, or to observe the course of chemotherapy. Therefore, the subject is assumed to be a living body, specifically, a target site for diagnosis such as the breast, neck and abdomen of a human body or animal.

また、被検体内部にある光吸収体としては、被検体内部で相対的に光吸収係数が高いものとする。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あるいは新生血管を多く含む悪性腫瘍が光吸収体の対象となる。その他、頸動脈壁のプラークなどもその対象となる。   The light absorber inside the subject is assumed to have a relatively high light absorption coefficient inside the subject. For example, if the human body is an object to be measured, oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, a blood vessel containing many of them, or a malignant tumor containing many new blood vessels becomes a light absorber. In addition, plaques on the carotid artery wall are also targeted.

(光源110)
光源110としては、数ナノから数マイクロ秒オーダーのパルス光を発生可能なパルス光源が好ましい。具体的には、効率的に光音響波を発生させるため、光源110は10ナノ秒程度のパルス幅の光を発生可能であることが好ましい。光源110が発することのできる光の波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長を使うことが望ましい。具体的には、被検体が生体の場合、好適な波長は、500nm以上、1200nm以下である。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば400nmから1600nmの波長領域を使用することも可能である。
(Light source 110)
The light source 110 is preferably a pulse light source capable of generating pulsed light on the order of several nanoseconds to several microseconds. Specifically, in order to efficiently generate a photoacoustic wave, the light source 110 is preferably capable of generating light having a pulse width of about 10 nanoseconds. As the wavelength of light that can be emitted from the light source 110, it is desirable to use a wavelength at which the light propagates to the inside of the subject. Specifically, when the subject is a living body, a suitable wavelength is 500 nm or more and 1200 nm or less. However, when obtaining the optical characteristic value distribution of the living tissue relatively near the surface of the living body, it is also possible to use a wavelength region having a wider range than the above wavelength region, for example, a wavelength region of 400 nm to 1600 nm.

また、光源としてはレーザや発光ダイオードを用いることができる。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用することができる。例えば、本実施形態に使用されるレーザとしては、アレキサンドライトレーザ、Yttrium−Aluminium−Garnetレーザ、Titan−Sapphireレーザなどがある。   Further, a laser or a light emitting diode can be used as the light source. As the laser, various lasers such as a solid laser, a gas laser, a dye laser, and a semiconductor laser can be used. For example, the laser used in the present embodiment includes an alexandrite laser, a Yttrium-Aluminium-Garnet laser, a Titan-Sapphire laser, and the like.

なお、光源110は、光音響装置とは別に提供されてもよい。また、光源110は、単一の光源から構成されてもよいし、複数の光源から構成されてもよい。   The light source 110 may be provided separately from the photoacoustic apparatus. Moreover, the light source 110 may be comprised from a single light source, and may be comprised from several light source.

(光学系120)
光源110から出射された光は、典型的にはレンズやミラーなどの光学部品を含む光学系120により、所望の光分布形状に成型されて被検体100に導かれる。その他、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。光学部品は、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、光を分散・屈折・反射するプリズム、光を伝搬させる光ファイバ、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110から発せられた光を被検体に所望の形状で照射することができるのであれば、どのようなものを用いてもかまわない。
(Optical system 120)
The light emitted from the light source 110 is typically molded into a desired light distribution shape and guided to the subject 100 by the optical system 120 including optical components such as lenses and mirrors. In addition, it is also possible to propagate using an optical waveguide such as an optical fiber. Optical components include, for example, mirrors that reflect light, lenses that condense and enlarge light, and change shapes, prisms that disperse, refract, and reflect light, optical fibers that propagate light, and diffuse that diffuse light Such as a board. Any optical component may be used as long as it can irradiate the subject with light emitted from the light source 110 in a desired shape.

なお、光源110が発する光そのものを所望の光として被検体に照射することができる場合、光学系120を用いる必要はない。   Note that the optical system 120 does not need to be used when the light emitted from the light source 110 can be irradiated onto the subject as desired light.

(探触子130)
探触子130は、音響波を検出可能な素子であるトランスデューサ131と、トランスデューサを支持する支持体132とを備えている。本実施形態における支持体132は半球形状である。測定においては、図2にあるように被検体100を探触子130の内部に収めて光音響波を受信する。
(Probe 130)
The probe 130 includes a transducer 131 that is an element capable of detecting an acoustic wave, and a support body 132 that supports the transducer. The support body 132 in this embodiment is hemispherical. In the measurement, as shown in FIG. 2, the subject 100 is placed inside the probe 130 to receive a photoacoustic wave.

トランスデューサ131は、光音響波を受信して電気信号に変換するものである。トランスデューサ131は、圧電現象、光の共振、静電容量の変化等を用いたものなど、光音響波を受信できるものであれば、どのようなものであってもよい。   The transducer 131 receives a photoacoustic wave and converts it into an electrical signal. The transducer 131 may be anything as long as it can receive photoacoustic waves, such as one using a piezoelectric phenomenon, light resonance, change in capacitance, or the like.

光音響波を構成する周波数成分は、典型的には100KHzから100MHzであるので、トランスデューサ131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好ましい。   Since the frequency component constituting the photoacoustic wave is typically 100 KHz to 100 MHz, it is preferable to employ a transducer 131 that can detect these frequencies.

支持体132は、機械的強度が高い金属材料などを用いて構成することが好ましい。   The support 132 is preferably configured using a metal material having high mechanical strength.

探触子130は複数のトランスデューサ131を備えていることが好ましい。これにより一度の光の照射で生じる光音響波を複数の位置で取得することができるため、画像化に用いる情報量が増加し画質を改善することができる。図4は、図2のz軸方向から探触子130を見た図であり、複数のトランスデューサ131の配置例を示す。図4の(a)に示すように螺旋状にトランスデューサを配置してもよいし、図4の(b)に示すように同心円上にトランスデューサを配置してもよい。画像の画質を空間的に均一に保つためには、球面上に均等にトランスデューサが配置されていることが好ましい。このような配置は螺旋状になることが知られており、図4の(a)のように配置することが好ましい。   The probe 130 preferably includes a plurality of transducers 131. As a result, photoacoustic waves generated by a single light irradiation can be acquired at a plurality of positions, so that the amount of information used for imaging increases and the image quality can be improved. FIG. 4 is a view of the probe 130 as viewed from the z-axis direction of FIG. 2, and shows an arrangement example of a plurality of transducers 131. The transducers may be arranged in a spiral shape as shown in FIG. 4A, or the transducers may be arranged on concentric circles as shown in FIG. 4B. In order to keep the image quality spatially uniform, it is preferable that the transducers are arranged uniformly on the spherical surface. Such an arrangement is known to be spiral, and is preferably arranged as shown in FIG.

一般に、トランスデューサはその受信面(表面)の法線方向に最も高い受信感度を有する。複数のトランスデューサ131の最も受信感度の高い方向に沿った軸(以下、指向軸と呼ぶ)を半球面形状の曲率中心点付近へ集めることで、曲率中心点付近に高精度に可視化可能な領域(高感度領域)が形成される。   Generally, a transducer has the highest receiving sensitivity in the normal direction of its receiving surface (surface). An area (hereinafter, referred to as a directivity axis) of the plurality of transducers 131 along the direction with the highest reception sensitivity is collected near the center of curvature of the hemispherical shape so that it can be visualized in the vicinity of the center of curvature with high accuracy ( High sensitivity region) is formed.

なお、図4はトランスデューサ配置の一例であり、配置の仕方はこの限りではない。所定の領域に指向軸が集まり、所定の高感度領域を形成できるトランスデューサの配置であればよい。すなわち、所定の高感度領域が形成されるように、所定の領域にするよう曲面形状に沿って複数のトランスデューサ131が配置されればよい。さらに、本明細書において曲面とは、真球形状や半球面等の開口がある球面を含む。また、球面と見なせる程度の表面上の凹凸がある面や、球面と見なせる程度の楕円体(楕円を三次元へ拡張した形であり、表面が二次曲面からなる形)上の面も含む。   FIG. 4 is an example of transducer arrangement, and the arrangement is not limited to this. Any transducer arrangement may be used as long as the directional axes are gathered in a predetermined region and a predetermined high-sensitivity region can be formed. That is, a plurality of transducers 131 may be arranged along a curved surface shape so as to form a predetermined high-sensitivity region. Further, in this specification, the curved surface includes a spherical surface having an opening such as a true spherical shape or a hemispherical surface. Further, it includes a surface with irregularities on the surface that can be regarded as a spherical surface, and a surface on an ellipsoid that can be regarded as a spherical surface (a shape in which the ellipse is expanded to three dimensions, and the surface is a quadric surface).

また、球を任意の断面で切った形状の支持体132に沿って複数のトランスデューサ131を配置する場合、その支持体の形状の曲率中心に指向軸が最も集まる。本実施形態で説明する半球形状の支持体132も、球を任意の断面で切った形状の支持体の一例である。本明細書において、このように球を任意の断面で切った形状のことを球に基づく形状と呼ぶ。また、このように球に基づく形状の支持体に支持される複数のトランスデューサは、球面上に支持されることとなる。   Further, when the plurality of transducers 131 are arranged along the support 132 having a shape obtained by cutting the sphere in an arbitrary cross section, the directional axis is most concentrated at the center of curvature of the shape of the support. The hemispherical support 132 described in the present embodiment is also an example of a support having a shape obtained by cutting a sphere in an arbitrary cross section. In this specification, a shape obtained by cutting a sphere in an arbitrary cross section is called a shape based on a sphere. In addition, the plurality of transducers supported by the support body having a shape based on the sphere is supported on the spherical surface.

なお、支持体132は、後述する第三の実施形態でも説明するように、複数のトランスデューサ131を平面上に支持してもよい。   Note that the support 132 may support a plurality of transducers 131 on a plane, as will be described in a third embodiment described later.

探触子130と被検体100の間の空間は、光音響波を伝播させることができる媒質で満たす。この媒質は、光音響波が伝播できると同時に、被検体100やトランスデューサ131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ことが好ましい。また、探触子130と被検体100の間の空間に、被検体100を保持する保持部材を設けても良い。保持部材の材料は、被検体100や前述の媒質と音響整合性が高いものが好ましい。   The space between the probe 130 and the subject 100 is filled with a medium capable of propagating photoacoustic waves. It is preferable that this medium can transmit the photoacoustic wave, and at the same time, the acoustic characteristics are matched at the interface with the subject 100 and the transducer 131, and the transmittance of the photoacoustic wave is as high as possible. Further, a holding member that holds the subject 100 may be provided in a space between the probe 130 and the subject 100. The material of the holding member is preferably a material having high acoustic matching with the subject 100 and the above-described medium.

(移動部140)
移動部140は、探触子130と光学系120とを被検体100に対して相対的に移動する。移動部140は、モータなどの駆動部とその駆動力を伝達する機械部品から構成される。移動部140は、制御部151からの制御信号に従って、被検体100に対して探触子130を移動させることにより光の照射位置と光音響波の受信位置を移動させる。光の照射位置と光音響波の受信位置を被検体100に対して移動させながら受信信号データの取得を繰返すことで、目的とする広範囲の被検体情報を得るための受信信号データを取得することができる。すなわち、より多くの角度方向で光音響波を受信することができるため、被検体情報を取得する上での情報量が増加し被検体情報の精度を改善することができる。特に、被検体情報を画像化する際、解像度、コントラスト等を改善することができる。
(Moving unit 140)
The moving unit 140 moves the probe 130 and the optical system 120 relative to the subject 100. The moving unit 140 includes a driving unit such as a motor and mechanical parts that transmit the driving force. The moving unit 140 moves the light irradiation position and the photoacoustic wave receiving position by moving the probe 130 relative to the subject 100 in accordance with a control signal from the control unit 151. Obtaining received signal data for obtaining a wide range of target object information by repeatedly obtaining received signal data while moving the light irradiation position and the photoacoustic wave receiving position with respect to the subject 100 Can do. That is, since photoacoustic waves can be received in more angular directions, the amount of information for acquiring subject information increases, and the accuracy of subject information can be improved. In particular, when imaging subject information, resolution, contrast, and the like can be improved.

また移動部140は、光学系120による1回の光の照射制御に同期して、光照射時、すなわち光音響波の受信時の探触子130の位置情報を処理部150へ出力することができる。   In addition, the moving unit 140 can output position information of the probe 130 to the processing unit 150 at the time of light irradiation, that is, at the time of receiving a photoacoustic wave, in synchronization with one-time light irradiation control by the optical system 120. it can.

図5は、図2のz軸方向から被検体100と探触子130を見た図であり、探触子130の移動の一例を示す。探触子130の移動の例としては、図5の(a)に示すような螺旋軌道410に沿う移動、図5の(b)に示すような円軌道420に沿う移動、図5の(c)に示すような直線軌道に沿う移動が挙げられる。なお、図5は移動の一例でありこの限りではない。また、xy平面内の移動だけでなく、z軸方向の移動を行うことで注目領域の範囲を拡げてもよい。   FIG. 5 is a view of the subject 100 and the probe 130 viewed from the z-axis direction of FIG. 2, and shows an example of movement of the probe 130. Examples of the movement of the probe 130 include movement along a spiral trajectory 410 as shown in FIG. 5A, movement along a circular trajectory 420 as shown in FIG. 5B, and FIG. The movement along a straight track as shown in FIG. FIG. 5 is an example of movement and is not limited to this. In addition to the movement in the xy plane, the range of the attention area may be expanded by moving in the z-axis direction.

(処理部150)
処理部150は、図3に示すように制御部151、汎用記憶部152、波数成分算出部153、波数成分記憶部154、逆フーリエ変換部155を備えている。
(Processing unit 150)
As illustrated in FIG. 3, the processing unit 150 includes a control unit 151, a general-purpose storage unit 152, a wave number component calculation unit 153, a wave number component storage unit 154, and an inverse Fourier transform unit 155.

制御部151は、典型的にはCPUなどの素子から構成される。   The control unit 151 is typically composed of an element such as a CPU.

汎用記憶部152、波数成分記憶部154は、典型的にはROM、RAM、およびハードディスクなどの記憶媒体から構成される。なお、汎用記憶部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。   The general-purpose storage unit 152 and the wave number component storage unit 154 are typically configured from a storage medium such as a ROM, a RAM, and a hard disk. Note that the general-purpose storage unit 152 is not limited to a single storage medium, and may be configured from a plurality of storage media.

波数成分算出部153、波数成分記憶部154、逆フーリエ変換部155を含む演算部156は、典型的にはCPU、GPU、A/D変換器などの素子や、FPGA、ASICなどの回路から構成される。1つの素子や回路から構成されるだけではなく、複数の素子や回路から構成されていてもよい。また、被検体情報取得方法で行われる各処理をいずれの素子や回路が実行してもよい。各処理を実行する装置を総称して本実施形態に係る演算部とする。   The calculation unit 156 including the wave number component calculation unit 153, the wave number component storage unit 154, and the inverse Fourier transform unit 155 is typically configured by elements such as a CPU, GPU, A / D converter, and circuits such as an FPGA and an ASIC. Is done. In addition to a single element or circuit, it may be composed of a plurality of elements or circuits. In addition, any element or circuit may execute each process performed in the subject information acquisition method. Devices that execute each process are collectively referred to as a calculation unit according to the present embodiment.

また、処理部150は、同時に複数の信号をパイプライン処理できるように構成されていることが好ましい。これにより、被検体情報を取得するまでの時間を短縮することができる。   Further, the processing unit 150 is preferably configured to be able to pipeline process a plurality of signals at the same time. As a result, it is possible to shorten the time until the object information is acquired.

なお、被検体情報取得方法で行われるそれぞれの処理を、演算部156に実行させるプログラムとして汎用記憶部152に保存しておくことができる。ただし、プログラムが保存される汎用記憶部152は、非一時的な記録媒体である。   Each process performed by the subject information acquisition method can be stored in the general-purpose storage unit 152 as a program to be executed by the calculation unit 156. However, the general-purpose storage unit 152 in which the program is stored is a non-temporary recording medium.

また、処理部150および複数のトランスデューサ131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、筺体に収められた処理部で一部の処理を行い、残りの処理を筺体の外部に設けられた処理部で行ってもよい。この場合、筺体の内部および外部に設けられた処理部を総称して、本実施形態に係る処理部とすることができる。   The processing unit 150 and the plurality of transducers 131 may be provided in a configuration housed in a common housing. However, a part of the processing may be performed by the processing unit housed in the housing, and the remaining processing may be performed by the processing unit provided outside the housing. In this case, the processing units provided inside and outside the housing can be collectively referred to as the processing unit according to the present embodiment.

(表示部160)
表示手段である表示部160は、処理部150から出力される被検体情報を表示する装置である。表示部160は、典型的には液晶ディスプレイなどが利用されるがプラズマディスプレイや有機ELディスプレイ、FEDなど他の方式のディスプレイでもよい。
(Display unit 160)
The display unit 160 serving as a display unit is a device that displays subject information output from the processing unit 150. The display unit 160 is typically a liquid crystal display or the like, but may be another type of display such as a plasma display, an organic EL display, or an FED.

<被検体情報取得方法>
次に、本実施形態に係る被検体情報取得方法の各工程を、図6のフロー図を参照して説明する。なお、各工程は、制御部151が光音響装置の各構成の作動を制御することにより実行される。
<Subject information acquisition method>
Next, each step of the subject information acquisition method according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. In addition, each process is performed when the control part 151 controls the action | operation of each structure of a photoacoustic apparatus.

(S100:被検体に光を照射する工程)
光源110で発生させた光は、光学系120を介してパルス光121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121が吸収され、光音響効果により光音響波が生じる。
(S100: Step of irradiating the subject with light)
The light generated by the light source 110 is applied to the subject 100 as pulsed light 121 through the optical system 120. Then, the pulsed light 121 is absorbed inside the subject 100, and a photoacoustic wave is generated by the photoacoustic effect.

(S200:光音響波を受信する工程)
本工程では、探触子130が光音響波を検出して、各トランスデューサ131が時系列の受信信号p(r,t)を出力する。rは画像化に用いるj番目のトランスデューサ131の位置ベクトル、tは時間である。本実施形態では光が発光したタイミングをt=0としている。
(S200: Step of receiving photoacoustic wave)
In this step, the probe 130 detects a photoacoustic wave, and each transducer 131 outputs a time-series received signal p (r j , t). r j is a position vector of the j-th transducer 131 used for imaging, and t is time. In this embodiment, the light emission timing is set to t = 0.

(S300:受信信号を保存する工程)
本工程では、各トランスデューサ131から出力された時系列の受信信号p(r,t)が汎用記憶部152に格納される。
(S300: Step of storing the received signal)
In this step, the time-series received signal p (r j , t) output from each transducer 131 is stored in the general-purpose storage unit 152.

(S400:測定位置を移動させる工程)
本工程では、探触子130と光学系120を次の測定位置に移動させる。次の測定位置においてS100からS300の工程を行い、各測定位置で時系列の受信信号を得る。全ての位置で測定が終了したら移動を終了する。
(S400: Step of moving the measurement position)
In this step, the probe 130 and the optical system 120 are moved to the next measurement position. Steps S100 to S300 are performed at the next measurement position, and a time-series received signal is obtained at each measurement position. When the measurement is finished at all positions, the movement is finished.

本実施形態では、各測定位置でS100〜S300に加えて、後述するS500についても実行する。   In this embodiment, in addition to S100 to S300, S500 described later is also executed at each measurement position.

(S500:波数成分を取得する工程)
本工程では、S300で得た時系列の受信信号を用いて注目領域の被検体情報である初期音圧分布を再構成するための波数成分を算出する。以下、波数成分算出の詳細を述べる。
(S500: Step of acquiring wave number component)
In this step, the wave number component for reconstructing the initial sound pressure distribution, which is the subject information of the region of interest, is calculated using the time-series received signal obtained in S300. The details of the wave number component calculation will be described below.

非特許文献2によれば、球面状のトランスデューサで検出した受信信号p(r,t)から注目領域の被検体情報である初期音圧分布の波数成分p^(k)を求める式は、式(1)で表される。 According to Non-Patent Document 2, the equation for obtaining the wave number component p ^ (k) of the initial sound pressure distribution, which is subject information of the region of interest, from the received signal p (r S , t) detected by the spherical transducer is: It is represented by Formula (1).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

k[rad/m]は空間波数、ωは角周波数[rad/s]、c[m/s]は被検体内の音速、Rsは球面の半径を表す。Fは時間t[s]に関する1次元フーリエ変換を表し、Re{・}は実部を取ることを表す。rは球面上の位置ベクトルである。 k [rad / m] is the spatial wave number, ω is the angular frequency [rad / s], c [m / s] is the speed of sound in the subject, and Rs is the radius of the spherical surface. F 1 represents a one-dimensional Fourier transform with respect to time t [s], and Re {·} represents taking a real part. r S is a position vector on the spherical surface.

実際の計算においては、式(1)を離散化し、さらに後述するような複数回の測定に対応した式(2)を用いることができる。   In actual calculation, Formula (1) can be discretized and Formula (2) corresponding to a plurality of measurements as described later can be used.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

式(2)において、nはトランスデューサ131の数、jは画像化に用いるトランスデューサ131の番号(j=0、・・・、n−1)、Nは全測定数、l(l=0、・・・、N−1)は測定の番号を示す。   In equation (2), n is the number of transducers 131, j is the number of the transducer 131 used for imaging (j = 0,..., N−1), N is the total number of measurements, and l (l = 0,. .., N-1) indicates a measurement number.

さらに、r =(x 、y 、z )、k=(k、k、k)より、式(2)は式(3)で表わされる。 Furthermore, from r j l = (x j l , y j l , z j l ) and k = (k x , k y , k z ), Expression (2) is expressed by Expression (3).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

なお、本実施形態においては、光照射毎に本工程を実行する。すなわち、波数成分算出部153は、式(4)にしたがって、測定位置毎に得られた時系列の受信信号を波数成分に変換し、波数成分記憶部154に記憶する。   In the present embodiment, this step is executed for each light irradiation. That is, the wave number component calculation unit 153 converts the time-series received signal obtained for each measurement position into a wave number component according to Expression (4), and stores the wave number component in the wave number component storage unit 154.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

すなわち、波数成分算出部153が算出した式(4)で表わされる各測定位置に対応する波数成分を波数成分記憶部154に保存する。このとき、各測定位置で得られた波数成分の波数(k、k、k、ω)が一致する場合は、波数成分記憶部154の共通の座標領域に合成して保存することができる。例えば、波数成分算出部153は、各測定位置で得られた波数成分を加算または平均化して保存することができる。なお、波数成分同士を合成する際に加重をかけてもよい。例えば測定位置によって波数成分のSNが異なる場合に、SNが高い波数成分に大きな加重をかけることで、被検体情報のSNを改善することができる。以上、波数成分算出部153は、異なるタイミングで測定位置毎に得られた波数成分を合成し、波数成分記憶部154に記憶する。 That is, the wave number component corresponding to each measurement position represented by the equation (4) calculated by the wave number component calculation unit 153 is stored in the wave number component storage unit 154. At this time, if the wave numbers (k x , k y , k z , ω) of the wave number components obtained at each measurement position match, they can be combined and stored in a common coordinate area of the wave number component storage unit 154. it can. For example, the wave number component calculation unit 153 can add or average the wave number components obtained at each measurement position and store them. A weight may be applied when combining wave number components. For example, when the SN of the wave number component differs depending on the measurement position, the SN of the subject information can be improved by applying a large weight to the wave number component having a high SN. As described above, the wave number component calculation unit 153 combines the wave number components obtained for each measurement position at different timings, and stores them in the wave number component storage unit 154.

なお、光照射タイミング間で本工程を完了させることが好ましい。すなわち、波数成分算出部153は、探触子130および光学系120が次の測定位置に移動している間に式(4)にしたがった計算を完了させることが好ましい。   In addition, it is preferable to complete this process between light irradiation timings. That is, it is preferable that the wave number component calculation unit 153 completes the calculation according to the equation (4) while the probe 130 and the optical system 120 are moved to the next measurement position.

また、式(4)の計算では、式(4)のp^(k、k、k)の計算に必要なωについてのみ計算を行ってもよい。一般に、ω=c|k|となるωは離散的なωから補間する必要があるので、補間に必要なωについてのみ計算を行うことが好ましい。必要なωに計算を限定することで、より高速に計算を行うことができる。 In the calculation of Expression (4), the calculation may be performed only for ω necessary for calculating p j ^ (k x , k y , k z ) of Expression (4). In general, ω where ω = c | k | needs to be interpolated from discrete ω. Therefore, it is preferable to calculate only ω necessary for interpolation. By limiting the calculation to the required ω, the calculation can be performed at a higher speed.

(S600:被検体情報を取得する工程)
本工程では、逆フーリエ変換部155が、全測定分の波数成分が合成された波数成分p^(k)を逆フーリエ変換し、注目領域の被検体情報を得る。波数成分から被検体情報の空間分布への逆フーリエ変換は、式(5)で表される。
(S600: Step of acquiring subject information)
In this step, the inverse Fourier transform unit 155 performs inverse Fourier transform on the wave number component p ^ (k) obtained by synthesizing the wave number components for all measurements, and obtains subject information on the region of interest. The inverse Fourier transform from the wave number component to the spatial distribution of the subject information is expressed by Expression (5).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

rは注目領域内の位置ベクトル、p(r)|t=0は時間t=0における注目領域の音圧分布、すなわち初期音圧分布を表す。F −1は3次元逆フーリエ変換を示す。本実施形態では3次元の初期音圧分布を算出するため3次元逆フーリエ変換を用いているが、必要な被検体情報の次元に応じた逆フーリエ変換を用いることが好ましい。 r represents a position vector in the region of interest, and p (r) | t = 0 represents the sound pressure distribution of the region of interest at time t = 0, that is, the initial sound pressure distribution. F 3 -1 indicates a three-dimensional inverse Fourier transform. In this embodiment, three-dimensional inverse Fourier transform is used to calculate a three-dimensional initial sound pressure distribution. However, it is preferable to use inverse Fourier transform according to the dimension of necessary subject information.

(S700:被検体情報を表示する工程)
本工程では、S600で取得した注目領域の初期音圧分布を表示部160に表示する。例えば、処理部150が、注目領域の初期音圧分布に対し輝度値変換などの表示部160に表示させるための処理を行って画像データを生成し、表示部160に出力してもよい。
(S700: Step of displaying subject information)
In this step, the initial sound pressure distribution of the attention area acquired in S600 is displayed on the display unit 160. For example, the processing unit 150 may generate image data by performing processing for displaying the initial sound pressure distribution of the attention area on the display unit 160 such as luminance value conversion, and output the image data to the display unit 160.

なお、S600と700は測定の途中に行ってもよい。これにより、測定途中の波数成分を用いて一部のデータから得られる被検体情報を表示することができる。この場合、表示される情報は一部の受信信号しか用いていないため、全測定で得られる受信信号を用いた場合と比べて簡易的な情報、画像である。ただし、注目領域の暫定的な診断を早く行ったり、測定の途中で測定が正しく行われているかを確認したりするためには有用である。   Note that S600 and 700 may be performed during the measurement. Thus, it is possible to display object information obtained from a part of data using a wave number component in the middle of measurement. In this case, since only a part of the received signal is used, the displayed information is simple information and an image as compared with the case where the received signal obtained by all measurements is used. However, it is useful for quickly making a provisional diagnosis of a region of interest or for confirming whether the measurement has been performed correctly during the measurement.

本実施形態においては、処理部150が被検体情報の空間分布として初期音圧分布を取得する場合を述べたが、被検体内部の光吸収係数に関連した他の情報を取得し、表示部160に表示してもよい。例えば、処理部150は、式(7)に基づいて光吸収係数分布を取得することができる。   In the present embodiment, the case where the processing unit 150 acquires the initial sound pressure distribution as the spatial distribution of the subject information has been described. However, other information related to the light absorption coefficient inside the subject is acquired, and the display unit 160 May be displayed. For example, the processing unit 150 can acquire the light absorption coefficient distribution based on Expression (7).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

式(6)のμ(r)は被検体内の光吸収係数分布を表し、φ(r)は光学系120から照射された光により生じる被検体内の光フルエンス分布を表す。Γはグリュナイゼン係数と呼ばれる量で、体積膨張係数と音速の2乗の積を定圧比熱で割ったものであり生体等では略一定の既定値を取ることが知られている。S700で取得した初期音圧分布p(r)|t=0を、光フルエンス分布φ(r)とグリュナイゼン係数で除算して光吸収係数分布μ(r)を取得することができる。 In formula (6), μ a (r) represents the light absorption coefficient distribution in the subject, and φ (r) represents the light fluence distribution in the subject caused by the light irradiated from the optical system 120. Γ is an amount called a Gruneisen coefficient, which is a product of the product of the volume expansion coefficient and the square of the speed of sound divided by a constant pressure specific heat, and is known to take a substantially constant default value in living bodies. The light absorption coefficient distribution μ a (r) can be acquired by dividing the initial sound pressure distribution p (r) | t = 0 acquired in S700 by the light fluence distribution φ (r) and the Gruneisen coefficient.

また、処理部150は複数の波長に対する被検体情報を取得し、表示部160に表示してもよい。さらに、処理部150は複数の波長に対応する被検体情報を用いて被検体内の物質の濃度を取得し、それを被検体情報として表示部160に表示してもよい。例えば、処理部150は複数の波長に対応する光吸収係数分布を取得し、これらの光吸収係数分布から物質の濃度として酸素飽和度を取得することができる。   Further, the processing unit 150 may acquire subject information for a plurality of wavelengths and display it on the display unit 160. Further, the processing unit 150 may acquire the concentration of the substance in the subject using the subject information corresponding to a plurality of wavelengths, and display it on the display unit 160 as the subject information. For example, the processing unit 150 can acquire light absorption coefficient distributions corresponding to a plurality of wavelengths, and can acquire oxygen saturation as a substance concentration from these light absorption coefficient distributions.

以上説明したように、本実施形態では、時系列の受信信号から波数成分への変換処理を測定と並行して行い、全測定位置での測定の完了後に波数成分から被検体情報の空間分布へと変換する。これにより、処理部の装置規模を抑えつつ、測定完了後から被検体情報の空間分布を取得するまでに要する時間を短くすることができる。特に光照射毎に波数成分を算出することにより、測定完了後に残される処理が限定されるため、測定完了後に被検体情報の空間分布を取得するまでに要する時間を大幅に短くすることができる。   As described above, in this embodiment, the conversion processing from the time-series received signal to the wave number component is performed in parallel with the measurement, and after the measurement at all measurement positions is completed, the wave number component is converted into the spatial distribution of the subject information. And convert. Thereby, it is possible to shorten the time required from the completion of the measurement to acquiring the spatial distribution of the subject information while suppressing the apparatus scale of the processing unit. In particular, by calculating the wave number component for each light irradiation, the processing that is left after the measurement is completed is limited. Therefore, the time required to acquire the spatial distribution of the subject information after the measurement can be greatly shortened.

(第二の実施形態)
本実施形態では、時系列の受信信号のある次元に対する測定が完了したときに、時系列の受信信号からその次元に関する波数成分に変換する例を説明する。なお、第一の実施形態と同一の構成要素には原則として同一の符号を付して説明を省略する。
(Second embodiment)
In the present embodiment, an example will be described in which, when measurement for a certain dimension of a time-series received signal is completed, the time-series received signal is converted into a wave number component related to that dimension. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as 1st embodiment in principle, and description is abbreviate | omitted.

第一の実施形態では、光照射毎に1つの測定位置で得られた時系列の受信信号から波数成分に変換しているため、十分な情報から波数成分に変換できない場合がある。この場合、変換された波数成分の定量性は低いため、このような波数成分から得られる被検体情報の空間分布についても定量性が低くなってしまう。   In the first embodiment, since a time-series received signal obtained at one measurement position is converted into a wave number component for each light irradiation, there is a case where sufficient information cannot be converted into a wave number component. In this case, since the quantitativeness of the converted wavenumber component is low, the quantitativeness of the spatial distribution of the subject information obtained from such a wavenumber component is also low.

そこで本発明者は、各測定位置で得られた時系列の受信信号を格納していき、測定範囲の測定が完了した次元について選択的に時系列の受信信号から波数成分に変換する処理を行うことを着想した。ここで時系列の受信信号の次元とは、光音響波の受信位置座標、すなわちトランスデューサの位置座標(例えば直交座標系のx、y、z)と、光音響波の受信タイミング、すなわち時系列の受信信号の受信時間tのことである。また測定範囲とは、位置座標の次元であれば測定を行うときの移動幅であり、受信時間の次元であればサンプリングする時間幅である。   Therefore, the present inventor stores the time-series received signal obtained at each measurement position, and selectively converts the time-series received signal from the time-series received signal to the wave number component for the dimension in which the measurement range measurement is completed. I was inspired by that. Here, the dimension of the time-series received signal is the photoacoustic wave reception position coordinate, that is, the transducer position coordinate (for example, x, y, z in the orthogonal coordinate system) and the photoacoustic wave reception timing, that is, the time-series reception signal. This is the reception time t of the received signal. In addition, the measurement range is a movement width when performing measurement if it is a dimension of position coordinates, and a sampling time width if it is a dimension of reception time.

本実施形態では、時系列の受信信号の次元(位置、時間)のうち、逐次に波数成分を算出する次元を測定範囲の受信信号の生成が完了している次元に限定することで、被検体情報の精度や画質を高めることができる。   In this embodiment, among the dimensions (position, time) of the time-series received signal, the dimension for sequentially calculating the wave number component is limited to the dimension for which the generation of the received signal in the measurement range has been completed. Information accuracy and image quality can be improved.

一般に、波数の分解能ΔKは、式(7)により決定される。   In general, the wave number resolution ΔK is determined by equation (7).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

ΔXはある次元を示す変数Xのサンプリング間隔、Sはその次元のサンプリング数である。例えばXが時間tの場合はΔX=Δtはサンプリングの時間間隔、ΔK=Δωは角周波数の分解能となる。Xが位置xの場合はΔX=Δxはサンプリングの距離間隔、ΔK=Δkは空間波数の分解能となる。式(7)からは、測定範囲の全点数Sを用いずに一部の点数S’(<S)だけを用いた場合、波数の分解能が低下することが理解される。本実施形態では、各次元について測定範囲の受信信号の生成が完了してから波数成分を算出することで、全点数Sを用いて高い波数分解能を実現し、被検体情報の精度や画質を高めることができる。   ΔX is the sampling interval of the variable X indicating a certain dimension, and S is the number of samplings of that dimension. For example, when X is time t, ΔX = Δt is the sampling time interval, and ΔK = Δω is the angular frequency resolution. When X is position x, ΔX = Δx is the sampling distance interval, and ΔK = Δk is the spatial wavenumber resolution. From equation (7), it is understood that the resolution of the wave number is lowered when only a part of the points S ′ (<S) is used without using the total number of points S in the measurement range. In the present embodiment, the wave number component is calculated after the generation of the reception signal in the measurement range for each dimension is completed, so that high wave number resolution is achieved using the total number S, and the accuracy and image quality of the subject information are improved. be able to.

<被検体情報取得方法>
以下、図7に示す本実施形態に係る被検体情報取得方法のフローのS510の工程について詳述する。本実施形態では、全測定が完了する前に測定範囲の受信信号の生成が完了した次元について、S510において波数成分算出部153がその次元に関する波数成分を逐次算出する。
<Subject information acquisition method>
Hereinafter, step S510 in the flow of the subject information acquisition method according to the present embodiment illustrated in FIG. 7 will be described in detail. In the present embodiment, the wave number component calculation unit 153 sequentially calculates the wave number component related to the dimension for which the generation of the reception signal in the measurement range is completed before all the measurements are completed in S510.

(S510:波数成分を取得する工程)
ある測定位置での1回の測定で時間tの次元については測定範囲の受信信号の生成が完了する。そこで波数成分算出部153は、式(3)のうち、式(8)の部分、すなわち時間tの次元に対応する角周波数ωに関する波数成分の算出を、測定位置ごとに逐次行う。
(S510: Step of acquiring wave number component)
With respect to the dimension of time t in one measurement at a certain measurement position, generation of the reception signal in the measurement range is completed. Therefore, the wave number component calculation unit 153 sequentially calculates the wave number component regarding the angular frequency ω corresponding to the part of the equation (8) in the equation (3), that is, the dimension of the time t, for each measurement position.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

また、式(8)の計算では、第一の実施形態と同様に式(8)のp^(k、k、k)の計算に必要なωについてのみ計算を行ってもよい。 Further, in the calculation of Expression (8), calculation may be performed only for ω necessary for calculating p j ^ (k x , k y , k z ) of Expression (8) as in the first embodiment. .

また、探触子の移動が図5のxy平面のみで行われz方向には移動しない場合、ある測定位置での1回の測定でz方向の測定範囲の受信信号の生成は完了する。すなわち、探触子130を2次元に移動させる場合、移動方向と直交する方向については光照射タイミング毎に測定が完了している。この場合、波数成分算出部153は、光照射タイミング毎に式(8)に対して式(9)を適用することによりz方向の波数成分を算出することができる。   If the probe is moved only on the xy plane in FIG. 5 and not moved in the z direction, the generation of the reception signal in the measurement range in the z direction is completed by one measurement at a certain measurement position. That is, when the probe 130 is moved two-dimensionally, measurement in the direction orthogonal to the moving direction is completed at each light irradiation timing. In this case, the wave number component calculation unit 153 can calculate the wave number component in the z direction by applying Expression (9) to Expression (8) at each light irradiation timing.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

さらに例えば、図5の(a)と図5の(b)では、x方向の測定範囲Xとy方向の測定範囲Yでの受信信号の生成は、全測定が終了した時に完了する。この場合、波数成分算出部153は、全測定が終了した時点で波数成分記憶部154に保存された式(9)のp^(x 、y 、k、ω)を式(10)に適用することにより波数成分p^(k、k、k)を算出する。 Further, for example, in FIGS. 5A and 5B, the generation of reception signals in the measurement range X in the x direction and the measurement range Y in the y direction is completed when all measurements are completed. In this case, the wave number component calculation unit 153 calculates p j ^ (x j l , y j l , k z , ω) of the equation (9) stored in the wave number component storage unit 154 when all the measurements are completed. By applying to (10), the wave number component p ^ (k x , k y , k z ) is calculated.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

以上により式(3)の演算を完了し、波数成分p^(k、k、k)を得ることができる。この方法によれば、全測定が完了するまでにz方向の空間波数への変換及び角周波数成分への変換を逐次行っているため、測定完了から被検体情報の空間分布を取得するまでの時間を短くすることができる。さらに、(x、y、z、t)のそれぞれの次元について、測定範囲の測定が完了した後の多くの情報を用いて波数成分への変換を行っているため、それぞれの波数成分の定量性は高い。そのため、この波数成分を用いて得られる被検体情報の空間分布の定量性も高くなる。 Thus, the calculation of Expression (3) is completed, and the wave number components p ^ (k x , k y , k z ) can be obtained. According to this method, conversion to a spatial wave number in the z direction and conversion to an angular frequency component are sequentially performed until all measurements are completed, so the time from the completion of measurement to the acquisition of the spatial distribution of the subject information Can be shortened. Furthermore, for each dimension of (x, y, z, t), since conversion to wave number components is performed using a large amount of information after the measurement of the measurement range is completed, the quantification of each wave number component is performed. Is expensive. Therefore, the quantitativeness of the spatial distribution of the subject information obtained using this wave number component is also improved.

また、図5の(c)の場合、x方向の測定範囲Xでの受信信号の生成は、図5の(c)の水平矢印に示すように全測定を行う前に一部の測定で完了する。この場合、各y座標におけるx方向の測定が終了した時点で、波数成分記憶部154に保存された式(8)のp^(x 、y 、k、ω)を読み出す。そして、波数成分算出部153は、読み出された式(9)のp^(x 、y 、k、ω)に式(11)を適用し、逐次にkに関する波数成分の算出を行う。 Further, in the case of FIG. 5C, the generation of the received signal in the measurement range X in the x direction is completed with a part of the measurements before performing all measurements as indicated by the horizontal arrow in FIG. To do. In this case, p j ^ (x j l , y j l , k z , ω) of Expression (8) stored in the wave number component storage unit 154 is read out when the measurement in the x direction at each y coordinate is completed. . Then, the wave number component calculation unit 153 applies Expression (11) to p j ^ (x j l , y j l , k z , ω) of the read Expression (9), and sequentially determines the wave number related to k x. Calculate the components.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

ここでqとrはそれぞれ、x方向移動の位置とy方向移動の位置を示す番号である。x方向にQ回、y方向にR回、合計でN=Q×R回測定する。算出された波数成分p^(k、y 、k、ω)は、波数成分記憶部154に保存される。 Here, q and r are numbers indicating the x-direction movement position and the y-direction movement position, respectively. A total of N = Q × R times is measured Q times in the x direction and R times in the y direction. The calculated wave number component p j ^ (k x , y j r , k z , ω) is stored in the wave number component storage unit 154.

全測定の完了後、波数成分算出部153は、式(11)の波数成分を波数成分記憶部154から読み出して式(12)を適用し、p^(k、k、k)を得る。 After the completion of all measurements, the wave number component calculation unit 153 reads the wave number component of Equation (11) from the wave number component storage unit 154 and applies Equation (12), and p j ^ (k x , k y , k z ) Get.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

なお、波数成分算出部153は、最後のx方向への探触子130の移動と並行して、各x座標の測定が終了したとき、各x座標におけるy方向の空間波数を取得してもよい。   The wave number component calculation unit 153 may acquire the spatial wave number in the y direction at each x coordinate when the measurement of each x coordinate is completed in parallel with the movement of the probe 130 in the last x direction. Good.

波数成分算出部153は、式(12)の波数成分に式(13)を適用して、式(3)の演算を完了し波数成分p^(k、k、k)を得る。 The wave number component calculation unit 153 applies the equation (13) to the wave number component of the equation (12), completes the calculation of the equation (3), and obtains the wave number components p ^ (k x , k y , k z ).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

図5(c)においては、全測定が完了する前にx方向の空間波数への変換、z方向の空間波数への変換、および角周波数への変換を逐次行っている。そのため、測定完了から被検体情報の空間分布を取得するまでの時間を短くすることができる。また、図5(c)のように全測定が完了したときに1つの次元に関する波数成分の計算を行うことで全次元に関する波数成分が得られるように探触子を移動することが好ましい。すなわち、これにより、測定完了から被検体情報の空間分布を取得するまでの時間をより短くすることができる。さらに、(x、y、z、t)のそれぞれの次元について、測定範囲の測定が完了した後の多くの情報を用いて波数成分への変換を行っているため、それぞれの波数成分の定量性は高い。そのため、この波数成分を用いて得られる被検体情報の空間分布の定量性も高くなる。   In FIG. 5C, conversion to a spatial wave number in the x direction, conversion to a spatial wave number in the z direction, and conversion to an angular frequency are sequentially performed before all measurements are completed. For this reason, it is possible to shorten the time from the completion of the measurement until the acquisition of the spatial distribution of the subject information. Further, as shown in FIG. 5C, it is preferable to move the probe so that the wave number component related to one dimension can be obtained by calculating the wave number component related to one dimension when all measurements are completed. That is, this makes it possible to shorten the time from the completion of measurement until the acquisition of the spatial distribution of the subject information. Furthermore, for each dimension of (x, y, z, t), since conversion to wave number components is performed using a large amount of information after the measurement of the measurement range is completed, the quantification of each wave number component is performed. Is expensive. Therefore, the quantitativeness of the spatial distribution of the subject information obtained using this wave number component is also improved.

以上説明したように、本実施形態では、全測定が完了する前に、測定範囲の受信信号の生成が完了した次元について時系列の受信信号を波数成分に変換している。これにより、処理部の装置規模を抑制し、測定完了から被検体情報の空間分布を取得するまでの時間を短縮しつつ、定量性の高い被検体情報の空間分布を取得することができる。   As described above, in this embodiment, before all measurements are completed, the time-series received signal is converted into a wave number component for the dimension for which the generation of the received signal in the measurement range is completed. Thereby, it is possible to acquire the spatial distribution of the subject information with high quantitativeness while suppressing the apparatus scale of the processing unit and shortening the time from the completion of the measurement to the acquisition of the spatial distribution of the subject information.

(第三の実施形態)
本実施形態では、光音響波を受信するトランスデューサが平面上に配置された探触子を有する光音響装置について説明する。なお、第一の実施形態と同様の構成要素には原則として同一の符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
In this embodiment, a photoacoustic apparatus having a probe in which a transducer for receiving a photoacoustic wave is arranged on a plane will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component similar to 1st embodiment in principle, and description is abbreviate | omitted.

<光音響装置の構成>
図8は、本発明の実施形態に係る光音響装置の模式図である。以下、装置の各構成要素について説明する。なお、本実施形態に係る光音響装置は、光音響効果を利用した光音響イメージング装置である。
<Configuration of photoacoustic apparatus>
FIG. 8 is a schematic diagram of a photoacoustic apparatus according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, each component of the apparatus will be described. Note that the photoacoustic apparatus according to the present embodiment is a photoacoustic imaging apparatus using a photoacoustic effect.

本実施形態における探触子730においては、支持体732が複数のトランスデューサ731を平面上で支持している。例えば、探触子730は、図9の(a)に示される2次元アレイや、図9の(b)に示される1次元アレイとすることができる。探触子730は、より多点で光音響波を受信するために2次元アレイであることが好ましいが、電気信号の伝送線を削減しハードウェアの負担を低減するために1次元アレイとしてもよい。   In the probe 730 in this embodiment, the support body 732 supports the plurality of transducers 731 on a plane. For example, the probe 730 can be a two-dimensional array shown in FIG. 9A or a one-dimensional array shown in FIG. The probe 730 is preferably a two-dimensional array in order to receive photoacoustic waves at more points. However, the probe 730 can also be used as a one-dimensional array in order to reduce electrical signal transmission lines and reduce hardware load. Good.

探触子730と被検体100の間には、光音響波を伝播させることができる媒質や、被検体を保持するための保持部材を設けることができる。これらは光音響波の透過率が高いことが望ましい。   Between the probe 730 and the subject 100, a medium capable of propagating photoacoustic waves and a holding member for holding the subject can be provided. These preferably have high photoacoustic wave transmittance.

移動部140は、探触子730と光学系120とを被検体100に対して相対的に移動する。移動のための駆動手段と、さらに移動制御のための個別の制御部を有してもよい。トランスデューサ731は、一般にその正面方向が最も受信感度が良い。また、光学系120から照射されたパルス光121は被検体内で散乱を受けて広がるものの、照射した正面方向の光量が高い。光音響波の振幅は光量に比例するので、光を照射した正面方向で発生した光音響波を、トランスデューサ731の受信感度の良い正面方向で受信するとSNを高めることができる。このため、移動部140は探触子730と光学系120とが向かい合うように同期させて移動することが好ましい。   The moving unit 140 moves the probe 730 and the optical system 120 relative to the subject 100. You may have the drive means for a movement, and the separate control part for a movement control further. The transducer 731 generally has the highest reception sensitivity in the front direction. Further, although the pulsed light 121 irradiated from the optical system 120 is scattered and spreads within the subject, the amount of light irradiated in the front direction is high. Since the amplitude of the photoacoustic wave is proportional to the amount of light, if the photoacoustic wave generated in the front direction irradiated with light is received in the front direction with good reception sensitivity of the transducer 731, the SN can be increased. For this reason, it is preferable that the moving unit 140 moves in synchronization so that the probe 730 and the optical system 120 face each other.

図10は、探触子730の移動方法の一例を示す図である。図10の(a)は、図9の(a)の探触子730を直線軌道1000に沿ってxとyの両方向へ走査する場合を、図10の(b)は図9の(b)の探触子730を直線軌道1010に沿ってy方向へ走査する場合を示す。なお、図10は走査の一例でありこの限りではない。   FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a method for moving the probe 730. 10A shows a case where the probe 730 of FIG. 9A is scanned in both the x and y directions along the linear trajectory 1000, and FIG. 10B shows the case of FIG. A case where the probe 730 is scanned in the y direction along the linear trajectory 1010 is shown. FIG. 10 is an example of scanning and is not limited to this.

なお、異なる光照射タイミングにおいて同じ位置でトランスデューサが光音響波を受信して得られた時系列の信号を合成してもよい。例えば、同じ位置で得られた時系列の受信信号を加算または平均化することにより、その位置における時系列の受信信号とすることができる。   Note that time-series signals obtained by receiving photoacoustic waves at the same position at different light irradiation timings may be combined. For example, by adding or averaging time-series received signals obtained at the same position, a time-series received signal at that position can be obtained.

以下、平面アレイを用いた場合に時系列の受信信号から被検体情報の空間分布を取得するための計算例を説明する。本実施形態では、第二の実施形態で説明したように測定範囲の受信信号の生成が完了した次元から優先的に波数成分を算出する方法を説明する。   Hereinafter, a calculation example for obtaining the spatial distribution of the subject information from the time-series received signal when the planar array is used will be described. In the present embodiment, as described in the second embodiment, a method for preferentially calculating the wave number component from the dimension in which the generation of the reception signal in the measurement range is completed will be described.

非特許文献1によれば、平面状の探触子で検出した受信信号p(r,t)=p(x,y,t)から注目領域の被検体情報である初期音圧分布の波数成分p^(k)を求める式は、式(14)で表される。 According to Non-Patent Document 1, the wave number of the initial sound pressure distribution, which is subject information in the region of interest, from the received signal p (r S , t) = p (x, y, t) detected by a planar probe. An expression for obtaining the component p ^ (k) is expressed by Expression (14).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

p(x,y,t)は、探触子平面をz=0とした時の位置(x,y)にあるトランスデューサ731から出力される時系列の受信信号である。Fxyはxyに関する2次元フーリエ変換を、Fは時間に関する1次元フーリエ変換を表す。式(14)により、受信信号p(x,y,t)からz方向の波数成分kの代わりに角周波数ωを引数とする波数成分p^(k、k、ω)が算出される。次に、ω=c|k|の関係を用いてp^(k、k、ω)を補間して、注目領域の初期音圧分布を算出するために必要な波数成分p^(k、k、k)を算出する。 p (x, y, t) is a time-series received signal output from the transducer 731 at the position (x, y) when the probe plane is z = 0. F xy represents a two-dimensional Fourier transform with respect to xy, and F t represents a one-dimensional Fourier transform with respect to time. From equation (14), a wave number component p ^ (k x , k y , ω) using the angular frequency ω as an argument instead of the wave number component k z in the z direction is calculated from the received signal p (x, y, t). The Next, p ^ (k x , k y , ω) is interpolated using the relationship of ω = c | k | to calculate the wave number component p ^ (k x, k y, k z) is calculated.

実際の計算においては、波数成分算出部153は、式(14)を離散化した式(15)を用いて波数成分を算出する。   In the actual calculation, the wave number component calculation unit 153 calculates the wave number component using Expression (15) obtained by discretizing Expression (14).

Figure 2016013189
Figure 2016013189

式(15)におけるqは、x方向の測定範囲での受信信号生成が完了したときの、トランスデューサ731のx方向の番号を示す。rは、y方向の測定範囲での受信信号の生成が完了したときの、トランスデューサ731のy方向の番号を示す。qとrは合成された受信信号に関する番号であり、図10の(c)と(d)にあるようにx方向の測定範囲にQ個、y方向の測定範囲にR個のトランスデューサ731が存在することを示す。   In Expression (15), q represents the number in the x direction of the transducer 731 when the reception signal generation in the measurement range in the x direction is completed. r indicates the number of the transducer 731 in the y direction when the generation of the reception signal in the measurement range in the y direction is completed. q and r are numbers related to the synthesized received signal. As shown in FIGS. 10C and 10D, there are Q transducers 731 in the measurement range in the x direction and R transducers 731 in the measurement range in the y direction. Indicates to do.

図10の(a)の場合、各一点鎖線の合成受信信号の生成が完了した時点で、時間tの角周波数ωと位置xの空間波数kの測定範囲の受信信号生成が完了している。そこで、波数成分算出部153は、時間tの角周波数ωと位置xの空間波数kに関する波数成分を、測定と並行して逐次算出する。図10の(b)の場合、1回の測定位置での測定で、時間tと位置x方向の測定範囲の受信信号生成が完了する。このため波数成分算出部153は、1回の測定ごとに角周波数ωおよびx方向の空間波数kに関する波数成分の算出を行う。 In the case of FIG. 10A, when the generation of the combined received signal of each one-dot chain line is completed, the generation of the received signal in the measurement range of the angular frequency ω at time t and the spatial wave number k x at position x is completed. . Therefore, the wave number component calculation unit 153 sequentially calculates the wave number component related to the angular frequency ω at time t and the spatial wave number k x at the position x in parallel with the measurement. In the case of FIG. 10B, the reception signal generation in the measurement range in the direction of the time t and the position x is completed in one measurement at the measurement position. Therefore, the wave number component calculation unit 153 calculates the wave number component related to the angular frequency ω and the spatial wave number k x in the x direction for each measurement.

例えば、波数成分算出部153は、式(16)に従ってx方向の波数成分を算出し、波数成分記憶部154に保存する。   For example, the wave number component calculation unit 153 calculates the wave number component in the x direction according to the equation (16), and stores it in the wave number component storage unit 154.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

第一の実施形態と同様に、式(16)の計算では式(15)のp^(k、k、k)の計算に必要なωについてのみ計算を行ってもよい。 Similar to the first embodiment, in the calculation of Expression (16), only ω necessary for the calculation of p j ^ (k x , k y , k z ) of Expression (15) may be calculated.

測定が全て完了し、y方向の全てのqにおいて受信信号の生成が完了したら、波数成分算出部153は、k、kに関する波数成分の算出を式(17)により行い、最終的な波数成分p^(k、k、k)を得る。 When all the measurements are completed and the generation of the reception signal is completed for all q in the y direction, the wave number component calculation unit 153 calculates the wave number components related to k y and k z according to Equation (17), and obtains the final wave number. The component p ^ (k x , k y , k z ) is obtained.

Figure 2016013189
Figure 2016013189

なお、平面アレイの探触子730を用いた場合でも、第一の実施形態と同様に光照射タイミング毎に波数成分を取得し、合成された波数成分から被検体情報の空間分布を取得することもできる。   Even when the planar array probe 730 is used, the wave number component is acquired at each light irradiation timing as in the first embodiment, and the spatial distribution of the subject information is acquired from the synthesized wave number component. You can also.

以上説明したように、第三の実施形態では、第一または第二の実施形態とは異なる平面状の探触子730を用いる装置においても、測定と並列して波数成分を算出することができる。これにより、測定完了から被検体情報の空間分布の取得までの時間を短縮できる。また、測定と並行して波数成分を算出する際に、受信信号の次元(位置、時間)のうち測定範囲の受信信号の生成が完了している次元に限定することで、被検体情報の精度や画質を高めることができる。   As described above, in the third embodiment, the wave number component can be calculated in parallel with the measurement even in the apparatus using the planar probe 730 different from the first or second embodiment. . Thereby, the time from the completion of the measurement to the acquisition of the spatial distribution of the subject information can be shortened. In addition, when calculating the wave number component in parallel with the measurement, the accuracy of the subject information is limited by limiting the dimension of the received signal (position, time) to the dimension for which the generation of the received signal in the measurement range has been completed. And image quality can be improved.

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明は上記特定の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施形態の修正をすることができる。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, the present invention is not limited to the specific form described above, and the embodiments can be modified without departing from the technical idea of the present invention.

100 被検体
110 光源
130 探触子
150 処理部
100 Subject 110 Light source 130 Probe 150 Processing unit

Claims (14)

第一のタイミングおよび前記第一のタイミングよりも後の第二のタイミングに光を発する光源と、
前記第一のタイミングで光が被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信して第一の時系列の受信信号を出力し、前記第二のタイミングで光が前記被検体に照射されることにより発生した光音響波を受信して第二の時系列の受信信号を出力する探触子と、
被検体情報の空間分布を取得する処理部と、
を有し、
前記処理部は、
前記第一のタイミングと前記第二のタイミングとの間に、前記第一の時系列の受信信号から第一の波数成分への変換を開始し、
前記第二の時系列の受信信号を第二の波数成分に変換し、
前記第一の波数成分と前記第二の波数成分とを合成して第三の波数成分を取得し、
前記第三の波数成分に基づいて前記被検体情報の空間分布を取得する
ことを特徴とする光音響装置。
A light source that emits light at a first timing and a second timing after the first timing;
The photoacoustic wave generated by irradiating the subject with light at the first timing is received and a first time-series received signal is output, and the light is irradiated to the subject at the second timing. A probe that receives a photoacoustic wave generated by the output and outputs a second time-series received signal;
A processing unit for acquiring a spatial distribution of subject information;
Have
The processor is
Between the first timing and the second timing, start conversion from the first time-series received signal to the first wave number component,
Converting the second time-series received signal into a second wavenumber component;
Combining the first wavenumber component and the second wavenumber component to obtain a third wavenumber component;
A photoacoustic apparatus that acquires a spatial distribution of the subject information based on the third wave number component.
前記処理部は、
前記第一の波数成分および前記第二の波数成分の同じ波数に関する成分を加算または平均化することにより、前記第一の波数成分および前記第二の波数成分を合成して前記第三の波数成分を取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。
The processor is
By adding or averaging components related to the same wave number of the first wave number component and the second wave number component, the first wave number component and the second wave number component are combined to form the third wave number component. The photoacoustic apparatus according to claim 1, wherein:
前記処理部は、前記第一のタイミングと前記第二のタイミングとの間に、前記第一の時系列の受信信号から前記第一の波数成分への変換を完了する
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。
The processing unit completes the conversion from the first time-series received signal to the first wavenumber component between the first timing and the second timing. The photoacoustic apparatus according to 1.
複数のタイミングで光を発する光源と、
前記複数のタイミングで光が被検体に照射されることにより各タイミングで発生した光音響波を受信して前記複数のタイミングに対応する時系列の受信信号を出力する探触子と、
被検体情報の空間分布を取得する処理部と、
を有し、
前記処理部は、
前記複数のタイミングの光照射が完了する前に、時系列の受信信号に関する複数の次元の一部の次元に関する波数成分を取得し、
前記複数のタイミングの光照射が完了した後に、前記複数の次元の残りの次元に関する波数成分を取得することにより、前記複数の次元に関する波数成分を取得し、
前記複数の次元に関する波数成分に基づいて前記被検体情報の空間分布を取得する
ことを特徴とする光音響装置。
A light source that emits light at multiple timings;
A probe that receives photoacoustic waves generated at each timing by irradiating the subject with light at the plurality of timings and outputs reception signals in a time series corresponding to the plurality of timings;
A processing unit for acquiring a spatial distribution of subject information;
Have
The processor is
Before the light irradiation at the plurality of timings is completed, a wave number component related to a part of a plurality of dimensions related to a time-series received signal is obtained,
After the light irradiation at the plurality of timings is completed, by acquiring the wave number component related to the remaining dimensions of the plurality of dimensions, the wave number component related to the plurality of dimensions is acquired,
A photoacoustic apparatus that acquires a spatial distribution of the subject information based on wave number components related to the plurality of dimensions.
前記処理部は、
前記複数のタイミングのそれぞれに対応する角周波数に関する波数成分を取得する
ことを特徴とする請求項4に記載の光音響装置。
The processor is
The photoacoustic apparatus according to claim 4, wherein a wave number component related to an angular frequency corresponding to each of the plurality of timings is acquired.
前記探触子を2次元に移動させる移動部を更に有し、
前記処理部は、前記複数のタイミングのそれぞれに対応する前記探触子の移動方向と直交する方向に関する波数成分を取得する
ことを特徴とする請求項4または5に記載の光音響装置。
A moving unit for moving the probe in two dimensions;
6. The photoacoustic apparatus according to claim 4, wherein the processing unit acquires a wave number component related to a direction orthogonal to a moving direction of the probe corresponding to each of the plurality of timings.
前記複数のタイミングの光照射が完了した後に前記処理部が前記複数の次元の1つの次元に関する波数成分を取得することにより前記複数の次元に関する波数成分を取得できるように、前記被検体と前記探触子とを相対的に移動させる移動部を更に有する
ことを特徴とする請求項4から6のいずれか1項に記載の光音響装置。
After the light irradiation at the plurality of timings is completed, the processing unit acquires the wave number component related to the plurality of dimensions by acquiring the wave number component related to one dimension of the plurality of dimensions, so that the subject and the probe are acquired. The photoacoustic apparatus according to claim 4, further comprising a moving unit that relatively moves the tactile element.
前記処理部は、同じ位置で受信して得られた時系列の受信信号を合成してその位置における時系列の受信信号として取得する
ことを特徴とする請求項4から7のいずれか1項に記載の光音響装置。
The said processing part synthesize | combines the time series received signal obtained by receiving at the same position, and acquires as a time series received signal in the position. The photoacoustic apparatus of description.
前記被検体と探触子とを相対的に移動させる移動部を更に有する
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光音響装置。
The photoacoustic apparatus according to claim 1, further comprising a moving unit that relatively moves the subject and the probe.
前記移動部は前記探触子を移動させる
ことを特徴とする請求項9に記載の光音響装置。
The photoacoustic apparatus according to claim 9, wherein the moving unit moves the probe.
前記探触子は、複数のトランスデューサと、前記複数のトランスデューサを支持する支持体とを含む
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の光音響装置。
The photoacoustic apparatus according to claim 1, wherein the probe includes a plurality of transducers and a support body that supports the plurality of transducers.
前記支持体は、平面上に前記複数のトランスデューサを支持する
ことを特徴とする請求項11に記載の光音響装置。
The photoacoustic apparatus according to claim 11, wherein the support supports the plurality of transducers on a plane.
前記支持体は、球面に前記複数のトランスデューサを支持する
ことを特徴とする請求項11に記載の光音響装置。
The photoacoustic apparatus according to claim 11, wherein the support supports the plurality of transducers on a spherical surface.
前記処理部は、前記被検体情報の空間分布として三次元のボリュームデータを取得する
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の光音響装置。
The photoacoustic apparatus according to any one of claims 1 to 13, wherein the processing unit acquires three-dimensional volume data as a spatial distribution of the subject information.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016047232A (en) * 2014-08-27 2016-04-07 プレキシオン株式会社 Photoacoustic imaging apparatus

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