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JP6799321B2 - Optical ultrasonic imaging device and method, control program of optical ultrasonic imaging device, and recording medium - Google Patents
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Optical ultrasonic imaging device and method, control program of optical ultrasonic imaging device, and recording medium Download PDF

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Description

本発明は、光超音波画像化法を用いて検査対象物を画像化する光超音波画像化装置及び方法、光超音波画像化装置の制御プログラム並びに記録媒体に関する。 The present invention relates to an optical ultrasonic imaging apparatus and method for imaging an object to be inspected by using an optical ultrasonic imaging method, a control program of the optical ultrasonic imaging apparatus, and a recording medium.

光音響イメージング(Photoacoustic Imaging: 以下、PAイメージング又はPA画像化ともいう)は、癌、腫瘍血管新生物、及びその他の多くの疾患の早期臨床診断のための有望な新技術である(例えば、非特許文献1参照)。PAイメージングは、造影剤なしでも高空間分解能で、生体の血管を非侵襲的に視覚化することができ、多くの医療用途に有用である。ここで、PAイメージングは光音響効果を利用する。すなわち、画像化された組織(すなわち、血管)は、短パルス近赤外線照射のレーザエネルギーを吸収して熱に変換し、熱弾性膨張と超音波の放出をもたらす。放射された光音響波を検知することにより物体の3次元構造を再構成することができる(例えば、非特許文献2参照)。 Photoacoustic imaging (hereinafter also referred to as PA imaging or PA imaging) is a promising new technique for early clinical diagnosis of cancer, tumor vascular neoplasms, and many other diseases (eg, non-PA imaging). See Patent Document 1). PA imaging is useful in many medical applications because it can non-invasively visualize blood vessels in a living body with high spatial resolution without a contrast medium. Here, PA imaging utilizes the photoacoustic effect. That is, the imaged tissue (ie, blood vessels) absorbs the laser energy of short pulse near-infrared irradiation and converts it into heat, resulting in thermoelastic expansion and emission of ultrasonic waves. The three-dimensional structure of an object can be reconstructed by detecting the emitted photoacoustic wave (see, for example, Non-Patent Document 2).

再構成問題には以下の2つの大きな困難性がある。第1の困難性として、PAイメージングのデータ取得速度は、レーザの繰り返し速度と超音波センサの数によって制限される。サンプリングの回数はリアルタイム撮像のために制限され、システムコストが低減される。この不十分なサンプリングは、通常、ストリーキングアーチファクトを引き起こす。第2の困難性として、ほとんどのPA再構成方法で音速が正しく与えられていると仮定し、再構成精度は、与えられた速度の精度に大きく依存する。音速はしばしば温度と組織の変化に伴って変化し、それに応じてそれを調整することが不可欠である。 The reconstruction problem has the following two major difficulties. As a first difficulty, the data acquisition speed of PA imaging is limited by the laser repetition rate and the number of ultrasonic sensors. The number of samplings is limited for real-time imaging, reducing system costs. This inadequate sampling usually causes streaking artifacts. As a second difficulty, assuming that the speed of sound is correctly given in most PA reconstruction methods, the accuracy of reconstruction largely depends on the accuracy of the given velocity. The speed of sound often changes with changes in temperature and tissue, and it is essential to adjust accordingly.

例えば、特許文献1では、略球冠形状または略球帯形状に沿って多数の振動子を配置して構成される探触子を用いて、高精度な被検体情報を取得するための被検体情報取得装置が開示されている。この被検体情報取得装置は、測定対象からの音響波を受信して電気信号を生成する複数の振動子と、複数の振動子の少なくとも一部の指向軸が集まるように支持する支持体と、点音源と、測定対象と支持体の相対位置を制御する手段と、複数の振動子それぞれから測定対象の注目位置までの距離を求めて注目位置における特性情報を生成する処理手段と、点音源から複数の振動子への音響波の受信時刻と、音速を用いて、複数の振動子それぞれの位置情報の補正データを求める補正手段を有する被検体情報取得装置を用いることを特徴としている。 For example, in Patent Document 1, a subject for acquiring highly accurate subject information by using a probe configured by arranging a large number of oscillators along a substantially spherical cap shape or a substantially spherical band shape. The information acquisition device is disclosed. This subject information acquisition device includes a plurality of oscillators that receive acoustic waves from a measurement target and generate an electric signal, and a support that supports so that at least a part of the directional axes of the plurality of oscillators are gathered. From a point sound source, a means for controlling the relative position between the measurement target and the support, a processing means for obtaining the distance from each of a plurality of oscillators to the attention position of the measurement target and generating characteristic information at the attention position, and a point sound source It is characterized by using a subject information acquisition device having a correction means for obtaining correction data of position information of each of the plurality of oscillators by using the reception time of an acoustic wave to the plurality of oscillators and the sound velocity.

また、特許文献2では、超音波イメージングに用いる音速を最適化することで、従来に比して高分解能な超音波画像を取得することができる超音波イメージング装置を提供することが開示されている。当該超音波イメージング装置では、分解能最適化ユニットは、走査断面内の各位置毎の組織成分に応じた最適音速を判定し、この最適音速を用いて、走査断面内の各位置からの受信ビーム毎の受信遅延時間等を計算する。制御プロセッサは、最適音速を用いて計算される受信遅延時間を用いて、実際に診断に用いられる超音波画像を取得するためのスキャンにおける遅延加算処理を実行する。これにより、受信遅延時間の計算に用いる設定音速と実際の生体内音速とのずれを修正し、分解能が最適化された超音波画像を取得することができる。 Further, Patent Document 2 discloses that an ultrasonic imaging apparatus capable of acquiring an ultrasonic image having a higher resolution than the conventional one is provided by optimizing the sound velocity used for ultrasonic imaging. .. In the ultrasonic imaging apparatus, the resolution optimization unit determines the optimum sound velocity according to the tissue component for each position in the scanning cross section, and uses this optimum sound velocity for each received beam from each position in the scanning cross section. The reception delay time of is calculated. The control processor uses the reception delay time calculated using the optimum speed of sound to perform delay addition processing in scanning to acquire an ultrasonic image actually used for diagnosis. As a result, it is possible to correct the deviation between the set sound velocity used for calculating the reception delay time and the actual in-vivo sound velocity, and acquire an ultrasonic image with optimized resolution.

特開2016−055162号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-055162 特開2008−264531号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-264531

Kitai, T. et al., "Photoacoustic mammography: initial clinicalresults," Breast Cancer, 21, pp.146-153 (2014).Kitai, T. et al., "Photoacoustic mammography: initial clinical results," Breast Cancer, 21, pp.146-153 (2014). Li C. et al. "Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine," Physics in Medicine and Biology, 54 (19), pp.59-97 (2009).Li C. et al. "Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine," Physics in Medicine and Biology, 54 (19), pp.59-97 (2009). Candes, E.J et al., "Robust uncertainty principles: exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information," IEEE Transactions on Information Theory, pp. 489-509, (2006).Candes, E.J et al., "Robust uncertainty principles: exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information," IEEE Transactions on Information Theory, pp. 489-509, (2006). 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Rueckert, D. et al., "Nonrigid registration using free-form deformations: application to breast MR images," IEEE Transactions on Medical Imaging, 8, pp.712-721 (1999).Rueckert, D. et al., "Nonrigid registration using free-form deformations: application to breast MR images," IEEE Transactions on Medical Imaging, 8, pp.712-721 (1999). R. Bise et al., " Vascular Registration in Photoacoustic Imaging by Low-Rank Alignment via Foreground, Background and Complement Decomposition," Proceedings of International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, pp.326-334, (2016).R. Bise et al., "Vascular Registration in Photoacoustic Imaging by Low-Rank Alignment via Foreground, Background and Complement Decomposition," Proceedings of International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, pp.326-334, (2016) ..

しかしながら、特許文献1又は2の装置を用いて、検査対象物を画像化する場合において、音速は既知である必要があるが、音速は検査対象物の組織又は温度でゆらぎがあり、想定された音速とは異なり、画像が劣化し、画像の精度がいまだ低いという問題点があった。 However, when the device of Patent Document 1 or 2 is used to image an inspection object, the speed of sound needs to be known, but the speed of sound fluctuates depending on the structure or temperature of the inspection object, and is assumed. Unlike the speed of sound, there was a problem that the image deteriorated and the accuracy of the image was still low.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高精度で対象物を画像化できる光超音波画像化装置及び方法、光超音波画像化装置の制御プログラム並びに記録媒体を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an optical ultrasonic imaging device and method capable of imaging an object with higher accuracy than the prior art, a control program of the optical ultrasonic imaging device, and a recording medium. To provide.

第1の発明にかかる光超音波画像化装置は、光超音波画像化法により、対象物に対して光を照射して前記対象物から発生する超音波を複数のセンサで複数の検出信号として検出し、音圧空間分布を示す複数の検出信号からなる音圧データに基づいて前記対象物を画像化する画像化処理を行う制御手段を備えた光超音波画像化装置において、
前記制御手段は、所定の初期音速データに基づいて、音速データのプロジェクション行列に初期の音圧ベクトルを乗算したときの乗算結果を音圧データとするときに、前記初期の音圧ベクトルに関する目的関数であって、前記対象物の画像データのスパース性、もしくは、前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのスパース性を表す目的関数の値が所定のしきい値以下になるように、音速が異なる複数の領域の音速を含む音速ベクトルを変化させて、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定することで、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算することを特徴とする。
The optical ultrasonic imaging apparatus according to the first invention irradiates an object with light by an optical ultrasonic imaging method, and uses a plurality of sensors to generate ultrasonic waves from the object as a plurality of detection signals. In an optical ultrasonic imaging apparatus provided with a control means for performing an imaging process for imaging the object based on sound pressure data including a plurality of detection signals indicating the sound pressure spatial distribution after detection.
The control means is an objective function relating to the initial sound pressure vector when the multiplication result obtained by multiplying the projection matrix of the sound pressure data by the initial sound pressure vector is used as the sound pressure data based on the predetermined initial sound pressure data. The value of the objective function representing the sparseness of the image data of the object or the sparseness of the base data of the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data is a predetermined threshold value. The imaged image data based on the sound velocity vector is calculated by simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound velocity vector by changing the sound velocity vector including the sound velocity in a plurality of regions having different sound velocity as follows. It is characterized by that.

前記光超音波画像化装置において、前記制御手段は、前記目的関数の値が実質的に最小になるように、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算することを特徴とする。 In the optical ultrasonic imaging device, the control means calculates imaged image data based on the sound velocity vector so that the value of the objective function is substantially minimized.

また、前記光超音波画像化装置において、前記目的関数は、前記対象物の画像データ、もしくは前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのL1ノルム、L2ノルム、又は全変動、もしくはこれらの組み合わせであることを特徴とする。 Further, in the optical ultrasonic imaging apparatus, the objective function is the L1 norm, L2 norm, of the image data of the object or the data of the basis of the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data. Alternatively, it is characterized by total variation or a combination thereof.

さらに、前記光超音波画像化装置において、前記制御手段は、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定する途中の前記対象物の画像データ、もしくは、前記画像化後の画像データを表示部に出力することで可視化することを特徴とする。 Further, in the optical ultrasonic imaging device, the control means outputs the image data of the object in the process of simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound velocity vector, or the image data after the imaging to the display unit. It is characterized by being visualized by.

またさらに、前記光超音波画像化装置において、前記制御手段は、前記光超音波画像化法の空間解像度と時間解像度のうちの少なくとも一方を昇順で変化させて、前記光超音波画像化法により画像化処理をそれぞれ実行し、各画像化処理で得られた音速ベクトルを次の初期音速ベクトルとして用いて画像化処理を行うことを特徴とする。 Furthermore, in the optical ultrasonic imaging device, the control means changes at least one of the spatial resolution and the temporal resolution of the optical ultrasonic imaging method in ascending order, and uses the optical ultrasonic imaging method. Each of the imaging processes is executed, and the sound velocity vector obtained by each imaging process is used as the next initial sound velocity vector to perform the imaging process.

またさらに、前記光超音波画像化装置において、
前記対象物は互いに音速が異なる第1及び第2の領域を含み、
前記制御手段は、
(1)所定の初期音速ベクトルを用いて、所定の画像化法を用いて前記対象物を画像化して画像データを計算し、
(2)前記計算された画像データに対して所定の画像処理を行うことで、前記第2の領域を推定し、
(3)所定の位置合わせ法により、前記推定した第2の領域を、前記対象物の各領域の音速初期値を地図で示す所定の音速初期値アトラスに位置合わせすることで初期音速マップを計算し、
(4)前記位置合わせされた初期音速マップを用いて、請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の画像化処理を行うことを特徴とする。
Furthermore, in the optical ultrasonic imaging device,
The object includes first and second regions having different sound velocities from each other.
The control means
(1) Using a predetermined initial sound velocity vector, the object is imaged using a predetermined imaging method, and image data is calculated.
(2) The second region is estimated by performing predetermined image processing on the calculated image data.
(3) The initial sound velocity map is calculated by aligning the estimated second region with the predetermined sound velocity initial value atlas showing the initial sound velocity value of each region of the object by the predetermined alignment method. And
(4) The imaging process according to any one of claims 1 to 5 is performed using the aligned initial sound velocity map.

第2の発明に係る光超音波画像化方法は、光超音波画像化法により、対象物に対して光を照射して前記対象物から発生する超音波を複数のセンサで複数の検出信号として検出し、音圧空間分布を示す複数の検出信号からなる音圧データに基づいて前記対象物を画像化する画像化処理を行う制御手段を備えた光超音波画像化装置のための光超音波画像化方法において、
前記制御手段が、所定の初期音速データに基づいて、音速データのプロジェクション行列に初期の音圧ベクトルを乗算したときの乗算結果を音圧データとするときに、前記初期の音圧ベクトルに関する目的関数であって、前記対象物の画像データのスパース性、もしくは、前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのスパース性を表す目的関数の値が所定のしきい値以下になるように、音速が異なる複数の領域の音速を含む音速ベクトルを変化させて、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定することで、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算するステップを含むことを特徴とする。
The optical ultrasonic imaging method according to the second invention is an optical ultrasonic imaging method in which an object is irradiated with light and ultrasonic waves generated from the object are used as a plurality of detection signals by a plurality of sensors. Optical ultrasound for an optical ultrasound imaging device equipped with a control means that performs imaging processing to image the object based on sound pressure data consisting of a plurality of detection signals indicating the sound pressure spatial distribution. In the imaging method
When the control means obtains the sound pressure data as the result of multiplying the projection matrix of the sound velocity data by the initial sound pressure vector based on the predetermined initial sound pressure data, the objective function relating to the initial sound pressure vector. The value of the objective function representing the sparseness of the image data of the object or the sparseness of the base data of the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data is a predetermined threshold value. Imaged image data based on the sound velocity vector is calculated by simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound velocity vector by changing the sound velocity vector including the sound velocity in a plurality of regions having different sound velocity as follows. It is characterized by including steps.

前記光超音波画像化方法において、前記制御手段が、前記目的関数の値が実質的に最小になるように、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算するステップを含むことを特徴とする。 In the optical ultrasound imaging method, the control means includes a step of calculating imaged image data based on the sound velocity vector so that the value of the objective function is substantially minimized. To do.

また、前記光超音波画像化方法において、前記目的関数は、前記対象物の画像データ、もしくは前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのL1ノルム、L2ノルム、又は全変動、もしくはこれらの組み合わせであることを特徴とする。 Further, in the optical ultrasonic imaging method, the objective function is the L1 norm, L2 norm, of the image data of the object or the data of the basis of the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data. Alternatively, it is characterized by total variation or a combination thereof.

さらに、前記光超音波画像化方法において、前記制御手段が、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定する途中の前記対象物の画像データ、もしくは、前記画像化後の画像データを表示部に出力することで可視化するステップを含むことを特徴とする。 Further, in the optical ultrasonic imaging method, the control means outputs the image data of the object in the process of simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound velocity vector, or the image data after the imaging to the display unit. It is characterized by including a step of visualizing by.

またさらに、前記光超音波画像化方法において、前記制御手段が、前記光超音波画像化法の空間解像度と時間解像度のうちの少なくとも一方を昇順で変化させて、前記光超音波画像化法により画像化処理をそれぞれ実行し、各画像化処理で得られた音速ベクトルを次の初期音速ベクトルとして用いて画像化処理を行うことを特徴とする。 Furthermore, in the optical ultrasonic imaging method, the control means changes at least one of the spatial resolution and the temporal resolution of the optical ultrasonic imaging method in ascending order, and the optical ultrasonic imaging method is performed. Each of the imaging processes is executed, and the sound velocity vector obtained by each imaging process is used as the next initial sound velocity vector to perform the imaging process.

またさらに、前記光超音波画像化方法において、
前記対象物は互いに音速が異なる第1及び第2の領域を含み、
前記制御手段が、
(1)所定の初期音速ベクトルを用いて、所定の画像化法を用いて前記対象物を画像化して画像データを計算し、
(2)前記計算された画像データに対して所定の画像処理を行うことで、前記第2の領域を推定し、
(3)所定の位置合わせ法により、前記推定した第2の領域を、前記対象物の各領域の音速初期値を地図で示す所定の音速初期値アトラスに位置合わせすることで初期音速マップを計算し、
(4)前記位置合わせされた初期音速マップを用いて、請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の画像化処理を行うステップを含むことを特徴とする。
Furthermore, in the optical ultrasonic imaging method,
The object includes first and second regions having different sound velocities from each other.
The control means
(1) Using a predetermined initial sound velocity vector, the object is imaged using a predetermined imaging method, and image data is calculated.
(2) The second region is estimated by performing predetermined image processing on the calculated image data.
(3) The initial sound velocity map is calculated by aligning the estimated second region with the predetermined sound velocity initial value atlas showing the initial sound velocity value of each region of the object by the predetermined alignment method. And
(4) It is characterized in that the step of performing the imaging process according to any one of claims 1 to 5 is included using the aligned initial sound velocity map.

第3の発明に係る、コンピュータにより実行可能な光超音波画像化装置の制御プログラムは、前記光超音波画像化方法の各ステップを含むことを特徴とする。 A computer-executable control program for an optical ultrasonic imaging device according to a third aspect of the invention is characterized by including each step of the optical ultrasonic imaging method.

第4の発明に係る、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体は、前記光超音波画像化装置の制御プログラムを格納することを特徴とする。 A computer-readable recording medium according to a fourth aspect of the invention is characterized by storing a control program of the optical ultrasonic imaging apparatus.

従って、本発明に係る光超音波画像化装置等によれば、従来技術に比較して高精度で検査対象物を画像化できる。 Therefore, according to the optical ultrasonic imaging apparatus or the like according to the present invention, it is possible to image an inspection object with higher accuracy than in the prior art.

本発明の一実施形態に係る光超音波画像化システムの構成例を示す模式断面図及びブロック図である。It is a schematic cross-sectional view and block diagram which shows the structural example of the optical ultrasonic imaging system which concerns on one Embodiment of this invention. 光超音波画像化処理の結果画像であって、(a)は真値画像、(b)はバックプロジェクション法による画像、(c)は不正確な音速を用いた圧縮センシング法(以下、CS法という)による画像、及び(d)は正確な音速を用いたCS法による画像を示す図である。The result image of the optical ultrasonic imaging process, (a) is a true value image, (b) is an image by the back projection method, and (c) is a compressed sensing method using an inaccurate sound velocity (hereinafter, CS method). The image according to () and (d) are the images by the CS method using an accurate sound velocity. 一定の音速cの場合における時刻t1での超音波伝搬を示す平面図である。It is a top view which shows the ultrasonic wave propagation at time t1 in the case of a constant sound velocity c. 実施形態1に係る光超音波画像化処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the optical ultrasonic imaging process which concerns on Embodiment 1. 真値画像と複数のセンサ22の位置との関係を示す正面図である。It is a front view which shows the relationship between the true value image and the position of a plurality of sensors 22. 従来例であるバックプロジェクション法及びCS法、並びに実施形態1に係る画像化法による音速に対するPSNR(Peak Signal to Noise Ratio)特性を示すグラフである。It is a graph which shows the PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) characteristic with respect to the sound velocity by the back projection method and CS method which are conventional examples, and the imaging method which concerns on Embodiment 1. 真値画像及び実施形態1に係る画像化法による画像におけるデータセットの音速に対する推定された音速を示すグラフである。It is a graph which shows the estimated sound velocity with respect to the sound velocity of the data set in the true value image and the image by the imaging method which concerns on Embodiment 1. FIG. 種々の音速における画像化画像であって、(a)はバックプロジェクション法による画像、(b)はCS法による画像、及び(c)は実施形態1に係る画像化法による画像を示す図である。Images at various sound velocities, (a) is an image by the back projection method, (b) is an image by the CS method, and (c) is an image by the imaging method according to the first embodiment. .. (a)の音速の組み合わせを用いた画像化結果画像であって、(b)はバックプロジェクション法による画像、(c)はCS法による画像、(d)は実施形態1に係る画像化による画像、(e)は(c)の画像の拡大画像、及び(f)は(d)の画像の拡大画像を示す図である。(A) is an imaging result image using the combination of sound velocities, (b) is an image by the back projection method, (c) is an image by the CS method, and (d) is an image by imaging according to the first embodiment. , (E) is an enlarged image of the image of (c), and (f) is a diagram showing an enlarged image of the image of (d). 本発明の実施形態2に係る高精度化光超音波画像化処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the high precision optical ultrasonic imaging process which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3に係る高精度化光超音波画像化処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the high precision optical ultrasonic imaging process which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態4に係る音速初期値アトラスを用いた画像化処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the imaging process using the sound velocity initial value atlas which concerns on Embodiment 4 of this invention. 図12の画像化処理で用いる音速初期値アトラスを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the sound velocity initial value atlas used in the imaging process of FIG. 図12のステップS31における処理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the process in step S31 of FIG. 図12のステップS32における処理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the process in step S32 of FIG. 図12のステップS33の位置合わせ前における処理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the process before the alignment of step S33 of FIG. 図12のステップS33の位置合わせ後における処理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the process after the alignment of step S33 of FIG. 図12のステップS34における処理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the process in step S34 of FIG. 図12のステップS35における処理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the process in step S35 of FIG.

以下、比較例及び本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。 Hereinafter, comparative examples and embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, the same reference numerals are given to the same components.

本発明の実施形態の目的は、限定された数のサンプリングデータから画像化された検査対象物(オブジェクト)の3次元構造を回復するときに、同時に音速を推定しながら画像化するための新しい圧縮センシング法(以下、CS法という)による画像化法を提案することにある。CS法は、多くの信号が適切な基準又は辞書でわずか数の非ゼロ係数で表されるという基本的な事実に基づいており、限られた数の観測からでも再構成精度を向上させるのに有効である。ここで、非線形最適化は、そのような信号を少数の測定から回復することを可能にする(例えば、非特許文献3参照)。CS法による画像化は、様々な医用画像化方式に適用されてきたが、MRI、CT、及びPAなどのような様々な方法がある(例えば、非特許文献4参照)。現在のPAイメージングのCS法は、誤った音速の場合には有効に機能しないという問題点があった。 An object of the embodiment of the present invention is a new compression for imaging while estimating the speed of sound at the same time when recovering the three-dimensional structure of an imaged inspection object (object) from a limited number of sampled data. The purpose is to propose an imaging method by a sensing method (hereinafter referred to as a CS method). The CS method is based on the basic fact that many signals are represented by a suitable reference or dictionary with only a few non-zero coefficients, to improve reconstruction accuracy even from a limited number of observations. It is valid. Here, nonlinear optimization makes it possible to recover such a signal from a small number of measurements (see, eg, Non-Patent Document 3). Imaging by the CS method has been applied to various medical imaging methods, but there are various methods such as MRI, CT, PA and the like (see, for example, Non-Patent Document 4). The current CS method of PA imaging has a problem that it does not function effectively in the case of an incorrect sound velocity.

図2は光超音波画像化処理の結果画像であって、図2(a)は真値画像、図2(b)はバックプロジェクション法による画像、図2(c)は不正確な音速を用いたCS法による画像、及び図2(d)は正確な音速を用いたCS法による画像を示す図である。 FIG. 2 is an image obtained as a result of optical ultrasonic imaging processing, FIG. 2 (a) is a true value image, FIG. 2 (b) is an image obtained by the back projection method, and FIG. 2 (c) uses an inaccurate sound velocity. The image obtained by the CS method and FIG. 2 (d) are diagrams showing an image obtained by the CS method using an accurate sound velocity.

図2(d)から明らかなように、正しい音速が与えられたとき、CS法は真値画像(図2(a))と同様の良好な結果を得ることができる。対照的に、与えられた音速が正しくない場合、バックプロジェクション法とCS法の両方では、あまり良い画像を得ることができない。(図2(b)及び図2(c)参照)。 As is clear from FIG. 2D, when the correct speed of sound is given, the CS method can obtain the same good results as the true value image (FIG. 2A). In contrast, if the speed of sound given is incorrect, both the back projection method and the CS method will not give very good images. (See FIGS. 2 (b) and 2 (c)).

以上の問題点を解決するために、本実施形態では、スパース性を有する超音波信号から再構成問題を同時に解決し、音速を推定することができるPAイメージングのための新しいCS法による画像化処理を提案する。様々なCS法の最適化技術を当該実施形態内で使用することができる。特に、本発明者らは、拡張されたラグランジュ乗数法を用いて全変動(Total Variation)を最小化するCS法を最適化する方法を使用した。発明者による実験の結果は、この提案された方法の有効性を実証することができ、音速を評価して画像化画質を大幅に改善することができたものであり、本実施形態は、音速を同時に推定しながら画像再構成の問題に取り組むための最初の試みである。なお、従来例では、均一な音速を想定してもこの問題は解決されていなかったものである。 In order to solve the above problems, in the present embodiment, the reconstruction problem can be simultaneously solved from the ultrasonic signal having sparsity, and the image processing by the new CS method for PA imaging capable of estimating the sound velocity. To propose. Various CS method optimization techniques can be used within the embodiment. In particular, we used a method of optimizing the CS method that minimizes total variation using the extended Lagrange multiplier method. The results of the experiment by the inventor were able to demonstrate the effectiveness of this proposed method, evaluate the speed of sound, and significantly improve the image quality, and the present embodiment is based on the speed of sound. This is the first attempt to tackle the problem of image reconstruction while simultaneously estimating. In the conventional example, this problem has not been solved even assuming a uniform sound velocity.

図1は本発明の一実施形態に係る光超音波画像化システムの構成例を示す模式断面図及びブロック図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view and a block diagram showing a configuration example of an optical ultrasonic imaging system according to an embodiment of the present invention.

図1において、本実施形態に係る光超音波画像化システムは、光超音波光源及び検出装置20と、光超音波画像化装置10とを備えて構成される。 In FIG. 1, the optical ultrasonic imaging system according to the present embodiment includes an optical ultrasonic light source, a detection device 20, and an optical ultrasonic imaging device 10.

光超音波光源及び検出装置20において、例えば半球面形状のセンサ支持部21に互いに所定の間隔を有して、超音波を検出する複数のセンサ22が設けられる。上記半球面の内部に水24を浸して、検査対象物1を載置するメッシュ板23を支持している。なお、検査対象物1が水24内に沈められているものとする。センサ支持部21の最底部には、PAイメージングのための所定波長のレーザ光を検査対象物1に対して放射するためのレーザ光源25が設けられる。ここで、レーザ光源25は後述するコントローラ11により制御され、PAイメージングによりレーザ光に応答して検査対象物1から放射される超音波を複数のセンサ22により検出する。複数のセンサ22により検出された超音波は電気信号に変化された後、後述する信号受信回路12に送られる。 In the optical ultrasonic light source and the detection device 20, for example, a plurality of sensors 22 for detecting ultrasonic waves are provided on a hemispherical sensor support portion 21 at a predetermined distance from each other. Water 24 is immersed in the hemispherical surface to support the mesh plate 23 on which the inspection object 1 is placed. It is assumed that the inspection object 1 is submerged in water 24. A laser light source 25 for radiating a laser beam having a predetermined wavelength for PA imaging to the inspection object 1 is provided at the bottom of the sensor support portion 21. Here, the laser light source 25 is controlled by a controller 11 described later, and the ultrasonic waves radiated from the inspection object 1 in response to the laser light are detected by the plurality of sensors 22 by PA imaging. The ultrasonic waves detected by the plurality of sensors 22 are converted into electrical signals and then sent to a signal receiving circuit 12 described later.

検査対象物1は撮像対象である。具体例としては、乳房等の生体や、装置の調整などにおいては生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。音響特性とは具体的には音響波の伝播速度および減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数および散乱係数である。なお、メッシュ板23は検査対象物1を支持し、光、超音波に対する透過特性を持つことが好ましい。 The inspection object 1 is an imaging object. Specific examples include a living body such as a breast, and a phantom that simulates the acoustic and optical characteristics of a living body in adjusting a device. The acoustic characteristics are specifically the propagation velocity and the attenuation rate of the acoustic waves, and the optical characteristics are specifically the light absorption coefficient and the scattering coefficient. It is preferable that the mesh plate 23 supports the inspection object 1 and has transmission characteristics for light and ultrasonic waves.

光超音波画像化装置10は、装置の動作を制御するコントローラ11と、信号受信回路12と、データメモリ13と、操作部14と、表示部15と、画像処理部16とを備えて構成される。信号受信回路12は、複数のセンサ22で変換された複数の電気信号を受信して所定のサンプリング周波数でA/D変換してデータメモリ13に格納する。操作部14は光超音波画像化装置10の操作者がデータ又は指示を入力するためのマウス、キーボードを含み構成される。表示部15は、入力されたデータ又は指示を表示するとともに、光超音波画像化処理の途中又は処理後の結果画像を可視化して表示する。画像処理部16はコントローラ11により制御され、詳細後述する光超音波画像化処理を実行する。 The optical ultrasonic imaging device 10 includes a controller 11 that controls the operation of the device, a signal receiving circuit 12, a data memory 13, an operation unit 14, a display unit 15, and an image processing unit 16. To. The signal receiving circuit 12 receives a plurality of electric signals converted by the plurality of sensors 22, A / D-converts them at a predetermined sampling frequency, and stores them in the data memory 13. The operation unit 14 includes a mouse and a keyboard for the operator of the optical ultrasonic imaging device 10 to input data or instructions. The display unit 15 displays the input data or instructions, and visualizes and displays the result image during or after the optical ultrasonic imaging process. The image processing unit 16 is controlled by the controller 11 and executes optical ultrasonic imaging processing described in detail later.

なお、図1の実施形態では、半球形状のセンサ支持部21を用いているが、本発明はこれに限らず、複数のセンサ22を所定の領域に指向軸が集まり、所定の検出領域を形成できる配置であればよい。 Although the hemispherical sensor support portion 21 is used in the embodiment of FIG. 1, the present invention is not limited to this, and the directional axes of the plurality of sensors 22 are gathered in a predetermined region to form a predetermined detection region. Any arrangement can be used.

図1の光超音波画像化システムでは、光超音波画像化法を用いて、光音響効果を利用して例えば生体の血管を非侵襲的に視覚化することができ、癌及び他の多くの疾患の早期臨床診断に有用である。検査対象物1である画像化すべき組織はレーザエネルギーを吸収し、そのエネルギーを熱弾性膨張に変換し、超音波を放射する。光超音波を検出することによって検査対象物1の物体の3次元構造を再構成することができる。ほとんどのPAイメージングでは、音速は正しく与えられていると想定されているが、音速は伝播媒体及び組織の温度に依存して変化することが知られている。従って、生体でこの値を正確に知ることは困難であるが、本実施形態では、再構成問題を同時に解決し、音速を推定するPAのための新しい圧縮センシング法を提案する。 In the photoultrasound imaging system of FIG. 1, photoacoustic effects can be used to non-invasively visualize, for example, living blood vessels in cancer and many others. It is useful for early clinical diagnosis of the disease. The tissue to be imaged, which is the object to be inspected 1, absorbs laser energy, converts the energy into thermoelastic expansion, and emits ultrasonic waves. By detecting optical ultrasonic waves, the three-dimensional structure of the object of the inspection object 1 can be reconstructed. In most PA imaging, the speed of sound is assumed to be given correctly, but it is known that the speed of sound varies depending on the temperature of the propagation medium and tissue. Therefore, it is difficult to know this value accurately in a living body, but in the present embodiment, a new compressed sensing method for PA that simultaneously solves the reconstruction problem and estimates the speed of sound is proposed.

例えば、本実施形態に関連する文献において、逆球面ラドン変換に基づくPA再構成法は、時間領域(例えば、非特許文献5参照)と周波数領域(例えば、非特許文献6参照)の両方で提案されている。非特許文献7において提案されたフィルタリングされたバックプロジェクション法は、その利便性のために最も普及している。これらの方法の1つの問題点は、サンプリング数が不十分であるときに生成される深刻なアーチファクトである。スパース性を有するサンプリングデータを用いて画質を改善するために、CS法による再構成にCS理論を適用した。非特許文献8では、PA再構成においてCS理論を用いる可能性を実証した。また、非特許文献4では、勾配降下による目的関数としての全変動(TV)を反復的に最小化する方法を提案した。これらの方法は、音速が正しく与えられていることを前提としている。音速を選択するために、非特許文献9は、様々な候補音速を用いて画像を繰り返し再構築する自動焦点アプローチを提案したが、音速が空間的に均一であると仮定される場合、
次に、鮮明度のメトリックを最大にする最良の音速を選択する。しかし、音速が異なる複数の領域がある場合には、組み合わせの数は指数関数的に大きくなるという問題点があった。本発明者らが知るうる限り、この挑戦的な問題に最初に取り組んでおり、本実施形態に係る方法は最適化において音速のセットを反復的に更新することを特徴としている。
For example, in the literature related to this embodiment, the PA reconstruction method based on the inverted spherical Radon transform is proposed in both the time domain (see, eg, Non-Patent Document 5) and the frequency domain (see, eg, Non-Patent Document 6). Has been done. The filtered back projection method proposed in Non-Patent Document 7 is the most popular because of its convenience. One problem with these methods is the serious artifacts that are generated when the number of samples is inadequate. In order to improve the image quality using sampling data having sparsity, the CS theory was applied to the reconstruction by the CS method. Non-Patent Document 8 demonstrated the possibility of using CS theory in PA reconstruction. In addition, Non-Patent Document 4 proposes a method of iteratively minimizing total variation (TV) as an objective function due to gradient descent. These methods assume that the speed of sound is given correctly. To select the speed of sound, Non-Patent Document 9 proposes an autofocus approach that repeatedly reconstructs an image using various candidate sound velocities, but if the speed of sound is assumed to be spatially uniform,
Then select the best speed of sound that maximizes the sharpness metric. However, when there are a plurality of regions having different sound velocities, there is a problem that the number of combinations increases exponentially. As far as the inventors know, this challenging problem is addressed first, and the method according to this embodiment is characterized by iteratively updating the set of sound velocities in optimization.

まず、音速推定によるPAイメージングのための圧縮センシングについて以下に説明する。ここで、PA伝播の離散化された定式化について簡単に説明する初期の音圧がどのようにして超音波として検出器に伝播するかを示す。PAイメージングでは、再構成される目標画像マップは、音響初期音圧の空間分布であると考えることができる。 First, compressed sensing for PA imaging by sound velocity estimation will be described below. Here, we show how the initial sound pressure, which briefly describes the discretized formulation of PA propagation, propagates to the detector as ultrasonic waves. In PA imaging, the reconstructed target image map can be thought of as the spatial distribution of acoustic initial sound pressure.

図3は一定の音速cの場合における時刻t1での超音波伝搬を示す平面図である。図3において、光吸収物体A及びCからの超音波信号は、時刻t1で別のセンサ22に到着したばかりであり、音速cと時刻t1との積から距離Rを算出することができる。時刻t1でのセンサ22の観測信号は丁度到着した超音波信号の合計であると考えることができる。非特許文献4によれば、この前方伝搬問題は次式で表される。 FIG. 3 is a plan view showing ultrasonic wave propagation at time t1 in the case of a constant sound velocity c. In FIG. 3, the ultrasonic signals from the light absorbing objects A and C have just arrived at another sensor 22 at time t1, and the distance R can be calculated from the product of the speed of sound c and the time t1. The observation signal of the sensor 22 at time t1 can be considered to be the total of the ultrasonic signals that have just arrived. According to Non-Patent Document 4, this forward propagation problem is expressed by the following equation.

b=A(c)u (1) b = A (c) u (1)

ここで、TK×1ベクトルbは、複数のセンサ22からなるセンサアレイによって測定された電気信号を示し、Kはセンサ22の数であり、Tはタイムスロットの数である。ベクトルuは初期音圧の空間分布を表し、ここで、u(N=N×N×N)の大きさは視野に依存する。Nはx方向のセンサ22の数であり、Nはy方向のセンサ22の数であり、Nはz方向のセンサ22の数である。 Here, TK × 1 vector b represents an electric signal measured by a sensor array including a plurality of sensors 22, K is the number of sensors 22, and T is the number of time slots. The vector u represents the spatial distribution of the initial sound pressure, where the magnitude of u (N = N x × N y × N z ) depends on the visual field. N x is the number of sensors 22 in the x direction, N y is the number of sensors 22 in the y direction, and N z is the number of sensors 22 in the z direction.

ここで、TK×N行列A(c)をプロジェクション(射影)行列と定義し、音圧がどのように各位置と時間に伝播するかを記述する。A(c)の実施例は補足説明A2に記載されている。 Here, the TK × N matrix A (c) is defined as a projection matrix, and how the sound pressure propagates to each position and time is described. Examples of A (c) are described in Supplementary Explanation A2.

再構成問題は、b=A(c)uを満たす初期音圧uの分布を解くことを含む。サンプリングデータが不十分な場合は、その逆の問題は悪い考えである。これは、再構成された画像に縞模様のアーチファクトをもたらすからである。この問題に対処するために、CS法において、再構成問題の最適化における目標画像の特性を考慮に入れる。ここでは、例えば、フーリエドメイン(例えば、非特許文献3参照)、小さな全変動(例えば、非特許文献4参照)のような、より基本的なドメインにおけるスパース性を仮定して、CS法における再構成問題を以下のように定式化することができる。 The reconstruction problem includes solving the distribution of the initial sound pressure u satisfying b = A (c) u. If the sampled data is inadequate, the opposite problem is a bad idea. This is because it results in striped artifacts in the reconstructed image. To address this issue, the CS method takes into account the characteristics of the target image in optimizing the reconstruction problem. Here, re-in the CS method, assuming sparseness in a more basic domain, such as a Fourier domain (see, eg, Non-Patent Document 3), small total variation (see, eg, Non-Patent Document 4). The configuration problem can be formulated as follows.

(2) (2)

ここで、「s.t.」は「so that」の略で制約条件を示す。fは目標画像の特性(スパース性などの特徴)を記述する目的関数である。典型的には、L1ノルム|Ψu|又は全変動TV(u)は目的関数fのために使用される。ここで、Ψはスパース変換行列である。音速マップcが正しく与えられていれば、プロジェクション行列Aを計算して固定することができる。上記式(2)では、b=A(c)uの条件のもとで、音圧の空間分布uと音速cとを変化させて目的関数f(u)の値が小さくなるような、音圧の空間分布uと音速cを求める。従って、CS法(例えば、非特許文献8参照)を用いて画像を再構成することができる。しかし、この問題を解くことは、未知数の数が多く、プロジェクション行列A(c)は通常の音速cでは非線形であるために、uとcを同時に推定することは困難である。 Here, "s.t." is an abbreviation for "so that" and indicates a constraint condition. f is an objective function that describes the characteristics (features such as sparsity) of the target image. Typically, the L1 norm | Ψu | 1 or total variation TV (u) is used for the objective function f. Where Ψ is a sparse transformation matrix. If the sound velocity map c is given correctly, the projection matrix A can be calculated and fixed. In the above equation (2), a sound such that the value of the objective function f (u) becomes smaller by changing the spatial distribution u of the sound pressure and the speed of sound c under the condition of b = A (c) u. The spatial distribution u of pressure and the speed of sound c are obtained. Therefore, the image can be reconstructed by using the CS method (see, for example, Non-Patent Document 8). However, solving this problem is difficult to estimate u and c at the same time because there are many unknowns and the projection matrix A (c) is non-linear at the normal speed of sound c.

次いで、音速cを推定するための反復線形化について以下に説明する。 Next, iterative linearization for estimating the speed of sound c will be described below.

上述のように、式(2)の最適化問題は直接扱いにくい。ここで、大きな困難性の1つは、2N個の多数の未知パラメータである。この問題に対処するために、発明者らは追加的だが現実的な仮定を導入することによってそれを緩和することができる。撮像対象では、本発明者らは異なる音速を持つ領域はほんのわずかであり、これらの領域の位置は大体知られている。すなわち、例えば検査対象物1の組織の位置は患者によって大きく異なるわけではないため、小さな位置の差異は再構成に深刻な影響を与えない。ここで、音速ベクトルcを次式で表す。 As mentioned above, the optimization problem of equation (2) is difficult to handle directly. Here, one of the major difficulties is the large number of 2N unknown parameters. To address this problem, the inventors can mitigate it by introducing additional but realistic assumptions. In the imaging target, the present inventors have only a few regions having different sound velocities, and the positions of these regions are generally known. That is, for example, since the position of the tissue of the test object 1 does not differ greatly from patient to patient, a small difference in position does not have a serious effect on the reconstruction. Here, the sound velocity vector c is expressed by the following equation.

c=[c,c,…,c] (3) c = [c 1 , c 2 , ..., c L ] (3)

ここで、clはl番目の領域の音速であり、Lは速度の異なる領域の数である。以下、本発明者らは再構成問題におけるL個の速度(音速)を推定する。もう一つの難点は非線形性であり、音響伝搬関数A(c)は音速cに対して線形ではない。音速cの変化が小さい場合には、音速cの現在の推定値について線形化することによって、Δc=[Δc|…|c]に対して、プロジェクション行列A(c)を近似することができる。ここで、Ai,j,k(c+Δc)の要素は、次式のように近似することができる。 Here, cl is the speed of sound in the l-th region, and L is the number of regions having different velocities. Hereinafter, the present inventors estimate L velocities (sound velocities) in the reconstruction problem. Another difficulty is non-linearity, where the acoustic propagation function A (c) is not linear with respect to the speed of sound c. When the change in sound velocity c is small, the projection matrix A (c) can be approximated to Δc = [Δc 1 | ... | c L ] by linearizing the current estimated value of sound velocity c. it can. Here, the elements of A i, j, k (c + Δc) can be approximated as in the following equation.

(4) (4)

これは、未知数u,Δcにおける最適化問題につながり、目的関数は次式のように記述できる。 This leads to the optimization problem in the unknowns u and Δc, and the objective function can be described as follows.

(5) (5)

線形化は局所的にしか保持されないので、式(5)からの解(c+Δc)が式(1)を正確に解くことを期待すべきではない。式(1)の局所最小値を見つけるために、本発明者らは音速ベクトルcの現在の推定値を繰り返し線形化し、式(5)の一連の最適化を解くことができる。後述する実験結果でわかるように、初期の音速の速度差が大きすぎない限り、この反復は、初期音圧u及び音速cを推定することができる。完全な最適化手順は、図4の光超音波画像化処理として要約される。なお、式(5)では、目的関数の値が最小値であるときの結果データ(u,Δc)を求めているが、本発明はこれに限らず、実質的に最小値、もしくは当該最小値に近傍である、所定のしきい値以下の値である上記結果データを求めてもよい。 Since linearization is only retained locally, one should not expect the solution (c + Δc) from equation (5) to accurately solve equation (1). In order to find the local minimum value of equation (1), we can iteratively linearize the current estimate of the sound velocity vector c and solve a series of optimizations of equation (5). As can be seen from the experimental results described later, this repetition can estimate the initial sound pressure u and the speed of sound c as long as the speed difference of the initial sound velocity is not too large. The complete optimization procedure is summarized as the optical ultrasound imaging process of FIG. In the equation (5), the result data (u, Δc) when the value of the objective function is the minimum value is obtained, but the present invention is not limited to this, and is substantially the minimum value or the minimum value. The above-mentioned result data which is close to and is a value equal to or less than a predetermined threshold value may be obtained.

図4は実施形態1に係る光超音波画像化処理を示すフローチャートである。当該光超音波画像化処理は、線形化された最適化のシーケンスを表す。 FIG. 4 is a flowchart showing the optical ultrasonic imaging process according to the first embodiment. The optical ultrasound imaging process represents a linearized sequence of optimizations.

図4のステップS1において、まず、初期音速ベクトルをcとする。次いで、ステップS2において、ベクトル化された検出信号データをbとする。 In step S1 of FIG. 4, first, the initial sound velocity vector is c. Next, in step S2, let b be the vectorized detection signal data.

ここで、bは、T個のタイムスロットと、K個のセンサ数とで形成される空間におけるベクトル化された検出信号データである。 Here, b is vectorized detection signal data in a space formed by T time slots and K sensors.

ステップS3では、現在の音速ベクトルcに基づいて、次式を用いてプロジェクション行列A(c)及びヤコビアン行列を計算する。 In step S3, the projection matrix A (c) and the Jacobian matrix are calculated using the following equations based on the current sound velocity vector c.

(6) (6)

次いで、ステップS4では、次式を用いて、線形最適化の計算を行うことで結果データ(u,Δc)を計算する。ここで、Δcは音速変化量ベクトルであり、Δcは線形最適化後の音速変化量ベクトルである。 Next, in step S4, the result data (u * , Δc * ) is calculated by performing the calculation of the linear optimization using the following equation. Here, Δc is a sound velocity change amount vector, and Δc * is a sound velocity change amount vector after linear optimization.

(7) (7)

式(7)では、具体的には、補足説明A1における式(10)を用いる。 In the formula (7), specifically, the formula (10) in the supplementary explanation A1 is used.

ステップS5では、c+Δcを計算して次回の音速ベクトルcとおく。ステップS6では、現在の音圧データuを用いて信号データb=A(c)uの計算を行って信号データbを計算して表示部15に出力して中間画像化画像を表示部15に表示する。次いで、ステップS7では、収束条件(Δc<Δcth)が満たすか否かを判断し、YESのときはステップS8進む一方、NOのときはステップS3に戻る。ここで、Δcthは、音速変化量ベクトルのしきい値である。さらに、ステップS8では、結果データ(u,Δc)及び信号データbを表示部15に出力して画像化画像を表示して当該処理を終了する。 In step S5, c + Δc * is calculated and set as the next sound velocity vector c. In step S6, the signal data b = A (c) u * is calculated using the current sound pressure data u * , the signal data b is calculated and output to the display unit 15, and the intermediate imaged image is displayed on the display unit. Display on 15. Then, in step S7, it is determined whether convergence conditions (Δc * <Δc th) satisfies, while proceeds step S8 when YES, the if NO the process returns to the step S3. Here, .DELTA.c th is the threshold of sound change amount vector. Further, in step S8, the result data (u * , Δc * ) and the signal data b are output to the display unit 15, the imaged image is displayed, and the process is completed.

次いで、各繰り返しの最適化について以下に説明する。 Next, the optimization of each iteration will be described below.

提案された最適化方法では、様々なCS法を使用することができる。本実施形態では、全変動(TV:Total Variation)の目的関数を用いる。全変動の目的関数を最小化するTV最小化法は、現代の生物医学的画像再構成において広く使用されており、PAイメージングについても適用されている(例えば、非特許文献4参照)。全変動の目的関数では、基礎となる信号の勾配が疎である(スパース性を有する)ことが前提である。これは、l1の最小化と比較してより正確にエッジ又は境界を保存することによって、再構成された画像をより鮮明にするためである。全変動の目的関数を用いた最小化問題を解決するために、本発明者らは、拡張ラグランジュ乗数(ALM)(例えば、非特許文献10参照)を含む方法(拡張ラグランジュ乗数法)を用いる。具体的には、CS再構成のための離散TVモデルは次式で表される。 In the proposed optimization method, various CS methods can be used. In this embodiment, the objective function of total variation (TV) is used. The TV minimization method, which minimizes the objective function of total variation, is widely used in modern biomedical image reconstruction and is also applied to PA imaging (see, for example, Non-Patent Document 4). The objective function of total variation is premised on the sparse gradient of the underlying signal (having sparsity). This is to make the reconstructed image sharper by preserving the edges or boundaries more accurately compared to the minimization of l1. In order to solve the minimization problem using the objective function of total variation, the present inventors use a method (extended Lagrange multiplier method) including an extended Lagrange multiplier (ALM) (see, for example, Non-Patent Document 10). Specifically, the discrete TV model for CS reconstruction is expressed by the following equation.

(8) (8)

ここで
の和は全変動の目的関数における期間を示し、Duはボクセルiにおける音圧空間分布uの離散的勾配である。式(8)の最適化問題は、次式の拡張ラグランジュ関数を最小化することによって解決することができる。
here
The sum of indicates a period in the objective function of total variation, D i u is a discrete gradient of the sound pressure space distribution u in the voxel i. The optimization problem of equation (8) can be solved by minimizing the extended Lagrange function of equation (8).

(9) (9)

ここで、DはN×N行列であり、i行目がDであり、Σ及びΔは各制約条件に対するラグランジュ乗数行列であり、βとμは正のスカラー値である。なお、最適化の詳細については、補足説明A1を参照してください。 Here, D is N × N matrix, i-th row is D i, the Σ and Δ is the Lagrange multiplier matrix for each constraint, the β and μ is a positive scalar. For details on optimization, refer to Supplementary Explanation A1.

次いで、実験的評価について以下に説明する。 Next, the experimental evaluation will be described below.

本発明者らは、PA再構成に対する本方法の有効性を検証するためにシミュレーションを行った。MATLABのk−waveツールボックス(例えば、非特許文献11参照)を使用して光音響伝播をシミュレートした。なお、このツールボックスは光音響シミュレーションに広く使用されている。ここで、シミュレーションは2次元で行った。 The present inventors performed a simulation to verify the effectiveness of this method for PA reconstruction. Photoacoustic propagation was simulated using MATLAB's k-wave toolbox (see, eg, Non-Patent Document 11). This toolbox is widely used for photoacoustic simulation. Here, the simulation was performed in two dimensions.

図5は真値画像と複数のセンサ22の位置との関係を示す正面図である。図5において、右端のグレースケールは最初の音響音圧の強さを示す。黒い点はセンサ22の位置を示す。ここで、センサ22の数は70である。再構成画像のサイズは216×216ピクセルであり、各画素のサイズは0.0463[mm]であった。 FIG. 5 is a front view showing the relationship between the true value image and the positions of the plurality of sensors 22. In FIG. 5, the gray scale at the right end indicates the strength of the initial acoustic sound pressure. The black dots indicate the positions of the sensor 22. Here, the number of sensors 22 is 70. The size of the reconstructed image was 216 × 216 pixels, and the size of each pixel was 0.0463 [mm].

まず、音速が一定の場合の手法を評価した。1460〜1550[m/s]の種々の音速を使用してテストデータセットを生成し、音速の増分は10[m/s]であり、生体組織の音速はこの範囲内にあることが多いからである。その結果を、時間逆転法(例えば、非特許文献11参照)を用いたバックプロジェクション法、及びALMを用いた全変動目的関数を最小化するCS法(例えば、非特許文献10参照)で得られた結果と比較した。これらの方法は、各シミュレートされたデータセットに適用され、音速は1500[m/s]とした。
初期の音速として1500[m/s]を設定した再構成プロセスにおける速度を推定した。
First, we evaluated the method when the speed of sound is constant. Because test datasets were generated using various sound velocities from 1460 to 1550 [m / s], the speed of sound increment was 10 [m / s], and the speed of sound in living tissues was often within this range. Is. The results are obtained by a back projection method using a time reversal method (see, for example, Non-Patent Document 11) and a CS method (see, for example, Non-Patent Document 10) that minimizes the total variation objective function using ALM. Compared with the results. These methods were applied to each simulated dataset with a speed of sound of 1500 [m / s].
The speed in the reconstruction process was estimated with 1500 [m / s] set as the initial speed of sound.

図8は種々の音速における画像化画像であって、図8(a)はバックプロジェクション法による画像、図8(b)はCS法による画像、及び図8(c)は実施形態1に係る画像化法による画像を示す図である。ここで、バックプロジェクション及びCS法は、誤って与えられた音速のためにアーチファクトを被ることが分かる。対照的に、本実施形態に係る方法は1480〜1540[m/s]の音速範囲で画像を正常に再生できた。画質を定量的に評価するために、元のファントムを参照して再構成画像のピーク信号対雑音比(PSNR)を計算した。ここで、PSNRの価値が大きいほど、画像の品質が良くなる。 8 (a) is an image obtained by a back projection method, FIG. 8 (b) is an image obtained by a CS method, and FIG. 8 (c) is an image according to the first embodiment. It is a figure which shows the image by the chemical conversion method. Here, it can be seen that the back projection and CS methods suffer artifacts due to the speed of sound given incorrectly. In contrast, the method according to this embodiment was able to successfully reproduce an image in the sound velocity range of 1480 to 1540 [m / s]. In order to quantitatively evaluate the image quality, the peak signal-to-noise ratio (PSNR) of the reconstructed image was calculated with reference to the original phantom. Here, the greater the value of PSNR, the better the quality of the image.

図6は従来例であるバックプロジェクション法及びCS法、並びに実施形態1に係る画像化法による音速に対するPSNR(Peak Signal to Noise Ratio)特性を示すグラフである。図6から明らかなように、本実施形態に係る結果の画質は1480〜1540[m/s]の中で最高である。 FIG. 6 is a graph showing PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) characteristics with respect to sound velocity by the back projection method and the CS method, which are conventional examples, and the imaging method according to the first embodiment. As is clear from FIG. 6, the image quality of the result according to the present embodiment is the highest among 1480 to 1540 [m / s].

図7は真値画像及び実施形態1に係る画像化法による画像におけるデータセットの音速に対する推定された音速を示すグラフである。すなわち、図7は本実施形態の音速推定を評価したものである。本実施形態に係る方法は1480から1540[m/s]までの正確な音速を正常に推定した。次に、速度の異なる複数の領域が存在する場合の方法を評価した。 FIG. 7 is a graph showing the estimated sound velocity with respect to the sound velocity of the data set in the true value image and the image obtained by the imaging method according to the first embodiment. That is, FIG. 7 is an evaluation of the sound velocity estimation of the present embodiment. The method according to this embodiment normally estimated an accurate speed of sound from 1480 to 1540 [m / s]. Next, we evaluated the method when there are multiple regions with different velocities.

図9(a)の音速の組み合わせを用いた画像化結果画像であって、図9(b)はバックプロジェクション法による画像、図9(c)はCS法による画像、図9(d)は実施形態1に係る画像化による画像、図9(e)は図9(c)の画像の拡大画像、及び図9(f)は図9(d)の画像の拡大画像を示す図である。ここで、図9(a)に示す音速の組み合わせを用いてテストデータセットを生成し、音速の範囲は1470〜1540[m/s]であった。図9から明らかなように、音速が1540〜1510[m/s]でバックプロジェクション法(図9(b))及びCS法(図9(c))の結果においてアーチファクトが発生している。対照的に、本実施形態に係る方法は、画像を正常に回復し、すべての組み合わせについて音速を推定した。ここで、平均PSNRは以下の通りであった。
(1)バックプロジェクション法:21.75;
(2)CS法:23.46;
(3)実施形態1に係る方法:28.45、
なお、平均音推定誤差は2.17[m/s](1.4%)であった。
9 (a) is an imaging result image using the combination of sound velocities, FIG. 9 (b) is an image by the back projection method, FIG. 9 (c) is an image by the CS method, and FIG. 9 (d) is an image. 9 (e) is an enlarged image of the image of FIG. 9 (c), and FIG. 9 (f) is an enlarged image of the image of FIG. 9 (d) according to the first embodiment. Here, a test data set was generated using the combination of sound velocities shown in FIG. 9 (a), and the range of sound velocities was 1470 to 1540 [m / s]. As is clear from FIG. 9, artifacts occur in the results of the back projection method (FIG. 9 (b)) and the CS method (FIG. 9 (c)) when the speed of sound is 1540 to 1510 [m / s]. In contrast, the method according to this embodiment restored images normally and estimated the speed of sound for all combinations. Here, the average PSNR was as follows.
(1) Back projection method: 21.75;
(2) CS method: 23.46;
(3) Method according to the first embodiment: 28.45,
The average sound estimation error was 2.17 [m / s] (1.4%).

以上説明したように本実施形態に係る方法によれば、PAイメージングのための新しい再構成方法を提案し、スパース性を有する超音波信号から再構成問題を、CS法を使用して音速を同時に推定することで解くことができた。実験の結果は、実施形態に係る方法の有効性を実証し、音速と画質の大幅な改善に成功した。 As described above, according to the method according to the present embodiment, a new reconstruction method for PA imaging is proposed, the reconstruction problem is solved from the ultrasonic signal having sparsity, and the sound velocity is simultaneously controlled by using the CS method. I was able to solve it by estimating. The results of the experiment demonstrated the effectiveness of the method according to the embodiment and succeeded in significantly improving the speed of sound and image quality.

(補足説明A1)ALMの最適化.
式(9)の最適化問題は、次式(10)のように反復的に最小化される。
(Supplemental Information A1) Optimization of ALM.
The optimization problem of equation (9) is iteratively minimized as in equation (10) below.

(10) (10)

ここで、「sgn」は符号関数であり、kは反復のインデックスであり、Amijoのような非モノトーンラインサーチを用いて決定される。 Here, "sgn" is a sign function, k is an index of iterations, and is determined using a non-monotone line search such as Amijo.

(補足説明A2)プロジェクション行列.
非特許文献13によれば、プロジェクション行列A(c)に次式の減衰正弦波を用いる。
(Supplementary explanation A2) Projection matrix.
According to Non-Patent Document 13, an attenuated sine wave of the following equation is used for the projection matrix A (c).

(11) (11)

ここで、ωは超音波信号の周波数であり、iは位置指数であり、tはj番目のタイムスロットの時間、dは、k番目のセンサ22と音源との間の経路に音速cを有するエリア上の距離である。 Here, ω 0 is the frequency of the ultrasonic signal, i is the position index, t j is the time of the jth time slot, and dl is the speed of sound in the path between the kth sensor 22 and the sound source. is a distance on the areas with c l.

なお、プロジェクション行列A(c)に関して、以下を利用してもよい。
平均を
、分散σとするGauss分布関数等のタイムスロットt
のとき最大となり、これから離れるにつれて指数的に減衰する形状の関数。
The following may be used for the projection matrix A (c).
Average
, The time slot t j of the Gauss distribution function, etc. with the variance σ
A function with a shape that maximizes when

(実施形態1の変形例)
以上の実施形態1において用いる目的関数としては以下の種々のもの、もしくは、前記目的関数又はこれらの組み合わせを用いることができる。
(1)再構成画像を表す音圧空間分布uを所定の変換関数により変換した後の基底ドメイン(ベースドメイン)でのスパース性を用いる場合:
L1ノルム|Ψu|を利用する。ここで、例えば以下の変換関数の基底を用いることができる。
(a)フーリエ変換:Ψ は逆フーリエ変換の基底である。
(b)ウエーブレット(Wavelet)変換:Ψは逆Wavelet変換の基底である。
(c)離散コサイン変換
(d)Dictionary of orthogonal bases(例えば、非特許文献16参照)
(2)再構成画像を表す音圧空間分布u自体のスパース性を用いる場合:
L1ノルム|u|を利用する。ここで、例えば以下の関数を用いる。
(a)TV(total variation):全変動;
(b)L1ノルム:|TV(u)|:局所的な輝度の変化がスパースである;
(c)L2ノルム:|TV(u)|:局所的な輝度の変化量の総和が少ない;
(d)low dimensional smooth manifolds(例えば、非特許文献17参照);
(e)union of sub−spaces(例えば、非特許文献18参照);
(f)block−sparsity(例えば、非特許文献19参照)。
(3)上記(1)及び(2)の組み合わせ(例えば線形結合など)を用いてもよい。
(Modified Example of Embodiment 1)
As the objective function used in the above first embodiment, the following various objective functions, the objective function, or a combination thereof can be used.
(1) When the sparsity in the base domain (base domain) after the sound pressure spatial distribution u representing the reconstructed image is converted by a predetermined conversion function is used:
L1 norm | Ψu | 1 is used. Here, for example, the basis of the following transformation function can be used.
(A) Fourier transform: Ψ is the basis of the inverse Fourier transform.
(B) Wavelet transform: Ψ is the basis of the inverse Wavelet transform.
(C) Discrete cosine transform (d) Dictionary of orthogonal bases (see, for example, Non-Patent Document 16).
(2) When using the sparsity of the sound pressure spatial distribution u itself representing the reconstructed image:
The L1 norm | u | 1 is used. Here, for example, the following function is used.
(A) TV (total variation): total variation;
(B) L1 norm: | TV (u) | 1 : Local change in brightness is sparse;
(C) L2 norm: | TV (u) | 2 : The total amount of changes in local brightness is small;
(D) low dimensional smartphone manifolds (see, for example, Non-Patent Document 17);
(E) union of sub-spaces (see, for example, Non-Patent Document 18);
(F) block-sparseness (see, for example, Non-Patent Document 19).
(3) A combination of the above (1) and (2) (for example, a linear combination) may be used.

実施形態2.
図10は本発明の実施形態2に係る高精度化光超音波画像化処理の一例を示すフローチャートである。実施形態2では、センサ22の数Nを例えばN=20×20×20、N=40×40×40、N=100×100×100と少ない数から多い数に変化させることで空間解像度を昇順で変化させて、実施形態1に係る光超音波画像化処理(S100)をそれぞれを実行して各処理で得られた音速ベクトルcを次の初期音速ベクトルcとして用いて画像化処理を行うことを特徴としている。
Embodiment 2.
FIG. 10 is a flowchart showing an example of high-precision optical ultrasonic imaging processing according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the spatial resolution is increased in ascending order by changing the number N of the sensors 22 from a small number to a large number, for example, N = 20 × 20 × 20, N = 40 × 40 × 40, N = 100 × 100 × 100. The optical ultrasonic imaging process (S100) according to the first embodiment is executed, and the sound velocity vector c * obtained in each process is used as the next initial sound velocity vector c to perform the imaging process. It is characterized by that.

図10において、ステップS11において、センサ数N=20×20×20として、ステップS12でステップS100の光超音波画像化処理を実行して、音速ベクトルcを求める。次いで、ステップS13において、上記求めた音速ベクトルcを次の画像化処理のための初期音速ベクトルとして用いる。 In FIG. 10, in step S11, the number of sensors N = 20 × 20 × 20, and the optical ultrasonic imaging process of step S100 is executed in step S12 to obtain the sound velocity vector c * . Next, in step S13, the sound velocity vector c * obtained above is used as the initial sound velocity vector for the next imaging process.

次いで、ステップS14において、センサ数N=40×40×40として、ステップS15でステップS100の光超音波画像化処理を実行して、音速ベクトルcを求める。次いで、ステップS16において、上記求めた音速ベクトルcを次の画像化処理のための初期音速ベクトルとして用いる。 Next, in step S14, with the number of sensors N = 40 × 40 × 40, the optical ultrasonic imaging process of step S100 is executed in step S15 to obtain the sound velocity vector c * . Next, in step S16, the sound velocity vector c * obtained above is used as the initial sound velocity vector for the next imaging process.

次いで、ステップS15において、センサ数N=100×100×100として、ステップS16でステップS100の光超音波画像化処理を実行して、音速ベクトルcを含む結果データ(u,c)を求めて表示部15に出力して可視化して表示する。 Next, in step S15, assuming that the number of sensors N = 100 × 100 × 100, the optical ultrasonic imaging process of step S100 is executed in step S16, and the result data (u, c * ) including the sound velocity vector c * is obtained. Is output to the display unit 15 for visualization and display.

以上説明したように実施形態2によれば、空間解像度を昇順で変化させて、実施形態1に係る光超音波画像化処理(S100)をそれぞれを実行して各処理で得られた音速ベクトルcを次の初期音速ベクトルcとして用いて画像化処理を行うことで、画像化画像の精度を高めることができる。 As described above, according to the second embodiment, the spatial resolution is changed in ascending order, the optical ultrasonic imaging process (S100) according to the first embodiment is executed, and the sound velocity vector c obtained in each process is performed. The accuracy of the imaged image can be improved by performing the imaging process using * as the next initial sound velocity vector c.

実施形態3.
図11は本発明の実施形態3に係る高精度化光超音波画像化処理の一例を示すフローチャートである。実施形態3では、所定の単位時間当たりのタイムスロットの数T(サンプリング周波数の逆数に対応する)を例えばT=50、T=200、T=1000と少ない数から多い数に変化させることで時間解像度を昇順で変化させて、実施形態1に係る光超音波画像化処理(S100)をそれぞれを実行して各処理で得られた音速ベクトルcを次の初期音速ベクトルcとして用いて画像化処理を行うことを特徴としている。
Embodiment 3.
FIG. 11 is a flowchart showing an example of high-precision optical ultrasonic imaging processing according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the time is changed by changing the number T of time slots per predetermined unit time (corresponding to the reciprocal of the sampling frequency) from a small number to a large number such as T = 50, T = 200, and T = 1000. The resolution is changed in ascending order, the optical ultrasonic imaging process (S100) according to the first embodiment is executed, and the sound velocity vector c * obtained in each process is used as the next initial sound velocity vector c for imaging. It is characterized by performing processing.

図11において、ステップS21において、タイムスロット数T=50として、ステップS22でステップS100の光超音波画像化処理を実行して、音速ベクトルcを求める。次いで、ステップS23において、上記求めた音速ベクトルcを次の画像化処理のための初期音速ベクトルとして用いる。 In FIG. 11, in step S21, the number of time slots T = 50, the optical ultrasonic imaging process of step S100 is executed in step S22, and the sound velocity vector c * is obtained. Next, in step S23, the sound velocity vector c * obtained above is used as the initial sound velocity vector for the next imaging process.

次いで、ステップS24において、タイムスロット数T=200として、ステップS25でステップS100の光超音波画像化処理を実行して、音速ベクトルcを求める。次いで、ステップS16において、上記求めた音速ベクトルcを次の画像化処理のための初期音速ベクトルとして用いる。 Next, in step S24, with the number of time slots T = 200, the optical ultrasonic imaging process of step S100 is executed in step S25 to obtain the sound velocity vector c * . Next, in step S16, the sound velocity vector c * obtained above is used as the initial sound velocity vector for the next imaging process.

次いで、ステップS25において、タイムスロット数T=1000として、ステップS26でステップS100の光超音波画像化処理を実行して、音速ベクトルcを含む結果データ(u,c)を求めて表示部15に出力して可視化して表示する。 Next, in step S25, the number of time slots T = 1000, the optical ultrasonic imaging process of step S100 is executed in step S26, and the result data (u, c * ) including the sound velocity vector c * is obtained and displayed. Output to 15 for visualization and display.

以上説明したように実施形態3によれば、時間解像度を昇順で変化させて、実施形態1に係る光超音波画像化処理(S100)をそれぞれを実行して各処理で得られた音速ベクトルcを次の初期音速ベクトルcとして用いて画像化処理を行うことで、画像化画像の精度を高めることができる。 As described above, according to the third embodiment, the time resolution is changed in ascending order, the optical ultrasonic imaging process (S100) according to the first embodiment is executed, and the sound velocity vector c obtained in each process is performed. By performing the imaging process using * as the next initial sound velocity vector c, the accuracy of the imaged image can be improved.

なお、実施形態2及び3を組み合わせてもよい。すなわち、空間解像度と時間解像度の少なくとも一方を昇順で変化させて、実施形態1に係る光超音波画像化処理(S100)をそれぞれを実行して各処理で得られた音速ベクトルcを次の初期音速ベクトルcとして用いて画像化処理を行ってもよい。 In addition, you may combine Embodiments 2 and 3. That is, at least one of the spatial resolution and the temporal resolution is changed in ascending order, the optical ultrasonic imaging process (S100) according to the first embodiment is executed, and the sound velocity vector c * obtained in each process is obtained as follows. Imaging processing may be performed using it as the initial sound velocity vector c.

実施形態4.
図12は本発明の実施形態4に係る音速初期値アトラスを用いた画像化処理を示すフローチャートである。実施形態4に係る画像化処理は、音速初期値アトラスを用いて画像化精度を高めることを特徴としている。ここで、音速初期値アトラスとは予め作成及び保持しており実施形態1において初期音速(標準値)を決めるために利用される2次元又は3次元の音速アトラスであって、標準音速エリアが示されている地図(マップ)をいう。
Embodiment 4.
FIG. 12 is a flowchart showing an image processing using the sound velocity initial value atlas according to the fourth embodiment of the present invention. The imaging process according to the fourth embodiment is characterized in that the imaging accuracy is improved by using the sound velocity initial value atlas. Here, the sound velocity initial value atlas is a two-dimensional or three-dimensional sound velocity atlas that is created and held in advance and is used to determine the initial sound velocity (standard value) in the first embodiment, and the standard sound velocity area is indicated. Refers to the map that has been created.

図13は図12の画像化処理で用いる音速初期値アトラスを示す模式図である。図13から明らかなように、検査対象物1内の脂肪と筋肉の各領域で音速初期値が異なる。ここで、脂肪と筋肉は音速が互いに異なる一例の領域である。 FIG. 13 is a schematic diagram showing a sound velocity initial value atlas used in the imaging process of FIG. As is clear from FIG. 13, the initial value of sound velocity is different in each region of fat and muscle in the inspection object 1. Here, fat and muscle are examples of regions where the speeds of sound differ from each other.

図12のステップS31において、まず、音速を例えば1500m/sで固定とし、公知のバックプロジェクション法(又はCS法)を用いて画像データの再構成を行う(図14A)。ここで、音速が異なると画質には影響が出るが、大まかな組織の場所を知る上では、影響は少ないと考えられる。次いで、ステップS32において、ステップS31で得られた画像データに対して、公知のスムージング、膨張等の処理と、しきい値処理等の公知の画像処理を行って、血管分布から、血管を含む体組織領域を推定する(図14B)。ステップS33において、ステップS32で、公知の位置合わせ法(例えば、非特許文献20参照)を用いて推定した体組織領域と、音速初期値アトラスとの間で位置合わせを行う(図14C)ことで初期音速マップ(図14D)を計算する。具体的には、例えばステップS22で求めた体組織領域(一点鎖線内)をアトラスの領域(点線内)に対して位置合わせを以下の方法で行う。
(1)例えばアフィン変換で、体組織領域を平行移動、スケール、回転等によりアトラス領域に位置合わせする(例えば、非特許文献18参照)。
(2)例えば格子点をコントロール点とした非剛体位置合わせ(例えば、非特許文献19参照)により、体組織領域をアトラス領域に位置合わせする。
In step S31 of FIG. 12, first, the sound velocity is fixed at 1500 m / s, and the image data is reconstructed by using a known back projection method (or CS method) (FIG. 14A). Here, if the speed of sound is different, the image quality is affected, but it is considered that the influence is small in knowing the rough location of the tissue. Next, in step S32, the image data obtained in step S31 is subjected to known processing such as smoothing and expansion and known image processing such as threshold processing, and the body containing blood vessels is obtained from the blood vessel distribution. The tissue area is estimated (Fig. 14B). In step S33, in step S32, the body tissue region estimated by using a known alignment method (see, for example, Non-Patent Document 20) and the initial sound velocity atlas are aligned (FIG. 14C). The initial sound velocity map (FIG. 14D) is calculated. Specifically, for example, the body tissue region (inside the alternate long and short dash line) obtained in step S22 is aligned with respect to the atlas region (inside the dotted line) by the following method.
(1) For example, by affine transformation, the body tissue region is aligned with the atlas region by translation, scale, rotation, etc. (see, for example, Non-Patent Document 18).
(2) For example, the body tissue region is aligned with the atlas region by non-rigid body alignment (see, for example, Non-Patent Document 19) with a grid point as a control point.

次いで、ステップS34において、ステップS33で求めた位置合わせ後の初期音速マップを用いて、異なる音速を有する領域及び初期音速マップを生成する。さらに、ステップS35において、ステップS34で生成した初期音速マップを初期音速として用いて光超音波画像化処理(S100)を実行することで音速マップ及び再構築画像データを推定する。 Next, in step S34, regions having different sound velocities and an initial sound velocity map are generated by using the initial sound velocity map after alignment obtained in step S33. Further, in step S35, the sound velocity map and the reconstructed image data are estimated by executing the optical ultrasonic imaging process (S100) using the initial sound velocity map generated in step S34 as the initial sound velocity.

以上説明したように本実施形態によれば、音速初期値アトラスを用いて、実施形態1と組み合わせて位置合わせすることで、実施形態1に係る方法に比較して高精度で画像化できる。 As described above, according to the present embodiment, by using the sound velocity initial value atlas and aligning the image in combination with the first embodiment, it is possible to image with higher accuracy than the method according to the first embodiment.

以上の各実施形態に係る画像化処理又は方法の各ステップをコンピュータで実行可能なプログラムとして構成することができる。当該プログラムは例えばCD−ROM又はDVD−ROMなどのコンピュータにより読取可能な記録媒体に格納することができる。 Each step of the imaging process or method according to each of the above embodiments can be configured as a computer-executable program. The program can be stored on a computer-readable recording medium such as a CD-ROM or DVD-ROM.

以上詳述したように、本発明によれば、従来技術に比較して高精度で、例えば人体などの生体組織の対象物を画像化できる医用画像化装置等を提供することができる。 As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a medical imaging device or the like capable of imaging an object of a living tissue such as a human body with higher accuracy than the prior art.

1…検査対象物、
10…光超音波画像化装置、
11…コントローラ、
12…信号受信回路、
13…データメモリ、
14…操作部、
15…表示部、
16…画像処理部、
20…光超音波光源及び検出装置、
21…センサ支持部、
22…センサ、
23…メッシュ板、
24…水、
25…レーザ光源。
1 ... Inspection target,
10 ... Optical ultrasonic imaging device,
11 ... Controller,
12 ... Signal receiving circuit,
13 ... Data memory,
14 ... Operation unit,
15 ... Display,
16 ... Image processing unit,
20 ... Optical ultrasonic light source and detection device,
21 ... Sensor support,
22 ... Sensor,
23 ... Mesh board,
24 ... water,
25 ... Laser light source.

Claims (14)

光超音波画像化法により、対象物に対して光を照射して前記対象物から発生する超音波を複数のセンサで複数の検出信号として検出し、音圧空間分布を示す複数の検出信号からなる音圧データに基づいて前記対象物を画像化する画像化処理を行う制御手段を備えた光超音波画像化装置において、
前記制御手段は、所定の初期音速データに基づいて、音速データのプロジェクション行列に初期の音圧ベクトルを乗算したときの乗算結果を音圧データとするときに、前記初期の音圧ベクトルに関する目的関数であって、前記対象物の画像データのスパース性、もしくは、前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのスパース性を表す目的関数の値が所定のしきい値以下になるように、音速が異なる複数の領域の音速を含む音速ベクトルを変化させて、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定することで、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算することを特徴とする光超音波画像化装置。
By the optical ultrasonic imaging method, an object is irradiated with light, ultrasonic waves generated from the object are detected as a plurality of detection signals by a plurality of sensors, and from a plurality of detection signals showing a sound pressure spatial distribution. In an optical ultrasonic imaging device provided with a control means for performing an imaging process for imaging the object based on the sound pressure data.
The control means is an objective function relating to the initial sound pressure vector when the multiplication result obtained by multiplying the projection matrix of the sound velocity data by the initial sound pressure vector is used as the sound pressure data based on the predetermined initial sound velocity data. The value of the objective function representing the sparseness of the image data of the object or the sparseness of the data underlying the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data is a predetermined threshold value. Imaged image data based on the sound velocity vector is calculated by simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound velocity vector by changing the sound velocity vector including the sound velocity in a plurality of regions having different sound velocity as follows. An optical ultrasonic imaging device characterized by this.
前記制御手段は、前記目的関数の値が実質的に最小になるように、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算することを特徴とする請求項1記載の光超音波画像化装置。 The optical ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the control means calculates imaged image data based on the sound velocity vector so that the value of the objective function is substantially minimized. .. 前記目的関数は、前記対象物の画像データ、もしくは前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのL1ノルム、L2ノルム、又は全変動、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項1又は2記載の光超音波画像化装置。 The objective function is the image data of the object, or the L1 norm, L2 norm, or total variation, or a combination thereof, of the data on the basis of the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data. The optical ultrasonic imaging apparatus according to claim 1 or 2. 前記制御手段は、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定する途中の前記対象物の画像データ、もしくは、前記画像化後の画像データを表示部に出力することで可視化することを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の光超音波画像化装置。 The control means is characterized in that the image data of the object in the process of simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound velocity vector, or the image data after the imaging is output to the display unit for visualization. The optical ultrasonic imaging apparatus according to any one of 1 to 3. 前記制御手段は、前記光超音波画像化法の空間解像度と時間解像度のうちの少なくとも一方を昇順で変化させて、前記光超音波画像化法により画像化処理をそれぞれ実行し、各画像化処理で得られた音速ベクトルを次の初期音速ベクトルとして用いて画像化処理を行うことを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の光超音波画像化装置。 The control means changes at least one of the spatial resolution and the temporal resolution of the optical ultrasonic imaging method in ascending order, executes the imaging process by the optical ultrasonic imaging method, and performs each imaging process. The optical ultrasonic imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein an imaging process is performed using the sound velocity vector obtained in 1) as the next initial sound velocity vector. 前記対象物は互いに音速が異なる第1及び第2の領域を含み、
前記制御手段は、
(1)所定の初期音速ベクトルを用いて、所定の画像化法を用いて前記対象物を画像化して画像データを計算し、
(2)前記計算された画像データに対して所定の画像処理を行うことで、前記第2の領域を推定し、
(3)所定の位置合わせ法により、前記推定した第2の領域を、前記対象物の各領域の音速初期値を地図で示す所定の音速初期値アトラスに位置合わせすることで初期音速マップを計算し、
(4)前記位置合わせされた初期音速マップを用いて、請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の画像化処理を行うことを特徴とする光超音波画像化装置。
The object includes first and second regions having different sound velocities from each other.
The control means
(1) Using a predetermined initial sound velocity vector, the object is imaged using a predetermined imaging method, and image data is calculated.
(2) The second region is estimated by performing predetermined image processing on the calculated image data.
(3) The initial sound velocity map is calculated by aligning the estimated second region with the predetermined sound velocity initial value atlas showing the initial sound velocity value of each region of the object by the predetermined alignment method. And
(4) An optical ultrasonic imaging apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the imaging process according to any one of claims 1 to 5 is performed using the aligned initial sound velocity map.
光超音波画像化法により、対象物に対して光を照射して前記対象物から発生する超音波を複数のセンサで複数の検出信号として検出し、音圧空間分布を示す複数の検出信号からなる音圧データに基づいて前記対象物を画像化する画像化処理を行う制御手段を備えた光超音波画像化装置のための光超音波画像化方法において、
前記制御手段が、所定の初期音速データに基づいて、音速データのプロジェクション行列に初期の音圧ベクトルを乗算したときの乗算結果を音圧データとするときに、前記初期の音圧ベクトルに関する目的関数であって、前記対象物の画像データのスパース性、もしくは、前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのスパース性を表す目的関数の値が所定のしきい値以下になるように、音速が異なる複数の領域の音速を含む音速ベクトル又はその変化量変化させて、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定することで、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算するステップを含むことを特徴とする光超音波画像化方法。
By the optical ultrasonic imaging method, an object is irradiated with light, ultrasonic waves generated from the object are detected as a plurality of detection signals by a plurality of sensors, and from a plurality of detection signals showing a sound pressure spatial distribution. In the optical ultrasonic imaging method for an optical ultrasonic imaging device provided with a control means for performing an imaging process for imaging the object based on the sound pressure data.
When the control means obtains the sound pressure data as the result of multiplying the projection matrix of the sound pressure data by the initial sound pressure vector based on the predetermined initial sound pressure data, the objective function relating to the initial sound pressure vector. The value of the objective function representing the sparseness of the image data of the object or the sparseness of the base data of the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data is a predetermined threshold value. Imaged image data based on the sound pressure vector by simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound speed vector by changing the sound pressure vector including the sound speeds in a plurality of regions having different sound speeds or the amount of change thereof as follows. An optical ultrasound imaging method comprising the step of calculating.
前記制御手段が、前記目的関数の値が実質的に最小になるように、前記音速ベクトルに基づく画像化された画像データを計算するステップを含むことを特徴とする請求項7記載の光超音波画像化方法。 The optical ultrasound according to claim 7, wherein the control means includes a step of calculating an imaged image data based on the sound velocity vector so that the value of the objective function is substantially minimized. Imaging method. 前記目的関数は、前記対象物の画像データ、もしくは前記画像データに対して所定の変換を行ったときの変換の基底のデータのL1ノルム、L2ノルム、又は全変動、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項7又は8記載の光超音波画像化方法。 The objective function is the image data of the object, or the L1 norm, L2 norm, or total variation, or a combination thereof, of the data on the basis of the conversion when a predetermined conversion is performed on the image data. 7. The optical ultrasonic imaging method according to claim 7 or 8. 前記制御手段が、音圧ベクトルと音速ベクトルを同時に推定する途中の前記対象物の画像データ、もしくは、前記画像化後の画像データを表示部に出力することで可視化するステップを含むことを特徴とする請求項7〜9のうちのいずれか1つに記載の光超音波画像化方法。 The control means includes a step of visualizing the image data of the object in the process of simultaneously estimating the sound pressure vector and the sound velocity vector, or the image data after the imaging by outputting the image data to the display unit. The optical ultrasonic imaging method according to any one of claims 7 to 9. 前記制御手段が、前記光超音波画像化法の空間解像度と時間解像度のうちの少なくとも一方を昇順で変化させて、前記光超音波画像化法により画像化処理をそれぞれ実行し、各画像化処理で得られた音速ベクトルを次の初期音速ベクトルとして用いて画像化処理を行うことを特徴とする請求項7〜10のうちのいずれか1つに記載の光超音波画像化方法。 The control means changes at least one of the spatial resolution and the temporal resolution of the optical ultrasonic imaging method in ascending order, executes the imaging process by the optical ultrasonic imaging method, and performs each imaging process. The optical ultrasonic imaging method according to any one of claims 7 to 10, wherein an imaging process is performed using the sound velocity vector obtained in 1) as the next initial sound velocity vector. 前記対象物は互いに音速が異なる第1及び第2の領域を含み、
前記制御手段が、
(1)所定の初期音速ベクトルを用いて、所定の画像化法を用いて前記対象物を画像化して画像データを計算し、
(2)前記計算された画像データに対して所定の画像処理を行うことで、前記第2の領域を推定し、
(3)所定の位置合わせ法により、前記推定した第2の領域を、前記対象物の各領域の音速初期値を地図で示す所定の音速初期値アトラスに位置合わせすることで初期音速マップを計算し、
(4)前記位置合わせされた初期音速マップを用いて、請求項7〜11のうちのいずれか1つに記載の画像化処理を行うステップを含むことを特徴とする光超音波画像化方法。
The object includes first and second regions having different sound velocities from each other.
The control means
(1) Using a predetermined initial sound velocity vector, the object is imaged using a predetermined imaging method, and image data is calculated.
(2) The second region is estimated by performing predetermined image processing on the calculated image data.
(3) The initial sound velocity map is calculated by aligning the estimated second region with the predetermined sound velocity initial value atlas showing the initial sound velocity value of each region of the object by the predetermined alignment method. And
(4) An optical ultrasonic imaging method comprising the step of performing the imaging process according to any one of claims 7 to 11 using the aligned initial sound velocity map.
請求項7〜12のうちのいずれか1つに記載の光超音波画像化方法の各ステップを含むことを特徴とする、コンピュータにより実行可能な光超音波画像化装置の制御プログラム。 A computer-executable control program for an optical ultrasonic imaging apparatus, comprising each step of the optical ultrasonic imaging method according to any one of claims 7 to 12. 請求項13記載の光超音波画像化装置の制御プログラムを格納することを特徴とする、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体。 A computer-readable recording medium comprising storing the control program of the optical ultrasonic imaging apparatus according to claim 13.
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