超音波医用画像取得装置は、他の医用画像取得法、例えばX線Computered Tomography(CT)やMagnetic Resonance Imaging(MRI)画像などに比較して、イオン化エネルギーを使用しないため安全である。また、装置も簡単で、比較的に安価である。しかし、超音波画像は解像度が低い、またその撮像原理により組織の持つ定性的な情報しか画像化できないという欠点がある。

　X線CTの場合は、定性的でなく、定量的情報を表示する。よって、超音波の利点とCTの利点をうまくあわせることができれば、解像度の高い、安全、簡単、使いやすい画像取得装置が得られる。今までに、いくつかの研究がされているが、様々な問題点があるため、まだ実用的ではない[1]。例えば、X線の場合、高エネルギー電磁波を用いているため、屈折や回折といった現象はほとんどなく、走査線は直線となる。一方超音波では走査エネルギーが生体組織に強く作用するため、屈折及び回折は無視できない。従って、超音波の走査データから画像を再構成するための簡便な理論的モデルが使用できない[2]。

　本研究では、超音波透過データのみでなく、音波の反射信号を利用し、別の定性的な情報を抽出して、その情報を再構成した画像の上で補正する。反射の定性的な情報というのは透過線上で対象の中にある組織の境界位置になる。そして、それぞれ境界位置で透過線を分け、各部分を補正する。

　さらに、装置を実用的にするには、走査データの数と範囲を少なくする必要がある。図1は超音波スキャナーの構造を示す。走査時間をできるだけ短くするため、全体の走査をしないと、limitedangleという問題が生じる。つまり、走査データは少なくなる。さらに、小さく、使いやすい装置を作るために、できるだけtransducerは対象の近くに置くことにする。それにより、一回のスキャンで全体の断面が走査できない。つまりpartial projectionという問題が生じる。よって、本研究ではそれらの問題点の解決法として、反射を利用した補正手法を考案しそれについての検討を行なった。

図1:超音波スキャナの構造。

　写真8に作成した寒天ファントムを示す。中に四つの穴があり、実験のときには水を入れておく。寒天には、13%のエタノールを加えた。これは寒天の超音波速度を上げて、生物組織の速度の1540m/sと同じ程度にするためである。

　このファントムの回りで、5度ステップで360度のスキャンをして、全部で72の位置から投影データを得た。各位置では-30度から30度までスキャンした。

　データを処理し、得られた画像を写真9に示す。ここで2%の強さのmean correctionとdeviation correctionを用いた。つまり、＝＝0.02である。再構成ループは3回くりかえして、Sun Sparc10で約1分かかった。この画像では、四つの穴がよく見える。再構成画像では、白いピクセルは低い速度で、黒いピクセルは高い速度を表す。穴の水では寒天より音波が遅いので、画像で穴は白く表示される。

　写真10は、反射信号による補正を行わずに、再構成をして得た画像である。Phantomの輪郭が表示されておらず、穴の輪郭もよく見えない。

　図6は0%(補正なし)、1%、2%、4%の補正強さを用いた再構成画像の中心水平線のピクセル値を示している。ピクセル値は/₀(又は、c₀/c)のように表示されている。補正を使わないと、ピクセルノイズは大きくなり、水と寒天の区別がはっきり表示されない。補正レベルをあげるほど、各透過線区間は平滑化され、再構成画像を改善できる。

　4%以上の補正を使うと、穴の境界が消えてしまう。図7は8%と16%の補正強さで再構成した画像の中心水平線ピクセル値を示し、写真11にその画像を示す。弱い補正を使うとARTの処理で改善できるが、反射情報は定性的であり、単なる境界位置のヒントであるため、補正レベルを強くすると定量的な投影データを壊してしまうことがわかる。

　次に投影データをは0から180度、各スキャン範囲を40度とした。これにより、走査データは少なくなる。得られた画像は写真12である。補正の強さは2%、アルゴリズムは3回くりかえした。比較のため、写真13に補正なしの画像を示す。

　補正をかけた画像の場合については、プローブの近くに置いてあるものはよく表示されているが、遠いところでは画像のqualityが少し落ちる。しかし、断面の一部の領域だけに興味がある場合は、limited angle partial projectionを利用して、目的の領域の画像をあまり変わらずに得られるので、速くスキャンすることができる。

図6:Line plots of pixel values along the middle horizontal line of reconstructed images using different levels of correction (＝).

図7:Line plots of reconstructions using strong correction (＝).

　本研究では新しい超音波透過トモグラフィーシステムを開発した。

　超音波の理論的な問題に対して、反射信号によるRay Interval Correctionという補正手法を開発した。これにより、投影データは少なくてもよい画像を再構成できるということが分かった。

　また、ファントム実験を行い、補正の効果を示した。補正レベルが強すぎると、正しい画像が得られず、適当なレベルは2%から4%ぐらいであった。

図8:Agar phantom今後は、より小型で精度のいいスキャナを開発してin vivo実験を続ける必要がある。