JP5840069B2 - 光音響画像生成装置、システム、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光音響画像生成装置、システム、及び方法に関し、更に詳しくは、被検体に光を照射し、光照射により被検体内で生じた音響波を検出して光音響画像を生成する光音響画像生成装置、システム、及び方法に関する。

生体内部の状態を非侵襲で検査できる画像検査法の一種として、超音波検査法が知られている。超音波検査では、超音波の送信及び受信が可能な超音波探触子を用いる。超音波探触子から被検体（生体）に超音波を送信させると、その超音波は生体内部を進んでいき、組織界面で反射する。超音波探触子でその反射音波を受信し、反射超音波が超音波探触子に戻ってくるまでの時間に基づいて距離を計算することで、内部の様子を画像化することができる。

また、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響イメージングが知られている。一般に光音響イメージングでは、パルスレーザ光を生体内に照射する。生体内部では、生体組織がパルスレーザ光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーによる断熱膨張により超音波（光音響信号）が発生する。この光音響信号を超音波プローブなどで検出し、検出信号に基づいて光音響画像を構成することで、光音響信号に基づく生体内の可視化が可能である。

ここで、超音波イメージングにおいて、被検体内に送信された超音波の周波数を基本周波数として、その基本周波数の整数倍の周波数の超音波（高調波）を検出し、検出した高調波に基づいて超音波画像を生成するハーモニックイメージングが知られている。ハーモニックイメージングに関し、特許文献１には、基本波に基づいて基本波画像を生成し、高調波に基づいて高調波画像を生成し、基本波画像と高調波画像とを加算合成して表示することが記載されている。また、特許文献２には、関心領域が高調波画像で構成され、それ以外の領域が基本波画像で構成されるように、基本波画像と高調波画像とを部分的に合成することが記載されている。

特開２００４−７３６２０号公報 特開平１１−２９０３１８

光音響波画像には、低周波成分から高周波成分まで様々な周波数成分が含まれる。例えば血管を表示する場合に、低周波成分のみを表示することを考えると、太い血管が見やすくなる。しかしながら、細部の情報は失われる。一方、高周波成分のみでは、血管の断片化が目立つことになる。単に低周波成分の画像に高周波成分の画像を重ねると、太い血管の上に断片化された血管が重畳され、ギラついた見難い画像となる。

本発明は、上記に鑑み、単に低周波成分の画像と高周波成分の画像を重ねた場合に比して見難さを抑えることができる態様で、低周波成分の画像と高周波成分の画像とを合成する光音響画像生成装置、システム、及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被検体に対する光照射により被検体内で生じた光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段であって、所定周波数以下の周波成分に対応した第１の光音響画像と、所定周波数よりも高い周波数成分に対応した第２の光音響画像とを生成する画像生成手段と、第１の光音響画像の画素値が所定のしきい値以下の画素に、第２の光音響画像の対応する画素を重ねることで、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成する画像合成手段とを備えたことを特徴とする光音響画像生成装置を提供する。

本発明では、画像生成手段が、光音響波の検出信号に基づいて所定周波数以下の成分及び所定周波数よりも高い成分の双方を含む第３の光音響画像を生成する元画像生成手段と、第３の光音響画像に対して所定周波数よりも高い成分を少なくとも減衰させるローパスフィルタを適用して第１の光音響画像を生成する第１のフィルタ手段と、第３の光音響画像に対して所定周波数以下の成分を少なくとも減衰させるハイパスフィルタを適用して第２の光音響画像を生成する第２のフィルタ手段とを含む構成を採用することができる。

元画像生成手段は、３次元的に検出された光音響波に基づく３次元画像データから、３次元空間を構成する軸のうちの１つの軸に垂直な面に沿って断面を切り出し、該切り出した断面を含む１つの軸に沿った方向の所定範囲の画像データを統合した断面画像を第３の光音響画像として生成するものとしてもよい。

上記の場合、元画像生成手段、１つの軸に沿った複数の位置で断面を切り出して複数の断面画像を生成してもよい。その際、元画像生成手段は、断面を等間隔で切り出してもよい。

元画像生成手段は、被検体に深さ方向に対応する軸に沿って、光音響波を検出する際の音響波検出面と平行な方向に断面を切り出すものとしてもよい。

元画像生成手段が、所定範囲内の画像データの最大値を投影し、又は所定範囲内の画像データを積分することで、所定範囲内の画像データを統合することとしてもよい。

画像合成手段は、第１の画像と第２の画像とで色を変えて画像を合成してもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、光音響波の検出信号から、被検体に照射された光の微分波形をデコンボリューションするデコンボリューション手段を更に備えた構成としてもよい。

本発明は、また、被検体に照射すべき光を出射する光源と、被検体に対する光照射により被検体内で生じた光音響波を検出する音響波検出手段と、検出された光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段であって、所定周波数以下の周波成分に対応した第１の光音響画像と、所定周波数よりも高い周波数成分に対応した第２の光音響画像とを生成する画像生成手段と、第１の光音響画像の画素値が所定のしきい値以下の画素に、第２の光音響画像の対応する画素を重ねることで、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成する画像合成手段とを備えたことを特徴とする光音響画像生成システムを提供する。

さらに、本発明は、被検体に対する光照射により被検体内で生じた光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成するステップであって、所定周波数以下の周波成分に対応した第１の光音響画像と、所定周波数よりも高い周波数成分に対応した第２の光音響画像を生成するステップと、第１の光音響画像における画素値が所定のしきい値以下の画素に、第２の光音響画像における対応する画素を重ねることで、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成するステップとを有することを特徴とする光音響画像生成方法を提供する。

本発明の光音響画像生成装置、システム、及び方法は、低周波成分を含む第１の光音響画像と高周波成分を含む第２の光音響画像とを生成し、第１の光音響画像における画素値が所定のしきい値以下の画素に、第２の光音響画像における対応する画素を重ねることで、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成する。第１の光音響画像における画素値が所定のしきい値以下の画素は、低周波成分の画像において情報がないか、又は情報が少ない画素に対応しており、そのような画素に第２の光音響画像の対応する画素を重ねることで、第１の光音響画像において情報がないか又は少ない部分を、第２の光音響画像の情報で補うことができる。また、このような画像合成を行うことで、単に低周波成分の画像と高周波成分の画像を重ねた場合に比して見難さを抑えることができる。

本発明の第１実施形態の光音響画像生成システムを示すブロック図。 光音響信号の検出空間を示す図。 ＸＺ断面の断層画像を示す図。 断面画像生成手段が生成する断面画像を示す図。 断面画像の画像例を示す図。 第１の光音響画像の画像例を示す図。 第２の光音響画像の画像例を示す図。 合成画像の画像例を示す図。 光音響画像生成システムの動作手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置における元画像生成手段を示すブロック図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の光音響画像生成システムを示す。光音響画像生成システム（光音響画像診断システム）１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、及びレーザユニット１３を備える。

レーザユニット１３は、光源であり、被検体に照射すべき光（レーザ光）を生成する。レーザ光の波長は、観察対象物に応じて適宜設定すればよい。レーザユニット１３は、例えばヘモグロビンの吸収が大きい波長、具体的には７５０ｎｍや８００ｎｍの波長の光を出射する。レーザユニット１３が出射するレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。あるいは、プローブ１１以外の場所から光照射を行うこととしてもよい。

プローブ１１は、被検体内からの音響波（超音波）を検出する音響波検出手段を有する。プローブ１１は、例えば一次元的に配列された複数の超音波振動子を有している。プローブ１１は、被検体内の測定対象物がレーザユニット１３からの光を吸収することで生じた光音響波を複数の超音波振動子により検出する。

超音波ユニット１２は、検出された光音響波に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置に相当する。超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、画像生成手段２４、画像合成手段２８、トリガ制御回路２９、及び制御手段３０を有する。制御手段３０は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。受信回路２１は、プローブ１１が検出した光音響波の検出信号（光音響信号）を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えばＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で光音響信号をサンプリングする。

トリガ制御回路２９は、レーザユニット１３に対して光出射を指示する光トリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、図示しないＹＡＧやチタン−サファイアなどのレーザ媒質を励起するフラッシュランプ４１と、レーザ発振を制御するＱスイッチ４２とを含む。レーザユニット１３は、トリガ制御回路２９がフラッシュランプトリガ信号を出力すると、フラッシュランプ４１を点灯し、レーザ媒質を励起する。トリガ制御回路２９は、例えばフラッシュランプ４１がレーザ媒質を十分に励起させると、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチ４２は、Ｑスイッチトリガ信号を受けるとオンし、レーザユニット１３からレーザ光を出射させる。フラッシュランプ４１の点灯からレーザ媒質が十分な励起状態となるまでに要する時間は、レーザ媒質の特性などから見積もることができる。

なお、トリガ制御回路２９からＱスイッチを制御するのに代えて、レーザユニット１３内において、レーザ媒質を十分に励起させた後にＱスイッチ４２をオンにしてもよい。その場合は、Ｑスイッチ４２をオンにした旨を示す信号を超音波ユニット１２側に通知してもよい。ここで、光トリガ信号とは、フラッシュランプトリガ信号とＱスイッチトリガ信号の少なくとも一方を含む概念である。トリガ制御回路２９からＱスイッチトリガ信号を出力する場合はＱスイッチトリガ信号が光トリガ信号に対応し、レーザユニット１３にてＱスイッチトリガのタイミングを生成する場合はフラッシュランプトリガ信号が光トリガ信号に対応していてもよい。光トリガ信号が出力されることで、被検体に対するレーザ光の照射及び光音響信号の検出が行われる。

また、トリガ制御回路２９は、ＡＤ変換手段２２に対して、サンプリング開始を指示するサンプリングトリガ信号を出力する。トリガ制御回路２９は、光トリガ信号の出力後、所定のタイミングでサンプリングトリガ信号を出力する。トリガ制御回路２９は、光トリガ信号の出力後、好ましくは、被検体に実際にレーザ光が照射されるタイミングで、サンプリングトリガ信号を出力する。例えばトリガ制御回路２９は、Ｑスイッチトリガ信号の出力と同期してサンプリングトリガ信号を出力する。

ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号を受けると、プローブ１１にて検出された光音響信号のサンプリングを開始する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングした光音響信号を、受信メモリ２３に格納する。受信メモリ２３には、例えば半導体記憶装置を用いることができる。あるいは、受信メモリ２３に、その他の記憶装置、例えば磁気記憶装置を用いてもよい。

画像生成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、読み出した光音響信号に基づいて光音響画像を生成する。画像生成手段２４は、所定周波数以下の周波成分（低周波成分）に対応した第１の光音響画像（低周波画像）と、所定周波数よりも高い周波数成分（高周波成分）に対応した第２の光音響画像（高周波画像）とを生成する。なお、第１の光音響画像と第２の光音響画像とで、周波数帯域が完全に分離している必要まではなく、周波数帯域が一部重複していても構わない。

画像生成手段２４は、例えば元画像生成手段２５と、第１のフィルタ手段２６と、第２のフィルタ手段２７とを含む。元画像生成手段２５は、受信メモリ２３に格納された光音響信号に基づいて、低周波成分と高周波成分の双方を含む光音響画像（第３の光音響画像）を生成する。光音響画像の生成は、典型的には光音響信号の再構成、検波・対数変換、光音響画像の構築を含む。

元画像生成手段２５は、例えば遅延加算法（Delay and Sum、位相整合加算、整相加算と同義）を用いて光音響信号を再構成する。例えば元画像生成手段２５は、６４素子分の光音響信号を各素子（各超音波振動子）の位置に応じた遅延時間で加算する。遅延加算に際して、被検体内の音速は一定であると仮定してよいし、音速分布を考慮して各素子の遅延時間を補正してもよい。遅延加算方向に代えて、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。

元画像生成手段２５は、再構成後の光音響信号に対して検波・対数変換を行い、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、光音響画像を生成する。元画像生成手段２５は、例えば光音響信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を、断層画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像（第３の光音響画像）を生成する。

元画像生成手段２５は、例えば３次元的に検出された光音響信号に基づいて３次元画像データを生成し、３次元画像データから任意の断面の断面画像（第３の光音響画像）を生成してもよい。元画像生成手段２５は、例えば３次元空間を構成する軸のうちの１つの軸に垂直な面に沿って、３次元画像データを切り出す。元画像生成手段２５は、切り出した断面を含む、その断面に垂直な方向の所定範囲の画像データを統合した断面画像データを第３の光音響画像として生成する。例えば元画像生成手段２５が被検体の深さ方向に相当する軸のある位置で、プローブ１１の音響波検出面に平行な面に沿って断面を切り出す場合、その断面位置の前後（浅い方向と深い方向）の所定枚数分の断面画像を、１つの画像に統合する。元画像生成手段２５は、例えば所定範囲内の画像データの最大値を投影することで、所定範囲内の画像データを１つの画像データに統合する。あるいは、所定範囲内の画像データを積分（平均）することで、所定範囲内の画像データを統合してもよい。

第１のフィルタ手段２６は、元画像生成手段２５が生成した第３の光音響画像に対して所定周波数よりも高い成分を少なくとも減衰させるローパスフィルタ（ＬＰＦ）を適用することで、低周波成分に対応した第１の光音響画像を生成する。第２のフィルタ手段２７は、元画像生成手段２５が生成した第３の光音響画像に対して所定周波数以下の成分を少なくとも減衰させるハイパスフィルタを適用することで、高周波成分に対応した第２の光音響画像を生成する。

画像合成手段２８は、第１の光音響画像（低周波画像）と第２の光音響画像（高周波画像）とを１つの画像に合成する。より詳細には、画像合成手段２８は、低周波画像の画素値が所定のしきい値以下の画素に、高周波画像の対応する画素を重ねることで、低周波画像と高周波画像とを合成する。低周波画像において画素値がしきい値以下の画素は、低周波成分の情報が存在しない画素に相当する。画像合成手段２８は、低周波画像をベースに、低周波画像で情報がない部分を高周波画像で補うように、低周波画像と高周波画像とを１つの画像に合成する。画像合成手段２８で合成された合成画像は、ディスプレイ装置などの画像表示手段１４の表示画面上に表示される。合成画像に加えて、低周波画像及び高周波画像を併せて表示するようにしてもよい。

図２は、光音響信号の検出空間を示す。光音響信号の時間軸方向は、光音響画像の深さ方向（Ｚ方向）に対応している。プローブ１１は、例えばＸ方向に一次元配列された複数の検出器素子（超音波振動子）を有しており、そのようなプローブ１１をＹ方向に走査することにより、光音響信号を３次元的に取得できる。複数の検出器素子が一次元配列されたプローブを走査するのに代えて、複数の検出器素子がＸ方向及びＹ方向に２次元配列されたプローブを用いてもよい。この場合は、プローブを走査しなくても、光音響信号を３次元的に取得できる。

図３は、ＸＺ断面の断層画像（光音響画像）を示す。例えばプローブ１１がＸ方向に配列された複数の超音波振動子を有し、プローブ１１をＹ方向に走査する場合、各走査位置において、ＸＺ断面の光音響画像が生成される。例えば血管がＹ方向に横行しているとすると、ＸＺ断面の光音響画像には円形の血管断面が現れる。各走査位置におけるＸＺ断面の光音響画像をＹ方向に複数枚つなげることで、３次元の光音響画像データが得られる。

図４は、元画像生成手段２５が生成する第３の光音響画像を示す。元画像生成手段２５は、例えばＺ軸に沿って、プローブ１１の音響波検出面と平行な面内（ＸＹ平面）で、３次元の光音響像データから断面を切り出し、所定枚数分の画像データを統合した断面画像データ（第３の光音響画像）を生成する。元画像生成手段２５は、例えば深さ方向（Ｚ方向）２ｍｍ分の厚みに相当する複数枚の画像データの最大値を投影することで、第３の光音響画像を生成する。元画像生成手段２５は、例えばＺ軸に沿って等間隔に並ぶ複数の位置で断面を切り出し、２ｍｍごとに第３の光音響画像を生成する。元画像生成手段２５が生成する第３の光音響画像はＸＹ平面に平行な断面画像には限られず、ＸＺ平面又はＹＺ平面に平行な断面画像であってもよい。

図５は、第３の光音響画像の具体例を示す。図５に示す画像は、図４に示す複数の断面画像データのうちの１つに対応する。図５に示す光音響画像は、低周波成分から高周波成分まで全ての周波数成分を含んでおり、どの部分が血管であるのか分かりづらくなっている。

図６は、図５に示す第３の光音響画像の低周波成分で構成された画像（第１の光音響画像）を示す。図５に示す第３の光音響画像に対して高周波成分を少なくとも減衰させるフィルタを適用することで、図６に示す第１の光音響画像（低周波画像）が得られる。図６では、第３の光音響画像のうちの５ＭＨｚ以下の周波数成分を画像化している。低周波成分を画像化することで、図５に示す第３の光音響画像に比して、特定の太さを有する血管が観察しやすくなる。しかしながら、一方で、低周波画像では細部の情報が失われる。

図７は、図５に示す第３の光音響画像の高周波成分で構成された画像（第２の光音響画像）を示す。図５に示す第３の光音響画像に対して低周波成分を少なくとも減衰させるフィルタを適用することで、図７に示す第２の光音響画像（高周波画像）が得られる。図７では、第３の光音響画像の５ＭＨｚよりも高い周波数成分を画像化している。高周波成分を画像化することで、細部の情報が多く含まれた画像が得られる。一方で、太い血管は断片化される。

図８は、低周波画像と高周波画像の合成画像を示す。低周波画像において画素値がしきい値以下の部分に、高周波画像の対応する部分を重ねることで、図８に示す合成画像が得られる。図６に示す低周波画像で失われていた細部の情報を、図７に示す高周波画像の情報で補うことで、比較的細い血管まで観察することができる。このように、上記した合成の仕方を採用することで、細部の情報が失われることなく、特定の太さを有する血管を観察することができる。

ここで、上記では低周波と高周波の境界を５ＭＨｚに設定しているが、この周波数は、太さ約０．５ｍｍの血管を低周波画像で観察する場合に適切な周波数である。低周波と高周波との境界は、観察すべき血管の太さなどに応じて適宜設定すればよい。例えば測定部位に応じて観察すべき血管の太さを決定し、決定された血管の太さに応じて第１のフィルタ手段２６（図１）におけるローパスフィルタのカットオフ周波数と第２のフィルタ手段２７におけるハイパスフィルタのカットオフ周波数とを設定するようにしてもよい。あるいは、ユーザが観察対象の血管の太さを選択し、それに応じてフィルタリングの周波数を設定するようにしてもよい。

続いて動作手順を説明する。図９は光音響画像生成システム１０の動作手順を示す。トリガ制御回路２９は、フラッシュランプトリガ信号をレーザユニット１３に出力する。レーザユニット１３では、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ４１が点灯し、レーザ媒質の励起が開始される。トリガ制御回路２９は、Ｑスイッチトリガ信号をレーザユニット１３に送り、Ｑスイッチ４２をオンさせることで、レーザユニット１３からパルスレーザ光を出射させる（ステップＳ１）。トリガ制御回路２９は、例えばフラッシュランプトリガ信号を出力するタイミングと所定の時間関係にあるタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。例えばトリガ制御回路２９は、フラッシュランプ発光から１５０μｓ秒後に、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。

レーザユニット１３から出射したレーザ光は、被検体に照射される。被検体内では、照射されたパルスレーザ光による光音響信号が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する（ステップＳ２）。プローブが検出した光音響信号は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力さえる。ＡＤ変換手段２２は、光音響信号をサンプリングしてデジタルデータに変換し、受信メモリ２３に格納する。例えば複数の超音波振動子が一次元配列されたプローブ１１を走査しつつ、複数の走査位置で光照射及び光音響信号の検出を行うことで、光音響信号の３次元データが得られる。

元画像生成手段２５は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、読み出した光音響信号に基づいて光音響画像（第３の光音響画像）を生成する。元画像生成手段２５は、例えば光音響信号の３次元データから光音響の３次元画像データを生成し、画像化する断面位置の近傍の所定枚数分の断面画像を統合することで、任意の断面位置で第３の光音響画像を生成する。元画像生成手段２５は、例えばプローブ１１の音響波検出面に平行な断面で、所定の厚み分の断面画像を統合した断面画像（第３の光音響画像）を生成する。複数枚の画像を１つの断面画像に統合することで、例えば音響波検出面に垂直な方向に血管の位置が変動する場合でも、１つの断面画像内に変動する血管を納めることができる。

第１のフィルタ手段２６は、元画像生成手段２５が生成した第３の光音響画像に対し、例えば５ＭＨｚ以下の周波数成分を選択的に透過させるローパスフィルタを適用することで、５ＭＨｚ以下の周波数成分に対応した低周波画像を生成する（ステップＳ３）。第２のフィルタ手段２７は、元画像生成手段２５が生成した第３の光音響画像に対し、例えば５ＭＨｚよりも高い周波数成分を選択的に透過させるハイパスフィルタを適用することで、５ＭＨｚよりも高い周波数成分に対応した高周波画像を生成する（ステップＳ４）。

画像合成手段２８は、低周波画像において画素値がしきい値以下の画素に、高周波画像の対応する画素を重ねることで、低周波画像と高周波画像とを合成する（ステップＳ５）。画像合成手段２８は、例えば低周波画像において画素値がしきい値以下の画素（領域）を判定し、高周波画像における対応する領域の画素の画素値を０（黒）にした上で、高周波画像と低周波画像とを加算合成する。画像合成の際のしきい値は、ユーザが任意に設定できるようにしておくとよい。画像合成に際して、低周波画像と高周波画像とで色を変えて画像を合成するようにしてもよい。そのようにする場合、ユーザは、合成画像において、どの部分が低周波画像に由来する部分で、どの部分が高周波画像に由来する部分であるかを判別できる。

本実施形態では、低周波成分の光音響画像と高周波成分の光音響画像とを生成し、低周波画像の画素値がしきい値以下の画素に、高周波画像の対応する画素を重ねることで、低周波画像と高周波画像とを合成する。このようにすることで、低周波画像において情報がないか又は情報が少ない部分を、高周波画像の情報で補うことができる。結果として、特定の太さを有する血管を見やすくしつつ、細部の情報も観察可能にすることができる。本実施形態では、低周波画像において画素値がしきい値よりも大きい画素、すなわち低周波画像において測定対象物が視認できる箇所には高周波画像を重ねていないため、単純に全ての領域で低周波画像と高周波画像とを重ねる場合に比して、ギラつきを抑えた、視認性に優れた画像を提供することができる。

なお、本実施形態において、レーザユニット１３から相互に異なる複数の波長の光を被検体に照射し、プローブ１１にて、複数の波長の光のそれぞれが照射された後に被検体内で発生した光音響波を検出してもよい。その場合、画像生成手段２４は、複数の波長の光に対応して検出された光音響信号に基づいて、各波長に対応した低周波画像と高周波画像とを生成してもよい。例えば、第１の波長の光と第２の波長の光と被検体に照射し、第１の波長と第２の波長とのそれぞれで低周波画像及び高周波画像を生成してもよい。例えば、第１の波長は血液（血管）の画像化に対応した波長であり、第２の波長は薬剤（造影剤）の画像化に対応した波長であるとしてもよい。あるいは、第１の波長はヘモグロビンの等吸収点の波長に、第２の波長は脱酸素ヘモグロビンのピークに対応した波長であっても良い。

上記のように、第１の波長と第２の波長とでは画像化する対象物が異なる場合、第１のフィルタ手段２６と第２のフィルタ手段２７とで第３の光音響画像に適用するローパスフィルタ及びハイパスフィルタのカットオフ周波数を、波長に応じて変えてもよい。一般に、動脈は静脈に比して太い。低周波と高周波の境界となる周波数（ローパスフィルタ及びハイパスフィルタのカットオフ周波数）を、第１の波長に対応する光音響画像と第２の波長に対応する光音響画像とで変えることで、それぞれの波長において動脈と静脈を観察しやすくできる。

続いて、本発明の第２実施形態を説明する。図１０は、本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置（超音波ユニット１２）における元画像生成手段２５の構成を示す。元画像生成手段２５は、光音響画像再構成手段２５１、デコンボリューション手段２５２、検波・対数変換手段２５３、及び画像構築手段２５４を含む。元画像構成手段２５以外の構成は、図１に示す第１実施形態の光音響画像生成システム１０と同様でよい。

光音響画像再構成手段２５１は、光音響信号を再構成する。デコンボリューション手段２５２は、光音響画像再構成手段２５１で再構成された光音響信号から、被検体に照射された光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形をデコンボリューションした信号を生成する。検波・対数変換手段２５３は、光微分波形がデコンボリューションされた信号に対して、検波・対数変換処理を行う。画像構築手段２５４は、検波・対数変換後の信号に基づいて、第３の光音響画像を生成する。

デコンボリューション手段２５２は、例えば離散フーリエ変換により、再構成された光音響信号を時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。また、光微分波形についても、離散フーリエ変換により時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。デコンボリューション手段２５２は、フーリエ変換された光微分波形の逆数を逆フィルタとして求め、フーリエ変換された周波数領域の光音響信号に逆フィルタを適用する。逆フィルタが適用されることで、周波数領域の信号において、光微分波形がデコンボリューションされる。その後、フーリエ逆変換により、逆フィルタが適用された光音響信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。

光微分波形のデコンボリューションについて説明する。光吸収体であるミクロ吸収粒子を考え、このミクロ吸収粒子がパルスレーザ光を吸収して圧力波（光音響圧力波）が生じることを考える。時刻をｔとして、位置ｒにあるあるミクロ吸収粒子から発生する光音響圧力波を、位置Ｒで観測した場合の圧力波形ｐ_{ｍｉｃｒｏ}（Ｒ，ｔ）は、[Phys. Rev. Lett. 86(2001)3550.]より、以下の球面波となる。
ここで、Ｉ（ｔ）は励起光の光強度の時間波形であり、係数ｋは、粒子が光を吸収して音響波を出力する際の変換係数であり、ｖ_ｓは被検体の音速である。また、位置ｒ、Ｒは、空間上の位置を示すベクトルである。ミクロ吸収粒子から発生する圧力は、上記式に示すように、光パルス微分波形に比例した球面波となる。

実際にイメージングする対象から得られる圧力波形は、よりマクロな吸収体のサイズを有しているため、上記のミクロ吸収波形を重ね合わせた波形になると考える（重ね合わせの原理）。ここで、マクロな光音響波を発する粒子の吸収分布をＡ（ｒ−Ｒ）とし、そのマクロな吸収体からの圧力の観測波形をｐ_{ｍａｃｒｏ}（Ｒ，ｔ）とする。観測位置Ｒでは、各時刻において、観測位置Ｒから半径ｖ_ｓｔに位置する吸収粒子からの光音響波が観測されることになるため、観測波形ｐ_{ｍａｃｒｏ}（Ｒ，ｔ）は、以下の圧力波形の式で示される。
上記式（１）からわかるように、観測波形は、光パルス微分のコンボリューション型を示す。観測波形から光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、吸収体分布が得られる。なお、上記では再構成後の光音響信号から光微分波形をデコンボリューションする例について説明しているが、これに代えて、再構成前の光音響信号から光微分波形をデコンボリューションするようにしてもよい。

本実施形態では、検出された光音響信号から被検体に照射された光の微分波形をデコンボリューションする。光微分波形をデコンボリューションすることで、光吸収体の分布を得ることができ、吸収分布画像を生成することができる。吸収体の分布を画像化して後に、第１実施形態と同様な処理を行うことで、低周波画像と高周波画像との合成画像において、血管等の位置をより確認しやすくなる。その他の効果は第１実施形態と同様である。

なお、上記各実施形態では、主に血管部分を画像化する例について説明したが、これには限定されない。例えば神経やリンパ管などの管状の構造物を画像化してもよい。第１実施形態では、おもに、ボリュームデータを生成し、ボリュームデータから任意の断面画像を生成し、その断面画像から低周波画像と高周波画像とを生成する例について説明したが、これには限定されない。

また、上記各実施形態では、いったん所定周波数以下の周波数成分と所定周波数よりも高い周波数成分の双方を含む光音響画像を生成し、その後、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを適用することで低周波画像と高周波画像とを生成することとしているが、これには限定されない。双方の周波数成分を含む光音響画像に対してローパスフィルタ及びハイパスフィルタを適用するのに代えて、又はこれに加えて、画像生成前の光音響信号に対してローパスフィルタ及びハイパスフィルタを適用することで、光音響信号を低周波成分と高周波成分とに分け、低周波成分と高周波成分とに基づいて第１及び第２の光音響画像を生成するようにしてもよい。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の光音響画像生成装置、システム、及び方法は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

１０：光音響画像生成システム
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザユニット
１４：画像表示手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：画像生成手段
２５：元画像生成手段
２６、２７：フィルタ手段
２８：画像合成手段
２９：トリガ制御回路
３０：制御手段
３１：デコンボリューション手段
４１：フラッシュランプ
４２：Ｑスイッチ
２５１：光音響画像再構成手段
２５２：デコンボリューション手段
２５３：検波・対数変換手段
２５４：画像構築手段

Claims (11)

1. 被検体に対する光照射により被検体内で生じた光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段であって、所定周波数以下の周波成分に対応した第１の光音響画像と、所定周波数よりも高い周波数成分に対応した第２の光音響画像とを生成する画像生成手段と、
   前記第１の光音響画像の画素値が所定のしきい値以下の画素に、前記第２の光音響画像の対応する画素を重ねることで、前記第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成する画像合成手段とを備えたことを特徴とする光音響画像生成装置。
2. 前記画像生成手段が、前記光音響波の検出信号に基づいて前記所定周波数以下の成分及び前記所定周波数よりも高い成分の双方を含む第３の光音響画像を生成する元画像生成手段と、前記第３の光音響画像に対して所定周波数よりも高い成分を少なくとも減衰させるローパスフィルタを適用して前記第１の光音響画像を生成する第１のフィルタ手段と、前記第３の光音響画像に対して所定周波数以下の成分を少なくとも減衰させるハイパスフィルタを適用して前記第２の光音響画像を生成する第２のフィルタ手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の光音響画像生成装置。
3. 前記元画像生成手段が、３次元的に検出された光音響波に基づく３次元画像データから、３次元空間を構成する軸のうちの１つの軸に垂直な面に沿って断面を切り出し、該切り出した断面を含む前記１つの軸に沿った方向の所定範囲の画像データを統合した断面画像を前記第３の光音響画像として生成するものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
4. 前記元画像生成手段が、前記１つの軸に沿った複数の位置で断面を切り出して複数の断面画像を生成するものであることを特徴とする請求項３に記載の光音響画像生成装置。
5. 前記元画像生成手段が、前記断面を等間隔で切り出すものであることを特徴とする請求項４に記載の光音響画像生成装置。
6. 前記元画像生成手段が、被検体に深さ方向に対応する軸に沿って、前記光音響波を検出する際の音響波検出面と平行な方向に前記断面を切り出すものであることを特徴とする請求項３から５何れかに記載の光音響画像生成装置。
7. 前記元画像生成手段が、前記所定範囲内の画像データの最大値を投影し、又は前記所定範囲内の画像データを積分することで、前記所定範囲内の画像データを統合するものであることを特徴とする請求項３から６何れかに記載の光音響画像生成装置。
8. 前記画像合成手段が、前記第１の画像と前記第２の画像とで色を変えて画像を合成するものであることを特徴とする請求項１から７何れかに記載の光音響画像生成装置。
9. 前記光音響波の検出信号から、被検体に照射された光の微分波形をデコンボリューションするデコンボリューション手段を更に備えたことを特徴とする請求項１から８何れかに記載の光音響画像生成装置。
10. 被検体に照射すべき光を出射する光源と、
    被検体に対する光照射により被検体内で生じた光音響波を検出する音響波検出手段と、
    前記検出された光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段であって、所定周波数以下の周波成分に対応した第１の光音響画像と、所定周波数よりも高い周波数成分に対応した第２の光音響画像とを生成する画像生成手段と、
    前記第１の光音響画像の画素値が所定のしきい値以下の画素に、前記第２の光音響画像の対応する画素を重ねることで、前記第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成する画像合成手段とを備えたことを特徴とする光音響画像生成システム。
11. 被検体に対する光照射により被検体内で生じた光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成するステップであって、所定周波数以下の周波成分に対応した第１の光音響画像と、所定周波数よりも高い周波数成分に対応した第２の光音響画像を生成するステップと、
    前記第１の光音響画像における画素値が所定のしきい値以下の画素に、前記第２の光音響画像における対応する画素を重ねることで、前記第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成するステップとを有することを特徴とする光音響画像生成方法。