CN104582583B - 光声图像生成装置及方法 - Google Patents

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Abstract

在通过傅立叶变换法来生成光声图像时，抑制由来自比与元件区域对应的区域靠外侧的区域的光声波引起的伪影。探头(11)包括至少呈一维地排列的多个检测器元件。探头(11)在对被检体的光照射之后检测由于光照射而在被检体内产生的光声波。虚拟数据插入单元(24)假设为在比探头(11)的多个检测器元件靠外侧存在假想检测器元件，并对按照各检测器元件的位置来排列由探头(11)的各检测器元件检测出的光声波的数据而得到的光声数据附加与假想检测器元件对应的虚拟数据。图像生成单元(25)通过傅立叶变换法对被附加了虚拟数据的光声数据进行重构而生成光声图像。

Description

光声图像生成装置及方法
技术领域
本发明涉及光声图像生成装置及方法，更详细地涉及在向被检体射出光后检测在被检体内产生的光声波而生成光声图像的光声图像生成装置及方法。
背景技术
作为能够以非侵入方式检查生物体内部的状态的图像检查法的一种，超声波检查法已为人们所知。在超声波检查中，使用能够进行超声波的发送和接收的超声波探测器。当从超声波探测器向被检体(生物体)发送超声波时，该超声波进入生物体内部，在组织界面进行反射。通过由超声波探测器接收该反射超声波并根据直到反射超声波回到超声波探测器为止的时间来计算距离，能够使内部的样子图像化。
另外，已知利用光声效应来对生物体的内部进行图像化的光声成像。一般，在光声成像中，向生物体内照射激光脉冲等脉冲激光。在生物体内部，生物体组织吸收脉冲激光的能量，通过由该能量产生的绝热膨胀而产生超声波(光声信号)。通过由超声波探头等检测该光声信号并基于检测信号来构成光声图像，能够基于光声信号使生物体内可视化。
在此，超声波图像和光声图像的生成中的图像重构的方法大致区分的话，能够分为时域法和傅立叶域法(傅立叶变换法)这两种。时域法是利用声波是球面波这样的性质而在实际空间中描绘声波源的候补的方法。作为代表性的方法，有DnS(Delay and Sum：延迟求和)法、CBP(Circular Back Projection：圆反投影)法、HTA(Hough TransformAlgorithm：霍夫变换算法)法这样的方法。
另一方面，基于傅立叶变换法(FTA(Fourier Transform Analysis)法)的图像重构利用了以下这一点，即能够使用傅立叶变换与声波的分散关系来将所测定到的时空的信息变换成实际空间的信息。即，对所测定到的声波的时间序列，首先进行正向傅立叶变换，获得时间尺度下的频谱。之后，在根据声波的分散关系(ω＝ck，ω：时间频率，k：空间频率)对时间/空间尺度进行变换之后，进行反向傅立叶变换，从而作为图像得到声波源的空间分布。
专利文献1中记载了利用上述基于时域法的图像重构和基于傅立叶变换法的图像重构来生成光声图像。在使用时域法来进行了重构的图像和采用傅立叶变换法来进行了重构的图像中，伪影的形式不同。在专利文献1中，利用这样的性质，合成通过两种方法进行了重构的图像，从而得到抑制了伪影的光声图像。
专利文献1：日本特开2010-35806号公报
发明内容
发明要解决的课题
超声波成像与光声成像的不同之处在于，在超声波成像中，检测在被发送了超声波的部位产生的反射超声波，相对于此，在光声成像中，检测在被照射了光的部位产生的光声波。在光声成像中，并非仅向被检体的、与超声波检测器的检测器元件所存在的区域对应的区域、即将检测器元件所存在的区域以与被检体的深度方向平行的方式向超声波检测面投影而得到的区域照射光，而且向比该区域靠外侧的区域也照射光的情况较多。在这种情况下，特别是在超声波检测器的元件区域的端部，检测出来自比与元件区域对应的区域靠外侧的区域的光声波。当通过傅立叶变换法来对包含这样的光声波的检测信号在内的光声信号进行重构时，元件区域外的光吸收体在元件区域内重叠，这有时成为伪影。在专利文献1中，虽然通过与利用时域法生成的光声图像进行合成，能够减弱通过傅立叶变换法生成的光声图像中存在的伪影的影响，但无法抑制通过傅立叶变换法生成的光声图像中存在的伪影本身。
本发明鉴于所述，其目的在于提供能够在通过傅立叶变换法来生成光声图像时抑制由来自比与元件区域对应的区域靠外侧的区域的光声波引起的伪影的光声图像生成装置及方法。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明提供光声图像生成装置，其特征在于，具备：声波检测单元，包括至少呈一维地排列的多个检测器元件，在对被检体的光射出之后检测由于光照射而在被检体内产生的光声波；虚拟数据插入单元，假设为在比至少呈一维地排列的多个检测器元件靠外侧存在假想检测器元件，并对按照各检测器元件的位置来排列由声波检测单元的各检测器元件检测出的光声波的数据而得到的光声数据附加与假想检测器元件对应的虚拟数据；及图像生成单元，通过傅立叶变换法对被附加了虚拟数据的光声数据进行重构，生成光声图像。
在本发明中，假想检测器元件的数量也可以根据声波检测单元中的检测器元件的排列方向上的元件尺寸和检测器元件的中心频率来确定。
也可以是，将基于元件尺寸与中心频率之积所确定的、相对于与声波检测单元中的声波检测面垂直的直线所呈的角度设为α，将中心频率设为f，并将基于中心频率f所确定的深度设为D(f)，假想检测器元件的数量基于由D(f)×tanα表示的长度来确定。
上述的角度α能够基于将在被检体内行进的声波的声速除以元件尺寸与中心频率之积而得到的值来确定。
在使用了中心频率为f的检测器元件时，上述的深度D(f)也可以表示得到比预定值大的信噪比的最大深度。
假想检测器元件的数量也可以根据将由D(f)与tanα之积表示的长度除以(假想)检测器元件的信道间距而得到的值来确定。
也可以设为还具备图像遮蔽单元的结构，该图像遮蔽单元对所生成的光声图像中的比以下直线靠外侧的区域进行遮蔽，该直线从与至少呈一维地排列的多个检测器元件中的端部的检测器元件对应的像素起以角度α向被插入了虚拟数据的区域一侧延伸。
虚拟数据插入单元也可以假设为在一维排列的多个检测器元件的排列方向的两侧存在假想检测器元件而进行虚拟数据的附加。
假想检测器元件的数量也可以对应所使用的每个声波检测单元而预先确定。
虚拟数据可以是0(零值)。
基于傅立叶变换法的重构例如包含对被附加了虚拟数据的光声数据进行二维傅立叶变换的处理。在基于傅立叶变换法的重构中，也可以在截止了二维傅立叶变换后的数据的、检测器元件的排列方向上的预定频率以上的分量之后进行重构。
基于傅立叶变换的重构也可以包含对二维傅立叶变换后的光声数据进行二维傅立叶逆变换的处理。在该二维傅立叶逆变换中，也可以在进行了与检测器元件的排列方向正交的方向上的傅立叶逆变换之后进行检测器元件的排列方向上的傅立叶逆变换。
本发明还提供光声图像生成方法，其特征在于，具有如下步骤：使用包括至少呈一维地排列的多个检测器元件的声波检测单元在对被检体的光射出之后检测由于光照射而在被检体内产生的光声波；假设为在比至少呈一维地排列的多个检测器元件靠外侧存在假想检测器元件，对按照各检测器元件的位置来排列由声波检测单元的各检测器元件检测出的光声波的数据而得到的光声数据附加与假想检测器元件对应的虚拟数据；及通过傅立叶变换法对被附加了虚拟数据的光声数据进行重构而生成光声图像。
发明效果
在本发明的光声图像生成装置及方法中，假设为在比声波检测单元的至少呈一维地排列的多个检测器元件靠外侧存在假想检测器元件，并对由声波检测单元的检测器元件检测出的光声波的实际数据附加与假想检测器元件对应的虚拟数据。对该被附加了虚拟数据的光声数据，通过傅立叶变换法来生成光声图像。通过如此，能够降低在未插入虚拟数据而通过傅立叶变换法来进行了重构的情况下产生的重叠噪声，并得到抑制了伪影的光声图像。另外，能够将光声图像的横向(检测器元件的排列方向)的宽度扩宽与被插入了虚拟数据的量相应的量，能够使被检体的较宽范围图像化。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的光声图像生成装置的框图。
图2是示出被附加了虚拟数据的光声数据的图。
图3是示出所生成的光声图像的一例的图。
图4是示出比较例的光声图像的图。
图5是示出动作步骤的流程图。
图6是示出虚拟数据插入区域的宽度的确定的图。
图7A是示出包含虚拟数据而进行重构所得到的光声图像的图。
图7B是示出包含虚拟数据而进行重构所得到的光声图像的图。
图8是示出能够清楚地目视确认光吸收体的临界角度与被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)的值的关系的图表。
图9是示出中心频率f与可测定深度D(f)的关系的图表。
图10是示出本发明的第三实施方式的光声图像生成装置的框图。
图11是示出图像被遮蔽的区域的图。
图12是示出本发明的第三实施方式中的光声图像重构单元的框图。
图13是示出被插入了虚拟数据的光声数据的图。
图14是示出截止了高频分量的光声数据的图。
图15是示出二维傅立叶逆变换后的重构图像的图。
图16示出在重构中截止了高频分量的情况下的光声图像。
图17示出在未截止高频分量的情况下的光声图像。
图18示出图16所示的光声图像与图17所示的光声图像的差分图像。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。此外，在本发明的实施例中，使用超声波作为声波，但根据被检对象、测定条件等而选择适当的频率，从而也可以是可听频率的声波。
图1示出本发明的第一实施方式的光声图像生成装置。光声图像生成装置(光声图像诊断装置)10包含探头(超声波探测器)11、超声波单元12以及激光单元(光源)13。激光单元13生成向生物体组织等被检体照射的激光。激光的波长根据观察对象的生物体组织等而适当设定即可。从激光单元13射出的激光使用例如光纤等导光单元而被引导至探头11。此外，向被检体照射的光不限于激光，也可以向被检体照射除激光之外的光。
探头11是声波检测单元，具有至少呈一维地排列的多个检测器元件(超声波振子)。探头11在对被检体的光照射之后检测由于光照射而在被检体内产生的光声波。另外，探头11具有光照射部，并向被检体照射从激光单元13导出的光。此外，对被检体的光照射无需从探头11进行，也可以从探头11以外的地方对被检体进行光照射。
超声波单元12具有接收电路21、AD转换单元22、接收存储器23、虚拟数据插入单元24、图像生成单元25、触发控制电路26以及控制单元27。接收电路21接收由探头11检测出的光声波的检测信号(光声信号)。AD转换单元22将接收电路21所接收到的光声信号转换成数字信号。AD转换单元22例如基于预定频率的AD时钟信号，以预定采样周期对光声信号进行采样。接收存储器23存储由AD转换单元22采样到的光声信号。
虚拟数据插入单元24从接收存储器23读出由探头11的各超声波振子检测出的光声波的数据。在被读出的光声波的数据(光声波数据)中，由各超声波振子检测出的光声信号按照各超声波振子的位置而排列。虚拟数据插入单元24假设为探头11在比一维排列的多个超声波振子靠外侧具有假想超声波振子(假想检测器元件)，并对光声数据附加与假想超声波振子对应的虚拟数据。所附加的虚拟数据的值设为0(信号电平为0)。图像生成单元25通过傅立叶变换法对被附加了虚拟数据的光声数据进行重构而生成光声图像。基于傅立叶变换法的重构包含：被附加了虚拟数据的光声数据的二维傅立叶变换、对傅立叶变换后的数据的时间/空间尺度的变换(映射)以及映射后的数据的二维傅立叶逆变换。
图2示出被附加了虚拟数据的光声数据。实际数据区域50是从接收存储器23读出的、由探头11的各超声波振子检测出的信号所存在的区域。例如在探头11具有128个超声波振子元件时，实际数据区域50是与这128个元件对应的区域。另一方面，虚拟数据51是向探头11的比排列有超声波振子的区域靠外侧的区域即实际上在探头11不存在对应的超声波振子的区域插入的虚拟的数据。
虚拟数据插入单元24假设为例如在一维排列的多个超声波振子的排列方向的两侧存在预定元件数量的假想超声波振子，并将与预定元件数量的假想超声波振子对应的虚拟数据51附加到实际数据区域50的两侧。具体来说，将与32个元件的假想超声波振子对应的虚拟数据51附加到实际数据区域50的两侧。探头11实际具有的超声波振子是128个元件，相对于此，通过附加虚拟数据，被附加了虚拟数据的光声数据成为与192个元件相应的量的数据。此外，虚拟数据51并不一定附加到实际数据区域50的两侧，也可以附加到某一侧。
返回到图1，图像生成单元25包含光声图像重构单元251、检波/对数变换单元252以及光声图像构建单元253。光声图像重构单元251使用傅立叶变换法(FTA法)对被插入了虚拟数据的光声数据进行图像重构。检波/对数变换单元252求出由光声图像重构单元251重构的各行的数据的包络线，对所求出的包络线进行对数变换。光声图像构建单元253基于被实施了对数变换的各行的数据而生成光声图像。光声图像构建单元253例如将光声信号(波峰部分)的时间轴方向上的位置变换为光声图像中的深度方向上的位置来生成光声图像。图像显示单元14是显示装置等图像显示装置，显示所生成的光声图像等。
控制单元27控制超声波单元12内的各部。在生成光声图像时，触发控制电路26向激光单元13发送闪光灯触发信号。另外，在输出闪光灯触发信号后，发送Q开关触发信号。激光单元13包含闪光灯31和Q开关32。激光单元13接收闪光灯触发信号而使闪光灯31亮灯，开始激光激发。激光单元13当被输入Q开关触发信号时，将Q开关设为接通并射出脉冲激光。触发控制电路26与对被检体的激光照射同步地向AD转换单元22发送采样触发信号，控制AD转换单元22中的光声信号的采样开始时刻。
图3示出所生成的光声图像的一例。图3所示的图像是在超声波振子的排列方向和被检体的深度方向上等间隔地排列有光吸收体的样品的光声图像。在图3中，实际数据区域50(图2)与虚拟数据51的边界用虚线表示。来自存在于实际数据区域50内的光吸收体的光声波(球面波)垂直地向存在于其正上方的探头11的超声波振子入射，并且还沿倾斜方向向其周围的超声波振子入射。因此，通过对光声数据进行重构，在光声图像中，能够清楚地目视确认存在于实际数据区域50内的光吸收体。
另一方面，来自存在于与实际数据区域50相邻的被插入了虚拟数据51的区域的光吸收体的光声波无法垂直地向探头11的超声波振子入射，仅沿倾斜方向向端部的超声波振子入射。在本实施方式中，利用沿倾斜方向向端部的超声波振子入射的光声波，对元件区域外的光吸收体进行图像化。通过包含虚拟数据而进行重构，能够基于入射到端部的超声波振子的光声波，来对存在于附加了虚拟数据51的区域的光吸收体进行图像化。作为结果，能够扩宽光声图像的视场(图像化范围)。
图4示出未插入虚拟数据而生成的光声图像作为比较例。图4所示的光声图像是通过傅立叶变换法来对在得到图3所示的光声图像时的存在于实际数据区域50的数据进行重构而得到的图像。通过包含虚拟数据51来进行重构而得到的光声图像(图3)的图像尺寸例如为480×600像素，相对于此，通过仅以实际数据区域50为对象进行重构而得到的光声图像(图4)的图像尺寸例如为320×600像素。
在未插入虚拟数据51而进行了图像重构的情况下，图3的区域61的部分在图4的区域64的部分成为重叠噪声而出现，产生伪影。另外，图3的区域62的部分在图4的区域63的部分成为重叠噪声而出现，产生伪影。通过包含虚拟数据并利用傅立叶变换法进行重构，如图3所示，能够得到抑制了由来自实际数据区域50外的光声波引起的伪影的光声图像。
图5示出动作步骤。触发控制电路26对激光单元13输出闪光灯触发信号。激光单元13接收闪光灯触发信号而使闪光灯31亮灯。触发控制电路26在预定时刻输出Q开关触发信号。激光单元13当被输入Q开关触发信号时，将Q开关32设为接通并射出脉冲激光。所射出的脉冲激光例如被引导至探头11，从探头11向被检体照射(步骤S1)。
探头11在照射激光之后，检测由于照射激光而在被检体内产生的光声信号(步骤S2)。超声波单元12的接收电路21接收由探头11检测出的光声信号。触发控制电路26与对被检体的光照射的时刻对应地向AD转换单元22发送采样触发信号。AD转换单元22接收采样触发信号而开始光声信号的采样，将光声信号的采样数据储存于接收存储器23。
虚拟数据插入单元24从接收存储器23读出光声信号的采样数据，对所读出的光声信号的采样数据(光声数据)附加虚拟数据(步骤S3)。在虚拟数据的附加中，假设为例如在探头11的一维排列的多个超声波振子的排列方向的两侧存在假想超声波振子，作为该假想超声波振子所检测出的光声波的检测信号插入“0”(虚拟数据)。
光声图像重构单元251通过傅立叶变换法对被插入了虚拟数据的光声数据进行重构(步骤S4)。检波/对数变换单元252求出通过重构而得到的各行的数据的包络线，对所求出的包络线进行对数变换。光声图像构建单元253基于被实施了对数变换的各行的数据，生成光声图像(步骤S5)。图像显示单元14在显示画面上显示在步骤S5中生成的光声图像(步骤S6)。
在本实施方式中，假设为在比探头的一维排列的多个超声波振子靠外侧存在假想超声波振子，对由探头11的超声波振子检测出的光声波的实际数据附加与假想超声波振子对应的虚拟数据。对该被附加了虚拟数据的光声数据，通过傅立叶变换法来生成光声图像。通过如此，能够降低在未插入虚拟数据而通过傅立叶变换法来进行了重构的情况下产生的重叠噪声，得到抑制了由来自比与元件区域对应的区域靠外侧的区域的光声波引起的伪影的光声图像。另外，能够将光声图像的横向(超声波振子的排列方向)的宽度扩宽与被插入了虚拟数据的量相应的量，能够使被检体的较宽范围图像化。
此外，在光声波的检测中，不限于使用探头11所具有的全部超声波振子。例如也可以考虑以高帧率化等为目的，使用探头11所具有的超声波振子中的一部分来检测光声波。在这种情况下，虚拟数据插入单元24假设为在用于检测光声波的超声波振子所存在的区域换言之在所检测出的光声波的数据所存在的区域的外侧存在假想超声波振子，并附加虚拟数据即可。
例如在探头11具有128个一维排列的超声波振子时，考虑使用其中的中央的64个超声波振子来进行光声波的检测。在这种情况下，两端分别32个超声波振子对光声波的检测没有帮助。在这种情况下，虚拟数据插入单元24也可以假设为在与对光声波的检测没有帮助的两端分别32个超声波振子的区域至少重复一部分的位置存在假想超声波振子，并对由中央的64个超声波振子检测出的光声数据附加虚拟数据。如该例子所示，虚拟数据插入单元24不一定限于假设为在探头11中超声波振子实际上不存在的位置存在假想超声波振子。
接下来，说明本发明的第二实施方式。本实施方式中的光声图像生成装置的结构与图1所示的第一实施方式的光声图像生成装置10的结构相同。在第一实施方式中，设成插入虚拟数据的区域(虚拟数据插入区域)的宽度是恒定的值而进行了说明。在本实施方式中，根据被检体、探头11的特性来确定虚拟数据插入区域的宽度。除了使虚拟数据插入区域的宽度可变之外，也可以与第一实施方式等相同。
在元件区域外能够对光吸收体进行图像化的范围被认为依赖于探头11对沿倾斜方向入射的声波的灵敏度(接收灵敏度)而变化。例如，如果对具有比某个角度大的角度分量的声波的检测灵敏度较低，则来自比从端部的超声波振子以该角度延伸的直线靠外侧的区域中所存在的光吸收体的光声波被认为无法由探头11检测。因此，虚拟数据插入区域的宽度根据探头11中的倾斜方向上的声波的检测特性来确定即可。另外，频率越高，则声波在被检体内行进时越衰减。因此，在确定虚拟数据插入区域的宽度时，考虑检测器元件的中心频率(检测灵敏度最高的频率)即可。
探头11中的超声波振子的倾斜方向上的接收灵敏度依赖于被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)。在此，超声波振子的信道间距由超声波振子的元件尺寸(超声波振子的排列方向上的宽度)规定。中心频率例如根据由PZT(锆钛酸铅)构成的超声波振子的膜厚和声匹配层的厚度、声阻抗来规定。
图6示出虚拟数据插入区域的宽度的确定。虚拟数据插入单元24将相对于与探头11中的超声波检测面垂直的直线的角度定义为增大视场角角度α，根据被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)来确定增大视场角α。另外，虚拟数据插入单元24基于中心频率f来确定可测定深度(深度)D(f)。虚拟数据插入单元24至少将通过D(f)×tanα求算的长度(宽度)确定为虚拟数据插入区域的宽度。虚拟数据插入单元24所假设的假想超声波振子的元件数量例如能够通过将虚拟数据插入区域的宽度除以超声波振子的信道间距来求算。
图7A以及图7B分别示出包含虚拟数据而进行重构所得到的光声图像。图7A示出在使用被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)＝0.57的探头11来检测出光声波的情况下的光声图像，图7B示出在使用被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)＝1.65的探头11来检测出光声波的情况下的光声图像。
在图7A中，在比直线71靠内侧(元件区域侧)的区域中，能够清楚地目视确认光吸收体，该直线71将端部的超声波振子的位置作为起点而以相对于与超声波检测面垂直的方向呈54°的角度向虚拟数据插入区域方向侧延伸，但在比直线71靠外侧(与元件区域相反的一侧)的区域中，无法清楚地目视确认光吸收体。即，在使用被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)＝0.57的探头11的情况下，在虚拟数据插入区域中能够清楚地目视确认光吸收体的临界角度为54°。
另外，在图7B中，在比直线72靠内侧的区域中，能够清楚地目视确认光吸收体，该直线72将端部的超声波振子的位置作为起点而以相对于与超声波检测面垂直的方向呈15°的角度延伸，但在比直线72靠外侧的区域中，无法清楚地目视确认光吸收体。即，在使用被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)＝1.65的探头11的情况下，在虚拟数据插入区域中能够清楚地目视确认光吸收体的临界角度为15°。
使用被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)不同的多个探头11来生成光声图像，并通过实验求算被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)的值与在虚拟数据插入区域中能够清楚地目视确认光吸收体的临界角度之间的关系。虚拟数据插入单元24利用这种关系，根据用于检测光声波的探头11中的被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)的值，来确定在确定虚拟数据插入区域的宽度时的扩大视场角α。
图8示出在虚拟数据插入区域中能够清楚地目视确认光吸收体的临界角度与被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)的值之间的关系。在图8所示的图表中，标绘点表示实测值，直线表示根据实测值所求出的关系式。例如在使用被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)的值为1的探头的情况下，根据图8所示的图表，在虚拟数据插入区域中能够清楚地目视确认光吸收体的临界角度为35°左右。在使用被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)＝1的探头11时，虚拟数据插入单元24确定扩大视场角α＝35°。
对于可测定深度D(f)，能够按以下方式求算。例如对在元件区域的中央附近放置了光吸收体的样品进行光照射，由包含某个中心频率f的超声波振子的探头11来检测光声波(光声信号)。改变光吸收体的深度方向上的位置并进行光声信号的检测，查找信噪比成为预定值以上的范围。将信噪比为预定值以上的范围的最大深度设为可测定深度D(f)。使用多个中心频率f的探头来进行上述的实验，求算中心频率与可测定深度D(f)的关系。
图9示出中心频率f与可测定深度D(f)的关系。例如对中心频率不同的多个探头11，求算信噪比成为2以上的深度的范围。例如在由包含中心频率为3MHz的超声波振子的探头11进行光声波的检测的情况下，在距离被检体的表面5cm的范围内，能够以信噪比为2以上来检测光声信号。在超声波振子的中心频率为3MHz时，虚拟数据插入单元24将可测定深度D(f)确定为5cm。另一方面，在由包含中心频率为9MHz的超声波振子的探头11进行光声波的检测的情况下，在距离被检体的表面2cm的范围内，能够以信噪比为2以上来检测光声信号。在超声波振子的中心频率为9MHz时，虚拟数据插入单元24将可测定深度D(f)确定为2cm。根据如此确定的可测定深度D(f)与tanα之积，求算虚拟数据插入区域的宽度(图6)。
此外，如果被检体被确定，则被检体的声速为恒定的值。因此，也可以将声速视为常数，基于超声波振子的信道间距以及中心频率来确定虚拟数据插入区域的宽度(假想超声波振子的元件数量)。更详细地，也可以基于超声波振子的信道间距(元件尺寸)与中心频率之积来确定扩大视场角α，并根据该扩大视场角α与中心频率f的函数即可测定深度D(f)来确定虚拟数据插入区域的宽度。另外，对于可测定深度D(f)，也可以不设为中心频率f的函数而设为恒定的值(固定值)。
在本实施方式中，根据探头11的特性来确定虚拟数据插入区域的宽度。特别是，根据所使用的探头11的倾斜方向上的接收灵敏度来确定虚拟数据插入区域的宽度。在将虚拟数据插入区域的宽度设为固定的宽度的情况下，在所使用的探头11中，有时将虚拟数据插入至无法进行图像化的区域，当将虚拟数据插入至无法进行图像化的范围而进行重构时，计算时间白白地变长。在本实施方式中，能够根据探头11的特性来确定虚拟数据插入区域的宽度，所以能够避免将虚拟数据插入至在重构后的光声图像中无法清楚地目视确认光吸收体的区域，能够避免无用的计算。
接下来，说明本发明的第三实施方式。图10示出本发明的第三实施方式的光声图像生成装置。本实施方式的光声图像生成装置10在图1所示的光声图像生成装置10的结构的基础上，具有图像遮蔽单元28。图像遮蔽单元28遮蔽所生成的光声图像中的比以下直线靠外侧的区域，该直线从与探头11中的端部的超声波振子对应的像素起以在第二实施方式中说明的扩大视场角α向被插入了虚拟数据的区域一侧延伸。其他方面也可以与第二实施方式相同。
图11示出图像被遮蔽的区域。将与光声图像的实际数据区域50对应的区域设为不是遮蔽的对象，在插入了虚拟数据51的区域中，将无法清楚地目视确认光吸收体的区域设为遮蔽对象区域53。具体来说，在通过可测定深度D(f)×tanα来确定了虚拟数据插入区域的宽度时，将比以实际数据区域50的端部的像素(与插入虚拟数据51的区域的边界的像素)为起点从该像素起以角度α向虚拟数据插入区域一侧延伸的直线靠外侧(与元件区域相反的一侧)的区域设为遮蔽对象区域53。遮蔽对象区域53的显示例如设为与信号电平为0相同的显示(例如为黑色)。或者，也可以设为与背景相同的显示(例如为白色)。
在本实施方式中，对虚拟数据插入区域的比角度α靠外侧的区域的显示进行遮蔽。通过对无法清楚地目视确认光吸收体的部分进行遮蔽，能够防止显示如仅包含噪声分量那样的区域。其他效果与第二实施方式相同。
接着，说明本发明的第四实施方式。图12示出本发明的第四实施方式的光声图像生成装置中的光声图像重构单元251。在本实施方式中，光声图像重构单元251具有二维傅立叶变换单元511、滤波器单元512、映射单元513以及二维傅立叶逆变换单元514。光声图像重构单元251的结构可以与图1所示的第一实施方式的光声图像生成装置或者图10所示的第三实施方式的光声图像生成装置相同。
二维傅立叶变换单元511对由虚拟数据插入单元24(图1)附加了虚拟数据的光声数据进行二维傅立叶变换。作为傅立叶变换的算法，例如使用高速傅立叶变换的算法。滤波器单元512是高阻滤波器，截止由二维傅立叶变换单元511进行了二维傅立叶变换后的数据的、探头11的超声波振子的排列方向上的预定频率以上的分量。
映射单元513根据声波的分散关系(ω＝ck，ω：时间频率，k：空间频率)来变换时间/空间尺度。映射单元513例如对傅立叶变换后的光声数据对应每一列进行基于一维插值的映射，从而进行时间/空间尺度的变换。二维傅立叶逆变换单元514对由映射单元513变换后的数据进行二维傅立叶逆变换。二维傅立叶逆变换单元514在进行了与超声波振子的排列方向正交的方向的傅立叶逆变换之后，进行超声波振子的排列方向的傅立叶逆变换。
图13示出被附加了虚拟数据的光声数据。实际数据区域50是由探头11检测出的光声数据的区域，虚拟数据51是由虚拟数据插入单元24附加的虚拟数据。例如，第一列到第N列与实际数据区域50对应，第N+1列到第2N列与虚拟数据51对应。设为各列的数据个数为M。二维傅立叶变换单元511例如对被附加了如图13所示的2N列×M行的虚拟数据的光声数据进行二维傅立叶变换。
图14示出由滤波器单元512截止了高频分量后的光声数据。滤波器单元512通过将进行了二维傅立叶变换后的数据中的、超声波振子的排列方向上的高频分量替换成0来截止高频分量。截止(cut off)的位置能够设为例如N/4～N/2。例如如果截止的位置是N/2，则滤波器单元512将第N/2列到第3N/2列的范围的数据替换成0。映射单元513对如图14所示的截止了高频分量后的数据，对应每一列进行基于一维插值的映射。此时，对于数据被设为“0”的列，不需要插值处理，能够实现运算处理的高速化。
图15示出二维傅立叶逆变换后的重构图像。二维傅立叶逆变换单元514对由映射单元513进行映射后的数据进行二维傅立叶逆变换，从而生成重构图像。在二维傅立叶逆变换中，先进行各列的傅立叶逆变换。此时，数据为“0”的列不需要处理，能够实现运算处理的高速化。二维傅立叶逆变换单元514在先进行了各列的傅立叶逆变换之后，进行各行的傅立叶逆变换。重构图像的超声波振子的排列方向上的图像尺寸扩大与被附加了虚拟数据的量相应的量。在显示图像时，将3N/2～2N的范围配置于比第0列朝向纸面靠左侧即可。
图16示出在重构中截止了高频分量的情况下的光声图像。将截止的位置设为N/4。图17示出在未截止高频分量的情况下的光声图像，图18示出图16所示的光声图像与图17所示的光声图像的差分图像。通过截止高频分量，能够使噪声分量减少与图18所示的差分图像的量相应的量。
在本实施方式中，在基于傅立叶变换法的重构中，截止二维傅立叶变换后的数据的超声波振子排列方向上的高频分量。通过截止高频分量，能够减少噪声分量。另外，在截止高频分量并将与高频分量对应的列的数据替换成0之后，进行基于一维插值的映射，从而能够减少映射时的处理对象，能够使处理高速化。进一步，在二维傅立叶逆变换中，在先进行各列的傅立叶逆变换的情况下，被替换成0的列不需要处理，能够使处理高速化。
此外，在上述各实施方式中，设为光声图像重构单元251对与一个截面对应的光声数据进行二维傅立叶变换而进行了说明，但不限定于此，也可以设为通过三维傅立叶变换对光声的体数据进行图像重构。另外，探头11也可以使用使多个超声波振子二维排列的探头。
虚拟数据插入单元24假设为存在的假想超声波振子的数量(虚拟数据插入区域的宽度)也可以对应所使用的每个探头而预先确定。例如，虚拟数据插入单元24将探头11的种类(ID：identifier)与使用该ID的探头11时的假想超声波振子的数量建立对应而存储。在探头11与超声波单元12连接之后，虚拟数据插入单元24从探头11取得ID。虚拟数据插入单元24也可以假设为假想超声波振子存在与从探头11取得的ID建立对应而存储的数量来附加虚拟数据。
在第三实施方式中，设为在使虚拟数据插入区域的宽度可变的情况下遮蔽比角度α靠外侧的显示而进行了说明，但不限定于此。在虚拟数据插入区域的宽度恒定的第一实施方式中，也可以根据被检体的声速/(超声波振子的信道间距×中心频率)的值来求算扩大视场角α，遮蔽比所求出的角度α靠外侧的显示。
以上，基于该优选的实施方式来说明了本发明，但本发明的光声图像生成装置及方法并非仅限定于上述实施方式，从上述实施方式的结构实施各种修改以及变更而得到的结构也包含于本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种光声图像生成装置，具备：
声波检测单元，包括至少呈一维地排列的多个检测器元件，在对被检体的光射出之后检测由于该射出的光而在被检体内产生的光声波；及
图像生成单元，生成光声图像，
其中，
所述光声图像生成装置具备虚拟数据插入单元，该虚拟数据插入单元假设为在比所排列的所述多个检测器元件靠外侧存在假想检测器元件，并对按照各检测器元件的位置来排列由所述声波检测单元的各检测器元件检测出的光声波的数据而得到的光声数据附加与所述假想检测器元件对应的虚拟数据，
所述图像生成单元通过傅立叶变换法对被附加了所述虚拟数据的光声数据进行重构而生成光声图像。
2.根据权利要求1所述的光声图像生成装置，其中，
所述假想检测器元件的数量根据所述声波检测单元中的所述检测器元件的排列方向上的元件尺寸和所述检测器元件的中心频率来确定。
3.根据权利要求2所述的光声图像生成装置，其中，
将基于所述元件尺寸与所述中心频率之积所确定的、相对于与所述声波检测单元中的声波检测面垂直的直线所呈的角度设为α，将所述中心频率设为f，并将基于中心频率f所确定的深度设为D(f)，所述假想检测器元件的数量基于由D(f)与tanα之积表示的长度来确定。
4.根据权利要求3所述的光声图像生成装置，其中，
所述角度α基于用元件尺寸与中心频率之积除在被检体内行进的声波的声速而得到的值来确定。
5.根据权利要求3所述的光声图像生成装置，其中，
在使用了中心频率为f的检测器元件时，所述深度D(f)表示得到比预定值大的信噪比的最大深度。
6.根据权利要求3所述的光声图像生成装置，其中，
所述假想检测器元件的数量根据将由D(f)与tanα之积表示的长度除以所述声波检测单元的检测器元件的信道间距而得到的值来确定。
7.根据权利要求3所述的光声图像生成装置，其中，
还具备图像遮蔽单元，对所生成的所述光声图像中的比以下直线靠外侧的区域进行遮蔽，该直线从与所排列的所述多个检测器元件中的端部的检测器元件对应的像素起以所述角度α向被插入了所述虚拟数据的区域一侧延伸。
8.根据权利要求1所述的光声图像生成装置，其中，
所述虚拟数据插入单元是假设为在一维排列的多个检测器元件的排列方向的两侧存在所述假想检测器元件的单元。
9.根据权利要求1所述的光声图像生成装置，其中，
所述假想检测器元件的数量对应所使用的每个声波检测单元而预先确定。
10.根据权利要求1所述的光声图像生成装置，其中，
所述虚拟数据是0。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光声图像生成装置，其中，
基于所述傅立叶变换法的重构包含对被附加了所述虚拟数据的光声数据进行二维傅立叶变换的处理。
12.根据权利要求11所述的光声图像生成装置，其中，
在基于所述傅立叶变换法的重构中，在截止了所述二维傅立叶变换后的数据的、所述检测器元件的排列方向上的预定频率以上的分量之后进行重构。
13.根据权利要求12所述的光声图像生成装置，其中，
基于所述傅立叶变换的重构包含对所述二维傅立叶变换后的光声数据进行二维傅立叶逆变换的处理，在该二维傅立叶逆变换中，在进行了与所述检测器元件的排列方向正交的方向上的傅立叶逆变换之后进行所述检测器元件的排列方向上的傅立叶逆变换。
14.一种光声图像生成方法，具有如下步骤：
使用包括至少呈一维地排列的多个检测器元件的声波检测单元在对被检体的光射出之后检测由于该射出的光而在被检体内产生的光声波；及
生成光声图像，
其中，
所述光声图像生成方法还具有如下步骤：假设为在比所排列的所述多个检测器元件靠外侧存在假想检测器元件，对按照各检测器元件的位置来排列由所述声波检测单元的各检测器元件检测出的光声波的数据而得到的光声数据附加与所述假想检测器元件对应的虚拟数据，
在生成所述光声图像的步骤中通过傅立叶变换法对被附加了所述虚拟数据的光声数据进行重构。
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