JP2012196308A - Apparatus and method for photoacoustic imaging - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光音響画像生成装置及び方法に関し、更に詳しくは、被検体にレーザ光を照射し、レーザ光照射により被検体内で生じた超音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及び方法に関する。 The present invention relates to a photoacoustic image generation apparatus and method, and more specifically, photoacoustics that generate a photoacoustic image by irradiating a subject with laser light and detecting ultrasonic waves generated in the subject by the laser light irradiation. The present invention relates to an image generation apparatus and method.
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。 An ultrasonic inspection method is known as a kind of image inspection method capable of non-invasively examining the state inside a living body. In the ultrasonic inspection, an ultrasonic probe capable of transmitting and receiving ultrasonic waves is used. When ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic probe to the subject (living body), the ultrasonic waves travel inside the living body and are reflected at the tissue interface. By receiving the reflected sound wave with the ultrasonic probe and calculating the distance based on the time until the reflected ultrasonic wave returns to the ultrasonic probe, the internal state can be imaged.
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。 In addition, photoacoustic imaging is known in which the inside of a living body is imaged using a photoacoustic effect. In general, in photoacoustic imaging, a living body is irradiated with pulsed laser light. Inside the living body, the living tissue absorbs the energy of the pulsed laser light, and ultrasonic waves (photoacoustic signals) are generated by adiabatic expansion due to the energy. By detecting this photoacoustic signal with an ultrasonic probe or the like and constructing a photoacoustic image based on the detection signal, in-vivo visualization based on the photoacoustic signal is possible.
ここで、光音響イメージングでは、被検体に光を照射して得られる光音響信号の信号対雑音比（ＳＮ比）が低いことがある。そのような低いＳＮ比の光音響信号に基づいて画像化を行っても、良好な画像が得られない。この問題に対し、特許文献１には、光音響信号のＳＮ比が低い場合は、複数回の光音響信号に対して加算平均処理を行い、ＳＮ比を向上させることが記載されている。 Here, in photoacoustic imaging, the signal-to-noise ratio (SN ratio) of a photoacoustic signal obtained by irradiating light on a subject may be low. Even if imaging is performed based on such a low S / N ratio photoacoustic signal, a good image cannot be obtained. With respect to this problem, Patent Document 1 describes that when the SN ratio of the photoacoustic signal is low, an addition averaging process is performed on the photoacoustic signal a plurality of times to improve the SN ratio.
ところで、光音響画像の生成に際して、特に手持ちタイプの超音波プローブを用いる場合に、複数回の光音響信号の検出の間に、手ぶれなどにより、超音波プローブと測定対象物との間の相対的な位置がずれるという問題が生じる。位置ずれが発生すると、同じ位置からの光音響信号を加算平均することができず、ＳＮ比を向上させることができなくなる。特許文献１には、この位置ずれに対する対策は一切記載されていない。 By the way, when a photoacoustic image is generated, particularly when a hand-held type ultrasonic probe is used, a relative movement between the ultrasonic probe and the measurement object is caused by camera shake during a plurality of photoacoustic signal detections. The problem that the correct position shifts arises. When the positional deviation occurs, it is impossible to add and average the photoacoustic signals from the same position, and the SN ratio cannot be improved. Patent Document 1 does not describe any countermeasure against this positional deviation.
本発明は、上記に鑑み、複数回の測定の間に超音波プローブと測定対象物との間に位置ずれが生じたときでも、正しく加算平均を行うことができる光音響画像生成装置及び方法を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention provides a photoacoustic image generation apparatus and method that can correctly perform averaging even when misalignment occurs between an ultrasonic probe and a measurement object during multiple measurements. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明は、被検体に対して照射すべきレーザ光を出射する光源ユニットと、少なくとも前記レーザ光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号を検出する超音波探触子と、前記検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、被検体に対する前記レーザ光の照射を複数回行わせて前記超音波探触子に光音響信号を検出させると共に、前記光音響画像生成手段に、前記複数回のレーザ光照射に対応する光音響信号に基づいて複数フレームの光音響画像を生成させる制御手段と、前記複数フレームの光音響画像のフレーム間の移動量を算出する移動量検出手段と、前記算出された移動量だけ位置補正を行いつつ、前記複数フレームの光音響画像を加算平均するフレーム加算平均手段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。 In order to achieve the above object, the present invention includes a light source unit that emits laser light to be irradiated on a subject, and an ultra-acoustic signal that detects at least a photoacoustic signal generated in the subject by the irradiation of the laser light. An ultrasonic probe, photoacoustic image generation means for generating a photoacoustic image based on the detected photoacoustic signal, and irradiating the subject with the laser light a plurality of times to cause the ultrasonic probe to Control means for detecting a photoacoustic signal and causing the photoacoustic image generating means to generate a photoacoustic image of a plurality of frames based on a photoacoustic signal corresponding to the plurality of times of laser light irradiation; and the light of the plurality of frames A movement amount detecting means for calculating a movement amount between frames of the acoustic image, and a frame addition averaging means for adding and averaging the photoacoustic images of the plurality of frames while performing position correction by the calculated movement amount. Providing a photoacoustic image generation apparatus characterized by comprising.
ここで、加算平均される光音響画像は、必ずしも光音響画像の生成の最終段階で得られる表示用の光音響画像である必要はなく、光音響画像生成の際の任意の段階の光音響画像（光音響信号）であってもよい。加算平均処理には、例えば単純加算平均や、重み付け加算平均を用いることができる。あるいは、加算平均処理を、循環フレーム相関処理としてもよい。 Here, the photoacoustic image to be averaged does not necessarily have to be a photoacoustic image for display obtained in the final stage of generation of the photoacoustic image, and is a photoacoustic image at an arbitrary stage when generating the photoacoustic image. (Photoacoustic signal) may be used. For the addition averaging process, for example, simple addition averaging or weighted addition averaging can be used. Alternatively, the averaging process may be a cyclic frame correlation process.
本発明では、前記超音波探触子が、更に、前記被検体に対して超音波の送信を行うと共に、該送信された超音波に対する反射音響信号を検出し、前記制御手段が、前記超音波探触子に、前記複数回のレーザ光照射に対応して前記被検体に対する超音波の送信を複数回行わせ、該送信された超音波に対する反射音響信号を検出させ、前記移動量検出手段が、前記検出された反射音響信号に基づいて前記フレーム間の移動量を算出する構成を採用することができる。 In the present invention, the ultrasonic probe further transmits an ultrasonic wave to the subject, detects a reflected acoustic signal with respect to the transmitted ultrasonic wave, and the control means includes the ultrasonic wave The movement amount detection means causes the probe to transmit ultrasonic waves to the subject a plurality of times in response to the laser light irradiation a plurality of times, detect a reflected acoustic signal for the transmitted ultrasonic waves, and A configuration in which the amount of movement between the frames is calculated based on the detected reflected acoustic signal can be employed.
本発明の光音響画像生成装置は、前記検出された反射音響信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を更に備え、前記制御手段が、前記超音波画像生成手段に、複数回の超音波送信に対応する反射音響信号に基づいて複数フレームの超音波画像を生成させ、前記移動量検出手段が、前記複数フレームの超音波画像のフレーム間の移動量を、前記光音響画像のフレーム間の移動量として算出する構成としてもよい。この場合、前記移動量検出手段は、隣接するフレーム間の超音波画像を比較し、隣接するフレーム間での対応点の位置の差に基づいてフレーム間の移動量を算出してもよい。 The photoacoustic image generation apparatus of the present invention further includes an ultrasonic image generation unit that generates an ultrasonic image based on the detected reflected acoustic signal, and the control unit includes a plurality of times of the ultrasonic image generation unit. Generating an ultrasonic image of a plurality of frames based on the reflected acoustic signal corresponding to the ultrasonic transmission of the plurality of frames, and the movement amount detecting means calculates the movement amount between the frames of the ultrasonic images of the plurality of frames of the photoacoustic image. It may be configured to calculate the amount of movement between frames. In this case, the movement amount detection means may compare ultrasonic images between adjacent frames and calculate a movement amount between frames based on a difference in position of corresponding points between adjacent frames.
本発明の光音響画像生成装置は、前記光音響画像と超音波画像とを合成する画像合成手段を更に備えていてもよい。 The photoacoustic image generation apparatus of the present invention may further include an image synthesizing unit that synthesizes the photoacoustic image and the ultrasonic image.
前記フレーム加算平均手段は、新規フレームの光音響画像に対し、該新規フレームよりも所定フレーム数までの１以上のフレームの光音響画像を加算することで、加算平均処理を行ってもよい。この場合に、前記フレーム加算平均手段が、複数フレームの光音響画像を重み付け加算するものとしてもよい。 The frame addition averaging means may perform addition averaging processing by adding one or more frames of photoacoustic images up to a predetermined number of frames from the new frame to the photoacoustic image of the new frame. In this case, the frame addition averaging means may perform weighted addition of a plurality of frames of photoacoustic images.
上記に代えて、前記フレーム加算平均手段が、新規フレームの光音響画像と、加算平均処理された光音響画像とを所定の割合で合成することで加算平均処理を行うこととしてもよい。 Instead of the above, the frame addition averaging means may perform the addition averaging process by combining the photoacoustic image of the new frame and the photoacoustic image subjected to the addition averaging process at a predetermined ratio.
本発明は、また、被検体に対してレーザ光を照射するステップと、前記レーザ光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号を検出するステップと、前記レーザ光の照射と前記光音響信号の検出とを複数回行い、各回のレーザ光照射に対して検出された光音響信号に基づいて複数フレームの光音響画像を生成するステップと、前記複数フレームの光音響画像のフレーム間の移動量を算出するステップと、前記算出された移動量だけ位置補正を行いつつ、前記複数フレームの光音響画像を加算平均するステップとを有する光音響画像生成方法を提供する。 The present invention also includes a step of irradiating a subject with laser light, a step of detecting a photoacoustic signal generated in the subject by the irradiation of the laser light, and the irradiation of the laser light and the photoacoustic. Performing signal detection a plurality of times, generating a photoacoustic image of a plurality of frames based on a photoacoustic signal detected for each laser beam irradiation, and moving between the frames of the plurality of photoacoustic images There is provided a photoacoustic image generation method including a step of calculating a quantity, and a step of adding and averaging the photoacoustic images of the plurality of frames while performing position correction by the calculated movement amount.
本発明の光音響画像生成方法は、前記複数回のレーザ光照射に対応して、被検体に対する超音波の送信を複数回行うステップと、前記送信された超音波に対する反射音響信号を検出するステップとを更に有し、前記移動量を算出するステップでは、前記検出された反射音響信号に基づいて前記フレーム間の移動量を算出するものとすることができる。 The photoacoustic image generation method of the present invention includes a step of transmitting ultrasonic waves to a subject a plurality of times in response to the plurality of times of laser light irradiation, and a step of detecting a reflected acoustic signal for the transmitted ultrasonic waves. In the step of calculating the movement amount, the movement amount between the frames may be calculated based on the detected reflected acoustic signal.
本発明の光音響画像生成装置及び方法では、複数フレームの光音響画像のフレーム間の移動量を求め、加算平均処理において、求められた移動量だけ位置補正を行いつつ、複数フレームの光音響信号を加算平均する。このようにすることで、超音波探触子と測定対象物との相対的な位置関係がフレーム間で変化したときでも、正しく加算平均を行うことができ、光音響画像のＳＮ比を向上できる。特に、光照射及び光音響信号の検出に付随して超音波の送受信を行い、反射超音波を利用してフレーム間の移動量の算出する構成とする場合には、１回の光照射で得られる光音響信号のＳＮ比が低く光音響信号単独ではフレーム間の移動量を求めることが困難な場合でも、フレーム間の移動量を正しく求めることができる効果が得られる。 In the photoacoustic image generation apparatus and method of the present invention, the amount of movement between frames of a plurality of frames of photoacoustic images is obtained, and in the addition averaging process, position correction is performed by the obtained amount of movement, and a plurality of photoacoustic signals are obtained. Are averaged. By doing in this way, even when the relative positional relationship between the ultrasonic probe and the measurement object changes between frames, correct addition averaging can be performed, and the SN ratio of the photoacoustic image can be improved. . In particular, when transmitting and receiving ultrasonic waves in conjunction with light irradiation and photoacoustic signal detection and calculating the amount of movement between frames using reflected ultrasonic waves, it can be obtained with a single light irradiation. Even if the photoacoustic signal has a low SN ratio and it is difficult to obtain the amount of movement between frames with the photoacoustic signal alone, the effect of correctly obtaining the amount of movement between frames can be obtained.
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装置を示す。光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、及びレーザ光源（レーザユニット）１３を備える。レーザユニット１３は、被検体に照射すべきレーザ光を出射する。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から出射したレーザ光は、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a photoacoustic image generation apparatus according to a first embodiment of the present invention. The photoacoustic image generation apparatus 10 includes an ultrasonic probe (probe) 11, an ultrasonic unit 12, and a laser light source (laser unit) 13. The laser unit 13 emits laser light to be irradiated on the subject. What is necessary is just to set the wavelength of a laser beam suitably according to an observation target object. The laser light emitted from the laser unit 13 is guided to the probe 11 using light guide means such as an optical fiber, and is irradiated from the probe 11 to the subject.
プローブ１１は、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び被検体からの超音波の検出（受信）を行う。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する。プローブ１１は、被検体に対するレーザ光の照射後に、被検体内の測定対象物がレーザユニット１３からのレーザ光を吸収することで生じた超音波（以下、光音響信号とも呼ぶ）を検出する。また、プローブ１１は、被検体に対する超音波送信を行った後に、被検体に出力された超音波に対する反射超音波（以下、反射音響信号とも呼ぶ）を検出する。 The probe 11 performs output (transmission) of ultrasonic waves to the subject and detection (reception) of ultrasonic waves from the subject. The probe 11 has, for example, a plurality of ultrasonic transducers arranged one-dimensionally. The probe 11 detects an ultrasonic wave (hereinafter also referred to as a photoacoustic signal) generated when the measurement object in the subject absorbs the laser light from the laser unit 13 after the subject is irradiated with the laser light. The probe 11 detects reflected ultrasound (hereinafter also referred to as a reflected acoustic signal) with respect to the ultrasound output to the subject after performing ultrasonic transmission to the subject.
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、データ分離手段２４、光音響画像生成手段２５、超音波画像再構成手段３０、フレーム間移動量検出手段３１、トリガ制御回路３２、送信制御回路３３、及び制御手段３４を備える。受信回路２１は、プローブ１１が検出した超音波信号（光音響信号又は反射音響信号）を受信する。ＡＤ変換手段２２は、超音波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、例えば外部から入力するＡＤクロック信号に基づいて超音波信号をサンプリングする。 The ultrasonic unit 12 includes a reception circuit 21, an AD conversion unit 22, a reception memory 23, a data separation unit 24, a photoacoustic image generation unit 25, an ultrasonic image reconstruction unit 30, an inter-frame movement amount detection unit 31, and a trigger control circuit. 32, a transmission control circuit 33, and a control means 34. The receiving circuit 21 receives an ultrasonic signal (photoacoustic signal or reflected acoustic signal) detected by the probe 11. The AD conversion means 22 samples the ultrasonic signal and converts it into a digital signal. The AD conversion means 22 samples an ultrasonic signal based on an AD clock signal input from the outside, for example.
受信メモリ２３は、サンプリングされた光音響信号及び反射音響信号を格納する。データ分離手段２４は、光音響信号と反射音響信号とを分離する。データ分離手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、光音響画像生成手段２５に与える。一方、データ分離手段２４は、受信メモリ２３から反射音響信号を読み出し、超音波画像再構成手段３０に与える。 The reception memory 23 stores the sampled photoacoustic signal and reflected acoustic signal. The data separation unit 24 separates the photoacoustic signal and the reflected acoustic signal. The data separation unit 24 reads out the photoacoustic signal from the reception memory 23 and supplies it to the photoacoustic image generation unit 25. On the other hand, the data separation unit 24 reads the reflected acoustic signal from the reception memory 23 and supplies it to the ultrasonic image reconstruction unit 30.
制御手段３４は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。トリガ制御回路３２は、レーザユニット１３にフラッシュランプトリガ信号及びＱスイッチトリガ信号を出力し、レーザユニット１３からレーザ光を出射させる。また、トリガ制御回路３２は、送信制御回路３３に超音波送信トリガ信号を出力し、プローブ１１から超音波を出力させる。更に、トリガ制御回路３２は、レーザ光の照射又は超音波送信と同期してＡＤ変換手段２２に対してＡＤトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２におけるサンプリングを開始させる。 The control means 34 controls each part in the ultrasonic unit 12. The trigger control circuit 32 outputs a flash lamp trigger signal and a Q switch trigger signal to the laser unit 13 to emit laser light from the laser unit 13. The trigger control circuit 32 outputs an ultrasonic transmission trigger signal to the transmission control circuit 33 and causes the probe 11 to output ultrasonic waves. Further, the trigger control circuit 32 outputs an AD trigger signal to the AD conversion means 22 in synchronization with the laser light irradiation or ultrasonic transmission, and starts sampling in the AD conversion means 22.
制御手段３４は、トリガ制御回路３２を介して被検体に対するレーザ光の照射を複数回行わせ、複数回の光照射のそれぞれで、プローブ１１おいて光音響信号を検出させる。また、制御手段３４は、トリガ制御回路３２及び送信制御回路３３を介して、複数回のレーザ光照射に対応してプローブ１１から被検体に対して超音波を送信させ、送信された超音波に対する反射音響信号を検出させる。制御手段３４は、例えばレーザユニット１３からのレーザ光出射とプローブ１１からの超音波送信とを交互に行わせ、プローブ１１において光音響信号の検出と反射音響信号の検出とを交互に行わせる。 The control unit 34 causes the object to be irradiated with laser light a plurality of times via the trigger control circuit 32 and causes the probe 11 to detect a photoacoustic signal in each of the plurality of times of light irradiation. In addition, the control unit 34 causes the probe 11 to transmit an ultrasonic wave to the subject in response to a plurality of times of laser light irradiation via the trigger control circuit 32 and the transmission control circuit 33, and the transmitted ultrasonic wave. A reflected acoustic signal is detected. For example, the controller 34 alternately emits laser light from the laser unit 13 and transmits ultrasonic waves from the probe 11, and causes the probe 11 to alternately detect photoacoustic signals and detect reflected acoustic signals.
レーザユニット１３は、Ｑスイッチパルスレーザの励起光源であるフラッシュランプ３５と、レーザ発振を制御するＱスイッチ３６とを含む。レーザユニット１３は、トリガ制御回路３２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３５を点灯し、Ｑスイッチパルスレーザを励起する。トリガ制御回路３２は、例えばフラッシュランプ３５がＱスイッチパルスレーザ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３５は、Ｑスイッチトリガ信号を受けるとオンし、Ｑスイッチパルスレーザからレーザ光を出射させる。フラッシュランプ３５の点灯からＱスイッチパルスレーザが十分な励起状態となるまでに要する時間は、Ｑスイッチパルスレーザの特性などから見積もることができる。トリガ制御回路３２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、Ｑスイッチパルスレーザを十分に励起させた後にＱスイッチ３６をオンにしてもよい。その場合は、Ｑスイッチ３６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。 The laser unit 13 includes a flash lamp 35 that is an excitation light source of a Q switch pulse laser, and a Q switch 36 that controls laser oscillation. When the trigger control circuit 32 outputs a flash lamp trigger signal, the laser unit 13 turns on the flash lamp 35 and excites the Q switch pulse laser. For example, when the flash lamp 35 sufficiently excites the Q switch pulse laser, the trigger control circuit 32 outputs a Q switch trigger signal. The Q switch 35 is turned on when a Q switch trigger signal is received, and emits laser light from the Q switch pulse laser. The time required from when the flash lamp 35 is turned on until the Q-switch pulse laser is sufficiently excited can be estimated from the characteristics of the Q-switch pulse laser. Instead of controlling the Q switch from the trigger control circuit 32, the Q switch 36 may be turned on after the Q switch pulse laser is sufficiently excited in the laser unit 13. In that case, a signal indicating that the Q switch 36 is turned on may be notified to the ultrasonic unit 12 side.
光音響画像生成手段２５は、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する。制御手段３４は、光音響画像生成手段２５に、複数回のレーザ光照射に対応する光音響信号に基づいて複数フレームの光音響画像を生成させる。光音響画像生成手段２５は、光音響画像再構成手段２６、検波・対数変換手段２７、フレーム加算平均手段２８、及び光音響画像構築手段２９を含む。光音響画像生成手段２５内の各部の機能は、コンピュータが所定のプログラムに従って処理を動作することで実現できる。 The photoacoustic image generation means 25 generates a photoacoustic image based on the photoacoustic signal. The control unit 34 causes the photoacoustic image generation unit 25 to generate a photoacoustic image of a plurality of frames based on a photoacoustic signal corresponding to a plurality of times of laser light irradiation. The photoacoustic image generation unit 25 includes a photoacoustic image reconstruction unit 26, a detection / logarithm conversion unit 27, a frame addition average unit 28, and a photoacoustic image construction unit 29. The function of each part in the photoacoustic image generation means 25 is realizable because a computer operates a process according to a predetermined program.
光音響画像再構成手段２６は、受信メモリ２３から読み出された光音響信号に基づいて、断層画像の各ラインのデータを生成する。光音響画像再構成手段２６は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。光音響画像再構成手段２６は、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行ってもよい。あるいは光音響画像再構成手段２６は、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。 The photoacoustic image reconstruction unit 26 generates data of each line of the tomographic image based on the photoacoustic signal read from the reception memory 23. The photoacoustic image reconstruction unit 26 adds data from, for example, 64 ultrasonic transducers of the probe 11 with a delay time corresponding to the position of the ultrasonic transducer, and generates data for one line (delay). Addition method). The photoacoustic image reconstruction unit 26 may perform reconstruction by the CBP method (Circular Back Projection) instead of the delay addition method. Alternatively, the photoacoustic image reconstruction unit 26 may perform reconstruction using a Hough transform method or a Fourier transform method.
検波・対数変換手段２７は、光音響画像再構成手段２６が出力する各ラインのデータの包絡線を生成し、その包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。フレーム加算平均手段２８は、複数回分の、対数変換が施された各ラインのデータに対して加算平均処理を施す。光音響画像構築手段２９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を生成する。画像表示手段１４は、光音響画像構築手段２９が生成した光音響画像を、表示モニタなどに表示する。 The detection / logarithm conversion means 27 generates an envelope of the data of each line output from the photoacoustic image reconstruction means 26, and logarithmically transforms the envelope to widen the dynamic range. The frame addition averaging means 28 performs addition averaging processing on the data of each line subjected to logarithmic conversion for a plurality of times. For example, the photoacoustic image construction unit 29 converts a position in the time axis direction of the photoacoustic signal (peak portion) into a position in the depth direction in the tomographic image to generate a photoacoustic image. The image display means 14 displays the photoacoustic image generated by the photoacoustic image construction means 29 on a display monitor or the like.
超音波画像再構成手段３０は、受信メモリ２３から読み出された反射音響信号に基づいて、断層画像の各ラインのデータを生成する。超音波画像再構成手段３０は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する。超音波画像再構成手段３０における画像再構成は、対象となる信号が反射音響信号である点を除けば、光音響画像再構成手段２６における画像再構成と同様でよい。 The ultrasonic image reconstruction unit 30 generates data of each line of the tomographic image based on the reflected acoustic signal read from the reception memory 23. The ultrasonic image reconstruction unit 30 adds data from, for example, 64 ultrasonic transducers of the probe 11 with a delay time corresponding to the position of the ultrasonic transducer, and generates data for one line. The image reconstruction in the ultrasonic image reconstruction unit 30 may be the same as the image reconstruction in the photoacoustic image reconstruction unit 26 except that the target signal is a reflected acoustic signal.
フレーム間移動量検出手段３１は、複数フレームの光音響画像のフレーム間の移動量を算出する。本実施形態では、フレーム間移動量検出手段３１は、反射音響信号を利用してフレーム間の移動量を算出する。より詳細には、超音波画像再構成手段３０で再構成された反射音響信号に基づいて、フレーム間の移動量を算出する。なお、超音波画像再構成手段３０で再構成された反射音響信号は、表示用の画像ではないものの、超音波画像とみなすことができる。フレーム間移動量検出手段３１は、例えば複数フレームの超音波画像のフレーム間の移動量を、光音響画像のフレーム間の移動量として算出する。フレーム間移動量検出手段３１は、例えば連続する時刻のフレーム間の超音波画像を比較し、隣接するフレーム間での対応点の位置の差に基づいてフレーム間の移動量を算出する。 The inter-frame movement amount detection means 31 calculates the movement amount between frames of the photoacoustic image of a plurality of frames. In the present embodiment, the inter-frame movement amount detection means 31 calculates the movement amount between frames using the reflected acoustic signal. More specifically, the amount of movement between frames is calculated based on the reflected acoustic signal reconstructed by the ultrasonic image reconstruction means 30. Note that the reflected acoustic signal reconstructed by the ultrasound image reconstruction means 30 can be regarded as an ultrasound image, although it is not a display image. The inter-frame movement amount detection means 31 calculates, for example, the movement amount between frames of a plurality of frames of ultrasonic images as the movement amount between frames of the photoacoustic image. The inter-frame movement amount detection means 31 compares, for example, ultrasonic images between frames at successive times, and calculates the movement amount between frames based on the difference in the positions of corresponding points between adjacent frames.
フレーム間移動量検出手段３１は、算出したフレーム間の移動量をフレーム加算平均手段２８に与える。フレーム加算平均手段２８は、フレーム間移動量検出手段３１で算出された移動量だけ位置補正を行いつつ、複数フレームの光音響画像を加算平均する。フレーム加算平均手段２８が、複数枚の光音響画像（検波・対数変換手段２７の出力信号）を加算平均する際に、フレーム間移動量検出手段３１で算出された移動量だけ位置を補正して加算平均することで、同じ位置からの光音響信号を加算平均することができる。 The inter-frame movement amount detection means 31 gives the calculated movement amount between frames to the frame addition averaging means 28. The frame addition averaging means 28 adds and averages the photoacoustic images of a plurality of frames while performing position correction by the movement amount calculated by the interframe movement amount detection means 31. When the frame addition averaging means 28 adds and averages a plurality of photoacoustic images (output signals of the detection / logarithmic conversion means 27), the position is corrected by the movement amount calculated by the interframe movement amount detection means 31. By adding and averaging, the photoacoustic signals from the same position can be added and averaged.
図２（ａ）及び（ｂ）は、隣接するフレームの光音響画像を示す。図２（ａ）は時刻ｔに対応するフレームの光音響画像を示し、（ｂ）は時刻ｔ＋１に対応するフレームの光音響画像を示す。図２において、紙面横方向はプローブ１１において超音波振動子が一次元的に配列された方向に対応し、縦方向は被検体の深さ方向に対応する。時刻ｔと時刻ｔ＋１とでは、フレーム間で、プローブ１１と測定対象物との相対的な位置関係が一定となっていることが好ましい。しかしながら、術者の手ぶれや患者の体動などの影響で、プローブ１１と測定対象物との相対的な位置関係がフレーム間で変化することがある。 2A and 2B show photoacoustic images of adjacent frames. FIG. 2A shows a photoacoustic image of a frame corresponding to time t, and FIG. 2B shows a photoacoustic image of a frame corresponding to time t + 1. In FIG. 2, the horizontal direction on the paper surface corresponds to the direction in which the ultrasonic transducers are arranged one-dimensionally in the probe 11, and the vertical direction corresponds to the depth direction of the subject. At time t and time t + 1, it is preferable that the relative positional relationship between the probe 11 and the measurement object is constant between frames. However, the relative positional relationship between the probe 11 and the measurement object may change between frames due to the effects of hand movements of the surgeon and body movements of the patient.
プローブ１１と測定対象物との相対的な位置関係がフレーム間で変化すると、光音響画像において測定対象物の位置がずれるため、複数フレームの光音響画像をそのまま加算平均すると、同じ位置からの光音響信号を加算平均することができない。本実施形態では、フレーム間移動量検出手段３１を用いて光音響画像のフレーム間の移動量を求め、求めた移動量で位置補正を行った上で加算平均処理を行う。しかしながら、光音響信号のＳＮが低い場合には、光音響画像において測定対象物がぼんやりとしか現れない。このため、加算平均を行う前の光音響画像からフレーム間の移動量を求めることは容易ではない。そこで、本実施形態では、各フレームにおいて光音響信号に付随して反射音響信号を取得し、取得した反射音響信号に基づいてフレーム間の移動量を求める。 When the relative positional relationship between the probe 11 and the measurement object changes between frames, the position of the measurement object is shifted in the photoacoustic image. Therefore, when the photoacoustic images of a plurality of frames are added and averaged as they are, An acoustic signal cannot be averaged. In the present embodiment, the movement amount between frames of the photoacoustic image is obtained using the movement amount detection means 31 between frames, and after performing position correction with the obtained movement amount, the addition averaging process is performed. However, when the SN of the photoacoustic signal is low, the measurement object appears only vaguely in the photoacoustic image. For this reason, it is not easy to determine the amount of movement between frames from the photoacoustic image before performing averaging. Therefore, in the present embodiment, a reflected acoustic signal is acquired along with the photoacoustic signal in each frame, and an amount of movement between frames is obtained based on the acquired reflected acoustic signal.
図３（ａ）及び（ｂ）は、隣接するフレームの超音波画像を示す。図３（ａ）は時刻ｔに対応するフレームの超音波画像を示し、（ｂ）は時刻ｔ＋１に対応するフレームの超音波画像を示す。図３において、紙面横方向はプローブ１１において超音波振動子が一次元的に配列された方向に対応し、縦方向は被検体の深さ方向に対応する。図３（ａ）に示す超音波画像は、図２（ａ）に示す光音響画像に付随する超音波画像であり、図３（ｂ）に示す超音波画像は、図２（ｂ）に示す光音響画像に付随する超音波画像である。光音響画像の生成（光音響画像の取得）に付随して、ほぼ同じ時刻で超音波の送受信を行ってその反射音響信号を検出することで、超音波画像における測定対象物の位置のフレーム間の変化と、光音響画像における測定対象物の位置のフレーム間の変化とは、ほぼ同じ向きで、同じ大きさになると考えられる。 3A and 3B show ultrasonic images of adjacent frames. 3A shows an ultrasonic image of a frame corresponding to time t, and FIG. 3B shows an ultrasonic image of a frame corresponding to time t + 1. In FIG. 3, the horizontal direction on the paper surface corresponds to the direction in which the ultrasonic transducers are arranged one-dimensionally in the probe 11, and the vertical direction corresponds to the depth direction of the subject. The ultrasound image shown in FIG. 3 (a) is an ultrasound image accompanying the photoacoustic image shown in FIG. 2 (a), and the ultrasound image shown in FIG. 3 (b) is shown in FIG. 2 (b). It is an ultrasonic image accompanying a photoacoustic image. Accompanying the generation of a photoacoustic image (acquisition of a photoacoustic image), by transmitting and receiving ultrasonic waves at approximately the same time and detecting the reflected acoustic signal, between the frames of the position of the measurement object in the ultrasonic image And the change between the frames of the position of the measurement object in the photoacoustic image are considered to have substantially the same direction and the same size.
図３（ｂ）には、時刻ｔ＋１における超音波画像に併せて、時刻ｔにおける超音波画像を点線で示している。フレーム間移動量検出手段３１は、例えば図３（ａ）に示す超音波画像と、図３（ｂ）に示す超音波画像とを比較し、フレーム間の移動量を求める。フレーム間移動量検出手段３１は、例えば時刻ｔにおける超音波画像と時刻ｔ＋１における超音波画像とで対応点を求め、対応点の座標の差をフレーム間の移動量として求める。フレーム間移動量検出手段３１における移動量の算出手法は上記したものに限定されるわけではなく、移動量の算出手法は特に問わない。 In FIG. 3B, the ultrasonic image at time t is indicated by a dotted line in addition to the ultrasonic image at time t + 1. For example, the inter-frame movement amount detection means 31 compares the ultrasonic image shown in FIG. 3A with the ultrasonic image shown in FIG. For example, the inter-frame movement amount detection means 31 obtains corresponding points from the ultrasonic image at time t and the ultrasonic image at time t + 1, and obtains the difference between the coordinates of the corresponding points as the movement amount between frames. The calculation method of the movement amount in the inter-frame movement amount detection means 31 is not limited to the above-described one, and the movement amount calculation method is not particularly limited.
フレーム加算平均手段２８は、時刻ｔのフレームの光音響画像（図２（ａ））と、時刻ｔ＋１のフレームの光音響画像（図２（ｂ））とを、超音波画像（図３（ａ）、（ｂ））を用いて求めたフレーム間の移動量だけ位置補正した上で、加算平均する。フレーム加算平均手段２８は、例えば時刻ｔ＋１のフレームにおける光音響画像の各画素を、フレーム間の移動量とは逆向きに移動させる。フレーム加算平均手段２８は、少なくとも一方の光音響画像を位置補正し、双方の光音響画像における測定対象物の位置を一致させた上で、２つのフレームの光音響画像を加算平均する。超音波画像を利用することで、光音響画像のみでは求めることが難しい移動量を正しく求めることができ、加算平均処理に際し、複数のフレーム間で測定対象物の位置を一致させることができる。 The frame addition averaging means 28 combines the photoacoustic image of the frame at time t (FIG. 2A) and the photoacoustic image of the frame at time t + 1 (FIG. 2B) into an ultrasonic image (FIG. 3A). ) And (b)), the position is corrected by the amount of movement between the frames obtained by using (b)), and the addition is averaged. The frame addition averaging means 28 moves, for example, each pixel of the photoacoustic image in the frame at time t + 1 in the direction opposite to the movement amount between the frames. The frame addition averaging means 28 corrects the position of at least one photoacoustic image, matches the position of the measurement object in both photoacoustic images, and then adds and averages the photoacoustic images of the two frames. By using the ultrasonic image, it is possible to correctly determine the amount of movement that is difficult to obtain with only the photoacoustic image, and to match the positions of the measurement objects between a plurality of frames during the averaging process.
図４は、フレーム加算平均手段２８の構成の一例を示す。フレーム加算平均手段２８は、例えば新規フレーム（最新のフレーム）の光音響画像に対し、最新フレームよりも所定フレーム数までの１以上のフレームの光音響画像を加算することで、加算平均処理を行う。例えばフレーム加算平均手段２８は、図４に示すように、光音響画像を遅延する４つの遅延器５１と、各遅延器で遅延された光音響画像と今回のフレームの光音響画像とを加算する計５つの加算器５２とを含む。フレーム加算平均手段２８は、最新のフレームを時刻ｔとすれば、時刻ｔの光音響画像と、時刻ｔ−１からｔ−５までの４つの光音響画像とを加算する。その際、フレーム加算平均手段２８は、複数フレームの光音響画像を重み付け加算してもよい。 FIG. 4 shows an example of the configuration of the frame addition averaging means 28. The frame addition averaging means 28 performs addition averaging processing by adding one or more frames of photoacoustic images up to a predetermined number of frames from the latest frame to the photoacoustic image of a new frame (latest frame), for example. . For example, as shown in FIG. 4, the frame addition averaging means 28 adds four delay units 51 that delay the photoacoustic image, and adds the photoacoustic image delayed by each delay unit and the photoacoustic image of the current frame. A total of five adders 52 are included. If the latest frame is time t, the frame addition averaging means 28 adds the photoacoustic image at time t and the four photoacoustic images from time t-1 to time t-5. At that time, the frame addition averaging means 28 may perform weighted addition of a plurality of frames of photoacoustic images.
図５は、フレーム加算平均手段２８の別の構成例を示す。加算平均処理は、単純加算平均や重み付け加算平均だけではなく、循環型フレーム相関処理でもよい。より詳細には、フレーム加算平均手段２８が、新規フレームの光音響画像と、加算平均処理された光音響画像とを所定の割合で合成することで加算平均処理を行う構成としてもよい。例えばフレーム加算平均手段２７は、２つの乗算器６１、６２と、１つの加算器６３とを含む。乗算器６１は、最新のフレームの光音響画像に係数α（０＜α＜１）を乗じる。乗算器６２は、フレーム加算平均手段２８の出力に係数（１−α）を乗じる。加算器６３は、乗算器６１の出力と乗算器６２の出力とを加算する。加算器６３の加算結果は、光音響画像構築手段２９（図１）に出力されると共に、乗算器６１に戻される。加算平均処理を、循環型フレーム相関処理とする場合は、１フレーム分のフレームメモリを確保することで加算平均処理を実現できるため、図４に示す構成とする場合に比して、加算平均処理を少ないメモリ量で実現できるメリットがある。 FIG. 5 shows another configuration example of the frame addition averaging means 28. The addition averaging process is not limited to simple addition averaging or weighted addition averaging, but may be cyclic frame correlation processing. More specifically, the frame addition averaging means 28 may be configured to perform the addition averaging process by combining the photoacoustic image of the new frame and the photoacoustic image subjected to the addition averaging process at a predetermined ratio. For example, the frame addition averaging means 27 includes two multipliers 61 and 62 and one adder 63. The multiplier 61 multiplies the photoacoustic image of the latest frame by a coefficient α (0 <α <1). The multiplier 62 multiplies the output of the frame addition averaging means 28 by a coefficient (1-α). The adder 63 adds the output of the multiplier 61 and the output of the multiplier 62. The addition result of the adder 63 is output to the photoacoustic image construction unit 29 (FIG. 1) and returned to the multiplier 61. When the averaging process is a cyclic frame correlation process, the averaging process can be realized by securing a frame memory for one frame. Therefore, the averaging process is compared with the case shown in FIG. Can be realized with a small amount of memory.
続いて動作手順を説明する。図６に、光音響画像生成時の動作手順を示す。制御手段３４は、トリガ制御回路３２に光音響信号の取得を指示する。トリガ制御回路３２は、レーザユニット１３に対してフラッシュランプトリガ信号を出力する。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３５が点灯し、レーザ励起が開始される。トリガ制御回路３２は、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。レーザユニット１３では、Ｑスイッチ３６がＱスイッチトリガ信号に応答してＯＮし、Ｑスイッチレーザがレーザ光を出射して、被検体にレーザ光が照射される（ステップＡ１）。 Next, the operation procedure will be described. FIG. 6 shows an operation procedure when generating a photoacoustic image. The control unit 34 instructs the trigger control circuit 32 to acquire a photoacoustic signal. The trigger control circuit 32 outputs a flash lamp trigger signal to the laser unit 13. In the laser unit 13, the flash lamp 35 is turned on in response to the flash lamp trigger signal, and laser excitation is started. The trigger control circuit 32 outputs a Q switch trigger signal at a predetermined timing. In the laser unit 13, the Q switch 36 is turned on in response to the Q switch trigger signal, the Q switch laser emits laser light, and the subject is irradiated with the laser light (step A1).
プローブ１１は、レーザ光照射により被検体内で生じた光音響信号を検出する（ステップＡ２）。受信回路２１は、プローブ１１にて検出された光音響信号を受信する。トリガ制御回路３２は、被検体に対する光照射タイミングに合わせたタイミングでＡＤトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２におけるサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤトリガ信号を受け取ると、例えばクロック周波数４０ＭＨｚのＡＤクロック信号に同期して光音響信号をサンプリングし、サンプリングした光音響信号をデジタル信号に変換して受信メモリ２３に格納する。 The probe 11 detects a photoacoustic signal generated in the subject by laser light irradiation (step A2). The receiving circuit 21 receives the photoacoustic signal detected by the probe 11. The trigger control circuit 32 outputs an AD trigger signal at a timing that matches the light irradiation timing on the subject, and starts sampling in the AD conversion means 22. Upon receipt of the AD trigger signal, the AD conversion means 22 samples the photoacoustic signal in synchronization with the AD clock signal having a clock frequency of 40 MHz, for example, converts the sampled photoacoustic signal into a digital signal, and stores it in the reception memory 23. .
トリガ制御回路３２は、被検体に対する光照射に付随して、送信制御回路３３に超音波送信トリガ信号を出力し、プローブ１１から超音波を送信させる（ステップＡ３）。プローブ１１は、超音波送信により被検体内で生じた反射音響信号を検出する（ステップＡ４）。受信回路２１は、プローブ１１にて検出された反射音響信号を受信する。トリガ制御回路３２は、被検体に対する超音波送信タイミングに合わせたタイミングでＡＤトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２におけるサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、反射音響信号をサンプリングし、サンプリングした反射音響信号をデジタル信号に変換して受信メモリ２３に格納する。ステップＡ２の光音響信号の検出からステップＡ４の反射音響信号の検出までの間の時間は短いことが好ましい。 The trigger control circuit 32 outputs an ultrasonic transmission trigger signal to the transmission control circuit 33 in association with the light irradiation to the subject, and transmits the ultrasonic wave from the probe 11 (step A3). The probe 11 detects a reflected acoustic signal generated in the subject by ultrasonic transmission (step A4). The receiving circuit 21 receives the reflected acoustic signal detected by the probe 11. The trigger control circuit 32 outputs an AD trigger signal at a timing that matches the ultrasound transmission timing for the subject, and starts sampling in the AD conversion means 22. The AD conversion unit 22 samples the reflected acoustic signal, converts the sampled reflected acoustic signal into a digital signal, and stores the digital signal in the reception memory 23. The time from the detection of the photoacoustic signal in step A2 to the detection of the reflected acoustic signal in step A4 is preferably short.
データ分離手段２４は、受信メモリ２３から反射音響信号を読み出し、超音波画像再構成手段３０に与える。超音波画像再構成手段３０は、反射音響信号に対して例えば位相整合加算を行い、反射音響信号の再構成を行う（ステップＡ５）。再構成された反射音響信号は、超音波画像とみなすことができる。フレーム間移動量検出手段３１は、前回の超音波送信に対して検出された、再構成された反射音響信号（超音波画像）と、ステップＡ５で再構成された超音波画像とを比較し、前回と今回の間での超音波画像の移動量を求める（ステップＡ６）。 The data separation unit 24 reads the reflected acoustic signal from the reception memory 23 and gives it to the ultrasonic image reconstruction unit 30. The ultrasonic image reconstruction unit 30 performs, for example, phase matching addition on the reflected acoustic signal to reconstruct the reflected acoustic signal (step A5). The reconstructed reflected acoustic signal can be regarded as an ultrasonic image. The inter-frame movement amount detection means 31 compares the reconstructed reflected acoustic signal (ultrasonic image) detected with respect to the previous ultrasonic transmission and the ultrasonic image reconstructed in step A5, The amount of movement of the ultrasonic image between the previous time and the current time is obtained (step A6).
データ分離手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、光音響画像生成手段２５に与える。光音響画像生成手段２５の光音響画像再構成手段２６は、光音響信号に対して例えば位相整合加算を行い、光音響信号の再構成を行う（ステップＡ７）。検波・対数変換手段２７は、再構成された光音響信号に対して、検波・対数変換を実施する（ステップＡ８）。ステップＡ７及びＡ８は、ステップＡ５及びステップＡ６と並行して行ってもよい。 The data separation unit 24 reads out the photoacoustic signal from the reception memory 23 and supplies it to the photoacoustic image generation unit 25. The photoacoustic image reconstruction means 26 of the photoacoustic image generation means 25 performs, for example, phase matching addition on the photoacoustic signal to reconstruct the photoacoustic signal (step A7). The detection / logarithmic conversion means 27 performs detection / logarithmic conversion on the reconstructed photoacoustic signal (step A8). Steps A7 and A8 may be performed in parallel with step A5 and step A6.
フレーム加算平均手段２８は、ステップＡ６で求められた移動量を用いて、複数のフレーム間で光音響画像の位置補正を行いつつ、複数のフレームの光音響画像を加算平均する（ステップＡ９）。加算平均を行うことで、光音響信号（光音響画像）のＳＮ比を向上できる。光音響画像構築手段２９は、加算平均された光音響信号に基づいて、表示用の光音響画像を生成する（ステップＡ１０）。画像表示手段１４は、光音響画像構築手段２９が生成した光音響画像を表示画面上に表示する。光音響画像生成装置１０は、ステップＡ１からステップＡ９を繰り返し実行し、複数フレームの光音響画像を生成する。 The frame addition averaging means 28 adds and averages the photoacoustic images of a plurality of frames while correcting the position of the photoacoustic image between the plurality of frames using the movement amount obtained in step A6 (step A9). By performing the averaging, the SN ratio of the photoacoustic signal (photoacoustic image) can be improved. The photoacoustic image construction unit 29 generates a photoacoustic image for display based on the photoacoustic signal that has been averaged (step A10). The image display means 14 displays the photoacoustic image generated by the photoacoustic image construction means 29 on the display screen. The photoacoustic image generation apparatus 10 repeatedly executes step A1 to step A9 to generate a photoacoustic image of a plurality of frames.
本実施形態では、フレーム間移動量検出手段３１を用いて、光音響画像のフレーム間の移動量を求め、フレーム加算平均手段２８において複数フレームの光音響画像を加算平均する際に、求められた移動量だけ位置補正して加算平均を行う。このようにすることで、術者の手ぶれや患者の体動により、プローブ１１と測定対象物との相対的な位置関係がフレーム間で変化したときでも、同じ位置からの信号を正しく加算平均することができ、生成される光音響画像のＳＮ比を向上できる。 In the present embodiment, the movement amount between frames of the photoacoustic image is obtained using the movement amount detection means 31 between the frames, and obtained when the frame addition averaging means 28 adds and averages the photoacoustic images of a plurality of frames. The position is corrected by the amount of movement and the averaging is performed. Thus, even when the relative positional relationship between the probe 11 and the measurement object changes between frames due to the hand shake of the operator or the patient's body movement, signals from the same position are correctly added and averaged. And the SN ratio of the generated photoacoustic image can be improved.
特に、本実施形態では、フレーム間移動量検出手段３１は、超音波を用いてフレーム間の移動量を求める。１回の光照射に対応する音響信号が十分なＳＮ比で検出できない場合は、光音響信号を用いて移動量を求めることは容易ではない。光照射及び光音響信号の検出に付随して被検体に対して超音波の送受信を行い、検出された反射超音波を利用することで、光音響信号単独では求めることが困難な移動量の算出が可能になる。特に、低エネルギー高繰り返しタイプ、具体的にはレーザパワー２ｍＪ以下で、１ｋＨｚ以上の繰り返しの場合には、１フレームの光音響信号が十分なＳＮ比で取得できないため、超音波を利用した移動量の算出が有利である。 In particular, in the present embodiment, the inter-frame movement amount detection means 31 obtains the movement amount between frames using ultrasonic waves. When an acoustic signal corresponding to one light irradiation cannot be detected with a sufficient S / N ratio, it is not easy to obtain the movement amount using the photoacoustic signal. Calculates the amount of movement that is difficult to obtain with a photoacoustic signal alone by transmitting and receiving ultrasonic waves to and from the subject in conjunction with detection of light irradiation and photoacoustic signals, and using the detected reflected ultrasonic waves Is possible. In particular, in the case of a low energy, high repetition type, specifically, laser power of 2 mJ or less and repetition of 1 kHz or more, a 1-frame photoacoustic signal cannot be acquired with a sufficient S / N ratio. Is advantageous.
次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図７は、本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置を示す。本実施形態の光音響画像生成装置１０ａは、超音波ユニット１２ａ内の構成が、図１に示す第１実施形態における光音響画像生成装置１０と相違する。超音波ユニット１２ａは、第１実施形態の光音響画像生成装置１０における超音波ユニット１２ａの構成に加えて、検波・対数変換手段３８、超音波画像構築手段３９、及び画像合成手段４０を有する。本実施形態では、反射音響信号はフレーム間の移動量の算出だけでなく、表示用の超音波画像の生成にも用いられる。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 shows a photoacoustic image generation apparatus according to the second embodiment of the present invention. The photoacoustic image generation apparatus 10a of this embodiment differs in the structure in the ultrasonic unit 12a from the photoacoustic image generation apparatus 10 in 1st Embodiment shown in FIG. The ultrasonic unit 12a includes a detection / logarithm conversion unit 38, an ultrasonic image construction unit 39, and an image synthesis unit 40 in addition to the configuration of the ultrasonic unit 12a in the photoacoustic image generation apparatus 10 of the first embodiment. In this embodiment, the reflected acoustic signal is used not only for calculating the amount of movement between frames but also for generating an ultrasonic image for display.
超音波画像再構成手段３０、検波・対数変換手段３８、及び超音波画像構築手段３９は、超音波画像生成手段３７を構成する。検波・対数変換手段３８は、超音波画像再構成手段３０により再構成された各ラインのデータの包絡線を生成し、その包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。超音波画像構築手段３９は、例えば反射音響信号（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超音波画像を生成する。検波・対数変換手段３８及び超音波画像構築手段３９は、対象となる信号が反射音響信号である点を除けば、光音響画像生成手段２５の検波・対数変換手段２７、及び超音波画像構築手段２９と同様でよい。 The ultrasonic image reconstruction unit 30, the detection / logarithm conversion unit 38, and the ultrasonic image construction unit 39 constitute an ultrasonic image generation unit 37. The detection / logarithm conversion means 38 generates an envelope of the data of each line reconstructed by the ultrasonic image reconstruction means 30, and logarithmically transforms the envelope to widen the dynamic range. For example, the ultrasonic image constructing unit 39 converts the position of the reflected acoustic signal (peak part) in the time axis direction into a position in the depth direction of the tomographic image to generate an ultrasonic image. The detection / logarithmic conversion means 38 and the ultrasonic image construction means 39 are the detection / logarithmic conversion means 27 and the ultrasonic image construction means of the photoacoustic image generation means 25 except that the signal of interest is a reflected acoustic signal. It may be the same as 29.
画像合成手段４０は、光音響画像生成手段２５により生成された光音響画像と、超音波画像生成手段３７により生成された超音波画像とを合成する。画像表示手段１４は、光音響画像と超音波画像とを合成した合成画像を、表示モニタなどに表示する。画像表示手段１４は、光音響画像と超音波画像とを並べて表示してもよく、或いは光音響画像と超音波画像とを交互に表示してもよい。 The image synthesis unit 40 synthesizes the photoacoustic image generated by the photoacoustic image generation unit 25 and the ultrasonic image generated by the ultrasonic image generation unit 37. The image display unit 14 displays a composite image obtained by combining the photoacoustic image and the ultrasonic image on a display monitor or the like. The image display means 14 may display the photoacoustic image and the ultrasonic image side by side, or may display the photoacoustic image and the ultrasonic image alternately.
図８は、第２実施形態における光音響画像生成の動作手順を示している。制御手段３４は、トリガ制御回路３２に光音響信号の取得を指示する。トリガ制御回路３２は、レーザユニット１３に対してフラッシュランプトリガ信号を出力する。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３５が点灯し、レーザ励起が開始される。トリガ制御回路３２は、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。レーザユニット１３では、Ｑスイッチ３６がＱスイッチトリガ信号に応答してＯＮし、Ｑスイッチレーザがレーザ光を出射して、被検体にレーザ光が照射される（ステップＢ１）。 FIG. 8 shows an operation procedure for generating a photoacoustic image in the second embodiment. The control unit 34 instructs the trigger control circuit 32 to acquire a photoacoustic signal. The trigger control circuit 32 outputs a flash lamp trigger signal to the laser unit 13. In the laser unit 13, the flash lamp 35 is turned on in response to the flash lamp trigger signal, and laser excitation is started. The trigger control circuit 32 outputs a Q switch trigger signal at a predetermined timing. In the laser unit 13, the Q switch 36 is turned ON in response to the Q switch trigger signal, the Q switch laser emits laser light, and the subject is irradiated with the laser light (step B1).
プローブ１１は、レーザ光照射により被検体内で生じた光音響信号を検出する（ステップＢ２）。受信回路２１は、プローブ１１にて検出された光音響信号を受信する。トリガ制御回路３２は、被検体に対する光照射タイミングに合わせたタイミングでＡＤトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２におけるサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤトリガ信号を受け取ると、例えばクロック周波数４０ＭＨｚのＡＤクロック信号に同期して光音響信号をサンプリングし、サンプリングした光音響信号をデジタル信号に変換して受信メモリ２３に格納する。 The probe 11 detects a photoacoustic signal generated in the subject by laser light irradiation (step B2). The receiving circuit 21 receives the photoacoustic signal detected by the probe 11. The trigger control circuit 32 outputs an AD trigger signal at a timing that matches the light irradiation timing on the subject, and starts sampling in the AD conversion means 22. Upon receipt of the AD trigger signal, the AD conversion means 22 samples the photoacoustic signal in synchronization with the AD clock signal having a clock frequency of 40 MHz, for example, converts the sampled photoacoustic signal into a digital signal, and stores it in the reception memory 23. .
トリガ制御回路３２は、被検体に対する光照射に付随して、送信制御回路３３に超音波送信トリガ信号を出力し、プローブ１１から超音波を送信させる（ステップＢ３）。プローブ１１は、超音波送信により被検体内で生じた反射音響信号を検出する（ステップＢ４）。受信回路２１は、プローブ１１にて検出された反射音響信号を受信する。トリガ制御回路３２は、被検体に対する超音波送信タイミングに合わせたタイミングでＡＤトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２におけるサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、反射音響信号をサンプリングし、サンプリングした反射音響信号をデジタル信号に変換して受信メモリ２３に格納する。 The trigger control circuit 32 outputs an ultrasonic transmission trigger signal to the transmission control circuit 33 in association with the light irradiation on the subject, and transmits the ultrasonic wave from the probe 11 (step B3). The probe 11 detects a reflected acoustic signal generated in the subject by ultrasonic transmission (step B4). The receiving circuit 21 receives the reflected acoustic signal detected by the probe 11. The trigger control circuit 32 outputs an AD trigger signal at a timing that matches the ultrasound transmission timing for the subject, and starts sampling in the AD conversion means 22. The AD conversion unit 22 samples the reflected acoustic signal, converts the sampled reflected acoustic signal into a digital signal, and stores the digital signal in the reception memory 23.
データ分離手段２４は、受信メモリ２３から反射音響信号を読み出し、超音波画像再構成手段３０に与える。超音波画像再構成手段３０は、反射音響信号に対して例えば位相整合加算を行い、反射音響信号の再構成を行う（ステップＢ５）。再構成された反射音響信号は、超音波画像とみなすことができる。フレーム間移動量検出手段３１は、前回の超音波送信に対して検出された、再構成された反射音響信号（超音波画像）と、ステップＢ５で再構成された超音波画像とを比較し、前回と今回との間での超音波画像の移動量を求める（ステップＢ６）。ここまでのステップは、第１実施形態で説明した図６のステップＡ１〜Ａ６と同様でよい。 The data separation unit 24 reads the reflected acoustic signal from the reception memory 23 and gives it to the ultrasonic image reconstruction unit 30. The ultrasonic image reconstruction means 30 performs, for example, phase matching addition on the reflected acoustic signal to reconstruct the reflected acoustic signal (step B5). The reconstructed reflected acoustic signal can be regarded as an ultrasonic image. The inter-frame movement amount detection means 31 compares the reconstructed reflected acoustic signal (ultrasonic image) detected with respect to the previous ultrasonic transmission and the ultrasonic image reconstructed in step B5, The amount of movement of the ultrasonic image between the previous time and the current time is obtained (step B6). The steps so far may be the same as steps A1 to A6 of FIG. 6 described in the first embodiment.
検波・対数変換手段３８は、ステップＢ５で再構成された反射音響信号に対して、検波・対数変換を実施する（ステップＢ７）。超音波画像構築手段３９は、検波・対数変換が施された反射音響信号に基づいて、表示用の超音波画像を生成する（ステップＢ８） The detection / logarithmic conversion means 38 performs detection / logarithmic conversion on the reflected acoustic signal reconstructed in step B5 (step B7). The ultrasonic image constructing means 39 generates a display ultrasonic image based on the reflected acoustic signal subjected to detection and logarithmic conversion (step B8).
データ分離手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、光音響画像生成手段２５に与える。光音響画像生成手段２５の光音響画像再構成手段２６は、光音響信号に対して例えば位相整合加算を行い、光音響信号の再構成を行う（ステップＢ９）。検波・対数変換手段２７は、再構成された光音響信号に対して、検波・対数変換を実施する（ステップＢ１０）。 The data separation unit 24 reads out the photoacoustic signal from the reception memory 23 and supplies it to the photoacoustic image generation unit 25. The photoacoustic image reconstruction means 26 of the photoacoustic image generation means 25 performs, for example, phase matching addition on the photoacoustic signal to reconstruct the photoacoustic signal (step B9). The detection / logarithmic conversion means 27 performs detection / logarithmic conversion on the reconstructed photoacoustic signal (step B10).
フレーム加算平均手段２８は、ステップＢ６で求められた移動量を用いて複数のフレーム間で光音響画像の位置補正を行いつつ、複数のフレームの光音響画像を加算平均する（ステップＢ１１）。光音響画像構築手段２９は、加算平均された光音響信号に基づいて、表示用の光音響画像を生成する（ステップＢ１２）。画像合成手段４０は、ステップＢ８で生成された超音波画像と、ステップＢ１２で生成された光音響画像とを合成する（ステップＢ１３）。画像表示手段１４は、画像合成手段４０で合成された合成画像を表示画面上に表示する。 The frame addition averaging means 28 adds and averages the photoacoustic images of a plurality of frames while correcting the position of the photoacoustic image between the plurality of frames using the movement amount obtained in step B6 (step B11). The photoacoustic image construction unit 29 generates a photoacoustic image for display based on the photoacoustic signal that has been averaged (step B12). The image synthesizing unit 40 synthesizes the ultrasonic image generated in Step B8 and the photoacoustic image generated in Step B12 (Step B13). The image display means 14 displays the composite image synthesized by the image composition means 40 on the display screen.
本実施形態では、光照射に付随して送信された超音波に対する反射音響信号に基づいてフレーム間の移動量を算出すると共に、超音波画像を生成する。また、生成された超音波画像と光音響画像とを合成して画像表示手段１４に表示する。このようにすることで、ユーザは、光音響画像と超音波画像とを重畳した画像を観察することができる。その他の効果は第１実施形態と同様である。 In the present embodiment, an amount of movement between frames is calculated based on a reflected acoustic signal for ultrasonic waves transmitted accompanying light irradiation, and an ultrasonic image is generated. Further, the generated ultrasonic image and the photoacoustic image are combined and displayed on the image display means 14. By doing in this way, the user can observe the image which superimposed the photoacoustic image and the ultrasonic image. Other effects are the same as those of the first embodiment.
なお、上記各実施形態では、フレーム加算平均手段２８にて、検波・対数変換処理後の光音響画像を加算平均するものとして説明したが、加算平均の対象は、光音響画像生成の任意の段階の信号（データ）でよい。例えば光音響画像再構成手段２６により再構成された光音響信号（光音響画像）を加算平均してもよいし、光音響画像構築手段２９により生成された光音響画像を加算平均してもよい。また、第２実施形態では、再構成された超音波信号（超音波画像）に基づいてフレーム間の移動量を求めることとしたが、これには限定されない。例えば検波・対数変換手段３８により検波・対数変換が施された超音波信号に基づいてフレーム間の移動量を求めることとしてもよいし、超音波画像構築手段３９が生成した超音波画像に基づいてフレーム間の移動量を求めてもよい。 In each of the above embodiments, the frame addition averaging means 28 has been described as performing the addition averaging of the photoacoustic image after the detection / logarithmic conversion process, but the target of the addition averaging is an arbitrary stage of the photoacoustic image generation. The signal (data) of For example, the photoacoustic signal (photoacoustic image) reconstructed by the photoacoustic image reconstruction unit 26 may be added and averaged, or the photoacoustic image generated by the photoacoustic image construction unit 29 may be added and averaged. . In the second embodiment, the amount of movement between frames is determined based on the reconstructed ultrasonic signal (ultrasonic image), but the present invention is not limited to this. For example, the movement amount between frames may be obtained based on the ultrasonic signal subjected to detection / logarithmic conversion by the detection / logarithmic conversion means 38, or based on the ultrasonic image generated by the ultrasonic image construction means 39. The amount of movement between frames may be obtained.
図４を用いて、現在フレームを含む直近の複数フレームの光音響画像を加算平均する例について説明したが、加算平均の対象は、現在フレームを含む直近の複数フレームの光音響画像に限定されるわけではない。例えば時刻ｔから時刻ｔ＋９までの１０枚の光音響画像があるときに、時刻ｔから時刻ｔ＋４までの５枚の光音響画像を加算平均して１つの表示用の光音響画像を生成し、時刻ｔ＋５から時刻ｔ＋９までの５枚の光音響画像を加算平均して表示用の光音響画像を生成するようにしてもよい。 The example in which the photoacoustic images of the most recent frames including the current frame are added and averaged has been described with reference to FIG. 4, but the target of addition averaging is limited to the photoacoustic images of the most recent frames including the current frame. Do not mean. For example, when there are ten photoacoustic images from time t to time t + 9, five photoacoustic images from time t to time t + 4 are added and averaged to generate one display photoacoustic image. A photoacoustic image for display may be generated by averaging five photoacoustic images from t + 5 to time t + 9.
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。 Although the present invention has been described based on the preferred embodiment, the photoacoustic image generation apparatus and method of the present invention are not limited to the above embodiment, and various modifications can be made from the configuration of the above embodiment. Further, modifications and changes are also included in the scope of the present invention.
１０：光音響画像生成装置
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：データ分離手段
２５：光音響画像生成手段
２６：光音響画像再構成手段
２７：検波・対数変換手段
２８：フレーム加算平均手段
２９；光音響画像構築手段
３０：超音波画像再構成手段
３１：フレーム間移動量検出手段
３２：トリガ制御回路
３３：送信制御回路
３４：制御手段
３５：フラッシュランプ
３６：Ｑスイッチ
３７：超音波画像生成手段
３８：検波・対数変換手段
３９：超音波画像構築手段
４０：画像合成手段
５１：遅延器
５２：加算器
６１、６２：乗算器
６３：加算器
10: Photoacoustic image generation apparatus 11: Probe 12: Ultrasonic unit 13: Laser unit 14: Image display means 21: Reception circuit 22: AD conversion means 23: Reception memory 24: Data separation means 25: Photoacoustic image generation means 26 : Photoacoustic image reconstruction means 27: Detection / logarithm conversion means 28: Frame addition averaging means 29; Photoacoustic image construction means 30: Ultrasound image reconstruction means 31: Interframe movement amount detection means 32: Trigger control circuit 33: Transmission control circuit 34: control means 35: flash lamp 36: Q switch 37: ultrasonic image generation means 38: detection / logarithmic conversion means 39: ultrasonic image construction means 40: image composition means 51: delay unit 52: adder 61 62: Multiplier 63: Adder
Claims (10)
少なくとも前記レーザ光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号を検出する超音波探触子と、
前記検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、
被検体に対する前記レーザ光の照射を複数回行わせて前記超音波探触子に光音響信号を検出させると共に、前記光音響画像生成手段に、前記複数回のレーザ光照射に対応する光音響信号に基づいて複数フレームの光音響画像を生成させる制御手段と、
前記複数フレームの光音響画像のフレーム間の移動量を算出する移動量検出手段と、
前記算出された移動量だけ位置補正を行いつつ、前記複数フレームの光音響画像を加算平均するフレーム加算平均手段を備えたことを特徴とする光音響画像生成装置。 A light source unit that emits a laser beam to be irradiated on the subject;
An ultrasonic probe for detecting a photoacoustic signal generated in the subject by at least irradiation of the laser beam;
Photoacoustic image generation means for generating a photoacoustic image based on the detected photoacoustic signal;
The ultrasonic probe is caused to detect the photoacoustic signal multiple times by irradiating the subject with the laser light a plurality of times, and the photoacoustic image generation means causes the photoacoustic signal corresponding to the laser light irradiation to be performed a plurality of times. Control means for generating a photoacoustic image of a plurality of frames based on
A movement amount detecting means for calculating a movement amount between frames of the photoacoustic image of the plurality of frames;
A photoacoustic image generation apparatus, comprising: a frame addition averaging unit that adds and averages the photoacoustic images of the plurality of frames while performing position correction by the calculated movement amount.
前記制御手段が、前記超音波探触子に、前記複数回のレーザ光照射に対応して前記被検体に対する超音波の送信を複数回行わせ、該送信された超音波に対する反射音響信号を検出させるものであり、
前記移動量検出手段が、前記検出された反射音響信号に基づいて前記フレーム間の移動量を算出するものである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。 The ultrasonic probe further transmits an ultrasonic wave to the subject and detects a reflected acoustic signal with respect to the transmitted ultrasonic wave,
The control means causes the ultrasonic probe to transmit ultrasonic waves to the subject a plurality of times in response to the plurality of times of laser light irradiation, and detects a reflected acoustic signal for the transmitted ultrasonic waves. It is what
The photoacoustic image generation apparatus according to claim 1, wherein the movement amount detection unit calculates a movement amount between the frames based on the detected reflected acoustic signal.
前記制御手段が、前記超音波画像生成手段に、複数回の超音波送信に対応する反射音響信号に基づいて複数フレームの超音波画像を生成させるものであり、
前記移動量検出手段が、前記複数フレームの超音波画像のフレーム間の移動量を、前記光音響画像のフレーム間の移動量として算出するものであることを特徴と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。 Further comprising ultrasonic image generation means for generating an ultrasonic image based on the detected reflected acoustic signal,
The control means causes the ultrasonic image generation means to generate a plurality of frames of ultrasonic images based on reflected acoustic signals corresponding to a plurality of ultrasonic transmissions,
The movement amount detecting means calculates a movement amount between frames of the ultrasonic images of the plurality of frames as a movement amount between frames of the photoacoustic image. The photoacoustic image generating apparatus according to claim 2.
前記レーザ光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号を検出するステップと、
前記レーザ光の照射と前記光音響信号の検出とを複数回行い、各回のレーザ光照射に対して検出された光音響信号に基づいて複数フレームの光音響画像を生成するステップと、
前記複数フレームの光音響画像のフレーム間の移動量を算出するステップと、
前記算出された移動量だけ位置補正を行いつつ、前記複数フレームの光音響画像を加算平均するステップとを有する光音響画像生成方法。 Irradiating a subject with laser light;
Detecting a photoacoustic signal generated in the subject by irradiation with the laser beam;
Performing the laser light irradiation and the photoacoustic signal detection a plurality of times, and generating a photoacoustic image of a plurality of frames based on the photoacoustic signal detected for each laser light irradiation;
Calculating a movement amount between frames of the photoacoustic image of the plurality of frames;
And a step of adding and averaging the photoacoustic images of the plurality of frames while performing position correction by the calculated amount of movement.
前記送信された超音波に対する反射音響信号を検出するステップとを更に有し、
前記移動量を算出するステップでは、前記検出された反射音響信号に基づいて前記フレーム間の移動量を算出するものであることを特徴とする請求項９に記載の光音響画像生成方法。 Corresponding to the multiple times of laser light irradiation, performing a plurality of times of transmitting ultrasonic waves to the subject,
Detecting a reflected acoustic signal for the transmitted ultrasonic wave,
The photoacoustic image generation method according to claim 9, wherein in the step of calculating the movement amount, a movement amount between the frames is calculated based on the detected reflected acoustic signal.
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