JP2013150745A - Photoacoustic imaging method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光音響画像化方法すなわち、生体組織等の被検体に光を照射し、光照射に伴って発生する音響波に基づいて被検体を画像化する方法に関するものである。 The present invention relates to a photoacoustic imaging method, that is, a method of irradiating a subject such as a living tissue with light and imaging the subject based on an acoustic wave generated by the light irradiation.
また本発明は、光音響画像化方法を実施する装置に関するものである。 The present invention also relates to an apparatus for performing a photoacoustic imaging method.
従来、例えば特許文献1、2や非特許文献1に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波を発生する。そこで、この音響波を超音波プローブなどの検出手段で検出し、それにより得られた電気的信号(光音響信号)に基づいて生体内部を可視像化することができる。
Conventionally, as shown in
このよう光音響画像化装置は、特定の吸光体から放射される音響波のみに基づいて画像を構築するようにしているので、生体における特定の組織、例えば血管等を画像化するのに好適となっている。 Since the photoacoustic imaging apparatus constructs an image based only on the acoustic wave radiated from a specific absorber, it is suitable for imaging a specific tissue in a living body, such as a blood vessel. It has become.
光音響画像化方法によれば、上述したように生体の血管等、被検体の表面から内部に入った組織も画像化することが可能であるが、臨床や医療研究の場においては応用分野に応じて、特に明瞭に画像化したい組織の被検体表面からの深さや、光音響画像に求められる分解能が異なることが多い。また、比較的被検体の表面に近い所に存在する組織を特に高精細に画像化したいといった要求も存在する。 According to the photoacoustic imaging method, it is possible to image a tissue that has entered from the surface of the subject, such as a blood vessel of a living body, as described above. However, in the field of clinical and medical research, Accordingly, the depth from the subject surface of the tissue to be imaged particularly clearly and the resolution required for the photoacoustic image are often different. There is also a demand for imaging a tissue existing relatively close to the surface of the subject with particularly high definition.
パルス光の照射によって発生した音響波が被検体の表面まで到達できる深さは、その光音響のパルス幅が大きいほどより深くなり、そして、音響波のパルス幅は照射されたパルス光のパルス幅と対応するので、上述のような要求に応えるために、パルス光のパルス幅を変更可能とした光音響画像化装置も従来考えられている。また、表示される画像に求められる診断特性や音響波検出手段の帯域に対して最適化するという観点から、パルス光のパルス幅を変更可能として光音響画像化装置も考えられている。しかし、そのように構成した従来の光音響画像化装置においては、画質が過剰品質となってデータ量が無意味に多くなったり、それとは逆に所望の画質が得られない、といった問題が起き得ることが認められている。 The depth at which the acoustic wave generated by the irradiation of the pulsed light can reach the surface of the subject becomes deeper as the photoacoustic pulse width increases, and the acoustic pulse width is the pulse width of the irradiated pulsed light. Therefore, in order to meet the above-described requirements, a photoacoustic imaging apparatus that can change the pulse width of the pulsed light has been conventionally considered. From the viewpoint of optimizing the diagnostic characteristics required for the displayed image and the band of the acoustic wave detection means, a photoacoustic imaging apparatus is also considered that can change the pulse width of the pulsed light. However, in the conventional photoacoustic imaging apparatus configured as described above, there is a problem that the image quality is excessive and the amount of data is meaninglessly increased, or the desired image quality cannot be obtained. It is allowed to get.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、パルス光のパルス幅を変更しても所望の画質が得られ、そして光音響画像を担うデータ量を適正な量に抑えることもできる光音響画像化方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances. Light that can obtain a desired image quality even when the pulse width of the pulsed light is changed, and can suppress the amount of data carrying the photoacoustic image to an appropriate amount. An object is to provide an acoustic imaging method.
また本発明は、そのような光音響画像化方法を実施することができる光音響画像化装置を提供することを目的とするものである。 It is another object of the present invention to provide a photoacoustic imaging apparatus that can implement such a photoacoustic imaging method.
本発明による光音響画像化方法は、
前述したように、被検体にその内部で吸収される波長のパルス光を照射し、それにより被検体から発せられた音響波を音響波検出手段により検出して音響波検出信号を得た後、この音響波検出信号をサンプリングして光音響データを得、この光音響データに基づいて前記被検体を画像化して画像表示手段に表示する光音響画像化方法であって、パルス光のパルス幅を変更自在とした光音響画像化方法において、
サンプリングの周波数を、パルス幅が小さいほどより高くなるように調節することを特徴とするものである。
The photoacoustic imaging method according to the present invention comprises:
As described above, after irradiating the subject with pulsed light having a wavelength absorbed therein, the acoustic wave emitted from the subject is detected by the acoustic wave detection means to obtain the acoustic wave detection signal. A photoacoustic imaging method of sampling the acoustic wave detection signal to obtain photoacoustic data, imaging the subject based on the photoacoustic data, and displaying the image on an image display means, wherein the pulse width of the pulsed light is In a photoacoustic imaging method that can be changed,
The sampling frequency is adjusted to be higher as the pulse width is smaller.
なお、上記のようにパルス光のパルス幅を変更する場合の例としては、先に述べた通り、表示される画像に求められる診断特性や音響波検出手段の帯域に対して最適化するためにパルス幅を変更する場合等が挙げられる。 As described above, as described above, in order to optimize the diagnostic characteristics required for the displayed image and the bandwidth of the acoustic wave detection means as an example of changing the pulse width of the pulsed light as described above. Examples include changing the pulse width.
また、上記サンプリングの周波数は、より具体的には、パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して4倍〜10倍の範囲内にあるように調節するのが好ましい。 More specifically, the sampling frequency is preferably adjusted to be in a range of 4 to 10 times the frequency of the waveform obtained by differentiating the time waveform of the light intensity of the pulsed light.
さらには、上記サンプリングの周波数を、パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して略一定の倍率となるように調節してもよい。 Furthermore, the sampling frequency may be adjusted so as to have a substantially constant magnification with respect to the frequency of the waveform obtained by differentiating the time waveform of the light intensity of the pulsed light.
また、本発明の光音響画像化方法においては、
上記サンプリングの周波数とパルス幅との対応関係を記憶手段に記憶しておき、
パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して上記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、
この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定することが好ましい。
In the photoacoustic imaging method of the present invention,
The correspondence between the sampling frequency and the pulse width is stored in the storage means,
When the pulse width is determined, the frequency stored in the storage means corresponding to the pulse width is read out,
It is preferable to set the sampling frequency according to the read frequency.
さらに、本発明の光音響画像化方法においては、被検体にパルス状に照射されて該被検体で反射した反射超音波を、反射超音波検出手段により検出し、
この検出で得られた反射超音波検出信号をサンプリングするとき、そのサンプリングの周波数を超音波のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節することが望ましい。
Further, in the photoacoustic imaging method of the present invention, the reflected ultrasonic wave irradiated to the subject in a pulsed manner and reflected by the subject is detected by the reflected ultrasonic detection means,
When the reflected ultrasonic detection signal obtained by this detection is sampled, it is desirable to adjust the sampling frequency so as to increase as the ultrasonic pulse width decreases.
ただしそれに限らず、上記反射超音波検出信号のサンプリングの周波数は、超音波のパルス幅によらず一定に設定しても構わない。 However, the present invention is not limited to this, and the sampling frequency of the reflected ultrasonic wave detection signal may be set constant regardless of the ultrasonic pulse width.
他方、本発明による光音響画像化装置は、前述したように、被検体にその内部で吸収される波長のパルス光を照射し、それにより被検体から発せられた音響波を音響波検出手段により検出して光音響データを得、この光音響データに基づいて前記被検体を画像化して画像表示手段に表示する光音響画像化装置であって、パルス光のパルス幅を変更自在に構成された光音響画像化装置において、
サンプリングの周波数を、パルス光のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節するサンプリング周波数調節手段が設けられたことを特徴とするものである。
On the other hand, the photoacoustic imaging apparatus according to the present invention, as described above, irradiates the subject with pulsed light having a wavelength that is absorbed inside the subject, thereby causing the acoustic wave emitted from the subject to be emitted by the acoustic wave detecting means. A photoacoustic imaging apparatus that detects and obtains photoacoustic data, images the subject based on the photoacoustic data, and displays the image on the image display means, and is configured to change the pulse width of the pulsed light. In the photoacoustic imaging device,
A sampling frequency adjusting means for adjusting the sampling frequency so as to be higher as the pulse width of the pulsed light is smaller is provided.
なお、上記のようにパルス幅を変更自在にする構成としては、1画像を取得するに当たって被検体に照射するパルス光のパルス幅は1通りだけであってそのパルス幅を適宜被写体等に応じて変更する構成や、あるいは、1画像を取得するに当たって互いに異なる複数のパルス幅のパルス光を短い時間間隔で交互に切り替えて被検体に照射する構成等が挙げられる。そして、前者の構成としてより具体的には、パルス幅が可変の1つのパルス光源を用いる構成や、あるいは互いに異なるパルス幅のパルス光を発する光源を複数設けておき、それらのうちの1つを適宜選択使用する構成等が含まれる。 Note that, as described above, the pulse width can be changed freely. There is only one pulse width of the pulsed light applied to the subject when acquiring one image, and the pulse width is appropriately set according to the subject or the like. For example, a configuration for changing, or a configuration for irradiating a subject by alternately switching pulsed light having a plurality of different pulse widths at short time intervals when acquiring one image. More specifically, as the former configuration, a configuration using one pulse light source with a variable pulse width, or a plurality of light sources that emit pulse lights having different pulse widths are provided, and one of them is Configurations that are appropriately selected and used are included.
また、上記サンプリング周波数調節手段はより具体的には、サンプリングの周波数を、例えばパルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して略一定の倍率となるように調節するものとされる。 More specifically, the sampling frequency adjusting means adjusts the sampling frequency so as to have a substantially constant magnification with respect to the frequency of the waveform obtained by differentiating the time waveform of the light intensity of the pulsed light, for example. The
そのようにサンプリング周波数調節手段が構成される場合、上記略一定の倍率は、4倍〜10倍の範囲内に設定されることが望ましい。 When the sampling frequency adjusting means is configured as described above, the substantially constant magnification is preferably set within a range of 4 to 10 times.
また、本発明の光音響画像化装置においては、
サンプリングの周波数とパルス光のパルス幅との対応関係を記憶している記憶手段が設けられ、
サンプリング周波数調節手段が、パルス光のパルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して上記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定するものとされることが望ましい。
In the photoacoustic imaging apparatus of the present invention,
Storage means for storing the correspondence between the sampling frequency and the pulse width of the pulsed light is provided,
When the pulse width of the pulsed light is determined, the sampling frequency adjusting means reads the frequency stored in the storage means corresponding to the pulse width, and sets the sampling frequency according to the read frequency. It is desirable that
また本発明の光音響画像化装置は、光音響データから、被検体に照射されたパルス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光微分波形逆畳込み手段を備えていてもよい。 In addition, the photoacoustic imaging apparatus of the present invention generates a signal obtained by deconvolution of a photodifferential waveform, which is a differential waveform of a time waveform of the light intensity of pulsed light irradiated on a subject, from photoacoustic data. Convolution means may be provided.
光音響画像化においては、パルス光の光強度の時間波形を微分した波形が音響波形の基本要素となる。そこでこの周波数を、以下、基本波形周波数と称することとする。またパルス光のパルス幅は一般に、図4に示す通り、その光強度の時間波形の半値全幅(ΔFWHM)で規定される。そして、このΔFWHMの1/2をΔdiffとすると、該Δdiffの逆数がすなわち上記基本波形周波数となる。 In photoacoustic imaging, a waveform obtained by differentiating a time waveform of the light intensity of pulsed light is a basic element of an acoustic waveform. Therefore, this frequency is hereinafter referred to as a basic waveform frequency. The pulse width of the pulsed light is generally defined by the full width at half maximum (ΔFWHM) of the time waveform of the light intensity as shown in FIG. When ½ of ΔFWHM is Δdiff, the inverse of Δdiff is the basic waveform frequency.
また光音響画像化においては一般に、音響波検出信号のサンプリング周波数を、上記基本波形周波数に対して4倍〜10倍の範囲に設定すれば、データ量を無意味に多くすることなく、診断性能の高い光音響画像が得られると考えられている。そこで、この4倍〜10倍の範囲内のある一定倍率を適用したとすると、上記基本波形周波数が高いほど、つまり上記微分した波形(本明細書では、これを「微分波形」と言うこともある)の幅Δdiffが小さいほど、所望の画質を確保できるサンプリング周波数は高くなることになる。そしてΔdiff=0.5・ΔFWHMであるから、結局、パルス光のパルス幅ΔFWHMが小さいほど、サンプリング周波数をより高く設定すれば、光音響画像を所望の画質に維持できる。 In photoacoustic imaging, in general, if the sampling frequency of the acoustic wave detection signal is set in the range of 4 to 10 times the basic waveform frequency, the diagnostic performance can be improved without increasing the amount of data. It is believed that a high photoacoustic image can be obtained. Therefore, if a certain magnification within the range of 4 to 10 times is applied, the higher the fundamental waveform frequency, that is, the differentiated waveform (in this specification, this may be referred to as “differential waveform”). The smaller the width Δdiff is, the higher the sampling frequency at which the desired image quality can be ensured. Since Δdiff = 0.5 · ΔFWHM, the photoacoustic image can be maintained at a desired image quality if the sampling frequency is set higher as the pulse width ΔFWHM of the pulsed light is smaller.
一方、光音響画像を担うデータ量はサンプリング周波数が高いほどより多くなる。逆に言えば、光音響画像を担うデータ量はサンプリング周波数が低いほどより少なくなる。 On the other hand, the amount of data bearing the photoacoustic image increases as the sampling frequency increases. In other words, the amount of data carrying the photoacoustic image becomes smaller as the sampling frequency is lower.
以上のことから、サンプリングの周波数を、パルス幅が小さいほどより高くなるように調節する本発明の光音響画像化方法によれば、所望の画質の光音響画像を得ることができる一方、パルス幅が比較的大きい場合に無意味にサンプリング周波数を高くすることを回避して、データ量を適切な量に抑えることが可能になる。 As described above, according to the photoacoustic imaging method of the present invention in which the sampling frequency is adjusted to be higher as the pulse width is smaller, a photoacoustic image having a desired image quality can be obtained. If the sampling frequency is relatively large, it is possible to avoid increasing the sampling frequency meaninglessly and to suppress the data amount to an appropriate amount.
また、本発明の光音響画像化方法において特に、前述したようにサンプリングの周波数とパルス幅との対応関係を記憶手段に記憶しておき、パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して上記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定する場合は、より簡単に本発明の光音響画像化方法を実施できるようになる。 Further, in the photoacoustic imaging method of the present invention, as described above, the correspondence between the sampling frequency and the pulse width is stored in the storage means, and when the pulse width is determined, it corresponds to the pulse width. Thus, when the frequency stored in the storage means is read out and the sampling frequency is set according to the read frequency, the photoacoustic imaging method of the present invention can be implemented more easily.
また本発明による光音響画像化装置は、サンプリングの周波数を、パルス光のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節するサンプリング周波数調節手段が設けられたものであるから、以上説明した本発明による光音響画像化方法を実施可能となる。 The photoacoustic imaging apparatus according to the present invention is provided with the sampling frequency adjusting means for adjusting the sampling frequency so as to be higher as the pulse width of the pulsed light is smaller. A photoacoustic imaging method can be implemented.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態による光音響画像化装置10の基本構成を示すブロック図である。この光音響画像化装置10は、一例として光音響画像と超音波画像の双方を取得可能とされたもので、超音波探触子(プローブ)11、超音波ユニット12、レーザ光源ユニット13、画像表示手段14、サンプリング周波数調節手段50、および記憶手段51を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a
上記レーザ光源ユニット13は、例えば中心波長756nsのレーザ光を発するものとされている。レーザ光源ユニット13から出射したレーザ光は被検体に照射される。このレーザ光は、例えば複数の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の部分から被検体に向けて照射されるのが望ましい。
The laser
プローブ11は、被検体に対する超音波の出力(送信)、および被検体から反射して戻って来る反射超音波の検出(受信)を行う。そのためにプローブ11は、例えば一次元に配列された複数の超音波振動子を有する。またプローブ11は、被検体内の観察対象物がレーザ光源ユニット13からのレーザ光を吸収することで生じた超音波(音響波)を、上記複数の超音波振動子によって検出する。プローブ11は、上記音響波を検出して音響波検出信号を出力し、また上記反射超音波を検出して超音波検出信号を出力する。
The probe 11 performs output (transmission) of ultrasonic waves to the subject and detection (reception) of reflected ultrasonic waves reflected back from the subject. For this purpose, the probe 11 has, for example, a plurality of ultrasonic transducers arranged one-dimensionally. The probe 11 detects ultrasonic waves (acoustic waves) generated by the observation object in the subject absorbing the laser light from the laser
なお、このプローブ11に上述した導光手段が結合される場合は、その導光手段の端部つまり複数の光ファイバの先端部等が、上記複数の超音波振動子の並び方向に沿って配置され、そこから被検体に向けてレーザ光が照射される。以下では、このように導光手段がプローブ11に結合される場合を例に取って説明する。 When the above-described light guide means is coupled to the probe 11, the end portion of the light guide means, that is, the tip portions of the plurality of optical fibers, are arranged along the arrangement direction of the plurality of ultrasonic transducers. From there, laser light is irradiated toward the subject. Hereinafter, the case where the light guide means is coupled to the probe 11 as described above will be described as an example.
被検体の光音響画像あるいは超音波画像で体積画像(3D画像)を取得する際、プローブ11は上記複数の超音波振動子が並ぶ一次元方向に対してほぼ直角な方向に移動され、それにより被検体がレーザ光および超音波によって二次元走査される。この走査は、検査者が手操作でプローブ11を動かして行ってもよく、あるいは、走査機構を用いてより精密な二次元走査を実現するようにしてもよい。 When acquiring a volume image (3D image) as a photoacoustic image or ultrasonic image of a subject, the probe 11 is moved in a direction substantially perpendicular to the one-dimensional direction in which the plurality of ultrasonic transducers are arranged. A subject is two-dimensionally scanned with laser light and ultrasonic waves. This scanning may be performed by an inspector moving the probe 11 manually, or a more precise two-dimensional scanning may be realized using a scanning mechanism.
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、画像再構成手段25、検波・対数変換手段26、画像構築手段27を有している。画像構築手段27の出力は、例えばCRTや液晶表示装置等からなる画像表示手段14に入力される。さらに超音波ユニット12は、送信制御回路30、および超音波ユニット12内の各部等の動作を制御する制御手段31を有している。
The
上記受信回路21は、プローブ11が出力した音響波検出信号および超音波検出信号を受信する。AD変換手段22はサンプリング手段であり、受信回路21が受信した音響波検出信号および超音波検出信号をサンプリングして、それぞれデジタル信号である光音響データおよび超音波データに変換する。このサンプリングは、例えば外部から入力されるADクロック(サンプリングクロック)信号に同期して、所定のサンプリング周期でなされる。なお、反射超音波検出信号のサンプリング周波数は、被検体に照射する超音波のパルス幅に応じて変化させてもよいし、あるいは、そのパルス幅によらず一定としても構わない。
The receiving
レーザ光源ユニット13は、Ti:Sapphireレーザやアレキサンドライトレーザ等からなるQスイッチパルスレーザ32と、その励起光源であるフラッシュランプ33とを含むものである。このレーザ光源ユニット13には、前記制御手段31から光出射を指示する光トリガ信号が入力されるようになっており、該光トリガ信号を受けると、フラッシュランプ33を点灯させてQスイッチパルスレーザ32を励起する。制御手段31は、例えばフラッシュランプ33がQスイッチパルスレーザ32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スイッチパルスレーザ32は、Qスイッチトリガ信号を受けるとそのQスイッチをオンにし、波長756nsのパルスレーザ光を出射させる。
The laser
ここで、フラッシュランプ33の点灯からQスイッチパルスレーザ33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33の特性などから見積もることができる。なお、上述のように制御手段31からQスイッチを制御するのに代えて、レーザ光源ユニット13内において、Qスイッチパルスレーザ32を十分に励起させた後にQスイッチをオンにしてもよい。その場合は、Qスイッチをオンにしたことを示す信号を超音波ユニット12側に通知してもよい。
Here, the time required from when the
上記パルスレーザ光のパルス幅は、前述した通り、該パルスレーザ光の光強度の時間波形の半値全幅(ΔFWHM)で規定され、そして本実施形態ではこのパルス幅を一例として、5nsec(ナノ・秒)、15nsec、50nsec、100nsecの4通りに変え得るようにQスイッチパルスレーザ32が構成されている。
As described above, the pulse width of the pulse laser beam is defined by the full width at half maximum (ΔFWHM) of the time waveform of the light intensity of the pulse laser beam. In the present embodiment, this pulse width is taken as an example for 5 nsec (nanosecond). ), The Q-
また制御手段31は、送信制御回路30に、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を入力する。送信制御回路30は、この超音波トリガ信号を受けると、プローブ11から超音波を送信させる。制御手段31は、先に前記光トリガ信号を出力し、その後、超音波トリガ信号を出力する。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、および音響波の検出が行われ、その後、超音波トリガ信号が出力されることで被検体に対する超音波の送信、および反射超音波の検出が行われる。
The
制御手段31はさらに、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。このサンプリングトリガ信号は、前記光トリガ信号が出力された後で、かつ超音波トリガ信号が出力される前、より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出力される。そのためにサンプリングトリガ信号は、例えば制御手段31がQスイッチトリガ信号を出力するタイミングに同期して出力される。AD変換手段22は上記サンプリングトリガ信号を受けると、プローブ11が出力して受信回路21が受信した音響波検出信号のサンプリングを開始する。
The control means 31 further outputs a sampling trigger signal that instructs the AD conversion means 22 to start sampling. The sampling trigger signal is output after the optical trigger signal is output and before the ultrasonic trigger signal is output, more preferably at the timing when the subject is actually irradiated with the laser light. Therefore, the sampling trigger signal is output in synchronization with the timing at which the control means 31 outputs the Q switch trigger signal, for example. When receiving the sampling trigger signal, the AD conversion means 22 starts sampling the acoustic wave detection signal output from the probe 11 and received by the receiving
制御手段31は、光トリガ信号を出力した後、音響波の検出を終了するタイミングで超音波トリガ信号を出力する。このとき、AD変換手段22は音響波検出信号のサンプリングを中断せず、サンプリングを継続して実施する。言い換えれば、制御手段31は、AD変換手段22が音響波検出信号のサンプリングを継続している状態で、超音波トリガ信号を出力する。超音波トリガ信号に応答してプローブ11が超音波送信を行うことで、プローブ11の検出対象は、音響波から反射超音波に変わる。AD変換手段22は、検出された超音波検出信号のサンプリングを継続することで、音響波検出信号と超音波検出信号とを、連続的にサンプリングする。
After outputting the optical trigger signal, the control means 31 outputs the ultrasonic trigger signal at the timing when the detection of the acoustic wave is finished. At this time, the AD conversion means 22 continues the sampling without interrupting the sampling of the acoustic wave detection signal. In other words, the
AD変換手段22は、サンプリングして得られた光音響データおよび超音波データを、共通の受信メモリ23に格納する。受信メモリ23に格納されたサンプリングデータは、ある時点までは光音響データであり、ある時点からは超音波データとなる。データ分離手段24は、受信メモリ23に格納された光音響データと超音波データとを分離する。
The
サンプリング周波数調節手段50は、制御手段31にサンプリング周波数制御信号を入力して、前記ADクロック(サンプリングクロック)信号の周波数を変更させ、それによりAD変換手段22によるサンプリングの周波数を変化させる。記憶手段51は、前述した4通りのパルスレーザ光のパルス幅5nsec、15nsec、50nsec、100nsecに各々対応したサンプリング周波数を記憶している。
The sampling frequency adjusting means 50 inputs a sampling frequency control signal to the control means 31 and changes the frequency of the AD clock (sampling clock) signal, thereby changing the sampling frequency by the
以下、光音響画像の生成および表示について説明する。図1のデータ分離手段24には、受信メモリ23から読み出された超音波データおよび、波長756nsのパルスレーザ光を被検体に照射して得られた光音響データが入力される。データ分離手段24は、光音響画像の生成時には光音響データのみを後段の画像再構成手段25に入力する。画像再構成手段25はこの光音響データに基づいて、光音響画像を示すデータを再構成する。
Hereinafter, generation and display of a photoacoustic image will be described. The ultrasonic data read from the
検波・対数変換手段26は上記光音響画像を示すデータの包絡線を生成し、次いで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。検波・対数変換手段26はこれらの処理後のデータを画像構築手段27に入力する。画像構築手段27は入力されたデータに基づいて、パルスレーザ光により走査された断面に関する光音響画像を構築し、その光音響画像を示すデータを画像表示手段14に入力する。それにより画像表示手段14には、上記断面に関する光音響画像が表示される。
The detection / logarithm conversion means 26 generates an envelope of data indicating the photoacoustic image, and then logarithmically converts the envelope to widen the dynamic range. The detection / logarithm conversion means 26 inputs these processed data to the image construction means 27. Based on the input data, the
なお、前述したようにプローブ11を移動して被検体をレーザ光によって二次元走査し、その走査に伴って得られた複数の断面に関する画像データに基づいて、被検体の所望部位例えば血管等を三次元表示する光音響画像を生成、表示することも可能である。 As described above, the probe 11 is moved to scan the subject two-dimensionally with laser light, and a desired part of the subject, such as a blood vessel, is detected based on the image data regarding a plurality of cross sections obtained by the scanning. It is also possible to generate and display a photoacoustic image for three-dimensional display.
また、データ分離手段24が分離した超音波データに基づいて、被検体の超音波画像を生成、表示することも可能である。その超音波画像の生成、表示は、従来公知の方法によって行えばよく、本発明とは直接関連が無いので詳しい説明は省略するが、そのような超音波画像と光音響画像とを重ね合わせて表示させることも可能である。 It is also possible to generate and display an ultrasonic image of the subject based on the ultrasonic data separated by the data separation means 24. The generation and display of the ultrasonic image may be performed by a conventionally known method, and since it is not directly related to the present invention, a detailed description is omitted, but such an ultrasonic image and a photoacoustic image are superimposed. It can also be displayed.
次に、被検体に照射するパルスレーザ光のパルス幅に応じて、AD変換手段22のサンプリング周波数を変化させる点について詳しく説明する。本実施形態において、被検体に照射されるパルスレーザ光のパルス幅(ΔFWHM)は、前述した通り5nsec、15nsec、50nsec、100nsecの4通りに変えられる。そして記憶手段51は、それらのパルス幅5nsec、15nsec、50nsec、100nsecに各々対応したサンプリング周波数1600MHz、520MHz、160MHz、80MHzを記憶している。このパルス幅とサンプリング周波数との組合せを、下の表1に示す。この表1には、上記4通りのパルス幅に対応したΔdiff、基本波形周波数、およびサンプリングによるデータ量の値を併せて示してある。なおこのデータ量は、深さ40mm相当(27μ秒間)までのデータを取得し、量子化ビット数を8bitとしたときの、1ch(チャンネル)当たりのデータ量である。
ここで、パルスレーザ光のパルス幅を上記の4通りに設定する理由について、図3を参照して説明する。パルスレーザ光のパルス幅と、その光パルスで生じる音響波で得られる光音響画像の分解能(同図の右縦軸)については、一般に、同図において白点でプロットしたような関係が認められている。この関係は、各種論文等で報告されている、超音波の減衰で決まる深さの1/100程度が経験的に実現可能な分解能になるとして定義した場合の関係である。例えば、体表からの血管観察の場合には、診断性能を考慮すると分解能が0.5mm以下であることが望まれるので、図中に引いた1点鎖線よりも左側(パルス幅が小さい側)の領域に有る4通りのパルス幅を設定したものである。なおこの図3には、パルス幅と上記データ量(同図の左縦軸)との関係も、黒点でプロットして示してある。 Here, the reason why the pulse width of the pulse laser beam is set in the above four ways will be described with reference to FIG. In general, the relationship between the pulse width of the pulsed laser beam and the resolution of the photoacoustic image obtained from the acoustic wave generated by the optical pulse (right vertical axis in the figure) is plotted as white dots in the figure. ing. This relationship is a relationship when it is defined that about 1/100 of the depth determined by the attenuation of the ultrasonic wave reported in various papers is a resolution that can be realized empirically. For example, in the case of blood vessel observation from the body surface, it is desirable that the resolution is 0.5 mm or less in consideration of diagnostic performance, so the left side of the dashed line drawn in the figure (the side where the pulse width is small) The four pulse widths in the region are set. In FIG. 3, the relationship between the pulse width and the data amount (the left vertical axis in the figure) is also plotted with black dots.
図1の構成において、サンプリング周波数調節手段50にはQスイッチパルスレーザ32から、設定されたパルス幅を示す、またはパルス幅を切り替えたことを示す信号が入力される。サンプリング周波数調節手段50はその信号が示すパルス幅と対応して記憶手段51に記憶されているサンプリング周波数を読み出し、そのサンプリング周波数を、前述の通りにしてAD変換手段22において設定させる。例えば設定されたパルス幅が100nsecであれば、表1に示される通り、サンプリング周波数は80MHzに設定される。
In the configuration of FIG. 1, a signal indicating the set pulse width or switching the pulse width is input from the Q
以上の通り本実施形態においては、パルス幅が小さいほどサンプリング周波数がより高くなるように設定される。さらに詳しくは、前述した基本波形周波数に対して常に4倍となる関係でサンプリング周波数が設定される。このようにサンプリング周波数を設定することにより、常に所望の画質を確保した上で、データ量を適切な量に抑えることが可能になる。その詳しい理由は先に説明した通りである。 As described above, in the present embodiment, the sampling frequency is set to be higher as the pulse width is smaller. More specifically, the sampling frequency is set so as to always be four times the basic waveform frequency. By setting the sampling frequency in this way, it is possible to keep the desired image quality and to suppress the data amount to an appropriate amount. The detailed reason is as described above.
なおサンプリング周波数は、基本波形周波数に対して4倍とする他、4倍〜10倍の範囲内で他の一定倍率とされてもよいし、さらには、一定倍率ではなくパルス幅毎に6.0倍、5.0倍、4.5倍等と変えた倍率とされてもよい。通常、画質の点ではこの倍率をより高くするのが好ましいが、それに伴って不要にデータ量が増えることもあるので、画質とデータ量の双方を勘案して適切な倍率に設定すればよい。なお、最低で4倍とするのは、1波長の間に最低4点サンプリングできれば位相が分かるためである。一方、最高で10倍とするのは、それを超えるとデータ量が多くなり過ぎるためである。 The sampling frequency is set to 4 times the basic waveform frequency, and may be set to other constant magnification within a range of 4 times to 10 times. The magnification may be changed to 0 times, 5.0 times, 4.5 times, or the like. Normally, it is preferable to increase this magnification in terms of image quality. However, the data amount may increase unnecessarily, and therefore an appropriate magnification may be set in consideration of both the image quality and the data amount. Note that the minimum value is four times because the phase can be determined if at least four points can be sampled during one wavelength. On the other hand, the reason why the maximum value is 10 times is that the data amount becomes too large if the ratio is exceeded.
また本発明は、上述した実施形態におけるように、被検体に対して、1つの光源から複数種類のパルス幅の光を照射する場合だけではなく、複数の光源の各々から互いにパルス幅が異なる光を照射する場合や、さらには1つあるいは複数の光源から複数種類の波長のパルス光を短い時間間隔で交互に照射し、それぞれのパルス光のパルス幅が異なる場合にも適用可能である。そのような場合のいずれも、本発明で規定する「パルス光のパルス幅を変更自在とした」構成に該当するものである。 Further, the present invention is not limited to the case where a subject is irradiated with light of a plurality of types of pulse widths from a single light source, as in the above-described embodiment, and light having a different pulse width from each of the plurality of light sources. The present invention can also be applied to the case of irradiating pulsed light of a plurality of types of light from one or a plurality of light sources alternately at short time intervals, and the pulse width of each pulsed light is different. Any of such cases corresponds to the configuration in which the pulse width of the pulsed light can be changed as defined in the present invention.
ここで、上記のように波長およびパルス幅が互いに異なる光を発する光源の一例について、図5〜図10を参照して説明する。 Here, an example of a light source that emits light having different wavelengths and pulse widths as described above will be described with reference to FIGS.
図5に示すレーザ光源ユニット113は、図1に示したレーザ光源ユニット13に置き換えて適用され得るものであり、以下では、そのような置き換えがなされた場合を例に取って説明する。レーザ光源ユニット113は、パルス幅および波長が互いに異なる複数のパルスレーザ光を切り替えて交互に出射する。これにより、吸収特性が異なる複数の組織からの光音響信号を周波数帯域ごとに分離して検出することが可能となる。「波長が互いに異なる」とは、波長分布において光強度が最も高いピーク波長が互いに異なることを意味する。パルスレーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。例えば、パルス幅が4.2nsecかつ波長が800nmのパルスレーザ光と、パルス幅が45nsecかつ波長が750nmのパルスレーザ光とを使用して、取得した各波長の光音響信号の強度比に基づいて、生体内部の動脈と静脈を分離して画像化することが可能である。
The laser
上記のレーザ光源ユニット113は、例えば下記のようにして構成することができる。レーザ光源ユニット113は、図5に示されるように、レーザロッド151、フラッシュランプ152、ミラー153、154、集光レンズ155、波長選択手段156、駆動手段157、駆動状態検出手段158、および制御部159を有する。
The laser
ミラー153、154から構成される共振器内には、集光レンズ155と波長選択手段156とが配置されている。波長選択手段156は、共振器内で共振する光の波長を、出射すべき複数の波長のうちの何れかに制御する。集光レンズ155は、レーザロッド151と波長選択手段156との間に配置され、レーザロッド151側から入射した光を収束して波長選択手段156側に出射させる。つまり、集光レンズ155は、共振器内を波長選択手段156に向けて進行する光のビーム径を縮小させる。
A condensing
波長選択手段156は、例えば、円周方向に沿って交互に配置された複数の透過領域と不透過領域とを有する。複数の透過領域は、複数の波長に対応した所定の波長の光を選択的に透過させる。波長選択手段156は、例えば2つの透過領域と2つの不透過領域とを有する。透過領域のうちの1つには、例えば波長750nm(中心波長)の光を透過させる第1のバンドパスフィルタ(BPF:Band Pass Filter)が設けられ、もう1つには波長800nm(中心波長)の光を透過させる第2のバンドパスフィルタが設けられている。
The
上記構成の波長選択手段156は、回転に伴って、複数のバンドパスフィルタの何れかを共振器の光路上に選択的に挿入する。例えば波長選択手段156は、共振器の光路上に、不透過領域、第1のバンドパスフィルタ、不透過領域、および第2のバンドパスフィルタをこの順で順次挿入する。共振器の光路上に第1のバンドパスフィルタを挿入することで、共振器による発振波長を750nmとすることができ、共振器の光路上に第2のバンドパスフィルタを挿入することで、共振器による発振波長を800nmとすることができる。
The
波長選択手段156は、回転駆動に伴って、共振器内の挿入損失を損失大(第1の損失)から損失小(第2の損失)に変化させるように構成されている。第1または第2のバンドパスフィルタが共振器の光路上に挿入されるとき、共振器の挿入損失は損失小(高Q)となり、光路上に不透過領域が挿入されるとき、共振器の挿入損失は損失大(低Q)となる。波長選択手段156はQswを兼ねており、回転駆動に伴って、波長選択手段156が共振器内の挿入損失を損失大(低Q)から損失小(高Q)へと急速に変化させることで、パルスレーザ光を得ることができる。
The
駆動手段157は、波長選択手段156を、共振器がQswパルス発振するように駆動する。つまり駆動手段157は、波長選択手段156が共振器内の挿入損失を損失大(低Q)から損失小(高Q)へと急速に変化させるように、波長選択手段156を駆動する。例えば波長選択手段156が円周方向に沿って透過領域(バンドパスフィルタ)と不透過領域とが交互に配置されたフィルタ回転体で構成される場合、駆動手段157は、共振器の光路上に不透過領域及び透過領域が交互に挿入されるようにフィルタ回転体を連続的に回転させる。波長選択手段156の駆動に伴う、共振器内の挿入損失が損失高から損失小へと切り替わる際の切り替え時間は、Qswパルスの発生遅延時間よりも短いことが好ましい。共振器の光路上に挿入される領域を不透過領域から透過領域(第1または第2のバンドパスフィルタ)へと切り替えることで、光路上に挿入された透過領域(バンドパスフィルタ)が透過させる光の波長に対応した波長で、共振器をQswパルス発振させることができる。
The driving
駆動状態検出手段158は、波長選択手段156の駆動状態を検出する。駆動状態検出手段158は、例えばフィルタ回転体である波長選択手段156の回転変位を検出する。駆動状態検出手段158は、フィルタ回転体の回転変位を示すBPF状態情報をBPF状態信号として制御部159に出力する。
The drive
制御部159は、回転制御部160と発光制御部161とを含む。回転制御部160は、波長選択手段156が所定の回転速度で回転するように駆動手段158を制御する。波長選択手段156の回転速度は、例えばレーザ光源ユニット113から出射すべきパルスレーザ光の波長の数(フィルタ回転体におけるバンドパスフィルタの数)と、単位時間当たりのパルスレーザ光の個数とに基づいて決定できる。回転制御部159は、駆動状態検出手段158が検出する回転位置の所定時間あたりの変化量が一定となるように駆動手段157を制御する。回転制御部159は、例えば所定時間の間におけるBPF状態情報の変化の量が所定のバンドパスフィルタの切替え速度(フィルタ回転体の回転速度)に応じた変化量となるように、駆動手段157を制御する。
The
発光制御部161は、フラッシュランプ152を制御する。すなわち発光制御部161は、フラッシュランプ(FL)制御信号をフラッシュランプ152に出力し、フラッシュランプ152からレーザロッド151に励起光を照射させる。発光制御部161は、波長選択手段156が共振器の挿入損失を損失大から損失小へと切り替える時刻よりも所定時間だけ前の時刻でフラッシュランプ152にFL制御信号を出力し、励起光を照射させる。つまり発光制御部161は、駆動状態検出手段158が検出した回転位置が、波長選択手段156が共振器の挿入損失を損失大から損失小へと切り替える回転位置よりも所定の量だけ前の位置になると、フラッシュランプ152にFL制御信号を送り、励起光を照射させる。
The light
発光制御部161は例えば、BPF状態信号が表す情報が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応したバンドパスフィルタが共振器の光路上に挿入される波長選択手段156の駆動位置から、レーザロッド151の励起に要する時間の間に波長選択手段156が変位する量を差し引いた位置を示す情報になるとFL制御信号を出力し、フラッシュランプ152からレーザロッド151に励起光を照射させる。発光制御部161は、FL制御信号の出力後、駆動状態検出手段158が検出した回転位置が、波長選択手段156が共振器の挿入損失を損失大から損失小へと切り替える回転位置になると、Qswがオンになるタイミングを示すQsw同期信号を生成し、超音波ユニット12(図1参照)に出力する。
For example, the light
図1に示した制御手段30は、超音波ユニット12内の各部の制御を行う。トリガ制御回路29は、レーザ光源ユニット113に対して、波長選択手段156の回転速度を制御するためのBPF制御信号を出力する。また、トリガ制御回路29は、レーザ光源ユニット113に、フラッシュランプ152の発光を制御するためのFLスタンバイ信号を出力する。トリガ制御回路29は、例えばレーザ光源ユニット113の回転制御部160からフィルタ回転体の現在の回転変位位置を受け取り、受け取った回転変位位置に基づいたタイミングでFLスタンバイ信号を出力する。
The control means 30 shown in FIG. 1 controls each part in the
トリガ制御回路29は、レーザ光源ユニット113から、Qswがオンになるタイミング、すなわちレーザ発光タイミングを示すQsw同期信号を入力する。トリガ制御回路29は、Qsw同期信号を受け取ると、AD変換手段22に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に基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。
The trigger control circuit 29 receives from the laser light source unit 113 a Qsw synchronization signal indicating the timing when Qsw is turned on, that is, the laser emission timing. When receiving the Qsw synchronization signal, the trigger control circuit 29 outputs a sampling trigger signal to the AD conversion means 22. The
図6は、波長選択手段156の詳しい構成例を示す。波長選択手段156はここに示すように、透過波長が相互に異なる複数の透過領域(バンドパスフィルタ)を含むフィルタ回転体170として構成される。フィルタ回転体170は、波長750nmの光を選択的に透過させる第1の透過領域171と、波長800nmの光を選択的に透過させる第2の透過領域172と、光を透過しない不透過領域173、174とを有する。なお、不透過領域は、完全に光を遮光するまでの能力は要求されない。不要なレーザ発振が生じない程度に、わずかに光が透過してもよい。
FIG. 6 shows a detailed configuration example of the
第1の透過領域171および第2の透過領域172は、例えばそれぞれ中心角θ1およびθ2の扇型に形成されている。中心角θ1およびθ2の大小は、それぞれの波長のパルスレーザ光におけるパルス幅の長短に応じて適宜設定される。集光レンズ155で集光された光は、図6に示すフィルタ回転体170の周縁近傍部分に照射される。フィルタ回転体170を時計回りに回転させると、共振器の光路上に、第1の透過領域171、不透過領域173、第2の透過領域172、および不透過領域174がこの順に挿入される。上記のように、第1の透過領域171と第2の透過領域172とで、各領域を透過する光の波長を変えることで、すなわち各透過領域に設けるバンドパスフィルタの透過波長を変えることで、1パルスごとに波長が異なるパルスレーザ光を得ることができる。
The
図7は、透過領域における波長と透過率との関係を示す。第1の透過領域(第1のバンドパスフィルタ)171における中心波長750nmの光に対する透過率は90%以上あるとする。その帯域幅はおよそ10nmである。第2の透過領域(第2のバンドパスフィルタ)72における中心波長800nmの光に対する透過率は90%以上である。その帯域幅はおよそ10nmである。 FIG. 7 shows the relationship between the wavelength and the transmittance in the transmission region. It is assumed that the transmittance for light having a center wavelength of 750 nm in the first transmission region (first bandpass filter) 171 is 90% or more. Its bandwidth is approximately 10 nm. In the second transmission region (second bandpass filter) 72, the transmittance with respect to light having a central wavelength of 800 nm is 90% or more. Its bandwidth is approximately 10 nm.
ここで、フィルタ回転体170の回転周波数が100Hz(回転速度6000rpm)であるとする。その場合、1回転当たり2つの透過領域を光が通過することから、レーザユニット113が出射するパルスレーザ光の個数は1秒当たり200個となる(200Hz動作)。例えば、フィルタ回転体170として半径2インチ(50.4mm)のフィルタ回転体を考える。また、ビーム径は100μmとする。角速度はω=2πf=628.3[rad/sec]となり、線速度はv=rω=628.8[rad/sec]×50.4[mm]=31.7[m/s]となる。ビームを横切る時間(スイッチング時間)は3.15μsecとなる。
Here, it is assumed that the rotation frequency of the
Qswの特性として、スイッチング時間(例えば不透過領域から第1または第2の透過領域への切替時間)はおおよそ数μ秒以下であること(Qswパルスの発生遅延時間よりも小さいこと)が、シングルパルスを得るための条件である。透過領域の中心角θは、ビームを横切る時間+Qsw遅延時間の間、ビームを妨げない条件で選ばれる。上記数値例では、3.15μsec+数μsec=おおよそ10μsecの間、透過領域が続けばよい。したがって、31.7[m/s]×10μsec=317μmが横幅の長さであり、角度にすると0.35°である。製作のことを考えると、中心角θは1°から数度あればよい。 As a characteristic of Qsw, the switching time (for example, the switching time from the non-transmissive region to the first or second transmissive region) is approximately several microseconds or less (smaller than the generation delay time of the Qsw pulse). This is a condition for obtaining a pulse. The central angle θ of the transmission region is selected on the condition that the beam is not disturbed during the time of traversing the beam + Qsw delay time. In the above numerical example, the transmissive region may be continued for 3.15 μsec + several μsec = approximately 10 μsec. Therefore, 31.7 [m / s] × 10 μsec = 317 μm is the width of the width, and 0.35 ° in angle. Considering the production, the central angle θ should be 1 ° to several degrees.
図8は、レーザユニット113の一部を示している。波長選択手段156は、例えば図6に示すようなフィルタ回転体170として構成されている。フィルタ回転体170上でのビーム径は小さい方がよい。そこで、本例では集光レンズ155を用いてビームを収束させている。フィルタ回転体170上でのビーム径は望ましくは100μm以下である。下限は回折限界で決まり、数μmである。なおフィルタ回転体170は、共振器の光軸に対して所定の角度で傾いた面内で回転するように、光軸に対して例えば0.5°から1°程度だけ傾けられることが好ましい。このように共振器の光軸に対してわずかに斜めに配置することで、不要な反射成分が寄生発振を起こすことを防止できる。
FIG. 8 shows a part of the
駆動手段157は例えばサーボモータであり、フィルタ回転体170を回転させる。フィルタ回転体170の回転周波数は高い方がよい。機械的には1kHz程度まで可能である。駆動状態検出手段158は、例えばロータリーエンコーダーで構成されている。ロータリーエンコーダーは、サーボモータの出力軸に取り付けられたスリット入りの回転板と透過型フォトインタラプタとでフィルタ回転体の回転変位を検出し、フィルタ回転体170の回転を電気信号(BPF状態信号)に変換する。このBPF状態信号をマスタークロックとし、発光制御部161に同期信号として送る。発光制御部161は、高精度に回転しているフィルタ回転体170の回転に合わせて、フラッシュランプ発光のタイミングを決定する。
The driving means 157 is a servo motor, for example, and rotates the
図9は、フラッシュランプ発光のタイミングとパルスレーザ光のタイミングとを示す。時刻t2は、回転しているフィルタ回転体170が不透過領域から透過領域へと切り替わる回転位置に対応した時刻であるとする。時刻t1は、時刻t2から、レーザロッド151の励起に必要な時間を差し引いた時刻である。発光制御部161は、フィルタ回転体170の回転位置が時刻t1に対応した位置になると、フラッシュランプ152を発光させる(図9の(a))。フラッシュランプ152が発光することで、レーザロッド151が励起される。
FIG. 9 shows the timing of flash lamp light emission and the timing of pulsed laser light. Time t2 is assumed to be a time corresponding to a rotational position at which the
フラッシュランプ発光後、時刻t2で、フラッシュランプが消灯するのとほぼ同じ時刻に、フィルタ回転体170が不透過領域から透過領域(第1の透過領域171または第2の透過領域172)へと切り替わっていく(図9の(b))。この不透過領域から透過領域への替わりに要する時間(スイッチング時間)はできるだけ短い方がよく、数μ秒以下、より望ましくは0.5μ秒以下である。共振器の光路上に750nmの光を透過する透過領域が挿入されると、時刻t3で、波長750nmの光がQswパルス発振し、波長750nmのパルスレーザ光が得られる(図9の(c))。一方、共振器の光路上に挿入された透過領域が800nmの光を透過する透過領域であった場合、波長800nmの光がQswパルス発振し、波長800nmのパルスレーザ光が得られる。フィルタ回転体170の透過領域部分がおよそ10μ秒程度続いた後、時刻t4で、再び不透過領域へと切り替わる。
After the flash lamp emission, at time t2, the
図10は、パルスレーザ光の出射波形を示す。前述した通りのフィルタ回転体170を用いれば、この図10に示すように、パルス幅が比較的広い波長750nmのパルスレーザ光と、パルス幅が比較的狭い波長800nmのパルスレーザ光とを1パルスごとに切り替えて出射させることが可能となる。例えばフィルタ回転体170の回転周波数を100Hzとすれば、パルス幅と波長を交互に切り替えつつ、1秒間に200個のパルスレーザ光を得ることができる。
FIG. 10 shows the emission waveform of the pulse laser beam. If the
本発明の光音響画像化装置および方法は、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および変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。 The photoacoustic imaging apparatus and method of the present invention are not limited to the above embodiment, and various modifications and changes from the configuration of the above embodiment are also included in the scope of the present invention.
例えば本発明は、デコンボリューション処理を施すようにした光音響画像化装置および方法にも適用可能である。図2は、そのデコンボリューション処理を施すように構成された光音響画像化装置の一部を示すブロック図である。この図2の構成は、例えば図1に示した画像再構成手段25と検波・対数変換手段26との間に挿入されるものであり、光微分波形逆畳込み手段40およびその後段に接続された補正手段46とからなる。そして分波形逆畳込み手段40は、フーリエ変換手段41、42、逆フィルタ演算手段43、フィルタ適用手段44、およびフーリエ逆変換手段45から構成されている。 For example, the present invention can also be applied to a photoacoustic imaging apparatus and method in which a deconvolution process is performed. FIG. 2 is a block diagram showing a part of the photoacoustic imaging apparatus configured to perform the deconvolution processing. 2 is inserted, for example, between the image reconstruction means 25 and the detection / logarithmic conversion means 26 shown in FIG. 1, and is connected to the optical differential waveform deconvolution means 40 and its subsequent stage. Correction means 46. The split waveform deconvolution means 40 includes Fourier transform means 41 and 42, an inverse filter calculation means 43, a filter application means 44, and a Fourier inverse transform means 45.
上記分波形逆畳込み手段40は、画像再構成手段25が出力した光音響画像を示すデータから、被検体に照射されたパルスレーザ光の光強度の時間波形を微分した光パルス微分波形をデコンボリューションする。このデコンボリューションにより、吸収分布を示す光音響画像データが得られる。 The partial waveform deconvolution means 40 deconstructs an optical pulse differential waveform obtained by differentiating the time waveform of the light intensity of the pulsed laser light irradiated to the subject from the data indicating the photoacoustic image output from the image reconstruction means 25. Volute. By this deconvolution, photoacoustic image data showing an absorption distribution is obtained.
以下、このデコンボリューションについて詳しく説明する。光微分波形逆畳込み手段40のフーリエ変換手段(第1のフーリエ変換手段)41は、離散フーリエ変換により、再構成された光音響画像データを時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換手段(第2のフーリエ変換手段)42は、離散フーリエ変換により、光パルス微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした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。フーリエ変換のアルゴリズムには、例えばFFTを用いることができる。 Hereinafter, this deconvolution will be described in detail. The Fourier transform means (first Fourier transform means) 41 of the optical differential waveform deconvolution means 40 converts the reconstructed photoacoustic image data from a time domain signal to a frequency domain signal by discrete Fourier transform. . The Fourier transform means (second Fourier transform means) 42 converts a signal obtained by sampling the optical pulse differential waveform at a predetermined sampling rate from a time domain signal to a frequency domain signal by discrete Fourier transform. For example, FFT can be used as the Fourier transform algorithm.
以下の説明では、AD変換手段22における音響波検出信号のサンプリングレートと、光パルス微分波形のサンプリングレートとは等しいものとする。例えば音響波検出信号はFs=40MHzのサンプリングクロックに同期してサンプリングされており、光微分パルスも、Fs_h=40MHzのサンプリングレートでサンプリングされている。フーリエ変換手段41は、40MHzでサンプリングした結果得られた、画像再構成手段25が出力する光音響画像データを、例えば1024点のフーリエ変換でフーリエ変換する。また、フーリエ変換手段42は、40MHzでサンプリングされた光パルス微分波形を1024点のフーリエ変換でフーリエ変換する。
In the following description, it is assumed that the sampling rate of the acoustic wave detection signal in the AD conversion means 22 is equal to the sampling rate of the optical pulse differential waveform. For example, the acoustic wave detection signal is sampled in synchronization with a sampling clock of Fs = 40 MHz, and the optical differential pulse is also sampled at a sampling rate of Fs_h = 40 MHz. The
逆フィルタ演算手段43は、フーリエ変換された光パルス微分波形の逆数を逆フィルタとして求める。例えば逆フィルタ演算手段43は、光パルス微分波形hをフーリエ変換した信号をfft_hとしたとき、conj(fft_h)/abs(fft_h)2を逆フィルタとして求める。フィルタ適用手段44は、フーリエ変換手段41でフーリエ変換された光音響画像データに、逆フィルタ演算手段43で求められた逆フィルタを適用する。フィルタ適用手段44は、例えば、要素ごとに、光音響画像データのフーリエ係数と逆フィルタのフーリエ係数とを乗算する。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、光パルス微分波形がデコンボリューションされる。フーリエ逆変換手段45は、フーリエ逆変換により、逆フィルタが適用された光音響画像データを、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。フーリエ逆変換により、時間領域の吸収分布信号が得られる。
The inverse filter calculation unit 43 obtains the inverse of the Fourier transformed optical pulse differential waveform as an inverse filter. For example, the inverse filter calculation means 43 obtains conj (fft_h) / abs (fft_h) 2 as an inverse filter, where fft_h is a signal obtained by Fourier transforming the optical pulse differential waveform h. The
以上述べた処理を行うことにより、光微分項がコンボリューションされた音響波検出信号から光微分項を除去することができ、音響波検出信号から吸収分布を求めることができる。そのような吸収分布を画像化した場合には、吸収分布画像を示す光音響画像が得られる。 By performing the processing described above, the optical differential term can be removed from the acoustic wave detection signal in which the optical differential term is convoluted, and the absorption distribution can be obtained from the acoustic wave detection signal. When such an absorption distribution is imaged, a photoacoustic image showing the absorption distribution image is obtained.
なお補正手段46は、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータを補正し、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから、プローブ11における超音波振動子の受信角度依存特性の影響を除去する。また、補正手段46は、受信角度依存特性に加えて、またはこれらに代えて、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから被検体における光の入射光分布の影響を除去する。なお、このような補正を行わずに、光音響画像の生成を行ってもよい。 The correction means 46 corrects the data obtained by deconvolution of the optical pulse differential waveform, and removes the influence of the reception angle dependent characteristic of the ultrasonic transducer in the probe 11 from the data obtained by deconvoluting the optical pulse differential waveform. Further, the correction means 46 removes the influence of the incident light distribution of the light on the subject from the data obtained by deconvolution of the optical pulse differential waveform in addition to or instead of the reception angle dependent characteristics. Note that a photoacoustic image may be generated without performing such correction.
10 光音響画像化装置
11 プローブ
12 超音波ユニット
13、113 レーザ光源ユニット
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 画像再構成手段
26 検波・対数変換手段
27 画像構築手段
30 送信制御回路
31 制御手段
32 Qスイッチレーザ
33 フラッシュランプ
41、42 フーリエ変換手段
43 逆フィルタ演算手段
44 フィルタ適用手段
45 フーリエ逆変換手段
50 サンプリング周波数調節手段
51 記憶手段
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記サンプリングの周波数を、前記パルス幅が小さいほどより高くなるように調節することを特徴とする光音響画像化方法。 An acoustic wave detection signal is obtained by irradiating a subject with pulsed light having a wavelength that is absorbed within the subject, thereby detecting an acoustic wave emitted from the subject by an acoustic wave detection means, and then detecting the acoustic wave detection signal. Is a photoacoustic imaging method in which photoacoustic data is obtained by sampling, and the subject is imaged based on the photoacoustic data and displayed on the image display means, and the pulse width of the pulsed light can be changed. In the photoacoustic imaging method,
The photoacoustic imaging method, wherein the sampling frequency is adjusted to be higher as the pulse width is smaller.
前記パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して前記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、
この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定することを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の光音響画像化方法。 The correspondence between the sampling frequency and the pulse width is stored in a storage means,
When the pulse width is determined, the frequency stored in the storage means corresponding to the pulse width is read out,
4. The photoacoustic imaging method according to claim 1, wherein a sampling frequency is set according to the read frequency.
この検出で得られた反射超音波検出信号をサンプリングするとき、そのサンプリングの周波数を超音波のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節することを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の光音響画像化方法。 The reflected ultrasound that is irradiated on the subject in a pulsed manner and reflected by the subject is detected by reflected ultrasound detection means,
5. When sampling a reflected ultrasonic detection signal obtained by this detection, the sampling frequency is adjusted to be higher as the ultrasonic pulse width is smaller. The photoacoustic imaging method as described.
この検出で得られた反射超音波検出信号をサンプリングするとき、そのサンプリングの周波数を超音波のパルス幅によらず一定とすることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の光音響画像化方法。 The reflected ultrasound that is irradiated on the subject in a pulsed manner and reflected by the subject is detected by reflected ultrasound detection means,
5. The photoacoustic according to claim 1, wherein when the reflected ultrasonic detection signal obtained by this detection is sampled, the sampling frequency is constant irrespective of the pulse width of the ultrasonic wave. Imaging method.
サンプリングの周波数を、パルス光のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節するサンプリング周波数調節手段が設けられたことを特徴とする光音響画像化装置。 The object is irradiated with pulsed light having a wavelength that is absorbed inside the object, thereby detecting an acoustic wave emitted from the object by an acoustic wave detecting means to obtain photoacoustic data, based on the photoacoustic data, In a photoacoustic imaging apparatus that images a subject and displays the image on an image display unit, the photoacoustic imaging apparatus is configured to be capable of changing the pulse width of pulsed light.
A photoacoustic imaging apparatus comprising sampling frequency adjusting means for adjusting a sampling frequency to be higher as the pulse width of pulsed light is smaller.
前記サンプリング周波数調節手段が、前記パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して前記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定するものとされていることを特徴とする請求項7から9いずれか1項記載の光音響画像化装置。 Storage means for storing the correspondence between the sampling frequency and the pulse width is provided,
When the pulse width is determined, the sampling frequency adjusting means reads the frequency stored in the storage means corresponding to the pulse width, and sets the sampling frequency according to the read frequency. 10. The photoacoustic imaging apparatus according to claim 7, wherein the photoacoustic imaging apparatus is configured as described above.
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