JP2015104476A - 光音響画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス光のパルス幅を短くすることが困難な場合にも、分解能が低下することを抑制可能な光音響画像化装置を提供する。【解決手段】この光音響画像化装置１００は、被検体１０にパルス光を照射可能な光源部２１と、光源部２１により照射されたパルス光に応じて、パルス光のパルス信号９０の立上りエッジ９０ａに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号７０ａと、パルス光のパルス信号９０の立下りエッジ９０ｂに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号７０ｂとのいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂのいずれか一方に基づいて画像化処理を行う信号処理部３０とを備える。【選択図】図３

Description

この発明は、光音響画像化装置に関し、特に、被検体に光を照射する光源部と被検体内の検出対象物から発生する音響波を検出する検出部とを備えた光音響画像化装置に関する。

従来、被検体に光を照射する光源部と被検体内の検出対象物から発生する音響波を検出する検出部とを備えた光音響画像化装置などが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、被検体に照射するパルスレーザ光を出射するレーザ光源と、被検体内で発生した光音響信号を検出する超音波プローブ（検出部）とを備えた光音響画像生成装置（光音響画像化装置）が開示されている。上記特許文献１に記載の光音響画像生成装置では、光源としてレーザ光源を用いるため、光源部により出力されるパルス光のパルス幅を短くすることが可能である。

特開２０１３−７５０００号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の光音響画像化生成装置として、レーザ光源以外の光源を用いる場合には、光源部により出力されるパルス光のパルス幅を短くすることが困難な場合があり、その場合には、正確な画像情報を有する信号を得ることができないため、分解能が低下するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、パルス光のパルス幅を短くすることが困難な場合にも、分解能が低下することを抑制可能な光音響画像化装置を提供することである。

この発明の第１の局面による光音響画像化装置は、被検体にパルス光を照射可能な光源部と、光源部により照射されたパルス光に応じて、パルス光のパルス信号の立上りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第１音響波信号と、パルス光のパルス信号の立下りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第２音響波信号とのいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、第１音響波信号および第２音響波信号のいずれか一方に基づいて画像化処理を行う画像化処理を行う信号処理部とを備える。

この発明の第１の局面による光音響画像化装置では、上記のように、パルス光のパルス信号の立上りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第１音響波信号と、パルス光のパルス信号の立下りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第２音響波信号とのいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、パルス光のパルス幅を短くすることが困難な場合に、第１音響波信号と第２音響波信号とのピーク同士がパルス幅分だけ離間して発生する場合にも、一方の信号の無効化により、第１音響波信号と第２音響波信号とが部分的に重なって１つの幅の大きい信号として認識されることや別々の検出対象物により発生した信号として誤認識されることがないので、分解能が低下することを抑制することができる。そして、第１音響波信号および第２音響波信号のいずれか一方に基づいて画像化処理を行うことによって、第１音響波信号または第２音響波信号に基づいて、被検体内の状態を画像として忠実に再現することができる。

上記第１の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、光源部は、被検体にパルス光を照射可能なＬＥＤ素子を有しており、第１音響波信号および第２音響波信号を検出する検出部をさらに備え、信号処理部は、検出部により検出された第１音響波信号および第２音響波信号を取得するとともに、取得した第１音響波信号および第２音響波信号のいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、第１音響波信号および第２音響波信号のいずれか一方に基づいて画像化処理を行うように構成されている。このように構成すれば、被検体にパルス光を照射可能なＬＥＤ素子を有する光源部を設けることによって、光源部にレーザ光源を用いる場合とは異なり、光源部による消費電力を低減することができる。ここで、光源としてＬＥＤ素子を用いる場合には、現状では、ＬＥＤの応答速度やパルス駆動のためのスイッチング素子の特性上、パルス光のパルス幅を短くすることが困難であるため、本発明が特に有効である。また、第１音響波信号および第２音響波信号を検出する検出部をさらに設けるとともに、信号処理部により検出部により検出された第１音響波信号および第２音響波信号を取得するように構成することによって、検出部により検出された第１音響波信号および第２音響波信号を、信号処理部により迅速に処理することができる。

上記第１の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、光源部により照射されるパルス光は、所定のパルス幅を有しており、所定のパルス幅は、ユーザの所望する検出距離を音速により除して得られる時間よりも大きい。このように構成すれば、第１音響波信号が検出されてから第２音響波信号が検出されるまでの間に、ユーザの所望する検出距離内の画像情報（音響波信号）を含むことができるので、たとえば、第１音響波信号が検出された時点から所定のパルス幅に対応する時間以後に検出される第２音響波信号を無効信号とするような場合にも、ユーザの所望する画像情報を確実に取得しながら、分解能が低下することを抑制することができる。

上記第１の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、光源部により照射されるパルス光は、所定のパルス幅を有しており、信号処理部は、第１音響波信号が検出された後、少なくとも所定のパルス幅に対応する時間以後に検出される第２音響波信号を無効信号とすることによって、第１音響波信号に基づいて画像化処理を行うように構成されている。このように構成すれば、光源部により照射されたパルス光に応じて、第１音響波信号が検出された後、所定のパルス幅に対応する時間後に必ず第２音響波信号が検出されるという信号検出時間のずれを利用して、容易に、第２音響波信号を無効信号とすることができる。

上記第１の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、光源部により照射されるパルス光は、立上りエッジおよび立下りエッジのいずれか一方が他方よりも大きい傾きを有しており、信号処理部は、立上りエッジまたは立下りエッジの一方に対応する第１音響波信号または第２音響波信号の信号強度よりも小さい値である所定のしきい値よりも小さい信号強度の第１音響波信号または第２音響波信号を無効信号とすることによって、第１音響波信号および第２音響波信号のいずれか一方に基づいて画像化処理を行うように構成されている。このように構成すれば、パルス信号のエッジの傾きが大きいほど、パルス信号のエッジに対応する音響波信号の信号強度が大きくなるという音響波信号の性質を利用して、所定のしきい値により、第１音響波信号と第２音響波信号とを識別することができるので、確実に、第１音響波信号または第２音響波信号を無効信号とすることができる。

上記第１の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、光源部により照射されるパルス光は、パルス幅が１００ｎｓ以上になるように構成されている。このように構成すれば、第１音響波信号と第２音響波信号とが部分的に互いに重なる波形や第１音響波信号と第２音響波信号とが分離した波形を容易に得ることができるので、第１音響波信号および第２音響波信号のいずれか一方を無効信号とする信号処理を信号処理部により容易に行うことができる。

この発明の第２の局面による光音響画像化装置は、デューティ比が５０％となるように構成されたパルス光を被検体に照射可能な光源部と、光源部により照射されたパルス光に応じて、パルス光のパルス信号の立上りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第１音響波信号と、パルス光のパルス信号の立下りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第２音響波信号とを別個に取得するとともに、別個に取得した第１音響波信号と第２音響波信号とに基づいて画像化処理を行う信号処理部とを備える。

この発明の第２の局面による光音響画像化装置では、上記のように、パルス光のパルス信号の立上りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第１音響波信号と、パルス光のパルス信号の立下りエッジに対応して被検体内の検出対象物から発生する第２音響波信号とを別個に取得するとともに、別個に取得した第１音響波信号と第２音響波信号とに基づいて画像化処理を行う信号処理部を設けることによって、１つのパルス信号により２つの画像情報（第１音響波信号および第２音響波信号）を得ることができるので、１つのパルス信号により１つの画像情報を得る場合よりも、２倍の画像情報（２倍のサンプリング情報）を得ることができる。

上記のように、第１の局面による光音響画像化装置によれば、パルス光のパルス幅を短くすることが困難な場合にも、分解能が低下することを抑制可能な光音響画像化装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態による光音響画像化装置の全体構成を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態による光音響画像化装置の音響波の受信状態を示した図である。 本発明の第１実施形態による光音響画像化装置の音響波信号の処理を説明するための図である。 光音響画像化装置の分解能の低下について説明するための図である。 本発明の第２実施形態によるパルス信号の立下りエッジの傾きが緩やかな場合の音響波信号の処理を説明するための図である。 本発明の第２実施形態によるパルス信号の立上りエッジの傾きが緩やかな場合の音響波信号の処理を説明するための図である。 本発明の第３実施形態による光音響画像化装置の音響波信号の処理を説明するための図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態による光音響画像化装置１００の構成について説明する。

本発明の第１実施形態による光音響画像化装置１００は、図１に示すように、被検体１０内の画像情報を検出するための検出部２０と、検出部２０により検出された信号を処理して画像化を行う信号処理部３０と、信号処理部３０により処理された画像を表示するための画像表示部４０とを備えている。

検出部２０は、被検体１０に近赤外光を照射する光源部２１と、光源部２１に駆動信号を送信する光源駆動回路２２と、光源駆動回路２２を介して光源部２１に電力を供給するための駆動電源部２３とを含んでいる。また、検出部２０は、被検体１０内の光吸収体１０ａ（図２参照）が光を吸収することにより発生する超音波としての音響波７０（図２参照）を検出する機能と、被検体１０に向けて超音波８０（図２参照）を発生させるとともに、被検体１０に反射された超音波８０を検出する機能とを有する超音波振動素子２４を含んでいる。また、検出部２０は、光源部２１からの光を集光する集光レンズ２５と、集光レンズ２５により集光された光を被検体１０近傍に導光する導光部２６とを含んでいる。なお、図１では、図示の都合上、光源部２１と、集光レンズ２５と、導光部２６とを１組のみ示しているが、実際には、検出部２０は、図２に示すように、２組の上記構成要素が検出部２０に配置されるように構成されている。また、光吸収体１０ａは、本発明の「検出対象物」の一例である。

なお、本明細書では、説明の都合上、被検体１０内の光吸収体１０ａが光を吸収することにより発生する超音波を「音響波」として、超音波振動素子２４により発生されるとともに、被検体１０に反射される超音波を「超音波」として区別して記載している。

光源部２１は、互いに異なる波長の近赤外光を照射可能なＬＥＤ素子２１ａと、ＬＥＤ素子２１ｂとを有している。

光源駆動回路２２は、ＬＥＤ素子２１ａを駆動させるＬＥＤ駆動回路２２ａと、ＬＥＤ素子２１ｂを駆動させるＬＥＤ駆動回路２２ｂとを有している。また、光源駆動回路２２は、ＬＥＤ駆動回路２２ａを介してＬＥＤ素子２１ａをパルス発光させるともに、ＬＥＤ駆動回路２２ｂを介してＬＥＤ素子２１ｂをパルス発光させるように構成されている。

また、検出部２０は、図２に示すように、光源部２１によりパルス光を照射されることにより光吸収体１０ａから発生した音響波７０を検出するように構成されている。また、検出部２０は、超音波振動素子２４により超音波が発射されて、被検体１０により反射された超音波８０を検出するように構成されている。

また、検出部２０は、光源部２１と、集光レンズ２５と、導光部２６とを各々２個（一対）ずつ含んでいる。また、検出部２０は、上記各構成要素の対が超音波振動素子２４を間に挟むように配置されている。また、検出部２０では、光源駆動回路２２と駆動電源部２３とが、２個の光源部２１の間に配置されている。また、検出部２０では、光源駆動回路２２が光源部２１の近傍に配置されている。また、検出部２０は、検出部２０内において、２個の光源部２１と、光源駆動回路２２と、駆動電源部２３とが電気配線６０（破線で示す）によって電気的に接続されるように構成されている。また、検出部２０は、光源駆動回路２２が配線６１（破線で示す）によって信号処理部３０から信号を受信するように構成されている。

信号処理部３０は、図１に示すように、信号処理部３０の各構成要素および光源駆動回路２２を制御するための制御部３１と、制御部３１の制御に基づいて超音波トリガ信号を超音波振動素子２４に送信する送信制御回路３２と、超音波振動素子２４が検出した音響波７０および超音波８０の信号を受信するための受信回路３３とを含んでいる。また、信号処理部３０は、検出した音響波７０および超音波８０の信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３４と、検出した音響波７０および超音波８０の信号を保存する受信メモリ３５と、検出した音響波７０の信号を処理するとともに、音響波７０の信号および超音波８０の信号を分離するデータ処理部３６とを含んでいる。なお、音響波７０の信号の処理の詳細については、後述する。

また、信号処理部３０は、分離された音響波７０の信号を画像として再構成する音響波画像再構成部５１と、音響波画像再構成部５１の出力を受けて波形処理を行う検波・対数コンバータ５２と、検出した音響波７０の信号に基づく被検体１０内の断層画像を構築する音響波画像構築部５３とを含んでいる。また、信号処理部３０は、被検体１０から反射された超音波８０の信号を画像として再構成する超音波画像再構成部５４と、超音波画像再構成部５４の出力を受けて波形処理を行う検波・対数コンバータ５５と、検出した超音波８０の信号に基づく被検体１０内の断層画像を構築する超音波画像構築部５６とを含んでいる。また、信号処理部３０は、音響波画像構築部５３により構築された画像と、超音波画像構築部５６により構築された画像とを合成する画像合成部５７を含んでいる。そして、信号処理部３０は、画像合成部５７により合成された画像を画像表示部４０に出力するように構成されている。

次に、図１および図３を参照して、本発明の第１実施形態による光音響画像化装置１００の音響波信号の処理について説明する。

まず、図１に示すように、信号処理部３０の制御部３１から光源駆動回路２２に波長制御信号が送信される。そして、受信した波長制御信号に基づいて、光源駆動回路２２によりＬＥＤ素子２１ａまたはＬＥＤ素子２１ｂのいずれか一方が選択される。続けて、制御部３１から光トリガ信号が送信されるとともに、光トリガ信号を受信した光源駆動回路２２により、選択されたＬＥＤ素子２１ａまたはＬＥＤ素子２１ｂに駆動信号（パルス信号）が送信される。そして、駆動信号（パルス信号）を受信したＬＥＤ素子２１ａまたはＬＥＤ素子２１ｂにより、集光レンズ２５および導光部２６を介してパルス光が被検体１０に照射される。

ここで、第１実施形態では、ＬＥＤ素子２１ａまたはＬＥＤ素子２１ｂにより被検体１０に照射されるパルス光のパルス信号９０は、図３に示すように、矩形状を有する矩形波である。また、図３では、図示しない複数のパルス信号のうちの一つのパルス信号９０のみを示している。また、パルス信号９０は、立上りエッジ９０ａと、立下りエッジ９０ｂとを有している。

また、パルス信号９０は、所定のパルス幅τ（たとえば、３０μｓ）に設定されている。ここで、パルス幅とは、立上りエッジがピーク値の５０％になる値から、立下りエッジがピーク値の５０％になる値までの時間のことである。この所定のパルス幅τは、以下のように計算して得られた値が所定のパルス幅τとして設定される。すなわち、ユーザの所望する検出距離を、被検体内の音速により除して得られる時間よりも大きい値が設定される。検出距離の設定の一例として、人体における腕を測定する場合について説明する。この場合、腕の厚み分の検出距離が確保されればよいことから、ユーザの所望する検出距離が４０ｍｍであったとする。この検出距離４０ｍｍを、人体内の音速１５００ｍ／ｓにより除して得られる時間は、約２７μｓであるため、この時間よりも大きい値である３０μｓが所定のパルス幅τとして設定される。そして、設定した検出距離の範囲内に光吸収体１０ａが存在すれば光吸収体１０ａに対応する音響波７０が検出されて、光吸収体１０ａが画像化される。なお、検出距離４０ｍｍおよびこれに対応した所定のパルス幅τ＝３０μｓは、検出距離および所定のパルス幅の一例であり、被検体や、被検体の測定部位によって検出距離は異なるため、所定のパルス幅τはユーザの所望する検出距離に応じて都度設定されることが好ましい。

被検体１０に照射されたパルス光は、被検体１０内を伝播して光吸収体１０ａに吸収される。光の吸収の結果、光吸収体１０ａからは、音響波７０（図２参照）が発生する。このとき、パルス信号９０の立上りエッジ９０ａおよび立下りエッジ９０ｂに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから２つの音響波信号が、それぞれ検出部２０により検出される。具体的には、パルス信号９０の立上りエッジ９０ａに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号７０ａと、パルス信号９０の立下がりエッジ９０ｂに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号７０ｂ（破線で示す）とが、それぞれ検出部２０により検出される。ここで、音響波信号７０ｂは、音響波信号７０ａの検出後、所定のパルス幅τに対応する時間（３０μｓ）経過後に検出される。そして、検出された音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂが、それぞれ信号処理部３０により取得される。具体的には、光トリガ信号が送信され、光源部２１により被検体１０に対してパルス光が照射される時に、制御部３１によりＡ／Ｄコンバータ３５にサンプリングトリガ信号の送信が開始されるとともに、検出部２０により検出されて受信回路３３により受信された音響波信号がサンプリングされる。なお、音響波信号７０ａは、本発明の「第１音響波信号」の一例である。また、音響波信号７０ｂは、本発明の「第２音響波信号」の一例である。

また、第１実施形態では、信号処理部３０では、取得された音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂのうち、音響波信号７０ｂを無効信号とする処理が行われる。具体的には、音響波信号７０ａの検出後、所定のパルス幅τに対応する時間（３０μｓ）以降に検出される音響波信号を無効信号とする処理が行われる。この音響波信号を無効信号とする処理は、たとえば、所定のパルス幅τに対応する時間以後に検出される音響波信号が信号処理部３０によりサンプリングされないようにする方法や、所定のパルス幅τに対応する時間以後に検出される音響波信号強度が信号処理部３０によりゼロとされる方法などが挙げられるが、その他どのような方法により行われても構わない。そして、この音響波信号を無効信号とする処理は、所定のパルス幅τに対応する時間から、パルス信号９０の次のパルス信号によりパルス光が発光されるまでの間の所定の時間まで行われる。これにより、音響波信号７０ａに基づく画像情報を得ることができる。

そして、光源部２１により継続的にパルス光が光吸収体１０ａに照射されるとともに、上記処理が信号処理部３０により行われて、続くパルス信号についても、立上りエッジに対応する音響波信号に基づく画像情報を得ることができる。そして、この画像情報に基づいて、被検体内の画像化処理が信号処理部３０により行われる。

また、最初に選択されなかった他方のＬＥＤ素子２１ａまたはＬＥＤ素子２１ｂについても同様に発光動作がなされて、音響波信号が取得および処理されるとともに、被検体内の画像化処理が信号処理部３０により行われる。

次に、図３および図４を参照して、この第１実施形態によって、分解能が低下することを抑制することができる点について説明する。

まず、所定のパルス幅τが、たとえば、１００ｎｓの場合には、図４に示すように、立上りエッジ９１ａおよび立下りエッジ９１ｂを有するパルス信号９１に対応して、互いの信号の一部が重なった状態で音響波信号９１ａおよび音響波信号９１ｂが検出部２０により検出される。この場合、音響波信号９１ａと音響波信号９１ｂとが本来自身が有する時間幅よりも大きな時間幅を有する１つの信号として信号処理部３０により認識されるため、本来の被検体内の状態を画像として忠実に再現することができない。したがって、分解能が低下する。なお、図４では、理解の容易のために、パルス幅を誇張して図示している。

次に、所定のパルス幅τが、たとえば、３０μｓの場合には、図３に示すように、音響波信号９０ａおよび音響波信号９０ｂが別個の信号として検出部２０により検出される。この場合には、何ら処理がなされなければ、本来一の光吸収体１０ａにより発生した音響波信号９０ａおよび音響波信号９０ｂが、あたかも別々の２つの光吸収体により発生した信号として信号処理部３０により認識されるため、これによっても、本来の被検体内の状態を画像として忠実に再現することができない。したがって、分解能が低下する。

一方、この第１実施形態では、取得された音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂのうち、音響波信号７０ｂを無効信号とする処理が信号処理部３０により行われるので、音響波信号７０ａと音響波信号７０ｂとが部分的に重なって１つの信号として認識されることや別々の光吸収体１０ａにより発生した信号として認識されることがないので、分解能が低下することを抑制することができる。

また、１００ｎｓよりも小さいパルス幅を有する場合には、音響波信号７０ａと音響波信号７０ｂとの大部分が重なって幅の小さい１つの信号として認識されることから、この場合にも、分解能の低下は抑制される。したがって、１００ｎｓ以上のパルス幅を有する場合に、この音響波信号を無効信号とする処理を適用することが、実施の上で好ましいといえる。また、極短パルス幅での出力が可能なレーザ光源を用いる場合とは異なり、光源部にＬＥＤ素子を用いる場合には、１００ｎｓよりも小さいパルス幅を得ることが困難であることから、上記のような処理を行うことにより分解能が低下することを抑制することは、極めて効果的である。

第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、パルス光のパルス信号９０の立上りエッジ９０ａに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号７０ａと、パルス光のパルス信号９０の立下りエッジ９０ｂに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号７０ｂとのいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、パルス光のパルス幅τを短くすることが困難な場合に、音響波信号７０ａと音響波信号７０ｂとのピーク同士がパルス幅τ分だけ離間して発生する場合にも、一方の信号の無効化により、音響波信号７０ａと音響波信号７０ｂとが部分的に重なって１つの幅の大きい信号として認識されることや、音響波信号７０ａと音響波信号７０ｂとが別々の光吸収体１０ａにより発生した信号として誤認識されることがないので、分解能が低下することを抑制することができる。そして、音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂのいずれか一方に基づいて画像化処理を行うことによって、音響波信号７０ａまたは音響波信号７０ｂに基づいて、被検体１０内の状態を画像として忠実に再現することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光源部２１に被検体１０にパルス光を照射可能なＬＥＤ素子２１ａおよびＬＥＤ素子２１ｂを設けるとともに、音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂを検出する検出部２０を設け、検出部２０により検出された音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂを取得するとともに、取得した音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂのいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂのいずれか一方に基づいて画像化処理を行うように信号処理部３０を構成する。これにより、被検体１０にパルス光を照射可能なＬＥＤ素子２１ａおよびＬＥＤ素子２１ｂによって、光源部２１にレーザ光源を用いる場合とは異なり、光源部２１による消費電力を低減することができる。ここで、上記したように、光源としてＬＥＤ素子（２１ａおよび２１ｂ）を用いる場合には、現状では、ＬＥＤの応答速度やパルス駆動のためのスイッチング素子の特性上、パルス光のパルス幅τを短くすることが困難であるため、本発明が特に有効である。また、音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂを検出する検出部２０を設けることによって、検出部２０により検出された音響波信号７０ａおよび音響波信号７０ｂを、信号処理部３０により迅速に処理することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光源部２１により照射されるパルス光が所定のパルス幅τを有しており、所定のパルス幅τを、ユーザの所望する検出距離を音速により除して得られる時間よりも大きくする。これにより、音響波信号７０ａが検出されてから音響波信号７０ｂが検出されるまでの間に、ユーザの所望する検出距離内の画像情報（音響波信号）を含むことができるので、たとえば、音響波信号７０ａが検出された時点から所定のパルス幅τに対応する時間以後に検出される音響波信号７０ｂを無効信号とするような場合にも、ユーザの所望する画像情報を確実に取得しながら、分解能が低下することを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光源部２１により照射されるパルス光が所定のパルス幅τを有しており、音響波信号７０ａが検出された後、少なくとも所定のパルス幅τに対応する時間以後に検出される音響波信号７０ｂを無効信号とすることによって、音響波信号７０ａに基づいて画像化処理を行うように信号処理部３０を構成する。これにより、光源部２１により照射されたパルス光に応じて、音響波信号７０ａが検出された後、所定のパルス幅τに対応する時間後に必ず音響波信号７０ｂが検出されるという信号検出時間のずれを利用して、容易に、音響波信号７０ｂを無効信号とすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光源部２１により照射されるパルス光を、パルス幅が１００ｎｓ以上になるように構成する。これにより、音響波信号７０ａと音響波信号７０ｂとが部分的に互いに重なる波形や音響波信号７０ａと音響波信号７０ｂとが分離した波形を容易に得ることができるので、音響波信号７０ｂを無効信号とする信号処理を信号処理部３０により容易に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、図１、図５および図６を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、パルス信号９０が矩形状を有した上記第１実施形態とは異なり、パルス信号１９０の立上りエッジ１９０ａまたは立下りエッジ１９０ｂのいずれか一方が他方よりも大きい傾きを有する例について説明する。

本発明の第２実施形態による光音響画像化装置２００は、図１に示すように、所定のしきい値よりも小さい音響波信号を無効信号とする処理を行う信号処理部１３０を備えている。なお、図１に示した上記第１実施形態と同一の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態では、光源部２１により光吸収体１０ａに照射されるパルス光のパルス信号１９０は、図５に示すように、垂直に立ち上がる立上りエッジ１９０ａを有している。また、パルス信号１９０は、緩やかに立ち下がる立下りエッジ１９０ｂを有している。すなわち、パルス信号１９０では、立上りエッジ１９０ａが立下りエッジ１９０ｂよりも大きい傾きを有している。また、パルス信号１９０は、所定のパルス幅τを有している。

ここで、第２実施形態では、立上りエッジ１９０ａに対応する音響波信号１７０ａと、立下りエッジ１９０ｂに対応する音響波信号２９０ｂとが検出部２０（図１参照）により検出される。音響波信号は、パルス信号の時間変化に応じて強度が変化するため、時間変化の急峻な立上りエッジ１９０ａに対応する音響波信号１７０ａの方が、時間変化の緩やかな立下りエッジ１９０ｂに対応する音響波信号１７０ｂよりも大きい信号強度で検出される。なお、音響波信号１７０ａは、本発明の「第１音響波信号」の一例である。また、音響波信号１７０ｂは、本発明の「第２音響波信号」の一例である。

また、第２実施形態では、所定のしきい値Ｔｈ１よりも小さい音響波信号１７０ｂを無効信号とする処理が信号処理部１３０により行われる。この音響波信号を無効信号とする処理は、たとえば、所定のしきい値Ｔｈ１よりも小さい音響波信号が信号処理部１３０によりサンプリングされないようにする方法や、所定のしきい値Ｔｈ１よりも小さい音響波信号強度が信号処理部１３０によりゼロとされる方法などが挙げられるが、その他どのような方法により行われても構わない。これにより、音響波信号１７０ａに基づく画像情報を得ることができる。

なお、所定のしきい値Ｔｈ１は、音響波信号１７０ａの最大信号強度よりも小さく、かつ、音響波信号１７０ｂの最大信号強度よりも大きい値である。所定のしきい値Ｔｈ１は、たとえば、音響波信号１７０ａの最大信号強度に対して所定の割合を有する強度としてもよいし、その他どのような方法により決定されてもよい。

次に、図６を参照して、図５とは反対に、緩やかに立ち上がる立上りエッジ１９１ａと、垂直に立ち下がる立下りエッジ１９１ｂを有するパルス信号１９１の場合について説明する。

この場合も、図５の場合と同様に、音響波信号は、パルス信号の時間変化に応じて強度が変化するため、時間変化の急峻な立上りエッジ１９１ｂに対応する音響波信号１７１ｂの方が、時間変化の緩やかな立下りエッジ１９１ａに対応する音響波信号１７１ａよりも大きい信号強度で検出される。なお、音響波信号１７１ａは、本発明の「第１音響波信号」の一例である。また、音響波信号１７１ｂは、本発明の「第２音響波信号」の一例である。

そして、所定のしきい値Ｔｈ２よりも小さい音響波信号１７１ａを無効信号とする処理が信号処理部１３０により行われる。これにより、音響波信号１７１ｂに基づく画像情報を得ることができる。なお、所定のしきい値Ｔｈ２は、音響波信号１７１ｂの最大信号強度よりも小さく、かつ、音響波信号１７１ａの最大信号強度よりも大きい値である。

なお、この第２実施形態の音響波信号を無効信号とする処理に依れば、第１実施形態とは異なり、パルス幅τが１００ｎｍ以上の場合のみならず、パルス幅が１００ｎｍよりも小さい場合にも、音響波信号１７０ａ（１７１ａ）と１７０ｂ（１７１ｂ）とを識別して、音響波信号１７０ａ（１７１ａ）および１７０ｂ（１７１ｂ）のいずれか一方を無効信号とする処理を信号処理部１３０により行うことも可能である。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、上記のように、光源部２１により照射されるパルス光は、立上りエッジ１９０ａ（１９１ａ）および立下りエッジ１９０ｂ（１９１ｂ）のいずれか一方が他方よりも大きい傾きを有しており、立上りエッジ１９０ａ（１９１ａ）または立下りエッジ１９０ｂ（１９１ｂ）の一方に対応する音響波信号１７０ａ（１７１ａ）または音響波信号１７０ｂ（１７１ｂ）の信号強度よりも小さい値である所定のしきい値Ｔｈ１（Ｔｈ２）よりも小さい信号強度の音響波信号１７０ａ（１７１ａ）または音響波信号１７０ｂ（１７１ｂ）を無効信号とすることによって、音響波信号１７０ａ（１７１ａ）および音響波信号１７０ｂ（１７１ｂ）のいずれか一方に基づいて画像化処理を行うように信号処理部１３０を構成する。これにより、パルス信号１９０のエッジの傾きが大きいほど、パルス信号１９０のエッジに対応する音響波信号の信号強度が大きくなるという音響波信号の性質を利用して、所定のしきい値Ｔｈ１（Ｔｈ２）により、音響波信号１７０ａ（１７１ａ）と１７０ｂ（１７１ｂ）とを識別することができるので、確実に、音響波信号１７０ａ（１７１ａ）または音響波信号１７０ｂ（１７１ｂ）を無効信号とすることができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
次に、図１および図７を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、音響波信号７０ａ（１７０ａ、１７１ａ）および音響波信号７０ｂ（１７０ｂ、１７１ｂ）の一方のみを用いて信号処理部３０（１３０）により画像化処理を行った上記第１および第２実施形態とは異なり、音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂの両方を用いて信号処理部２３０により画像化処理を行う例について説明する。なお、音響波信号２７０ａは、本発明の「第１音響波信号」の一例である。また、音響波信号２７０ｂは、本発明の「第２音響波信号」の一例である。

本発明の第３実施形態による光音響画像化装置３００は、図１に示すように、音響波信号２７０ａ（図７参照）に基づく第１画像形成情報と、音響波信号２７０ｂ（図７参照）に基づく第２画像形成情報とを取得する信号処理部２３０を備えている。

ここで、第３実施形態では、光源部２１により光吸収体１０ａに照射されるパルス光のパルス信号２９０は、図７に示すように、デューティ比が５０％になるように構成されている。すなわち、パルス信号２９０は、所定のパルス幅τの時間が周期Ｔの時間に対して５０％になるように構成されている。また、パルス信号２９０は、立上りエッジ２９０ａおよび立下りエッジ２９０ｂが同じ大きさの傾き（時間変化の大きさ）を有している。ここで、パルス幅とは、立上りエッジがピーク値の５０％になる値から、立下りエッジがピーク値の５０％になる値までの時間のことである。また、周期とは、１つのパルス信号のオン状態とオフ状態との持続時間を合計した時間のことである。

また、図７では、４つのパルス信号２９０を示している。この４つのパルス信号の立上がりエッジ２９０ａおよび立下りエッジ２９０ｂに対応して、音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂが、それぞれ検出部２０により検出される。このとき、隣接する音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂは、互いに等間隔の時間間隔に検出される。すなわち、隣接する音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂは、互いに所定のパルス幅τに相当する時間だけ離れて検出される。この所定のパルス幅τは、以下のように計算して得られた値が所定のパルス幅τとして設定される。すなわち、ユーザの所望する検出距離を、被検体内の音速により除して得られる時間よりも大きい値が設定される。検出距離の設定の一例として、人体における腕を測定する場合について説明する。この場合、腕の厚み分の検出距離が確保されればよいことから、ユーザの所望する検出距離が４０ｍｍであったとする。この検出距離４０ｍｍを、人体内の音速１５００ｍ／ｓにより除して得られる時間は、約２７μｓであるため、この時間よりも大きい値である３０μｓが所定のパルス幅τとして設定される。そして、設定した検出距離の範囲内に光吸収体１０ａが存在すれば光吸収体１０ａに対応する音響波７０が検出されて、光吸収体１０ａが画像化される。なお、検出距離４０ｍｍおよびこれに対応した所定のパルス幅τ＝３０μｓは、検出距離および所定のパルス幅の一例であり、被検体や、被検体の測定部位によって検出距離は異なるため、所定のパルス幅τはユーザの所望する検出距離に応じて都度設定されることが好ましい。

また、第３実施形態では、１つのパルス信号２９０に対して、２つの音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂが別個の画像情報として信号処理部２３０により取得される。ここで、音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂは、１つのパルス信号２９０に起因して、１つの光吸収体１０ａ（図２参照）から発生した音響波に基づく信号である。したがって、音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂを別個の画像情報として取得することによって、１つのパルス光から２つの画像情報を得ることができる。そして、別個に取得した音響波信号２７０ａと音響波信号２７０ｂとに基づいて、画像化処理が信号処理部２３０により行われる。

なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第３実施形態では、上記のように、パルス光のパルス信号２９０の立上りエッジ２９０ａに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号２７０ａと、パルス光のパルス信号２９０の立下りエッジ２９０ｂに対応して被検体１０内の光吸収体１０ａから発生する音響波信号２７０ｂとを別個に取得するとともに、別個に取得した音響波信号２７０ａと音響波信号２７０ｂとに基づいて画像化処理を行う信号処理部２３０を設けることによって、一のパルス信号２９０により２つの画像情報（音響波信号２７０ａおよび音響波信号２７０ｂ）を得ることができるので、一のパルス信号２９０により一の画像情報を得る場合よりも、２倍の画像情報（２倍のサンプリング情報）を得ることができる。

なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１〜第３実施形態では、光源部２１により被検体１０に近赤外光を照射した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、光源部２１により被検体１０に近赤外光以外の波長の光を照射してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、光源部２１がＬＥＤ素子２１ａおよびＬＥＤ素子２１ｂを有した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、光源部として所定の波長を有する光を照射可能なレーザ光源を適用してもよい。この場合、第１および第３実施形態を適用する場合には、パルス幅１００ｎｍ以上のパルスレーザ光が用いられることが好ましい。

また、上記第１〜第３実施形態では、光源部２１が互いに異なる波長を有する光を照射可能なＬＥＤ素子２１ａおよびＬＥＤ素子２１ｂを有した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、光源部２１が１つの波長のＬＥＤ素子のみを有していてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、光音響画像化装置１００（２００、３００）が検出部２０を備えた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、光音響画像化装置は、検出部を備えていなくてもよい。たとえば、光音響画像化装置とは別個の検出装置により音響波信号の検出がされるとともに、この検出装置により検出された音響波信号のデータを光音響画像化装置に入力することにより画像化処理を行っても構わない。

また、上記第１実施形態では、パルス信号９０の立下りエッジ９０ｂに対応する音響波信号７０ｂを無効信号とする処理を信号処理部３０により行った例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、パルス信号９０の立上りエッジ９０ａに対応する音響波信号７０ａを無効信号とする処理を信号処理部により行ってもよい。

また、上記第１実施形態では、所定のパルス幅τがユーザの所望する検出距離を音速により除して得られる時間よりも大きく設定した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、所定のパルス幅τをユーザの所望する検出距離を音速により除して得られる時間以下に設定してもよい。

また、上記第１実施形態では、パルス信号９０が矩形状を有した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、パルス信号は矩形状以外の波形を有していてもよい。たとえば、正弦波、三角波、のこぎり波などの波形を有していてもよい。

１０ 被検体
１０ａ 光吸収体（検出対象物）
２０ 検出部
２１ 光源部
３０、１３０、２３０ 信号処理部
７０ 音響波
７０ａ、１７０ａ、１７１ａ、２７０ａ 音響波信号（第１音響波信号）
７０ｂ、１７０ｂ、１７１ｂ、２７０ｂ 音響波信号（第２音響波信号）
９０ａ、１９０ａ、１９１ａ、２９０ａ 立上りエッジ
９０ｂ、１９０ｂ、１９１ｂ、２９０ｂ 立下りエッジ
１００、２００、３００ 光音響画像化装置

Claims (7)

1. 被検体にパルス光を照射可能な光源部と、
   前記光源部により照射されたパルス光に応じて、パルス光のパルス信号の立上りエッジに対応して前記被検体内の検出対象物から発生する第１音響波信号と、パルス光のパルス信号の立下りエッジに対応して前記被検体内の前記検出対象物から発生する第２音響波信号とのいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、前記第１音響波信号および前記第２音響波信号のいずれか一方に基づいて画像化処理を行う信号処理部とを備える、光音響画像化装置。
2. 前記光源部は、前記被検体にパルス光を照射可能なＬＥＤ素子を有しており、
   前記第１音響波信号および前記第２音響波信号を検出する検出部をさらに備え、
   前記信号処理部は、前記検出部により検出された前記第１音響波信号および前記第２音響波信号を取得するとともに、取得した前記第１音響波信号および前記第２音響波信号のいずれか一方を無効信号とする処理を行うことによって、前記第１音響波信号および前記第２音響波信号のいずれか一方に基づいて画像化処理を行うように構成されている、請求項１に記載の光音響画像化装置。
3. 前記光源部により照射されるパルス光は、所定のパルス幅を有しており、
   前記所定のパルス幅は、ユーザの所望する検出距離を音速により除して得られる時間よりも大きい、請求項１または２に記載の光音響画像化装置。
4. 前記光源部により照射されるパルス光は、所定のパルス幅を有しており、
   前記信号処理部は、前記第１音響波信号が検出された後、少なくとも前記所定のパルス幅に対応する時間以後に検出される前記第２音響波信号を無効信号とすることによって、前記第１音響波信号に基づいて画像化処理を行うように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
5. 前記光源部により照射されるパルス光は、立上りエッジおよび立下りエッジのいずれか一方が他方よりも大きい傾きを有しており、
   前記信号処理部は、立上りエッジまたは立下りエッジの前記一方に対応する前記第１音響波信号または前記第２音響波信号の信号強度よりも小さい値である所定のしきい値よりも小さい信号強度の前記第１音響波信号または前記第２音響波信号を無効信号とすることによって、前記第１音響波信号および前記第２音響波信号のいずれか一方に基づいて画像化処理を行うように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
6. 前記光源部により照射されるパルス光は、パルス幅が１００ｎｓ以上になるように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
7. デューティ比が５０％となるように構成されたパルス光を被検体に照射可能な光源部と、
   前記光源部により照射されたパルス光に応じて、パルス光のパルス信号の立上りエッジに対応して前記被検体内の検出対象物から発生する第１音響波信号と、パルス光のパルス信号の立下りエッジに対応して前記被検体内の前記検出対象物から発生する第２音響波信号とを別個に取得するとともに、別個に取得した前記第１音響波信号と前記第２音響波信号とに基づいて画像化処理を行う信号処理部とを備える、光音響画像化装置。

Images