JP2017055838A - 光音響画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出信号中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることが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、光源部１ａ（１ｂ）と、光源部１ａ（１ｂ）により被検体Ｐに光が照射されることに起因して被検体Ｐ内から発生する音響波Ａを検出する検出部２と、被検体Ｐ内から発生する音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号に基づいて、相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、検出部２により検出される検出信号から音響波成分を抽出する信号処理部３４とを備える。【選択図】図２

Description

この発明は、光音響画像化装置に関し、特に、検出部を備えた光音響画像化装置に関する。

従来、検出部を備えた光音響画像化装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、パルスレーザ光を発生するレーザユニットと、パルスレーザ光の照射により被検体内で生じた音響波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が開示されている。この光音響画像生成装置では、検出部により検出された検出信号から、被検体に照射された光の微分波形をデコンボリューションする信号処理を行うことにより、検出対象物が二重に見えるようなぼけた画像を明確化するようにしている。

特開２０１３−１２８７５８号公報

しかしながら、上記特許文献１の光音響画像生成装置では、デコンボリューション処理により画像のぼけを取り除くことはできるものの、検出信号に含まれるノイズを除去することはできない。検出信号のノイズ除去には、加算平均処理などを行うことが知られているが、たとえば高頻度で発生するノイズがある場合などでは、光照射によって発生する音響波の信号強度が小さいこともあり、十分にノイズを除去してＳ／Ｎ比を向上させることができない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、検出信号中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることが可能な光音響画像化装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による光音響画像化装置は、光源部と、光源部により被検体に光が照射されることに起因して被検体内から発生する音響波を検出する検出部と、被検体内から発生する音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号に基づいて、相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、検出部により検出される検出信号から音響波成分を抽出する信号処理部とを備える。

この発明の一の局面による光音響画像化装置では、上記のように、被検体内から発生する音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号に基づいて、相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、検出部により検出される検出信号から音響波成分を抽出する信号処理部を設ける。これにより、検出信号が参照信号（音響波信号を反映した信号波形を有する信号）に類似する音響波成分を含む場合に、その音響波成分については相対的に高値を有し、音響波成分以外のノイズ成分については相対的に低値を有するような信号（処理後の信号波形）を得ることができる。すなわち、信号処理部による処理後には、検出信号からノイズ成分を抑制して音響波成分を抽出した信号を得ることができるので、高頻度で発生するノイズがある場合においても、検出信号中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、信号処理部は、参照信号と検出信号との相関関数を算出することにより、検出信号から音響波成分を抽出するように構成されている。このように構成すれば、検出信号中のノイズ成分が抑制され、参照信号と類似する音響波成分のみが高い正の相関を有する相関関数の信号を得ることができる。その結果、より効果的に、信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

この場合、好ましくは、検出信号の画像化処理を行う画像化部をさらに備え、信号処理部は、算出した相関関数を検出信号として画像化部により画像化させるように構成されている。このように構成すれば、たとえば算出した相関関数の信号を用いて元の検出信号を補正するような処理を行う場合と比較して、相関関数の信号自体を画像化することができるので、Ｓ／Ｎ比を向上させつつ、画像化のための信号処理が複雑化することを抑制することができる。

上記信号処理部が参照信号と検出信号との相関関数を算出する構成において、好ましくは、信号処理部は、算出した相関関数波形の内から、負の値をとる部分を除去するように構成されている。このように構成すれば、音響波の一部が被検体中で反射することにより生じる反射波の成分（虚像成分）が画像化されてしまうことを抑制することができる。すなわち、反射波は、音響波に対して逆位相となるため、相関関数の信号中では負の相関を有する部分として現れる。そのため、相関関数波形の内から、負の値をとる部分を除去することにより、反射波に起因する虚像が画像化されることを抑制することができる。その結果、ノイズ成分のみならず反射波に起因する虚像成分を除去して、光音響画像の高品質化を図ることができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、参照信号は、光源部から照射される光波形の微分信号であり、信号処理部は、微分信号を用いて相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、検出信号から音響波成分を抽出するように構成されている。なお、「光波形」とは、光量−時間波形（光量の時間変化波形）を示す概念である。ここで、音響波は、被検体内の検出対象物が光源部から照射される光（パルス光）を吸収して膨張・収縮することによって発生する。このとき発生する音響波の波形（振幅の時間変化波形）は、理想的には照射された光（パルス光）の微分波形となることが知られている。つまり、光源部から照射される光波形の微分信号は、検出される音響波信号に類似し、音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号として用いることができる。そのため、この微分信号を用いることによって、容易に、検出信号から音響波成分を抽出することができる。

この場合、好ましくは、光源部に供給される電流を測定する電流測定部をさらに備え、信号処理部は、電流測定部により測定される電流波形に基づいて、微分信号を取得するように構成されている。このように構成すれば、光源部が発生する光の光波形は、光源部に供給される電流の電流波形（電流の時間変化波形）を反映することから、電流波形を取得するだけで、容易に光波形の微分信号と同等（等価）な微分信号を得ることができる。その結果、たとえば光波形を直接取得するためには、光センサなどを別途設けて、被検体に対する光照射と並行して光検出を行う必要があるが、上記構成によれば、光源部への電流供給回路において電流測定が可能となるので、簡易で、かつ、リアルタイムに微分信号を取得することが可能となる。

上記参照信号が光源部から照射される光波形の微分信号である構成において、好ましくは、微分信号のデータを予め記憶する記憶部をさらに備え、信号処理部は、記憶部に記憶された微分信号のデータを用いて、検出信号から音響波成分を抽出するように構成されている。このように構成すれば、光源部から照射される光を実験的に測定しておいて、予め微分波形を生成して記憶部に記憶させておくだけで、容易に、微分信号を得ることができる。また、リアルタイムに微分信号を取得する場合と異なり、光センサや電流測定部を設ける必要がないので、装置構成を簡素化することができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、参照信号は、検出対象物毎に予め取得された音響波信号の参照データであり、音響波信号の参照データを検出対象物毎に記憶する記憶部をさらに備え、信号処理部は、記憶部に記憶された音響波信号の参照データを用いて相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、検出信号から音響波成分を抽出するように構成されている。このように構成すれば、ノイズの少ない理想的な環境で音響波信号を実験的に測定し、参照データとしてサンプリングしておくことにより、予め測定した音響波信号自体を参照信号として用いることが可能となる。また、検出される音響波信号は、被検体内の検出対象物毎に、（類似しているものの）少しずつ異なっている可能性がある。そのため、使用時に、検出対象物に対応した参照データを使用できるので、より精度よく音響波成分を抽出することができるようになる。その結果、より効果的に信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

上記一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、検出部の近傍に配置された発光素子を含む。このように構成すれば、固体レーザなどの大型の光源装置を用いる場合と異なり、検出部の近傍に配置した発光素子を用いることにより、装置をコンパクト化することができる。この場合、発光素子を発光させる際に発生する電磁波の一部が検出信号にノイズとなって現れる可能性があるが、本発明によれば、発光に伴うノイズも効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

この場合、好ましくは、発光素子は、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子および有機発光ダイオード素子のうちのいずれかである。このように構成すれば、固体レーザなどの大型の光源装置と異なり、小型かつ低消費電力の光源部を構成することができる。この場合には、固体レーザ光源を用いる場合と比べて光の出力が小さくなるため、検出部により検出される音響波信号の信号強度がノイズレベルと比較して相対的に小さくなる。そのため、検出信号中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる本発明は、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子または有機発光ダイオード素子を発光素子として用いる場合に特に有効である。

本発明によれば、上記のように、検出信号中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明の第１〜第４実施形態による光音響画像化装置の全体構成を示した模式図である。 本発明の第１〜第４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実施形態による信号処理を説明するための検出信号、参照信号および相関関数を示した模式図である。 光波形（Ａ）と音響波信号（Ｂ）との関係を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による光音響画像化装置の制御処理を説明するためのフロー図である。 本発明の第２実施形態による光音響画像化装置の電流測定部を説明するためのブロック図である。 光源部の電流波形と電流波形の微分信号とを示した図である。 本発明の第３実施形態による光音響画像化装置の記憶部に記憶されるデータを説明するための図である。 音響波と音響波の反射波とを説明するための図である。 検出信号中の音響波成分と反射波成分とを説明するための図である。 本発明の第４実施形態による光音響波画像装置の信号処理部による処理前の相関関数を説明するための図である。 本発明の第４実施形態による光音響波画像装置の信号処理部による処理後の相関関数を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
（光音響画像化装置の全体構成）
図１および図２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の全体構成について説明する。光音響画像化装置１００は、被検体Ｐ（人体など）の内部の検出対象物Ｑ（血液、臓器、および、穿刺針など）から音響波Ａを検出して、検出信号を画像化する機能を有する。

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、光源部１ａおよび１ｂと、検出部２と、装置本体部３とを備える。また、光源部１ａ、光源部１ｂおよび検出部２は、それぞれ、ケーブル４を介して装置本体部３と接続されている。

光源部１ａおよび１ｂは、検出部２の近傍に配置されている。具体的には、光源部１ａおよび１ｂは、検出部２に近接し、検出部２を挟み込むように配置されている。使用時には、光源部１ａおよび１ｂは、被検体Ｐの表面（人体の体表など）上に配置される。光源部１ａおよび１ｂは、検出部２（後述する超音波振動子２１）の近傍に配置された発光素子１１を含む。発光素子１１は、被検体Ｐに向かって、光（パルス光）を照射するように構成されている。

検出部２は、たとえば、リニア型超音波プローブとして構成されている。使用時には、検出部２は、操作者（ユーザ）により把持されながら被検体Ｐの表面（人体の体表など）上に配置される。検出部２は、先端部に複数の超音波振動子２１を含み、先端部を被検体Ｐに接触させて音響波の検出を行う。超音波振動子２１は、被検体Ｐの内部の検出対象物Ｑからの音響波Ａにより振動して、振動を電圧（検出信号）として装置本体部３に出力するように構成されている。

装置本体部３は、光源部１ａおよび１ｂの発光素子１１からの光の照射の制御を行うとともに、検出部２の超音波振動子２１からの検出信号を取得するように構成されている。装置本体部３は、表示部３１を含む。装置本体部３は、検出部２から取得した検出信号（音響波Ａ）を画像化して、画像化した光音響画像を表示部３１に表示するように構成されている。

（光源部の構成）
第１実施形態では、光源部１ａおよび１ｂの発光素子１１は、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子および有機発光ダイオード素子のうちのいずれかの素子により構成することが可能である。第１実施形態では、発光素子１１は、発光ダイオード素子により構成されている。そして、発光素子１１は、光源部１ａおよび１ｂに複数設けられており、たとえば、光源部１ａには、７０個の直列に接続された発光ダイオード素子が設けられている。これにより、たとえば、光源部１ａおよび１ｂは、被検体Ｐ内の検出対象物Ｑを画像化することが可能な程度の光強度を有する光を被検体Ｐに照射することが可能に構成されている。複数の発光素子１１は、光源部１ａ（１ｂ）内にアレイ状に配列されている。

発光素子１１は、装置本体部３の光源駆動部３２（図２参照）から駆動電力が供給されることにより、パルス光を発生する。発光素子１１が発生するパルス光は、可視光に比べて人体に侵入しやすい波長である赤外域の波長（たとえば、約８５０ｎｍの波長）を有する。

（検出部の構成）
図１に示すように、検出部２には、超音波振動子２１と、音響レンズ２２と、音響整合層２３と、バッキング材２４とが設けられている。音響レンズ２２と、音響整合層２３と、超音波振動子２１と、バッキング材２４とは、検出部２の被検体Ｐ側（矢印Ｚ２方向側）からこの順に互いに接合（積層）されて、配置されている。

超音波振動子２１は、複数個設けられており（複数のチャンネルを有するように構成されており）、たとえば、チャンネルの数は１２８である。超音波振動子２１は、検出部２の内部において、アレイ状に配列されている。

音響レンズ２２は、被検体Ｐから音響レンズ２２に伝わる音響波Ａを超音波振動子２１に集束させるように構成されている。音響整合層２３は、超音波振動子２１と被検体Ｐとの間（またはいずれか一方と略同一）の音響インピーダンスを有し、超音波振動子２１と被検体Ｐとの音響インピーダンスを整合するように構成されている。バッキング材２４は、超音波振動子２１の後方側（矢印Ｚ１方向側）に配置されており、音響波Ａが後方に伝搬するのを抑制するように構成されている。

（装置本体部の構成）
図２に示すように、装置本体部３には、表示部３１と、光源駆動部３２と、制御部３３と、信号処理部３４と、画像化部３５と、記憶部３６と、操作部３７とが設けられている。

光源駆動部３２は、制御部３３からの光トリガ信号に基づいて、発光素子１１に電力を供給するように構成されている。光源駆動部３２は、光トリガ信号に応じて電力供給を行うことにより、発光素子１１から所定のパルス幅のパルス光を照射させる。パルス光のパルス幅は設定により変更可能である。パルス幅は、たとえば、半値全幅で５０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃ程度の範囲内で設定される。光源駆動部３２は、所定の繰り返し周波数の光トリガ信号に応じて、発光素子１１に所定の繰り返し周波数でパルス光を照射させる。光源駆動部３２には、外部電源やバッテリ等（図示せず）から電力が供給される。

制御部３３は、光音響画像化装置１００の全体を制御するように構成されている。たとえば、制御部３３は、光トリガ信号を光源駆動部３２に送信することにより、光源駆動部３２を介して発光素子１１の発光を制御する。また、制御部３３は、光トリガ信号に同期されたサンプリングトリガ信号を信号処理部３４に出力して、検出信号の信号処理を制御する。

信号処理部３４は、検出部２（超音波振動子２１）から、サンプリングトリガ信号に応じて、検出信号を取得するように構成されている。信号処理部３４は、取得した検出信号に所定の信号処理を施し、画像化部３５に出力するように構成されている。信号処理部３４による信号処理の詳細については後述する。

画像化部３５は、信号処理部３４から検出信号を取得して、検出信号の画像化処理を行う。画像化部３５は、検出信号に対して再構成処理などを行い、光音響波画像を生成するように構成されている。そして、表示部３１は、液晶パネルなどからなり、画像化部３５により生成された光音響画像を表示するように構成されている。

記憶部３６は、ハードディスクやフラッシュメモリなどの不揮発性の記憶装置により構成される。記憶部３６には、光トリガ信号の繰り返し周波数、パルス光のパルス幅、サンプリング周波数などの各種設定情報が記憶されている。操作部３７は、操作者（ユーザ）による入力操作を受け付けるように構成されており、受け付けた入力操作の情報を制御部３３に出力するように構成されている。

（信号処理部の処理）
第１実施形態では、信号処理部３４は、図３に示すように、被検体Ｐ内から発生する音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号５０に基づいて、相関処理を行うことにより、検出部２により検出される検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成されている。

ここで、音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号５０について説明する。第１実施形態では、参照信号５０は、光源部１ａ（１ｂ）から照射される光波形の微分信号５１である。図４（Ａ）に示すように、光源部１ａ（１ｂ）は、被検体Ｐに対してパルス光７０を照射する。パルス光７０は、実際の光波形（光量−時間波形）としては矩形状とはならず、やや台形状または三角波状に歪んだ形状となる。パルス光７０はパルス幅ＰＷを有し、パルス幅ＰＷは設定によってたとえば１００ｎｓｅｃなどの所定の大きさとなる。光波形は、たとえば、光源部１ａ（１ｂ）から照射されるパルス光７０を光センサなどの光検出器（図示せず）によって測定することにより取得できる。

照射されたパルス光７０が被検体Ｐ内の検出対象物Ｑに吸収されると、検出対象物Ｑが膨張・収縮して音響波Ａを発生し、図４（Ｂ）に示すように、音響波Ａが検出部２により検出される。この際に発生する音響波Ａの信号波形（強度−時間波形）は、照射されたパルス光７０のパルス幅ＰＷに応じた微分波形になる。このため、被検体Ｐに照射するパルス光７０の光波形が予め分かっている場合、光照射によって得られる音響波Ａの信号波形を予め予測することができる。すなわち、パルス光７０の光波形を時間微分することによって得られる微分信号５１（図３参照）は、被検体Ｐ内から発生する音響波信号（図４（Ｂ）参照）を反映した信号波形を有する参照信号５０として用いることができる。なお、信号波形が予測できるとは、信号の周期および波の特徴的な形状が予測できるという意味であり、音響波Ａの振幅（強度）は、検出対象物Ｑの性質（たとえば赤外光の吸収特性など）によって異なる。

第１実施形態では、信号処理部３４は、図３に示すように、微分信号５１を用いて相関処理を行うことにより、検出信号６０から音響波成分を抽出する。相関処理とは、具体的には、相関関数の算出である。第１実施形態では、信号処理部３４は、参照信号５０と検出信号６０との相関関数Ｒを算出することにより、検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成されている。

相関関数Ｒ（τ）（τ＝０〜Ｍ）は、下式（１）によって算出される。

ｘ（ｔ）が、参照信号５０の関数を表し、第１実施形態では光パルス波形の微分信号５１の関数が用いられる。ｓ（ｔ）が、検出信号６０の関数を表す。

得られる相関関数Ｒでは、微分信号５１に類似する音響波成分について高い正の相関が現れ、微分信号５１に類似しないノイズ成分については低い相関（０に近付く）が現れる。

図３に示した相関関数Ｒの波形は、相関処理の概念を説明するための模式的なものであるが、たとえば図３の相関関数Ｒの波形の場合、ピーク８１が強い正の相関を有する部分となっている。そのため、このピーク８１において音響波成分が含まれていることが分かる。また、相関関数Ｒの波形と相関処理前の原信号である検出信号６０の波形とを比較すると、ピーク８２などが抑制されて０に近付いている。そのため、検出信号６０のピーク８２は、微分信号５１とは相関の小さい（音響波成分に類似しない）ノイズ成分であり、これが相関関数Ｒの波形では抑制される。その結果として、得られた相関関数Ｒは、ノイズ成分を抑制して音響波Ａに相当する信号成分が強調される形で抽出された信号波形となる。

第１実施形態では、信号処理部３４は、算出した相関関数Ｒを検出信号として画像化部３５により画像化させるように構成されている。画像化部３５は、検出信号としての相関関数Ｒの信号に対して再構成処理などの画像化処理を行い、光音響波画像を生成する。したがって、相関関数Ｒの波形において音響波成分を示すピーク８１が明確化されたＳ／Ｎ比の高い画像が得られる。

なお、信号処理部３４は、相関処理以外にも一般的な信号処理（たとえば、信号の加算平均処理など）を行って検出信号６０や相関関数Ｒの信号の各種補正や整形を行う。

（光音響画像化装置の制御処理）
次に、図５を参照して、第１実施形態による光音響画像化装置１００の制御処理について説明する。光音響画像化装置１００における各部の制御処理は、制御部３３により行われる。

まず、ステップＳ１において、光源部１ａ（１ｂ）から光照射が行われる。制御部３３は、光トリガ信号を光源駆動部３２に送信することにより、予め設定された所定の繰り返し周波数で所定のパルス幅ＰＷのパルス光７０（図４（Ａ）参照）を発光素子１１に発生させる。発生したパルス光が被検体Ｐに照射され、検出対象物Ｑに吸収されることにより、被検体Ｐ内で音響波Ａ（図４（Ｂ）参照）が発生する。

ステップＳ２において、被検体Ｐ内で発生した音響波Ａが検出される。発生した音響波Ａが検出部２の超音波振動子２１に到達すると、振動に伴う電圧が信号処理部３４に出力される。制御部３３は、所定のサンプリング周波数でサンプリングトリガ信号を信号処理部３４に出力し、信号処理部３４に検出信号６０（図３参照）を取得させる。検出信号６０は、音響波成分とノイズ成分とを含む。

また、ステップＳ３において、信号処理部３４は、光波形を微分演算することにより、微分信号５１（図３参照）を取得する。第１実施形態では、光信号の取得方法は特に限定されない。たとえば光源部１ａ（１ｂ）のパルス光７０を光センサなどの光検出器（図示せず）で測定する場合、信号処理部３４は、光検出器からの検出信号として光波形を取得する。ステップＳ３の微分信号５１の取得は、ステップＳ２と並行して行ってもよいし、ステップＳ２の前後いずれかのタイミングで実施してもよい。

ステップＳ４において、参照信号５０と検出信号６０との相関関数Ｒが算出される。すなわち、信号処理部３４が、ステップＳ２で得られた検出信号６０と、ステップＳ３で得られた参照信号５０としての微分信号５１とから、図３に示した相関関数Ｒを算出する。信号処理部３４は、得られた相関関数Ｒの信号を、検出信号として画像化部３５に出力する。

ステップＳ５において、検出信号の画像化処理が行われ、画像化部３５により光音響画像が生成される。ステップＳ６において、生成された光音響画像が表示部３１に出力され、表示される。

ステップＳ７において、制御部３３は、光音響画像の生成を終了するか否かを判断する。光音響画像の生成を終了しない場合、制御部３３は、ステップＳ１に処理を戻し、ステップＳ１〜Ｓ６を繰り返すことにより、光音響画像を生成・表示していく。操作部３７を介して終了指示を受け付けた場合などには、制御部３３は、光音響画像の生成を終了すると判断して、処理を終了する。このようにして、第１実施形態による光音響画像化装置１００の制御処理が行われる。

［第１実施形態の効果］
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、被検体Ｐ内から発生する音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号５０に基づいて、相関処理を行うことにより、検出部２により検出される検出信号６０から音響波成分を抽出する信号処理部３４を設ける。これにより、検出信号６０が参照信号５０（音響波信号を反映した信号波形を有する信号）に類似する音響波成分を含む場合に、その音響波成分については相対的に高値を有し、音響波成分以外のノイズ成分については相対的に低値を有するような処理後波形を得ることができる。すなわち、信号処理部３４による処理後には、検出信号６０からノイズ成分を抑制して音響波成分を抽出した信号を得ることができるので、高頻度で発生するノイズがある場合においても、検出信号６０中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、信号処理部３４を、参照信号５０と検出信号６０との相関関数Ｒを算出することにより、検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成する。これにより、検出信号６０中のノイズ成分が抑制され、参照信号５０と類似する音響波成分のみが高い正の相関を有する相関関数Ｒの信号を得ることができる。その結果、より効果的に、信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、信号処理部３４を、算出した相関関数Ｒを検出信号６０として画像化部３５により画像化させるように構成する。これにより、たとえば算出した相関関数Ｒの信号を用いて元の検出信号６０を補正するような処理を行う場合と比較して、相関関数Ｒの信号自体を画像化することができるので、Ｓ／Ｎ比を向上させつつ、画像化のための信号処理が複雑化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１ａ（１ｂ）から照射される光波形の微分信号５１を参照信号５０をとして用いる。そして、信号処理部３４を、微分信号５１を用いて相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成する。音響波の波形（振幅の時間変化波形）は、照射された光（パルス光）の微分波形となるため、この微分信号５１を用いることによって、容易に、検出信号６０から音響波成分を抽出することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光源部１ａ（１ｂ）に、検出部２の近傍に配置された発光素子１１を設ける。これにより、固体レーザなどの大型の光源装置を用いる場合と異なり、検出部２の近傍に配置した発光素子１１を用いることにより、装置をコンパクト化することができる。この場合、発光素子１１を発光させる際に発生する電磁波の一部が検出信号６０にノイズとなって現れる可能性があるが、第１実施形態の光音響画像化装置１００によれば、発光に伴うノイズも効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、発光素子１１として、発光ダイオード素子を用いる。これにより、固体レーザなどの大型の光源装置と異なり、小型かつ低消費電力の光源部１ａ（１ｂ）を構成することができる。この場合には、固体レーザ光源を用いる場合と比べて光の出力が小さくなるため、検出部２により検出される音響波信号の信号強度がノイズレベルと比較して相対的に小さくなる。そのため、検出信号６０中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる第１実施形態の光音響画像化装置１００は、発光ダイオード素子を発光素子１１として用いる場合に特に有効である。

［第２実施形態］
（第２実施形態による光音響画像化装置の構成）
次に、図２、図６および図７を参照して、第２実施形態による光音響画像化装置２００の構成について説明する。第２実施形態による光音響画像化装置２００は、上記第１実施形態とは異なり、光源部に供給される電流波形に基づいて微分信号を取得するように構成されている。なお、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。

本発明の第２実施形態による光音響画像化装置２００（図２参照）は、図２に示した構成に加えて、図６に示す電流測定部１１０をさらに備える。電流測定部１１０は、装置本体部３に設けられている。

電流測定部１１０は、光源部１ａ（１ｂ）に供給される電流を測定するように構成されている。電流測定部１１０は、光源駆動部３２から発光素子１１への電流経路を流れる電流値を測定する。たとえば、電流測定部１１０は、電流経路において発光素子１１の直前に設けられた抵抗１１１（シャント抵抗）の両端の電圧降下に基づいて、電流値を測定する。電流測定部１１０による電流測定のための回路構成は、図示した以外の構成でもよい。電流測定部１１０は、できるだけ発光素子１１に流入する電流のみを正確に測定できるように構成される。

電流測定部１１０の測定結果は、Ａ／Ｄ変換器１１２においてデジタル値に変換され、信号処理部３４に出力される。これにより、信号処理部３４は、図７に示すように、光源部１ａ（１ｂ）（発光素子１１）に供給される電流波形１２０（電流の時間変化波形）を取得する。

なお、第２実施形態において、発光素子１１は、上記第１実施形態と同様、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）により構成されている。発光素子１１は、半導体レーザ素子または有機発光ダイオード素子でもよい。ＬＥＤの光量（発光強度）は、電流に略比例する。そのため、発光素子１１に供給される（パルス）電流波形１２０と、発光素子１１が発生させるパルス光７０の光波形とは、形状において略一致する。つまり、図７に示す電流波形１２０は、図４（Ａ）に示したパルス光７０の光波形と対応する関係にあり、電流波形１２０を微分演算して得られる微分信号１３０は、相関処理を行う目的上、光波形の微分信号５１（図３参照）と同等（等価）とみなすことができる。

そこで、第２実施形態では、信号処理部３４は、電流測定部１１０により測定される電流波形１２０に基づいて、微分信号１３０を取得するように構成されている。得られた微分信号１３０が、参照信号５０（図３参照）として用いられる。すなわち、第２実施形態では、信号処理部３４は、参照信号５０である微分信号１３０と検出信号６０との相関関数Ｒを算出することにより、検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成されている。

この場合、信号処理部３４は、光源部１ａ（１ｂ）からの光照射と並行して電流測定部１１０からの測定結果（電流波形１２０）を取得し、得られた電流波形１２０を微分演算することにより、微分信号１３０をリアルタイムで取得する。したがって、たとえばパルス光７０のパルス幅ＰＷの設定値が変更されたり、パルス光７０の光波形が変化したりするような場合でも、信号処理部３４は、変更後のパルス光７０に対応した微分信号１３０を逐次取得することが可能である。

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実施形態の効果］
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、上記第１実施形態と同様に、参照信号５０（微分信号１３０）に基づいて相関処理を行い、検出部２により検出される検出信号６０から音響波成分を抽出することにより、高頻度で発生するノイズがある場合においても、検出信号６０中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、第２実施形態では、上記のように、光源部１ａ（１ｂ）に供給される電流を測定する電流測定部１１０を設け、信号処理部３４を、電流測定部１１０により測定される電流波形１２０に基づいて微分信号１３０を取得するように構成する。これにより、電流波形１２０を取得するだけで、容易に光波形の微分信号５１と同等（等価）な微分信号１３０を得ることができる。その結果、たとえば光波形を直接取得するためには、光検出器を別途設けて光検出を行う必要があるが、上記構成によれば、光源部１ａ（１ｂ）への電流供給回路において電流測定が可能となるので、簡易で、かつ、リアルタイムに微分信号１３０を取得することが可能となる。

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］
（第３実施形態による光音響画像化装置の構成）
次に、図２および図８を参照して、第３実施形態による光音響画像化装置３００（図２参照）の構成について説明する。第３実施形態による光音響画像化装置３００は、光波形や電流波形を測定することにより微分信号（参照信号）を取得する構成と異なり、予め取得した参照信号を記憶部に記憶しておくように構成されている。なお、上記第１実施形態および第２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。

本発明の第３実施形態による光音響画像化装置３００（図２参照）は、参照信号５０を予め記憶した記憶部２１０（図８参照）を備えている。

図８に示すように、記憶部２１０は、参照信号５０の波形データを予め記憶している。参照信号５０の波形データとして、標準波形データ２２０や、検出対象物Ｑ毎に予め取得された音響波信号の参照データ２３０が含まれる。第３実施形態では、これらのデータが、参照信号５０として用いられる。信号処理部３４は、記憶部２１０に記憶された音響波信号の参照データ２３０または標準波形データ２２０を用いて相関処理を行うことにより、検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成されている。標準波形データ２２０は、特許請求の範囲の「微分信号のデータ」の一例である。

図８の例では、記憶部２１０は、光波形または電流波形の微分信号のデータである標準波形データ２２０を予め記憶している。標準波形データ２２０は、たとえば、光源部１ａ（１ｂ）から照射される光を実験的に測定し微分演算処理を行うことにより、微分信号５１として予め生成される。電流波形の場合も、光源部１ａ（１ｂ）から光を照射する際の電流を実験的に測定し微分演算処理を行うことにより、予め微分信号１３０として生成される。

また、記憶部２１０は、検出対象物Ｑ毎に予め取得された音響波信号を、参照データ２３０としてそれぞれ記憶している。検出対象物Ｑ毎の参照データ２３０としては、たとえば、血管（動脈）データ２３１、血管（静脈）データ２３２、脂肪データ２３３、細胞（腫瘍）データ２３４、針データ２３５などを含むことができる。これらの参照データ２３０は、それぞれノイズの少ない理想的な環境でそれぞれの検出対象物Ｑ（血管（動脈、静脈）、脂肪、細胞（腫瘍）、針（注射針など））の音響波信号を実験的に測定し、サンプリングしておくことにより生成され、予め記憶部２１０に記憶される。血管（動脈）データ２３１、血管（静脈）データ２３２、脂肪データ２３３、細胞（腫瘍）データ２３４、針データ２３５は、共に、特許請求の範囲の「参照データ」の一例である。

ここで、音響波信号は、上記の通り、理想的には光波形（電流波形）の微分信号となる。したがって、波形の基本形状としては微分信号５１（１３０）（図３および図７参照）に類似する形状となるが、実際に測定を行う場合、血管（動脈、静脈）、脂肪、細胞（腫瘍）、針などの検出対象物Ｑによって、波形の一部にそれぞれ異なった特徴が見られる可能性がある。そのため、画像化に際して検出対象物Ｑが予め分かっている場合（画像化したい対象が特定されている場合）には、予めサンプリングされた音響波信号の参照データ２３０を参照信号５０として用いることにより、検出信号６０中の音響波成分をより高精度に抽出できる可能性がある。

参照データ２３０は、血管（動脈）データ２３１、血管（静脈）データ２３２、脂肪データ２３３、細胞（腫瘍）データ２３４、針データ２３５以外の検出対象物Ｑのデータを含んでいてもよいし、これらのデータのうちの一部のみを含んでいてもよい。そして、参照データ２３０に含まれない検出対象物Ｑを検出したい場合には、標準波形データ２２０を利用して相関関数Ｒを算出すればよい。

第３実施形態では、標準波形データ２２０および参照データ２３０は、光源部１ａ（１ｂ）から照射される光のパルス幅ＰＷ毎に複数記憶されている。参照信号５０を用いて相関関数Ｒを算出する際、信号処理部３４は、制御部３３からパルス幅ＰＷの設定値を取得し、取得したパルス幅ＰＷに対応した標準波形データ２２０または参照データ２３０を記憶部２１０から読み出して使用するように構成されている。これは、音響波Ａが光波形の微分信号になることから、音響波Ａの波形がパルス光７０のパルス幅ＰＷに応じて変化するためである。

したがって、標準波形データ２２０および参照データ２３０は、図８の信号幅Ａ〜Ｄで示したように、パルス幅ＰＷの設定値毎に複数記憶されている。信号幅Ａ〜Ｄの４種類を示したのは一例であり、標準波形データ２２０および参照データ２３０は、光音響画像化装置３００に対して設定可能なパルス幅ＰＷの数だけ記憶されればよい。

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。なお、記憶部２１０は、標準波形データ２２０および参照データ２３０のいずれか一方のみを記憶するように構成されてもよい。

［第３実施形態の効果］
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、上記第１実施形態と同様に、標準波形データ２２０または参照データ２３０のいずれかに基づいて相関処理を行い、検出部２により検出される検出信号６０から音響波成分を抽出することにより、高頻度で発生するノイズがある場合においても、検出信号６０中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、第３実施形態では、上記のように、記憶部２１０に微分信号のデータ（標準波形データ２２０）を予め記憶し、信号処理部３４を、記憶部２１０に記憶された標準波形データ２２０を用いて、検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成する。これにより、光源部１ａ（１ｂ）から照射される光を実験的に測定しておいて、予め微分波形を生成して記憶部２１０に記憶させておくだけで、容易に、微分信号を得ることができる。また、リアルタイムに微分信号５１（１３０）を取得する場合と異なり、光センサや電流測定部を設ける必要がないので、光音響画像化装置３００の装置構成を簡素化することができる。

また、第３実施形態では、上記のように、参照信号５０として検出対象物Ｑ毎に予め取得された音響波信号の参照データ２３０（２３１〜２３５）を採用し、記憶部２１０に音響波信号の参照データ２３０を検出対象物Ｑ毎に記憶する。そして、信号処理部３４を、記憶部２１０に記憶された音響波信号の参照データ２３０を用いて相関処理を行うことにより、検出信号６０から音響波成分を抽出するように構成する。これにより、ノイズの少ない理想的な環境で音響波信号を実験的に測定し、参照データ２３０としてサンプリングしておくことにより、予め測定した音響波信号自体を参照信号５０として用いることが可能となる。この場合、検出対象物Ｑに対応した参照データ２３０（２３１〜２３５）を使用できるので、より精度よく音響波成分を抽出することができるようになる。その結果、より効果的に信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

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。

［第４実施形態］
（第４実施形態による光音響画像化装置の構成）
次に、図２および図９〜図１２を参照して、第４実施形態による光音響画像化装置４００（図２参照）の構成について説明する。第４実施形態による光音響画像化装置４００では、上記第１実施形態に加えて、相関関数波形の負の値をとる部分を除去する処理を行うように構成されている。なお、上記第１〜第３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。

ここで、図９に示すように、光照射によって生じた音響波Ａが被検体Ｐ内で反射すると、この反射波Ｂが検出部２により検出されることにより、アーチファクト（この場合、反射波Ｂに起因する虚像）が発生することがある。たとえば、被検体Ｐ内の骨や皮膚などの界面で音響波Ａが反射して、反射波Ｂとなる。

反射波Ｂが生じる場合、図１０に示すように、検出部２の検出信号６０には、音響波Ａの成分の後に、音響波Ａとは逆位相の反射波Ｂの成分が現れることになる。この場合に相関関数Ｒを求めると、図１１に示すように、相関関数Ｒには、音響波成分に起因する正の相関を有する部分３２１と、反射波成分に起因する負の相関を有する部分３２２とが現れる。

そこで、第４実施形態による光音響画像化装置４００（図２参照）では、信号処理部３１０（図２参照）は、図１１に示したように、算出した相関関数波形の内から、負の値をとる部分３２２を除去するように構成されている。負の値をとる部分３２２を除去するとは、たとえば、負の値をとる部分３２２の信号値をゼロで置き換えることにより実現される。

この結果、図１２に示すように、反射波成分に起因する部分３２２（図１１参照））が相関関数Ｒから除去されることにより、画像化処理後の光音響画像から反射波Ｂに相当する虚像を除去した画像が得られる。なお、図１２では便宜的に、相関関数Ｒの除去部分を破線で示している。

なお、第４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４実施形態の効果］
第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第４実施形態では、上記第１実施形態と同様に、参照信号５０に基づいて相関処理を行い、検出部２により検出される検出信号６０から音響波成分を抽出することにより、高頻度で発生するノイズがある場合においても、検出信号６０中のノイズを効果的に除去してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、第４実施形態では、上記のように、信号処理部３１０を、算出した相関関数波形の内から、負の値をとる部分３２２を除去するように構成する。これにより、音響波Ａの一部が被検体Ｐ中で反射することにより生じる反射波Ｂの成分（虚像成分）が画像化されてしまうことを抑制することができる。その結果、ノイズ成分のみならず反射波Ｂに起因する虚像成分を除去して、光音響画像の高品質化を図ることができる。

なお、第４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。

［変形例］
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（変形例）が含まれる。

たとえば、上記第１〜第４実施形態では、参照信号５０と検出信号６０との相関関数Ｒを算出することにより、検出信号６０から音響波成分を抽出する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、参照信号５０に基づいて、畳み込み積分処理を行うことにより、検出信号６０から音響波成分を抽出してもよい。

畳み込み積分関数Ｇ（τ）（τ＝０〜Ｍ）は、下式（２）によって算出される。

ｘ（ｔ）が、参照信号５０の関数を表し、第１実施形態では光パルス波形の微分信号５１の関数が用いられる。ｓ（ｔ）が、検出信号６０の関数を表す。

この畳み込み積分関数Ｇにおいても、微分信号５１に類似する音響波成分は相対的に高値となり、微分信号５１に類似しないノイズ成分は相対的に低値となるため、上記の相関関数Ｒの場合と同様に、ノイズ成分が抑制され音響波成分が抽出された信号を得ることが可能である。

また、上記第１〜第４実施形態では、発光ダイオード素子からなる発光素子１１を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。図１に示すように、半導体レーザ素子からなる発光素子４１０を用いてもよいし、有機発光ダイオード素子からなる発光素子４２０を用いてもよい。

また、上記第１実施形態では、説明の便宜上、制御部の処理を処理フローに沿って順番に処理を行うフロー駆動型のフローチャートを用いて説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、制御部の処理動作を、イベントごとに処理を実行するイベント駆動型（イベントドリブン型）の処理により行ってもよい。この場合、完全なイベント駆動型で行ってもよいし、イベント駆動およびフロー駆動を組み合わせて行ってもよい。

１ａ、１ｂ 光源部
２ 検出部
１１ 発光素子（発光ダイオード素子）
３４、３１０ 信号処理部
３５ 画像化部
５０ 参照信号
５１、１３０ 微分信号
６０ 検出信号
１００、２００、３００、４００ 光音響画像化装置
１１０ 電流測定部
１２０ 電流波形
２１０ 記憶部
２２０ 標準波形データ（微分信号のデータ）
２３０ 参照データ
４１０ 発光素子（半導体レーザ素子）
４２０ 発光素子（有機発光ダイオード素子）
Ａ 音響波
Ｐ 被検体
Ｑ 検出対象物
Ｒ 相関関数

Claims (10)

1. 光源部と、
   前記光源部により被検体に光が照射されることに起因して前記被検体内から発生する音響波を検出する検出部と、
   前記被検体内から発生する音響波信号を反映した信号波形を有する参照信号に基づいて、相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、前記検出部により検出される検出信号から音響波成分を抽出する信号処理部とを備える、光音響画像化装置。
2. 前記信号処理部は、前記参照信号と前記検出信号との相関関数を算出することにより、前記検出信号から前記音響波成分を抽出する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. 前記検出信号の画像化処理を行う画像化部をさらに備え、
   前記信号処理部は、算出した相関関数を前記検出信号として前記画像化部により画像化させるように構成されている、請求項２に記載の光音響画像化装置。
4. 前記信号処理部は、算出した相関関数波形の内から、負の値をとる部分を除去するように構成されている、請求項２または３に記載の光音響画像化装置。
5. 前記参照信号は、前記光源部から照射される光波形の微分信号であり、
   前記信号処理部は、前記微分信号を用いて相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、前記検出信号から前記音響波成分を抽出するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
6. 前記光源部に供給される電流を測定する電流測定部をさらに備え、
   前記信号処理部は、前記電流測定部により測定される電流波形に基づいて、前記微分信号を取得するように構成されている、請求項５に記載の光音響画像化装置。
7. 前記微分信号のデータを予め記憶する記憶部をさらに備え、
   前記信号処理部は、前記記憶部に記憶された前記微分信号のデータを用いて、前記検出信号から前記音響波成分を抽出するように構成されている、請求項５に記載の光音響画像化装置。
8. 前記参照信号は、検出対象物毎に予め取得された音響波信号の参照データであり、
   前記音響波信号の参照データを検出対象物毎に記憶する記憶部をさらに備え、
   前記信号処理部は、前記記憶部に記憶された前記音響波信号の参照データを用いて相関処理または畳み込み積分処理を行うことにより、前記検出信号から前記音響波成分を抽出するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
9. 前記光源部は、前記検出部の近傍に配置された発光素子を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
10. 前記発光素子は、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子および有機発光ダイオード素子のうちのいずれかである、請求項９に記載の光音響画像化装置。

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