JP2019195583A - Photoacoustic apparatus and subject information acquisition method - Google Patents

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尚史 海老澤
Hisafumi Ebisawa
尚史 海老澤
長永 兼一
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兼一 長永
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Abstract

To provide a photoacoustic apparatus capable of performing imaging in a wide range and acquiring a stable signal.SOLUTION: A photoacoustic apparatus includes: a light irradiation unit for irradiating a subject with light; a probe for receiving a photoacoustic wave generated from the subject due to irradiation of the light; and a movement control unit for controlling a first movement mechanism for moving the probe to the subject, and a second movement mechanism for moving a light irradiation position to the subject. The movement control unit switches the control between first control for moving the light irradiation position and the probe on a surface of the subject while causing them to follow each other, and second control for moving the probe while fixing the light irradiation position on the surface of the subject.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光音響装置に関する。   The present invention relates to a photoacoustic apparatus.

被検体内の構造情報や、生理的情報、すなわち機能情報をイメージングするための技術として、光音響トモグラフィ(PAT:PhotoAcoustic Tomography)が知られている。
レーザ光などの光を被検体である生体に照射すると、光が被検体内の生体組織で吸収される際に音響波(典型的には超音波)が発生する。この現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。被検体を構成する組織によって、光エネルギーの吸収率がそれぞれ異なるため、発生する光音響波の音圧も組織によって異なったものとなる。PATでは、発生した光音響波を探触子で受信し、受信信号を数学的に解析することにより、被検体内の特性情報を取得することができる。
Photoacoustic tomography (PAT) is known as a technique for imaging structural information in a subject and physiological information, that is, functional information.
When light such as laser light is irradiated on a living body that is a subject, an acoustic wave (typically, an ultrasonic wave) is generated when the light is absorbed by a living tissue in the subject. This phenomenon is called a photoacoustic effect, and an acoustic wave generated by the photoacoustic effect is called a photoacoustic wave. Since the absorption rate of light energy varies depending on the tissue constituting the subject, the sound pressure of the generated photoacoustic wave varies depending on the tissue. In PAT, the generated photoacoustic wave is received by a probe, and the received signal is mathematically analyzed, whereby characteristic information in the subject can be acquired.

光音響装置の一例として、例えば特許文献1には、被検体に光を照射し、音響レンズの付いた探触子を走査させることで、被検体内の光音響情報を取得する顕微鏡タイプの小型光音響装置が開示されている。   As an example of a photoacoustic apparatus, for example, Patent Document 1 discloses a microscope-type compact device that acquires photoacoustic information in a subject by irradiating the subject with light and scanning a probe with an acoustic lens. A photoacoustic device is disclosed.

特開2016−70801号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2006-70801

特許文献1に記載の装置では、被検体に光を照射する部材(光照射部)が装置に対して固定されている。かかる形態によると、被検体に照射される光の光量分布が照射ごとに変化しないため、複数回の光照射に応じて被検体内から発生する光音響信号の強度関係が安定するという利点がある。
一方、広い範囲から光音響波を受信したい場合、光を照射する範囲を拡大するため、光照射部を移動させる必要が生じる。しかし、光照射部を移動させながら測定を行うと、被検体に照射される光の光量分布が変動するため、測定の定量性が低下するという問題が生じる。
In the apparatus described in Patent Document 1, a member (light irradiation unit) that irradiates a subject with light is fixed to the apparatus. According to such a configuration, since the light amount distribution of the light irradiated to the subject does not change with each irradiation, there is an advantage that the intensity relationship of the photoacoustic signal generated from within the subject is stabilized according to the multiple times of light irradiation. .
On the other hand, when it is desired to receive a photoacoustic wave from a wide range, it is necessary to move the light irradiation unit in order to expand the light irradiation range. However, when the measurement is performed while moving the light irradiation unit, the light quantity distribution of the light irradiated to the subject fluctuates, which causes a problem that the quantitativeness of the measurement deteriorates.

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、広範囲に撮像を行え、かつ、安定した信号を取得できる光音響装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem of the prior art, and an object of the present invention is to provide a photoacoustic apparatus capable of imaging in a wide range and acquiring a stable signal.

上記課題を解決するための、本発明に係る光音響装置は、
被検体に光を照射する光照射部と、前記光の照射に起因して前記被検体から発生した音響波を受信する探触子と、前記探触子を前記被検体に対して移動させる第一の移動機構と、前記光の照射位置を前記被検体に対して移動させる第二の移動機構と、を制御する移動制御部と、を有し、前記移動制御部は、前記被検体表面における光の照射位置と前記探触子とを互いに追従して移動させる第一の制御と、前記被検体表面における前記光の照射位置を固定し前記探触子を移動させる第二の制御と、を切り替えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a photoacoustic apparatus according to the present invention includes:
A light irradiating unit for irradiating the subject with light; a probe for receiving an acoustic wave generated from the subject due to the irradiation of the light; and a first moving the probe relative to the subject. A movement control unit that controls one movement mechanism and a second movement mechanism that moves the irradiation position of the light with respect to the subject, and the movement control unit is arranged on the surface of the subject. A first control for moving the light irradiation position and the probe following each other, and a second control for fixing the light irradiation position on the surface of the subject and moving the probe. It is characterized by switching.

また、本発明に係る被検体情報取得方法は、
被検体に光を照射する光照射部と、前記光の照射に起因して前記被検体から発生した音
響波を受信する探触子と、前記探触子を前記被検体に対して移動させる第一の移動機構と、前記光の照射位置を前記被検体に対して移動させる第二の移動機構と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、前記被検体表面における光の照射位置と前記探触子とを互いに追従して移動させる第一の制御と、前記被検体表面における前記光の照射位置を固定し前記探触子を移動させる第二の制御と、を切り替える制御ステップを含むことを特徴とする。
Further, the subject information acquisition method according to the present invention includes:
A light irradiating unit for irradiating the subject with light; a probe for receiving an acoustic wave generated from the subject due to the irradiation of the light; and a first moving the probe relative to the subject. An object information acquisition method performed by a photoacoustic apparatus having one movement mechanism and a second movement mechanism that moves an irradiation position of the light with respect to the subject, the method comprising: Control for switching between first control for moving the irradiation position and the probe following each other and second control for fixing the light irradiation position on the surface of the subject and moving the probe Including steps.

本発明によれば、広範囲に撮像を行え、かつ、安定した信号を取得できる光音響装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoacoustic apparatus which can image widely and can acquire the stable signal can be provided.

第一の実施形態に係る光音響装置のシステム構成図。The system block diagram of the photoacoustic apparatus which concerns on 1st embodiment. データ処理部120の機能構成を説明する図。The figure explaining the function structure of the data processing part. 光吸収体301に対する光の光量分布を説明する図。The figure explaining the light quantity distribution of the light with respect to the light absorber. 光照射エリアと撮像エリアの関係を示した図。The figure which showed the relationship between a light irradiation area and an imaging area. 光照射エリアと撮像エリアの関係を示した第二の図。The 2nd figure which showed the relationship between a light irradiation area and an imaging area. 第一の実施形態における処理フローチャート図。The process flowchart figure in 1st embodiment. 光音響信号の取得および再構成画像の表示タイミングを説明する図。The figure explaining the acquisition timing of a photoacoustic signal, and the display timing of a reconstruction image. 光音響信号の取得タイミングごとの探触子の位置を表した図。The figure showing the position of the probe for every acquisition timing of a photoacoustic signal. 光音響信号の取得タイミングごとの探触子の位置を表した図。The figure showing the position of the probe for every acquisition timing of a photoacoustic signal. 撮像エリアに対する光の照射分布を表した図A diagram showing the light distribution on the imaging area 第二の実施形態における処理フローチャート図。The process flowchart figure in 2nd embodiment.

以下に図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。よって、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, and relative arrangements of the components described below should be appropriately changed depending on the configuration of the apparatus to which the invention is applied and various conditions. Therefore, the scope of the present invention is not intended to be limited to the following description.

本発明は、被検体から伝搬する音響波を検出し、被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本発明は、光音響装置またはその制御方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法をCPUやメモリ等のハードウェア資源を備える装置に実行させるプログラムや、そのプログラムを格納した、コンピュータにより読み取り可能な非一時的な記憶媒体としても捉えられる。   The present invention relates to a technique for detecting acoustic waves propagating from a subject, generating characteristic information inside the subject, and acquiring the characteristic information. Therefore, the present invention can be understood as a photoacoustic apparatus or a control method thereof. The present invention can also be regarded as a program that causes a device including hardware resources such as a CPU and a memory to execute these methods, and a computer-readable non-transitory storage medium that stores the program.

実施形態に係る光音響装置は、被検体(例えば乳房、顔、手の平)に光(電磁波)を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体の特性情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置である。この場合、特性情報とは、光音響波を受信することにより得られる受信信号を用いて生成される、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値の情報である。   The photoacoustic apparatus according to the embodiment receives acoustic waves generated in a subject by irradiating the subject (for example, breast, face, palm) with light (electromagnetic waves), and obtains characteristic information of the subject as image data. It is a device using the photoacoustic effect acquired as follows. In this case, the characteristic information is characteristic value information corresponding to each of a plurality of positions in the subject, which is generated using a reception signal obtained by receiving a photoacoustic wave.

光音響測定により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収率を反映した値である。例えば、光照射によって生じた音響波の発生源、被検体内の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や吸収係数、組織を構成する物質の濃度を含む。
また、異なる複数波長の光によって発生する光音響波に基づいて、被検体を構成する物質の濃度といった情報が得られる。この情報は、酸素飽和度、酸素飽和度に吸収係数等の強度を重み付けした値、トータルヘモグロビン濃度、オキシヘモグロビン濃度、またはデオキシヘモグロビン濃度であってもよい。また、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、または脂肪や水の体積分率であってもよい。
以下に説明する実施形態では、ヘモグロビンを吸収体として想定した波長の光を被検体に照射することで、被検体内の血管の分布・形状のデータと、その血管における酸素飽和度分布のデータを取得し、画像化する光音響イメージング装置を想定する。
The characteristic information acquired by photoacoustic measurement is a value reflecting the absorption rate of light energy. For example, a generation source of an acoustic wave generated by light irradiation, an initial sound pressure in a subject, a light energy absorption density or absorption coefficient derived from the initial sound pressure, and a concentration of a substance constituting a tissue are included.
Further, information such as the concentration of a substance constituting the subject can be obtained based on photoacoustic waves generated by light having different wavelengths. This information may be oxygen saturation, a value obtained by weighting the oxygen saturation with an intensity such as an absorption coefficient, a total hemoglobin concentration, an oxyhemoglobin concentration, or a deoxyhemoglobin concentration. Further, it may be glucose concentration, collagen concentration, melanin concentration, or volume fraction of fat or water.
In the embodiment described below, by irradiating a subject with light having a wavelength assumed to be hemoglobin as an absorber, blood vessel distribution / shape data in the subject and oxygen saturation distribution data in the blood vessel are obtained. Assume a photoacoustic imaging device that acquires and images.

被検体内の各位置の特性情報に基づいて、二次元または三次元の特性情報分布が得られる。分布データは画像データとして生成され得る。特性情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として求めてもよい。すなわち、初期音圧分布、エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報である。   A two-dimensional or three-dimensional characteristic information distribution is obtained based on the characteristic information of each position in the subject. The distribution data can be generated as image data. The characteristic information may be obtained not as numerical data but as distribution information of each position in the subject. That is, distribution information such as initial sound pressure distribution, energy absorption density distribution, absorption coefficient distribution, and oxygen saturation distribution.

本明細書における音響波とは、典型的には超音波であり、音波、光音響波と呼ばれる弾性波を含む。探触子等により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼ぶ。ただし、本明細書における超音波または音響波という記載には、それらの弾性波の波長を限定する意図はない。光音響効果により発生した音響波は、光音響波または光超音波と呼ばれる。光音響波に由来する電気信号を光音響信号とも呼ぶ。なお、本明細書において、光音響信号とは、アナログ信号とデジタル信号の双方を含む概念である。分布データは、光音響画像データや再構成画像データとも呼ばれる。   The acoustic wave in this specification is typically an ultrasonic wave, and includes an elastic wave called a sound wave or a photoacoustic wave. An electric signal converted from an acoustic wave by a probe or the like is also called an acoustic signal. However, the description of ultrasonic waves or acoustic waves in this specification is not intended to limit the wavelength of those elastic waves. An acoustic wave generated by the photoacoustic effect is called a photoacoustic wave or an optical ultrasonic wave. An electrical signal derived from a photoacoustic wave is also called a photoacoustic signal. In this specification, the photoacoustic signal is a concept including both an analog signal and a digital signal. The distribution data is also called photoacoustic image data or reconstructed image data.

以下の実施形態では、被検体にパルス光を照射し、光音響効果により被検体から音響波を受信し解析する事により被検体内の光吸収体の分布情報を取得する光音響装置を取り上げる。被検体は、被検者の乳房を想定する。ただし被検体は乳房に限られず、被検者の四肢など他の部位、ヒト以外の動物、無生物、ファントムなども考えられる。以下の実施形態における光音響装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などに好適である。   In the following embodiments, a photoacoustic apparatus that picks up a subject with pulsed light, receives acoustic waves from the subject by the photoacoustic effect, and analyzes them to acquire distribution information of the light absorber in the subject will be taken up. The subject is assumed to be the subject's breast. However, the subject is not limited to the breast, and other parts such as the subject's limbs, non-human animals, inanimate objects, phantoms, and the like can also be considered. The photoacoustic apparatus in the following embodiments is suitable for diagnosing malignant tumors and vascular diseases of humans and animals, and for monitoring the progress of chemical treatment.

(第一の実施形態)
図1は、第一の実施形態に係る光音響装置のシステム構成を説明する図である。本実施形態に係る光音響装置は、光源101、光学系102、光照射部104、探触子106、信号取得部110、制御部111、第一走査機構112、第二走査機構113、データ処理部120を有して構成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a system configuration of the photoacoustic apparatus according to the first embodiment. The photoacoustic apparatus according to this embodiment includes a light source 101, an optical system 102, a light irradiation unit 104, a probe 106, a signal acquisition unit 110, a control unit 111, a first scanning mechanism 112, a second scanning mechanism 113, and data processing. The unit 120 is configured.

装置が有する各構成要素について説明する。
光源101は、被写体に照射するパルス光を発生させる装置である。光源101は、大出力を得るためにレーザ光源であることが望ましいが、レーザの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプを用いることもできる。光源としてレーザを用いる場合、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なものが使用できる。
光源101に用いるレーザは、出力が強く連続的に波長を変えられるものであることが好ましく、例えばNd:YAGレーザや、アレキサンドライトレーザなどを好適に用いることができる。また、Nd:YAG励起のTi:saレーザや、OPOレーザを用いてもよい。
また、パルス光の波長は、被検体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特定の波長であって、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、400nm以上1600nm以下であることが望ましい。
特に、生体の深部をイメージングする際には、生体を構成する成分のうち検査対象とする特定の物質(例えばヘモグロビン)に吸収され、且つ、他の物質において吸収が少ない波長の光を用いる。具体的には、700nm以上1100nm以下が好ましい。一方、生体表面近傍の血管を高解像度でイメージングする際は可視光領域を用いることもできる。ただし、テラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。なお、複数の波長の光を照射する場合、異なる波長の単波長レーザを複数含んで光源101を構成してもよい。
また、光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間
に光を照射させなければならない。本実施形態に示すように被検体が生体である場合は、光源から発生するパルス光のパルス幅は1〜100ナノ秒程度が好適である。
なお、光照射のタイミング、波形、強度等は、後述する制御部111によって制御される。
Each component included in the apparatus will be described.
The light source 101 is a device that generates pulsed light that irradiates a subject. The light source 101 is preferably a laser light source in order to obtain a large output, but a light emitting diode or a flash lamp can be used instead of the laser. When a laser is used as the light source, various lasers such as a solid laser, a gas laser, a dye laser, and a semiconductor laser can be used.
The laser used for the light source 101 is preferably one having a strong output and capable of continuously changing the wavelength. For example, an Nd: YAG laser, an alexandrite laser, or the like can be suitably used. Further, a Ti: sa laser excited by Nd: YAG or an OPO laser may be used.
The wavelength of the pulsed light is preferably a specific wavelength that is absorbed by a specific component among the components constituting the subject, and is a wavelength at which light propagates to the inside of the subject. Specifically, the thickness is desirably 400 nm or more and 1600 nm or less.
In particular, when imaging a deep part of a living body, light having a wavelength that is absorbed by a specific substance (for example, hemoglobin) to be examined among components constituting the living body and less absorbed by other substances is used. Specifically, 700 nm or more and 1100 nm or less are preferable. On the other hand, a visible light region can also be used when imaging blood vessels near the surface of a living body with high resolution. However, it is possible to use terahertz waves, microwaves, and radio waves. Note that in the case of irradiating light with a plurality of wavelengths, the light source 101 may include a plurality of single wavelength lasers with different wavelengths.
In order to effectively generate photoacoustic waves, light must be irradiated in a sufficiently short time according to the thermal characteristics of the subject. When the subject is a living body as shown in the present embodiment, the pulse width of the pulsed light generated from the light source is preferably about 1 to 100 nanoseconds.
Note that the timing, waveform, intensity, and the like of light irradiation are controlled by the control unit 111 described later.

光学系102は、光源から発せられたパルス光を伝送する部材である。光源から出射された光は、レンズやミラーなどの光学部品により、所定の光分布形状に加工されながら被検体に導かれ、光照射部104から照射される。なお、光ファイバなどの光導波路などを用いて光を伝搬させることも可能である。
光学系102は、例えば、複数の中空の導波管を、ミラーを内包した関節によって接続し、この導波管内を導光させる構成であってもよい。また、ミラーやレンズなどの光学素子により空間中を伝搬させて導光させる構成であってもよい。
光学系102は、例えば、レンズ、ミラー、プリズム、光ファイバ、拡散板、シャッター、フィルタなどの光学機器を含んでいてもよい。光源101から発せられた光を被検体に所望の形状で照射できれば、光学系には、どのような光学部品を用いてもよい。なお、光をある程度の面積に広げることで、生体への安全性を向上させ、診断領域を広げることができる。また、反対に、レンズ等でビーム光の径をフォーカスして照射することで、解像度を上げることができる。
The optical system 102 is a member that transmits pulsed light emitted from a light source. The light emitted from the light source is guided to the subject while being processed into a predetermined light distribution shape by an optical component such as a lens or a mirror, and is irradiated from the light irradiation unit 104. It is also possible to propagate light using an optical waveguide such as an optical fiber.
The optical system 102 may have a configuration in which, for example, a plurality of hollow waveguides are connected by a joint including a mirror, and the inside of the waveguide is guided. Moreover, the structure which propagates in the space by optical elements, such as a mirror and a lens, and light-guides may be sufficient.
The optical system 102 may include optical devices such as a lens, a mirror, a prism, an optical fiber, a diffusion plate, a shutter, and a filter, for example. Any optical component may be used in the optical system as long as the light emitted from the light source 101 can be irradiated onto the subject in a desired shape. In addition, by expanding the light to a certain area, the safety to the living body can be improved and the diagnostic area can be expanded. Conversely, the resolution can be increased by focusing and irradiating the diameter of the beam light with a lens or the like.

本実施形態では、光照射部104は、第一走査機構112によって二次元方向(図中XY方向)に移動可能に構成される。走査機構によって光照射部104を移動させることで、被検体上の任意の位置に光を照射することが可能になり、広い範囲の撮像が可能になる。
なお、以降の説明において、被検体表面に照射された光の光軸が被検体表面と交わる位置と、当該光の強度分布によって規定される領域を光照射エリア(図1における符号115)と称する。
In the present embodiment, the light irradiation unit 104 is configured to be movable in a two-dimensional direction (XY direction in the drawing) by the first scanning mechanism 112. By moving the light irradiation unit 104 by the scanning mechanism, it is possible to irradiate light at an arbitrary position on the subject, and a wide range of imaging is possible.
In the following description, a position defined by the position where the optical axis of the light irradiated on the subject surface intersects the subject surface and the intensity distribution of the light is referred to as a light irradiation area (reference numeral 115 in FIG. 1). .

第一走査機構112は、被検体に対して光照射部104を平面方向に移動させるための機構と、光照射部104の傾きを変化させる機構からなる。光照射部104を移動させる機構として、例えば、二軸リニアステージやパルスモータとボールねじを組み合わせた機構が挙げられるが、光照射部104を移動させることができれば、どのような移動機構を用いてもよい。また、光照射部104の傾きを変化させる機構として、アクチュエータを用いてもよい。これらの機構は、制御部111(本発明における移動制御部)からの指令に基づいて動作する。   The first scanning mechanism 112 includes a mechanism for moving the light irradiation unit 104 in the plane direction with respect to the subject and a mechanism for changing the inclination of the light irradiation unit 104. As a mechanism for moving the light irradiation unit 104, for example, a mechanism that combines a biaxial linear stage or a pulse motor and a ball screw can be cited, but any moving mechanism can be used as long as the light irradiation unit 104 can be moved. Also good. An actuator may be used as a mechanism for changing the inclination of the light irradiation unit 104. These mechanisms operate based on commands from the control unit 111 (movement control unit in the present invention).

探触子106は、被検体から発生した音響波を受信するユニットである。探触子106は、半球状の支持部材の内面に、複数(例えば512個)の変換素子105をスパイラル状に配置することで構成される。   The probe 106 is a unit that receives an acoustic wave generated from a subject. The probe 106 is configured by arranging a plurality of (for example, 512) conversion elements 105 in a spiral shape on the inner surface of a hemispherical support member.

支持部材は、複数の変換素子105を支持する略半球形状の容器である。本実施形態では、半球の内側面に複数の変換素子105が設置されている。なお、半球の内側には、音響整合材(例えば水)が貯留されてもよい。支持部材は、これらの部材を支持するため、機械的強度が高い金属材料などを用いて構成することが好ましい。より好ましくは、第二走査機構113により探触子106を移動させた場合に、探触子106の姿勢が保たれる程度の機械的強度を持つように支持部材を構成する。   The support member is a substantially hemispherical container that supports the plurality of conversion elements 105. In the present embodiment, a plurality of conversion elements 105 are installed on the inner surface of the hemisphere. An acoustic matching material (for example, water) may be stored inside the hemisphere. In order to support these members, the support member is preferably configured using a metal material having high mechanical strength. More preferably, when the probe 106 is moved by the second scanning mechanism 113, the support member is configured to have a mechanical strength that can maintain the posture of the probe 106.

変換素子105は、光の照射に起因して被検体の内部から到来する音響波を受信して、電気信号(以下、光音響信号)に変換する手段である。変換素子は、探触子、音響波検出素子、音響波検出器、音響波受信器、トランスデューサとも呼ばれる。
生体から発生する音響波は、100KHzから100MHzの超音波であるため、音響
波探触子には、上記の周波数帯を受信できる素子を用いる。具体的には、圧電現象を用いたトランスデューサ、光の共振を用いたトランスデューサ、容量の変化を用いたトランスデューサなどを用いることができる。
The conversion element 105 is a means for receiving an acoustic wave coming from inside the subject due to light irradiation and converting it into an electrical signal (hereinafter referred to as a photoacoustic signal). The conversion element is also called a probe, an acoustic wave detection element, an acoustic wave detector, an acoustic wave receiver, or a transducer.
Since the acoustic wave generated from the living body is an ultrasonic wave of 100 KHz to 100 MHz, an element capable of receiving the above frequency band is used for the acoustic wave probe. Specifically, a transducer using a piezoelectric phenomenon, a transducer using optical resonance, a transducer using a change in capacitance, or the like can be used.

また、音響波探触子は、感度が高く、周波数帯域が広いものを用いることが望ましい。具体的にはPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などを用いた圧電素子、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)などの高分子圧電膜材料、CMUT(容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ)、ファブリペロー干渉計を用いたものなどが挙げられる。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、探触子としての機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。   In addition, it is desirable to use an acoustic wave probe having high sensitivity and a wide frequency band. Specifically, piezoelectric elements using PZT (lead zirconate titanate), polymer piezoelectric film materials such as PVDF (polyvinylidene fluoride), CMUT (capacitive micromachined ultrasonic transducer), Fabry-Perot interferometer were used. Things. However, the present invention is not limited to those listed here, and any one may be used as long as it satisfies the function as a probe.

複数の変換素子105は、各素子の最も受信感度の高い方向(指向軸)が、略半球面形状の曲率中心およびその近傍からなる一定の領域に集中するようにアレイ状に配置されている。複数の変換素子105をこのように配置することで、半球の曲率中心において高い分解能を得ることができる。   The plurality of conversion elements 105 are arranged in an array so that the direction (directing axis) in which each element has the highest reception sensitivity is concentrated in a certain region consisting of a substantially hemispherical curvature center and its vicinity. By arranging the plurality of conversion elements 105 in this way, a high resolution can be obtained at the center of curvature of the hemisphere.

このように、複数の変換素子105を多次元的に配置することで、同時に複数の位置で音響波を受信することができるため、測定時間を短縮できる。なお、複数の変換素子105の受信感度の高い方向を所定の領域に集中させることができれば、支持部材は半球状に限られない。例えば、支持部材は、楕円体を任意の断面で切り取った形状であってもよく、多面体で構成されてもよい。   Thus, by arranging the plurality of conversion elements 105 in a multidimensional manner, acoustic waves can be received at a plurality of positions at the same time, so that the measurement time can be shortened. Note that the support member is not limited to a hemispherical shape as long as the direction of high reception sensitivity of the plurality of conversion elements 105 can be concentrated in a predetermined region. For example, the support member may have a shape obtained by cutting an ellipsoid in an arbitrary cross section, or may be a polyhedron.

探触子106は、第二走査機構113によって二次元方向(図中XY方向)に移動可能に構成される。走査機構によって探触子106を移動させることで、被検体に対する異なる複数の位置で光音響波を受信することが可能になり、広い範囲の撮像が可能になる。
第二走査機構113は、被検体に対して探触子106を平面方向に移動させるための機構を有して構成される。探触子106を移動させる機構として、例えば、二軸リニアステージやパルスモータとボールねじを組み合わせた機構が挙げられるが、探触子106を移動させることができれば、どのような移動機構を用いてもよい。これらの機構は、制御部111からの指令に基づいて動作する。
The probe 106 is configured to be movable in a two-dimensional direction (XY direction in the figure) by the second scanning mechanism 113. By moving the probe 106 by the scanning mechanism, it is possible to receive photoacoustic waves at a plurality of different positions with respect to the subject, and a wide range of imaging is possible.
The second scanning mechanism 113 is configured to have a mechanism for moving the probe 106 in the plane direction with respect to the subject. As a mechanism for moving the probe 106, for example, a mechanism that combines a two-axis linear stage or a pulse motor and a ball screw can be cited. Any moving mechanism can be used as long as the probe 106 can be moved. Also good. These mechanisms operate based on commands from the control unit 111.

保持部材103は、被検体を保持する部材である。保持部材103によって被検体を保持することで、撮像中の被検体を固定することができる。これにより、被検体に対する光の照射位置の見積もり、音響波の伝搬経路の推定等が容易になり、測定の精度が向上する。
保持部材103は、被検体を支える強度と、光と音響波を透過させる特性を有する材質であることが好ましい。例えば、アクリル、ポリカーボネート、PET等の透明樹脂や、シリコーンゴム、天然ゴム、ウレタンゴム等のゴムシート、また、広範囲に均一な開口が設けられているメッシュ素材などを利用することができる。
なお、被検体を任意の形状に固定することができれば、保持部材103の形状は限定されない。例えば、被検体が乳房など凸形状のものである場合、探触子106側に突き出たカップ形状の保持部材を用いてもよい。また、被検体が手のひらや足裏等、平面形状である場合、平板状の保持部材を用いてもよい。
本実施形態では、第二走査機構113の走査平面と平行に設置された平面PET板を保持部材103として利用する。これにより、変換素子105と被検体との距離を一定に保つことができる。
The holding member 103 is a member that holds the subject. By holding the subject by the holding member 103, the subject being imaged can be fixed. This facilitates the estimation of the light irradiation position on the subject, the estimation of the acoustic wave propagation path, and the like, and improves the measurement accuracy.
The holding member 103 is preferably made of a material having the strength to support the subject and the property of transmitting light and acoustic waves. For example, a transparent resin such as acrylic, polycarbonate, or PET, a rubber sheet such as silicone rubber, natural rubber, or urethane rubber, or a mesh material having a uniform opening in a wide range can be used.
Note that the shape of the holding member 103 is not limited as long as the subject can be fixed in an arbitrary shape. For example, when the subject has a convex shape such as a breast, a cup-shaped holding member protruding toward the probe 106 may be used. Further, when the subject has a planar shape such as a palm or a sole, a flat holding member may be used.
In the present embodiment, a planar PET plate installed in parallel with the scanning plane of the second scanning mechanism 113 is used as the holding member 103. Thereby, the distance between the conversion element 105 and the subject can be kept constant.

なお、保持部材103は必須構成ではない。保持部材103が無いと被検体の表面位置が不定となるため、測定の精度は低下するが、被検体情報の取得は可能である。この場合、被検体の形状を取得する他の手段を用いてもよい。例えば、カメラ画像を解析した結果
や、皮膚や皮膚表面付近にある血管の音響情報に基づいて、被検体の形状を推定する手法を利用することもできる。
Note that the holding member 103 is not an essential component. Without the holding member 103, the surface position of the subject becomes indefinite, so that the measurement accuracy is reduced, but the subject information can be acquired. In this case, other means for acquiring the shape of the subject may be used. For example, a method of estimating the shape of the subject based on the result of analyzing the camera image or the acoustic information of the blood vessels near the skin or the skin surface can be used.

なお、必要に応じて、保持部材103の内側に音響整合材を貯留してもよい。音響整合材は、被検体や保持部材103と探触子106とを音響的に整合させるための部材である。音響整合材は、音響波を伝搬し、かつ探触子106の走査を妨げないものが好ましい。例えば、水、DIDS(セバシン酸ジイソデシルエステル)、PEG(ポリエチレングリコール)、シリコーンオイル、ひまし油などの液体を利用することができる。本実施形態では水を使用している。なお、本実施形態では、保持部材103の内側と、保持部材103と変換素子105との間が、音響整合材で満たされている。   In addition, you may store an acoustic matching material inside the holding member 103 as needed. The acoustic matching material is a member for acoustically matching the subject or the holding member 103 and the probe 106. The acoustic matching material preferably propagates an acoustic wave and does not hinder scanning of the probe 106. For example, liquids such as water, DIDS (sebacate diisodecyl ester), PEG (polyethylene glycol), silicone oil, castor oil can be used. In this embodiment, water is used. In the present embodiment, the inside of the holding member 103 and the space between the holding member 103 and the conversion element 105 are filled with the acoustic matching material.

信号取得部110は、変換素子105が取得した電気信号を増幅してデジタル信号に変換する手段である。
信号取得部110は、受信信号を増幅する増幅器、アナログの受信信号をデジタル変換するA/D変換器、受信信号を記憶するFIFO等のメモリと、FPGAチップ等の演算回路を用いて構成されてもよい。また、信号取得部110は、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。
The signal acquisition unit 110 is means for amplifying the electric signal acquired by the conversion element 105 and converting it into a digital signal.
The signal acquisition unit 110 is configured using an amplifier that amplifies the received signal, an A / D converter that digitally converts the analog received signal, a memory such as a FIFO that stores the received signal, and an arithmetic circuit such as an FPGA chip. Also good. Further, the signal acquisition unit 110 may be composed of a plurality of processors and arithmetic circuits.

データ処理部120は、信号取得部110から出力されたデジタル信号を再構成し、被検体内の特性情報を表す画像データを生成する手段(本発明における画像生成部)である。図2を参照して、データ処理部120の詳細について説明する。
データ処理部120は、光音響信号に対して再構成を行い、被検体の特性情報を表すボリュームデータを生成する手段(情報取得部121)と、当該ボリュームデータを画像に変換する手段(画像処理部122)を含む。
データ処理部120は、CPUとRAM、不揮発メモリ、制御ポートを有するコンピュータで構成してもよい。不揮発メモリに格納されたプログラムがCPUで実行されることにより制御が行われる。データ処理部120は、汎用コンピュータや、専用に設計されたワークステーションによって実現されてもよい。また、データ処理部120の演算機能を担うユニットは、CPUやGPU等のプロセッサ、FPGAチップ等の演算回路で構成されていてもよい。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されるだけでなく、複数のプロセッサや演算回路から構成されていてもよい。
The data processing unit 120 is means (image generation unit in the present invention) that reconstructs the digital signal output from the signal acquisition unit 110 and generates image data representing characteristic information in the subject. Details of the data processing unit 120 will be described with reference to FIG.
The data processing unit 120 reconstructs the photoacoustic signal, generates a volume data representing the characteristic information of the subject (information acquisition unit 121), and converts the volume data into an image (image processing). Part 122).
The data processing unit 120 may be configured by a computer having a CPU, a RAM, a nonvolatile memory, and a control port. Control is performed by executing a program stored in the nonvolatile memory by the CPU. The data processing unit 120 may be realized by a general-purpose computer or a dedicated workstation. The unit responsible for the calculation function of the data processing unit 120 may be configured by a processor such as a CPU or GPU, or an arithmetic circuit such as an FPGA chip. These units are not only composed of a single processor and arithmetic circuit, but may be composed of a plurality of processors and arithmetic circuits.

情報取得部121は、デジタル変換された信号(光音響信号)に基づいて、被検体内部の特性情報を位置ごとに取得する。具体的には、複数の変換素子105が取得した時系列の受信信号を用いて再構成を行うことにより、2次元または3次元の空間座標上の位置に対応する特性値のデータ(分布データ)を求める。
再構成の単位領域は、ピクセルまたはボクセルと呼ばれる。再構成の手法としては、Filtered Back Projection(FBP)やタイムリバーサル法、モデルベース法、フーリエ変換法等の、公知の再構成手法を利用できる。また、超音波イメージングで使われている整相加算(Delay and Sum)処理を用いてもよい。
The information acquisition unit 121 acquires characteristic information inside the subject for each position based on the digitally converted signal (photoacoustic signal). Specifically, by performing reconstruction using time-series received signals acquired by a plurality of conversion elements 105, data of characteristic values (distribution data) corresponding to positions on two-dimensional or three-dimensional spatial coordinates Ask for.
The unit area of reconstruction is called a pixel or voxel. As a reconstruction method, a known reconstruction method such as a filtered back projection (FBP), a time reversal method, a model-based method, or a Fourier transform method can be used. Further, a delay and sum process used in ultrasonic imaging may be used.

なお、本発明を、光フォーカス型の光音響顕微鏡や、フォーカス型探触子を用いた光音響顕微鏡に適用する場合、再構成処理を行わずに分布データを生成することもできる。
具体的には、第二走査機構113により、探触子106を被検体に対して相対移動させ、探触子106が複数の位置で光音響波を受信する。そして、情報取得部121が、得られた光音響信号を時間変化に対して包絡線検波した後、時間軸方向を奥行き方向に変換して、空間座標上にプロットする。これを走査位置毎に行うことにより、分布データを構成できる。
When the present invention is applied to an optical focus type photoacoustic microscope or a photoacoustic microscope using a focus type probe, distribution data can also be generated without performing reconstruction processing.
Specifically, the probe 106 is moved relative to the subject by the second scanning mechanism 113, and the probe 106 receives photoacoustic waves at a plurality of positions. And the information acquisition part 121 converts the time-axis direction into a depth direction after plotting the obtained photoacoustic signal with respect to a time change, and plots it on a space coordinate. By performing this for each scanning position, distribution data can be configured.

画像処理部122は、情報取得部121によって生成された特性情報や分布データに基
づき、表示部114に出力するための画像データを生成する。具体的には、輝度変換、歪補正、注目領域の切り出し、血管抽出処理、動脈と静脈を分離する処理、対数圧縮処理などの画像処理を行う。
The image processing unit 122 generates image data to be output to the display unit 114 based on the characteristic information and distribution data generated by the information acquisition unit 121. Specifically, image processing such as luminance conversion, distortion correction, region of interest extraction, blood vessel extraction processing, arterial and vein separation processing, logarithmic compression processing, and the like is performed.

なお、データ処理部120の記憶機能を担うユニットは、ROM、磁気ディスクやフラッシュメモリなどの非一時記憶媒体や、RAMなどの揮発性の媒体であってもよい。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。なお、これらのユニットは、1つの記憶媒体から構成されるだけでなく、複数の記憶媒体から構成されていてもよい。   The unit responsible for the storage function of the data processing unit 120 may be a non-temporary storage medium such as a ROM, a magnetic disk or a flash memory, or a volatile medium such as a RAM. Note that the storage medium storing the program is a non-temporary storage medium. Note that these units may be configured not only from one storage medium but also from a plurality of storage media.

制御部111は、被検体に対する光照射制御、光照射部104の移動制御、探触子106の移動制御など、装置全体の制御に関する指令を行う手段である。   The control unit 111 is a unit that gives commands related to overall control of the apparatus, such as light irradiation control on the subject, movement control of the light irradiation unit 104, movement control of the probe 106, and the like.

表示部114は、データ処理部120が取得した情報およびその加工情報を表示する手段であり、典型的には液晶や有機ELなどを用いたディスプレイ装置である。表示部114は、本発明に係る光音響装置を構成するものでなくてもよい。   The display unit 114 is a means for displaying the information acquired by the data processing unit 120 and its processing information, and is typically a display device using liquid crystal, organic EL, or the like. The display unit 114 may not constitute the photoacoustic apparatus according to the present invention.

次に、本実施形態に係る光音響装置が行う、被検体情報を取得する処理の概要について説明する。
光源101から発せられたパルス光が、光学系102および光照射部104を介して被検体Eに照射される。被検体の内部を伝搬した光のエネルギーの一部が血液、血管、腫瘍などの光吸収体に吸収されると、熱膨張により当該光吸収体から音響波が発生する。生体内にがんが存在する場合は、がんの新生血管において他の正常部の血液と同様に光が特異的に吸収され、音響波が発生する。
なお、酸素飽和度のような生体内の濃度情報を測定する場合、互いに異なる波長を有する複数のパルス光を別々のタイミングで出力させてもよい。
生体内で発生した光音響波は、探触子106が有する変換素子105によって受信され、時系列のアナログ電気信号として出力される。
Next, an outline of processing for acquiring subject information performed by the photoacoustic apparatus according to the present embodiment will be described.
The pulsed light emitted from the light source 101 is irradiated to the subject E via the optical system 102 and the light irradiation unit 104. When a part of the energy of the light propagated inside the subject is absorbed by a light absorber such as blood, blood vessel, tumor, etc., an acoustic wave is generated from the light absorber due to thermal expansion. When cancer is present in a living body, light is specifically absorbed in the new blood vessels of the cancer like other normal blood, and an acoustic wave is generated.
When measuring concentration information in a living body such as oxygen saturation, a plurality of pulse lights having different wavelengths may be output at different timings.
The photoacoustic wave generated in the living body is received by the conversion element 105 included in the probe 106 and output as a time-series analog electric signal.

本実施形態では、被検体に対する光の照射位置を、第一走査機構112によって変更しながら光の照射を行うことができる。また、探触子106と被検体の相対的な位置関係を、第二走査機構113によって変更しながら、音響波の取得を行うことができる。すなわち、被検体上の異なる位置に光を複数回照射しながら、複数の位置において光音響信号を取得することができる。   In the present embodiment, light irradiation can be performed while changing the light irradiation position on the subject by the first scanning mechanism 112. Further, the acoustic wave can be acquired while the relative positional relationship between the probe 106 and the subject is changed by the second scanning mechanism 113. That is, photoacoustic signals can be acquired at a plurality of positions while irradiating light at different positions on the subject a plurality of times.

以降の説明において、被検体に対する光の照射位置とは、照射光の光軸が被検体の表面と交わる位置を指し、「光照射エリアの中心座標」と同義である。なお、本実施形態では、光軸に対応する座標を光照射エリアの中心とするが、光照射エリアの中心座標には、光量分布の輝度重心位置などを用いてもよい。   In the following description, the light irradiation position on the subject refers to a position where the optical axis of the irradiation light intersects the surface of the subject, and is synonymous with “center coordinates of the light irradiation area”. In the present embodiment, the coordinate corresponding to the optical axis is the center of the light irradiation area. However, the center of gravity of the light irradiation area may be the luminance gravity center position of the light amount distribution.

変換素子105が出力した信号は、信号取得部110において増幅およびデジタル変換されたのち、データ処理部120で解析される。解析結果は、生体内の特性情報(例えば、初期音圧分布や吸収係数分布)を表すボリュームデータとなり、二次元の画像に変換されたのちに表示部114を介して出力される。   The signal output from the conversion element 105 is amplified and digitally converted by the signal acquisition unit 110 and then analyzed by the data processing unit 120. The analysis result is volume data representing in-vivo characteristic information (for example, initial sound pressure distribution and absorption coefficient distribution), and is converted to a two-dimensional image and then output via the display unit 114.

次に、本実施形態に係る光音響装置に特有の処理について説明する。
本実施形態に係る光音響装置は、複数の撮像領域サイズがあらかじめ設定されており、装置のユーザが、撮像の中心座標と、撮像領域サイズを指定および選択可能な構成となっている。例えば、被検体表面の広範囲の画像が表示部114に表示され、ユーザが選択した撮像領域サイズの枠体が、選択した座標を中心に表示され、撮像箇所が視覚的に認識で
きるようになっている。撮像の中心座標と撮像領域サイズを決定することで、被検体表面における撮像対象領域(以下、撮像エリア)が決定される。撮像エリアは、再構成によって画像化が行われる領域を被検体表面に投影した領域である。
Next, processing unique to the photoacoustic apparatus according to the present embodiment will be described.
The photoacoustic apparatus according to the present embodiment has a configuration in which a plurality of imaging area sizes are set in advance, and the user of the apparatus can specify and select the imaging center coordinates and the imaging area size. For example, a wide-range image of the surface of the subject is displayed on the display unit 114, a frame having an imaging area size selected by the user is displayed around the selected coordinates, and the imaging location can be visually recognized. Yes. By determining the center coordinates of the imaging and the size of the imaging area, an imaging target area (hereinafter referred to as an imaging area) on the subject surface is determined. The imaging area is an area obtained by projecting an area to be imaged by reconstruction onto the subject surface.

そして、決定された撮像エリアの座標および大きさに基づいて、撮像を行う際の探触子106の移動パターンが決定される。移動パターンとは、被検体を撮像する際に、探触子106がどのような経路で移動し、どの位置で音響波を受信するかを示した情報である。移動パターンは動的に生成してもよいし、予め設定されたものの中から選択してもよい。
なお、本実施形態に係る光音響装置は、探触子106と光の照射位置を互いに追従して移動させる制御を行うことができる。この場合、移動パターンは、被検体に対する光の照射位置がどのような経路で移動し、どの位置で光の照射を行うかを示した情報であると言える。
Based on the determined coordinates and size of the imaging area, the movement pattern of the probe 106 when imaging is determined. The movement pattern is information indicating on which route the probe 106 moves and at which position the acoustic wave is received when the subject is imaged. The movement pattern may be generated dynamically or selected from preset ones.
Note that the photoacoustic apparatus according to the present embodiment can perform control to move the probe 106 and the light irradiation position so as to follow each other. In this case, the movement pattern can be said to be information indicating on what route the irradiation position of light on the subject moves and at which position the light irradiation is performed.

制御部111は、設定された移動パターンに従って、光源101、第一走査機構112、第二走査機構113に対して命令を発行し、これにより、被検体への光の照射制御、光の照射位置制御、探触子106の位置制御が行われる。   The control unit 111 issues a command to the light source 101, the first scanning mechanism 112, and the second scanning mechanism 113 according to the set movement pattern, thereby controlling the light irradiation to the subject and the light irradiation position. Control and position control of the probe 106 are performed.

ところで、被検体情報を再構成する場合、可能な限り探触子106を移動させ、複数の位置で音響波を受信することが好ましい。複数の場所で音響波を取得し画像を再構成することで、良好なS/N比が得られ、高解像度化が可能になるためである。また、変換素子105の位置に依存して発生するアーチファクトを低減できるためである。さらに、光フォーカス型の光音響顕微鏡や、フォーカス型の探触子を用いた光音響顕微鏡に本発明を適用する場合、探触子106の移動範囲に応じて広い範囲を再構成することができる。   By the way, when reconstructing the object information, it is preferable to move the probe 106 as much as possible and receive acoustic waves at a plurality of positions. This is because, by acquiring acoustic waves at a plurality of locations and reconstructing an image, a good S / N ratio can be obtained and high resolution can be achieved. Further, it is possible to reduce artifacts generated depending on the position of the conversion element 105. Furthermore, when the present invention is applied to an optical focus type photoacoustic microscope or a photoacoustic microscope using a focus type probe, a wide range can be reconfigured according to the movement range of the probe 106. .

一方、被検体に対する光の照射位置は、可能な限り固定することが好ましい。これは、被検体に照射される光の光量分布が均一ではなく、同じ光照射エリア内において光量に強度差が生じるという理由による。このような光照射エリアが移動すると、複数の光吸収体から生じる信号の大小関係が変化し、再構成を行う際の信号の組み合わせによっては、同じ光吸収体から発生する光音響信号にムラが生じてしまう。   On the other hand, it is preferable to fix the light irradiation position on the subject as much as possible. This is because the light amount distribution of the light irradiated to the subject is not uniform, and an intensity difference occurs in the light amount in the same light irradiation area. When such a light irradiation area moves, the magnitude relationship of signals generated from a plurality of light absorbers changes, and depending on the combination of signals at the time of reconstruction, the photoacoustic signals generated from the same light absorber are uneven. It will occur.

これについて、図3を参照して説明する。図3は、線状の光吸収体301に対して、それぞれ異なる位置に光を照射した場合の例を示している。図示したように、光吸収体内のPos1およびPos2から発生する光音響信号は、照射光の光量によって、その強度が逆転する。すなわち、撮像対象に対する光の照射位置を固定することで、再構成画像の再現性を安定させることができる。例えば、光の照射位置を決定した後、第一走査機構112を停止させた状態で撮像を行うことで、再構成画像を安定させることができる。   This will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows an example in which light is irradiated to different positions on the linear light absorber 301. As illustrated, the intensity of the photoacoustic signal generated from Pos1 and Pos2 in the light absorber is reversed depending on the amount of irradiation light. That is, the reproducibility of the reconstructed image can be stabilized by fixing the light irradiation position with respect to the imaging target. For example, after determining the light irradiation position, the reconstructed image can be stabilized by performing imaging while the first scanning mechanism 112 is stopped.

しかし、被検体に対する光の照射位置を固定すると、広い範囲から光音響信号を取得できなくなってしまう。そこで、本実施形態に係る光音響装置では、設定された撮像エリアの大きさに基づいて、光の照射位置を固定するか、探触子106に追従させて照射位置を移動させるかを切り替える。   However, if the light irradiation position on the subject is fixed, the photoacoustic signal cannot be acquired from a wide range. Therefore, the photoacoustic apparatus according to the present embodiment switches between fixing the light irradiation position and moving the irradiation position following the probe 106 based on the set size of the imaging area.

光照射エリアは、前述したように、被検体表面に照射された光の光軸が被検体表面と交わる位置と、当該光の強度分布によって規定される領域である。
被検体上において光照射エリアがどのように形成されるかは、被検体の形状と、光照射部104の位置に基づいて取得することができる。本実施形態では、被検体は、第一走査機構112の走査平面と並行な保持部材103によって保持され、かつ、光照射部104は、傾きを固定した状態で並行移動するため、被検体に照射される光の強度分布は、光照射エリアの位置にかかわらず変化しない。よって、制御部111は、規定のプロファイルを用いて光照射エリアを取得することができる。
As described above, the light irradiation area is a region defined by the position where the optical axis of the light irradiated on the subject surface intersects the subject surface and the intensity distribution of the light.
How the light irradiation area is formed on the subject can be acquired based on the shape of the subject and the position of the light irradiation unit 104. In the present embodiment, the subject is held by the holding member 103 parallel to the scanning plane of the first scanning mechanism 112, and the light irradiation unit 104 moves in parallel with a fixed inclination. The intensity distribution of the emitted light does not change regardless of the position of the light irradiation area. Therefore, the control part 111 can acquire a light irradiation area using a prescribed profile.

なお、第一走査機構112の走査面と、被検体の表面が平行ではない場合、被検体の表面形状を仮定し、強度分布が変化しないものと仮定して光照射エリアを算出ないし取得してもよい。このようにすることで、光照射エリアの取得過程を簡略化することができる。   When the scanning surface of the first scanning mechanism 112 and the surface of the subject are not parallel, the surface shape of the subject is assumed, and the light irradiation area is calculated or obtained on the assumption that the intensity distribution does not change. Also good. By doing in this way, the acquisition process of a light irradiation area can be simplified.

本実施形態では、探触子106と、被検体に対する光の照射位置とを互いに追従させて移動させる制御を第一の制御と称し、被検体に対する光の照射位置を固定し、探触子106のみを移動させる制御を第二の制御と称する。   In the present embodiment, control for moving the probe 106 and the light irradiation position on the subject to follow each other is referred to as first control, and the light irradiation position on the subject is fixed. The control for moving only this is referred to as second control.

被検体を撮像する際に第一の制御を行うか、第二の制御を行うかは、以下の方法によって判定することができる。
すなわち、所定の強度以上で光の照射が行える被検体上の領域が、撮像エリアに対応する被検体上の領域を完全に包含している場合に第二の制御を行い、それ以外の場合に第一の制御を行うものである。所定の強度以上の光が照射される被検体上の領域を、以降、強強度領域と称する。
Whether to perform the first control or the second control when imaging the subject can be determined by the following method.
That is, the second control is performed when the region on the subject that can be irradiated with light at a predetermined intensity or higher completely includes the region on the subject corresponding to the imaging area, and otherwise The first control is performed. An area on the subject irradiated with light having a predetermined intensity or higher is hereinafter referred to as a high intensity area.

図4を参照して説明する。本例では、照射される光のエネルギーが、ピークエネルギーの1/e以上である領域を強強度領域とする。図4(A)の例では、半径R1によって規定される領域が強強度領域である。照射される光のエネルギーは、例えばガウス分布に近似したプロファイルに基づいて推定することができる。また、図4(B)は、撮像エリアのサイズを示した図である。 This will be described with reference to FIG. In this example, a region where the energy of the irradiated light is 1 / e 2 or more of the peak energy is defined as a high intensity region. In the example of FIG. 4A, the region defined by the radius R1 is a high intensity region. The energy of the irradiated light can be estimated based on a profile that approximates a Gaussian distribution, for example. FIG. 4B is a diagram showing the size of the imaging area.

強強度領域の直径(すなわち、R1×2)が、撮像エリアの対角線の長さLdよりも大きい場合、撮像エリア内の全ての位置に対して所定の強度以上の光が照射できることがわかる。本実施形態では、かかる場合において、第二の制御、すなわち、被検体に対する光の照射位置を固定したまま撮像する制御を行う。
一方、強強度領域の直径が、撮像エリアの対角線の長さLdよりも小さい場合、撮像エリア内の全ての位置に対して所定の強度以上の光が照射できないことがわかる。本実施形態では、かかる場合において、第一の制御、すなわち、被検体に対する光の照射位置と探触子106とを互いに追従させて撮像する制御を行う。
換言すると、強強度領域の面積と撮像エリアの面積を比較した結果に基づいて、第一の制御を行うか、第二の制御を行うかを決定する。
When the diameter of the high intensity region (that is, R1 × 2) is larger than the diagonal length Ld of the imaging area, it can be seen that light having a predetermined intensity or more can be irradiated to all positions in the imaging area. In this embodiment, in this case, the second control, that is, the control for imaging while fixing the light irradiation position on the subject is performed.
On the other hand, when the diameter of the high-intensity region is smaller than the diagonal length Ld of the imaging area, it can be seen that light of a predetermined intensity or more cannot be irradiated to all positions in the imaging area. In the present embodiment, in such a case, the first control, that is, the control of imaging by causing the light irradiation position on the subject and the probe 106 to follow each other is performed.
In other words, whether to perform the first control or the second control is determined based on the result of comparing the area of the high-intensity region and the area of the imaging area.

ところで、前述した方法のみでは、被検体に対する光照射部104の位置によっては、適切ではない判定が行われてしまうおそれがある。そこで、本実施形態に係る光音響装置は、撮像を開始する前に、強強度領域が撮像エリアをカバーしているかを判定し、カバーしていない場合に、光照射部104(すなわち、強強度領域の位置)を移動させる制御を行う。   By the way, only the method described above may cause an inappropriate determination depending on the position of the light irradiation unit 104 with respect to the subject. Therefore, the photoacoustic apparatus according to the present embodiment determines whether or not the high-intensity region covers the imaging area before starting imaging, and if not, the light irradiation unit 104 (that is, high-intensity) Control to move the position of the area.

図4(C)は、初期状態における光照射エリアと、撮像エリアとの位置関係を示した図である。本例では、光照射エリアの中心座標から、撮像エリアの最も遠い点までの距離をRd1とする。初期状態における強強度領域の直径(すなわち、R1×2)が、Rd1を上回る場合、光照射部104を動かさずとも、撮像エリア内の全ての位置に対して所定の強度以上の光が照射できることがわかる。   FIG. 4C is a diagram illustrating a positional relationship between the light irradiation area and the imaging area in the initial state. In this example, the distance from the center coordinate of the light irradiation area to the farthest point in the imaging area is Rd1. When the diameter of the high-intensity region in the initial state (that is, R1 × 2) exceeds Rd1, it is possible to irradiate light of a predetermined intensity or more to all positions in the imaging area without moving the light irradiation unit 104. I understand.

一方、初期状態における強強度領域の直径が、撮像エリアの対角線の長さRd1を下回る場合、撮像エリア内の全ての位置に対して所定の強度以上の光が照射できないことがわかる。このような場合、第一走査機構112によって光照射部104の位置を変更することで光照射エリアを移動させる。
光照射エリアの移動先は、例えば、撮像エリアの中央付近とすることができる。例えば
、図5(A)に示したように、光照射エリアの中心座標がLnextだけ移動するように第一走査機構112を制御し、光照射部104を移動させてもよい。
このように、面積に加え、強強度領域と撮像エリアとの位置関係をさらなる判断基準として、第一の制御を行うか、第二の制御を行うかを決定するようにしてもよい。
On the other hand, when the diameter of the strong intensity region in the initial state is smaller than the diagonal length Rd1 of the imaging area, it can be seen that light of a predetermined intensity or more cannot be irradiated to all positions in the imaging area. In such a case, the light irradiation area is moved by changing the position of the light irradiation unit 104 by the first scanning mechanism 112.
The movement destination of the light irradiation area can be, for example, near the center of the imaging area. For example, as shown in FIG. 5A, the light irradiation unit 104 may be moved by controlling the first scanning mechanism 112 so that the center coordinates of the light irradiation area are moved by L next .
As described above, in addition to the area, the positional relationship between the high-intensity region and the imaging area may be further determined as a criterion for determining whether to perform the first control or the second control.

なお、前述した方法では、強強度領域の直径を用いて比較を行ったが、光照射エリアにおける光の強度分布が均一ではない場合、強強度領域の直径以外を用いて比較を行ってもよい。照射光の光照射エリアにおける強度分布が不均一である場合の例を図5(B)に示す。光照射エリアにおける強度分布が不均一な場合、例えば、強強度領域の幅の最小値、最大値、平均値などを用いて、前述した比較を行うようにしてもよい。また、光照射エリアの中心から強強度領域の辺縁までの距離の最小値、最大値、平均値などを用いて、前述した比較を行うようにしてもよい。また、撮像エリアの長手方向の向きや、探触子106の移動方向を考慮して比較を行うようにしてもよい。   In the method described above, the comparison is performed using the diameter of the strong intensity region. However, when the light intensity distribution in the light irradiation area is not uniform, the comparison may be performed using a diameter other than the diameter of the strong intensity region. . FIG. 5B shows an example in which the intensity distribution in the light irradiation area of the irradiation light is not uniform. When the intensity distribution in the light irradiation area is not uniform, the above-described comparison may be performed using, for example, the minimum value, maximum value, average value, etc. of the width of the strong intensity region. Further, the above-described comparison may be performed using the minimum value, the maximum value, the average value, and the like of the distance from the center of the light irradiation area to the edge of the strong intensity region. Further, the comparison may be performed in consideration of the direction in the longitudinal direction of the imaging area and the moving direction of the probe 106.

次に、本実施形態に係る光音響装置が行う処理のフローチャートについて、図6を参照しながら説明する。
まず、ステップS101で、装置のユーザが、撮像エリアのサイズと位置を指定する。これにより、撮像エリアと、探触子106の移動パターンが決定される。
次に、ステップS102で、制御部111が、被検体の形状と、初期状態における第一走査機構112の位置情報に基づいて、初期状態における光照射エリアの位置および強度分布を取得する。初期状態における光照射エリアの位置および強度分布は、算出してもよいし、プロファイル等に基づいて予め定義されたものを読み込んでもよい。
Next, a flowchart of processing performed by the photoacoustic apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, in step S101, the user of the apparatus designates the size and position of the imaging area. As a result, the imaging area and the movement pattern of the probe 106 are determined.
Next, in step S102, the control unit 111 acquires the position and intensity distribution of the light irradiation area in the initial state based on the shape of the subject and the position information of the first scanning mechanism 112 in the initial state. The position and intensity distribution of the light irradiation area in the initial state may be calculated, or a predefined one based on a profile or the like may be read.

次に、ステップS103で、初期状態における光照射エリアと、撮像エリアに関する情報に基づいて、(1)光照射エリアの中心座標、(2)強強度領域の大きさ、(3)撮像エリアの位置および大きさを取得する。なお、本実施形態では、強強度領域の大きさは、プロファイルに基づいて取得する。
次に、ステップS104で、初期状態における強強度領域が、撮像エリアを全て含んでいるかを判定する。前述したように、当該判定は、光照射エリアの中心座標から、撮像エリアの最も遠い点までの距離(Rd1)と、強強度領域の直径(R1×2)とを比較することで行うことができる。
ここで、初期状態における強強度領域が、撮像エリアを全て含んでいる場合、処理はステップS106へ遷移する。
ステップS106では、第二走査機構113を駆動することで、探触子106のみを、撮像エリアに対応する位置へ移動させる。当該位置が、移動パターンにおける初期位置となる。
Next, in step S103, based on the information regarding the light irradiation area and the imaging area in the initial state, (1) the central coordinates of the light irradiation area, (2) the size of the strong intensity region, and (3) the position of the imaging area And get the size. In the present embodiment, the size of the strong intensity region is acquired based on the profile.
Next, in step S104, it is determined whether the high intensity region in the initial state includes the entire imaging area. As described above, this determination can be performed by comparing the distance (Rd1) from the center coordinate of the light irradiation area to the farthest point in the imaging area and the diameter (R1 × 2) of the strong intensity region. it can.
Here, when the high intensity region in the initial state includes the entire imaging area, the process proceeds to step S106.
In step S106, by driving the second scanning mechanism 113, only the probe 106 is moved to a position corresponding to the imaging area. This position is the initial position in the movement pattern.

一方、初期状態における強強度領域が、撮像エリアを全て含んでいない場合、処理はステップS105へ遷移する。
ステップS105では、第一走査機構112および第二走査機構113を駆動することで、探触子106と光照射部104の双方を、撮像エリアに対応する位置へ移動させる。当該位置が、移動パターンにおける初期位置となる。
On the other hand, if the strong intensity region in the initial state does not include the entire imaging area, the process proceeds to step S105.
In step S105, the first scanning mechanism 112 and the second scanning mechanism 113 are driven to move both the probe 106 and the light irradiation unit 104 to a position corresponding to the imaging area. This position is the initial position in the movement pattern.

ステップS107では、光照射エリアの中心座標に基づいて、強強度領域が、撮像エリアを全て含んでいるかを判定することで、第一の制御を行うか、第二の制御を行うかを決定する。ここで、強強度領域が撮像エリアを全て含んでいる場合、第二の制御を行うため、処理をステップS109へ遷移させる。
ステップS109では、第二の制御、すなわち、探触子106のみを移動させる制御を行いながら、被検体に対する撮像を行う。具体的には、移動パターンに含まれる複数の信号取得位置に探触子106を移動させながら、光の照射および音響波の受信を行う。
In step S107, it is determined whether the first control is performed or the second control is performed by determining whether the high-intensity region includes the entire imaging area based on the center coordinates of the light irradiation area. . Here, when the high-intensity region includes the entire imaging area, the process proceeds to step S109 in order to perform the second control.
In step S109, imaging of the subject is performed while performing second control, that is, control for moving only the probe 106. Specifically, light irradiation and acoustic wave reception are performed while moving the probe 106 to a plurality of signal acquisition positions included in the movement pattern.

一方、強強度領域が、撮像エリアを全て含んでいない場合、第一の制御を行うため、処理をステップS108へ遷移させる。
ステップS108では、第一の制御、すなわち、被検体に対する光の照射位置と探触子106とを互いに追従させる制御を行いながら、被検体に対する撮像を行う。具体的には、移動パターンに含まれる複数の信号取得位置に探触子106および光照射エリアの中心を移動させながら、光の照射および音響波の受信を行う。
On the other hand, when the high intensity region does not include the entire imaging area, the process proceeds to step S108 in order to perform the first control.
In step S108, imaging of the subject is performed while performing the first control, that is, the control of causing the light irradiation position on the subject and the probe 106 to follow each other. Specifically, light irradiation and acoustic wave reception are performed while moving the probe 106 and the center of the light irradiation area to a plurality of signal acquisition positions included in the movement pattern.

被検体から発生した音響波は、変換素子105によって受信され、電気信号に変換されたのちに信号取得部110へ出力される。A/D変換や増幅等の処理を経た光音響信号は、データ処理部120へ出力され、データ処理部120(情報取得部121)が、被検体内における初期音圧分布を生成する(ステップS110)。
なお、本例では単一の波長の光を照射するものとしたが、異なる複数の波長(例えば、λ1,λ2の二波長)の光を交互に照射し、各波長に対応する初期音圧分布を取得したうえで、光吸収体の濃度分布を表すデータを生成してもよい。
そして、ステップS111で、画像処理部122が、初期音圧分布や濃度分布に基づいて画像データを生成し、表示部114へ出力する。
The acoustic wave generated from the subject is received by the conversion element 105, converted into an electrical signal, and then output to the signal acquisition unit 110. The photoacoustic signal that has undergone processing such as A / D conversion and amplification is output to the data processing unit 120, and the data processing unit 120 (information acquisition unit 121) generates an initial sound pressure distribution in the subject (step S110). ).
In this example, light of a single wavelength is irradiated, but light of a plurality of different wavelengths (for example, two wavelengths of λ1 and λ2) is alternately irradiated, and an initial sound pressure distribution corresponding to each wavelength. , Data representing the concentration distribution of the light absorber may be generated.
In step S <b> 111, the image processing unit 122 generates image data based on the initial sound pressure distribution and density distribution, and outputs the image data to the display unit 114.

以上説明したように、第一の実施形態によると、撮像エリアと強強度領域の位置関係に基づいて、光の照射位置を固定して撮像を行うか、光の照射位置と探触子とを互いに追従させながら撮像を行うかを決定する。かかる形態によると、安定した光音響信号の取得と、撮像エリアの広範囲化を両立させることができる。   As described above, according to the first embodiment, based on the positional relationship between the imaging area and the high intensity region, imaging is performed with the light irradiation position fixed, or the light irradiation position and the probe are It is determined whether to perform imaging while following each other. According to this mode, it is possible to achieve both acquisition of a stable photoacoustic signal and widening of the imaging area.

(第二の実施形態)
第一の実施形態に係る光音響装置は、光音響信号の取得が完了したちに画像の再構成を行い、被検体情報を含む画像(静止画)を表示部114に出力した。これに対し、第二の実施形態は、被検体情報を連続した画像(動画)として逐次的に出力する実施形態である。第二の実施形態に係る光音響装置の構成は第一の実施形態と同様であるが、取得した光音響信号に基づいて再構成を逐次行い、生成した画像を周期的に出力するという点において相違する。
(Second embodiment)
The photoacoustic apparatus according to the first embodiment reconstructs an image upon completion of acquisition of the photoacoustic signal, and outputs an image (still image) including subject information to the display unit 114. On the other hand, the second embodiment is an embodiment in which the subject information is sequentially output as a continuous image (moving image). The configuration of the photoacoustic apparatus according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, except that the reconstruction is sequentially performed based on the acquired photoacoustic signal and the generated image is periodically output. Is different.

第二の実施形態に係る光音響装置は、第一の実施形態のような、取得した被検体情報を静止画によって出力するモードのほか、取得した被検体情報を動画によって出力するモード(動画モード)を選択可能に構成される。   The photoacoustic apparatus according to the second embodiment is a mode for outputting the acquired subject information as a moving image in addition to the mode for outputting the acquired subject information as a still image as in the first embodiment (video mode). ) Can be selected.

図7は、音響波を受信して光音響信号を生成するタイミングと、再構成画像の表示タイミングを説明する図である。第二の実施形態に係る光音響装置は、複数のタイミングで生成された光音響信号に基づいて1フレーム分の再構成画像を生成し、出力する。
図7(A)は、撮像開始から撮像終了までの間に生成した光音響信号をすべて用いて、1枚の再構成画像を得る場合の例である。本例は、第一の実施形態に対応する。
これに対し、図7(B)および図7(C)は、1つ以上の光音響信号をもとに再構成画像を生成し、その都度表示する場合の例である。本例では、逐次に新たに再構成された画像(F1,F2,F3…)が動画のように連続して表示される。
FIG. 7 is a diagram for explaining the timing at which an acoustic wave is received and a photoacoustic signal is generated, and the display timing of a reconstructed image. The photoacoustic apparatus according to the second embodiment generates and outputs a reconstructed image for one frame based on photoacoustic signals generated at a plurality of timings.
FIG. 7A shows an example in which one reconstructed image is obtained using all the photoacoustic signals generated between the start of imaging and the end of imaging. This example corresponds to the first embodiment.
On the other hand, FIG. 7B and FIG. 7C are examples in which a reconstructed image is generated based on one or more photoacoustic signals and displayed each time. In this example, newly reconstructed images (F1, F2, F3...) Are successively displayed like a moving image.

動画モードを選択した場合、画像の再構成に用いられる光音響信号は、図7(A)のような静止画モードに比べると少なくなる。しかし、可能な限り探触子106を移動させ、複数個所において信号を受信することで、アーチファクトを低減することができ、再構成画像の画質を向上させることができる。本実施形態では、10Hzの周期で光の照射と音響波の受信を実施しており、2Hzの周期で探触子106を円周軌道に沿って移動させている。   When the moving image mode is selected, the photoacoustic signal used for image reconstruction is smaller than that in the still image mode as shown in FIG. However, by moving the probe 106 as much as possible and receiving signals at a plurality of locations, artifacts can be reduced and the quality of the reconstructed image can be improved. In the present embodiment, light irradiation and acoustic wave reception are performed at a cycle of 10 Hz, and the probe 106 is moved along the circumferential orbit at a cycle of 2 Hz.

図8は、図7(B)の例における、探触子106の位置関係を示した図である。本実施形態では、音響波の受信を10Hzの周期で行い、探触子106が2Hzの周期で移動するため、探触子106は、音響波を受信するごとに円周軌道上を72度ずつ移動する。
図7(B)の例では、1フレームあたり3組の光音響信号を用いて画像の再構成を行っている。すなわち、3箇所で受信した光音響信号を用いて、1フレーム分の再構成画像を生成している。図からもわかるように、本例の場合、3箇所の位置の組み合わせは、フレームごとに変化する。
FIG. 8 is a diagram showing the positional relationship of the probe 106 in the example of FIG. In the present embodiment, acoustic waves are received at a frequency of 10 Hz, and the probe 106 moves at a frequency of 2 Hz. Therefore, each time the acoustic wave is received, the probe 106 is 72 degrees on the circumferential path. Moving.
In the example of FIG. 7B, image reconstruction is performed using three sets of photoacoustic signals per frame. That is, a reconstructed image for one frame is generated using photoacoustic signals received at three locations. As can be seen from the figure, in this example, the combination of the three positions changes for each frame.

また、図9は、図7(C)の例における、探触子106の位置関係を示した図である。
図7(C)の例では、1フレームあたり5組の光音響信号を用いて画像の再構成を行っている。すなわち、5箇所で受信した光音響信号を用いて、1フレーム分の再構成画像を生成している。図からもわかるように、本例の場合、5箇所の位置の組み合わせは、毎フレーム同一となる。
FIG. 9 is a diagram showing the positional relationship of the probe 106 in the example of FIG.
In the example of FIG. 7C, image reconstruction is performed using five sets of photoacoustic signals per frame. That is, a reconstructed image for one frame is generated using photoacoustic signals received at five locations. As can be seen from the figure, in this example, the combination of the five positions is the same for each frame.

図7(C)の例では、図7(B)の例と比較して、再構成に用いる光音響信号の数が多いため、良好なS/N比を得ることができ、アーチファクトも軽減されるが、演算の規模が大きくなるため、大きな処理負荷がかかる。
一方、図7(B)の例では、図7(C)の例と比較して、再構成に用いる光音響信号の数が少ないため、相対的に画質が低下するが、処理負荷が軽くなるため、動画の更新がスムーズになり、吸収体の時間変化の観察などがしやすくなるという利点がある。
第二の実施形態に係る光音響装置は、このようなメリットとデメリットを勘案し、装置のユーザが1フレームあたりに用いる光音響信号の数を選択可能な構成としている。
In the example of FIG. 7C, since the number of photoacoustic signals used for reconstruction is larger than in the example of FIG. 7B, a good S / N ratio can be obtained, and artifacts are reduced. However, a large processing load is applied due to the large scale of computation.
On the other hand, in the example of FIG. 7B, compared with the example of FIG. 7C, the number of photoacoustic signals used for reconstruction is small, so the image quality is relatively lowered, but the processing load is reduced. Therefore, there is an advantage that the update of the moving image becomes smooth and the time change of the absorber can be easily observed.
The photoacoustic apparatus according to the second embodiment is configured so that the user of the apparatus can select the number of photoacoustic signals used per frame in consideration of such advantages and disadvantages.

なお、図7(B)および図7(C)の例では、光音響信号の取得と画像の再構成を並列に実行したが、図7(D)に示したように、光音響信号の取得と画像の再構成を交互に行ってもよい。   In the example of FIGS. 7B and 7C, the acquisition of the photoacoustic signal and the reconstruction of the image are executed in parallel. However, as shown in FIG. 7D, the acquisition of the photoacoustic signal is performed. And image reconstruction may be performed alternately.

図10は、撮像エリアに対する光の光量分布を表した図である。図10(A)は、1ショットに対応する光照射エリアを示す。本例では、撮像エリアを破線で表し、光の強度を白色の領域で表している。   FIG. 10 is a diagram illustrating a light amount distribution of light with respect to an imaging area. FIG. 10A shows a light irradiation area corresponding to one shot. In this example, the imaging area is represented by a broken line, and the light intensity is represented by a white region.

図10(B)は、図8におけるF1,F2,F3の画像に対応する光照射エリアの位置を表した図である。なお、本例は、光の照射位置と探触子とを互いに追従させた場合の例を示している。図からもわかるように、各フレームに対応する光の光量分布は、3回の光照射における光量分布を積算したものと等価と考えることができる。しかし、本例の場合、各フレームF1,F2,F3のそれぞれで、光照射エリアの位置が異なるため、積算された光量分布がフレームごとに変化する。すなわち、光吸収体から発生した音響波に対応する信号がフレームごとにばらつくため、表示される動画にちらつきが生じてしまう。このようなちらつきが生じる理由は、光を照射する位置の組み合わせ(以下、光照射パターン)がフレームごとに変化するためである。   FIG. 10B is a diagram showing the positions of the light irradiation areas corresponding to the images F1, F2, and F3 in FIG. This example shows an example in which the light irradiation position and the probe are made to follow each other. As can be seen from the figure, the light amount distribution of the light corresponding to each frame can be considered to be equivalent to the sum of the light amount distributions of the three times of light irradiation. However, in the case of this example, since the position of the light irradiation area is different in each of the frames F1, F2, and F3, the integrated light amount distribution changes for each frame. That is, since the signal corresponding to the acoustic wave generated from the light absorber varies from frame to frame, the displayed moving image flickers. The reason why such flickering occurs is that a combination of positions where light is irradiated (hereinafter referred to as a light irradiation pattern) changes from frame to frame.

一方、図10(C)は、図9におけるF1,F2,F3の画像に対応する光照射エリアの位置を表した図である。本例の場合、各フレームに対応する光の光量分布は、5回の光照射における光量分布を積算したものと等価と考えることができる。すなわち、積算された光量分布がフレームごとに変化しないため、動画にちらつきは生じない。   On the other hand, FIG. 10C shows the position of the light irradiation area corresponding to the images F1, F2, and F3 in FIG. In the case of this example, the light amount distribution of the light corresponding to each frame can be considered to be equivalent to the sum of the light amount distributions of five times of light irradiation. That is, since the integrated light quantity distribution does not change for each frame, no flickering occurs in the moving image.

第二の実施形態に係る光音響装置は、フレームごとに光照射パターンが変化することを判定し、かかる場合において、光の照射位置を固定して撮像を行う。これにより、図10(A)のように、光量分布の偏りを防ぐことができる。   The photoacoustic apparatus according to the second embodiment determines that the light irradiation pattern changes for each frame, and in such a case, the light irradiation position is fixed and imaging is performed. Thereby, as shown in FIG. 10A, it is possible to prevent the deviation of the light amount distribution.

なお、実際には、光の照射位置を固定しても、照射ごとの光量は完全に同一にはならない。このため、照射ごとの光量変化を計測し、光音響信号のゲインを調整することで、光量の補正を行うようにしてもよい。   Actually, even if the irradiation position of light is fixed, the amount of light for each irradiation is not completely the same. For this reason, the light amount may be corrected by measuring the light amount change for each irradiation and adjusting the gain of the photoacoustic signal.

なお、音響波の受信位置、受信周期、光の照射位置、光の照射周期、探触子の回転周期などは、例示したものに限られない。
また、第一の実施形態のように、再構成を行う範囲が強強度領域よりも小さい場合は、フレーム間における光照射パターンが同じであっても、光照射エリアを固定するようにしてもよい。ただし、この場合、撮像エリアに対して光が照射されるエリアは狭くなる。
The acoustic wave reception position, reception period, light irradiation position, light irradiation period, probe rotation period, and the like are not limited to those illustrated.
Further, as in the first embodiment, when the range to be reconstructed is smaller than the high intensity region, the light irradiation area may be fixed even if the light irradiation pattern between frames is the same. . However, in this case, the area irradiated with light is narrowed with respect to the imaging area.

次に、第二の実施形態に係る光音響装置が行う処理のフローチャートを、図11を参照しながら説明する。
まず、ステップS201で、装置のユーザが、撮像エリアのサイズと位置を設定する。これにより、撮像エリアと、探触子106の移動パターンが決定される。また、本ステップでは、動画モードを利用するか否かを設定する。本ステップで、動画のフレームレート等を設定してもよい。
次に、ステップS202で、動画モードを利用するか否かを判定する。動画モードを利用しない場合、処理はステップS102へ遷移する。動画モードを利用する場合、処理はステップS203へ遷移する。
Next, a flowchart of processing performed by the photoacoustic apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
First, in step S201, the user of the apparatus sets the size and position of the imaging area. As a result, the imaging area and the movement pattern of the probe 106 are determined. In this step, whether to use the moving image mode is set. In this step, the frame rate of the moving image may be set.
Next, in step S202, it is determined whether to use the moving image mode. If the moving image mode is not used, the process proceeds to step S102. When the moving image mode is used, the process proceeds to step S203.

ステップS203では、フレームごとの光照射パターンを決定する。例えば、前述したように、1フレームあたりの光音響信号の数や、一回の光照射における探触子106の移動角度等を決定する。
次に、ステップS204で、撮像時に第一の制御を行うか、第二の制御を行うかを決定する。本ステップでは、光照射パターンの組み合わせがフレーム間で異なる場合に、第二の制御を行うことを決定する。また、光照射パターンの組み合わせがフレーム間で同じである場合に、第一の制御を行うことを決定する。
In step S203, a light irradiation pattern for each frame is determined. For example, as described above, the number of photoacoustic signals per frame, the movement angle of the probe 106 in one light irradiation, and the like are determined.
Next, in step S204, it is determined whether to perform the first control or the second control during imaging. In this step, when the combination of the light irradiation patterns is different between frames, it is determined to perform the second control. Further, when the combination of light irradiation patterns is the same between frames, it is determined to perform the first control.

ステップS206では、第二の制御、すなわち、探触子106のみを移動させる制御を行いながら、被検体に対する撮像を行う。具体的には、移動パターンに含まれる複数の信号取得位置に探触子106を移動させながら、光の照射および音響波の受信を行う。本ステップは、1フレームの画像を再構成するために必要な数の光音響信号が取得できるまで継続する。   In step S206, imaging of the subject is performed while performing the second control, that is, the control for moving only the probe 106. Specifically, light irradiation and acoustic wave reception are performed while moving the probe 106 to a plurality of signal acquisition positions included in the movement pattern. This step continues until the number of photoacoustic signals necessary for reconstructing one frame image can be acquired.

ステップS205では、第一の制御、すなわち、探触子106と光の照射位置を互いに追従させる制御を行いながら、被検体に対する撮像を行う。具体的には、移動パターンに含まれる複数の信号取得位置に探触子106および光照射エリアの中心を移動させながら、光の照射および音響波の受信を行う。本ステップは、1フレームの画像を再構成するために必要な数の光音響信号が取得できるまで継続する。   In step S205, imaging is performed on the subject while performing the first control, that is, the control for causing the probe 106 and the light irradiation position to follow each other. Specifically, light irradiation and acoustic wave reception are performed while moving the probe 106 and the center of the light irradiation area to a plurality of signal acquisition positions included in the movement pattern. This step continues until the number of photoacoustic signals necessary for reconstructing one frame image can be acquired.

被検体から発生した音響波は、変換素子105によって受信され、電気信号に変換されたのちに信号取得部110へ出力される。A/D変換や増幅等の処理を経た光音響信号は、データ処理部120へ出力され、データ処理部120(情報取得部121)が、被検体内における初期音圧分布を生成する(ステップS207)。
そして、ステップS208で、画像処理部122が、初期音圧分布や濃度分布に基づいて画像データを生成し、表示部114へ出力する。
ステップS209では、撮像を終了させるか否かを判定する。撮像を続ける場合、処理はステップS204へ遷移する。
The acoustic wave generated from the subject is received by the conversion element 105, converted into an electrical signal, and then output to the signal acquisition unit 110. The photoacoustic signal that has undergone processing such as A / D conversion and amplification is output to the data processing unit 120, and the data processing unit 120 (information acquisition unit 121) generates an initial sound pressure distribution in the subject (step S207). ).
In step S <b> 208, the image processing unit 122 generates image data based on the initial sound pressure distribution and density distribution, and outputs the image data to the display unit 114.
In step S209, it is determined whether or not to end imaging. If the imaging is continued, the process proceeds to step S204.

第二の実施形態では、このように、再構成画像を動画によって出力する光音響装置において、積算された光量分布がフレームごとに同一になるように制御を行う。これにより、光量分布のばらつきを抑制し、再構成画像の精度を向上させることができる。また、同じ光量分布によって得られた光音響信号を用いた画像を順次更新することができるため、ちらつきの少ない動画を表示することができる。   In the second embodiment, as described above, in the photoacoustic apparatus that outputs the reconstructed image as a moving image, control is performed so that the integrated light amount distribution is the same for each frame. Thereby, variation in the light amount distribution can be suppressed and the accuracy of the reconstructed image can be improved. In addition, since images using photoacoustic signals obtained with the same light amount distribution can be sequentially updated, a moving image with less flicker can be displayed.

なお、図11には、光音響信号の取得と画像の再構成を交互に行いながら画像を出力する例を記載したが、n+1フレーム目に対応する光音響信号を取得する処理と、nフレーム目の画像の再構成を行う処理は並列に実行してもよい。   FIG. 11 illustrates an example in which an image is output while alternately acquiring photoacoustic signals and reconstructing an image. However, the process of acquiring a photoacoustic signal corresponding to the (n + 1) th frame and the nth frame are described. The image reconstruction processing may be executed in parallel.

また、第二の実施形態の説明では単一の波長の光を照射するものとしたが、異なる複数の波長(例えば、λ1,λ2の二波長)の光を照射し、各波長に対応する初期音圧分布を取得したうえで、光吸収体の濃度分布を表すデータを生成してもよい。この場合、光照射パターンについての判断を波長ごとに行うようにしてもよい。   In the description of the second embodiment, light having a single wavelength is irradiated. However, light having a plurality of different wavelengths (for example, two wavelengths of λ1 and λ2) is irradiated, and an initial value corresponding to each wavelength is irradiated. Data representing the concentration distribution of the light absorber may be generated after obtaining the sound pressure distribution. In this case, the light irradiation pattern may be determined for each wavelength.

(変形例)
なお、実施形態の説明は本発明を説明する上での例示であり、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更または組み合わせて実施することができる。
例えば、本発明は、上記手段の少なくとも一部を含む光音響装置として実施することもできる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む被検体情報取得方法として実施することもできる。上記処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。
(Modification)
It should be noted that the description of the embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention can be implemented with appropriate modifications or combinations without departing from the spirit of the invention.
For example, the present invention can be implemented as a photoacoustic apparatus including at least a part of the above means. The present invention can also be implemented as a subject information acquisition method including at least a part of the above processing. The above processes and means can be freely combined and implemented as long as no technical contradiction occurs.

例えば、実施形態の説明では、エネルギーがピークエネルギーの1/e以上である範囲を強強度領域としたが、強強度領域を定義するための基準値はこれ以外であってもよい。例えば、ピークエネルギーの半値などであってもよい。基準値は、例えば、光音響信号に求めるS/N比に応じて定めることができる。
また、実施形態の説明では、光の照射位置と探触子とを互いに追従させると表現したが、光の照射位置と探触子とを同時に移動させることができれば、必ずしも一方の動きを他方にフィードバックさせる必要はない。
For example, in the description of the embodiment, the range in which the energy is 1 / e 2 or more of the peak energy is set as the strong intensity region, but the reference value for defining the strong intensity region may be other than this. For example, the half value of peak energy may be used. The reference value can be determined according to, for example, the S / N ratio required for the photoacoustic signal.
In the description of the embodiment, it is expressed that the light irradiation position and the probe follow each other. However, if the light irradiation position and the probe can be moved simultaneously, one movement is not necessarily changed to the other. There is no need to provide feedback.

また、実施形態の説明では、強強度領域と撮像エリアとを比較した結果に基づいて、第一の制御を行うか、第二の制御を行うかを決定したが、被検体に関する情報に基づいて当該決定を行うようにしてもよい。例えば、撮像対象の部位や撮像範囲などを示す情報のみに基づいて、第一の制御を行うか、第二の制御を行うかを決定するようにしてもよい。被検体に関する情報は、例えば、電子カルテから取得してもよいし、過去に被検体に対する測定を行った際に記録されたデータ(例えば、医用画像に付帯して記録されたデータ)がある場合、当該データから取得してもよい。   In the description of the embodiment, it is determined whether to perform the first control or the second control based on the result of comparing the high intensity region and the imaging area. The determination may be made. For example, it may be determined whether to perform the first control or the second control based only on information indicating the region to be imaged, the imaging range, and the like. Information on the subject may be obtained from, for example, an electronic medical record, or there is data recorded when a measurement is performed on the subject in the past (for example, data attached to a medical image) , May be obtained from the data.

本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した各実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出して実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、FPGAやASIC)によっても実現可能である。   The present invention is also realized by executing the following processing. That is, a program that realizes one or more functions of the above-described embodiments is supplied to a system or apparatus via a network or various storage media, and one or more processors in the computer of the system or apparatus read the program. It can also be realized by processing to be executed. It can also be realized by a circuit (for example, FPGA or ASIC) that realizes one or more functions.

101:光源、102:光学系、104:光照射部、106:探触子、111:制御部、112:第一走査機構、113:第二走査機構   101: Light source, 102: Optical system, 104: Light irradiation unit, 106: Probe, 111: Control unit, 112: First scanning mechanism, 113: Second scanning mechanism

Claims (13)

被検体に光を照射する光照射部と、
前記光の照射に起因して前記被検体から発生した音響波を受信する探触子と、
前記探触子を前記被検体に対して移動させる第一の移動機構と、前記光の照射位置を前記被検体に対して移動させる第二の移動機構と、を制御する移動制御部と、
を有し、
前記移動制御部は、前記被検体表面における光の照射位置と前記探触子とを互いに追従して移動させる第一の制御と、前記被検体表面における前記光の照射位置を固定し前記探触子を移動させる第二の制御と、を切り替える
ことを特徴とする、光音響装置。
A light irradiation unit for irradiating the subject with light;
A probe for receiving an acoustic wave generated from the subject due to the light irradiation;
A movement control unit that controls a first movement mechanism that moves the probe with respect to the subject, and a second movement mechanism that moves the irradiation position of the light with respect to the subject;
Have
The movement control unit fixes the light irradiation position on the subject surface and the probe to move the probe so as to follow each other, and fixes the light irradiation position on the subject surface. A photoacoustic apparatus, wherein the second control for moving the child is switched.
前記光が所定の値よりも強い強度で照射される前記被検体表面の領域である強強度領域に関する情報と、撮像エリアに関する情報と、を取得する取得部をさらに有し、
前記移動制御部は、前記強強度領域が前記撮像エリアを完全に包含する場合に前記第一の制御を行い、前記強強度領域が前記撮像エリアを完全に包含しない場合に前記第二の制御を行う
ことを特徴とする、請求項1に記載の光音響装置。
An acquisition unit that acquires information on a strong intensity region that is an area of the subject surface irradiated with the light with an intensity stronger than a predetermined value, and information on an imaging area;
The movement control unit performs the first control when the strong intensity region completely includes the imaging area, and performs the second control when the strong intensity region does not completely include the imaging area. It performs. The photoacoustic apparatus of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
前記移動制御部は、前記強強度領域が前記撮像エリアに含まれない場合に、前記強強度領域を前記撮像エリアに対応する位置に移動させ、
前記位置に配置された前記強強度領域と、前記撮像エリアとに基づいて、前記第一の制御を行うか、前記第二の制御を行うかを決定する
ことを特徴とする、請求項2に記載の光音響装置。
The movement control unit moves the strong intensity region to a position corresponding to the imaging area when the strong intensity region is not included in the imaging area.
3. The method according to claim 2, wherein whether to perform the first control or the second control is determined based on the high-intensity region disposed at the position and the imaging area. The photoacoustic apparatus of description.
前記光が所定の値よりも強い強度で照射される前記被検体表面の領域である強強度領域に関する情報と、撮像エリアに関する情報と、を取得する取得部をさらに有し、
前記移動制御部は、前記強強度領域の面積である第一の面積と、前記撮像エリアに対応する前記被検体表面の領域の面積である第二の面積と、に基づいて、前記第一の制御を行うか、前記第二の制御を行うかを決定する
ことを特徴とする、請求項1に記載の光音響装置。
An acquisition unit that acquires information on a strong intensity region that is an area of the subject surface irradiated with the light with an intensity stronger than a predetermined value, and information on an imaging area;
The movement control unit, based on the first area that is the area of the high-intensity region and the second area that is the area of the region of the subject surface corresponding to the imaging area, The photoacoustic apparatus according to claim 1, wherein it is determined whether to perform control or to perform the second control.
前記移動制御部は、前記第二の面積が、前記第一の面積を上回る場合に、前記第一の制御を行い、前記第二の面積が、前記第一の面積を下回る場合に、前記第二の制御を行う
ことを特徴とする、請求項4に記載の光音響装置。
The movement control unit performs the first control when the second area exceeds the first area, and the second control area performs the first control when the second area is less than the first area. The photoacoustic apparatus according to claim 4, wherein the second control is performed.
前記移動制御部は、前記強強度領域と、前記撮像エリアとの位置関係にさらに基づいて、前記第一の制御を行うか、前記第二の制御を行うかを決定する
ことを特徴とする、請求項4に記載の光音響装置。
The movement control unit determines whether to perform the first control or the second control based on a positional relationship between the strong intensity region and the imaging area. The photoacoustic apparatus according to claim 4.
前記強強度領域は、光の強度がピークエネルギーの1/e以上となる領域である
ことを特徴とする、請求項2から6のいずれか1項に記載の光音響装置。
The photoacoustic apparatus according to any one of claims 2 to 6, wherein the strong intensity region is a region in which light intensity is 1 / e 2 or more of peak energy.
前記被検体と前記光照射部の間に配置され、前記被検体を保持する保持部材をさらに有し、
前記取得部は、前記保持部材に照射される光のプロファイルに基づいて、前記強強度領域の位置および大きさを取得する
ことを特徴とする、請求項2から7のいずれか1項に記載の光音響装置。
A holding member that is disposed between the subject and the light irradiation unit and holds the subject;
The said acquisition part acquires the position and magnitude | size of the said high intensity | strength area | region based on the profile of the light irradiated to the said holding member. The one of Claim 2 to 7 characterized by the above-mentioned. Photoacoustic device.
撮像エリアに関する情報を取得する取得部をさらに有し、
前記移動制御部は、前記撮像エリアに対応する前記被検体表面の領域が所定の面積を上回る場合に前記第一の制御を行い、前記撮像エリアに対応する前記被検体表面の領域が所定の面積を下回る場合に前記第二の制御を行う
ことを特徴とする、請求項1に記載の光音響装置。
It further has an acquisition unit that acquires information about the imaging area,
The movement control unit performs the first control when the region of the subject surface corresponding to the imaging area exceeds a predetermined area, and the region of the subject surface corresponding to the imaging area is a predetermined area. The photoacoustic apparatus according to claim 1, wherein the second control is performed when the value is lower than the value.
前記受信した音響波に基づいて、前記被検体内の特性情報を表す再構成画像を生成する画像生成部をさらに有する
ことを特徴とする、請求項1から9のいずれか1項に記載の光音響装置。
10. The light according to claim 1, further comprising an image generation unit configured to generate a reconstructed image representing characteristic information in the subject based on the received acoustic wave. Acoustic device.
前記画像生成部は、前記探触子が複数の受信位置で受信した音響波に基づいて1フレーム分の再構成画像を生成し、生成した再構成画像を逐次的に出力する
ことを特徴とする、請求項10に記載の光音響装置。
The image generation unit generates a reconstructed image for one frame based on acoustic waves received by the probe at a plurality of reception positions, and sequentially outputs the generated reconstructed image. The photoacoustic apparatus according to claim 10.
前記移動制御部は、1フレーム分の前記再構成画像に対応する、前記複数の受信位置の組み合わせがフレームごとに異なる場合に、前記第二の制御を行う
ことを特徴とする、請求項11に記載の光音響装置。
The movement control unit performs the second control when the combination of the plurality of reception positions corresponding to the reconstructed image for one frame is different for each frame. The photoacoustic apparatus of description.
被検体に光を照射する光照射部と、前記光の照射に起因して前記被検体から発生した音響波を受信する探触子と、前記探触子を前記被検体に対して移動させる第一の移動機構と、前記光の照射位置を前記被検体に対して移動させる第二の移動機構と、を有する光音響装置が行う被検体情報取得方法であって、
前記被検体表面における光の照射位置と前記探触子とを互いに追従して移動させる第一の制御と、前記被検体表面における前記光の照射位置を固定し前記探触子を移動させる第二の制御と、を切り替える制御ステップを含む
ことを特徴とする、被検体情報取得方法。

A light irradiating unit for irradiating the subject with light; a probe for receiving an acoustic wave generated from the subject due to the irradiation of the light; and a first moving the probe relative to the subject. An object information acquisition method performed by a photoacoustic apparatus having one movement mechanism and a second movement mechanism that moves an irradiation position of the light with respect to the object,
First control for moving the light irradiation position on the subject surface and the probe to follow each other, and second control for fixing the light irradiation position on the subject surface and moving the probe And a control step for switching between the control and the subject information acquisition method.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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