JP5389749B2 - 生体情報画像化装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体情報画像化装置に関し、更に詳しくは、生体組織に光を照射し光照射に伴って発生する音響信号に基づいて画像化を行うと共に、生体組織に超音波を照射しその反響に基づいて画像化を行う生体情報画像化装置及び方法に関する。

対象物の内部の状態を非破壊的に調査できる画像検査法の一種として、超音波検査法が知られている。超音波検査では、超音波の出力及び検出が可能な超音波探触子を用いる。超音波探触子を検査の対象物に接触させて超音波を発生させると、その超音波は対象物の内部を進んでいき、固いものにあたると反射する。超音波探触子でその反射音波を検出し、反射音波が超音波探触子に戻ってくるまでの時間に基づいて距離を計算することで、内部の様子を画像で可視化することができる。

また、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響イメージングが知られている。一般に光音響イメージングでは、レーザパルスなどのパルスレーザ光を生体内に照射する。生体内部では、パルスレーザ光のエネルギーを吸収した生体組織が、その熱による体積膨張により超音波（光音響信号）が発生する。この光音響信号を超音波プローブなどで検出し、検出信号を解析することで、超音波に基づく生体内の可視化が可能である。

超音波画像と光音響画像とを生成し表示する装置が、例えば特許文献１に記載されている。超音波画像の生成では、超音波プローブが有するプローブ素子から生体内部に超音波を出力し、その反射音波を隣接する所定チャネル数のプローブ素子で検出する。検出した反射音波を位相整合加算することで、生体内のどの深さ位置で超音波が反射したかを特定できる。超音波の出力・反射音波の検出を、プローブ素子の１ｃｈ分（１ライン分）ずつずらしながら繰り返し実行し、超音波画像を構築する。

一方、光音響画像の生成では、光源部からの光を導波部を用いて生体組織まで導き、生体組織にパルスレーザ光を照射する。パルスレーザ光照射後、超音波画像の場合と同様に、超音波プローブが有するプローブ素子のうちの隣接する所定チャネル数のプローブ素子を用いて光音響信号を検出する。検出した光音響信号を位相整合加算することで、生体内のどの深さ位置から光音響信号が発生しているかが特定できる。パルスレーザ光の照射・超音波の検出を、プローブ素子の１ｃｈ分（１ライン分）ずつずらしながら繰り返し実行し、光音響画像を構築する。

特開２００５−２１３８０号公報

ここで、超音波画像の生成と光音響画像の生成とで共通する処理の１つに位相整合加算処理がある。双方の画像生成における位相整合加算では、それぞれサンプリング回路にて並列にサンプリングされた反射音波及び光音響信号を入力し、入力された反射音波及び光音響信号をそれぞれ位相整合加算する。通常、サンプリング回路が並列にサンプリング可能なデータの数（チャネル数）は、超音波探触子が有するプローブ素子の数よりも少ない。例えばプローブ素子の総数が１２８ｃｈで、サンプリング回路が６４ｃｈ分のデータを並列にサンプリング可能である。この場合、双方の画像生成における位相整合加算では６４ｃｈのプローブ素子からのデータがそれぞれ位相整合加算される。

超音波画像と光音響画像の双方を生成可能な装置において、双方の画像の生成の際に位相整合の範囲をどのように設定するかは、これまであまり議論されてこなかった。本発明者は、超音波画像の生成と光音響画像の生成とで位相整合の範囲を同一としたときに、生成される超音波画像と光音響画像との双方を高分解能化できないことを見出した。

本発明は、上記に鑑み、超音波画像と光音響画像との双方を高い分解能で生成可能な生体情報画像化装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、生体組織に光を照射する光照射部と、それぞれが生体組織に対して音響信号を出力可能であると共に、前記光照射部による光照射により生体組織で生じた光音響信号と、前記生体組織に対して出力された音響信号に対する生体組織からの反射音響信号とを検出する複数のプローブ素子を含む超音波探触子と、前記プローブ素子で検出された光音響信号を第１の位相整合範囲で位相整合加算する第１の位相整合加算部と、前記第１の位相整合加算部で位相整合加算されたデータに基づいて光音響画像を生成する第１の画像処理部と、前記プローブ素子で検出された反射音響信号を、前記第１の位相整合範囲よりも狭い第２の位相整合範囲で位相整合加算する第２の位相整合加算部と、前記第２の位相整合加算部で位相整合加算されたデータに基づいて超音波画像を生成する第２の画像処理部とを備えることを特徴とする生体情報画像化装置を提供する。

本発明の生体情報画像化装置が、前記プローブ素子が検出した光音響信号と反射音響信号とをサンプリングする信号取込み部を備えており、前記第１の位相整合加算部が前記信号取込み部でサンプリングされた光音響信号を位相整合加算し、第２の位相整合加算部が前記信号取込み部でサンプリングされた反射音響信号を位相整合加算する構成を採用することができる。

また、本発明の生体情報画像化装置が、前記生体組織の画像化する範囲が複数の部分領域に分割されており、該部分領域を順次に選択する領域選択部を更に備え、前記光照射部が少なくとも前記選択された部分領域を含む範囲に光を照射し、前記信号取込み部が前記選択された部分領域に対応するプローブ素子が検出した光音響信号をサンプリングして光音響素子データメモリに格納し、前記第１の位相整合加算部が前記光音響素子データメモリから前記第１の位相整合範囲分の前記プローブ素子で検出された光音響信号を読み出して位相整合加算を行う構成を採用することもできる。

前記第１の位相整合範囲は、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数よりも多いこととすることができる。また、各部分領域に対応するプローブ素子の数は、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数以下としてよい。更に各部分領域の幅は、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数のプローブ素子に対応する領域の幅と等しくてよい。

前記第１の位相整合加算部は、前記領域選択部が全ての部分領域を選択し、かつ、前記信号取込み部が前記生体組織の画像化する範囲のプローブ素子が検出した光音響信号をサンプリングして前記光音響素子データメモリに格納した後に、前記光音響素子データメモリから前記光音響信号を読み出して位相整合加算を行うこととすることができる。

前記第２の位相整合範囲は、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数と等しい幅とすることができる。

前記超音波探触子が前記プローブ素子から前記生体組織の所定の範囲に出力範囲を順次にずらしながら音響信号を出力し、前記信号取込み部が前記音響信号が出力された範囲に対応するプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングして超音波素子データメモリに格納し、前記第２の位相整合加算部が前記超音波素子データメモリから前記第２の位相整合範囲分のプローブ素子で検出された反射音響信号を読み出して位相整合加算を行う構成とすることができる。

上記の場合、前記第２の位相整合加算部は、前記超音波探触子が前記生体組織の画像化する範囲に音響信号を出力し、かつ、前記信号取込み部が前記生体組織の画像化する範囲のプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングして前記超音波素子データメモリに格納した後に、前記超音波素子データメモリから前記反射音響信号を読み出して位相整合加算を行うこととすることができる。

上記に代えて、前記超音波探触子が前記プローブ素子から前記生体組織の所定の範囲に出力範囲を順次にずらしながら音響信号を出力し、前記信号取込み部が前記音響信号が出力された範囲に対応するプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングし、前記第２の位相整合加算部が前記信号取込み部が並列にサンプリングした反射音響信号を位相整合加算する構成を採用することもできる。

本発明は、また、生体組織に光を照射するステップと、複数のプローブ素子を含む超音波探触子を用いて、前記照射された光により発生する光音響信号を検出するステップと、前記検出された光音響信号を第１の位相整合範囲で位相整合加算するステップと、位相整合加算された光音響信号に基づいて光音響画像を生成するステップと、生体組織に音響信号を出力するステップと、前記超音波探触子を用いて、前記出力された音響信号に対する生体組織からの反射音響信号を検出するステップと、前記検出された反射音響信号を、前記第１の位相整合範囲よりも狭い第２の位相整合範囲で位相整合加算するステップと、位相整合加算された反射音響信号に基づいて超音波画像を生成するステップとを有する生体組織画像化方法を提供する。

本発明の生体情報画像化装置及び方法では、超音波探触子のプローブ素子で検出された光音響信号を第１の位相整合範囲で位相整合加算して光音響画像を生成すると共に、プローブ素子で検出された反射音響信号を、第１の位相整合範囲よりも狭い第２の位相整合範囲で位相整合加算して超音波画像を生成する。光音響信号の検出特性と超音波信号の検出特性とに応じて、第１の位相整合範囲を第２の位相整合範囲よりも広くすることで、双方の画像を高い分解能で生成することができる。

本発明の第１実施形態の生体情報画像化装置を示すブロック図。 超音波探触子を示す斜視図。 光音響画像生成の際の超音波探触子と生体組織とを模式的に示す図。 超音波画像生成際の超音波探触子と生体組織とを模式的に示す図。 光音響素子データメモリに格納されるデータを示すブロック図。 本発明の第２実施形態の生体情報画像化装置を示すブロック図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の生体情報画像化装置を示している。生体情報画像化装置１００は、レーザドライバ１０１、レーザ光源１０２、超音波探触子１０３、領域選択部１０４、処理選択部１０５、信号取込み部１０６、光音響素子データメモリ１０７、第１の位相整合加算部１０８、第１の画像処理部１０９、画像メモリ１１０、第２の位相整合加算部１１１、ラインデータメモリ１１２、第２の画像処理部１１３、画像メモリ１１４、及び画像表示部１１５を有する。

レーザドライバ１０１は、レーザ光源１０２を駆動する。レーザ光源１０２は、光音響画像生成の際に、被検体である生体組織に照射するパルスレーザ光を生成する。レーザ光源１０２には、例えばＱスイッチ固体レーザを用いることができる。レーザドライバ１０１にはトリガー信号が入力され、レーザドライバ１０１はトリガー信号に応答してレーザ光源１０２を駆動する。

超音波探触子１０３は、複数チャネルの超音波探触子素子（プローブ素子）を有する。プローブ素子は、生体組織の画像化する範囲に対応して設けられている。例えば超音波探触子１０３は、１９２個のプローブ素子を有する。各プローブ素子は、生体組織に向けて超音波（音響信号）を出力可能である。超音波探触子１０３は、生体組織にパルスレーザ光が照射されることで発生した生体組織内からの超音波（以下、光音響信号とも呼ぶ）を検出する。また、超音波探触子１０３は、出力した超音波に対する生体組織からの反射音波（以下、反射音響信号とも呼ぶ）を検出する。各プローブ素子は、検出した光音響信号及び反射音響信号を電気信号に変換して出力する。

信号取込み部１０６は、超音波探触子１０３からの電気信号をサンプリングする。すなわち、信号取込み部１０６は、超音波探触子１０３のプローブ素子が検出した光音響信号と反射音響信号とをサンプリングする。信号取込み部１０６は、超音波探触子１０３からの電気信号を所定の計測期間にわたって複数回サンプリングする。信号取込み部１０６は、例えば微小信号を増幅するプリアンプや、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器を含む。信号取込み部１０６が、並列に取り込める信号の数（ｃｈ数）は、超音波探触子１０３が有するプローブ素子の総数（総チャネル数）よりも少ない。例えば超音波探触子１０３が１９２個のプローブ素子を有するとき、信号取込み部１０６が並列に取り込み可能なチャネル数は６４ｃｈであるとする。

処理選択部１０５は、光音響画像生成と超音波画像生成との何れかを選択する。信号取込み部１０６は、処理選択部１０５が光音響画像生成を選択しているときは、サンプリングした所定チャネル数分の光音響信号を光音響素子データメモリ１０７へ格納する。信号取込み部１０６は、処理選択部１０５が超音波画像生成を選択しているときは、サンプリングした所定チャネル数分の反射音響信号を第２の位相整合加算部１１１に出力する。

超音波探触子１０３の複数のプローブ素子に対応する範囲（生体組織の画像化する範囲）は、光音響信号生成に関連して複数の部分領域に分割されている。領域選択部１０４は、処理選択部１０５が光音響画像生成を選択すると、部分領域のうちの１つを選択する。例えば、生体組織の画像化する範囲は、領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃの３つの部分領域に分かれている。領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃは互いに重複していないとする。各部分領域の幅は、信号取込み部１０６が並列にサンプリング可能なデータの数のプローブ素子に対応する領域の幅とする。例えば信号取込み部１０６で６４ｃｈ分のデータが並列にサンプリング可能な場合、領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃの各部分領域の幅は、６４個のプローブ素子に対応した幅であるとする。

領域選択部１０４は、レーザドライバ１０１及び超音波探触子１０３に対してそれぞれ部分領域の選択情報を通知する。レーザドライバ１０１は、レーザ光源１０２が少なくとも選択された部分領域を含む範囲にパルスレーザ光を照射するようにレーザ光源１０２を駆動する。一方、超音波探触子１０３は、図示しないマルチプレクサなどを用いて、選択された部分領域に対応するプローブ素子と信号取込み部１０６とを接続させる。信号取込み部１０６は、部分領域に光が照射された後、接続されたプローブ素子からの光音響信号を所定の計測期間にわたって複数回サンプリングし、光音響素子データメモリ１０７に格納する。

領域選択部１０４は、選択した部分領域に対応するプローブ素子からの光音響信号のサンプリングデータが光音響素子データメモリ１０７に格納されると、次の部分領域を選択する。領域選択部１０４は、生体組織の画像化する範囲の全範囲が選択されるまで、部分領域を順次に選択していく。領域選択部１０４が部分領域を順次に選択することで、光音響素子データメモリ１０７には、超音波探触子１０３が有する全てのプローブ素子からの光音響信号のサンプリングデータが光音響素子データメモリ１０７に格納される。例えば、領域選択部１０４が領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃを順次に選択し、信号取込み部１０６が各領域６４ｃｈ分ずつの光音響信号を複数回サンプリングすることで、光音響素子データメモリ１０７には計１９２ｃｈ分の光音響信号のサンプリングデータが格納される。

第１の位相整合加算部１０８は、超音波探触子１０３のプローブ素子で検出された光音響信号を第１の位相整合範囲で位相整合加算する。第１の位相整合加算部１０８は、光音響素子データメモリ１０７から第１の位相整合範囲分の光音響信号のサンプリングデータを読み出して位相整合加算を行う。第１の位相整合範囲は、信号取込み部１０６が並列にサンプリング可能なデータの数よりも多い（広い）とする。第１の位相整合加算部１０８は、領域選択部１０４が全ての部分領域を選択し、かつ、信号取込み部１０６が生体組織の画像化する範囲のプローブ素子が検出した光音響信号をサンプリングして光音響素子データメモリ１０７に格納した後に、光音響素子データメモリ１０７から光音響信号のサンプリングデータを読み出して位相整合加算を行う。

第１の画像処理部１０９は、第１の位相整合加算部１０８で位相整合加算されたデータに基づいて光音響画像を生成する。第１の画像処理部１０９の機能は、例えばコンピュータが所定のプログラムに従って動作することで実現可能である。或いは第１の画像処理部１０９の機能を、ＤＳＰ（digital Signal Processor）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などで実現してもよい。第１の画像処理部１０９は、生成した光音響画像を画像メモリ１１０に格納する。

第２の位相整合加算部１１１は、超音波探触子１０３のプローブ素子で検出された反射音響信号を、第２の位相整合範囲で位相整合加算する。第２の位相整合加算部１１１は、信号取込み部１０６が並列にサンプリングした反射音響信号を位相整合加算する。つまり、第２の位相整合範囲は、前記信号取込み部１０６が並列にサンプリング可能なデータの数と等しい。超音波探触子１０３は、処理選択部１０５が超音波画像生成を選択すると、プローブ素子から生体組織の所定の範囲に出力範囲を順次にずらしながら音響信号を出力する。信号取込み部１０６は、音響信号が出力された範囲に対応するプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングし、第２の位相整合加算部１１１に出力する。第２の位相整合加算部１１１は、信号取込み部１０６から出力された反射音響信号を位相整合加算する。

第２の位相整合加算部１１１は、位相整合加算の結果をラインデータメモリ１１２に格納する。第２の画像処理部１１３は、ラインデータメモリ１１２からデータを読み出し、第２の位相整合加算部１１１で位相整合加算されたデータに基づいて超音波画像を生成する。第２の画像処理部１１３の機能は、例えばコンピュータが所定のプログラムに従って動作することで実現可能である。或いは第２の画像処理部１１３の機能を、ＤＳＰやＦＰＧＡなどで実現してもよい。第２の画像処理部１１３は、生成した超音波画像を画像メモリ１１４に格納する。

画像表示部１１５は、画像メモリ１１０から光音響画像を読み出し、表示モニタなどに表示する。また、画像表示部１１５は、画像メモリ１１４から超音波画像を読み出し、表示モニタなどに表示する。画像表示部１１５は、光音響画像と超音波画像とを同時に表示モニタなどに表示してもよい。その際、光音響画像と超音波画像とを重ねて表示してもよい。

図２は、超音波探触子１０３を示している。超音波探触子１０３は、複数のプローブ素子１３１を有している。プローブ素子１３１は、例えば所定の方向に沿って１次元的に配列されている。光ファイバ１３３は、レーザ光源１０２（図１）からの光を超音波探触子１０３内に設けられた光照射部１３２にまで導く。光照射部１３２は、少なくとも選択された部分領域を含む領域にレーザ光源１０２からのパルスレーザ光を照射する。光照射部１３２は、例えば領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃのそれぞれに対応して設けられる。その場合、領域Ａに対応する光照射部１３２は領域Ａの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ａに照射する。また、領域Ｂに対応する光照射部１３２は領域Ｂの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ｂに照射し、領域Ｃに対応する光照射部１３２は領域Ｃの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ｃに照射する。

図３は、光音響画像生成の際の超音波探触子１０３と生体組織とを模式的に示している。例えば超音波探触子１０３は、１９２ｃｈ分のプローブ素子１３１（図２）を有している。プローブ素子１３１に対応する幅は、光音響画像生成に関連して３つの部分領域（領域Ａ〜Ｃ）に分割されており、各部分領域の幅は６４ｃｈ分のプローブ素子１３１に相当する幅であるとする。１９２ｃｈのプローブ素子１３１に対応する生体組織の幅は５７．６ｍｍであったとすると、各部分領域の幅は１９．２ｍｍとなる。生体情報画像化装置１００は、光音響画像生成の際は、例えば図３に示すように分割された１９．２ｍｍ幅の部分領域への光照射・データ収集を３回繰り返し行い、全１９２ｃｈ分のデータを取得する。

信号取込み部１０６は、例えば６４ｃｈ分のデータを並列にサンプリング可能なＡＤ変換器を含む。マルチプレクサ１１６は、超音波探触子１０３のプローブ素子と信号取込み部１０７とを選択的に接続する。マルチプレクサ１１６は、例えば１９２ｃｈのプローブ素子と接続しており、そのうちの６４ｃｈ分を信号取込み部１０６のＡＤ変換器に選択的に接続する。マルチプレクサ１１６は、例えば領域Ａが選択されているときは、領域Ａに対応する部分の６４ｃｈのプローブ素子を信号取込み部１０６のＡＤ変換器に接続する。また、マルチプレクサ１１６は、領域Ｂが選択されているときは、領域Ｂに対応する部分の６４ｃｈのプローブ素子を信号取込み部１０６のＡＤ変換器に接続し、領域Ｃが選択されているときは、領域Ｃに対応する部分の６４ｃｈのプローブ素子を信号取込み部１０６のＡＤ変換器に接続する。

領域Ａが選択され、光照射部１３２（図２）が生体組織の領域Ａにパルスレーザ光を照射すると、レーザ光は生体組織内の散乱により、ある程度の広がりを持って進行する。生体組織内に存在する血液等の吸収体はパルスレーザ光のエネルギーを吸収し、音響信号を発生する。この音響信号が各プローブ素子で検出されるまでに要する時間は、音響信号発生地点と各プローブ素子とのＸ方向の位置関係と、音響信号発生地点のＺ方向の位置とに応じて決まる。この音響信号を検出するために、マルチプレクサ１１６が選択したプローブ素子１３１が出力する電気信号を、ＡＤ変換器にて所定の計測期間にわたって複数回サンプリングする。領域Ｂ及び領域Ｃも同様に、各領域に対してパルスレーザ光を照射し、各領域に対応するプローブ素子が出力する電気信号を所定の計測期間にわたって複数回サンプリングし、音響信号を検出する。

上記のような光音響信号のデータ収集を行うことで、光音響素子データメモリ１０７に、光音響画像を生成するために必要なデータを格納することができる。光音響素子データメモリ１０７に格納された光音響信号のサンプリングデータを第１の位相整合加算部１０８で位相整合加算し、第１の画像処理部１０９で位相整合加算の結果を用いて画像構築を行うことで、光音響画像が得られる。

図４は、超音波画像生成の際の超音波探触子と生体組織とを模式的に示している。なお、図４では図示を省略しているが、超音波探触子１０３は、図３と同様にマルチプレクサ１１６を介して信号取込み部１０６と接続している。超音波探触子１０３が有するプローブ素子の数は、上記と同様に１９２ｃｈであるとする。また、信号取込み部１０６が６４ｃｈ分のデータを並列にサンプリング可能なＡＤ変換器を含むものとする。

マルチプレクサ１１６は、超音波画像の生成では、１９２ｃｈのプローブ素子のうちの互いに隣接する６４ｃｈ分を信号取込み部１０６のＡＤ変換器に選択的に接続する。マルチプレクサ１１６は、音響信号の出力、反射音響信号の検出、第２の位相整合加算部１１１における位相整合加算が終わると、選択するプローブ素子を例えば１ｃｈずつずらす。例えば、はじめマルチプレクサ１１６は１番目から６４番目までの６４ｃｈのプローブ素子を信号取込み部１０６に接続する。第２の位相整合加算部１１１は、１番目から６４番目までの６４ｃｈのプローブ素子で検出された反射音響信号を位相整合加算する。マルチプレクサ１１６は、次いで、２番目から６５番目までの６４ｃｈのプローブ素子を信号取込み部１０６に接続し、第２の位相整合加算部１１１は、その６４ｃｈのプローブ素子で検出された反射音響信号を位相整合加算する。

上記のような反射音響信号のデータ収集を、選択するプローブ素子を１ｃｈずつ順次にずらしながらプローブ素子の全範囲で行う。１９２ｃｈのプローブ素子の全範囲で、音響信号の出力及び反射音響信号の検出を行い、そのそれぞれで反射音響信号の位相整合加算を行うことで、超音波画像の生成に必要なデータをラインデータメモリ１１２（図１）に格納できる。第２の画像処理部１１３がラインデータメモリ１１２から位相整合加算の結果を読み出し画像構築を行うことで、超音波が得られる。

図５は、光音響素子データメモリ１０７に格納されるデータを示している。各領域におけるサンプリング開始の時刻をｔ＝０と定義する。ｔ＝０で１回目のサンプリングが行われ、信号取込み部１０６がサンプリング期間の間に所定のサンプリングレートでｎ回のサンプリングを行うとすると、信号取込み部１０６は、時刻ｔ＝０からｔ＝ｎ−１までの間にｎ個の光音響信号をサンプリングする。光音響素子データメモリ１０７は、各チャネルについて、ｔ＝０からｔ＝ｎ−１までの時刻に対応するｎ個のサンプリングデータを格納する。

光音響画像の生成において、領域選択部１０４が領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃを順次に選択するものとする。信号取込み部１０６は、まず領域Ａに対応するプローブ素子（例えば６４ｃｈのプローブ素子）のｎ回のサンプリングデータを取り込み、光音響素子データメモリ１０７の領域Ａのｔ＝０からｔ＝ｎ−１の各時刻に対応した場所（アドレス）にｎ回のサンプリングデータを格納する。信号取込み部１０６は、次いで領域Ｂ及び領域Ｃも同様に、６４ｃｈのプローブ素子のｎ回のサンプリングデータを取り込み、光音響素子データメモリ１０７の各領域のｔ＝０からｔ＝ｎ−１の各時刻に対応した場所（アドレス）にｎ回のサンプリングデータを格納する。必要に応じて、光音響素子データメモリ１０７における時間軸を部分領域ごとに補正してデータ格納を行ってもよい。

超音波画像の生成に用いられる第２の位相整合加算部１１１が信号取込み部１０６で並列にサンプリング可能な６４ｃｈのプローブ素子からの反射音響信号を位相整合加算するものとすると、超音波画像生成の際の位相整合範囲（第２の位相整合範囲）は、光音響画像生成の際の各領域の幅と一致する。これに対し、光音響信号はいったん光音響素子データメモリ１０７に格納され、その後位相整合加算が行われるため、光音響画像生成の際の位相整合範囲（第１の位相整合範囲）は、部分領域の幅、すなわち信号取込み部１０６で並列にサンプリング可能なデータの数よりも広くできる。具体的に、第１の位相整合範囲を９６ｃｈとした場合、第１の位相整合加算部１０８は、例えば領域Ｂの６４ｃｈのプローブ素子のサンプリングデータと領域Ｃの範囲の３２ｃｈのプローブ素子のサンプリングデータとを位相整合加算することができる。

本発明者は、光音響信号と反射音響信号とを実験的に評価した結果、以下に示すことを見出した。まず、光音響画像について考察すると、点状の吸収体から発生する光音響信号は全方向に広がり、超音波探触子１０３の広い範囲のプローブ素子で意味のある信号が得られる。一方、超音波画像では、超音波探触子１０３のプローブ素子で、プローブ素子から出力した音響信号に対する反射音響信号を検出しているため、点状の反射体でも、音響信号を出力したプローブ素子以外ではほとんど意味がある信号が得られない。つまり、反射された音響信号は指向性が高く、反射音響信号の広がりは狭い。

上記のことから、超音波画像の生成では、位相整合する信号の数を多くしても、画像の高分解能化には効果が薄いと考えられる。そればかりか、広い範囲で位相整合を行うと、周辺部分のプローブ素子での反射音響信号がノイズ成分としてはたらき、画質の低下につながることがわかった。一方、光音響信号の生成では、光音響信号が広い範囲に広がり、超音波探触子１０３の広い範囲のプローブ素子で意味のある信号が得られることから、位相整合する信号の数を多く取ることで、画像の高分解能化が可能である。そこで、本実施形態では、光音響画像生成の際に行う位相整合加算の位相整合範囲（第１の位相整合範囲）を、超音波画像生成の際に行う位相整合加算の位相整合範囲（第２の位相整合範囲）よりも広くする。このようにすることで、光音響画像と超音波画像との双方で、高い分解能の画像を得ることができる。

ここで特許文献１の段落０１１３には、光ファイバを用いて光を被検体に照射した場合、照射光は細い幅を維持したまま直進するため強い指向性を有していると記載されている。また、受信した光音響信号の位相整合加算を行わなくても光音響画像の生成が可能であると記載されている。特許文献１では、被検体の内部で発生した光音響信号を６つのプローブ素子で電気信号に変換した後、マルチプレクサを介してそのうちの２つを受信遅延回路に入力し、受信遅延回路が入力した信号をそのまま通過させて、加算器で光音響信号を合成する。しかしながら、このように光音響画像生成の際の位相整合の範囲を超音波画像生成の際の位相整合の範囲よりも狭くすると、実際には画像を高分解能化させることは不可能である。

本実施形態では、生体組織の画像化に利用する範囲が複数の部分領域に分割されており、光音響画像の生成に際して領域選択部１０４が部分領域を順次に選択し、部分領域ごとに光照射、光音響信号検出を行い、サンプリングした光音響信号を部分領域ごとに光音響素子データメモリ１０７に格納する。多数のデータを並列かつ高速に取り込む回路は高価である。部分領域に分割しない場合、光音響画像生成のために必要なデータを光音響素子データメモリ１０７にするためには、信号取込み部１０６で超音波探触子１０３が有する全てのプローブ素子に対応した数の信号を並列に取り込む必要がある。本実施形態では、部分領域ごとに光照射、光音響信号検出を行っており、信号取込み部１０６が並列にサンプリングする信号の数は、光音響画像生成の際の部分領域の幅及び超音波画像生成の際の位相整合範囲（第２の位相整合範囲）のうちの多い方で足りる。従って、信号取込み部１０６で超音波探触子１０３が有する全てのプローブ素子に対応した数の信号を並列に取り込み可能とする場合に比して、コストを低減できる。

本実施形態では、第１の位相整合加算部１０８は、光音響素子データメモリ１０７に格納された光音響信号を第１の位相整合範囲で位相整合加算する。第１の位相整合加算部１０８は、光音響素子データメモリ１０７に格納された光音響信号を用いて位相整合加算を行うため、第１の位相整合範囲は、信号取込み部１０６で並列にサンプリング可能な信号数に依存しない。このため、信号取込み部１０６は、光音響画像生成の際の各分領域の幅が第２の位相整合加算部１１１での第２の位相整合範囲と同じであるとすれば、第２の位相整合範囲の分だけ並列に信号をサンプリングできればよく、第１の位相整合範囲分の信号を並列にサンプリングできる必要はない。第２の位相整合範囲は、第１の位相整合範囲よりも狭いため、信号取込み部１０６で並列にサンプリング可能な信号数は少なくて済む。本実施形態では、信号取込み部１０６で第１の位相整合範囲のプローブ素子に対応した数の信号を並列に取り込み可能とする場合に比してコストを低減しつつ、第１の位相整合範囲を信号取込み部１０６で並列にサンプリング可能なデータの数より多くして光音響画像の高分解能化が可能である。

本実施形態では、ある部分領域が選択されているとき、少なくともその選択された部分領域に対してパルスレーザ光が照射されればよい。つまり、生体組織の全範囲にレーザ光を照射する必要がない。例えば、光音響イメージングではｎｓｅｃオーダーのパルスレーザ光が必要であり、そのようなパルスレーザ光の照射に用いる光源としてはＱスイッチ固体レーザが想定される。パルスレーザ光が全領域に照射される場合、Ｑスイッチ固体レーザで２０ｍＪ／ｃｍ^２の安全基準のパワーを得ようと思うと、光学系の効率や照射範囲を考慮した場合に６０ｍＪ以上のパルス出力が必要となる。これは、装置の高コスト化の要因になる。本実施形態では、部分領域ごとにパルスレーザ光を切り替えて照射することが可能であり、光源のパワーを抑えることができる。このことは、コストの面で有利である。

次いで、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、本発明の第２実施形態の生体情報画像化装置を示している。本実施形態は、超音波画像の生成が第１実施形態とは相違する。光音響画像の生成は第１実施形態と同様である。生体情報画像化装置１００ａは、ラインデータメモリ１１２に代えて、超音波素子データメモリ１１７を有する。超音波探触子１０３は、超音波画像の生成時にプローブ素子から生体組織の所定の範囲に出力範囲を順次にずらしながら音響信号を出力する。信号取込み部１０６は、音響信号が出力された範囲に対応するプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングして超音波素子データメモリ１１７に格納する。

第２の位相整合加算部１１１は、超音波素子データメモリ１１７から第２の位相整合範囲分のプローブ素子で検出された反射音響信号を読み出して位相整合加算を行う。第２の位相整合加算部１１１は、超音波探触子１０３が生体組織の画像化する範囲に音響信号を出力し、かつ、信号取込み部１０６が生体組織の画像化する範囲のプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングして超音波素子データメモリ１１７に格納した後に、超音波素子データメモリ１１７から反射音響信号を読み出して位相整合加算を行う。第２の画像処理部１１３は、第２の位相整合加算部１１１で位相整合加算されたデータに基づいて超音波画像を生成する。

本実施形態では、超音波画像も、光音響画像の場合と同様に、超音波素子データメモリ１１７に超音波画像を生成するために必要なデータを格納する。超音波素子データメモリ１１７に格納された反射音響信号のサンプリングデータを第２の位相整合加算部１１１で位相整合加算し、第２の画像処理部１１３で位相整合加算の結果を用いて画像構築を行うことで、超音波画像が得られる。この場合でも、第１の位相整合範囲を第２の位相整合範囲よりも広く取ることで、第１実施形態と同様な効果、すなわち、光音響画像と超音波画像との双方で、高い分解能の画像を得ることができる。

なお、上記各実施形態では、光音響画像生成の際の各部分領域に対応するプローブ素子の数と、信号取込み部１０６で並列にサンプリング可能なデータの数とを同数としたが、これには限定されない。部分領域に対応するプローブ素子の数は、信号取込み部１０６で並列にサンプリング可能ンデータの数よりも少なくてもよい。また、各部分領域の幅は相互に一致している必要はない。例えばある部分領域が６４ｃｈのプローブ素子に対応した幅であるとき、別のある部分領域が６０ｃｈのプローブ素子に対応した幅であってもよい。

上記実施形態では、光音響画像生成の際の部分領域が部分領域間で重複する領域を持たないこととしたが、これには限定されない。各部分領域は、他の部分領域と重複する領域を有していてもよい。例えば超音波探触子１０３が１２８ｃｈのプローブ素子を有しているとき、画像化する範囲を５つの部分領域に分割し、１番目から６４番目までのプローブ素子を領域Ａ、３２番目から９６番目までのプローブ素子を領域Ｂ、６４番目から１２８番目までのプローブ素子を領域Ｃ、９６番目から１６０番目までのプローブ素子を領域Ｄ、１２８番目から１９２番目までのプローブ素子を領域Ｅとしてもよい。この場合、例えば３２番目から６４番目までのプローブ素子は領域Ａと領域Ｂとで重複し、６４番目から９６番目までのプローブ素子は領域Ｂと領域Ｃとで重複することになる。

上記のように領域が重複する場合、例えば３２番目から６４番目までのプローブ素子は領域Ａと領域Ｂとで重複するため、重複範囲のプローブ素子からは、領域Ａにパルスレーザ光を照射してサンプリングされたデータと、領域Ｂにパルスレーザ光を照射されたデータとが得られる。重複領域のデータは、複数回分のサンプリングデータを平均するなどすることで、ＳＮ比の向上が可能である。ただし、部分領域の重複が増加するほど、パルスレーザ光照射・データサンプリングの回数が増加することになるため、画像化の速度は低下する。部分領域の重複範囲のあり・なし、或いはどの程度の範囲を重複させるかは、画像化の速度などに応じて適宜設定すればよい。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の生体情報画像化装置及び方法は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

１００：生体情報画像化装置
１０１：レーザドライバ
１０２：レーザ光源
１０３：超音波探触子
１０４：領域選択部
１０５：処理選択部
１０６：信号取込み部
１０７：光音響素子データメモリ
１０８：第１の位相整合加算部
１０９：第１の画像処理部
１１０：画像メモリ
１１１：第２の位相整合加算部
１１２：ラインデータメモリ
１１３：第２の画像処理部
１１４：画像メモリ
１１５：画像表示部
１１６：マルチプレクサ
１１７：超音波素子データメモリ
１３１：プローブ素子
１３２：光照射部
１３３：光ファイバ

Claims (12)

1. 生体組織に光を照射する光照射部と、
   それぞれが生体組織に対して音響信号を出力可能であると共に、前記光照射部による光照射により生体組織で生じた光音響信号と、前記生体組織に対して出力された音響信号に対する生体組織からの反射音響信号とを検出する複数のプローブ素子を含む超音波探触子と、
   前記プローブ素子で検出された光音響信号を第１の位相整合範囲で位相整合加算する第１の位相整合加算部と、
   前記第１の位相整合加算部で位相整合加算されたデータに基づいて光音響画像を生成する第１の画像処理部と、
   前記プローブ素子で検出された反射音響信号を、前記第１の位相整合範囲よりも狭い第２の位相整合範囲で位相整合加算する第２の位相整合加算部と、
   前記第２の位相整合加算部で位相整合加算されたデータに基づいて超音波画像を生成する第２の画像処理部とを備えることを特徴とする生体情報画像化装置。
2. 前記プローブ素子が検出した光音響信号と反射音響信号とをサンプリングする信号取込み部を備えており、
   前記第１の位相整合加算部が前記信号取込み部でサンプリングされた光音響信号を位相整合加算し、第２の位相整合加算部が前記信号取込み部でサンプリングされた反射音響信号を位相整合加算するものであることを特徴とする請求項１に記載の生体情報画像化装置。
3. 前記生体組織の画像化する範囲が複数の部分領域に分割されており、該部分領域を順次に選択する領域選択部を更に備え、
   前記光照射部が少なくとも前記選択された部分領域を含む範囲に光を照射し、前記信号取込み部が前記選択された部分領域に対応するプローブ素子が検出した光音響信号をサンプリングして光音響素子データメモリに格納し、前記第１の位相整合加算部が前記光音響素子データメモリから前記第１の位相整合範囲分の前記プローブ素子で検出された光音響信号を読み出して位相整合加算を行うものであることを特徴とする請求項２に記載の生体情報画像化装置。
4. 前記第１の位相整合範囲が、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数よりも多いことを特徴とする請求項３に記載の生体情報画像化装置。
5. 各部分領域に対応するプローブ素子の数が、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数以下である請求項３又は４に記載の生体情報画像化装置。
6. 各部分領域の幅が、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数のプローブ素子に対応する領域の幅であることを特徴とする請求項３から５何れかに記載の生体情報画像化装置。
7. 前記第１の位相整合加算部が、前記領域選択部が全ての部分領域を選択し、かつ、前記信号取込み部が前記生体組織の画像化する範囲のプローブ素子が検出した光音響信号をサンプリングして前記光音響素子データメモリに格納した後に、前記光音響素子データメモリから前記光音響信号を読み出して位相整合加算を行うものであることを特徴とする請求項３から６何れかに記載の生体情報画像化装置。
8. 前記第２の位相整合範囲が、前記信号取込み部が並列にサンプリング可能なデータの数と等しいことを特徴とする請求項２から７何れかに記載の生体情報画像化装置。
9. 前記超音波探触子が前記プローブ素子から前記生体組織の所定の範囲に出力範囲を順次にずらしながら音響信号を出力し、前記信号取込み部が前記音響信号が出力された範囲に対応するプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングして超音波素子データメモリに格納し、前記第２の位相整合加算部が前記超音波素子データメモリから前記第２の位相整合範囲分のプローブ素子で検出された反射音響信号を読み出して位相整合加算を行うものであることを特徴とする請求項２から８何れかに記載の生体情報画像化装置。
10. 前記第２の位相整合加算部が、前記超音波探触子が前記生体組織の画像化する範囲に音響信号を出力し、かつ、前記信号取込み部が前記生体組織の画像化する範囲のプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングして前記超音波素子データメモリに格納した後に、前記超音波素子データメモリから前記反射音響信号を読み出して位相整合加算を行うものであることを特徴とする請求項９に記載の生体情報画像化装置。
11. 前記超音波探触子が前記プローブ素子から前記生体組織の所定の範囲に出力範囲を順次にずらしながら音響信号を出力し、前記信号取込み部が前記音響信号が出力された範囲に対応するプローブ素子が検出した反射音響信号をサンプリングし、前記第２の位相整合加算部が前記信号取込み部が並列にサンプリングした反射音響信号を位相整合加算するものであることを特徴とする請求項２から８何れかに記載の生体情報画像化装置。
12. 生体組織に光を照射するステップと、
    複数のプローブ素子を含む超音波探触子を用いて、前記照射された光により発生する光音響信号を検出するステップと、
    前記検出された光音響信号を第１の位相整合範囲で位相整合加算するステップと、
    位相整合加算された光音響信号に基づいて光音響画像を生成するステップと、
    生体組織に音響信号を出力するステップと、
    前記超音波探触子を用いて、前記出力された音響信号に対する生体組織からの反射音響信号を検出するステップと、
    前記検出された反射音響信号を、前記第１の位相整合範囲よりも狭い第２の位相整合範囲で位相整合加算するステップと、
    位相整合加算された反射音響信号に基づいて超音波画像を生成するステップとを有する生体組織画像化方法。