JP5681675B2 - 光音響画像生成装置及び音響波ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、光音響画像生成装置及び音響波ユニットに関し、更に詳しくは、複数波長のレーザ光を被検体に照射したときに各波長に対して検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置及び音響波ユニットに関する。
従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波が発生する。この音響波を超音波プローブなどで検出し、検出された信号（光音響信号）に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。光音響画像化方法では、特定の光吸収体において音響波が発生するため、生体における特定の組織、例えば血管等を画像化することができる。
ところで、生体組織の多くは光吸収特性が光の波長に応じて変わり、また一般に、その光吸収特性も組織ごとに特有のものとなっている。例えば図１２に、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)と、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の光波長ごとの分子吸収係数を示す。動脈の光吸収特性は、酸素化ヘモグロビンのそれに対応し、静脈の光吸収特性は、脱酸素化ヘモグロビンのそれに対応する。この波長に応じた光吸収率の違いを利用して、互いに異なる２種の波長の光を血管部分に照射し、動脈と静脈とを区別して画像化する光音響画像化方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
ここで、可変波長レーザに関して、特許文献３には、波長選択素子としてのエタロン又は複屈折フィルタを光共振器内に配置し、その回転角度を調整することで、所望の波長のレーザ光を得ることが記載されている。また、特許文献４には、波長選択手段としてのエタロンを光共振器内に配置し、エタロンを一定の速度でスキャンすることが記載されている。特許文献４には、エタロンの透過波長がレーザ光の縦モード発振と一致するときにのみレーザ発振し、エタロンのスキャン速度を増加した場合、レーザ光の発振はパルス的になるとの記載がある。
A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata,Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)
特許文献３において、複数波長のレーザ光を切り替えて出射するためには、レーザ出射のたびに、エタロンや複屈折フィルタの回転角度の調整を行う必要がある。光音響イメージングにおいて、例えば第１の波長と第２の波長のパルスレーザ光を被検体に照射する場合、波長選択素子を調整して第１の波長のレーザ光を被検体に照射し、第１の波長のレーザ光の光音響信号の検出を全て終えてから、第２の波長のレーザ光が出射されるように波長選択素子を調整し、第２の波長のレーザ光を被検体に照射することが考えられる。光音響イメージングでは、人などの動きがあるものを対象とすることが多く、第１の波長から第２の波長へ切り替えている間に対象物が動くと、第１の波長のレーザ光を照射したときの光音響信号と第２の波長のレーザ光を照射したときの光音響信号とに不整合が生じることがある。
光音響イメージングでは、上記の不整合を防ぐという観点から、例えば第１の波長と第２の波長とを、パルスごとに切り替えてレーザ光を照射するとよいと考えられる。つまり、例えば第１の波長と第２の波長とをこの順で含む所定の波長系列で、繰り返しレーザ光を照射すればとよいと考えられる。パルスごとに照射するレーザ光の波長を変えるレーザ装置として特許文献４に記載されたものがあるが、特許文献４では、エタロンの透過波長がレーザ光の縦モード発振と一致するときにのみレーザ発振するため、ある特定の波長系列のレーザ光を得ることしかできず、任意の波長系列のレーザ光を得ることはできない。
本発明は、上記に鑑み、波長可変のレーザ光源から所望の波長系列でパルスレーザ光を出射させることができる音響波ユニット、及びそのような音響波ユニットを含む光音響画像生成装置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、相互に異なる２以上の波長を含む所定の波長系列で複数のパルスレーザ光を順次に出射するレーザ光源ユニットであって、レーザロッドと、該レーザロッドに励起光を照射する励起光源と、レーザロッドを挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器と、光共振器内に挿入されたＱスイッチと、光共振器の内部に挿入され、回転変位に伴って光共振器の発振波長を変化させる複屈折フィルタとを有するレーザ光源ユニットと、光音響画像の生成を行う音響波ユニットであって、所定の波長系列に含まれる各波長のパルスレーザ光が被検体に照射されたときに被検体内で生じる光音響信号を検出し、各波長に対応した光音響データを生成する検出手段と、各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する強度比抽出手段と、抽出された大小関係に基づいて光音響画像を生成する光音響画像構築手段と、複屈折フィルタを波長系列に含まれる波長の数に応じた所定の回転速度で回転させつつ、励起光源からレーザロッドに励起光を照射させ、該励起光の照射後、複屈折フィルタの回転変位位置が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した位置となるタイミングでＱスイッチをオンにしてパルスレーザ光を出射させるトリガ制御回路とを有する音響波ユニットとを備えたことを特徴とする光音響画像生成装置を提供する。
本発明では、所定の回転速度は、複屈折フィルタにおける回転変位位置に対する発振波長の変化特性と、波長系列に含まれる波長の数、及び単位時間当たりのパルスレーザ光の発光回数とに基づいて決定されるものとすることができる。
複屈折フィルタが１回転の間に繰り返す自由スペクトルレンジの回数をｋ［回／回転］とし、波長系列に含まれる波長の数をｎ［個］とし、単位時間当たりのパルスレーザ光の発光回数をｍ［回／秒］とする場合、所定の回転速度が、ｖ＝ｍ／（ｋ×ｎ）［回転／秒］で計算される値に決定されるものとしてもよい。
本発明では、トリガ制御回路は、複屈折フィルタを、所定の方向に所定の回転速度で連続的に回転させる構成を採用することができる。
トリガ制御回路は、複屈折フィルタの回転変位位置を示す複屈折フィルタ状態情報に基づいて、励起光を照射させるタイミング及びＱスイッチをオンにするタイミングを決定してもよい。
トリガ制御回路は、複屈折フィルタ状態情報が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した複屈折フィルタの位置からレーザロッドの励起に要する時間の間に複屈折フィルタが回転変位する量を差し引いた位置を示す情報になると、レーザロッドに励起光を照射させるものとすることができる。
トリガ制御回路は、所定時間の間における複屈折フィルタ状態情報の変化の量が所定の回転速度に応じた変化量となるように、複屈折フィルタを回転させることとしてもよい。
上記に代えて、レーザ光源ユニットは、複屈折フィルタを回転させる駆動手段と、複屈折フィルタの回転変位を検出する回転変位検出手段と、所定時間の間に回転変位検出手段が検出した回転変位の量が所定の回転速度に応じた量になるように駆動手段を制御する回転制御部とを更に有する構成を採用してもよい。
音響波ユニットは、各波長に対応した光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する強度情報抽出手段を更に備える構成を採用でき、光音響画像構築手段が、光音響画像の各画素の階調値を強度情報に基づいて決定すると共に、各画素の表示色を抽出された大小関係に基づいて決定することしてもよい。
所定の波長系列が第１の波長と第２の波長を含み、音響波ユニットは、第１の波長のパルスレーザ光が照射されたときに検出される光音響信号に対応する第１の光音響データと、第２の波長のパルスレーザ光が照射されたときに検出される光音響信号に対応する第２の光音響データとのうちの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する複素数化手段と、複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成する光音響画像再構成手段とを更に備える構成を採用することができ、強度比抽出手段が再構成画像から強度情報としての位相情報を抽出し、強度情報抽出手段が再構成画像から強度情報を抽出することとしてもよい。
検出手段が、更に、被検体に送信された音響波に対する反射音響波を検出して反射音響波データを生成するものであり、音響波ユニットは、反射音響波データに基づいて音響波画像を生成する音響波画像生成手段を更に備える構成としてもよい。
本発明は、また、相互に異なる２以上の波長を含む所定の波長系列に含まれる各波長のパルスレーザ光が被検体に照射されたときに被検体内で生じた光音響信号を検出し、各波長に対応した光音響データを生成する検出手段と、各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する強度情報抽出手段と、抽出された大小関係に基づいて光音響画像を生成する光音響画像構築手段と、レーザロッドを挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器内に挿入され、回転変位に伴って光共振器の発振波長を変化させる複屈折フィルタを波長系列に含まれる波長の数に応じた所定の回転速度で回転させつつ、励起光源からレーザロッドに励起光を照射させ、該励起光の照射後、複屈折フィルタの回転変位位置が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した位置となるタイミングで光共振器内に挿入されたＱスイッチをオンにしてパルスレーザ光を出射させるトリガ制御回路とを備えたことを特徴とする音響波ユニットを提供する。
本発明の光音響画像生成装置及び音響波ユニットは、光共振器内に挿入され、回転変位に伴って発振波長を変化させる複屈折フィルタを、レーザ光源ユニットから出射すべきパルスレーザ光の波長系列の数に応じた回転速度で回転させ、複屈折フィルタの回転変位位置が出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した位置となるタイミングで光共振器内に挿入されたＱスイッチをオンにする。複屈折フィルタの回転速度を速くするほど波長の切り替えを高速化することができ、逆に回転速度を遅くするほど選択可能な発振波長の数を増やすことができる。本発明では、波長系列に含まれる波長の数に応じて複屈折フィルタの回転速度を制御しており、そのような構成とすることで、音響波ユニットから、レーザ光源ユニットから出射するパルスレーザ光の波長を、任意の波長系列に制御することができる。また、本発明では、音響波ユニットがパルスレーザ光の出射タイミングを決めており、光音響信号のサンプリング開始にあたり、レーザ光源ユニットからレーザ出射を示す同期信号のような信号を取得する必要がない。
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。なお、本発明の実施例では、音響波として超音波を用いるが、被検対象や測定条件等に応じて適切な周波数を選択することにより、可聴周波数の音響波であっても良い。
図１は、本発明の第１実施形態の光音響画像生成装置を示す。光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１と、超音波ユニット１２と、レーザ光源ユニット１３とを備える。レーザ光源ユニット１３は、被検体に照射すべきパルスレーザ光を出射する。レーザ光源ユニット１３は、相互に異なる２以上の波長を含む所定の波長系列で複数のパルスレーザ光を出射する。以下の説明においては、主に、波長系列が第１の波長と第２の波長とをこの順で含み、レーザ光源ユニット１３が、第１の波長のパルスレーザ光と第２の波長のパルスレーザ光とをこの順で出射するものとして説明する。
例えば、第１の波長（中心波長）として約７５０ｎｍを考え、第２の波長として約８００ｎｍを考える。先に説明した図１２を参照すると、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも低い。一方、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも高い。この性質を利用し、波長８００ｎｍで得られた光音響信号に対して、波長７５０ｎｍで得られた光音響信号が相対的に大きいのか小さいのかを調べることで、動脈からの光音響信号と静脈からの光音響信号とを判別することができる。
レーザ光源ユニット１３から出射したパルスレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に向けて照射される。パルスレーザ光の照射位置は特に限定されず、プローブ１１以外の場所からパルスレーザ光の照射を行ってもよい。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで超音波（音響波）が生じる。プローブ１１は、超音波検出器を含む。プローブ１１は、例えば一次元的に配列された複数の超音波検出器素子（超音波振動子）を有し、その一次元配列された超音波振動子により、被検体内からの音響波（光音響信号）を検出する。
超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、複素数化手段２４、光音響画像再構成手段２５、位相情報抽出手段２６、強度情報抽出手段２７、検波・対数変換手段２８、光音響画像構築手段２９、トリガ制御回路３０、及び、制御手段３１を有する。受信回路２１は、プローブ１１が検出した光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は検出手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングし、デジタルデータである光音響データを生成する。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で光音響信号のサンプリングを行う。
ＡＤ変換手段２２は、光音響データを受信メモリ２３に格納する。ＡＤ変換手段２２は、レーザ光源ユニット１３から出射されるパルスレーザ光の各波長に対応した光音響データを受信メモリ２３に格納する。つまり、ＡＤ変換手段２２は、被検体に第１の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第１の光音響データと、第２のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第２の光音響データとを、受信メモリ２３に格納する。
複素数化手段２４は、受信メモリ２３から第１の光音響データと第２の光音響データとを読み出し、何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する。以下では、複素数化手段２４が、第１の光音響データを実部とし、第２の光音響データを虚部とした複素数データを生成するものとして説明する。
光音響画像再構成手段２５は、複素数化手段２４から複素数データを入力する。光音響画像再構成手段２５は、入力された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う。フーリエ変換法による画像再構成には、例えば文献”Photoacoustic Image Reconstruction-A Quantitative Analysis”Jonathan I.Sperl et al. SPIE-OSA Vol.6631 663103等に記載されている従来公知の方法を適用することができる。光音響画像再構成手段２５は、再構成画像を示すフーリエ変換のデータを位相情報抽出手段２６と強度情報抽出手段２７とに入力する。
位相情報抽出手段２６は、各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する。本実施形態では、位相情報抽出手段２６は、光音響画像再構成手段２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、実部と虚部とを比較したときに、相対的に、どちらがどれくらい大きいかを示す位相情報を生成する。位相情報抽出手段２６は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ−１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として生成する。なお、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°とする。実部を構成する第１の光音響データ（Ｘ）と虚部を構成する第２の光音響データ（Ｙ）とが等しいとき、位相情報はθ＝４５°となる。位相情報は、相対的に第１の光音響データが大きいほどθ＝０°に近づいていき、第２の光音響データが大きいほどθ＝９０°に近づいていく。
強度情報抽出手段２７は、各波長に対応した光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する。本実施形態では、強度情報抽出手段２７は、光音響画像再構成手段２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、強度情報を生成する。強度情報抽出手段２７は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ２＋Ｙ２）１／２を、強度情報として抽出する。検波・対数変換手段２８は、強度情報抽出手段２７で抽出された強度情報を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。
光音響画像構築手段２９は、位相情報抽出手段２６から位相情報を入力し、検波・対数変換手段２８から検波・対数変換処理後の強度情報を入力する。光音響画像構築手段２９は、入力された位相情報と強度情報とに基づいて、光吸収体の分布画像である光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２９は、例えば入力された強度情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定する。また、光音響画像構築手段２９は、例えば位相情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の色（表示色）を決定する。光音響画像構築手段２９は、例えば例えば位相０°から９０°の範囲を所定の色に対応させたカラーマップに用いて、入力された位相情報に基づいて各画素の色を決定する。
ここで、位相０°から４５°の範囲は、第１の光音響データが第２の光音響データよりも大きい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が大きい脱酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈であると考えられる。一方、位相４５°から９０°の範囲は、第１の光音響データが第２の光音響データよりも小さい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が小さい酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている動脈であると考えられる。
そこで、カラーマップとして、例えば位相が０°が青色で、位相が４５°に近づくに連れて無色（白色）になるように色が徐々に変化すると共に、位相９０°が赤色で、位相が４５°に近づくに連れて白色になるように色が徐々に変化するようなカラーマップを用いる。この場合、光音響画像上で、動脈に対応した部分を赤色で表わし、静脈に対応した部分を青色で表わすことができる。強度情報を用いずに、階調値は一定として、位相情報に従って動脈に対応した部分と静脈に対応した部分との色分けを行うだけでもよい。画像表示手段１４は、光音響画像構築手段２９が生成した光音響画像を表示画面上に表示する。
次いで、レーザ光源ユニット１３の構成を詳細に説明する。図２は、レーザ光源ユニット１３の構成を示す。レーザ光源ユニット１３は、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、Ｑスイッチ５５、複屈折フィルタ（ＢＲＦ：birefringent filter）５６、駆動手段５７、及び回転変位検出手段５８を有する。レーザロッド５１は、レーザ媒質である。レーザロッド５１には、例えばアレキサンドライト結晶やＣｒ：ＬｉＳＡＦ（Ｃｒ：ＬｉＳｒＡｌＦ６），Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（Ｃｒ：ＬｉＣａＡｌＦ６）結晶，Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶を用いることができる。フラッシュランプ５２は、励起光源であり、レーザロッド５１に励起光を照射する。フラッシュランプ５２以外の光源を、励起光源として用いてもよい。例えば、レーザーロッド５１がチタンサファイアの場合は励起光源としては、Nd-YAG(SHG)が用いられる。
ミラー５３、５４は、レーザロッド５１を挟んで対向しており、ミラー５３、５４により光共振器が構成される。ミラー５４が出力側であるものとする。光共振器内には、Ｑスイッチ５５及び複屈折フィルタ５６が挿入される。Ｑスイッチ５５により、光共振器内の挿入損失を損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化させることで、パルスレーザ光を得ることができる。複屈折フィルタ５６は、回転変位に伴って透過波長を変化させ、光共振器の発振波長を変化させる。駆動手段５７は、複屈折フィルタ５６を回転させる。回転変位検出手段５８は、複屈折フィルタ５６の回転変位を検出する。回転変位検出手段５８は、複屈折フィルタ５６の回転変位位置を示すＢＲＦ状態情報を超音波ユニット１２に出力する。
図１に戻り、制御手段３１は、超音波ユニット１２内の各部の制御を行う。トリガ制御回路３０は、レーザ光源ユニット１３内の複屈折フィルタ５６を、レーザ光源ユニット１３から出射すべきパルスレーザ光の波長系列に含まれる波長の数に応じた所定の回転速度で回転させる。複屈折フィルタの回転速度は、例えば複屈折フィルタ５６における回転変位位置に対する発振波長の変化特性と、波長系列に含まれる波長の数、及び単位時間当たりのパルスレーザ光の発光回数（パルスレーザ光間の時間間隔）とに基づいて決定できる。
トリガ制御回路３０は、複屈折フィルタ５６の回転を制御するためのＢＲＦ制御信号を出力する。レーザ光源ユニット１３の駆動手段５７は、ＢＲＦ制御信号に応じて複屈折フィルタ５６を回転させる。トリガ制御回路３０は、ＢＲＦ制御信号を通じて、例えば所定時間の間におけるＢＲＦ状態情報の変化の量が所定の回転速度に応じた変化量となるように、複屈折フィルタを回転させる。
上記に加えて、トリガ制御回路３０は、レーザ光源ユニット１３に、フラッシュランプ５２の発光を制御するためのフラッシュランプトリガ信号を出力し、フラッシュランプ５２からレーザロッド５１に励起光を照射させる。トリガ制御回路３０は、ＢＲＦ状態信号に基づいて、フラッシュランプトリガ信号を出力する。例えばトリガ制御回路３０は、ＢＲＦ状態情報が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した複屈折フィルタ５６の位置から、レーザロッド５１の励起に要する時間の間に複屈折フィルタ５１が回転変位する量を差し引いた位置を示す情報になるとフラッシュランプトリガ信号を出力し、レーザロッド５１に対して励起光を照射させる。
トリガ制御回路３０は、励起光の照射後、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した位置となるタイミングでＱスイッチ５５にＱスイッチトリガ信号を出力する。言い換えると、トリガ制御回路３０は、ＢＲＦ状態情報が、出射すべきパルスレーザ光の波長を透過する複屈折フィルタ５６の位置を示す情報となると、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチ５５が、Ｑスイッチトリガ信号に応答して光共振器内の挿入損失を損失大から損失小に急激に変化させることで（Ｑスイッチがオンすることで）、出力側のミラー５４からパルスレーザ光が出射する。
トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号のタイミング、すなわちパルスレーザ光の出射タイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号（ＡＤトリガ信号）を出力する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号にと基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。
図３は、複屈折フィルタ５６、駆動手段５７、及び回転変位検出手段５８の構成例を示す。この例では、駆動手段５７はサーボモータであり、回転変位検出手段５８はロータリーエンコーダーである。複屈折フィルタ５６は、サーボモータの出力軸の回転に従って回転する。ロータリーエンコーダーは、サーボモータの出力軸に取り付けられたスリット入りの回転板と透過型フォトインタラプタとで複屈折フィルタ５６の回転変位を検出し、ＢＲＦ状態情報を生成する。トリガ制御回路３０は、例えばＢＲＦ状態情報をモニタし、所定時間の間にロータリーエンコーダーで検出されるサーボモータの回転軸の回転変位量が所定の量に保たれるように、ＢＲＦ制御信号を通じてサーボモータに供給する電圧などを制御することで、複屈折フィルタ５６を所定の速度で回転させる。
図４は、複屈折フィルタ５６の回転変位に対する波長透過特性（発振波長特性）の一例を示す。複屈折フィルタ５６は、例えば７００ｎｍから８４０ｎｍまで間で光共振器の発振波長を変化させる。複屈折フィルタ５６は、例えば回転変位位置０°から９０°までの間に（１／４回転で）自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ:Free Spectral Range）を３回繰り返し、１回転につきＦＳＲを１２回繰り返す。
図５は、上記の複屈折フィルタ５６を１秒間に１回転の速度で回転したときの発振波長特性を示す。図４に示す波長透過特性を持つ複屈折フィルタ５６を１秒あたり１回転の回転速度で回転させると、複屈折フィルタ５６は、１／４秒の間にＦＳＲを３回繰り返し、１秒間に１２回（１２Ｈｚ）でＦＳＲを繰り返す。複屈折フィルタ５６の回転速度を速めるほど、１秒間におけるＦＳＲの繰り返し回数は多くなり、回転速度を遅くすると、１秒間におけるＦＳＲの繰り返し回数は少なくなる。
図６は、各種トリガと発光タイミングとを示すタイミングチャートである。（ａ）は、時間変化に対する光共振器の発振波長特性（複屈折フィルタ５６の透過波長特性）を示す。（ｂ）はフラッシュランプトリガを示し、（ｃ）はＱスイッチトリガを示す。（ｄ）は、フラッシュランプの発光タイミング及びパルスレーザ光の出射タイミングを示す。なお、図５では、説明簡略化のために、フラッシュランプ５２及びＱスイッチ５５がトリガに対して瞬時に応答するものとしているが、実際には遅延時間が存在する。だだし、その遅延は数μ秒から１００μ秒程度であるので、遅延は無視できる。
トリガ制御回路３０は、まず、レーザ光源ユニット１３から波長７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射させるために、時刻ｔ１で、フラッシュランプ５２にフラッシュランプトリガ信号を出力し（ｂ）、フラッシュランプ５２を点灯させる（ｄ）。その後、トリガ制御回路３０は、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長７５０ｎｍに対応した位置となる時刻ｔ２でＱスイッチトリガ信号を出力し（ｃ）、Ｑスイッチ５５をオンにすることで光共振器から波長７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射させる。
次いで、トリガ制御回路３０は、レーザ光源ユニット１３から波長８００ｎｍのパルスレーザ光を出射させるために、時刻ｔ３で、フラッシュランプ５２にフラッシュランプトリガ信号を出力し（ｂ）、フラッシュランプ５２を点灯させる（ｄ）。その後、トリガ制御回路３０は、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長８００ｎｍに対応した位置となる時刻ｔ４でＱスイッチトリガ信号を出力し（ｃ）、Ｑスイッチ５５をオンにすることで光共振器から８００ｎｍのパルスレーザ光を出射させる。
ここで、フラッシュランプトリガ信号が出力される時刻ｔ１は、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長７５０ｎｍに対応した位置となる時刻ｔ２からレーザロッド５１の励起に要する時間の分だけ前の時刻である。また、フラッシュランプトリガ信号が出力される時刻ｔ３は、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長８００ｎｍに対応した位置となる時刻ｔ４からレーザロッド５１の励起に要する時間の分だけ前の時刻である。時刻ｔ１及びｔ３に対応した複屈折フィルタ５６の回転変位位置は、複屈折フィルタ５６の波長７５０ｎｍ及び８００ｎｍに対応した回転変位位置と、複屈折フィルタ５６の回転速度と、レーザロッド５１の励起に要する時間とから求めることができる。
以降同様に、トリガ制御回路３０は、時刻ｔ５、ｔ７、ｔ９、ｔ１１で、フラッシュランプ５２にフラッシュランプトリガ信号を出力する。また、時刻ｔ６、ｔ８、ｔ１０、ｔ１２で、Ｑスイッチ５５にＱスイッチトリガ信号を出力し、各時刻における複屈折フィルタ５６の透過波長に応じた波長のパルスレーザ光を出射させる。時刻ｔ６及びｔ１０における複屈折フィルタ５６の透過波長は７５０ｎｍであり、時刻ｔ８及びｔ１２における複屈折フィルタの透過波長は８００ｎｍであるので、レーザ光源ユニット１３は、７５０ｎｍと８００ｎｍのパルスレーザ光を順次にこの順で繰り返し出射する。
図６の例では、レーザ光源ユニット１３は、１／１２秒の間に、波長７５０ｎｍのパルスレーザ光と波長８００ｎｍのパルスレーザ光との２つを交互に出射する。レーザ光源ユニット１３は、２つの波長を切り替えつつパルスレーザ光を１秒間に２４回出射する（２４Ｈｚ動作）。言い換えると、１セット２波長のパルスレーザ光を、１秒間に１２セット出射する。
図７は、光音響画像生成装置１０の動作手順を示す。ここでは、被検体のレーザ光が照射される領域が複数の部分領域に分割されているものとして説明する。トリガ制御回路３０は、被検体に対するパルスレーザ光照射に先立って、所定の回転速度でレーザ光源ユニット１３内の複屈折フィルタ５６を回転させる旨のＢＲＦ制御信号をレーザ光源ユニット１３に出力する（ステップＡ１）。例えば複屈折フィルタ５６が１回転の間にＦＳＲを１２回繰り返すものであり、１／１２秒の間に波長７５０ｎｍのパルスレーザ光と波長８００ｎｍのパルスレーザ光とを順次に出射させる場合（２４Ｈｚ動作の場合）、トリガ制御回路３０は、複屈折フィルタ５６を１秒間で１回転させる旨のＢＲＦ制御信号を出力する。
トリガ制御回路３０は、光音響信号の受信準備が整うと、波長系列を構成する１つ目の波長（７５０ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるべく、所定のタイミングでレーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を出力する（ステップＡ２）。レーザ光源ユニット１３のフラッシュランプ５２は、フラッシュランプトリガ信号に応答して点灯し、レーザロッド５１の励起が開始される（ステップＡ３）。トリガ制御回路３０は、ＢＲＦ状態情報に基づいて、例えば複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長７５０ｎｍに対応した位置になるタイミングから逆算されたタイミングで、フラッシュランプ５２を点灯させる。
トリガ制御回路３０は、フラッシュランプ５２の点灯後、ＢＲＦ状態情報に基づいて、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長系列を構成する１つ目の波長（７５０ｎｍ）に対応した位置になるタイミングでＱスイッチ５５をオンにする（ステップＡ４）。Ｑスイッチ５５がオンになることで、レーザ光源ユニット１３は、波長７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射する。
レーザ光源ユニット１３から出射した波長７５０ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体の１つ目の部分領域に照射される。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響信号が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する。プローブ１１で検出された光音響信号は、受信回路２１にて受信される。
トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号を出力するタイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１で受信された光音響信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする（ステップＡ５）。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第１の光音響データとして格納される。
制御手段３１は、残りの波長があるか、つまり波長系列を構成する全ての波長のパルスレーザ光を出射させたか否かを判断する（ステップＡ６）。残りの波長がある場合、次の波長のパルスレーザ光を出射させるために、ステップＡ２に戻り、トリガ制御回路３０からレーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を出力する。フラッシュランプ５２は、ステップＡ３でフラッシュランプトリガ信号に応答して点灯し、トリガ制御回路３０は、ステップＡ４で、複屈折フィルタ５６が波長系列を構成する２つ目の波長（８００ｎｍ）に対応した回転変位位置になるタイミングでＱスイッチ５５をオンにし、パルスレーザ光を出射させる。
レーザ光源ユニット１３から出射した波長８００ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体の１つ目の部分領域に照射される。プローブ１１は、被検体内の光吸収体が波長８００ｎｍのパルスレーザ光を吸収することで発生した光音響信号を検出する。トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号の出力に合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２は、ステップＡ５で光音響信号のサンプリングを行う。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第２の光音響データとして格納される。光音響画像生成装置１０は、波長系列を構成する各波長に対してステップＡ１からＡ５を実行し、波長系列を構成する各波長のパルスレーザ光を被検体に照射して、被検体から光音響信号を検出する。
制御手段３１は、ステップＡ６で残りの波長がないと判断すると、部分領域を全て選択したか否かを判断する（ステップＡ７）。選択すべき部分領域が残っておりときは、ステップＡ２に戻る。光音響画像生成装置１０は、各部分領域に対してステップＡ２からＡ６を実行し、各部分領域に波長系列を構成する各波長（７５０ｎｍ、８００ｎｍ）のパルスレーザ光を順次照射し、各部分領域に対応した第１の光音響データと第２の光音響データとを受信メモリ２３に格納する。全ての部分領域に対してパルスレーザ光の照射及び光音響信号の検出を行うと、１フレームの光音響画像を生成するために必要な光音響データが揃う。
制御手段３１は、ステップＡ７で全ての部分領域を選択したと判断すると、光音響画像の生成に処理を移す。複素数化手段２４は、受信メモリ２３から第１の光音響データと第２の光音響データとを読み出し、第１の光音響画像データを実部とし、第２の光音響画像データを虚部とした複素数データを生成する（ステップＡ８）。光音響画像再構成手段２５は、ステップＡ８で複素数化された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う（ステップＡ９）。
位相情報抽出手段２６は、再構成された複素数データ（再構成画像）から位相情報を抽出する（ステップＡ１０）。位相情報抽出手段２６は、例えば再構成された複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ−１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として抽出する（ただし、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°）。強度情報抽出手段２７は、再構成された複素数データから強度情報を抽出する（ステップＡ１１）。強度情報抽出手段２７は、例えば再構成された複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ２＋Ｙ２）１／２を強度情報として抽出する。
検波・対数変換手段２８は、ステップＡ１１で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施す。光音響画像構築手段２９は、ステップＡ１０で抽出された位相情報と、ステップＡ１１で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施したものとに基づいて、光音響画像を生成する（ステップＡ１２）。光音響画像構築手段２９は、例えば強度情報に基づいて光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定し、位相情報に基づいて各画素の色を決定することで、光音響画像を生成する。生成された光音響画像は、画像表示手段１４に表示される。
ここで、複屈折フィルタ５６の回転速度は、出射すべくパルスレーザ光の波長系列に含まれる波長の数に応じて適宜決定すればよい。以下、波長系列が６つの波長（７２０ｎｍ、７４０ｎｍ、７６０ｎｍ、７８０ｎｍ、８００ｎｍ、８２０ｎｍ）を含む場合について説明する。図８は、波長系列が６つの波長を含む場合の各種トリガと発光タイミングとを示すタイミングチャートである。（ａ）は、時間変化に対する光共振器の発振波長特性（複屈折フィルタ５６の透過波長特性）を示す。（ｂ）はフラッシュランプトリガを示し、（ｃ）はＱスイッチトリガを示す。（ｄ）は、フラッシュランプの発光タイミング及びパルスレーザ光の出射タイミングを示す。
図４に示す、１回転でＦＳＲを１２回繰り返す複屈折フィルタ５６を４秒で１回転させると、複屈折フィルタ５６は１秒間に１／４回転し、１秒間にＦＳＲを３回繰り返す（ａ）。トリガ制御回路３０は、まず、レーザ光源ユニット１３から波長７２０ｎｍのパルスレーザ光を出射させるために、時刻ｔ２１で、フラッシュランプ５２にフラッシュランプトリガ信号を出力し（ｂ）、フラッシュランプ５２を点灯させる（ｄ）。その後、トリガ制御回路３０は、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長７２０ｎｍに対応した位置となる時刻ｔ２２で、Ｑスイッチトリガ信号を出力し（ｃ）、Ｑスイッチ５５をオンにすることで光共振器から波長７２０ｎｍのパルスレーザ光を出射させる。
次いで、トリガ制御回路３０は、レーザ光源ユニット１３から波長７４０ｎｍのパルスレーザ光を出射させるために、時刻ｔ２３で、フラッシュランプ５２にフラッシュランプトリガ信号を出力し（ｂ）、フラッシュランプ５２を点灯させる（ｄ）。その後、トリガ制御回路３０は、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長７４０ｎｍに対応した位置となる時刻ｔ２４でＱスイッチトリガ信号を出力し（ｃ）、Ｑスイッチ５５をオンにすることで光共振器から７４０ｎｍのパルスレーザ光を出射させる。
以降同様に、トリガ制御回路３０は、時刻ｔ２５、ｔ２７、ｔ２９、ｔ３１で、フラッシュランプ５２にフラッシュランプトリガ信号を出力する。また、時刻ｔ２６、ｔ２８、ｔ３０、ｔ３２で、Ｑスイッチ５５にＱスイッチトリガ信号を出力し、各時刻における複屈折フィルタ５６の透過波長に応じた波長のパルスレーザ光を出射させる。時刻ｔ２６、ｔ２８、ｔ３０、及びｔ３２おける複屈折フィルタ５６の透過波長はそれぞれ７６０ｎｍ、７８０ｎｍ、８００ｎｍ、及び８２０ｎｍであり、レーザ光源ユニット１３は、１／３秒間に、７２０ｎｍから８２０ｎｍまでの範囲で波長が２０ｎｍずつ長くなる６つのパルスレーザ光を出射する。
図８の例では、レーザ光源ユニット１３は、１／３秒の間に、波長７２０ｎｍから８２０ｎｍまでの６つの波長のパルスレーザ光を出射する。レーザ光源ユニット１３は、６つの波長を切り替えつつパルスレーザ光を１秒間に１８回出射する（１８Ｈｚ動作）。言い換えると、１セット６波長のパルスレーザ光を、１秒間に３セット出射する
複屈折フィルタ５６の回転速度は、１回のＦＳＲで、波長系列を構成する各波長のパルスレーザ光が出射できるように設定されていることが好ましい。例えば、複屈折フィルタ５６が１回転の間に繰り返すＦＳＲの回数をｋ［回／回転］とし、波長系列に含まれる波長の数をｎ［個］とし、単位時間当たりのパルスレーザ光の発光回数をｍ［回／秒］としたとき、複屈折フィルタ５６の回転速度を、ｖ＝ｍ／（ｋ×ｎ）［回転／秒］で決定した値とすることができる。この場合、１ＦＳＲあたりｎ個の波長を切り替えつつ、１秒間にｍ個のパルスレーザを出射できる（ｍＨｚ動作）。
本実施形態では、複屈折フィルタ５６を所定の回転速度で回転させつつ、フラッシュランプ５２を点灯してレーザロッド５１を励起し、その励起後、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した位置となるタイミングでＱスイッチ５５をオンにする。複屈折フィルタ５６の回転速度を遅くするほど、例えば複屈折フィルタ５６の１回分のＦＳＲの中で選択可能な発振波長の数を増やすことができる。一方、波長系列に含まれる波長が２つであるような場合は、複屈折フィルタ５６の回転速度を速めることで、２つの波長の切り替えを高速化することができる。このように、本実施形態では、複屈折フィルタ５６の回転速度を制御することで、レーザ光源ユニット１３から所望の波長系列でパルスレーザ光を出射することができる。本実施形態では、Ｑスイッチトリガ信号を超音波ユニット１２から出力しており、レーザ光源ユニット１３からレーザ発光タイミングを示す同期信号のような情報を取得する必要がない。
本実施形態では、２つの波長で得られた第１の光音響データと、第２の光音響データとの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成し、その複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成している。このようにする場合、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成する場合に比して、再構成を効率的に行うことができる。複数の波長のパルスレーザ光を照射し、各波長のパルスレーザ光を照射したときの光音響信号（光音響データ）を用いることで、各光吸収体の光吸収特性が波長に応じて異なることを利用した機能イメージングを行うことができる。
また、本実施形態では、例えば光照射領域が３つの部分領域に分かれているときには、第１の部分領域に対して第１の波長のパルスレーザ光、第２の波長のパルスレーザ光を順次に照射し、次いで、第２の部分領域に対して第１の波長のパルスレーザ光、第２の波長のパルスレーザ光を順次に照射し、その後、第３の部分領域に対して第１の波長のパルスレーザ光、第２の波長のパルスレーザ光を順次に照射する。本実施形態では、ある部分領域に対して第１の波長のパルスレーザ光、第２の波長のパルスレーザ光を連続的に照射した後に、次の部分領域に移っている。この場合、第１の波長のパルスレーザ光を３つの部分領域に照射した後に、第２の波長のパルスレーザ光を３つの部分領域に照射する場合に比して、同じ位置において第１の波長のパルスレーザ光を照射してから第２のパルスレーザ光が照射されるまでの間の時間を短くすることができる。第１の波長のパルスレーザ光が照射されてから第２の波長のパルスレーザ光が照射されるまでの間の時間を短縮することで、第１の光音響データと第２の光音響データとの不整合を抑制することができる。
引き続き、本発明の第２実施形態を説明する。図９は、本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置を示す。本実施形態の光音響画像生成装置１０ａは、超音波ユニット１２ａが、図１に示す第１実施形態の光音響画像生成装置１０における超音波ユニット１２の構成に加えて、データ分離手段３２、超音波画像再構成手段３３、検波・対数変換手段３４、超音波画像構築手段３５、画像合成手段３６、及び送信制御回路３７を有する。本実施形態の光音響画像生成装置１０は、光音響画像に加えて、超音波画像を生成する点で第１実施形態と相違する。その他の部分は、第１実施形態と同様でよい。
本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波の検出（受信）を行う。トリガ制御回路３０は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３７に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路３７は、トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。トリガ制御回路３０は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリングデータ（反射超音波データ）を受信メモリ２３に格納する。
データ分離手段３２は、受信メモリ２３に格納された反射超音波データと、第１及び第２の光音響データとを分離する。データ分離手段３２は、反射超音波データを超音波画像再構成手段３３に渡し、第１及び第２の光音響データを複素数化手段２４に渡す。第１及び第２の光音響データに基づく光音響画像の生成は第１実施形態と同様である。データ分離手段３２は、分離した反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像再構成手段３３に入力する。
超音波画像再構成手段３３は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリングデータ）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。超音波画像再構成手段３３は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。
検波・対数変換手段３４は、超音波画像再構成手段３３が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。超音波画像構築手段３５は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像再構成手段３３、検波・対数変換手段３４、及び超音波画像構築手段３５は、反射超音波に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を構成する。
画像合成手段３６は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３６は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。その際、画像合成手段３６は、光音響画像と超音波画像とで、対応点が同一の位置となるように位置合わせをすることが好ましい。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えてすることも可能である。
図１０は、光音響画像生成装置１０ａの動作手順を示している。以下では、被検体のレーザ光が照射される領域が複数の部分領域に分割されているものとして説明する。トリガ制御回路３０は、所定の回転速度でレーザ光源ユニット１３内の複屈折フィルタ５６を回転させる旨のＢＲＦ制御信号をレーザ光源ユニット１３に出力する（ステップＢ１）。
トリガ制御回路３０は、光音響信号の受信準備が整うと、波長系列を構成する１つ目の波長（７５０ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるべく、フラッシュランプトリガ信号を出力する（ステップＢ２）。フラッシュランプ５２は、フラッシュランプトリガ信号に応答して点灯し、レーザロッド５１の励起が開始される（ステップＢ３）。
トリガ制御回路３０は、フラッシュランプ５２の点灯後、ＢＲＦ制御信号に基づいて、複屈折フィルタ５６の回転変位位置が波長系列を構成する１つ目の波長（７５０ｎｍ）に対応した位置になるタイミングでＱスイッチ５５をオンにする（ステップＢ４）。Ｑスイッチ５５がオンになることで、レーザ光源ユニット１３は、波長７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射する。
レーザ光源ユニット１３から出射した波長７５０ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体の１つ目の領域に照射される。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響信号が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する。トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号の出力に合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１を介してプローブ１１で検出された光音響信号を受信し、所定のサンプリング周期で光音響信号をサンプリングする（ステップＢ５）。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第１の光音響データとして格納される。
制御手段３１は、残りの波長があるか、つまり波長系列を構成する全ての波長のパルスレーザ光を出射させたか否かを判断する（ステップＢ６）。残りの波長がある場合、次の波長のパルスレーザ光を出射させるために、ステップＢ２に戻り、トリガ制御回路３０からレーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を出力する。フラッシュランプ５２は、ステップＢ３でフラッシュランプトリガ信号に応答して点灯し、トリガ制御回路３０は、ステップＢ４で、複屈折フィルタ５６が波長系列を構成する２つ目の波長（８００ｎｍ）に対応した回転変位位置になるタイミングでＱスイッチ５５をオンにし、パルスレーザ光を出射させる。
レーザ光源ユニット１３から出射した波長８００ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体の１つ目の部分領域に照射される。プローブ１１は、被検体内の光吸収体が波長８００ｎｍのパルスレーザ光を吸収することで発生した光音響信号を検出する。トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号の出力に合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２は、ステップＢ５で光音響信号のサンプリングを行う。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第２の光音響データとして格納される。光音響画像生成装置１０は、波長系列を構成する各波長に対してステップＢ１からＢ５を実行し、波長系列を構成する各波長のパルスレーザ光を被検体に照射して、被検体から光音響信号を検出する。ステップＢ１からＢ５は、図７のステップＡ１からＡ５と同様でよい。
制御手段３１は、ステップＢ６で残りの波長がないと判断すると、超音波の送受信に処理を移す。トリガ制御回路３０は、送信制御回路３７を介してプローブ１１から被検体に超音波を送信させる（ステップＢ７）。ステップＢ７では、被検体のパルスレーザ光が照射された部分領域と同じ領域に対して超音波を送信する。プローブ１１は、送信した超音波に対する反射超音波を検出する（ステップＢ８）。検出された反射超音波は、受信回路２１を経てＡＤ変換手段２２でサンプリングされ、受信メモリ２３に反射超音波データとして格納される。
制御手段３１は、部分領域を全て選択したか否かを判断する（ステップＢ９）。選択すべき部分領域が残っているときは、ステップＢ２に戻る。光音響画像生成装置１０は、各部分領域に対してステップＢ２からＢ６を実行し、各部分領域に波長系列を構成する各波長（７５０ｎｍ、８００ｎｍ）のパルスレーザ光を順次照射して、第１の光音響データと第２の光音響データとを受信メモリ２３に格納する。また、ステップＢ７及びＢ８を実行して、反射超音波データを受信メモリ２３に格納する。全ての部分領域に対してパルスレーザ光の照射と光音響信号の検出、及び超音波の送受信を行うと、１フレームの光音響画像及び超音波画像を生成するために必要なデータが揃う。
制御手段３１は、ステップＢ９で全ての部分領域を選択したと判断すると、光音響画像及び超音波画像の生成に処理を移す。データ分離手段３２は、第１及び第２の光音響データと反射超音波データとを分離する。データ分離手段３２は、分離した第１及び第２の光音響データを複素数化手段２４に渡し、反射超音波データを超音波画像再構成手段３３に渡す。複素数化手段２４は、第１の光音響画像データを実部とし、第２の光音響画像データを虚部とした複素数データを生成する（ステップＢ１０）。光音響画像再構成手段２５は、ステップＢ１０で複素数化された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う（ステップＢ１１）。
位相情報抽出手段２６は、再構成された複素数データから位相情報を抽出する（ステップＢ１２）。強度情報抽出手段２７は、再構成された複素数データから強度情報を抽出する（ステップＢ１３）。検波・対数変換手段２８は、ステップＢ１３で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施す。光音響画像構築手段２９は、ステップＢ１２で抽出された位相情報と、ステップＢ１３で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施したものとに基づいて、光音響画像を生成する（ステップＢ１４）。ステップＢ１０からＢ１４は、図７のステップＡ８からＡ１２と同様でよい。
超音波画像再構成手段３３は、例えば遅延加算法により、超音波画像の各ラインのデータを生成する。検波・対数変換手段３４は、超音波画像再構成手段３３が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。超音波画像構築手段３５は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する（ステップＢ１５）。画像合成手段３６は、光音響画像と超音波画像とを合成し、合成した画像を画像表示手段１４に表示する（ステップＢ１６）。
本実施形態では、光音響画像生成装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。その他の効果は、第１実施形態と同様である。
なお、上記各実施形態では、第１の光音響データと第２の光音響データとを複素数化する例について説明したが、複素数化せずに、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成してもよい。さらに、ここでは、複素数化して位相情報を用いて第１の光音響データと第２の光音響データの比を計算しているが、両者の強度情報から比を計算しても同様の効果が得られるまた、強度情報は、第１の再構成画像における信号強度と、第２の再構成画像における信号強度とに基づいて生成できる。
光音響画像の生成に際して、被検体に照射されるパルスレーザ光の波長の数は２つには限られず、３以上のパルスレーザ光を被検体に照射し、各波長に対応する光音響データに基づいて光音響画像を生成してもよい。その場合、例えば位相情報抽出手段２６は、各波長に対応する光音響データ間での相対的な信号強度の大小関係を位相情報として生成すればよい。また、強度情報抽出手段２７は、例えば各波長に対応する光音響データにおける信号強度を１つにまとめたものを強度情報として生成すればよい。
上記各実施形態では、トリガ制御回路３０がＢＲＦ状態情報をモニタし、ＢＲＦ制御信号を通して複屈折フィルタ５６の回転速度を所定の回転速度に制御するものとして説明したが、これには限定されない。図１１は、レーザ光源ユニットの変形例を示している。このレーザ光源ユニット１３ａは、図２に示すレーザ光源ユニット１３の構成に加えて回転制御部５９を有する。回転制御部５９は、所定時間の間に回転変位検出手段５８が検出した回転変位の量が、複屈折フィルタ５６の所定の回転速度に応じた量になるように駆動手段５７に供給する電圧などを制御する。トリガ制御回路３０は、ＢＲＦ制御信号を通じて、回転制御部５９に、複屈折フィルタ５６の回転速度を指示する。回転制御部５９は、複屈折フィルタ５６の回転速度が指示された回転速度となるように駆動手段５７を駆動する。
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、本発明の超音波ユニット及び光音響画像生成装置は、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。
１０：光音響画像生成装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザ光源ユニット
１４：画像表示手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：複素数化手段
２５：光音響画像再構成手段
２６：位相情報抽出手段
２７：強度情報抽出手段
２８：検波・対数変換手段
２９：光音響画像構築手段
３０：トリガ制御回路
３１：制御手段
３２：データ分離手段
３３：超音波画像再構成手段
３４：検波・対数変換手段
３５：超音波画像構築手段
３６：画像合成手段
３７：送信制御回路
５１：レーザロッド
５２：フラッシュランプ
５３、５４：ミラー
５５：Ｑスイッチ
５６：複屈折フィルタ
５７：駆動手段
５８：回転変位検出手段
５９：回転制御部
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザ光源ユニット
１４：画像表示手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：複素数化手段
２５：光音響画像再構成手段
２６：位相情報抽出手段
２７：強度情報抽出手段
２８：検波・対数変換手段
２９：光音響画像構築手段
３０：トリガ制御回路
３１：制御手段
３２：データ分離手段
３３：超音波画像再構成手段
３４：検波・対数変換手段
３５：超音波画像構築手段
３６：画像合成手段
３７：送信制御回路
５１：レーザロッド
５２：フラッシュランプ
５３、５４：ミラー
５５：Ｑスイッチ
５６：複屈折フィルタ
５７：駆動手段
５８：回転変位検出手段
５９：回転制御部
Claims (12)
- 相互に異なる２以上の波長を含む所定の波長系列で複数のパルスレーザ光を順次に出射するレーザ光源ユニットであって、レーザロッドと、該レーザロッドに励起光を照射する励起光源と、前記レーザロッドを挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器と、前記光共振器内に挿入されたＱスイッチと、前記光共振器の内部に挿入され、回転変位に伴って前記光共振器の発振波長を変化させる複屈折フィルタとを有するレーザ光源ユニットと、
光音響画像の生成を行う音響波ユニットであって、前記所定の波長系列に含まれる各波長のパルスレーザ光が被検体に照射されたときに被検体内で生じる光音響信号を検出し、各波長に対応した光音響データを生成する検出手段と、前記各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する強度比抽出手段と、前記抽出された大小関係に基づいて光音響画像を生成する光音響画像構築手段と、前記複屈折フィルタを前記波長系列に含まれる波長の数に応じた所定の回転速度で回転させつつ、前記励起光源から前記レーザロッドに励起光を照射させ、該励起光の照射後、前記複屈折フィルタの回転変位位置が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した位置となるタイミングで前記Ｑスイッチをオンにしてパルスレーザ光を出射させるトリガ制御回路とを有する音響波ユニットとを備えたことを特徴とする光音響画像生成装置。 - 前記所定の回転速度は、前記複屈折フィルタにおける回転変位位置に対する発振波長の変化特性と、前記波長系列に含まれる波長の数、及び単位時間当たりのパルスレーザ光の発光回数とに基づいて決定される請求項１に記載の光音響画像生成装置。
- 前記複屈折フィルタは、１回転の間に繰り返す自由スペクトルレンジの回数をｋ［回／回転］とし、前記波長系列に含まれる波長の数をｎ［個］とし、単位時間当たりのパルスレーザ光の発光回数をｍ［回／秒］とする場合、前記所定の回転速度は、ｖ＝ｍ／（ｋ×ｎ）［回転／秒］で計算される値に決定される請求項１又は２に記載の光音響画像生成装置。
- 前記トリガ制御回路は、前記複屈折フィルタを、所定の方向に前記所定の回転速度で連続的に回転させる請求項１から３何れかに記載の光音響画像生成装置。
- 前記トリガ制御回路は、前記複屈折フィルタの回転変位位置を示す複屈折フィルタ状態情報に基づいて、前記励起光を照射させるタイミング及び前記Ｑスイッチをオンにするタイミングを決定する請求項１から４何れかに記載の光音響画像生成装置。
- 前記トリガ制御回路は、前記複屈折フィルタ状態情報が、前記出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した前記複屈折フィルタの位置から前記レーザロッドの励起に要する時間の間に前記複屈折フィルタが回転変位する量を差し引いた位置を示す情報になると、前記レーザロッドに励起光を照射させる請求項５に記載の光音響画像生成装置。
- 前記トリガ制御回路は、所定時間の間における前記複屈折フィルタ状態情報の変化の量が前記所定の回転速度に応じた変化量となるように、前記複屈折フィルタを回転させる請求項５又は６に記載の光音響画像生成装置。
- 前記レーザ光源ユニットは、前記複屈折フィルタを回転させる駆動手段と、前記複屈折フィルタの回転変位を検出する回転変位検出手段と、所定時間の間に前記回転変位検出手段が検出した回転変位の量が前記所定の回転速度に応じた量になるように前記駆動手段を制御する回転制御部とを更に有する請求項１から６何れかに記載の光音響画像生成装置。
- 前記音響波ユニットが、前記各波長に対応した光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する強度情報抽出手段を更に備え、
前記光音響画像構築手段は、前記光音響画像の各画素の階調値を前記強度情報に基づいて決定すると共に、各画素の表示色を前記抽出された大小関係に基づいて決定する請求項１から８何れかに記載の光音響画像生成装置。 - 前記所定の波長系列が第１の波長と第２の波長を含み、
前記音響波ユニットは、前記第１の波長のパルスレーザ光が照射されたときに検出される光音響信号に対応する第１の光音響データと、前記第２の波長のパルスレーザ光が照射されたときに検出される光音響信号に対応する第２の光音響データとのうちの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する複素数化手段と、前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成する光音響画像再構成手段とを更に備え、
前記強度比抽出手段は、前記再構成画像から前記大小関係としての位相情報を抽出し、前記強度情報抽出手段が前記再構成画像から前記強度情報を抽出する請求項９に記載の光音響画像生成装置。 - 前記検出手段が、更に、被検体に送信された音響波に対する反射音響波を検出して反射音響波データを生成し、
前記音響波ユニットは、前記反射音響波データに基づいて音響波画像を生成する音響波画像生成手段を更に備える請求項１から１０何れかに記載の光音響画像生成装置。 - 相互に異なる２以上の波長を含む所定の波長系列に含まれる各波長のパルスレーザ光が被検体に照射されたときに被検体内で生じた光音響信号を検出し、各波長に対応した光音響データを生成する検出手段と、
前記各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する強度比抽出手段と、
前記抽出された大小関係に基づいて光音響画像を生成する光音響画像構築手段と、
レーザロッドを挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器内に挿入され、回転変位に伴って前記光共振器の発振波長を変化させる複屈折フィルタを前記波長系列に含まれる波長の数に応じた所定の回転速度で回転させつつ、励起光源から前記レーザロッドに励起光を照射させ、該励起光の照射後、前記複屈折フィルタの回転変位位置が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した位置となるタイミングで前記光共振器内に挿入されたＱスイッチをオンにしてパルスレーザ光を出射させるトリガ制御回路とを備えたことを特徴とする音響波ユニット。
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