JP5743957B2

JP5743957B2 - 光音響画像生成装置及び方法

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Publication number: JP5743957B2
Application number: JP2012122751A
Authority: JP
Inventors: 和宏 ▲辻▼田; 覚入澤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2015-07-01
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Description

本発明は、光音響画像生成装置及び方法に関し、更に詳しくは、被検体にレーザ光を照射し、レーザ光照射により被検体内で生じた超音波を検出して光音響画像を生成する光音響画像生成装置及び方法に関する。

生体内部の状態を非侵襲で検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、超音波の送信及び受信が可能な超音波探触子を用いる。超音波探触子から被検体（生体）に超音波を送信させると、その超音波は生体内部を進んでいき、組織界面で反射する。超音波探触子でその反射音波を受信し、反射超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、生体組織がパルスレーザ光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーによる断熱膨張により超音波（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、検出信号に基づいて光音響画像を構成することで、光音響信号に基づく生体内の可視化が可能である。

ここで、特許文献１には、光音響を用いた生体情報イメージングと穿刺針を用いた処置との組み合わせが言及されている。特許文献１では、光音響画像を生成し、その画像を観察することで、腫瘍などの患部や、患部の疑いがある部位などを見つける。そのような部位をより精密に検査するために、或いは患部に注射などを行うために、注射針や細胞診針等の穿刺針を用いて、細胞を採取や患部への注射などを行う。特許文献１では、光音響画像を用いて、患部を観察しながら穿刺を行うことができるとしている。

特開２００９−３１２６２号公報

ところで、特許文献１において光音響画像を観察しながら穿刺針の穿刺を行う際、患部やその疑いがある部位がどこにあるかは光音響画像で確認できるものの、穿刺針がどの位置に刺されているかを光音響画像で確認することは難しい。光音響画像上で穿刺針の位置を確認することができないと、穿刺針、特にその先端と患部やその疑いがある部位との位置関係を把握することができず、光音響画像を観察しながら穿刺針を所望の位置に穿刺することが困難となる。

本願発明は、上記に鑑み、光音響画像上で穿刺針の位置を確認することができる光音響画像生成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、光を出射する光源と、光源からの光を被検体に向けて照射する光照射手段と、光源からの光を出射する発光部を有する穿刺針と、被検体内の光吸収体が、光照射手段から照射された光及び発光部から出射した光を吸収することで発生する光音響信号を検出する超音波探触子と、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段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、穿刺針が、少なくともその先端部分に発光部を有する構成とすることが好ましい。

発光部は、穿刺針の先端方向に向かって厚みが減少するように形成された導光部材で構成することができる。

穿刺針は、互いに離れた位置に配置される複数の発光部を有していてもよい。その場合、複数の発光部のうちの少なくとも１つは、光源からの光を導光する光ファイバの中間地点でコアを露出させた部分で構成してもよい。

本発明では、光照射手段からの光照射と発光部からの光出射とを同時に行い、超音波探触子が、光照射手段から照射された光に起因する光音響信号と発光部から出射した光に起因する光音響信号とを同時に検出することとしてもよい。

上記に代えて、光照射手段からの光照射と発光部からの光出射とを別々に行い、画像生成手段が、光照射手段から照射された光に起因する光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成し、発光部から出射した光に起因する光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成し、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成することとしてもよい。

光源は、相互に異なる複数の波長の光を出射してもよい。その場合、画像生成手段は、各波長の光が照射されたときに検出された光音響信号の信号強度の大小関係に基づいて光音響画像を生成してもよい。

画像生成手段は、光音響信号から、被検体に照射された光の微分波形をデコンボリューションするデコンボリューション手段を有していてもよい。

本発明は、また、光照射手段から被検体に向けて光を照射するステップと、発光部を有する穿刺針の発光部から被検体に光を照射するステップと、被検体内の光吸収体が、光照射手段から照射された光及び発光部から照射された光を吸収することで発生する光音響信号を検出するステップと、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を有することを特徴とする光音響画像生成方法を提供する。

本発明の光音響画像生成方法では、光照射手段から光を照射するステップと、発光部から光を照射するステップとを同時に行い、光音響信号を検出するステップにおいて、光照射手段から照射された光に起因する光音響信号と発光部から出射した光に起因する光音響信号とを同時に検出してもよい。

上記に代えて、光照射手段から光を照射するステップと、発光部から光を照射するステップとを別々に行い、光音響信号を検出するステップにおいて、光照射手段から照射された光に起因する光音響信号と発光部から出射した光に起因する光音響信号とを別々に検出し、光音響画像を生成するステップにおいて、光照射手段から照射された光に起因する光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成し、発光部から出射した光に起因する光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成し、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成してもよい。

本発明の光音響画像生成装置及び方法では、穿刺針に発光部を設け、その発光部から被検体に対して光を照射する。発光部から照射された光は、穿刺針の近傍において吸収され、穿刺針の近傍において光音響信号が発生する。その光音響信号に基づいて光音響画像を生成することで、光音響画像上で、発光部から光が照射された場所を認識することができ、穿刺針が存在する位置を確認することができる。

本発明の第１実施形態の光音響画像生成装置を示すブロック図。プローブの外観を示す側面図。プローブの外観を示す正面図。発光部の構成例を示す図。光照射部の照明範囲と発光部の照明範囲とを示す図。発光部を穿刺針の先端部分に設けた例を示す図。発光部を穿刺針の先端に設けた場合の光照射部の照明範囲と発光部の照明範囲とを示す図。穿刺針に２つの発光部を設けた例を示す図。図７に示す２つの発光部を得るための構成例を示す図。２つの発光部を設けた場合の光照射部の照明範囲と発光部の照明範囲とを示す図。動作手順を示すフローチャート。本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置における画像生成手段を示すブロック図。本発明の第３実施形態の光音響画像生成装置における画像生成手段を示すブロック図。

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実施形態の光音響画像生成装置を示す。光音響画像生成装置（光音響画像診断装置）１０は、プローブ（超音波探触子）１１と、超音波ユニット１２と、レーザユニット（光源）１３とを含む。レーザユニット１３は、生体組織などの被検体に照射するレーザ光を生成する。レーザ光の波長は、観察対象の生体組織などに応じて適宜設定すればよい。レーザユニット１３から出射したレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１及び穿刺針１５まで導光される。

プローブ１１は、例えば内視鏡用の超音波プローブとして構成される。プローブ１１は、プローブ１１まで導光されたレーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段を有する。また、プローブ１１は、被検体内の光吸収体が照射されたレーザ光を吸収することで発生する光音響信号を検出する。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振動子を有している。なお、光照射手段は、プローブ１１に設けられている必要はなく、プローブ１１以外の場所からレーザ光を照射することとしてもよい。

穿刺針１５は、被検体内に穿刺される針である。穿刺針１５は、レーザ光を出射する発光部１６を有する。穿刺針１５が被検体内に穿刺された状態のとき、発光部１６から出射したレーザ光は被検体内の生体組織などに照射される。発光部１６の照明範囲は、プローブ１１に設けられた光照射手段の照明範囲（光照射範囲）よりも狭い。また、発光部１６から出射した光は、穿刺針１５の近傍の生体組織に照射されればよいため、発光部１６から出射するレーザ光の光量やパワーは、光照射手段から照射されるレーザ光の光量やパワーよりも低くてよい。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、画像生成手段２３、及び制御手段２４を有する。受信回路２１は、プローブ１１が有する複数の超音波振動子が検出した光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した光音響信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば外部から入力される所定のサンプリングクロック信号に基づいて、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。

画像生成手段２３は、プローブ１１が検出した光音響信号に基づいて光音響画像を生成する。光音響画像の生成は、例えば、位相整合加算などの画像再構成や、検波、対数変換などを含む。画像表示手段１４は、画像生成手段２３が生成した光音響画像を、表示モニタなどに表示する。制御手段２４は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御手段２４は、例えばレーザユニット１３にレーザ発振トリガ信号を送り、レーザユニット１３からレーザ光を出射させる。また、レーザ光の照射に合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、光音響信号のサンプリング開始タイミングを制御する。

図２Ａ及び図２Ｂは、プローブ１１の外観を示す。図２Ａはプローブ１１の側面図であり、図２Ｂはプローブ１１の正面図である。プローブ１１は、正面方向から見て、例えば一次元配列された複数の超音波振動子３３の両側に光照射手段（光照射部）３２を有する（図２Ｂ）。光照射部３２は、光ファイバ３１（図２Ａ）を用いてレーザユニット１３から導光されたレーザ光を被検体に照射する。光照射部３２は、例えば面光源として構成される。光照射部３２の光照射範囲（照明範囲）は、光音響画像の生成範囲に対応している。被検体内の血管や病変部などは、光照射部３２から照射されたレーザ光を吸収して光音響信号を発生する。

プローブ１１は、穿刺針１５をガイドする穿刺ガイド３８を有している。穿刺針１５は、穿刺ガイド３８にガイドされて、所定の角度で被検体内に穿刺される。図２Ａにおいては、穿刺針１５が照明範囲３４内の穿刺された状態を示している。図２Ａでは図示を省略しているが、穿刺針１５の発光部１６からも、光ファイバ３１を用いて導光されたレーザ光が照射される。発光部１６から照射された光は、例えば被検体の生体組織中に含まれる血液等の成分で吸収され、その部分から光音響信号が発生する。

図３は、発光部１６の構成例を示す。発光部１６は、例えば線状の光源として構成される。発光部１６は、例えば穿刺針１５の先端方向（光の進行方向）に向かって厚みが減少するように形成された導光部材で構成される。具体的には、穿刺針１５の先端方向に向かって厚みが減少するようなテーパー形のファイバーコアで構成することができる。テーパー形状は研磨などによって形成されてもよい。発光部１６は、発光部１６からのレーザ光が穿刺針の近傍の生体組織に照射されればよいため、プローブ１１の光照射部３２とは異なり、広い範囲を照明する必要はない。

図４は、光照射部３２（図１）の照明範囲と穿刺針１５の発光部１６の照明範囲とを示す。発光部１６がプローブ１１の光照射部３２の照明範囲３４の内側に入る場合、発光部１６の照明範囲３５では、光照射部３２からのレーザ光に加えて、穿刺針１５の発光部１６からのレーザ光が照射される。プローブ１１は、被検体内の光吸収体が、光照射部３２から照射されたレーザ光及び穿刺針１５の発光部１６から出射したレーザ光を吸収することで発生する光音響信号を検出する。画像生成手段２３は、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。

例えば、光照射部３２からのレーザ光照射と、穿刺針１５の発光部１６からのレーザ光照射とを別々に行う。例えば、先に、光照射部３２からレーザ光照射を行って光音響信号を検出し、その後、穿刺針１５の発光部１６からレーザ光照射を行って光音響信号を検出する。画像生成手段２３は、光照射部３２から照射されたレーザ光に起因する光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する。また、穿刺針１５の発光部１６から照射されたレーザ光に起因する光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成して、生成した２つの画像を合成する。

上記生成された第１の光音響画像により、照明範囲３４内の病変３６や血管３７などを画像化できる。また、穿刺針１５の発光部１６からは、穿刺針１５の近傍にのみレーザ光が照射されるため、第２の光音響画像では、穿刺針の位置及び方向に従って、直線状に光音響信号が検出される部分が現れる。ユーザは、合成された光音響画像を観察し、直線状に現れる光音響信号が強い部分と弱い部分との境界を探すことで、穿刺針１５が光音響画像中のどの位置にあるかを特定することができる。

例えば図４において、光音響画像で画像化された病変３６に穿刺針１５を穿刺したいとする。このとき、穿刺針１５の先端が誤って血管３７を突き刺すことがないように注意が必要である。医師などのユーザは、光音響画像を観察しながら、穿刺針１５の穿刺を行う。このとき、光音響画像では発光部１６からのレーザ光が照射される部分が明るく描画されるため、ユーザは光音響画像中で穿刺針１５の位置を確認できる。光音響画像中で穿刺針１５の位置が確認できることで、誤って穿刺針１５の先端が血管３７を突き刺す事態を避けることができる。

なお、図３では、発光部１６が穿刺針１５の全体に対応して設けられる例を説明したが、発光部１６は、必ずしも穿刺針１５の全体にわたって設けられている必要はなく、少なくともその先端部分に設けられていればよい。例えば細い光ファイバなどを用いて穿刺針１５の先端までレーザ光を導光し、穿刺針１５の先端部分に発光部を設けてもよい。針先までレーザ光を導光する光ファイバは、穿刺針１５の内側を通してもよいし、穿刺針１５の外側に配置してもよい。

図５は、発光部１６を穿刺針１５の先端部分に設けた例を示す。また、図６は、発光部を穿刺針の先端に設けた場合の光照射部３２の照明範囲３４と発光部１６の照明範囲３５とを示す。この例の場合、穿刺針１５の長さ方向に関して発光部１６の長さが短くなり、照明範囲３５は図４の場合に比して狭くなる。しかしながら、このような構成とした場合でも、光音響画像中で穿刺針１５の先端の位置を特定することができる。

穿刺針１５に設ける発光部１６は１つには限られず、互いに離れた位置に配置される複数の発光部１６を設けることとしてもよい。図７は、穿刺針１５に２つの発光部１６を設けた例を示す。穿刺針１５は、その先端部分の発光部１６ａに加えて、中間部分にも発光部１６ｂを有する。図８は、図７に示す２つの発光部１６ａ、１６ｂを得るための構成例を示す。例えば、穿刺針１５の中間部分の発光部１６ｂは、部分的に光ファイバのクラッド４２をはぎ取ってコア４１を露出させ、更にコア４１の一部を研磨することで実現できる。先端部の発光部１６ａについては、コア４１を露出させたもので実現できる。

図９は、２つの発光部を設けた場合の光照射部３２の照明範囲と発光部１６の照明範囲とを示す。穿刺針１５の発光部１６ａ、１６ｂに対応して、照明範囲３５ａと照明範囲３５ｂとが形成される。この場合、照明範囲３５ａと照明範囲３５ｂのそれぞれにおいて、穿刺針１５の近傍から光音響信号が検出される。光音響画像では、２つの光音響信号が検出された部分を結んだ位置を、穿刺針の位置として検出できる。

図１０は、動作手順を示す。超音波ユニット１２の制御手段２４は、レーザユニット１３にレーザ発振トリガ信号を送る。レーザユニット１３は、レーザ発振トリガ信号を受けると、レーザ発振を開始し、パルスレーザ光を出射する。レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、プローブ１１の光照射部３２（図２Ａ）から被検体に照射される（ステップＳ１）。

プローブ１１は、光照射部３２からのレーザ光の照射により被検体内で発生した光音響信号を検出する（ステップＳ２）。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１を介して光音響信号を受け取り、光音響信号をサンプリングする。画像生成手段２３は、サンプリングされた光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する（ステップＳ３）。

続いて、穿刺針１５の発光部１６からレーザ光照射を行う（ステップＳ４）。プローブ１１は、発光部１６からのレーザ光の照射により被検体内で発生した光音響信号を検出する。（ステップＳ５）。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１を介して光音響信号を受け取り、光音響信号をサンプリングする。画像生成手段２３は、サンプリングされた光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する（ステップＳ６）。

画像生成手段２３は、生成した第１及び第２の光音響画像を合成して出力する。画像表示手段１４は、合成された光音響画像を表示する（ステップＳ７）。画像生成手段２３にて画像生成を行うのに代えて、画像表示手段１４が、第１及び第２の光音響画像を重ねて表示することとしてもよい。

本実施形態では、穿刺針１５に発光部１６を設け、発光部１６からレーザ光の照射を行う。発光部１６から照射されたレーザ光は穿刺針１５の近傍において吸収され、穿刺針１５の近傍において光音響信号が発生する。そのような光音響信号に基づいて光音響画像を生成することで、光音響画像上で、穿刺針１５の位置などを確認することができる。特に、光照射部３２からレーザ光照射を行って生成した光音響画像（第１の光音響画像）と、穿刺針１５の発光部１６からレーザ光照射を行って生成した光音響画像（第２の光音響画像）とを重ねて表示することで、表示された光音響画像を観察しつつ穿刺針１５の穿刺を行う際に、光音響画像上で病変などの位置と穿刺針１５の位置関係を把握することができる。

続いて、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態では、被検体に対して複数の波長の光を照射し、各波長の光を照射したときの光音響信号を検出する。本実施形態では、複数の波長の光を照射したときの光音響信号を用い、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。

本実施形態では、レーザユニット１３（図１）は、相互に異なる複数の波長のレーザ光を出射可能に構成されている。レーザユニット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から被検体方向に出射する。また、レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、穿刺針１５の発光部１６から、被検体方向に出射する。以下の説明においては、主に、レーザユニット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出射可能であ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。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)の波長約７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長約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)の波長約７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長約８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも高い。この性質を利用し、波長約８００ｎｍで得られた光音響信号に対して、波長約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。

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、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングする。ＡＤ変換手段２２は、例えば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。

光音響信号のサンプリングは、レーザユニット１３が出射する光の波長の数だけ繰り返し行う。例えばまずレーザユニット１３から第１の波長の光を被検体に照射し、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サンプリングする。次いで、レーザユニット１３から第２の波長の光を被検体に照射し、第２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する。画像生成手段２３は、第１の波長の光に対応する光音響信号（第１の光音響信号）と、第２の波長の光に対応する光音響信号（第２の光音響信号）との相対的な信号強度の大小関係に基づいて、動脈と静脈とを区別可能な光音響信号を生成する。

図１１は、本実施形態における画像生成手段２３を示す。画像生成手段２３は、２波長データ複素数化手段２３１、光音響画像再構成手段２３２、２波長データ演算手段２３３、強度情報抽出手段２３４、検波・対数変換手段２３５、及び光音響画像構築手段２３６を有する。２波長データ複素数化手段２３１は、第１の光音響信号と第２の光音響信号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。以下では、２波長データ複素数化手段２３１が、第１の光音響信号を実部とし、第２の光音響信号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２３２は、２波長データ複素数化手段２３１から複素数データを入力し、光音響信号の再構成を行う。光音響画像再構成手段２３２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２３２は、再構成画像を示すフーリエ変換のデータを強度情報抽出手段２３４と２波長データ演算手段２３３とに入力する。

２波長データ演算手段２３３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、２波長データ演算手段２３３は、光音響画像再構成手段２３２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抽出する。２波長データ演算手段２３３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２３４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２３４は、光音響画像再構成手段２３２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２３４は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２を、強度情報として抽出する。検波・対数変換手段２３５は、強度情報抽出手段２３４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２３６は、２波長データ演算手段２３３から位相情報を入力し、検波・対数変換手段２３５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２３６は、入力された位相情報と強度情報とに基づいて、光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２３６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２３６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２３６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の光音響信号が第２の光音響信号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の光に対する吸収よりも波長７５６ｎｍの光に対する吸収の方が小さ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の光に対する吸収よりも波長７５６ｎｍの光に対する吸収の方が大き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。

上記した２つの波長の光に対応した光音響信号に基づく光音響画像の生成は、プローブ１１の光照射部３２（図２Ａ）からの光照射と、穿刺針１５の発光部１６（図１）からの光照射とのそれぞれに対して行う。例えば、被検体に向けてプローブ１１の光照射部３２から第１の波長の光と第２の波長の光とを順次に照射し、各波長に対応した光音響信号を検出して光音響画像（第１の光音響画像）を生成する。その後、被検体内に穿刺した穿刺針１５の発光部１６から第１の波長の光と第２の波長の光とを順次に出射し、各波長に対応した光音響信号を検出して光音響画像（第２の光音響画像）を生成する。第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成する点は、第１実施形態と同様でよい。

上記では、プローブ１１の光照射部３２からの光照射と、穿刺針１５の発光部１６からの光照射とのそれぞれから、第１の波長の光及び第２の波長の光を照射するものとしたが、これに代えて、穿刺針１５の発光部１６からは、単一の波長の光が出射されるようにしてもよい。被検体に対して単一の波長の光のみが照射された場合は、２波長データ複素数化手段２３１による複素数化、及び、２波長データ演算手段２３３による位相情報の抽出は不要である。単一の波長の光のみが照射された場合は、強度情報抽出手段２３４によって抽出される強度情報に基づいて、光音響画像を生成すればよい。

本実施形態では、レーザユニット１３から、相互に異なる複数の波長のレーザ光を被検体に照射する。複数の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。例えば動脈と静脈の区別が可能になるような波長の光を照射することで、穿刺針が進行する方向に存在する血管が、動脈であるか静脈であるかの判別が可能になり、穿刺をより安全に行うことができるようになる。

また、本実施形態では、２つの波長で得られた第１の光音響信号と、第２の光音響信号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２つの再構成画像を生成している。このようにする場合、再構成は一度で済むため、第１の光音響信号と第２の光音響信号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。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。図１１は、本発明の第３実施形態における画像生成手段２３ａを示す。画像生成手段２３ａは、図１０に示す第２実施形態における画像生成手段２３の構成に加えて、デコンボリューション手段２３７を有する。

デコンボリューション手段２３７は、光音響画像再構成手段２３２で再構成された光音響信号から、被検体に照射された光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形をデコンボリューションした信号を生成する。デコンボリューション手段２３７は、例えば複素数化されたデータにおける実部と虚部とのそれぞれに対して、光微分波形をデコンボリューションする処理を実行する。

２波長データ演算手段２３３は、光微分波形がデコンボリューションされた光音響信号から位相情報を生成する。また、強度情報抽出手段２３４は、光微分波形がデコンボリューションされた光音響信号から強度情報を抽出する。以降の処理は第２実施形態と同様である。なお、デコンボリューションに際して複数波長の光の照射は必須ではない。すなわち、単一波長の光を被検体に照射し、検出された光音響信号から光微分波形をデコンボリューションすることとしてもよい。

デコンボリューション手段２３７は、例えば離散フーリエ変換により、再構成された光音響信号を時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。また、光微分波形についても、離散フーリエ変換により時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。デコンボリューション手段２３７は、フーリエ変換された光微分波形の逆数を逆フィルタとして求め、フーリエ変換された周波数領域の光音響信号に逆フィルタを適用する。逆フィルタが適用されることで、周波数領域の信号において、光微分波形がデコンボリューションされる。その後、フーリエ逆変換により、逆フィルタが適用された光音響信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。

光微分波形のデコンボリューションについて説明する。光吸収体であるミクロ吸収粒子を考え、このミクロ吸収粒子がパルスレーザ光を吸収して圧力波（光音響圧力波）が生じることを考える。時刻をｔとして、位置ｒにあるあるミクロ吸収粒子から発生する光音響圧力波を、位置Ｒで観測した場合の圧力波形ｐ_{ｍｉｃｒｏ}（Ｒ，ｔ）は、[Phys. Rev. Lett. 86(2001)3550.]より、以下の球面波となる。
ここで、Ｉ（ｔ）は励起光の光強度の時間波形であり、係数ｋは、粒子が光を吸収して音響波を出力する際の変換係数であり、ｖ_ｓは被検体の音速である。また、位置ｒ、Ｒは、空間上の位置を示すベクトルである。ミクロ吸収粒子から発生する圧力は、上記式に示すように、光パルス微分波形に比例した球面波となる。

実際にイメージングする対象から得られる圧力波形は、よりマクロな吸収体のサイズを有しているため、上記のミクロ吸収波形を重ね合わせた波形になると考える（重ね合わせの原理）。ここで、マクロな光音響波を発する粒子の吸収分布をＡ（ｒ−Ｒ）とし、そのマクロな吸収体からの圧力の観測波形をｐ_{ｍａｃｒｏ}（Ｒ，ｔ）とする。観測位置Ｒでは、各時刻において、観測位置Ｒから半径ｖ_ｓｔに位置する吸収粒子からの光音響波が観測されることになるため、観測波形ｐ_{ｍａｃｒｏ}（Ｒ，ｔ）は、以下の圧力波形の式で示される。
上記式（１）からわかるように、観測波形は、光パルス微分のコンボリューション型を示す。観測波形から光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、吸収体分布が得られる。なお、上記では再構成後の光音響信号から光微分波形をデコンボリューションする例について説明しているが、これに代えて、再構成前の光音響信号から光微分波形をデコンボリューションするようにしてもよい。

本実施形態では、検出された光音響信号から被検体に照射された光の微分波形をデコンボリューションする。光微分波形をデコンボリューションすることで、光吸収体の分布を得ることができ、吸収分布画像を生成することができる。吸収分布画像を生成することで、血管をより明瞭に観察することができるようになる。その他の効果は、第２実施形態と同様である。

なお、上記各実施形態では光照射部３２からのレーザ光照射と穿刺針１５の発光部１６からのレーザ光照射とを別々に行うこととして説明したが、光照射部３２からのレーザ光照射と穿刺針１５の発光部１６からのレーザ光照射とを同時に行うこととしてもよい。その場合、プローブ１１は、光照射部３２から照射されたレーザ光に起因する光音響信号と、穿刺針１５の発光部１６から照射されたレーザ光に起因する光音響信号を、同時に（一度に）検出する。この場合、光音響画像の生成は１回で済むため、２つの光音響画像を生成して後で合成する（重ねる）場合に比して、短時間で画像表示を行うことができる。

また、第２実施形態では、第１の光音響信号と第２の光音響信号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の光音響信号と第２の光音響信号とを別々に再構成してもよい。また、再構成の手法は、フーリエ変換法には限定されない。さらに、上記第２実施形態においては、複素数化して位相情報を用いて第１の光音響信号と第２の光音響信号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、一方の波長に対応した再構成画像における信号強度と、他方の波長に対応した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２波長データ演算手段２３３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２３４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。

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：レーザユニット
１４：画像表示手段
１５：穿刺針
１６：発光部
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：画像生成手段
２４：制御手段
３１：光ファイバ
３２：光照射部
３３：超音波振動子
３４、３５：照明範囲
３６：病変
３７：血管
３８：穿刺ガイド
２３１：２波長データ複素数化手段
２３２：光音響画像再構成手段
２３４：２波長データ演算手段
２３５：強度情報抽出手段
２３６：検波・対数変換手段
２３７：光音響画像構築手段
２３８：デコンボリューション手段

Claims

光を出射する光源と、
前記光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
前記光を出射する発光部を有する穿刺針と、
被検体内の光吸収体が、前記光照射手段から照射された光及び前記発光部から出射した光を吸収することで発生する光音響信号を検出する超音波探触子と、
前記光音響信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段とを備えたことを特徴とする光音響画像生成装置。
前記穿刺針が、少なくともその先端部分に発光部を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響画像生成装置。
前記発光部が、前記穿刺針の先端方向に向かって厚みが減少するように形成された導光部材で構成されるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光音響画像生成装置。
前記穿刺針が、互いに離れた位置に配置される複数の発光部を有することを特徴とする請求項１から３何れかに記載の光音響画像生成装置。
前記複数の発光部のうちの少なくとも１つは、前記光を導光する光ファイバの中間地点でコアを露出させた部分で構成されることを特徴とする請求項４に記載の光音響画像生成装置。
前記光照射手段からの光照射と前記発光部からの光出射とを同時に行い、前記超音波探触子が、前記光照射手段から照射された光に起因する光音響信号と前記発光部から出射した光に起因する光音響信号とを同時に検出するものであることを特徴とする請求項１から５何れかに記載の光音響画像生成装置。
前記光照射手段からの光照射と前記発光部からの光出射とを別々に行い、前記画像生成手段が、前記光照射手段から照射された光に起因する光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成し、前記発光部から出射した光に起因する光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成し、前記第１の光音響画像と前記第２の光音響画像とを合成するものであることを特徴とする請求項１から５何れかに記載の光音響画像生成装置。
前記光源が、相互に異なる複数の波長の光を出射するものであることを特徴とする請求項１から７何れかに記載の光音響画像生成装置。
前記画像生成手段が、各波長の光が照射されたときに検出された光音響信号の信号強度の大小関係に基づいて光音響画像を生成するものであることを特徴とする請求項８に記載の光音響画像生成装置。
前記画像生成手段が、光音響信号から、被検体に照射された光の微分波形をデコンボリューションするデコンボリューション手段を有していることを特徴とする請求項１から９何れかに記載の光音響画像生成装置。
光音響画像生成装置を用いた光音響画像生成方法であって、
前記光音響画像生成装置が、光出射を指示する信号を出力することにより、光照射手段から被検体に向けて光を出射させるステップと、
前記光音響画像生成装置が、光出射を指示する信号を出力することにより、発光部を有する穿刺針の発光部から被検体に光を出射させるステップと、
前記光音響画像生成装置が、被検体内の光吸収体が、前記光照射手段から照射された光及び前記発光部から照射された光を吸収することで発生する光音響信号を検出するステップと、
前記光音響画像生成装置が、前記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を有することを特徴とする光音響画像生成方法。
前記光照射手段から光を出射させるステップと、前記発光部から光を出射させるステップとが同時に実施され、
前記光音響信号を検出するステップにおいて、前記光照射手段から出射した光に起因する光音響信号と前記発光部から出射した光に起因する光音響信号とが同時に検出されることを特徴とする請求項１１に記載の光音響画像生成方法。
前記光照射手段から光を出射させるステップと、前記発光部から光を出射させるステップとが別々に実施され、
前記光音響信号を検出するステップにおいて、前記光照射手段から出射した光に起因する光音響信号と前記発光部から出射した光に起因する光音響信号とが別々に検出され、
前記光音響画像生成装置は、前記光音響画像を生成するステップにおいて、前記光照射手段から出射した光に起因する光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成し、前記発光部から出射した光に起因する光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成し、前記第１の光音響画像と前記第２の光音響画像とを合成することを特徴とする請求項１１に記載の光音響画像生成方法。