JP6301487B2 - 光音響画像生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光音響画像生成装置に関し、更に詳しくは、被検体への光出射後に被検体内で生じた光音響波を検出し光音響画像を生成する光音響画像生成装置に関する。

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が用いられる。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。その反射超音波を超音波探触子によって受信し、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（光音響波）が発生する。この光音響波を超音波探触子などによって検出し、検出信号に基づいて光音響画像を構成することにより、光音響波に基づく生体内の可視化が可能である。

光音響イメージングに関し、特許文献１には、光音響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、細胞の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。

また、光音響イメージングと穿刺針との組み合わせが記載された別の文献として、特許文献２がある。特許文献２では、穿刺針は発光部を有する。レーザ光源から出射した光は例えば光ファイバなどを用いて穿刺針の発光部まで導光され、発光部から外部に出射する。穿刺針の発光部から出射した光を吸収することによって発生した光音響波を超音波探触子によって検出し、その検出信号に基づいて光音響画像を生成することで、穿刺針の位置の確認が可能となる。

ここで、腕神経叢ブロックの成功は神経の局在、針の位置、局所麻酔薬注入の適切な技法によるところが大きい。近年では、超音波画像を観察しながら穿刺針を穿刺し神経ブロック注射を実施しているが、超音波画像だけでは、穿刺針が視認しづらいという問題点がある。穿刺においては、針全体が見えることも大事であるが、気胸などを防ぐためには、針先端の位置を把握することが最も重要である。光音響イメージングにおいて、通常、被検体に対する光照射は被検体の表面から行われ、特に穿刺針の先端が深い位置（例えば、被検体表面から３ｃｍより深い位置）まで穿刺されると、被検体表面から照射された光が深い位置に穿刺された穿刺針まで十分に届かず、光音響画像で穿刺針の先端の位置を確認することが困難になる。

上記問題に対しては、特許文献３に記載された技術がある。特許文献３では、光源から出射した光を、光ファイバなどを用いて穿刺針の先端付近まで導光し、そこから穿刺針の光音響波発生部に光を照射する。このようにすることで、穿刺針が深い位置まで穿刺されたときでも、光音響画像を用いてその位置の確認が可能となる。

特開２００９−３１２６２号公報 特開２０１３−１３７１３号公報 国際公開第ＷＯ２０１４／１０９１４８号公報

特許文献３においては、穿刺針の先端に光音響波発生部を設けており、穿刺針の先端の一点で光音響波を発生させることができる。しかしながら、穿刺針の先端において発生した光音響波は、穿刺針の本体、及び周囲に存在する音響波の反射率が高い骨又は組織などで多重反射することがあり、そのような多重反射が光音響画像においてアーチファクトの原因となる（音のアーチファクト）。また、光音響波発生部に照射した光が、穿刺針の穿刺方向に存在する血管などに照射されると、その血管などにおいて光音響波が発生し、そのような光音響波もアーチファクトの原因となる（光のアーチファクト）。それらアーチファクトは、光音響画像を用いた穿刺針の位置確認の妨げとなる。上記の問題は、穿刺針以外の挿入物の位置を確認する場合にも同様に発生する。

本発明は、上記に鑑み、アーチファクトの影響を抑えて挿入物の位置確認が容易な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、少なくとも一部が被検体内に挿入される挿入物であって、光源から出射される光を導光する導光部材と、その導光部材により導光された光を出射する光出射部と、光出射部から出射される光に起因した光音響波を発生する光音響波発生部と、を有する挿入物と、挿入物から発せられる光音響波を検出する音響波検出手段と、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、光音響波の検出信号の強度に基づいて、画像の浅い側から先端候補領域を抽出する先端候補抽出手段と、抽出された先端候補領域を画像表示手段に表示させる画像出力手段とを備える光音響画像生成装置を提供する。

本発明の光音響画像生成装置では、先端候補抽出手段は、あらかじめ定められた数を上限に先端候補領域を抽出することが好ましい。

本発明の光音響画像生成装置は、光音響画像における、最も浅い部分に位置する先端候補領域以外の先端候補領域における光音響波の検出信号の強度を、最も浅い部分に位置する先端候補領域における光音響波の検出信号の強度に比べて相対的に抑制する補正手段を更に有することが好ましい。

補正手段は、抽出された先端候補領域のうちで最も浅い部分に位置する先端候補領域を基準として、その基準となる先端候補領域との間の深さ方向の距離に応じた係数で先端候補領域のそれぞれにおける光音響波の検出信号の強度を補正してもよい。

補正手段は、最も浅い部分に位置する先端候補領域を、残りの先端候補領域に対して相対的に強調させることが好ましい。

上記の距離は、基準となる先端候補領域の重心位置と、残りの各先端候補領域の重心位置の間の深さ方向の距離で定義されていてもよい。

上記の係数は、上記距離が０のときが最大で、長くなるほど値が小さくなることが好ましい。

先端候補抽出手段は、光音響波の検出信号の強度がしきい値以上の領域を先端候補領域として抽出してもよい。

先端候補抽出手段は、光音響波の検出信号の強度に加えて、光音響波の検出信号の強度がしきい値以上の領域の面積に基づいて先端候補領域を抽出してもよい。

画像出力手段は、光音響画像のうちで抽出された先端候補領域以外の領域をマスクしてもよい。

先端候補抽出手段は、光音響波の検出信号に平滑化処理を行った後に先端候補領域を抽出することが好ましい。

挿入物は、開口を有し内部に内腔を有していてもよい。

光音響波発生部は、光出射部から出射される光を吸収して光音響波を発生する光吸収部材を含んでいてもよい。

挿入物は被検体に穿刺される針であってよい。

光出射部は、導光部材により導光された光の少なくとも一部を、内腔の内壁に向けて出射してもよい。

音響波検出手段は、被検体に向けて送信された音響波に対する反射音響波を更に検出してもよい。その場合、本発明の光音響画像生成装置は、反射音響波に基づいて反射音響波画像を生成する反射音響波画像生成手段を更に有していてもよい。

画像出力手段は、抽出された先端候補領域を反射音響波画像に重ねて画像表示手段に表示させてもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、アーチファクトの影響を抑え、穿刺針の位置確認が容易となる。

本発明の第１実施形態に係る光音響画像生成装置を示すブロック図。 穿刺針を示す断面図。 動作手順を示すフローチャート。 先端候補抽出処理の手順を示すフローチャート。 検波・対数変換後の光音響信号を画像として示す図。 平滑化処理を施した画像を示す図。 ２値化画像を示す図。 抽出された先端候補領域の画像を示す図。 本発明の第２実施形態に係る光音響画像生成装置を示すブロック図。 先端候補領域を模式的に示す図。 係数の具体例を示すグラフ。 深さに応じた画素値の補正の手順を示すフローチャート。 補正後の光音響画像を示す図。 補正後の光音響画像を示す図。 変形例の穿刺針の先端付近を示す断面図。 光音響画像生成装置の外観を示す図。

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実施形態に係る光音響画像生成装置を示す。光音響画像生成装置１０は、プローブ（超音波探触子）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、及び穿刺針１５を含む。なお、本発明の実施形態では、音響波として超音波を用いるが、超音波に限定されるものでは無く、被検対象や測定条件等に応じて適切な周波数を選択してさえいれば、可聴周波数の音響波を用いても良い。

レーザユニット１３は光源である。レーザユニット１３から出射した光は、例えば光ファイバ１６などの導光手段を用いて挿入物である穿刺針１５まで導光される。レーザユニット１３は、例えばレーザダイオード光源（半導体レーザ光源）である。あるいは、レーザダイオード光源を種光源とする光増幅型レーザ光源であってもよい。光源のタイプは特に限定されず、レーザユニット１３が、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）やアレキサンドライトなどを用いた固体レーザ光源であってもよい。レーザ光源以外の光源を用いてもよい。

穿刺針１５は、被検体に穿刺される針である。図２は、穿刺針１５の断面を示す。穿刺針１５は、鋭角に形成された先端に開口を有し内部に内腔を有する中空形状の穿刺針本体１５１と、レーザユニット１３から出射される光を穿刺針の開口の近傍に導光する導光部材１５５と、導光部材１５５から出射したレーザ光を吸収して光音響波を発生する光吸収部材１５７とを含む。

導光部材１５５及び光吸収部材１５７は、穿刺針本体１５１の内部に配置される。導光部材１５５は、例えば穿刺針１５の基端部に設けられた光コネクタにより光ファイバ１６（図１を参照）に接続される。導光部材１５５は、例えば光ファイバで構成されており、その光ファイバのレーザユニット１３から見て光進行側の端面が光出射部を構成する。光出射部からは、例えば０．２ｍＪのレーザ光が出射する。光コネクタを設けるのに代えて、光ファイバ１６をチューブ１５８の内部に挿通し、光ファイバ１６そのものを導光部材１５５として用いてもよい。

光吸収部材１５７は、導光部材１５５の光出射部から出射した光が照射される位置に設けられる。光吸収部材１５７は、穿刺針１５の先端近傍かつ穿刺針本体１５１の内壁に設けられる。光吸収部材１５７は、光出射部から出射される光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部である。光吸収部材１５７は、例えば黒顔料を混合したエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、フッ素樹脂やシリコーンゴム、レーザ光の波長に対して光吸収性が高い例えば黒色の塗料から成る。なお、図２では、導光部材１５５よりも光吸収部材１５７の方が大きく描かれているが、これには限定されず、光吸収部材１５７は、導光部材１５５の径と同程度の大きさであってもよい。

光吸収部材１５７は、上記したものには限定されず、レーザ光の波長に対して光吸収性を有する金属膜又は酸化物の膜を、光吸収部材１５７としてもよい。例えば光吸収部材１５７として、レーザ光の波長に対して光吸収性が高い酸化鉄や、酸化クロム、酸化マンガンなどの酸化物の膜を用いることができる。あるいは、光吸収性は酸化物よりも低いが生体適合性が高いＴｉやＰｔなどの金属膜を光吸収部材１５７として用いてもよい。また、光吸収部材１５７が設けられる位置は穿刺針本体１５１の内壁には限定されない。例えば、光吸収部材１５７である金属膜又は酸化物の膜を、蒸着などにより導光部材１５５の光出射面上に例えば１００ｎｍ程度の膜厚で製膜し、酸化物の膜が光出射面を覆うこととしてもよい。この場合、導光部材１５５の光出射面から出射した光の少なくとも一部は、光出射面を覆う金属膜又は酸化物の膜で吸収され、金属膜又は酸化物の膜から光音響波が生じる。

なお、穿刺針１５の先端近傍とは、その位置に導光部材１５５の光出射面及び光吸収部材１５７が配置された場合に、穿刺作業に必要な精度で穿刺針１５の先端の位置を画像化できる光音響波を発生可能な位置であることを意味する。例えば、穿刺針１５の先端から基端側へ０ｍｍ〜３ｍｍの範囲内のことを指す。以降の実施の形態においても、先端近傍とは同様の意味とする。

図１に戻り、プローブ１１は、音響波検出手段であり、例えば一次元的に配列された複数の検出器素子（超音波振動子）を有している。プローブ１１は、被検体に穿刺針１５が穿刺された後に、光吸収部材１５７（図２を参照）から発生された光音響波を検出する。プローブ１１は、光音響波の検出に加えて、被検体に対する音響波（超音波）の送信、及び送信した超音波に対する反射音響波（反射超音波）の受信を行う。音波の送受信は分離した位置で行ってもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。プローブ１１は、リニアプローブに限定されず、コンベクスプローブ、又はセクタープローブでもよい。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、受信メモリ２２、データ分離手段２３、光音響画像生成手段２４、超音波画像生成手段２５、画像出力手段２６、送信制御回路２７、制御手段２８、及び先端候補抽出手段２９を有する。超音波ユニット１２は、信号処理装置を構成する。

受信回路２１は、プローブ１１が出力する検出信号を受信し、受信した検出信号を受信メモリ２２に格納する。受信回路２１は、典型的には、低ノイズアンプ、可変ゲインアンプ、ローパスフィルタ、及びＡＤ変換器（Analog to Digital convertor）を含む。プローブ１１の検出信号は、低ノイズアンプで増幅された後に、可変ゲインアンプで深度に応じたゲイン調整がなされ、ローパスフィルタで高周波成分がカットされた後にＡＤ変換器でデジタル信号に格納され、受信メモリ２２に格納される。受信回路２１は、例えば１つのＩＣ（Integral Circuit）で構成される。

プローブ１１は、光音響波の検出信号（光音響信号とも呼ぶ）と反射超音波の検出信号（反射超音波信号とも呼ぶ）とを出力し、受信メモリ２２には、ＡＤ変換された光音響信号及び反射超音波信号（それらのサンプリングデータ）が格納される。データ分離手段２３は、受信メモリ２２から光音響信号のサンプリングデータを読み出し、光音響画像生成手段２４に送信する。また、受信メモリ２２から反射超音信号のサンプリングデータを読み出し、超音波画像生成手段（反射音響波画像生成手段）２５に送信する。

光音響画像生成手段２４は、プローブ１１で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。超音波画像生成手段２５は、プローブ１１で検出された反射超音波信号に基づいて超音波画像（反射音響波画像）を生成する。超音波画像の生成も、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。

先端候補抽出手段２９は、光音響波の検出信号の強度に基づいて、画像の浅い側から先端候補領域を抽出する。光音響波の検出信号の強度は、光音響画像における画素値（階調値）に対応しており、以下では、先端候補抽出手段２９が、光音響画像の画素値に基づいて先端候補領域を抽出することとして説明する。先端候補抽出手段２９は、例えばあらかじめ定められた数を上限に先端候補領域を抽出する。光音響画像において、穿刺針１５の先端は、画素値が大きい（検出された光音響波が強い）部分に存在する。先端候補抽出手段２９は、光音響画像の画素値がしきい値以上の領域を先端候補領域として抽出することが好ましい。

ここで、光音響画像生成における再構成後の光音響信号は光音響画像とみなすことができる。先端候補抽出手段２９は、画像生成段階のどの画像（信号）から先端候補領域を抽出してもよい。具体的には、再構成後の光音響信号から先端候補領域を抽出してもよいし、検波・対数変換後の光音響信号から先端候補領域を抽出してもよい。あるいは、検波・対数変換後の光音響信号を、ルックアップテーブルなどを用いて表示階調に変換した画像から先端候補領域を抽出してもよい。処理のしやすさの観点からは、検波・対数変換後の光音響信号を先端候補抽出の処理対象とすることが好ましい。

画像出力手段２６は、抽出された先端候補領域をディスプレイ装置などの画像表示手段１４に出力する。その際、画像出力手段２６は、超音波画像に先端候補領域を重ねて画像表示手段１４に出力することが好ましい。画像出力手段２６が、光音響画像のうちで抽出された先端候補領域の部分の画像を画像表示手段１４に出力してもよい。別の言い方をすれば、画像出力手段２６は、光音響画像のうちで抽出された先端候補領域以外の領域をマスクしてもよい。

制御手段２８は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御手段２８は、例えば光音響画像を取得する場合は、レーザユニット１３にトリガ信号を送信し、レーザユニット１３からレーザ光を出射させる。また、レーザ光の出射に合わせて、受信回路２１にサンプリングトリガ信号を送信し、例えば光音響波のサンプリング開始タイミングなどを制御する。光音響波を検出するエリアは複数のエリアに分割されていてもよい。その場合、被検体に対する光出射と光音響波の検出は、エリアごとに行う。

制御手段２８は、超音波画像を取得する場合は、送信制御回路２７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信する。送信制御回路２７は、超音波送信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、例えば音響ラインを一ラインずつずらしながら走査して反射超音波の検出を行う。制御手段２８は、超音波送信のタイミングに合わせて受信回路２１にサンプリングトリガ信号を送信し、反射超音波のサンプリングを開始させる。

図３は、動作手順を示す。医師などにより、穿刺針１５が被検体に穿刺される（ステップＡ１）。穿刺針１５の穿刺後、制御手段２８は、送信制御回路２７に超音波トリガ信号を送る。送信制御回路２７は、それに応答してプローブ１１から超音波を送信させる（ステップＡ２）。プローブ１１は、超音波の送信後、反射超音波を検出する（ステップＡ３）。なお、超音波の送受信は分離した位置で行ってもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。

プローブ１１が出力する反射超音波信号は、受信回路２１を介して受信メモリ２２に格納される。データ分離手段２３は、受信メモリ２２に格納された反射超音波信号を超音波画像生成手段２５に送信する。超音波画像生成手段２５は、反射超音波信号に基づいて超音波画像を生成する（ステップＡ４）。

超音波ユニット１２の制御手段２８は、レーザユニット１３にトリガ信号を送る。レーザユニット１３は、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（ステップＡ５）。レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、導光部材１５５（図２を参照）によって穿刺針１５の先端の近傍まで導光され、光吸収部材１５７に照射される。

プローブ１１は、レーザ光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出する（ステップＡ６）。受信回路２１は、プローブ１１から光音響信号を受信し、光音響信号のサンプリングデータを受信メモリ２２に格納する。ここで、光音響波はその発生位置である穿刺針１５の先端近傍からプローブ１１までの片道を伝播するのに対し、プローブ１１から送信された反射超音波はプローブ１１と超音波反射位置との間を往復して伝播する。従って、反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響波の検出に比して２倍の時間がかかる。このため、反射超音波サンプリング時のＡＤ変換器のサンプリングクロックは、光音響波サンプリング時の半分としてもよい。

データ分離手段２３は、受信メモリ２２に格納された光音響信号を光音響画像生成手段２４に送信する。光音響画像生成手段２４は、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する（ステップＡ７）。先端候補抽出手段２９は、光音響画像から穿刺針１５の先端候補となる領域を抽出する（ステップＡ８）。画像出力手段２６は、ステップＡ７で生成された光音響画像のうちのステップＡ８で抽出された先端候補領域以外の領域をマスクした画像を、ステップＡ４で生成された超音波画像に重ねた画像を画像表示手段１４に表示させる（ステップＡ９）。

図４は、先端候補抽出処理の手順を示す。ここでは、検波・対数変換後の光音響信号に基づいて先端候補領域を抽出するものとして説明する。先端候補抽出手段２９は、検波・対数変換後の光音響信号（光音響画像）に対して平滑化処理を行う（ステップＢ１）。平滑化処理には、例えばガウシアンフィルタによりフィルタ処理を用いることができる。ガウシアンフィルタのフィルタサイズは、穿刺針１５の先端部分の大きさより小さいことが好ましい。

先端候補抽出手段２９は、平滑化処理後の光音響信号を２値化する（ステップＢ２）。２値化により、光音響信号が、信号強度がしきい値以上の部分と、しきい値よりも小さい部分とに分けられる。２値化後、画素が連続する領域を、先端候補領域として抽出する（ステップＢ３）。このとき、先端候補抽出手段２９は、画素が連続する領域を、浅い側からあらかじめ定められた数だけ抽出してもよい。浅い側から先端候補領域を抽出していき、抽出した先端候補領域の数があらかじめ定められた数に到達したときは、先端候補領域の抽出を終了する。画素が連続する領域があらかじめ定められた数に満たないときは、その時点で領域抽出を終了すればよい。

図５Ａは、検波・対数変換後の光音響信号を画像として示したものであり、図５Ｂは、その画像に平滑化処理を施した画像である。図５Ｃは２値化画像であり、図５Ｄは抽出された先端候補領域の画像である。これら画像において、紙面上方が被検体の浅い側に対応しており、下に向かうほど深い部分となる。

図５Ａにおいて、検出される光音響信号が最も強い部分、つまり光音響画像の画素値が最も大きい部分は、穿刺針１５において光吸収部材１５７（図２を参照）が存在する位置に対応している。光吸収部材１５７が存在する位置のみにおいて光音響波が検出されることが理想的であるが、実際の検出信号には、図５Ａに示すようにノイズ成分や偽信号が含まれる。この偽信号がアーチファクトの原因となる。図５Ａを参照すると、特に光音響画像の穿刺針１５の先端部分よりも深い部分に偽信号が存在する。

図５Ｂを参照すると、図５Ａに示す光音響画像に対して平滑化処理を施すことで、ノイズ成分が除去される。図５Ｂに示す平滑化処理後の光音響画像に対して２値化処理を行い、光音響信号の信号強度がしきい値以上の画素を白で表わし、しきい値よりも小さい画素を黒で表わす２値画像を生成すると、図５Ｃに示す画像が得られる。このような２値画像から、白画素が連続する領域を、画像の浅い側から先端候補領域として抽出する。図５Ｃでは、領域２０１、２０２、及び２０３が先端候補として抽出される。

図５Ｂに示す平滑化処理後の光音響画像のうち、抽出された先端候補領域以外の領域をマスクすると、図５Ｄに示す画像が得られる。画像表示手段１４には、例えば図５Ｄに示す画像が表示される。画像表示手段１４に、光音響画像のうち、先端候補領域に対応する部分のみを表示することで、光音響画像から余分な情報が削除され、医師などは、アーチファクトに惑わされず、穿刺針１５の位置を確認することができる。

ここで、穿刺針１５に光吸収部材１５７（図２を参照）を設け、その光吸収部材１５７に光を照射して光音響波を発生させる場合、光音響波の発生源は光吸収部材１５７が存在する位置のみである。しかしながら、実際には、光のアーチファクトや音のアーチファクトが生じ、あたかも複数の位置から光音響波が検出されたかのような光音響画像が生成される。

本発明者は、何れのアーチファクトも、実際の光音響波の発生源よりも深い位置に現れることを突き止め、アーチファクトを抑制するためには、画像の浅い側から先端候補領域を抽出すればよいことを思いついた。本実施形態では、先端候補抽出手段２９は、光音響画像の画素値に基づいて、光音響画像の浅い側から先端候補領域を抽出する。抽出された先端候補領域を表示することで、アーチファクトが抑えられ、穿刺針１５の位置確認が容易となる。

特に抽出する先端候補領域の数の上限を定めておき、浅い側からあらかじめ定められた数を上限に先端候補領域を抽出することで、深い位置にあるアーチファクトが先端候補領域として抽出されにくくなる。深い位置にあるアーチファクトの表示を抑制することで、穿刺針１５の位置確認が容易となる。

次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る光音響画像生成装置を示す。本実施形態に係る光音響画像生成装置１０ａは、超音波ユニット１２ａに補正手段３０が追加される点で、図１に示す第１実施形態に係る光音響画像生成装置１０と相違する。その他の点は、第１実施形態と同様でよい。

補正手段３０は、先端候補抽出手段２９から、抽出された先端候補領域に関する情報を受信する。補正手段３０は、受信した情報に基づいて、光音響画像を補正する。より詳細には、光音響画像における、最も浅い部分に位置する先端候補領域以外の先端候補領域を、最も浅い部分に位置する先端候補領域に比べて相対的に抑制する。補正手段３０は、光音響画像生成手段２４が生成した表示用の光音響画像を補正してもよいし、光音響画像の生成段階の光音響信号、具体的には再構成後の光音響信号又は検波・対数変換後の光音響信号を補正してもよい。

補正手段３０は、例えば抽出された先端候補領域のうちで最も浅い部分に位置する先端候補領域を除く先端候補領域については、最も浅い部分に位置する先端候補領域との間の深さ方向に応じた係数で先端候補領域のそれぞれにおける画素値を補正する。補正に用いられる係数は、距離が０のときが最大で、長くなるほど値が小さくなる。このような係数を乗じることで、光音響画像において、最も浅い部分に位置する先端候補領域を、残りの先端候補領域に対して相対的に強調させることができる。

図７は、図５Ｃに示す先端候補領域を模式的に示す。図５Ｃにおいて、抽出された３つの先端候補領域のうち、先端候補領域２０１が最も浅い位置に存在する。補正手段３０は、先端候補領域２０１を基準とし、残りの先端候補領域２０２及び２０３との間の深さ方向の距離を求める。図７を参照すると、先端候補領域２０１と先端候補領域２０２との深さ方向の距離はｄ１であり、先端候補領域２０１と先端候補領域２０３との深さ方向の距離はｄ２である。先端候補領域間の距離は、各領域の重心位置間の距離として定義できる。

図８は、係数の具体例を示す。図８に示すグラフの横軸は深さ方向の距離であり、縦軸は係数である。係数は、距離ｄの関数でありｆ（ｄ）で表わされる。係数ｆ（ｄ）は、距離ｄに対して単調に減少する関数である。ｆ（ｄ）は、距離ｄが０のときが最大で、距離ｄがある程度長くなった地点から、距離ｄが長くなるにつれて値が小さくなっていく。例えば、距離ｄが１ｃｍのとき、ｆ（ｄ）の値はその最大値の半分程度でよい。ｆ（ｄ）は、距離ｄに対して一次関数的に減少するものであってもよいし、二次関数的に減少するものであってもよい。あるいは、ステップ状に減少するものであってもよい。

図９は、深さに応じた画素値の補正の手順を示す。同図に示す処理は、図３のステップＡ８の後に実施される。補正手段３０は、先端候補抽出手段２９にて抽出された先端候補領域のうち、最も浅い部分に位置する先端候補領域と、残りの先端候補領域のそれぞれとの深さ方向の距離を計算する（ステップＣ１）。ステップＣ１では、例えば図７に示す先端候補領域２０１と先端候補領域２０２との間の距離ｄ１、及び先端候補領域２０１と先端候補領域２０３との距離ｄ２が計算される。補正手段３０は、先端候補領域の画素値を、ステップＣ１で計算された深さに応じて抑制する（ステップＣ２）。

例えば、補正手段３０が、検波・対数変換後の光音響信号を補正するものであるとする。先端候補領域２０１に属する画素の光音響信号をＩ_Ｎとし、先端候補領域２０２に属する画素の光音響信号をＩ_Ａ１とし、先端候補領域２０３に属する画素の光音響信号をＩ_Ａ２とする。この場合、補正手段３０は、先端候補領域２０１については光音響信号Ｉ_Ｎを補正せずにそのままとする。補正手段３０は、先端候補領域２０２については、光音響信号Ｉ_Ａ１に深さに応じた係数ｆ（ｄ）を乗じてｆ（ｄ１）×Ｉ_Ａ１に補正する。先端候補領域２０３については、光音響信号Ｉ_Ａ２に深さに応じた係数ｆ（ｄ２）を乗じてｆ（ｄ２）×Ｉ_Ａ２に補正する。補正後の光音響信号は光音響画像生成手段２４に戻され、ルックアップテーブルなどを用いて表示階調に変換される。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、補正後の光音響画像を示す。図１０Ａは、補正手段３０によって補正された光音響信号を画像化したものであり、図１０Ｂは、補正された光音響信号を表示階調に変換した光音響画像を示す。係数ｆ（ｄ）は単調減少関数であるため、より深い位置にある先端候補領域が抑制され、最も浅い部分にある先端候補領域が相対的に強調される。補正手段３０が深さに応じて画素値（信号強度）を抑制することで、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、補正前の画像（図５Ｄを参照）に比べて、アーチファクトが抑制される。特に、図１０Ｂに、ルックアップテーブルなどを用いて表示階調に変換された画像においては、アーチファクトがほとんど視認できなくなっている。

本実施形態では、補正手段３０により、抽出された先端候補領域のうち、最も浅い部分にある先端候補領域以外の先端候補領域の画素値を深さに応じて抑制する。穿刺針１５に光吸収部材１５７（図２を参照）を設け、その光吸収部材１５７に光を照射して光音響波を発生させる場合、アーチファクトは光吸収部材１５７よりも深い位置に現れる。光音響画像では、最も浅い部分にある先端候補領域が光吸収部材１５７において光音響波が発生した領域に対応していると考えられ、それよりも深い部分にある先端候補領域はアーチファクトであると考えられる。相対的に最も浅い部分にある先端候補領域を強調することで、穿刺針１５の位置確認が容易となる。仮に、光吸収部材１５７において光音響波が発生した領域よりも浅い領域に光音響信号が強い部分があったとしても、その部分と光吸収部材１５７において光音響波が発生した領域との深さ方向の距離は長くないと考えられ、光吸収部材１５７において光音響波が発生した領域が光音響画像において視認できなくなることはないと考えられる。

なお、上記各実施形態では、先端候補抽出手段２９が、光音響画像の画素値（光音響信号の信号強度）に基づいて先端候補領域を抽出することを説明したが、先端候補抽出手段２９は、画素値に加えて、画素値がしきい値以上の領域の面積に基づいて先端候補領域を抽出してもよい。例えば、穿刺針の先端らしさを示す評価関数として、画素値と、画素値がしきい値以上の領域の面積とを変数とする関数を用意し、その評価関数を用いて先端候補領域を抽出してもよい。評価関数は、例えば、画素値が高くかつ面積が広い領域ほど大きな値を返し、画素値が低くかつ面積が狭いほど小さな値を返す。この場合、先端候補抽出手段２９は、評価値がしきい値以上の領域を先端候補領域として抽出すればよい。

穿刺針については、穿刺針まで導光された光に起因して光音響波を発生するものであればよく、図２に示したものには限定されない。図１１は、変形例の穿刺針の先端付近の断面を示す。この変形例の穿刺針１５ａは、外針を構成する穿刺針本体１５１とその内部に挿入された内針１５２とを有する。内針１５２は、導光部材１５５、光吸収部材１５７、チューブ１５８、及び透明樹脂１５９を含む。チューブ１５８は、例えばポリイミドから成る中空の管である。チューブ１５８は、ステンレスなどの金属の管であってもよい。チューブ１５８の外径は、穿刺針本体１５１の内腔の直径よりもわずかに小さい。透明樹脂１５９は、チューブ１５８の管内に配置される。透明樹脂１５９には、例えばエポキシ樹脂（接着剤）が用いられる。チューブ１５８及び透明樹脂１５９は、鋭角に形成された穿刺針先端と同様に、鋭角にカットされている。透明樹脂１５９は、チューブ１５８の少なくとも先端部分を塞げばよく、必ずしもチューブ１５８の内部の全体を塞いでいる必要はない。透明樹脂１５９には、光硬化型、熱硬化型、又は常温硬化型のものを用いることができる。

光ファイバ１６（図１を参照）により導光された光は、例えば内針の基端部に設けられた光コネクタから内針１５２内の導光部材１５５に入射する。内針の基端部に光コネクタを設けるのに代えて、光ファイバ１６をチューブ１５８の内部に挿通し、光ファイバ１６そのものを導光部材１５５として用いてもよい。導光部材１５５は、レーザユニット１３から出射される光を穿刺針の開口の近傍に導光する。導光部材１５５により導光された光は、開口の近傍に設けられた光出射部１５６から出射する。導光部材１５５は、例えば光ファイバで構成されており、その光ファイバのレーザユニット１３から見て光進行側の端面が光出射部１５６を構成する。光出射部１５６からは、例えば０．２ｍＪのレーザ光が出射する。

導光部材１５５は、透明樹脂１５９によりチューブ１５８の中に埋め込まれる。チューブ１５８の先端には、光音響波発生部である光吸収部材１５７が配置されており、光出射部１５６から出射した光は光吸収部材１５７に照射される。光吸収部材１５７が照射された光を吸収することで、穿刺針の先端において光音響波が発生する。光吸収部材１５７は穿刺針１５ａの先端に存在しており、穿刺針１５ａの先端の一点で光音響波を発生させることができる。光音響波の発生源（音源）の長さは、穿刺針全体の長さに比べて十分に短く、音源は点音源とみなすことができる。光吸収部材１５７には、例えば黒顔料を混合したエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、フッ素樹脂やシリコーンゴムなどを用いることができる。あるいは、光吸収部材１５７に、レーザ光の波長に対して光吸収性を有する金属又は酸化物を用いてもよい。例えば光吸収部材１５７として、レーザ光の波長に対して光吸収性が高い酸化鉄や、酸化クロム、酸化マンガンなどの酸化物を用いることができる。あるいは、ＴｉやＰｔなどの金属を光吸収部材１５７として用いてもよい。

上記の内針１５２は、以下の手順で作製できる。まず、チューブ１５８の管内に硬化前の透明樹脂１５９を注入する。次いで、導光部材１５５をチューブ１５８の内部に挿通し、光出射部１５６を構成する導光部材１５５の光出射端がチューブ１５８の先端の近傍に配置されるように位置決めする。この位置決めでは、例えば顕微鏡などを用いて導光部材１５５を観察し、光出射端がチューブ１５８の先端に配置されるように位置を調整するとよい。ここで、「近傍」とは、光出射部１５６がその位置に配置された場合に、先端に配置される光吸収部材１５７において穿刺作業に必要な精度で穿刺針の先端の位置を画像化できる光音響波を発生可能な位置をいうものである。例えば、穿刺針の先端から基端側へ０ｍｍ〜３ｍｍの範囲内となる。透明樹脂１５９は透明性を有しているため、調整の際に、導光部材１５５の光出射端の位置の確認が可能である。上記に代えて、先に導光部材１５５を挿通し、その後透明樹脂１５９を注入してもよい。

位置決め後、導光部材１５５がチューブ１５８の管内に挿通された状態で透明樹脂１５９を例えば熱硬化により硬化させる。その後、チューブ１５８及び透明樹脂１５９の先端を、穿刺針本体１５１の先端に適合した形状になるように鋭角に切断する。続いて、その切断面の少なくとも一部を覆うように、光吸収部材１５７を構成する光吸収性を有する樹脂を塗布し、その樹脂を例えば熱硬化により硬化させる。

上記では、導光部材１５５をチューブ１５８の内部に挿通して位置を調整し、透明樹脂を硬化させた後にチューブを鋭角に切断しているが、これには限定されない。先にチューブを鋭角に切断しておき、そのチューブに導光部材１５５を挿通して位置調整し、透明樹脂を硬化させてもよい。その場合、チューブにステンレスなどの金属管を用いてもよい。

上記変形例では、チューブ１５８の内部に透明樹脂１５９を用いて導光部材１５５を埋め込み、透明樹脂１５９の先端に光吸収部材１５７を配置する例を説明したが、これには限定されない。例えば光吸収部材１５７として光吸収性を有する膜を用い、導光部材１５５の光出射面である光出射部１５６を光吸収性を有する膜で覆い、その導光部材１５５を透明樹脂の中に埋め込むこととしてもよい。あるいは、導光部材１５５の光出射部１５６と、光吸収部材１５７との間に空隙を設け、光出射部１５６と光吸収部材１５７とが空気層を介して対向するようにしてもよい。

また、図１１に示す変形例では、内針１５２がチューブ１５８を有する例を説明したが、これには限定されない。例えば、光吸収性を有する材料、例えば黒色の樹脂で内針を構成し、その内部に導光部材１５５を埋め込んでもよい。この場合、内針、特にその先端部分は、導光部材１５５の光出射部１５６から出射した光を吸収して音響波を発生する光吸収部材１５７を兼ねる。また、導光部材１５５を樹脂の中に埋め込むことに代えて、穿刺針本体１５１の内径とほぼ同じ大きさの外径を有する導光部材１５５を用い、導光部材１５５自体を内針として用いてもよい。その場合、光吸収部材１５７として光吸収性を有する膜、例えば黒色のフッ素樹脂を用い、光出射部１５６を含む導光部材１５５の少なくとも一部を例えば黒色のフッ素樹脂で覆ってもよい。

光吸収部材１５７は必須ではない。例えば、導光部材１５５の光出射面から出射した光を穿刺針本体１５１に照射し、穿刺針本体１５１の光が照射された部分から光音響波を発生させるようにしてもよい。その場合、穿刺針本体１５１の光が照射された部分が光音響波発生部を構成する。例えば、穿刺針本体１５１の先端近傍の内壁に光を照射し、穿刺針の先端近傍において光音響波を発生させてもよい。

穿刺針は、経皮的に被検体外部から被検体に穿刺されるものには限定されず、超音波内視鏡用の針であってもよい。超音波内視鏡用の針に導光部材１５５と光吸収部材１５７とを設け、針先端部分に設けられた光吸収部材１５７に対して光を照射し、光音響波を検出して光音響画像を生成してもよい。その場合、光音響画像を観察して超音波内視鏡用の針の先端部の位置を確認しながら穿刺することができる。超音波内視鏡用の針の先端部で発生した光音響波は、体表用プローブを用いて検出してもよいし、内視鏡に組み込まれたプローブを用いて検出してもよい。

上記実施形態では、挿入物として穿刺針１５を考えたが、これには限定されない。挿入物は、内部にラジオ波焼灼術に用いられる電極を収容するラジオ波焼灼用針であってもよいし、血管内に挿入されるカテーテルであってもよいし、血管内に挿入されるカテーテルのガイドワイヤであってもよい。あるいは、レーザ治療用の光ファイバであってもよい。

上記各実施形態では、針として先端に開口を有する針を想定したが、開口は必ずしも先端部分に設けられている必要はない。針は、注射針のような針には限定されず、生体検査に用いられる生検針であってよい。すなわち、生体の検査対象物に穿刺して検査対象物中の生検部位の組織を採取可能な生検針であってもよい。その場合には、生検部位の組織を吸引して採取するための採取部（吸入口）において光音響波を発生させればよい。

図１では、穿刺針１５が１つのみ描かれているが、光音響画像で画像化する挿入物は１つには限定されない。挿入物と、それに対応したレーザユニットとの組を複数用意し、挿入物ごとに光音響画像を生成して各挿入物の位置を光音響画像により確認可能としてもよい。画像表示に際しては、挿入物ごとに光音響画像の色を変えて超音波画像と重ねることとしてもよい。その場合、画像において複数の挿入物の区別が可能となる。

最後に、図１２に、光音響画像生成装置の外観を示す。超音波ユニット１２にはプローブ１１が接続される。超音波ユニット１２は、画像表示手段１４を含む一体型の装置として構成されている。超音波ユニット１２は、典型的にはプロセッサ、メモリ、及びバスなどを有する。超音波ユニット１２には、光音響画像生成に関するプログラムが組み込まれている。

超音波ユニット１２は、ＵＳＢポート４０を有する。レーザユニット１３の電源入力端子４１及びトリガ入力端子４２を含むＵＳＢコネクタは、ＵＳＢポート４０に挿し込まれる。レーザユニット１３を、カードサイズの小型・軽量な装置とした場合、ＵＳＢコネクタを超音波ユニット１２のＵＳＢポートに挿し込むことでその保持が可能である。ＵＳＢポート４０は、形状が通常のＵＳＢコネクタを差し込む形状であればよく、通常のＵＳＢ規格に則った信号を送受信するポートである必要はない。ＵＳＢポートに、デジタル信号ラインに代えてトリガ信号用の信号ラインを含ませてもよい。つまり、ＵＳＢポート４０を、電源２ライン及びトリガ用２ラインの計４端子コネクタとしたＵＳＢ型ポートとしても構わない。デジタル信号ラインに代えてトリガ用の信号ラインを用いることで、レーザユニット１３とトリガ同期が取り易くなる。

穿刺針１５の導光部材１５５（図２を参照）を構成する光ファイバの一端は、レーザユニット１３の光出力端子４７に接続される。光ファイバは、光出力端子４７に挿入され、ばね力などにより保持される。術者が穿刺針１５を引っ張るなどして光出力端子４７に強い力が働くと、光ファイバが光出力端子４７から抜け、光ファイバが折れることが防止できる。また、光出力端子４７に対して光ファイバを直接抜き差し可能とすることで、穿刺針１５から延びる光ファイバにはコネクタを設ける必要がなく、コストを低減できる効果がある。

レーザユニット１３から出力されるパルスレーザ光のパルスエネルギーは、導光部材１５５を構成する光ファイバのコア直径が２００μｍであれば、６．４μＪとすることができる。光ファイバのコア直径が１００μｍであれば、２．０μＪとすることができる。パルス時間幅については、８０ｎｓとすることができる。

なお、図１２においては、電源入力端子４１及びトリガ入力端子４２を含むＵＳＢコネクタが存在する面と対向する面に光出力端子４７が設けられているが、光出力端子４７は、ＵＳＢコネクタが存在する面と直交する面に設けられていることが好ましい。ＵＳＢコネクタと光出力端子４７とが互いに対向する面に設けられている場合、術者が穿刺針１５を動かしたときにレーザユニット１３が引っ張られると、ＵＳＢコネクタがＵＳＢポート４０から抜けることがある。これに対し、ＵＳＢコネクタと光出力端子４７とが互いに直交する面に設けられている場合、レーザユニット１３が引っ張られても、ＵＳＢコネクタがＵＳＢポート４０から抜けにくくなる。

図１２においては、ＵＳＢポート４０にレーザユニット１３が直接に接続されているが、これには限定されず、延長ケーブルなどを用いてＵＳＢポート４０とレーザユニット１３とを接続してもよい。トリガ入力端子４２は、ＵＳＢコネクタに含まれている必要はなく、レーザユニット１３は、ＵＳＢポート４０とは異なるコネクタ（端子）からトリガ信号を取得してもよい。例えば通常の超音波システムに附属しているＥＣＧ（心電図：Electrocardiogram）測定用のコネクタなどからトリガ信号を取得してもよい。あるいは、プローブのコネクタの一部の端子からトリガ信号を取得してもよい。

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。

Claims (16)

1. 少なくとも一部が被検体内に挿入される挿入物であって、光源から出射される光を導光する導光部材と、前記導光部材により導光された光を出射する光出射部と、前記光出射部から出射される光に起因した光音響波を発生する光音響波発生部と、を有する挿入物と、
   前記挿入物から発せられる光音響波を検出する音響波検出手段と、
   前記光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、
   前記光音響波の検出信号の強度に基づいて、浅い側から先端候補領域を抽出する先端候補抽出手段と、
   前記抽出された先端候補領域を画像表示手段に表示させる画像出力手段と、
   前記先端候補領域が複数抽出された場合、該抽出された複数の先端候補領域のうちで画像化した場合に最も浅い部分に位置する先端候補領域以外の先端候補領域における光音響波の検出信号の強度を、前記最も浅い部分に位置する先端候補領域における光音響波の検出信号の強度に比べて相対的に抑制する補正手段とを備えた光音響画像生成装置。
2. 前記先端候補抽出手段は、あらかじめ定められた数を上限に先端候補領域を抽出する請求項１に記載の光音響画像生成装置。
3. 前記補正手段は、前記抽出された先端候補領域のうちで最も浅い部分に位置する先端候補領域を基準として、該基準となる先端候補領域との間の深さ方向の距離に応じた係数で先端候補領域のそれぞれにおける光音響波の検出信号の強度を補正する請求項１または２に記載の光音響画像生成装置。
4. 前記補正手段は、前記最も浅い部分に位置する先端候補領域を、残りの先端候補領域に対して相対的に強調させる請求項３に記載の光音響画像生成装置。
5. 前記距離は、前記基準となる先端候補領域の重心位置と、残りの各先端候補領域の重心位置の間の深さ方向の距離で定義される請求項３又は４に記載の光音響画像生成装置。
6. 前記係数は、前記距離が０のときが最大で、長くなるほど値が小さくなる請求項３から５何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
7. 前記先端候補抽出手段は、前記光音響波の検出信号の強度がしきい値以上の領域を先端候補領域として抽出する請求項１から６何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
8. 前記先端候補抽出手段は、前記光音響波の検出信号の強度に加えて、前記光音響波の検出信号の強度がしきい値以上の領域の面積に基づいて先端候補領域を抽出する請求項１から７何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
9. 前記画像出力手段は、前記光音響画像のうちで前記抽出された先端候補領域以外の領域をマスクする請求項１から８何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
10. 前記先端候補抽出手段は、前記光音響波の検出信号に平滑化処理を行った後に前記先端候補領域を抽出する請求項１から９何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
11. 前記挿入物は、開口を有し内部に内腔を有する請求項１から１０何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
12. 前記光音響波発生部は、前記光出射部から出射される光を吸収して光音響波を発生する光吸収部材を含む請求項１から１１何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
13. 前記挿入物は被検体に穿刺される針である請求項１から１２何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
14. 前記光出射部は、前記導光部材により導光された光の少なくとも一部を、前記内腔の内壁に向けて出射する請求項１１に記載の光音響画像生成装置。
15. 前記音響波検出手段は、被検体に向けて送信された音響波に対する反射音響波を更に検出し、
    前記反射音響波に基づいて反射音響波画像を生成する反射音響波画像生成手段を更に有する請求項１から１４何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
16. 前記画像出力手段は、前記抽出された先端候補領域を前記反射音響波画像に重ねて前記画像表示手段に表示させる請求項１５に記載の光音響画像生成装置。

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