JP6374012B2 - 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。特許文献３には、穿刺針が外針と外針の内腔に挿入される内針とを含み、内針の内部に光ファイバが挿通され、かつ内針の先端部分に光音響波発生部が設けられることも記載されている。

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

しかし、特許文献３では、内針の中に光ファイバが含まれているため、麻酔薬などを注入するときに内針が外針から抜き取られると、光音響波発生部に対する光照射を行うことができなくなり、穿刺針の先端部分において光音響波を発生させることができなくなる。その結果として、光音響画像によって穿刺針の位置を確認することができなくなり、針先の視認性が通常の超音波画像における視認性と同程度に戻ることになる。

本発明は、上記に鑑み、穿刺針が外針と内針とを含み、内針が光ファイバを含む場合に、内針が外針から抜かれたときでも穿刺針の位置の確認が可能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、内腔を有する外針と、その外針の内腔に挿抜可能に挿入される内針とを有し、内針が、光源から導光された光を出射する光出射部と、光出射部から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを含む穿刺針と、光音響波発生部から発せられた光音響波を検出する音響波検出手段と、検出された光音響波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、光音響画像を画像表示手段に表示させる画像出力手段と、内針が外針から抜かれたことを検出する挿抜検出手段と、内針が抜かれたことが検出された場合に、画像表示を、内針が抜かれたことが検出される前の画像表示とは異なるものとする処理切替手段とを備えた光音響画像生成装置を提供する。

本発明において、穿刺針は、内針が外針に挿入された状態で被検体内に穿刺されることが好ましい。

処理切替手段は、内針が抜かれたことが検出される前と検出された後とで、画像表示手段に表示される光音響画像の表示色を異なるものとすることが好ましい。

本発明の光音響画像生成装置は、光音響画像に基づいて穿刺針における光音響波の発生源の位置を検出する光音響波発生源位置検出手段を更に備える構成とすることができる。その場合、画像出力手段は、画像表示手段に検出された先端の位置を示すマーカーを表示させてもよい。また、処理切替手段は、内針が抜かれたことが検出される前と検出された後とで、画像表示手段に表示されるマーカーの表示色を異なるものとしてもよい。

本発明の光音響画像生成装置において、音響波検出手段は、被検体内に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、光音響画像生成装置は、検出された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備える構成とすることができる。

画像出力手段は、内針が抜かれたことが検出されるまでは、反射音響波画像に光音響画像を重畳した画像を画像表示手段に表示させ、内針が抜かれたことが検出された後は反射音響波画像を画像表示手段に表示させてもよい。

また、画像出力手段は、内針が抜かれたことが検出された後は、反射音響波画像に、内針が抜かれたことが検出される前に生成された光音響画像を重畳した画像を画像表示手段に表示させることとしてもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、内針が抜かれたことが検出された後に、内針が抜かれたことが検出される前の時刻の反射音響波画像と現時刻の反射音響画像とに基づいて、穿刺針の動きを検出する動き検出手段を更に有する構成を採用できる。

上記において、動き検出手段は、内針が抜かれたことが検出される前の時刻の反射音響波画像における画素値の合計値と、現時刻の反射音響波画像における画素値の合計値との差に基づいて、穿刺針の針先の動きを検出することとしてもよい。

動き検出手段は、内針が抜かれたことが検出される前の時刻の反射音響波画像と現時刻の反射音響波画像とのそれぞれに、穿刺針の先端部分を強調する先端強調処理を行った後に画素値の合計値を求めてもよい。

動き検出手段は、光音響画像において光音響波発生部の位置を含む領域内の画素値の合計値を計算することが好ましい。

本発明の光音響画像生成装置は、動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上の場合に、ユーザに注意喚起を行う警告手段を更に備える構成とすることができる。

画像出力手段は、動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上のとき、光音響画像の表示色を、動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上となる前の表示色とは異なる表示色にしてもよい。

画像出力手段は、動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上になった後に、動きの量がしきい値よりも小さくなると、光音響画像の表示色を、動きの量がしきい値以上となる前の表示色に戻してもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、反射音響画像から穿刺針の先端候補を抽出する針先候補抽出手段を更に備える構成を採用できる。その場合、画像出力手段は、動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上の場合に、針先候補抽出手段が抽出した穿刺針の先端候補の位置を示すマーカーを画像表示手段に表示してもよい。

画像出力手段は、動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上になった後に検出される動きの量がしきい値よりも小さくなると、上記のマーカーの表示を停止してもよい。

針先候補抽出手段は、動き検出手段があらかじめ定められた量以上穿刺針が抜かれる方向に動いたことを検出した場合に、針先候補抽出処理を終了してもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、穿刺針が外針と内針とを含み、内針が光ファイバを含む場合に、内針が外針から抜かれたときでも穿刺針の位置の確認が可能である。

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。 レーザユニットの構成例を示すブロック図。 穿刺針の先端付近を示す断面図。 挿抜センサを示す図。 光音響画像生成装置の動作手順を示すフローチャート。 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。 表示画像例を示す図。 本発明の第３実施形態に係る光音響画像生成装置を示すブロック図。 内針が抜かれたことが検出された後の動作手順を示すフローチャート。 本発明の第４実施形態に係る光音響画像生成装置を示すブロック図。 先端強調フィルタの一例を示す図。 内針が抜かれたことが検出された後の動作手順を示すフローチャート。 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穿刺針１５まで導光される。レーザユニット１３は、例えば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る。光源のタイプは特に限定されず、レーザユニット１３が、レーザダイオード光源（半導体レーザ光源）であってもよいし、或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。レーザ光源以外の光源を用いてもよい。

図２は、レーザユニット１３の構成例を示す。レーザユニット１３は、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、及びＱスイッチ５５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。励起光源はフラッシュランプ５２には限定されず、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。

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。レーザユニット１３の出力側のミラー５４から出射したパルスレーザ光は、穿刺針まで導光される。

図１に戻り、穿刺針１５は、被検体に穿刺される針である。穿刺針１５は、外針と内針とを有する。外針は、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。内針は、外針の内腔とほぼ同じ大きさの外径を有しており、中空の外針に対して抜き差し可能に構成される。内針は、外針の基端部側から外針の内腔に挿入され、外針の内腔の少なくとも一部を、例えば生体の切片等が内腔に侵入するのを防ぐ程度に封止する。内針の基端部には、接続位置合わせのための突起部が設けられており、外針の基端部には、内針の基端部の突起部に係合する溝が設けられている。外針内に内針をセットする際は、内針の基端部の突起と外針の基端部の溝との位置を合わせた上で、内針の基端部を外針の基端部に嵌合させる。

医師などの術者は、外針内に内針がセットされた状態で、穿刺針１５を被検体へ穿刺する。外針の内腔が内針により塞がれるため、針を穿刺している途中に肉片などを巻き込むことを防止でき、術者の刺す感覚が妨げられることを防止できる。また、穿刺部位から外針の内腔への水分の流入も防止できる。術者は、被検体への穿刺後、内針の基端部と外針の基端部との接続を解除し、外針から内針を抜き取る。内針を抜き取った後、例えば、外針の基端部にシリンジなどを装着し、麻酔薬などの薬剤の注入を行う。

図３は、穿刺針１５の先端付近の断面を示す。穿刺針１５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１５の先端に存在しており、穿刺針１５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をいうものである。例えば、穿刺針１５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。

再び図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３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、挿抜検出手段３０、処理切替手段３１、画像記録手段３２、光源制御手段３３、及び記憶部３４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と反射超音波の検出信号とを出力し、受信メモリ２２には、ＡＤ変換された光音響波及び反射超音波の検出信号（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から光音響波の検出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から反射超音波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の検出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。

画像出力手段２６は、光音響画像と超音波画像とをディスプレイ装置などの画像表示手段１４に出力する。画像出力手段２６は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳して画像表示手段１４に出力する。

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。

挿抜検出手段３０は、穿刺針１５の内針が外針から抜かれたことを検出する。挿抜検出手段３０は、例えば時系列で生成される光音響画像の画素値のフレーム間の変化量に基づいて内針が外針から抜かれたか否かを判定する。例えば挿抜検出手段３０は、光音響画像における光吸収部材１５７（図３を参照）の位置に対応する画素のフレーム間の画素値の変化量を求める。挿抜検出手段３０は、変化量に基づいて内針が外針から抜かれたか否かを判定する。挿抜検出手段３０は、例えば画素値が急激に減少し、かつ画素値が減少した状態があらかじめ定められた時間（例えば１秒）以上継続するとき、内針が抜かれたと判定する。

挿抜検出手段３０は、光音響画像の複数の画素の画素値の合計値を求め、その合計値の変化量に基づいて内針が外針から抜かれたか否かを判定してもよい。例えば挿抜検出手段３０は、光音響画像における光吸収部材１５７の位置を含む領域内の画素の画素値の合計値を求め、その合計値のフレーム間の変化量を求める。挿抜検出手段３０は、例えば画素値の合計値が急激に減少し、かつ画素値の合計値が減少した状態があらかじめ定められた時間（例えば１秒）以上継続するとき、内針が抜かれたと判定してもよい。光音響画像の一部の領域ではなく全体の画素値の合計値を求め、その合計値の変化量に基づいて内針が抜かれたか否かを判定してもよい。

画像出力手段２６は、挿抜検出手段３０において内針が抜かれたことが検出されるまでは、超音波画像に光音響画像を重畳した画像を画像表示手段１４に出力し、内針が抜かれたことが検出された後は反射音響波画像を画像表示手段１４に出力する。画像出力手段２６は、内針が抜かれたことが検出された後は、反射音響波画像に、内針が抜かれたことが検出される前の時刻に生成された光音響画像を重畳した画像を画像表示手段１４に表示させてもよい。

処理切替手段３１は、挿抜検出手段３０において内針が抜かれたことが検出されると、画像表示手段１４に表示される画像表示を、内針が抜かれたことが検出される前の画像表示とは異なるものとする。処理切替手段３１は、例えば内針が抜かれたことが検出される前と検出された後とで、画像表示手段１４に表示される光音響画像の表示色を異なるものとする。

画像記録手段３２は、挿抜検出手段３０において内針が抜かれたことが検出されると、超音波画像を記憶部（記録媒体）３４に記録する。記憶部３４は、例えばハードディスク装置や半導体メモリなどの記録媒体である。画像記録手段３２は、例えば内針が抜かれたことが検出された時刻から、あらかじめ定められた時間の経過後に超音波画像の記録を開始する。このとき、画像出力手段２６は、内針が抜かれたことが検出された後、画像記録手段３２が超音波画像の記録を開始するまでの残り時間を画像表示手段１４に表示させてもよい。記憶部３４は、必ずしも超音波ユニット１２の内部に存在している必要はなく、超音波ユニット１２の外部に存在していてもよい。

光源制御手段３３は、挿抜検出手段３０において内針が抜かれたことが検出されると、例えば制御手段２８を介して、レーザユニット１３の光出射を抑制する。光出射の抑制には、光出射の停止の他に、光出射の繰り返し周期を長くすること、発光強度を低下させることなどが含まれる。光源制御手段３３は、例えばフラッシュランプ５２（図２を参照）の発光を抑制することで、レーザユニット１３の光出射を抑制する。フラッシュランプ５２の発光の抑制は、例えばフラッシュランプ５２を駆動する駆動回路の電源を切ることで実現できる。また、制御手段２８からフラッシュランプトリガ信号を出力させないこと、或いは制御手段２８が出力するフラッシュランプトリガ信号をマスクすることで実現できる。

上記に代えて、光源制御手段３３は、Ｑスイッチ５５の動作を抑制することで、レーザユニット１３の光出射を抑制してもよい。Ｑスイッチ５５の動作の抑制は、例えばＱスイッチ５５を駆動する駆動回路の電源を切ることで実現できる。また、制御手段２８からＱスイッチトリガ信号を出力させないこと、或いは制御手段２８が出力するＱスイッチトリガ信号をマスクすることで実現できる。レーザユニット１３が、レーザダイオード光源である場合、光源制御手段３３は、レーザダイオードの駆動を抑制することで、光源の光出射を抑制してもよい。光源制御手段３３は、内針が抜かれたことが検出された後に、内針が挿入されたことが検出されると、光源の発光の抑制を解除してもよい。

なお、上記では、挿抜検出手段３０が光音響画像に基づいて内針が外針から抜かれたか否かを判定するものとして説明したが、これには限定されない。例えば穿刺針１５に挿抜センサを設け、挿抜検出手段３０が、挿抜センサの検出信号に基づいて内針が外針から抜かれたか否かを判定してもよい。例えば、穿刺針１５の内針の基端部と外針の基端部との接続部分に、挿抜センサとして接触センサを設ける。接触センサは、内針の基端部と外針の基端部とが接触しているか否かに応じた信号を出力する。接触センサは、例えば内針の基端部と外針の基端部とが接触しているときに導通状態となり、接触していないときに非導通状態となる。この場合、挿抜検出手段３０は、接触センサの端子間が導通状態である非導通状態であるかにより、内針が外針から抜かれたか否かを判定することができる。

挿抜センサは接触センサには限定されない。例えば挿抜センサが内針の基端部に設けられた第１の電極と、外針の基端部に設けられた第２の電極とを含む構成としてもよい。第２の電極は、内針が外針に正しく挿入されると第１の電極と導通する。挿抜センサから、第１の電極と第２の電極とが導通しているか否かを示す信号を出力し、挿抜検出手段３０において、挿抜センサの検出信号に基づいて内針が抜かれたか否かを判定してもよい。

図４は、上記の挿抜センサを示す図である。図４のａは外針の基端部（外針基）１５４を示し、図４のｂは内針の基端部（内針基）１５３を示す。図４のｃは、内針１５２を外針を構成する穿刺針本体１５１の内腔に挿入した状態を示す。外針基１５４には、装着状態において内針基１５３と対向する面に、リング状の電極（第２の電極）１６０が設けられている（図４のａを参照）。一方、内針基１５３には、装着状態において外針基１５４と対向する面に、一対の電極１６１、１６２が第１の電極として設けられている（図４のｂを参照）。内針１５２を穿刺針本体１５１の内腔の挿入し、内針基１５３と外針基１５４とが接触すると、内針基１５３に設けられた一対の電極１６１、１６２と、外針基１５４に設けられた電極１６０とがそれぞれ導通する。例えば電極１６１と電極１６２とにそれぞれリード線を取り付け、一対の電極１６１、１６２を挿抜検出手段３０に接続する。穿刺針１５の外部において、一対のリード線と光ファイバ１６（図１を参照）とはシース内に一体で封入されていることが好ましい。挿抜検出手段３０が電極１６１と電極１６２との間が導通しているか否かを調べることで、内針が外針から抜かれたか否かの判定が可能となる。

続いて動作手順を説明する。図５は、光音響画像生成装置１０の動作手順を示す。光音響画像生成装置１０は、超音波画像を生成する（ステップＡ１）。このステップでは、制御手段２８は、送信制御回路２７に超音波トリガ信号を送信する。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。プローブ１１は、超音波の送信後、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で受信され、そのサンプリングデータが受信メモリ２２に格納される。超音波画像生成手段２５は、データ分離手段２３を介して反射超音波の検出信号のサンプリングデータを受信し、超音波画像を生成する。

光音響画像生成装置１０は、光音響画像を生成する（ステップＡ２）。このステップでは、制御手段２８は、レーザユニット１３にトリガ信号を送信する。トリガ信号には、例えばフラッシュランプトリガ信号とＱスイッチトリガ信号とが含まれる。レーザユニット１３では、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ５２（図２を参照）が点灯され、その後Ｑスイッチトリガ信号に応答してＱスイッチ５５が駆動されてパルスレーザ光が出射される。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３を参照）によって穿刺針１５の先端の近傍まで導光され、光出射部１５６から出射して、少なくともその一部が穿刺針１５の先端に配置された光吸収部材１５７に照射される。プローブ１１は、レーザ光の照射により発生した光音響波、すなわち光吸収部材１５７から発せられた光音響波を検出する。プローブが検出した光音響波は、受信回路２１で受信され、そのサンプリングデータが受信メモリ２２に格納される。光音響画像生成手段２４は、データ分離手段２３を介して光音響波の検出信号のサンプリングデータを受信し、光音響画像を生成する。

画像出力手段２６は、ステップＡ１で生成された超音波画像とステップＡ２で生成された光音響画像とを画像表示手段１４に表示させる（ステップＡ３）。画像出力手段２６は、例えば超音波画像に光音響画像を重畳した合成画像を生成し、その合成画像を画像表示手段１４に出力する。医師などは、合成画像を観察しながら穿刺針を所望の位置に穿刺する。

挿抜検出手段３０は、穿刺針１５の内針が外針から抜かれたか否かを判定する（ステップＡ４）。内針１５２（図３を参照）が外針（穿刺針本体）１５１から抜かれると、それに伴い導光部材１５５及び光吸収部材１５７も穿刺針本体１５１から抜かれるため、検出される光音響波のレベルが急激に減少すると考えられる。挿抜検出手段３０は、例えば光音響画像における画素値が急激に低下し、かつその状態が例えば１秒以上続いたときに、内針が外針から抜かれたと判定する。内針が外針から抜かれていないと判定されたときは、ステップＡ１に戻り、通常の処理を継続する。

医師などは、画像表示手段１４に表示された画像を観察し、穿刺針１５の先端が所望の位置に穿刺されたことを確認すると、内針を外針から抜き取り、麻酔薬などの液体を注入する準備を行う。画像記録手段３２は、ステップＡ４において内針が抜かれたことが検出されると、超音波画像の記録を開始する（ステップＡ５）。画像記録手段３２は、例えば内針が抜かれたことが検出された時刻からあらかじめ定められた時間の経過後に、超音波画像の記録を開始する。この時間は、例えば医師などがシリンジを接続するために必要な時間などを考慮して定めておくとよい。

画像出力手段２６は、超音波画像の記録が開始されると、記録中である旨を画像表示手段１４に表示させてもよい。光音響画像生成装置１０は、超音波画像の生成を引き続き実施する。医師などは、超音波画像の記録が開始された後に、麻酔薬などの注入を開始するとよい。

処理切替手段３１は、ステップＡ４において内針が抜かれたことが検出されると、超音波画像に重畳されて画像表示手段１４に表示される光音響画像の表示色を、内針が抜かれたことが検出される前の画像表示とは異なるものとする（ステップＡ６）。処理切替手段３１は、光音響画像全体のうち、穿刺針１５の先端が存在していた部分の近辺の領域、例えば穿刺針１５の先端が存在していた位置を中心とする半径２ｃｍの範囲の領域において、光音響画像の表示色を変化させてもよい。例えば、内針が抜かれたことが検出されるまでは、光音響画像を赤色で表示し、内針が抜かれたことが検出された後は、光音響画像を緑色で表示してもよい。

ステップＡ６において表示される光音響画像は、内針が抜かれたことが検出される前の時刻、特に内針が抜かれたことが検出された時刻の直前のものであることが好ましい。通常、薬剤注入は、穿刺針の位置を固定して行われるため、内針が抜かれる直前に生成された光音響画像は、薬剤が注入される位置を示すものとして有用である。このとき、表示色が変わっていることで、医師などは、表示される光音響画像が、リアルタイムのものではなく、過去において生成されたものであることを容易に認識できる。

光源制御手段３３は、ステップＡ４において内針が抜かれたことが検出されると、レーザユニット１３の光出射を抑制する（ステップＡ７）。光源制御手段３３は、例えば制御手段２８に対して、レーザユニット１３に対するトリガ信号の送信の停止を指示する。レーザユニット１３に対してトリガ信号が出力されないことで、レーザユニット１３の光出射が停止する。光出射を停止するのに代えて、レーザユニット１３がパルスレーザ光を出射するとき、そのパルス間隔を、内針が抜かれたことが検出される前のパルス間隔よりも長くしてもよい。あるいは、レーザユニット１３の出射光の強度（パワー）を、内針が抜かれることが検出される前の強度より低くしてもよい。

本実施形態では、処理切替手段３１は、内針が抜かれたことが検出されると、画像表示を内針が抜かれる前のものとは異なるものにする。内針が抜かれると、導光部材１５５及び光吸収部材１５７が穿刺針本体１５１から抜き取られるため、光音響画像によって穿刺針１５の先端位置を確認することができなくなる。内針が抜かれた後は、内針が抜かれる前の時刻に生成された光音響画像を表示することで、穿刺針１５の位置の確認が可能である。このとき、光音響画像の表示色を内針が抜かれたことが検出される前のものと変えることで、医師などは、表示されている光音響画像がリアルタイムのものでないことを容易に認識できる。

本実施形態では、画像記録手段３２は、内針が抜かれたことが検出されると、超音波画像の記録を開始する。特に麻酔薬の注入では、液の広がり方がブロック効果や処理関連の副作用へとつながるために、液が広がっていく様子を記録しておくことが重要である。本実施形態では、液注入は内針が抜かれた後に行われることに着目し、内針が抜かれたことが検出されると、超音波画像の記録を開始する。このようにすることで、液注入を行う医師自身が画像記録のための特別な操作をしなくても、超音波画像を記録することができる。

本実施形態では、光源制御手段３３は、内針が抜かれたことが検出されると、レーザユニット１３の光出射を抑制する。内針が抜かれた後は、光吸収部材１５７から発せられた光音響波をプローブ１１で検出できないため、レーザ光を出射する必要はなくなる。特に、ポータブル装置では、不要な光源駆動に伴う電力消費をできるだけ削減したいという要望がある。本実施形態では、内針が抜かれたことが検出されると光出射を抑制するため、無駄な電力消費を抑制することができる。本実施形態では、医師などは、レーザユニット１３の光出射を抑制するための操作を行う必要がないので、内針を抜いた後の液注入に専念することができる。

次いで、本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置を説明する。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内に光音響波の発生源の位置を検出する音源位置検出手段３５が追加されている点で、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。本実施形態では、画像表示手段１４に、音源位置検出手段３５が検出した光音響波の発生源の位置を表示する。その他の点は第１実施形態と同様でよい。

音源位置検出手段３５は、光音響画像生成手段２４により生成された光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出する。音源位置検出手段３５は、例えば光音響画像において最大の画素値を持つ画素の位置を光音響波の発生源の位置として検出する。光音響波の発生源の位置は、穿刺針１５の光吸収部材１５７（図３を参照）の位置に対応する。音源位置検出手段３５は、あらかじめ定められた深さ位置よりも深い位置において光音響波の発生源の位置を検出してもよい。音源位置検出手段３５は、例えば深さ位置が２ｍｍよりも浅い領域を除外し、深さ位置が２ｍｍ以上の領域において光音響波の発生源の位置を検出する。これは、そのような浅い領域に穿刺針１５が穿刺されることはないし、また、浅い位置ではアーチファクトの影響が大きく、光音響波の発生源の位置を正しく検出できないことがあると考えられるからである。

音源位置検出手段３５は、画像出力手段２６に、光音響波の発生源の位置を示す信号（情報）を送信する。画像出力手段２６は、光音響波の発生源の位置を示すマーカーを画像表示手段１４に表示させる。図７に表示画像例を示す。画像出力手段２６は、例えば超音波画像上に、光音響波の発生源の位置を示すマーカーＭを重ねて表示させる。画像出力手段２６は、超音波画像に光音響画像を重畳した合成画像上に、マーカーＭを重ねて表示してもよい。マーカーＭにより、穿刺針１５の先端位置の把握が容易となる。画像出力手段２６は、内針が抜かれたことが検出される前は超音波画像に光音響画像を重畳した合成画像上にマーカーＭを重ねて表示し、内針が抜かれたことが検出された後は、超音波画像上に内針が抜かれる直前の位置にマーカーＭを重ねてもよい。

処理切替手段３１は、内針が抜かれたことが検出される前と検出された後とで、画像表示手段１４に表示されるマーカーＭの表示色を異なるものとしてもよい。処理切替手段３１は、例えば内針が抜かれたことが検出される前はマーカーＭを赤色で表示させ、内針が抜かれたことが検出された後はマーカーＭを緑色で表示させてもよい。マーカーＭは、円形に限られず、任意の形状でよい。また、マーカーＭは、光音響波の発生源の位置、すなわち穿刺針１５の先端部分の位置を点で示すものには限定されない。例えば、検出された光音響波の発生源の位置を矩形で取り囲み、穿刺針の先端部分が存在する位置を領域で示してもよい。

本実施形態では、音源位置検出手段３５は、光音響画像に基づいて光音響波の発生源の位置を検出し、画像表示手段１４に、光音響波の発生源の位置を示すマーカーを表示する。医師などは、画像表示手段に表示されたマーカーを見ることで、穿刺針１５の先端の位置を把握できる。その他の効果は第１実施形態と同様である。

本実施形態において、音源位置検出手段３５は、挿抜検出手段３０に、光音響波の発生源の位置を示す信号（情報）を送信してもよい。挿抜検出手段３０は、音源位置検出手段３５から受信した情報を用いて、光音響波の発生源の位置の近辺の光音響画像の画素値に基づいて、内針が外針から抜かれたか否かを判定してもよい。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。図８は、本発明の第３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１０ｂは、超音波ユニット１２ｂ内に動き検出手段３６及び警告手段３７が追加されている点で、図１に示す第１実施形態に係る光音響画像生成装置１０とは異なる。その他の点は、第１実施形態と同様でよい。また、本実施形態に係る光音響画像生成装置１０ｂが、図６に示す第２実施形態に係る光音響画像生成装置１０ａと同様に、音源位置検出手段３５を有していてもよい。

動き検出手段３６は、穿刺針１５の動き、特に針先の動きを監視する。動き検出手段３６は、挿抜検出手段３０が内針が外針から抜かれたことを検出した後に、内針が抜かれたことが検出される前の時刻の超音波画像と現時刻の超音波画像とに基づいて、穿刺針１５の動きを検出する。内針が抜かれたことが検出される前の時刻の超音波画像は、内針が抜かれたことが検出される直前の時刻の超音波画像であることが好ましい。動き検出手段３６は、例えば内針が抜かれたことが検出される直前の時刻に生成された超音波画像における画素値の合計値と、現時刻の超音波画像における画素値の合計値との差に基づいて、穿刺針１５の針先の動きを検出する。動き検出手段３６は、例えば光音響画像において光音響波の発生源が存在する位置、すなわち光吸収部材１５７（図３を参照）が存在する位置を含む領域の画素値の合計値を計算する。

内針が抜かれる前と抜かれた後とにおいて穿刺針１５の針先に動きがない場合、超音波画像における穿刺針１５の先端付近の画素の画素値は内針が抜かれる前と後とで同じような値を示すため、画素値の合計値間の差は小さい。一方、内針が抜かれた後に穿刺針１５が動くと、超音波画像において高反射体である穿刺針１５が動くため、画素値の変動が大きく、画素値の合計値間の差は大きくなる。従って、内針が抜かれる前の超音波画像における画素値の合計値と現時刻の超音波画像における画素値の合計値とを比較することにより、穿刺針１５の動きが検出できる。画素値の合計値の差は、検出される動きの量に対応する。

警告手段３７は、動き検出手段３６が検出する動きの量がしきい値以上になると、ユーザに注意喚起を行う。注意喚起には、例えばアラームや画像表示手段１４への警告表示などが考えられる。画像出力手段２６は、例えば動き検出手段３６が検出する動きの量がしきい値以上のとき、光音響画像の表示色を、検出される動きの量がしきい値以上となる前の表示直とは異なるものにしてもよい。例えば動きの量がしきい値のときは、光音響画像の表示色を緑色から黄色に変更する。画像出力手段２６は、検出される動きの量がしきい値以下となったときは、光音響画像の表示色を元の色に戻してもよい。表示色を変更するときのしきい値と、表示色を元に戻すときのしきい値とは異なる値でよい。画像表示手段１４に、第２実施形態において説明したマーカーＭ（図７を参照）を表示しているときは、マーカーＭの表示色を変更すればよい。

画像記録手段３２は、動き検出手段３６が検出する動きの量がしきい以上になると、超音波画像の記録を停止してもよい。画像記録手段３２は、超音波画像の記録の停止後、検出される動きの量がしきい値になると、超音波画像の記録を再開する。記録を停止するときのしきい値と、記録を再開するときのしきい値とは異なる値でよい。また、記録の停止／再開に関するしきい値と表示色の変更に関するしきい値とは異なる値でよい。

図９は、内針が抜かれたことが検出された後の動作手順を示す。この処理は、図５のステップＡ４において内針が抜かれたことが検出された後に実施される。動き検出手段３６は、内針が抜かれたことが検出される前の時刻の超音波画像を保存する（ステップＢ１）。動き検出手段３６は、保存した超音波画像における画素値の合計値を求める（ステップＢ２）。動き検出手段３６は、例えば光音響画像における光音響波の発生源が存在する位置に対応する画素を中心とした範囲の領域において、その領域内の画素の画素値の合計値を求める。領域の形状は特には限定されず、矩形であってもよいし、円形であってもよい。

動き検出手段３６は、現時刻の超音波画像における画素値の合計値を求める（ステップＢ３）。ステップＢ３では、ステップＢ２で合計値を求めた領域と同じ領域において、画素値の合計値を求める。動き検出手段３６は、ステップＢ２で求めた画素値の合計値とステップＢ３で求めた画素値の合計値との差を計算する（ステップＢ４）。動き検出手段３６は、ステップＢ４で求めた差がしきい値以上であるか否かを判断する（ステップＢ５）。差がしきい値よりも小さいときは、針先が動いていないので、ステップＢ３に戻り、針先の動きの監視を継続する。

警告手段３７は、ステップＢ５において差がしきい値以上であると判断されると、例えばアラームやブザーを鳴らすことで、ユーザに針が動いたことを報知する（ステップＢ６）。警告手段３７は、例えば画像出力手段２６を介して、画像表示手段１４に、針先が動いている旨のメッセージを表示させてもよい。画像出力手段２６は、画像表示手段１４に表示される光音響画像又はマーカーＭの表示色を、緑色から黄色に変化させてもよい。医師などは、音や画像表示により、針先が動いたことを知ることができる。画像記録手段３２は、ステップＢ５において差がしきい値以上であると判断されると、超音波画像の記録を停止する（ステップＢ７）。

ユーザへの警告及び超音波画像の記録の停止後も、針先の動きの監視を継続する。動き検出手段３６は、現時刻の超音波画像における画素値の合計値を求め（ステップＢ８）、ステップＢ２で求めた画素値の合計値とステップＢ８で求めた画素値の合計値との差を計算する（ステップＢ９）。ステップＢ８及びＢ９は、それぞれステップＢ３及びＢ４と同様でよい。動き検出手段３６は、ステップＢ９で求めた差がしきい値以下であるか否かを判断する（ステップＢ１０）。差がしきい値よりも大きいときは、針先が内針が抜かれる前の位置までに戻っていないので、ステップＢ８に戻り、針先の動きの監視を継続する。ステップＢ５におけるしきい値とステップＢ１０におけるしきい値とは、同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

警告手段３７は、ステップＢ１０において差がしきい値以下であると判断されると、警告を解除する（ステップＢ１１）。警告手段３７は、例えばアラームやブザーを停止する。画像表示手段１４に、針先が動いている旨のメッセージを表示させていた場合は、そのメッセージの表示を取りやめさせる。画像表示手段１４に表示される光音響画像又はマーカーＭの表示色を変更していた場合は、表示色を元の色、例えば緑色に戻せばよい。画像記録手段３２は、ステップＢ１０において差がしきい値以下であると判断されると、超音波画像の記録を再開する（ステップＢ１２）。その後、ステップＢ３に戻り、針先の動きの監視を継続する。

本実施形態では、動き検出手段３６は、内針が抜かれる前の時刻の超音波画像と現時刻の超音波画像とに基づいて、穿刺針１５の動きを検出する。穿刺針１５が動くと、超音波画像における画素値が変動するため、内針が抜かれる前の時刻の超音波画像と比較することで、そのときの穿刺針１５の位置から穿刺針１５が動いたか否かの判断が可能である。警告手段３７は、検出された動きの量がしきい値以上のときに、ユーザに警告を行う。ユーザは、音や画像表示により、穿刺針１５が動いたことを知ることができ、必要に応じて穿刺針１５の位置を修正することができる。その他の効果は、第１実施形態と同様である。

引き続いて、本発明の第４実施形態を説明する。図１０は、本発明の第４実施形態に係る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１０ｃは、超音波ユニット１２ｃ内に動き検出手段３６及び針先候補抽出手段３８が追加されている点で、図１に示す第１実施形態に係る光音響画像生成装置１０とは異なる。その他の点は、第１実施形態と同様でよい。また、本実施形態に係る光音響画像生成装置１０ｃは、図６に示す第２実施形態に係る光音響画像生成装置１０ａと同様に音源位置検出手段３５を有していてもよいし、図８に示す第３実施形態に係る光音響画像生成装置１０ｂと同様に警告手段３７を有していてもよい。

動き検出手段３６は、第３実施形態で説明したものと同様でよい。針先候補抽出手段３８は、超音波画像から穿刺針１５の先端候補を抽出する。針先候補抽出手段３８は、例えば動き検出手段３６が検出する動きの量がしきい値以上となったときに、穿刺針１５の先端候補を抽出する。針先候補抽出手段３８が針先候補を抽出する際に用いるアルゴリズムは特に限定されない。超音波画像から針先を抽出して追跡する技術は公知であり、かつ本発明の本質とは直接関係しないので、詳細な説明は省略する。

針先候補抽出には、例えば特開２０１２−１２０７４７号公報に記載されたものを用いることができる。具体的には、穿刺針１５が穿刺された被検体に超音波を送信し、被検体及び穿刺針１５による超音波の反射波（反射超音波）を受信する。受信した反射超音波に基づいて複数フレームの時系列エコー信号を生成し、生成された時系列エコー信号に基づいて超音波画像を生成する。複数フレームの時系列エコー信号から時系列フレーム間の差分エコー信号（差分画像）を生成し、生成された差分エコー信号に基づいて先端検出処理を行うことで、穿刺針１５の先端部分を含む１以上の先端候補を検出する。

上記特開２０１２−１２０７４７号公報に記載されるように、針先候補抽出処理では、超音波画像において針先部分を強調させる先端強調フィルタを用いることができる。先端強調フィルタとしては、フィルタ形状を階段状として、穿刺針が刺入される方向にある画素を重み付け加算に用いる形態のフィルタや、フィルタ形状を矩形とし、穿刺針が刺入される方向にある画素のフィルタ係数を大とした重み付け加算を行う形態のフィルタを用いることができる。

図１１は、先端強調フィルタの一例を示す。この先端強調フィルタは、縦８１画素×横８１画素のサイズを有する。先端強調フィルタは、穿刺針１５の穿刺方向に重み付けが与えられ、穿刺針１５の先端部を含むサイズを有し、穿刺方向にある画素のフィルタ係数が大きい重み付け加算を行う矩形フィルタである。各画素のフィルタ係数は、２次元ガウス関数を適用して決定することができる。図１１においては、フィルタのフィルタ係数の大小を、濃度の濃淡で表している。

図１１に示すように、先端強調フィルタでは、中央に近い程フィルタ係数は大きく、中央の画素を中心とした同心楕円上のフィルタ係数は同一となっている。楕円の長手方向は、穿刺針１５の穿刺方向と一致している。針先候補抽出手段３８は、図示しない記憶部に、穿刺針１５の穿刺角度及び穿刺針１５の大きさに応じた複数の先端強調フィルタを格納している。先端強調フィルタの縦横比は、穿刺角度に応じて決定される。穿刺針１５の穿刺角度や用いられる穿刺針１５の大きさに応じて、それらに対応した先端強調フィルタを読み出し、差分画像に対して、先端強調フィルタを用いて周囲の画素との重み付け加算を行う先端強調処理を行う。針先候補抽出処理において先端強調処理を行うことで、穿刺針１５の先端部をより高い確度で抽出することができる。

上記の先端強調処理は、動き検出手段３６における動き検出にも用いることができる。動き検出手段３６は、内針が抜かれたことが検出される前の時刻に生成された超音波画像に対して先端強調フィルタを用いて周囲の画素との重み付け加算を行う先端強調処理を行う。現時刻の超音波画像に対しても同様に先端強調処理を行う。動き検出手段３６は、先端強調処理を行った画像間の差を求め、穿刺針１５の動きを検出してもよい。動き検出手段３６にて先端強調処理を行ってもよい点は、第３実施形態においても同様である。

画像出力手段２６は、動き検出手段３６が検出する動きの量がしきい値以上になると、針先候補抽出手段が抽出した穿刺針１５の先端候補の位置を示すマーカーを画像表示手段１４に表示させる。画像出力手段２６は、穿刺針１５の先端候補の位置を示すマーカーを画像表示手段１４に表示させた後に、動き検出手段３６が検出する動きの量がしきい値以下になると、マーカーの表示を停止する。

ここで、穿刺針１５の先端がより深い方向に移動するとき、超音波画像の穿刺針１５の先端付近の領域において、高反射体である穿刺針１５が占める部分の面積が増える。このため、動き検出手段３６において、内針が抜かれる前の超音波画像の画素値の合計値から現時刻の超音波画像の合計値を減算した値を計算すると、その値（減算値）は負の値となる。なお、減算値の絶対値は、動きの量を表す。

一方、穿刺針１５がより浅い方向に移動すると、超音波画像の穿刺針１５の先端付近の領域において、高反射体である穿刺針１５が占める部分の面積が減少する。このため、動き検出手段３６において、内針が抜かれる前の超音波画像の画素値の合計値から現時刻の超音波画像の合計値を減算した値を計算すると、その値（減算値）は正の値となる。従って、減算値が正の値であるか、負の値であるかによって、穿刺針１５の先端がより深い方向に動いたのか、より浅い方向に動いたのかの判別が可能である。

穿刺針１５を用いた薬剤の注入が終了すると、穿刺針１５は被検体から抜き取られる。別の言い方をすれば、穿刺針１５の先端は浅い方向へ移動していく。動き検出手段３６は、上記の減算値が正の値であるときには、穿刺針１５が抜かれる方向へ動いていると判断できる。動き検出手段３６は、検出する動きの量（上記の減算値の絶対値）があらかじめ定められた量以上で、かつ上記の減算値が正の値であるときは、つまり穿刺針１５があらかじめ定められた量以上抜かれる方向に動いたことを検出したときは、穿刺針１５が抜かれたことを示す信号を、画像記録手段３２及び針先候補抽出手段３８に出力してもよい。画像記録手段３２は、動き検出手段３６から穿刺針１５が抜かれたことを示す信号が入力されると、超音波画像の記録を終了する。針先候補抽出手段３８は、動き検出手段３６から穿刺針１５が抜かれたことを示す信号が入力されると、針先候補抽出処理を終了する。

図１２は、内針が抜かれたことが検出された後の動作手順を示す。この処理は、図５のステップＡ４において内針が抜かれたことが検出された後に実施される。動き検出手段３６は、内針が抜かれたことが検出される前の時刻の超音波画像を保存する（ステップＣ１）。動き検出手段３６は、保存した超音波画像における画素値の合計値を求める（ステップＣ２）。動き検出手段３６は、例えば光音響画像にける光音響波の発生源が存在する位置に対応する画素を中心とした範囲の領域において、その領域内の画素の画素値の合計値を求める。

動き検出手段３６は、現時刻の超音波画像における画素値の合計値を求める（ステップＣ３）。ステップＣ３では、ステップＣ２で合計値を求めた領域と同じ領域において、画素値の合計値を求める。動き検出手段３６は、ステップＣ２で求めた画素値の合計値とステップＣ３で求めた画素値の合計値との差を計算する（ステップＣ４）。動き検出手段３６は、ステップＣ４で求めた差に基づいて、内針が抜かれたか否かを判断する（ステップＣ５）。動き検出手段３６は、ステップＣ２で求めた画素値の合計値からステップＣ３で求めた画素値の合計値を減算した減算値の絶対値があらかじめ定められた値よりも大きく、かつ減算値が正の値であるときは、内針が抜かれたと判断する。内針が抜かれたと判断されたときは、処理を終了する。

動き検出手段３６は、ステップＣ４で求めた差がしきい値以上であるか否かを判断する（ステップＣ６）。差がしきい値よりも小さいときは、針先が動いていないので、ステップＣ３に戻り、針先の動きの監視を継続する。ステップＣ４において差がしきい値以上である判断されると、針先候補抽出手段３８は、超音波画像から針先候補を抽出する（ステップＣ７）。画像出力手段２６は、超音波画像の抽出された針先候補の位置にマーカーを重ねて表示する（ステップＣ８）。針先が動いた後は、超音波画像を用いて抽出された針先の位置を超音波画像に重ねて表示することで、医師などは、動いた針先の位置を確認することができる。

続いて、動き検出手段３６は、現時刻の超音波画像における画素値の合計値を求め（ステップＣ９）、ステップＣ２で求めた画素値の合計値とステップＣ９で求めた画素値の合計値との差を計算する（ステップＣ１０）。ステップＣ９及びＣ１０は、それぞれステップＣ３及びＣ４と同様でよい。動き検出手段３６は、ステップＣ１０で求めた差に基づいて、内針が抜かれたか否かを判断する（ステップＣ１１）。ステップＣ１１は、ステップＣ５と同様でよい。内針が抜かれたと判断されたときは、処理を終了する。

動き検出手段３６は、ステップＣ１０で求めた差がしきい値以下であるか否かを判断する（ステップＣ１２）。差がしきい値よりも大きいときは、針先が内針が抜かれる前の位置までに戻っていないので、ステップＣ７に戻り、針先候補抽出処理を継続する。ステップＣ１２で差がしきい値よりも小さいと判断されたときは、ステップＣ３に戻り、針先の動きの監視を継続する。ステップＣ６におけるしきい値とステップＣ１２におけるしきい値とは、同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

本実施形態では、針先候補抽出手段３８は、超音波画像から穿刺針１５の先端候補を抽出する。画像出力手段２６は、動き検出手段３６が検出する動きの量が大きいときに、針先候補抽出手段３８で抽出された先端候補の部分を明示した画像表示を行う。穿刺針１５の位置が、内針が抜かれたことが検出されたときの位置から大きくずれたときは、超音波画像を用いて抽出された先端の位置を表示することで、医師などは、穿刺針１５の現在の位置を把握することができ、穿刺針１５の先端の位置を、所望の穿刺位置まで戻すことが可能となる。その他の効果は、第１実施形態と同様である。

なお、図３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３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、光出射部１５６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を光音響波発生部として、その部分から光音響波を発生させるようにしてもよい。例えば、穿刺針１５の先端近傍に光出射部及び光音響波発生部を配置し、穿刺針１５の先端近傍において光音響波を発生させるようにすればよい。ここでいう穿刺針１５の先端近傍とは、その位置に光出射部及び光音響波発生部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。

穿刺針１５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、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１３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３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１３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１３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、信号処理装置、及び光音響画像生成方法は、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。

Claims (17)

1. 内腔を有する外針と、前記外針の内腔に挿抜可能に挿入される内針とを有し、該内針が、光源から導光された光を出射する光出射部と、該光出射部から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを含む穿刺針と、
   前記光音響波発生部から発せられた光音響波を検出する音響波検出手段と、
   前記検出された光音響波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、
   前記光音響画像を画像表示手段に表示させる画像出力手段と、
   前記内針が前記外針から抜かれたことを検出する挿抜検出手段と、
   前記内針が抜かれたことが検出された場合に、画像表示を、前記内針が抜かれたことが検出される前の画像表示とは異なるものとする処理切替手段とを備えた光音響画像生成装置。
2. 前記穿刺針は、前記内針が前記外針に挿入された状態で被検体内に穿刺される請求項１に記載の光音響画像生成装置。
3. 前記処理切替手段は、前記内針が抜かれたことが検出される前と検出された後とで、前記画像表示手段に表示される光音響画像の表示色を異なるものとする請求項１又は２に記載の光音響画像生成装置。
4. 前記光音響画像に基づいて前記穿刺針における前記光音響波の発生源の位置を検出する光音響波発生源位置検出手段を更に備え、
   前記画像出力手段は、前記画像表示手段に前記検出された先端の位置を示すマーカーを表示させ、前記処理切替手段は、前記内針が抜かれたことが検出される前と検出された後とで、前記画像表示手段に表示されるマーカーの表示色を異なるものとする請求項１から３何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
5. 前記音響波検出手段は、被検体内に送信された音響波に対する反射音響波を更に検出し、
   前記検出された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備える請求項１から４何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
6. 前記画像出力手段は、前記内針が抜かれたことが検出されるまでは、前記反射音響波画像に前記光音響画像を重畳した画像を前記画像表示手段に表示させ、前記内針が抜かれたことが検出された後は前記反射音響波画像を前記画像表示手段に表示させる請求項５に記載の光音響画像生成装置。
7. 前記画像出力手段は、前記内針が抜かれたことが検出された後は、前記反射音響波画像に、前記内針が抜かれたことが検出される前に生成された光音響画像を重畳した画像を前記画像表示手段に表示させる請求項６に記載の光音響画像生成装置。
8. 前記内針が抜かれたことが検出された後に、該内針が抜かれたことが検出される前の時刻の反射音響波画像と現時刻の反射音響画像とに基づいて、前記穿刺針の動きを検出する動き検出手段を更に有する請求項５から７何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
9. 前記動き検出手段は、前記内針が抜かれたことが検出される前の時刻の反射音響波画像における画素値の合計値と、現時刻の反射音響波画像における画素値の合計値との差に基づいて、前記穿刺針の針先の動きを検出する請求項８に記載の光音響画像生成装置。
10. 前記動き検出手段は、前記内針が抜かれたことが検出される前の時刻の反射音響波画像と前記現時刻の反射音響波画像とのそれぞれに、前記穿刺針の先端部分を強調する先端強調処理を行った後に前記画素値の合計値を求める請求項９に記載の光音響画像生成装置。
11. 前記動き検出手段は、前記光音響画像において前記光音響波発生部の位置を含む領域内の画素値の合計値を計算する請求項９又は１０に記載の光音響画像生成装置。
12. 前記動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上の場合に、ユーザに注意喚起を行う警告手段を更に備える請求項８から１１何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
13. 前記画像出力手段は、前記動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上の場合は、前記光音響画像の表示色を、前記動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上となる前の表示色とは異なる表示色にする請求項８から１２何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
14. 前記画像出力手段は、前記動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上になった後に、前記動きの量がしきい値よりも小さくなると、前記光音響画像の表示色を、前記動きの量がしきい値以上となる前の表示色に戻す請求項１３に記載の光音響画像生成装置。
15. 前記反射音響画像から穿刺針の先端候補を抽出する針先候補抽出手段を更に備え、
    前記画像出力手段は、前記動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上の場合に、前記針先候補抽出手段が抽出した穿刺針の先端候補の位置を示すマーカーを前記画像表示手段に表示する請求項８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、前記動き検出手段が検出する動きの量がしきい値以上になった後に前記動きの量がしきい値よりも小さくなると、前記マーカーの表示を停止する請求項１５に記載の光音響画像生成装置。
17. 前記針先候補抽出手段は、前記動き検出手段があらかじめ定められた量以上前記穿刺針が抜かれる方向に動いたことを検出した場合に、針先候補抽出処理を終了する請求項１５又は１６に記載の光音響画像生成装置。
    

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