JP6482686B2 - 光音響画像生成システム、装置、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光音響画像生成システム、装置、及び方法に関し、更に詳しくは、被検体内の光吸収体が光を吸収することで発生し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生成システム、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。超音波探触子でその反射超音波を受信し、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、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、光音響波に基づく生体内の可視化が可能である。

ところで、超音波検査の一種として、ドプラ計測が知られている。ドプラ計測は、送信波の周波数に対する受信波の周波数のドプラ偏移に基づいて、非侵襲的に血行動態、血流速度及び生体内動向などを計測する計測手法である。光音響画像とドプラ計測との組み合わせに関し、ドプラ情報を使用して表示される光音響画像の画素を選択することが特許文献１に記載されている。特許文献１では、光音響画像は、ドプラ信号が一定のしきい値を超えた位置において、ピクセル上のカラーオーバーレイとしてのみ表示される。

特開第５５０６３９５号公報

特許文献１では、ドプラ計測で得られたドプラ信号がしきい値を超えた位置のみ光音響画像が表示されるため、光音響画像において血管を画像化する場合、ある一定の速度を超えて動いている血管の画像を表示することができる。しかしながら、この場合、血流が速い部分の血管は表示できるものの、血流が遅い部分の血管を表示することはできない。また、一般に、光音響画像では、光音響波の検出信号がある信号強度よりも低い場合、その部分は黒で表示され、画像として表示されない。特許文献１では、ドプラ信号がしきい値を超えた位置の光音響画像を表示しているだけであるため、もともと光音響画像で画像化されない部分について、その部分を表示することはできない。

本発明は、上記事情に鑑み、血管などから発せられた光音響波の検出信号の信号強度が弱くても、その部分の画像化が可能な光音響画像生成システム、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、被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、光音響信号補正部で補正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生成部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、光音響信号補正部は、パワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて光音響波の検出信号を補正することが好ましい。その場合、補正係数の値は、パワードプラ信号の信号強度が大きくなるに従って単調的に増加することが好ましい。

本発明の光音響画像生成装置は、上記の補正係数におけるパワードプラ信号の信号強度と補正係数の値との関係を変化させる操作部を更に有していてもよい。

本発明の光音響画像生成装置では、光音響信号補正部は、補正前の光音響波の検出信号に補正係数を乗じることで、光音響波の検出信号を補正することとしてもよい。

本発明の光音響画像生成装置では、パワードプラ信号生成部は、反射音響波の検出信号を直交検波することによりパワードプラ信号を生成してもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ画像を生成するパワードプラ画像生成部を更に有していてもよい。

本発明の光音響画像生成装置では、パワードプラ信号生成部は第１のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる第１のハイパスフィルタを含み、パワードプラ画像生成部は第２のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる第２のハイパスフィルタを含んでいてもよい。その場合、第１のカットオフ周波数は第２のカットオフ周波数よりも低いことが好ましい。

本発明の光音響画像生成装置は、光音響画像とパワードプラ画像とをモニタ画面上に表示させる画像出力部を更に有していてもよい。

本発明の光音響画像生成装置では、画像出力部は、光音響画像とパワードプラ画像とを重畳してモニタ画面上に表示させてもよい。あるいは、画像出力部は、光音響画像とパワードプラ画像とを並べてモニタ画面上に表示させてもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、反射音響波の検出信号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部を更に有していてもよい。その場合、画像出力部は、反射音波響画像をモニタ画面上に更に表示させることとしてもよい。

本発明は、また、光源と、被検体内に音響波を送信する音響波送信部と、被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波、及び音響波送信部から送信された音響波に対する反射音響波を検出する音響波受信部と、反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、光音響波の検出信号を、パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、光音響信号補正部で補正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生成部とを備える光音響画像生成システムを提供する。

本発明は、更に、被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するステップと、被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、パワードプラ信号に基づいて補正するステップと、補正するステップで補正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ステップとを有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システム、装置、及び方法は、血管などから発せられた光音響波の検出信号の信号強度が弱くても、その部分を画像化することができる。

本発明の第１実施形態に係る光音響画像生成システムを示すブロック図。 パワードプラ信号生成部の構成を示すブロック図。 血管の太さと信号強度との関係を示すグラフ。 被検体内における血管の配置を示す図。 音線における検出信号の信号波形を示す波形図。 光音響信号の補正に用いる補正係数を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係る光音響画像生成システムを示すブロック図。 パワードプラ信号生成部とドプラ画像生成部とを示すブロック図。 本発明の第３実施形態に係る光音響画像生成システムを示すブロック図。 光音響信号の補正に用いられる補正係数を示すグラフ。

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システムを示す。光音響画像生成システム１０は、プローブ（超音波探触子）１１、超音波ユニット１２、及びレーザユニット１３を含む。本実施形態に係る光音響画像生成システム１０は、ドプラ計測が可能に構成されている。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なく、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よい。

レーザユニット１３は、光源であり、測定光を出射する。レーザユニット１３から出射した測定光は、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出射される。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。レーザユニット１３は、例えば励起光源であるフラッシュランプと、レーザをパルス発振させるためのＱスイッチとを含む。レーザユニット１３におけ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。

レーザユニット１３が出射するレーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。例えば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、レーザ光の波長は近赤外波長域に属する波長であることが好ましい。近赤外波長域とはおよそ７００〜８５０ｎｍの波長域を意味する。レーザユニット１３は、単波長のレーザ光を出射するものであってもよいし、複数の波長のレーザ光を出射可能なものであってもよい。レーザユニット１３は、複数波長のレーザ光を出射可能である場合は、複数の波長のレーザ光を同時に出射してもよいし、複数の波長のレーザ光を切り替えて出射してもよい。

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。プローブ１１は、レーザユニット１３から出射されたレーザ光が被検体に照射された後に、検体内の光吸収体から発せられた光音響波を検出する。また、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。その場合、プローブ１１は、音響波送信部と音響波受信部とを兼ねる。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、光音響画像生成装置を構成する。超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換器（Analog to Digital convertor）２２、受信メモリ２３、光音響信号補正部２４、パワードプラ信号生成部２５、超音波画像生成部２６、光音響画像生成部２７、ドプラ画像生成部２８、画像出力部２９、制御部３０、及び送信制御回路３１を有する。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、ドプラ画像生成、及び超音波画像生成に関するプログラムがメモリに組み込まれている。プロセッサによって構成される制御部３０によってそのプログラムが動作することで、光音響信号補正部２４、パワードプラ信号生成部２５、超音波画像生成部２６、光音響画像生成部２７、ドプラ画像生成部２８および画像出力部２９の機能が実現する。すなわち、これらの各部は、プログラムが組み込まれたメモリとプロセッサにより構成されている。

なお、超音波ユニット１２のハードウェアの構成は特に限定されるものではなく、複数のＩＣ（Integrated Circuit）、プロセッサ、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、メモリなどを適宜組み合わせることによって実現することができる。

受信回路２１は、プローブ１１が出力する検出信号を受信する。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、及びローパスフィルタを含む。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る。

ＡＤ変換器２２は、受信回路２１が受信した検出信号、すなわちプローブ１１で検出された光音響波の検出信号及び反射超音波の検出信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器２２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）を受信メモリ２３に格納する。受信回路２１とＡＤ変換器２２とは、例えば１つのＩＣとして構成されていてもよし、個別のＩＣとして構成されていてもよい。

超音波画像生成部（反射音響波画像生成部）２６は、受信メモリ２３から反射超音波の検出信号のサンプリングデータを読み出す。超音波画像生成部２６は、反射超音波の検出信号（そのサンプリングデータ）に基づいて超音波画像（反射音響波画像）を生成する。

例えば、超音波画像生成部２６は、まず反射超音波波の検出信号（反射超音波信号）の再構成を行い、超音波画像の各ラインのデータを生成する。再構成された反射超音波信号は超音波画像とみなすことができる。超音波画像生成部２６は、例えばプローブ１１の６４個の音響検出素子からのデータを、音響検出素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）。

次いで、超音波画像生成部２６は、再構成された反射超音波信号（超音波画像信号）に対して例えば包絡線検波を行い、検波後の信号を対数変換する。その後、超音波画像生成部２６は、検波及び対数変換がなされた超音波画像信号を表示画像の画素値に変換し、超音波画像（Ｂモード画像）を生成する。超音波画像生成部２６は、例えば超音波画像信号のある範囲内の信号強度を、最高輝度から最低輝度の範囲の表示階調に変換することで、超音波画像を生成する。超音波画像生成部２６は、生成した超音波画像を画像出力部２９に送信する。

パワードプラ信号生成部２５は、受信メモリ２３から反射超音波の検出信号のサンプリングデータを読み出す。パワードプラ信号生成部２５は、反射超音波の検出信号（そのサンプリングデータ）に基づいてパワードプラ信号を生成する。パワードプラ信号生成部２５は、例えば各音線（ライン）について、パケットサイズ１０回程度の超音波の送受信により得られた反射超音波の検出信号（反射超音波信号）に基づいて、パワードプラ信号を生成する。

図２は、パワードプラ信号生成部２５の構成を示す。パワードプラ信号生成部２５は、受信ビームフォーマ２５１、検波器２５２、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ：High Pass Filter）２５３、及びパワー演算器２５４を有する。受信ビームフォーマ２５１は、例えばパケットサイズ１０回程度の超音波の送受信により得られた反射超音波検出信号のそれぞれに対して、整相加算を行う。検波器２５２は、整相加算された反射超音波信号に対して検波を行う。検波器２５２は、例えば反射超音波信号を直交検波する。直交検波を実施することで、Ｉ信号とＱ信号とが得られる。直交検波に代えて、包絡線検波により反射超音波信号を検波してもよい。

ハイパスフィルタ２５３は、各送受信のＩ信号及びＱ信号に対してハイパスフィルタ処理を行う。ハイパスフィルタを通すことで、クラッタ成分である比較的低周波の信号成分が除去され、それよりも高周波の成分である血流成分が抽出される。ハイパスフィルタ２５３は、ウォールモーションフィルタとも呼ばれる。パワー演算器２５４は、ハイパスフィルタ処理がなされたＩ信号及びＱ信号に基づいて、パワードプラ信号の信号値を演算する。より詳細には、パワー演算器２５４は、Ｉ信号の２乗とＱ信号の２乗との和を計算することで、パワードプラ信号の信号値を演算する。

図１に戻り、パワードプラ信号生成部２５は、生成したパワードプラ信号を、光音響信号補正部２４とドプラ画像生成部２８とに送信する。ドプラ画像生成部（パワードプラ画像生成部）２８は、反射超音波の検出信号に基づいてパワードプラ画像を生成する。本実施形態では、ドプラ画像生成部２８は、パワードプラ信号生成部２５で生成されたパワードプラ信号に基づいて、パワードプラ画像を生成する。ドプラ画像生成部２８は、例えばパワードプラ信号のある範囲内の信号強度を、最高輝度から最低輝度の範囲の表示階調に変換することで、パワードプラ画像を生成する。ドプラ画像生成部２８は、生成したパワードプラ画像を画像出力部２９に送信する。

光音響信号補正部２４は、受信メモリ２３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す。また、パワードプラ信号生成部２５からパワードプラ信号を受信する。光音響信号補正部２４は、光音響波の検出信号（そのサンプリングデータ）をパワードプラ信号に基づいて補正する。光音響信号補正部２４は、例えばパワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて光音響波の検出信号（光音響信号）を補正する。光音響信号補正部２４は、例えば補正前の光音響信号に補正係数を乗じることで、光音響信号を補正する。補正係数の値は、例えばパワードプラ信号が大きくなるに従って単調的に増加する。

光音響画像生成部２７は、光音響信号補正部２４で補正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、光音響画像生成部２７は、まず光音響信号の再構成を行い、光音響画像の各ラインのデータを生成する。再構成された光音響信号は光音響画像とみなすことができる。光音響画像生成部２７は、例えば遅延可算法を用いて光音響信号の再構成を行う。光音響画像生成部２７は、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行ってもよい。あるいは光音響画像生成部２７は、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。

次いで、光音響画像生成部２７は、再構成された光音響信号（光音響画像信号）に対して例えば包絡線検波を行い、検波後の信号を対数変換する。その後、光音響画像生成部２７は、検波及び対数変換された光音響画像信号を表示画像の画素値に変換し、光音響画像を生成する。光音響画像生成部２７は、例えば光音響画像信号のある範囲内の信号強度を、最高輝度から最低輝度の範囲の表示階調に変換することで、光音響画像を生成する。光音響画像生成部２７は、生成した光音響画像を画像出力部２９に送信する。

画像出力部２９は、光音響画像、超音波画像、及びパワードプラ画像を、ディスプレイ装置などの画像表示装置１４に表示させる。画像出力部２９は、例えば光音響画像とパワードプラ画像とを重畳して画像表示装置１４のモニタ画面上に表示させる。あるいは、画像出力部２９は、光音響画像とパワードプラ画像と並べて画像表示装置１４のモニタ画面上に表示させてもよい。画像出力部２９は、更に超音波画像を、光音響画像とパワードプラ画像とを重畳して、或いは光音響画像とパワードプラ画像と並べて、画像表示装置１４のモニタ画面上に表示させてもよい。画像出力部２９は、光音響画像と、パワードプラ画像と、超音波画像とを、画像表示装置１４のモニタ画面上に切り替えて表示してもよい。

制御部３０は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御部３０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。トリガ信号には、例えばレーザユニット１３においてレーザ媒質に励起光を出射させるための励起トリガ信号と、レーザをＱスイッチ発振させるためのＱスイッチトリガ信号とを含む。制御部３０は、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、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。

制御部３０は、超音波画像を取得する場合は、送信制御回路３１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３１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。制御部３０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。制御部３０は、ドプラ計測を実施する場合は、複数回の超音波送受信を実施させる。

ここで、パワードプラ信号の信号強度が強いサンプル点は、血管領域に含まれる点であると推定することができる。逆に、パワードプラ信号の信号強度が低いサンプル点は、血管領域に含まれる点である可能性が低いと推定できる。本実施形態では、パワードプラ信号の信号強度に基づいて血管領域であるか否かの推定が可能であることを利用し、光音響画像の生成において、各サンプル点のパワードプラ信号の信号強度を利用して、光音響信号を補正する。

血管の太さと、パワードプラ信号及び光音響信号との関係について説明する。図３は、血管の太さと信号強度との関係を示す。横軸は血管の太さを表し、縦軸は光音響信号及びパワードプラ信号の信号強度を表す。グラフＰＡは、光音響信号における、血管の太さとその太さの血管から発せられる光音響波の検出信号との関係を示す。グラフＰＤは、パワードプラ信号における、血管の太さとその太さの血管から抽出されるパワードプラ信号との関係を示す。

グラフＰＡに示すように、光音響信号は、血管の太さが比較的細い場合、信号強度が強い傾向にある。一方で、血管がある程度以上太い場合、光音響信号の信号強度は低下する。特に、血管が太い場合、光音響信号は、血管の管壁（エッジ）の部分において信号強度が高いものの、血管の中央の部分では信号強度が低くなることが知られている。

一方、グラフＰＤに示すように、パワードプラ信号は、血管の太さが比較的細い場合、信号強度は低い。パワードプラ信号は、血管が太くなるにつれて、信号強度が増加していく傾向にある。このようなパワードプラ信号と光音響信号の性質を利用し、パワードプラ信号に基づいて光音響信号を補正することで、光音響計測が苦手とする太い血管について、血管の中央の部分も光音響画像で画像化することができると考えられる。

光音響信号の補正について具体例を挙げて説明する。図４は、被検体内における血管の配置を示す。被検体の体表Ｓから被検体の深さ方向に、血管Ｖ１、血管Ｖ２、及び血管Ｖ３がこの順で並んでいる場合を考える。血管Ｖ１及び血管Ｖ２は比較的直径が細い血管であり、血管Ｖ３は血管が太い血管である。このような被検体において、各血管の中心付近を通る音線Ｌを考える。

図５は、音線Ｌにおける検出信号の信号波形を示す。図５Ａは、検出された光音響信号（ＰＡ信号）の信号波形を示し、Ｂはパワードプラ信号（ＰＤ信号）の信号波形を示し、Ｃは補正後の光音響信号（補正後ＰＡ信号）の信号波形を示す。位置Ｐ１は、血管Ｖ１（図４を参照）の音線Ｌ上の位置に対応し、位置Ｐ２は、血管Ｖ２の音線Ｌ上の位置に対応する。位置Ｐ３は、血管Ｖ３における体表Ｓに近い側のエッジの音線Ｌ上の位置に対応し、位置Ｐ４は、血管Ｖ３における深部側のエッジの音線Ｌ上の位置に対応する。図５のＡ及びＣに示す範囲Ｒは、光音響画像として画像化される光音響信号の信号強度の範囲を示す。

図５Ａに示すように、光音響信号は、位置Ｐ２、位置Ｐ３、及び位置Ｐ４のそれぞれにピークを有する。位置Ｐ１よりも体表に近い部分ではノイズ成分が多く、位置Ｐ１に明確なピークは観察されない。このような光音響信号について、信号強度が範囲Ｒにある部分を輝度値に変換して光音響画像を生成すると、位置Ｐ２に対応した血管Ｖ２を画像化することができる。位置Ｐ３から位置Ｐ４の間にある血管Ｖ３については、位置Ｐ３から位置Ｐ４までの間で光音響信号の信号強度が画像化範囲である範囲Ｒの下限を下回っているため、血管Ｖ３は、そのエッジの部分しか画像化できない。位置Ｐ１に対応した血管Ｖ１は、ノイズに埋もれて明確に画像化することができない。

図５Ｂに示すように、パワードプラ信号は、位置Ｐ１、位置Ｐ２、及び位置Ｐ３と位置Ｐ４との中間の位置のそれぞれにピークを有する。図５Ａと図５Ｂとを比較すると、太い血管について、光音響信号ではエッジの位置にピークがあるのに対し、パワードプラ信号では血管の内腔の部分にピークがあることがわかる。また、光音響信号では、体表に近い部分にノイズ成分が多いのに対し、パワードプラ信号には体表に近い部分にノイズ成分が存在しない。

図６は、光音響信号の補正に用いる補正係数を示す。補正係数は、パワードプラ信号の関数である。図６に示すグラフにおいて、横軸はパワードプラ信号の強度（ＰＤ信号強度）を表し、縦軸は補正係数の大きさを表す。補正係数は、例えばパワードプラ信号の信号強度Ｓ１１から信号強度Ｓ１２の区間において、パワードプラ信号の信号強度に比例して増加する。信号強度Ｓ１１以下の区間では補正係数は０であり、信号強度がＳ１２以上の区間では補正係数は２である。

補正後の光音響信号は、例えば補正係数×補正前の光音響信号で与えられる。補正係数が１の場合、光音響信号は補正前後で変化しない。補正係数が１よりも小さい値の場合、補正後の光音響信号は補正前の光音響信号よりも小さくなる。補正係数が１より大きい値の場合、補正後の光音響信号は補正前の光音響信号よりも大きくなる。なお、補正係数は信号強度Ｓ１１から信号強度Ｓ１２の区間において、パワードプラ信号の信号強度の増加に従って単調に増加するものであればよく、パワードプラ信号の信号強度に対して一次関数的に増加するものには限定されない。

補正後の光音響信号は、図５Ｃに示すように、位置Ｐ１、位置Ｐ２、位置Ｐ３、及び位置Ｐ４のそれぞれにピークを有する。補正後の光音響信号と、補正前の光音響信号（図５Ａ）と比較すると、補正前の光音響信号において体表に近い部分に存在していたノイズ成分は、その部分のパワードプラ信号の信号強度が低いことから、補正後の光音響信号から除去されている。したがって、補正後の光音響信号を用いて光音響画像を生成することで、体表に近い部分にある血管Ｖ１を、ノイズに埋もれることなく光音響画像で画像化できる。

また、補正前の光音響信号では、図５Ａに示すように、位置Ｐ３から位置Ｐ４までの区間で光音響信号の信号強度が範囲Ｒの下限を下回っていた。このような光音響信号を、位置Ｐ３と位置Ｐ４との中間の位置にピークを有するパワードプラ信号に基づく補正係数で補正することで、位置Ｐ３から位置Ｐ４までの区間において、光音響信号の信号強度を、範囲Ｒの下限よりも強くすることができる。したがって、補正後の光音響信号を用いて光音響画像を生成することで、太い血管Ｖ３の全体を光音響画像で画像化できる。もともと光音響画像で画像化できていた血管Ｖ２については、その位置Ｐ２のパワードプラ信号の信号強度が強いため、補正された光音響信号を用いて生成された光音響画像においても支障なく画像化できる。

本実施形態では、パワードプラ信号を生成し、パワードプラ信号に基づいて光音響信号を補正して光音響画像を生成する。パワードプラ信号は血管領域から得られることを利用して、パワードプラ信号強度が強い部分は光音響信号を増強することで、血液などから発せられた光音響波の検出信号の信号強度が弱くても、光音響画像においてその部分の画像化することが可能となる。例えば、光音響信号をパワードプラ信号を用いて補正しない場合にエッジ部分しか画像化できなかった太い血管の全体を、光音響画像で画像化することができる。また、パワードプラ信号が弱い部分は光音響信号を弱めることで、光音響信号に含まれるノイズ成分を低減することが可能となる。

次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る光音響画像生成システムを示す。第１実施形態に係る光音響画像生成システム１０では、超音波ユニット１２に含まれるドプラ画像生成部２８は、パワードプラ信号生成部２５が生成したパワードプラ信号に基づいてパワードプラ画像を生成した。本実施形態に係る光音響画像生成システム１０ａでは、超音波ユニット１２ａに含まれるドプラ画像生成部２８は、パワードプラ信号生成部２５が生成したパワードプラ信号を用いずに、パワードプラ画像を生成する。なお、図７では超音波画像生成部２６（図１を参照）が省略されているが、本実施形態において、超音波ユニット１２ａは、第１実施形態で説明した超音波ユニット１２と同様に、超音波画像生成部２６を有していてもよい。

ドプラ画像生成部２８は、受信メモリ２３から反射超音波信号を読み出す。ドプラ画像生成部２８は、反射超音波信号に基づいてパワードプラ画像を生成する。ドプラ画像生成部２８は、例えば各音線（ライン）について、パケットサイズ１０回程度の超音波の送受信により得られた反射超音波信号に基づいて、パワードプラ画像を生成する。ドプラ画像生成部２８は、パワードプラ画像の生成においてパワードプラ信号を生成する。ドプラ画像生成部２８とパワードプラ信号生成部２５とは、完全に分離されている必要はなく、一部の回路が双方に共通であってもよい。

図８は、パワードプラ信号生成部２５とドプラ画像生成部２８とを示す。パワードプラ信号生成部２５は、図２に示す第１実施形態において説明したパワードプラ信号生成部２５と同様に、受信ビームフォーマ２５１、検波器２５２、ハイパスフィルタ２５３、及びパワー演算器２５４を有する。ドプラ画像生成部２８は、受信ビームフォーマ２５１、検波器２５２、ハイパスフィルタ２８１、パワー演算器２８２、及びパワードプラ画像構築部２８３を有する。なお、受信ビームフォーマ２５１及び検波器２５２は、パワードプラ信号生成部２５とドプラ画像生成部２８とに共通の部分である。これに代えて、パワードプラ信号生成部２５及びドプラ画像生成部２８は、受信ビームフォーマ及び検波器を個別に有していてもよい。

パワードプラ信号生成部２５の動作は、第１実施形態で説明したものと同様である。すなわち、受信ビームフォーマ２５１は、反射超音波検出信号を整相加算し、検波器２５２は、整相加算された反射超音波信号に対して例えば直交検波を行う。ハイパスフィルタ２５３は、各送受信のＩ信号及びＱ信号に対してハイパスフィルタ処理を行い、パワー演算器２５４は、ハイパスフィルタ処理がなされたＩ信号及びＱ信号に基づいて、パワードプラ信号の信号値を演算する。

ドプラ画像生成部２８におけるパワー演算器２８２が行うパワードプラ信号の信号値の演算までの処理は、パワードプラ信号生成部２５の処理と同様である。パワードプラ画像構築部２８３は、パワードプラ信号のある範囲内の信号強度を、最高輝度から最低輝度の範囲の表示階調に変換することで、パワードプラ画像を生成する。

ここで、パワードプラ信号生成部２５のハイパスフィルタ（以下、第１のハイパスフィルタとも呼ぶ）２５３とドプラ画像生成部２８のハイパスフィルタ（以下、第２のハイパスフィルタとも呼ぶ）２８１とでは、ハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数が異なっていることが好ましい。例えば、第１のハイパスフィルタ２５３は、第１のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる。一方、第２のハイパスフィルタ２８１は、第１のカットオフ周波数よりも高い第２のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる。

第１のハイパスフィルタ２５３と第２のハイパスフィルタ２８１とでカットオフ周波数が異なることで、本実施形態では２つのパワードプラ信号が生成される。パワードプラ信号生成部２５が生成したパワードプラ信号は、光音響信号補正部２４において光音響信号の補正に用いられる。一方、ドプラ画像生成部２８の内部で生成されたパワードプラ信号は、パワードプラ画像構築部２８３で画像に変換される。

光音響信号の補正に用いられるパワードプラ信号は、ハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数がパワードプラ画像の生成に用いられるパワードプラ信号の生成に用いられたハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数よりも低いため、低速の感度が良好である。低速の感度を良好にしたパワードプラ信号には、クラッタ成分である比較的低周波の信号成分がある程度残存することとなる。しかしながら、そのパワードプラ信号は、光音響信号の補正に用いられるため、クラッタ成分が存在する部分に光音響信号が存在しなければ、特に問題は生じない。血流が遅い血管についても光音響画像で画像化を可能にするために、第１のカットオフ周波数は、通常のパワードプラ画像を生成する場合に用いられるカットオフ周波数よりも低いことが好ましい。

本実施形態では、パワードプラ信号生成部２５に含まれる第１のハイパスフィルタ２５３のカットオフ周波数を、ドプラ画像生成部２８に含まれる第２のハイパスフィルタ２８１のカットオフ周波数よりも低くする。光音響信号の補正に用いられるパワードプラ信号については、低いカットオフ周波数でハイパスフィルタ処理を行うことで、血流が定速の血管の部分のパワードプラ信号の信号強度を高いカットオフ周波数でハイパスフィルタ処理する場合より強めることができ、光音響信号の補正を適切に行うことが可能である。一方で、高いカットオフ周波数でハイパスフィルタ処理されたパワードプラ信号に基づいて生成されるパワードプラ画像においては、クラッタ成分が除去された画像の表示が可能である。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。図９は、本発明の第３実施形態に係る光音響画像生成システムを示す。本実施形態に係る光音響画像生成システム１０ｂは、図１に示す第１実施形態に係る光音響画像生成システム１０の構成に加えて、操作部３２を有する。その他の点は、第１実施形態又は第２実施形態と同様でよい。

操作部３２は、光音響信号補正部２４で使用される補正係数におけるパワードプラ信号の信号強度と補正係数の値との関係を操作する。操作部３２は、ユーザ操作に応じて補正係数におけるパワードプラ信号の信号強度と補正係数の値との関係を変化させるユーザインタフェースを有する。操作部３２がユーザインタフェースは、スライドバー又はダイヤルなどの物理的な手段であってもよいし、ＧＵＩ（graphical user interface）で構成されたものであってもよい。操作部３２は、超音波ユニット１２ｂの内部に構成されていてもよいし、超音波ユニット１２ｂの外部に構成されていてもよい。

図１０は、光音響信号の補正に用いられる補正係数を示す。図１０に示すグラフにおいて、横軸はパワードプラ信号の強度（ＰＤ信号強度）を表し、縦軸は補正係数の大きさを表す。補正係数は、例えば、初期状態ではパワードプラ信号の信号強度Ｓ１１から信号強度Ｓ１２の区間において、パワードプラ信号の信号強度に比例して増加する。信号強度Ｓ１１以下の区間では補正係数は０であり、信号強度がＳ１２以上の区間では補正係数は２である。

ユーザは、操作部３２を操作して、例えば血流を見やすくする方向に補正係数を変更する。操作部３２は、例えば補正係数がパワードプラ信号の信号強度が増加するに従って単調に増加する区間の下限の信号強度Ｓ１１及び上限の信号強度Ｓ１２を、信号強度が低い方向へ移動させることで、補正係数におけるパワードプラ信号の強度と補正係数の値との関係を変更する。変更後の補正係数は、パワードプラ信号の信号強度Ｓ２１から信号強度Ｓ２２の区間において、パワードプラ信号の信号強度に比例して増加する。信号強度Ｓ２１以下の区間では補正係数は０であり、信号強度がＳ２２以上の区間では補正係数は２である。光音響信号補正部２４は、変更後の補正係数を用いて、光音響信号の補正を行う。

本実施形態では、操作部３２は、光音響信号の補正に用いられる補正係数におけるパワードプラ信号の信号強度と補正係数の値との関係を変更させる。このような操作部３２を用いることで、例えば、ユーザは、表示された画像を観察しながら、所望の表示状態となるように、補正係数を変更することが可能となる。その他の効果は、第１実施形態又は第２実施形態と同様である。

なお、上記各実施形態では、光音響信号補正部２４は、光音響画像生成部２７に入力する光音響信号を補正することを説明したが、光音響信号の補正は、これには限定されない。例えば、光音響画像生成部２７における画像生成のある段階の信号（光音響画像信号）を補正することとしてもよい。具体的には、光音響画像生成部２７において再構成された光音響信号に対してパワードプラ信号に基づく補正を行ってもよい。あるいは、検波及び／又は対数変換がなされた光音響信号に対してパワードプラ信号に基づく補正を行ってもよい。さらには、表示階調に変換された光音響画像信号に対してパワードプラ信号に基づく補正を行ってもよい。

上記各実施形態では、光音響画像生成システムにおいて反射超音波の検出と光音響波の検出とを行っているが、これらの検出は必ずしも実施されなくてもよい。例えば、図示しない記憶装置に、過去に検出された光音響波の検出信号及び反射超音波の検出信号を記憶しておき、その記憶装置から光音響波の検出信号及び反射超音波の検出信号を読み出してもよい。記憶装置は、超音波ユニット１２から読み出し可能に構成されていればよく、例えば記憶装置と超音波ユニット１２とがインターネットなどのネットワークを介して接続されていてもよい。

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システム、装置、及び方法は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

１０、１０ａ、１０ｂ：光音響画像生成システム
１１：プローブ
１２、１２ａ、１２ｂ：超音波ユニット
１３：レーザユニット
１４：画像表示装置
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換器
２３：受信メモリ
２４：光音響信号補正部
２５：パワードプラ信号生成部
２６：超音波画像生成部
２７：光音響画像生成部
２８：ドプラ画像生成部
２９：画像出力部
３０：制御部
３１：送信制御回路
３２：操作部
２５１：受信ビームフォーマ
２５２：検波器
２５３：ハイパスフィルタ
２５４：パワー演算器
２８１：ハイパスフィルタ
２８２：パワー演算器
２８３：パワードプラ画像構築部
Ｓ：体表
Ｖ１〜Ｖ３：血管

Claims (16)

1. 被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、
   前記被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、
   前記光音響信号補正部で補正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生成部とを備え、
   前記光音響信号補正部は、前記パワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて前記光音響波の検出信号を補正し、
   前記補正係数の値は、前記パワードプラ信号の信号強度が大きくなるに従って単調的に増加する光音響画像生成装置。
2. 被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、
   前記被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、
   前記光音響信号補正部で補正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生成部とを備え、
   前記光音響信号補正部は、前記パワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて前記光音響波の検出信号を補正し、
   前記補正係数における前記パワードプラ信号の信号強度と前記補正係数の値との関係を変化させる操作部を更に有する請求項１に記載の光音響画像生成装置。
3. 前記光音響信号補正部は、補正前の光音響波の検出信号に前記補正係数を乗じることで、前記光音響波の検出信号を補正する請求項１又は２に記載の光音響画像生成装置。
4. 前記パワードプラ信号生成部は、前記反射音響波の検出信号を直交検波することにより前記パワードプラ信号を生成する請求項１から３何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
5. 前記反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ画像を生成するパワードプラ画像生成部を更に有する請求項１から４何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
6. 被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、
   前記被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、
   前記光音響信号補正部で補正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生成部と、
   前記反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ画像を生成するパワードプラ画像生成部を備え、
   前記パワードプラ信号生成部は第１のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる第１のハイパスフィルタを含み、前記パワードプラ画像生成部は第２のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる第２のハイパスフィルタを含み、前記第１のカットオフ周波数は前記第２のカットオフ周波数よりも低い光音響画像生成装置。
7. 前記光音響画像と前記パワードプラ画像とをモニタ画面上に表示させる画像出力部を更に有する請求項６に記載の光音響画像生成装置。
8. 前記画像出力部は、前記光音響画像と前記パワードプラ画像とを重畳して前記モニタ画面上に表示させる請求項７に記載の光音響画像生成装置。
9. 前記画像出力部は、前記光音響画像と前記パワードプラ画像とを並べて前記モニタ画面上に表示させる請求項７に記載の光音響画像生成装置。
10. 前記反射音響波の検出信号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部を更に有し、
    前記画像出力部は、前記反射音響波画像を前記モニタ画面上に更に表示させる請求項７から９何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
11. 光源と、
    被検体内に音響波を送信する音響波送信部と、
    前記被検体内の光吸収体が前記光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波、及び前記音響波送信部から送信された音響波に対する反射音響波を検出する音響波受信部と、
    前記反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、
    前記光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、
    前記光音響信号補正部で補正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生成部とを備え、
    前記光音響信号補正部は、前記パワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて前記光音響波の検出信号を補正し、
    前記補正係数の値は、前記パワードプラ信号の信号強度が大きくなるに従って単調的に増加する光音響画像生成システム。
12. 光源と、
    被検体内に音響波を送信する音響波送信部と、
    前記被検体内の光吸収体が前記光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波、及び前記音響波送信部から送信された音響波に対する反射音響波を検出する音響波受信部と、
    前記反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、
    前記光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、
    前記光音響信号補正部で補正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生成部とを備え、
    前記光音響信号補正部は、前記パワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて前記光音響波の検出信号を補正し、
    前記補正係数における前記パワードプラ信号の信号強度と前記補正係数の値との関係を変化させる操作部を更に有する光音響画像生成システム。
13. 光源と、
    被検体内に音響波を送信する音響波送信部と、
    前記被検体内の光吸収体が前記光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波、及び前記音響波送信部から送信された音響波に対する反射音響波を検出する音響波受信部と、
    前記反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するパワードプラ信号生成部と、
    前記光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正する光音響信号補正部と、
    前記光音響信号補正部で補正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生成部と、
    前記反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ画像を生成するパワードプラ画像生成部を備え、
    前記パワードプラ信号生成部は第１のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる第１のハイパスフィルタを含み、前記パワードプラ画像生成部は第２のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させる第２のハイパスフィルタを含み、前記第１のカットオフ周波数は前記第２のカットオフ周波数よりも低い光音響画像生成システム。
14. 被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するステップと、
    前記被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正するステップと、
    前記補正するステップで補正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ステップとを有する光音響画像生成方法であって、
    前記パワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて前記光音響波の検出信号を補正するステップであって、前記補正係数の値は、前記パワードプラ信号の信号強度が大きくなるに従って単調的に増加するステップを更に有する光音響画像生成方法。
15. 被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するステップと、
    前記被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正するステップと、
    前記補正するステップで補正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ステップとを有する光音響画像生成方法であって、
    前記パワードプラ信号の信号強度の関数である補正係数を用いて前記光音響波の検出信号を補正するステップと、
    前記補正係数における前記パワードプラ信号の信号強度と前記補正係数の値との関係を変化させるステップを更に有する光音響画像生成方法。
16. 被検体内に送信された音響波に対する反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ信号を生成するステップと、
    前記被検体内の光吸収体が光源から出射した光を吸収することに起因して発生した光音響波の検出信号を、前記パワードプラ信号に基づいて補正するステップと、
    前記補正するステップで補正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ステップとを有する光音響画像生成方法であって、
    前記反射音響波の検出信号に基づいてパワードプラ画像を生成するステップと、
    第１のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させ、かつ第２のカットオフ周波数よりも高域の周波数帯域の信号成分を通過させるステップであって、前記第１のカットオフ周波数は前記第２のカットオフ周波数よりも低いステップとを更に有する光音響画像生成方法。

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