JP6667649B2 - 光音響画像生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部を有し、少なくとも一部が被検体に挿入される挿入物を備えた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、超音波の送信およ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、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。
また、光音響イメージングに関し、特許文献１には、光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部を先端付近に設けた穿刺針が提案されている。この穿刺針においては、穿刺針の先端まで光ファイバが設けられ、その光ファイバによって導光された光が光音響波発生部に照射される。光音響波発生部において発生した光音響波は超音波探触子によって検出され、その検出信号に基づいて光音響画像が生成される。光音響画像では、光音響波発生部の部分が輝点として現れ、光音響画像を用いて穿刺針の位置の確認が可能となる。
特開２０１５−２３１５８３号公報 国際公開第２０１２／００８２１７号公報 特開２００３−６１９５５号公報 特開平６−２０５７７３号公報
ここで、たとえば特許文献１に記載のような穿刺針を用いて光音響イメージングを行う場合、光音響波を検出する超音波探触子は、複数の検出素子を配列した圧電素子アレイを備えている。
そして、超音波探触子の圧電素子アレイは、たとえば１２８個の圧電素子を一次元に配列して構成され、圧電素子によって検出された検出信号はマルチプレクサを介して受信回路によって受信される。
一般的に、受信回路によって同時に受信可能なチャネル数には制限があり、たとえば６４チャネルの受信回路を使用した場合、上述したように圧電素子が１２８個である場合には、圧電素子アレイの圧電素子の数よりも受信回路のチャネル数の方が少ないため、１２８個の検出素子を６４個の検出素子からなる検出素子群に分割し、その分割された検出素子群毎に１：２のマルチプレクサによって選択的に受信回路に接続される。
しかしながら、たとえば穿刺針の先端部分が、各検出素子群の光音響波の受信領域の境界部分に位置する場合には、先端部分の検出信号を適切に取得することができず、穿刺針の先端部分を明瞭に表示することができない場合がある。
なお、特許文献２〜特許文献４には、超音波画像の継ぎ目を目立ちにくくするために複数の超音波画像の重複部分を加算平均することが開示されているが、上述したような穿刺針の先端部分の位置検出については何も提案されていない。
本発明は、上記事情に鑑み、上述した穿刺針のような挿入物の先端部分の検出信号を適切に取得することができ、挿入物の先端部分をより明瞭に表示させることができる光音響画像生成装置を提供することを目的とするものである。
本発明の光音響画像生成装置は、少なくとも先端部分が被検体内に挿入される挿入物であって、先端部分まで光を導光する導光部材と、導光部材により導光され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有する挿入物と、光音響波を検出する複数の検出素子が配列された検出素子アレイを有する音響波検出部と、音響波検出部を制御することによって、検出素子アレイのうちの一部の検出素子群を特定し、その一部の検出素子群を切り換えて光音響波の受信領域を切り換えることによって検出素子アレイ全体の受信領域の検出信号を取得する制御部と、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部と、光音響画像に基づいて、挿入物の先端部分の位置を検出する先端位置検出部とを備え、制御部が、先端位置検出部によって検出された挿入物の先端部分の位置に基づいて、一部の検出素子群を特定する。
また、本発明の光音響画像生成装置において、先端位置検出部は、時系列に生成された光音響画像に基づいて、挿入物の先端部分の位置を時系列に検出し、制御部は、時系列に検出された挿入物の先端部分の位置に基づいて、一部の検出素子群を順次特定することができる。
また、本発明の光音響画像生成装置において、制御部は、一部の検出素子群の切り換えパターンを予め複数記憶するものであり、挿入物の先端部分の位置に基づいて、複数の切り換えパターンのいずれかを選択し、その選択した切り換えパターンを用いて一部の検出素子群を切り換えることができる。
また、本発明の光音響画像生成装置において、検出素子アレイは、複数の検出素子を少なくとも一列に配列したものであり、その配列方向を左右方向とした場合において、一部の検出素子群の切り換えパターンの１つは、検出素子アレイの左側半分の検出素子群と右側半分の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンであることが好ましい。
また、本発明の光音響画像生成装置において、一部の検出素子群の切り換えパターンの１つは、検出素子アレイの中央部分の検出素子群とその中央部分を挟む左右の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンであり、制御部は、挿入物の先端部分の位置に基づいて、検出素子アレイの左側半分の検出素子群と右側半分の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンと、検出素子アレイの中央部分の検出素子群とその中央部分を挟む左右の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンとのいずれかを選択することができる。
また、本発明の光音響画像生成装置においては、検出素子アレイの左側半分の検出素子群の受信領域と右側半分の検出素子群の受信領域との境界が、検出素子アレイの中央部分の検出素子群の受信領域に含まれることが好ましい。
また、本発明の光音響画像生成装置において、制御部は、挿入物の先端部分の位置と検出素子群の受信領域の境界との間の距離が予め設定された閾値以下となった場合に、切り換えパターンを変更することができる。
また、本発明の光音響画像生成装置において、制御部は、挿入物の先端部分の位置の検出の前に、複数の切り換えパターンを交互に設定し、先端位置検出部は、各切り換えパターンに対応する各光音響画像に基づいて、挿入物の先端部分の位置を検出することができる。
また、本発明の光音響画像生成装置において、先端位置検出部によって挿入物の先端部分の位置が検出不能であった場合に、制御部は、複数の切り換えパターンを交互に設定し、先端位置検出部は、各切り換えパターンに対応する各光音響画像に基づいて、挿入物の先端部分の位置を検出することができる。
また、本発明の光音響画像生成装置においては、挿入物の先端部分の位置が検出される前の初期設定の切り換えパターンの選択を受け付ける切り換えパターン選択受付部を備えることができる。
また、本発明の光音響画像生成装置において、切り換えパターン選択受付部は、初期設定の切り換えパターンの選択として、挿入物の強調表示処理の選択を受け付けることができる。
また、本発明の光音響画像生成装置において、挿入物は、被検体に穿刺される針であることが好ましい。
本発明の光音響画像生成装置は、検出素子アレイを有する音響波検出部を制御することによって、検出素子アレイのうちの一部の検出素子群を特定し、その一部の検出素子群を切り換えて光音響波の受信領域を切り換えることによって検出素子アレイ全体の受信領域の検出信号を取得し、その検出信号に基づいて光音響画像を生成する。
そして、光音響画像に基づいて、光音響波発生部を有する挿入物の先端部分の位置を検出し、その検出された挿入物の先端部分の位置に基づいて、上述した一部の検出素子群を特定するようにしたので、挿入物の先端部分の検出信号を適切に取得することができ、挿入物の先端部分を明瞭に表示させることができる。
本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図 穿刺針の先端部分の構成を示す断面図 音響波検出部の概略構成を示すブロック図 第１の実施形態の光音響画像生成装置における圧電素子群の特定方法を説明するためのフローチャート 圧電素子群の切り換えパターンの一例を示す図 第１の実施形態の光音響画像生成装置における圧電素子群の特定方法を説明するための説明図 圧電素子群の切り換えパターンのその他の例を示す図 第２の実施形態の光音響画像生成装置における圧電素子群の特定方法を説明 するためのフローチャート 第２の実施形態の光音響画像生成装置における圧電素子群の特定方法を説明するための説明図 第２の実施形態の光音響画像生成装置において用いられる４つの切り換えパターンの一例を示す図 本発明の光音響画像生成装置のその他の実施形態の概略構成を示すブロック図 針強調表示処理の選択に基づいて、初期設定の切り換えパターンを決定する方法を説明するためのフローチャート
以下、本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の概略構成を示す図である。
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、図１に示すように、超音波探触子１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、および穿刺針１５を備えている。穿刺針１５とレーザユニット１３とは、光ファイバを有する光ケーブル１６によって接続されている。穿刺針１５は、光ケーブル１６に対して着脱可能なものであり、ディスポーザブルに構成されたものである。なお、本実施形態では、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、たとえばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）およびアレキサンドライトなどを用いた固体レーザ光源を備えている。レーザユニット１３の固体レーザ光源から出射されたレーザ光は、光ケーブル１６によって導光され、穿刺針１５に入射される。本実施形態のレーザユニット１３は、近赤外波長域のパルスレーザ光を出射するものである。近赤外波長域とは、および７００ｎｍ〜８５０ｎｍの波長域を意味する。なお、本実施形態においては、固体レーザ光源を用いるようにしたが、気体レーザ光源などその他のレーザ光源を用いるようにしてもよいし、レーザ光源以外の光源を用いるようにしてもよい。
穿刺針１５は、本発明の挿入物の一実施形態であり、被検体に穿刺される針である。図２は、穿刺針１５の長さ方向に伸びる中心軸を含む断面図である。穿刺針１５は、鋭角に形成された先端に開口を有し、中空状に形成された穿刺針本体１５ａと、レーザユニット１３から出射されたレーザ光を穿刺針１５の開口の近傍まで導光する光ファイバ１５ｂ（本発明の導光部材に相当する）と、光ファイバ１５ｂ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音響波発生部１５ｃとを含む。
光ファイバ１５ｂおよび光音響波発生部１５ｃは、穿刺針本体１５ａの中空部１５ｄに配置される。光ファイバ１５ｂは、たとえば穿刺針１５の基端部に設けられた光コネクタを介して光ケーブル１６（図１を参照）内の光ファイバに接続される。光ファイバ１５ｂの光出射端からは、たとえば０．２ｍＪのレーザ光が出射される。
光音響波発生部１５ｃは、光ファイバ１５ｂの光出射端に設けられており、穿刺針１５の先端近傍かつ穿刺針本体１５ａの内壁に設けられる。光音響波発生部１５ｃは、光ファイバ１５ｂから出射されるレーザ光を吸収して光音響波を発生する。光音響波発生部１５ｃは、たとえば黒顔料を混合したエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、フッ素樹脂およびシリコーンゴムなどから形成されている。なお、図２では、光ファイバ１５ｂよりも光音響波発生部１５ｃの方が大きく描かれているが、これには限定されず、光音響波発生部１５ｃは、光ファイバ１５ｂの径と同程度の大きさであってもよい。
光音響波発生部１５ｃは、上述したものに限定されず、レーザ光の波長に対して光吸収性を有する金属膜または酸化物の膜を、光音響波発生部としてもよい。たとえば光音響波発生部１５ｃ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、酸化クロムおよび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（チタン）やＰｔ（白金）などの金属膜を光音響波発生部１５ｃとして用いてもよい。また、光音響波発生部１５ｃが設けられる位置は穿刺針本体１５ａの内壁には限定されない。たとえば光音響波発生部１５ｃである金属膜または酸化物の膜を、蒸着などにより光ファイバ１５ｂの光出射端上に例えば１００ｎｍ程度の膜厚で製膜し、酸化物の膜が光出射端を覆うようにしてもよい。この場合、光ファイバ１５ｂの光出射端から出射されたレーザ光の少なくとも一部は、光出射端を覆う金属膜または酸化物の膜で吸収され、金属膜また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、その位置に光ファイバ１５ｂの先端および光音響波発生部１５ｃ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。たとえば穿刺針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、超音波探触子１１は、被検体に穿刺針１５が穿刺された後に、光音響波発生部１５ｃから発せられた光音響波を検出する。超音波探触子１１は、光音響波を検出する音響波検出部２０を備えている。
音響波検出部２０は、図３に示すように、光音響波を検出する複数の圧電素子２０ａ（本発明の検出素子に相当する）が一次元に配列された圧電素子アレイ２０ｂ（本発明の検出素子アレイに相当する）と、マルチプレクサ２０ｃとを備えている。圧電素子２０ａは、超音波振動子であり、たとえば圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。また、音響波検出部２０は、図示省略しているが、音響レンズ、音響整合層、バッキング材、および圧電素子アレイ２０ｂの制御回路などを備えている。
本実施形態の圧電素子アレイ２０ｂは、１２８個の圧電素子２０ａを備えている。なお、圧電素子２０ａの個数および配列についてはこれに限られず、例えば圧電素子２０ａの個数は２５６個でもよいし、二次元に配列されてもよい。なお、本明細書において、圧電素子の配列方向とは、圧電素子が一次元に配列されている場合には、その一次元の方向であり、圧電素子が２次元に配列されている場合には、直交する２次元方向のいずれの方向でもよいが、配列されている圧電素子が多い方向を配列方向とすることが望ましい。
マルチプレクサ２０ｃは、圧電素子アレイ２０ｂを構成する圧電素子２０ａのうち、並列して光音響波を検出する一部の圧電素子群を選択的に超音波ユニット１２の受信回路２１に接続するものである。なお、圧電素子群とは、並列して光音響波を検出する圧電素子２０ａの集合である。
上述したマルチプレクサ２０ｃによる選択的な接続により、圧電素子アレイ２０ｂの光音響波の受信領域が複数の受信領域に分割され、受信領域毎の光音響波の検出信号が取得される。なお、光音響波の受信領域とは、圧電素子群によって光音響波を受信可能な被検体の領域である。
本実施形態のマルチプレクサ２０ｃは、具体的にはチャネル数が６４チャネルであり、６４個の圧電素子群の検出信号を並列に取得することができる。マルチプレクサ２０ｃによって受信回路２１に接続される６４個の圧電素子群は、超音波ユニット１２の制御部２８によって特定される。制御部２８は、６４個の圧電素子群を切り換えて光音響波の受信領域を切り換えることによって圧電素子アレイ２０ｂ全体の受信領域の検出信号を取得する。
超音波探触子１１は、音響波検出部２０の圧電素子アレイ２０ｂによって、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。なお、超音波の送信と受信とは分離した位置で行ってもよい。たとえば超音波探触子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超音波探触子１１の圧電素子アレイ２０ｂで受信してもよい。超音波探触子１１としては、リニア超音波探触子、コンベクス超音波探触子、またはセクター超音波探触子などを用いることができる。
超音波ユニット１２は、受信回路２１、受信メモリ２２、データ分離部２３、光音響画像生成部２４、超音波画像生成部２５、画像出力部２６、送信制御回路２７、制御部２８および先端位置検出部２９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、およびバスなどを有する。超音波ユニット１２には、光音響画像生成処理、超音波画像生成処理、および光音響画像における穿刺針１５の先端位置検出処理など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２８によってそのプログラムが動作することで、データ分離部２３、光音響画像生成部２４、超音波画像生成部２５、画像出力部２６および先端位置検出部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）、および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、超音波探触子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。本実施形態の受信回路２１は、チャネル数が６４チャネルである。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、およびＡＤ変換器（Analog to Digital convertor）を含む。超音波探触子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変換され、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。
超音波探触子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およ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。データ分離部２３は、受信メモリ２２から光音響波の検出信号を読み出し、光音響画像生成部２４に送信する。また、受信メモリ２２から反射超音波の検出信号を読み出し、超音波画像生成部２５に送信する。
光音響画像生成部２４は、超音波探触子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。光音響画像の生成処理は、たとえば位相整合加算などの画像再構成、検波および対数変換などを含む。超音波画像生成部２５は、超音波探触子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。超音波画像の生成処理も、位相整合加算などの画像再構成、検波および対数変換などを含む。画像出力部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部３０に出力する。
先端位置検出部２９は、光音響画像生成部２４によって生成された光音響画像に基づいて、穿刺針１５の先端部分の位置を検出するものである。穿刺針１５の先端部分の位置の検出方法としては、たとえば光音響画像における最大輝度点の位置を、穿刺針１５の先端部分の位置として検出するようにすればよい。
なお、上述したように光音響画像に基づいて穿刺針１５の先端位置検出を行った場合、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場合があり、本来の穿刺針１５の先端部分の位置を特定できない場合がある。
そこで、光音響画像生成部２４によって生成された光音響画像をそのまま用いるのではなく、平滑化処理などを施すことによって、上述したアーチファクトによる誤検出を防止するようにしてもよい。具体的には、検波および対数変換後の光音響画像に対して平滑化処理を行う。平滑化処理としては、たとえばガウシアンフィルタによる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の先端部分より小さいことが好ましい。
次いで、平滑化処理後の光音響画像に対して２値化処理を施して２値画像を生成する。そして、２値画像から、白画素が連続して分布する領域を検出することによって、穿刺針１５の先端部分の位置を検出する。このように穿刺針１５の先端部分の位置検出を行うことによって、より高精度に検出することができる。
制御部２８は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御部２８は、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、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。
ここで、本実施形態の制御部２８は、上述したように音響波検出部２０のマルチプレクサ２０ｃを制御することによって、受信回路２１に接続される６４個の圧電素子群を特定するが、この際、先端位置検出部２９によって検出された穿刺針１５の先端部分の位置に基づいて、６４個の圧電素子群（以下、単に圧電素子群という）を特定する。具体的には、本実施形態の制御部２８は、穿刺針１５の先端部分の位置が、常に圧電素子群の受信領域の中央に位置するように、穿刺針１５の先端部分の位置の変更に追随させて圧電素子群をリアルタイムに順次特定する。以下、この圧電素子群の特定方法について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、制御部２８は、予め記憶された初期設定の圧電素子群の切り換えパターンを設定する（Ｓ１０）。本実施形態においては、初期設定の圧電素子群の切り換えパターンとして、圧電素子アレイ２０ｂにおける左側半分の圧電素子群と右側半分の圧電素子群とを切り換えるパターンを設定する。なお、ここでは圧電素子２０ａの配列方向を左右方向とする。また、初期設定の圧電素子群の切り換えパターンとしては、これに限らず、その他のパターンでもよい。
そして、制御部２８は、ユーザによって穿刺針１５の先端検出開始指示が入力されたか否かを確認し、先端検出開始指示が入力された場合には（Ｓ１２，ＹＥＳ）、穿刺針１５の先端部分の位置の検出処理を開始する（Ｓ１４）。なお、先端検出開始指示および先端検出終了指示は、ユーザによって入力部４０（図１参照）を用いて行われる。
具体的には、制御部２８は、左側半分の圧電素子群と右側半分の圧電素子群と切り換えることによって、図５に示す右側半分の圧電素子群の受信領域Ｉと左側半分の圧電素子群の受信領域IIとを切り換え、これにより全受信領域の光音響波の検出信号を取得する。すなわち、まず右側半分の圧電素子群の受信領域Ｉの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶し、その後、左側半分の受信領域IIの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶する。なお、図５に示す６４ラインの各ラインは、各圧電素子を中心とした位相整合加算によって検出信号が取得される被検体の領域である。
そして、データ分離部２３によって、受信メモリ２２から全受信領域の検出信号が光音響画像生成部２４に送信され、光音響画像生成部２４によって１フレームの光音響画像が生成される。
光音響画像生成部２４によって生成された１フレームの光音響画像は、先端位置検出部２９に入力され、先端位置検出部２９によって穿刺針１５の先端部分の位置が検出される。
先端位置検出部２９によって検出された先端部分の位置情報が制御部２８に入力され、制御部２８は、入力された先端部分の位置情報に基づいて、次のフレームの光音響画像を取得する際における圧電素子群を特定する（Ｓ１６）。具体的には、たとえば穿刺針１５の先端部分Ｐの位置が、図６Ｉに示す位置である場合には、その先端部分Ｐの位置が中央に位置する受信領域Ｉを特定し、その受信領域Ｉに対応する圧電素子群を特定する。そして、その特定した圧電素子群の受信領域Ｉの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶し、その後、残りの受信領域IIの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶する。
そして、受信メモリ２２から全受信領域の検出信号が光音響画像生成部２４に送信され、光音響画像生成部２４によって１フレームの光音響画像が生成され、その１フレームの光音響画像が画像出力部２６によって画像表示部３０に表示される。本実施形態においては、上述したように穿刺針１５の先端部分Ｐの位置が中央に位置する受信領域Ｉに対応する圧電素子群を特定するようにしたので、穿刺針１５の先端部分Ｐの検出信号を適切に取得することができ、光音響画像上に穿刺針１５の先端部分Ｐの画像が明瞭に表示される。
次いで、制御部２８は、ユーザによって穿刺針１５の先端検出終了指示が入力されたか否かを確認し（Ｓ１８）、先端検出終了指示が入力されていない場合には、直前に設定された圧電素子群の切り換えパターンを設定する（Ｓ２０）。
すなわち、再び図６Ｉに示す受信領域Ｉおよび受信領域IIが設定され、受信領域Ｉの検出信号が取得された後に受信領域IIの検出信号が取得され、その検出信号に基づく光音響画像が先端位置検出部２９に入力され、穿刺針１５の先端部分の位置検出が行われる（Ｓ２２）。
そして、穿刺針１５の先端部分の位置が変わっておらず、かつ先端検出終了指示が入力されていない場合には（Ｓ２４，ＮＯ，Ｓ１８，ＮＯ）、再び同じ受信領域Ｉおよび受信領域IIが設定され（Ｓ２０）、再び穿刺針１５の先端部分の位置検出が行われる（Ｓ２２）。一方、図６IIに示すように、穿刺針１５の先端部分の位置が変更されている場合には（Ｓ２４，ＹＥＳ）、Ｓ１６に戻り、その変更後の先端部分Ｐの位置が中央に位置する受信領域Ｉを特定し、その受信領域Ｉに対応する圧電素子群を特定する。
そして、その特定した圧電素子群の受信領域Ｉの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶し、その後、残りの受信領域IIの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶する。
そして、受信メモリ２２から全受信領域の検出信号が光音響画像生成部２４に送信され、光音響画像生成部２４によって１フレームの光音響画像が生成され、その１フレームの光音響画像が画像出力部２６によって画像表示部３０に表示される。
そして、以降、Ｓ１６〜Ｓ２４までの処理が繰り返して行われ、Ｓ１８において、先端検出終了指示が入力された場合には、そのまま処理を終了する。
上述したように、本実施形態においては、先端位置検出部２９が、時系列に生成された光音響画像に基づいて、穿刺針１５の先端部分の位置を時系列に検出し、制御部２８が、時系列に検出された穿刺針１５の先端部分の位置に基づいて、圧電素子群を順次特定する。
このように穿刺針１５の先端部分の位置に基づいて、リアルタイムに圧電素子群を順次特定することによって、穿刺針１５の先端部分の検出信号を適切に取得することができ、穿刺針１５の先端部分を光音響画像上により明瞭に表示させることができる。
次に、制御部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、超音波探触子１１から超音波を送信させる。超音波探触子１１は、超音波画像を取得する場合には、制御部２８による制御によって、たとえば圧電素子群の受信領域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。制御部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。受信回路２１によって受信されたサンプリングデータは、受信メモリ２２に格納される。
超音波画像生成部２５は、データ分離部２３を介して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。超音波画像生成部２５が生成した超音波響画像は、画像出力部２６に入力され、画像出力部２６によって画像表示部３０に超音波画像が表示される。
なお、画像表示部３０においては、光音響波画像と超音波画像とを別々に表示してもよいし、合成して表示するようにしてもよい。合成して表示することで、穿刺針１５の先端が生体内のどこにあるかを確認することができるようになるため、正確で安全な穿刺が可能になる。
次に、本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態の光音響画像生成装置１０においては、穿刺針１５の先端部分の位置が、常に圧電素子群の受信領域の中央に位置するように、穿刺針１５の先端部分の位置の変更に追随させて圧電素子群をリアルタイムに順次特定するようにしたが、第２の実施形態の光音響画像生成装置１０においては、圧電素子群の切り換えパターンを予め複数記憶しておき、穿刺針１５の先端部分の位置に基づいて、その複数の切り換えパターンのいずれかを選択するようにしたものである。その他の構成および作用については、第１の実施形態の光音響画像生成装置１０と同様である。
第２の実施形態の光音響画像生成装置１０の制御部２８には、図５に示した切り換えパターンの他に、図７に示すような切り換えパターンが予め記憶されている。図７に示す切り換えパターンは、圧電素子アレイ２０ｂの中央部分の圧電素子群とその中央部分を挟む左右の圧電素子群との２つの圧電素子群を切り換えるパターンである。なお、図５に示す右側半分の圧電素子群の受信領域Ｉと左側半分の圧電素子群の受信領域IIとの境界が、図７に示す中央部分の圧電素子群の受信領域Ｉに含まれるように設定されている。
そして、制御部２８は、穿刺針１５の先端部分の位置に基づいて、図５に示す切り換えパターンと、図７に示す切り換えパターンとのいずれかを選択して設定する。以下、第２の実施形態の圧電素子群の特定方法について、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、制御部２８は、第１の実施形態と同様に、予め記憶された初期設定の圧電素子群の切り換えパターンを設定する（Ｓ３０）。本実施形態においては、初期設定の圧電素子群の切り換えパターンとして、図５に示す切り換えパターンを設定する。なお、第２の実施形態においても、初期設定の圧電素子群の切り換えパターンとしては、これに限らず、その他のパターンでもよい。
そして、制御部２８は、ユーザによって穿刺針１５の先端検出開始指示が入力されたか否かを確認し、先端検出開始指示が入力された場合には（Ｓ３２，ＹＥＳ）、穿刺針１５の先端部分の位置の検出処理を開始する（Ｓ３４）。
具体的には、制御部２８は、左側半分の圧電素子群と右側半分の圧電素子群と切り換えることによって、図５に示す右側半分の圧電素子群の受信領域Ｉと左側半分の圧電素子群の受信領域IIとを切り換え、これにより全受信領域の検出信号を取得する。すなわち、まず右側半分の圧電素子群の受信領域Ｉの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶し、その後、左側半分の受信領域IIの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶する。
そして、データ分離部２３によって、受信メモリ２２から全受信領域の検出信号が光音響画像生成部２４に送信され、光音響画像生成部２４によって１フレームの光音響画像が生成される。
光音響画像生成部２４によって生成された１フレームの光音響画像は、先端位置検出部２９に入力され、先端位置検出部２９によって穿刺針１５の先端部分の位置が検出される（Ｓ３４）。
先端位置検出部２９によって検出された先端部分の位置情報が制御部２８に入力され、制御部２８は、入力された先端部分の位置情報に基づいて、次のフレームの光音響画像を取得する際における圧電素子群の切り換えパターンを選択する（Ｓ３６）。
具体的には、たとえば穿刺針１５の先端部分Ｐの位置が、図９に示す斜線の範囲内である場合には、図７に示す切り換えパターンを選択し、図９に示す斜線の範囲外である場合には、継続して図５に示す切り換えパターンを選択して設定する。図９に示す斜線の範囲は、図５に示す右側半分の圧電素子群の受信領域Ｉと左側半分の圧電素子群の受信領域IIの境界Ｃを含み、その境界Ｃを中心線として左右にＷの幅を有する範囲である。
なお、Ｗの幅は、ユーザによって予め設定されるものである。また、図９においては、図７に示す切り換えパターンにおける受信領域Ｉと受信領域IIとの境界を点線で示している。Ｗの幅は、図７に示す切り換えパターンにおける受信領域Ｉと受信領域IIとの境界が含まれないように設定される。
そして、選択された切り換えパターンの受信領域Ｉの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶し、その後、残りの受信領域IIの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶する。
そして、受信メモリ２２から全受信領域の検出信号が光音響画像生成部２４に送信され、光音響画像生成部２４によって１フレームの光音響画像が生成され、その１フレームの光音響画像が画像出力部２６によって画像表示部３０に表示される。本実施形態においては、穿刺針１５の先端部分Ｐが、受信領域の境界部分に含まれないように圧電素子群の切り換えパターンを選択するようにしたので、穿刺針１５の先端部分Ｐの検出信号を適切に取得することができ、光音響画像上に穿刺針１５の先端部分Ｐの画像が明瞭に表示される。
次いで、制御部２８は、ユーザによって穿刺針１５の先端検出終了指示が入力されたか否かを確認し（Ｓ３８）、先端検出終了指示が入力されていない場合には、直前に設定された圧電素子群の切り換えパターンが設定される（Ｓ４０）。
そして、すなわち、再び受信領域Ｉの検出信号が取得された後に受信領域IIの検出信号が取得され、その検出信号に基づく光音響画像が先端位置検出部２９に入力され、穿刺針１５の先端部分の位置検出が行われる（Ｓ４２）。
そして、穿刺針１５の先端部分の位置と、現在設定されている切り換えパターンにおける受信領域Ｉと受信領域IIとの境界との距離が閾値以下となった場合には（Ｓ４４，ＹＥＳ）、Ｓ３６に戻り、切り換えパターンを変更する。具体的には、本実施形態においては、現在設定されている切り換えパターンが、図５に示す切り換えパターンである場合、穿刺針１５の先端部分Ｐの位置が、図９に示す斜線の範囲内に変更された場合には、図７に示す切り換えパターンに変更する。逆に、現在設定されている切り換えパターンが、図７に示す切り換えパターンであり、穿刺針１５の先端部分Ｐの位置が、図９に示す斜線の範囲外に変更された場合には、図５に示す切り換えパターンに変更する。
一方、穿刺針１５の先端部分の位置と、現在設定されている切り換えパターンにおける受信領域Ｉと受信領域IIとの境界との距離が閾値より大きく、かつ先端検出終了指示が入力されていない場合には（Ｓ４４，ＮＯ，Ｓ３８，ＮＯ）、再び同じ受信領域Ｉおよび受信領域IIが設定され（Ｓ４０）、再び穿刺針１５の先端部分の位置検出が行われる（Ｓ４２）。そして、その設定された受信領域Ｉの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶し、その後、残りの受信領域IIの検出信号を取得して受信メモリ２２に記憶する。
そして、受信メモリ２２から全受信領域の検出信号が光音響画像生成部２４に送信され、光音響画像生成部２４によって１フレームの光音響画像が生成され、その１フレームの光音響画像が画像出力部２６によって画像表示部３０に表示される。
そして、以降、Ｓ３６〜Ｓ４４までの処理が繰り返して行われ、Ｓ３８において、先端検出終了指示が入力された場合には、そのまま処理を終了する。
第２の実施形態の光音響画像生成装置１０においては、穿刺針１５の先端部分の位置に基づいて、予め設定された複数の切り換えパターンを選択して用いるようにしたので、第１の実施形態の光音響画像生成装置１０のように、穿刺針１５の先端部分の位置に追随させて圧電素子群を順次特定する場合と比較すると、処理を簡略がすることができ、処理速度を速くすることができる。
また、第２の実施形態の光音響画像生成装置１０においては、２つの切り換えパターンを用いるようにしたが、これに限らず、３つ以上の切り換えパターンを用いるようにしてもよい。図１０は、４つの切り換えパターンを示している。図１０Ｉは、図５に示す切り換えパターンと同様に、右側半分の圧電素子群と左側半分の圧電素子群とを切り換えるパターンであり、図１０IIIは、図７に示す切り換えパターンと同様に、圧電素子アレイ２０ｂの中央部分の圧電素子群とその中央部分を挟む左右の圧電素子群との２つの圧電素子群を切り換えるパターンである。また、図１０IIは、図１０Ｉに示す切り換えパターンの受信領域の境界と図１０IIIに示す切り換えパターンの右側の受信領域の境界との両方を含む受信領域Ｉとその左右の受信領域IIとが設定された切り換えパターンであり、図１０IVは、図１０Ｉに示す切り換えパターンの受信領域の境界と図１０IIIに示す切り換えパターンの左側の受信領域の境界との両方を含む受信領域Ｉとその左右の受信領域IIとが設定された切り換えパターンである。図１０IIの切り換えパターンの受信領域Ｉは、その中心が、圧電素子アレイ２０ｂの中心よりも右側に位置し、図１０IVの切り換えパターンの受信領域Ｉは、その中心が、圧電素子アレイ２０ｂの中心よりも左側に位置するように設定されている。
図１０Ｉ〜図１０IVに示す４つの切り換えパターンを用いて光音響画像を生成する場合、たとえば穿刺針１５の先端部分が、圧電素子アレイ２０ｂに対して右側から左側に向けて移動した場合には、図１０Ｉ〜図１０IVの順番で切り換えパターンが変更される。
また、第１および第２の実施形態の光音響画像生成装置１０においては、初期設定の切り換えパターンとして、図５に示す切り換えパターンを設定するようにしたが、このように初期設定の切り換えパターンとして１つの切り換えパターンを設定した場合、たとえば穿刺針１５が、図５に示す切り換えパターンの受信領域Ｉと受信領域IIの境界近傍に刺された場合には、穿刺針１５の先端部分の位置を適切に検出できない可能性がある。
そこで、穿刺針１５の先端部分の位置の検出の前に、初期設定として、複数の切り換えパターンを交互に設定し、その各切り換えパターンに対応する各光音響画像を交互に生成し、先端位置検出部２９が、いずれかの光音響画像によって穿刺針１５の先端部分の位置を検出可能な状態としてもよい。具体的には、たとえば初期設定して、図５に示す切り換えパターンと図７に示す切り換えパターンとをそれぞれ設定し、各切り換えパターンに対応する各光音響画像を交互に生成するようにすればよい。
また、穿刺針１５の先端部分の位置の検出の前に限らず、穿刺針１５が被検体に刺された後、たとえば何らかの要因によって、先端位置検出部２９によって穿刺針１５の先端部分の位置が検出不能であった場合においても、制御部２８が、複数の切り換えパターンを交互に設定し、その各切り換えパターンに対応する各光音響画像を交互に生成し、先端位置検出部２９が、いずれかの光音響画像によって穿刺針１５の先端部分の位置を検出可能な状態としてもよい。
また、穿刺針１５の先端部分の位置が検出される前の初期設定の切り換えパターンを、ユーザが選択するようにしてもよい。具体的には、図１１に示すように、初期設定の切り換えパターンの選択を受け付ける切り換えパターン選択受付部４１を設け、制御部２８が、切り換えパターン選択受付部４１によって受け付けられた切り換えパターンを初期設定として設定するようにしてもよい。初期設定の切り換えパターンの選択については、たとえば図５に示すような切り換えパターンを表すアイコンと図７に示すような切り換えパターンをアイコンとを画像表示部３０に表示させ、ユーザがいずれかのアイコンを選択するようにすればよい。
また、初期設定の切り換えパターンの選択については、上述したように、切り換えパターンの選択を直接受け付けるのではなく、たとえば穿刺針１５の強調表示処理の選択の有無を受け付けることによって、切り換えパターンの選択を受け付けるようにしてもよい。ここで、穿刺針１５の強調表示処理とは、光音響画像を用いずに超音波画像内に現れる穿刺針１５の画像を強調表示するような処理であり、たとえばコントラスト強調処理などがある。一方で、ユーザが、穿刺針１５を用いて穿刺を行う際には、いわゆる平行法もしくは交差法という手技が用いられる。平行法とは、穿刺針１５の長さ方向に沿って超音波探触子１１の圧電素子アレイ２０ｂが配置されるようにして穿刺を行う方法であり、これに対し、交差法とは、穿刺針１５の長さ方向に直交する方向に沿って超音波探触子１１の圧電素子アレイ２０ｂが配置されるようにして穿刺を行う方法である。平行法によって取得された光音響画像には、穿刺針１５の画像が線状に現れ、交差法によって取得された光音響画像には、穿刺針１５の画像が点状に現れる。
強調表示処理は平行法の線状の像を強調するため、ユーザが、穿刺針１５の強調表示処理を選択している場合には、平行法によって光音響画像が取得されていると判断することができる。平行法では、超音波探触子１１の圧電素子アレイ２０ｂに対して左右のいずれかの方向から穿刺針１５が挿入されるため、初期設定の切り換えパターンとしては、図５に示すような切り換えパターンであることが好ましい。
一方、ユーザが、穿刺針１５の強調表示処理を選択していない場合には、交差法によって光音響画像が取得されていると判断することができる。交差法では、超音波探触子１１の圧電素子アレイ２０ｂの中央近傍から穿刺針１５が挿入されるため、初期設定の切り換えパターンとしては、図７に示すような切り換えパターンであることが好ましい。
したがって、上記のような観点から、図１２に示すフローチャートにしたがって初期設定の切り換えパターンを選択することが好ましい。すなわち、制御部２８は、ユーザが、穿刺針１５の強調表示処理を選択しているか否かを確認し、強調表示処理が選択されている場合には（Ｓ５０，ＹＥＳ）、平行法によって光音響画像が取得されると判断し、初期設定として図５に示す第１の切り換えパターンを設定する（Ｓ５２）。一方、制御部２８は、強調表示処理が選択されていない場合には（Ｓ５０，ＮＯ）、交差法によって光音響画像が取得されると判断し、初期設定として図７に示す第２の切り換えパターンを設定する（Ｓ５４）。
なお、上記実施形態では、挿入物の一実施形態として穿刺針１５を用いるようにしたが、挿入物としては、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。
また、本発明の挿入物は、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もよい。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。また、針は、皮下および腹腔内臓器など、深部までの穿刺を目的とするガイディングニードルとして使用されてもよい。
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、本発明の挿入物および光音響計測装置は、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 超音波探触子
１２ 超音波ユニット
１３ レーザユニット
１５ 穿刺針
１５ａ 穿刺針本体
１５ｂ 光ファイバ
１５ｃ 光音響波発生部
１５ｄ 中空部
１６ 光ケーブル
２０ 音響波検出部
２０ａ 圧電素子
２０ｂ 圧電素子アレイ
２０ｃ マルチプレクサ
２１ 受信回路
２２ 受信メモリ
２３ データ分離部
２４ 光音響画像生成部
２５ 超音波画像生成部
２６ 画像出力部
２７ 送信制御回路
２８ 制御部
２９ 先端位置検出部
３０ 画像表示部
４０ 入力部
４１ パターン選択受付部
７０ 光ケーブル
Ｃ 受信領域の境界
Ｐ 穿刺針の先端部分

Claims (12)

  1. 少なくとも先端部分が被検体内に挿入される挿入物であって、前記先端部分まで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吸収して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、
    前記光音響波を検出する複数の検出素子が配列された検出素子アレイを有する音響波検出部と、
    前記音響波検出部を制御することによって、前記検出素子アレイのうちの一部の検出素子群を特定し、該一部の検出素子群を切り換えて前記光音響波の受信領域を切り換えることによって前記検出素子アレイ全体の受信領域の検出信号を取得する制御部と、
    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部と、
    前記光音響画像に基づいて、前記挿入物の先端部分の位置を検出する先端位置検出部とを備え、
    前記制御部が、前記先端位置検出部によって検出された前記挿入物の先端部分の位置に基づいて、前記一部の検出素子群を特定する光音響画像生成装置。
  2. 前記先端位置検出部が、時系列に生成された前記光音響画像に基づいて、前記挿入物の先端部分の位置を時系列に検出し、
    前記制御部が、前記時系列に検出された前記挿入物の先端部分の位置に基づいて、前記一部の検出素子群を順次特定する請求項１記載の光音響画像生成装置。
  3. 前記制御部が、前記一部の検出素子群の切り換えパターンを予め複数記憶するものであり、
    前記挿入物の先端部分の位置に基づいて、前記複数の切り換えパターンのいずれかを選択し、該選択した切り換えパターンを用いて前記一部の検出素子群を切り換える請求項１記載の光音響画像生成装置。
  4. 前記検出素子アレイが、前記複数の検出素子を少なくとも一列に配列したものであり、該配列方向を左右方向とした場合において、前記一部の検出素子群の切り換えパターンの１つが、前記検出素子アレイの左側半分の検出素子群と右側半分の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンである請求項３記載の光音響画像生成装置。
  5. 前記一部の検出素子群の切り換えパターンの１つが、前記検出素子アレイの中央部分の検出素子群と該中央部分を挟む左右の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンであり、
    前記制御部が、前記挿入物の先端部分の位置に基づいて、前記検出素子アレイの左側半分の検出素子群と右側半分の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンと、前記検出素子アレイの中央部分の検出素子群と該中央部分を挟む左右の検出素子群との２つの検出素子群を切り換えるパターンとのいずれかを選択する請求項４記載の光音響画像生成装置。
  6. 前記検出素子アレイの左側半分の検出素子群の受信領域と右側半分の検出素子群の受信領域との境界が、前記検出素子アレイの中央部分の検出素子群の受信領域に含まれる請求項５記載の光音響画像生成装置。
  7. 前記制御部が、前記挿入物の先端部分の位置と前記検出素子群の受信領域の境界との間の距離が予め設定された閾値以下となった場合に、前記切り換えパターンを変更する請求項３から６いずれか１項記載の光音響画像生成装置。
  8. 前記制御部が、前記挿入物の先端部分の位置の検出の前に、前記複数の切り換えパターンを交互に設定し、
    前記先端位置検出部が、前記各切り換えパターンに対応する各光音響画像に基づいて、前記挿入物の先端部分の位置を検出する請求項３から７いずれか１項記載の光音響画像生成装置。
  9. 前記先端位置検出部によって前記挿入物の先端部分の位置が検出不能であった場合に、
    前記制御部が、前記複数の切り換えパターンを交互に設定し、
    前記先端位置検出部が、前記各切り換えパターンに対応する各光音響画像に基づいて、前記挿入物の先端部分の位置を検出する請求項３から８いずれか１項記載の光音響画像生成装置。
  10. 前記挿入物の先端部分の位置が検出される前の初期設定の前記切り換えパターンの選択を受け付ける切り換えパターン選択受付部を備えた請求項３から７および９いずれか１項記載の光音響画像生成装置。
  11. 前記切り換えパターン選択受付部が、前記初期設定の切り換えパターンの選択として、前記挿入物の強調表示処理の選択を受け付ける請求項１０記載の光音響画像生成装置。
  12. 前記挿入物が、前記被検体に穿刺される針である請求項１から１１いずれか１項記載の光音響画像生成装置。
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