JP6790235B2 - 光音響画像生成装置 - Google Patents

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、組織界面において反射する。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により、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 特開２０１６−６７５５２号公報

特許文献１に記載のような穿刺針を用いた光音響イメージングでは、被検体の生体内部の状態を２次元画像により表示するＢモード超音波画像上に、穿刺針の位置を示す光音響画像を合成し、生体内部における穿刺針の先端位置を容易に確認できるようにすることが提案されている。

ここで、Ｂモード超音波画像は、高い周波数の超音波信号を用いて画像化することにより高い分解能が得られるが、高い周波数の超音波は生体深部まで到達しにくいため、特許文献２では、超音波の減衰が少ない生体浅部では高い周波数の超音波信号を用いて画像化し、超音波の減衰が多い生体深部では低い周波数の超音波信号を用いて画像化して、可能な限り情報量の多い画像を取得することが提案されている。

このとき、穿刺針の先端位置を特定するための光音響画像について、Ｂモード超音波画像の生成と同じ周波数の光音響波信号を用いて画像化した場合には、生体組織の深さに応じて光音響画像の分解能も変化する。穿刺針の先端位置を示す光音響画像では、穿刺針の先端位置を輝点により表示するのが一般的だが、この輝点の表示サイズは光音響画像生成時の光音響波信号の検波周波数（波長）に依存し、検波周波数が低い（波長が長い）ほど最小解像度である１波長分の画像サイズが大きくなるため、大きい輝点により表示されることになる。そのため、生体組織の深さに応じて穿刺針の先端位置を示す輝点の表示サイズが変わってしまい、ユーザーに違和感を感じさせるおそれがある。

このような問題を解消するために、穿刺針の先端位置を特定するための光音響画像については、一定の周波数の光音響波信号を用いて画像化することが考えられるが、この場合には、穿刺針の先端位置が生体内部のどの深さにあっても検出可能なように、低い周波数の光音響波信号を用いて画像化することが多い。

この場合、例えばＢモード超音波画像のうち生体浅部の高分解能の領域のみを高い解像度（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）により表示し、これに低分解能の光音響画像を合成すると、輝点の表示サイズが大きくなり、輝点により隠されてしまうＢモード超音波画像の領域が広くなってしまい、穿刺針先端周辺の生体組織が見えづらくなるという問題が生じる。穿刺においては、血管や腫瘍など目的の生体組織に針先が到達したかが重要なため、なるべく穿刺針先端周辺の生体組織が明瞭に確認できることが望まれている。

逆に、Ｂモード超音波画像について生体深部までの広い領域を低い解像度（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）により表示した場合には、輝点の表示サイズが小さくなりすぎて、穿刺針の先端位置が確認しづらくなるおそれがある。

このようにＢモード超音波画像を表示する際の解像度に応じて光音響画像における輝点の最適な表示サイズが異なるため、Ｂモード超音波画像の解像度に応じて適正な分解能の光音響画像が取得できることが望まれている。

本発明は、上記事情に鑑み、Ｂモード超音波画像と光音響画像の両方を取得して合成する光音響画像生成装置において、Ｂモード超音波画像の解像度に応じて適正な分解能の光音響画像が取得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、光音響波発生部から発せられた光音響波を検出し、かつ被検体に対する音響波の送信によって反射された反射音響波を検出する音響波検出部と、音響波検出部によって検出した反射音響波に基づいて、Ｂモード音響画像を生成する音響画像生成部と、音響波検出部によって検出し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部と、Ｂモード音響画像と光音響画像とを合成した表示用画像を出力する画像出力部と、表示用画像を構成するＢモード音響画像の解像度に基づいて、光音響画像生成部において光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

ここで、「表示用画像を構成するＢモード音響画像の解像度」とは、表示用画像における所定長さ当たりの割り当て画素数を意味し、例えばＰｉｘｅｌ／ｍｍの単位により表されるものである。

本発明の光音響画像生成装置においては、制御部が、表示用画像を構成するＢモード音響画像の解像度が高くなる程、光音響画像生成部において光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数を高くするように制御することが好ましい。

また、本発明の光音響画像生成装置においては、制御部が、表示用画像を構成するＢモード音響画像の解像度と光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数における波長との積が所定の一定値となるように、光音響画像生成部において光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数を決定するようにしてもよい。

この場合、制御部が、Ｂモード音響画像の最小解像度と、音響波検出部における検出下限周波数とに基づいて、所定の一定値を決定することが好ましい。

また、制御部が、光音響画像生成部において光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数が所定の上限値を超えた場合に、光音響画像生成部において光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数を所定の上限値に決定し、かつ、画像出力部に対して、光音響波の検波周波数を所定の上限値として生成した光音響画像を縮小してＢモード音響画像と合成させる制御を行うものとしてもよい。

この場合、所定の上限値が、音響波検出部の中心周波数以下に設定されていることが好ましい。

本発明の光音響画像生成装置においては、表示用画像を構成するＢモード音響画像の解像度と、光音響画像生成部において光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数との関係を記録した参照テーブルを保持する参照テーブル保持部を備え、制御部が、参照テーブルに基づいて、光音響画像生成部において光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数を決定するものとしてもよい。

また、本発明の光音響画像生成装置においては、音響波検出部が、Ｂモード音響画像を生成するための反射音響波と、光音響画像を生成するための光音響波とを交互に検出し、画像出力部が、Ｂモード音響画像、光音響画像の順に取得した２つの画像に基づいて、１枚の表示用画像を出力することが好ましい。

また、挿入物が、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、Ｂモード超音波画像と光音響画像の両方を取得し、両者を合成して表示用画像として出力する光音響画像生成装置において、表示用画像を構成するＢモード音響画像の解像度に基づいて、光音響画像を生成する際に用いる光音響波の検波周波数を制御するようにしたので、Ｂモード超音波画像の解像度に応じて適正な分解能の光音響画像を取得することができる。

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 表示用画像の一例を示す図 表示用画像の他の例を示す図 光音響波の検波周波数と表示深さとの関係を示すグラフ 第１の実施形態の光音響画像生成装置における表示用画像の生成方法を説明するためのフローチャート 本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態の概略構成を示すブロック図 第２の実施形態の光音響画像生成装置における参照テーブルの一例を示す図

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、７００ｎｍ〜８５０ｎｍ程度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程度の膜厚により製膜し、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。

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、光音響波を検出する複数の圧電素子が一次元に配列された圧電素子アレイと、マルチプレクサとを備えている。圧電素子は、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の制御回路などを備えている。

超音波探触子１１は、音響波検出部２０の圧電素子アレイによって、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、および制御部２８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、および超音波画像と光音響画像とを合成した表示用画像の生成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により、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、および画像出力部２６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。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、低ノイズアンプにより増幅された後に、可変ゲインアンプにおいて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変換器により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）により構成される。

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被検体の生体内部の状態を２次元画像により表示するＢモード超音波画像（本発明のＢモード音響画像に相当する）を生成する。Ｂモード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Ｂモード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。

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。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。

光音響画像生成部２４は、データ分離部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、所定の検波周波数により検波して光音響画像を生成する。光音響画像生成部２４が生成した光音響画像は、画像出力部２６に入力される。

また、制御部２８は、Ｂモード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、所定の検波周波数により検波してＢモード超音波画像を生成する。超音波画像生成部２５が生成したＢモード超音波画像は、画像出力部２６に入力される。

画像出力部２６は、光音響画像生成部２４が生成した光音響画像と、超音波画像生成部２５が生成したＢモード超音波画像とを合成して表示用画像を生成し、ディスプレイ装置などの画像表示部３０に出力する。なお、光音響画像とＢモード超音波画像とを合成せずに、個別に画像表示部３０に出力して表示させることも可能である。

ここで、制御部２８による表示用画像の生成方法について詳細に説明する。図３は表示用画像の一例を示す図、図４は表示用画像の他の例を示す図である。

図３に示すように、表示用画像Ｉ_Ｓは、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂ上に、光音響画像Ｉ_ｎを重畳することにより生成される。本実施形態では、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂ、光音響画像Ｉ_ｎの順に取得した２つの画像に基づいて、１枚の表示用画像Ｉ_Ｓを生成するものとする。

また、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂ生成時の検波周波数は、被検体の生体組織の深さに応じて制御するものとする。また、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数は、深さに応じて固定の初期値を有するが、後述の表示用画像Ｉ_Ｓ生成時の制御により値が変更される。なお、本説明において、ｆ_ｂはＢモード超音波画像Ｉ_ｂ生成時の検波周波数（ＭＨｚ）、Ｒ_ｂはＢモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）、ｆ_ｎは光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数（ＭＨｚ）とする。

例えば、生体内の音速ｃ＝１５００ｍ／ｓ（通常、生体内の音速は１５４０ｍ／ｓ程度であるが、ここでは簡略化して示す）、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数の初期値ｆ_ｎ＝５ＭＨｚ（波長λ_ｎ＝３００μｍ）、画像表示部３０の画像表示領域の縦方向の画素数を４００Ｐｉｘｅｌとし、図３に示すように、表示用画像Ｉ_Ｓの深さ表示方向が画像表示部３０の画像表示領域の縦方向全体となるように、横方向３ｃｍ（３０ｍｍ）×深さ方向２ｃｍ（２０ｍｍ）の生体組織の表示用画像Ｉ_Ｓを表示した場合には、下記の通りＢモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂ＝２０Ｐｉｘｅｌ／ｍｍとなる。
Ｒ_ｂ＝４００（Ｐｉｘｅｌ）／２０（ｍｍ）＝２０（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）

そして、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数の１波長分が表示される画素数は、下記の通り６Ｐｉｘｅｌとなる。
２０（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）×０．３（ｍｍ）＝６（Ｐｉｘｅｌ）

また、図４に示すように、表示用画像Ｉ_Ｓの深さ表示方向が画像表示部３０の画像表示領域の縦方向全体となるように、横方向３ｃｍ（３０ｍｍ）×深さ方向４ｃｍ（４０ｍｍ）の生体組織の表示用画像Ｉ_Ｓを表示した場合には、下記の通りＢモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂ＝１０Ｐｉｘｅｌ／ｍｍとなる。
Ｒ_ｂ＝４００（Ｐｉｘｅｌ）／４０（ｍｍ）＝１０（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）

そして、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数の１波長分が表示される画素数は、下記の通り３Ｐｉｘｅｌとなる。
１０（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）×０．３（ｍｍ）＝３（Ｐｉｘｅｌ）

なお、上記のような表示用画像Ｉ_Ｓの表示範囲の設定は、ユーザーにより入力部４０を介して制御部２８に入力される。

このように、表示用画像Ｉ_Ｓの解像度が異なる場合に、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを固定値とすると、ｆ_ｎとＲ_ｂでトレードオフが生じる。図３、４に示すように、穿刺針１５の先端位置を示す光音響画像Ｉ_ｎでは、穿刺針１５の先端位置を輝点Ｐで表示するのが一般的である。しかし、この輝点Ｐの表示サイズは光音響画像Ｉ_ｎ生成時の光音響波信号の検波周波数（波長）に依存し、検波周波数が低い（波長が長い）ほど最小解像度である１波長分の画像サイズが大きくなるため、大きい輝点Ｐにより表示されることになる。

輝点Ｐの表示サイズとして図４に示す直径３Ｐｉｘｅｌ程度が最適と考えた場合、図３に示す例では、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに対して光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎが小さすぎて、輝点Ｐの表示サイズが直径６Ｐｉｘｅｌ程度と大きくなり過ぎてしまう。そのため、輝点Ｐにより隠されてしまうＢモード超音波画像Ｉ_ｂの領域が広くなってしまい、穿刺針１５の先端周辺の生体組織が見えづらくなるという問題が生じる。

逆に、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに対して光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎが大きすぎると、輝点Ｐの表示サイズが小さくなり過ぎてしまい、穿刺針１５の先端位置が確認しづらくなるという問題が生じる。例えば、図４の例と同じく、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂ＝１０Ｐｉｘｅｌ／ｍｍとし、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを１０ＭＨｚ（波長λ_ｎ＝１５０μｍ）に変更すると、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数の１波長分が表示される画素数は、１．５Ｐｉｘｅｌとなる。

すなわち、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに対して、画像表示上最適な光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎが存在する。

そこで、本実施形態の光音響画像生成装置１０では、下記の通り、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂと光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎにおける波長λ_ｎとの積が所定の一定値（ｃｏｎｓｔ）となるように、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを決定する。すなわち、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂが高くなる程、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎが高くなるように制御される。ここで、αは輝点表示サイズ調整パラメータである。
Ｒ_ｂ×λ_ｎ×α＝（ｃｏｎｓｔ）

この式を光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎの式として書き直すと、下記式（１）となる。
Ｒ_ｂ×ｃ／ｆ_ｎ＝（ｃｏｎｓｔ）／α
ｆ_ｎ＝Ｒ_ｂ×ｃ×α／（ｃｏｎｓｔ）＋δ …（１）

なお、装置が対応可能な検波周波数ｆ_ｎは、クロック数の制限により離散的な値をとるため、式（１）のδを除いた部分から求めた値（ここではｆとする）の通りのｆ_ｎとすることができない場合がある。式（１）におけるδは、そのような誤差を調整するための調整パラメータであり、下記の通り求められる。ここで、Ｍｏｄ［ｆｒｘ＿ｃｌｏｃｋ，ｆ］は、受信クロック周波数ｆｒｘ＿ｃｌｏｃｋをｆで割った時の余りである。
δ＝ｆ_ｎ×ｆ×Ｍｏｄ［ｆｒｘ＿ｃｌｏｃｋ，ｆ］

このように、式（１）に従い、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに応じて光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを決定することにより、解像度Ｒ_ｂの変化に依存せず、輝点Ｐの表示サイズを一定にすることができる。

上記の通り、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂ生成時の検波周波数ｆ_ｂを被検体の生体組織の深さに応じて制御するものとした場合、検波周波数ｆ_ｂは超音波探触子１１における送信周波数と生体組織の深さ位置によって決まる。基本的に、検波周波数ｆ_ｂは、検出範囲における最も浅い領域では送信周波数を用い、検出範囲における最も深い領域では超音波探触子１１の下限の周波数を用いる。そのため、検波周波数ｆ_ｂの上限値は送信条件によって決まり、下限値は超音波探触子１１の性能によって決まる。

また、光音響画像Ｉ_ｎ生成時は、超音波探触子１１からの送信が存在せず、超音波探触子１１における受信のみが存在するので、超音波探触子１１の性能によって一意に決まるのが望ましい。

従って、所定の一定値（ｃｏｎｓｔ）については、下記の通り、Ｂモード超音波画像Ｉ _ｂの最小解像度Ｒ_{ｂ＿ＭＩＮ}と超音波探触子１１における検出下限周波数ｆ_ＭＩＮとに基づいて決定することが好ましい。
（ｃｏｎｓｔ）＝Ｒ_{ｂ＿ＭＩＮ}×ｃ／ｆ_ＭＩＮ×α
ここで、検出下限周波数ｆ_ＭＩＮとは、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂ生成時の検波周波数ｆ _ｂの最小値を示す。光音響画像Ｉ_ｎにおいても同じ超音波探触子１１からの受信信号を利用するため、検波周波数の最小値は超音波探触子１１で使用可能な周波数帯域（例えば−２０ｄＢ帯域）の最も低周波の部分であり、その値はＢモード超音波画像Ｉ_ｂと同じ値となる。

この点について具体例を挙げて説明する。図５は光音響波の検波周波数と表示深さとの関係を示すグラフである。被検体の生体組織の検出最大深さ８ｃｍとし、上記と同様に表示用画像Ｉ_Ｓの深さ表示方向が画像表示部３０の画像表示領域の縦方向全体（４００Ｐｉｘｅｌ）となるように、深さ方向８ｃｍ（８０ｍｍ）の生体組織の表示用画像Ｉ_Ｓを表示した場合には、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの最小解像度Ｒ_{ｂ＿ＭＩＮ}＝５Ｐｉｘｅｌ／ｍｍとなる。また、検出下限周波数ｆ_ＭＩＮ＝５ＭＨｚ（波長λ_ｎ＝３００μｍ）とし、輝点表示サイズ調整パラメータα＝１とすると、輝点Ｐの表示サイズ（ｃｏｎｓｔ）＝１．５Ｐｉｘｅｌとなる。
（ｃｏｎｓｔ）＝５（Ｐｉｘｅｌ／ｍｍ）×０．３（ｍｍ）×１＝１．５（Ｐｉｘｅｌ）

なお、超音波探触子１１の種類と観察対象(腹部など)によっては、表示深度が１６ｃｍ、または２０ｃｍを超える場合もある。画像表示部３０の画像表示領域の縦方向全体の画素数（４００Ｐｉｘｅｌ）と、検出下限周波数ｆ_ＭＩＮ＝５ＭＨｚ（波長λ_ｎ＝３００μｍ）が同じ場合、最大表示深度が１６ｃｍの場合は輝点Ｐの表示サイズ（ｃｏｎｓｔ）＝０．７５Ｐｉｘｅｌとなり、２０ｃｍの場合は輝点Ｐの表示サイズ（ｃｏｎｓｔ）＝０．６Ｐｉｘｅｌとなる。このように輝点Ｐの表示サイズが小さくなり過ぎる場合には、輝点表示サイズ調整パラメータαを調整することによって、輝点Ｐの表示サイズを調整することができる。

光音響画像Ｉ_ｎにおいて穿刺針１５の先端位置を示す輝点Ｐは点として表示されるため、細かい画像情報を取得するより、位置を確実に把握することが重要である。光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数としては、低い周波数の方が深達度が高い信号を受信できるため、安定した画像表示が可能である。

そのため、図５のグラフに示すように、式（１）で求められる光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎが所定の上限値ｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}を超えた場合に、光音響画像Ｉ_ｎを生成する際に用いる光音響波の検波周波数をｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}に決定し、かつ、光音響波の検波周波数をｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}として生成した光音響画像Ｉ_ｎを縮小してＢモード音響画像と合成させることが好ましい。

この場合、所定の上限値ｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}が、超音波探触子１１の中心周波数以下に設定されていることが好ましい。これにより、安定した画像表示が可能となる。

なお、光音響波の検波周波数をｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}として生成した光音響画像Ｉ_ｎを縮小する際の縮小率（縮小後画像サイズ／縮小前画像サイズ）Ｒ_Ｒについては、下記式（２）により求められる。
Ｒ_Ｒ＝ｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}／ｆ_ｎ …（２）

光音響画像Ｉ_ｎを縮小する際は、光音響画像Ｉ_ｎ中の輝点Ｐの中心位置を中心として縮小する。光音響画像Ｉ_ｎを縮小するとＢモード超音波画像Ｉ_ｂと画像サイズが異なるようになるため、単純にＢモード超音波画像Ｉ_ｂと光音響画像Ｉ_ｎとを合成することはできない。

縮小した光音響画像Ｉ_ｎとＢモード超音波画像Ｉ_ｂと合成させる場合、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂに光音響画像Ｉ_ｎを重畳させる際の輝点Ｐの中心位置座標と、輝点Ｐ周辺の画像があればよいため、これらの情報のみを取得しておけばよい。

輝点Ｐ周辺の画像については、例えば輝点Ｐの表示サイズ（ｃｏｎｓｔ）＝３Ｐｉｘｅｌとした場合、光音響画像Ｉ_ｎを生成する際に用いる光音響波の検波周波数ｆ_ｎについて、式（１）で求められた検波周波数ｆ_ｎよりも低い周波数であるｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}に抑えると、検波周波数ｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}で取得した光音響画像Ｉ_ｎ中の輝点Ｐの表示サイズは３Ｐｉｘｅｌよりも大きくなる。従って、輝点周辺の画像範囲については、縮小率Ｒ_Ｒを考慮して少し広めに設定すればよい。例えば、最終的な輝点Ｐの表示サイズ（ｃｏｎｓｔ）＝３Ｐｉｘｅｌに対して縮小率Ｒ_Ｒ＝０．５の場合には、６Ｐｉｘｅｌ×６Ｐｉｘｅｌの領域の画像のみを取得しておけばよい。

以上を踏まえ、本実施形態において、制御部２８による表示用画像Ｉ_Ｓの生成は、図６に示すフローチャートの手順に沿って行われる。

まず、制御部２８は、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに応じた光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを上記の式（１）により計算し（Ｓ１）、式（１）により求められた検波周波数ｆ_ｎが所定の上限値を超えるか判定する（Ｓ２）。

算出された検波周波数ｆ_ｎが所定の上限値を超えない場合、制御部２８は、光音響画像生成部２４に対して算出された検波周波数ｆ_ｎで光音響画像Ｉ_ｎを生成させ（Ｓ３）、画像出力部２６に対してＢモード超音波画像Ｉ_ｂと光音響画像Ｉ_ｎとを合成した表示用画像Ｉ_Ｓを出力させる（Ｓ４）。

算出された検波周波数ｆ_ｎが所定の上限値を超える場合、制御部２８は、光音響画像Ｉ _ｎの縮小率を上記の式（２）により計算し（Ｓ５）、光音響画像生成部２４に対して所定の上限値の検波周波数ｆ_{ｎ＿ＭＡＸ}で光音響画像Ｉ_ｎを生成させ、画像出力部２６に対してこの光音響画像Ｉ_ｎを式（２）により求められた縮小率により縮小処理させ（Ｓ６）、画像出力部２６に対してＢモード超音波画像Ｉ_ｂと縮小した光音響画像Ｉ_ｎとを合成した表示用画像Ｉ_Ｓを出力させる（Ｓ４）。

このような構成とすることにより、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに応じて光音響画像Ｉ_ｎ生成時の適正な検波周波数ｆ_ｎを設定し、適正な分解能の光音響画像Ｉ_ｎを取得することができるため、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂ上に重畳される光音響画像Ｉ_ｎ中の輝点Ｐのサイズを適正な大きさにすることができる。

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、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに応じた光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを、所定の計算式により決定していたが、第２の実施形態の光音響画像生成装置１０においては、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂに応じた光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを、予め用意された参照テーブルに基づいて決定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。図７は本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態の概略構成を示すブロック図、図８は第２の実施形態の光音響画像生成装置における参照テーブルの一例を示す図である。

第２の実施形態の光音響画像生成装置１０は、一例として図８に示す参照テーブルのような、Ｂモード超音波画像Ｉ_ｂの解像度Ｒ_ｂと光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎとの関係を記録した参照テーブルを保持する参照テーブル保持部２９を備えている。この参照テーブル保持部２９は、例えばメモリ等によって実現することができる。制御部２８は、表示用画像Ｉ_Ｓを生成する際に、参照テーブル保持部２９に保持されている参照テーブルに基づいて、光音響画像Ｉ_ｎ生成時の検波周波数ｆ_ｎを決定する。このような構成としても、上記第１の実施形態の光音響画像生成装置１０と同様の効果を得ることができる。

なお、上記第１および第２の実施形態では、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、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
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 参照テーブル保持部
３０ 画像表示部
４０ 入力部
Ｉ_ｂ Ｂモード超音波画像
Ｉ_ｎ 光音響画像
Ｉ_Ｓ 表示用画像
Ｐ 輝点

Claims (8)

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、
   前記光音響波発生部から発せられた光音響波を検出し、かつ前記被検体に対する音響波の送信によって反射された反射音響波を検出する音響波検出部と、
   前記音響波検出部によって検出した前記反射音響波に基づいて、Ｂモード音響画像を生成する音響画像生成部と、
   前記音響波検出部によって検出した前記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部と、
   前記Ｂモード音響画像と前記光音響画像とを合成した表示用画像を出力する画像出力部と、
   前記表示用画像を構成する前記Ｂモード音響画像の解像度に基づいて、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数を制御する制御部とを備え、
   前記制御部が、前記表示用画像を構成する前記Ｂモード音響画像の解像度と前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数における波長との積が所定の一定値となるように、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数を決定する
   光音響画像生成装置。
2. 前記制御部が、前記Ｂモード音響画像の最小解像度と、前記音響波検出部における検出下限周波数とに基づいて、前記所定の一定値を決定する
   請求項１記載の光音響画像生成装置。
3. 前記制御部が、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数が所定の上限値を超えた場合に、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数を前記所定の上限値に決定し、かつ、前記画像出力部に対して、前記光音響波の検波周波数を前記所定
   の上限値として生成した前記光音響画像を縮小して前記Ｂモード音響画像と合成させる制御を行う
   請求項１または２記載の光音響画像生成装置。
4. 前記所定の上限値が、前記音響波検出部の中心周波数以下に設定されている
   請求項３記載の光音響画像生成装置。
5. 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、
   前記光音響波発生部から発せられた光音響波を検出し、かつ前記被検体に対する音響波の送信によって反射された反射音響波を検出する音響波検出部と、
   前記音響波検出部によって検出した前記反射音響波に基づいて、Ｂモード音響画像を生成する音響画像生成部と、
   前記音響波検出部によって検出した前記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部と、
   前記Ｂモード音響画像と前記光音響画像とを合成した表示用画像を出力する画像出力部と、
   前記表示用画像を構成する前記Ｂモード音響画像の解像度に基づいて、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数を制御する制御部と、
   前記表示用画像を構成する前記Ｂモード音響画像の解像度と、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数との関係を記録した参照テーブルを保持する参照テーブル保持部を備え、
   前記制御部が、前記参照テーブルに基づいて、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数を決定する
   光音響画像生成装置。
6. 前記制御部が、前記表示用画像を構成する前記Ｂモード音響画像の解像度が高くなる程、前記光音響画像生成部において前記光音響画像を生成する際に用いる前記光音響波の検波周波数を高くするように制御する
   請求項１から５のいずれか１項記載の光音響画像生成装置。
7. 前記音響波検出部が、前記Ｂモード音響画像を生成するための前記反射音響波と、前記光音響画像を生成するための前記光音響波とを交互に検出し、
   前記画像出力部が、前記Ｂモード音響画像、前記光音響画像の順に取得した２つの画像に基づいて、１枚の表示用画像を出力する
   請求項１から６のいずれか１項記載の光音響画像生成装置。
8. 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７のいずれか１項記載の光音響画像生成装置。