JP7127034B2 - 画像生成装置および作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検体内に挿入された挿入物の先端部分から発せられた光音響波を音響波検出手段により検出することにより取得された検出信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成装置およびこの画像生成装置の作動方法に関する。

生体内部の状態を非侵襲によって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、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２０１４－１４７８２５号公報

上記のような穿刺針を用いた光音響イメージングでは、生体内における穿刺針の先端位置を正確に確認できる必要があるため、特に解像度の高い画像が要求される。

超音波（光音響波）を用いて生体内の画像化を行う場合、通常は生体内における平均的な音速を用いて画像が生成されるが、生体内における音速は一定ではなく、個体差および部位により音速が変化する。そのため、画像生成時に用いた音速と実際の音速が離れていた場合、画像の解像度が劣化するという問題がある。

このような問題を解消するため、従来より、超音波画像生成時に用いた音速と実際の音速との不一致による画質劣化を抑制する方法が提案されている。具体的には、超音波画像を構成する画素毎に、生体内において考え得る音速範囲において音速を変化させて生成した音速毎の画像のうち、輝度またはコントラストが最大となる音速を画像化時の音速として設定する音速補正方法が提案されている。

この音速補正処理は、超音波画像を構成する画素毎に、複数の画像を生成して最適な音速を割り出さなければならないため、膨大な処理能力が要求される。特許文献１では、画像内の輝度またはコントラストが最も高い画素を含む所定範囲の領域を注目領域として設定し、注目領域のみ音速補正処理を行うことが開示されており、これにより音速補正処理の負荷を軽減させることができる。

しかしながら、上記のような穿刺針を用いた光音響イメージングでは、光音響画像中において、穿刺針の先端部分を示す画素よりもノイズ部分の画素の方が、輝度またはコントラストが高くなる場合があり、特許文献１に記載の技術のように、画像内の輝度またはコントラストが最も高い画素に着目して音速補正を行う領域を決定すると、光音響画像中において最も正確に確認したい穿刺針の先端領域が音速補正範囲から外れ、穿刺針の先端領域の解像度が低下するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑み、穿刺針のような挿入物を用いた光音響イメージングにおいて、処理負荷低減のため光音響画像の一部の領域のみ音速補正をする場合に、光音響画像における挿入物の先端領域の解像度低下を抑制した画像生成装置およびこの画像生成装置の作動方法を提供することを目的とする。

本発明の画像生成装置は、被検体内に挿入された挿入物の先端部分から発せられた光音響波を音響波検出手段により検出することにより取得された検出信号と、被検体内における音速とに基づいて、光音響画像を生成する光音響画像生成部と、仮定の音速と検出信号とに基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出し、先端領域について所定の音速範囲において音速を変化させて生成した音速毎の光音響画像のうち、画像評価値が最大となる光音響画像の音速を被検体内における音速として設定する音速設定部とを備える。

本発明の画像生成装置において、画像評価値とは、光音響画像の画質を評価するための評価値を意味する。この画像評価値は、評価値が高いほど画質が良いことを示す。画像評価値は、例えば、光音響画像の鮮鋭度、光音響画像のコントラスト、または、先端領域において画像生成時の音速に基づいて位相調整された信号の強度バラツキの少なさを示す評価値とすることができる。この画像評価値は、光音響画像の横方向および深さ方向（縦方向）のうち、両方向の画素配列に基づいて算出してもよいし、横方向のみの画素配列に基づいて算出してもよいし、深さ方向（縦方向）のみの画素配列に基づいて算出してもよい。なお、本発明の画像生成装置における音速補正は、光音響画像の横方向および深さ方向（縦方向）のうち、特に横方向の画質向上に効果的であるため、横方向のみの画素配列に基づいて光音響画像の画像評価値を算出することが好ましい。

また、基準領域サイズは、挿入物の種類、光音響波の発生条件、音響波検出手段の種類、音響波検出手段の周波数特性、音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域、または、光音響画像の表示サイズに基づいて調整されてもよい。

また、音速設定部は、画像認識により基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を特定し、抽出した高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出してもよい。

また、音速設定部は、仮定の音速と検出信号に基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも小さい領域サイズの高信号値画素集合部の信号強度を低減する低減処理を行い、低減処理を行った光音響画像において、最も信号値が高い画素を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出してもよい。

この場合、低減処理は、基準領域サイズの０．５倍以上２倍以下のサイズの半値幅を有するローパスフィルタ処理としてもよいし、平滑化フィルタ処理としてもよい。

低減処理を平滑化フィルタ処理とした場合、平滑化フィルタ処理は、光音響画像における深さ方向の平滑化効果が横方向の平滑化効果より大きいことが好ましい。

本発明の作動方法は、被検体内に挿入された挿入物の先端部分から発せられた光音響波を音響波検出手段により検出することにより取得された検出信号と、被検体内における音速とに基づいて、光音響画像を生成する光音響画像生成部と、被検体内における音速を設定する音速設定部とを備えた画像生成装置の作動方法であって、音速設定部は、仮定の音速と検出信号とに基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出し、先端領域について所定の音速範囲において音速を変化させて生成した音速毎の光音響画像のうち、画像評価値が最大となる光音響画像の音速を被検体内における音速として設定する。

本発明の作動方法において、画像評価値は、光音響画像の鮮鋭度、光音響画像のコントラスト、または、先端領域において画像生成時の音速に基づいて位相調整された信号の強度バラツキの少なさを示す評価値とすることができる。

また、基準領域サイズは、挿入物の種類、光音響波の発生条件、音響波検出手段の種類、音響波検出手段の周波数特性、音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域、または、光音響画像の表示サイズに基づいて調整されてもよい。

また、音速設定部は、画像認識により基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を特定し、抽出した高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出してもよい。

また、音速設定部は、仮定の音速と検出信号に基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも小さい領域サイズの高信号値画素集合部の信号強度を低減する低減処理を行い、低減処理を行った光音響画像において、最も信号値が高い画素を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出してもよい。

この場合、低減処理は、基準領域サイズの０．５倍以上２倍以下のサイズの半値幅を有するローパスフィルタ処理としてもよいし、平滑化フィルタ処理としてもよい。

低減処理を平滑化フィルタ処理とした場合、平滑化フィルタ処理は、光音響画像における深さ方向の平滑化効果が横方向の平滑化効果より大きいことが好ましい。

本発明の画像生成装置および作動方法は、被検体内に挿入された挿入物の先端部分から発せられた光音響波を音響波検出手段により検出することにより取得された検出信号と、被検体内における音速とに基づいて、光音響画像を生成する光音響画像生成部と、被検体内における音速を設定する音速設定部とを備えた画像生成装置において、音速設定部を、仮定の音速と検出信号とに基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出し、先端領域について所定の音速範囲において音速を変化させて生成した音速毎の光音響画像のうち、画像評価値が最大となる光音響画像の音速を被検体内における音速として設定するようにして、処理負荷低減のため光音響画像の一部の領域のみ音速補正をする場合に、挿入物の先端領域が音速補正を行う範囲として適切に選択されるようにしたので、光音響画像における挿入物の先端領域の解像度低下を抑制することができる。

本発明の画像生成装置の一実施形態である光音響画像生成装置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 超音波画像と光音響画像とを重畳した画像の一例を示す図 図３に示す重畳画像のうち光音響画像のみを示す図 光音響画像の音速補正処理の方法を説明するためのフローチャート 図４に示す光音響画像の穿刺針先端部分の拡大図 図４に示す光音響画像のノイズ部分の拡大図 低減処理後の光音響画像を示す図 カットオフフィルタ処理後の光音響画像を示す図 所定の音速範囲において音速を変化させて光音響画像を生成したときの、横方向の画像プロファイルを示すグラフ 音速毎に生成した光音響画像の鮮鋭度を示すグラフ 適切な音速により生成した画像の例を示す図 不適切な音速により生成した画像の例を示す図 音線データ画像の例を示す図

以下、本発明の画像生成装置の一実施形態である光音響画像生成装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１はこの光音響画像生成装置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、音響波検出手段としての超音波探触子１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、および挿入物としての穿刺針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に対して着脱可能であり、ディスポーザブルに構成される。なお、本実施形態では、音響波として超音波を用いるが、超音波に限定されず、被検対象または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。近赤外波長域とは、７００ｎｍ（ナノメートル）～２５００ｎｍ（ナノメートル）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（ミリジュール）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、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）または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（ナノメートル）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により吸収され、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において行ってもよい。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の圧電素子アレイにより受信してもよい。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。制御部２８は、被検体内における音速を設定する音速設定部２９としての機能を備える。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、および音速設定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、および音速設定部２９などの機能が実現する。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ず、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より深度に応じたゲイン調整がなされ、ローパスフィルタにより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、データ分離部２３は、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により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により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、光音響画像および超音波画像など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、本実施形態の光音響画像生成装置１０における光音響画像の音速補正の方法について詳細に説明する。図３は超音波画像と光音響画像とを重畳した画像の一例を示す図、図４は図３に示す重畳画像のうち光音響画像のみを示す図である。

図３に示すように、光音響画像生成装置１０では、超音波画像と光音響画像とを重畳した画像を表示することができる。超音波画像および光音響画像は、超音波探触子１１が出力する検出信号と、予め設定された音速（例えば、被検体内における平均的な音速）とに基づいて生成される。また、穿刺針１５の先端部分には光音響波発生部１５ｃが設けられているため、図４に示すように、光音響画像では、穿刺針１５の先端部分を選択的に画像化することができる。この光音響画像については、被検体内における穿刺針１５の先端位置を正確に確認できる必要があるため、特に解像度の高い画像が要求される。

そこで、光音響画像に対して音速補正処理を行うことが考えられるが、光音響画像全体に音速補正処理を行うと負荷が極めて大きいため、光音響画像のうち穿刺針１５の先端部分を含む所定範囲の領域（以下、先端領域）を特定し、先端領域のみに音速補正処理を行うことにより、音速補正処理に掛かる負荷を低減させることができる。

しかしながら、上記特許文献１のように、画像内の輝度またはコントラストが最も高い画素を含む所定範囲の領域を注目領域として設定し、注目領域のみ音速補正処理を行うようにすると、穿刺針１５の先端部分を示す画素よりもノイズ部分の画素の方が、輝度またはコントラストが高くなった場合に、先端領域が音速補正範囲から外れ、穿刺針１５の先端領域の解像度が低下するおそれがある。

そのため、本実施形態においては、光音響画像のうち穿刺針１５の先端部分を含む所定範囲の領域（先端領域）を正確に抽出し、先端領域に対して確実に音速補正処理を行うようにしている。図５は本実施形態の光音響画像生成装置１０における光音響画像の音速補正処理の方法を説明するためのフローチャートである。

図５に示すように、先ず、仮定の音速と超音波探触子１１により取得された検出信号とに基づいて光音響画像を生成する（ステップＳ１）。仮定の音速については、例えば被検体内における平均的な音速である１５３０ｍ／ｓ（メートル／秒）または１５４０ｍ／ｓ（メートル／秒）とするなど、どのような速度を設定してもよい。本実施形態において、「仮定の音速」とは、「被検体内における音速」として考え得る音速範囲のうち、任意の音速をいう。

次に、仮定の音速に基づいて生成した光音響画像のうち、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出する（ステップＳ２）。

ここで、「高信号値画素集合部」とは、超音波探触子１１により取得された検出信号の信号値が高い領域を表す画素の集合部を意味し、穿刺針１５の先端部分を示す画素またはノイズを示す画素のように、所定の閾値以上の信号値を有する画素の一塊の集合部を意味する。すなわち、図４に示すように、信号値が高いほど高輝度で表示する画像の場合には、高輝度画素の集合部となる。反対に、信号値が低いほど高輝度で表示する画像の場合には、低輝度画素の集合部となる。

図４に示す光音響画像において、ＩＴにより示す高輝度画素集合部は穿刺針１５の先端部分を示しており、それ以外の高輝度画素集合部は単なるノイズである。ノイズが光音響画像上に出現する時間は、短いことが多い。また、超音波探触子１１により取得された音線データ（生データ）は、一般に縦方向（深さ方向）と比べて横方向（方位方向）の情報密度が低く、超音波画像として表示する際に、通常は横方向の画像情報については補間処理が行われる。このため、音線データ上では１点のノイズが横方向に広がって表示されることになる。その結果、図６に示す拡大図のように、穿刺針１５の先端部分は深さ方向（図６の縦方向）および横方向の両方向においてある程度の長さを有する。一方、図７に示す拡大図のように、ノイズは横方向については長さはあるものの、深さ方向（図７の縦方向）についてはそれ程長さはない状態となる。

このように、穿刺針１５の先端部分を示す高信号値画素集合部のサイズはノイズを示す高信号値画素集合部のサイズよりも大きい傾向にあるため、ステップＳ２では、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出している。

なお、ステップＳ２における基準領域サイズは、深さ方向（縦方向）と横方向の両方向に設定してもよいし、深さ方向（縦方向）のみに設定してもよい。上記の通り、穿刺針１５の先端部分は深さ方向および横方向の両方向においてある程度の長さを有するのに対し、ノイズは横方向については長さはあるものの、深さ方向についてはそれ程長さはない状態となる。このため、深さ方向のサイズだけでも穿刺針１５の先端部分とノイズとを識別することが可能であるが、より正確を期すために、横方向のサイズも比較して、横方向についてもある程度の長さを有するものを穿刺針１５の先端部分として特定するようにしてもよい。

また、基準領域サイズは、挿入物である針の種類、光音響波の発生条件、音響波検出手段の種類、音響波検出手段の周波数特性、音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域、または、光音響画像の表示サイズに基づいて調整してもよい。例えば、基準領域サイズについて初期値を設定しておき、各項目条件に基づいて基準領域サイズを調整してもよい。

先ず、挿入物である針の種類に基づいて、基準領域サイズを調整する場合について説明する。一般に針の径が太いほど光音響波発生部が大きくなり、また針からの反射距離も大きくなることから、針先からの受信信号が大きくなる。従って、針の径が太いほど、基準領域サイズを大きくすればよい。また、針の径が同じであっても、光音響波発生部が大きいほど、針先からの受信信号が大きくなる。従って、光音響波発生部が大きいほど、基準領域サイズを大きくすればよい。このように、針の種類（針の径および／または光音響波発生部の大きさが異なる）により、針先からの受信信号の大きさが変化するため、針の種類を入力部４０を介して設定することで、針の種類に応じて最適な基準領域サイズとすることができる。なお、針の一部に針の種類を識別するための識別部を設け、針の種類を装置において自動的に識別するようにしてもよい。

次に、光音響波の発生条件に基づいて、基準領域サイズを調整する場合について説明する。例えば、光音響波発生部１５ｃに照射するレーザ光を発生させるレーザユニット１３の駆動条件であり、光音響波発生部１５ｃに照射するレーザ光のパルス数が多いほど、針先からの受信信号が大きくなる。従って、光音響波発生部１５ｃに照射するレーザ光のパルス数が多いほど、基準領域サイズを大きくすればよい。例えば、パルス数１からパルス数３に変更した場合には、超音波の送受信方向（画像における縦方向）に３倍の基準領域サイズとすればよい。

次に、音響波検出手段の種類に基づいて、基準領域サイズを調整する場合について説明する。音響波検出手段の周波数特性が同じ場合、リニア型は解像度が高く、針からの受信信号が小さくなるため、基準領域サイズを小さくすればよい。セクタ型およびコンベックス型は解像度が低く、針からの受信信号が大きくなるため、基準領域サイズを大きくすればよい。

次に、音響波検出手段の周波数特性に基づいて、基準領域サイズを調整する場合について説明する。音響波検出手段の周波数特性が低いと、針からの受信信号が大きくなる。従って、音響波検出手段の周波数特性が低いほど、基準領域サイズを大きくすればよい。

次に、音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域に基づいて、基準領域サイズを調整する場合について説明する。音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域(例えば中心周波数)が低いと、針からの受信信号が大きくなる。従って、音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域が低いほど、基準領域サイズを大きくすればよい。

次に、光音響画像の表示サイズに基づいて、基準領域サイズを調整する場合について説明する。ズーム等により針の領域を拡大すると、針の領域の表示サイズは大きくなる。従って、針の領域を大きく表示するほど、基準領域サイズを大きくすればよい。

また、基準領域サイズについて初期値を設定しておき、各項目条件に基づいて基準領域サイズを調整する態様の他にも、各項目条件と基準領域サイズとを関連付けて記録した基準領域サイズ管理テーブルを予め不図示のメモリに記憶しておき、各項目条件に応じて基準領域サイズ管理テーブル中において合致する基準領域サイズを抽出して設定してもよい。

例えば、音響波検出手段の種類（リニア型／コンベックス型）、針の種類（太さ２２ゲージ／２７ゲージ）、光音響波の発生条件（２パルス／４パルス）、および受信検波中心周波数（２ＭＨｚ（メガヘルツ）／４ＭＨｚ（メガヘルツ）／８ＭＨｚ（メガヘルツ））の各項目条件と、基準領域サイズ（光音響画像の深さ方向のみ）とを関連付けて記録した基準領域サイズ管理テーブルを予め不図示のメモリに記憶しておき、各項目条件に応じて、基準領域サイズ管理テーブル中において合致する基準領域サイズを抽出して設定してもよい。

この場合の数値を一例として挙げると、リニア型プローブ使用、針の太さ２２ゲージ、光音響波のパルス数２、および受信検波中心周波数８ＭＨｚ（メガヘルツ）としたときは、基準領域サイズを０．１３ｍｍ（ミリメートル）とし、リニア型プローブ使用、針の太さ２２ゲージ、光音響波のパルス数２、および受信検波中心周波数４ＭＨｚ（メガヘルツ）としたときは、基準領域サイズを１．０９ｍｍ（ミリメートル）とすればよい。また、コンベックス型プローブ使用、針の太さ２２ゲージ、光音響波のパルス数２、および受信検波中心周波数４ＭＨｚ（メガヘルツ）としたときは、基準領域サイズを０．２５ｍｍ（ミリメートル）とし、コンベックス型プローブ使用、針の太さ２２ゲージ、光音響波のパルス数２、および受信検波中心周波数２ＭＨｚ（メガヘルツ）としたときは、基準領域サイズを２．１９ｍｍ（ミリメートル）とすればよい。

また、基準領域サイズ管理テーブルを設けた上で、各項目条件に完全に合致する基準領域サイズが抽出できない場合には、各項目条件に最も近い基準領域サイズを抽出し、その基準領域サイズを初期値として、基準領域サイズ管理テーブルと異なる項目については上記の通り項目毎に微調整するようにしてもよい。

ステップＳ２において、仮定の音速に基づいて生成した光音響画像のうち、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出する方法については、特に制限はなく、どのような方法を用いてもよい。

例えば、画像認識により基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を特定し、抽出した高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出するようにしてもよい。

また、仮定の音速と検出信号に基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも小さい領域サイズの高信号値画素集合部の信号強度を低減する低減処理を行い、低減処理を行った光音響画像において、最も信号値が高い画素を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出するようにしてもよい。

ここで、低減処理は、基準領域サイズの０．５倍以上２倍以下のサイズの半値幅を有するローパスフィルタ処理としてもよいし、平滑化フィルタ処理としてもよい。

平滑化フィルタ処理としては、移動平均フィルタ処理またはガウシアンフィルタ処理などを用いることができる。

上記の通り、ノイズが光音響画像上に出現する時間は短いことが多いため、光音響画像において、穿刺針１５の先端部分は深さ方向においてある程度の長さを有するのに対し、ノイズは横方向については長さはあるものの、深さ方向についてはそれ程長さはない傾向にある。従って、平滑化フィルタ処理は、光音響画像における深さ方向の平滑化効果を横方向の平滑化効果より大きくすることによって、ノイズ部分の信号強度は低減しつつ、横方向の解像度は落とさないようにすることができる。

例えば、簡単な例として、図６に示すように、穿刺針１５の先端部分を示す高信号値画素集合部における信号強度の半値幅が５ピクセルだった場合、深さ方向に［１，１，１，１，１］／５の５行の移動平均フィルタを用いればよい。なお、これは極端な例であり、深さ方向の平滑化効果が横方向の平滑化効果より大きくなるような２次元平滑化フィルタとしてもよい。

図４に示す光音響画像に対し上記のような低減処理を施すと、図８に示すように、穿刺針１５の先端部分を示す画素集合部ＩＴの信号強度は維持しつつ、ノイズ部分の信号強度は低減した画像を得ることができる。この画像に対し、所定の信号強度以下の画素の信号値を０にするカットオフフィルタ処理を行うことにより、図９に示すように、穿刺針１５の先端部分の一部の画素のみが輝点ＰＴとして残り、ノイズ部分が全て消えた画像を得ることができる。この画像において、最も信号値が高い画素を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出することにより、正確に穿刺針１５の先端部分の領域を先端領域として抽出することができる。

なお、低減処理におけるパラメータが適切でないと、ノイズ部分を完全に消すことができず、正確に穿刺針１５の先端部分の領域を先端領域として抽出することができなくなるため、低減処理のパラメータは、上記の基準領域サイズの調整と同様に、挿入物である針の種類、光音響波の発生条件、音響波検出手段の種類、音響波検出手段の周波数特性、音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域、または、光音響画像の表示サイズに基づいて、手動または自動で適切にパラメータを調整すればよい。

次に、先端領域について所定の音速範囲において音速を変化させて音速毎の光音響画像を生成する（ステップＳ３）。所定の音速範囲については、被検体内における音速として考え得る範囲を設定すればよく、例えば１３５０ｍ／ｓ（メートル／秒）から１５５０ｍ／ｓ（メートル／秒）の範囲、好ましくは１３５０ｍ／ｓ（メートル／秒）から１６５０ｍ／ｓ（メートル／秒）の範囲とするなど、撮影部位に応じて適宜設定可能である。

次に、音速毎に生成した光音響画像のうち、画像評価値が最大となる光音響画像の音速を被検体内における実際の音速と推定し、この音速を被検体内における音速として設定する（ステップＳ４）。

ここで、画像評価値は、光音響画像の鮮鋭度、光音響画像のコントラスト、または、先端領域において画像生成時の音速に基づいて位相調整された信号の強度バラツキの少なさを示す評価値などとすることができるが、これらに限定されず、光音響画像の画質を示す評価値であれば、どのような評価値を用いてもよい。この画像評価値は、光音響画像の横方向および深さ方向（縦方向）のうち、両方向の画素配列に基づいて算出してもよいし、横方向のみの画素配列に基づいて算出してもよいし、深さ方向（縦方向）のみの画素配列に基づいて算出してもよい。なお、本発明の画像生成装置における音速補正は、光音響画像の横方向および深さ方向（縦方向）のうち、特に横方向の画質向上に効果的であるため、横方向のみの画素配列に基づいて光音響画像の画像評価値を算出することが好ましい。このように、一つの方向のみの画素配列に基づいて光音響画像の画像評価値を算出することにより、画像評価値を算出する際の演算量を抑えることができる。

横方向および深さ方向（縦方向）のうち一つの方向のみの画素配列に基づいて光音響画像の画像評価値を算出する方法について、横方向のみの画素配列に基づいて算出する場合を例に説明すると、評価対象の光音響画像の横１列の画素毎に画像評価値を算出し、評価対象の光音響画像の２次元領域分全て合計した値を画像評価値としてもよい。または、評価対象の光音響画像の２次元領域分全て合計した値を縦方向の画素数で平均化した値を画像評価値としてもよい。縦方向のみを考慮する場合も、縦１列の画素毎に画像評価値を算出し、上記と同様に、光音響画像の２次元領域全体の合計値または平均値とすればよい。なお、評価値の算出方法は上記に限定されず、どのような方法を用いて算出してもよい。

ステップＳ４の処理について一例を挙げて詳細に説明する。所定の音速範囲について１３５０ｍ／ｓ（メートル／秒）から１５５０ｍ／ｓ（メートル／秒）の範囲とし、５０ｍ／ｓ（メートル／秒）毎に光音響画像を生成したときの、横方向の画像プロファイルを示すグラフを図１０に示す。また、音速毎に生成した光音響画像の鮮鋭度（画像評価値）を示すグラフを図１１に示す。なお、図１１のグラフは、縦軸が光音響画像における穿刺針１５の先端部分の幅を示しており、縦軸の数値が低いほど鮮鋭度が高いことを意味する。

図１０および図１１に示す例では１４５０ｍ／ｓ（メートル／秒）の音速により生成した光音響画像の鮮鋭度（画像評価値）が最大であるため、１４５０ｍ／ｓ（メートル／秒）を被検体内における音速として設定する。

ステップＳ３およびＳ４の処理について、光音響画像の全領域に対して行う場合と比較して、先端領域のみ行う場合は、下記の通り著しく計算負荷が下がり、リアルタイム処理を行うことも可能となる。

例えば、画像全体の表示領域サイズを１００ｃｍ^２（平方センチメートル）（１０ｃｍ（センチメートル）×１０ｃｍ（センチメートル））としたとき、穿刺針１５の先端領域の表示領域サイズは０．１ｃｍ^２（平方センチメートル）（０．３ｃｍ（センチメートル）×０．３ｃｍ（センチメートル））で充分であり、これらの面積比は１０００：１となる。そのため、先端領域のみ上記処理を行う場合は、演算負荷を１／１０００に抑えることができる。

最後に、ステップＳ４において設定された音速により光音響画像を生成し（ステップＳ５）、光音響画像生成処理を終了する。

例えば、図１０および図１１に示す例では１４５０ｍ／ｓ（メートル／秒）の音速により生成した光音響画像の鮮鋭度（画像評価値）が最大であり、被検体内における音速を１４５０ｍ／ｓ（メートル／秒）として生成した画像の例を図１２に示す。これに対して、ステップＳ１における仮定の音速とほぼ同等の１５４０ｍ／ｓ（メートル／秒）により生成した画像の例を図１３に示す。図１２に示す画像の方が図１３に示す画像と比べて、穿刺針１５の先端部分の解像度が高いことが分かる。

なお、上記実施形態の説明では、音速補正処理を行う光音響画像について、超音波探触子１１において取得した検出信号を所定の音速によりビームフォーミングしただけの音線データ画像に対して画像変形処理等の各種画像処理を施した最終画像について、音速補正処理を行っているが、図１４に一例を示すような音線データ画像に対して直接音速補正処理を行うようにしてもよい。図１４の音線データ画像の横方向は音線に対応し、０．１６ｍｍ／ｌｉｎｅ（ミリメートル／音線）であり、縦方向（深さ方向に対応）は音線データのサンプル点に対応し、０．０９１ｍｍ／ｓａｍｐｌｅ（ミリメートル／サンプル）であり、検出信号を対数圧縮し、フレーム内を２５５階調でマッピングし、輝度データにしたものである。このような音線データ画像に対して音速補正処理を行った場合でも、上記と同等の効果を得ることができる。

ここで、この音線データ画像を用いて、上記低減処理におけるパラメータについてシミュレーションにより検討した結果を示す。

条件１：音響波検出手段に対する受信検波周波数を８Ｍｈｚ（メガヘルツ）とし、発光数２（レーザ光のパルス数２）とした場合、穿刺針１５の先端部分の信号強度の半値幅は０．９１ｍｍ（ミリメートル）となり、８Ｍｈｚ（メガヘルツ）における波長０．１９３ｍｍの４．７倍程度となった。これは、２発光および針先における多重反射等の影響と考えられる。

条件２：音響波検出手段に対する受信検波周波数を４Ｍｈｚ（メガヘルツ）とし、発光数２（レーザ光のパルス数２）とした場合、穿刺針１５の先端部分の信号強度の半値幅は１．６４ｍｍ（ミリメートル）となり、４Ｍｈｚ（メガヘルツ）における波長０．３８６ｍｍの４．２倍程度となった。これは、２発光および針先における多重反射等の影響と考えられる。条件２の半値幅は、条件１の半値幅と比較して、おおむね両者の波長の比と同程度の比となっている。

条件３：音響波検出手段に対する受信検波周波数を８Ｍｈｚ（メガヘルツ）とし、発光数４（レーザ光のパルス数４）とした場合、穿刺針１５の先端部分の信号強度の半値幅は１．４６ｍｍ（ミリメートル）となり、８Ｍｈｚ（メガヘルツ）における波長０．１９３ｍｍの７．６倍程度となった。これは、４発光および針先における多重反射等の影響と考えられる。条件３の半値幅は、条件１の半値幅と比較して、おおむね両者の発光数の比と同程度の比となっている。

このように、半値幅は、受信周波数の波長および発光数に、おおむね比例することが分かった。低減処理におけるフィルタは、半値幅以下のサイズの信号は低減し、半値幅以上のサイズの信号は残すように設計する。

シミュレーションの結果、条件２については、半値幅１．６４ｍｍ（ミリメートル）に対応する深さ方向のサンプル点数１８の移動平均フィルタ（１８行）を用いることにより、ノイズ部分の信号強度が穿刺針１５の先端部分の信号強度よりも高い画像においても、ノイズ部分のみを低減し、７０％の比較的軽めのカットオフフィルタを用いた場合でも穿刺針１５の先端部分の信号のみを抽出することができた。

また、条件３については、半値幅１．４６ｍｍ（ミリメートル）に対応する深さ方向のサンプル点数１６の移動平均フィルタ（１６行）を用いることにより、ノイズ部分の信号強度が穿刺針１５の先端部分の信号強度よりも高い画像においても、ノイズ部分のみを低減し、７０％の比較的軽めのカットオフフィルタを用いた場合でも穿刺針１５の先端部分の信号のみを抽出することができた。

また、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、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ず、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。

上記記載から、以下の付記項１に記載の画像生成装置を把握することができる。
［付記項１］
被検体内に挿入された挿入物の先端部分から発せられた光音響波を音響波検出手段により検出することにより取得された検出信号と、被検体内における音速とに基づいて、光音響画像を生成する光音響画像生成プロセッサと、
仮定の音速と検出信号とに基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出し、先端領域について所定の音速範囲において音速を変化させて生成した音速毎の光音響画像のうち、画像評価値が最大となる光音響画像の音速を被検体内における音速として設定する音速設定プロセッサとを備えた画像生成装置。

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 音速設定部
３０ 画像表示部
４０ 入力部
ＩＴ 穿刺針の先端部分を示す画素集合部
ＰＴ 輝点

Claims (8)

1. 被検体内に挿入された挿入物の先端部分から発せられた光音響波を音響波検出手段により検出することで取得された検出信号と、前記被検体内における音速とに基づいて、光音響画像を生成する光音響画像生成部と、
   仮定の音速と前記検出信号とに基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出し、前記先端領域について所定の音速範囲で音速を変化させて生成した音速毎の光音響画像の中で、画像評価値が最大となる光音響画像の音速を前記被検体内における音速として設定する音速設定部とを備え、
   前記音速設定部は、
   仮定の音速と前記検出信号に基づいて生成された光音響画像において、前記基準領域サイズよりも小さい領域サイズの高信号値画素集合部の信号強度を低減する低減処理を行い、
   前記低減処理を行った光音響画像において、前記基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含み、かつ、最も信号値が高い画素を含む所定範囲の領域を前記先端領域として抽出し、
   前記低減処理は、平滑化フィルタ処理であり、
   前記平滑化フィルタ処理は、前記光音響画像における深さ方向の平滑化効果が横方向の平滑化効果より大きい
   画像生成装置。
2. 前記画像評価値は、光音響画像の鮮鋭度、光音響画像のコントラスト、または、前記先端領域において画像生成時の音速に基づいて位相調整された信号の強度バラツキの少なさを示す評価値である
   請求項１記載の画像生成装置。
3. 前記基準領域サイズは、前記挿入物の種類、前記光音響波の発生条件、前記音響波検出手段の種類、前記音響波検出手段の周波数特性、前記音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域、または、光音響画像の表示サイズに基づいて調整される
   請求項１または２記載の画像生成装置。
4. 前記音速設定部は、
   画像認識により前記基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を特定し、抽出した高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出する
   請求項１から３のいずれか１項記載の画像生成装置。
5. 被検体内に挿入された挿入物の先端部分から発せられた光音響波を音響波検出手段により検出することで取得された検出信号と、前記被検体内における音速とに基づいて、光音響画像を生成する光音響画像生成部と、前記被検体内における音速を設定する音速設定部とを備えた画像生成装置の作動方法であって、
   前記音速設定部は、
   仮定の音速と前記検出信号とに基づいて生成された光音響画像において、基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出し、
   前記先端領域について所定の音速範囲で音速を変化させて生成した音速毎の光音響画像の中で、画像評価値が最大となる光音響画像の音速を前記被検体内における音速として設定し、
   仮定の音速と前記検出信号に基づいて生成された光音響画像において、前記基準領域サイズよりも小さい領域サイズの高信号値画素集合部の信号強度を低減する低減処理を行い、
   前記低減処理を行った光音響画像において、前記基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を含み、かつ、最も信号値が高い画素を含む所定範囲の領域を前記先端領域として抽出し、
   前記低減処理は、平滑化フィルタ処理であり、
   前記平滑化フィルタ処理は、前記光音響画像における深さ方向の平滑化効果が横方向の平滑化効果より大きい
   作動方法。
6. 前記画像評価値は、光音響画像の鮮鋭度、光音響画像のコントラスト、または、前記先端領域において画像生成時の音速に基づいて位相調整された信号の強度バラツキの少なさを示す評価値である
   請求項５記載の作動方法。
7. 前記基準領域サイズは、前記挿入物の種類、前記光音響波の発生条件、前記音響波検出手段の種類、前記音響波検出手段の周波数特性、前記音響波検出手段に対する受信検波周波数帯域、または、光音響画像の表示サイズに基づいて調整される
   請求項５または６記載の作動方法。
8. 前記音速設定部は、
   画像認識により前記基準領域サイズよりも大きい領域サイズの高信号値画素集合部を特定し、抽出した高信号値画素集合部を含む所定範囲の領域を先端領域として抽出する
   請求項５から７のいずれか１項記載の作動方法。

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