JPWO2016002258A1 - 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 - Google Patents

Abstract

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において、挿入物の位置を光音響画像を用いて確認可能とするときに、単位時間あたりの光音響画像の生成数を低下させずに光音響画像の画像品質を向上させる。穿刺針１５は、レーザユニット１３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を有する。光音響画像生成手段２５は、穿刺針１５から発せられる光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する。音源位置検出手段３０は、光音響画像から光音響波の発生源を検出する。第１の信号取得手段３１はＳ値を取得し、第２の信号取得手段３２はＮ値を取得する。発光制御手段３３は、Ｓ値とＮ値の比に基づいて、１つの光音響画像生成に対するレーザユニット１３の発光回数と発光間隔とを制御する。光音響画像生成手段２５は、発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成する。

Description

本発明は、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、信号処理装置、及び光音響画像生成方法に関する。

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。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って、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によって、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によって、穿刺針の位置の確認が可能となる。

特開２００９−３１２６２号公報 特開２０１３−１３７１３号公報 特開２０１１−２２９８１５号公報

穿刺針において光音響波を発生させる場合、穿刺針が深い位置に穿刺されると、体表に置かれた超音波探触子によって光音響波を十分な強度で検出できず、生成される光音響画像のＳＮ比（Signal to Noise Ration）が低くなる場合がある。ＳＮ比を向上させるための手法としては、複数回の測定データを加算平均するものが知られている。一般に、加算平均する回数を増加させるほど、ＳＮ比を高めることができる。

光音響波の加算平均は、例えば特許文献３に記載されている。特許文献３では、加算平均後のＳＮ比があらかじめ設定された値以上になるように加算回数を決定する。しかしながら、特許文献３においては、単にＳＮ比が低いときに加算平均の回数を増やしているだけであり、光音響波の検出を行う周期は一定のままである。従って、ＳＮ比を向上させるために加算平均の回数を増やすと、その分だけ、光音響画像の単位時間あたりの生成数が減少する。

上記問題は、穿刺針に限らず、カテーテルやガイドワイヤなど、被検体に挿入する他の挿入物の位置を、それら挿入物において発生させた光音響波を利用して把握しようとする場合にも生じ得る。

本発明は、上記に鑑み、挿入物の位置を光音響画像を用いて確認可能とするときに、単位時間あたりの光音響画像の生成数を低下させずに光音響画像の画像品質を向上させることが可能な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、光源と、少なくとも一部が被検体内に挿入される挿入物であって、光源から出射される光を導光する導光部材と、その導光部材により導光された光を出射する光出射部と、その光出射部から出射される光に起因した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、挿入物の少なくとも一部が被検体内に挿入された後に、挿入物から発せられる光音響波を検出する音響波検出手段と、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手段と、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と、光音響波の発生源から発せられた光音響波の強度を示す第１の信号値を取得する第１の信号取得手段と、光音響画像におけるノイズを示す信号値を第２の信号値として取得する第２の信号取得手段と、第１の信号値と第２の信号値との比に基づいて、１つの光音響画像生成に対する光源の発光回数と発光間隔とを制御する発光制御手段とを備え、光音響画像生成手段は、発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成する光音響画像生成装置を提供する。

本発明では、発光制御手段は、第１の信号値を第２の信号値で除した値が第１のしきい値よりも小さいときは、光源の発光回数を現在の発光回数よりも増加させ、かつ、発光間隔を現在の発光間隔よりも短くすることが好ましい。

発光制御手段は、第１の信号値を第２の信号値で除した値が、第１のしきい値よりも値が大きい第２のしきい値よりも大きいときは、光源の発光回数を現在の発光回数よりも減少させ、かつ、光源の発光間隔を現在の発光間隔よりも長くすることが好ましい。

発光制御手段は、１つの光音響画像の生成から次の光音響画像の生成までの間、等間隔で光源を発光させてもよい。

音源位置検出手段は、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こととしてもよい。

第１の信号取得手段は、光音響波の発生源の位置の光音響画像の画素の画素値又は光音響波の検出信号の信号値を第１の信号値として取得してもよい。

あるいは、第１の信号取得手段は、光音響波の発生源の位置の光音響画像の画素の画素値又は光音響波の検出信号の信号値から、光音響波の発生源の位置の周囲の複数の位置に対応した光音響画像の画素値の平均値又は光音響波の検出信号の信号値の平均値を減算した値を第１の信号値として取得してもよい。

第２の信号取得手段は、光音響波の発生源の位置の周囲の複数の位置に対応した光音響画像の画素値の分散又は光音響波の検出信号の信号値の分散を求め、求めた分散を第２の信号値として取得してもよい。

音響波検出手段は、被検体に向けて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く、光音響画像生成装置は、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有していてもよい。

光音響画像生成手段及び反射音響波画像生成手段はそれぞれ光音響画像及び反射音響波画像を繰り返し生成することとしてもよい。その場合において、光音響画像及び反射音響画像の単位時間あたりの生成枚数は同じであってよい。

音響波検出手段は、少なくとも一次元的に配列された複数の検出器素子を含み、音響ラインを一ラインずつずらしながら走査して反射音響波の検出を行うこととしてもよい。

上記において、発光制御手段は、音響ラインの走査の合間に光源を発光させることが好ましい。

発光制御手段は、発光回数と、各発光を反射音響波の検出におけるどの走査位置とどの走査位置との間で行うかを定める発光タイミングと対応付けたルックアップテーブルを参照して、光源の発光を制御してもよい。

光音響画像と反射音響波画像とを合成する画像合成手段を更に有する構成とすることも、本発明の好ましい態様である。

本発明の光音響画像生成装置は、光音響画像のノイズを低減するノイズ低減フィルタ処理を行うノイズ低減処理手段を更に有していることが好ましく、音源位置検出手段は、ノイズ低減フィルタ処理を行った後の光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出することが好ましい。

ノイズ低減フィルタ処理は、例えばメディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理を含んでいてもよい。

また、ノイズ低減フィルタ処理は、複数の素子の検出信号の同一深さ方向の位置に混入するノイズを低減するフィルタ処理を含んでいてもよい。このフィルタ処理は、同時に検出する複数の素子の検出信号を各深さ方向の位置において足し合わせ、又は足し合わせた後に平均化し、その足し合わせた信号又は平均化した信号を各素子で検出した検出信号から減じる処理を含み得る。

本発明の光音響画像生成装置は、光音響画像、第１の信号値の最大値、及び現在の第１の信号値を画面上に表示する画像表示手段を更に有することが好ましい。

本発明は、また、少なくとも一部が被検体内に挿入される挿入物であって、光源から出射される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出射する光出射部と、光出射部から出射される光に起因した光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられる光音響波の検出信号を受信する受信回路と、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手段と、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と、光音響波の発生源から発せられた光音響波の強度を示す第１の信号値を取得する第１の信号取得手段と、光音響画像におけるノイズを示す信号値を第２の信号値として取得する第２の信号取得手段と、第１の信号値と第２の信号値との相対的な大小関係に基づいて、１つの光音響画像生成に対する光源の発光回数と発光間隔とを制御する発光制御手段とを備え、光音響画像生成手段は、発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成する信号処理装置を提供する。

更に、本発明は、光源から出射される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出射する光出射部と、光出射部から出射される光に起因した光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられる光音響波の検出信号を受信するステップと、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成するステップと、光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出するステップと、光音響波の発生源から発せられた光音響波の強度を示す第１の信号値を取得するステップと、光音響画像におけるノイズを示す信号値を第２の信号値として取得するステップと、第１の信号値と第２の信号値との相対的な大小関係に基づいて、１つの光音響画像生成に対する光源の発光回数と発光間隔とを決定するステップとを有し、光音響画像を生成するステップでは、発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成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装置、信号処理装置、及び光音響画像生成方法は、挿入物の位置を光音響画像を用いて確認可能とするときに、単位時間あたりの光音響画像の生成数を低下させずに光音響画像の画像品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る光音響画像生成装置を示すブロック図。 （ａ）は穿刺針全体の外観を示し、（ｂ）は穿刺針本体の外観を示し、（ｃ）は内針の外観を示す図。 穿刺針の先端付近を示す断面図。 光音響画像生成手段を示すブロック図。 光音響画像生成装置の動作手順を示すフローチャート。 光音響波を検出するエリアの分割を示す図。 ＳＮ比の倍率と発光回数と発光間隔との対応を示す表。 生成される光音響画像の画像例を示す図。 光音響波の発生源の位置とＮ値を計算する画素の領域とを示す図。 光音響波の発生源の位置とＮ値を計算する画素の領域の別例を示す図。 Ｓ値及びＮ値の表示例を示す図。 ノイズ低減後の光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出する場合の光音響画像生成装置の構成の一部を示すブロック図。 同一深さ方向の位置に共通に混入する電気ノイズを低減するフィルタ処理を行った光音響画像を示す図。 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、本発明の一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、光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。

光源であるレーザユニット１３は、例えばレーザダイオード光源（半導体レーザ光源）として構成される。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を種光源とする光増幅型レーザ光源であってもよい。あるいは、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ってもよい。レーザユニット１３から出射したレーザ光は、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。レーザ光源以外の光源を用いてもよい。

図２（ａ）は穿刺針全体の外観を示し、（ｂ）は穿刺針本体の外観を示し、（ｃ）は内針の外観を示す。穿刺針１５は、外針を構成する穿刺針本体１５１と内針１５２とを有する。穿刺針本体１５１は外針基１５４に接着され（図２（ｂ）を参照）、内針１５２は内針基１５３に接着される（図２（ｃ）を参照）。レーザユニット１３（図１を参照）と穿刺針１５とを接続する光ファイバ１６は、先端（レーザユニット１３から見て遠端側）に光コネクタを有している。穿刺針１５の内針基１５３には、光ファイバ１６の光コネクタを接続する光コネクタが設けられている。

穿刺針本体１５１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１５２は、外針を構成する穿刺針本体１５１の内腔とほぼ同じ大きさの外径を有しており、中空の穿刺針本体１５１に対して抜き差し可能に構成される。内針１５２は、外針基１５４側から穿刺針本体１５１の内腔に挿入され、穿刺針本体１５１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。内針基１５３には、接続位置合わせのための突起部が設けられており、外針基１５４には、内針基１５３の突起部に係合する溝が設けられている。穿刺針本体１５１内に内針１５２をセットする際は、内針基１５３の突起と外針基１５４の溝との位置を合わせた上で、内針基１５３を外針基１５４に嵌合させる。

術者は、穿刺針本体１５１内に内針１５２がセットされた状態（図２（ａ）を参照）で、穿刺針１５を被検体へ穿刺する。穿刺針本体１５１の内腔が内針１５２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、穿刺部位から穿刺針本体１５１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、内針基１５３と外針基１５４との接続を解除し、穿刺針本体１５１から内針１５２を抜去する。内針１５２の抜去後、外針基１５４にシリンジなどを装着し、例えば麻酔薬などの薬剤の注入を行う。あるいは、被検体の穿刺針１５が穿刺された箇所から生検試料を採取する。

図３は、穿刺針１５の先端付近の断面を示す。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、内針基１５３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。内針基１５３に光コネクタを設けるのに代えて、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によって、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。

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。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、ＡＤ（アナログ/デジタル）変換手段２２、データ分離手段２４、光音響画像生成手段２５、超音波画像生成手段２６、画像合成手段２７、制御手段２８、送信制御回路２９、音源位置検出手段３０、第１の信号取得手段３１、第２の信号取得手段３２、及び発光制御手段３３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で検出された光音響波の検出信号を受信する。また、プローブ１１で検出された反射超音波の検出信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した光音響波及び反射超音波の検出信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えばサンプリングクロック信号に基づいて光音響波及び反射超音波の検出信号をサンプリングする。

データ分離手段２４には、ＡＤ変換手段２２がサンプリングし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）が入力される。データ分離手段２４は、光音響波の検出信号のサンプリングデータを光音響画像生成手段２５に入力する。また、反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像生成手段（反射音響波画像生成手段）２６に入力する。

光音響画像生成手段２５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。光音響画像生成手段２５は、複数回の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成することができる。１回の光音響波の検出につき、レーザユニット１３を１回発光させる必要があるため、１つの画像の生成あたりの発光回数と光音響波の検出信号の加算回数とは同義である。

超音波画像生成手段２６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。画像合成手段２７は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段２７で合成された画像は、ディスプレイ装置などの画像表示手段１４の画面上に表示される。光音響画像生成手段２５及び超音波画像生成手段２６はそれぞれ光音響画像及び超音波画像を繰り返し生成する。光音響画像及び超音波画像の単位時間あたりの生成枚数は同じであるとする。

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、ＡＤ変換手段２２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２９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２９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、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ＡＤ変換手段２２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。

音源位置検出手段３０は、光音響画像生成手段２５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３０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３０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３０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、プローブ１１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。

第１の信号取得手段３１は、光音響波の発生源から発せられた光音響波の強度を示す第１の信号値を取得する。以下、第１の信号値をＳ値とも呼ぶ。第１の信号取得手段３１は、例えば光音響波の発生源の位置に対応する光音響画像の画素の画素値をＳ値として取得する。あるいは、画像化される前の光音響波の検出信号の信号値をＳ値として取得してもよい。

第２の信号取得手段３２は、光音響画像におけるノイズを示す信号値を第２の信号値として取得する。以下、第２の信号値をＮ値とも呼ぶ。第２の信号取得手段３２は、例えば光音響波の発生源の位置の周囲の複数の位置に対応した光音響画像の画素値の分散を求める。あるいは、画像化前の光音響波の検出信号の信号値の分散を求める。第２の信号取得手段３２は、例えば光音響波の発生源の位置からあらかじめ定められた距離の範囲に入る複数の位置の光音響画像の画素値の分散又は光音響波の検出信号の信号値の分散を求める。第２の信号取得手段３２は、求めた分散の値をＮ値として取得する。

ところで、光音響波の検出信号にノイズが多く含まれる場合、第１の信号取得手段３１が取得したＳ値にもノイズが多く含まれる。第１の信号取得手段３１は、光音響波の発生源の位置の周囲の複数の位置に対応した画素値の平均値又は信号値の平均値をバックグランド値として求め、光音響波の発生源の位置に対応する光音響画像の画素の画素値又は信号値からバックグランド値を差し引いた値をＳ値として取得してもよい。バックグラウンド値を求める領域は、第２の信号取得手段３２が第２の信号値を取得する画素位置の範囲（領域）と同じでよい。バックグラウンド値を差し引く処理は、光音響波の発生源の位置に対応する画素値又は信号値とバックグランド値とが同等程度、例えば光音響波の発生源の位置に対応する画素値又は信号値がバックグランド値の２倍以下のときに実施することとしてもよい。

発光制御手段３３は、１つの光音響画像生成に対するレーザユニット１３の発光回数と発光間隔とを制御する。発光制御手段３３は、Ｓ値とＮ値との比に基づいて、具体的にはＳ値をＮ値で除した値に基づいて、発光回数及び発光間隔を制御する。発光制御手段３３は、例えば制御手段２８を通じて、１つの光音響画像の生成から次の光音響画像の生成までの間、等間隔でレーザユニット１３を発光させる。光音響画像が生成されると、生成された光音響画像から取得されるＳ値とＮ値との相対的な大小関係に基づいて、次の光音響画像生成の際のレーザユニット１３の発光回数と発光間隔とを決定する。

例えば、超音波画像の生成では、プローブ１１は、音響ラインを一ラインずつずらしながら走査して超音波の送信と反射超音波の検出とを行う。この場合、発光制御手段３３は、音響ラインの走査の合間にレーザユニット１３を発光させてもよい。例えば超音波の送信及び反射超音波の検出を先に行い、音響ラインの走査位置が特定の走査位置となったときにレーザユニット１３から光を出射して光音響波を検出してもよい。発光制御手段３３は、例えば発光回数と、各発光を反射超音波の検出におけるどの走査位置とどの走査位置との間で行うかを定める発光タイミングと対応付けたルックアップテーブルを参照して、レーザユニット１３の発光を制御する。

上記したＳ値をＮ値で除した値は、信号対雑音比（ＳＮ比）に相当する。一般に、加算回数を増加させるほどＳＮ比を高くすることができる。言い換えれば、１つの光音響画像生成に対するレーザユニット１３の発光回数を増やすほど、光音響画像の画像品質を向上できる。本実施形態では、発光回数だけでなく、発光間隔も制御する。複数回の光音響波の検出に要する時間は、発光回数と発光間隔の積に比例する。発光間隔を変えずに単純に発光回数だけ増加させた場合は、発光回数が増えた分だけ光音響波の検出に要する時間が延び、単位時間あたりの光音響画像の生成数が低下する。発光回数に合わせて発光間隔を増減させることによって、単位時間あたりの光音響画像の生成数を低下させずに光音響画像の画像品質を向上させることができる。

発光制御手段３３は、ＳＮ比が目標となる一定の範囲に収まるように発光回数を決定する。Ｓ値は、発光回数の平方根に比例する。目標範囲は装置の設定値としてあらかじめ決められていてもよいし、画像表示手段１４の表示画面上にスライダなどを表示し、ユーザにより任意に設定可能としてもよい。

発光制御手段３３は、ＳＮ比が目標範囲の下限である第１のしきい値よりも小さいときは、レーザユニット１３の発光回数を現在の発光回数よりも増加させ、かつ、発光間隔を現在の発光間隔よりも短くする。発光回数を増加させ、加算される光音響波の検出信号の数を増やすことによって、画像品質の向上が可能である。このとき、発光間隔を短くすることによって、複数回の光音響波の検出に要する時間が長くなりすぎることを防ぐことができ、加算回数を増やすことによる処理時間の増大を抑えることができる。発光制御手段３３は、例えば次の光音響画像の生成の際の発光回数を現在の２倍にするときは、次の光音響画像生成の際の発光間隔を現在の１／２倍にする。この場合、複数回の光音響波の検出に要する時間を一定に保ったまま、加算回数を増加させることができる。

発光制御手段３３は、ＳＮ比が目標範囲の上限である第２のしきい値よりも大きいときは、レーザユニット１３の発光回数を現在の発光回数よりも減少させ、かつ、発光間隔を現在の発光間隔よりも長くする。光音響画像は、穿刺針１５の位置の確認のために用いられ、光音響画像によって光音響波の発生源の位置、すなわち穿刺針１５の針先の位置が確認できればよいので、光音響画像に過剰に高いＳＮ比は要求されない。ＳＮ比が第２のしきい値よりも大きいときにレーザユニット１３の発光回数を減少させることによって、過剰にＳＮ比が高い光音響画像が生成されることを抑制することができる。発光回数を減少させることは、レーザユニット１３の長寿命化という観点から見ても有利である。

図４は、光音響画像生成手段２５を示す。光音響画像生成手段２５は、加算平均手段５１、光音響画像再構成手段５２、検波・対数変換手段５３、及び光音響画像構築手段５４を有する。加算平均手段５１は、複数回の光音響波の検出信号を加算平均する。平均化せずに加算するだけでもよい。加算平均手段５１は、例えば１つの光音響画像の生成あたりのレーザユニット１３の発光回数が４回であれば、４回分の光音響波の検出信号を加算して平均化する。

光音響画像再構成手段５２は、加算平均された光音響波の検出信号を再構成する。光音響画像再構成手段５２は、例えばフーリエ変換法（ＦＴＡ法）を用いて再構成を行う。フーリエ変換法に代えて、遅延加算法、又はＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行ってもよい。再構成された光音響波の検出信号は、光音響画像とみなすことができる。

検波・対数変換手段５３は、光音響画像再構成手段５２で再構成された光音響波の検出信号の包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。光音響画像構築手段５４は、対数変換が施された各ラインの光音響波の検出信号に基づいて、光音響画像を生成する。光音響画像構築手段５４は、例えば光音響波の検出信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を光音響層画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像を生成する。

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。制御手段２８は、音響ラインの走査を開始する（ステップＳ１）。制御手段２８は、光音響波の検出を行うか否かを判断する（ステップＳ２）。制御手段２８は、例えば音響ラインの走査位置に基づいて、光音響波の検出を行うか否かを判断するかを判断する。どの走査位置のときに光音響波の検出を行うかは、発光制御手段３３により指定される。あるいは、発光制御手段３３から発光回数と発光間隔とに関する情報を制御手段２８に送信し、制御手段２８にて、どの走査位置のときに光音響波の検出を行うか決定してもよい。

光音響波の検出を行わない場合、制御手段２８は、送信制御回路２９に超音波トリガ信号を送信する。送信制御回路２９は、それに応答してプローブ１１から超音波を送信させる（ステップＳ３）。プローブ１１は、超音波の送信後、反射超音波を検出する（ステップＳ４）。プローブ１１は、例えば６４個の検出器素子から超音波を送信し、６４個の検出器素子により反射超音波を検出する。なお、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が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波の検出信号をサンプリングする。超音波画像生成手段２６は、データ分離手段２４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入力し、超音波画像を生成する（ステップＳ５）。超音波画像生成手段２６は、例えば６４素子分の反射超音波の検出信号のサンプリングデータを遅延加算することによって、１つの音響ライン分の超音波画像を生成する。

ステップＳ２で、光音響波の検出を行うと判断した場合、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。レーザユニット１３は、トリガ信号を受けると、レーザ発振を開始し、パルスレーザ光を出射する（ステップＳ６）。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（ステップＳ７）。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１を介して光音響波の検出信号を受け取り、光音響波の検出信号をサンプリングする。光音響波の検出信号のサンプリングデータは、データ分離手段２４を介して光音響画像生成手段２５に送信される。光音響画像生成手段２５の加算平均手段２５１（図４を参照）は、例えば光音響波の検出が行われるたびに、光音響波の検出信号用に確保したメモリ領域において、これまでの光音響波の検出信号の加算結果に、今回の光音響波の検出信号を加えることにより、光音響波の検出信号を加算していく。あるいは、各回の光音響波の検出信号をメモリ領域内に保存し、発光回数分の光音響波の検出が終了した後に、各回の光音響波の検出信号の総和を計算してもよい。

ここで、プローブ１１から送信された反射超音波はプローブ１１と超音波反射位置との間を往復して伝播するのに対し、光音響波はその発生位置である穿刺針１５の先端近傍からプローブ１１までの片道を伝播する。従って、反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響波の検出に比して２倍の時間がかかる。光音響波サンプリング時のＡＤ変換手段２２のサンプリング時間は、反射超音波サンプリング時のサンプリング時間の半分に設定されていてもよい。具体的には、反射超音波のサンプリング時間が１６０μ秒のとき、光音響波のサンプリング時間は８０μ秒とすればよい。

制御手段２８は、音響ラインの走査が終了したか否かを判断する（ステップＳ８）。走査が終了していなければ、ステップＳ１に戻り、前回の反射超音波の検出を行った走査位置よりも走査位置を１つすすめる。光音響画像生成装置１０は、音響ラインの走査が完了するまで、ステップＳ１からステップＳ８までの処理を繰り返し実行する。光音響波を検出するエリアが複数のエリアに分割されているときは、被検体に対する光出射と光音響波の検出とはエリアごとに行われるため、発光回数の総数は、エリアの分割数とエリアごとの発光回数との積となる。同じエリアで連続して光音響波の検出を行い、発光回数分の光音響波の検出信号が得られたら、次のエリアに移るとよい。

ステップＳ８で音響ラインの走査が終了したと判断されると、光音響画像生成手段２５は、加算した、発光回数分の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Ｓ９）。音源位置検出手段３０は、光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出する（ステップＳ１０）。音源位置検出手段３０は、例えば光音響画像においてもっとも輝度が高い（画素値が大きい）画素の位置を、光音響波の発生源の位置として検出する。

第１の信号取得手段３１は、光音響波の発生源の位置に対応する光音響画像の画素の画素値をＳ値として取得する（ステップＳ１１）。第２の信号取得手段３２は、例えば光音響波の発生源の位置からあらかじめ定められた距離の範囲に入る複数の位置の光音響画像の画素値の分散又は光音響波の検出信号の信号値の分散を求め、求めた分散の値をＮ値として取得する（ステップＳ１２）。

発光制御手段３３は、Ｓ値とＮ値との比を求め、求めた比があらかじめ定められた範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。具体的には、Ｓ値とＮ値の比が、第１のしきい値以上でかつ第２のしきい値以下であるか否かを判断する。発光制御手段３３は、比が第１のしきい値よりも小さいとき、又は比が第２のしきい値よりも大きいときは、次の光音響画像生成の際のレーザユニット１３の発光回数及び発光間隔を、現在の発光回数及び発光間隔から変更する（ステップＳ１４）。発光制御手段３３は、Ｓ値とＮ値の比が第１のしきい値よりも小さいときは、レーザユニット１３の発光回数及び発光間隔を、現在の発光回数及び発光間隔から増加させる。Ｓ値とＮ値の比が第２のしきい値よりも大きいときは、レーザユニット１３の発光回数及び発光間隔を、現在の発光回数及び発光間隔から減少させる。Ｓ値とＮ値の比が、第１のしきい値以上でかつ第２のしきい値以下のときは、発光回数及び発光間隔を変更しない。

画像合成手段２７は、超音波画像と光音響画像とを重ねて画像表示手段１４に表示する（ステップＳ１５）。音源位置検出手段３０が検出した光音響波の発生源の位置を、画像表示手段１４に表示してもよい。その場合、光音響画像を光音響波の発生源の位置を示す画像に置き換え、その画像と超音波画像とを重ねて画像表示手段１４に表示してもよい。超音波画像については、音源位置検出手段３０が検出した光音響波の発生源の位置から一定の距離以内の部分を、拡大して表示してもよい。また、その部分を、空間分解能及びコントラスト分解能を向上させた画像としてもよい。例えば、光音響波の発生源から一定の距離以内の領域については、受信遅延の補正を行う受信整相加算に加えて、送信遅延の補正を行う送信整相加算も実施し、光音響波の発生源の周囲において、空間分解能及びコントラスト分解能を向上させてもよい。画像の表示とステップＳ１０からＳ１４までの処理とは、並行して行ってもよい。画像表示後、ステップＳ１に戻り、超音波画像の生成と光音虚画像の生成を継続する。

図６は、光音響波を検出するエリアの分割を示す。例えば、プローブ１１が有する検出器素子の数は例えば１２８素子であるとし、ＡＤ変換手段２２は、一度に６４素子分の信号をサンプリング可能であるとする。超音波画像は、例えばＡＤ変換手段２２に接続される超音波振動子を１素子ずつずらしながら音響ラインを走査していき、１ラインずつ再構成を行うことによって生成される。各ラインにつき６４個の検出器素子で検出された反射超音波信号を再構成することによって、１ライン分の画像データが得られる。なお、端部では６４個よりも少ない個数の検出器素子で検出された反射超音波信号を再構成する。

光音響画像については、全１２８素子を６４素子ずつ２つのエリアに分け、各エリアにおいて光出射と光音響波の検出とを行う。図６に示す領域Ａ６２は、１番目の検出器素子から６４番目の検出器素子に対応した領域であり、領域Ｂ６３は、６５番目の検出器素子から１２８番目の検出器素子に対応した領域である。例えば、光音響波の加算回数が４回であるとき、つまりエリアごとの発光回数が４回であるときは、領域Ａ６２において光出射を４回行い、１番目の検出器素子から６４番目の検出器素子によって検出された４回分の光音響波の検出信号を加算する。また、領域Ｂ６３において光出射を４回行い、６５番目の検出器素子から１２８番目の検出器素子によって検出された４倍分の光音響波の検出信号を加算する。

図７は、ＳＮ比の倍率（ＳＮ倍率）と発光回数と発光間隔との対応を示す。図７において、「ＳＮ倍率」は、加算平均なしにおけるＳ値とＮ値の比を１としたときのＳ値とＮ値の比の倍率を示す。「発光回数」はエリアごとの発光回数を示し、「発光の合計」は発光回数×エリア数を示す。「最初のライン位置」は、初回の光照射及び光音響波の検出を行う音響ラインの位置を示し、「ライン間隔」は、次の光照射及び光音響波の検出までの音響ラインの間隔を示す。

例えば現在、エリアごとの発光回数が１回である、つまり加算平均なしであるとした場合に、ＳＮ倍率を２倍にしたいときは、エリアごとの発光回数を４倍にすればよい。光音響波の検出を行うエリアが２つのエリアに分割されているとすると、発光回数の合計は８回となる。反射超音波検出のために１２８素子分音響ラインを走査している間に計８回の光出射及び光音響波の検出を行うためには、最初の光出射及び光音響波の検出を８ライン目の音響ラインの走査後に行い、その後、１６ライン間隔で光出射及び光音響波の検出を行えばよい。つまり、８ライン目まで音響ラインを走査した後に最初の光出射及び光音響波の検出を行い、その後、音響ラインを１６ライン走査するごとに、光出射及び光音響波を行えばよい。

例えば、プローブ１１の１ライン目から超音波の送信及び反射超音波検出を開始し、超音波の送信及び反射超音波の検出を行う検出器素子（開口素子）の範囲を、１ラインずつずらしていく。８ライン目の反射超音波の検出と９ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ａ６２において被検体に対する１回目の光出射及び光音響波の検出を行う。その後、２４ライン目の反射超音波の検出と２５ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ａ６２において被検体に対する２回目の光出射及び光音響波の検出を行い、４０ライン目の反射超音波の検出と４１ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ａ６２において被検体に対する３回目の光出射及び光音響波の検出を行い、５６ライン目の反射超音波の検出と５７ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ａ６２において被検体に対する４回目の光出射及び光音響波の検出を行う。

領域Ａ６２において光出射と光音響波の検出とを４回行った後、７２ライン目の反射超音波の検出と７３ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ｂ６３において被検体に対する１回目の光出射及び光音響波の検出を行う。その後、８８ライン目の反射超音波の検出と８９ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ｂ６３において被検体に対する２回目の光出射及び光音響波の検出を行い、１０４ライン目の反射超音波の検出と１０５ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ｂ６３において被検体に対する３回目の光出射及び光音響波の検出を行い、１２０ライン目の反射超音波の検出と１２１ライン目の反射超音波の検出との間に、領域Ｂ６３において被検体に対する４回目の光出射及び光音響波の検出を行う。

エリアごとの発光回数を１６回とした場合は、発光回数の総数は３２回となる。この場合、２ライン目の反射超音波の検出と３ライン目の反射超音波の検出との間に、１つ目のエリアにおいて被検体に対する１回目の光出射及び光音響波の検出を行えばよい。以降、音響ラインが４ライン進むたびに１つの目のエリアにおいて被検体に対する光出射及び光音響波の検出を行う。１つ目のエリアに対して光出射を１６回行った後に２つ目のエリアに移り、２つ目のエリアにおいても、音響ラインが４ライン進むたびに被検体に対する光出射及び光音響波の検出を行うこととすればよい。

図８は、生成される光音響画像の画像例を示す。画像の横方向は検出器素子の配列方向に対応し、縦方向は深さ方向に対応する。光音響画像により、例えばプローブ１１の超音波検出面から深さ方向に８ｃｍまでの範囲を画像化する。図８に示す光音響画像は、水で満たされた容器の中に穿刺針１５を入れ、レーザユニット１３から光を出射して水中の穿刺針１５において光音響波を発生させ、プローブ１１で２つのエリアに分けて光音響波を検出し、検出した光音響波に基づいて光音響画像を生成することにより得られた。針先の直径は０．３ｍｍであり、レーザユニット１３から出射するレーザ光のレーザ出力は２μＪで、波長は９０５ｎｍとした。光音響波の加算回数は１回（加算平均なし）とした。音源位置検出手段３０は、このような光音響画像から光音響波の発生源の位置（音源位置）６１を検出する。

続いて、Ｓ値とＮ値の取得について詳細に説明する。図９は、光音響波の発生源の位置とＮ値を計算する画素の領域とを示す。第１の信号取得手段３１は、音源位置６１の信号値をＳ値として取得する。第１の信号取得手段３１は、画像生成段階におけるどの段階の信号値をＳ値として取得してもよい。具体的には、加算平均手段５１（図４を参照）が加算平均した画像生成前の光音響波の検出信号の信号値をＳ値として取得してもよい。あるいは、光音響画像再構成手段５２によって再構成された光音響波の検出信号の信号値をＳ値として取得してもよいし、検波・対数変換手段５３により検波・対数変換処理がなされた後の信号値をＳ値として取得してもよい。さらには、光音響画像構築手段５４によって生成された光音響画像の画素値をＳ値として取得してもよい。

ここで、検波・対数変換手段５３（図４を参照）が検波を行う前の光音響画像（光音響信号）においては、画素値（信号値）は正負の値を有している。音源位置検出手段３０は、検波前の光音響信号の信号値が最大又は最小となる位置を、光音響波の発生源の位置として検出してもよい。その場合、第１の信号取得手段３１は、検波前の信号の最大値又は最小値から、信号値が最大又は最小となる位置の周辺（例えば２周期程度）における信号の最小値又は最大値を差し引き、いわゆるピークｔｏピーク値をＳ値として取得してもよい。

第２の信号取得手段３２は、音源位置６１を除いたその周辺においてＮ値を取得する。第２の信号取得手段３２は、例えば音源位置６１から一定の距離離れた領域においてＮ値を取得する。第２の信号取得手段３２は、例えば音源位置６１から５ｍｍ以上でかつ１５ｍｍ以下の距離に範囲に入る画素の領域６４を設定し、その領域６４内に存在する複数の画素の画素値の分散を求め、求めた分散をＮ値として取得する。この領域６４に存在する信号は、プローブの電気ノイズに由来する信号であると考えられる。画像生成段階におけるどの段階の信号値をＮ値として取得してもよい点は、Ｓ値の取得と同様である。なお、領域６４の形状は円形には限定されず、その他の形状、例えば矩形であってもよい。

ここで、Ｎ値を求める領域には電気ノイズに由来する信号のみを含むことが好ましく、再構成によるアーチファクトやサイドロープによるアーチファクトによる信号が含まれていないことが好ましい。光音響画像において、再構成によるアーチファクト及びサイドロープによるアーチファクトは、深さ方向に直交する方向や斜め方向に出やすい。Ｎ値の取得に際しては、アーチファクトが出やすいそのような特定の方向の領域を計算対象から除外することが好ましい。第２の信号取得手段３２は、光音響波の発生源の位置からあらかじめ定められた距離の範囲に入る位置で、かつ、光音響波の発生源の位置に対してあらかじめ定められた角度範囲に入る複数の位置の光音響画像の画素値の分散又は光音響波の検出信号の信号値の分散を求めることが好ましい。

図１０は、光音響波の発生源の位置とＮ値を計算する画素の領域の別例を示す。第２の信号取得手段３２は、例えば音源位置６１から一定の距離離れた領域のうち、音源位置６１に対して深さ方向（図１０におけるｙ方向）の両側の領域を、Ｎ値を計算する画素の領域としてもよい。具体的には、領域の形状が円形であれば、図１０に示すように、音源位置６１から５ｍｍ以上でかつ１５ｍｍ以下の距離に範囲に入る画素の領域のうち、プローブ１１の超音波検出面に垂直な方向（深さ方向）を０°として−４５°以上４５°以下の角度範囲に入る領域６５および６６を計算対象の領域としてもよい。アーチファクトが出やすい深さ方向に直交する方向（図１０におけるｘ方向）の領域を計算対象から除外することによって、電気ノイズに由来する信号からＮ値を取得できる。このようにＮ値を求める領域を限定することで、計算精度を高めることができる。また、計算速度を向上できる。

画像表示に際しては、超音波画像及び光音響画像に加えて、Ｓ値及びＮ値を表示してもよい。図１１は、Ｓ値及びＮ値の表示例を示す。例えば、穿刺針１５において発生した光音響波の検出強度がわかるように、超音波画像及び光音響画像と並んで、現在のＳ値を示すインジケータを表示するとよい。インジケータには、一定時間内、例えば１秒間の間のＳ値の最大値を表示してもよい。被検体に対するプローブ１１の角度を変化させたとき、プローブ１１の超音波検出面に垂直な方向に光音響波の発生源があるときにＳ値は最大となるため、過去のＳ値の最大値は光音響波の発生源の位置が存在する方向を探すときの指標とすることができる。さらに、インジケータにＮ値を表示してもよく、その場合、インジケータを参照することによって、Ｓ値に対するノイズレベルを知ることができる。

本実施形態では、光音響画像を生成し、光音響画像の発生源の位置の信号値をＳ値として取得し、光音響画像におけるノイズを示す信号値をＮ値として取得する。発光制御手段３３は、Ｓ値とＮ値の比に基づいて、１つの光音響画像生成に対するレーザユニット１３の発光回数と発光間隔とを制御する。発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成することによって、ＳＮ比を向上でき、光音響画像の画質を向上できる。特に本実施形態においては、発光回数に合わせて発光間隔を制御する。発光回数を増減させるとき、それに合わせて発光間隔を短くし、又は長くすることによって、単位時間あたりの光音響画像の生成数を低下させずに光音響画像の画像品質を向上させることができる。

本実施形態では、光音響画像を用いて、穿刺針１５の位置の確認ができればよいので、光音響画像に過剰なＳ値は不要である。ＳＮ比が必要以上に高くなっているときは、発光回数を減らし、かつ発光間隔を延ばすことによって、レーザユニット１３を、穿刺針１５の位置の確認に必要なＳＮ比を確保する程度の駆動することができる。無駄にレーザユニット１３を発光させないことによって、レーザユニット１３の消費電力を抑えることができる。また、レーザユニット１３の長寿命化も可能である。

ここで、特許文献３では、ＳＮ比に基づいて加算平均の回数を変化させることが記載されている。しかしながら、特許文献３では加算回数は変化させるものの、光源の発光間隔は変化させていないため、加算回数を増やすほど光音響画像の単位時間あたりの生成数が減少する。例えばもともと光音響画像を加算平均なしで生成し、超音波画像と光音響画像を１対１の割合で生成していた場合に、光音響画像の加算平均の回数を４回に変更すると、超音波画像を４つ生成している間に光音響画像を１つしか生成できなくなり、光音響画像のリアルタイム性が低下する。これに対し、本実施形態において、例えば発光回数（加算回数）を２倍にしたときに発光間隔を１／２倍にすることにより、光音響画像の単位時間当たりの生成数を低下させずにＳＮ比を向上させた光音響画像を得ることができる。

なお、光音響画像にノイズが多く含まれていると、光音響波の発生源の位置を正しく検出することが難しくなることが考えられる。光音響波の発生源の位置の検出精度を向上させるために、光音響画像に対してノイズを低減する処理を行い、ノイズが低減された光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出してもよい。図１２は、ノイズ低減後の光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出する場合の光音響画像生成装置の構成の一部を示す。この場合、超音波ユニット１２（図１を参照）は、光音響画像生成手段２５と音源位置検出手段３０との間に、ノイズ低減処理手段３４を有する。

ノイズ低減処理手段３４には、光音響画像生成手段２５によって生成された光音響画像が入力される。ノイズ低減処理手段３４は、光音響画像に対してノイズを低減するノイズ低減フィルタ処理を行う。ノイズ低減フィルタ処理には、例えば一定領域の画素を加算するメディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理が含まれる。例えば、メディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理において、着目画素から半径４画素の範囲内で加算する。メディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理を行うことによって、画像中に点在するノイズを低減することができる。

穿刺針１５の光吸収部材１５７（図３を参照）において発生する光音響波は、穿刺針１５の大きさ及び種類などに応じて変化することが考えられる。ノイズ低減処理手段３４は、メディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理を行う際に、使用される穿刺針１５に応じて、そこから発生する光音響波の大きさに合わせた領域の画素を加算してフィルタ処理を実施してもよい。例えば、穿刺針１５の種類と、メディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理における画素値の加算を行う領域の大きさとの対応関係を保持しておき、使用される穿刺針１５に応じて、画素値の加算を行う領域の大きさを選択してもよい。音源位置検出手段３０は、ノイズ低減処理手段３４からノイズ低減フィルタ処理を行った後の光音響画像を入力し、その光音響画像から光音響波の発生源の位置を検出する。ノイズが低減されていることによって、誤った位置を光音響波の発生源の位置として検出する可能性を低下させることができる。

ノイズ低減処理手段３４は、メディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理に代えて、又はこれらに加えて、プローブ１１の複数の検出器素子で検出される検出信号において、同一深さ方向の位置に共通に混入する電気ノイズを低減するフィルタ処理を行ってもよい。具体的には、各深さ位置において、同時検出する複数の検出器素子の検出信号を足し合わせ、又は足し合わせた後に平均化し、その足し合わせた信号又は平均化した信号を各検出器素子で検出した検出信号から減じる処理を行ってもよい。

図１３は、同一深さ方向の位置に共通に混入する電気ノイズを低減するフィルタ処理を行った光音響画像を示す。図８を参照すると、特に領域Ａ６２（図６を参照）において、同一深さ方向の位置に共通に電気ノイズが混入し、画像において横方向のスジが現れている。領域Ａ６２の部分に上記した同一深さ方向の位置に共通に混入する電気ノイズを低減するフィルタ処理を行うことによって、図１３に示す画像が得られる。図１３を参照すると、横方向のスジが除去されていることがわかる。このような画像から光音響波の発生源の位置を検出することによって、光音響波の発生源の位置の検出精度を向上できる。

上記では、光音響波の発生源を検出する処理の前処理としてノイズ低減処理を行うことを説明したが、これには限定されず、ノイズ低減フィルタ処理後の光音響画像を、光音響波の発生源を検出する処理以外の処理で使用してもよい。例えば、第１の信号取得手段３１が、同一深さ方向の位置に共通に混入する電気ノイズを低減するフィルタ処理を行った後の光音響画像からＳ値を取得してもよい。また、第２の信号取得手段３２が、同一深さ方向の位置に共通に混入する電気ノイズを低減するフィルタ処理を行った後の光音響画像からＮ値を取得してもよい。

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。

上記実施形態では、穿刺針１５が外針を構成する穿刺針本体１５１と内針１５２とを有する例を説明したが、内針１５２は必須ではない。穿刺針１５が内針を有しない場合は、穿刺針本体１５１の内腔に導光部材１５５を挿通し、穿刺針本体１５１の内壁でかつ光出射部１５６から出射した光が照射される位置に光吸収部材１５７を設けてもよい。その光吸収部材１５７は、導光部材１５５の先端部分を穿刺針本体１５１の内腔に固定する固定部材を兼ねていてもよい。光ファイバなどの導光部材１５５は、穿刺針などの挿入物の内腔内で、接着剤によって内壁に固定されていてもよい。あるいは、挿入物の内腔内に、内腔よりも径が小さい中空の管（チューブ）を通し、そのチューブにより導光部材１５５を固定してもよい。

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、挿入物として穿刺針１５を考えたが、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。

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。また、針は、皮下や腹くう内臓器など、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。

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。その場合には、挿入物ごとにＳ値とＮ値とを取得し、Ｓ値とＮ値の比に基づいて、挿入物ごとに発光回数と発光間隔とを制御してもよい。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１４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３５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３５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によってその保持が可能である。

光ファイバ１６の一端はレーザユニット１３の光出力端子４７に接続され、他端は穿刺針１５の基端部に接続される。光ファイバ１６は、例えば光出力端子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。光ファイバ１６を、穿刺針内部の導光部材１５５（図３を参照）として用いることもできる。その場合、光出力端子４７に対して光ファイバ１６を直接抜き差し可能とすることによって、穿刺針１５から延びる光ファイバ１６に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。パルス繰り返しレートは、例えば最高で３３００Ｈｚまで実現できる。

なお、図１４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が引っ張れると、ＵＳＢコネクタがＵＳＢポート３５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３５から抜けにくくなる。

図１４においては、ＵＳＢポート３５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３５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３５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。

１０：光音響画像生成装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザユニット
１４：画像表示手段
１５：穿刺針
１６：光ファイバ
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２４：データ分離手段
２５：光音響画像生成手段
２６：超音波画像生成手段
２７：画像合成手段
２８：制御手段
２９：送信制御回路
３０：音源位置検出手段
３１：第１の信号取得手段
３２：第２の信号取得手段
３３：発光制御手段
３４：ノイズ低減処理手段
３５：ＵＳＢポート
４１：電源入力端子
４２：トリガ入力端子
４７：光出力端子
５１：加算平均手段
５２：光音響画像再構成手段
５３：検波・対数変換手段
５４：光音響画像構築手段
５５：ノイズ低減処理部
６１：音源位置
６２、６３：領域
６４〜６６：領域
１５１：穿刺針本体（外針）
１５２：内針
１５３：内針基
１５４：外針基
１５５：導光部材
１５６：光出射部
１５７：光吸収部材
１５８：チューブ
１５９：透明樹脂

Claims (20)

1. 光源と、
   少なくとも一部が被検体内に挿入される挿入物であって、前記光源から出射される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出射する光出射部と、前記光出射部から出射される光に起因した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、
   前記挿入物の少なくとも一部が前記被検体内に挿入された後に、前記挿入物から発せられる光音響波を検出する音響波検出手段と、
   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手段と、
   前記光音響画像から前記光音響波の発生源の位置を検出する音源位置検出手段と、
   前記光音響波の発生源から発せられた光音響波の強度を示す第１の信号値を取得する第１の信号取得手段と、
   前記光音響画像におけるノイズを示す信号値を第２の信号値として取得する第２の信号取得手段と、
   前記第１の信号値と前記第２の信号値との比に基づいて、１つの光音響画像生成に対する前記光源の発光回数と発光間隔とを制御する発光制御手段とを備え、
   前記光音響画像生成手段は、前記発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成する光音響画像生成装置。
2. 前記発光制御手段は、前記第１の信号値を前記第２の信号値で除した値が第１のしきい値よりも小さいときは、前記光源の発光回数を現在の発光回数よりも増加させ、かつ、前記発光間隔を現在の発光間隔よりも短くする請求項１に記載の光音響画像生成装置。
3. 前記発光制御手段は、前記第１の信号値を前記第２の信号値で除した値が、前記第１のしきい値よりも値が大きい第２のしきい値よりも大きいときは、前記光源の発光回数を現在の発光回数よりも減少させ、かつ、前記発光間隔を現在の発光間隔よりも長くする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
4. 前記発光制御手段は、１つの光音響画像の生成から次の光音響画像の生成までの間、等間隔で前記光源を発光させる請求項１から３何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
5. 前記音源位置検出手段は、前記光音響画像において最大の画素値を持つ画素の位置を前記光音響波の発生源の位置として検出する請求項１から４何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
6. 前記第１の信号取得手段は、前記光音響波の発生源の位置の光音響画像の画素の画素値又は前記光音響波の検出信号の信号値を前記第１の信号値として取得する請求項１から５何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
7. 前記第１の信号取得手段は、前記光音響波の発生源の位置の光音響画像の画素の画素値又は前記光音響波の検出信号の信号値から、前記光音響波の発生源の位置の周囲の複数の位置に対応した前記光音響画像の画素値の平均値又は前記光音響波の検出信号の信号値の平均値を減算した値を前記第１の信号値として取得する請求項１から５何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
8. 前記第２の信号取得手段は、前記光音響波の発生源の位置の周囲の複数の位置に対応した前記光音響画像の画素値の分散又は前記光音響波の検出信号の信号値の分散を求め、該求めた分散を前記第２の信号値として取得する請求項１から７何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
9. 前記音響波検出手段は、被検体に向けて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有する請求項１から８何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
10. 前記光音響画像生成手段及び前記反射音響波画像生成手段はそれぞれ前記光音響画像及び前記反射音響波画像を繰り返し生成し、前記光音響画像及び前記反射音響画像の単位時間あたりの生成枚数は同じである請求項９に記載の光音響画像生成装置。
11. 前記音響波検出手段は、少なくとも一次元的に配列された複数の検出器素子を含み、音響ラインを一ラインずつずらしながら走査して前記反射音響波の検出を行う請求項９又は１０に記載の光音響画像生成装置。
12. 前記発光制御手段は、前記音響ラインの走査の合間に前記光源を発光させる請求項１１に記載の光音響画像生成装置。
13. 前記発光制御手段は、前記発光回数と、各発光を反射音響波の検出におけるどの走査位置とどの走査位置との間で行うかを定める発光タイミングと対応付けたルックアップテーブルを参照して、前記光源の発光を制御する請求項１２に記載の光音響画像生成装置。
14. 前記光音響画像と前記反射音響波画像とを合成する画像合成手段を更に有する請求項８から１３何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
15. 前記光音響画像のノイズを低減するノイズ低減フィルタ処理を行うノイズ低減処理手段を更に有し、前記音源位置検出手段は、ノイズ低減フィルタ処理を行った後の光音響画像から前記光音響波の発生源の位置を検出する請求項１から１４何れかに記載の光音響画像生成装置。
16. 前記ノイズ低減フィルタ処理は、メディアンフィルタ処理又はガウシアンフィルタ処理である請求項１５に記載の光音響画像生成装置。
17. 前記ノイズ低減フィルタ処理は、複数の素子の検出信号の同一深さ方向の位置に混入するノイズを低減するフィルタ処理である請求項１５に記載の光音響画像生成装置。
18. 前記光音響画像、前記第１の信号値の最大値、及び現在の第１の信号値を画面上に表示する画像表示手段を更に有する請求項１から１７何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
19. 少なくとも一部が被検体内に挿入される挿入物であって、光源から出射される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出射する光出射部と、前記光出射部から出射される光に起因した光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられる光音響波の検出信号を受信する受信回路と、
    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手段と、
    前記光音響画像から前記光音響波の発生源の位置を検出する音源位置検出手段と、
    前記光音響波の発生源から発せられた光音響波の強度を示す第１の信号値を取得する第１の信号取得手段と、
    前記光音響画像におけるノイズを示す信号値を第２の信号値として取得する第２の信号取得手段と、
    前記第１の信号値と前記第２の信号値との相対的な大小関係に基づいて、１つの光音響画像生成に対する前記光源の発光回数と発光間隔とを制御する発光制御手段とを備え、
    前記光音響画像生成手段は、前記発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成する信号処理装置。
20. 光源から出射される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出射する光出射部と、前記光出射部から出射される光に起因した光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられる光音響波の検出信号を受信するステップと、
    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ステップと、
    前記光音響画像から前記光音響波の発生源の位置を検出するステップと、
    前記光音響波の発生源から発せられた光音響波の強度を示す第１の信号値を取得するステップと、
    前記光音響画像におけるノイズを示す信号値を第２の信号値として取得するステップと、
    前記第１の信号値と前記第２の信号値との相対的な大小関係に基づいて、１つの光音響画像生成に対する前記光源の発光回数と発光間隔とを決定するステップとを有し、
    前記光音響画像を生成するステップでは、前記発光回数分の光音響波の検出信号を少なくとも加算して光音響画像を生成する光音響画像生成方法。

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