WO2012114729A1

WO2012114729A1 - 光音響画像生成装置、及び方法

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Publication number: WO2012114729A1
Application number: PCT/JP2012/001181
Authority: WO
Inventors: 和弘広田; 辻田　和宏
Original assignee: 富士フイルム株式会社
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2012-08-30
Also published as: EP2679161A1; CN103402436A; US20130338478A1; EP2679161A4; JP2012187389A

Abstract

【課題】光音響画像生成装置において、追加の物理的手段を設けることなく人体の目に対する安全性を向上させる。【解決手段】プローブ（１１）は、レーザユニット（１３）から導光された光の被検体に対する照射、及び被検体に対する音響波の送受信を行う。プローブ（１１）は、光音響画像の生成に先立って音響波の送受信を行う。画像生成手段（２３）は、音響波の受信結果に基づいて反射音響波画像を生成する。接触状態判断手段（２６）は、反射音響波画像に基づいて、プローブ（１１）が被検体に接触しているか否かを判断する。制御手段（２４）は、接触状態判断手段（２６）で接触していると判断されたときに、レーザ発振トリガ信号を出力し、プローブ（１１）から被検体に対して光を照射させる。

Description

光音響画像生成装置、及び方法

　本発明は、光音響画像生成装置及び方法に関し、更に詳しくは、被検体に光を照射し、光照射により被検体内で生じた音響波を検出して光音響画像を生成する光音響画像生成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を用いる。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（光音響信号）が発生する。この光音響信号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、光音響信号に基づく生体内の可視化が可能である。

　ここで、光音響イメージングでは、比較的出力の高いレーザ光を生体内に照射する必要がある。安全性の観点からは、プローブが生体に接触していないときはパルスレーザ光の出射を抑止することが好ましい。これに関して、特許文献１には、光路上に配置された被測定物を検出する被測定物検出手段を設け、被測定物検出手段が被測定物を検出しているときに光照射を行うことが記載されている。被測定物の検出には、被測定物の特定を利用できる。具体的には、被測定物の遮光性、反射性、固有の温度、重さ、静電容量を利用できる。

特開２００９－１４２３２０号公報

　しかしながら、特許文献１では、投光器と受光器との組や温度センサなど、被測定物の検出を行うためにプローブに追加の物理的手段が必要である。このような追加の物理的手段は、コストの上昇を招く。また、そのような追加の物理的手段を持たないプローブを用いたときには、被測定物の検出を行うことができない。

　本発明は、上記に鑑み、追加の物理的手段を設けることなく人体の目に対する安全性を向上できる光音響画像生成装置、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、光源と、前記光源から導光された光の被検体に対する照射、及び被検体に対する音響波の送受信を行うプローブと、少なくとも、前記プローブから被検体に対して照射された光に対して前記プローブで受信された音響波である光音響信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段と、前記光音響画像の生成に先立って、前記プローブから送信された音響波に対して前記プローブで受信された音響波である反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断する接触状態判断手段と、前記接触状態判断手段で接触していると判断されたときに、前記プローブから被検体に対して光を照射させる制御手段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、前記プローブが音響波の送受信を行う複数の超音波振動子を含んでおり、前記接触状態判断手段が、前記光音響画像で画像化する範囲のうちの少なくとも一部に対応する超音波振動子で受信された反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断する構成を採用することができる。

　前記光音響画像を画像化する範囲が複数のブロックに分けられており、前記接触状態判断手段が、複数のブロックのそれぞれについて、各ブロック内の少なくとも一部に対応する超音波振動子で受信された反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断することとすることもできる。

　上記の場合、前記プローブが前記光を照射する範囲がブロック単位で切り替え可能であり、前記制御手段が、前記接触状態判断手段にて、前記プローブから光を照射すべきブロックについて前記プローブが被検体に接触していると判断されたとき、前記プローブから当該ブロックに光を照射させる構成とすることもできる。

　前記接触状態判断手段が、被検体の深さ方向所定の範囲における前記反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断してもよい。

　前記画像生成手段が、前記反射音響信号に基づいて反射音響波画像を更に生成するものであり、前記接触状態判断手段が、前記生成された反射音響波画像を用いて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断する構成を採用することができる。この場合、前記接触状態判断手段が、前記プローブが被検体に接触しない状態で生成された反射音響波画像の典型的な画像を参照画像として記憶しており、前記生成された反射音響波画像と前記参照画像との類似度に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断してもよい。あるいは、これに代えて、前記接触状態判断手段が、前記生成された反射音響波画像の特徴解析を行い、その解析結果に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断することとしてもよい。

　反射音響波画像を用いるのに代えて、前記接触状態判断手段が、前記受信された反射音響信号の信号波形に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断してもよい。この場合、前記接触状態判断手段が、前記反射音響信号の信号波形の特徴解析を行い、該特徴解析の結果に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断してもよい。あるいは、これに代えて、前記接触状態判断手段が、前記プローブが被検体に接触しない状態で受信された反射音響信号の典型的な信号波形を参照信号波形として記憶しており、前記受信された反射音響信号の信号波形と前記参照信号波形との類似度に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断してもよい。

　本発明では、前記光源が、レーザ媒質と、該レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、前記レーザ媒質を挟み込むように対向して配置され、光共振器を構成する一対のミラーと、前記光共振器内に配置されたＱスイッチとを含む構成を採用できる。

　前記制御手段は、光音響画像の生成に際して、前記光源に、前記レーザ媒質に対して励起光を照射させる旨の励起トリガ信号を送信し、該励起トリガ信号の送信後で、かつ、前記接触状態判断手段が前記プローブが被検体に接触していると判断しているときに、前記光源に、前記Ｑスイッチをオンにする旨のＱスイッチトリガ信号を送るものとすることができる。

　前記光源が、前記光共振器内に配置された波長選択素子を更に含み、相互に異なる複数の波長のレーザ光を出射する構成を採用することができる。

　前記波長選択素子が、透過波長が相互に異なる複数のバンドパスフィルタを含み、前記光源が、前記光共振器の光路上に挿入されるバンドパスフィルタが所定の順序で順次に切り替わるように前記波長選択手段を駆動する駆動手段を更に有する構成を採用できる。

　前記波長選択素子が、回転変位に伴って前記光共振器の光路上に選択的に挿入するバンドパスフィルタを切り替えるフィルタ回転体で構成され、前記駆動手段が前記フィルタ回転体を回転駆動することとしてもよい。

　前記画像生成手段が、被検体に照射された複数の波長のレーザ光に対して前記プローブで受信された、複数の波長のそれぞれに対応した光音響信号間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する２波長データ演算手段を含み、該２波長データ演算手段で抽出された相対的な信号強度の大小関係に基づいて光音響画像を生成する構成を採用できる。

　前記画像生成手段が、複数の波長のそれぞれに対応した光音響信号に基づいて信号強度を示す強度情報を生成する強度情報抽出手段を更に含み、前記光音響画像の各画素の階調値を前記強度情報に基づいて決定すると共に、各画素の表示色を前記相対的な信号強度の大小関係に基づいて決定してもよい。

　前記光源が出射すべきパルスレーザ光の複数の波長が第１の波長と第２の波長を含み、前記画像生成手段が、前記第１の波長のパルスレーザ光が被検体に照射されたときに前記プローブで受信された第１の光音響信号と、前記第２の波長のパルスレーザ光が被検体に照射されたときに前記プローブで受信された第２の光音響信号とのうちの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する複素数化手段と、前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成する再構成手段とを更に含み、前記強度比抽出手段が、前記再構成画像から前記大小関係としての位相情報を抽出し、前記強度情報抽出手段が、前記再構成画像から前記強度情報を抽出するようにしてもよい。

　本発明は、また、被検体に対する光照射及び被検体に対する音響波の送受信を行うプローブから、被検体に対して音響波の送信を行うステップと、前記プローブにより、前記送信された音響波に対する反射音響波を受信するステップと、前記受信された反射音波に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するステップと、前記プローブが被検体に接触していると判断されたときに、前記プローブから被検体に対して光照射を行うステップと、前記プローブにより、前記光照射により被検体内で生じた音響波を受信するステップと、前記受信された、光照射により生じた音響波に基づいて光音響画像を生成するステップとを有することを特徴と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及び方法は、光音響画像の生成に先立って音響波の送受信を行い、音響波の検出結果に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断する。プローブが被検体に接触しているときに光照射を行うようにすることで、光が空間に放出されることを防ぐことができ、人体の目に対する安全性を向上できる。本発明では、音響波に基づいて接触を判断しているため、そのためだけの追加の物理的手段は必要ない。

本発明の第１実施形態の光音響画像生成装置を示すブロック図。プローブが被検体に接触していない状態で生成された超音波画像を例示する図。プローブが被検体に接触した状態で生成された超音波画像を例示する図。光音響画像生成時の動作手順を示すフローチャート。光音響画像と超音波画像とを重畳した画像を例示する図。本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置を示すブロック図。プローブが被検体に接触していない状態における反射音響信号の信号波形を例示する信号波形図。プローブが被検体に接触した状態における反射音響信号の信号波形を例示する信号波形図。第２実施形態における光音響画像生成時の動作手順を示すフローチャート。本発明の第３実施形態の光音響画像生成装置を示すブロック図。レーザ光源ユニットを示すブロック図。本発明の第４実施形態の光音響画像生成装置を示すブロック図。レーザ光源ユニットを示すブロック図。

　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、本発明の第１実施形態の光音響画像生成装置を示す。光音響画像生成装置（光音響画像診断装置）１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、及び光源（レーザユニット）１３を備える。光音響画像診断装置１０は、超音波画像と光音響画像との双方を生成可能である。レーザユニット１３は、光音響画像生成の際に、被検体に照射する光（レーザ光）を生成する。レーザ光の波長は、観察対象物に応じて適宜設定すればよい。レーザユニット１３が出射するレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光される。

　プローブ１１は、光照射部を含み、レーザユニット１３から導光されたレーザ光を被検体に向けて照射する。また、プローブ１１は、被検体に対する音響波（超音波）の出力（送信）、及び被検体からの超音波の検出（受信）を行う。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する。プローブ１１は、例えば超音波画像の生成時は複数の超音波振動子から超音波を出力し、出力された超音波に対する反射超音波（以下、反射音響信号とも呼ぶ）を検出する。プローブ１１は、光音響画像生成時は、被検体内の測定対象物がレーザユニット１３からのレーザ光を吸収することで生じた超音波（以下、光音響信号とも呼ぶ）を検出する。

　超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、画像生成手段２３、制御手段２４、送信制御回路２５、及び接触状態判断手段２６を有する。受信回路２１は、プローブ１１が有する複数の超音波振動子が検出した超音波（光音響信号又は反射音響信号）を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した超音波信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば所定のサンプリング周期で超音波信号をサンプリングする。

　画像生成手段２３は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた超音波に基づいて断層画像を生成する。画像生成手段２３は、プローブ１１で検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成すると共に、プローブ１１で検出された反射音響信号に基づいて超音波画像（反射音響波画像）を生成する。画像生成手段２３は、画像再構成手段２３１、検波手段２３２、対数変換手段２３３、及び画像構築手段２３４を含む。画像生成手段２３内の各部の機能は、コンピュータが所定のプログラムに従って処理を動作することで実現できる。

　画像再構成手段２３１は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された超音波信号に基づいて、断層画像の各ラインのデータを生成する。画像再構成手段２３１は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動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）。画像再構成手段２３１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。あるいは画像再構成手段２３１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。

　検波手段２３２は、画像再構成手段２３１が出力する各ラインのデータの包絡線を出力する。対数変換手段２３３は、検波手段２３２が出力する包絡線を対数変換し、ダイナミックレンジを広げる。画像構築手段２３４は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、断層画像を生成する。画像構築手段２３４は、例えば超音波信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を、断層画像における深さ方向の位置に変換して断層画像を生成する。画像表示手段１４は、画像構築手段２３４が生成した断層画像を、表示モニタなどに表示する。

　制御手段２４は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御手段２４は、画像生成手段２３で超音波画像を生成する場合は、送信制御回路２５に超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路２５は、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。制御手段２４は、超音波送信トリガ信号と同期して、ＡＤ変換手段２２における反射音響信号のサンプリング開始タイミングを制御する。

　一方、制御手段２４は、画像生成手段２３で光音響画像を生成する場合は、レーザユニット１３に対してレーザ発振トリガ信号を送る。レーザユニット１３は、トリガ信号を受けてレーザ発振を行い、レーザ光を出射する。制御手段２４は、レーザ発振トリガ信号と同期して、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリング開始タイミングを制御する。

　制御手段２４は、光音響画像の生成では、レーザユニット１３へのレーザ発振トリガ信号の出力に先立って、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、その超音波に対する反射音響信号を検出する。接触状態判断手段２６は、プローブ１１で検出された反射音響信号に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する。より詳細には、接触状態判断手段２６は、画像生成手段２３が生成した、反射音響信号に基づく超音波画像を用いて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する。

　接触状態判断手段２６は、例えばプローブ１１が被検体に接触していない状態で生成された超音波画像の典型的な画像を参照画像として記憶している。接触状態判断手段２６は、画像生成手段２３が生成した超音波画像と、記憶している参照画像とを比較し、その比較結果に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する。接触状態判断手段２６は、例えば画像生成手段２３が生成した緒音波画像と参照画像との類似度を計算する。接触状態判断手段２６は、２つの超音波画像の類似度が所定のしきい値以上のときは、プローブ１１が被検体に接触していないと判断する。接触状態判断手段２６は、類似度がしきい値よりも低ければ、プローブ１１が被検体に接触していると判断する。

　制御手段２４は、接触状態判断手段２６にてプローブ１１が被検体に接触していると判断された場合は、レーザユニット１３に対してレーザ発振トリガ信号を出力し、被検体にレーザ光を照射させる。一方、接触状態判断手段２６にてプローブ１１が被検体に接触していないと判断されたときは、レーザユニット１３に対するレーザ発振トリガ信号を抑止し、プローブ１１からレーザ光を照射させない。

　図２は、プローブ１１が被検体に接触していない状態で生成された超音波画像を例示する。同図において、紙面横方向は、プローブ１１において超音波振動子が一次元的に配列された方向に対応し、縦方向は深さ方向に対応している。プローブ１１が空気中にあるときに、つまりプローブ１１を被検体に接触させずに超音波の送受信を行い、受信した超音波に基づいて超音波画像を生成すると、生成された超音波画像には、図２に示すように、プローブ１１と空気との界面の高輝度エコーと、その多重エコーとが含まれる。

　図３は、プローブ１１が被検体に接触した状態で生成された超音波画像を例示する。プローブ１１が被検体に接触した状態で超音波の送信が行われた場合、プローブ１１から送信された超音波は被検体の内部を進行し、組織界面で反射波が生じる。従って、受信超音波に基づいて超音波画像を生成すると、生成された超音波画像には、図３に示すように、組織の輪郭などが現れる。図２に示す超音波画像と図３に示す超音波画像とを比較すると、プローブ１１が被検体に接触しているときと接触していないときとで、生成される超音波画像が大きく異なることがわかる。

　接触状態判断手段２６は、例えば、図２に示すような、プローブ１１が被検体に接触していないときの典型的な超音波画像を参照画像として記憶している。接触状態判断手段２６は、例えば参照画像と画像生成手段２３が生成した超音波画像との相関を求め、その相関に基づいて両者がどれだけ類似しているかを判断する。接触状態判断手段２６は、両者の類似度をしきい値処理し、類似度が高ければ生成された超音波画像はプローブ１１が被検体に接触していない状態で生成された超音波画像であると判断する。つまり、生成された超音波画像が図２に示すような画像であれば、接触状態判断手段２６は、超音波画像の生成時にプローブ１１が被検体に接触していなかったと判断する。一方、生成された超音波画像が図３に示すような画像である場合、参照画像との類似度は低くなる。この場合、接触状態判断手段２６は、超音波画像の生成時にプローブ１１が被検体に接触していたと判断する。

　上記では、接触状態判断手段２６が参照画像を記憶しておき、参照画像と類似度に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断することとしたが、超音波画像に基づく接触状態の判断は上記したものに限定されない。例えば、接触状態判断手段２６が、画像生成手段２３で生成された超音波画像の特徴解析を行い、その解析結果に基づいて接触しているか否かを判断してもよい。図２に示したように、プローブ１１が被検体に接触しない状態で生成された超音波画像では、飽和した高輝度の線が超音波振動子と平行に等間隔で並ぶ。接触状態判断手段２６は、例えば生成された超音波画像において、飽和した高輝度の線が超音波振動子と平行に等間隔で並んでいるときに、プローブ１１が被検体に接触していない状態で超音波画像が生成されたと判断してもよい。

　図４は、光音響画像生成時の動作手順を示す。制御手段２４は、被検体への光照射に先立って、超音波送信トリガ信号を送信制御回路２５に出力する（ステップＡ１）。プローブ１１は、被検体内へ超音波を送信する（ステップＡ２）。プローブ１１は、被検体内で反射した反射音響信号を受信する（ステップＡ３）。超音波ユニット１２内の画像生成手段２３は、反射音響信号に基づいて超音波画像を生成する（ステップＡ４）。

　接触状態判断手段２６は、ステップＡ４で生成された超音波画像に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する（ステップＡ５）。プローブ１１が被検体に接触していないと判断されたときはステップＡ１に戻り、プローブ１１が被検体に接触していると判断されるまで、ステップＡ１～Ａ５を繰り返し実行する。

　ステップＡ５でプローブ１１が被検体に接触していると判断されると、制御手段２４は、レーザユニット１３に対してレーザ発振トリガ信号を出力する（ステップＡ６）。レーザユニット１３は、レーザ発振トリガ信号を受けた後にパルスレーザ光を出射する。レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、プローブ１１から被検体に照射される（ステップＡ７）。

　プローブ１１は、レーザ光の照射後、レーザ光の照射により生体内で発生した光音響信号を受信する（ステップＡ８）。超音波ユニット１２内の画像生成手段は、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する（ステップＡ９）。画像表示手段１４は、ステップＡ４で生成された超音波画像と、ステップＡ８で生成された光音響画像とを表示画面上に表示する（ステップＡ１０）。画像表示手段１４は、ステップＢ１０では、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳表示する。

　図５は、光音響画像と超音波画像とを重畳した画像を例示する。同図において、横方向は超音波振動子が配列された方向に対応し、縦方向は深さ方向に対応している。画像表示手段１４は、図５に示すように、例えば組織の輪郭が画像化される超音波画像（図３）に対し、例えば血管部分が画像化される光音響画像を重ねて表示する。

　本実施形態では、超音波画像に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断し、プローブ１１が被検体に接触しているときにレーザユニット１３に対してレーザ発振トリガ信号を出力するようにしている。このようにすることで、空間中にレーザ光が出射する事態を避けることができ、人体の目に対する安全性を向上できる。また、本実施形態では超音波画像に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断しているため、接触状態の判断のために、それ専用の特別のセンサなどの追加の物理的手段が不要である。また、既存のプローブを用いたときでも、被検体への接触を判断可能である。

　続いて本発明の第２実施形態を説明する。図６は、本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置を示す。本実施形態の光音響画像生成装置（光音響画像診断装置）の構成は、図１に示す第１実施形態の光音響画像診断装置の構成と同様である。本実施形態では、接触状態判断手段２６は、超音波画像に代えて、反射音響信号の信号波形に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判定する。その他の点は第１実施形態と同様である。

　図７は、プローブ１１が被検体に接触していない状態で超音波の送信を行ったときに検出される反射音響信号の信号波形を例示する。同図において、紙面縦方向は、サンプリング開始からの時間（被検体の深さ方向の位置）に対応し、横方向は信号レベルに対応する。プローブ１１が被検体に接触していないときは、図７に示すように、信号レベルが飽和した点が周期的に複数現れるような信号波形の反射音響信号が検出される。このような信号波形の反射音響信号に基づいて超音波画像を生成すると、図２に示すような超音波画像が得られる。

　図８は、プローブ１１が被検体に接触した状態で超音波の送受信を行ったときに検出される反射音響信号の信号波形を例示する。プローブ１１が被検体に接触した状態で超音波の送信が行われた場合、プローブ１１から送信された超音波は被検体の内部を進行し組織界面で反射して、図８に示すような、飽和レベルよりも低い振幅の信号波形が観察される。このような信号波形の反射音響信号に基づいて超音波画像を生成すると、図３に示すような超音波画像が得られる。図７に示す反射音響信号の信号波形と図８に示す反射音響信号の信号波形とを比較すると、プローブ１１が被検体に接触しているときと接触していないときとで、反射音響信号の信号波形が大きく異なることがわかる。

　本実施形態では、接触状態判断手段２６は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた反射音響信号を入力する。接触状態判断手段２６は、反射音響信号の信号波形の特徴解析を行い、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた反射音響信号の信号波形に、プローブ１１が被検体に接触していないときに観察される反射音響信号の信号波形の特徴が表れているか否かを判断する。例えば接触状態判断手段２６は、反射音響信号において振幅が飽和レベルに対応する所定のレベル以上となっている箇所がいくつあるかを調べると共に、その飽和レベルとなっている箇所の間隔を調べる。接触状態判断手段２６は、例えば反射音響信号において複数の飽和レベルとなる個所が等間隔に並んでいるときは、プローブ１１が被検体に接触していないと判断する。接触状態判断手段２６は、逆に、飽和レベルとなる個所が等間隔に並んでいないときは、プローブ１１が被検体に接触していると判断する。

　上記では、接触状態判断手段２６が反射音響信号の特徴解析を行ってプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断することとしたが、反射音響信号の信号波形基づく接触状態の判断は上記したものに限定されない。例えば、接触状態判断手段２６は、図７に示すような、プローブ１１が被検体に接触していないときの典型的な反射音響信号の信号波形を参照信号波形として記憶しておき、ＡＤ変換手段２２が出力する反射音響信号の信号波形と参照信号との相関を求め、その相関に基づいて両者がどれだけ類似しているかを判断してもよい。その場合、接触状態判断手段２６は、両者の類似度をしきい値処理し、類似度が高ければプローブ１１が被検体に接触していると判断し、類似度が低ければプローブ１１が被検体に接触していると判断すればよい。

　なお、接触状態判断手段２６は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた反射音響信号に代えて、画像再構成手段２３１、検波手段２３２、又は対数変換手段２３３の出力信号を入力してもよい。その場合でも、超音波画像生成前の反射音響信号の信号波形に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かの判断が可能である。

　図９は、本実施形態における光音響画像生成時の動作手順を示す。制御手段２４は、被検体への光照射に先立って、超音波送信トリガ信号を送信制御回路２５に出力する（ステップＢ１）。プローブ１１は、被検体内へ超音波を送信する（ステップＢ２）。プローブ１１は、被検体内で反射した反射音響信号を受信する（ステップＢ３）。ここまでのステップは、図４におけるステップＡ１～Ａ３と同様でよい。

　接触状態判断手段２６は、ステップＢ３で受信された反射音響信号の信号波形に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する（ステップＢ４）。接触状態判断手段２６は、プローブ１１が有する複数の超音波振動子で検出された反射音響信号のうち、少なくとも超音波振動子１ｃｈ分の反射音響信号の信号波形に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する。ステップＢ４でプローブ１１が被検体に接触していないと判断されたときはステップＢ１に戻り、プローブ１１が被検体に接触していると判断されるまで、ステップＢ１～Ｂ４を繰り返し実行する。ステップＢ４でプローブ１１が被検体に接触していると判断されると、画像生成手段２３は、反射音響信号に基づいて超音波画像を生成する（ステップＢ５）。

　制御手段２４は、ステップＢ４でプローブ１１が被検体に接触していると判断された後に、レーザユニット１３に対してレーザ発振トリガ信号を出力する（ステップＢ６）。レーザユニット１３は、レーザ発振トリガ信号を受けた後にパルスレーザ光を出射する。レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、プローブ１１から被検体に照射される（ステップＢ７）。プローブ１１は、レーザ光の照射後、レーザ光の照射により生体内で発生した光音響信号を受信する（ステップＢ８）。

　超音波ユニット１２内の画像生成手段は、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する（ステップＢ９）。画像表示手段１４は、ステップＢ５で生成された超音波画像と、ステップＢ８で生成された光音響画像とを表示画面上に表示する（ステップＢ１０）。画像表示手段１４は、ステップＢ１０では、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳表示する。ステップＢ６～Ｂ１０は、図４のステップＡ６～Ａ１０と同様でよい。なお、超音波画像の生成は、特にステップＢ４でプローブ１１が被検体に接触していると判断された直後に限定されるわけではなく、反射音響信号の受信後であれば任意のタイミングでよい。

　本実施形態では、検出された反射音響信号から生成された超音波画像に代えて、反射音響信号の信号波形に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する。プローブ１１が被検体に接触していないときには、そのときに特有の信号波形が観察されるため、画像生成前の反射音響信号の信号波形を用いたときでも、第１実施形態と同様に、追加の物理手段を必要とせずに、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断できる。本実施形態では、超音波画像を生成せずにプローブ１１の接触状態を判断できるため、第１実施形態に比して、接触状態を判断するための処理を簡素化できる。

　引き続き、本発明の第３実施形態を説明する。図１０は、本発明の第３実施形態の光音響画像生成装置を示す。光音響画像診断装置１０ａは、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２ａ、及び光源（レーザユニット）１３を備える。超音波ユニット１２ａは、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、画像生成手段２３ａ、送信制御回路２５、接触状態判断手段２６、トリガ制御回路２７、及び制御手段２８を有する。本実施形態の光音響画像診断装置１０ａも、図１に示す第１実施形態の非光音響画像診断装置１０と同様に、超音波画像と光音響画像との双方を生成可能である。

　プローブ１１は、光照射部を含み、レーザユニット１３から導光されたレーザ光を被検体に向けて照射する。また、プローブ１１は、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び被検体からの超音波の検出（受信）を行う。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する。プローブ１１には、モード切替スイッチ１５が設けられている。プローブ１１は、モード切替スイッチ１５の有無を除けば、第１実施形態の光音響画像診断装置１０で用いられるプローブ１１と同じでよい。

　モード切替スイッチ１５には、例えばオルタネート動作のプッシュスイッチを用いることができる。モード切替スイッチ１５は、光音響画像の生成を含む動作モードと、光音響画像の生成を含まない動作モードとの間で動作モードを切り替えるために使用される。動作モードは、例えば超音波画像を生成するモード、光音響画像を生成するモード、及び超音波画像と光音響画像とを生成するモードを含む。医師などの操作者は、モード切替スイッチ１５を押すことで、超音波画像、光音響画像、超音波画像及び光音響画像の双方を切り替えて表示させることができる。

　受信回路２１は、プローブ１１が有する複数の超音波振動子が検出した超音波（光音響信号又は反射音響信号）を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した超音波信号、すなわち光音響信号及び反射音響信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば所定のサンプリング周期で超音波信号をサンプリングする。画像生成手段２３ａは、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた超音波信号に基づいて断層画像、すなわち光音響画像と超音波画像とを生成する。

　画像生成手段２３ａは、受信メモリ２３５、データ分離手段２３６、光音響画像再構成手段２３７、検波・対数変換手段２３８、光音響画像構築手段２３９、超音波画像再構成手段２４０、検波・対数変換手段２４１、超音波画像構築手段２４２、及び画像合成手段２４３を含む。光音響画像再構成手段２３７及び超音波画像再構成手段２４０は、図１における画像再構成手段２３１に対応する。検波・対数変換手段２３８及び検波・対数変換手段２４１は、図１における検波手段２３２と対数変換手段２３３とに対応する。光音響画像構築手段２３９及び超音波画像構築手段２４２は、図１における画像構築手段２３４に対応する。

　受信メモリ２３５には、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた超音波信号のサンプリングデータが格納される。すなわち、光音響信号のサンプリングデータである光音響データと、反射音響信号のサンプリングデータである反射超音波データとが格納される。データ分離手段２３６は、受信メモリ２３５に格納された光音響データと反射超音波データとを分離する。データ分離手段２３６は、光音響データを光音響画像再構成手段２３７に渡し、反射超音波データを超音波画像再構成手段２４０に渡す。

　光音響画像再構成手段２３７は、光音響データの再構成を行う。超音波画像再構成手段２４０は、反射超音波データの再構成を行う。光音響画像再構成手段２３７及び超音波画像再構成手段２４０が行う再構成は、画像再構成手段２３１（図１）が行う再構成と同じでよい。検波・対数変換手段２３８は、光音響画像再構成手段２３７で再構成された光音響データに対して検波を行い、対数変換を行う。検波・対数変換手段２４１は、超音波画像再構成手段２４０で再構成された反射超音波データに対して検波を行い、対数変換を施す。

　光音響画像構築手段２３９は、検波・対数変換が行われた光音響データに基づいて、光音響画像を生成する。超音波画像構築手段２４２は、検波・対数変換が行われた超音波データに基づいて、超音波画像を生成する。光音響画像構築手段２３９及び超音波画像構築手段２４２における画像生成は、画像構築手段２３４（図１）が行う画像生成と同じでよい。超音波画像構築手段２４２が生成した超音波画像は、接触状態判断手段２６に与えられる。接触状態判断手段２６は、超音波画像構築手段２４２で生成された超音波画像に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かの判断を行う。

　画像合成手段２４３は、光音響画像構築手段２３９で生成された光音響画像と、超音波画像構築手段２４２で生成された超音波画像とを合成する。画像合成手段２４３は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。その際、画像合成手段２４３は、光音響画像と超音波画像とで、対応点が同一の位置となるように位置合わせをすることが好ましい。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えてすることも可能である。

　次いで、レーザユニット１３の構成を詳細に説明する。図１１は、レーザユニット１３の構成を示す。レーザユニット１３は、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、Ｑスイッチ５５、バンドパスフィルタ５６を有する。レーザロッド５１は、レーザ媒質である。レーザロッド５１には、例えばアレキサンドライト結晶やＣｒ：ＬｉＳＡＦ（Ｃｒ：ＬｉＳｒＡｌＦ６），Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（Ｃｒ：ＬｉＣａＡｌＦ６）結晶，Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ結晶を用いることができる。フラッシュランプ５２は、励起光源であり、レーザロッド５１に励起光を照射する。フラッシュランプ５２以外の光源、例えば半導体レーザや固体レーザを、励起光源として用いてもよい。

　ミラー５３、５４は、レーザロッド５１を挟んで対向しており、ミラー５３、５４により光共振器が構成される。ここでは、ミラー５４が出力側のミラーであるとする。光共振器内には、Ｑスイッチ５５が挿入される。Ｑスイッチ５５により、光共振器内の挿入損失を損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化させることで、パルスレーザ光を得ることができる。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）５６は、レーザユニット１３から出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した光を選択的に透過させる。バンドパスフィルタ５６に代えて、所定の波長の光を透過するＢＲＦなど、他の素子を用いてもよい。あるいは、バンドパスフィルタ５６は省略してもよい。

　図１０に戻り、トリガ制御回路２７は、モード切替スイッチ１５の操作状態に応じた動作モードの切り替えや、レーザユニット１３に対するトリガ、送信制御回路２５に対するトリガ、ＡＤ変換手段２２に対するトリガなどを行う。制御手段２８は、超音波ユニット１２ａ内の各部に接続されており、各部の制御を行う。トリガ制御回路２７及び制御手段２８は、図１における制御手段２４に対応する。

　トリガ制御回路２７は、モード切替スイッチ１５からの信号に基づいて、動作モードの切り替えを行う。トリガ制御回路２７は、例えばモード切替スイッチ１５が操作されるたびに動作モードを切り替える。トリガ制御回路２７は、例えば、初期状態、つまりモード切替スイッチ１５が一度も押されていない状態では、動作モードを光音響画像の生成を含まない動作モード、例えば超音波画像のみを生成する動作モードに設定する。トリガ制御回路２７は、動作モードが超音波画像生成モードのときにモード切替スイッチ１５が押されると、動作モードを光音響画像生成モードに切り替える。トリガ制御回路２７は、更にモード切替スイッチ１５が押されると、動作モードを光音響画像生成モードから超音波画像と光音響画像との双方を生成するモードに切り替える。双方の画像を生成するモードでモード切替スイッチ１５が押されたときは、動作モードを、超音波画像を生成するモードに戻す。以降、トリガ制御回路２７は、モード切替スイッチ１５が押されるたびに、動作モードを、超音波画像、光音響画像、超音波画像と光音響画像の双方を生成するモードの順に切り替えていく。

　また、トリガ制御回路２７は、被検体に対する超音波送信に際して、送信制御回路２５に超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路２５は、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。トリガ制御回路２７は、超音波送信トリガ信号と同期してＡＤ変換手段２２にＡＤトリガ信号（サンプリングトリガ信号）を送る。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤトリガ信号を受けると、反射音響信号のサンプリングを開始する。

　トリガ制御回路２７は、動作モードが光音響画像の生成を含むモードであるとき、レーザユニット１３に、フラッシュランプ５２（図１１）からレーザロッド５１へ励起光を照射させる旨のフラッシュランプトリガ信号（励起トリガ信号）を出力する。トリガ制御回路２７は、例えば所定の時間間隔でフラッシュランプトリガ信号を出力する。フラッシュランプ５２は、フラッシュランプトリガ信号に応答してレーザロッド５１に励起光を照射する。

　トリガ制御回路２７は、励起光の照射後、接触状態判断手段２６がプローブ１１が被検体に接触していると判断していれば、レーザユニット１３のＱスイッチ５５にＱスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチ５５が、Ｑスイッチトリガ信号に応答して光共振器内の挿入損失を損失大から損失小に急激に変化させることで、出力側のミラー５４からパルスレーザ光が出射する。トリガ制御回路２７は、Ｑスイッチトリガ信号と同期してＡＤ変換手段２２にＡＤトリガ信号を送る。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤトリガ信号を受けると、光音響信号のサンプリングを開始する。

　一方、トリガ制御回路２７は、フラッシュランプトリガ信号の出力後、接触状態判断手段２６がプローブ１１が被検体に接触していないと判断しているときは、Ｑスイッチトリガ信号を出力しない。この場合、レーザロッド５１に対する励起は行われるものの、Ｑスイッチがオンしないため、パルスレーザ光は出射しない。なお、フラッシュランプトリガ信号及びＱスイッチトリガ信号は、第１実施形態におけるレーザ発振トリガ信号に相当する。

　本実施形態では、レーザユニット１３が光共振器内にＱスイッチ５５を有している。レーザをＱスイッチ動作とすることで、レーザユニット１３が出射するレーザ光を短パルス化することができる。また、本実施形態では、トリガ制御回路２７は、プローブ１１が被検体に接触していても、接触していなくても、フラッシュランプトリガ信号を出力し、接触状態判断手段２６がプローブ１１が被検体に接触していると判断すれば、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。プローブ１１が被検体に接触していないときは、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ５２がレーザロッド５１に励起光を照射するももの、Ｑスイッチトリガ信号が出力されないために、レーザ光は出力されない。動作モードが光音響信号の生成を含み、かつ、プローブ１１が被検体に接触しているときは、トリガ制御回路２７がＱスイッチトリガ信号を出力することで、レーザユニット１３からレーザ光が出力される。

　ここで、フラッシュランプ５２がオンになった直後はレーザの出力が安定しないことがある。このため、フラッシュランプ５２は、定期的に発光し続けた方がよいと考えられる。本実施形態では、レーザ光の出力の制御はＱスイッチ５５で行っており、Ｑスイッチ５５をオンにしなければレーザ光が出力されないため、レーザロッド５１の励起は行いながらも、レーザ光出射を抑制できる。このため、レーザ光出射の有無とは無関係に、フラッシュランプ５２を一定間隔で発光させることができる。Ｑスイッチ５５を用いることで短パルス化が可能なことと併せて、レーザ出力を安定化させる効果があり、メリットが大きい。更には、フラッシュランプ５２を例えば一定間隔で発光させ続けた場合、光共振器内の温度をほぼ一定に保つことができる効果も期待でき、熱レンズ効果に起因する光共振器条件の変動を避けることができる。その他の効果は第１実施形態と同様である。

　次いで、本発明の第４実施形態を説明する。図１２は、本発明の第４実施形態の光音響画像生成装置を示す。本実施形態の光音響画像診断装置１０ｂは、図１０に示す第３実施形態の光音響画像診断装置１０ａとは、超音波ユニット１２ｂ内の画像生成手段２３ｂが、２波長データ複素数化手段２４４、強度情報抽出手段２４５、及び２波長データ演算手段２４６を更に有する点で相違する。本実施形態では、レーザユニット１３ｂから、相互に異なる複数の波長のレーザ光を被検体に照射する。画像生成手段２３ｂは、被検体内の光吸収体における光吸収特性の波長依存性を利用して、例えば動脈と静脈とが判別可能な光音響画像を生成する。

　本実施形態におけるレーザユニット１３ｂは、相互に異なる複数の波長のパルスレーザ光を切り替えて出射する。レーザユニット１３ｂから出射したパルスレーザ光は、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照射される。以下の説明においては、主に、レーザユニット１３ｂが、第１の波長のパルスレーザ光と第２の波長のパルスレーザ光とを順次に出射するものとして説明する。

　例えば、第１の波長（中心波長）として約７５０ｎｍを考え、第２の波長として約８００ｎｍを考える。ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも高い。一方、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも低い。この性質を利用し、波長８００ｎｍで得られた光音響信号に対して、波長７５０ｎｍで得られた光音響信号が相対的に大きいのか小さいのかを調べることで、動脈からの光音響信号と静脈からの光音響信号とを判別することができる。

　プローブ１１は、被検体内からの超音波信号（光音響信号又は反射音響信号）を検出する。受信回路２１は、プローブ１１が検出した超音波信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した超音波信号をサンプリングする。ＡＤ変換手段２２は、例えばＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で超音波信号のサンプリングを行う。ＡＤ変換手段２２は、反射音響信号をサンプリングした反射超音波データと、光音響信号をサンプリングした光音響データとを、受信メモリ２３５に格納する。

　ＡＤ変換手段２２は、光音響信号については、レーザユニット１３ｂから出射されるパルスレーザ光の各波長に対応した光音響信号のサンプリングデータを受信メモリ２３５に格納する。つまり、ＡＤ変換手段２２は、被検体に第１の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第１の光音響データと、第２の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第２の光音響データとを、受信メモリ２３５に格納する。

　データ分離手段２３６は、受信メモリ２３５に格納された超音波データと、第１及び第２の光音響データとを分離する。データ分離手段２３６は、反射超音波データを、超音波画像再構成手段２４０に渡す。また、第１及び第２の光音響データを、２波長データ複素数化手段２４４に渡す。反射超音波データがデータ分離手段２３６から超音波画像再構成手段２４０に送られて超音波画像が生成される点、及び、接触状態判断手段２６が、生成された超音波画像に基づいてプローブ１１の接触状態を判断する点は、第３実施形態と同様である。

　２波長データ複素数化手段２４４は、第１の光音響データと第２の光音響データのうちの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する。以下では、２波長データ複素数化手段２４４が、第１の光音響データを実部とし、第２の光音響データを虚部とした複素数データを生成するものとして説明する。

　光音響画像再構成手段２３７は、２波長データ複素数化手段２４４から光音響データである複素数データを入力し、光音響データの再構成を行う。光音響画像再構成手段２３７は、入力された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う。フーリエ変換法による画像再構成には、例えば文献”Photoacoustic Image Reconstruction-A Quantitative Analysis”Jonathan I.Sperl et al. SPIE-OSA Vol.6631 663103　等に記載されている従来公知の方法を適用することができる。光音響画像再構成手段２３７は、再構成画像を示すフーリエ変換のデータを強度情報抽出手段２４５と２波長データ演算手段２４６とに入力する。

　２波長データ演算手段２４６は、各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する。本実施形態では、２波長データ演算手段２４６は、光音響画像再構成手段２３７で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、実部と虚部とを比較したときに、相対的に、どちらがどれくらい大きいかを示す位相情報を抽出する。２波長データ演算手段２４６は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ^－１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として生成する。なお、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°とする。実部を構成する第１の光音響データ（Ｘ）と虚部を構成する第２の光音響データ（Ｙ）とが等しいとき、位相情報はθ＝４５°となる。位相情報は、相対的に第１の光音響データが大きいほどθ＝０°に近づいていき、第２の光音響データが大きいほどθ＝９０°に近づいていく。

　強度情報抽出手段２４５は、各波長に対応した光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する。本実施形態では、強度情報抽出手段２４５は、光音響画像再構成手段２３７で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、強度情報を生成する。強度情報抽出手段２４５は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２を、強度情報として抽出する。検波・対数変換手段２３８は、強度情報抽出手段２４５で抽出された強度情報を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。

　光音響画像構築手段２３９は、２波長データ演算手段２４６から位相情報を入力し、検波・対数変換手段２３８から検波・対数変換処理後の強度情報を入力する。光音響画像構築手段２３９は、入力された位相情報と強度情報とに基づいて、光吸収体の分布画像である光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２３９は、例えば入力された強度情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定する。また、光音響画像構築手段２３９は、例えば位相情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の色（表示色）を決定する。光音響画像構築手段２３９は、例えば例えば位相０°から９０°の範囲を所定の色に対応させたカラーマップに用いて、入力された位相情報に基づいて各画素の色を決定する。

　ここで、位相０°から４５°の範囲は、第１の光音響データが第２の光音響データよりも大きい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が大きい酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている動脈であると考えられる。一方、位相４５°から９０°の範囲は、第２の光音響データが第１の光音響データよりも小さい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が小さい脱酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈であると考えられる。

　そこで、カラーマップとして、例えば位相が０°が赤色で、位相が４５°に近づくに連れて無色（白色）になるように色が徐々に変化すると共に、位相９０°が青色で、位相が４５°に近づくに連れて白色になるように色が徐々に変化するようなカラーマップを用いる。この場合、光音響画像上で、動脈に対応した部分を赤色で表わし、静脈に対応した部分を青色で表わすことができる。強度情報を用いずに、階調値は一定として、位相情報に従って動脈に対応した部分と静脈に対応した部分との色分けを行うだけでもよい。

　画像合成手段２４３は、光音響画像構築手段２３９で生成された光音響画像と、超音波画像構築手段２４２で生成された超音波画像とを合成する。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えてすることも可能である。

　続いて、レーザユニット１３ｂの構成を詳細に説明する。図１３は、レーザユニット１３ｂの構成を示す。レーザユニット１３ｂは、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、Ｑスイッチ５５、駆動手段５７、駆動状態検出手段５８、ＢＰＦ制御回路５９、及び波長選択素子６０を有する。レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、及びＱスイッチ５５は、図１１に示した、第３実施形態におけるレーザユニット１３におけるそれらと同じでよい。

　波長選択素子６０は、透過波長が相互に異なる複数のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）を含む。波長選択素子６０は、複数のバンドパスフィルタを光共振器の光路上に選択的に挿入する。波長選択素子６０は、例えば波長７５０ｎｍ（中心波長）の光を透過させる第１のバンドパスフィルタと、波長８００ｎｍ（中心波長）の光を透過させる第２のバンドパスフィルタとを含む。光共振器の光路上に第１のバンドパスフィルタを挿入することで、光発振器の発振波長を７５０ｎｍとすることができ、光共振器の光路上に第２のバンドパスフィルタを挿入することで、光発振器の発振波長を８００ｎｍとすることができる。

　駆動手段５７は、光共振器の光路上に挿入されるバンドパスフィルタが所定の順序で順次に切り替わるように波長選択素子６０を駆動する。駆動手段５７には、例えばサーボモータを用いることができる。例えば波長選択素子６０が、回転変位に伴って光共振器の光路上に選択的に挿入するバンドパスフィルタを切り替えるフィルタ回転体で構成されているとき、駆動手段５７は、モータ出力軸の回転によりフィルタ回転体を回転駆動する。例えば、フィルタ回転体の半分（例えば回転変位位置０°から１８０°）を波長７５０ｎｍの光を透過させる第１のバンドパスフィルタとし、残りの半分（例えば回転変位位置１８０°から３６０°）を波長８００ｎｍの光を透過させる第２のバンドパスフィルタとする。このようなフィルタ回転体を回転させることで、光共振器の光路上に、第１のバンドパスフィルタと第２のバンドパスフィルタとを、フィルタ回転体の回転速度に応じた切り替え速度で交互に挿入することができる。

　駆動状態検出手段５８は、波長選択素子６０の駆動状態を検出する。駆動状態検出手段５８は、例えばフィルタ回転体である波長選択素子６０の回転変位を検出する。駆動状態検出手段５８は、例えばロータリーエンコーダーを含む。ロータリーエンコーダーは、サーボモータの出力軸に取り付けられたスリット入りの回転板と透過型フォトインタラプタとで、波長選択素子６０であるフィルタ回転体の回転変位を検出し、ＢＰＦ状態情報を生成する。駆動状態検出手段５８は、フィルタ回転体の回転変位位置を示すＢＰＦ状態情報をＢＰＦ制御回路５９に出力する。

　ＢＰＦ制御回路５９は、所定時間の間に駆動状態検出手段５８が検出した回転変位の量が、フィルタ回転体の所定の回転速度に応じた量になるように駆動手段５７に供給する電圧などを制御する。トリガ制御回路２７は、ＢＰＦ制御信号を通じて、ＢＰＦ制御回路５９に、フィルタ回転体の回転速度を指示する。ＢＰＦ制御回路５９は、例えばＢＰＦ状態情報をモニタし、所定時間の間にロータリーエンコーダーで検出されるサーボモータの回転軸の回転変位量が、指示された回転速度に対応した量に保たれるように、サーボモータに供給する電圧などを制御する。ＢＰＦ制御回路５９を用いるのに代えて、トリガ制御回路２７がＢＰＦ状態情報をモニタし、波長選択素子６０が所定の速度で駆動されるように、駆動手段５７を制御するようにしてもよい。

　図１２に戻り、制御手段２８は、超音波ユニット１２ｂ内の各部の制御を行う。トリガ制御回路２７は、レーザユニット１３ｂ内の波長選択素子６０が光共振器の光路上に挿入するバンドパスフィルタが所定の切替え速度で切り替わるように、ＢＰＦ制御回路５９を制御する。トリガ制御回路２７は、例えば、波長選択素子６０を構成するフィルタ回転体を、所定の方向に所定の回転速度で連続的に回転させる旨のＢＰＦ制御信号を、ＢＰＦ制御回路５９に出力する。フィルタ回転体の回転速度は、例えばレーザユニット１３ｂから出射すべきパルスレーザ光の波長の数（バンドパスフィルタの透過波長の数）と、単位時間当たりのパルスレーザの個数とに基づいて決定できる。

　トリガ制御回路２７は、上記に加えて、モード切替スイッチ１５の操作状態に応じた動作モードの切り替えや、レーザユニット１３ｂに対するトリガ、送信制御回路２５に対するトリガ、ＡＤ変換手段２２に対するトリガなどを行う。動作モード切り換えの動作、送信制御回路２５に対するトリガ、及びＡＤ変換手段２２に対するトリガについては、第３実施形態におけるトリガ制御回路２７の動作と同じでよい。

　トリガ制御回路２７は、動作モードが光音響画像の生成を含むモードであるとき、レーザユニット１３ｂに、フラッシュランプ５２（図１３）からレーザロッド５１へ励起光を照射させる旨のフラッシュランプトリガ信号（励起トリガ信号）を出力する。フラッシュランプ５２は、フラッシュランプトリガ信号に応答してレーザロッド５１に励起光を照射する。トリガ制御回路２７は、ＢＰＦ状態信号に基づいて、フラッシュランプトリガ信号を出力する。例えばトリガ制御回路２７は、ＢＰＦ状態情報が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応したバンドパスフィルタが光共振器の光路上に挿入される波長選択素子６０の駆動位置から、レーザロッド５１の励起に要する時間の間に波長選択素子６０が変位する量を差し引いた位置を示す情報になるとフラッシュランプトリガ信号を出力し、レーザロッド５１に対して励起光を照射させる。トリガ制御回路２７は、例えば所定の時間間隔で周期的にフラッシュランプトリガ信号を出力する。

　トリガ制御回路２は、フラッシュランプトリガ信号の出力後、接触状態判断手段２６がプローブ１１が被検体に接触していると判断していれば、レーザユニット１３ｂのＱスイッチ５５にＱスイッチトリガ信号を出力する。トリガ制御回路２７は、波長選択素子６０が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応した透過波長のバンドパスフィルタを光共振器の光路上に挿入しているタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。例えば波長選択素子６０がフィルタ回転体で構成されるとき、トリガ制御回路２７は、ＢＰＦ状態情報が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応したバンドパスフィルタが光共振器の光路上に挿入されていることを示す位置となっているときに、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチ５５が、Ｑスイッチトリガ信号に応答して光共振器内の挿入損失を損失大から損失小に急激に変化させることで、出力側のミラー５４からパルスレーザ光が出射する。トリガ制御回路２７は、Ｑスイッチトリガ信号と同期してＡＤ変換手段２２にＡＤトリガ信号を送る。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤトリガ信号を受けると、光音響信号のサンプリングを開始する。

　一方、トリガ制御回路２７は、フラッシュランプトリガ信号の出力後、接触状態判断手段２６がプローブ１１が被検体に接触していないと判断しているときは、Ｑスイッチトリガ信号を出力しない。この場合、レーザロッド５１に対する励起は行われるものの、Ｑスイッチがオンしないため、パルスレーザ光は出射しない。

　本実施形態では、レーザユニット１３ｂが波長選択素子６０を含んでおり、レーザユニット１３ｂから、相互に異なる複数の波長のレーザ光を被検体に照射することができる。例えば、透過波長が異なる２つのバンドパスフィルタを含む波長選択素子６０を連続的に駆動することで、２つのバンドパスフィルタを連続的、かつ選択的に光共振器の光路上に挿入することができ、レーザユニット１３ｂから複数波長のレーザ光を連続的に切り換えて出射することができる。複数の波長のパルスレーザ光を照射したときの光音響信号（光音響データ）を用いることで、各光吸収体の光吸収特性が波長に応じて異なることを利用した機能イメージングを行うことができる。

　本実施形態では、２つの波長で得られた第１の光音響データと、第２の光音響データとの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成し、その複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成している。このようにする場合、再構成は一度で済むため、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成する場合に比して、再構成を効率的に行うことができる。

　本実施形態においても、第３実施形態と同様に、トリガ制御回路２７は、プローブ１１が被検体に接触していても、接触していなくても、フラッシュランプトリガ信号を出力し、接触状態判断手段２６がプローブ１１が被検体に接触していると判断すれば、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。このようにすることで、第３実施形態において説明したものと同様な効果が得られる。ここで、プローブ１１が被検体に接触していないときはレーザ光が出射しないため、本実施形態において、プローブ１１が被検体に接触していないときはフラッシュランプトリガ信号を出力しない構成とすることも可能である。しかしながら、フラッシュランプ５２を定期的に発光し続けることは、レーザ出力の安定性などの面で有利であると考えられ、上記構成とすることが好ましいと考えられる。接触状態判断手段２６がプローブ１１が被検体に接触していないと判断しているときは、レーザ光は出力されないため、波長選択素子６０の駆動を停止するようにしてもよい。この場合、波長選択素子６０を駆動し続ける場合に比べて、消費電力を抑えることができる。

　なお、上記各実施形態では光音響画像と超音波画像とを重畳して表示する例について説明したが、光音響画像診断装置は、超音波画像のみを表示するモード、又は光音響画像のみを表示するモードで動作することも可能である。超音波画像のみを表示するモードでは、光音響画像の生成は行わずに、例えば図４のステップＡ１～Ａ４に相当するステップを実行して超音波画像を生成し、画像表示手段１４に超音波画像を表示すればよい。光音響画像のみを生成するモードでは、例えば図４のステップＡ１０において、ステップＡ４で生成した超音波画像を表示画面上に表示せずに、ステップＡ９で生成された光音響画像を表示画面上に表示すればよい。

　特に、表示画面上に超音波画像を表示しない場合、超音波画像は接触状態の判断に使用されるだけであるため、光音響画像の画像化範囲と同じ範囲で超音波画像の生成を行う必要はない。例えば第１実施形態において、図４のステップＡ２で、プローブ１１の全ての超音波振動子から超音波の送信を行わずに、光音響画像で画像化する範囲のうちの一部に対応する超音波振動子から超音波の送信を行い、ステップＡ３で、その一部に対応する超音波振動子で反射音響信号を検出してもよい。その場合、接触状態判断手段２６は、ステップＡ４において反射音響信号が得られた部分の超音波画像を生成し（超音波の部分画像の生成）、その部分画像に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断してもよい。

　具体的に、超音波振動子が全部で１９２ｃｈ分あったとき、そのうちの中央の６４ｃｈにおいて超音波の送受信を行って中央の部分について超音波画像を生成し、その中央の部分の超音波画像に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断してもよい。第２実施形態においても同様に、図９のステップＢ３でプローブ１１の全ての超音波振動子から超音波の送信を行わずに、光音響画像で画像化する範囲のうちの一部に対応する超音波振動子から超音波の送信を行ってもよい。その場合、ステップＢ４では、超音波の送受信を行った範囲のうちの少なくとも１ｃｈ分の超音波信号波形に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断すればよい。

　また、光音響画像を画像化する範囲を複数のブロックに分けたとき、接触状態判断手段２６が、複数のブロックのそれぞれについて、各ブロック内の少なくとも一部に対応する超音波振動子で検出された反射音響信号に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断することも可能である。例えば、１９２ｃｈ分の超音波振動子の範囲が光音響画像を生成する範囲に相当するとき、その１９２ｃｈ分の超音波振動子を６４ｃｈ分ずつ、左側、中央、及び右側の３つのブロックに分割する。例えば画像生成手段２３にて、左側のブロックに対応する６４ｃｈ分の超音波振動子で検出された反射音響信号に基づいて左側ブロックの超音波画像（部分画像）を生成し、その部分画像に基づいて左側ブロックが被検体に接触しているか否かを判断してもよい。中央のブロックと右側のブロックも同様に、各ブロックに対応した超音波の部分画像を生成し、各ブロックにおいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断してもよい。超音波画像に代えて反射音響信号の信号波形に基づいて接触状態を判断する場合も、同様に、ブロックごとにプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断することができる。

　例えばプローブ１１がレーザ光を照射する範囲がブロック単位で切替え可能である場合には、少なくともレーザ光を照射しようとしているブロックにおいて超音波の送受信を行い、接触状態判断手段２６が、そのブロックにおいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断してもよい。その場合、制御手段２４は、接触状態判断手段２６にて、プローブ１１からレーザ光を照射すべきブロックにおいてプローブ１１が被検体に接触していると判断されたときに、プローブ１１からそのブロックに対してレーザ光を照射させればよい。

　具体的に、プローブ１１が左側、中央、及び右側の３つのブロックに対してレーザ光を切り替えて照射可能であるとする。プローブ１１から、中央のブロックに対してレーザ光を照射しようとしているときは、少なくとも中央のブロックにおいて超音波の送受信を行い、接触状態判断手段２６が、中央のブロックにおいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断すればよい。制御手段２４は、中央のブロックにおいてプローブ１１が被検体に接触していると判断されたときは、レーザ発振トリガ信号を出力し、プローブ１１から中央のブロックに対してレーザ光を照射させればよい。

　上記各実施形態では、プローブ１１が被検体に接触している否かを判断するために超音波の送受信を行い、その送受信で得られた反射音響画像に基づく超音波画像を表示画面上に表示しているが、これには限定されない。プローブ１１が被検体に接触している否かを判断するための超音波の送受信とは別に超音波の送受信を行い、別の超音波の送受信で得られた反射音響信号に基づいて別途超音波画像を生成してもよい。例えば図４のステップＡ９で光音響画像を生成した後にプローブ１１から超音波の送信を行い、プローブ１１で反射音響信号を検出し、画像生成手段２３で反射音響信号に基づいて超音波画像を別途生成してもよい。その場合、ステップＡ１０では、ステップＡ４で生成した超音波画像に代えて、光音響画像の生成の後に別途生成された超音波画像を表示すればよい。

　接触状態判断手段２６は、被検体の深さ方向の所定の範囲における反射音響信号に基づいて、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断してもよい。例えば第１実施形態では、画像生成手段２３が被検体の表面から５ｍｍ～１０ｍｍまでの範囲で超音波画像を生成し、接触状態判断手段２６が、その範囲の超音波画像に基づいてプローブ１１の接触状態を判断してもよい。また、第２実施形態では、ＡＤ変換手段２２において、表面から５ｍｍ～１０ｍｍの深さまでに対応する時間領域について反射音響信号のサンプリングを行い、接触状態判断手段２６がサンプリングされた反射音響信号の信号波形に基づいてプローブ１１の接触状態を判断してもよい。

　第４実施形態では、第１の光音響データと第２の光音響データとを複素数化する例について説明したが、複素数化せずに、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成してもよい。また、再構成の手法は、フーリエ変換法には限定されない。さらに、第４実施形態においては、複素数化して位相情報を用いて第１の光音響データと第２の光音響データの比を計算しているが、両者の強度情報から比を計算しても同様の効果が得られる。また、強度情報は、第１の再構成画像における信号強度と、第２の再構成画像における信号強度とに基づいて生成できる。

　光音響画像の生成に際して、被検体に照射されるパルスレーザ光の波長の数は２つには限られず、３以上のパルスレーザ光を被検体に照射し、各波長に対応する光音響データに基づいて光音響画像を生成してもよい。その場合、例えば２波長データ演算手段２４６は、各波長に対応する光音響データ間での相対的な信号強度の大小関係を位相情報として生成すればよい。また、強度情報抽出手段２４５は、例えば各波長に対応する光音響データにおける信号強度を１つにまとめたものを強度情報として生成すればよい。

　第４実施形態では、主に、波長選択素子６０が、２つのバンドパスフィルタ領域を含むフィルタ回転体で構成される例を説明したが、波長選択素子６０は、光共振器内で発振する光の波長を変化させるものであればよく、フィルタ回転体の構成には限定されない。例えば、波長選択素子６０を、複数のバンドパスフィルタを円周状に配置した回転体で構成してもよい。波長選択素子６０は回転体である必要はなく、例えば、複数のバンドパスフィルタを一列に並べたものでもよい。その場合、複数のバンドパスフィルタが循環的に光共振器の光路上に挿入されるよう波長選択素子６０を駆動してもよいし、一列に並べられた複数のバンドパスフィルタが光共振器の光路上を横切るように波長選択素子６０を往復駆動させてもよい。バンドパスフィルタに代えて、複屈折フィルタなどの波長選択素子を用いることも可能である。

　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。

Claims

　光源と、
　前記光源から導光された光の被検体に対する照射、及び被検体に対する音響波の送受信を行うプローブと、
　少なくとも、前記プローブから被検体に対して照射された光に対して前記プローブで受信された音響波である光音響信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段と、
　前記光音響画像の生成に先立って、前記プローブから送信された音響波に対して前記プローブで受信された音響波である反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断する接触状態判断手段と、
　前記接触状態判断手段で接触していると判断されたときに、前記プローブから被検体に対して光を照射させる制御手段とを備える光音響画像生成装置。
　前記プローブが音響波の送受信を行う複数の超音波振動子を含んでおり、前記接触状態判断手段が、前記光音響画像で画像化する範囲のうちの少なくとも一部に対応する超音波振動子で受信された反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響画像生成装置。
　前記光音響画像を画像化する範囲が複数のブロックに分けられており、前記接触状態判断手段が、複数のブロックのそれぞれについて、各ブロック内の少なくとも一部に対応する超音波振動子で受信された反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
　前記プローブが前記光を照射する範囲がブロック単位で切り替え可能であり、前記制御手段が、前記接触状態判断手段にて、前記プローブから光を照射すべきブロックについて前記プローブが被検体に接触していると判断されたとき、前記プローブから当該ブロックに光を照射させるものであることを特徴とする請求項３に記載の光音響画像生成装置。
　前記接触状態判断手段が、被検体の深さ方向所定の範囲における前記反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するものであることを特徴とする請求項１から４何れかに記載の光音響画像生成装置。
　前記画像生成手段が、前記反射音響信号に基づいて反射音響波画像を更に生成するものであり、前記接触状態判断手段が、前記生成された反射音響波画像を用いて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するものであることを特徴とする請求項１から５何れかに記載の光音響画像生成装置。
　前記接触状態判断手段が、前記プローブが被検体に接触しない状態で生成された反射音響波画像の典型的な画像を参照画像として記憶しており、前記生成された反射音響波画像と前記参照画像との類似度に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するものであることを特徴とする請求項６に記載の光音響画像生成装置。
　前記接触状態判断手段が、前記受信された反射音響信号の信号波形に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するものであることを特徴とする請求項１から５何れかに記載の光音響画像生成装置。
　前記接触状態判断手段が、前記反射音響信号の信号波形の特徴解析を行い、該特徴解析の結果に基づいて前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するものであることを特徴とする請求項８に記載の光音響画像生成装置。
　前記光源が、レーザ媒質と、該レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、前記レーザ媒質を挟み込むように対向して配置され、光共振器を構成する一対のミラーと、前記光共振器内に配置されたＱスイッチとを含むことを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の光音響画像生成装置。
　前記制御手段が、光音響画像の生成に際して、前記光源に、前記レーザ媒質に対して励起光を照射させる旨の励起トリガ信号を送信し、該励起トリガ信号の送信後で、かつ、前記接触状態判断手段が前記プローブが被検体に接触していると判断しているときに、前記光源に、前記Ｑスイッチをオンにする旨のＱスイッチトリガ信号を送るものであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響画像生成装置。
　前記光源が、前記光共振器内に配置された波長選択素子更に含み、相互に異なる複数の波長のレーザ光を出射することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光音響画像生成装置。
　前記波長選択素子が、透過波長が相互に異なる複数のバンドパスフィルタを含み、前記光源が、前記光共振器の光路上に挿入されるバンドパスフィルタが所定の順序で順次に切り替わるように前記波長選択手段を駆動する駆動手段を更に有することを特徴とする請求項１２に記載の光音響画像生成装置。
　前記波長選択素子が、回転変位に伴って前記光共振器の光路上に選択的に挿入するバンドパスフィルタを切り替えるフィルタ回転体で構成され、前記駆動手段が前記フィルタ回転体を回転駆動するものであることを特徴とする請求項１３に記載の光音響画像生成装置。
　被検体に対する光照射及び被検体に対する音響波の送受信を行うプローブから、被検体に対して音響波の送信を行うステップと、
　前記プローブにより、前記送信された音響波に対する反射音響波を受信するステップと、
　前記受信された反射音波に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判断するステップと、
　前記プローブが被検体に接触していると判断されたときに、前記プローブから被検体に対して光照射を行うステップと、
　前記プローブにより、前記光照射により被検体内で生じた音響波を受信するステップと、
　前記受信された、光照射により生じた音響波に基づいて光音響画像を生成するステップとを有することを特徴とする光音響画像生成方法。