WO2013046569A1 - 光音響画像生成装置及び方法 - Google Patents

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WO2013046569A1
WO2013046569A1 PCT/JP2012/005787 JP2012005787W WO2013046569A1 WO 2013046569 A1 WO2013046569 A1 WO 2013046569A1 JP 2012005787 W JP2012005787 W JP 2012005787W WO 2013046569 A1 WO2013046569 A1 WO 2013046569A1
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light
photoacoustic
pulsed light
time
waveform
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PCT/JP2012/005787
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English (en)
French (fr)
Inventor
覚 入澤
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0093—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy
    • A61B5/0095—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy by applying light and detecting acoustic waves, i.e. photoacoustic measurements

Definitions

  • the present invention relates to a photoacoustic image generation apparatus and method, and more specifically, a photoacoustic image generation apparatus and method for generating a photoacoustic image based on a photoacoustic signal generated in a subject by light irradiated on the subject.
  • a photoacoustic image generation apparatus and method for generating a photoacoustic image based on a photoacoustic signal generated in a subject by light irradiated on the subject.
  • An ultrasonic inspection method is known as a kind of image inspection method capable of non-invasively examining the state inside a living body.
  • an ultrasonic probe capable of transmitting and receiving ultrasonic waves is used.
  • the ultrasonic waves travel inside the living body and are reflected at the tissue interface.
  • the internal state can be imaged.
  • photoacoustic imaging in which the inside of a living body is imaged using the photoacoustic effect.
  • a living body is irradiated with pulsed laser light such as a laser pulse.
  • pulsed laser light such as a laser pulse.
  • living tissue absorbs the energy of pulsed laser light, and ultrasonic waves (photoacoustic signals) are generated by adiabatic expansion due to the energy.
  • ultrasonic waves photoacoustic signals
  • a photoacoustic imaging apparatus is described in Patent Document 1, for example.
  • Patent Document 2 discloses a laser ultrasonic inspection apparatus that generates ultrasonic waves on an object to be inspected by the photoacoustic effect of pulsed laser light and detects the ultrasonic waves by an optical method such as an interferometer. .
  • Patent Document 2 describes that a plurality of pulse laser beams are superimposed using a pulse light source superimposing means to control the pulse time width of the pulse laser beam irradiated to the object to be inspected.
  • the first variable wavelength pulse light source a pulsed laser beam of the pulse time width t p [s] emitted from, then the time t p [s] delayed by the second variable wavelength pulse light source pulse time width t p [s ] Is emitted.
  • one pulse laser beam having a pulse time width of 2 t p [s] can be obtained.
  • paragraph 0080 of Patent Document 2 by reducing the instantaneous intensity of the pulse laser beam to be irradiated, the energy of the pulse laser beam can be increased without damaging the object to be inspected, and the detection sensitivity of the ultrasonic detection signal is improved. There is a description that it can be done.
  • the magnitude of the photoacoustic wave generated by the irradiation of the pulse laser beam not only depends on the total energy of the pulse laser beam but also depends on the time waveform of the pulse laser beam. For example, when the time waveform of the pulse laser beam changes slowly, the generated photoacoustic wave is not so large, and the magnitude of the generated photoacoustic wave increases as the time waveform of the pulse laser beam changes abruptly. That is, the amount of change in light intensity with time correlates with the magnitude of the photoacoustic wave. Therefore, in order to increase the signal intensity of the generated photoacoustic wave and its detection signal, it is preferable to use pulsed laser light having a large amount of temporal change in light intensity and a short pulse time width.
  • the laser light source cannot always emit pulse laser light having a desired pulse time width.
  • the pulse time width of the pulsed laser light is controlled.
  • the pulse time width is controlled by overlapping a plurality of pulsed laser beams with the time shifted from each other.
  • the time change amount cannot be larger than the time change amount of the light intensity of the pulsed laser light emitted from the laser light source. Therefore, with the technique described in Patent Document 2, it is not possible to enhance the photoacoustic signal to be detected by irradiating the subject with pulsed laser light having a large amount of temporal change in light intensity.
  • the present invention provides a photoacoustic image generation apparatus and method that can irradiate a subject with pulsed light having a temporal change in light intensity that is greater than the temporal change in light intensity of pulsed light emitted from a light source.
  • the purpose is to do.
  • the present invention is based on a light source that emits pulsed light to be irradiated on a subject, pulsed light emitted from the light source, and a temporal change amount of light intensity of the incident pulsed light. And after the pulse light shaped by the pulse waveform shaping means is irradiated on the subject, the pulse waveform shaping means for shaping the time waveform of the pulsed light so that the amount of time change of the light intensity increases.
  • a photoacoustic image generation apparatus comprising: a probe that detects a photoacoustic wave generated in a subject; and a photoacoustic image generation unit that generates a photoacoustic image based on the detected photoacoustic wave. I will provide a.
  • the waveform shaping means includes an optical shutter that shields a part of the emission time of the incident pulsed light can be adopted.
  • the optical shutter may block a part of the emission time of the incident pulsed light so that the rise of the time waveform of the pulsed light becomes steeper than before waveform shaping.
  • the optical shutter may block the incident pulse light during a time when the light intensity of the pulse light takes a maximum value or before the time from the emission of the pulse light. it can.
  • the optical shutter shields a part of the emission time of the incident pulsed light so that the fall of the time waveform of the pulsed light is steeper than before waveform shaping. May be.
  • the optical shutter can shield the pulsed light after the time when the light intensity of the pulsed light takes a maximum value.
  • the optical shutter detects the intensity of the detection signal of the photoacoustic wave detected by the probe when the pulsed light emitted from the light source is irradiated to the subject without being subjected to waveform shaping by the pulse waveform shaping means. It is preferable that the time waveform of the pulsed light is shaped so as to be larger than the intensity of the detection signal of the photoacoustic wave.
  • the probe further detects a reflected acoustic wave with respect to the acoustic wave transmitted to the subject, and a reflected acoustic wave image is based on the detected reflected acoustic wave.
  • the image synthesis means may perform image synthesis by superimposing the photoacoustic image and the reflected acoustic wave image.
  • the present invention also includes a step of emitting pulsed light from a light source, and shaping the time waveform of the pulsed light so that the temporal change in light intensity is greater than the temporal change in light intensity of the emitted pulsed light.
  • the photoacoustic image generation apparatus and method of the present invention shape a pulsed light emitted from a light source so that the pulse time width is narrow, and irradiate the subject with the shaped pulsed light to detect a photoacoustic signal.
  • Waveform shaping can be performed, for example, using an optical shutter that blocks a part of the emission time of incident pulsed light.
  • the time change amount of the light intensity is increased, in other words, the time waveform of the light intensity. It is possible to irradiate the subject with pulsed light whose waveform is shaped so that the change in is steeper. By irradiating the subject with pulsed light whose amount of time change in light intensity is larger than that of the pulsed light emitted from the light source, the photoacoustic signal detected from the subject can be enhanced.
  • the block diagram which shows the photoacoustic image generating apparatus of 1st Embodiment of this invention The wave form diagram which shows the time waveform of the pulse laser beam which a laser unit radiate
  • the wave form diagram which shows an example of the time waveform of the pulse laser beam after waveform shaping.
  • the wave form diagram which shows the pressure waveform of a photoacoustic wave.
  • the wave form diagram which shows another example of the time waveform of the pulse laser beam after waveform shaping.
  • the flowchart which shows an operation
  • the block diagram which shows the photoacoustic image generating apparatus of 2nd Embodiment of this invention The wave form diagram which shows the pulse laser beam and shutter control signal before and behind waveform shaping.
  • the block diagram which shows the photoacoustic image generating apparatus of 3rd Embodiment of this invention The block diagram which shows the photoacoustic image generating apparatus of 3rd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows a photoacoustic image generation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the photoacoustic image generation apparatus (photoacoustic image diagnostic apparatus) 10 includes an ultrasonic probe (probe) 11, an ultrasonic unit 12, and a laser light source (laser unit) 13.
  • an ultrasonic wave is used as an acoustic wave.
  • an acoustic wave having an audible frequency may be used by selecting an appropriate frequency according to a test object, measurement conditions, and the like.
  • the laser unit (light source unit) 13 is a light source that emits pulsed light, and generates laser light that irradiates the subject. What is necessary is just to set the wavelength of a laser beam suitably according to an observation target object.
  • Waveform shaping means 14 is provided between the laser unit 13 and the subject. The waveform shaping means 14 receives the pulsed laser light emitted from the laser unit 13 so that the time change amount is larger than the time change amount of the light intensity of the incident pulse laser light, that is, the time waveform of the light intensity. The time waveform of the pulse laser beam is shaped so that the change becomes steeper.
  • the waveform shaping means 14 includes, for example, an optical shutter that shields a part of the incident pulse laser beam.
  • the optical shutter shields a part of the emission time of the incident pulse laser light so that the rise or fall of the time waveform of the pulse laser light is steeper than before waveform shaping.
  • an EO shutter in which an EO (Electrical-optical) element, a polarizing plate, and a drive circuit for the EO element are combined can be used.
  • a laser beam may be used as a Mach-Zehnder type light intensity modulator by once splitting the laser beam, arranging an EO element on one optical path, changing the phase, and combining the optical system.
  • the light emitted from the light source unit may be pulsed light, and is not necessarily pulsed laser light.
  • the pulse laser beam emitted from the laser unit 13 is shaped by the waveform shaping unit 14, then guided to the probe 11 using a light guide unit such as an optical fiber, and irradiated from the probe 11 to the subject.
  • Waveform shaping by the waveform shaping means 14 can be performed at an arbitrary position on the optical path from when the pulse laser beam is emitted until the subject is irradiated.
  • the waveform shaping means 14 may be built in the laser unit 13.
  • the probe 11 detects a photoacoustic wave (photoacoustic signal) generated by the light absorber in the subject absorbing the pulsed laser light after the subject is irradiated with the pulse-shaped pulsed laser light.
  • the probe 11 has, for example, a plurality of ultrasonic transducers arranged one-dimensionally.
  • the ultrasonic unit 12 includes a receiving circuit 21, AD conversion means 22, photoacoustic image reconstruction means 24, detection / logarithm conversion means 25, photoacoustic image construction means 26, trigger control circuit 27, and control means 28.
  • the receiving circuit 21 receives the photoacoustic signal detected by the probe 11.
  • the AD conversion means 22 converts the photoacoustic signal received by the receiving circuit 21 into a digital signal. For example, the AD conversion unit 22 samples the photoacoustic signal at a predetermined sampling period based on an AD clock signal having a predetermined frequency.
  • the reception memory 23 stores the photoacoustic signal sampled by the AD conversion means 22.
  • the photoacoustic image reconstruction unit 24 reads out the photoacoustic signal from the reception memory 23 and generates data of each line of the photoacoustic image based on the photoacoustic signals detected by the plurality of ultrasonic transducers of the probe 11. .
  • the photoacoustic image reconstruction means 24 adds, for example, data from 64 ultrasonic transducers of the probe 11 with a delay time corresponding to the position of the ultrasonic transducer, and generates data for one line (delay). Addition method).
  • the photoacoustic image reconstruction unit 24 may perform reconstruction by a CBP method (Circular Back Projection) instead of the delay addition method. Alternatively, the photoacoustic image reconstruction unit 24 may perform reconstruction using the Hough transform method or the Fourier transform method.
  • the detection / logarithm conversion means 25 obtains the envelope of the data of each line output from the photoacoustic image reconstruction means 24, and logarithmically transforms the obtained envelope.
  • the photoacoustic image construction means 26 generates a photoacoustic image based on the data of each line subjected to logarithmic transformation.
  • the photoacoustic image construction means 26 generates, for example, a photoacoustic image by converting the position in the time axis direction of the photoacoustic signal (peak portion) into the position in the depth direction in the photoacoustic layer image.
  • the photoacoustic image reconstruction unit 24, the detection / logarithm conversion unit 25, and the photoacoustic image construction unit 26 constitute a photoacoustic image generation unit that generates a photoacoustic image based on the photoacoustic signal.
  • the control means 28 controls each part in the ultrasonic unit 12.
  • the trigger control circuit 27 sends a flash lamp trigger signal to the laser unit 13 when generating the photoacoustic image. Further, after outputting the flash lamp trigger signal, the Q switch trigger signal is sent. Further, the waveform shaping means 14 is sent to the waveform shaping means 14 at a timing that takes into account the delay time from the Q switch trigger signal until the laser emission actually occurs in the laser unit 13, the pulse time width, the delay time until the EO shutter is actually driven, and the like. Send a shutter control signal. In addition, the trigger control circuit 27 sends a sampling trigger signal to the AD conversion means 22 in synchronization with laser light irradiation on the subject, and controls the sampling start timing of the photoacoustic signal in the AD conversion means 22.
  • the laser unit 13 includes a flash lamp 31 and a Q switch 32. Upon receiving the flash lamp trigger signal, the laser unit 13 turns on the flash lamp 31 and irradiates a laser rod (laser crystal) (not shown) with excitation light.
  • a laser rod laser crystal
  • the laser crystal for example, alexandrite crystal, Cr: LiSAF (Cr: LiSrAlF6), Cr: LiCAF (Cr: LiCaAlF6) crystal, or Ti: Sapphire crystal can be used.
  • a Q switch trigger signal is input, the laser unit 13 turns on the Q switch and emits pulsed laser light.
  • FIG. 2 shows a time waveform of the pulse laser beam emitted from the laser unit 13.
  • the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents light intensity.
  • the laser unit 13 emits a pulse laser beam having a pulse time width of 50 ns, for example.
  • the pulse time width can be defined as, for example, a time width (half-value width) in which the light intensity of the pulsed laser light is half or more of its peak value.
  • the definition of the pulse time width is not limited to the half width, and other definitions may be used.
  • FIG. 3 shows an example of a time waveform of the pulse laser beam after waveform shaping.
  • the waveform shaping means 14 shields the pulse laser beam at the rising edge of the time waveform of the pulse laser beam, for example. That is, the waveform shaping means 14 shields the pulse laser beam incident from the laser unit 13 during the time when the light intensity of the pulse laser beam takes the peak value or before the time from the start of the emission of the pulse laser beam. . By doing so, it is possible to obtain pulsed laser light whose waveform is shaped so that the rising edge becomes steep as shown in FIG.
  • the waveform shaping means 14 shields the pulse laser beam until the time when the pulse laser beam takes a peak, and transmits the pulse laser beam thereafter, so that the pulse time width can be reduced from 50 ns to approximately 25 ns.
  • the amount of time change in the light intensity in the first half of the light emission is greatly increased.
  • FIG. 4 shows the pressure waveform of the photoacoustic wave.
  • the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents photoacoustic wave pressure.
  • the pressure waveform of the photoacoustic wave when the subject is irradiated with the pulse laser light before waveform shaping is indicated by a broken line, and the subject is irradiated with the pulse laser light after the waveform shaping shown in FIG.
  • the pressure waveform of the photoacoustic wave is shown by a solid line.
  • the pressure waveform of the photoacoustic wave is expressed as a differential waveform of the irradiated pulsed laser beam.
  • the pulse laser light after waveform shaping (FIG. 3) has a sharper rising portion than that before waveform shaping (FIG.
  • the photoacoustic wave when the pulse laser light after waveform shaping is irradiated is larger than the peak value of the positive part of the photoacoustic wave when the pulse laser light before waveform shaping is irradiated. Accordingly, the signal intensity of the detected photoacoustic signal (the intensity of the photoacoustic wave detection signal) can be increased by the difference.
  • FIG. 5 shows another example of the time waveform of the pulse laser beam after waveform shaping.
  • the waveform shaping means 14 shields the pulse laser beam at the falling portion of the time waveform of the pulse laser beam, for example. That is, the waveform shaping means 14 shields the pulsed laser light incident from the laser unit 13 after the time when the light intensity of the pulsed laser light takes the peak value. By doing so, it is possible to obtain pulsed laser light whose waveform is shaped so that the rising edge becomes steep as shown in FIG.
  • the waveform shaping means 14 transmits the pulse laser beam until the time when the pulse laser beam takes a peak, and shields the pulse laser beam thereafter, so that the pulse time width can be reduced from 50 ns to approximately 25 ns. The time change amount of the light intensity in the latter half of the light emission is greatly increased.
  • FIG. 6 shows the pressure waveform of the photoacoustic wave.
  • the pressure waveform of the photoacoustic wave when the subject is irradiated with the pulse laser light before waveform shaping is indicated by a broken line, and the subject is irradiated with the pulse laser light after the waveform shaping shown in FIG.
  • the pressure waveform of the photoacoustic wave is shown by a solid line. Since the pulse laser beam after waveform shaping (FIG. 5) has a steeper falling portion than before waveform shaping (FIG. 2), the photoacoustic wave when the pulse laser beam after waveform shaping is irradiated.
  • the peak value of the negative part is larger than the peak value of the negative part of the photoacoustic wave when the pulse laser light before waveform shaping is irradiated. Therefore, the signal intensity of the detected photoacoustic signal can be enhanced by the difference.
  • the pressure wave in the negative portion may be enhanced.
  • the waveform shaping means 14 shields a part of the emission time of the pulsed laser light emitted from the laser unit 13, so that the pulse time width is shortened, and accordingly the light intensity of the pulsed laser light after waveform shaping.
  • the amount of time change of increases.
  • the pulse time width of the pulse laser light after waveform shaping and the temporal change amount of the light intensity are linked. Therefore, in the present embodiment, the pulse time width is mainly used as an index representing the amount of time change in the light intensity of the pulse laser beam.
  • Fig. 7 shows the relationship between the photoacoustic wave frequency and pressure.
  • the horizontal axis represents the frequency of the photoacoustic wave
  • the vertical axis represents the pressure.
  • the relationship between the frequency and pressure of the photoacoustic wave when the pulse laser beam having a pulse time width of 45 ns is irradiated is indicated by a broken line, and the photoacoustic wave when the pulse laser beam having a pulse time width of 4.2 ns is irradiated.
  • the relationship between the frequency and the pressure is indicated by a one-dot chain line, and the relationship between the frequency and the pressure of the photoacoustic wave when the pulse laser beam (after waveform shaping) having a pulse time width of approximately 25 ns is irradiated is indicated by a solid line. It is assumed that the frequency band of the photoacoustic signal detected by the probe 11 is approximately 5 Mhz-10 MHz.
  • the pulse time width of the pulse laser beam is narrow (4.2 ns), as shown by a broken line in FIG. 7, the pressure drop of the photoacoustic wave is small even in a high frequency band included in the photoacoustic wave.
  • the pulse time width of the pulse laser beam is wide (45 ns)
  • the high-frequency component contained in the photoacoustic wave is small as shown by a one-dot chain line in FIG.
  • Waveform shaping is performed on such a pulse laser beam having a wide pulse time width, and the amount of time change in the light intensity is increased, so that the pulse laser beam having the original pulse time width is changed as shown by the solid line in FIG.
  • a photoacoustic wave containing a large amount of high-frequency components can be generated.
  • the overall signal intensity that represents the integrated value within the reception band can be increased by the amount of the drop in the high-frequency component, and the S / N ratio (Signal Noise Ratio) of the photoacoustic image can be increased. It can be improved. Further, since the high frequency component is enhanced, the high frequency probe 11 can be used and the resolution of the image can be improved. On the other hand, it is not necessary to change the signal processing in accordance with the irradiation of the pulse-shaped pulse laser beam, and the existing ultrasonic unit 12 can be used.
  • FIG. 8 shows the operation procedure.
  • the trigger control circuit 27 outputs a flash lamp trigger signal to the laser unit 13.
  • the laser unit 13 turns on the flash lamp 31 in response to the flash lamp trigger signal.
  • the trigger control circuit 27 outputs a Q switch trigger signal at a predetermined timing.
  • the Q switch trigger signal is input, the laser unit 13 turns on the Q switch 32 to emit pulsed laser light (step A1).
  • the pulse laser beam emitted from the laser unit 13 enters the waveform shaping means 14.
  • the waveform shaping means 14 shapes the time waveform of the incident pulse laser beam so that the pulse time width becomes narrow (step A2).
  • the trigger control circuit 27 sends a shutter control signal to the waveform shaping unit 14 at a predetermined timing after outputting a Q switch trigger signal to the laser unit 13.
  • the waveform shaping means 14 controls the opening / closing of the optical shutter according to the received shutter control signal.
  • the waveform shaping unit 14 closes the optical shutter in a time region corresponding to, for example, a rising portion or a falling portion, so that the pulse time width of the pulse laser light is narrower than the pulse time width of the pulse laser light before waveform shaping. .
  • the pulse laser beam shaped by the waveform shaping unit 14 is guided to, for example, the probe 11 and irradiated from the probe 11 to the subject (step A3).
  • the probe 11 detects the photoacoustic signal generated in the subject by the irradiation of the pulse laser beam after the irradiation of the laser beam (step A4).
  • the receiving circuit 21 of the ultrasonic unit 12 receives the photoacoustic signal detected by the probe 11.
  • the trigger control circuit 27 sends a sampling trigger signal to the AD conversion means 22 in accordance with the timing of light irradiation on the subject.
  • the AD conversion means 22 receives the sampling trigger signal, starts sampling of the photoacoustic signal, and stores the sampling data of the photoacoustic signal in the reception memory 23.
  • the photoacoustic image reconstruction means 24 reads the photoacoustic signal sampling data from the reception memory 23, and generates data for each line of the photoacoustic image based on the read photoacoustic signal sampling data.
  • the detection / logarithm conversion means 25 obtains an envelope of the data of each line generated by the photoacoustic image reconstruction means 24, and logarithmically converts the obtained envelope.
  • the photoacoustic image construction means 26 generates a photoacoustic image based on the data of each line subjected to logarithmic transformation (step A5).
  • the image display means 15 displays the photoacoustic image generated at step A5 on the display screen (step A6).
  • the waveform shaping means 14 shapes the pulse laser light emitted from the laser unit 13 so that the amount of time change in light intensity increases.
  • the subject is irradiated with the pulse laser light having such waveform shaping, and the photoacoustic signal generated by the pulse laser light irradiation in the subject is detected.
  • the laser unit 13 can emit only pulsed laser light having a long pulse time width and therefore a small amount of temporal change in light intensity for use in photoacoustics due to restrictions on the material of the laser crystal and the device configuration. .
  • the amount of time change of the light intensity of the pulse laser beam can be increased, and the pressure of the photoacoustic wave generated in the subject is irradiated with the pulse laser beam before waveform shaping. It can be strengthened compared to the case where it is done. As a result, the signal intensity of the photoacoustic signal detected by the probe 11 can be enhanced.
  • the total energy amount of the pulse laser beam irradiated to the subject is reduced as compared with the case where the waveform shaping is not performed. It is also conceivable that the signal intensity of the photoacoustic signal is reduced by reducing the total energy amount of the pulsed laser light. If the incident energy is increased by the amount of decrease in the total energy amount associated with the waveform shaping, even when the waveform is shaped, the pulse laser beam having the same total energy amount as when the waveform is not shaped can be irradiated.
  • the signal efficiency is high, and a higher quality image can be obtained.
  • the energy density per pulse of the pulsed laser light applied to the subject is limited by MPE (maximum permissible exposure amount) (for example, about 27 mJ / cm 2 at a wavelength of 750 nm), and the incident energy does not exceed the energy density.
  • MPE maximum permissible exposure amount
  • FIG. 9 shows a photoacoustic image apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10a of this embodiment includes a light emission detection element 39 in addition to the configuration of the photoacoustic image generation apparatus of the first embodiment shown in FIG.
  • the light emission detecting element 39 detects that the pulse laser beam is emitted from the laser unit 13.
  • the light emission detection element 39 is provided close to the optical path until the light emitted from the laser unit 13 enters the waveform shaping unit 14, for example.
  • the light emission detecting element 39 has a light receiving surface.
  • the light emission detecting element 39 When the intensity of light incident on the light receiving surface becomes equal to or higher than a predetermined light intensity, the light emission detecting element 39 outputs a signal indicating that light has been detected.
  • a high-speed photodiode can be used for the light emission detection element 39.
  • the light emission detection element 39 When detecting the emission of the pulse laser beam, the light emission detection element 39 notifies the trigger control circuit 27 to that effect.
  • the trigger control circuit 27 receives a notification from the light emission detection element 39 that the emission of the pulse laser beam has been detected.
  • the trigger control circuit 27 outputs a shutter control signal to the waveform shaping unit 14 when the light emission detection element 39 detects the emission of the pulse laser beam.
  • the waveform shaping means 14 initially closes the optical shutter.
  • the trigger control circuit 27 detects the shutter control signal at a time when a predetermined time elapses from the time when the light emission detection element 39 detects the emission of the pulse laser beam, in other words, from the time when the time waveform of the light intensity of the pulse laser beam starts to rise. And the optical shutter is opened for a predetermined time.
  • FIG. 10 shows the pulse laser beam emitted from the laser unit 13, the shutter control signal, and the pulse laser beam after waveform shaping.
  • the light emission detecting element 39 detects the emission of the pulsed laser beam at time t1 when the light intensity of the pulsed laser beam becomes equal to or greater than the threshold value.
  • the trigger control circuit 27 receives notification that the pulsed laser beam is emitted from the light emission detecting element 39 at time t1, the trigger control circuit 27 controls the waveform shaping unit 14 to perform pulse-shaped shutter control at time t2 when a predetermined time has elapsed from time t1. Output a signal.
  • the time between time t1 and time t2 is, for example, the time waveform of the light intensity of the pulsed laser light before waveform shaping, the time change amount of the light intensity of the pulsed laser light after waveform shaping (the waveform shaping means 14). Can be determined based on the time required from when the shutter control signal is input until the optical shutter is actually opened.
  • the trigger control circuit 27 outputs, for example, a pulsed shutter control signal indicating a high voltage level for a predetermined period to the waveform shaping unit 14.
  • a high voltage is applied to the EO element from a drive circuit for the EO element (not shown) in response to the shutter control signal. While a high voltage is applied to the EO element, the pulse laser beam emitted from the laser unit 13 is not shielded by the optical shutter but is transmitted to the subject side.
  • the shutter control signal returns from the high voltage level to the low voltage level at time t3
  • the application of the high voltage to the EO element is stopped, and the pulse laser beam emitted from the laser unit 13 is shielded by the optical shutter.
  • the temporal change waveform of the light intensity of the pulse laser beam can be made steep.
  • the light emission detecting element 39 is used to detect the rise of the time waveform of the light intensity of the pulsed laser light for each light emission.
  • the waveform shaping means 14 converts the pulse laser light into a pulse laser having a desired amount of change in light intensity over time. Waveform can be shaped to light.
  • FIG. 11 shows a photoacoustic image generation apparatus according to a modification of the second embodiment.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10b according to the modification includes a shutter control circuit 40 in addition to the configuration of the photoacoustic image generation apparatus 10a illustrated in FIG.
  • the shutter control circuit 40 outputs a shutter control signal to the waveform shaping unit 14 when the light emission detection element 39 detects the emission of the pulse laser beam.
  • the light emission detection element 39 and the shutter control circuit 40 may be included in the waveform shaping unit 14. As in the example shown in FIG.
  • the shutter control circuit 40 when the shutter control circuit 40 is provided outside the ultrasonic unit 12 separately from the trigger control circuit 27, the shutter control circuit 40 is provided close to the waveform shaping unit 14.
  • the circuit length from the shutter control circuit 40 to the waveform shaping means 14 can be shortened.
  • the circuit length from the shutter control circuit 40 to the waveform shaping means 14 is preferably short, and the circuit configuration shown in FIG. 11 is considered more advantageous. It is done.
  • FIG. 12 shows a photoacoustic image generation apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10c includes a transmission control circuit 33, a data separation means 34, an ultrasonic image reconstruction means 35, a detection / logarithm.
  • a conversion unit 36, an ultrasonic image construction unit 37, and an image synthesis unit 38 are provided.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10c generates an ultrasonic image (reflected acoustic wave image) based on a reflected ultrasonic wave (reflected acoustic wave) with respect to a transmitted ultrasonic wave (acoustic wave) in addition to the photoacoustic image. Is different from the photoacoustic image generation apparatus 10 of the first embodiment in that
  • the probe 11 performs output (transmission) of ultrasonic waves to the subject and detection (reception) of reflected ultrasonic waves from the subject with respect to the transmitted ultrasonic waves.
  • an ultrasonic transmission means may be provided separately, ultrasonic transmission may be performed from a position different from the probe 11, and reflected ultrasonic waves with respect to the ultrasonic waves transmitted by the probe 11 may be detected.
  • the trigger control circuit 27 sends an ultrasonic transmission trigger signal to the transmission control circuit 33 to instruct ultrasonic transmission.
  • the transmission control circuit 33 transmits an ultrasonic wave from the probe 11.
  • the probe 11 detects the reflected ultrasonic wave from the subject after transmitting the ultrasonic wave.
  • the reflected ultrasonic waves detected by the probe 11 are input to the AD conversion means 22 via the receiving circuit 21.
  • the trigger control circuit 27 sends a sampling trigger signal to the AD conversion means 22 in synchronization with the timing of ultrasonic transmission to start sampling of reflected ultrasonic waves.
  • the AD conversion means 22 stores the reflected ultrasound sampling data in the reception memory 23. Either detection (sampling) of the photoacoustic signal or detection (sampling) of the reflected ultrasonic wave may be performed first.
  • the data separation means 34 separates the photoacoustic signal sampling data and the reflected ultrasonic sampling data stored in the reception memory 23.
  • the data separation unit 34 inputs the sampling data of the separated photoacoustic signal to the photoacoustic image reconstruction unit 24.
  • the data separation unit 34 inputs the separated reflected ultrasound sampling data to the ultrasound image reconstruction unit 35.
  • the ultrasonic image reconstruction means 35 generates data of each line of the ultrasonic image based on the reflected ultrasonic waves (its sampling data) detected by the plural ultrasonic transducers of the probe 11.
  • the detection / logarithm conversion means 36 obtains the envelope of the data of each line output from the ultrasonic image reconstruction means 35 and logarithmically transforms the obtained envelope.
  • the ultrasonic image construction means 37 generates an ultrasonic image based on the data of each line subjected to logarithmic transformation.
  • the ultrasonic image reconstruction unit 35, the detection / logarithm conversion unit 36, and the ultrasonic image construction unit 37 include an ultrasonic image generation unit (reflection acoustic wave image generation unit) that generates an ultrasonic image based on the reflected ultrasonic wave. Constitute.
  • the image synthesizing unit 38 synthesizes the photoacoustic image and the ultrasonic image.
  • the image composition unit 38 performs image composition by superimposing a photoacoustic image and an ultrasonic image, for example.
  • the synthesized image is displayed on the image display means 15. It is also possible to display the photoacoustic image and the ultrasonic image side by side on the image display means 15 without performing image synthesis, or to switch between the photoacoustic image and the ultrasonic image.
  • the photoacoustic image generation device generates an ultrasonic image in addition to the photoacoustic image.
  • the ultrasonic image By referring to the ultrasonic image, a portion that cannot be imaged in the photoacoustic image can be observed.
  • the point that a pulsed laser beam whose waveform is shaped so as to reduce the pulse time width is irradiated and a photoacoustic signal is detected is the same as in the first embodiment.
  • the photoacoustic image generation apparatus and method of the present invention are not limited to the above embodiment, and various modifications can be made from the configuration of the above embodiment. Further, modifications and changes are also included in the scope of the present invention.

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Abstract

【課題】光音響画像生成装置において、光源から出射したパルス光の光強度の時間変化量よりも光強度の時間変化量が大きいパルス光を被検体に照射する。 【解決手段】レーザユニット（１３）は、パルスレーザ光を出射する。波形整形手段（１４）は、レーザユニット（１３）から入射したパルスレーザ光を、光強度の時間変化量が大きくなるように波形整形する。波形整形されたパルスレーザ光を被検体に照射し、その照射後に、プローブ（１１）を用いて被検体内で発生した光音響波を検出する。光音響画像再構成手段（２４）、検波・対数変換手段（２５）、及び光音響画像構築手段（２６）を用いて、検出された光音響波から光音響画像を生成する。

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、被検体に照射された光により被検体内で生じた光音響信号に基づい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、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、例えば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。光音響イメージング装置は、例えば特許文献１に記載されている。
　ここで、パルスレーザ光の光音響効果によって被検査体に超音波を発生させ、この超音波を干渉計などの光学的手法で検出するレーザ超音波検査装置が、特許文献２に記載されている。特許文献２には、パルス光源重ね合わせ手段を用いて複数のパルスレーザ光線を重ね合わせ、被検査体に照射するパルスレーザ光線のパルス時間幅を制御することが記載されている。例えば第１の波長可変パルス光源からパルス時間幅ｔｐ［ｓ］のパルスレーザ光線を出射し、それから時間ｔｐ［ｓ］だけ遅れて第２の波長可変パルス光源からパルス時間幅ｔｐ［ｓ］のパルスレーザ光線を出射する。２つのパルスレーザ光線をハーフミラーで重ね合わせることで、パルス時間幅が２ｔｐ［ｓ］の１つのパルスレーザ光線を得ることができる。特許文献２の段落００８０には、照射するパルスレーザ光線の瞬時強度を下げることによって、被検査体に損傷を与えることなくパルスレーザ光線のエネルギーを大きくでき、超音波の検知信号の検知感度を向上できるという記載がある。
特開２０１０－１０４８１６号公報 特開２００３－１８５６３９号公報
　ところで、パルスレーザ光の照射によって生じる光音響波の大きさは、パルスレーザ光の総エネルギーに依存するだけではなく、パルスレーザ光の時間波形にも依存する。例えばパルスレーザ光の時間波形が緩やかに変化するとき、発生する光音響波はあまり大きくなく、パルスレーザ光の時間波形が急峻に変化するほど、発生する光音響波の大きさが大きくなる。すなわち、光強度の時間変化量と光音響波の大きさとが相関する。従って、発生する光音響波、及びその検出信号の信号強度を大きくしたければ、光強度の時間変化量が大きい、パルス時間幅が短いパルスレーザ光を用いるとよい。
　しかしながら、レーザ光源が、所望のパルス時間幅のパルスレーザ光を出射できるとは限らない。特許文献２では、パルスレーザ光のパルス時間幅を制御しているものの、特許文献２においては、複数のパルスレーザ光を互いに時間をずらして重ねることでパルス時間幅を制御しており、光強度の時間変化量を、レーザ光源を出射したパルスレーザ光の光強度の時間変化量よりも大きくすることはできない。従って、特許文献２に記載の技術では、光強度の時間変化量の大きいパルスレーザ光を被検体に照射して、検出される光音響信号を増強させることはできない。
　本発明は、上記に鑑み、光源から出射したパルス光の光強度の時間変化量よりも光強度の時間変化量を増加させたパルス光を被検体に照射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、被検体に照射すべきパルス光を出射する光源と、前記光源から出射したパルス光を入射し、該入射したパルス光の光強度の時間変化量よりも光強度の時間変化量が大きくなるように、前記パルス光の時間波形を波形整形するパルス波形整形手段と、前記パルス波形整形手段によって波形整形されたパルス光が被検体に照射された後に、被検体内で発生した光音響波を検出するプローブと、前記検出され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手段とを備えたことを特徴とす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、前記波形整形手段が、前記入射したパルス光の発光時間の一部を遮蔽する光シャッタを含む構成を採用できる。
　前記光シャッタが、前記パルス光の時間波形の立ち上がりが波形整形前に比して急峻となるように、前記入射したパルス光の発光時間の一部を遮蔽するものとしてもよい。その場合、前記光シャッタが、前記パルス光の出射から、前記パルス光の光強度が極大値をとる時刻かそれよりも前の時刻の間、前記入射したパルス光を遮蔽するものとすることができる。
　上記に代えて、又は加えて、前記光シャッタが、前記パルス光の時間波形の立ち下がりが波形整形前に比して急峻となるように、前記入射したパルス光の発光時間の一部を遮蔽してもよい。その場合、前記光シャッタが、前記パルス光の光強度が極大値を取る時刻の以後、前記パルス光を遮蔽するものとすることができる。
　前記光シャッタが、前記プローブで検出される光音響波の検出信号の強度が、前記光源を出射したパルス光が前記パルス波形整形手段で波形整形されずに被検体に照射されたときに検出される光音響波の検出信号の強度よりも大きくなるように、前記パルス光の時間波形を波形整形するものであることが好ましい。
　本発明の光音響画像生成装置は、前記プローブが更に前記被検体に対して送信された音響波に対する反射音響波を検出するものであり、前記検出された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と、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とを更に備えた構成とすることができる。
　前記画像合成手段が、前記光音響画像と反射音響波画像とを重畳することで画像合成を行うものとしてもよい。
　本発明は、また、光源からパルス光を出射するステップと、前記出射したパルス光の光強度の時間変化量よりも光強度の時間変化量が大きくなるように前記パルス光の時間波形を波形整形するステップと、前記波形整形されたパルス光を被検体に照射するステップと、前記照射された光に起因して被検体内で発生した光音響波を検出するステップと、前記検出された光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、光源から出射したパルス光をパルス時間幅が狭くなるように波形整形し、波形整形したパルス光を被検体に照射して光音響信号を検出する。波形整形は、例えば入射したパルス光の発光時間の一部を遮蔽する光シャッタを用いて行うことができる。本発明では、光源自体から所望の光強度の時間変化量よりも時間変化量が小さいパルス光しか出射できない場合でも、光強度の時間変化量がより大きくなるように、言い換えれば光強度の時間波形における変化がより急峻となるように波形整形したパルス光を、被検体に照射することができる。光源を出射したパルス光より光強度の時間変化量が大きいパルス光を被検体に照射することで、被検体から検出される光音響信号を増強することができる。
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。 レーザユニットが出射するパルスレーザ光の時間波形を示す波形図。 波形整形後のパルスレーザ光の時間波形の一例を示す波形図。 光音響波の圧力波形を示す波形図。 波形整形後のパルスレーザ光の時間波形の別の例を示す波形図。 光音響波の圧力波形を示す波形図。 光音響波の周波数と圧力との関係を示すグラフ。 動作手順を示すフローチャート。 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。 波形整形前後のパルスレーザ光とシャッタ制御信号とを示す波形図。 第２実施形態の変形例の光音響画像生成装置を示すブロック図。 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。
　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、及びレーザ光源（レーザユニット）１３を備える。なお、本発明の実施例では、音響波として超音波を用いるが、被検対象や測定条件等に応じて適切な周波数を選択することにより、可聴周波数の音響波であっても良い。
　レーザユニット（光源ユニット）１３は、パルス光を出射する光源であり、被検体に照射する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と被検体との間には、波形整形手段１４が設けられる。波形整形手段１４は、レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光を入射し、入射したパルスレーザ光の光強度の時間変化量よりも時間変化量が大きくなるように、つまり、光強度の時間波形の変化がより急峻となるように、パルスレーザ光の時間波形を波形整形する。波形整形手段１４は、例えば入射したパルスレーザ光の一部を遮蔽する光シャッタを含む。光シャッタは、例えばパルスレーザ光の時間波形の立ち上がり又は立ち下がりが波形整形前に比して急峻となるように、入射したパルスレーザ光の発光時間の一部を遮蔽する。光シャッタにはＥＯ（Electrical-optical）素子と偏光板とＥＯ素子の駆動回路とを組み合わせたＥＯシャッタを用いることができる。あるいは、一度レーザ光を分岐し、片方の光路にＥＯ素子を配置して位相を変え、再び合波するような光学系を組み、マッハツェンダ型光強度変調器としてシャッタ作用をさせるものを用いてもよい。なお、光源ユニットから出射する光はパルス光であればよく、必ずしもパルスレーザ光である必要はない。
　レーザユニット１３が出射するパルスレーザ光は、波形整形手段１４で波形整形された後に、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から被検体に照射される。波形整形手段１４による波形整形は、パルスレーザ光の出射から被検体に照射されるまでの間の光路上の任意の位置で行うことができる。波形整形手段１４がレーザユニット１３に内蔵されていてもよい。プローブ１１は、波形整形されたパルスレーザ光が被検体に照射された後に、被検体内の光吸収体がパルスレーザ光を吸収することで生じた光音響波（光音響信号）を検出する。プローブ１１は、例えば一次元配列された複数の超音波振動子を有する。
　超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、光音響画像再構成手段２４、検波・対数変換手段２５、光音響画像構築手段２６、トリガ制御回路２７、及び制御手段２８を有する。受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した光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、所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で光音響信号をサンプリングする。受信メモリ２３は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号を記憶する。
　光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された光音響信号に基づいて、光音響画像の各ラインのデータを生成する。光音響画像再構成手段２４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）。光音響画像再構成手段２４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。あるいは光音響画像再構成手段２４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・対数変換手段２５は、光音響画像再構成手段２４が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。光音響画像構築手段２６は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２６は、例えば光音響信号（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。光音響画像再構成手段２４、検波・対数変換手段２５、及び光音響画像構築手段２６は、光音響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を構成する。
　制御手段２８は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。トリガ制御回路２７は、光音響画像生成に際して、レーザユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を送る。また、フラッシュランプトリガ信号の出力後に、Ｑスイッチトリガ信号を送る。さらに、Ｑスイッチトリガ信号から実際にレーザユニット１３においてレーザ発光が生じるまでのディレイ時間と、パルス時間幅及びＥＯシャッタが実際に駆動するまでのディレイ時間等を考慮したタイミングで、波形整形手段１４へシャッタ制御信号を送る。また、トリガ制御回路２７は、被検体に対するレーザ光照射と同期してＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、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。
　レーザユニット１３は、フラッシュランプ３１とＱスイッチ３２とを含む。レーザユニット１３は、フラッシュランプトリガ信号を受けてフラッシュランプ３１を点灯し、図示しないレーザロッド（レーザ結晶）に対して励起光を照射する。レーザ結晶には、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。レーザユニット１３は、Ｑスイッチトリガ信号が入力されるとＱスイッチをＯＮにし、パルスレーザ光を出射する。
　図２は、レーザユニット１３が出射するパルスレーザ光の時間波形を示す。横軸は時間を表し、縦軸は光強度を表している。レーザユニット１３は、例えばパルス時間幅５０ｎｓのパルスレーザ光を出射する。パルス時間幅は、例えばパルスレーザ光の光強度が、そのピーク値の半分以上となる時間の幅（半値幅）と定義できる。パルス時間幅の定義は半値幅には限定されず、他の定義を用いてもよい。
　図３に、波形整形後のパルスレーザ光の時間波形の一例を示す。波形整形手段１４は、例えばパルスレーザ光の時間波形の立ち上がり部分でパルスレーザ光を遮蔽する。つまり、波形整形手段１４は、パルスレーザ光の出射開始から、パルスレーザ光の光強度がピーク値をとる時刻かそれよりも前の時刻の間、レーザユニット１３から入射したパルスレーザ光を遮蔽する。このようにすることで、図３に示すような、立ち上がりが急峻になるように波形整形されたパルスレーザ光を得ることができる。例えば波形整形手段１４が、パルスレーザ光がピークを取る時刻まではパルスレーザ光を遮蔽し、それ以降はパルスレーザ光を透過することで、パルス時間幅を５０ｎｓから、およそ２５ｎｓまで狭めることができ、発光前半部の光強度の時間変化量が大幅に増大する。
　図４は、光音響波の圧力波形を示す。横軸は時間を表し、縦軸は光音響波の圧力を示している。図４では、波形整形前のパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響波の圧力波形を破線で示し、図３に示した波形整形後のパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響波の圧力波形を実線で示している。光音響波の圧力波形は、照射したパルスレーザ光の微分波形として表される。波形整形後のパルスレーザ光（図３）は、波形整形前（図２）に比して立ち上がり部分が急峻になっているため、波形整形後のパルスレーザ光を照射したときの光音響波の正の部分のピーク値は、波形整形前のパルスレーザ光を照射したときの光音響波の正の部分のピーク値よりも大きくなっている。従って、その差の分だけ、検出される光音響信号の信号強度（光音響波の検出信号の強度）を増強することができる。
　図５に、波形整形後のパルスレーザ光の時間波形の別の例を示す。波形整形手段１４は、例えばパルスレーザ光の時間波形の立ち下がり部分でパルスレーザ光を遮蔽する。つまり、波形整形手段１４は、パルスレーザ光の光強度がピーク値をとる時刻以後、レーザユニット１３から入射したパルスレーザ光を遮蔽する。このようにすることで、図３に示すような、立ち上がりが急峻になるように波形整形されたパルスレーザ光を得ることができる。例えば波形整形手段１４が、パルスレーザ光がピークを取る時刻まではパルスレーザ光を透過し、それ以降はパルスレーザ光を遮蔽することで、パルス時間幅を５０ｎｓから、およそ２５ｎｓまで狭めることができ、発光後半部の光強度の時間変化量が大幅に増大する。
　図６は、光音響波の圧力波形を示す。図６では、波形整形前のパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響波の圧力波形を破線で示し、図５に示した波形整形後のパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響波の圧力波形を実線で示している。波形整形後のパルスレーザ光（図５）は、波形整形前（図２）に比して立ち下がり部分が急峻になっているため、波形整形後のパルスレーザ光を照射したときの光音響波の負の部分のピーク値は、波形整形前のパルスレーザ光を照射したときの光音響波の負の部分のピーク値よりも大きくなっている。従って、その差の分だけ、検出される光音響信号の信号強度を増強することができる。光音響画像の生成では、光音響信号の絶対値を画像化するため、負の部分の圧力波を増強してもよい。
　ここで、波形整形手段１４が、レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光の発光時間の一部を遮蔽することで、パルス時間幅が短くなり、それに伴って波形整形後のパルスレーザ光の光強度の時間変化量が増大する。このように、波形整形後のパルスレーザ光のパルス時間幅と光強度の時間変化量とは連動している。そこで、本実施形態では、主に、パルス時間幅を、パルスレーザ光の光強度の時間変化量を表す指標として使用するものとする。
　図７に、光音響波の周波数と圧力との関係を示す。横軸は光音響波の周波数を表し、縦軸は圧力を表している。図７では、パルス時間幅４５ｎｓのパルスレーザ光を照射したときの光音響波の周波数と圧力との関係を破線で示し、パルス時間幅４．２ｎｓのパルスレーザ光を照射したときの光音響波の周波数と圧力との関係を一点鎖線で示し、パルス時間幅およそ２５ｎｓの（波形整形後の）パルスレーザ光を照射したときの光音響波の周波数と圧力との関係を実線で示している。プローブ１１で検出する光音響信号の周波数帯域はおよそ５Ｍｈｚ－１０ＭＨｚであるとする。
　パルスレーザ光のパルス時間幅が狭い場合（４．２ｎｓ）、図７に破線で示すように、光音響波に含まれる高い周波帯域においても、光音響波の圧力の落ち込みは少ない。これに対し、パルスレーザ光のパルス時間幅が広い場合（４５ｎｓ）、図７に一点鎖線で示すように、光音響波に含まれる高周波成分が少ない。そのようなパルス時間幅が広いパルスレーザ光に対して波形整形を行い、光強度の時間変化量を大きくすることで、図７に実線で示すように、元のパルス時間幅のパルスレーザ光を照射する場合に比して、高周波成分を多く含む光音響波を発生させることができる。
　波形整形を行った場合、高周波成分の落ち込みが少ない分だけ、受信帯域内の積分値を表わされる全体の信号強度を増強することができ、光音響画像のＳ／Ｎ比（Signal Noise Ratio）を向上できる。また、高周波成分が増強されることで、高い周波数のプローブ１１を利用でき、画像の分解能を向上できる。一方で、波形整形されたパルスレーザ光を照射することに伴って信号処理を変更する必要はなく、既存の超音波ユニット１２の利用が可能である。
　図８は、動作手順を示す。トリガ制御回路２７は、レーザユニット１３に対してフラッシュランプトリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、フラッシュランプトリガ信号を受けてフラッシュランプ３１を点灯する。トリガ制御回路２７は、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、Ｑスイッチトリガ信号が入力されると、Ｑスイッチ３２をＯＮにし、パルスレーザ光を出射する（ステップＡ１）。
　レーザユニット１３を出射したパルスレーザ光は波形整形手段１４に入射する。波形整形手段１４は、パルス時間幅が狭くなるように、入射したパルスレーザ光の時間波形を整形する（ステップＡ２）。例えば、トリガ制御回路２７は、レーザユニット１３に対するＱスイッチトリガ信号の出力後、所定のタイミングで波形整形手段１４にシャッタ制御信号を送る。波形整形手段１４は、受け取ったシャッタ制御信号に従って、光シャッタの開閉を制御する。波形整形手段１４は、例えば立ち上がり部又は立ち下がり部に対応した時間領域で光シャッタを閉じることで、パルスレーザ光のパルス時間幅を、波形整形前のパルスレーザ光のパルス時間幅よりも狭くする。波形整形手段１４で波形整形されたパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される（ステップＡ３）。
　プローブ１１は、レーザ光の照射後、パルスレーザ光の照射により被検体内で発生した光音響信号を検出する（ステップＡ４）。超音波ユニット１２の受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。トリガ制御回路２７は、被検体に対する光照射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る。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号を受けて光音響信号のサンプリングを開始し、光音響信号のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する。
　光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号のサンプリングデータを読み出し、読み出した光音響信号のサンプリングデータに基づいて、光音響画像の各ラインのデータを生成する。検波・対数変換手段２５は、光音響画像再構成手段２４で生成された各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。光音響画像構築手段２６は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて光音響画像を生成する（ステップＡ５）。画像表示手段１５は、表示画面上に、ステップＡ５で生成された光音響画像を表示する（ステップＡ６）。
　本実施形態では、波形整形手段１４は、レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光を光強度の時間変化量が大きくなるように波形整形する。そのように波形整形されたパルスレーザ光を被検体に照射し、被検体内でパルスレーザ光照射により生じた光音響信号を検出する。レーザユニット１３が、レーザ結晶の材質や装置構成の制限などに起因して、光音響に用いるにはパルス時間幅が長く、従って光強度の時間変化量が小さいパルスレーザ光しか出射できない場合がある。本実施形態では、そのような場合でも、パルスレーザ光の光強度の時間変化量を増大することができ、被検体内で発生する光音響波の圧力を、波形整形前のパルスレーザ光が照射される場合に比して強めることができる。その結果、プローブ１１で検出される光音響信号の信号強度を増強することができる。
　ところで、波形整形手段１４を用いてパルスレーザ光の発光時間の一部を遮蔽すると、波形整形を行わない場合に比して、被検体に照射されるパルスレーザ光の総エネルギー量は減少する。パルスレーザ光の総エネルギー量が減少することで、光音響信号の信号強度が低下することも考えられる。波形整形に伴う総エネルギー量の減少分だけ入射エネルギーを大きくすれば、波形整形した場合でも、波形整形しない場合と同じ総エネルギー量のパルスレーザ光を照射することができる。総エネルギー量を同じにした場合、波形整形によってパルスレーザ光の光強度の時間変化量が増大しているために信号となる効率は高く、より高画質の画像を得ることができる。被検体に照射するパルスレーザ光のパルスあたりのエネルギー密度はＭＰＥ（最大許容露光量）により制限されており（例えば波長７５０ｎｍでは約２７ｍＪ／ｃｍ２程度）、そのエネルギー密度を超えない範囲で入射エネルギーを上げ、波形整形に伴う総エネルギー量の減少分を補うことで、より高画質の光音響画像を得ることができる。
　次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図９は、本発明の第２実施形態の光音響画像装置を示す。本実施形態の光音響画像生成装置１０ａは、図１に示す第１実施形態の光音響画像生成装置の構成に加えて、発光検出素子３９を有する。発光検出素子３９は、レーザユニット１３からパルスレーザ光が出射した旨を検出する。発光検出素子３９は、例えばレーザユニット１３から出射した光が波形整形手段１４に入射するまでの間の光路に近接して設けられる。発光検出素子３９は、受光面を有しており、その受光面に入射した光の強度が所定の光強度以上となると、光を検出した旨の信号を出力する。発光検出素子３９には、例えば高速フォトダイオードを用いることができる。発光検出素子３９は、パルスレーザ光の出射を検出すると、その旨をトリガ制御回路２７に通知する。
　トリガ制御回路２７は、発光検出素子３９から、パルスレーザ光の出射が検出された旨の通知を受ける。トリガ制御回路２７は、発光検出素子３９がパルスレーザ光の出射を検出すると、波形整形手段１４にシャッタ制御信号を出力する。例えば、はじめ波形整形手段１４は光シャッタを閉じている。トリガ制御回路２７は、発光検出素子３９がパルスレーザ光の出射を検出した時刻、言い換えればパルスレーザ光の光強度の時間波形が立ち上がり始めた時刻から、所定の時間が経過した時刻にシャッタ制御信号を出力し、光シャッタを所定時間だけ開かせる。
　図１０は、レーザユニット１３を出射したパルスレーザ光とシャッタ制御信号と波形整形後のパルスレーザ光を示す。レーザユニット１３がパルスレーザ光を出射すると、発光検出素子３９は、パルスレーザ光の光強度がしきい値以上となった時刻ｔ１で、パルスレーザ光の出射を検出する。トリガ制御回路２７は、時刻ｔ１で発光検出素子３９からパルスレーザ光が出射した旨の通知を受けると、時刻ｔ１から所定の時間が経過した時刻ｔ２で、波形整形手段１４にパルス状のシャッタ制御信号を出力する。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の時間は、例えば波形整形前のパルスレーザ光の光強度の時間波形、波形整形後の（得たい）パルスレーザ光の光強度の時間変化量、波形整形手段１４に対してシャッタ制御信号が入力されてから実際に光シャッタが開くまでに要する時間などに基づいて決定することができる。
　トリガ制御回路２７は、例えば所定の期間だけ高電圧レベルを示すパルス状のシャッタ制御信号を波形整形手段１４に出力する。波形整形手段１４では、シャッタ制御信号に応答して、図示しないＥＯ素子の駆動回路からＥＯ素子に高電圧が印加される。ＥＯ素子に高電圧が印加される間、レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は光シャッタで遮蔽されずに、被検体側に透過する。時刻ｔ３でシャッタ制御信号が高電圧レベルから低電圧レベルに戻ると、ＥＯ素子に対する高電圧の印加が停止され、レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は光シャッタで遮蔽される。トリガ制御回路１４から、レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光の光強度がピークを取る時刻を含む所定期間だけ高電圧レベルとなるようなシャッタ制御信号を出力することで、立ち上がり部と立ち下がり部の双方において、パルスレーザ光の光強度の時間変化波形を急峻にすることができる。
　ここで、レーザユニット１３から出射するパルスレーザ光のパルス時間幅が広い場合、Ｑスイッチトリガから実際にパルスレーザ光が出射するまでのディレイ時間のばらつきが大きいことが考えられる。本実施形態では、発光検出素子３９を用い、発光ごとにパルスレーザ光の光強度の時間波形の立ち上がりを検出している。発光検出素子３９の検出結果に応じて波形整形手段１４を制御することで、ディレイ時間のばらつきが大きいときでも、波形整形手段１４によりパルスレーザ光を所望の光強度の時間変化量を持つパルスレーザ光に波形整形することができる。
　なお、上記では、トリガ制御回路２７が波形整形手段１４にシャッタ制御信号を出力するものとして説明したが、トリガ制御回路２７とは別個にシャッタ制御回路を設ける構成とすることも可能である。図１１は、第２実施形態の変形例の光音響画像生成装置を示す。変形例の光音響画像生成装置１０ｂは、図９に示す光音響画像生成装置１０ａの構成に加えて、シャッタ制御回路４０を有する。シャッタ制御回路４０は、発光検出素子３９がパルスレーザ光の出射を検出すると、波形整形手段１４にシャッタ制御信号を出力する。発光検出素子３９及びシャッタ制御回路４０は、波形整形手段１４に含まれていてもよい。図１１に示す例のように、トリガ制御回路２７とは別個に、超音波ユニット１２の外部にシャッタ制御回路４０を設ける構成とする場合、シャッタ制御回路４０を波形整形手段１４に近接して設けることができ、シャッタ制御回路４０から波形整形手段１４までの回路長を短くすることができる。特に、数１０ｎｓオーダーで光シャッタの制御を行うことを考えると、シャッタ制御回路４０から波形整形手段１４までの回路長は短いことが好ましく、図１１に示す回路構成の方が有利であると考えられる。
　引き続き、本発明の第３実施形態を説明する。図１２は、本発明の第３実施形態の光音響画像生成装置を示す。光音響画像生成装置１０ｃは、図１に示す第１実施形態の光音響画像生成装置１０の構成に加えて、送信制御回路３３、データ分離手段３４、超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、超音波画像構築手段３７、及び画像合成手段３８を備える。本実施形態の光音響画像生成装置１０ｃは、光音響画像に加えて、送信された超音波（音響波）に対する反射超音波（反射音響波）に基づく超音波画像（反射音響波画像）の生成を行う点で、第１実施形態の光音響画像生成装置１０と相違する。
　本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波の検出（受信）を行う。なお、超音波送信手段を別に設け、プローブ１１とは異なる位置から超音波送信を行い、プローブ１１にて送信された超音波に対する反射超音波を検出してもよい。トリガ制御回路２７は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３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る。送信制御回路３３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。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
　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。トリガ制御回路２７は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する。光音響信号の検出（サンプリング）と、反射超音波の検出（サンプリング）とは、どちらを先に行ってもよい。
　データ分離手段３４は、受信メモリ２３に格納された光音響信号のサンプリングデータと反射超音波のサンプリングデータとを分離する。データ分離手段３４は、分離した光音響信号のサンプリングデータを光音響画像再構成手段２４に入力する。データ分離手段３４は、分離した反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像再構成手段３５に入力する。
　超音波画像再構成手段３５は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリングデータ）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。検波・対数変換手段３６は、超音波画像再構成手段３５が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
　超音波画像構築手段３７は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、及び超音波画像構築手段３７は、反射超音波に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段（反射音響波画像生成手段）を構成する。画像合成手段３８は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３８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。合成された画像は、画像表示手段１５に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１５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。
　本実施形態では、光音響画像生成装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。パルス時間幅が狭くなるように波形整形されたパルスレーザ光を照射し、光音響信号を検出する点は、第１実施形態と同様である。なお、第２実施形態の光音響画像生成装置において、超音波画像を生成するようにす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 (15)

  1. 　被検体に照射すべきパルス光を出射する光源と、
    　前記光源から出射したパルス光を入射し、該入射したパルス光の光強度の時間変化量よりも光強度の時間変化量が大きくなるように、前記パルス光の時間波形を波形整形するパルス波形整形手段と、
    　前記パルス波形整形手段によって波形整形されたパルス光が被検体に照射された後に、被検体内で発生した光音響波を検出するプローブと、
    　前記検出され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手段とを備えたことを特徴とする光音響画像生成装置。
  2. 　前記波形整形手段が、前記入射したパルス光の発光時間の一部を遮蔽する光シャッタを含む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。
  3. 　前記光シャッタが、前記パルス光の時間波形の立ち上がりが波形整形前に比して急峻となるように、前記入射したパルス光の発光時間の一部を遮蔽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。
  4. 　前記光シャッタが、前記パルス光の出射から、前記パルス光の光強度が極大値をとる時刻かそれよりも前の時刻の間、前記入射したパルス光を遮蔽す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。
  5. 　前記光シャッタが、前記パルス光の時間波形の立ち下がりが波形整形前に比して急峻となるように、前記入射したパルス光の発光時間の一部を遮蔽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。
  6. 　前記光シャッタが、前記パルス光の光強度が極大値を取る時刻以後、前記パルス光を遮蔽するものであることを特徴とする請求項５に記載の光音響画像生成装置。
  7. 　前記光源からパルス光が出射した旨を検出する発光検出素子と、
    　前記発光検出素子がパルス光の出射を検出すると、前記波形整形手段にシャッタ制御信号を出力するシャッタ制御回路とを更に備えることを特徴とする請求項２から６何れかに記載の光音響画像生成装置。
  8. 　前記光シャッタが、前記プローブで検出される光音響波の検出信号の強度が、前記光源を出射したパルス光が前記パルス波形整形手段で波形整形されずに被検体に照射されたときに検出される光音響波の検出信号の強度よりも大きくなるように、前記パルス光の時間波形を波形整形するものであることを特徴とする請求項２から７何れかに記載の光音響画像生成装置。
  9. 　前記プローブが更に前記被検体に対して送信された音響波に対する反射音響波を検出し、
    　前記検出された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と、
    　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とを更に備えたことを特徴とする請求項１から８何れかに光音響画像生成装置。
  10. 　前記画像合成手段が、前記光音響画像と反射音響波画像とを重畳することで画像合成を行うものであることを特徴とする請求項９に記載の光音響画像生成装置。
  11. 　光源からパルス光を出射するステップと、
    　前記出射したパルス光の発光強度の時間変化量に比して発光強度の時間変化量が大きくなるように前記パルス光の時間波形を波形整形するステップと、
    　前記波形整形されたパルス光を被検体に照射するステップと、
    　前記照射された光に起因して被検体内で発生した光音響波を検出するステップと、
    　前記検出された光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。
  12. 　前記パルス光の時間波形を生成するステップでは、前記パルス光の発光時間の一部を光シャッタにより遮蔽することを特徴とする請求項１１に記載の光音響画像生成方法。
  13. 　前記パルス光の時間波形を生成するステップでは、前記パルス光の時間波形の立ち上がりが波形整形前に比して急峻となるように、前記パルス光の発光時間の一部を光シャッタにより遮蔽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方法。
  14. 　前記パルス光の時間波形を生成するステップでは、前記パルス光の時間波形の立ち下がりが波形整形前に比して急峻となるように、前記パルス光の発光時間の一部を光シャッタにより遮蔽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方法。
  15. 　前記光シャッタにより、前記検出される光音響波の検出信号の強度が、前記光源を出射したパルス光が波形整形されずに被検体に照射されたときに検出される光音響波の検出信号の強度よりも大きくなるように、前記パルス光の時間波形を波形整形することを特徴とする請求項１２から１４何れかに記載の光音響画像生成方法。
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