WO2013179619A1 - 光音響画像生成装置および光音響画像生成方法 - Google Patents

光音響画像生成装置および光音響画像生成方法 Download PDF

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WO2013179619A1
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original signal
photoacoustic
data
image generation
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PCT/JP2013/003286
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辻田　和宏
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富士フイルム株式会社
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    • A61B5/14546—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring analytes not otherwise provided for, e.g. ions, cytochromes
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    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer

Definitions

  • the present invention relates to a photoacoustic image generation apparatus and a photoacoustic image generation method for generating a photoacoustic image based on a photoacoustic wave generated due to light irradiation.
  • Photoacoustic spectroscopy irradiates a subject with light having a predetermined wavelength (for example, visible light, near-infrared light, or mid-infrared wavelength band), and a specific substance in the subject radiates the energy of this light.
  • a photoacoustic wave which is an elastic wave generated as a result of absorption, is detected, and the concentration of the specific substance is quantitatively measured.
  • the specific substance in the subject is, for example, glucose or hemoglobin contained in blood.
  • a technique for detecting a photoacoustic wave and generating a photoacoustic image based on the detection signal is photoacoustic imaging (PAI) or photoacoustic tomography (PAT: Photo). Called Acoustic Tomography).
  • Such photoacoustic imaging is often used, for example, for imaging blood vessels in living tissue (for example, Patent Document 1).
  • the present invention has been made in response to the above-mentioned demand, and provides a photoacoustic image generation apparatus and a photoacoustic image generation method capable of further optimizing a photoacoustic image in photoacoustic imaging as compared with the prior art. It is intended to do.
  • a photoacoustic image generation apparatus includes: In a photoacoustic image generation device that generates a photoacoustic image for a predetermined imaging region in a subject based on a photoacoustic wave generated in the subject due to irradiation of measurement light on the subject.
  • a low frequency detection element and a high frequency detection element having a detection band on a higher frequency side than the detection band of the low frequency detection element;
  • An acoustic image generating means for generating an acoustic image The acoustic image generation means is For each divided region when the range of the original signal data is divided along the depth direction of the imaging region, the basic signal data used in generating the photoacoustic image is the first original signal data and the second original signal. Select from the data, A photoacoustic image is generated based on basic signal data.
  • the acoustic image generation means selects the basic signal data so that there is a divided region in which the original signal data used is only the second original signal data. can do.
  • the acoustic image generation means can select the basic signal data so that only the second original signal data is used in the outermost divided area.
  • the acoustic image generation means selects the basic signal data so that there is a divided region in which the original signal data used is only the first original signal data. can do.
  • the acoustic image generation means can select the basic signal data so that only the first original signal data is used in the deepest divided area.
  • the acoustic image generating means has only the second original signal data in the outermost divided area.
  • the basic signal data may be selected so that the first original signal data and the second original signal data are used in the divided areas other than the outermost and deepest divided areas. .
  • the acoustic image generation means performs the first original signal in divided areas other than the deepest divided area.
  • the basic signal data may be selected so that the data and the second original signal data are used.
  • the low-frequency detection element is an inorganic piezoelectric element
  • the high-frequency detection element is an organic piezoelectric element
  • the detection band thereof is low-frequency detection.
  • a piezoelectric element that overlaps the detection band of the element is preferable.
  • the acoustic image generation means may be configured such that, for each divided region, basic signal data for the divided region is composed of original signal data detected by one detection element. If the original signal data is set as partial signal data for the divided region, and the basic signal data for the divided region is composed of a plurality of original signal data detected by a plurality of detection elements, Data calculated based on a plurality of original signal data is set as partial signal data for the divided areas, and photoacoustics are generated based on recombinant signal data obtained by combining the partial signal data for the divided areas with each other. It is preferable to generate an image.
  • the acoustic image generation unit constructs original image data based on each original signal data detected by each detection element, and for each divided region,
  • the original image data based on the original signal data is set as partial image data for the divided area
  • the data calculated based on the original image data based on each of the plurality of original signal data is obtained for the divided region. Recombinant images obtained by combining partial image data for each divided area It is preferable that generates a photoacoustic image on the basis of the over data.
  • the acoustic image generation means changes the selection method of the basic signal data according to the target site of image generation and / or the performance of the detection element.
  • the detection elements detects a reflected ultrasonic wave with respect to the ultrasonic wave transmitted to the subject, and the acoustic image generating unit includes a reflected ultrasonic wave. It can also be set as the structure which produces
  • the low-frequency detection element and the high-frequency detection element are preferably laminated so that the high-frequency detection element is on the detection surface side.
  • a photoacoustic image generation method includes: In a photoacoustic image generation method for generating a photoacoustic image of a predetermined imaging region in a subject based on a photoacoustic wave generated in the subject due to irradiation of measurement light on the subject.
  • the photoacoustic wave signal data is detected by each of the low frequency detection element and the high frequency detection element having a detection band on the high frequency side of the detection band of the low frequency detection element,
  • the basic signal data used in generating the photoacoustic image for each divided region when the signal data range is divided along the depth direction of the imaging region, and the signal data detected by the low-frequency detection element The first original signal data and the second original signal data which is the signal data detected by the high-frequency detection element, A photoacoustic image is generated based on the basic signal data.
  • the basic signal data can be selected so that there is a divided region in which the original signal data used is only the second original signal data.
  • the basic signal data can be selected so that only the second original signal data is used in the outermost divided area.
  • the basic signal data can be selected so that there is a divided region in which the original signal data used is only the first original signal data.
  • the basic signal data can be selected so that only the first original signal data is used in the deepest divided region.
  • the photoacoustic image generation apparatus and the photoacoustic image generation method according to the present invention use the first original signal data used for generating the photoacoustic image for each divided region along the depth direction of the imaging region.
  • a signal is selected from the signal data and the second original signal data, and a photoacoustic image is generated based on the basic signal data. Therefore, a necessary part can be extracted from all the original signal data according to the measurement purpose or measurement condition, and a photoacoustic image can be generated based on the part.
  • an image is generated based on first original signal data (that is, original signal data including a low-frequency component with a large amount of signal detected by a low-frequency detection element), and resolution
  • first original signal data that is, original signal data including a low-frequency component with a large amount of signal detected by a low-frequency detection element
  • second original signal data that is, the original signal data including the high-frequency component detected by the high-frequency detection element
  • the viewpoint of sensitivity and / or resolution is used. Therefore, the photoacoustic image can be optimized. As a result, in photoacoustic imaging, it becomes possible to further optimize the photoacoustic image as compared with the conventional art.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a photoacoustic image generation apparatus 10 according to the present embodiment.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10 of the present embodiment includes a probe 11 having a low-frequency detection element and a high-frequency detection element, an ultrasonic unit 12, a laser unit 13, an image display unit 14, and an input. Means 16 are provided.
  • the original signal data of the photoacoustic wave is detected by the probe 11 using the apparatus 10, and the divided area where sensitivity is important among the divided areas of the imaging area. Is used so that the first original signal data detected by the low frequency detection element is used, and the second original signal data detected by the high frequency detection element is used in the divided area where the resolution is important. For each divided region, basic signal data used in generating a photoacoustic image is selected from the original signal data, and a photoacoustic image is generated based on the basic signal data.
  • the probe 11 includes a detection element array 20, an optical fiber 40, a light guide plate 42, and a housing 44.
  • the probe 11 irradiates the subject M with the laser light L from the laser unit 13 and detects the photoacoustic wave U generated in the subject M by the photoacoustic effect by the detection element array 20. For example, when generating volume data of a photoacoustic image, the probe 11 is scanned.
  • the detection element array 20 includes, for example, a low frequency element array including a plurality of low frequency detection elements and a high frequency element array including a plurality of high frequency detection elements.
  • the low-frequency detection element is a piezoelectric element suitable for detection of a low-frequency acoustic wave signal.
  • the low-frequency detection element is preferably adjusted so that the center frequency of the detection band is in the range of 0 to 10 MHz, for example.
  • an inorganic piezoelectric element can be used, and in particular, a piezoelectric element using piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate (PZT) is preferably used.
  • the high-frequency detection element is a piezoelectric element capable of detecting an acoustic wave signal having a frequency higher than the detection band of the low-frequency detection element.
  • the high-frequency detection element is preferably adjusted so that the detection band includes a range of 10 MHz or more, and more preferably the center frequency of the detection band is in the range of 15 to 25 MHz.
  • an organic piezoelectric element can be used, and it is particularly preferable to use a piezoelectric element using a polymer film such as polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • inorganic piezoelectric elements are excellent in detection sensitivity, and organic piezoelectric elements are excellent in that the detection band is wide.
  • acoustic wave means an ultrasonic wave and a photoacoustic wave.
  • ultrasonic wave means an elastic wave and its reflected wave generated in the subject due to the vibration of the vibrator
  • photoacoustic wave is generated in the subject due to the photoacoustic effect caused by light irradiation. Means an elastic wave.
  • the detection bands of the low-frequency detection element and the high-frequency detection element may overlap. If these detection bands overlap, a high-frequency component can be extracted from the signal detected by passing the signal detected by the high-frequency detection element through a high-pass filter.
  • the step of performing the high-pass filter processing is performed, for example, at the data recombination stage in the data recombination means 26 or after the photoacoustic image is constructed before storing in the reception memory 23 described later.
  • the low-frequency element array and the high-frequency element array are formed by one-dimensionally or two-dimensionally arranging low-frequency detector elements and high-frequency detector elements, respectively.
  • the low-frequency element array and the high-frequency element array may be arranged in parallel or stacked so that the respective detection surfaces are smoothly connected.
  • the high-frequency element array is preferably on the subject side. Further, there may be a plurality of high-frequency element arrays of different types (especially detection bands).
  • the acoustic wave signal detected by the detection element array 20 is output to the reception circuit 21 of the ultrasonic unit 12.
  • the detection element array 20 may be provided with acoustic elements such as an acoustic matching layer, an acoustic lens, and an acoustic coupler.
  • the optical fiber 40 is optically connected to the laser unit 13 that outputs the laser light L, and guides the laser light L to the light guide plate 42 in the present embodiment.
  • the optical fiber 40 is connected to the incident surface of the light guide plate 42.
  • the optical fiber 40 is not particularly limited, and a known fiber such as a quartz fiber can be used.
  • One optical fiber may be used, but it is preferable to use a plurality of optical fibers in order to increase the transmission amount of light energy.
  • a bundle fiber can be used as the optical fiber.
  • the light guide plate 42 is a plate that performs special processing on the surface of an acrylic plate or a quartz plate, for example, and uniformly emits light from one end face from the other end face.
  • the optical fiber 40 and the light guide plate 42 guide the laser light L output from the laser unit 13 to the measurement target portion of the subject.
  • two light guide plates 42 are arranged so as to face each other with the detection element array 20 in between, and two optical fibers 40 are connected to each light guide plate 42, for example.
  • the portion of the light guide plate 42 connected to the optical fiber 40 is preferably formed of a glass material in order to avoid damage due to light energy.
  • other portions are formed of a resin material such as acrylic.
  • the laser unit 13 outputs, for example, laser light L as measurement light for irradiating the subject M.
  • the laser unit 13 is configured to output a laser beam L in response to a trigger signal from the control unit 29, for example.
  • the laser light L output from the laser unit 13 is guided to the probe 11 using light guide means such as an optical fiber, and is irradiated from the probe 11 to the subject M.
  • the laser unit 13 preferably outputs pulsed light having a pulse width of 1 to 100 nsec as laser light.
  • the laser unit 13 is a Q switch (Qsw) alexandrite laser.
  • the pulse width of the laser light L is controlled by, for example, Qsw.
  • the wavelength of the laser light is appropriately determined according to the light absorption characteristics of the substance in the subject to be measured.
  • the wavelength is preferably a wavelength belonging to the near-infrared wavelength region.
  • the near-infrared wavelength region means a wavelength region of about 700 to 850 nm.
  • the wavelength of the laser beam L is naturally not limited to this.
  • the laser light L may be a single wavelength or may include a plurality of wavelengths (for example, 750 nm and 800 nm). Furthermore, when the laser light L includes a plurality of wavelengths, the light of these wavelengths may be irradiated to the subject M at the same time, or may be irradiated while being switched alternately. In the case where the laser light L includes a plurality of wavelengths, the combination of the wavelengths may be any combination as long as the absorption coefficient with respect to each wavelength of the absorption material to be measured is different. Such wavelength selection enables functional measurement such as distinguishing between arteries and veins.
  • light (793 to 802 nm) having a wavelength near the isosbestic point (about 798 nm) of oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin, and the absorption peak of deoxygenated hemoglobin It is preferable to select light (748 to 770 nm) having a wavelength in the vicinity of the wavelength (about 757 nm).
  • the ultrasonic unit 12 includes a reception circuit 21, an AD conversion unit 22, a reception memory 23, a photoacoustic image reconstruction unit 24, a selection method designation unit 25, a data recombination unit 26, a detection / logarithmic conversion unit 27, and a photoacoustic image construction. Means 28, control means 29, image composition means 38, and observation method selection means 39 are provided.
  • the ultrasonic unit 12 corresponds to the acoustic image generation means in the present invention.
  • the control means 29 controls each part of the photoacoustic image generation apparatus 10, and includes a trigger control circuit 30 in this embodiment.
  • the trigger control circuit 30 sends a light trigger signal to the laser unit 13 when the photoacoustic image generation apparatus is activated, for example.
  • the flash lamp is turned on in the laser unit 13 and the excitation of the laser rod is started. And the excitation state of a laser rod is maintained and the laser unit 13 will be in the state which can output a pulse laser beam.
  • the control means 29 then transmits a Qsw trigger signal from the trigger control circuit 30 to the laser unit 13. That is, the control means 29 controls the output timing of the pulsed laser light from the laser unit 13 by this Qsw trigger signal.
  • the control unit 29 transmits the sampling trigger signal to the AD conversion unit 22 simultaneously with the transmission of the Qsw trigger signal.
  • the sampling trigger signal serves as a cue for the start timing of the photoacoustic signal sampling in the AD conversion means 22. As described above, by using the sampling trigger signal, it is possible to sample the photoacoustic signal in synchronization with the output of the laser beam.
  • the receiving circuit 21 receives the photoacoustic signal detected by the probe 11.
  • the photoacoustic signal received by the receiving circuit 21 is transmitted to the AD conversion means 22.
  • the AD conversion means 22 is a sampling means, which samples the photoacoustic signal received by the receiving circuit 21 and converts it into a digital signal.
  • the AD conversion unit 22 includes a sampling control unit and an AD converter.
  • the reception signal received by the reception circuit 21 is converted into a sampling signal digitized by an AD converter.
  • the AD converter is controlled by the sampling control unit, and is configured to start sampling when the sampling control unit receives a sampling trigger signal.
  • the AD converter 22 samples the received signal at a predetermined sampling period based on, for example, an AD clock signal having a predetermined frequency input from the outside.
  • the reception memory 23 stores the original signal data of the photoacoustic wave sampled by the AD conversion means 22 (that is, the sampling signal).
  • the original signal data (first original signal data) detected by the low-frequency detection element and the original signal data (second original signal data) detected by the high-frequency detection element are stored separately. . Then, the reception memory 23 outputs these original signal data detected by the probe 11 to the photoacoustic image reconstruction means 24.
  • the photoacoustic image reconstruction means 24 reads the original signal data from the reception memory 23 and reconstructs the original signal data detected by the detection element array 20 of the probe 11. Specifically, the photoacoustic image reconstruction unit 24 adds, for example, data from 64 detection elements of the probe 11 with a delay time corresponding to the position of the detection element, and generates signal data for one channel ( Delayed addition method). The signal data for one channel is generated for each channel (or scanning line) while the range of detection elements to be used is shifted little by little. The signal data thus reconstructed displays the signal on the scan line of the channel, and the time axis corresponds to the depth on the scan line of the channel.
  • 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 reconstruction of the original signal data is performed for each channel and for each of the first original signal data and the second original signal data. The reconstructed first original signal data and second original signal data are output to the data recombination means 26.
  • CBP method Chemical Back Projection
  • the selection method designating means 25 uses data (basic signals) actually used for generating a photoacoustic image from the reconstructed first original signal data and second original signal data (that is, all original signal data). Specify how to select (data).
  • the criteria for selecting the basic signal data are mainly divided into two in the present invention, one is a method of division according to the depth of the imaging region, and the other is for each divided region. Which original signal data is used.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of an imaging area division mode.
  • the detection element array 20 includes a low-frequency element array 20a and a high-frequency element array 20b.
  • FIG. 2 shows a state in which the imaging region R is divided into three divided regions R1, R2, and R3.
  • the detection limit depth of the high-frequency detection element for a predetermined measurement light intensity is A
  • the detection limit depth of the low-frequency detection element is As B
  • a region of A / 2 or more and less than A and a region of A or more and less than B can be defined as divided regions R1, R2, and R3, respectively.
  • the original signal data to be used for each divided area is also set as appropriate according to the measurement purpose and measurement conditions. Alternatively, this point may be manually set by the user of the apparatus.
  • the first original signal data is used in the divided areas where the sensitivity is important
  • the second original is used in the divided areas where the resolution is important.
  • Original signal data is used. That is, as a result, in the divided area where sensitivity is important, an image is generated based on the first original signal data (that is, original signal data including a low-frequency component with a large amount of signal detected by the low-frequency detection element).
  • the second original signal data that is, the original signal data including the high-frequency component detected by the high-frequency detection element.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a mode in which original signal data that is actually used is selected from all original signal data after reconstruction for each divided region.
  • R1, R2 and R3 in FIG. 3 correspond to R1, R2 and R3 in FIG. 2, and this correspondence relationship includes the timing of laser light irradiation, the sound velocity of the photoacoustic wave propagating in the subject, and It is determined by the time after the detection of the acoustic wave signal is started.
  • 3A shows the first original signal data Sa after reconstruction for one channel
  • FIG. 3B shows the second original signal data Sb after reconstruction for one channel
  • ⁇ t 3 represents the reception time defining each divided area.
  • the horizontal axis represents time t (depth d) and the vertical axis represents signal intensity I.
  • the second original signal data is selected as the basic signal data BS1 in the divided region R1 at the shallowest position, and the first original signal is selected in the divided region R2 at the next deepest position.
  • the data and the second original signal data are selected as the basic signal data BS2 in the divided region, and the first original signal data is selected as the basic signal data BS3 in the divided region in the deepest divided region R3.
  • the basic signal data is selected so that only the second original signal data is used in the outermost divided area and only the first original signal data is used in the deepest divided area, it is shallow.
  • a photoacoustic image can be generated with high resolution in the divided region R1 and with high sensitivity in the deep divided region R3.
  • “only the first original signal data is used” means that only the first original signal data is used among all the original signal data.
  • the selection method of the basic signal data is not limited to the above case, and the divided area where only the second original signal data is used does not necessarily need to be the outermost part, and only the first original signal data is used.
  • the divided area is not necessarily the deepest part. That is, the photoacoustic image generation apparatus 10 uses the entire original signal data so that there is at least one divided region in which the original signal data used is only one of the first original signal data and the second original signal data. A photoacoustic image is generated based on a part of the signal data selected from (basic signal data).
  • the first original signal data (A in FIG. 4) and the divided region R1 located at the shallowest position The second original signal data (B in FIG. 4) is selected as the basic signal data BS1 in the divided area, and the second original signal data in the divided area R2 at the next deepest position is selected as the basic signal data BS2 in the divided area.
  • the first original signal data can be selected as basic signal data BS3 in the divided area in the divided area R3 located at the deepest position.
  • Such basic signal data selection methods include, for example, when observing the back side of edema formed on the surface portion in detail, when observing mainly the blood vessel on the back side of the tumor, and the mammo adapter at the tip of the probe. It is effective when wearing and observing the fine blood vessel distribution in the lower part.
  • the first original signal data and the second original signal data may be selected as the basic signal data BS2 in the divided area in the divided area R2.
  • the division mode may be a mode in which, for example, the divided region R2 in FIG.
  • a weighting factor that places importance on the second original signal data can be set as the depth becomes shallower.
  • the second original signal data is selected when the depth is 0 mm or more and less than 5 mm in consideration of the distribution of capillaries under the skin. If the depth is 5 mm or more and less than 10 mm, the first original signal data and the second original signal data are selected. If the depth is 10 mm or more, the first original signal data is selected.
  • At least one of the plurality of second original signal data and first original signal data detected by them is selected from the same divided region. That's fine.
  • the selection method designating means 25 can be configured to change the basic signal data selection method according to the target site of image generation and / or the performance of the detection element. For example, the selection method designating means 25 changes the selection method from the default setting mode to the selection mode suitable for the input information according to the information on the target region and / or the detection element input by the user using the input unit 16. Configured to update automatically. Further, the selection method designating unit 25 may automatically detect information on the target region and / or the detection element.
  • the data recombination means 26 selects basic signal data from all the reconstructed original signal data based on the selection method designated by the selection method designation means 25, and sets a part for each divided region based on the basic signal data. Signal data is set, and recombination signal data is generated for each channel based on the partial signal data.
  • the generation process of the recombination signal data mainly includes a setting process of partial signal data and a combining process of partial signal data, and is performed as follows, for example.
  • partial signal data is set as signal data representing each divided area for each divided area.
  • the original signal data is set as partial signal data for the divided area.
  • the data calculated based on the plurality of original signal data is about the divided area.
  • a method of calculating new data based on a plurality of original signal data is performed, for example, by taking an addition average or a weighted average of the original signal data. At this time, the difference in the intensity of the original signal data based on the difference in the sensitivity of the detection elements is appropriately adjusted.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a process for generating recombination signal data based on the basic signal data selected as shown in FIG.
  • the basic signal data BS1 for the divided region is configured from second original signal data after reconstruction that is detected by one detection element (that is, one type of high-frequency detection element). Therefore, the selected second original signal data is set as partial signal data PS1 as it is.
  • the selected first original signal data after reconstruction is set as the partial signal data PS3 as it is.
  • the first original signal after reconfiguration in which the basic signal data BS2 for the divided region is detected by a plurality of detection elements that is, two types of detection elements for low frequency and high frequency. Since it is composed of data and second original signal data, data calculated based on the plurality of original signal data is set as the partial signal data PS2. If there are a plurality of different types of high-frequency element arrays, each is considered as a separate detection element.
  • the partial signal data PS1, PS2, and PS3 set for each divided region are combined with each other, whereby the recombination signal data CS is generated for each channel. Generated. Since the time axis of the recombination signal data CS is generated by selecting a part of the entire original signal data after reconstruction for each divided region, the channel of the recombination signal data CS is similar to the original signal data. Corresponds to the depth of. When combining the partial signal data, it is preferable to perform necessary correction processing such as intensity correction and smoothing together so that the partial signal data are smoothly connected.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a circuit for generating the recombination signal data.
  • the circuit receives a terminal 50 to which the second original signal data Sb is input, a terminal 51 to which the first original signal data Sa and the second original signal data Sb are input, and the first original signal data Sa. And a switch 53 for sequentially connecting each terminal and a memory (not shown).
  • the first original signal data Sa and the second original signal data Sb are read simultaneously, the first original signal data Sa is output to the terminal 51 and the terminal 52, and the second original signal data Sb is It is output to the terminal 50 and the terminal 51.
  • the second original signal data Sb is stored in the memory as partial signal data PS1 of the divided area
  • the first original signal data Sa and second addition signal data of the original signal data Sb is stored in a memory as partial signal data PS2 for the divided regions
  • t from t 2 to t 3
  • the first original signal data Sa is part signal data of the divided area It is stored in the memory as PS3. Thereafter, these signal data that have undergone necessary correction processing are combined in time series in the memory, thereby generating recombination signal data CS.
  • the recombination signal data of each channel is output to the detection / logarithm conversion means 27.
  • the detection / logarithm conversion means 27 obtains an envelope of the recombination signal data of each channel, and logarithmically transforms the obtained envelope.
  • the photoacoustic image construction means 28 generates the recombination image data X for each channel based on the recombination signal data CS of each channel that has undergone logarithmic transformation (FIG. 5), and further generates these recombination image data X. By combining them, a photoacoustic image for one frame is constructed.
  • the photoacoustic image construction means 28 constructs a photoacoustic image by converting, for example, a position in the time axis direction of the photoacoustic signal (peak portion) into a position in the depth direction in the photoacoustic image.
  • the observation method selection means 39 is for selecting the display mode of the photoacoustic image.
  • Examples of the volume data display mode for the photoacoustic signal include a mode as a three-dimensional image, a mode as a cross-sectional image, and a mode as a graph on a predetermined axis.
  • the display mode is selected according to the initial setting or the input from the input unit 16 by the user.
  • the image synthesis means 38 generates volume data using the photoacoustic signals acquired sequentially.
  • the volume data is generated by assigning the signal value of each photoacoustic signal to the virtual space according to the coordinates associated with each frame of the photoacoustic image and the pixel coordinates in the photoacoustic image. For example, the coordinates when the Qsw trigger signal is transmitted, the coordinates when light is actually output, the coordinates when sampling of the photoacoustic signal is started, and the like are associated for each frame of the photoacoustic image.
  • assigning signal values if the locations to be assigned overlap, for example, the average value of the signal values or the maximum value among them is adopted as the signal value of the overlapping location.
  • the image composition unit 38 performs necessary processing (for example, scale correction and coloring according to the voxel value) on the generated volume data.
  • the image display means 14 displays a display image based on the volume data generated by the image composition means 38.
  • the first original signal data detected by the low-frequency detection element is used particularly in the divided areas where sensitivity is important.
  • Data is selected from original signal data, and a photoacoustic image is generated based on the basic signal data. Therefore, an image is generated based on the first original signal data (that is, original signal data including a low-frequency component with a large amount of signal detected by the low-frequency detection element) in the divided area where sensitivity is important, and the resolution.
  • the second original signal data that is, the original signal data including the high-frequency component detected by the high-frequency detection element.
  • the vicinity of the surface of the measurement target can be imaged with high resolution.
  • many high-frequency component signals are often attributed to thin blood vessels. Therefore, if imaging is performed using only high-frequency component signal data, narrow blood vessels are formed. An enhanced photoacoustic image can be generated.
  • FIG. 7 is a graph showing the frequency component intensity of a photoacoustic wave generated from a certain target substance. From this graph, it can be seen that the photoacoustic wave contains more low frequency components of about 0 to 10 MHz than high frequency components of 10 MHz or more. In general, it is known that the photoacoustic wave in the subject is attenuated along with its propagation, but the photoacoustic wave generated on the surface of the subject reaches the detection element with a high intensity.
  • a necessary part can be extracted from all original signal data according to a measurement purpose or measurement condition, and a photoacoustic image can be generated based on the part.
  • the photoacoustic image can be further optimized.
  • a PZT element is used as a detection element for fundamental waves
  • a PVDF element is used as a detection element for harmonics
  • a technique for generating a harmonic image using the above is disclosed.
  • the received signal by the PZT element and the received signal by the PVDF element are adjusted independently (for example, paragraphs 0030 to 0035 of the above document). It is fundamentally different.
  • the technical idea of the present invention is to rearrange original signal data by a plurality of detection elements, in other words, to cut out only a portion necessary for generating a photoacoustic image from all original signal data. Accordingly, in the present invention, signal processing that is not used for generating a photoacoustic image is not subjected to signal processing in the first place.
  • the technical idea of the above document is to adjust the gain of the received signal after using all signal data from the viewpoint of adjusting the image quality of the image so that the harmonic component has an appropriate signal strength with respect to the fundamental component. (For example, paragraphs 0041 to 0043 of the above-mentioned document).
  • Paragraph 0035 of the above document describes that the gain for the received signal of the harmonic component is zero, but even if the gain is zero and the harmonic component is estimated to be zero, the signal strength data of zero is not obtained.
  • the image is generated by using it, and the idea that “only the signal data of the necessary part is cut out and the signal processing is not performed for the unnecessary part in the first place” as in the present invention. Is not disclosed.
  • the present invention since the above document does not teach or suggest optimizing photoacoustic images, the present invention has not been easily conceived by those skilled in the art based on the above document.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of the photoacoustic image generation apparatus 10 of the present embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in the process of generating a photoacoustic image from original signal data. Therefore, a detailed description of the same components as those in the first embodiment is omitted unless particularly required.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10 of the present embodiment includes a probe 11 having a low-frequency detection element and a high-frequency detection element, an ultrasonic unit 12, a laser unit 13, an image display unit 14, and an input. Means 16 are provided.
  • the original signal data of the photoacoustic wave is detected by the probe 11 using the apparatus 10 in FIG. 8, and sensitivity is emphasized among the divided areas of the imaging area.
  • the first original signal data detected by the low frequency detection element is used, and in the divided area where the resolution is important, the second original signal data detected by the high frequency detection element is used.
  • basic signal data that is a basis of the photoacoustic image is selected from the original signal data, and a photoacoustic image is generated based on the basic signal data.
  • the ultrasonic unit 12 includes a reception circuit 21, an AD conversion unit 22, a reception memory 23, a photoacoustic image reconstruction unit 24, a selection method designation unit 25, a data recombination unit 26, a detection / A logarithmic conversion unit 27, a photoacoustic image construction unit 28, a control unit 29, an image synthesis unit 38, and an observation method selection unit 39 are provided.
  • the signal data detected by the detection element array 20 is received from the reception circuit 21, AD conversion means 22, reception memory 23, photoacoustic image reconstruction means 24, detection / logarithmic conversion means 27, photoacoustic image.
  • the construction means 28, the data recombination means 26, and the image composition means 38 flow in this order. That is, the first original signal data and the second original signal data reconstructed by the photoacoustic image reconstruction means 24 are output to the detection / logarithm conversion means 27.
  • the detection / logarithmic conversion means 27 obtains envelopes of the reconstructed first original signal data and second original signal data for each channel, and logarithmically converts each obtained envelope.
  • the photoacoustic image construction means 28 performs original image data for each channel and for each original signal data based on the original signal data S (A in FIG. 9) of each channel subjected to logarithmic conversion.
  • Build IM B in FIG. 9
  • the first original image data (original image data based on the first original signal data) and the second original image data (original image data based on the second original signal data) are output to the data recombination means 26.
  • the data recombination means 26 of this embodiment selects basic image data based on basic signal data from all original image data based on the selection method designated by the selection method designation means 25, and based on the basic image data.
  • Set partial image data for each divided area generate recombinant image data for each channel based on the partial image data, and further combine these recombinant image data to generate a photoacoustic image for one frame To do.
  • the generated photoacoustic image is output to the image composition means 38.
  • the generation process of the recombinant image data mainly includes a selection process of basic image data, a setting process of partial image data, and a combining process of partial image data, and is performed as follows, for example.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a mode in which basic image data is selected from all original image data for each divided region.
  • the original image data Ia in FIG. 10A represents the original image data based on the reconstructed first original signal data Sa for one channel
  • the original image data Ib in FIG. 10B represents one channel.
  • the basic image data is image data corresponding to the basic signal data in FIG. 3 among all the original image data Ia and Ib. That is, in FIG.
  • the basic image data BI1 represents a portion of the original image data constructed based on the basic signal data BS1, and each of the basic image data BI2 is constructed based on each of the basic signal data BS2.
  • a portion of original image data is represented, and basic image data BI3 represents a portion of original image data constructed based on basic signal data BS3.
  • partial image data is set as signal data representing each divided region for each divided region.
  • the basic image data that is, the basic signal data
  • the original image data is related to the divided area.
  • the basic image data that is, basic signal data
  • the plurality of original image data that is, original signal data
  • the data calculated based on is set as partial image data for the divided area.
  • a method for calculating new data based on a plurality of original image data is performed, for example, by taking an addition average or a weighted average of the original image data. At this time, the difference in luminance of the original image data based on the difference in sensitivity of the detection elements is appropriately adjusted.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of a process for generating recombinant image data based on the basic image data selected as shown in FIG. 10 (that is, the basic signal data selected as shown in FIG. 3).
  • the basic image data BI1 for the divided region is composed of the second original image data resulting from one detection element (that is, the high-frequency detection element), so The original image data 2 is set as partial image data PI1 as it is.
  • the selected first original image data is set as the partial image data PI3 as it is.
  • the basic image data BI2 for the divided region is the first original image data and the second original image data resulting from a plurality of detection elements (that is, the low frequency detection element and the high frequency detection element). Therefore, data calculated based on the plurality of original image data is set as the partial image data PI2.
  • the partial image data set for each divided region are combined with each other, thereby generating the recombinant image data X for each channel.
  • necessary correction processing such as luminance correction and smoothing together so that the partial image data are smoothly connected.
  • the photoacoustic image generation apparatus and the photoacoustic image generation method according to the present embodiment also extract a necessary part from all original signal data according to the measurement purpose or measurement condition, and based on the part. A photoacoustic image can be generated. Therefore, the present embodiment has the same effect as the first embodiment.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of the photoacoustic image generation apparatus 10 of the present embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in that an ultrasonic image is generated in addition to the photoacoustic image. Therefore, a detailed description of the same components as those in the first embodiment will be omitted unless particularly necessary.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10 of this embodiment includes a probe 11, an ultrasonic unit 12, a laser unit 13, an image display unit 14, and an input unit 16 as in the first embodiment.
  • the ultrasonic unit 12 of the present embodiment includes a transmission control circuit 33, a data separation unit 34, an ultrasonic image reconstruction unit 35, a detection / logarithm conversion unit 36, And an ultrasonic image constructing means 37.
  • 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.
  • the detection element array 20 may be used, or a new transducer array separately provided in the probe 11 for transmitting and receiving ultrasonic waves may be used.
  • transmission and reception of ultrasonic waves may be separated. For example, ultrasonic waves may be transmitted from a position different from the probe 11, and reflected ultrasonic waves with respect to the transmitted ultrasonic waves may be received by the probe 11.
  • the trigger control circuit 30 sends an ultrasonic transmission trigger signal for instructing ultrasonic transmission to the transmission control circuit 33 when generating an ultrasonic image.
  • the transmission control circuit 33 Upon receiving this trigger signal, 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 30 sends a sampling trigger signal to the AD conversion means 22 in synchronization with the timing of ultrasonic transmission, and starts sampling of reflected ultrasonic waves.
  • the AD conversion means 22 stores the reflected ultrasonic sampling signal in the reception memory 23. Either sampling of the photoacoustic signal or sampling of the reflected ultrasonic wave may be performed first.
  • the data separating means 34 separates the photoacoustic signal sampling signal and the reflected ultrasonic sampling signal stored in the reception memory 23.
  • the data separation unit 34 inputs a sampling signal of the separated photoacoustic signal to the photoacoustic image reconstruction unit 24.
  • the generation of the photoacoustic image is the same as that in the first embodiment.
  • the data separation unit 34 inputs the separated reflected ultrasound sampling signal to the ultrasound image reconstruction unit 35.
  • the ultrasonic image reconstruction unit 35 generates data of each line of the ultrasonic image based on the reflected ultrasonic waves (its sampling signals) detected by the plurality of detection elements of the probe 11. For the generation of the data of each line, a delay addition method or the like can be used as in the generation of the data of each line in the photoacoustic image reconstruction means 24.
  • 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 image composition 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 14. It is also possible to display the photoacoustic image and the ultrasonic image side by side on the image display means 14 without performing image synthesis, or to switch between the photoacoustic image and the ultrasonic image.
  • the photoacoustic image generation apparatus also has the same effect as that of the first embodiment.
  • the photoacoustic image generation apparatus of the present embodiment generates an ultrasonic image in addition to the photoacoustic image. Therefore, by referring to the ultrasonic image, a portion that cannot be imaged in the photoacoustic image can be observed.

Abstract

光音響画像生成装置において、低周波用検出素子、高周波用検出素子および音響画像生成手段を備え、画像化領域の深さ方向に沿った分割領域ごとに、光音響画像の生成に際し使用される基礎信号データを、低周波用検出素子によって検出された信号データである第１の原信号データおよび高周波用検出素子によって検出された信号データである第２の原信号データの中から選択し、基礎信号データに基づいて光音響画像を生成する。

Description

光音響画像生成装置および光音響画像生成方法
　本発明は、光の照射に起因して発生した光音響波に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置および光音響画像生成方法に関するものである。
　光音響分光法は、所定の波長（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を有する光を被検体に照射し、被検体内の特定物質がこの光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。このように光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Photo
Acoustic Tomography）と呼ばれる。このような光音響イメージングは、例えば生体組織内の血管を画像化する用途で利用されることが多い（例えば特許文献１）。
特開２０１０－１２２９５号公報
　例えば生体組織内の血管を画像化する場合において、画像化の対象部位の表面近傍では、太い血管は表面からの目視でも観察可能なため細い血管をより鮮明に画像化したいという要望や、深部では、細い血管の観察よりも一定の太さ以上の血管を確実に画像化したいという要望がある。
　本発明は上記要望に応えてなされたものであり、光音響イメージングにおいて、従来に比して光音響画像をより好適化することを可能とする光音響画像生成装置および光音響画像生成方法を提供することを目的とするものである。
　上記課題を解決するために、本発明に係る光音響画像生成装置は、
　被検体への測定光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波に基づいて、被検体内の所定の画像化領域についての光音響画像を生成する光音響画像生成装置において、
　低周波用検出素子と
　低周波用検出素子の検出帯域よりも高周波側に検出帯域を有する高周波用検出素子と、
　低周波用検出素子によって検出された光音響波の信号データである第１の原信号データおよび高周波用検出素子によって検出された光音響波の信号データである第２の原信号データに基づいて光音響画像を生成する音響画像生成手段とを備え、
　音響画像生成手段が、
　画像化領域の深さ方向に沿って原信号データの範囲を分割した際の分割領域ごとに、光音響画像の生成に際し使用される基礎信号データを第１の原信号データおよび第２の原信号データの中から選択し、
　基礎信号データに基づいて光音響画像を生成するものであることを特徴とするものである。
　そして、本発明に係る光音響画像生成装置において、音響画像生成手段は、使用される原信号データが第２の原信号データのみである分割領域が存在するように基礎信号データを選択するものとすることができる。この場合において、音響画像生成手段は、最表の分割領域において第２の原信号データのみが使用されるように基礎信号データを選択するものとすることができる。
　また、本発明に係る光音響画像生成装置において、音響画像生成手段は、使用される原信号データが第１の原信号データのみである分割領域が存在するように基礎信号データを選択するものとすることができる。この場合において、音響画像生成手段は、最深の分割領域において第１の原信号データのみが使用されるように基礎信号データを選択するものとすることができる。
　また、最深の分割領域において第１の原信号データのみが使用される場合において、分割領域が３つ以上であり、音響画像生成手段が、最表の分割領域において第２の原信号データのみが使用され、最表および最深の分割領域以外の分割領域において第１の原信号データおよび第２の原信号データが使用されるように、基礎信号データを選択するものである構成とすることができる。
　或いは、最深の分割領域において第１の原信号データのみが使用される場合において、分割領域が３つ以上であり、音響画像生成手段が、最深の分割領域以外の分割領域において第１の原信号データおよび第２の原信号データが使用されるように基礎信号データを選択するものである構成とすることができる。
　また、本発明に係る光音響画像生成装置において、低周波用検出素子は無機系の圧電素子であり、高周波用検出素子は、有機系の圧電素子であって、その検出帯域が低周波用検出素子の検出帯域と重なる圧電素子であることが好ましい。
　また、本発明に係る光音響画像生成装置において、音響画像生成手段は、分割領域ごとに、分割領域についての基礎信号データが、１つの検出素子によって検出された原信号データから構成される場合には、当該原信号データを当該分割領域についての部分信号データとして設定し、分割領域についての基礎信号データが、複数の検出素子によって検出された複数の原信号データから構成される場合には、当該複数の原信号データに基づいて算出されたデータを当該分割領域についての部分信号データとして設定し、各分割領域についての部分信号データを互いに結合して得られた組換え信号データに基づいて光音響画像を生成するものであることが好ましい。
　或いは、本発明に係る光音響画像生成装置において、音響画像生成手段は、各検出素子によって検出された各原信号データに基づいて原画像データをそれぞれ構築し、分割領域ごとに、分割領域についての基礎信号データが、１つの検出素子によって検出された原信号データから構成される場合には、当該原信号データに基づく原画像データを当該分割領域についての部分画像データとして設定し、分割領域についての基礎信号データが、複数の検出素子によって検出された複数の原信号データから構成される場合には、当該複数の原信号データそれぞれに基づく原画像データに基づいて算出されたデータを当該分割領域についての部分画像データとして設定し、各分割領域についての部分画像データを互いに結合して得られた組換え画像データに基づいて光音響画像を生成するものであることが好ましい。
　また、本発明に係る光音響画像生成装置において、音響画像生成手段は、画像生成の対象部位および／または検出素子の性能に応じて基礎信号データの選択方法を変更するものであることが好ましい。
　また、本発明に係る光音響画像生成装置において、検出素子の少なくともいずれかが、被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、音響画像生成手段が、反射超音波の超音波信号データに基づいて超音波画像を生成するものである構成とすることもできる。
　また、本発明に係る光音響画像生成装置において、低周波用検出素子および高周波用検出素子は、高周波用検出素子が検出面側となるように積層されたものであることが好ましい。
　本発明に係る光音響画像生成方法は、
　被検体への測定光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波に基づいて、被検体内の所定の画像化領域についての光音響画像を生成する光音響画像生成方法において、
　低周波用検出素子と低周波用検出素子の検出帯域よりも高周波側に検出帯域を有する高周波用検出素子とのそれぞれによって光音響波の信号データを検出し、
　画像化領域の深さ方向に沿って信号データの範囲を分割した際の分割領域ごとに、光音響画像の生成に際し使用される基礎信号データを、低周波用検出素子によって検出された上記信号データである第１の原信号データおよび高周波用検出素子によって検出された上記信号データである第２の原信号データの中から選択し、
　基礎信号データに基づいて光音響画像を生成することを特徴とするものである。
　そして、本発明に係る光音響画像生成方法において、使用される原信号データが第２の原信号データのみである分割領域が存在するように基礎信号データを選択することができる。この場合において、最表の分割領域において第２の原信号データのみが使用されるように基礎信号データを選択することができる。
　また、本発明に係る光音響画像生成方法において、使用される原信号データが第１の原信号データのみである分割領域が存在するように基礎信号データを選択することができる。この場合において、最深の分割領域において第１の原信号データのみが使用されるように基礎信号データを選択することができる。
　本発明に係る光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、画像化領域の深さ方向に沿った分割領域ごとに、光音響画像生成に際し使用される基礎信号データを第１の原信号データおよび第２の原信号データの中から選択し、この基礎信号データに基づいて光音響画像を生成するものである。したがって、全ての原信号データの中から計測目的或いは計測条件に応じて必要な部分を抽出し、当該部分に基づいて光音響画像を生成することができる。例えば、感度が重視される分割領域では第１の原信号データ（つまり、低周波用検出素子によって検出された信号量の多い低周波成分を含む原信号データ）に基づいて画像を生成し、分解能が重視される分割領域では第２の原信号データ（つまり、高周波用検出素子によって検出された高周波成分を含む原信号データ）に基づいて画像を生成した場合には、感度および／または分解能の観点から光音響画像の好適化が可能となる。この結果、光音響イメージングにおいて、従来に比して光音響画像をより好適化することが可能となる。
第１の実施形態の光音響画像生成装置の構成を示すブロック図である。 画像化領域の分割態様の例を示す概略図である。 分割領域ごとに、全原信号データから実際に使用される原信号データ（基礎信号データ）を選択する態様の例を示す概略図である。 原信号データを選択する態様の他の例を示す概略図である。 組換え信号データを生成する工程の例を示す概略図である。 組換え信号データを生成するための回路の例を示す概略図である。 ある対象物質から発生した光音響波の周波成分強度を示すグラフである。 第２の実施形態の光音響画像生成装置の構成を示すブロック図である。 原画像データを生成する工程を示す概略図である。 分割領域ごとに、全原画像データから実際に使用される原画像データ（基礎画像データ）を選択する態様の例を示す概略図である。 組換え画像データを生成する工程の例を示す概略図である。 第３の実施形態の光音響画像生成装置の構成を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
　「第１の実施形態」
　まず、光音響画像生成装置および方法の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の構成を示すブロック図である。
　本実施形態の光音響画像生成装置１０は、図１に示されるように、低周波用検出素子および高周波用検出素子を有するプローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４および入力手段１６を備える。
　また、本実施形態の光音響画像生成方法は、上記装置１０を用いて、プローブ１１によって光音響波の原信号データを検出し、画像化領域の分割領域のうち、感度が重視される分割領域においては低周波用検出素子によって検出された第１の原信号データが使用され、分解能が重視される分割領域においては高周波用検出素子によって検出された第２の原信号データが使用されるように、分割領域ごとに、光音響画像の生成に際し使用される基礎信号データを原信号データから選択し、基礎信号データに基づいて光音響画像を生成するものである。
　＜プローブ＞
　プローブ１１は、検出素子アレイ２０、光ファイバ４０、導光板４２および筺体４４から構成される。プローブ１１は、レーザユニット１３からのレーザ光Ｌを被検体Ｍに照射して、光音響効果によって被検体Ｍ内に発生する光音響波Ｕを検出素子アレイ２０によって検出するものである。例えば、光音響画像のボリュームデータを生成する際には、プローブ１１が走査される。
　＜検出素子アレイ＞
　検出素子アレイ２０は、例えば、複数の低周波用検出素子からなる低周波用素子アレイと、複数の高周波用検出素子からなる高周波用素子アレイとから構成される。低周波用検出素子は、低周波数の音響波信号の検出に対して好適な圧電素子である。低周波用検出素子は、例えば検出帯域の中心周波数が０～１０ＭＨｚの範囲となるように調整されることが好ましい。このような検出素子としては、無機系の圧電素子を使用することができ、特にジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックスを利用した圧電素子を使用することが好ましい。一方、高周波用検出素子は、低周波用検出素子の検出帯域よりも高い周波数の音響波信号の検出が可能な圧電素子である。高周波用検出素子は、例えば検出帯域が１０ＭＨｚ以上の範囲を含むように、より好ましくは検出帯域の中心周波数が１５～２５ＭＨｚの範囲となるように調整されることが好ましい。このような検出素子としては、有機系の圧電素子を使用することができ、特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子フィルムを利用した圧電素子を使用することが好ましい。一般的に、無機系の圧電素子は検出感度の点で優れており、有機系の圧電素子は検出帯域が広帯域である点で優れている。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは振動子の振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。
　低周波用検出素子および高周波用検出素子のそれぞれの検出帯域は重なってもよい。なお、それらの検出帯域が重なる場合には、高周波用検出素子によって検出された信号をハイパスフィルタに通すことにより、当該信号から高周波成分を抽出することができる。ハイパスフィルタ処理を行う工程は、例えば、後述する受信メモリ２３に記憶する前に、データ組換え手段２６におけるデータの組換え段階で、或いは光音響画像を構築した後に、行われる。
　低周波用素子アレイおよび高周波用素子アレイは、それぞれ低周波用検出素子および高周波用検出素子が１次元的または２次元的に配列したものである。低周波用素子アレイおよび高周波用素子アレイは、それぞれの検出面が滑らかに接続されるように並列して配置されてもよいし、積層されてもよい。低周波用素子アレイおよび高周波用素子アレイが積層される場合には、高周波用素子アレイが被検体側となることが好ましい。また、高周波用素子アレイは、種類（特に検出帯域）の異なるものが複数あってもよい。検出素子アレイ２０によって検出された音響波信号は超音波ユニット１２の受信回路２１に出力される。検出素子アレイ２０には、音響整合層、音響レンズおよび音響カプラ等の音響素子を設けてもよい。
　＜光ファイバ＞
　光ファイバ４０は、レーザ光Ｌを出力するレーザユニット１３に光学的に接続されており、本実施形態ではレーザ光Ｌを導光板４２まで導光する。光ファイバ４０は導光板４２の入射面に接続されている。光ファイバ４０は、特に限定されず、石英ファイバ等の公知のものを使用することができる。光ファイバは１本でもよいが、光エネルギーの伝送量を増やすために、複数の光ファイバを使用することが好ましい。例えば、光ファイバとしてバンドルファイバを使用することもできる。
　＜導光板＞
　導光板４２は、例えばアクリル板や石英板の表面に特殊な加工を施して、一方の端面から入れた光を他方の端面から均一に面発光させる板である。光ファイバ４０および導光板４２によって、レーザユニット１３から出力されたレーザ光Ｌが被検体の計測対象部位まで導光される。図１に示されるように、本実施形態では２つの導光板４２が、検出素子アレイ２０を挟んで対向するように配置されており、それぞれの導光板４２に光ファイバ４０が例えば２本ずつ接続されている。さらに、光ファイバ４０と接続される導光板４２の部分は、光エネルギーによる破損を回避するために、ガラス材料で形成されることが好ましい。一方、その他の部分は、例えばアクリル等の樹脂材料で形成される。
　＜レーザユニット＞
　レーザユニット１３は、例えばレーザ光Ｌを、被検体Ｍに照射する測定光として出力する。レーザユニット１３は、例えば、制御手段２９からのトリガ信号を受けてレーザ光Ｌを出力するように構成されている。レーザユニット１３が出力するレーザ光Ｌ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Ｍに照射される。レーザユニット１３は、レーザ光として１～１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。
　例えば本実施形態では、レーザユニット１３は、Ｑスイッチ（Ｑｓｗ）アレキサンドライトレーザである。この場合、レーザ光Ｌのパルス幅は、例えばＱｓｗによって制御される。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。例えば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、一般的にはその波長は近赤外波長域に属する波長であることが好ましい。近赤外波長域とはおよそ７００～８５０ｎｍの波長域を意味する。しかしながら、レーザ光Ｌの波長は当然これに限られるものではない。
　また、レーザ光Ｌは、単波長でもよいし、複数の波長（例えば７５０ｎｍおよび８００ｎｍ）を含んでもよい。さらに、レーザ光Ｌが複数の波長を含む場合には、これらの波長の光は、同時に被検体Ｍに照射されてもよいし、交互に切り替えられながら照射されてもよい。レーザ光Ｌが複数の波長を含む場合において、その波長の組合せは、計測対象の吸収物質のそれぞれの波長に対する吸収係数が異なるように選択されれば、どのような組み合わせでもよい。このような波長選択により、例えば動脈と静脈を区別するなどの機能的な計測が可能となる。例えば動脈と静脈を区別して画像化する場合には、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの等吸収点（約７９８ｎｍ）近傍の波長を有する光（７９３～８０２ｎｍ）と、脱酸素化ヘモグロビンの吸収ピーク波長（約７５７ｎｍ）近傍の波長を有する光（７４８～７７０ｎｍ）とを選択することが好ましい。
　＜超音波ユニット＞
　超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、選択方法指定手段２５、データ組換え手段２６、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、制御手段２９、画像合成手段３８および観察方式選択手段３９を有する。超音波ユニット１２が本発明における音響画像生成手段に相当する。
　制御手段２９は、光音響画像生成装置１０の各部を制御するものであり、本実施形態ではトリガ制御回路３０を備える。トリガ制御回路３０は、例えば光音響画像生成装置の起動の際に、レーザユニット１３に光トリガ信号を送る。これによりレーザユニット１３で、フラッシュランプが点灯し、レーザロッドの励起が開始される。そして、レーザロッドの励起状態は維持され、レーザユニット１３はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。
　そして、制御手段２９は、その後トリガ制御回路３０からレーザユニット１３へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御手段２９は、このＱｓｗトリガ信号によってレーザユニット１３からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御している。また本実施形態では、制御手段２９は、Ｑｓｗトリガ信号の送信と同時にサンプリングトリガ信号をＡＤ変換手段２２に送信する。サンプリングトリガ信号は、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングの開始タイミングの合図となる。このように、サンプリングトリガ信号を使用することにより、レーザ光の出力と同期して光音響信号をサンプリングすることが可能となる。
　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。受信回路２１で受信された光音響信号はＡＤ変換手段２２に送信される。
　ＡＤ変換手段２２は、サンプリング手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。例えば、ＡＤ変換手段２２は、サンプリング制御部およびＡＤ変換器を有する。受信回路２１によって受信された受信信号は、ＡＤ変換器によってデジタル化されたサンプリング信号に変換される。ＡＤ変換器は、サンプリング制御部によって制御されており、サンプリング制御部がサンプリングトリガ信号を受信したときに、サンプリングを開始するように構成されている。ＡＤ変換手段２２は、例えば外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で受信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波の原信号データ（つまり上記サンプリング信号）を記憶する。なお、低周波用検出素子によって検出された原信号データ（第１の原信号データ）および高周波用検出素子によって検出された原信号データ（第２の原信号データ）は、それぞれ別個に記憶される。そして、受信メモリ２３は、プローブ１１によって検出されたこれらの原信号データを光音響画像再構成手段２４に出力する。
　光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から原信号データを読み出し、プローブ１１の検出素子アレイ２０で検出された原信号データを再構成する。具体的には光音響画像再構成手段２４は、例えばプローブ１１の６４個の検出素子からのデータを、検出素子の位置に応じた遅延時間で加算し、１チャンネル分の信号データを生成する（遅延加算法）。１チャンネル分の信号データは、使用する検出素子の範囲が少しずつずらされながらチャンネル（或いは走査ライン）ごとに生成される。このように再構成された信号データは、そのチャンネルの走査ライン上における信号を表示するものとなり、時間軸はそのチャンネルの走査ライン上における深さに対応するようになる。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。原信号データの再構成は、チャンネルごと、かつ、第１の原信号データおよび第２の原信号データごとに実施される。再構成された第１の原信号データおよび第２の原信号データはデータ組換え手段２６に出力される。
　選択方法指定手段２５は、再構成された第１の原信号データおよび第２の原信号データ（つまり全原信号データ）の中から、光音響画像の生成に実際に使用されるデータ（基礎信号データ）を選択する方法を指定する。基礎信号データを選択する際の判断基準は、本発明において主に２つに分けられ、１つは画像化領域の深さに応じた分割の仕方であり、もう１つはその分割領域ごとにどの原信号データが使用されるか否かである。
　画像化領域の分割は、図２に示されるように、その深さ方向Ｄに沿って行われ、分割数および各分割領域の深さ幅は、計測目的（対象部位やその構造など）および計測条件（検出素子アレイ２０の性能、検出素子の感度およびレーザ光の強度など）に応じて適宜設定される。または、当該装置の使用者が、分割数および各分割領域の深さ幅を手動で設定してもよい。図２は、画像化領域の分割態様の例を示す概略図である。図２では、検出素子アレイ２０は低周波用素子アレイ２０ａと高周波用素子アレイ２０ｂとによって構成されている。例えば、図２では、画像化領域Ｒが３つの分割領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３に分割された様子を示している。検出素子アレイ２０の性能に応じて画像化領域を分割する場合には、例えば、所定の測定光強度に対する高周波用検出素子の検出限界深さをＡ、低周波用検出素子の検出限界深さをＢとして、深さが、０以上Ａ／２未満の領域、Ａ／２以上Ａ未満の領域およびＡ以上Ｂ未満の領域をそれぞれ分割領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３とすることができる。
　分割領域ごとにどの原信号データが使用されるか否かについても、計測目的および計測条件に応じて適宜設定される。または、この点についても当該装置の使用者が手動で設定してもよい。特に本実施形態では、感度および／または分解能の観点から、分割領域のうち、感度が重視される分割領域においては第１の原信号データが使用され、分解能が重視される分割領域においては第２の原信号データが使用される。つまり、これにより、感度が重視される分割領域では第１の原信号データ（つまり、低周波用検出素子によって検出された信号量の多い低周波成分を含む原信号データ）に基づいて画像が生成され、分解能が重視される分割領域では第２の原信号データ（つまり、高周波用検出素子によって検出された高周波成分を含む原信号データ）に基づいて画像が生成される。
　図３は、分割領域ごとに、再構成後の全原信号データから実際に使用される原信号データを選択する態様の例を示す概略図である。図３におけるＲ１、Ｒ２およびＲ３は、図２におけるＲ１、Ｒ２およびＲ３に対応しており、この対応関係は、レーザ光の照射のタイミング、被検体内を伝搬する光音響波の音速、および、音響波信号の検出を開始してからの時間等により決められる。図３のＡはある１つのチャンネルに関する再構成後の第１の原信号データＳａを表し、図３のＢはある１つのチャンネルに関する再構成後の第２の原信号データＳｂを表し、ｔ０～ｔ３は各分割領域を規定する受信時刻を表す。なお、各グラフにおいて、横軸は時間ｔ（深さｄ）、縦軸は信号強度Ｉである。例えば、図３では、一番浅い位置にある分割領域Ｒ１では第２の原信号データを当該分割領域における基礎信号データＢＳ１として選択し、次に深い位置にある分割領域Ｒ２では第１の原信号データおよび第２の原信号データを当該分割領域における基礎信号データＢＳ２として選択し、最も深い位置にある分割領域Ｒ３では第１の原信号データを当該分割領域における基礎信号データＢＳ３として選択する場合を示している。つまり、分割領域Ｒ１では第１の原信号データは選択されず、分割領域Ｒ３では第２の原信号データは選択されない。このように、最表の分割領域において第２の原信号データのみが使用され、最深の分割領域において第１の原信号データのみが使用されるように基礎信号データを選択した場合には、浅い分割領域Ｒ１では高分解能で、深い分割領域Ｒ３では高感度で、光音響画像を生成することができる。なお、第１の原信号データ「のみ」が使用されるとは、全原信号データのうち第１の原信号データのみが使用されることを意味する。このような基礎信号データの選択方法は、例えば皮膚下の細かな血管分布を観察する場合に有効である。
　基礎信号データの選択方法は、上記の場合に限られず、第２の原信号データのみが使用される分割領域は必ずしも最表部である必要はなく、第１の原信号データのみが使用される分割領域は必ずしも最深部である必要はない。すなわち、光音響画像生成装置１０は、使用される原信号データが第１の原信号データおよび第２の原信号データのいずれかのみである分割領域が少なくとも１つ存在するように全原信号データから選択された一部の信号データ（基礎信号データ）に基づいて、光音響画像を生成する。
　例えば、表面から少し離れた領域を高分解能で画像化したい場合には、図４に示されるように、一番浅い位置にある分割領域Ｒ１では第１の原信号データ（図４のＡ）および第２の原信号データ（図４のＢ）を当該分割領域における基礎信号データＢＳ１として選択し、次に深い位置にある分割領域Ｒ２では第２の原信号データを当該分割領域における基礎信号データＢＳ２として選択し、最も深い位置にある分割領域Ｒ３では第１の原信号データを当該分割領域における基礎信号データＢＳ３として選択することができる。このような基礎信号データの選択方法は、例えば、表面部分に形成された水腫等の裏側を詳細に観察する場合、腫瘍の裏側の血管を中心に観察する場合、およびマンモアダプタをプローブの先端に装着してその下部の細かな血管分布を観察する場合に有効である。
　また、図４において、分割領域Ｒ２で、第１の原信号データおよび第２の原信号データを当該分割領域における基礎信号データＢＳ２として選択してもよい。
　また、分割態様は、例えば図４における分割領域Ｒ２をさらに複数に分割したような態様でもよい。この場合、分割領域Ｒ２内の新たな分割領域では、例えば浅いほど第２の原信号データが重視されるような加重係数を設定することもできる。
　上記の基礎信号データの選択方法を踏まえ、例えば皮膚を画像化する場合には、皮膚下の毛細血管の分布を考慮して、深さが０ｍｍ以上５ｍｍ未満では第２の原信号データを選択し、深さが５ｍｍ以上１０ｍｍ未満では第１の原信号データおよび第２の原信号データを選択し、深さが１０ｍｍ以上では第１の原信号データを選択する選択態様が考えられる。
　また、種類の異なる高周波用素子アレイが複数ある場合には、それらによって検出された複数の第２の原信号データおよび第１の原信号データのうち少なくとも１つが、同じ分割領域から選択されていればよい。
　選択方法指定手段２５は、画像生成の対象部位および／または検出素子の性能に応じて基礎信号データの選択方法を変更する構成とすることができる。例えば、使用者が入力手段１６を使用し入力した対象部位および／または検出素子の情報に応じて、選択方法指定手段２５が、選択方法をデフォルトの設定態様からその入力情報に適した選択態様へ自動的に更新するように構成される。また、選択方法指定手段２５が、対象部位および／または検出素子の情報を自動的に検出するようにしてもよい。
　データ組換え手段２６は、選択方法指定手段２５により指定された選択方法に基づいて再構成後の全原信号データの中から基礎信号データを選択し、基礎信号データに基づいて分割領域ごとに部分信号データを設定し、その部分信号データに基づいてチャンネルごとに組換え信号データを生成する。組換え信号データの生成工程は、部分信号データの設定工程および部分信号データの結合工程から主に構成され、例えば以下のように行われる。
　まず部分信号データの設定工程では、分割領域ごとに、各分割領域を代表する信号データとして部分信号データが設定される。分割領域についての基礎信号データが、１つの検出素子によって検出された原信号データから構成される場合には、当該原信号データが当該分割領域についての部分信号データとして設定される。一方、分割領域についての基礎信号データが、複数の検出素子によって検出された複数の原信号データから構成される場合には、当該複数の原信号データに基づいて算出されたデータが当該分割領域についての部分信号データとして設定される。複数の原信号データに基づいて新たなデータを算出する方法は、例えばそれらの原信号データの加算平均や加重平均をとることにより行われる。このとき、検出素子の感度の違いに基づく原信号データの強度の違いは適宜調整しておく。
　図５は、図３のように選択された基礎信号データに基づく組換え信号データを生成する工程の例を示す概略図である。例えば、図５の分割領域Ｒ１では、分割領域についての基礎信号データＢＳ１が、１つの検出素子（つまり高周波用検出素子の１種）によって検出された再構成後の第２の原信号データから構成されるため、選択された第２の原信号データをそのまま部分信号データＰＳ１として設定している。分割領域Ｒ３でも同様に、選択された再構成後の第１の原信号データがそのまま部分信号データＰＳ３として設定されている。一方、分割領域Ｒ２では、分割領域についての基礎信号データＢＳ２が、複数の検出素子（つまり低周波用検出素子および高周波用検出素子の２種）によって検出された再構成後の第１の原信号データおよび第２の原信号データから構成されるため、当該複数の原信号データに基づいて算出されたデータが部分信号データＰＳ２として設定されている。なお、種類の異なる高周波用素子アレイが複数ある場合には、それぞれを別個の検出素子として考慮する。
　次に部分信号データの結合工程では、図５に示されるように、分割領域ごとに設定された部分信号データＰＳ１，ＰＳ２およびＰＳ３が互いに結合されることにより、チャンネルごとに組換え信号データＣＳが生成される。組換え信号データＣＳの時間軸は、再構成後の全原信号データの一部を分割領域ごとに取捨選択することにより生成されたものであるから、これらの原信号データと同様に、そのチャンネルの深さに対応する。部分信号データの結合の際には、各部分信号データが滑らかに接続されるように、強度補正やスムージング等の必要な補正処理を併せて行うことが好ましい。
　組換え信号データの生成において、信号処理回路としては例えば次のような回路を採用することができる。図６は、組換え信号データを生成するための回路の例を示す概略図である。当該回路には、第２の原信号データＳｂが入力される端子５０、第１の原信号データＳａおよび第２の原信号データＳｂが入力される端子５１、第１の原信号データＳａが入力される端子５２、および各端子と図示しないメモリとを順次接続するスイッチ５３が設けられている。図６において、第１の原信号データＳａおよび第２の原信号データＳｂは同時に読み出され、第１の原信号データＳａは端子５１および端子５２に出力され、第２の原信号データＳｂは端子５０および端子５１に出力される。そして、スイッチ５３は、各分割領域の部分信号データＰＳ１、ＰＳ２およびＰＳ３を信号出力の経過時間に合わせて、接続先の端子を適時に切り替える。具体的には、ｔ＝ｔ０からｔ１まではスイッチ５３は端子５０へ接続され（図６のＡ）、ｔ＝ｔ１からｔ２まではスイッチ５３は端子５１へ接続され（図６のＢ）、ｔ＝ｔ２からｔ３まではスイッチ５３は端子５２へ接続される（図６のＣ）。したがって、ｔ＝ｔ０からｔ１までは第２の原信号データＳｂが当該分割領域の部分信号データＰＳ１としてメモリに保存され、ｔ＝ｔ１からｔ２までは第１の原信号データＳａおよび第２の原信号データＳｂの加算信号データが当該分割領域の部分信号データＰＳ２としてメモリに保存され、ｔ＝ｔ２からｔ３までは第１の原信号データＳａが当該分割領域の部分信号データＰＳ３としてメモリに保存される。その後、当該メモリ内で、必要な補正処理が行われたこれらの信号データが時系列に沿って結合されることにより、組換え信号データＣＳが生成される。
　その後、各チャンネルの組換え信号データは検波・対数変換手段２７に出力される。
　検波・対数変換手段２７は、各チャンネルの組換え信号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２８は、対数変換が施された各チャンネルの組換え信号データＣＳに基づいてチャンネルごとの組換え画像データＸを生成し（図５）、さらにこれらの組換え画像データＸを結合することにより１フレーム分の光音響画像を構築する。光音響画像構築手段２８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画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像を構築する。
　観察方式選択手段３９は、光音響画像の表示態様を選択するものである。光音響信号についてのボリュームデータの表示態様としては、例えば三次元画像としての態様、断面画像としての態様および所定の軸上のグラフとしての態様が挙げられる。いずれの態様によって表示するかは、初期設定或いは使用者による入力手段１６からの入力に従って選択される。
　画像合成手段３８は、順次取得された光音響信号を使用して、ボリュームデータを生成する。ボリュームデータの生成は、それぞれの光音響信号の信号値を、光音響画像のフレームごとに関連付けられた座標および光音響画像中の画素座標に従って、仮想空間に割り当てることにより行う。例えば、Ｑｓｗトリガ信号が送信された時の座標、実際に光が出力された時の座標、および光音響信号のサンプリングが開始された時の座標等が光音響画像の１フレームごとに関連付けられる。信号値を割り当てる際に、割り当てる場所が重複する場合には、その重複する場所の信号値として例えばそれらの信号値の平均値またはそれらのうちの最大値が採用される。また、必要に応じて、割り当てられる信号値がない場合には、その周辺の信号値を用いて補間することが好ましい。補間は、例えば、最近接点から順に４つの近接点の重み付き平均値を補間場所に割り当てることにより行う。これにより、より自然な形のボリュームデータを生成することができる。さらに、画像合成手段３８は、生成されたボリュームデータに必要な処理（例えばスケールの補正およびボクセル値に応じた色付け等）を施す。
　画像表示手段１４は、画像合成手段３８によって生成されたボリュームデータに基づいた表示画像を表示するものである。
　以下作用効果を説明する。本実施形態の光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、分割領域のうち、感度が重視される分割領域においては低周波用検出素子によって検出された第１の原信号データが使用され、分解能が重視される分割領域においては高周波用検出素子によって検出された第２の原信号データが使用されるように、分割領域ごとに、光音響画像の生成の際に使用される基礎信号データを原信号データから選択し、この基礎信号データに基づいて光音響画像を生成するものである。したがって、感度が重視される分割領域では第１の原信号データ（つまり、低周波用検出素子によって検出された信号量の多い低周波成分を含む原信号データ）に基づいて画像が生成され、分解能が重視される分割領域では第２の原信号データ（つまり、高周波用検出素子によって検出された高周波成分を含む原信号データ）に基づいて画像が生成される。
　図３に示される基礎信号データの選択方法に基づいて、例えば最表の分割領域Ｒ１で高周波成分の信号データのみを使用すれば、計測対象の表面近傍を高分解能で画像化が可能となる。特に、生体組織の表面を画像化する場合には、高周波成分の信号の多くは細い血管に起因するものが多いため、高周波成分の信号データのみを使用して画像化を行えば、細い血管が強調された光音響画像を生成することができる。
　また、低周波成分も検出可能な高周波用検出素子（例えば有機系の圧電素子）を用い、図３に示される基礎信号データの選択方法に基づいて、例えば最表の分割領域Ｒ１で高周波成分および低周波成分の信号データの両方を使用した場合、次のような効果もある。図７は、ある対象物質から発生した光音響波の周波成分強度を示すグラフである。このグラフから、光音響波には０～１０ＭＨｚ程度の低周波成分が、１０ＭＨｚ以上の高周波成分よりも多く含まれていることがわかる。一般的に、被検体内の光音響波はその伝搬と共に減衰することが知られているが、被検体表面で発生した光音響波は強度が強いまま検出素子に到達することとなる。このような場合、表面で発生した光音響波の低周波成分を検出感度の高い検出素子で検出すると、受信信号の強度が飽和レベルに達してしまい、受信信号を適切に検出することができないという問題がある。そこで、本実施形態のように、最表の分割領域Ｒ１において、低周波帯域の感度が比較的低い高周波用検出素子によって検出した第２の原信号データを使用して画像化を行えば、受信信号の強度が飽和レベルに達することなく、受信信号を適切に検出することができる。
　このように本発明によれば、全ての原信号データの中から計測目的或いは計測条件に応じて必要な部分を抽出し、当該部分に基づいて光音響画像を生成することができるから、従来に比して光音響画像をより好適化することが可能となる。
　なお、本発明の技術分野と異なる分野であるが、日本国特許公開公報　特開２００４－２０８９１８号において、基本波用の検出素子としてＰＺＴ素子を使用し、かつ高調波用の検出素子としてＰＶＤＦ素子を使用して、ハーモニック画像を生成する技術が開示されている。上記文献では、ＰＺＴ素子による受信信号およびＰＶＤＦ素子による受信信号を独立して調整する旨の記載があるが（例えば上記文献の段落００３０～００３５）、上記文献と本発明とでは、技術的思想が根本的に異なる。
　具体的には、本発明の技術的思想は、複数の検出素子による原信号データを組み替える、言い換えれば、全原信号データの中から光音響画像の生成に必要な部分のみを切り出すことである。したがって本発明では、光音響画像の生成に供しない信号データに対してはそもそも画像表示に際し信号処理が行われない。一方、上記文献の技術的思想は、画像の画質調整の観点から全信号データを使用した上で受信信号のゲインを調整して、高調波成分を基本波成分に対して適切な信号強度にすることである（例えば上記文献の段落００４１～００４３）。上記文献の段落００３５には、高調波成分の受信信号に対するゲインをゼロにする旨の記載があるが、ゲインをゼロにして高調波成分をゼロと見積もったとしても、ゼロという信号強度のデータを使用して画像を生成していることに変わりはなく、本発明のように「必要な部分の信号データのみを切り出し、不要な部分に対してはそもそも画像表示に際し信号処理を行わない」という思想が開示されていることにはならない。ましてや、上記文献は光音響画像を好適化することを教示も示唆もしていないことから、本発明は、上記文献に基づいて当業者が容易に想到し得たものでもない。
　「第２の実施形態」
　次に、光音響画像生成装置および方法の第２の実施形態について説明する。図８は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態は、原信号データから光音響画像を生成する過程の点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同一の構成要素についての詳細な説明は特に必要のない限り省略する。
　本実施形態の光音響画像生成装置１０は、図８に示されるように、低周波用検出素子および高周波用検出素子を有するプローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４および入力手段１６を備える。
　また、本実施形態の光音響画像生成方法は、図８の装置１０を用いて、プローブ１１によって光音響波の原信号データを検出し、画像化領域の分割領域のうち、感度が重視される分割領域においては低周波用検出素子によって検出された第１の原信号データが使用され、分解能が重視される分割領域においては高周波用検出素子によって検出された第２の原信号データが使用されるように、分割領域ごとに、光音響画像の基となる基礎信号データを原信号データから選択し、基礎信号データに基づいて光音響画像を生成するものである。
　＜超音波ユニット＞
　超音波ユニット１２は、第１の実施形態と同様に、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、選択方法指定手段２５、データ組換え手段２６、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、制御手段２９、画像合成手段３８および観察方式選択手段３９を有する。ただし、本実施形態は、検出素子アレイ２０によって検出された信号データが、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、データ組換え手段２６、画像合成手段３８の順に流れる点で、第１の実施形態と異なる。すなわち、光音響画像再構成手段２４において再構成された第１の原信号データおよび第２の原信号データは検波・対数変換手段２７に出力される。
　検波・対数変換手段２７は、チャンネルごとに、再構成された第１の原信号データおよび第２の原信号データそれぞれの包絡線を求め、求めた各包絡線を対数変換する。
　光音響画像構築手段２８は、図９に示されるように、対数変換が施された各チャンネルの原信号データＳ（図９のＡ）に基づいて、チャンネルごとかつ原信号データごとに原画像データＩＭ（図９のＢ）を構築する。そして、第１の原画像データ（第１の原信号データに基づく原画像データ）および第２の原画像データ（第２の原信号データに基づく原画像データ）はデータ組換え手段２６へ出力される。
　本実施形態のデータ組換え手段２６は、選択方法指定手段２５により指定された選択方法に基づいて全原画像データの中から基礎信号データに基づく基礎画像データを選択し、基礎画像データに基づいて分割領域ごとに部分画像データを設定し、その部分画像データに基づいてチャンネルごとに組換え画像データを生成し、これらの組換え画像データをさらに結合させることにより１フレーム分の光音響画像を生成する。そして、生成された光音響画像は画像合成手段３８へ出力される。組換え画像データの生成工程は、基礎画像データの選択工程、部分画像データの設定工程および部分画像データの結合工程から主に構成され、例えば以下のように行われる。
　まず基礎画像データの選択工程では、指定された選択方法に基づいて全原画像データの中から基礎画像データが選択される。図１０は、分割領域ごとに、全原画像データから基礎画像データを選択する態様の例を示す概略図である。図１０のＡの原画像データＩａは、ある１つのチャンネルに関する再構成後の第１の原信号データＳａに基づく原画像データを表し、図１０のＢの原画像データＩｂは、ある１つのチャンネルに関する再構成後の第２の原信号データＳｂに基づく原画像データを表す。基礎画像データは、図１０に示されるように、全原画像データＩａおよびＩｂのうち、それぞれ図３における基礎信号データに対応する画像データである。つまり、図１０において、基礎画像データＢＩ１は、基礎信号データＢＳ１に基づいて構築された原画像データの部分を表し、基礎画像データＢＩ２のそれぞれは、基礎信号データＢＳ２のそれぞれに基づいて構築された原画像データの部分を表し、基礎画像データＢＩ３は、基礎信号データＢＳ３に基づいて構築された原画像データの部分を表す。
　次に部分画像データの設定工程では、分割領域ごとに、各分割領域を代表する信号データとして部分画像データが設定される。分割領域についての基礎画像データ（つまり基礎信号データ）が、１つの検出素子によって検出された原画像データ（つまり原信号データ）から構成される場合には、当該原画像データが当該分割領域についての部分画像データとして設定される。一方、分割領域についての基礎画像データ（つまり基礎信号データ）が、複数の検出素子によって検出された複数の原画像データ（つまり原信号データ）から構成される場合には、当該複数の原画像データに基づいて算出されたデータが当該分割領域についての部分画像データとして設定される。複数の原画像データに基づいて新たなデータを算出する方法は、例えばそれらの原画像データの加算平均や加重平均をとることにより行われる。このとき、検出素子の感度の違いに基づく原画像データの輝度の違いは適宜調整しておく。
　図１１は、図１０のように選択された基礎画像データ（つまり図３のように選択された基礎信号データ）に基づいて組換え画像データを生成する工程の例を示す概略図である。例えば、図１１の分割領域Ｒ１では、分割領域についての基礎画像データＢＩ１が、１つの検出素子（つまり高周波用検出素子）に起因する第２の原画像データから構成されるため、選択された第２の原画像データをそのまま部分画像データＰＩ１として設定している。分割領域Ｒ３でも同様に、選択された第１の原画像データがそのまま部分画像データＰＩ３として設定されている。一方、分割領域Ｒ２では、分割領域についての基礎画像データＢＩ２が、複数の検出素子（つまり低周波用検出素子および高周波用検出素子）に起因する第１の原画像データおよび第２の原画像データから構成されるため、当該複数の原画像データに基づいて算出されたデータが部分画像データＰＩ２として設定されている。
　次に部分画像データの結合工程では、図１１に示されるように、分割領域ごとに設定された部分画像データが互いに結合されることにより、チャンネルごとに組換え画像データＸが生成される。部分画像データの結合の際には、各部分画像データが滑らかに接続されるように、輝度補正やスムージング等の必要な補正処理を併せて行うことが好ましい。
　以上のように、本実施形態の光音響画像生成装置および光音響画像生成方法も、全ての原信号データの中から計測目的或いは計測条件に応じて必要な部分を抽出し、当該部分に基づいて光音響画像を生成することができる。したがって、本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を奏する。
　「第３の実施形態」
　次に、光音響画像生成装置および方法の第３の実施形態について説明する。図１２は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
　本実施形態の光音響画像生成装置１０は、第１の実施形態と同様に、プローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４および入力手段１６を備える。
　＜超音波ユニット＞
　本実施形態の超音波ユニット１２は、図１に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、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、および超音波画像構築手段３７を備える。
　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。超音波の送受信を行う振動子としては、検出素子アレイ２０を使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな振動子アレイを使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。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。
　トリガ制御回路３０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、この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３０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信号を受信メモリ２３に格納する。光音響信号のサンプリングと、反射超音波のサンプリングとは、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信号と反射超音波のサンプリング信号とを分離する。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信号を光音響画像再構成手段２４に入力する。光音響画像の生成は、第１の実施形態と同様である。一方、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信号を、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の複数の検出素子で検出された反射超音波（そのサンプリング信号）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。各ラインのデータの生成には、光音響画像再構成手段２４における各ラインのデータの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。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。
　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表示することも可能である。
　本実施形態に係る光音響画像生成装置も、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
　さらに本実施形態の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。したがって、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。

Claims (20)

  1. 　被検体への測定光の照射に起因して前記被検体内で発生した光音響波に基づいて、前記被検体内の所定の画像化領域についての光音響画像を生成する光音響画像生成装置において、
    　低周波用検出素子と
    　該低周波用検出素子の検出帯域よりも高周波側に検出帯域を有する高周波用検出素子と、
    　前記低周波用検出素子によって検出された前記光音響波の信号データである第１の原信号データおよび前記高周波用検出素子によって検出された前記光音響波の信号データである第２の原信号データに基づいて前記光音響画像を生成する音響画像生成手段とを備え、
    　前記音響画像生成手段が、
    　前記画像化領域の深さ方向に沿って前記原信号データの範囲を分割した際の分割領域ごとに、前記光音響画像の生成に際し使用される基礎信号データを前記第１の原信号データおよび前記第２の原信号データの中から選択し、
    　前記基礎信号データに基づいて前記光音響画像を生成するものであることを特徴とする光音響画像生成装置。
  2. 　前記音響画像生成手段が、使用される原信号データが前記第２の原信号データのみである前記分割領域が存在するように前記基礎信号データを選択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。
  3. 　前記音響画像生成手段が、最表の前記分割領域において前記第２の原信号データのみが使用されるように前記基礎信号データを選択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. 　前記音響画像生成手段が、使用される原信号データが前記第１の原信号データのみである前記分割領域が存在するように前記基礎信号データを選択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。
  5. 　前記音響画像生成手段が、使用される原信号データが前記第１の原信号データのみである前記分割領域が存在するように前記基礎信号データを選択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. 　前記音響画像生成手段が、使用される原信号データが前記第１の原信号データのみである前記分割領域が存在するように前記基礎信号データを選択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。
  7. 　前記音響画像生成手段が、最深の前記分割領域において前記第１の原信号データのみが使用されるように前記基礎信号データを選択するものであることを特徴とする請求項４に記載の光音響画像生成装置。
  8. 　前記分割領域が３つ以上であり、
    　前記音響画像生成手段が、最表の前記分割領域において前記第２の原信号データのみが使用され、最表および最深の分割領域以外の前記分割領域において前記第１の原信号データおよび前記第２の原信号データが使用されるように、前記基礎信号データを選択するものであることを特徴とする請求項７に記載の光音響画像生成装置。
  9. 　前記分割領域が３つ以上であり、
    　前記音響画像生成手段が、最深の前記分割領域以外の前記分割領域において前記第１の原信号データおよび前記第２の原信号データが使用されるように前記基礎信号データを選択するものであることを特徴とする請求項７に記載の光音響画像生成装置。
  10. 　前記低周波用検出素子が無機系の圧電素子であり、
    　前記高周波用検出素子が、有機系の圧電素子であって、その検出帯域が前記低周波用検出素子の検出帯域と重なる圧電素子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。
  11. 　前記音響画像生成手段が、
    　前記分割領域ごとに、前記分割領域についての前記基礎信号データが、１つの前記検出素子によって検出された原信号データから構成される場合には、当該原信号データを当該分割領域についての部分信号データとして設定し、前記分割領域についての前記基礎信号データが、複数の前記検出素子によって検出された複数の原信号データから構成される場合には、当該複数の原信号データに基づいて算出されたデータを当該分割領域についての部分信号データとして設定し、
    　前記各分割領域についての前記部分信号データを互いに結合して得られた組換え信号データに基づいて前記光音響画像を生成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。
  12. 　前記音響画像生成手段が、
    　前記各検出素子によって検出された前記各原信号データに基づいて原画像データをそれぞれ構築し、
    　前記分割領域ごとに、前記分割領域についての前記基礎信号データが、１つの前記検出素子によって検出された原信号データから構成される場合には、当該原信号データに基づく前記原画像データを当該分割領域についての部分画像データとして設定し、前記分割領域についての前記基礎信号データが、複数の前記検出素子によって検出された複数の原信号データから構成される場合には、当該複数の原信号データそれぞれに基づく前記原画像データに基づいて算出されたデータを当該分割領域についての部分画像データとして設定し、
    　前記各分割領域についての前記部分画像データを互いに結合して得られた組換え画像データに基づいて前記光音響画像を生成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。
  13. 　前記音響画像生成手段が、画像生成の対象部位および／または前記検出素子の性能に応じて前記基礎信号データの選択方法を変更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。
  14. 　前記検出素子の少なくともいずれかが、前記被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、
    　前記音響画像生成手段が、前記反射超音波の超音波信号データに基づいて超音波画像を生成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。
  15. 　前記低周波用検出素子および前記高周波用検出素子が、該高周波用検出素子が検出面側となるように積層された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。
  16. 　被検体への測定光の照射に起因して前記被検体内で発生した光音響波に基づいて、前記被検体内の所定の画像化領域についての光音響画像を生成する光音響画像生成方法において、
    　低周波用検出素子と該低周波用検出素子の検出帯域よりも高周波側に検出帯域を有する高周波用検出素子とのそれぞれによって前記光音響波の信号データを検出し、
    　前記画像化領域の深さ方向に沿って前記信号データの範囲を分割した際の分割領域ごとに、前記光音響画像の生成に際し使用される基礎信号データを、前記低周波用検出素子によって検出された前記信号データである第１の原信号データおよび前記高周波用検出素子によって検出された前記信号データである第２の原信号データの中から選択し、
    　前記基礎信号データに基づいて前記光音響画像を生成することを特徴とする光音響画像生成方法。
  17. 　使用される原信号データが前記第２の原信号データのみである前記分割領域が存在するように前記基礎信号データを選択することを特徴とする請求項１６に記載の光音響画像生成方法。
  18. 　最表の前記分割領域において前記第２の原信号データのみが使用されるように前記基礎信号データを選択することを特徴とする請求項１７に記載の光音響画像生成方法。
  19. 　使用される原信号データが前記第１の原信号データのみである前記分割領域が存在するように前記基礎信号データを選択することを特徴とする請求項１６に記載の光音響画像生成方法。
  20. 　最深の前記分割領域において前記第１の原信号データのみが使用されるように前記基礎信号データを選択することを特徴とする請求項１９に記載の光音響画像生成方法。
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