WO2014129231A1 - 光音響画像生成装置及び方法 - Google Patents

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photoacoustic
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light
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辻田　和宏
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Fujifilm Corp
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    • 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
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases

Definitions

  • the present invention relates to a photoacoustic image generation apparatus and method, and relates to a photoacoustic image generation apparatus and method for generating a photoacoustic image based on a photoacoustic wave generated due to light irradiation.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 a photoacoustic imaging apparatus that images the inside of a living body using a photoacoustic effect is known.
  • a living body is irradiated with pulsed light such as pulsed laser light.
  • pulsed light such as pulsed laser light.
  • the living tissue that has absorbed the energy of the pulsed light undergoes volume expansion due to heat, and an acoustic wave is generated.
  • the photoacoustic imaging apparatus can detect the acoustic wave with an ultrasonic probe or the like and visualize the inside of the living body based on the detected signal (photoacoustic signal).
  • photoacoustic imaging method since an acoustic wave is generated in a specific light absorber, a specific tissue in a living body, such as a blood vessel, can be imaged.
  • FIG. 7 shows oxygenated hemoglobin (oxy-Hb combined with oxygen) that is abundant in human arteries and deoxygenated hemoglobin (deoxy-Hb that is not combined with oxygen) that is abundant in veins.
  • the molecular absorption coefficient for each light wavelength is shown.
  • a light absorber including two substances (substance A and substance B) having different wavelength dependency of light absorption characteristics is irradiated with light having a first wavelength and a second wavelength.
  • [CA] is the concentration of substance A
  • [CB] is the concentration of substance B
  • Ai ⁇ 1 is the absorption coefficient of substance A for light at the first wavelength
  • Bi ⁇ 1 is the absorption coefficient of substance B for light of the first wavelength.
  • the signal intensity I ⁇ 1 of the photoacoustic signal detected when the light of the first wavelength is irradiated can be expressed by the following equation.
  • I ⁇ 1 Ai ⁇ 1 ⁇ [CA] + Bi ⁇ 1 ⁇ [CB]
  • the concentration [CA] of the substance A and the concentration [CB] of the substance B can be calculated by solving the simultaneous equations. Specifically, the concentration [CA] of the substance A and the concentration [CB] of the substance B can be calculated by the following equations.
  • the distribution of the substance ratio can be imaged by obtaining [CA] and [CB] calculated as described above and assigning a color to the ratio.
  • the calculation load increases because the concentration of each substance must be obtained by calculation.
  • it is desired that a display relating to the oxygen saturation can be performed by a simple method without obtaining the concentration of each substance by calculation.
  • the present invention provides a photoacoustic image generation apparatus and method for generating a photoacoustic image corresponding to a plurality of wavelengths, and a photoacoustic image generation apparatus and method capable of easily displaying an image according to the presence ratio of a substance.
  • the purpose is to provide.
  • the present invention includes two kinds of substances having light absorptivity, and the light absorption coefficient for the light of the first wavelength and the first wavelength according to the existence ratio of the two kinds of substances. Is generated in the subject due to the light emission after the light of the first wavelength is emitted to the subject including the light absorber whose light absorption coefficient for the light of the different second wavelength changes.
  • a first image generating means for generating a first photoacoustic image based on a first photoacoustic signal which is a photoacoustic wave detection signal, and after light having a second wavelength is emitted to the subject;
  • a second image generating means for generating a second photoacoustic image based on a second photoacoustic signal which is a detection signal of a photoacoustic wave generated in the subject due to the light emission; Different colors are assigned to the photoacoustic image and the second photoacoustic image, and the first photoacoustic image and the second light are assigned.
  • Providing a photoacoustic image generation apparatus characterized by comprising an image synthesis means for displaying the sound image and synthesizes and displays on the screen a.
  • the image composition means assigns the first color to the first photoacoustic image and assigns the second color to the second photoacoustic image.
  • the image synthesizing unit mixes the first color and the second color at a ratio corresponding to the signal intensity of the first photoacoustic signal and the second photoacoustic signal.
  • the first color and the second color are selected from colors that can be displayed independently by any of the plurality of sub-pixels. May be.
  • the first color is selected from red, blue, and green that can be displayed independently by any of the sub-pixels.
  • the second color can be selected from two colors that are not selected as the first color among red, blue, and green, in which any of the sub-pixels can be displayed independently.
  • the present invention includes two kinds of light-absorbing substances, and the light absorption coefficient for the light of the first wavelength and the first wavelength according to the presence ratio of the two kinds of substances. Is generated in the subject due to the light emission after the light of the first wavelength is emitted to the subject including the light absorber whose light absorption coefficient for the light of the different second wavelength changes.
  • a first image generating means for generating a first photoacoustic image based on a first photoacoustic signal which is a photoacoustic wave detection signal, and after light having a second wavelength is emitted to the subject;
  • a second image generating means for generating a second photoacoustic image based on a second photoacoustic signal which is a detection signal of a photoacoustic wave generated in the subject due to the light emission;
  • Difference image generation means for generating a difference image between the photoacoustic image and the second photoacoustic image, and the first photoacoustic
  • a photoacoustic image characterized by comprising difference image synthesis means for assigning different colors to an image and a difference image, and synthesizing the first photoacoustic image and the difference image to display on the display screen A generating device is provided.
  • the difference image synthesizing unit assigns the first color to the first photoacoustic image and assigns the second color or the third color to the difference image.
  • the first color or the second color is selected from among colors that can be displayed independently by any of the three or more sub-pixels.
  • a third color may be selected.
  • the first color is selected from any one of red, blue, and green in which the sub-pixel can display alone
  • the second color is selected from any one of two colors that are not selected as the first color among red, blue, and green, and any one of the sub-pixels can be displayed independently.
  • the third color may be a color that is not selected as the first color or the second color among red, blue, and green, and can be displayed by any one of the sub-pixels.
  • the difference image synthesis means assigns a second color when the pixel value of the first photoacoustic image is larger than the pixel value of the second photoacoustic image, and the pixel value of the first photoacoustic image is the second When it is smaller than the pixel value of the photoacoustic image, the third color may be assigned.
  • a configuration further including a scaling means for multiplying the difference image by a coefficient may be adopted.
  • the image synthesizing unit or the difference image synthesizing unit may perform color allocation only for pixels whose pixel values in at least one of the first photoacoustic image and the second photoacoustic image are equal to or greater than a threshold value.
  • Adopting a configuration further comprising light emitting means for emitting the first light and the second light to the subject,
  • the first light and the second light are light absorbers depending on the abundance ratios of deoxygenated hemoglobin and oxygenated hemoglobin when the subject contains deoxygenated hemoglobin and oxygenated hemoglobin as a light absorber. It is good also as light of the wavelength from which the light absorption coefficient by changes.
  • the present invention also includes two kinds of light-absorbing substances, and a second wavelength different from the first wavelength and the light absorption coefficient for the light of the first wavelength according to the presence ratio of the two kinds of substances.
  • the detection signal of the photoacoustic wave generated in the subject after the light having the first wavelength is emitted to the subject including the light absorber whose light absorption coefficient changes with respect to the light.
  • the first photoacoustic image is generated based on the first photoacoustic signal detected when the light having the first wavelength is emitted, and the light having the second wavelength is emitted.
  • a second photoacoustic image is generated based on the detected second photoacoustic signal.
  • the light absorber included in the subject includes two kinds of substances having light absorptivity, and the light absorption coefficient and the second wavelength with respect to the light of the first wavelength according to the existence ratio of the two kinds of substances.
  • the light absorption coefficient for the light changes.
  • movement procedure of a photoacoustic image generation system. 9 is a flowchart showing a procedure for image composition in the second embodiment.
  • FIG. 1 shows a photoacoustic image generation system according to a first embodiment of the present invention.
  • the photoacoustic image generation system 10 includes an ultrasonic probe (probe) 11, an ultrasonic unit 12, and a laser light source unit 13.
  • the laser light source unit 13 is a light source that emits light applied to the subject.
  • the laser light source unit 13 is configured, for example, as a Q-switch solid state laser and emits pulsed laser light.
  • the laser light source unit 13 emits a pulse laser beam having a first wavelength ( ⁇ 1) and a pulse laser beam having a second wavelength ( ⁇ 2).
  • the pulsed laser light emitted from the laser light source unit 13 is guided to the probe 11 using a light guide means such as an optical fiber, and is irradiated from the probe 11 toward the subject.
  • the irradiation position of the pulse laser beam is not particularly limited, and the pulse laser beam may be irradiated from a place other than the probe 11.
  • ultrasonic waves are generated by absorbing the energy of the pulsed laser light irradiated by the light absorber.
  • the subject includes a light absorber including at least two kinds of substances having light absorption properties.
  • the light absorber includes, for example, oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin.
  • the wavelength dependence of the light absorption coefficient of the two types of substances contained in the light absorber is different from each other. For example, in a certain wavelength range, the light absorption coefficient of the substance A increases as the wavelength increases, and the light absorption coefficient of the substance B decreases as the wavelength increases.
  • the light absorption coefficient with respect to the light of the first wavelength and the light absorption coefficient with respect to the light of the second wavelength change according to the proportion of the two kinds of substances contained therein.
  • the probe 11 includes an ultrasonic detector.
  • the probe 11 has, for example, a plurality of ultrasonic detector elements (ultrasonic transducers) arranged one-dimensionally, and detects photoacoustic waves from within the subject by the one-dimensional arranged ultrasonic transducers. To do.
  • the probe 11 outputs a first photoacoustic signal which is a detection signal of a photoacoustic wave generated due to the light irradiation after the subject is irradiated with the light of the first wavelength.
  • the probe 11 outputs a second photoacoustic signal which is a detection signal of a photoacoustic wave generated due to the light irradiation after the subject is irradiated with the light of the second wavelength.
  • the ultrasonic unit 12 includes a reception circuit 21, an AD conversion unit 22, a reception memory 23, a first image generation unit 24, a second image generation unit 25, an image synthesis unit 26, a trigger control circuit 27, and a control unit 28. Have.
  • the ultrasonic unit 12 constitutes a photoacoustic image generation apparatus.
  • the receiving circuit 21 receives the photoacoustic signal output from the probe 11.
  • the AD conversion means 22 is a detection means, which samples the photoacoustic signal received by the receiving circuit 21 and converts it into digital data.
  • the AD conversion means 22 samples the photoacoustic signal at a predetermined sampling period in synchronization with the AD clock signal.
  • the AD conversion means 22 stores the sampled photoacoustic signal in the reception memory 23.
  • the AD conversion means 22 stores the photoacoustic signal corresponding to each wavelength of the pulsed laser light emitted from the laser light source unit 13 in the reception memory 23.
  • the first image generation means 24 generates a first photoacoustic image based on the first photoacoustic signal.
  • the second image generation means 25 generates a second photoacoustic image based on the second photoacoustic signal.
  • the generation of the photoacoustic image includes processing such as reconstruction of a photoacoustic signal, detection / logarithmic conversion, and the like.
  • the pixel value in the generated photoacoustic image corresponds to the signal intensity of the photoacoustic signal detected by the probe 11.
  • the image synthesis means 26 synthesizes the first photoacoustic image and the second photoacoustic image.
  • the image synthesis in the image synthesis means 26 is performed in two types included in the light absorber based on the first photoacoustic image (first photoacoustic signal) and the second photoacoustic image (second photoacoustic signal). It does not include the process of calculating the concentration of a substance and assigning a color according to the calculated concentration.
  • the image synthesizing unit 26 assigns different colors to the first photoacoustic image and the second photoacoustic image at the time of image synthesis.
  • the color displayed by each pixel constituting the synthesized image is a color obtained by mixing the color assigned to the first photoacoustic image and the color assigned to the second photoacoustic image.
  • the image synthesized by the image synthesizing unit 26 is displayed on the display screen of the image display unit 14 such as a monitor.
  • the image composition means 26 assigns a first color to the first photoacoustic image and assigns a second color to the second photoacoustic image, for example.
  • each pixel on a display screen of a monitor that performs color display includes a plurality of sub-pixels corresponding to different colors, in other words, a plurality of sub-pixels displaying different colors.
  • a plurality of colors corresponding to a plurality of sub-pixels included in each pixel that is, two colors selected from among colors that can be displayed independently by any of the plurality of sub-pixels included in each pixel, the first color and The second color may be used.
  • a display screen of a monitor includes one pixel composed of three sub-pixels corresponding to the three primary colors of light, red, blue and green.
  • the image composition unit 26 may assign any one of these three colors to the first photoacoustic image and assign one of the remaining two colors to the second photoacoustic image.
  • one pixel is composed of sub-pixels of 4 colors or 5 colors in which cyan (light blue) or yellow is added to red, blue and green, 2 colors selected from these 4 colors or 5 colors, It is good also as a 1st color and a 2nd color.
  • one pixel may be configured by four subpixels including a subpixel corresponding to red, a subpixel corresponding to blue, and two subpixels corresponding to the same green. Also in this case, any one of the three colors of red, blue, and green that can be displayed by the sub-pixel is assigned to the first photoacoustic image, and one of the remaining two colors is assigned to the second photoacoustic. Assign to an image.
  • the first color and the second color can be assigned based on the color corresponding to the subpixel.
  • the image synthesizing unit 26 mixes the first color and the second color at a ratio corresponding to the signal intensity of the first photoacoustic signal and the second photoacoustic signal, for example.
  • the control means 28 controls each part in the ultrasonic unit 12.
  • the trigger control circuit 27 sends a flash lamp trigger signal and a Q switch trigger signal to the laser light source unit 13.
  • the laser light source unit 13 receives the flash lamp trigger signal, the laser lamp is turned on to excite the laser medium, and when the Q switch trigger signal is received, the Q switch is turned on to emit pulsed laser light.
  • the trigger control circuit 27 outputs a sampling trigger signal (AD trigger signal) to the AD conversion means 22 at the timing when the pulse laser beam is emitted.
  • the AD conversion unit 22 starts sampling of the photoacoustic signal based on the sampling trigger signal.
  • FIG. 2 shows the relationship between wavelength and light absorption coefficient.
  • the horizontal axis represents the wavelength
  • the vertical axis represents the light absorption coefficient.
  • the light absorption coefficient corresponds to the intensity of the detected photoacoustic signal and the pixel value in the photoacoustic image. It is assumed that the light absorber includes a substance A and a substance B that have light absorptivity.
  • the graph (a) shows the wavelength dependence of the light absorption coefficient of the substance A
  • the graph (b) shows the wavelength dependence of the light absorption coefficient of the substance B.
  • Graph (c) shows the wavelength dependence of the photoacoustic signal detected from the light absorber when the light absorber contains the substance A and the substance B at substantially the same ratio.
  • the signal intensity of the photoacoustic signal detected at the wavelength ⁇ 1 includes only the signal intensity and the substance B when only the substance A is included. It becomes an intermediate value of the signal intensity when it is included.
  • the signal intensity of the photoacoustic signal detected at the wavelength ⁇ 2 is also an intermediate value between the signal intensity when only the substance A is included and the signal intensity when only the substance B is included.
  • the graph (d) shows the wavelength dependence of the photoacoustic signal detected from the light absorber when the concentration of the substance B contained in the light absorber is sufficiently higher than the concentration of the substance A.
  • the concentration of the substance B contained in the light absorber is sufficiently higher than the concentration of the substance A
  • the signal intensity of the photoacoustic signal detected at the wavelength ⁇ 1 is higher than the signal intensity when the substance B is included. A little higher value.
  • the signal intensity of the photoacoustic signal detected at the wavelength ⁇ 2 is slightly lower than the signal intensity when only the substance B is included.
  • the signal intensity obtained has a wavelength dependence close to the graph (a) if the substance A is close to 100%, and the substance B is If it is close to 100%, it has a wavelength dependence close to that of graph (b). Therefore, when different colors are assigned to the first photoacoustic image and the second photoacoustic image for display, the hue changes in an analog manner according to the signal intensity ratio between the first wavelength and the second wavelength. It is possible to display a moving image. For example, when blue is assigned to the first photoacoustic image and red is assigned to the second photoacoustic image, an image whose hue changes between red and blue according to the presence ratio of the substance A and the substance B is obtained.
  • FIG. 3 shows a color change in an image obtained by synthesizing the first photoacoustic image and the second photoacoustic image.
  • the vertical axis represents the pixel value of the second photoacoustic image
  • the horizontal axis represents the pixel value of the first photoacoustic image.
  • the first wavelength is 750 nm
  • the second wavelength is 800 nm.
  • Blue is assigned to the first photoacoustic image corresponding to irradiation with light having a wavelength of 750 nm
  • red is assigned to the second photoacoustic image corresponding to irradiation with light having a wavelength of 800 nm.
  • the hue changes between blue and red according to the angle ⁇ shown in FIG.
  • the color of the pixel of the synthesized image becomes reddish.
  • the color assignment is arbitrary, and by assigning two colors having different hues to the first photoacoustic image and the second photoacoustic image, an image in which the hue changes between the two colors is obtained.
  • the signal intensity of the detected photoacoustic signal is weak, the influence of noise or the like becomes relatively large, and the signal intensity fluctuates relatively greatly due to variations in noise or the like. In that case, it is conceivable that the hue varies greatly from pixel to pixel and is displayed in a multicolored mosaic pattern, making it difficult to see.
  • the signal intensity may be subjected to threshold processing, and if it is smaller than a certain signal intensity, it may be excluded from the calculation target for color display. That is, the image composition unit may perform color assignment only for pixels whose pixel values in at least one of the first photoacoustic image and the second photoacoustic image are equal to or greater than a threshold value.
  • FIG. 4 shows an operation procedure of the photoacoustic image generation system.
  • the trigger control circuit 27 sends a flash lamp trigger signal to the laser light source unit 13 and then sends a Q switch trigger signal.
  • the laser light source unit 13 turns on the flash lamp in response to the flash lamp trigger signal, turns on the Q switch in response to the Q switch trigger signal, and emits pulsed laser light having the first wavelength (step S1).
  • a photoacoustic wave is generated by absorbing the energy of the pulse laser beam irradiated by the light absorber.
  • the probe 11 detects the first photoacoustic wave generated in the subject (step S2).
  • the detected first photoacoustic wave is sampled by the AD conversion means 22 via the reception circuit 21, and the first photoacoustic signal is stored in the reception memory 23.
  • the first image generation means 24 reads the first photoacoustic signal from the reception memory 23, and generates a first photoacoustic image based on the read first photoacoustic signal (step S3).
  • the trigger control circuit 27 sends a flash lamp trigger signal and a Q switch trigger signal to the laser light source unit 13.
  • the laser light source unit 13 turns on the flash lamp in response to the flash lamp trigger signal, turns on the Q switch in response to the Q switch trigger signal, and emits a pulsed laser beam having the second wavelength (step S4).
  • a photoacoustic wave is generated by absorbing the energy of the pulse laser beam irradiated by the light absorber.
  • the probe 11 detects the second photoacoustic wave generated in the subject (step S5).
  • the detected second photoacoustic wave is sampled by the AD conversion means 22 via the reception circuit 21, and the second photoacoustic signal is stored in the reception memory 23.
  • the second image generation means 25 reads the second photoacoustic signal from the reception memory 23 and generates a second photoacoustic image based on the read second photoacoustic signal (step S6).
  • the region irradiated with the laser beam of the subject may be divided into a plurality of partial regions, and light irradiation and photoacoustic signal detection may be performed for each partial region.
  • the image composition means 26 assigns the first color to the first photoacoustic image (step S7) and assigns the second color to the second photoacoustic image (step S8).
  • the image synthesizing unit 26 synthesizes the first photoacoustic image assigned the first color and the second photoacoustic image assigned the second color (step S9).
  • the synthesized image is displayed on the image display means 14.
  • pixels of a color image are represented by (R, G, B) (R, G, B are intensities of red, blue, and green, respectively).
  • the pixel value (signal intensity) in the first photoacoustic image is I ⁇ 1
  • the pixel value of the image in which the first photoacoustic image is assigned to blue can be expressed as (0, 0, I ⁇ 1).
  • the pixel value (signal intensity) in the second photoacoustic image is I ⁇ 2
  • the pixel value of the image in which the second photoacoustic image is assigned to red can be represented by (I ⁇ 2, 0, 0).
  • a pixel value of an image obtained by combining them is represented by (I ⁇ 2, 0, I ⁇ 1).
  • the first photoacoustic image is generated based on the first photoacoustic signal detected when the light of the first wavelength is irradiated, and is detected when the light of the second wavelength is irradiated.
  • a second photoacoustic image is generated based on the second photoacoustic signal.
  • the light absorber included in the subject includes two kinds of substances having light absorptivity, and the light absorption coefficient and the second wavelength with respect to the light of the first wavelength according to the existence ratio of the two kinds of substances. The light absorption coefficient for the light changes.
  • an image corresponding to the proportion of the two types of substances contained in the light absorber is displayed.
  • an image related to oxygen saturation can be displayed without calculating oxygen saturation.
  • the image synthesis unit 26 assigns different colors to the first photoacoustic image and the second photoacoustic image.
  • a difference image between the first photoacoustic image and the second photoacoustic image is generated, and the first photoacoustic image or the second photoacoustic image and the difference image are generated. Assign different colors to each other.
  • the image composition unit 26 in the second embodiment has a difference image generation function for generating such a difference image.
  • the image synthesizing means 26 in the second embodiment mobile phone instead of synthesizing and displaying the first photoacoustic image and the second photoacoustic image on the display screen, the first photoacoustic image or the first photoacoustic image. 2 has a differential image synthesis function for synthesizing the photoacoustic image 2 and the differential image and displaying them on the display screen.
  • synthesize combines a 1st photoacoustic image and a difference image is demonstrated.
  • the image composition unit 26 assigns, for example, a first color to the first photoacoustic image and assigns a second color or a third color to the difference image.
  • any one of the three or more subpixels is selected from three or more colors that can be displayed independently.
  • the first color, the second color, and the third color may be used.
  • the image composing unit 26 sets one of the three primary colors of light, red, blue, and green as a first color, one of the remaining two as a second color, and the other one as a third color. Color. Specifically, green can be the first color, the second color can be blue, and the third color can be red.
  • the first photoacoustic image, the second photoacoustic image, and the difference are based on the colors corresponding to the subpixels.
  • a first color, a second color, and a third color can be assigned to the image, respectively.
  • assigning the first color to the first photoacoustic image and assigning the second color or the third color to the difference image that is, when only two colors are required for color assignment, The pixel only needs to have at least two subpixels corresponding to different colors.
  • the image composition unit 26 assigns the second color or the third color according to, for example, the difference between the first photoacoustic image and the second photoacoustic image. For example, when the pixel value of the first photoacoustic image is larger than the pixel value of the second photoacoustic image (I ⁇ 1> I ⁇ 2), the image composition unit assigns a second color to the difference image. On the other hand, when the pixel value of the first photoacoustic image is smaller than the pixel value of the second photoacoustic image (I ⁇ 1 ⁇ I ⁇ 2), the third color is assigned to the difference image. Scaling may be performed by multiplying the difference image by a predetermined coefficient, and color may be assigned to the difference image after scaling.
  • the substances contained in the light absorber are a substance A having a wavelength dependency shown in the graph (a) in FIG. 2 and a substance B having a wavelength dependency shown in the graph (b) in the light absorption coefficient.
  • the first wavelength ( ⁇ 1) the light absorption coefficient of the substance A is higher than the light absorption coefficient of the substance B
  • the second wavelength ( ⁇ 2) the light absorption coefficient of the substance B is higher than the light absorption coefficient of the substance A.
  • the signal intensity of the first photoacoustic signal pixel value of the first photoacoustic image
  • the second photoacoustic signal second Higher than the pixel value of the photoacoustic image.
  • the signal intensity of the first photoacoustic signal is lower than the signal intensity of the second photoacoustic signal. Therefore, by taking the difference between the first photoacoustic image and the second photoacoustic image and examining the positive / negative, it is possible to determine which material is relatively contained.
  • FIG. 5 shows an image composition procedure.
  • the image synthesizing unit 26 calculates the difference between the first photoacoustic image 51 and the second photoacoustic image 52 (step S11).
  • the image synthesis unit 26 subtracts the pixel value of the second photoacoustic image 52 from the pixel value of the first photoacoustic image 51, for example.
  • the image composition means 26 multiplies the calculated difference by a predetermined coefficient (step S12).
  • the coefficient to be multiplied by the difference may be determined according to the measurement range of the oxygen saturation, the part information in the subject, the disease information, and the like. By scaling by a coefficient, for example, it becomes easy to observe a change in substance concentration in a range where the difference is small.
  • the image composition unit 26 determines whether or not the difference is positive in the scaled difference image 53 (step S13). If the difference is positive, that is, if the pixel value in the first photoacoustic image 51 is larger than the pixel value in the second photoacoustic image 52, the image composition unit 26 assigns blue to the difference image 53 (Ste S14). When the difference is negative, that is, when the pixel value in the first photoacoustic image 51 is smaller than the pixel value in the second photoacoustic image 52, red is assigned to the difference image 53 (step S15).
  • the image composition means 26 assigns green to the first photoacoustic image 51 (step S16).
  • the image synthesizing unit 26 synthesizes the first photoacoustic image 51 assigned with green and the difference image 53 assigned with blue or red to generate a synthesized image 54 (step S17).
  • the composite image 54 is displayed on the image display means 14.
  • a color bar that changes between the second color and the third color is displayed, and a numerical value that is a measure of the relationship with the oxygen saturation range is displayed next to the color bar. Also good.
  • the reference numerical value may be changed according to the coefficient at the time of scaling.
  • FIG. 6 shows colors in an image obtained by combining the first photoacoustic image and the difference image. It is assumed that the first wavelength is 750 nm and the second wavelength is 800 nm. Green is assigned to the first photoacoustic image corresponding to irradiation with light having a wavelength of 750 nm.
  • Green is assigned to the first photoacoustic image corresponding to irradiation with light having a wavelength of 750 nm.
  • red is assigned to a range where the difference is positive
  • blue is assigned to a range where the difference is negative.
  • the difference between the first photoacoustic image and the second photoacoustic image is small, the change in hue becomes small and it becomes difficult to determine the oxygen saturation and the like.
  • the difference is multiplied by a coefficient larger than 1 to expand (scaling) the difference as indicated by the dotted arrow in FIG. It is sufficient to assign blue or red to each other.
  • scaling for example, an image display related to a specific range of oxygen saturation can be performed.
  • threshold processing is performed on at least one of the pixel value of the first photoacoustic image and the pixel value of the second photoacoustic image, and the first photoacoustic image and the second photoacoustic image are processed.
  • Colors may be assigned to pixels whose pixel value is at least a threshold value in at least one of the above.
  • 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

本発明は、物質の存在割合に応じた画像を簡易に表示可能な光音響画像生成装置及び方法を提供する。被検体は、光吸収性を有する物質を２種類含む。光吸収体は、含まれる２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する。第１の画像生成手段２４は、第１の波長の光が出射されたときの第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する。第２の画像生成手段２５は、第２の波長の光が出射されたときの第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する。画像合成手段２６は、第１の光音響画像と第２の光音響画像とに互いに異なる色を割り当て、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成して表示画面上に表示させる。

Description

光音響画像生成装置及び方法
　本発明は、光音響画像生成装置及び方法に関し、光照射に起因して生じ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及び方法に関する。
　従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波が発生する。光音響画像化装置は、この音響波を超音波プローブなどで検出し、検出された信号（光音響信号）に基づいて生体内部を可視像化することが可能である。光音響画像化方法では、特定の光吸収体において音響波が発生するため、生体における特定の組織、例えば血管等を画像化することができる。
　ところで、生体組織の多くは光吸収特性が光の波長に応じて変わり、また一般に、その光吸収特性も組織ごとに特有のものとなっている。例えば図７に、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)と、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の光波長ごとの分子吸収係数を示す。このような吸収特性の違いを利用することにより、生体内中の酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンを分離して定量化することが可能である（例えば特許文献２参照）。また、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの量を割り出し、酸素飽和度を計算することができる（例えば特許文献３参照）。
特開２００５－２１３８０号公報 特開２０１０－１２２９５号公報 特開２０１２－２１７５５４号公報
A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata,Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)
　例えば、光吸収特性の波長依存性が異なる２つの物質（物質Ａ、物質Ｂ）が含まれる光吸収体に、第１の波長及び第２の波長の光を照射することを考える。［ＣＡ］を物質Ａの濃度、［ＣＢ］を物質Ｂの濃度とし、Ａｉλ１を第１の波長に光に対する物質Ａの吸収係数、Ｂｉλ１を第１の波長の光に対する物質Ｂの吸収係数とすると、第１の波長の光が照射されたときに検出される光音響信号の信号強度Ｉλ１は、下記式で表わすことができる。
　Ｉλ１＝Ａｉλ１×［ＣＡ］＋Ｂｉλ１×［ＣＢ］
　また、Ａｉλ２を第２の波長の光に対する物質Ａの吸収係数、Ｂｉλ２を第２の波長の光に対する物質Ｂの吸収係数とすると、第２の波長の光が照射されたときに検出される光音響信号の信号強度Ｉλ２は、下記式で表わすことができる。
　Ｉλ２＝Ａｉλ２×［ＣＡ］＋Ｂｉλ２×［ＣＢ］
　物質Ａ及び物質Ｂの各波長における光吸収係数が既知であれば、連立方程式を解くことにより、物質Ａの濃度［ＣＡ］と物質Ｂの濃度［ＣＢ］とを計算することができる。具体的には、下記式により、物質Ａの濃度［ＣＡ］及び物質Ｂの濃度［ＣＢ］を計算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記のようにして計算した［ＣＡ］と［ＣＢ］を求め、その比に対して色を割り当てることで、物質の比率の分布を画像化することができる。しかしながら、その場合、計算により各物質の濃度を求めなければならないため、計算負荷が高くなる。例えば酸素飽和度の分布を画像化したい場合に、正確な酸素飽和度の値を求めることまでは必要なく、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの分布又は相対分布がわかればよいという場合もある。そのような場合、計算により各物質の濃度を求めなくても、簡易な方法で酸素飽和度に関連した表示ができることが望まれる。
　本発明は、上記に鑑み、複数の波長に対応した光音響画像を生成する光音響画像生成装置及び方法において、物質の存在割合に応じた画像を簡易に表示可能な光音響画像生成装置及び方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、光吸収性を有する物質を２種類含み、２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と第１の波長とは異なる第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する光吸収体を含む被検体に対して第１の波長の光が出射された後にその光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する第１の画像生成手段と、被検体に対して第２の波長の光が出射された後にその光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する第２の画像生成手段と、第１の光音響画像と第２の光音響画像とに互いに異なる色を割り当て、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成して表示画面上に表示させる画像合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。
　本発明では、画像合成手段が、第１の光音響画像に第１の色を割り当て、かつ第２の光音響画像に第２の色を割り当てる構成を採用できる。
　上記の場合、画像合成手段が、第１の光音響信号及び第２の光音響信号の信号強度に応じた比率で第１の色と第２の色とを混色することが好ましい。
　表示画面における各画素が、それぞれ異なる色に対応した複数のサブ画素を含むとき、複数のサブ画素の何れかが単独で表示可能な色の中から、第１の色及び第２の色を選択してもよい。例えば表示画面における各画素が赤、青及び緑に対応したサブ画素を含むとき、第１の色を、それらサブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑の中から選択し、第２の色を、それらサブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑のうち、第１の色として選択されていない２つの色の中から選択することができる。
　上記目的を達成するために、本発明は、　光吸収性を有する物質を２種類含み、２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と第１の波長とは異なる第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する光吸収体を含む被検体に対して第１の波長の光が出射された後にその光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する第１の画像生成手段と、被検体に対して第２の波長の光が出射された後にその光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する第２の画像生成手段と、第１の光音響画像と第２の光音響画像との差分画像を生成する差分画像生成手段と、第１の光音響画像と、差分画像とに互いに異なる色を割り当て、第１の光音響画像と、差分画像とを合成して表示画面上に表示させる差分画像合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。
　上記の場合、差分画像合成手段が、第１の光音響画像に第１の色を割り当て、かつ差分画像に第２の色又は第３の色を割り当てる構成を採用できる。
　表示画面における各画素が、それぞれ異なる色に対応した３以上のサブ画素を含むとき、３以上のサブ画素の何れかが単独で表示可能な色の中から、第１の色、第２の色、及び第３の色を選択してもよい。例えば、表示画面における各画素が赤、青及び緑に対応したサブ画素を含むとき、第１の色をサブ画素が単独で表示可能な、赤、青及び緑のうちの何れかから選択された色とし、第２の色を、サブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑のうち、第１の色として選択されていない２つの色のうちの何れかから選択された色とし、第３の色を、前記サブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑のうち第１の色及び第２の色として選択されていない１つの色としてもよい。
　差分画像合成手段が、第１の光音響画像の画素値が第２の光音響画像の画素値よりも大きいときは第２の色を割り当て、第１の光音響画像の画素値が第２の光音響画像の画素値よりも小さいときは第３の色を割り当ててもよい。
　差分画像に係数を乗じるスケーリング手段を更に備えた構成を採用してもよい。
　画像合成手段又は差分画像合成手段は、第１の光音響画像及び第２の光音響画像の少なくとも一方における画素値がしきい値以上の画素についてのみ色の割り当てを行ってもよい。
第１の光及び前記第２の光を前記被検体へ出射する光出射手段を更に備えた構成を採用し、
　第１の光及び第２の光は、光吸収体として被検体に脱酸素化ヘモグロビン及び酸素化ヘモグロビンが含まれる場合に、脱酸素化ヘモグロビン及び酸素化ヘモグロビンの存在割合に応じて、光吸収体による光吸収係数が変化する波長の光としてもよい。
　本発明は、また、光吸収性を有する物質を２種類含み、２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と第１の波長とは異なる第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する光吸収体を含む被検体に対して第１の波長の光が出射された後にその光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成するステップと、被検体に対して第２の波長の光が出射された後にその光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成するステップと、第１の光音響画像と第２の光音響画像とに互いに異なる色を割り当て、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成して表示画面上に表示させ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。
　本発明では、第１の波長の光が出射されたときに検出された第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成し、第２の波長の光が出射されたときに検出された第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する。被検体に含まれる光吸収体は、光吸収性を有する物質を２種類含んでおり、それら２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する。第１の光音響画像と第２の光音響画像とに異なる色を割り当て、それらを合成して表示することで、光吸収体に含まれる２種類の物質の存在割合に応じた画像を表示することができる。
本発明の第１実施形態の光音響画像生成システムを示すブロック図。 波長と光吸収係数との関係を示すグラフ。 合成した画像における色の変化を示す図。 光音響画像生成システムの動作手順を示すフローチャート。 第２実施形態における画像合成の手順を示すフローチャート。 第１の光音響画像と差分画像とを合成した画像における色を示す図。 酸素化ヘモグロビン脱酸素化ヘモグロビンの光波長ごとの分子吸収係数を示すグラフ。
　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システムを示す。光音響画像生成システム１０は、超音波探触子（プローブ）１１と、超音波ユニット１２と、レーザ光源ユニット１３とを備える。レーザ光源ユニット１３は、被検体に照射される光を出射する光源である。レーザ光源ユニット１３は、例えばＱスイッチ固体レーザとして構成され、パルスレーザ光を出射する。レーザ光源ユニット１３は、第１の波長（λ１）のパルスレーザ光と第２の波長（λ２）のパルスレーザ光とを出射する。
　レーザ光源ユニット１３から出射したパルスレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に向けて照射される。パルスレーザ光の照射位置は特に限定されず、プローブ１１以外の場所からパルスレーザ光の照射を行ってもよい。
　被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで超音波（音響波）が生じる。被検体には、光吸収性を有する物質を少なくとも２種類含む光吸収体が含まれる。光吸収体は、例えば酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとを含む。光吸収体に含まれる２種類の物質の光吸収係数の波長依存性は互いに異なる。例えばある波長範囲で、物質Ａは波長が長くなるに連れて光吸収係数が大きくなり、物質Ｂは波長が長くなるに連れて光吸収係数が小さくなる。光吸収体は、それに含まれる２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する。
　プローブ１１は、超音波検出器を含む。プローブ１１は、例えば一次元的に配列された複数の超音波検出器素子（超音波振動子）を有し、その一次元配列された超音波振動子により被検体内からの光音響波を検出する。プローブ１１は、第１の波長の光が被検体に照射された後に、その光照射に起因して発生した光音響波の検出信号である第１の光音響信号を出力する。また、プローブ１１は、第２の波長の光が被検体に照射された後に、その光照射に起因して発生した光音響波の検出信号である第２の光音響信号を出力する。
　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、第１の画像生成手段２４、第２の画像生成手段２５、画像合成手段２６、トリガ制御回路２７、及び制御手段２８を有する。超音波ユニット１２は、光音響画像生成装置を構成する。
　受信回路２１は、プローブ１１が出力した光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は検出手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングし、デジタルデータに変換する。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で光音響信号のサンプリングを行う。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングした光音響信号を受信メモリ２３に格納する。ＡＤ変換手段２２は、レーザ光源ユニット１３から出射されるパルスレーザ光の各波長に対応した光音響信号を受信メモリ２３に格納する。
　第１の画像生成手段２４は、第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する。第２の画像生成手段２５は、第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する。光音響画像の生成は、例えば光音響信号の再構成、検波・対数変換などの処理を含む。生成された光音響画像における画素値は、プローブ１１で検出された光音響信号の信号強度に対応する。
　画像合成手段２６は、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成する。画像合成手段２６における画像合成は、第１の光音響画像（第１の光音響信号）と第２の光音響画像（第２の光音響信号）に基づいて光吸収体に含まれる２種類の物質の濃度を計算し、計算で求めた濃度に応じて色を割り当てる処理を含まない。画像合成手段２６は、画像合成に際して、第１の光音響画像と第２の光音響画像とに互いに異なる色を割り当てる。合成された画像を構成する各画素が表示する色は、第１の光音響画像に割り当てられた色と、第２の光音響画像に割り当てられた色とが混色した色となる。画像合成手段２６で合成された画像は、モニタなどの画像表示手段１４の表示画面上に表示される。
　画像合成手段２６は、例えば第１の光音響画像に第１の色を割り当て、かつ第２の光音響画像に第２の色を割り当てる。通常、カラー表示を行うモニタの表示画面における各画素は、それぞれ異なる色に対応した複数のサブ画素、換言すれば、それぞれ異なる色を表示する複数のサブ画素を含んでいる。各画素に含まれる複数のサブ画素に対応した複数の色、すなわち、各画素に含まれる複数のサブ画素の何れかが単独で表示可能な色から選択された２色を、第１の色及び第２の色としてもよい。例えば、一般にモニタの表示画面は、光の三原色である赤、青及び緑に対応した３つのサブ画素で１つの画素が構成されている。この場合、画像合成手段２６は、こられ３色のうちの何れか１つを第１の光音響画像に割り当て、残り２色のうちの１つを第２の光音響画像に割り当ててもよい。１つの画素が、赤、青及び緑に、シアン（水色）や黄色を加えた４色又は５色のサブ画素で構成される場合は、それら４色又は５色から選択された２色を、第１の色及び第２の色としてもよい。なお、必ずしも１つの画素に含まれる全てのサブ画素が互いに異なる色に対応する必要はなく、それらのサブ画素に加えて、それらのサブ画素のいずれかと同一の色に対応したサブ画素を１つの画素に含ませてもよい。例えば、赤に対応したサブ画素、青に対応したサブ画素、及び同一の緑に対応した２つのサブ画素からなる４つのサブ画素により１つの画素を構成してもよい。この場合も、サブ画素が表示可能な、赤、青及び緑の３色のうちの何れか１つを第１の光音響画像に割り当て、残り２色のうちの１つを第２の光音響画像に割り当てればよい。すなわち、１つの画素が、それぞれ異なる色に対応した少なくとも２つのサブ画素を有していれば、サブ画素が対応する色に基づき第１の色及び第２の色を割り当てることができる。画像合成手段２６は、例えば第１の光音響信号及び第２の光音響信号の信号強度に応じた比率で第１の色と第２の色とを混色する。
　制御手段２８は、超音波ユニット１２内の各部の制御を行う。トリガ制御回路２７は、レーザ光源ユニット１３に対して、フラッシュランプトリガ信号及びＱスイッチトリガ信号を送る。レーザ光源ユニット１３は、フラッシュランプトリガ信号を受けるとフラッシュランプを点灯してレーザ媒質を励起し、Ｑスイッチトリガ信号を受けるとＱスイッチをオンにしてパルスレーザ光を出射する。また、トリガ制御回路２７は、パルスレーザ光が出射するタイミングでＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号（ＡＤトリガ信号）を出力する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号に基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。
　図２は、波長と光吸収係数との関係を示す。横軸は波長を表し、縦軸は光吸収係数を表す。光吸収係数は、検出される光音響信号の強度及び光音響画像における画素値に対応する。光吸収体には、光吸収性を有する物質Ａと物質Ｂとが含まれているとする。図２において、グラフ（ａ）は物質Ａの光吸収係数の波長依存性を示し、グラフ（ｂ）は物質Ｂの光吸収係数の波長依存性を示す。
　グラフ（ｃ）は、光吸収体が物質Ａと物質Ｂとをほぼ同じ割合で含む場合に、その光吸収体から検出される光音響信号の波長依存性を示す。光吸収体が物質Ａと物質Ｂとをほぼ同じ割合で含む場合、波長λ１のときに検出される光音響信号の信号強度は、物質Ａのみを含むとした場合の信号強度と物質Ｂのみを含むとした場合の信号強度の中間の値となる。波長λ２のときに検出される光音響信号の信号強度も、物質Ａのみを含むとした場合の信号強度と物質Ｂのみを含むとした場合の信号強度の中間の値となる。
　一方、グラフ（ｄ）は、光吸収体に含まれる物質Ｂの濃度が物質Ａの濃度よりも十分に高いとき、その光吸収体から検出される光音響信号の波長依存性を示す。光吸収体に含まれる物質Ｂの濃度が物質Ａの濃度よりも十分に高い場合、波長λ１のときに検出される光音響信号の信号強度は、物質Ｂを含むとした場合の信号強度よりも少し高い値となる。また、波長λ２のときに検出される光音響信号の信号強度は、物質Ｂのみを含むとした場合の信号強度よりも少し低い値となる。
　光吸収体に含まれる物質Ａと物質Ｂの和が一定であるとすれば、得られる信号強度は、物質Ａが１００％に近ければグラフ（ａ）に近い波長依存性を持ち、物質Ｂが１００％に近ければグラフ（ｂ）に近い波長依存性を持つ。そこで、第１の光音響画像と第２の光音響画像とに異なる色を割り当てて表示すると、第１の波長と第２の波長での信号強度比に応じて、アナログ的に色相が変化していく画像を表示することが可能である。例えば第１の光音響画像に青を割り当て第２の光音響画像に赤を割り当てると、物質Ａと物質Ｂの存在割合に応じて赤色と青色との間で色相が変化する画像が得られる。
　図３に、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成した画像における色の変化を示す。縦軸は第２の光音響画像の画素値を表し、横軸は第１の光音響画像の画素値を表す。第１の波長は７５０ｎｍで、第２の波長は８００ｎｍであったとする。波長７５０ｎｍの光を照射したときに対応した第１の光音響画像に対しては青を割り当て、波長８００ｎｍの光を照射したときに対応した第２の光音響画像に対しては赤を割り当てる。合成された画像では、図２中に示す角度θに応じて青から赤の間で色相が変化する。例えば第２の光音響画像の画素値が第１の光音響画像の画素値よりも大きければ、合成された画像の画素における色は赤みが強くなる。色の割り当ては任意であり、色相が異なる２つの色を第１の光音響画像と第２の光音響画像とに割り当てることで、２つの色の間で色相が変化する画像が得られる。
　なお、検出される光音響信号の信号強度が弱い場合、ノイズ等の影響が相対的に大きくなり、ノイズ等のばらつきによって信号強度が相対的に大きく変動する。その場合、画素ごとに色相が大きく変動し、多色のモザイク状に表示されて見にくくなることが考えられる。そのような事態を避けるために、信号強度をしきい値処理し、一定の信号強度より小さい場合はカラー表示の演算対象から除外してもよい。つまり、画像合成手段にて、第１の光音響画像及び第２の光音響画像の少なくとも一方における画素値がしきい値以上の画素についてのみ色の割り当てを行うようにしてもよい。
　図４は、光音響画像生成システムの動作手順を示す。トリガ制御回路２７は、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を送り、次いで、Ｑスイッチトリガ信号を送る。レーザ光源ユニット１３は、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプを点灯し、Ｑスイッチトリガ信号に応答してＱスイッチをオンにし、第１の波長のパルスレーザ光を出射する（ステップＳ１）。
　被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響波が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した第１の光音響波を検出する（ステップＳ２）。検出された第１の光音響波は、受信回路２１を経てＡＤ変換手段２２でサンプリングされ、第１の光音響信号が受信メモリ２３に格納される。第１の画像生成手段２４は、受信メモリ２３から第１の光音響信号を読み出し、読み出した第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する（ステップＳ３）。
　続いて、トリガ制御回路２７は、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号とＱスイッチトリガ信号とを送る。レーザ光源ユニット１３は、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプを点灯し、Ｑスイッチトリガ信号に応答してＱスイッチをオンにし、第２の波長のパルスレーザ光を出射する（ステップＳ４）。
　被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響波が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した第２の光音響波を検出する（ステップＳ５）。検出された第２の光音響波は、受信回路２１を経てＡＤ変換手段２２でサンプリングされ、第２の光音響信号が受信メモリ２３に格納される。第２の画像生成手段２５は、受信メモリ２３から第２の光音響信号を読み出し、読み出した第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する（ステップＳ６）。なお、被検体のレーザ光が照射される領域を複数の部分領域に分割し、部分領域ごとに光照射と光音響信号の検出とを行ってもよい。
　画像合成手段２６は、第１の光音響画像に第１の色を割り当て（ステップＳ７）、第２の光音響画像に第２の色を割り当てる（ステップＳ８）。画像合成手段２６は、第１の色を割り当てた第１の光音響画像と、第２の色を割り当てた第２の光音響画像とを合成する（ステップＳ９）。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。
　例えばカラー画像の画素を（Ｒ，Ｇ，Ｂ）（Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤、青、緑の強度）で表現する。第１の光音響画像における画素値（信号強度）をＩλ１としたとき、第１の光音響画像を青に割り当てた画像の画素値は（０，０，Ｉλ１）と表すことができる。また、第２の光音響画像における画素値（信号強度）をＩλ２としたとき、第２の光音響画像を赤に割り当てた画像の画素値は（Ｉλ２，０，０）で表わすことができる。それらを合成した画像の画素値は、（Ｉλ２，０，Ｉλ１）で表わされる。
　本実施形態では、第１の波長の光を照射したときに検出された第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成し、第２の波長の光を照射したときに検出された第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する。被検体に含まれる光吸収体は、光吸収性を有する物質を２種類含んでおり、それら２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する。第１の光音響画像と第２の光音響画像とに異なる色を割り当て、それらを合成して表示することで、光吸収体に含まれる２種類の物質の存在割合に応じた画像を表示することができる。例えば、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとを含む光吸収体を画像化する場合に、酸素飽和度を計算しなくても、酸素飽和度に関連した画像を表示することができる。
　次いで、本発明の第２実施形態を説明する。第１実施形態では、画像合成手段２６は、第１の光音響画像と第２の光音響画像とに互いに異なる色を割り当てた。本実施形態では、これに代えて、第１の光音響画像と第２の光音響画像との差分画像を生成し、第１の光音響画像又は第２の光音響画像と、差分画像とに互いに異なる色を割り当てる。第２実施形態における画像合成手段２６は、このような差分画像を生成する差分画像生成機能を有する。また、第２実施携帯における画像合成手段２６は、第１の光音響画像と第２の光音響画像とを合成して表示画面上に表示させるのに代えて、第１の光音響画像又は第２の光音響画像と差分画像とを合成して表示画面上に表示させる差分画像合成機能を有する。以下では、第１の光音響画像と差分画像とを合成する例について説明する。
　画像合成手段２６は、例えば、第１の光音響画像に第１の色を割り当て、かつ差分画像に第２の色又は第３の色を割り当てる。モニタの表示画面における各画素が３以上の色に対応した３以上のサブ画素を含むとき、それら３以上のサブ画素の何れかが単独で表示可能な３以上の色から選択された３色を、第１の色、第２の色、及び第３の色としてもよい。画像合成手段２６は、例えば光の三原色である赤、青、緑のうちの１つを第１の色とし、残り２つのうちの１つを第２の色とし、残り１つを第３の色とする。具体的には、緑を第１の色とし、第２の色を青とし、第３の色を赤とすることができる。すなわち、１つの画素が、それぞれ異なる色に対応した少なくとも３つのサブ画素を有していれば、サブ画素が対応する色に基づき、第１の光音響画像、第２の光音響画像、及び差分画像に、第１の色、第２の色、及び第３の色をそれぞれ割り当てることができる。また、例えば、第１の光音響画像に第１の色を割り当て、かつ差分画像に第２の色又は第３の色を割り当てる場合、つまり色の割り当てに２色のみ必要な場合は、１つの画素が、それぞれ異なる色に対応した少なくとも２つのサブ画素を有していればよい。
　画像合成手段２６は、例えば第１の光音響画像と第２の光音響画像の差分の正負に応じて、第２の色又は第３の色を割り当てる。画像合成手段は、例えば第１の光音響画像の画素値が第２の光音響画像の画素値よりも大きいときは（Ｉλ１＞Ｉλ２）、差分画像に第２の色を割り当てる。一方、第１の光音響画像の画素値が第２の光音響画像の画素値よりも小さいときは（Ｉλ１＜Ｉλ２）、差分画像に第３の色を割り当てる。差分画像に対して所定の係数を乗じてスケーリングを行い、スケーリング後の差分画像に対して色の割り当てを行うようにしてもよい。
　光吸収体に含まれる物質が、光吸収係数が図２に示すグラフ（ａ）の波長依存性を持つ物質Ａと、光吸収係数がグラフ（ｂ）に示す波長依存性を持つ物質Ｂであった場合を考える。第１の波長（λ１）では物質Ａの光吸収係数が物質Ｂの光吸収係数よりも高く、第２の波長（λ２）では物質Ｂの光吸収係数が物質Ａの光吸収係数よりも高い。この場合、相対的に物質Ａが物質Ｂよりも多く含まれていれば、第１の光音響信号の信号強度（第１の光音響画像の画素値）は第２の光音響信号（第２の光音響画像の画素値）よりも高くなる。逆に、相対的に物質Ｂが物質Ａよりも多く含まれていれば、第１の光音響信号の信号強度は第２の光音響信号の信号強度よりも低くなる。従って、第１の光音響画像と第２の光音響画像との差分を取り、その正負を調べることで、相対的にどちらの物質が多く含まれているかが判別可能である。
　図５は、画像合成の手順を示す。画像合成手段２６は、第１の光音響画像５１と第２の光音響画像５２との差分を演算する（ステップＳ１１）。画像合成手段２６は、例えば第１の光音響画像５１の画素値から第２の光音響画像５２の画素値を減算する。画像合成手段２６は、演算した差分に所定の係数を乗じる（ステップＳ１２）。差分に乗じる係数は、酸素飽和度の測定範囲、被検体における部位の情報、疾患情報などに応じて決定すればよい。係数を乗じてスケーリングすることで、例えば差分が小さい範囲における物質濃度の変化が観察しやすくなる。
　画像合成手段２６は、スケーリングされた差分画像５３において、差分が正であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。画像合成手段２６は、差分が正であれば、つまり第１の光音響画像５１における画素値が第２の光音響画像５２における画素値よりも大きければ、差分画像５３に対して青を割り当てる（ステップＳ１４）。差分が負のとき、つまり第１の光音響画像５１における画素値が第２の光音響画像５２における画素値よりも小さければ、差分画像５３に対して赤を割り当てる（ステップＳ１５）。
　画像合成手段２６は、第１の光音響画像５１に対しては緑を割り当てる（ステップＳ１６）。画像合成手段２６は、緑が割り当てられた第１の光音響画像５１と、青又は赤が割り当てられた差分画像５３とを合成し、合成画像５４を生成する（ステップＳ１７）。合成画像５４は、画像表示手段１４に表示される。画像表示に際しては、第２の色と第３の色との間で変化するカラーバーを表示し、カラーバーの隣に酸素飽和度の範囲との関係の目安となる数値を表示するようにしてもよい。目安となる数値は、スケーリングの際の係数に応じて変化させればよい。
　図６は、第１の光音響画像と差分画像とを合成した画像における色を示す。第１の波長は７５０ｎｍで、第２の波長は８００ｎｍであったとする。波長７５０ｎｍの光を照射したときに対応した第１の光音響画像に対しては緑を割り当てる。また、両者の差分画像（ΔＩ＝Ｉλ１－Ｉλ２）に対しては、差分が正の範囲は赤を、差分が負の範囲は青を割り当てる。このような色の割り当てを行うことで、差分が正の範囲では赤と緑との間で色相が変化する合成画像が得られる。また、差分が負の範囲では青と緑との間で色相が変化する合成画像が得られる。
　ここで、第１の光音響画像と第２の光音響画像との差分が小さいときは、色相の変化が小さくなり、酸素飽和度などが判別しづらくなる。差分が小さい範囲を重点的にみたい場合には、差分に対して１よりも大きな係数を乗じて図６中に点線の矢印で示すように差分を拡大し（スケーリングし）、スケーリング後の差分に対して青又は赤を割り当てるようにすればよい。スケーリングを行うことで、例えば酸素飽和度の特定の範囲に関連した画像表示を行うことができる。第１実施形態と同様に、第１の光音響画像の画素値及び第２の光音響画像の画素値の少なくとも一方をしきい値処理し、第１の光音響画像及び第２の光音響画像の少なくとも一方における画素値がしきい値以上の画素について色の割り当てを行うようにしてもよい。
　以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の光音響画像生成装置及び方法は、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。
１０：光音響画像生成システム
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザ光源ユニット
１４：画像表示手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：第１の画像生成手段
２５：第２の画像生成手段
２６：画像合成手段
２７：トリガ制御回路
２８：制御手段
５１：第１の光音響画像
５２：第２の光音響画像
５３：差分画像
５４：合成画像

Claims (15)

  1. 　光吸収性を有する物質を２種類含み、前記２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する光吸収体を含む被検体に対して第１の波長の光が出射された後に該光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する第１の画像生成手段と、
    　前記被検体に対して前記第２の波長の光が出射された後に該光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する第２の画像生成手段と、
    　前記第１の光音響画像と前記第２の光音響画像とに互いに異なる色を割り当て、前記第１の光音響画像と前記第２の光音響画像とを合成して表示画面上に表示させる画像合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. 　前記画像合成手段が、前記第１の光音響画像に第１の色を割り当て、かつ前記第２の光音響画像に第２の色を割り当てる請求項１に記載の光音響画像生成装置。
  3. 　前記画像合成手段が、前記第１の光音響信号及び前記第２の光音響信号の信号強度に応じた比率で前記第１の色と前記第２の色とを混色する請求項２に記載の光音響画像生成装置。
  4. 　前記表示画面における各画素が、それぞれ異なる色に対応した複数のサブ画素を含んでおり、前記第１の色及び前記第２の色は、前記複数のサブ画素の何れかが単独で表示可能な色の中から選択された色である請求項２又は３に記載の光音響画像生成装置。
  5. 　前記表示画面における各画素が赤、青及び緑にそれぞれ対応した複数のサブ画素を含んでおり、前記第１の色が、前記複数のサブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑の中から選択された色であり、前記第２の色が、前記サブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑のうち、前記第１の色として選択されていない２つの色の中から選択された色である請求項４に記載の光音響画像生成装置。
  6. 　前記画像合成手段が、前記第１の光音響画像及び第２の光音響画像の少なくとも一方における画素値がしきい値以上の画素についてのみ色の割り当てを行う請求項１から５何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
  7. 　光吸収性を有する物質を２種類含み、前記２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する光吸収体を含む被検体に対して第１の波長の光が出射された後に該光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成する第１の画像生成手段と、
    　前記被検体に対して前記第２の波長の光が出射された後に該光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成する第２の画像生成手段と、
    　前記第１の光音響画像と前記第２の光音響画像との差分画像を生成する差分画像生成手段と、
    前記第１の光音響画像と、前記差分画像とに互いに異なる色を割り当て、前記第１の光音響画像と、前記差分画像とを合成して表示画面上に表示させる差分画像合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。
  8. 　前記差分画像合成手段が、前記第１の光音響画像に第１の色を割り当て、かつ前記差分画像に第２の色又は第３の色を割り当てる請求項７に記載の光音響画像生成装置。
  9. 　前記表示画面における各画素が、それぞれ異なる色に対応した３以上のサブ画素を含んでおり、前記第１の色、前記第２の色、及び前記第３の色が前記３以上のサブ画素の何れかが単独で表示可能な色の中から選択された色である請求項８に記載の光音響画像生成装置。
  10. 　前記表示画面における各画素が赤、青及び緑にそれぞれ対応した３以上のサブ画素を含んでおり、前記第１の色が、前記複数のサブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑の中から選択された色であり、前記第２の色が、前記サブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑のうち、前記第１の色として選択されていない２つの色の中から選択された色であり、前記第３の色が、前記サブ画素の何れかが単独で表示可能な、赤、青及び緑のうち、前記第１の色及び前記第２の色として選択されていない色である請求項９に記載の光音響画像生成装置。
  11. 　前記差分画像合成手段が、前記第１の光音響画像の画素値が前記第２の光音響画像の画素値よりも大きいときは前記第２の色を割り当て、前記第１の光音響画像の画素値が前記第２の光音響画像の画素値よりも小さいときは前記第３の色を割り当てる請求項８から１０何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
  12. 　前記差分画像合成手段が、前記差分画像に係数を乗じた後に色の割り当てを行うものである請求項７から１１何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
  13. 　前記差分画像合成手段が、前記第１の光音響画像及び第２の光音響画像の少なくとも一方における画素値がしきい値以上の画素についてのみ色の割り当てを行う請求項７から１２何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
  14. 　前記第１の光及び前記第２の光を前記被検体へ出射する光出射手段を更に備え、
    　前記第１の光及び前記第２の光は、光吸収体として被検体に脱酸素化ヘモグロビン及び酸素化ヘモグロビンが含まれる場合に、脱酸素化ヘモグロビン及び酸素化ヘモグロビンの存在割合に応じて、前記光吸収体による光吸収係数が変化する波長の光である請求項１から１３何れか１項に記載の光音響画像生成装置。
  15. 　光吸収性を有する物質を２種類含み、前記２種類の物質の存在割合に応じて、第１の波長の光に対する光吸収係数と前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に対する光吸収係数とが変化する光吸収体を含む被検体に対して第１の波長の光が出射された後に該光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第１の光音響信号に基づいて第１の光音響画像を生成するステップと、
    　前記被検体に対して前記第２の波長の光が出射された後に該光出射に起因して被検体内で発生した光音響波の検出信号である第２の光音響信号に基づいて第２の光音響画像を生成するステップと、
    　前記第１の光音響画像と前記第２の光音響画像とに互いに異なる色を割り当て、前記第１の光音響画像と前記第２の光音響画像とを合成して表示画面上に表示させ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。
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