(57)【要約】  光音響画像における視認可能深さを向上させた光音響画像生成装置、および光音響画像生成装置における画像取得方法を提供する。  光音響画像生成装置の制御部は、光源に対して、音響波検出手段の受信周波数特性に基づいて、光源において発生させる励起光のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行う。
2019044593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から被検体に向けて出射された励起光を受けることにより前記被検体内から発生した光音響波を音響波検出手段により検出して得られた信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成部を備える光音響画像生成装置において、
前記光源に対して、前記音響波検出手段の受信周波数特性に基づいて、前記光源において発生させる励起光のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行う制御部を備える光音響画像生成装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記励起光発生条件を調整して、前記音響波検出手段において検出される光音響波の周波数特性と、前記音響波検出手段の受信周波数特性とを近づける制御を行う
請求項１記載の光音響画像生成装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記被検体内において発生する光音響波の周波数特性が異なる複数の前記励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の前記励起光発生条件の中から選択された前記励起光発生条件に基づいて前記光源を制御する
請求項１または２記載の光音響画像生成装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記音響波検出手段の受信周波数特性が異なる種類毎に複数の前記励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の前記励起光発生条件の中からユーザに選択された前記励起光発生条件に基づいて前記光源を制御する
請求項３記載の光音響画像生成装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記光音響画像の画像深さに基づいて、前記励起光発生条件を調整する
請求項１から４のいずれか１項記載の光音響画像生成装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記光音響画像の焦点深さに基づいて、前記励起光発生条件を調整する
請求項１から４のいずれか１項記載の光音響画像生成装置。
【請求項７】
前記光音響画像生成部は、前記励起光発生条件に基づいて、前記光音響画像に対して補正処理を施す
請求項１から６のいずれか１項記載の光音響画像生成装置。
【請求項８】
光源から被検体に向けて出射された励起光を受けることにより前記被検体内から発生した光音響波を音響波検出手段により検出して得られた信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成部を備える光音響画像生成装置における画像取得方法であって、
前記光源に対して、前記音響波検出手段の受信周波数特性に基づいて、前記光源において発生させる励起光のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行う画像取得方法。
【請求項９】
前記励起光発生条件を調整して、前記音響波検出手段において検出される光音響波の周波数特性と、前記音響波検出手段の受信周波数特性とを近づける制御を行う
請求項８記載の画像取得方法。
【請求項１０】
前記被検体内において発生する光音響波の周波数特性が異なる複数の前記励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の前記励起光発生条件の中から選択された前記励起光発生条件に基づいて前記光源を制御する
請求項８または９記載の画像取得方法。
【請求項１１】
前記音響波検出手段の受信周波数特性が異なる種類毎に複数の前記励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の前記励起光発生条件の中からユーザに選択された前記励起光発生条件に基づいて前記光源を制御する
請求項１０記載の画像取得方法。
【請求項１２】
前記光音響画像の画像深さに基づいて、前記励起光発生条件を調整する
請求項８から１１のいずれか１項記載の画像取得方法。
【請求項１３】
前記光音響画像の焦点深さに基づいて、前記励起光発生条件を調整する
請求項８から１１のいずれか１項記載の画像取得方法。
【請求項１４】
前記励起光発生条件に基づいて、前記光音響画像に対して補正処理を施す
請求項８から１３のいずれか１項記載の画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から被検体に向けて出射された励起光を受けることにより被検体内から発生した光音響波を検出して得られた信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置、および光音響画像生成装置における画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光音響効果を利用した非侵襲の計測法が注目されている。この計測法は、ある適宜の波長（例えば、可視光、近赤外光または中間赤外光の波長帯域）を有するパルス光を被検体に向けて出射し、被検体内の吸収物質がこのパルス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、その吸収物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の吸収物質とは、例えば血管や、血液中に含まれるグルコースおよびヘモグロビンなどである。また、このような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：Ｐｈｏｔｏ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ）あるいは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Ｐｈｏｔｏ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれている。【０００３】
例えば特許文献１および２には、光音響イメージングを行って光音響画像を生成する装置が示されている。この種の光音響画像生成装置は、いわゆる反射超音波画像も生成可能に構成されることが多い。【０００４】
反射超音波画像を生成する装置は一般に、被検体に向けて出射された音響波（多くは超音波）が被検体内で反射した反射音響波を検出して得られた信号に基づいて、被検体の内部の断層画像などを生成する。【０００５】
一方、光音響画像生成装置は一般に、被検体に向けてレーザ光などの励起光を出射し、この励起光を吸収した部位から発生した光音響波を検出して得られた信号に基づいて、被検体の内部組織などを示す光音響画像を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−４７２３２号公報
【特許文献２】特開２０１６−４７０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような光音響イメージングにおいて、光音響画像における視認可能深さを向上させるためには、（１）被検体内で発生させる光音響波のエネルギーを大きくする、（２）発生した光音響波を検出する超音波プローブの受信効率を向上させる、（３）画像のバックグラウンドノイズを低減させる、の３つの方法が考えられる。【０００８】
（１）の被検体内で発生させる光音響波のエネルギーを大きくするためには、被検体内に照射される励起光のエネルギーを大きくすることが考えられるが、光源のハードウェアとしての制約により、励起光の１パルスのピークエネルギーを大きくするのは限度がある。また、（３）の画像のバックグラウンドノイズを低減させるためには、複数枚の光音響画像を利用して１枚の画像を構成すること、または、複数波の受信データを利用して１ラインの受信データを構成することが考えられるが、この場合には、フレームレートが低下するという問題がある。【０００９】
そのため、光音響画像における視認可能深さを向上させるためには、（２）の発生した光音響波を検出する超音波プローブの受信効率を向上させることが好ましい。【００１０】
この点について、特許文献１では、光音響波を発生させるための励起光のパルス幅を超音波プローブに応じて最適化することで、光音響波を超音波プローブにおいて効率よく受信できるようにすることが開示されている。しかし特許文献１の方法では、画像化に寄与しない周波数成分の音響波がまだ多く発生するなど、効率化が不十分である。【００１１】
また、特許文献２では、超音波プローブの受信周波数特性に応じて励起光のパルス幅およびパルス数を決定することで、光音響波を超音波プローブにおいて効率よく受信できるようにすることが開示されている。さらに特許文献２では、超音波プローブの受信周波数特性に応じて励起光のパルス幅およびパルス数を決定した後、パルス幅を一定にしたままパルスの繰り返し周期を変えることで分解能を向上させることができると記載されている。しかしながら、励起光のパルス幅を決定したのちにパルスの繰り返し周期を変えると、発生する光音響波の帯域が変わってしまい、超音波プローブの受信周波数特性と合わなくなり、超音波プローブの受信効率が低下するという問題がある。【００１２】
本発明は、上記事情に鑑み、光音響画像における視認可能深さを向上させた光音響画像生成装置、および光音響画像生成装置における画像取得方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光音響画像生成装置は、光源から被検体に向けて出射された励起光を受けることにより被検体内から発生した光音響波を音響波検出手段により検出して得られた信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成部を備える光音響画像生成装置において、光源に対して、音響波検出手段の受信周波数特性に基づいて、光源において発生させる励起光のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行う制御部を備える。【００１４】
本発明の光音響画像生成装置において、制御部は、励起光発生条件を調整して、音響波検出手段において検出される光音響波の周波数特性と、音響波検出手段の受信周波数特性とを近づける制御を行うものとしてもよい。【００１５】
また、制御部は、被検体内において発生する光音響波の周波数特性が異なる複数の励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の励起光発生条件の中から選択された励起光発生条件に基づいて光源を制御するものとしてもよい。【００１６】
この場合、制御部は、音響波検出手段の受信周波数特性が異なる種類毎に複数の励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の励起光発生条件の中からユーザに選択された励起光発生条件に基づいて光源を制御するものとしてもよい。【００１７】
また、制御部は、光音響画像の画像深さに基づいて、励起光発生条件を調整するものとしてもよい。【００１８】
また、制御部は、光音響画像の焦点深さに基づいて、励起光発生条件を調整するものとしてもよい。【００１９】
また、光音響画像生成部は、励起光発生条件に基づいて、光音響画像に対して補正処理を施すものとしてもよい。【００２０】
本発明の画像取得方法は、光源から被検体に向けて出射された励起光を受けることにより被検体内から発生した光音響波を音響波検出手段により検出して得られた信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成部を備える光音響画像生成装置における画像取得方法であって、光源に対して、音響波検出手段の受信周波数特性に基づいて、光源において発生させる励起光のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行う。【００２１】
本発明の画像取得方法においては、励起光発生条件を調整して、音響波検出手段において検出される光音響波の周波数特性と、音響波検出手段の受信周波数特性とを近づける制御を行うようにしてもよい。【００２２】
また、被検体内において発生する光音響波の周波数特性が異なる複数の励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の励起光発生条件の中から選択された励起光発生条件に基づいて光源を制御するようにしてもよい。【００２３】
この場合、音響波検出手段の受信周波数特性が異なる種類毎に複数の励起光発生条件を記憶し、記憶している複数の励起光発生条件の中からユーザに選択された励起光発生条件に基づいて光源を制御するようにしてもよい。【００２４】
また、光音響画像の画像深さに基づいて、励起光発生条件を調整するようにしてもよい。【００２５】
また、光音響画像の焦点深さに基づいて、励起光発生条件を調整するようにしてもよい。【００２６】
また、励起光発生条件に基づいて、光音響画像に対して補正処理を施すようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の光音響画像生成装置および画像取得方法によれば、光源に対して、音響波検出手段の受信周波数特性に基づいて、光源において発生させる励起光のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行うようにしたので、音響波検出手段における光音響波の受信効率を向上させることができ、その結果、光音響画像における視認可能深さを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態の光音響画像生成装置の概略構成を示すブロック図
【図２】励起光の波形を示すグラフ
【図３】光音響波の波形を示すグラフ
【図４】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図５】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図６】励起光の波形を示すグラフ
【図７】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図８】励起光の波形を示すグラフ
【図９】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図１０】励起光の波形を示すグラフ
【図１１】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図１２】励起光の波形を示すグラフ
【図１３】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図１４】励起光の波形を示すグラフ
【図１５】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図１６】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【図１７】光音響波のスペクトルを示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の光音響画像生成装置１０の全体構成を示す概略図である。なお図１において、超音波プローブ（以下、単にプローブという）１１の形状は概略的に示してある。本例の光音響画像生成装置１０は、光音響波検出信号に基づいて光音響画像を生成する機能を有するものであり、図１に概略的に示すように、プローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示部１４、および入力部１５などを備えている。以下、それらの構成要素について順次説明する。
【００３０】
音響波検出手段としてのプローブ１１は、例えば生体である被検体Ｍに向けて励起光および超音波を出射する機能と、被検体Ｍ内を伝搬する音響波Ｕを検出する機能とを有する。すなわちプローブ１１は、被検体Ｍに対する超音波（音響波）の出射（送信）、および被検体Ｍで反射して戻って来た反射超音波（反射音響波）の検出（受信）を行うことができる。
【００３１】
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用語である。ここで、「超音波」とはプローブ１１により送信された弾性波およびその反射波（反射超音波）を意味し、「光音響波」とは吸収体６５が励起光を吸収することにより発する弾性波を意味する。また、プローブ１１が発する音響波は超音波に限定されるものでは無く、被検対象や測定条件などに応じて適切な周波数を選択してさえいれば、可聴周波数の音響波を用いてもよい。なお被検体Ｍ内の吸収体６５としては、例えば血管や、血液中に含まれるグルコースおよびヘモグロビンなど、さらには金属部材などが挙げられる。
【００３２】
プローブ１１は一般に、セクタ走査対応のもの、リニア走査対応のもの、コンベックス走査対応のものなどが用意され、それらの中から適宜のものが撮像部位に応じて選択使用される。またプローブ１１には、後述するレーザユニット１３から発せられた励起光であるレーザ光Ｌを、光出射部４０まで導光させる接続部としての光ファイバ６０が接続されている。
【００３３】
プローブ１１は、音響波検出器である振動子アレイ２０と、この振動子アレイ２０を間に置いて、振動子アレイ２０の両側に各々１つずつ配設された合計２つの光出射部４０と、振動子アレイ２０および２つの光出射部４０などを内部に収容した筐体５０とを備えている。
【００３４】
本実施形態において振動子アレイ２０は、超音波送信素子としても機能する。振動子アレイ２０は、図示外の配線を介して、超音波の送信制御回路３５および受信回路２１などと接続されている。
【００３５】
振動子アレイ２０は、電気音響変換素子である音響波振動子（超音波振動子）が複数、一次元方向に並設されてなるものである。音響波振動子は、例えば圧電セラミクスから構成された圧電素子である。また音響波振動子は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成された圧電素子であってもよい。音響波振動子は、受信した音響波Ｕを電気信号に変換する機能を有している。なお、振動子アレイ２０は音響レンズを含んでもよい。
【００３６】
本実施形態における振動子アレイ２０は、上述の通り、複数の音響波振動子が一次元に並設されてなるものであるが、複数の音響波振動子が二次元に並設されてなる振動子アレイが用いられてもよい。
【００３７】
上記音響波振動子は、上述した通り超音波を送信する機能も有する。すなわち、この音響波振動子に交番電圧が印加されると、音響波振動子は交番電圧の周波数に対応した周波数の超音波を発生させる。なお、超音波の送信と受信は互いに分離させてもよい。つまり、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で受信するようにしてもよい。
【００３８】
光出射部４０は、光ファイバ６０によって導光されたレーザ光Ｌを被検体Ｍに向けて出射させる部分である。本実施形態において光出射部４０は、光ファイバ６０の先端部、つまり励起光の光源であるレーザユニット１３から遠い方の端部によって構成されている。図１に示されるように、本実施形態では２つの光出射部４０が、振動子アレイ２０を間に置いて、振動子アレイ２０の例えばエレベーション方向の両側に配置されている。このエレベーション方向とは、複数の音響波振動子が一次元に並設された場合、その並び方向に対して直角で、振動子アレイ２０の検出面に平行な方向である。
【００３９】
なお光出射部は、光ファイバ６０の先端に光学的に結合させた導光板および拡散板から構成されてもよい。そのような導光板は、例えばアクリル板や石英板から構成することができる。また拡散板としては、マイクロレンズが基板上にランダムに配置されているレンズ拡散板を使用することができる。また、例えば拡散微粒子が分散された石英板などを使用することができる。さらにレンズ拡散板としてはホログラフィカル拡散板を用いてもよいし、エンジニアリング拡散板を用いてもよい。
【００４０】
光源としてのレーザユニット１３は、例えばＱスイッチアレキサンドライトレーザなどのフラッシュランプ励起Ｑスイッチ固体レーザを有し、励起光としてのレーザ光Ｌを発生させる。レーザユニット１３は、超音波ユニット１２の制御部３０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。
【００４１】
レーザ光Ｌの波長は、計測の対象となる被検体Ｍ内の吸収体６５の光吸収特性に応じて適宜選択される。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、一般にその波長は、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７００〜２５００ｎｍ（ナノメートル）の波長域を意味する。しかし、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、単波長のものでもよいし、例えば７５０ｎｍ（ナノメートル）および８００ｎｍ（ナノメートル）などの複数波長を含むものでもよい。レーザ光Ｌが複数の波長を含む場合、これらの波長の光は、同時に出射されてもよいし、交互に切り替えながら出射されてもよい。
【００４２】
なおレーザユニット１３は、上に述べたアレキサンドライトレーザの他、同様に近赤外波長域のレーザ光を出力可能なＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）−ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第二次高調波発生）−ＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｉｌｌａｔｉｏｎ：光パラメトリック発振）レーザ、あるいはＴｉ−Ｓａｐｐｈｉｒｅ（チタン−サファイア）レーザなどを用いて構成することもできる。
【００４３】
また、レーザユニット１３は、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を用いて構成することもできる。本発明は光音響波の受信効率を向上させるものであるため、光源について、大出力である個体レーザの代わりに、より低出力であるＬＤまたはＬＥＤとすることもできる。また、後述のように任意の波形の励起光を発生させるためには、一般的に個体レーザよりもＬＤまたはＬＥＤの方が好適である。
【００４４】
光ファイバ６０は、レーザユニット１３から出射されたレーザ光Ｌを、２つの光出射部４０まで導く。光ファイバ６０は特に限定されず、石英ファイバなどの公知のものを使用することができる。例えば１本の太い光ファイバが用いられてもよいし、あるいは複数の光ファイバが束ねられてなるバンドルファイバが用いられてもよい。一例としてバンドルファイバが用いられる場合、１つにまとめられたファイバ部分の光入射端面から上記レーザ光Ｌが入射するようにバンドルファイバが配置され、そしてバンドルファイバの２つに分岐されたファイバ部分の各先端部が前述した通り光出射部４０を構成する。
【００４５】
超音波ユニット１２は、受信回路２１、受信メモリ２２、画像生成部２６、画像出力部２７、制御部３０、および送信制御回路３５を有する。画像生成部２６は、データ分離部２３、光音響画像生成部２４、および超音波画像生成部２５から構成される。制御部３０は、光源としてのレーザユニット１３に対して、プローブ１１の受信周波数特性に基づいて、レーザユニット１３において発生させるレーザ光Ｌのパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行うなどの機能を備える。超音波ユニット１２は、典型的にはプロセッサ、メモリ、およびバスなどを有する。超音波ユニット１２においては、光音響画像生成処理、超音波画像生成処理、およびレーザユニット１３に対する制御処理などに関するプログラムが不図示のメモリに組み込まれている。プロセッサによって構成される制御部３０によってそのプログラムが動作することで、各部の機能が実現する。すなわち、これらの各部は、プログラムが組み込まれたメモリとプロセッサにより構成されている。
【００４６】
なお、超音波ユニット１２のハードウェアの構成は特に限定されるものではなく、複数のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、プロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、およびメモリなどを適宜組み合わせることによって実現することができる。
【００４７】
受信回路２１は、プローブ１１が出力する検出信号を受信し、受信した検出信号を受信メモリ２２に格納する。受信回路２１は、典型的には、低ノイズアンプ、可変ゲインアンプ、ローパスフィルタ、およびＡＤ変換器（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）を含む。プローブ１１の検出信号は、低ノイズアンプで増幅された後に、可変ゲインアンプで深度に応じたゲイン調整がなされ、ローパスフィルタで高周波成分がカットされた後にＡＤ変換器でデジタル信号に変換され、受信メモリ２２に格納される。受信回路２１は、例えば１つのＩＣで構成される。
【００４８】
プローブ１１は、光音響波の検出信号と反射超音波の検出信号とを出力し、受信メモリ２２には、ＡＤ変換された光音響波および反射超音波の検出信号（サンプリングデータ）が格納される。データ分離部２３は、受信メモリ２２から光音響波の検出信号を読み出し、光音響画像生成部２４に送信する。また、受信メモリ２２から反射超音波の検出信号を読み出し、超音波画像生成部２５に送信する。
【００４９】
光音響画像生成部２４は、プローブ１１で検出された光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する。光音響画像の生成処理は、例えば位相整合加算などの画像再構成、検波および対数変換などを含む。超音波画像生成部２５は、プローブ１１で検出された反射超音波の検出信号に基づいて超音波画像を生成する。超音波画像の生成処理も、位相整合加算などの画像再構成、検波および対数変換などを含む。画像出力部２７は、光音響画像および／または超音波画像を、ディスプレイ装置などの画像表示部１４に出力する。
【００５０】
制御部３０は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御部３０は、光音響画像を取得する場合は、レーザユニット１３に後述の励起光発生条件に基づいてトリガ信号を送信し、レーザユニット１３からレーザ光Ｌを出射させる。また、レーザ光Ｌの出射に合わせて、受信回路２１にサンプリングトリガ信号を送信し、光音響波のサンプリング開始タイミングなどを制御する。受信回路２１によって受信されたサンプリングデータは、受信メモリ２２に格納される。
【００５１】
光音響画像生成部２４は、データ分離部２３を介して光音響波の検出信号のサンプリングデータを受信し、所定の検波周波数で検波して光音響画像を生成する。光音響画像生成部２４が生成した光音響画像は、画像出力部２７に入力される。
【００５２】
また、制御部３０は、超音波画像を取得する場合は、送信制御回路３５に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送信する。送信制御回路３５は、超音波送信トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波画像を取得する場合には、制御部３０による制御によって、例えば圧電素子群の受信領域を一ラインずつずらしながら走査して反射超音波の検出を行う。制御部３０は、超音波送信のタイミングに合わせて受信回路２１にサンプリングトリガ信号を送信し、反射超音波のサンプリングを開始させる。受信回路２１によって受信されたサンプリングデータは、受信メモリ２２に格納される。
【００５３】
超音波画像生成部２５は、データ分離部２３を介して超音波の検出信号のサンプリングデータを受信し、所定の検波周波数で検波して超音波画像を生成する。超音波画像生成部２５が生成した超音波画像は、画像出力部２７に入力される。
【００５４】
ここで、本実施形態の光音響画像生成装置１０における光音響画像の取得方法について詳細に説明する。光音響画像取得時において、制御部３０は、レーザユニット１３（光源）に対して、プローブ１１（音響波検出手段）の受信周波数特性に基づいて、レーザユニット１３において発生させるレーザ光Ｌ（励起光）のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行う。なお、ここでは周波数特性として中心周波数を考えるが、ピーク周波数など、他の周波数特性としてもよい。
【００５５】
制御部３０は、プローブ１１（音響波検出手段）の受信周波数特性、すなわちプローブ１１の感度における中心周波数に基づいて、励起光発生条件を調整する制御を行う。
【００５６】
例えば、プローブ１１の感度における中心周波数が６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）の場合を考える。この場合、被検体Ｍ内で発生させる光音響波の中心周波数が６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近になることが望ましい。図２は励起光の波形を示すグラフ、図３は光音響波の波形を示すグラフ、図４は光音響波のスペクトルを示すグラフであり、図２〜４に示すように、光音響波はレーザ光Ｌ（励起光）の波形における強度エッジにて発生すると考えることができるため、レーザ光Ｌのパルス数が１の場合には、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝１／（２×６．５Ｍ）＝７７ｎｓ（ナノ秒）に設定すると、６．５ＭＨｚの中心周波数をもつ光音響波を発生させることができる。
【００５７】
それに対し、同じく図２〜４に示すように、レーザ光Ｌのパルス数を２以上とし、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝１／（２×６．５Ｍ）＝７７ｎｓ（ナノ秒）に、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１／６．５Ｍ＝１５４ｎｓ（ナノ秒）に設定すると、６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近に中心周波数をもち、ピークのスペクトル強度がパルス数１の場合より大きく、帯域幅がパルス数１の場合より狭い光音響波を発生させることができる。
【００５８】
一般にプローブ１１の受信周波数帯域は、中心周波数に対して７０％〜１００％の幅を持つ帯域であるため、中心周波数６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）のプローブで受信可能な音響波の周波数は３．２〜９．８ＭＨｚ（メガヘルツ）程度と考えられる。レーザ光Ｌのパルス数が１の場合、図４に示すように、プローブ１１で受信可能な周波数以外の光音響波が多く発生してしまっており、プローブ１１における光音響波の受信効率が低い。一方、レーザ光Ｌのパルス数が２の場合、発生する光音響波の多くがプローブ１１で受信可能な周波数となり、プローブ１１における光音響波の受信効率が高い。
【００５９】
ここで、分解能を向上させるためにパルスの繰り返し周期を短くする（デューティ比を高くする）ことを考える。図５は光音響波のスペクトルを示すグラフであり、図５に示すように、デューティ比を７０％にするために、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１１０ｎｓ（ナノ秒）とすると、デューティ比が５０％の場合（レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１５４ｎｓ（ナノ秒））と比較して、光音響波のスペクトルが変わってしまう。そのため、プローブ１１の受信周波数特性に応じてレーザ光Ｌのパルス幅およびパルス数を決定した後に、パルスの繰り返し周期（デューティ比）を変えるという特許文献２の方法では、プローブ１１における光音響波の受信効率が低くなる。
【００６０】
それに対し、本実施形態では、光音響波の中心周波数がプローブ１１の感度における中心周波数に近づくよう、レーザ光Ｌ（励起光）のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する。
【００６１】
例えば、図６は励起光の波形を示すグラフ、図７は光音響波のスペクトルを示すグラフであり、図６、７に示すように、レーザ光Ｌのパルス数を２に、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝６２ｎｓ（ナノ秒）に、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１５５ｎｓ（ナノ秒）に設定すると、レーザ光Ｌのパルス数を２に、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝７７ｎｓ（ナノ秒）に、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１５４ｎｓ（ナノ秒）に設定した場合とほぼ同様に、６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近に中心周波数をもつ光音響波を発生させることができる。
【００６２】
レーザユニット１３（光源）として、レーザーダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた場合、レーザ光Ｌの発光時間と消費電力が比例するため、短い発光時間で、長い発光時間と同程度の強度の光音響波を発生させることができる方法は、低消費電力の点で望ましい。また、発光デバイスの寿命は総発光時間に起因すると考えられるため、発光時間を短くすることにより長寿命化も期待できる。
【００６３】
レーザ光Ｌを被検体Ｍに照射した時に発生する光音響波の中心周波数Ｆｃは、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰと、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲの双方に依存して決まるため、厳密には個々に計算することが望ましいが、一般には繰り返し周期ｔＬＲの寄与のほうがより大きいため、第一次近似としてはＦｃ≒１／ｔＬＲとしてもよい。
【００６４】
また、ｔＬＰ≠ｔＬＲ／２とした場合は、発生する光音響波がより多くの周波数成分を含むことになるため、一般にｔＬＰ＝ｔＬＲ／２の場合よりも発生する光音響波の帯域幅が広くなる。この効果を利用して発生する光音響波の帯域幅の調整をすることもできる。
【００６５】
上記の制御を行うことにより、プローブ１１における光音響波の受信効率を高めることができる。
【００６６】
なお、レーザ光Ｌのパルス数は２に限らず、３以上としてもよい。
【００６７】
また、例えば、レーザ光Ｌのパルス数が増えた場合に、光音響画像中の物体位置が深い方向にずれるなど、励起光発生条件が変化することで、光音響画像中の物体位置が変化してしまう。そのため、光音響画像生成部２４において、励起光発生条件に応じて、光音響画像中の物体位置を補正することが望ましい。
【００６８】
また、被検体Ｍ内で発生させる光音響波の中心周波数とプローブ１１の感度における中心周波数を必ずしも一致させる必要はない。例えば、画質などの要請からプローブ１１の感度における周波数帯域内の任意の箇所に光音響波の中心周波数を設定してもよい。
【００６９】
上記のような励起光発生条件のパターンは、超音波ユニット１２内部の不図示の記憶部にあらかじめテーブルとして記憶されていて、プローブ１１の周波数特性、観察対象、および／または光音響画像または光音響画像と合成する超音波画像の画像深さ（画像における最大深さ）や焦点深さ（観察対象の深さ）などに合わせて適宜自動であるいはユーザが任意に選択できるようにしておくことが望ましい。
【００７０】
光音響波の周波数特性については、レーザ光Ｌのパルス波形（励起光発生条件）を設定し、レーザ光Ｌのパルス波形の疑似微分とみなすことができる光音響波を発生させ、発生した光音響波の波形を周波数解析（例えばフーリエ変換）することにより光音響波の周波数特性を取得するという流れで決めることができる。そのため、励起光発生条件の一部のパラメータを少しずつ変更しながら上記手順を繰り返し、所望の光音響波の周波数特性が得られる励起光発生条件を抽出することができる。
【００７１】
一般に、あるレーザ光Ｌのパルス幅とパルスの繰り返し周期により発生する光音響波に対して、レーザ光Ｌのパルス幅が長くなった場合は、パルスの繰り返し周期を短くすることにより、元の光音響波に近い周波数特性を持つ光音響波を発生させることができる。逆に、あるレーザ光Ｌのパルス幅とパルスの繰り返し周期により発生する光音響波に対して、レーザ光Ｌのパルス幅が短くなった場合は、パルスの繰り返し周期を長くすることにより、元の光音響波に近い周波数特性を持つ光音響波を発生させることができる。
【００７２】
例えば、図８は励起光の波形を示すグラフ、図９は光音響波のスペクトルを示すグラフであり、図８、９に示すように、レーザ光Ｌのパルス数を２としたとき、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝７７ｎｓ（ナノ秒）で、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１５４ｎｓ（ナノ秒）とすることで、６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近に中心周波数をもつ光音響波を発生させることができるが、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝９２ｎｓ（ナノ秒）で、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１４５ｎｓ（ナノ秒）とした場合、および、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝６２ｎｓ（ナノ秒）で、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１６０ｎｓ（ナノ秒）とした場合でも、６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近に中心周波数をもつ光音響波を発生させることができる。
【００７３】
この方法を利用することにより、レーザユニット１３（光源）の駆動中にパルス発光している時間の割合に制限のある場合（一般にレーザダイオードは０．１％が上限として制限があることが多い、また、レーザの安全の観点から、トータルの発光量を減らすことが要請される場合もある）や、パルス幅に制約があるとき（例えば回路などの制約がある場合、または、フラッシュランプ方式の光源である場合などレーザ光Ｌのパルス幅に所定の値しか選べないとき）においても、発生する光音響波の周波数特性を変化させることができる。
【００７４】
例えば、光音響波のＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ  Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が高く、１回の波形取得において駆動中にパルス発光している時間の割合を減らしたい場合は、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝６２ｎｓ（ナノ秒）およびレーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１６０ｎｓ（ナノ秒）とした励起光発生条件を選ぶことで、ｔＬＰ＝ｔＬＲ／２の場合よりも駆動中にパルス発光している時間の割合を減らしながら、６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近に中心周波数をもつ光音響波を発生させることができる。また、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝９２ｎｓ（ナノ秒）という制約（ｔＬＰ＝ｔＬＲ／２では中心周波数が５．４ＭＨｚとなってしまう）がある場合において、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１４５ｎｓ（ナノ秒）とすることで、６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近に中心周波数をもつ光音響波を発生させることができる。
【００７５】
また、レーザユニット１３（光源）として、レーザーダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた場合、レーザ光Ｌの発光時間と消費電力が比例するため、より短い発光時間で長い発光時間と同程度の強度の光音響波を発生させることができる方法（例えば、６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）付近に中心周波数をもつ光音響波を発生させたい場合に、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝６２ｎｓ（ナノ秒）およびレーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１６０ｎｓ（ナノ秒）とした励起光発生条件を選択）は、低消費電力の点で望ましい。また、発光デバイスの寿命は総発光時間に起因すると考えられるため、発光時間を短くすることにより寿命化も期待できる。
【００７６】
次に、本発明の第２の実施形態の光音響画像生成装置１０について説明する。本実施形態の光音響画像生成装置１０は、上記第１の実施形態の光音響画像生成装置１０と比較して、制御部３０におけるレーザユニット１３（光源）の制御方法が異なるだけで、他の構成は同じであるため、同じ部分の説明は省略する。
【００７７】
本実施形態において、制御部３０は、光音響画像取得時に、レーザユニット１３（光源）に対して、プローブ１１（音響波検出手段）の受信周波数特性と観察対象の深さに基づいて、プローブ１１直前での光音響波の周波数特性をプローブ１１（音響波検出手段）の受信周波数特性に近づけるように、レーザユニット１３において発生させるレーザ光Ｌ（励起光）のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件を調整する制御を行う。なお、ここでは周波数特性として中心周波数を考えるが、ピーク周波数など、他の周波数特性としてもよい。
【００７８】
例えば、プローブ１１の感度の中心周波数が６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）で、主要な観察対象の深さが４ｃｍ（センチメートル）の場合を考える。図１０は励起光の波形を示すグラフ、図１１は光音響波のスペクトルを示すグラフである。図１０に示すように、上記第１の実施形態では、被検体Ｍ内で発生する光音響波の中心周波数が６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）となるような励起光発生条件（レーザ光Ｌ（励起光）のパルス幅ｔＬＰ＝７７ｎｓ（ナノ秒）、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１５４ｎｓ（ナノ秒））を設定していたが、発生した光音響波は被検体Ｍ中で減衰する（特に高周波成分ほど多く減衰する）ため、図１１に示すように、プローブ１１直前での光音響波の中心周波数は６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）からより低い中心周波数に変化してしまう。
【００７９】
そのため、本実施形態においては、被検体Ｍ中での減衰を考慮して、プローブ１１直前での光音響波の中心周波数がプローブ１１の感度における中心周波数に近づくよう、励起光発生条件を設定する。図１２は励起光の波形を示すグラフ、図１３は光音響波のスペクトルを示すグラフである。図１２に示すように、例えば、レーザ光Ｌのパルス数を２とし、レーザ光Ｌのパルス幅ｔＬＰ＝６２．５ｎｓ（ナノ秒）、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１２５ｎｓ（ナノ秒）とした場合、図１３に示すように、プローブ１１直前での光音響波の中心周波数を６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）とすることができる。これにより、上記第１の実施形態よりも、プローブ１１における光音響波の受信効率を高めることができる。
【００８０】
なお、プローブ１１直前での光音響波の中心周波数とプローブ１１の感度における中心周波数が近くなるような励起光発生条件のパターンについて、超音波ユニット１２内部にあらかじめテーブルとしてプローブ１１の種類毎に複数（例えば主要な観察対象が浅い場所に位置する場合用、中間の場所に位置する場合用、深い場所に位置する場合用など）記憶されていて、ユーザがそれらを選択できるようにしておくことが望ましい。
【００８１】
このとき、光音響波の検波条件もそれぞれのモードに応じて最適化されていることが望ましい。また、光音響画像、または光音響画像と合成する超音波画像の画像深さ（画像における最大深さ）や焦点深さ（観察対象の深さ）に応じて、励起光発生条件が自動で切り替わるようにしてもよい。
【００８２】
また、レーザ光Ｌのパルス数は２に限らず、３以上としてもよい。
【００８３】
また、例えば、レーザ光Ｌのパルス数が増えた場合に、光音響画像中の物体位置が深い方向にずれるなど、励起光発生条件が変化することで、光音響画像中の物体位置が変化してしまう。そのため、光音響画像生成部２４において、励起光発生条件に応じて、光音響画像中の物体位置を補正することが望ましい。
【００８４】
また、プローブ１１直前での光音響波の中心周波数とプローブ１１の感度における中心周波数を必ずしも一致させる必要はない。例えば、画質などの要請からプローブ１１の感度における周波数帯域内の任意の箇所に光音響波の中心周波数を設定してもよい。
【００８５】
次に、本発明の第３の実施形態の光音響画像生成装置１０について説明する。本実施形態の光音響画像生成装置１０は、上記第１の実施形態の光音響画像生成装置１０と比較して、制御部３０におけるレーザユニット１３（光源）の制御方法が異なるだけで、他の構成は同じであるため、同じ部分の説明は省略する。
【００８６】
本実施形態において、制御部３０は、光音響画像取得時に、レーザユニット１３（光源）に対して、プローブ１１（音響波検出手段）の受信周波数特性と観察対象の深さに基づいて、分解能優先または感度優先などの適切な受信特性となるように、レーザユニット１３において発生させるレーザ光Ｌ（励起光）のパルス幅と、複数のパルス数と、パルスの繰り返し周期とに基づいた励起光発生条件について、被検体Ｍ中で発生させる光音響波の中心周波数が異なる複数の設定の中から最適な設定を選択する制御を行う。なお、ここでは周波数特性として中心周波数を考えるが、ピーク周波数など、他の周波数特性としてもよい。
【００８７】
具体的には、被検体Ｍ内で発生した光音響波は被検体Ｍ中で減衰して（特に高周波成分ほど多く減衰する）プローブ１１に達する。そのため、観察対象が深い位置にある場合は、単位長さ当たりの減衰率が小さい低周波数寄りの光音響波が発生するように励起光発生条件を調整し、浅い位置にある場合は減衰の影響が少ないため、分解能の良い高周波数寄りの光音響波が発生するように励起光発生条件を調整し、それぞれの深さでより望ましい光音響画像を得るようにしている。
【００８８】
例えば、パルス数が３で、被検体Ｍ中で発生する光音響波の中心周波数がそれぞれ６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）と８ＭＨｚ（メガヘルツ）の場合を考える。図１４は励起光の波形を示すグラフ、図１５は光音響波のスペクトルを示すグラフである。図１４に示すように、被検体Ｍ内で発生する光音響波の中心周波数が６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）となるような励起光発生条件は、レーザ光Ｌ（励起光）のパルス幅ｔＬＰ＝７７ｎｓ（ナノ秒）、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１５４ｎｓ（ナノ秒）であり、被検体Ｍ内で発生する光音響波の中心周波数が８ＭＨｚ（メガヘルツ）となるような励起光発生条件は、レーザ光Ｌ（励起光）のパルス幅ｔＬＰ＝６２．５ｎｓ（ナノ秒）、レーザ光Ｌのパルスの繰り返し周期ｔＬＲ＝１２５ｎｓ（ナノ秒）となる。また、これらの条件により発生する光音響波のスペクトルは図１５に示すようになる。
【００８９】
光音響波のスペクトルを示すグラフである図１６に示すように、観察対象の深さが浅い場合（例えば１ｃｍ（センチメートル））、被検体Ｍ中での減衰の影響が少ないため、２種の光音響波間での強度の差は小さい。このような場合、分解能を重視して高周波の波形を選択すればよい。なお、高周波の光音響波の主成分は中心周波数６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）のプローブの受信可能周波数帯域（３．２〜９．８ＭＨｚ（メガヘルツ）程度）に入っている。
【００９０】
光音響波のスペクトルを示すグラフである図１７に示すように、観察対象の深さが深い場合（例えば８ｃｍ（センチメートル））、被検体Ｍ中での減衰の影響が多いため、２種の光音響波間での強度の差は大きい。このような場合、感度を重視して低周波の波形を選択すればよい。なお、低周波の光音響波の主成分は中心周波数６．５ＭＨｚ（メガヘルツ）のプローブの受信可能周波数帯域（３．２〜９．８ＭＨｚ（メガヘルツ）程度）に入っている。
【００９１】
このように、観察対象の深さに基づいて励起光発生条件を調整することで、観察対象の深さ毎に好適な光音響画像を取得することができる。
【００９２】
なお、プローブ１１直前での光音響波の中心周波数とプローブ１１の感度における中心周波数が近くなるような励起光発生条件のパターンについて、超音波ユニット１２内部にあらかじめテーブルとしてプローブ１１の種類毎に複数（例えば主要な観察対象が浅い場所に位置する場合用、中間の場所に位置する場合用、深い場所に位置する場合用など）記憶されていて、ユーザがそれらを選択できるようにしておくことが望ましい。
【００９３】
このとき、光音響波の検波条件もそれぞれのモードに応じて最適化されていることが望ましい。また、光音響画像、または光音響画像と合成する超音波画像の画像深さ（画像における最大深さ）や焦点深さ（観察対象の深さ）に応じて、励起光発生条件が自動で切り替わるようにしてもよい。
【００９４】
また、レーザ光Ｌのパルス数は３に限らず、２以上としてもよい。
【００９５】
また、例えば、レーザ光Ｌのパルス数が増えた場合に、光音響画像中の物体位置が深い方向にずれるなど、励起光発生条件が変化することで、光音響画像中の物体位置が変化してしまう。そのため、光音響画像生成部２４において、励起光発生条件に応じて、光音響画像中の物体位置を補正することが望ましい。
【００９６】
また、プローブ１１直前での光音響波の中心周波数とプローブ１１の感度における中心周波数を必ずしも一致させる必要はない。例えば、画質などの要請からプローブ１１の感度における周波数帯域内の任意の箇所に光音響波の中心周波数を設定してもよい。
【００９７】
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、本発明の光音響計測装置は、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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2019044593.tif 000021
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