(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響波送信部から送信され被検体内で反射した第１の周波数を有する音響波を受信して第１アナログ信号に変換する複数の第１の音響変換素子を含む第１の探触子と、
光源から発せられた光が被検体に照射されたときに発生する第２の周波数を有する音響波を受信して第２アナログ信号に変換する前記第１の音響変換素子とは別の複数の第２の音響変換素子を含む第２の探触子と、
前記複数の第１の音響変換素子から出力される複数の前記第１アナログ信号をサンプリングして複数の第１デジタル信号に変換し、前記複数の第２音響変換素子から出力される複数の第２アナログ信号をサンプリングして複数の第２デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記Ａ／Ｄ変換部から出力される前記複数の第１及び第２デジタル信号を保持するデータ保持部と、
前記データ保持部から出力された第１デジタル信号に基づいて第１画像データを生成し、前記データ保持部から出力された第２デジタル信号に基づいて第２画像データを生成する処理部とを備える被検体情報処理装置であって、
前記第１の周波数は、前記第２の周波数よりも高く、
前記Ａ／Ｄ変換部は、前記第１アナログ信号と前記第２アナログ信号とが共通に入力されるチャネルを有し、
前記データ保持部は、前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号とが共通に入力されるチャネルを有し、
前記データ保持部から出力されるデジタル信号について、前記第２画像データ上における１つの空間軸に関する単位時間あたりの前記第２デジタル信号のサンプル数が、前記第１画像データ上における１つの空間軸に関する単位時間あたりの前記第１デジタル信号のサンプル数よりも少ないことを特徴とする被検体情報処理装置。
【請求項２】
前記複数の第１の音響変換素子は、前記音響波送信部を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の被検体情報処理装置。
【請求項３】
前記Ａ／Ｄ変換部は、前記第２アナログ信号と前記第１アナログ信号とを同じサンプリ
ング周波数でデジタル変換し、
前記データ保持部は、前記第２デジタル信号を前記第１デジタル信号よりも疎らに出力することを特徴とする請求項１または２に記載の被検体情報処理装置。
【請求項４】
前記Ａ／Ｄ変換部は、前記第２アナログ信号を前記第１アナログ信号よりも低いサンプリング周波数でデジタル変換することを特徴とする請求項１または２に記載の被検体情報処理装置。
【請求項５】
前記Ａ／Ｄ変換部に対して前記第１及び第２アナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル変換するための指示、又は、前記データ保持部に対して前記第１及び第２デジタル信号を所定の周波数で出力するための指示を行う制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の被検体情報処理装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記音響変換素子からの距離で規定される受信エリアごとに、受信軸を順次変更して前記データ保持部からデジタル信号を出力することを特徴とする請求項５に記載の被検体情報処理装置。
【請求項７】
前記Ａ／Ｄ変換部と接続される音響変換素子を、前記第１の音響変換素子および前記第２の音響変換素子の間で切り換える切換部をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の被検体情報処理装置。
【請求項８】
前記第１の音響変換素子の中心周波数は、前記第２の音響変換素子の中心周波数よりも高いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の被検体情報処理装置。
【請求項９】
前記処理部は、前記データ保持部から出力された前記複数の第１デジタル信号を加算するとともに前記データ保持部から出力された前記複数の第２デジタル信号を加算する加算部を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の被検体情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体から受信した音響波を用いて被検体内の情報を取得する被検体情報処理装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
被検体内へ光や音響波（超音波）を送信し、被検体から放出された音響波を受信して電気信号に変換し、画像データを取得する手法として、超音波エコーや光音響トモグラフィがある。超音波エコーとは、被検体に音響波である超音波を送信しその反射波を受信し、画像化する方法である。光音響トモグラフィは、光エネルギーを被検体内に送信し、光エネルギーの吸収によって断熱膨張した結果生じた音響波（典型的には超音波）を受信し、画像化する方法である。このとき生じた音響波を光音響波とも呼ぶ。
超音波エコーは医用分野で生体を対象として一般的に用いられており、生体内の音響インピーダンスの違いを画像化することが出来るだけでなく、その安全性、簡便性、リアルタイム性などから非常に有用な診断手段として広まっている。一方で、光エネルギーを送信し光音響波を受信する光音響トモグラフィも、その安全性や組織の光吸収係数の違いを描出できる可能性などから、注目を浴びている。
超音波エコーと光音響トモグラフィとにおいて、複数の音響変換素子によって電気信号（受信信号）に変換されたそれぞれの信号に対して、注目位置に応じた時間ずれを与えて加算する。この加算された信号に対して、さらにフィルタリングなどの処理を行うことでそれぞれの受信信号を画像化することが可能となる。
【０００３】
このように超音波エコーと光音響トモグラフィとはそれぞれ生体内の異なった特性を画像化でき、さらにいずれの技術も受信に関しては生体から放出された音響波を複数の音響変換素子で受信し処理する点で共通している。そのため、この２つの技術を一つのシステムにおいてリアルタイムに実現する試みがなされている。例えば、特許文献１では、共通の回路で超音波エコーと光音響トモグラフィとを測定するシステムが開示されている。また、非特許文献１では、１ＭＨｚの中心周波数を有する音響変換素子を用いて１５ｍｍ程度の深さにおける組織の光吸収係数の差を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｓｒｉｒａｎｇ  Ｍａｎｏｈａｒ，  Ｓｕｓａｎｎｅ  Ｅ．  Ｖａａｒｔｊｅｓ，  Ｊｏｈａｎ  Ｃ．  Ｇ．  ｖａｎ  Ｈｅｓｐｅｎ，  Ｊｏｏｓｔ  Ｍ．  Ｋｌａａｓｅ，  Ｆｒａｎｋ  Ｍ．  ｖａｎ  ｄｅｎ  Ｅｎｇｈ，  Ｗｉｅｎｄｅｌｔ  Ｓｔｅｅｎｂｅｒｇｅｎ，  ａｎｄ  Ｔｏｎ  Ｇ．  ｖａｎ  Ｌｅｅｕｗｅｎ，  "Ｉｎｉｔｉａｌ  ｒｅｓｕｌｔｓ  ｏｆ  ｉｎ  ｖｉｖｏ  ｎｏｎ−ｉｎｖａｓｉｖｅ  ｃａｎｃｅｒ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｈｕｍａｎ  ｂｒｅａｓｔ  ｕｓｉｎｇ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ，"  Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  １５，  １２２７７−１２２８５  （２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように超音波エコーと光音響トモグラフィとの受信処理においては、複数の音響変換素子を用いて電気信号に変換された信号に対し、注目点に応じた時間ずれを与え加
算する。このような処理によって、注目点から音響変換素子に届いた音響波の信号を選択的に取り出すことが可能となる。
超音波エコーの送信時には、目標とする収束点に応じた時間ずれをそれぞれの音響変換素子に出力される電気信号（送信信号）に与え、超音波を送信することで、目標とする点もしくは方向に収束された超音波送信ビームを形成することが可能である。このように超音波エコーにおいては、送信、受信ともに注目点もしくは方向に収束した超音波の送受信が出来る。そのため、送信受信の注目点もしくは方向を揃えることで、送信した超音波エネルギーを効率良く被検体内の画像化に活用することが出来る。
【０００７】
一方、光音響トモグラフィにおいては、光を被検体に照射することで光エネルギーの送信を行う。しかしながら、被検体が例えば生体のような強散乱体である場合、光を被検体内の任意の位置において収束させることは非常に困難である。そのため光トモグラフィにおいては、超音波エコーの送信のように送信した光エネルギーを収束させることができず、入射された位置から散乱され広がってゆく光エネルギーが送信範囲となる。
このように光エネルギーが被検体内で散乱され広がった送信範囲になる状況で、従来の超音波エコーのように送信方向と受信方向を揃えて受信処理する手法では、送信された光エネルギーの広がる範囲に対して受信処理の際に注目する領域が狭くなってしまう。そのため送信した光エネルギーを画像化に効率よく活用できない。
このように送信した光エネルギーを画像化に効率よく活用できない場合、その効率の低下と共に画像のＳＮ比が低下してしまう。低下してしまう画像のＳＮ比を向上させるためには、送信する光エネルギーを増大させる、送信範囲全体をカバーするように受信の注目点や方向を増やすなどの手法が考えられる。しかし、例えば生体などに光を照射する場合には、安全上の理由から最大許容照度が決められており、際限なく送信する光エネルギーを増大させていくことは出来ない。また、単純に受信の注目点や方向の数を増加させていくと受信信号の処理回路の規模が増大してゆく。
【０００８】
次に、超音波エコーと光音響トモグラフィとにおいて受信される音響波と信号処理について述べる。
超音波エコーでは送信した超音波が被検体内の音響インピーダンスの違う界面や散乱体で反射してくる。超音波は被検体内を伝播するに従って周波数依存減衰を受けるため、送信した超音波の周波数に対して中心周波数が低い超音波を受信することになる。例えば生体内の画像化において、典型的には１０ｃｍ以上の深さを観察する場合は３ＭＨｚから５ＭＨｚ程度、５ｃｍ未満の浅い部分を観察する場合には７ＭＨｚから１５ＭＨｚ程度の中心周波数を有する超音波を受信する。
一方、光音響トモグラフィでは、光の吸収係数の違う物体から光音響波が発生する。この物体のサイズが大きい場合は中心周波数の低い光音響波が、物体のサイズが小さい場合は中心周波数の高い光音響波が発生する。また同じ吸収係数の物体であれば、物体のサイズが大きい場合発生する光音響波の振幅は大きくなり、物体のサイズが小さい場合は光音響波の振幅が小さくなる。つまり小さい物体は中心周波数が高く、振幅が小さい光音響波を発生するため音響変換素子まで伝播することが難しくなる。例えば、５ｃｍ程度の深さを観察する場合、光音響トモグラフィによって受信される光音響波は中心周波数が１ＭＨｚから３ＭＨｚである。さらに深い部分を観察する場合、さらに中心周波数が低い信号が受信される。例えば非特許文献１では、１ｃｍ〜５ｃｍ程度の深さを観察するのに１ＭＨｚの中心周波数を有する音響変換素子を採用している。このように光音響トモグラフィと超音波エコーとで被検体内の同じ深さを画像化する場合、受信される音響波の中心周波数は大きく異なる。
【０００９】
信号処理においては、処理する信号が含む周波数の倍以上のサンプリング周波数でサンプリングすることで元の情報を保持できる。すなわち有意な信号成分が２０ＭＨｚ付近まで含まれている超音波信号を処理する場合、サンプリング周波数は４０ＭＨｚ以上である
必要がある。例えば、２０ＭＨｚまで有意な信号成分を含む６４ＣＨ分の入力に対してリアルタイムに加算処理を行う場合、４０ＭＨｚ以上で加算処理が行える加算回路が６３個、１秒当り２，５２０，０００，０００回の加算処理を行う処理能力を有する回路が必要となる。また例えば、３ＭＨｚまで有意な信号成分を含む６４ＣＨ分の光音響信号を処理する場合を考えると、必要な加算処理能力は６ＭＨｚ以上で加算処理が行える加算回路が６３個、１秒当り１８９，０００，０００回の処理能力となる。このように信号の周波数によって最低限必要な加算処理能力が大きく変化する。中心周波数の高い超音波エコーの信号を加算する回路と中心周波数の低い光音響信号を加算する回路をそのまま共通化した場合、高い処理能力を必要とする超音波エコーの信号に合わせて回路が構成される。そのため、より低い処理能力で構わない光音響信号の処理時には必要以上な処理を行うことになり、非効率である。
【００１０】
発明者の検討により、上記のように、光音響波の信号と超音波エコーによる信号とが異なる周波数を有すること、そのことによって加算処理回路の効率が低下しているという課題が明らかになった。そのため、デジタルデータの処理回路の動作が変化することで、受信信号の特性に応じた効率的な処理を実施できる生体情報装置を提供する必要がある。
なお、特許文献１ではアナログ回路によって加算処理を行い、その後デジタル信号へ変換しており、加算処理回路を含む処理回路における受信信号の特性に応じた効率的な処理は開示されていない。
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波エコーと光音響トモグラフィとを実施可能な被検体情報処理装置において、処理回路の規模を抑制するための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用する。すなわち、音響波送信部から送信され被検体内で反射した第１の周波数を有する音響波を受信して第１アナログ信号に変換する複数の第１の音響変換素子を含む第１の探触子と、光源から発せられた光が被検体に照射されたときに発生する第２の周波数を有する音響波を受信して第２アナログ信号に変換する前記第１の音響変換素子とは別の複数の第２の音響変換素子を含む第２の探触子と、前記複数の第１の音響変換素子から出力される複数の前記第１アナログ信号をサンプリングして複数の第１デジタル信号に変換し、前記複数の第２音響変換素子から出力される複数の第２アナログ信号をサンプリングして複数の第２デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部から出力される前記複数の第１及び第２デジタル信号を保持するデータ保持部と、前記データ保持部から出力された第１デジタル信号に基づいて第１画像データを生成し、前記データ保持部から出力された第２デジタル信号に基づいて第２画像データを生成する処理部とを備える被検体情報処理装置であって、前記第１の周波数は、前記第２の周波数よりも高く、前記Ａ／Ｄ変換部は、前記第１アナログ信号と前記第２アナログ信号とが共通に入力されるチャネルを有し、前記データ保持部は、前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号とが共通に入力されるチャネルを有し、前
記データ保持部から出力されるデジタル信号について、前記第２画像データ上における１つの空間軸に関する単位時間あたりの前記第２デジタル信号のサンプル数が、前記第１画像データ上における１つの空間軸に関する単位時間あたりの前記第１デジタル信号のサンプル数よりも少ないことを特徴とする被検体情報処理装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、超音波エコーと光音響トモグラフィとを実施可能な被検体情報処理装置において、処理回路の規模を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態のシステム概要図。
【図２】第１の実施形態の処理タイミングを示す図。
【図３】第１の実施形態の観察領域を示す図。
【図４】第１の実施形態のデータ読み出し位置を説明する図。
【図５】第１の実施形態のデータ読み出し位置を説明する図。
【図６】第１の実施形態の加算前データを説明する図。
【図７】第２の実施形態のシステム概要図。
【図８】第２の実施形態の加算前データを説明する図。
【図９】第２の実施形態のデータ読み出し位置を説明する図。
【図１０】第３の実施形態のシステム概要図。
【図１１】第３の実施形態の切換スイッチのタイミングを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明による生体情報処理装置の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明において「音響波」とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含む。以降の説明においては、光音響トモグラフィを用いて、被検体内部に光を照射することで被検体内部で発生する音響波を「光音響波」と呼び、超音波エコーを用いて、音響変換素子により被検体に送受信する音響波を「超音波」と呼ぶ。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態にかかる生体情報処理装置のシステム構成を示す図である。
本システムは、複数の音響変換素子００２を含む探触子００１、システム制御部００３、送信機能ブロック００４、Ａ／Ｄ変換ブロック００５、データ保持ブロック００６を備える。さらに、加算ブロック００７、後段処理ブロック００８、画像処理ブロック００９、画像表示装置０１２、受信データ制御部０１１、光源０１３を備える。
【００１７】
まず図２を用いて光音響トモグラフィと超音波エコーとを行うタイミングについて説明する。１回目の光照射をＰＡ−Ｔｘ１で示すタイミングで行い、被検体から出てくる光音響波をＰＡ−Ｒｘ１の期間で受信し処理する。次にＵＳ−Ｔｘ１からＵＳ−Ｔｘ４で示すタイミングで超音波を被検体へ送信し、それぞれＵＳ−Ｒｘ１からＵＳ−Ｒｘ４の期間で受信し処理する。さらに次の光照射をＰＡ−Ｔｘ２で示すタイミングで行い、上記の処理を繰り返す。
【００１８】
図３は１回の光照射と複数回の超音波エコーで取得する被検体内の範囲を模式的に示した図である。図３（ａ）は、図２のＰＡ−Ｔｘ１で光照射された領域３０１に関して、ＰＡ−Ｒｘ１−１からＰＡ−Ｒｘ１−４で示す受信軸毎に矢印で示す方向で画像化を行うことを表している。受信軸とは、ピクセルデータ又はボクセルデータを生成する画像再構成（画像データの生成）の際に、画像再構成を行う空間軸上の点の軌跡であり、図３においては、音響変換素子の位置に対して被検体の深さ方向に移動させる注目点の軌跡を示している。また、領域３０１は便宜上、探触子００１に近い順に３０２〜３０５と区切られる場合がある。図３（ｂ）は図２のＵＳ−Ｔｘ１で送信した超音波によりＵＳ−Ｒｘ１の期間で受信した超音波の受信軸をＵＳ−ＴＲ１として、受信軸ＵＳ−ＴＲ１からＵＳ−ＴＲ４の計４回の超音波送受信によって画像化を行うことを表している。なお、図３（ａ）で示した領域と図３（ｂ）で示した領域は同じ広さの領域である。超音波エコーにおける送信は音響変換素子からタイミングをずらした超音波を送信することで収束できるが、光を強散乱体内で収束することは難しいため、光照射された領域３０１は光音響信号の受信軸を複数含む広さとなる。また、本実施形態では超音波エコーで得られる受信信号の中の有意な信号はＦＵＳＨｚまで含まれており、光音響トモグラフィで得られる光音響波の中の有意な信号はＦＰＡＨｚまで含まれているとする。一例として本実施形態ではＦＵＳは２０ＭＨｚ、ＦＰＡは５ＭＨｚとして説明を行うが、本発明の効果はＦＵＳ＞ＦＰＡの条件を満たせば得られる。
本実施形態では、音響変換素子が超音波送信部（音響波送信部）であり、第１の音響変換素子（超音波を受信する音響変換素子）および第２の音響変換素子（光音響波を受信す
る音響変換素子）も兼ねている。ただし、第１の音響波変換素子と第２の音響波変換素子を別々に用意してもよく、本発明は上述の例に限らない。また、超音波エコーで送信する超音波の周波数が第１の周波数であり、光音響波の周波数が第２の周波数である。また、Ａ／Ｄ変換ブロックは本発明のＡ／Ｄ変換部にあたり、データ保持ブロックがデータ保持部にあたる。また、加算ブロック、後段処理ブロックおよび画像処理ブロックが画像データを生成する処理部であり、受信データ制御部が制御部である。
【００１９】
ここで図１に戻り、超音波エコーを実施する場合の動作を、図２のＵＳ−Ｔｘ１で示すタイミングの送信とＵＳ−Ｒｘ１で示す期間での動作を例にとって説明する。
まず、システム制御部００３から送信機能ブロック００４に送信トリガが出力される。送信機能ブロック００４は、超音波を送信する方向ＵＳ−ＴＲ１内の焦点位置に対するそれぞれの音響変換素子００２からの距離と被検体内の音速を用いて、送信に与える遅延時間を音響変換素子ごとに算出する。そして、この遅延時間だけずらされた電気信号である電圧信号を、それぞれの音響変換素子００２へ送信する。なお、超音波エコーにおいて超音波を送信する送信ビームや反射した超音波の受信ビームは受信軸と一致している。例えば、図３（ｂ）のＵＳ−ＴＲ１で表す受信軸などが送信ビームならびに受信ビームに相当する。
音響変換素子００２は、入力された電圧信号を超音波に変換し被検体内へ送信する。被検体内で反射された超音波は音響変換素子００２で受信されアナログ電気信号（アナログ信号）に変換され、それぞれＡ／Ｄ変換ブロック００５に入力される。Ａ／Ｄ変換ブロック００５は、入力された、超音波に由来するアナログ電気信号をデジタルデータ（デジタル信号）に変換し、データ保持ブロック００６に送信する。データ保持ブロック００６は、入力された、超音波に由来するデジタルデータを内部に有するメモリ内に保持する。
【００２０】
受信データ制御部０１１は、システム制御部００３から指示された受信軸ＵＳ−ＴＲ１に関する情報に基づいて、データ保持ブロック００６に対してメモリ内のデータ読み出し位置を出力する。データ保持ブロック００６は、保持したデジタルデータの中から、受信データ制御部０１１から指示されたデータを加算前データとして加算ブロック００７へ出力する。
ここで図５を用いてメモリ内のデータ読み出しについて説明する。図５はデータ保持ブロック００６内の個々の音響変換素子にそれぞれ対応するメモリ４０１から４０５を模式的に示している。図１の加算ブロック００７では入力が８ＣＨ分存在するが、ここでは簡略化してデータ保持ブロック００６内のメモリを５ＣＨ分として表記している。なお受信時間が早いデジタルデータが図中の右側に保持されている。図では受信データ制御部０１１内から指示された加算前データのうち、同じタイミングで出力するよう指示されたデータを同じ色で示し、さらに線５０１で繋いで示している。
本実施形態における超音波エコーには有意な信号成分が２０ＭＨｚ（ＦＵＳ）まで含まれているため、４０ＭＨｚ（２×ＦＵＳ）以上のサンプリング周波数が必要となる。４０ＭＨｚのサンプリング周波数は、メモリ４０１から４０５の時間方向の刻み２５ナノ秒（１／（２×ＦＵＳ））に対応する。データ保持ブロック００６から出力されるデータは、メモリ４０１から４０５のそれぞれで、時間方向に連続して、スキップせずに読み出される必要がある。その結果として本実施形態では、加算前データの受信軸ＵＳ−ＴＲ１に関する単位時間当りのデータ数はサンプリング周波数と同じ値、つまり４０，０００，０００個となる。
【００２１】
図１に戻って、加算ブロック００７では必要に応じて重みを各入力された加算前データに乗じた後、入力された加算前データを総加算し、後段処理ブロック００８へ出力する。後段処理ブロックでは入力データの包絡線を求め、結果を画像処理ブロック００９へ出力する。画像処理ブロック００９では入力されたデータに対して、観察領域に合わせたデータの並べ替えやスムージング、エッジ強調などの各種画像処理を行い、画像表示装置０１
２に輝度値データとして送信する。最終的に画像表示装置０１２で画像が表示される。
【００２２】
次に光音響トモグラフィを実施する場合の動作を、図２のＰＡ−Ｔｘ１で示すタイミングの送信とＰＡ−Ｒｘ１で示す期間での動作を例にとって説明する。システム制御部００３から送信機能ブロック００４に送信トリガが出力される。送信機能ブロックは光源０１３を駆動する信号を生成し、光源０１３は被検体に光エネルギーを送信する。光エネルギーは領域３０１に広がり、その光エネルギーで発生した光音響波は複数の音響変換素子００２で受信されアナログ電気信号に変換され、それぞれＡ／Ｄ変換ブロック００５に入力される。Ａ／Ｄ変換ブロック００５においては、入力された、光音響波に由来するアナログ電気信号をデジタルデータに変換しデータ保持ブロック００６に送信する。データ保持ブロック００６は内部に有するメモリ内に、入力された、光音響波に由来するデジタルデータを保持する。
【００２３】
受信データ制御部０１１はシステム制御部００３から指示された受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１、ＰＡ−Ｒｘ１−２、ＰＡ−Ｒｘ１−３、ＰＡ−Ｒｘ１−４に関する情報に基づいて、データ保持ブロック００６に対してメモリ内のデータ読み出し位置を出力する。データ保持ブロック００６は保持したデジタルデータの中から、受信データ制御部０１１から指示されたデータを加算前データとして加算ブロック００７へ出力する。
ここで図４を用いてメモリ内のデータ読み出しについて説明する。図４はデータ保持ブロック００６内の、個別の音響変換素子に対応するそれぞれのメモリ４０１から４０５を模式的に示している。なお、受信時間が早いデジタルデータが図中の右側に保持されている。受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１に対応するのが図４（ａ）、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−２に対応するのが図４（ｂ）、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−３に対応するのが図４（ｃ）、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−４に対応するのが図４（ｄ）である。図で受信データ制御部０１１内から指示された加算前データのうち、同じタイミング（時刻）で出力するデータを同じ色で示し、さらに線４１０等で示すように同じ時刻で出力するデータを線で繋いで示している。
本実施形態における光音響トモグラフィで受信される光音響波には有意な信号成分が５ＭＨｚ（ＦＰＡ）まで含まれているため、１０ＭＨｚ（２×ＦＰＡ）以上のサンプリング周波数が必要となる。ここで、本システムは超音波エコーの受信信号に合わせて４０ＭＨｚ（２×ＦＵＳ）のサンプリングを行っている。そのため、メモリ４０１から４０５内で、時間方向に４サンプル中の３サンプルをスキップして、加算前データとして読み出せば、光音響トモグラフィによる受信信号の情報を失わずに処理することができる。そのため、ＰＡ−Ｒｘ１−１の受信軸に関しては、線４１０から４１３で示すように、連続する４サンプル中３サンプルをスキップしたデータを加算前データとして読み出しても、光音響トモグラフィにより受信した情報を失うことなく処理できる。同様に、ＰＡ−Ｒｘ１−２の受信軸に関しては線４２０から４２３で示すメモリ内の４サンプルごとのデータを加算前データとして読み出せば良い。また、ＰＡ−Ｒｘ１−３の受信軸に関しては線４３０から４３３で示すメモリ内の４サンプルごとのデータを加算前データとして読み出せば良い。また、ＰＡ−Ｒｘ１−４の受信軸に関しては線４４０から４４３で示すメモリ内の４サンプルごとのデータを加算前データとして読み出せば良い。
このように光音響トモグラフィの処理では、データを時間方向にスキップしながら読み出すことで、それぞれの受信軸に関する単位時間当りの加算前データのデータ数はサンプリング周波数よりも小さくなる。つまり、超音波エコーにおける受信データの受信軸に関する単位時間当りのデータ数よりも少なくすることができる。
【００２４】
次に、加算ブロック００７では必要に応じて重みを各入力された加算前データに乗じた後、入力された加算前データを総加算し、後段処理ブロック００８へ出力する。後段処理ブロック００８では入力データの包絡線を求める、もしくは以下の数式１で表す演算を行って、結果を画像処理ブロック００９へ出力する。なおＳｉｎは入力データ、Ｓｏｕｔは出力、ｔは光音響波の受信開始から経過した時間を示す。
【数１】
0005901739.tif 000002
画像処理ブロック００９では入力されたデータに対して、観察領域に合わせたデータの並べ替えやスムージング、エッジ強調などの各種画像処理を行い、画像表示装置０１２に輝度値データとして送信する。最終的に画像表示装置０１２で画像が表示される。
このように光照射領域３０１の中で複数の受信軸を設定し画像化することで、照射した光エネルギーを効率よく利用して被検体内の画像化を行うことが出来る。そのため光エネルギーの利用効率の低下による画像のＳＮ比の低下を抑制することが可能となる。
【００２５】
次に図６を用いて超音波エコーと光音響トモグラフィとにおける加算前データについて述べる。図６（ｂ）は超音波エコーによる受信信号の加算前データ６０５を示している。図中、右側にある加算前データほど、データ保持ブロック００６から先に出力されたデータである。加算前データ６０５が上下方向に８段に分離しているのは、それぞれ図１における加算ブロック００７への８ＣＨ分の入力を示している。本実施形態の加算ブロック００７は４０ＭＨｚ毎に８ＣＨ分のデータを入力として処理できるよう設計されている。すなわち、図中の加算前データ６０５はそのまま４０ＭＨｚごと、つまり受信軸ＵＳ−ＴＲ１に関する単位時間あたりのサンプル数を４０，０００，０００として入力されていく。
図６（ａ）は光音響トモグラフィによる受信信号の加算前データを示しており、加算前データ６０１は、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１に関する加算前データである。同様に、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−２に関する加算前データ６０２、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−３に関する加算前データ６０３、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−４に関する加算前データ６０４が示されている。それぞれの受信軸に関する加算前データは先ほど図５で説明したように、それぞれの受信軸においてはメモリから４サンプル毎に読み出されたデータ、言い換えれば１０ＭＨｚでサンプリングされたデータである。
【００２６】
以上より、超音波エコーの受信処理において、受信軸ＵＳ−ＴＲ１に関する単位時間当りの加算前データのデータ数は（４０，０００，０００）である。また、光音響トモグラフィの受信処理において、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１からＰＡ−Ｒｘ１−４に関する単位時間当りの加算前データのデータ数は（１０，０００，０００）である。したがって、超音波エコーの受信処理よりも、光音響トモグラフィの受信処理の方が、単位時間当たりのデータ数が少ないことになる。
ここで、加算ブロック００７に注目すると、超音波エコーと光音響トモグラフィとのいずれにおいても、４０ＭＨｚで８ＣＨ分のデータが連続して入力されることになる。その結果、加算ブロック００７を含む回路の共有化だけでなく、加算能力を効率よく利用した小規模な処理回路が実現できる。
【００２７】
このようなシステムの構成と動作を行うことで、光照射領域３０１へ照射された光エネルギーを効率よく画像化に利用できるだけでなく、加算ブロック００７の加算能力を効率よく利用することができる。その結果、画像のＳＮ比の低下がない上に、超音波エコーと光音響トモグラフィとを共通の回路によりリアルタイムに処理可能で、かつ小規模な処理回路のシステムを得ることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では８ＣＨの入力を有する加算ブロックを示したが、実際はこれに限るものではなく、６４ＣＨ、１２８ＣＨ、２５６ＣＨなどの多ＣＨの入力でも実施可能である。
また本実施形態では超音波エコーでの送受信は送信１回に対して受信軸を１方向になるように説明したが、実際はこれに限るものではない。超音波エコーの送信１回に対してＮ方向の受信軸の処理を実施可能な規模の回路であれば、光音響トモグラフィの処理の受信
軸もＮ倍増加させることができ、同様の効果が得られる。
また本実施形態ではリニアスキャンの例で説明したが、セクタスキャン、コンベックススキャンなどのスキャン方法にも、同様の処理により効果を得ることができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態にかかる生体情報処理装置のシステム構成の概略を示す図である。
本システムの、第１の実施形態のシステム概略図（図１）との差異は、受信データ制御部０１１がＡ／Ｄ変換ブロック００５へ接続している点である。また加算ブロック００７は加算機能を有する回路であり、Σの記号で表記してある。
光音響トモグラフィと超音波エコーとを行うタイミングは、第１の実施形態で示した図２と同じである。本実施形態においても、超音波エコーで得られる受信信号の中の有意な信号はＦＵＳＨｚまで含まれており、光音響トモグラフィで得られる光音響波の中の有意な信号はＦＰＡＨｚまで含まれているとする。一例として本実施形態ではＦＵＳは２０ＭＨｚ、ＦＰＡは５ＭＨｚとして説明を行うが、本発明の効果はＦＵＳ＞ＦＰＡの条件を満たせば得られる。
１回の光照射と複数回の超音波エコーで取得する被検体内の範囲は図３で示した通りである。図３の中の番号３０２から３０５は深さの範囲を示す。
また、超音波エコーによる画像化の時のシステム動作は第１の実施形態と同様であるため省略する。
【００３０】
次に光音響トモグラフィを実施する場合の動作を説明する。まず光エネルギーを被検体に送信する前に、受信データ制御部０１１からの指示によって、Ａ／Ｄ変換ブロック００５のサンプリング周波数が変更される。本実施形態では変更されたサンプリング周波数は１０ＭＨｚ（２×ＦＰＡ）として説明を行うが、超音波エコーを取得する際のサンプリング周波数よりも低く、光音響波に含まれる有意な信号の倍の周波数よりも高ければ本発明の効果は得られる。
その後、光源０１３から光エネルギーを被検体に送信し、発生した光音響波を複数の音響変換素子００２が受信する。複数の音響変換素子００２では光音響波がアナログ電気信号に変換され、それぞれＡ／Ｄ変換ブロック００５に入力される。Ａ／Ｄ変換ブロック００５においては、先ほど変更された１０ＭＨｚのサンプリング周波数で、入力されたアナログ電気信号をデジタルデータに変換しデータ保持ブロック００６に送信する。データ保持ブロック００６は、内部に有するメモリ内に入力されたデジタルデータを保持する。
【００３１】
受信データ制御部０１１はシステム制御部００３から指示された受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１、ＰＡ−Ｒｘ１−２、ＰＡ−Ｒｘ１−３、ＰＡ−Ｒｘ１−４に関する情報に基づいて、データ保持ブロック００６に対してメモリ内のデータ読み出し位置を出力する。データ保持ブロック００６は保持したデジタルデータの中から、受信データ制御部０１１から指示されたデータを加算前データとして加算ブロック００７へ出力する。
ここで図９を用いてメモリ内のデータ読み出しについて説明する。図９はデータ保持ブロック００６内の個別の音響変換素子に対応するそれぞれのメモリ４０１から４０５を模式的に示している。なお、受信時間が早いデジタルデータが図中の右側に保持されている。本実施形態では１０ＭＨｚでサンプリングしているため、１００ナノ秒ごとの信号が保持されている。受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１に対応するのが図９（ａ）、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−２に対応するのが図９（ｂ）、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−３に対応するのが図９（ｃ）、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−４に対応するのが図９（ｄ）である。図で受信データ制御部０１１内から指示された加算前データのうち、同じタイミングで出力するデータを同じ色で示し、さらに線９１０から９１３、９２０から９２３、９３０から９３３、９４０から９４３で繋いで示している。本実施形態における光音響トモグラフィで受信される光音響波には有意な信号成分が５ＭＨｚ（ＦＰＡ）まで含まれているため、１０ＭＨｚ（２×ＦＰＡ）以
上のサンプリング周波数が必要となる。ここで本実施形態では上記のように、Ａ／Ｄ変換ブロック００５において既に１０ＭＨｚ（２×ＦＰＡ）でサンプリングしている。そのため、時間軸方向のスキップなどを行う必要がなく、そのまま加算前データとして出力しても、複数の受信軸のデータを情報を失うことなく処理できる。
【００３２】
次に図８を用いて加算前データについて説明する。図８は光音響トモグラフィにおける受信信号の加算前データを示している。図中、右側にある加算前データほど、データ保持ブロック００６から先に出力されたデータである。図９における同時に出力する加算前データを繋いだ線の番号（９１０−９４３）と、図８内の点線で表された線は同じデータを示す。つまり、一つの受信軸のデータを全て出力した後に、次の受信軸のデータを出力するのではなく、受信軸を順次変更しながらデータを送信することになる。
図３を参照しつつ詳細を説明する。第１の実施形態では受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１のデータを加算前データとして出力した後、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−２のデータを送信していた。本実施形態では、まず、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１の深さ３０２の受信エリアのデータを出力する。続いて、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−２の深さ３０２の受信エリアのデータ、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−３の深さ３０２の受信エリアのデータ、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−４の深さ３０２の受信エリアのデータ、という順に出力する。そして次の深さに移り、受信軸ＰＡ−Ｒｘ１−１の深さ３０３の受信エリアのデータ、といった順序で加算前データを出力してゆく。つまり、被検体内部の領域のうち、音響変換素子に近い領域に関するデジタルデータから順に出力する。なお、受信エリアとは、ある受信軸で所定の距離範囲（音響変換素子から被検体の深さ方向への所定の距離範囲）で規定できる範囲を意味する。
このような順序で加算前データを出力する場合、深さ３０２に関する加算前データを出力した後は深さ３０２に関するデジタルデータは不要となる。そのため深さ３０２に関する加算前データを出力した後すぐに、そのメモリ領域に新たなデジタルデータを書き込むことが可能となる。このような動作を行うことでシステムに必要なメモリサイズを抑制することができ、より低コストな生体情報処理装置を提供可能となる。
このようにして出力された加算前データを加算ブロック００７に入力した後は第１の実施形態と同様のため、省略する。
【００３３】
このようにＡ／Ｄ変換ブロック００５のサンプリング周波数を変化させることで、光音響トモグラフィの処理時の単位時間当りのデータ数を、超音波エコーの処理時の単位時間当りのデータ数よりも少なくできる。また、加算ブロック００７に入力されるデータは、超音波エコーと光音響トモグラフィとのいずれにおいても、４０ＭＨｚで８ＣＨ分のデータが連続して入力されることになる。その結果、加算ブロック００７を含む回路の共有化だけでなく、加算能力を効率よく利用した小規模な処理回路が実現できる。
本実施形態ではさらに、Ａ／Ｄ変換ブロックの動作周波数を下げることで、ＡＤＣ（アナログデジタル変換機）の発熱を要因とするノイズが低減され、システムの消費電力も抑制される。つまり画像のＳＮ比が高く消費電力の小さい生体情報処理装置を得ることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
図１０は本発明の第３の実施形態にかかる生体情報処理装置のシステム構成の概略を示す図である。
本システムは、第１の複数の音響変換素子０１４を含む第１の探触子０１７、第２の複数の音響変換素子０１５を含む第２の探触子０１８、システム制御部００３、送信機能ブロック００４、Ａ／Ｄ変換ブロック００５を備える。さらに、データ保持ブロック００６、加算ブロック００７、後段処理ブロック００８、画像処理ブロック００９、画像表示装置０１２、受信データ制御部０１１、光源０１３、切換スイッチ０１６を備える。
探触子が２種類に増加した点、切換スイッチが加わった点以外はこれまでの実施形態と同様である。
【００３５】
光音響トモグラフィによる光音響波と超音波エコーによる反射超音波との中心周波数が違うことはここまでで述べた通りである。また、音響変換素子も受信可能な帯域幅ならびに中心周波数の特性を有する。そのため、光音響トモグラフィと超音波エコーに用いる最適な音響変換素子が異なる場合がある。例えばＰＺＴを用いた音響変換素子であれば中心周波数１ＭＨｚや２０ＭＨｚ程度のものが存在し、その比帯域は８０％程度が実現されている。また半導体技術を用いたＣＭＵＴなどでは比帯域が１００％を超えるものも存在する。対象とする被検体の観察深さや希望する空間分解能などによって、光音響トモグラフィと超音波エコーに用いる音響変換素子の組み合わせが異なることがある。
特に超音波エコーによる反射超音波を受ける第１の音響変換素子の中心周波数が、光音響トモグラフィによる光音響波を受ける第２の音響変換素子の中心周波数よりも高いことが、高い効率で超音波を受信するためには好ましい。
【００３６】
そこで、本実施形態の音響変換素子０１４は音響変換素子０１５よりも高い中心周波数特性を有するものとする。例えば音響変換素子０１４は１２ＭＨｚ、音響変換素子０１５は３ＭＨｚの中心周波数となる。
信号処理の流れはこれまでの実施形態と同様であるため省略し、これまでの実施形態と異なる動作の部分のみ説明を行う。
切換スイッチ０１６は音響変換素子０１４と音響変換素子０１５と、Ａ／Ｄ変換ブロックとの接続を切り換える機能を有しており、音響変換素子のいずれかとＡ／Ｄ変換ブロックとを接続することができる。光音響トモグラフィを行う場合は切換スイッチ０１６を音響変換素子０１５に接続するよう動作し、超音波エコーを行う場合は切換スイッチ０１７を音響変換素子０１４に接続するように動作する。図１１はその動作タイミングを示した図である。ＰＡ−Ｔｘ１のタイミングで光エネルギーを送信した場合には、音響変換素子０１５に切り換えた状態（ＳＷ１）である。その後ＵＳ−Ｔｘ１からＵＳ−Ｔｘ４までの超音波エコーを実施している期間は、音響変換素子１４に切り換えた状態（ＳＷ２）を保持するよう、切換スイッチ０１６は動作する。
【００３７】
このような動作を行うことで、光音響ならびに超音波エコーそれぞれで受信する信号をより効率的にアナログ電気信号に変換することが可能となり、よりＳＮ比の高い画質が向上した生体情報処理装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００３８】
００１：探触子，００２：音響変換素子，００３：システム制御部，００４：送信機能ブロック，００５：Ａ／Ｄ変換ブロック，００６：データ保持ブロック，００７：加算ブロック，０１１：受信データ制御部，０１３：光源 
【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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