(57)【要約】【課題】光音響画像化方法において、被検体に照射するパルス光のパルス幅が変えられても、所望の画質を確保した上でデータ量を適切な量に抑える。【解決手段】被検体にパルス光を照射し、そのときに被検体から発せられた音響波を検出して光音響データを作成する手段１３，２１，２２を有する光音響画像化装置１０において、サンプリング周波数調節手段５０によりサンプリングの周波数を、パルス光のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節する。より好ましくはサンプリングの周波数を、パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して略一定の倍率となるように調節する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体にその内部で吸収される波長のパルス光を照射し、それにより被検体から発せられた音響波を音響波検出手段により検出して音響波検出信号を得た後、この音響波検出信号をサンプリングして光音響データを得、この光音響データに基づいて前記被検体を画像化して画像表示手段に表示する光音響画像化方法であって、前記パルス光のパルス幅を変更自在とした光音響画像化方法において、
前記サンプリングの周波数を、前記パルス幅が小さいほどより高くなるように調節することを特徴とする光音響画像化方法。
【請求項２】
前記サンプリングの周波数を、前記パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して、４倍〜１０倍の範囲内にあるように調節することを特徴とする請求項1記載の光音響画像化方法。
【請求項３】
前記サンプリングの周波数を、前記パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して略一定の倍率となるように調節することを特徴とする請求項１記載の光音響画像化方法。
【請求項４】
前記サンプリングの周波数と前記パルス幅との対応関係を記憶手段に記憶しておき、
前記パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して前記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、
この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光音響画像化方法。
【請求項５】
被検体にパルス状に照射されて該被検体で反射した反射超音波を、反射超音波検出手段により検出し、
この検出で得られた反射超音波検出信号をサンプリングするとき、そのサンプリングの周波数を超音波のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光音響画像化方法。
【請求項６】
被検体にパルス状に照射されて該被検体で反射した反射超音波を、反射超音波検出手段により検出し、
この検出で得られた反射超音波検出信号をサンプリングするとき、そのサンプリングの周波数を超音波のパルス幅によらず一定とすることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光音響画像化方法。
【請求項７】
被検体にその内部で吸収される波長のパルス光を照射し、それにより被検体から発せられた音響波を音響波検出手段により検出して光音響データを得、この光音響データに基づいて前記被検体を画像化して画像表示手段に表示する光音響画像化装置であって、パルス光のパルス幅を変更自在に構成された光音響画像化装置において、
サンプリングの周波数を、パルス光のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節するサンプリング周波数調節手段が設けられたことを特徴とする光音響画像化装置。
【請求項８】
前記サンプリング周波数調節手段が、サンプリングの周波数を、前記パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して４倍〜１０倍の範囲内にあるように調節するものであることを特徴とする請求項７記載の光音響画像化装置。
【請求項９】
前記サンプリング周波数調節手段が、サンプリングの周波数を、前記パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して略一定の倍率となるように調節するものであることを特徴とする請求項７記載の光音響画像化装置。
【請求項１０】
前記サンプリングの周波数と前記パルス幅との対応関係を記憶している記憶手段が設けられ、
前記サンプリング周波数調節手段が、前記パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して前記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定するものとされていることを特徴とする請求項７から９いずれか１項記載の光音響画像化装置。
【請求項１１】
前記光音響データから、被検体に照射されたパルス光の光強度の時間波形を微分した波形である光微分波形をデコンボリューションした信号を生成する光微分波形逆畳込み手段を備えたことを特徴とする請求項７から１０いずれか１項記載の光音響画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響画像化方法すなわち、生体組織等の被検体に光を照射し、光照射に伴って発生する音響波に基づいて被検体を画像化する方法に関するものである。
【０００２】
また本発明は、光音響画像化方法を実施する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、例えば特許文献１、２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、音響波を発生する。そこで、この音響波を超音波プローブなどの検出手段で検出し、それにより得られた電気的信号（光音響信号）に基づいて生体内部を可視像化することができる。
【０００４】
このよう光音響画像化装置は、特定の吸光体から放射される音響波のみに基づいて画像を構築するようにしているので、生体における特定の組織、例えば血管等を画像化するのに好適となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【特許文献２】特表２０１０−５１２９２９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光音響画像化方法によれば、上述したように生体の血管等、被検体の表面から内部に入った組織も画像化することが可能であるが、臨床や医療研究の場においては応用分野に応じて、特に明瞭に画像化したい組織の被検体表面からの深さや、光音響画像に求められる分解能が異なることが多い。また、比較的被検体の表面に近い所に存在する組織を特に高精細に画像化したいといった要求も存在する。
【０００８】
パルス光の照射によって発生した音響波が被検体の表面まで到達できる深さは、その光音響のパルス幅が大きいほどより深くなり、そして、音響波のパルス幅は照射されたパルス光のパルス幅と対応するので、上述のような要求に応えるために、パルス光のパルス幅を変更可能とした光音響画像化装置も従来考えられている。また、表示される画像に求められる診断特性や音響波検出手段の帯域に対して最適化するという観点から、パルス光のパルス幅を変更可能として光音響画像化装置も考えられている。しかし、そのように構成した従来の光音響画像化装置においては、画質が過剰品質となってデータ量が無意味に多くなったり、それとは逆に所望の画質が得られない、といった問題が起き得ることが認められている。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、パルス光のパルス幅を変更しても所望の画質が得られ、そして光音響画像を担うデータ量を適正な量に抑えることもできる光音響画像化方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明は、そのような光音響画像化方法を実施することができる光音響画像化装置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】
【００１１】
本発明による光音響画像化方法は、
前述したように、被検体にその内部で吸収される波長のパルス光を照射し、それにより被検体から発せられた音響波を音響波検出手段により検出して音響波検出信号を得た後、この音響波検出信号をサンプリングして光音響データを得、この光音響データに基づいて前記被検体を画像化して画像表示手段に表示する光音響画像化方法であって、パルス光のパルス幅を変更自在とした光音響画像化方法において、
サンプリングの周波数を、パルス幅が小さいほどより高くなるように調節することを特徴とするものである。
【００１２】
なお、上記のようにパルス光のパルス幅を変更する場合の例としては、先に述べた通り、表示される画像に求められる診断特性や音響波検出手段の帯域に対して最適化するためにパルス幅を変更する場合等が挙げられる。
【００１３】
また、上記サンプリングの周波数は、より具体的には、パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して４倍〜１０倍の範囲内にあるように調節するのが好ましい。
【００１４】
さらには、上記サンプリングの周波数を、パルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して略一定の倍率となるように調節してもよい。
【００１５】
また、本発明の光音響画像化方法においては、
上記サンプリングの周波数とパルス幅との対応関係を記憶手段に記憶しておき、
パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して上記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、
この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定することが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の光音響画像化方法においては、被検体にパルス状に照射されて該被検体で反射した反射超音波を、反射超音波検出手段により検出し、
この検出で得られた反射超音波検出信号をサンプリングするとき、そのサンプリングの周波数を超音波のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節することが望ましい。
【００１７】
ただしそれに限らず、上記反射超音波検出信号のサンプリングの周波数は、超音波のパルス幅によらず一定に設定しても構わない。
【００１８】
他方、本発明による光音響画像化装置は、前述したように、被検体にその内部で吸収される波長のパルス光を照射し、それにより被検体から発せられた音響波を音響波検出手段により検出して光音響データを得、この光音響データに基づいて前記被検体を画像化して画像表示手段に表示する光音響画像化装置であって、パルス光のパルス幅を変更自在に構成された光音響画像化装置において、
サンプリングの周波数を、パルス光のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節するサンプリング周波数調節手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００１９】
なお、上記のようにパルス幅を変更自在にする構成としては、１画像を取得するに当たって被検体に照射するパルス光のパルス幅は１通りだけであってそのパルス幅を適宜被写体等に応じて変更する構成や、あるいは、１画像を取得するに当たって互いに異なる複数のパルス幅のパルス光を短い時間間隔で交互に切り替えて被検体に照射する構成等が挙げられる。そして、前者の構成としてより具体的には、パルス幅が可変の１つのパルス光源を用いる構成や、あるいは互いに異なるパルス幅のパルス光を発する光源を複数設けておき、それらのうちの１つを適宜選択使用する構成等が含まれる。
【００２０】
また、上記サンプリング周波数調節手段はより具体的には、サンプリングの周波数を、例えばパルス光の光強度の時間波形を微分した波形の周波数に対して略一定の倍率となるように調節するものとされる。
【００２１】
そのようにサンプリング周波数調節手段が構成される場合、上記略一定の倍率は、４倍〜１０倍の範囲内に設定されることが望ましい。
【００２２】
また、本発明の光音響画像化装置においては、
サンプリングの周波数とパルス光のパルス幅との対応関係を記憶している記憶手段が設けられ、
サンプリング周波数調節手段が、パルス光のパルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して上記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定するものとされることが望ましい。
【００２３】
また本発明の光音響画像化装置は、光音響データから、被検体に照射されたパルス光の光強度の時間波形の微分波形である光微分波形をデコンボリューションした信号を生成する光微分波形逆畳込み手段を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
光音響画像化においては、パルス光の光強度の時間波形を微分した波形が音響波形の基本要素となる。そこでこの周波数を、以下、基本波形周波数と称することとする。またパルス光のパルス幅は一般に、図４に示す通り、その光強度の時間波形の半値全幅（ΔＦＷＨＭ）で規定される。そして、このΔＦＷＨＭの１／２をΔdiffとすると、該Δdiffの逆数がすなわち上記基本波形周波数となる。
【００２５】
また光音響画像化においては一般に、音響波検出信号のサンプリング周波数を、上記基本波形周波数に対して４倍〜１０倍の範囲に設定すれば、データ量を無意味に多くすることなく、診断性能の高い光音響画像が得られると考えられている。そこで、この４倍〜１０倍の範囲内のある一定倍率を適用したとすると、上記基本波形周波数が高いほど、つまり上記微分した波形（本明細書では、これを「微分波形」と言うこともある）の幅Δdiffが小さいほど、所望の画質を確保できるサンプリング周波数は高くなることになる。そしてΔdiff＝０．５・ΔＦＷＨＭであるから、結局、パルス光のパルス幅ΔＦＷＨＭが小さいほど、サンプリング周波数をより高く設定すれば、光音響画像を所望の画質に維持できる。
【００２６】
一方、光音響画像を担うデータ量はサンプリング周波数が高いほどより多くなる。逆に言えば、光音響画像を担うデータ量はサンプリング周波数が低いほどより少なくなる。
【００２７】
以上のことから、サンプリングの周波数を、パルス幅が小さいほどより高くなるように調節する本発明の光音響画像化方法によれば、所望の画質の光音響画像を得ることができる一方、パルス幅が比較的大きい場合に無意味にサンプリング周波数を高くすることを回避して、データ量を適切な量に抑えることが可能になる。
【００２８】
また、本発明の光音響画像化方法において特に、前述したようにサンプリングの周波数とパルス幅との対応関係を記憶手段に記憶しておき、パルス幅が決められたとき、そのパルス幅と対応して上記記憶手段に記憶されている周波数を読み出し、この読み出された周波数通りにサンプリングの周波数を設定する場合は、より簡単に本発明の光音響画像化方法を実施できるようになる。
【００２９】
また本発明による光音響画像化装置は、サンプリングの周波数を、パルス光のパルス幅が小さいほどより高くなるように調節するサンプリング周波数調節手段が設けられたものであるから、以上説明した本発明による光音響画像化方法を実施可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態による光音響画像化装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の別の実施形態による光音響画像化装置の一部構成を示すブロック図
【図３】パルス光のパルス幅に対する光音響画像の分解能およびデータ量の関係を示すグラフ
【図４】パルス光の光強度の時間波形と、それを微分した光パルス微分波形とを示す概略図
【図５】本発明に適用され得るレーザ光源ユニットの構成を示すブロック図
【図６】図５のレーザ光源ユニットにおける波長選択手段の構成例を示す概略図
【図７】図６の波長選択手段の透過領域における波長と透過率との関係を示すグラフ
【図８】上記レーザ光源ユニットの一部の具体的な構成例を示すブロック図
【図９】上記レーザ光源ユニットにおけるフラッシュランプ発光のタイミングと、パルスレーザ光のタイミングとを示すタイミングチャート
【図１０】パルスレーザ光出射を示すタイミングチャート
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光音響画像化装置１０の基本構成を示すブロック図である。この光音響画像化装置１０は、一例として光音響画像と超音波画像の双方を取得可能とされたもので、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザ光源ユニット１３、画像表示手段１４、サンプリング周波数調節手段５０、および記憶手段５１を備えている。
【００３２】
上記レーザ光源ユニット１３は、例えば中心波長７５６ｎｓのレーザ光を発するものとされている。レーザ光源ユニット１３から出射したレーザ光は被検体に照射される。このレーザ光は、例えば複数の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の部分から被検体に向けて照射されるのが望ましい。
【００３３】
プローブ１１は、被検体に対する超音波の出力（送信）、および被検体から反射して戻って来る反射超音波の検出（受信）を行う。そのためにプローブ１１は、例えば一次元に配列された複数の超音波振動子を有する。またプローブ１１は、被検体内の観察対象物がレーザ光源ユニット１３からのレーザ光を吸収することで生じた超音波（音響波）を、上記複数の超音波振動子によって検出する。プローブ１１は、上記音響波を検出して音響波検出信号を出力し、また上記反射超音波を検出して超音波検出信号を出力する。
【００３４】
なお、このプローブ１１に上述した導光手段が結合される場合は、その導光手段の端部つまり複数の光ファイバの先端部等が、上記複数の超音波振動子の並び方向に沿って配置され、そこから被検体に向けてレーザ光が照射される。以下では、このように導光手段がプローブ１１に結合される場合を例に取って説明する。
【００３５】
被検体の光音響画像あるいは超音波画像で体積画像（３Ｄ画像）を取得する際、プローブ１１は上記複数の超音波振動子が並ぶ一次元方向に対してほぼ直角な方向に移動され、それにより被検体がレーザ光および超音波によって二次元走査される。この走査は、検査者が手操作でプローブ１１を動かして行ってもよく、あるいは、走査機構を用いてより精密な二次元走査を実現するようにしてもよい。
【００３６】
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、データ分離手段２４、画像再構成手段２５、検波・対数変換手段２６、画像構築手段２７を有している。画像構築手段２７の出力は、例えばＣＲＴや液晶表示装置等からなる画像表示手段１４に入力される。さらに超音波ユニット１２は、送信制御回路３０、および超音波ユニット１２内の各部等の動作を制御する制御手段３１を有している。
【００３７】
上記受信回路２１は、プローブ１１が出力した音響波検出信号および超音波検出信号を受信する。ＡＤ変換手段２２はサンプリング手段であり、受信回路２１が受信した音響波検出信号および超音波検出信号をサンプリングして、それぞれデジタル信号である光音響データおよび超音波データに変換する。このサンプリングは、例えば外部から入力されるＡＤクロック（サンプリングクロック）信号に同期して、所定のサンプリング周期でなされる。なお、反射超音波検出信号のサンプリング周波数は、被検体に照射する超音波のパルス幅に応じて変化させてもよいし、あるいは、そのパルス幅によらず一定としても構わない。
【００３８】
レーザ光源ユニット１３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザやアレキサンドライトレーザ等からなるＱスイッチパルスレーザ３２と、その励起光源であるフラッシュランプ３３とを含むものである。このレーザ光源ユニット１３には、前記制御手段３１から光出射を指示する光トリガ信号が入力されるようになっており、該光トリガ信号を受けると、フラッシュランプ３３を点灯させてＱスイッチパルスレーザ３２を励起する。制御手段３１は、例えばフラッシュランプ３３がＱスイッチパルスレーザ３２を十分に励起させると、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチパルスレーザ３２は、Ｑスイッチトリガ信号を受けるとそのＱスイッチをオンにし、波長７５６ｎｓのパルスレーザ光を出射させる。
【００３９】
ここで、フラッシュランプ３３の点灯からＱスイッチパルスレーザ３３が十分な励起状態となるまでに要する時間は、Ｑスイッチパルスレーザ３３の特性などから見積もることができる。なお、上述のように制御手段３１からＱスイッチを制御するのに代えて、レーザ光源ユニット１３内において、Ｑスイッチパルスレーザ３２を十分に励起させた後にＱスイッチをオンにしてもよい。その場合は、Ｑスイッチをオンにしたことを示す信号を超音波ユニット１２側に通知してもよい。
【００４０】
上記パルスレーザ光のパルス幅は、前述した通り、該パルスレーザ光の光強度の時間波形の半値全幅（ΔＦＷＨＭ）で規定され、そして本実施形態ではこのパルス幅を一例として、５ｎsec（ナノ・秒）、１５ｎsec、５０ｎsec、１００ｎsecの４通りに変え得るようにＱスイッチパルスレーザ３２が構成されている。
【００４１】
また制御手段３１は、送信制御回路３０に、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を入力する。送信制御回路３０は、この超音波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。制御手段３１は、先に前記光トリガ信号を出力し、その後、超音波トリガ信号を出力する。光トリガ信号が出力されることで被検体に対するレーザ光の照射、および音響波の検出が行われ、その後、超音波トリガ信号が出力されることで被検体に対する超音波の送信、および反射超音波の検出が行われる。
【００４２】
制御手段３１はさらに、ＡＤ変換手段２２に対して、サンプリング開始を指示するサンプリングトリガ信号を出力する。このサンプリングトリガ信号は、前記光トリガ信号が出力された後で、かつ超音波トリガ信号が出力される前、より好ましくは被検体に実際にレーザ光が照射されるタイミングで出力される。そのためにサンプリングトリガ信号は、例えば制御手段３１がＱスイッチトリガ信号を出力するタイミングに同期して出力される。ＡＤ変換手段２２は上記サンプリングトリガ信号を受けると、プローブ１１が出力して受信回路２１が受信した音響波検出信号のサンプリングを開始する。
【００４３】
制御手段３１は、光トリガ信号を出力した後、音響波の検出を終了するタイミングで超音波トリガ信号を出力する。このとき、ＡＤ変換手段２２は音響波検出信号のサンプリングを中断せず、サンプリングを継続して実施する。言い換えれば、制御手段３１は、ＡＤ変換手段２２が音響波検出信号のサンプリングを継続している状態で、超音波トリガ信号を出力する。超音波トリガ信号に応答してプローブ１１が超音波送信を行うことで、プローブ１１の検出対象は、音響波から反射超音波に変わる。ＡＤ変換手段２２は、検出された超音波検出信号のサンプリングを継続することで、音響波検出信号と超音波検出信号とを、連続的にサンプリングする。
【００４４】
ＡＤ変換手段２２は、サンプリングして得られた光音響データおよび超音波データを、共通の受信メモリ２３に格納する。受信メモリ２３に格納されたサンプリングデータは、ある時点までは光音響データであり、ある時点からは超音波データとなる。データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された光音響データと超音波データとを分離する。
【００４５】
サンプリング周波数調節手段５０は、制御手段３１にサンプリング周波数制御信号を入力して、前記ＡＤクロック（サンプリングクロック）信号の周波数を変更させ、それによりＡＤ変換手段２２によるサンプリングの周波数を変化させる。記憶手段５１は、前述した４通りのパルスレーザ光のパルス幅５ｎsec、１５ｎsec、５０ｎsec、１００ｎsecに各々対応したサンプリング周波数を記憶している。
【００４６】
以下、光音響画像の生成および表示について説明する。図１のデータ分離手段２４には、受信メモリ２３から読み出された超音波データおよび、波長７５６ｎｓのパルスレーザ光を被検体に照射して得られた光音響データが入力される。データ分離手段２４は、光音響画像の生成時には光音響データのみを後段の画像再構成手段２５に入力する。画像再構成手段２５はこの光音響データに基づいて、光音響画像を示すデータを再構成する。
【００４７】
検波・対数変換手段２６は上記光音響画像を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。検波・対数変換手段２６はこれらの処理後のデータを画像構築手段２７に入力する。画像構築手段２７は入力されたデータに基づいて、パルスレーザ光により走査された断面に関する光音響画像を構築し、その光音響画像を示すデータを画像表示手段１４に入力する。それにより画像表示手段１４には、上記断面に関する光音響画像が表示される。
【００４８】
なお、前述したようにプローブ１１を移動して被検体をレーザ光によって二次元走査し、その走査に伴って得られた複数の断面に関する画像データに基づいて、被検体の所望部位例えば血管等を三次元表示する光音響画像を生成、表示することも可能である。
【００４９】
また、データ分離手段２４が分離した超音波データに基づいて、被検体の超音波画像を生成、表示することも可能である。その超音波画像の生成、表示は、従来公知の方法によって行えばよく、本発明とは直接関連が無いので詳しい説明は省略するが、そのような超音波画像と光音響画像とを重ね合わせて表示させることも可能である。
【００５０】
次に、被検体に照射するパルスレーザ光のパルス幅に応じて、ＡＤ変換手段２２のサンプリング周波数を変化させる点について詳しく説明する。本実施形態において、被検体に照射されるパルスレーザ光のパルス幅（ΔＦＷＨＭ）は、前述した通り５ｎsec、１５ｎsec、５０ｎsec、１００ｎsecの４通りに変えられる。そして記憶手段５１は、それらのパルス幅５ｎsec、１５ｎsec、５０ｎsec、１００ｎsecに各々対応したサンプリング周波数１６００ＭＨｚ、５２０ＭＨｚ、１６０ＭＨｚ、８０ＭＨｚを記憶している。このパルス幅とサンプリング周波数との組合せを、下の表１に示す。この表１には、上記４通りのパルス幅に対応したΔdiff、基本波形周波数、およびサンプリングによるデータ量の値を併せて示してある。なおこのデータ量は、深さ４０ｍｍ相当（２７μ秒間）までのデータを取得し、量子化ビット数を８ｂｉｔとしたときの、１ｃｈ（チャンネル）当たりのデータ量である。
【表１】
2013150745.tif 000003
【００５１】
ここで、パルスレーザ光のパルス幅を上記の４通りに設定する理由について、図３を参照して説明する。パルスレーザ光のパルス幅と、その光パルスで生じる音響波で得られる光音響画像の分解能（同図の右縦軸）については、一般に、同図において白点でプロットしたような関係が認められている。この関係は、各種論文等で報告されている、超音波の減衰で決まる深さの１／１００程度が経験的に実現可能な分解能になるとして定義した場合の関係である。例えば、体表からの血管観察の場合には、診断性能を考慮すると分解能が０．５ｍｍ以下であることが望まれるので、図中に引いた１点鎖線よりも左側（パルス幅が小さい側）の領域に有る４通りのパルス幅を設定したものである。なおこの図３には、パルス幅と上記データ量（同図の左縦軸）との関係も、黒点でプロットして示してある。
【００５２】
図１の構成において、サンプリング周波数調節手段５０にはＱスイッチパルスレーザ３２から、設定されたパルス幅を示す、またはパルス幅を切り替えたことを示す信号が入力される。サンプリング周波数調節手段５０はその信号が示すパルス幅と対応して記憶手段５１に記憶されているサンプリング周波数を読み出し、そのサンプリング周波数を、前述の通りにしてＡＤ変換手段２２において設定させる。例えば設定されたパルス幅が１００ｎsecであれば、表１に示される通り、サンプリング周波数は８０ＭＨｚに設定される。
【００５３】
以上の通り本実施形態においては、パルス幅が小さいほどサンプリング周波数がより高くなるように設定される。さらに詳しくは、前述した基本波形周波数に対して常に４倍となる関係でサンプリング周波数が設定される。このようにサンプリング周波数を設定することにより、常に所望の画質を確保した上で、データ量を適切な量に抑えることが可能になる。その詳しい理由は先に説明した通りである。
【００５４】
なおサンプリング周波数は、基本波形周波数に対して４倍とする他、４倍〜１０倍の範囲内で他の一定倍率とされてもよいし、さらには、一定倍率ではなくパルス幅毎に６．０倍、５．０倍、４．５倍等と変えた倍率とされてもよい。通常、画質の点ではこの倍率をより高くするのが好ましいが、それに伴って不要にデータ量が増えることもあるので、画質とデータ量の双方を勘案して適切な倍率に設定すればよい。なお、最低で４倍とするのは、１波長の間に最低４点サンプリングできれば位相が分かるためである。一方、最高で１０倍とするのは、それを超えるとデータ量が多くなり過ぎるためである。
【００５５】
また本発明は、上述した実施形態におけるように、被検体に対して、１つの光源から複数種類のパルス幅の光を照射する場合だけではなく、複数の光源の各々から互いにパルス幅が異なる光を照射する場合や、さらには１つあるいは複数の光源から複数種類の波長のパルス光を短い時間間隔で交互に照射し、それぞれのパルス光のパルス幅が異なる場合にも適用可能である。そのような場合のいずれも、本発明で規定する「パルス光のパルス幅を変更自在とした」構成に該当するものである。
【００５６】
ここで、上記のように波長およびパルス幅が互いに異なる光を発する光源の一例について、図５〜図１０を参照して説明する。
【００５７】
図５に示すレーザ光源ユニット１１３は、図１に示したレーザ光源ユニット１３に置き換えて適用され得るものであり、以下では、そのような置き換えがなされた場合を例に取って説明する。レーザ光源ユニット１１３は、パルス幅および波長が互いに異なる複数のパルスレーザ光を切り替えて交互に出射する。これにより、吸収特性が異なる複数の組織からの光音響信号を周波数帯域ごとに分離して検出することが可能となる。「波長が互いに異なる」とは、波長分布において光強度が最も高いピーク波長が互いに異なることを意味する。パルスレーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。例えば、パルス幅が４．２ｎｓｅｃかつ波長が８００ｎｍのパルスレーザ光と、パルス幅が４５ｎｓｅｃかつ波長が７５０ｎｍのパルスレーザ光とを使用して、取得した各波長の光音響信号の強度比に基づいて、生体内部の動脈と静脈を分離して画像化することが可能である。
【００５８】
上記のレーザ光源ユニット１１３は、例えば下記のようにして構成することができる。レーザ光源ユニット１１３は、図５に示されるように、レーザロッド１５１、フラッシュランプ１５２、ミラー１５３、１５４、集光レンズ１５５、波長選択手段１５６、駆動手段１５７、駆動状態検出手段１５８、および制御部１５９を有する。
【００５９】
ミラー１５３、１５４から構成される共振器内には、集光レンズ１５５と波長選択手段１５６とが配置されている。波長選択手段１５６は、共振器内で共振する光の波長を、出射すべき複数の波長のうちの何れかに制御する。集光レンズ１５５は、レーザロッド１５１と波長選択手段１５６との間に配置され、レーザロッド１５１側から入射した光を収束して波長選択手段１５６側に出射させる。つまり、集光レンズ１５５は、共振器内を波長選択手段１５６に向けて進行する光のビーム径を縮小させる。
【００６０】
波長選択手段１５６は、例えば、円周方向に沿って交互に配置された複数の透過領域と不透過領域とを有する。複数の透過領域は、複数の波長に対応した所定の波長の光を選択的に透過させる。波長選択手段１５６は、例えば２つの透過領域と２つの不透過領域とを有する。透過領域のうちの１つには、例えば波長７５０ｎｍ（中心波長）の光を透過させる第１のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）が設けられ、もう１つには波長８００ｎｍ（中心波長）の光を透過させる第２のバンドパスフィルタが設けられている。
【００６１】
上記構成の波長選択手段１５６は、回転に伴って、複数のバンドパスフィルタの何れかを共振器の光路上に選択的に挿入する。例えば波長選択手段１５６は、共振器の光路上に、不透過領域、第１のバンドパスフィルタ、不透過領域、および第２のバンドパスフィルタをこの順で順次挿入する。共振器の光路上に第１のバンドパスフィルタを挿入することで、共振器による発振波長を７５０ｎｍとすることができ、共振器の光路上に第２のバンドパスフィルタを挿入することで、共振器による発振波長を８００ｎｍとすることができる。
【００６２】
波長選択手段１５６は、回転駆動に伴って、共振器内の挿入損失を損失大（第１の損失）から損失小（第２の損失）に変化させるように構成されている。第１または第２のバンドパスフィルタが共振器の光路上に挿入されるとき、共振器の挿入損失は損失小（高Ｑ）となり、光路上に不透過領域が挿入されるとき、共振器の挿入損失は損失大（低Ｑ）となる。波長選択手段１５６はＱｓｗを兼ねており、回転駆動に伴って、波長選択手段１５６が共振器内の挿入損失を損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化させることで、パルスレーザ光を得ることができる。
【００６３】
駆動手段１５７は、波長選択手段１５６を、共振器がＱｓｗパルス発振するように駆動する。つまり駆動手段１５７は、波長選択手段１５６が共振器内の挿入損失を損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化させるように、波長選択手段１５６を駆動する。例えば波長選択手段１５６が円周方向に沿って透過領域（バンドパスフィルタ）と不透過領域とが交互に配置されたフィルタ回転体で構成される場合、駆動手段１５７は、共振器の光路上に不透過領域及び透過領域が交互に挿入されるようにフィルタ回転体を連続的に回転させる。波長選択手段１５６の駆動に伴う、共振器内の挿入損失が損失高から損失小へと切り替わる際の切り替え時間は、Ｑｓｗパルスの発生遅延時間よりも短いことが好ましい。共振器の光路上に挿入される領域を不透過領域から透過領域（第１または第２のバンドパスフィルタ）へと切り替えることで、光路上に挿入された透過領域（バンドパスフィルタ）が透過させる光の波長に対応した波長で、共振器をＱｓｗパルス発振させることができる。
【００６４】
駆動状態検出手段１５８は、波長選択手段１５６の駆動状態を検出する。駆動状態検出手段１５８は、例えばフィルタ回転体である波長選択手段１５６の回転変位を検出する。駆動状態検出手段１５８は、フィルタ回転体の回転変位を示すＢＰＦ状態情報をＢＰＦ状態信号として制御部１５９に出力する。
【００６５】
制御部１５９は、回転制御部１６０と発光制御部１６１とを含む。回転制御部１６０は、波長選択手段１５６が所定の回転速度で回転するように駆動手段１５８を制御する。波長選択手段１５６の回転速度は、例えばレーザ光源ユニット１１３から出射すべきパルスレーザ光の波長の数（フィルタ回転体におけるバンドパスフィルタの数）と、単位時間当たりのパルスレーザ光の個数とに基づいて決定できる。回転制御部１５９は、駆動状態検出手段１５８が検出する回転位置の所定時間あたりの変化量が一定となるように駆動手段１５７を制御する。回転制御部１５９は、例えば所定時間の間におけるＢＰＦ状態情報の変化の量が所定のバンドパスフィルタの切替え速度（フィルタ回転体の回転速度）に応じた変化量となるように、駆動手段１５７を制御する。
【００６６】
発光制御部１６１は、フラッシュランプ１５２を制御する。すなわち発光制御部１６１は、フラッシュランプ（ＦＬ）制御信号をフラッシュランプ１５２に出力し、フラッシュランプ１５２からレーザロッド１５１に励起光を照射させる。発光制御部１６１は、波長選択手段１５６が共振器の挿入損失を損失大から損失小へと切り替える時刻よりも所定時間だけ前の時刻でフラッシュランプ１５２にＦＬ制御信号を出力し、励起光を照射させる。つまり発光制御部１６１は、駆動状態検出手段１５８が検出した回転位置が、波長選択手段１５６が共振器の挿入損失を損失大から損失小へと切り替える回転位置よりも所定の量だけ前の位置になると、フラッシュランプ１５２にＦＬ制御信号を送り、励起光を照射させる。
【００６７】
発光制御部１６１は例えば、ＢＰＦ状態信号が表す情報が、出射すべきパルスレーザ光の波長に対応したバンドパスフィルタが共振器の光路上に挿入される波長選択手段１５６の駆動位置から、レーザロッド１５１の励起に要する時間の間に波長選択手段１５６が変位する量を差し引いた位置を示す情報になるとＦＬ制御信号を出力し、フラッシュランプ１５２からレーザロッド１５１に励起光を照射させる。発光制御部１６１は、ＦＬ制御信号の出力後、駆動状態検出手段１５８が検出した回転位置が、波長選択手段１５６が共振器の挿入損失を損失大から損失小へと切り替える回転位置になると、Ｑｓｗがオンになるタイミングを示すＱｓｗ同期信号を生成し、超音波ユニット１２（図１参照）に出力する。
【００６８】
図１に示した制御手段３０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２９は、レーザ光源ユニット１１３に対して、波長選択手段１５６の回転速度を制御するためのＢＰＦ制御信号を出力する。また、トリガ制御回路２９は、レーザ光源ユニット１１３に、フラッシュランプ１５２の発光を制御するためのＦＬスタンバイ信号を出力する。トリガ制御回路２９は、例えばレーザ光源ユニット１１３の回転制御部１６０からフィルタ回転体の現在の回転変位位置を受け取り、受け取った回転変位位置に基づいたタイミングでＦＬスタンバイ信号を出力する。
【００６９】
トリガ制御回路２９は、レーザ光源ユニット１１３から、Ｑｓｗがオンになるタイミング、すなわちレーザ発光タイミングを示すＱｓｗ同期信号を入力する。トリガ制御回路２９は、Ｑｓｗ同期信号を受け取ると、ＡＤ変換手段２２にサンプリング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。
【００７０】
図６は、波長選択手段１５６の詳しい構成例を示す。波長選択手段１５６はここに示すように、透過波長が相互に異なる複数の透過領域（バンドパスフィルタ）を含むフィルタ回転体１７０として構成される。フィルタ回転体１７０は、波長７５０ｎｍの光を選択的に透過させる第１の透過領域１７１と、波長８００ｎｍの光を選択的に透過させる第２の透過領域１７２と、光を透過しない不透過領域１７３、１７４とを有する。なお、不透過領域は、完全に光を遮光するまでの能力は要求されない。不要なレーザ発振が生じない程度に、わずかに光が透過してもよい。
【００７１】
第１の透過領域１７１および第２の透過領域１７２は、例えばそれぞれ中心角θ１およびθ２の扇型に形成されている。中心角θ１およびθ２の大小は、それぞれの波長のパルスレーザ光におけるパルス幅の長短に応じて適宜設定される。集光レンズ１５５で集光された光は、図６に示すフィルタ回転体１７０の周縁近傍部分に照射される。フィルタ回転体１７０を時計回りに回転させると、共振器の光路上に、第１の透過領域１７１、不透過領域１７３、第２の透過領域１７２、および不透過領域１７４がこの順に挿入される。上記のように、第１の透過領域１７１と第２の透過領域１７２とで、各領域を透過する光の波長を変えることで、すなわち各透過領域に設けるバンドパスフィルタの透過波長を変えることで、１パルスごとに波長が異なるパルスレーザ光を得ることができる。
【００７２】
図７は、透過領域における波長と透過率との関係を示す。第１の透過領域（第１のバンドパスフィルタ）１７１における中心波長７５０ｎｍの光に対する透過率は９０％以上あるとする。その帯域幅はおよそ１０ｎｍである。第２の透過領域（第２のバンドパスフィルタ）７２における中心波長８００ｎｍの光に対する透過率は９０％以上である。その帯域幅はおよそ１０ｎｍである。
【００７３】
ここで、フィルタ回転体１７０の回転周波数が１００Ｈｚ（回転速度６０００ｒｐｍ）であるとする。その場合、１回転当たり２つの透過領域を光が通過することから、レーザユニット１１３が出射するパルスレーザ光の個数は１秒当たり２００個となる（２００Ｈｚ動作）。例えば、フィルタ回転体１７０として半径２インチ（５０．４ｍｍ）のフィルタ回転体を考える。また、ビーム径は１００μｍとする。角速度はω＝２πｆ＝６２８．３［ｒａｄ／ｓｅｃ］となり、線速度はｖ＝ｒω＝６２８．８［ｒａｄ／ｓｅｃ］×５０．４［ｍｍ］＝３１．７［ｍ／ｓ］となる。ビームを横切る時間（スイッチング時間）は３．１５μｓｅｃとなる。
【００７４】
Ｑｓｗの特性として、スイッチング時間（例えば不透過領域から第１または第２の透過領域への切替時間）はおおよそ数μ秒以下であること（Ｑｓｗパルスの発生遅延時間よりも小さいこと）が、シングルパルスを得るための条件である。透過領域の中心角θは、ビームを横切る時間＋Ｑｓｗ遅延時間の間、ビームを妨げない条件で選ばれる。上記数値例では、３．１５μｓｅｃ＋数μｓｅｃ＝おおよそ１０μｓｅｃの間、透過領域が続けばよい。したがって、３１．７［ｍ／ｓ］×１０μｓｅｃ＝３１７μｍが横幅の長さであり、角度にすると０．３５°である。製作のことを考えると、中心角θは１°から数度あればよい。
【００７５】
図８は、レーザユニット１１３の一部を示している。波長選択手段１５６は、例えば図６に示すようなフィルタ回転体１７０として構成されている。フィルタ回転体１７０上でのビーム径は小さい方がよい。そこで、本例では集光レンズ１５５を用いてビームを収束させている。フィルタ回転体１７０上でのビーム径は望ましくは１００μｍ以下である。下限は回折限界で決まり、数μｍである。なおフィルタ回転体１７０は、共振器の光軸に対して所定の角度で傾いた面内で回転するように、光軸に対して例えば０．５°から１°程度だけ傾けられることが好ましい。このように共振器の光軸に対してわずかに斜めに配置することで、不要な反射成分が寄生発振を起こすことを防止できる。
【００７６】
駆動手段１５７は例えばサーボモータであり、フィルタ回転体１７０を回転させる。フィルタ回転体１７０の回転周波数は高い方がよい。機械的には１ｋＨｚ程度まで可能である。駆動状態検出手段１５８は、例えばロータリーエンコーダーで構成されている。ロータリーエンコーダーは、サーボモータの出力軸に取り付けられたスリット入りの回転板と透過型フォトインタラプタとでフィルタ回転体の回転変位を検出し、フィルタ回転体１７０の回転を電気信号（ＢＰＦ状態信号）に変換する。このＢＰＦ状態信号をマスタークロックとし、発光制御部１６１に同期信号として送る。発光制御部１６１は、高精度に回転しているフィルタ回転体１７０の回転に合わせて、フラッシュランプ発光のタイミングを決定する。
【００７７】
図９は、フラッシュランプ発光のタイミングとパルスレーザ光のタイミングとを示す。時刻ｔ２は、回転しているフィルタ回転体１７０が不透過領域から透過領域へと切り替わる回転位置に対応した時刻であるとする。時刻ｔ１は、時刻ｔ２から、レーザロッド１５１の励起に必要な時間を差し引いた時刻である。発光制御部１６１は、フィルタ回転体１７０の回転位置が時刻ｔ１に対応した位置になると、フラッシュランプ１５２を発光させる（図９の（ａ））。フラッシュランプ１５２が発光することで、レーザロッド１５１が励起される。
【００７８】
フラッシュランプ発光後、時刻ｔ２で、フラッシュランプが消灯するのとほぼ同じ時刻に、フィルタ回転体１７０が不透過領域から透過領域（第１の透過領域１７１または第２の透過領域１７２）へと切り替わっていく（図９の（ｂ））。この不透過領域から透過領域への替わりに要する時間（スイッチング時間）はできるだけ短い方がよく、数μ秒以下、より望ましくは０．５μ秒以下である。共振器の光路上に７５０ｎｍの光を透過する透過領域が挿入されると、時刻ｔ３で、波長７５０ｎｍの光がＱｓｗパルス発振し、波長７５０ｎｍのパルスレーザ光が得られる（図９の（ｃ））。一方、共振器の光路上に挿入された透過領域が８００ｎｍの光を透過する透過領域であった場合、波長８００ｎｍの光がＱｓｗパルス発振し、波長８００ｎｍのパルスレーザ光が得られる。フィルタ回転体１７０の透過領域部分がおよそ１０μ秒程度続いた後、時刻ｔ４で、再び不透過領域へと切り替わる。
【００７９】
図１０は、パルスレーザ光の出射波形を示す。前述した通りのフィルタ回転体１７０を用いれば、この図１０に示すように、パルス幅が比較的広い波長７５０ｎｍのパルスレーザ光と、パルス幅が比較的狭い波長８００ｎｍのパルスレーザ光とを１パルスごとに切り替えて出射させることが可能となる。例えばフィルタ回転体１７０の回転周波数を１００Ｈｚとすれば、パルス幅と波長を交互に切り替えつつ、１秒間に２００個のパルスレーザ光を得ることができる。
【００８０】
本発明の光音響画像化装置および方法は、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および変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００８１】
例えば本発明は、デコンボリューション処理を施すようにした光音響画像化装置および方法にも適用可能である。図２は、そのデコンボリューション処理を施すように構成された光音響画像化装置の一部を示すブロック図である。この図２の構成は、例えば図１に示した画像再構成手段２５と検波・対数変換手段２６との間に挿入されるものであり、光微分波形逆畳込み手段４０およびその後段に接続された補正手段４６とからなる。そして分波形逆畳込み手段４０は、フーリエ変換手段４１、４２、逆フィルタ演算手段４３、フィルタ適用手段４４、およびフーリエ逆変換手段４５から構成されている。
【００８２】
上記分波形逆畳込み手段４０は、画像再構成手段２５が出力した光音響画像を示すデータから、被検体に照射されたパルスレーザ光の光強度の時間波形を微分した光パルス微分波形をデコンボリューションする。このデコンボリューションにより、吸収分布を示す光音響画像データが得られる。
【００８３】
以下、このデコンボリューションについて詳しく説明する。光微分波形逆畳込み手段４０のフーリエ変換手段（第１のフーリエ変換手段）４１は、離散フーリエ変換により、再構成された光音響画像データを時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換手段（第２のフーリエ変換手段）４２は、離散フーリエ変換により、光パルス微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号を時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換のアルゴリズムには、例えばＦＦＴを用いることができる。
【００８４】
以下の説明では、ＡＤ変換手段２２における音響波検出信号のサンプリングレートと、光パルス微分波形のサンプリングレートとは等しいものとする。例えば音響波検出信号はＦｓ＝４０ＭＨｚのサンプリングクロックに同期してサンプリングされており、光微分パルスも、Ｆｓ＿ｈ＝４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングされている。フーリエ変換手段４１は、４０ＭＨｚでサンプリングした結果得られた、画像再構成手段２５が出力する光音響画像データを、例えば１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。また、フーリエ変換手段４２は、４０ＭＨｚでサンプリングされた光パルス微分波形を１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。
【００８５】
逆フィルタ演算手段４３は、フーリエ変換された光パルス微分波形の逆数を逆フィルタとして求める。例えば逆フィルタ演算手段４３は、光パルス微分波形ｈをフーリエ変換した信号をｆｆｔ＿ｈとしたとき、conj(fft_h)/abs(fft_h)2を逆フィルタとして求める。フィルタ適用手段４４は、フーリエ変換手段４１でフーリエ変換された光音響画像データに、逆フィルタ演算手段４３で求められた逆フィルタを適用する。フィルタ適用手段４４は、例えば、要素ごとに、光音響画像データのフーリエ係数と逆フィルタのフーリエ係数とを乗算する。逆フィルタが適用されることで、周波数領域の信号において、光パルス微分波形がデコンボリューションされる。フーリエ逆変換手段４５は、フーリエ逆変換により、逆フィルタが適用された光音響画像データを、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。フーリエ逆変換により、時間領域の吸収分布信号が得られる。
【００８６】
以上述べた処理を行うことにより、光微分項がコンボリューションされた音響波検出信号から光微分項を除去することができ、音響波検出信号から吸収分布を求めることができる。そのような吸収分布を画像化した場合には、吸収分布画像を示す光音響画像が得られる。
【００８７】
なお補正手段４６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータを補正し、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから、プローブ１１における超音波振動子の受信角度依存特性の影響を除去する。また、補正手段４６は、受信角度依存特性に加えて、またはこれらに代えて、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから被検体における光の入射光分布の影響を除去する。なお、このような補正を行わずに、光音響画像の生成を行ってもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１０    光音響画像化装置
１１    プローブ
１２    超音波ユニット
１３、１１３    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    データ分離手段
２５    画像再構成手段
２６    検波・対数変換手段
２７    画像構築手段
３０    送信制御回路
３１    制御手段
３２    Ｑスイッチレーザ
３３    フラッシュランプ
４１、４２    フーリエ変換手段
４３    逆フィルタ演算手段
４４    フィルタ適用手段
４５    フーリエ逆変換手段
５０    サンプリング周波数調節手段
５１    記憶手段
【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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