光音響画像化方法および装置
【課題】互いに光吸収特性が異なる２つの生体部分を区別して高速で画像化する。
【解決手段】光音響画像化装置１０において、被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能する波長可変光源１３と、第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段１１，２１，２２と、第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段２５とを設ける。さらに上記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段２６と、再構成画像から位相情報を抽出する位相情報抽出手段７１と、位相情報に基づいた画像を画像表示手段１４に表示させる表示制御手段７３とを設ける。
【解決手段】光音響画像化装置１０において、被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能する波長可変光源１３と、第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段１１，２１，２２と、第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段２５とを設ける。さらに上記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段２６と、再構成画像から位相情報を抽出する位相情報抽出手段７１と、位相情報に基づいた画像を画像表示手段１４に表示させる表示制御手段７３とを設ける。
【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可能となっている。光音響画像化方法は、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である。
【０００４】
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毎に特有のものとなっている。例えば図５には、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)の光波長毎の分子吸収係数を示すが、動脈の光吸収特性は酸素化ヘモグロビンのそれに対応したものとなり、静脈の光吸収特性は脱酸素化ヘモグロビンのそれに対応したものとなる。そこで従来、このことを利用して、互いに異なる２種の波長の光を血管部分に照射し、動脈と静脈とを区別して画像化する光音響画像化方法が知られており、例えば特許文献２にはその一例が記載されている。
【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】特開２０１０−０４６２１５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】
しかし、上記特許文献２に示される従来技術においては、動脈と静脈とを区別して画像化するために、相異なる波長の光を各々照射して得た２通りの再構成画像間で、対応画素毎に画素値の比や差を求める処理が必要になる。そのためこの従来技術においては、画像再構成を２回行う必要があり、そこで、演算のための大容量の記憶手段が必要になったり、あるいは演算処理に時間が掛かる、といった問題が認められている。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、生体の動脈と静脈等、波長に対する光吸収特性が互いに異なる２つの組織を区別して、効率良く高速で画像化することができる光音響画像化方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
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】
【００１０】
本発明による光音響画像化方法は、
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を照射し、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々得られた第１の光音響データ、第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成し、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得、
この再構成画像から位相情報を抽出し、
前記位相情報に基づいた被検体画像を画像表示手段に表示することを特徴とするものである。
【００１１】
なお、本発明による光音響画像化方法においては、上記の再構成画像からさらに強度情報を抽出し、前記位相情報に基づいたカラーマップを前記強度情報に適用して画像表示手段に表示することが望ましい。
【００１２】
また、本発明の光音響画像化方法は、前述したように生体の動脈と静脈とを区別して表示する場合に好適に利用されるものであり、その場合前記第１の光および第２の光の波長は、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長とされる。
【００１３】
そしてより詳しく、上記動脈と静脈とがヒトのものである場合は、前記第１の光の中心波長が７９８ｎｍとされ、前記第２の光の中心波長が７５６ｎｍとされる。
【００１４】
また本発明の光音響画像化方法においては、被検体の超音波画像を取得し、その超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で画像表示手段に重畳表示することがより好ましい。
【００１５】
他方、本発明による光音響画像化装置は、
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能とされた波長可変光源と、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段と、
前記第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段と、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段と、
前記再構成画像から、位相情報を抽出する位相情報抽出手段と、
前記位相情報に基づいた画像を前記画像表示手段に表示させる表示制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
なお本発明の光音響画像化装置においては、上記再構成画像から強度情報を抽出する強度情報抽出手段がさらに設けられた上で、上記表示制御手段として、前記位相情報に基づいたカラーマップを前期強度情報に適用して表示させるものが用いられることが望ましい。
【００１７】
また上記波長可変光源は、前記第１の光および第２の光として、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長の光を発するものであることが望ましい。
【００１８】
その場合、より詳しくは、前記第１の光の中心波長が７９８ｎｍであり、前記第２の光の中心波長が７５６ｎｍであることが望ましい。
【００１９】
また、本発明の光音響画像化装置においては、
前記被検体の超音波画像を取得する手段がさらに設けられ、
前記表示制御手段が、前記超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で前記画像表示手段に重畳表示させるものであることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による光音響画像化方法によれば、被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を照射し、前記第１の光、第２の光を照射したときに各々得られた第１の光音響データ、第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成し、前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得、この再構成画像から位相情報を抽出し、前記位相情報に基づく画像を画像表示手段に表示するようにしたので、第１の光、第２の光に対する光吸収特性が互いに異なる被検体の部位を、位相情報に基づいて互いに区別して表示可能となる。
【００２１】
そして、フーリエ変換法は元より複素数空間で実施されるものであって、１つの波長の光を被検体に照射して音響波を発生させる場合でも、画像再構成は複素数で処理されている。したがって、本発明方法のように２波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合でも、その処理は基本的に、１波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合と同じとなり、いわばその場合の無駄を無くして、効率良く高速で２つの部分を区別表示可能となる。
【００２２】
また、本発明の光音響画像化方法において特に、被検体の超音波画像を取得し、その超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で画像表示手段に重畳表示する場合は、再構成された被検体の部分が、被検体の他の部位とどういう相対位置関係になっているかを確認可能となる。
【００２３】
一方、本発明による光音響画像化装置は前述した通り、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能とされた波長可変光源と、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段と、
前記第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段と、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段と、
前記再構成画像から、位相情報を抽出する位相情報抽出手段と、
前記位相情報に基づく画像を前記画像表示手段に表示させる表示制御手段とを備えたものであるので、この光音響画像化装置によれば前述した本発明の光音響画像化方法を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１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】図１の装置におけるデータ処理および、それによる画像表示を説明する図
【図３】複素数データを説明する図
【図４】本発明の第２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５】酸素化ヘモグロビン(oxy-Hb)と脱酸素化ヘモグロビン（deoxy-Hb)の光波長毎の分子吸収係数を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、本発明の第１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、および画像表示手段１４を備えている。
【００２６】
上記レーザ光源ユニット１３は、後述する２つの波長のレーザ光を適宜選択的に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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
被検体の光音響画像あるいは超音波画像を取得する際、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。
【００３０】
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、複素数化手段２５、光音響画像再構成手段２６、この光音響画像再構成手段２６の出力を受ける強度情報抽出手段７０、同じく光音響画像再構成手段２６の出力を受ける位相情報抽出手段７１、上記強度情報抽出手段７０の出力を受ける検波・対数変換手段７２、この検波・対数変換手段７２および上記位相情報抽出手段７１の出力を受ける光音響画像構築手段７３を有している。
【００３１】
上記受信回路２１は、プローブ１１が出力した前記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クロック信号に同期して、所定のサンプリング周期でなされる。
【００３２】
また超音波ユニット１２は、上記データ分離手段２４の出力を受ける超音波画像再構成手段７４、この超音波画像再構成手段７４の出力を受ける検波・対数変換手段７５、この検波・対数変換手段７５の出力を受ける超音波画像構築手段７６、この超音波画像構築手段７６および前記光音響画像構築手段７３の出力を受ける画像合成手段７７を有している。この画像合成手段７７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。
【００３３】
レーザ光源ユニット１３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ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、光パラメトリック発振器等からなる波長制御手段３４とを含む波長可変レーザである。このレーザ光源ユニット１３には、上記制御手段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、パルスレーザ光を出射させる。
【００３４】
また上記波長制御手段３４には、制御手段３１から波長制御信号が入力される。波長制御手段３４はこの波長制御信号に応じて動作し、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波長（中心波長）を７９８ｎｍと７５６ｎｍのいずれかに設定する。本例では、まず波長を７９８ｎｍとする１回目のパルスレーザ光出射（つまり光トリガ信号およびＱスイッチトリガ信号の入力）がなされ、引き続きパルスレーザ光の波長を７５６ｎｍとする２回目のパルスレーザ光出射（同じく光トリガ信号およびＱスイッチトリガ信号の入力）がなされる。なお上記の波長７９８ｎｍおよび７５６ｎｍは、先に説明した図５の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの光波長毎の分子吸収係数を考慮して、ヒトの動脈および静脈を画像化するために選択されたものである。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。このサンプリングトリガ信号に基づく音響波検出信号のサンプリングは、まず、前記波長７９８ｎｍのパルスレーザ光を出射させるためのＱスイッチトリガ信号の出力と同期して行われ、引き続き、前記波長７５６ｎｍのパルスレーザ光を出射させるためのＱスイッチトリガ信号の出力と同期して行われる。
【００３８】
制御手段３１は、光トリガ信号を２回出力した後、音響波の検出（波長７９８ｎｍのパルスレーザ光により発せられた音響波、および波長７５６ｎｍのパルスレーザ光により発せられた音響波の検出）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。
【００３９】
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。なお光音響データは、波長７９８ｎｍのパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響データ並びに、波長７５６ｎｍのパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響データとなる。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し、光音響データを複素数化手段２５に入力し、超音波データを超音波画像再構成手段７４に入力する。
【００４０】
以下、超音波画像と光音響画像の生成、表示について説明する。まず超音波画像再構成手段７４は、プローブ１１の複数の超音波振動子毎のデータとなっている上記超音波データを加算して、１ライン分の超音波断層画像データを生成する。検波・対数変換手段７５はこの超音波断層画像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。そして超音波画像構築手段７６は、検波・対数変換手段７５が出力した各ラインのデータに基づいて超音波断層画像（超音波エコー画像）を生成する。より詳しくは、この超音波画像構築手段７６は、例えば前述した超音波検出信号のピーク部分の時間軸方向の位置が、断層画像における深さ方向の位置に変換されるようにして超音波断層画像を生成する。
【００４１】
以上の処理は、プローブ１１の走査移動に伴って逐次なされ、それにより、被検体の走査方向に亘る複数箇所に関する超音波断層画像が生成される。そしてこれらの超音波断層画像を担持する画像データは画像合成手段７７に入力される。なお、超音波断層画像のみを単独で表示したい場合は、超音波断層画像を担持する上記画像データが画像合成手段７７を素通りさせて画像表示手段１４に送られ、この画像表示手段１４に超音波断層画像が表示される。
【００４２】
次に光音響画像の生成および表示について、図２も参照して説明する。前述した通り図１の複素数化手段２５には、波長７９８ｎｍ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（以下、これを第１の光音響データという）並びに、波長７５６ｎｍ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（以下、これを第２の光音響データという）が入力される。
【００４３】
図２の（１）、（２）は、上記第１の光音響データ、第２の光音響データの例を、プローブ１１の一つの走査ラインに沿った断面について概略的に示すものである。同図（１）において、矢印ｘで示す横方向はプローブ１１の複数の超音波振動子が並ぶ方向を示し、縦方向は音響波が検出される時刻を示している（同図（２）、（３）も同様）。すなわち、音響波が検出される場合は、これらの図に弧で示す時刻／位置関係で音響波が検出され、また各弧の頂点部分は光照射後に最も早くプローブ１１に到達した音響波（つまり音響波発生部位から直接的にプローブ１１の方向に進行する音響波）が検出された時刻を示すものとなる。この時刻は、音響波発生部位の光照射深さ方向位置と対応するものであるから、上記頂点部分は、音響波を発した部分の深さ方向位置を示すことになる。
【００４４】
そして第１の光音響データ、第２の光音響データを得た際に照射されたパルスレーザ光の波長が、図５に示した酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの光波長毎の分子吸収係数を考慮して、両者の吸収が同じである７９８ｎｍと、この７９８ｎｍでの吸収と比べると酸素化ヘモグロビンについては吸収がより大きく、反対に脱酸素化ヘモグロビンについてはより吸収が小さくなる７９８ｎｍとに設定されていることにより、両光音響データから後述のようにして動脈と静脈を分離することができる。
【００４５】
すなわち複素数化手段２５は、上述のような第１の光音響データを実部とし、第２の光音響データを虚部として複素数データを作成する（同図の（３）参照）。ここで、この複素数データについて図３に示すガウス平面で説明する。図中に黒丸で示す座標（Ｘ，Ｙ）の複素数データについては、ｒ２＝Ｘ２＋Ｙ２なるｒの値が強度を示し、偏角θが位相を示す。そして、仮に照射光波長を７９８ｎｍとしたときの第１の光音響データと、照射光波長を７５６ｎｍとしたときの第２の光音響データとが同じ値を取るとすると、それらのデータによる複素数データは位相θが４５度のものとなる。
【００４６】
しかし図５の特性から分かるようにそのようなことは有り得ず、実際には、第１の光音響データ＜第２の光音響データとなる場合（このときの位相θは４５度を超える）と、第１の光音響データ＞第２の光音響データとなる場合（このときの位相θは４５度未満となる）だけが存在する。前者は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が大きい酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている動脈からの音響波を検出した場合であり、それに対して後者は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が小さい脱酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈からの音響波を検出した場合である。したがって、上記複素数データの位相θが４５度よりも大きいか、あるいは小さいかを分離基準として、動脈からの音響波を検出した光音響データと、静脈からの音響波を検出した光音響データとを分離可能となる。なお、以上述べた複素数データの作成はプローブ１１の走査移動に伴って逐次なされ、それにより、被検体の走査方向に亘る複数の断面について各々複素数データが作成される。
【００４７】
こうして作成された複素数データは、次に図１の光音響画像再構成手段２６に入力される。光音響画像再構成手段２６は入力された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う。なお、フーリエ変換法による画像再構成については、例えば文献”Photoacoustic Image Reconstruction-A Quantitative Analysis”Jonathan I.Sperl et al. SPIE-OSA Vol.6631 663103 等に記載されている従来公知の方法を適用することができる。
【００４８】
この再構成画像を示すフーリエ変換後のデータは強度情報抽出手段７０に送られてそこで強度情報の抽出に供されるとともに、位相情報抽出手段７１に送られてそこで位相情報の抽出に供される。検波・対数変換手段７２は上記抽出された強度情報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７２はこれらの処理後のデータを光音響画像構築手段７３に入力する。またこの光音響画像構築手段７３には、上記抽出された位相情報を示すデータも入力される。
【００４９】
図２の（４）は、上述の再構成画像を概略的に示すものである。すなわちこの再構成画像は同図（１）、（２）に示した音響波データに対応するものであり、その縦方向位置はｘ方向に配置された各素子の検出時刻に対応している。このように各素子で検出した音響波データから実際に音響波が発生した位置の深さに再構成した結果が（４）中に示す点となる。ここで、点線で示している線は、再構成前のデータを示している。
【００５０】
以上のことに基づいて光音響画像構築手段７３は、上記強度情報に基づいて求めた音響波発生部分について、位相θが４５度より小さい点は例えば青色で示し、また位相θが所定の閾値以上である点は例えば赤色で示すカラーマッピングを行う。そこでこのカラーマッピングされた画像は、赤色の部分が動脈を示し、青色の部分が静脈を示すものとなる。図２の（５）はこのカラーマッピング結果を示しており、図中の黒点が赤色にマッピングされた点を、そして白点が青色にマッピングされた点を示している。また図３においては、ハッチングを付して示す領域が赤色にマッピングされる領域であり、それよりも位相が小さいハッチング無しの領域が青色にマッピングされる領域である。以上のカラーマッピングは、プローブ１１の走査移動に伴って逐次得られる各断面について全て同じようになされる。
【００５１】
なお本実施形態では特に、上記赤色にマッピングされる領域内の点は位相が大きいほど赤色がより強調されて、位相θが４５度に近い点では無色に近くなり、それに対して、青色にマッピングされる領域内の点は位相が小さいほど青色がより強調されて、位相θが４５度に近い点では無色に近くなるように、グラデーションを掛けてカラーマッピングがなされる。
【００５２】
こうして作成されたカラーマッピング画像は図１の画像合成手段１７に送られ、この画像合成手段７７において、前述した超音波エコー画像と合成される。この画像合成は、プローブ１１の走査位置が同じである共通断面に関する両画像毎になされ、またそのとき両画像は、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせされる。合成された画像は、図１の画像表示手段１４に表示される。そこでこの表示画像を観察すれば、動脈および静脈が、超音波エコー画像で示される被検体部位に対してどのような相対位置に存在するかを知ることができる。また、複数の断面に関する上記合成画像から３次元画像を構築して、動脈および静脈の位置を立体的に表示することも可能である。
【００５３】
また本実施形態では、赤色のカラーマッピングおよび青色のカラーマッピングが各々前述のようにグラデーションを掛けてなされているので、赤色や青色の色相の強さを目安にして、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとの比率(酸素飽和度)も確認可能となる。
【００５４】
以上説明したフーリエ変換法は元より複素数空間で実施されるものであって、１つの波長の光を被検体に照射して音響波を発生させる場合でも、画像再構成は複素数で処理されている。したがって、本実施形態のように２波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合でも、その処理は基本的に、１波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合と同じとなり、いわばその場合の無駄を無くして、効率良く高速で２つの部分を区別して表示可能となる。
【００５５】
なお、以上の説明から明らかなように本実施形態では、光音響画像構築手段７３が本発明における表示制御手段を構成している。
【００５６】
次に、本発明の第２実施形態による光音響画像化装置について説明する。図４は、この第２実施形態の方法を実施する光音響画像化装置１１０を示すものである。この光音響画像化装置１１０は、図１に示した光音響画像化装置１０と対比すると、超音波画像を生成するための構成と、超音波画像とカラーマッピングされた画像とを合成するための構成が省かれた点が異なるものである。したがってこの光音響画像化装置１１０においては、図２の（５）に示したカラーマッピング画像のみが画像表示手段１４に表示される。
【００５７】
カラーマッピングをして示す被検体の部位を、他の部位との位置関係も把握できるように表示する必要が特に無い場合は、このような構成を採用することにより、装置コストを低減することができ、またカラーマッピング画像を表示するまでの所要時間も短縮できるのでより好ましいと言える。
【００５８】
なお、被検体の２つの部分を異なる表示状態として表示するには、前述したようにカラーマッピング（色分け）して表示する他、例えば濃度（輝度）の高低で差を付けて表示する、一方のみにハッチングを付して表示する、一方の部分のみ点滅表示する等、その他の態様を採用することも可能である。
【００５９】
また以上は、ヒトの動脈と静脈とを互いに区別して表示するようにした実施形態について説明したが、本発明は動脈と静脈とを区別して表示する場合に限らず、２つの相異なる波長に対する光吸収特性が互いに異なる２つの対象物を区別して表示したい場合に全て有効に適用できるものである。
【００６０】
また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。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１１０ 光音響画像化装置
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 データ分離手段
２５ 複素数化手段
２６ 光音響画像再構成手段
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
７０ 強度情報抽出手段
７１ 位相情報抽出手段
７２、７５ 検波・対数変換手段
７３ 光音響画像構築手段
７４ 超音波画像再構成手段
７６ 超音波画像構築手段
７７ 画像合成手段
【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可能となっている。光音響画像化方法は、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である。
【０００４】
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毎に特有のものとなっている。例えば図５には、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)の光波長毎の分子吸収係数を示すが、動脈の光吸収特性は酸素化ヘモグロビンのそれに対応したものとなり、静脈の光吸収特性は脱酸素化ヘモグロビンのそれに対応したものとなる。そこで従来、このことを利用して、互いに異なる２種の波長の光を血管部分に照射し、動脈と静脈とを区別して画像化する光音響画像化方法が知られており、例えば特許文献２にはその一例が記載されている。
【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】特開２０１０−０４６２１５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】
しかし、上記特許文献２に示される従来技術においては、動脈と静脈とを区別して画像化するために、相異なる波長の光を各々照射して得た２通りの再構成画像間で、対応画素毎に画素値の比や差を求める処理が必要になる。そのためこの従来技術においては、画像再構成を２回行う必要があり、そこで、演算のための大容量の記憶手段が必要になったり、あるいは演算処理に時間が掛かる、といった問題が認められている。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、生体の動脈と静脈等、波長に対する光吸収特性が互いに異なる２つの組織を区別して、効率良く高速で画像化することができる光音響画像化方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
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】
【００１０】
本発明による光音響画像化方法は、
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を照射し、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々得られた第１の光音響データ、第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成し、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得、
この再構成画像から位相情報を抽出し、
前記位相情報に基づいた被検体画像を画像表示手段に表示することを特徴とするものである。
【００１１】
なお、本発明による光音響画像化方法においては、上記の再構成画像からさらに強度情報を抽出し、前記位相情報に基づいたカラーマップを前記強度情報に適用して画像表示手段に表示することが望ましい。
【００１２】
また、本発明の光音響画像化方法は、前述したように生体の動脈と静脈とを区別して表示する場合に好適に利用されるものであり、その場合前記第１の光および第２の光の波長は、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長とされる。
【００１３】
そしてより詳しく、上記動脈と静脈とがヒトのものである場合は、前記第１の光の中心波長が７９８ｎｍとされ、前記第２の光の中心波長が７５６ｎｍとされる。
【００１４】
また本発明の光音響画像化方法においては、被検体の超音波画像を取得し、その超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で画像表示手段に重畳表示することがより好ましい。
【００１５】
他方、本発明による光音響画像化装置は、
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能とされた波長可変光源と、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段と、
前記第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段と、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段と、
前記再構成画像から、位相情報を抽出する位相情報抽出手段と、
前記位相情報に基づいた画像を前記画像表示手段に表示させる表示制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
なお本発明の光音響画像化装置においては、上記再構成画像から強度情報を抽出する強度情報抽出手段がさらに設けられた上で、上記表示制御手段として、前記位相情報に基づいたカラーマップを前期強度情報に適用して表示させるものが用いられることが望ましい。
【００１７】
また上記波長可変光源は、前記第１の光および第２の光として、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長の光を発するものであることが望ましい。
【００１８】
その場合、より詳しくは、前記第１の光の中心波長が７９８ｎｍであり、前記第２の光の中心波長が７５６ｎｍであることが望ましい。
【００１９】
また、本発明の光音響画像化装置においては、
前記被検体の超音波画像を取得する手段がさらに設けられ、
前記表示制御手段が、前記超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で前記画像表示手段に重畳表示させるものであることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による光音響画像化方法によれば、被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を照射し、前記第１の光、第２の光を照射したときに各々得られた第１の光音響データ、第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成し、前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得、この再構成画像から位相情報を抽出し、前記位相情報に基づく画像を画像表示手段に表示するようにしたので、第１の光、第２の光に対する光吸収特性が互いに異なる被検体の部位を、位相情報に基づいて互いに区別して表示可能となる。
【００２１】
そして、フーリエ変換法は元より複素数空間で実施されるものであって、１つの波長の光を被検体に照射して音響波を発生させる場合でも、画像再構成は複素数で処理されている。したがって、本発明方法のように２波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合でも、その処理は基本的に、１波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合と同じとなり、いわばその場合の無駄を無くして、効率良く高速で２つの部分を区別表示可能となる。
【００２２】
また、本発明の光音響画像化方法において特に、被検体の超音波画像を取得し、その超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で画像表示手段に重畳表示する場合は、再構成された被検体の部分が、被検体の他の部位とどういう相対位置関係になっているかを確認可能となる。
【００２３】
一方、本発明による光音響画像化装置は前述した通り、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能とされた波長可変光源と、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段と、
前記第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段と、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段と、
前記再構成画像から、位相情報を抽出する位相情報抽出手段と、
前記位相情報に基づく画像を前記画像表示手段に表示させる表示制御手段とを備えたものであるので、この光音響画像化装置によれば前述した本発明の光音響画像化方法を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１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】図１の装置におけるデータ処理および、それによる画像表示を説明する図
【図３】複素数データを説明する図
【図４】本発明の第２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５】酸素化ヘモグロビン(oxy-Hb)と脱酸素化ヘモグロビン（deoxy-Hb)の光波長毎の分子吸収係数を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、本発明の第１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、および画像表示手段１４を備えている。
【００２６】
上記レーザ光源ユニット１３は、後述する２つの波長のレーザ光を適宜選択的に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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
被検体の光音響画像あるいは超音波画像を取得する際、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。
【００３０】
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、複素数化手段２５、光音響画像再構成手段２６、この光音響画像再構成手段２６の出力を受ける強度情報抽出手段７０、同じく光音響画像再構成手段２６の出力を受ける位相情報抽出手段７１、上記強度情報抽出手段７０の出力を受ける検波・対数変換手段７２、この検波・対数変換手段７２および上記位相情報抽出手段７１の出力を受ける光音響画像構築手段７３を有している。
【００３１】
上記受信回路２１は、プローブ１１が出力した前記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クロック信号に同期して、所定のサンプリング周期でなされる。
【００３２】
また超音波ユニット１２は、上記データ分離手段２４の出力を受ける超音波画像再構成手段７４、この超音波画像再構成手段７４の出力を受ける検波・対数変換手段７５、この検波・対数変換手段７５の出力を受ける超音波画像構築手段７６、この超音波画像構築手段７６および前記光音響画像構築手段７３の出力を受ける画像合成手段７７を有している。この画像合成手段７７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。
【００３３】
レーザ光源ユニット１３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ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、光パラメトリック発振器等からなる波長制御手段３４とを含む波長可変レーザである。このレーザ光源ユニット１３には、上記制御手段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、パルスレーザ光を出射させる。
【００３４】
また上記波長制御手段３４には、制御手段３１から波長制御信号が入力される。波長制御手段３４はこの波長制御信号に応じて動作し、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波長（中心波長）を７９８ｎｍと７５６ｎｍのいずれかに設定する。本例では、まず波長を７９８ｎｍとする１回目のパルスレーザ光出射（つまり光トリガ信号およびＱスイッチトリガ信号の入力）がなされ、引き続きパルスレーザ光の波長を７５６ｎｍとする２回目のパルスレーザ光出射（同じく光トリガ信号およびＱスイッチトリガ信号の入力）がなされる。なお上記の波長７９８ｎｍおよび７５６ｎｍは、先に説明した図５の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの光波長毎の分子吸収係数を考慮して、ヒトの動脈および静脈を画像化するために選択されたものである。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。このサンプリングトリガ信号に基づく音響波検出信号のサンプリングは、まず、前記波長７９８ｎｍのパルスレーザ光を出射させるためのＱスイッチトリガ信号の出力と同期して行われ、引き続き、前記波長７５６ｎｍのパルスレーザ光を出射させるためのＱスイッチトリガ信号の出力と同期して行われる。
【００３８】
制御手段３１は、光トリガ信号を２回出力した後、音響波の検出（波長７９８ｎｍのパルスレーザ光により発せられた音響波、および波長７５６ｎｍのパルスレーザ光により発せられた音響波の検出）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。
【００３９】
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。なお光音響データは、波長７９８ｎｍのパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響データ並びに、波長７５６ｎｍのパルスレーザ光を被検体に照射したときの光音響データとなる。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し、光音響データを複素数化手段２５に入力し、超音波データを超音波画像再構成手段７４に入力する。
【００４０】
以下、超音波画像と光音響画像の生成、表示について説明する。まず超音波画像再構成手段７４は、プローブ１１の複数の超音波振動子毎のデータとなっている上記超音波データを加算して、１ライン分の超音波断層画像データを生成する。検波・対数変換手段７５はこの超音波断層画像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。そして超音波画像構築手段７６は、検波・対数変換手段７５が出力した各ラインのデータに基づいて超音波断層画像（超音波エコー画像）を生成する。より詳しくは、この超音波画像構築手段７６は、例えば前述した超音波検出信号のピーク部分の時間軸方向の位置が、断層画像における深さ方向の位置に変換されるようにして超音波断層画像を生成する。
【００４１】
以上の処理は、プローブ１１の走査移動に伴って逐次なされ、それにより、被検体の走査方向に亘る複数箇所に関する超音波断層画像が生成される。そしてこれらの超音波断層画像を担持する画像データは画像合成手段７７に入力される。なお、超音波断層画像のみを単独で表示したい場合は、超音波断層画像を担持する上記画像データが画像合成手段７７を素通りさせて画像表示手段１４に送られ、この画像表示手段１４に超音波断層画像が表示される。
【００４２】
次に光音響画像の生成および表示について、図２も参照して説明する。前述した通り図１の複素数化手段２５には、波長７９８ｎｍ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（以下、これを第１の光音響データという）並びに、波長７５６ｎｍ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（以下、これを第２の光音響データという）が入力される。
【００４３】
図２の（１）、（２）は、上記第１の光音響データ、第２の光音響データの例を、プローブ１１の一つの走査ラインに沿った断面について概略的に示すものである。同図（１）において、矢印ｘで示す横方向はプローブ１１の複数の超音波振動子が並ぶ方向を示し、縦方向は音響波が検出される時刻を示している（同図（２）、（３）も同様）。すなわち、音響波が検出される場合は、これらの図に弧で示す時刻／位置関係で音響波が検出され、また各弧の頂点部分は光照射後に最も早くプローブ１１に到達した音響波（つまり音響波発生部位から直接的にプローブ１１の方向に進行する音響波）が検出された時刻を示すものとなる。この時刻は、音響波発生部位の光照射深さ方向位置と対応するものであるから、上記頂点部分は、音響波を発した部分の深さ方向位置を示すことになる。
【００４４】
そして第１の光音響データ、第２の光音響データを得た際に照射されたパルスレーザ光の波長が、図５に示した酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの光波長毎の分子吸収係数を考慮して、両者の吸収が同じである７９８ｎｍと、この７９８ｎｍでの吸収と比べると酸素化ヘモグロビンについては吸収がより大きく、反対に脱酸素化ヘモグロビンについてはより吸収が小さくなる７９８ｎｍとに設定されていることにより、両光音響データから後述のようにして動脈と静脈を分離することができる。
【００４５】
すなわち複素数化手段２５は、上述のような第１の光音響データを実部とし、第２の光音響データを虚部として複素数データを作成する（同図の（３）参照）。ここで、この複素数データについて図３に示すガウス平面で説明する。図中に黒丸で示す座標（Ｘ，Ｙ）の複素数データについては、ｒ２＝Ｘ２＋Ｙ２なるｒの値が強度を示し、偏角θが位相を示す。そして、仮に照射光波長を７９８ｎｍとしたときの第１の光音響データと、照射光波長を７５６ｎｍとしたときの第２の光音響データとが同じ値を取るとすると、それらのデータによる複素数データは位相θが４５度のものとなる。
【００４６】
しかし図５の特性から分かるようにそのようなことは有り得ず、実際には、第１の光音響データ＜第２の光音響データとなる場合（このときの位相θは４５度を超える）と、第１の光音響データ＞第２の光音響データとなる場合（このときの位相θは４５度未満となる）だけが存在する。前者は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が大きい酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている動脈からの音響波を検出した場合であり、それに対して後者は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５６ｎｍに対する吸収の方が小さい脱酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈からの音響波を検出した場合である。したがって、上記複素数データの位相θが４５度よりも大きいか、あるいは小さいかを分離基準として、動脈からの音響波を検出した光音響データと、静脈からの音響波を検出した光音響データとを分離可能となる。なお、以上述べた複素数データの作成はプローブ１１の走査移動に伴って逐次なされ、それにより、被検体の走査方向に亘る複数の断面について各々複素数データが作成される。
【００４７】
こうして作成された複素数データは、次に図１の光音響画像再構成手段２６に入力される。光音響画像再構成手段２６は入力された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う。なお、フーリエ変換法による画像再構成については、例えば文献”Photoacoustic Image Reconstruction-A Quantitative Analysis”Jonathan I.Sperl et al. SPIE-OSA Vol.6631 663103 等に記載されている従来公知の方法を適用することができる。
【００４８】
この再構成画像を示すフーリエ変換後のデータは強度情報抽出手段７０に送られてそこで強度情報の抽出に供されるとともに、位相情報抽出手段７１に送られてそこで位相情報の抽出に供される。検波・対数変換手段７２は上記抽出された強度情報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７２はこれらの処理後のデータを光音響画像構築手段７３に入力する。またこの光音響画像構築手段７３には、上記抽出された位相情報を示すデータも入力される。
【００４９】
図２の（４）は、上述の再構成画像を概略的に示すものである。すなわちこの再構成画像は同図（１）、（２）に示した音響波データに対応するものであり、その縦方向位置はｘ方向に配置された各素子の検出時刻に対応している。このように各素子で検出した音響波データから実際に音響波が発生した位置の深さに再構成した結果が（４）中に示す点となる。ここで、点線で示している線は、再構成前のデータを示している。
【００５０】
以上のことに基づいて光音響画像構築手段７３は、上記強度情報に基づいて求めた音響波発生部分について、位相θが４５度より小さい点は例えば青色で示し、また位相θが所定の閾値以上である点は例えば赤色で示すカラーマッピングを行う。そこでこのカラーマッピングされた画像は、赤色の部分が動脈を示し、青色の部分が静脈を示すものとなる。図２の（５）はこのカラーマッピング結果を示しており、図中の黒点が赤色にマッピングされた点を、そして白点が青色にマッピングされた点を示している。また図３においては、ハッチングを付して示す領域が赤色にマッピングされる領域であり、それよりも位相が小さいハッチング無しの領域が青色にマッピングされる領域である。以上のカラーマッピングは、プローブ１１の走査移動に伴って逐次得られる各断面について全て同じようになされる。
【００５１】
なお本実施形態では特に、上記赤色にマッピングされる領域内の点は位相が大きいほど赤色がより強調されて、位相θが４５度に近い点では無色に近くなり、それに対して、青色にマッピングされる領域内の点は位相が小さいほど青色がより強調されて、位相θが４５度に近い点では無色に近くなるように、グラデーションを掛けてカラーマッピングがなされる。
【００５２】
こうして作成されたカラーマッピング画像は図１の画像合成手段１７に送られ、この画像合成手段７７において、前述した超音波エコー画像と合成される。この画像合成は、プローブ１１の走査位置が同じである共通断面に関する両画像毎になされ、またそのとき両画像は、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせされる。合成された画像は、図１の画像表示手段１４に表示される。そこでこの表示画像を観察すれば、動脈および静脈が、超音波エコー画像で示される被検体部位に対してどのような相対位置に存在するかを知ることができる。また、複数の断面に関する上記合成画像から３次元画像を構築して、動脈および静脈の位置を立体的に表示することも可能である。
【００５３】
また本実施形態では、赤色のカラーマッピングおよび青色のカラーマッピングが各々前述のようにグラデーションを掛けてなされているので、赤色や青色の色相の強さを目安にして、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとの比率(酸素飽和度)も確認可能となる。
【００５４】
以上説明したフーリエ変換法は元より複素数空間で実施されるものであって、１つの波長の光を被検体に照射して音響波を発生させる場合でも、画像再構成は複素数で処理されている。したがって、本実施形態のように２波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合でも、その処理は基本的に、１波長に関する音響波データから画像再構成を行う場合と同じとなり、いわばその場合の無駄を無くして、効率良く高速で２つの部分を区別して表示可能となる。
【００５５】
なお、以上の説明から明らかなように本実施形態では、光音響画像構築手段７３が本発明における表示制御手段を構成している。
【００５６】
次に、本発明の第２実施形態による光音響画像化装置について説明する。図４は、この第２実施形態の方法を実施する光音響画像化装置１１０を示すものである。この光音響画像化装置１１０は、図１に示した光音響画像化装置１０と対比すると、超音波画像を生成するための構成と、超音波画像とカラーマッピングされた画像とを合成するための構成が省かれた点が異なるものである。したがってこの光音響画像化装置１１０においては、図２の（５）に示したカラーマッピング画像のみが画像表示手段１４に表示される。
【００５７】
カラーマッピングをして示す被検体の部位を、他の部位との位置関係も把握できるように表示する必要が特に無い場合は、このような構成を採用することにより、装置コストを低減することができ、またカラーマッピング画像を表示するまでの所要時間も短縮できるのでより好ましいと言える。
【００５８】
なお、被検体の２つの部分を異なる表示状態として表示するには、前述したようにカラーマッピング（色分け）して表示する他、例えば濃度（輝度）の高低で差を付けて表示する、一方のみにハッチングを付して表示する、一方の部分のみ点滅表示する等、その他の態様を採用することも可能である。
【００５９】
また以上は、ヒトの動脈と静脈とを互いに区別して表示するようにした実施形態について説明したが、本発明は動脈と静脈とを区別して表示する場合に限らず、２つの相異なる波長に対する光吸収特性が互いに異なる２つの対象物を区別して表示したい場合に全て有効に適用できるものである。
【００６０】
また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。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１１０ 光音響画像化装置
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 データ分離手段
２５ 複素数化手段
２６ 光音響画像再構成手段
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
７０ 強度情報抽出手段
７１ 位相情報抽出手段
７２、７５ 検波・対数変換手段
７３ 光音響画像構築手段
７４ 超音波画像再構成手段
７６ 超音波画像構築手段
７７ 画像合成手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を照射し、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々得られた第１の光音響データ、第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成し、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得、
この再構成画像から位相情報を抽出し、
前記位相情報に基づいた被検体画像を画像表示手段に表示することを特徴とする光音響画像化方法。
【請求項２】
前記再構成画像からさらに強度情報を抽出し、前記位相情報に基づいたカラーマップを前記強度情報に適用して画像表示手段に表示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】
前記第１の光および第２の光の波長を、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長とすることを特徴とする請求項１または２記載の光音響画像化方法。
【請求項４】
前記第１の光の中心波長を７９８ｎｍとし、前記第２の光の中心波長を７５６ｎｍとすることを特徴とする請求項３記載の光音響画像化方法。
【請求項５】
前記被検体の超音波画像を取得し、その超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で前記画像表示手段に重畳表示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】
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能とされた波長可変光源と、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段と、
前記第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段と、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段と、
前記再構成画像から位相情報を抽出する位相情報抽出手段と、
前記位相情報に基づいた画像を前記画像表示手段に表示させる表示制御手段とを備えたことを特徴とする光音響画像化装置。
【請求項７】
前記再構成画像から強度情報を抽出する強度情報抽出手段をさらに備え、前記表示制御手段が、前記位相情報に基づいたカラーマップを前記強度情報に適用して表示させるものであることを特徴とする請求項６記載の光音響画像化装置。
【請求項８】
波長可変光源が、前記第１の光および第２の光として、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長の光を発するものであることを特徴とする請求項６または７記載の光音響画像化装置。
【請求項９】
前記第１の光の中心波長が７９８ｎｍであり、前記第２の光の中心波長が７５６ｎｍであることを特徴とする請求項８記載の光音響画像化装置。
【請求項１０】
前記被検体の超音波画像を取得する手段がさらに設けられ、
前記表示制御手段が、前記超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で前記画像表示手段に重畳表示させるものであることを特徴とする請求項６から９いずれか１項記載の光音響画像化装置。
【請求項１】
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を照射し、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々得られた第１の光音響データ、第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成し、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得、
この再構成画像から位相情報を抽出し、
前記位相情報に基づいた被検体画像を画像表示手段に表示することを特徴とする光音響画像化方法。
【請求項２】
前記再構成画像からさらに強度情報を抽出し、前記位相情報に基づいたカラーマップを前記強度情報に適用して画像表示手段に表示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】
前記第１の光および第２の光の波長を、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長とすることを特徴とする請求項１または２記載の光音響画像化方法。
【請求項４】
前記第１の光の中心波長を７９８ｎｍとし、前記第２の光の中心波長を７５６ｎｍとすることを特徴とする請求項３記載の光音響画像化方法。
【請求項５】
前記被検体の超音波画像を取得し、その超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で前記画像表示手段に重畳表示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】
被検体に光を照射し、それにより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において、
被検体に、互いに波長が異なる第１の光および第２の光を選択的に照射可能とされた波長可変光源と、
前記第１の光、第２の光を照射したときに各々被検体から発せられた音響波を検出して、それぞれ第１の光音響データ、第２の光音響データを作成する手段と、
前記第１の光音響データおよび第２の光音響データの一方を実部とし他方を虚部とした複素数データを作成する複素数化手段と、
前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を得る画像再構成手段と、
前記再構成画像から位相情報を抽出する位相情報抽出手段と、
前記位相情報に基づいた画像を前記画像表示手段に表示させる表示制御手段とを備えたことを特徴とする光音響画像化装置。
【請求項７】
前記再構成画像から強度情報を抽出する強度情報抽出手段をさらに備え、前記表示制御手段が、前記位相情報に基づいたカラーマップを前記強度情報に適用して表示させるものであることを特徴とする請求項６記載の光音響画像化装置。
【請求項８】
波長可変光源が、前記第１の光および第２の光として、生体の動脈および静脈における吸収特性が互いに異なる波長の光を発するものであることを特徴とする請求項６または７記載の光音響画像化装置。
【請求項９】
前記第１の光の中心波長が７９８ｎｍであり、前記第２の光の中心波長が７５６ｎｍであることを特徴とする請求項８記載の光音響画像化装置。
【請求項１０】
前記被検体の超音波画像を取得する手段がさらに設けられ、
前記表示制御手段が、前記超音波画像と前記再構成画像とを、被検体上の同一点が同一位置に重なるように位置合わせした上で前記画像表示手段に重畳表示させるものであることを特徴とする請求項６から９いずれか１項記載の光音響画像化装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２３１８７８（Ｐ２０１２−２３１８７８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０１１８６（Ｐ２０１１−１０１１８６）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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