光音響画像生成装置および光音響画像生成方法
【課題】光音響イメージングにおいて、被検体内における深部の画像も取得することを可能とする。
【解決手段】光音響画像生成装置において、パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射する光照射手段１３と、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段６５、６６、６７であって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された複数の音響波検出手段を有するプローブ１１と、複数の音響波検出手段６５、６６、６７により検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段１２とを備える。
【解決手段】光音響画像生成装置において、パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射する光照射手段１３と、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段６５、６６、６７であって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された複数の音響波検出手段を有するプローブ１１と、複数の音響波検出手段６５、６６、６７により検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段１２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射に起因して発生した光音響波に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置および光音響画像生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体の内部の断層画像を取得する方法としては、超音波が被検体内に照射されることにより被検体内で反射した超音波を検出して超音波画像を生成し、被検体内の形態的な断層画像を得る超音波イメージングが知られている。一方、被検体の検査においては形態的な断層画像だけでなく機能的な断層画像を表示する装置の開発も近年進められている。そして、このような装置の一つに光音響分析法を利用した装置がある（特許文献１）。この光音響分析法は、所定の波長（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を有するパルス光を被検体に照射し、被検体内の特定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、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。このように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：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光音響イメージングでは、パルス光を使用することに起因する以下のような問題がある。
【０００５】
光音響波の周波数スペクトル分布は照射されたパルス光のパルス幅に依存する。したがって、高分解能の光音響画像を取得するため一般的にはパルス幅の短いパルス光が使用される。しかしながら、パルス幅の短いパルス光の照射に起因して発生した光音響波は高周波数成分を多く含んでいるため、被検体の深部の情報が得られにくい。これは、被検体内において光音響波の高周波数成分は減衰しやすいためである。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光音響イメージングにおいて、被検体内における深部の画像も取得することを可能とする光音響画像生成装置および光音響画像生成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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る光音響画像生成装置は、
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射する光照射手段と、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段であって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された複数の音響波検出手段を有するプローブと、
複数の音響波検出手段により検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
「光音響画像を生成する」とは、光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号のそれぞれに基づいて、部分的な光音響画像（例えば深部の画像および表面近傍部の画像等）を別個に構築すること、および、部分的な光音響画像を適切につなぎ合わせて全体として１つの光音響画像を構築することを含む意味である。
【０００９】
そして、本発明に係る光音響画像生成装置において、
複数のパルス光は、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
複数の音響波検出手段は、高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段およびこの高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、高周波検出手段によって短パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出し、低周波検出手段によって長パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出するように構成されたものであることが好ましい。
【００１０】
この場合において、本発明に係る光音響画像生成装置は同期制御手段を更に備え、
光照射手段は、パルス光の照射ごとにパルス幅を切り替えるように構成されたものであり、
プローブは、高周波検出手段および低周波検出手段を切り換えながら駆動させるように構成されたものであり、
同期制御手段は、パルス幅の切り替えと音響波検出手段の切り替えとが同期するように、光照射手段および／またはプローブにトリガ信号を出力するものであることが好ましい。
【００１１】
或いは、本発明に係る光音響画像生成装置において、光照射手段は、複数のパルス光を同時に照射するように構成されたものであり、
複数の音響波検出手段が、それぞれの検出帯域が互いに重複しないように構成されたものであり、
プローブは、高周波検出手段および低周波検出手段を同時に駆動させるように構成されたものであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、高周波検出手段は、広帯域検出素子と、低周波検出手段の検出帯域以下の周波数帯域の信号を除去するハイパスフィルタとから構成されるものとすることができる。
【００１３】
或いは、本発明に係る光音響画像生成装置において、高周波検出手段は、広帯域検出素子と、低周波検出手段の検出帯域よりも高周波側の一部の周波数帯域の信号のみを透過させるバンドパスフィルタとから構成されるものとすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、低周波検出手段は、チタン酸ジルコン酸鉛から構成される低周波検出素子であり、
広帯域検出素子は、ポリフッ化ビニリデンから構成されるものとすることができる。
【００１５】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、複数のパルス光のそれぞれの波長が互いに異なるものとすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、光音響画像生成手段は、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当該パルス光に基づく光音響信号からデコンボリューションする光微分波形逆畳込み手段を有し、光微分波形逆畳込み手段によってデコンボリューションされた信号に基づいて光音響画像を生成するものであることが好ましい。
【００１７】
この場合において、光微分波形逆畳込み手段は、
光音響信号をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、
光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フーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、
フーリエ変換された光微分波形の逆数を逆フィルタとして求める逆フィルタ演算手段と、
フーリエ変換された光音響信号に逆フィルタを適用するフィルタ適用手段と、
逆フィルタが適用された光音響信号をフーリエ逆変換するフーリエ逆変換手段とを有するものとすることができる。
【００１８】
また、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、第１のサンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を、第２のサンプリングレートでリサンプルするリサンプル手段を更に備え、
第１のフーリエ変換手段は、リサンプル手段でリサンプルされた光音響信号をフーリエ変換するものであることが好ましい。
【００１９】
或いは、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
第１のフーリエ変換手段は第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
第２のフーリエ変換手段は第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、フーリエ変換された光音響信号に対して、第１のデータ点数と第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行うゼロパディング手段を更に備え、
フィルタ適用手段は、ゼロパディング手段でゼロパディングが行われた光音響信号に対して逆フィルタを適用するものであることが好ましい。
【００２０】
或いは、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
第１のフーリエ変換手段は第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
第２のフーリエ変換手段は第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、フーリエ変換された光微分波形から、第１のデータ点数と第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する高周波成分サンプル点除去手段を更に備え、
逆フィルタ演算手段は、フーリエ変換された光微分波形から高周波成分サンプル点を除去した波形の逆数を逆フィルタとして求めるものであることが好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る光音響画像生成装置にいて、光微分波形逆畳込み手段は、デコンボリューションされた光音響信号から、光音響信号を検出する検出器の受信角度依存特性の影響を除去するように、デコンボリューションされた光音響信号を補正する補正手段を更に備えることが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、プローブは、被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、
光音響画像生成装置は、プローブによって検出された反射超音波の超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を更に備えるものとすることができる。
【００２３】
本発明に係る光音響画像生成方法は、
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、
検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とするものである。
【００２４】
そして、本発明に係る光音響画像生成方法において、
複数のパルス光は、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
複数の音響波検出手段は、比較的高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段およびこの高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、
高周波検出手段によって短パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出し、低周波検出手段によって長パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とするものである。したがって、被検体の表面近傍部の光音響画像については、パルス幅の短いパルス光によって高分解能で取得することができ、被検体の深部の光音響画像については、パルス幅の長いパルス光によって取得することができる。この結果、光音響イメージングにおいて、被検体内における深部の画像も取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態の光音響画像生成装置における超音波探触子の構成を示すブロック図である。
【図４】光音響波（ＰＡ）の信号波形のパルス幅依存性を示す波形図である。
【図５】光音響波（ＰＡ）信号の周波数スペクトル分布のパルス幅依存性を示すスペクトル分布図である。
【図６】第１の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図７Ａ】再構成後の光音響信号を示す波形図である。
【図７Ｂ】ＦＦＴ後の光音響信号ＦＦＴを示す波形図である。
【図７Ｃ】光パルス微分波形（ｈ）を示す波形図である。
【図７Ｄ】ＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）を示す波形図である。
【図７Ｅ】光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを示す波形図である。
【図７Ｆ】デコンボリューション後のＦＦＴ波形を示す波形図である。
【図７Ｇ】逆変換された光音響信号を示す波形図である。
【図８Ａ】再構成後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像を示す図である。
【図８Ｂ】デコンボリューション後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像を示す図である。
【図９】光音響画像生成の動作手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１１】第２の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。
【図１２】第２の実施形態の光音響画像生成装置における波長選択手段の構成例を示す図である。
【図１３】透過領域における波長と透過率との関係を示すグラフである。
【図１４】レーザユニットの一部の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図１５】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である。
【図１６】パルスレーザ光出射を示すタイミングチャートである。
【図１７】本発明の光音響画像生成装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１８】第３の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。
【図１９】第４の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図２０Ａ】４００ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す波形図である。
【図２０Ｂ】４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す波形図である。
【図２１】第５の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図２２Ａ】光音響信号（周波数領域）を示すグラフである。
【図２２Ｂ】ゼロパディング後の光音響信号を示すグラフである。
【図２３】第６の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図２４Ａ】光パルス微分波形（周波数領域）を示すグラフである。
【図２４Ｂ】高周波成分サンプル点が除去された光パルス微分波形を示すグラフである。
【図２５】本発明の光音響画像生成装置の第７の実施形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２８】
「光音響画像生成装置の第１の実施形態」
まず、本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。図３は、第１の実施形態の光音響画像生成装置における超音波探触子の構成を示すブロック図である。
【００２９】
具体的には、本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【００３０】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３は、被検体に照射すべきパルスレーザ光（レーザによるパルス光）を出射する。本実施形態では、レーザユニット１３は、波長は同じであるがパルス幅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。「パルス幅」とは光強度の波長分布におけるピークの半値幅である。レーザユニット１３は、図２に示されるように、例えばレーザロッド５１、フラッシュランプ５２、共振器を構成するミラー５３、５４、Ｑスイッチ（Ｑｓｗ）５５、およびパルスレーザ光の出力を制御する発光制御部６１を含む制御部５９から構成される。
【００３１】
レーザロッド５１は、レーザ媒質である。レーザロッド５１には、例えばアレキサンドライト結晶やＣｒ：ＬｉＳＡＦ（ＣｒドープＬｉＳｒＡｌＦ６）結晶、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＣｒドープＬｉＣａＡｌＦ６）結晶、ＴｉドープＳａｐｐｈｉｒｅ結晶を用いることができる。フラッシュランプ５２は、励起光源であり、レーザロッド５１に励起光を照射する。
【００３２】
ミラー５３、５４は、レーザロッド５１を挟んで対向しており、ミラー５３、５４により光共振器が構成される。ここではミラー５４が、出力側ミラーであるものとする。
【００３３】
発光制御部６１は、超音波ユニット１２のトリガ制御回路２９から光トリガ信号を受信すると、フラッシュランプ５２を起動するように制御する。フラッシュランプ５２が点灯すると、レーザロッド５１が励起される。励起状態のレーザロッド５１から出力された光は、ミラー５３および５４の間で共振しながら増強される。その後、発光制御部６１は、超音波ユニット１２のトリガ制御回路２９からＱｓｗトリガ信号を受信すると、Ｑｓｗを開放するように制御する。そして、例えばミラー５４側からパルスレーザ光が出射される。パルスレーザ光のパルス幅は、例えばＱｓｗによって制御される。
【００３４】
パルスレーザ光のパルス幅は１〜１００ｎｓｅｃであることが好ましい。さらに、光音響波を周波数帯域ごとに分離検出しやすくするため、複数のパルスレーザ光は、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルスレーザ光とパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルスレーザ光を含むことが好ましい。例えば、短パルスレーザ光としてはパルス幅が４．２ｎｓｅｃのパルスレーザ光が使用され、長パルスレーザ光としてはパルス幅が４５ｎｓｅｃのパルスレーザ光が使用される。
【００３５】
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。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、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）には、一般的には６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被検体の深部まで届くという観点から、パルスレーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００３６】
なお、レーザユニット１３としては、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることもできる。
【００３７】
＜プローブ（超音波探触子）＞
プローブ１１は、レーザユニット１３から出射されたパルスレーザ光が被検体に照射された後に、被検体内の光吸収体がパルスレーザ光を吸収することで生じた光音響波（光音響信号）を検出する。プローブ１１は、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段であって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された複数の音響波検出手段を有する。「検出帯域」とは、周波数分布において感度が最も高いピーク周波数を含み、その感度が当該最高感度の５０％以上である周波数帯域を意味し、いわゆる周波数分布におけるピークの半値幅に対応する周波数帯域に相当する。また、「検出帯域が互いに異なる」とは、検出帯域の帯域幅がそれぞれ異なることを意味し、一部重複している場合も含む意味である。１つの音響波検出手段が複数の要素（例えば、検出素子およびこれに直列して接続された信号処理回路等）から構成される場合には、検出帯域はすべての要素を考慮してその感度が当該最高感度の５０％以上である周波数帯域となる。
【００３８】
プローブ１１は、例えば本実施形態では図３に示されるように、広い周波数帯域（例えば１〜４０ＭＨｚ程度）に感度を有する広帯域検出素子６６と、広帯域検出素子によって検出した光音響信号から低周波数成分（例えば２０ＭＨｚ以下の成分）を除去するハイパスフィルタ６７と、比較的低周波側の狭い範囲（例えば５〜１２ＭＨｚ）に検出帯域を有する低周波検出素子６５と、切替制御部６８を有する。低周波検出素子６５および広帯域検出素子６６は、どちらも電気音響変換機能を有する超音波振動子（検出素子）であるが、それぞれの超音波の検出帯域が異なる。
【００３９】
本実施形態において、広帯域検出素子６６およびハイパスフィルタ６７が、高周波側に検出帯域を有する本発明の高周波検出手段として機能している。広帯域検出素子６６としては、有機材料から構成された圧電素子が代表的であり、有機材料としては特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が好ましい。また、本実施形態において低周波検出素子６５が本発明の低周波検出手段に相当する。低周波検出素子６５としては、例えば無機材料から構成された圧電素子が代表的であり、無機材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。
【００４０】
切替制御部６８は、使用する検出素子として広帯域検出素子６６および低周波検出素子６５を切り換えるものである。具体的には、切替制御部６８は、同期制御手段としてのトリガ制御回路２９からの切替トリガ信号を受信して、パルスレーザ光の出射に同期して、広帯域検出素子６６および低周波検出素子６５の切り替えを行う。例えば、本実施形態では、パルス幅が相互に異なる複数のパルスレーザ光が切り替えられて交互に出射されるため、切替制御部６８は、１つのパルスレーザ光の出射ごとに同期して２つの検出素子を切り替えることになる。
【００４１】
図４は、光音響波（ＰＡ）の信号波形のパルス幅依存性を示す波形図である。また、図５は、光音響波（ＰＡ）信号の周波数スペクトル分布のパルス幅依存性を示すスペクトル分布図である。図４および図５から、パルス幅が短くなるに従って、光音響信号の波形が急峻になり、光音響信号の周波数スペクトルが高周波側にまで伸びて広帯域に変化する様子が分かる。したがって例えば、低周波検出素子６５として、検出帯域の中心周波数が１０ＭＨｚのＰＺＴ圧電素子を使用し、広帯域検出素子６６として、検出帯域が広帯域なＰＶＤＦ圧電素子を使用した場合には、パルス幅が４５ｎｓｅｃのような長パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は上記ＰＺＴ圧電素子によって感度良く検出可能であり、パルス幅が４．２ｎｓｅｃのような短パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は上記ＰＶＤＦ圧電素子によって広い周波数帯域で効率よく検出可能となる。そして、長パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は、主として被検体の深部の光音響画像を生成する際の信号として使用され、短パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は、主として被検体の表面近傍部の光音響画像を生成する際の信号として使用される。
【００４２】
これにより、パルス幅が相互に異なる複数のパルスレーザ光のそれぞれに起因して発生した光音響信号を周波数ごとに分離して検出することができる。このように、複数の音響波検出手段のそれぞれの特性（検出感度の強さや検出帯域の広さ等）を活かすことにより、効率よく光音響信号を検出することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施形態では、パルス幅が相互に異なる複数のパルスレーザ光が切り替えられて交互に出射されるため、その出射間の時間間隔によっては、あるパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号を検出する際に、他のパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号がノイズとならない場合もある。したがってこのような場合には、ハイパスフィルタ６７は必ずしも必要ない。また、ハイパスフィルタに代えて、低周波検出手段の検出帯域よりも高周波側の一部の周波数帯域の信号のみを透過させるバンドパスフィルタを使用することも可能である。また、広帯域検出素子６６およびハイパスフィルタ６７の組み合わせに代えて、低周波検出素子６５の検出帯域と重複せずかつ高周波側にある検出帯域を有する高周波検出素子（例えば、４０ＭＨｚ以上の高周波側に検出帯域があるＰＺＴ圧電素子）を使用することも可能である。
【００４４】
＜超音波ユニット＞
超音波ユニット１２は、光音響画像生成手段に相当する。超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、光微分波形逆畳込み手段２５、補正手段２６、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、トリガ制御回路２９、制御手段３０及び画像合成手段３８を有する。
【００４５】
受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリング手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば、外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で光音響信号をサンプリングする。受信メモリ２３は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号を記憶する。そして、本実施形態では、受信メモリ２３は、低周波検出素子６５によって検出された低周波側の光音響信号と広帯域検出素子６６によって検出された高周波側の光音響信号とを、２つの経路のそれぞれの光音響画像再構成手段２４に分けて出力する。なお、２つの経路でそれぞれ行う信号処理は同じものである。したがって、信号処理系の経路を１つにして、低周波側の光音響信号と高周波側の光音響信号とを交互に出力するようにしてもよい。
【００４６】
光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された光音響信号に基づいて、光音響画像の各ラインのデータを生成する。光音響画像再構成手段２４は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。光音響画像再構成手段２４は、遅延加算法に代えて、ＢＰ法（Back Projection）により再構成を行ってもよい。あるいは光音響画像再構成手段２４は、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。
【００４７】
光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成された光音響信号から被検体に照射された光の光強度の時間波形の微分波形である光パルス微分波形（パルスレーザ光についての光微分波形）をデコンボリューションした信号を生成する。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、ｔ≠０に再構成した圧力分布から、ｔ＝０に再構成した圧力分布、すなわち吸収分布を求めることができる。光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成前の光音響信号に対してデコンボリューションを行ってもよい。デコンボリューションの詳細な説明は後述する。
【００４８】
補正手段２６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号を補正し、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号から、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２６は、受信角度依存特性に加えて、又はこれに代えて、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号から被検体における光の入射光分布の影響を除去する。補正手段２６を省き、これらの補正を行わずに、光音響画像の生成を行ってもよい。
【００４９】
検波・対数変換手段２７は、補正後の各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。包絡線を求める検波手段としては、ヒルベルト変換や直交検波など従来から用いられている手法を用いることができる。これにより、超音波振動子の固有振動による帯域の影響が除去できる。光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２８は、例えば光音響信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を光音響画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像を生成する。
【００５０】
画像合成手段３８は、例えば２つの光音響画像構築手段２８でそれぞれ構築された２つの光音響画像の合成画像を生成する。本実施形態では、例えば被検体の深部を示す画像領域には低周波側の光音響信号を使用し、一方被検体の表面近傍部を示す画像領域には高周波側の光音響信号を使用する。これにより、より深部まで写しかつ表面では高分解能な画像が得られる。さらに、画像合成手段３８は、合成されて得られた画像に必要な処理（例えばスケールの補正等）を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【００５１】
制御手段３０は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。トリガ制御回路２９は、光音響画像生成に際して、レーザユニット１３に光トリガ信号を送る。また、光トリガ信号の出力後に、Ｑｓｗトリガ信号を送る。レーザユニット１３は、光トリガ信号を受けてフラッシュランプ５２を点灯し、レーザ励起を開始する。レーザユニット１３は、Ｑｓｗトリガ信号が入力されるとＱｓｗをＯＮにし、パルスレーザ光を出射する。トリガ制御回路２９は、被検体に対するレーザ光照射と同期してＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリング開始タイミングを制御する。また、トリガ制御回路２９は、パルス幅の切り替えと音響波検出手段の切り替えとが同期するように、Ｑｓｗトリガ信号とともに切替トリガ信号を切替制御部６８に送信する。
【００５２】
図６に、光微分波形逆畳込み手段２５の詳細な構成を示す。光微分波形逆畳込み手段２５は、フーリエ変換手段４１、４２と、逆フィルタ演算手段４３と、フィルタ適用手段４４と、フーリエ逆変換手段４５とを有する。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ＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）を用いることができる。
【００５３】
ここで、光パルス微分波形のデコンボリューションの基本アルゴリズムについて説明する。
【００５４】
まず、再構成後の光音響信号を入力し、再構成後の光音響信号をフーリエ変換手段４１においてＦＦＴによりフーリエ変換する。図７Ａに再構成後の光音響信号を示し、図７ＢにＦＦＴ後の光音響信号ＦＦＴを示す。フーリエ変換することで、図７Ａに示す時間領域の信号が、図７Ｂに示すような周波数領域の信号に変換される。なお、図７Ｂでは、光音響信号ＦＦＴの絶対値を示しているが、実際の処理では複素数のまま処理される。
【００５５】
そして、光パルス微分波形ｈをフーリエ変換手段４２においてＦＦＴによりフーリエ変換する。図７Ｃに光パルス微分波形（ｈ）を示し、図７ＤにＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）を示す。フーリエ変換することで、図７Ｃに示す時間領域の信号（波形）が、図７Ｄに示す周波数領域の信号に変換される。なお、図７Ｃにおける黒丸は、光パルス微分波形におけるサンプリング点を表している。また、図７Ｄでは、光パルス微分波形ＦＦＴの絶対値を示しているが、実際の処理では複素数のまま処理される。
【００５６】
そして、逆フィルタ演算手段４３によって、上記で得られたＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）の逆数を、光パルス微分波形ＦＦＴフィルタ（逆フィルタ）として求める。光パルス微分波形ＦＦＴフィルタは、具体的にはconj(fft_h)/abs(fft_h)2で求めることができる。ここで、conj(fft_h)はfft_hの共役複素数、abs(fft_h)はfft_hの絶対値を表す。図７Ｅに、光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを示す。図７Ｄに示す光パルス微分波形ＦＦＴの逆数を求めることで、図７Ｅに示すような光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを得ることができる。
【００５７】
上記のようにして求めた光パルス微分ＦＦＴフィルタと、再構成後の光音響信号ＦＦＴとをフィルタ適用手段４４によって要素ごとに乗算し、光音響信号ＦＦＴから光パルス微分波形をデコンボリューションする。図７Ｆに、デコンボリューション後のＦＦＴ波形を示す。図７Ｂに示す光音響信号ＦＦＴと図７Ｅに示す光パルス微分波形ＦＦＴフィルタとの乗算を行うことで、図７Ｆに示すＦＦＴ波形が得られる。
【００５８】
そして、光パルス微分波形をデコンボリューションしたＦＦＴ波形を、フーリエ逆変換手段４５において逆ＦＦＴによりフーリエ逆変換し、周波数領域の信号を時間領域の信号に戻す。図７Ｇは、逆変換された光音響信号を示す。図７Ｆに示すＦＦＴ波形（周波数領域の信号）を逆ＦＦＴすることで、図７Ｇに示すデコンボリューション後の光音響信号（時間領域の信号）が得られる。このデコンボリューション後の光音響信号は、光吸収分布に光パルス微分波形（図７Ｃ）がコンボリューションされた再構成後の光音響信号（図７Ａ）から、光パルス微分波形をデコンボリューションした吸収分布に相当する。
【００５９】
図８Ａに、再構成後の光音響信号（図７Ａ）に基づいて生成した光音響画像を示し、図８Ｂに、デコンボリューション後の光音響信号（図７Ｇ）に基づいて生成した光音響画像を示す。図８Ａに示す、再構成後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像は、実質的に圧力分布を画像化したものであり、１本の血管が二重に表示されるなど、画像判定上、血管の位置が確認しづらい。これに対し、図８Ｂに示すデコンボリューション後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像は、光パルス微分波形をデコンボリューションしていることで吸収体の分布を画像化できており、血管の位置を確認しやすくなっている。
【００６０】
本実施形態においては、光音響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。例えば光音響信号は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でサンプリングされた光音響信号を、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。
【００６１】
図９は、本実施形態における光音響画像生成方法における動作手順を示す。
【００６２】
トリガ制御回路２９は、レーザユニット１３に対して光トリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、光トリガ信号を受けてフラッシュランプ５２を点灯する。トリガ制御回路２９は、所定のタイミングでＱｓｗトリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、Ｑｓｗトリガ信号が入力されると、Ｑｓｗ５５をＯＮにし、パルスレーザ光を出射する。出射したパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される（ステップＳ１）。
【００６３】
プローブ１１は、レーザ光の照射後、レーザ光の照射により被検体内で発生した光音響信号を検出する（ステップＳ２）。超音波ユニット１２の受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。トリガ制御回路２９は、被検体に対する光照射のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送る。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号を受けて光音響信号のサンプリングを開始し、光音響信号のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する。
【００６４】
光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号のサンプリングデータを読み出し、読み出した光音響信号のサンプリングデータに基づいて、光音響信号を再構成する（ステップＳ３）。光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成された光音響信号から、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（ステップＳ４）。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信号が得られる。
【００６５】
補正手段２６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号を、検出素子受信角度依存性や被検体における光の入射分布で補正する。検波・対数変換手段２７は、補正手段２６で補正された光音響信号の包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、光音響画像を生成する（ステップＳ５）。この光音響信号は、吸収分布を画像化した吸収分布画像である。上記のステップ３から５までの信号処理を低周波側の光音響信号と高周波側の光音響信号とに対して実施した後、これらの光音響画像が画像合成手段３８で合成される。画像表示手段１４は、表示画面上に、吸収分布画像である合成された光音響画像を表示する（ステップＳ６）。
【００６６】
本実施形態では、ひとまず、光音響画像再構成手段２４にて、通常の再構成法により発光時刻(ｔ＝０)の圧力分布として光音響信号（光音響画像）を再構成する。つぎに、実際は、光の発光時間は有限の長さであることから、再構成時にｔ＝０としていた時刻を、有限の時間と考え、光微分波形逆畳込み手段２５にて、再構成後の光音響画像から光パルス微分波形をデコンボリューションする。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、吸収分布を得ることができ、吸収分布画像を生成することができる。このような手法を採用することで、実用的な光パルス幅と実用的な超音波システム、或いは実際の生体を観測した場合でも、吸収分布を画像化することができる。これは、現状システムの検出器の帯域やＡＤサンプリングを使用できる利点がある。また、本実施形態においては光音響画像の再構成で圧力分布を一度出しているため、既存の超音波アルゴリズム、装置との親和性が高い。
【００６７】
以上のように、本発明に係る光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とするものである。したがって、被検体の表面近傍部の光音響画像については、パルス幅の短いパルス光によって高分解能で取得することができ、被検体の深部の光音響画像については、パルス幅の長いパルス光によって取得することができる。この結果、光音響イメージングにおいて、被検体内における深部の画像も取得することが可能となる。
【００６８】
「光音響画像生成装置の第２の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態を詳細に説明する。図１０は、本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図１１は、第２の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。本実施形態は、レーザユニット１３が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点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【００６９】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【００７０】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３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ものである。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。
【００７１】
上記のようなレーザユニット１３は、例えば下記のようにして構成することができる。レーザユニット１３は、図１１に示されるように、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、集光レンズ５５、波長選択手段５６、駆動手段５７、駆動状態検出手段５８、及び制御部５９を有する。
【００７２】
ミラー５３、５４から構成される光共振器内には、集光レンズ５５と波長選択手段５６とが配置される。波長選択手段５６は、光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５５は、レーザロッド５１と波長選択手段５６との間に配置され、レーザロッド５１側から入射した光を収束して波長選択手段５６側に出射する。つまり、集光レンズ５５は、光共振器内を波長選択手段５６に向けて進行する光のビーム径を縮小させる。
【００７３】
波長選択手段５６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５６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る。
【００７４】
上記構成の波長選択手段５６は、回転に伴って、複数のバンドパスフィルタの何れかを光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５６は、光共振器の光路上に、不透過領域→第１のバンドパスフィルタ→不透過領域→第２のバンドパスフィルタを順次に挿入する。光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、光発振器の発振波長を７５０ｎｍとすることができ、光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、光発振器の発振波長を８００ｎｍとすることができる。
【００７５】
波長選択手段５６は、回転駆動に伴って、光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又は第２のバンドパスフィルタが光共振器の光路上に挿入されるとき、光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、光共振器の挿入損失は損失大（低Ｑ）となる。波長選択手段５６はＱｓｗを兼ねており、回転駆動に伴って、波長選択手段５６が光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。
【００７６】
駆動手段５７は、波長選択手段５６を、光共振器がＱｓｗパルス発振するように駆動する。つまり、駆動手段５７は、波長選択手段５６が光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５６を駆動する。例えば波長選択手段５６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５７は、光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５６の駆動に伴う、光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。光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又は第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、光共振器をＱｓｗパルス発振させることができる。
【００７７】
駆動状態検出手段５８は、波長選択手段５６の駆動状態を検出する。駆動状態検出手段５８は、例えばフィルタ回転体である波長選択手段５６の回転変位を検出する。駆動状態検出手段５８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５９に出力する。
【００７８】
制御部５９は、回転制御部６０と発光制御部６１とを含む。回転制御部６０は、波長選択手段５６が所定の回転速度で回転するように駆動手段５８を制御する。波長選択手段５６の回転速度は、例えばレーザユニット１３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５９は、駆動状態検出手段５８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５７を制御する。回転制御部５９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５７を制御する。
【００７９】
発光制御部６１は、フラッシュランプ５２を制御する。発光制御部６１は、フラッシュランプ（ＦＬ）制御信号をフラッシュランプ５２に出力し、フラッシュランプ５２からレーザロッド５１に励起光を照射させる。発光制御部６１は、波長選択手段５６が光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５２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６１は、駆動状態検出手段５８が検出した回転位置が、波長選択手段５６が光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５２にＦＬ制御信号を送り、励起光を照射させる。
【００８０】
例えば発光制御部６１は、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光共振器の光路上に挿入される波長選択手段５６の駆動位置から、レーザロッド５１の励起に要する時間の間に波長選択手段５６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５２からレーザロッド５１に励起光を照射させる。発光制御部６１は、ＦＬ制御信号の出力後、駆動状態検出手段５８が検出した回転位置が、波長選択手段５６が光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に出力する。
【００８１】
図１０に戻り、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、レーザユニット１３に対して、波長選択手段５６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、レーザユニット１３に、フラッシュランプ５２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、例えばレーザユニット１３の回転制御部６０からフィルタ回転体の現在の回転変位位置を受け取っており、受け取った回転変位位置に基づくタイミングでＦＬスタンバイ信号を出力する。
【００８２】
トリガ制御回路２９は、レーザユニット１３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と基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。
【００８３】
図１２は、波長選択手段５６の構成例を示す。波長選択手段５６は、例えば図１２に示すような、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７０として構成される。フィルタ回転体７０は、波長７５０ｎｍの光を選択的に透過させる第１の透過領域７１と、波長８００ｎｍの光を選択的に透過させる第２の透過領域７２と、光を透過しない不透過領域７３、７４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。
【００８４】
第１の透過領域７１及び第２の透過領域７２は、例えばそれぞれ中心角θ１およびθ２の扇型に形成される。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５５で集光された光は、図１２に示されるように、フィルタ回転体７０の周縁部に照射される。フィルタ回転体７０を時計回りに回転させると、光共振器の光路上に、第１の透過領域７１、不透過領域７３、第２の透過領域７２、及び不透過領域７４をこの順に挿入できる。上記のように、第１の透過領域７１と第２の透過領域７２とで、各領域を透過する光の波長を変える、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、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。
【００８５】
図１３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）７１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。
【００８６】
ここで、フィルタ回転体７０の回転周波数が１００Ｈｚ（回転速度６０００ｒｐｍ）であるとする。その場合、１回転あたり２つの透過領域を通過することから、レーザユニット１３が出射するパルスレーザ光の個数は１秒あたり２００個となる（２００Ｈｚ動作）。例えば、フィルタ回転体７０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。
【００８７】
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又は第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。
【００８８】
図１４は、レーザユニット１３の一部を示している。波長選択手段５６は、例えば図１２に示すような、２つのバンドパスフィルタ（透過する光の波長が異なる２つの透過領域）を含むフィルタ回転体７０として構成される。フィルタ回転体７０上でのビーム径は小さい方がよい。そこで、本実施形態では集光レンズ５５を用いてビームを収束させている。フィルタ回転体７０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７０は、光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。このように光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。
【００８９】
駆動手段５７は例えばサーボモータであり、波長選択手段５６（フィルタ回転体７０）を回転軸に沿って回転させる。フィルタ回転体７０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５８は、例えばロータリーエンコーダーで構成される。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７０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６１に同期信号として送る。発光制御部６１は、高精度に回転しているフィルタ回転体７０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。
【００９０】
図１５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７０（波長選択手段５６）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５１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６１は、フィルタ回転体７０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５２を発光させる（図１５の（ａ））。フラッシュランプ５２が発光することで、レーザロッド５１が励起される。
【００９１】
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７０が不透過領域から透過領域（第１の透過領域７１又は第２の透過領域７２）へと切り替わっていく（図１５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。光共振器の光路上に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１５の（ｃ））。一方、光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７０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。
【００９２】
図１６は、パルスレーザ光出射を示す。図１２に示すような、不透過領域７３、７４の間に第１の透過領域７１と第２の透過領域７２とが設けられているフィルタ回転体７０を用いた場合、図１６に示すように、パルス幅の広い波長７５０ｎｍのパルスレーザとパルス幅の狭い波長８００ｎｍのパルスレーザ光とをパルスごとに切り替えることが可能となる。フィルタ回転体の回転周波数を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。
【００９３】
光音響画像生成装置１０の動作手順について説明する。トリガ制御回路２９は、被検体に対するパルスレーザ光照射に先立って、所定の回転速度でレーザユニット１３内の波長選択手段５６を回転させる旨のＢＰＦ制御信号をレーザユニット１３に出力する。
【００９４】
トリガ制御回路２９は、光音響信号の受信準備が整うと、１つ目の波長（例えば７５０ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるべく、所定のタイミングでレーザユニット１３にＦＬスタンバイ信号を出力する。レーザユニット１３の発光制御部６１は、ＦＬスタンバイ信号を受け取った後、フラッシュランプ５２にＦＬ制御信号を送り、フラッシュランプ５２を点灯させる。発光制御部６１は、ＢＰＦ状態信号に基づいて、例えば波長選択手段５６の回転変位位置が不透過領域７４から波長７５０ｎｍの光を透過させる第１の透過領域７１へと切り替わるタイミングから逆算されたタイミングで、ＦＬ制御信号を出力する。フラッシュランプ５２が点灯することで、レーザロッド５１の励起が開始される。
【００９５】
フラッシュランプの点灯後、波長選択手段５６が回転を続け、光共振器の光路上に挿入される部分が不透過領域７４から第１の透過領域７１へと切り替わると、光共振器内の挿入損失が損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化し、Ｑｓｗパルス発振が起こる。このとき第１の透過領域７１は波長７５０ｎｍの光を選択的に透過させるため、レーザユニット１３は、波長７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射する。発光制御部６１は、Ｑｓｗがオンになるタイミング、言い換えるとパルスレーザ光が出射するタイミングを示すＱｓｗ同期信号を超音波ユニット１２に出力する。
【００９６】
レーザユニット１３から出射した波長７５０ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。そして、プローブ１１の低周波検出素子６５によって、パルス幅の長い波長７５０ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出される。プローブ１１で検出された光音響信号は、受信回路２１にて受信される。
【００９７】
そして、次の波長８００ｎｍのパルスレーザ光を出射させるために、トリガ制御回路２９からレーザユニット１３にＦＬスタンバイ信号が出力される。発光制御部６１は、フラッシュランプ５２にＦＬ制御信号を送り、フラッシュランプ５２を点灯させる。フラッシュランプの点灯後、光共振器の光路上に挿入される部分が、不透過領域７３から波長８００ｎｍに対応した第２の透過領域７２へと切り替わり、Ｑｓｗパルス発振が起こる。これにより、波長８００ｎｍのパルスレーザ光が出射する。発光制御部６１は、Ｑｓｗ同期信号を超音波ユニット１２に出力する。
【００９８】
レーザユニット１３から出射した波長８００ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。そして、プローブ１１の広帯域検出素子６６によって、パルス幅の短い波長８００ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出される。
【００９９】
画像合成手段３８は、例えば２つの光音響画像構築手段２８でそれぞれ構築された２つの光音響画像の合成画像を生成する。そして本実施形態では、取得した各波長の光音響信号の強度比に基づいて、動脈を表す領域と静脈を表す領域が色分けされる。これにより、動脈および静脈の識別が可能となる。さらに、画像合成手段３８は、合成されて得られた画像に必要な処理（例えばスケールの補正等）を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【０１００】
「光音響画像生成装置の第３の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第３の実施形態を詳細に説明する。図１７は、本発明の光音響画像生成装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。図１８は、第３の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。本実施形態は、パルス幅および波長が互いに異なるパルスレーザ光を出射する複数の光源からレーザユニット１３が構成される点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１０１】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１０２】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３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同時に出射するものである。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。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。
【０１０３】
上記のようなレーザユニット１３は、例えば下記のようにして構成することができる。レーザユニット１３は、図１８に示されるように、パルス幅が４．２ｎｓｅｃかつ波長が８００ｎｍのパルスレーザ光を出射する光源１３ａおよびパルス幅が４５ｎｓｅｃかつ波長が７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射する光源１３ｂから構成される。光源１３ａおよび１３ｂのそれぞれの構成は、第１の実施形態と同様である。光源１３ａおよび１３ｂはそれぞれ、トリガ制御回路２９からの光トリガ信号を受信して、フラッシュランプ５２ａおよび５２ｂを点灯させる。そしてフラッシュランプ５２ａおよび５２ｂの点灯後、Ｑｓｗトリガ信号が入力されると、光源１３ａおよび１３ｂはそれぞれＱｓｗ５５ａおよび５５ｂをＯＮにし、パルスレーザ光をそれぞれ出射する。
【０１０４】
＜プローブ（超音波探触子）＞
プローブ１１は、レーザユニット１３から出射された２つのパルスレーザ光が被検体に照射された後に、それぞれのパルスレーザ光に起因して生じた２つの光音響信号を同時に検出する。このようなプローブ１１は、例えば、広い周波数帯域（例えば１〜４０ＭＨｚ程度）に感度を有する広帯域検出素子と、広帯域検出素子によって検出した光音響信号から低周波数成分（例えば２０ＭＨｚ以下の成分）を除去するハイパスフィルタと、比較的低周波側の狭い範囲（例えば５〜１２ＭＨｚ）に検出帯域を有する低周波検出素子とから構成される。つまり、本実施形態におけるプローブ１１は、図３に示されるようなプローブから切替制御部６８が除かれたような構成を有する。このような構成にすることにより、パルス幅が４５ｎｓｅｃのような長パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は上記低周波検出素子によって感度良く検出可能であり、パルス幅が４．２ｎｓｅｃのような短パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は広帯域検出素子によって効率よく広い周波数帯域で検出可能となる。なお、本実施形態においては、広帯域検出素子によって検出された光音響信号から低周波成分を除去することが必要となるから、広帯域検出素子を使用する場合にはハイパスフィルタは必須となる。ただし、第１の実施形態と同様に、低周波検出素子の検出帯域と重複せずかつ高周波側にある検出帯域を有する高周波検出素子を使用する場合にはハイパスフィルタは不要となる。
【０１０５】
光源１３ａおよび１３ｂからそれぞれ出射した波長８００ｎｍおよび７５０ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。そして、プローブ１１の広帯域検出素子によってパルス幅の短い波長８００ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出され、低周波検出素子によってパルス幅の長い波長８００ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出される。このように本実施形態では、複数のパルスレーザ光の照射のそれぞれに起因して発生した光音響波を同時に検出することができるため、画像構築速度を向上させることが可能である。
【０１０６】
画像合成手段３８は、例えば２つの光音響画像構築手段２８でそれぞれ構築された２つの光音響画像の合成画像を生成する。そして本実施形態では、取得した各波長の光音響信号の強度比に基づいて、動脈を表す領域と静脈を表す領域が色分けされる。これにより、動脈および静脈の識別が可能となる。さらに、画像合成手段３８は、合成されて得られた画像に必要な処理（例えばスケールの補正等）を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【０１０７】
「光音響画像生成装置の第４の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第４の実施形態を詳細に説明する。第１の実施形態では、光音響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が一致しており、双方の信号を同じデータ点数でフーリエ変換した。本実施形態では、光音響信号を低速サンプリングする一方で、光パルス微分波形を高速サンプリングする。つまり、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。例えば光音響信号のサンプリング間隔（サンプリングレートの逆数）は、被検体に照射される光のパルス時間幅よりも長く設定される。フーリエ変換に際しては、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を、光パルス微分波形のサンプリングレートと同じサンプリングレートでリサンプル（アップサンプル）した上で、フーリエ変換を行う。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１０８】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１０９】
図１９は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ａを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ａは、図６に示す第１実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、リサンプル手段４６及び４７を有する。リサンプル手段４６は、アップサンプル手段であり、低いサンプリングレートでサンプリングされた光音響信号のサンプリングデータを、光パルス微分波形のサンプリングレートと同じサンプリングレートでリサンプルする（アップサンプル）。リサンプル手段４６は、例えば、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号のサンプル点間にゼロを付加し、アップサンプル前のナイキスト周波数でカットするローパスフィルタをかけることでアップサンプルを行う。
【０１１０】
例えば、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）が４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）が４００ＭＨｚであったとする。この場合、リサンプル手段４６は、４０ＭＨｚの光音響信号を４００ＭＨｚの信号にアップサンプルする。フーリエ変換手段４１は、リサンプル手段４６でアップサンプルされた光音響信号をフーリエ変換する。光音響信号をフーリエ変換するフーリエ変換手段４１と、光パルス微分波形をフーリエ変換するフーリエ変換手段４２とは、同じデータ点数でフーリエ変換を行う。例えばフーリエ変換手段４１は光音響信号を８１９２点の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は光パルス微分波形を８１９２点の周波数領域の信号に変換する。
【０１１１】
フィルタ適用手段４４は、アップサンプルされた光音響信号をフーリエ変換した信号に対して逆フィルタを適用する。フーリエ逆変換手段４５は、逆フィルタが適用された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号（吸収分布）へと変換する。時間領域の信号に戻された吸収分布信号は、例えば４００ＭＨｚにアップサンプルされた状態の信号となっている。リサンプル手段４７は、吸収分布信号が、光音響信号の元のサンプルリングレートに、吸収信号をダウンサンプルする。リサンプル手段４７は、例えば４００ＭＨｚの吸収信号を４０ＭＨｚの吸収信号にダウンサンプルする。ダウンサンプリングは、例えばダウンサンプル後のナイキスト周波数でカットするローパスフィルタをかけた後に、サンプル点を間引くことで行う。
【０１１２】
図２０Ａに、４００ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示し、図２０Ｂに、４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す。サンプリングレート４００ＭＨｚでは、図２０Ａに示すように、光パルス微分波形を正確に再現できる。一方、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートに合わせ、４０ＭＨｚでサンプリングすると、図２０Ｂに示すように、光パルス微分波形を正確に再現できなくなる。
【０１１３】
フィルタ適用手段４４にて光音響信号をフーリエ変換した信号に逆フィルタを適用する際には、双方のデータ点数が揃っている必要がある。光音響信号のサンプリングレートに合わせて光パルス微分波形のサンプリングレートを設定すると、図２０Ｂに示したように、波形変化に対してサンプリング周波数が低すぎ、光パルス微分波形が正確に再現できない。このような光パルス微分波形から求めた逆フィルタを適用した場合、光パルス微分項を正確にデコンボリューションできずに、吸収分布を正しく求められないこともある。
【０１１４】
一方、光パルス微分波形を正確に再現するために光パルス微分波形のサンプリングレートを例えば４００ＭＨｚに設定し、光音響信号のサンプリングレートを４００ＭＨｚに合わせるとした場合は、光パルス微分項を正確にデコンボリューションでき、吸収分布を正しく求めることができる。しかしながら、その場合、ＡＤ変換手段２２には高速なＡＤ変換器が要求され、また、サンプリングデータの総数が増えることから、受信メモリ２３に要求されるメモリ容量が増大する。更に、光音響画像再構成手段２４で取り扱うデータが増えるため、再構成に要する時間も長くなる。
【０１１５】
本実施形態では、リサンプル手段４６で、事後的に光音響信号のサンプリングデータをリサンプルする。本実施形態では、検出後の光音響信号を信号処理でアップサンプルしているため、光音響の検出から再構成までは低速サンプリングしつつも、光パルス微分項を正確にデコンボリューションすることができる。本実施形態では、ＡＤ変換手段２２に高速なＡＤ変換器は不要であり、受信メモリ２３に必要なメモリ容量も増大しない。また、光音響信号の再構成に要する時間も増大せず、光音響信号の検出時に高いサンプリングレートでサンプリングする場合に比して、処理時間を短縮することができる。
【０１１６】
「光音響画像生成装置の第５の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第５の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、第４の実施形態と同様に、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。第４の実施形態では、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号をアップサンプルし、双方の信号を同じデータ点数でフーリエ変換した。本実施形態では、光パルス微分波形のフーリエ変換を、光音響信号のフーリエ変換のデータ点数よりも多いデータ点数で行い、フーリエ変換された光音響信号に対して、データ点数の差の分だけ中央（高周波成分領域）にゼロ点を付加する。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１１７】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１１８】
図２１は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｂを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｂは、図６に示す第１の実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、ゼロパディング手段４８とゼロ点除去手段４９とを有する。例えば、光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）は４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）は３２０ＭＨｚであるとする。フーリエ変換手段４１は、例えば４０ＭＨｚの光音響信号を１０２４点（第１のデータ点数）の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は、３２０ＭＨｚの光パルス微分波形を８１９２点（第２のデータ点数）の周波数領域の信号に変換する。第２のデータ点数は、第１のデータ点数に、第２のサンプリングレートと第１のサンプリングレートとの比を乗じたデータ点数と等しいか、又はそれよりも多い。
【０１１９】
ゼロパディング手段４８は、フーリエ変換手段４１から周波数領域の信号に変換された光音響信号を入力する。ゼロパディング手段４８は、フーリエ変換された光音響信号に対して、フーリエ変換後の光音響信号と光パルス微分波形のデータ点数の差の分だけ中央にゼロ点（信号値ゼロの点）を付加する。ゼロパディング手段４８は、例えば周波数領域で表されたデータ点数１０２４点の光音響信号を、ナイキスト周波数(サンプリング周波数の１／２)で２つに分割し、分割した２つの周波数領域の間にデータ点数の差の分だけゼロ点を付加し、周波数領域で表された光パルス微分波形のデータ点数と同じデータ点数８１９２点の光音響信号を生成する。ゼロ点の付加は、周波数領域におけるアップサンプリングに相当する。
【０１２０】
フィルタ適用手段４４は、ゼロパディング手段４８でゼロパディングが施された信号に対して逆フィルタを適用する。ゼロ点除去手段４９は、逆フィルタが適用された信号からゼロパディング手段４８で“０”が付加された周波数帯域を除去する。例えばゼロパディング手段４８にてデータ点数１０２４点の光音響信号（周波数領域）がデータ点数８１９２点の信号に変換されていたとき、ゼロ点除去手段４９は、フィルタ適用後の信号（データ点数８１９２点）をデータ点数１０２４点の信号に戻す。ゼロ点の除去は、周波数領域におけるダウンサンプリングに相当する。フーリエ逆変換手段４５は、データ点数１０２４点に戻された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。
【０１２１】
図２２Ａに、フーリエ変換された光音響信号を示し、図２２Ｂに、ゼロパディング後の光音響信号を示す。例えば、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングレートが４０ＭＨｚであるとき、その光音響信号をフーリエ変換した信号は、図２２Ａに示すように、０ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの周波数帯域の信号となる。この信号を、中心周波数である２０ＭＨｚを境に２つの領域Ａ、Ｂに２分割する。ゼロパディング手段４８は、図２２Ｂに示すように、２つの領域の間にゼロ点を８１９２−１０２４＝７１６８個挿入する。ゼロ点が付加された結果、領域Ｂの信号は、３００ＭＨｚから３２０ＭＨｚの周波数領域に対応した信号となる。
【０１２２】
本実施形態では、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を周波数領域の信号に変換し、変換された周波数領域の信号の高周波成分の領域のゼロ点を付加する。本実施形態と第２の実施形態との相違点は、第２の実施形態では、光音響信号をアップサンプルするのに対し、本実施形態では、光音響信号を周波数領域でアップサンプルする点である。時間領域に代え、周波数領域において、双方の信号の帯域差を埋めるようにリサンプル（アップサンプル）を行う場合も、第２の実施形態と同様に、光音響の検出から再構成までは低速サンプリングしつつも、光パルス微分項を正確にデコンボリューションすることができる。
【０１２３】
「光音響画像生成装置の第６の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第６の実施形態を詳細に説明する。本実施形態においても、第４及び第５の実施形態と同様に、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。本実施形態では、光パルス微分波形を、光音響信号のフーリエ変換のデータ点数よりも多いデータ点数で行い、フーリエ変換された光微分波形から高周波成分サンプル点を除去し、その逆数を逆フィルタとして求める。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１２４】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１２５】
図２３は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｃを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｃは、図６に示す第１の実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、高周波成分サンプル点除去手段５０を有する。例えば、光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）は４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）は３２０ＭＨｚであるとする。フーリエ変換手段４１は、例えば４０ＭＨｚの光音響信号を１０２４点（第１のデータ点数）の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は、３２０ＭＨｚの光パルス微分波形を８１９２点（第２のデータ点数）の周波数領域の信号に変換する。第２のデータ点数は、第１のデータ点数に、第２のサンプリングレートと第１のサンプリングレートとの比を乗じたデータ点数と等しいか、又はそれよりも多い。
【０１２６】
高周波成分サンプル点除去手段５０は、フーリエ変換手段４２から周波数領域の信号に変換された光パルス微分波形を入力する。高周波成分サンプル点除去手段５０は、フーリエ変換された光パルス微分波形から、フーリエ変換後の光音響信号と光パルス微分波形のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する。高周波成分サンプル点除去手段５０は、例えば周波数領域で表されたデータ点数８１９２点の光パルス微分波形から高周波成分に相当する中央のデータ点を削除し、周波数領域で表された光音響信号のデータ点数と同じデータ点数１０２４点の光パルス微分波形を生成する。高周波成分サンプル点の除去は、周波数領域における光パルス微分波形のダウンサンプリングに相当する。
【０１２７】
図２４Ａに、フーリエ変換された光パルス微分波形を示し、図２４Ｂに、高周波成分サンプル点が除去された光パルス微分波形を示す。例えば、光パルス微分波形のサンプリングレートが３２０ＭＨｚであるとき、その光パルス微分波形をフーリエ変換した信号（データ点数８１９２点）は、図２４Ａに示すように、０ＭＨｚから３２０ＭＨｚまでの周波数帯域の信号となる。この信号を、１番目のデータ点から５１２番目までの領域（領域Ａ）、５１３番目のデータ点から７６８０番目のデータ点までの領域（領域Ｂ）、及び、７６８１番目のデータ点から８１９２番目のデータ点までの領域（領域Ｃ）の３つの領域に分け、領域Ｂのデータ点を除去する。図２４Ｂに示すように、領域Ａと領域Ｃとをつなげることで、０ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの周波数帯域に対応したデータ点数１０２４点の光パルス微分波形が得られる。
【０１２８】
逆フィルタ演算手段４３は、周波数領域で表されかつ高周波成分サンプル点が除去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。逆フィルタ演算手段４３は、例えばデータ点が８１９２点から１０２４点に削減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。フィルタ適用手段４４は、例えば周波数領域で表されたデータ点数１０２４点の光音響信号と逆フィルタとを要素ごとに乗算する。フーリエ逆変換手段４５は、逆フィルタが適用された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。
【０１２９】
ここで、第６の実施形態では、フィルタ適用手段４４は、図２２Ｂに示す高周波成分の領域にゼロ点が付加された光音響信号と、図２４Ａに示す光パルス微分波形の逆数とを乗算する。光音響信号の高周波成分領域の値は“０”であるため、光パルス微分波形の高周波成分（図２４Ａの領域Ｂ）は、逆フィルタ適用後の光音響信号に影響を与えない。従って、本実施形態のように、光パルス微分波形の周波数領域の信号から高周波成分サンプル点を除去し、高周波成分を除去した光パルス微分波形から逆フィルタを求め、求めた逆フィルタを周波数領域で表された光音響信号に適用しても、得られる結果は第５の実施形態と同じ結果となる。つまり、本実施形態においても、第５の実施形態と同様な効果が得られる。
【０１３０】
「光音響画像生成装置の第７の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第７の実施形態を詳細に説明する。図２５は、光音響画像生成装置の第７の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１３１】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１３２】
＜超音波ユニット＞
本実施形態の超音波ユニットは、図１に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、送信制御回路３３、データ分離手段３４、超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、および超音波画像構築手段３７を備える。
【０１３３】
本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波の検出（受信）を行う。超音波の送受信を行う超音波振動子としては、本発明における音響波検出手段に含まれる超音波振動子を使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな超音波振動子を使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。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で受信してもよい。
【０１３４】
トリガ制御回路２９は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３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る。送信制御回路３３は、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、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
【０１３５】
プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。トリガ制御回路２９は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ここで、反射超音波はプローブ１１と超音波反射位置との間を往復するのに対し、光音響信号はその発生位置からプローブ１１までの片道である。反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響信号の検出に比して２倍の時間がかかるため、ＡＤ変換手段２２のサンプリングクロックは、光音響信号サンプリング時の半分、例えば２０ＭＨｚとしてもよい。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する。光音響信号の検出（サンプリング）と、反射超音波の検出（サンプリング）とは、どちらを先に行ってもよい。
【０１３６】
データ分離手段３４は、受信メモリ２３に格納された光音響信号のサンプリングデータと反射超音波のサンプリングデータとを分離する。データ分離手段３４は、分離した光音響信号のサンプリングデータを光音響画像再構成手段２４に入力する。パルスレーザ光のパルス幅に応じて信号処理の経路を変えてもよいことと、光パルス微分波形のデコンボリューションを含む光音響画像（吸収分布画像）の生成は、第１の実施形態と同様である。データ分離手段３４は、分離した反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像再構成手段３５に入力する。
【０１３７】
超音波画像再構成手段３５は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリングデータ）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。各ラインのデータの生成には、光音響画像再構成手段２４における各ラインのデータの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。検波・対数変換手段３６は、超音波画像再構成手段３５が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
【０１３８】
超音波画像構築手段３７は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、及び超音波画像構築手段３７は、反射超音波に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を構成する。
【０１３９】
画像合成手段３８は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３８は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えて表示することも可能である。
【０１４０】
本実施形態では、光音響画像生成装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで吸収分布を画像化できる点は、第１実施形態と同様である。また、超音波画像の生成と光音響画像の生成とで、画像再構成や検波・対数変換などのアルゴリズムの大部分を共通化でき、ＦＰＧＡ回路構成やソフトの簡略化が可能であるなどの実用上のメリットを有する。
【０１４１】
なお、上記各実施形態では、光音響信号及び光パルス微分波形を周波数領域の信号に変換し、周波数領域でデコンボリューション後に時間領域の信号に戻しているが、これには限定されない。光パルス微分波形のデコンボリューションを時間領域で行うことも可能である。また、光微分波形逆畳込み手段２５は、デコンボリューション時に、光音響信号に対して何らかのフィルタをかける処理をおこなってもよい。例えば光微分波形逆畳込み手段２５が、デコンボリューション時に、ノイズ増幅周波数帯をフィルタリングするようにしてもよい。
【０１４２】
上記各実施形態では、光音響信号から光微分波形をデコンボリューションした後に光音響画像（吸収分布画像）を生成することとしているが、これに加えて、又はこれに代えて、光微分波形をデコンボリューションせずに光音響画像（圧力分布画像）を生成してもよい。例えば、ユーザが、スイッチや表示モニタ上で操作を行うことで、デコンボリューション処理の有無を選択できるようにしておき、ユーザがデコンボリューション処理の実施を選択したときには光微分波形のデコンボリューションを行った上で光音響画像を生成し、ユーザがデコンボリューション処理の不実施を選択したときは光微分波形のデコンボリューションを行わずに光音響画像を生成してもよい。例えば、光微分波形のデコンボリューションを行ったときは、光音響信号を赤・黒の色に対応付けて表示し、デコンボリューションなしのときは、光音響信号を青・黒の色に対応付けて表示してもよい。
【０１４３】
また、デコンボリューションなしの場合の光音響画像を生成し、コンピュータがその光音響画像を解析することで、血管部分が２本に分かれているか否かを判定し、血管が２本に分かれていると判定されたときに、その血管部分のみを対象に光微分波形のデコンボリューション処理を行うようにしてもよい。その際、デコンボリューション処理を実施した血管部分の表示色を、他の未処理の血管部分の表示色とは異なる色とし、デコンボリューション処理が行われた血管と、他の未処理の血管とが容易に判別可能になるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１４４】
１０：光音響画像生成装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザユニット
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：光音響画像再構成手段
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：光微分波形逆畳込み手段
２６：補正手段
２７：検波・対数変換手段
２８：光音響画像構築手段
２９：トリガ制御回路
３０：制御手段
３３：送信制御回路
３４：データ分離手段
３５：超音波画像再構成手段
３６：検波・対数変換手段
３７：超音波画像構築手段
３８：画像合成手段
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
４６、４７：リサンプル手段
４８：ゼロパディング手段
４９：ゼロ点除去手段
５０：高周波成分サンプル点除去手段
５１：レーザロッド
５２：フラッシュランプ
５３、５４：ミラー
５５：集光レンズ
５６：波長選択手段
５７：駆動手段
５８：駆動状態検出手段
５９：制御部
６０：回転制御部
６１；発光制御部
７０：フィルタ回転体
７１、７２：透過領域
７３、７４：不透過領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射に起因して発生した光音響波に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置および光音響画像生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体の内部の断層画像を取得する方法としては、超音波が被検体内に照射されることにより被検体内で反射した超音波を検出して超音波画像を生成し、被検体内の形態的な断層画像を得る超音波イメージングが知られている。一方、被検体の検査においては形態的な断層画像だけでなく機能的な断層画像を表示する装置の開発も近年進められている。そして、このような装置の一つに光音響分析法を利用した装置がある（特許文献１）。この光音響分析法は、所定の波長（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を有するパルス光を被検体に照射し、被検体内の特定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、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。このように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：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光音響イメージングでは、パルス光を使用することに起因する以下のような問題がある。
【０００５】
光音響波の周波数スペクトル分布は照射されたパルス光のパルス幅に依存する。したがって、高分解能の光音響画像を取得するため一般的にはパルス幅の短いパルス光が使用される。しかしながら、パルス幅の短いパルス光の照射に起因して発生した光音響波は高周波数成分を多く含んでいるため、被検体の深部の情報が得られにくい。これは、被検体内において光音響波の高周波数成分は減衰しやすいためである。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光音響イメージングにおいて、被検体内における深部の画像も取得することを可能とする光音響画像生成装置および光音響画像生成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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る光音響画像生成装置は、
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射する光照射手段と、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段であって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された複数の音響波検出手段を有するプローブと、
複数の音響波検出手段により検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
「光音響画像を生成する」とは、光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号のそれぞれに基づいて、部分的な光音響画像（例えば深部の画像および表面近傍部の画像等）を別個に構築すること、および、部分的な光音響画像を適切につなぎ合わせて全体として１つの光音響画像を構築することを含む意味である。
【０００９】
そして、本発明に係る光音響画像生成装置において、
複数のパルス光は、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
複数の音響波検出手段は、高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段およびこの高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、高周波検出手段によって短パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出し、低周波検出手段によって長パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出するように構成されたものであることが好ましい。
【００１０】
この場合において、本発明に係る光音響画像生成装置は同期制御手段を更に備え、
光照射手段は、パルス光の照射ごとにパルス幅を切り替えるように構成されたものであり、
プローブは、高周波検出手段および低周波検出手段を切り換えながら駆動させるように構成されたものであり、
同期制御手段は、パルス幅の切り替えと音響波検出手段の切り替えとが同期するように、光照射手段および／またはプローブにトリガ信号を出力するものであることが好ましい。
【００１１】
或いは、本発明に係る光音響画像生成装置において、光照射手段は、複数のパルス光を同時に照射するように構成されたものであり、
複数の音響波検出手段が、それぞれの検出帯域が互いに重複しないように構成されたものであり、
プローブは、高周波検出手段および低周波検出手段を同時に駆動させるように構成されたものであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、高周波検出手段は、広帯域検出素子と、低周波検出手段の検出帯域以下の周波数帯域の信号を除去するハイパスフィルタとから構成されるものとすることができる。
【００１３】
或いは、本発明に係る光音響画像生成装置において、高周波検出手段は、広帯域検出素子と、低周波検出手段の検出帯域よりも高周波側の一部の周波数帯域の信号のみを透過させるバンドパスフィルタとから構成されるものとすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、低周波検出手段は、チタン酸ジルコン酸鉛から構成される低周波検出素子であり、
広帯域検出素子は、ポリフッ化ビニリデンから構成されるものとすることができる。
【００１５】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、複数のパルス光のそれぞれの波長が互いに異なるものとすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、光音響画像生成手段は、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当該パルス光に基づく光音響信号からデコンボリューションする光微分波形逆畳込み手段を有し、光微分波形逆畳込み手段によってデコンボリューションされた信号に基づいて光音響画像を生成するものであることが好ましい。
【００１７】
この場合において、光微分波形逆畳込み手段は、
光音響信号をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、
光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フーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、
フーリエ変換された光微分波形の逆数を逆フィルタとして求める逆フィルタ演算手段と、
フーリエ変換された光音響信号に逆フィルタを適用するフィルタ適用手段と、
逆フィルタが適用された光音響信号をフーリエ逆変換するフーリエ逆変換手段とを有するものとすることができる。
【００１８】
また、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、第１のサンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を、第２のサンプリングレートでリサンプルするリサンプル手段を更に備え、
第１のフーリエ変換手段は、リサンプル手段でリサンプルされた光音響信号をフーリエ変換するものであることが好ましい。
【００１９】
或いは、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
第１のフーリエ変換手段は第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
第２のフーリエ変換手段は第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、フーリエ変換された光音響信号に対して、第１のデータ点数と第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行うゼロパディング手段を更に備え、
フィルタ適用手段は、ゼロパディング手段でゼロパディングが行われた光音響信号に対して逆フィルタを適用するものであることが好ましい。
【００２０】
或いは、光音響信号は第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
光微分波形は第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
第１のフーリエ変換手段は第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
第２のフーリエ変換手段は第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
光微分波形逆畳込み手段は、フーリエ変換された光微分波形から、第１のデータ点数と第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する高周波成分サンプル点除去手段を更に備え、
逆フィルタ演算手段は、フーリエ変換された光微分波形から高周波成分サンプル点を除去した波形の逆数を逆フィルタとして求めるものであることが好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る光音響画像生成装置にいて、光微分波形逆畳込み手段は、デコンボリューションされた光音響信号から、光音響信号を検出する検出器の受信角度依存特性の影響を除去するように、デコンボリューションされた光音響信号を補正する補正手段を更に備えることが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係る光音響画像生成装置において、プローブは、被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、
光音響画像生成装置は、プローブによって検出された反射超音波の超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を更に備えるものとすることができる。
【００２３】
本発明に係る光音響画像生成方法は、
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、
検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とするものである。
【００２４】
そして、本発明に係る光音響画像生成方法において、
複数のパルス光は、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
複数の音響波検出手段は、比較的高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段およびこの高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、
高周波検出手段によって短パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出し、低周波検出手段によって長パルス光の照射に起因して発生した光音響波を検出することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とするものである。したがって、被検体の表面近傍部の光音響画像については、パルス幅の短いパルス光によって高分解能で取得することができ、被検体の深部の光音響画像については、パルス幅の長いパルス光によって取得することができる。この結果、光音響イメージングにおいて、被検体内における深部の画像も取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態の光音響画像生成装置における超音波探触子の構成を示すブロック図である。
【図４】光音響波（ＰＡ）の信号波形のパルス幅依存性を示す波形図である。
【図５】光音響波（ＰＡ）信号の周波数スペクトル分布のパルス幅依存性を示すスペクトル分布図である。
【図６】第１の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図７Ａ】再構成後の光音響信号を示す波形図である。
【図７Ｂ】ＦＦＴ後の光音響信号ＦＦＴを示す波形図である。
【図７Ｃ】光パルス微分波形（ｈ）を示す波形図である。
【図７Ｄ】ＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）を示す波形図である。
【図７Ｅ】光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを示す波形図である。
【図７Ｆ】デコンボリューション後のＦＦＴ波形を示す波形図である。
【図７Ｇ】逆変換された光音響信号を示す波形図である。
【図８Ａ】再構成後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像を示す図である。
【図８Ｂ】デコンボリューション後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像を示す図である。
【図９】光音響画像生成の動作手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１１】第２の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。
【図１２】第２の実施形態の光音響画像生成装置における波長選択手段の構成例を示す図である。
【図１３】透過領域における波長と透過率との関係を示すグラフである。
【図１４】レーザユニットの一部の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図１５】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である。
【図１６】パルスレーザ光出射を示すタイミングチャートである。
【図１７】本発明の光音響画像生成装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１８】第３の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。
【図１９】第４の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図２０Ａ】４００ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す波形図である。
【図２０Ｂ】４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す波形図である。
【図２１】第５の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図２２Ａ】光音響信号（周波数領域）を示すグラフである。
【図２２Ｂ】ゼロパディング後の光音響信号を示すグラフである。
【図２３】第６の実施形態の光音響画像生成装置における光微分波形逆畳込み手段の構成を示すブロック図である。
【図２４Ａ】光パルス微分波形（周波数領域）を示すグラフである。
【図２４Ｂ】高周波成分サンプル点が除去された光パルス微分波形を示すグラフである。
【図２５】本発明の光音響画像生成装置の第７の実施形態の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２８】
「光音響画像生成装置の第１の実施形態」
まず、本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の光音響画像生成装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。図３は、第１の実施形態の光音響画像生成装置における超音波探触子の構成を示すブロック図である。
【００２９】
具体的には、本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【００３０】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３は、被検体に照射すべきパルスレーザ光（レーザによるパルス光）を出射する。本実施形態では、レーザユニット１３は、波長は同じであるがパルス幅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。「パルス幅」とは光強度の波長分布におけるピークの半値幅である。レーザユニット１３は、図２に示されるように、例えばレーザロッド５１、フラッシュランプ５２、共振器を構成するミラー５３、５４、Ｑスイッチ（Ｑｓｗ）５５、およびパルスレーザ光の出力を制御する発光制御部６１を含む制御部５９から構成される。
【００３１】
レーザロッド５１は、レーザ媒質である。レーザロッド５１には、例えばアレキサンドライト結晶やＣｒ：ＬｉＳＡＦ（ＣｒドープＬｉＳｒＡｌＦ６）結晶、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ（ＣｒドープＬｉＣａＡｌＦ６）結晶、ＴｉドープＳａｐｐｈｉｒｅ結晶を用いることができる。フラッシュランプ５２は、励起光源であり、レーザロッド５１に励起光を照射する。
【００３２】
ミラー５３、５４は、レーザロッド５１を挟んで対向しており、ミラー５３、５４により光共振器が構成される。ここではミラー５４が、出力側ミラーであるものとする。
【００３３】
発光制御部６１は、超音波ユニット１２のトリガ制御回路２９から光トリガ信号を受信すると、フラッシュランプ５２を起動するように制御する。フラッシュランプ５２が点灯すると、レーザロッド５１が励起される。励起状態のレーザロッド５１から出力された光は、ミラー５３および５４の間で共振しながら増強される。その後、発光制御部６１は、超音波ユニット１２のトリガ制御回路２９からＱｓｗトリガ信号を受信すると、Ｑｓｗを開放するように制御する。そして、例えばミラー５４側からパルスレーザ光が出射される。パルスレーザ光のパルス幅は、例えばＱｓｗによって制御される。
【００３４】
パルスレーザ光のパルス幅は１〜１００ｎｓｅｃであることが好ましい。さらに、光音響波を周波数帯域ごとに分離検出しやすくするため、複数のパルスレーザ光は、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルスレーザ光とパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルスレーザ光を含むことが好ましい。例えば、短パルスレーザ光としてはパルス幅が４．２ｎｓｅｃのパルスレーザ光が使用され、長パルスレーザ光としてはパルス幅が４５ｎｓｅｃのパルスレーザ光が使用される。
【００３５】
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。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、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）には、一般的には６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被検体の深部まで届くという観点から、パルスレーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００３６】
なお、レーザユニット１３としては、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることもできる。
【００３７】
＜プローブ（超音波探触子）＞
プローブ１１は、レーザユニット１３から出射されたパルスレーザ光が被検体に照射された後に、被検体内の光吸収体がパルスレーザ光を吸収することで生じた光音響波（光音響信号）を検出する。プローブ１１は、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段であって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された複数の音響波検出手段を有する。「検出帯域」とは、周波数分布において感度が最も高いピーク周波数を含み、その感度が当該最高感度の５０％以上である周波数帯域を意味し、いわゆる周波数分布におけるピークの半値幅に対応する周波数帯域に相当する。また、「検出帯域が互いに異なる」とは、検出帯域の帯域幅がそれぞれ異なることを意味し、一部重複している場合も含む意味である。１つの音響波検出手段が複数の要素（例えば、検出素子およびこれに直列して接続された信号処理回路等）から構成される場合には、検出帯域はすべての要素を考慮してその感度が当該最高感度の５０％以上である周波数帯域となる。
【００３８】
プローブ１１は、例えば本実施形態では図３に示されるように、広い周波数帯域（例えば１〜４０ＭＨｚ程度）に感度を有する広帯域検出素子６６と、広帯域検出素子によって検出した光音響信号から低周波数成分（例えば２０ＭＨｚ以下の成分）を除去するハイパスフィルタ６７と、比較的低周波側の狭い範囲（例えば５〜１２ＭＨｚ）に検出帯域を有する低周波検出素子６５と、切替制御部６８を有する。低周波検出素子６５および広帯域検出素子６６は、どちらも電気音響変換機能を有する超音波振動子（検出素子）であるが、それぞれの超音波の検出帯域が異なる。
【００３９】
本実施形態において、広帯域検出素子６６およびハイパスフィルタ６７が、高周波側に検出帯域を有する本発明の高周波検出手段として機能している。広帯域検出素子６６としては、有機材料から構成された圧電素子が代表的であり、有機材料としては特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が好ましい。また、本実施形態において低周波検出素子６５が本発明の低周波検出手段に相当する。低周波検出素子６５としては、例えば無機材料から構成された圧電素子が代表的であり、無機材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。
【００４０】
切替制御部６８は、使用する検出素子として広帯域検出素子６６および低周波検出素子６５を切り換えるものである。具体的には、切替制御部６８は、同期制御手段としてのトリガ制御回路２９からの切替トリガ信号を受信して、パルスレーザ光の出射に同期して、広帯域検出素子６６および低周波検出素子６５の切り替えを行う。例えば、本実施形態では、パルス幅が相互に異なる複数のパルスレーザ光が切り替えられて交互に出射されるため、切替制御部６８は、１つのパルスレーザ光の出射ごとに同期して２つの検出素子を切り替えることになる。
【００４１】
図４は、光音響波（ＰＡ）の信号波形のパルス幅依存性を示す波形図である。また、図５は、光音響波（ＰＡ）信号の周波数スペクトル分布のパルス幅依存性を示すスペクトル分布図である。図４および図５から、パルス幅が短くなるに従って、光音響信号の波形が急峻になり、光音響信号の周波数スペクトルが高周波側にまで伸びて広帯域に変化する様子が分かる。したがって例えば、低周波検出素子６５として、検出帯域の中心周波数が１０ＭＨｚのＰＺＴ圧電素子を使用し、広帯域検出素子６６として、検出帯域が広帯域なＰＶＤＦ圧電素子を使用した場合には、パルス幅が４５ｎｓｅｃのような長パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は上記ＰＺＴ圧電素子によって感度良く検出可能であり、パルス幅が４．２ｎｓｅｃのような短パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は上記ＰＶＤＦ圧電素子によって広い周波数帯域で効率よく検出可能となる。そして、長パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は、主として被検体の深部の光音響画像を生成する際の信号として使用され、短パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は、主として被検体の表面近傍部の光音響画像を生成する際の信号として使用される。
【００４２】
これにより、パルス幅が相互に異なる複数のパルスレーザ光のそれぞれに起因して発生した光音響信号を周波数ごとに分離して検出することができる。このように、複数の音響波検出手段のそれぞれの特性（検出感度の強さや検出帯域の広さ等）を活かすことにより、効率よく光音響信号を検出することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施形態では、パルス幅が相互に異なる複数のパルスレーザ光が切り替えられて交互に出射されるため、その出射間の時間間隔によっては、あるパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号を検出する際に、他のパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号がノイズとならない場合もある。したがってこのような場合には、ハイパスフィルタ６７は必ずしも必要ない。また、ハイパスフィルタに代えて、低周波検出手段の検出帯域よりも高周波側の一部の周波数帯域の信号のみを透過させるバンドパスフィルタを使用することも可能である。また、広帯域検出素子６６およびハイパスフィルタ６７の組み合わせに代えて、低周波検出素子６５の検出帯域と重複せずかつ高周波側にある検出帯域を有する高周波検出素子（例えば、４０ＭＨｚ以上の高周波側に検出帯域があるＰＺＴ圧電素子）を使用することも可能である。
【００４４】
＜超音波ユニット＞
超音波ユニット１２は、光音響画像生成手段に相当する。超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、光微分波形逆畳込み手段２５、補正手段２６、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、トリガ制御回路２９、制御手段３０及び画像合成手段３８を有する。
【００４５】
受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリング手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば、外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で光音響信号をサンプリングする。受信メモリ２３は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号を記憶する。そして、本実施形態では、受信メモリ２３は、低周波検出素子６５によって検出された低周波側の光音響信号と広帯域検出素子６６によって検出された高周波側の光音響信号とを、２つの経路のそれぞれの光音響画像再構成手段２４に分けて出力する。なお、２つの経路でそれぞれ行う信号処理は同じものである。したがって、信号処理系の経路を１つにして、低周波側の光音響信号と高周波側の光音響信号とを交互に出力するようにしてもよい。
【００４６】
光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された光音響信号に基づいて、光音響画像の各ラインのデータを生成する。光音響画像再構成手段２４は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。光音響画像再構成手段２４は、遅延加算法に代えて、ＢＰ法（Back Projection）により再構成を行ってもよい。あるいは光音響画像再構成手段２４は、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。
【００４７】
光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成された光音響信号から被検体に照射された光の光強度の時間波形の微分波形である光パルス微分波形（パルスレーザ光についての光微分波形）をデコンボリューションした信号を生成する。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、ｔ≠０に再構成した圧力分布から、ｔ＝０に再構成した圧力分布、すなわち吸収分布を求めることができる。光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成前の光音響信号に対してデコンボリューションを行ってもよい。デコンボリューションの詳細な説明は後述する。
【００４８】
補正手段２６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号を補正し、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号から、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２６は、受信角度依存特性に加えて、又はこれに代えて、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号から被検体における光の入射光分布の影響を除去する。補正手段２６を省き、これらの補正を行わずに、光音響画像の生成を行ってもよい。
【００４９】
検波・対数変換手段２７は、補正後の各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。包絡線を求める検波手段としては、ヒルベルト変換や直交検波など従来から用いられている手法を用いることができる。これにより、超音波振動子の固有振動による帯域の影響が除去できる。光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２８は、例えば光音響信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を光音響画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像を生成する。
【００５０】
画像合成手段３８は、例えば２つの光音響画像構築手段２８でそれぞれ構築された２つの光音響画像の合成画像を生成する。本実施形態では、例えば被検体の深部を示す画像領域には低周波側の光音響信号を使用し、一方被検体の表面近傍部を示す画像領域には高周波側の光音響信号を使用する。これにより、より深部まで写しかつ表面では高分解能な画像が得られる。さらに、画像合成手段３８は、合成されて得られた画像に必要な処理（例えばスケールの補正等）を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【００５１】
制御手段３０は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。トリガ制御回路２９は、光音響画像生成に際して、レーザユニット１３に光トリガ信号を送る。また、光トリガ信号の出力後に、Ｑｓｗトリガ信号を送る。レーザユニット１３は、光トリガ信号を受けてフラッシュランプ５２を点灯し、レーザ励起を開始する。レーザユニット１３は、Ｑｓｗトリガ信号が入力されるとＱｓｗをＯＮにし、パルスレーザ光を出射する。トリガ制御回路２９は、被検体に対するレーザ光照射と同期してＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリング開始タイミングを制御する。また、トリガ制御回路２９は、パルス幅の切り替えと音響波検出手段の切り替えとが同期するように、Ｑｓｗトリガ信号とともに切替トリガ信号を切替制御部６８に送信する。
【００５２】
図６に、光微分波形逆畳込み手段２５の詳細な構成を示す。光微分波形逆畳込み手段２５は、フーリエ変換手段４１、４２と、逆フィルタ演算手段４３と、フィルタ適用手段４４と、フーリエ逆変換手段４５とを有する。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ＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）を用いることができる。
【００５３】
ここで、光パルス微分波形のデコンボリューションの基本アルゴリズムについて説明する。
【００５４】
まず、再構成後の光音響信号を入力し、再構成後の光音響信号をフーリエ変換手段４１においてＦＦＴによりフーリエ変換する。図７Ａに再構成後の光音響信号を示し、図７ＢにＦＦＴ後の光音響信号ＦＦＴを示す。フーリエ変換することで、図７Ａに示す時間領域の信号が、図７Ｂに示すような周波数領域の信号に変換される。なお、図７Ｂでは、光音響信号ＦＦＴの絶対値を示しているが、実際の処理では複素数のまま処理される。
【００５５】
そして、光パルス微分波形ｈをフーリエ変換手段４２においてＦＦＴによりフーリエ変換する。図７Ｃに光パルス微分波形（ｈ）を示し、図７ＤにＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）を示す。フーリエ変換することで、図７Ｃに示す時間領域の信号（波形）が、図７Ｄに示す周波数領域の信号に変換される。なお、図７Ｃにおける黒丸は、光パルス微分波形におけるサンプリング点を表している。また、図７Ｄでは、光パルス微分波形ＦＦＴの絶対値を示しているが、実際の処理では複素数のまま処理される。
【００５６】
そして、逆フィルタ演算手段４３によって、上記で得られたＦＦＴ後の光パルス微分波形ＦＦＴ（ｆｆｔ＿ｈ）の逆数を、光パルス微分波形ＦＦＴフィルタ（逆フィルタ）として求める。光パルス微分波形ＦＦＴフィルタは、具体的にはconj(fft_h)/abs(fft_h)2で求めることができる。ここで、conj(fft_h)はfft_hの共役複素数、abs(fft_h)はfft_hの絶対値を表す。図７Ｅに、光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを示す。図７Ｄに示す光パルス微分波形ＦＦＴの逆数を求めることで、図７Ｅに示すような光パルス微分波形ＦＦＴフィルタを得ることができる。
【００５７】
上記のようにして求めた光パルス微分ＦＦＴフィルタと、再構成後の光音響信号ＦＦＴとをフィルタ適用手段４４によって要素ごとに乗算し、光音響信号ＦＦＴから光パルス微分波形をデコンボリューションする。図７Ｆに、デコンボリューション後のＦＦＴ波形を示す。図７Ｂに示す光音響信号ＦＦＴと図７Ｅに示す光パルス微分波形ＦＦＴフィルタとの乗算を行うことで、図７Ｆに示すＦＦＴ波形が得られる。
【００５８】
そして、光パルス微分波形をデコンボリューションしたＦＦＴ波形を、フーリエ逆変換手段４５において逆ＦＦＴによりフーリエ逆変換し、周波数領域の信号を時間領域の信号に戻す。図７Ｇは、逆変換された光音響信号を示す。図７Ｆに示すＦＦＴ波形（周波数領域の信号）を逆ＦＦＴすることで、図７Ｇに示すデコンボリューション後の光音響信号（時間領域の信号）が得られる。このデコンボリューション後の光音響信号は、光吸収分布に光パルス微分波形（図７Ｃ）がコンボリューションされた再構成後の光音響信号（図７Ａ）から、光パルス微分波形をデコンボリューションした吸収分布に相当する。
【００５９】
図８Ａに、再構成後の光音響信号（図７Ａ）に基づいて生成した光音響画像を示し、図８Ｂに、デコンボリューション後の光音響信号（図７Ｇ）に基づいて生成した光音響画像を示す。図８Ａに示す、再構成後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像は、実質的に圧力分布を画像化したものであり、１本の血管が二重に表示されるなど、画像判定上、血管の位置が確認しづらい。これに対し、図８Ｂに示すデコンボリューション後の光音響信号に基づいて生成した光音響画像は、光パルス微分波形をデコンボリューションしていることで吸収体の分布を画像化できており、血管の位置を確認しやすくなっている。
【００６０】
本実施形態においては、光音響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。例えば光音響信号は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でサンプリングされた光音響信号を、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。
【００６１】
図９は、本実施形態における光音響画像生成方法における動作手順を示す。
【００６２】
トリガ制御回路２９は、レーザユニット１３に対して光トリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、光トリガ信号を受けてフラッシュランプ５２を点灯する。トリガ制御回路２９は、所定のタイミングでＱｓｗトリガ信号を出力する。レーザユニット１３は、Ｑｓｗトリガ信号が入力されると、Ｑｓｗ５５をＯＮにし、パルスレーザ光を出射する。出射したパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される（ステップＳ１）。
【００６３】
プローブ１１は、レーザ光の照射後、レーザ光の照射により被検体内で発生した光音響信号を検出する（ステップＳ２）。超音波ユニット１２の受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。トリガ制御回路２９は、被検体に対する光照射のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送る。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号を受けて光音響信号のサンプリングを開始し、光音響信号のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する。
【００６４】
光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号のサンプリングデータを読み出し、読み出した光音響信号のサンプリングデータに基づいて、光音響信号を再構成する（ステップＳ３）。光微分波形逆畳込み手段２５は、再構成された光音響信号から、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（ステップＳ４）。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信号が得られる。
【００６５】
補正手段２６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされた信号を、検出素子受信角度依存性や被検体における光の入射分布で補正する。検波・対数変換手段２７は、補正手段２６で補正された光音響信号の包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、光音響画像を生成する（ステップＳ５）。この光音響信号は、吸収分布を画像化した吸収分布画像である。上記のステップ３から５までの信号処理を低周波側の光音響信号と高周波側の光音響信号とに対して実施した後、これらの光音響画像が画像合成手段３８で合成される。画像表示手段１４は、表示画面上に、吸収分布画像である合成された光音響画像を表示する（ステップＳ６）。
【００６６】
本実施形態では、ひとまず、光音響画像再構成手段２４にて、通常の再構成法により発光時刻(ｔ＝０)の圧力分布として光音響信号（光音響画像）を再構成する。つぎに、実際は、光の発光時間は有限の長さであることから、再構成時にｔ＝０としていた時刻を、有限の時間と考え、光微分波形逆畳込み手段２５にて、再構成後の光音響画像から光パルス微分波形をデコンボリューションする。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで、吸収分布を得ることができ、吸収分布画像を生成することができる。このような手法を採用することで、実用的な光パルス幅と実用的な超音波システム、或いは実際の生体を観測した場合でも、吸収分布を画像化することができる。これは、現状システムの検出器の帯域やＡＤサンプリングを使用できる利点がある。また、本実施形態においては光音響画像の再構成で圧力分布を一度出しているため、既存の超音波アルゴリズム、装置との親和性が高い。
【００６７】
以上のように、本発明に係る光音響画像生成装置および光音響画像生成方法は、特に、パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、検出された光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とするものである。したがって、被検体の表面近傍部の光音響画像については、パルス幅の短いパルス光によって高分解能で取得することができ、被検体の深部の光音響画像については、パルス幅の長いパルス光によって取得することができる。この結果、光音響イメージングにおいて、被検体内における深部の画像も取得することが可能となる。
【００６８】
「光音響画像生成装置の第２の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態を詳細に説明する。図１０は、本発明の光音響画像生成装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図１１は、第２の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。本実施形態は、レーザユニット１３が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点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【００６９】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【００７０】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３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ものである。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。
【００７１】
上記のようなレーザユニット１３は、例えば下記のようにして構成することができる。レーザユニット１３は、図１１に示されるように、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、集光レンズ５５、波長選択手段５６、駆動手段５７、駆動状態検出手段５８、及び制御部５９を有する。
【００７２】
ミラー５３、５４から構成される光共振器内には、集光レンズ５５と波長選択手段５６とが配置される。波長選択手段５６は、光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５５は、レーザロッド５１と波長選択手段５６との間に配置され、レーザロッド５１側から入射した光を収束して波長選択手段５６側に出射する。つまり、集光レンズ５５は、光共振器内を波長選択手段５６に向けて進行する光のビーム径を縮小させる。
【００７３】
波長選択手段５６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５６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る。
【００７４】
上記構成の波長選択手段５６は、回転に伴って、複数のバンドパスフィルタの何れかを光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５６は、光共振器の光路上に、不透過領域→第１のバンドパスフィルタ→不透過領域→第２のバンドパスフィルタを順次に挿入する。光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、光発振器の発振波長を７５０ｎｍとすることができ、光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、光発振器の発振波長を８００ｎｍとすることができる。
【００７５】
波長選択手段５６は、回転駆動に伴って、光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又は第２のバンドパスフィルタが光共振器の光路上に挿入されるとき、光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、光共振器の挿入損失は損失大（低Ｑ）となる。波長選択手段５６はＱｓｗを兼ねており、回転駆動に伴って、波長選択手段５６が光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。
【００７６】
駆動手段５７は、波長選択手段５６を、光共振器がＱｓｗパルス発振するように駆動する。つまり、駆動手段５７は、波長選択手段５６が光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５６を駆動する。例えば波長選択手段５６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５７は、光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５６の駆動に伴う、光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。光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又は第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、光共振器をＱｓｗパルス発振させることができる。
【００７７】
駆動状態検出手段５８は、波長選択手段５６の駆動状態を検出する。駆動状態検出手段５８は、例えばフィルタ回転体である波長選択手段５６の回転変位を検出する。駆動状態検出手段５８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５９に出力する。
【００７８】
制御部５９は、回転制御部６０と発光制御部６１とを含む。回転制御部６０は、波長選択手段５６が所定の回転速度で回転するように駆動手段５８を制御する。波長選択手段５６の回転速度は、例えばレーザユニット１３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５９は、駆動状態検出手段５８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５７を制御する。回転制御部５９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５７を制御する。
【００７９】
発光制御部６１は、フラッシュランプ５２を制御する。発光制御部６１は、フラッシュランプ（ＦＬ）制御信号をフラッシュランプ５２に出力し、フラッシュランプ５２からレーザロッド５１に励起光を照射させる。発光制御部６１は、波長選択手段５６が光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５２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６１は、駆動状態検出手段５８が検出した回転位置が、波長選択手段５６が光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５２にＦＬ制御信号を送り、励起光を照射させる。
【００８０】
例えば発光制御部６１は、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光共振器の光路上に挿入される波長選択手段５６の駆動位置から、レーザロッド５１の励起に要する時間の間に波長選択手段５６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５２からレーザロッド５１に励起光を照射させる。発光制御部６１は、ＦＬ制御信号の出力後、駆動状態検出手段５８が検出した回転位置が、波長選択手段５６が光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に出力する。
【００８１】
図１０に戻り、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、レーザユニット１３に対して、波長選択手段５６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、レーザユニット１３に、フラッシュランプ５２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、例えばレーザユニット１３の回転制御部６０からフィルタ回転体の現在の回転変位位置を受け取っており、受け取った回転変位位置に基づくタイミングでＦＬスタンバイ信号を出力する。
【００８２】
トリガ制御回路２９は、レーザユニット１３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と基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。
【００８３】
図１２は、波長選択手段５６の構成例を示す。波長選択手段５６は、例えば図１２に示すような、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７０として構成される。フィルタ回転体７０は、波長７５０ｎｍの光を選択的に透過させる第１の透過領域７１と、波長８００ｎｍの光を選択的に透過させる第２の透過領域７２と、光を透過しない不透過領域７３、７４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。
【００８４】
第１の透過領域７１及び第２の透過領域７２は、例えばそれぞれ中心角θ１およびθ２の扇型に形成される。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５５で集光された光は、図１２に示されるように、フィルタ回転体７０の周縁部に照射される。フィルタ回転体７０を時計回りに回転させると、光共振器の光路上に、第１の透過領域７１、不透過領域７３、第２の透過領域７２、及び不透過領域７４をこの順に挿入できる。上記のように、第１の透過領域７１と第２の透過領域７２とで、各領域を透過する光の波長を変える、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、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。
【００８５】
図１３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）７１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。
【００８６】
ここで、フィルタ回転体７０の回転周波数が１００Ｈｚ（回転速度６０００ｒｐｍ）であるとする。その場合、１回転あたり２つの透過領域を通過することから、レーザユニット１３が出射するパルスレーザ光の個数は１秒あたり２００個となる（２００Ｈｚ動作）。例えば、フィルタ回転体７０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。
【００８７】
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又は第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。
【００８８】
図１４は、レーザユニット１３の一部を示している。波長選択手段５６は、例えば図１２に示すような、２つのバンドパスフィルタ（透過する光の波長が異なる２つの透過領域）を含むフィルタ回転体７０として構成される。フィルタ回転体７０上でのビーム径は小さい方がよい。そこで、本実施形態では集光レンズ５５を用いてビームを収束させている。フィルタ回転体７０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７０は、光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。このように光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。
【００８９】
駆動手段５７は例えばサーボモータであり、波長選択手段５６（フィルタ回転体７０）を回転軸に沿って回転させる。フィルタ回転体７０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５８は、例えばロータリーエンコーダーで構成される。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７０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６１に同期信号として送る。発光制御部６１は、高精度に回転しているフィルタ回転体７０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。
【００９０】
図１５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７０（波長選択手段５６）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５１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６１は、フィルタ回転体７０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５２を発光させる（図１５の（ａ））。フラッシュランプ５２が発光することで、レーザロッド５１が励起される。
【００９１】
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７０が不透過領域から透過領域（第１の透過領域７１又は第２の透過領域７２）へと切り替わっていく（図１５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。光共振器の光路上に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１５の（ｃ））。一方、光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７０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。
【００９２】
図１６は、パルスレーザ光出射を示す。図１２に示すような、不透過領域７３、７４の間に第１の透過領域７１と第２の透過領域７２とが設けられているフィルタ回転体７０を用いた場合、図１６に示すように、パルス幅の広い波長７５０ｎｍのパルスレーザとパルス幅の狭い波長８００ｎｍのパルスレーザ光とをパルスごとに切り替えることが可能となる。フィルタ回転体の回転周波数を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。
【００９３】
光音響画像生成装置１０の動作手順について説明する。トリガ制御回路２９は、被検体に対するパルスレーザ光照射に先立って、所定の回転速度でレーザユニット１３内の波長選択手段５６を回転させる旨のＢＰＦ制御信号をレーザユニット１３に出力する。
【００９４】
トリガ制御回路２９は、光音響信号の受信準備が整うと、１つ目の波長（例えば７５０ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるべく、所定のタイミングでレーザユニット１３にＦＬスタンバイ信号を出力する。レーザユニット１３の発光制御部６１は、ＦＬスタンバイ信号を受け取った後、フラッシュランプ５２にＦＬ制御信号を送り、フラッシュランプ５２を点灯させる。発光制御部６１は、ＢＰＦ状態信号に基づいて、例えば波長選択手段５６の回転変位位置が不透過領域７４から波長７５０ｎｍの光を透過させる第１の透過領域７１へと切り替わるタイミングから逆算されたタイミングで、ＦＬ制御信号を出力する。フラッシュランプ５２が点灯することで、レーザロッド５１の励起が開始される。
【００９５】
フラッシュランプの点灯後、波長選択手段５６が回転を続け、光共振器の光路上に挿入される部分が不透過領域７４から第１の透過領域７１へと切り替わると、光共振器内の挿入損失が損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化し、Ｑｓｗパルス発振が起こる。このとき第１の透過領域７１は波長７５０ｎｍの光を選択的に透過させるため、レーザユニット１３は、波長７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射する。発光制御部６１は、Ｑｓｗがオンになるタイミング、言い換えるとパルスレーザ光が出射するタイミングを示すＱｓｗ同期信号を超音波ユニット１２に出力する。
【００９６】
レーザユニット１３から出射した波長７５０ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。そして、プローブ１１の低周波検出素子６５によって、パルス幅の長い波長７５０ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出される。プローブ１１で検出された光音響信号は、受信回路２１にて受信される。
【００９７】
そして、次の波長８００ｎｍのパルスレーザ光を出射させるために、トリガ制御回路２９からレーザユニット１３にＦＬスタンバイ信号が出力される。発光制御部６１は、フラッシュランプ５２にＦＬ制御信号を送り、フラッシュランプ５２を点灯させる。フラッシュランプの点灯後、光共振器の光路上に挿入される部分が、不透過領域７３から波長８００ｎｍに対応した第２の透過領域７２へと切り替わり、Ｑｓｗパルス発振が起こる。これにより、波長８００ｎｍのパルスレーザ光が出射する。発光制御部６１は、Ｑｓｗ同期信号を超音波ユニット１２に出力する。
【００９８】
レーザユニット１３から出射した波長８００ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。そして、プローブ１１の広帯域検出素子６６によって、パルス幅の短い波長８００ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出される。
【００９９】
画像合成手段３８は、例えば２つの光音響画像構築手段２８でそれぞれ構築された２つの光音響画像の合成画像を生成する。そして本実施形態では、取得した各波長の光音響信号の強度比に基づいて、動脈を表す領域と静脈を表す領域が色分けされる。これにより、動脈および静脈の識別が可能となる。さらに、画像合成手段３８は、合成されて得られた画像に必要な処理（例えばスケールの補正等）を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【０１００】
「光音響画像生成装置の第３の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第３の実施形態を詳細に説明する。図１７は、本発明の光音響画像生成装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。図１８は、第３の実施形態の光音響画像生成装置におけるレーザユニットの構成を示すブロック図である。本実施形態は、パルス幅および波長が互いに異なるパルスレーザ光を出射する複数の光源からレーザユニット１３が構成される点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１０１】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１０２】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３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同時に出射するものである。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。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。
【０１０３】
上記のようなレーザユニット１３は、例えば下記のようにして構成することができる。レーザユニット１３は、図１８に示されるように、パルス幅が４．２ｎｓｅｃかつ波長が８００ｎｍのパルスレーザ光を出射する光源１３ａおよびパルス幅が４５ｎｓｅｃかつ波長が７５０ｎｍのパルスレーザ光を出射する光源１３ｂから構成される。光源１３ａおよび１３ｂのそれぞれの構成は、第１の実施形態と同様である。光源１３ａおよび１３ｂはそれぞれ、トリガ制御回路２９からの光トリガ信号を受信して、フラッシュランプ５２ａおよび５２ｂを点灯させる。そしてフラッシュランプ５２ａおよび５２ｂの点灯後、Ｑｓｗトリガ信号が入力されると、光源１３ａおよび１３ｂはそれぞれＱｓｗ５５ａおよび５５ｂをＯＮにし、パルスレーザ光をそれぞれ出射する。
【０１０４】
＜プローブ（超音波探触子）＞
プローブ１１は、レーザユニット１３から出射された２つのパルスレーザ光が被検体に照射された後に、それぞれのパルスレーザ光に起因して生じた２つの光音響信号を同時に検出する。このようなプローブ１１は、例えば、広い周波数帯域（例えば１〜４０ＭＨｚ程度）に感度を有する広帯域検出素子と、広帯域検出素子によって検出した光音響信号から低周波数成分（例えば２０ＭＨｚ以下の成分）を除去するハイパスフィルタと、比較的低周波側の狭い範囲（例えば５〜１２ＭＨｚ）に検出帯域を有する低周波検出素子とから構成される。つまり、本実施形態におけるプローブ１１は、図３に示されるようなプローブから切替制御部６８が除かれたような構成を有する。このような構成にすることにより、パルス幅が４５ｎｓｅｃのような長パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は上記低周波検出素子によって感度良く検出可能であり、パルス幅が４．２ｎｓｅｃのような短パルスレーザ光に起因して発生した光音響信号は広帯域検出素子によって効率よく広い周波数帯域で検出可能となる。なお、本実施形態においては、広帯域検出素子によって検出された光音響信号から低周波成分を除去することが必要となるから、広帯域検出素子を使用する場合にはハイパスフィルタは必須となる。ただし、第１の実施形態と同様に、低周波検出素子の検出帯域と重複せずかつ高周波側にある検出帯域を有する高周波検出素子を使用する場合にはハイパスフィルタは不要となる。
【０１０５】
光源１３ａおよび１３ｂからそれぞれ出射した波長８００ｎｍおよび７５０ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。そして、プローブ１１の広帯域検出素子によってパルス幅の短い波長８００ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出され、低周波検出素子によってパルス幅の長い波長８００ｎｍのパルスレーザ光に起因して発生した光音響信号が検出される。このように本実施形態では、複数のパルスレーザ光の照射のそれぞれに起因して発生した光音響波を同時に検出することができるため、画像構築速度を向上させることが可能である。
【０１０６】
画像合成手段３８は、例えば２つの光音響画像構築手段２８でそれぞれ構築された２つの光音響画像の合成画像を生成する。そして本実施形態では、取得した各波長の光音響信号の強度比に基づいて、動脈を表す領域と静脈を表す領域が色分けされる。これにより、動脈および静脈の識別が可能となる。さらに、画像合成手段３８は、合成されて得られた画像に必要な処理（例えばスケールの補正等）を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【０１０７】
「光音響画像生成装置の第４の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第４の実施形態を詳細に説明する。第１の実施形態では、光音響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が一致しており、双方の信号を同じデータ点数でフーリエ変換した。本実施形態では、光音響信号を低速サンプリングする一方で、光パルス微分波形を高速サンプリングする。つまり、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。例えば光音響信号のサンプリング間隔（サンプリングレートの逆数）は、被検体に照射される光のパルス時間幅よりも長く設定される。フーリエ変換に際しては、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を、光パルス微分波形のサンプリングレートと同じサンプリングレートでリサンプル（アップサンプル）した上で、フーリエ変換を行う。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１０８】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１０９】
図１９は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ａを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ａは、図６に示す第１実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、リサンプル手段４６及び４７を有する。リサンプル手段４６は、アップサンプル手段であり、低いサンプリングレートでサンプリングされた光音響信号のサンプリングデータを、光パルス微分波形のサンプリングレートと同じサンプリングレートでリサンプルする（アップサンプル）。リサンプル手段４６は、例えば、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号のサンプル点間にゼロを付加し、アップサンプル前のナイキスト周波数でカットするローパスフィルタをかけることでアップサンプルを行う。
【０１１０】
例えば、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）が４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）が４００ＭＨｚであったとする。この場合、リサンプル手段４６は、４０ＭＨｚの光音響信号を４００ＭＨｚの信号にアップサンプルする。フーリエ変換手段４１は、リサンプル手段４６でアップサンプルされた光音響信号をフーリエ変換する。光音響信号をフーリエ変換するフーリエ変換手段４１と、光パルス微分波形をフーリエ変換するフーリエ変換手段４２とは、同じデータ点数でフーリエ変換を行う。例えばフーリエ変換手段４１は光音響信号を８１９２点の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は光パルス微分波形を８１９２点の周波数領域の信号に変換する。
【０１１１】
フィルタ適用手段４４は、アップサンプルされた光音響信号をフーリエ変換した信号に対して逆フィルタを適用する。フーリエ逆変換手段４５は、逆フィルタが適用された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号（吸収分布）へと変換する。時間領域の信号に戻された吸収分布信号は、例えば４００ＭＨｚにアップサンプルされた状態の信号となっている。リサンプル手段４７は、吸収分布信号が、光音響信号の元のサンプルリングレートに、吸収信号をダウンサンプルする。リサンプル手段４７は、例えば４００ＭＨｚの吸収信号を４０ＭＨｚの吸収信号にダウンサンプルする。ダウンサンプリングは、例えばダウンサンプル後のナイキスト周波数でカットするローパスフィルタをかけた後に、サンプル点を間引くことで行う。
【０１１２】
図２０Ａに、４００ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示し、図２０Ｂに、４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングした光パルス微分波形を示す。サンプリングレート４００ＭＨｚでは、図２０Ａに示すように、光パルス微分波形を正確に再現できる。一方、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートに合わせ、４０ＭＨｚでサンプリングすると、図２０Ｂに示すように、光パルス微分波形を正確に再現できなくなる。
【０１１３】
フィルタ適用手段４４にて光音響信号をフーリエ変換した信号に逆フィルタを適用する際には、双方のデータ点数が揃っている必要がある。光音響信号のサンプリングレートに合わせて光パルス微分波形のサンプリングレートを設定すると、図２０Ｂに示したように、波形変化に対してサンプリング周波数が低すぎ、光パルス微分波形が正確に再現できない。このような光パルス微分波形から求めた逆フィルタを適用した場合、光パルス微分項を正確にデコンボリューションできずに、吸収分布を正しく求められないこともある。
【０１１４】
一方、光パルス微分波形を正確に再現するために光パルス微分波形のサンプリングレートを例えば４００ＭＨｚに設定し、光音響信号のサンプリングレートを４００ＭＨｚに合わせるとした場合は、光パルス微分項を正確にデコンボリューションでき、吸収分布を正しく求めることができる。しかしながら、その場合、ＡＤ変換手段２２には高速なＡＤ変換器が要求され、また、サンプリングデータの総数が増えることから、受信メモリ２３に要求されるメモリ容量が増大する。更に、光音響画像再構成手段２４で取り扱うデータが増えるため、再構成に要する時間も長くなる。
【０１１５】
本実施形態では、リサンプル手段４６で、事後的に光音響信号のサンプリングデータをリサンプルする。本実施形態では、検出後の光音響信号を信号処理でアップサンプルしているため、光音響の検出から再構成までは低速サンプリングしつつも、光パルス微分項を正確にデコンボリューションすることができる。本実施形態では、ＡＤ変換手段２２に高速なＡＤ変換器は不要であり、受信メモリ２３に必要なメモリ容量も増大しない。また、光音響信号の再構成に要する時間も増大せず、光音響信号の検出時に高いサンプリングレートでサンプリングする場合に比して、処理時間を短縮することができる。
【０１１６】
「光音響画像生成装置の第５の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第５の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、第４の実施形態と同様に、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。第４の実施形態では、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号をアップサンプルし、双方の信号を同じデータ点数でフーリエ変換した。本実施形態では、光パルス微分波形のフーリエ変換を、光音響信号のフーリエ変換のデータ点数よりも多いデータ点数で行い、フーリエ変換された光音響信号に対して、データ点数の差の分だけ中央（高周波成分領域）にゼロ点を付加する。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１１７】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１１８】
図２１は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｂを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｂは、図６に示す第１の実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、ゼロパディング手段４８とゼロ点除去手段４９とを有する。例えば、光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）は４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）は３２０ＭＨｚであるとする。フーリエ変換手段４１は、例えば４０ＭＨｚの光音響信号を１０２４点（第１のデータ点数）の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は、３２０ＭＨｚの光パルス微分波形を８１９２点（第２のデータ点数）の周波数領域の信号に変換する。第２のデータ点数は、第１のデータ点数に、第２のサンプリングレートと第１のサンプリングレートとの比を乗じたデータ点数と等しいか、又はそれよりも多い。
【０１１９】
ゼロパディング手段４８は、フーリエ変換手段４１から周波数領域の信号に変換された光音響信号を入力する。ゼロパディング手段４８は、フーリエ変換された光音響信号に対して、フーリエ変換後の光音響信号と光パルス微分波形のデータ点数の差の分だけ中央にゼロ点（信号値ゼロの点）を付加する。ゼロパディング手段４８は、例えば周波数領域で表されたデータ点数１０２４点の光音響信号を、ナイキスト周波数(サンプリング周波数の１／２)で２つに分割し、分割した２つの周波数領域の間にデータ点数の差の分だけゼロ点を付加し、周波数領域で表された光パルス微分波形のデータ点数と同じデータ点数８１９２点の光音響信号を生成する。ゼロ点の付加は、周波数領域におけるアップサンプリングに相当する。
【０１２０】
フィルタ適用手段４４は、ゼロパディング手段４８でゼロパディングが施された信号に対して逆フィルタを適用する。ゼロ点除去手段４９は、逆フィルタが適用された信号からゼロパディング手段４８で“０”が付加された周波数帯域を除去する。例えばゼロパディング手段４８にてデータ点数１０２４点の光音響信号（周波数領域）がデータ点数８１９２点の信号に変換されていたとき、ゼロ点除去手段４９は、フィルタ適用後の信号（データ点数８１９２点）をデータ点数１０２４点の信号に戻す。ゼロ点の除去は、周波数領域におけるダウンサンプリングに相当する。フーリエ逆変換手段４５は、データ点数１０２４点に戻された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。
【０１２１】
図２２Ａに、フーリエ変換された光音響信号を示し、図２２Ｂに、ゼロパディング後の光音響信号を示す。例えば、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングレートが４０ＭＨｚであるとき、その光音響信号をフーリエ変換した信号は、図２２Ａに示すように、０ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの周波数帯域の信号となる。この信号を、中心周波数である２０ＭＨｚを境に２つの領域Ａ、Ｂに２分割する。ゼロパディング手段４８は、図２２Ｂに示すように、２つの領域の間にゼロ点を８１９２−１０２４＝７１６８個挿入する。ゼロ点が付加された結果、領域Ｂの信号は、３００ＭＨｚから３２０ＭＨｚの周波数領域に対応した信号となる。
【０１２２】
本実施形態では、低サンプリングレートでサンプリングされた光音響信号を周波数領域の信号に変換し、変換された周波数領域の信号の高周波成分の領域のゼロ点を付加する。本実施形態と第２の実施形態との相違点は、第２の実施形態では、光音響信号をアップサンプルするのに対し、本実施形態では、光音響信号を周波数領域でアップサンプルする点である。時間領域に代え、周波数領域において、双方の信号の帯域差を埋めるようにリサンプル（アップサンプル）を行う場合も、第２の実施形態と同様に、光音響の検出から再構成までは低速サンプリングしつつも、光パルス微分項を正確にデコンボリューションすることができる。
【０１２３】
「光音響画像生成装置の第６の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第６の実施形態を詳細に説明する。本実施形態においても、第４及び第５の実施形態と同様に、光パルス微分波形のサンプリングレートを光音響信号のサンプリングレートよりも高く設定する。本実施形態では、光パルス微分波形を、光音響信号のフーリエ変換のデータ点数よりも多いデータ点数で行い、フーリエ変換された光微分波形から高周波成分サンプル点を除去し、その逆数を逆フィルタとして求める。したがって、光音響画像生成装置の構成自体は、光微分波形逆畳込み手段を除き、第１の実施形態と同様である。本実施形態の説明では、光微分波形逆畳込み手段以外の要素については、図１に示された符号を援用している。第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１２４】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１２５】
図２３は、本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｃを示す。本実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５ｃは、図６に示す第１の実施形態における光微分波形逆畳込み手段２５の構成に加えて、高周波成分サンプル点除去手段５０を有する。例えば、光音響信号のサンプリングレート（第１のサンプリングレート）は４０ＭＨｚであり、光パルス微分波形のサンプリングレート（第２のサンプリングレート）は３２０ＭＨｚであるとする。フーリエ変換手段４１は、例えば４０ＭＨｚの光音響信号を１０２４点（第１のデータ点数）の周波数領域の信号に変換し、フーリエ変換手段４２は、３２０ＭＨｚの光パルス微分波形を８１９２点（第２のデータ点数）の周波数領域の信号に変換する。第２のデータ点数は、第１のデータ点数に、第２のサンプリングレートと第１のサンプリングレートとの比を乗じたデータ点数と等しいか、又はそれよりも多い。
【０１２６】
高周波成分サンプル点除去手段５０は、フーリエ変換手段４２から周波数領域の信号に変換された光パルス微分波形を入力する。高周波成分サンプル点除去手段５０は、フーリエ変換された光パルス微分波形から、フーリエ変換後の光音響信号と光パルス微分波形のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する。高周波成分サンプル点除去手段５０は、例えば周波数領域で表されたデータ点数８１９２点の光パルス微分波形から高周波成分に相当する中央のデータ点を削除し、周波数領域で表された光音響信号のデータ点数と同じデータ点数１０２４点の光パルス微分波形を生成する。高周波成分サンプル点の除去は、周波数領域における光パルス微分波形のダウンサンプリングに相当する。
【０１２７】
図２４Ａに、フーリエ変換された光パルス微分波形を示し、図２４Ｂに、高周波成分サンプル点が除去された光パルス微分波形を示す。例えば、光パルス微分波形のサンプリングレートが３２０ＭＨｚであるとき、その光パルス微分波形をフーリエ変換した信号（データ点数８１９２点）は、図２４Ａに示すように、０ＭＨｚから３２０ＭＨｚまでの周波数帯域の信号となる。この信号を、１番目のデータ点から５１２番目までの領域（領域Ａ）、５１３番目のデータ点から７６８０番目のデータ点までの領域（領域Ｂ）、及び、７６８１番目のデータ点から８１９２番目のデータ点までの領域（領域Ｃ）の３つの領域に分け、領域Ｂのデータ点を除去する。図２４Ｂに示すように、領域Ａと領域Ｃとをつなげることで、０ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの周波数帯域に対応したデータ点数１０２４点の光パルス微分波形が得られる。
【０１２８】
逆フィルタ演算手段４３は、周波数領域で表されかつ高周波成分サンプル点が除去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。逆フィルタ演算手段４３は、例えばデータ点が８１９２点から１０２４点に削減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。フィルタ適用手段４４は、例えば周波数領域で表されたデータ点数１０２４点の光音響信号と逆フィルタとを要素ごとに乗算する。フーリエ逆変換手段４５は、逆フィルタが適用された信号を、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。
【０１２９】
ここで、第６の実施形態では、フィルタ適用手段４４は、図２２Ｂに示す高周波成分の領域にゼロ点が付加された光音響信号と、図２４Ａに示す光パルス微分波形の逆数とを乗算する。光音響信号の高周波成分領域の値は“０”であるため、光パルス微分波形の高周波成分（図２４Ａの領域Ｂ）は、逆フィルタ適用後の光音響信号に影響を与えない。従って、本実施形態のように、光パルス微分波形の周波数領域の信号から高周波成分サンプル点を除去し、高周波成分を除去した光パルス微分波形から逆フィルタを求め、求めた逆フィルタを周波数領域で表された光音響信号に適用しても、得られる結果は第５の実施形態と同じ結果となる。つまり、本実施形態においても、第５の実施形態と同様な効果が得られる。
【０１３０】
「光音響画像生成装置の第７の実施形態」
次に、本発明の光音響画像生成装置の第７の実施形態を詳細に説明する。図２５は、光音響画像生成装置の第７の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【０１３１】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および画像表示手段１４を備える。
【０１３２】
＜超音波ユニット＞
本実施形態の超音波ユニットは、図１に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、送信制御回路３３、データ分離手段３４、超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、および超音波画像構築手段３７を備える。
【０１３３】
本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波の検出（受信）を行う。超音波の送受信を行う超音波振動子としては、本発明における音響波検出手段に含まれる超音波振動子を使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな超音波振動子を使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。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で受信してもよい。
【０１３４】
トリガ制御回路２９は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３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る。送信制御回路３３は、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、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
【０１３５】
プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。トリガ制御回路２９は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ここで、反射超音波はプローブ１１と超音波反射位置との間を往復するのに対し、光音響信号はその発生位置からプローブ１１までの片道である。反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響信号の検出に比して２倍の時間がかかるため、ＡＤ変換手段２２のサンプリングクロックは、光音響信号サンプリング時の半分、例えば２０ＭＨｚとしてもよい。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリングデータを受信メモリ２３に格納する。光音響信号の検出（サンプリング）と、反射超音波の検出（サンプリング）とは、どちらを先に行ってもよい。
【０１３６】
データ分離手段３４は、受信メモリ２３に格納された光音響信号のサンプリングデータと反射超音波のサンプリングデータとを分離する。データ分離手段３４は、分離した光音響信号のサンプリングデータを光音響画像再構成手段２４に入力する。パルスレーザ光のパルス幅に応じて信号処理の経路を変えてもよいことと、光パルス微分波形のデコンボリューションを含む光音響画像（吸収分布画像）の生成は、第１の実施形態と同様である。データ分離手段３４は、分離した反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像再構成手段３５に入力する。
【０１３７】
超音波画像再構成手段３５は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリングデータ）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。各ラインのデータの生成には、光音響画像再構成手段２４における各ラインのデータの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。検波・対数変換手段３６は、超音波画像再構成手段３５が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
【０１３８】
超音波画像構築手段３７は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、及び超音波画像構築手段３７は、反射超音波に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を構成する。
【０１３９】
画像合成手段３８は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３８は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えて表示することも可能である。
【０１４０】
本実施形態では、光音響画像生成装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。光パルス微分波形をデコンボリューションすることで吸収分布を画像化できる点は、第１実施形態と同様である。また、超音波画像の生成と光音響画像の生成とで、画像再構成や検波・対数変換などのアルゴリズムの大部分を共通化でき、ＦＰＧＡ回路構成やソフトの簡略化が可能であるなどの実用上のメリットを有する。
【０１４１】
なお、上記各実施形態では、光音響信号及び光パルス微分波形を周波数領域の信号に変換し、周波数領域でデコンボリューション後に時間領域の信号に戻しているが、これには限定されない。光パルス微分波形のデコンボリューションを時間領域で行うことも可能である。また、光微分波形逆畳込み手段２５は、デコンボリューション時に、光音響信号に対して何らかのフィルタをかける処理をおこなってもよい。例えば光微分波形逆畳込み手段２５が、デコンボリューション時に、ノイズ増幅周波数帯をフィルタリングするようにしてもよい。
【０１４２】
上記各実施形態では、光音響信号から光微分波形をデコンボリューションした後に光音響画像（吸収分布画像）を生成することとしているが、これに加えて、又はこれに代えて、光微分波形をデコンボリューションせずに光音響画像（圧力分布画像）を生成してもよい。例えば、ユーザが、スイッチや表示モニタ上で操作を行うことで、デコンボリューション処理の有無を選択できるようにしておき、ユーザがデコンボリューション処理の実施を選択したときには光微分波形のデコンボリューションを行った上で光音響画像を生成し、ユーザがデコンボリューション処理の不実施を選択したときは光微分波形のデコンボリューションを行わずに光音響画像を生成してもよい。例えば、光微分波形のデコンボリューションを行ったときは、光音響信号を赤・黒の色に対応付けて表示し、デコンボリューションなしのときは、光音響信号を青・黒の色に対応付けて表示してもよい。
【０１４３】
また、デコンボリューションなしの場合の光音響画像を生成し、コンピュータがその光音響画像を解析することで、血管部分が２本に分かれているか否かを判定し、血管が２本に分かれていると判定されたときに、その血管部分のみを対象に光微分波形のデコンボリューション処理を行うようにしてもよい。その際、デコンボリューション処理を実施した血管部分の表示色を、他の未処理の血管部分の表示色とは異なる色とし、デコンボリューション処理が行われた血管と、他の未処理の血管とが容易に判別可能になるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１４４】
１０：光音響画像生成装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザユニット
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：光音響画像再構成手段
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：光微分波形逆畳込み手段
２６：補正手段
２７：検波・対数変換手段
２８：光音響画像構築手段
２９：トリガ制御回路
３０：制御手段
３３：送信制御回路
３４：データ分離手段
３５：超音波画像再構成手段
３６：検波・対数変換手段
３７：超音波画像構築手段
３８：画像合成手段
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
４６、４７：リサンプル手段
４８：ゼロパディング手段
４９：ゼロ点除去手段
５０：高周波成分サンプル点除去手段
５１：レーザロッド
５２：フラッシュランプ
５３、５４：ミラー
５５：集光レンズ
５６：波長選択手段
５７：駆動手段
５８：駆動状態検出手段
５９：制御部
６０：回転制御部
６１；発光制御部
７０：フィルタ回転体
７１、７２：透過領域
７３、７４：不透過領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射する光照射手段と、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段であって、パルス光の照射に起因して前記被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された前記複数の音響波検出手段を有するプローブと、
前記複数の音響波検出手段により検出された前記光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段とを備えることを特徴とする光音響画像生成装置。
【請求項２】
前記複数のパルス光が、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
前記複数の音響波検出手段が、高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段および該高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、前記高周波検出手段によって前記短パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出し、前記低周波検出手段によって前記長パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出するように構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響画像生成装置。
【請求項３】
同期制御手段を更に備え、
前記光照射手段が、パルス光の照射ごとにパルス幅を切り替えるように構成されたものであり、
前記プローブが、前記高周波検出手段および前記低周波検出手段を切り替えながら駆動させるように構成されたものであり、
前記同期制御手段が、前記パルス幅の切り替えと前記音響波検出手段の切り替えとが同期するように、前記光照射手段および／または前記プローブにトリガ信号を出力するものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
【請求項４】
前記光照射手段が、前記複数のパルス光を同時に照射するように構成されたものであり、
前記複数の音響波検出手段が、それぞれの前記検出帯域が互いに重複しないように構成されたものであり、
前記プローブが、前記高周波検出手段および前記低周波検出手段を同時に駆動させるように構成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
【請求項５】
前記高周波検出手段が、広帯域検出素子と、前記低周波検出手段の検出帯域以下の周波数帯域の信号を除去するハイパスフィルタとから構成されるものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項６】
前記高周波検出手段が、広帯域検出素子と、前記低周波検出手段の検出帯域よりも高周波側の一部の周波数帯域の信号のみを透過させるバンドパスフィルタとから構成されるものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項７】
前記低周波検出手段が、チタン酸ジルコン酸鉛から構成される低周波検出素子であり、
前記広帯域検出素子が、ポリフッ化ビニリデンから構成されるものであることを特徴とする請求項５または６に記載の光音響画像生成装置。
【請求項８】
前記複数のパルス光のそれぞれの波長が互いに異なることを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項９】
前記光音響画像生成手段が、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該パルス光に基づく前記光音響信号からデコンボリューションする光微分波形逆畳込み手段を有し、該光微分波形逆畳込み手段によってデコンボリューションされた信号に基づいて前記光音響画像を生成するものであることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１０】
前記光微分波形逆畳込み手段が、
前記光音響信号をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、
前記光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フーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、
フーリエ変換された前記光微分波形の逆数を逆フィルタとして求める逆フィルタ演算手段と、
フーリエ変換された前記光音響信号に前記逆フィルタを適用するフィルタ適用手段と、
前記逆フィルタが適用された前記光音響信号をフーリエ逆変換するフーリエ逆変換手段とを有するものであることを特徴とする請求項９に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１１】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、前記第１のサンプリングレートでサンプリングされた前記光音響信号を、前記第２のサンプリングレートでリサンプルするリサンプル手段を更に備え、
前記第１のフーリエ変換手段が、前記リサンプル手段でリサンプルされた前記光音響信号をフーリエ変換するものであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１２】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記第１のフーリエ変換手段が第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記第２のフーリエ変換手段が前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、フーリエ変換された前記光音響信号に対して、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行うゼロパディング手段を更に備え、
前記フィルタ適用手段が、前記ゼロパディング手段でゼロパディングが行われた前記光音響信号に対して前記逆フィルタを適用するものであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１３】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記第１のフーリエ変換手段が第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記第２のフーリエ変換手段が前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、フーリエ変換された前記光微分波形から、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する高周波成分サンプル点除去手段を更に備え、
前記逆フィルタ演算手段が、フーリエ変換された前記光微分波形から高周波成分サンプル点を除去した波形の逆数を前記逆フィルタとして求めるものであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１４】
前記光音響画像生成手段が、デコンボリューションされた前記光音響信号から、前記光音響信号を検出する検出器の受信角度依存特性の影響を除去するように、デコンボリューションされた前記光音響信号を補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項９から１３いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１５】
前記プローブが、前記被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、
前記プローブによって検出された前記反射超音波の超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を更に備えることを特徴とする請求項１から１４いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１６】
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して前記被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、
検出された前記光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とする光音響画像生成方法。
【請求項１７】
前記複数のパルス光が、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
前記複数の音響波検出手段が、比較的高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段および該高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、
前記高周波検出手段によって前記短パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出し、前記低周波検出手段によって前記長パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出することを特徴とする請求項１６に記載の光音響画像生成方法。
【請求項１】
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射する光照射手段と、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段であって、パルス光の照射に起因して前記被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出するように構成された前記複数の音響波検出手段を有するプローブと、
前記複数の音響波検出手段により検出された前記光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段とを備えることを特徴とする光音響画像生成装置。
【請求項２】
前記複数のパルス光が、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
前記複数の音響波検出手段が、高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段および該高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、前記高周波検出手段によって前記短パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出し、前記低周波検出手段によって前記長パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出するように構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響画像生成装置。
【請求項３】
同期制御手段を更に備え、
前記光照射手段が、パルス光の照射ごとにパルス幅を切り替えるように構成されたものであり、
前記プローブが、前記高周波検出手段および前記低周波検出手段を切り替えながら駆動させるように構成されたものであり、
前記同期制御手段が、前記パルス幅の切り替えと前記音響波検出手段の切り替えとが同期するように、前記光照射手段および／または前記プローブにトリガ信号を出力するものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
【請求項４】
前記光照射手段が、前記複数のパルス光を同時に照射するように構成されたものであり、
前記複数の音響波検出手段が、それぞれの前記検出帯域が互いに重複しないように構成されたものであり、
前記プローブが、前記高周波検出手段および前記低周波検出手段を同時に駆動させるように構成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
【請求項５】
前記高周波検出手段が、広帯域検出素子と、前記低周波検出手段の検出帯域以下の周波数帯域の信号を除去するハイパスフィルタとから構成されるものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項６】
前記高周波検出手段が、広帯域検出素子と、前記低周波検出手段の検出帯域よりも高周波側の一部の周波数帯域の信号のみを透過させるバンドパスフィルタとから構成されるものであることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項７】
前記低周波検出手段が、チタン酸ジルコン酸鉛から構成される低周波検出素子であり、
前記広帯域検出素子が、ポリフッ化ビニリデンから構成されるものであることを特徴とする請求項５または６に記載の光音響画像生成装置。
【請求項８】
前記複数のパルス光のそれぞれの波長が互いに異なることを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項９】
前記光音響画像生成手段が、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該パルス光に基づく前記光音響信号からデコンボリューションする光微分波形逆畳込み手段を有し、該光微分波形逆畳込み手段によってデコンボリューションされた信号に基づいて前記光音響画像を生成するものであることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１０】
前記光微分波形逆畳込み手段が、
前記光音響信号をフーリエ変換する第１のフーリエ変換手段と、
前記光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フーリエ変換する第２のフーリエ変換手段と、
フーリエ変換された前記光微分波形の逆数を逆フィルタとして求める逆フィルタ演算手段と、
フーリエ変換された前記光音響信号に前記逆フィルタを適用するフィルタ適用手段と、
前記逆フィルタが適用された前記光音響信号をフーリエ逆変換するフーリエ逆変換手段とを有するものであることを特徴とする請求項９に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１１】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、前記第１のサンプリングレートでサンプリングされた前記光音響信号を、前記第２のサンプリングレートでリサンプルするリサンプル手段を更に備え、
前記第１のフーリエ変換手段が、前記リサンプル手段でリサンプルされた前記光音響信号をフーリエ変換するものであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１２】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記第１のフーリエ変換手段が第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記第２のフーリエ変換手段が前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、フーリエ変換された前記光音響信号に対して、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数との差の分だけ中央に０を付加するゼロパディングを行うゼロパディング手段を更に備え、
前記フィルタ適用手段が、前記ゼロパディング手段でゼロパディングが行われた前記光音響信号に対して前記逆フィルタを適用するものであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１３】
前記光音響信号が第１のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記光微分波形が前記第１のサンプリングレートよりも高い第２のサンプリングレートでサンプリングされたものであり、
前記第１のフーリエ変換手段が第１のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記第２のフーリエ変換手段が前記第１のデータ点数よりも多い第２のデータ点数でフーリエ変換を行うものであり、
前記光微分波形逆畳込み手段が、フーリエ変換された前記光微分波形から、前記第１のデータ点数と前記第２のデータ点数の差の分だけ高周波成分サンプル点を除去する高周波成分サンプル点除去手段を更に備え、
前記逆フィルタ演算手段が、フーリエ変換された前記光微分波形から高周波成分サンプル点を除去した波形の逆数を前記逆フィルタとして求めるものであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響画像生成装置。
【請求項１４】
前記光音響画像生成手段が、デコンボリューションされた前記光音響信号から、前記光音響信号を検出する検出器の受信角度依存特性の影響を除去するように、デコンボリューションされた前記光音響信号を補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項９から１３いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１５】
前記プローブが、前記被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、
前記プローブによって検出された前記反射超音波の超音波信号に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を更に備えることを特徴とする請求項１から１４いずれかに記載の光音響画像生成装置。
【請求項１６】
パルス幅が互いに異なる複数のパルス光を被検体に照射し、
検出帯域が互いに異なる複数の音響波検出手段によって、パルス光の照射に起因して前記被検体内で発生した光音響波を周波数帯域ごとに分離して検出し、
検出された前記光音響波の周波数帯域ごとの光音響信号に基づいて光音響画像を生成することを特徴とする光音響画像生成方法。
【請求項１７】
前記複数のパルス光が、パルス幅が１〜１０ｎｓｅｃである短パルス光およびパルス幅が１５〜１００ｎｓｅｃである長パルス光であり、
前記複数の音響波検出手段が、比較的高周波側に検出帯域を有する高周波検出手段および該高周波検出手段の検出帯域よりも低周波側に検出帯域を有する低周波検出手段であり、
前記高周波検出手段によって前記短パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出し、前記低周波検出手段によって前記長パルス光の照射に起因して発生した前記光音響波を検出することを特徴とする請求項１６に記載の光音響画像生成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５】
【図４】
【図５】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５】
【図４】
【図５】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【公開番号】特開２０１３−１０６８２２（Ｐ２０１３−１０６８２２Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５４６５７（Ｐ２０１１−２５４６５７）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【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２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]