JP6049208B2 - 光音響信号処理装置、システム、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光音響信号処理装置、システム、及び方法に関し、更に詳しくは、被検体への光出射後に被検体内で生じた光音響波を検出し光音響画像を生成する光音響信号処理システム、システム、及び方法に関する。

生体内部の状態を非侵襲で検査できる画像検査法の一種として、超音波検査法が知られている。超音波検査では、超音波の送信及び受信が可能な超音波探触子を用いる。超音波探触子から被検体（生体）に超音波を送信させると、その超音波は生体内部を進んでいき、組織界面で反射する。超音波探触子でその反射超音波を受信し、反射超音波が超音波探触子に戻ってくるまでの時間に基づいて距離を計算することで、内部の様子を画像化することができる。

また、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響イメージングが知られている。一般に光音響イメージングでは、レーザパルスなどのパルスレーザ光を生体内に照射する。生体内部では、生体組織がパルスレーザ光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーによる断熱膨張により超音波（光音響波）が発生する。この光音響波を超音波プローブなどで検出し、検出信号に基づいて光音響画像を構成することで、光音響波に基づく生体内の可視化が可能である。

ここで、特許文献１には、被検体に穿刺した穿刺針を超音波診断装置で画像化することが記載されている。穿刺針は、一般的にステンレスなどの金属で作られており、穿刺針で反射した反射超音波の強度は、被検体内の生体組織で反射した反射超音波の強度よりも強く、超音波画像上で穿刺針の存在を確認可能である。穿刺針の観察では、特に針の先端がどこに位置するかを把握することが重要である。特許文献１では、針の先端部分に、超音波の反射を強めるための特殊処理を施し、穿刺針の先端部分で反射する反射超音波の強度を穿刺針の他の部分で反射する反射超音波の強度よりも強めている。

また、特許文献２には、光音響効果を利用して針から光音響波を発生させることが記載されている。特許文献２では、パルスレーザ光を針に直接に照射し、光音響波を発生させる。針はウェーブガイドとして機能し、発生した光音響波はシャフト及び先端から伝搬する。針から発せられた光音響波はプローブにより検出される。

特開２００５−３４２１２８号公報（段落００１６） 特表２０１３−５１１３５５号公報（段落００９６、図７）

ところで、超音波イメージングにおいて、プローブから送信された超音波（超音波ビーム）は、その特性から近い距離では直進するが、遠距離では球面状に広がる。超音波イメージングでは、超音波ビームの広がりを防いで総合的な感度を向上させるために、超音波ビームを収束させるフォーカシングが行われる。フォーカシングには、例えば超音波ビームを屈折させることにより超音波ビームを絞る音響レンズが用いられる。送信された超音波に対する反射超音波は、絞られた超音波ビームの範囲において発生するため、超音波画像は、絞られた超音波ビームのフォーカス面の生体情報を画像化したものとなる。

一方、光音響イメージングでは、光が照射された範囲にある光吸収体において光音響波が発生する。光音響イメージングでは、超音波イメージングの場合とは異なり、検出される光音響波の発生元となった光吸収体の位置は、絞られた超音波ビームの範囲には限定されない。絞られた超音波ビームの範囲の外側にある光吸収体が光音響波を発生し、その光音響波がプローブで検出されると、プローブの真下方向、別の言い方をすれば音響レンズなどで絞られた超音波ビームのフォーカス面に存在しない光吸収体が、光音響画像に描画されることになる。このため、光音響画像を利用して穿刺針の位置を把握しようとする場合に、光音響画像上に穿刺針の先端が描画されたとしても、その穿刺針の先端がプローブの真下方向に存在するか否かは判断がつかないという問題が生じる。この問題は、穿刺針に限らず、カテーテルやガイドワイヤなど、被検体に挿入する他の挿入物の位置を、それら挿入物において発生させた光音響波を利用して把握しようとする場合にも生じる。

本発明は、上記に鑑み、被検体に挿入された挿入物の位置を光音響画像を用いて把握する際に、光音響画像上に描画された挿入物がプローブの真下方向に存在するか否かを判別可能に表示する光音響信号処理装置、システム、及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被検体に挿入される挿入物であって、光源からの光を導光する導光部材とその導光部材から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられた光音響波を検出する光音響波検出手段と、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、音響波検出手段の姿勢を変化させて複数の姿勢で光音響波の検出を行うピーク検索モードと、光音響画像の表示を行うノーマルモードとを設定するモード設定手段と、ピーク探索モード時に、複数の姿勢で検出された光音響波の検出信号に基づく複数の光音響画像に基づいて、それら複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定するピーク特定手段と、ノーマルモード時に、光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢が、ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断する姿勢判断手段と、表示画面上に光音響画像を表示させ、かつ、姿勢判断手段にて一致すると判断されたときに、その旨を表示画面上に表示させる表示制御手段とを備えた光音響信号処理装置を提供する。

本発明の光音響信号処理装置は、音響波検出手段の基準方向に対する角度を検出する姿勢検出手段を更に備えた構成とすることができ、ピーク特定手段は、特定した光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の角度を記憶し、姿勢判断手段は、記憶された角度と、光音響画像の生成元の光音響波の検出時に姿勢検出手段で検出された音響波検出手段の角度とを比較することで、光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢が、ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断してもよい。

表示制御手段は、光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の基準方向に対する角度が、記憶された角度よりも大きいときは挿入物が第１の方向にずれている旨を表示画面上に表示させ、小さいときは挿入物が第１の方向とは反対側の第２の方向にずれている旨を表示画面上に表示させてもよい。

姿勢判断手段は、光音響画像生成手段で生成された光音響画像の画素値と、ピーク特定手段で特定された光音響画像の画素値とを比較し、光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢が、ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断してもよい。

ピーク特定手段は、複数の光音響画像のそれぞれについて画素値の最大値を求め、求めた画素値の最大値同士を比較し、最も画素値が大きい画素を有する光音響画像を、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定してもよい。

上記に代えて、ピーク特定手段は、複数の光音響画像のそれぞれについて複数の画素の画素値の合計を求め、求めた画素値の合計が最も大きい光音響画像を、光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定してもよい。その際、ピーク特定手段は、各光音響画像内に設定された関心領域内の画素の画素値の合計を求めてもよい。

ピーク特定手段は、複数の光音響画像の生成元の光音響波の検出時に姿勢検出手段が検出した角度と、複数の光音響画像のそれぞれにおける画素値の最大値又は画素値の合計値との関係に基づいて、画素値又は画素値の合計が最大となる角度を推定し、その推定した角度で光音響波の検出が行われたときに生成される光音響画像を、検出された光音響波の検出信号が最大となる光音響画像として特定し、推定した角度を、検出された光音響波の検出信号が最も強くなる音響波検出手段の角度として記憶してもよい。

音響波検出手段は、一次元的に配列された複数の検出器素子を含んでおり、ピーク検索モードでは、検出器素子が配列された方向と直交する方向の傾きを変化させることとしてもよい。

本発明は、また、光源と、被検体に挿入される挿入物であって、光源からの光を導光する導光部材とその導光部材から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物と、挿入物から発せられた光音響波を検出する光音響波検出手段と、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、音響波検出手段の姿勢を変化させて複数の姿勢で光音響波の検出を行うピーク検索モードと、光音響画像の表示を行うノーマルモードとを設定するモード設定手段と、ピーク探索モード時に、複数の姿勢で検出された光音響波の検出信号に基づく複数の光音響画像に基づいて、それら複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定するピーク特定手段と、ノーマルモード時に、光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢が、ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断する姿勢判断手段と、表示画面上に光音響画像を表示させ、かつ、姿勢判断手段にて一致すると判断されたときに、その旨を表示させる表示制御手段とを備えた光音響信号処理システムを提供することを目的とする。

本発明は、更に、被検体に挿入される挿入物であって、光源からの光を導光する導光部材とその導光部材から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられた光音響波を、音響波検出手段の姿勢を変化させつつ検出するステップと、変化させられた複数の姿勢で検出された光音響波の検出信号に基づいて複数の光音響画像を生成するステップと、複数の光音響画像に基づいて、それら複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定するステップと、挿入物から発せられた光音響波を検出するステップと、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成するステップと、光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢が、特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断するステップと、表示画面上に光音響画像を表示させ、かつ、判断するステップで一致すると判断されたときに、その旨を表示画面上に表示させるステップとを有する光音響信号処理方法を提供する。

本発明の光音響信号処理装置、システム、及び方法では、被検体に挿入された挿入物の位置を光音響画像を用いて把握する際に、光音響画像上に描画された挿入物がプローブの真下方向に存在するか否かを判別することができる。

本発明の第１実施形態に係る光音響画像生成システムを示すブロック図。 （ａ）は穿刺針全体の外観を示し、（ｂ）は穿刺針本体の外観を示し、（ｃ）は内針の外観を示す図。 穿刺針の先端付近を示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、プローブの姿勢を変化させたときの光音響波の検出を示す図。 音源がプローブの真下方向に存在するときの画像表示例。 音源が第１の方向側にずれているときの画像表示例。 音源が第２の方向側にずれているときの画像表示例。 ピーク探索モードの動作手順を示すフローチャート。 ノーマルモード時の動作手順を示すフローチャート。 （ａ）は、穿刺針の先端が真下方向に存在するときの表示例を示し、（ｂ）は、穿刺針の先端が真下方向に存在しないときの表示例を示す図。 （ａ）は、音源が真下方向にある状態を示し、（ｂ）は、音源が真下方向からずれている状態を示す図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光音響信号処理システムを示す。光音響信号処理システム１０は、プローブ（超音波探触子）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、及び穿刺針１５を含む。なお、本発明の実施形態では、音響波として超音波を用いるが、超音波に限定されるものでは無く、被検対象や測定条件等に応じて適切な周波数を選択してさえいれば、可聴周波数の音響波を用いても良い。

光源であるレーザユニット１３は、例えばレーザダイオード光源（半導体レーザ光源）として構成される。光源のタイプは特に限定されず、レーザユニット１３が、レーザダイオード光源を種光源とする光増幅型レーザ光源であってもよい。あるいは、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）やアレキサンドライトなどを用いた固体レーザ光源であってもよい。レーザユニット１３から出射したレーザ光は、例えば光ファイバ１６などの導光手段を用いて穿刺針１５まで導光される。

図２（ａ）は穿刺針全体の外観を示し、（ｂ）は穿刺針本体の外観を示し、（ｃ）は内針の外観を示す。穿刺針１５は、外針を構成する穿刺針本体１５１と内針１５２とを有する。穿刺針本体１５１は外針基１５４に接着され（図２（ｂ）を参照）、内針１５２は内針基１５３に接着される（図２（ｃ）を参照）。レーザユニット１３（図１を参照）と穿刺針１５とを接続する光ファイバ１６は、先端（レーザユニット１３から見て遠端側）に光コネクタを有している。穿刺針１５の内針基１５３には、光ファイバ１６の光コネクタを接続する光コネクタが設けられている。

穿刺針本体１５１は、鋭角に形成された先端に開口を有し、内部に内腔を有する。内針１５２は、外針を構成する穿刺針本体１５１の内腔とほぼ同じ大きさの外径を有しており、中空の穿刺針本体１５１に対して抜き差し可能に構成される。内針１５２は、外針基１５４側から穿刺針本体１５１の内腔に挿入され、穿刺針本体１５１の内腔の少なくとも一部を、例えば生体の切片等が内腔に侵入するのを防ぐ程度に封止する。内針基１５３には、接続位置合わせのための突起部が設けられており、外針基１５４には、内針基１５３の突起部に係合する溝が設けられている。穿刺針本体１５１内に内針１５２をセットする際は、内針基１５３の突起と外針基１５４の溝との位置を合わせた上で、内針基１５３を外針基１５４に嵌合させる。

術者は、穿刺針本体１５１内に内針１５２がセットされた状態（図２（ａ）を参照）で、穿刺針１５を被検体へ穿刺する。穿刺針本体１５１の内腔が内針１５２により塞がれるため、針を穿刺している途中に肉片などを巻き込むことを防止でき、術者の刺す感覚が妨げられることを防止できる。また、穿刺部位から穿刺針本体１５１の内腔への水分の流入も防止できる。術者は、被検体への穿刺後、内針基１５３と外針基１５４との接続を解除し、穿刺針本体１５１から内針１５２を抜去する。内針１５２の抜去後、外針基１５４にシリンジなどを装着し、例えば麻酔薬などの薬剤の注入を行う。あるいは、被検体の穿刺針１５が穿刺された箇所から生検試料を採取する。

図３は、穿刺針１５の先端付近の断面を示す。内針１５２は、導光部材１５５、光吸収部材１５７、チューブ１５８、及び透明樹脂１５９を含む。チューブ１５８は、例えばポリイミドから成る中空の管である。チューブ１５８は、ステンレスなどの金属の管であってもよい。チューブ１５８の外径は、穿刺針本体１５１の内腔の直径よりもわずかに小さい。透明樹脂１５９は、チューブ１５８の管内に配置される。透明樹脂１５９には、例えばエポキシ樹脂（接着剤）が用いられる。チューブ１５８及び透明樹脂１５９は、鋭角に形成された穿刺針先端と同様に、鋭角にカットされている。透明樹脂１５９は、チューブ１５８の少なくとも先端部分を塞げばよく、必ずしもチューブ１５８の内部の全体を塞いでいる必要はない。透明樹脂１５９には、光硬化型、熱硬化型、又は常温硬化型のものを用いることができる。

光ファイバ１６（図１を参照）により導光された光は、内針基１５３に設けられた光コネクタから内針１５２内の導光部材１５５に入射する。内針基１５３に光コネクタを設けるのに代えて、光ファイバ１６そのものを導光部材１５５として用いてもよい。導光部材１５５は、レーザユニット１３から出射される光を穿刺針の開口の近傍に導光する。導光部材１５５により導光された光は、開口の近傍に設けられた光出射部１５６から出射する。導光部材１５５は、例えば光ファイバで構成されており、その光ファイバのレーザユニット１３から見て光進行側の端面が光出射部１５６を構成する。光出射部１５６からは、例えば０．２ｍＪのレーザ光が出射する。

導光部材１５５は、透明樹脂１５９によりチューブ１５８の中に埋め込まれる。チューブ１５８の先端には、光音響波発生部である光吸収部材１５７が配置されており、光出射部１５６から出射した光は光吸収部材１５７に照射される。光吸収部材１５７が照射された光を吸収することで、穿刺針の先端において光音響波が発生する。光吸収部材１５７は穿刺針１５の先端に存在しており、穿刺針１５の先端の一点で光音響波を発生させることができる。光音響波の発生源（音源）の長さは、穿刺針全体の長さに比べて十分に短く、音源は点音源とみなすことができる。光吸収部材１５７には、例えば黒顔料を混合したエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、フッ素樹脂やシリコーンゴムなどを用いることができる。あるいは、光吸収部材１５７に、レーザ光の波長に対して光吸収性を有する金属膜又は酸化物の膜を用いてもよい。例えば光吸収部材１５７として、レーザ光の波長に対して光吸収性が高い酸化鉄や、酸化クロム、酸化マンガンなどの酸化物の膜を用いることができる。あるいは、ＴｉやＰｔなどの金属膜を光吸収部材１５７として用いてもよい。

上記の内針１５２は、以下の手順で作製できる。まず、チューブ１５８の管内に硬化前の透明樹脂１５９を注入する。次いで、導光部材１５５をチューブ１５８の内部に挿通し、光出射部１５６を構成する導光部材１５５の光出射端がチューブ１５８の先端の近傍に配置されるように位置決めする。この位置決めでは、例えば顕微鏡などを用いて導光部材１５５を観察し、光出射端がチューブ１５８の先端に配置されるように位置を調整するとよい。透明樹脂１５９は透明性を有しているため、調整の際に、導光部材１５５の光出射端の位置の確認が可能である。上記に代えて、先に導光部材１５５を挿通し、その後透明樹脂１５９を注入してもよい。

位置決め後、導光部材１５５がチューブ１５８の管内に挿通された状態で透明樹脂１５９を例えば熱硬化により硬化させる。その後、チューブ１５８及び透明樹脂１５９の先端を、穿刺針本体１５１の先端に適合した形状になるように鋭角に切断する。続いて、その切断面の少なくとも一部を覆うように、光吸収部材１５７を構成する光吸収性を有する樹脂を塗布し、その樹脂を例えば熱硬化により硬化させる。

上記では、導光部材１５５をチューブ１５８の内部に挿通して位置を調整し、透明樹脂を硬化させた後にチューブを鋭角に切断しているが、これには限定されない。先にチューブを鋭角に切断しておき、そのチューブに導光部材１５５を挿通して位置調整し、透明樹脂を硬化させてもよい。その場合、チューブに金属管を用いてもよい。

図１に戻り、プローブ１１は、音響波検出手段であり、例えば一次元的に配列された複数の超音波振動子を有している。プローブ１１は、被検体に穿刺針１５が穿刺された後に、光吸収部材１５７（図３を参照）から発生された光音響波を検出する。プローブ１１は、光音響波の検出に加えて、被検体に対する音響波（超音波）の送信、及び送信した超音波に対する反射音響波（反射超音波）の受信を行う。プローブ１１には姿勢検出手段３３が設けられる。姿勢検出手段３３には、例えば加速度センサや角速度センサ、重力加速度センサが用いられる。姿勢検出手段３３は、光音響波の検出時に、プローブ１１の基準方向に対する角度を検出する。

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、データ分離手段２４、光音響画像生成手段２５、超音波画像生成手段２６、表示制御手段２７、制御手段２８、送信制御回路２９、モード設定手段３０、ピーク特定手段３１、及び姿勢判断手段３２を有する。プローブ１１及び超音波ユニット１２は、光音響信号処理装置を構成する。

受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響波の検出信号を受信する。また、プローブ１１で検出された反射超音波の検出信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１が受信した光音響波及び反射超音波の検出信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば所定の周期のサンプリング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波及び反射超音波の検出信号をサンプリングする。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングした光音響波及び反射超音波の検出信号（サンプリングデータ）を受信メモリ２３に格納する。

データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された光音響波の検出信号のサンプリングデータと反射超音波の検出信号のサンプリングデータとを分離する。データ分離手段２４は、光音響波の検出信号のサンプリングデータを光音響画像生成手段２５に入力する。また、分離した反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像生成手段（反射音響波画像生成手段）２６に入力する。

光音響画像生成手段２５は、プローブ１１で検出された光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する。光音響画像の生成は、例えば、位相整合加算などの画像再構成や、検波、対数変換などを含む。超音波画像生成手段２６は、プローブ１１で検出された反射超音波の検出信号に基づいて超音波画像（反射音響波画像）を生成する。超音波画像の生成も、位相整合加算などの画像再構成や、検波、対数変換などを含む。

制御手段２８は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。制御手段２８は、例えばレーザユニット１３にトリガ信号を送り、レーザユニット１３からレーザ光を出射させる。また、レーザ光の照射に合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を送り、光音響波のサンプリング開始タイミングを制御する。

制御手段２８は、超音波画像を取得する場合は、送信制御回路２９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２９は、超音波送信トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。制御手段２８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。

モード設定手段３０は、超音波ユニット１２の動作モードの設定を行う。動作モードには、プローブ１１の姿勢を変化させて複数の姿勢で光音響波の検出を行うピーク探索モードと、通常の光音響画像の表示を行うノーマルモードとが含まれる。動作モードがピーク探索モードのとき、ユーザがプローブ１１の姿勢を変化させている間に、制御手段２８は、光出射と光音響波の検出とを複数回実施させる。光音響画像生成手段２５は、複数の姿勢で検出された光音響波の検出信号に基づいて複数の光音響画像を生成する。ピーク特定手段３１は、生成された複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する。ピーク特定手段３１は、特定した、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の角度を記憶する。

姿勢判断手段３２は、動作モードがノーマルモードのとき、光音響画像生成手段２５で生成された光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢が、ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断する。姿勢判断手段３２は、例えばピーク特定手段３１が記憶した角度と、光音響画像の生成元の光音響波の検出時に姿勢検出手段３３で検出されたプローブ１１の角度とを比較することで、光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢が、ピーク特定手段３１で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢に一致するか否かを判断する。両者は完全に一致している必要まではなく、差が所定の範囲内、例えば±１０％程度の範囲に入っていれば、姿勢が一致するとみなしてもよい。

表示制御手段２７は、ノーマルモード時に、光音響画像と超音波画像とを合成し、合成画像を、ディスプレイなどの画像表示手段１４に表示する。表示制御手段２７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。また、表示制御手段２７は、姿勢判断手段３２にて一致すると判断されたときに、その旨を画像表示手段に表示する。なお、本実施形態において、「ノーマルモード」は、ピーク特定手段３１による、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像の特定を実施しないモードを意味する。動作モードがピーク探索モードのときには、超音波画像の生成及び合成画像の表示を行いつつ、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像の特定を行ってもよいし、画像表示は省略してもよい。

図４（ａ）〜（ｃ）に、プローブ１１の姿勢を変化させたときの光音響波の検出を示す。ここでは、プローブ１１が同図（ｂ）の姿勢にあるときに姿勢検出手段３３が検出する角度を０°と定義する。同図（ａ）に示すプローブ１１の傾き方向の符号を正とし、同図（ｂ）に示すプローブ１１の傾き方向の符号を負とする。プローブ１１は、超音波ビームを集束させる音響レンズ１７を有しており、超音波画像の画像化断面は、絞られた超音波ビームのフォーカス面に一致する。以下では、絞られた超音波ビームのフォーカス面の方向を、プローブ１１の真下方向と定義する。

図４（ｂ）では、プローブ１１の真下方向に音源５１が存在している。一方、プローブ１１が図４（ａ）又は（ｃ）に示すように傾けられると、プローブ１１の真下方向からずれる。しかしながら、この場合でも、プローブ１１の検出器素子は、音源５１から発生られた光音響波を検出可能であり、光音響画像には音源５１が描画される。プローブ１１は、音源５１が真下方向に存在していないときでも光音響波を検出するため、光音響画像を観察するだけでは、音源である穿刺針１５の先端が、プローブ１１の真下方向に存在するのか、その方向から少しずれた方向に存在するのかを判別することは困難である。

ここで、プローブ１１の音響波の検出特性は角度依存性を有しており、音響波の検出面に対して斜めに入射した光音響波の検出信号は、検出面に対して垂直に入射した光音響波の検出信号よりも弱くなる。従って、音源５１がプローブ１１の真下方向に存在するとき、検出された光音響波は最も強くなる。そこで、本実施形態では、ピーク探索モードで、プローブ１１の姿勢を変化させつつ光音響波の検出を行い、複数の姿勢で複数の検出された光音響波に基づく複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する。ピーク特定手段３１が特定した光音響画像の生成元となった光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢は、プローブ１１の真下方向に音源５１が存在する姿勢に一致する。

ピーク特定手段３１は、例えば複数の光音響画像間で画素値を比較し、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する。より詳細には、ピーク特定手段３１は、まず、複数の光音響画像のそれぞれについて、画像内の画素値の最大値を求める。次いで、求めた画素値の最大値同士を比較する。ピーク特定手段３１は、複数の光音響画像のうち、最も画素値が大きい画素を有する光音響画像を、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定する。ピーク特定手段３１は、特定した光音響画像の生成元の光音響波の検出時に姿勢検出手段３３が検出した角度を、音源５１がプローブ１１の真下方向に存在するときの角度として記憶する。

ピーク特定手段３１は、上記に代えて、複数の光音響画像のそれぞれについて複数の画素の画素値の合計を求め、画素値の合計同士を比較してもよい。ピーク特定手段３１は、例えば光音響画像に含まれる全ての画素の画素値の合計を求める。ピーク特定手段３１は、画素値の合計が最も大きい光音響画像を、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定する。ピーク特定手段３１は、特定した光音響画像の生成元の光音響波の検出時に姿勢検出手段３３が検出した角度を、音源５１がプローブ１１の真下方向に存在するときの角度として記憶する。

画像全体の画素値の合計を求めるのに代えて、光音響画像内に関心領域を設定し、設定された関心領域内の画素の画素値の合計を求めてもよい。関心領域は、例えばピーク探索モードに切り替えるときに、ユーザが光音響画像上で指定する。あるいは、画像内で検出された光音響波の検出信号が最も強い位置を針先の位置として認識し、針先の位置から所定の範囲を関心領域として設定してもよい。関心領域内の画素値の合計を求める場合、アーチファクトが多いときでも、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を正確に特定できる。

ピーク特定手段３１は、複数の光音響画像の生成元の光音響波の検出時に姿勢検出手段３３が検出した角度と、複数の光音響画像のそれぞれにおける画素値の最大値又は画素値の合計値との関係に基づいて、画素値又は画素値の合計が最大となる角度を推定し、推定した角度で光音響波の検出が行われたときに生成される光音響画像を、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定してもよい。より詳細には、ピーク特定手段３１は、光音響波検出時のプローブ１１の角度と、各光音響画像の画素値の最大値又は複数の画素の画素値の合計値とをプロットし、ガウス関数による最小二乗法でフィッティングして、画素値の最大値又は画素値の合計値が最大となる角度を求める。ピーク特定手段３１は、推定した角度を、音源５１がプローブ１１の真下方向に存在するときの角度として記憶してもよい。

ノーマルモード時に、プローブ１１の姿勢と、特定された光音響画像の生成元となった光音響波検出時のプローブ１１の姿勢とを比較することで、光音響画像に描画された音源５１がプローブ１１の真下方向に存在するか否かを判断できる。表示制御手段２７は、姿勢判断手段３２がプローブ１１の姿勢が一致すると判断すると、画像表示手段１４に、プローブの真下方向に音源５１が存在する旨を表示する。

表示制御手段２７は、姿勢判断手段３２がプローブ１１の姿勢が一致しないと判断するときは、音源５１がプローブ１１の真下方向に存在しない旨を表示する。より詳細には、図４（ａ）に示すように、プローブ１１の角度が、プローブ１１の真下方向に音源が存在するときの角度よりも大きいときは、音源５１が音響レンズ１７のフォーカス面よりも第１の方向（図４（ａ）において紙面向って左側方向）側にずれている旨を表示する。逆に、図４（ｃ）に示すように、プローブ１１の角度が、プローブ１１の真下方向に音源が存在するときの角度よりも小さいときは、音源５１が音響レンズ１７のフォーカス面よりも第２の方向（図４（ｃ）において紙面向って右側方向）側にずれている旨を表示する。

図５は、音源がプローブ１１の真下方向に存在するときの画像表示例を示す。表示制御手段２７は、光音響画像と超音波画像の合成画像に、フレーム６１と音源位置６３を重ねる。音源位置６３は、画像中の光音響波の検出信号が存在する位置に対応する画素に表示され、フレーム６１は、その中心が音源位置６３と一致する位置に表示される。表示制御手段２７は、姿勢判断手段３２にてプローブ１１の姿勢が一致すると判断されたときは、フレーム６１の内側と外側にそれぞれ矩形６２を表示する。医師等のユーザは、フレーム６１の内側と外側のそれぞれに矩形６２が表示されていることを視認することで、音源である穿刺針の先端がプローブ１１の真下方向にあることを認識できる。

図６は、音源が第１の方向側にずれているときの画像表示例を示す。表示制御手段２７は、光音響画像と超音波画像の合成画像に、フレーム６１と音源位置６５を重ねる。表示制御手段２７は、姿勢判断手段３２にて、プローブ１１の角度が、プローブ１１の真下方向に音源が存在するときの角度よりも大きいと判断されたときは（図４（ａ）を参照）、フレーム６１の内側にのみ、矩形６４を表示する。矩形６４は、例えば破線で表示される。医師等のユーザは、フレーム６１の内側にのみ矩形６４が表示されていることを視認することで、音源である穿刺針の先端がプローブ１１の真下方向から第１の方向側にずれた位置にあることを認識できる。

図７は、音源が第２の方向側にずれているときの画像表示例を示す。表示制御手段２７は、光音響画像と超音波画像の合成画像に、フレーム６１と音源位置６７を重ねる。表示制御手段２７は、姿勢判断手段３２にて、プローブ１１の角度が、プローブ１１の真下方向に音源が存在するときの角度よりも小さいと判断されたときは（図４（ｃ）を参照）、フレーム６１の外側にのみ、矩形６６を表示する。矩形６６は、例えば破線で表示される。医師等のユーザは、フレーム６１の外側にのみ矩形６６が表示されていることを視認することで、音源である穿刺針の先端がプローブ１１の真下方向から第２の方向側にずれた位置にあることを認識できる。

図８は、ピーク探索モードの動作手順を示す。医師等のユーザは、穿刺針１５を被検体に穿刺する。モード設定手段３０は、動作モードをピーク探索モードに設定する。ユーザは、例えばモード切替スイッチを操作するなどにより、動作モードをピーク探索モードに設定する。あるいは、ユーザがプローブ１１を首振り動作したことを検知し、自動的に動作モードをピーク探索モードに設定してもよい。

超音波ユニット１２の制御手段２８は、レーザユニット１３にトリガ信号を送る。レーザユニット１３は、トリガ信号を受けると、レーザ発振を開始し、パルスレーザ光を出射する（ステップＡ１）。レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、導光部材１５５（図３を参照）によって穿刺針１５の先端の近傍まで導光され、光出射部１５６から出射して、少なくともその一部が穿刺針１５の先端に配置された光吸収部材１５７に照射される。

プローブ１１は、レーザ光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出する（ステップＡ２）。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１を介して光音響波の検出信号を受け取り、光音響波の検出信号をサンプリングして受信メモリ２３に格納する。データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された光音響波の検出信号を光音響画像生成手段２５に送信する。光音響画像生成手段２５は、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する（ステップＡ３）。

制御手段２８は、検出終了条件が満たされているか否かを判断する（ステップＡ４）。制御手段２８は、例えば複数の姿勢で光音響波が検出されたか否かを判断する。例えばプローブ１１の角度が±２０°の範囲で変化させられたときは検出終了条件が満たされたと判断する。あるいは、検出開始から所定の時間、例えば数秒が経過したか否かを判断する。さらには、一定の方向にプローブの傾きを変化させていったとき、傾きの変化に対して光音響波の検出信号の強度が増加から減少に転じたことを検知したときに、検出終了としてもよい。ユーザが検出終了を指示してもよい。検出条件が満たされていない場合、ユーザは、例えばプローブ１１の、検出器素子が配列された方向と直交する方向の傾きを変化させる（ステップＡ５）。その後、ステップＡ１に戻る。制御手段２８は、検出終了条件が満たされるまで、光出射、光音響波の検出、及び光音響画像の生成を行わせる。

検出終了条件が満たされると、ピーク特定手段３１は、複数の姿勢で検出された複数の光音響波に基づく複数の光音響画像のうちで、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する（ステップＡ６）。ピーク特定手段３１は、特定した光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢に関する情報を記憶する（ステップＡ７）。ピーク特定手段３１は、例えば、特定した光音響画像の生成元の光音響波の検出時に、姿勢検出手段３３が検出したプローブ１１の角度を、プローブ１１の姿勢に関する情報として記憶する。特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢に関する情報を記憶すると、ピーク探索モードは終了となる。

図９は、ノーマルモード時の動作手順を示す。モード設定手段３０は、ピーク探索モードが終了すると、動作モードをノーマルモードに設定する。超音波ユニット１２の制御手段２８は、送信制御回路２９に超音波トリガ信号を送る。送信制御回路２９は、それに応答してプローブ１１から超音波を送信させる（ステップＢ１）。プローブ１１は、超音波の送信後、反射超音波を検出する（ステップＢ２）。なお、超音波の送受信は分離した位置で行ってもよい。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。

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。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波の検出信号をサンプリングして受信メモリ２３に格納する。データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された反射超音波の検出信号を超音波画像生成手段２６に送信する。超音波画像生成手段２６は、反射超音波の検出信号に基づいて超音波画像を生成する（ステップＢ３）。

制御手段２８は、レーザユニット１３にトリガ信号を送る。レーザユニット１３は、トリガ信号を受けると、レーザ発振を開始し、パルスレーザ光を出射する（ステップＢ４）。レーザユニット１３から出射したパルスレーザ光は、導光部材１５５（図３を参照）によって穿刺針１５の先端の近傍まで導光され、光出射部１５６から出射して、少なくともその一部が穿刺針１５の先端に配置された光吸収部材１５７照射される。

プローブ１１は、レーザ光の照射により被検体内で発生した光音響波、すなわち光吸収部材１５７から発せられた光音響波を検出する（ステップＢ５）。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１を介して光音響波の検出信号を受け取り、光音響波の検出信号をサンプリングして受信メモリ２３に格納する。データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された光音響波の検出信号を光音響画像生成手段２５に送信する。光音響画像生成手段２５は、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する（ステップＢ６）。

ここで、プローブ１１から送信された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して伝播するのに対し、光音響波はその発生位置である穿刺針１５の先端近傍からプローブ１１までの片道を伝播する。従って、反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響波の検出に比して２倍の時間がかかる。このため、反射超音波サンプリング時のＡＤ変換手段２２のサンプリングクロックは、光音響波サンプリング時の半分としてもよい。

姿勢判断手段３２は、ピーク特定手段３１がピーク探索モードのステップＡ７（図８を参照）で記憶したプローブ１１の姿勢に関する情報と、光音響波検出時のプローブ１１の姿勢とを比較し（ステップＢ７）、両者が一致するか否かを判断する（ステップＢ８）。姿勢判断手段３２は、両者が一致するときには、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在する旨を示す信号を表示制御手段２７に送信する。表示制御手段２７は、超音波画像と光音響画像の合成画像を画像表示手段１４に表示し、かつ、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在する旨を画像表示手段１４に表示する（ステップＢ９）。ステップＢ９では、例えば図５に示す画像を表示する。

姿勢判断手段３２は、プローブ１１の姿勢が一致しないと判断したときは、穿刺針１５の先端が前方（第１の方向）側に存在するか否かを判断する（ステップＢ１０）。姿勢判断手段３２は、例えば姿勢検出手段３３が検出したプローブ１１の角度と、ピーク特定手段３１が記憶したプローブ１１の角度との大小関係を比較し、姿勢検出手段３３が検出したプローブ１１の角度が、ピーク特定手段３１が記憶したプローブ１１の角度よりも大きければ（差分が正）、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向よりも前方に存在すると判断する。その場合、姿勢判断手段３２は、穿刺針１５の先端が前方に存在する旨を示す信号を表示制御手段２７に送信する。表示制御手段２７は、超音波画像と光音響画像の合成画像を画像表示手段１４に表示し、かつ、穿刺針１５の先端が前方に存在する旨を画像表示手段１４に表示する（ステップＢ１１）。ステップＢ１１では、例えば図６に示す画像を表示する。

姿勢判断手段３２は、例えば姿勢検出手段３３が検出したプローブ１１の角度と、ピーク特定手段３１が記憶したプローブ１１の角度との大小関係を比較し、姿勢検出手段３３が検出したプローブ１１の角度が、ピーク特定手段３１が記憶したプローブ１１の角度よりも小さければ（差分が負）、ステップＢ１０において穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向よりも後方に存在すると判断する。その場合、姿勢判断手段３２は、穿刺針１５の先端が後方に存在する旨を示す信号を表示制御手段２７に送信する。表示制御手段２７は、超音波画像と光音響画像の合成画像を画像表示手段１４に表示し、かつ、穿刺針１５の先端が後方に存在する旨を画像表示手段１４に表示する（ステップＢ１２）。ステップＢ１２では、例えば図７に示す画像を表示する。

本実施形態では、ピーク探索モードにおいて、プローブ１１の姿勢を変化させて検出した光音響波に基づいて複数の光音響画像を生成し、検出される光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する。ノーマルモード時は、光音響波検出時のプローブ１１の姿勢が、ピーク探索モードにおいて特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢と一致しているか否かを判断する。音源である穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するときに、検出される光音響波の検出信号が最も強くなるため、そのときのプローブ１１の姿勢と一致する姿勢で光音響波を検出するとき、穿刺針の先端はプローブ１１の真下方向に存在すると推定できる。従って、本実施形態では、被検体に挿入された挿入物の位置を光音響画像を用いて把握する際に、光音響画像上に描画された挿入物がプローブの真下方向に存在するか否かを判別可能に表示することができる。

特許文献１との比較では、超音波画像では針が連続体として描画されるため、先端部分の認識が困難である。超音波画像を用いて針先を抽出するためには、針先部分で反射する反射超音波を強めるための特殊な加工が必要であり、コストや穿刺能力に影響する。また、特許文献２も、針全体から光音響波を発生させるため、針が連続体として描画され、先端部分の認識が困難である。本実施形態では、点音源とみなせるほど狭い範囲で光音響波を発生させており、針先の認識が容易である。しかしながら、針先部分で発生させた光音響波はプローブ１１の真下方向に存在しない場合でも検出可能であるため、画像上に点音源が存在したとしても、その点音源がプローブ１１の真下方向に存在するとは限らない。本実施形態では、ピーク探索モードにおいて光音響波の検出信号が最も強く検出されるプローブ１１の姿勢を特定しておき、ノーマルモードにおいて、プローブ１１の姿勢が特定したおいた姿勢に一致するか否かを判断している。このようにすることで、画像上に描画された点音源がプローブ１１の真下方向に存在しているか否かを判別することが可能である。

次いで、本発明の第２実施形態を説明する。第１実施形態では、ピーク探索モードにおいて検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定し、その光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢を記憶した。ノーマルモード時は、姿勢検出手段３３が検出したプローブ１１の姿勢と、ピーク探索モード時に記憶されたプローブ１１の姿勢とを比較することで、音源である穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するか否かを判断した。本実施形態では、ピーク探索モードにおいて、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定し、ノーマルモードにおいて、光音響画像の画素値と、ピーク探索モードにて特定された光音響画像の画素値とを比較することで、音源である穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するか否かを判断する。その他の点は、第１実施形態と同様でよい。

ピーク特定手段３１が、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する点は、第１実施形態と同様である。ピーク特定手段３１は、特定した光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢を記憶するのに代えて、特定した光音響画像における画素値を記憶する。ピーク特定手段３１は、各画像における最大画素値に基づいて検出される光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する場合は、特定した光音響画像における最大画素値を記憶する。ピーク特定手段３１は、画像全体の画素値の合計値に基づいて検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する場合は、特定した画像全体の画素値の合計値を記憶する。画像中の関心領域の画素値の合計値に基づいて検出された光音響画像が最も強い光音響画像を特定する場合には、特定した光音響画像における関心領域の画素値の合計値を記憶する。

姿勢判断手段３２は、ノーマルモード時に、光音響画像生成手段２５で生成された光音響画像の画素値又はその合計値と、ピーク特定手段がピーク探索モード時に記憶した画素値又はその合計値とを比較することで、光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢が、ピーク特定手段３１で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時のプローブ１１の姿勢に一致するか否かを判断する。プローブ１１で検出される光音響波は、プローブ１１の真下方向に穿刺針１５の先端が存在するときに最大となり、従って光音響画像の画素値も最大となるため、画素値又は複数画素の合計画素値を比較することで、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するか否かが判断できる。

図１０（ａ）は、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するときの表示例を示し、（ｂ）は、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在しないときの表示例を示す。姿勢判断手段３２は、画素値又はその合計値が一致するときは、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在する旨を示す信号を表示制御手段２７に送信する。その場合、表示制御手段２７は、図１０（ａ）に示すフレーム７１、照準７２、及び音源位置７３を、光音響画像と超音波画像の合成画像に重ねて表示する。音源位置７３は、画像中の光音響波が存在する位置に対応する画素に表示され、フレーム７１及び照準７２は、その中心が音源位置７３と一致する位置に表示される。

姿勢判断手段３２は、画素値又はその合計値が一致しないときは、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在しない旨を示す信号を表示制御手段２７に送信する。その場合、表示制御手段２７は、図１０（ｂ）に示すフレーム７１及び音源位置７３を、光音響画像と超音波画像の合成画像に重ねて表示する。医師等のユーザは、照準７２（図１０（ａ）を参照）の有無によって、音源である穿刺針の先端がプローブ１１の真下方向にあるか否かを判断することができる。

本実施形態では、ピーク探索モードにおいて、プローブ１１の姿勢を変化させて検出した光音響波に基づいて複数の光音響画像を生成し、検出される光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定する。ノーマルモード時は、光音響画像における画素値又はその合計値が、ピーク探索モードにおいて特定された光音響画像の画素値又はその合計値と一致しているか否かを判断する。このように画素値を比較することによっても、被検体に挿入された挿入物の位置を光音響画像を用いて把握する際に、光音響画像上に描画された挿入物がプローブの真下方向に存在するか否かを判別可能に表示することができる。本実施形態では、画素値に基づいて穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するか否かを判断しており、光音響波検出時のプローブ１１の姿勢を比較する必要がないため、姿勢検出手段３３は不要である。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態では、プローブ１１の傾きを変えつつ光音響波の検出を行うのに代えて、プローブ１１の空間内の位置を変化させつつ光音響波の検出を行う。ピーク特定手段３１は、位置を変化させて検出した光音響波に基づいて生成された複数の光音響画像における音源の深さ方向の位置に基づいて、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するときに生成された光音響画像を特定する。姿勢判断手段３２は、光音響画像における音源の深さ方向の位置が、ピーク特定手段３１が特定した光音響画像における音源の深さ方向の位置と一致するときに、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在すると判断する。その他の点は第１実施形態又は第２実施形態と同様でよい。

図１１（ａ）は、音源がプローブ１１の真下方向にある状態を示し、（ｂ）は、音源が真下方向からずれている状態を示す。穿刺針の先端である音源５１からプローブ１１までの距離をｄとする（図１１（ａ）を参照）。プローブ１１の真下方向に音源５１が存在するとき、光音響画像では深さｄの位置に音源５１が描画される。プローブ１１の位置を、図１１（ａ）に示す位置から、図１１（ｂ）に示すように紙面左側方向へ少しずらすと、プローブ１１の位置がずれたことにより、プローブ１１から音源５１までの間の距離が距離ｄよりも長くなる。図１１（ｂ）の状態で光音響波の検出を行ったとき、光音響画像における音源位置５２は、プローブ１１の真下方向に音源５１が存在する場合の深さｄよりも深いｄ１となる。

上記のように、光音響画像における音源の深さ方向の位置が最小となるのは、プローブ１１の真下方向に音源５１が存在するときである。ピーク特定手段３１は、位置を変えて検出された光音響波に基づいて生成された複数の光音響画像のうち、音源位置が最も浅い光音響画像を特定する。プローブ１１の検出器素子の音響波検出特性の角度依存性も考慮すれば、音源の深さ方向の位置が最も浅い光音響画像は、検出される光音響波の検出信号が最も強い光音響画像に対応する。姿勢判断手段３２は、光音響画像における音源の深さ方向の位置が、ピーク特定手段３１で特定された光音響画像における音源の深さ方向の位置と一致するか否かを判断することにより、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するか否かを判断する。

本実施形態では、ピーク探索モードにおいて、プローブ１１の位置を変化させて検出した光音響波に基づいて複数の光音響画像を生成し、描画される音源の深さ方向の位置が最も浅い光音響画像を特定する。ノーマルモード時は、光音響画像における音源の深さ方向の位置が、ピーク探索モードにおいて特定された光音響画像における音源の深さ方向の位置と一致しているか否かを判断する。このように画像における音源の深さ方向の位置を比較することによっても、被検体に挿入された挿入物の位置を光音響画像を用いて把握する際に、光音響画像上に描画された挿入物がプローブの真下方向に存在するか否かを判別可能に表示することができる。

なお、上記各実施形態では、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するときと、そうでないときとで画像に表示される図形を変化させることとしたが（図５〜７並びに図１０（ａ）及び（ｂ）を参照）、これには限定されない。画像表示は、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向に存在するか否かをユーザに対して教示可能であればよく、例えば表示画像中に、プローブ１１の真下方向に穿刺針１５の先端が存在することを示すインディケーターを表示するだけでもよい。あるいは、プローブ１１の真下方向に穿刺針１５の先端が存在するときとそうでないときとで同じ図形を表示し、その図形の表示輝度や表示色を変化させることとしてもよい。

第１実施形態において、プローブ１１の空間内の位置を検出する位置検出手段を用い、プローブ１１の角度に加えて、空間内におけるプローブ１１の位置を検出してもよい。その場合、プローブ１１の角度及び位置に基づいて音源である穿刺針１５の先端の空間内の位置を求めてもよい。ノーマルモードにおいて、プローブ１１の位置がピーク探索モード時の位置からずれたときには、穿刺針１５の先端の位置と、現在の画像化断面との関係に基づいて、穿刺針１５の先端がプローブ１１の真下方向から第１の方向側にずれているのか、第２の方向側にずれているのかを判断してもよい。

図３では、チューブ１５８の内部に透明樹脂１５９を用いて導光部材１５５を埋め込み、透明樹脂１５９の先端に光吸収部材１５７を配置する例を説明したが、これには限定されない。例えば光吸収部材１５７として光吸収性を有する膜を用い、導光部材１５５の光出射面である光出射部１５６を光吸収性を有する膜で覆い、その導光部材１５５を透明樹脂の中に埋め込むこととしてもよい。あるいは、導光部材１５５の光出射部１５６と、光吸収部材１５７との間に空隙を設け、光出射部１５６と光吸収部材１５７とが空気層を介して対向するようにしてもよい。

また、図３では、内針１５２がチューブ１５８を有する例を説明したが、これには限定されない。例えば、光吸収性を有する材料、例えば黒色の樹脂で内針を構成し、その内部に導光部材１５５を埋め込んでもよい。この場合、内針、特にその先端部分は、導光部材１５５の光出射部１５６から出射した光を吸収して音響波を発生する光吸収部材１５７を兼ねる。また、導光部材１５５を樹脂の中に埋め込むことに代えて、穿刺針本体１５１の内径とほぼ同じ大きさの外径を有する導光部材１５５を用い、導光部材１５５自体を内針として用いてもよい。その場合、光吸収部材１５７として光吸収性を有する膜、例えば黒色のフッ素樹脂を用い、光出射部１５６を含む導光部材１５５少なくとも一部を例えば黒色のフッ素樹脂で覆ってもよい。

第１実施形態では、穿刺針１５が外針を構成する穿刺針本体１５１と内針１５２とを有する例を説明したが、内針１５２は必須ではない。穿刺針１５が内針を有しない場合は、穿刺針本体１５１の内腔に導光部材１５５を挿通し、穿刺針本体１５１の内壁でかつ光出射部１５６から出射した光が照射される位置に光吸収部材１５７を設けてもよい。その光吸収部材１５７は、導光部材１５５の先端部分を穿刺針本体１５１の内腔に固定する固定部材を兼ねていてもよい。光ファイバなどの導光部材１５５は、穿刺針などの挿入物の内腔内で、接着剤によって内壁に固定されていてもよい。あるいは、挿入物の内腔内に、内腔よりも径が小さい中空の管（チューブ）を通し、そのチューブにより導光部材１５５を固定してもよい。

光吸収部材１５７は必須ではない。例えば、光出射部１５６から出射した光を穿刺針本体１５１に照射し、穿刺針本体１５１の光が照射された部分を光音響波発生部として、その部分から光音響波を発生させるようにしてもよい。例えば、穿刺針１５の先端近傍に光出射部及び光音響波発生部を配置し、穿刺針１５の先端近傍において光音響波を発生させるようにすればよい。ここで、穿刺針１５の先端近傍とは、その位置に光出射部及び光音響波発生部が配置された場合に、穿刺作業に必要な精度で穿刺針１５の先端の位置を画像化できる光音響波を発生可能な位置であることを意味する。例えば、穿刺針１５の先端から基端側へ０ｍｍ〜３ｍｍの範囲内のことを指す。

穿刺針１５は、経皮的に被検体外部から被検体に穿刺されるものには限定されず、超音波内視鏡用の針であってもよい。超音波内視鏡用の針に導光部材１５５と光吸収部材１５７とを設け、針先端部分に設けられた光吸収部材１５７に対して光を照射し、光音響波を検出して光音響画像を生成してもよい。その場合、光音響画像を観察して超音波内視鏡用の針の先端部の位置を確認しながら穿刺することができる。超音波内視鏡用の針の先端部で発生した光音響波は、体表用プローブを用いて検出してもよいし、内視鏡に組み込まれたプローブを用いて検出してもよい。

上記各実施形態では、挿入物として穿刺針１５を考えたが、これには限定されない。挿入物は、内部にラジオ波焼灼術に用いられる電極を収容するラジオ波焼灼用針であってもよいし、血管内に挿入されるカテーテルであってもよいし、血管内に挿入されるカテーテルのガイドワイヤであってもよい。あるいは、レーザ治療用の光ファイバであってもよい。

上記各実施形態では、針として先端に開口を有する針を想定したが、開口は必ずしも先端部分に設けられている必要はない。針は、注射針のような針には限定されず、生体検査に用いられる生検針であってよい。すなわち、生体の検査対象物に穿刺して検査対象物中の生検部位の組織を採取可能な生検針であってもよい。その場合には、生検部位の組織を吸引して採取するための採取部（吸入口）において光音響波を発生させればよい。また、針は、皮下や腹くう内臓器など、深部までの穿刺を目的とするガイディングニードルとして使用されてもよい。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の光音響信号処理装置、システム、及び方法は、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及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

１０：光音響信号処理システム
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
１５：穿刺針
１６：光ファイバ
１７：音響レンズ
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：光音響画像生成手段
２６：超音波画像生成手段
２７：表示制御手段
２８：制御手段
２９：送信制御回路
３０：モード設定手段
３１：ピーク特定手段
３２：姿勢判断手段
３３：姿勢検出手段
５１：音源
５２：画像上の音源
６１：フレーム
６２、６４、６６：矩形
６３、６５、６７：音源位置
７１：フレーム
７２：照準
７３：音源位置
１５１：穿刺針本体（外針）
１５２：内針
１５３：内針基
１５４：外針基
１５５：導光部材
１５６：光出射部
１５７：光吸収部材
１５８：チューブ
１５９：透明樹脂

Claims (11)

1. 被検体に挿入される挿入物であって、光源からの光を導光する導光部材と該導光部材から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられた光音響波を検出する光音響波検出手段と、
   前記光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、
   前記音響波検出手段の姿勢を変化させて複数の姿勢で光音響波の検出を行うピーク検索モードと、光音響画像の表示を行うノーマルモードとを設定するモード設定手段と、
   ピーク探索モード時に、複数の姿勢で検出された光音響波の検出信号に基づく複数の光音響画像に基づいて、該複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定するピーク特定手段と、
   ノーマルモード時に、前記光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢が、前記ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断する姿勢判断手段と、
   表示画面上に前記光音響画像を表示させ、かつ、前記姿勢判断手段にて一致すると判断されたときに、該一致する旨を表示画面上に表示させる表示制御手段とを備えた光音響信号処理装置。
2. 前記音響波検出手段の基準方向に対する角度を検出する姿勢検出手段を更に備え、
   前記ピーク特定手段は、前記特定した光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の角度を記憶し、
   前記姿勢判断手段は、前記記憶された角度と、前記光音響画像の生成元の光音響波の検出時に前記姿勢検出手段で検出された前記音響波検出手段の角度とを比較することで、前記光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢が、前記ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断する請求項１に記載の光音響信号処理装置。
3. 前記表示制御手段は、前記光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の基準方向に対する角度が、前記記憶された角度よりも大きいときは前記挿入物が第１の方向にずれている旨を表示画面上に表示させ、小さいときは挿入物が第１の方向とは反対側の第２の方向にずれている旨を表示画面上に表示させる請求項２に記載の光音響信号処理装置。
4. 前記姿勢判断手段は、前記光音響画像生成手段で生成された光音響画像の画素値と、前記ピーク特定手段で特定された光音響画像の画素値とを比較し、前記光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢が、前記ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断する請求項１に記載の光音響信号処理装置。
5. 前記ピーク特定手段は、前記複数の光音響画像のそれぞれについて画素値の最大値を求め、求めた画素値の最大値同士を比較し、最も画素値が大きい画素を有する光音響画像を、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定する請求項１から４何れか１項に記載の光音響信号処理装置。
6. 前記ピーク特定手段は、前記複数の光音響画像のそれぞれについて複数の画素の画素値の合計を求め、該求めた画素値の合計が最も大きい光音響画像を、光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定する請求項１から４何れか１項に記載の光音響信号処理装置。
7. 前記ピーク特定手段は、各光音響画像内に設定された関心領域内の画素の画素値の合計を求める請求項６に記載の光音響信号処理装置。
8. 前記ピーク特定手段は、前記複数の光音響画像の生成元の光音響波の検出時に前記姿勢検出手段が検出した角度と、前記複数の光音響画像のそれぞれにおける画素値の最大値又は画素値の合計値との関係に基づいて、画素値又は画素値の合計が最大となる角度を推定し、該推定した角度で前記光音響波の検出が行われたときに生成される光音響画像を、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像として特定し、前記推定された角度を、検出された光音響波の検出信号が最も強くなる前記音響波検出手段の角度として記憶する請求項２又は３に記載の光音響信号処理装置。
9. 前記音響波検出手段は、一次元的に配列された複数の検出器素子を含んでおり、
   前記ピーク検索モードでは、前記検出器素子が配列された方向と直交する方向の傾きを変化させる請求項１から８何れか１項に記載の光音響信号処理装置。
10. 光源と、
    被検体に挿入される挿入物であって、光源からの光を導光する導光部材と該導光部材から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物と、
    前記挿入物から発せられた光音響波を検出する光音響波検出手段と、
    前記光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、
    前記音響波検出手段の姿勢を変化させて複数の姿勢で光音響波の検出を行うピーク検索モードと、光音響画像の表示を行うノーマルモードとを設定するモード設定手段と、
    ピーク探索モード時に、複数の姿勢で検出された光音響波の検出信号に基づく複数の光音響画像に基づいて、該複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定するピーク特定手段と、
    ノーマルモード時に、前記光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢が、前記ピーク特定手段で特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断する姿勢判断手段と、
    表示画面上に前記光音響画像を表示させ、かつ、前記姿勢判断手段にて一致すると判断されたときに、該一致する旨を表示させる表示制御手段とを備えた光音響信号処理システム。
11. 被検体に挿入される挿入物であって、光源からの光を導光する導光部材と該導光部材から出射した光を吸収して光音響波を発生する光音響波発生部とを有する挿入物から発せられた光音響波を、音響波検出手段の姿勢を変化させつつ検出するステップと、
    前記変化させられた複数の姿勢で検出された光音響波の検出信号に基づいて複数の光音響画像を生成するステップと、
    前記複数の光音響画像に基づいて、該複数の光音響画像のうち、検出された光音響波の検出信号が最も強い光音響画像を特定するステップと、
    前記挿入物から発せられた光音響波を検出するステップと、
    前記光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成するステップと、
    前記光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢が、前記特定された光音響画像の生成元の光音響波の検出時の前記音響波検出手段の姿勢に一致するか否かを判断するステップと、
    表示画面上に前記光音響画像を表示させ、かつ、前記判断するステップで一致すると判断されたときに、該一致する旨を表示画面上に表示させるステップとを有する光音響信号処理方法。