JP2014198234A - 検出回路、駆動方法、プローブ、及び被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスデューサ用の検出回路やそれを備えるプローブなどの内部での発熱を抑制することができ、温度上昇し難い検出回路、プローブ、被検体情報取得装置及び駆動方法を提供する。【解決手段】検出回路１０２は、音響波２０１を受信する素子から出力される信号２０２を検出する。検出回路１０２は、素子が音響波２０１を受信しない期間は、検出動作を行わない様に構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波などの音響波の受信を行う電気機械変換装置（以下、単にトランスデューサなどという場合もある）用の検出回路、及びその駆動方法、プローブ、被検体情報取得装置に関する。本明細書において、音響波とは、光音響波、光超音波、音波、超音波と呼ばれる弾性波を含み、光照射により発生する音響波を、特に「光音響波」と呼ぶ。また、音響波のうち、プローブから送信される音響波を「超音波」と呼び、送信された超音波が被検体内で反射したものを特に「反射波」と呼ぶ場合もある。音響波を代表して超音波と記す場合もある。

超音波発生・検出用の送受信トランスデューサ（本明細書で送受信と言う場合、送信と受信のうちの少なくとも一方を意味する）として、圧電素子（ＰＺＴ）や高分子膜（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））などが用いられている。これらのトランスデューサの超音波検出時のＳ／Ｎを向上させるためにプリアンプ（電圧増幅回路）を内蔵したトランスデューサの提案がある（非特許文献１参照）。他に、静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer）が提案されている。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-Systems）プロセスを用いて作製されたものである。ＣＭＵＴは、超音波検出時に電流信号を電圧信号に変換する必要があるため、電流電圧変換回路を有している。この回路の配置を示す図１４において、１００は超音波プローブ、１０１は超音波トランスデューサ、１０２は検出回路、２０１は受信超音波、２０２は検出信号、２０３は検出出力信号である。

Improving ultrasound imaging with integrated electronics（Ultrasonics Symposium (IUS), 2009 IEEE International）：2718−2721

超音波プローブ内に、プリアンプや電流電圧変換回路を内蔵する構成では、プリアンプや電流電圧変換回路での発熱という新たな課題が発生する。プローブは、超音波を送受信する複数の素子を有しており、且つプローブから放熱できる上限の熱量の制約もあるため、発熱によりプローブ全体の温度が上昇してしまう。プローブ温度の上昇は、特に、人体に接触させて使用する場合に課題となる。また、温度上昇によるプローブの特性変化を生じさせたり、プローブと接触する部品へ影響を与えたりするということがある。

上記課題に鑑み、本発明の検出回路は、音響波を受信する素子から出力される信号を検出する検出回路であって、素子が音響波を受信しない期間は、検出動作を行わない様に構成されていることを特徴とする。また、上記課題に鑑み、本発明の検出回路の駆動方法は、音響波を受信する素子から出力される信号を検出する検出回路の駆動方法であって、素子が音響波を受信しない期間は、前記検出回路が検出動作を行わない様にすることを特徴とする。

本発明によれば、トランスデューサ用の検出回路やそれを備えるプローブなどの内部での発熱を抑制することができ、温度上昇し難い検出回路、プローブなどを提供することができる。

第１の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第２の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第３の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第３の実施形態の動作を説明する図。 第３の実施形態の変形形態を説明する図。 第４の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第４の実施形態の動作を説明する図。 第４の実施形態の変形形態を説明する図。 第５の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第５の実施形態の動作を説明する図。 第６の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第６の実施形態の動作を説明する図。 第７の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第７の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第７の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第８の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第８の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 第８の実施形態に係る検出回路と超音波プローブを説明する図。 超音波プローブの一例を説明する図。 静電容量型トランスデューサの一例を説明する図。 トランスデューサに接続する電流電圧変換回路の例を説明する図。 トランスデューサに接続する電流電圧変換回路の例を説明する図。 本発明の検出回路を用いた被検体情報取得装置を示す図。 トランスインピーダンス回路のオペアンプ内部の回路模式図。 トランスインピーダンス回路のオペアンプ内部の回路模式図。 従来の超音波プローブを説明する図。

本発明で重要な点は、トランスデューサ内の素子が音響波を受信しない期間は、検出回路が通常の電流消費量に比べて大幅に少ない電流消費量となる（つまり、検出回路動作が停止状態になる）点である。こうした検出回路は、トランスデューサと共に、音響波を送受信するためのプローブ内に設けられることができる。

以下、図面を用いて、本発明による検出回路、超音波プローブなどの実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態の超音波プローブの構成を説明するための図である。図１（ａ）において、１００は超音波プローブ、１０１は超音波トランスデューサ、１０２は検出回路、２０１は受信超音波、２０２は検出信号、２０３は検出出力信号である。トランスデューサ１０１が超音波２０１を受信することにより、トランスデューサから検出信号２０２が出力され、検出回路１０２に入力される。検出信号２０２は非常に微弱な信号のため、検出回路１０２で、外部に出力するために信号の変換が行われ、検出出力信号２０３として出力される。

図１（ｂ）、（ｃ）は、本実施形態の検出回路と超音波プローブの動作を説明するための図である。図１（ｂ）は、超音波プローブの動作モード毎の期間を表している。図１（ｃ）は、検出回路の動作期間を表している。それぞれの横軸は時間を表している。超音波プローブの動作期間は、超音波を発生（送信）させる期間（Ａ）と、トランスデューサ１０１が超音波を受信する期間（Ｂ）と、どちらも行わないそれ以外の期間（Ｃ）から構成される。超音波は、或る音速で物質内を伝わるため、被検体内の対象物がある範囲のトランスデューサ１０１からの距離と、物質の種類（すなわち、これに依る音速）が決まれば、トランスデューサ１０１に超音波が到達する期間が分かる。この期間を受信する期間（Ｂ）とすると、この受信期間（Ｂ）以外では、検出出力信号を使用しておらず、検出回路１０２から検出出力信号２０３を出力する必要がない。

本発明では、このことに着目し、受信期間（Ｂ）以外の期間（ＡとＣ）では、検出回路１０２は信号の検出動作を行わない（Ｙの期間）こととする。それにより、必要な受信期間（Ｂ）では検出回路１０２は検出動作を行い（Ｘの期間）ながら、且つ検出回路１０２の動作する期間（Ｘ）を短くすることができる。検出回路１０２の消費電力は、検出回路１０２の動作する時間（Ｘ）に対応しており、動作期間が短くなることにより、消費電力も小さくなる。消費電力を減少させることで、検出回路１０２からの発熱を減少させることができる。以上の技術思想を用いることで、受信動作に影響を与えることなく検出回路からの発熱を低減することができる。それにより、温度上昇の起こり難い、検出回路を含む超音波プローブなどの装置を提供できる。本実施形態では、対象物がある範囲とその物質の種類から分かるトランスデューサ１０１への超音波到達期間に基づいて、Ｙの期間は検出回路１０２が信号検出動作を行なわない様に予め検出回路を設定しておく。

本発明に用いることができるトランスデューサは、静電容量型トランスデューサであるＣＭＵＴを用いることができる。ＣＭＵＴは、上記電圧出力型トランスデューサに比べて周波数帯域が広く、超音波受信時には、受信した超音波に対応した電流信号を出力する。つまり、電流出力型の素子を備える。この電流信号は微弱で信号伝送時に劣化しやすいため、電流電圧変換回路により電圧信号に変換され、プローブから出力される。このように、ＣＭＵＴでは検出回路（電流電圧変換回路）を、ＣＭＵＴに近接して配置することが必須となる。そのため、本発明の適用により、ＣＭＵＴを用いる構成でＣＭＵＴに近接して検出回路を配置した場合でも、検出回路からの発熱量が低くでき、検出回路からの熱によるＣＭＵＴ特性への影響を与え難い安定特性で広帯域な超音波プローブを提供できる。

加えて、ＣＭＵＴは、静電容量を用いた素子を備えるため、配線部の寄生容量に対して特性が影響を受けやすい。そのため、電流電圧変換回路である検出回路は、寄生容量の影響を受け難いトランスインピーダンス回路が用いられる場合がある。しかし、寄生容量の影響を受け難くするため、通常の電圧増幅回路に比べて、トランスインピーダンス回路は、高周波に応答するために高速に応答する必要があり、消費電力が大きくなる。このＣＭＵＴとトランスインピーダンス回路を用いた構成に、本発明を適用することで、配線の寄生容量の影響を受け難いために特性が安定し、且つ発熱の低い、広帯域な超音波プローブを提供することができる。

静電容量型トランスデューサの例及び電流電圧変換回路の例について説明する。図９は静電容量型トランスデューサを用いたプローブ先端部の概略図である。プローブ先端部は、超音波４１６を受ける超音波センサとしてＣＭＵＴ４０２が配置されたデバイス基板４００、ＣＭＵＴの保護層４０４をケース４０６内に収めている。ケース４０６と保護層４０４は接着剤４０８によって封止されており、音響媒体４１０がケース４０６内に侵入しない様になっている。尚、本発明はこの構成に限るものではなく、センサ表面に保護層のみを備えた構成でもよい。また、超音波の送受信を行うプローブの場合、一般的な音響レンズをＣＭＵＴの前面（被検体側）に備えることが好ましい。

図１０（ａ）は、セルを複数含む素子（エレメント）を有したＣＭＵＴの一例を示す上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本プローブは、セル７を有する素子８を複数個有している。図１０（ａ）では、４個の素子８がそれぞれ９個のセル構造７を有しているが、それぞれが幾つであっても構わない。本例のセル７は、図１０（ｂ）に示す様に、基板１、第一の電極（下部電極）２、第一の電極２上の絶縁膜３、空隙などである間隙５、振動膜４、振動膜４上の第二の電極（上部電極）６で構成されている。基板１は、Ｓｉで構成されているが、ガラスなどの絶縁性基板を用いても構わない。第一の電極２はチタンやアルミニウムなどの金属薄膜で形成される。基板１を低抵抗のシリコンで形成する場合には、それ自体を第一の電極２とすることも可能である。絶縁膜３は、酸化シリコンなどの薄膜を堆積することで形成できる。振動膜４やそれを支持する部分である振動膜支持部は、窒化シリコンなどの薄膜を堆積することで形成される。第二の電極６は、チタンやアルミニウムなどの金属薄膜で構成することができる。セルは、間隙５を挟んで設けられた第一の電極２と第二の電極６を備えるので、音響波を受信するためには、第一の電極２もしくは第二の電極６に直流電圧を印加する。音響波を受信すると、振動膜が変形して間隙の距離（高さ）が変化するため、電極間の静電容量が変化する。この静電容量変化を第一の電極２もしくは第二の電極６から検出することで、音響波を検出することができる。また、素子は、第一の電極２もしくは第二の電極６に交流電圧を印加して振動膜を振動させることで、音響波を送信することもできる。

図１１−１と図１１−２は、電流−電圧変換を行う初段増幅部の検出回路の例である、高抵抗を用いたＦＥＴソースフォロワ回路（図１１−１（ａ）に示す）及びトランスインピーダンス回路について説明する図である。図１１−１（ｂ）のトランスインピーダンス回路において、２１はオペアンプ、２２と２４は抵抗、２３と２５はコンデンサである。この検出回路は、振動膜の振動によって発生した第一の電極２もしくは第二の電極６からの微小電流を検出するための回路である。オペアンプ２１は正負電源ＶＤＤ、ＶＳＳ（不図示）に接続されている。オペアンプ２１の反転入力端子（−ＩＮ）は、ＣＭＵＴの検出電極（第一の電極２もしくは第二の電極６）からの配線に接続されている。オペアンプ２１の出力端子（ＶＯＵＴ）は、並列に接続された抵抗２２とコンデンサ２３を介して反転入力端子（−ＩＮ）に接続されて、出力信号がフィードバックされる構成になっている。オペアンプ２０１の非反転入力端子（＋ＩＮ）は、並列に接続された抵抗２４とコンデンサ２５により、グランド端子（ＧＮＤ）に接続されている。グランド端子（ＧＮＤ）の電圧は、正電源ＶＤＤと負電源ＶＳＳ間の中間電位となっている。抵抗２２と抵抗２４の抵抗値、コンデンサ２３とコンデンサ２５の容量値は、それぞれ同じ値である。検出電極からの電流変化を、トランスインピーダンス回路により、電流変化に対応した電圧値に変換して出力している。トランスインピーダンス回路は、他の回路構成（高抵抗を用いたＦＥＴソースフォロワ回路など）に比べて、帯域が広く取れる特徴を有している。また、検出回路からの出力信号は電圧値として出力されるため、検出回路から後の配線での信号劣化が起こり難い。トランスインピーダンス回路は、広帯域オペアンプを用いることにより、高速且つ高ゲインな電流−電圧変換を実現できる回路である。本発明の検出回路を構成するためには、例えば、上記の如きＦＥＴソースフォロワ回路のＶＣＣ端子や、トランスインピーダンス回路のＶ＋端子、Ｖ−端子などの位置にオン・オフスイッチ（図１１−２（ｃ）、（ｄ）を参照）を設けて、これを後述する検出回路動作制御手段１０３で制御すればよい。

図１３−１と図１３−２に、トランスインピーダンス回路に用いているオペアンプの内部の回路模式図を示す。オペアンプは、微少信号を増幅する入力部１１１と、外部の負荷を駆動できる能力を有した出力部１１２により構成されている。図１３−１と図１３−２において、Ｐ1〜Ｐ3は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタ、Ｎ1〜Ｎ3まではＮ型ＭＯＳトランジスタ、Ｉ1〜Ｉ3は定電流源、Ｃ0は位相補償用の容量、Ｒ0は定電圧発生用の抵抗である。

入力部１１１は、一般的な差動増幅回路で構成することができる。尚、図１３−１では、差動増幅回路のシングル出力を例として記載したが、本発明はこれに限るものではない。差動増幅回路の差動出力型や、多段構成の差動回路など、オペアンプの入力部に用いることができるものであれば、使用することができ、同様の効果を得ることができる。また、出力部１１２は、一般的なオペアンプの出力回路で構成することができる。尚、図１３−１では、Ａ級アンプの構成を例として記載したが、本発明はこれに限るものではない。図１３−２で示したＡＢ級アンプをはじめとして、ＡＢ級アンプの他の回路構成やＢ級アンプなど、オペアンプの出力回路に用いることができるものであれば、使用することができ、同様の効果を得ることができる。加えて、図１３−１と図１３−２では、オペアンプ内で使用しているトランジスタをＭＯＳトランジスタとして記載したが、本発明はこれに限らず、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどを全部または一部に用いたものも使用することができる。

なお、本発明のトランスデューサとしてはＣＭＵＴ以外にも、圧電素子（ＰＺＴ）や高分子膜（ＰＶＤＦ）などの、超音波受信時に、受信した超音波に対応した電圧信号を出力するものも用いることができる。電圧出力型のトランスデューサを用いる場合は、従来は、超音波プローブを接続した超音波画像形成システム内に、電圧増幅型のプリアンプ（電圧増幅回路）を配置する構成が一般的であった。ただし、プローブからシステムまでのケーブルなどでの信号劣化を防止するために、プローブ内に電圧増幅型の回路（プリアンプ）をトランスデューサに近接して配置する構成を用いることもできる。本実施形態では、このように、電圧出力型のトランスデューサの検出回路（電圧増幅型プリアンプ）をプローブ内に配置することができる。こうして、検出回路での消費電力を抑えることができ、発熱も抑制することができる。他方、電圧増幅型のトランスデューサは、超音波の送信に用いる時、素子の変換効率が低いために、トランスデューサからも大きな発熱がある。そのため、上記構成を用いることで、送信と受信を行う場合でも、超音波を高精度に受信でき、且つ受信による発熱増加の少ない超音波プローブを提供することができる。

また、本発明のプローブは、１回の音響波の受信や送信を行う場合に、必ずしも全ての素子８（図１０参照）を用いる必要はない。例えば、超音波の送信を行うプローブの場合、プローブが接続された装置側で駆動する素子８を切り替えながら電子スキャンを行うことができる。つまり、トランスデューサが含むｎ個の素子８のうちｍ個の素子８（ｍとｎは正の整数であり、ｍ＜ｎ）を用いて、１回の超音波送信（つまり送信ビームフォーミング）を行ってもよい。リニア電子スキャンの場合は、次のタイミングでは、順次、素子を切換えながら、ｍ個の素子単位で送信ビームフォーミングを行うとよい。その際、装置側で送受信に用いるために選択された素子以外については、素子に対応する検出回路は検出動作を行わなくすることができる。そのため、本発明を用いると、トランスデューサが備える全素子数と対応する検出回路を持っていても、使用する素子に対応した検出回路しか動作しないため、電子スキャンを行っている際にも消費電力を最小限に抑えることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、図２を用いて説明する。第２の実施形態は、検出回路が検出回路の動作制御手段を有していることが第１の実施形態と異なる。それ以外は、第１の実施形態と同じである。本実施形態は、受信期間信号を元に検出回路の動作制御手段が、検出回路を動作させたり、動作させなかったりする。図２（ａ）は、本実施形態の検出回路と超音波プローブの構成を説明する図である。図２（ａ）において、１０３は動作制御手段、２０４は動作信号である。図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、検出回路と超音波プローブの動作を説明する図である。図２（ｂ）は、超音波プローブの動作モード毎の期間を表している。図２（ｃ）は、超音波プローブの動作信号２０４を表している。図２（ｄ）は、超音波プローブの検出回路の動作期間を表している。それぞれの横軸は時間を表す。

本実施形態の検出回路１０２は、検出回路の動作の制御を行うスイッチ等の動作制御手段１０３を有している。音響波受信期間を表す動作信号２０４が入力される（ＯＮ）と、動作制御手段１０３は、検出動作を行う状態（Ｘ期間の状態）に検出回路１０２をもたらす。また、動作信号２０４が、音響波受信期間以外を表わしている（ＯＦＦ期間の状態）時は、動作制御手段１０３は、検出動作を行わない状態（Ｙ）に検出回路１０２をもたらす。本実施形態では、動作信号２０４は、超音波プローブ１００の外部の超音波画像形成システム３５１より供給されている。超音波画像形成システム３５１は、超音波を発生させる期間を制御しており、その後にトランスデューサ１０１に超音波が到達する期間を把握しているため、超音波が到達する期間を受信期間として、動作信号２０４を生成する。超音波画像形成システム３５１からの動作信号２０４を元にして、検出回路１０２が動作を行うことで、受信動作を行うことが必要な期間だけ、検出回路１０２を動作させられるため、検出回路１０２での消費電力を必要最小限に抑制できる。この様に本実施形態では、検出回路１０２が動作制御手段１０３を有しているため、動作信号２０４を元にして、受信期間の間だけ検出回路１０２を動作させる状態を容易に実現することができる。以上のように、本実施形態では、受信動作に影響を与えることなく、検出回路からの発熱を低減するプローブの構成を容易に実現できる。それにより、温度上昇の起こり難い超音波プローブを容易に提供することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を、図３−１〜図３−３を用いて説明する。第３の実施形態は、動作信号を生成する動作信号生成手段１０４を有していることが第２の実施形態と異なる。それ以外は、第２の実施形態と同じである。本実施形態は、超音波プローブ１００内で、動作信号生成手段１０４が生成した動作信号２０４により、検出回路１０２が動作したり、動作しなかったりする。図３−１（ａ）は、本実施形態の検出回路と超音波プローブの構成を説明するための図である。図３−１（ａ）において、１０４は，スイッチを制御するコンパレータ等の動作信号生成手段、２０５は超音波発生信号である。

図３−２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、本実施形態の検出回路と超音波プローブの動作を説明する図である。図３−２（ｂ）は、超音波プローブの動作モード毎の期間を表している。図３−２（ｃ）は、超音波プローブの超音波発生信号２０５を表している。図３−２（ｄ）は、超音波プローブの動作信号２０４を表している。図３−２（ｅ）は、超音波プローブの検出回路の動作期間を表している。それぞれの横軸は時間を表している。

本実施形態の動作信号生成手段１０４は、超音波発生信号２０５を元にして、動作信号２０４を生成する。つまり、超音波の送信タイミングに基づいて検出回路１０２の検出動作が制御される。具体的には、動作信号生成手段１０４は、通常は、受信動作を表さない動作信号（ＯＦＦ）を出力している。超音波発生信号２０５が入力されると、超音波発生信号２０５が入力されてから一定期間ＴＤ１後に、受信動作を表す動作信号（ＯＮ）に切替え、更に一定期間ＴＤ２後に動作信号２０４を、受信動作を表さない信号（ＯＦＦ）に戻す。検出回路１０２は、動作信号生成手段１０４が生成した動作信号２０４を元にして、音響波受信期間の間だけ検出回路１０２を動作させる。

本実施形態では、超音波プローブ１００が動作信号生成手段１０４を有しているため、外部からの超音波発生タイミングを超音波発生信号２０５として受け取り、受信動作期間を最適に設定できる。つまり、超音波の送信から所定期間は検出回路１０２が検出動作を行わないように制御される。そのため、超音波発生信号２０５をプローブに入力するだけで、典型的には音響波受信期間の間だけ検出回路１０２を動作させ、検出回路１０２での消費電力を低減することができる。

また、上記の説明では、超音波発生信号２０５のみ超音波プローブ１００に入力しているが、本実施形態はこの形態に限るものではない。図３−３（ｆ）に示すように、ＴＤ１を表す超音波の到達遅れ情報２０６や、ＴＤ２を表す超音波受信期間情報２０７を超音波プローブ１００に入力し、それらを元に、動作信号生成手段１０４で、動作信号２０４を生成する構成にすることもできる。これにより、測定する対象物の測定条件が変わった場合でも、超音波プローブの受信期間を最適なものに変更できる。したがって、測定条件ごとで、検出回路１０２での電力の消費を最小限に抑えることができ、測定条件を変化させても、必要な受信期間が確保され、かつ発熱量が最小限の超音波プローブを提供することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を、図４−１と図４−２を用いて説明する。第４の実施形態は、超音波の発生手段に光音響効果を用いていることが他の実施形態と異なる。それ以外は、第２及び第３の実施形態と同じである。本実施形態は、対象物に光を照射して、対象物から発生する超音波（以下、光音響波ともいう）を受信する。図４−１（ａ）は、本実施形態の検出回路と超音波プローブの構成を説明する図である。図４−１（ａ）において、３０１は光源、３０２は光源駆動手段である。図４−２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、本実施形態の検出回路、超音波プローブ等の動作を説明するための図である。図４−２（ｂ）は、超音波プローブの動作モード毎の期間を表している。図４−２（ｃ）は、超音波プローブの光源駆動信号２１１を表している。図４−２（ｄ）は、超音波プローブの光源駆動同期信号２１２を表している。図４−２（ｅ）は、超音波プローブの動作信号２０４を表している。図４−２（ｆ）は、超音波プローブの検出回路１０２の動作期間を表している。それぞれの横軸は時間を表している。

光源駆動手段３０２により光源３０１が駆動されることで発光した光２１０は、対象物３５０に照射され、対象物において光音響効果により超音波が発生する。この発生した超音波２０１を、トランスデューサ１０１で受信することにより、その受信した信号を元に対象物３５０の形状や位置を検出する。ここで、光源駆動手段３０２が、光源駆動信号２１１と、その信号に同期した光源駆動同期信号２１２を出力する。本実施形態では、光源駆動同期信号２１２を元に、動作信号生成手段１０４が動作信号２０４を生成する。つまり、発光タイミングに基づいて検出回路１０２の検出動作が制御される。以上の様に、光音響効果により発生した光音響波を受信するトランスデューサに対して用いる検出回路では、光音響波を励起する光の発光タイミングを元にして動作信号が生成される。そしてこの動作信号を元に、動作制御手段１０３は検出動作のオン・オフ制御を行なう。つまり、光の発生から所定期間は検出回路１０２が検出動作を行わないよう制御される。それにより、光源の発光に合わせて、検出回路１０２が必要な検出動作を行うことができ、且つ検出回路１０２での消費電力を抑制することができる。本実施形態を用いることで、光音響効果を用いた超音波画像形成システムにおいて、検出回路からの発熱の少ない超音波プローブを提供できる。尚、本実施形態では、動作信号生成手段１０４を超音波画像形成システム３５１に配置した構成で説明したが、動作信号生成手段１０４を超音波プローブ１００に配置してもよい。

図４−３（ｇ）を用いて、本実施形態の変形形態を説明する。図４−３（ｇ）において、１０５は発光検出手段である。本変形形態では、光源３０１の発光を検出する発光検出手段１０５を有していることが図４−１（ａ）の形態と異なる。発光検出手段１０５は、光源３０１で発光した光２１０を検出し、発光検出信号２１３を生成する。光の速度は非常に速いので、光の発光タイミングから殆ど遅延無く、発光検出手段１０５は、光源の発光タイミングを正確に検出し、発光検出信号２１３を生成できる。発光検出信号２１３を元に、動作信号生成手段１０４は、動作信号２０４を生成し、それを元に検出回路１０２は動作を行う。本変形形態を用いることで、光音響効果を用いた超音波画像形成システムにおいて、光源駆動手段３０２からの駆動情報が無くても、検出回路からの発熱の少ない超音波プローブを提供することができる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態を、図５−１と図５−２を用いて説明する。第５の実施形態は、送信信号検出手段を有していることが他の実施形態と異なる。それ以外は、第３の実施形態と同じである。本実施形態は、つまり、超音波の送信タイミングを取得するためにトランスデューサに印加する送信電圧信号（送信信号）を検出し、その情報を元に動作信号を生成する。図５−１（ａ）は、本実施形態の検出回路と超音波プローブの構成を説明する図である。図５−１（ａ）において、１０６は送信信号検出手段、２２１は送信超音波、２２２は送信電圧信号（送信信号）、２２３は送信信号検出信号、３０３は送信信号生成手段である。図５−２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、本実施形態の超音波プローブ等の動作を説明する図である。図５−２（ｂ）は、超音波プローブの動作モード毎の期間を表している。図５−２（ｃ）は、超音波プローブの送信電圧信号２２２を表している。図５（ｄ）は、本実施形態の超音波プローブの送信電圧信号２２３を表している。図５−２（ｅ）は、超音波プローブの動作信号２０４を表している。図５−２（ｆ）は、超音波プローブの検出回路１０２の動作期間を表している。それぞれの横軸は時間を表している。

送信信号生成手段３０３において、送信電圧信号２２２が生成され、トランスデューサ１０１に印加される。送信電圧信号２２２により、トランスデューサ１０１は振動を発生し、超音波２２１を送信する。送信超音波２２１は、或る時間後に対象物３５０に到達するとそこで反射し、或る時間後にトランスデューサ１０１に受信超音波２０１として戻ってくる。トランスデューサ１０１は、この戻ってきた受信超音波２０１により発生する振動変化を検出回路１０２で検出（受信）する。本実施形態では、送信電圧信号２２２は、トランスデューサ１０１に印加されると同時に、送信信号検出手段１０６にも入力される。送信信号検出手段１０６内では、送信電圧信号２２２が、或る所定の電圧以上の大きさになると、送信信号検出信号２２３が生成される。この機能は、コンパレータなどを用いることで、容易に実現できる。生成された検出信号２２３は、動作信号生成手段１０４に入力される。動作信号生成手段１０４では、送信信号検出信号２２３から或る時間ＴＤ１が経過した後に、動作信号２０４を、受信動作を表す信号（ＯＮ）とする。つまり、超音波の送信から所定期間は検出回路１０２が検出動作を行わないように制御される。また、さらに或る時間ＴＤ２が経過した後、受信動作を表さない信号（ＯＦＦ）として出力する。

以上の様に、本実施形態では、トランスデューサが音響波を発生させるための送信信号を元に動作信号生成手段は動作信号を生成する。そして動作信号生成手段からの動作信号を元に、検出回路の動作制御手段は検出動作のオン・オフ制御を行う。ここでは、動作信号生成手段は、音響波を発生させるためにトランスデューサに印加される送信電圧信号を検出する送信信号検出手段を有する。そして、動作信号生成手段は、送信信号検出手段で音響波送信動作を検出し、それが検出されてから所定の時間は動作信号を出力せず、所定の時間が経過後に動作信号を出力する。

本実施形態では、超音波プローブ１００が、送信信号検出手段１０６を有している。そのため、超音波の送信タイミングを、送信電圧信号２２２だけで、別の信号入力なしで検出することができ、検出回路１０２の動作を制御して発熱を低減することができる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態を、図６−１と図６−２を用いて説明する。第６の実施形態は、検出回路の保護スイッチ１０７を有していることが他の実施形態と異なる。それ以外は、第５の実施形態と同じである。本実施形態は、検出回路の保護スイッチ１０７の切断情報２２４（送信信号検出信号２２３と同じ役目を果たす）を元に、送信電圧（送信信号）を検出することを特徴とする。図６−１（ａ）において、１０７は保護スイッチで、２２４はスイッチ切断情報である。本実施形態において、送信電圧信号２２２は、トランスデューサ１０１に接続されると共に、保護スイッチ１０７を介して、検出回路１０２にも接続される。保護スイッチ１０７は、送信電圧信号２２２が一定電圧を超えると、それを検出し、検出回路１０２への接続を切断する。これにより、検出回路１０２に大きな電圧が印加されることを防ぐことができ、検出回路１０２が壊れることを防げる。一方、トランスデューサ１０１が超音波を受信している期間は、保護スイッチ１０７では、微小な電圧しか発生しないため、検出回路１０２へは配線が接続されたままとなる。これにより、超音波の受信によりトランスデューサで発生した検出信号２０２は、保護スイッチ１０７を介して、検出回路１０２に入力され、検出出力信号２０３に変化され、出力される。図６−２は図５−２と同様な図である。以上の様に、送信信号検出手段は、トランスデューサに印加される送信電圧信号が一定電圧以上になるとトランスデューサから検出回路への接続を切断するスイッチの切断情報を元に、送信電圧信号を検出する。

本実施形態では、保護スイッチ１０７の切断情報２２４が、動作信号生成手段１０４に入力されている。送信電圧信号２２２がトランスデューサ１０１に印加されると、保護スイッチ１０７にも同じ電圧が印加され、保護スイッチ１０７の検出回路１０２への配線が切断される。この保護スイッチの切断情報を確認することで、送信電圧信号２２２がトランスデューサ１０１に印加されたことが検出でき、超音波を送信したタイミングを検出できる。この切断情報は、動作信号生成手段１０４に入力され、切断情報を元にして動作信号を生成する。以上のように本実施形態では、保護スイッチ１０７が、送信信号検出手段１０６として機能している。

本実施形態では、超音波プローブ１００に設けられた保護スイッチ１０７が送信信号検出手段の機能を有しているため、構成要素を追加することなく、送信電圧信号を検出することができ、検出回路の動作を制御して発熱を低減できる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態を、図７−１〜図７−３を用いて説明する。第７の実施形態は、検出回路の動作の制御方法が他の実施形態と異なる。それ以外は、第６の実施形態までの実施形態と同じである。本実施形態は、検出回路１０２へのバイアス電圧の供給により、検出回路の動作を制御することを特徴とする。

図７−１と図７−２において、１０８は電圧供給手段、１１０は検出回路の電圧増幅部、１１２は検出回路の出力部である。本実施形態において、検出回路の動作制御手段１０３は、バイアス電圧の供給手段１０８として機能する。動作信号２０４は、供給手段１０８に入力されている。供給手段１０８では、動作信号２０４が受信動作を表す場合、検出回路１０２内の電圧増幅部１１０と出力部１１２の少なくとも何れか一方にバイアス電圧１１３を供給する。他方、動作信号２０４が受信動作を表わさない場合、検出回路１０２内の電圧増幅部１１０と出力部１１２の少なくとも何れか一方へのバイアス電圧１１３の供給を停止する。以上の様に、本実施形態では、検出回路の動作制御手段は、動作信号が受信期間を示している時に検出回路へ所定の電圧を供給し、動作信号が受信期間を示していない時に検出回路へ所定の電圧を供給しない。本実施形態では、検出回路の構成要素への電圧供給により、検出回路の動作を制御するため、簡単な構成で、確実に受信期間のみ検出回路を動作させることができる。そのため、複数の検出回路を同時に制御することが容易で、発熱が小さく且つ小型の超音波プローブを提供することができる。

本実施形態は、上記の構成に限らず、図７−３（ｃ）のように、電流電圧変換回路のトランスインピーダンス回路の入力部１１１へのバイアス電圧１１３の供給を制御する構成を取ることもできる。トランスインピーダンス回路の入力部１１１は、低ノイズにする目的で、大きなバイアス電流を流しているため、停止することで、消費電力を大幅に低減できる。よって、この形態を取ることで、容量性のＣＭＵＴを高精度に検出するためには検出回路に用いる必要がある、高速なトランスインピーダンス回路を用いた構成で、特に効果的に消費電力を低減することができる。また、図７−３（ｄ）のように、電流電圧変換回路のトランスインピーダンス回路の出力部１１２へのバイアス電圧１１３の供給を制御する構成を取ることもできるし、図７−３（ｃ）の構成と併用することもできる。これにより、より検出回路の消費電力を抑制することができる。

（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態を、図８−１〜図８−３を用いて説明する。第８の実施形態は、検出回路の動作の制御方法が他の実施形態と異なる。それ以外は、第６の実施形態までの実施形態と同じである。本実施形態は、検出回路の電圧増幅部１１０と検出回路の出力部１１２が動作するために必要なバイアス電流を供給する手段が、検出回路の電圧増幅部１１１と検出回路の出力部１１２の外部に配置されている。検出回路の外部に配置したバイアス電流供給手段１０９により、検出回路内へのバイアス電流の供給と非供給を切り替えて、検出回路の動作を制御することを特徴とする。

図８−１（ａ）において、１０９はバイアス電流供給手段、１１０は検出回路の電圧増幅部、１１２は検出回路の出力部である。本実施形態において、検出回路動作制御手段１０３は、バイアス電流供給手段１０９である。動作信号２０４は、バイアス電流供給手段１０９に入力される。バイアス電流供給手段１０９では、動作信号２０４が受信動作を表す場合、検出回路１０２内の接続された部分にバイアス電流１１４を供給する。動作信号２０４が受信動作を表わさない場合は、検出回路１０２内の接続された部分へのバイアス電流１１４の供給を停止する。

図８−１（ａ）では、バイアス電流供給手段１０９は、検出回路の電圧増幅部１１０のバイアス電流端子に接続されている。電圧増幅部１１０は、このバイアス電流端子に所定の電流を流すことで、電圧増幅動作を行う。そのため、このバイアス電流端子に電流を流さないと、電圧増幅動作は行わない。このように、本実施形態を用いることで、検出回路の電圧増幅動作を任意の状態に制御することができ、消費電力を低減することができる。このバイアス電流供給手段は、電流供給を制御するだけでよいので、小型のスイッチを用いて簡単に実現できる。配線やスイッチの数は、ほぼ検出回路と同じオーダーだけ必要となるが、回路全体を集積回路で構成することが可能で、集積化により大幅に回路面積を小さくすることができる。このように、本実施形態では、バイアス電流供給手段１０９を有しているため、電流供給の有無で、簡単に検出回路の動作を制御できる。そのため、回路が集積化されて回路面積が小さく、且つ消費電力を低減した超音波プローブを提供することができる。

また、図８−２（ｂ）のように、検出回路の出力部１１２へのバイアス電流１１４の供給を制御する構成を取ることもできるし、図８−１（ａ）の構成と併用することもできる。また、図８−２（ｂ）の構成の如き入力部としての電圧増幅部１１０へのバイアス電流１１４と出力部１１２へのバイアス電流１１４を同時に制御する構成を取ることもできる。以上の様に、図８−２の実施形態では、検出回路動作制御手段は、動作信号が音響波受信期間を示している時に検出回路へバイアス電流を供給する。そして、動作信号が音響波受信期間を示していない時に検出回路の電圧増幅部、または出力部へのバイアス電流を供給しない。

プローブからシステムまでの配線長が長い（ケーブル内の駆動負荷が大きい）場合、信号を伝送させるため、出力部の電流駆動能力が大きく設定されている。それに合わせて、出力部のバイアス電流値も大きな値に設定されている。上記の形態をとることで、出力ケーブルの長い構成であっても、効果的に消費電力を低減することができる。

本実施形態は、上記の構成に限らず、図８−３（ｃ）のように、電流電圧変換回路のトランスインピーダンス回路の入力部１１１へのバイアス電流１１４の供給を制御する構成を取ることもできる。トランスインピーダンス回路の入力部１１１は、低ノイズにする目的で、大きなバイアス電流を流しているため、停止することで、消費電力を大幅に低減できる。よって、この形態を取ることで、容量性のＣＭＵＴを高精度に検出するためには検出回路に用いる必要がある、高速なトランスインピーダンス回路を用いた構成で、効果的に消費電力を低減することができる。また、図８−３（ｄ）のように、電流電圧変換回路のトランスインピーダンス回路の出力部１１２へのバイアス電流１１４の供給を制御する構成を取ることもできるし、図８−３（ｃ）の構成と併用することもできる。これにより、より検出回路の消費電力を抑制することができる。

（第９の実施形態）
上記実施形態で説明した検出回路、トランスデューサなどは、音響波を用いた被検体情報取得装置に適用することができる。被検体からの音響波をトランスデューサで受信し、本発明の検出回路を介して出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報や、音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報を取得することができる。なお、上述の実施形態における超音波画像形成システム３５１は、本実施形態の処理部に対応する。

より詳しくは、本実施形態の被検体情報取得装置の１つは、少なくとも、被検体に光（可視光線や赤外線を含む電磁波）を照射する。このことにより被検体内の複数の位置（部位）で発生した光音響波を受信し、被検体内の複数の位置に夫々対応する特性情報の分布を示す特性分布を取得する。光音響波により取得される特性情報とは、光の吸収に関わる特性情報を示し、光照射によって生じた光音響波の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や、吸収係数、組織を構成する物質の濃度、等を反映した特性情報を含む。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度やトータルヘモグロビン濃度や、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビン濃度などである。

また、被検体情報取得装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的とすることもできる。よって、被検体としては生体、具体的には人や動物の乳房、頸部、腹部などの診断対象が想定される。被検体内部にある光吸収体としては、被検体内部で相対的に吸収係数が高い組織を示す。例えば、人体の一部が被検体であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを多く含む血管、あるいは新生血管を多く含む腫瘍、頸動脈壁のプラークなどがある。さらには、金粒子やグラファイトなどを利用して、悪性腫瘍などと特異的に結合する分子プローブや、薬剤を伝達するカプセルなども光吸収体となる。

また、光音響波の受信だけでなく、トランスデューサを含むプローブから送信される超音波が被検体内で反射した超音波エコーによる反射波を受信することにより、被検体内の音響特性に関する分布を取得することもできる。この音響特性に関する分布は、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した分布を含む。ただし、超音波の送受信や音響特性に関する分布を取得することは必須ではない。

図１２（ａ）は、光音響効果を利用した被検体情報取得装置を示したものである。光源２０１０から発生したパルス光は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材２０１２を介して、被検体２０１４に照射される。被検体２０１４の内部にある光吸収体２０１６は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波２０１８を発生する。プローブ（探触子）２０２２内のトランスデューサ２０２０は、光音響波２０１８を受信して電気信号に変換し、検出回路を介して信号処理部２０２４に出力する。信号処理部２０２４は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部２０２６へ出力する。データ処理部２０２６は、入力された信号を用いて被検体情報（光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した特性情報）を画像データとして取得する。ここでは、信号処理部２０２４とデータ処理部２０２６を含めて、処理部という。表示部２０２８は、データ処理部２０２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。

図１２（ｂ）は、音響波（超音波）の反射を利用した超音波エコー診断装置等の被検体情報取得装置を示したものである。プローブ（探触子）２１２２内のトランスデューサ２１２０から被検体２１１４へ送信された音響波は、反射体２１１６により反射される。トランスデューサ２１２０は、反射された音響波（反射波）２１１８を受信して電気信号に変換し、検出回路を介して信号処理部２１２４に出力する。信号処理部２１２４は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部２１２６へ出力する。データ処理部２１２６は、入力された信号を用いて被検体情報（音響インピーダンスの違いを反映した特性情報）を画像データとして取得する。ここでも、信号処理部２１２４とデータ処理部２１２６を含めて、処理部という。表示部２１２８は、データ処理部２１２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。

なお、プローブは、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの（ハンドヘルド型）であってもよい。ただし、ユーザが手で把持して操作するハンドヘルド型プローブのほうが発熱の課題が顕著であるため、ハンドヘルド型プローブに適用することが好ましい。また、図１２（ｂ）のように反射波を用いる装置の場合、音響波を送信するプローブは受信するプローブと別に設けてもよい。さらに、図１２（ａ）と（ｂ）の装置の機能をどちらも兼ね備えた装置とし、被検体の光学特性値を反映した被検体情報と、音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報と、をどちらも取得するようにしてもよい。この場合、図１２（ａ）のトランスデューサ２０２０が光音響波の受信だけでなく、音響波の送信と反射波の受信を行うようにしてもよい。

１００・・超音波プローブ、１０１・・超音波トランスデューサ、１０２・・検出回路、１０３・・検出回路動作制御手段、１０４・・動作信号生成手段、２０２・・検出信号

Claims (19)

1. 音響波を受信する素子から出力される信号を検出する検出回路であって、
   素子が音響波を受信しない期間は、検出動作を行わない様に構成されていることを特徴とする検出回路。
2. 静電容量型の素子に対して用いられる電流電圧変換回路であるトランスインピーダンス回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の検出回路。
3. 圧電素子に対して用いられる電圧増幅回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の検出回路。
4. 前記検出回路の検出動作を制御する動作制御手段を含むことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の検出回路。
5. 前記動作制御手段は、前記検出回路へバイアス電圧を供給しないことにより前記検出回路が検出動作を行わないよう制御することを特徴とする請求項４に記載の検出回路。
6. 前記動作制御手段は、前記検出回路の入力部または出力部へバイアス電流を供給しないことにより前記検出回路が検出動作を行わないように制御することを特徴とする請求項４に記載の検出回路。
7. 前記検出回路は、素子から送信される音響波の送信タイミングに基づいて検出動作が制御されるよう構成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の検出回路。
8. 請求項１から７の何れか１項に記載の検出回路と、音響波を受信する素子と、前記素子に音響波を発生させるための送信信号を検出する送信信号検出手段と、を備えるプローブであって、
   前記検出回路は、前記送信信号検出手段からの信号に基づいて、検出動作が制御されるよう構成されていることを特徴とするプローブ。
9. 前記送信信号検出手段からの信号に基づいて、動作信号を生成する動作信号生成手段を備え、
   前記検出回路は、前記動作信号生成手段からの前記動作信号に基づいて、検出動作が制御されるよう構成されていることを特徴とする請求項８に記載のプローブ。
10. 請求項１から６の何れか１項に記載の検出回路と、光が照射された被検体内で発生する音響波を受信する素子と、を備えるプローブであって、
    前記検出回路は、前記光の発光タイミングに基づいて検出動作が制御されよう構成されていることを特徴とするプローブ。
11. 前記光の発光を検出する発光検出手段からの信号に基づいて、動作信号を生成する動作信号生成手段を備え、
    前記検出回路は、前記動作信号生成手段からの前記動作信号に基づいて検出動作が制御されるよう構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のプローブ。
12. 前記素子に印加される送信信号が一定以上になると前記素子と前記検出回路との接続を切断する保護スイッチを備え、
    前記検出回路は、前記保護スイッチの切断情報を元に、検出動作が制御されるよう構成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載のプローブ。
13. 前記検出回路の検出動作を制御する動作制御手段を含むことを特徴とする請求項８から１２の何れか１項に記載のプローブ。
14. 前記動作制御手段は、前記検出回路へバイアス電圧を供給しないことにより前記検出回路が検出動作を行わないよう制御することを特徴とする請求項１３に記載のプローブ。
15. 前記動作制御手段は、前記検出回路の入力部または出力部へバイアス電流を供給しないことにより前記検出回路が検出動作を行わないように制御することを特徴とする請求項１３に記載のプローブ。
16. 音響波を送信し、送信された音響波が被検体内で反射した反射波を受信する素子と、
    前記素子から出力される信号を検出する検出回路と、を備え、
    前記検出回路は、前記音響波の送信から所定期間は、検出動作を行わないことを特徴とするプローブ。
17. 光が照射された被検体内で発生する音響波を受信する素子と、
    前記素子から出力される信号を検出する検出回路と、を備え、
    前記検出回路は、前記光の発光から所定期間は、検出動作を行わないことを特徴とするプローブ。
18. 請求項１から７の何れか１項に記載の検出回路又は請求項８から１７の何れか１項に記載のプローブと、被検体からの音響波を受信する素子と、前記検出回路が出力する信号を用いて被検体の情報を取得する処理部と、を有することを特徴とする被検体情報取得装置。
19. 音響波を受信する素子から出力される信号を検出する検出回路の駆動方法であって、
    素子が音響波を受信しない期間は、前記検出回路が検出動作を行わない様にすることを特徴とする検出回路の駆動方法。

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