JP2014207970A - 光音響計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光音響計測装置において、接触判断の処理を画像生成のための処理と分離する。
【解決手段】音響波検出手段１６は、第１の検出器素子１６１と第２の検出器素子１６２とを有する。光源からの光が被検体に向けて出射した後に第１の検出器素子１６１によって検出された光音響信号は、信号処理ユニットによって受信され、信号処理ユニットにて画像生成などの信号処理が行われる。音響波の送信後に第２の検出器素子１６２によって検出された反射音響波信号は、接触判断手段３１によって受信される。接触判断手段３１は、受信した反射音響波信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光音響計測装置に関し、更に詳しくは、被検体に光を出射し、光出射により被検体内において生じた光音響波を検出する光音響計測装置に関する。

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、組織界面において反射する。超音波探触子により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によって、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、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により検出し、その検出信号（光音響信号）に基づいて光音響画像を構成することによって、光音響波に基づく生体内の可視化が可能である。

ここで、光音響イメージングでは、比較的出力の高いレーザ光を生体内に照射する必要がある。安全性の観点からは、プローブが生体に接触していないときはパルスレーザ光の出射を抑止することが好ましい。これに関して、特許文献１には、プローブから超音波を送信し、超音波受信信号に基づいて接触が十分であるか否かを判断し、接触が十分であるときに光照射を行うことが記載されている。

特開２０１２−２３１９８０号公報

特許文献１では、被検体内において反射した反射超音波は、超音波画像の生成を行う処理装置によって受信される。処理装置は、超音波画像を生成する一方で、光源の制御装置に超音波受信信号を送る。制御装置は、処理装置から受け取った超音波受信信号に基づいて接触状態を判断する。このため、超音波画像生成と接触状態の判断とを分離して行うことができず、例えば超音波画像を生成する処理装置がダウンした場合は、処理装置から超音波受信信号を受け取ることができず、接触状態の判断を行うことができない。

本発明は、上記に鑑み、画像生成などの信号処理と分離して、接触判断の処理が可能な光音響計測装置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、光源を含む光源ユニットと、音響波の検出及び音響波の送信が可能な複数の検出器素子であって、第１の検出器素子及び第２の検出器素子を含む複数の検出器素子を有する音響波検出手段と、光源から発せられた光を被検体方向へ出射する光出射部とを含むプローブと、音響波検出手段の複数の検出器素子のうちの第１の検出器素子と接続され、光源から発せられた光が被検体に出射された後に、光出射に起因して被検体内において発生し、第１の検出器素子によって検出された光音響波の検出信号を受信する受信回路と、受信回路が受信した光音響波の検出信号を信号処理する信号処理手段とを含む信号処理ユニットと、音響波検出手段の複数の検出器素子のうちの第２の検出器素子と接続され、複数の検出器素子のうちの少なくとも一部から音響波が送信された後に、第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信し、受信した音響波の検出信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断する接触判断手段と、プローブが被検体に接触していると判断されたとき、光出射部から光を出射させる発光制御手段とを備えたことを特徴とする光音響計測装置を提供する。

本発明において、接触判定手段及び発光制御手段は、光源ユニットに配置されていることが好ましい。

第２の検出器素子及び接触判定手段をそれぞれ複数備え、発光制御手段は、複数の接触判定手段のうちの少なくとも１つにおいてプローブが被検体に接触していると判断されたとき、光出射部から光を出射させることも好ましい。

接触判断手段は、音響波の送信から、第２の検出器素子の音響波検出面とプローブの被検体と接触する面との間の距離に対応した時間が経過するまでの間の検出信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断することとしてもよい。

信号処理ユニットは、第１の検出器素子から音響波を送信させる送信回路を更に備えていてもよい。

受信回路は、第１の検出器素子から送信された音響波に対する反射音響波の検出信号を更に受信し、信号処理手段は、更に反射音響波の検出信号を信号処理することとしてもよい。

本発明では、接触判定手段は、送信回路が音響波を送信させた後、第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信する構成を採用できる。

また、本発明では、接触判定手段は、第２の検出器素子から音響波を送信させ、音響波の送信後、第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信する構成を採用することもできる。

音響波検出器において、第１の検出器素子及び第２の検出器素子を含む複数の検出器素子は少なくとも一次元的に配列されていてもよい。この場合、配列方向のうちの少なくとも一方の端部に第２の検出器素子が配置されている構成としてもよい。また、配列方向に沿って隣り合う２つの第１の検出器素子の間に第２の検出器素子が配置されている構成でもよい。

複数の第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号の和を１つの接触判定手段が受信することとしてもよい。

接触判断手段は、受信した音響波の検出信号の最大値がしきい値以下のとき、接触していると判断してもよい。

接触判断手段は、第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号の負の信号を正の信号に折り返す折返し回路と、折返し回路の出力信号をローパスフィルタ処理するローパスフィルタ回路と、ローパスフィルタ回路の出力信号レベルとしきい値に対応した電圧とを比較する比較回路とを含む構成とすることができる。

上記に代えて、接触判断手段は、受信した音響波の検出信号を積分し、積分値がしきい値以下のとき、接触していると判断することとしてもよい。

接触判断手段は、第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号の負の信号を正の信号に折り返す折返し回路と、折返し回路の出力信号をローパスフィルタ処理するローパスフィルタ回路と、ローパスフィルタ回路の出力信号を積分する積分回路と、積分回路の出力信号レベルとしきい値に対応した電圧とを比較する比較回路とを含む構成とすることができる。

本発明は、また、光源を含む光源ユニットと、音響波の検出及び音響波の送信が可能な複数の検出器素子であって、検出器素子を有する音響波検出手段と、光源から発せられた光を被検体方向へ出射する光出射部とを含むプローブと、検出器素子の検出信号を増幅するプリアンプと、検出器素子とプリアンプを介して接続され、光源から発せられた光が被検体に出射された後に、光出射に起因して被検体内において発生し、検出器素子によって検出された光音響波の検出信号を受信する受信回路と、受信回路が受信した光音響波の検出信号を信号処理する信号処理手段とを含む信号処理ユニットと、プリアンプと受信回路とを接続する配線から分岐された配線を介して検出器素子の検出信号を入力し、検出器素子の検出信号を出力する緩衝増幅器と、検出器素子と緩衝増幅器を介して接続され、検出器素子から音響波が送信された後に、検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信し、受信した音響波の検出信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断する接触判断手段と、プローブが被検体に接触していると判断されたとき、光出射部から光を出射させる発光制御手段とを備えた光音響計測装置を提供する。

上記の光音響計測装置において、プリアンプの出力インピーダンスは緩衝増幅器の入力インピーダンスよりも低いことが好ましい。

本発明の光音響計測装置では、プローブは検出器素子を複数有し、プリアンプは複数の検出器素子のそれぞれに対応して配置されており、かつ、緩衝増幅器は、プリアンプと受信回路とを接続する複数の配線のうちの少なくとも一部から分岐された配線を介して検出器素子の検出信号を入力してもよい。

本発明の光音響計測装置は、緩衝増幅器の入力側に、しきい値電圧以上の信号が印加されると信号を遮断する保護スイッチを更に有する構成とすることが好ましい。また、本発明の光音響計測装置は、緩衝増幅器の入力側に、緩衝増幅器への入力信号電圧を制限する保護回路を有することが更に好ましい。

緩衝増幅器の数は上記の分岐された配線の数よりも少なく、分岐された配線と緩衝増幅器との間に、分岐された配線のうち緩衝増幅器に接続される配線を選択するスイッチを更に備えた構成であってもよい。

本発明の光音響計測装置では、検出器素子によって検出された信号の信号経路を分離し、画像生成などの信号処理と、接触判断の処理とを連動せず分離して行うことができる。

本発明の一実施形態の光音響計測装置を示すブロック図。 音響波検出手段を示すブロック図。 接触判断手段の構成例を示すブロック図。 動作手順を示すフローチャート。 接触判断用の第２の検出器素子を４つ有する音響波検出手段を示すブロック図。 第２の検出器素と接触判断手段との接続の変形例を示すブロック図。 第２の検出器素子と接触判断手段との接続の更なる変形例を示すブロック図。 接触判断手段の別の構成例を示すブロック図。 第１の検出器素子が第２の検出器素子を兼ねる場合の回路接続を示す図。 複数の検出器素子を有する音響波検出手段とプリアンプ及びバッファとの接続を示す図。

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、本発明の一実施形態に係る光音響計測装置を示す。光音響計測装置１０は、プローブ１１、信号処理ユニット１２、及び光源ユニット１３を備える。光音響計測装置１０は、超音波画像と光音響画像との双方を生成可能である。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。

光源ユニット１３は、被検体に向けて出射される光（レーザ光）を生成する。プローブ１１は、被検体に光が出射された後に、光出射に起因して被検体内で発生した光音響波を検出する。また、被検体に対する音響波（超音波）の送信、及び送信した音響波に対する反射音響波（反射超音波）の受信を行う。信号処理ユニット１２は、プローブ１１で検出された光音響波の検出信号（光音響信号）に基づいて光音響画像を生成する。また、プローブ１１で検出された反射超音波の検出信号（反射超音波信号）に基づいて超音波画像（反射音響波画像）を生成する。

プローブ１１は、音響波検出手段１６と光出射部１７とを有する。音響波検出手段１６は、音響波の検出及び音響波の送信が可能な複数の検出器素子を有する。複数の検出器素子は、１以上の第１の検出器素子と１以上の第２の検出器素子とを含む。第１の検出器素子は画像取得用の検出器素子であり、第２の検出器素子は接触判断用の検出器素子である。光出射部１７は、光源ユニット１３からの光を被検体方向へ出射する。

信号処理ユニット１２は、送受切替回路２１、受信回路２２、送信回路２３、画像生成手段２４、及び送受制御回路２５を有する。送受切替回路２１は、超音波の送信と受信とを切り替える。送受切替回路２１は、音響波検出手段１６の複数の検出器素子のうちの第１の検出器素子と接続されている。送受切替回路２１は、超音波の受信時は第１の検出器素子と受信回路２２とを接続し、音響波の送信時は送信回路２３と第１の検出器素子とを接続する。送受制御回路２５は、音響波の送信と受信を制御する。

送信回路２３は送信信号を生成する。送信回路２３は、送受切替回路２１を介して、音響波検出手段１６の第１の検出器素子を送信信号を送る。音響波検出手段１６の第１の検出器素子は送信信号に応じて駆動され、第１の検出器素子から超音波が送信される。受信回路２２は、送受切替回路２１を介して、音響波検出手段１６の第１の検出器素子から出力される超音波信号を受信する。受信回路２２が受信する超音波信号は、光音響信号と反射超音波信号とを含む。

画像生成手段２４は、信号処理手段であり、受信回路２２が受信した超音波信号に基づいて画像生成を行う。より詳細には、画像生成手段２４は、光音響信号に基づいて光音響画像を生成し、反射超音波信号に基づいて超音波画像を生成する。なお、画像の生成は必須ではなく、画像生成手段２４において、超音波信号に対して何らかの信号処理を施すだけでもよい。また、反射超音波に対する信号処理（画像生成）は省略してもよい。

光源ユニット１３は、接触判断手段３１、発光制御手段３２、及び光源（発光部）３３を有する。接触判断手段３１は、音響波検出手段１６の複数の検出器素子のうちの第２の検出器素子に接続されている。接触判断手段３１は、音響波検出手段１６の複数の検出器素子のうちの少なくとも一部から超音波が送信された後に、第２の検出器素子で検出された反射超音波の検出信号（反射超音波信号）を受信する。接触判断手段３１は、第２の検出器素子から出力される反射超音波信号に基づいてプローブ１１が被検体に接触しているか否かを判断する。

プローブ１１が被検体に接触していない場合には、音響波検出手段１６から超音波を送信すると、プローブ１１の先端と空気との界面から強い反射超音波が返ってくる。一方、プローブ１１が被検体に接触している場合、送信された超音波は、その多くがプローブ１１から被検体内に侵入し、界面から強い反射超音波が返ってくることはない。接触判断手段３１は、例えば第２の検出器素子から受信した反射超音波信号の最大値がしきい値よりも小さいとき、プローブ１１が被検体に接触していると判断する。

上記の第２の検出器素子で検出された反射超音波信号の受信は、超音波の送信タイミングから、プローブ１１における超音波検出面と被検体に接触するプローブ先端の面との間の距離に対応した時間が経過するまでの間だけ行えばよい。つまり、接触判断手段３１は、超音波の送信から、第２の検出器素子の超音波検出面とプローブ１１の被検体と接触する面との間の距離に対応した時間が経過するまでの間の検出信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断すればよい。

接触判断手段３１は、例えば送信回路２３から超音波を送信したことを示す信号を受け取ると、第２の検出器素子から出力される反射超音波信号をある期間だけモニタし、その期間における反射超音波信号の最大値をしきい値処理する。反射超音波信号の最大値がしきい値よりも小さいとき、プローブ１１が被検体に接触していると判断する。

なお、プローブの先端にアタッチメント（超音波透過ゲル）などを取り付ける場合には、超音波検出面と被検体に接触するプローブ先端の面との間の距離が、アタッチメントの厚みの分だけ長くなる。また、使用するアタッチメントに応じて、プローブ１１の先端（アタッチメントの先端）と空気との界面で発生する反射超音波の大きさも変化すると考えられる。アタッチメントを使用する場合には、使用するアタッチメントに応じて、接触判断の基準となる反射超音波信号のしきい値を適宜変更すればよい。また、使用するアタッチメントの厚み（超音波検出面側の面から被検体側の面までの間の距離）に応じて、反射超音波信号をモニタする期間を調整すればよい。

光源３３は、被検体に向けて出射される光（レーザ光）を出射する。レーザ光の波長は、観察対象物に応じて適宜設定すればよい。発光制御手段３２は、光源３３の光出射を制御する。発光制御手段３２は、接触判断手段３１がプローブが被検体に接触していると判断したとき、光源３３に光を出射させる。光源３３から出射した光は、光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１の光出射部１７から出射される。

図２は、音響波検出手段１６を示す。音響波検出手段１６は、例えば１次元的に配列された複数の検出器素子を含む。配列された複数の検出器素子のうち、配列方向の両端の検出器素子を第２の検出器素子１６２とし、残りの検出器素子を第１の検出器素子１６１とする。例えば計１３０個の検出器素子が１次元配列されている場合は、両端である１ｃｈと１３０ｃｈの２つの検出器素子を接触判断用の第２の検出器素子１６２とし、２ｃｈ〜１２９ｃｈの１２８個の検出器素子を画像取得用の第１の検出器素子１６１とする。なお、第２の検出器素子１６２は、必ずしも検出器素子の配列方向の両端に設けられている必要はなく、どちらか片方でもよい。また、検出器素子の配列は１次元配列には限定されない。複数の検出器素子が２次元的に配列されていてもよい。

画像取得用である第１の検出器素子１６１は、送受切替回路２１を介して受信回路２２又は送信回路２３に接続される。送受切替回路２１と第１の検出器素子１６１との間にマルチプレクサが設けられる構成とし、１２８個の第１の検出器素子１６１のいくつかが選択的に受信回路２２又は送信回路２３に接続されるようにしてもよい。マルチプレクサは、例えば超音波のラインｂｙライン走査や、光音響画像取得時の領域選択に用いることができる。接触判断のための超音波を送信する際には、音響波検出手段１６に設けられた全ての第１の検出器素子１６１から超音波を送信する必要はなく、その一部から送信することとしてもよい。

接触判断用である２つの第２の検出器素子１６２は、対応する接触判断手段３１にそれぞれ接続される。各接触判断手段３１は、接続された第２の検出器素子１６２から出力される反射超音波信号が、しきい値よりも小さいか否かを判断する。発光制御手段３２（図１を参照）は、２つの接触判断手段３１における判断結果に基づいて光源３３の制御を行う。図２の例のように、第２の検出器素子１６２及び接触判断手段３１を複数個有する場合、発光制御手段３２は、複数の接触判断手段３１のうちの少なくとも１つでプローブ１１が被検体に接触していると判断されたとき、光源３３から光を出射させる。発光制御手段３２は、例えば２つの接触判断手段３１の双方でプローブ１１が被検体に接触していると判断されたときにのみ、光源３３から光を出射させてもよい。

ここで、受信回路２２は、送受切替回路２１を介して、音響波検出手段１６に設けられた第１の検出器素子及び第２の検出器素子のうち、第１の検出器素子１６１のみに接続され、第２の検出器素子１６２には接続されない。従って、第２の検出器素子１６２によって検出された信号が、光音響画像の生成などに用いられることはない。一方、接触判断手段３１は、音響波検出手段１６に設けられた第１の検出器素子及び第２の検出器素子のうち、第２の検出器素子１６２のみに接続され、第１の検出器素子１６１には接続されない。従って、第１の検出器素子１６２によって検出された信号が、接触判断に用いられることはない。

図３は、接触判断手段３１の構成を示す。接触判断手段３１は、例えば増幅回路３１１、折返し回路３１２、ＬＰＦ（Low Pass Filter）回路３１３、及び比較回路３１４を有する。増幅回路３１１は、第２の検出器素子１６２（図２を参照）から出力される反射超音波信号を増幅する。第２の検出器素子１６２から出力される反射超音波信号が十分に大きければ増幅回路３１１は省いてもよい。折返し回路３１２は、例えばダイオードブリッジ回路を含み、増幅回路３１１によって増幅された反射超音波の負の信号を正の信号に変換してＬＰＦ３１３へ出力する。

ＬＰＦ回路３１３は、折返し回路３１２の出力信号をローパスフィルタ処理し、信号の高周波成分をカットする。比較回路３１４は、ＬＰＦ回路３１３の出力信号レベルと、接触判断のしきい値に対応した電圧とを比較する。比較回路３１４は、ＬＰＦ回路３１３の出力信号レベルがしきい値に対応した電圧以下のとき、プローブ１１が被検体に接触している旨を示す信号を出力する。これとは逆に、ＬＰＦ回路３１３の出力信号レベルがしきい値に対応した電圧よりも高いとき、プローブ１１が被検体に接触していない旨を示す信号を出力してもよい。

図４は、動作手順を示す。送受制御回路２５は、超音波送信のために、送受切替回路２１を送信回路２３に接続させる。送信回路２３は、送受切替回路２１を介して音響波検出手段１６の第１の検出器素子１６１（図２を参照）に送信信号を送り、第１の検出器素子１６１から超音波を送信させる（ステップＳ１）。

送受制御回路２５は、超音波送信後、送受切替回路２１を受信回路２２に接続させる。受信回路２２は、送受切替回路２１を介して、第１の検出器素子１６１から出力される反射超音波信号を受信する（ステップＳ２）。画像生成手段２４は、受信された反射超音波信号に基づいて超音波画像を生成する（ステップＳ３）。光音響計測装置１０は、例えばラインｂｙラインで超音波の送信と受信を行い、超音波画像を生成する。

光音響計測装置１０は、超音波画像の取得後、光音響画像の取得に先立って、接触判断のための超音波を送信する。送受制御回路２５は、超音波送信のために、送受切替回路２１を送信回路２３に接続させる。送信回路２３は、送受切替回路２１を介して第１の検出器素子１６１に送信信号を送り、第１の検出器素子１６１から超音波を送信させる（ステップＳ４）。超音波の送信は、音響波検出手段１６に設けられた全ての第１の検出器素子１６１から行う必要はなく、例えば第２の検出器素子１６２の近傍のいくつかの第１の検出器素子１６１から行えばよい。

第２の検出器素子１６２は、ステップＳ４で送信された超音波に対する反射超音波を検出する（ステップＳ５）。接触判断手段３１は、第２の検出器素子１６２から出力される反射超音波信号を受信し、第２の検出器素子１６２で強い反射超音波が検出された否かを判断する（ステップＳ６）。光音響計測装置１０が複数の接触判断手段３１を有するときは、複数の接触判断手段３１のそれぞれにおいて、第２の検出器素子１６２で強い反射超音波が検出された否かの判断を行う。接触判断手段３１は、例えば第２の検出器素子１６２から出力される反射超音波信号の信号レベルがしきい値以下のとき、比較回路３１４（図３を参照）から、プローブ１１が被検体に接触していること（以下接触ありと記載する）を示すＨレベルの信号を出力する。

発光制御手段３２は、ステップＳ６において第２の検出器素子１６２で強い反射超音波が検出されていないと判断されたときは、プローブ１１が被検体に接触していると判断して、光源３３の発光を許可する。光源３３は、例えば発光制御手段３２からトリガ信号を入力し、レーザ発振を行ってレーザ光を出射する（ステップＳ７）。ステップＳ６において第２の検出器素子１６２で強い反射超音波が検出されたと判断されたときは、処理を終了する。あるいはステップＳ４に戻り、強い反射超音波が検出されなくなるまでステップＳ４からステップＳ６までを繰り返し実行してもよい。

光源３３は、ステップＳ７でレーザ光を出射する際に、レーザ光の出射タイミングを信号処理ユニット１２に伝える。送受制御回路２５は、光音響波の受信に備えて送受切替回路２１を受信回路２２に接続させる。送受切替回路２１の接続先の切替えは、ステップＳ４の超音波送信後、光源ユニット１３の発光までの間の任意のタイミングで行えばよい。光源３３から発せられた光が被検体に向けて出射された後、第１の検出器素子１６１が光音響信号を検出する（ステップＳ８）。

受信回路２２は、光源３３の発光タイミングに合わせて、第１の検出器素子１６１から出力される光音響信号の受信を開始する。画像生成手段２４は、受信された光音響信号に基づいて光音響画像を生成する（ステップＳ９）。ステップＳ３で生成された超音波画像とステップＳ９で生成された光音響画像とが、図示しないディスプレイなどの画像表示手段に表示される。超音波画像と光音響画像とは、例えば位置合せした上で重ねて表示される。あるいは、超音波画像と光音響画像とを並べて表示してもよいし、両者を切り替えて表示してもよい。

本実施形態では、音響波検出手段１６は、第１の検出器素子１６１と第２の検出器素子１６２とを有する。第１の検出器素子１６１によって検出された検出信号は信号処理ユニット１２に送られ、信号処理ユニット１２において画像生成などの信号処理が行われる。一方、第２の検出器素子１６２によって検出された検出信号は接触判断手段３１に送られ、接触判断手段３１にて接触判断の処理が行われる。第１の検出器素子１６１と第２の検出器素子１６２とでは、信号出力先が異なっており、信号経路を分けられている。接触判断手段３１における処理は、信号処理ユニット１２内での信号処理の影響を受けず、接触判断のための処理を、画像生成のための処理と連動せず分離して実施することができる。このため、例えば信号処理ユニット１２がダウンしている場合でも、接触判断の処理が可能である。

なお、図２では１次元配列された複数の検出器素子のうちの両端の検出器素子を接触判断用の第２の検出器素子１６２としたが、これには限定されず、第２の検出器素子１６２が画像取得用の第１の検出器素子１６１の間に挿入されていてもよい。別の言い方をすれば、第２の検出器素子１６２は、配列方向に沿って隣接する２つの第１の検出器素子１６１の間に配置されていてもよい。また、第２の検出器素子１６２は少なくとも１つあればよく、２つには限定されない。音響波検出手段１６が３つ以上の第２の検出器素子１６２を有することとしてもよい。

図５は、接触判断用の第２の検出器素子１６２を４つ有する音響波検出手段１６を示す。音響波検出手段１６は、例えば計１３２個の検出器素子を有する。そのうちの、１ｃｈ、４９ｃｈ、８４ｃｈ、及び１３２ｃｈの計４つの検出器素子が接触判断用の第２の検出器素子１６２であり、残り計１２８個は画像取得用の第１の検出器素子１６１である。図５では、接触判断手段３１も、第２の検出器素子１６２と１対１に対応する形で４つ設けられている。各接触判断手段３１は、例えば接触ありと判断した場合（反射超音波信号の信号レベルがしきい値（Ｖ_ｔｈ）以下の場合）はＨレベルの信号を出力し、プローブ１１と被検体との接触なしと判断した場合（反射超音波信号の信号レベルがしきい値（Ｖ_ｔｈ）よりも高い）はＬレベルの信号を出力する。

図５に示すように、音響波検出手段１６の両端と中央２か所に第２の検出器素子１６２が配置される場合は、両端のうちの少なくとも一方が被検体と接触し、かつ中央２か所のうちの少なくとも一方が被検体と接触するときに、光出射を行うようにしてもよい。例えば、１ｃｈの第２の検出器素子１６２に対応した接触判断手段３１の出力と、１３２ｃｈの第２の検出器素子１６２に対応した接触判断手段３１の出力とを、ＯＲ回路３５の入力端子に接続する。両端に対応した２つの接触判断手段３１の少なくとも一方で接触ありと判断されるとき、ＯＲ回路３５の出力はＨレベルとなる。

また、４９ｃｈの第２の検出器素子１６２に対応した接触判断手段３１の出力と、８４ｃｈの第２の検出器素子１６２に対応した接触判断手段３１の出力とを、ＯＲ回路３６の入力に接続する。中央部の２つの第２の検出器素子１６２に対応した接触判断手段３１の少なくとも一方で接触ありと判断されるとき、ＯＲ回路３６の出力はＨレベルになる。ＯＲ回路３５の出力と、ＯＲ回路３６の出力とを、ＡＮＤ回路３７の入力に接続する。ＡＮＤ回路３７の出力は、ＯＲ回路３５の出力とＯＲ回路３６の出力とが共にＨレベルのとき、Ｈレベルとなる。発光制御手段３２（図１を参照）は、ＡＮＤ回路３７の出力がＨレベルのとき、光源３３から光を出射させればよい。このようにする場合、プローブ１１の超音波検出面の全体が被検体に接触していない場合でも光出射が可能となる。

図６は、第２の検出器素子１６２と接触判断手段３１との接続の変形例を示す。第２の検出器素子１６２と接触判断手段３１とは１対１に対応している必要はなく、複数の第２の検出器素子１６２と１つの接触判断手段３１とを対応させてもよい。その場合、１つの接触判断手段３１は、複数の第２の検出器素子１６２で検出された反射超音波信号の和を受信すればよい。図６の例では、音響波検出手段１６の両端の第２の検出器素子１６２の出力を１つにまとめ、それを１つの接触判断手段３１に接続している。また、中央の２つの第２の検出器素子１６２の出力を１つにまとめ、それを１つの接触判断手段３１に接続している。

両端に対応した接触判断手段３１は、両端の第２の検出器素子１６２の反射超音波信号の和の信号レベルが、しきい値に対応した電圧レベル以下であるか否かを判断する。このときのしきい値を、図５の場合の接触判断手段３１におけるしきい値（Ｖ_ｔｈ）の２倍（２×Ｖ_ｔｈ）にしておく。２つの第２の検出器素子１６２の少なくとも一方で強い反射超音波信号が検出されていないとき、２つの第２の検出器素子１６２の反射超音波信号の和は２×Ｖ_ｔｈよりも低くなる。しきい値を２×Ｖ_ｔｈとした場合、接触判断手段３１は、両端の第２の検出器素子１６２の少なくとも一方が接触していれば、接触ありと判断してＨレベルの信号を出力する。中央の２つの第２の検出器素子１６２に対応した接触判断手段３１も同様である。

上記とは逆に、２つの第２の検出器素子１６２の双方で強い反射超音波信号が検出されなかったときにのみ接触ありと判断したい場合には、２つの第２の検出器素子１６２の反射超音波信号の和と比較するしきい値を、図５の場合におけるしきい値と同じ値（Ｖ_ｔｈ）とすればよい。この場合、２つの第２の検出器素子１６２の何れか一方が被検体から離れているとき、反射超音波信号の和はしきい値Ｖ_ｔｈよりも大きくなる。接触判断手段３１は、２つの第２の検出器素子１６２の双方が被検体に接触し、双方とも弱い反射超音波信号しか検出されないときに、接触ありと判断してＨレベルの信号を出力する。

２つの接触判断手段３１の出力は、ＡＮＤ回路３７の入力に接続される。ＡＮＤ回路３７の出力は、双方の接触判断手段３１が接触ありを示すＨレベルの信号を出力するとき、Ｈレベルとなる。発光制御手段３２が、ＡＮＤ回路３７の出力がＨレベルのとき、光源３３から光を出射させればよい点は、図５の場合と同様である。

図７は、第２の検出器素子１６２と接触判断手段３１との接続の更なる変形例を示す。更なる変形例では、４つの第２の検出器素子１６２に対して１つの接触判断手段３１を有する。接触判断手段３１は、４つの第２の検出器素子１６２の反射超音波信号の和を受信し、反射超音波信号の和の信号レベルが、しきい値に対応した電圧レベル以下であるか否かを判断する。しきい値を図５の場合におけるしきい値の３倍（３×Ｖ_ｔｈ）とした場合、接触判断手段３１は、４つのうちの何れか１つの第２の検出器素子１６２が被検体に接触しているときに接触ありと判断してＨレベルの信号を出力する。

図７に示す更なる変形例では、反射超音波信号の和と比較するしきい値を変えることで、何個の第２の検出器素子１６２が被検体に接触しているときに、接触判断手段３１が接触ありと判断するかを変えることができる。しきい値を２×Ｖ_ｔｈにすれば、４つのうちの２つの第２の検出器素子１６２が被検体に接触しているときに接触ありと判断でき、しきい値をＶ_ｔｈにすれば、４つのうちの１つの第２の検出器素子１６２が被検体に接触しているときに接触ありと判断できる。

また、上記実施形態では、接触判断手段３１が反射超音波をしきい値処理することで接触状態の判断を行うものとして説明したが、これには限定されない。反射超音波信号に基づく接触状態の判断には、種々の手法を用いることができ、反射超音波信号をしきい値処理することに特に限定されるわけではない。例えば、第２の検出器素子１６２から受信した反射超音波信号を積分し、積分値がしきい値以下のとき、接触していると判断することとしてもよい。

図８は、反射超音波信号の積分値に基づいて接触状態の判断を行う場合の接触判断手段の構成を示す。接触判断手段３１ａは、増幅回路３１１、折返し回路３１２、ＬＰＦ回路３１３、比較回路３１４、及び積分回路３１５を有する。増幅回路３１１、折返し回路３１２、及びＬＰＦ回路３１３は、図３に示したものと同様でよい。積分回路３１５は、ＬＰＦ回路の出力信号を積分する。積分回路３１５は、例えばプローブ１１における超音波検出面と被検体に接触するプローブ先端の面との間の距離に対応した時間だけ、ＬＰＦ回路３１３の出力信号を積分する。

プローブ１１が被検体に接触していない場合には、音響波検出手段１６から超音波を送信すると、プローブ１１の先端と空気との界面から強い反射超音波が返ってくるため、反射超音波信号の積分値が大きくなる。一方、プローブ１１が被検体に接触している場合、界面から強い反射超音波が返ってくることはなく、反射超音波信号の積分値は小さい。比較回路３１４は、積分回路３１５が出力する反射超音波信号の積分値と、接触判断のしきい値に対応した電圧とを比較する。比較回路３１４は、積分値がしきい値に対応した電圧以下のとき、プローブ１１が被検体に接触している旨を示す信号を出力する。

上記実施形態では、接触判断手段３１が光源ユニット１３に設けられる例について説明したが、接触判断手段３１は、必ずしも光源ユニット１３に設けられている必要はない。接触判断に用いられる反射超音波信号の検出に用いられる検出器素子を画像取得用の検出器素子とは別に設け、接触判断のための手段を画像生成のための手段と分離することにより、画像生成のための処理と分離して、接触判断の処理を行うことができる。

上記実施形態では、第１の検出器素子１６１から超音波送信を行い、第２の検出器素子１６２で反射超音波を検出することを説明したが、これには限定されない。接触判断手段３１が第２の検出器素子１６２を駆動して超音波を送信させ、超音波送信後、第２の検出器素子１６２を受信状態に切り替えて反射超音波を検出してもよい。この場合、信号処理ユニット１２が超音波送信のための処理を行う必要がなく、信号処理ユニット１２のダウンが、接触判断の処理に与える影響をより低減できる。

図３及び図８では、信号をアナログ信号のまま処理する例を説明したが、これには限定されない。例えば、増幅回路３１１の後段にＡＤ変換器（analog to digital converter）が設けられる構成とし、例えばＦＰＧＡ（field programmable gate array）内で接触判断の処理をデジタル信号で行うこととしてもよい。その場合には、単なるしきい値処理だけではなく、波形抽出などのより複雑な処理が可能となる。

上記実施形態では、第１の検出器素子と第２の検出器素子とが別個の検出器素子である例について説明したが、これには限定されず、単一の検出器素子が、第１の検出器素子と第２の検出器素子とを兼ねてもよい。図９は、第１の検出器素子が第２の検出器素子を兼ねる場合の回路接続を示す。送受切替回路２１、受信回路２２、及び送信回路２３は信号処理ユニット１２内に配置されており、接触判断手段３１は光源ユニット１３内に配置されている（図１も参照）。

第１の検出器素子である検出器素子１６１は、送受切替回路２１を介して、受信回路２２及び送信回路２３と接続される。検出器素子１６１と送受切替回路２１の間には、プリアンプＩＣ１８１が挿入される。プリアンプＩＣ１８１は、検出器素子１６１から出力される検出信号を増幅し、増幅した検出信号を受信回路２２に出力する。プリアンプＩＣ１８１は、例えば６ｄＢ〜９ｄＢ程度の利得で検出信号を増幅する。プリアンプＩＣ１８１には、送受信を切り替える回路が内蔵されていてもよい。その場合、信号処理ユニット１２の送受切替回路２１は省略可能である。プリアンプＩＣ１８１は、送信回路２３から送信信号が出力されるときは、検出器素子１６１に送信信号を出力する。プリアンプＩＣ１８１には、例えばマキシム社製のMAX4805やMAX4805Aを用いることができる。

受信回路２２とプリアンプＩＣ１８１とを接続する信号配線には、信号配線を流れる信号を接触判断手段３１に分岐する分岐配線が接続される。しかし、単に信号を分岐して接触判断手段３１に入力しただけでは、受信回路２２で受信される信号の電圧に変動が生じる可能性がある。そこで、バッファ（緩衝増幅器）１９１を用いる。バッファ１９１は、分岐配線を介して入力した検出器素子１６１の検出信号を例えば増幅度１で増幅し、接触判断手段３１に出力する。バッファ１９１の入力インピーダンスは、プリアンプの出力イピーダンスよりも十分に高く設定される。この場合、プリアンプＩＣ１８１から受信回路２２に出力される信号にほとんど影響を与えることなく、接触判断手段３１に信号を分岐することができる。

図９では、バッファ１９１の入力側に、保護スイッチ１９２が挿入されている。保護スイッチ１９２は、入力電圧に応じてスイッチの開閉を行う。保護スイッチ１９２は、信号電圧が低いときは閉じており、しきい値電圧以上の信号、例えば３Ｖ以上の信号が印加されると信号を遮断する。保護スイッチ１９２は、プリアンプＩＣ１８１から受信信号が出力されているとき、回路を閉じて受信信号をバッファ１９１に入力する。保護スイッチ１９２は、プリアンプＩＣ１８１に対して送信信号に対応した電圧が印加されているときは回路を開き、高電圧がバッファ１９１に印加されることを防ぐ。バッファ１９１の入力側には、更に、バッファ１９１の信号入力線とグランドとの間に、バッファ１９１への入力信号電圧を例えば２〜３Ｖ程度に制限する保護回路（クリップ回路）１９３を挿入するとよい。

プリアンプＩＣ１８１、及びバッファ１９１は、例えばプローブ内の基板に搭載される。検出器素子１６１の検出信号は、プリアンプＩＣ１８１で増幅された後に受信回路２２によって受信され、光音響画像の生成や反射超音波画像の生成に用いられる。加えて、プリアンプＩＣ１８１で増幅された検出信号はバッファ１９１を介して接触判断手段３１にも入力され、接触判断に用いられる。つまり、検出器素子１６１は、画像取得用の第１の検出器素子と、接触判断用の第２の検出器素子とを兼ねる。この場合でも、接触判断に用いられる信号は、画像生成のための信号からは分離され、信号処理ユニットと連動しない光源ユニット１３において接触判断されているため、信号処理ユニット１２（図１を参照）がダウンしている場合でも、接触判断の処理が可能である。

図１０は、複数の検出器素子を有する音響波検出手段１６とプリアンプ及びバッファとの接続を示す。なお、図１０では、送受信切替回路２１（図９を参照）や保護スイッチ１９２、保護回路１９３などは図示を省略している。音響波検出手段１６は、複数の検出器素子１６１、例えば１２８ｃｈ分の検出器素子１６１を有する。プローブ内の基板には、８つのプリアンプＩＣブロック１８と１つのバッファＩＣ１９とが搭載される。図１０におけるプリアンプＩＣブロック１８は、例えば１６ｃｈ分のプリアンプＩＣ１８１に対応する。プリアンプＩＣ１８１の総数は、検出器素子１６１の数と同じである。つまり、プリアンプＩＣ１８１は、検出器素子１６１のそれぞれに対応して配置されている。８つのプリアンプＩＣブロック１８は、合計１２８ｃｈ分の検出器素子１６１の検出信号を信号配線１４を介して受信回路２２に出力する。

バッファＩＣ１９は、例えば８ｃｈ分のバッファ１９１を有する。バッファ１９１は、８つのプリアンプＩＣブロック１８と受信回路２２とを接続する複数の信号配線１４の一部から分岐された分岐配線１５と接続される。例えば、受信回路２２に出力される総数１２８ｃｈの信号のうちの８ｃｈ分の信号がバッファＩＣ１９に入力される。バッファＩＣ１９は、計８本の分岐配線１５を介して検出器素子１６１の検出信号を入力し、計８ｃｈ分の検出器素子１６１の検出信号を接触判断手段３１に出力する。

上記では、８つのプリアンプＩＣブロック１８と受信回路２２とを接続する信号配線１４のうちの一部からバッファＩＣ１９へ信号を分岐したが、全ての信号配線１４から信号を分岐してもよい。また、一部の信号配線１４から信号を分岐する場合、プリアンプＩＣ１８１は全てのチャネルに対応している必要はなく、分岐するチャネルのみがプリアンプＩＣ１８１を有し、分岐されないチャネルはプリアンプＩＣ１８１を有していなくてもよい。その場合、プリアンプＩＣ１８１の有無に起因する信号レベルの相違は、受信回路２２で補正するようにしておくとよい。さらに、バッファ１８１の総数と分岐配線１５の数とは必ずしも一致していなくてもよい。バッファ１８１の総数が分岐配線１５の数よりも少ないときは、分岐配線１５とバッファ１９１との間に、分岐配線１５のうちバッファ１９１に接続される配線を選択するスイッチを更に備える構成とすればよい。

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、本発明の光音響計測装置は、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：光音響計測装置
１１：プローブ
１２：信号処理ユニット
１３：光源ユニット
１４：信号配線
１５：分岐配線
１８：プリアンプＩＣブロック
１９：バッファＩＣ
１６：音響波検出手段
１７：光出射部
２１：送受切替回路
２２：受信回路
２３：送信回路
２４：画像生成手段
２５：送受制御回路
３１：接触判断手段
３２：発光制御手段
３３：光源
１８１：プリアンプＩＣ
１９１：バッファ
１９２：保護スイッチ
１９３：保護回路
３１１：増幅回路
３１２：折返し回路
３１３：ＬＰＦ回路
３１４：比較回路
３１５：積分回路
１６１：第１の検出器素子
１６２：第２の検出器素子

Claims (22)

1. 光源を含む光源ユニットと、
   音響波の検出及び音響波の送信が可能な複数の検出器素子であって、第１の検出器素子及び第２の検出器素子を含む複数の検出器素子を有する音響波検出手段と、前記光源から発せられた光を被検体方向へ出射する光出射部とを含むプローブと、
   前記複数の検出器素子のうちの前記第１の検出器素子と接続され、前記光源から発せられた光が被検体に出射された後に、前記光出射に起因して被検体内において発生し、前記第１の検出器素子によって検出された光音響波の検出信号を受信する受信回路と、該受信回路が受信した光音響波の検出信号を信号処理する信号処理手段とを含む信号処理ユニットと、
   前記複数の検出器素子のうちの前記第２の検出器素子と接続され、前記複数の検出器素子のうちの少なくとも一部から音響波が送信された後に、前記第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信し、該受信した音響波の検出信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断する接触判断手段と、
   前記プローブが被検体に接触していると判断されたとき、前記光出射部から光を出射させる発光制御手段とを備えた光音響計測装置。
2. 前記接触判定手段及び前記発光制御手段は、前記光源ユニットに配置されている請求項１に記載の光音響計測装置。
3. 前記第２の検出器素子及び前記接触判定手段をそれぞれ複数備え、前記発光制御手段は、前記複数の接触判定手段のうちの少なくとも１つによって前記プローブが被検体に接触していると判断されたとき、前記光出射部から光を出射させる請求項１又は２に記載の光音響計測装置。
4. 前記接触判断手段は、音響波の送信から、前記第２の検出器素子の音響波検出面とプローブの被検体と接触する面との間の距離に対応した時間が経過するまでの間の検出信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断する請求項１から３何れか１項に記載の光音響計測装置。
5. 前記信号処理ユニットは、前記第１の検出器素子から音響波を送信させる送信回路を更に備える請求項１から４何れか１項に記載の光音響計測装置。
6. 前記受信回路は、前記第１の検出器素子から送信された音響波に対する反射音響波の検出信号を更に受信し、前記信号処理手段は、更に前記反射音響波の検出信号を信号処理する請求項５に記載の光音響計測装置。
7. 前記接触判定手段は、前記送信回路が音響波を送信させた後、前記第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信する請求項５又は６に記載の光音響計測装置。
8. 前記接触判定手段は、前記第２の検出器素子から音響波を送信させ、該音響波の送信後、前記第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信する請求項１から６何れか１項に記載の光音響計測装置。
9. 前記複数の検出器素子は少なくとも一次元的に配列されている請求項１から８何れか１項に記載の光音響計測装置。
10. 配列方向のうちの少なくとも一方の端部に前記第２の検出器素子が配置されている請求項９に記載の光音響計測装置。
11. 配列方向に沿って隣り合う２つの第１の検出器素子の間に前記第２の検出器素子が配置されている請求項９又は１０に記載の光音響計測装置。
12. １つの接触判定手段は、複数の第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号の和を受信する請求項１から１１何れか１項に記載の光音響計測装置。
13. 前記接触判断手段は、受信した音響波の検出信号の最大値がしきい値以下のとき、接触していると判断する請求項１から１２何れか１項に記載の光音響計測装置。
14. 前記接触判断手段は、前記第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号の負の信号を正の信号に折り返す折返し回路と、前記折返し回路の出力信号をローパスフィルタ処理するローパスフィルタ回路と、前記ローパスフィルタ回路の出力信号レベルと前記しきい値に対応した電圧とを比較する比較回路とを含む請求項１３に記載の光音響計測装置。
15. 前記接触判断手段は、受信した音響波の検出信号を積分し、積分値がしきい値以下のとき、接触していると判断する請求項１から１２何れか１項に記載の光音響計測装置。
16. 前記接触判断手段は、前記第２の検出器素子によって検出された音響波の検出信号の負の信号を正の信号に折り返す折返し回路と、前記折返し回路の出力信号をローパスフィルタ処理するローパスフィルタ回路と、前記ローパスフィルタ回路の出力信号を積分する積分回路と、前記積分回路の出力信号レベルと前記しきい値に対応した電圧とを比較する比較回路とを含む請求項１５に記載の光音響計測装置。
17. 光源を含む光源ユニットと、
    音響波の検出及び音響波の送信が可能な複数の検出器素子であって、検出器素子を有する音響波検出手段と、前記光源から発せられた光を被検体方向へ出射する光出射部とを含むプローブと、
    前記検出器素子の検出信号を増幅するプリアンプと、
    前記検出器素子と前記プリアンプを介して接続され、前記光源から発せられた光が被検体に出射された後に、前記光出射に起因して被検体内において発生し、前記検出器素子によって検出された光音響波の検出信号を受信する受信回路と、該受信回路が受信した光音響波の検出信号を信号処理する信号処理手段とを含む信号処理ユニットと、
    前記プリアンプと前記受信回路とを接続する配線から分岐された配線を介して前記検出器素子の検出信号を入力し、前記検出器素子の検出信号を出力する緩衝増幅器と、
    前記検出器素子と前記緩衝増幅器を介して接続され、前記検出器素子から音響波が送信された後に、前記検出器素子によって検出された音響波の検出信号を受信し、該受信した音響波の検出信号に基づいてプローブが被検体に接触しているか否かを判断する接触判断手段と、
    前記プローブが被検体に接触していると判断されたとき、前記光出射部から光を出射させる発光制御手段とを備えた光音響計測装置。
18. 前記プリアンプの出力インピーダンスは前記緩衝増幅器の入力インピーダンスよりも低い請求項１７に記載の光音響計測装置。
19. 前記プローブは前記検出器素子を複数有し、前記プリアンプは前記複数の検出器素子のそれぞれに対応して配置されており、かつ、前記緩衝増幅器は、前記プリアンプと前記受信回路とを接続する複数の配線のうちの少なくとも一部から分岐された配線を介して前記検出器素子の検出信号を入力する請求項１７又は１８に記載の光音響計測装置。
20. 前記緩衝増幅器の入力側に、しきい値電圧以上の信号が印加されると信号を遮断する保護スイッチを更に有する請求項１９に記載の光音響計測装置。
21. 前記緩衝増幅器の入力側に、緩衝増幅器への入力信号電圧を制限する保護回路を更に有する請求項２０に記載の光音響計測装置。
22. 前記緩衝増幅器の数は前記分岐された配線の数よりも少なく、前記分岐された配線と前記緩衝増幅器との間に、前記分岐された配線のうち前記緩衝増幅器に接続される配線を選択するスイッチを更に備えた請求項１９から２１何れか１項に記載の光音響計測装置。

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