JP2016041158A - 光音響画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射する光の光量が小さい場合でも、音響波と超音波とを共に適切に画像化するのが困難になるのを抑制することが可能な光音響画像化装置を提供する。
【解決手段】この光音響画像化装置１００は、発光ダイオード素子１１ａと、検出部１３と、画像化部２３と、検出部１３により生成された検出信号を増幅させて画像化部２３に伝達するように構成されている増幅部２２とを備え、増幅部２２は、音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部２２の利得である音響波用利得が、超音波Ｂ１による検出信号を増幅するための増幅部２２の利得である超音波用利得よりも大きくなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、光音響画像化装置に関し、特に、被検体に照射された光により発生する音響波と被検体に照射され反射された超音波とを検出する検出部を備えた光音響画像化装置に関する。

従来、被検体に照射された光により発生する音響波と被検体に照射され反射された超音波とを検出する検出部を備えた光音響画像化装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、被検体に照射されたレーザ光により発生する光音響信号と被検体に照射され反射された反射音響信号とを検出する超音波探触子を備えた光音響画像生成装置が開示されている。この光音響画像生成装置には、Ｑスイッチパルスレーザ光源を含む光源ユニットと、超音波探触子と、信号処理部とが設けられている。そして、光源ユニットから被検体にレーザ光を照射するとともに、超音波探触子から被検体に超音波を照射して、被検体から発生した音響信号および反射音響信号を、超音波探触子により検出するように構成されている。そして、信号処理部は、超音波探触子により検出された音響信号および反射音響信号に基づいて、光音響画像および超音波画像を画像化するように構成されている。

特開２０１２−１９６３０８号公報

ここで、上記特許文献１の光音響画像生成装置の光源ユニットを小型化するために、たとえば、光源として発光ダイオード素子（発光素子）を設ける構成が考えられる。しかしながら、一般的に、発光ダイオード素子は、Ｑスイッチパルスレーザ光源に比べて光量が小さいので、音響信号の信号強度は小さくなると考えられる。そこで、上記の光音響画像生成装置に、増幅器を設けて、超音波探触子（検出部）により検出された検出信号の信号強度を、増幅器により増幅する構成が考えられる。この場合、増幅器によって検出信号の信号強度を増幅することにより、音響信号の信号強度を適切な大きさにすることが可能である一方、反射音響信号の信号強度が大きくなり過ぎるという不都合があると考えられる。すなわち、信号強度が比較的小さい音響信号（音響波）を増幅するための利得を有する増幅器により、反射音響信号（超音波）の信号強度が増幅されることによって、信号処理部（画像化部）に入力される信号強度（検出信号）が飽和してしまうと考えられる。このため、照射する光の光量が小さい場合には、音響波と超音波とを共に適切に画像化するのが困難になるという問題点があると考えられる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、照射する光の光量が小さい場合でも、音響波と超音波とを共に適切に画像化するのが困難になるのを抑制することが可能な光音響画像化装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による光音響画像化装置は、被検体に光を照射することが可能な発光素子と、被検体に超音波を照射することが可能に構成されているとともに、被検体の内部の検出対象物により反射された超音波と、発光素子から被検体に照射された光が被検体の内部の検出対象物により吸収されることにより発生する音響波とを検出して、検出信号を生成するように構成されている検出部と、検出信号に基づいて、画像化を行うように構成されている画像化部と、検出部により生成された検出信号を増幅させて画像化部に伝達するように構成されている増幅部とを備え、増幅部は、音響波による検出信号を増幅するための増幅部の利得である音響波用利得が、超音波による検出信号を増幅するための増幅部の利得である超音波用利得よりも大きく構成されている。

この発明の一の局面による光音響画像化装置では、上記のように、増幅部を、音響波による検出信号を増幅するための増幅部の利得である音響波用利得が、超音波による検出信号を増幅するための増幅部の利得である超音波用利得よりも大きくなるように構成する。これにより、光量が比較的小さな発光素子を用いた場合でも、音響波の検出信号が微弱になるのを抑制しながら、画像化部において超音波の検出信号が飽和する（大きくなり過ぎる）のを抑制することができる。その結果、照射する光の光量が小さい場合でも、音響波と超音波とを共に適切に画像化するのが困難になるのを抑制することができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、増幅部は、音響波用利得と超音波用利得とを切り替えることが可能に構成されており、画像化部は、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる時点を含む信号不取得期間には、検出信号を取得しないように構成されている。ここで、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる時点（最中）では、誤って、音響波による検出信号が超音波用利得により増幅される場合や、超音波による検出信号が音響波用利得により増幅される場合があると考えられる。この場合、音響波の検出信号が微弱になるか画像化部において超音波の検出信号が飽和すると考えられる。そこで、本発明のように、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる時点を含む信号不取得期間を設けるように構成すれば、より確実に、音響波の検出信号が微弱になるのを抑制しながら、画像化部において超音波の検出信号が飽和するのを抑制することができる。

この場合、好ましくは、増幅部は、検出信号を取得するためのカップリングコンデンサを含み、信号不取得期間は、カップリングコンデンサの容量と増幅部の入力インピーダンスとにより算出される時定数よりも大きい。ここで、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる最中および直後に生じる反射波やクロストークなどの音響波および超音波の検出を阻害する要因が収まるのに要する時間（セトリングタイム）の大きさは、増幅部のカップリングコンデンサの容量の大きさおよび増幅部の入力インピーダンスの大きさと関係がある。そこで、本発明のように、信号不取得期間を、カップリングコンデンサの容量と増幅部の入力インピーダンスとにより算出される時定数よりも大きくなるように構成すれば、音響波および超音波の検出を阻害する要因が収まるのに要する時間（セトリングタイム）の間は、検出信号が取得されないので、音響波および超音波の検出を阻害する要因の影響を抑制することができる。その結果、さらに確実に、音響波の検出信号が微弱になるのを抑制しながら、画像化部において超音波の検出信号が飽和するのを抑制することができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、増幅部の出力側には、クランプ回路が設けられている。ここで、一般的に、画像化部において検出信号が飽和した場合には、検出信号が飽和した後、正常に検出信号を取得することができない期間が生じる。そこで、本発明のように、増幅部の出力側（画像化部の入力側）に、クランプ回路を設けるように構成すれば、増幅部から出力される（画像化部の入力される）検出信号の信号強度（電圧）を規制することができるので、たとえば、音響波用利得を有する増幅部に比較的大きな検出信号が入力された場合でも、画像化部において検出信号が飽和するのを抑制することができる。その結果、音響波用利得を有する増幅部に比較的大きな検出信号が入力された場合でも、画像化部により迅速に音響波および超音波を画像化させることができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、発光素子は、第１の波長を有する光を照射する第１発光素子と、第２の波長を有する光を照射する第２発光素子とを含み、増幅部は、第１発光素子からの光により発生した音響波による検出信号を増幅するための増幅部の利得である第１音響波用利得と、第２発光素子からの光により発生した音響波による検出信号を増幅するための増幅部の利得である第２音響波用利得とが、互いに異なる値を有するように構成されているとともに、第１音響波用利得および第２音響波用利得は、超音波用利得よりも大きくなるように構成されている。このように構成すれば、たとえば、第１の波長を有する光に対する被検体の吸収係数が比較的小さく、第２の波長を有する光に対する被検体の吸収係数が比較的大きい場合には、第１音響波用利得を第２音響波用利得よりも大きくすることによって、第１発光素子からの光により発生した音響波による検出信号が微弱になるのを抑制しながら、第２発光素子からの光により発生した音響波による検出信号および超音波による検出信号が大きくなり過ぎるのを抑制することができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、発光素子は、発光ダイオード素子により構成されている。このように構成すれば、発光ダイオード素子は、レーザ光を発する発光素子に比べて指向性が低いので、位置ずれが生じた場合でも、比較的光の照射範囲は変化しにくい。これにより、レーザ光を発する発光素子を用いる場合と異なり、光学部材の精密なアライメント（位置合わせ）が不要であるとともに、光学系の振動による特性変動を抑制するための光学定盤や強固な筐体が不要となる。その結果、光学部材の精密なアライメントが不要で、かつ、光学定盤や強固な筐体が不要な分、光音響画像化装置の大型化および光音響画像化装置の構成の複雑化を抑制することができる。また、発光ダイオード素子は、レーザ光を発する発光素子等に比べて、素子１つあたりの光量が小さい。そこで、本発明のように、増幅部を、音響波用利得が超音波用利得よりも大きくなるように構成することにより、さらに効果的に、音響波と超音波とを共に適切に画像化するのが困難になるのを抑制することができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、発光素子は、半導体レーザ素子により構成されている。このように構成すれば、発光ダイオード素子と比べて、比較的指向性の高いレーザ光を被検体に照射することができるので、半導体レーザ素子からの光の大部分を確実に被検体に照射することができる。

上記一の局面による光音響画像化装置において、好ましくは、発光素子は、有機発光ダイオード素子により構成されている。このように構成すれば、薄型化容易な有機発光ダイオード素子を用いることにより、有機発光ダイオード素子を含む光源部を容易に小型化することができる。

本発明によれば、上記のように、照射する光の光量が小さい場合でも、音響波と超音波とを共に適切に画像化するのが困難になるのを抑制することができる。

本発明の第１実施形態による光音響画像化装置の全体構成を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態による増幅部の構成を示した回路図である。 本発明の第１実施形態による制御部からの受信受付信号および利得制御信号を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態による増幅部の構成を示した回路図である。 本発明の第２実施形態による制御部からの受信受付信号および利得制御信号を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態による増幅部の構成を示した回路図である。 本発明の第４実施形態による光音響画像化装置の全体構成を示したブロック図である。 本発明の第４実施形態による増幅部の構成を示したブロック図である。 本発明の第４実施形態による制御部からの受信受付信号および利得制御信号を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態の第１変形例および第２変形例による光音響画像化装置の全体構成を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態の第３変形例による光音響画像化装置の全体構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態による光音響画像化装置１００の構成について説明する。

本発明の第１実施形態による光音響画像化装置１００には、図１に示すように、プローブ１と装置本体部２とが設けられている。また、光音響画像化装置１００には、プローブ１と装置本体部２とを接続するケーブル３が設けられている。

プローブ１は、操作者により把持されながら被検体Ｐ（人体の体表など）の表面上に配置されるように構成されている。そして、プローブ１は、被検体Ｐに光を照射することが可能に構成されているとともに、被検体Ｐ内からの後述する音響波Ａおよび超音波Ｂ２を検出して、ケーブル３を介して、音響波Ａおよび超音波Ｂ２を検出信号として装置本体部２に伝達するように構成されている。

装置本体部２は、プローブ１により検出された検出信号を処理して画像化するとともに、画像化された音響波Ａおよび超音波Ｂ２を表示するように構成されている。

また、プローブ１には、光源部１１が設けられている。光源部１１は、複数の発光ダイオード素子１１ａを含む。発光ダイオード素子１１ａは、後述する光源駆動部１２から電力を供給されることにより赤外域の波長（たとえば、約８５０ｎｍの波長）を有するパルス光を発光することが可能に構成されている。そして、光源部１１は、複数の発光ダイオード素子１１ａから発光された光を被検体Ｐに照射するように構成されている。なお、発光ダイオード素子１１ａは、本発明の「発光素子」の一例である。

また、プローブ１には、光源駆動部１２が設けられている。光源駆動部１２は、外部電源（図示せず）から電力を取得するように構成されている。そして、光源駆動部１２は、後述する制御部２１からの光トリガ信号に基づいて、光源部１１に電力を供給するように構成されている。

そして、プローブ１から被検体Ｐに照射されたパルス光は、被検体Ｐ内の検出対象物（たとえば、ヘモグロビン等）により吸収される。そして、検出対象物が、パルス光の照射強度（吸収量）に応じて、膨張および収縮する（膨張した大きさから元の大きさに戻る）ことにより、検出対象物（被検体Ｐ）から音響波Ａが生じる。

また、プローブ１には、検出部１３が設けられている。検出部１３は、圧電素子（たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））などにより構成されている。そして、検出部１３は、上記した音響波Ａを取得した場合には、振動して電圧（検出信号）を生じるように構成されている。そして、検出部１３は、取得した検出信号を後述する増幅部２２に伝達するように構成されている。

また、検出部１３は、装置本体部２に設けられている制御部２１からの振動子駆動信号に応じた周波数で振動することにより超音波Ｂ１を発生させることが可能に構成されている。そして、検出部１３により発生した超音波Ｂ１は、被検体Ｐ内の音響インピーダンスが高い物質により反射される。超音波Ｂ２（超音波Ｂ１が反射されたもの）は、検出部１３により検出され、検出部１３は、超音波Ｂ２により振動するように構成されている。なお、本明細書では、説明の都合上、被検体Ｐ内の検出対象物が光を吸収することにより発生する超音波を「音響波Ａ」として、検出部１３により発生されるとともに、被検体Ｐ内で反射された超音波を「超音波Ｂ２」として区別して記載している。

そして、検出部１３は、超音波Ｂ２により振動した場合も、音響波Ａにより振動した場合と同様に、検出信号を増幅部２２に伝達するように構成されている。

ここで、第１実施形態では、装置本体部２には、増幅部２２が設けられており、増幅部２２は、音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部２２の利得である音響波用利得が、超音波Ｂ２による検出信号を増幅するための増幅部２２の利得である超音波用利得よりも大きくなるように構成されている。また、増幅部２２は、音響波用利得と超音波用利得とを切り替えることが可能に構成されている。

具体的には、図２に示すように、増幅部２２には、検出部１３に接続されている第１カップリングコンデンサ２２ａが設けられている。第１カップリングコンデンサ２２ａは、検出部１３から、第１カップリングコンデンサ２２ａの容量や、後述する第１アンプ２２ｂおよび第２アンプ２２ｄの入力インピーダンス等に基づいた、検出信号の特定の周波数の信号を伝達するように構成されている。

また、増幅部２２には、入力側が第１カップリングコンデンサ２２ａに接続されているとともに、出力側が後述するスイッチ部２２ｃに接続されている第１アンプ２２ｂが設けられている。第１アンプ２２ｂは、第１カップリングコンデンサ２２ａを介して取得した検出信号を増幅してスイッチ部２２ｃ側に出力するように構成されている。たとえば、第１アンプ２２ｂは、後述する第２アンプ２２ｅと合成された利得が約８０ｂＢとなるように構成されている。なお、第１アンプ２２ｂの利得と第２アンプ２２ｅの利得とが合成された利得は、音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部２２の利得であり音響波用利得である。

また、増幅部２２には、スイッチ部２２ｃが設けられている。スイッチ部２２ｃは、後述する第２カップリングコンデンサ２２ｄに接続されており、制御部２１からの利得制御信号に基づいて、第２カップリングコンデンサ２２ｄが、第１カップリングコンデンサ２２ａまたは第１アンプ２２ｂのうちのいずれと接続されるかを切り替え可能に構成されている。たとえば、利得制御信号の電圧レベルがＨ（Ｈｉｇｈ）（図３参照）の場合には、第２カップリングコンデンサ２２ｄを、第１アンプ２２ｂに接続することにより増幅部２２の利得を約８０ｄＢにするように構成されている。また、利得制御信号の電圧レベルがＬ（Ｌｏｗ）の場合には、第２カップリングコンデンサ２２ｄを、第１カップリングコンデンサ２２ａに接続することにより増幅部２２の利得を第２アンプ２２ｅの利得である約５０ｄＢにするように構成されている。

そして、スイッチ部２２ｃに接続されている第２カップリングコンデンサ２２ｄは、第２アンプ２２ｅの入力側に接続されている。第２アンプ２２ｅの出力側は、後述するＡ／Ｄコンバータ３１に接続されており、入力側の第２カップリングコンデンサ２２ｄからの検出信号を、増幅してＡ／Ｄコンバータ３１側に出力するように構成されている。また、第２アンプ２２ｅの利得は、上記したように５０ｄＢを有するように構成されている。すなわち、スイッチ部２２ｃが、制御部２１からの利得制御信号に基づいて、駆動されることにより、上記した音響波用利得と超音波用利得とを切り替えることが可能に構成されている。なお、第２アンプ２２ｅの利得は、超音波Ｂ２による検出信号を増幅するための増幅部２２の利得であり超音波用利得である。

そして、図３に示すように、制御部２１は、光源部１１から被検体Ｐに光を照射して音響波Ａを取得する期間（音響波期間）τ１では、利得制御信号の電圧レベルをＨにして、増幅部２２の利得を音響波用利得（約８０ｄＢ）にする制御を行うように構成されている。また、制御部２１は、検出部１３から被検体Ｐに超音波Ｂ１を照射して超音波Ｂ２を取得する期間（超音波期間）τ２では、利得制御信号の電圧レベルをＬにして、増幅部２２の利得を超音波用利得（約５０ｄＢ）にする制御を行うように構成されている。

また、図１に示すように、装置本体部２には、画像化部２３が設けられている。

ここで、第１実施形態では、図３に示すように、画像化部２３は、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる時点ｔ２およびｔ５を含む信号不取得期間τ３（時点ｔ１〜ｔ３および時点ｔ４〜ｔ６）には、検出信号を取得しないように構成されている。

具体的には、図１および図３に示すように、制御部２１は、画像化部２３に受信受付信号を伝達するように構成されている。たとえば、画像化部２３は、電圧レベルがＨの受信受付信号を取得した場合には、増幅部２２から検出信号を取得するように構成されている。また、画像化部２３は、電圧レベルがＬの受信受付信号を取得した場合には、増幅部２２から検出信号を取得しないように構成されている。

そして、制御部２１は、利得制御信号の電圧レベルをＨからＬにする時点ｔ２、および、電圧レベルをＬからＨにする時点ｔ５を含む、信号不取得期間τ３には、受信受付信号の電圧レベルをＬにして検出信号を取得しない制御を行うように構成されている。

また、画像化部２３には、Ａ／Ｄコンバータ３１が設けられている。Ａ／Ｄコンバータ３１は、増幅器２２から取得した検出信号（アナログ信号）を、制御部２１からのサンプリングトリガ信号に対応させて、デジタル信号に変換するように構成されている。そして、Ａ／Ｄコンバータ３１は、受信メモリ３２と接続されており、Ａ／Ｄコンバータ３１は、デジタル信号に変換された検出信号を、受信メモリ３２に伝達するように構成されている。

また、画像化部２３には、受信メモリ３２が設けられている。受信メモリ３２は、制御部２１から受信受付信号を取得するように構成されており、受信受付信号の電圧レベルがＨの場合に、デジタル信号に変換された検出信号をＡ／Ｄコンバータ３１から取得して、取得した検出信号を、一時的に格納するように構成されている。そして、受信メモリ３２は、データ処理部３３と接続されており、格納された検出信号をデータ処理部３３に伝達するように構成されている。

また、画像化部２３には、データ処理部３３が設けられている。データ処理部３３は、音響波画像再構成部３４と接続されており、音響波Ａの検出信号に基づいたデータは、音響波画像再構成部３４に伝達するように構成されている。また、データ処理部３３は、超音波画像再構成部３５と接続されており、超音波Ｂ２の検出信号に基づいたデータは、超音波画像再構成部３５に伝達するように構成されている。

また、画像化部２３には、音響波画像再構成部３４が設けられている。音響波画像再構成部３４は、取得した音響波Ａの検出信号に基づいたデータを、画像として再構成する処理を行うように構成されている。そして、音響波画像再構成部３４は、検波・対数コンバータ３６と接続されており、画像として再構成された音響波Ａの検出信号に基づいたデータを検波・対数コンバータ３６に伝達するように構成されている。

また、画像化部２３には、検波・対数コンバータ３６が設けられている。検波・対数コンバータ３６は、画像として再構成されたデータの波形処理を行うように構成されている。そして、検波・対数コンバータ３６は、音響波画像構築部３７と接続されており、波形処理されたデータを伝達するように構成されている。

また、画像化部２３には、音響波画像構築部３７が設けられている。音響波画像構築部３７は、波形処理されたデータに基づいて、被検体Ｐ内の断層画像を構築する処理を行うように構成されている。そして、音響波画像構築部３７は、画像合成部３８と接続されており、音響波Ａに基づいた断層画像を伝達するように構成されている。

また、画像化部２３には、超音波画像再構成部３５と検波・対数コンバータ３９と超音波画像構築部４０とが設けられている。超音波画像再構成部３５は、データ処理部３３から取得した超音波Ｂ２の検出信号に基づいたデータを、画像として再構成する処理を行うように構成されている。そして、超音波画像再構成部３５は、検波・対数コンバータ３９と、超音波画像構築部４０とを介して、超音波Ｂ２に基づいた断層画像を、画像合成部３８に伝達するように構成されている。

そして、画像合成部３８は、音響波Ａに基づいた断層画像と超音波Ｂ２に基づいた断層画像とを合成する処理を行い、合成された画像を画像表示部２４に出力するように構成されている。すなわち、音響波Ａと超音波Ｂ２とが共に画像化される。

そして、画像表示部２４は、液晶パネル等を含み、入力された画像を表示するように構成されている。

次に、図３を参照して、光音響画像化装置１００の動作について説明する。光音響画像化装置１００の制御に関する処理は、制御部２１により行われる。

（音響波期間τ１（時点ｔ１以前））
時点ｔ１以前では、光源駆動部１２に光トリガ信号が入力され、光源部１１から被検体Ｐに光が照射される。また、画像化部２３に電圧レベルがＨの受信受付信号が入力されるとともに、増幅部２２に電圧レベルがＨの利得制御信号が入力される。そして、検出部１３により被検体Ｐからの音響波Ａが検出され、検出信号が増幅部２２に伝達される。音響波用利得（約８０ｄＢ）を有する増幅部２２により増幅された検出信号が画像化部２３に伝達される。そして、増幅された検出信号が画像化部２３により取得される。

（信号不取得期間τ３（時点ｔ１〜ｔ３））
時点ｔ１において、受信受付信号の電圧レベルがＨからＬに切り替えられ、画像化部２３の検出信号の取得が停止される。そして、時点ｔ２において、利得制御信号の電圧レベルがＨからＬに切り替えられ、増幅部２２の利得が音響波用利得（約８０ｄＢ）から超音波用利得（約５０ｄＢ）に切り替えられる。

（超音波期間τ２（時点ｔ３〜ｔ４））
時点ｔ３において、受信受付信号の電圧レベルがＬからＨに切り替えられ、超音波用利得（約５０ｄＢ）を有する増幅部２２により増幅された検出信号が画像化部２３により取得される。

（信号不取得期間τ３（時点ｔ４〜ｔ６））
時点ｔ４において、受信受付信号の電圧レベルがＨからＬに切り替えられ、画像化部２３の検出信号の取得が停止される。そして、時点ｔ５において、利得制御信号の電圧レベルがＬからＨに切り替えられ、増幅部２２の利得が超音波用利得（約５０ｄＢ）から音響波用利得（約８０ｄＢ）に切り替えられる。

（音響波期間τ１（時点ｔ６以降））
時点ｔ６以降では、受信受付信号の電圧レベルがＬからＨに切り替えられ、音響波用利得（約８０ｄＢ）を有する増幅部２２により増幅された検出信号が画像化部２３により取得される。

第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、増幅部２２を、音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部２２の利得である音響波用利得が、超音波Ｂ２による検出信号を増幅するための増幅部２２の利得である超音波用利得よりも大きくなるように構成する。これにより、光量が比較的小さな発光素子（たとえば、発光ダイオード素子１１ａ）を用いた場合でも、音響波Ａの検出信号が微弱になるのを抑制しながら、画像化部２３において超音波Ｂ２の検出信号が飽和する（大きくなり過ぎる）のを抑制することができる。その結果、照射する光の光量が小さい場合でも、音響波Ａと超音波Ｂ２とを共に適切に画像化するのが困難になるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、増幅部２２を、音響波用利得と超音波用利得とを切り替えることが可能に構成する。そして、画像化部２３を、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる時点ｔ２を含む信号不取得期間τ３には、検出信号を取得しないように構成する。ここで、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる時点ｔ２では、誤って、音響波Ａによる検出信号が超音波用利得により増幅される場合や、超音波Ｂ２による検出信号が音響波用利得により増幅される場合があると考えられる。この場合、音響波Ａの検出信号が微弱になるか画像化部２３において超音波Ｂ２の検出信号が飽和すると考えられる。そこで、第１実施形態では、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる時点ｔ２を含む信号不取得期間τ３を設けることにより、より確実に、音響波Ａの検出信号が微弱になるのを抑制しながら、画像化部２３において超音波Ｂ２の検出信号が飽和するのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、光源部１１に、発光ダイオード素子１１ａを設ける。これにより、発光ダイオード素子１１ａは、レーザ光を発する発光素子に比べて指向性が低いので、位置ずれが生じた場合でも、比較的光の照射範囲は変化しにくい。これにより、レーザ光を発する発光素子を用いる場合と異なり、光学部材の精密なアライメント（位置合わせ）が不要であるとともに、光学系の振動による特性変動を抑制するための光学定盤や強固な筐体が不要となる。その結果、光学部材の精密なアライメントが不要で、かつ、光学定盤や強固な筐体が不要な分、光音響画像化装置１００の大型化および光音響画像化装置１００の構成の複雑化を抑制することができる。また、発光ダイオード素子１１ａは、レーザ光を発する発光素子等に比べて、素子１つあたりの光量が小さい。そこで、第１実施形態では、増幅部２２を、音響波用利得が超音波用利得よりも大きくなるように構成することにより、さらに効果的に、音響波Ａと超音波Ｂ２とを共に適切に画像化するのが困難になるのを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、図４および図５を参照して、第２実施形態による光音響画像化装置２００の構成について説明する。第２実施形態では、光音響画像化装置は、信号不取得期間が、第２カップリングコンデンサの容量と増幅部の入力インピーダンスとにより算出される時定数よりも大きくなるように構成されている。

図４に示すように、第２実施形態による光音響画像化装置２００には、制御部２２１と増幅部２２２とが設けられている。そして、増幅部２２２は、第１実施形態による増幅部２２と同様に構成されており、制御部２２１からの利得制御信号に基づいて、音響波利得と超音波利得とを切り替えることが可能に構成されている。

ここで、第２実施形態では、図５に示すように、光音響画像化装置２００は、信号不取得期間τ４が、第２カップリングコンデンサ２２ｄの容量Ｃと第２アンプ２２ｅ（増幅部２２）の入力インピーダンスＲとにより算出される時定数τ５よりも大きくなるように構成されている。

具体的には、時定数τ５（時点ｔ１２〜ｔ１３）は、第２カップリングコンデンサ２２ｄの容量をＣとし、第２アンプ２２ｅの入力インピーダンスをＲとして、以下の式（１）を用いて、算出される。
τ５＝Ｃ×Ｒ・・・（１）

たとえば、第２カップリングコンデンサ２２ｄの容量Ｃを、０．１μＦとして、第２アンプ２２ｅの入力インピーダンスＲを１０ｋΩとした場合、時定数τ５は、１ｍｓとなる。この場合、制御部２２１は、信号不取得期間τ４（時点ｔ１２〜時点１４）が、時定数τ５よりも大きくなるように増幅部２２２および画像化部２３を制御するように構成されている。

すなわち、時点ｔ１２において、利得制御信号の電圧レベルがＨからＬに切り替えられてから、時定数τ５（時点ｔ１２〜ｔ１３）よりも大きな信号不取得期間τ４経過後の時点ｔ１４において、受信受付信号の電圧レベルがＬからＨに切り替えられる。また、時点ｔ１６において、利得制御信号の電圧レベルがＬからＨに切り替えられてから、時定数τ５（時点ｔ１６〜ｔ１７）よりも大きな信号不取得期間τ４経過後の時点ｔ１８において、受信受付信号の電圧レベルがＬからＨに切り替えられる。

また、制御部２２１は、信号不取得期間τ４に加えて、信号不取得期間τ６（時点ｔ１１〜ｔ１２）を有し、信号不取得期間τ６が、τ６＞０となるように構成されている。すなわち、時点ｔ１１において、受信受付信号の電圧レベルがＨからＬに切り替えられてから、所定の期間（信号不取得期間）τ６経過後の時点ｔ１２において、利得制御信号の電圧レベルがＨからＬに切り替えられる。また、時点ｔ１５において、受信受付信号の電圧レベルがＨからＬに切り替えられてから、所定の期間（信号不取得期間）τ６経過後の時点ｔ１６において、利得制御信号の電圧レベルがＬからＨに切り替えられる。これにより、音響波期間τ１または超音波期間τ２に、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられるのが確実に抑制される。

また、第２実施形態による光音響画像化装置２００のその他の構成は、第１実施形態における光音響画像化装置１００と同様である。

第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、上記のように、増幅部２２２を、検出信号を取得するための第２カップリングコンデンサ２２ｄを含むように構成する。そして、光音響画像化装置２００を、信号不取得期間τ４が、第２カップリングコンデンサ２２ｄの容量Ｃと増幅部２２２（第２アンプ２２ｅ）の入力インピーダンスＲとにより算出される時定数τ５よりも大きくなるように構成する。ここで、音響波用利得と超音波用利得とが切り替えられる最中（時点ｔ１２およびｔ１６）および直後（時点ｔ１２〜ｔ１３および時点ｔ１６〜ｔ１７）に生じる反射波やクロストークなどの音響波Ａおよび超音波Ｂ２の検出を阻害する要因が収まるのに要する時間（セトリングタイム）の大きさは、増幅部２２２の第２カップリングコンデンサの容量Ｃおよび増幅部２２２（第２アンプ２２ｅ）の入力インピーダンスＲと関係がある。そこで、第２実施形態では、信号不取得期間τ４を、第２カップリングコンデンサ２２ｄの容量Ｃと増幅部２２２の入力インピーダンスＲとにより算出される時定数τ５よりも大きくなるように構成することにより、音響波Ａおよび超音波Ｂ２の検出を阻害する要因が収まるのに要する時間（セトリングタイム）の間は、検出信号が取得されないので、音響波Ａおよび超音波Ｂ２の検出を阻害する要因の影響を抑制することができる。その結果、さらに確実に、音響波Ａの検出信号が微弱になるのを抑制しながら、画像化部２３において超音波Ｂ２の検出信号が飽和するのを抑制することができる。

また、第２実施形態による光音響画像化装置２００のその他の効果は、第１実施形態における光音響画像化装置１００と同様である。

（第３実施形態）
次に、図６を参照して、第３実施形態による光音響画像化装置３００の構成について説明する。第３実施形態では、増幅部の出力側には、クランプ回路が設けられている。

図６に示すように、第３実施形態による光音響画像化装置３００には、増幅部３２２が設けられている。また、増幅部３２２には、クランプ回路３０１が設けられている。そして、クランプ回路３０１は、ダイオード３０１ａおよび３０１ｂにより構成されている。

具体的には、ダイオード３０１ａのアノードは第２アンプ２２ｅの出力側およびＡ／Ｄコンバータ３１の入力側に接続されている。また、ダイオード３０１ａのカソードは、増幅部３２２の所定の電圧値を有する電源部（図示せず）に接続されている。これにより、増幅部３２２は、第２アンプ２２ｅの出力側の電圧値が所定の電圧値にダイオード３０１ａの順電圧値を加算した値よりも大きくなった場合には、第２アンプ２２ｅの出力側から、ダイオード３０１ａを介して、上記の電源部に電流が流れるように構成されている。すなわち、第２アンプ２２ｅの出力側およびＡ／Ｄコンバータ３１の入力側は、所定の電圧値よりも大きくなるのを抑制されるように構成されている。また、所定の電圧値は、Ａ／Ｄコンバータ３１がオーバーシュート（飽和）する電圧値よりも小さい値に構成されている。

また、ダイオード３０１ｂのカソードは第２アンプ２２ｅの出力側およびＡ／Ｄコンバータ３１の入力側に接続されている。また、ダイオード３０１ａのアノードは、接地（グラウンドと接続）されている。これにより、増幅部３２２は、第２アンプ２２ｅの出力側の電圧値が、略０（グラウンドの電圧値からダイオード３０１ｂの順電圧値を差し引いた値）よりも小さくなった場合には、グラウンドから、ダイオード３０１ｂを介して、第２アンプ２２ｅの出力側に電流が流れるように構成されている。すなわち、第２アンプ２２ｅの出力側およびＡ／Ｄコンバータ３１の入力側は、電圧値が略０よりも小さくなるのを抑制されるように構成されている。また、略０の電圧値は、Ａ／Ｄコンバータ３１がアンダーシュートする電圧値よりも大きい値であるとする。

また、第３実施形態による光音響画像化装置３００のその他の構成は、第１実施形態における光音響画像化装置１００と同様である。

第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第３実施形態では、上記のように、増幅部３２２の出力側に、クランプ回路３０１が設ける。ここで、一般的に、画像化部２３（Ａ／Ｄコンバータ３１）において検出信号が飽和した場合には、検出信号が飽和した後、正常に検出信号を取得することができない期間が生じる。そこで、第３実施形態では、増幅部３２２の出力側（Ａ／Ｄコンバータ３１の入力側）に、クランプ回路３０１を設けることにより、増幅部３２２から出力される（Ａ／Ｄコンバータ３１に入力される）検出信号の信号強度（電圧）を規制することができる。これにより、たとえば、音響波用利得を有する増幅部３２２に比較的大きな検出信号（所定の電圧値以上の電圧値）が入力された場合でも、Ａ／Ｄコンバータ３１において検出信号が飽和（オーバーシュート）するのを抑制することができる。その結果、音響波用利得を有する増幅部３２２に比較的大きな検出信号が入力された場合でも、画像化部２３により迅速に音響波Ａおよび超音波Ｂ２を画像化させることができる。

また、第３実施形態による光音響画像化装置３００のその他の効果は、第１実施形態における光音響画像化装置１００と同様である。

（第４実施形態）
次に、図７〜図９を参照して、第４実施形態による光音響画像化装置４００の構成について説明する。第４実施形態では、約８５０ｎｍの波長を有する光を照射する発光ダイオード素子のみが設けられていた第１〜第３実施形態による光音響画像化装置とは異なり、約８５０ｎｍの波長を有する光を照射する発光ダイオード素子と、約７６０ｎｍの波長を有する光を照射する発光ダイオード素子とが設けられている。

図７に示すように、第４実施形態による光音響画像化装置４００には、プローブ４０１と、装置本体部４０２とが設けられている。そして、プローブ４０１は、光源部４１１を含み、装置本体部４０２は、制御部４２１と増幅部４２２とを含む。

ここで、第４実施形態では、光源部４１１は、約８５０ｎｍの波長を有する光を照射する第１波長発光ダイオード素子４１１ａと、約７６０ｎｍの波長を有する光を照射する第２波長発光ダイオード素子４１１ｂとを含む。なお、約８５０ｎｍの波長は、「第１の波長」の一例である。また、約７６０ｎｍの波長は、「第２の波長」の一例である。また、第１波長発光ダイオード素子４１１ａは、「第１発光素子」の一例である。また、第２波長発光ダイオード素子４１１ｂは、「第２発光素子」の一例である。

また、第４実施形態では、増幅部４２２は、第１波長発光ダイオード素子４１１ａからの光により発生した音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部４２２の利得である第１音響波用利得と、第２波長発光ダイオード素子４１１ｂからの光により発生した音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部４２２の利得である第２音響波用利得とが、互いに異なる値を有するように構成されているとともに、第１音響波用利得および第２音響波用利得は、超音波用利得よりも大きく構成されている。

具体的には、図８に示すように、増幅部４２２は、プログラマブルゲインアンプ４２２ａおよびアッテネータ４２２ｂを含む。そして、制御部４２１は、アナログ信号により構成された利得制御信号により増幅部４２２の利得を制御するように構成されている。この場合、利得制御信号をアナログ信号により構成することにより、利得制御信号をデジタル信号により構成する場合に比べて、電磁波等（ノイズ）の影響が抑制される。

また、図９に示すように、制御部４２１は、第１波長発光ダイオード素子４１１ａから光を被検体Ｐに照射して検出信号を取得する期間（第１音響波期間τ７）と、第２波長発光ダイオード素子４１１ｂから光を被検体Ｐに照射して検出信号を取得する期間（第２音響波期間τ８）と、超音波期間τ２とのそれぞれの期間の間には、上記した信号不取得期間τ３を設けるように構成されている。

また、制御部４２１は、第１音響波期間τ７を含む期間（時点ｔ２１〜ｔ２２）では、利得制御信号の電圧レベルをＶ３、第２音響波期間τ８を含む期間（時点ｔ２３〜ｔ２４）では、利得制御信号の電圧レベルをＶ２、超音波期間τ２を含む期間（時点ｔ２２〜ｔ２３）では、利得制御信号の電圧レベルをＶ１にするように構成されている。これにより、増幅部４２２は、利得制御信号に基づいて、プログラマブルゲインアンプ４２２ａおよびアッテネータ４２２ｂにより、第１音響波期間τ７では、第１音響波用利得を有し、第２音響波期間τ８では、第２音響波用利得を有し、超音波期間τ２では、超音波用利得を有するように構成されている。

そして、増幅部４２２は、第１音響波用利得が第２音響波用利得よりも大きく、第２音響波用利得が超音波用利得よりも大きくなるように構成されている。また、増幅部４２２は、制御部４２１の利得制御信号に基づいて、第１音響波用利得が第２音響波用利得よりも小さくするように構成することも可能に構成されている。これにより、被検体Ｐ内における検出対象物のそれぞれの波長に対応する吸収係数に応じて、第１音響波用利得を第２音響波用利得よりも大きくする場合と、第１音響波用利得を第２音響波用利得よりも小さくする場合とを変更することが可能に構成されている。

また、第４実施形態による光音響画像化装置４００のその他の構成は、第１実施形態における光音響画像化装置１００と同様である。

第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第４実施形態では、上記のように、光源部４１１を、約８５０ｎｍの波長を有する光を照射する第１波長発光ダイオード素子４１１ａと、約７６０ｎｍの波長を有する光を照射する第２波長発光ダイオード素子４１１ｂとを含むように構成する。また、増幅部４２２を、第１波長発光ダイオード素子４１１ａからの光により発生した音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部４２２の利得である第１音響波用利得と、第２波長発光ダイオード素子４１１ｂからの光により発生した音響波Ａによる検出信号を増幅するための増幅部４２２の利得である第２音響波用利得とが、互いに異なる値を有するように構成する。また、増幅部４２２を、第１音響波用利得および第２音響波用利得が、超音波用利得よりも大きくなるように構成する。これにより、たとえば、約８５０ｎｍの波長を有する光に対する被検体Ｐの吸収係数が比較的小さく、約７６０ｎｍの波長を有する光に対する被検体の吸収係数が比較的大きい場合には、第１音響波用利得を第２音響波用利得よりも大きくすることによって、第１波長発光ダイオード素子４１１ａからの光により発生した音響波Ａによる検出信号が微弱になるのを抑制しながら、第２波長発光ダイオード素子４１１ｂからの光により発生した音響波Ａによる検出信号および超音波Ｂ２による検出信号が大きくなり過ぎるのを抑制することができる。

また、第４実施形態による光音響画像化装置４００のその他の効果は、第１実施形態における光音響画像化装置１００と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１〜第４実施形態では、本発明の発光素子として発光ダイオード素子を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、発光素子として発光ダイオード素子以外の発光素子を用いてもよい。たとえば、図１０に示す変形例のように、発光素子として半導体レーザ素子５１１ａまたは有機発光ダイオード素子６１１ａを用いてもよい。

ここで、第１変形例による光音響画像化装置５００には、図１０に示すように、プローブ５０１が設けられている。プローブ５０１は、光源部５１１を含み、光源部５１１は、半導体レーザ素子５１１ａを含む。そして、半導体レーザ素子５１１ａは、被検体Ｐに光を照射可能に構成されている。この場合、半導体レーザ素子５１１ａは、発光ダイオード素子と比べて、比較的指向性が高いレーザ光を被検体Ｐに照射することができるので、半導体レーザ素子５１１ａからの光の大部分を確実に被検体Ｐに照射することができる。

また、第２変形例による光音響画像化装置６００には、図１０に示すように、プローブ６０１が設けられている。プローブ６０１は、光源部６１１を含み、光源部６１１は、有機発光ダイオード素子６１１ａを含む。そして、有機発光ダイオード素子６１１ａは、被検体Ｐに光を照射可能に構成されている。この場合、有機発光ダイオード素子６１１ａは、薄型化が容易であり、光源部６１１を容易に小型化することができる。

また、上記第１〜第４実施形態では、本発明の増幅部を装置本体部に設けるように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、増幅部を装置本体部以外に設けるように構成してもよい。たとえば、図１１に示す変形例のように、増幅部７０２を、装置本体部７０１に設けるように構成してもよい。

ここで、第３変形例による光音響画像化装置７００は、プローブ７０１を含み、プローブ７０１は、増幅部７０２を含む。そして、増幅部７０２は、検出部１３から検出信号を取得するとともに、検出信号を増幅して、増幅された検出信号を、ケーブル３を介して、装置本体部２の画像化部２３に伝達するように構成されている。

ここで、一般的に、ケーブル３内を伝達する信号の電圧値が比較的大きい場合には、ケーブル３の外部からの電磁波等（ノイズ）の影響が抑制される。検出部１３から出力される検出信号の電圧値は、μＶオーダの大きさである。また、増幅部７０２から出力される電圧値は、増幅されることにより、ｍＶオーダから数Ｖ程度の大きさになるので、上記の第３変形例のように構成することにより、検出信号がケーブル３内に伝達する際に、ケーブル３の外部からの電磁波等（ノイズ）の影響が抑制される。

また、上記第１〜第４実施形態では、本発明の音響波用利得と超音波用利得とを切り替えるように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、音響波用利得と超音波用利得とを切り替えないように構成してもよい。たとえば、音響波用利得を有する増幅部と超音波用利得を有する増幅部とをそれぞれ１つずつ計２つ、光音響画像化装置に設けるように構成してもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、本発明の増幅部に複数のアンプ（第１アンプおよび第２アンプ）を設けて、音響波用利得および超音波用利得を有するように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、増幅部に１つのアンプまたは１つのアッテネータを設けて、音響波用利得および超音波用利得を有するように構成してもよい。

また、上記第４実施形態では、本発明の増幅部にプログラマブルゲインアンプおよびアッテネータを設けて、第１音響波用利得、第２音響波用利得および超音波用利得を有するように構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、本発明の増幅部にプログラマブルゲインアンプまたはアッテネータのいずれか一方を設けて、第１音響波用利得、第２音響波用利得および超音波用利得を有するように構成してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、本発明の音響波用利得および超音波用利得として、８０ｄＢおよび５０ｄＢとする例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、音響波用利得および超音波用利得として、８０ｄＢおよび５０ｄＢ以外の利得としてもよい。すなわち、本発明では、音響波用利得が超音波用利得よりも大きければよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、本発明の発光素子として、約８５０ｎｍまたは約７６０ｎｍの波長を有する光を照射する発光素子を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、発光素子として、約８５０ｎｍおよび約７６０ｎｍ以外の波長を有する光を照射する発光素子を用いてもよい。

１、４０１、５０１、６０１、７０１ プローブ
２、４０２ 装置本体部
１１ａ 発光ダイオード素子（発光素子）
１３ 検出部
２２、２２２、３２２、４２２、７０２ 増幅部
２２ｄ 第２カップリングコンデンサ（カップリングコンデンサ）
２３ 画像化部
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ 光音響画像化装置
３０１ クランプ回路
４１１ａ 第１波長発光ダイオード素子（第１発光素子）
４１１ｂ 第２波長発光ダイオード素子（第２発光素子）
５１１ａ 半導体レーザ素子（発光素子）
６１１ａ 有機発光ダイオード素子（発光素子）

Claims (8)

1. 被検体に光を照射することが可能な発光素子と、
   前記被検体に超音波を照射することが可能に構成されているとともに、前記被検体の内部の検出対象物により反射された前記超音波と、前記発光素子から前記被検体に照射された光が前記被検体の内部の検出対象物により吸収されることにより発生する音響波とを検出して、検出信号を生成するように構成されている検出部と、
   前記検出信号に基づいて、画像化を行うように構成されている画像化部と、
   前記検出部により生成された前記検出信号を増幅させて前記画像化部に伝達するように構成されている増幅部とを備え、
   前記増幅部は、前記音響波による前記検出信号を増幅するための前記増幅部の利得である音響波用利得が、前記超音波による前記検出信号を増幅するための前記増幅部の利得である超音波用利得よりも大きくなるように構成されている、光音響画像化装置。
2. 前記増幅部は、前記音響波用利得と前記超音波用利得とを切り替えることが可能に構成されており、
   前記画像化部は、前記音響波用利得と前記超音波用利得とが切り替えられる時点を含む信号不取得期間には、前記検出信号を取得しないように構成されている、請求項１に記載の光音響画像化装置。
3. 前記増幅部は、前記検出信号を取得するためのカップリングコンデンサを含み、
   前記信号不取得期間は、前記カップリングコンデンサの容量と前記増幅部の入力インピーダンスとにより算出される時定数よりも大きい、請求項２に記載の光音響画像化装置。
4. 前記増幅部の出力側には、クランプ回路が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
5. 前記発光素子は、第１の波長を有する光を照射する第１発光素子と、第２の波長を有する光を照射する第２発光素子とを含み、
   前記増幅部は、前記第１発光素子からの光により発生した前記音響波による前記検出信号を増幅するための前記増幅部の利得である第１音響波用利得と、前記第２発光素子からの光により発生した前記音響波による前記検出信号を増幅するための前記増幅部の利得である第２音響波用利得とが、互いに異なる値を有するように構成されているとともに、前記第１音響波用利得および前記第２音響波用利得は、前記超音波用利得よりも大きくなるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
6. 前記発光素子は、発光ダイオード素子により構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
7. 前記発光素子は、半導体レーザ素子により構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。
8. 前記発光素子は、有機発光ダイオード素子により構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光音響画像化装置。

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