JP2016049125A - 光音響波検出器、及び装置光音響画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的に低出力の光源を用いた簡素な構成で、断層像の生成に十分な強度の光音響波を検出する。【解決手段】光音響画像化装置は、光音響波検出器と、内部検出像生成部と、画像形成部と、を備える。光音響波検出器は、被検体内の光吸収体に光を照射する光源と、光吸収体で発生する光音響波を検出し、該光音響波の検出結果に基づく検出信号を生成する音響電気変換部と、を有する。また、音響電気変換部は一次元的に配列する複数の検出素子を有し、光源は少なくとも隣接する検出素子間に配置される発光素子を含む。内部検出像生成部は検出信号に基づく被検体の断層像を生成し、画像形成部は断層像を用いて光音響画像を形成する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、光音響波検出器、及び光音響画像化装置に関する。

近年では、生体内部の特定の物体を非破壊で検査する光音響画像化装置（特許文献１参照）の開発が進められている。この光音響画像化装置は、生体に所定波長の光を照射し、この光を吸収する際に生体内部の特定の物体（光吸収体）が発する弾性波である光音響波を検出する。そして、光音響波の検出結果に基づく断層像を生成することにより、光音響波の検出器の直下領域における生体内部の光吸収体を示す光音響画像を形成する。

生体に照射する光の光源としては、一般的に、固体レーザなどが用いられる。この場合、高出力のレーザ光を照射できるため、強い光音響波を発生させることができ、鮮明な光音響画像を形成することができる。但し、光源としてレーザ光を用いると、レーザ光の発生装置を光音響画像化装置に備える必要がある。そのため、装置が大型化して複雑になり、装置のコストダウンも難しい。

そのため、たとえば特許文献１では、被検体への光照射と光音響波の検出とを行うアプリケータにおいて、光ファイバの開口部と電気音響変換素子とを交互に配列している。そして、アプリケータの外部で発生させた発光素子の出射光を光ファイバで導光して被検体に照射している。

特開２０１０−１２２９５号公報

しかしながら、特許文献１のように、発光素子などを外部光源に用いると、出射光の配光角度がレーザ光と比べて広いため、アプリケータの外部で発生させた光を光ファイバで導光することが難しく、たとえば光ファイバを用いて導光しようとすると装置が大型化してしまう。また、特許文献１では、発光素子を外部光源として用いた場合の具体的な導光方法を開示していない。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、比較的に低出力の光源を用いた簡素な構成で、断層像の生成に十分な強度の光音響波を検出することができる光音響波検出器、及び、光音響画像化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、本発明の一の態様による光音響波検出器は、被検体内の光吸収体に光を照射する光源と、光吸収体で発生する光音響波を検出し、該光音響波の検出結果に基づく検出信号を生成する音響電気変換部と、を備え、音響電気変換部は、一次元的に配列する複数の検出素子を有し、光源は、少なくとも隣接する検出素子間に配置される発光素子を含む構成（第１の構成）とされる。

第１の構成によれば、一次元的に配列する複数の検出素子において、発光素子が少なくとも隣接する検出素子間に配置される。従って、構成を簡素にできるとともに、発光素子から出射される光の利用効率を向上させることができる。さらに、検出素子に非常に近い位置から発光素子の出射光を被検体に効率良く照射することができるので、被検体の内部の光吸収体にて強い光音響波を発生させることができ、光音響波の検出強度を向上させることができる。よって、比較的に低出力の光源を用いて、断層像の生成に十分な強度の光音響波を検出することができる。

上記第１の構成の光音響波検出器において、検出素子はそれぞれ、該検出素子の第１配列方向と交差する第２配列方向に配列する複数の分割検出素子を含み、発光素子は、第２配列方向において該分割検出素子と交互に配置される構成（第２の構成）としてもよい。

第２の構成によれば、第２配列方向における分割検出素子間から被検体に光を照射できるため、被検体の表面における光の照射面積を増加させることができる。従って、被検体に照射される光の光量が高くなるため、被検体の内部（特に光吸収体）で発生する光音響波を強めることができる。よって、光音響波の検出強度を向上させることができる。さらに、検出素子の直下の近傍領域にも光を照射することができる。そのため、被検体の表面に近い領域で発生する光音響波を強くすることができる。従って、被検体の表面に近い領域での鮮明な断層像情報を取得することができる。

上記第１又は第２の構成の光音響波検出器において、発光素子の光出射方向において、該発光素子の光出射位置は検出素子の上面よりも下に設けられる構成（第３の構成）としてもよい。

第３の構成によれば、比較的に広い配光角度で発光素子から出射される出射光を被検体内における検出素子の近傍領域に照射し易くすることができる。従って、検出素子に近い位置で発生する光音響波の強度をより強くすることができる。

上記第１〜第３のいずれかの構成の光音響波検出器において、発光素子上に設けられる透光性の被覆部をさらに備え、被覆部は、発光素子を封止する封止部と、該封止部上に設けられる充填部と、を含み、充填部は、ポアソン比が封止部よりも高い材料を用いて形成される構成（第４の構成）としてもよい。

第４の構成によれば、封止部上に設けられる充填部のポアソン比は該封止部よりも高くなる。そのため、光音響波などの弾性波によって発生する検出素子の振動が被覆部に伝播しても、該振動を充填部で吸収して、封止部への振動の伝播を抑制又は防止することができる。従って、発光素子に配線部材が接続されていても、配線部材の断線を抑制又は防止することができる。

上記第１〜第４のいずれかの構成の光音響波検出器において、透光性の充填部が、発光素子を封止する透光性の封止部よりも屈折率が高い材料を用いて、封止部上に形成される構成（第５の構成）としてもよい。

第５の構成によれば、封止部及び充填部間の界面において、封止部から充填部に入射する光の全反射を発生させ難くすることができる。

上記第１〜第５のいずれかの構成の光音響波検出器において、発光素子の出射光が、発光素子を封止する封止部によって光出射方向に集光される構成（第６の構成）としてもよい。

第６の構成によれば、発光素子の出射光が集光されるため、光吸収体が被検体内の深奥部にあっても、光吸収体に十分な光を照射して、断層像の生成に十分な強度の光音響波を発生させることができる。

上記第１〜第６のいずれかの構成の光音響波検出器において、発光素子は、発光ダイオード素子である構成（第７の構成）としてもよい。

或いは、上記第１〜第６のいずれかの構成の光音響波検出器において、発光素子は、半導体レーザ素子である構成（第８の構成）としてもよい。

若しくは、上記第１〜第６のいずれかの構成の光音響波検出器において、発光素子は、有機発光ダイオード素子である構成（第９の構成）としてもよい。

第７〜第９のいずれかの構成によれば、光源を小型化でき、簡素な構成で発光周波数の高いパルス光を被検体に照射することができる。従って、単位時間当たりにより多くの断層像を形成できるので、より鮮明で高精細な光音響画像を取得することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の一の態様による光音響画像化装置は、上記第１〜第９のいずれかの構成の光音響波検出器と、検出信号に基づく被検体の断層像を生成する断層像生成部と、断層像を用いて光音響画像を形成する画像形成部と、を備える構成（第１０の構成）とされる。

第１０の構成によれば、少なくとも隣接する検出素子間に配置される発光素子を光源とした光音響画像化処理を行うことができる。従って、光を発生させる装置を設ける必要がないため、装置構成を簡素にできる。また、発光素子から出射される光の利用効率を向上させることができる。さらに、検出素子に非常に近い位置から発光素子の出射光を被検体に効率良く照射することができるので、被検体の内部の光吸収体により強い光音響波を発生させることができ、光音響波の検出強度を向上させることができる。よって、比較的に低出力の光源を用いて、断層像の生成に十分な強度の光音響波を検出し、その光音響画像を形成することができる。

本発明によれば、比較的に低出力の光源を用いた簡素な構成で、断層像の生成に十分な強度の光音響波を検出できる光音響波検出器、及び光音響画像化装置を提供することができる。

光音響画像化装置の外観斜視図である。 光音響画像化装置の構成例を示すブロック図である。 超音波プローブを側方から見た概略断面図である。 超音波プローブを他の側方から見た概略断面図である。 第１実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略斜視図である。 第１実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略側面図である。 第１実施形態に係る光音響部の他の構成例を示す概略側面図である。 第２実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略斜視図である。 第２実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略上面図である。 第２実施形態に係る光音響部の他の構成例を示す概略上面図である。 第３実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略斜視図である。 第３実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略側面図である。 第４実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略斜視図である。 第４実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略側面図である。 第５実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略斜視図である。 第５実施形態に係る光音響部の構成例を示す概略側面図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、光音響画像化装置１００の外観斜視図である。図２は、光音響画像化装置１００の構成例を示すブロック図である。光音響画像化装置１００は、図１に示すように、被検体１５０内の断層像情報を取得するための超音波プローブ２０と、画像生成部３０と、画像表示部４０と、を備えている。

超音波プローブ２０は、たとえば生体である被検体１５０に光を照射すると共に被検体１５０内で発生した弾性波である光音響波を検出する。また、超音波プローブ２０は、超音波を被検体１５０に送信すると共に被検体１５０内で反射された弾性波（超音波）を検出する。

この超音波プローブ２０は、図２に示すように、駆動電源部２１と、光源駆動部２２と、光音響部２３と、を備えている。駆動電源部２１は光源駆動部２２に電力を供給する。光源駆動部２２は、光源２４を駆動制御する光源駆動回路２２ａを含んで構成されている。このほか、超音波プローブ２０は、光源２４から出射される光を集光するレンズ部材、及び、該レンズ部材によって集光された光を被検体１５０へ導く導光部（たとえばアクリル樹脂製の導光板、光ファイバ）などを備えていてもよい。

図３Ａは、超音波プローブ２０を側方から見た概略断面図である。図３Ｂは、超音波プローブ２０を他の側方から見た概略断面図である。また、図４Ａは、第１実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略斜視図である。図４Ｂは、第１実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略側面図である。なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、光照射面及び超音波の検出面が下方を向いているが、光音響部２３の構成を理解し易くするために、図４Ａ及び図４Ｂでは光照射方向及び超音波の検出面が上方を向いている。つまり、図４Ａ及び図４Ｂは、Ｚ方向を軸として図３Ａ及び図３Ｂを１８０度回転させた図となっている。なお、これらの位置関係は、後に説明する図４Ｃ〜図８Ｂも同様である。

光音響部２３は、超音波プローブ２０を用いて光音響イメージング又は超音波イメージングを行う際、図３Ａ及び図３Ｂに示すように被検体１５０表面に当接する。なお、この際、被検体１５０と光音響部２３との間には、両者間の音響インピーダンスの差を減少させるゲル層（不図示）が設けられる。このゲル層は、超音波プローブ２０から出力される超音波を効率良く被検体１５０内へ伝播する機能を有する音響整合部材である。さらに、ゲル層は、被検体１５０内からの超音波（光音響波も含む）を効率良く超音波プローブ２０に伝播させる機能も有する。

光音響部２３は、光源２４と、音響電気変換部２５と、封止層２６ａと、を含んで構成されている。

光源２４は、被検体１５０の内部（特に光吸収体Ｐ）に光を照射するＬＥＤ光源であり、複数のＬＥＤ素子２４１と、複数の基板２４２と、を含んで構成されている。

ＬＥＤ素子２４１は光源駆動回路２２ａによって発光制御され、その出射光が被検体１５０に光を照射される。ＬＥＤ素子２４１は、パルス光を出射するように駆動されるＬＥＤ光源である。パルス光のＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）は、特に限定しないが、たとえば１０００［回／ｓｅｃ］とすることができる。このパルス光は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、被検体１５０内へ散乱しながら入射され、被検体１５０内の光吸収体Ｐ（生体組織）により吸収される。光吸収体Ｐが光を吸収すると、断熱膨張により弾性波である光音響波（超音波）が発生する。この光音響波は、被検体１５０内を伝播し、音響電気変換部２５にて電圧信号に変換される。

このように、光源２４にＬＥＤ光源を用いることにより、光源２４を小型化でき、簡素な構成で発光周波数の高いパルス光を被検体に照射することができる。従って、単位時間（たとえば後述するＬＣＤ４０１の表示の更新に要する期間）当たりにより多くの断層像情報を取得できるので、光音響画像をより鮮明で高精細にすることができる。

なお、ＬＥＤ素子２４１は、発光波長が同一のＬＥＤ光源で構成されていてもよいし、発光波長が異なる複数種のＬＥＤ光源で構成されていてもよい。また、ＬＥＤ素子２４１の発光波長の設定に関しては、測定対象（光吸収体Ｐ）に対する吸収率の高い波長を選択すればよい。たとえば、測定対象が血液中の酸化ヘモグロビンであれば、発光波長は酸化ヘモグロビンに対する吸収率の高い７６０ｎｍを選択できる。また、測定対象が血液中の還元ヘモグロビンであれば、還元ヘモグロビンに対する吸収率の高い８５０ｎｍを選択できる。たとえば被検体１５０に７６０ｎｍの波長のパルス光を照射すると、被検体１５０内の動脈血管や腫瘍等に含まれる血液中の酸化ヘモグロビンに光が吸収されることで光音響波が発生し、後述する光音響画像構築部３０７において動脈血管や腫瘍等を含む光音響画像が生成される。

基板２４２は、たとえばＡｌ基板であり、ＬＥＤ素子２４１を搭載する。なお、基板２４２は、この例示に限定されず、たとえば、配線部を有するプリント基板、他の導電性材料を用いた金属基板（たとえばＣｕ基板）であってもよい。

音響電気変換部２５は、複数（たとえば１２８個）の超音波振動素子２５１と、音響整合層（不図示）と、音響レンズ２５２と、バッキング部材２５３と、を含んで構成される。

超音波振動素子２５１は、Ｙ方向において一次元的に配列される圧電素子であり、電圧を印加すると振動により超音波を発生し、振動（超音波）が加わると電圧を発生する。超音波振動素子２５１は、超音波を発生して被検体１５０内へ超音波を伝播させ、被検体１５０内で反射された超音波を検出して電圧信号を生成する。つまり、超音波プローブ５０を用いて、光音響イメージングに加えて、超音波イメージングも可能となっている。

超音波振動素子２５１は、バッキング部材２５３上（たとえば図３Ａ及び図３Ｂの下側の主面上）にてＹ方向において、ＬＥＤ素子２４１を搭載する基板２４２と交互に配列されている。なお、超音波振動素子２５１及び基板２４２の配列は特に限定されず、ＬＥＤ素子２４１を搭載する基板２４２が、Ｙ方向において、少なくとも隣接する超音波振動素子２５１間に配置されていればよい。さらに、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ＬＥＤ素子２４１を搭載する基板２４２が超音波振動素子２５１の配列の両側にも設けられている配列が好ましい。

こうすれば、光音響部２３の構成を簡素にできるとともに、ＬＥＤ素子２４１から出射される光の利用効率を向上させることができる。さらに、超音波振動素子２５１に非常に近い位置からＬＥＤ素子２４１の出射光を被検体１５０に効率良く照射することができる。従って、被検体１５０の内部の光吸収体Ｐにて強い光音響波を発生させることができ、光音響波の検出強度を向上させることができる。よって、比較的に低出力の光源２４を用いて、断層像の生成に十分な強度の光音響波を検出することができる。

超音波振動素子２５１の被検体１５０側の表面（Ｘ方向に向かう面）には、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、音響整合層及び音響レンズ２５２が順に設けられている。なお、図４Ａ及び図４Ｂでは、構成を理解し易くするため、音響レンズ２５２は省略されている。音響レンズ２５２は、音響集束部材であり、超音波振動素子２５１から出力される超音波を集束する機能を有する。超音波振動素子２５１と音響レンズ２５２との間の音響インピーダンスは、音響整合層により調整される。また、バッキング部材２５３は、超音波振動素子２５１で発生する超音波の後方（たとえば図３Ａ及び図３Ｂにおいてバッキング部材２５３よりも上側）への伝播を抑制する。

なお、各ＬＥＤ素子２４１の光出射位置及び超音波振動素子２５１の上面（Ｘ方向に向かう面）のＸ方向に対する高さ位置は、図４Ｂのように同じであってもよいし、異なっていてもよい。図４Ｃは、第１実施形態に係る光音響部２３の他の構成例を示す概略側面図である。たとえば、図４Ｃに示すように、各ＬＥＤ素子２４１の光出射位置は、超音波振動素子２５１の上面よりもＸ方向において低くなっていてもよい。こうすれば、比較的に広い配光角度でＬＥＤ素子２４１から出射される出射光を被検体１５０内における検出素子の近傍領域（たとえば図３Ａ及び図３Ｂにおける超音波プローブ２０直下の領域）に照射し易くすることができる。従って、超音波振動素子２５１に近い位置で発生する光音響波の強度をより強くすることができる。

次に、封止層２６ａは、たとえばシリコーンを用いて形成され、複数のＬＥＤ素子２４１を封止している。封止層２６ａの材料は、複数のＬＥＤ素子２４１の出射光を透過する透光性の材料であればよい。封止層２６ａは、たとえば、ガラスを用いて形成されていてもよいし、透光性の他の樹脂材料、又は充填材を含む透光性の複合樹脂材料を用いて形成されていてもよい。

なお、図４Ａ〜図４Ｃでは封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間なく充填されているが、この例示に限定されず、封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間を有していてもよい。こうすれば、超音波振動素子２５１で発生した超音波又は振動のＬＥＤ素子２４１への伝播を抑制又は防止することができる。従って、ＬＥＤ素子２４１にワイヤボンディングされている配線部材（不図示）の断線を抑制又は防止することができる。

次に、画像生成部３０について説明する。画像生成部３０は、超音波プローブ２０により検出された信号を処理して画像化を行う。画像生成部３０は、たとえば、光音響波の検出信号に基づいて光音響画像を生成し、超音波の検出信号に基づいて超音波画像を生成する。画像生成部３０は、図２に示すように、受信回路３０１、Ａ／Ｄコンバータ３０２、受信メモリ３０３、データ処理部３０４、光音響画像再構成部３０５、検波・対数コンバータ３０６、光音響画像構築部３０７、超音波画像再構成部３０８、検波・対数コンバータ３０９、超音波画像構築部３１０、画像合成部３１１、制御部３１２、送信制御回路３１３、及び操作部３１４を備えている。

受信回路３０１は、複数の超音波振動素子２５１から一部の超音波振動素子２５１を選択し、選択された超音波振動素子２５１についての電圧信号（検出信号）を増幅させる処理を行う。光音響イメージングの場合には、たとえば、複数の超音波振動素子２５１がＹ方向に隣接する２つの領域に分割され、１回目の光照射のときはそのうち１つの領域が選択され、２回目の光照射のときに残りの１つの領域が選択される。また、超音波イメージングの場合には、例えば、複数の超音波振動素子２５１のうち一部の隣接する超音波振動素子２５１から成るグループが切替えながら超音波が発生し（所謂リニア電子スキャン）、受信回路３０１でも上記グループが切替えられながら選択される。

Ａ／Ｄコンバータ３０２は、受信回路３０１からの増幅後の検出信号をデジタル信号に変換する。受信メモリ３０３は、Ａ／Ｄコンバータ３０２からのデジタル信号を保存する。データ処理部３０４は、受信メモリ３０３に保存された信号を光音響画像再構成部３０５または超音波画像再構成部３０８へ振り分ける機能を有する。

光音響画像再構成部３０５は、光音響波の検出信号に基づき位相整合加算処理を行い、光音響波のデータを再構成する。検波・対数コンバータ３０６は、再構成された光音響波のデータについて対数圧縮処理、及び包絡線検波処理を行う。そして、光音響画像構築部３０７は、検波・対数コンバータ３０６による処理後のデータを画素毎の輝度値データに変換する。即ち、Ｘ−Ｙ平面上の画素毎の輝度値データとして光音響画像データ（たとえばグレースケール）が生成される。なお、光音響画像再構成部３０５、検波・対数コンバータ３０６、光音響画像構築部３０７、及び画像合成部３１１は、本発明の断層像生成部及び画像形成部の一例であり、光音響波の画像化処理を行う。

なお、光音響画像データは、被検体１５０内の超音波プローブ２０直下のＸ−Ｙ平面領域で発生した光音響波の断層像を加算平均処理することにより形成される光音響画像を示すデータである。光音響画像の画素サイズはたとえば縦２０４８［ｐｉｘｅｌ］×横１２８［ｐｉｘｅｌ］である。各画素は、加算平均処理後の光音響波の検出レベルを２５６階調のグレースケールで表している。光音響画像の横幅は断層像の幅（Ｙ方向の距離）に対応し、縦幅は被検体１５０の表面を始点とする検出深さ（Ｘ方向の距離）に対応している。また、断層像のサイズ（すなわちＸ−Ｙ平面領域での実際の大きさ）はたとえば幅×検出深さ＝５［ｃｍ］×５［ｃｍ］である。また、１回の光照射で発生する光音響波の検出信号から生成される断層像のデータ量はたとえば３２［ＭＢ］である。

一方、超音波画像再構成部３０８は、超音波の検出信号に基づき位相整合加算処理を行い、超音波のデータを再構成する。検波・対数コンバータ３０９は、再構成された超音波のデータについて対数圧縮処理、及び包絡線検波処理を行う。そして、超音波画像構築部３１０は、検波・対数コンバータ３０９による処理後のデータを画素毎の輝度値データに変換する。即ち、Ｘ−Ｙ平面上の画素毎の輝度値データとして超音波画像データ（たとえばグレースケール）が生成される。

画像合成部３１１は、上記光音響画像データ及び上記超音波画像データを合成し、合成画像データを生成する。ここで画像合成については、超音波画像に対して光音響画像を重畳させてもよいし、光音響画像と超音波画像を並列に並べてもよい。画像表示部４０は、画像合成部３１１により生成された合成画像データに基づいて画像を表示する。なお、画像合成部３１１は、光音響画像データまたは超音波画像データのいずれかをそのまま画像表示部４０へ出力してもよい。

制御部３１２は、図示しない非一過性の記憶媒体（メモリ）に格納されたプログラム及び制御情報などを用いて、光音響画像化装置１００の各構成要素を制御する。たとえば、制御部３１２は、光源駆動部２２に光トリガー信号を送信する。また、光源２４が異なる波長のパルス光を出射する複数種の光源を含む場合には、波長制御信号が制御部３１２から光源駆動部２２に出力される。この場合、光源駆動回路２２ａは、波長制御信号に応じた種類のＬＥＤ光源を選択して駆動する。

送信制御回路３１３は、制御部３１２からの指示により、音響電気変換部２５に駆動信号を送信し、超音波を発生させる。なお、制御部３１２は、他にも受信回路３０１等を制御する。

操作部３１４は、ユーザの操作入力を受け付け、該操作入力に応じた入力信号を制御部３１２に出力する。

次に、画像表示部４０について説明する。画像表示部４０は、タッチパネルを有する表示装置であり、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）４０１と、入力検知部４０２と、を有する。ＬＣＤ４０１は、画像生成部３０により生成された画像信号に基づく画像（たとえば光音響画像など）を表示する。入力検知部４０２は、ユーザの操作入力を受け付ける。ユーザの指又はタッチペンなどによってＬＣＤ４０１の表示画面がタッチ入力されると、入力検知部４０２は、該タッチ入力に応じた入力信号を制御部３１２に出力する。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。以下では、第１実施形態と異なる構成について説明する。また、第１実施形態と同様の構成部には同じ符号を付し、その説明を省略することがある。

図５Ａは、第２実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略斜視図である。図５Ｂは、第２実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略上面図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、光音響部２３の構成を理解し易くするために、光照射方向及び超音波の検出面が上方を向いており、音響レンズ２２Ｂの図示は省略されている。また、図５Ａ及び図５Ｂでは封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間なく充填されているが、この例示に限定されず、封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間を有していてもよい。後述する図５Ｃも同様である。

図５Ａ及び図５Ｂの光音響部２３では、超音波振動素子２５１がバッキング部材２５３上に配置される４つの分割振動素子２５１ａで構成されている。なお、各超音波振動素子２５１における分割振動素子２５１ａの数は、図５Ａ及び図５Ｂの例示に限定されず、２又は４以上の複数であってもよい。

各超音波振動素子２５１において、４つの分割振動素子２５１ａは、超音波振動素子２５１の第１配列方向（Ｙ方向）と交差する第２配列方向（Ｚ方向）に配列されている。そのため、図５Ｂでは、たとえば第１配列方向に４列且つ第２配列方向に１２８行の分割振動素子２５１ａが、バッキング部材２５３の主面上において二次元的に配置されている。

また、ＬＥＤ素子２４１は、Ｘ方向から見た平面視（たとえば図５Ｂ）において、各超音波振動素子２５１の４つの分割振動素子２５１ａの第２配列方向において、分割振動素子２５１ａと交互に配置されている。

このようにＬＥＤ素子２４１及び分割振動素子２５１ａを配置することにより、第２配列方向における分割振動素子２５１ａ間から被検体１５０に光を照射できるため、被検体１５０の表面における光の照射面積を増加させることができる。従って、被検体１５０に照射される光の光量が高くなるため、被検体１５０の内部（特に光吸収体Ｐ）で発生する光音響波を強めることができる。よって、光音響波の検出強度を向上させることができる。さらに、超音波振動素子２５１の直下の近傍領域にも光を照射することができる。そのため、被検体１５０の表面に近い領域で発生する光音響波を強くすることができる。従って、特に被検体１５０の表面に近い領域での鮮明な断層像情報を取得することができる。

また、各超音波振動素子２５１において、４つの分割振動素子２５１ａは、１つの検出素子として機能させることもできるし、個別の分割検出素子として機能させることもできる。たとえば、１つの検出素子として機能させる場合、４つの分割振動素子２５１ａから出力される光音響波の検出信号が１つの超音波振動素子２５１の検出信号として処理された二次元断層像を得ることができる。

一方、各分割振動素子２５１ａを個別の分割検出素子として機能させる場合、図５Ｂのように二次元配置された各分割振動素子２５１ａの検出信号に応じた三次元断層像を得ることができる。この三次元断層像は、各超音波振動素子２５１において、４つの分割振動素子２５１ａから出力される光音響波の検出信号を個別に処理することにより生成できる。たとえば、二次元配置された分割振動素子２５１ａのうち、第１配列方向（Ｙ方向）に並ぶ１２８個の分割振動素子２５１ａから出力される検出信号に基づいて生成されるＸ−Ｙ平面の二次元断層像情報を取得する。そして、第２配列方向（Ｚ方向）に並ぶ分割振動素子２５１ａの個数に応じて取得した二次元断層像情報を合成することにより、三次元断層像を得ることができる。

（第２実施形態の変形例）
なお、図５Ａ及び図５Ｂの例示に限定されず、ＬＥＤ素子２４１は、Ｘ方向から見た平面視において、第１配列方向及び第２配列方向のうちの少なくとも一方に隣接するＬＥＤ素子２４１間の位置にも配置されていてもよい。

図５Ｃは、第２実施形態に係る光音響部の他の構成例を示す概略上面図である。たとえば図５Ｃに示すように、Ｚ方向に隣接するＬＥＤ素子２４１ａ間にＬＥＤ素子２４１ｂが配置されてもよいし、Ｙ方向に隣接するＬＥＤ素子２４１ａ間にＬＥＤ素子２４１ｃが配置されてもよい。

こうすれば、被検体１５０に照射される光の光量をさらに高めることができるため、被検体１５０の内部（特に光吸収体Ｐ）で発生する光音響波をより強くすることができる。さらに、被検体１５０の表面に近い領域で発生する光音響波をより強くすることもできる。従って、被検体１５０の表面に近い領域を含む断層像情報をより鮮明に生成することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。以下では、第１及び第２実施形態と異なる構成について説明する。また、第１及び第２実施形態と同様の構成部には同じ符号を付し、その説明を省略することがある。

図６Ａは、第３実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略斜視図である。図６Ｂは、第３実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略側面図である。なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、光音響部２３の構成を理解し易くするために、光照射方向及び超音波の検出面が上方を向いており、音響レンズ２２Ｂの図示は省略されている。また、図６Ａ及び図６Ｂでは封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間なく充填されているが、この例示に限定されず、封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間を有していてもよい。

また、図６Ａ及び図６Ｂにおいて、Ｄは、ＬＥＤ素子２４１の上面（光出射位置）と、超音波振動素子２５１の上面との間のＬＥＤ素子２４１の光出射方向の高さ位置の差（最短距離）を示す。Ｗは隣接する超音波振動素子２５１間の間隔（最短距離）を示し、θはＬＥＤ素子２４１の配光角度を示す。

図６Ａ及び図６Ｂの光音響部２３では、ＬＥＤ素子２４１の光出射方向において、ＬＥＤ素子２４１の光出射位置は超音波振動素子２５１の上面よりも下に設けられている。また、隣接する超音波振動素子２５１間の間隔Ｗは、ＬＥＤ素子２４１の配光角度θ及び高さ位置の差Ｄに応じて、配光角度θの広がりを有するＬＥＤ素子２４１の出射光の全てが超音波振動素子２５１で遮られることなく被検体１５０に照射されるように設定される。

こうすれば、超音波振動素子２５１に遮られることなく、ＬＥＤ素子２４１の出射光が被検体１５０に照射されるように、ＬＥＤ素子２４１の光出射位置を配置することができる。従って、出射光の利用効率が向上するため、被検体１５０内で発生する光音響波をより強くして、光音響波の検出強度をより向上させることができる。さらに、ＬＥＤ素子２４１の出射光を比較的に広い配光角度θで被検体１５０に照射できるため、被検体１５０の表面に近い領域で発生する光音響波をより強くして、被検体１５０の表面に近い領域でのより鮮明な断層像情報を取得することができる。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態について説明する。以下では、第１〜第３実施形態と異なる構成について説明する。また、第１〜第３実施形態と同様の構成部には同じ符号を付し、その説明を省略することがある。

図７Ａは、第４実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略斜視図である。図７Ｂは、第４実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略側面図である。なお、図７Ａ及び図７Ｂでは、光音響部２３の構成を理解し易くするために、光照射方向及び超音波の検出面が上方を向いており、音響レンズ２２Ｂの図示は省略されている。また、なお、図７Ａ及び図７Ｂでは封止部２６ａ及び充填層２６ｂは超音波振動素子２５１との間に隙間なく充填されているが、この例示に限定されず、封止部２６ａ及び充填層２６ｂの少なくとも一方は超音波振動素子２５１との間に隙間を有していてもよい。

図７Ａ及び図７Ｂの光音響部２３は、光源２４及び音響電気変換部２５のほか、ＬＥＤ素子２４１上に設けられる透光性の被覆部２６を含んで構成されている。被覆層２６は、ＬＥＤ素子２４１を封止する封止部２６ａと、封止部２６ａ上に設けられる充填部２６ｂと、を含む。また、充填部２６ｂは、ポアソン比及び屈折率が封止部２６ａよりも高く、且つ、たとえば透光率が８０％以上の透光性を有する材料を用いて形成されている。たとえば、封止部２６ａはシリコーンを用いて形成され、充填部２６ｂはシリコーンゴムを用いて形成される。

こうすれば、封止部２６ａ上に設けられる充填部２６ｂのポアソン比は該封止部２６ａよりも高くなる。そのため、光音響波などの弾性波によって発生する超音波振動素子２５１の振動が被覆部２６に伝播しても、該振動を充填部２６ｂで吸収して、封止部２６ａへの振動の伝播を抑制又は防止することができる。従って、ＬＥＤ素子２４１にワイヤボンディングされている配線部材の断線を抑制又は防止することができる。

また、充填部２６ｂの屈折率（ｎ＝１．４〜１．５）が封止部２６ａの屈折率（ｎ＝１．３〜１．４）よりも高くなっている。そのため、封止部２６ａ及び充填部２６ｂ間の界面において、封止部２６ａから充填部２６ｂに入射する光の全反射を発生させ難くすることができる。

＜第５実施形態＞
次に、第５実施形態について説明する。以下では、第１〜第４実施形態と異なる構成について説明する。また、第１〜第４実施形態と同様の構成部には同じ符号を付し、その説明を省略することがある。

図８Ａは、第５実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略斜視図である。図８Ｂは、第５実施形態に係る光音響部２３の構成例を示す概略側面図である。なお、図８Ａ及び図８Ｂでは、光音響部２３の構成を理解し易くするために、光照射方向及び超音波の検出面が上方を向いており、音響レンズ２２Ｂの図示は省略されている。

図８Ａ及び図８Ｂの光音響部２３は、光源２４、音響電気変換部２５、及び透光性の封止部２６ａを含んで構成されている。封止部２６ａは各基板２４２上に設けられた５つのＬＥＤ素子２４１を封止しており、そのＸ−Ｙ断面が、たとえばシリンドリカルレンズ、トーリックレンズのような凸レンズ形状に形成されている。そのため、封止部２６ａは、Ｘ−Ｙ断面と平行な方向におけるＬＥＤ素子２４１の出射光を光出射方向に集光する集光レンズとして機能している。こうすれば、ＬＥＤ素子２４１の出射光が集光されるため、光吸収体Ｐが被検体１５０内の深奥部にあっても、光吸収体Ｐに十分な光を照射して、断層像の生成に十分な強度の光音響波を発生させることができる。

なお、図８Ａ及び図８Ｂでは、封止部２６ａは、Ｚ方向に配列する５つのＬＥＤ素子２４１を封止しているが、本発明はこの例示に限定されない。たとえば、封止部２６ａがＬＥＤ素子２４１を個別に封止してもよい。また、封止部２６ａは、Ｘ方向と平行な方向を軸とする回転対称な凸レンズ形状に形成できる。こうすれば、ＬＥＤ素子２４１の出射光をＸ方向と平行な方向により集光することができるため、被検体１５０への光の照射効率を向上させることができる。

また、図８Ｂでは封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間を有しているが、この例示に限定されず、封止部２６ａは超音波振動素子２５１との間に隙間なく充填されていてもよい。こうすれば、封止部２６ａの凸レンズ形状の部分を隣接する超音波振動素子２５１間の間隔Ｗにまで広げることができる。従って、ＬＥＤ素子２４１の出射光がより集光し易くなるため、被検体１５０内の深奥部にある光吸収体Ｐに光を照射し易くできる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、上述の実施形態は例示であり、その各構成要素や各処理の組み合わせに色々な変形が可能であり、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、上述の実施形態では、光源２４はＬＥＤ素子２４１を含んで構成されている、本発明はこの例示に限定されない。光源２４は、パルス光を出射できる発光素子を含んでいればよく、たとえば、半導体レーザ素子を含む光源（半導体レーザ素子光源）であってもよいし、有機発光ダイオード素子を含む光源（有機発光ダイオード素子）であってもよい。或いは、光源２４は、発光ダイオード素子、半導体レーザ素子、及び、有機発光ダイオード素子のうちの少なくともいずれかの発光素子を含む光源であってもよい。こうすれば、光源２４を小型化できる。さらに、簡素な構成で発光周波数の高いパルス光を被検体１５０に照射することができる。従って、単位時間当たりにより多くの断層像を形成できるので、より鮮明で高精細な光音響画像を取得することができる。

また、第１〜第５実施形態では、光音響部２３において、ＬＥＤ素子２４１は、バッキング部材２５３上にてＹ方向において、超音波振動素子２５１と交互に配列されているが、本発明はこの例示に限定されない。ＬＥＤ素子２４１は、Ｙ方向において、２以上の超音波振動素子２５１と交互に配列されていてもよい。

また、第１〜第５実施形態では、光音響部２３において、１列に並ぶ５個のＬＥＤ素子２４１が、隣り合う超音波振動素子２５１間に配列されているが、本発明はこの例示に限定されない。Ｚ方向に１列で並ぶＬＥＤ素子２４１の数は、１又は５以外の複数であってもよい。さらに、隣り合う超音波振動素子２５１間には、複数列のＬＥＤ素子２４１がＹ方向に配置されてもよい。

また、第１〜第５実施形態において、超音波プローブ２０は、Ｚ方向において光音響部２３の両側又は片側に、光源２４からのパルス光と同期する照射タイミングで被検体１５０に光を照射する外部光源をさらに備えていてもよい。こうすれば、被検体１５０により強いパルス光を照射できるので、より鮮明な光音響画像を得ることができる。

１００ 光音響画像化装置
１５０ 被検体
２０ 超音波プローブ
２１ 駆動電源部
２２ 光源駆動部
２２ａ 光源駆動回路
２３ 光音響部
２４ 光源
２４１、２４１ａ〜２４１ｃ ＬＥＤ素子
２４２ 基板
２５ 音響電気変換部
２５１ 超音波振動素子
２５１ａ 分割振動素子
２５２ 音響レンズ
２５３ バッキング部材
２６ 被覆部
２６ａ 封止部
２６ｂ 充填部
３０ 画像生成部
３０１ 受信回路
３０２ Ａ／Ｄコンバータ
３０３ 受信メモリ
３０４ データ処理部
３０５ 光音響画像再構成部
３０６ 検波・対数コンバータ
３０７ 光音響画像構築部
３０８ 超音波画像再構成部
３０９ 検波・対数コンバータ
３１０ 超音波画像構築部
３１１ 画像合成部
３１２ 制御部
３１３ 送信制御回路
３１４ 操作部
４０ 画像表示部
４０１ ＬＣＤ
４０２ 入力検知部
Ｐ 光吸収体

Claims (10)

1. 被検体内の光吸収体に光を照射する光源と、
   前記光吸収体で発生する光音響波を検出し、該光音響波の検出結果に基づく検出信号を生成する音響電気変換部と、を備え、
   前記音響電気変換部は、一次元的に配列する複数の検出素子を有し、
   前記光源は、少なくとも隣接する前記検出素子間に配置される発光素子を含む光音響波検出器。
2. 前記検出素子はそれぞれ、該検出素子の第１配列方向と交差する第２配列方向に配列する複数の分割検出素子を含み、
   前記発光素子は、前記第２配列方向において該分割検出素子と交互に配置される請求項１に記載の光音響画像化装置。
3. 前記発光素子の光出射方向において、該発光素子の光出射位置は前記検出素子の上面よりも下に設けられる請求項１又は請求項２に記載の光音響波検出器。
4. 前記発光素子上に設けられる透光性の被覆部をさらに備え、
   前記被覆部は、前記発光素子を封止する封止部と、該封止部上に設けられる充填部と、を含み、
   前記充填部は、ポアソン比が前記封止部よりも高い材料を用いて形成される請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光音響波検出器。
5. 透光性の充填部が、前記発光素子を封止する透光性の封止部よりも屈折率が高い材料を用いて、前記封止部上に形成される請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光音響波検出器。
6. 前記発光素子の出射光が、前記発光素子を封止する封止部によって前記光出射方向に集光される請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光音響波検出器。
7. 前記発光素子は、発光ダイオード素子である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光音響波検出器。
8. 前記発光素子は、半導体レーザ素子である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光音響波検出器。
9. 前記発光素子は、有機発光ダイオード素子である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光音響波検出器。
10. 請求項１〜請求項９のいずれかに記載の光音響波検出器と、
    前記検出信号に基づく前記被検体の断層像を生成する断層像生成部と、
    前記断層像を用いて光音響画像を形成する画像形成部と、
    を備える光音響画像化装置。

Images