JP2017056259A - 被検体情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光音響測定を行う際に、光源からの電磁ノイズが光センサに及ぼす影響を抑制する。
【解決手段】光源と、光源を駆動する駆動回路を備える光源ユニットと、光源から出射された光の照射を受けて被検体から発生する音響波を電気信号に変換する探触子と、光源から出射された光を検知してトリガ信号を生成する光検知手段と、光検知手段からのトリガ信号と、探触子からの電気信号とを受信し、被検体内部の特性情報を生成するコントローラと、光源ユニットから発生する電磁ノイズをシールドするハウジングを有し、ハウジングは、光源ユニットと光検知手段とを隔離するように光検知手段を格納する被検体情報取得装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体情報取得装置に関する。

従来、医療分野で、光音響効果を利用して被検体内部の形態や機能を画像化する光音響装置が研究されている。このような従来の光音響装置では、使用者の指示を受けると、光音響装置内部のコントローラが光源の駆動回路に信号を送り、パルス光を発光させる。このパルス光が導光手段を介して被検体に照射されると、光音響波が発生する。この光音響波は、被検体に接触した探触子により受信され、光音響信号と呼ばれる電気信号に変換される。コントローラはこの光音響信号に対して信号処理および画像再構成処理を行い、診断画像を使用者に提示する。

従来の光音響装置において、診断画像のコントラストを向上させるためには十分な光量のパルス光を被検体に照射する必要がある。そのため、光源として高出力のレーザが用いられている。このレーザ内部のフラッシュランプやＱスイッチの駆動には高電圧、大電流が必要になる。

また、光源には個体差や経年変化があるため、コントローラが駆動信号を送ってからパルス光が実際に発光されるまでの時間にばらつきがあり、パルス光の発光タイミングは一定ではない。そこで光センサを備えることにより、パルス光の発光タイミングを検知可能とした光音響装置が提案されている（特許文献１）。特許文献１の光音響装置では、一部のパルス光を光センサに導き、発光タイミングを検知する。そして、光センサにて検知した発光タイミングに同期して、受信回路が光音響信号受信の開始、停止制御を行う。また、発光タイミングと受信信号の時間差に基づいて被検体内部の光吸収部位の位置を推定し、画像再構成を行う。

光源が上述のような高出力のレーザである場合、一般的には、光源と導光手段および光センサを一つのハウジング内に入れて、パルス光がハウジング外に漏れないようにすることで、装置の安全性を確保している。導光手段としてはビームスプリッタ、ミラーなどの光学部材が用いられ、パルス光を分岐して光センサに導く。

一方、照明装置の分野において、導光手段としてバンドルファイバを用いる装置が提案されている（特許文献２）。

特開２０１１−２２９５５６号公報 特開２００１−１７４４１０号公報

従来の光音響装置において光源を駆動する際に、高電圧、大電流を扱う光源の駆動回路からの電磁ノイズが光センサに回り込む場合がある。その結果、光センサが誤動作し、発光タイミングと光音響波受信の同期処理に悪影響が生じて、被検体内部の状態を正確に画像化できなくなるおそれがある。これを防ぐために光センサにシールド部材などでノイズ対策を行うことも考えられる。しかし、光源からの電磁ノイズが大きいことや、開口部やコネクタ部など電磁シールドしにくい箇所があることから、電磁ノイズの影響を抑制する
効果には限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光音響測定を行う際に、光源からの電磁ノイズが光センサに及ぼす影響を抑制することにある。

本発明は以下の構成を採用する。すなわち、光源と、該光源を駆動する駆動回路とを備える光源ユニットと、前記光源から出射された光の照射を受けて被検体から発生する音響波を電気信号に変換する探触子と、前記光源から出射された光を検知してトリガ信号を生成する光検知手段と、前記光検知手段からの前記トリガ信号と、前記探触子からの前記電気信号とを受信し、被検体内部の特性情報を生成するコントローラと、前記光源ユニットから発生する電磁ノイズをシールドするハウジングとを有し、前記ハウジングは、前記光源ユニットと前記光検知手段とを隔離するように前記光検知手段を格納することを特徴とする被検体情報取得装置である。

本発明によれば、光音響測定を行う際に、光源からの電磁ノイズが光センサに及ぼす影響を抑制することができる。

本発明の実施例１におけるブロック構成図。 本発明の実施例１における動作フローチャート。 本発明の実施例１におけるコントローラ内部構造を示す図。 本発明の実施例１におけるバンドルファイバの構成図。 本発明の実施例２におけるブロック構成図。 本発明の実施例２における探触子の構成図。 本発明の実施例１におけるタイミングチャート。

以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状及びそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

本発明の光音響装置は、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内部で発生した音響波を受信して、被検体内部の特性情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した装置である。このとき取得される特性情報は、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内部の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。かかる特性情報は被検体情報とも呼ばれることから、本発明の光音響装置を、被検体情報取得装置と呼ぶこともできる。

本発明でいう音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。被検体情報取得装置の探触子は、被検体内部で発生した音響波を受信する。

＜実施例１＞
本実施例は、光源からの出射光を被検体に導光する際に、出射光の一部を受信回路のハウジング内に置かれた光センサに導くものである。

図１は本実施例に係る光音響装置を示すブロック構成図である。図１において、符号１０１は被検体を固定し被検体にパルス光を照射するとともに、被検体からの光音響波を受信し、光音響信号に変換する保持ユニットである。符号１０２は光源および光源の駆動回路と光学系を含む光源ユニットである。符号１０３は光音響信号を受信し信号処理と画像処理を行い、使用者に診断画像を提示するとともに、装置全体の動作制御を行うコントローラである。符号１０４は光音響装置の被検体であり、被検者の体の一部である。ここでは乳房を例として説明する。

符号１０５および符号１０６はパルス光を被検体の近くまで導くための光路であり、多数の光ファイバを束ねたバンドルファイバにより構成される。本実施例では２方向から被検体１０４にパルス光を照射する例を用いて説明する。符号１０７および符号１０８はそれぞれバンドルファイバ１０５、１０６の一部の光ファイバであり、被検体１０４へのパルス光の一部を分岐してコントローラ１０３へ導光する。符号１０９は被検体内部に存在する光吸収の大きな部位（光吸収部位）を表したものであり、例えば乳がんに起因する新生血管がこれにあたる。光吸収部位１０９にパルス光が照射されると、光音響効果により光音響波１１０が生じる。バンドルファイバは本発明の導光手段に、その一部の光ファイバは本発明の入力手段に相当する。

符号１１１は探触子であり内部に光音響波１１０を受信するための振動子を備えている。この振動子はＰＺＴ、ＣＭＵＴなどの超音波センサ素子をアレイ状に並べたものであり、光音響波１１０を電気信号である光音響信号に変換する。また、探触子１１１にはバンドルファイバ１０５が接続され、被検体１０４にパルス光を照射することができる。符号１１２は被検体の測定部位に探触子１１１と対向する向きからパルス光を照射するための投光部であり、バンドルファイバ１０６からの出射光を所定の倍率で拡大し、照射光の密度および照射領域を調整するための光学系を有している。なお、投光部１１２から被検体１０４に向かう方向をＺ軸とし、これに垂直な平面の水平方向（紙面の奥行き方向）をＸ軸、垂直方向（紙面の上下方向）をＹ軸とする。

符号１１３は被検体１０４を圧迫固定するための板状部材であり、被検体１０４と探触子１１１の間にあり、探触子１１１と接するように固定されている。板状部材１１３は音響インピーダンスが被検体１０４と近い材料で構成され、光音響波１１０を効率よく探触子１１１へ伝達することができる。符号１１４は被検体１０４を圧迫固定するための板状部材であり、使用者は投光部１１２と被検体１０４の間でＺ方向に動かすことができる。これにより、被検体１０４のサイズに応じてさまざまな厚みで被検体１０４を圧迫固定することができる。また、板状部材１１４は光透過性の高い部材で構成され、パルス光を効率よく被検体１０４に照射することができる。

符号１１５は使用者の指示に応じて板状部材１１４をＺ方向に動かすための駆動回路およびモータからなる保持機構駆動部である。また、保持機構駆動部１１５は、板状部材１１３および板状部材１１４の距離から被検体１０４の厚みを計測するセンサを備える。また、板状部材１１３と板状部材１１４の間に被検体１０４が固定されているか否かを検知する近接センサを備える。符号１１６は投光部１１２および探触子１１１をＸＹ平面上で２次元走査させるための駆動回路およびモータからなるステージ駆動部である。投光部１１２と探触子１１１を被検体１０４全体にわたり走査させることにより広範囲の診断画像を得ることができる。

符号１１７は光ファイバコネクタからなる光入力部であり、光ファイバ１０７および光ファイバ１０８を接続することができる。光ファイバ１０７および光ファイバ１０８を光入力部１１７に接続すると、光ファイバの出射端がフォトダイオードに対向し、パルス光
がフォトダイオードに入射するように位置決めされる。符号１１８は光センサ回路であり、フォトダイオードによって変換された電流を整形し、デジタルパルス信号に変換する回路からなる。光センサ回路１１８は、電流電圧変換回路、コンパレータ、シュミットトリガ回路により構成される。光入力部および光センサ回路は、本発明の光検知手段に相当する。

符号１１９は探触子１１１によって変換された光音響信号を受信するためのプローブコネクタであり、多チャンネルのＺＩＦコネクタにより構成される。符号１２０はプローブコネクタ１１９を介して入力された光音響信号に対し、増幅、Ａ／Ｄ変換、ノイズ除去などの信号処理を行う受信回路である。受信回路１２０は光センサ回路１１８からのデジタルパルス信号の立ち上がりに同期して、Ａ／Ｄ変換処理および停止タイミングを決定する。そして、一定期間の間光音響信号を取得し、内部のメモリ１２１に保存する。

制御部１２２は受信回路１２０、保持機構駆動部１１５、ステージ駆動部１１６、光源駆動回路１３２に指示を送り、全体の動作制御を行う部分であり、ＣＰＵおよびソフトウェアで構成される。符号１２３は画像処理回路であり、メモリ１２１に保存された光音響信号データを読み出し、画像再構成処理を行い、被検体１０４内部の吸収係数分布を表す診断画像データを生成する。

符号１２４は使用者が光音響装置の動作条件の設定や動作開始指示を行うためのユーザインタフェース、すなわち操作部であり、キーボード、マウス、ボタンスイッチなどで構成される。動作条件としては、被検体１０４の測定範囲や光音響信号の測定時間などがある。また、動作指示としては被検体の撮影開始および撮影中断などがある。符号１２５は使用者に診断画像を表示したり、光音響装置の状態を通知したりするためのディスプレイである。

符号１２６および符号１２７はパルス光を発生させるためのパルスレーザ光源であり、ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザなどで構成される。パルスレーザ光源は内部のレーザ媒質を励起するための手段としてフラッシュランプおよびＱスイッチをもち、外部から電気的に発光タイミングを制御可能な構成になっている。また、パルスレーザ光源は投入エネルギーを設定するためのインタフェースをもち、外部からパルス光のエネルギーを電気的に制御可能な構成になっている。

符号１２８および符号１２９はそれぞれ光源１２６、光源１２７からのパルス光を遮断するためのシャッタである。使用者の指示に基づきシャッタを閉じ、被検体への光照射を停止することができる。光ファイバ入力部１３０および１３１はそれぞれシャッタ１２８およびシャッタ１２９を通過したパルス光をバンドルファイバ１０５、１０６へ入力させる部分である。バンドルファイバ１０５および１０６の入射端へ光軸をあわせる部材や、照射密度およびビーム径を調整する拡大光学系が含まれる。

符号１３２は光源１２６、光源１２７およびシャッタ１２８、シャッタ１２９の駆動回路、すなわち光源駆動回路である。光源駆動回路１３２は一定周期でフラッシュランプを点灯させ、レーザ媒質に励起エネルギーを蓄積した後にＱスイッチをＯＮにし、ジャイアントパルスと呼ばれる高いエネルギーをもつパルス光が出力させる。温度調節部１３３は光源１２６および１２７でレーザ発振を安定して行わせるために内部の温度を一定の範囲にするためのエアコンやチラーである。この温度の範囲は２５度から３０度の範囲であるとする。

光源ユニット１０２はレーザ光が外部に漏れ出さず、かつ内部の温度を一定となるように、ハウジングで外部と遮断されている。パルス光は保持ユニット内の投光部１１２と探
触子１１１から被検体１０４に照射される。投光部１１２および探触子１１１はＸＹ平面上で動くため、可とう性のあるバンドルファイバ１０５および１０６により光源ユニット１０２から保持ユニット１０１へパルス光を伝送する。バンドルファイバは数１００本の光ファイバが束ねられているものである。バンドルファイバ１０５および１０６内でまばらに分布するように数本を選択し、光ファイバ１０７および１０８としてコントローラ１０３へパルス光を伝送する。コントローラ１０３内では、パルス光を受信したタイミングに同期して探触子１１１からの光音響信号取得を開始する。

図２はコントローラ１０３で実行される生体検査装置の動作フローを示す。また、図７はコントローラがパルス光を出力させてから光音響信号を受信するまでの制御信号のタイミングチャートである。

ステップＳ２０１において、制御部１２２は保持機構駆動部１１５の近接センサからの信号により測定準備ができているか否かを確認する。被検体１０４が板状部材１１３および１１４の間に固定されている場合（Ｓ２０１＝Ｙｅｓ）には、測定準備ができていると判断し、ステップＳ２０３へ進む。測定準備ができていない場合（Ｓ２０１＝Ｎｏ）にはステップＳ２０２へ進み、一定時間待機した後にステップＳ２０１に戻る。

続いてステップＳ２０３において、ＣＰＵ１２２は使用者が操作部１２４を介して指定した設定情報を読み込み、内部のメモリ１２１へと記録する。設定情報としては同じ測定位置での繰り返し照射回数や測定範囲、パルス光の波長などがある。

続いてステップＳ２０４において、ＣＰＵ１２２はステージ駆動部１１６を介してＸＹステージを駆動し、被検体１０４の測定位置まで投光部１１２および探触子１１１を移動させる。
続いてステップＳ２０５においてＣＰＵ１２２は光源駆動回路１３２を介してシャッタ１２８およびシャッタ１２９を開く制御信号を出す。これにより、レーザ１２６およびレーザ１２７からのパルス光は、バンドルファイバ１０５および１０６を経て被検体１０４に、光ファイバ１０７および１０８を経て光入力部１１７に到達するようになる。

続いてステップＳ２０６においてＣＰＵ１２２は光源駆動回路１３２を介して光源１２６および１２７へ制御信号を送り、パルス光を発光させる。この処理について、図７のタイミングチャートを参照して詳述する。

図７において符号７０１は制御部１２２内において一定の周期で立ち上がる基準パルス信号である。ここでは基準パルス信号７０１は１００ミリ秒ごとに立ち上がるものとする。ここでは、まず、時刻Ｔ７２２にレーザ１２６への励起開始信号７０２、時刻Ｔ７２６にレーザ１２７への励起開始信号７０６を立ち上げ、フラッシュランプを点灯させ光源内部のレーザ媒質を励起させる。

続いて、十分励起したところで、時刻Ｔ７２３に光源１２６への発振開始信号７０３を、時刻Ｔ７２７に光源１２７への発振開始信号を立ち上げ、Ｑスイッチを駆動させる。これにより、レーザ媒質内部で急激な発振が起こり、大きなエネルギーのパルス光が出射される。光源駆動回路１３２は光源１２６および１２７への励起開始信号と発振開始信号のタイミングを調整することにより、複数の光源の個体差によらず、パルス光７０４および７０８がほぼ同時刻（Ｔ７２４およびＴ７２８）に被検体１０４に照射されるようにする。パルス光の時間幅は１０ナノ秒程度であるが、時刻Ｔ７２４と時刻Ｔ７２８の時間差は１０ナノ秒以下になるように調整する。

このとき、パルス光は被検体１０４だけでなく光入力部１１７にも入力され、光センサ
回路１１８により電気パルス信号７０５および７０９に変換され、ほぼ同時刻（Ｔ７２５および時刻Ｔ７２９）に受信回路１２０に通知される。時刻Ｔ７２３から時刻Ｔ７２４までの間および、時刻Ｔ７２７から時刻Ｔ７２８までの間は数１００ナノ秒から数マイクロ秒の遅延があり、かつ光源内部のフラッシュランプの個体差や経年変化によって変わる。そのため、受信回路１２０はパルス光が被検体に照射されるタイミングを検知するために光センサ回路からのトリガ信号を用いる。

続いて、被検体１０４内部で発生した光音響波は探触子１１１にて光音響信号７１１に変換され、時刻Ｔ７３１に受信回路１２０に伝達される。この処理は、図２のステップＳ２０７に対応する。ステップＳ２０７において受信回路１２０は光センサ回路１１８からの電気パルス信号が立ち上がった後に、一定時間光音響信号７１１をＡ／Ｄ変換し、内部メモリに保存する。そのために、受信回路１２０は被検体１０４からの光音響信号７１１が受信回路に届く時刻Ｔ７３１より前にＡ／Ｄ変換器への変換開始信号７１０を立ち上げておく（Ｔ７３０）。そして、被検体からの光音響信号７１１が受信回路に到達し終えた時刻Ｔ７３２より後の時刻Ｔ７３３に変換開始信号７１０を立ち下げる（Ｔ７３３）。また、その際に被検体上の同位置の信号同士で加算平均を行いノイズの影響を低減させる処理を行う。

続いて時刻Ｔ７３０と時刻Ｔ７３３の求め方について説明する。板状部材１１３の厚みをｄ１［ｍ］、板状部材１１３と板状部材１１４の間隔をｄ２［ｍ］、生体内の平均音速をｖ［ｍ／ｓ］とする。ｄ１とｖの値は予め算出され、メモリ１２１内に保存されている。ｄ２の値は保持機構駆動部１１５の距離センサにより計測される。またパルス光が被検体１０４に照射されてから受信回路までトリガ信号が届くまでにかかる遅延をｔ１［ｓ］とする。

このとき、パルス光が光吸収部位１０９までに到達するのにかかる時間と、光音響波１１０が探触子１１１に到達するのにかかる時間では、後者のほうが十分大きい。そのため、時刻Ｔ７２５から時刻Ｔ７３１までの間隔は、被検体１０４からの光音響信号が板状部材１１３を経過する時間を考慮して、ｄ１／ｖ［ｓ］とみなすことができる。時刻Ｔ７２５から時刻Ｔ７３２までの間隔は、被検体１０４の全体からの光音響信号が到達する時間を考慮して、（ｄ２＋ｄ１）／ｖ［ｓ］とみなすことができる。そこで、信号処理部３１５はトリガ信号が入力された時刻Ｔ７２５からｄ１／ｖ−ｔ１［ｓ］だけ時間が経過する前に変換開始信号７１０をアサートする（時刻Ｔ７３０）。また、時刻Ｔ７２５から（ｄ２＋ｄ１）／ｖ−ｔ１［ｓ］だけ時間が経過した後に変換開始信号７１０をネゲートする（時刻Ｔ７３３）。

これにより、被検体１０４からの光音響信号を全てデジタルデータとしてメモリ１２１に保存することができる。これらのデジタルデータは制御部１２２上のＣＰＵにより読み出され、被検体１０４上の同じ位置にあたるデータ同士で加算平均される。続いて画像処理基板１２３に入力され、画像再構成が行われる。この際に早い時刻に高い値の光音響信号が受信されている場合には光吸収部位が被検体１０４の探触子１１１に近い位置にあると判断される。一方、遅い時刻に高い値の光音響信号が受信されている場合には光吸収部位が被検体１０４の探触子１１１に遠い位置にあると判断される。

このように画像再構成を行う際のデータが、誤動作したトリガ信号に基づいて取得されたものである場合、時刻と光音響信号の対応がずれてしまう。その結果、診断画像上では実際とは異なる位置にアーチファクトが描出されてしまうおそれがある。
一方、本発明では光センサ回路を光源ユニット１０２とは別のハウジングに格納し、パルス光で情報を伝送することにより、レーザ１２６、１２７からの電磁ノイズによるトリガ信号の誤動作を防いでいる。

続いて、図２のフローに戻って説明を続行する。ステップＳ２０８において、光音響信号を内部メモリへ保存した回数がステップＳ２０３で読み込まれた繰り返し照射回数に達しているか否かを判定する。読み込まれた値に達している場合（Ｓ２０８＝Ｙｅｓ）、ステップＳ２０９へ進み、達していない場合（Ｓ２０８＝Ｎｏ）、ステップＳ２０６へ戻る。例えばステップＳ２０３で繰り返し照射回数として３という値が読み込まれていた場合には、ステップＳ２０６およびステップＳ２０７の処理を３回繰り返した後にステップＳ２０９へ進む。

続いて、ステップＳ２０９において被検体１０４の測定範囲全体の測定が終わっているか否かを判定する。測定範囲についてはステップＳ２０３で読み込まれている。全測定範囲での測定が完了している場合（Ｓ２０９＝Ｙｅｓ）、ステップＳ２１０へ進む。まだ測定が完了していない位置がある場合（Ｓ２０９＝Ｎｏ）、ステップＳ２０４に戻り、処理を継続する。

ステップＳ２１０において、ＣＰＵ１２２は画像処理回路１２３へ指示を出し、受信処理回路１１６の内部メモリに保存されている各測定位置での光音響信号データをもとに画像再構成を行う。そして、生体内部の分光特性を示す診断画像をディスプレイ１２５に出力する。

図３にコントローラ内部の基板の構成を示す。
符号３０１は光ファイバ１０７を接続するためのファイバコネクタである。符号３０２は光ファイバ１０８を接続するためのファイバコネクタである。ファイバコネクタ３０１と３０２を合わせたものが光入力部１１７に相当する。

符号３０３および符号３０４はフォトダイオードであり、それぞれファイバコネクタ３０１およびファイバコネクタ３０２の光軸上に受光面が配置されているものとする。符号３０５および符号３０６は電流電圧変換回路であり、オペアンプおよび抵抗などの受動素子から構成される。パルス光がフォトダイオードに入射すると、光電流が流れ、電流電圧変換回路３０５および３０６により、光電流に比例した電圧が出力される。

符号３０７および符号３０８は比較回路からなる比較器である。比較器は電流電圧変換回路３０５および３０６の出力電圧をある一定の閾値と比較し、閾値を越えたときのみ電圧レベルをハイレベルにする。閾値以下の場合には電圧レベルをローレベルにする。光源１２６および１２７からのパルス光の幅は１０ナノ秒程度である。そのため、電流電圧変換回路３０５、３０６および比較器３０７、３０８の出力電圧のパルス幅も１０ナノ秒程度である。

符号３０９および符号３１０は波形整形回路からなる波形整形器である。波形整形器はパルス幅を１０ナノ秒から１マイクロ秒程度まで拡大し、受信回路１２０で発光タイミングを検知しやすくする。波形整形器は単安定マルチバイブレータ回路およびバッファ回路により構成される。波形整形器３０９および３１０の出力パルスをトリガ信号と呼ぶ。トリガ信号はトリガ分岐基板３１１へ入力される。

一般に受信回路１２０は複数の基板で構成される。本実施例では、探触子１１１のもつ超音波センサ素子が６００素子あり、探触子１１１から６００本の信号線からなるケーブルがプローブコネクタ１１９へ入力されるものとする。また、受信回路１２０は４枚の基板から構成され、各基板は１５０チャンネルの信号をデジタル化することができるものとする。

トリガ分岐基板３１１は波形整形回路３０９および３１０の出力信号を４枚の受信回路基板に分配し、各基板が同じタイミングで動作するようにするものとする。トリガ分岐基板は高精度のバッファ回路により構成される。一方、プローブコネクタ１１９に入力された光音響信号は光音響信号分岐基板３１２に入力される。光音響信号分岐基板３１２は６００本の光音響信号を１５０本ずつに分割し、４枚の受信基板に入力させるための基板である。

符号３１３は光音響信号を増幅するためのプリアンプからなる増幅部である。増幅部３１３により数１０マイクロＶ程度の微弱な光音響信号が数ミリＶ程度まで増幅される。符号３１４は増幅された光音響信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路からなるＡ／Ｄ変換部である。Ａ／Ｄ変換の開始および停止のタイミングは後述の信号処理部からの制御信号に基づいて決定されるものとする。符号３１５はＡ／Ｄ変換部３１４にてデジタル化された光音響信号に対し、信号処理を行う回路であり、ＦＰＧＡで構成される。また、信号処理部３１５にはトリガ分岐基板３１１で分配されたトリガ信号が入力される。これらの信号は図７の７０５および７０９に相当する。

信号処理部３１５はトリガ信号の立ち上がりを検知すると、Ａ／Ｄ変換部３１４へＡ／Ｄ変換開始信号をアサートし、光音響信号の受信を開始する。Ａ／Ｄ変換部から出力されたデータは順次メモリ３１６へ格納される。信号処理部３１５は被検体１０４からの光音響波が探触子１１１まで伝わる時関よりも十分長い時間のデータをメモリ３１６へ格納した後にＡ／Ｄ変換部の変換開始信号をネゲートし、Ａ／Ｄ変換を停止する。

符号３１７は受信回路、プローブコネクタおよびファイバコネクタ、光センサ回路を格納する導電性のハウジングであり接地されているものとする。ハウジングの材質としては銅、鉄、アルミニウム、導電性プラスチックなどを用いる。また、ハウジング３１７は外部と接続するコネクタ部以外は隙間が最小限にされており、電磁シールドの役割を果たす。これにより、光源ユニット１０２や保持ユニット１０１からの電磁ノイズの回り込みを抑制できる。その結果、パルス光が出ていないのに光センサ回路がトリガ信号を発光する誤動作を防ぐことができる。また、誤動作による診断画像へのアーチファクトの混入を抑制できる。尚、ハウジングは図３に示す形態に限らず、少なくとも光センサ回路を光源ユニット１０２から隔離するように格納すればよい。また、好ましくは、電磁ノイズに感受性のある部分であるコントローラ１０３全体をハウジングに格納し、光源ユニット１０２から隔離するとよい。

また、この際にプローブコネクタ１１９の外装部およびファイバコネクタ３０１、３０２の外装の部分をハウジング３１７と絶縁しておく。これにより、保持ユニット１０１や光源ユニット１０２からのノイズ電流がプローブコネクタの外装シールド部やファイバコネクタの外装部を経由してコントローラ１０３に伝播することを防止することができ、光音響信号のＳＮ比向上につながる。

本実施例においては、上記のように光入力部や光センサ回路が、外部（特に高出力の光源）からの影響を受けないように電磁シールドされたハウジングに格納されている。このように光源を含むハウジングとは異なるハウジングに光を検知する部材を配置することにより、電磁ノイズの影響を抑制できるようになる。

本実施例においてはさらに、光入力部や光センサが、コントローラと共通のハウジングに格納されている。これにより、光を検知して出力された信号が微弱な電気信号であっても、制御部に入力されるまでの間に外部からのノイズによる影響を受けることがなくなる。ただし、光を検知する部材を光源に起因するノイズからシールドできれば、本発明の効果は得られる。例えば、光入力部や光センサを、光源を含むハウジングおよびコントロー
ラを含むハウジングとは異なるハウジングに格納し、光を検知した際の電気信号をコントローラに送信するようにしても、光源に起因するノイズからのシールドは可能である。

図４にファイバ入力部１３０のバンドルファイバ入射端を拡大した図を示す。符号４０１は多数のファイバを円状にまとめる枠体である。白い丸で示した符号４０２は光源ユニットから被検体１０４へパルス光を導光する光ファイバである。光ファイバ４０２がまとめられ、バンドルファイバ１０５となる。黒い丸で示した符号４０３は光源ユニットからコントローラ１０３へパルス光を導光する光ファイバである。光ファイバ４０３がまとめられバンドルファイバの一部である光ファイバ１０７となる。コントローラ１０３に向かう光ファイバ４０３は枠体４０１の中をまばらに分布するように選択される。また光ファイバ４０３の本数は、フォトダイオード３０３に対し、トリガ信号を生成するのに必要十分な光量を照射するように選択される。

このように光源ユニット１０２から保持ユニット１０１へ入力される光ファイバの一部をコントローラ１０３へ分岐させることにより、ビームスプリッタなどの部品を追加することなく、パルス光を分岐することができる。また、光源ユニット１０２、保持ユニット１０１およびコントローラ１０３の間を光ファイバ伝送することにより、光源ユニットをコントローラ１０３および保持ユニットから離しても、厳密な光路調整を行う必要が無く組み立ての容易な装置を実現することができる。

以上説明してきたように、本発明の実施例１によれば、受信回路のＡ／Ｄ変換開始タイミングを生成するための光センサを光源ユニットとは離れたコントローラ内部に配置している。これにより、光源からの電磁ノイズの回り込みを防ぎ、信頼性の高い光音響装置を実現することができる。

なお、本実施例では光源が２台あり、２方向から被検体にパルス光を照射する例を用いて説明したが、光源の台数や照射方向はこれに限らない。例えば１台の光源からのパルス光を光源ユニット１０２内で分岐し、２方向から被検体に照射することも可能である。また、１方向からのみ被検体にパルス光を照射する場合にも本発明は適用可能である。また、２台の光源を持つ場合にも、探触子１１１の方向からと、投光部１１２の方向のいずれか一方からパルス光を照射する場合においても本発明は適用可能である。

また、本実施例では光源から保持ユニットおよびコントローラへ光ファイバで伝送する例を用いて説明したが、導光手段の一部または全体を空間伝送に置き換えても本発明は適用できる。この場合には光軸あわせを行う位置決め手段や光路を曲げるためのミラー、プリズムなどを適切に配置すれば、光ファイバを用いるよりも安価な光音響装置を実現しうる。

なお、本実施例ではステップＳ２０７において、信号処理部３１５が光センサ回路１１８からのトリガ信号を受信してから一定時間後にＡ／Ｄ変換を開始させるものとして説明した。しかし、トリガ信号と同期して行う処理の内容はこれに限定されない。例えば、Ａ／Ｄ変換部３１４は常時動作させておき、信号処理部３１５はトリガ信号受信後の、光音響信号が存在する範囲の信号のみをメモリ３１６に保存するように制御してもよい。

また、本実施例では光源ユニットから保持ユニットへのバンドルファイバの一部をコントローラに入力することでパルス光を分岐していたが、パルス光の分岐方法はこの方法に限定されるものではない。例えば、光源ユニット内部のファイバ入力部１３０の手前にビームスプリッタを用いてパルス光を分岐し、光ファイバ１０５および１０６とは別の光ファイバを用いてコントローラ１０３に導光してもよい。

また、本実施例はフォトダイオード３０３からの信号を光音響信号の受信タイミングを決定するために用いていたが、それ以外に、フォトダイオード３０３を用いて光量や波長測定に用いる場合にも本発明を適用することが可能である。

＜実施例２＞
続いて実施例２について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、被検体に照射したパルス光が反射した戻り光をコントローラに入力する点である。また、実施例１では被検体を板状部材で挟んで固定し、投光部および探触子を自動で走査する装置の例を用いて説明したが、本実施例では被検体に探触子を直接当て、使用者が手で探触子を被検体の表面に沿って走査する装置の例を用いて説明する。

図５は本実施例に係る光音響装置の構成を示すブロック図である。
符号５０１は光源ユニットである。実施例１の光源ユニット１０２との違いは内部のレーザが２台でなく１台である点である。符号５０２は実施例１と同様のコントローラである。被検体５０３、光吸収部位５０４、光音響波５０５、探触子５０６はそれぞれ実施例１の被検体１０４、光吸収部位１０９、光音響波１１０、探触子１１１と同じであるため説明を省略する。

符号５０７はバンドルファイバの一部であり、光源ユニット５０１からのパルス光を、探触子５０６を介して被検体５０３に導くのに用いられる。一方、符号５０８はバンドルファイバの一部であり、コントローラ５０２へ入力され、発光タイミングを検知するために用いられる。本実施例では、探触子５０６に接続されるバンドルファイバが光源ユニットに接続される光ファイバ５０７とコントローラに接続される光ファイバ５０８の２つに分岐される。符号５０９は探触子５０６から出力された光音響信号をコントローラ５０２に伝送するためのケーブルである。ケーブル５０９と光ファイバ５０８を一つのケーブルにまとめることもできる。

光入力部５１０、光センサ回路５１１、光源駆動回路５２２はそれぞれ実施例１の光入力部１１７、光センサ回路１１８、光源駆動回路１３２と同様であるが、レーザ光が２系統ではなく１系統である点が異なる。

プローブコネクタ５１２、受信回路５１３、メモリ５１４は実施例１と同様であるため説明を省略する。制御部５１５は受信回路５１３、光源駆動回路５２２に指示を送り、全体の動作制御を行う部分（手段）であり、ＣＰＵおよびソフトウェアで構成される。

画像処理回路５１６、操作部５１７、ディスプレイ５１８、は実施例１の画像処理回路１２３、操作部１２４、ディスプレイ１２５と同じであるため説明を省略する。レーザ５１９、シャッタ５２０、ファイバ入力部５２１、温度調節部５２３は実施例１のレーザ１２６、シャッタ１２８、ファイバ入力部１３０、温度調節部１３３と同じであるため説明を省略する。

本実施例の動作は、図２のフローにおいて、ステップＳ２０４での探触子の移動を使用者が手動で行う点が実施例１と異なる。しかし、それ以外の光照射から光音響信号取得までの動作フローは実施例１と同様である。

図６は探触子５０６の内部の配置を示した図である。符号６０１は光源ユニット５０１からのパルス光を被検体５０３に照射するための出射端部であり、バンドルファイバ５０７および５０８の出射端である。符号６０２は出射端部６０１に対向して配置された凹レンズであり、出射端部６０１からの出射光の照射密度と照射パターンを調整するものである。凹レンズ６０２を経由したパルス光は照射密度が下がり被検体５０３に照射可能にな
る。符号６０３は光音響波を受信し、光音響信号に変換するためのトランスデューサであり、数１００チャンネルの超音波振動子がアレイ状に並べられたものである。

出射端部６０１の内部には図４の符号４０１と同様のバンドルファイバが格納されている。また、大部分のバンドルファイバ４０２は図５の光ファイバ５０７に対応しており、光源ユニット５０１のファイバ入力部５２１へ接続される。一部のまばらに選択された光ファイバ４０３は図５のファイバ５０８に対応しており、コントローラ５０２内部の光入力部５１０に接続される。

光源５１９からのパルス光はバンドルファイバ５０７を介して探触子５０６内部に導かれ、出射端６０１より凹レンズ６０２の方向に出射される。そして、凹レンズ６０１で拡大されたパルス光が被検体５０３に照射され、光吸収部位５０４から光音響波５０５が発生する。その光音響波をトランスデューサ６０３で光音響信号に変換し、ケーブル５０９でコントローラ内部の受信回路５１３に伝送する。その過程において、６０１から出射されたパルス光の一部は凹レンズ６０２の表面で反射し出射端６０１に戻り、ファイバ４０３内に入る。ファイバ４０３はまとめられファイバ５０８としてコントローラ５０２に接続されている。そのため、戻り光は光入力部５１０、光センサ回路５１１に入射し、トリガ信号が受信回路５１３の信号処理部３１５に入力される。

信号処理部３１５はトリガ信号の立ち上がりを検知すると、Ａ／Ｄ変換部３１４へＡ／Ｄ変換開始信号をアサートし、光音響信号の受信を開始する。Ａ／Ｄ変換部から出力されたデータは順次メモリ３１６へ格納される。信号処理部３１５は被検体５０３からの光音響波が探触子１１１まで伝わる時間よりも十分長い時間のデータをメモリ３１６へ格納する。その後、Ａ／Ｄ変換部の変換開始信号をネゲートし、Ａ／Ｄ変換を停止する。

本実施例での時刻Ｔ７３０と時刻Ｔ７３３の求め方について説明する。トランスデューサ６０３と被検体５０３の間隔をｄ３、被検体の厚みをｄ４［ｍ］、生体内の平均音速をｖ［ｍ／ｓ］とする。またパルス光が被検体１０４に照射されてから受信回路にトリガ信号が届くまでにかかる遅延をｔ１［ｓ］とする。ｄ３、ｄ４、ｖの値は予め算出され、メモリ５１４内に保存されている。

このとき、パルス光が光吸収部位５０４までに到達するのにかかる時間と、光音響波５０５か探触子５０６に到達するのにかかる時間では、後者のほうが十分大きい。そのため、時刻Ｔ７２５から時刻Ｔ７３１までの間隔は、被検体１０４からの光音響信号が伝播する時間を考慮して、ｄ３／ｖ［ｓ］とみなすことができる。時刻Ｔ７２５から時刻Ｔ７３２までの間隔は、被検体１０４の全体からの光音響信号が伝播する時間を考慮して、（ｄ３＋ｄ４）／ｖ［ｓ］とみなすことができる。そこで、信号処理部３１５はトリガ信号が入力された時刻Ｔ７２５からｄ３／ｖ−ｔ１［ｓ］だけ時間が経過する前に変換開始信号７１０をアサートする（時刻Ｔ７３０）。また、時刻Ｔ７２５から（ｄ３＋ｄ４）／ｖ−ｔ１［ｓ］だけ時間が経過した後に変換開始信号７１０をネゲートする（時刻Ｔ７３３）。これにより、被検体１０４からの光音響信号を全てデジタルデータとしてメモリ３１６に保存することができる。これらのデジタルデータは制御基板１２２上のＣＰＵにより読み出され、被検体１０４上の同じ位置にあたるデータ同士で加算平均される。

本実施例においても、シールドされたハウジングに光を導入して光音響波の受信タイミングを規定することにより、高電圧、大電流のレーザ光源からの影響を抑制して良好な診断画像を得るという本発明の効果を享受することが可能である。

さらに本実施例では、探触子５０８からの戻り光の一部をコントローラ５０２に入力することにより、光照射のタイミングを検知するだけではなく、被検体５０３にパルス光が
届いているかどうかを検出することができる。
バンドルファイバ５０７の断線故障や出射端部６０１での故障があると、制御部５１５が光源駆動回路５２２を介してレーザ５１９を発光させ、かつシャッタ５２０を開けているにもかかわらず、被検体に正しくパルス光が届いていない不具合が起こり得る。しかしこのような場合であっても、本実施例の構成を持つ光音響装置であれば、被検体に正しくパルス光が届いていない不具合を検知することができ、装置の信頼性を向上することができる。

なお、本実施例ではステップＳ２０７において、信号処理部３１５が光センサ回路１１８からのトリガ信号を受信してから一定時間後にＡ／Ｄ変換を開始させるものとして説明した。しかし、トリガ信号と同期して行う処理の内容はこれに限定されない。

例えば、制御部５１５が光源駆動回路５２２を介してレーザ５１９のＱスイッチを駆動する時刻７２３と同時に信号処理部３１５がＡ／Ｄ変換を開始させるようにすることも考えられる。そして、トリガ信号受信後の、光音響信号が存在する範囲（時刻Ｔ７３１からＴ７３２）の信号のみをメモリ３１６に保存するように制御してもよい。このようにパルス光を照射する前からＡ／Ｄ変換を開始しておくことで、光センサ回路での遅延が大きくトリガ信号よりも前に光音響信号が探触子に届いてしまう場合にも、被検体からの光音響信号をとりこぼしなく取得することができる。

１０２：光源ユニット，１０３：コントローラ，１０５：バンドルファイバ，１０６：バンドルファイバ，１０７：光ファイバ，１０８：光ファイバ，１１１：探触子，１１７：光入力部，１１８：光センサ回路，１２２：制御部，１２３：画像処理回路，１２６：光源，１２７：光源

Claims (6)

1. 光源と、該光源を駆動する駆動回路とを備える光源ユニットと、
   前記光源から出射された光の照射を受けて被検体から発生する音響波を電気信号に変換する探触子と、
   前記光源から出射された光を検知してトリガ信号を生成する光検知手段と、
   前記光検知手段からの前記トリガ信号と、前記探触子からの前記電気信号とを受信し、被検体内部の特性情報を生成するコントローラと、
   前記光源ユニットから発生する電磁ノイズをシールドするハウジングと
   を有し、
   前記ハウジングは、前記光源ユニットと前記光検知手段とを隔離するように前記光検知手段を格納することを特徴とする被検体情報取得装置。
2. 前記光源から出射された光を被検体に導く導光手段と、
   前記光源から出射された光を前記ハウジングに入力する入力手段と、
   をさらに有し、
   前記導光手段は、バンドルファイバであり、
   前記入力手段は、バンドルファイバの一部のファイバである
   ことを特徴とする請求項１に記載の被検体情報取得装置。
3. 前記入力手段は、前記光源から被検体に照射される光の一部を分岐させて前記ハウジングに入力する
   ことを特徴とする請求項２に記載の被検体情報取得装置。
4. 前記入力手段は、前記導光手段から被検体に照射されたのち反射した光を前記ハウジングに入力する
   ことを特徴とする請求項２に記載の被検体情報取得装置。
5. 前記光検知手段を格納しているハウジングは、前記コントローラも格納するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。
6. 前記コントローラは、前記トリガ信号により、前記電気信号のうち被検体から発生した音響波に基づく部分を決定し、当該被検体から発生した音響波に基づく電気信号の部分を用いて被検体内部の特性情報を生成する
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の被検体情報取得装置。

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