JP6152075B2 - 光音響画像生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光音響画像生成装置に関し、特に、被検体へ向けて光を照射する光源を備えた光音響画像生成装置に関する。

従来、測定光を被検体（人体等）へ照射し、被検体内で光音響効果により生じた音響波を検出して、被検体の超音波画像を生成する光音響画像生成装置が知られている。この装置では、被検体に超音波プローブを接触させた状態で超音波プローブ側から被検体内に向けて測定光が照射され、この測定光に起因して被検体内で発生する音響波（超音波）を超音波プローブ内の超音波検出部で検出するようになっている。

光は被検体内で減衰し易く、大きな測定深度を確保するには、光源から測定深度に応じた大きな光出力の測定光を照射する必要がある。このため、当該装置が備える光源として、大型なレーザ装置（固体レーザ装置等）が一般に用いられている。

このようなレーザ装置は、装置サイズが大きいため、被検体に接触させる超音波プローブとは別体に設けられており、レーザ装置が発生するレーザパルスは、レーザ装置から光ファイバを介して超音波プローブへ供給されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１８７３８９号公報

しかしながら、レーザ装置を組み込むことによって、装置全体が大型化してしまうと共に、装置価格が高額になり、一般の医療施設内等に配備することが困難であるという問題があった。そこで、本発明者は、光源としてレーザ装置の代わりに小型の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ又は半導体レーザチップ等の発光素子を用いた光音響画像生成装置を考案した。このような小型の発光素子を用いることにより、超音波プローブ筐体内に又は超音波プローブ筐体に近接するように、超音波プローブに光源を配置可能となり、装置全体として小型化ができると共に、装置を大幅に安価に製造することができる。

例えば、ＬＥＤチップを用いる場合、１個当たりの光出力は比較的小さいため、所定の大きさの光出力を確保するためには、複数個のＬＥＤチップを使用する必要がある。多数のＬＥＤチップを並列接続すると配線数が膨大になるため、超音波プローブのサイズ及び重量の増大を避けるべく、複数のＬＥＤチップの直列接続回路（又は、複数の直列接続回路を並列接続した構成）からなるＬＥＤ回路が超音波プローブ内に組み込まれる。また、各ＬＥＤチップの順方向電圧Ｖｆにはばらつきがあるため、ＬＥＤチップを並列接続すると各ＬＥＤチップの輝度にばらつきが生じてしまう。この輝度ばらつきを抑制するには各ＬＥＤチップに対して抵抗を挿入する等の手間が掛ると共に、その結果回路が大型化してしまう。したがって、このような不都合を回避するためにも、複数のＬＥＤチップの直列接続回路からなるＬＥＤ回路を採用する必要がある。

このＬＥＤ回路には、ＬＥＤチップの順方向電圧Ｖｆ（例えば、１．４Ｖ〜６Ｖ）にＬＥＤチップの数を乗じた電圧が印加される。例えば、Ｖｆが３ＶのＬＥＤチップが７０個、直列接続されたＬＥＤ回路の場合、その両端には、少なくとも２１０Ｖ（＝３Ｖ×７０個）の電圧を印加する必要がある。そして、このような高電圧を生成するには、ＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧回路が必要になる。昇圧回路は、内部にスイッチング素子を含んでおり、このスイッチング素子を高速スイッチング動作させることにより、電源電圧を上記の高電圧に昇圧することができる。

ところが、昇圧回路において、スイッチング素子をスイッチング動作させると電磁ノイズが発生してしまう。そして、本発明者は、この電磁ノイズが、超音波を受信した超音波プローブで生成される超音波検出信号に乗ってしまい、結果として生成される超音波画像に乱れが生じ、鮮明さが失われてしまうという新規な課題を発見した。

従って、本発明は、光源の駆動電圧を生成する昇圧回路の動作により生じてしまう電磁ノイズが超音波検出信号に混入することを簡易な構成で防止し、生成される超音波画像の鮮明さを確保することができる光音響画像生成装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、被検体内に光を照射する光源と、所定の駆動電圧を供給することにより、光源から光を照射させる光源駆動部と、超音波を受信し、受信した超音波に基づいて超音波検出信号を生成する超音波検出部と、超音波検出部により生成された超音波検出信号に基づいて、被検体の超音波画像を生成する画像信号生成部と、光源駆動部を制御する制御部と、を備えた光音響画像生成装置であって、制御部は、光源から照射された光によって被検体内で生じた超音波を超音波検出部が受信する第１受信期間は、光源駆動部内の昇圧回路内の昇圧回路の動作を停止するように光源駆動部を制御することを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、光源駆動部内の昇圧回路で生成された所定の駆動電圧を光源に供給することにより、光源から光を被検体内に向けて照射し、被検体内で光音響効果により超音波（音響波）を生じさせ、この音響波に基づいて超音波検出部により超音波検出信号を生成し、この超音波検出信号に基づいて、画像信号生成部によって被検体の光音響画像（超音波画像）を生成することができる。そして、本発明において、駆動電圧を供給することによって、光源駆動部では、その出力電圧が低下するので、駆動電圧を光源へ供給することに応答して昇圧回路を作動させて、出力電圧を駆動電圧まで回復させることができる。

しかしながら、このような昇圧回路の作動は、スイッチング素子のスイッチング動作を伴うものであり、当該動作に起因して、電磁ノイズが生じ、この電磁ノイズが超音波検出部によって生成される超音波検出信号に混入してしまうおそれがある。このような電磁ノイズの混入は、画像信号生成部によって生成される超音波画像の画像品質を劣化させるものである。

従来のように、光源として大型な装置である固体レーザ装置を用いる場合は、固体レーザ装置が超音波プローブとは別体の構成であるため、仮に電磁ノイズが発生したとしても、遮蔽構造体を容易に付加することができるので、電磁ノイズによる悪影響を抑制することが可能である。しかしながら、光源として新規にＬＥＤチップや半導体レーザチップを用いる場合には、電磁ノイズの影響を抑制する新たな構成が必要となる。特に、ＬＥＤチップ等は、小型であるため、超音波検出部を収容する超音波プローブ筐体内又はこれに近接して光源を配置する構成が可能となるが、光源が超音波検出部に近接することから、電磁ノイズの影響がより大きくなってしまう。しかしながら、物理的な遮蔽構造体を超音波プローブに設けると、超音波プローブのサイズ及び重量が大きくなって使い勝手が悪化してしまうという問題がある。

そこで、本発明では、光源から光を照射し、これにより生じた音響波を超音波検出部が受信する第１受信期間中は、スイッチング素子のスイッチング動作を伴う昇圧回路による昇圧動作を停止するように構成されている。これにより、本発明では、超音波プローブに電磁ノイズを物理的に遮蔽する構造体を設けることなく、制御上の構成の工夫により、超音波検出信号に電磁ノイズが混入することを防止し、超音波画像の画像品質の劣化を効果的に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、第１受信期間は、光源による光の照射から、この光により被検体内の所定測定深度の部位で生じた超音波を受信するまでの期間である。
このように構成された本発明によれば、第１受信期間において、被検体の所定測定深度又はこれよりも浅い深度で光音響効果により生じた超音波を受信することができる。これにより、所定測定深度までの測定を確保しつつ、電磁ノイズの影響を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、被検体内に超音波を出力する超音波発生部を更に備え、超音波検出部は、超音波発生部から出力された超音波が被検体内で反射された反射波を受信し、受信した反射波に基づいて超音波検出信号を生成し、制御部は、超音波発生部による超音波の出力を制御すると共に、超音波発生部から出力された超音波の反射波を超音波検出部が受信する第２受信期間においても、昇圧回路の動作を停止するように光源駆動部を制御する。

このように構成された本発明によれば、超音波発生部から測定用の超音波を被検体内に向けて出力し、この超音波が被検体内部において反射した反射波を超音波検出部により受信可能となっている。これにより、光の照射による超音波画像に加えて、超音波の出力による超音波画像を取得することができる。しかしながら、超音波の反射波を超音波検出部によって受信する第２受信期間において、昇圧回路内でスイッチング素子のスイッチング動作が行われると、電磁ノイズが超音波検出信号に乗ってしまう。そこで、このような電磁ノイズの悪影響を回避するため、本発明では、第１受信期間に加えて、第２受信期間においても、昇圧回路内のスイッチング素子のスイッチング動作を停止するように構成されている。これにより、本発明では、測定用の超音波に対応する反射波を受信している際においても、超音波検出信号に電磁ノイズが混入することを防止し、超音波画像の画像品質の劣化を効果的に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、第２受信期間は、超音波発生部による超音波の出力から、この超音波が被検体内の所定測定深度の部位で反射された反射波を受信するまでの期間である。
このように構成された本発明によれば、第２受信期間において、被検体の所定測定深度又はこれよりも浅い深度で反射された反射波（超音波）を受信することができる。これにより、所定測定深度までの測定を確保しつつ、電磁ノイズの影響を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、制御部は、所定の繰り返し周期毎に、昇圧回路を所定の駆動期間だけ駆動させ、光源から光を所定の照射期間だけ照射させるように光源駆動部を制御すると共に、超音波発生部から超音波を所定の出力期間だけ出力させるように超音波発生部を制御し、繰り返し周期は、昇圧回路の駆動期間と第１受信期間と第２受信期間とを足した期間以上の周期である。

このように構成された本発明によれば、所定の繰り返し周期毎に、光の照射に基づく超音波検出信号と、超音波の出力に基づく超音波検出信号とを取得することができる。そして、繰り返し周期は、昇圧回路の駆動期間と第１受信期間と第２受信期間とを足した期間以上の周期であり、繰り返し周期内において、昇圧動作は、第１受信期間と第２受信期間以外の期間において行われるので、どちらの超音波検出信号にも電磁ノイズが混入することなく、画像品質が劣化することを抑制することができる。

本発明において、好ましくは、超音波検出部は、圧電素子を含み、超音波発生部を兼ねる。
このように構成された本発明によれば、超音波検出部は、圧電素子により超音波を電気信号に変換することができ、一方、超音波発生部は、圧電素子により電気信号を超音波に変換することができる。

本発明の光音響画像生成装置によれば、光源の駆動電圧を生成する昇圧回路内のスイッチング素子のスイッチング動作により生じる電磁ノイズが超音波検出信号に混入することを防止し、生成される超音波画像の電磁ノイズによる劣化を防止することができる。

本発明の第１実施形態による光音響画像生成装置の電気ブロック図である。 本発明の第１実施形態による光音響画像生成装置の超音波プローブの構成を模式的に示す説明図である。 本発明の第１実施形態による光音響画像生成装置の超音波プローブ内の電気ブロック図である。 光音響効果による音響波の発生メカニズムの説明図である。 本発明の第１実施形態による光音響画像生成装置の測定処理のフローチャートである。 本発明の第１実施形態による光音響画像生成装置の測定動作のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態による光音響画像生成装置の電気ブロック図である。 反射波の発生メカニズムの説明図である。 本発明の第２実施形態による光音響画像生成装置の測定処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態による光音響画像生成装置の測定動作のタイムチャートである。 本発明の改変例に係る光音響画像生成装置の超音波プローブの構成を模式的に示す説明図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による光音響画像生成装置を説明する。
まず、図１〜図６を参照して、第１実施形態に係る光音響画像生成装置を説明する。図１は光音響画像生成装置の電気ブロック図であり、図２は超音波プローブの構成を模式的に示す説明図であり、図３は超音波プローブ内の電気ブロック図であり、図４は光音響効果による音響波の発生メカニズムの説明図であり、図５は測定処理のフローチャートであり、図６は測定動作のタイムチャートである。

図１に示すように、本実施形態の光音響画像生成装置１は、被検体Ａ（例えば、人体）に接触させる超音波プローブ２と、超音波プローブ２の制御及び超音波プローブ２で取得された超音波検出信号の処理を行うコントローラ３とを備えている。
超音波プローブ２は、超音波探触子１０と、光源２０と、光パルス駆動部３０とを有し、図２に示すように、これらが超音波プローブ筐体２ａ内に収容されている。光源２０及び光パルス駆動部３０は、超音波探触子１０に近接して配置されている。超音波プローブ２は、接続線４を介してコントローラ３と接続されており、接続線４内には、超音波プローブ２内の構成要素に電力を供給する電源供給ラインや、通信を行うための信号ライン等が含まれる。

超音波探触子１０は、音響レンズ１１，音響整合層１２，振動素子（圧電素子）１３，バッキング材１４が順に接合されて構成されている。
振動素子１３は、外部から超音波を受信し、超音波の受信に基づいて超音波検出信号を生成する。振動素子１３は、圧電素子を含んで構成されており、外部からの超音波を受信することにより振動し電圧信号（超音波検出信号）を発生するが、電圧を印加することにより振動し超音波を発生することも可能である。したがって、振動素子１３は、超音波の送受信を行うことが可能である。本実施形態の超音波探触子１０は、リニア型超音波プローブであり、振動素子１３は多数のチャンネル（例えば１２８チャンネル）が所定間隔で幅方向に直線状に配置されている。なお、超音波プローブタイプは、リニア型に限らず、コンベックス型、セクタ型であってもよい。

バッキング材１４は、振動素子１３の背面に配置されており、超音波の後方伝搬を抑制する。音響整合層１２は、超音波の効率のよい送受信のため、振動素子１３と被検体Ａとの間の音響インピーダンスの差を小さくするものである。音響レンズ１１は、超音波ビームを集束し分解能を向上させるように機能する。

光源２０は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップによって構成されている。本実施形態では、光源２０は、７０個のＬＥＤチップが直列接続されたＬＥＤ回路を含んでいる。これにより、光源２０は、所定レベルの光出力を有する測定光を照射可能である。測定光は、例えば、１５０ｎ秒のパルス幅を有する光パルスであり、この光パルスが繰り返し周期毎に間欠的に照射される。
なお、本実施形態では、光源２０の発光素子としてＬＥＤチップが用いられているが、これに限らず、半導体レーザチップを用いてもよい。

光パルス駆動部３０は、図３に示すように、昇圧回路３１と、ドライバ（駆動回路）３２とを備えている。
昇圧回路３１は、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、ＤＣ／ＡＣ変換器（インバータ）３１ａと、変圧器３１ｂと、整流回路３１ｃと、平滑回路３１ｄとを有する。昇圧回路３１には、コントローラ３から接続線４を介して直流電源が供給されており、コントローラ３から駆動電圧を生成するための昇圧動作の開始を指令する充電信号を受けることに応答して、直流電源電圧を所定電圧値の駆動電圧（例えば、２１０ＶＤＣ）まで昇圧する。
なお、本実施形態では、昇圧回路３１が直流電源電圧を受け取り昇圧動作を行っているが、これに限らず、交流電源電圧を受け取り昇圧動作を行う構成に変更してもよい。

昇圧回路３１では、ＤＣ／ＡＣ変換器３１ａにおいて、トランジスタ等の能動素子であるスイッチング素子３２ａをスイッチング動作させることにより、直流電源電圧を交流電圧に変換する。そして、変圧器３１ｂにより交流電圧を昇圧し、整流回路３１ｃにより昇圧された交流電圧を整流して直流電圧に変換し、平滑回路３１ｄにより昇圧された直流電圧を平滑する。これにより、平滑回路３１ｄでは、昇圧された直流電圧によってコンデンサ３２ｄが駆動電圧まで充電される。本実施形態では、測定動作中の所定の繰り返し周期毎の昇圧動作においては、低下した充電電圧が約１５０μ秒で駆動電圧まで昇圧され、コンデンサ３２ｄが満充電されると、昇圧回路３１は昇圧動作を停止する。

ドライバ３３は、光源２０を介して、昇圧回路３１と接続されており、コントローラ３から光照射を指令するＯＰＴ−ＯＮ信号（光パルストリガ信号）を受けることに応答して、所定の照射期間（例えば、数十ｎ秒）だけ昇圧回路３１から光源２０へ駆動電圧を印加させるように作動する。これにより、光源２０には、所定の照射期間だけ駆動電圧が印加され、照射期間のパルス幅を有する光パルスが照射される。一方、照射期間だけ駆動電圧を光源２０へ供給することにより、照射時間経過後には、昇圧回路３１の出力電圧（充電電圧）は所定の駆動電圧よりも低下する。このため、光パルス駆動部３０は、コントローラ３から受ける充電信号に応答して昇圧回路３１を作動させて、出力電圧を駆動電圧まで回復させる。

コントローラ３は、図１に示すように、制御部４０と、画像信号生成部５０とを有する。
制御部４０は、所定の繰り返し周期毎に、超音波プローブ２内の光パルス駆動部３０に対して、ＯＰＴ−ＯＮ信号及び充電信号を出力して、超音波プローブ２の作動を制御する。
画像信号生成部５０は、受信回路５２と、ＡＤ変換器５４と、画像構成部５６とを有する。受信回路５２は、超音波プローブ２から接続線４を介して送信されてきた超音波検出信号を受信する。ＡＤ変換器５４は、受信回路５２が受信した超音波検出信号をデジタル信号に変換する。画像構成部５６は、ＡＤ変換器５４が生成したデジタル信号に基づいて断面画像信号（超音波画像信号）を生成する。この超音波画像信号は、画像表示部（ディスプレイ）５８に出力され、画像表示部５８により断面画像が表示される。

ここで、図４を参照して、光パルスの照射により被検体Ａ内で超音波が生成される光音響効果について説明する。被検体Ａの内部の測定深度Ｌの位置に対象物Ｂ（例えば、注射針）がある場合を考える。光パルスＳａを被検体Ａの表面から内部に向けて照射すると、光パルスＳａは、被検体Ａの内部を光速Ｃで伝搬し、ある伝搬時間Ｔａ（＝Ｌ／Ｃ）で対象物Ｂに到達する。対象物Ｂは、光パルスＳａを受けると、その内部分子が光パルスＳａの光エネルギーを吸収し熱を放出する。この放出熱により対象物Ｂは体積膨張し、音響波（超音波）Ｓｂを発生する（光音響効果）。このようにして発生した音響波Ｓｂは、被検体Ａの内部を音速Ｓで伝搬し、ある伝搬時間Ｔｂ（＝Ｌ／Ｓ）で被検体Ａの表面に到達する。よって、光パルスＳａの照射開始から、測定深度Ｌから戻ってくる音響波Ｓｂの受信を完了するまでの受信期間Ｔｒは、伝搬期間Ｔａ，Ｔｂの和となる（Ｔｒ＝Ｔａ＋Ｔｂ）。ただし、光速Ｃが音速Ｓに比べて非常に大きいため、光パルスＳａが被検体Ａの表面から対象物Ｂへ到達する伝搬時間Ｔａは、実質的に無視できる。よって、Ｔｒ≒Ｔｂとなる。
なお、被検体Ａが人体である場合、音速Ｓは、例えば、１５３０（ｍ／秒）とすることができる。

次に、図５及び図６を参照して、本実施形態の光音響画像生成装置１の動作を説明する。
使用者が超音波プローブ２を被検体Ａの表面（人体の皮膚）に接触させ測定を開始する際、コントローラ３の測定スイッチがオンにされると（ステップＳ１）、制御部４０は、以下の処理を開始する。
先ず、制御部４０は、光パルス駆動部３０に充電信号を送信する。これにより、昇圧回路３１は、昇圧動作を行う。このとき、昇圧回路３１内のコンデンサ３２ｄは、１０秒程度で放電状態から満充電状態まで充電される。そして、制御部４０は、光パルス駆動部３０から、平滑回路３１ｄのコンデンサ３２ｄの充電電圧に関する信号を受け取り、昇圧回路３１の充電電圧が駆動電圧まで昇圧されたか否かを判定する（ステップＳ２）。

昇圧回路３１の充電電圧が駆動電圧まで昇圧されていない場合は（ステップＳ２；Ｎｏ）、制御部４０は充電電圧が駆動電圧まで昇圧されるのを待つ。一方、充電電圧が駆動電圧まで昇圧された場合は（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、制御部４０は、ＯＰＴ−ＯＮ信号を光パルス駆動部３０へ送信する（ステップＳ３）。図６に示すように、光パルス駆動部３０は、ＯＰＴ−ＯＮ信号を受信することにより、所定の照射期間Ｔｏｐｔ（例えば、数十ｎ秒）だけ駆動電圧を光源２０へ印加し、被検体Ａ内に向けて照射期間Ｔｏｐｔのパルス幅を有する光パルスを光源２０に照射させる。

この光パルスの照射により、被検体Ａ内では各深度の部位において光音響効果による音響波が発生する。また、光パルス駆動部３０から駆動電圧が光源２０に供給されることにより、光パルス駆動部３０内の昇圧回路３１では、駆動電圧に充電されていたコンデンサ３２ｄの両端電圧が駆動電圧よりも低下する。

制御部４０は、図６に示すように、ＯＰＴ−ＯＮ信号の出力（即ち、照射期間Ｔｏｐｔの開始）から、第１受信期間Ｔｒ１が経過するまでは、Ｔｒ１の経過を待つ（ステップＳ４；Ｎｏ）。この第１受信期間Ｔｒ１は、光パルスの照射開始から、被検体Ａ内の所定の測定深度Ｌの部位で発生した音響波が超音波探触子１０によって受信されるまでの期間である。本実施形態では、最大測定可能深度である測定深度Ｌを３０ｍｍに設定しており、上述のように、Ｔｒ１＝Ｌ／Ｃ＋Ｌ／Ｓ≒Ｌ／Ｓとなるので、Ｓ＝１５３０（ｍ／秒）とすると、第１受信期間Ｔｒ１は約２０μ秒となる。

したがって、本実施形態では、測定深度Ｌを３０ｍｍに設定することにより、理論的には測定深度Ｌまでの深さ（即ち、０〜３０ｍｍ）において発生した音響波を、超音波探触子１０は受信する。これにより、超音波探触子１０は、音響波を受信したことに基づいて、超音波検出信号を生成し、画像信号生成部５０へ送信する。画像信号生成部５０は、第１受信期間Ｔｒ１に受け取った超音波検出信号に基づいて断面画像信号（超音波画像信号）を生成する。

この超音波画像信号に基づいて画像表示部５８には、被検体Ａの生体組織の断面画像が表示される。本実施形態の光音響画像生成装置１では、光音響効果により生じる音響波を画像化している。人体内の金属製品である注射針は、光パルスに照射されることにより、光音響効果に基づいて音響波を生成する。したがって、本実施形態では、被検体Ａの生体組織内に挿入された注射針等を特に鮮明に表示することが可能であり、例えば、麻酔注射を行う場合に、注射針の先端が対象神経付近の目標位置に到達したことを容易に判別することができる。

一方、第１受信期間Ｔｒ１が経過すると（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、制御部４０は、充電信号を光パルス駆動部３０へ送信する（ステップＳ５）。本実施形態において、第１受信期間Ｔｒ１は充電禁止期間（又は充電停止期間）である。なお、制御部４０は、第１受信期間Ｔｒ１の終了と同時に充電信号を送信してもよいし、所定期間（例えば、数十μ秒）の経過後に充電信号を送信してもよい。

そして、制御部４０は、光パルス駆動部３０からコンデンサ３２ｄの充電電圧に関する信号を受け取り、昇圧回路３１の充電電圧が駆動電圧に到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。図６に示すように、充電電圧が駆動電圧に到達していない充電期間Ｔｃｈは（ステップＳ６；Ｎｏ）、制御部４０は充電信号を送信し続ける。一方、充電電圧が駆動電圧に到達すると（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、制御部４０は充電信号の送信を中止する。本実施形態では、充電信号を送信する充電期間Ｔｃｈは、約１５０μ秒である。

制御部４０は、測定開始から所定の測定期間が終了したか否かを判断し（ステップＳ７）、測定期間が終了していなければ（ステップＳ７；Ｎｏ）、ステップＳ３からステップＳ６までの処理を所定の繰り返し周期Ｔ（例えば、０．１秒〜１ｍ秒）毎に繰返し、一方、測定期間が終了していれば（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、処理を終了する。

このように、本実施形態では、超音波探触子１０が超音波（音響波）を受信している期間、即ち、測定深度Ｌで規定された受信期間Ｔｒ１は、昇圧回路３１における昇圧動作が実行されないように、制御部４０が光パルス駆動部３０を制御するように構成されている。これにより、昇圧動作におけるスイッチング素子３２ａのスイッチング動作に起因する電磁ノイズが、超音波探触子１０によって生成される超音波検出信号に混入して信号品質を劣化させることを防止することができ、画像信号生成部５０によって生成される断面画像又は超音波画像における乱れの発生や鮮明さの欠如を効果的に抑制することができる。

次に、図７〜図１０を参照して、第２実施形態に係る光音響画像生成装置を説明する。図７は光音響画像生成装置の電気ブロック図であり、図８は反射波の発生メカニズムの説明図であり、図９は測定処理のフローチャートであり、図１０は測定動作のタイムチャートである。
なお、理解の容易のため、第１実施形態と重複する部分については繰り返しの記載を省略する。また、第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明する。

図７に示すように、本実施形態の光音響画像生成装置１０１は、超音波プローブ２とコントローラ１０３を備えている。
本実施形態では、超音波プローブ２内の超音波探触子１０は、超音波の受信だけでなく、超音波の送信も行うように構成されている。このため、超音波探触子１０は、コントローラ１０３から所定の駆動電圧（例えば、５０〜１００Ｖの正電圧又は／及び負電圧）を有する超音波送信信号を受け取り、これに応答して、超音波送信信号の受信期間中、振動素子１３を振動させて超音波又は超音波パルスを発生する。

また、コントローラ１０３は、制御部４０及び画像信号生成部５０に加えて、超音波駆動部６０を有する。
制御部４０は、所定の繰り返し周期毎に、超音波を発生させることを指令するためのＢ−ＯＮ信号（超音波信号トリガ信号）を超音波駆動部６０へ送信する。超音波駆動部６０は、制御部４０からＢ−ＯＮ信号を受け取ると、このＢ−ＯＮ信号に応答して、超音波送信信号を超音波探触子１０へ送信する。これにより、コントローラ１０３は、超音波プローブ２の超音波探触子１０を制御する。

画像信号生成部５０は、光パルスの照射により受信した音響波に基づく超音波検出信号に加えて、超音波探触子１０から出力した超音波パルスの反射波に基づく超音波検出信号も同様に信号処理し、超音波画像信号を生成する。その際、音響波の受信に基づく超音波画像信号と、反射波の受信に基づく超音波画像信号とが重畳される。これにより、画像表示部５８では、両者が重畳された断面画像が表示される。したがって、本実施形態では、音響波によって検出し易い金属針等の画像を、反射波によって検出し易い生体組織の画像に重畳させることにより、より明瞭に、人体内の金属針等の位置を特定することができる。

ここで、図８を参照して、出力された超音波が被検体Ａ内で反射されることにより受信される反射波について説明する。被検体Ａ内部の測定深度Ｌの位置に対象物Ｂ（例えば、血管、神経組織等）がある場合を考える。パルス状の超音波Ｓｃを被検体Ａの表面から内部に向けて出力すると、超音波Ｓｃは、被検体Ａの内部を音速Ｓで伝搬し、ある伝搬時間Ｔｂ（＝Ｌ／Ｓ）で対象物Ｂに到達する。対象物Ｂは、周囲の生体組織とは音響特性が異なる媒体であるため、超音波Ｓｃは対象物Ｂで反射する。このようにして反射した反射波Ｓｃ’は、被検体Ａの内部を音速Ｓで伝搬し、同じ伝搬時間Ｔｂで被検体Ａの表面に到達する。よって、超音波Ｓｃの出力開始から、測定深度Ｌで反射した反射波Ｓｃ’の受信を完了するまでの受信期間Ｔｒは、伝搬期間Ｔｂの２倍の時間となる（Ｔｒ＝Ｔｂ×２）。

次に、図９及び図１０を参照して、本実施形態の光音響画像生成装置１０１の動作を説明する。
図９の測定処理のフローチャートでは、図５のフローチャートにおいて、ステップＳ２とＳ３の間に、ステップＳ１０及びＳ１１が追加されている。
使用者が超音波プローブ２を被検体Ａの表面（人体の皮膚）に接触させ測定を開始する際、コントローラ３の測定スイッチがオンにされると（ステップＳ１）、制御部４０は、以下の処理を開始する。
先ず、制御部４０は、ステップＳ１の処理により、光パルス駆動部３０から、充電電圧に関する信号を受け取り、充電電圧が駆動電圧まで昇圧されたか否かを判定する（ステップＳ２）。

昇圧回路３１の充電電圧が駆動電圧まで昇圧されるのを待ち（ステップＳ２；Ｎｏ）、充電電圧が駆動電圧まで昇圧されると（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、制御部４０は、図１０に示すように、Ｂ−ＯＮ信号を超音波駆動部６０へ送信する（ステップＳ１０）。これにより、超音波駆動部６０から所定の出力期間Ｔｓ（例えば、数十ｎ秒）だけ駆動電圧が超音波探触子１０の振動素子１３へ送信され、超音波探触子１０から被検体Ａ内に向けて超音波パルスが出力される。この超音波パルスは、被検体Ａ内の各深度の部位で反射され、反射波が順次に超音波探触子１０へ戻される。

制御部４０は、図１０に示すように、Ｂ−ＯＮ信号の出力（即ち、出力期間Ｔｓの開始）から、第２受信期間Ｔｒ２が経過するまでは、Ｔｒ２の経過を待つ（ステップＳ１１；Ｎｏ）。この第２受信期間Ｔｒ２は、超音波パルスの出力開始から、被検体Ａ内の所定の測定深度Ｌの部位における反射波が超音波探触子１０によって受信されるまでの期間である。本実施形態では、上述のように、測定深度Ｌを３０ｍｍに設定しており、Ｔｒ２＝Ｌ／Ｓ×２となるので、Ｓ＝１５３０（ｍ／秒）とすると、第２受信期間Ｔｒ２は約４０μ秒となる。

したがって、本実施形態では、測定深度Ｌを３０ｍｍに設定することにより、理論的には測定深度Ｌまでの深さ（即ち、０〜３０ｍｍ）から反射された反射波を、超音波探触子１０は受信する。これにより、超音波探触子１０は、反射波を受信したことに基づいて、超音波検出信号を生成し、画像信号生成部５０へ送信する。

また、第２受信期間Ｔｒ２が経過すると（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、制御部４０は、ＯＰＴ−ＯＮ信号を光パルス駆動部３０へ送信する（ステップＳ３）。なお、第２受信期間Ｔｒ２の経過から更に所定の時間（例えば、数十μ秒）だけ経過した後に、ＯＰＴ−ＯＮ信号を送信しているが、第２受信期間Ｔｒ２の経過と同時に、ＯＰＴ−ＯＮ信号を送信するように構成してもよい。
図１０に示すように、光パルス駆動部３０は、ＯＰＴ−ＯＮ信号を受信することにより、所定の照射期間Ｔｏｐｔ（例えば、数十ｎ秒）の光パルスを光源２０に照射させる。

制御部４０は、ＯＰＴ−ＯＮ信号の出力（即ち、照射期間Ｔｏｐｔの開始）から、第１受信期間Ｔｒ１が経過するまでは、Ｔｒ１の経過を待つ（ステップＳ４；Ｎｏ）。この第１受信期間Ｔｒ１は、光パルスの照射開始から、被検体Ａ内の所定の測定深度Ｌの部位で発生した音響波が超音波探触子１０によって受信されるまでの期間である。本実施形態では、上述のように測定深度Ｌを３０ｍｍに設定しているので、第１受信期間Ｔｒ１は約２０μ秒となる。

したがって、本実施形態では、超音波探触子１０は、測定深度Ｌまでの深さにおいて発生した音響波を受信し、この音響波の受信に基づいて、超音波検出信号を生成し、画像信号生成部５０へ送信する。
画像信号生成部５０は、第２受信期間Ｔｒ２における超音波の受信に基づく超音波検出信号と、第１受信期間Ｔｒ１における超音波の受信に基づく超音波検出信号とを合成して、超音波画像信号を生成する。第２受信期間Ｔｒ２には、被検体Ａの生体組織における音響特性の相違により生じる反射波が受信されており、この期間の超音波検出信号は、被検体Ａの生体組織を明瞭に示すのに適している。一方、第１受信期間Ｔｒ１には、被検体Ａ内での光音響効果により生じる音響波が受信されており、この期間の超音波検出信号は、人体内の注射針等を明瞭に示すのに適している。

よって、本実施形態の光音響画像生成装置１０１では、第１及び第２受信期間Ｔｒ１，Ｔｒ２における超音波検出信号を合成することにより、生体組織内における注射針等をより明瞭に表示することが可能である。

一方、制御部４０は、第１受信期間Ｔｒ１が経過すると（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、制御部４０は、充電信号を光パルス駆動部３０へ送信する（ステップＳ５）。本実施形態では、第１受信期間Ｔｒ１及び第２受信期間Ｔｒ２は、充電禁止期間（又は充電停止期間）である。なお、制御部４０は、第１受信期間Ｔｒ１の終了と同時に充電信号を送信してもよいし、所定期間（例えば、数十μ秒）の経過後に充電信号を送信してもよい。

そして、制御部４０は、光パルス駆動部３０からコンデンサ３２ｄの充電電圧に関する信号を受け取り、昇圧回路３１の充電電圧が駆動電圧に到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。図１０に示すように、充電電圧が駆動電圧に到達していない充電期間Ｔｃｈは（ステップＳ６；Ｎｏ）、制御部４０は充電信号を送信し続ける。一方、充電電圧が駆動電圧に到達すると（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、制御部４０は充電信号の送信を中止する。本実施形態では、充電信号を送信する充電期間Ｔｃｈは、約１５０μ秒である。

制御部４０は、測定期間が終了していなければ（ステップＳ７；Ｎｏ）、ステップＳ１０からステップＳ６までの処理を所定の繰り返し周期Ｔ（例えば、０．１秒〜１ｍ秒）毎に繰返し、一方、測定期間が終了していれば（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、処理を終了する。

このように、本実施形態では、超音波探触子１０が超音波（反射波、及び音響波）を受信している期間、即ち、測定深度Ｌで規定された第１受信期間Ｔｒ１及び第２受信期間Ｔｒ２は、昇圧回路３１における昇圧動作が実行されないように、制御部４０が光パルス駆動部３０の昇圧回路３１を制御するように構成されている。これにより、昇圧動作におけるスイッチング素子３２ａのスイッチング動作に起因する電磁ノイズが、超音波探触子１０によって生成される超音波検出信号に混入して信号品質を劣化させることを防止することができ、画像信号生成部５０によって生成される超音波画像信号における乱れの発生や鮮明さの欠如を効果的に抑制することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、以下のように変形することができる。
図２に示された超音波プローブ２は、超音波プローブ筐体２ａ内に、超音波探触子１０に加えて、光源２０及び光パルス駆動部３０が収容されていたが、これに限らず、図１１の分解斜視図に示すように超音波プローブ１０２を構成してもよい。図１１では、超音波プローブ１０２と、照明装置１０３ａ，１０３ｂとがそれぞれ別体に構成されており、超音波プローブ１０２の幅方向の両側面に、照明装置１０３ａ，１０３ｂが着脱可能に又は固定的に取り付けられている。

超音波プローブ１０２は、超音波プローブ筐体１０２ａ内に、超音波探触子１０を収容している。一方、照明装置１０３ａ，１０３ｂは、それぞれ筐体内に、光源２０と光パルス駆動部３０とを収容しており、接続線４ａ，４ｂを介してコントローラ３に接続されている。
このように、超音波プローブ１０２とは別体の照明装置１０３ａ，１０３ｂを用いる場合であっても、これら照明装置１０３ａ，１０３ｂは、超音波プローブ１０２の超音波探触子１０に近接して配置する必要がある。このため、この改変例においても、照明装置１０３ａ，１０３ｂにおける昇圧動作により生じる電磁ノイズによって超音波画像信号の画像品質が劣化してしまうおそれがあるが、上述のように充電禁止期間を設定することにより、画像品質の劣化を効果的に抑止することができる。

また、上記第２実施形態では、繰り返し周期Ｔにおいて、始めに超音波パルスを出力して第２受信期間Ｔｒ２を設定し、次に光パルスを照射して第１受信期間Ｔｒ１を設定し、その後に充電期間Ｔｃｈを設定しているが、充電期間Ｔｃｈが、第１受信期間Ｔｒ１及び第２受信期間Ｔｒ２に時間的に重ならなければ、繰り返し周期Ｔ内の任意の期間に充電期間Ｔｃｈを設定してよい。例えば、始めに第１受信期間Ｔｒ１を設定し、次に第２受信期間Ｔｒ２を設定し、その後に充電期間Ｔｃｈを設定してもよいし、始めに第１受信期間Ｔｒ１を設定し、次に第２受信期間Ｔｒ２を設定するが、これら期間の間と第２受信期間Ｔｒ２の後に分割して充電期間Ｔｃｈを設定してもよい。

１，１０１ 光音響画像生成装置
２，１０２ 超音波プローブ
３，１０３ コントローラ
１０ 超音波探触子（超音波検出部、超音波発生部）
１３ 振動素子
２０ 光源
３０ 光パルス駆動部（光源駆動部）
３１ 昇圧回路
３１ａ ＤＣ／ＡＣ変換器
３１ｂ 変圧器
３１ｃ 整流回路
３１ｄ 平滑回路
３２ａ スイッチング素子
３２ｄ コンデンサ
３２ ドライバ
４０ 制御部
５０ 画像信号生成部
６０ 超音波駆動部
１０３ａ，１０３ｂ 照明装置
Ａ 被検体
Ｂ 対象物
Ｌ 測定深度
Ｔｒ１ 第１受信期間
Ｔｒ２ 第２受信期間
Ｔｏｐｔ 照射期間
Ｔｓ 出力期間
Ｔｃｈ 充電期間

Claims (6)

1. 被検体内に光を照射する光源と、
   所定の駆動電圧を供給することにより、前記光源から光を照射させる光源駆動部と、
   超音波を受信し、受信した超音波に基づいて超音波検出信号を生成する超音波検出部と、
   前記超音波検出部により生成された超音波検出信号に基づいて、被検体の超音波画像を生成する画像信号生成部と、
   前記光源駆動部を制御する制御部と、を備えた光音響画像生成装置であって、
   前記制御部は、前記光源から照射された光によって被検体内で生じた超音波を前記超音波検出部が受信する第１受信期間は、前記光源駆動部内の昇圧回路の動作を停止するように前記光源駆動部を制御し、
   前記超音波検出部、及び前記光源駆動部がプローブ内に配置されている、
   光音響画像生成装置。
2. 前記第１受信期間は、前記光源による光の照射から、この光により被検体内の所定測定深度の部位で生じた超音波を受信するまでの期間であることを特徴とする
   請求項１に記載の光音響画像生成装置。
3. 被検体内に超音波を出力する超音波発生部を更に備え、
   前記超音波検出部は、前記超音波発生部から出力された超音波が前記被検体内で反射された反射波を受信し、受信した反射波に基づいて超音波検出信号を生成し、
   前記制御部は、前記超音波発生部による超音波の出力を制御すると共に、前記超音波発生部から出力された超音波の反射波を前記超音波検出部が受信する第２受信期間においても、前記昇圧回路の動作を停止するように前記光源駆動部を制御することを特徴とする
   請求項１又は２に記載の光音響画像生成装置。
4. 前記第２受信期間は、前記超音波発生部による超音波の出力から、この超音波が被検体内の所定測定深度の部位で反射された反射波を受信するまでの期間であることを特徴とする
   請求項３に記載の音響画像生成装置。
5. 前記制御部は、所定の繰り返し周期毎に、前記昇圧回路を所定の駆動期間だけ駆動させ、前記光源から光を所定の照射期間だけ照射させるように前記光源駆動部を制御すると共に、前記超音波発生部から超音波を所定の出力期間だけ出力させるように前記超音波発生部を制御し、
   前記所定の繰り返し周期は、前記昇圧回路の駆動期間と前記第１受信期間と前記第２受信期間とを足した期間以上の周期である、ことを特徴とする
   請求項３又は４に記載の光音響画像生成装置。
6. 前記超音波検出部は、圧電素子を含み、前記超音波発生部を兼ねることを特徴とする
   請求項３乃至５のいずれか１項に記載の光音響画像生成装置。

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