JP6755333B2 - 光音響計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、励起光源から出射された励起光の照射を受けてレーザ光を出射するレーザ光源を備えた光音響計測装置に関するものであり、特に、励起光源に電圧を供給する励起光源電源部に関するものである。

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、超音波の送信およ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、組織界面で反射する。超音波探触子で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で、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、レーザパルスなどの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（光音響信号）が発生する。この光音響信号を超音波探触子などで検出し、検出信号に基づいて光音響画像を構成することで、光音響信号に基づく生体内の可視化が可能である。

光音響波の計測には、強度が強いパルスレーザ光を照射する必要があることが多く、光源には、Ｑスイッチパルス発振を行いジャイアントパルスとしたパルスレーザ光を出射させる固体レーザ装置が用いられることが多い。レーザ光源は、レーザロッドと、レーザロッドを励起するためのフラッシュランプとを有する。

レーザ光源のフラッシュランプは、高圧電圧によって駆動されるが、そのような高圧電圧をフラッシュランプに供給する電源部として、たとえば特許文献１には、コンデンサに充電された充電電圧をフラッシュランプに供給する電源部が提案されている。また、特許文献１には、コンデンサの端子電圧を監視することによって、不要にコンデンサからフラッシュランプに電圧が供給されることを防止する方法が提案されている。

特開２０１５−２９０８６号公報

ここで、図８は、コンデンサの充電電圧をフラッシュランプに供給する電源部の一例を示す図である。図８に示す電源部においては、商用電源から供給された電圧が力率改善回路１０６に供給され、力率改善回路１０６から出力された電圧に基づいて、充電回路１０５がコンデンサ１０１を充電する。そして、放電制御回路１１０がレーザトリガ信号に応じてサイリスタ１０７にゲート電流を流すことによって、コンデンサ１０１に充電された電圧がフラッシュランプ１１１に供給される。

そして、コンデンサ１０１の充電電圧を監視するための分圧回路１０２がコンデンサ１０１に並列に接続されており、分圧回路１０２による分圧電圧Ｖｍｏｎが、充電制御部１０３および過充電検出部１０４に入力される。充電制御部１０３は、入力された分圧電圧Ｖｍｏｎと予め設定された参照電圧Ｖｒｅｆとの差に基づいて、充電回路１０５を制御することによって、コンデンサ１０１の充電電圧を制御する。また、過充電検出部１０４は、入力された分圧電圧Ｖｍｏｎと予め設定された最大電圧Ｖｍａｘとを比較し、コンデンサ１０１の充電電圧が最大電圧Ｖｍａｘを超えた場合には、放電制御回路１１０に制御信号を出力し、コンデンサ１０１からフラッシュランプ１１１への放電を停止させる。このように、コンデンサ１０１の充電電圧が最大電圧を超えた際には、放電を停止させることによって、安全性を確保することができる。

しかしながら、医療機器の場合、たとえ単一故障状態でも、その単一故障状態であることが認識でき、単一故障状態で動作を継続させないようにすることが重要である。

これに対し、図８に示す電源部の場合、たとえば分圧抵抗Ｒ０１がオープンモードで故障した場合、分圧電圧Ｖｍｏｎは０Ｖを示すことになるので、充電制御部１０３は充電不足と認識し、コンデンサ１０１を充電し続けることになる。その結果、コンデンサ１０１は過充電となるが、同じ分圧電圧Ｖｍｏｎに基づいて過充電を検出している過充電検出部１０４も、過充電を認識することができず、放電を停止することができない。また、図８に示す充放電制御回路が故障により暴走した場合にも、充電制御部１０３と過充電検出部１０４との両方が正常に動作せず、コンデンサ１０１が過充電となる可能性があり、さらには、放電制御部も放電を停止できない可能性がある。

本発明は、単一故障状態でも、その単一故障状態を適切に検出することができ、単一故障状態での動作を継続させないようにすることができる光音響計測装置を提供することを目的とするものである。

本発明の光音響計測装置は、励起光を出射する励起光源および励起光源から出射された励起光の照射を受けてレーザ光を出射するレーザ媒質を有するレーザ光源と、充電された電圧を励起光源に対して供給するコンデンサ、コンデンサを充電する充電回路、コンデンサに充電された電圧を分圧する少なくとも２系統の分圧回路および少なくとも２系統の分圧回路によってそれぞれ分圧された電圧を比較することによって故障を検出する故障検出部を有する励起光源電源部と、レーザ光源から出射された光の被検体への照射によって被検体内で発生した光音響波を検出する光音響波検出部とを備える。

また、上記本発明の光音響計測装置において、励起光源電源部は、充電回路を制御することによってコンデンサの充電電圧を制御する充電制御回路と、コンデンサの過充電を検出する過充電検出回路とを備えてもよい。また、上記本発明の光音響計測装置において、充電制御回路は、少なくとも２系統の分圧回路のうち、第１の系統の分圧回路による第１の分圧電圧に基づいて、コンデンサの充電電圧を制御し、過充電検出回路は、第１の系統の分圧回路とは異なる第２の系統の分圧回路による第２の分圧電圧に基づいて、コンデンサの過充電を検出してもよい。

また、上記本発明の光音響計測装置において、故障検出部は、充電制御回路から出力された第１の分圧電圧と、過充電検出回路から出力された第２の分圧電圧とを比較してもよい。

また、上記本発明の光音響計測装置において、過充電検出回路は、コンデンサの過充電を検出した場合、コンデンサから励起光源への電圧供給を停止させる制御信号を出力してもよい。

また、上記本発明の光音響計測装置において、故障検出部は、故障を検出した場合に、コンデンサから励起光源への電圧供給を停止させる制御信号を出力してもよい。

また、上記本発明の光音響計測装置において、分圧回路は、コンデンサに対して並列に接続されたものであり、かつ、２つの抵抗素子を直列に接続したものであることが好ましく、高電位側の抵抗素子の抵抗値の方が低電位側の抵抗素子の抵抗値よりも大きいことが好ましい。

また、上記本発明の光音響計測装置において、励起光源電源部は、少なくとも３系統の分圧回路を有してもよく、故障検出部は、少なくとも３系統の分圧回路によってそれぞれ分圧された電圧を比較することによって故障を検出し、かつ、故障が発生している分圧回路を特定してもよい。

また、上記本発明の光音響計測装置において、励起光源電源部は、パルスフォーミングネットワーク方式のフラッシュランプ電源であることが好ましい。

また、上記本発明の光音響計測装置においては、コンデンサに対してサイリスタを接続し、サイリスタにゲート電流を流すことによって、コンデンサに充電された電圧を励起光源に対して供給することができる。

また、上記本発明の光音響計測装置において、コンデンサは、コンデンサバンクであることが好ましく、コンデンサバンクに蓄積された電荷を励起光源に供給する半導体スイッチ素子を備えることができる。

本発明の光音響計測装置によれば、励起光源電源部が、コンデンサに充電された電圧を分圧する少なくとも２系統の分圧回路を備え、その少なくとも２系統の分圧回路によってそれぞれ分圧された電圧を比較することによって故障を検出する故障検出部を設けるようにしたので、たとえば１系統の分圧回路が故障した状態のような単一故障状態においても、その単一故障状態を適切に検出することができ、単一故障状態での動作を継続させないようにすることができる。

本発明の光音響計測装置の第１の実施形態を用いた光音響画像生成装置の概略構成を示す図 レーザ光源ユニットの具体的な構成を示す図 励起光源電源部の具体的な構成を示す図 第１の実施形態の励起光源電源部が正常動作している時におけるコンデンサの電圧変化を示す図 第２の実施形態の励起光源電源部の具体的な構成を示す図 第２の実施形態の励起光源電源部が正常動作している時におけるコンデンサの電圧変化を示す図 第３の実施形態の励起光源電源部の具体的な構成を示す図 コンデンサの充電電圧をフラッシュランプに供給する電源部の一例を示す図

以下、本発明の光音響計測装置の第１の実施形態を用いた光音響画像生成装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の概略構成を示す図である。まずは、光音響画像生成装置１０の全体構成について説明する。

光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１と、超音波ユニット１２と、レーザ光源ユニット１３と、表示部１４とを備える。なお、本実施形態では、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。

レーザ光源ユニット１３は、たとえばレーザ光を発する固体レーザ光源を有し、被検体に照射する測定光としてレーザ光を出射する。レーザ光源ユニット１３は、たとえば超音波ユニット１２の制御部２８からのトリガ信号を受けてレーザ光を出力するように構成されている。レーザ光源ユニット１３は、レーザ光として１ｎｓ〜１００ｎｓのパルス幅を有するパルス光を出射することが好ましい。本実施形態では、レーザ光源ユニット１３として、Ｑスイッチを使用したアレキサンドライトレーザ光源を用いる。

レーザ光源ユニット１３から出射されたパルスレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いて超音波探触子１１まで導光され、超音波探触子１１から被検体に向けて照射される。パルスレーザ光の照射位置は特に限定されず、超音波探触子１１以外の場所からパルスレーザ光の照射を行ってもよい。

被検体内では、照射されたパルスレーザ光のエネルギーを光吸収体が吸収することで光音響波が生じる。超音波探触子１１は、例えば一次元的または二次元的に配列された複数の超音波振動子を有している。超音波探触子１１は、複数の超音波振動子により、被検体内からの光音響波を検出して光音響波信号を出力する。また、超音波探触子１１は、被検体に対して超音波を送信し、その送信した超音波に対する被検体からの反射超音波を検出して反射波信号を出力する。超音波探触子１１は、リニア超音波探触子に限定されず、コンベクス超音波探触子またはセクター超音波探触子でもよい。本実施形態においては、超音波探触子１１が、本発明の光音響波検出部に相当するものである。

なお、レーザ光源ユニット１３の具体的な構成については、後で詳述する。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換部（Analog to Digital convertor）２２、受信メモリ２３、光音響画像生成部２４、超音波画像生成部２５、表示制御部２６、送信制御回路２７および制御部２８を有する。

超音波ユニット１２は、たとえばコンピュータから構成されるものであり、典型的にはプロセッサ、メモリ、およびバスなどを有する。超音波ユニット１２には、光音響画像生成および超音波画像生成に関するプログラムがメモリにインストールされている。プロセッサによって構成される制御部２８によってこれらのプログラムが動作することで、光音響画像生成部２４、超音波画像生成部２５および表示制御部２６の機能が実現する。すなわち、これらの各部は、プログラムが組み込まれたメモリとプロセッサにより構成されている。

なお、超音波ユニット１２のハードウェアの構成は特に限定されるものではなく、複数のＩＣ（Integrated Circuit）、プロセッサ、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、メモリなどを適宜組み合わせることによって実現することができる。

受信回路２１は、超音波探触子１１から出力された光音響波信号および反射波信号を受信する。受信回路２１は、典型的には、低ノイズアンプ、可変ゲインアンプ、およびローパスフィルタを含む。超音波探触子１１から出力された光音響波信号および反射波信号は、低ノイズアンプで増幅された後に、可変ゲインアンプで深度に応じたゲイン調整がなされ、ローパスフィルタで高周波成分がカットされる。

ＡＤ変換部２２は、受信回路２１が受信した光音響波信号および反射波信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部２２は、たとえば所定の周期のサンプリングクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で光音響波信号および反射波信号をサンプリングする。ＡＤ変換部２２は、サンプリングした光音響波信号および反射波信号（サンプリングデータ）を受信メモリ２３に格納する。受信回路２１とＡＤ変換部２２とは、例えば１つのＩＣとして構成されていてもよし、個別のＩＣとして構成されていてもよい。

光音響画像生成部２４は、受信メモリ２３に格納された光音響波信号に基づいて、光音響画像を生成する。光音響画像の生成は、例えば、ＦＴＡ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｌｇｏｒｉｓｍ）法もしくは遅延加算（位相整合加算）法などの画像再構成、検波、および対数変換などを含む。

超音波画像生成部２５は、受信メモリ２３に格納された反射波信号に基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像の生成も、位相整合加算などの画像再構成、検波、および対数変換などを含む。

制御部２８は、光音響画像生成装置１０の各部を制御するものであり、本実施形態ではトリガ制御回路（図示省略）を備える。トリガ制御回路は、たとえば光音響画像生成装置１０の起動の際に、レーザ光源ユニット１３にレーザトリガ信号を送る。これによりレーザ光源ユニット１３で、後述するフラッシュランプ５２が点灯し、レーザロッド５１の励起が開始される。そして、レーザロッド５１の励起状態は維持され、レーザ光源ユニット１３はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。

そして、制御部２８は、光音響画像の生成の際には、トリガ制御回路からレーザ光源ユニット１３へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御部２８は、このＱｓｗトリガ信号によってレーザ光源ユニット１３からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御する。また、本実施形態では、制御部２８は、Ｑｓｗトリガ信号の送信と同時にサンプリングトリガ信号をＡＤ変換部２２に送信する。サンプリングトリガ信号は、ＡＤ変換部２２における光音響波信号のサンプリングの開始タイミングの合図となる。このように、サンプリングトリガ信号を使用することにより、レーザ光の出力と同期して光音響波信号をサンプリングすることが可能となる。

また、制御部２８は、超音波画像の生成の際には、送信制御回路２７に超音波送信を指示する超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路２７は、このトリガ信号を受けると、超音波探触子１１から超音波を送信させる。超音波探触子１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出し、反射波信号を出力する。

超音波探触子１１から出力された反射波信号は、受信回路２１を介してＡＤ変換部２２に入力される。制御部２８は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換部２２にサンプリングトリガ信号を送り、反射波信号のサンプリングを開始させる。

制御部２８は、たとえば光音響画像と超音波画像とが同じタイミングで取得されるように各部を制御する。なお、ここでいう同じタイミングとは、完全に同時ではなく、所定のタイミングの短い時間内において光音響画像と超音波画像とが順次取得されることを意味する。すなわち、光音響画像と超音波画像とは、同じフレームレートで順次取得される。

表示制御部２６は、例えば、光音響画像と超音波画像とを別々に、またはこれらの合成画像を表示部１４に表示させる。表示制御部２６は、たとえば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。

次に、上述したレーザ光源ユニット１３の具体的な構成について説明する。図２は、レーザ光源ユニット１３の具体的な構成を示す図である。

本実施形態のレーザ光源ユニット１３は、図２に示すように、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、レーザチャンバ５０、第１のミラー５３、第２のミラー５４、Ｑ値変更部５５、Ｑスイッチ駆動部５８および励起光源電源部５９を備えている。なお、本実施形態においては、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、レーザチャンバ５０、第１のミラー５３、第２のミラー５４およびＱ値変更部５５から本発明のレーザ光源が構成されている。

フラッシュランプ５２は、励起光を出射するものである。フラッシュランプ５２は、励起光源電源部５９から出力された高圧電圧によって間欠的に駆動され、パルス状の励起光を出射するものである。なお、フラッシュランプ５２は、本発明の励起光源に相当するものである。励起光源としては、フラッシュランプ５２に限らず、その他の励起光源を用いるようにしてもよい。

レーザロッド５１は、棒状のレーザ媒質であり、フラッシュランプ５２から出射された励起光の照射を受けてレーザ光を出射するものである。レーザロッド５１としては、例えばアレキサンドライト結晶を用いることができるが、これに限らず、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶などその他の公知なレーザ媒質を用いることができる。本実施形態においては、レーザロッド５１が、本発明のレーザ媒質に相当するものである。

レーザチャンバ５０は、レーザロッド５１およびフラッシュランプ５２が収容されるものである。レーザチャンバ５０の内側には反射面が設けられており、フラッシュランプ５２から出射した光は、レーザロッド５１に直接照射されるか、または反射面で反射してレーザロッド５１に照射される。レーザチャンバ５０の内側は拡散反射面としてもよい。

第１のミラー５３および第２のミラー５４は、レーザロッド５１の光軸上に沿って並べられている。また、第１のミラー５３および第２のミラー５４は、レーザロッド５１を挟んで互いに対向して配置されている。レーザロッド５１から出射されたレーザ光は、第１のミラー５３および第２のミラー５４によって反射され、第１のミラー５３と第２のミラー５４との間を往復する。すなわち、第１のミラー５３および第２のミラー５４によって共振器Ｃが構成されている。第１のミラー５３は、アウトプットカプラー（ＯＣ（output coupler））である。そして、Ｑ値変更部５５による共振器ＣのＱ値の制御によって、第１のミラー５３からパルスレーザ光Ｌが出射される。

なお、本実施形態においては、第１のミラー５３および第２のミラー５４をレーザロッド５１の光軸上に沿って並べ、共振器Ｃの光路を直線状に構成したが、これに限らず、第１のミラー５３と第２のミラー５４との間の光路上にプリズムなどを設け、光軸を曲げてもよい。

Ｑ値変更部５５は、共振器Ｃの光路内に挿入され、共振器のＱ値を変更するものである。本実施形態においては、Ｑ値変更部５５は、第１のミラー５３とレーザロッド５１との間に配置される。ただし、これに限らず、レーザロッド５１と第２のミラー５４との間にＱ値変更部５５を配置してもよい。Ｑ値変更部５５は、Ｑスイッチ５６と偏光子５７とを備えている。

Ｑスイッチ５６は、印加電圧に応じて通過する光の偏光状態を変化させることによって、共振器ＣのＱ値を変更するものである。Ｑスイッチ５６としては、印加電圧に応じて通過する光の偏光状態を変化させる電気光学素子を用いることができる。たとえばＱスイッチ５６として、ポッケルスセルを用いることができる。

Ｑスイッチ５６は、Ｑスイッチオフに対応した第１の電圧が印加された場合、共振器Ｃを低Ｑ状態にする。低Ｑ状態とは、共振器ＣのＱ値がレーザ発振しきい値よりも低い状態を指す。また、Ｑスイッチオフとは、上述したように共振器Ｃを低Ｑ状態にするＱスイッチ５６の状態のことをいう。本実施形態のＱスイッチ５６は、第１の電圧が印加された場合、１／４波長板として機能する。

また、Ｑスイッチ５６は、Ｑスイッチオンに対応した第２の電圧が印加された場合、共振器Ｃを高Ｑ状態にする。高Ｑ状態とは、共振器ＣのＱ値がレーザ発振しきい値よりも高い状態を指す。また、Ｑスイッチオンとは、上述したように共振器Ｃを高Ｑ状態にするＱスイッチ５６の状態のことをいう。本実施形態のＱスイッチ５６は、第２の電圧が印加された場合、透過する光の偏光状態を変化させない。

なお、第１の電圧と第２の電圧との関係は、第１の電圧の絶対値の方が、第２の電圧の絶対値よりも大きい。電圧は正の電圧であっても負の電圧であってもよい。第２の電圧は、たとえば０Ｖ（電圧印加なし）とすることができる。

偏光子５７は、レーザロッド５１とＱスイッチ５６との間に配置される。偏光子５７は、所定方向の直線偏光のみを透過させる。偏光子５７としては、たとえば所定方向の直線偏光を透過し、所定方向に直交する方向の直線偏光を反射するビームスプリッタを用いることができる。本実施形態においては、偏光子５７として、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射するビームスプリッタを用いる。なお、レーザロッド５１にアレキサンドライト結晶を用いた場合など、レーザロッド５１自身が偏光選択性を持つ場合には、偏光子５７は省略してもよい。

具体的には、Ｑスイッチ５６に第１の電圧が印加された場合、上述したようにＱスイッチ５６は１／４波長板として機能する。まず、レーザロッド５１から偏光子５７に入射したp偏光の光は偏光子５７を透過し、Ｑスイッチ５６を通過する際に円偏光となる。そして、Ｑスイッチ５６を通過した円偏光の光は、第１のミラー５３で反射された後、再びＱスイッチ５６に逆向きから入射される。Ｑスイッチ５６に逆向きに入射した円偏光の光は、Ｑスイッチ５６を通過する際に再び直線偏光となるが、９０°回転したｓ偏光として偏光子５７に入射し、共振器Ｃの光路外へ放出される。したがって、レーザロッド５１においてレーザ発振は起こらない。

一方、Ｑスイッチ５６に対する印加電圧が第２の電圧（０Ｖ）である場合、レーザロッド５１から偏光子５７に入射したｐ偏光の光は、偏光状態を変化させずにＱスイッチ５６を透過し、第１のミラー５３で反射する。第１のミラー５３で反射した光も偏光状態を変化させずにＱスイッチ５６を透過し、さらに偏光子５７を透過してレーザロッド５１に帰還する。このようにしてレーザ発振が起こる。

上述したように、Ｑスイッチ５６に対して第１の電圧が印加されている場合には、Ｑスイッチ５６を１／４波長板として機能させて、レーザロッド５１から出射されたレーザ光を共振器Ｃの光路外へ放出し、これにより共振器Ｃを低Ｑ状態とすることができる。一方、Ｑスイッチ５６に対して第２の電圧が印加されている場合には、Ｑスイッチ５６を１／４波長板として機能させず、入射したレーザ光をそのまま透過させることによって、共振器Ｃを高Ｑ状態とすることができる。

Ｑスイッチ駆動部５８は、Ｑスイッチ５６に対して、上述した第１の電圧および第２の電圧を印加してＱスイッチ５６を駆動するものである。Ｑスイッチ駆動部５８は、超音波ユニット１２の制御部２８から出力された信号に基づいて、Ｑスイッチ５６に対して電圧を印加する。

励起光源電源部５９は、超音波ユニット１２から出力されたレーザトリガ信号に応じて、フラッシュランプ５２に高圧電圧を印加するものである。図３は、励起光源電源部５９の具体的な構成を示す図である。

励起光源電源部５９は、図３に示すように、コンデンサ３０と、第１の系統の分圧回路３１と、第２の系統の分圧回路３２と、充電制御回路３３と、過充電検出回路３４と、故障検出部３５と、充電回路３６と、力率改善回路３７と、サイリスタ３８と、ダイオード３９と、インダクタ４０と、放電制御回路４１とを備えている。

コンデンサ３０は、充電回路３６によって充電された電圧をフラッシュランプ５２に供給するものである。充電回路３６は、商用電源から供給されて力率改善回路３７を経由した電圧に基づいて、コンデンサ３０に電圧を供給して充電するものである。なお、充電回路３６および力率改善回路３７としては、一般的な公知な回路を用いることができる。

第１の系統の分圧回路３１は、コンデンサ３０に並列に接続されるものであり、第１の抵抗素子Ｒ１および第２の抵抗素子Ｒ２を備えている。第１の抵抗素子Ｒ１と第２の抵抗素子Ｒ２とは直列に接続されている。そして、第１の抵抗素子Ｒ１と第２の抵抗素子Ｒ２との間に配線Ｌ１が接続されており、第１の抵抗素子Ｒ１の抵抗値と第２の抵抗素子Ｒ２の抵抗値とによって決まる第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１が配線Ｌ１に出力される。配線Ｌ１の出力先には充電制御回路３３が接続されており、充電制御回路３３に対して第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１が供給される。

第２の系統の分圧回路３２は、コンデンサ３０および第１の系統の分圧回路３１に並列に接続されるものであり、第３の抵抗素子Ｒ３および第４の抵抗素子Ｒ４を備えている。第３の抵抗素子Ｒ３と第４の抵抗素子Ｒ４とは直列に接続されている。そして、第３の抵抗素子Ｒ３と第４の抵抗素子Ｒ４との間に配線Ｌ２が接続されており、第３の抵抗素子Ｒ３の抵抗値と第４の抵抗素子Ｒ４の抵抗値とによって決まる第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２が配線Ｌ２に出力される。配線Ｌ２の出力先には過充電検出回路３４が接続されており、過充電検出回路３４に対して第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２が供給される。

本実施形態においては、第１の抵抗素子Ｒ１の抵抗値ｒ１、第２の抵抗素子Ｒ２の抵抗値ｒ２、第３の抵抗素子Ｒ３の抵抗値ｒ３および第４の抵抗素子Ｒ４の抵抗値ｒ４の関係は、ｒ１：ｒ２＝ｒ３：ｒ４とし、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２とは、ほぼ同じ大きさであるとする。ただし、これに限らず、ｒ１：ｒ２とｒ３：ｒ４とは異なっていてもよい。

また、本実施形態においては、ｒ１：ｒ２＝ｒ３：ｒ４＝９９：１とする。すなわち、高電位側の第１の抵抗素子Ｒ１の抵抗値ｒ１の方が低電位側の第２の抵抗素子Ｒ２の抵抗値ｒ２よりも大きく、高電位側の第３の抵抗素子Ｒ３の抵抗値ｒ３の方が低電位側の第４の抵抗素子Ｒ４の抵抗値ｒ４よりも大きい。

したがって、たとえばコンデンサ３０に充電される電圧が６００Ｖの場合、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２は、６Ｖ程度となる。第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１が供給される充電制御回路３３および第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２が供給される過充電検出回路３４が、たとえばＩＣ（Integrated Circuit）によって構成される場合には、上述したように第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２を６Ｖ程度とすることによって、汎用ＩＣを用いることができ、コストの削減を図ることができる。ただし、ｒ１：ｒ２およびｒ３：ｒ４は９９：１に限らず、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２の供給先である充電制御回路３３および過充電検出回路３４が許容可能な入力電圧に応じて、適宜変更可能である。また、ｒ１とｒ３の値を９９よりも小さくし、充電制御回路３３および過充電検出回路３４の前段にアッテネータまたはオペアンプなどを設けることによって、充電制御回路３３および過充電検出回路３４に入力される電圧を許容可能な入力電圧まで下げるようにしてもよい。

充電制御回路３３は、充電回路３６を制御することによってコンデンサ３０の充電電圧を制御するものである。具体的には、本実施形態の充電制御回路３３は、入力された第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と予め設定された参照電圧Ｖｒｅｆとの差分電圧を求め、その差分電圧に基づいて充電回路３６を制御することによって、コンデンサ３０の充電電圧が予め設定された電圧値となるように制御するものである。すなわち、本実施形態の充電制御回路３３は、コンデンサ３０の充電電圧が６００Ｖとなるように制御するものである。また、充電制御回路３３は、入力された第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１を故障検出部３５に出力するものである。

過充電検出回路３４は、コンデンサ３０の過充電を検出するものである。具体的には、本実施形態の過充電検出回路３４は、入力された第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２と予め設定された最大電圧Ｖｍａｘとに基づいて、コンデンサ３０の充電電圧が最大電圧Ｖｍａｘを超えて過充電となっていることを検出するものである。そして、過充電検出回路３４は、コンデンサ３０の過充電を検出した場合には、放電制御回路４１に制御信号を出力し、コンデンサ３０からフラッシュランプ５２への電力供給（放電）を停止させるものである。本実施形態においては、最大電圧Ｖｍａｘは６００Ｖに設定されている。また、過充電検出回路３４は、入力された第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２を故障検出部３５に出力するものである。

故障検出部３５は、入力された第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２とを比較することによって故障を検出するものである。本実施形態においては、正常であれば、故障検出部３５に入力される第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２は同じで電圧であり、これらの差はゼロである。しかしながら、たとえば第１の抵抗素子Ｒ１がオープンモードで故障した場合、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１はゼロとなる。これに対し、第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２は上述したとおり６Ｖのままであるので、この差に基づいて、故障を検出する。また、故障検出部３５は、第３の抵抗素子Ｒ３がオープンモードで故障した場合も、同様に、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２との差から故障を検出する。

そして、故障検出部３５は、励起光源電源部５９における故障を検出した場合には、放電制御回路４１に制御信号を出力し、コンデンサ３０からフラッシュランプ５２への電力供給（放電）を停止させる。または、故障検出部３５は、超音波ユニット１２の制御部２８に制御信号を出力することによって、光音響画像生成装置１０全体を停止させる。

ここで、本実施形態のように第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２とを比較する故障検出部３５を設けることなく、単純に分圧回路を２系統にし、冗長性を持たせただけの多重安全機構との違いを考える。たとえば、上述したように第３の抵抗素子Ｒ３がオープンモードで故障した場合、過充電検出回路３４は正常に動作しないが、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１は正常な値である。そのため、第２の系統の分圧回路３２の故障は認識されずに通常通りの動作が継続されることになる。

このような状態において、たとえば充電回路３６に使用されている半導体スイッチがＯＮ状態で故障した場合、コンデンサ３０に対して無制限に充電が行われることになる。この際、充電制御回路３３は、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１に基づいて、充電回路３６による充電を停止させようとするが、充電回路３６自体が故障しているため、レーザ光源ユニット１３の動作を停止させることができない。また、過充電検出回路３４も、上述したように既に正常に動作していないので、レーザ光源ユニット１３の動作を停止させることができない。すなわち、単純に分圧回路を２系統にし、冗長性を持たせただけの多重安全機構では、安全に装置を停止させることができない。

これに対し、本実施形態においは、故障検出部３５が、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２とを比較し、その比較結果に基づいて故障を検出するようにしたので、上述したように第３の抵抗素子Ｒ３がオープンモードで故障した場合でも、即座にレーザ光源ユニット１３の動作を停止することができる。

また、上記説明では、第１の系統の分圧回路３１および第２の系統の分圧回路３２の故障を検出する場合について説明したが、本実施形態は、これらの分圧回路の故障に限らず、たとえば充電制御回路３３が故障した場合でも、充電制御回路３３から出力される第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１が異常値となるので、この故障を即座に検出することができる。また、過充電検出回路３４が故障した場合でも、過充電検出回路３４から出力される第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２が異常値となるので、この故障を即座に検出することができる。

コンデンサ３０とフラッシュランプ５２との間には、サイリスタ３８が接続されている。サイリスタ３８は、ゲート電流を流すことによってＯＮ状態となり、一旦ＯＮ状態となった後は、アノード端子からの電流が止まるまではＯＦＦしない性質を有する。したがって、本実施形態においては、放電制御回路４１によってサイリスタ３８にゲート電流を流すことによって、コンデンサ３０に蓄えられた電荷は全てフラッシュランプ５２に供給される。放電制御回路４１は、超音波ユニット１２の制御部２８から出力されたレーザトリガ信号に応じて、サイリスタ３８にゲート電流を流すものである。

図４は、正常動作時におけるコンデンサ３０の電圧変化を示すものである。図４に示すように充電回路３６によってコンデンサ３０が充電され、充電制御回路３３によってコンデンサ３０の充電電圧がＶｍａｘ＝６００Ｖに制御され、放電制御回路４１によってサイリスタ３８にゲート電流が流されることによって、コンデンサ３０が放電される。

サイリスタ３８とフラッシュランプ５２との間には、ダイオード３９とインダクタ４０とが接続されている。コンデンサ３０とインダクタ４０とによってパルスフォーミングネットワークが構成されており、コンデンサ３０の充電電圧に応じたパルス電流がフラッシュランプ５２に供給され、フラッシュランプ５２からパルス状の励起光が出射される。なお、コンデンサ３０の容量をＣとし、コンデンサ３０の充電電圧をＶｃとした場合、フラッシュランプ５２の励起エネルギーＥは、Ｅ＝（１／２）ＣＶｃ^２で算出される。また、パルス状の励起光のパルス幅Ｔは、Ｔ＝３×ＬＣ^１／３で算出される。

なお、充電制御回路３３、過充電検出回路３４、故障検出部３５および放電制御回路４１は、１つのＩＣから構成するようにしてもよいし、複数のＩＣから構成するようにしてもよいし、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどから構成するようにしてもよい。また、故障検出部３５は、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２とを比較するが比較回路については、ＩＣを用いるようにしてもよいし、ディスクリート部品を用いてコンパレータを構成するようにしてもよい。

上記実施形態の光音響画像生成装置１０によれば、レーザ光源ユニット１３の励起光源電源部５９が、コンデンサ３０に充電された電圧を分圧する第１の系統の分圧回路３１および第２の系統の分圧回路３２を備え、第１の系統の分圧回路３１および第２の系統の分圧回路３２によってそれぞれ分圧された電圧を比較することによって故障を検出する故障検出部３５を設けるようにしたので、たとえば１系統の分圧回路が故障した状態のような単一故障状態においても、その単一故障状態を適切に検出することができ、単一故障状態での動作を継続させないようにすることができる。

次に、本発明の光音響計測装置の第２の実施形態を用いた光音響画像生成装置１０について説明する。第２の実施形態の光音響画像生成装置１０は、第１の実施形態の光音響画像生成装置１０とは、励起光源電源部５９の構成が異なり、その他の構成については、第１の実施形態の光音響画像生成装置１０と同様である。図５は、第２の実施形態の光音響画像生成装置１０の励起光源電源部５９の具体的な構成を示す図である。図５においては、第１の実施形態の励起光源電源部５９と同様の構成については、同じ符号で示してある。

第１の実施形態の励起光源電源部５９は、パルスフォーミングネットワーク方式のフラッシュランプ電源であるが、第２の実施形態の励起光源電源部５９は、ダイレクトドライブ方式のフラッシュランプ電源である。

具体的には、第２の実施形態の励起光源電源部５９は、第１の実施形態の励起光源電源部５９のコンデンサ３０の代わりに、大容量のコンデンサバンク４２を設けるようにしたものである。また、第２の実施形態の励起光源電源部５９においては、コンデンサバンク４２とフラッシュランプ５２との間に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）４３とダイオード４４とが設けられている。ＩＧＢＴ４３は、半導体スイッチ素子であって、コンデンサバンク４２に蓄積された電荷をフラッシュランプ５２に供給するものである。ＩＧＢＴ４３がＯＮ状態である間だけコンデンサバンク４２からフラッシュランプ５２に放電される。ＩＧＢＴ４３のオンオフによってコンデンサバンク４２からフラッシュランプ５２への放電が制御されるため、第１の実施形態のＰＦＮ（パルスフォーミングネットワーク）方式に比べ、コンデンサの容量の精度は重要でなく、電解コンデンサからなる大容量のコンデンサバンク４２が用いられる。

図６は、正常動作時におけるコンデンサバンク４２の電圧変化を示すものである。図６に示すように充電回路３６によってコンデンサバンク４２が充電され、充電制御回路３３によってコンデンサ３０の充電電圧がＶｍａｘ＝６００Ｖに制御され、放電制御回路４１によってＩＧＢＴ４３がオンされることによって、コンデンサバンク４２が放電される。

なお、第２の実施形態の励起光源電源部５９のその他の構成については、第１の実施形態の励起光源電源部５９と同様である。

次に、本発明の光音響計測装置の第３の実施形態を用いた光音響画像生成装置１０について説明する。第３の実施形態の光音響画像生成装置１０は、第１の実施形態の光音響画像生成装置１０とは、励起光源電源部５９の構成が異なり、その他の構成については、第１の実施形態の光音響画像生成装置１０と同様である。図７は、第３の実施形態の光音響画像生成装置１０の励起光源電源部５９の具体的な構成を示す図である。図７においては、第１の実施形態の励起光源電源部５９と同様の構成については、同じ符号で示してある。

第１の実施形態の励起光源電源部５９においては、２つの系統の分圧回路を設けるようにしたが、第３の実施形態の励起光源電源部５９は、さらに第３の系統の分圧回路４５を備えたものである。

第３の系統の分圧回路４５は、コンデンサ３０、第１の系統の分圧回路３１および第２の系統の分圧回路３２に並列に接続されるものであり、第５の抵抗素子Ｒ５および第６の抵抗素子Ｒ６を備えている。第５の抵抗素子Ｒ５と第６の抵抗素子Ｒ６とは直列に接続されている。そして、第５の抵抗素子Ｒ５と第６の抵抗素子Ｒ６との間に配線Ｌ３が接続されており、第５の抵抗素子Ｒ５の抵抗値と第６の抵抗素子Ｒ６の抵抗値とによって決まる第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３が配線Ｌ３に出力される。配線Ｌ３の出力先には故障検出部３５が接続されており、故障検出部３５に対して第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３が供給される。

なお、本実施形態においては、第１の抵抗素子Ｒ１の抵抗値ｒ１、第２の抵抗素子Ｒ２の抵抗値ｒ２、第３の抵抗素子Ｒ３の抵抗値ｒ３、第４の抵抗素子Ｒ４の抵抗値ｒ４、第５の抵抗素子Ｒ５の抵抗値ｒ５、および第６の抵抗素子Ｒ６の抵抗値ｒ６の関係は、ｒ１：ｒ２＝ｒ３：ｒ４＝ｒ５：ｒ６とし、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２と第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３は、ほぼ同じ大きさであるとする。

そして、第１の実施形態の故障検出部３５は、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２との差に基づいて、故障を検出するようにしたが、第３の実施形態の故障検出部３５は、さらに第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３を用いて、故障が発生した箇所を特定するようにしたものである。

具体的には、上述したように、たとえば第１の抵抗素子Ｒ１がオープンモードで故障した場合には、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１は０Ｖとなるが、第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２は正常な電圧値のままであるため故障が発生したことを検出することができるが、さらに第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３と第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１とが比較され、第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２とが比較される。そして、第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３と第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１が異なる電圧値であり、第３の分圧電圧Ｖｍｏｎ３と第２の分圧電圧Ｖｍｏｎ２とが同じ電圧値であるので、第１の分圧電圧Ｖｍｏｎ１が異常値であることが決定でき、第１の系統の分圧回路３１が故障していると特定することができる。

このように３系統以上の分圧回路を設けるようにした場合、それぞれの分圧電圧を比較し、多数決によって異常な電圧値を決定することによって、その異常な電圧値の分圧電圧を出力している分圧回路に故障が発生していることを特定することができる。特定された分圧回路の情報は、たとえば表示制御部２６が表示部１４に表示させるなどしてユーザに報知するようにすればよい。

なお、上記第１〜第３の実施形態においては、第１の系統の分圧回路３１、第２の系統の分圧回路３２および第３の系統の分圧回路４５を、それぞれ２つの抵抗素子から構成するようにしたが、分圧回路の構成としてはこれに限られず、その他の回路構成を採用するようにしてもよい。たとえば３つ以上の抵抗素子を直列に接続して分圧回路を構成するようにしてもよい。具体的には、第１の系統の分圧回路３１の第１の抵抗素子Ｒ１と第２の抵抗素子Ｒ２がそれぞれ９９０ｋΩ、１ｋΩである場合、第１の抵抗素子Ｒ１を、３３０ｋΩの抵抗素子を３つ直列接続した回路に置き換えるようにしてもよい。

また、第１の系統の分圧回路３１、第２の系統の分圧回路３２および第３の系統の分圧回路４５における２つの抵抗素子のうちの１つの抵抗素子を、２以上の並列接続された抵抗素子に置き換えた構成としてもよい。具体的には、第１の系統の分圧回路３１の第１の抵抗素子Ｒ１と第２の抵抗素子Ｒ２が、それぞれ９９０ｋΩ、１ｋΩである場合、第２の抵抗素子Ｒ２を、２ｋΩの２つの抵抗素子を並列接続した回路に置き換えるようにしてもよい。すなわち、本発明は、分圧回路の構成については、特に限定されるものではない。

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 光音響画像生成装置
１１ 超音波探触子
１２ 超音波ユニット
１３ レーザ光源ユニット
１４ 表示部
２１ 受信回路
２２ ＡＤ変換部
２３ 受信メモリ
２４ 光音響画像生成部
２５ 超音波画像生成部
２６ 表示制御部
２７ 送信制御回路
２８ 制御部
２９ 表示制御部
３０ コンデンサ
３１ 第１の系統の分圧回路
３２ 第２の系統の分圧回路
３３ 充電制御回路
３４ 過充電検出回路
３５ 故障検出部
３６ 充電回路
３７ 力率改善回路
３８ サイリスタ
３９ ダイオード
４０ インダクタ
４１ 放電制御回路
４２ コンデンサバンク
４４ ダイオード
４５ 第３の系統の分圧回路
５０ レーザチャンバ
５１ レーザロッド
５２ フラッシュランプ
５３ 第１のミラー
５４ 第２のミラー
５５ Ｑ値変更部
５６ Ｑスイッチ
５７ 偏光子
５８ スイッチ駆動部
５９ 励起光源電源部
１０１ コンデンサ
１０２ 分圧回路
１０３ 充電制御部
１０４ 過充電検出部
１０５ 充電回路
１０６ 力率改善回路
１０７ サイリスタ
１１０ 放電制御回路
１１１ フラッシュランプ
Ｌ パルスレーザ光
Ｌ１ 配線
Ｌ２ 配線
Ｌ３ 配線
Ｍ 被検体
Ｒ０１ 分圧抵抗
Ｒ１ 第１の抵抗素子
Ｒ２ 第２の抵抗素子
Ｒ３ 第３の抵抗素子
Ｒ４ 第４の抵抗素子
Ｒ５ 第５の抵抗素子
Ｒ６ 第６の抵抗素子
Ｖｍａｘ 最大電圧
Ｖｍｏｎ 分圧電圧
Ｖｍｏｎ１ 第１の分圧電圧
Ｖｍｏｎ２ 第２の分圧電圧
Ｖｍｏｎ３ 第３の分圧電圧
Ｖｒｅｆ 参照電圧

Claims (10)

1. 励起光を出射する励起光源および前記励起光源から出射された前記励起光の照射を受けてレーザ光を出射するレーザ媒質を有するレーザ光源と、
   充電された電圧を前記励起光源に対して供給するコンデンサ、前記コンデンサを充電する充電回路、前記コンデンサに充電された電圧を等しい分圧比で分圧する少なくとも２系統の分圧回路および前記少なくとも２系統の分圧回路によってそれぞれ分圧された電圧を比較することによって故障を検出する故障検出部を有する励起光源電源部と、
   前記レーザ光源から出射された光の被検体への照射によって前記被検体内で発生した光音響波を検出する光音響波検出部とを備えた光音響計測装置。
2. 前記励起光源電源部が、前記充電回路を制御することによって前記コンデンサの充電電圧を制御する充電制御回路と、前記コンデンサの過充電を検出する過充電検出回路とを備え、
   前記充電制御回路が、前記少なくとも２系統の分圧回路のうち、第１の系統の分圧回路による第１の分圧電圧に基づいて、前記コンデンサの充電電圧を制御し、
   前記過充電検出回路が、前記第１の系統の分圧回路とは異なる第２の系統の分圧回路による第２の分圧電圧に基づいて、前記コンデンサの過充電を検出する請求項１記載の光音響計測装置。
3. 前記故障検出部が、前記充電制御回路から出力された前記第１の分圧電圧と、前記過充電検出回路から出力された前記第２の分圧電圧とを比較する請求項２記載の光音響計測装置。
4. 前記過充電検出回路が、前記コンデンサの過充電を検出した場合、前記コンデンサから前記励起光源への電圧供給を停止させる制御信号を出力する請求項２または３記載の光音響計測装置。
5. 前記故障検出部が、故障を検出した場合に、前記コンデンサから前記励起光源への電圧供給を停止させる制御信号を出力する請求項１から４いずれか１項記載の光音響計測装置。
6. 前記分圧回路が、前記コンデンサに対して並列に接続されたものであり、かつ２つの抵抗素子を直列に接続したものであり、高電位側の抵抗素子の抵抗値の方が低電位側の抵抗素子の抵抗値よりも大きい請求項１から５いずれか１項記載の光音響計測装置。
7. 前記励起光源電源部が、少なくとも３系統の分圧回路を有し、
   前記故障検出部が、前記少なくとも３系統の分圧回路によってそれぞれ分圧された電圧を比較することによって故障を検出し、かつ故障が発生している分圧回路を特定する請求項１から６いずれか１項記載の光音響計測装置。
8. 前記励起光源電源部が、パルスフォーミングネットワーク方式のフラッシュランプ電源である請求項１から７いずれか１項記載の光音響計測装置。
9. 前記コンデンサに対してサイリスタが接続されており、
   前記サイリスタにゲート電流を流すことによって、前記コンデンサに充電された電圧が前記励起光源に対して供給される請求項８記載の光音響計測装置。
10. 前記コンデンサが、コンデンサバンクであり、
    前記コンデンサバンクに蓄積された電荷を前記励起光源に供給する半導体スイッチ素子を備えた請求項１から７いずれか１項記載の光音響計測装置。