(57)【要約】【課題】  従来は、パルス光の立上り及び立下りの時間変化を精度よく制御することが困難であった。【解決手段】  複数の発光素子を含み構成される光源部と、前記光源部から出たパルス光が被検体に照射されることで発生した音響波を電気信号に変換する音響波検出器と、を有する光音響装置であって、前記複数の発光素子のうち発光させる発光素子の数を変えることによって、前記光源部の発光強度の時間変化の量を制御する制御部を有することを特徴とする光音響装置。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子を含み構成される光源部と、
前記光源部から出たパルス光が被検体に照射されることで発生した音響波を電気信号に変換する音響波検出器と、
を有する光音響装置であって、
前記複数の発光素子のうち発光させる発光素子の数を変えることによって、前記光源部の発光強度の時間変化の量を制御する制御部を有することを特徴とする光音響装置。
【請求項２】
前記光源部は、直列接続された複数の発光素子を含み構成される発光素子アレイを複数有することを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
【請求項３】
前記制御部は、複数の前記発光素子アレイ同士が電気的に接続されていない状態と、直列接続された状態とを切替ることで、前記光源部の発光強度の時間変化の量を制御することを特徴とする請求項２に記載の光音響装置。
【請求項４】
前記制御部は、複数の前記発光素子アレイ同士が電気的に接続されていない状態と、並列接続された状態とを切替ることで、前記光源部の発光強度の時間変化の量を制御することを特徴とする請求項２に記載の光音響装置。
【請求項５】
複数の前記発光素子アレイ同士が直列接続された状態と、並列接続された状態と、を切替えるスイッチ部を有することを特徴とする請求項２に記載の光音響装置。
【請求項６】
並列接続された前記複数の発光素子アレイに一定の電圧を印加する駆動回路部を有することを特徴とする請求項４または５に記載の光音響装置。
【請求項７】
直列接続された前記複数の発光素子アレイに一定の電流を流す駆動回路部を有することを特徴とする請求項３または５に記載の光音響装置。
【請求項８】
前記複数の発光素子のうち、前記発光させる発光素子は、前記発光強度の時間変化の量に対応して、予め決まっていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記複数の発光素子アレイのうち、発光させる発光素子アレイと、発光させない発光素子アレイの数を変えることで、前記光源部の発光強度の時間変化の量を制御することを特徴とする請求項２に記載の光音響装置。
【請求項１０】
前記複数の発光素子アレイは互いに、特定の方向に配列され、
前記発光させない発光素子アレイは互いに隣接しないことを特徴とする請求項９に記載の光音響装置。
【請求項１１】
前記複数の発光素子アレイは互いに、特定の方向に配列され、
前記発光させる発光素子アレイは互いに隣接しないことを特徴とする請求項９に記載の光音響装置。
【請求項１２】
前記複数の発光素子は２次元マトリクス状に配置され、前記制御部は、前記複数の発光素子のうち、発光させる発光素子と、発光させない発光素子の数を変えることで、前記光源部の発光強度の時間変化の量を制御することを特徴とする請求項１に記載の光音響装置。
【請求項１３】
前記発光させない発光素子は、互いに隣接しないことを特徴とする請求項１２に記載の光音響装置。
【請求項１４】
前記発光させる発光素子は、互いに隣接しないことを特徴とする請求項１２に記載の光音響装置。
【請求項１５】
前記光源部は前記発光素子アレイの数は２の倍数であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項１６】
前記発光素子は発光ダイオード又はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項１７】
前記音響波受信器は、圧電型トランスデューサを含み構成される請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の超音波装置。
【請求項１８】
前記音響波受信器は、静電容量型トランスデューサを含み構成される請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項１９】
前記光音響装置は、ハンドヘルド型のプローブである請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光音響装置。
【請求項２０】
前記電気信号に少なくとも基づいて、前記被検体に関する情報を取得する情報取得部をさらに有することを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の光音響装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において、被検体内の形態情報や、生理的情報、すなわち機能情報をイメージングするための研究が進められている。このような技術の一つとして、近年、光音響イメージングが提案されている。
【０００３】
パルスレーザ光やＬＥＤ光などの光を被検体である生体に照射すると、光が被検体内の生体組織で吸収される際に音響波（典型的には超音波）が発生する。この現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。被検体を構成する組織は、光エネルギーの吸収率がそれぞれ異なるため、発生する光音響波の音圧も異なったものとなる。光音響イメージングでは、発生した光音響波を探触子で受信し、受信信号を数学的に解析することにより、被検体内の特性情報の取得、例えば光吸収係数の分布の画像化が可能となる。
【０００４】
特許文献１では、超音波探触子の周波数帯域に応じて、光源からのパルス光のパルス幅を調整する方法が提案されている。超音波探触子の周波数帯域が高いほど、パルス幅をより小さく設定することで、画像精細度の高い画像を取得できる。さらに、超音波探触子の周波数帯域がより広く、より高精細の画像を取得したい場合、台形あるいは三角波のパルス波を用いる必要がある。その場合、パルス光の立上り及び立下り時間の影響が大きくなることから、特許文献２で示されているように、探触子が受信できる音響波の周波数帯域に応じて、パルス光の立上り及び立下りの比を制御する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１２８７２２号公報
【特許文献２】特開２０１７−４６８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２の光音響画像化装置では、パルスの立上り及び立下りの時間変化の量を任意に変えるために、発光素子に接続されるＦＥＴのゲート電圧の変化の速度を変えている。そのため、１００ナノ秒オーダーで電圧変化を制御する必要があり、パルス光の立上り及び立下りの時間変化を精度よく制御することが困難であった。この発明は、上記の課題の解決のためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光音響装置によれば、光源部と、前記光源部から出たパルス光が被検体に照射されることで発生した音響波を電気信号に変換する音響波検出器と、を有する光音響装置であって、前記複数の発光素子のうち発光させる発光素子の数を変えることによって、前記光源部の発光強度の時間変化の量を制御する制御部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の発光素子のうち発光させる発光素子の数を変えることによって、発光強度の時間変化の量を制御できるため、パルス光の立上り及び立下りの時間変化を精度よく制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１及び第２実施形態に係る光音響装置の被検体から発生する音響波を説明するための図である。
【図２】本発明の第１及び第２実施形態に係る光音響装置の全体構成を示す図である。
【図３】本発明の第１及び第２実施形態に係る光音響装置においてスイッチ部と光源部の構成を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る光音響装置において光源部の２経路を直列接続する設定を示したブロック図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る光音響装置において光源部の４経路を直列接続する設定を示したブロック図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る光音響装置において経路の接続数ごとの音響波の周波数応答を比較する図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る光音響装置において光源部の２経路を並列接続する設定を示したブロック図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る光音響装置において光源部の４経路を並列接続する設定を示したブロック図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る光音響装置において経路の接続数ごとの音響波の周波数応答を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施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。
【００１１】
本実施形態に係る光音響装置は、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。
【００１２】
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。
【００１３】
［光音響装置の全体構成］
図１は、光音響装置１００の全体構成を説明する図である。光音響装置１００は、光源部２から人体などの被検体１の検出対象物（被検体中の白丸）に光Ｌを照射し、照射された光を吸収した検出対象物から発生する音響波ＰＡを音響波検出器（超音波検出器）３により検出する。
【００１４】
図２は、光音響装置１００の制御ブロックを説明する図である。制御部７は、入力部９から入力された音響波の周波数帯域に対応する設定をメモリー８から読み込む。制御部７は、読み込んだ設定に基づいて、スイッチ部５の切り替えを行い、その後駆動回路部４に対して光源部２の発光開始を指示する。制御部７は、設定された期間、光源部２を発光させた後、駆動回路部４に対して光源部２の消灯を指示する信号を送る。
【００１５】
制御部７は、一定のタイミングで信号処理部６に対して音響波検出器３により検出された音響波データのサンプリングを指示する信号を送る。信号処理部６は、取得した音響波データを元に検出対象物の画像化を行い、画像を画像表示部１０に送る。画像表示部１０は、受信した画像を表示する。
【００１６】
図３は、図１のスイッチ部５と光源部２の詳細を説明する回路図である。スイッチ部５−１（５−１ａ、５−１ｂ、５−１ｃ）は、−１、０、１の状態のいずれかをとる。スイッチ部５−２（５−２ａ、５−２ｂ、５−２ｃ）は、０、１の状態のいずれかをとる。制御部７は、スイッチ部５（５−１、５−２）の各状態と駆動回路部４を設定することによって、経路２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）に印加される電圧あるいは電流を決定し、発光素子が発する総光量が決定される。図３の例では、各経路にＬＥＤを３つずつ、４つの経路を配置しているが、発光素子をＬＥＤ以外の素子を使ってもよいし、各経路当たりの発光素子数及び経路数を任意の値に設定してよい。経路は、光分布の均一性の観点から発光面上で左右対称となるように配置するのが良く、そのため経路数は２の倍数個とするのが望ましい。
【００１７】
本実施形態に係る光音響装置の全体構成の詳細について図１〜３を用いて説明する。本実施形態に係る光音響装置１００は、複数の発光素子１０を含み構成される光源部２と、光源部２から出たパルス光が被検体１に照射されることで発生した音響波を電気信号に変換する音響波検出器３とを有する。そして、複数の発光素子１０のうち発光させる発光素子の数を変えることによって、光源部２の発光強度の時間変化の量を制御する制御部７を有することを特徴とする。
【００１８】
例えば、図３のように、光源部２が、直列接続された複数の発光素子１０を含み構成される発光素子アレイ１１を複数有する場合について説明する。このような構成において、制御部７は、複数の発光素子アレイ１１同士が電気的に接続されていない状態と、直列接続された状態とを切替ることで、光源部２の発光強度の時間変化の量を制御することができる。例えば、（５−１ａ、５−１ｂ、５−１ｃ）のスイッチの状態が（０、０、０）で、（５−２ａ、５−２ｂ、５−２ｃ）のスイッチの状態が（０、０、０）である場合、電気的に接続されていない状態である（状態１）。次に、（５−１ａ、５−１ｂ、５−１ｃ）のスイッチの状態が（１、０、０）で、（５−２ａ、５−２ｂ、５−２ｃ）のスイッチの状態が（０、０、０）である場合、光源部２からは光強度Ｐ１が時間ｔ１の間に出力される（状態２）。さらに、（５−１ａ、５−１ｂ、５−１ｃ）のスイッチの状態が（１、１、１）で、（５−２ａ、５−２ｂ、５−２ｃ）のスイッチの状態が（０、０、０）の場合、光源部２からは光強度Ｐ１の４倍の光が時間ｔ１の間に出力される（状態３）。このように、複数の発光素子アレイ１１同士が電気的に接続されていない状態と、直列接続された状態とを切替ることで、光源部２の発光強度の時間変化の量を制御できる。
【００１９】
また、（５−１ａ、５−１ｂ、５−１ｃ）のスイッチの状態が（−１、０、０）で、（５−２ａ、５−２ｂ、５−２ｃ）のスイッチの状態が（１、０、０）である場合、光源部２からは光強度Ｐ２が時間ｔ２の間に出力される（状態４）。そして、（５−１ａ、５−１ｂ、５−１ｃ）のスイッチの状態が（−１、−１、−１）で、（５−２ａ、５−２ｂ、５−２ｃ）のスイッチの状態が（１、１、１）である場合、光源部２からは光強度Ｐ２の２倍の光が時間ｔ２の間に出力される（状態５）。このように、複数の前記発光素子アレイ１１同士が電気的に接続されていない状態と、並列接続された状態とを切替ることで、光源部２の発光強度の時間変化の量を制御することができる。
【００２０】
このように、複数の発光素子アレイ同士の接続状態を変えるだけで、光源部２の発光強度の時間変化の量を制御でき、短時間で電圧の時間変化量を変える必要がないため、従来に比べて、パルス光の立上り及び立下りの時間変化を精度よく制御できる。
【００２１】
スイッチ部５によって上記の通り、複数の発光素子アレイ１１同士が直列接続された状態と、並列接続された状態と、を切替えることができる。
【００２２】
なお、上記状態４、５のように並列接続された複数の発光素子アレイ１１には、駆動回路部４によって一定の電圧を印加される。上記状態２、３のように直列接続された複数の発光素子アレイ１１には、駆動回路部４によって一定の電流が流れるようになっている。
【００２３】
また、光源部２は発光素子アレイ１１の数は２の倍数であってもよい。
【００２４】
発光素子１０の種類は特に限定されないが、発光ダイオード又はレーザダイオードを用いることができる。
【００２５】
音響波受信器３は、圧電型トランスデューサを含み構成されていても良いし、静電容量型トランスデューサを含み構成されてもよい。
【００２６】
光音響装置１００は、ハンドヘルド型のプローブであってもよい。光音響装置１００は音響波検出器３で出力された電気信号に少なくとも基づいて、被検体１に関する情報を取得する情報取得部をさらに有しても良い。
【００２７】
［発光強度の時間変化の量の制御］
なお、複数の発光素子のうち、発光させる発光素子は、発光強度の時間変化の量に対応して、予め決まっていてもよい。
【００２８】
また、複数の発光素子アレイのうち、発光させる発光素子アレイと、発光させない発光素子アレイの数を変えることで、光源部の発光強度の時間変化の量を制御してもよい。
また、複数の発光素子アレイは互いに、特定の方向に配列され、発光させない発光素子アレイは互いに隣接しないようにしてもよい。例えば、発光させる発光素子アレイ同士は、２つ以上の発光させない発光素子アレイを間に設けることができる。また、発光させる発光素子アレイは互いに隣接しないようにしてもよい。例えば、発光させる発光素子アレイ同士の間に、１つの発光させない発光素子アレイを間に設けることができる。いずれの構成も、発光位置の偏りを抑制できる。
【００２９】
また、複数の発光素子は２次元マトリクス状に配置されていてもよい。その場合、制御部は、複数の発光素子のうち、発光させる発光素子と、発光させない発光素子の数を変えることで、光源部の発光強度の時間変化の量を制御することができる。そして、前記発光させない発光素子は、互いに隣接しないようにすることができる。また、発光させる発光素子は、互いに隣接しないようにすることができる。いずれの構成も、発光位置の偏りを抑制できる。
【００３０】
［第１実施形態］
図４、５、６は、第１実施形態を説明する図である。第１実施形態では、発光素子の駆動方式を定電流方式とする。制御部７は、図５に示す設定１Ｂが図４に示す設定１Ａの２倍の光量をもつパルス波を出力するようにそれぞれのスイッチ部５を設定する。
【００３１】
図４は、設定１Ａにおけるスイッチ部５と光源部２の詳細を説明するブロック図である。設定１Ａでは、スイッチ５−１ａは１，スイッチ５−１ｂは０、スイッチ５−１ｃは０，スイッチ５−２ａは０，スイッチ５−２ｂは１、スイッチ５−２ｃは１とそれぞれ設定されているため、経路２ａ、２ｄの直列接続となる。設定１Ａの条件で、９０ｎｓの間一定電流を光源部２に対して印加し、その後印加を停止した。このとき、印加時間９０ｎｓはＬＥＤ光量が飽和するのにかかる時間よりも短いとする。
【００３２】
図５は、設定１Ｂにおけるスイッチ部５と光源部２の詳細を説明するブロック図である。設定１Ｂでは、スイッチ５−１ａは１，スイッチ５−１ｂは１、スイッチ５−１ｃは１，スイッチ５−２ａは０，スイッチ５−２ｂは０、スイッチ５−２ｃは０とそれぞれ設定されているため、経路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの直列接続となる。設定１Ｂの条件で、９０ｎｓの間一定電流を光源部２に対して印加し、その後印加を停止した。このとき、印加時間９０ｎｓはＬＥＤ光量が飽和するのにかかる時間よりも短いとする。
【００３３】
図６は、設定１Ａと１Ｂにおける音響波の周波数応答を比較する図である。図６（１Ａ）、図６（１Ｂ）は、それぞれ設定１Ａ、１Ｂの結果を示している。図６（１Ａ）によれば、パルス波の傾きの比（立上がり／立ち下り）は１／４となる。一方、図６（１Ｂ）によれば、パルス波の傾きの比は１／２となる。設定１Ｂの傾きの比が設定１Ａの傾きの比の２倍となるのは、設定１Ａが経路２つ（２ａ、２ｄ）を使用したのに対して、設定１Ｂは経路４つ（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）を使用したためである。この結果、設定１Ｂの総光量が設定１Ａに対して２倍となり、音響波の周波数応答は設定１Ｂの方がより高周波成分を取り出すことができる。
【００３４】
第１実施形態によれば、広い周波数帯域を持つ超音波探触子を用いる場合は、スイッチ部５の設定を切り替えて直列数を増やし、パルスの傾きの比を大きくすればよい。一方、低周波数帯域のみを持つ超音波探触子を用いる場合は、スイッチ部５の設定を切り替えて直列数を減らし、パルスの傾きの比を小さくすればよい。上記の光音響装置において、印加電流を変えることなく、超音波探触子の周波数帯域に応じて設定を容易に切り替えることができる。よって、電流検出器や制御回路などが不要となり、コストダウンをはかることができる。
【００３５】
［第２実施形態］
図７、８、９は、第２実施形態を説明する図である。第１実施形態との違いは、第１実施形態は駆動方式を定電流方式とする一方で、第２実施形態では発光素子の駆動方式を定電圧流方式とする。なお、上記第１実施形態と同一の構成については、同じ符号を使用して説明を省略する。制御部７は、図８に示す設定３Ｂが図７に示す設定２Ａの２倍の光量をもつパルス波を出力するようにそれぞれのスイッチ部５を設定する。
【００３６】
図８は、設定２Ａにおけるスイッチ部５と光源部２の詳細を説明するブロック図である。設定２Ａでは、スイッチ５−１ａは−１，スイッチ５−１ｂは０、スイッチ５−１ｃは０，スイッチ５−２ａは１，スイッチ５−２ｂは１、スイッチ５−２ｃは１とそれぞれ設定されているため、経路２ａ、２ｄの並列接続となる。設定２Ａの条件で、９０ｎｓの間一定電圧を光源部２に対して印加し、その後印加を停止した。このとき、印加時間９０ｎｓはＬＥＤ光量が飽和するのにかかる時間よりも短いとする。
【００３７】
図７は、設定２Ｂにおけるスイッチ部５と光源部２の詳細を説明するブロック図である。設定２Ｂでは、スイッチ５−１ａは−１，スイッチ５−１ｂは−１、スイッチ５−１ｃは−１，スイッチ５−２ａは１，スイッチ５−２ｂは１、スイッチ５−２ｃは１とそれぞれ設定されているため、経路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの並列接続となる。設定２Ｂの条件で、９０ｎｓの間一定電圧を光源部２に対して印加し、その後印加を停止した。このとき、印加時間９０ｎｓはＬＥＤ光量が飽和するのにかかる時間よりも短いとする。
【００３８】
図９は、設定２Ａと２Ｂにおける音響波の周波数応答を比較する図である。図９（２Ａ）、図９（２Ｂ）は、それぞれ設定１Ａ、１Ｂの結果を示している。図９（１Ａ）によれば、パルス波の傾きの比（立上がり／立ち下り）は１／４となる。一方、図９（１Ｂ）によれば、パルス波の傾きの比は１／２となる。設定２Ｂの傾きの比が設定２Ａの傾きの比の２倍となるのは、設定２Ａが２つの経路（２ａ、２ｄ）を使用したのに対して、設定２Ｂは４つの経路（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）を使用したためである。この結果、設定２Ｂの総光量が設定２Ａに対して２倍となり、音響波の周波数応答は設定２Ｂの方がより高周波成分を取り出すことができる。
【００３９】
第２実施形態によれば、広い周波数帯域を持つ超音波探触子を用いる場合は、スイッチ部５の設定を切り替えて並列に接続されるＬＥＤアレイの数を増やし、パルスの傾きの比を大きくすればよい。一方、低周波数帯域のみを持つ超音波探触子を用いる場合は、スイッチ部５の設定を切り替えて並列数を減らし、パルスの傾きの比を大きくすればよい。上記の光音響装置において、印加電圧を変えることなく、超音波探触子の周波数帯域に応じて設定を容易に切り替えることができる。よって、電圧検出器や制御回路などが不要となり、コストダウンをはかることができる。
【符号の説明】
【００４０】
Ｌ  光
ＰＡ  音響波
１  被検体
２  光源部
２ａ〜ｄ  経路
３  音響波検出器
４  駆動回路部
５  スイッチ部
５−１ａ〜ｃ、５−２ａ〜ｃ  スイッチ
６  情報取得部（信号処理部）
７  制御部
８  メモリー
９  入力部
【図１】
2019080814.tif 000003
【図２】
2019080814.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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