(57)【要約】      （修正有）【課題】光音響プローブにおいて半導体発光素子を効率よく駆動させる構造を提供する。【解決手段】光源基板と、光源基板から発せられた光により被検体から発生する音響波を受信して、電気信号に変換する探触子と、を有する光音響プローブであって、光源基板は、直列に接続された複数の半導体発光素子を含んで構成される発光素子群２００Ａが第一の面に実装され、発光素子群の一端に接続されたリターン配線２００ＢＰが、第一の面の反対にある第二の面に実装され、半導体発光素子の通電状態によらず、リターン配線の電位が一定であることを特徴とする。【選択図】図３
2019033800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源基板と、前記光源基板から発せられた光により被検体から発生する音響波を受信して、電気信号に変換する探触子と、を有する光音響プローブであって、
前記光源基板は、
直列に接続された複数の半導体発光素子を含んで構成される発光素子群が第一の面に実装され、
前記発光素子群の一端に接続されたリターン配線が、前記第一の面の反対にある第二の面に実装され、
前記半導体発光素子の通電状態によらず、前記リターン配線の電位が一定である
ことを特徴とする、光音響プローブ。
【請求項２】
前記光源基板において、
前記発光素子群の前記リターン配線が接続されていない端部と、前記リターン配線の前記発光素子群が接続されていない端部とが、前記光源基板の一端において表裏に対向して配置されている
ことを特徴とする、請求項１に記載の光音響プローブ。
【請求項３】
前記光源基板において、
前記発光素子群の、前記リターン配線が接続されていない端部に、前記半導体発光素子にパルス電圧を印加するためのスイッチング素子が接続され、
前記リターン配線の、前記発光素子群が接続されていない端部に、電源電圧または接地電圧が印加される
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の光音響プローブ。
【請求項４】
前記光源基板の前記第二の面に、絶縁体を介して放熱機構が接している
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の光音響プローブ。
【請求項５】
前記光源基板において、
前記第二の面に配置された前記リターン配線の、前記発光素子群に接続される端部に、前記半導体発光素子を駆動するための素子が設けられている
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の光音響プローブ。
【請求項６】
前記光源基板において、
前記半導体発光素子を少なくとも一回発光させるために必要な電荷を蓄電可能なコンデンサが設けられている
ことを特徴とする、請求項５に記載の光音響プローブ。
【請求項７】
前記光源基板において、
前記第二の面に配置された前記リターン配線の、前記発光素子群に接続される端部に、インダクタが設けられている
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の光音響プローブ。
【請求項８】
直列に接続された複数の半導体発光素子からなる発光素子群が第一の面に実装され、
前記発光素子群の一端に接続されたリターン配線が、前記第一の面の反対にある第二の面に実装された光源基板であって、
前記半導体発光素子の通電状態によらず、前記リターン配線の電位が一定である
ことを特徴とする、光源基板。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の光音響プローブと、
前記電気信号に基づいて前記被検体内の特性情報を取得する情報処理手段と、
を有することを特徴とする、光音響装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響効果を利用して被検体の情報を取得する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において、被検体内の構造情報や、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、光音響トモグラフィ（ＰＡＴ：Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が提案されている。
レーザ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。ＰＡＴ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を取得することができる。
【０００３】
光音響トモグラフィを利用した装置においては、被検体に照射する光を発生させる光源が必要となる。これに関連する発明として、例えば、特許文献１には、プリント基板に半導体発光素子を複数実装し、反対側の面に放熱機構を設けた光源が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−２９２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された光源のように、半導体発光素子と放熱機構が近接している場合、キャパシタが形成され、容量結合が発生してしまう場合がある。一方、光音響装置においては、光源にパルス電圧が印加されるため、基板上の電位が高速で変動する。このような場合、エネルギーが放熱機構側へ漏出してしまい、所望のパルス波形が得られなくなるという問題が発生しうる。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子を効率よく駆動させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る光音響プローブは、
光源基板と、前記光源基板から発せられた光により被検体から発生する音響波を受信して、電気信号に変換する探触子と、を有する光音響プローブであって、前記光源基板は、直列に接続された複数の半導体発光素子を含んで構成される発光素子群が第一の面に実装され、前記発光素子群の一端に接続されたリターン配線が、前記第一の面の反対にある第二の面に実装され、前記半導体発光素子の通電状態によらず、前記リターン配線の電位が一定であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る光源基板は、
直列に接続された複数の半導体発光素子からなる発光素子群が第一の面に実装され、前記発光素子群の一端に接続されたリターン配線が、前記第一の面の反対にある第二の面に実装された光源基板であって、前記半導体発光素子の通電状態によらず、前記リターン配
線の電位が一定であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体発光素子を効率よく駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る光音響装置のシステム構成図。
【図２】実施形態に係るプローブ１８０の模式図。
【図３】第一の実施形態における光源部および駆動部の構成図。
【図４】第一の実施形態における光源部および駆動部の配線図。
【図５】コネクタの接触子部分の構造図。
【図６】第一の実施形態の変形例を説明する図。
【図７】第二の実施形態における光源部および駆動部の構成図。
【図８】第二の実施形態における光源部および駆動部の配線図。
【図９】第三の実施形態における光源部および駆動部の構成図。
【図１０】第三の実施形態における光源部および駆動部の配線図。
【図１１】第三の実施形態の変形例における光源部および駆動部の構成図。
【図１２】第三の実施形態の変形例における光源部および駆動部の配線図。
【図１３】第四の実施形態における光源部および駆動部の構成図。
【図１４】第四の実施形態における光源部および駆動部の配線図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、形状およ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る。よって、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。
【００１２】
本発明は、被検体から伝搬する音響波を検出し、被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本発明は、光音響装置（被検体情報取得装置）またはその制御方法、あるいは被検体情報取得方法として捉えられる。
【００１３】
本発明に係る光音響装置（被検体情報取得装置）は、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体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。この場合、特性情報とは、光音響波を受信することにより得られる受信信号を用いて生成される、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値の情報である。
【００１４】
光音響測定により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収率を反映した値である。例えば、光照射によって生じた音響波の発生源、被検体内の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や吸収係数、組織を構成する物質の濃度を含む。
また、異なる複数波長の光によって発生する光音響波に基づいて、被検体を構成する物質の濃度といった分光情報が得られる。分光情報は、酸素飽和度、酸素飽和度に吸収係数等の強度を重み付けした値、トータルヘモグロビン濃度、オキシヘモグロビン濃度、またはデオキシヘモグロビン濃度であってもよい。また、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、または脂肪や水の体積分率であってもよい。
【００１５】
被検体内の各位置の特性情報に基づいて、二次元または三次元の特性情報分布が得られる。分布データは画像データとして生成され得る。特性情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として求めてもよい。すなわち、初期音圧分布、エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報である。
【００１６】
本明細書における音響波とは、典型的には超音波であり、音波、光音響波と呼ばれる弾性波を含む。探触子等により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼ぶ。ただし、本明細書における超音波または音響波という記載には、それらの弾性波の波長を限定する意図はない。光音響効果により発生した音響波は、光音響波または光超音波と呼ばれる。光音響波に由来する電気信号を光音響信号とも呼ぶ。なお、本明細書において、光音響信号とは、アナログ信号とデジタル信号の双方を含む概念である。分布データは、光音響画像データや再構成画像データとも呼ばれる。
【００１７】
本発明は、複数の半導体発光素子から照射された光に起因して発生する光音響波を光音響信号に変換する光音響装置の光源部の実装方法に関する。特に、放熱を良好としながら、不要輻射の低減や、所望の駆動波形の実現が可能となる実装形を要旨とする発明である。
【００１８】
（第一の実施形態）
<システム構成>
第一の実施形態に係る光音響装置は、被検体にパルス光を照射し、被検体内において発生した光音響波を受信することで被検体内の血管画像（構造画像）を生成する装置である。
以下、図１を参照して、第一の実施形態に係る光音響装置の構成を説明する。第一の実施形態に係る光音響装置は、プローブ１８０、信号収集部１４０、コンピュータ１５０、表示部１６０、入力部１７０を有して構成される。プローブ１８０は、光源部２００、駆動部３００、受信部１２０を含む。
【００１９】
ここで、被検体に対する光音響計測の概要について説明する。
まず、駆動部３００が、複数の半導体発光素子が実装された光源部２００を制御してパルス光を発生させ、被検体に照射する。これにより、被検体１００からは音響波が周期的に発生する。なお、信号のＳ／Ｎ比を向上するため、パルス光を複数回発光し、得られた信号を加算することが望ましい。
【００２０】
受信部１２０は、被検体１００から発生した光音響波を受信して、アナログの電気信号を出力する。そして、信号収集部１４０が、受信部１２０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、コンピュータ１５０に出力する。
【００２１】
コンピュータ１５０は、各々の発光において信号収集部１４０から出力されたデジタル信号を、光音響波に由来する電気信号として不図示の記憶部に記憶する。なお、Ｓ／Ｎ比向上のために、光パルスを複数回発光して得られた信号を加算平均してもよい。
また、コンピュータ１５０は、記憶部に記憶されたデジタル信号に対して画像再構成などの処理を行うことにより、光音響画像データを生成する。光音響画像データは、表示部１６０で表示される。
【００２２】
装置のユーザ（医師や技師等）は、表示部１６０に表示された光音響画像を確認することにより、診断を実施できる。表示画像は、ユーザやコンピュータ１５０からの保存指示に基づいて、コンピュータ１５０内のメモリや、光音響装置とネットワークで接続されたデータ管理システムなどに保存されてもよい。装置のユーザは、入力部１７０を介して装置に対する入力を行うことができる。
【００２３】
続いて、各構成要素の詳細について説明する。
<<プローブ１８０>>
図２（Ａ）は、本実施形態に係るプローブ１８０の模式図である。プローブ１８０は、
光源部２００、駆動部３００、受信部１２０、ハウジング１８１を含む。
ハウジング１８１は、光源部２００、駆動部３００、受信部１２０を収納する筺体である。ユーザは、ハウジング１８１を把持することにより、プローブ１８０をハンドヘルド型プローブとして利用できる。
ハウジング１８１は、後述するように、熱伝導性の高い材料を用い放熱機構を兼ねてもよい。光源部２００は、光パルスを被検体に照射する光源である。光源部２００は前述したように、駆動部３００により駆動され、光パルスを発光する。なお、図中のＸＹＺ軸は、プローブを静置した場合の座標軸を示すものであり、プローブ使用時の向きを限定するものではない。
図２（Ａ）に示すプローブ１８０は、ケーブル１８２を介して、信号収集部１４０と接続されている。ケーブル１８２は、光源部２００に電力を供給する配線や、発光制御信号を伝送する配線、受信部１２０から出力されたアナログ信号を信号収集部１４０に出力する配線などを含む（いずれも不図示）。なお、ケーブル１８２にコネクタを設け、プローブ１８０と光音響装置のその他の構成とを脱着可能な構成としてもよい。
【００２４】
<<光源部２００>>
光源部２００は、被検体１００に照射する光を発生させる手段である。
図２（Ｂ）に、光源部２００のＹ−Ｚ断面図を示す。光源部２００においては、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂが、プリント基板２００−ＢＤの片面に実装されている。半導体発光素子２００Ａ，２００Ｂは機械的に弱く、破損しやすいため、透明な保護カバー２０２で覆われている。また、プリント基板２００−ＢＤの、半導体発光素子２００Ａ，２００Ｂを実装していない面には、絶縁体を介して放熱板２０３が設置される。放熱板２０３はハウジング１８１を用いた放熱機構であってもかまわない。また、ヒートパイプ等を用い放熱を行う機構であってもよい。光源部２００は、故障時に容易に交換可能なように、コネクタ等で電気的に接続されると良い。光源部の詳細は、後述する。
【００２５】
なお、図２（Ａ）では、光源部２００が受信部１２０の片側にのみ設置されているが、受信部１２０を挟み、対向して設置されていてもよい。このような構造であれば、より被検体に均一に光パルスを照射できる。
本実施形態では、１６個のレーザダイオードを使用する例を挙げるが、半導体発光素子の数は必要な光量により増減してもよい。また、被検体に良好に光パルスを照射できれば、光源部２００はプローブの形状等の条件によりどのような配置で実装してもかまわない。
また、半導体発光素子の種類もレーザダイオード（ＬＤ）に限るものではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。半導体発光素子の種類や個数は必要な光強度から決定する。
【００２６】
光源部２００が発光する光のパルス幅は、例えば１０ナノ秒以上、１マイクロ秒以下である。また、光源部２００の光の波長としては、４００ｎｍ以上、１６００ｎｍ以下であることが好ましいが、これ以外の波長であってもよい。波長は、画像化したい光吸収体の光吸収特性に応じて決定するとよい。例えば、血管を高解像度でイメージングする場合は、血管における吸収が大きい波長（４００ｎｍ以上、８００ｎｍ以下）を用いてもよい。また、生体の深部をイメージングする場合には、生体の背景組織（水や脂肪など）において吸収が少ない波長（７００ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下）の光を用いてもよい。
【００２７】
<<駆動部３００>>
駆動部３００は、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタを用いて、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂを駆動する（すなわち、電流を制御して発光させる）手段である。前述したように、光音響装置に用いる光パルス幅は１０ナノ秒以上、１マイクロ秒以下であり、この時間内に１０Ａ程度の大電流を流す必要がある。そのため、回路
上に微小なインダクタンス成分があると、駆動波形がなまり、所望の電流値で半導体発光素子２００Ａ，２００Ｂを駆動できなくなるおそれがある。すなわち、インダクタンス成分を極力小さくする必要がある。このための方法、および駆動部３００の詳細は、光源部２００の実施形態とともに後述する。
【００２８】
<<受信部１２０>>
受信部１２０は、パルス光に起因して発生する光音響波を受信して電気信号を出力するトランスデューサ（音響波検出素子）と、トランスデューサを支持する支持体と、からなるユニットである。
トランスデューサを構成する部材として例えば、圧電材料、静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、ファブリペロー干渉計を用いたトランスデューサなどが挙げられる。また、圧電材料として、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミック材料や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電膜材料が挙げられる。
トランスデューサにより得られる電気信号は時間分解信号である。すなわち、得られた電気信号の振幅は、各時刻にトランスデューサで受信された音圧に基づく値（例えば、音圧に比例した値）となる。
【００２９】
なお、トランスデューサには、光音響波を構成する周波数成分（典型的には１００ＫＨｚから１０ＭＨｚ）を検出できるものを用いることが好ましい。また、支持体に複数のトランスデューサを並べて配置して、１Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ、１．７５Ｄアレイ、または２Ｄアレイと呼ばれるような平面や曲面を形成してもよい。
また、受信部１２０が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を増幅する増幅器を備えてもよい。また、受信部１２０が、トランスデューサから出力される時系列のアナログ信号を時系列のデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を備えてもよい。すなわち、受信部１２０が信号収集部１４０を兼ねていてもよい。
【００３０】
<<信号収集部１４０>>
信号収集部１４０は、光源部２００の発光ごとに受信部１２０から出力されたアナログの電気信号を増幅するアンプと、アンプから出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを含む。信号収集部１４０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）チップなどで構成されてもよい。
【００３１】
受信部１２０にアレイ状に配置された複数のトランスデューサが出力したアナログ信号は、各々に対応する複数のアンプにより増幅され、各々に対応する複数のＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換のレートは、入力される信号の帯域の少なくとも２倍以上であることが好ましい。例えば、光音響波を構成する周波数成分が１００ＫＨｚから１０ＭＨｚである場合、Ａ／Ｄ変換レートは２０ＭＨｚ以上、望ましくは４０ＭＨｚ以上となる。
【００３２】
信号収集部１４０は、ハウジング１８１の内部に配置してもよい。このような構成とすることで、プローブ１８０とコンピュータ１５０との間の情報をデジタル信号で伝搬できるため、耐ノイズ性が向上する。また、アナログ信号を伝送する場合に比べ、配線数を少なくすることが可能となり、プローブ１８０の操作性が向上する。
【００３３】
<<コンピュータ１５０>>
コンピュータ１５０は、演算部、記憶部、制御部（いずれも不図示）を含む演算手段（本発明における情報処理手段）である。演算部としての演算機能を担うユニットは、ＣＰＵやＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）チップ等の演算回路で構成できる。これらのユニットは、単一のプロセッサや演算回路から構成されて
もよいし、複数のプロセッサや演算回路から構成されてもよい。
例えば、コンピュータ１５０は、駆動部３００に対して、光源部２００から発せられる光のパルス幅やパルス形状を設定する。
【００３４】
コンピュータ１５０は、複数のトランスデューサの各々について、以下のような処理を行う。
コンピュータ１５０は、まず、パルス光の発光ごとに信号収集部１４０から出力される複数のデジタル信号（光音響信号）について、発光時刻を基準とする同時刻のデータを加算平均する。加算平均された光音響信号は、合成後の光音響信号として記憶部に記憶される。
そして、演算部が、記憶部に記憶された合成後の光音響信号に基づいて、画像の再構成を行い、光音響画像（構造画像や機能画像）の生成や、その他の演算処理を実行する。なお、演算部は、被検体内部の音速や保持部の構成などの各種パラメータを、入力部１７０を介して取得してもよい。
【００３５】
演算部が光音響信号を光音響画像（例えば３次元のボリュームデータ）に変換する際の再構成アルゴリズムには、タイムドメインでの逆投影法、フーリエドメインでの逆投影法、モデルベース法（繰り返し演算法）など、任意の手法を採用できる。タイムドメインでの逆投影法として、ユニバーサルバックプロジェクション（ＵＢＰ）、フィルタードバックプロジェクション（ＦＢＰ）、または整相加算（ディレイアンドサム）などが挙げられる。
【００３６】
記憶部は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性のメモリや、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）、磁気ディスクやフラッシュメモリなどの非一時記憶媒体により構成される。なお、プログラムが格納される記憶媒体は、非一時記憶媒体である。記憶部は、複数の記憶媒体から構成されてもよい。
記憶部は、加算平均された光音響信号や、演算部により生成される光音響画像データ、光音響画像データに基づいた再構成画像データなど、各種のデータを保存できる。
【００３７】
制御部は、光音響装置の各構成要素の動作を制御する手段であり、ＣＰＵなどの演算素子で構成される。制御部は、光パルスの発光制御信号や光パルス波形の設定信号を駆動部３００に送信し、これにより、指定された光パルス波形で半導体発光素子は発光し、被検体を照射する。
また、制御部は、記憶部に格納されたプログラムコードを読み出し、光音響装置の各構成要素の動作を制御する。
また、制御部は表示部１６０に出力する画像の調整などを行う。例えば、必要に応じて、得られた光音響画像データに対して表示のための画像処理やＧＵＩのためのグラフィックを合成する処理を行ってもよい。これにより、プローブの移動と光音響測定に伴い順次、酸素飽和度分布画像が表示される。
【００３８】
コンピュータ１５０は、専用に設計されたワークステーションであってもよく、汎用的なＰＣやワークステーションを、記憶部に格納されたプログラムに従って動作させるものであってもよい。また、コンピュータ１５０の各構成は異なるハードウェアによって構成されてもよい。また、コンピュータ１５０の少なくとも一部の構成は単一のハードウェアで構成されてもよい。
【００３９】
<<表示部１６０>>
表示部１６０は、液晶ディスプレイや有機ＥＬなどのディスプレイであり、コンピュータ１５０により得られた被検体情報（例えば構造情報や機能情報）を表す画像や、特定位置の数値等を表示する装置である。表示部１６０は、画像や装置を操作するためのＧＵＩ
を表示してもよい。なお、表示部１６０に出力される画像は、コンピュータ１５０や表示部１６０によって処理（輝度値の調整等）されてもよい。
【００４０】
<<入力部１７０>>
入力部１７０は、指示や数値などの入力をユーザから取得する手段である。入力部１７０は、例えば、ユーザが操作可能なマウスやキーボード等で構成される操作コンソールであってもよい。なお、表示部１６０としてタッチパネルを利用する場合、表示部１６０が入力部１７０を兼ねてもよい。ユーザは、入力部１７０を用いて測定開始や終了、画像の保存指示などの操作を行うことができる。また、入力部１７０が、被検体内部における音速や、保持部の構成などに関する各種パラメータ入力を取得し、コンピュータ１５０が当該情報を利用して処理を行うようにしてもよい。
【００４１】
以上に説明した、光音響装置の各構成要素は、それぞれ別の装置として構成されてもよいし、全てが一体となった構成であってもよい。また、光音響装置の少なくとも一部の構成が一体となり、残りが別の装置によって構成されてもよい。
【００４２】
<<被検体１００>>
被検体１００は、本発明に係る光音響装置を構成するものではないが、以下に説明する。本実施形態に係る光音響装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的として使用できる。よって、被検体１００としては、生体、具体的には人体や動物の乳房や各臓器、血管網、頭部、頸部、腹部、手指および足指を含む四肢などの診断の対象部位が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを含む多く含む血管あるいは腫瘍の近傍に形成される新生血管などを光吸収体の対象としてもよい。また、頸動脈壁のプラークなどを光吸収体の対象としてもよい。また、メチレンブルー（ＭＢ）、インドシニアングリーン（ＩＣＧ）などの色素、金微粒子、またはそれらを集積あるいは化学的に修飾した外部から導入した物質を光吸収体としてもよい。また、穿刺針や穿刺針に付された光吸収体を観察対象としてもよい。被検体は、ファントムや試験対象物などの無生物であってもよい。
【００４３】
<光源部の詳細>
次に、第一の実施形態における光源部２００および駆動部３００の構成について、図３を参照して説明する。図１に示したように、光源部２００は、２組の直列接続された半導体発光素子群（２００Ａ，２００Ｂ）から構成されている。半導体発光素子群２００Ａは、８個のレーザダイオード（２００ａ〜２００ｈ）、半導体発光素子群２００Ｂは８個のレーザダイオード（２００ｉ〜２００ｐ）を有して構成される。これらの半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂはプリント基板２００−ＢＤの片面（Ａ面，本発明における第一の面）に実装される。プリント基板２００−ＢＤの反対の面（Ｂ面，本発明における第二の面）には、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂのアノードにパルス電圧を供給するべた配線（リターン配線）２００−ＢＰがパターン実装される。Ａ面とＢ面の配線は、スルーホール２００−ＴＨ１，２００−ＴＨ２により接続される。すなわち、半導体発光素子群の一端が、スルーホールを介してリターン配線に接続されている。
【００４４】
なお、本明細書ではＡ面とＢ面の配線を接続する配線をスルーホールという名称で記載するが、貫通ビアによる方法で作製してもよいし、はとめにより実現してもよい。また、プリント基板外に銅線や銅板等をはんだ付けして、Ａ面とＢ面の配線を接続する形態であってもよい。本明細書では、これらの実装形態をまとめてスルーホールと称する。
【００４５】
また、リターン配線２００−ＢＰは、ひとつの広い面積の平面状の配線としたが、少なくとも、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂと対向する場所にパターンがあればよい。半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂに流れる高周波数成分の駆動電流は、インダクタン
スが小さい部分を流れる。すなわち、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂの裏面に配置されたリターン配線２００−ＢＰに電流が集中する。そのため、リターン配線２００−ＢＰを、ひとつの広い面積の平面状の配線とすることで、インダクタンスを下げる効果が実現できる。また、リターン配線は、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂごとに分割してもよい。
【００４６】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した光源基板のα−β断面である。図１（Ｂ）からわかるように、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂを流れる電流の開口は、プリント基板２００−ＢＤの厚みと長さに比例する。長さに関しては、照明するエリアの関係上、短くすることはできないため、開口を小さくするためにはプリント基板の厚さを薄くすることが効果的である。また、前述したようにＢ面に放熱機構を設けるため、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂから放熱機構への熱抵抗を下げるためには、例えば、プリント基板の厚さを薄くすることが効果的である。例えば、プリント基板は、薄くした場合の強度の点からガラスエポキシ基板が好適である。また、放熱の点からは、薄く作れるフレキシブル基板や、熱抵抗の低いアルミナ基板や、メタルコア基板等が有効である。
【００４７】
図４は、光源基板の配線図である。符号２００−Ｋ１，２００−Ｋ２，２００−Ａ１，２００−Ａ２で示した丸印はプリント基板２００−ＢＤのコネクタの接触子部分に対応する。なお、プリント基板２００−ＢＤに接続するコネクタの接触子部分の符号は省略する。また、点線で示した四角は、プリント基板２００−ＢＤに実装される範囲を示す。符号３００ａ，３００ｂは、ＮｃｈＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタであり、光源部２００の半導体発光素子２００Ａ，２００Ｂに流れる電流をそれぞれ制御する。符号３００ｃは電源であり、光源部２００の半導体発光素子に電力を供給する。電源３００ｃは、プローブがハンドヘルド型である場合、プローブ外部の光音響装置本体に実装され、電力を供給する形態であってもかまわない。この場合は、電源のインピーダンス（インダクタンス成分）を下げるため、プローブ内に不図示のバイパスコンデンサ等を実装するとよい。
トランジスタ３００ａ，３００ｂのゲート電圧を制御することにより光源部２００の半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂに流れる電流を制御することができる。この波形は、同じ波形であってもよいし、異なった波形であってもよい。このような駆動部３００を実現することによって、所望の光パルス波形で半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂを発光させることができる。
【００４８】
コネクタの接触子部分の構造を図５に示す。本実施形態では、基板の端部において表裏に対向して電極が配置されているため、一つのコネクタで複数の端子を接続することができる。このような配置は、インダクタンス成分が減少するため特に有利である。
図５（Ａ）は、最も良好なコネクタ構造を示す図である。当該構造は、プリント基板のＡ面およびＢ面に配置された接触子部分と嵌合した場合に、コネクタの接触子２０１ｃ，２０１ｄとコネクタ端子部２０１ａ，２０１ｂ間に余計な配線長が生じない構造である。すなわち、インダクタンス成分を少なくできる。
一方、図５（Ｂ）に示した構造は、嵌合時に、コネクタの接触子２０１ｃ，２０１ｄとコネクタ端子部２０１ａ，２０１ｂ間に余計な配線長が生じる構造である。この場合、インダクタンス成分がやや大きくなる。半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂの駆動電流波形の立ち上がり、立ち下がり時間が短い場合、やや不利な構造である。
【００４９】
前述したように、Ｂ面に放熱機構を設ける場合、リターン配線２００−ＢＰと放熱機構間との間に容量結合が発生する。リターン配線２００−ＢＰの電圧が変動する場合、リターン配線２００−ＢＰと放熱機構間に電流が流れる。また、この電流によって、外部への不要輻射が発生し、駆動波形が変化する。
そこで、本発明の第一の実施形態に係る光源基板では、リターン配線２００−ＢＰに電源３００ｃの電圧が直接印加するようにした。すなわち、通電状態にかかわらず、リター
ン配線２００−ＢＰの電位が変化することがなくなる。その結果、外部への不要輻射を防止でき、駆動波形の変化を防止することが可能となる。
【００５０】
第一の実施形態の他の形態を図６に示す。
図６（Ａ）はプリント基板２００−ＢＤのコネクタ部分を長手面にて取り出す形態である。このようにすると、長手方向にコネクタを接続しなくて済むため、長手方向の長さを短くできる。特に、プローブ１８０のＸ方向の長さに制限がある場合に有効である。このようなプリント基板の形状は、フレキシブル基板を用いることができない場合に有効である。
【００５１】
図６（Ｂ）は、半導体発光素子群２００Ａと半導体発光素子群２００Ｂの向きを逆にした形態である。このような形態の場合、半導体発光素子群２００Ａと半導体発光素子群２００Ｂに流れる電流の向きが逆になるため、発生する磁界が相殺され、さらに良好に不要輻射の低減が行える。
図６（Ｃ）は、半導体発光素子群２００Ａと半導体発光素子群２００Ｂの向きを逆にし、さらに、プリント基板２００−ＢＤのコネクタ部分を長手面取り出しにした形態である。前述した両方の特長を有する。
【００５２】
以上説明したように、第一の実施形態によれば、リターン配線の電位を一定に保ったまま半導体発光素子群を駆動することが可能になる。すなわち、リターン配線と放熱機構との間に容量結合が発生しなくなるため、不要輻射を低減することができ、所望の駆動波形で半導体発光素子を駆動させることができるようになる。
【００５３】
（第二の実施形態）
次に本発明の第二の実施形態を説明する。第二の実施形態の光音響装置の構成は第一の実施形態と同様であり、光源基板の構成のみが異なる。第二の実施形態の光源部２００の実装形態を図７に、光源部２００と駆動部３００の回路を図８に示す。
【００５４】
第二の実施形態に係る光源基板は、ＮｃｈＭＯＳＦＥＴの代わりにＰｃｈＭＯＳＦＥＴを用いる点と、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂのアノードとカソードの向きが逆に実装されるという点において、第一の実施形態と相違する。
図８において、符号２００−Ｋ１，２００−Ｋ２，２００−Ａ１，２００−Ａ２で示した丸印はプリント基板２００−ＢＤのコネクタの接触子部分に対応する。
符号３００ｄ、３００ｅは、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタであり、光源部２００の半導体発光素子２００Ａ，２００Ｂに流れる電流をそれぞれ制御する。
第二の実施形態においても、第一の実施形態と同様に、トランジスタ３００ｄ，３００ｅのゲート電圧を制御することにより、光源部２００の半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂに流れる電流を制御することができる。
【００５５】
図７および図８を見てわかるように、第二の実施形態では、リターン配線２００−ＢＰが接地電圧となる。すなわち、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂに流れる電流によらず、電圧の変化は無い。よって、第一の実施形態と同様に、リターン配線２００−ＢＰの電位が高い周波数で変化することがない。したがって、第一の実施形態と同様に、不要輻射を低減することができ、所望の駆動波形で半導体発光素子を駆動させることができるようになる。
なお、第一の実施形態で説明したコネクタ部分の配置も、第二の実施形態に適用できる。
【００５６】
（第三の実施形態）
次に、本発明の第三の実施形態を説明する。第三の実施形態に係る光音響装置の構成は
第一の実施形態と同様であり、光源基板の構成のみが異なる。第三の実施形態の光源部２００の実装形態を図９に、光源部２００と駆動部３００の回路を図１０に示す。
点線で示した四角内の部品が、プリント基板２００−ＢＤに実装される部品を表す。すなわち、第三の実施形態は、駆動部３００の一部の回路がプリント基板２００−ＢＤに実装される実施形態である。
【００５７】
図９に示した様に、第三の実施形態における光源部２００は、第一の実施形態と同様に、２組の半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂから構成されている。これらの半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂは、プリント基板２００−ＢＤの片面（Ａ面）に実装される。
また、Ｂ面には、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂのカソードに電圧を供給するＮｃｈＭＯＳＦＥＴ（３００ａ，３００ｂ）が挿入される。Ａ面とＢ面の配線は、スルーホール２００−ＴＨ１および２００−ＴＨ２により接続される。
【００５８】
ＮｃｈＭＯＳＦＥＴ（３００ａ，３００ｂ）のソース電極は、プリント基板２００−ＢＤのＢ面に実装されたＧＮＤ配線２００−ＧＰに接続される。ＧＮＤ配線２００−ＧＰは半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂに流れる電流が戻る配線、すなわち、リターン配線でもある。図では、ＧＮＤ配線２００−ＧＰを、ひとつの広い面積の平面状の配線としたが、少なくとも、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂの対向する場所にパターンがあればよい。また、ＧＮＤ配線２００−ＧＰは、半導体発光素子群ごとに分割して設けてもよい。
【００５９】
また、第三の実施形態では、開口部の面積をより少なくするため、バイパスコンデンサ２００−Ｃを実装する。バイパスコンデンサ２００−Ｃの容量は、光源部が一回発光するのに要する電荷を蓄電可能な容量以上とするのが望ましい。なお、プリント基板２００−ＢＤの外部に、より大きな容量のバイパスコンデンサ２００−Ｃを設けてもよい。
バイパスコンデンサ２００−Ｃを実装することにより、高い周波数成分の電流が少なくなる。よって、光源部２００に電力を供給するコネクタとして、前述した様なカードエッジコネクタを必ずしも使う必要はない。
【００６０】
第三の実施形態では、Ｂ面に配置されたリターン配線であるＧＮＤ配線２００−ＧＰが接地電圧になる。したがって、第一および第二の実施形態と同様に、リターン配線と放熱機構との間に交流電流が流れることが無い。
【００６１】
（第三の実施形態の変形例）
第三の実施形態ではＮｃｈＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＰｃｈＭＯＳＦＥＴを採用することも可能である。図１１は、本変形例における光源部２００の実装形態を表す図であり、図１２は、光源部２００と駆動部３００の回路を表す図である。本変形例では、Ｂ面のリターン配線が電源配線２００−ＰＰとなり、電源電圧が印加される。
【００６２】
（第四の実施形態）
次に本発明の第四の実施形態を説明する。第四の実施形態の光音響装置の構成は第一の実施形態と同様であり、光源基板の構成のみが異なる。第四の実施形態の光源部２００の実装形態を図１３に、光源部２００と駆動部３００の回路を図１４に示す。
【００６３】
第四の実施形態では、プリント基板２００−ＢＤの他方の面（Ｂ面）に、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂのアノードに電圧を供給するインダクタ３００ｆおよび３００ｇが実装される。Ａ面とＢ面の配線は、スルーホール２００−ＴＨ１および２００−ＴＨ２により接続される。
【００６４】
インダクタ３００ｆ，３００ｇの他の電極は、プリント基板２００−ＢＤのＢ面に実装
されたリターン配線２００−ＢＰに接続される。さらにダイオード３００ｈ，３００ｉがＢ面に実装され、リターン配線２００−ＢＰと半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂのカソード間に接続される。
【００６５】
符号３００ａ，３００ｂは、例えばＮｃｈＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタであり、それぞれ光源部２００の半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂに流れる電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する。
符号３００ｆ，３００ｇはインダクタであり、例えば、コイルや、プリント基板の配線等で実現する。半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂを異なるパルス幅で制御する場合、インダクタ３００ｆ，３００ｇのインダクタンスを異なるよう設計する。具体的には、パルス幅が短くなるにつれて、インダクタンスを小さくするとよい。
符号３００ｈ，３００ｉはダイオードであり、トランジスタ３００ａ，３００ｂがＯＦＦになった際に、インダクタ３００ｆ，３００ｇから半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂに流れる電流を、インダクタ３００ｆ，３００ｇに戻す役割を果たす。
【００６６】
符号３００ｊは可変電圧電源である。ここで、各々のパルス幅を設定可能にする場合、可変電圧電源３００ｊを２系統とし、独立に電圧を設定できるようにしてもよい。また、ハンドヘルド型プローブを採用する場合、可変電圧電源３００ｊは、プローブ外部の光音響装置本体に実装してもよい。この場合、電源のインピーダンス（インダクタンス成分）を下げるため、プローブ内に不図示のバイパスコンデンサ等を実装してもよい。
【００６７】
トランジスタ３００ａがＯＮになると、半導体発光素子群２００Ａの順方向電圧の和の電圧とトランジスタ３００ａのドレイン―ソース間の電圧の合計と、可変電圧電源３００ｊの出力電圧との差の電圧が、インダクタ３００ｆに印加される。インダクタ３００ｆに流れる電流の傾きは、インダクタ３００ｆに加わる電圧と、インダクタ３００ｆのインダクタンスによって決定される。すなわち、インダクタンスが固定である場合、可変電圧電源３００ｊの電圧を高くすれば、インダクタ３００ｆに流れる電流の傾きを大きくできる。すなわち、半導体発光素子群２００Ａに流れる電流の傾きを制御できる。換言すると、光パルスの立ち上がり波形を決定することができる。
【００６８】
トランジスタ３００ａがＯＦＦになると、インダクタ３００ｆに加わる電圧は、半導体発光素子群２００Ａの順方向電圧の和とダイオード３００ｈの順方向電圧の合計となる。この電圧とインダクタ３００ｆのインダクタンスによって、インダクタ３００ｆに流れる電流の傾きが決まる。すなわち、光パルスの立ち下がり波形が決まる。
例えば、トランジスタ３００ａがＯＮである際のドレイン―ソース間電圧や、ダイオード３００ｈの順方向電圧が、半導体発光素子群２００Ａの順方向電圧の和の電圧より十分小さい場合を考える。この場合、可変電圧電源３００ｊの出力電圧を、半導体発光素子群２００Ａの順方向電圧の和の電圧の２倍に設定すれば、半導体発光素子群２００Ａに流れる電流の立ち上がり波形と立ち下がり波形の傾きを同じにできる。すなわち、光パルス波形の立ち上がり波形と立ち下がり波形の傾きをほぼ同じにできる。
また、ダイオード３００ｈのアノードをインダクタ３００ｆの他方の電極に接続することによって、トランジスタ３００ａをＯＦＦした際に、半導体発光素子群２００Ａに流れる電流の立ち下がり時間を短くすることもできる。この様に、インダクタ３００ｆと可変電圧電源３００ｊを用いて、所望の光パルス波形を得ることが可能となる。
【００６９】
同様に、半導体発光素子群２００Ｂに流れる電流の立ち上がり波形と立ち下がり波形の傾き、すなわち光パルス波形も、インダクタ３００ｇと可変電圧電源３００ｊを用いて、所望の波形に制御できる。
【００７０】
第四の実施形態では、Ｂ面に配置されたリターン配線２００−ＢＰが電源電圧になる。
したがって、他の実施形態と同様に、リターン配線と放熱機構との間に交流電流が流れることが無い。
なお、第四の実施形態においても、スイッチングトランジスタとしてＮｃｈＭＯＳＦＥＴを採用することができる。この場合、リターン配線が接地電圧になる。
【００７１】
（その他の実施形態）
なお、各実施形態の説明は本発明を説明する上での例示であり、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更または組み合わせて実施することができる。
例えば、本発明は、上記特徴の少なくとも一部を含む光音響プローブ、光源基板、光音響装置として実施することもできる。上記処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。
【００７２】
例えば、実施形態の説明では、半導体発光素子群２００Ａ，２００Ｂは各８個のレーザダイオードを直列接続して光源を構成したが、接続するレーザダイオードの数はこれに限られない。また、半導体発光素子群も二組に限らない。例えばより多くの構成であってもよい。半導体発光素子の数や、半導体発光素子群の数は、必要な光量やレーザダイオードを駆動する電流波形の種類、トランジスタの定格等に基づいて決定することができる。
【００７３】
また、光源２００が発光する光の波長は、複数の波長であってもよい。複数の波長を用いた場合、機能情報としての酸素飽和度を算出することができる。例えば、撮像フレームレート毎に２波長を交互に切り換えて光音響信号を取得し、再構成画像データをそれぞれ算出したうえで、酸素飽和度を求めることができる。また、本発明の光音響装置に、トランスデューサから超音波を送信し反射波による測定を行う機能を追加実現してもよい。この場合、もちろん、光源部２００は発光しない。
【００７４】
また、実施形態の説明では、ハンドヘルド型プローブと光音響装置本体とを配線によって接続した装置を例示したが、ハンドヘルド型プローブをバッテリ駆動とし、光音響信号を光音響装置本体に無線により送信してもよい。このように本発明は、ハンドヘルド型プローブ単体として実施してもよいし、光源基板単体として実施してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１２０：受信部、１４０：信号収集部、１５１：演算部、２００：光源部、２１０：ドライバ部
【図１】
2019033800.tif 000003
【図２】
2019033800.tif 000004
【図３】
2019033800.tif 000005
【図４】
2019033800.tif 000006
【図５】
2019033800.tif 000007
【図６】
2019033800.tif 000008
【図７】
2019033800.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019033800.tif 000011
【図１０】
2019033800.tif 000012
【図１１】
2019033800.tif 000013
【図１２】
2019033800.tif 000014
【図１３】
2019033800.tif 000015
【図１４】
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