光音響画像化装置および光音響画像化装置の故障検知方法
【課題】光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、光ファイバの断線や劣化を効率良く検知できるようにする。
【解決手段】光を伝搬させる光ファイバ１３０の先端部および圧電素子１３１が配置されてなるプローブ１０３を備えた光音響画像化装置において、圧電素子１３１の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段を設ける。
【解決手段】光を伝搬させる光ファイバ１３０の先端部および圧電素子１３１が配置されてなるプローブ１０３を備えた光音響画像化装置において、圧電素子１３１の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響画像化装置すなわち、生体組織に光を照射し、光照射に伴って発生する音響波に基づいて生体組織を画像化する装置に関するものである。
【０００２】
また本発明は、その種の光音響画像化装置において故障を検知する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体内に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波（音響信号）を発生する。そこで、この音響波を超音波プローブなどで検出し、その検出信号に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。
【０００４】
そのような光音響画像化装置においては、特許文献１にも記載されているように、光を伝搬させる複数の光ファイバの先端部および圧電素子が１次元あるいは２次元に配列されてなるプローブ（探触子）を用いることが考えられている。その種のプローブにおいては、複数の光ファイバの先端部から生体組織に向けてレーザ光等の光が射出され、この光を受けた生体組織から発生した音響波が複数の圧電素子によって検出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata, Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の光ファイバは、レーザ光源等の光源からプローブまで光を伝搬させるものであるが、プローブの使用を重ねるうちに断線したり、あるいは劣化したりする可能性がある。光ファイバがそのような状態になったまま光音響画像を取得すると、断線あるいは劣化した光ファイバの近くではその他の部分と比べて、生体組織に対する照射光量が落ちるので、得られる光音響画像は生体組織の状態を不正に示すものとなってしまう。しかし従来の光音響画像化装置では、このような光ファイバの断線あるいは劣化を効率良く検知する対策は施されていなかった。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光等の光を伝搬させる光ファイバの断線あるいは劣化を効率良く検知することができる方法、およびその方法を実施可能な光音響画像化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光音響画像化装置の故障検知方法は、前述したように、光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化に基づいて光ファイバの断線あるいは劣化を検知することを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記の方法を実施する本発明の光音響画像化装置は、前述したように、光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の光音響画像化装置においては、検出された上記出力電圧の変化を表示する手段が設けられることが望ましいが、それに限らず、この出力電圧の変化が光ファイバの断線や劣化を示すものであったらその旨を示す警報手段を設けるようにしてもよい。
【００１２】
また本発明は、光ファイバの先端部および圧電素子がそれぞれ複数、１次元あるいは２次元に配列されてなるプローブを備えた光音響画像化装置に対して適用されるのがより好ましい。また、そうする場合は、検出された圧電素子の出力電圧の変化を、光ファイバの先端部の配列状態と対応させる形で表示する手段が設けられるのが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
ピエゾ素子等の圧電素子は、本来、検知した圧力に応じた電圧信号を出力するが、その焦電性により、光を受けた際にも出力電圧のレベルが変化する。そして光音響画像化装置のプローブにおいては、複数の光ファイバの先端部から生体組織に向けて光を射出させたとき、その光が生体表面等で反射、散乱して圧電素子に入射する。このように入射する光は、生体組織において発生した音響波よりも早く圧電素子に到達するので、焦電性による圧電素子の出力電圧変化は、音響波検出による出力電圧変化よりも早いタイミングで生じる。このタイミングの違いを利用すれば、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化を、音響波検出による出力電圧変化と弁別して検出可能となる。
【００１４】
光ファイバが例えば１本だけ配置されている場合について考えると、光ファイバが劣化してそこからの射出光量が落ちた場合は、光ファイバが正常な場合と比べて、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化はより小さくなる。そこで、この出力電圧の変化を継続的に検出し続ければ、それが低下したことにより光ファイバが劣化したと判断可能になる。
【００１５】
また、複数の光ファイバの先端部および圧電素子が１次元あるいは２次元に配列されている場合について考えると、断線あるいは劣化した光ファイバの近くでは、その他の部分と比べて、生体に対する照射光量が低下する。そこで、前述のように生体表面等で反射、散乱して圧電素子に入射する光の光量も少ないものとなる。したがって、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化は、断線あるいは劣化した光ファイバの近くの圧電素子では、その他の圧電素子における電圧変化とは異なったもの（具体的には、電圧変化が小さくなる）となる。そこで、複数の圧電素子の焦電性による出力電圧の変化に基づいて、断線あるいは劣化した光ファイバを特定することが可能になる。
【００１６】
そして本発明の光音響画像化装置においては、光ファイバの断線あるいは劣化を、本来光音響画像の取得のために利用される圧電素子の出力電圧信号を用いて検知しているので、この検知は極めて効率良く行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による光音響画像化装置の概略構成を示すブロック図
【図２】図１の装置に用いられたレーザ光源とその周辺の機器を示す平面図
【図３】図１の装置に用いられた超音波探触子を示す斜視図
【図４】超音波探触子と信号取込み部との接続例を示すブロック図
【図５】超音波探触子の圧電素子の出力信号波形の例を示すグラフ
【図６】複数の光ファイバおよび圧電素子の配置状態と、圧電素子の出力信号波形との関係の一例を示す概略図
【図７】複数の光ファイバおよび圧電素子の配置状態と、圧電素子の出力信号波形との関係の別の例を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光音響画像化装置の基本構成を示すブロック図である。この光音響画像化装置１００は、レーザドライバ１０１、レーザ光源１０２、超音波探触子（プローブ）１０３、領域選択部１０４、光照射検出部１０５、同期補正処理部１０６、信号取込み部１０７、素子データメモリ１０８、画像構築部１０９、画像メモリ１１０、画像表示部１１１および光シャッタ１５０を有している。
【００１９】
レーザ光源１０２は、被検体である生体組織に照射するレーザ光を射出するもので、光音響画像化装置１００が稼働している間、常時駆動可能なものが用いられる。レーザドライバ１０１は、上記レーザ光源１０２を駆動するものである。また光シャッタ１５０は、レーザ光源１０２から射出されたレーザ光を常時は遮断し、光音響画像の取得時には短時間の間該レーザ光を通過させるものである。
【００２０】
超音波探触子１０３は、複数ｃｈ（チャンネル）の圧電素子を有する。それらの圧電素子は、生体組織の画像化する範囲に対応させて、例えば１９２個一列に並べて設けられている。この超音波探触子１０３は、レーザ光源１０２から生体組織にパルスレーザ光が照射されたとき該生体組織内から生じる音響信号（超音波）を検出し、その音響信号を電気信号に変換して出力する。
【００２１】
超音波探触子１０３の複数の圧電素子に対応する範囲、つまり生体組織の画像化される範囲は、互いに重ならない複数の部分領域に分けられている。本実施形態においてこの部分領域は、後に詳述するように例えば領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃの３つとされている。各部分領域の幅は、信号取込み部１０７が並列にサンプリング可能な信号数と同数の圧電素子に対応する幅となっている。本例において、信号取込み部１０７は６４ｃｈ分のデータを並列にサンプリング可能とされている。そこで、領域Ａ、領域Ｂ、および領域Ｃの各領域は、６４個の圧電素子に対応した幅となる。
【００２２】
領域選択部１０４は、上記３つの部分領域のうちの１つを選択するものであり、その選択情報をレーザドライバ１０１および超音波探触子１０３に通知する。レーザドライバ１０１は、少なくとも選択された部分領域を含む範囲にパルスレーザ光を照射するようにレーザ光源１０２を駆動する。一方、超音波探触子１０３は、図示しないマルチプレクサなどを用いて、選択された部分領域に対応する圧電素子を信号取込み部１０７に接続させる。信号取込み部１０７は、部分領域にパルスレーザ光が照射された後、接続された圧電素子が出力する電気信号（音響信号データ）を所定の計測期間にわたって複数回サンプリングし、サンプリングしたデータを素子データメモリ１０８に格納する。
【００２３】
領域選択部１０４は、選択した部分領域に対応する圧電素子からの音響信号データが素子データメモリ１０８に格納されると、次の部分領域を選択する。こうして領域選択部１０４は、生体組織の画像化する範囲すべてが選択されるまで、部分領域を順次選択する。領域選択部１０４が部分領域を順次選択することで、素子データメモリ１０８には、超音波探触子１０３の全圧電素子からの音響信号データが素子データメモリ１０８に格納される。つまり、領域選択部１０４が領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃを順次選択し、信号取込み部１０７が各領域についてＮ回サンプリングすれば、素子データメモリ１０８には計（１９２×Ｎ）ｃｈ分の音響信号データが格納されることになる。
【００２４】
信号取込み部１０７は、超音波探触子１０３からの電気信号を素子データメモリ１０８に格納する。信号取込み部１０７は、超音波探触子１０３が出力する上記電気信号を所定の計測期間にわたって複数回サンプリングし、それにより得られたサンプリングデータを素子データメモリ１０８に格納する。この信号取込み部１０７は、例えば微小信号を増幅するプリアンプや、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器を含んで構成されている。信号取込み部１０７が、並列に取り込める信号の数つまりｃｈ（チャンネル）数は、超音波探触子１０３が有する圧電素子の総数よりも少ない。例えば本実施形態では、超音波探触子１０３は一例として１９２個の圧電素子を有するのに対して、信号取込み部１０７が並列に取り込み可能なｃｈ数は６４とされている。
【００２５】
次に図２〜４を参照して、上記構成についてさらに詳しく説明する。レーザ光源１０２は図２に示す通り、Ｎｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００および、このＮｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００から発せられたレーザ光２５０によって励起されるＴｉ：サファイアレーザ３００の２つの固体レーザから構成されている。
【００２６】
Ｎｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００は、Ｎｄ（ネオジム）がドープされたＹＡＧ結晶からなるＮｄ：ＹＡＧロッド２０１と、このＮｄ：ＹＡＧロッド２０１を励起する連続駆動可能なフラッシュランプ２０２と、１対のミラーすなわち出力ミラー２０３およびリアミラー２０４と、出力ミラー２０３とＮｄ：ＹＡＧロッド２０１との間のレーザ光２０５の光路に挿入されたＱスイッチ２０６と、出力ミラー２０３の前方側に配されたＳＨＧ（第２高調波発生）素子２０７とを有している。出力ミラー２０３およびリアミラー２０４はファブリ・ペロ型共振器を構成するものであり、この共振器のキャビティ内に配置されているＮｄ：ＹＡＧロッド２０１はフラッシュランプ２０２が発する光により励起されて、例えば波長１０６４ｎｍの光を誘導放出する。この光は共振器内で共振し、Ｑスイッチ２０６が開かれれば、出力ミラー２０３からパルスレーザ光２０５が出射する。このパルスレーザ光２０５はＳＨＧ素子２０７により、波長が１／２すなわち５３２ｎｍのレーザ光２５０に変換される。
【００２７】
Ｔｉ：サファイアレーザ３００は、Ｚ型リング共振器を構成する４つのミラーすなわち入力ミラー３０１、折り返しミラー３０２、リアミラー３０３および出力ミラー３０４と、Ｔｉ（チタン）がドープされたサファイア結晶からなり上記共振器のキャビティ内に配置されたＴｉ：サファイアロッド３０５とを有している。入力ミラー３０１は波長５３２ｎｍのレーザ光２５０を透過させ、後述のようにして発振した波長７００〜９００ｎｍ程度のレーザ光３５０は反射させるダイクロイックミラーである。Ｔｉ：サファイアロッド３０５は、上記入力ミラー３０１を透過したパルスレーザ光２５０によって励起され、波長７００〜９００ｎｍ程度の光を誘導放出する。この光は共振器内で共振し、その結果、出力ミラー３０４から直線偏光したパルスレーザ光３５０が出射する。このパルスレーザ光３５０のパルス幅は、例えば１０〜５０ｎｓ（ナノ・秒）程度である。
【００２８】
このパルスレーザ光３５０は光シャッタ１５０に入射する。光シャッタ１５０は前述した通りこのレーザ光３５０の通過／遮断を制御するものであり、ＥＯ（電気光学）素子１５１と、その後段に配置された偏光子１５２とから構成されている。この光シャッタ１５０を閉状態としてレーザ光３５０をそこで遮断したい場合、ＥＯ素子１５１には半波長電圧Ｔが印加される。それにより、該ＥＯ素子１５１に入射したレーザ光３５０の偏光方向が９０°回転する。一方、偏光子１５２はその透過軸が、上記のように回転した後のレーザ光３５０の偏光方向と９０°の角度をなすように配置されており、したがってレーザ光３５０はこの偏光子１５２において遮断される。
【００２９】
光シャッタ１５０を開状態としてパルスレーザ光３５０を通過させたい場合は、上記半波長電圧Ｔの印加が停止される。それによりパルスレーザ光３５０は、ＥＯ素子１５１において偏光方向が９０°回転することなく通過する。そこでパルスレーザ光３５０は偏光子１５２に対して、その透過軸と偏光方向が一致した状態で入射し、該偏光子１５２を通過する。本実施形態において光音響画像を取得する際には、半波長電圧Ｔの印加停止は所定の短時間だけ行われ、その間にパルスレーザ光３５０が光シャッタ１５０を通過可能とされる。
【００３０】
なお、上記半波長電圧Ｔの印加を完全に停止する（つまり印加電圧値をゼロにする）のではなく、電圧値を下げて印加すれば、その値に応じて、偏光子１５２を通過するパルスレーザ光３５０の光量を制御することも可能である。
【００３１】
光シャッタ１５０を通過したパルスレーザ光３５０は、ファイバ入力光学系１４０を介してバンドルファイバ１３０Ｂに入力される。バンドルファイバ１３０Ｂは、多数のマルチモード光ファイバが束ねられてなるものであり、レーザ光３５０はファイバ入力光学系１４０を構成する光分岐手段（図示せず）により略等光量に分岐された上で、各光ファイバに入力される。
【００３２】
上記バンドルファイバ１３０Ｂは、図１に示した超音波探触子１０３の一部を構成している。以下、図３を参照して、この超音波探触子１０３について説明する。同図に１３１で示すのが、前述した圧電素子である。これらの圧電素子１３１は、所定の方向に沿って１次元的に配列されている。バンドルファイバ１３０Ｂの各光ファイバ１３０の先端部は、上記配列された圧電素子１３１の両側方において該素子の並び方向に沿って配置され、レーザ光源１０２（図１および２参照）から発せられたパルスレーザ光３５０を、圧電素子１３１の両側方から生体組織に照射する。つまり並設されたそれらの光ファイバ１３０の先端部は、光照射部を構成している。
【００３３】
なお図３において、光ファイバ１３０および圧電素子１３１の個数は概略的に示してあり（後述する図６および７も同様）、実際には図示の状態よりも多数の光ファイバ１３０および圧電素子１３１が高密度に配設されている。
【００３４】
本実施形態において上記光照射部は、生体組織の例えば３つの領域Ａ、領域Ｂ、および領域Ｃの各々に対応させて、それぞれ複数の光ファイバ１３０から構成されている。すなわち、領域Ａに対応する複数の光ファイバ１３０からなる光照射部は、領域Ａの選択時にパルスレーザ光３５０を少なくとも領域Ａに照射する。また、領域Ｂに対応する複数の光ファイバ１３０からなる光照射部は領域Ｂの選択時にパルスレーザ光３５０を少なくとも領域Ｂに照射し、領域Ｃに対応する複数の光ファイバ１３０からなる光照射部は領域Ｃの選択時にパルスレーザ光３５０を少なくとも領域Ｃに照射する。
【００３５】
超音波探触子１０３には、３つの光検出器１３３ａ、１３３ｂおよび１３３ｃが設けられている。これらの光検出器１３３ａ〜１３３ｃは、図１に示す光照射検出部１０５に含まれる。光検出器１３３ａ〜１３３ｃは、パルスレーザ光３５０が生体組織に照射されたことを検出するもので、このパルスレーザ光３５０を受光すると光検出信号を出力する。光検出器１３３ａ、１３３ｂおよび１３３ｃはそれぞれ、領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃに対応して設けられている。領域Ａに対応する光検出器１３３ａは、領域Ａが選択されているときに、該領域Ａにパルスレーザ光３５０が照射されたことを検出する。領域Ｂおよび領域Ｃに対応する光検出器１３３ｂ、１３３ｃも同様であり、それぞれの領域の選択時に、各領域にパルスレーザ光３５０が照射されたことを検出する。
【００３６】
また図４は、超音波探触子１０３と信号取込み部１０７との接続例を示している。超音波探触子１０３は前述の通り、１９２ｃｈの圧電素子１３１（図３参照）を有している。１９２ｃｈの圧電素子１３１に対応する生体組織の領域は、前述したように３つの部分領域（領域Ａ〜Ｃ）からなるものとして考えられる。つまり、１９２ｃｈの圧電素子１３１に対応する生体組織の幅が５７．６ｍｍであるとすると、各部分領域の幅は１９．２ｍｍとなる。光音響画像化装置１００は、上記１９．２ｍｍ幅の部分領域への光照射・データ収集を逐次行って、全１９２ｃｈ分のデータを取得する。
【００３７】
信号取込み部１０７は、例えば６４ｃｈ分のデータを並列にサンプリング可能なＡＤ変換器を含む。マルチプレクサ１１２は、超音波探触子１０３の圧電素子１３１と信号取り込み部１０７とを選択的に接続する。マルチプレクサ１１２は、例えば１９２ｃｈの圧電素子と接続しており、そのうちの６４ｃｈ分を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に選択的に接続する。マルチプレクサ１１２は、例えば領域Ａが選択されているときは、領域Ａに対応する部分の６４ｃｈの圧電素子１３１を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に接続する。また、マルチプレクサ１１２は、領域Ｂが選択されているときは、領域Ｂに対応する部分の６４ｃｈの圧電素子１３１を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に接続し、領域Ｃが選択されているときは、領域Ｃに対応する部分の６４ｃｈの圧電素子１３１を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に接続する。
【００３８】
領域Ａが選択され、複数の光ファイバ１３０からなる光照射部が生体組織の領域Ａにパルスレーザ光３５０を照射すると、このパルスレーザ光３５０は生体組織内の散乱により、ある程度の広がりを持って進行する。生体組織内に存在する血液等の吸収体はパルスレーザ光３５０のエネルギーを吸収し、音響信号を発生する。この音響信号が各圧電素子１３１で検出されるまでに要する時間は、音響信号発生地点と各圧電素子１３１とのＸ方向の位置関係と、音響信号発生地点のＺ方向の位置とに応じて決まる。
【００３９】
上記音響信号を検出するために、マルチプレクサ１１２が選択した圧電素子１３１が出力する電気信号は、ＡＤ変換器にて所定の計測期間にわたって複数回サンプリングされる。これは他の領域Ｂおよび領域Ｃについても同様であり、各領域に対してパルスレーザ光３５０が照射され、各領域に対応する圧電素子１３１が出力する電気信号が所定の計測期間にわたって複数回サンプリングされ、音響信号が検出される。
【００４０】
ここで、各部分領域に関する処理の流れを考えると、部分領域の選択、前記半波長電圧Ｔの印加停止を指示するトリガー信号の発生、光シャッタの開放、生体組織へのパルスレーザ光照射、生体組織からの音響信号検出、素子データメモリへのデータ格納という流れになる。信号取込み部１０７における電気信号の取込み開始タイミングつまりサンプリング開始タイミングは、生体組織へパルスレーザ光が照射されるタイミングに合わせて事前に設定されている。
【００４１】
上記のトリガー信号発生から実際に生体組織へパルスレーザ光が照射されるまでの時間が、各部分領域毎に異なっていると、各部分領域毎に得られた音響信号データを合成して生成される画像の画質が低下する問題が起きる。光照射検出部１０５および同期補正処理部１０６は、この問題を防止するために設けられている。すなわち、光照射検出部１０５はレーザ光源１０２から生体組織に光が照射されたことを検出し、また同期補正処理部１０６は、光照射検出部１０５が検出した光照射タイミングの差を部分領域間で求め、そのタイミング差に基づいて、素子データメモリ１０８におけるサンプリングデータの時間軸を部分領域間で補正する。
【００４２】
領域選択部１０４が全ての部分領域を選択し、超音波探触子１０３が有する１９２ｃｈの圧電素子１３１それぞれが出力する複数回のサンプリングデータが素子データメモリ１０８に格納されると、画像構築部１０９はこの素子データメモリ１０８からサンプリングデータを読み出し、読み出したデータに基づいて生体組織の断層画像を構築する。画像構築部１０９は典型的には、信号処理部、位相整合加算部および画像処理部を含んで構成される。画像構築部１０９における詳細な画像構築手順について詳しい説明は省略するが、その機能は、例えばコンピュータが所定のプログラムに従って動作することで実現可能である。あるいは画像構築部１０９の機能を、ＤＳＰ（digital Signal Processor）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などで実現してもよい。
【００４３】
画像構築部１０９は、構築した断層画像を示す画像データを画像メモリ１１０に格納する。画像表示部１１１は、画像メモリ１１０に格納された画像データに基づいて、上記断層画像を表示モニタなどに表示する。
【００４４】
以上説明したようにして光音響画像を取得する際、レーザ光源１０２は画像取得の都度立ち上げるように駆動されてもよい。しかしこのレーザ光源１０２としては、先に説明した通り、光音響画像化装置１００が稼働している間、常時駆動可能なものが用いられており、特別の要求が無い限り、該レーザ光源１０２は光音響画像化装置１００の稼働中を通して常時駆動される。そして光音響画像を取得する際にその都度、前述のようにして光シャッタ１５０が短時間だけ開かれ、そこを通過したパルスレーザ光３５０が生体組織に照射される。
【００４５】
そのようにレーザ光源１０２を常時駆動しておけば、光音響画像の取得は、常にＮｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００およびＴｉ：サファイアレーザ３００が熱的に安定した状態下でなされるようになる。したがって、光音響画像の取得時にいきなりそれらのレーザ２００および３００を駆動開始させる場合のようにパルスレーザ光３５０の光量が不安定になることが防止され、再現性に優れた高画質の光音響画像が得られるようになる。また、光音響画像の取得に際して、レーザ２００および３００が安定するまで待つ必要も無いので、光音響画像取得の作業能率も高くなる。
【００４６】
なお、Ｎｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００およびＴｉ：サファイアレーザ３００が熱的に安定していないと、パルスレーザ光３５０の出射方向が変動することもある。そうであると、図２に示したファイバ入力光学系１４０によるパルスレーザ光３５０とバンドルファイバ１３０Ｂとの結合効率が変化するので、これも結局、生体組織に照射されるレーザ光の光量変動につながる。
【００４７】
そして、レーザ光源１０２を常時駆動させておいても、光音響画像の取得時以外には、光シャッタ１５０によりパルスレーザ光３５０が遮断されるので、このパルスレーザ光３５０が不用意に装置操作者や被検者に照射されることが防止され、レーザ光に対する安全性も確保される。
【００４８】
ここで、図３に示した複数の光ファイバ１３０は、超音波探触子１０３の使用を重ねるうちに断線したり、あるいは劣化したりする可能性がある。その状態のまま光音響画像化装置１００を使用すれば、先に述べたような不具合を招くことになる。以下、この光ファイバ１３０の断線や劣化を検知する点について説明する。
【００４９】
図１に示す信号取込み部１０７は、光音響画像の取得時に超音波探触子１０３からの電気信号、つまりより詳しくは、複数の圧電素子１３１の出力電圧信号から、該素子の焦電性による変化成分を検出して、それを素子データメモリ１０８に格納する。図５は、１つの圧電素子１３１が出力する電圧信号の波形の典型例を示すものである。ここに矢印Ａで示すのが焦電性による信号変化成分つまり、生体表面等で反射、散乱したパルスレーザ光３５０を検出した成分であり、矢印Ｂで示すのが音響波検出信号成分である。先に説明した理由により、焦電性による信号変化成分は音響波検出成分よりも時間軸上で先行して検出されるので、焦電性による信号変化成分のみを検出することが可能である。この焦電性による信号変化成分は、一例としてピーク値で代表してサンプリングされる。
【００５０】
このサンプリングは、全ての圧電素子１３１について行われるが、本実施形態では前述の通り３つの領域Ａ、ＢおよびＣ毎に信号の取り込みが行われるので、各領域単位でサンプリングがなされる。以上の通り本実施形態においては、圧電素子１３１の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段が、信号取込み部１０７によって構成されている。
【００５１】
図１に示す画像構築部１０９は、光音響画像の構築前あるいは後に、上記焦電性による信号変化成分（前述の通りそのピーク値）を素子データメモリ１０８から読み出し、複数の圧電素子１３１の各々毎にその信号値を画像表示部１１１に表示させる。複数の光ファイバ１３０のいずれにも断線や劣化が生じていなければ、それらの光ファイバ１３０から出射するパルスレーザ光３５０の光量は、光ファイバ１３０の並び方向つまり圧電素子１３１の並び方向に沿って略均一になる。したがって、複数の圧電素子１３１に検出される光量も略均一となるので、そのとき画像表示部１１１に表示される上記信号値は、基本的に図６の（２）に示す通りとなる。ここに示す横軸の「各圧電素子の座標」は、１列に並置された複数の圧電素子１３１の、並び方向位置と同義である。
【００５２】
本実施形態において画像構築部１０９は、図６の（２）に示す表示を、同図（１）のように光ファイバ１３０および圧電素子１３１の並設状態を示す表示と併せて行う。このようにする場合、複数の圧電素子１３１の各々に数字等による固有座標を与えて同図（１）の表示においてその座標を示す一方、同図（２）の表示の横軸にもそれらの座標を示せば、（２）の信号値に変化が生じたとき、それはどの圧電素子１３１によるものであるかが明確に視認されるようになる。
【００５３】
ここで、図７の（１）に矢印Ｒで示すように、複数の光ファイバ１３０のうちの１つが断線あるいは劣化すると、その光ファイバ１３０の先端部の近くでは、その他の部分と比べて、生体に対する照射光量が低下する。そこで、生体表面等で反射、散乱して圧電素子に入射する光の光量は、その光ファイバ１３０と並び方向位置が一致している圧電素子１３１において最も少ないものとなる。つまりその状態下での前記ピーク値の分布は、図７の（２）に示すようなものとなる。そこで光音響画像化装置の操作者は、図６や７に示すような表示を見ることにより、どの圧電素子１３１と並び方向位置が一致している光ファイバ１３０が断線あるいは劣化しているかを簡単に確認可能となる。
【００５４】
また、光ファイバ１３０の断線あるいは劣化を、本来光音響画像の取得のために利用される圧電素子１３１の出力電圧信号を用いて検知しているので、この検知は極めて効率良く行われ得る。
【００５５】
なお、本実施形態のように、検出された圧電素子１３１の出力電圧信号の変化を、光ファイバ１３０の先端部の配列状態と対応させる形で表示することは必ずしも必要ではなく、出力電圧信号の変化（本実施形態では、具体的に前記ピーク値の変化）を各圧電素子１３１の座標とともに数値で示すようにしても構わない。そうする場合でも、ピーク値が特に低くなっている圧電素子１３１を特定できるので、その圧電素子１３１と並び方向位置が一致している光ファイバ１３０が断線あるいは劣化していると判定することができる。
【００５６】
また、以上説明した実施形態においては、複数の圧電素子１３１が１次元に配列され、複数の光ファイバ１３０が２次元に配置されているが、並設された複数の圧電素子１３１の片側だけに各圧電素子と対応させて光ファイバ１３０の先端部を配置した構成に対しても、本発明は適用可能である。さらに、複数の圧電素子１３１および複数の光ファイバ１３０の先端部がそれぞれ２次元に配置された構成に対しても、本発明は適用可能である。
【００５７】
なお、本実施形態においては、上述の通り光ファイバ１３０が２次元に配置されているが、圧電素子１３１の並び方向の同じ位置に２つの光ファイバ１３０が存在することはないので、圧電素子１３１の出力電圧の変化に基づく光ファイバの断線あるいは劣化の検知は正確に行われ得る。
【００５８】
また、図６や図７に示した表示は、光音響画像の取得時に必ず行う必要はなく、例えば光ファイバのチェックモードを設定しておき、そのモードが指定されたときだけ上記表示を行うようにしてもよい。また、そのモードが指定されたときだけ、圧電素子１３１の出力電圧信号から前記ピーク値のサンプリングを行うようにしてもよい。
【００５９】
さらに、以上説明した実施形態においては、超音波探触子１０３に複数の光ファイバ１３０の先端部が配設されているが、１本の光ファイバのみが設けられてなる光音響画像化装置に対しても本発明は適用可能である。そうした場合も、その１本の光ファイバの劣化を検知できることは、先に述べた通りである。
【００６０】
またレーザ光源としては、上記実施形態で用いられた固体レーザの他、アレキサンドライトレーザ等のその他の固体レーザや、発振波長が最大８００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ、発振波長が最大９００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ等も適用可能である。さらには、半導体レーザを種光源とする光増幅型レーザ光源と光波長変換素子との組み合わせからなるもの、より具体的には、波長１５６０ｎｍ程度のレーザ光を発する半導体レーザと、そのレーザ光を増幅する偏波保存型Ｅｒ（エルビウム）添加光ファイバからなるファイバ増幅器と、そこで増幅された上記レーザ光を波長７８０ｎｍ程度の第２高調波に変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子とからなるもの等も適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１００ 光音響画像化装置
１０１ レーザドライバ
１０２ レーザ光源
１０３ 超音波探触子
１０４ 領域選択部
１０５ 光照射検出部
１０６ 同期補正処理部
１０７ 信号取込み部
１０８ 素子データメモリ
１０９ 画像構築部
１１０ 画像メモリ
１１１ 画像表示部
１１２ マルチプレクサ
１３０ 光ファイバ
１３１ 圧電素子
１５０ 光シャッタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響画像化装置すなわち、生体組織に光を照射し、光照射に伴って発生する音響波に基づいて生体組織を画像化する装置に関するものである。
【０００２】
また本発明は、その種の光音響画像化装置において故障を検知する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体内に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波（音響信号）を発生する。そこで、この音響波を超音波プローブなどで検出し、その検出信号に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。
【０００４】
そのような光音響画像化装置においては、特許文献１にも記載されているように、光を伝搬させる複数の光ファイバの先端部および圧電素子が１次元あるいは２次元に配列されてなるプローブ（探触子）を用いることが考えられている。その種のプローブにおいては、複数の光ファイバの先端部から生体組織に向けてレーザ光等の光が射出され、この光を受けた生体組織から発生した音響波が複数の圧電素子によって検出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata, Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の光ファイバは、レーザ光源等の光源からプローブまで光を伝搬させるものであるが、プローブの使用を重ねるうちに断線したり、あるいは劣化したりする可能性がある。光ファイバがそのような状態になったまま光音響画像を取得すると、断線あるいは劣化した光ファイバの近くではその他の部分と比べて、生体組織に対する照射光量が落ちるので、得られる光音響画像は生体組織の状態を不正に示すものとなってしまう。しかし従来の光音響画像化装置では、このような光ファイバの断線あるいは劣化を効率良く検知する対策は施されていなかった。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光等の光を伝搬させる光ファイバの断線あるいは劣化を効率良く検知することができる方法、およびその方法を実施可能な光音響画像化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光音響画像化装置の故障検知方法は、前述したように、光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化に基づいて光ファイバの断線あるいは劣化を検知することを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記の方法を実施する本発明の光音響画像化装置は、前述したように、光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の光音響画像化装置においては、検出された上記出力電圧の変化を表示する手段が設けられることが望ましいが、それに限らず、この出力電圧の変化が光ファイバの断線や劣化を示すものであったらその旨を示す警報手段を設けるようにしてもよい。
【００１２】
また本発明は、光ファイバの先端部および圧電素子がそれぞれ複数、１次元あるいは２次元に配列されてなるプローブを備えた光音響画像化装置に対して適用されるのがより好ましい。また、そうする場合は、検出された圧電素子の出力電圧の変化を、光ファイバの先端部の配列状態と対応させる形で表示する手段が設けられるのが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
ピエゾ素子等の圧電素子は、本来、検知した圧力に応じた電圧信号を出力するが、その焦電性により、光を受けた際にも出力電圧のレベルが変化する。そして光音響画像化装置のプローブにおいては、複数の光ファイバの先端部から生体組織に向けて光を射出させたとき、その光が生体表面等で反射、散乱して圧電素子に入射する。このように入射する光は、生体組織において発生した音響波よりも早く圧電素子に到達するので、焦電性による圧電素子の出力電圧変化は、音響波検出による出力電圧変化よりも早いタイミングで生じる。このタイミングの違いを利用すれば、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化を、音響波検出による出力電圧変化と弁別して検出可能となる。
【００１４】
光ファイバが例えば１本だけ配置されている場合について考えると、光ファイバが劣化してそこからの射出光量が落ちた場合は、光ファイバが正常な場合と比べて、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化はより小さくなる。そこで、この出力電圧の変化を継続的に検出し続ければ、それが低下したことにより光ファイバが劣化したと判断可能になる。
【００１５】
また、複数の光ファイバの先端部および圧電素子が１次元あるいは２次元に配列されている場合について考えると、断線あるいは劣化した光ファイバの近くでは、その他の部分と比べて、生体に対する照射光量が低下する。そこで、前述のように生体表面等で反射、散乱して圧電素子に入射する光の光量も少ないものとなる。したがって、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化は、断線あるいは劣化した光ファイバの近くの圧電素子では、その他の圧電素子における電圧変化とは異なったもの（具体的には、電圧変化が小さくなる）となる。そこで、複数の圧電素子の焦電性による出力電圧の変化に基づいて、断線あるいは劣化した光ファイバを特定することが可能になる。
【００１６】
そして本発明の光音響画像化装置においては、光ファイバの断線あるいは劣化を、本来光音響画像の取得のために利用される圧電素子の出力電圧信号を用いて検知しているので、この検知は極めて効率良く行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による光音響画像化装置の概略構成を示すブロック図
【図２】図１の装置に用いられたレーザ光源とその周辺の機器を示す平面図
【図３】図１の装置に用いられた超音波探触子を示す斜視図
【図４】超音波探触子と信号取込み部との接続例を示すブロック図
【図５】超音波探触子の圧電素子の出力信号波形の例を示すグラフ
【図６】複数の光ファイバおよび圧電素子の配置状態と、圧電素子の出力信号波形との関係の一例を示す概略図
【図７】複数の光ファイバおよび圧電素子の配置状態と、圧電素子の出力信号波形との関係の別の例を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光音響画像化装置の基本構成を示すブロック図である。この光音響画像化装置１００は、レーザドライバ１０１、レーザ光源１０２、超音波探触子（プローブ）１０３、領域選択部１０４、光照射検出部１０５、同期補正処理部１０６、信号取込み部１０７、素子データメモリ１０８、画像構築部１０９、画像メモリ１１０、画像表示部１１１および光シャッタ１５０を有している。
【００１９】
レーザ光源１０２は、被検体である生体組織に照射するレーザ光を射出するもので、光音響画像化装置１００が稼働している間、常時駆動可能なものが用いられる。レーザドライバ１０１は、上記レーザ光源１０２を駆動するものである。また光シャッタ１５０は、レーザ光源１０２から射出されたレーザ光を常時は遮断し、光音響画像の取得時には短時間の間該レーザ光を通過させるものである。
【００２０】
超音波探触子１０３は、複数ｃｈ（チャンネル）の圧電素子を有する。それらの圧電素子は、生体組織の画像化する範囲に対応させて、例えば１９２個一列に並べて設けられている。この超音波探触子１０３は、レーザ光源１０２から生体組織にパルスレーザ光が照射されたとき該生体組織内から生じる音響信号（超音波）を検出し、その音響信号を電気信号に変換して出力する。
【００２１】
超音波探触子１０３の複数の圧電素子に対応する範囲、つまり生体組織の画像化される範囲は、互いに重ならない複数の部分領域に分けられている。本実施形態においてこの部分領域は、後に詳述するように例えば領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃの３つとされている。各部分領域の幅は、信号取込み部１０７が並列にサンプリング可能な信号数と同数の圧電素子に対応する幅となっている。本例において、信号取込み部１０７は６４ｃｈ分のデータを並列にサンプリング可能とされている。そこで、領域Ａ、領域Ｂ、および領域Ｃの各領域は、６４個の圧電素子に対応した幅となる。
【００２２】
領域選択部１０４は、上記３つの部分領域のうちの１つを選択するものであり、その選択情報をレーザドライバ１０１および超音波探触子１０３に通知する。レーザドライバ１０１は、少なくとも選択された部分領域を含む範囲にパルスレーザ光を照射するようにレーザ光源１０２を駆動する。一方、超音波探触子１０３は、図示しないマルチプレクサなどを用いて、選択された部分領域に対応する圧電素子を信号取込み部１０７に接続させる。信号取込み部１０７は、部分領域にパルスレーザ光が照射された後、接続された圧電素子が出力する電気信号（音響信号データ）を所定の計測期間にわたって複数回サンプリングし、サンプリングしたデータを素子データメモリ１０８に格納する。
【００２３】
領域選択部１０４は、選択した部分領域に対応する圧電素子からの音響信号データが素子データメモリ１０８に格納されると、次の部分領域を選択する。こうして領域選択部１０４は、生体組織の画像化する範囲すべてが選択されるまで、部分領域を順次選択する。領域選択部１０４が部分領域を順次選択することで、素子データメモリ１０８には、超音波探触子１０３の全圧電素子からの音響信号データが素子データメモリ１０８に格納される。つまり、領域選択部１０４が領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃを順次選択し、信号取込み部１０７が各領域についてＮ回サンプリングすれば、素子データメモリ１０８には計（１９２×Ｎ）ｃｈ分の音響信号データが格納されることになる。
【００２４】
信号取込み部１０７は、超音波探触子１０３からの電気信号を素子データメモリ１０８に格納する。信号取込み部１０７は、超音波探触子１０３が出力する上記電気信号を所定の計測期間にわたって複数回サンプリングし、それにより得られたサンプリングデータを素子データメモリ１０８に格納する。この信号取込み部１０７は、例えば微小信号を増幅するプリアンプや、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器を含んで構成されている。信号取込み部１０７が、並列に取り込める信号の数つまりｃｈ（チャンネル）数は、超音波探触子１０３が有する圧電素子の総数よりも少ない。例えば本実施形態では、超音波探触子１０３は一例として１９２個の圧電素子を有するのに対して、信号取込み部１０７が並列に取り込み可能なｃｈ数は６４とされている。
【００２５】
次に図２〜４を参照して、上記構成についてさらに詳しく説明する。レーザ光源１０２は図２に示す通り、Ｎｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００および、このＮｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００から発せられたレーザ光２５０によって励起されるＴｉ：サファイアレーザ３００の２つの固体レーザから構成されている。
【００２６】
Ｎｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００は、Ｎｄ（ネオジム）がドープされたＹＡＧ結晶からなるＮｄ：ＹＡＧロッド２０１と、このＮｄ：ＹＡＧロッド２０１を励起する連続駆動可能なフラッシュランプ２０２と、１対のミラーすなわち出力ミラー２０３およびリアミラー２０４と、出力ミラー２０３とＮｄ：ＹＡＧロッド２０１との間のレーザ光２０５の光路に挿入されたＱスイッチ２０６と、出力ミラー２０３の前方側に配されたＳＨＧ（第２高調波発生）素子２０７とを有している。出力ミラー２０３およびリアミラー２０４はファブリ・ペロ型共振器を構成するものであり、この共振器のキャビティ内に配置されているＮｄ：ＹＡＧロッド２０１はフラッシュランプ２０２が発する光により励起されて、例えば波長１０６４ｎｍの光を誘導放出する。この光は共振器内で共振し、Ｑスイッチ２０６が開かれれば、出力ミラー２０３からパルスレーザ光２０５が出射する。このパルスレーザ光２０５はＳＨＧ素子２０７により、波長が１／２すなわち５３２ｎｍのレーザ光２５０に変換される。
【００２７】
Ｔｉ：サファイアレーザ３００は、Ｚ型リング共振器を構成する４つのミラーすなわち入力ミラー３０１、折り返しミラー３０２、リアミラー３０３および出力ミラー３０４と、Ｔｉ（チタン）がドープされたサファイア結晶からなり上記共振器のキャビティ内に配置されたＴｉ：サファイアロッド３０５とを有している。入力ミラー３０１は波長５３２ｎｍのレーザ光２５０を透過させ、後述のようにして発振した波長７００〜９００ｎｍ程度のレーザ光３５０は反射させるダイクロイックミラーである。Ｔｉ：サファイアロッド３０５は、上記入力ミラー３０１を透過したパルスレーザ光２５０によって励起され、波長７００〜９００ｎｍ程度の光を誘導放出する。この光は共振器内で共振し、その結果、出力ミラー３０４から直線偏光したパルスレーザ光３５０が出射する。このパルスレーザ光３５０のパルス幅は、例えば１０〜５０ｎｓ（ナノ・秒）程度である。
【００２８】
このパルスレーザ光３５０は光シャッタ１５０に入射する。光シャッタ１５０は前述した通りこのレーザ光３５０の通過／遮断を制御するものであり、ＥＯ（電気光学）素子１５１と、その後段に配置された偏光子１５２とから構成されている。この光シャッタ１５０を閉状態としてレーザ光３５０をそこで遮断したい場合、ＥＯ素子１５１には半波長電圧Ｔが印加される。それにより、該ＥＯ素子１５１に入射したレーザ光３５０の偏光方向が９０°回転する。一方、偏光子１５２はその透過軸が、上記のように回転した後のレーザ光３５０の偏光方向と９０°の角度をなすように配置されており、したがってレーザ光３５０はこの偏光子１５２において遮断される。
【００２９】
光シャッタ１５０を開状態としてパルスレーザ光３５０を通過させたい場合は、上記半波長電圧Ｔの印加が停止される。それによりパルスレーザ光３５０は、ＥＯ素子１５１において偏光方向が９０°回転することなく通過する。そこでパルスレーザ光３５０は偏光子１５２に対して、その透過軸と偏光方向が一致した状態で入射し、該偏光子１５２を通過する。本実施形態において光音響画像を取得する際には、半波長電圧Ｔの印加停止は所定の短時間だけ行われ、その間にパルスレーザ光３５０が光シャッタ１５０を通過可能とされる。
【００３０】
なお、上記半波長電圧Ｔの印加を完全に停止する（つまり印加電圧値をゼロにする）のではなく、電圧値を下げて印加すれば、その値に応じて、偏光子１５２を通過するパルスレーザ光３５０の光量を制御することも可能である。
【００３１】
光シャッタ１５０を通過したパルスレーザ光３５０は、ファイバ入力光学系１４０を介してバンドルファイバ１３０Ｂに入力される。バンドルファイバ１３０Ｂは、多数のマルチモード光ファイバが束ねられてなるものであり、レーザ光３５０はファイバ入力光学系１４０を構成する光分岐手段（図示せず）により略等光量に分岐された上で、各光ファイバに入力される。
【００３２】
上記バンドルファイバ１３０Ｂは、図１に示した超音波探触子１０３の一部を構成している。以下、図３を参照して、この超音波探触子１０３について説明する。同図に１３１で示すのが、前述した圧電素子である。これらの圧電素子１３１は、所定の方向に沿って１次元的に配列されている。バンドルファイバ１３０Ｂの各光ファイバ１３０の先端部は、上記配列された圧電素子１３１の両側方において該素子の並び方向に沿って配置され、レーザ光源１０２（図１および２参照）から発せられたパルスレーザ光３５０を、圧電素子１３１の両側方から生体組織に照射する。つまり並設されたそれらの光ファイバ１３０の先端部は、光照射部を構成している。
【００３３】
なお図３において、光ファイバ１３０および圧電素子１３１の個数は概略的に示してあり（後述する図６および７も同様）、実際には図示の状態よりも多数の光ファイバ１３０および圧電素子１３１が高密度に配設されている。
【００３４】
本実施形態において上記光照射部は、生体組織の例えば３つの領域Ａ、領域Ｂ、および領域Ｃの各々に対応させて、それぞれ複数の光ファイバ１３０から構成されている。すなわち、領域Ａに対応する複数の光ファイバ１３０からなる光照射部は、領域Ａの選択時にパルスレーザ光３５０を少なくとも領域Ａに照射する。また、領域Ｂに対応する複数の光ファイバ１３０からなる光照射部は領域Ｂの選択時にパルスレーザ光３５０を少なくとも領域Ｂに照射し、領域Ｃに対応する複数の光ファイバ１３０からなる光照射部は領域Ｃの選択時にパルスレーザ光３５０を少なくとも領域Ｃに照射する。
【００３５】
超音波探触子１０３には、３つの光検出器１３３ａ、１３３ｂおよび１３３ｃが設けられている。これらの光検出器１３３ａ〜１３３ｃは、図１に示す光照射検出部１０５に含まれる。光検出器１３３ａ〜１３３ｃは、パルスレーザ光３５０が生体組織に照射されたことを検出するもので、このパルスレーザ光３５０を受光すると光検出信号を出力する。光検出器１３３ａ、１３３ｂおよび１３３ｃはそれぞれ、領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃに対応して設けられている。領域Ａに対応する光検出器１３３ａは、領域Ａが選択されているときに、該領域Ａにパルスレーザ光３５０が照射されたことを検出する。領域Ｂおよび領域Ｃに対応する光検出器１３３ｂ、１３３ｃも同様であり、それぞれの領域の選択時に、各領域にパルスレーザ光３５０が照射されたことを検出する。
【００３６】
また図４は、超音波探触子１０３と信号取込み部１０７との接続例を示している。超音波探触子１０３は前述の通り、１９２ｃｈの圧電素子１３１（図３参照）を有している。１９２ｃｈの圧電素子１３１に対応する生体組織の領域は、前述したように３つの部分領域（領域Ａ〜Ｃ）からなるものとして考えられる。つまり、１９２ｃｈの圧電素子１３１に対応する生体組織の幅が５７．６ｍｍであるとすると、各部分領域の幅は１９．２ｍｍとなる。光音響画像化装置１００は、上記１９．２ｍｍ幅の部分領域への光照射・データ収集を逐次行って、全１９２ｃｈ分のデータを取得する。
【００３７】
信号取込み部１０７は、例えば６４ｃｈ分のデータを並列にサンプリング可能なＡＤ変換器を含む。マルチプレクサ１１２は、超音波探触子１０３の圧電素子１３１と信号取り込み部１０７とを選択的に接続する。マルチプレクサ１１２は、例えば１９２ｃｈの圧電素子と接続しており、そのうちの６４ｃｈ分を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に選択的に接続する。マルチプレクサ１１２は、例えば領域Ａが選択されているときは、領域Ａに対応する部分の６４ｃｈの圧電素子１３１を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に接続する。また、マルチプレクサ１１２は、領域Ｂが選択されているときは、領域Ｂに対応する部分の６４ｃｈの圧電素子１３１を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に接続し、領域Ｃが選択されているときは、領域Ｃに対応する部分の６４ｃｈの圧電素子１３１を信号取込み部１０７のＡＤ変換器に接続する。
【００３８】
領域Ａが選択され、複数の光ファイバ１３０からなる光照射部が生体組織の領域Ａにパルスレーザ光３５０を照射すると、このパルスレーザ光３５０は生体組織内の散乱により、ある程度の広がりを持って進行する。生体組織内に存在する血液等の吸収体はパルスレーザ光３５０のエネルギーを吸収し、音響信号を発生する。この音響信号が各圧電素子１３１で検出されるまでに要する時間は、音響信号発生地点と各圧電素子１３１とのＸ方向の位置関係と、音響信号発生地点のＺ方向の位置とに応じて決まる。
【００３９】
上記音響信号を検出するために、マルチプレクサ１１２が選択した圧電素子１３１が出力する電気信号は、ＡＤ変換器にて所定の計測期間にわたって複数回サンプリングされる。これは他の領域Ｂおよび領域Ｃについても同様であり、各領域に対してパルスレーザ光３５０が照射され、各領域に対応する圧電素子１３１が出力する電気信号が所定の計測期間にわたって複数回サンプリングされ、音響信号が検出される。
【００４０】
ここで、各部分領域に関する処理の流れを考えると、部分領域の選択、前記半波長電圧Ｔの印加停止を指示するトリガー信号の発生、光シャッタの開放、生体組織へのパルスレーザ光照射、生体組織からの音響信号検出、素子データメモリへのデータ格納という流れになる。信号取込み部１０７における電気信号の取込み開始タイミングつまりサンプリング開始タイミングは、生体組織へパルスレーザ光が照射されるタイミングに合わせて事前に設定されている。
【００４１】
上記のトリガー信号発生から実際に生体組織へパルスレーザ光が照射されるまでの時間が、各部分領域毎に異なっていると、各部分領域毎に得られた音響信号データを合成して生成される画像の画質が低下する問題が起きる。光照射検出部１０５および同期補正処理部１０６は、この問題を防止するために設けられている。すなわち、光照射検出部１０５はレーザ光源１０２から生体組織に光が照射されたことを検出し、また同期補正処理部１０６は、光照射検出部１０５が検出した光照射タイミングの差を部分領域間で求め、そのタイミング差に基づいて、素子データメモリ１０８におけるサンプリングデータの時間軸を部分領域間で補正する。
【００４２】
領域選択部１０４が全ての部分領域を選択し、超音波探触子１０３が有する１９２ｃｈの圧電素子１３１それぞれが出力する複数回のサンプリングデータが素子データメモリ１０８に格納されると、画像構築部１０９はこの素子データメモリ１０８からサンプリングデータを読み出し、読み出したデータに基づいて生体組織の断層画像を構築する。画像構築部１０９は典型的には、信号処理部、位相整合加算部および画像処理部を含んで構成される。画像構築部１０９における詳細な画像構築手順について詳しい説明は省略するが、その機能は、例えばコンピュータが所定のプログラムに従って動作することで実現可能である。あるいは画像構築部１０９の機能を、ＤＳＰ（digital Signal Processor）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などで実現してもよい。
【００４３】
画像構築部１０９は、構築した断層画像を示す画像データを画像メモリ１１０に格納する。画像表示部１１１は、画像メモリ１１０に格納された画像データに基づいて、上記断層画像を表示モニタなどに表示する。
【００４４】
以上説明したようにして光音響画像を取得する際、レーザ光源１０２は画像取得の都度立ち上げるように駆動されてもよい。しかしこのレーザ光源１０２としては、先に説明した通り、光音響画像化装置１００が稼働している間、常時駆動可能なものが用いられており、特別の要求が無い限り、該レーザ光源１０２は光音響画像化装置１００の稼働中を通して常時駆動される。そして光音響画像を取得する際にその都度、前述のようにして光シャッタ１５０が短時間だけ開かれ、そこを通過したパルスレーザ光３５０が生体組織に照射される。
【００４５】
そのようにレーザ光源１０２を常時駆動しておけば、光音響画像の取得は、常にＮｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００およびＴｉ：サファイアレーザ３００が熱的に安定した状態下でなされるようになる。したがって、光音響画像の取得時にいきなりそれらのレーザ２００および３００を駆動開始させる場合のようにパルスレーザ光３５０の光量が不安定になることが防止され、再現性に優れた高画質の光音響画像が得られるようになる。また、光音響画像の取得に際して、レーザ２００および３００が安定するまで待つ必要も無いので、光音響画像取得の作業能率も高くなる。
【００４６】
なお、Ｎｄ：ＹＡＧ／ＳＨＧレーザ２００およびＴｉ：サファイアレーザ３００が熱的に安定していないと、パルスレーザ光３５０の出射方向が変動することもある。そうであると、図２に示したファイバ入力光学系１４０によるパルスレーザ光３５０とバンドルファイバ１３０Ｂとの結合効率が変化するので、これも結局、生体組織に照射されるレーザ光の光量変動につながる。
【００４７】
そして、レーザ光源１０２を常時駆動させておいても、光音響画像の取得時以外には、光シャッタ１５０によりパルスレーザ光３５０が遮断されるので、このパルスレーザ光３５０が不用意に装置操作者や被検者に照射されることが防止され、レーザ光に対する安全性も確保される。
【００４８】
ここで、図３に示した複数の光ファイバ１３０は、超音波探触子１０３の使用を重ねるうちに断線したり、あるいは劣化したりする可能性がある。その状態のまま光音響画像化装置１００を使用すれば、先に述べたような不具合を招くことになる。以下、この光ファイバ１３０の断線や劣化を検知する点について説明する。
【００４９】
図１に示す信号取込み部１０７は、光音響画像の取得時に超音波探触子１０３からの電気信号、つまりより詳しくは、複数の圧電素子１３１の出力電圧信号から、該素子の焦電性による変化成分を検出して、それを素子データメモリ１０８に格納する。図５は、１つの圧電素子１３１が出力する電圧信号の波形の典型例を示すものである。ここに矢印Ａで示すのが焦電性による信号変化成分つまり、生体表面等で反射、散乱したパルスレーザ光３５０を検出した成分であり、矢印Ｂで示すのが音響波検出信号成分である。先に説明した理由により、焦電性による信号変化成分は音響波検出成分よりも時間軸上で先行して検出されるので、焦電性による信号変化成分のみを検出することが可能である。この焦電性による信号変化成分は、一例としてピーク値で代表してサンプリングされる。
【００５０】
このサンプリングは、全ての圧電素子１３１について行われるが、本実施形態では前述の通り３つの領域Ａ、ＢおよびＣ毎に信号の取り込みが行われるので、各領域単位でサンプリングがなされる。以上の通り本実施形態においては、圧電素子１３１の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段が、信号取込み部１０７によって構成されている。
【００５１】
図１に示す画像構築部１０９は、光音響画像の構築前あるいは後に、上記焦電性による信号変化成分（前述の通りそのピーク値）を素子データメモリ１０８から読み出し、複数の圧電素子１３１の各々毎にその信号値を画像表示部１１１に表示させる。複数の光ファイバ１３０のいずれにも断線や劣化が生じていなければ、それらの光ファイバ１３０から出射するパルスレーザ光３５０の光量は、光ファイバ１３０の並び方向つまり圧電素子１３１の並び方向に沿って略均一になる。したがって、複数の圧電素子１３１に検出される光量も略均一となるので、そのとき画像表示部１１１に表示される上記信号値は、基本的に図６の（２）に示す通りとなる。ここに示す横軸の「各圧電素子の座標」は、１列に並置された複数の圧電素子１３１の、並び方向位置と同義である。
【００５２】
本実施形態において画像構築部１０９は、図６の（２）に示す表示を、同図（１）のように光ファイバ１３０および圧電素子１３１の並設状態を示す表示と併せて行う。このようにする場合、複数の圧電素子１３１の各々に数字等による固有座標を与えて同図（１）の表示においてその座標を示す一方、同図（２）の表示の横軸にもそれらの座標を示せば、（２）の信号値に変化が生じたとき、それはどの圧電素子１３１によるものであるかが明確に視認されるようになる。
【００５３】
ここで、図７の（１）に矢印Ｒで示すように、複数の光ファイバ１３０のうちの１つが断線あるいは劣化すると、その光ファイバ１３０の先端部の近くでは、その他の部分と比べて、生体に対する照射光量が低下する。そこで、生体表面等で反射、散乱して圧電素子に入射する光の光量は、その光ファイバ１３０と並び方向位置が一致している圧電素子１３１において最も少ないものとなる。つまりその状態下での前記ピーク値の分布は、図７の（２）に示すようなものとなる。そこで光音響画像化装置の操作者は、図６や７に示すような表示を見ることにより、どの圧電素子１３１と並び方向位置が一致している光ファイバ１３０が断線あるいは劣化しているかを簡単に確認可能となる。
【００５４】
また、光ファイバ１３０の断線あるいは劣化を、本来光音響画像の取得のために利用される圧電素子１３１の出力電圧信号を用いて検知しているので、この検知は極めて効率良く行われ得る。
【００５５】
なお、本実施形態のように、検出された圧電素子１３１の出力電圧信号の変化を、光ファイバ１３０の先端部の配列状態と対応させる形で表示することは必ずしも必要ではなく、出力電圧信号の変化（本実施形態では、具体的に前記ピーク値の変化）を各圧電素子１３１の座標とともに数値で示すようにしても構わない。そうする場合でも、ピーク値が特に低くなっている圧電素子１３１を特定できるので、その圧電素子１３１と並び方向位置が一致している光ファイバ１３０が断線あるいは劣化していると判定することができる。
【００５６】
また、以上説明した実施形態においては、複数の圧電素子１３１が１次元に配列され、複数の光ファイバ１３０が２次元に配置されているが、並設された複数の圧電素子１３１の片側だけに各圧電素子と対応させて光ファイバ１３０の先端部を配置した構成に対しても、本発明は適用可能である。さらに、複数の圧電素子１３１および複数の光ファイバ１３０の先端部がそれぞれ２次元に配置された構成に対しても、本発明は適用可能である。
【００５７】
なお、本実施形態においては、上述の通り光ファイバ１３０が２次元に配置されているが、圧電素子１３１の並び方向の同じ位置に２つの光ファイバ１３０が存在することはないので、圧電素子１３１の出力電圧の変化に基づく光ファイバの断線あるいは劣化の検知は正確に行われ得る。
【００５８】
また、図６や図７に示した表示は、光音響画像の取得時に必ず行う必要はなく、例えば光ファイバのチェックモードを設定しておき、そのモードが指定されたときだけ上記表示を行うようにしてもよい。また、そのモードが指定されたときだけ、圧電素子１３１の出力電圧信号から前記ピーク値のサンプリングを行うようにしてもよい。
【００５９】
さらに、以上説明した実施形態においては、超音波探触子１０３に複数の光ファイバ１３０の先端部が配設されているが、１本の光ファイバのみが設けられてなる光音響画像化装置に対しても本発明は適用可能である。そうした場合も、その１本の光ファイバの劣化を検知できることは、先に述べた通りである。
【００６０】
またレーザ光源としては、上記実施形態で用いられた固体レーザの他、アレキサンドライトレーザ等のその他の固体レーザや、発振波長が最大８００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ、発振波長が最大９００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ等も適用可能である。さらには、半導体レーザを種光源とする光増幅型レーザ光源と光波長変換素子との組み合わせからなるもの、より具体的には、波長１５６０ｎｍ程度のレーザ光を発する半導体レーザと、そのレーザ光を増幅する偏波保存型Ｅｒ（エルビウム）添加光ファイバからなるファイバ増幅器と、そこで増幅された上記レーザ光を波長７８０ｎｍ程度の第２高調波に変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子とからなるもの等も適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１００ 光音響画像化装置
１０１ レーザドライバ
１０２ レーザ光源
１０３ 超音波探触子
１０４ 領域選択部
１０５ 光照射検出部
１０６ 同期補正処理部
１０７ 信号取込み部
１０８ 素子データメモリ
１０９ 画像構築部
１１０ 画像メモリ
１１１ 画像表示部
１１２ マルチプレクサ
１３０ 光ファイバ
１３１ 圧電素子
１５０ 光シャッタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化に基づいて光ファイバの断線あるいは劣化を検知することを特徴とする光音響画像化装置の故障検知方法。
【請求項２】
光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、
圧電素子の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段が設けられたことを特徴とする光音響画像化装置。
【請求項３】
検出された前記出力電圧の変化を表示する手段が設けられたことを特徴とする請求項２記載の光音響画像化装置。
【請求項４】
前記プローブにおいて、光ファイバの先端部および圧電素子がそれぞれ複数、１次元あるいは２次元に配列されていることを特徴とする請求項２または３記載の光音響画像化装置。
【請求項５】
検出された圧電素子の出力電圧の変化を、複数の光ファイバの先端部の配列状態と対応させる形で表示する手段が設けられたことを特徴とする請求項４記載の光音響画像化装置。
【請求項１】
光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、圧電素子の焦電性による出力電圧の変化に基づいて光ファイバの断線あるいは劣化を検知することを特徴とする光音響画像化装置の故障検知方法。
【請求項２】
光を伝搬させる光ファイバの先端部および圧電素子が配置されてなるプローブを備えた光音響画像化装置において、
圧電素子の焦電性による出力電圧の変化を検出する手段が設けられたことを特徴とする光音響画像化装置。
【請求項３】
検出された前記出力電圧の変化を表示する手段が設けられたことを特徴とする請求項２記載の光音響画像化装置。
【請求項４】
前記プローブにおいて、光ファイバの先端部および圧電素子がそれぞれ複数、１次元あるいは２次元に配列されていることを特徴とする請求項２または３記載の光音響画像化装置。
【請求項５】
検出された圧電素子の出力電圧の変化を、複数の光ファイバの先端部の配列状態と対応させる形で表示する手段が設けられたことを特徴とする請求項４記載の光音響画像化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１７０７６８（Ｐ２０１２−１７０７６８Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８２３８（Ｐ２０１１−３８２３８）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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