カテーテル型の光音響プローブおよびそれを備えた光音響撮像装置
【課題】光音響イメージング用のカテーテル装置や内視鏡において、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、測定光の照射範囲の制御を可能とする。
【解決手段】カテーテル型の光音響プローブ１において、カテーテル４と、カテーテル４に挿通された、コア径の異なる複数のコア５０および５１を有するマルチコア光ファイバ５と、マルチコア光ファイバ５の入射端面５ａ側に設けられた第１の光学系４１、４２および４３と、第１の光学系によって導光されたレーザ光Ｌが、上記入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面５ａに入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面５ａの位置を制御するビーム径制御手段４５とを備える。
【解決手段】カテーテル型の光音響プローブ１において、カテーテル４と、カテーテル４に挿通された、コア径の異なる複数のコア５０および５１を有するマルチコア光ファイバ５と、マルチコア光ファイバ５の入射端面５ａ側に設けられた第１の光学系４１、４２および４３と、第１の光学系によって導光されたレーザ光Ｌが、上記入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面５ａに入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面５ａの位置を制御するビーム径制御手段４５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響イメージングに使用されるカテーテル型の光音響プローブおよびそれを備えた光音響撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体の内部の断層画像を取得する方法としては、超音波が被検体内に照射されることにより被検体内で反射した超音波を検出して超音波画像を生成し、被検体内の形態的な断層画像を得る超音波イメージングが知られている。一方、被検体の検査においては形態的な断層画像だけでなく機能的な断層画像を表示する装置の開発も近年進められている。そして、このような装置の一つに光音響分析法を利用した装置がある。この光音響分析法は、所定の波長を有する光（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光）を被検体に照射し、被検体内の特定物質がこの光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。このように光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィーと呼ばれる。
【０００３】
近年では、例えば特許文献１のようなカテーテル装置、または内視鏡に光音響イメージングを応用する試みもなされ始めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７８６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光音響イメージングをカテーテル装置や内視鏡に応用する場合には、その先端部の小型化に伴う空間的な制約によって、測定光を観察対象に照射するための先端光学系の構造や配置場所が制限されてしまうという問題がある。つまり、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることが困難となる。
【０００６】
一方、カテーテル装置や内視鏡では、目的に応じて測定光の照射範囲を広げたり狭くしたりしたいという要望もある。
【０００７】
したがって、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、上記のような要望を満足させられる解決策が望まれている。
【０００８】
本発明は上記要望に応えてなされたものであり、光音響イメージング用のカテーテル装置や内視鏡において、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、測定光の照射範囲の制御を可能とするカテーテル型の光音響プローブおよびそれを備えた光音響撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るカテーテル型の光音響プローブは、
被検体内に測定光を照射し、この測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて行われる光音響測定に用いられるカテーテル型の光音響プローブにおいて、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
先端部にまでレーザ光を導光するようにカテーテルに挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を上記入射端面に導光する第１の光学系と、
マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、上記出射端面から出射したレーザ光を偏向して上記測定光とする第２の光学系と、
第１の光学系によって導光されたレーザ光が、上記入射端面に入射する際のレーザ光のビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面に入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
先端部に設けられた、光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る光音響プローブは、マルチコア光ファイバが、第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり、第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能するものであり、
ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合にはビーム径が小さくなるように、測定光の照射範囲を狭める場合にはビーム径が大きくなるように制御するものであることが好ましい。
【００１１】
また本発明に係る光音響プローブは、ビーム径制御手段を、測定光の照射範囲を広げる場合に、第１の光学系によって導光されたレーザ光が第１のコアにのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１２】
また本発明に係る光音響プローブは、第１の光学系が、円錐レンズを含むものであり、リング形状に成形されたレーザ光を上記入射端面に導光するものであることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係る光音響プローブは、ビーム径制御手段を、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１以上のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１４】
このビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１５】
また、このビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第ｎ−１番目のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１６】
また、前記マルチコア光ファイバは、上記ｎが２であるダブルコア光ファイバとすることができる。
【００１７】
そして、このマルチコア光ファイバが第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備える場合において、
第１の光学系を球面収差を生じるレンズを含むものとし、
ビーム径制御手段を、測定光の照射範囲を狭める場合に、所望のパターン形状が得られるデフォーカス面が上記入射端面と一致するように制御するものとすることができる。
【００１８】
或いは、本発明に係る光音響プローブは、複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合には複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、測定光の照射範囲を狭める場合には複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものとすることもできる。
【００１９】
本発明に係る光音響撮像装置は、
被検体内に測定光を照射し、この測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
先端部にまでレーザ光を導光するようにカテーテルに挿通されたマルチコア光ファイバと、
マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を上記入射端面に導光する第１の光学系と、
マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、上記出射端面から出射したレーザ光を偏向して測定光とする第２の光学系と、
第１の光学系によって導光されたレーザ光が、上記入射端面に入射する際のレーザ光のビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面に入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
先端部に設けられた、光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段と、
電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とするものである。
【００２０】
そして、本発明に係る光音響撮像装置は、前記マルチコア光ファイバが、第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなるものであり、第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎ番目のコアとして機能するものであり、
ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合にはビーム径が小さくなるように、測定光の照射範囲を狭める場合にはビーム径が大きくなるように制御するものであることが好ましい。
【００２１】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置は、複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合には複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、測定光の照射範囲を狭める場合には複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものとすることもできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るカテーテル型の光音響プローブおよび光音響撮像装置は、先端部にまでレーザ光を導光するようにカテーテルに挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を上記入射端面に導光する第１の光学系と、マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、上記出射端面から出射したレーザ光を偏向して上記測定光とする第２の光学系と、第１の光学系によって導光されたレーザ光が、上記入射端面に入射する際のレーザ光のビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面に入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段とを備えることを特徴とする。これにより、マルチコア光ファイバの入射端面へレーザ光が入射するコアのコア径を、目的に応じて入射端面側の光学系の構成および／または上記入射端面の位置のみに基づいて変更することができる。一般に、光ファイバの出射端面から出射したレーザ光の出射角度は、実際にレーザ光が出射した出射端面の面積と反比例の関係を有する。この結果、光音響イメージング用のカテーテル装置や内視鏡において、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、測定光の照射範囲の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態の光音響プローブの構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態の光音響撮像装置の構成を示す概略構成図である。
【図３】ダブルコア光ファイバの光軸に垂直な断面における構造と有効屈折率の関係を示す概略断面図である。
【図４Ａ】レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。
【図４Ｂ】レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。
【図５Ａ】第１のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。
【図５Ｂ】第２のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。
【図６】レーザ光の出射時における光音響プローブの先端部の構造を示す概略断面図である。
【図７】レーザ光をリング形状に成形する光学系の他の構成を示す概略断面図である。
【図８】ダブルコア光ファイバの他の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２５】
図１は、本実施形態の光音響プローブの構成を示す概略断面図である。また図２は、本実施形態の光音響撮像装置の構成を示す概略断面図である。また図３は、ダブルコア光ファイバの光軸に垂直な断面における構造と有効屈折率の関係を示す概略断面図である。
【００２６】
本実施形態の光音響プローブ１は、図１に示されるように、光結合部２および挿入部３から構成される。
【００２７】
より具体的には、本実施形態の光音響プローブ１は、図１から図３に示されるように、光透過性を有する先端部を備えるカテーテル４と、先端部にまでレーザ光Ｌを導光するようにカテーテル４に挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するダブルコア光ファイバ５と（図３）、ダブルコア光ファイバ５の入射端面５ａ側に設けられた第１の光学系４１、４２および４３であって、光源１３側から入射したレーザ光Ｌを上記入射端面５ａに導光する第１の光学系４１、４２および４３と、ダブルコア光ファイバの出射端面５ｂ側に設けられた第２の光学系６であって、上記出射端面５ｂから出射したレーザ光Ｌを観察部位に向けて偏向する第２の光学系６と、第１の光学系４１、４２および４３によって導光されたレーザ光Ｌが、上記入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面５ａに入射するように、第１の光学系４１、４２および４３の構成および／または上記入射端面５ａの位置を制御するビーム径制御手段４５と、先端部に設けられた、光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する超音波探触子７とを備えるものである。
【００２８】
光結合部２は、光源から出力されたレーザ光を挿入部３のダブルコア光ファイバの入射端面に導光するものである。本実施形態では、光結合部２は、円錐レンズ４１および４２、集光レンズ４３並びにビーム径制御手段４５を含んでいる。円錐レンズ４１および４２、集光レンズ４３が、本発明における第１の光学系に相当する。
【００２９】
第１の光学系４１、４２および４３は、光源から出力されたレーザ光をリング形状に成形するものである。より具体的には、光源から出力されたレーザ光は外部の光ファイバ４０を伝搬し、その後円錐レンズ４１に入射した後円錐レンズ４２に入射する。円錐レンズ４１と円錐レンズ４２は、頂点が対向するように配置されている。これにより、レーザ光Ｌは、円錐レンズ４１に入射することによりリング形状に成形され、リング形状のまま拡散するレーザ光Ｌは円錐レンズ４２により平行光化される（図４Ａおよび図４Ｂ）。そして、平行光化されたレーザ光Ｌは、集光レンズ４３により集光される（図４Ａおよび図４Ｂ）。
【００３０】
ビーム径制御手段４５は、第１の光学系４１、４２および４３によって導光されたレーザ光Ｌが、上記入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面５ａに入射するように、第１の光学系４１、４２および４３の構成および／または上記入射端面５ａの位置を制御するものである。本明細書において、ビーム径が「所望の１つのコアのコア径と略一致する状態」とは、ビーム径が、所望の１つのコアのコア径以下であり、かつ、当該所望の１つのコアの次に小さいコアを有するコアのコア径よりも大きいことを意味する。本実施形態では、ビーム径制御手段４５は、集光レンズ４３によって集光されたレーザ光Ｌの焦点の位置を調整するため、集光レンズ４３の位置を光軸方向に沿って変化させて第１の光学系の構成を制御している。これにより、レーザ光Ｌがダブルコア光ファイバ５の入射端面５ａに入射する際のビーム径が制御される。
【００３１】
挿入部３は、例えば被検体の血管内に挿入され、光音響測定を行う部分である。本実施形態では、挿入部３は、カテーテル４、ダブルコア光ファイバ５、第２の光学系６および電気音響変換手段７を含んでいる。
【００３２】
カテーテル４は、軸方向の内孔を有する細長い管状構造を有する。カテーテル４の内孔には、ダブルコア光ファイバ５、超音波探触子７、第２の光学系６およびその他配線等が収納される。カテーテル４は、柔軟すなわち屈曲可能な任意の適切な材料から作製することができる。通常、カテーテルの外壁には、制御ハンドルが回転する際のカテーテル４の剛性を高めるために、ステンレス鋼等からなる編み込みメッシュが埋め込まれている。カテーテル４の外径は、特に限定されないが、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍである。また、カテーテル４の厚さも、特に限定されず、ダブルコア光ファイバ等の要素が収納できる程度に十分に薄いことが好ましい。
【００３３】
ダブルコア光ファイバ５は、レーザ光Ｌをカテーテル４の先端部まで導光するものである。ダブルコア光ファイバ５は、図３に示されるように、第１のコア５０およびこの第１のコア５０の周囲を被覆する第１のクラッド５１、この第１のクラッド５１の周囲を被覆する第２のクラッド５２およびこの第２のクラッド５２の周囲を被覆する被覆部材５３とから構成されている。また、第１から第２番目のクラッドのそれぞれの屈折率は、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなるように設計されている。つまり、図３に示すように、第１のコア５０の屈折率ｎ０よりも第１のクラッド５１の屈折率ｎ１が小さく、第１のクラッド５１の屈折率ｎ１よりも第２のクラッド５２の屈折率ｎ２が小さくなっている。このような構成の結果、本実施形態では、第１のコアおよび第１番目のクラッドが第２のコアとして機能する。第１のコアは、シングルモード用に細くてもよいし、マルチモード用に太くてもよい。ダブルコア光ファイバ５の構成材料は、特に限定されない。しかしながら、第１のコアは石英から構成されることが好ましく、クラッド５１および５２は石英系ガラスから構成されることが好ましく、被覆部材５３は樹脂から構成されることが好ましい。ダブルコア光ファイバ５の太さは、上記カテーテル４に挿通可能な程度に細いことが必要である。
【００３４】
第２の光学系６は、ダブルコア光ファイバ５の出射端面から出射したレーザ光Ｌを被検体の観察部位に向けて偏向するものである。
【００３５】
超音波探触子７は、被検体に向けて超音波を照射し、被検体内を伝搬する音響波を検出するものである。すなわち、超音波探触子７は、被検体に対する超音波の照射（送信）、および被検体から反射して戻って来るその超音波の反射波の検出（受信）を行う。さらに超音波探触子７は、被検体内の観察対象物がレーザ光を吸収することにより被検体内に発生した光音響波の検出も行う。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは電気音響変換部の振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは測定光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。そのために超音波探触子７は、例えば一次元または二次元に配列された複数の超音波振動子から構成される振動子アレイを有する。この超音波振動子が本発明における電気音響変換手段に相当する。超音波振動子１１は、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。超音波振動子１１は、音響波を受信した場合にその受信信号を電気信号に変換する機能を有している。この電気信号は後述する受信回路２１に出力される。この超音波探触子７は、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等の中から診断部位に応じて選択される。
【００３６】
超音波探触子７は、音響波を効率よく検出するために音響整合層を振動子アレイの表面に備えてもよい。一般に圧電素子材料と生体では音響インピーダンスが大きく異なるため、圧電素子材料と生体が直接接した場合には、界面での反射が大きくなり音響波を効率よく検出することができない。このため、圧電素子材料と生体の間に中間的な音響インピーダンスを有する音響整合層が配置されることにより、音響波を効率よく検出することができる。音響整合層を構成する材料の例としては、エポキシ樹脂や石英ガラスなどが挙げられる。また同様の理由により、カテーテル内を音響整合液で満たすことも好ましい。音響整合液を構成する材料の例としては、水などが挙げられる。
【００３７】
以下、本実施形態の光音響プローブ１の作用効果を説明する。
【００３８】
図４Ａは、レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。図４Ｂは、レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。また、図５Ａは、第１のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。図５Ｂは、第２のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。
【００３９】
本実施形態の光音響プローブ１では、ビーム径制御手段４５が、集光レンズ４３の位置を光軸方向に沿って変化させることにより、ダブルコア光ファイバ５の出射端面５ｂから出射したレーザ光Ｌの出射角度が制御される。より具体的には、ビーム径制御手段４５が、集光レンズ４３の位置を光軸方向に沿って変化させると、ダブルコア光ファイバ５の入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が光軸を中心として変化する。これにより、レーザ光Ｌが第１のコア５０のみに入射する場合と第２のコア（第１のコア５０および第１のクラッド５１）に入射する場合とで切り換えることができる。そして、レーザ光が第１のコア５０のみに入射した場合（図４Ａ）には、そのレーザ光Ｌは第１のコア５０のみを伝搬し、ダブルコア光ファイバ５の出射端面５ｂのうち第１のコア５０の部分のみから出射することになる（図５Ａ）。一方、レーザ光Ｌが第２のコア５０および５１に入射した場合（図４Ｂ）には、そのレーザ光Ｌは第２のコア５０および５１を伝搬し、ダブルコア光ファイバ５の出射端面５ｂのうち第２のコア５０および５１の部分から出射することになる（図５Ｂ）。一般に、光ファイバの出射端面から出射したレーザ光の出射角度は、実際にレーザ光が出射した出射端面の面積と反比例の関係を有する（エタンデュの保存則）。したがって、レーザ光Ｌが第１のコア５０のみに入射した場合におけるレーザ光Ｌｗの出射角度θ１は、レーザ光Ｌが第２のコア５０および５１に入射した場合におけるレーザ光Ｌｎの出射角度θ２に比べて大きい。この結果、図６に示されるように、光音響イメージング用のカテーテル装置や内視鏡において、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、レーザ光の出射時における開口数（ＮＡ）を切り換えることが可能となり、測定光の照射範囲の制御が可能となる。
【００４０】
さらに、上記では、出射角度を小さくする際にレーザ光Ｌが第２のコア５０および５１に入射した場合を想定して説明を行った。しかしながら、この場合、第１のコア５０の部分に入射したレーザ光は結局第１のコア５０のみを伝搬することになる。したがって、厳密には、レーザ光Ｌのすべてについて出射角度を小さくするには至っていない。そこで、レーザ光Ｌをリング形状に成形し、特に、第２のコアのうち第１のコアを除いた部分、すなわち第１のクラッドにのみレーザ光が入射するように、ビーム径制御手段４５を作動させた場合には、効率よく測定光の照射範囲の制御することが可能となる（図４Ｂ）。
【００４１】
なお、上記の実施形態では、レーザ光Ｌを導光する光ファイバとしてダブルコア光ファイバを例にして説明したが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明ではより一般的に、第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり、第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能するマルチコア光ファイバを適用することができる。本明細書において、「第１のコアの周囲を順次被覆する」とは、第１から第ｎ番目のクラッドに関して、第１のコアの周囲を第１のクラッドが被覆し、第１のクラッドの周囲を第２のクラッドが被覆するというように、ｎが２以上において第ｎ−１のクラッドの周囲を第ｎのクラッドが被覆することを意味する。また、本明細書において、「第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり」とは、第１のコアおよび第１から第ｎ番目のクラッドに関して、マルチコア光ファイバの外周に行くにつれて段階的に屈折率が小さくなることを意味する。さらに、本明細書において、「第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能する」とは、例えば、ｎ＝４の場合において、第１のコアおよび第１のクラッドが第２のコアとして機能し、第１のコア、第１のクラッドおよび第２のクラッドが第３のコアとして機能し、第１のコア、第１のクラッド、第２のクラッドおよび第３のクラッドが第４のコアとして機能することにより、当該マルチコア光ファイバには４つのコアが存在することを意味する。ｎ＝４以外の場合についても同様である。
【００４２】
上記のようなマルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を広げる場合にはビーム径が小さくなるように、測定光の照射範囲を狭める場合にはビーム径が大きくなるように、光軸を中心に制御するものであることが好ましい。例えば、集光レンズの位置を光軸に沿って移動させるだけで、レーザ光のビーム径を制御することができるためである。そして、マルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１以上のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。少なくとも第１のコアにレーザ光を入射させなければ、測定光の照射範囲を制御するという本発明の課題を解決することが可能である。さらに、マルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。このようにすることで、測定光の照射範囲の制御を段階的に実施することが可能となる。さらに、マルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第ｎ−１番目のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。この場合、測定光の照射範囲を最も狭くすることが可能となる。
【００４３】
また、上記の実施形態では、ビーム径制御手段４５が集光レンズ４３の位置を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。つまり、ビーム径制御手段４５は、入射端面の位置を制御してもよい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、レーザ光Ｌをリング形状に成形する方法として円錐レンズを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。この他には、例えば図７に示されるように、第１の光学系は、球面収差を生じるレンズ４４を含むものであり、ビーム径制御手段４５は、測定光の照射範囲を狭める場合に、所望のパターン形状が得られるデフォーカス面（焦点面Ｓｆに平行でかつ焦点面Ｓｆからずれた位置にある面）が上記入射端面５ａと一致するように制御するものとすることができる。球面収差によっても、リング形状のレーザ光を生成するこが可能だからである。
【００４５】
また、上記の実施形態では、複数のコアの中心が同軸である場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば図８に示されるように、複数のコア５５および５６が、それぞれ異なる光軸を有するものであり、ビーム径制御手段４５が、測定光の照射範囲を広げる場合には複数のコアのうちコア径の小さいコア５５に入射するように、測定光の照射範囲を狭める場合には複数のコアのうちコア径の大きいコア５６に入射するように制御するものとすることもできる。つまり、この場合、マルチコア光ファイバ５４は、それぞれ異なる光軸を有する複数のコア５５および５６と、これらのコアを包含するクラッド５７と、クラッド５７の周囲を被覆する被覆部材５８とから構成される。
【００４６】
次に本実施形態の光音響撮像装置１０について詳細に説明する。本実施形態の光音響撮像装置１０は、上記光音響プローブ１、超音波ユニット１２、およびレーザ光源ユニット１３を備えている。なおこの光音響撮像装置１０は、超音波画像と光音響画像との双方を生成可能に構成されている。
【００４７】
光音響プローブ１については、上記の実施形態におけるプローブである。したがって、詳細な説明は省略する。光音響プローブ１は、例えば血管に挿入され血管壁の光音響イメージングに使用される。光音響プローブ１を用いることにより、例えば、光音響プローブ１を引きながら測定した場合には二次元画像を生成することができる。この場合、測定範囲の広さに応じて測定光の照射範囲が制御される。また、図６に示されるように、光音響プローブ１を引きながらＲ方向に回転させた場合には、三次元画像を生成することができる。この場合、三次元画像を高速で取得したいのか或いは高精細に取得したいのかに応じて測定光の照射範囲が制御される。三次元画像を高速で取得したい場合には、光音響プローブ１の走査を速く行うため測定光の照射範囲は広いことが好ましく、三次元画像を高精細に取得したい場合には、Ｓ／Ｎ比の高い信号を検出するため測定光の照射範囲は絞ることが好ましいためである。なお、図６では、効率よく超音波探触子７で音響波を検出できるように、音響整合液８が注入されている。
【００４８】
レーザユニット１３は、被検体に照射すべきレーザ光を測定光として出射する。レーザユニット１３は、例えば所定の波長の光を発生する１以上の光源を有する。光源として、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることができる。例えば本実施形態においてレーザユニット１３は、励起光源であるフラッシュランプ３５とレーザ発振を制御するＱスイッチ３６とを含むＱスイッチパルスレーザ光源である。レーザユニット１３は、トリガ制御回路３２がフラッシュランプトリガ信号を出力すると、フラッシュランプ３５を点灯し、Ｑスイッチパルスレーザを励起する。
【００４９】
レーザユニット１３は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン、等）により光学的な吸収係数が異なる。たとえば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、生体内部の血管を撮像する場合）には、生体の光透過性が良く、かつ各種ヘモグロビンが光の吸収ピークを持つ６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被写体の深部まで届くという観点からも、上記レーザの波長は６００〜１０００ｎｍであることが好ましい。そして、上記レーザ光の出力は、レーザ光と光音響波の伝搬ロス、光音響変換の効率および現状の検出器の検出感度等の観点から、１０μＪ／ｃｍ２〜数１０ｍＪ／ｃｍ２であることが好ましい。さらに、パルス光出力の繰り返しは、画像構築速度の観点から、１０Ｈｚ以上であることが好ましい。また、レーザ光は上記パルス光が複数並んだパルス列とすることもできる。レーザ光源ユニット１３から出力されたレーザ光は、例えば本実施形態の光音響プローブ１を用いて超音波探触子７の近傍まで導光され、超音波探触子７の近傍から被検体に照射される。
【００５０】
超音波ユニット１２は、本発明における画像生成手段に相当する。より具体的には超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、データ分離手段２４、光音響画像再構成手段２５ａ、光音響画像再構成手段２５ａからの信号を受信する検波・対数変換手段２６ａ、光音響画像を構築する光音響画像構築手段２７ａ、超音波画像再構成手段２５ｂ、超音波画像再構成手段２５ｂからの信号を受信する検波・対数変換手段２６ｂ、超音波画像を構築する超音波画像構築手段２７ｂ、画像合成手段２８、トリガ制御回路３２、送信制御回路３３および制御手段３４を有している。制御手段３４は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。
【００５１】
受信回路２１は、超音波探触子７から出力された音響波の電気信号を受信する。ＡＤ変換手段２２はサンプリング手段であり、受信回路２１が受信した電気信号を例えばクロック周波数４０ＭＨｚのＡＤクロック信号に同期してサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば外部から入力されるＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で上記電気信号をサンプリングする。
【００５２】
ＡＤ変換手段２２は、サンプリングしたデジタル信号（サンプリングデータ）を受信メモリ２３に格納する。受信メモリ２３に格納されたサンプリングデータは、光音響波に関するデータ（光音響データ）、超音波に関するデータ（超音波データ）またはこれらの混合データである。
【００５３】
データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納されたサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離する。サンプリングデータを分離する方法は特に限定されない。例えば、超音波の照射とレーザ光の照射とを時間的にずらして実施した場合には、サンプリングデータをある時刻で分けることによりサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離することができる。また例えば、光音響データおよび超音波データそれぞれに関する周波数や遅延量の違いを利用してもサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離することができる。データ分離手段２４は、分離された光音響データを光音響画像再構成手段２５ａに入力し、超音波データを超音波画像再構成手段２５ｂに出力する。
【００５４】
光音響画像再構成手段２５ａは、例えば超音波探触子７の６４個の超音波振動子の各出力信号から得られた上記光音響データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。なお、この光音響画像再構成手段２５ａは、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行うものでもよい。あるいは光音響画像再構成手段２５ａは、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行うものでもよい。光音響画像再構成手段２５ａは、上記のようにして加算整合された光音響データを検波・対数変換手段２６ａに出力する。
【００５５】
検波・対数変換手段２６ａは、光音響画像再構成手段２５ａから出力された光音響データの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。そして、検波・対数変換手段２６ａは、上記のようにして信号処理した光音響データを光音響画像構築手段２７ａに出力する。
【００５６】
光音響画像構築手段２７ａは、対数変換が施された各ラインの光音響データに基づいて、断層画像（光音響画像）を構築する。光音響画像構築手段２７ａは、例えば光音響データの時間軸の位置を、断層画像における深さを表す変位軸の位置に変換して光音響画像を構築する。
【００５７】
一方、超音波画像再構成手段２５ｂは、例えば超音波探触子７の６４個の超音波振動子の各出力信号から得られた上記超音波データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。なお、この超音波画像再構成手段２５ｂは、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行うものでもよい。あるいは超音波画像再構成手段２５ｂは、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行うものでもよい。超音波画像再構成手段２５ｂは、上記のようにして加算整合された超音波データを検波・対数変換手段２６ｂに出力する。
【００５８】
検波・対数変換手段２６ｂは、超音波画像再構成手段２５ｂから出力された超音波データの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。そして、検波・対数変換手段２６ｂは、上記のようにして信号処理した超音波データを超音波画像構築手段２７ｂに出力する。
【００５９】
超音波画像構築手段２７ｂは、対数変換が施された各ラインの超音波データに基づいて、断層画像（超音波画像）を構築する。超音波画像構築手段２７ｂは、例えば超音波データの時間軸の位置を、断層画像における深さを表す変位軸の位置に変換して超音波画像を構築する。
【００６０】
トリガ制御回路３２は、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号及びＱスイッチトリガ信号を出力し、レーザ光源ユニット１３からレーザ光を出射させる。また、トリガ制御回路３２は、送信制御回路３３に超音波送信トリガ信号を出力し、プローブ１１から超音波を出力させる。更に、トリガ制御回路３２は、レーザ光の照射又は超音波送信と同期してＡＤ変換手段２２に対してＡＤトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２におけるサンプリングを開始させる。
【００６１】
トリガ制御回路３２は、レーザ光源ユニット１３に対してレーザ光の出力を指示するフラッシュランプトリガ信号を出力する。これによりレーザ光源ユニット１３では、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ３５が点灯し、レーザ励起が開始される。その後、トリガ制御回路３２は、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。これによりレーザ光源ユニット１３では、Ｑスイッチレーザ３６のＱスイッチがＱスイッチトリガ信号に応答してＯＮ状態となり、レーザ光が出力されて、被検体にレーザ光が照射される。フラッシュランプ３５の点灯からＱスイッチレーザ３６が十分な励起状態となるまでに要する時間は、Ｑスイッチレーザ３６の特性などから見積もることができる。トリガ制御回路３２からＱスイッチを制御するのに代えて、レーザ光源ユニット１３内において、Ｑスイッチレーザ３６を十分に励起させた後にＱスイッチをＯＮ状態にしてもよい。その場合は、ＱスイッチをＯＮ状態にした旨を示す信号を超音波ユニット１２側に通知してもよい。
【００６２】
またトリガ制御回路３２は、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を送信制御回路３３に出力する。送信制御回路３３は、上記超音波トリガ信号を受けると、超音波探触子７から超音波を送信させる。トリガ制御回路３２は、先にフラッシュランプトリガ信号を出力し、その後超音波トリガ信号を出力する。つまりトリガ制御回路３２は、フラッシュランプトリガ信号の出力に後続して、超音波トリガ信号を出力する。フラッシュランプトリガ信号が出力されることで被検体に対するレーザ光の照射および光音響波の検出が行われた後、超音波トリガ信号が出力されることで被検体に対する超音波の送信およびその反射波の検出が行われる。
【００６３】
トリガ制御回路３２はさらに、ＡＤ変換手段２２に対して、サンプリング開始を指示するサンプリングトリガ信号を出力する。このサンプリングトリガ信号は、上記フラッシュランプトリガ信号が出力された後で、かつ超音波トリガ信号が出力される前、より好ましくは被検体に実際にレーザ光が照射されるタイミングで出力される。そのためにサンプリングトリガ信号は、例えばトリガ制御回路３２がＱスイッチトリガ信号を出力するタイミングに同期して出力される。ＡＤ変換手段２２は上記サンプリングトリガ信号を受けると、超音波探触子７にて検出された上記電気信号のサンプリングを開始する。
画像合成手段２８は、画像構築手段２７ａおよび２７ｂにそれぞれ構築された光音響画像および超音波画像を合成する。画像合成手段２８は、合成されて得られた画像を表示画像生成手段２９に出力する。なお、合成画像を表示しない場合には光音響画像および超音波画像はそれぞれ合成処理されないまま、画像合成手段２８から出力されてもよい。
【００６４】
表示画像生成手段２９は、画像合成手段２８により合成されて得られた画像に必要な処理を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【００６５】
画像表示手段１４は、表示画像生成手段２９により生成された表示画像を表示する。
【符号の説明】
【００６６】
１ 光音響プローブ
２ 光結合部
３ 挿入部
４ カテーテル
５ ダブルコア光ファイバ
６ 第２の光学系
７ 超音波探触子
８ 音響整合液
１０ 光音響撮像装置
１２ 超音波ユニット
１３ レーザ光源ユニット
１４ 画像表示手段
２１ 受信回路
２２ ＡＤ変換手段
２３ 受信メモリ
２４ データ分離手段
２５ａ 光音響画像再構成手段
２５ｂ 超音波画像再構成手段
２７ａ 光音響画像構築手段
２７ｂ 超音波画像構築手段
２８ 画像合成手段
３３ 送信制御回路
３４ 制御手段
４１ 、４２ 円錐レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響イメージングに使用されるカテーテル型の光音響プローブおよびそれを備えた光音響撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体の内部の断層画像を取得する方法としては、超音波が被検体内に照射されることにより被検体内で反射した超音波を検出して超音波画像を生成し、被検体内の形態的な断層画像を得る超音波イメージングが知られている。一方、被検体の検査においては形態的な断層画像だけでなく機能的な断層画像を表示する装置の開発も近年進められている。そして、このような装置の一つに光音響分析法を利用した装置がある。この光音響分析法は、所定の波長を有する光（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光）を被検体に照射し、被検体内の特定物質がこの光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。このように光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィーと呼ばれる。
【０００３】
近年では、例えば特許文献１のようなカテーテル装置、または内視鏡に光音響イメージングを応用する試みもなされ始めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７８６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光音響イメージングをカテーテル装置や内視鏡に応用する場合には、その先端部の小型化に伴う空間的な制約によって、測定光を観察対象に照射するための先端光学系の構造や配置場所が制限されてしまうという問題がある。つまり、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることが困難となる。
【０００６】
一方、カテーテル装置や内視鏡では、目的に応じて測定光の照射範囲を広げたり狭くしたりしたいという要望もある。
【０００７】
したがって、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、上記のような要望を満足させられる解決策が望まれている。
【０００８】
本発明は上記要望に応えてなされたものであり、光音響イメージング用のカテーテル装置や内視鏡において、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、測定光の照射範囲の制御を可能とするカテーテル型の光音響プローブおよびそれを備えた光音響撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るカテーテル型の光音響プローブは、
被検体内に測定光を照射し、この測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて行われる光音響測定に用いられるカテーテル型の光音響プローブにおいて、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
先端部にまでレーザ光を導光するようにカテーテルに挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を上記入射端面に導光する第１の光学系と、
マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、上記出射端面から出射したレーザ光を偏向して上記測定光とする第２の光学系と、
第１の光学系によって導光されたレーザ光が、上記入射端面に入射する際のレーザ光のビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面に入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
先端部に設けられた、光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る光音響プローブは、マルチコア光ファイバが、第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり、第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能するものであり、
ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合にはビーム径が小さくなるように、測定光の照射範囲を狭める場合にはビーム径が大きくなるように制御するものであることが好ましい。
【００１１】
また本発明に係る光音響プローブは、ビーム径制御手段を、測定光の照射範囲を広げる場合に、第１の光学系によって導光されたレーザ光が第１のコアにのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１２】
また本発明に係る光音響プローブは、第１の光学系が、円錐レンズを含むものであり、リング形状に成形されたレーザ光を上記入射端面に導光するものであることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係る光音響プローブは、ビーム径制御手段を、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１以上のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１４】
このビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１５】
また、このビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第ｎ−１番目のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。
【００１６】
また、前記マルチコア光ファイバは、上記ｎが２であるダブルコア光ファイバとすることができる。
【００１７】
そして、このマルチコア光ファイバが第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備える場合において、
第１の光学系を球面収差を生じるレンズを含むものとし、
ビーム径制御手段を、測定光の照射範囲を狭める場合に、所望のパターン形状が得られるデフォーカス面が上記入射端面と一致するように制御するものとすることができる。
【００１８】
或いは、本発明に係る光音響プローブは、複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合には複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、測定光の照射範囲を狭める場合には複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものとすることもできる。
【００１９】
本発明に係る光音響撮像装置は、
被検体内に測定光を照射し、この測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
先端部にまでレーザ光を導光するようにカテーテルに挿通されたマルチコア光ファイバと、
マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を上記入射端面に導光する第１の光学系と、
マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、上記出射端面から出射したレーザ光を偏向して測定光とする第２の光学系と、
第１の光学系によって導光されたレーザ光が、上記入射端面に入射する際のレーザ光のビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面に入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
先端部に設けられた、光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段と、
電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とするものである。
【００２０】
そして、本発明に係る光音響撮像装置は、前記マルチコア光ファイバが、第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなるものであり、第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎ番目のコアとして機能するものであり、
ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合にはビーム径が小さくなるように、測定光の照射範囲を狭める場合にはビーム径が大きくなるように制御するものであることが好ましい。
【００２１】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置は、複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、ビーム径制御手段が、測定光の照射範囲を広げる場合には複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、測定光の照射範囲を狭める場合には複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものとすることもできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るカテーテル型の光音響プローブおよび光音響撮像装置は、先端部にまでレーザ光を導光するようにカテーテルに挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を上記入射端面に導光する第１の光学系と、マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、上記出射端面から出射したレーザ光を偏向して上記測定光とする第２の光学系と、第１の光学系によって導光されたレーザ光が、上記入射端面に入射する際のレーザ光のビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面に入射するように、第１の光学系の構成および／または上記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段とを備えることを特徴とする。これにより、マルチコア光ファイバの入射端面へレーザ光が入射するコアのコア径を、目的に応じて入射端面側の光学系の構成および／または上記入射端面の位置のみに基づいて変更することができる。一般に、光ファイバの出射端面から出射したレーザ光の出射角度は、実際にレーザ光が出射した出射端面の面積と反比例の関係を有する。この結果、光音響イメージング用のカテーテル装置や内視鏡において、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、測定光の照射範囲の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態の光音響プローブの構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態の光音響撮像装置の構成を示す概略構成図である。
【図３】ダブルコア光ファイバの光軸に垂直な断面における構造と有効屈折率の関係を示す概略断面図である。
【図４Ａ】レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。
【図４Ｂ】レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。
【図５Ａ】第１のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。
【図５Ｂ】第２のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。
【図６】レーザ光の出射時における光音響プローブの先端部の構造を示す概略断面図である。
【図７】レーザ光をリング形状に成形する光学系の他の構成を示す概略断面図である。
【図８】ダブルコア光ファイバの他の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２５】
図１は、本実施形態の光音響プローブの構成を示す概略断面図である。また図２は、本実施形態の光音響撮像装置の構成を示す概略断面図である。また図３は、ダブルコア光ファイバの光軸に垂直な断面における構造と有効屈折率の関係を示す概略断面図である。
【００２６】
本実施形態の光音響プローブ１は、図１に示されるように、光結合部２および挿入部３から構成される。
【００２７】
より具体的には、本実施形態の光音響プローブ１は、図１から図３に示されるように、光透過性を有する先端部を備えるカテーテル４と、先端部にまでレーザ光Ｌを導光するようにカテーテル４に挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するダブルコア光ファイバ５と（図３）、ダブルコア光ファイバ５の入射端面５ａ側に設けられた第１の光学系４１、４２および４３であって、光源１３側から入射したレーザ光Ｌを上記入射端面５ａに導光する第１の光学系４１、４２および４３と、ダブルコア光ファイバの出射端面５ｂ側に設けられた第２の光学系６であって、上記出射端面５ｂから出射したレーザ光Ｌを観察部位に向けて偏向する第２の光学系６と、第１の光学系４１、４２および４３によって導光されたレーザ光Ｌが、上記入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面５ａに入射するように、第１の光学系４１、４２および４３の構成および／または上記入射端面５ａの位置を制御するビーム径制御手段４５と、先端部に設けられた、光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する超音波探触子７とを備えるものである。
【００２８】
光結合部２は、光源から出力されたレーザ光を挿入部３のダブルコア光ファイバの入射端面に導光するものである。本実施形態では、光結合部２は、円錐レンズ４１および４２、集光レンズ４３並びにビーム径制御手段４５を含んでいる。円錐レンズ４１および４２、集光レンズ４３が、本発明における第１の光学系に相当する。
【００２９】
第１の光学系４１、４２および４３は、光源から出力されたレーザ光をリング形状に成形するものである。より具体的には、光源から出力されたレーザ光は外部の光ファイバ４０を伝搬し、その後円錐レンズ４１に入射した後円錐レンズ４２に入射する。円錐レンズ４１と円錐レンズ４２は、頂点が対向するように配置されている。これにより、レーザ光Ｌは、円錐レンズ４１に入射することによりリング形状に成形され、リング形状のまま拡散するレーザ光Ｌは円錐レンズ４２により平行光化される（図４Ａおよび図４Ｂ）。そして、平行光化されたレーザ光Ｌは、集光レンズ４３により集光される（図４Ａおよび図４Ｂ）。
【００３０】
ビーム径制御手段４５は、第１の光学系４１、４２および４３によって導光されたレーザ光Ｌが、上記入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、その１つのコアの上記入射端面５ａに入射するように、第１の光学系４１、４２および４３の構成および／または上記入射端面５ａの位置を制御するものである。本明細書において、ビーム径が「所望の１つのコアのコア径と略一致する状態」とは、ビーム径が、所望の１つのコアのコア径以下であり、かつ、当該所望の１つのコアの次に小さいコアを有するコアのコア径よりも大きいことを意味する。本実施形態では、ビーム径制御手段４５は、集光レンズ４３によって集光されたレーザ光Ｌの焦点の位置を調整するため、集光レンズ４３の位置を光軸方向に沿って変化させて第１の光学系の構成を制御している。これにより、レーザ光Ｌがダブルコア光ファイバ５の入射端面５ａに入射する際のビーム径が制御される。
【００３１】
挿入部３は、例えば被検体の血管内に挿入され、光音響測定を行う部分である。本実施形態では、挿入部３は、カテーテル４、ダブルコア光ファイバ５、第２の光学系６および電気音響変換手段７を含んでいる。
【００３２】
カテーテル４は、軸方向の内孔を有する細長い管状構造を有する。カテーテル４の内孔には、ダブルコア光ファイバ５、超音波探触子７、第２の光学系６およびその他配線等が収納される。カテーテル４は、柔軟すなわち屈曲可能な任意の適切な材料から作製することができる。通常、カテーテルの外壁には、制御ハンドルが回転する際のカテーテル４の剛性を高めるために、ステンレス鋼等からなる編み込みメッシュが埋め込まれている。カテーテル４の外径は、特に限定されないが、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍである。また、カテーテル４の厚さも、特に限定されず、ダブルコア光ファイバ等の要素が収納できる程度に十分に薄いことが好ましい。
【００３３】
ダブルコア光ファイバ５は、レーザ光Ｌをカテーテル４の先端部まで導光するものである。ダブルコア光ファイバ５は、図３に示されるように、第１のコア５０およびこの第１のコア５０の周囲を被覆する第１のクラッド５１、この第１のクラッド５１の周囲を被覆する第２のクラッド５２およびこの第２のクラッド５２の周囲を被覆する被覆部材５３とから構成されている。また、第１から第２番目のクラッドのそれぞれの屈折率は、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなるように設計されている。つまり、図３に示すように、第１のコア５０の屈折率ｎ０よりも第１のクラッド５１の屈折率ｎ１が小さく、第１のクラッド５１の屈折率ｎ１よりも第２のクラッド５２の屈折率ｎ２が小さくなっている。このような構成の結果、本実施形態では、第１のコアおよび第１番目のクラッドが第２のコアとして機能する。第１のコアは、シングルモード用に細くてもよいし、マルチモード用に太くてもよい。ダブルコア光ファイバ５の構成材料は、特に限定されない。しかしながら、第１のコアは石英から構成されることが好ましく、クラッド５１および５２は石英系ガラスから構成されることが好ましく、被覆部材５３は樹脂から構成されることが好ましい。ダブルコア光ファイバ５の太さは、上記カテーテル４に挿通可能な程度に細いことが必要である。
【００３４】
第２の光学系６は、ダブルコア光ファイバ５の出射端面から出射したレーザ光Ｌを被検体の観察部位に向けて偏向するものである。
【００３５】
超音波探触子７は、被検体に向けて超音波を照射し、被検体内を伝搬する音響波を検出するものである。すなわち、超音波探触子７は、被検体に対する超音波の照射（送信）、および被検体から反射して戻って来るその超音波の反射波の検出（受信）を行う。さらに超音波探触子７は、被検体内の観察対象物がレーザ光を吸収することにより被検体内に発生した光音響波の検出も行う。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは電気音響変換部の振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは測定光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。そのために超音波探触子７は、例えば一次元または二次元に配列された複数の超音波振動子から構成される振動子アレイを有する。この超音波振動子が本発明における電気音響変換手段に相当する。超音波振動子１１は、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。超音波振動子１１は、音響波を受信した場合にその受信信号を電気信号に変換する機能を有している。この電気信号は後述する受信回路２１に出力される。この超音波探触子７は、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等の中から診断部位に応じて選択される。
【００３６】
超音波探触子７は、音響波を効率よく検出するために音響整合層を振動子アレイの表面に備えてもよい。一般に圧電素子材料と生体では音響インピーダンスが大きく異なるため、圧電素子材料と生体が直接接した場合には、界面での反射が大きくなり音響波を効率よく検出することができない。このため、圧電素子材料と生体の間に中間的な音響インピーダンスを有する音響整合層が配置されることにより、音響波を効率よく検出することができる。音響整合層を構成する材料の例としては、エポキシ樹脂や石英ガラスなどが挙げられる。また同様の理由により、カテーテル内を音響整合液で満たすことも好ましい。音響整合液を構成する材料の例としては、水などが挙げられる。
【００３７】
以下、本実施形態の光音響プローブ１の作用効果を説明する。
【００３８】
図４Ａは、レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。図４Ｂは、レーザ光をリング形状に成形する光学系の構成およびビーム径制御手段の動作機構を示す概略断面図である。また、図５Ａは、第１のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。図５Ｂは、第２のコアから出射するレーザ光の出射角度を示す概略断面図である。
【００３９】
本実施形態の光音響プローブ１では、ビーム径制御手段４５が、集光レンズ４３の位置を光軸方向に沿って変化させることにより、ダブルコア光ファイバ５の出射端面５ｂから出射したレーザ光Ｌの出射角度が制御される。より具体的には、ビーム径制御手段４５が、集光レンズ４３の位置を光軸方向に沿って変化させると、ダブルコア光ファイバ５の入射端面５ａに入射する際のレーザ光Ｌのビーム径が光軸を中心として変化する。これにより、レーザ光Ｌが第１のコア５０のみに入射する場合と第２のコア（第１のコア５０および第１のクラッド５１）に入射する場合とで切り換えることができる。そして、レーザ光が第１のコア５０のみに入射した場合（図４Ａ）には、そのレーザ光Ｌは第１のコア５０のみを伝搬し、ダブルコア光ファイバ５の出射端面５ｂのうち第１のコア５０の部分のみから出射することになる（図５Ａ）。一方、レーザ光Ｌが第２のコア５０および５１に入射した場合（図４Ｂ）には、そのレーザ光Ｌは第２のコア５０および５１を伝搬し、ダブルコア光ファイバ５の出射端面５ｂのうち第２のコア５０および５１の部分から出射することになる（図５Ｂ）。一般に、光ファイバの出射端面から出射したレーザ光の出射角度は、実際にレーザ光が出射した出射端面の面積と反比例の関係を有する（エタンデュの保存則）。したがって、レーザ光Ｌが第１のコア５０のみに入射した場合におけるレーザ光Ｌｗの出射角度θ１は、レーザ光Ｌが第２のコア５０および５１に入射した場合におけるレーザ光Ｌｎの出射角度θ２に比べて大きい。この結果、図６に示されるように、光音響イメージング用のカテーテル装置や内視鏡において、カテーテル装置や内視鏡の先端部に複雑な構造の光学系を設けることなく、レーザ光の出射時における開口数（ＮＡ）を切り換えることが可能となり、測定光の照射範囲の制御が可能となる。
【００４０】
さらに、上記では、出射角度を小さくする際にレーザ光Ｌが第２のコア５０および５１に入射した場合を想定して説明を行った。しかしながら、この場合、第１のコア５０の部分に入射したレーザ光は結局第１のコア５０のみを伝搬することになる。したがって、厳密には、レーザ光Ｌのすべてについて出射角度を小さくするには至っていない。そこで、レーザ光Ｌをリング形状に成形し、特に、第２のコアのうち第１のコアを除いた部分、すなわち第１のクラッドにのみレーザ光が入射するように、ビーム径制御手段４５を作動させた場合には、効率よく測定光の照射範囲の制御することが可能となる（図４Ｂ）。
【００４１】
なお、上記の実施形態では、レーザ光Ｌを導光する光ファイバとしてダブルコア光ファイバを例にして説明したが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明ではより一般的に、第１のコアおよびこの第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり、第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能するマルチコア光ファイバを適用することができる。本明細書において、「第１のコアの周囲を順次被覆する」とは、第１から第ｎ番目のクラッドに関して、第１のコアの周囲を第１のクラッドが被覆し、第１のクラッドの周囲を第２のクラッドが被覆するというように、ｎが２以上において第ｎ−１のクラッドの周囲を第ｎのクラッドが被覆することを意味する。また、本明細書において、「第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり」とは、第１のコアおよび第１から第ｎ番目のクラッドに関して、マルチコア光ファイバの外周に行くにつれて段階的に屈折率が小さくなることを意味する。さらに、本明細書において、「第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能する」とは、例えば、ｎ＝４の場合において、第１のコアおよび第１のクラッドが第２のコアとして機能し、第１のコア、第１のクラッドおよび第２のクラッドが第３のコアとして機能し、第１のコア、第１のクラッド、第２のクラッドおよび第３のクラッドが第４のコアとして機能することにより、当該マルチコア光ファイバには４つのコアが存在することを意味する。ｎ＝４以外の場合についても同様である。
【００４２】
上記のようなマルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を広げる場合にはビーム径が小さくなるように、測定光の照射範囲を狭める場合にはビーム径が大きくなるように、光軸を中心に制御するものであることが好ましい。例えば、集光レンズの位置を光軸に沿って移動させるだけで、レーザ光のビーム径を制御することができるためである。そして、マルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１以上のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。少なくとも第１のコアにレーザ光を入射させなければ、測定光の照射範囲を制御するという本発明の課題を解決することが可能である。さらに、マルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。このようにすることで、測定光の照射範囲の制御を段階的に実施することが可能となる。さらに、マルチコア光ファイバを用いた場合には、ビーム径制御手段は、測定光の照射範囲を狭める場合に、リング形状に成形されたレーザ光が第ｎ−１番目のクラッドの上記入射端面にのみ入射するように制御するものとすることができる。この場合、測定光の照射範囲を最も狭くすることが可能となる。
【００４３】
また、上記の実施形態では、ビーム径制御手段４５が集光レンズ４３の位置を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。つまり、ビーム径制御手段４５は、入射端面の位置を制御してもよい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、レーザ光Ｌをリング形状に成形する方法として円錐レンズを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。この他には、例えば図７に示されるように、第１の光学系は、球面収差を生じるレンズ４４を含むものであり、ビーム径制御手段４５は、測定光の照射範囲を狭める場合に、所望のパターン形状が得られるデフォーカス面（焦点面Ｓｆに平行でかつ焦点面Ｓｆからずれた位置にある面）が上記入射端面５ａと一致するように制御するものとすることができる。球面収差によっても、リング形状のレーザ光を生成するこが可能だからである。
【００４５】
また、上記の実施形態では、複数のコアの中心が同軸である場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば図８に示されるように、複数のコア５５および５６が、それぞれ異なる光軸を有するものであり、ビーム径制御手段４５が、測定光の照射範囲を広げる場合には複数のコアのうちコア径の小さいコア５５に入射するように、測定光の照射範囲を狭める場合には複数のコアのうちコア径の大きいコア５６に入射するように制御するものとすることもできる。つまり、この場合、マルチコア光ファイバ５４は、それぞれ異なる光軸を有する複数のコア５５および５６と、これらのコアを包含するクラッド５７と、クラッド５７の周囲を被覆する被覆部材５８とから構成される。
【００４６】
次に本実施形態の光音響撮像装置１０について詳細に説明する。本実施形態の光音響撮像装置１０は、上記光音響プローブ１、超音波ユニット１２、およびレーザ光源ユニット１３を備えている。なおこの光音響撮像装置１０は、超音波画像と光音響画像との双方を生成可能に構成されている。
【００４７】
光音響プローブ１については、上記の実施形態におけるプローブである。したがって、詳細な説明は省略する。光音響プローブ１は、例えば血管に挿入され血管壁の光音響イメージングに使用される。光音響プローブ１を用いることにより、例えば、光音響プローブ１を引きながら測定した場合には二次元画像を生成することができる。この場合、測定範囲の広さに応じて測定光の照射範囲が制御される。また、図６に示されるように、光音響プローブ１を引きながらＲ方向に回転させた場合には、三次元画像を生成することができる。この場合、三次元画像を高速で取得したいのか或いは高精細に取得したいのかに応じて測定光の照射範囲が制御される。三次元画像を高速で取得したい場合には、光音響プローブ１の走査を速く行うため測定光の照射範囲は広いことが好ましく、三次元画像を高精細に取得したい場合には、Ｓ／Ｎ比の高い信号を検出するため測定光の照射範囲は絞ることが好ましいためである。なお、図６では、効率よく超音波探触子７で音響波を検出できるように、音響整合液８が注入されている。
【００４８】
レーザユニット１３は、被検体に照射すべきレーザ光を測定光として出射する。レーザユニット１３は、例えば所定の波長の光を発生する１以上の光源を有する。光源として、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることができる。例えば本実施形態においてレーザユニット１３は、励起光源であるフラッシュランプ３５とレーザ発振を制御するＱスイッチ３６とを含むＱスイッチパルスレーザ光源である。レーザユニット１３は、トリガ制御回路３２がフラッシュランプトリガ信号を出力すると、フラッシュランプ３５を点灯し、Ｑスイッチパルスレーザを励起する。
【００４９】
レーザユニット１３は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン、等）により光学的な吸収係数が異なる。たとえば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、生体内部の血管を撮像する場合）には、生体の光透過性が良く、かつ各種ヘモグロビンが光の吸収ピークを持つ６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被写体の深部まで届くという観点からも、上記レーザの波長は６００〜１０００ｎｍであることが好ましい。そして、上記レーザ光の出力は、レーザ光と光音響波の伝搬ロス、光音響変換の効率および現状の検出器の検出感度等の観点から、１０μＪ／ｃｍ２〜数１０ｍＪ／ｃｍ２であることが好ましい。さらに、パルス光出力の繰り返しは、画像構築速度の観点から、１０Ｈｚ以上であることが好ましい。また、レーザ光は上記パルス光が複数並んだパルス列とすることもできる。レーザ光源ユニット１３から出力されたレーザ光は、例えば本実施形態の光音響プローブ１を用いて超音波探触子７の近傍まで導光され、超音波探触子７の近傍から被検体に照射される。
【００５０】
超音波ユニット１２は、本発明における画像生成手段に相当する。より具体的には超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、データ分離手段２４、光音響画像再構成手段２５ａ、光音響画像再構成手段２５ａからの信号を受信する検波・対数変換手段２６ａ、光音響画像を構築する光音響画像構築手段２７ａ、超音波画像再構成手段２５ｂ、超音波画像再構成手段２５ｂからの信号を受信する検波・対数変換手段２６ｂ、超音波画像を構築する超音波画像構築手段２７ｂ、画像合成手段２８、トリガ制御回路３２、送信制御回路３３および制御手段３４を有している。制御手段３４は、超音波ユニット１２内の各部を制御する。
【００５１】
受信回路２１は、超音波探触子７から出力された音響波の電気信号を受信する。ＡＤ変換手段２２はサンプリング手段であり、受信回路２１が受信した電気信号を例えばクロック周波数４０ＭＨｚのＡＤクロック信号に同期してサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換手段２２は、例えば外部から入力されるＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で上記電気信号をサンプリングする。
【００５２】
ＡＤ変換手段２２は、サンプリングしたデジタル信号（サンプリングデータ）を受信メモリ２３に格納する。受信メモリ２３に格納されたサンプリングデータは、光音響波に関するデータ（光音響データ）、超音波に関するデータ（超音波データ）またはこれらの混合データである。
【００５３】
データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納されたサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離する。サンプリングデータを分離する方法は特に限定されない。例えば、超音波の照射とレーザ光の照射とを時間的にずらして実施した場合には、サンプリングデータをある時刻で分けることによりサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離することができる。また例えば、光音響データおよび超音波データそれぞれに関する周波数や遅延量の違いを利用してもサンプリングデータを光音響データと超音波データとに分離することができる。データ分離手段２４は、分離された光音響データを光音響画像再構成手段２５ａに入力し、超音波データを超音波画像再構成手段２５ｂに出力する。
【００５４】
光音響画像再構成手段２５ａは、例えば超音波探触子７の６４個の超音波振動子の各出力信号から得られた上記光音響データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。なお、この光音響画像再構成手段２５ａは、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行うものでもよい。あるいは光音響画像再構成手段２５ａは、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行うものでもよい。光音響画像再構成手段２５ａは、上記のようにして加算整合された光音響データを検波・対数変換手段２６ａに出力する。
【００５５】
検波・対数変換手段２６ａは、光音響画像再構成手段２５ａから出力された光音響データの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。そして、検波・対数変換手段２６ａは、上記のようにして信号処理した光音響データを光音響画像構築手段２７ａに出力する。
【００５６】
光音響画像構築手段２７ａは、対数変換が施された各ラインの光音響データに基づいて、断層画像（光音響画像）を構築する。光音響画像構築手段２７ａは、例えば光音響データの時間軸の位置を、断層画像における深さを表す変位軸の位置に変換して光音響画像を構築する。
【００５７】
一方、超音波画像再構成手段２５ｂは、例えば超音波探触子７の６４個の超音波振動子の各出力信号から得られた上記超音波データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。なお、この超音波画像再構成手段２５ｂは、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行うものでもよい。あるいは超音波画像再構成手段２５ｂは、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行うものでもよい。超音波画像再構成手段２５ｂは、上記のようにして加算整合された超音波データを検波・対数変換手段２６ｂに出力する。
【００５８】
検波・対数変換手段２６ｂは、超音波画像再構成手段２５ｂから出力された超音波データの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。そして、検波・対数変換手段２６ｂは、上記のようにして信号処理した超音波データを超音波画像構築手段２７ｂに出力する。
【００５９】
超音波画像構築手段２７ｂは、対数変換が施された各ラインの超音波データに基づいて、断層画像（超音波画像）を構築する。超音波画像構築手段２７ｂは、例えば超音波データの時間軸の位置を、断層画像における深さを表す変位軸の位置に変換して超音波画像を構築する。
【００６０】
トリガ制御回路３２は、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号及びＱスイッチトリガ信号を出力し、レーザ光源ユニット１３からレーザ光を出射させる。また、トリガ制御回路３２は、送信制御回路３３に超音波送信トリガ信号を出力し、プローブ１１から超音波を出力させる。更に、トリガ制御回路３２は、レーザ光の照射又は超音波送信と同期してＡＤ変換手段２２に対してＡＤトリガ信号を出力し、ＡＤ変換手段２２におけるサンプリングを開始させる。
【００６１】
トリガ制御回路３２は、レーザ光源ユニット１３に対してレーザ光の出力を指示するフラッシュランプトリガ信号を出力する。これによりレーザ光源ユニット１３では、フラッシュランプトリガ信号に応答してフラッシュランプ３５が点灯し、レーザ励起が開始される。その後、トリガ制御回路３２は、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力する。これによりレーザ光源ユニット１３では、Ｑスイッチレーザ３６のＱスイッチがＱスイッチトリガ信号に応答してＯＮ状態となり、レーザ光が出力されて、被検体にレーザ光が照射される。フラッシュランプ３５の点灯からＱスイッチレーザ３６が十分な励起状態となるまでに要する時間は、Ｑスイッチレーザ３６の特性などから見積もることができる。トリガ制御回路３２からＱスイッチを制御するのに代えて、レーザ光源ユニット１３内において、Ｑスイッチレーザ３６を十分に励起させた後にＱスイッチをＯＮ状態にしてもよい。その場合は、ＱスイッチをＯＮ状態にした旨を示す信号を超音波ユニット１２側に通知してもよい。
【００６２】
またトリガ制御回路３２は、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を送信制御回路３３に出力する。送信制御回路３３は、上記超音波トリガ信号を受けると、超音波探触子７から超音波を送信させる。トリガ制御回路３２は、先にフラッシュランプトリガ信号を出力し、その後超音波トリガ信号を出力する。つまりトリガ制御回路３２は、フラッシュランプトリガ信号の出力に後続して、超音波トリガ信号を出力する。フラッシュランプトリガ信号が出力されることで被検体に対するレーザ光の照射および光音響波の検出が行われた後、超音波トリガ信号が出力されることで被検体に対する超音波の送信およびその反射波の検出が行われる。
【００６３】
トリガ制御回路３２はさらに、ＡＤ変換手段２２に対して、サンプリング開始を指示するサンプリングトリガ信号を出力する。このサンプリングトリガ信号は、上記フラッシュランプトリガ信号が出力された後で、かつ超音波トリガ信号が出力される前、より好ましくは被検体に実際にレーザ光が照射されるタイミングで出力される。そのためにサンプリングトリガ信号は、例えばトリガ制御回路３２がＱスイッチトリガ信号を出力するタイミングに同期して出力される。ＡＤ変換手段２２は上記サンプリングトリガ信号を受けると、超音波探触子７にて検出された上記電気信号のサンプリングを開始する。
画像合成手段２８は、画像構築手段２７ａおよび２７ｂにそれぞれ構築された光音響画像および超音波画像を合成する。画像合成手段２８は、合成されて得られた画像を表示画像生成手段２９に出力する。なお、合成画像を表示しない場合には光音響画像および超音波画像はそれぞれ合成処理されないまま、画像合成手段２８から出力されてもよい。
【００６４】
表示画像生成手段２９は、画像合成手段２８により合成されて得られた画像に必要な処理を施して画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）を生成する。
【００６５】
画像表示手段１４は、表示画像生成手段２９により生成された表示画像を表示する。
【符号の説明】
【００６６】
１ 光音響プローブ
２ 光結合部
３ 挿入部
４ カテーテル
５ ダブルコア光ファイバ
６ 第２の光学系
７ 超音波探触子
８ 音響整合液
１０ 光音響撮像装置
１２ 超音波ユニット
１３ レーザ光源ユニット
１４ 画像表示手段
２１ 受信回路
２２ ＡＤ変換手段
２３ 受信メモリ
２４ データ分離手段
２５ａ 光音響画像再構成手段
２５ｂ 超音波画像再構成手段
２７ａ 光音響画像構築手段
２７ｂ 超音波画像構築手段
２８ 画像合成手段
３３ 送信制御回路
３４ 制御手段
４１ 、４２ 円錐レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて行われる光音響測定に用いられるカテーテル型の光音響プローブにおいて、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
前記先端部にまでレーザ光を導光するように前記カテーテルに挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
該マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を前記入射端面に導光する前記第１の光学系と、
前記マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、前記出射端面から出射したレーザ光を偏向して前記測定光とする前記第２の光学系と、
前記第１の光学系によって導光されたレーザ光が、前記入射端面に入射する際の該レーザ光のビーム径が前記複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、該１つのコアの前記入射端面に入射するように、前記第１の光学系の構成および／または前記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
前記先端部に設けられた、前記光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段とを備えることを特徴とする光音響プローブ。
【請求項２】
前記マルチコア光ファイバが、第１のコアおよび該第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、前記第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、前記第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり、前記第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記ビーム径が小さくなるように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記ビーム径が大きくなるように制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響プローブ。
（ｎは２以上の整数を表す。）
【請求項３】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合に、前記第１の光学系によって導光されたレーザ光が前記第１のコアにのみ入射するように制御するものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響プローブ。
【請求項４】
前記第１の光学系が、円錐レンズを含むものであり、リング形状に成形された前記レーザ光を前記入射端面に導光するものであることを特徴とする請求項２または３に記載の光音響プローブ。
【請求項５】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、前記リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１以上のクラッドの前記入射端面にのみ入射するように制御するものであることを特徴とする請求項４に記載の光音響プローブ。
【請求項６】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、前記リング形状に成形されたレーザ光が前記第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１のクラッドの前記入射端面にのみ入射するように制御するものであ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】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、前記リング形状に成形されたレーザ光が第ｎ−１番目のクラッドの前記入射端面にのみ入射するように制御するものであることを特徴とする請求項６に記載の光音響プローブ。
【請求項８】
前記マルチコア光ファイバが、前記ｎが２であるダブルコア光ファイバであることを特徴とする請求項７に記載の光音響プローブ。
【請求項９】
前記第１の光学系が、球面収差を生じるレンズを含むものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、所望のパターン形状が得られるデフォーカス面が前記入射端面と一致するように制御するものであることを特徴とする請求項２または３に記載の光音響プローブ。
【請求項１０】
前記複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものであ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１１】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
前記先端部にまでレーザ光を導光するように前記カテーテルに挿通されたマルチコア光ファイバと、
該マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を前記入射端面に導光する前記第１の光学系と、
前記マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、前記出射端面から出射したレーザ光を偏向して前記測定光とする前記第２の光学系と、
前記第１の光学系によって導光されたレーザ光が、前記入射端面に入射する際の該レーザ光のビーム径が前記複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、該１つのコアの前記入射端面に入射するように、前記第１の光学系の構成および／または前記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
前記先端部に設けられた、前記光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段と、
前記電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする光音響撮像装置。
【請求項１２】
前記マルチコア光ファイバが、第１のコアおよび該第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、前記第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、前記第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなるものであり、前記第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎ番目のコアとして機能するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記ビーム径が小さくなるように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記ビーム径が大きくなるように制御するものであることを特徴とする請求項１１に記載の光音響撮像装置。
（ｎは２以上の整数を表す。）
【請求項１３】
前記複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものであることを特徴とする請求項１１に記載の光音響撮像装置。
【請求項１】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて行われる光音響測定に用いられるカテーテル型の光音響プローブにおいて、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
前記先端部にまでレーザ光を導光するように前記カテーテルに挿通された、コア径の異なる複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
該マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を前記入射端面に導光する前記第１の光学系と、
前記マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、前記出射端面から出射したレーザ光を偏向して前記測定光とする前記第２の光学系と、
前記第１の光学系によって導光されたレーザ光が、前記入射端面に入射する際の該レーザ光のビーム径が前記複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、該１つのコアの前記入射端面に入射するように、前記第１の光学系の構成および／または前記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
前記先端部に設けられた、前記光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段とを備えることを特徴とする光音響プローブ。
【請求項２】
前記マルチコア光ファイバが、第１のコアおよび該第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、前記第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、前記第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなり、前記第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎのコアとして機能するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記ビーム径が小さくなるように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記ビーム径が大きくなるように制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響プローブ。
（ｎは２以上の整数を表す。）
【請求項３】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合に、前記第１の光学系によって導光されたレーザ光が前記第１のコアにのみ入射するように制御するものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響プローブ。
【請求項４】
前記第１の光学系が、円錐レンズを含むものであり、リング形状に成形された前記レーザ光を前記入射端面に導光するものであることを特徴とする請求項２または３に記載の光音響プローブ。
【請求項５】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、前記リング形状に成形されたレーザ光が第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１以上のクラッドの前記入射端面にのみ入射するように制御するものであることを特徴とする請求項４に記載の光音響プローブ。
【請求項６】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、前記リング形状に成形されたレーザ光が前記第１から第ｎ−１番目のクラッドのうち１のクラッドの前記入射端面にのみ入射するように制御するものであ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】
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、前記リング形状に成形されたレーザ光が第ｎ−１番目のクラッドの前記入射端面にのみ入射するように制御するものであることを特徴とする請求項６に記載の光音響プローブ。
【請求項８】
前記マルチコア光ファイバが、前記ｎが２であるダブルコア光ファイバであることを特徴とする請求項７に記載の光音響プローブ。
【請求項９】
前記第１の光学系が、球面収差を生じるレンズを含むものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を狭める場合に、所望のパターン形状が得られるデフォーカス面が前記入射端面と一致するように制御するものであることを特徴とする請求項２または３に記載の光音響プローブ。
【請求項１０】
前記複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものであ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１１】
被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置において、
光透過性を有する先端部を備えるカテーテルと、
前記先端部にまでレーザ光を導光するように前記カテーテルに挿通されたマルチコア光ファイバと、
該マルチコア光ファイバの入射端面側に設けられた第１の光学系であって、光源側から入射したレーザ光を前記入射端面に導光する前記第１の光学系と、
前記マルチコア光ファイバの出射端面側に設けられた第２の光学系であって、前記出射端面から出射したレーザ光を偏向して前記測定光とする前記第２の光学系と、
前記第１の光学系によって導光されたレーザ光が、前記入射端面に入射する際の該レーザ光のビーム径が前記複数のコアのうち所望の１つのコアのコア径と略一致する状態で、該１つのコアの前記入射端面に入射するように、前記第１の光学系の構成および／または前記入射端面の位置を制御するビーム径制御手段と、
前記先端部に設けられた、前記光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換手段と、
前記電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする光音響撮像装置。
【請求項１２】
前記マルチコア光ファイバが、第１のコアおよび該第１のコアの周囲を順次被覆する第１から第ｎ番目のクラッドを備え、前記第１から第ｎ番目のクラッドのそれぞれの屈折率が、前記第１のコアの屈折率よりも小さくかつ段階的に順次小さくなるものであり、前記第１のコアから第ｎ−１番目のクラッドまでが第ｎ番目のコアとして機能するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記ビーム径が小さくなるように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記ビーム径が大きくなるように制御するものであることを特徴とする請求項１１に記載の光音響撮像装置。
（ｎは２以上の整数を表す。）
【請求項１３】
前記複数のコアが、それぞれ異なる光軸を有するものであり、
前記ビーム径制御手段が、前記測定光の照射範囲を広げる場合には前記複数のコアのうちコア径の小さいものに入射するように、前記測定光の照射範囲を狭める場合には前記複数のコアのうちコア径の大きいものに入射するように制御するものであることを特徴とする請求項１１に記載の光音響撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−２７４８２（Ｐ２０１３−２７４８２Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４５８３（Ｐ２０１１−１６４５８３）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【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２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【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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