光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡
【課題】光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、光ファイバの端面損傷を抑制しながら高エネルギーのレーザ光を導光することを可能とする。
【解決手段】光音響撮像装置１０において、光学系の上流側から入射したレーザ光Ｌｏを拡散させる拡散板１２と、拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏを集光する集光レンズ系１３と、コア４１ａ／クラッド４１ｂ構造の光ファイバ４１を包含する光ファイバケーブル１４であって、集光レンズ系１３により集光されたレーザ光Ｌｏを一端から入射させるように配置された光ファイバケーブル１４とを備え、光照射部１５を、光ファイバケーブル１４により導光されたレーザ光Ｌｏを上記測定光Ｌとして照射するものとする。
【解決手段】光音響撮像装置１０において、光学系の上流側から入射したレーザ光Ｌｏを拡散させる拡散板１２と、拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏを集光する集光レンズ系１３と、コア４１ａ／クラッド４１ｂ構造の光ファイバ４１を包含する光ファイバケーブル１４であって、集光レンズ系１３により集光されたレーザ光Ｌｏを一端から入射させるように配置された光ファイバケーブル１４とを備え、光照射部１５を、光ファイバケーブル１４により導光されたレーザ光Ｌｏを上記測定光Ｌとして照射するものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光が被検体に照射されることにより被検体内で発生した光音響波を検出して光音響画像を生成する光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡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（特許文献１）。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】
従来、上記のような光音響効果を利用した光音響イメージングにおいて、次のような課題がある。被検体に照射された光の強度は、被検体内を伝播する過程で吸収や散乱によって著しく減衰する。また、照射された光に基づいて被検体内で発生した光音響波の強度も、被検体内を伝播する過程で吸収や散乱によって減衰する。したがって、光音響イメージングでは、被検体の深部の情報を得ることが難しい。この課題を解決するため、例えば高エネルギーのレーザ光を用いて被検体内に照射される光のエネルギー量を増やすことにより、発生する光音響波を大きくすることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２２９５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において必要とされる高エネルギー（１ｍＪ以上）のレーザ光を光ファイバによって導光する場合、その光ファイバの端面が破壊されてしまう可能性が高く、光ファイバの耐久性の問題が生じうる。通常、レーザ光を光ファイバに入射させる際、レーザ光のビーム径が光ファイバのコア径に収まるように集光レンズの焦点近傍位置に光ファイバの端面を配置する。しかし、集光レンズにより集光された際レーザ光が絞られすぎてエネルギーが局所的に集中し、このエネルギーが集中した部分を起点に光ファイバの端面の損傷が進むためである。光ファイバの端面におけるエネルギーの局所的な集中を抑制するために、光ファイバの端面を焦点近傍位置からずらして配置することが考えられるが、この場合には光ファイバの内部でエネルギーが局所的に集中して光ファイバの内部で損傷が発生したりエネルギーの結合損失が増加したりといった問題が生じる可能性があり、それほど大きな効果は期待できない
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、光ファイバの端面損傷を抑制しながら高エネルギーのレーザ光を導光することを可能とする光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡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】
【０００７】
上記課題を解決するために、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する光照射部と、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する電気音響変換部と、電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成部とを備える光音響撮像装置において、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
拡散板により拡散されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、集光レンズ系により集光されたレーザ光を一端から入射させるように配置された光ファイバケーブルとを備え、
光照射部が、光ファイバケーブルにより導光されたレーザ光を上記測定光として照射するものであることを特徴とするものである。
【０００８】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系は、レーザ光の最小ビーム径が光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下となるように、レーザ光を集光するものであり、
光ファイバケーブルは、レーザ光のビーム径が光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下である状態でレーザ光を入射させるように配置されたものであることが好ましい。
【０００９】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、拡散板に入射する際のレーザ光の拡がり角φ、拡散板の拡散角θ、集光レンズ系の焦点距離ｆおよび光ファイバのコア径ｄが下記式（１）を満たすことが好ましい。
【００１０】
【数１】
【００１１】
本明細書において、「拡がり角」とは、レーザ光のビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。また、拡散板の「拡散角」とは、当該拡散板を透過した際のレーザ光のビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。なお、本明細書において「拡がり角」および「拡散角」は平面角の全角で表すものとし、「ビーム径」とはレーザ光のエネルギーのおよそ８６．５％が含まれる１／ｅ２径とする。なお、これらの角度を測定する場合には、あるビーム径から当該ビーム径の１．５倍のビーム径に拡散するまでの範囲内で測定することが好ましい。
【００１２】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系の焦点距離は４〜４０ｍｍであることが好ましい。
【００１３】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、拡散板はホログラフィックディフューザであり、
ホログラフィックディフューザの拡散角は０．２〜２．０°であることが好ましい。
【００１４】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光ファイバのコア径は１００〜６００μｍであることが好ましい。
【００１５】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系および光ファイバケーブルを一体化して保持する保持部を備えることが好ましい。
【００１６】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、保持部は、拡散板も含めて一体化して保持するものであることが好ましい。
【００１７】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルは、分岐したレーザ光の光路ごとに配置されることが好ましい。
【００１８】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置において、レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
拡散板は、１つであり、かつ分岐したレーザ光のうち少なくとも２以上を拡散させるように配置され、
集光レンズ系および光ファイバケーブルは、分岐したレーザ光の光路ごとに配置されることが好ましい。
【００１９】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系はレンズアレイであり、
光ファイバケーブルは複数存在し、
複数の光ファイバケーブル中の複数の光ファイバの端面であってレンズアレイ側の端面のそれぞれは、レンズアレイを構成するレンズ部にそれぞれ対応して配列していることが好ましい。
【００２０】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系がマイクロレンズアレイであり、
光ファイバケーブルが複数の光ファイバを包含するバンドルファイバケーブルであり、
バンドルファイバケーブル中の複数の光ファイバの端面であってマイクロレンズアレイ側の端面のそれぞれが、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズにそれぞれ対応して配列していることが好ましい。
【００２１】
本明細書において、複数の光ファイバケーブル（或いはバンドルファイバケーブル。この段落において以下同じ。）中の複数の光ファイバの端面のそれぞれがレンズアレイ（或いはマイクロレンズアレイ。この段落において以下同じ。）を構成するレンズ部（或いはマイクロレンズ。この段落において以下同じ。）に「それぞれ対応して配列している」とは、複数の光ファイバの当該端面の配列パターンがレンズアレイの集光パターンに実質的に一致することを意味する。２つのパターンが「実質的に一致する」とは、これらのパターンが若干異なっていたとしても、レンズアレイを構成するレンズ部ごとに集光された複数のレーザ光のそれぞれが複数の光ファイバのコアのそれぞれに入射することができる範囲であれば、一致しているとして取り扱うことを意味する。端面の「配列パターン」とは、複数の光ファイバの一方の端面に関するそれぞれの代表点（例えばコアの中心）の配列のパターンを意味する。「集光パターン」とはレンズアレイを構成するレンズ部をそれぞれ透過し集光された複数のレーザ光がレンズアレイの光軸に垂直な焦点面に形成する輝点のパターンを意味する。
【００２２】
さらに、本発明に係るプローブユニットは、
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用いられるプローブユニットにおいて、
被検体内に測定光を照射する光照射部と、
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する電気音響変換部と、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
拡散板により拡散されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、集光レンズ系により集光されたレーザ光を一端から入射させるように配置された光ファイバケーブルとを備え、
光照射部が、光ファイバケーブルにより導光されたレーザ光を測定光として照射するものであることを特徴とするものである。
【００２３】
さらに、本発明に係る内視鏡は、上記に記載のプローブユニットを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡は、被検体内に測定光を照射する光照射部と、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する電気音響変換部と、電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成部とを備える光音響撮像装置において、光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、拡散板により拡散されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、集光レンズ系により集光されたレーザ光を一端から入射させるように配置された光ファイバケーブルとを備え、光照射部が、光ファイバケーブルにより導光されたレーザ光を上記測定光として照射するものであることを特徴とするものである。つまり、レーザ光を一度拡散板に通すことによりレーザ光に含まれる光束の伝播角度の分布を拡げ、光ファイバに入射する際のビーム径を集光レンズ系の焦点距離によって制御しているから、集光レンズ系で集光させてレーザ光を光ファイバに入射させる際に、レーザ光が絞られすぎることを防止することができる。これにより、局所的なエネルギーがコアの損傷閾値エネルギーを超えることによる光ファイバの端面におけるコアの損傷を防止することができる。この結果、光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、光ファイバの端面損傷を抑制しながら高エネルギーのレーザ光を導光することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態の光音響撮像装置の一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】図１における画像生成部の構成を示すブロック図である。
【図３】拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図４】拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系の実施形態の他の構成を示す概略断面図である。
【図５】光ファイバケーブルの構造を示す概略断面図である。
【図６】拡散板で拡散したレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。
【図７】拡散板を使用せずレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。
【図８】進行方向と集光レンズ系の光軸との成す角度が分布を持つレーザ光束が当該集光レンズ系に集光された場合における、集光範囲の直径およびビーム径の相関性を示すグラフである。
【図９】拡散板および集光レンズ系の条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径と光ファイバのコアの損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の内視鏡の実施形態の構成を示す概略図である。
【図１１】本発明の内視鏡の挿入部の先端の構成を示す概略図である。
【図１２】分岐されたレーザ光の光路ごとに拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系を配置する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１３】分岐されたレーザ光の光路ごとに集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系を配置する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１４】複数のレンズ部を備えたレンズアレイを用い、分岐されたレーザ光の光路ごとに光ファイバケーブルを配置する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１５】マイクロレンズアレイを用いてレーザ光を分岐させ、バンドルファイバを用いて複数の分岐光のそれぞれを導光する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１６】本発明のプローブユニットの先端部の構成を示す概略断面図である。
【図１７】本発明のプローブユニットの先端部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】
【００２６】
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。
【００２７】
「光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡の実施形態」
本発明の光音響撮像装置１０の実施形態について説明する。図１は、本実施形態における光音響撮像装置１０全体の構成を示す概略図である。図２は、図１の画像生成部２の構成を示すブロック図である。図３および図４はそれぞれ、拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４からなる本発明の光学系の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【００２８】
本実施形態による光音響撮像装置１０は、特定波長成分を含む測定光Ｌを発生させこの測定光Ｌを被検体７に照射する光送信部１と、この測定光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体７内で発生する光音響波Ｕを検出して任意断面の光音響画像データを生成する画像生成部２と、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部３と、この光音響画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。
【００２９】
そして、本実施形態のプローブユニット７０は、電気音響変換部３、拡散板１２、集光レンズ系１３、光ファイバケーブル１４および光照射部１５を備えている。
【００３０】
光送信部１は、波長の異なる複数の光源を備える光源部１１と、光源部１１から出力されたレーザ光Ｌｏを拡散させる拡散板１２と、拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏを集光する集光レンズ系１３と、集光レンズ系１３により集光されたレーザ光Ｌｏを一端から入射させ、このレーザ光Ｌｏを導光する光ファイバケーブル１４と、光ファイバケーブル１４に導光されたレーザ光Ｌｏを測定光Ｌとして被検体７の体表面へ照射する光照射部１５とを備えている。
【００３１】
光源部１１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。光源部１１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特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、例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、血管を撮像する場合）には、一般的には６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被検体７の深部まで届くという観点から、上記レーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍ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。
【００３２】
より具体的には例えば、被検体７のヘモグロビン濃度を測定する場合には、固体レーザの一種であるＮｄ：ＹＡＧレーザ（発光波長：約１０００ｎｍ）や、ガスレーザの一種であるＨｅ-Ｎｅガスレーザ（発光波長：６３３ｎｍ）を用い、１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅を有したレーザ光を形成する。また、ＬＤ等の小型発光素子を用いる場合には、ＩｎＧａＡｌＰ（発光波長：５５０〜６５０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ（発光波長：６５０〜９００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ（発光波長：９００〜２３００ｎｍ）などの材料を用いた素子を使用することができる。また最近では、波長が５５０ｎｍ以下で発光するＩｎＧａＮを用いた発光素子も使用可能になりつつある。更には、波長可変可能な非線形光学結晶を用いたＯＰＯ（Optical Parametrical Oscillators）レーザを用いることもできる。
【００３３】
拡散板１２は、光源部１１から出力されたレーザ光Ｌｏを拡散させてレーザ光Ｌｏのビーム径を大きくする、つまりレーザ光Ｌｏを一度拡散板に通すことによりレーザ光Ｌｏに含まれる光束の伝播角度の分布を拡げる機能を果たす。これにより、拡散板の発光面がレーザ光Ｌｏの２次光源となるため、集光レンズ系１３によりレーザ光Ｌｏが集光される際、レーザ光Ｌｏが絞られすぎることを防止できる。本発明の拡散板１２はレンズ拡散板であることが好ましい。例えば本実施形態における拡散板１２は、微小な凸レンズが基板の片面１２ｓにランダムに配置されたレンズ拡散板であるホログラフィックディフューザであり、その拡散角は０．２〜２．０°であることが好ましく、０．４〜１．０°であることがより好ましい。拡散効率が高いためである。このようなホログラフィックディフューザとしては、例えば、Ｅｄｍｕｎｄｓ社製（型番：４８５１３−Ｌ、材質：石英、拡散角：０．５°、透過効率：９３％）を使用することができる。
【００３４】
また、レンズ拡散板は、微小な凹レンズが基板の片面にランダムに配置されたレンズ拡散板でも良い。このような微小な凹レンズが配置されたレンズ拡散板としては、例えば、ＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製（型番：ＥＤＣ−０．５−Ａ、拡散角：０．５°)を使用することもできる。さらに、本発明の拡散板１２はレンズ拡散板に限られない。本発明に適用可能なレンズ拡散板以外の拡散板としては、例えば、ガラス基板の片面を擦りガラス（砂面）にすることでつや消し効果を利用したフロスト型の拡散板、およびガラス内に乳白色の光拡散物質を分散することで拡散特性を利用したオパールガラスの拡散板等の光散乱を利用した拡散板が挙げられる。
【００３５】
拡散板１２は、図３に示されるように、保持部４０ａによって集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４と一体化して保持されるように構成してもよい。この場合、拡散板１２および集光レンズ系１３の位置関係の調整が不要となり、光学系を小型化することができる。拡散板１２は、集光レンズ系１３に対して光学系の上流側かつ集光レンズ系１３の中心から焦点距離の３倍の範囲内に配置されることが好ましい。
【００３６】
集光レンズ系１３は、光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア４１ａにレーザ光Ｌｏを導光するためのものである。集光レンズ系１３の焦点距離（光ファイバケーブル１４側の主点と焦点との距離）は、４〜４０ｍｍであることが好ましく、８〜２５ｍｍであることがより好ましい。光学系の小型化が可能であり、コアが石英からなりクラッドがフッ素ドープ石英からなる一般的な光ファイバの開口数ＮＡ（最大で０．２２程度）に焦点距離を整合させるためである。また、集光レンズ系１３は、複数のレンズから構成される結合系レンズとすることもできる。集光レンズ系１３が結合系レンズである場合には、集光レンズ系１３の焦点距離とは、当該結合系レンズの合成焦点距離をいう。集光レンズ系１３は、図３に示されるように保持部４０ａによって拡散板１２および光ファイバケーブル１４と一体化して保持されるように構成してもよく、図４に示されるように保持部４０ｂによって光ファイバケーブル１４のみと一体化して保持されるように構成してもよい。
【００３７】
光ファイバケーブル１４は、集光レンズ系１３により集光されたレーザ光Ｌｏを光照射部１５に導光するものである。光ファイバケーブル１４は、例えば図５に示されるように、コア４１ａおよびクラッド４１ｂから構成される光ファイバ４１と、当該光ファイバ４１の周囲を被覆するフェルールおよびシース等の被覆部材４２とを備える。また、光ファイバ４１および被覆部材４２は接着剤４１ｃで互いに固定される。光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア径は１００〜６００μｍであることが好ましく、２００〜４００μｍであることがより好ましい。光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１は、特に限定されないが石英ファイバであることが好ましい。光ファイバケーブル１４としては、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＳＭＡ型光ファイバを使用することができる。
【００３８】
光ファイバケーブル１４は、光ファイバ４１の入射端が集光レンズ系１３の焦点に位置するように位置調整される。光ファイバケーブル１４の位置の微調整を可能にするため、光ファイバケーブル１４をその光軸方向に移動せしめる光ファイバケーブル位置調整部を有するように構成することもできる。
【００３９】
また、図３に示されるように保持部４０ａによって拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４が一体化して保持される場合、または図４に示されるように保持部４０ｂによって集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４が一体化して保持される場合には、光ファイバケーブル１４の入射端面が集光レンズ系１３の焦点位置に容易に固定されるように、光ファイバケーブル１４はネジ構造等の着脱を可能にする構造によって保持部４０ａまたは４０ｂに固定されることが好ましい。図３および図４では、保持部４０ａおよび４０ｂの接合部１００ａ、並びに、光ファイバケーブル１４の接続部１００ｂのそれぞれが互いに相補的なネジ構造を有することにより、光ファイバケーブル１４が保持部４０ａおよび４０ｂに着脱可能に固定されている。このように、光ファイバケーブル１４を例えばネジ構造によって保持部４０ａまたは４０ｂに固定した場合、光ファイバケーブル位置調整部が不要となるため光学系を小型化することができる。また、保持部４０ａまたは４０ｂからネジをはずすだけで容易に光ファイバケーブル１４を交換することができるため、損傷した光ファイバケーブル１４を交換する際に、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４の再度の位置合わせが不要となりメンテナンス性が向上する。集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４の位置関係が固定されるようネジ部を介して一体化するためには、例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製の非球面レンズファイバコリメータパッケージ（型番：Ｆ２８０ＳＭＡ−ＡまたはＦ２８０ＳＭＡ−Ｂ、焦点距離：１８．４ｍｍ）等を使用することができる。また、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製の非球面レンズファイバコリメータパッケージのシリーズでは、約４ｍｍから１８．４ｍｍまでの焦点距離を有する製品が揃えられているため、目的に合わせて適宜選択することが可能である。
【００４０】
本発明において、集光レンズ系１３は、レーザ光Ｌｏの最小ビーム径が光ファイバ４１のコア径の１／３以上２／３以下となるように、レーザ光Ｌｏを集光するものであり、光ファイバケーブル１４は、レーザ光Ｌｏのビーム径が光ファイバ４１のコア径の１／３以上２／３以下である状態でレーザ光Ｌｏを入射させるように配置されたものであることが好ましい。具体的には、拡散板１２に入射する前におけるレーザ光Ｌｏの拡がり角φ、拡散板１２の拡散角θ、集光レンズ系１３の焦点距離ｆおよび光ファイバ４１のコア径ｄが下記式（１）を満たすことが好ましい。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ビーム径を光ファイバ４１のコア径の１／３以上としたのは、ビーム径が絞られることによりエネルギーが集中して光ファイバ４１のコア４１ａが損傷すること（コア損傷モード）を抑制するためである。
【００４３】
図６は拡散板で拡散したレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図であり、図７は、拡散板を使用せずレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。通常、レーザー光源から出力されたときのレーザ光の拡がり角φは小さい（大きくても０．１５°程度）ため、集光されたレーザ光は光ファイバの入射端で小さく絞られてしまう。この結果、光ファイバの入射端でレーザ光のエネルギーが集中してしまい、光ファイバの端面におけるコアの損傷が生じる。そこで、本発明では、拡散板１２でレーザ光Ｌｏを拡散することにより、レーザ光Ｌｏのレンズ焦点位置でのビーム径を制御する。
【００４４】
本発明ではビーム径の制御方法として、集光レンズ系の光軸との成す角度がαとなる方向に進行する平行光が焦点距離ｆの当該集光レンズ系に入射した場合、当該平行光が集光される集光点の位置がその集光レンズ系の焦点の位置からずれてその集光点とその焦点との距離がｆｔａｎαで近似することができる原理を利用している。
【００４５】
したがって、集光レンズ系に入射するレーザ光束の進行方向と集光レンズ系の光軸との成す角度が分布を持つ場合には、それぞれの角度に対応した位置にレーザ光束が集光されるため、それぞれの角度に対応した集光点を重ね合わせたレーザ光全体の集光範囲は大きくなる。集光レンズ系の上流側に拡散板を配置した場合には、拡散板入射前におよそφ／２以内であったレーザ光束の上記角度分布は、拡散板透過後には半角でおよそ√（（φ／２）＾２＋（θ／２）＾２）以内に拡がるため、これに対応してその後集光レンズ系により集光されたレーザ光全体の集光範囲はさらに大きくなる。
【００４６】
そして、集光範囲のうちレーザ光のエネルギーのおよそ８６．５％が含まれる１／ｅ２径をビーム径としたことを考慮すると、集光範囲の直径２ｆ・ｔａｎ（√（（φ／２）＾２＋（θ／２）＾２））およびビーム径Ｄは互いに一定の相関性を有することが推定される。
【００４７】
図８は、進行方向と集光レンズの光軸との成す角度が分布を持つレーザ光束が当該集光レンズに集光された場合における、集光範囲の直径２ｆ・ｔａｎ（√（（φ／２）＾２＋（θ／２）＾２））および実験的に得られた実際のビーム径Ｄの相関性を示すグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有する拡散板に波長が５３２ｎｍ、パルス幅が３．５ｎｓ、拡散板に入射する際のビーム径が３．５ｍｍ、拡がり角φが０．１３°のレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズにより当該レーザ光を集光した場合における集光範囲をビームプロファイラ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製のＬａｓｅｒＣａｍ−ＨＲ）で測定した実験結果である。グラフ中の３点の丸形のプロットは、焦点距離ｆが４０ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０（つまり拡散板なし）、０．６５および０．９５°である。また、グラフ中の５点の菱形のプロットは、焦点距離ｆが２５ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５、０．９５、１．１５および１．３５°である。また、グラフ中の３点の四角形のプロットは、焦点距離ｆが１８．３ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５および１．８０°である。また、グラフ中の６点の三角形のプロットは、焦点距離ｆが１５．３ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５、０．９５、１．１５、１．３５および１．８０°である。
【００４８】
図８からビーム径Ｄは集光範囲の直径に対して一次関数の関係にあることがわかる。そして、グラフ中の一次関数の傾きはおよそ２．４／２であった。したがって、ビーム径Ｄは下記式（２）で表すことができる。
【００４９】
【数３】
【００５０】
つまり、所定のレーザ光について、上記実験に用いた焦点距離および拡散角に限らず、焦点距離ｆおよび拡散角θを適当に設定することにより、任意のビーム径Ｄを作ることが可能であると言える。
【００５１】
本発明では、上記の関係を用いてレーザ光Ｌｏのビーム径Ｄを制御することにより、光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア４１ａの損傷閾値エネルギー密度を越えないように高エネルギーのレーザ光Ｌｏを光ファイバケーブル１４によって導光することが可能となる。
【００５２】
また、ビーム径を光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア径の２／３以下としたのは、ビーム径Ｄが広がることにより光ファイバ４１のコア４１ａの周囲の部材がレーザ光Ｌｏのエネルギーを吸収して当該部材が損傷し、損傷した部位から塵およびガス等の放出物が放出されることを抑制するためである。このような放出物は、光ファイバ４１の端面に付着して端面付近におけるコア４１ａの破壊を誘発し、エネルギーの伝送を阻害するといった問題（周囲損傷モード）の原因となりうる。つまり、ビーム径を光ファイバ４１のコア径の２／３以下としたのは上記のような周囲損傷モードの発生を抑制するためである。コアの周囲の部材とは、例えば樹脂製のクラッド、クラッド外表を被覆する接着剤および被膜、並びに、さらにその外周を覆う金属製フェルール等の被覆部材４２を意味する。
【００５３】
図９は、拡散板および集光レンズの条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径と光ファイバケーブル１４の損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有する拡散板に波長が５３２ｎｍ、パルス幅が３．５ｎｓ、拡散板に入射する際のビーム径が３．５ｍｍ、拡がり角φが０．１３°のレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズにより光ファイバケーブル（コア径６００μｍまたは４００μｍ）の端面に当該レーザ光を集光し、コア損傷モードまたは周囲損傷モードが生じ始めた時のエネルギーをプロットしたものである。実験においては、上記パルスレーザ光を光ファイバの一方の端部に入射して、他方の端部から出射したパルスレーザ光のエネルギーを測定した。そして、パルスレーザ光の入射エネルギーを入射側端部が損傷するまで増加させながら、出射側で測定されたエネルギーの最大値を損傷閾値エネルギーとした。レンズ焦点位置でのビーム径は、拡散角θが０．６５または１．８°の拡散板、および焦点距離ｆが１１．０、１５．３、１８．３または２５．０ｍｍの集光レンズを適宜組み合わせて調整した。図９において、実線は、石英コアの損傷閾値エネルギー密度から想定される光ファイバ端面の損傷閾値エネルギー曲線を示す。また点線は、コア径が６００μｍである石英コアを有する光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーを示す。また一点鎖線は、コア径が４００μｍである石英コアを有する光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーを示す。半値幅の開始点がコア径ｄのおよそ１／３、終了点がコア径ｄのおよそ２／３となっている。
【００５４】
このグラフより、光ファイバの損傷のモードが、ビーム径が増加する途中でコア損傷モードから周囲損傷モードへと切り替わり、損傷閾値エネルギーはビーム径に対して上に凸となる変化を示すことがわかる。これは、石英等からなるコアに比べ、上記のような周囲の部材のレーザ光Ｌｏに対する耐久性が低いためである。
【００５５】
また、図９のグラフから分かるように、拡散板を介さずに光ファイバケーブル（コア径６００μｍ）にレーザ光を集光する従来の方法では、ビーム径の制御範囲が最大で９０μｍ程度に限定されるため、伝送可能なエネルギー量は約１．０ｍＪが限界であった。しかしながら、拡散板１２および集光レンズ系１３の組み合わせによりビーム径Ｄを制御する本発明においては、ビーム径Ｄを拡大制御するほどより大きなエネルギー量を伝送することができ、例えばコア径が４００μｍの光ファイバに対しビーム径を２５０μｍとすれば約１２ｍＪ程度、コア径が６００μｍの光ファイバに対しビーム径を３５０μｍとすれば約２２ｍＪ程度と飛躍的に大きなエネルギー量を伝送することが可能となる。これにより、本発明によれば伝送可能なエネルギー量を飛躍的に増大させることができる。
【００５６】
光照射部１５は、本実施形態では光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１の出射端面から構成される。光照射部１５を構成する光ファイバ４１の出射端面は、例えば電気音響変換部３の近傍に配置される。また、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４が透明材料である場合には、光照射部１５は変換素子５４の上方から変換素子全体を照射できるように配置してもよい。
【００５７】
電気音響変換部３は、例えば１次元状或いは２次元状に配列された微小な複数の変換素子５４から構成される。変換素子５４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。電気音響変換部３は、光照射部１５からの光の照射により被検体７内に発生する光音響波Ｕを受信する。この変換素子５４は、受信時において光音響波Ｕを電気信号に変換する機能を有している。電気音響変換部３は、小型、軽量に構成されており、多チャンネルケーブルによって後述する受信部２２に接続される。この電気音響変換部３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。電気音響変換部３は、光音響波Ｕを効率よく伝達するために音響整合層を備えてもよい。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光音響波Ｕは効率よく伝達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、光音響波Ｕは効率よく伝達することができる。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。
【００５８】
光音響撮像装置１０の画像生成部２は、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４を選択駆動するとともに、また電気音響変換部３からの電気信号に所定の遅延時間を与え、整相加算を行うことにより受信信号を生成する受信部２２と、変換素子５４の選択駆動や受信部２２の遅延時間を制御する走査制御部２４と、受信部２２から得られる受信信号に対して各種の処理を行う信号処理部２５とを備えている。
【００５９】
受信部２２は、図２に示すように、電子スイッチ５３と、プリアンプ５５と、受信遅延回路５６と、加算器５７とを備えている。
【００６０】
電子スイッチ５３は、光音響走査における光音響波の受信に際して、連続して隣接する所定数の変換素子５４を選択する。例えば、電気音響変換部３がアレイ型の１９２個の変換素子ＣＨ１〜ＣＨ１９２から構成される場合、このようなアレイ型変換素子は、電子スイッチ５３によってエリア０（ＣＨ１〜ＣＨ６４までの変換素子の領域）、エリア１（ＣＨ６５〜ＣＨ１２８までの変換素子の領域）およびエリア２（ＣＨ１２９〜ＣＨ１９２までの変換素子の領域）の３つの領域に分割されて取り扱われる。このようにＮ個の変換素子から構成されるアレイ型変換素子をｎ（ｎ＜Ｎ）個の隣接する振動子のまとまり（エリア）として取り扱い、このエリアごとにイメージング作業を実施した場合には、すべてのチャンネルの変換素子にプリアンプやＡ／Ｄ変換ボードを接続する必要がなくなり、プローブユニット７０の構造を簡素化できコストの増大を防ぐことができる。
【００６１】
プリアンプ５５は、上記のように選択された変換素子５４によって受信された微小な電気信号を増幅し、充分なＳ／Ｎを確保する。
【００６２】
受信遅延回路５６は、電子スイッチ５３によって選択された変換素子５４から得られる光音響波Ｕの電気信号に対して、所定の方向からの光音響波Ｕの位相を一致させて収束受信ビームを形成するための遅延時間を与える。
【００６３】
加算器５７は、受信遅延回路５６により遅延された複数チャンネルの電気信号を加算することによって１つの受信信号にまとめる。この加算によって所定の深さからの音響信号は整相加算され、受信収束点が設定される。
【００６４】
走査制御部２４は、ビーム集束制御回路６７と変換素子選択制御回路６８とを備える。変換素子選択制御回路６８は、電子スイッチ５３によって選択される受信時の所定数の変換素子５４の位置情報を電子スイッチ５３に供給する。一方、ビーム集束制御回路６７は、所定数個の変換素子５４が形成する受信収束点を形成するための遅延時間情報を受信遅延回路５６に供給する。
【００６５】
信号処理部２５は、フィルタ６６と、信号処理器５９と、Ａ／Ｄ変換器６０と、画像データメモリ６２とを備えている。受信部２２の加算器５７から出力された電気信号は、信号処理部２５のフィルタ６６において不要なノイズを除去した後、信号処理器５９にて受信信号の振幅を対数変換し、弱い信号を相対的に強調する。一般に、被検体７からの受信信号は、８０ｄＢ以上の広いダイナミックレンジをもった振幅を有しており、これを２３ｄＢ程度のダイナミックレンジをもつ通常のモニタに表示するためには弱い信号を強調する振幅圧縮が必要となる。なお、フィルタ６６は、帯域通過特性を有し、受信信号における基本波を抽出するモードと高調波成分を抽出するモードを有している。また、信号処理器５９は、対数変換された受信信号に対して包絡線検波を行う。そして、Ａ／Ｄ変換器６０は、この信号処理器５９の出力信号をＡ／Ｄ変換し、１ライン分の光音響画像データを形成する。この１ライン分の光音響画像データは、画像データメモリ６２に保存される。
【００６６】
画像データメモリ６２は、前述のように生成された１ライン分の光音響画像データを順次保存する記憶回路である。システム制御部４は、画像データメモリ６２に保存されたある断面についての１ライン分のデータであって１フレームの光音響画像を生成するのに必要なデータを読み出す。システム制御部４は、空間的に補間しながらそれら１ライン分のデータを合成して当該断面の１フレーム分の光音響画像データを生成する。そして、システム制御部４は、この１フレーム分の光音響画像データを画像データメモリ６２に保存する。
【００６７】
表示部６は、表示用画像メモリ６３と、光音響画像データ変換器６４と、モニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、モニタ６５に表示する１フレーム分の光音響画像データを画像データメモリ６２から読み出し、それを一時的に保存するバッファメモリである。光音響画像データ変換器６４は、表示用画像メモリ６３に保存された１フレーム分の光音響画像データに対してＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換を行い、その出力はモニタ６５において表示される。
【００６８】
操作部５は、操作パネル上にキーボード、トラックボール、マウス等を備え、装置操作者が患者情報、装置の撮影条件、表示断面など必要な情報を入力するために用いられる。
【００６９】
システム制御部４は、図示しないＣＰＵと図示しない記憶回路を備え、操作部５からのコマンド信号に従って光送信部１、画像生成部２、表示部６などの各ユニットの制御やシステム全体の制御を統括して行う。特に、内部のＣＰＵには、操作部５を介して送られる操作者の入力コマンド信号が保存される。
【００７０】
以上より、本発明に係る光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニットは、特に、レーザ光を一度拡散板に通すことによりレーザ光に含まれる光束の伝播角度の分布を拡げ、光ファイバに入射する際のビーム径を集光レンズ系の焦点距離によって制御しているから、集光レンズ系で集光させてレーザ光を光ファイバに入射させる際に、レーザ光が絞られすぎることを防止することができる。これにより、局所的なエネルギーがコアの損傷閾値エネルギーを超えることによるコア損傷モードを防止することができる。この結果、光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、光ファイバの端面損傷を抑制しながら高エネルギーのレーザ光を導光することが可能となる。
【００７１】
その結果として、高エネルギーのレーザ光が伝送可能となる、つまり１本の光ファイバケーブルでより多くのエネルギーが伝送可能となり、より強い光音響信号が得られるために高画質の光音響画像を撮像することが可能となる。また、レーザ光の伝送ケーブルの小型化および軽量化が可能となり、光音響撮像装置の操作性が向上する。
【００７２】
「内視鏡の実施形態」
本発明のプローブユニットは内視鏡に適用することも可能である。図１０は本実施形態の内視鏡の構成を示す概略図であり、図１１は本実施形態の内視鏡の挿入部の先端の構成を示す概略図である。
【００７３】
本実施形態の内視鏡８は、図１０に示すように、挿入部８１、操作部８２、接続コード８３およびユニバーサルコード８４から構成される。本実施形態において、光ファイバケーブル１４が、挿入部８１、操作部８２およびユニバーサルコード８４に亘って通されており、ユニバーサルコード８４の上流側の接続部８４ａで例えば図３のように拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４が一体化して保持されるように構成されている。
【００７４】
内視鏡８の挿入部８１は、患者の体内に挿入することができるように細長い可撓性の管状となっている。操作部８２は、挿入部８１の基端に設けられており、接続コード８３を介して図示しない光音響撮像装置本体に接続され、ユニバーサルコード８４を介して図示しない光源装置及び光学観測装置に接続されている。
【００７５】
内視鏡８の挿入部８１の先端部８５には、コンベックス型の超音波トランスデューサアレイ８５ａが設けられている。また挿入部８１の先端部８５では、光ファイバケーブル１４が必要に応じて分岐され、分岐された光ファイバケーブル１４によるレーザ光の照射範囲が超音波トランスデューサアレイ８５ａによる超音波の受信範囲と重なるように、分岐された光ファイバケーブル１４の端部が配置されている。超音波トランスデューサアレイ８５ａは、レーザ光の照射に起因して生じる光音響波を受信して複数の受信信号を光音響撮像装置本体の受信回路に出力する。また、内視鏡８の挿入部８１の先端部８５には、操作部８２に設けられた処置具挿入口８２ａから挿入された穿刺針８５ｂが突出される孔が形成されている。
【００７６】
超音波トランスデューサアレイ８５ａは、図１１に示すように、半円周状に並べられた第１〜第１２の超音波トランスデューサＴＡ１〜ＴＡ１２を有する。
【００７７】
以上より、本発明に係る内視鏡は、本発明のプローブユニットを備えているから、本発明のプローブユニットについて説明した効果と同様の効果を奏する。
【００７８】
「光音響撮像装置および内視鏡に用いられるプローブユニットの設計変更」
光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、上記で説明した実施形態に限定されるものではない。
【００７９】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットにおいては、操作性の観点から光伝送ケーブル部分の可撓性が求められるため、コア径が１２００〜６００μｍのより細い光ファイバケーブルを用いることが好ましい。したがって、これらの光ファイバケーブルのコアに入射させるビーム径は３３〜６００μｍであることが求められる。このような範囲でビーム径を制御するためには、上記式（２）を用いてレーザ光の拡がり角と、拡散板の拡散角と、集光レンズ系の焦点距離とを適宜調整して決定すればよい。
【００８０】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットにおいては、使用施設内において移動させて用いることが想定される観点から可搬性が求められるため、光学系はより小型化されることが好ましい。そのためには、４〜４０ｍｍの比較的短い焦点距離を有する集光レンズ系を用いて上記式（２）に基づき拡散板の拡散角を決定すればよい。
【００８１】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットにおいては、複数のレーザ光源を用いる場合には拡散板へ入射する際のビーム径が光源ごとに異なる場合も生じうる。拡散板がホログラフィック拡散板である場合に十分な拡散効果を得るためにはより大きなビーム径が必要であるが、この場合には最も小さいビーム径の光源で拡散効果が得られるように拡散角を０．２〜２．０°の範囲で調整することが好ましい。
【００８２】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１２に示されるように、レーザ光Ｌｏを分岐させる分岐部４５、４６を備え、拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４は、分岐したレーザ光Ｌｏの光路ごとに保持部４０ａで一体化されて配置されるように構成することができる。分岐部は、複数のビームスプリッタ４５および複数のミラー４６の組み合わせから構成される。分岐本数は、ビームスプリッタ４５およびミラー４６の組み合わせにより調整することができる。また分岐本数は、特に限定されないが、効果的にレーザ光Ｌｏのエネルギーを分散させる観点から、４本以上に分岐せしめることが好ましい。これにより、複数の光ファイバケーブル１４でレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。
【００８３】
また、例えば本発明の光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１３に示されるように、レーザ光Ｌｏを分岐させる分岐部４５、４６を備え、拡散板１２は、分岐したレーザ光Ｌｏのそれぞれを１つの当該拡散板１２で拡散させるように配置され、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４は、分岐したレーザ光Ｌｏの光路ごとに保持部４０ｃで一体化されて配置されるように構成することができる。
【００８４】
分岐部は、複数のビームスプリッタ４５および複数のミラー４６の組み合わせから構成される。分岐本数は、ビームスプリッタ４５およびミラー４６の組み合わせにより調整することができる。また分岐本数は、特に限定されないが、効果的にレーザ光Ｌｏのエネルギーを分散させる観点から、４本以上に分岐せしめることが好ましい。これにより、上記と同様に、複数の光ファイバケーブル１４でレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。さらに、使用する拡散板１２が１つで済むためコストを削減することが可能となり、光学系が鏡筒に一体的に収めることができるためよりプローブユニットを小型化することが可能となる。
【００８５】
また、例えば本発明の光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１４に示されるように、集光レンズ系がレンズアレイ４７であり、耐光エネルギー構造を有する光ファイバケーブル１４が複数存在し、複数の光ファイバケーブル１４中の複数の光ファイバ４１の端面であってレンズアレイ４７側の端面のそれぞれが、レンズアレイ４７を構成するレンズ部４７ａにそれぞれ対応して配列するように、拡散板１２、レンズアレイ４７および複数の光ファイバケーブル１４が保持部４０ｄで一体化された構成とすることができる。
【００８６】
この場合、図１４ではビームスプリッタ４５および複数のミラー４６の組み合わせから構成される分岐部によりレーザ光Ｌｏが分岐する様子を示しているが、レンズアレイ４７によってレーザ光Ｌｏが分岐する構成としてもよい。このような場合には、レンズアレイ４７は、本発明における集光レンズ系および分岐部として機能することとなり、拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏは、レンズアレイ４７を構成するレンズ部４７ａによって分岐される。レンズアレイ４７でレーザ光Ｌｏを分岐させる場合、分岐本数はレンズアレイ４７の構造により調整することができる。例えば、六角形のレンズを組み合わせたレンズアレイを用いた場合には、レーザ光を７本或いは１９本などに分岐させることができる。
【００８７】
そして、上記のような分岐機能により分岐されたレーザ光Ｌｏはそれぞれ、レンズアレイ４７を構成するレンズ部４７ａに対応して配列した光ファイバ４１のコアに集光される。これにより、上記と同様に、複数の光ファイバケーブル１４でレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。さらに、使用する拡散板１２が１つで済むためコストを削減することが可能となり、光学系が鏡筒に一体的に収めることができるためよりプローブユニットを小型化することが可能となる。
【００８８】
また、例えば本発明の光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１５に示されるように、集光レンズ系がマイクロレンズアレイ４８であり、耐光エネルギー構造を有する光ファイバケーブルが複数の光ファイバ４１を包含するバンドルファイバケーブル４４であり、バンドルファイバケーブル４４中の複数の光ファイバ４１の端面であってマイクロレンズアレイ４８側の端面のそれぞれが、マイクロレンズアレイ４８を構成するマイクロレンズ４８ａにそれぞれ対応して配列するように、拡散板１２、マイクロレンズアレイ４８およびバンドルファイバケーブル４４が保持部４０ｅで一体化された構成とすることができる。
【００８９】
この場合、マイクロレンズアレイ４８は、本発明における集光レンズ系および分岐部として機能する。拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏは、マイクロレンズアレイ４８を構成するマイクロレンズ４８ａによって分岐される。分岐本数は、マイクロレンズアレイ４８の構造により調整することができる。また分岐本数は、特に限定されないが、効果的にレーザ光Ｌｏのエネルギーを分散させる観点から、１６本以上に分岐せしめることが好ましい。
【００９０】
分岐されたレーザ光Ｌｏはそれぞれ、マイクロレンズアレイ４８を構成するマイクロレンズ４８ａに対応して配列したバンドルファイバケーブル４４中の光ファイバ４１のコアに集光される。これにより、上記と同様に、バンドルファイバケーブル４４中の複数の光ファイバでレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。さらに、使用する拡散板１２が１つで済むためコストを削減することが可能となり、光学系が鏡筒に一体的に収めることができるためよりプローブユニットを小型化することが可能となる。さらに、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバ４１のそれぞれとの位置合わせが容易になる。さらに、バンドルファイバケーブル４４を使用することができるため、プローブユニットのコード部分に可撓性を持たせることが可能となる。
【００９１】
また、例えば本発明の光音響撮像装置に用いられるプローブユニットは、図１６に示されるように、光照射部１５が複数の光ファイバ４１の下流側の端面であり、この端面が間隔を置いてライン状に配列されたものであるように構成することができる。このように構成することで、プローブユニット先端部７１に複雑な構造の光学系を設ける必要がなく、均一なライン状光源を得ることができる。また、複数の光ファイバ４１のそれぞれから出射するレーザ光の強度を勘案して上記間隔を調整することにより、より均一なライン状光源を得ることができる。例えば、レーザ光の強度が強い場合には上記間隔を広く、弱い場合には狭くする等して調整することが好ましい。
【００９２】
また、例えば本発明の光音響撮像装置に用いられるプローブユニットは、図１７に示されるように、光照射部１５が先太りの形状を有する導光板７２であり、バンドルファイバケーブル４４の下流側の端面が、着脱可能な状態で導光板７２の短辺側の端面に接続されたものであるように構成することができる。例えば図１７では、コネクタ部７３においてバンドルファイバケーブル４４の上記端面と導光板７２の短辺側の端面とが互いに接続されている。このように構成することで、バンドルファイバケーブル４４が破損した場合、バンドルファイバケーブル４４のみを交換することが可能となり、メンテナンス性能が向上する。
【符号の説明】
【００９３】
１ 光送信部
２ 画像生成部
３ 電気音響変換部
４ システム制御部
５ 操作部
６ 表示部
７ 被検体
８ 内視鏡
１０ 光音響撮像装置
１１ 光源部
１２ 拡散板
１３ 集光レンズ系
１４ 光ファイバケーブル
１５ 光照射部
４０ａ〜ｅ 保持部
４１ 光ファイバ
４１ａ コア
４１ｂ クラッド
４２ 被覆部材
４４ バンドルファイバケーブル
４５ ビームスプリッタ
４６ ミラー
４７ レンズアレイ
４７ａ レンズ部
４８ マイクロレンズアレイ
４８ａ マイクロレンズ
７０ プローブユニット
８１ 挿入部
８２ 操作部
８３ 接続コード
８４ ユニバーサルコード
Ｌ 測定光
Ｌｏ レーザ光
Ｕ 光音響波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光が被検体に照射されることにより被検体内で発生した光音響波を検出して光音響画像を生成する光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡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（特許文献１）。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】
従来、上記のような光音響効果を利用した光音響イメージングにおいて、次のような課題がある。被検体に照射された光の強度は、被検体内を伝播する過程で吸収や散乱によって著しく減衰する。また、照射された光に基づいて被検体内で発生した光音響波の強度も、被検体内を伝播する過程で吸収や散乱によって減衰する。したがって、光音響イメージングでは、被検体の深部の情報を得ることが難しい。この課題を解決するため、例えば高エネルギーのレーザ光を用いて被検体内に照射される光のエネルギー量を増やすことにより、発生する光音響波を大きくすることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２２９５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において必要とされる高エネルギー（１ｍＪ以上）のレーザ光を光ファイバによって導光する場合、その光ファイバの端面が破壊されてしまう可能性が高く、光ファイバの耐久性の問題が生じうる。通常、レーザ光を光ファイバに入射させる際、レーザ光のビーム径が光ファイバのコア径に収まるように集光レンズの焦点近傍位置に光ファイバの端面を配置する。しかし、集光レンズにより集光された際レーザ光が絞られすぎてエネルギーが局所的に集中し、このエネルギーが集中した部分を起点に光ファイバの端面の損傷が進むためである。光ファイバの端面におけるエネルギーの局所的な集中を抑制するために、光ファイバの端面を焦点近傍位置からずらして配置することが考えられるが、この場合には光ファイバの内部でエネルギーが局所的に集中して光ファイバの内部で損傷が発生したりエネルギーの結合損失が増加したりといった問題が生じる可能性があり、それほど大きな効果は期待できない
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、光ファイバの端面損傷を抑制しながら高エネルギーのレーザ光を導光することを可能とする光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡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】
【０００７】
上記課題を解決するために、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する光照射部と、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する電気音響変換部と、電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成部とを備える光音響撮像装置において、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
拡散板により拡散されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、集光レンズ系により集光されたレーザ光を一端から入射させるように配置された光ファイバケーブルとを備え、
光照射部が、光ファイバケーブルにより導光されたレーザ光を上記測定光として照射するものであることを特徴とするものである。
【０００８】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系は、レーザ光の最小ビーム径が光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下となるように、レーザ光を集光するものであり、
光ファイバケーブルは、レーザ光のビーム径が光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下である状態でレーザ光を入射させるように配置されたものであることが好ましい。
【０００９】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、拡散板に入射する際のレーザ光の拡がり角φ、拡散板の拡散角θ、集光レンズ系の焦点距離ｆおよび光ファイバのコア径ｄが下記式（１）を満たすことが好ましい。
【００１０】
【数１】
【００１１】
本明細書において、「拡がり角」とは、レーザ光のビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。また、拡散板の「拡散角」とは、当該拡散板を透過した際のレーザ光のビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。なお、本明細書において「拡がり角」および「拡散角」は平面角の全角で表すものとし、「ビーム径」とはレーザ光のエネルギーのおよそ８６．５％が含まれる１／ｅ２径とする。なお、これらの角度を測定する場合には、あるビーム径から当該ビーム径の１．５倍のビーム径に拡散するまでの範囲内で測定することが好ましい。
【００１２】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系の焦点距離は４〜４０ｍｍであることが好ましい。
【００１３】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、拡散板はホログラフィックディフューザであり、
ホログラフィックディフューザの拡散角は０．２〜２．０°であることが好ましい。
【００１４】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光ファイバのコア径は１００〜６００μｍであることが好ましい。
【００１５】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系および光ファイバケーブルを一体化して保持する保持部を備えることが好ましい。
【００１６】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、保持部は、拡散板も含めて一体化して保持するものであることが好ましい。
【００１７】
そして、本発明に係る光音響撮像装置において、レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルは、分岐したレーザ光の光路ごとに配置されることが好ましい。
【００１８】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置において、レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
拡散板は、１つであり、かつ分岐したレーザ光のうち少なくとも２以上を拡散させるように配置され、
集光レンズ系および光ファイバケーブルは、分岐したレーザ光の光路ごとに配置されることが好ましい。
【００１９】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系はレンズアレイであり、
光ファイバケーブルは複数存在し、
複数の光ファイバケーブル中の複数の光ファイバの端面であってレンズアレイ側の端面のそれぞれは、レンズアレイを構成するレンズ部にそれぞれ対応して配列していることが好ましい。
【００２０】
或いは、本発明に係る光音響撮像装置において、集光レンズ系がマイクロレンズアレイであり、
光ファイバケーブルが複数の光ファイバを包含するバンドルファイバケーブルであり、
バンドルファイバケーブル中の複数の光ファイバの端面であってマイクロレンズアレイ側の端面のそれぞれが、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズにそれぞれ対応して配列していることが好ましい。
【００２１】
本明細書において、複数の光ファイバケーブル（或いはバンドルファイバケーブル。この段落において以下同じ。）中の複数の光ファイバの端面のそれぞれがレンズアレイ（或いはマイクロレンズアレイ。この段落において以下同じ。）を構成するレンズ部（或いはマイクロレンズ。この段落において以下同じ。）に「それぞれ対応して配列している」とは、複数の光ファイバの当該端面の配列パターンがレンズアレイの集光パターンに実質的に一致することを意味する。２つのパターンが「実質的に一致する」とは、これらのパターンが若干異なっていたとしても、レンズアレイを構成するレンズ部ごとに集光された複数のレーザ光のそれぞれが複数の光ファイバのコアのそれぞれに入射することができる範囲であれば、一致しているとして取り扱うことを意味する。端面の「配列パターン」とは、複数の光ファイバの一方の端面に関するそれぞれの代表点（例えばコアの中心）の配列のパターンを意味する。「集光パターン」とはレンズアレイを構成するレンズ部をそれぞれ透過し集光された複数のレーザ光がレンズアレイの光軸に垂直な焦点面に形成する輝点のパターンを意味する。
【００２２】
さらに、本発明に係るプローブユニットは、
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用いられるプローブユニットにおいて、
被検体内に測定光を照射する光照射部と、
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する電気音響変換部と、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
拡散板により拡散されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、集光レンズ系により集光されたレーザ光を一端から入射させるように配置された光ファイバケーブルとを備え、
光照射部が、光ファイバケーブルにより導光されたレーザ光を測定光として照射するものであることを特徴とするものである。
【００２３】
さらに、本発明に係る内視鏡は、上記に記載のプローブユニットを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡は、被検体内に測定光を照射する光照射部と、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する電気音響変換部と、電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成部とを備える光音響撮像装置において、光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、拡散板により拡散されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、集光レンズ系により集光されたレーザ光を一端から入射させるように配置された光ファイバケーブルとを備え、光照射部が、光ファイバケーブルにより導光されたレーザ光を上記測定光として照射するものであることを特徴とするものである。つまり、レーザ光を一度拡散板に通すことによりレーザ光に含まれる光束の伝播角度の分布を拡げ、光ファイバに入射する際のビーム径を集光レンズ系の焦点距離によって制御しているから、集光レンズ系で集光させてレーザ光を光ファイバに入射させる際に、レーザ光が絞られすぎることを防止することができる。これにより、局所的なエネルギーがコアの損傷閾値エネルギーを超えることによる光ファイバの端面におけるコアの損傷を防止することができる。この結果、光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、光ファイバの端面損傷を抑制しながら高エネルギーのレーザ光を導光することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態の光音響撮像装置の一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】図１における画像生成部の構成を示すブロック図である。
【図３】拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図４】拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系の実施形態の他の構成を示す概略断面図である。
【図５】光ファイバケーブルの構造を示す概略断面図である。
【図６】拡散板で拡散したレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。
【図７】拡散板を使用せずレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。
【図８】進行方向と集光レンズ系の光軸との成す角度が分布を持つレーザ光束が当該集光レンズ系に集光された場合における、集光範囲の直径およびビーム径の相関性を示すグラフである。
【図９】拡散板および集光レンズ系の条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径と光ファイバのコアの損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の内視鏡の実施形態の構成を示す概略図である。
【図１１】本発明の内視鏡の挿入部の先端の構成を示す概略図である。
【図１２】分岐されたレーザ光の光路ごとに拡散板、集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系を配置する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１３】分岐されたレーザ光の光路ごとに集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系を配置する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１４】複数のレンズ部を備えたレンズアレイを用い、分岐されたレーザ光の光路ごとに光ファイバケーブルを配置する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１５】マイクロレンズアレイを用いてレーザ光を分岐させ、バンドルファイバを用いて複数の分岐光のそれぞれを導光する場合の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図１６】本発明のプローブユニットの先端部の構成を示す概略断面図である。
【図１７】本発明のプローブユニットの先端部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】
【００２６】
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。
【００２７】
「光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニット並びに内視鏡の実施形態」
本発明の光音響撮像装置１０の実施形態について説明する。図１は、本実施形態における光音響撮像装置１０全体の構成を示す概略図である。図２は、図１の画像生成部２の構成を示すブロック図である。図３および図４はそれぞれ、拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４からなる本発明の光学系の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【００２８】
本実施形態による光音響撮像装置１０は、特定波長成分を含む測定光Ｌを発生させこの測定光Ｌを被検体７に照射する光送信部１と、この測定光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体７内で発生する光音響波Ｕを検出して任意断面の光音響画像データを生成する画像生成部２と、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部３と、この光音響画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。
【００２９】
そして、本実施形態のプローブユニット７０は、電気音響変換部３、拡散板１２、集光レンズ系１３、光ファイバケーブル１４および光照射部１５を備えている。
【００３０】
光送信部１は、波長の異なる複数の光源を備える光源部１１と、光源部１１から出力されたレーザ光Ｌｏを拡散させる拡散板１２と、拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏを集光する集光レンズ系１３と、集光レンズ系１３により集光されたレーザ光Ｌｏを一端から入射させ、このレーザ光Ｌｏを導光する光ファイバケーブル１４と、光ファイバケーブル１４に導光されたレーザ光Ｌｏを測定光Ｌとして被検体７の体表面へ照射する光照射部１５とを備えている。
【００３１】
光源部１１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。光源部１１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特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、例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、血管を撮像する場合）には、一般的には６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被検体７の深部まで届くという観点から、上記レーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍ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。
【００３２】
より具体的には例えば、被検体７のヘモグロビン濃度を測定する場合には、固体レーザの一種であるＮｄ：ＹＡＧレーザ（発光波長：約１０００ｎｍ）や、ガスレーザの一種であるＨｅ-Ｎｅガスレーザ（発光波長：６３３ｎｍ）を用い、１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅を有したレーザ光を形成する。また、ＬＤ等の小型発光素子を用いる場合には、ＩｎＧａＡｌＰ（発光波長：５５０〜６５０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ（発光波長：６５０〜９００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ（発光波長：９００〜２３００ｎｍ）などの材料を用いた素子を使用することができる。また最近では、波長が５５０ｎｍ以下で発光するＩｎＧａＮを用いた発光素子も使用可能になりつつある。更には、波長可変可能な非線形光学結晶を用いたＯＰＯ（Optical Parametrical Oscillators）レーザを用いることもできる。
【００３３】
拡散板１２は、光源部１１から出力されたレーザ光Ｌｏを拡散させてレーザ光Ｌｏのビーム径を大きくする、つまりレーザ光Ｌｏを一度拡散板に通すことによりレーザ光Ｌｏに含まれる光束の伝播角度の分布を拡げる機能を果たす。これにより、拡散板の発光面がレーザ光Ｌｏの２次光源となるため、集光レンズ系１３によりレーザ光Ｌｏが集光される際、レーザ光Ｌｏが絞られすぎることを防止できる。本発明の拡散板１２はレンズ拡散板であることが好ましい。例えば本実施形態における拡散板１２は、微小な凸レンズが基板の片面１２ｓにランダムに配置されたレンズ拡散板であるホログラフィックディフューザであり、その拡散角は０．２〜２．０°であることが好ましく、０．４〜１．０°であることがより好ましい。拡散効率が高いためである。このようなホログラフィックディフューザとしては、例えば、Ｅｄｍｕｎｄｓ社製（型番：４８５１３−Ｌ、材質：石英、拡散角：０．５°、透過効率：９３％）を使用することができる。
【００３４】
また、レンズ拡散板は、微小な凹レンズが基板の片面にランダムに配置されたレンズ拡散板でも良い。このような微小な凹レンズが配置されたレンズ拡散板としては、例えば、ＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製（型番：ＥＤＣ−０．５−Ａ、拡散角：０．５°)を使用することもできる。さらに、本発明の拡散板１２はレンズ拡散板に限られない。本発明に適用可能なレンズ拡散板以外の拡散板としては、例えば、ガラス基板の片面を擦りガラス（砂面）にすることでつや消し効果を利用したフロスト型の拡散板、およびガラス内に乳白色の光拡散物質を分散することで拡散特性を利用したオパールガラスの拡散板等の光散乱を利用した拡散板が挙げられる。
【００３５】
拡散板１２は、図３に示されるように、保持部４０ａによって集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４と一体化して保持されるように構成してもよい。この場合、拡散板１２および集光レンズ系１３の位置関係の調整が不要となり、光学系を小型化することができる。拡散板１２は、集光レンズ系１３に対して光学系の上流側かつ集光レンズ系１３の中心から焦点距離の３倍の範囲内に配置されることが好ましい。
【００３６】
集光レンズ系１３は、光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア４１ａにレーザ光Ｌｏを導光するためのものである。集光レンズ系１３の焦点距離（光ファイバケーブル１４側の主点と焦点との距離）は、４〜４０ｍｍであることが好ましく、８〜２５ｍｍであることがより好ましい。光学系の小型化が可能であり、コアが石英からなりクラッドがフッ素ドープ石英からなる一般的な光ファイバの開口数ＮＡ（最大で０．２２程度）に焦点距離を整合させるためである。また、集光レンズ系１３は、複数のレンズから構成される結合系レンズとすることもできる。集光レンズ系１３が結合系レンズである場合には、集光レンズ系１３の焦点距離とは、当該結合系レンズの合成焦点距離をいう。集光レンズ系１３は、図３に示されるように保持部４０ａによって拡散板１２および光ファイバケーブル１４と一体化して保持されるように構成してもよく、図４に示されるように保持部４０ｂによって光ファイバケーブル１４のみと一体化して保持されるように構成してもよい。
【００３７】
光ファイバケーブル１４は、集光レンズ系１３により集光されたレーザ光Ｌｏを光照射部１５に導光するものである。光ファイバケーブル１４は、例えば図５に示されるように、コア４１ａおよびクラッド４１ｂから構成される光ファイバ４１と、当該光ファイバ４１の周囲を被覆するフェルールおよびシース等の被覆部材４２とを備える。また、光ファイバ４１および被覆部材４２は接着剤４１ｃで互いに固定される。光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア径は１００〜６００μｍであることが好ましく、２００〜４００μｍであることがより好ましい。光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１は、特に限定されないが石英ファイバであることが好ましい。光ファイバケーブル１４としては、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＳＭＡ型光ファイバを使用することができる。
【００３８】
光ファイバケーブル１４は、光ファイバ４１の入射端が集光レンズ系１３の焦点に位置するように位置調整される。光ファイバケーブル１４の位置の微調整を可能にするため、光ファイバケーブル１４をその光軸方向に移動せしめる光ファイバケーブル位置調整部を有するように構成することもできる。
【００３９】
また、図３に示されるように保持部４０ａによって拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４が一体化して保持される場合、または図４に示されるように保持部４０ｂによって集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４が一体化して保持される場合には、光ファイバケーブル１４の入射端面が集光レンズ系１３の焦点位置に容易に固定されるように、光ファイバケーブル１４はネジ構造等の着脱を可能にする構造によって保持部４０ａまたは４０ｂに固定されることが好ましい。図３および図４では、保持部４０ａおよび４０ｂの接合部１００ａ、並びに、光ファイバケーブル１４の接続部１００ｂのそれぞれが互いに相補的なネジ構造を有することにより、光ファイバケーブル１４が保持部４０ａおよび４０ｂに着脱可能に固定されている。このように、光ファイバケーブル１４を例えばネジ構造によって保持部４０ａまたは４０ｂに固定した場合、光ファイバケーブル位置調整部が不要となるため光学系を小型化することができる。また、保持部４０ａまたは４０ｂからネジをはずすだけで容易に光ファイバケーブル１４を交換することができるため、損傷した光ファイバケーブル１４を交換する際に、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４の再度の位置合わせが不要となりメンテナンス性が向上する。集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４の位置関係が固定されるようネジ部を介して一体化するためには、例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製の非球面レンズファイバコリメータパッケージ（型番：Ｆ２８０ＳＭＡ−ＡまたはＦ２８０ＳＭＡ−Ｂ、焦点距離：１８．４ｍｍ）等を使用することができる。また、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製の非球面レンズファイバコリメータパッケージのシリーズでは、約４ｍｍから１８．４ｍｍまでの焦点距離を有する製品が揃えられているため、目的に合わせて適宜選択することが可能である。
【００４０】
本発明において、集光レンズ系１３は、レーザ光Ｌｏの最小ビーム径が光ファイバ４１のコア径の１／３以上２／３以下となるように、レーザ光Ｌｏを集光するものであり、光ファイバケーブル１４は、レーザ光Ｌｏのビーム径が光ファイバ４１のコア径の１／３以上２／３以下である状態でレーザ光Ｌｏを入射させるように配置されたものであることが好ましい。具体的には、拡散板１２に入射する前におけるレーザ光Ｌｏの拡がり角φ、拡散板１２の拡散角θ、集光レンズ系１３の焦点距離ｆおよび光ファイバ４１のコア径ｄが下記式（１）を満たすことが好ましい。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ビーム径を光ファイバ４１のコア径の１／３以上としたのは、ビーム径が絞られることによりエネルギーが集中して光ファイバ４１のコア４１ａが損傷すること（コア損傷モード）を抑制するためである。
【００４３】
図６は拡散板で拡散したレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図であり、図７は、拡散板を使用せずレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。通常、レーザー光源から出力されたときのレーザ光の拡がり角φは小さい（大きくても０．１５°程度）ため、集光されたレーザ光は光ファイバの入射端で小さく絞られてしまう。この結果、光ファイバの入射端でレーザ光のエネルギーが集中してしまい、光ファイバの端面におけるコアの損傷が生じる。そこで、本発明では、拡散板１２でレーザ光Ｌｏを拡散することにより、レーザ光Ｌｏのレンズ焦点位置でのビーム径を制御する。
【００４４】
本発明ではビーム径の制御方法として、集光レンズ系の光軸との成す角度がαとなる方向に進行する平行光が焦点距離ｆの当該集光レンズ系に入射した場合、当該平行光が集光される集光点の位置がその集光レンズ系の焦点の位置からずれてその集光点とその焦点との距離がｆｔａｎαで近似することができる原理を利用している。
【００４５】
したがって、集光レンズ系に入射するレーザ光束の進行方向と集光レンズ系の光軸との成す角度が分布を持つ場合には、それぞれの角度に対応した位置にレーザ光束が集光されるため、それぞれの角度に対応した集光点を重ね合わせたレーザ光全体の集光範囲は大きくなる。集光レンズ系の上流側に拡散板を配置した場合には、拡散板入射前におよそφ／２以内であったレーザ光束の上記角度分布は、拡散板透過後には半角でおよそ√（（φ／２）＾２＋（θ／２）＾２）以内に拡がるため、これに対応してその後集光レンズ系により集光されたレーザ光全体の集光範囲はさらに大きくなる。
【００４６】
そして、集光範囲のうちレーザ光のエネルギーのおよそ８６．５％が含まれる１／ｅ２径をビーム径としたことを考慮すると、集光範囲の直径２ｆ・ｔａｎ（√（（φ／２）＾２＋（θ／２）＾２））およびビーム径Ｄは互いに一定の相関性を有することが推定される。
【００４７】
図８は、進行方向と集光レンズの光軸との成す角度が分布を持つレーザ光束が当該集光レンズに集光された場合における、集光範囲の直径２ｆ・ｔａｎ（√（（φ／２）＾２＋（θ／２）＾２））および実験的に得られた実際のビーム径Ｄの相関性を示すグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有する拡散板に波長が５３２ｎｍ、パルス幅が３．５ｎｓ、拡散板に入射する際のビーム径が３．５ｍｍ、拡がり角φが０．１３°のレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズにより当該レーザ光を集光した場合における集光範囲をビームプロファイラ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製のＬａｓｅｒＣａｍ−ＨＲ）で測定した実験結果である。グラフ中の３点の丸形のプロットは、焦点距離ｆが４０ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０（つまり拡散板なし）、０．６５および０．９５°である。また、グラフ中の５点の菱形のプロットは、焦点距離ｆが２５ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５、０．９５、１．１５および１．３５°である。また、グラフ中の３点の四角形のプロットは、焦点距離ｆが１８．３ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５および１．８０°である。また、グラフ中の６点の三角形のプロットは、焦点距離ｆが１５．３ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５、０．９５、１．１５、１．３５および１．８０°である。
【００４８】
図８からビーム径Ｄは集光範囲の直径に対して一次関数の関係にあることがわかる。そして、グラフ中の一次関数の傾きはおよそ２．４／２であった。したがって、ビーム径Ｄは下記式（２）で表すことができる。
【００４９】
【数３】
【００５０】
つまり、所定のレーザ光について、上記実験に用いた焦点距離および拡散角に限らず、焦点距離ｆおよび拡散角θを適当に設定することにより、任意のビーム径Ｄを作ることが可能であると言える。
【００５１】
本発明では、上記の関係を用いてレーザ光Ｌｏのビーム径Ｄを制御することにより、光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア４１ａの損傷閾値エネルギー密度を越えないように高エネルギーのレーザ光Ｌｏを光ファイバケーブル１４によって導光することが可能となる。
【００５２】
また、ビーム径を光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１のコア径の２／３以下としたのは、ビーム径Ｄが広がることにより光ファイバ４１のコア４１ａの周囲の部材がレーザ光Ｌｏのエネルギーを吸収して当該部材が損傷し、損傷した部位から塵およびガス等の放出物が放出されることを抑制するためである。このような放出物は、光ファイバ４１の端面に付着して端面付近におけるコア４１ａの破壊を誘発し、エネルギーの伝送を阻害するといった問題（周囲損傷モード）の原因となりうる。つまり、ビーム径を光ファイバ４１のコア径の２／３以下としたのは上記のような周囲損傷モードの発生を抑制するためである。コアの周囲の部材とは、例えば樹脂製のクラッド、クラッド外表を被覆する接着剤および被膜、並びに、さらにその外周を覆う金属製フェルール等の被覆部材４２を意味する。
【００５３】
図９は、拡散板および集光レンズの条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径と光ファイバケーブル１４の損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有する拡散板に波長が５３２ｎｍ、パルス幅が３．５ｎｓ、拡散板に入射する際のビーム径が３．５ｍｍ、拡がり角φが０．１３°のレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズにより光ファイバケーブル（コア径６００μｍまたは４００μｍ）の端面に当該レーザ光を集光し、コア損傷モードまたは周囲損傷モードが生じ始めた時のエネルギーをプロットしたものである。実験においては、上記パルスレーザ光を光ファイバの一方の端部に入射して、他方の端部から出射したパルスレーザ光のエネルギーを測定した。そして、パルスレーザ光の入射エネルギーを入射側端部が損傷するまで増加させながら、出射側で測定されたエネルギーの最大値を損傷閾値エネルギーとした。レンズ焦点位置でのビーム径は、拡散角θが０．６５または１．８°の拡散板、および焦点距離ｆが１１．０、１５．３、１８．３または２５．０ｍｍの集光レンズを適宜組み合わせて調整した。図９において、実線は、石英コアの損傷閾値エネルギー密度から想定される光ファイバ端面の損傷閾値エネルギー曲線を示す。また点線は、コア径が６００μｍである石英コアを有する光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーを示す。また一点鎖線は、コア径が４００μｍである石英コアを有する光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーを示す。半値幅の開始点がコア径ｄのおよそ１／３、終了点がコア径ｄのおよそ２／３となっている。
【００５４】
このグラフより、光ファイバの損傷のモードが、ビーム径が増加する途中でコア損傷モードから周囲損傷モードへと切り替わり、損傷閾値エネルギーはビーム径に対して上に凸となる変化を示すことがわかる。これは、石英等からなるコアに比べ、上記のような周囲の部材のレーザ光Ｌｏに対する耐久性が低いためである。
【００５５】
また、図９のグラフから分かるように、拡散板を介さずに光ファイバケーブル（コア径６００μｍ）にレーザ光を集光する従来の方法では、ビーム径の制御範囲が最大で９０μｍ程度に限定されるため、伝送可能なエネルギー量は約１．０ｍＪが限界であった。しかしながら、拡散板１２および集光レンズ系１３の組み合わせによりビーム径Ｄを制御する本発明においては、ビーム径Ｄを拡大制御するほどより大きなエネルギー量を伝送することができ、例えばコア径が４００μｍの光ファイバに対しビーム径を２５０μｍとすれば約１２ｍＪ程度、コア径が６００μｍの光ファイバに対しビーム径を３５０μｍとすれば約２２ｍＪ程度と飛躍的に大きなエネルギー量を伝送することが可能となる。これにより、本発明によれば伝送可能なエネルギー量を飛躍的に増大させることができる。
【００５６】
光照射部１５は、本実施形態では光ファイバケーブル１４中の光ファイバ４１の出射端面から構成される。光照射部１５を構成する光ファイバ４１の出射端面は、例えば電気音響変換部３の近傍に配置される。また、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４が透明材料である場合には、光照射部１５は変換素子５４の上方から変換素子全体を照射できるように配置してもよい。
【００５７】
電気音響変換部３は、例えば１次元状或いは２次元状に配列された微小な複数の変換素子５４から構成される。変換素子５４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。電気音響変換部３は、光照射部１５からの光の照射により被検体７内に発生する光音響波Ｕを受信する。この変換素子５４は、受信時において光音響波Ｕを電気信号に変換する機能を有している。電気音響変換部３は、小型、軽量に構成されており、多チャンネルケーブルによって後述する受信部２２に接続される。この電気音響変換部３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。電気音響変換部３は、光音響波Ｕを効率よく伝達するために音響整合層を備えてもよい。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光音響波Ｕは効率よく伝達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、光音響波Ｕは効率よく伝達することができる。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。
【００５８】
光音響撮像装置１０の画像生成部２は、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４を選択駆動するとともに、また電気音響変換部３からの電気信号に所定の遅延時間を与え、整相加算を行うことにより受信信号を生成する受信部２２と、変換素子５４の選択駆動や受信部２２の遅延時間を制御する走査制御部２４と、受信部２２から得られる受信信号に対して各種の処理を行う信号処理部２５とを備えている。
【００５９】
受信部２２は、図２に示すように、電子スイッチ５３と、プリアンプ５５と、受信遅延回路５６と、加算器５７とを備えている。
【００６０】
電子スイッチ５３は、光音響走査における光音響波の受信に際して、連続して隣接する所定数の変換素子５４を選択する。例えば、電気音響変換部３がアレイ型の１９２個の変換素子ＣＨ１〜ＣＨ１９２から構成される場合、このようなアレイ型変換素子は、電子スイッチ５３によってエリア０（ＣＨ１〜ＣＨ６４までの変換素子の領域）、エリア１（ＣＨ６５〜ＣＨ１２８までの変換素子の領域）およびエリア２（ＣＨ１２９〜ＣＨ１９２までの変換素子の領域）の３つの領域に分割されて取り扱われる。このようにＮ個の変換素子から構成されるアレイ型変換素子をｎ（ｎ＜Ｎ）個の隣接する振動子のまとまり（エリア）として取り扱い、このエリアごとにイメージング作業を実施した場合には、すべてのチャンネルの変換素子にプリアンプやＡ／Ｄ変換ボードを接続する必要がなくなり、プローブユニット７０の構造を簡素化できコストの増大を防ぐことができる。
【００６１】
プリアンプ５５は、上記のように選択された変換素子５４によって受信された微小な電気信号を増幅し、充分なＳ／Ｎを確保する。
【００６２】
受信遅延回路５６は、電子スイッチ５３によって選択された変換素子５４から得られる光音響波Ｕの電気信号に対して、所定の方向からの光音響波Ｕの位相を一致させて収束受信ビームを形成するための遅延時間を与える。
【００６３】
加算器５７は、受信遅延回路５６により遅延された複数チャンネルの電気信号を加算することによって１つの受信信号にまとめる。この加算によって所定の深さからの音響信号は整相加算され、受信収束点が設定される。
【００６４】
走査制御部２４は、ビーム集束制御回路６７と変換素子選択制御回路６８とを備える。変換素子選択制御回路６８は、電子スイッチ５３によって選択される受信時の所定数の変換素子５４の位置情報を電子スイッチ５３に供給する。一方、ビーム集束制御回路６７は、所定数個の変換素子５４が形成する受信収束点を形成するための遅延時間情報を受信遅延回路５６に供給する。
【００６５】
信号処理部２５は、フィルタ６６と、信号処理器５９と、Ａ／Ｄ変換器６０と、画像データメモリ６２とを備えている。受信部２２の加算器５７から出力された電気信号は、信号処理部２５のフィルタ６６において不要なノイズを除去した後、信号処理器５９にて受信信号の振幅を対数変換し、弱い信号を相対的に強調する。一般に、被検体７からの受信信号は、８０ｄＢ以上の広いダイナミックレンジをもった振幅を有しており、これを２３ｄＢ程度のダイナミックレンジをもつ通常のモニタに表示するためには弱い信号を強調する振幅圧縮が必要となる。なお、フィルタ６６は、帯域通過特性を有し、受信信号における基本波を抽出するモードと高調波成分を抽出するモードを有している。また、信号処理器５９は、対数変換された受信信号に対して包絡線検波を行う。そして、Ａ／Ｄ変換器６０は、この信号処理器５９の出力信号をＡ／Ｄ変換し、１ライン分の光音響画像データを形成する。この１ライン分の光音響画像データは、画像データメモリ６２に保存される。
【００６６】
画像データメモリ６２は、前述のように生成された１ライン分の光音響画像データを順次保存する記憶回路である。システム制御部４は、画像データメモリ６２に保存されたある断面についての１ライン分のデータであって１フレームの光音響画像を生成するのに必要なデータを読み出す。システム制御部４は、空間的に補間しながらそれら１ライン分のデータを合成して当該断面の１フレーム分の光音響画像データを生成する。そして、システム制御部４は、この１フレーム分の光音響画像データを画像データメモリ６２に保存する。
【００６７】
表示部６は、表示用画像メモリ６３と、光音響画像データ変換器６４と、モニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、モニタ６５に表示する１フレーム分の光音響画像データを画像データメモリ６２から読み出し、それを一時的に保存するバッファメモリである。光音響画像データ変換器６４は、表示用画像メモリ６３に保存された１フレーム分の光音響画像データに対してＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換を行い、その出力はモニタ６５において表示される。
【００６８】
操作部５は、操作パネル上にキーボード、トラックボール、マウス等を備え、装置操作者が患者情報、装置の撮影条件、表示断面など必要な情報を入力するために用いられる。
【００６９】
システム制御部４は、図示しないＣＰＵと図示しない記憶回路を備え、操作部５からのコマンド信号に従って光送信部１、画像生成部２、表示部６などの各ユニットの制御やシステム全体の制御を統括して行う。特に、内部のＣＰＵには、操作部５を介して送られる操作者の入力コマンド信号が保存される。
【００７０】
以上より、本発明に係る光音響撮像装置およびそれに用いられるプローブユニットは、特に、レーザ光を一度拡散板に通すことによりレーザ光に含まれる光束の伝播角度の分布を拡げ、光ファイバに入射する際のビーム径を集光レンズ系の焦点距離によって制御しているから、集光レンズ系で集光させてレーザ光を光ファイバに入射させる際に、レーザ光が絞られすぎることを防止することができる。これにより、局所的なエネルギーがコアの損傷閾値エネルギーを超えることによるコア損傷モードを防止することができる。この結果、光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、光ファイバの端面損傷を抑制しながら高エネルギーのレーザ光を導光することが可能となる。
【００７１】
その結果として、高エネルギーのレーザ光が伝送可能となる、つまり１本の光ファイバケーブルでより多くのエネルギーが伝送可能となり、より強い光音響信号が得られるために高画質の光音響画像を撮像することが可能となる。また、レーザ光の伝送ケーブルの小型化および軽量化が可能となり、光音響撮像装置の操作性が向上する。
【００７２】
「内視鏡の実施形態」
本発明のプローブユニットは内視鏡に適用することも可能である。図１０は本実施形態の内視鏡の構成を示す概略図であり、図１１は本実施形態の内視鏡の挿入部の先端の構成を示す概略図である。
【００７３】
本実施形態の内視鏡８は、図１０に示すように、挿入部８１、操作部８２、接続コード８３およびユニバーサルコード８４から構成される。本実施形態において、光ファイバケーブル１４が、挿入部８１、操作部８２およびユニバーサルコード８４に亘って通されており、ユニバーサルコード８４の上流側の接続部８４ａで例えば図３のように拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４が一体化して保持されるように構成されている。
【００７４】
内視鏡８の挿入部８１は、患者の体内に挿入することができるように細長い可撓性の管状となっている。操作部８２は、挿入部８１の基端に設けられており、接続コード８３を介して図示しない光音響撮像装置本体に接続され、ユニバーサルコード８４を介して図示しない光源装置及び光学観測装置に接続されている。
【００７５】
内視鏡８の挿入部８１の先端部８５には、コンベックス型の超音波トランスデューサアレイ８５ａが設けられている。また挿入部８１の先端部８５では、光ファイバケーブル１４が必要に応じて分岐され、分岐された光ファイバケーブル１４によるレーザ光の照射範囲が超音波トランスデューサアレイ８５ａによる超音波の受信範囲と重なるように、分岐された光ファイバケーブル１４の端部が配置されている。超音波トランスデューサアレイ８５ａは、レーザ光の照射に起因して生じる光音響波を受信して複数の受信信号を光音響撮像装置本体の受信回路に出力する。また、内視鏡８の挿入部８１の先端部８５には、操作部８２に設けられた処置具挿入口８２ａから挿入された穿刺針８５ｂが突出される孔が形成されている。
【００７６】
超音波トランスデューサアレイ８５ａは、図１１に示すように、半円周状に並べられた第１〜第１２の超音波トランスデューサＴＡ１〜ＴＡ１２を有する。
【００７７】
以上より、本発明に係る内視鏡は、本発明のプローブユニットを備えているから、本発明のプローブユニットについて説明した効果と同様の効果を奏する。
【００７８】
「光音響撮像装置および内視鏡に用いられるプローブユニットの設計変更」
光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、上記で説明した実施形態に限定されるものではない。
【００７９】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットにおいては、操作性の観点から光伝送ケーブル部分の可撓性が求められるため、コア径が１２００〜６００μｍのより細い光ファイバケーブルを用いることが好ましい。したがって、これらの光ファイバケーブルのコアに入射させるビーム径は３３〜６００μｍであることが求められる。このような範囲でビーム径を制御するためには、上記式（２）を用いてレーザ光の拡がり角と、拡散板の拡散角と、集光レンズ系の焦点距離とを適宜調整して決定すればよい。
【００８０】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットにおいては、使用施設内において移動させて用いることが想定される観点から可搬性が求められるため、光学系はより小型化されることが好ましい。そのためには、４〜４０ｍｍの比較的短い焦点距離を有する集光レンズ系を用いて上記式（２）に基づき拡散板の拡散角を決定すればよい。
【００８１】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットにおいては、複数のレーザ光源を用いる場合には拡散板へ入射する際のビーム径が光源ごとに異なる場合も生じうる。拡散板がホログラフィック拡散板である場合に十分な拡散効果を得るためにはより大きなビーム径が必要であるが、この場合には最も小さいビーム径の光源で拡散効果が得られるように拡散角を０．２〜２．０°の範囲で調整することが好ましい。
【００８２】
例えば光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１２に示されるように、レーザ光Ｌｏを分岐させる分岐部４５、４６を備え、拡散板１２、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４は、分岐したレーザ光Ｌｏの光路ごとに保持部４０ａで一体化されて配置されるように構成することができる。分岐部は、複数のビームスプリッタ４５および複数のミラー４６の組み合わせから構成される。分岐本数は、ビームスプリッタ４５およびミラー４６の組み合わせにより調整することができる。また分岐本数は、特に限定されないが、効果的にレーザ光Ｌｏのエネルギーを分散させる観点から、４本以上に分岐せしめることが好ましい。これにより、複数の光ファイバケーブル１４でレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。
【００８３】
また、例えば本発明の光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１３に示されるように、レーザ光Ｌｏを分岐させる分岐部４５、４６を備え、拡散板１２は、分岐したレーザ光Ｌｏのそれぞれを１つの当該拡散板１２で拡散させるように配置され、集光レンズ系１３および光ファイバケーブル１４は、分岐したレーザ光Ｌｏの光路ごとに保持部４０ｃで一体化されて配置されるように構成することができる。
【００８４】
分岐部は、複数のビームスプリッタ４５および複数のミラー４６の組み合わせから構成される。分岐本数は、ビームスプリッタ４５およびミラー４６の組み合わせにより調整することができる。また分岐本数は、特に限定されないが、効果的にレーザ光Ｌｏのエネルギーを分散させる観点から、４本以上に分岐せしめることが好ましい。これにより、上記と同様に、複数の光ファイバケーブル１４でレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。さらに、使用する拡散板１２が１つで済むためコストを削減することが可能となり、光学系が鏡筒に一体的に収めることができるためよりプローブユニットを小型化することが可能となる。
【００８５】
また、例えば本発明の光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１４に示されるように、集光レンズ系がレンズアレイ４７であり、耐光エネルギー構造を有する光ファイバケーブル１４が複数存在し、複数の光ファイバケーブル１４中の複数の光ファイバ４１の端面であってレンズアレイ４７側の端面のそれぞれが、レンズアレイ４７を構成するレンズ部４７ａにそれぞれ対応して配列するように、拡散板１２、レンズアレイ４７および複数の光ファイバケーブル１４が保持部４０ｄで一体化された構成とすることができる。
【００８６】
この場合、図１４ではビームスプリッタ４５および複数のミラー４６の組み合わせから構成される分岐部によりレーザ光Ｌｏが分岐する様子を示しているが、レンズアレイ４７によってレーザ光Ｌｏが分岐する構成としてもよい。このような場合には、レンズアレイ４７は、本発明における集光レンズ系および分岐部として機能することとなり、拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏは、レンズアレイ４７を構成するレンズ部４７ａによって分岐される。レンズアレイ４７でレーザ光Ｌｏを分岐させる場合、分岐本数はレンズアレイ４７の構造により調整することができる。例えば、六角形のレンズを組み合わせたレンズアレイを用いた場合には、レーザ光を７本或いは１９本などに分岐させることができる。
【００８７】
そして、上記のような分岐機能により分岐されたレーザ光Ｌｏはそれぞれ、レンズアレイ４７を構成するレンズ部４７ａに対応して配列した光ファイバ４１のコアに集光される。これにより、上記と同様に、複数の光ファイバケーブル１４でレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。さらに、使用する拡散板１２が１つで済むためコストを削減することが可能となり、光学系が鏡筒に一体的に収めることができるためよりプローブユニットを小型化することが可能となる。
【００８８】
また、例えば本発明の光音響撮像装置および内視鏡に用いられる本発明のプローブユニットは、図１５に示されるように、集光レンズ系がマイクロレンズアレイ４８であり、耐光エネルギー構造を有する光ファイバケーブルが複数の光ファイバ４１を包含するバンドルファイバケーブル４４であり、バンドルファイバケーブル４４中の複数の光ファイバ４１の端面であってマイクロレンズアレイ４８側の端面のそれぞれが、マイクロレンズアレイ４８を構成するマイクロレンズ４８ａにそれぞれ対応して配列するように、拡散板１２、マイクロレンズアレイ４８およびバンドルファイバケーブル４４が保持部４０ｅで一体化された構成とすることができる。
【００８９】
この場合、マイクロレンズアレイ４８は、本発明における集光レンズ系および分岐部として機能する。拡散板１２により拡散されたレーザ光Ｌｏは、マイクロレンズアレイ４８を構成するマイクロレンズ４８ａによって分岐される。分岐本数は、マイクロレンズアレイ４８の構造により調整することができる。また分岐本数は、特に限定されないが、効果的にレーザ光Ｌｏのエネルギーを分散させる観点から、１６本以上に分岐せしめることが好ましい。
【００９０】
分岐されたレーザ光Ｌｏはそれぞれ、マイクロレンズアレイ４８を構成するマイクロレンズ４８ａに対応して配列したバンドルファイバケーブル４４中の光ファイバ４１のコアに集光される。これにより、上記と同様に、バンドルファイバケーブル４４中の複数の光ファイバでレーザ光Ｌｏを導光するため、より多くのエネルギーが伝送可能となる。さらに、使用する拡散板１２が１つで済むためコストを削減することが可能となり、光学系が鏡筒に一体的に収めることができるためよりプローブユニットを小型化することが可能となる。さらに、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバ４１のそれぞれとの位置合わせが容易になる。さらに、バンドルファイバケーブル４４を使用することができるため、プローブユニットのコード部分に可撓性を持たせることが可能となる。
【００９１】
また、例えば本発明の光音響撮像装置に用いられるプローブユニットは、図１６に示されるように、光照射部１５が複数の光ファイバ４１の下流側の端面であり、この端面が間隔を置いてライン状に配列されたものであるように構成することができる。このように構成することで、プローブユニット先端部７１に複雑な構造の光学系を設ける必要がなく、均一なライン状光源を得ることができる。また、複数の光ファイバ４１のそれぞれから出射するレーザ光の強度を勘案して上記間隔を調整することにより、より均一なライン状光源を得ることができる。例えば、レーザ光の強度が強い場合には上記間隔を広く、弱い場合には狭くする等して調整することが好ましい。
【００９２】
また、例えば本発明の光音響撮像装置に用いられるプローブユニットは、図１７に示されるように、光照射部１５が先太りの形状を有する導光板７２であり、バンドルファイバケーブル４４の下流側の端面が、着脱可能な状態で導光板７２の短辺側の端面に接続されたものであるように構成することができる。例えば図１７では、コネクタ部７３においてバンドルファイバケーブル４４の上記端面と導光板７２の短辺側の端面とが互いに接続されている。このように構成することで、バンドルファイバケーブル４４が破損した場合、バンドルファイバケーブル４４のみを交換することが可能となり、メンテナンス性能が向上する。
【符号の説明】
【００９３】
１ 光送信部
２ 画像生成部
３ 電気音響変換部
４ システム制御部
５ 操作部
６ 表示部
７ 被検体
８ 内視鏡
１０ 光音響撮像装置
１１ 光源部
１２ 拡散板
１３ 集光レンズ系
１４ 光ファイバケーブル
１５ 光照射部
４０ａ〜ｅ 保持部
４１ 光ファイバ
４１ａ コア
４１ｂ クラッド
４２ 被覆部材
４４ バンドルファイバケーブル
４５ ビームスプリッタ
４６ ミラー
４７ レンズアレイ
４７ａ レンズ部
４８ マイクロレンズアレイ
４８ａ マイクロレンズ
７０ プローブユニット
８１ 挿入部
８２ 操作部
８３ 接続コード
８４ ユニバーサルコード
Ｌ 測定光
Ｌｏ レーザ光
Ｕ 光音響波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内に測定光を照射する光照射部と、前記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する電気音響変換部と、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部とを備える光音響撮像装置において、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
該拡散板により拡散された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、前記集光レンズ系により集光された前記レーザ光を一端から入射させるように配置された前記光ファイバケーブルとを備え、
前記光照射部が、該光ファイバケーブルにより導光された前記レーザ光を前記測定光として照射するものであることを特徴とする光音響撮像装置。
【請求項２】
前記集光レンズ系が、前記レーザ光の最小ビーム径が前記光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下となるように、前記レーザ光を集光するものであり、
前記光ファイバケーブルが、前記レーザ光のビーム径が前記光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下である状態で前記レーザ光を入射させるように配置されたものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響撮像装置。
【請求項３】
前記拡散板に入射する際の前記レーザ光の拡がり角φ、前記拡散板の拡散角θ、前記集光レンズ系の焦点距離ｆおよび前記光ファイバのコア径ｄが下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光音響撮像装置。
【数１】
【請求項４】
前記集光レンズ系の焦点距離が４〜４０ｍｍであることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項５】
前記拡散板がホログラフィックディフューザであり、
該ホログラフィックディフューザの拡散角が０．２〜２．０°であることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項６】
前記光ファイバのコア径が１００〜６００μｍであることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項７】
前記集光レンズ系および前記光ファイバケーブルを一体化して保持する保持部を備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項８】
前記保持部が、前記拡散板も含めて一体化して保持するものであることを特徴とする請求項７に記載の光音響撮像装置。
【請求項９】
前記レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
前記拡散板、前記集光レンズ系および前記光ファイバケーブルが、分岐した前記レーザ光の光路ごとに配置されたことを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１０】
前記レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
前記拡散板が、１つであり、かつ分岐した前記レーザ光のうち少なくとも２以上を拡散させるように配置され、
前記集光レンズ系および前記光ファイバケーブルが、分岐した前記レーザ光の光路ごとに配置されたことを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１１】
前記集光レンズ系がレンズアレイであり、
前記光ファイバケーブルが複数存在し、
複数の前記光ファイバケーブル中の複数の前記光ファイバの端面であって前記レンズアレイ側の端面のそれぞれが、該レンズアレイを構成するレンズ部にそれぞれ対応して配列していることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１２】
前記集光レンズ系がマイクロレンズアレイであり、
前記光ファイバケーブルが複数の前記光ファイバを包含するバンドルファイバケーブルであり、
該バンドルファイバケーブル中の複数の前記光ファイバの端面であって前記マイクロレンズアレイ側の端面のそれぞれが、該マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズにそれぞれ対応して配列していることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１３】
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用いられるプローブユニットにおいて、
被検体内に測定光を照射する光照射部と、
前記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する電気音響変換部と、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
該拡散板により拡散された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、前記集光レンズ系により集光された前記レーザ光を一端から入射させるように配置された前記光ファイバケーブルとを備え、
前記光照射部が、該光ファイバケーブルにより導光された前記レーザ光を前記測定光として照射するものであることを特徴とするプローブユニット。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプローブユニットを備えることを特徴とする内視鏡。
【請求項１】
被検体内に測定光を照射する光照射部と、前記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する電気音響変換部と、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部とを備える光音響撮像装置において、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
該拡散板により拡散された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、前記集光レンズ系により集光された前記レーザ光を一端から入射させるように配置された前記光ファイバケーブルとを備え、
前記光照射部が、該光ファイバケーブルにより導光された前記レーザ光を前記測定光として照射するものであることを特徴とする光音響撮像装置。
【請求項２】
前記集光レンズ系が、前記レーザ光の最小ビーム径が前記光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下となるように、前記レーザ光を集光するものであり、
前記光ファイバケーブルが、前記レーザ光のビーム径が前記光ファイバのコア径の１／３以上２／３以下である状態で前記レーザ光を入射させるように配置されたものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響撮像装置。
【請求項３】
前記拡散板に入射する際の前記レーザ光の拡がり角φ、前記拡散板の拡散角θ、前記集光レンズ系の焦点距離ｆおよび前記光ファイバのコア径ｄが下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光音響撮像装置。
【数１】
【請求項４】
前記集光レンズ系の焦点距離が４〜４０ｍｍであることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項５】
前記拡散板がホログラフィックディフューザであり、
該ホログラフィックディフューザの拡散角が０．２〜２．０°であることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項６】
前記光ファイバのコア径が１００〜６００μｍであることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項７】
前記集光レンズ系および前記光ファイバケーブルを一体化して保持する保持部を備えることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項８】
前記保持部が、前記拡散板も含めて一体化して保持するものであることを特徴とする請求項７に記載の光音響撮像装置。
【請求項９】
前記レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
前記拡散板、前記集光レンズ系および前記光ファイバケーブルが、分岐した前記レーザ光の光路ごとに配置されたことを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１０】
前記レーザ光を分岐させる分岐部を備え、
前記拡散板が、１つであり、かつ分岐した前記レーザ光のうち少なくとも２以上を拡散させるように配置され、
前記集光レンズ系および前記光ファイバケーブルが、分岐した前記レーザ光の光路ごとに配置されたことを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１１】
前記集光レンズ系がレンズアレイであり、
前記光ファイバケーブルが複数存在し、
複数の前記光ファイバケーブル中の複数の前記光ファイバの端面であって前記レンズアレイ側の端面のそれぞれが、該レンズアレイを構成するレンズ部にそれぞれ対応して配列していることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１２】
前記集光レンズ系がマイクロレンズアレイであり、
前記光ファイバケーブルが複数の前記光ファイバを包含するバンドルファイバケーブルであり、
該バンドルファイバケーブル中の複数の前記光ファイバの端面であって前記マイクロレンズアレイ側の端面のそれぞれが、該マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズにそれぞれ対応して配列していることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
【請求項１３】
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用いられるプローブユニットにおいて、
被検体内に測定光を照射する光照射部と、
前記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する電気音響変換部と、
光学系の上流側から入射したレーザ光を拡散させる拡散板と、
該拡散板により拡散された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
コア／クラッド構造の光ファイバを包含する光ファイバケーブルであって、前記集光レンズ系により集光された前記レーザ光を一端から入射させるように配置された前記光ファイバケーブルとを備え、
前記光照射部が、該光ファイバケーブルにより導光された前記レーザ光を前記測定光として照射するものであることを特徴とするプローブユニット。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプローブユニットを備えることを特徴とする内視鏡。
【図１】
【図２】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１６】
【図１７】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１６】
【図１７】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２２８４０１（Ｐ２０１２−２２８４０１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９８９６９（Ｐ２０１１−９８９６９）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【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２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]