光音響検査用探触子および光音響検査装置
【課題】光音響効果を利用した光音響検査において、よりＳ／Ｎの高い光音響波を検出することを可能とする。
【解決手段】光音響検査に用いられる探触子７０において、上記光Ｌを被検体７に照射する光照射部１５と、上記光音響波Ｕを電気信号に変換する電気音響変換部３とを備え、光照射部１５が、電気音響変換部３に対応する被検体７上の対応領域をすべて包含する被検体７上の照射範囲であって、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成する。
【解決手段】光音響検査に用いられる探触子７０において、上記光Ｌを被検体７に照射する光照射部１５と、上記光音響波Ｕを電気信号に変換する電気音響変換部３とを備え、光照射部１５が、電気音響変換部３に対応する被検体７上の対応領域をすべて包含する被検体７上の照射範囲であって、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成する。
【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検査に用いられる探触子およびそれを備えた光音響検査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（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）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、例えば被検体内に照射される光の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。
【０００４】
しかし、被検体が生体である場合、照射される光のエネルギーにより生体組織に損傷を与えないために、生体に照射することができる単位面積当たりの最大許容露光量（ＭＰＥ：ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅ ｅｘｐｏｓｕｒｅ）が定められている。そのため、光量を増すとしてもＭＰＥが上限となる。
【０００５】
そこで、特許文献１では、光量がＭＰＥ以下であってもＳ／Ｎの高い光音響波を検出できるように、光の強度分布が均一となるように光を照射する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２５２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のような方法では、光の強度分布を均一にするのみであり、光の照射範囲については全く検討されていないため、充分にＳ／Ｎの高い光音響波を検出できない場合が生じうるという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光音響効果を利用した光音響検査において、よりＳ／Ｎの高い光音響波を検出することを可能とする光音響検査用探触子および光音響検査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、本発明に係る光音響検査用探触子は、
被検体に光を照射し、光を被検体に導光し、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波を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて検査を行う光音響検査に用いられる探触子において、
上記光を被検体に照射する光照射部と、
上記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え
光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本明細書において、「対応領域」とは、電気音響変換部および被検体が直接接触する場合には当該接触領域を意味し、電気音響変換部および被検体の間に音響整合層等が存在する場合には音響検出部の検出面が音響整合層等を介して対応する被検体上の領域を意味する。
【００１１】
「照射範囲の外周端」とは、被検体上の光の強度が対応領域の外周端における光の平均強度の半分になる被検体上の位置の集合を意味する。
【００１２】
「最小外周端間隔」とは、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅のうち最小のものを意味する。
【００１３】
そして、本発明に係る光音響検査用探触子において、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最大外周端間隔は２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
本明細書において、「最大外周端間隔」とは、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅のうち最大のものを意味する。
【００１５】
そして、光照射部は、一定の間隔で配列された光を分岐させる複数の導光部を備えたものであることが好ましい。または、光照射部は、光を分岐させる複数の導光部と複数の円形レンズとの組み合わせを備えたものであることが好ましい。または、光照射部は、一定の間隔で配列された光を分岐させる複数の導光部と方形レンズとの組み合わせを備えたものであることが好ましい。
【００１６】
そして、光照射部は、照射範囲において略均一な強度の光を照射するための光拡散部を備えたものであることが好ましい。
【００１７】
そして、光照射部は、光の照射軸が上記対応領域に垂直な方向に対して対応領域側に５〜４５度傾いたものであることが好ましい。
【００１８】
また、光照射部は、電気音響変換部を挟んで対向するように配置された導光板であることが好ましい。この場合において、導光板の光が出射する端部が傾斜を有するように当該端部は切除されていることが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係る光音響検査装置は、
被検体に照射する光を発生する光源と、光を被検体に照射する光照射部と、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波を電気信号に変換する電気音響変換部と、この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た光音響検査装置において、
光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであ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検査装置において、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最大外周端間隔は２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光音響検査用探触子および光音響検査装置によれば、光音響効果を利用した光音響検査において、上記光を被検体に照射する光照射部と、上記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え、特に光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであるから、光エネルギー密度が同一である場合において、同一の組織からより強い強度を有する光音響波を発生させることができる。この結果、光音響効果を利用した光音響検査において、よりＳ／Ｎの高い光音響波を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明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概略図である。
【図３】超音波探触子の構成を示す概略図である。
【図４】光音響画像生成の際の超音波探触子と生体組織とを示す概略図である。
【図５Ａ】１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【図５Ｂ】１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【図５Ｃ】１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【図５Ｄ】光照射部の例を示す概略図である。
【図６】２次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射領域の外周端との位置関係を示す概略図である。
【図７Ａ】電気音響変換部の上方から照射できるように構成した光照射部の例を示す概略図である。
【図７Ｂ】電気音響変換部の上方から照射できるように構成した光照射部の他の例を示す概略図である。
【図７Ｃ】電気音響変換部の上方から照射できるように構成した光照射部の他の例を示す概略図である。
【図７Ｄ】導光板を利用した光照射部の例を示す概略断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｄの超音波探触子をエレベーション方向から見たときの概略断面図である。
【図７Ｆ】導光板を利用した光照射部の他の例を示す概略断面図である。
【図７Ｇ】導光板を利用した光照射部の他の例を示す概略断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施例における装置構成を示す概略図である。
【図８Ｂ】本発明の実施例における装置構成を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例において得られた測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
本発明による光音響検査用探触子を備えた光音響検査装置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検査装置１０全体の概略構成を示すブロック図である。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。
【００２５】
本実施形態による光音響検査装置１０は、特定波長成分を含む光Ｌを発生させこの光を被検体７に照射する光送信部１と、この光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体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。
【００２６】
光送信部１は、例えば波長の異なる複数の光源を備える光源部１１と、複数の波長の光を同一光軸上に合成する光合波部１２と、この光を被検体７の体表面まで導く多チャンネルの導波部１４と、この導波部１４において使用するチャンネルを切り換えて走査を行う光走査部１３と、導波部１４によって供給される光が被検体７に向けて出射する光照射部１５とを備えている。
【００２７】
光源部１１は、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）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、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１６は、光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出射するものであることが好ましい。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（酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、メトヘモグロビン等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には３６０ｎｍ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、上記光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。そして、上記光の出力は、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、パルス光照射の繰り返しは、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、測定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。
【００２８】
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やＬＥＤ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。
【００２９】
光合波部１２は、光源部１１から発生する波長の異なる光を同一光軸に重ね合わせるためのものである。それぞれの光は、まずコリメートレンズによって平行光線に変換され、次に直角プリズムやダイクロイックプリズムにより、光軸が合わせられる。このような構成により比較的小型の合波光学系とすることができるが、光通信用に開発されている市販の多重波長合波・分波器を用いてもよい。また光源部１１に前述の波長が連続的に変更可能なＯＰＯレーザ等の発生源を使用する場合は、この光合波部１２は必ずしも必要ではない。
【００３０】
導波部１４は、光合波部１２から出力される光を光照射部１５まで導くためのものである。効率のよい光伝搬を行うために光ファイバや薄膜光導波路を用いるが、直接空間伝搬することも可能である。ここでは、導波部１４は、複数の光ファイバ７１から構成される。これらの複数の光ファイバ７１の中から所定の光ファイバ７１を選択して、当該選択された光ファイバ７１によって被検体７に対する光照射を行う。なお、図１では、明確に示してはいないが、光学フィルタやレンズ等の光学系と合わせて使用することもできる。
【００３１】
光走査部１３は、導波部１４において配列される複数の光ファイバ７１を順次選択しながら光の供給を行うことによって被検体７に対して光による走査を行う。
【００３２】
光照射部１５は、本実施形態では複数の光ファイバ７１の複数の出射端部から構成される。そして、光照射部１５は、電気音響変換部３とともに、本発明の光音響検査用探触子である超音波探触子７０を構成する。光照射部１５を構成する複数の光ファイバ７１の複数の出射端部は、電気音響変換部３の周囲に沿って配列される。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。なお、複数の光ファイバ７１の複数の出射端部は、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４とともに、平面、凸面あるいは凹面を形成する。ここでは平面とする。
【００３３】
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は、界面での反射が大きくなり光音響波を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物質で構成した音響整合層を挿入することにより、光音響波を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。
【００３４】
光音響検査装置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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、超音波探触子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。また、それぞれのエリアを個別に光照射することができるように、複数の光ファイバを配置した場合には、１回あたりの光出力が大きくならずに済むので、大出力の高価な光源を用いる必要がないといった利点もある。そして、変換素子５４によって得られるそれぞれの電気信号はプリアンプ５５に供給される。
【００３７】
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、十分なＳ／Ｎを確保する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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ＣＲＴ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にそれぞれ保存される。
【００４２】
画像データメモリ６２は、前述のように生成された光音響画像データを保存する記憶回路である。システム制御部４の制御のもとで、画像データメモリ６２から断面のデータが読み出され、その読出しに際して空間的に補間されることにより、当該断面の光音響画像データが生成される。
【００４３】
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、ＣＲＴモニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、ＣＲＴモニタ６５に表示する光音響画像データを一時的に保存するバッファメモリであり、画像データメモリ６２からの１ライン分の光音響画像データは、この表示用画像メモリ６３において１フレームに合成される。光音響画像データ変換器６４は、表示用画像メモリ６３から読み出された合成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ＣＲＴモニタ６５において表示される。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に、光照射部１５と電気音響変換部３を一体化した超音波探触子７０について図３〜図５Ｃを用いて説明する。図３は、超音波探触子７０の構成を示す概略図である。図４は、光音響画像生成の際の超音波探触子７０と生体組織とを示す概略図である。図５Ａから図５Ｃは、１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【００４７】
超音波探触子７０は、複数の変換素子５４を有している。変換素子５４は、例えば所定の方向に沿って１次元的に配列されている。図３では、この変換素子５４の配列方向（アレイ方向）がＸ軸、アレイ方向に垂直かつ変換素子５４の検出面に平行な方向（エレベーション方向）がＹ軸、および上記アレイ方向および上記エレベーション方向に垂直な方向がＺ軸として示されている。光ファイバ７１は、光源部１１（図１）からの光を超音波探触子７０内に設けられた光照射部１５にまで導く。光照射部１５は、図３に示すように、例えば１次元的に配列された変換素子５４の周囲に沿って配置される。そして、光照射部１５は、図３および図５Ａに示すように、電気音響変換部３に対応する被検体７上の対応領域をすべて包含する被検体７上の照射範囲であって、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上である照射範囲に、パルスレーザ光を照射可能となるように配置される。「最小外周端間隔」とは、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅Ｗのうち最小のものを意味する。ここで、上記環状の領域の幅Ｗは、対応領域の外周端Ｅａまたは照射範囲の外周端Ｅｂの任意の位置において規定でき、対応領域の外周端Ｅａ（或いは照射範囲の外周端Ｅｂ）のある位置における幅Ｗとは、当該位置から照射範囲の外周端Ｅｂ（或いは対応領域の外周端Ｅａ）までの最短の長さである。
【００４８】
本明細書において、より具体的には被検体上の対応領域および照射範囲は、電気音響変換部の中心を通りＺ軸に平行な軸と被検体に当接される超音波探触子の当接面との交点を通りＺ軸に垂直な平面（基準面）上で定義される。電気音響変換部の中心とは、Ｚ軸上の視点から見た電気音響変換部の外形についての中心である。通常電気音響変換部は、１次元または２次元状に並べられた変換素子から構成され、全体としては矩形状を有するため、この場合にその中心とは当該矩形状の中心をいう。また、超音波探触子の当接面とは、超音波探触子が被検体に当てられた時に当該被検体と接触することになる超音波探触子の表面である。例えば、電気音響変換部の検出面が被検体と直接接触する場合には、当該検出面と被検体との接触面が当接面に相当し、超音波探触子に設けられた音響整合層や音響レンズ等の音響素子が被検体と直接接触する場合には、当該音響素子と被検体との接触面が当接面に相当する。
【００４９】
上記当接面が湾曲する場合には、図５Ｂおよび図５Ｃのようにして基準面３２を規定する。図５Ｂは超音波探触子の先端に凸形状の面を有する音響素子８０が設けられている場合の例を示している。図５Ｂのような場合、音響素子８０の凸形状の面と被検体７の表面との接触面が当接面３３となる。一方、図５Ｃは超音波探触子の先端に凹形状の面を有する音響素子８１が設けられている場合の例を示している。図５Ｃのような場合、音響素子８１の凹形状の面と被検体７の表面との接触面が当接面３３となる。そして、図５Ｂおよび図５Ｃにおいて、電気音響変換部３の中心を通りＺ軸に平行な軸３０と当接面３３との交点３１を通りＺ軸に垂直な平面が基準面３２となる。この基準面３２上で対応領域および照射範囲が規定される。つまり、対応領域は、Ｚ軸に沿った電気音響変換部の基準面３２への投影領域であり、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの距離が環状の領域の幅Ｗとなる。
【００５０】
光照射部１５は、少なくとも選択された部分領域を含む領域に光源部１１からのパルスレーザ光を照射するように構成されてもよい。例えば光照射部１５は、図４に示すように、領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃのそれぞれに対応して設けられる。その場合、領域Ａに対応する光照射部１５は領域Ａの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ａに照射する。また、領域Ｂに対応する光照射部１５は領域Ｂの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ｂに照射し、領域Ｃに対応する光照射部１５は領域Ｃの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ｃに照射する。このとき、それぞれの領域に対応して設けられた光照射部１５は、それぞれの領域を照射する際に、それぞれの領域内の変換素子５４に対応する被検体７上の対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上となるように設定される。つまり、光照射部１５が例えば領域Ａを照射する場合には、その際に駆動する領域Ａ内の変換素子５４に対応する被検体７上の対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上となるように設定される。
【００５１】
例えば超音波探触子７０は、１９２ｃｈ分の変換素子５４を有している。変換素子５４に対応する幅は、光音響画像生成に関連して例えば３つの部分領域（領域Ａ〜Ｃ）に分割されており、各部分領域の幅は６４ｃｈ分の変換素子５４に相当する幅であるとする。このような場合、１９２ｃｈの変換素子５４に対応する生体組織の幅が５７．６ｍｍであったとすると、各部分領域の幅は１９．２ｍｍとなる。つまり、光音響検査装置１０は、光音響画像生成の際に、例えば図４に示すように分割された１９．２ｍｍ幅の部分領域への光照射・データ収集を３回繰り返し行い、全１９２ｃｈ分のデータを取得する。
【００５２】
なお、光照射部１５を電気音響変換部３（配列された変換素子５４）の周囲に沿って配置する場合には、図５Ｄのように、光照射部１５の光の照射軸が電気音響変換部３および対応領域の間隙からこの対応領域に向くように、光の照射軸と上記対応領域に垂直な方向とが成す角θが５〜４５度となるように設定することが好ましい。これにより、光の照射範囲に関して電気音響変換部３の陰となる部分を少なくすることができる。
【００５３】
また、本発明は、変換素子５４が１次元的に配列した電気音響変換部３に限定されない。つまり、変換素子５４が２次元的に配列した電気音響変換部３にも適用することができる。変換素子５４は、例えば図６に示すように、光ファイバを挿入しながら配列される場合等、所定の間隔を空けて配列される場合もありうる。このような場合、対応領域の外周端Ｅａは、図６に示すように配列された変換素子５４全体としての外周に沿った位置の集合とする。
【００５４】
そして、超音波探触子７０において、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光照射部１５を構成する場合には、均一な光強度分布を得る観点から、例えば図７Ａから図７Ｇに示すような構成が好ましい。
【００５５】
ここで、図７Ａは、導波部１４としての光ファイバ７１から光ファイバカプラ７２を介して光を分岐させる複数の光ファイバ７３と、複数の円形レンズ７４との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。この構成では、複数の円形レンズ７４が電気音響変換部３の長さ方向に沿ってアレイ状に配列されている。そして、それぞれの円形レンズ７４から出射された光Ｌ全体によって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。図７Ａにおいては、複数の円形レンズ７４が光照射部１５となる。
【００５６】
図７Ｂは、導波部１４としての光ファイバ７１から光ファイバカプラ７２を介して光を分岐させる複数の光ファイバ７３と、１つの方形レンズ７５との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。この構成では、電気音響変換部３の長さ以上の長さを有する方形レンズ７５が、電気音響変換部３の長さ方向に沿って配列されている。そして、上記方形レンズ７５から出射された光Ｌによって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。方形レンズとしては、例えばシリンドリカルレンズが挙げられる。図７Ｂにおいては、方形レンズ７５が光照射部１５となる。
【００５７】
図７Ｃは、導波部１４としての光ファイバ７１から光ファイバカプラ７２を介して光を分岐させる２つの光ファイバ７３と、光拡散部７６との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。この構成では、電気音響変換部３の長さ以上の長さを有する光拡散部７６が、電気音響変換部３の長さ方向に沿って配列されている。２つの光ファイバ７３は光拡散部７６の両端にそれぞれ接続されている。両端からそれぞれ光拡散部７６に入射した光は、光拡散部７６を伝搬しながら光拡散部７６中の拡散粒子によって拡散される。そして、上記光拡散部７６中で拡散された光Ｌによって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。図７Ｃにおいては、光拡散部７６が光照射部１５となる。
【００５８】
図７Ｄは、導波部１４としての光ファイバ７１と、導光板７７との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。また、図７Ｅは、図７Ｄの超音波探触子７０をエレベーション方向から見たときの概略図である。この構成では、電気音響変換部３の長さ以上の幅を有する２つの導光板７７が、電気音響変換部３の横に配置されている。２つの導光板７７は、複数の変換素子５４からなる電気音響変換部３を挟んで、複数の変換素子５４が配列された方向とは直交する方向に対向するように、配置されている。光ファイバ７１と導光板７７とは互いに光学的に結合されている。光ファイバと結合された側の導光板７７の部分は、図７Ｅに示されるように、例えばテーパー形状に形成される。光ファイバと結合される導光板７７の部分は、光エネルギーによる破損を回避するために、ガラス材料で形成されることが好ましい。一方、その他の部分は、例えばアクリル等の樹脂材料で形成される。光ファイバ７１によって導光されたパルスレーザ光Ｌは、導光板７７に入射した後、反対側の端部から被検体７に照射される。なお、図７Ｄおよび図７Ｅでは、導光板７７のパルスレーザ光Ｌが出射する当該端部に光拡散部７６が、超音波探触子７０の先端部に音響素子８２が設けられている。図７Ｄおよび図７Ｅでは、超音波探触子７０の当接面が基準面３２となる。しかしながら、光拡散部７６および音響素子８２は必須ではない。図７Ｄおよび図７Ｅでは、上記光拡散部７６中で拡散されたパルスレーザ光Ｌによって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。図７Ｄおよび図７Ｅにおいては、導光板７７および光拡散部７６が光照射部１５となる。
【００５９】
図７Ｆは、導波部１４としての光ファイバ７１と、導光板７７との組み合わせを備えた光送信部１の他の構成を示す概略図である。図７Ｆの超音波探触子７０は、主に、導光板７７から出射したパルスレーザ光Ｌがより対応領域へ向くように導光板７７がＺ軸に対して傾いている点および光拡散部７６がない点で、図７Ｄおよび図７Ｅの超音波探触子と異なる。このような構成を採用することにより、光の照射範囲に関して電気音響変換部３の陰となる部分をより少なくすることができる。
【００６０】
図７Ｇは、導波部１４としての光ファイバ７１と、導光板７７との組み合わせを備えた光送信部１の他の構成を示す概略図である。図７Ｇの超音波探触子７０は、主に、導光板７７のパルスレーザ光Ｌが出射する端部が傾斜（例えば２０〜３０度）を有するように当該端部が切除されている点で、図７Ｄおよび図７Ｅの超音波探触子と異なる。図７Ｇの導光板７７を使用した場合、上記傾斜に起因して、導光板７７自体が傾いていなくてもパルスレーザ光Ｌが対応領域へ寄って出射する。このような構成を採用することにより、光の照射範囲に関して電気音響変換部３の陰となる部分をより少なくするとともに、超音波探触子７０を小型化することができる。
【００６１】
なお、光照射部１５を図７に示すような構成とする場合であっても、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅Ｗのうち、最小外周端間隔Ｗｍｉｎは５ｍｍ以上となるように設定する。
【００６２】
以下本発明の作用を説明する。
【００６３】
本実施形態では図５Ａに示すように、光照射部１５が、電気音響変換部３に対応する被検体７上の対応領域をすべて包含する被検体７上の照射範囲であって、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上である照射範囲に、パルスレーザ光を照射可能となるように配置される。このように設定することにより、光エネルギー密度が同一である場合において、確実に同一の組織からより強い強度を有する光音響波を発生させることができる。
【００６４】
これは、後述する実施例で証明される通り、光エネルギー密度が同一である場合において、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅Ｗが２０ｍｍ程度までは、光の照射範囲の増加に伴って同一の組織から発生する光音響波の強度も増加することに由来する。なお、上記幅Ｗが２０ｍｍを超えると光音響波の強度はほぼ飽和状態となるため、光エネルギーを効率的使用する観点から、最大外周端間隔Ｗｍａｘは２０ｍｍ以下であることが好ましい。また、上記幅が５ｍｍ未満では、同一の組織から得られる光音響波の飽和状態時における値の１／１０以下となってしまう。したがって、Ｓ／Ｎの高い光音響波を検出する観点から、本発明では少なくとも最小外周端間隔Ｗｍｉｎは５ｍｍとする。
【００６５】
以上のように、本発明に係る光音響検査用探触子および光音響検査装置によれば、光音響効果を利用した光音響検査において、上記光を被検体に照射する光照射部と、上記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え、特に光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであるから、光エネルギー密度が同一である場合において、同一の組織からより強い強度を有する光音響波を発生させることができる。この結果、光音響効果を利用した光音響検査において、確実によりＳ／Ｎの高い光音響波を検出することが可能となる。
【実施例】
【００６６】
本発明に係る光音響検査装置の実施例を以下に示す。
【００６７】
＜信号強度の測定方法＞
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の実施例における装置構成を示す概略図である。光散乱体入り（イントラリピッド０．０３％：生体散乱強度相当）の脱気水１５２中に位置設置された、内径２．５ｍｍのウレタンチューブファントム１５３を対象に測定を行った。ウレタンチューブファントム１５３は、その中心が水面から１５ｍｍとなる位置に設置した。このウレタンチューブファントム１５３には、生体内の血液の光吸収係数に合わせたインクを封入した。
【００６８】
ＹＡＧ励起ＯＰＯレーザから出射した波長５３２ｎｍのレーザ光を光ファイバ１４４で導光し、その後コリメータレンズ１４５で平行光化し、ミラー１４６を用いて平行光化されたレーザ光を反射させて、レーザ光の照射軸と水面とが垂直となるように上記ウレタンチューブファントム１５３に対してレーザ光Ｌを照射した。水面近傍の水中かつ上記レーザ光Ｌの照射範囲の中心に配置されたＰＶＤＦの単一圧電素子１４７によって、上記ウレタンチューブファントム１５３からの光音響波Ｕを検出し、オシロスコープ１４８で光音響波Ｕの信号波形を観測して、電圧強度を光音響波Ｕの信号強度とした。この場合、本発明における対応領域は水面上の領域として取り扱った。そして、レーザ光Ｌの照射範囲は、水面入射時の光エネルギー密度を０．５ｍＪ／ｃｍ２と一定にし、水面入射時の光のビーム径Φ（ｍｍ）を変化させて、それぞれのビーム径Φにおける光音響波Ｕの強度変化を評価した。
【００６９】
＜結果＞
図９は、実施例において得られた測定結果を示すグラフである。縦軸は光音響波Ｕの信号強度（ｍＶ）であり、横軸はレーザ光のビーム半径Φ／２（ｍｍ）である。このグラフより、ビーム半径がほぼ２０ｍｍを超えた場合、すなわち光の照射範囲の外周端の位置が単一圧電素子１４７から２０ｍｍの位置を超えた場合、光音響波Ｕの信号強度はほぼ飽和することわかった。一方、ビーム半径が５ｍｍ未満の場合、すなわち光の照射範囲の外周端の位置が単一圧電素子１４７から５ｍｍの位置に満たない場合、光音響波Ｕの信号強度は上記飽和値に比べおよそ１桁以上落ちることがわかった。したがって、ビーム半径が５ｍｍ未満の場合には、光音響波Ｕの信号がノイズに埋もれてしまい検出が困難となった。
【００７０】
この結果、光音響効果を利用した光音響検査において、確実によりＳ／Ｎの高い光音響波を検出するためには、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔を５ｍｍ以上とすればよいと言える。さらに、最大外周端間隔は２０ｍｍ以下でも本発明の効果が充分得られると言える。
【符号の説明】
【００７１】
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
１０ 光音響検査装置
１１ 光源部
１２ 光合波部
１３ 光走査部
１４ 導波部
１５ 光照射部
１６ 光源
２２ 受信部
２４ 走査制御部
２５ 信号処理部
３０ 電気音響変換部の中心を通りＺ軸に平行な軸
３１ 電気音響変換部の中心を通りＺ軸に平行な軸と当接面との交点
３２ 基準面
３３ 当接面
７０ 超音波探触子
７１ 光ファイバ
７４ 円形レンズ
７５ 方形レンズ
７６ 光拡散部
７７ 導光板
８０、８１、８２ 音響素子
Ｅａ 外周端
Ｅｂ 外周端
Ｌ 光
Ｕ 光音響波
Ｗ 環状領域の幅
Ｗｍａｘ 最大外周端間隔
Ｗｍｉｎ 最小外周端間隔
Φ ビーム径
【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検査に用いられる探触子およびそれを備えた光音響検査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（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）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、例えば被検体内に照射される光の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。
【０００４】
しかし、被検体が生体である場合、照射される光のエネルギーにより生体組織に損傷を与えないために、生体に照射することができる単位面積当たりの最大許容露光量（ＭＰＥ：ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅ ｅｘｐｏｓｕｒｅ）が定められている。そのため、光量を増すとしてもＭＰＥが上限となる。
【０００５】
そこで、特許文献１では、光量がＭＰＥ以下であってもＳ／Ｎの高い光音響波を検出できるように、光の強度分布が均一となるように光を照射する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２５２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のような方法では、光の強度分布を均一にするのみであり、光の照射範囲については全く検討されていないため、充分にＳ／Ｎの高い光音響波を検出できない場合が生じうるという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光音響効果を利用した光音響検査において、よりＳ／Ｎの高い光音響波を検出することを可能とする光音響検査用探触子および光音響検査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、本発明に係る光音響検査用探触子は、
被検体に光を照射し、光を被検体に導光し、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波を電気信号に変換し、この電気信号に基づいて検査を行う光音響検査に用いられる探触子において、
上記光を被検体に照射する光照射部と、
上記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え
光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本明細書において、「対応領域」とは、電気音響変換部および被検体が直接接触する場合には当該接触領域を意味し、電気音響変換部および被検体の間に音響整合層等が存在する場合には音響検出部の検出面が音響整合層等を介して対応する被検体上の領域を意味する。
【００１１】
「照射範囲の外周端」とは、被検体上の光の強度が対応領域の外周端における光の平均強度の半分になる被検体上の位置の集合を意味する。
【００１２】
「最小外周端間隔」とは、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅のうち最小のものを意味する。
【００１３】
そして、本発明に係る光音響検査用探触子において、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最大外周端間隔は２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
本明細書において、「最大外周端間隔」とは、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅のうち最大のものを意味する。
【００１５】
そして、光照射部は、一定の間隔で配列された光を分岐させる複数の導光部を備えたものであることが好ましい。または、光照射部は、光を分岐させる複数の導光部と複数の円形レンズとの組み合わせを備えたものであることが好ましい。または、光照射部は、一定の間隔で配列された光を分岐させる複数の導光部と方形レンズとの組み合わせを備えたものであることが好ましい。
【００１６】
そして、光照射部は、照射範囲において略均一な強度の光を照射するための光拡散部を備えたものであることが好ましい。
【００１７】
そして、光照射部は、光の照射軸が上記対応領域に垂直な方向に対して対応領域側に５〜４５度傾いたものであることが好ましい。
【００１８】
また、光照射部は、電気音響変換部を挟んで対向するように配置された導光板であることが好ましい。この場合において、導光板の光が出射する端部が傾斜を有するように当該端部は切除されていることが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係る光音響検査装置は、
被検体に照射する光を発生する光源と、光を被検体に照射する光照射部と、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波を電気信号に変換する電気音響変換部と、この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た光音響検査装置において、
光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであ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検査装置において、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最大外周端間隔は２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る光音響検査用探触子および光音響検査装置によれば、光音響効果を利用した光音響検査において、上記光を被検体に照射する光照射部と、上記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え、特に光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであるから、光エネルギー密度が同一である場合において、同一の組織からより強い強度を有する光音響波を発生させることができる。この結果、光音響効果を利用した光音響検査において、よりＳ／Ｎの高い光音響波を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明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概略図である。
【図３】超音波探触子の構成を示す概略図である。
【図４】光音響画像生成の際の超音波探触子と生体組織とを示す概略図である。
【図５Ａ】１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【図５Ｂ】１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【図５Ｃ】１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【図５Ｄ】光照射部の例を示す概略図である。
【図６】２次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射領域の外周端との位置関係を示す概略図である。
【図７Ａ】電気音響変換部の上方から照射できるように構成した光照射部の例を示す概略図である。
【図７Ｂ】電気音響変換部の上方から照射できるように構成した光照射部の他の例を示す概略図である。
【図７Ｃ】電気音響変換部の上方から照射できるように構成した光照射部の他の例を示す概略図である。
【図７Ｄ】導光板を利用した光照射部の例を示す概略断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｄの超音波探触子をエレベーション方向から見たときの概略断面図である。
【図７Ｆ】導光板を利用した光照射部の他の例を示す概略断面図である。
【図７Ｇ】導光板を利用した光照射部の他の例を示す概略断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施例における装置構成を示す概略図である。
【図８Ｂ】本発明の実施例における装置構成を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例において得られた測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
本発明による光音響検査用探触子を備えた光音響検査装置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検査装置１０全体の概略構成を示すブロック図である。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。
【００２５】
本実施形態による光音響検査装置１０は、特定波長成分を含む光Ｌを発生させこの光を被検体７に照射する光送信部１と、この光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体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。
【００２６】
光送信部１は、例えば波長の異なる複数の光源を備える光源部１１と、複数の波長の光を同一光軸上に合成する光合波部１２と、この光を被検体７の体表面まで導く多チャンネルの導波部１４と、この導波部１４において使用するチャンネルを切り換えて走査を行う光走査部１３と、導波部１４によって供給される光が被検体７に向けて出射する光照射部１５とを備えている。
【００２７】
光源部１１は、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）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、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１６は、光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出射するものであることが好ましい。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（酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、メトヘモグロビン等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には３６０ｎｍ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、上記光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。そして、上記光の出力は、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、パルス光照射の繰り返しは、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、測定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。
【００２８】
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やＬＥＤ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。
【００２９】
光合波部１２は、光源部１１から発生する波長の異なる光を同一光軸に重ね合わせるためのものである。それぞれの光は、まずコリメートレンズによって平行光線に変換され、次に直角プリズムやダイクロイックプリズムにより、光軸が合わせられる。このような構成により比較的小型の合波光学系とすることができるが、光通信用に開発されている市販の多重波長合波・分波器を用いてもよい。また光源部１１に前述の波長が連続的に変更可能なＯＰＯレーザ等の発生源を使用する場合は、この光合波部１２は必ずしも必要ではない。
【００３０】
導波部１４は、光合波部１２から出力される光を光照射部１５まで導くためのものである。効率のよい光伝搬を行うために光ファイバや薄膜光導波路を用いるが、直接空間伝搬することも可能である。ここでは、導波部１４は、複数の光ファイバ７１から構成される。これらの複数の光ファイバ７１の中から所定の光ファイバ７１を選択して、当該選択された光ファイバ７１によって被検体７に対する光照射を行う。なお、図１では、明確に示してはいないが、光学フィルタやレンズ等の光学系と合わせて使用することもできる。
【００３１】
光走査部１３は、導波部１４において配列される複数の光ファイバ７１を順次選択しながら光の供給を行うことによって被検体７に対して光による走査を行う。
【００３２】
光照射部１５は、本実施形態では複数の光ファイバ７１の複数の出射端部から構成される。そして、光照射部１５は、電気音響変換部３とともに、本発明の光音響検査用探触子である超音波探触子７０を構成する。光照射部１５を構成する複数の光ファイバ７１の複数の出射端部は、電気音響変換部３の周囲に沿って配列される。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。なお、複数の光ファイバ７１の複数の出射端部は、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４とともに、平面、凸面あるいは凹面を形成する。ここでは平面とする。
【００３３】
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は、界面での反射が大きくなり光音響波を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物質で構成した音響整合層を挿入することにより、光音響波を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。
【００３４】
光音響検査装置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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、超音波探触子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。また、それぞれのエリアを個別に光照射することができるように、複数の光ファイバを配置した場合には、１回あたりの光出力が大きくならずに済むので、大出力の高価な光源を用いる必要がないといった利点もある。そして、変換素子５４によって得られるそれぞれの電気信号はプリアンプ５５に供給される。
【００３７】
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、十分なＳ／Ｎを確保する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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ＣＲＴ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にそれぞれ保存される。
【００４２】
画像データメモリ６２は、前述のように生成された光音響画像データを保存する記憶回路である。システム制御部４の制御のもとで、画像データメモリ６２から断面のデータが読み出され、その読出しに際して空間的に補間されることにより、当該断面の光音響画像データが生成される。
【００４３】
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、ＣＲＴモニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、ＣＲＴモニタ６５に表示する光音響画像データを一時的に保存するバッファメモリであり、画像データメモリ６２からの１ライン分の光音響画像データは、この表示用画像メモリ６３において１フレームに合成される。光音響画像データ変換器６４は、表示用画像メモリ６３から読み出された合成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ＣＲＴモニタ６５において表示される。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に、光照射部１５と電気音響変換部３を一体化した超音波探触子７０について図３〜図５Ｃを用いて説明する。図３は、超音波探触子７０の構成を示す概略図である。図４は、光音響画像生成の際の超音波探触子７０と生体組織とを示す概略図である。図５Ａから図５Ｃは、１次元状に配列された変換素子に関する対応領域の外周端と、これを包含する照射範囲の外周端との位置関係を説明するための概略図である。
【００４７】
超音波探触子７０は、複数の変換素子５４を有している。変換素子５４は、例えば所定の方向に沿って１次元的に配列されている。図３では、この変換素子５４の配列方向（アレイ方向）がＸ軸、アレイ方向に垂直かつ変換素子５４の検出面に平行な方向（エレベーション方向）がＹ軸、および上記アレイ方向および上記エレベーション方向に垂直な方向がＺ軸として示されている。光ファイバ７１は、光源部１１（図１）からの光を超音波探触子７０内に設けられた光照射部１５にまで導く。光照射部１５は、図３に示すように、例えば１次元的に配列された変換素子５４の周囲に沿って配置される。そして、光照射部１５は、図３および図５Ａに示すように、電気音響変換部３に対応する被検体７上の対応領域をすべて包含する被検体７上の照射範囲であって、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上である照射範囲に、パルスレーザ光を照射可能となるように配置される。「最小外周端間隔」とは、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅Ｗのうち最小のものを意味する。ここで、上記環状の領域の幅Ｗは、対応領域の外周端Ｅａまたは照射範囲の外周端Ｅｂの任意の位置において規定でき、対応領域の外周端Ｅａ（或いは照射範囲の外周端Ｅｂ）のある位置における幅Ｗとは、当該位置から照射範囲の外周端Ｅｂ（或いは対応領域の外周端Ｅａ）までの最短の長さである。
【００４８】
本明細書において、より具体的には被検体上の対応領域および照射範囲は、電気音響変換部の中心を通りＺ軸に平行な軸と被検体に当接される超音波探触子の当接面との交点を通りＺ軸に垂直な平面（基準面）上で定義される。電気音響変換部の中心とは、Ｚ軸上の視点から見た電気音響変換部の外形についての中心である。通常電気音響変換部は、１次元または２次元状に並べられた変換素子から構成され、全体としては矩形状を有するため、この場合にその中心とは当該矩形状の中心をいう。また、超音波探触子の当接面とは、超音波探触子が被検体に当てられた時に当該被検体と接触することになる超音波探触子の表面である。例えば、電気音響変換部の検出面が被検体と直接接触する場合には、当該検出面と被検体との接触面が当接面に相当し、超音波探触子に設けられた音響整合層や音響レンズ等の音響素子が被検体と直接接触する場合には、当該音響素子と被検体との接触面が当接面に相当する。
【００４９】
上記当接面が湾曲する場合には、図５Ｂおよび図５Ｃのようにして基準面３２を規定する。図５Ｂは超音波探触子の先端に凸形状の面を有する音響素子８０が設けられている場合の例を示している。図５Ｂのような場合、音響素子８０の凸形状の面と被検体７の表面との接触面が当接面３３となる。一方、図５Ｃは超音波探触子の先端に凹形状の面を有する音響素子８１が設けられている場合の例を示している。図５Ｃのような場合、音響素子８１の凹形状の面と被検体７の表面との接触面が当接面３３となる。そして、図５Ｂおよび図５Ｃにおいて、電気音響変換部３の中心を通りＺ軸に平行な軸３０と当接面３３との交点３１を通りＺ軸に垂直な平面が基準面３２となる。この基準面３２上で対応領域および照射範囲が規定される。つまり、対応領域は、Ｚ軸に沿った電気音響変換部の基準面３２への投影領域であり、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの距離が環状の領域の幅Ｗとなる。
【００５０】
光照射部１５は、少なくとも選択された部分領域を含む領域に光源部１１からのパルスレーザ光を照射するように構成されてもよい。例えば光照射部１５は、図４に示すように、領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃのそれぞれに対応して設けられる。その場合、領域Ａに対応する光照射部１５は領域Ａの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ａに照射する。また、領域Ｂに対応する光照射部１５は領域Ｂの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ｂに照射し、領域Ｃに対応する光照射部１５は領域Ｃの選択時にパルスレーザ光を少なくとも領域Ｃに照射する。このとき、それぞれの領域に対応して設けられた光照射部１５は、それぞれの領域を照射する際に、それぞれの領域内の変換素子５４に対応する被検体７上の対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上となるように設定される。つまり、光照射部１５が例えば領域Ａを照射する場合には、その際に駆動する領域Ａ内の変換素子５４に対応する被検体７上の対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上となるように設定される。
【００５１】
例えば超音波探触子７０は、１９２ｃｈ分の変換素子５４を有している。変換素子５４に対応する幅は、光音響画像生成に関連して例えば３つの部分領域（領域Ａ〜Ｃ）に分割されており、各部分領域の幅は６４ｃｈ分の変換素子５４に相当する幅であるとする。このような場合、１９２ｃｈの変換素子５４に対応する生体組織の幅が５７．６ｍｍであったとすると、各部分領域の幅は１９．２ｍｍとなる。つまり、光音響検査装置１０は、光音響画像生成の際に、例えば図４に示すように分割された１９．２ｍｍ幅の部分領域への光照射・データ収集を３回繰り返し行い、全１９２ｃｈ分のデータを取得する。
【００５２】
なお、光照射部１５を電気音響変換部３（配列された変換素子５４）の周囲に沿って配置する場合には、図５Ｄのように、光照射部１５の光の照射軸が電気音響変換部３および対応領域の間隙からこの対応領域に向くように、光の照射軸と上記対応領域に垂直な方向とが成す角θが５〜４５度となるように設定することが好ましい。これにより、光の照射範囲に関して電気音響変換部３の陰となる部分を少なくすることができる。
【００５３】
また、本発明は、変換素子５４が１次元的に配列した電気音響変換部３に限定されない。つまり、変換素子５４が２次元的に配列した電気音響変換部３にも適用することができる。変換素子５４は、例えば図６に示すように、光ファイバを挿入しながら配列される場合等、所定の間隔を空けて配列される場合もありうる。このような場合、対応領域の外周端Ｅａは、図６に示すように配列された変換素子５４全体としての外周に沿った位置の集合とする。
【００５４】
そして、超音波探触子７０において、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光照射部１５を構成する場合には、均一な光強度分布を得る観点から、例えば図７Ａから図７Ｇに示すような構成が好ましい。
【００５５】
ここで、図７Ａは、導波部１４としての光ファイバ７１から光ファイバカプラ７２を介して光を分岐させる複数の光ファイバ７３と、複数の円形レンズ７４との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。この構成では、複数の円形レンズ７４が電気音響変換部３の長さ方向に沿ってアレイ状に配列されている。そして、それぞれの円形レンズ７４から出射された光Ｌ全体によって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。図７Ａにおいては、複数の円形レンズ７４が光照射部１５となる。
【００５６】
図７Ｂは、導波部１４としての光ファイバ７１から光ファイバカプラ７２を介して光を分岐させる複数の光ファイバ７３と、１つの方形レンズ７５との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。この構成では、電気音響変換部３の長さ以上の長さを有する方形レンズ７５が、電気音響変換部３の長さ方向に沿って配列されている。そして、上記方形レンズ７５から出射された光Ｌによって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。方形レンズとしては、例えばシリンドリカルレンズが挙げられる。図７Ｂにおいては、方形レンズ７５が光照射部１５となる。
【００５７】
図７Ｃは、導波部１４としての光ファイバ７１から光ファイバカプラ７２を介して光を分岐させる２つの光ファイバ７３と、光拡散部７６との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。この構成では、電気音響変換部３の長さ以上の長さを有する光拡散部７６が、電気音響変換部３の長さ方向に沿って配列されている。２つの光ファイバ７３は光拡散部７６の両端にそれぞれ接続されている。両端からそれぞれ光拡散部７６に入射した光は、光拡散部７６を伝搬しながら光拡散部７６中の拡散粒子によって拡散される。そして、上記光拡散部７６中で拡散された光Ｌによって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。図７Ｃにおいては、光拡散部７６が光照射部１５となる。
【００５８】
図７Ｄは、導波部１４としての光ファイバ７１と、導光板７７との組み合わせを備えた光送信部１の構成を示す概略図である。また、図７Ｅは、図７Ｄの超音波探触子７０をエレベーション方向から見たときの概略図である。この構成では、電気音響変換部３の長さ以上の幅を有する２つの導光板７７が、電気音響変換部３の横に配置されている。２つの導光板７７は、複数の変換素子５４からなる電気音響変換部３を挟んで、複数の変換素子５４が配列された方向とは直交する方向に対向するように、配置されている。光ファイバ７１と導光板７７とは互いに光学的に結合されている。光ファイバと結合された側の導光板７７の部分は、図７Ｅに示されるように、例えばテーパー形状に形成される。光ファイバと結合される導光板７７の部分は、光エネルギーによる破損を回避するために、ガラス材料で形成されることが好ましい。一方、その他の部分は、例えばアクリル等の樹脂材料で形成される。光ファイバ７１によって導光されたパルスレーザ光Ｌは、導光板７７に入射した後、反対側の端部から被検体７に照射される。なお、図７Ｄおよび図７Ｅでは、導光板７７のパルスレーザ光Ｌが出射する当該端部に光拡散部７６が、超音波探触子７０の先端部に音響素子８２が設けられている。図７Ｄおよび図７Ｅでは、超音波探触子７０の当接面が基準面３２となる。しかしながら、光拡散部７６および音響素子８２は必須ではない。図７Ｄおよび図７Ｅでは、上記光拡散部７６中で拡散されたパルスレーザ光Ｌによって、電気音響変換部３の対応領域を包含するような照射範囲が実現されている。図７Ｄおよび図７Ｅにおいては、導光板７７および光拡散部７６が光照射部１５となる。
【００５９】
図７Ｆは、導波部１４としての光ファイバ７１と、導光板７７との組み合わせを備えた光送信部１の他の構成を示す概略図である。図７Ｆの超音波探触子７０は、主に、導光板７７から出射したパルスレーザ光Ｌがより対応領域へ向くように導光板７７がＺ軸に対して傾いている点および光拡散部７６がない点で、図７Ｄおよび図７Ｅの超音波探触子と異なる。このような構成を採用することにより、光の照射範囲に関して電気音響変換部３の陰となる部分をより少なくすることができる。
【００６０】
図７Ｇは、導波部１４としての光ファイバ７１と、導光板７７との組み合わせを備えた光送信部１の他の構成を示す概略図である。図７Ｇの超音波探触子７０は、主に、導光板７７のパルスレーザ光Ｌが出射する端部が傾斜（例えば２０〜３０度）を有するように当該端部が切除されている点で、図７Ｄおよび図７Ｅの超音波探触子と異なる。図７Ｇの導光板７７を使用した場合、上記傾斜に起因して、導光板７７自体が傾いていなくてもパルスレーザ光Ｌが対応領域へ寄って出射する。このような構成を採用することにより、光の照射範囲に関して電気音響変換部３の陰となる部分をより少なくするとともに、超音波探触子７０を小型化することができる。
【００６１】
なお、光照射部１５を図７に示すような構成とする場合であっても、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅Ｗのうち、最小外周端間隔Ｗｍｉｎは５ｍｍ以上となるように設定する。
【００６２】
以下本発明の作用を説明する。
【００６３】
本実施形態では図５Ａに示すように、光照射部１５が、電気音響変換部３に対応する被検体７上の対応領域をすべて包含する被検体７上の照射範囲であって、対応領域の外周端Ｅａと照射範囲の外周端Ｅｂとの最小外周端間隔Ｗｍｉｎが５ｍｍ以上である照射範囲に、パルスレーザ光を照射可能となるように配置される。このように設定することにより、光エネルギー密度が同一である場合において、確実に同一の組織からより強い強度を有する光音響波を発生させることができる。
【００６４】
これは、後述する実施例で証明される通り、光エネルギー密度が同一である場合において、照射範囲の外周端と対応領域の外周端とで挟まれた環状の領域の幅Ｗが２０ｍｍ程度までは、光の照射範囲の増加に伴って同一の組織から発生する光音響波の強度も増加することに由来する。なお、上記幅Ｗが２０ｍｍを超えると光音響波の強度はほぼ飽和状態となるため、光エネルギーを効率的使用する観点から、最大外周端間隔Ｗｍａｘは２０ｍｍ以下であることが好ましい。また、上記幅が５ｍｍ未満では、同一の組織から得られる光音響波の飽和状態時における値の１／１０以下となってしまう。したがって、Ｓ／Ｎの高い光音響波を検出する観点から、本発明では少なくとも最小外周端間隔Ｗｍｉｎは５ｍｍとする。
【００６５】
以上のように、本発明に係る光音響検査用探触子および光音響検査装置によれば、光音響効果を利用した光音響検査において、上記光を被検体に照射する光照射部と、上記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え、特に光照射部が、電気音響変換部に対応する被検体上の対応領域をすべて包含する被検体上の照射範囲であって、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであるから、光エネルギー密度が同一である場合において、同一の組織からより強い強度を有する光音響波を発生させることができる。この結果、光音響効果を利用した光音響検査において、確実によりＳ／Ｎの高い光音響波を検出することが可能となる。
【実施例】
【００６６】
本発明に係る光音響検査装置の実施例を以下に示す。
【００６７】
＜信号強度の測定方法＞
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の実施例における装置構成を示す概略図である。光散乱体入り（イントラリピッド０．０３％：生体散乱強度相当）の脱気水１５２中に位置設置された、内径２．５ｍｍのウレタンチューブファントム１５３を対象に測定を行った。ウレタンチューブファントム１５３は、その中心が水面から１５ｍｍとなる位置に設置した。このウレタンチューブファントム１５３には、生体内の血液の光吸収係数に合わせたインクを封入した。
【００６８】
ＹＡＧ励起ＯＰＯレーザから出射した波長５３２ｎｍのレーザ光を光ファイバ１４４で導光し、その後コリメータレンズ１４５で平行光化し、ミラー１４６を用いて平行光化されたレーザ光を反射させて、レーザ光の照射軸と水面とが垂直となるように上記ウレタンチューブファントム１５３に対してレーザ光Ｌを照射した。水面近傍の水中かつ上記レーザ光Ｌの照射範囲の中心に配置されたＰＶＤＦの単一圧電素子１４７によって、上記ウレタンチューブファントム１５３からの光音響波Ｕを検出し、オシロスコープ１４８で光音響波Ｕの信号波形を観測して、電圧強度を光音響波Ｕの信号強度とした。この場合、本発明における対応領域は水面上の領域として取り扱った。そして、レーザ光Ｌの照射範囲は、水面入射時の光エネルギー密度を０．５ｍＪ／ｃｍ２と一定にし、水面入射時の光のビーム径Φ（ｍｍ）を変化させて、それぞれのビーム径Φにおける光音響波Ｕの強度変化を評価した。
【００６９】
＜結果＞
図９は、実施例において得られた測定結果を示すグラフである。縦軸は光音響波Ｕの信号強度（ｍＶ）であり、横軸はレーザ光のビーム半径Φ／２（ｍｍ）である。このグラフより、ビーム半径がほぼ２０ｍｍを超えた場合、すなわち光の照射範囲の外周端の位置が単一圧電素子１４７から２０ｍｍの位置を超えた場合、光音響波Ｕの信号強度はほぼ飽和することわかった。一方、ビーム半径が５ｍｍ未満の場合、すなわち光の照射範囲の外周端の位置が単一圧電素子１４７から５ｍｍの位置に満たない場合、光音響波Ｕの信号強度は上記飽和値に比べおよそ１桁以上落ちることがわかった。したがって、ビーム半径が５ｍｍ未満の場合には、光音響波Ｕの信号がノイズに埋もれてしまい検出が困難となった。
【００７０】
この結果、光音響効果を利用した光音響検査において、確実によりＳ／Ｎの高い光音響波を検出するためには、対応領域の外周端と照射範囲の外周端との最小外周端間隔を５ｍｍ以上とすればよいと言える。さらに、最大外周端間隔は２０ｍｍ以下でも本発明の効果が充分得られると言える。
【符号の説明】
【００７１】
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
１０ 光音響検査装置
１１ 光源部
１２ 光合波部
１３ 光走査部
１４ 導波部
１５ 光照射部
１６ 光源
２２ 受信部
２４ 走査制御部
２５ 信号処理部
３０ 電気音響変換部の中心を通りＺ軸に平行な軸
３１ 電気音響変換部の中心を通りＺ軸に平行な軸と当接面との交点
３２ 基準面
３３ 当接面
７０ 超音波探触子
７１ 光ファイバ
７４ 円形レンズ
７５ 方形レンズ
７６ 光拡散部
７７ 導光板
８０、８１、８２ 音響素子
Ｅａ 外周端
Ｅｂ 外周端
Ｌ 光
Ｕ 光音響波
Ｗ 環状領域の幅
Ｗｍａｘ 最大外周端間隔
Ｗｍｉｎ 最小外周端間隔
Φ ビーム径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に光を照射し、前記光を前記被検体に導光し、前記光が前記被検体に照射されることにより該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検査を行う光音響検査に用いられる探触子において、
前記光を前記被検体に照射する光照射部と、
前記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え、
前記光照射部が、前記電気音響変換部に対応する前記被検体上の対応領域をすべて包含する前記被検体上の照射範囲であって、前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであることを特徴とする光音響検査用探触子。
【請求項２】
前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最大外周端間隔が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光音響検査用探触子。
【請求項３】
前記光照射部が、一定の間隔で配列された前記光を分岐させる複数の導光部を備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項４】
前記光照射部が、前記光を分岐させる複数の導光部と複数の円形レンズとの組み合わせを備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項５】
前記光照射部が、一定の間隔で配列された前記光を分岐させる複数の導光部と方形レンズとの組み合わせを備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項６】
前記光照射部が、前記照射範囲において略均一な強度の光を照射するための光拡散部を備えたもの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検査用探触子。
【請求項７】
前記光照射部が、前記光の照射軸が前記対応領域に垂直な方向に対して該対応領域側に５〜４５度傾いたものであ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検査用探触子。
【請求項８】
前記光照射部が、前記電気音響変換部を挟んで対向するように配置された導光板であることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項９】
前記導光板の前記光が出射する端部が傾斜を有するように該端部が切除されていることを特徴とする請求項８に記載の光音響検査用探触子。
【請求項１０】
被検体に照射する光を発生する光源と、前記光を前記被検体に照射する光照射部と、前記光が前記被検体に照射されることにより該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た光音響検査装置において、
前記光照射部が、前記電気音響変換部に対応する前記被検体上の対応領域をすべて包含する前記被検体上の照射範囲であって、前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであることを特徴とする光音響検査装置。
【請求項１１】
前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最大外周端間隔が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の光音響検査装置。
【請求項１】
被検体に光を照射し、前記光を前記被検体に導光し、前記光が前記被検体に照射されることにより該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検査を行う光音響検査に用いられる探触子において、
前記光を前記被検体に照射する光照射部と、
前記光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部とを備え、
前記光照射部が、前記電気音響変換部に対応する前記被検体上の対応領域をすべて包含する前記被検体上の照射範囲であって、前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであることを特徴とする光音響検査用探触子。
【請求項２】
前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最大外周端間隔が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光音響検査用探触子。
【請求項３】
前記光照射部が、一定の間隔で配列された前記光を分岐させる複数の導光部を備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項４】
前記光照射部が、前記光を分岐させる複数の導光部と複数の円形レンズとの組み合わせを備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項５】
前記光照射部が、一定の間隔で配列された前記光を分岐させる複数の導光部と方形レンズとの組み合わせを備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項６】
前記光照射部が、前記照射範囲において略均一な強度の光を照射するための光拡散部を備えたもの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検査用探触子。
【請求項７】
前記光照射部が、前記光の照射軸が前記対応領域に垂直な方向に対して該対応領域側に５〜４５度傾いたものであ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検査用探触子。
【請求項８】
前記光照射部が、前記電気音響変換部を挟んで対向するように配置された導光板であることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検査用探触子。
【請求項９】
前記導光板の前記光が出射する端部が傾斜を有するように該端部が切除されていることを特徴とする請求項８に記載の光音響検査用探触子。
【請求項１０】
被検体に照射する光を発生する光源と、前記光を前記被検体に照射する光照射部と、前記光が前記被検体に照射されることにより該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た光音響検査装置において、
前記光照射部が、前記電気音響変換部に対応する前記被検体上の対応領域をすべて包含する前記被検体上の照射範囲であって、前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最小外周端間隔が５ｍｍ以上である照射範囲を照射可能となるように構成されたものであることを特徴とする光音響検査装置。
【請求項１１】
前記対応領域の外周端と前記照射範囲の外周端との最大外周端間隔が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の光音響検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図８Ａ】
【図９】
【図４】
【図８Ｂ】
【図２】
【図３】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図８Ａ】
【図９】
【図４】
【図８Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１３５６１０（Ｐ２０１２−１３５６１０Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８５７８（Ｐ２０１１−２５８５７８）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【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７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【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 ]