JP5856032B2 - 光音響計測装置および光音響計測装置用プローブ - Google Patents

Description

本発明は光音響計測装置すなわち、生体組織等の被検体に光を照射し、光照射に伴って発生する光音響波に基づいて被検体を画像化する等の処理を行う装置に関するものである。

また本発明は、その種の光音響計測装置において用いられるプローブに関するものである。

従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体内に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、光音響波（音響信号）を発生する。そこで、この光音響波を超音波プローブなどで検出し、その検出信号に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。

他方、特許文献２や特許文献３に示されるように、超音波プローブを用いる超音波画像化装置も従来公知となっている。この種の超音波プローブは、先端に超音波トランスデューサを備えたものであり、多くの場合、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、並びに音響レンズ等から構成されている。超音波画像化装置においては、超音波トランスデューサから人体等の被検体に超音波が照射され、被検体からの反射超音波が超音波トランスデューサで受信される。そして、この反射超音波の検出信号を電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。

なお本明細書においては、プローブから発せられる弾性波を超音波と称し、光音響効果により発せられる弾性波を光音響波と称することとする。

上述のような超音波プローブは、超音波と同様に光音響波も検出可能であることから、光音響計測装置にも広く適用されている。すなわちその種の装置においては、超音波プローブに、被検体に向けて光を照射する光照射部が付加され、そこからの光を受けて被検体から発せられた光音響波が、超音波プローブの超音波トランスデューサによって検出されるようになっている。

特開２００５−２１３８０号公報 国際公開ＷＯ２００９／０６９３７９号 特開２０１１−１０８２７号公報

A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata, Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)

ところで、光音響画像化装置において被検体の部分を光音響効果によって画像化するに当たっては、一度により広い領域を画像化できるように、被検体に対してより広い範囲に亘って光照射することが望まれている。そのような要求は、光音響画像化装置に限らず、光音響効果を利用して画像化以外の各種計測を行う光音響計測装置においても同様に認められるものである。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、計測対象に対して広い範囲に亘って光照射することができる光音響計測装置用プローブ、および光音響計測装置を提供することを目的とする。

本発明による光音響計測装置用プローブは、
被検体に向けて光を照射する送光部と、この光の照射を受けた被検体の部分から発せられた光音響波を検出する光音響波検出部とを有してなる光音響計測装置用プローブにおいて、
送光部が、
光源からの光を伝搬させる例えば光ファイバ等の光伝搬手段と、
湾曲した凹面状に形成された内周面および、この内周面の曲率半径よりも大きい曲率半径を有して湾曲した凸面状に形成された外周面を有し、光伝搬手段から出射した光が上記内周面に入射するように配置された光透過部材とを備えていることを特徴とするものである。

なお上記光透過部材の内周面および外周面は、共通の一面内で曲率を有する形状とされていることが特に望ましい。

また、本発明の光音響計測装置用プローブにおいて、上記光音響波検出部はコンベクス状の外端面を有するものとされ、また、光透過部材の外周面は、光音響波検出部のコンベクス状の外端面に沿って湾曲した形状とされていることが望ましい。

また、本発明の光音響計測装置用プローブにおいては、光透過部材の内周面と光伝搬手段との間に、該光伝搬手段から出射した光の強度分布を均一化させる導光部材が配設されていることが望ましい。

また、本発明の光音響計測装置用プローブにおいては、光透過部材の内周面と外周面とを連絡する該光透過部材の端面の少なくとも一部に、上記導光部材の少なくとも一部が対面していることが望ましい。

そして上記導光部材は、光伝搬手段側から光透過部材側に向かうにつれて断面積が次第に大となるテーパ形状とされていることが望ましい。

また、本発明の光音響計測装置用プローブにおいては、導光部材と光伝搬手段との間に、光拡散部材が配設されていることが望ましい。

そのような光拡散部材としては、その一方向の光拡散の程度が、該一方向と直交する方向の光拡散の程度よりも小さいものが適用されるのが望ましい。その種の光拡散部材として具体的には、光拡散パターンが楕円状であるものが挙げられる。

また本発明の光音響計測装置用プローブにおいては、光透過部材の内周面と向かい合う位置に、負のパワーを有するレンズが配設されていることが望ましい。

なお、前述した導光部材が設けられる場合、上記負のパワーを有するレンズは、その導光部材と光透過部材の内周面との間に配設されることになる。

他方、本発明による光音響計測装置は、以上説明した本発明による光音響計測装置用プローブを備えたことを特徴とするものである。

本発明による光音響計測装置用プローブによれば、湾曲した凹面状に形成された内周面および、この内周面の曲率半径よりも大きい曲率半径を有して湾曲した凸面状に形成された外周面を有し、光伝搬手段から出射した光が上記内周面に入射するように配置された光透過部材が設けられたことにより、光伝搬手段からこの光透過部材に入射した光は、光透過部材の凹レンズ効果により、光伝搬手段から出射したときの出射角度よりも広い角度範囲で光透過部材から出射するようになる。そこでこの光音響計測装置用プローブによれば、計測対象に対して広い範囲に亘って光照射することが可能になる。

また、本発明の光音響計測装置用プローブにおいて、特に光透過部材の内周面および外周面が、共通の一面内で曲率を有する形状とされている場合は、一方向のみについてだけ光透過部材からの光出射角度を拡大することができ、拡大が望まれない方向については光出射角度を小さく保つことが可能になる。

また、本発明の光音響計測装置用プローブにおいて、特に前述した導光部材や光拡散部材や負のパワーを有するレンズが配設されている場合は、それらの作用により、計測対象に対する光照射範囲をさらに拡大することができる。その理由は、後述する実施形態に即して詳しく説明する。

また本発明による光音響計測装置は、上述した通りの本発明による光音響計測装置用プローブを備えたものであるから、計測対象に対して広い範囲に亘って光照射することが可能になる。

本発明のプローブが適用される光音響計測装置の一例の概略構成を示すブロック図 上記光音響計測装置の外形形状の例を示す斜視図 本発明の第１の実施形態によるプローブを示す断面図 図３のプローブを、別の断面について示す断面図 本発明の第２の実施形態によるプローブを示す断面図 図５のプローブを、別の断面について示す断面図 本発明の第３の実施形態によるプローブを示す断面図 図７のプローブを、別の断面について示す断面図 本発明の第４の実施形態によるプローブを示す断面図 本発明の第５の実施形態によるプローブを示す断面図 本発明の第６の実施形態によるプローブを示す断面図 本発明の第７の実施形態によるプローブを示す断面図 図１２のプローブを、別の断面について示す断面図 本発明のプローブに適用される導光部材の効果を説明する図 本発明のプローブに適用される導光部材の効果を説明する図 本発明のプローブに適用される導光部材の効果を説明する図 本発明のプローブに適用される導光部材の効果を説明する図 本発明のプローブに適用される光拡散部材の一例を示す斜視図 本発明の第８の実施形態によるプローブを示す断面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光音響計測装置用プローブ１１が適用された光音響計測装置の基本構成を示すブロック図である。この光音響計測装置は一例として光音響画像化装置１０であり、本発明による超音波探触子（プローブ）１１の他に、超音波ユニット１２、レーザ光源ユニット１３、および画像表示手段１４を備えている。

なお以下では、プローブ１１から発せられる弾性波を超音波と称し、またプローブ１１からの光が照射された被検体の部分から光音響効果により発せられる弾性波を光音響波と称することとする。

上記レーザ光源ユニット１３は、例えば中心波長８００ｎｍのレーザ光を発するものとされている。レーザ光源ユニット１３から出射したパルスレーザ光は被検体に照射される。このレーザ光は、例えば複数の光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１の部分から被検体に向けて照射されるのが望ましい。このレーザ光は、後述するように、概略ファンビーム状に成形されて被検体に向けて照射されるようになっている。

プローブ１１は、被検体内の観察対象物が上記パルスレーザ光を吸収することで生じた弾性波（光音響波）を検出する。そのためにプローブ１１は、例えば後述する手操作による走査方向と交わる方向に並設された複数の超音波振動子からなる超音波トランスデューサアレイを有する。プローブ１１は、上記光音響波を検出して光音響波検出信号を出力する。なお上記複数の超音波振動子は、概略ファンビーム状のレーザ光の拡がり面と平行な面内において並ぶように配設されている（その点については後に詳しく説明する）。

被検体の光音響画像を取得する際にプローブ１１は、上記レーザ光の拡がり面と交わる方向に移動され、それにより被検体がレーザ光によって二次元走査される。この走査は、検査者が手操作でプローブ１１を動かして行ってもよく、あるいは、走査機構を用いてより精密な二次元走査を実現するようにしてもよい。

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、画像再構成手段２５、検波・対数変換手段２６、画像構築手段２７を有している。画像構築手段２７の出力は、例えばＣＲＴや液晶表示装置等からなる画像表示手段１４に入力される。さらに超音波ユニット１２は、送信制御回路３０、および超音波ユニット１２内の各部等の動作を制御する制御手段３１を有している。

上記受信回路２１は、プローブ１１が出力した光音響波検出信号を受信する。ＡＤ変換手段２２はサンプリング手段であり、受信回路２１が受信した光音響波検出信号をサンプリングして、デジタル信号である光音響データに変換する。このサンプリングは、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なされる。

レーザ光源ユニット１３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザや、アレキサンドライトレーザ等からなるＱスイッチパルスレーザ３２と、その励起光源であるフラッシュランプ３３とを含むものである。このレーザ光源ユニット１３には、前記制御手段３１から光出射を指示する光トリガ信号が入力されるようになっており、該光トリガ信号を受けると、フラッシュランプ３３を点灯させてＱスイッチパルスレーザ３２を励起する。制御手段３１は、例えばフラッシュランプ３３がＱスイッチパルスレーザ３２を十分に励起させると、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチパルスレーザ３２は、Ｑスイッチトリガ信号を受けるとそのＱスイッチをオンにし、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を出射させる。

ここで、フラッシュランプ３３の点灯からＱスイッチパルスレーザ３３が十分な励起状態となるまでに要する時間は、Ｑスイッチパルスレーザ３３の特性などから見積もることができる。なお、上述のように制御手段３１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スイッチパルスレーザ３２を十分に励起させた後にＱスイッチをオンにしてもよい。その場合は、Ｑスイッチをオンにしたことを示す信号を超音波ユニット１２側に通知してもよい。

本発明の光音響計測装置は、光音響画像の他に、反射超音波による超音波画像を取得するように構成されてもよい。以下、そのようにした場合について説明する。制御手段３１は、送信制御回路３０に、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を入力する。送信制御回路３０は、この超音波トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。制御手段３１は、先に前記光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。光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、その後、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、および反射超音波の検出が行われる。ここで、プローブ１１から超音波を送信させるためには、光音響波検出用の超音波トランスデューサアレイを兼用してもよいし、あるいはその超音波トランスデューサアレイとは別のものが用いられてもよい。

制御手段３１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、前記光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、例えば制御手段３１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、プローブ１１が出力して受信回路２１が受信した光音響波検出信号のサンプリングを開始する。

制御手段３１は、光トリガ信号を出力した後、光音響波の検出を終了するタイミングで超音波トリガ信号を出力する。このとき、ＡＤ変換手段２２は光音響波検出信号のサンプリングを中断せず、サンプリングを継続して実施する。言い換えれば、制御手段３１は、ＡＤ変換手段２２が光音響波検出信号のサンプリングを継続している状態で、超音波トリガ信号を出力する。超音波トリガ信号に応答してプローブ１１が超音波送信を行うことで、プローブ１１の検出対象は、光音響波から反射超音波に変わる。ＡＤ変換手段２２は、検出された超音波検出信号のサンプリングを継続することで、光音響波検出信号と超音波検出信号とを、連続的にサンプリングする。

ＡＤ変換手段２２は、サンプリングして得られた光音響データおよび超音波データを、共通の受信メモリ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、ある時点までは光音響データであり、ある時点からは超音波データとなる。データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された光音響データと超音波データとを分離する。

以下、光音響画像あるいは反射超音波画像の生成および表示について説明する。図１のデータ分離手段２４には、受信メモリ２３から読み出された超音波データおよび、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を被検体に照射して得られた光音響データが入力される。データ分離手段２４は、光音響画像の生成時には光音響データのみを後段の画像再構成手段２５に入力する。画像再構成手段２５はこの光音響データに基づいて、光音響画像を示すデータを再構成する。

検波・対数変換手段２６は上記光音響画像を示す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。検波・対数変換手段２６はこれらの処理後のデータを画像構築手段２７に入力する。画像構築手段２７は入力されたデータに基づいて、パルスレーザ光により走査された断面に関する光音響画像を構築し、その光音響画像を示すデータを画像表示手段１４に入力する。それにより画像表示手段１４には、上記断面に関する光音響画像が表示される。

なお、前述したようにプローブ１１を移動して被検体をレーザ光によって二次元走査し、その走査に伴って得られた複数の断面に関する画像データに基づいて、被検体の所望部位例えば血管等を三次元表示する光音響画像を生成、表示することも可能である。

また、データ分離手段２４が分離した超音波データに基づいて、被検体の超音波画像を生成、表示することも可能である。その超音波画像の生成、表示は、従来公知の方法によって行えばよく、本発明とは直接関連が無いので詳しい説明は省略するが、そのような超音波画像と光音響画像とを重ね合わせて表示させることも可能である。

次に、プローブ１１について詳しく説明する。なお、ここでは一例として、光音響画像化装置１０が図２に示すような携帯型画像化装置として構成されるものとし、そこで用いられるプローブ１１について説明する。まず、図２の携帯型画像化装置について説明する。この携帯型画像化装置は、装置本体１１２とカバー１１３とを備えている。装置本体１１２の上面には、携帯型画像化装置に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボール等が設けられた操作部１１４が配されている。カバー１１３の内面には、光音響画像や超音波画像、さらには様々な操作画面を表示するモニタ１４（図１の画像表示手段１４に対応する）が設けられている。

カバー１１３は、ヒンジ１１６を介して装置本体１１２に取り付けられており、操作部１１４とモニタ１４とが見える状態になる図示の開き位置と、装置本体１１２の上面とカバー１１３の内面を対面させて、操作部１１４とモニタ１４を覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。装置本体１１２の側面には、不図示のグリップが取り付けられており、装置本体１１２とカバー１１３を閉じた状態にして携帯型画像化装置を持ち運ぶことができる。装置本体１１２のもう一方の側面には、プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１１７および、レーザユニット接続部１７２が設けられている。プローブ接続部１１７にはコネクタ１１９およびケーブル１２０を介してプローブ１１が電気的に接続される。

一方、例えばＱスイッチ固体レーザを内蔵したパルスレーザユニット１７０は、電源ケーブル１７１を介して上記レーザユニット接続部１７２に接続されるようになっている。このパルスレーザユニット１７０は、光音響画像を取得する際に携帯型画像化装置の操作部１１４から発光指示がなされると、所定のトリガ信号を受けてパルスレーザ光を発する。そのパルスレーザ光はバンドルファイバ１７３を介して伝搬され、プローブ１１から被検体に向けて照射される。

次に、プローブ１１について詳しく説明する。図３および図４はそれぞれ、本発明の第１の実施形態によるプローブ１１を互いに異なる面で切断して示す断面図である。すなわち、図３は図４中のＡ−Ａ線に沿った面の断面形状を示し、図４は図３中のＢ−Ｂ線に沿った面の断面形状を示している。

本実施形態のプローブ１１は、主に例えば経直腸、経膣用に操作者が手で保持して使用されるものであり、例えば樹脂等からなる概略円柱状の本体５０を有し、その内部には、光伝搬手段としての複数の光ファイバ５１、複数の超音波振動子からなる超音波トランスデューサアレイ５２、超音波の送信並びに被検体で生じた光音響波の受信用の回路を含む基板・配線部５３および光透過部材５５が配設されている。また超音波トランスデューサアレイ５２の外側には、上記超音波並びに光音響波を収束させるための音響レンズ５４が取り付けられている。

本実施形態において光ファイバ５１は１０本用いられ、１列に並べられた５本一組が、基板・配線部５３の両側にそれぞれ配置されている。これらの光ファイバ５１は、それぞれの基端（図中の下端）が図２に示したバンドルファイバ１７３に光学的に結合されているが、その結合構造については図示を省略している。なお、このような光ファイバ５１の他に、例えば薄い導光板等が光伝搬手段として適用されてもよい。

光音響波検出部としての超音波トランスデューサアレイ５２は、複数の超音波振動子が一つの円弧に沿って配置されてなるものである。つまりこの超音波トランスデューサアレイ５２は、外端面がいわゆるコンベックス型のものとして構成されている。なお超音波振動子としては、例えばＰＺＴ（登録商標）等のチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなる薄無機系圧電薄膜を適用した無機系超音波振動子や、例えばＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料からなる有機系圧電薄膜を適用した有機系超音波振動子を用いることができる。さらには、無機系超音波振動子および有機系超音波振動子を組み合わせて超音波トランスデューサアレイ５２が構成されてもよい。

光透過部材５５は、５本一組の光ファイバ５１に対応させてそれぞれ１つ、合計２つ配置されている。各光透過部材５５は、例えば光学ガラスや合成樹脂等の透過率の高い材料を用いて、円環状の板材の一部（本例では半分）を切り取った形に形成されている。すなわちこの光透過部材５５の内周面５５ａと外周面５５ｂは、同心円である２つの円に各々が沿った形状とされており、したがって、凹面である内周面５５ａの曲率半径よりも凸面である外周面５５ｂの曲率半径の方が大となっている。そして各光透過部材５５は、超音波トランスデューサアレイ５２の外端面に沿って外周面５５ｂが延びる状態に配置されている。なお内周面５５ａの曲率半径と外周面５５ｂの曲率半径は、必ず後者が前者より大である関係とする。

５本一組の光ファイバ５１から出射したレーザ光Ｌは、上記内周面５５ａから光透過部材５５内に入射し、その内部を透過して外周面５５ｂから出射する。このとき、上述の形状とされた光透過部材５５の凹レンズ効果により、該光透過部材５５の半円環状の側面と平行な面（図３に示される面）内でレーザ光Ｌは、５本一組の光ファイバ５１から出射した際の出射角度よりも大きな角度に拡がって出射する。一方、該光透過部材５５の半円環状の側面に直角な面（図４に示される面）内においては、光透過部材５５の凹レンズ効果は生じないので、レーザ光Ｌはほとんど拡がることなく出射する。

以上の通りにしてプローブ１１からは、２つの概略ファンビーム状のレーザ光Ｌが出射し、それらによって被検体の画像化対象部分が照射される。被検体に対するレーザ光Ｌの走査方向は、図３の紙面にほぼ直角な方向（図４中の左右方向）とされるので、該レーザ光Ｌの出射角度が上述のように拡がっていれば、被検体に対する照射角度が大きく確保される。そうであれば、被検体の広い範囲に亘って光音響画像を取得することが可能になる。

なお以上の説明から明らかな通り、本実施形態のプローブ１１においては、被検体に向けて光を照射する送光部が、光ファイバ５１および光透過部材５５から構成されている。

ここで音響レンズ５４、およびその近傍の本体５０の表面部分は、レーザ光Ｌの波長域における平均拡散反射率が８５％以上かつ平均吸収率が１０％以下である光学特性を有することが望ましい。そのような光学特性が付与されている場合は、被検体で反射したレーザ光Ｌが、音響レンズ５４を通過して超音波トランスデューサアレイ５２で吸収されたり、あるいは音響レンズ５４で吸収されたりすることを抑制できる。それにより、レーザ光Ｌの照射に起因するアーティファクトの発生を低減することが可能となる。

なお、上記本体５０の表面部分における光学特性は、例えば第１の無機顔料を含有する塗料により付与することができる。この場合において、第１の無機顔料は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることが好ましい。また、第１の無機顔料の粒子の大きさは０．０５〜０．３５μｍであることが好ましく、第１の無機顔料の添加量は２〜６５ｗｔ％であることが好ましい。

また、上記表面部分における光学特性は、拡散反射シートにより付与することも可能である。

さらに、上記表面部分における光学特性は、高反射素材で当該表面部分を構成して付与することもできる。この場合において、高反射素材は、無機顔料を含有するポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＦＥＰ）およびエチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）であることが好ましい。

他方、音響レンズ５４における光学特性は、例えば、第２の無機顔料を含有する素材で音響レンズ５４を構成して付与することができる。この場合、第２の無機顔料は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることが好ましい。また、第２の無機顔料の粒子の大きさは０．０５〜０．３５μｍであることが好ましく、第２の無機顔料の添加量は２〜６５ｗｔ％であることが好ましい。

また、本体５０および／または音響レンズ５４の表面は保護層によって覆われていることが好ましい。

次に図５および図６を参照して、本発明の第２の実施形態によるプローブ１１Ａについて説明する。なおこれらの図において、図３および図４中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。また、図５および図６における表示断面位置は、図３および図４におけるものと同じであるので、断面位置については同様に「Ａ」、「Ｂ」で示してあり、その重複した説明も省略する（以下、同様）。

この第２実施形態によるプローブ１１Ａは、図３および図４に示したプローブ１１と比べると、光ファイバ５１と光透過部材５５との間に導光部材５６が配置された点が基本的に異なるものである。この導光部材５６は、例えば薄い直方体状のアクリル板や石英板の表面に特殊な加工を施して、一方の端面（図中の下端面）から入射した光を他方の端面（図中の上端面）から均一に出射させる部材である。そのような導光部材５６は、例えば石英板の側面に低屈折率の樹脂薄膜を成膜する等により作成することができる。そのような構成とした場合、導光部材５６の下端面から入射したレーザ光Ｌは、石英板と樹脂薄膜との界面で全反射し、多重反射を繰り返しながら伝搬して、上端面から出射する。

以上のようにレーザ光Ｌが多重反射を繰り返すことにより、導光部材５６から出射して光透過部材５５に入射するレーザ光Ｌの光強度分布が均一化されるので、被検体の各部をより均一な強度の光で照射することが可能になる。また本実施形態においても、光透過部材５５が設けられているので、それにより、第１の実施形態におけるのと同様の効果が得られる。以上述べた効果は、後述する第３〜７の実施形態においても同様に得られるものである。

次に図７および図８を参照して、本発明の第３の実施形態によるプローブ１１Ｂについて説明する。この第３実施形態によるプローブ１１Ｂは、図５および図６に示したプローブ１１Ａと比べると、光ファイバ５１と導光部材５６との間に、光拡散部材５７が配置された点が基本的に異なるものである。この光拡散部材５７は、一般にホモジナイザとも称されるもので、光ファイバ５１から入射したレーザ光Ｌを拡散させるとともに、該レーザ光Ｌのエネルギープロファイル（エネルギー分布）をフラットトップ化する機能を有するものである。

ここで、上述のようにエネルギープロファイルを「フラットトップ化する」とは、言い換えれば、光拡散部材５７に入射したレ−ザ光Ｌを、中心付近がフラットトップなエネルギープロファイルを有するものに成形することである。この「フラットトップ」とは、光拡散部材５７から出射したレーザ光Ｌのエネルギープロファイルにおいて直径がビーム径の８０％である同心円を取り、この同心円内の各点のエネルギーについて標準偏差を求めた場合に、該標準偏差がこの同心円内における平均エネルギーの２５％以内である状態を意味する。通常、光拡散部材５７は、無限遠において光が完全にフラットトップとなる、つまり上記標準偏差がほぼ０に等しくなるように構造設計されている。

しかしながら、レーザ光Ｌが導光部材５６に入射する際のエネルギープロファイルは、必ずしも完全にフラットトップな状態である必要はなく、上記範囲の程度においてフラットトップな状態であれば足りる。

上述の通りにしてレーザ光Ｌのエネルギープロファイルがフラットトップ化されることにより、被検体に照射されるレーザ光Ｌの光強度が、被検体の部分によってまちまちになることが防止される。

また光拡散部材５７は入射したレーザ光Ｌを拡散させるので、導光部材５６から出射して光透過部材５５に入射するレーザ光Ｌが、より広い角度範囲で入射するようになる。そこで本実施形態においては、第２の実施形態によるプローブ１１Ａを用いる場合と比べて、さらに広い範囲に亘ってレーザ光Ｌを被検体に照射することが可能になる。

以上述べた光拡散部材５７による効果は、後述する第４〜７の実施形態においても同様に得られるものである。

なお光拡散部材５７は、単一の光学素子から構成されてもよいし、複数の光学素子が組み合わされて構成されてもよい。単一の光学素子としては、微小なレンズ状部分が基板の片面にランダムに配置されてなるレンズ拡散板を使用することが好ましい。そのようなレンズ拡散板としては、例えば、ＲＰＣ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製のＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｅｒｓを使用することができる。このような素子を用いることにより、レーザ光Ｌのエネルギープロファイルおよび形状をほぼ任意に変化させることができる。なお、そのような素子からなる光拡散部材５７の好ましい例としては、（図７に示す面内での出射角）×（図８に示す面内での出射角）が６０°×１０°のものや、８９°×２５°のもの等が挙げられる。

特に本実施形態のプローブ１１Ｂにおいては、図８に示される面内ではレーザ光Ｌがむしろ拡がらないようにして、光利用効率を高めたいという要求があるので、図７に示される面内での光拡散効果が図８に示される面内でのそれよりも著しく大である、異方性の光拡散部材を適用することが望ましい。そのような光拡散部材としては、図１８に示すように、楕円状にレーザ光Ｌを拡散させる楕円形の拡散要素１５７ａが、その長軸方向を揃えて配置されてなる、いわゆる楕円拡散板１５７が挙げられる。

以上のように、光拡散部材５７を単一の光学素子から構成する場合は、送光光学系をより簡易な構成とすることができる。

次に図９を参照して、本発明の第４の実施形態によるプローブ１１Ｃについて説明する。この第４実施形態によるプローブ１１Ｃは、図７および図８に示したプローブ１１Ｂと比べると、導光部材５６および光拡散部材５７のサイズが違う点が基本的に異なるものである。すなわち本実施形態における導光部材５６は、その光出射端面（図中の上端面）の一部が、光透過部材５５の下端面５５ｃと対面する大きさとされている。なおこの光透過部材５５の下端面５５ｃは、その内周面５５ａと外周面５５ｂとを連絡する平らな端面である。

上記の構成とされていることにより、本実施形態のプローブ１１Ｃにおいては、導光部材５６から上記下端面５５ｃを経由して光透過部材５５内に直進した光線成分が、光透過部材５５から出射するレーザ光Ｌに重畳される。そこでこの場合は、光強度がより均一化されたレーザ光Ｌで被検体を照射することが可能になる。

次に図１０を参照して、本発明の第５の実施形態によるプローブ１１Ｄについて説明する。この第５実施形態によるプローブ１１Ｄは、図７および図８に示したプローブ１１Ｂと比べると、導光部材５６の形状が違う点が基本的に異なるものである。すなわち本実施形態における導光部材５６Ａは、光透過部材５５側の横幅が光ファイバ５１側の横幅よりも大とされて、光ファイバ５１側から光透過部材５５側に向かうにつれて断面積が次第に大となるテーパ形状とされている。

上記の構成とされていることにより、本実施形態のプローブ１１Ｄにおいては、図７に示した薄い直方体状の導光部材５６を用いる場合と比べると、導光部材５６Ａの左右側端面に小さな入射角で入射する光線成分が相対的に低減する。導光部材５６の左右側端面により小さな入射角で入射する光線成分は、そこで全反射せずに、そのまま該側端面を通過してしまうことが多いものである。したがって、上記のようにして、導光部材５６Ａの左右側端面に小さな入射角で入射する光線成分を低減させれば、該導光部材５６Ａからのレーザ光Ｌの漏れを少なく抑えて、光利用効率を高めることが可能になる。

次に図１１を参照して、本発明の第６の実施形態によるプローブ１１Ｅについて説明する。この第６実施形態によるプローブ１１Ｅは、図１０に示したプローブ１１Ｄと比べると、導光部材５６Ｂおよび光拡散部材５７のサイズが違う点が基本的に異なるものである。すなわち本実施形態におけるテーパ形状の導光部材５６Ｂは、図１０の導光部材５６Ａと比べると、上端面の横幅がより長いものとして形成されている。そこで、該導光部材５６Ｂの上端面（光出射端面）の一部が、光透過部材５５の下端面５５ｃと対面する状態となっている。

上記の構成とされていることにより、本実施形態のプローブ１１Ｅにおいても、図９に示したプローブ１１Ｃにおけるのと同様に、導光部材５６Ｂから上記下端面５５ｃを経由して光透過部材５５内に直進する光線成分が、光透過部材５５から出射したレーザ光Ｌに重畳される。そこでこの場合も、光強度がより均一化されたレーザ光Ｌで被検体を照射することが可能になる。

次に図１２および図１３を参照して、本発明の第７の実施形態によるプローブ１１Ｆについて説明する。この第７実施形態によるプローブ１１Ｆは、図１１に示したプローブ１１Ｅと比べると、導光部材５６Ｂの配置状態が違う点が基本的に異なるものである。すなわち本実施形態における導光部材５６Ｂは、その上端面（光出射端面）の一部が、光透過部材５５の下端面５５ｃと密着した状態となっている。

そこでこの場合も、第６の実施形態におけるのと同様に、光強度がより均一化されたレーザ光Ｌで被検体を照射することができるという効果が得られ、さらには光透過部材５５と導光部材５６Ｂとの間の位置調整作業も容易化される。また、このような構成とする場合は、光透過部材５５と導光部材５６Ｂとを樹脂などにより一体成形することも可能であり、そうした場合は、プローブ１１Ｆの組立作業が簡素化される。

次に図１９を参照して、本発明の第８の実施形態によるプローブ１１Ｇについて説明する。この第８実施形態によるプローブ１１Ｆは、図５に示したプローブ１１Ａと比べると、導光部材５６と光透過部材５５との間に３つの凹レンズ７１、７２、７３が設けられている点が基本的に異なるものである。なおこれらの凹レンズ７１、７２、７３はそれぞれ、平たい形状の光透過部材５５（図６等参照）に対応させて、図９の紙面に垂直な方向については形状が一定のものである。そのような凹レンズは、例えばシリンドリカルレンズをその長軸と直交する面で薄く切断することによって作製することができる。

以上の構成においては、負のパワーを有する３つの凹レンズ７１、７２、７３により、レーザ光Ｌを発散させる作用が得られるので、光透過部材５５に対してレーザ光Ｌは、凹レンズ７１、７２、７３を設けない場合と比べて角度範囲がより拡がった状態で入射するようになる。そこで光透過部材５５から出射するレーザ光Ｌの出射角度もより拡がった状態になる。

先に説明した通り、図１０に示した導光部材５６Ａのようにテーパ状の導光部材を用いると、光透過部材５５から出射するレーザ光Ｌの角度範囲をより大きくする効果が得られ、それは上記凹レンズ７１、７２、７３による効果と同様である。しかし、この種の凹レンズを用いる場合は、テーパ状の導光部材を用いる場合と比べて光学部材の配置状態をより小型化することが可能であるので、プローブを小型化、薄型化したい場合にはこの種の凹レンズを用いる方が有利である。

なお本実施形態に適用された凹レンズ７１、７２、７３はいずれも、図１９に示される面内では平凹レンズとされたものであり、一例としてそれらの曲率半径は各々−６．６ｍｍ、−７．１ｍｍ、−９．８ｍｍである。また本発明に用いる負のパワーを有するレンズとしては、上記の平凹レンズに限らず、その他例えば両凹レンズや、負のメニスカスレンズ等も適用可能である。さらに、負のパワーを有するレンズの数も上記実施形態における３枚に限られるものではなく、１枚以上の適宜の数のレンズが適用可能である。

ここで、テーパ形状の導光部材を用いる場合に得られる光利用効率向上の効果について分析した結果を説明する。ここでは、図１４〜１７に示す４つの導光部材５６−１、５６−２、５６−３、５６−４を用いるものとして、計算機によるシミュレーションにより光利用効率を計算した。４つの導光部材はいずれも、上記第７の実施形態におけるのと同様に、その光出射端面の一部が光透過部材５５の下端面と密着しているものとし、その厚さは共通の３ｍｍ、光出射端面の横幅Ｌｕは共通の１６ｍｍとした。また図１４の導光部材５６−１は、光出射端面の横幅Ｌｕと光入射端面の横幅Ｌｂが同じである、薄い直方体状のものとした。一方図１５、１６および１７の各導光部材５６−２、５６−３、５６−４は、光入射端面の横幅Ｌｂがそれぞれ１４ｍｍ、１２ｍｍ、１１ｍｍであるテーパ形状のものとした。

以上の４つの導光部材５６−１、５６−２、５６−３、５６−４を用いる場合についてそれぞれ求めた光利用効率は、それぞれ８４％、８７％、８９％、９０％となり、テーパの角度が大きいほど高い光利用効率が得られることが分かった。なお、ここで求めた光利用効率は、光拡散部材への入射光のエネルギーで規格化したものである。

また、上述のようにテーパ形状（台形状）とした導光部材の長さ（光入射端面と光入出射面との間の寸法）に応じて、光透過部材５５から出射する光の角度範囲（視野角）および光利用効率が変化する様子を、計算機によるシミュレーションで求めた結果を以下に示す。

ここでは、基本的に図１０に示すような構成、つまり光透過部材５５から光源側に向かって順次、テーパ形状導光部材５６Ａ、光拡散部材５７が配置されている構成について考察した。また光透過部材５５の内周面の半径は７ｍｍ、外周面の半径は１０ｍｍ、導光部材５６Ａの光出射端面の横幅Ｌｕは光透過部材５５の内周面の両端間の距離と等しい１４ｍｍ、導光部材５６Ａの光入射端面の横幅Ｌｂは６ｍｍ、光源幅（図１０において光拡散部材５７に入射する光の左右方向長さ）は５ｍｍとした。そして光拡散部材５７としては、（図１０に示す面内での出射角）×（それと直交する面内での出射角）が６０°×１０°のものと、８９°×２５°のものを考え、前者を用いた場合の結果を表１に、後者を用いた場合の結果を表２に示す。

表１および表２に示される通り、導光部材の長さが短いほど光利用効率が低下する。これは、短い場合は導光部材の光出射端面で反射して戻る光が多くなることに起因するものと考えられる。また表１の結果と表２の結果とを比較すると、光拡散部材からの出射角が大きいほど、最終的に光透過部材から出射する光の角度範囲（視野角）が大きくなるが、その半面、光利用効率は低下することが分かる。

また、光透過部材の形状に応じて上記視野角と光利用効率がどのように変化するかを、計算機によるシミュレーションで求めた結果を下の表３に示す。ここでは、上述のような導光部材は用いずに、光拡散部材を光透過部材に近接配置した場合について考察した。この光拡散部材として出射角が６０°×１０°のものを考え、また光源幅は１３ｍｍとした。そして光透過部材の外周面の半径はすべて共通の１０ｍｍとし、内周面の半径および、内周面と外周面との中心間距離が相違する６例について考えた。ここで上記中心間距離は、内周面と外周面とが同心円上にある場合を０ｍｍとし（表３の最右列の例）、その場合よりも内周面中心が光源側に離れた長さを示している。また表３における左から３列の例は、外周面半径が内周面半径より小さいもので、本発明には含まれない例である。

光拡散部材のみを用いた場合の視野角を別途求めたが、その場合の視野角は１０５°であるので、表３に示される通り、光透過部材を設けることにより視野角増大の効果が得られることが明らかである。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の光音響計測装置用プローブは上記実施形態のみに限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正および変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

例えば、上に述べた光音響画像化装置は反射超音波による超音波画像も取得、表示できるように構成されたものであるが、本発明のプローブは、そのような機能は備えない光音響画像化装置に適用されても構わないし、さらには、光音響画像化装置以外の光音響計測装置に適用することも可能である。

１０ 光音響画像化装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ プローブ
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
２５ 画像再構成手段
２６ 検波・対数変換手段
２７ 画像構築手段
３０ 送信制御回路
３１ 制御手段
３２ Ｑスイッチレーザ
３３ フラッシュランプ
５０ プローブの本体
５１ 光ファイバ
５２ 超音波トランスデューサアレイ
５３ 基板・配線部
５４ 音響レンズ
５５ 光透過部材
５６、５６Ａ、５６Ｂ 導光部材
７１、７２、７３ 凹レンズ
５７ 光拡散部材
１５７ 楕円拡散板（光拡散部材）

Claims (12)

1. 被検体に向けて光を照射する送光部と、前記光の照射を受けた被検体の部分から発せられた光音響波を検出する光音響波検出部とを有してなる光音響計測装置用プローブにおいて、
   前記光音響波検出部がコンベクス状の外端面を有するものとされ、
   前記送光部が、
   光源からの光を伝搬させる光伝搬手段と、
   湾曲した凹面状に形成された内周面および、この内周面の曲率半径よりも大きい曲率半径を有して湾曲した凸面状に形成され、かつ前記光音響波検出部のコンベクス状の外端面に沿って湾曲した形状とされた外周面を有し、前記光伝搬手段から出射した光が前記内周面に入射するように配置された光透過部材とを備えていることを特徴とする光音響計測装置用プローブ。
2. 被検体に向けて光を照射する送光部と、前記光の照射を受けた被検体の部分から発せられた光音響波を検出する光音響波検出部とを有してなる光音響計測装置用プローブにおいて、
   前記送光部が、
   光源からの光を伝搬させる光伝搬手段と、
   湾曲した凹面状に形成された内周面および、この内周面の曲率半径よりも大きい曲率半径を有して湾曲した凸面状に形成された外周面を有し、前記光伝搬手段から出射した光が前記内周面に入射するように配置された光透過部材とを備え、
   前記光透過部材の内周面と前記光伝搬手段との間に、該光伝搬手段から出射した光の強度分布を均一化させる導光部材が配設されていることを特徴とする光音響計測装置用プローブ。
3. 前記光透過部材の内周面と外周面とを連絡する該光透過部材の端面の少なくとも一部に、前記導光部材の少なくとも一部が対面していることを特徴とする請求項２記載の光音響計測装置用プローブ。
4. 前記導光部材が、前記光伝搬手段側から前記光透過部材側に向かうにつれて断面積が次第に大となるテーパ形状とされていることを特徴とする請求項２または３記載の光音響計測装置用プローブ。
5. 前記導光部材と前記光伝搬手段との間に、光拡散部材が配設されていることを特徴とする請求項２から４いずれか１項記載の光音響計測装置用プローブ。
6. 前記光拡散部材として、その一方向の光拡散の程度が、該一方向と直交する方向の光拡散の程度よりも小さいものが用いられていることを特徴とする請求項５記載の光音響計測装置用プローブ。
7. 前記光拡散部材として、その光拡散パターンが楕円状であるものが用いられていることを特徴とする請求項６記載の光音響計測装置用プローブ。
8. 前記光透過部材の内周面と前記導光部材との間で、該内周面と向かい合う位置に、負のパワーを有するレンズが配設されていることを特徴とする請求項２から７いずれか１項記載の光音響計測装置用プローブ。
9. 前記光透過部材の内周面および外周面が、共通の一面内で曲率を有する形状とされていることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の光音響計測装置用プローブ。
10. 前記光透過部材の内周面と向かい合う位置に、負のパワーを有するレンズが配設されていることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の光音響計測装置用プローブ。
11. 前記光伝搬手段が光ファイバであることを特徴とする請求項１から１０いずれか１項記
    載の光音響計測装置用プローブ。
12. 請求項１から１１いずれか１項記載の光音響計測装置用プローブを備えたことを特徴とする光音響計測装置。

Images