JP2000088743A

JP2000088743A - 光計測装置

Info

Publication number: JP2000088743A
Application number: JP10262816A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Cho; 吉夫張; Hiromichi Horinaka; 博道堀中; Shohei Hosomi; 昌平細美; Toshiyuki Matsunaka; 敏行松中
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】光散乱媒体の計測を行う光計測装置におい
て、外部参照光を利用すると、機構が複雑になるなどの
問題があった。【解決手段】比較的太い光ビームを光散乱媒体１０へ
照射する。光散乱媒体１０においてレーザー光の一部は
超音波ビームＢの作用によって変調を受け、その光成分
は光検出器２４にて受光される。これと共に、光散乱媒
体１０内において変調を受けなかった光成分が光検出器
２４で検出される。それらの光成分が同時に検出される
ことによって干渉が生じ、その結果ビート信号が検出さ
れる。ビート信号は超音波と光の相互作用を示すもので
ある。内部参照光を利用しているので、ミラーなどが不
要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光計測装置に関し、
特に超音波を併用した光計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光計測装置は様々な分野で利
用されている。生体計測の分野においては、光計測装置
として、光ＣＴ（Computed Tomography）装置、血液分
析装置、などが知られている。それらの装置では、例え
ば、体外から光（近赤外光など）が生体へ照射され、生
体を透過した光が検出される。そして、検出信号に基づ
いて、断層像イメージング、代謝情報の収集（例えばヘ
モグロビンの定量）などが行われる。

【０００３】ところで、生体組織は光散乱媒体であり、
生体内へ進入した光は多重散乱される。よって、体外か
ら光を単に観測しただけでは、生体内の特定の観測部位
における代謝情報だけを弁別するのは極めて難しい。こ
のため、各種の提案がなされているが、その中でも「超
音波を利用した方法」が有力視されている（関連する技
術として例えば、L.V.Wang and X.Zhao:Applied Optics
36(1997)7277及びM.Kemple,M.Larionov,D.Zaslavsky,a
nd A.Z.Genack:J.Opt.Soc.Am.A 14(1997)1151などがあ
げられる）。

【０００４】この方法では、光散乱媒体に対して、例え
ば光ビームと直交する方向から超音波が照射される。超
音波は、既存の超音波診断装置で見られるように、生体
内の観測部位に局所集中させることが可能である。超音
波が生体内へ照射された状態では、生体内において弾性
波が光に対して屈折率分布を形成する。すなわち組織の
粗密状態が形成されるものと思われる。その場合に、光
が当該観測部位を進行すると、組織の粗密状態が光に対
して作用し、光が何らかの形で変調される。そこで、受
光信号から変調成分のみを取り出せば、観測部位の代謝
情報を弁別可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来において、超音波
と光の相互作用を観測する１つの手法として、外部参照
波を利用した手法が提案されている。すなわち、この手
法では、光照射装置（レーザー装置）から出射された光
がハーフミラーで分離され、一方の光が光散乱媒体へ照
射され、他方の光が参照光として別途利用される。そし
て、受光器には、光散乱媒体から放射された光と前記の
参照光とが共に導かれる。すると、２つの光の干渉によ
ってビート信号が発生し、つまり、そのビート信号とし
て超音波による変調成分が取得される。

【０００６】しかしながら、上記のように外部参照光を
利用すると、必然的にミラーの数が増加して装置構成が
複雑化すると共に、２つの光路設定に伴って微妙な光路
長調整が必要であり、このため計測精度面で問題が生じ
やすい。

【０００７】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、光散乱媒体の計測に当たっ
て、超音波と光の相互作用を容易にかつ精度良く計測可
能な装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、光散乱媒体に対して光ビームを照
射する光照射手段と、前記光散乱媒体内の計測部位に対
して、超音波ビームを照射する超音波照射手段と、前記
光散乱媒体から出射する散乱光を受光する手段であっ
て、前記計測部位の通過によって前記超音波の作用を受
けた第１光成分とその第１光成分以外の内部参照光とし
ての第２光成分とを相互干渉させつつ同時受光し、その
干渉結果を表す受光信号を出力する受光手段と、前記受
光信号に対して前記計測部位の性状を計測するための処
理を行う信号処理手段と、を含むことを特徴とする。

【０００９】上記構成によれば、生体などの光散乱媒体
に対して、光ビームが照射され、同時に超音波ビームも
照射される。光散乱媒体内に入った光は多重散乱を受け
るが、一方、超音波はそのフォーカスによって観測部位
に局所的に集束される。その観測部位を散乱光の一部が
通過すると、その通過の際に超音波による変調を受け
て、光散乱媒体から外部へ出る。また、散乱光の内の他
の一部は変調を受けずに光散乱媒体から外部へ出る。そ
こで、それらの両光成分を同時受光すれば、それらの間
において干渉が生じ、その結果のビート成分として超音
波による変調成分を抽出できる。すなわち、本発明は、
内部参照光を利用してビート検出を行うものである。こ
こで、内部参照光の概念には、観測部位を通過しなかっ
た光成分と、観測部位を通過したが変調を受けなかった
光成分（０次回折成分）と、が含まれる。後者は特に光
散乱媒体が薄い場合に有意になるものである。

【００１０】本発明によれば、光計測に当たって光散乱
媒体内における局所的なラベリングを実現でき、その場
合に、複雑なミラー配置やミラー調整などが不要となる
ので、装置構成を単純化できると共にその反射的効果と
して計測精度を向上可能である。

【００１１】なお、上記の受光手段は、光ビームの軸上
に設ける必要はない。すなわち、光散乱媒体内で光散乱
を生じているので所望の位置に受光手段を配置できる。
これは各構成に配置の自由度に制約がある生体計測にお
いて大きなメリットである。

【００１２】本発明は、特に生体内の二次元イメージン
グ、三次元イメージング及び生体内の特定部位の計測に
適用されるのが望ましいが、それ以外にも光ＣＴ、血流
分析、などに応用可能である。その場合に、超音波照射
手段、光照射手段、受光手段のそれぞれは体外に配置し
てもよいが、それらの一部又は全部を体内に配置しても
よい。また、本発明は生体に限られず各種の応用が考え
られる。

【００１３】（２）望ましくは、前記超音波照射手段に
よって送波される超音波を変調するための超音波変調手
段と、前記受光手段からの出力信号を検波する検波手段
と、を含む。検波手段としては例えば公知のロックイン
アンプなどを利用してもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づいて説明する。

【００１５】図１には、本発明に係る光計測装置の好適
な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す
概念図である。本実施形態において、この光計測装置
は、生体組織の計測（例えば、光吸収係数あるいは血液
中酸素濃度の計測など）に用いられる。

【００１６】図１において、光散乱媒体１０は近赤外線
に対して散乱性をもった媒体であって、この例では生体
組織である。同図において、光散乱媒体１０の一方側に
はレーザー装置２０が設けられ、他方側には光検出器２
４が設けられている。ただし、光検出器２４は必ずしも
光ビーム軸上に設けなくてもよい。後述するように、超
音波による光変調作用を検出できる限りにおいて、光検
出器２４の配置に自由度がある。

【００１７】レーザー装置２０からのレーザー光１００
が光散乱媒体１０へ照射されると、光散乱媒体１０内で
レーザー光１００は多重散乱し、その一部が後述の超音
波ビームＢを通過して光検出器２４へ到達する。一方、
多重散乱光の他の一部は超音波ビームＢを通過せずに光
検出器２４へ到達する。また、他の一部（０次回折成
分）は超音波ビームＢを通過しつつも変調を受けずに光
検出器２４へ到達する。これらは内部参照光として把握
される。超音波により周波数変調を受けた光成分と周波
数変調を受けない光成分とが同時に光検出器２４で受光
されると、そこで光干渉が生じ、両者の周波数差に基づ
くビート信号が検出される。この実施形態では、例えば
５ＭＨｚの超音波が２００Ｈｚの繰り返し周期でパルス
変調されているため、５ＭＨｚのビート信号が検出され
る。なお、光検出器２４は、例えばフォトダイオード、
光電子増倍管などである。

【００１８】光散乱媒体１０には、図において、光ビー
ムの方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｚ方向）に超音波
を照射する超音波振動子１６が接合されている。この例
では超音波ビームと光ビームとが直交しているが、少な
くとも両者が交差しあるいは光散乱領域中を超音波ビー
ムが通過していればよい。超音波振動子１６は単振動子
又はアレイ振動子である。超音波振動子１６には音響フ
ォーカスのための音響レンズを設けるのが望ましく、ま
た、アレイ振動子の場合には電子的なフォーカスを適用
するのが望ましい。超音波ビームＢは観測部位Ｔを通過
するように設定され、その観測部位Ｔでフォーカスされ
るように形成されるのが望ましい。

【００１９】この実施形態では、上述のように、例え
ば、５ＭＨｚの超音波が２００Ｈｚの繰り返し周期でパ
ルス変調されており、断続的に超音波パルス（ＰＷ）が
照射されている。後述のロックインアンプ３２では５Ｍ
Ｈｚで同期検波が行われている。このように超音波パル
スが断続的に放射されている状況下において、上述のよ
うにレーザー光が照射され、超音波による変調成分が検
出される。ちなみに、送波される超音波としては、連続
波（ＣＷ）、周波数変調による連続波（ＦＭＣＷ）など
も考えられる。

【００２０】なお、光と超音波の伝搬速度を比較した場
合、光に対して超音波は停止しているものとみなすこと
ができる。このため、超音波の送波タイミングから光計
測までのタイミングを調整すれば、観測部位Ｔの深さを
制御することも可能である。例えば、超音波の送波タイ
ミングから一定時間間隔で光計測を行えば、深さ方向に
連続してサンプリングを行うことができる。この場合、
深さ方向の分解能を高めるためには、超音波の送信フォ
ーカスなどが重要となる。光計測を間欠的に行う場合、
レーザー装置２０と光検出器２４の動作を同時制御して
もよいが、光受光部１４のみを間欠的に動作させるよう
に制御してもよい。あるいは、光路上にシャッタなどを
設けることもできる。

【００２１】コントローラ２６は、本装置上の各構成の
動作内容を制御すると共に各動作のタイミング制御を行
っている。変調信号発生器２８は、超音波を変調するた
めのパルス変調信号を出力し、それが送信器３０に出力
されている。送信器３０は超音波振動子１６を励振する
ための駆動信号を出力する回路であり、上記のようにパ
ルス変調された５ＭＨｚの駆動信号を出力している。も
ちろん、超音波振動子１６がアレイ振動子で構成される
場合、送信器３０には各振動素子ごとに遅延器が設けら
れ、駆動信号の電子遅延制御がなされる。なお、送信器
３０からロックインアンプ３２にはリファレンス信号が
出力されている。

【００２２】光検出器２４では、上述のように、超音波
による変調成分がビート信号として検出され、その信号
はロックインアンプ３２へ送られ、そこで上記変調信号
に同期した増幅が実行される。これはノイズを排除して
目的とする変調成分のみを増幅するためである。なお、
他の同期検波方式を利用して、目的信号の抽出を行って
もよい。

【００２３】信号処理部３４は、ロックインアンプ３２
から出力された信号に基づいて、例えば観測部位におけ
る吸収係数（反射・吸収係数）の演算、それに基づく各
種演算などを行っている。二次元的に吸収係数が求めら
れるような場合、それを二次元画像として表現してもよ
い。信号処理部３４による処理結果は表示部３６へ送ら
れる。

【００２４】図２には、外部参照光を利用した比較例
と、本実施形態に係る内部参照光を利用した場合と、が
示されている。（Ａ）に示す比較例においては、レーザ
ー光２００がハーフミラー４０によって２つに分離さ
れ、一方のレーザー光２０２が光散乱媒体１０へ照射さ
れる。分離された他方のレーザ光２０４は外部参照光と
してミラー４２で反射され、ハーフミラー４６を介して
光検出器２４へ導かれる。光散乱媒体１０を透過したレ
ーザ光２０６はミラー４４上で反射し、さらにハーフミ
ラー４６上で反射して外部参照光２０４と共に光検出器
２４へ導かれる。これにより光干渉が生じ、ビート信号
が生成される。

【００２５】一方、（Ｂ）に示す本実施形態において
は、比較例よりもビーム径及び光検出器２４における受
光面積の拡大が図られており、そのような前提の下、光
散乱媒体１０にレーザ光１００が照射される。レーザ光
１００は光散乱媒体１０内において上述のように多重散
乱し、その一部が超音波ビームＢすなわち観測部位Ｔを
通過して光検出器２４で検出される。それが図において
符号１０２Ａで示されている。また、光散乱媒体１０内
においては超音波ビームＢを通過せずに光検出器２４で
検出される光成分も存在する。それが図において符号１
０２Ｂで示されている。このような２つの光成分１０２
Ａ，１０２Ｂが同時受光されると、上述のように光干渉
が生じ、その結果両者の周波数差に基づくビート信号が
生成される。光散乱媒体１０が薄いような場合、光ビー
ム軸上では、観測部位Ｔを通過した０次回折光成分を検
出できるが、そのような超音波による変調を受けていな
い光成分も内部参照光として位置づけられる。

【００２６】（Ａ）及び（Ｂ）の対比から明らかなよう
に、比較例及び本実施形態のいずれにおいてもビート信
号によって超音波との相互作用の検出を行う点では一致
しているが、比較例では外部参照光２０４が利用されて
いるのに対し、本実施形態では光散乱媒体１０の固有性
に基づく内部参照光１０２Ｂが利用されている点が異な
っている。

【００２７】本実施形態によれば、まず、比較例で示さ
れるような各種のミラーが不要となり、その結果、装置
の構成を簡略化できると共に、光路長の微妙な調整など
が不要になるという利点を得られる。また、実際の生体
の計測においては外部参照光２０４を生体外部で迂回さ
せる必要があり、そのような機構は採用困難であるのに
対し、本実施形態によれば特別な機構を要することなく
光計測を行うだけでビート信号を得られるという利点が
ある。ちなみに、図１において、目的とするビート信号
をより精度良く弁別するために、光検出器２４の後段に
例えばバンドパスフィルタなどを設けるのが望ましい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光散乱媒体の計測に当たって、超音波と光の相互作用を
容易にかつ精度良く計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光計測装置の好適な実施形態を
示す概念図である。

【図２】比較例及び本実施形態における参照光の作用
を示す説明図である。

【符号の説明】

１０光散乱媒体、１６超音波振動子、２０レーザ
ー装置、２４光検出器、２６コントローラ、２８
変調信号発生器、３０送信器、３２ロックインアン
プ、３４信号処理部、３６表示部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松中敏行東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号アロカ株式会社内Ｆターム(参考） 2F068 AA39 CC07 FF04 FF11 FF16 LL25 TT07 2G059 AA05 BB13 BB14 CC16 EE02 EE09 FF02 GG01 GG06 HH01 JJ30 KK01 KK02 LL01 MM01 PP04 4C301 AA10 BB12 BB23 BB24 CC03 DD01 DD11 EE15 GB02 GB27 GD13 HH04 HH23 HH26 HH37 HH60 JB27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光散乱媒体に対して光ビームを照射する
光照射手段と、前記光散乱媒体内の計測部位に対して、超音波ビームを
照射する超音波照射手段と、前記光散乱媒体から出射する散乱光を受光する手段であ
って、前記計測部位の通過によって前記超音波の作用を
受けた第１光成分とその第１光成分以外の内部参照光と
しての第２光成分とを相互干渉させつつ同時受光し、そ
の干渉結果を表す受光信号を出力する受光手段と、を含むことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】請求項１記載の装置において、前記超音波照射手段によって送波される超音波を変調す
るための変調手段と、前記受光手段からの出力信号を検波する検波手段と、を含むことを特徴とする光計測装置。