JP2004024855A - Optically excited acoustic wave detector and optically excited fluorescein detector suitable for measuring physical property of cartilage tissue - Google Patents

Optically excited acoustic wave detector and optically excited fluorescein detector suitable for measuring physical property of cartilage tissue Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detector capable of measuring physical properties of a biological tissue, especially a cartilage tissue, in a living body without destroying the tissue. <P>SOLUTION: The optically excited acoustic wave detector is obtained by combining: a laser beam generation source; a laser beam emitter whose one end is attached closely to the laser beam generation source and the other end of which contains an optical fiber for laser beam transmission having a laser beam emission surface; an acoustic wave detection and conversion means which has a detecting surface of an acoustic wave generated by exciting laser beams and converting the acoustic wave detected by the detecting surface to an electric signal; and an acoustic wave detector electrically connected with the conversion means. The laser beam emission surface of the optical fiber and the acoustic wave detection surface of the acoustic wave detection and conversion means are fixed to a tip end surface of a separately prepared supporting tool in a positional relation decided in advance. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟骨組織の物性測定に適した光励起音響波検出装置及び光励起蛍光検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膝などの関節には、関節にある骨と骨との摩擦を緩和し、そして関節に加わる衝撃を吸収する軟骨が存在する。軟骨は、関節の骨と骨との対向する面のそれぞれを覆うように形成されている。関節の骨と骨との結合部の周囲には、絶えず小量の滑液を分泌する滑膜が存在する。軟骨組織は、滑膜が分泌した滑液を吸収して表面が滑らかとなり、骨と骨との摩擦を緩和する。そして軟骨組織は、滑液を吸収して柔軟であるため、例えば、歩行の際に膝関節などに加わる衝撃を、軟骨が柔軟に形を変えることにより吸収する。
【０００３】
偏食、老化、関節の酷使などにより、軟骨組織を形成する軟骨基質（コラーゲンやプロテオグリカンなど）に変性あるいは分子鎖の切断が生じると、軟骨組織が滑液を吸収し難くなり、関節の骨と骨との摩擦もしくは関節に加わる衝撃によって関節に痛みを伴う変形性関節症が発症する。
【０００４】
変形性関節症の初期には、栄養バランスのよい食事や適度な運動により軟骨組織の機能を回復させたり、薬物の投与により軟骨組織を再生させたりする治療が行われる。このような治療により痛みなどの症状が改善されない場合には、内視鏡を用いた診断や治療が行われる。例えば、変形性関節症を発症した膝関節の場合には、膝の外部から関節内部に通ずる孔を数カ所開け、内視鏡と、診断用もしくは治療用の器具とを前記の孔から関節内部へと挿入して、内視鏡により軟骨組織を観察しながら、診断や治療が行われる。
【０００５】
軟骨組織が、正常な機能（関節の骨と骨との摩擦の緩和、あるいは関節に加わる衝撃の吸収）を有するかどうかは、軟骨組織の粘性率、弾性率、厚みもしくは組成などの物性測定により定量的に評価することが好ましい。ところが、従来の内視鏡を用いた診断において、軟骨組織の機能は、内視鏡による軟骨組織の外観観察あるいは診断用の器具により軟骨組織に触れた際の感触などにより定性的に評価されている。軟骨組織の機能は、軟骨組織の一部を摘出して、摘出された軟骨組織を病理組織学的に判断することにより定性的に評価される場合もある。
【０００６】
軟骨組織の機能の定量的な評価は、軟骨組織の一部を摘出し、粘弾性測定装置（例、レオメータ）などを用いた生体外での物性測定によりなされる場合もある。患者の軟骨組織の一部を摘出する（破壊する）ことは好ましくなく、軟骨組織の本来の機能を評価するための物性（特に、粘性率や弾性率などの力学特性）の測定は、殆どなされていないのが現状である。
【０００７】
一方、変形性関節症の治療のために、患者自身の健常部の軟骨組織（関節症を発症していない軟骨組織）を摘出し、これを生体外で育成（培養により増殖）して得られる軟骨組織を患部に移植する場合がある。このような移植用の軟骨組織も、その機能を評価するために物性測定することが必要である。前記と同様に、移植用の軟骨組織の場合も、育成した軟骨組織の一部を切り取って（破壊して）、病理組織学的評価や物性測定による評価がされている。
【０００８】
特許文献１には、軟骨組織に超音波を付与し、軟骨組織の表面において反射された超音波（超音波エコー）から、軟骨組織の力学特性を測定する装置が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３４５８２１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、生体内において、生体組織、特に軟骨組織の物性を、組織を破壊することなく測定できる装置を提供することにある。
本発明の目的はまた、生体外で育成した軟骨組織の物性を、軟骨組織を破壊することなく測定する方法を提供することにもある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、物性を測定するための検出部の生体内への挿入を容易とするために、検出部の小型化が可能な測定装置であること、物性測定により生体組織を破壊しないことなどを要件として、様々な物性測定装置の生体内への適用の可能性について検討した。その結果、光励起音響波検出装置の構成を工夫することにより、生体内での生体組織（特に、軟骨組織）の物性測定に適した、光励起音響波検出装置を提供できることを見出した。また、光励起音響波検出装置を用いることにより、生体外で育成した軟骨組織の粘性率、弾性率、厚みもしくは組成などの軟骨組織の機能の評価に必要な物性を、組織を破壊することなく測定できることを見出した。
【００１２】
本発明は、レーザ光発生源、そして一方の端部がレーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面を有し、検出面で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段、そして音響波検出変換手段に電気的に接続された音響波検出装置が組み合わされてなる光励起音響波検出装置であって、前記の光ファイバのレーザ光照射面と音響波検出変換手段の音響波検出面とが、別に用意された支持具の先端面に予め決められた位置関係にて固定されていることを特徴とする光励起音響波検出装置にある。
【００１３】
本発明の光励起音響波検出装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）支持具が筒状であって、光ファイバのレーザ光照射面と音響波検出変換手段の音響波検出面とが筒状支持具の先端面に固定され、そして光ファイバのレーザ光照射面に接続する部分と音響波検出変換手段とが筒状支持具に収容されている。
（２）音響波検出面が、前記支持具先端面に固定された光照射面を囲む環状の形状にある。
（３）音響波検出変換手段が圧電トランスデューサである。
【００１４】
（４）光ファイバに、レーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして分離手段に付設された蛍光検出手段が備えられている。
（５）光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段が備えられている。
（６）軟骨組織の物性測定用である。
【００１５】
本発明はまた、レーザ光発生源、そして一方の端部がレーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、光伝送用光ファイバに付設されたレーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして分離手段に付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置であって、前記の光ファイバのレーザ光照射面が、別に用意された支持具の先端面に固定されていることを特徴とする光励起蛍光検出装置にもある。
【００１６】
本発明はまた、レーザ光発生源、そして一方の端部がレーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、前記の光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置であって、前記の光ファイバのレーザ光照射面と光検出面とが、別に用意された支持具の先端面に固定されていることを特徴とする光励起蛍光検出装置にもある。
【００１７】
上記の二つの本発明の光励起蛍光検出装置は、軟骨組織の物性測定用であることが好ましい。
【００１８】
本発明はまた、レーザ光発生源、そして一方の端部がレーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面を有し、検出面で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段、そして音響波検出変換手段に電気的に接続された音響波検出装置が組み合わされてなる光励起音響波検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、軟骨組織にて発生する音響波を検出することによって、軟骨組織の物性を測定する方法にもある。
【００１９】
上記本発明の軟骨組織の物性測定方法の好ましい態様は、下記の通りである。（１）光ファイバのレーザ光照射面と音響波検出変換手段の検出面とを、軟骨組織を挟んで対向配置させる。
（２）前記の光ファイバに、レーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして分離手段に付設された蛍光検出手段が備えられている光励起音響波検出装置を用い、レーザ光の照射によって軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出することによって、軟骨組織の物性の測定を行なう。
（３）前記の光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段が備えられている光励起音響波検出装置を用い、レーザ光の照射によって軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出することによって、軟骨組織の物性の測定を行なう。
【００２０】
本発明はまた、レーザ光発生源、そして一方の端部がレーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、前記の光ファイバに付設されたレーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして分離手段に付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、軟骨組織にて発生する蛍光を検出することによって、軟骨組織の物性を測定する方法にもある。
【００２１】
本発明はまた、レーザ光発生源、そして一方の端部がレーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、前記の光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、軟骨組織にて発生する蛍光を検出することによって、軟骨組織の物性を測定する方法にもある。
【００２２】
本発明はまた、レーザ光発生源を含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面を有し、検出面で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段、そして音響波検出変換手段に電気的に接続された音響波検出装置が組み合わされてなる光励起音響波検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、軟骨組織にて発生する音響波を検出することによって、軟骨組織の物性を測定する方法にもある。
【００２３】
上記の（光伝送用光ファイバを用いない）本発明の軟骨組織の物性を測定する方法においては、レーザ光発生源と測定対象の軟骨組織との間に配置されたレーザ光とレーザ光の励起により発生する蛍光とを分離する分離手段、そして分離手段に付設された蛍光検出手段が備えられている光励起音響波検出装置を用い、レーザ光の照射によって軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出することによって、軟骨組織の物性の測定を行なうことが好ましい。
【００２４】
本発明はまた、レーザ光発生源を含むレーザ光照射装置、レーザ光とレーザ光の励起により発生する蛍光とを分離する分離手段、そして分離手段に付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、軟骨組織にて発生する蛍光を検出することによって、軟骨組織の物性を測定する方法にもある。
【００２５】
なお、本明細書において、「軟骨組織」には、生体外で育成（培養により増殖）した軟骨様組織が含まれる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の光励起音響波検出装置を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明に従う光励起音響波検出装置の一例の構成を示す図である。図２は、図１の光励起音響波検出装置の支持具とその内部の構造を示す一部切り欠き斜視図である。
【００２７】
図１と図２に示す光励起音響波検出装置は、レーザ光発生源１１、そして一方の端部がレーザ光発生源１１に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面１２を有するレーザ光伝送用光ファイバ１３を含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面１４を有し、検出面１４で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段１５、そして音響波検出変換手段１５に電気的に接続された音響波検出装置１６が組み合わされてなる光励起音響波検出装置である。音響波検出装置１６は、電気配線１７により音響波検出変換手段１５に電気的に接続されている。音響波検出装置１６には、音響波検出変換手段１５により変換された音響波に対応する電気信号の増幅出力手段１８を付設することもできる。このような構成の光励起音響波検出装置と、これを用いた生体外における皮膚組織の物性測定については、佐藤俊一等の研究報告（光学、第３０巻、第１０号、２００１年、６５８〜６６２頁）に詳しい記載がある。
【００２８】
本発明に従う光励起音響波検出装置は、さらに前記の光ファイバ１３のレーザ光照射面１２と、音響波検出変換手段１５の音響波検出面１４とが、別に用意された支持具１９の先端面に予め決められた位置関係にて固定されていることに特徴がある。図１に示すように、支持具１９は、生体内に挿入し易いように、筒状であることが好ましい。支持具１９が筒状である場合、光ファイバ１３のレーザ光照射面１２に接続する部分（光ファイバの一部）と、音響波検出変換手段１５とが、筒状の支持具に収容されていることが好ましい。支持具の生体内への挿入、特に内視鏡視下での生体組織の物性測定を考慮すると、支持具の外径は、１５ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。支持具の長さは、１００乃至８００ｍｍの範囲にあることが好ましく、１５０乃至５００ｍｍの範囲にあることがより好ましい。
【００２９】
支持具は、光ファイバ１３と音響波検出変換手段１５とを支持して、これらを生体内に挿入することができれば、特にその形状に制限はない。例えば、支持具は、細長い棒状であってもよい。支持具１９は、生体組織に無害である材料であれば、どのような材料から形成してもよい。支持具１９を形成する材料の例としては、鉄、銅、チタン、アルミニウムなどの金属、ステンレススチールなどの合金組成物、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂、ガラス、およびセラミックスなどが挙げられる。
【００３０】
図９は、図１の光励起音響波検出装置の支持具の別の構成例と、その内部の構造を示す図である。図９の支持具９９の先端面には、光ファイバ１３のレーザ光照射面１２と、音響波検出変換手段９５の音響波検出面９４とが固定されている。図９に示すように、音響波検出面９４は、支持具９９の先端面に固定された光照射面１２を囲む環状の形状にあることが好ましい。音響波検出面９４を環状の形状とすることにより、軟骨組織にて発生する音響波の検出感度を高くすることができる。
【００３１】
生体内での生体組織の物性の測定に、光励起音響波検出装置を用いる主な理由を、以下に記載する。
【００３２】
（１）光励起音響波検出装置は、測定対象の材料にレーザ光を照射し、このレーザ光の励起により材料にて発生する音響波を検出することにより、測定対象の材料の物性を測定する装置である。光励起音響波検出装置による物性測定に用いるレーザ光は、光ファイバを用いることにより生体内に導入し易い。そして、レーザ光の励起により発生する音響波を検出して電気信号に変換する音響波検出変換手段として、小型化が可能な圧電トランスデューサなどを用いることができる。従って、物性測定の際に測定対象である生体組織に近接して配置する必要がある装置の検出部（生体内に挿入するレーザ光照射面を含む光ファイバの一部と音響波検出変換手段）の小型化や一体化が可能であり、さらに支持具を用いることにより検出部の生体内への挿入を容易とすることができる。
【００３３】
（２）光励起音響波検出装置は、生体組織に照射するレーザ光の強度を調節することにより、生体組織を破壊することなく、その物性を測定できること。
【００３４】
（３）光を用いた様々な原理に基づく物性測定ができるように、光励起音響波検出装置の多機能化が可能であること。例えば、生体組織にレーザ光を照射した場合に、生体組織にて発生する蛍光を検出することにより、生体組織の組成や組成変化を測定することができる。このような蛍光の検出を、光励起音響波検出装置に導入することが可能である。また、光励起音響波検出装置を、生体組織に光を照射した場合に、生体組織にて発生する赤外光、散乱光、反射光、散乱光、あるいは散乱光の第二高調波を検出して生体組織の物性を測定するように多機能化することも可能である。
【００３５】
（４）光励起音響波検出装置により、軟骨組織の機能を評価するために必要な、軟骨組織の粘性率、弾性率、そして厚みの測定が可能であること。
【００３６】
レーザ光の照射（レーザ光による励起）により軟骨組織の表面（もしくは表面近傍）にて発生した音響波は、徐々にその強度を減衰させながら、軟骨組織を伝搬していく。この音響波の波形（具体的には、音響波の強度の時間に対する変化）から、音響波の伝搬媒体の粘性率と弾性率の比に相関のある緩和時間を得ることができる。粘性率と弾性率の比に相関のある音響波の緩和時間については、多くの文献（例えば、超音波便覧（丸善株式会社、１９９９年、２４４頁）に記載がある。なお、弾性率は「貯蔵弾性率」と、粘性率は「損失弾性率」と呼ばれる場合がある。
【００３７】
また、音響波（超音波）を物体に入射して、そしてこの物体に反射された音響波から、前記物体の弾性率の絶対値を測定する方法は既に知られている。同様の原理により、本発明においても、軟骨組織（前記の物体に対応する）の弾性率の絶対値を測定することができる。具体的には、軟骨組織の表面から離れた部位（例、軟骨組織の周囲に存在する関節液）にレーザ光を吸収させることにより音響波を発生させ、そして軟骨組織の表面にて反射された前記の音響波から、同様に軟骨組織の弾性率の絶対値を測定することができる。
【００３８】
そして、測定された弾性率の絶対値と、前記の粘性率と弾性率の比に相関のある緩和時間とから、軟骨組織の粘性率の絶対値を得ることもできる。
【００３９】
また、レーザ光の照射により軟骨組織の表面（もしくは表面近傍）にて発生した音響波は、軟骨組織の内部へと伝搬する。音響波は、軟骨の下にある軟骨下骨の表面（軟骨と軟骨下骨の界面）において反射され、軟骨組織の表面に到達する。従って、音響波検出装置で得られる音響波に対応する電気信号の波形における、軟骨組織の表面（もしくは表面近傍）での音響波の発生から、音響波が軟骨下骨の表面において反射され、軟骨組織の表面に到達するまでの時間を検出し、この時間と音響波の音速とを用いることにより、軟骨組織の厚みを得ることができる。軟骨組織の厚みの測定原理は、超音波式の厚み計と同様の原理である。なお、音響波は、圧力波あるいは応力波と呼ばれる場合もある。
【００４０】
上記のように、軟骨組織の粘性率、弾性率、もしくは厚みは、具体的な数値として得ることもできるが、正常な軟骨組織と、変形性関節症を発症後の軟骨組織とのそれぞれに対応する音響波に基づく電気信号の波形を基準波形として予め用意しておき、これらの基準波形と患者の軟骨組織の物性測定で得られた波形とを比較して、軟骨組織（他の生体組織も同様）の機能を評価することもできる。同様に、軟骨組織の組成についても基準となる蛍光検出結果を予め用意しておき、これと患者の軟骨組織の物性測定で得られた蛍光検出結果とを比較して、軟骨組織の機能を評価することもできる。
【００４１】
上記のようにして得られた軟骨組織の物性値（粘性率や弾性率など）は、その値が正常な軟骨組織に対してどの程度の大きさであるかを、視覚的に容易に判断することができる方法により表示することが好ましい。
【００４２】
例えば、測定された物性値が、正常な軟骨組織の物性値とほぼ等しい値である場合には測定値を青色で表示し、正常な軟骨組織の物性値との差が大きくなるにつれ、測定値を赤色に近い色で表示することなどが好ましい。また、軟骨組織の物性値を、軟骨組織の表面に沿った二次元方向において測定した場合には、測定された物性値を、二次元方向に対応する疑似カラー画像として表示することなども好ましい。
【００４３】
レーザ光発生源１１は、パルスレーザを発生することが好ましい。レーザ光発生源１１の例としては、エキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）レーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、および光パラメトリック発振器が挙げられる。レーザ光発生源は、連続的にレーザ光を発生するレーザ光発生源と、発生したレーザ光をパルス状のレーザ光に変換するチョッパや光シャッタリング装置などの装置とが組み合わされた構成を有していてもよい。図１に示すレーザ光発生源１１には、レーザ光発生源から発生したレーザ光２０を光ファイバ１３へ入射するためのレンズ２１が備えられている。
【００４４】
軟骨組織の物性を測定する場合には、軟骨組織、例えば、軟骨組織のコラーゲン、あるいは水分などに吸収され易い波長のレーザ光を、軟骨組織に照射することが好ましい。
【００４５】
軟骨組織のコラーゲンにレーザ光を効率良く吸収させる場合には、軟骨組織に、波長が１００ｎｍ以上、７００ｎｍ未満のレーザ光を照射することが好ましく、波長が１００ｎｍ以上、５００ｎｍ未満のレーザ光を照射することがさらに好ましい。このような短波長のレーザ光としては、エキシマレーザにより発生したレーザ光、あるいはＹＡＧレーザにより発生したレーザ光の第三高調波、第四高調波、もしくは第五高調波などを用いることができる。
【００４６】
軟骨組織の水分にレーザ光を効率良く吸収させる場合には、軟骨組織に、波長が２乃至３μｍのレーザ光を照射することが好ましい。このような長波長のレーザ光としては、Ｈｏ：ＹＡＧレーザにより発生したレーザ光（波長：２．１μｍ）、あるいはＥｒ：ＹＡＧレーザにより発生したレーザ光（波長：２．９μｍ）などを用いることができる。
【００４７】
軟骨組織に照射するレーザ光は、その波長や強度（エネルギー）を、軟骨組織の軟骨細胞の増殖活性に影響を及ぼさない条件に設定することが好ましい。
【００４８】
音響波検出変換手段１５としては、音響波を検出して電気信号に変換する公知のトランスデューサを用いることができる。音響波検出変換手段の例としては、マイクロホン、圧電トランスデューサなどが挙げられる。小型化が容易であること、音響波の検出感度が高いことなどから、圧電トランスデューサを用いることが好ましい。圧電トラスデューサの例としては、圧電セラミックトランスデューサ、および圧電高分子トランスデューサが挙げられる。圧電トランスデューサとしては、圧電高分子トランスデューサを用いることが好ましい。圧電高分子トランスデューサに用いる圧電高分子材料の例としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、Ｐ（ＶｄＦ／ＴｒＦＥ）（フッ化ビニリデン／三フッ化エチレン共重合体）が挙げられる。図２に示す音響波検出変換手段１５としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）フイルムを用いた圧電高分子トランスデューサが用いられている。
【００４９】
音響波検出変換手段１５に電気的に接続された音響波検出装置１６としては、従来より光励起音響波検出装置に用いられている装置を用いることができる。前記のように、軟骨組織の物性（粘性、弾性もしくは厚み）は、音響波検出変換手段１５により変換された音響波に対応する電気信号の波形から得ることができる。音響波検出装置１６は、電気信号の波形を表示するか、あるいは電気信号を処理して前記の物性に関する情報を表示する装置を用いることができる。図１に示す音響波検出装置１６としては、市販のオシロスコープが用いられている。
【００５０】
音響波検出装置１６には、音響波検出変換手段１５により変換された電気信号を増幅する電気信号増幅出力手段１８を付設することができる。図１に示す電気信号増幅出力手段１８としては、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）アンプを用いた。また、音響波検出装置（オシロスコープ）１６には、検出される電気信号の波形と、レーザ光発生源１１が発生するパルスレーザの波形とを同期させるために、バイプラナー光電管２２が付設されている。バイプラナー光電管に代え、公知の光検出器（例えば、フォトダイオードなど）を用いることもできる。光検出器の応答時間は、レーザ光発生源にて発生するパルスレーザのパルス幅より短いことが好ましい。
【００５１】
図３は、本発明に従う光励起音響波検出装置の別の一例の構成を示す図である。図３の光音響波検出装置の構成は、光ファイバ１３にレーザ光と蛍光とを分離する分離手段３１、そして分離手段に接続している蛍光検出手段３２が付設されていること以外は、図１の光励起音響波検出装置と同様である。
【００５２】
レーザ光照射装置により測定対象の材料（本発明においては、生体組織）にレーザ光を照射すると、レーザ光の励起により測定対象の材料にて蛍光を生ずる場合がある。このような蛍光を検出して、測定対象の材料の組成もしくは組成の変化を測定する方法は、レーザ誘起蛍光分光（ＬＩＦ：Ｌａｓｅｒ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法として、一般に知られている。本発明においては、生体内における生体組織の物性測定に光励起音響波検出装置を用いるために、装置が備える光ファイバ１３を用いて、レーザ光の励起により生体組織から発生する蛍光を、生体外に取り出すことができる。得られた蛍光３３を、蛍光検出手段３２により検出することにより、生体組織の組成もしくは組成の変化も測定することができる。
【００５３】
蛍光検出手段３２の例としては、ポリクロメータなどの分光器、電荷結合素子（ＣＣＤ）が備えられたオプティカルマルチチャンネルアナライザが挙げられる。蛍光を蛍光検出手段３２に導くために、光ファイバに１３には、レーザ光と蛍光３３とを分離する分離手段３１が備えられている。分離手段３１の例としては、ハーフミラーや、特定の波長を選択的に反射する誘電体多層膜ミラーなどが挙げられる。分離手段３１は、レーザ光発生源１１とレンズ２１との間に配置することもできる。
【００５４】
図４は、本発明に従う光励起蛍光検出装置の一例を示す図である。図４の光励起蛍光検出装置の構成は、音響波を検出しない構成（音響波検出変換手段と音響波検出装置を用いない構成）であること以外は、図３の光励起音響波検出装置と同様である。生体組織の力学特性など（粘性率、弾性率もしくは厚み）を知る必要がない場合には、このような簡易な構成により生体組織の組成を測定することができる。
【００５５】
図５は、本発明に従う光励起蛍光検出装置の別の一例の構成を示す図である。図５の光励起蛍光検出装置の構成は、レーザ光伝送用光ファイバ１３のレーザ光照射面１２に近接配置された光検出面５２を一方の端部に有する光検出用光ファイバ５３を有し、そして光検出用光ファイバ５３に蛍光検出手段３２が付設されていること以外は、図４の光励起蛍光検出装置と同様である。図５の光励起蛍光検出装置において、レーザ光伝送用光ファイバ１３のレーザ光照射面１２と、光検出用光ファイバ５３の光検出面５２とは、支持具１９の先端面に固定される。
【００５６】
光検出用光ファイバ５３により、レーザ光の励起により生体組織から発生した蛍光を、蛍光検出手段３２に導くことにより、図４の光励起蛍光検出装置が有する分離手段を不要とすることができる。同様に、図３の光励起音響波検出装置の場合も、光検出用光ファイバを付設することにより、分離手段を不要とすることができる。
【００５７】
本発明の光励起音響波検出装置と光励起蛍光検出装置は、生体内における軟骨組織の物性測定に（特に、内視鏡視下での軟骨組織の診断に）好ましく用いることができるが、軟骨組織以外の生体組織の物性測定にも用いることが可能である。この場合には、測定対象の生体組織にレーザ光が吸収され、音響波や蛍光が発生し易いレーザ光の波長を適宜設定することができる。
【００５８】
また、変形性関節症などの治療の際に用いる、生体外で育成した移植用の軟骨組織の物性を測定する場合には、光励起音響波検出装置もしくは光励起蛍光検出装置には、必ずしも支持具が備えられている必要はない。生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、軟骨組織にて発生する音響波もしくは蛍光を上記の場合と同様にして検出することにより、移植用の軟骨組織の物性（粘性率、弾性率、厚みもしくは組成）を非破壊で測定して、移植用の軟骨組織の機能を評価（品質の管理）することができる。なお、生体外で軟骨組織の物性を測定する場合には、音響波検出手段は、軟骨組織のレーザ光が照射される面とは逆側の面に配置することもできる。
【００５９】
図６は、軟骨組織に直接レーザ光を照射して、軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出することによって、軟骨組織の物性を測定する方法の一例を説明する図である。図６の光励起音響波検出装置は、レーザ光発生源１１を含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面１４を有し、検出面１４で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段１５、そして変換手段１５に電気的に接続された音響波検出装置１６が組み合わされてなる光励起音響波検出装置である。
【００６０】
図６に示すように、生体外で育成した軟骨組織の物性を測定する場合には、レーザ光発生源のレーザ光２０を、（レーザ光伝送用ファイバを用いずに）軟骨組織６１に直接照射することもできる。光ファイバを用いずに、レーザ光照射装置のレーザ光を測定対象の材料に直接照射することは、従来の光励起音響波検出装置（例えば、光音響顕微鏡など）において知られている。
【００６１】
さらに、図６の光励起音響波検出装置には、レーザ光発生源１１と測定対象の軟骨組織６１との間に配置されたレーザ光とレーザ光の励起により発生する蛍光とを分離する分離手段３１、そして分離手段３１に付設された蛍光検出手段３２が備えられている。分離手段３１は、レーザ光発生源１１とレンズ２１との間に配置することもできる。図６の光励起音響波検出装置により、軟骨組織６１にレーザ光２０を照射し、レーザー光の励起により軟骨組織にて発生する音響波と蛍光を検出することにより、軟骨組織の物性を測定することができる。
【００６２】
レーザ光２０の励起により軟骨組織６１にて発生する音響波のみを検出する場合（軟骨組織の粘性、弾性もしくは厚みを測定する場合）には、分離手段３１及び蛍光検出手段３２を付設する必要はない。また、レーザ光２０の励起により軟骨組織６１にて発生する蛍光３３のみを検出する場合（軟骨組織の組成もしくは組成変化を測定する場合）には、音響波検出変換手段１５、電気信号増幅出力手段１８及び音響波検出装置１６を付設する必要はない。
【００６３】
生体外で育成した軟骨組織の物性を測定する場合、複数の軟骨組織の物性を同時に（もしくは順番に）測定することもできる。この場合、レーザ光発生源のレーザ光を各軟骨組織に照射するための光伝送用光ファイバ複数本と、各軟骨組織から発生する音響波を検出するための音響波検出変換手段及び音響波検出装置を付設すればよい。また、レーザ光発生源のレーザ光を各軟骨組織に直接照射する場合には、レーザ光を各軟骨組織に収束させるためのマイクロレンズ複数個と、各軟骨組織から発生する音響波を検出するための音響波検出変換手段及び音響波検出装置を付設すればよい。なお、レーザ光の励起により軟骨組織にて発生する音響波と蛍光を検出する場合、蛍光のみを検出する場合も、同様にして、複数の軟骨組織の物性を同時に（もしくは順番に）測定することができる。
【００６４】
図１０は、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射して、軟骨組織にて発生する音響波を検出することによって、軟骨組織の物性を測定する方法を説明する図である。図１０は、本発明の方法の実施に好ましく用いることのできる光励起音響波検出装置の構成例を示している。図１０の光励起音響波検出装置の構成は、レーザ光発生源１１にて発生したレーザ光２０を、光ファイバ１３を用いて軟骨組織６１に照射すること、レーザ光の照射により軟骨組織にて発生する蛍光を検出しないこと（分離手段及び蛍光検出手段を付設しないこと）以外は、図６の装置と同様である。
【００６５】
図１０の光励起音響波検出装置においては、軟骨組織６１にて発生した音響波を、軟骨組織のレーザ光照射面とは逆の側の面に配置された音響波検出変換手段１５により検出する。図１０に示すように、光ファイバ１３のレーザ光照射面１２と音響波検出変換手段１５の音響波の検出面１４とは、軟骨組織６１を挟んで対向配置されている。
【００６６】
図１０の光励起音響波検出装置のレーザ光発生源１１にて発生したレーザ光を、生体外で育成した軟骨組織６１に照射して、そして軟骨組織にて発生する音響波を音響波検出変換手段１５にて検出することにより、軟骨組織の物性を測定することができる。
【００６７】
以上のように、レーザ光の照射により軟骨組織にて発生する音響波を検出する場合、音響波を、軟骨組織のレーザ光照射面にて検出することもできるし、軟骨組織のレーザ光照射面とは逆の側の面にて検出することもできる。以下、音響波を軟骨組織のレーザ光照射面にて検出する方法を反射法と、音響波を軟骨組織のレーザ光照射面とは逆の側の面にて検出する方法を透過法と記載する。
【００６８】
図１１は、透過法により検出された音響波に対応する電気信号の波形を示す図である。図１１の波形図において、横軸は軟骨組織にパルス状のレーザ光を照射した後の時間を示している。即ち、横軸の時間が０μ秒の時間にて、軟骨組織にレーザ光が照射されたことを意味する。縦軸は音響波検出変換手段にて検出された音響波に対応する電気信号の電圧値を示す。
【００６９】
パルス状のレーザ光の照射により軟骨組織にて発生した音響波は、軟骨組織のレーザ光照射面から軟骨組織内部を減衰しながら伝わり、そして軟骨組織の音響波検出変換手段を配置した面に到達する。この音響波が音響波検出変換手段にて検出されて、図１１の電気信号の波形におけるピークＰ１　を生じる。次いで音響波は、軟骨組織の音響波検出変換手段を配置した面、そしてレーザ光照射面にて反射を繰り返しながら軟骨組織の内部を伝わり、図１１の電気信号の波形におけるピークＰ２　、Ｐ３　、そしてＰ４　を生じる。前記のように、これらの電気信号のピークの間隔（時間）と音響波の音速とから、軟骨組織の厚みを得ることができる。
【００７０】
透過法の場合、緩和時間τは、例えば、前記の電気信号の波形のピークに、指数関数曲線１１１（ｅｘｐ（−ｔ／τ））をフィッティングさせた場合のτの値から決定することができる。
【００７１】
図１２は、反射法により検出された音響波に対応する電気信号の波形を示す図である。図１２の電気信号の波形において、ピークＰ０　は、パルス状のレーザ光の照射により軟骨組織の表面（もしくは表面近傍）にて発生した音響波が、軟骨組織のレーザ光照射面に沿って伝わって音響波検出変換手段に到達した際に生ずるピークである。
【００７２】
反射法の場合、緩和時間τは、上記のピークＰ０　（レーザ光照射面に沿って伝わる音響波により生じたピーク）を除くピークに、前記と同様に指数関数曲線１２１をフィッティングさせることにより決定することができる。
【００７３】
【実施例】
［比較例１］
ウサギから軟骨組織を摘出し、軟骨細胞を単離して培養、増殖させて、軟骨組織（正確には、完全な軟骨組織を形成していないため、軟骨様組織と呼ばれている）を育成した。育成中の軟骨組織の一部を切り取り（軟骨組織を破壊して）、レオメータを用いて粘弾性測定をした。図７に、測定結果を示す。図７のグラフにおいて、横軸は軟骨組織の培養期間（週）を、そして縦軸はレオメータにより測定された位相角の逆数（１／ｔａｎδ）を示している。（１／ｔａｎδ）の値は、弾性率と粘性率の比（弾性率／粘性率）に比例する。なお、測定値（１／ｔａｎδ）は、培養期間が三週の軟骨細胞における測定値を基準に規格化した。
【００７４】
そして前記のウサギから摘出された正常な軟骨組織を、レオメータを用いて同様に粘弾性測定した。その結果、測定値（１／ｔａｎδ）を前記と同様にして規格化したところ、その値は約０．５８であった。すなわち、培養した軟骨組織は、培養期間が長くなるにつれ、その粘弾性が正常軟骨に近付いていることがわかる。また、培養した軟骨組織に含まれるコラーゲンの量を、コラーゲンアッセイ法により測定した。その結果、培養した軟骨組織は、培養期間が長くなるにつれてコラーゲンの含有量が増加して、正常な軟骨組織に近付いていることが確認できた。
【００７５】
この様にして、レオメータによる粘弾性測定の結果から、培養した軟骨組織の機能が評価できることを確認した。
【００７６】
［実施例１］
レーザ光発生源として光パラメトリック発振器、レーザ伝送用光ファイバとして石英ファイバ（コア径６００μｍ、長さ１ｍ）、音響波検出変換手段として直径が４ｍｍのＰ（ＶｄＦ／ＴｒＦＥ）フィルムを用いた圧電高分子トランスデューサ（クレハ（株）製）、電気的増幅出力手段としてＦＥＴアンプ、そして音響波検出装置としてデジタルオシロスコープを用いて、光励起音響波検出装置を構成した。
【００７７】
光励起音響波検出装置を用いて、比較例１で育成した軟骨組織に波長２５０ｎｍのパルス状のレーザ光を照射し、レーザ光の励起により軟骨組織から発生する音響波を検出した。レーザ光のパルスエネルギは、５０μＪに設定した。音響波は、圧電高分子トランスデューサにより検出されて、電気信号に変換される。オシロスコープで観測された音響波と対応する電気信号の波形に、前記と同様に指数関数曲線（ｅｘｐ（−ｔ／τ））をフィッティングさせて音響波の緩和時間τを求めた。緩和時間は、弾性率と粘性率の比（弾性率／粘性率）に比例する。図７に、電気信号の波形から求めた音響波の緩和時間を示す。緩和時間の測定値は、培養期間が三週の軟骨細胞における測定値を基準に規格化した。
【００７８】
図７に示すように、レオメータによる測定結果と、光励起音響波検出装置による測定結果とは、ほぼ同様の傾向を示すことがわかる。従って、光励起音響波検出装置を用いて、軟骨組織にて発生する音響波を検出することにより、生体外で育成した軟骨組織の物性（粘弾性）を、非破壊で測定できることがわかる。
【００７９】
また、オシロスコープにおいては、軟骨組織の表面と底面で音響波が繰り返し反射されるため、電気信号のピークが周期的に観測される。そして、育成した軟骨組織の厚さに対応して、電気信号の周期（電気信号のピークとピークの間隔）が変化することも確認した。従って、光励起音響波検出装置により検出された軟骨組織にて発生する音響波に対応する電気信号の波形と、音響波の音速とを用いて、生体外で育成した軟骨組織の厚みを測定できることがわかる。
【００８０】
［実施例２］
外径８ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレス製の円筒状支持具を用意した。実施例１で用いた光励起音響波検出装置の、光ファイバのレーザ光照射面（光ファイバの一方の端部）と圧電高分子トランスデューサの音響波検出面とを、円筒状支持具の先端面に固定し、レーザ光照射面に接続する光ファイバの一部と光音響波検出変換手段を筒状支持具の内部に収容した。この様にして、図１の光励起音響波検出装置を作製した。支持具を用いることにより、生体内での生体組織の物性を非破壊で測定することが可能となる。例えば、生体内で、膝関節の軟骨組織の物性を測定する場合、膝の外部から関節内部に通ずる孔を一ヶ所あるいは二ヶ所以上開け、内視鏡と、円筒状支持具とを前記の孔から関節内部に挿入する。そして、実施例１と同様にして軟骨組織の物性測定をすることにより、軟骨組織を摘出（破壊）することなく、生体内において軟骨組織の物性（粘弾性）を測定することができる。
【００８１】
［実施例３］
レーザ光発生源として光パラメトリック発振器、レーザ伝送用光ファイバとして石英ファイバ（コア径６００μｍ、長さ１ｍ）、分離手段としてハーフミラー、そして蛍光検出手段としてポリクロメータを用いて、光励起蛍光検出装置を構成した。次に、実施例２で用いた円筒状支持具の先端面に、光ファイバのレーザ光照射面（光ファイバの一方の端部）を固定することにより、図４に示す光励起蛍光検出装置を作製した。
【００８２】
次に、ブタのひざ関節から軟骨組織を摘出し、酵素処理（６時間、２４時間）して軟骨組織を変性させた。酵素としては、トリプシンを用いた。作製した光励起蛍光検出装置を用いて、摘出直後の酵素処理前の軟骨組織と、酵素処理後の軟骨組織のそれぞれについて、軟骨組織にレーザ光を照射し、レーザ光の励起により軟骨組織から発生する蛍光をポリクロメータにより検出した。ポリクロメータで得られた蛍光スペクトルを、図８に示す。
【００８３】
図８において、蛍光スペクトル８１が酵素処理前の軟骨組織、蛍光スペクトル８２が６時間酵素処理した軟骨組織、蛍光スペクトル８３が２４時間酵素処理した軟骨組織についてのスペクトルを示している。測定された各蛍光スペクトルには、二つのピークが存在する。図８においては、３９０ｎｍ付近に存在するピークを基準として規格化して、酵素処理前後の蛍光スペクトルを重ねて記載した。波長３９０ｎｍ付近に現れたピークは、軟骨組織を形成するコラーゲンに由来するピークであることがわかっている。
【００８４】
図８の蛍光スペクトルから、酵素処理により軟骨組織が柔らかい状態となると、波長３２０〜３３０ｎｍ付近に存在するピークの、強度やピークが現れる位置が変化していくことが分かる。波長３２０〜３３０ｎｍ付近に現れるピークは、これまでの所、軟骨を形成するどの成分に由来するかはわかっていないが、軟骨を形成する成分が分解もしくは変性していることが判断できる。
【００８５】
従って、光励起蛍光検出装置を用いて、軟骨組織にて発生する蛍光を検出することにより、生体外で育成した軟骨組織の物性（組成もしくは組成の変化）を、非破壊で測定できることがわかる。なお、前記と同様に、生体外で軟骨組織の物性を測定する場合には、支持具を用いなくてもよい。そして、支持具が備えられた光励起蛍光検出装置により、生体内での生体組織の物性を非破壊で測定することが可能となる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の光励起音響波検出装置により、生体内において、生体組織、特に軟骨組織の物性を、組織を破壊することなく測定できる。また、本発明の軟骨組織の物性測定方法により、生体外で育成した軟骨組織の物性を、組織を破壊することなく測定できる。そして本発明は、培養した軟骨組織の物性と、そしてこの軟骨組織の生体内移植後の物性とを測定することにより、軟骨組織の機能を一貫して評価することができるため、特に再生医療の分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う光励起音響波検出装置の一例の構成を示す図である。
【図２】図１の光励起音響波検出装置の支持具とその内部の構造を示す一部切り欠き斜視図である。
【図３】本発明に従う光励起音響波検出装置の別の一例の構成を示す図である。
【図４】本発明に従う光励起蛍光検出装置の一例の構成を示す図である。
【図５】本発明に従う光励起蛍光検出装置の別の一例の構成を示す図である。
【図６】軟骨組織に直接レーザ光を照射して、軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出する本発明の軟骨組織の物性を測定する方法の一例を説明する図である。
【図７】生体外で育成した軟骨組織の粘弾性測定結果を示す図である。
【図８】軟骨組織にて発生する蛍光の蛍光スペクトルの測定結果を示す図である。
【図９】図１の光励起音響波検出装置の支持具の別の構成例と、その内部の構造を示す一部切り欠き斜視図である。
【図１０】軟骨組織にて発生する音響波を検出することによる、本発明に従う軟骨組織の物性の測定方法について説明する図である。
【図１１】透過法により検出された音響波に対応する電気信号の波形を示す図である。
【図１２】反射法により検出された音響波に対応する電気信号の波形を示す図である。
【符号の説明】
１１　レーザ光発生源
１２　レーザ光照射面
１３　レーザ光伝送用光ファイバ
１４　音響波検出面
１５　音響波検出変換手段
１６　音響波検出装置
１７　電気配線
１８　電気信号増幅出力手段
１９　支持具
２０　レーザ光
２１　レンズ
２２　バイプラナー光電管
２３　光照射面固定具
３１　分離手段
３２　蛍光検出手段
３３　蛍光
５２　光検出面
５３　光検出用光ファイバ
６１　生体外で育成した軟骨組織
８１、８２、８３　蛍光スペクトル
９４　環状の音響波検出面
９５　音響波検出変換手段
９９　支持具
１１１、１２１　指数関数曲線
Ｐ０〜Ｐ４　音響波に対応する電気信号の波形のピーク[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoexcitation acoustic wave detection device and a photoexcitation fluorescence detection device suitable for measuring the properties of cartilage tissue.
[0002]
[Prior art]
In joints such as knees, there is cartilage that reduces friction between bones in the joints and absorbs shock applied to the joints. The cartilage is formed to cover each of the opposing surfaces of the joint bone. The synovium, which constantly secretes a small amount of synovial fluid, is present around the joints of the joint bones. The cartilage tissue absorbs the synovial fluid secreted by the synovium, smoothens the surface, and reduces friction between the bones. Since the cartilage tissue is soft by absorbing synovial fluid, for example, the impact applied to the knee joint or the like during walking is absorbed by the cartilage being flexibly changed in shape.
[0003]
If the cartilage matrix (such as collagen or proteoglycan) that forms cartilage tissue is degenerated or its molecular chains are broken due to uneven eating, aging, or overuse of joints, it becomes difficult for the cartilage tissue to absorb synovial fluid, and joint bone and bone Osteoarthritis with pain in the joints develops due to friction with the body or impact applied to the joints.
[0004]
In the early stage of osteoarthritis, treatment is performed to restore the function of cartilage tissue by a nutritionally balanced diet or moderate exercise, or to regenerate cartilage tissue by administration of a drug. When symptoms such as pain are not improved by such treatment, diagnosis and treatment using an endoscope are performed. For example, in the case of a knee joint that has developed osteoarthritis, several holes are opened from the outside of the knee to the inside of the joint, and an endoscope and a diagnostic or therapeutic instrument are inserted into the joint from the hole. And diagnose and treat while observing the cartilage tissue with an endoscope.
[0005]
Whether cartilage tissue has a normal function (reducing friction between joint bone and bone, or absorbing shock applied to the joint) can be determined by measuring physical properties such as viscosity, elasticity, thickness, or composition of cartilage tissue. It is preferable to evaluate quantitatively. However, in the diagnosis using a conventional endoscope, the function of the cartilage tissue is qualitatively evaluated by observing the appearance of the cartilage tissue with an endoscope or touching the cartilage tissue with a diagnostic instrument. I have. In some cases, the function of cartilage tissue is qualitatively evaluated by extracting a part of the cartilage tissue and judging the extracted cartilage tissue histopathologically.
[0006]
Quantitative evaluation of the function of cartilage tissue may be performed by extracting a part of the cartilage tissue and measuring physical properties in vitro using a viscoelasticity measuring device (eg, rheometer) or the like. It is not preferable to remove (destruct) a part of the cartilage tissue of a patient, and most of the physical properties (particularly, mechanical properties such as viscosity and elasticity) are measured for evaluating the original function of the cartilage tissue. Not yet.
[0007]
On the other hand, for the treatment of osteoarthritis, the cartilage tissue of the patient's own healthy part (cartilage tissue not having arthropathy) is extracted and grown in vitro (grown by culture). Cartilage tissue may be implanted in the affected area. It is necessary to measure physical properties of such cartilage tissue for transplantation in order to evaluate its function. In the same manner as described above, in the case of a cartilage tissue for transplantation, a part of the cartilage tissue that has been grown is cut out (destructed) and evaluated by histopathological evaluation and physical property measurement.
[0008]
Patent Literature 1 discloses an apparatus that applies ultrasonic waves to cartilage tissue and measures mechanical characteristics of the cartilage tissue from ultrasonic waves (ultrasonic echoes) reflected on the surface of the cartilage tissue.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-345821
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an apparatus capable of measuring the physical properties of a living tissue, particularly a cartilage tissue, in a living body without destroying the tissue.
Another object of the present invention is to provide a method for measuring the physical properties of cartilage tissue grown in vitro without destroying the cartilage tissue.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has proposed a measuring device capable of reducing the size of a detecting unit in order to facilitate insertion of a detecting unit for measuring physical properties into a living body, and not to destroy a biological tissue by measuring physical properties. With the requirement as a requirement, the possibility of applying various physical property measuring devices to the living body was examined. As a result, they have found that by devising the configuration of the photoexcitation acoustic wave detection device, it is possible to provide a photoexcitation acoustic wave detection device suitable for measuring the physical properties of a living tissue (in particular, cartilage tissue) in a living body. In addition, by using a photo-excited acoustic wave detector, the physical properties required for evaluating the function of cartilage tissue, such as viscosity, elasticity, thickness, or composition, of cartilage tissue grown in vitro can be measured without destroying the tissue. I found what I can do.
[0012]
The present invention relates to a laser light source, a laser light irradiation device including a laser light transmission optical fiber having one end close to the laser light generation source and having a laser light irradiation surface at the other end, and a laser light. Acoustic wave detecting and converting means for detecting an acoustic wave generated by the excitation of the acoustic wave, converting the acoustic wave detected by the detecting surface into an electric signal, and acoustic wave detecting electrically connected to the acoustic wave detecting and converting means An optically-excited acoustic wave detection device in which the devices are combined, wherein the laser light irradiation surface of the optical fiber and the acoustic wave detection surface of the acoustic wave detection conversion means are predetermined on the distal end surface of a separately prepared support. The photo-excited acoustic wave detection device is characterized by being fixed in a specified positional relationship.
[0013]
Preferred embodiments of the photoexcitation acoustic wave detection device of the present invention are as follows.
(1) The support is cylindrical, the laser light irradiation surface of the optical fiber and the acoustic wave detection surface of the acoustic wave detection and conversion means are fixed to the distal end surface of the cylindrical support, and laser light irradiation of the optical fiber is performed. The portion connected to the surface and the acoustic wave detection and conversion means are housed in the tubular support.
(2) The acoustic wave detection surface has an annular shape surrounding the light irradiation surface fixed to the support tool tip surface.
(3) The acoustic wave detecting and converting means is a piezoelectric transducer.
[0014]
(4) The optical fiber is provided with separation means for separating laser light and fluorescence, and fluorescence detection means attached to the separation means.
(5) A light detecting optical fiber having a light detecting surface at one end, which is disposed close to the laser light irradiation surface of the optical fiber, and a fluorescence detecting means attached to the light detecting optical fiber are provided.
(6) For measuring physical properties of cartilage tissue.
[0015]
The present invention also provides a laser light source, a laser light irradiation device including a laser light transmission optical fiber having one end proximate to the laser light generation source and having a laser light irradiation surface at the other end. Separation means for separating laser light and fluorescence attached to the transmission optical fiber, and a photoexcitation fluorescence detection device having fluorescence detection means attached to the separation means, wherein the laser light irradiation surface of the optical fiber, There is also a photo-excitation fluorescence detection device characterized in that it is fixed to the tip surface of a separately prepared support.
[0016]
The present invention also provides a laser light generating apparatus, comprising: a laser light generating source; and a laser light irradiating device including a laser light transmitting optical fiber having one end provided near the laser light generating source and having a laser light irradiating surface at the other end. A light-detecting optical fiber having a light-detecting surface disposed at one end near the laser light-irradiating surface of the optical fiber, and a fluorescence-excited fluorescence detecting device having fluorescence detecting means attached to the light-detecting optical fiber. In addition, there is also a photoexcited fluorescence detecting device, wherein the laser beam irradiation surface and the light detection surface of the optical fiber are fixed to the distal end surface of a separately prepared support.
[0017]
The above two photoexcitation fluorescence detectors of the present invention are preferably used for measuring physical properties of cartilage tissue.
[0018]
The present invention also provides a laser light source, a laser light irradiation device including a laser light transmission optical fiber having one end provided near the laser light generation source and having a laser light irradiation surface at the other end, and a laser. An acoustic wave detection / conversion unit that has a detection surface for an acoustic wave generated by excitation of light, converts the acoustic wave detected on the detection surface into an electric signal, and an acoustic wave electrically connected to the acoustic wave detection / conversion unit Using a photo-excited acoustic wave detection device combined with a detection device, the cartilage tissue grown in vitro is irradiated with laser light, and the acoustic wave generated in the cartilage tissue is detected to measure the physical properties of the cartilage tissue. There is also a method.
[0019]
Preferred embodiments of the method for measuring physical properties of cartilage tissue according to the present invention are as follows. (1) The laser beam irradiation surface of the optical fiber and the detection surface of the acoustic wave detection and conversion means are arranged to face each other with the cartilage tissue therebetween.
(2) A cartilage tissue is irradiated by laser light using a photoexcitation acoustic wave detection device provided with a separation means for separating laser light and fluorescence from the optical fiber, and a fluorescence detection means attached to the separation means. The physical properties of the cartilage tissue are measured by detecting the acoustic wave and the fluorescence generated in the above.
(3) A light detecting optical fiber having a light detecting surface at one end, which is disposed close to the laser light irradiating surface of the optical fiber, and a fluorescent light detecting means attached to the light detecting optical fiber. The physical properties of the cartilage tissue are measured by detecting the acoustic wave and the fluorescence generated in the cartilage tissue by the irradiation of the laser beam using a photo-excited acoustic wave detection device.
[0020]
The present invention also provides a laser light generating apparatus, comprising: a laser light generating source; and a laser light irradiating device including a laser light transmitting optical fiber having one end provided near the laser light generating source and having a laser light irradiating surface at the other end. Using a light-excited fluorescence detection device having separation means for separating laser light and fluorescence attached to the optical fiber, and fluorescence detection means attached to the separation means, and irradiating the cartilage tissue grown in vitro with laser light. There is also a method of measuring physical properties of cartilage tissue by detecting fluorescence generated in cartilage tissue.
[0021]
The present invention also provides a laser light generating apparatus, comprising: a laser light generating source; and a laser light irradiating device including a laser light transmitting optical fiber having one end provided near the laser light generating source and having a laser light irradiating surface at the other end. Using a photodetection optical fiber having a photodetection surface at one end having a photodetection surface disposed in the vicinity of the laser light irradiation surface of the optical fiber, and a fluorescence detection means attached to the photodetection optical fiber. There is also a method of measuring the physical properties of cartilage tissue by irradiating the cartilage tissue grown in vitro with laser light and detecting fluorescence generated in the cartilage tissue.
[0022]
The present invention also provides a laser light irradiation device including a laser light generation source, an acoustic wave detection conversion device having a detection surface of an acoustic wave generated by excitation of laser light, and converting the acoustic wave detected by the detection surface into an electric signal. Means, using a light-excited acoustic wave detection device in which an acoustic wave detection device electrically connected to the acoustic wave detection conversion means is combined, and irradiating the cartilage tissue grown in vitro with laser light, There is also a method of measuring physical properties of cartilage tissue by detecting generated acoustic waves.
[0023]
In the method for measuring the physical properties of cartilage tissue according to the present invention (without using an optical fiber for optical transmission), the laser light and the excitation of the laser light disposed between the laser light source and the cartilage tissue to be measured are provided. Separation means for separating the fluorescence generated by the, and using a photoexcitation acoustic wave detection device provided with a fluorescence detection means attached to the separation means, the acoustic wave and the fluorescence generated in the cartilage tissue by laser light irradiation It is preferable to measure the physical properties of cartilage tissue by detecting
[0024]
The present invention also provides a laser light irradiation device including a laser light generation source, separation means for separating laser light and fluorescence generated by excitation of the laser light, and a photo-excitation fluorescence detection device having fluorescence detection means attached to the separation means. There is also a method of measuring the physical properties of the cartilage tissue by irradiating the cartilage tissue grown in vitro with laser light and detecting the fluorescence generated in the cartilage tissue.
[0025]
In the present specification, the “cartilage tissue” includes a cartilage-like tissue grown in vitro (proliferated by culture).
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The photoexcitation acoustic wave detection device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an example of a photoexcitation acoustic wave detection device according to the present invention. FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a support of the photoexcitation acoustic wave detection device of FIG. 1 and an internal structure thereof.
[0027]
The optically-pumped acoustic wave detection device shown in FIGS. 1 and 2 has a laser light source 11 and a laser light having a laser light irradiating surface 12 provided at one end close to the laser light source 11 and at the other end. A laser light irradiation device including a transmission optical fiber 13, an acoustic wave detection conversion unit 15 having a detection surface 14 for an acoustic wave generated by excitation of laser light, and converting the acoustic wave detected by the detection surface 14 into an electric signal. And an acoustic wave detection device 16 electrically connected to the acoustic wave detection / conversion means 15. The acoustic wave detecting device 16 is electrically connected to the acoustic wave detecting and converting means 15 by an electric wiring 17. The acoustic wave detection device 16 may be provided with an amplification output unit 18 for an electric signal corresponding to the acoustic wave converted by the acoustic wave detection conversion unit 15. Regarding the photoexcitation acoustic wave detection device having such a configuration and the measurement of physical properties of skin tissue in vitro using the same, a research report by Shunichi Sato (Optics, Vol. 30, No. 10, 2001, 658-662). Page) has a detailed description.
[0028]
In the photoexcitation acoustic wave detection device according to the present invention, the laser light irradiation surface 12 of the optical fiber 13 and the acoustic wave detection surface 14 of the acoustic wave detection conversion means 15 are further provided on the distal end surface of a separately prepared support 19. It is characterized by being fixed in a predetermined positional relationship. As shown in FIG. 1, the support 19 is preferably cylindrical so as to be easily inserted into a living body. When the support 19 is cylindrical, a portion (part of the optical fiber) connected to the laser beam irradiation surface 12 of the optical fiber 13 and the acoustic wave detection and conversion means 15 are housed in the cylindrical support. Is preferred. In consideration of the insertion of the support into the living body, particularly the measurement of the physical properties of the living tissue under endoscopy, the outer diameter of the support is preferably 15 mm or less, more preferably 10 mm or less. The length of the support is preferably in the range of 100 to 800 mm, more preferably in the range of 150 to 500 mm.
[0029]
The shape of the support is not particularly limited as long as the support can support the optical fiber 13 and the acoustic wave detection and conversion means 15 and insert them into a living body. For example, the support may have an elongated rod shape. The support 19 may be formed of any material that is harmless to living tissue. Examples of the material for forming the support 19 include metals such as iron, copper, titanium, and aluminum, alloy compositions such as stainless steel, resins such as polyethylene and polypropylene, glass, and ceramics.
[0030]
FIG. 9 is a diagram illustrating another configuration example of the support of the photoexcitation acoustic wave detection device in FIG. 1 and an internal structure thereof. The laser light irradiation surface 12 of the optical fiber 13 and the acoustic wave detection surface 94 of the acoustic wave detection and conversion means 95 are fixed to the distal end surface of the support 99 in FIG. As shown in FIG. 9, the acoustic wave detection surface 94 preferably has an annular shape surrounding the light irradiation surface 12 fixed to the distal end surface of the support 99. By forming the acoustic wave detection surface 94 in an annular shape, the detection sensitivity of acoustic waves generated in cartilage tissue can be increased.
[0031]
The main reasons for using the photo-excited acoustic wave detection device to measure the physical properties of living tissue in a living body will be described below.
[0032]
(1) A light-excited acoustic wave detection device irradiates a material to be measured with laser light, and detects an acoustic wave generated in the material by excitation of the laser light, thereby measuring physical properties of the material to be measured. It is. Laser light used for physical property measurement by the photoexcitation acoustic wave detection device can be easily introduced into a living body by using an optical fiber. As an acoustic wave detecting and converting means for detecting an acoustic wave generated by the excitation of the laser beam and converting the acoustic wave into an electric signal, a piezoelectric transducer or the like which can be downsized can be used. Therefore, the detection unit (a part of an optical fiber including a laser beam irradiation surface to be inserted into a living body and an acoustic wave detection conversion unit) of a device that needs to be arranged close to a living tissue to be measured in measuring physical properties The detection unit can be reduced in size and integrated, and the use of the support can facilitate insertion of the detection unit into the living body.
[0033]
(2) The optically-excited acoustic wave detection device can measure the physical properties of the living tissue without breaking the living tissue by adjusting the intensity of the laser light applied to the living tissue.
[0034]
(3) The optically-excited acoustic wave detection device must be multifunctional so that physical properties can be measured based on various principles using light. For example, when a living tissue is irradiated with a laser beam, the composition or a change in the composition of the living tissue can be measured by detecting fluorescence generated in the living tissue. Such detection of fluorescence can be introduced into a photoexcitation acoustic wave detection device. In addition, when the light-excited acoustic wave detection device irradiates the living tissue with light, it detects infrared light, scattered light, reflected light, scattered light, or the second harmonic of the scattered light generated in the living tissue. It is also possible to make it multifunctional so as to measure the physical properties of a living tissue.
[0035]
(4) The viscous modulus, elastic modulus, and thickness of the cartilage tissue required for evaluating the function of the cartilage tissue can be measured by the photoexcitation acoustic wave detection device.
[0036]
The acoustic wave generated on the surface (or near the surface) of the cartilage tissue by the irradiation of the laser light (excitation by the laser light) propagates through the cartilage tissue while gradually attenuating its intensity. From the waveform of the acoustic wave (specifically, the change of the intensity of the acoustic wave with respect to time), it is possible to obtain a relaxation time that is correlated with the ratio of the viscosity to the elastic modulus of the propagation medium of the acoustic wave. Many documents (for example, Ultrasonic Handbook (Maruzen Co., Ltd., 1999, p. 244)) describe the relaxation time of an acoustic wave having a correlation with the ratio between the viscosity and the elastic modulus. The “storage modulus” and the viscosity are sometimes called “loss modulus”.
[0037]
In addition, a method is known in which an acoustic wave (ultrasonic wave) is incident on an object, and the absolute value of the elastic modulus of the object is measured from the acoustic wave reflected by the object. According to the same principle, in the present invention, the absolute value of the elastic modulus of the cartilage tissue (corresponding to the above-mentioned object) can be measured. Specifically, an acoustic wave is generated by absorbing laser light at a site distant from the surface of the cartilage tissue (eg, synovial fluid existing around the cartilage tissue), and is reflected at the surface of the cartilage tissue. From the acoustic wave, the absolute value of the elastic modulus of the cartilage tissue can be similarly measured.
[0038]
The absolute value of the viscosity of the cartilage tissue can also be obtained from the measured absolute value of the elastic modulus and the relaxation time correlated with the ratio of the viscosity to the elastic modulus.
[0039]
In addition, the acoustic wave generated on the surface (or near the surface) of the cartilage tissue by the irradiation of the laser beam propagates into the cartilage tissue. The acoustic waves are reflected at the surface of the subchondral bone below the cartilage (the interface between cartilage and subchondral bone) and reach the surface of the cartilage tissue. Therefore, in the waveform of the electric signal corresponding to the acoustic wave obtained by the acoustic wave detection device, the acoustic wave is reflected on the surface of the subchondral bone from the generation of the acoustic wave on the surface (or near the surface) of the cartilage tissue, and the cartilage By detecting the time required to reach the surface of the tissue, and using this time and the sound speed of the acoustic wave, the thickness of the cartilage tissue can be obtained. The principle of measuring the thickness of cartilage tissue is the same as that of an ultrasonic thickness gauge. The acoustic wave may be called a pressure wave or a stress wave.
[0040]
As described above, the viscosity, elasticity, or thickness of the cartilage tissue can be obtained as specific numerical values, and corresponds to the normal cartilage tissue and the cartilage tissue after the onset of osteoarthritis. The waveform of the electric signal based on the acoustic wave to be prepared is prepared in advance as a reference waveform, and these reference waveforms are compared with the waveform obtained by measuring the physical properties of the cartilage tissue of the patient. Function) can also be evaluated. Similarly, for the composition of the cartilage tissue, a reference fluorescence detection result is prepared in advance, and this is compared with the fluorescence detection result obtained by measuring the physical properties of the cartilage tissue of the patient to evaluate the function of the cartilage tissue. You can also.
[0041]
The physical property values (viscosity, elasticity, etc.) of the cartilage tissue obtained as described above can be easily visually determined to determine how large the values are relative to normal cartilage tissue. It is preferable to display by a method which can be performed.
[0042]
For example, when the measured physical property value is substantially equal to the physical property value of normal cartilage tissue, the measured value is displayed in blue, and as the difference from the physical property value of normal cartilage tissue increases, the measured value becomes larger. Is preferably displayed in a color close to red. When the physical property values of the cartilage tissue are measured in a two-dimensional direction along the surface of the cartilage tissue, it is preferable to display the measured physical property values as a pseudo-color image corresponding to the two-dimensional direction.
[0043]
The laser light source 11 preferably generates a pulse laser. Examples of the laser light source 11 include an excimer laser, an Nd: YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser, a Ho: YAG laser, an Er: YAG laser, and an optical parametric oscillator. The laser light source has a configuration in which a laser light source that continuously generates laser light and a device such as a chopper or an optical shuttering device that converts the generated laser light into pulsed laser light are combined. It may be. The laser light source 11 shown in FIG. 1 is provided with a lens 21 for making the laser light 20 generated from the laser light source enter the optical fiber 13.
[0044]
When measuring the physical properties of cartilage tissue, it is preferable to irradiate the cartilage tissue with laser light having a wavelength that is easily absorbed by cartilage tissue, for example, collagen of cartilage tissue or water.
[0045]
When the laser light is efficiently absorbed by the collagen of the cartilage tissue, the cartilage tissue is preferably irradiated with a laser light having a wavelength of 100 nm or more and less than 700 nm, and the laser light having a wavelength of 100 nm or more and less than 500 nm is irradiated. Is more preferable. As such a short-wavelength laser beam, a laser beam generated by an excimer laser, or a third, fourth, or fifth harmonic of a laser beam generated by a YAG laser can be used.
[0046]
In order to efficiently absorb laser light in the water of cartilage tissue, it is preferable to irradiate the cartilage tissue with laser light having a wavelength of 2 to 3 μm. As such a long-wavelength laser beam, a laser beam (wavelength: 2.1 μm) generated by a Ho: YAG laser or a laser beam (wavelength: 2.9 μm) generated by an Er: YAG laser may be used. it can.
[0047]
It is preferable that the wavelength and intensity (energy) of the laser beam applied to the cartilage tissue are set to conditions that do not affect the growth activity of the cartilage cells of the cartilage tissue.
[0048]
As the acoustic wave detection conversion means 15, a known transducer that detects an acoustic wave and converts it into an electric signal can be used. Examples of the acoustic wave detecting and converting means include a microphone, a piezoelectric transducer, and the like. It is preferable to use a piezoelectric transducer because it is easy to reduce the size and the detection sensitivity of the acoustic wave is high. Examples of piezoelectric transducers include piezoelectric ceramic transducers and piezoelectric polymer transducers. It is preferable to use a piezoelectric polymer transducer as the piezoelectric transducer. Examples of the piezoelectric polymer material used for the piezoelectric polymer transducer include PVDF (polyvinylidene fluoride) and P (VdF / TrFE) (vinylidene fluoride / ethylene trifluoride copolymer). As the acoustic wave detecting and converting means 15 shown in FIG. 2, a piezoelectric polymer transducer using a PVDF (polyvinylidene fluoride) film is used.
[0049]
As the acoustic wave detecting device 16 electrically connected to the acoustic wave detecting and converting means 15, a device conventionally used in a photoexcited acoustic wave detecting device can be used. As described above, the physical properties (viscosity, elasticity, or thickness) of the cartilage tissue can be obtained from the waveform of an electric signal corresponding to the acoustic wave converted by the acoustic wave detection conversion unit 15. As the acoustic wave detection device 16, a device that displays a waveform of an electric signal or processes an electric signal to display information on the above-described physical properties can be used. As the acoustic wave detection device 16 shown in FIG. 1, a commercially available oscilloscope is used.
[0050]
The acoustic wave detection device 16 can be provided with an electric signal amplification output unit 18 that amplifies the electric signal converted by the acoustic wave detection conversion unit 15. As the electric signal amplification output means 18 shown in FIG. 1, an FET (Field Effect Transistor) amplifier was used. Further, the acoustic wave detector (oscilloscope) 16 is provided with a biplanar photoelectric tube 22 for synchronizing the waveform of the detected electric signal with the waveform of the pulse laser generated by the laser light source 11. In place of the biplanar photoelectric tube, a known photodetector (for example, a photodiode) can be used. The response time of the photodetector is preferably shorter than the pulse width of the pulse laser generated by the laser light source.
[0051]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of another example of the photoexcitation acoustic wave detection device according to the present invention. The configuration of the photoacoustic wave detection device of FIG. 3 is the same as that of the photoacoustic wave detection device except that the optical fiber 13 is provided with a separation unit 31 for separating laser light and fluorescence, and a fluorescence detection unit 32 connected to the separation unit. This is the same as the first photoexcitation acoustic wave detection device.
[0052]
When a material to be measured (a living tissue in the present invention) is irradiated with laser light by a laser light irradiation device, fluorescence may be generated in the material to be measured due to excitation of the laser light. A method of detecting the fluorescence and measuring the composition or the change in the composition of the material to be measured is generally known as Laser Induced Fluorescence (LIF). In the present invention, in order to use the optically-excited acoustic wave detection device for measuring physical properties of a living tissue in a living body, fluorescence generated from the living tissue by excitation of laser light is emitted outside the living body using an optical fiber 13 included in the device. Can be taken out. By detecting the obtained fluorescence 33 by the fluorescence detection means 32, the composition of the living tissue or a change in the composition can be measured.
[0053]
Examples of the fluorescence detecting means 32 include a spectroscope such as a polychromator, and an optical multi-channel analyzer provided with a charge-coupled device (CCD). In order to guide the fluorescent light to the fluorescent light detecting means 32, the optical fiber 13 is provided with a separating means 31 for separating the laser light and the fluorescent light 33. Examples of the separating unit 31 include a half mirror and a dielectric multilayer mirror that selectively reflects a specific wavelength. The separating means 31 can be arranged between the laser light source 11 and the lens 21.
[0054]
FIG. 4 is a diagram showing an example of the photoexcitation fluorescence detection device according to the present invention. The configuration of the photoexcited fluorescence detection device of FIG. 4 is the same as that of the photoexcitation acoustic wave detection device of FIG. 3 except that the configuration does not detect an acoustic wave (the configuration does not use the acoustic wave detection conversion unit and the acoustic wave detection device). is there. When it is not necessary to know the mechanical properties (viscosity, elastic modulus, or thickness) of the living tissue, the composition of the living tissue can be measured with such a simple configuration.
[0055]
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of another example of the photoexcitation fluorescence detection device according to the present invention. The configuration of the light-excited fluorescence detecting apparatus in FIG. 5 includes a light-detecting optical fiber 53 having a light-detecting surface 52 disposed at one end near the laser light-irradiating surface 12 of the laser-light transmitting optical fiber 13, Except that the fluorescence detecting means 32 is attached to the optical fiber 53 for light detection, it is the same as the photoexcited fluorescence detecting apparatus of FIG. In the light-excited fluorescence detection device of FIG. 5, the laser light irradiation surface 12 of the laser light transmission optical fiber 13 and the light detection surface 52 of the light detection optical fiber 53 are fixed to the distal end surface of the support 19.
[0056]
By guiding the fluorescence generated from the living tissue by the excitation of the laser beam to the fluorescence detection means 32 by the optical fiber 53 for light detection, the separation means included in the photoexcitation fluorescence detection device in FIG. 4 can be eliminated. Similarly, in the case of the photoexcitation acoustic wave detection device of FIG. 3 as well, by providing a photodetection optical fiber, the separation means can be eliminated.
[0057]
The photo-excited acoustic wave detection device and the photo-excitation fluorescence detection device of the present invention can be preferably used for measuring the properties of cartilage tissue in vivo (particularly for diagnosis of cartilage tissue under endoscopy). It can also be used for measuring the physical properties of living tissues. In this case, it is possible to appropriately set the wavelength of the laser light in which the laser light is easily absorbed by the living tissue to be measured and acoustic waves or fluorescence are easily generated.
[0058]
In addition, when measuring the physical properties of cartilage tissue for transplantation grown in vitro and used for treatment of osteoarthritis and the like, a support member is not necessarily provided in the photoexcitation acoustic wave detection device or photoexcitation fluorescence detection device. It doesn't have to be. By irradiating the cartilage tissue grown in vitro with laser light and detecting acoustic waves or fluorescence generated in the cartilage tissue in the same manner as described above, the physical properties (viscosity and elastic modulus of the cartilage tissue for transplantation) are obtained. , Thickness or composition) can be measured non-destructively to evaluate the function of cartilage tissue for transplantation (quality control). When measuring the physical properties of the cartilage tissue outside the living body, the acoustic wave detecting means can be arranged on the surface of the cartilage tissue on the side opposite to the surface on which the laser beam is irradiated.
[0059]
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a method of measuring physical properties of cartilage tissue by directly irradiating cartilage tissue with laser light and detecting acoustic waves and fluorescence generated in the cartilage tissue. 6 has a laser light irradiation device including a laser light source 11, a detection surface 14 for an acoustic wave generated by excitation of the laser light, and converts the acoustic wave detected by the detection surface 14 into an electric wave. This is an optically-excited acoustic wave detecting device in which an acoustic wave detecting and converting means 15 for converting into a signal and an acoustic wave detecting device 16 electrically connected to the converting means 15 are combined.
[0060]
As shown in FIG. 6, when measuring the physical properties of the cartilage tissue grown outside the living body, the cartilage tissue 61 is directly irradiated with the laser light 20 of the laser light source (without using the laser light transmission fiber). You can also. It is known in a conventional photo-excited acoustic wave detection device (for example, a photo-acoustic microscope) to directly irradiate the material to be measured with laser light from a laser light irradiation device without using an optical fiber.
[0061]
Further, the light-excited acoustic wave detecting device shown in FIG. 6 includes a separation unit 31 for separating laser light disposed between the laser light source 11 and the cartilage tissue 61 to be measured from fluorescence generated by excitation of the laser light. And a fluorescence detecting means 32 attached to the separating means 31. The separating means 31 can be arranged between the laser light source 11 and the lens 21. The physical properties of the cartilage tissue are measured by irradiating the cartilage tissue 61 with the laser light 20 and detecting the acoustic wave and the fluorescence generated in the cartilage tissue by the excitation of the laser light by the light-excited acoustic wave detection device of FIG. Can be.
[0062]
When only the acoustic wave generated in the cartilage tissue 61 by the excitation of the laser beam 20 is detected (when measuring the viscosity, elasticity or thickness of the cartilage tissue), it is not necessary to additionally provide the separation means 31 and the fluorescence detection means 32. Absent. When only the fluorescence 33 generated in the cartilage tissue 61 by the excitation of the laser beam 20 is detected (when measuring the composition or composition change of the cartilage tissue), the acoustic wave detection conversion unit 15 and the electric signal amplification output unit It is not necessary to add the 18 and the acoustic wave detection device 16.
[0063]
When measuring the physical properties of cartilage tissue grown in vitro, the physical properties of a plurality of cartilage tissues can be measured simultaneously (or sequentially). In this case, a plurality of optical transmission optical fibers for irradiating each cartilage tissue with laser light from a laser light source, an acoustic wave detection conversion means for detecting an acoustic wave generated from each cartilage tissue, and an acoustic wave detection What is necessary is just to attach a device. In addition, when directly irradiating each cartilage tissue with laser light from a laser light source, a plurality of microlenses for converging the laser light to each cartilage tissue and an acoustic wave generated from each cartilage tissue are detected. The acoustic wave detecting and converting means and the acoustic wave detecting device may be additionally provided. In addition, when detecting acoustic waves and fluorescence generated in cartilage tissue by excitation of laser light, when detecting only fluorescence, similarly, the physical properties of a plurality of cartilage tissues should be measured simultaneously (or sequentially). Can be.
[0064]
FIG. 10 is a diagram illustrating a method of measuring the physical properties of cartilage tissue by irradiating the cartilage tissue grown in vitro with laser light and detecting acoustic waves generated in the cartilage tissue. FIG. 10 shows a configuration example of a photoexcitation acoustic wave detection device that can be preferably used for implementing the method of the present invention. The configuration of the optically-excited acoustic wave detection apparatus shown in FIG. The apparatus is the same as the apparatus in FIG. 6 except that no fluorescent light is detected (no separation means and no fluorescence detection means are provided).
[0065]
In the photoexcitation acoustic wave detection device of FIG. 10, the acoustic wave generated in the cartilage tissue 61 is detected by the acoustic wave detection conversion unit 15 arranged on the surface of the cartilage tissue on the side opposite to the laser light irradiation surface. As shown in FIG. 10, the laser light irradiation surface 12 of the optical fiber 13 and the acoustic wave detection surface 14 of the acoustic wave detection / conversion means 15 are arranged to face each other with the cartilage tissue 61 interposed therebetween.
[0066]
The laser light generated by the laser light source 11 of the photoexcited acoustic wave detection device shown in FIG. 10 is irradiated onto the cartilage tissue 61 grown outside the living body, and the acoustic wave generated in the cartilage tissue is converted into acoustic wave detection and conversion means. By detecting at 15, the physical properties of the cartilage tissue can be measured.
[0067]
As described above, when detecting an acoustic wave generated in cartilage tissue by irradiation with laser light, the acoustic wave can be detected on the laser light irradiation surface of cartilage tissue, or the laser light irradiation surface of cartilage tissue can be detected. It can also be detected on the surface on the opposite side. Hereinafter, a method of detecting an acoustic wave on the surface irradiated with laser light of cartilage tissue is referred to as a reflection method, and a method of detecting an acoustic wave on the surface of the cartilage tissue opposite to the surface irradiated with the laser light is referred to as a transmission method. .
[0068]
FIG. 11 is a diagram showing a waveform of an electric signal corresponding to an acoustic wave detected by the transmission method. In the waveform diagram of FIG. 11, the horizontal axis represents the time after irradiating the pulsed laser light to the cartilage tissue. That is, it means that the cartilage tissue was irradiated with the laser beam for the time of 0 μsec on the horizontal axis. The vertical axis indicates the voltage value of the electric signal corresponding to the acoustic wave detected by the acoustic wave detection and conversion means.
[0069]
The acoustic wave generated in the cartilage tissue by the irradiation of the pulsed laser beam is transmitted from the laser beam irradiation surface of the cartilage tissue while attenuating the inside of the cartilage tissue, and reaches the surface on which the acoustic wave detection conversion means of the cartilage tissue is arranged. I do. This acoustic wave is detected by the acoustic wave detecting and converting means, and the peak P in the waveform of the electric signal in FIG. 1 Will occur. Next, the acoustic wave propagates inside the cartilage tissue while repeating reflection on the surface on which the acoustic wave detection and conversion means of the cartilage tissue is arranged and on the laser beam irradiation surface, and the peak P in the waveform of the electric signal in FIG. 2 , P 3 And P 4 Will occur. As described above, the thickness of the cartilage tissue can be obtained from the peak interval (time) of these electric signals and the sound speed of the acoustic wave.
[0070]
In the case of the transmission method, the relaxation time τ can be determined from, for example, the value of τ when the exponential function curve 111 (exp (−t / τ)) is fitted to the peak of the electric signal waveform. .
[0071]
FIG. 12 is a diagram illustrating a waveform of an electric signal corresponding to an acoustic wave detected by the reflection method. In the electric signal waveform of FIG. 0 Is generated when an acoustic wave generated on the surface of cartilage tissue (or near the surface) by irradiation of pulsed laser light is transmitted along the laser light irradiation surface of the cartilage tissue and reaches the acoustic wave detection and conversion means. It is a peak.
[0072]
In the case of the reflection method, the relaxation time τ is determined by the peak P 0 It can be determined by fitting the exponential function curve 121 to the peaks (except for the peak generated by the acoustic wave transmitted along the laser light irradiation surface) in the same manner as described above.
[0073]
【Example】
[Comparative Example 1]
Cartilage tissue was removed from rabbits, chondrocytes were isolated, cultured and expanded to grow cartilage tissue (accurately called cartilage-like tissue because it did not form complete cartilage tissue). . A part of the cartilage tissue during growth was cut off (the cartilage tissue was destroyed), and viscoelasticity was measured using a rheometer. FIG. 7 shows the measurement results. In the graph of FIG. 7, the horizontal axis indicates the cartilage tissue culture period (weeks), and the vertical axis indicates the reciprocal (1 / tan δ) of the phase angle measured by the rheometer. The value of (1 / tan δ) is proportional to the ratio between the elastic modulus and the viscosity (elastic modulus / viscosity). The measured value (1 / tan δ) was normalized based on the measured value in chondrocytes having a culture period of three weeks.
[0074]
Then, viscoelasticity of the normal cartilage tissue excised from the rabbit was similarly measured using a rheometer. As a result, when the measured value (1 / tan δ) was normalized in the same manner as described above, the value was about 0.58. That is, it can be seen that the viscoelasticity of the cultured cartilage tissue approaches that of normal cartilage as the culture period becomes longer. Further, the amount of collagen contained in the cultured cartilage tissue was measured by a collagen assay. As a result, it was confirmed that the cultured cartilage tissue increased in collagen content as the culture period became longer, and was closer to normal cartilage tissue.
[0075]
Thus, it was confirmed that the function of the cultured cartilage tissue can be evaluated from the result of the viscoelasticity measurement using the rheometer.
[0076]
[Example 1]
Piezoelectric polymer using an optical parametric oscillator as a laser light source, a quartz fiber (core diameter 600 μm, length 1 m) as an optical fiber for laser transmission, and a P (VdF / TrFE) film with a diameter of 4 mm as an acoustic wave detecting and converting means. A photo-excited acoustic wave detection device was constructed using a transducer (manufactured by Kureha Corporation), an FET amplifier as electrical amplification output means, and a digital oscilloscope as an acoustic wave detection device.
[0077]
The cartilage tissue grown in Comparative Example 1 was irradiated with pulsed laser light having a wavelength of 250 nm by using a photoexcitation acoustic wave detection device, and an acoustic wave generated from the cartilage tissue by excitation of the laser light was detected. The pulse energy of the laser light was set to 50 μJ. The acoustic wave is detected by the piezoelectric polymer transducer and converted into an electric signal. The exponential function curve (exp (−t / τ)) was fitted to the waveform of the electric signal corresponding to the acoustic wave observed by the oscilloscope in the same manner as described above, to determine the relaxation time τ of the acoustic wave. The relaxation time is proportional to the ratio between the elastic modulus and the viscosity (elastic modulus / viscosity). FIG. 7 shows the relaxation time of the acoustic wave obtained from the waveform of the electric signal. The measured value of the relaxation time was normalized based on the measured value in chondrocytes with a culture period of three weeks.
[0078]
As shown in FIG. 7, it can be seen that the measurement result by the rheometer and the measurement result by the photoexcitation acoustic wave detection device show almost the same tendency. Therefore, it is understood that the physical properties (viscoelasticity) of the cartilage tissue grown in vitro can be measured nondestructively by detecting the acoustic wave generated in the cartilage tissue using the photoexcitation acoustic wave detection device.
[0079]
Further, in the oscilloscope, since the acoustic wave is repeatedly reflected on the surface and the bottom surface of the cartilage tissue, the peak of the electric signal is periodically observed. Then, it was also confirmed that the period of the electric signal (peak-to-peak interval of the electric signal) changes according to the thickness of the grown cartilage tissue. Therefore, it is possible to measure the thickness of cartilage tissue grown in vitro using the waveform of an electric signal corresponding to the acoustic wave generated in the cartilage tissue detected by the photoexcitation acoustic wave detection device and the sound speed of the acoustic wave. Understand.
[0080]
[Example 2]
A stainless steel cylindrical support having an outer diameter of 8 mm and a length of 150 mm was prepared. The laser light irradiation surface of the optical fiber (one end of the optical fiber) and the acoustic wave detection surface of the piezoelectric polymer transducer of the photoexcitation acoustic wave detection device used in Example 1 were attached to the distal end surface of the cylindrical support. A part of the optical fiber fixed to and connected to the laser beam irradiation surface and the photoacoustic wave detection and conversion means were housed inside the cylindrical support. Thus, the photoexcitation acoustic wave detection device of FIG. 1 was manufactured. By using the support, it is possible to non-destructively measure the physical properties of the living tissue in the living body. For example, in vivo, when measuring the physical properties of the cartilage tissue of a knee joint, one or more holes are formed from the outside of the knee to the inside of the joint, and the endoscope and the cylindrical support are connected to the hole. From inside the joint. Then, by measuring the physical properties of the cartilage tissue in the same manner as in Example 1, it is possible to measure the physical properties (viscoelasticity) of the cartilage tissue in a living body without extracting (destroying) the cartilage tissue.
[0081]
[Example 3]
An optically-excited fluorescence detection device is constructed using an optical parametric oscillator as a laser light source, a quartz fiber (core diameter 600 μm, length 1 m) as an optical fiber for laser transmission, a half mirror as a separation means, and a polychromator as a fluorescence detection means. did. Next, the laser-irradiated surface (one end of the optical fiber) of the optical fiber is fixed to the distal end surface of the cylindrical support used in Example 2, thereby producing the photoexcited fluorescence detecting device shown in FIG. did.
[0082]
Next, the cartilage tissue was excised from the knee joint of the pig and treated with an enzyme (6 hours, 24 hours) to denature the cartilage tissue. Trypsin was used as the enzyme. Using the prepared light-excited fluorescence detection device, the cartilage tissue is irradiated with laser light for each of the cartilage tissue before the enzyme treatment immediately after the extraction and the cartilage tissue after the enzyme treatment, and is generated from the cartilage tissue by the excitation of the laser light. Fluorescence was detected with a polychromator. FIG. 8 shows the fluorescence spectrum obtained with the polychromator.
[0083]
In FIG. 8, the fluorescence spectrum 81 shows the spectrum of the cartilage tissue before the enzyme treatment, the fluorescence spectrum 82 shows the spectrum of the cartilage tissue treated with the enzyme for 6 hours, and the fluorescence spectrum 83 shows the spectrum of the cartilage tissue treated with the enzyme for 24 hours. Each measured fluorescence spectrum has two peaks. In FIG. 8, the fluorescence spectrum before and after the enzyme treatment is superimposed and described by standardizing on the basis of the peak existing around 390 nm. It is known that the peak appearing at a wavelength around 390 nm is a peak derived from collagen forming cartilage tissue.
[0084]
From the fluorescence spectrum of FIG. 8, it can be seen that, when the cartilage tissue is softened by the enzyme treatment, the intensity of the peak existing around the wavelength of 320 to 330 nm and the position where the peak appears change. The peak appearing in the vicinity of the wavelength of 320 to 330 nm has not been known so far from which component forming cartilage, but it can be determined that the component forming cartilage is decomposed or denatured.
[0085]
Therefore, it is understood that the physical properties (composition or change in composition) of the cartilage tissue grown in vitro can be measured nondestructively by detecting the fluorescence generated in the cartilage tissue using the photoexcitation fluorescence detection device. As described above, when the physical properties of the cartilage tissue are measured outside the living body, the support may not be used. Then, with the light-excited fluorescence detecting device provided with the support, it is possible to non-destructively measure the physical properties of the living tissue in the living body.
[0086]
【The invention's effect】
With the photoexcitation acoustic wave detection device of the present invention, the physical properties of a living tissue, particularly a cartilage tissue, can be measured in a living body without destroying the tissue. Further, according to the method for measuring physical properties of cartilage tissue of the present invention, physical properties of cartilage tissue grown in vitro can be measured without destroying the tissue. And the present invention, by measuring the physical properties of cultured cartilage tissue, and the physical properties of this cartilage tissue after transplantation in vivo, it is possible to consistently evaluate the function of the cartilage tissue, especially in regenerative medicine Useful in the field.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an example of a photoexcitation acoustic wave detection device according to the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a support of the photoexcited acoustic wave detection device of FIG. 1 and an internal structure thereof.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of another example of the photoexcitation acoustic wave detection device according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an example of a photoexcitation fluorescence detection device according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of another example of the photoexcitation fluorescence detection device according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a method of measuring physical properties of cartilage tissue according to the present invention in which a cartilage tissue is directly irradiated with laser light to detect acoustic waves and fluorescence generated in the cartilage tissue.
FIG. 7 is a diagram showing the results of measuring the viscoelasticity of cartilage tissue grown in vitro.
FIG. 8 is a diagram showing a measurement result of a fluorescence spectrum of fluorescence generated in cartilage tissue.
9 is a perspective view of another example of the configuration of the support of the photoexcitation acoustic wave detection device of FIG. 1 and a partially cut-away view showing the internal structure thereof.
FIG. 10 is a diagram illustrating a method for measuring physical properties of cartilage tissue according to the present invention by detecting acoustic waves generated in cartilage tissue.
FIG. 11 is a diagram showing a waveform of an electric signal corresponding to an acoustic wave detected by a transmission method.
FIG. 12 is a diagram showing a waveform of an electric signal corresponding to an acoustic wave detected by a reflection method.
[Explanation of symbols]
11 Laser light source
12 Laser irradiation surface
13 Optical fiber for laser light transmission
14 Acoustic wave detection surface
15 Acoustic wave detection and conversion means
16 Acoustic wave detector
17 Electric wiring
18 Electric signal amplification output means
19 Supports
20 Laser light
21 lenses
22 Biplanar Phototube
23 Light irradiation surface fixture
31 Separation means
32 Fluorescence detection means
33 Fluorescence
52 Light detection surface
53 Optical fiber for light detection
61 Cartilage tissue grown in vitro
81, 82, 83 Fluorescence spectrum
94 Annular acoustic wave detection surface
95 Acoustic wave detection and conversion means
99 support
111, 121 Exponential function curve
P0 to P4 Peak of the waveform of the electric signal corresponding to the acoustic wave

Claims (19)

レーザ光発生源、そして一方の端部が該レーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面を有し、該検出面で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段、そして該変換手段に電気的に接続された音響波検出装置が組み合わされてなる光励起音響波検出装置であって、前記の光ファイバのレーザ光照射面と音響波検出変換手段の音響波検出面とが、別に用意された支持具の先端面に予め決められた位置関係にて固定されていることを特徴とする光励起音響波検出装置。A laser light source, and a laser light irradiation device including a laser light transmission optical fiber having one end proximate to the laser light generation source and having a laser light irradiation surface at the other end, and excitation of the laser light. An acoustic wave detection / conversion unit that has a detection surface for the generated acoustic wave, converts the acoustic wave detected on the detection surface into an electric signal, and an acoustic wave detection device electrically connected to the conversion unit. Wherein the laser-irradiated surface of the optical fiber and the acoustic-wave detection surface of the acoustic-wave detection / conversion means are in a predetermined positional relationship with the tip surface of a separately prepared support. A photoexcitation acoustic wave detection device, characterized by being fixed at: 支持具が筒状であって、光ファイバのレーザ光照射面と音響波検出変換手段の音響波検出面とが該筒状支持具の先端面に固定され、そして該光ファイバのレーザ光照射面に接続する部分と該音響波検出変換手段とが該筒状支持具に収容されている請求項１に記載の検出装置。A support having a cylindrical shape, a laser beam irradiating surface of the optical fiber and an acoustic wave detecting surface of the acoustic wave detecting and converting means being fixed to a distal end surface of the cylindrical support, and a laser beam irradiating surface of the optical fiber; The detection device according to claim 1, wherein a portion connected to the acoustic wave detection and conversion means is housed in the tubular support. 音響波検出面が、前記支持具先端面に固定された光照射面を囲む環状の形状にある請求項１もしくは２に記載の検出装置。The detection device according to claim 1, wherein the acoustic wave detection surface has an annular shape surrounding a light irradiation surface fixed to the support tool tip surface. 音響波検出変換手段が圧電トランスデューサである請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の検出装置。The detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the acoustic wave detection conversion unit is a piezoelectric transducer. 前記の光ファイバに、レーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして該分離手段に付設された蛍光検出手段が備えられている請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の検出装置。The detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein the optical fiber is provided with separation means for separating laser light and fluorescence, and fluorescence detection means attached to the separation means. . 前記の光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして該光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段が備えられている請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の検出装置。A light detecting optical fiber having at one end a light detecting surface disposed close to a laser light irradiation surface of the optical fiber, and a fluorescent detecting means attached to the light detecting optical fiber. Item 5. The detection device according to any one of Items 1 to 4. 軟骨組織の物性測定用である請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載の検出装置。The detection device according to claim 1, which is for measuring physical properties of cartilage tissue. レーザ光発生源、そして一方の端部が該レーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、該光ファイバに付設されたレーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして該分離手段に付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置であって、前記の光ファイバのレーザ光照射面が、別に用意された支持具の先端面に固定されていることを特徴とする光励起蛍光検出装置。A laser beam generating source, a laser beam irradiating device including a laser beam transmitting optical fiber having one end proximate to the laser beam generating source and a laser beam irradiating surface at the other end, attached to the optical fiber; Separation means for separating the separated laser light and fluorescence, and a light-excited fluorescence detection device having fluorescence detection means attached to the separation means, wherein the laser light irradiation surface of the optical fiber is provided separately. A light-excited fluorescence detection device fixed to a tip end surface of a tool. レーザ光発生源、そして一方の端部が該レーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、該光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして該光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置であって、前記の光ファイバのレーザ光照射面と光検出面とが、別に用意された支持具の先端面に固定されていることを特徴とする光励起蛍光検出装置。A laser light source, a laser light irradiation device including a laser light transmission optical fiber having one end close to the laser light generation source and having a laser light irradiation surface at the other end, and a laser of the optical fiber. A light-detecting optical fiber having a light-detecting surface at one end having a light-detecting surface disposed close to the light-irradiating surface, and a light-excited fluorescence detecting device having fluorescence detecting means attached to the light-detecting optical fiber; A photo-excited fluorescence detection device, wherein a laser beam irradiation surface and a light detection surface of an optical fiber are fixed to a distal end surface of a separately prepared support. 軟骨組織の物性測定用である請求項８もしくは９に記載の検出装置。The detection device according to claim 8, which is for measuring physical properties of cartilage tissue. レーザ光発生源、そして一方の端部が該レーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面を有し、該検出面で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段、そして該変換手段に電気的に接続された音響波検出装置が組み合わされてなる光励起音響波検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、該軟骨組織にて発生する音響波を検出することによって、該軟骨組織の物性を測定する方法。A laser light source, and a laser light irradiation device including a laser light transmission optical fiber having one end proximate to the laser light generation source and having a laser light irradiation surface at the other end, and excitation of the laser light. An acoustic wave detection / conversion unit that has a detection surface for the generated acoustic wave, converts the acoustic wave detected on the detection surface into an electric signal, and an acoustic wave detection device electrically connected to the conversion unit. A method for measuring physical properties of a cartilage tissue by irradiating a cartilage tissue grown outside a living body with laser light using a photo-excited acoustic wave detection device and detecting an acoustic wave generated in the cartilage tissue. 光ファイバのレーザ光照射面と音響波検出変換手段の検出面とを、軟骨組織を挟んで対向配置させる請求項１１に記載の方法。12. The method according to claim 11, wherein the laser beam irradiation surface of the optical fiber and the detection surface of the acoustic wave detection conversion means are arranged to face each other with the cartilage tissue interposed therebetween. 前記の光ファイバに、レーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして該分離手段に付設された蛍光検出手段が備えられている光励起音響波検出装置を用い、レーザ光の照射によって軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出することによって、該軟骨組織の物性の測定を行なう請求項１１もしくは１２に記載の方法。In the optical fiber, using a photoexcitation acoustic wave detection device provided with separation means for separating laser light and fluorescence, and fluorescence detection means attached to the separation means, by irradiation with laser light, in cartilage tissue 13. The method according to claim 11, wherein physical properties of the cartilage tissue are measured by detecting generated acoustic waves and fluorescence. 前記の光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして該光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段が備えられている光励起音響波検出装置を用い、レーザ光の照射によって軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出することによって、該軟骨組織の物性の測定を行なう請求項１１もしくは１２に記載の方法。A light detection optical fiber having at one end a light detection surface disposed close to the laser light irradiation surface of the optical fiber, and a light excitation device provided with fluorescence detection means attached to the light detection optical fiber 13. The method according to claim 11, wherein physical properties of the cartilage tissue are measured by detecting an acoustic wave and fluorescence generated in the cartilage tissue by laser beam irradiation using an acoustic wave detection device. レーザ光発生源、そして一方の端部が該レーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、該光ファイバに付設されたレーザ光と蛍光とを分離する分離手段、そして該分離手段に付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、該軟骨組織にて発生する蛍光を検出することによって、該軟骨組織の物性を測定する方法。A laser beam generating source, a laser beam irradiating device including a laser beam transmitting optical fiber having one end proximate to the laser beam generating source and a laser beam irradiating surface at the other end, attached to the optical fiber; Irradiating a cartilage tissue grown outside a living body with laser light using a light-excited fluorescence detection device having a separation means for separating the separated laser light and fluorescence, and a fluorescence detection means attached to the separation means, A method of measuring the physical properties of the cartilage tissue by detecting the fluorescence generated in the step. レーザ光発生源、そして一方の端部が該レーザ光発生源に近接付設され、他方の端部にレーザ光照射面を有するレーザ光伝送用光ファイバを含むレーザ光照射装置、該光ファイバのレーザ光照射面に近接配置された光検出面を一方の端部に有する光検出用光ファイバ、そして該光検出用光ファイバに付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、該軟骨組織にて発生する蛍光を検出することによって、該軟骨組織の物性を測定する方法。A laser light source, a laser light irradiation device including a laser light transmission optical fiber having one end close to the laser light generation source and having a laser light irradiation surface at the other end, and a laser of the optical fiber. Using a light-detecting optical fiber having a light-detecting surface at one end and a light-detecting optical fiber having a fluorescent detecting means attached to the light-detecting optical fiber, in vitro A method for measuring physical properties of cartilage tissue by irradiating the grown cartilage tissue with laser light and detecting fluorescence generated in the cartilage tissue. レーザ光発生源を含むレーザ光照射装置、レーザ光の励起により発生する音響波の検出面を有し、該検出面で検出された音響波を電気信号に変換する音響波検出変換手段、そして該変換手段に電気的に接続された音響波検出装置が組み合わされてなる光励起音響波検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、該軟骨組織にて発生する音響波を検出することによって、該軟骨組織の物性を測定する方法。A laser light irradiation device including a laser light source, a detection surface of an acoustic wave generated by excitation of the laser light, an acoustic wave detection conversion unit for converting the acoustic wave detected by the detection surface into an electric signal, and Using a light-excited acoustic wave detector combined with an acoustic wave detector electrically connected to the converting means, irradiating the cartilage tissue grown in vitro with laser light to generate an acoustic wave generated in the cartilage tissue. A method for measuring the physical properties of the cartilage tissue by detecting. レーザ光発生源と測定対象の軟骨組織との間に配置されたレーザ光とレーザ光の励起により発生する蛍光とを分離する分離手段、そして該分離手段に付設された蛍光検出手段が備えられている光励起音響波検出装置を用い、レーザ光の照射によって軟骨組織にて発生する音響波と蛍光とを検出することによって、該軟骨組織の物性の測定を行なう請求項１７に記載の方法。Separation means for separating laser light disposed between the laser light source and the cartilage tissue to be measured and fluorescence generated by excitation of the laser light, and fluorescence detection means attached to the separation means are provided. 18. The method according to claim 17, wherein the physical properties of the cartilage tissue are measured by detecting an acoustic wave and fluorescence generated in the cartilage tissue by laser light irradiation using an optical excitation acoustic wave detection device. レーザ光発生源を含むレーザ光照射装置、レーザ光とレーザ光の励起により発生する蛍光とを分離する分離手段、そして該分離手段に付設された蛍光検出手段を有する光励起蛍光検出装置を用い、生体外で育成した軟骨組織にレーザ光を照射し、該軟骨組織にて発生する蛍光を検出することによって、該軟骨組織の物性を測定する方法。A laser light irradiation device including a laser light source, a separation unit for separating laser light and fluorescence generated by excitation of the laser light, and a light-excited fluorescence detection device having a fluorescence detection unit attached to the separation unit. A method for measuring physical properties of cartilage tissue by irradiating the cartilage tissue grown outside with laser light and detecting fluorescence generated in the cartilage tissue.
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