JP2013208423A - 音響波検出用プローブおよび光音響計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被検体Mに測定光Lを照射するように測定光Lを導光する導光部44と、測定光Lの照射により被検体M内で発生した光音響波Uを検出する音響波振動子20とを備える音響波検出用プローブ11において、導光部44が、光学系の上流側から入射した測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化するホモジナイザ40と、ホモジナイザ40を透過した測定光Lを集光する集光部材と41、複数の光ファイバ42aを包含するバンドルファイバ42であって、集光部材41を透過した測定光Lが入射端部E1から入射するように配置されたバンドルファイバ42とを含むものとする。
【選択図】図1
Description
被検体に向けて測定光を出射するように測定光を導光する導光部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出する音響波振動子とを備える音響波検出用プローブにおいて、
導光部が、
この導光部に入射した測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化するホモジナイザと、
ホモジナイザを透過した測定光を集光する集光部材と、
複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、集光部材を透過した測定光がバンドルファイバの入射端部から入射するように配置されたバンドルファイバとを含むものであることを特徴とするものである。
上記に記載のプローブと、
音響波振動子によって検出された光音響波の光音響信号を処理する信号処理手段とを備えることを特徴とするものである。
まず、音響波検出用プローブ(探触子)の第1の実施形態について説明する。図1は、本実施形態におけるプローブの導光部の構成例を示す概略断面図である。また図2は、本実施形態のプローブにおける音響波振動子アレイおよび光ファイバの配置を示す概略断面図である。
筺体11aは、プローブ11の操作者がプローブ11を保持するための保持部材としても機能する。本実施形態では、筺体11aはハンドヘルド型の形状を有しているが、本発明の筺体11aはこれに限られない。
ホモジナイザ40は、本実施形態では、光学系の上流側から入射したレーザ光Lのエネルギープロファイル(エネルギー分布)をフラットトップ化するとともにレーザ光Lを拡散させる光学要素である。フラットトップ化されたレーザ光Lは、集光部材41へ導光され、フラットトップなエネルギープロファイルを有する状態で入射端部E1に入射する。エネルギープロファイルを「フラットトップ化する」とは、言い換えれば、ホモジナイザに入射したレ−ザ光を、中心付近がフラットトップなエネルギープロファイルを有するものに成形することである。本明細書において「フラットトップ」とは、ホモジナイザから出射したレーザ光のエネルギープロファイルにおいて直径がビーム径の80%である同心円を取り、この同心円内の各点のエネルギーについて標準偏差を求めた場合に、この標準偏差がこの同心円内における平均エネルギーの25%以内である状態を意味する。通常、ホモジナイザは、無限遠において光が完全にフラットトップ(つまり上記標準偏差がほぼ0に等しい)となるように構造設計されている。しかしながら、本発明において測定光がバンドルファイバの入射端部に入射する際のエネルギープロファイルは、必ずしも完全にフラットトップな状態である必要はなく、上記範囲の程度においてフラットトップな状態であれば足りる。レーザ光Lのエネルギープロファイルがフラットトップ化されることにより、局所的に光強度が強くなることが防止され、バンドルファイバ42の損傷も抑制される。さらに、バンドルファイバ42内の光ファイバのそれぞれに入射する光エネルギーのばらつきも抑制される。
集光部材41は、ホモジナイザ40を通過したレーザ光Lをバンドルファイバ42の入射端部に導光するためのものであり、集光レンズやミラーまたはこれらの組合せ等により構成することができる。例えば本実施形態では集光部材41は、1つの集光レンズからなる集光レンズ系である。集光部材41の焦点距離(バンドルファイバ42側の主点と焦点との距離)は、10〜100mmであることが好ましく、15〜50mmであることがより好ましい。光学系の小型化が可能であり、コアが石英からなりクラッドがフッ素ドープ石英からなる一般的な光ファイバの開口数NA(最大で0.22程度)に焦点距離を整合させるためである。また、集光部材41は、複数のレンズから構成される結合系レンズとすることもできる。集光部材41が結合系レンズである場合には、集光部材41の焦点距離とは、当該結合系レンズの合成焦点距離をいう。集光部材41は、図4aに示されるように保持部60aによってホモジナイザ40およびバンドルファイバ42と一体化して保持されるように構成してもよく、図4bに示されるように保持部60bによってバンドルファイバ42のみと一体化して保持されるように構成してもよい。
バンドルファイバ42は、集光部材41により集光された(つまり、集光部材41を透過した)レーザ光Lを音響波振動子アレイ20の近傍にまで導光するものである。なお、集光部材41とバンドルファイバ42の間に他の導光部材が設けられてもよい。バンドルファイバ42は、例えば図5に示されるように、コアおよびクラッドから構成される複数の光ファイバ42aと、フェルールおよびシース等の被覆部材42cと、複数の光ファイバ42aの外周と被覆部材42cとの間を充填する充填部材42bから構成される。バンドルファイバ42中の光ファイバ42aのコア径は20〜300μmであることが好ましく、50〜200μmであることがより好ましい。バンドルファイバ42中の光ファイバ42aは、特に限定されないが石英ファイバであることが好ましい。
音響波振動子アレイ20は、複数の音響波振動子(または音響波検出素子)の1次元的または2次元的に配列したものであり、音響波信号を電気信号に変換する。音響波振動子は、例えば、圧電セラミクス、圧電単結晶、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは音響波振動子アレイの振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは測定光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。なお、音響波振動子アレイ20は、正確な音響波信号を検出するため、音響整合層、音響レンズおよびバッキング材等の音響素子を備えることが好ましい。
ホモジナイザ40が拡散機能を有する場合において、集光部材41は、下記式3で規定されるレーザ光L(測定光)の最小ビーム径D(つまり、焦点面におけるビーム径)がバンドルファイバ42の径dとの関係で下記式4を満たすようにレーザ光を集光するものであり、バンドルファイバ42は、レーザ光Lのビーム径Dが0.8d以上1.2d以下である状態でレーザ光が入射するように配置されたものであることが好ましい。
次に、音響波検出用プローブの第2の実施形態の実施形態について説明する。本実施形態のプローブは、導光部がバンドルファイバ42の上流側にビームエキスパンダ光学系を有する点で、第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様な構成要素の詳細な説明は特に必要がない限り省略する。
ビームエキスパンダ光学系55は、例えば図9に示されるように、バンドルファイバ42中の複数の光ファイバ42aの開口角に適合したビーム径に、さらにはその開口角に対して最適なビーム径に測定光を拡大するものである。「光ファイバの開口角に適合したビーム径」とは、ホモジナイザおよび集光部材を経由し、バンドルファイバの入射端部に集光されたときに、光の集光角がその光ファイバの開口角に近くなるビーム径を意味し、「光ファイバの開口角に対して最適なビーム径」とは、そのときに、光の集光角がほぼその光ファイバの開口角となるビーム径を意味する。また、ビームエキスパンダ光学系55は集光部材41の上流側(つまり光源側)に配置される。ビームエキスパンダ光学系55の拡大率は、光ファイバ42aの開口数を超えない範囲において、レーザ光Lがより広い拡がり角でバンドルファイバ42の入射端部E1に入射可能となるように、上記複数の光ファイバ42aの開口角に適合させる。例えば一般的なコア/クラッド構造を有する石英ファイバの開口数は0.20〜22であり、開口角は11.4〜12.7°である。このように設定することにより、光ファイバ42aを出射した後の光の拡がり角を可能な限り広げることができ、光ファイバ42aの出射端面からより短い距離で照明の均一化を図ることができる。また、ビームエキスパンダ光学系55は、ホモジナイザ40と集光部材41との間に配置してもよいが、制御性の観点から図9に示されるように、ホモジナイザ40の上流側の直近(直前)の位置に配置することが好ましい。
次に、音響波検出用プローブの第3の実施形態の実施形態について説明する。本実施形態のプローブは、導光板を介してバンドルファイバ42によって導光した測定光を照射する点で、第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様な構成要素の詳細な説明は特に必要がない限り省略する。
導光板43は、例えばアクリル板や石英板の表面に特殊な加工を施して、一方の端面(接続面S1)から入れた光を他方の端面(出射面S2)から均一に面発光させる板である。例えば導光板43は、図10に示されるように、石英板43aの対向する1対の側面に低屈折率の樹脂薄膜43bを成膜する等により製造することができる。この場合、接続面S1から入射したレーザ光は、石英板43aおよび樹脂薄膜43bの界面S3で多重反射しながら伝搬し、出射面S2から出射することとなる。光ファイバ42aの出射端部E2は、導光板43の接続面S1上にほぼ均等に配置されかつ光学的に接続されている。図10aのように、導光板43が接続面S1から出射面S2へ向かって広がるテーパ形状を有する場合、より広範囲に均一にレーザ光Lを照射することが可能となる。なお、導光板43は、図10cに示されるように直方体形状を有するものでもよい。図11に示されるように、本実施形態では2つの導光板43が、音響波振動子アレイ20を挟んで対向するように配置され、それぞれの導光板43の接続面S1に光ファイバ42aが接続されている。導光板43は、より広範囲の被検体Mをレーザ光Lによって照射できるように、その先端部に光を拡散させる機構(拡散板、散乱粒子を包含する樹脂等)または光の進行方向を音響波振動子アレイ20側へ向ける機構(光を屈折させるための切り欠き等)を有していてもよい。
本発明では、測定光を一度ホモジナイザに通すことによりエネルギープロファイルをフラットトップ化している。しかしながら、ホモジナイザを使用しても完全にエネルギープロファイルを均一にすることは難しい場合がある。そこで、本発明において、光ファイバの出射端部を配置する際に、光ファイバのバンドルファイバ中における位置を考慮することが好ましい。
次に、光音響計測装置の第1の実施形態について説明する。本実施形態では、光音響計測装置が、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置である場合について具体的に説明する。図21は、本実施形態の光音響画像生成装置10の構成を示すブロック図である。
レーザユニット13は、本発明における光源に相当し、例えばレーザ光Lを、被検体Mに照射する測定光として出力する。レーザユニット13は、例えば、制御手段29からのトリガ信号を受けてレーザ光Lを出力するように構成されている。レーザユニット13が出力するレーザ光Lは、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ11まで導光され、プローブ11から被検体Mに照射される。レーザユニット13は、レーザ光として1〜100nsecのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。
プローブ11は、被検体M内で発生した光音響波Uを検出する本発明に係るプローブであり、本実施形態では第3の実施形態に係るプローブである。
超音波ユニット12は、受信回路21、AD変換手段22、受信メモリ23、光音響画像再構成手段24、検波・対数変換手段27、光音響画像構築手段28、制御手段29、画像合成手段38および観察方式選択手段39を有する。例えば、受信回路21、AD変換手段22、受信メモリ23、光音響画像再構成手段24、検波・対数変換手段27および光音響画像構築手段28が一体として、本発明における信号処理手段としての光音響画像生成手段に相当する。
次に、光音響計測装置の第2の実施形態について説明する。本実施形態でも、光音響計測装置が光音響画像生成装置である場合について具体的に説明する。図22は、本実施形態の光音響画像生成装置10の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
本実施形態の超音波ユニット12は、図21に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、送信制御回路33、データ分離手段34、超音波画像再構成手段35、検波・対数変換手段36、および超音波画像構築手段37を備える。本実施形態では、受信回路21、AD変換手段22、受信メモリ23、データ分離手段34、光音響画像再構成手段24、検波・対数変換手段27、光音響画像構築手段28、超音波画像再構成手段35、検波・対数変換手段36、及び超音波画像構築手段37が一体として、本発明における信号処理手段としての音響画像生成手段に相当する。
11 音響波検出用プローブ
12 超音波ユニット
13 レーザユニット
14 画像表示手段
16 入力手段
20 音響波振動子アレイ
21 受信回路
24 光音響画像再構成手段
28 光音響画像構築手段
30 トリガ制御回路
33 送信制御回路
34 データ分離手段
35 超音波画像再構成手段
37 超音波画像構築手段
38 画像合成手段
39 観察方式選択手段
40 ホモジナイザ
41 集光部材
42 バンドルファイバ
42a 光ファイバ
43 導光板
44 導光部
53 レンズ拡散板
55 ビームエキスパンダ光学系
60a、60b 保持部
62 中心側領域
64 外周側領域
65a、65b、65c コネクタ構造を有する保持部
D レーザ光の最小ビーム径
E1 入射端部
E2 出射端部
L レーザ光
M 被検体
U 光音響波
Claims (25)
- 被検体に向けて測定光を出射するように該測定光を導光する導光部と、前記測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出する音響波振動子とを備える音響波検出用プローブにおいて、
前記導光部が、
該導光部に入射した前記測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化するホモジナイザと、
該ホモジナイザを透過した前記測定光を集光する集光部材と、
複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、前記集光部材を透過した前記測定光がバンドルファイバの入射端部から入射するように配置されたバンドルファイバとを含むものであることを特徴とするプローブ。 - 前記ホモジナイザが、前記測定光をさらに拡散させるものであることを特徴とする請求項1に記載のプローブ。
- 前記集光部材が、下記式1で規定される前記測定光の最小ビーム径Dが前記バンドルファイバの径dとの関係で下記式2を満たすように前記測定光を集光するものであり、
前記バンドルファイバが、前記測定光のビーム径が0.8d以上1.2d以下である状態で前記測定光が入射するように配置されたものであることを特徴とする請求項2に記載のプローブ。
- 前記導光部が、前記ホモジナイザの入射側の直前に、前記複数の光ファイバの開口角に適合したビーム径に前記測定光を拡大するように、前記複数の光ファイバの開口角に適合した拡大率が設定されたビームエキスパンダ光学系を含むものであることを特徴とする請求項1から3いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記バンドルファイバの入射端部に融着加工が施されていることを特徴とする請求項1から4いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記入射端部における前記複数の光ファイバの外周が、光エネルギーに対して高い耐久性を有する材料によって被覆されていることを特徴とする請求項1から5いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記光エネルギーに対して高い耐久性を有する材料が石英であることを特徴とする請求項6に記載のプローブ。
- 前記入射端部の端面配置において分割された複数の分割領域のそれぞれに係る光ファイバの出射端部が、光ファイバ全体の出射端部から前記測定光が出射したときのエネルギープロファイルが全体として均一になるように、前記出射端部が属する分割領域ごとの相対的な大きさに応じて配置されていることを特徴とする請求項1から7いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記複数の分割領域が、前記バンドルファイバの中心からの距離に応じて分割されたものであることを特徴とする請求項8に記載のプローブ。
- 前記導光部が、前記複数の光ファイバの出射端部の少なくとも一部が接続される接続面と、該接続面から入射した前記測定光が出射する出射面とを有する少なくとも1つの導光板を備えることを特徴とする請求項1から9いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記導光板が、前記音響波振動子を挟んで対向するように複数配置されていることを特徴とする請求項10に記載のプローブ。
- 前記ホモジナイザが、微小なレンズが基板の片面にランダムに配置されたレンズ拡散板であることを特徴とする請求項1から11いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記集光部材および前記バンドルファイバを一体化して保持する保持部を備えることを特徴とする請求項1から12いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記保持部が前記ホモジナイザも含めて一体化して保持するものであることを特徴とする請求項13に記載のプローブ。
- 前記バンドルファイバの入射面を覆うように前記入射端部を保持する保持部であって前記測定光が入射する部分にウィンドウ部を有する保持部を備えることを特徴とする請求項1から12いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記ウィンドウ部がNDフィルタから構成されることを特徴とする請求項15に記載のプローブ。
- 前記バンドルファイバに入射する前記測定光を通過させる開口を有しかつ前記バンドルファイバの入射端に設けられた開口部材であって前記開口の径が入射端に向かうほど前記バンドルファイバの径に対応した大きさまで小さくなる開口部材を備えることを特徴とする請求項13から16いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記保持部が、キャップ部材と、光エネルギーに対して耐性のある材料から形成されたチップであってキャップ部材に嵌められたリング形状のチップとを含む導光部材を前記保持部内部に備えることを特徴とする請求項13から16いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記保持部が、絞りおよびリレーレンズ系を含む導光部材を前記保持部内部に備えることを特徴とする請求項13から16いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記保持部が、光源を内包する装置筐体の装着部と着脱可能なコネクタ構造を有するものであることを特徴とする請求項13から19いずれか1項に記載のプローブ。
- 請求項1に記載のプローブと、
前記音響波振動子によって検出された光音響波の光音響信号を処理する信号処理手段とを備えることを特徴とする光音響計測装置。 - 前記測定光を出力する光源と、
該光源と光学的に接続された装着部であって前記ホモジナイザを保持する装着部を有する装置筺体と、
前記集光部材および前記バンドルファイバを一体化して保持する保持部とを備え、
前記装着部および前記保持部が互いに着脱可能なコネクタ構造を有するものであることを特徴とする請求項21に記載の光音響計測装置。 - 前記測定光を出力する光源と、
該光源と光学的に接続された装着部であって前記ホモジナイザおよび前記集光部材を保持する装着部を有する装置筺体と、
前記バンドルファイバの入射面を覆うように前記入射端部を保持する保持部であって前記測定光が入射する部分にウィンドウ部を有する保持部とを備え、
前記装着部および前記保持部が互いに着脱可能なコネクタ構造を有するものであることを特徴とする請求項21に記載の光音響計測装置。 - 前記信号処理手段が、前記光音響信号に基づいて光音響画像を生成する音響画像生成手段を含むものであることを特徴とする請求項21から23いずれか1項に記載の光音響計測装置。
- 前記音響波振動子が、前記被検体に対して送信された音響波に対する反射音響波を検出するものであり、
前記音響画像生成手段が、前記反射音響波の信号に基づいて反射音響波画像を生成するものであることを特徴とする請求項24に記載の光音響計測装置。
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