JP2014230631A - 光音響計測用プローブ並びにそれを備えたプローブユニットおよび光音響計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光音響計測用のプローブにおいて、バンドルファイバを分岐させて各光出射部に導光された光の光量が異なる場合であっても、光が被検体に照射されたときのエネルギー密度を均一化することを可能とする。【解決手段】光音響計測用のプローブ１１は、音響波検出素子２０ａと、バンドルファイバ４０と、バンドルファイバ４０によって導光された測定光Ｌを被検体Ｍに向けて出射させる２つの光出射部４２とを備える。バンドルファイバ４０の一端は、分岐して上記２つの光出射部４２にそれぞれ接続されており、上記２つの光出射部４２は、互いに光量の異なる分岐光ＬａおよびＬｂの光出射部４２ａおよび４２ｂをそれぞれ出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、被検体内で発生した光音響信号の計測を行うためのプローブ並びにそれを備えたプローブユニットおよび光音響計測装置に関するものである。

近年、光音響効果を利用した非侵襲の計測法が注目されている。この計測法は、所定の波長（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を有するパルス光を被検体に照射し、被検体内の吸収物質がこのパルス光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その吸収物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の吸収物質とは、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。また、このような光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）と呼ばれる。

光音響イメージングでは、例えば特許文献１および２に示されるように、音響波検出部と、この音響波検出部の周囲に配置された複数の光出射部と、レーザ光源からの光を各光出射部まで導光するバンドルファイバとを備えたプローブが使用されることがある。

特開２０１２−１６６００９号公報 特開２０１２−１７９３５０号公報

ところで、上記のようなプローブにおいて、バンドルファイバを分岐させて各光出射部に光を導光する際、そもそもバンドルファイバに入射するレーザ光のエネルギー強度がガウス分布を有するから、バンドルファイバを任意に分岐させても各光出射部に導光された光の光量が必ずしも互いに一致するとは限らない。

この光量のずれを解消するために、ファイバ素線の配置を変更することが考えられるが、これは煩雑な作業である。また、バンドルファイバの耐久性の観点から、１本の太いファイバ素線を中心にしてその周囲に細いファイバ素線を有するようなバンドルファイバを使用する場合には、太いファイバ素線に光の大部分が入射することになるため、光量のずれを解消すること自体が難しい。

このように、バンドルファイバを分岐させて各光出射部に導光された光の光量のずれはある程度許容せざるを得ない場合があるが、そのような場合には、光が被検体に照射されたときのエネルギー密度が不均一となる恐れがある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光音響計測用のプローブにおいて、バンドルファイバを分岐させて各光出射部に導光された光の光量が異なる場合であっても、光が被検体に照射されたときのエネルギー密度を均一化することを可能とする光音響計測用プローブ並びにそれを備えたプローブユニットおよび光音響計測装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の光音響計測用プローブは、
音響波検出素子と、
バンドルファイバと、
バンドルファイバによって導光された測定光を被検体に向けて出射させる２つの光出射部とを備え、
バンドルファイバの一端が、分岐して上記２つの光出射部にそれぞれ接続され、
上記２つの光出射部が、バンドルファイバで分岐された測定光である分岐光であって互いに光量の異なる分岐光の光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とするものである。

なお、「２つの光出射部」は、プローブが有する光出射部の数を２つに限定するものではない。プローブが３つ以上の光出射部を有する場合には、その中から選択された少なくとも２つの光出射部において本発明の要件を満たせば充分である。

そして、本発明のプローブにおいて、各光出射部は、一端面でバンドルファイバに接続された導光部材と、導光部材の他端面から出射した分岐光を拡散させる拡散部とを有し、上記２つの光出射部の導光構造に関して、導光部材の設計および拡散部の設計の少なくともいずれかが異なることが好ましい。この場合において、光量が多い方の拡散部の拡散角は、光量が少ない方の拡散部の拡散角よりも大きいことが好ましい。また、光量が多い方の拡散部から光出射部の出射端までの距離が、光量が少ない方の拡散部から光出射部の出射端までの距離よりも長いことが好ましい。また、光量が多い方の導光部材の導光方向の長さが、光量が少ない方の導光部材の導光方向の長さよりも長いことが好ましい。

或いは、本発明のプローブにおいて、各光出射部は、一端面でバンドルファイバに接続された導光部材を有し、光量が多い方の光出射部のみが、導光部材の他端面から出射した分岐光を拡散させる拡散部をさらに有する構成を採用することもできる。

また、本発明のプローブにおいて、拡散部は、光ビームを楕円状に拡散させるものであることが好ましい。

また、本発明のプローブにおいて、バンドルファイバは、分岐していない側のバンドルファイバの中心部を構成する第１ファイバ素線および中心部の周囲の外周部を構成する複数の第２ファイバ素線であって第１ファイバ素線の径よりも径が細い第２ファイバ素線の一部の組と、第２ファイバ素線の他の一部の組で分岐しているものである構成を採用できる。

或いは、本発明のプローブにおいて、バンドルファイバは、分岐していない側のバンドルファイバの中心部を構成する第１ファイバ素線と、中心部の周囲の外周部を構成する複数の第２ファイバ素線であって第１ファイバ素線の径よりも径が細い第２ファイバ素線とで分岐しているものである構成を採用できる。

本発明のプローブユニットは、
測定光を出力する光源と、測定光をプローブのバンドルファイバへ光学的に接続する接続部とを有する光源ユニットと、
接続部に接続される光音響計測用のプローブとを備え、
プローブが、音響波検出素子と、バンドルファイバと、バンドルファイバによって導光された測定光を被検体に向けて出射させる２つの光出射部とを有し、
バンドルファイバの一端が、分岐して上記２つの光出射部にそれぞれ接続され、
上記２つの光出射部が、バンドルファイバで分岐された測定光である分岐光であって互いに光量の異なる分岐光の光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とするものである。

そして、本発明のプローブユニットにおいて、各光出射部は、一端面でバンドルファイバに接続された導光部材と、導光部材の他端面から出射した分岐光を拡散させる拡散部とを有し、上記２つの光出射部の導光構造に関して、導光部材の設計および拡散部の設計の少なくともいずれかが異なることが好ましい。この場合において、光量が多い方の拡散部の拡散角は、光量が少ない方の拡散部の拡散角よりも大きいことが好ましい。また、光量が多い方の拡散部から光出射部の出射端までの距離が、光量が少ない方の拡散部から光出射部の出射端までの距離よりも長いことが好ましい。また、光量が多い方の導光部材の導光方向の長さが、光量が少ない方の導光部材の導光方向の長さよりも長いことが好ましい。

本発明の光音響計測装置は、
光音響計測用のプローブと、
プローブによって検出された光音響波に基づいて光音響画像を生成する信号処理部とを備え、
プローブが、音響波検出素子と、バンドルファイバと、バンドルファイバによって導光された測定光を被検体に向けて出射させる２つの光出射部とを有し、
バンドルファイバの一端が、分岐して２つの光出射部にそれぞれ接続され、
上記２つの光出射部が、バンドルファイバで分岐された測定光である分岐光であって互いに光量の異なる分岐光の光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とするものである。

そして、本発明の光音響計測装置において、各光出射部は、一端面でバンドルファイバに接続された導光部材と、導光部材の他端面から出射した分岐光を拡散させる拡散部とを有し、上記２つの光出射部の導光構造に関して、導光部材の設計および拡散部の設計の少なくともいずれかが異なることが好ましい。この場合において、光量が多い方の拡散部の拡散角は、光量が少ない方の拡散部の拡散角よりも大きいことが好ましい。また、光量が多い方の拡散部から光出射部の出射端までの距離が、光量が少ない方の拡散部から光出射部の出射端までの距離よりも長いことが好ましい。また、光量が多い方の導光部材の導光方向の長さが、光量が少ない方の導光部材の導光方向の長さよりも長いことが好ましい。

また、本発明の光音響計測装置において、信号処理部は、被検体内で反射した反射音響波に基づいて反射音響画像を生成するものである。

本発明のプローブ、プローブユニットおよび光音響計測装置は、２つの光出射部が、互いに光量の異なる分岐光の光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とするものである。つまり、各光出射部の導光構造が、２つの分岐光の光量の差異を相殺し、最終的にエネルギー密度を均一化するように設計されている。この結果、バンドルファイバを分岐させて各光出射部に導光された光の光量が異なる場合であっても、光が被検体に照射されたときのエネルギー密度を均一化することが可能となる。

第１の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概略図である。 プローブの構成例を示す概略図である。 バンドルファイバの構成例を示す概略断面図である。 光出射部の構成例を示す概略断面図である。 エネルギー密度の測定方法を示す概略図である。 分岐光の光出射部を出射した際のエネルギー密度の調整方法を示す概略図である。 分岐したファイバ素線の本数が異なる場合のエネルギー密度の調整方法を示す概略図である。 光出射部の他の構成例を示す概略断面図である。 光出射部の他の構成例を示す概略断面図である。 光出射部の他の構成例を示す概略断面図である。 第２の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。

「第１の実施形態」
まず、第１の実施形態のプローブ、プローブユニットおよび光音響計測装置について説明する。図１は本実施形態の光音響計測装置の構成を示す概略図であり、図２はプローブの構成例を示す概略図である。

本実施形態の光音響計測装置１０は、例えば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機能を有する。具体的には図１に示されるように、本実施形態の光音響計測装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および表示部１４を備えている。

＜プローブ＞
プローブ１１は、被検体に向けて超音波を照射したり、被検体Ｍ内を伝搬する音響波Ｕを検出したりするものである。すなわち、プローブ１１は、被検体Ｍに対する超音波の照射（送信）、および被検体Ｍから反射して戻って来た反射超音波（反射音響波）の検出（受信）を行うことができる。さらにプローブ１１は、被検体Ｍ内の吸収体６５がレーザ光を吸収することにより被検体Ｍ内に発生した光音響波の検出も行うことができる。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」とはプローブにより送信され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Ｍ内に発生した弾性波を意味する。また吸収体６５としては、例えば血管、金属部材等が挙げられる。

本実施形態のプローブ１１は、例えば図１および図２に示されるように、振動子アレイ２０、複数の光ファイバ素線が束ねられたバンドルファイバ４０、振動子アレイ２０を挟むように配置された２つの光出射部４２およびこれらを包含する筺体４５を備える。

振動子アレイ２０は、例えば一次元または二次元に配列された複数の超音波振動子２０ａ（音響波検出素子）から構成される。超音波振動子２０ａは、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。超音波振動子２０ａは、音響波Ｕを受信した場合にその受信信号を電気信号に変換する機能を有している。また、超音波振動子２０ａは、測定光の照射によっても電気信号を発生する。この電気信号は、超音波振動子２０ａの焦電効果または光音響効果に起因する。本発明では、このように測定光の超音波振動子への照射に起因して発生する電気信号（光検出信号）に基づいて、プローブ１１と被検体Ｍとの接触状態を判断してもよい。振動子アレイ２０で発生したこれらの電気信号は後述する受信回路２１に出力される。プローブ１１は、セクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等の中から撮像部位に応じて選択される。

バンドルファイバ４０は、レーザユニット１３からのレーザ光Ｌを光出射部４２にまで導く。バンドルファイバ４０は、特に限定されず、石英ファイバ等の公知のものを使用することができる。例えば図３のａは、１本の太いファイバ素線４１ａと、その周囲に配置された複数のファイバ素線４１ｂとから構成されるバンドルファイバ４０を示している。一般的に光ファイバは、コア部の方がクラッド部よりも光エネルギーに耐性のある材料を使用することができる。したがって、図３のａのようなバンドルファイバは、中心部に太いファイバ素線（例えば直径０．４〜０．８ｍｍ）が配置されているために、局所的にエネルギー密度が高くなる中心部でバンドルファイバ（特に端面）が破壊されることを抑制することができる。図３のｂは、図３のａのバンドルファイバを融着処理したものである。融着処理されたバンドルファイバでは、各ファイバ素線の外縁形状が変化しながら各ファイバ素線のクラッド同士が融着される。これにより、接着剤を使用したバンドルファイバと比較して、融着処理されたバンドルファイバでは、ファイバ素線間の余分な間隙が減少する。図３のａのバンドルファイバが融着処理されると、例えばファイバ素子線４１ａおよびファイバ素線４１ｂはそれぞれファイバ素線４１ｃおよびファイバ素線４１ｄのように変化する。中心部を構成する太いファイバ素線は１本でもよいし複数本でもよい。バンドルファイバ４０は、図１および図２に示されるように、出射側において分岐し、分岐した部分はそれぞれ１つの光出射部４２に接続される。

分岐の形式は特に限定されない。例えばバンドルファイバ４０は、中心部を構成するファイバ素線４１ａおよび外周部を構成する複数のファイバ素線４１ｂの一部を組み合わせたものと、それ以外のファイバ素線４１ｂとで分岐していてもよい。または、中心部を構成するファイバ素線４１ａと、外周部を構成する複数のファイバ素線４１ｂとで分岐していてもよい。

光出射部４２は、バンドルファイバ４０によって導光されたレーザ光を被検体に照射する部分である。図４は、光出射部の構成例を示す概略断面図である。図２および図４のａに示されるように、本実施形態では２つの光出射部４２が、振動子アレイ２０を挟んで対向するように、振動子アレイ２０のエレベーション方向（振動子アレイのアレイ方向に垂直で検出面に平行な方向）の両側に配置されている。また、光出射部４２は、図４のｂに示されるように、光出射部の光出射軸が振動子アレイ２０側に向くように傾いていてもよい。この場合には、振動子アレイ２０の真下の領域に光を照射しやすくなる。

例えば本実施形態では、光出射部４２は、第１の導光部材４６、拡散部４７および第２の導光部材４８から構成される。第１の導光部材４６、拡散部４７および第２の導光部材４８は、光の進行方向に対して例えば直列に並べられており、これらは例えば図示しない固定枠体によって固定される。

第１の導光部材４６は、バンドルファイバ４０によって分岐して導光された測定光（分岐光とも言う）を拡散部４７へ導光する。第１の導光部材４６の光入射端にはバンドルファイバ４０の分岐した部分の光出射端が光学的に結合される。第１の導光部材としては、例えば導光板を使用することができる。導光板は、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、一方の端面から入れた光を他方の端面から均一に面発光させる板である。

拡散部４７は、第１の導光部材４６から出射した分岐光を拡散させるものである。これにより、分岐光の照射範囲がより拡大される。拡散部４７としては、例えば拡散板を使用することができる。また拡散板としては、微小な凹レンズ等が基板の片面にランダムに配置されたレンズ拡散板や、例えば拡散微粒子が分散された石英板等を使用することができる。また、拡散部４７は、第１の導光部材４６と独立した部材である必要はない。例えば、第１の導光部材４６の光出射端部に拡散層を設けてもよいし、その光出射端面に拡散面を設けてもよい。

例えば拡散部４７は、接着剤によって固定部材（図示省略）に固定されるが、レンズ拡散板を接着する際には、光拡散性が強い接着剤を用いることが好ましい。これは、レンズ拡散面に接着剤が付着すると、その部分の光拡散性が失われ、局所的に強い光が出射する可能性があるためである。光拡散性を有する接着剤を用いた場合、レンズ拡散面に接着剤が付着した場合でも、接着剤の光拡散性によって光を拡散させることができる。接着剤としては、例えば白色顔料入りのシリコーンゴムなどの接着剤を用いることができる。白色顔料としては、例えばＴｉＯ_２が挙げられる。ＴｉＯ_２の含有率は、１ｗｔ％〜２０ｗｔ％が好ましい。シリコーンゴムとしては、例えば信越化学社製の液状ゴムＫＥ−４５−Ｗを用いることができる。

第２の導光部材４８は、拡散部４７によって拡散された分岐光を被検体に向けて出射させるものである。また、第２の導光部材４８の出射端は、筺体４５の光窓部（開口部分）に嵌められており、その隙間を埋める機能を果たす。これにより、プローブ使用時に筺体４５の光窓部から筺体内部へ異物が混入したり細菌が侵入したりすることなどを防止できる。また、上記の拡散層や拡散面を第１の導光部材４６に設ける代わりに、それぞれ第２の導光部材４８の光入射端部や光入射端面に設けてもよい。

そして本発明では、互いに光量の異なる分岐光が光出射部をそれぞれ出射した際のそのエネルギー密度が等しくなるように、２つの光出射部が、互いに異なる導光構造を有する。例えば、導光部材の設計および拡散部の設計の少なくともいずれかが異なることにより、そのような構造を実現できる。「互いに光量の異なる分岐光」とは、分岐光それぞれのエネルギー量が最大エネルギー量の５％以上異なることを意味する。最大エネルギー量の５％以上のずれは例えば画像ムラにつながってしまう。ここで、互いに光量の異なる分岐光（例えば光出射部４２ａおよび４２ｂのそれぞれに入射した２つの分岐光）のエネルギー密度が等しいか否かは下記のようにして判断される。

図５は、エネルギー密度の測定方法を示す概略図である。特に図５のａは、光出射部４２ａから出射した分岐光（出射光）を光センサで検出する様子を示す概略図であり、図５のｂは、光出射部と光の検出位置との関係を示す概略断面図である。まず、図５に示されるように光出射部４２ａの出射端面４２ｓ（つまり出射端）から所定の距離Ｄだけ離れた場所において、光出射部４２ａから出射した出射光Ｌ１のうち直径φの開口を通過した光を、計測器５１が接続された光センサ５０で検出する。光の検出は、光センサ５０の検出面が光軸ＡＸに垂直な状態で、上記開口の中心の位置を１ｍｍ間隔でその幅方向（図５のａにおける左右方向）に移動させながら複数の位置で行われる。上記移動は、光出射部４２ａの出射端面４２ｓに対応する範囲Ｗ内の端から端まで、つまり上記開口の端部が上記範囲Ｗを超えない範囲で行われる。また、上記距離Ｄおよび直径φはそれぞれ３ｍｍおよび３．５ｍｍとする。光出射部４２ａの出射端面４２ｓは、本実施形態では第２の導光部材４８ａの出射端面であり、例えば第２の導光部材４８ａがない場合には拡散部４７ａの出射端面となる。そして、各測定位置で測定されたエネルギー量を開口面積で割って各測定位置でのエネルギー密度を算出し、それらの平均値Ｌ１ａｖｅを算出する。次に、光出射部４２ｂからの出射光Ｌ２についても同様にしてエネルギー密度の平均値Ｌ２ａｖｅを算出する。そして、測定位置ごとのエネルギー密度の最大値を、光出射部ごとにＬ１ｍａｘおよびＬ２ｍａｘとしたとき、Ｌ１ａｖｅ×０．８≦Ｌ２ａｖｅ≦Ｌ１ａｖｅ×１．２とＬ１ｍａｘ×０．８≦Ｌ２ｍａｘ≦Ｌ１ｍａｘ×１．２の両方の関係式を満たす場合に、出射光Ｌ１およびＬ２それぞれの光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しいとする。光センサ５０としては、例えばＯＰＨＩＲ社製パイロエレクトリックセンサＰＥ１０ＢＢを使用することができ、計測器５１としては、例えばＯＰＨＩＲ社製ディスプレイＮＯＶＡIIを使用することができる。

本実施形態では、第１の導光部材４６の設計（形状、大きさ、材料、配置等）、拡散部４７の設計（拡散角度、構造、配置等）および第２の導光部材４８の設計（形状、大きさ、材料、配置等）は、各光出射部に導光された分岐光の光量に基づいて、適宜決められる。分岐光の光量は、例えばプローブ１１が装着される光源ユニット１３の仕様に基づいて予め求められる。また、実際にレーザ光をバンドルファイバに入射して各分岐光の光量を計測し、その後その計測値に基づいて適宜各部材を選択するようにしてもよい。

具体的には、以下のように上記エネルギー密度が調整される。図６は、分岐光の光出射部を出射した際のエネルギー密度の調整方法を示す概略図である。図６のａは、光量が互いに異なる分岐光がそれぞれ光出射部４２ａおよび４２ｂ内を導光された結果、同等のエネルギー密度を有する出射光Ｌ１およびＬ２として出射される様子を表す。また、図６のｂは、光量の多い方の分岐光Ｌａが光出射部４２ａ内を導光されて出射光Ｌ１として出射する様子を表し、図６のｃは、光量の少ない方の分岐光Ｌｂが光出射部４２ｂ内を導光されて出射光Ｌ２として出射する様子を表す。

光出射部４２ａでは、分岐光Ｌａの光量が光出射部４２ｂを導光する分岐光Ｌｂの光量より多いため、拡散部４７ａの拡散角度が拡散部４７ｂの拡散角度よりも大きく設定されている。例えば、拡散部４７ａの拡散角度は８０度であり、拡散部４７ｂの拡散角度は４０度である。これにより、光出射部４２ａ内を導光してきた分岐光Ｌａの照射範囲が広がる（図６のｂおよびｃ）。したがって、光出射部４２ａでは光出射部４２ｂよりも、エネルギー密度の低下率が大きい。この結果、分岐光Ｌａが光出射部４２ａを出射したときには、両方のエネルギー密度が一致するようになる。なお、拡散した分岐光のうち光出射部４２ａの出射端面４２ｓの範囲を超えて拡散した光（つまり、光出射部４２ａの出射端面４２ｓ以外の部分から漏れ出た光）は、光窓部を通過することができず筺体４５の内壁に遮断される。したがって、筺体内壁には光吸収のためのコーティング等を施しておくとよい。

＜レーザユニット＞
レーザユニット１３は、例えばレーザ光Ｌを発するＱスイッチ固体レーザ型の光源を有し、被検体Ｍに照射する光としてレーザ光Ｌを出力する。レーザユニット１３が本発明における光源ユニットに相当する。レーザユニット１３は、例えば、超音波ユニット１２の制御部３４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。例えば本実施形態では、レーザユニット１３の光源はＱスイッチアレキサンドライトレーザである。

レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の吸収体の光吸収特性によって適宜決定される。例えば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、一般的にはその波長は近赤外波長域に属する波長であることが好ましい。近赤外波長域とはおよそ７００〜８５０ｎｍの波長域を意味する。しかしながら、レーザ光の波長は当然これに限られるものではない。また、レーザ光Ｌは、単波長でもよいし、複数の波長（例えば７５０ｎｍおよび８００ｎｍ）を含んでもよい。さらに、レーザ光Ｌが複数の波長を含む場合には、これらの波長の光は、同時に被検体Ｍに照射されてもよいし、交互に切り替えられながら照射されてもよい。レーザユニット１３は、アレキサンドライトレーザの他、同様に近赤外波長域のレーザ光を出力可能なＹＡＧ−ＳＨＧ−ＯＰＯレーザやＴｉ−Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザとすることもできる。

＜超音波ユニット＞
超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換部２２、受信メモリ２３、光音響画像生成部２４、表示制御部３０および制御部３４を有する。超音波ユニット１２が本発明における信号処理部に相当する。

制御部３４は、光音響計測装置１０の各部を制御するものであり、本実施形態ではトリガ制御回路（図示省略）を備える。トリガ制御回路は、例えば光音響計測装置の起動の際に、レーザユニット１３に光トリガ信号を送る。これによりレーザユニット１３で、フラッシュランプが点灯し、レーザロッドの励起が開始される。そして、レーザロッドの励起状態は維持され、レーザユニット１３はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。

そして、制御部３４は、その後トリガ制御回路からレーザユニット１３へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御部３４は、このＱｓｗトリガ信号によってレーザユニット１３からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御している。また本実施形態では、制御部３４は、Ｑｓｗトリガ信号の送信と同時にサンプリングトリガ信号をＡＤ変換部２２に送信する。サンプリングトリガ信号は、ＡＤ変換部２２における光音響信号のサンプリングの開始タイミングの合図となる。このように、サンプリングトリガ信号を使用することにより、レーザ光の出力と同期して光音響信号をサンプリングすることが可能となる。

受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。受信回路２１で受信された光音響信号はＡＤ変換部２２に送信される。

ＡＤ変換部２２は、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部２２は、例えば外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で受信した光音響信号をサンプリングする。

受信メモリ２３は、ＡＤ変換部２２でサンプリングされた光音響信号を記憶する。そして、受信メモリ２３は、プローブ１１によって検出された光音響信号のデータを光音響画像生成部２４に出力する。

光音響画像生成部２４は、例えば受信メモリ２３に格納された上記光音響データを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で互いに加算して１ライン分のデータを再構成し、各ラインの光音響データに基づいて断層画像（光音響画像）のデータを生成する。なお、この光音響画像生成部２４は、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行うものでもよい。あるいは光音響画像生成部２４は、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行うものでもよい。光音響画像生成部２４は、上記のようにして生成された光音響画像のデータを表示制御部３０に出力する。

表示制御部３０は、光音響画像生成部２４から取得した光音響画像データに基づいて、光音響画像をディスプレイ装置等の表示部１４に表示させる。表示制御部３０は、プローブ１１が二次元配列した振動子アレイを有することまたはプローブ走査により、複数の光音響画像が取得された場合には、例えば、それらの光音響画像に基づいてボリュームデータを作成し、三次元画像として合成画像を表示部１４に表示させることもできる。

以上のように、本実施形態のプローブ、プローブユニットおよび光音響計測装置は、２つの光出射部が、互いに光量の異なる分岐光の光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とするものである。つまり、各光出射部の導光構造が、２つの分岐光の光量の差異を相殺し、最終的にエネルギー密度を均一化するように設計されている。この結果、バンドルファイバを分岐させて各光出射部に導光された光の光量が異なる場合であっても、光が被検体に照射されたときのエネルギー密度を均一化することが可能となる。

＜設計変更＞
上記の実施形態では、拡散部４７ａの拡散角度が一様に大きく設定されている場合について説明したが、本発明はこれに限られない。図７は、分岐したファイバ素線の本数が異なる場合のエネルギー密度の調整方法を示す概略図である。例えば、図７に示されるように、光出射部４２ａ側に接続されたファイバ素線４１ｅの本数が、光出射部４２ｂ側に接続されたファイバ素線４１ｆの本数よりも少ない場合には、拡散部４７ａは、振動子アレイ２０の配列方向に楕円の長軸が沿うように楕円状に分岐光を拡散させるものでもよい。例えば、拡散部４７ａの長軸方向および短軸方向の拡散角度はそれぞれ６０度および１度であり、拡散部４７ｂの拡散角度は３０度である。この場合には、図７のａのように、光出射部に接続するファイバ素線の数が少ない場合に、光の照射範囲を振動子アレイ２０の配列方向に広げられるという利点がある。例えば、図３のａまたはｂに示されるようなバンドルファイバを使用する場合であって、ファイバ素線を中心部と外周部で分割する場合に有効である。

また上記の実施形態では、拡散部の拡散角度の違いによりエネルギー密度を調整する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図８に示されるように、第１の導光部材４６および拡散部４７は、構造自体に関しては両方の光出射部４２において同一であるが、第２の導光部材の導光方向の長さ、つまり拡散部４７から光出射部４２の出射端までの距離が異なる構成を採用できる。具体的には、光量が多い方の光出射部の拡散部４７から出射端までの距離Ｘ１（例えば１５ｍｍ）は、光量が少ない方の光出射部の拡散部４７から出射端までの距離Ｘ２（例えば２ｍｍ）よりも長く設定されている。このようにしても、光量が多い方の光出射部４２内を導光してきた分岐光Ｌａの照射範囲が広がる（図８）。この結果、分岐光Ｌａが光出射部４２を出射したときには、両方のエネルギー密度が一致するようになる。

また、例えば図９に示されるように、拡散部４７および第２の導光部材４８は、両方の光出射部４２において同一であるが、第１の導光部材の導光方向の長さが異なる構成を採用できる。具体的には、光量が多い方の光出射部の第１の導光部材４６ａの長さＹ１（例えば６０ｍｍ）は、光量が少ない方の光出射部の第１の導光部材４６ｂの長さＹ２（例えば２０ｍｍ）よりも長く設定されている。この場合には、第１の導光部材４６ａを導光する分岐光は、導光部材内での反射をより多く繰り返し、導光部材４６ａを出射する際の出射角度の範囲が広がる。したがって、このようにしても、光量が多い方の光出射部４２内を導光してきた分岐光Ｌａの照射範囲が広がる。この結果、分岐光Ｌａが光出射部４２を出射したときには、両方のエネルギー密度が一致するようになる。

また、例えば図１０に示されるように、そもそも光量が少ない方の光出射部には、拡散部を設けない構成を採用することもできる。例えば光量が多い方の光出射部は、第１の導光部材４６、拡散部４７および第２の導光部材４８から構成され、光量が少ない方の光出射部は１つの導光部材４９のみから構成される。このようにしても、光量が多い方の光出射部４２内を導光してきた分岐光Ｌａの照射範囲が広がる。この結果、分岐光Ｌａが光出射部４２を出射したときには、両方のエネルギー密度が一致するようになる。

「第２の実施形態」
次に、第２の実施形態のプローブ、プローブユニットおよび光音響計測装置について説明する。図１１は、第２の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概略図である。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。

本実施形態の光音響計測装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３および表示部１４を備える。超音波探触子（プローブ）１１、レーザユニット１３および表示部１４については、第１の実施形態と同様である。

＜超音波ユニット＞
本実施形態の超音波ユニット１２は、図１に示す光音響計測装置の構成に加えて、超音波画像生成部２９および送信制御回路３３を備える。

本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波（反射音響波）の検出（受信）を行う。超音波の送受信を行う超音波振動子としては、本発明における超音波振動子を使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな超音波振動子を使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。

制御部３４は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路３３は、このトリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。

プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換部２２に入力される。制御部３４は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換部２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ＡＤ変換部２２は、反射超音波のサンプリング信号を受信メモリ２３に格納する。光音響信号のサンプリングと、反射超音波のサンプリングとは、どちらを先に行ってもよい。

超音波画像生成部２９は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリング信号）に基づいて、再構成処理、検波処理および対数変換処理等の信号処理を施して、超音波画像のデータを生成する。画像データの生成には、光音響画像生成部２４における画像データの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。

表示制御部３０は、例えば、光音響画像と超音波画像とを別々に、またはこれらの合成画像を表示部１４に表示させる。表示制御部３０は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。

本実施形態では、光音響計測装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。したがって、第１の実施形態の効果に加えて、超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。

１０ 光音響計測装置
１１ プローブ
１２ 超音波ユニット
１３ レーザユニット
１４ 表示部
２０ 振動子アレイ
２０ａ 超音波振動子
２１ 受信回路
２２ ＡＤ変換部
２３ 受信メモリ
２４ 光音響画像生成部
２９ 超音波画像生成部
３０ 表示制御部
３３ 送信制御回路
３４ 制御部
４０ バンドルファイバ
４１ａ〜４１ｆ ファイバ素線
４２ 光出射部
４５ 筺体
４６ 第１の導光部材
４７ 拡散部
４８ 第２の導光部材
Ｌ レーザ光
Ｌａ、Ｌｂ 分岐光
Ｍ 被検体
Ｕ 音響波

Claims (20)

1. 音響波検出素子と、
   バンドルファイバと、
   該バンドルファイバによって導光された測定光を被検体に向けて出射させる２つの光出射部とを備え、
   前記バンドルファイバの一端が、分岐して前記２つの光出射部にそれぞれ接続され、
   前記２つの光出射部が、前記バンドルファイバで分岐された前記測定光である分岐光であって互いに光量の異なる分岐光の前記光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とする光音響計測用のプローブ。
2. 前記各光出射部が、一端面で前記バンドルファイバに接続された導光部材と、該導光部材の他端面から出射した前記分岐光を拡散させる拡散部とを有し、
   前記２つの光出射部の導光構造に関して、前記導光部材の設計および前記拡散部の設計の少なくともいずれかが異なる請求項１に記載のプローブ。
3. 前記光量が多い方の前記拡散部の拡散角が、前記光量が少ない方の前記拡散部の拡散角よりも大きい請求項２に記載のプローブ。
4. 前記光量が多い方の前記拡散部から前記光出射部の出射端までの距離が、前記光量が少ない方の前記拡散部から前記光出射部の出射端までの距離よりも長い請求項２または３に記載のプローブ。
5. 前記光量が多い方の前記導光部材の導光方向の長さが、前記光量が少ない方の前記導光部材の導光方向の長さよりも長い請求項２から４いずれか１項に記載のプローブ。
6. 前記各光出射部が、一端面で前記バンドルファイバに接続された導光部材を有し、
   前記光量が多い方の前記光出射部のみが、前記導光部材の他端面から出射した前記分岐光を拡散させる拡散部をさらに有する請求項１に記載のプローブ。
7. 前記拡散部が、光ビームを楕円状に拡散させるものである請求項２から６いずれか1項に記載のプローブ。
8. 前記バンドルファイバが、分岐していない側の前記バンドルファイバの中心部を構成する第１ファイバ素線および前記中心部の周囲の外周部を構成する複数の第２ファイバ素線であって前記第１ファイバ素線の径よりも径が細い第２ファイバ素線の一部の組と、第２ファイバ素線の他の一部の組で分岐しているものである請求項１から７いずれか１項に記載のプローブ。
9. 前記バンドルファイバが、分岐していない側の前記バンドルファイバの中心部を構成する第１ファイバ素線と、前記中心部の周囲の外周部を構成する複数の第２ファイバ素線であって前記第１ファイバ素線の径よりも径が細い第２ファイバ素線とで分岐しているものである請求項１から７いずれか１項に記載のプローブ。
10. 測定光を出力する光源と、前記測定光をプローブのバンドルファイバへ光学的に接続する接続部とを有する光源ユニットと、
    前記接続部に接続される光音響計測用のプローブとを備え、
    前記プローブが、音響波検出素子と、バンドルファイバと、該バンドルファイバによって導光された前記測定光を被検体に向けて出射させる２つの光出射部とを有し、
    前記バンドルファイバの一端が、分岐して前記２つの光出射部にそれぞれ接続され、
    前記２つの光出射部が、前記バンドルファイバで分岐された前記測定光である分岐光であって互いに光量の異なる分岐光の前記光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とするプローブユニット。
11. 前記各光出射部が、一端面で前記バンドルファイバに接続された導光部材と、該導光部材の他端面から出射した前記分岐光を拡散させる拡散部とを有し、
    前記２つの光出射部の導光構造に関して、前記導光部材の設計および前記拡散部の設計の少なくともいずれかが異なる請求項１０に記載のプローブユニット。
12. 前記光量が多い方の前記拡散部の拡散角が、前記光量が少ない方の前記拡散部の拡散角よりも大きい請求項１１に記載のプローブユニット。
13. 前記光量が多い方の前記拡散部から前記光出射部の出射端までの距離が、前記光量が少ない方の前記拡散部から前記光出射部の出射端までの距離よりも長い請求項１１または１２に記載のプローブユニット。
14. 前記光量が多い方の前記導光部材の導光方向の長さが、前記光量が少ない方の前記導光部材の導光方向の長さよりも長い請求項１１から１３いずれか１項に記載のプローブユニット。
15. 光音響計測用のプローブと、
    前記プローブによって検出された光音響波に基づいて光音響画像を生成する信号処理部とを備え、
    前記プローブが、音響波検出素子と、バンドルファイバと、該バンドルファイバによって導光された前記測定光を被検体に向けて出射させる２つの光出射部とを有し、
    前記バンドルファイバの一端が、分岐して前記２つの光出射部にそれぞれ接続され、
    前記２つの光出射部が、前記バンドルファイバで分岐された前記測定光である分岐光であって互いに光量の異なる分岐光の前記光出射部を出射した際のエネルギー密度が等しくなるように、互いに異なる導光構造を有することを特徴とする光音響計測装置。
16. 前記各光出射部が、一端面で前記バンドルファイバに接続された導光部材と、該導光部材の他端面から出射した前記分岐光を拡散させる拡散部とを有し、
    前記２つの光出射部の導光構造に関して、前記導光部材の設計および前記拡散部の設計の少なくともいずれかが異なる請求項１５に記載の光音響計測装置。
17. 前記光量が多い方の前記拡散部の拡散角が、前記光量が少ない方の前記拡散部の拡散角よりも大きい請求項１６に記載の光音響計測装置。
18. 前記光量が多い方の前記拡散部から前記光出射部の出射端までの距離が、前記光量が少ない方の前記拡散部から前記光出射部の出射端までの距離よりも長い請求項１６または１７に記載の光音響計測装置。
19. 前記光量が多い方の前記導光部材の導光方向の長さが、前記光量が少ない方の前記導光部材の導光方向の長さよりも長い請求項１６から１８いずれか１項に記載の光音響計測装置。
20. 前記信号処理部が、被検体内で反射した反射音響波に基づいて反射音響画像を生成するものである請求項１５から１９いずれか１項に記載の光音響計測装置。

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