JP2018117709A - 光音響装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 視野の大きさに応じて適切な装置構成となる光音響装置を提供すること。【解決手段】 視野の大きさに応じて、被検体に照射する光の照射範囲、及び光量を調整可能に構成されている光音響装置。【選択図】 図1
Description
本発明は光音響装置に関する。
被検体(生体)の血管内にあるヘモグロビンを画像化する方法の1つとして、光超音波を利用した光音響トモグラフィー(Photo Acoustic Tomography、以下、PATと略す)がある。PATを利用した装置(以下、光音響装置と略す)は、少なくとも光源、プローブ(探触子)とを有する。
まず、光源から発生したパルス光が被検体表面(生体表面)に照射されると、光は被検体内を拡散しながら伝搬する。被検体内の光吸収体は、伝搬してきた光を吸収して体積膨張し、その際に光音響波を発生する。この光音響波を探触子にて検出し、検出信号として出力し、その検出信号を解析することにより、被検体内の光吸収体に起因した初期音圧分布を得ることができる。PATにおいて光吸収により被検体内の光吸収体から得られる超音波の音圧Pは次式で表すことができる。
P=Г・μa・Φ (1)
上記式(1)において、Pは初期音圧である。Гは弾性特性値であるグリューナイゼン係数であり、体積膨張係数βと音速cの二乗の積を比熱Cpで割ったものである。μaは光吸収体の吸収係数、Φは光吸収体に吸収される光量である。この式から分かるように、任意の位置の初期音圧に対して、その位置に到達する光量を考慮することにより、吸収係数を得ることができる。吸収係数は光吸収体によって異なるため、被検体の吸収係数の分布を得ることで、被検体を構成する光吸収体の分布、例えば血管の分布などがわかる。
上記式(1)において、Pは初期音圧である。Гは弾性特性値であるグリューナイゼン係数であり、体積膨張係数βと音速cの二乗の積を比熱Cpで割ったものである。μaは光吸収体の吸収係数、Φは光吸収体に吸収される光量である。この式から分かるように、任意の位置の初期音圧に対して、その位置に到達する光量を考慮することにより、吸収係数を得ることができる。吸収係数は光吸収体によって異なるため、被検体の吸収係数の分布を得ることで、被検体を構成する光吸収体の分布、例えば血管の分布などがわかる。
特許文献1には、半球型のカップの内壁に探触子が複数配置された探触子群による光音響計測装置の構成が開示されている。
ここで、本発明者は課題を見いだした。すなわち、光音響装置は、被検体の大きさによって視野を変えることが好ましい。
小さい被検体、例えば指1本の第1関節付近をPAT計測したい場合、必要以上に広いFOVを設定して光を照射すると、被検体以外からの信号や注目したい範囲以外からの信号が発生することがある。その結果、それらがノイズとなり計測結果の精度低下をもたらす可能性がある。上記特許文献1には、視野の大きさを変更することに関する開示がなく、視野の大きさの変更時に、適切な装置構成や設定が必要である。
本発明は以上の問題点に鑑み、視野の変更に応じて適切な装置構成となる光音響装置を提供すること目的とする。
本発明に係る光音響装置は、被検体に光を照射する光出射部と、光が照射された前記被検体から生じた超音波を検出して電気信号を出力する超音波探触子と、前記電気信号に少なくとも基づいて、前記被検体に関する情報を取得する情報取得部と、前記被検体に照射される光の照射範囲を調整可能に構成されている光学系調整部と、前記被検体に照射される光の光量を調整可能に構成されている光量調整部と、を有する光音響装置であって、前記光学系調整部は、前記光音響装置の視野の大きさに応じて、前記照射範囲を変更可能に構成されており、前記光量調整部は、前記光音響装置の視野の大きさに応じて、前記光量を変更可能に構成されていることを特徴とする。
本発明に係る光音響装置によれば、視野の大きさに応じて、被検体に照射する光の照射範囲、及び光量を調整できる。
以下、本発明の実施形態について説明するが、一例であり、これらに限られない。
本発明の実施形態に係る光音響装置は、検体に光を照射する光出射部と、光が照射された被検体から生じた超音波を検出して電気信号を出力する超音波探触子と、電気信号に少なくとも基づいて、前記被検体に関する情報を取得する情報取得部とを有する。そして、被検体に照射される光の照射範囲を調整可能に構成されている光学系調整部と、被検体に照射される光の光量を調整可能に構成されている光量調整部とを有する。さらに、光学系調整部は、光音響装置の視野の大きさに応じて、照射範囲を変更可能に構成されている。そして、光量調整部は、光音響装置の視野の大きさに応じて被検体に照射される光量を変更可能に構成されていることを特徴とする。本実施形態に係る光音響装置は、このような構成を備えるため、視野に応じて、最適な光量、そして、最適な照射範囲とできる。その結果、視野に応じた適切な光音響画像が得られる。
(視野)
本実施形態において視野とは、本実施形態に係る光音響装置によって高解像度で光音響画像を取得できる領域である。例えば、視野は、本実施形態に係る光音響装置によって超音波を検出する感度が最大値となる位置から、最大値の半分の値となる位置までの領域とすることができるが、最大値の半分の値に限定されるものではない。このときの視野領域は、例えば、感度が最大値となる位置から、最大値の半分の値となる位置までを半径とする球の領域となる。
本実施形態において視野とは、本実施形態に係る光音響装置によって高解像度で光音響画像を取得できる領域である。例えば、視野は、本実施形態に係る光音響装置によって超音波を検出する感度が最大値となる位置から、最大値の半分の値となる位置までの領域とすることができるが、最大値の半分の値に限定されるものではない。このときの視野領域は、例えば、感度が最大値となる位置から、最大値の半分の値となる位置までを半径とする球の領域となる。
なお、球殻上に配置した超音波の検出素子を用いて光音響画像を形成する場合、本実施形態に係る視野は、検出素子のサイズ、検出素子が設けられる位置、検出素子の受信周波数の特性、といったパラメータに少なくとも依存して決めることができる。
また、お椀状の支持部と、支持部に設けられた、超音波を検出する複数の検出素子と、を含み構成される超音波探触子を用いる場合、検出する面の半径、前記お椀状の支持部の半径、前記検出素子の受信周波数の最大値に少なくとも依存して決めることができる。このとき、検出素子の超音波を検出する面が円形である。
以下では、視野をFOV(Field Of View)と言い換えることがある。
(実施形態1)
(光音響装置)
本実施形態に係る光音響装置の概略図を図1(a)、(b)に示す。図1(a)と図1(b)に示す装置は同一の装置構成を有する。図1(a)、(b)に示される2つの超音波探触子106は互いに視野(FOV)の大きさが互いに異なる構成であり、取り替え可能な構成となっている。図1(a)はFOVの広い超音波探触子106を取り付けた状態を示し、図1(b)はFOVの狭い超音波探触子106を取り付けた状態を示す。すなわち、図1(a)は、広い範囲のFOVに対する光音響計測を行う場合の例を示し、図1(b)は狭い範囲のFOVの場合の例を示す。
(光音響装置)
本実施形態に係る光音響装置の概略図を図1(a)、(b)に示す。図1(a)と図1(b)に示す装置は同一の装置構成を有する。図1(a)、(b)に示される2つの超音波探触子106は互いに視野(FOV)の大きさが互いに異なる構成であり、取り替え可能な構成となっている。図1(a)はFOVの広い超音波探触子106を取り付けた状態を示し、図1(b)はFOVの狭い超音波探触子106を取り付けた状態を示す。すなわち、図1(a)は、広い範囲のFOVに対する光音響計測を行う場合の例を示し、図1(b)は狭い範囲のFOVの場合の例を示す。
本実施形態において、広いFOVに対応する場合と狭いFOVに対応する場合の計測系の切り替えは、光学系調整部117に取り付けられた2つのお椀型センサ(超音波探触子)106を光ファイバ103の出射端に対して平行移動させて行う。なお、お椀型センサ(超音波探触子)106は周辺の光学系であるレンズ104、112、ガラス部材105も含む。
この光音響装置は以下を備える。図1(a)、図1(b)において被検体111、116は、開口部を有するメッシュ部材110と防水シート部材109で構成された撮像タブ108により保持される。被検体111、あるいは被検体116から伝播する光音響波の受信は、水107と接する内壁面に複数の音響検出器113を有するお椀型センサ106で行われる。さらに、2つのお椀型センサ106の位置を制御するための光学系調整部117、光を生成する光源部100、被検体111あるいは被検体116に対して光を照射する光出射部(照明光学系)114を備える。照明光学系114は、光量調整部101、光量モニタ102、光ファイバ103、光ファイバ103の出射光を被検体111又は116に所望の大きさに形成するレンズ104、112、お椀型センサ106の底面に取り付けられたガラス部材105を含む。音響検出器113からの光音響波信号は同軸ケーブルなどを介して信号受信部115に伝送される。信号受信部115では、光音響波信号を増幅するとともにA/D変換して光音響波デジタル信号を信号処理部123に送出し、信号処理部123では光音響波デジタル信号の積算処理などを行い被検体情報を生成するものとする。
FOVは、超音波探触子の変更によって変えることができる。例えば、超音波探触子に音響検出器が複数含まれる場合、使用する音響波検出器の数や、使用する音響波検出器の位置を変えることで、FOVは変わる。
上記のように、超音波探触子、及び光出射部は、FOVの大きさに応じて取り替え可能な構造であってもそうでなくてもよい。
なお、撮像対象である被検体111、116は、たとえば乳腺科における乳がん診断では乳房であり、皮膚科や整形外科における血管診断では手・足である。以下、光音響計測装置の各構成について詳しく説明する。
以上説明した光音響計測装置を用いてPAT計測を行えば、被検体に対する照明光の光量、及び照明範囲が、FOVが変更になった場合でも、その変更量に応じて最適化されるためS/N比が高い画像を得ることができる。
以下、本実施形態に係る光音響計測装置を構成する各部位について説明する。
(光源部)
本実施形態における光源部100からは、生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される波長のパルス光が出射される。本実施形態において使用する波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、被検体が生体の場合、600nm以上1100nm以下である。また効率的に光音響波を発生させるために、パルス幅は10〜100ナノ秒程度が好適である。光源としては大出力が得られるレーザが好ましいが、レーザの代わりに発光ダイオード(LED)やフラッシュランプ等を用いることもできる。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用できる。照射のタイミング、波形、強度等は光源制御部によって制御される。なお、この光源制御部は光源と一体化されていても良い。また、光源部100は本実施形態の光音響装置と別体として設けられていても良い。
本実施形態における光源部100からは、生体を構成する成分のうち特定の成分に吸収される波長のパルス光が出射される。本実施形態において使用する波長は、被検体内部まで光が伝搬する波長であることが望ましい。具体的には、被検体が生体の場合、600nm以上1100nm以下である。また効率的に光音響波を発生させるために、パルス幅は10〜100ナノ秒程度が好適である。光源としては大出力が得られるレーザが好ましいが、レーザの代わりに発光ダイオード(LED)やフラッシュランプ等を用いることもできる。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用できる。照射のタイミング、波形、強度等は光源制御部によって制御される。なお、この光源制御部は光源と一体化されていても良い。また、光源部100は本実施形態の光音響装置と別体として設けられていても良い。
なお、本実施形態における光源部100は、複数の波長の光を出射可能な光源であってもよい。
(光量調整部)
本実施形態における光量調整部101の構成を図2(a)、図2(b)に示す。光量を調整する目的は、FOVの大きさに応じて被検体へ照射する照明光の光エネルギー量を増量、あるいは減量を行うことである。
本実施形態における光量調整部101の構成を図2(a)、図2(b)に示す。光量を調整する目的は、FOVの大きさに応じて被検体へ照射する照明光の光エネルギー量を増量、あるいは減量を行うことである。
図2(a)に示す光量調整部101は、λ/2波長板118、偏光ビームスプリッタ119、偏光ビームスプリッタで反射された光を吸収可能な光吸収部材120を有する。光源部100から出た直線偏光を有する光は、λ/2波長板118と通過後、偏光ビームスプリッタ119のビームスプリット面で、P偏光の光(ビームスプリット面を透過)とS偏光の光(ビームスプリット面を反射)に分離される。ここでλ/2波長板118を光軸中心に回転させることにより、光源部100からの直線偏光光の偏光方向を任意の方向に変更出来るため、偏光ビームスプリッタ119を出射するP偏光の光とS偏光の光の比率を任意に設定する事が出来る。被検体に照射する照明光の光エネルギー量を増やしたい時は、P偏光成分の光が増えるような回転角位置にλ/2波長板118を設定し、逆に光エネルギー量を減らしたい時はS偏光成分の光が増えるようにλ/2波長板118の回転角を設定すれば良い。光吸収部品120は、被検体に向かわないS偏光成分の光を吸収するための物であり、迷光の発生を抑制する。
一方、図3(b)は、図3(a)とは異なる光学部品で構成した光量調整部の説明図である。透過率が互いに異なる複数の光学フィルタ(NDフィルタ)122を円盤121に取り付け、その円盤121を回転させて所望の透過率を有するNDフィルタを選定し、照明光の光量を調節している。
(光学系調整部)
本実施形態における光学系調整部は、被検体に照射する照明光の照射範囲を調整可能に構成されている。1つのお椀型センサと1つの光学系が一体化(以下、光学系一体型センサ、あるいは光学系一体型プローブと呼ぶ)されており、光音響計測装置には複数の光学系一体型センサが配置されている。光学系の焦点距離は互いに異なり、FOVの大きさに応じて所望の照射範囲になる光学系一体型センサを選択している。図1(a)、(b)に、2つの光学系一体型センサが搭載されている光音響計測装置を示す。2つのお椀型センサ106のそれぞれに、互いに焦点距離の異なる複数のレンズ104、112が取り付けられている。また、光出射部から出た光がこの複数のレンズのうちいずれかを通って被検体に光が照射されるように構成されている。そして、FOVの大きさに応じて、光出射部から出た光が通る前記レンズが変わるように構成されている。2つの光学系一体型センサは移動可能な光学系調整部117に取り付けられている。また、光出射部に含まれる少なくとも1つのレンズの光軸方向の位置を移動させて、FOVの大きさに応じて変わる照射範囲を変更してもよい。
本実施形態における光学系調整部は、被検体に照射する照明光の照射範囲を調整可能に構成されている。1つのお椀型センサと1つの光学系が一体化(以下、光学系一体型センサ、あるいは光学系一体型プローブと呼ぶ)されており、光音響計測装置には複数の光学系一体型センサが配置されている。光学系の焦点距離は互いに異なり、FOVの大きさに応じて所望の照射範囲になる光学系一体型センサを選択している。図1(a)、(b)に、2つの光学系一体型センサが搭載されている光音響計測装置を示す。2つのお椀型センサ106のそれぞれに、互いに焦点距離の異なる複数のレンズ104、112が取り付けられている。また、光出射部から出た光がこの複数のレンズのうちいずれかを通って被検体に光が照射されるように構成されている。そして、FOVの大きさに応じて、光出射部から出た光が通る前記レンズが変わるように構成されている。2つの光学系一体型センサは移動可能な光学系調整部117に取り付けられている。また、光出射部に含まれる少なくとも1つのレンズの光軸方向の位置を移動させて、FOVの大きさに応じて変わる照射範囲を変更してもよい。
(情報取得部)
本実施形態における情報取得部は、支持部(筐体)(図1(a)の106に相当)と、支持部に設けられた複数の検出素子(図1(a)の113)を有する。
本実施形態における情報取得部は、支持部(筐体)(図1(a)の106に相当)と、支持部に設けられた複数の検出素子(図1(a)の113)を有する。
(支持部)
本実施形態における支持部は、後述する曲面状の筐体(お椀状の筐体)であっても良いし、超音波プローブのような手持ちサイズのハンドヘルド型の支持部であってもよい。
本実施形態における支持部は、後述する曲面状の筐体(お椀状の筐体)であっても良いし、超音波プローブのような手持ちサイズのハンドヘルド型の支持部であってもよい。
ここで、被検体が乳房である場合、乳房を平板状の保持部で保持するよりも、曲面状の支持部で保持する方が乳房にかかる圧力が小さいため、被検者への負担が小さい。そこで、複数の検出素子が設けられたお椀状の支持部を用いることができる。本実施形態では、半球形状の支持部を例に説明する。なお、半球形状以外にも、略半球形状、円錐台形状、角錐台形状、かまぼこ形状等であってもよい。また、略半球形状とは、球の中心と球の頂点とを結ぶ線と、球の中心と球の淵とを結ぶ線とのなす角度xが90°より小さくてもよいし、90°より大きくてもよい。xが90°の場合が、半球形状である。また、複数のお椀型センサを実施形態1の様に1台の光音響計測装置に取り付け換える構成の場合、お椀型センサの大きさは互いに異なっていても良い。
(検出素子)
本実施形態における検出素子は、パルス光により生体表面及び生体内部で発生する光音響波を検出して検出信号を出力する。検出素子は、光音響波を電気信号に変換するためのものである。圧電現象を用いた検出素子、光の共振を用いた検出素子、静電容量の変化を用いた検出素子など、光音響波を検出できるものであればどのような検出素子を用いてもよい。圧電現象を用いた検出素子としては、Piezo micromachined ultrasonic transducers (PMUT)が挙げられる。また、静電容量の変化を用いた検出素子としては、Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT)が挙げられる。CMUTは、広い周波数帯域の光音響波を検出できるため、検出素子としてより好ましい。
本実施形態における検出素子は、パルス光により生体表面及び生体内部で発生する光音響波を検出して検出信号を出力する。検出素子は、光音響波を電気信号に変換するためのものである。圧電現象を用いた検出素子、光の共振を用いた検出素子、静電容量の変化を用いた検出素子など、光音響波を検出できるものであればどのような検出素子を用いてもよい。圧電現象を用いた検出素子としては、Piezo micromachined ultrasonic transducers (PMUT)が挙げられる。また、静電容量の変化を用いた検出素子としては、Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT)が挙げられる。CMUTは、広い周波数帯域の光音響波を検出できるため、検出素子としてより好ましい。
高解像な光音響画像を得るために、複数の検出素子を2次元または3次元に配列して走査させることが望ましい。被検体や保持部の表面で反射した光や、被検体内部を散乱して被検体から出てきた光を再び被検体に戻すために、探触子の表面に金膜などの反射膜を設けていても良い。
(情報取得部)
本実施形態における情報取得部は、測定部によって出力された電気信号を処理して、被検体に関する情報を取得する。そのような意味で、信号処理部と言い換えることもできる。
本実施形態における情報取得部は、測定部によって出力された電気信号を処理して、被検体に関する情報を取得する。そのような意味で、信号処理部と言い換えることもできる。
本実施形態に係る情報取得部は、測定部で受信した信号を用いて被検体内の吸収係数分布等の光学特性値分布情報に関連したデータを形成するものである。被検体内の吸収係数分布を算出する際には、一般的には、測定部から出力された電気信号に基づいて被検体内の初期音圧分布を算出し、さらに被検体内の光フルエンスを考慮することにより、吸収係数分布を算出する。初期音圧分布の形成に関しては、例えばタイムドメインでの逆投影を用いることができる。
(表示部)
本実施形態における光音響装置は、情報取得部で形成される画像を表示する表示部を有していてもよい。表示部として典型的には液晶ディスプレイなどが利用される。
本実施形態における光音響装置は、情報取得部で形成される画像を表示する表示部を有していてもよい。表示部として典型的には液晶ディスプレイなどが利用される。
(被検体(光吸収体)
これらは本実施形態の光音響装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。光音響効果を用いた本実施形態の光音響装置は、血管の撮影、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを主な目的とする。被検体内部の光吸収体としては、使用する光の波長にもよるが、被検体内で相対的に吸収係数が高いものである。具体的には水や脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンなどが挙げられる。
これらは本実施形態の光音響装置の一部を構成するものではないが、以下に説明する。光音響効果を用いた本実施形態の光音響装置は、血管の撮影、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを主な目的とする。被検体内部の光吸収体としては、使用する光の波長にもよるが、被検体内で相対的に吸収係数が高いものである。具体的には水や脂肪、タンパク質、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンなどが挙げられる。
被検体に関する情報とは、光吸収係数や、酸素飽和度等が挙げられる
(実施形態2)
本発明の実施形態2に係る光音響装置の構成を図4(a)に示す。実施形態1に係る光音響装置と異なる構成を中心に説明し、共通する事項は説明を省略する。
(実施形態2)
本発明の実施形態2に係る光音響装置の構成を図4(a)に示す。実施形態1に係る光音響装置と異なる構成を中心に説明し、共通する事項は説明を省略する。
実施形態1の光学系調整部は、FOVの大きさに応じて、光学系とお椀型センサが一体となった構成であった。本実施形態に係る光学系調整部206、及び209は、お椀型センサ211は1個で、その1個のお椀型センサ211に対して焦点距離が互いに異なる複数のレンズ204、205が、例えばY方向に移動することで、焦点距離を変更可能となっている。
(実施形態3)
本発明の実施形態3に示す光学系調整部の構成を図5(a)、(b)に示す。実施形態1に係る光音響計測装置と異なる構成を中心に説明し、共通する事項は説明を省略する。1つのお椀型センサ310と、凸レンズ304、凹レンズ307、及び開口(アパーチャ)305を含む1組の光学系を有し、凸レンズ304と凹レンズ306との間隔が変更可能な構成となっている。レンズ間の間隔を変えることにより光学系の焦点距離が変わり、被検体308や被検体309への照明光の照射範囲を変えることができる。
本発明の実施形態3に示す光学系調整部の構成を図5(a)、(b)に示す。実施形態1に係る光音響計測装置と異なる構成を中心に説明し、共通する事項は説明を省略する。1つのお椀型センサ310と、凸レンズ304、凹レンズ307、及び開口(アパーチャ)305を含む1組の光学系を有し、凸レンズ304と凹レンズ306との間隔が変更可能な構成となっている。レンズ間の間隔を変えることにより光学系の焦点距離が変わり、被検体308や被検体309への照明光の照射範囲を変えることができる。
(実施形態4)
本発明の実施形態4における光学系調整部の構成を図6(a)、(b)に示す。実施形態1に係る光音響計測装置と異なる構成を中心に説明し、共通する事項は説明を省略する。複数個の光源402からの光を、シリンドリカルレンズ403、404を用いて照射面上で所望大きさのシート状ビームに成形している。前述の実施形態3と同様に、レンズ間の相対間隔、あるいは光源402とシリンドリカルレンズ403の相対間隔を変更する事により被検体への照明光の照射範囲を変えることができる。
本発明の実施形態4における光学系調整部の構成を図6(a)、(b)に示す。実施形態1に係る光音響計測装置と異なる構成を中心に説明し、共通する事項は説明を省略する。複数個の光源402からの光を、シリンドリカルレンズ403、404を用いて照射面上で所望大きさのシート状ビームに成形している。前述の実施形態3と同様に、レンズ間の相対間隔、あるいは光源402とシリンドリカルレンズ403の相対間隔を変更する事により被検体への照明光の照射範囲を変えることができる。
(実施例1)
図1(a)の被検体111、及び図1(b)の被検体116に照射される照明光の光量分布の違いを具体例を示して説明する。
図1(a)の被検体111、及び図1(b)の被検体116に照射される照明光の光量分布の違いを具体例を示して説明する。
図1(a)の被検体111は、例えば手のひら、あるいは足の裏であり、FOVの範囲はφ40mmとする。FOVφ40mmに対する照明光の照射範囲は、最低限FOV全域に照明光が照射されることが好ましく、ここではFOVの10%増しのφ44mmとする。照射範囲の定量的な定義は、照射範囲内における照明光の光エネルギー密度分布に対して、その最大光エネルギー密度の値に対して1/e2まで光エネルギー密度が減少する位置を照射範囲としている。
一方、図1(b)に示す被検体116は、例えば手の指1本であり、被検体111に対するFOVに比べて狭い範囲となっている。ここではFOVφ20mmとし、照明範囲はφ22mmとする。
図2(a)は図1(a)の一部を拡大した図であり、同じく図2(b)は図1(b)の一部を拡大した図であり、光ファイバ103の出射端から被検体111、あるいは被検体116の間にある光学部品の配置を中心に記載している。ここで図1(a)、(b)に示したメッシュ部材110と防水シート部材109は、説明を簡単にするため除外している。
図2(c)に示す光エネルギー密度の分布は、図2(a)の被検体111の表面付近での分布である。FOVφ40mmに対してφ44mm(@1/e2)の範囲を照明している。また、光エネルギー密度の最大値は6.1mJ/cm2であり、人体の皮膚に対するMPE値(Maximum Permissible Exposure:最大許容露光量)=14.1mJ/cm2以下となっている。この時光量調整部101では、被検体111の体表面上における照射光の光エネルギー密度の最大値がMPE値を超えないように光源部100からの光の透過率を調整している。
同様に、図2(d)に示す光エネルギー密度の分布は、図2(b)の被検体116の表面付近での分布である。FOVφ20mmに対してφ22mm(@1/e2)の範囲を照明している。光エネルギー密度の最大値は6.1mJ/cm2であり、人体の皮膚に対するMPE値(Maximum Permissible Exposure:最大許容露光量)=14.1mJ/cm2以下となっている。この時、光量調整部101では被検体116の体表面上における照射光の光エネルギー密度の最大値がMPE値を超えないように光源部100からの透過率を調整している。
照明範囲の変更は、互いに焦点距離が異なる凹レンズ104、及び凹レンズ112をお椀型プローブと共に変更することにより対応している。
図2(e)に示す光エネルギー密度の分布は、図2(a)に示す光学配置から図2(b)に示す光学配置に変更した際、光量調整部101の透過率を変更しなかった場合の分布である。光量を変更せずに照明範囲をφ44mmからφ22mmにしたことにより光エネルギー密度の最大値が24.6mJ/cm2となりMPE値を超えており、このままでは人体に照射できない状態となっている。そこで光量調整部101にて光量を減量し、光エネルギー密度の最大値をMPE値以下に調整しており、その結果が図2(d)に示す結果である。
表1、表2に示す光学情報は、図2(c)、図2(d)、図2(e)に示した光エネルギー密度分布を計算した際に用いた情報であり、一連の計算は光学シミュレーションツールのLight Tools(開発元:Synopsys社)を用いて行っている。
物体面の相当する光ファイバ103の出射端の直径はφ10mm、照明光の波長は780nmのパルスレーザ光であり、NA0.22とした。光ファイバ出射端での光エネルギー量は、図2(c)と図2(e)の時は93mJ/pulse、図2(d)の時は23mJ/pulseとしている。
(実施例2)
互いに焦点距離が異なる複数のレンズを基板上に1次元配列、あるいは2次元配列し、その基板をスライドさせてレンズを選択してもよいし、円盤状の基板に、複数のレンズを円周に沿って配置し、円盤状の基盤を回転させてレンズを選択してもよい。
互いに焦点距離が異なる複数のレンズを基板上に1次元配列、あるいは2次元配列し、その基板をスライドさせてレンズを選択してもよいし、円盤状の基板に、複数のレンズを円周に沿って配置し、円盤状の基盤を回転させてレンズを選択してもよい。
お椀型センサ211の内側が水が満たされており、底面部分には照明光を通過させるための平行平板207(光学ガラスで作製)が取り付けられている。しかしこの光学部品は必ずしも平行平板で有る必要はなく、照射範囲を制御するレンズで合っても良い。
(実施例3)
実施例3も実施例2と同様に、1台の光音響計測装置に対して1個のお椀型センサ310が搭載されており、お椀型センサ310の下方にレンズ304、306、開口307、及び照明光を透過させる平行平板307からなる一組の光学系が配置されている。レンズ間隔はd31、d33、及び物体距離d32、d34は任意に変更できる構成となっており、FOVの大きさに応じて間隔を変えている。
実施例3も実施例2と同様に、1台の光音響計測装置に対して1個のお椀型センサ310が搭載されており、お椀型センサ310の下方にレンズ304、306、開口307、及び照明光を透過させる平行平板307からなる一組の光学系が配置されている。レンズ間隔はd31、d33、及び物体距離d32、d34は任意に変更できる構成となっており、FOVの大きさに応じて間隔を変えている。
図5(a)は、狭いFOVに対応した場合のレンズ配置であり、図5(b)は広いFOVに対応する場合のレンズ配置である。不要光を除去するための開口305は図5に示す位置だけに限らず、光ファイバ303とレンズ304の間、あるいはレンズ306と平行平板307の間に有ってもよい。
(実施例4)
実施例4は図6に示すように、ハンドヘルドプローブに適用したものである。ハンドヘルドプローブ401の両側には光源部402、シリンドリカルレンズ403、404が配置されている鏡筒405が取り付けられている。そして、シリンドリカルレンズ403と404の相対間隔は任意に変更可能であり、間隔を変えることにより、光源部から被検体に向けて照射される光の照射範囲を変えている。
実施例4は図6に示すように、ハンドヘルドプローブに適用したものである。ハンドヘルドプローブ401の両側には光源部402、シリンドリカルレンズ403、404が配置されている鏡筒405が取り付けられている。そして、シリンドリカルレンズ403と404の相対間隔は任意に変更可能であり、間隔を変えることにより、光源部から被検体に向けて照射される光の照射範囲を変えている。
100、200、402 光源部
101、201 光量調整部
102、202 光量モニタ
103、203、303 光ファイバ
104、112、122、204、205、210、304、306 レンズ
105、207、307 平行平板
106、211、310 お椀型センサ
107 水
108 撮像タブ
109 防水シート部材
110 メッシュ部材
111、116、208、308、309 被検体
113 音響検出器
114 光出射部
115 信号受信部
117、206、209 光学系調整部
118 λ/2波長板
119 偏光ビームスプリッタ
120 光吸収部材
121 円盤
123 信号処理部
305 開口
401 ハンドヘルドプローブ
403、404 シリンドリカルレンズ
405 鏡筒
101、201 光量調整部
102、202 光量モニタ
103、203、303 光ファイバ
104、112、122、204、205、210、304、306 レンズ
105、207、307 平行平板
106、211、310 お椀型センサ
107 水
108 撮像タブ
109 防水シート部材
110 メッシュ部材
111、116、208、308、309 被検体
113 音響検出器
114 光出射部
115 信号受信部
117、206、209 光学系調整部
118 λ/2波長板
119 偏光ビームスプリッタ
120 光吸収部材
121 円盤
123 信号処理部
305 開口
401 ハンドヘルドプローブ
403、404 シリンドリカルレンズ
405 鏡筒
Claims (12)
- 被検体に光を照射する光出射部と、
光が照射された前記被検体から生じた超音波を検出して電気信号を出力する超音波探触子と、
前記電気信号に少なくとも基づいて、前記被検体に関する情報を取得する情報取得部と、
前記被検体に照射される光の照射範囲を調整可能に構成されている光学系調整部と、
前記被検体に照射される光の光量を調整可能に構成されている光量調整部と、を有する光音響装置であって、
前記光学系調整部は、前記光音響装置の視野の大きさに応じて、前記照射範囲を変更可能に構成されており、
前記光量調整部は、前記光音響装置の視野の大きさに応じて、前記光量を変更可能に構成されていることを特徴とする光音響装置。 - 前記視野は、前記光音響装置によって前記超音波を検出する感度が最大値となる位置から、前記最大値の半分の値となる位置までの領域であることを特徴とする請求項1に記載の光音響装置。
- 前記視野は、検出素子のサイズ、検出素子が設けられる位置、検出素子の受信周波数の特性に少なくとも依存して決まることを特徴とする請求項1または2に記載の光音響装置。
- 前記超音波探触子は、お椀状の支持部と、前記支持部に設けられた、超音波を検出する複数の検出素子と、を含み構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光音響装置。
- 前記検出素子の超音波を検出する面が円形であり、
前記視野は、前記検出する面の半径、前記お椀状の支持部の半径、前記検出素子の受信周波数の最大値に少なくとも依存して決まることを特徴とする請求項4に記載の光音響装置。 - 前記光学系調整部は、互いに異なる焦点距離を有する複数のレンズを有し、かつ、前記光出射部から出た光は前記複数のレンズのうちのいずれかを通って前記被検体に光が照射されるように構成されており、
前記視野の大きさに応じて、前記光出射部から出た光が通る前記レンズが異なることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光音響装置。 - 前記光音響装置は前記視野の大きさの異なる前記超音波探触子を取り替え可能な構造であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光音響装置。
- 前記光学系調整部は、前記光出射部に含まれる少なくとも1つのレンズの光軸方向の位置を移動させることで、前記照射範囲を変更可能に構成されていることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光音響装置。
- 前記光量調整部は、λ/2波長板と偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光音響装置。
- 前記光量調整部は、前記偏光ビームスプリッタで反射された光を吸収可能な光吸収部材をさらに有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の光音響装置。
- 前記光量調整部は、透過率が互いに異なる複数の光学フィルタを有することを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光音響装置。
- 前記支持部はハンドヘルド型であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の光音響装置。
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- 2018-01-17 US US15/873,604 patent/US20180206728A1/en not_active Abandoned
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP3594752A1 (en) | 2018-06-21 | 2020-01-15 | Konica Minolta, Inc. | Gloss level adjustment method and image forming apparatus |
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