JP2019100819A - 音響プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 動く可能性がある皮膚に対して光音響イメージング装置を２次元もしくは３次元位置制御を行いながらスキャンさせることは、相対位置計測機構等を設ける必要があり装置が大掛かりなものとなってしまう。【解決手段】 被検体から発生した音響波を集音する音響レンズ系と、集音された前記音響波を選択的に透過させる選択透過部と、前記選択透過部を透過した音響波を受信する受信面を有し、前記受信面で受信した音響波を受信信号に変換する受信部と、前記選択透過部において、前記音響波を選択的に透過させる位置を、前記受信面と略平行な面内方向に相対的に変える位置可変部と、を有する音響プローブ。【選択図】 図１

Description

本発明は音響プローブに関する。

可視光や近赤外光を用いて生体内を低侵襲でイメージングする技術は近年広く研究開発されている。生体イメージング技術として、生体外部から光を照射し、光エネルギーを吸収した生体内の分子が体積膨張することにより発生する音響波（疎密波）を生体外部で検出する光音響イメージング技術がある。この技術は、光イメージングと超音波イメージングの双方の利点を活かせる技術であり、非侵襲でより生体深部のイメージングを可能とした技術として知られている。

光音響イメージング装置のひとつとして、超音波レンズとピンホールを含む光音響顕微鏡が知られている（特許文献１）。特許文献１の光音響顕微鏡は、励起光を標本に対してスキャンする手法、標本が載置される標本ステージをスキャンする手法、もしくは励起光と標本ステージ双方をスキャンする手法で、標本内部をイメージングする。

ここで、ピンホールは超音波レンズである対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置されており、対物レンズの焦点位置で発生された光音響波はピンホールを通過し、焦点位置以外で発生した光音響波はピンホールでカットされる。そのため、焦点位置での光音響波を高いＳ／Ｎ比で検出できる。

特開２０１３−１１３８０４号公報

しかし、従来の技術では以下のような課題があった。光音響イメージングをｉｎ−ｖｉｖｏで行う場合、皮膚近傍で光音響イメージング装置を２次元もしくは３次元でスキャンさせる必要がある。その場合、対物レンズを含む光音響イメージング装置は皮膚表面に対する２次元もしくは３次元の位置を制御しながら安定的に動く必要がある。Ｅｘ−ｖｉｖｏと異なり、動く可能性がある皮膚に対して光音響イメージング装置を２次元もしくは３次元の位置制御を行いながらスキャンさせることは、相対位置を計測する装置を設ける必要があり、装置が大きくなりうる。また、皮膚表面に対する光音響イメージング装置の位置を安定的に制御できない場合は、光音響イメージング装置の解像度やコントラストが低下してしまう。本発明は以上の課題に鑑みなされたものである。

本発明の目的は、光音響イメージング装置の解像度やコントラストを保ったまま２次元もしくは３次元スキャンを簡便に行うことである。

本発明に係る音響プローブは、被検体から発生した音響波を集音する音響レンズ系と、
集音された前記音響波を選択的に透過させる選択透過部と、前記選択透過部を透過した音響波を受信する受信面を有し、前記受信面で受信した音響波を受信信号に変換する受信部と、前記選択透過部において、前記音響波を選択的に透過させる位置を、前記受信面と略平行な面内方向に相対的に変える位置可変部と、を有することを特徴とする。

音響プローブの解像度やコントラスト等の性能を保ったまま皮膚表面のスキャンを簡便に行うことができる。

本発明の実施形態における、音響プローブを含む光音響イメージング装置の全体構成を説明する図である。 アパーチャ内音響レンズを含む音響プローブの一例を示す図。 アパーチャ近傍音響レンズを含む音響プローブの一例を示す図。 微小音響レンズアレイプレートを含む音響プローブの一例を示す図。 ＭＥＭＳシャッターを含む音響プローブの一例を示す図。 非球面音響レンズを含む音響プローブの一例を示す図。 可変開口絞りを含む音響プローブの一例を示す図。

本発明の実施形態に係る音響プローブについて説明するが、本発明はこれに限られない。

本実施形態に係る音響プローブは、被検体から発生した音響波を集音する音響レンズ系と、集音された音響波を選択的に透過させる選択透過部と、を有する。そして、選択透過部を透過した音響波を受信する受信面を有し、受信面で受信した音響波を受信信号に変換する受信部と、選択透過部において、音響波を選択的に透過させる位置を、受信面と略平行な面内方向に相対的に変える位置可変部と、を有する。

本実施形態に係る音響プローブは、音響レンズ系と受信部との間に、音響波を選択的に透過させる選択透過部を設け、その選択透過部において、音響波を透過させる位置を変えるため、皮膚近傍で、音響波を透過させる位置を変える必要がない。そのため、皮膚近傍におけるスキャンを簡便に行うことができる。

なお、本実施形態に係る音響プローブは、被検体に光を照射する光照射部を含み構成され、受信部が、その光照射部から被検体に光が照射されることで発生する音響波を受信するように構成されていてもよい。

（選択透過部）
本実施形態における選択透過部は、音響波を透過させる開口部を含むアパーチャを有する構成とすることができる。そのような構成で、位置変更部は、アパーチャを、受信面と略平行な面内方向に、音響レンズ系に対して相対的に変更する、構成とすることができる。

また、集音した音響波を平面波に変える音響レンズが開口部に設けられてアパーチャと一体となって構成されていてもよい。

また、選択透過部は、音響波を透過の有無を可変な透過可変部を複数有し、
位置変更部は、前記複数の透過可変部のうち、透過をさせる前記透過可変部の位置を変えることが可能に構成されていてもよい。例えばＭＥＭＳシャッターが例として挙げられる。

なお、選択透過部と前記受信部とは一体になって構成されていてもよい。

（音響レンズ系）
本実施形態における音響レンズ系は、音響レンズ系を透過する前記音響波の領域を可変なしぼりを有していてもよい。

また、音響レンズ系は、音響波を第一の音速で透過させる第一の音速部材と、第一の音速よりも速い第二の音速で透過させる第二の音速部材とを含み構成されていてもよい。

（音響レンズ）
本実施形態に係る音響プローブは、受信面と選択透過部との間であって、受信面と略平行な面内方向に集音した音響波を平面波に変える音響レンズが複数設けられていてもよい。

そのような構成以外にも、受信面と選択透過部との間に、集音した音響波を平面波に変える非球面の音響レンズが設けられていてもよい。

（光照射部）
本実施形態における光照射部は、被検体に照射する光を発生させる光源部を有していてもよい。光源部は、固体レーザーを含み構成されていてもよいし、半導体レーザー又は発光ダイオードを含み構成されていてもよい。

（受信部）
本実施形態における受信部は、圧電型トランスデューサを含み構成されていてもよいし、静電容量型トランスデューサを含み構成されていてもよい。

（情報取得部）
本実施形態における音響プローブは、受信信号を用いて被検体の情報を取得する情報取得部をさらに有していてもよい。

（実施形態１）
図１は音響プローブを含む光音響イメージング装置を模式的に示したものである。

照射光は図示しない光ファイバやアキシコンレンズ等の光学部品を用いて皮膚１００上に照射される。照射光は皮膚１００内で散乱し生体内分子、例えばヘモグロビンやメラニン等に到達し、光エネルギーを吸収したそれら分子は体積膨張により音響波（疎密波）を発生する。各生体分子より発生された音響波は生体内を伝搬し、その一部は皮膚１００表面へ伝搬する。

音響レンズ（音響レンズ系）１０１は、高音速部材１０２と低音速部材１０３を組み合わせた部材であり、音響波面を変換する部材である。低音速部材１０３は皮膚１００表面と接触しており、低音速部材１０３と皮膚１００表面の間には水、油、ジェル等の音響インピーダンス整合剤が存在しても良い。低音速部材（第一の音速部材）１０３と高音速部材（第二の音速部材）１０２との界面は、音響波の軸１０４を中心に、ある曲率を持つ面となっている。低音速部材１０３と高音速部材１０２との間には水、油、ジェル、接着剤等の音響インピーダンス整合剤が存在しても良い。低音速部材１０３と高音速部材１０２との界面では音響インピーダンスが異なるため、スネルの法則により音響波は屈折し音響波面は変化する。

ここで、音響波１０５は主音響波（チーフレイ）、音響波１０６は周辺音響波（マージナルレイ）である。この場合、低音速部材１０３と高音速部材１０２との界面は正の曲率を持つ面であり、皮膚１００内で発生した音響波面は凸形状から平面形状へと変化する。平面形状の音響波面は高音速部材１０２を伝搬し、開口絞り（しぼり）１０７へ到達する。開口絞りは高音速部材１０２と比較して音響インピーダンスが異なる部材もしくは空気である。この開口絞り１０７は音響レンズ１０１の開口数を決定する。開口絞り１０７を通過した音響波は高音速部材１０２の超音波探触子側の面へ到達する。高音速部材１０２の超音波探触子側の面は高音速部材１０２と比較して低音速な水、油、ジェル等の流体１０８と接触している。高音速部材１０２と流体１０８との界面では音響インピーダンスが異なるため、スネルの法則により音響波は屈折し音響波面は変化する。この場合、高音速部材１０２と流体１０８との界面は負の曲率を持つ面であり、高音速部材中を伝搬してきた平面形状の音響波面は凹形状へと変化する。

高音速部材と超音波探触子との間には、選択透過部の一例であるアパーチャ１０９がある。アパーチャは音響レンズ１０１の回折限界程度の開口（例えば１００μｍ程度）を具備しており、開口部分では音響波を透過させ、開口以外の部分では音響波を反射又は吸収することで透過させない。

また、アパーチャ１０９はステージ等移動機構１１０上に配置されており、超音波探触子１１１の音響波受信面と平行に移動させることができる。この場合、超音波探触子１１１とアパーチャ１０９は近接している。

ここで、音響レンズ１０１の物点である皮膚１００の表面近傍とアパーチャ１０９の開口近傍は共役の関係となっている。この実施例では音響レンズ１０１は両側テレセントリックとなっているが、片側テレセントリックやテレセントリックでなくとも良い。皮膚１００の表面近傍とアパーチャ１０９の開口近傍が共役関係となっているため、アパーチャ１０９の開口をステージ１１０で移動させることで、皮膚１００の表面近傍における物点をスキャンさせることが可能となる。また両側テレセントリックとなっていることで、皮膚１００の表面に凹凸がある場合でも凹凸に応じて結像倍率が変化しないというメリットがある。

ここで、高音速部材１０２と低音速部材１０３との界面の曲率の絶対値と、高音速部材１０２と流体１０８との界面の曲率の絶対値が同じ場合、音響レンズ１０１の倍率は１であるが、双方の曲率は違っていても良い。例えば、高音速部材１０２と低音速部材１０３との界面の曲率の絶対値が、高音速部材１０２と流体１０８との界面の曲率の絶対値より小さい場合、超音波探触子１１１の受信面の面積より大きな皮膚１００の表面をスキャンすることができる。

アパーチャ１０９を透過した音響波は超音波探触子（受信部）１１１に到達する。超音波探触子は受信面１２０を有する。アパーチャ近傍の構成が図１の場合を以下に説明する。音響レンズ１０１の像点がアパーチャ１０９より音響レンズ側にある場合は、超音波探触子１１１の受信面１２０における音響波面は凸形状となる。音響レンズ１０１の像点がアパーチャ１０９より音響レンズ側にない場合は、超音波探触子１１１の受信面における音響破面は凹形状となる。どちらの場合においても音響レンズ１０１の像点は超音波探触子１１１の受信面近傍にあるため、音響波面内の各像高における位相ずれは少なくなる。つまり検出信号の時系列でのずれは少ない。

次にアパーチャ近傍の構成が図１の場合を以下に説明する。アパーチャの開口部分には音響波を透過するアパーチャ内音響レンズ２０１が配置されている。音響レンズ１０１の像点はアパーチャと音響レンズ１０１との間にあり、アパーチャ内音響レンズ２０１は、超音波探触子１１１の受信面上で音響波面が平面波となるように音響波面を変換する。アパーチャ内音響レンズ２０１の開口数は、音響レンズ１０１の開口絞りによって決まる開口数と同程度である。超音波探触子１１１の受信面上での音響波面は平面波となるため、音響波面内の各像高における位相ずれは少なくなる。アパーチャの開口部分にアパーチャ内音響レンズ２０１が配置されることで、アパーチャ部材を一体加工で加工することができ、かつ流体内でアパーチャをスムーズに移動させることができる。

次にアパーチャ近傍の構成が図３の場合を以下に説明する。アパーチャの開口近傍には音響波を透過するアパーチャ近傍音響レンズ３０１が配置されている。音響レンズ１０１の像点はアパーチャにあり、アパーチャ近傍音響レンズ３０１は、超音波探触子１１１の受信面上で音響波面が平面波となるように音響波面を変換する。アパーチャ近傍音響レンズ３０１の開口数は、音響レンズ１０１の開口絞りによって決まる開口数と同程度である。超音波探触子１１１の受信面上での音響波面は平面波となるため、音響波面内の各像高における位相ずれは少なくなる。アパーチャの開口近傍にアパーチャ近傍音響レンズ３０１が配置されることで、アパーチャ近傍音響レンズ３０１の加工上の有効径を大きくし、より音響波面を平面波に近い波面とすることができる。

次にアパーチャ近傍の構成が図４の場合を以下に説明する。アパーチャ１０９と超音波探触子１１１の受信面との間には、移動しない微小音響レンズアレイプレート４０１が配置されている。音響レンズ１０１の像点はアパーチャ近傍にあり、微小音響レンズアレイプレート４０１は、各アパーチャ位置において超音波探触子１１１の受信面上での音響波面が平面波となるように音響波面を変換する。微小音響レンズアレイプレート４０１における各微小音響レンズの開口数は、音響レンズ１０１の開口絞りによって決まる開口数と同程度である。微小音響レンズアレイプレート４０１の各微小音響レンズが配置されている場所において、超音波探触子１１１の受信面上での音響波面は平面波となるため、音響波面内の各像高における位相ずれは少なくなる。微小音響レンズアレイプレート４０１の各微小音響レンズの位置と音響レンズ１０１の物点は、一対一の関係で決定されるため、物点の位置精度はアパーチャ位置ではなく各微小音響レンズの位置で決めることができる。

次にアパーチャ近傍の構成が図５の場合を以下に説明する。音響レンズ１０１と超音波探触子１１１の受信面との間には、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）シャッター５０１が配置されている。ＭＥＭＳシャッター５０１は、微小な開閉機構を複数２次元的に設けた部材であり、開閉機構を選択的に開閉することで音響波の透過する領域を制御する部材である。ＭＥＭＳシャッター５０１の微小な開口部分は、音響レンズ１０１の回折限界程度の大きさ（例えば１００μｍ程度）となっており、音響レンズ１０１の物点である皮膚表面近傍とＭＥＭＳシャッター５０１の開口近傍は共役の関係となっている。ＭＥＭＳシャッター５０１はステージによるアパーチャ移動と同等の効果をもたらす。

次にアパーチャ近傍の構成が図６の場合を以下に説明する。超音波探触子１１１の受信面には非球面音響レンズ６０１が配置されている。超音波探触子１１１の受信面と非球面音響レンズ６０１との間には水、油、ジェル、接着剤等の音響インピーダンス整合剤が用いられている。音響レンズ１０１の像点はアパーチャ近傍にあり、アパーチャを透過した音響波は非球面音響レンズ６０１に到達する。非球面音響レンズ６０１の部材は流体と比較して高音速部材であり、流体と非球面音響レンズ６０１との界面でスネルの法則により音響波は屈折する。この非球面音響レンズ６０１の面形状は、音響レンズ１０１の像点から伝搬する音響波面が超音波探触子の受信面で平面波となるような形状、例えば楕円もしくは楕円に近い形状、となっている。その結果、アパーチャで選択された音響波面は非球面音響レンズ６０１より径の小さな超音波探触子１１１の受信面の広い範囲、もしくは全有効径で平面波として受信することができる。

本実施例では、音響レンズ１０１は２枚レンズとして表現されているが、各種収差補正を目的とする複数枚の界面を持つ複数群の音響レンズとしても良い。アパーチャ内音響レンズ２０１、アパーチャ近傍音響レンズ３０１、微小音響レンズアレイプレート４０１、非球面音響レンズ６０１に関しても、複数枚の界面を持つ音響レンズとしても良い。音響レンズ１０１の物点は仮想音源方式における仮想検出器としても良い。

照射光を生成する図示しない光源は、パルスレーザー、特に固体レーザー、半導体レーザー、又は発光ダイオードである。また、超音波探触子１１１の受信部は、圧電型トランスデューサ、又は静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）である。

超音波探触子１１１で受信された音響波は時系列の電気信号に変換され制御部（位置可変部）１１２に送られる。制御部１１２は照射光の制御、ステージ１１０の制御、及び超音波探触子１１１の制御を行う。超音波探触子１１１より得られた時系列の電気信号は処理部１１３に送られ２次元又は３次元の光音響イメージとして処理される。処理部１１３で生成された光音響イメージはモニター等の表示手段１１４へ送られ表示される。

（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係る音響プローブを含む光音響イメージング装置を模式的に示したものである。

基本的な構成は図１に示す実施例１と同様であるが、可変開口絞り７０１が可変であることである。可変開口絞り７０１は開口部分のみが音響波を透過させ、それ以外の部分は音響波を吸収もしくは反射させることで透過させない。可変開口絞り７０１は音響レンズ１０１の開口数を決定する。例えば、焦点深度を犠牲にする代わりに音響イメージング装置の解像度を向上させたい場合には、可変開口絞り７０１の開口部分を大きくする。例えば、音響イメージング装置の解像度を犠牲にする代わりに焦点深度を大きくしたい場合には、可変開口絞り７０１の開口部分を小さくする。

１００ 皮膚
１０１ 音響レンズ（音響レンズ系）
１０２ 高音速部材（第二の音速部材）
１０３ 低音速部材（第一の音速部材）
１０４ 音響波の軸
１０５ 主音響波（チーフレイ）
１０６ 周辺音響波（マージナルレイ）
１０７ 開口絞り（しぼり）
１０８ 流体
１０９ アパーチャ（選択透過部）
１１０ ステージ
１１１ 超音波探触子（受信部）
１１２ 制御部（位置可変部）
１１３ 処理部
１１４ 表示手段
２０１ アパーチャ内音響レンズ
３０１ アパーチャ近傍音響レンズ
４０１ 微小音響レンズアレイプレート
５０１ ＭＥＭＳシャッター
６０１ 非球面音響レンズ
７０１ 可変開口絞り

Claims (16)

1. 被検体から発生した音響波を集音する音響レンズ系と、
   集音された前記音響波を選択的に透過させる選択透過部と、
   前記選択透過部を透過した音響波を受信する受信面を有し、
   前記受信面で受信した音響波を受信信号に変換する受信部と、
   前記選択透過部において、前記音響波を選択的に透過させる位置を、
   前記受信面と略平行な面内方向に相対的に変える位置可変部と、
   を有する音響プローブ。
2. 被検体に光を照射する光照射部を含み構成され、
   前記受信部は、前記光照射部から前記被検体に光が照射されることで発生する音響波を受信するように構成されている、
   請求項１に記載の音響プローブ。
3. 前記選択透過部は、前記音響波を透過させる開口部を含むアパーチャを有し、
   前記位置変更部は、前記アパーチャを、
   前記受信面と略平行な面内方向に、前記音響レンズ系に対して
   相対的に変更する、
   請求項１又は２に記載の音響プローブ。
4. 集音した前記音響波を平面波に変える音響レンズが前記開口部に設けられて前記アパーチャと一体となって構成されている、
   請求項１又は２に記載の音響プローブ。
5. 前記音響レンズ系は、前記音響レンズ系を透過する前記音響波の領域を可変なしぼりを有する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の音響プローブ。
6. 前記音響レンズ系は、前記音響波を第一の音速で透過させる第一の音速部材と、
   前記第一の音速よりも速い第二の音速で透過させる第二の音速部材と、を含み構成される、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の音響プローブ。
7. 前記受信面と前記選択透過部との間であって、前記受信面と略平行な面内方向に
   集音した前記音響波を平面波に変える音響レンズが複数設けられている、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の音響プローブ。
8. 前記受信面と前記選択透過部との間に、
   集音した前記音響波を平面波に変える非球面の音響レンズが設けられている、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の音響プローブ。
9. 前記選択透過部は、音響波を透過の有無を可変な透過可変部を複数有し、
   前記位置変更部は、前記複数の透過可変部のうち、透過をさせる前記透過可変部の位置を変えることが可能に構成されている、
   請求項１又は２に記載の音響プローブ。
10. 前記選択透過部と前記受信部とは一体になって構成されている、
    請求項１又は２に記載の音響プローブ。
11. 前記光照射部は、前記被検体に照射する光を発生させる光源部を有する、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の音響プローブ。
12. 前記光源部は、固体レーザーを含み構成される、
    請求項１１に記載の音響プローブ。
13. 前記光源部は、半導体レーザー又は発光ダイオードを含み構成される、
    請求項１１に記載の音響プローブ。
14. 前記受信部は、圧電型トランスデューサを含み構成されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の音響プローブ。
15. 前記受信部は、静電容量型トランスデューサを含み構成されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の音響プローブ。
16. 前記受信信号を用いて前記被検体の情報を取得する情報取得部をさらに有する、
    請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の音響プローブ。

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