JP2020018494A - Light source unit and photoacoustic device with the same - Google Patents

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真希 細田
Maki Hosoda
真希 細田
古川 幸生
Yukio Furukawa
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Abstract

To provide a light source unit that suppresses damages to a single fiber and can increase a spread angle of emitted light by increasing numerical apertures (NA) for light incident on the fiber.SOLUTION: A light source unit includes: a light radiation part for radiating a laser beam; a condensing lens system for condensing the laser beam that is radiated by the light radiation part; and a diffusion part for diffusing light.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は光源ユニット、及びそれを有する光音響装置に関する。   The present invention relates to a light source unit and a photoacoustic device having the same.

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。生体イメージング装置として、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(超音波)を生体外部で検出する光音響イメージング装置がある。これは、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。   2. Description of the Related Art Technologies for imaging a living body with minimal invasiveness using visible light or near-infrared light have been widely researched and developed in recent years. 2. Description of the Related Art As a living body imaging apparatus, there is a photoacoustic imaging apparatus that irradiates light from outside a living body and detects acoustic waves (ultrasonic waves) generated due to volume expansion of molecules in the living body that have absorbed light energy outside the living body. This is a technique that makes use of the advantages of both optical imaging and ultrasonic imaging, and is known as a technique that enables non-invasive imaging of a deeper part of a living body.

特許文献1には、光源から出た光が、バンドルファイバを介して被検体に照射される光音響装置が開示されている(特許文献1)。バンドルファイバは複数のシングルファイバが束ねられたものであり、光の入射口が複数あるため、光量の大きい光を入射させることができる。一方、製造に手間がかかるため、コストを低くするという面ではシングルファイバを用いることが好ましい。   Patent Document 1 discloses a photoacoustic apparatus in which light emitted from a light source is irradiated on a subject via a bundle fiber (Patent Document 1). The bundle fiber is a bundle of a plurality of single fibers, and has a plurality of light entrances, so that a large amount of light can be incident. On the other hand, since manufacturing is troublesome, it is preferable to use a single fiber from the viewpoint of reducing costs.

特許文献2には、光源から出た光が光学系を介して、シングルファイバによって伝送されて出射される光源ユニットが開示されている。   Patent Literature 2 discloses a light source unit in which light emitted from a light source is transmitted and emitted by a single fiber via an optical system.

特開2013−198657号公報JP 2013-198657 A 特開2014−46072号公報JP 2014-46072 A

しかし、特許文献2の光源ユニットは、集光レンズ系で集光された光がシングルファイバに入射する構成であるため、強い強度の光を用いる場合、シングルファイバの端面が損傷するおそれがある。また、端面が損傷しない程度の光量に抑えたとしても、ファイバに入射する光の開口数(NA)が不十分となり、光源ユニットから出る光の拡がり角が小さくなる可能性がある。   However, since the light source unit disclosed in Patent Document 2 has a configuration in which light condensed by the condenser lens system is incident on the single fiber, the end face of the single fiber may be damaged when using light of high intensity. Further, even if the light amount is suppressed to such an extent that the end face is not damaged, the numerical aperture (NA) of the light incident on the fiber becomes insufficient, and the divergence angle of the light emitted from the light source unit may be reduced.

そこで本発明は、シングルファイバで光を伝送する光源ユニットで、ファイバ端面の損傷を抑制し、出射される光の拡がり角を大きくすることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a light source unit that transmits light by a single fiber, thereby suppressing damage to a fiber end face and increasing a spread angle of emitted light.

本発明に係る光源ユニットはレーザ光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、前記拡散部によって拡散した前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、を有することを特徴とする。   The light source unit according to the present invention includes a light irradiation unit that irradiates a laser beam, a condenser lens system that collects the laser light emitted from the light irradiation unit, and the laser that is condensed by the condenser lens system. It is characterized by having a diffusion part for diffusing light, and a single fiber for transmitting the laser light diffused by the diffusion part.

別の本発明に係る光源ユニットは、レーザ光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、前記シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、を有することを特徴とする。   A light source unit according to another aspect of the present invention includes a light irradiation unit that irradiates a laser beam, a condenser lens system that collects the laser light emitted from the light irradiation unit, and a condenser lens system that collects the laser light. A single fiber for transmitting the laser light, and a diffusion unit for diffusing the laser light transmitted by the single fiber.

本発明に係る光源ユニットによると、集光レンズ系で集光させた後に、拡散部でレーザ光を拡散させてシングルファイバに入射させる構成であるため、ファイバ端面の損傷を抑制できる。また、拡散部の拡がり角を調整することで、ファイバに入射する光のNAを大きくでき、光源ユニットから出射される光の拡がり角を大きくできる。   According to the light source unit of the present invention, since the laser beam is diffused by the diffusing unit and made incident on the single fiber after being condensed by the condenser lens system, damage to the fiber end face can be suppressed. Further, by adjusting the divergence angle of the diffuser, the NA of the light incident on the fiber can be increased, and the divergence angle of the light emitted from the light source unit can be increased.

本発明の実施形態1における、光音響装置の全体構成図。1 is an overall configuration diagram of a photoacoustic device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態1における、光照射部からシングルファイバまでの拡大図。FIG. 2 is an enlarged view from a light irradiation unit to a single fiber according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態1における、(a)拡散全角10度の拡散部(拡散板)、(b)拡散全角20度の拡散部(拡散板)、(c)拡散全角30度の拡散部(拡散板)を用いた時の光量分布図。In the first embodiment of the present invention, (a) a diffusion part (diffusion plate) having a diffusion angle of 10 degrees, (b) a diffusion part (diffusion plate) having a diffusion angle of 20 degrees, and (c) a diffusion part (diffusion) having a diffusion angle of 30 degrees. FIG. 本発明の実施形態2における光音響装置の全体構成図。FIG. 6 is an overall configuration diagram of a photoacoustic device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2における光照射部からシングルファイバまでの拡大図。FIG. 5 is an enlarged view from a light irradiation unit to a single fiber according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2における光伝送部シングルファイバから生体接触膜までの拡大図。FIG. 9 is an enlarged view from a single fiber of an optical transmission unit to a biological contact membrane in a second embodiment of the present invention.

本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。   An embodiment of the present invention will be described, but the present invention is not limited to this.

本実施形態に係る光源ユニットは、レーザ光を照射する光照射部と、光照射部から照射されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、集光レンズ系によって集光されたレーザ光を拡散させる拡散部を有する。さらに、拡散部によって拡散したレーザ光を伝送するシングルファイバを有する。   The light source unit according to the present embodiment includes a light irradiation unit that irradiates laser light, a condenser lens system that collects laser light emitted from the light irradiation unit, and a laser light that is collected by the condenser lens system. It has a diffusion part for diffusing. Further, it has a single fiber for transmitting the laser light diffused by the diffusion unit.

また、本実施形態に係る光源ユニットは、拡散部が、シングルファイバよりも後段に設けられていても良い。すなわち、集光レンズ系によって集光されたレーザ光を伝送するシングルファイバと、シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、を有する構成でもよい。   Further, in the light source unit according to the present embodiment, the diffusion unit may be provided at a later stage than the single fiber. That is, a configuration having a single fiber for transmitting the laser light condensed by the condensing lens system and a diffusion unit for diffusing the laser light transmitted by the single fiber may be adopted.

このように本実施形態に係る光源ユニットによると、集光レンズ系で集光させた後に、拡散部でレーザ光を拡散させてシングルファイバに入射させる構成であるため、ファイバ端面の損傷を抑制できる。また、拡散部の拡がり角を調整することで、ファイバに入射する光のNAを大きくでき、光源ユニットから出射される光の拡がり角を大きくできる。   As described above, according to the light source unit according to the present embodiment, since the laser light is diffused by the light diffusing unit and made incident on the single fiber after being condensed by the condenser lens system, damage to the fiber end face can be suppressed. . Further, by adjusting the divergence angle of the diffuser, the NA of the light incident on the fiber can be increased, and the divergence angle of the light emitted from the light source unit can be increased.

(集光レンズ系)
本実施形態における集光レンズ系は、凸レンズ、テレスコープ光学系、フレネルレンズの少なくともいずれかを含むことが好ましい。
(Condensing lens system)
The condensing lens system in the present embodiment preferably includes at least one of a convex lens, a telescope optical system, and a Fresnel lens.

(シングルファイバ)
本実施形態におけるシングルファイバは光を伝送するものであり、マルチファイバモード、又はシングルモードファイバを用いることが出来る。
(Single fiber)
The single fiber in the present embodiment transmits light, and a multi-fiber mode or a single mode fiber can be used.

(拡散部)
本実施形態における拡散部としては特に限定されないが、微小なレンズが基板の片面に配置されたレンズ拡散板や、ホログラフィック拡散板等を用いることができる。
(Diffusion section)
Although there is no particular limitation on the diffusion unit in the present embodiment, a lens diffusion plate in which minute lenses are arranged on one side of the substrate, a holographic diffusion plate, or the like can be used.

また、拡散部は上記シングルファイバの光の入射端面上に一体となって形成されていてもよい。   Further, the diffusing portion may be integrally formed on the light incident end face of the single fiber.

なお、拡散部によって拡散されるレーザ光の拡がり角度θ_inは、シングルファイバの光の入射端面と接する物質(空気や液体や固体)の屈折率をn_in、シングルファイバの開口数をNAとしたときに、以下の式(I)で表されることが好ましい。なお、NAとはNumerical Apertureの略である。
θ_in≦2arcsin(NA/n_in ) (I)
さらに、以下の式(II)で表されることが特に好ましい。
θ_in≦3arcsin(NA/n_in ) (II)
The divergence angle θ_in of the laser light diffused by the diffusion unit is defined as n_in, the refractive index of a substance (air, liquid, or solid) in contact with the light incident end face of the single fiber, and NA, the numerical aperture of the single fiber. Is preferably represented by the following formula (I). Note that NA is an abbreviation for Numerical Aperture.
θ_in ≦ 2arcsin (NA / n_in) (I)
Further, it is particularly preferable that the compound is represented by the following formula (II).
θ_in ≦ 3arcsin (NA / n_in) (II)

(光照射部)
本実施形態における光照射部は、レーザ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、または、半導体レーザや発光ダイオードといった発光素子を含み構成される。
(Light irradiation part)
The light irradiation unit in the present embodiment may have a light source unit that generates laser light. The light source unit includes a solid-state laser or a light-emitting element such as a semiconductor laser or a light-emitting diode.

(光音響装置)
上記本実施形態に係る光源ユニットを用いる装置として、光音響装置が挙げられる。
(Photoacoustic device)
As an apparatus using the light source unit according to the present embodiment, a photoacoustic apparatus may be mentioned.

本実施形態に係る光音響装置は、上記光源ユニットの他に、レーザ光が被検体に照射されることで、被検体から発生する超音波を受信して受信信号を出力する受信部を有する。   The photoacoustic apparatus according to the present embodiment includes, in addition to the light source unit, a receiving unit that receives an ultrasonic wave generated from the subject and outputs a reception signal by irradiating the subject with the laser light.

(受信部)
上記受信部としては特に限定されず、圧電型トランスデューサや静電容量型トランスデューサを用いることが出来る。
(Receiver)
The receiving unit is not particularly limited, and a piezoelectric transducer or a capacitance transducer can be used.

(情報取得部)
本実施形態に係る光音響装置は、受信部の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。
(Information acquisition unit)
The photoacoustic apparatus according to the present embodiment may further include an information acquisition unit that acquires information on the subject using a reception signal of the reception unit.

以下、上記本実施形態に係る光源ユニットを用いた光音響装置(光音響イメージング装置)を例に、詳細を説明する。   Hereinafter, details will be described by taking a photoacoustic apparatus (photoacoustic imaging apparatus) using the light source unit according to the present embodiment as an example.

[実施形態1]
図1は光音響イメージング装置(光音響装置)を模式的に示したものである。なお、本例は、光照射部101が光源を含む場合の装置形態を示す。
[Embodiment 1]
FIG. 1 schematically shows a photoacoustic imaging apparatus (photoacoustic apparatus). Note that this example shows an apparatus configuration in a case where the light irradiation unit 101 includes a light source.

まず、光源(光照射部)101から射出された光束102はレンズ(集光レンズ系)103に入射する。レンズ103は凸平の形が光源内への期待されない反射による集光を防ぐために好ましいが、別形状レンズを紙面に垂直な軸回りで回転させることで、光源内での集光を防いでも良い。回転角度は例えば10度以内である。図2に光源101からシングルファイバ(光伝送部)105までの拡大図を示す。以下ではシングルファイバ105を単にファイバと表現する。   First, a light beam 102 emitted from a light source (light irradiation unit) 101 enters a lens (condensing lens system) 103. Although the convex shape of the lens 103 is preferable in order to prevent light collection due to unexpected reflection into the light source, it is also possible to prevent the light collection in the light source by rotating the lens of another shape around an axis perpendicular to the paper surface. . The rotation angle is, for example, within 10 degrees. FIG. 2 shows an enlarged view from the light source 101 to the single fiber (optical transmission unit) 105. Hereinafter, the single fiber 105 is simply referred to as a fiber.

レンズ103で集光状態となった光束102は拡散板104に入射する。拡散板(拡散部)104は、集光状態となった光束102のビームウエスト位置近傍に置かれる。拡散板104は、ファイバ105のNA(Numerical Aperture)より換算される角度に対応する角度に光束を拡散させるような微細構造を表面に持つ。一例として、光源101より射出された光束102がガウシアンであり、ファイバ105としてNA0.22のマルチモードファイバを使用する。ファイバへの必要な入射角(全角)は25.4度となり、拡散角(半値全角)が10度の拡散板を使用することで、図3(a)に示すグラフのように、約99.7%のカップリング効率を達成できる。図3(a)〜(c)において横軸は光軸からのプラスマイナスの角度を、縦軸は規格化した光量を示しており、点線は入射ビーム形状を、実線は出射ビーム形状をそれぞれ示す。図3(b)では拡散角が20度の拡散板を使用することで約86.5%のカップリング効率を、図3(c)では拡散角が30度の拡散板を使用することで約69.4%のカップリング効率を達成できることを示す。拡散角が10度の拡散板を使用する場合はファイバ105からの出射ビーム形状は、ガウシアンに近い形状となる。一方、拡散角が20度の拡散板を使用する場合はファイバ105からの出射ビーム形状は、拡散された入射ビームの両端角度がファイバNAを超えるため、入射ビーム形状の両端部分はファイバ内で伝搬されない。そのため、ガウシアン形状と比較してよりフラットトップに近い形状となる。このように、ファイバ105へのカップリング効率と得たい出射ビーム形状に応じて拡散板104の拡散角を決定する。   The light beam 102 condensed by the lens 103 enters the diffusion plate 104. The diffusion plate (diffusion unit) 104 is placed near the beam waist position of the light beam 102 in the condensed state. The diffusing plate 104 has a fine structure on its surface that diffuses a light beam at an angle corresponding to an angle converted from the NA (Numerical Aperture) of the fiber 105. As an example, a light beam 102 emitted from the light source 101 is Gaussian, and a multimode fiber having an NA of 0.22 is used as the fiber 105. The required angle of incidence (full angle) on the fiber is 25.4 degrees, and by using a diffuser having a diffusion angle (full width at half maximum) of 10 degrees, as shown in the graph of FIG. A coupling efficiency of 7% can be achieved. 3A to 3C, the horizontal axis indicates the plus or minus angle from the optical axis, the vertical axis indicates the normalized light amount, the dotted line indicates the incident beam shape, and the solid line indicates the output beam shape. . In FIG. 3B, the coupling efficiency of about 86.5% is obtained by using a diffusion plate having a diffusion angle of 20 degrees, and in FIG. 3C, the coupling efficiency is obtained by using a diffusion plate having a diffusion angle of 30 degrees. It shows that a coupling efficiency of 69.4% can be achieved. When a diffusion plate having a diffusion angle of 10 degrees is used, the shape of the beam emitted from the fiber 105 is close to Gaussian. On the other hand, when a diffuser having a diffusion angle of 20 degrees is used, the shape of the output beam from the fiber 105 is such that both end angles of the diffused incident beam exceed the fiber NA, so that both ends of the incident beam shape propagate in the fiber. Not done. Therefore, the shape becomes closer to a flat top than the Gaussian shape. As described above, the diffusion angle of the diffusion plate 104 is determined according to the coupling efficiency to the fiber 105 and the desired output beam shape.

上記NA0.22のファイバに対して拡散角10度もしくは拡散角20度の拡散板を使用する場合は、   When using a diffusion plate with a diffusion angle of 10 degrees or a diffusion angle of 20 degrees for the fiber of NA 0.22,

Figure 2020018494
を満足する。上記NA0.22のファイバに対して拡散角30度の拡散板を使用する場合は、
Figure 2020018494
To be satisfied. When using a diffusion plate with a diffusion angle of 30 degrees for the fiber of NA 0.22,

Figure 2020018494
を満足する。
Figure 2020018494
To be satisfied.

例えば、光源101から射出された光束102の光量分布はガウシアンであると仮定し、光束102の直径をD、波長をλ、レンズ103の焦点距離をfとすると、ビームウエストの半径w0は、   For example, assuming that the light amount distribution of the light beam 102 emitted from the light source 101 is Gaussian, and assuming that the diameter of the light beam 102 is D, the wavelength is λ, and the focal length of the lens 103 is f, the radius w0 of the beam waist is

Figure 2020018494
と計算できる。λを0.532μm、fを100mm、Dを1mmとすると、w0は34μmとなる。このビームウエスト近傍に拡散角が20度の拡散板104を配置すると仮定する。拡散板104とファイバ105までの距離Lは、下記式で表される。
Figure 2020018494
Can be calculated. Assuming that λ is 0.532 μm, f is 100 mm, and D is 1 mm, w0 is 34 μm. It is assumed that a diffusion plate 104 having a diffusion angle of 20 degrees is arranged near the beam waist. The distance L between the diffusion plate 104 and the fiber 105 is represented by the following equation.

Figure 2020018494
Figure 2020018494

ここで、Dcoreはファイバ105のコア201の直径、NAはファイバ105のNA,nは拡散板104とファイバ105との間にある物質の屈折率である。Dcoreを105μm、NAを0.22、nを1とすると、Lは82μmとなる。この距離で拡散板104を、特に拡散させる面を配置することで、上記の約86.5%のカップリング効率を得ることが出来る。この拡散板104とファイバ105までの距離Lは、ガラス等を用いて機械的に距離が固定されていると、光学系は安定するため、より良い。また格差版104は光源内への期待されない反射を防ぐために紙面に垂直な軸回りで回転させても良い。 Here, D core is the diameter of the core 201 of the fiber 105, NA is the NA of the fiber 105, and n is the refractive index of a substance between the diffusion plate 104 and the fiber 105. If Dcore is 105 μm, NA is 0.22, and n is 1, L is 82 μm. By arranging the diffusion plate 104 at this distance, particularly the surface to be diffused, the above-mentioned coupling efficiency of about 86.5% can be obtained. If the distance L between the diffusion plate 104 and the fiber 105 is mechanically fixed by using glass or the like, the optical system is stabilized, so that it is better. Further, the difference plate 104 may be rotated around an axis perpendicular to the plane of the paper to prevent unexpected reflection into the light source.

一方、レンズ103の焦点距離を長くすることにより、レンズ103と拡散板104までの距離に要求される精度を比較的低くすることができる。これを以下に説明する。   On the other hand, by increasing the focal length of the lens 103, the accuracy required for the distance between the lens 103 and the diffusion plate 104 can be made relatively low. This will be described below.

拡散板104の位置ずれ量zに対するビーム半径w(z)は下記式で表される。   The beam radius w (z) with respect to the displacement amount z of the diffusion plate 104 is represented by the following equation.

Figure 2020018494
Figure 2020018494

いまw0は34μm、λは0.532μmであり、zを2mmとすると、w(z)は35μmとなる。つまり、拡散板104が2mm光軸方向にずれたとしても2μmしかビーム直径は増えない。つまり、レンズ103と拡散板104との距離よりも、拡散板104とファイバ105との距離が敏感であり、拡散板104とファイバ105との距離のみを精度良く管理すれば良い。   Now, w0 is 34 μm, λ is 0.532 μm, and if z is 2 mm, w (z) is 35 μm. That is, even if the diffuser plate 104 is shifted by 2 mm in the optical axis direction, the beam diameter increases only by 2 μm. That is, the distance between the diffusion plate 104 and the fiber 105 is more sensitive than the distance between the lens 103 and the diffusion plate 104, and only the distance between the diffusion plate 104 and the fiber 105 needs to be managed accurately.

図2におけるファイバ105のコア201に入射した光束102は、図1における2分岐ファイバカプラ106に到達する。ファイバカプラ106を通過した光束102は2つに分岐され、それぞれ照射ファイバ107内を伝搬する。照射ファイバ107はプローブ108に接続されており、プローブ108内で2つの照射光束109としてそれぞれ対向する位置より被計測対象110に照射される。ここで、照射ファイバ107の出射端面と超音波探触子111の一部は音響インピーダンス整合剤112と接触している。音響インピーダンス整合剤112としては、水、油、ジェル等があり、生体接触膜113を介することで音響インピーダンス整合剤112は被計測対象110と直接接触しない。照射ファイバ107の出射端面は、出射光の主光線が超音波探触子の音響波軸中心と被計測対象110の表面近傍で一致するように、配置もしくは端面加工されている。例えば、音響インピーダンス整合剤112として水を用いる場合、照射ファイバ107の端面を照射ファイバ107の光軸に対して30度傾けるように加工すると、スネルの法則より出射光の主光線は照射ファイバ107の光軸に対して約34度傾く。このように照射ファイバ107の端面を加工することで照射ファイバ107の傾き角度を小さくし、プローブ108を小型化することが出来る。   The light beam 102 incident on the core 201 of the fiber 105 in FIG. 2 reaches the two-branch fiber coupler 106 in FIG. The light beam 102 that has passed through the fiber coupler 106 is split into two, and propagates in the irradiation fiber 107, respectively. The irradiation fiber 107 is connected to a probe 108, and irradiates the object to be measured 110 as two irradiation light beams 109 from opposite positions in the probe 108. Here, the emission end face of the irradiation fiber 107 and a part of the ultrasonic probe 111 are in contact with the acoustic impedance matching agent 112. Examples of the acoustic impedance matching agent 112 include water, oil, gel, and the like. The acoustic impedance matching agent 112 does not directly contact the measurement target 110 via the biological contact film 113. The emission end face of the irradiation fiber 107 is arranged or processed so that the principal ray of the emitted light coincides with the center of the acoustic wave axis of the ultrasonic probe near the surface of the measurement target 110. For example, when water is used as the acoustic impedance matching agent 112, if the end face of the irradiation fiber 107 is processed so as to be inclined by 30 degrees with respect to the optical axis of the irradiation fiber 107, the chief ray of the emitted light is determined by Snell's law. It is inclined about 34 degrees with respect to the optical axis. By processing the end face of the irradiation fiber 107 in this manner, the inclination angle of the irradiation fiber 107 can be reduced, and the probe 108 can be downsized.

被計測対象110内で散乱された光はヘモグロビンやメラニン等の図示しない生体内分子に到達し、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(超音波)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被計測対象110の表面へ伝搬した後、音響波レンズを含む超音波探触子111によって電気信号に変換される。音響波の電気信号はケーブル114によってデジタイザ116へ伝わりアナログ信号からデジタル信号への変換が行われ、コントローラ118で信号処理が行われる。   The light scattered in the measurement target 110 reaches in-vivo molecules (not shown) such as hemoglobin and melanin, and those molecules that have absorbed light energy generate acoustic waves (ultrasonic waves) due to volume expansion. An acoustic wave generated from each biomolecule propagates in a living body, a part of which propagates to the surface of the measurement target 110, and is converted into an electric signal by an ultrasonic probe 111 including an acoustic wave lens. The electric signal of the acoustic wave is transmitted to the digitizer 116 via the cable 114, the analog signal is converted into a digital signal, and the controller 118 performs signal processing.

プローブ108内では、超音波探触子111のみ、もしくは超音波探触子111と照射ファイバ107と両方が、被計測対象110の表面と略平行なXY面内で、ステージ116を用いることでスキャン動作を行う。ステージ116近傍には図示しないエンコーダが配置されており、スキャン動作における位置情報はケーブル117を用いてデジダイザ116へ送られ、音響波情報と共にコントローラ118へ送られる。コントローラ118は光源101とステージ116の制御を行い、必要に応じて音響波情報、エンコーダ情報、あるいはそれらを処理することで得られる音響波イメージング画像を表示する表示手段を有する。   In the probe 108, only the ultrasonic probe 111 or both the ultrasonic probe 111 and the irradiation fiber 107 are scanned by using the stage 116 in an XY plane substantially parallel to the surface of the measurement target 110. Perform the operation. An encoder (not shown) is arranged near the stage 116, and the position information in the scanning operation is sent to the digitizer 116 using the cable 117, and sent to the controller 118 together with the acoustic wave information. The controller 118 controls the light source 101 and the stage 116, and has display means for displaying acoustic wave information, encoder information, or an acoustic imaging image obtained by processing the information, as necessary.

この実施例においては上述したように、拡散板104をファイバ105の前段に配置することでファイバ105への入射NAを制御することが出来る。   In this embodiment, as described above, by arranging the diffusing plate 104 in front of the fiber 105, the incident NA to the fiber 105 can be controlled.

ファイバ105がマルチモードファイバである場合、マルチモードファイバを使用することで光量の伝送効率を上げられる。レンズ103は本実施例では単レンズであるが、複数の光学面を用いたケプラーテレスコープ、ガレリオテレスコープ等の光学系であっても良い。もしくはレンズ103はフレネルレンズであっても良い。また、拡散板104はファイバ105のコア201端面に一体加工されていても良い。光源101は本実施例ではレーザであるが、レーザダイオードであっても良い。   When the fiber 105 is a multimode fiber, the transmission efficiency of the light amount can be increased by using the multimode fiber. The lens 103 is a single lens in this embodiment, but may be an optical system using a plurality of optical surfaces, such as a Kepler telescope or a galleo telescope. Alternatively, the lens 103 may be a Fresnel lens. Further, the diffusion plate 104 may be integrally formed on the end face of the core 201 of the fiber 105. The light source 101 is a laser in this embodiment, but may be a laser diode.

[実施形態2]
図4は別の実施例である光音響イメージング装置を模式的に示したものである。図1と同様の箇所は説明を省略し、実施例1との差異部分のみを説明する。光源101から射出された光束102はレンズ103に入射し、レンズ103で集光状態となった光束102はファイバ105に入射する。図5に光源101からファイバ105までの拡大図を示す。ファイバ105の端面は、集光状態となった光束102のビームウエスト近傍の位置に置かれ、略平行状態の光束102がファイバ105のコア201に入射される。
[Embodiment 2]
FIG. 4 schematically shows a photoacoustic imaging apparatus according to another embodiment. The description of the same parts as those in FIG. 1 is omitted, and only different parts from the first embodiment will be described. The light beam 102 emitted from the light source 101 enters the lens 103, and the light beam 102 condensed by the lens 103 enters the fiber 105. FIG. 5 shows an enlarged view from the light source 101 to the fiber 105. The end face of the fiber 105 is placed at a position near the beam waist of the light beam 102 in a condensed state, and the light beam 102 in a substantially parallel state enters the core 201 of the fiber 105.

図6は照射ファイバ107と生体接触膜113近傍の拡大図である。照射ファイバ107のコア201より出射された光束801の拡がり角度は、入射光束が略平行であったため、小さい拡がり角度となる。例えば、射出ファイバ107としてNA0.22のマルチモードファイバを用いたとしても出射NAは0.22以下、例えば0.15以下となる。コア201より射出された光束801は、拡散板802で拡散され生体接触膜113へ入射し、ここでは図示しない被計測対象110へ入射する。コア201より出射されたファイバ出射光束801の拡がり全角をθin、プローブ内拡散板802による拡がり全角をθd、生体接触膜113へ入射する拡散後光束803の拡がり全角をθoutとすると、下記式となる。この関係式を用いてプローブ内拡散板802の拡がり全角を決定する。   FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the irradiation fiber 107 and the biological contact film 113. The spread angle of the light beam 801 emitted from the core 201 of the irradiation fiber 107 is a small spread angle because the incident light beams are substantially parallel. For example, even when a multi-mode fiber having an NA of 0.22 is used as the emission fiber 107, the emission NA is 0.22 or less, for example, 0.15 or less. The light beam 801 emitted from the core 201 is diffused by the diffusion plate 802 and is incident on the living body contact film 113, and is incident on the measurement target 110 (not shown). Assuming that the full spread angle of the fiber emitted light beam 801 emitted from the core 201 is θin, the full spread angle of the diffusion plate 802 in the probe is θd, and the full spread angle of the post-diffusion light beam 803 incident on the biological contact film 113 is θout, the following expression is obtained. . The spread full angle of the in-probe diffusion plate 802 is determined using this relational expression.

Figure 2020018494
Figure 2020018494

図6では左右対となる2本の照射ファイバ107より光が出射される図となっているが、照射ファイバ107の本数は1本でも良いし3本以上の複数本でも良い。照射ファイバ107の端面とプローブ内拡散板802は音響インピーダンス整合剤112に接触しており、プローブ内拡散板802の拡がり全角は音響インピーダンス整合剤112とプローブ内拡散板802との屈折率によって決定される。図6では左右の照射ファイバ107の主光線が重なる点が生体接触膜113上に位置しているが、その点は生体接触膜113の上部もしくは下部に位置しても良い。この実施例では生体接触膜113に対して照射ファイバ107を直接傾けているが、ミラーやプリズムを用いて照射ファイバの光軸を傾けても良い。   FIG. 6 shows a diagram in which light is emitted from the two irradiation fibers 107 that form a left and right pair. However, the number of irradiation fibers 107 may be one, or three or more. The end face of the irradiation fiber 107 and the diffuser plate 802 in the probe are in contact with the acoustic impedance matching agent 112, and the full angle of the diffuser plate 802 in the probe is determined by the refractive index between the acoustic impedance matching agent 112 and the diffuser plate 802 in the probe. You. In FIG. 6, the point where the principal rays of the left and right irradiation fibers 107 overlap is located on the biological contact film 113, but the point may be located above or below the biological contact film 113. In this embodiment, the irradiation fiber 107 is directly inclined with respect to the biological contact film 113, but the optical axis of the irradiation fiber may be inclined using a mirror or a prism.

上記ファイバ105と照射ファイバ107はシングルモードファイバであってもマルチモードファイバであっても良い。   The fiber 105 and the irradiation fiber 107 may be single mode fibers or multimode fibers.

101 光源(光照射部)
102 光束
103 レンズ(集光レンズ系)
104 拡散板(拡散部)
105 シングルファイバ(光伝送部)
106 ファイバカプラ
107 照射ファイバ
108 プローブ
109 照射光束
110 被計測対象
111 超音波探触子
112 音響インピーダンス整合剤
113 生体接触膜
114 ケーブル
115 デジタイザ
116 ステージ
117 ケーブル
118 コントローラ
101 light source (light irradiation part)
102 luminous flux 103 lens (condensing lens system)
104 Diffusion plate (diffusion part)
105 Single fiber (optical transmission unit)
106 Fiber Coupler 107 Irradiation Fiber 108 Probe 109 Irradiation Beam 110 Measurement Target 111 Ultrasonic Probe 112 Acoustic Impedance Matching Agent 113 Biological Contact Film 114 Cable 115 Digitizer 116 Stage 117 Cable 118 Controller

Claims (16)

レーザ光を照射する光照射部と、
前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
前記拡散部によって拡散した前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、
を有する光源ユニット。
A light irradiator for irradiating laser light,
A condenser lens system for condensing the laser light emitted from the light irradiator,
A diffusing unit for diffusing the laser light condensed by the condensing lens system,
A single fiber for transmitting the laser light diffused by the diffusion unit,
A light source unit having:
レーザ光を照射する光照射部と
前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、
前記シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
を有する光源ユニット。
A light irradiating unit that irradiates laser light, and a condenser lens system that condenses the laser light irradiated from the light irradiating unit
A single fiber for transmitting the laser light focused by the focusing lens system,
A diffusing unit for diffusing the laser light transmitted by the single fiber,
A light source unit having:
前記集光レンズ系が、凸レンズを含む、
請求項1または2に記載の光源ユニット。
The condenser lens system includes a convex lens,
The light source unit according to claim 1.
前記集光レンズ系が、テレスコープ光学系を含む、
請求項1または2に記載の光源ユニット。
The condenser lens system includes a telescope optical system,
The light source unit according to claim 1.
前記集光レンズ系は、フレネルレンズを含む、
請求項1または2に記載の光源ユニット。
The condenser lens system includes a Fresnel lens,
The light source unit according to claim 1.
前記シングルファイバは、マルチファイバモード、又はシングルモードファイバである、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光源ユニット。
The single fiber is a multi-fiber mode, or a single mode fiber,
The light source unit according to claim 1.
前記拡散部は前記シングルファイバの光の入射端面上に一体となって形成されている、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光源ユニット。
The diffusion portion is integrally formed on the light incident end face of the single fiber,
The light source unit according to claim 1.
前記拡散部によって拡散される前記レーザ光の拡がり角度θ_inは、前記光伝送部の光の入射端面と接する物質の屈折率をn_in、前記光伝送部の開口数をNAとしたときに、以下の式(I)で表される請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光源ユニット。
θ_in≦2arcsin(NA/n_in ) (I)
The divergence angle θ_in of the laser light diffused by the diffusing unit is as follows, where n_in is the refractive index of a substance in contact with the light incident end face of the light transmitting unit, and NA is the numerical aperture of the light transmitting unit. The light source unit according to claim 1, wherein the light source unit is represented by Formula (I).
θ_in ≦ 2arcsin (NA / n_in) (I)
前記拡散部によって拡散される前記レーザ光の拡がり角度θ_inは、前記光伝送部の光の入射端面と接する物質の屈折率をn_in、前記光伝送部の開口数をNAとしたときに、以下の式(II)で表される請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光源ユニット。
θ_in≦3arcsin(NA/n_in ) (II)
The divergence angle θ_in of the laser light diffused by the diffusing unit is as follows, where n_in is the refractive index of a substance in contact with the light incident end face of the light transmitting unit, and NA is the numerical aperture of the light transmitting unit. The light source unit according to claim 1, wherein the light source unit is represented by Formula (II).
θ_in ≦ 3arcsin (NA / n_in) (II)
前記光照射部は、前記レーザ光を発生させる光源部を有する、
請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光源ユニット。
The light irradiation unit has a light source unit that generates the laser light,
The light source unit according to claim 1.
前記光源部は、固体レーザを含み構成される、
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光源ユニット。
The light source unit includes a solid-state laser,
The light source unit according to claim 1.
前記光源部は、半導体レーザまたは発光ダイオードを含み構成される、
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光源ユニット。
The light source unit includes a semiconductor laser or a light emitting diode,
The light source unit according to claim 1.
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光源ユニットと、
前記レーザ光が被検体に照射されることで、前記被検体から発生する超音波を受信して受信信号を出力する受信部を有する光音響装置。
A light source unit according to any one of claims 1 to 12,
A photoacoustic apparatus including a receiving unit configured to receive an ultrasonic wave generated from the subject by irradiating the subject with the laser light and output a reception signal.
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請求項13に記載の光音響装置。   14. The photoacoustic device according to claim 13, wherein the receiving unit includes a piezoelectric transducer. 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請求項13に記載の光音響装置。   The photoacoustic apparatus according to claim 13, wherein the receiving unit includes a capacitance type transducer. 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13乃至15のいずれか1項に記載の光音響装置。   The photoacoustic apparatus according to any one of claims 13 to 15, further comprising an information acquisition unit configured to acquire information on the subject using the reception signal.
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