JP2020048964A - 光音響プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】光音響プローブの小型化を図るとともに、光音響プローブによる照明領域を調整する技術を提供する。【解決手段】光源からの光を被検体に照射する光音響プローブであって、前記光を前記光音響プローブの内部に導波する光導波路と、前記光が照射されることにより前記被検体で発生した音響波を受信する受信素子を含む受信部と、光反射部および光拡散部を有し、前記光導波路から出射された光束を反射および拡散させる１以上の光照射ユニットと、前記光照射ユニットの角度を調整する調整機構と、を備え、前記光照射ユニットは、前記受信素子の受信面と前記被検体とに挟まれた空間の外側に配置される、光音響プローブである。【選択図】図２

Description

本発明は、光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（超音波）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。

特許文献１は、光源として光放出半導体素子（発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ
Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子）を利用する光音響イメージング装置を開示する。
特許文献１に開示される光音響イメージング装置は、超音波探触子に隣接して複数の光放出半導体素子を配置し、光照射部の光の照射方向をそれぞれ別に変更することが可能な照射方向可変部を備える。特許文献１の光音響イメージング装置は、光源が発光ダイオード（ＬＥＤ）素子であるため、光照射部が小型化されかつ被検体の表面近くに配置される。これにより光が所望の箇所に導かれる。

特許文献２は、光音響イメージングに用いられる超音波プローブを開示する。特許文献２に開示される超音波プローブは、超音波探触子の側面近傍に配置された光ファイバ出射端に、外力に応じて変形可能な弾性を有し、かつ光を導光できる材料で形成された導光板を備える。特許文献２の超音波プローブは、導光板の光出射端側を変形させる変形機構（ゴム湾曲機構）を用いて超音波探触子側に光出射端を向けることで、被検体に対して所望の箇所に光を照射する。

特許文献３は、光音響効果を用いて検査対象物の内部構造の画像化する超音波探触子を開示する。特許文献３の超音波探触子は、被検体と複数の超音波探触子との間に光源からの光を導光し被検体に照射する導光板を挟む構成とすることで、超音波探触子自身が邪魔することなく被検体に光を照射する。導光板は中空形状の水で満たされた筐体であり、端面に設けられた光反射面および光散乱体により、反射され、散乱された光は効率良く被検体に照射される。

特開２０１６−４９２１２号公報 特開２０１３−１５８４２７号公報 特開２００９−３１２６８号公報

しかしながら従来の技術では以下のような課題があった。
光源としてＬＥＤを用いる場合、レーザと比較して光量が著しく小さいため、十分な光音響波を超音波探触子で受信するためには、被検体における光量密度を大きくすることが求められる。ＬＥＤの個数を増やし、ＬＥＤを被検体に近づけることで、被検体における光量密度を大きくすることができる。しかし、ＬＥＤの個数を増やすことで、光照射部が大型化するという課題が生じる場合がある。また、ＬＥＤを被検体に近接させた状態で光
照射方向を調整することで、光照射部が被検体の表面に押し込まれるという課題が生じることが考えられる。プローブを被検体に対して走査させる光音響システムの場合、大型で被検体と近接したプローブによって被検体を走査させることは困難となる可能性がある。

また、光照射部として外力に応じて変形可能な弾性を有する導光板を用いる場合、導光板の長期的な安定性が課題となる。光学部材として一般的に使用されない弾性材料に対し、光音響波を発生させるエネルギーを持つ光を長期間照射し、長期的な安定性を検証するためには、時間とコストの増加という課題が生じる場合がある。

さらに、光照射部は、被検体と超音波探触子との間に配置される場合、超音波探触子に光束が阻害されることなく、被検体に高効率で光を照射することが可能である。しかし、超音波探触子もしくは光照射部を被検体に対して走査させる光音響システムでは、光照射部を被検体と超音波探触子との間に配置する構成は、適用が困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、光音響プローブの小型化を図るとともに、光音響プローブによる照明領域を調整する技術を提供することである。

本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
光源からの光を被検体に照射する光音響プローブであって、
前記光を前記光音響プローブの内部に導波する光導波路と、
前記光が照射されることにより前記被検体で発生した音響波を受信する受信素子を含む受信部と、
光反射部および光拡散部を有し、前記光導波路から出射された光束を反射および拡散させる１以上の光照射ユニットと、
前記光照射ユニットの角度を調整する調整機構と、を備え、
前記光照射ユニットは、前記受信素子の受信面と前記被検体とに挟まれた空間の外側に配置される、
光音響プローブである。

本発明によれば、光音響プローブの小型化を図るとともに、光音響プローブによる照明領域を調整する技術を提供することができる。

光音響装置の構成を模式的に示した図。 実施形態１に係る光音響プローブの構成を模式的に示した図。 調整機構を用いた光束の調整方法を説明する図。 実施形態２に係る光音響プローブの構成を模式的に示した図。 被検体表面における照明領域の光分布を示した図。 被検体表面における照明領域の光分布を示した図。 音響波軸上における規格化された光強度の比較を示した図。 実施形態３に係る光音響プローブの構成を模式的に示した図。

以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。よって、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

本実施形態は、被検体に光を照射し、被検体内部から発生した音響波を用いて被検体内部の特性情報を生成し、取得する技術に関する。よって本実施形態は、被検体情報取得装置またはその制御方法、あるいは被検体情報取得方法や信号処理方法として捉えられる。本発明はまた、これらの方法をＣＰＵやメモリ等のハードウェア資源を備える情報処理装置に実行させるプログラムや、そのプログラムを格納した、コンピュータにより読み取り可能な非一時的な記憶媒体としても捉えられる。

本実施形態に係る被検体情報取得装置には、被検体に光（電磁波）を照射することにより被検体内で発生した音響波を受信して、被検体の特性情報を画像データとして取得する光音響効果を利用した光音響装置を含む。この場合、特性情報とは、受信された光音響波に由来する受信信号を用いて生成される、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値の情報である。

光音響測定により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収量や吸収率を反映した値である。例えば、単一の波長の光照射によって生じた音響波の発生源、被検体内の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や吸収係数を含む。また、互いに異なる複数の波長により得られる特性情報から、組織を構成する物質の濃度を取得できる。物質濃度として酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を求めることにより、酸素飽和度分布を算出できる。また、物質濃度としては、グルコース濃度、コラーゲン濃度、メラニン濃度、脂肪や水の体積分率なども求められる。

被検体内の各位置の特性情報に基づいて、二次元または三次元の特性情報分布が得られる。分布データは画像データとして生成され得る。特性情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報として求めてもよい。すなわち、初期音圧分布、エネルギー吸収密度分布、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報である。

本明細書における音響波とは、典型的には超音波であり、音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。トランスデューサ等により音響波から変換された電気信号を音響信号とも呼ぶ。ただし、本明細書における超音波または音響波という記載は、それらの弾性波の波長を限定する意図ではない。光音響効果により発生した音響波は、光音響波または光超音波と呼ばれる。光音響波に由来する電気信号を光音響信号とも呼ぶ。分布データは、光音響画像データや再構成画像データとも呼ばれる。

被検体情報取得装置の一例として、光音響プローブに組み込まれた照射部から被検体に光を照射し、光音響効果により被検体から発生した音響波をトランスデューサ等により受信し解析することにより、被検体内の光吸収体の分布を取得する装置がある。本発明は光音響装置としても捉えられるし、光音響装置に用いられる特徴的な光音響プローブとしても捉えられる。

被検体情報取得装置は、人や動物の血管疾患や悪性腫瘍などの診断や化学治療の経過観察に好適である。被検体の例として、被検者の乳房や手のような生体の一部、マウスなどヒト以外の動物、無生物、ファントムなどを挙げられる。

＜実施形態１＞
（光音響装置）
図１は、光音響装置の構成を模式的に示した図である。光音響装置は、光源１０１、レンズ１０３、光ファイバコネクタ１０４、光ファイバ１０５、光ファイバカプラ１０６、プローブ用光ファイバ１０７、プローブ１０８を備える。また、光音響装置は、デジタイザ（Ｄｅｇｉｔｉｚｅｒ）１１５およびコントローラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ）１１８を備
え、ケーブル１１４、ケーブル１１７によってプローブ１０８に接続される。プローブ１０８は、「光音響プローブ」に相当する。プローブ用光ファイバ１０７は、「光導波路」に相当する。図１では光源としてレーザ（Ｌａｓｅｒ）以外にも、レーザダイオード（ＬＥＤ）を用いることもできる。レーザとしては、固体レーザでもよく、半導体レーザを用いることもできる。

光源１０１から射出された光１０２は、レンズ１０３に入射する。レンズ１０３は、反射による光源１０１内への集光を防ぐため、平凸の形が好ましいが、他の形状とすることも可能である。レンズ１０３を他の形状とした場合、入射する光１０２に垂直な軸に対して、レンズ１０３を所定の角度で回転させておくことで、光源１０１内への集光は防がれる。この場合、レンズ１０３の回転角度は、例えば１０度以内とすることができる。

レンズ１０３によって集光された光１０２は、光ファイバコネクタ１０４を介して光ファイバ１０５に入射する。レンズ１０３および光ファイバコネクタ１０４を、別々にまたは一体化された状態で位置と角度とを調整することで、光１０２は、光ファイバ１０５のコアに効率良く入射する。光ファイバ１０５に入射した光１０２は、光ファイバカプラ１０６に到達する。光ファイバカプラ１０６を通過した光１０２は、２つに分岐され、それぞれプローブ用光ファイバ１０７内を伝搬する。プローブ用光ファイバ１０７は、光１０２をプローブ１０８の内部に導波する。なお、図１の例は、光ファイバカプラ１０６によって光１０２が２つに分岐される例を示すが、２つに限られず、後述の光照射ユニット１１９の数に応じて３以上に分岐されてもよい。

プローブ１０８は、超音波探触子１１１、被検体接触膜１１３、モータ１１６、１以上の光照射ユニット１１９、ステージ１２０を備える。プローブ用光ファイバ１０７は、プローブ１０８内のステージ１２０に固定されてもよい。ステージ１２０は、モータ１１６によってＸＹ平面内を動かすことが可能である。プローブ１０８の内部でプローブ用光ファイバ１０７から出射した光束１０９は、光照射ユニット１１９によって、被検体に対する照明領域が調整されて、被検体接触膜１１３に達する。光照射ユニット１１９に関しては図２を用いて後述する。超音波探触子１１１は、「受信部」に相当する。超音波探触子１１１は、受信素子１２１と音響レンズ１２２を有する。受信素子１２１の受信面１２１ａと被検体１１０とに挟まれた空間の外側に光照射ユニット１１９が設けられている。受信素子１２１は、例えばピエゾ型のトランスデューサや静電容量型のトランスデューサを用いることができる。

プローブ１０８は、ステージ１２０から被検体接触膜１１３までの空間に、音響整合剤１１２を含む。音響整合剤１１２は、図示しないゴム等の弾性体によって、ステージ１２０の下面から被検体接触膜１１３までの空間（以下、音響整合剤収容部とも称される）内に封止されている。音響整合剤１１２としては、一般的な超音波測定に用いられる音響マッチングゲルの他、水、水に添加物を加えた液体、油、ジェルなどを利用できる。音響整合剤１１２は、被検体接触膜１１３を介することで被検体１１０と直接接触しない。

被検体接触膜１１３に達した光束２０９は、被検体接触膜１１３を透過して被検体１１０に照射される。被検体接触膜１１３と被検体１１０との間には、音響波を効率よく伝搬させるために、図示しない水、油、ジェル等の音響整合剤が存在してもよい。

被検体１１０に照射された光は、被検体１１０内で散乱する。被検体１１０内で散乱した光は、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する。光エネルギーを吸収したヘモグロビンやメラニン等の生体分子は、体積の膨張により音響波（超音波）を発生する。各生体分子から発生した音響波は、生体内を伝搬し、一部は被検体１１０の表面へ伝搬する。さらに、被検体１１０の表面に伝搬した音響波は、被検体接触膜１１３と
音響整合剤１１２とを伝搬し、音響波レンズを含む超音波探触子１１１に達する。超音波探触子１１１に達した音響波は、超音波探触子１１１によって電気信号に変換される。変換された電気信号は、ケーブル１１４を介してデジタイザ１１５に伝搬され、アナログ信号からデジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号は、コントローラ１１８によって信号処理される。

プローブ１０８の内部で、ステージ１２０に固定された超音波探触子１１１は、モータ１１６で駆動され、被検体１１０の表面と略平行なＸＹ平面内を走査する。なお、超音波探触子１１１は、プローブ用光ファイバ１０７とともにモータ１１６によって駆動され、被検体１１０の表面と略平行なＸＹ平面内を走査してもよい。モータ１１６近傍には図示しないエンコーダが配置され、モータ１１６の位置を検出する。エンコーダが検出した走査による位置情報は、ケーブル１１７を介してデジタイザ１１５へ送信される。また、位置情報は、音響波情報と共にコントローラ１１８へ送信される。コントローラ１１８は、光源１０１およびモータ１１６を制御する。また、コントローラ１１８は、音響波情報、位置情報、またはこれらの情報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。

光ファイバ１０５は、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ることができる。光ファイバ１０５は、バンドルファイバであってもよい。光ファイバ１０５がバンドルファイバである場合、光ファイバカプラ１０６は、複数の光ファイバコアを分割する機能を持つものであればよい。レンズ１０３は、本実施形態では単レンズであるが、複数の光学面（レンズ）を用いたケプラーテレスコープ、ガリレオテレスコープ等の光学系であってもよい。また、レンズ１０３は、フレネルレンズであっても良い。

（光音響プローブ）
図２は、実施形態１に係る光音響プローブの構成を模式的に示した図である。図２を用いて、本実施形態における光照射ユニット１１９に関連する構成について詳細に説明する。図１と同じ構成については、同じ番号を付して参照する。

プローブ用光ファイバ１０７は、先端部分において、例えば、光ファイバの接続部分であるフェルールを介してステージ１２０に固定される。フェルールは、例えば、Ｏ−ｒｉｎｇのような光ファイバ用シール機構２０１により、ステージ１２０に固定することができる。光ファイバ用シール機構２０１により、プローブ用光ファイバ１０７は、容易に交換することができる。プローブ用光ファイバ１０７を超音波探触子１１１の近傍にＺ軸と平行に配置することで、プローブ１０８は、サイズを小型化することができる。プローブ用光ファイバ１０７の先端部分に、一般的なΦ２．５ｍｍではなく径がより小さいフェルール、例えばΦ１．２５ｍｍのものを用いることで、さらにプローブ１０８を小型化することができる。

光ファイバ用シール機構２０１は、Ｏ−ｒｉｎｇに限られず、グリース、ヒダ状ゴム等を用いることができる。光ファイバ用シール機構２０１により、ステージ１２０から被検体接触膜１１３までの空間に存在する音響整合剤１１２は封止される。

光ファイバ用シール機構２０１により、プローブ用光ファイバ１０７は、Ｚ軸方向の位置調整が可能となる。例えば、プローブ用光ファイバ１０７の先端部分に図示しない位置決め機構を設けることで、光ファイバ用シール機構２０１は、容易に位置調整をすることができる。位置決め機構は、例えば、フェルール部分に、ステージ１２０に固定するための凹部をＺ軸方向に複数個所設けることで、位置決めが可能となる。

図２では、光ファイバ用シール機構２０１としてのＯ−ｒｉｎｇは、各プローブ用光フ
ァイバ１０７に対して１対ずつ配置されるが、Ｚ軸方向にそれぞれ複数対配置されてもよい。複数対配置することで、プローブ用光ファイバ１０７の安定性は向上する。

超音波探触子用シール機構２０２は、光ファイバ用シール機構２０１と同様のシール機構である。音響整合剤収容部２０３は、ステージ１２０から被検体接触膜１１３までの空間に設けられ、音響整合剤１１２を収容する。音響整合剤収容部２０３は、例えば、ゴム等の弾性体である封止機構２０４によって封止される。図２では、音響整合剤収容部２０３は、光ファイバ用シール機構２０１、超音波探触子用シール機構２０２および封止機構２０４によって封止されるが、これに限られない。音響整合剤収容部２０３は、音響整合剤１１２を超音波探触子１１１と被検体接触膜１１３との間に封止できればよく、その他の材質、形状の部材により構成されてもよい。音響整合剤収容部２０３は、「収容部」に相当する。

光照射ユニット１１９は、プローブ用光ファイバ１０７より出射した光束１０９を、被検体に向けて照射する。光照射ユニット１１９は、光反射部２０５および光拡散部２０６を備える。光照射ユニット１１９は、調整機構２０７を用いて、角度を調整することができる。光照射ユニット１１９は、Ｚ軸方向において、超音波探触子１１１よりも被検体１１０側に配置される。また、光照射ユニット１１９は、超音波探触子１１１の側面よりも外側に配置される。このように、光照射ユニット１１９は、受信素子１２１の受信面１２１ａと被検体とに挟まれた空間の外側に配置される。

調整機構２０７は、ステージ１２０に対して光照射ユニット１１９の角度を調整できるように配置される。また、調整機構２０７は、プローブ用光ファイバ１０７に対して光照射ユニット１１９の角度を調整できるように配置されても良い。本実施形態において、光反射部２０５と光拡散部２０６とは、固定部材２０８を介して固定される。このため、調整機構２０７は、光反射部２０５とともに光拡散部２０６の調整をすることができる。

光照射ユニット１１９に到達した光束１０９は、光拡散部２０６を透過して光反射部２０５で反射され、再び光拡散部２０６を透過し、光束２０９となる。光束２０９は、光拡散部２０６を２回透過することで、光拡散部２０６の光拡散性能の２倍の拡散角度を持つことができる。光拡散部２０６は、２回に限られず複数回、光束２０９が光拡散部２０６の内部を透過するように配置されてもよい。

固定部材２０８は、例えばＯ−ｒｉｎｇであり、光反射部２０５と光拡散部２０６との間で圧縮されることで、光反射部２０５と光拡散部２０６との間に保持空間２１０を形成することができる。保持空間２１０は、音響整合剤収容部２０３に封止されている音響整合剤１１２とは異なる光透過物質を保持することができる。保持空間２１０で保持される光透過物質は、特に音響整合剤１１２と比較して光束１０９の波長に対する光屈折率が低い物質、例えば空気とすることができる。この場合、光拡散部２０６の光拡散性能を有する界面は、保持空間２１０側に設けられている。光拡散部２０６による光束１０９の拡散角度は、光拡散部２０６の基板表面に凹凸を設けたことによる光拡散部２０６固有の光拡散性能、および光拡散部２０６の基板の光屈折率と保持空間２１０の光屈折率との差によって決定される。つまり、光拡散部２０６の基板の光屈折率と保持空間２１０の光屈折率との差が大きい程、光束２０９の拡散角度は大きくなる。なお、固定部材２０８は、スペーサと接着剤であっても良い。

次に、図３により、調整機構２０７を用いた光束２０９の調整方法について説明する。調整機構２０７は、光反射部２０５および光拡散部２０６の角度を調整することにより、音響波軸２１１および被検体接触膜１１３に対する光束２０９を調整する。これにより、光照射ユニット１１９から被検体１１０に照射される光束２０９の照明領域が調整される
。なお、ここでは、光照射ユニット１１９（光反射部２０５および光拡散部２０６）の角度を調整する例を示すが、調整機構２０７は、角度に限られず、光照射ユニット１１９のＺ軸方向の位置を調整してもよい。プローブ１０８は、１以上の光照射ユニット１１９を備えるが、図３では、簡略化のため、一の光照射ユニット１１９および周辺部分を図示して、光束２０９の調整方法を説明する。

光照射ユニット１１９より出射された光束２０９は、拡散角度をＮＡとし、被検体接触膜１１３に対して光マージナルレイ３０１の範囲で照射される。光束２０９の主光線と音響波軸２１１との成す角度θは、調整機構２０７を用いて調整される。光束２０９の照射によって被検体１１０内部で発生した光音響波は、音響波焦点３０３を透過した後、音響波レンズ３０２で平面音響波に変換される。被検体１１０内部で発生した光音響波は、音響マージナルレイ３０４の範囲で超音波探触子１１１の内部に配置された受信素子１２１で受信される。

ここで、光束２０９の主光線と音響波軸２１１との交点を主光線交点３０５とし、光マージナルレイ３０１と音響波軸２１１との交点を光マージナルレイ交点３０６とし、被検体接触膜１１３と音響波軸２１１との交点を被検体接触膜交点３０７とする。また、主光線交点３０５と光マージナルレイ交点３０６との距離をＬとし、主光線交点３０５と音響波焦点３０３との距離をＺａとし、主光線交点３０５と被検体接触膜交点３０７との距離をＺｂとする。この場合、調整機構２０７、例えば以下の式１を満足するように、光照射ユニット１１９の角度を調整することが望ましい。
０≦（Ｚａ＋Ｚｂ）≦０．５９Ｌ …（式１）
ただし、音響波焦点３０３は、Ｚ軸方向において被検体接触膜交点３０７よりも正の位置にあるものとする。式１を満足するように光照射ユニット１１９の角度を調整することで、音響波軸２１１上で最も光強度が大きい主光線交点３０５での光強度の半分の光強度以上の光強度分布内に、音響波焦点３０３と被検体接触膜交点３０７を配置することができる。

式１における係数０．５９は、下記のように決定される。光照射ユニット１１９より出射された光束２０９の光分布は、ガウス分布である場合、位置Ｚにおける光強度Ｉは以下の式２で表される。

σは、ガウス分布の幅を規定する標準偏差である。また、Ｌは、以下の式３ように定義する。
Ｌ＝２σ …（式３）
この場合、位置Ｚ＝０．５９Ｌは、標準偏差σを用いて以下の式４によって表される。

式４において標準偏差σで表されるＺの値を、式２に代入すると、位置Ｚ＝０．５９Ｌにおける光強度Ｉ（０．５９Ｌ）は、最大値の半分の大きさとなる。

また、音響波焦点３０３をＺ軸方向において被検体接触膜交点３０７より正の位置に配
置することで、光音響イメージを生成する際に音響整合剤１１２の音速が考慮されれば良く、計算量を低減することができる。

音響波レンズ３０２は、例えば、１面が楕円面に加工されたレンズであるが、球面加工されたレンズであっても良い。音響波焦点３０３の位置は、プローブ１０８に組込む前に別途計測することで求められる。

調整機構２０７は、例えばボールジョイントを用いたものであってもよい。調整機構２０７は、光照射ユニット１１９の光束１０９が照射されない箇所に配置することができる。また、調整機構２０７は、一般的な角度調整ステージ、またはジンバル機構を用いた角度調整ステージであっても良い。調整機構２０７は、手動または電動で光照射ユニット１１９の角度を調整する。光照射ユニット１１９は、走査中は固定される。

被検体接触膜１１３は、例えばＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈ
ａｌａｔｅ）の薄膜であり、張力を有する状態でプローブ１０８に保持される。

上述のように、光音響プローブにおいて、ミラー（光反射部２０５）および拡散板（光拡散部２０６）の角度を調整することで、プローブの小型化と照明領域の調整とを両立することができる。

本実施形態において、光照射ユニット１１９は、複数設けていても良い。また、モータ１１６は、プローブ１０８の内部に配置される例を示したが、駆動動力を伝達できるドライブシャフト等を用いることで、プローブ１０８の外部に配置しても良い。また、超音波探触子１１１と光照射ユニット１１９とは、同じステージ１２０上で同期駆動されてもよく、別々のステージ上で別々に駆動されても良い。さらに、超音波探触子１１１は固定されて光照射ユニット１１９が駆動しても良く、光照射ユニット１１９が固定されて超音波探触子１１１が駆動しても良い。本実施形態において使用波長は、例えば、５３２ｎｍ、１０６４ｎｍである。さらに、別の波長、例えば５８５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８５ｎｍ等の波長を用いても良い。

実施形態１では、プローブ１０８は、１以上の光照射ユニット１１９の角度を調整することで、超音波探触子１１１の外側から、被検体１１０に光束２０９を照射する。これにより、プローブ１０８は、被検体１１０に近接した位置から光束２０９を照射することができる。また、プローブ１０８は、被検体１１０と被検体接触膜１１３との間の距離にずれが生じた場合でも、調整機構２０７によって、光照射ユニット１１９の角度を調整することで、被検体１１０に対する照射領域を調整することができる。

＜実施形態２＞
図４は実施形態２に係る光音響プローブの構成を模式的に示した図である。実施形態１では、１以上の光照射ユニット１１９の角度を調整することで、被検体１１０に対する照射領域が調整される。実施形態２では、さらに、複数の光照射ユニットからの照射領域を、被検体１１０の深さ方向にずらすことにより、被検体１１０の深さ方向のずれに対する光強度の変化を抑制することができる。図２と同様の箇所は説明を省略し、実施形態１との差異を中心に説明する。図４において、Ｘ軸の正の方向は右側、Ｘ軸の負の方向は左側として説明する。また、Ｚ軸の正の方向は上側、Ｚ軸の負の方向は下側として説明する。

図４において、プローブ１０８は、左側光照射ユニット４０１および右側光照射ユニット４０４を備える。左側光照射ユニット４０１（「第１の光照射ユニット」に相当する）より出射した左側光束４０２（「第１光束」に相当する）の主光線と、音響波軸２１１と、被検体接触膜１１３とは、左側交点４０３で交わる。一方、右側光照射ユニット４０４
（「第２の光照射ユニット」に相当する）より出射した右側光束４０５（「第２光束」に相当する）の主光線と、音響波軸２１１とは、右側交点４０６で交わる。このように、左側交点４０３と右側交点４０６とは、音響波軸２１１上で同一の位置とならないように、左側光照射ユニット４０１および右側光照射ユニット４０４を用いて調整される。即ち、左側交点４０３と、右側交点４０６とは、各光照射ユニットの角度調整により、音響波軸２１１のＺ軸方向において異なる位置となる。

図５および図６で説明するように、左側交点４０３と右側交点４０６とのＺ軸方向の位置を変えることで、被検体１１０のＺ軸方向のずれに起因する計測再現性の低下が抑制される。このように、複数の光照射ユニットから照射される光束の被検体１１０表面に対するＺ軸方向の位置をずらすことで、被検体１１０のＺ軸方向のずれに起因する計測再現性の低下を抑制することができる。

図５（Ａ）から図５（Ｄ）（以下、図５と称される）は、被検体表面における照明領域の光分布を示した図である。図５では、図４において左側交点４０３と右側交点４０６とが、超音波探触子１１１の下面よりＺ軸方向下側に４ｍｍ離れた位置で一致している場合の光分布を示す。横軸は、音響波軸２１１を原点とするＸ軸で、単位はｍｍである。縦軸は、音響波軸２１１を原点とするＹ軸で、単位はｍｍである。左側光照射ユニット４０１および右側光照射ユニット４０４から出射される光強度は、同じであるものと想定する。左側光束４０２および右側光束４０５の主光線と音響波軸２１１との成す角度は６０度、左側光束４０２および右側光束４０５の拡散角度ＮＡは０．２と想定する。

図５（Ａ）は、左側光束４０２による被検体１１０表面での光分布を示す。図５（Ｂ）は、右側光束４０５による被検体１１０表面での光分布を示す。図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は、左側光束４０２および右側光束４０５の２つの光束を被検体１１０表面上で重ね合わせた場合の光分布を示す。

また、図５（Ｃ）は、被検体１１０表面のＺ軸方向の位置が、被検体接触膜１１３の下側の位置と一致している場合の光分布である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）の光分布では光強度に左右の偏りがあるが、図５（Ｃ）に示されるように、それぞれの光分布を重ね合わせることで、光分布は均一化される。

これに対し、図５（Ｄ）は、被検体１１０表面が、被検体接触膜１１３からＺ軸方向下側へ０．６ｍｍだけ離れた場合の光分布を示す。光音響イメージング装置の性質上、被検体１１０における観測または診断の対象物は、一般的に音響波軸２１１上に存在する。また、被検体接触膜１１３と被検体１１０との間には、音響整合剤としてジェルや水、油等が一般的に配置される。音響整合剤によって、被検体接触膜１１３と被検体１１０との間に隙間が生じる場合がある。隙間によって被検体１１０表面が被検体接触膜１１３から離れた場合、図５（Ｄ）に示すように、光分布は広がり、観測または診断の対象物が位置する中心付近の光強度は低下する。

図６（Ａ）から図６（Ｄ）（以下、図６と称される）は、図５と同様に、被検体表面における照明領域の光分布を示した図である。図５では、音響波軸２１１における左側交点４０３と右側交点４０６とのＺ軸方向の位置が同じであるのに対し、図６では、図４に示すように、左側交点４０３に対して右側交点４０６を１．２ｍｍＺ軸方向下側にずらした場合の光分布を示す。右側交点４０６の位置は、調整機構２０７によって調整される。調整機構２０７は、右側光束４０５の主光線と音響波軸２１１との成す角度が、左側光束４０２の主光線と音響波軸２１１との成す角度よりも小さくなるように調整することで、右側交点４０６のＺ軸方向の位置を下側にずらすことができる。図６における横軸および縦軸は、図５と同様である。

図６（Ａ）は、左側光束４０２による被検体１１０表面での光分布を示す。図６（Ａ）が示す光分布は、図５（Ａ）と同じ光分布である。図６（Ｂ）は、右側光束４０５による被検体１１０表面での光分布を示す。図６（Ｂ）では、図５（Ｂ）と比較して右側交点４０６がＺ軸方向下側にずれているため、被検体１１０表面における光分布はＸ軸の正の方向にずれている。

図６（Ｃ）および図６（Ｄ）は、左側光束４０２および右側光束４０５の２つの光束を被検体１１０表面上で重ね合わせた場合の光分布を示す。また、図６（Ｃ）は、被検体１１０表面のＺ軸方向の位置が、被検体接触膜１１３の下側の位置と一致している場合の光分布である。図６（Ｂ）に示すように右側光束４０５による光分布がＸ軸の正の方向にずれているため、図６（Ｃ）に示す左側光束４０２と右側光束４０５の２つの光束が被検体１１０表面上で重ね合わされた際の光分布も、光分布の重心はＸ軸の正の方向にずれている。

一方、図６（Ｄ）は、被検体１１０表面が、被検体接触膜１１３からＺ軸方向下側へ０．６ｍｍだけ離れた場合の光分布を示す。図６（Ｄ）に示される光分布では、図５（Ｄ）と比較して光強度の大きい領域が広い。

次に、図７を用いて、音響波軸上における光強度について説明する。図７は、左側交点４０３および右側交点４０６のＺ軸方向の位置を、図５および図６で説明した位置に設定した場合の、音響波軸２１１上における規格化された光強度の比較を示す。横軸は超音波探触子１１１の下面と被検体１１０との距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を示し、単位はｍｍである。縦軸は規格化された光強度（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ）を示し、単位は任意定数（ａ．ｕ．）である。

図７において、光強度は、音響波軸２１１を中心とする直径３．５ｍｍの円の面積に対する光強度である。グラフＤ１は、左側交点４０３と右側交点４０６とが超音波探触子１１１の下面から４ｍｍの位置で一致している場合（図５の設定）の規格化された光強度を示す。一方、グラフＤ２は、左側交点４０３が超音波探触子１１１の下面より４ｍｍの位置にあり、右側交点４０６が超音波探触子１１１の下面より５．２ｍｍの位置にある場合（図６の設定）の規格化された光強度を示す。

被検体１１０は、上述した音響整合剤１１２であるジェルや水、油等を配置した状態で被検体接触膜１１３に近づけるため、想定位置よりＺ軸方向に＋０．４ｍｍ程度から−１．２ｍｍ程度ずれることが想定される。被検体１１０の想定位置を超音波探触子１１１の下面から４ｍｍの位置とすると、被検体１１０のずれの範囲は３．６ｍｍ〜５．２ｍｍとなる。

このずれの範囲における規格化された光強度の平均は、左側交点４０３と右側交点４０６とが一致する設定（グラフＤ１）の場合、０．７７ポイントとなる。また、左側交点４０３と右側交点４０６とを１．２ｍｍずらした設定（グラフＤ２）の場合、当該ずれの範囲における規格化された光強度の平均は、０．８７ポイントとなり１０％改善される。

また、左側交点４０３および右側交点４０６の位置をそれぞれＺ軸方向に−０．６ｍｍずらした場合、３．６ｍｍ〜５．２ｍｍのずれの範囲における規格化された光強度の平均は、０．８１ポイントとなる。この場合よりも、左側交点４０３と右側交点４０６とのＺ軸方向の位置を１．２ｍｍずらした場合の方が、被検体１１０のＺ軸方向のずれに対し、光強度について有利な結果が得られる。

本実施形態において、左側光照射ユニット４０１および右側光照射ユニット４０４から出射される左側光束４０２および右側光束４０５は、拡散角度を持って出射される。このため、被検体１１０がＺ軸方向にずれることで光強度の変化が起こる。被検体１１０のＺ軸方向のずれに対して光強度の変化を起こしにくくするために、以下の方法が挙げられる。例えば、プローブ１０８内において、左側光照射ユニット４０１と被検体接触膜１１３との間、および右側光照射ユニット４０４と被検体接触膜１１３との間にコリメート光学系を配置すればよい。コリメート光学系を配置することで、被検体１１０がＺ軸方向にずれても、光強度の変化は抑制される。また、音響波軸２１１と、左側光束４０２の主光線および右側光束４０５の主光線とを一致させ、光を反射させ音響波を透過するプリズムを用いて、左側光束４０２および右側光束４０５が垂直に被検体接触膜１１３に入射する構成とすることも可能である。コリメート光学系またはプリズムを追加することで光強度の変化を抑制する方法は、プローブのサイズまたはコストとのトレードオフを考慮して採用されればよい。

なお、光照射ユニットは２つに限られず、３つ以上あっても良い。第ｎ（ｎ＝２，３，，，）光照射ユニットより出射された光束の光軸と、音響波軸２１１との交点ｎ（ｎ＝２，３，，，）間のＺ軸方向の距離が０より大きくなる交点の組が少なくとも１組以上あればよい。各光照射ユニットに設置されたそれぞれの調整機構２０７は、光照射ユニットの角度を調整することで、交点ｎ間のＺ軸方向の距離を調整することができる。交点ｎ間の距離は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、交点ｎ間の距離は、０．１ｍｍ以上１．２ｍｍ以下に調整される。

各光照射ユニットは、それぞれ異なる波長の光を出射しても良い。例えば、各光照射ユニットは、波長が１０６４ｎｍまたは５３２ｎｍの光を出射することができるが、これに限られない。プローブ用光ファイバ１０７は、例えば、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、バンドルファイバであっても良い。

実施形態２では、調整機構２０７によって複数の光照射ユニットの角度を調整することにより、各光照射ユニットで反射されるそれぞれの光束は、被検体から発生する音響波の音響波軸２１１上の異なる位置に向けて照射される。このように、複数の光照射ユニットからの照射領域を、被検体１１０の深さ方向にずらすことで、被検体１１０のＺ軸方向のずれに対し、光強度の変化を抑制することができる。

＜実施形態３＞
図８は、実施形態３に係る光音響プローブの構成を模式的に示した図である。図２と同様の箇所は説明を省略し、実施形態１との差異を中心に説明する。

実施形態３において、光照射ユニット８０１は、光反射部２０５および光拡散部２０６が形成された一体の基板として構成された光拡散反射板８０２である。光拡散反射板８０２は、調整機構２０７を用いて、角度が調整される。光拡散反射板８０２は、例えば、ガラス基板である。光拡散反射板８０２は、プローブ用光ファイバ１０７からの光束１０９が到達する面に微小な凹凸を有することで光拡散機能を持たせた部材である。また、光拡散反射板８０２は、凹凸を有する面とは反対側の面に薄膜を塗布することで光反射機能を持たせた部材である。光拡散反射板８０２の材料は、ガラスに限られず、ポリカーボネート等のプラスチック素材であっても良い。光反射機能を持つ薄膜は、例えば、アルミ、金、銀、誘電体多層膜とすることができる。

実施形態３では、光照射ユニット８０１は、光反射部２０５および光拡散部２０６が形成された一体の基板として構成される。このため、調整機構２０７は、光反射部２０５と光拡散部２０６とが一体化された状態で角度を調整することができる。

１０１：光源
１０２：光
１０７：プローブ用光ファイバ
１０８：プローブ
１０９：光束
１１０：被検体
１１１：超音波探触子
１１９：光照射ユニット
１２１：受信素子
１２１ａ：受信面
１２２：音響レンズ
２０５：光反射部
２０６：光拡散部
２０７：調整機構

Claims (10)

1. 光源からの光を被検体に照射する光音響プローブであって、
   前記光を前記光音響プローブの内部に導波する光導波路と、
   前記光が照射されることにより前記被検体で発生した音響波を受信する受信素子を含む受信部と、
   光反射部および光拡散部を有し、前記光導波路から出射された光束を反射および拡散させる１以上の光照射ユニットと、
   前記光照射ユニットの角度を調整する調整機構と、を備え、
   前記光照射ユニットは、前記受信素子の受信面と前記被検体とに挟まれた空間の外側に配置される、
   光音響プローブ。
2. 前記光音響プローブは、
   前記音響波を伝搬させるための音響整合剤を収容する収容部をさらに備え、
   前記光照射ユニットは、
   前記光反射部と前記光拡散部との間に前記音響整合剤とは異なる光透過物質を保持する保持空間を有する、
   請求項１に記載の光音響プローブ。
3. 前記光透過物質の光屈折率は、前記音響整合剤の光屈折率より小さい、
   請求項２に記載の光音響プローブ。
4. 前記光透過物質は空気である、
   請求項２に記載の光音響プローブ。
5. 前記光拡散部は、接着剤で前記光反射部に固定されている、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光音響プローブ。
6. 前記光拡散部は、Ｏ−ｒｉｎｇを介して前記光反射部に固定されている、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光音響プローブ。
7. 前記光照射ユニットは、前記光反射部および前記光拡散部が形成された一体の基板として構成される、
   請求項１に記載の光音響プローブ。
8. 前記調整機構は、前記光照射ユニットの前記光束が照射されない箇所に配置されたボールジョイントである、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光音響プローブ。
9. 前記光拡散部は、前記光導波路から出射された前記光が複数回、前記光拡散部の内部を透過するように配置されている、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光音響プローブ。
10. 前記調整機構は、第１の光照射ユニットで反射される第１光束と、第２の光照射ユニットで反射される第２光束とが、前記被検体から発生する前記音響波の音響波軸上の異なる位置に向けて照射されるように、前記第１の光照射ユニットおよび前記第２の光照射ユニットの角度を調整する、
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光音響プローブ。

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