JP5559080B2 - 光音響撮像装置、それに用いられるプローブユニットおよび光音響撮像装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光が被検体に照射されることにより被検体内で発生した光音響波を検出して光音響画像を生成する光音響撮像装置、それに用いられるプローブユニットおよび光音響撮像装置の作動方法に関するものである。

従来、被検体の内部の断層画像を取得する方法としては、超音波が被検体内に照射されることにより被検体内で反射した超音波を検出して超音波画像を生成し、被検体内の形態的な断層画像を得る超音波イメージングが知られている。一方、被検体の検査においては形態的な断層画像だけでなく機能的な断層画像を表示する装置の開発も近年進められている。そして、このような装置の一つに光音響分析法を利用した装置がある。この光音響分析法は、所定の波長を有する光（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光）を被検体に照射し、被検体内の特定物質がこの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、その特定物質の濃度を定量的に計測するものである。被検体内の特定物質とは、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。このように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と呼ばれる。

従来、上記のような光音響効果を利用した光音響イメージングにおいて、次のような課題がある。被検体に照射された光の強度は、被検体内を伝播する過程で吸収や散乱によって著しく減衰する。また、照射された光に基づいて被検体内で発生した光音響波の強度も、被検体内を伝播する過程で吸収や散乱によって減衰する。したがって、光音響イメージングでは、被検体の深部の情報を得ることが難しい。この課題を解決するため、例えば被検体内に照射される光のエネルギー量を増やすことにより、発生する光音響波を大きくすることが考えられる。

しかし、光音響イメージングにおいて必要とされる高エネルギー（１ｍＪ以上）のパルスレーザ光を単一の光ファイバによって導光することは困難である。その光ファイバの端面が破壊されてしまう可能性が高いためである。そのため、パルスレーザ光を複数の光ファイバで分岐せしめて導光することができれば好ましい。

また、光音響イメージングを利用した光音響撮像装置では、光学系と超音波検出用のプローブとが一体的に組み合わされたプローブユニットが使用される。したがって、使用者のハンドリング性能の観点から、プローブユニットのコード部分は可撓性が求められる。

そこで、例えば特許文献１に、コアおよびクラッドを有する構造（コア／クラッド構造）の細い石英光ファイバを多数本束ねたバンドルファイバを用いて、パルスレーザ光をプローブユニット先端まで導光する方法が開示されている。ただし、パルスレーザ光をバンドルファイバ中の光ファイバそれぞれへ入射せしめる具体的な方法は開示されていない。

一方、複数の光ファイバに入射せしめるための複数の分岐光を生成する方法として、例えば特許文献２に、ｎ−１個のビームスプリッタを用いて１本のレーザ光をｎ分岐せしめる方法、および回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Elements）を用いて１本のレーザ光を複数本に分岐せしめる方法が開示されている。

特開２０１０−１２２９５号公報 特開２００５−３０８９６７号公報

しかしながら、特許文献２における前者の方法では、多数本（例えば１６本以上）のレーザ光を得るためには、多数個（例えば１５個以上）のビームスプリッタが必要であり、光学系の配置が複雑となる、装置が大型化してしまうといった問題があり、さらに、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとを別個に位置合わせしなければならないといった問題がある。一方、特許文献２における後者の方法では、回折光学素子を用いて一括してレーザ光を分岐せしめることが可能であるものの、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとを別個に位置合わせしなければならない点に変わりはない。複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとを別個に位置合わせする作業は、非常に煩雑である。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、複数の光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとの位置合わせを容易にすることを可能とする光音響撮像装置、それに用いられるプローブユニットおよび光音響撮像装置の作動方法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、本発明に係る光音響撮像装置は、
被検体内に測定光を照射する光照射部と、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出してこの光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部と、電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成部とを備える光音響撮像装置において、
光学系の上流側から入射した１本のレーザ光を所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめる分岐回折光学素子を有する光分岐部と、
コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、このバンドルファイバの一方の端面における複数の光ファイバの一方の端面が分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバとを備え、
このバンドルファイバが、複数の分岐光のそれぞれを複数の光ファイバのコアのそれぞれにバンドルファイバの上記一方の端面から入射せしめ、かつコアに入射した複数の分岐光をバンドルファイバの他方の端面において接続された光照射部に導光するように配置されたものであり、
光照射部が複数の分岐光を測定光として照射するものであることを特徴とするものである。

本明細書において、「分岐パターン」とは、分岐回折光学素子によって分岐したレーザ光（分岐光）についての、分岐前のレーザ光の進行方向に垂直なある仮想平面上の輝点のパターンを意味する。なお、このような分岐パターンは、分岐したレーザ光が拡がり角を有するため、上記仮想平面をどの位置に取るかによってパターンのスケールが異なってくる。そこで、一般にこのようなスケールの情報を含むパターン（後述の配列パターンを含む）からそのスケールの情報を取り除いて規格化（例えば最も離れた２点間の長さを１とする）したパターンをそのパターンの「標準パターン」という。

複数の光ファイバの一方の端面が「分岐パターンに対応して配列した」とは、当該端面の配列パターンの標準パターンと上記分岐パターンの標準パターンとが実質的に一致するように、複数の当該端面が同一平面内で配列することを意味する。端面の「配列パターン」とは、複数の光ファイバの一方の端面に関するそれぞれの代表点（例えば端面の中心）の配列のパターンを意味する。２つのパターンが「実質的に一致する」とは、これらのパターンが異なっていたとしても、複数の分岐光のそれぞれが複数の光ファイバのコアのそれぞれに入射することができる範囲であれば、一致しているとして取り扱うことを意味する。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、バンドルファイバの上記一方の端面と光分岐部との位置関係を調整する位置調整部を備えたことが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光分岐部は、分岐回折光学素子の光学系の下流側に集光レンズ系を有し、
集光レンズ系は、この集光レンズ系の焦点が分岐回折光学素子におけるレーザ光の入射位置に対応するように配置されたものであることが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光分岐部は、集光レンズ系の光軸方向における位置を調整するレンズ位置調整部を有することが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光分岐部は、分岐回折光学素子の光学系の上流側にホモジナイザ光学素子を有することが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光分岐部は、分岐回折光学素子の光学系の下流側にホログラフィック拡散板を有することが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光分岐部は、分岐回折光学素子の光学系の上流側に可変ビームエキスパンダを有することが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、分岐パターンは六方形構造を有し、
複数の光ファイバの上記一方の端面は最密充填構造で配列したものであることが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、バンドルファイバの上記一方の端面は、この端面におけるコアが露出するようにこの端面上に反射マスクを有することが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光照射部は複数の光ファイバの他方の端面であり、
この他方の端面は間隔を置いてライン状に配列されたものであることが好ましい。

そして、本発明に係る光音響撮像装置において、光照射部は先太りの形状を有する導光板であり、
バンドルファイバの上記他方の端面は、着脱可能な状態で導光板の短辺側の端面に接続されたものであることが好ましい。

さらに、本発明に係るプローブユニットは、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出して光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置に用いられるプローブユニットにおいて、
被検体内に測定光を照射する光照射部と、
測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出して光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部と、
光学系の上流側から入射した１本のレーザ光を所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめる分岐回折光学素子を有する光分岐部と、
コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、このバンドルファイバの一方の端面における複数の光ファイバの一方の端面が分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバとを備え、
このバンドルファイバが、複数の分岐光のそれぞれを複数の光ファイバのコアのそれぞれにバンドルファイバの上記一方の端面から入射せしめ、かつコアに入射した複数の分岐光をバンドルファイバの他方の端面において接続された光照射部に導光するように配置されたものであり、
光照射部が複数の分岐光を測定光として照射するものであることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る光音響撮像装置の作動方法は、
被検体内に測定光を照射し、測定光の照射により被検体内で発生した光音響波を検出して光音響波を電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置の作動方法において、
光学系の上流側から分岐回折光学素子に入射した１本のレーザ光を分岐回折光学素子により規定される所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめ、
コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、このバンドルファイバの一方の端面における複数の光ファイバの一方の端面が分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバを用い、
複数の分岐光のそれぞれを複数の光ファイバのコアのそれぞれにバンドルファイバの上記一方の端面から入射せしめ、
コアに入射した複数の分岐光を光照射部に導光し、
光照射部に導光された複数の分岐光を測定光として照射することを特徴とするものである。

本発明に係る光音響撮像装置およびプローブユニットは、特に、光学系の上流側から入射した１本のレーザ光を所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめる分岐回折光学素子を有する光分岐部と、コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、このバンドルファイバの一方の端面における複数の光ファイバの一方の端面が分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバとを備え、このバンドルファイバが、複数の分岐光のそれぞれを複数の光ファイバのコアのそれぞれにバンドルファイバの上記一方の端面から入射せしめ、かつコアに入射した複数の分岐光をバンドルファイバの他方の端面において接続された光照射部に導光するように配置されたものであることを特徴とする。したがって、複数の光ファイバの一方の端面が分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバを用いることにより、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとの位置合わせを一括して行うことができる。この結果、複数の光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとの位置合わせが容易となる。

また、本発明に係る光音響撮像装置の作動方法は、特に、光学系の上流側から分岐回折光学素子に入射した１本のレーザ光を分岐回折光学素子により規定される所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめ、コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、このバンドルファイバの一方の端面における複数の光ファイバの一方の端面が分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバを用い、複数の分岐光のそれぞれを複数の光ファイバのコアのそれぞれにバンドルファイバの上記一方の端面から入射せしめるよう作動させている。したがって、複数の光ファイバの一方の端面が分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバを用いることにより、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとの位置合わせを一括して行うことができる。この結果、複数の光ファイバを用いてレーザ光を導光して実施する光音響イメージングにおいて、複数の分岐光のそれぞれと複数の光ファイバのそれぞれとの位置合わせを容易にすることが可能となる。

本発明の光音響撮像装置の一実施形態の構成を示す概略図である。 図１における画像生成部の構成を示すブロック図である。 本発明の光分岐部およびバンドルファイバの一実施形態の構成を示す概略断面図である。 バンドルファイバの入射端面における複数の光ファイバの端面の配列の例を示す概略図である。 複数の分岐光の分岐パターンのスケールを調整可能とする光学系の構成の例を示す概略断面図である。 バンドルファイバの入射端面に設けられた反射マスクを示す概略図である。 図３において光分岐部が、さらに光分岐部とバンドルファイバとの位置関係を調整する位置調整部を備えたときの構成を示す概略断面図である。 図３において光分岐部が、さらに光分岐部とバンドルファイバとの位置関係を調整する他の位置調整部を備えたときの構成を示す概略断面図である。 図３において光分岐部が、さらにホモジナイザ光学素子を備えたときの構成を示す概略断面図である。 図３において光分岐部が、さらにホログラフィック拡散板を備えたときの構成を示す概略断面図である。 図３において光分岐部が、さらに可変ビームエキスパンダを備えたときの構成を示す概略断面図である。 本発明のプローブユニットの先端部の構成を示す概略図である。 本発明のプローブユニットの先端部の他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。

「光音響撮像装置、プローブユニットおよび光音響撮像装置の作動方法の実施形態」
本発明の光音響撮像装置１０の実施形態について説明する。図１は、本実施形態における光音響撮像装置１０全体の構成を示す概略図である。図２は、図１の画像生成部２の構成を示すブロック図である。図３は、本発明の光分岐部１２およびバンドルファイバ１４の一実施形態の構成を示す概略断面図である。

本実施形態による光音響撮像装置１０は、特定波長成分を含む測定光Ｌを発生させこの測定光Ｌを被検体７に照射する光送信部１と、この測定光Ｌが被検体７に照射されることにより被検体７内で発生する光音響波Ｕを検出して任意断面の光音響画像データを生成する画像生成部２と、音響信号と電気信号の変換を行う電気音響変換部３と、この光音響画像データを表示する表示部６と、操作者が患者情報や装置の撮影条件を入力するための操作部５と、これら各ユニットを統括的に制御するシステム制御部４とを備えている。

そして、本実施形態のプローブユニット７０は、電気音響変換部３、光分岐部１２、バンドルファイバ１４および光照射部１５を備えている。

そして、本発明の光音響撮像装置の作動方法は、被検体７内に測定光Ｌを照射し、測定光Ｌの照射により被検体７内で発生した光音響波Ｕを検出して光音響波Ｕを電気信号に変換し、電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置１０の作動方法において、光学系の上流側から分岐回折光学素子４０に入射した１本のレーザ光Ｌｏを分岐ＤＯＥ４０により規定される所定の分岐パターンに従って複数の分岐光Ｌｄとして分岐せしめ、コア１３ａ／クラッド１３ｂ構造を有する複数の光ファイバ１３を包含するバンドルファイバ１４であって、このバンドルファイバ１４の一方の端面１４ｅにおける複数の光ファイバ１３の一方の端面１３ｅが分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバ１４を用い、複数の分岐光Ｌｄのそれぞれを複数の光ファイバ１３のコア１３ａのそれぞれにバンドルファイバ１４の上記一方の端面１４ｅから入射せしめ、コア１３ａに入射した複数の分岐光Ｌｄを光照射部１５に導光し、光照射部１５に導光された複数の分岐光Ｌｄを測定光Ｌとして照射する上記光音響撮像装置１０を作動させるものである。

光送信部１は、波長の異なる複数の光源を備える光源部１１と、光源部１１から出力されたレーザ光Ｌｏを複数の分岐光Ｌｄとして分岐する光分岐部１２と、複数の分岐光Ｌｄを光照射部１５まで導光するバンドルファイバ１４と、測定光Ｌを被検体７の体表面へ照射する光照射部１５とを備えている。

光源部１１は、例えば所定の波長の光を発生する１以上の光源を有する。光源として、特定の波長成分又はその成分を含む単色光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等の発光素子を用いることができる。光源部１１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。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。生体内のヘモグロビンは、その状態（酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、メトヘモグロビン、炭酸ガスヘモグロビン、等）により光学的な吸収特性が異なるが、一般的には６００ｎｍから１０００ｎｍの光を吸収する。したがって、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６００〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、被検体７の深部まで届くという観点から、上記レーザ光の波長は７００〜１０００ｎｍであることが好ましい。そして、上記レーザ光の出力は、レーザ光と光音響波の伝搬ロス、光音響変換の効率および現状の検出器の検出感度等の観点から、１０μＪ／ｃｍ^２〜数１０ｍＪ／ｃｍ^２であることが好ましい。さらに、パルス光出力の繰り返しは、画像構築速度の観点から、１０Ｈｚ以上であることが好ましい。また、レーザ光は上記パルス光が複数並んだパルス列とすることもできる。

より具体的には例えば、被検体７のヘモグロビン濃度を測定する場合には、固体レーザの一種であるＮｄ：ＹＡＧレーザ（発光波長：約１０００ｎｍ）や、ガスレーザの一種であるＨｅ-Ｎｅガスレーザ（発光波長：６３３ｎｍ）を用い、１０ｎｓｅｃ程度のパルス幅を有したレーザ光を形成する。また、ＬＤ等の小型発光素子を用いる場合には、ＩｎＧａＡｌＰ（発光波長：５５０〜６５０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ（発光波長：６５０〜９００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ（発光波長：９００〜２３００ｎｍ）などの材料を用いた素子を使用することができる。また最近では、波長が５５０ｎｍ以下で発光するＩｎＧａＮを用いた発光素子も使用可能になりつつある。更には、波長可変可能な非線形光学結晶を用いたＯＰＯ（Optical Parametrical Oscillators）レーザを用いることもできる。

光分岐部１２は、分岐回折光学素子４０（分岐ＤＯＥ）を用いて光源部１１から出力されたレーザ光Ｌｏを分岐せしめるものである。本明細書において分岐ＤＯＥとは、光の回折現象を利用して互いに異なる進行方向を有する複数の分岐光を生じせしめる光学素子を意味する。分岐本数は特に限定されないが、効果的にレーザ光Ｌｏのエネルギーを分散させる観点から、１６本以上に分岐せしめることが好ましい。本実施形態において、光分岐部１２は、分岐ＤＯＥ４０および集光レンズ系４４から構成される。集光レンズ系とは、集光を目的として１つの光軸に沿って配置された１以上のレンズの集合を意味する。分岐ＤＯＥ４０の表面には所定の加工が施されており、この加工の内容により所定の分岐パターンが規定される。分岐パターンは特に限定されるものではないが、集光レンズ系での収差の低減の観点から、正方形構造または六方形構造であることが好ましく、六方形構造であることがより好ましい。集光レンズ系４４は、分岐ＤＯＥにより生成された複数の分岐光Ｌｄがバンドルファイバ１４に入射しやすくするため、および複数の分岐光Ｌｄのそれぞれとバンドルファイバ１４との位置合わせを容易にするため、複数の分岐光Ｌｄを平行化するものである。集光レンズ系４４は、その焦点が分岐ＤＯＥ４０上におけるレーザ光Ｌｏの入射位置に対応するように配置されている。集光レンズ系の焦点が分岐ＤＯＥにおけるレーザ光の「入射位置に対応する」とは、集光レンズ系の焦点が、分岐ＤＯＥの所定の部分であってレーザ光が入射してから分岐光として出射するまでに当該光が通過しうる部分に含まれることを意味する。そして、特に出射面のビーム中心に集光レンズ系の焦点を合わせることが一般的である。また、光分岐部１２が集光レンズ系４４を有する場合、光分岐部は１２、集光レンズ系４４の微調整を可能にするため、集光レンズ系４４をその光軸方向に移動せしめるレンズ位置調整部を有することが好ましい。集光レンズ系４４ｘは、１つの集光レンズから構成されるものであってもよいし、２以上の集光レンズから構成される結合系レンズとすることもできる。なお、集光レンズ系４４は、集光レンズ系４４の前側焦点を分岐ＤＯＥ４０の分岐光出射位置に、後側焦点面をバンドルファイバ１４の端面１４ｅに合わせて配置することが好ましい。

バンドルファイバ１４は、光分岐部１２によって分岐したレーザ光Ｌｏを光照射部１５に導光するものである。バンドルファイバ１４は、コア１３ａおよびクラッド１３ｂを有する複数の光ファイバ１３を包含している。光ファイバ１３は、特に限定されないが石英ファイバであることが好ましい。複数の光ファイバ１３は、複数の分岐光Ｌｄを効率よく導光する観点から、分岐ＤＯＥ４０により規定される所定の分岐パターンに対応して配列している。バンドルファイバ１４の入射端面１４ｅにおける複数の光ファイバ１３の端面１３ｅの配列パターンは、バンドルファイバ１４中での配列のしやすさ、および集光レンズ系４４での収差の低減の観点から、正方形構造または六方形構造であることが好ましく、六方形構造であることがより好ましい。そして、複数の光ファイバ１３の当該端面１３ｅは最密充填構造で配列することが特に好ましい。これは以下に示す理由による。図４は、バンドルファイバ１４の入射端面１４ｅにおける複数の光ファイバ１３の端面１３ｅの配列パターンの例を示す概念図である。図４ａは６４本の光ファイバ１３の端面１３ｅの配列が正方形構造を有する場合、および図４ｂは６１本の光ファイバ１３の端面１３ｅの配列が最密充填構造を有する場合を示す。このように、同程度の本数の光ファイバ１３が正方形構造で配列した場合と最密充填構造で配列した場合とを考える。このとき、配列パターンの中心から最も離れた光ファイバの端面までの距離（図４中のそれぞれＷ１およびＷ２）を互いに比較すると、最密充填構造の上記距離Ｗ２の方が、正方形構造の上記距離Ｗ１よりも短くなることが分かる。上記距離が長くなると、これに伴い複数の分岐光の拡がり角も大きくなるよう設定されるため、集光レンズ系の収差が増大する。この結果、複数の分岐光Ｌｄのそれぞれと複数の光ファイバ１３のそれぞれとの位置合わせの精度が低下する。したがって、バンドルファイバ１４の入射端面１４ｅにおける複数の光ファイバ１３の端面１３ｅの配列は、最密充填構造であることが特に好ましい。

また、上記観点とは別に、バンドルファイバ１４中の複数の光ファイバ１３の配列精度を高めることが特に重要な場合には、Ｖ溝基板を用いてラインごとに分割して配列してもよい。精度良くＶ溝加工されたガラスや金属面を基準にして各ラインを配置することで、複数の光ファイバ１３の配列精度をより高めることができる。このような場合、複数の光ファイバ１３のライン配列に合わせて分岐ＤＯＥ４０が設計される。

複数の分岐光Ｌｄのそれぞれを複数の光ファイバ１３のコア１３ａのそれぞれに実際に入射せしめるときは、複数の分岐光Ｌｄの分岐パターンと光ファイバ１３の端面１３ｅの配列パターンとを実質的に一致させることが必要である。つまり、分岐パターンおよび配列パターンのそれぞれの標準パターンのみではなく、スケールも含めたこれらのパターンを実質的に一致させることが必要である。そこで、集光レンズ系を下記のような構成にすることにより、これらのパターンを実質的に一致させるための調整を行えるように光学系が設定されることが好ましい。

図５は、複数の分岐光の分岐パターンのスケールを調整可能とする光学系の構成の例を示す概略断面図である。分岐ＤＯＥ９０から生じる複数の分岐光Ｌｄの焦点面上でのパターン間隔ｙ（焦点を通り光軸に垂直な仮想平面上での隣接する輝点同士の間隔）は、分岐ＤＯＥ９０およびバンドルファイバ９４の間にある集光レンズ系の焦点距離に比例する性質がある。例えば図５に示されるように、分岐ＤＯＥ９０およびバンドルファイバ９４の間にある集光レンズ系が、集光レンズ９１と集光レンズ９２とから構成される結合系レンズである場合を考える。集光レンズ９１の焦点距離がｆ_２であり、集光レンズ９２の焦点距離がｆ_１であり、集光レンズ９１および集光レンズ９２の距離がｄであるとすると、当該結合系レンズの合成焦点距離ｆは、ｆ＝ｆ_１・ｆ_２／（ｆ_１＋ｆ_２−ｄ）で与えられる。さらに、基準面Ｐから集光レンズ９１の第２主面Ｈ_２”までの距離ｓ”は、ｓ”＝ｆ_２（ｆ_１−ｄ）／（ｆ_１＋ｆ_２−ｄ）で与えられる。なお、詳細には、距離ｄは集光レンズ９１の第１主面Ｈ_２から集光レンズ９２の第２主面Ｈ_１”までの距離を意味し、基準面Ｐは分岐ＤＯＥ９０のレンズ側の表面、つまり複数の分岐光の出射面を意味する。また、当該結合系レンズの合成焦点距離ｆは基準面Ｐから当該結合系レンズの第１主面Ｈまでの距離を意味する。

上記式より、距離ｄが変化すると、合成焦点距離ｆおよび距離ｓ”も変化することがわかる。つまり、距離ｄをレンズ位置調整部９１ａおよび／または９２ａによって光軸方向に移動させて調整することにより、その結合系レンズの合成焦点距離ｆを調整することができる。この結果、複数の分岐光Ｌｄの焦点面上でのパターン間隔ｙ、つまり分岐パターンのスケールを調整することが可能となる。その他の結合系レンズについても、合成焦点距離を調整することにより分岐パターンのスケールを調整することができる。合成焦点距離は、結合系レンズを構成する要素によって異なるものであるが、合成焦点距離を求めることは既知の方法により当業者にとって容易である。なお、結合系レンズについても、結合系レンズの前側合成焦点を分岐ＤＯＥ９０の分岐光出射位置（基準面Ｐ）に、後側合成焦点をバンドルファイバ９４の端面に合わせて配置することが好ましい。

バンドルファイバ１４において、バンドルファイバ１４の上記一方の端面１４ｅは、図６に示されるように、この端面１４ｅにおけるコア１３ａが露出するようにこの端面１４ｅ上に反射マスクＭを有することが好ましい。バンドルファイバ１４は通常、複数の光ファイバ１３の互いの間隙を接着剤で固定することにより製造される。しかしながら、接着剤は石英等の光ファイバの素材に比べレーザ光に対する耐久性が低い。そこで、上記のような反射マスクＭによって、複数の分岐光Ｌｄがそれぞれ入射するコア１３ａの領域を除いた領域にレーザ光が照射されることを防止することができる。このような反射マスクＭは、例えばコア１３ａの配列パターンに合わせて穴あけ加工された薄いガラス板上に誘電体多層膜を蒸着し、その後コア１３ａと上記穴とが対応して合わさるように当該ガラス板をバンドルファイバ１４の上記一方の端面１４ｅに張り付けることにより形成することが可能である。

光照射部１５は、本実施形態では複数の光ファイバ１３の複数の出射端面１３ｅから構成される。光照射部１５を構成する複数の光ファイバ１３の複数の出射端面１３ｅは、例えば電気音響変換部３の周囲に沿って配列される。また、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４が透明材料である場合には、光照射部１５は変換素子５４の上方から変換素子全体を照射できるように配置してもよい。なお、複数の光ファイバ１３の複数の出射端面１３ｅは、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４とともに、平面、凸面あるいは凹面を形成する。ここでは平面とする。

電気音響変換部３は、例えば１次元状或いは２次元状に配列された微小な複数の変換素子５４から構成される。変換素子５４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。電気音響変換部３は、光照射部１５からの光の照射により被検体内に発生する光音響波Ｕを受信する。この変換素子５４は、受信時において光音響波Ｕを電気信号に変換する機能を有している。電気音響変換部３は、小型、軽量に構成されており、多チャンネルケーブルによって後述する受信部２２に接続される。この電気音響変換部３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診断部位に応じて選択される。電気音響変換部３は、光音響波Ｕを効率よく伝達するために音響整合層を備えてもよい。一般に圧電素子材料と生体では音響インピーダンスが大きく異なるため、圧電素子材料と生体が直接接した場合は、界面での反射が大きくなり光音響波を効率よく伝達することができない。このため、圧電素子材料と生体の間に中間的な音響インピーダンスを有する物質で構成した音響整合層を挿入することにより、光音響波を効率よく伝達することができる。音響整合層を構成する材料の例としては、エポキシ樹脂や石英ガラスなどが挙げられる。

光音響撮像装置１０の画像生成部２は、電気音響変換部３を構成する複数の変換素子５４を選択駆動するとともに、また電気音響変換部３からの電気信号に所定の遅延時間を与え、整相加算を行うことにより受信信号を生成する受信部２２と、変換素子５４の選択駆動や受信部２２の遅延時間を制御する走査制御部２４と、受信部２２から得られる受信信号に対して各種の処理を行う信号処理部２５とを備えている。

受信部２２は、図２に示すように、電子スイッチ５３と、プリアンプ５５と、受信遅延回路５６と、加算器５７とを備えている。

電子スイッチ５３は、光音響走査における光音響波の受信に際して、連続して隣接する所定数の変換素子５４を選択する。例えば、電気音響変換部３がアレイ型の１９２個の変換素子ＣＨ１〜ＣＨ１９２から構成される場合、このようなアレイ型変換素子は、電子スイッチ５３によってエリア０（ＣＨ１〜ＣＨ６４までの変換素子の領域）、エリア１（ＣＨ６５〜ＣＨ１２８までの変換素子の領域）およびエリア２（ＣＨ１２９〜ＣＨ１９２までの変換素子の領域）の３つの領域に分割されて取り扱われる。このようにＮ個の変換素子から構成されるアレイ型変換素子をｎ（ｎ＜Ｎ）個の隣接する振動子のまとまり（エリア）として取り扱い、このエリアごとにイメージング作業を実施した場合には、すべてのチャンネルの変換素子にプリアンプやＡ／Ｄ変換ボードを接続する必要がなくなり、プローブユニット７０の構造を簡素化できコストの増大を防ぐことができる。また、それぞれのエリアを個別に光照射することができるように、複数の光ファイバを配置した場合には、１回あたりの光出力が大きくならずに済むので、大出力の高価な光源を用いる必要がないといった利点もある。そして、変換素子５４によって得られるそれぞれの電気信号はプリアンプ５５に供給される。

プリアンプ５５は、上記のように選択された変換素子５４によって受信された微小な電気信号を増幅し、充分なＳ／Ｎを確保する。

受信遅延回路５６は、電子スイッチ５３によって選択された変換素子５４から得られる光音響波Ｕの電気信号に対して、所定の方向からの光音響波Ｕの位相を一致させて収束受信ビームを形成するための遅延時間を与える。

加算器５７は、受信遅延回路５６により遅延された複数チャンネルの電気信号を加算することによって１つの受信信号にまとめる。この加算によって所定の深さからの音響信号は整相加算され、受信収束点が設定される。

走査制御部２４は、ビーム集束制御回路６７と変換素子選択制御回路６８とを備える。変換素子選択制御回路６８は、電子スイッチ５３によって選択される受信時の所定数の変換素子５４の位置情報を電子スイッチ５３に供給する。一方、ビーム集束制御回路６７は、所定数個の変換素子５４が形成する受信収束点を形成するための遅延時間情報を受信遅延回路５６に供給する。

信号処理部２５は、フィルタ６６と、信号処理器５９と、Ａ／Ｄ変換器６０と、画像データメモリ６２とを備えている。受信部２２の加算器５７から出力された電気信号は、信号処理部２５のフィルタ６６において不要なノイズを除去した後、信号処理器５９にて受信信号の振幅を対数変換し、弱い信号を相対的に強調する。一般に、被検体７からの受信信号は、８０ｄＢ以上の広いダイナミックレンジをもった振幅を有しており、これを２３ｄＢ程度のダイナミックレンジをもつ通常のモニタに表示するためには弱い信号を強調する振幅圧縮が必要となる。なお、フィルタ６６は、帯域通過特性を有し、受信信号における基本波を抽出するモードと高調波成分を抽出するモードを有している。また、信号処理器５９は、対数変換された受信信号に対して包絡線検波を行う。そして、Ａ／Ｄ変換器６０は、この信号処理器５９の出力信号をＡ／Ｄ変換し、１ライン分の光音響画像データを形成する。この１ライン分の光音響画像データは、画像データメモリ６２に保存される。

画像データメモリ６２は、前述のように生成された光音響画像データを保存する記憶回路である。システム制御部４の制御のもとで、画像データメモリ６２から断面のデータが読み出され、その読出しに際して空間的に補間されることにより、当該断面の光音響画像データが生成される。

表示部６は、表示用画像メモリ６３と、光音響画像データ変換器６４と、モニタ６５を備えている。表示用画像メモリ６３は、モニタ６５に表示する光音響画像データを一時的に保存するバッファメモリであり、画像データメモリ６２からの１ライン分の光音響画像データは、この表示用画像メモリ６３において１フレームに合成される。光音響画像データ変換器６４は、表示用画像メモリ６３から読み出された合成画像データに対してＤ／Ａ変換とテレビフォーマット変換を行い、その出力はモニタ６５において表示される。

操作部５は、操作パネル上にキーボード、トラックボール、マウス等を備え、装置操作者が患者情報、装置の撮影条件、表示断面など必要な情報を入力するために用いられる。

システム制御部４は、図示しないＣＰＵと図示しない記憶回路を備え、操作部５からのコマンド信号に従って光送信部１、画像生成部２、表示部６などの各ユニットの制御やシステム全体の制御を統括して行う。特に、内部のＣＰＵには、操作部５を介して送られる操作者の入力コマンド信号が保存される。

次に、本発明の作用について説明する。

本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は、図３に示されるように特に、光学系の上流側から入射した１本のレーザ光Ｌｏを所定の分岐パターンに従って複数の分岐光Ｌｄとして分岐せしめる分岐ＤＯＥ４０を有する光分岐部１２と、コア１３ａ／クラッド１３ｂ構造を有する複数の光ファイバ１３を包含するバンドルファイバ１４であって、このバンドルファイバ１４の一方の端面１４ｅにおける複数の光ファイバ１３の一方の端面１３ｅが分岐パターンに対応して配列したバンドルファイバ１４とを備え、このバンドルファイバ１４が、複数の分岐光Ｌｄのそれぞれを複数の光ファイバ１３のコア１３ａのそれぞれにバンドルファイバ１４の上記一方の端面１４ｅから入射せしめ、かつコア１３ａに入射した複数の分岐光Ｌｄをバンドルファイバ１４の他方の端面１４ｅにおいて接続された光照射部１５に導光するように配置されたものであることを特徴とする。つまり本発明は、分岐ＤＯＥ４０の分岐パターンとバンドルファイバ１４の入射端面１４ｅにおける複数の光ファイバ１３の端面１３ｅの配列パターンとを対応させることにより、複数の分岐光Ｌｄのそれぞれと複数の光ファイバ１３のそれぞれとの位置合わせを一括して行うことを可能にした。これにより、複数の分岐光Ｌｄのそれぞれと複数の光ファイバ１３のそれぞれとを別個に位置合わせする必要がなくなり、複数の分岐光Ｌｄのそれぞれと複数の光ファイバ１３のそれぞれとの位置合わせが容易となる。

その結果として、高エネルギーのパルスレーザ光が伝送可能となり、高画質の光音響画像を撮像することが可能となる。さらに、プローブユニットのコード部分の可撓性と耐久性とを容易に両立できる。

「光音響撮像装置、プローブユニットおよび光音響撮像装置の作動方法の設計変更」
本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は、上記で説明した実施形態に限定されるものではない。

例えば本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は図７に示されるように、バンドルファイバ１４の上記一方の端面１４ｅと光分岐部１２との位置関係を調整する位置調整部１４ａを備えるように構成することができる。或いは、図８に示されるように分岐ＤＯＥ４０を制御する位置調整部４０ａが備えられてもよい。この位置調整部１４ａおよび４０ａは、プローブユニット７０から出射した測定光Ｌを測定し、測定した光量が最大値となる位置関係に自動で調整するように構成することができる。これにより、複数の分岐光Ｌｄのそれぞれと複数の光ファイバ１３のそれぞれとの位置合わせがより容易になる。

また、例えば本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は図９に示されるように、光分岐部１２が、分岐ＤＯＥ４０の光学系の上流側にホモジナイザ光学素子４１を有するように構成することができる。このように配置されたホモジナイザ光学素子４１により、複数の分岐光Ｌｄのビームの強度プロファイルが均一化される。したがって、局所的に高エネルギー密度の分岐光Ｌｄが光ファイバ１３へ入射して当該光ファイバ１３が損傷することを防止することができる。つまり、複数の分岐光Ｌｄの全体にわたって光ファイバ１３の損傷閾値エネルギー密度を超えないように複数の分岐光Ｌｄを導光することができる。

また、例えば本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は図１０に示されるように、光分岐部１２が、分岐ＤＯＥ４０の光学系の下流側にホログラフィック拡散板４２を有するように構成することができる。図１０においては、ホログラフィック拡散板４２を集光レンズ系４４とバンドルファイバ１４の入射端面１４ｅとの間に設けた場合の構成が示されているが、ホログラフィック拡散板４２は分岐ＤＯＥ４０と集光レンズ系４４との間に設けた構成としてもよい。ただし、距離を変えて集光スポット径を制御する際の調整の容易さの観点から、ホログラフィック拡散板４２は、集光レンズ系４４とバンドルファイバ１４の入射端面１４ｅとの間に設けられることが好ましい。このように配置されたホログラフィック拡散板４２により、複数の分岐光Ｌｄの集光スポット径が大きくなる方向に変化し、バンドルファイバ１４の入射端面１４ｅにおけるコア１３ａに入射する際の複数の分岐光Ｌｄのビーム径が最適化される。したがって、光ファイバ１３の損傷閾値エネルギー密度を超えないように複数の分岐光Ｌｄを導光することができる。

また、例えば本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は図１１に示されるように、光分岐部１２が、分岐ＤＯＥ４０の光学系の上流側に可変ビームエキスパンダ４３を有するように構成することができる。このように配置された可変ビームエキスパンダ４３により、光音響イメージングにおいて使用されるレーザ光Ｌｏの波長毎にそのビーム径を適宜変えることができるため、複数の分岐光Ｌｄの集束径（バンドルファイバ１４の入射端面１４ｅにおけるコア１３ａに入射する際の径）を制御することができる。また、プローブユニット７０から出射した測定光Ｌを測定し、測定した光量が最大値となるように、レーザ光Ｌｏの波長毎にそのビーム径を自動制御することも可能となる。

また、例えば本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は図１２に示されるように、光照射部１５が複数の光ファイバ１３の上記他方の端面１３ｅであり、この他方の端面１３ｅが間隔を置いてライン状に配列されたものであるように構成することができる。このように構成することで、プローブユニット先端部７１に複雑な構造の光学系を設ける必要がなく、均一なライン状光源を得ることができる。また、複数の光ファイバ１３のそれぞれから出射する分岐光Ｌｄの強度を勘案して上記間隔を調整することにより、より均一なライン状光源を得ることができる。例えば、分岐光Ｌｄの強度が強い場合には上記間隔を広く、弱い場合には狭くする等して調整することが好ましい。

また、例えば本発明の光音響撮像装置１０およびプローブユニット７０は図１３に示されるように、光照射部１５が先太りの形状を有する導光板７２であり、バンドルファイバ１４の上記他方の端面１４ｅが、着脱可能な状態で導光板７２の短辺側の端面に接続されたものであるように構成することができる。例えば図１３では、コネクタ部７３においてバンドルファイバ１４の上記他方の端面１４ｅと導光板７２の短辺側の端面とが互いに接続されている。このように構成することで、バンドルファイバ１４が破損した場合、バンドルファイバのみを交換することが可能となり、メンテナンス性能が向上する。

１ 光送信部
２ 画像生成部
３ 電気音響変換部
４ システム制御部
５ 操作部
６ 表示部
７ 被検体
１０ 光音響撮像装置
１１ 光源部
１２ 光分岐部
１３ 光ファイバ
１３ａ 光ファイバのコア
１３ｂ 光ファイバのクラッド
１４ バンドルファイバ
１４ａ バンドルファイバの位置調整部
１５ 光照射部
２２ 受信部
２４ 走査制御部
２５ 信号処理部
４０ 分岐回折光学素子（分岐ＤＯＥ）
４０ａ 分岐ＤＯＥの位置調整部
４１ ホモジナイザ光学素子
４２ ホログラフィック拡散板
４３ 可変ビームエキスパンダ
４４ 集光レンズ系
４４ａ レンズ位置調整部
７０ プローブユニット
７１ プローブユニット先端部
７２ 導光板
７３ コネクタ部
Ｌ 測定光
Ｌｄ 分岐光
Ｌｏ レーザ光
Ｍ 反射マスク
Ｕ 光音響波

Claims (13)

1. 被検体内に測定光を照射する光照射部と、前記測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部と、前記電気信号に基づいて光音響画像を生成する画像生成部とを備える光音響撮像装置において、
   光学系の上流側から入射した１本のレーザ光を所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめる分岐回折光学素子を有する光分岐部と、
   コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、該バンドルファイバの一方の端面における前記複数の光ファイバの一方の端面が前記分岐パターンに対応して配列した前記バンドルファイバとを備え、
   該バンドルファイバが、前記複数の分岐光のそれぞれを前記複数の光ファイバのコアのそれぞれに前記バンドルファイバの前記一方の端面から入射せしめ、かつ前記コアに入射した前記複数の分岐光を前記バンドルファイバの他方の端面において接続された前記光照射部に導光するように配置されたものであり、
   前記光照射部が前記複数の分岐光を前記測定光として照射するものであることを特徴とする光音響撮像装置。
2. 前記バンドルファイバの前記一方の端面と前記光分岐部との位置関係を調整する位置調整部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光音響撮像装置。
3. 前記光分岐部が、前記分岐回折光学素子の光学系の下流側に集光レンズ系を有し、
   該集光レンズ系が、該集光レンズ系の焦点が前記分岐回折光学素子における前記レーザ光の入射位置に対応するように配置されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響撮像装置。
4. 前記光分岐部が、前記集光レンズ系の光軸方向における該集光レンズ系の位置を調整するレンズ位置調整部を有することを特徴とする請求項３に記載の光音響撮像装置。
5. 前記光分岐部が、前記分岐回折光学素子の光学系の上流側にホモジナイザ光学素子を有することを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の光音響撮像装置。
6. 前記光分岐部が、前記分岐回折光学素子の光学系の下流側にホログラフィック拡散板を有することを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の光音響撮像装置。
7. 前記光分岐部が、前記分岐回折光学素子の光学系の上流側に可変ビームエキスパンダを有することを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の光音響撮像装置。
8. 前記分岐パターンが六方形構造を有し、
   前記複数の光ファイバの前記一方の端面が最密充填構造で配列したものであることを特徴とする請求項１から７に記載の光音響撮像装置。
9. 前記バンドルファイバの前記一方の端面が、該端面における前記コアが露出するように該端面上に反射マスクを有することを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の光音響撮像装置。
10. 前記光照射部が前記複数の光ファイバの他方の端面であり、
    該他方の端面が間隔を置いてライン状に配列されたものであることを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の光音響撮像装置。
11. 前記光照射部が先太りの形状を有する導光板であり、
    前記バンドルファイバの前記他方の端面が、着脱可能な状態で前記導光板の短辺側の端面に接続されたものであることを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の光音響撮像装置。
12. 被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置に用いられるプローブユニットにおいて、
    被検体内に測定光を照射する光照射部と、
    前記測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換する電気音響変換部と、
    光学系の上流側から入射した１本のレーザ光を所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめる分岐回折光学素子を有する光分岐部と、
    コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、該バンドルファイバの一方の端面における前記複数の光ファイバの一方の端面が前記分岐パターンに対応して配列した前記バンドルファイバとを備え、
    該バンドルファイバが、前記複数の分岐光のそれぞれを前記複数の光ファイバのコアのそれぞれに前記バンドルファイバの前記一方の端面から入射せしめ、かつ前記コアに入射した前記複数の分岐光を前記バンドルファイバの他方の端面において接続された前記光照射部に導光するように配置されたものであり、
    前記光照射部が前記複数の分岐光を前記測定光として照射するものであることを特徴とするプローブユニット。
13. 被検体内に測定光を照射し、該測定光の照射により前記被検体内で発生した光音響波を検出して該光音響波を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて光音響画像を生成する光音響撮像装置の作動方法において、
    光学系の上流側から分岐回折光学素子に入射した１本のレーザ光を前記分岐回折光学素子により規定される所定の分岐パターンに従って複数の分岐光として分岐せしめ、
    コア／クラッド構造を有する複数の光ファイバを包含するバンドルファイバであって、該バンドルファイバの一方の端面における前記複数の光ファイバの一方の端面が前記分岐パターンに対応して配列した前記バンドルファイバを用い、
    前記複数の分岐光のそれぞれを前記複数の光ファイバのコアのそれぞれに前記バンドルファイバの前記一方の端面から入射せしめ、
    前記コアに入射した前記複数の分岐光を前記光照射部に導光し、
    前記光照射部に導光された前記複数の分岐光を前記測定光として照射することを特徴とする光音響撮像装置の作動方法。