JP6180843B2 - プローブ - Google Patents
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Description
被検体に向けて出射させる測定光を導光する導光部と、測定光の出射により被検体内で発生した光音響波を検出する音響波検出素子とを備える音響波検出用プローブにおいて、
導光部が、
この導光部に入射した測定光を集光する集光部材と、
この集光部材を透過した測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化するホモジナイザと、
複数の光ファイバを包含し、ホモジナイザを透過した測定光を導光するバンドルファイバとを含むことを特徴とするものである。
上記に記載のプローブと、
音響波検出素子によって検出された光音響信号を処理する信号処理手段とを備えることを特徴とするものである。
まず、音響波検出用プローブ(探触子)の第1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プローブの導光部の構成例を示す概略断面図である。また図2は、本実施形態のプローブにおける振動子アレイおよび光ファイバの配置を示す概略断面図である。
筺体11aは、プローブ11の操作者がプローブ11を保持するための保持部材としても機能する。本実施形態では、筺体11aはハンドヘルド型の形状を有しているが、本発明の筺体11aはこれに限られない。
集光部材41は、本実施形態では、光学系の上流側から入射したレーザ光Lを集光させながらホモジナイザ40に導光するためのものであり、集光レンズやミラーまたはこれらの組合せ等により構成することができる。例えば本実施形態では集光部材41は、1つの集光レンズからなる集光レンズ系である。集光部材41の焦点距離(バンドルファイバ42側の主点と焦点との距離)は、10〜100mmであることが好ましく、15〜50mmであることがより好ましい。光学系の小型化が可能であり、コアが石英からなりクラッドがフッ素ドープ石英からなる一般的な光ファイバの開口数NA(最大で0.22程度)に焦点距離を整合させるためである。また、集光部材41は、複数の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。集光部材41が結合系レンズである場合には、集光部材41の焦点距離とは、当該結合系レンズの合成焦点距離をいう。集光部材41は、図3aに示されるように保持部60aによってホモジナイザ40およびバンドルファイバ42と一体化して保持されるように構成してもよい。
ホモジナイザ40は、本実施形態では、集光部材41を透過したレーザ光Lのエネルギープロファイル(エネルギー分布)をフラットトップ化する光学要素である。フラットトップ化されたレーザ光Lは、バンドルファイバ42へと導光され、フラットトップなエネルギープロファイルを有する状態で入射端部E1に入射する。エネルギープロファイルを「フラットトップ化する」とは、言い換えれば、ホモジナイザに入射したレ−ザ光を、中心付近がフラットトップなエネルギープロファイルを有するものに成形することである。本明細書において「フラットトップ」とは、ホモジナイザから出射したレーザ光のエネルギープロファイルにおいて直径がビーム径の80%である同心円を取り、この同心円内の各点のエネルギーについて標準偏差を求めた場合に、この標準偏差がこの同心円内における平均エネルギーの25%以内である状態を意味する。通常、ホモジナイザは、無限遠において光が完全にフラットトップ(つまり上記標準偏差がほぼ0に等しい)となるように構造設計されている。しかしながら、本発明において測定光がバンドルファイバの入射端部に入射する際のエネルギープロファイルは、必ずしも完全にフラットトップな状態である必要はなく、上記範囲の程度においてフラットトップな状態であれば足りる。レーザ光Lのエネルギープロファイルがフラットトップ化されることにより、局所的に光強度が強くなることが防止され、バンドルファイバ42の損傷も抑制される。さらに、バンドルファイバ42内の光ファイバのそれぞれに入射する光エネルギーのばらつきも抑制される。
バンドルファイバ42は、ホモジナイザ40によりフラットトップ化された(つまり、ホモジナイザ40を透過した)レーザ光Lを振動子アレイ20の近傍にまで導光するものである。なお、ホモジナイザ40とバンドルファイバ42の間に他の導光部材が設けられてもよい。バンドルファイバ42は、例えば図4に示されるように、コアおよびクラッドから構成される複数の光ファイバ42aと、フェルールおよびシース等の被覆部材42cと、複数の光ファイバ42aの外周と被覆部材42cとの間を充填する充填部材42bから構成される。バンドルファイバ42中の光ファイバ42aのコア径は20〜300μmであることが好ましく、50〜200μmであることがより好ましい。バンドルファイバ42中の光ファイバ42a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。
振動子アレイ20は、複数の音響波検出素子(または音響波検出素子)の1次元的または2次元的に配列したものであり、音響波信号を電気信号に変換する。音響波検出素子は、例えば、圧電セラミクス、圧電単結晶、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。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは振動子アレイの振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは測定光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。なお、振動子アレイ20は、正確な音響波信号を検出するため、音響整合層、音響レンズおよびバッキング材等の音響素子を備えることが好ましい。
ホモジナイザ40が拡散機能を有する場合において、集光部材の焦点距離をf、集光部材とホモジナイザとの距離をxとした場合には、測定光の最小ビーム径D(つまり、焦点面におけるビーム径)は、下記式3で規定される。そこで、集光部材41およびホモジナイザ40の各特性並びにそれらの位置関係は、この最小ビーム径Dがバンドルファイバ42の径dとの関係で下記式4を満たすように設計され、バンドルファイバ42の入射端部は、レーザ光Lのビーム径Dが0.8d以上1.2d以下である状態でレーザ光が入射する位置に配置されることが好ましい。ここで、距離xに関して、集光部材41の基準はホモジナイザ側のレンズとしての主面であり、ホモジナイザ40の基準は、片面にのみ拡散面が形成された拡散板の場合には当該拡散面であり、両面に拡散面が形成された拡散板の場合にはそれら両拡散面に平行かつ拡散板の中心を通る平面である。
次に、音響波検出用プローブの第2の実施形態の実施形態について説明する。本実施形態のプローブは、導光部がバンドルファイバ42の上流側にビームエキスパンダ光学系を有する点で、第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様な構成要素の詳細な説明は特に必要がない限り省略する。
ビームエキスパンダ光学系55は、例えば図8に示されるように、バンドルファイバ42中の複数の光ファイバ42aの開口角に適合したビーム径に、さらにはその開口角に対して最適なビーム径に測定光を拡大するものである。ビーム径を「光ファイバの開口角に適合したビーム径」に変化させるとは、集光部材およびホモジナイザを経由し、バンドルファイバの入射端部に集光されたときに、光の集光角をその光ファイバの開口角に近づけることを意味し、「光ファイバの開口角に対して最適なビーム径」にするとは、そのときに、光の集光角をその光ファイバの開口角とほぼ一致させることを意味する。また、ビームエキスパンダ光学系55は集光部材41の上流側(つまり光源側)に配置される。ビームエキスパンダ光学系55の拡大率は、光ファイバ42aの開口数を超えない範囲において、レーザ光Lがより広い拡がり角でバンドルファイバ42の入射端部E1に入射可能となるように、上記光ファイバ42aの開口角に適合させる。例えば一般的なコア/クラッド構造を有する石英ファイバの開口数は0.20〜22であり、開口角は11.4〜12.7°である。このように設定することにより、光ファイバ42aから出射した後の光の拡がり角を可能な限り広げることができ、光ファイバ42aの出射端面からより短い距離で照明の均一化を図ることができる。また、ビームエキスパンダ光学系55は、制御性の観点から図8に示されるように、集光部材41の上流側の直近(直前)の位置に配置することが好ましい。
次に、音響波検出用プローブの第3の実施形態の実施形態について説明する。本実施形態のプローブは、導光板を介してバンドルファイバ42によって導光した測定光を照射する点で、第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様な構成要素の詳細な説明は特に必要がない限り省略する。
導光板43は、例えばアクリル板や石英板の表面に特殊な加工を施して、一方の端面(接続面S1)から入れた光を他方の端面(出射面S2)から均一に面発光させる板である。例えば導光板43は、図9に示されるように、石英板43aの対向する1対の側面に低屈折率の樹脂薄膜43bを成膜する等により製造することができる。この場合、接続面S1から入射したレーザ光は、石英板43aおよび樹脂薄膜43bの界面S3で多重反射しながら伝搬し、出射面S2から出射することとなる。光ファイバ42aの出射端部E2は、導光板43の接続面S1上にほぼ均等に配置されかつ光学的に接続されている。図9aのように、導光板43が接続面S1から出射面S2へ向かって広がるテーパ形状を有する場合、より広範囲に均一にレーザ光Lを照射することが可能となる。なお、導光板43は、図9cに示されるように直方体形状を有するものでもよい。図10に示されるように、本実施形態では2つの導光板43が、振動子アレイ20を挟んで対向するように配置され、それぞれの導光板43の接続面S1に光ファイバ42aが接続されている。導光板43は、より広範囲の被検体Mをレーザ光Lによって照射できるように、その先端部に光を拡散させる機構(拡散板、散乱粒子を包含する樹脂等)または光の進行方向を振動子アレイ20側へ向ける機構(光を屈折させるための切り欠き等)を有していてもよい。
本発明では、測定光を一度ホモジナイザに通すことによりエネルギープロファイルをフラットトップ化している。しかしながら、ホモジナイザを使用しても完全にエネルギープロファイルを均一にすることは難しい場合があり、そのようなエネルギープロファイルの偏りを解消することが好ましい。そこで、本発明において、光ファイバの出射端部を配置する際に、各光ファイバのバンドルファイバ中における位置を考慮することが好ましい。
次に、光音響計測装置の第1の実施形態について説明する。本実施形態では、光音響計測装置が、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置である場合について具体的に説明する。図19は、本実施形態の光音響画像生成装置10の構成を示すブロック図である。
レーザユニット13は、本発明における光源に相当し、例えばレーザ光Lを、被検体Mに照射する測定光として出力する。レーザユニット13は、例えば、制御手段29からのトリガ信号を受けてレーザ光Lを出力するように構成されている。レーザユニット13が出力するレーザ光Lは、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ11まで導光され、プローブ11から被検体Mに照射される。レーザユニット13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。
プローブ11は、被検体M内で発生した光音響波Uを検出する本発明に係るプローブであり、本実施形態では第3の実施形態に係るプローブである。
超音波ユニット12は、受信回路21、AD変換手段22、受信メモリ23、光音響画像再構成手段24、検波・対数変換手段27、光音響画像構築手段28、制御手段29、画像合成手段38および観察方式選択手段39を有する。例えば、受信回路21、AD変換手段22、受信メモリ23、光音響画像再構成手段24、検波・対数変換手段27および光音響画像構築手段28が一体として、本発明における信号処理手段としての光音響画像生成手段に相当する。
また、レーザ光の伝送ケーブルの小型化および軽量化が可能となり、光音響計測装置の操作性が向上する。
次に、光音響計測装置の第2の実施形態について説明する。本実施形態でも、光音響計測装置が光音響画像生成装置である場合について具体的に説明する。図20は、本実施形態の光音響画像生成装置10の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
本実施形態の超音波ユニット12は、図19に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、送信制御回路33、データ分離手段34、超音波画像再構成手段35、検波・対数変換手段36、および超音波画像構築手段37を備える。本実施形態では、受信回路21、AD変換手段22、受信メモリ23、データ分離手段34、光音響画像再構成手段24、検波・対数変換手段27、光音響画像構築手段28、超音波画像再構成手段35、検波・対数変換手段36、及び超音波画像構築手段37が一体として、本発明における信号処理手段としての音響画像生成手段に相当する。
11 音響波検出用プローブ
12 超音波ユニット
13 レーザユニット
14 画像表示手段
16 入力手段
20 振動子アレイ
21 受信回路
24 光音響画像再構成手段
28 光音響画像構築手段
30 トリガ制御回路
33 送信制御回路
34 データ分離手段
35 超音波画像再構成手段
37 超音波画像構築手段
38 画像合成手段
39 観察方式選択手段
40 ホモジナイザ
41 集光部材
42 バンドルファイバ
42a 光ファイバ
43 導光板
44 導光部
53 レンズ拡散板
55 ビームエキスパンダ光学系
60a、60b 保持部
62 中心側領域
64 外周側領域
65a、65b、65c コネクタ構造を有する保持部
D レーザ光の最小ビーム径
E1 入射端部
E2 出射端部
L レーザ光
M 被検体
U 光音響波
Claims (13)
- 被検体に向けて出射させる測定光を導光する導光部と、前記測定光の出射により前記被検体内で発生した光音響波を検出する音響波検出素子とを備える音響波検出用プローブにおいて、
前記導光部が、
該導光部に入射した前記測定光を集光する集光部材と、
該集光部材を透過した前記測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化し、かつ前記測定光を拡散させるホモジナイザと、
複数の光ファイバを包含し、前記ホモジナイザを透過した前記測定光を導光するバンドルファイバとを含み、
前記バンドルファイバの出射端部における各光ファイバの配置が、前記エネルギープロファイルの比較的低い領域にある光ファイバと前記エネルギープロファイルの比較的高い領域にある光ファイバとが混在された配置であるプローブ。 - 前記エネルギープロファイルの比較的高い領域にある光ファイバが前記バンドルファイバの中心部にある光ファイバであり、前記エネルギープロファイルの比較的低い領域にある光ファイバが前記中心部よりも外周側にある光ファイバである請求項1に記載のプローブ。
- 前記導光部が、前記複数の光ファイバの出射端部の少なくとも一部と接続される接続面と、該接続面から入射した前記測定光が出射する出射面とを有する導光板を備える請求項1または2に記載のプローブ。
- 前記導光板が、前記音響波検出素子を挟んで対向する配置で複数設けられている請求項3に記載のプローブ。
- 前記ホモジナイザが、微小なレンズが基板の片面に配置されたレンズ拡散板である請求項1から4いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記集光部材または前記ホモジナイザを光軸方向に移動可能とさせる位置調整部を有する請求項1から5いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記ホモジナイザおよび前記バンドルファイバを一体化して保持する保持部を備える請求項1から6いずれか1項に記載のプローブ。
- 前記保持部が前記集光部材も含めて一体化して保持するものである請求項7に記載のプローブ。
- 被検体に向けて出射させる測定光を導光する導光部と、前記測定光の出射により前記被検体内で発生した光音響波を検出する音響波検出素子とを備える音響波検出用プローブにおいて、
前記導光部が、
該導光部に入射した前記測定光を集光する集光部材と、
該集光部材を透過した前記測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化し、かつ前記測定光を拡散させるホモジナイザと、
複数の光ファイバを包含し、前記ホモジナイザを透過した前記測定光を導光するバンドルファイバとを含み、
前記バンドルファイバの入射面を覆いかつ前記バンドルファイバの入射端部を保持するとともに、前記測定光が入射する部分にウィンドウ部を有する保持部を備えるプローブ。 - 前記ウィンドウ部がNDフィルタから構成される請求項9に記載のプローブ。
- 被検体に向けて出射させる測定光を導光する導光部と、前記測定光の出射により前記被検体内で発生した光音響波を検出する音響波検出素子とを備える音響波検出用プローブにおいて、
前記導光部が、
該導光部に入射した前記測定光を集光する集光部材と、
該集光部材を透過した前記測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化し、かつ前記測定光を拡散させるホモジナイザと、
複数の光ファイバを包含し、前記ホモジナイザを透過した前記測定光を導光するバンドルファイバとを含み、
前記ホモジナイザおよび前記バンドルファイバを一体化して保持する保持部を備え、
該保持部が、前記バンドルファイバに入射する前記測定光を通過させる貫通口を有する開口部材を前記バンドルファイバの入射端に備え、
前記貫通口の径が、前記バンドルファイバの入射端に向かうほど前記バンドルファイバの径に対応した大きさまで小さくなるプローブ。 - 被検体に向けて出射させる測定光を導光する導光部と、前記測定光の出射により前記被検体内で発生した光音響波を検出する音響波検出素子とを備える音響波検出用プローブにおいて、
前記導光部が、
該導光部に入射した前記測定光を集光する集光部材と、
該集光部材を透過した前記測定光のエネルギープロファイルをフラットトップ化し、かつ前記測定光を拡散させるホモジナイザと、
複数の光ファイバを包含し、前記ホモジナイザを透過した前記測定光を導光するバンドルファイバとを含み、
前記ホモジナイザおよび前記バンドルファイバを一体化して保持する保持部を備え、
該保持部が、前記バンドルファイバの入射端部を保護するキャップ部材と、光エネルギーに対して耐性のある材料から形成されたチップであってキャップ部材に嵌められたリング形状のチップとを含む導光部材を備えるプローブ。 - 前記保持部が、絞りおよびリレーレンズ系を含む導光部材を備える請求項7から10いずれか1項に記載のプローブ。
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