JP6223073B2 - 被検体情報取得装置 - Google Patents
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以外の面に反射抑制層を設けることにより、音響波が音響波源側に反射する事を抑制している。
被検体に照射する光を出射する出射端を含む投光手段と、
前記光を照射された前記被検体から発生する音響波を検出する検出手段と、
前記音響波を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理手段と、
音響波を吸収する材料から構成される吸収手段と、
を有し、
前記吸収手段は、前記被検体の表面と前記出射端の間に配置される
ことを特徴とする被検体情報取得装置である。
光音響波の多重反射による影響を軽減することが可能になる。
本実施形態における光音響装置の投光用プローブおよび音響検出器(音響波受信用プローブ)の構成について、図1を使って説明する。投光用プローブ1には、光源(不図示)から光学系を経由して光2が導かれる。投光用プローブ1は、その出射端から被検体100へ光2を照射する。本発明において使用する光の波長は、被被検体内部まで光が伝播する波長であることが望ましい。被検体が生体の場合、600nm以上1300nm以下の近赤外線の領域が好ましい。投光用プローブは、本発明の投光手段に相当する。音響検出器は、本発明の検出手段に相当する。
R=(Z2−Z1)/(Z1+Z2) …(1)
ここで、Z1、Z2は入射側および透過側それぞれの媒質の音響インピーダンスである。皮膚から骨への反射率Rを計算すると、R=0.4から0.5となる。また、皮膚から空気への反射率Rを計算すると、R=−1.0となり、ほぼ全反射となる。
超音波吸収材3内部へ伝播した音響波103cは、超音波吸収材3内で減衰吸収される
ため、被検体100に戻ることを抑制できる。
なお、超音波吸収材3を出射端と一体に形成する、あるいは出射端と嵌合などにより連結させることで、超音波吸収材3を自然に光照射領域上に配置できるようになる。
音響波を効率的に伝播させるために、超音波吸収材3の音響インピーダンスは被検体100の音響インピーダンスに近似した値であることが好ましく、略等しいことがより好ましい。例えば、被検体100の音響インピーダンスの±10%程度の誤差を許容値とする音響インピーダンスを有するものと定義できる。被検体100が生体の場合、代表的な音響インピーダンスは約1.6×106[N・S/m3]なので、1.4〜1.8×106[N・S/m3]の範囲が許容される。音響インピーダンスの差を±10%とした場合の反射される比率は、(1)式にZ2=1.1Z1および0.9Z1を代入すると、約±5%となる。
このように、超音波吸収材3の音響インピーダンスを調整する事で、被検体100の表面に達した音響波を効率的に超音波吸収材3へ伝播させられる。
減衰=超音波減衰係数×透過距離×周波数 …(2)
音響波の減衰を大きくするには、超音波吸収材3を厚くするか、超音波減衰係数を大きくすればよい。すなわち、発生する界面音響波の強度と周波数および、使用する材料の超音波減衰係数に応じて適宜、超音波吸収材3の厚さを調整すればよい。なお超音波減衰係数を光音響波に適用する場合、音響波減衰係数と呼ぶことができる。
響波を1%に抑えられる。
T=exp(−μa*d) …(3)
ここで、μaは光の吸収係数、dは媒体(超音波吸収材3)の厚さである。
なお、超音波吸収材3を透過する光量の調整は、光源の強度を調整することによっても実現できる。この場合、超音波吸収材3を透過する光が、被検体に対する安全上の規格を超えないようにする。
この材料を使用する場合の被検体側に戻ってくる音圧は、以下の様に計算できる。超音波吸収材を厚さ0.5cmで形成し、被検体の音響インピーダンスを1.6×106[N・S/m3]とする。超音波吸収材表面での反射率および、超音波吸収材内を往復して被検体側に戻ってくる音圧は、それぞれ、5.8%、0.3%となる。このように、超音波吸収材により、界面音響波の反射を大幅に抑制できることが分かる。
超音波吸収材の界面音響波の吸収効果についてシミュレーションにより確認した。1辺64mmの生体を模擬した二次元のモデルで、音響波の伝播を計算した。シミュレーショ
ンは超音波の伝播を取り扱える公知の解析ソフトを使用した。超音波を取り扱える解析ソフトとしては、例えば、University College Londonにてk−waveが一般に公開されている。インターネット上のホームページ(URLはhttp://www.k-wave.org/index.php)参照。
また、比較のために超音波吸収材3が無い場合のシミュレーションも実行した。この比較計算では、超音波吸収材3に相当する領域に、光ファイバ等の光導波路を模した反射体を配置した。
本図より、超音波吸収材3を配置しない場合では、界面音響波の多重反射に起因する振動が発生する。一方、超音波吸収材3を配置する場合では、界面音響波の多重反射による振動が抑制されることが分かる。圧力波の振動の2乗平均で比較すると、約10%振動を抑制できる。
次に、上記投光用プローブおよび音響検出器を用いて被検体内部の光学特性値情報を測定する、被検体情報取得装置について説明する。この被検体情報取得装置は、光音響波を計測することから、光音響波計測装置とも呼べる。
0の表面で界面音響波が発生するが、この界面音響波は超音波吸収材3により抑制される。
光吸収体101からの光音響波は音響検出器4により検出され、信号処理部11で既知の手法により画像データに変換され、画像表示部12に表示される。信号処理部は、本発明の処理手段に相当する。画像表示部は、本発明の表示手段に相当する。
被検体内部の光吸収体101としては、被検体内で相対的に吸収係数が高い組織が想定される。例えば、人体が測定対象であれば、オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビン、それらを含む多く含む血管あるいは大脳皮質、新生血管を多く含む悪性腫瘍が該当する。
なお、本実施形態では生体を被検体として測定した例を述べたが、本発明の対象は生体に限られるものではない。例えば、食品の異物検査、その他のさまざまな非破壊検査に対して好適に利用できる。
Claims (25)
- 被検体に照射する光を出射する出射端を含む投光手段と、
前記光を照射された前記被検体から発生する音響波を検出する検出手段と、
前記音響波を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理手段と、
音響波を吸収する材料から構成される吸収手段と、
を有し、
前記吸収手段は、前記被検体の表面と前記出射端の間に配置される
ことを特徴とする被検体情報取得装置。 - 前記吸収手段の音響インピーダンスは、前記被検体の音響インピーダンスに近似した値である
ことを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記吸収手段の音響インピーダンスは、前記被検体の音響インピーダンスから±10%の範囲の値である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。 - 前記吸収手段の音響波減衰係数は、前記被検体の音響波減衰係数より大きい
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記吸収手段は、出射される前記光の波長に対して透過性を有する
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記光を発生させる光源をさらに有することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記光源は、前記吸収手段の光の吸収係数および厚さに基づいて、前記光の強度を調整する
ことを特徴とする請求項6項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記吸収手段は、前記被検体の表面の光照射領域上に配置される
ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記吸収手段は、前記出射端よりも大きく、かつ前記光照射領域を取り囲む領域上に配置される
ことを特徴とする請求項8に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体の表面と前記吸収手段との間に配置された音響マッチング材をさらに有することを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
- 前記被検体は、内部に光吸収体と、音響波の反射体とを含む生体である
ことを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記処理手段が取得した前記特性情報を表示する表示手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 光が出射される出射端と、
前記出射端に設けられた、音響波を吸収する吸収手段と、
前記光を吸収した被検体から発生した音響波を検出する検出手段と、を有し、
前記光が前記吸収手段を介して出射されるように構成された光音響波検出装置。 - 前記吸収手段の音響インピーダンスは、前記被検体の音響インピーダンスから±10%の範囲の値である
ことを特徴とする請求項13に記載の光音響波検出装置。 - 前記吸収手段の音響波減衰係数は、前記被検体の音響波減衰係数より大きい
ことを特徴とする請求項13または14に記載の光音響波検出装置。 - 前記吸収手段は、出射される前記光の波長に対して透過性を有する
ことを特徴とする請求項13ないし15のいずれか1項に記載の光音響波検出装置。 - 前記光を発生させる光源をさらに有することを特徴とする請求項13ないし16のいずれか1項に記載の光音響波検出装置。
- 前記光源は、前記吸収手段の光の吸収係数および厚さに基づいて、前記光の強度を調整する
ことを特徴とする請求項17項に記載の光音響波検出装置。 - 前記吸収手段は、前記被検体の表面の光照射領域上に配置される
ことを特徴とする請求項13ないし18のいずれか1項に記載の光音響波検出装置。 - 前記吸収手段は、前記出射端よりも大きく、かつ前記光照射領域を取り囲む領域上に配置される
ことを特徴とする請求項19に記載の光音響波検出装置。 - 前記被検体の表面と前記吸収手段との間に配置された音響マッチング材をさらに有することを特徴とする請求項13ないし20のいずれか1項に記載の光音響波検出装置。
- 前記被検体は、内部に光吸収体と、音響波の反射体とを含む生体である
ことを特徴とする請求項13ないし21のいずれか1項に記載の光音響波検出装置。 - 音響波吸収部材を介して光を被検体に照射し、
前記光を照射された被検体から発生した音響波に基づいて、前記被検体内の特性情報を取得する被検体情報取得方法。 - 前記被検体は、内部に光吸収体と、音響波の反射体とを含む生体である
ことを特徴とする請求項23に記載の被検体情報取得方法。 - 取得された前記特性情報を表示手段に表示する
ことを特徴とする請求項23又は24に記載の被検体情報取得方法。
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