JP6463414B2 - 音響波プローブおよび音響波装置 - Google Patents

Description

本発明は、音響波プローブおよび音響波装置に関する。

がんに起因して発生する血管新生を特異的に画像化する方法として、光音響トモグラフィ（以下、ＰＡＴ；Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が注目されている。ＰＡＴは照明光（近赤外線）を被検体に照明し、被検体内部から発せられる光音響波を超音波探触子で受信して画像化する方式である。

図４に非特許文献１で述べられているハンドヘルド型光音響装置の模式図を示す。光音響プローブ１０４は、バンドルファイバ１０３の出射端１０３ｂを含んだ照明光学系に、光音響波を受信するための受信部１０６が挟まれて固定された構造となっている。光源１０１からの照明光が、入射端１０３ａからバンドルファイバ１０３に入射し、出射端１０３ｂから被検体に照射される。そして光音響効果により被検体から発生した光音響波を、受信部１０６が受信して電気信号に変換する。その電気信号に対し、超音波装置１０９の処理装置１０７が増幅やディジタル化、画像再構成を行い、画像情報（ＩＭＧ）を生成して表示装置１０８に送信する。これにより、被検体内の特性情報を示す光音響画像が表示される。

S. A. Ermilov et al. , Development of laser optoacoustic and ultrasonic imaging system for breast cancer utilizing handheld array probes, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2009, Proc. of SPIE vol. 7177, 2009.

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。
図４では、光源１０１から出射端１０３ｂまでの光伝送にバンドルファイバ１０３を使っている。しかし、バンドルファイバ１０３は２００μｍ程度のファイバ素線が束状に加工されたものであるため、ファイバ一本一本から発せられた光が互いに干渉し、局所的にエネルギー密度が高くなることがある。

さらに、バンドルファイバの出射端からの距離に応じてエネルギー密度が変化し、その距離が近づくほどエネルギー密度は局所的に高くなる傾向がある。そのため、被検体の変形によってもエネルギー密度が高くなることがある。ここで安全上の基準として、“ＡＮＳＩ Ｚ１３６．１−２０００”において、皮膚に対する最大許容露光量（ＭＰＥ：ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅ ｅｘｐｏｓｕｒｅ）が規定されている。しかし、例えば、被検体が人体の場合、皮膚表面に照明光を照射したとき、局所的にエネルギー密度が高くなり、ＭＰＥを超える可能性があった。そのため、安全性に改善の余地があった。

また、非特許文献１とは異なり、バンドルファイバ１０３を使わず、ミラーや反射プリズムを使って光伝送する場合でも、光源１０１の不均一なビームプロファイルがそのまま被検体に照射されてしまうため、局所的にエネルギー密度が高くなることがあった。そのため、バンドルファイバ１０３を使わない光伝送にしても安全性に改善の余地があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光音響トモグラフィにおける光照射の際に、エネルギー密度が局所的に高くなることを抑制することにある。

本発明の一態様は以下の構成を採用する。すなわち、
被検体からの音響波を受信する受信面を有する受信部と、
光源で発光された光を通過させ複数のファイバ素線が結束された光ファイバと、
前記被検体との距離において前記受信面より離れて配置され前記光ファイバを通過した光を拡散させる拡散板と、
前記拡散板と前記受信面の間に配置されるとともに前記拡散板からの光を通過させ前記複数のファイバ素線が有する干渉性により局所的に高い光強度を有する出射光分布を緩和するように前記拡散板を前記受信面から離間させる光学部材と、
前記受信面を臨む方向から見たときに前記光学部材の周囲を囲むシール部材と、を有することを特徴とする音響波プローブである。
また、本発明の別の態様は以下の構成を採用する。すなわち、
被検体からの音響波を受信する受信面を有する受信部と、
光源で発光された光を通過させ複数のファイバ素線が結束された光ファイバと、
前記被検体との距離において前記受信面より離れて配置され前記光ファイバを通過した光を拡散させる拡散板と、
前記拡散板と前記受信面の間に配置されるとともに前記拡散板からの光を通過させ前記複数のファイバ素線が有する干渉性により局所的に高い光強度を有する出射光分布を緩和するように前記拡散板を前記受信面から離間させる光学部材と、
前記拡散板への音響整合材の付着を抑制するように前記光学部材の周囲を囲むシール部材と、を有することを特徴とする音響波プローブである。

本発明のさらに別の態様はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
上記に記載のいずれかの音響波プローブと、
前記音響波プローブからの受信信号に基づき前記被検体の情報を取得する信号処理部と、
を有することを特徴とする音響波装置である。

本発明によれば、光音響トモグラフィにおける光照射の際に、エネルギー密度が局所的に高くなることを抑制することができる。

本発明の実施の形態における光音響装置の構成を説明する図。 実施例１における光音響プローブを説明する図。 実施例２における光音響プローブを説明する図。 背景技術の光音響装置の構成を説明する図。

以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な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り、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。

本発明の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装置を含む。被検体情報とは、光照射によって生じた音響波の発生源分布、被検体内の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布などである。物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。

本発明で言う音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。

図１を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は光音響装置を模式的に図示したものである。光音響装置において、光源１から発せられた照明光Ｌは、第一の照明光学系２によって成形されて、バンドルファイバ３の入射端３ａへ入射する。照明光Ｌはバンドルファイバ３により光音響プローブ４まで伝送され、バンドルファイバ３の出射端３ｂから
出射する。バンドルファイバは光伝送部とも呼べる。

光音響プローブ４は、出射端３ｂと、出射端３ｂから出射した照明光を成形する第二の照明光学系５、ならびに光音響波を受信する受信部６からなる。第二の照明光学系５を介して被検体２０に到達した照明光が被検体内部で拡散、伝播し、吸収体２１に吸収されると、光音響波２２が発生する。なお、第一および第二の照明光学系はいずれも照明光を成形する機能を持っており、これらを合わせて装置の光学系と考えることも出来る。

受信部６はピエゾ素子やＣＭＵＴなどの、音響波と電気信号を変換する素子を含んでいる。そのため、受信部６が被検体２０を伝播した光音響波２２を受信すると、素子により電気信号ＳＩＧに変換される。その後処理装置７へ送られた電気信号ＳＩＧは増幅、ディジタル変換、フィルタ処理などを施されたのち、既知の方法により画像再構成されて画像情報ＩＭＧが生成される。画像情報ＩＭＧは表示装置８に送られ、被検体内の情報が表示される。

ここで、本発明においては、第二の照明光学系５に拡散板９が設けられている。拡散板９は、被検体から所定の距離を隔てて設置される。この所定の距離は、光エネルギー、光の干渉性、および、被検体への照射面積から決められる。

光エネルギーは、出射端３ｂから出射される総光量のことである。光の干渉性は、出射端３ｂの位置とサイズ、バンドルファイバ３のファイバ素線のコア経とファイバ径、ファイバ素線のバンドル密度、そして拡散板９の拡散角に起因する。被検体への照射面積は、出射する総光量が、皮膚に対する最大許容露光量以下になるように広げた面積から決められる。

例えば拡散板９と被検体の距離を７ｍｍ以上離すと、エネルギー密度の分布が局所的に高くなることを抑制することができた。このときの条件を以下に示す。
光エネルギーは６０ｍＪである。干渉性に関しては、被検体から出射端３ｂまでの距離が９ｍｍ、出射端３ｂのサイズが３０ｍｍ×１．４ｍｍ×２箇所、ファイバ素線のコア径１９０μｍ、ファイバ経２００μｍであり、バンドルは概ね六方細密格子状に設けた。拡散板９としては、拡散角を１０°のホログラフィックディフューザを用いた。そして照射面積は、約３５ｍｍ×６ｍｍ×２箇所とした。

以上の条件で、波長７５６ｎｍ、発光周波数１０Ｈｚのときに被検体に光を照射し、光エネルギー密度を測定した。その結果、光エネルギー密度は最大で２０ｍＪ／ｃｍ^２程度となり、最大許容露光量ＭＰＥである２６ｍＪ／ｃｍ^２よりも小さい値にすることができた。

なお、図１ではバンドルファイバ３を途中で分岐し、その出射端３ｂと第二の照明光学系５を２箇所にしたが、分岐個数はこれに限定しない。例えば分岐をせずに受信部６の片面にのみ隣接させても有効であるし、逆に２箇所よりも分岐を多くしても良い。

また、光音響プローブ４はハウジングで覆われていることが好ましい。

光源１は、好ましくは６００ｎｍから１１００ｎｍ程度の波長の近赤外線を発光するものである。光源１としては例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやアレクサンドライトレーザなどのパルスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光を励起光とするＴｉ：ｓａレーザやＯＰＯレーザ、半導体レーザなどを利用できる。

なお、照明光の照射と受信部６による光音響波の受信は同期をとる必要がある。そこで
、光源１から第二の照明光学系５の間の光路のいずれかを一部分岐して、フォトダイオード等のセンサで光を検出し、その検出信号をトリガとして受信部６に受信を開始させれば良い。そのほか、不図示のパルス発生器を用いて、光源１の発光タイミングと処理装置７の受信タイミングを同期させるように制御しても良い。

以上の構成によれば、被検体に照射される照明光のエネルギー密度分布が局所的に高くなることを抑制することができる。そのため、装置の安全性を向上させることができる。

＜実施例１＞
本実施例では、光音響プローブ４について、図２を用いてより具体的に説明する。なお、図２（ａ）は光音響プローブ４の正面図・断面図であり、図２（ｂ）は下面図である。

本実施例では、拡散板９と被検体２０との距離を規定するために、第二の照明光学系５の中にスペーサ１０を設けた。さらに、スペーサ１０は照明光を取り囲み、その先端は受信部６の受信面と概ね同面になるように設けた。図２（ａ）ではスペーサ１０の断面を示しており、図２（ｂ）の下面図では、被検体２０の側から見たスペーサ１０、受信部６の受信面６ａ、照明光Ｌを示している。

スペーサの材料としては、被検体との接触によって変形しないよう、アルミなどの金属や各種プラスチック樹脂、セラミックスなど、被検体よりも十分に剛性の高いものが好ましい。

本実施例では、照明光の照射領域は３５ｍｍ×７ｍｍ×２本（受信部６の両脇）であり、約０．５ｍｍ外周にアルミからなるスペーサ１０を設けた。そして、拡散板９の拡散面とスペーサ１０の表面までの距離は最短の所で８ｍｍとした。

このような条件下で、光源１から１２０ｍＪのエネルギーを発したときのエネルギー密度の最大値は、１８ｍＪ／ｃｍ^２だった。そして、光音響プローブ４を被検体への押し付けたとき、その押し付け方によらずスペーサ１０表面よりも内側には１ｍｍも入り込まず、エネルギー密度の最大値はほとんど変化がなかった。

なお、スペーサ１０表面の被検体と接するエッジ部分は適度に丸みを付けることが好適であり、実施例１ではその丸みをＲ０．５としたが、光音響プローブ４を被検体に押し付けたときに痛みを感じることはなく、切り傷が生じることもなかった。なお、エッジ部分は、Ｒを付ける代わりに面取りしてＣ面を設けても良い。

以上のように、被検体が生体の場合、光音響プローブ４を被検体へ押し当てたときに被検体が変形しても、被検体と拡散板９との距離をスペーサ１０で規定できる。したがって、被検体に照射する照明光のエネルギー密度分布の変化が小さく、安定した照明分布が得られる。

また、光拡散方程式に基づき被検体内部へ侵入する光分布を計算する際、境界条件となる被検体表面の光分布の変化を小さくでき、より高精度に被検体内部の光分布を計算することが可能となる。その結果、被検体内部の吸収体の吸収係数μ_ａ＝ｐ／（Γφ）（ｐ：初期音圧、Γ：グリューナイゼン係数、φ：吸収体の光量）を高精度に計算することができる。なお、初期音圧ｐは受信部６で測定される光音響信号から得られる。またグリューナイゼン係数Γは既知の値であり、例えば被検体がヒト乳房の場合０．５から０．８程度である。

＜実施例２＞
本実施例では、実施例１とは異なる光音響プローブ４について、図３を用いてより具体的に説明する。なお、図３（ａ）は光音響プローブ４の正面図であり、図３（ｂ）は下面図である。

本実施例では、第二の照明光学系５の中にスペーサとして、透明体１１を設けた。これにより、実施例１で説明したスペーサ１０と同等に、拡散板９と被検体２０の距離を規定する効果が得られた。このとき、図３（ｂ）に示すように透明体１１は光を取り囲むように設けられているが、この透明体１１を延長して被検体との接触面をも覆うようにしても良い。その場合、透明体１１は出射端３ｂ側の面が開いた立体形状となる。

また通常、光音響装置を使用する際、受信部６が被検体と接触する部分（受信面６ａ）には音響マッチングのためにソナーゲル１３を用いる。そのソナーゲル１３が拡散板９の拡散面に付着すると拡散角が変化するため、被検体に照射されるエネルギー密度分布が変化してしまう。なお、光音響プローブと被検体の音響マッチング材はソナーゲルに限られず、例えば水を用いることもできる。

しかし、透明体１１が被検体との接触面をも覆うタイプであれば、ソナーゲルの第二の照明光学系５への侵入を防ぎ、拡散板９への付着を抑制することができる。そしてこの侵入抑制効果は、図３（ｂ）に示したように、透明体１１の周囲をシール部材１２で囲むことによって、より高くなる。すなわち、拡散板９の拡散面へのソナーゲルの付着を抑制でき、被検体に照射されるエネルギー密度分布を一定にすることができる。

さらに、ソナーゲルが付着するのは、図３（ｂ）で示したような、光音響プローブ４が被検体に接触する部分だけに限られる。そのため、光音響装置を使用した後はソナーゲルを容易にふき取ることができ、光音響プローブ４の衛生状態を良好に保つことが可能となる。

透明体１１としては、プリズムやスライドガラスを利用できる。なお、材質はガラスに限らず、アクリルやポリカーボネートなどの光学材料も適用可能である。
また、透明体１１は被検体と拡散板９にそれぞれ接するように図示したが、これに限定されず、離していても有効である。
シール部材１２には、Ｏリングやゴムパッキン、ガスケット、接着剤を適用することができる。

以上の各実施例では、光伝送部としてバンドルファイバを用いている。但し実際にはこれに限定されず、例えばミラーや反射プリズムを用いることも可能である。その場合でも、照明光を均一にする目的で、被検体２０との距離を所定以上離して拡散板９を設ける。その際、実施例１で説明したスペーサ１０や、実施例２で説明した透明体１１を拡散板９と被検体２０との間に設け、両者の距離を規定することも好ましい。

１：光源，３：バンドルファイバ，３ｂ：出射端，４：光音響プローブ，６：受信部，７：処理装置，９：拡散板，１０：スペーサ

Claims (14)

1. 被検体からの音響波を受信する受信面を有する受信部と、
   光源で発光された光を通過させ複数のファイバ素線が結束された光ファイバと、
   前記被検体との距離において前記受信面より離れて配置され前記光ファイバを通過した光を拡散させる拡散板と、
   前記拡散板と前記受信面の間に配置されるとともに前記拡散板からの光を通過させ前記複数のファイバ素線が有する干渉性により局所的に高い光強度を有する出射光分布を緩和するように前記拡散板を前記受信面から離間させる光学部材と、
   前記受信面を臨む方向から見たときに前記光学部材の周囲を囲むシール部材と、を有することを特徴とする音響波プローブ。
2. 被検体からの音響波を受信する受信面を有する受信部と、
   光源で発光された光を通過させ複数のファイバ素線が結束された光ファイバと、
   前記被検体との距離において前記受信面より離れて配置され前記光ファイバを通過した光を拡散させる拡散板と、
   前記拡散板と前記受信面の間に配置されるとともに前記拡散板からの光を通過させ前記複数のファイバ素線が有する干渉性により局所的に高い光強度を有する出射光分布を緩和するように前記拡散板を前記受信面から離間させる光学部材と、
   前記拡散板への音響整合材の付着を抑制するように前記光学部材の周囲を囲むシール部材と、を有することを特徴とする音響波プローブ。
3. 前記シール部材は、前記光学部材のうち前記拡散板より前記受信面に近接している側において前記光学部材を囲んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の音響波プローブ。
4. 前記シール部材は、前記拡散板への音響整合材の付着を抑制するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の音響波プローブ。
5. 前記音響整合材は、ソナーゲルまたは水を含むことを特徴とする請求項２または４に記載の音響波プローブ。
6. 前記受信面は、前記音響整合材を介して前記被検体と音響的に結合することを特徴とする請求項２、４及び５のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
7. 前記光ファイバから前記拡散板に導光される光の出射光分布は、それぞれのファイバ素線から発せられる光の干渉性に起因して、局所的にエネルギー密度が高い箇所を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
8. 前記光学部材は、前記光学部材から出射される総光量が、前記被検体に対する最大許容露光量と前記被検体の照射面積との積以下になるように、前記拡散板を前記受信面から離間させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
9. 前記光学部材は、ガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネイトの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
10. 前記シール部材は、Ｏリング、ゴムパッキン、ガスケット、接着剤の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
11. 前記光学部材の前記被検体と接触するエッジ部分は、丸みを有するか、面取りされた形状を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
12. 前記受信部が受信する前記音響波は、前記光学部材から出射した光により前記被検体で発生した光音響波であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
13. 前記光学部材は、前記拡散板と前記受信面の間に配置されるスペーサであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の音響波プローブ。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の音響波プローブと、
    前記音響波プローブからの受信信号に基づき前記被検体の情報を取得する信号処理部と、
    を有することを特徴とする音響波装置。

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