JP6541749B2

JP6541749B2 - 生体情報取得装置

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Application number: JP2017212805A
Authority: JP
Inventors: 滋市原; 小林　秀一; 秀一小林
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Description

本発明は、生体情報取得装置に関し、特に光音響効果を用いて生体情報を取得し画像化する装置に関する。

近年、光に比べて生体内での散乱が少ない超音波の特性を利用して、生体内の光学特性値分布を高解像度に求める光音響トモグラフィー（ＰＡＴ）が提案されている（非特許文献１）。

光源から発生したパルス光が生体に照射されると、生体内で拡散しながら伝播する。

生体組織内に含まれる吸収体は、伝播してきたパルス光のエネルギーを吸収して音響波を発生する。

この音響波を音響波検出器により受信して、電気信号に変換し、変換された電気信号を解析処理することにより、生体内の光学特性分布、特に光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

非特許文献１によれば、ＰＡＴにおいて、光吸収により生体内の吸収体から得られる音響波の音圧（Ｐ）は次式で表すことができる。

ここで、Γは弾性特性値であるグリューナイセン（Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ）係数であり、体積膨張係数（β）と音速（ｃ）の二乗の積を比熱（Ｃｐ）で割ったものである。μａは吸収体の吸収係数、Φは局所的な領域での光量（吸収体に照射された光量）である。

ＰＡＴにおける音響波の信号となる音圧は、吸収体に到達する局所的な光量に比例する。生体に照射された光は、散乱と吸収により体内で急激に減衰するため、体内の深部組織で生じる音響波の音圧は光照射部位からの距離に応じて大きく減衰する。音響波の検出方法には、検出器に対して同方向から光を入射して音響波を検出する後方検出型と、検出器に対して対面方向から光を入射して音響波を検出する前方検出型とが知られている。

後方検出型ＰＡＴでは、音響波検出器の背後に光を有効に照射するために、音響波検出器の脇（側面側）より光を斜めに入射するＰＡＴ顕微鏡等が提案されている（非特許文献２、特許文献１、特許文献２）。

非特許文献２及び特許文献２では、音響波検出器脇にミラーやレンズを配置して生体内の特定部位に光を照明する事を主な目的としている。

また、特許文献１では、音響波検出器の脇（側面側）に光源が直接備え付けられている構造により光を生体組織に照明している。

特開２００８−４９０６３号公報米国特許出願公開第２００６／０１８４０４２号明細書

Ｍ．Ｘｕ，Ｌ．Ｖ．Ｗａｈｎｇ¨Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｉｍａｇｉｎｇｉｎｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｒｅｖｉｅｗｏｆｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，７７，０４１１１（２００６）Ｊ．Ｔ．Ｎｉｅｄｅｒｈａｕｓｅｒ，Ｍ．Ｊｅａｇｅｒ，Ｒ．Ｌｅｍｏｒ，Ｐ．ＷｅｂｅｒａｎｄＭ．Ｆｒｅｎｚ，ＩＥＥＥＴａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇ，ｖｏｌ，２４，Ｎｏ．４，４３６（２００５）

生体診断において、既知の疾患部位に対して詳細な観察を行う事を主な目的とする場合、特許文献２のように、特定部位に光を集光する事は適切な手法である。しかし、乳がん診断のように、未知の疾患に対するスクリーニング診断を行う場合には、所望の生体組織全体に、光を照射することが必要とされる。

本発明は、上記課題に鑑み、被測定物である生体組織全体に対し、効率的な光照射が可能となる生体情報取得装置の提供を目的とする。

本発明は、つぎのように構成した生体情報取得装置を提供するものである。

本発明の生体情報取得装置は、光源と、該光源からの光を被測定物保持部材を介して被測定物に入射させることによって発生する音響波を検出する音響波検出器と、を備えた生体情報取得装置であって、
１つ以上の光透過部材を有し、
前記光は、前記音響波検出器の側面側から前記光透過部材に入射し、前記光透過部材を介して前記被測定物保持部材に垂直以外の角度で入射することを特徴とする。

本発明によると、生体組織を含む被測定物に対し、効率的な照明が可能となる生体情報取得装置を実現することができる。

光の入射方向と同方向に音響波検出器を配備した後方検出型ＰＡＴの概略図である。光の入射方向と対面する方向に音響波検出器を配備した前方検出型ＰＡＴの概略図である。光を両面から入射させ、一方の面に検出器を配置した両面照射型ＰＡＴの概略図である。本発明の第１の実施形態における後方検出型ＰＡＴの構成例を説明する概略図である。本発明の第１の実施形態における後方検出型ＰＡＴの音響波信号の取得範囲と照明領域の断面図である。本発明の第１の実施形態における後方検出型ＰＡＴの照明領域を説明する概略図である。比較例における後方検出型ＰＡＴを説明する概略図である。光学経路を示す一形態を示す概略図である。本発明の第２の実施形態における後方検出型ＰＡＴの構成例を説明する概略図である。本発明の第２の実施形態における後方検出型ＰＡＴの照明領域を説明する概略図である。本発明の第３の実施形態における両面照射型ＰＡＴの構成例を説明する概略図である。本発明の適用できるＰＡＴの一実施例を示す図である。本発明の適用できる後方検出型ＰＡＴの実施形態を示す概略図である。本発明の適用できる後方検出型ＰＡＴの実施形態を示す概略図である。

つぎに、本発明を適用した実施形態における光音響トモグラフィー（ＰＡＴ）について説明する。以下、光音響トモグラフィーをＰＡＴと記す。

ここでは、図１に示すように、被測定物に対して光の入射側（入射面側ともいう）と同じ側に音響波検出器を配備する場合を後方検出型ＰＡＴと定義する。

また、図２に示すように、被測定物に対して光の入射側と対面する側に音響波検出器を配備する場合を前方検出型ＰＡＴと定義する。

いずれか一方の面に検出器を配置する場合を両面照射型ＰＡＴと定義する。

本実施形態の生体情報取得装置は、臨界角の制限を弱めて入射光量を向上させるため、つぎのような構成を有している。

本実施形態の生体情報取得装置は、第一パルス光源と、該パルス光源からの光を被測定物保持部材を介して被測定物に入射させて発生した音響波を検出する音響波検出器と、を備えている。

また、１つ以上の光透過部材が配設されており、光源からの光は、音響波検出器の側面側から光透過部材に入射し、光透過部材を介して垂直以外の角度で被測定物保持部材に入射する。

本発明において光透過部材とは、使用する近赤外／可視領域の吸収が少なく９０％以上の光の透過率を有する部材を示す。好ましくは１００％近い透過率を有すると良い。

被測定物保持部材とは、光源と被測定物との間に設けられ、被測定物体を保持するものであり、平面平板、圧迫板、平行平板、プレートと呼ばれるものを含む。さらに、本発明において、音響波とは、被測定物に近赤外線等の光を照射して被検体内部で発生する弾性波のことを示し、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含む。

上記光透過部材は、図１２に示すように音響波検出器と被測定物保持部材との間に配置してもよい。但し当該光透過部材の厚さが厚すぎると、被測定物からの信号が検出器に到達するまでの間に減衰する割合が大きくなる場合がある。従って光透過部材を音響波検出器と被測定物保持部材間に配置する場合には、必要とする感度が得られる範囲の厚さに設計することが好ましい。

また、前記光透過部材は、前記音響波検出器と一体化してユニット構造体として構成することができる。

さらに、前記ユニット構造体が被測定物保持部材上を２次元走査すると、広範囲に音響波を検出できるため好ましい。

また、前記光透過部材の屈折率をｎ１、前記被測定物保持部材の屈折率をｎ２とするとき、ｎ１＞ｎ２の関係を満たすように構成することが好ましい。このように光透過部材と被測定物保持部材の屈折率の大きさを調整することにより、効率的に光を入射させることができる。

なお、上記屈折率については、ｎ１＜ｎ２の関係を満たすように構成してもよい。

また、本実施形態の生体情報取得装置においては、前記光透過部材が、前記音響波検出器の両脇（音響波検出器の検出面を包囲する側面）に配設された構成とすることができる。

また、本実施形態の生体情報取得装置においては、前記被測定物保持部材と前記ユニット構造体の間に、潤滑剤が供給（充填ともいう）された構成とすることができる。また、本実施形態の生体情報取得装置においては、前記光透過部材の屈折率をｎ１、前記被測定物保持部材の屈折率をｎ２、前記潤滑剤の屈折率をｎ３とするとき、ｎ１＞ｎ３＞ｎ２の関係を満たすように構成することができる。

このような屈折率の関係を満たすことによりそれぞれの界面で生じる反射率を低減し、効率的に光を入射させることができる。

また、本実施形態の生体情報取得装置においては、前記音響波検出器が、２次元アレイ音響波検出素子により構成することができる。

また、本実施形態の生体情報取得装置においては、前記被測定物を介して、前記被測定物保持部材と平行に対面して配置された平行平板部材と、前記被測定物保持部材と前記平行平板部材とによる二つの平板を介し、前記被測定物を圧迫する圧迫機構と、前記平行平板部材側より前記被測定物に光照射する前記第一の光源とは別の第二の光源と、を有する構成とすることができる。

また、本実施形態の生体情報取得装置においては、前記第二のパルス光源が、前記第一のパルス光源と共通とする構成を採ることができる。

（第１の実施形態）
つぎに、第１の実施形態として、後方検出型ＰＡＴの構成例について説明する。図４に、第１の実施形態における後方検出型ＰＡＴの構成例を説明する図を示す。

本実施形態の後方検出型ＰＡＴは、４０１は被測定物である生体組織、４０２は拡散光エリア、４０３は照明エリアを示し、装置は被測定物保持部材としての平面平板４０７、音響波検出器４０５、光透過部材４０６、及び光源より構成される。

４０４は光源より本装置に照明される照明光経路を示す。

ここで、音響波検出器４０５と光透過部材４０６は一体化してユニット構造を形成している。

このユニット構造が平面平板４０７上を音響波マッチング剤の役目も兼用する潤滑剤を介して２次元的にスキャンすることにより、生体中の吸収体から発生される音響波を検出するように構成されている。

取得した音響波は電気信号に変換され、前記電気信号を用いて、信号処理及び画像構成アルゴリズムを介して生体情報の画像化が行なわれる。

なお、信号処理部は音響波の強さとその時間変化を記憶し、それを演算手段により、光学特性値分布のデータに変換できるものであればどのようなものを用いてもよい。

例えば、オシロスコープとオシロスコープに記憶されたデータを解析できるコンピューターなどが使用できる。

音響波検出器４０５は、従来広く用いられている音響波診断装置の音響波検出器と同種のものが好適に用いられる。

音響波検出器は、生体に照射された光のエネルギーの一部を吸収した生体内の光吸収体から発生する音響波（弾性波）を検出し、電気信号に変換する。

圧電現象を用いた音響波検出器、光の共振を用いた音響波検出器、容量の変化を用いた音響波検出器など音響波信号を検知できるものであれば、どのような音響波検出器を用いてもよい。

また、２次元アレイ音響波検出素子から構成されることが好ましく、信号処理回路に応じた素子数を有する音響波検出器とすることが可能である。

本実施形態では、２次元配列において縦横に配列した音響波検出素子を用いて説明するが、素子形状を限定するものではない。また、任意の素子間ピッチとして良い。

光源は、パルス光を発生する光源を用いることができる。

このパルス光源からのパルス光は、数ナノから数百ナノ秒オーダーのものであり、波長は４００ｎｍ以上、１６００ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。

特に、照射エネルギー強度の強いＮｄ：ＹＡＧレーザーやアレクサンドライトレーザー等の固体レーザーを用いる事が好ましい。

また、発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（ＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）やＴｉ：ｓレーザーを用いれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。

使用する光源の波長に関しては、生体内において吸収が少ない７００ｎｍから１１００ｎｍの領域がより好ましい形態である。

後方検出型ＰＡＴでは、音響波検出器と照明光学系が同側に配置され、光遮蔽領域が生じやすいため照明方法に工夫が必要である。

特に、音響波検出器の検出面積が増加するにつれて問題は顕在化する。音響波検出器の検出面に光ファイバー等の光導波路を埋め込んで光照明を行う手法が提案されているが、光ファイバーは熱耐性以下での利用に限定される。

ここで、音響波と照射強度の関係に関して簡単に説明する。

音響波の信号強度は、被測定物である生体組織に与えた光量に比例するため、大きな光量で生体組織表面を照明することが好ましい。

一方、生体表面に照射可能な光量は最大露光照射量（ＭＰＥ）としてＪＩＳにより規定されている。ＭＰＥとは、単一面積あたりに照射される光強度（または光エネルギー）の最大許容値である。

ＭＰＥを超えない範囲で生体表面に対して、効率よく照射することが必要である。

図５に、音響波の取得範囲と照明領域の断面図を示す。

後方検出型ＰＡＴでは、図５に示すように音響波検出器の背後に位置する生体組織表面全体に非照明領域を作らずに均一な照明をすることが好ましい。

また、音響波が変換された電気信号を処理し生体中に位置する吸収体の位置情報等を画像化する際に、目的とする吸収体からの音響波を高いＳＮ比で取得するためには、音響波検出器のサイズＣは画像化領域Ｂよりも広くとることが好ましい。

すなわち、図５に示すように照明エリアＡの方が音響波検出器のサイズＣより広く、音響波検出器のサイズＣは画像化領域Ｂよりも広くとることにより音響波信号の強度を高め、均一性を向上させることができる。

なお、音響波検出が可能な領域は、音響波検出器に含まれる各素子において、法線方向から外側におよそ４５°、即ち検出可能角度は４５°程度となる。

故に、信号均一性等を考慮せずに、取り込み可能な音響波信号全てを加算し、適当な画像化処理を施して画像化する場合、画像化領域Ｂは音響波検出器のサイズＣよりも広くなる場合もある。

しかしこの場合には、照明エリアＡは画像化領域Ｂより広い範囲に照明することが必要である。

図４のように、音響波検出器４０５の脇より照明を行う場合、光を平面平板に対して斜めに進行させる。

平面平板内では多少の体積拡散も存在するが、光の透過率を向上させるためには強い体積拡散は不適であり、主に直進成分を増加させる事が好ましい。

ここで、平面平板をほぼ直進する光により生体組織表面上に形成される照明エリアの断面図を図６に示す。

光の進行する角度をα、音響波検出器の幅をＬ、平面平板厚をＤ、光の入射面での横幅をＯとする。

図には示していないが、音響波検出器の断面形状は正方形または長方形とし、光の入射面での奥行き方向の長さ（紙面方向）を音響波検出器の奥行き（紙面方向）長さよりも長くする。

図５に示すような所望の光を形成するためには、Ｄ＊ｔａｎ（α）≧Ｌの関係を満たす必要がある。

音響波検出器の幅が広い場合は、光の進行角αを大きく、平面平板厚を厚くする必要がある。

一方、音響波は球面波であるため音響波の信号強度は吸収体と音響波検出素子の間隔に反比例する。

また、音響波は平面平板内にて一定の減衰も受ける。故に、大きな音響波信号を得る為には平面平板厚を薄くすることが好ましい。即ち、必要な進入角αを形成することが好ましい形態である。

図７に、図４の後方検出型ＰＡＴに対して光透過部材のない装置の概略図を示す。

ここで、図に示すように大気から平面平板に直接光を入射する場合は、平面平板への光の屈折角が平板内での光の進行角度となる。光の進入角度β１と屈折角度β２はスネルの法則ｎ１＊ｓｉｎ（β１）＝ｎ２＊ｓｉｎ（β２）に従う。ここでは、ｎ１が大気の屈折率１であり、ｎ２が平面平板の屈折率である。平面平板には、音響波及び光の透過性を両立する材料が求められる。

光透過性の面では、アクリルポリカーボネート、ポリメチルペンテン等の樹脂材料やガラス材料等が挙げられる。ガラス（ＢＫ７）は材料としては近赤外・可視領域においてほぼ１００％の透過率となる。ただし、表面での反射があるため、一般的には反射防止膜コートなしのガラスは表面と裏面でそれぞれ４−５％の反射がある。一方、この透過率を高めるために反射防止膜を表面にコートすることで、９９％以上の透過率を確保する事が可能となる。また、樹脂材料の場合も同様に透過率は材料そのものはかなり高く１００％に近い（近赤外、可視）。ただし、この場合も材料に応じた表面反射により表面と裏面でそれぞれ４％程度の反射があるため、反射防止膜をコートすることが好ましい。また、音響波特性も考慮するとポリメチルペンテンがより好ましい材料である。

ここでは、ポリメチルペンテン屈折率１．４６３を例にして述べるが、列挙した材料の屈折率は全て１．５付近である（光学ガラス材料の屈折率には幅広い選択肢がある）。

小さな屈折率の媒体から大きな屈折率の媒体に光が進入する場合屈折角を大きくすることはできずに、大気からポリメチルペンテンへの進入する光の屈折角は最大でも〜４０°である。即ち、図７では〜４０°以上の光の進行角度は得られない。

一方、図４に示すように光源から装置への光の入射を生体組織表面と平行な平面平板とせずに光透過部材の斜面に入射することにより、図７のような平面平板内での光の進行角度に制約はなくなる。

即ち、光透過性の高い材料、例えば光学ガラスで作成されるプリズム等を光透過部材として用いる場合、材料の屈折率は１．５付近から２以上と幅広く選択することが可能である。

ここで、先程述べたように平面平板を構成する材料の屈折率を〜１．５付近とすると、光透過部材と平面平板の屈折率が同等あるいは光透過部材の屈折率が大きくなる。

故に、スネルの法則より、平面平板内における光の進行角度を大きく取ることが可能となる。

大気からの光の入射面である光透過部材の屈折率が大きいために屈折角は小さくなるが、入射面の傾斜角度は任意に決めることが可能であり、光の入射角度も任意に決めることが可能である。

そのため、音響波検出器の幅や平面平板厚に応じて必要な平面平板内での光の進行角度を設定し、その設定した進行角度となるように、光透過部材と平面平板の界面で生じる屈折角を作ることが可能である。

本実施形態の場合、光透過部材に光が入射する面を平面平板に対して傾斜させることが必要である。傾斜とは、平面平板の法線方向を基準とした場合は、０°≦傾斜角度＜９０°であることを意味する。

平面平板と平行な面を作製してこの平面より光を入射させる場合は、図７に示すように光透過部材を経由するだけで大気からの入射角度と平面平板への屈折角の関係は維持される。

このため、平面平板内での光の進行角度を大きくすることはできない。一例として、図８に各部材を通る光の経路を示す。

図８はあくまで一例であり、所望の光経路とすることが可能である。

ここで、光源から生体組織に照射する光の照射経路を改めて概説する。

光源であるパルスレーザーから発生したレーザーは、空間中（大気）を伝播し光透過部材に入射する。

光透過部材の入射面では、屈折率差が大きいため、フレネルの法則より光の反射率は大きい。

効率的に光を入射させるために適当な反射防止膜を作製する必要がある。

光透過部材を通過する光は音響検出器に遮蔽されることなく平板材料に入射するが、平面平板と光透過部材間には薄い潤滑剤が供給されている。

光が平面平板に入射するためには、光透過部材及び平面平板の屈折率に対して適当な屈折率を有する潤滑剤とする必要がある。

潤滑剤には以下の点に留意する必要がある。

第一には、潤滑剤を介して光透過材料から平面平板材料へ光が進入する際、全反射を起こさない屈折率とする必要がある。

全反射条件は入射角度に依存するが、進入する界面を境に屈折率が大きく減少する程小さな入射角でも全反射しやすくなる。

第二に、それぞれの界面で生じる反射率を低減し、効率的に光を入射させる必要がある。

ここで、それぞれの界面に反射防止膜を具備することが好ましいが、音響波検出器と光透過部材が一体化したユニット構造体を、平面平板上を接触して操作するため、反射防止膜には耐久性が必要である。

そのため、反射防止膜を形成することなく反射率を下げることがより好ましい。故に、潤滑剤の屈折率は光透過材料及び平面平板材料の屈折率に近くすることで反射率は低減するため、好ましい形態となる。

平面平板を介して光は生体組織に入射する。生体組織は皮膚による反射等を含めて屈折率が一定でなく完全に反射を除去することは困難である。

ここでは、生体組織は多く水分を含有しているため、生体組織の屈折率は水の屈折率１．３３と同一と仮定する。

図８の例で示したように、平面平板の材料は１．５付近の樹脂材料であり、例示したポリメチルペンテンの屈折率も１．４６３である。

生体組織の屈折率を１．３３とすると、屈折率の小さな媒質へ光が入射することになる。

故に、全反射条件とならないように、平面平板内での光の進行角度を必要以上に大きくしてはいけない。

また、入射角、及び屈折角が増大するに連れて反射率も急増するため、この界面に反射防止膜を形成することが好ましい。

上述したように、光の透過率を向上させて生体組織へ効率的に光を照射するためには、材料特性に起因した光の透過、屈折、反射を考慮して構造並びに材料を設計すると良い。上述においては、音響波検出器脇に配置された光透過部材の斜面に入射した光が光透過部材内部で直進し平面平板へ進入する例に関して述べている。

しかしながら、本発明は光透過部材中で光が直進する場合に限定されるものではない。

例えば、光透過部材に光が入射後、部材中の斜面にて反射、即ち内部反射し光が平面平板へ進入してもよい。

このような場合は、光透過部材の入射面が平面平板に平行であることも許容され、平板に対する光透過部材の入射面の角度制約は生じない。

この場合、光透過部材は入射面以外の少なくとも一つの斜面において、部材内部で反射することが必要条件となる。

（第２の実施形態）
つぎに、第２の実施形態として、後方検出型ＰＡＴの構成例について説明する。図９に、第２の実施形態における後方検出型ＰＡＴの構成例を説明する図を示す。

本実施形態の後方検出型ＰＡＴにおいて、９０１は被測定物である生体組織、９０２は拡散光エリア、９０３は照明エリアを示し、装置は被測定物保持部材としての平面平板９０７、音響波検出器９０５、二つの光透過部材９０６ａ，９０６ｂ、及び光源により構成される。

９０４は光源より本装置に照明される照明光経路を示す。

ここで、二つの光透過部材は、音響波検出器の両脇に固定され一体化してユニット構造体を形成する。

このユニット構造体が平面平板９０７上を音響波マッチング剤の役目も兼用する潤滑剤を介して２次元的にスキャンすることにより、生体中の吸収体から発生される音響波信号を検出する。

図１０に、生体組織表面上に形成される照明エリアの断面図を示す。

図６と図１０の違いは、光透過部材の個数の違いである。

図６と同様に、光の進行する角度をα、音響波検出器の幅をＬ、平面平板厚をＤ、光の入射面での横幅をＯとし、音響波検出器は正方形または長方形とし、光の入射面での奥行き方向の長さ（紙面方向）を音響波検出器の奥行き（紙面方向）長さよりも長くする。

図５に示すような所望の光を形成するためには、入射光の横幅はＯ＞Ｌ／２であり、且つ、Ｄ＊ｔａｎ（α）≧Ｌ／２の関係を満たす必要がある。

音響波検出器の両脇から光を入射させる場合は、両脇から入射した光が音響波検出器の横幅Ｌ／２まで進入し、両脇から照射した光が音響波検出器背後に位置する生体表面全面を照射する。

図６と比較した場合、Ｄ及びＬが同じ条件では進行角度αを小さくすることが可能である。

進行角度が小さいほど、平面平板内での光の透過率の減衰を少なくすることが可能である。

また、平面平板と生体界面で生じる入射角及び屈折角の低減は反射率の低減にも繋がり、より好ましい形態である。

Ｌ及びαが同じ条件の場合、平面平板厚Ｄは薄くなり、図６で上述したように音響波信号強度の向上につながる。

（第３の実施形態）
つぎに、第３の実施形態として、両面照射型ＰＡＴの構成例について説明する。図１１に、第３の実施形態における両面照射型ＰＡＴの構成例を説明する図を示す。

本実施形態の両面照射型ＰＡＴは、第２の実施形態の後方検出型ＰＡＴと検出器の対向側から入射する前面検出型ＰＡＴを組み合わせた形態である。

１１０１は被測定物である生体組織、１１０２は拡散光エリア、１１０３ａは音響波検出器側からの照明エリア、１１０３ｂは音響波検出器対面側からの照明エリアを示す。

装置は音響波検出器側の被測定物保持部材である平面平板が１１０７ａ、音響波検出器対向側の平行平板部材が１１０７ｂ、音響波検出器１１０５、二つの光透過部材１１０６ａと１１０６ｂ、及び光源により構成される。

光源より本装置に照明される照明光経路を１１０４に示す。光源は音響波検出器側と対向側に別々のパスルレーザーを用意しても同じパルスレーザーを用意しても構わない。

二つの異なるパルスレーザーを使用する場合、照射時間ずれであるジッターは、検出対象とするサイズに依存するが、数ｍｍの分解能を得るためには、１００ナノ秒以内のジッターでパルスレーザーを照射すればよい。

平面平板を用いて乳房を挟み圧迫し、乳房厚を薄くして診断する手法は、ＰＡＴの深さ分解能の限界を補う事が可能な有効な手法である。しかしながら、片面側の照明では、音響波検出器近傍の乳房は光照射される表面に対して深部に相当する。

故に、音響波検出器近傍の乳房内に位置する吸収体（ここでは新生血管）に到達する光量が著しく減少し、信号強度が小さくなる。

一方、両面照射型ＰＡＴでは、同量の光量を両面から照明した場合、最小信号部位が平面平板に対して中央部分の生体部分となる。

即ち、利用光量同一、且つ生体組織厚を一定にして前方検出型ＰＡＴと両面照射型ＰＡＴとを比較した場合、光の利用効率上明らかに両面照射型ＰＡＴの方が有利となる。

この第３の実施形態は、２枚の平板を用いて測定する生体組織の厚みを調整しつつ、両面照射型ＰＡＴを採用することにより、生体組織全体を効率よく測定する方法を実現し得る実施形態である。

以上の本実施形態の構成によれば、音響波検出器と同一側より照明する光が、音響波検出器の背後全体に照明エリアを形成する。

更に、平面平板で挟まれた生体組織の両面から光照射を行うことで生体組織全体に効率的に照明することが可能となり、光音響信号を精度良く測定することが可能となる。

上述した実施形態１から３では、正方形または長方形に素子が配列した２次元アレイ音響波検出素子の脇に光透過部材が存在する場合を概説した。

しかし、これ以外に、２次元アレイ音響波検出素子を２つ以上に分割し２次元アレイ音響波検出素子間に光透過部材が位置する場合でも構わない。

即ち、本発明の生体情報取得装置は、様々な形状を有する音響波検出器の脇に配置する光透過部材を光導波路として素子背後部分の生体組織に効率的に光を照射するものである。

以下に、本発明の実施例について説明する。

［実施例１］
実施例１では、本発明を適用した後方検出型ＰＡＴの構成例について説明する。生体組織に対して、図４に示すような構成による、平面平板、音響波検出器、光透過部材からなる後方検出型ＰＡＴを用意する。

光源は１０６４ｎｍに発振波長を有するパルスレーザーであるＮｄ：ＹＡＧを用いる。ここで、音響波検出器と光透過部材は一体化したユニット構造を形成する。

平面平板には、屈折率１．４６３のポリメチルペンテンを用い、厚さを１２．５ｍｍとする。

平面平板の生体組織接との接触面には、生体組織の屈折率を１．３３とみなした反射防止膜を形成する。

音響波検出器は、２次元に音響波検出素子が配列したアレイ状検出器を用い、検出面のサイズは横２３ｍｍｘ縦４６ｍｍとする。

図４に示す音響波検出器の横幅Ｌが２３ｍｍである。光透過部材には、光学ガラス材料であるｓｃｈｏｔｔのＢＫ７からなる三角プリズムを用いる。プリズムの屈折率が１．５０７である。

光が入射する三角プリズムの傾斜面は平面平板の法線方向に対して〜６１°の角度にする。この面には、光の入射角度に適合した反射防止膜をコートする。

ここでは、入射角度をこの傾斜面に対して〜４５°としたため、この角度に対応する反射防止膜とする。

また、光が射出するプリズム底面と傾斜面以外の面には反射膜をコートする。

ユニット構造体を平面平板上でスキャンさせて音響波信号を取得するが、平面平板とユニット構造体の間にはひまし油を供給する。

ひまし油の屈折率は〜１．４８である。屈折率の大小関係は、プリズム＞ひまし油＞ポリメチルペンテンとなる。

プリズムの傾斜面に〜４５°で入射するレーザーパスル光は、屈折角〜２７°でプリズム内を進行して、平面平板との界面に侵入する。この界面を基準とすると入射角度は〜５６°に相当する。

プリズム、ひまし油、平面平板の屈折率が近いために反射の寄与は低く、平面平板内を平面平板の法線方向に対して〜６１°で光は進行する。

生体組織を模倣した縦２０ｍｍ、横４０ｍｍ、深さ２０ｍｍの拡散媒体からなるファントムを用意する。

このファントムに本実施例のＰＡＴ装置にて音響波信号を検出すると、音響波検出器の検出面背後全体を照明することが可能になり、ファントム中に設置する吸収体から良好な音響波信号を取得することができる。

［実施例２］
実施例２では、本発明を適用した実施例１とは異なる形態の後方検出型ＰＡＴの構成例について説明する。

生体組織に対して、図９に示すような構成による、平面平板、音響波検出器、光透過部材からなる後方検出型ＰＡＴを用意する。

ここでは、音響波検出素子両脇より生体に光を照明する。光源は１０６４ｎｍに発振波長を有するパルスレーザーであるＮｄ：ＹＡＧを用いる。

ここでは、二つの光透過部材が音響波検出器の両脇に固定化されており、音響波検出器と光透過部材は一体化したユニット構造体を形成する。

平面平板は実施例１と同様である。音響波検出器は、２次元に音響波検出素子が配列したアレイ状検出器を用い、検出面のサイズは横４４ｍｍ、縦４４ｍｍとする。

光透過部材には、光学ガラス材料も実施例１と同様である。

平面平板とユニット構造体の間には実施例１と同様のひまし油を供給する。光の進行経路も実施例１と同様である。

生体組織を模倣した縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、深さ２０ｍｍの拡散媒体からなるファントムを用意し、このファントムに本実施例のＰＡＴ装置にて音響波信号を検出すると、ファントム中に設置する吸収体から良好な音響波信号を取得することができる。

生体組織表面では両脇から照射するレーザー光が音響波検出器の検出面の背後全体を照明するため、生体組織全体を照明することが可能である。

実施例１と比較すると、より広い面積の検出面を有する音響波検出器を用いる事ができるため、１回で診断可能となる面積が広がり診断時間の短縮等に寄与する。

［実施例３］
本実施例は図１３示すように、光透過部材１３０６以外は、図９に示す音響波検出器と光透過部材が一体化したユニット構造体を形成する実施例２と同じである。

実施例２で用いた三角形の光透過部材に代わりに図１３では台形状の光透過部材を用いる。

ここでは、光透過部材にレーザー光が入射後、光透過部材の平面状の斜面で内部反射し平面平板へ光は進入する。

平面平板に対して所望の角度の斜面とすることにより、平面平板へ進入する入射角を実施例２と同じ角度に調整することが可能であり、実施例２と同等の効果を有する。

［実施例４］
実施例４では、本発明を適用した両面照射型ＰＡＴの構成例について説明する。本実施例は、図１１に示すような両面照射型ＰＡＴを構成する。

音響波検出器側の装置及び光の入射は同じである。

音響波検出器との対面側に平行平板部材を用意し、生体組織を二つの平板にて挟む構成をとる。ここでは、圧迫厚を制御する機構を設けている。

対面側からは音響波検出器の検出面より広い面積を有するレーザーパルス光を平面平板の法線方向から照射する。照射軸は音響波検出器の中心軸と一致させる。生体組織を模倣した縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、深さ４０ｍｍの拡散媒体からなるファントムを用意し、このファントムに本実施例のＰＡＴ装置にて音響波信号を検出すると、ファントム中に設置する吸収体から良好な音響波信号を取得することができる。

本実施例のような構成をとることにより、片面から照射する場合と比較してより効率的に照明することが可能となる。

特に、両面照射型ＰＡＴでは、片面照射では効率良く照明することができない深部の生体組織からも強い音響波信号が得られる。

（比較例）
以下、本発明との比較例について説明する。

生体組織に対して、図７に示すような構成による、平面平板、音響波検出器からなる後方検出型ＰＡＴを用意する。

光源は１０６４ｎｍに発振波長を有するパルスレーザーであるＮｄ：ＹＡＧを用いる。平面平板には、屈折率１．４６３のポリメチルペンテンを用い、厚さを１２．５ｍｍとする。

平面平板に直接大気よりレーザーが入射するが、入射角８０°に対応する反射防止膜を付ける。本比較例ではスキャンさせずに測定し、音響波検出器と平面平板間にのみ音響波の伝達を担保するためにひまし油を供給する。ひまし油の屈折率は〜１．４８である。

平面平板への入射角８０°で入射したレーザー光は屈折角〜４０°となり、平面平板内にて４０°で光が進行する。

上記条件では、音響波検出器の検出面背後全体を照明することができないため、ファントム中に設置する吸収体のうち、特に照射面から離れた領域からの信号が劣化する。そのため、このように比較例では実施例１と比較して良好な音響波信号を取得することができない。

［実施例５］
本実施例は図１４に示すように、音響波検出器が２分割されている。

音響波検出器の外側両脇及び音響波検出器間に光透過部材が具備されて、これら音響波検出器と光透過部材が一体化したユニット構造体を形成する。

実施例２で示した場合と同様に音響波検出器の外側から音響波検出器背面を照明すると共に、音響波検出素子間を通過した光も光透過部材の斜面に入射後、角度を付けて生体へ入射して音響波検出器背面に存在する生体を照明する。

このため、実施例２と同様に生体組織全体を効率的に照明することが可能である。

１０１生体組織
１０２拡散光エリア
１０３照明エリア
１０４音響波検出器
１０５照明光経路
２０１生体組織
２０２拡散光エリア
２０３照明エリア
２０４音響波検出器
２０５照明光経路
３０１生体組織
３０２拡散光エリア
３０３照明エリア
３０４音響波検出器
３０５照明光経路
４０１生体組織
４０２拡散光エリア
４０３照明エリア
４０４照明光経路
４０５音響波検出器
４０６光透過部材
４０７平面平板
４０８走査ユニット
４０９走査ユニット位置制御手段
５０１音響波検出器
５０２照明エリア
５０３画像再構成領域
５０４拡散光エリア
５０５平面平板
５０６生体組織
６０１音響波検出器
６０２照明エリア
６０３照明光経路
６０４拡散光エリア
６０５平面平板
６０６光透過部材
６０７生体組織

Claims

光源からの光を被測定物に入射し、それによって該被測定物から発生する音響波を検出する情報取得装置であって、アレイ状に並んだ音響波検出素子を有し、第１の方向の幅がＬである音響波検出器と、前記被測定物の前記音響波検出素子に対向した位置に、前記光源からの光に基づく照射エリアを形成するように、前記第１の方向に前記音響波検出器と並んで設けられているプリズムと、前記プリズムから出射される光を通過させて前記被測定物の前記照射エリアに導く、厚さがＤである部材とを備え、前記プリズムを介して、前記照射エリアに向かって進行する光の進行角度をαとした場合に、前記照射エリアの前記第１の方向のサイズが、前記音響波検出器の幅Ｌよりも大きくなるように、Ｄ＊ｔａｎ（α）≧Ｌを満足することを特徴とする情報取得装置。
前記照射エリアは、前記被測定物表面における前記音響波検出器の検出面背後に対応した領域全体を含むように前記プリズムは構成されている請求項１に記載の情報取得装置。
前記部材は、前記光源と前記被測定物との間に設けられている請求項１から２のいずれか１項に記載の情報取得装置。
前記部材は、平行平板であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の情報取得装置。
前記音響波検出器は２次元アレイ状に配列している請求項１から４のいずれか１項に記載の情報取得装置。
前記音響波検出器と前記プリズムは一体化してユニット構造体を構成し、該ユニット構造体は２次元走査されるように構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の情報取得装置。
光源からの光を被測定物に入射し、それによって該被測定物から発生する音響波を検出する情報取得装置であって、パルス光を出力するための光源と、アレイ状に並んだ音響波検出素子を有し、第１の方向の幅がＬである音響波検出器と、前記被測定物の前記音響波検出素子に対向した位置に、前記光源からの光に基づく照射エリアを形成するように、前記第１の方向に前記音響波検出器と並んで設けられている光透過部材と、前記光透過部材から出射される光を通過させて前記被測定物の前記照射エリアに導く、厚さがＤである部材とを備え、前記光透過部材を介して、前記照射エリアに向かって進行する光の進行角度をαとした場合に、前記照射エリアの前記第１の方向のサイズが、前記音響波検出器の幅Ｌよりも大きくなるように、Ｄ＊ｔａｎ（α）≧Ｌを満足することを特徴とする情報取得装置。
前記光透過部材は三角プリズムである請求項７に記載の情報取得装置。