JP7215594B2

JP7215594B2 - 光音響分析方法および装置

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Publication number: JP7215594B2
Application number: JP2021555744A
Authority: JP
Inventors: 雄次郎田中; 卓郎田島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: US12105054B2; WO2021095230A1; US20220390417A1; JPWO2021095230A1

Description

本発明は、光音響法による光音響分析方法および装置に関する。

間質液の成分（例えばグルコースなどの糖）や血管などの空間的な情報は、糖尿病や悪性新生物の早期発見に対して有用である。光音響法は、物質に光を照射したときに、この物質の吸収波長域に応じて局所的な熱膨張により音波が生じることを利用して、物質の光吸収特性を知る方法である（特許文献１参照）。また、光音響法は、上述したことにより発生する音波が、超音波の一種であり、光に比べて波長が長いため、測定対象に対して散乱の影響を受けにくいという特徴がある。この特徴のため、光音響法は、生体などの散乱の大きい測定部位における測定対象の光の吸収特性を可視化する技術として注目されている。

特開２０１７－２１７２０３号公報

光音響法による測定では、一般に、半導体レーザにより生成した光を集光し、集光した光スポットを走査して測定対象が含まれる測定部位に照射し、走査している光スポット（ビーム光）が照射された各位置で発生する超音波（光音響波）を、音響センサなどで検出している。ビーム光を走査により、照射された各位置に吸収物質が存在すると超音波が発生する。この超音波を測定することにより、測定対象の光吸収特性を計測（分析）することができる。また、生体内の血糖値測定などでは、細かな光吸収特性を求める必要があることから、一定周波数で連続的に光照射することで超音波（光音響波）を発生させ、長い時定数で周波数帯域を絞ったロックイン検出により測定が行われている。

しかし、この技術では、第１に、測定する周波数を選択的に抽出するための共振器が必要となる。このように、外部に共振器が必要となる構成では、装置が複雑になる。

第２に、共振器を用いない場合は、測定部位の中で超音波の共振をさせることが必要となる。しかしながら、測定部位の表面（Arm surface）から測定部位の内部に入射した光（Light）を内部で共振させる場合、骨（Bone）などの構造物がある部分では測定が難しく、耳たぶなどきわめて限られた部位での測定を強いられる（図９参照）。

第３に、血糖などにおける測定対象となる成分は、測定部位の内部において光コントラストが小さいため、超音波を発生する光スポット、すなわち音源領域（音源分布の領域）は、光が吸収される分布と同じ領域となり、複雑で帯域の広い超音波を生じることになる。このような測定では、帯域依存の距離減衰や位相差による干渉での超音波の減衰のため、広帯域なトランスデューサを用いる必要が発生する。

ところが、広帯域なトランスデューサでは、感度を高めることが容易ではなく、高い感度で測定するためには、感度が高められる狭帯域なトランスデューサを用いることが重要となる。しかしながら、上述したように、従来は、測定装置として、狭帯域なトランスデューサを用いることができず、光音響法による分析を、高感度に行うことが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光音響法による分析を、高感度に実施することを目的とする。

本発明に係る光音響分析方法は、光源から生成された測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を測定部位に照射し、測定部で、ビーム光が照射された測定部位から、ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を測定する光音響分析方法であって、ビーム光を、測定部で測定可能な光音響信号の周波数で、周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とする第１ステップと、ビーム光のビーム半径が、周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、ビーム光を成形する第２ステップと、第１ステップでパルス光とされ、第２ステップで整形されたビーム光を測定部位に照射する第３ステップと、第３ステップでビーム光が照射された測定部位から、ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を、測定部で測定する第４ステップとを備える。

本発明に係る光音響分析装置は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を出射する光源と、光源から出射されて測定部位に照射されるビーム光を、設定されている周波数で、周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とするパルス制御部と、光源から出射されて測定部位に照射されるビーム光のビーム半径が、周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、ビーム光を成形するビーム成形部と、周波数の光音響信号が測定可能とされ、パルス制御部でパルス光とされ、ビーム成形部で整形されたビーム光が照射された測定部位から、ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を測定する測定部とを備える。

以上説明したように、本発明によれば、ビーム光を、測定部で測定可能な光音響信号の周波数で、周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とし、また、ビーム光のビーム半径が、周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、ビーム光を成形して照射するので、光音響法による分析を、高感度に実施することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る光音響分析装置の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る光音響分析方法を説明するためのフローチャートである。図３は、応力閉じ込め時間より長い光パルスを照射した場合に生じる２つのパルスについて説明する説明図である。図４は、照射されたビーム光が、測定部位の表面より内部に浸入し、光の強度分布が直ちに音源分布に変換される状態を説明する説明図である。図５は、音源分布（実線）と伝播する超音波の音圧分布（点線）を示す特性図である。図６は、生成したい超音波の周波数ｆと、光のビームウェストｗとの関係の一例を示す特性図である。図７は、ビーム成形部１０２でビームウェストを０．５ｍｍに成形し、パルス制御部１０３で、パルス幅０．５２μｓｅｃで光を照射したときに、測定部１０４で測定される９５５ｋＨｚの超音波（光音響波）の波形を示す特性図である。図８は、実施の形態により測定された超音波（光音響波）をロックイン検出した際の信号と光吸収係数の関係を示す特性図である。図９は、照射された光の、骨（Bone）などの構造物がある測定部位の表面からの分布の状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光音響分析装置について図１を参照して説明する。この光音響分析装置は、ビーム光を出射する光源１０１と、ビーム光を成形するビーム成形部１０２と、ビーム光をパルス光とするパルス制御部１０３と、光音響信号を測定する測定部１０４とを備える。

光源１０１は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光１２１を出射する。光源１０１は、測定対象としてのグルコースが吸収する波長のビーム光１２１を出射する。光源１０１は、例えば、半導体レーザから構成することができる。

パルス制御部１０３は、光源１０１から出射されて測定部位１５１に照射されるビーム光１２３を、設定されている周波数で、周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とする。ビーム成形部１０２は、光源１０１から出射されて測定部位１５１に照射されるビーム光１２３のビーム半径が、周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、ビーム光１２１を成形する。例えば、ビーム成形部１０２でビーム光１２１を成形して成形ビーム光１２２とし、パルス制御部１０３で、成形ビーム光１２２をパルス光としたビーム光１２３とする。また、例えば、パルス制御部１０３で、ビーム光１２１をパルス光とし、このパルス光をビーム成形部１０２で成形して測定部位１５１に照射することもできる。

測定部１０４は、パルス制御部１０３でパルス光とされ、ビーム成形部１０２で整形されたビーム光１２３が照射された測定部位１５１から、ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を測定する。測定部１０４は、超音波である光音響波を検出して電気信号（光音響信号）に変換するトランスデューサ（狭帯域なトランスデューサ）から構成することができる。

ここで、測定部１０４は、周波数の光音響信号が測定可能とされており、この周波数が、ビーム成形部１０２、パルス制御部１０３に設定される周波数となる。なお、測定部位１５１と、測定部１０４との間での光音響信号の反射を抑制するために、音響インピーダンスを調整する音響整合層１０６を、測定部位１５１と測定部１０４との間に配置することもできる。

また、この光音響分析装置では、測定部１０４が測定した光音響信号により、分析部１０５が物質の特性を求める。分析部１０５は、測定部１０４が測定した光音響信号より、物質の濃度を求める。

次に、本発明の実施の形態に係る光音響分析方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。この光音響分析方法は、光源１０１から生成された測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を測定部位１５１に照射し、測定部１０４で、ビーム光が照射された測定部位１５１から、ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を測定する。

まず、第１ステップＳ１０１で、パルス制御部１０３により、ビーム光を、測定部１０４で測定可能な光音響信号の周波数で、周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とする。また、第２ステップＳ１０２で、ビーム成形部１０２により、ビーム光のビーム半径が、周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、ビーム光を成形する。なお、第２ステップＳ１０２の後に、第１ステップＳ１０１を実施することもできる。

次に、第３ステップＳ１０３で、第１ステップＳ１０１でパルス光とされ、第２ステップＳ１０２で整形されたビーム光を測定部位１５１に照射する。この後、第４ステップＳ１０４で、ビーム光が照射された測定部位１５１から、ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を、測定部１０４で測定する。また、第５ステップＳ１０５で、分析部１０５が、測定された光音響信号より、物質の特性（例えば物質の濃度）を求める。

以下、より詳細に説明する。前述したように、光照射によって複雑で帯域の広い光音響波（超音波）が生じる状態では、広帯域なトランスデューサを用いることが必要となり、感度を高めることができない。感度を高めるためには、狭帯域なトランスデューサを用いることが重要となる。このためには、光音響法による測定においては、光照射により、特定の周波数にエネルギーが集められた超音波、言い換えると、特定の周波数となる超音波が生成されるようにすることが重要となる。

ここで、測定部位の内部における測定対象の光吸収コントラストが小さい場合、コリメートされた光（ビーム光）は、ベール則に従い、光吸収係数に対応し、測定部位の表面から徐々に吸収され、式（１）に示す分布となる（図９参照）。また、超音波の発生は式（２）のように光の吸収に比例する。

なお、Γは、グリュナイゼン係数、μは、測定対象（測定部位）における光吸収係数、Ｆは、光のエネルギー、Ｆ₀は、測定部位表面における光エネルギー、ｗは、ビームウェスト（ビーム半径）、ｒは、照射される光の光軸からの距離、ｚは、光軸方向の測定部位の表面からの距離、Ｉは、時間領域の光強度分布（パルスの形）である。

以上のことより、光照射により発生する超音波源の分布により光強度を正弦波状に変調して照射しても、超音波源と伝播していく超音波の干渉で複雑な波面やさまざまな周波数成分が生じ、また減衰を生じてしまう。また、光音響効果により発生する超音波の音圧は、光強度の時間微分に比例する。このため、なだらかな変化となる正弦波（Harmonic）での変調は、変換効率の観点で不利となる（表１参照）。なお、表１では、有利不利の判定結果を、「○」、「△」、「×」の順に示している。

そこで、本発明では、パルス状の光（ビーム光）を測定対象（測定部位）に照射する（表１の右参照）。

次に、光音響波は、応力閉じ込め時間（代表長さ／音速、この場合では代表長さはビームの直径となる）内において照射された光エネルギーが超音波として放出される。なお、応力閉じ込め時間は、ビーム光の照射によって測定部位の内部で発生した応力が、ビーム光の照射領域の、ビーム光の光軸に直交する方向に伝わるまでの時間である。このため、図３の（ａ）に示すように、応力閉じ込め時間より長い光パルスを照射した場合は、図３の（ｂ）および図３の（ｃ）に示すような、２つのパルスを生じる。生じる音圧は、式（２）に示すとおり、光強度の時間変化に比例するため、生じる２つの波は符号が反転した対称の音圧分布となる。

従って、測定の感度を高めるために、光音響効果により発生させる超音波を、ある特定の周波数ｆとするためには、パルス幅１／２ｆの光パルスを周波数ｆで照射すればよいことになる。このように長いパルス幅の光パルスの照射により発生するの正負の波を組み合わせることにより、ナノ秒パルスの繰り返しを利用する場合に生じる偶次の高調波をゼロにすることができる。しかし、この段階では、得られる超音波は、まだ広い周波数の帯域を持ったものである。

次に、上述したように偶次の高調波をゼロにした状態で得られた超音波の帯域を、以下に示すように、さらに狭くし、より正弦波に近づけていく。

先に説明したように、照射されたビーム光（Light irradiation）が、測定部位の表面（Sample surface）より内部に浸入すると、光の強度分布は、直ちに音源分布に変換される（図４参照）。この、光音響（Photoacoustic：PA）効果により発生して、光軸（ｚ軸）より離れる直交方向に伝搬（propagation）する光音響波（PA wave）の分布である音源分布は、「ｅｘｐ（－２ｒ²／ｗ²）ｅｘｐ（－μｚ）・・・（３）」で表すことができる。

ここで、式（３）の「ｅｘｐ（－２ｒ²／ｗ²）・・・（４）」で示される、光軸直交方向の音圧分布に着目する。この式（４）を、光軸直交方向の距離ｒに関してテイラー展開すると、「１－（２ｒ²）／（ｗ²）・・・（５）」となる。

また、生成したい周波数の超音波は、「ｅｘｐ｛ｉ２πｆ（ｒ／ｃ）｝・・・（６）」で表すことができる。なお、「ｉ」は、虚数単位を示す。また、「ｃ」は、音速である。この式（６）を光軸直交方向の距離ｒに関してテイラー展開すると、「１－１／２｛２πｆ（ｒ／ｃ）｝²・・・（７）」となる。

ここで、図５に示すように、音源分布（実線）と伝播する超音波の音圧分布（点線）は非常によく近似でき、式（６）と式（７）とは等しいものとすることができる。これより、生成したい超音波の周波数ｆと、光のビームウェストｗとの関係を示す「ｆ＝ｃ／（πｗ）・・・（８）」が得られる。式（８）で示される関係より、光音響効果により生成させたい周波数の超音波に対応させて、ビームウェスト（ビーム半径）と適切なパルス幅を決定することができる。この関係について、図６に一例を示す。

図７に、ビーム成形部１０２でビームウェストを０．５ｍｍに成形し、パルス制御部１０３で、パルス幅０．５２μｓｅｃで光を照射したときに、測定部１０４で測定される９５５ｋＨｚの超音波（光音響波）の波形を示す。このように超音波が得られる状態において、測定対象の成分濃度が変化して光吸収係数が変化すると、この超音波の振幅が、濃度変化に伴って変化する。この変化を元に、分析部１０５により測定対象の物質の濃度を求めることができる。

図８に、上述した超音波をロックイン検出した際の信号と光吸収係数の関係を示す。初期の信号Ｓ０を基準として、成分濃度が変化した後の信号Ｓ１とし、（Ｓ１－Ｓ０）／Ｓ０によって規格化した値を縦軸にとっている。共振器などを利用せずに特定の周波数の超音波が生成され、測定対象の物質の光吸収係数に対して線形な応答が得られ、測定部位内部における測定対象の成分濃度変化を測定することができることがわかる。

以上に説明したように、本発明では、ビーム光を、測定部で測定可能な光音響信号の周波数で、周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とし、また、ビーム光のビーム半径が、周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、ビーム光を成形して照射するので、測定に、例えば、狭帯域なトランスデューサを用いることが可能となる。このように、感度が高められる狭帯域なトランスデューサを用いることができるので、本発明によれは、光音響法による分析を、高感度に実施することができる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…光源、１０２…ビーム成形部、１０３…パルス制御部、１０４…測定部、１０５…分析部、１０６…音響整合層、１２１…ビーム光、１２２…成形ビーム光、１２３…ビーム光、１５１…測定部位。

Claims

光源から生成された測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を測定部位に照射し、測定部で、前記ビーム光が照射された前記測定部位から、前記ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を測定する光音響分析方法であって、
前記ビーム光を、前記測定部で測定可能な光音響信号の周波数で、前記周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とする第１ステップと、
前記ビーム光のビーム半径が、前記周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、前記ビーム光を成形する第２ステップと、
前記第１ステップでパルス光とされ、前記第２ステップで整形された前記ビーム光を前記測定部位に照射する第３ステップと、
前記第３ステップで前記ビーム光が照射された前記測定部位から、前記ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を、前記測定部で測定する第４ステップと
を備える光音響分析方法。
請求項１記載の光音響分析方法において、
前記第４ステップで測定された光音響信号より、前記物質の特性を求める第５ステップをさらに備えることを特徴とする光音響分析方法。
請求項２記載の光音響分析方法において、
前記第５ステップは、前記第４ステップで測定された光音響信号より、前記物質の濃度を求めることを特徴とする光音響分析方法。
測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を出射する光源と、
前記光源から出射されて測定部位に照射される前記ビーム光を、設定されている周波数で、前記周波数の２倍の逆数をパルス幅のパルス光とするパルス制御部と、
前記光源から出射されて前記測定部位に照射される前記ビーム光のビーム半径が、前記周波数をｆとして音速／（π×ｆ）により求められる値となるように、前記ビーム光を成形するビーム成形部と、
前記周波数の光音響信号が測定可能とされ、前記パルス制御部でパルス光とされ、前記ビーム成形部で整形された前記ビーム光が照射された前記測定部位から、前記ビーム光の光軸に直交する方向に発生する光音響信号を測定する測定部と
を備える光音響分析装置。
請求項４記載の光音響分析装置において、
前記測定部が測定した光音響信号より、前記物質の特性を求める分析部をさらに備えることを特徴とする光音響分析装置。
請求項５記載の光音響分析装置において、
前記分析部は、前記測定部が測定した光音響信号より、前記物質の濃度を求めることを特徴とする光音響分析装置。