JPWO2020065727A1 - 光音響撮影装置および方法 - Google Patents

Abstract

照射時間間隔をあけた２以上のパルス状の励起光を、標本（Ｘ）の同一位置に照射する励起光照射部（３）と、励起光照射部（３）により励起光が照射された位置において発生した音響波を検出する音響波検出部（４）と、検出された音響波に基づいて、標本（Ｘ）の画像を生成する画像生成部（６）と、照射時間間隔を制御するパルス制御部（９）とを備え、単一のパルス状の励起光により発生する音響波が、周期的に発生する複数の正のピークを有し、パルス制御部（９）が、先行する励起光に対して発生する音響波の２つ目の正のピークと、後続する励起光に対して発生する音響波の１つ目の正のピークとが重なるタイミングに照射時間間隔を制御する光音響撮影装置（１）である。

Description

本発明は、光音響撮影装置および方法に関するものである。

パルス状の励起光を標本に照射し、標本において発生した音響波を検出することにより標本の画像を取得する光音響撮影装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特表２０１１−５１９２８１号公報

特許文献１の装置では、標本において発生する音響波のピーク強度が極めて小さく、取得される画像のＳ／Ｎ比が低いという不都合がある。ピーク強度を向上するためには、照射する励起光の強度を高くする必要があるが、標本に励起光のエネルギが空間的および時間的に集中するため、標本の温度が上昇してしまい、標本が大きなダメージを受けるという不都合がある。
本発明は、標本に与えるダメージを大きくすることなく、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を取得することができる光音響撮影装置および方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、照射時間間隔をあけた２以上のパルス状の励起光を、標本の同一位置に照射する励起光照射部と、該励起光照射部により前記励起光が照射された前記位置において発生した音響波を検出する音響波検出部と、検出された前記音響波に基づいて、前記標本の画像を生成する画像生成部と、前記励起光照射部により前記標本に照射する前記励起光の前記照射時間間隔を制御するパルス制御部とを備え、単一のパルス状の前記励起光により発生する前記音響波が、周期的に発生する複数の正のピークを有し、前記パルス制御部が、先行する前記励起光に対して発生する前記音響波の２つ目の正のピークと、後続する前記励起光に対して発生する前記音響波の１つ目の正のピークとが重なるタイミングに前記照射時間間隔を制御する光音響撮影装置である。

本態様によれば、パルス状の励起光が標本に照射されると、標本の照射された位置において音響波が発生し、音響波検出部により検出される。画像生成部において、標本の各位置における音響波の大きさを測定して配列することにより、標本の音響波画像を生成することができる。

この場合において、パルス状の励起光の照射に応じて発生する音響波は、標本および音響波検出部に依存する周期で、複数の正のピークが配列される波形を有する。パルス制御部により、２以上のパルス状の励起光の照射時間間隔を、先行する励起光に対して発生する音響波の２つ目の正のピークと、後続する励起光に対して発生する音響波の１つ目の正のピークとが重なるタイミングに制御することにより、先行する励起光に対する２つ目の正のピークの時刻における音響波のピーク値として、２つの音響波のピーク値を加算したより大きな値とすることができる。これにより、入射する励起光の強度を増大させずに済み、標本に与えるダメージを大きくすることなく、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を取得することができる。

上記態様においては、前記励起光照射部が、前記照射時間間隔の１／４以下の射出時間間隔で前記励起光を射出可能な光源を備え、前記パルス制御部が、前記光源を制御して、前記励起光を間引いてもよい。
この構成により、標本において発生する音響波の正のピークの周期が、光源からのパルス状の励起光の射出時間間隔の整数倍の関係となっていなくても、パルス制御部が光源からの励起光を間引くだけで、先行する励起光に対して発生する音響波の２番目の正のピークと、後続する励起光に対して発生する音響波の１番目の正のピークとをある程度重ねることができ、検出される音響波の強度を増大させることができる。

また、上記態様においては、前記励起光照射部が、射出時間間隔を調整可能な光源を備え、前記パルス制御部が、前記音響波の周期に一致するタイミングに前記射出時間間隔を制御してもよい。
この構成により、先行する励起光に対して発生する音響波の２番目の正のピークと、後続する励起光に対して発生する音響波の１番目の正のピークとを精度よく一致させることができ、検出される音響波の強度を効果的に増大させることができる。

また、本発明の他の態様は、照射時間間隔をあけた２以上のパルス状の励起光を、標本の同一位置に照射し、前記励起光が照射された前記位置において発生した音響波を検出し、検出された前記音響波に基づいて、前記標本の画像を生成し、単一のパルス状の前記励起光により発生する前記音響波が、周期的に発生する複数の正のピークを有し、先行する前記励起光に対して発生する前記音響波の２つ目の正のピークと、後続する前記励起光に対して発生する前記音響波の１つ目の正のピークとが重なるタイミングに前記照射時間間隔を調節する光音響撮影方法である。

本発明によれば、標本に与えるダメージを大きくすることなく、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る光音響撮影装置を示す全体構成図である。 図１の光音響撮影装置により、単一のパルス状のレーザ光を照射することにより標本において発生する音響波の強度の時間変化の一例を示す図である。 図１の光音響撮影装置により、２つのパルス状のレーザ光を照射することにより標本において発生する音響波の強度の時間変化の一例を示す図である。 図３の２つの音響波が発生したときに検出される音響波の強度の時間変化の一例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る光音響撮影装置１および光音響撮影方法について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る光音響撮影装置１は、図１に示されるように、標本Ｘを載置するステージ２と、ステージ２に載置された標本Ｘに励起光を照射する励起光照射部３と、励起光の照射により標本Ｘにおいて発生した音響波を検出する音響波検出部４と、ステージ２に固定されたウォータタンク５と、検出された音響波に基づいて画像を生成する画像生成部６とを備えている。

ステージ２は、搭載した標本Ｘを３次元方向に移動させることができる。すなわち、後述する対物レンズ８に対してステージ２を鉛直方向に上下動させることにより、対物レンズ８の焦点位置を標本Ｘの深さ方向に移動させることができる。また、対物レンズ８に対してステージ２を水平方向に移動させることにより、レーザ光の照射位置を水平方向に調整することができる。

励起光照射部３は、パルス状のレーザ光を発生する光源７と、光源７を制御するパルス制御部９と、光源７において発生したレーザ光を標本の関心領域に集光する対物レンズ８を備えている。また、励起光照射部３は、所定の照射時間間隔をあけた２以上のパルス状のレーザ光を標本Ｘの同一位置に照射する。
図中、符号３ａは集光レンズ、１０はミラー、１１はピンホール、１２はビームスプリッタ、１３は接眼レンズである。

音響波検出部４は、標本Ｘにおいて発生した音響波をレーザ光の光路から分岐する分岐素子１４と、分岐素子１４の上面に接触して配置された音響波トランスデューサ１５とを備えている。音響波トランスデューサ１５は、検出した音響波の強度を電圧信号として出力する。図中、符号１６は音響波トランスデューサ１５から出力された電圧信号を増幅する増幅器である。
画像生成部６は、増幅器１６により増幅された音響波強度の電圧信号とステージ２の位置情報とに基づいて画像を生成する。

分岐素子１４は、三角プリズム１７と平行四辺形プリズム１８とを組み合わせて構成され、対物レンズ８の先端に近接して配置されている。
相互に隣接配置された三角プリズム１７の傾斜面と平行四辺形プリズム１８の傾斜面とは、両者間に配置される液体、すなわち、光学的な屈折率が整合しかつ低音響インピーダンスの不揮発性液体、例えば、低分子量シリコーンオイルの薄い層によって分離されている。この層により分岐面１９が構成されている。

対物レンズ８の先端下方に対向して配置される三角プリズム１７の上面は、対物レンズ８の光軸に直交して配置されている。
これにより、対物レンズ８から射出され、三角プリズム１７に入射するレーザ光は分岐面１９を透過して平行四辺形プリズム１８の下面から分岐素子１４外に放出される。この際に、三角プリズム１７の上面および分岐面１９におけるレーザ光に発生する屈折が抑えられ、対物レンズ８から射出されたレーザ光は真っ直ぐに鉛直下方の標本Ｘに照射される。

本実施形態においては、平行四辺形プリズム１８の下面は、レーザ光が射出されるとともに、音響波が入射される。この下面には、入射する音響波を収集する凹部（音響レンズ）２０が設けられている。平行四辺形プリズム１８の下面から分岐素子１４内に入射する音響波は、凹部２０において収集させられて平行四辺形プリズム１８内に入り、平行四辺形プリズム１８内の、分岐面１９および分岐面１９に平行な対向面において反射された後、対向面に隣接する平行四辺形プリズム１８の上面から分岐素子１４内に射出される。この上面に音響波トランスデューサ１５を配置しておくことにより、音響波を検出することができる。

ウォータタンク５は、水面を形成する形態で水２２を貯留可能な容器であって、底面が、標本Ｘに接触して変形可能なメンブレン２１を備えている。メンブレン２１は、レーザ光および音響波を透過可能な、例えば、シリコーン樹脂等の材質により構成されている。貯留された水２２の水面に、気泡を形成しない状態に平行四辺形プリズム１８の下面を浸すことにより、当該下面におけるレーザ光の屈折を防止するとともに、音響波を損失させずに分岐素子１４に入射させることができる。また、水面に平行四辺形プリズム１８の下面を浸したままの状態で、ウォータタンク５と分岐素子１４とを相対的に移動させることができる。

ここで、単一のパルス状のレーザ光が標本Ｘに照射されることにより、レーザ光の照射位置において発生する音響波は、一般に、図２に示されるように、時間間隔をあけて周期的に発生する複数の正のピークを有している。正のピークの発生周期は、標本Ｘの種類およびレーザ光の波長等によって異なるため、予め測定し記憶しておけばよい。

本実施形態においては、光源７として、上記において予め測定された音響波の正のピークの時間間隔の１／４以下の時間間隔でパルス状のレーザ光を射出可能な光源を用いている。
そして、パルス制御部９は、励起光照射部３から照射時間間隔をあけて標本Ｘの同一位置に照射される２つのパルス状のレーザ光の照射時間間隔を制御する。

具体的には、パルス制御部９は、増幅器１６に入射した音響波トランスデューサ１５からの電圧信号をトリガーとして、時間間隔をあけた２つのパルス状のレーザ光の内、先行するレーザ光の照射により標本Ｘにおいて発生する音響波の最初から２つ目の正のピークと、後続するレーザ光の照射により標本Ｘにおいて発生する音響波の最初の正のピークとが重なるタイミングに照射時間間隔を制御する。

さらに具体的には、パルス制御部９は、光源７から発せられるパルス状のレーザ光を間引くことにより、上記タイミングに最も近い２つのパルス状のレーザ光を選択的に光源７から射出させる。光源７は、上記タイミングの１／４以下の時間間隔でパルス状のレーザ光を射出可能であるため、いずれか２つのパルス状のレーザ光の時間間隔が、上記タイミングに近接する可能性が高い。ここで、音響波の２つのピークが重なるとは、完全に一致する場合の他、部分的に重なる場合も含んでいる。

次に、本実施形態に係る光音響撮影装置１を用いた光音響撮影方法について以下に説明する。
本実施形態に係る光音響撮影装置１を用いて標本Ｘの撮影を行うには、ステージ２にマウス等の標本Ｘを載置し、図１に示されるように、標本Ｘの上方から、水２２を満たしたウォータタンク５の底面のメンブレン２１を標本Ｘの表面に密着させた状態でウォータタンク５をステージ２に固定する。

そして、対物レンズ８の焦点位置が標本Ｘ内部の所望の位置に配置される位置までステージ２を上昇させた時点で、光源７からパルス状のレーザ光を発生させる。光源７はパルス制御部９により制御されることにより、所定の照射時間間隔をあけた２つのパルス状のレーザ光を射出し、射出されたレーザ光が集光レンズ３ａおよびピンホール１１を経てビームスプリッタ１２を通過して対物レンズ８により集光され、分岐素子１４およびウォータタンク５の水２２を透過して標本Ｘの同一位置に入射される。

この場合において、先行するパルス状のレーザ光の照射により標本Ｘにおいて発生する音響波および後続するパルス状のレーザ光の照射により標本Ｘにおいて発生する音響波は、図３に示されるように、同等の波形を有し、２つのパルス状のレーザ光の照射時間間隔だけずれて発生する。その結果、図４に示されるように、先行するパルス状のレーザ光の２番目の正のピークと後続するパルス状のレーザ光の１番目の正のピークとが重なってピーク値が増大する。

発生した音響波は、標本Ｘ内からウォータタンク５内の水２２中を伝播して、分岐素子１４内に入り、分岐素子１４の平行四辺形プリズム１８内において分岐面１９および対向面で反射されて音響波トランスデューサ１５により検出される。音響波の発生位置から音響波トランスデューサ１５までの経路に空気層が存在しないので、音響波を減衰させることなく伝播させて効率よく検出することができる。そして、検出された音響波の強度とレーザの照射位置とが画像生成部６において対応づけられることにより、標本Ｘの画像が生成される。

この場合において、本実施形態に係る光音響撮影装置１および光音響撮影方法によれば、標本Ｘに照射するレーザ光の強度を増大させずに、発生する音響波のピーク値を増大させるので、標本Ｘに与えるダメージを大きくすることなく、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を取得することができるという利点がある。

すなわち、生体に照射するレーザ光の強度を増大させると、レーザ光のエネルギが空間的および時間的に集中して標本Ｘの温度が上昇し、標本Ｘがダメージを受けるのに対し、本実施形態に係る光音響撮影装置１および方法によれば、音響波の正のピークの間に標本Ｘからはエネルギが解放されているため、エネルギの集中による温度上昇を抑えながら大きな強度の音響波を検出することができる。

なお、本実施形態においては、一定周期でパルス状のレーザ光を射出可能な光源７を用いて、光源７から射出されるレーザ光を間引くことにより、音響波の正のピークの発生周期に近似するタイミングで２つのパルス状のレーザ光を射出させることとした。これに代えて、任意の周期でパルス状のレーザ光を射出可能な光源７を用いて射出周期を調整することにより、音響波の正のピークの発生周期に一致するタイミングで２つのパルス状のレーザ光を射出させることにしてもよい。
この場合には、検出された音響波の波形に基づいて、正のピークの発生周期を算出し、算出された発生周期に基づいて光源７を制御することにしてもよい。

また、本実施形態においては、標本Ｘを載置したステージ２を３次元方向に移動させることにより、音響波検出部４に対して標本Ｘおよびウォータタンク５を移動させたが、これに代えて、ステージ２を固定し、音響波検出部４を３次元方向に移動させることにしてもよい。
音響波伝播媒体として水２２を例示したが、他の任意の音響波伝播媒体を採用してもよい。

１ 光音響撮影装置
３ 励起光照射部
４ 音響波検出部
６ 画像生成部
７ 光源
９ パルス制御部
Ｘ 標本

Claims (4)

1. 照射時間間隔をあけた２以上のパルス状の励起光を、標本の同一位置に照射する励起光照射部と、
   該励起光照射部により前記励起光が照射された前記位置において発生した音響波を検出する音響波検出部と、
   検出された前記音響波に基づいて、前記標本の画像を生成する画像生成部と、
   前記照射時間間隔を制御するパルス制御部とを備え、
   単一のパルス状の前記励起光により発生する前記音響波が、周期的に発生する複数の正のピークを有し、
   前記パルス制御部が、先行する前記励起光に対して発生する前記音響波の２つ目の正のピークと、後続する前記励起光に対して発生する前記音響波の１つ目の正のピークとが重なるタイミングに前記照射時間間隔を制御する光音響撮影装置。
2. 前記励起光照射部が、前記照射時間間隔の１／４以下の射出時間間隔で前記励起光を射出可能な光源を備え、
   前記パルス制御部が、前記光源を制御して、前記励起光を間引く請求項１に記載の光音響撮影装置。
3. 前記励起光照射部が、射出時間間隔を調整可能な光源を備え、
   前記パルス制御部が、前記音響波の周期に一致するタイミングに前記射出時間間隔を制御する請求項１に記載の光音響撮影装置。
4. 照射時間間隔をあけた２以上のパルス状の励起光を、標本の同一位置に照射し、
   前記励起光が照射された前記位置において発生した音響波を検出し、
   検出された前記音響波に基づいて、前記標本の画像を生成し、
   単一のパルス状の前記励起光により発生する前記音響波が、周期的に発生する複数の正のピークを有し、
   先行する前記励起光に対して発生する前記音響波の２つ目の正のピークと、後続する前記励起光に対して発生する前記音響波の１つ目の正のピークとが重なるタイミングに前記照射時間間隔を調節する光音響撮影方法。
   
   
   
   
   

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