JP2016120184A

JP2016120184A - 光音響計測プローブおよび光音響計測装置

Info

Publication number: JP2016120184A
Application number: JP2014263181A
Authority: JP
Inventors: 貴弘吹田; Takahiro Fukita; 古川　幸生; Yukio Furukawa; 幸生古川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2016-07-07

Abstract

【課題】プローブの向きによって音響整合剤がプローブからこぼれず、音響マッチングを取りやすい音響整合部材を提供する。【解決手段】光音響計測プローブ１０１は、被検体に光を照射する光照射部１０２と、第１面に設けられた複数の検出素子１０３を備えるとともに、被検体１１０から発せられた音響波を検出する音響波検出部と、自重により変形せず、かつ、被検体に当接することで被検体の形状に沿って変形する音響整合部材１０４を、第１面に有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光音響計測に用いられるプローブおよびこれを用いた光音響計測装置に関する。

光音響効果を利用した計測方法が注目されている。この計測方法は、被検部位に対してパルス光の照射を行い、被検部位の内部に存在する物質がパルス光を吸収して熱膨張することに起因する音響波をプローブで受信するものである。プローブで受信された音響波に基づいて、パルス光を吸収した物質の濃度を求めたり、画像を生成したりすることができる。

光音響計測においては、被検部位より発生する音響波をプローブで効率的に受信するため、被検部位とプローブの検出素子表面との間に音響整合材を設けることが知られている（特許文献１）。

特開２０１４−１８４０２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光音響計測装置においては、音響整合材がどのような特性を持つものであるのかが不明である。音響整合材として水や超音波ジェルを用いた場合には、プローブの姿勢によっては音響整合材がプローブからこぼれてしまい、音響マッチングが適切に行えないおそれがある。

本発明の目的は、姿勢によらず、被検体との音響整合が適切に行える光音響計測プローブおよび、これを用いた光音響計測装置を提供することである。

本発明の一の側面である光音響計測プローブは、被検体に光を照射する光照射部と、第１面に設けられた複数の検出素子を備え、前記被検体から発せられた音響波を検出する音響波検出部と、自重により変形せず、かつ、前記被検体に当接することで前記被検体の形状に沿って変形する音響整合部材を、前記第１面に有すること、を特徴とする。

本発明によれば、プローブの姿勢によらず、被検体との音響整合が適切に行える。

光音響計測装置の構成例を示す図光音響計測プローブの構成例を示す図光音響計測プローブの構成例を示す図

［実施形態１］
本実施形態は、光音響波を検知するための探触子を使用者が手に持って操作できる、ハンドヘルドタイプの光音響計測装置を例にとって説明する。

（システム構成）
図１に、本実施形態に係る被検体情報取得装置である光音響計測装置の構成を示す。この光音響計測装置は、光音響計測プローブ１０１、発光制御部１０６、探触子制御部１０７、装置制御部１０８、および表示部１０９を含んで構成されている。

（光音響計測プローブ）
本実施形態に係る光音響計測プローブ１０１は、光照射部１０２、複数の検出素子１０３、および音響整合部材１０４を含んで成る。図１には、光音響計測プローブ１０１のある断面における図を示している。

本実施形態において、光音響計測プローブ１０１は、幅、長さ、高さの少なくとも１つが１５ｃｍ以下である。これにより、使用者が手に持って操作することを容易にする。

光照射部１０２は、被検体に照射するパルス光を発する。光照射部１０２は、大出力が得られるレーザー光源であることが望ましく、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど、様々なものが光照射部１０２として使用できる。さらに、光照射部１０２はレーザー光源に限られず、レーザー光源の代わりに、発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いてもよい。パルス光の照射のタイミング、パルス幅、強度等は発光制御部１０６によって制御される。また、光照射部１０２に光学レンズを用いることにより、被検体１１０と音響整合部材１０４との接触面の全領域にパルス光が照射されるように構成した。さらにまた、光照射部１０２は１個である必要はなく、複数の光源を用いて複数の方向から被検体を照射するようにしてもよい。

光照射部１０２は、光音響計測プローブ１０１に発光源自体を備えていなくてもよく、例えば光音響計測プローブ１０１の外に設けられた発光源から発せられた光を、光ファイバを通じて光照射部１０２に導いてもよい。また、光照射部１０２の出射面は、検出素子１０３が配置された受信面に沿って設けられてもよい。

被検体１１０における熱の拡散時間および音響波の伝達時間に比べて十分短い時間だけ被検体に光Ｌを照射することで、光音響波ＡＷを効果的に発生させることができる。被検体が生体である場合には、光照射部１０２から発生させるパルス光のパルス幅は１０〜５０ナノ秒程度が好適である。また、パルス光の波長は、被検体内部の可視化したい領域までパルス光が伝搬する波長であることが望ましい。たとえば、血液中のオキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンが可視化対象である場合には、６００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長のパルス光を選択することが好ましい。この波長域の光を発する具体的なものとしては、波長が７２０−８８０ｎｍの範囲で可変な固体レーザーである、チタンサファイアレーザーがある。また、必要に応じて５８０ｎｍの波長の色素レーザーを用いてもよい。

被検体の中を伝搬した光Ｌが、被検部位１１１に存在する、赤血球のような吸収体で吸収されると、吸収体から光音響波ＡＷが発生する。発生した光音響波ＡＷは、光音響計測プローブ１０１の受信面である第１面Ｆに設けられた複数の検出素子１０３によって受信される。そして、受信された光音響波ＡＷは、アナログの電気信号に変換される。その後、アナログの電気信号は探触子制御部１０７に伝送され、探触子制御部１０７が持つ増幅器によって増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換される。得られたデジタル信号は、装置制御部１０８に伝送される。なお、光音響波の受信タイミングは、光照射部１０２の発光と同期するように、装置制御部１０８によって制御される。

検出素子１０３は、感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましい。この要求に合致する素子の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電セラミックスや、ＣＭＵＴ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＭｉｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ；容量性マイクロマシン超音波探触子）等のトランスデューサが挙げられる。

また、光音響計測プローブ１０１の光音響波受信面である第１面Ｆは、平面であってもよいし、被検体１１０の外形に沿うような曲面、特に凹面であってもよい。さらには、超音波探触子１０２の光音響波受信面を半球状に形成してもよい。半球状の受信面は、被検体が生体の***である場合に好適である。また、光音響波受信面を円筒状あるいは半円筒状に形成し、この面上に複数の素子を配列してもよい。円筒状あるいは半円筒状の受信面は、被検体が生体の腕部や脚部である場合に好適である。複数の検出素子１０３は、同心円状や螺旋状に配列してもよく、このように検出素子１０３が配置される場合には、その中心に光照射部１０２を配置すると、パルス光が照射された被検体の部位を囲むように検出素子１０３が位置する。そのため、被検体から発生した光音響波を効率よく受信することができる。複数の検出素子１０３は、互いに隣接して配置されることが望ましい。

（音響整合部材）
音響整合部材１０４は、被検体１１０との音響マッチングを実現するために、光音響計測プローブ１０１の受信面である第１面Ｆに設けられる。本実施形態における音響整合部材１０４は、光音響計測プローブ１０１の姿勢によらず、自重によって変形しないような材料からなる。このような特性を持つ材量としては、ポリオールがある。自重により変形しないことに加えて、生体部位の音響伝播特性に関する相関性の観点から、ポリエーテルポリオールを用いることが好ましい。本実施形態では、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドのモル比率が５０：５０、および数平均分子量が６０００の共重合体を用いたが、他のポリオールを用いてもよい。また、本実施形態では、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨｅｘａｍｅｔｙｌｅｎｅＤｉＩｓｏｃｙａｎａｔｅ；ＨＤＩ）用いてポリオールを樹脂硬化した場合について説明するが、他のイソシアネート化合物および硬化剤を用いてもよい。

光音響計測に用いる音響整合部材１０４は、被検体に対して効率的に光を照射するために、光吸収係数が被検体より小さいことが望ましい。具体的には、***の様な生体軟組織の光吸収係数は近赤外領域において０．００４±０．００２／ｍｍ程度であるため、音響整合部材１０４の光吸収係数は近赤外領域において０．００２／ｍｍ未満であることが望ましい。本実施形態では、顔料等を分散しない透明な光音響整合部材について説明するが、近赤外領域における光吸収係数が０．００２／ｍｍ未満である他の材料を用いてもよい。光吸収係数は、より好ましくは０．００１／ｍｍ未満で、小さいほど良い。しかし、０．００２／ｍｍ程度の光吸収係数であれば、音響整合部材１０４の厚さが５ｃｍあっても、光音響波の測定に堪えうるだけのパルス光を被検体１１０に照射することができる。

次に、本実施形態に係る音響整合部材の作製方法を説明する。エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドのモル比率が１：１のポリエーテルポリオール共重合体（数平均分子量６０００）を入れたビーカーに、硬化剤となるヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）をポリオール共重合体に対して３．４ｗｔ％添加して攪拌した後に真空脱泡を行い、金型に流し込み熱硬化を行った。得られた音響整合部材１０４は、音響整合部材１０４と光音響計測プローブ１０１の受信面Ｆとの間に気泡が入らないように重ね合わせ、減圧処理を施すことにより圧着してもよい。また、音響整合部材１０４は、たとえば接着剤を用いて光音響計測プローブ１０１の受信面に取り付けられる。

音響整合部材１０４は、人体の軟組織の音響インピーダンスを模擬するように調整した。音響整合部材１０４の物性値は、３７℃において音速１３９８ｍ／ｓ、密度１．０３、音響インピーダンス１．４４ｒａｙｌであった。従って、人体軟組織とほぼ等しい音響インピーダンスが得られた。また音響整合部材１０４の圧縮弾性率は０．２３Ｎ／ｍｍ^２、アスカー硬度は５（ＳｈｏｒｅＣ）あったため、自重では変形しないものの、軽圧迫により変形が可能な部材となった。圧縮弾性率は、０．５０Ｎ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。これにより、光音響計測プローブ１０１を被検体１１０に押し当てると、被検体と当接する音響整合部材１０４の第２面が被検体１１０の形状に沿って変形し、被検体１１０と密着する。これにより、被検体１１０から発せられた光音響波を検出素子１０３で適切に受信することができる。人体組織を被検体とする場合、音響整合部材１０４の音響インピーダンスは、１．２ｒａｙｌ〜１．８ｒａｙｌの範囲にあることが好ましく、特に、１．４ｒａｙｌ〜１．６ｒａｙｌの範囲にあると、良好な音響インピーダンス整合が実現できる。また、音響整合部材１０４の圧縮弾性率は、０．２５Ｎ／ｍｍ^２以下であると、音響整合部材１０４を被検体１１０に当接させた場合に、被検体１１０の形状に沿って変形しやすいために好ましい。ただし、圧縮弾性率が０．０８Ｎ／ｍｍ^２を下回ると、音響整合部材１０４が自重による変形を生じてしまう。そのため、圧縮弾性率は０．０８Ｎ／ｍｍ^２以上かつ０．５０Ｎ／ｍｍ^２以下であることが好ましく、より好ましくは０．０８Ｎ／ｍｍ^２以上かつ０．２５Ｎ／ｍｍ^２以下である。

上記した構成により、音響整合部材１０４は自重により変形しないが、軽圧迫により変形が可能なため、光音響計測プローブ１０１の姿勢によらず、被検体１１０との音響整合が適切に行える。

（装置制御部）
装置制御部１０８は、光照射部１０２および検出素子１０３の制御および、検出素子１０３により検出した光音響波に基づく画像の再構成、すなわち、画像データの生成を行う。つまり、装置制御部１０８は、画像データを生成する生成部としての機能を担う。また、装置制御部１０８は、生成された画像データに基づく画像を表示装置１０９に表示させる表示制御部としての機能も備える。また、装置制御部１０８はユーザインターフェースを備えており、操作者からの指示を基に、測定パラメータの変更、測定の開始および終了、画像の処理方法の選択、被検体情報や画像の保存、データの解析などを選択できる。装置制御部１０８は、ユーザインターフェースとしてディスプレイを備えてもよく、操作者は、ディスプレイに表示された操作メニューから、上記の選択を行ってもよい。

また、装置制御部１０８によって生成された画像データに基づいて、表示装置１０９に画像が表示される。なお、画像の再構成を行う部分は、高速処理を行うために、装置制御部１０８とは独立したＣＰＵと主記憶装置および補助記憶装置を有するコンピュータであってもよいし、専用に設計されたハードウェアであってもよい。

なお、装置制御部１０８は、表示部への表示に関する制御を行う表示制御ユニット、光源に関する制御を行う光源制御ユニット、音響波検知部に関する制御を行う検知部制御ユニットを含み構成しておくこともできる。

［実施形態２］
本発明の別の実施形態について説明する。ここでは、実施形態１との相違点を中心に説明を行い、実施形態１と共通する部分については説明を省略する。

図２は、本実施形態に係る光音響計測プローブ１０１の断面を示したものである。音響整合部材１０４の外周に光反射膜を反射部材として備える点で、実施形態１とは異なる。この構成によれば、音響整合部材１０４を透過した光が反射されて、被検体１１０に入射するので、光の利用効率が向上する。また、音響整合部材１０４を、光散乱性を有する部材を分散させて形成することで、光散乱効果により被検部位１１１への均一な照明が可能になるため、光照射部１０２として光学レンズを設けなくともよい。

光音響計測プローブ１０１に用いる音響整合部材１０４は、被検部に対する光の照射量を均一にするために、光散乱性を有する化合物の分散により等価光散乱係数を調整してもよい。そのために、たとえば光散乱性を有する化合物に関してはポリオールへの分散均一性を高めるために粒子に表面修飾等を施すことが考えられる。本実施形態においては、光散乱性を有する化合物として酸化チタンに対して酸化アルミニウムとヘキサメチルジシラザンによる表面処理を施した場合を説明するが、他の表面処理方法を施した酸化チタンを用いることも可能である。

次に、音響整合部材１０４の作製方法を説明する。エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドのモル比率が１：１のポリエーテルポリオール共重合体（数平均分子量６０００）を入れたビーカーに、酸化アルミニウムおよびヘキサメチルジシラザンにより表面処理を施した酸化チタン（平均粒子径０．２１μｍ）をポリオール共重合体に対して０．１ｗｔ％添加し攪拌する。その後、真空脱泡を行い、ＨＤＩをポリオール共重合体に対して２．８ｗｔ％添加して攪拌した後、再度真空脱泡を行い、金型に流し込み熱硬化させた。

本実施形態における音響整合部材１０４の物性値は、３７℃において音速１３８３ｍ／ｓ、密度１．０３、音響インピーダンス１．４２ｒａｙｌ、波長７９７ｎｍにおける光吸収係数は０．００１５／ｍｍ、等価光散乱係数は０．９３／ｍｍであった。従って、本実施形態に係る音響整合部材１０４は、人体軟組織とほぼ等しい音響伝播特性および光散乱特性が得られた。光吸収係数も０．００２未満であるため、効率的に光照射を行うことが可能である。また音響整合部材１０４の圧縮弾性率は０．１２Ｎ／ｍｍ^２、アスカー硬度は０（ＳｈｏｒｅＣ）であったため、可撓性もしくは弾性を有する部材となった。このため、本実施形態に係る音響整合部材１０４は、自重では変形しないものの、軽圧迫により変形が可能な部材となった。これにより、光音響計測プローブ１０１を被検体１１０に押し当てると、被検体と当接する音響整合部材１０４の第２面が被検体１１０の形状に沿って変形し、被検体１１０と密着するので、被検体１１０から発せられた光音響波を検出素子１０３で適切に受信することができる。本実施形態において、光反射膜２０１としてはアルミ板上に金膜を貼り付け、金膜が音響整合部材１０４にさせた。

音響整合部材１０４と検出素子１０３および光照射部１０２とは、気泡が入らないように重ね合わせ、減圧処理を施すことにより圧着した。或いは、反射膜板と光音響プローブ１０１の第１面から形成されるトレイ形状部に、硬化前の音響整合部材を直接流し込み、４０℃で２４時間加熱することにより、光音響プローブ１０１の第１面に音響整合部材１０４を形成してもよい。

［実施形態３］
本発明の別の実施形態について説明する。ここでは、実施形態１との相違点を中心に説明を行い、実施形態１と共通する部分については説明を省略する。

図３は、本実施形態に係る光音響計測プローブ３０１の構成を示したものである。実施形態１とは、プローブの第１面が半球面状になっている点、および、光照射部１０２が、１個設けられている点で異なる。

本実施例における光音響計測プローブ３０１は、半球状カップ３０２の内壁面を第１面Ｆとして、複数の検出素子１０３が第１面に沿って配置される。ここでは、半球状カップ３０２の中心を通る１つの断面を示している。この断面の円弧の中心には光照射部１０２が設けられ、検出素子１０３は、光照射部１０２を中心とした同心円状あるいは螺旋状に配置される。また、音響整合部材１０４は、半球状カップ３０２を満たすように、第１面Ｆに設けられる。音響整合部材１０４を構成する材料や、第１面への接合方法は、先の各実施形態と同様に行えばよい。

また、半球状カップ３０２の内壁面に、実施形態２と同様に金膜を設けるなどして、照射光の利用効率を向上させてもよい。

１０１、３０１光音響計測プローブ
１０２光照射部
１０３検出素子
１０４音響整合部材
Ｆ第１面
Ｌ光

Claims

被検体に光を照射する光照射部と、
第１面に設けられた複数の検出素子を備え、前記被検体から発せられた音響波を検出する光音響計測プローブであって、
自重により変形せず、かつ、前記被検体に当接することで前記被検体の形状に沿って変形する音響整合部材を、前記第１面に有すること、
を特徴とする光音響計測プローブ。
前記音響整合部材は、前記光照射部から発せられる光について、光吸収係数が０．００２／ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の光音響計測プローブ。
前記光照射部から発せられる光は、近赤外領域の波長の光を含み、
前記音響整合部材の近赤外領域の光に対する光吸収係数が、０．００２／ｍｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の光音響計測プローブ。
前記音響整合部材の近赤外領域の光に対する光吸収係数が、０．００１／ｍｍ未満であることを特徴とする請求項３に記載の光音響計測プローブ。
前記音響整合部材の圧縮弾性率は、０．０８Ｎ／ｍｍ^２以上かつ０．５０Ｎ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記音響整合部材の圧縮弾性率は、０．２５Ｎ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項５に記載の光音響計測プローブ。
前記音響整合部材の音響インピーダンスは、１．２ｒａｙｌ〜１．８ｒａｙｌであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記音響整合部材の音響インピーダンスは、１．４ｒａｙｌ〜１．６ｒａｙｌであることを特徴とする、請求項７に記載の光音響計測プローブ。
前記音響整合部材は、
ポリエーテルポリオールを含んで成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記音響整合部材は、分散された酸化チタンを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記光照射部から発せられ、前記音響整合部材を透過した光を反射する反射部材をさらに有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記第１面は、曲面であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記第１面は、凹面であることを特徴とする請求項１２に記載の光音響計測プローブ。
前記複数の検出素子が、前記第１面に、同心円状に配置されたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記光照射部は、前記同心円の中心に設けられたことを特徴とする請求項１４に記載の光音響計測プローブ。
前記複数の検出素子が、互いに隣接して配置されたことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記プローブは、幅、長さ、高さの少なくとも１つが１５ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の光音響計測プローブ。
前記光音響計測プローブと、
前記複数の検出素子が検出した音響波に基づく画像データを生成すると、を備えることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の光音響計測装置。
前記画像データに基づく画像を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の光音響計測装置。