JP6045753B1 - 光音響波検出装置及びこれを有する内視鏡システム - Google Patents

Abstract

投光光学系と、光音響波検出系と、を有する光音響波検出装置１００であって、投光光学系は、励起光を発する光源１０と、光源１０から発する励起光を透過により内部に導く励起光入射面１２ａと、励起光入射面１２ａより入射した励起光を内部反射により反射する内部反射面１２ｂと、内部反射面１２ｂにて反射した励起光を透過により外部へ射出する励起光射出面１２ｃを有し正の屈折力をもつプリズム１２と、を有し、光音響波検出系は、プリズム１２と、プリズム１２の励起光射出面１２ｃを通過後、内部反射面１２ｂにて反射し、プリズム１２から射出した光音響波を検知するトランスデューサ１１ａと、を有し、光音響波検出系は、励起光射出面１２ｃからトランスデューサ１１ａまでの光路がプリズム１２を含むプリズム硝材１３により満たされている。

Description

本発明は、光音響波検出装置及びこれを有する内視鏡システムに関するものである。

光音響波とは、物質に吸収波長域の光を照射した際に生じる熱弾性過程にて発生する弾性波の一種である。そのため、光音響波は、吸収特性をイメージングする手法として注目されている。また、光音響波は、超音波の一種で、光に比べて散乱の影響を受けにくい特徴を有していることから、生体内部のイメージング手段として適用されている。

光音響波を検出信号としてイメージングに適用する光音響波検出装置では、観察対象物の吸収波長域に合わせたパルス光を励起光として用い、該励起光を対物レンズにより集光して標本内を集光スポットにより走査し、これにより各集光スポット位置で発生する光音響波をトランスデューサ等で検出する手法が用いられている。かかる光音響波検出装置によると、標本を集光スポットで走査した際に、集光スポット位置に吸収物質が存在すると光音響波が発生するので、その光音響波を検出することにより、標本内の吸収特性をイメージングすることができる。

このような光音響波検出装置として、例えば特許文献１に開示のものが知られている。近赤外波長域のレーザ光源からのレーザ光は、ファイバーカップラーを通って、対物レンズに達する。対物レンズからの光はフォーカスされて超音波トランスデューサを透過し、外部から回転駆動される光・超音波回転ミラーで反射されて血管内壁の組織に照射される。血管内壁の組織内部で光が集光し、その集光位置から光音響波が発生する。光音響波は、光・超音波回転ミラーで反射され、検出器に到達する。検出器に到達した光音響波に基づいて、レーザ光源の吸収する分布が求まる。

特開２００５−２２４３９９号公報

従来技術の構成において、検出される光音響波は高周波数であるため、空気中では減衰が激しい。このため、検出器と標本との間には、水などの光音響波の減衰が少なくなる媒介物質が必要となる。水などの媒介物質が光音響波検出装置の近傍に存在すると、水深状態においても光音響波検出装置の故障を防止するため、防水対策が必要となる。そして、防水対策のため、光音響波検出装置が大型化してしまう。また、光音響波検出装置を内視鏡に適用すると、内視鏡の先端部に光源、スキャンのための駆動機構を配置する必要を生ずる。このため、スキャン部から先端が長くなってしまう。さらに、従来の光音響波検出装置は、音響レンズを有していない。このため、音波に対する感度が低いものであった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、防水対策が不要で小型な、高感度に光音響波を検出できる光音響波検出装置及びこれを有する内視鏡システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、励起光を被検物へ投光する投光光学系と、投光光学系により投光される励起光により励起されて発せられる被検物の光音響波を投光のための光路を逆にたどり光音響波センサ部にて検出する光音響波検出系と、を有する光音響波検出装置であって、投光光学系は、励起光を発する励起光射出部と、励起光射出部から発する励起光を透過により内部に導く励起光入射面と、励起光入射面より入射した励起光を内部反射により反射する内部反射面と、内部反射面にて反射した励起光を透過により外部へ射出する励起光射出面を有し正の屈折力をもつプリズム部材と、を有し、光音響波検出系は、プリズム部材と、プリズム部材の励起光射出面を通過後、内部反射面にて反射し、プリズム部材から射出した光音響波を検知する光音響波センサ部と、を有し、光音響波検出系は、励起光射出面から光音響波センサ部までの光路がプリズム部材を含む固体媒質により満たされていることを特徴とする。

また、本発明は、把持部と、把持部の長手方向に延在する挿入部と、挿入部の先端側に設けられた円柱状の先端構成部と、を有する内視鏡システムであって、内視鏡システムは、先端構成部に上述の光音響波検出装置を有し、先端構成部には、プリズム部材が配置され、プリズム部材の励起光入射面は把持部の側を向けていることを特徴とする。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、防水対策が不要で小型な、高感度に光音響波を検出できる光音響波検出装置及びこれを有する内視鏡システムを提供できるという効果を奏する。

第１実施形態に係る光音響波検出装置の概略構成を示す図である。 第２実施形態に係る光音響波検出装置の概略構成を示す図である。 第２実施形態に係る光音響波検出装置の概略構成を示す他の図である。 第２実施形態に係る光音響波検出装置の概略構成を示す別の図である。 第２実施形態に係る光音響波検出装置の概略構成を示すさらに他の図である。 第２実施形態における検出された光音響波を示す図である。 第２実施形態における検出された光音響波を示す他の図である。 第３実施形態に係る光音響波検出装置の概略構成を示す図である。 第３実施形態に係る光音響波検出装置の概略構成を示す他の図である。 変形例に係る光音響波検出装置の概略構成を示す図である。 変形例に係る光音響波検出装置の概略構成を示す他の図である。

以下、本実施形態に係る光音響波検出装置及びこれを有する内視鏡システムについて、図面を用いて、このような構成をとった理由と作用を説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光音響波検出装置１００の概略構成を示す図である。

光音響波検出装置１００は、励起光を被検物へ投光する投光光学系と、投光光学系により投光される励起光により励起されて発せられる標本ＳＭＰ（被検物）の光音響波を投光のための光路を逆にたどりトランスデューサ１１ａ（光音響波センサ部）にて検出する光音響波検出系と、を有する。投光光学系は、励起光を発する光源１０（励起光射出部）と、光源１０（励起光射出部）から発する励起光を透過により内部に導く励起光入射面１２ａと、励起光入射面１２ａより入射した励起光を内部反射により反射する内部反射面１２ｂと、内部反射面１２ｂにて反射した励起光を透過により外部へ射出する励起光射出面１２ｃを有し正の屈折力をもつプリズム１２（プリズム部材）と、を有する。光音響波検出系は、プリズム１２（プリズム部材）と、プリズム１２（プリズム部材）の励起光射出面１２ｃを通過後、内部反射面１２ｂにて反射し、プリズム１２（プリズム部材）から射出した光音響波を検知するトランスデューサ１１ａ（光音響波センサ部）を有し、光音響波検出系は、励起光射出面１２ｃからトランスデューサ１１ａ（光音響波センサ部）までの光路がプリズム１２（プリズム部材）を含むプリズム硝材１３（固体媒質）により満たされている。

これにより、励起光の光路と光音響波路を重ねることで光音響波の検出を行う構成の小型化が行える。また、プリズム１２を正の屈折力とすることで励起光の集光機能を持たせられる。さらに、光音響波路のうち光音響波検出装置１００の励起光射出面１２ｃからトランスデューサ１１ａまでをプリズム硝材１３（固体媒質）により満たすことで装置内に水などを満たす必要がなく、防水機構が不要となる。また、内部反射面から標本ＳＭＰまでの距離を長くすることが可能となり、同じ作動距離（Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を想定した場合、光音響波の開口数（ＮＡ）を大きくすることが可能となる。

さらに具体的な説明を続ける。光源１０は、励起光を標本ＳＭＰへ投光する。本実施形態では、光源１０は、コリメート光（パルス光）を射出する。射出されたコリメート光は、円筒形状のトランスデューサ１１ａの中空部分を通過する。通過したコリメート光は、プリズム１２に入射する。

プリズム１２は、直角プリズムであり、励起光入射面１２ａと、内部反射面１２ｂと、励起光射出面１２ｃを有する。励起光入射面１２ａは、光源１０（励起光射出部）から発する励起光を透過によりプリズム１２の内部に導く面である。内部反射面１２ｂは、励起光入射面１２ａより入射した励起光を内部反射により、光路を略９０度折り曲げる。励起光射出面１２ｃは、内部反射面１２ｂにて反射した励起光を透過により外部へ射出する。

プリズム１２は、内部反射面１２ｂを１面のみ有することが望ましい。こにより、光音響波検出装置１００を小型化できる。また、光音響波を反射する内部反射面１２ｂがプリズム硝材１３（ガラス）と空気の界面であるために、反射率を高くできる。このため、効率良く光音響波を検出できる。

プリズム１２の励起光入射面１２ａは励起光に対して光学パワーを持つ面である。本実施形態では、励起光入射面１２ａは凹面形状を有する。なお、励起光入射面１２ａを平面とし、光源１０側に凹面を向けた凹平負レンズを励起光入射面１２ａに接合する構成とすることもできる。また、中空円筒形状のトランスデューサ１１ａは、プリズム１２に入射する励起光の周囲を囲んでプリズム１２の励起光入射面１２ａ側の面に接合されている。

これにより、励起光の集光性能を光学的に高めることができる。また、トランスデューサ１１ａの集音面積を確保して、集音効果も高めることに有利となる。

内部反射面１２ｂは、投光光学系である光源１０の光軸を８０度から９２度の間で反射する凹面反射面であることが望ましい。これにより、凹面の反射面により励起光の集光を行うとともに、光音響波を集音するプリズム１２の小型化にも有利となる。

また、内部反射面１２ｂは、投光光学系である光源１０の光軸を８０度から８８度の間で反射する凹面反射面であることが望ましい。光音響波を効率良く反響（反射）させるには鋭角反響（反射）させることが好ましい。上述の角度とすることで光音響波検出装置１００の小型化と、光音響波の集光効率の向上と、の両立に一層有利となる。

凹面反射面は、反射前後の投光光学系である光源１０の光軸を含む平面に対して面対称な形状、且つ非回転対称な面形状、例えば、アナモフィック形状、シリンドリカル形状を有することが望ましい。これにより、直交する２方向での偏芯収差を低減し、光音響波の収差を大きく減少させることが可能となる。

また、凹面反射面は、回転対称二次曲面形状を有することが望ましい。これにより、２つの面の焦点間で共役となる、若しくは、平行光を面の焦点に集光するので励起光の集光性能の確保に有利となる。

また、凹面反射面は、回転対称放物面形状を有することが望ましい。これにより、音響波をほぼコリメートにしてトランスデューサ１１ａ側へ反射させることができる。特に、トランスデューサ１１ａに略平行な光音響波の波面が入射するように、内部反射面１２ｂにパワーを持たせることで、高い検出感度を得られる。

プリズム１２の励起光射出面１２ｃは入射窓であることが望ましい。これにより、光音響波検出装置１００を構成する部品点数を削減できる。

ここで、光音響波検出装置１００は、励起光射出面１２ｃ（入射窓）から標本ＳＭＰまでを媒介する媒介物を有する。例えば、励起光射出面１２ｃから外部へ射出した励起光は、光音響波伝達媒質である水１５ａが充填されている伸縮可能な容器１５を介して標本ＳＭＰへ入射する。容器１５は、励起光に対して光学的に透明で、かつ柔軟性を有する部材で形成されている。この結果、標本ＳＭＰから生じた光音響波の減衰を小さく抑えて伝播させることができる。

また、水１５ａの量を制御することで、容器１５のＺ方向の厚さを変えることができる。これにより、標本ＳＭＰの深さ方向の集光スポットによる走査が可能となる。

標本ＳＭＰに入射した励起光は、正の屈折力を有するプリズム１２の光学的な作用により、１点に集光される。標本ＳＭＰを集光スポットで走査した際に、集光スポット位置に吸収物質が存在すると光音響波が発生する。発生した光音響波は、励起光の光路を逆に進行する。

集光スポットの走査は、モータ１４により、トランスデューサ１１ａとプリズム１２とを一体として回転駆動することで行うことができる。これにより、投稿光学系を移動させる必要がないために、容易に走査することが可能となる。

モータ１４（プリズム部材回動機構）は、プリズム１２よりも励起光が入射する側へ配置され、プリズム１２を回動させて励起光の投光方向を偏向する。これにより、血管内壁などの管状の標本ＳＭＰを対象として光音響波検出に有利となる。

プリズム１２の内部反射面１２ｂで反射した光音響波は、内部反射面１２ｂの凹面形状により略平行な光音響波として、光源１０の方向へ反射される。換言すると、内部反射面１２ｂは、音響レンズの機能を有する面である。

プリズム１２を射出した光音響波は、プリズム１２に接合されているトランスデューサ１１ａに入射する。トランスデューサ１１ａからの出力信号は、演算・制御部２８（図４Ｂ）に送られる。演算・制御部２８は、標本ＳＭＰ内の吸収特性をイメージングする。

本実施形態によれば、励起光の光路と光音響波路とを重ねることで光音響の検出を行うため、装置を小型化できる。また、プリズム１２を正の屈折力とすることで励起光の集光機能を持たせられる。さらに、光音響波路のうち光音響波検出装置１００の励起光射出面１２ｃ（入射窓）からトランスデューサ１１ａまでをプリズム硝材１３（固体媒質）により満たすことで装置内に水などを満たす必要がない。

（第２実施形態）
図２Ａは、第２実施形態に係る光音響波検出装置１１０の概略構成を示す図である。第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態では、励起光射出部は、光源１６と、導光された励起光を射出する光ファイバ１７とで構成されている。光ファイバ１７は、光源１６とプリズム１２との間に配置されている。これにより、光音響波検出装置１１０の検出機構の小型化にいっそう有利となる。また、光源１６を標本ＳＭＰから遠ざけることができるので、光源１６の発熱による標本ＳＭＰへの影響を抑えられる。

また、モータ２０は、ワイヤ２１を介して、歯車機構２２を回転させる。この回転により、トランスデューサ１１ｂと、プリズム１２とが一体となり回転する。

また、入射窓はカバーガラスＣＧであることが望ましい。このとき、プリズム１２とカバーガラスＣＧとの間は、潤滑剤２９が充填されている。これにより、プリズム１２の回転駆動を円滑に行うことができる。

また、レンズ１８（集光位置変更レンズ）は、光ファイバ１７から射出された発散する励起光をトランスデューサ１１ｂの中空部分へ導く。レンズ１８は、レンズ駆動部１９により、位置を可変にすることができる。光源１６と、プリズム１２との間の光路においてレンズ１８の位置を変えることにより、励起光の集光位置を変えることができる。

さらに、図２Ｂに示すように、トランスデューサ１１ｂは、輪帯積層して構成される３つ（複数）のトランスデューサ１１ｂ１（チャンネルＣＨ１）、１１ｂ２（チャンネルＣＨ２）、１１ｂ３（チャンネルＣＨ３）から構成されるトランスデューサアレイである。

図３Ａ、３Ｂは、それぞれレンズ１８の位置を変え、励起光の集光位置をプリズム１２の励起光射出面１２ｃから距離Ｚ１、Ｚ２に変えた状態を示している。

３つのチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３で検出される光音響波について説明する。図３Ｃは、音響レンズの機能を有する内部反射面１２ｂの焦点位置近傍（図３Ａで示す距離Ｚ１の位置）から生じた光音響波が、３つのチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３に到達するタイミングを示す図である。ここで、図３Ｃ、３Ｄにおいて、横軸Ｔは、時間を示す。

焦点位置近傍で生じた光音響波（球面波）は、内部反射面１２ｂにより、略平行に変換されて３つのトランスデューサ１１ｂ１、１１ｂ２、１１ｂ３に入射する。このため、図３Ｃに示すように、焦点位置近傍から生じた光音響波は、３つのチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３により、同一の時刻に検出される。

これに対して、レンズ１８を移動して焦点位置（距離Ｚ１）よりも近傍の距離Ｚ２に集光させた場合、光音響波は、３つのチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３に、それぞれ時間的にずれて到達する。各チャンネルにおける光音響波の時間的な遅れを測定することで、Ｚ方向の位置を求めることができる。

このように、本実施形態では、レンズ１８を移動することで、Ｚ方向の所望の位置へ励起光を集光できる。このため、検出位置を標本ＳＭＰのＺ（深さ）方向に変更可能とし、検出する輪帯状の異なるトランスデューサにて光音響波面を検出することで、光音響波を標本ＳＭＰの深さに対応させて検出できる。

（第３実施形態）
図４Ａ、４Ｂは、第３実施形態に係る内視鏡システム２００の概略構成を示す図である。

内視鏡システム２００は、把持部２３と、把持部２３の長手方向に延在する挿入部２４と、挿入部２４の先端側に設けられた円柱状の先端構成部２５と、を有する。内視鏡システム２００は、第１実施形態、第２実施形態に係る光音響波検出装置１００、１１０を有する。先端構成部２５には、プリズム１２が配置され、プリズム１２の励起光入射面１２ａは把持部２３の側を向けている。これにより、内視鏡システム２００の挿入部２４の先端構成部２５を小型できる。

また、図４Ｂに示すように、ユニバーサルコード２６を介して、水供給部２７は、チューブ２６ａにより、容器１５へ水を送出すること、または容器１５の水を吸引することができる。これにより、容器１５のＺ方向の大きさ、即ち光音響波検出装置１００と標本ＳＭＰとの間隔を調整できる。また、光源１６から射出された励起光は、光ファイバ１７により導光される。

演算・制御部２８は、信号線２６ｂを介して、モータ１４、２０、レンズ駆動部１９の駆動量を制御する。また、演算・制御部２８は、トランスデューサ１１ａ、１１ｂにより検出された光音響波の信号を処理することで、標本のイメージングを行う。

（変形例）
図５Ａ、５Ｂは、変型例に係る内視鏡システム２１０の概略構成を示す図である。図５Ａにおいて、内視鏡システム２１０の鉗子チャンネルに光音響波検出装置１００を先端に有する検出用具２２０を挿通する。本例においても、小型な光音響波検出装置１００にて、光音響波を検出できる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、これら実施形態の構成を適宜組合せて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

以上のように、本発明は、防水対策が不要で小型な、高感度に光音響波を検出できる光音響波検出装置及びこれを有する内視鏡システムに有用である。

１０ 光源
１１ａ、１１ｂ トランスデューサ
１１ｂ１、１１ｂ２、１１ｂ３ トランスデューサ
１２ プリズム
１２ａ 励起光入射面
１２ｂ 内部反射面
１２ｃ 励起光射出面
１３ プリズム硝材
１４ モータ
１５ 容器
１５ａ 水
１６ 光源
１７ 光ファイバ
１８ レンズ
１９ レンズ駆動部
２０ モータ
２１ ワイヤ
２２ 歯車機構
２３ 把持部
２４ 挿入部
２５ 先端構成部
２６ ユニバーサルコード
２６ａ チューブ
２６ｂ 信号線
２７ 水供給部
２８ 演算・制御部
２９ 潤滑剤
ＣＧ カバーガラス
１００、１１０ 光音響波検出装置
２２０ 検出用具
２００、２１０ 内視鏡システム
ＳＭＰ 標本

Claims (16)

1. 励起光を被検物へ投光する投光光学系と、
   前記投光光学系により投光される前記励起光により励起されて発せられる被検物の光音響波を投光のための光路を逆にたどり光音響波センサ部にて検出する光音響波検出系と、
   を有する光音響波検出装置であって、
   前記投光光学系は、
   前記励起光を発する励起光射出部と、
   前記励起光射出部から発する前記励起光を透過により内部に導く励起光入射面と、
   前記励起光入射面より入射した前記励起光を内部反射により反射する内部反射面と、
   前記内部反射面にて反射した前記励起光を透過により外部へ射出する励起光射出面を有し正の屈折力をもつプリズム部材と、を有し、
   前記光音響波検出系は、
   前記プリズム部材と、
   前記プリズム部材の前記励起光射出面を通過後、前記内部反射面にて反射し、前記プリズム部材から射出した前記光音響波を検知する前記光音響波センサ部と、を有し、
   前記光音響波検出系は、前記励起光射出面から前記光音響波センサ部までの光路が前記プリズム部材を含む固体媒質により満たされていることを特徴とする光音響波検出装置。
2. 前記励起光射出面は入射窓であることを特徴とする請求項１に記載の光音響波検出装置。
3. 前記入射窓はカバーガラスであることを特徴とする請求項２に記載の光音響波検出装置。
4. 前記プリズム部材は内部反射面を１面のみ有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光音響波検出装置。
5. 前記内部反射面は、前記投光光学系の光軸を８０度から９２度の間で反射する凹面反射面であることを特徴とする請求項４に記載の光音響波検出装置。
6. 前記内部反射面は、前記投光光学系の光軸を８０度から８８度の間で反射する凹面反射面であることを特徴とする請求項４に記載の光音響波検出装置。
7. 前記凹面反射面は、反射前後の前記投光光学系の光軸を含む平面に対して面対称な形状であり、且つ非回転対称な面形状を有することを特徴とする請求項５または６に記載の光音響波検出装置。
8. 前記凹面反射面は、回転対称二次曲面形状を有することを特徴とする請求項５または６に記載の光音響波検出装置。
9. 前記凹面反射面は、回転対称放物面形状を有することを特徴とする請求項５または６に記載の光音響波検出装置。
10. 前記プリズム部材の前記励起光入射面は前記励起光に対して光学パワーを持つ面であり、
    前記光音響波センサ部は、前記プリズム部材に入射する励起光の周囲を囲んで前記プリズム部材の励起光入射側の面に接合されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光音響波検出装置。
11. 前記投光光学系は、前記励起光射出部と前記プリズム部材との間に動作により前記励起光の集光位置を変更可能とする集光位置変更レンズを有し、
    さらに、前記光音響波センサ部は、輪帯積層して構成される複数のトランデューサアレイであることを特徴とする請求項１０に記載の光音響波検出装置。
12. 前記励起光射出部は、光源と、導光された励起光を射出する光ファイバとで構成され、前記光ファイバは、前記光源と前記プリズム部材との間に配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光音響波検出装置。
13. 前記励起光射出部は、パルス光を射出する光源であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光音響波検出装置。
14. 前記プリズム部材よりも励起光が入射する側へ配置され、前記プリズム部材を回動させて励起光の投光方向を偏向するプリズム部材回動機構を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の光音響波検出装置。
15. 光音響波検出装置の入射窓から前記被検物までを媒介する媒介物を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の光音響波検出装置。
16. 把持部と、
    前記把持部の長手方向に延在する挿入部と、
    前記挿入部の先端側に設けられた円柱状の先端構成部と、
    を有する内視鏡システムであって、
    前記内視鏡システムは、前記先端構成部に請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光音響波検出装置を有し、
    前記先端構成部には、前記プリズム部材が配置され、前記プリズム部材の前記励起光入射面は前記把持部の側を向けていることを特徴とする内視鏡システム。

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