(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
被検体を保持する可動な保持手段と、
前記光源から入射する光を拡散する、前記保持手段との距離が固定された光拡散手段と、
前記保持手段および前記光拡散手段ごしに照射された光により前記被検体から発生する音響波を取得する音響波取得手段と、
を有し、
前記光拡散手段は、当該保持手段のうち光が入射する側を加工して表面拡散が行われるようにしたものである、光音響測定装置。
【請求項２】
光源と、
被検体を保持する可動な保持手段と、
前記光源から入射する光を拡散する、前記保持手段との距離が固定された光拡散手段と、
前記保持手段および前記光拡散手段ごしに照射された光により前記被検体から発生する音響波を取得する音響波取得手段と、
を有し、
前記光拡散手段は、当該保持手段に微粒子を含有させて体積拡散が行われるようにしたものである、光音響測定装置。
【請求項３】
前記光拡散手段は、光が入射する側から被検体の側に向かうに連れて拡散係数が大きくなる
ことを特徴とする請求項２に記載の光音響測定装置。
【請求項４】
前記保持手段は、被検体を２枚の平板で挟んで保持するものである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光音響測定装置。
【請求項５】
前記保持手段は、被検体を押しつけて保持するものである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光音響測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響測定装置に関し、特に被検体を保持する可動な保持手段を有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（photoacoustic tomography）が提案されている。本明細書では以下、光音響トモグラフィーをＰＡＴと記述する。ＰＡＴの原理を用いた測定装置において、まず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（この音響波を光音響波とも呼び、典型的には超音波である）。この音響波を検出して信号処理した音響波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。
【０００３】
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（１）で表すことができる。
Ｐ＝Γ・μａ・Φ  …  式（１）
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。
【０００４】
近年、ＰＡＴの生体応用として乳房診断が検討されている。本明細書では乳房診断用のＰＡＴ装置をphotoacoustic mammography （ＰＡＭ）と記述する。ＰＡＭ装置は、腫瘍形成時に腫瘍周囲に形成される新生血管及び新生血管を含む吸収係数の高い領域を画像化することにより乳房中の腫瘍位置を検出する装置である。ＰＡＭにて乳房全体を診断するためには、生体表面から４−５ｃｍ以上の深部領域まで測定する必要がある。音響波信号強度は光量Φに比例するが、生体細胞により入射した光束は散乱し深部に到達する光量は指数関数的に減少する。そのため、深部観察を可能とするためには生体に許容される照射照度（最大照射許容量ＭＰＥ：Maximum Permissible Exposure）にて広範囲に照明する事が好ましい。故に、一般的に光源には、出力の大きなフラッシュランプ励起固体レーザーが利用される。
【０００５】
フラッシュランプ励起固体レーザーは局所的な高エネルギーな出力分布を有し、半導体レーザーやＨｅ−Ｎｅレーザー等と比較すると光束中の光量分布が不均一である。局所的な高エネルギー密度を有する光束を用いた場合、その局所領域が照射照度の上限となる。故に、拡散板等の光変調部材を用いて光束の光量分布を均一化することが好ましい（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１８４０４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
乳房形状に応じて観察部位を固定する乳房保持機構を備えるＰＡＭの場合、Ｘ線マンモグラフィーと異なり以下のような課題を生じる。Ｘ線マンモグラフィーでは、Ｘ線が生体内を略直進するために、乳房保持機構の平行平板の位置に対して、生体内のＸ線の強度分
布が影響されない。
【０００８】
一方ＰＡＭにおいて、光束中の光量分布の均一化を図るために、一般的な光学部品である光拡散板を光束伝搬経路中に設置した場合、射出後の光束は伝搬距離に応じて広がる。そのため、被検体を複数の地点で測定する時に、生体表面から拡散板までの距離が異なる場合、照射領域が異なってくる。その結果、各地点での照明照度が乳房固定位置に応じて変化し、光音響信号が劣化するという課題が生じる。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、均一かつ効率的に生体表面を照明することが可能な光音響測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。
すなわち、本発明の第一の態様は、光源と、被検体を保持する可動な保持手段と、前記光源から入射する光を拡散する、前記保持手段との距離が固定された光拡散手段と、前記保持手段および前記光拡散手段ごしに照射された光により前記被検体から発生する音響波を取得する音響波取得手段と、を有し、前記光拡散手段は、当該保持手段のうち光が入射する側を加工して表面拡散が行われるようにしたものである、光音響測定装置である。
また、本発明の第二の態様は、光源と、被検体を保持する可動な保持手段と、前記光源から入射する光を拡散する、前記保持手段との距離が固定された光拡散手段と、前記保持手段および前記光拡散手段ごしに照射された光により前記被検体から発生する音響波を取得する音響波取得手段と、を有し、前記光拡散手段は、当該保持手段に微粒子を含有させて体積拡散が行われるようにしたものである、光音響測定装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光音響測定装置によれば、均一かつ効率的に生体表面を照明することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】前方検出型ＰＡＴ装置の概略図。
【図２】後方検出型ＰＡＴ装置の概略図。
【図３】両面照射型ＰＡＴ装置の概略図。
【図４】拡散機構を含む生体保持機構を有する場合の照射領域を示す図。
【図５】拡散機構を含む生体保持機構を有する場合の照射領域を示す別の図。
【図６】拡散機構が固定されている比較例の場合の照射領域を示す図。
【図７】実施例１における前方検出型ＰＡＴ装置の概略図。
【図８】実施例２における後方検出型ＰＡＴ装置の概略図。
【図９】実施例３における体積拡散を行う両面照射型ＰＡＴ装置の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態を説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状及びそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
【００１４】
光音響測定装置には、被検体の測定部位を固定する生体保持機構が具備されている。乳房診断における乳房固定方法には、乳房側面から２枚の平行平板を用いて固定する方法、胸部前面より全体的に押し付けるようにして固定する方法や、乳房周辺部から円弧状に固定する方法など提案されている。特に、平行平板を用いる乳房保持機構は、乳房の大きさに応じて任意に可動という利点がある。また、平行平板を用いる乳房保持機構はＸ線マンモグラフィーにも採用されており、Ｘ線マンモグラフィーとの画像比較が容易というさらなる利点がある。
【００１５】
ＰＡＭにおいて平行平板を用いて乳房を固定する場合、平行平板に対する光の照射方向と超音波検出器の配置方向は何通りか考えられ、これを図１〜図３を用いて説明する。なお、これらの説明においては、乳房を挟んで保持する不図示の２枚の平行平板が存在して
いるものとする。
【００１６】
図１に示すのは、照明光１０３に対して、被検体１０１の対向側に超音波検出器１０４を配置する前方検出型の装置である。照明光は、生体内の拡散により、拡散光エリア１０２に示すように照射される。図２に示すのは、被検体２０１に対して、照明光２０３と同じ側に超音波検出器２０４を配置する後方検出型の装置である。照明光は拡散光エリア２０２に示すように照射される。図３に示すのは、被検体３０１に対して、超音波検出器３０４の対向側から照明光３０３ｂ、同じ側から照明光３０３ａが照射される両面照明型の装置である。照明光は拡散光エリア３０２に示すように照射される。
【００１７】
被検体を挟んで保持するために用いる平行平板は、超音波検出器側または対向側の平行平板を、それぞれ独自に、またはどちらか一方のみ移動させる等、可動形式は多様に選択可能である。平行平板が可動であることにより、乳房を個体差に応じて適切に圧迫保持できる。
【００１８】
ＰＡＭに用いる照明において、光拡散機構を用いることにより局所的な照射エネルギー密度の高い領域を除去することが可能である。さらに、照射領域全体を、拡散角度に応じた均一性で照度均一化することが可能である。光拡散機構を透過した光束は拡散角度に応じて照射範囲が広がる。ここで、乳房固定に可動式平行平板を用いた場合、光拡散機構が固定であれば、光拡散機構から平行平板までの距離、すなわち光束伝搬距離が、平板の移動に伴って変化するため照射領域が変化する。
【００１９】
ところで、生体表面への照射において許容される光量は、単位面積あたりの照射エネルギーまたは照射量で規定される。このため照射領域が変動して照射面積が拡大すると、生体表面への単位面積当たりの光量は減少する。一方、照射面積が縮小すると、生体表面への単位面積当たりの光量は増大し、ＭＰＥ（Maximum Permissible Exposure）以上の照度になる可能性もある。深部観察が必要なＰＡＭでは、ＭＰＥ以下の安全な照明光量の範囲内で、かつ深部観察が可能となるように大きな照明照度で、照明照度を一定とすることが好ましい。このためには、照射領域を可動式平行平板の移動によらず一定とする必要がある。
【００２０】
本発明において、照射領域を一定にするための方法を以下に説明する。図４において、光源（不図示）から光４０２が照射される。図４に示す乳房保持機構では、平行平板４０３自体に光拡散機構４０４が付与されている。図４（ａ）および図４（ｂ）には、この乳房保持機構において、平行平板の間隔の異なる２種類の構成を示している。本図に示すように、平行平板４０３の間隔によらず、光拡散機構を介した光束が形成する照射領域は変わらず、一定の面積となる。あるいは、可動な平行平板を乳房の圧迫保持のために移動しても、その移動の前後で照射領域が変わらないことを示す。
【００２１】
光拡散機構を実現するには、入射側の表面形状を摺りガラスのように荒くする表面拡散機構を設けることで光束の光量分布の均一化を図る方法がある。しかしながら、摺りガラスを用いた場合、基板に垂直に入射した光束が垂直に射出するような０次光が多く含まれる。このため、さらに光量分布の均一性を上げるためには、基板表面にサーフェス・レリーフホログラムパターンによるミクロンレベルの表面構造をランダムに配置したホログラフィック拡散板を用いると効果的である。表面の凹凸形状はエポキシ製で、ＵＶ硬化にてパターン形成することが可能である。拡散角度は非周期な凹凸形状により選択可能であり、可視から近赤外の波長まで波長依存性がなく、高透過率で光束を拡散することができる。
【００２２】
この他、光拡散機構には平行平板基材中に屈折率の異なる粒子を含有させて平行平板内
部で拡散制御する体積拡散を用いることも可能である。特にアクリルやポリカーボネート等の基板中にチタニア微粒子を含有させて体積拡散させることができる。基板内に均一に微粒子を含有させるだけでなく、入射側から射出側に向けて微粒子の含有量を増加させて拡散係数が大きくなるようにして、拡散角度を高めることも可能である。コヒーレンスの高いレーザー光を用いる場合、基板表面での屈折により基板内部の表面近傍に局所的に光束が集光する可能性がある。拡散を徐々に大きくすることにより、このようなに光束が集光する可能性が低下し、光を均一に拡散させることが可能となる。
【００２３】
このように、平行平板が有する光拡散機構とは、平板表面または内部に光拡散機構が付与されたものを示す。結果として、平板全体に所定の範囲で規定された拡散角度を有することになる。本発明において光拡散機構（光拡散手段）は、半値全幅として拡散角度を示した場合、光拡散機構全体で０．５°以上の拡散角を有するものとする。好ましくは１°以上、より好ましくは５°以上の拡散角であるとよい。このような光拡散機構により、被検体に均一な光を照射する。
【００２４】
また、図５に示すように、光拡散機構５０４と平行平板５０３の間隔を一定に保つ固定手段である治具５０７を設ける構成とすることもできる。この場合、保持機構の移動に応じて拡散機構を具備する治具も一緒に移動させることができるので、照射領域５０５を一定にすることが可能である。例えば、図５（ａ）の状態から、平行平板が乳房を圧迫保持する方向に移動して図５（ｂ）の状態となった場合でも、乳房表面における照射面積は変わらない。この図５の構成では、上述の平行平板に光拡散機構を付与する場合と異なり、光を射出する側に表面拡散機構を付与させている。
【００２５】
ただし、光拡散機構５０４は、表面拡散機構を用いた部材だけでなく、体積拡散機構を用いた部材でも構わない。また、光が伝播する空間に設置した光拡散機構５０４の表面に拡散機構を付与する場合は、拡散面を入射側にしても射出側にしても構わない。ただし、光量が強くコヒーレンスの高いレーザー光を用いる場合、平行平板表面での屈折により、平行平板内部の表面近傍に局所的に光束が集光する可能性がある。よって、損傷耐性の低い材料を用いた光拡散部材の場合は、射出側を拡散面とすることが好ましい。
【００２６】
図６に、図５の形態に対する比較例の構成を示す。この構成では、光拡散機構６０４の位置は固定されており、平行平板が被検体を圧迫する方向へ移動するにつれて光拡散機構と平板との距離が広がる。この場合、平行平板の移動に伴って、拡散した光束による照射領域６０５が図６（ａ）から図６（ｂ）のように変化（拡大）する。その結果照射領域における照度はＭＰＥを大きく下回り、測定効率が低下する。
【００２７】
＜実施例１＞
本実施例では、本発明を適用した前方検出型ＰＡＴ装置の構成例について説明する。
【００２８】
被検体である生体組織７０１に対して、図７に示すような、平面状の平行平板７０５ａおよび７０５ｂ、超音波検出器７０４、照明光７０３を照射する光源７０７からなる前方検出型ＰＡＴ装置を用意する。すると、照射された光は拡散して拡散光エリア７０２を照明する。また本装置では、超音波検出器が平板面７０５ａ上を走査する。また、対向側の光束も超音波検出器の移動に同期して移動して、常に超音波検出器７０４の前面（紙面左側）から照明する構成をとる。
【００２９】
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。これ以外に５００ｎｍ〜１４００ｎｍ程度の可視から近赤外領域の波長帯を利用することが可能である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーと共に用いるＴＩ：ｓａ（チタンサファイア）やＯＰＯ（光パラメトリック発生）等を用いて波長可変する技術や７５０ｎｍ前後の波長帯で
発振するアレクサンドライト結晶を用いたアレクサンドライトレーザーの使用も可能である。平行平板７０５ａおよび７０５ｂは、屈折率１．４６のポリメチルペンテンを用い、厚さを１０ｍｍとする。
【００３０】
そして本実施例では、超音波検出器７０４を配置する平板７０５ａと逆側の平板７０５ｂの入射側、すなわち被検体とは接触しない平板の外側に、表面拡散機構であるホログラフィック拡散機構をつける。そのために、ホログラフィック拡散機構を具備したシート７０６を平行平板７０５ｂに接着する。あるいは、平板表面に直接加工を行い、ホログラフィック拡散機構を形成しても構わない。つまり、表面拡散機構は、平板の一部であっても良いし、平板と別の部材であっても良い。平行平板は、本発明における保持手段に相当する。ホログラフィック拡散機構を具備したシートは、本発明における光拡散手段に相当する。
【００３１】
そして、拡散された光は生体組織７０１に吸収され、生体組織の膨張収縮により超音波（音響波）が発生する。これを超音波検出器７０４が取得する。超音波検出器は例えば圧電素子などで構成され、取得した超音波を電気信号に変換し、生体組織内部の画像再構成に利用させることができる。超音波検出器は、本発明における音響波取得手段に相当する。
【００３２】
このような構成のＰＡＴ装置を用いて、乳房の大きさに合わせて平行平板７０５ａと７０５ｂの一方または両方を移動することにより乳房を保持し、測定を行えば、光拡散機構から被検体への距離が一定に保たれる。その結果、光の拡散による照射領域の変動を阻止することが可能であり、効果的に照明を実施することが可能となる。
【００３３】
＜実施例２＞
本実施例では、本発明を適用した後方検出型ＰＡＴ装置の構成例について説明する。
【００３４】
生体組織８０１に対して、図８に示すような、平行平板８０５、超音波検出器８０４、光源（不図示）の照明光８０３からなる後方検出型ＰＡＴ装置を用意する。光源は実施例１と同様のものを利用可能である。光源から照射された光は拡散して拡散光エリア８０２を照明する。
【００３５】
超音波検出器の前面には、音響整合をとった、検出器面より大きなサイズの膜を固定化する。この膜は超音波の透過性が高いほど好ましく、かつ光透過性も必要である。本実施例では２００μｍ厚のポリカーボネート膜を用いた。超音波検出器とポリカーボネート膜を一体化したユニットを、ひまし油等の超音波を透過しやすい音響マッチング層となる溶液を介して乳房を保持した平板に接触させて平行に移動する。光拡散機構として、上記ポリカーボネート膜にホログラフィック拡散機構である表面拡散機構８０６を具備する。ポリカーボネート膜と超音波検出器８０４の接着部分以外に上記表面拡散機構を施し、この領域より光束を入射する。
【００３６】
このような構成のＰＡＴ装置を用いて測定を行えば、乳房を保持するために乳房の大きさに合わせて平行平板８０５を移動した場合であっても、光拡散機構から被検体への距離が一定に保たれる。その結果、光の拡散による照射領域の変動を阻止することが可能であり、効果的に照明を実施することが可能となる。
【００３７】
なお、ここでは後方検出型ＰＡＴ装置について説明したが、本実施例の手法を実施例１の手法と組み合わせて、超音波検出器と対向する側にも光源からの光を照射することにより両側照明型ＰＡＴ装置を実現できる。
【００３８】
また、本実施例の構成に対して、超音波検出器の対向側の平板をなくして１枚の板で構成することも可能である。その場合、乳房を押しつけ固定して保持し、測定を行う方法となる。この構成においても拡散による照射領域の変動を阻止することが可能であり効果的に照明を実施することが可能となる。また、円弧状の部材で押しつけ固定する場合にも適用可能である。
【００３９】
＜実施例３＞
本実施例では、前述の実施例で用いた表面拡散に代えて、体積拡散により光拡散機構を実現する構成例を示す。
【００４０】
図９に、本実施例におけるＰＡＴ装置の構成を示す。ここでは、前述の実施例に示したような超音波検出器前面に表面拡散を付与するポリカーボネート膜は必要ない。乳房等の生体組織９０１が被検体であり、平行平板９０５で挟んで保持される。そして、光源（不図示）から光学系により導かれた照明光９０３ａおよび９０３ｂが被検体に照射され、拡散光エリア９０２に拡散する。超音波検出器９０４は、被検体から発生した音響波を検出する。
【００４１】
本実施例においては、平行平板９０５の材料であるポリメチルペンテン樹脂内部の屈折率を調整するために、チタニア微粒子を含有させた。チタニアの含有は、平板内に一様に含有させた場合と、光束の入射側から射出側に向けて徐々に拡散効果が高まるようにチタニア微粒子の含有率を上げた、２種類を用意した。
【００４２】
上述した２種類の平板のいずれを用いた場合でも、このような構成のＰＡＴ装置を用いて、乳房の大きさに合わせて平行平板９０５を移動することにより乳房を保持し、測定を行えば、光拡散機構から被検体への距離が一定に保たれる。その結果、光の拡散による照射領域の変動を阻止することが可能であり、効果的に照明を実施することが可能となる。２種類の平板のうち、チタニアの含有量が入射側から徐々に高まるような構成であれば、屈折により表面近傍に局所的に光束が集まることを防ぐことができる点で好ましい。
【００４３】
本実施例の別の態様として、乳房保持機構と連動して移動する拡散機構を具備する構成例を取っても良い。この場合、乳房保持機構である平行平板は乳房の大きさに依存して平板間隔が変化する。移動可能な平行平板と拡散機構を具備する部材を連結し、平板と拡散部材間距離を保持する。実施例１と同様に、音響波信号測定時は超音波検出器と同期して対向側の光束も面内操作するため、常に光束が拡散部材を介して照射するように、縦横サイズが十分大きな拡散部材とする。
【００４４】
このような構成とすることにより、拡散による照射領域の変動を阻止することが可能であり、効果的に照明を実施することが可能となる。
【符号の説明】
【００４５】
７０３：照明光，７０４：超音波検出器，７０５ａおよび７０５ｂ：平行平板，７０６：光拡散機構，７０７：光源
【図１】
0005587046.tif 000002
【図２】
0005587046.tif 000003
【図３】
0005587046.tif 000004
【図４】
0005587046.tif 000005
【図５】
0005587046.tif 000006
【図６】
0005587046.tif 000007
【図７】
0005587046.tif 000008
【図８】
0005587046.tif 000009
【図９】
0005587046.tif 000010