(57)【要約】【課題】波長可変パルスレーザーを、発振波長に関わらず安定した出力で発振させる。【解決手段】出力鏡および反射鏡を含む共振器と、共振器内に配置されたレーザー媒質および励起ランプと、発振するレーザー光のパルスの波長を複数の波長から選択する波長選択機構と、励起ランプの発光のタイミング、および、発振するパルスの波長が複数の波長のいずれであるかに応じて決まる励起ランプの発光エネルギーを制御するとともに、パルスの発振を制御する制御装置とを有し、制御装置は、少なくとも２つの波長のパルスを含む複数のパルスから構成されるパルス列を連続して発振するレーザー装置を用いる。【選択図】図２
2014086531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力鏡および反射鏡を含む共振器と、
前記共振器内に配置されたレーザー媒質および励起ランプと、
発振するレーザー光のパルスの波長を複数の波長から選択する波長選択機構と、
前記励起ランプの発光のタイミング、および、発振するパルスの波長が前記複数の波長のいずれであるかに応じて決まる前記励起ランプの発光エネルギーを制御するとともに、前記パルスの発振を制御する制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、少なくとも２つの波長のパルスを含む複数のパルスから構成されるパルス列を連続して発振するものである
ことを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
前記波長選択機構は、前記パルスの波長を、第一の波長および第二の波長の２つから選択するものであり、
前記制御装置は、２つのパルスから構成され、前記第一の波長のパルスに続いて前記第二の波長のパルスが発振されるパルス列を繰り返し発振する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
前記波長選択機構は、前記パルスの波長を、第一の波長および第二の波長の２つから選択するものであり、
前記制御装置は、２つのパルスから構成され、前記第一の波長のパルスに続いて前記第二の波長のパルスが発振されるパルス列と、２つのパルスから構成され、前記第二の波長のパルスに続いて前記第一の波長のパルスが発振されるパルス列とを、交互に発振する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項４】
前記制御装置は、同じパルス列を繰り返し発振する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記共振器内に配置されたシャッターをさらに有し、
前記制御装置は、前記シャッターを閉じてパルスが発振しない状態で前記励起ランプの照射を行い、前記レーザー媒質の温度を定常状態とする暖気を行う
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記パルスの出力エネルギーを測定するエネルギー測定器をさらに有し、
前記制御装置は、前記出力エネルギーが安定化したかどうかに基づいて、前記レーザー媒質の温度が定常状態であるかどうかを判断する
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項７】
前記反射鏡には、前記レーザー媒質の熱レンズ効果を補償する曲率が付与されている
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項８】
前記レーザー媒質と前記波長選択機構の間に配置されたテレスコープをさらに有し、
前記テレスコープは、レンズ間距離を調整することで前記レーザー媒質の熱レンズ効果を補償する
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザー装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザー装置と、
前記レーザー装置から発振されたレーザー光のパルスを吸収した被検体から発生する音響波を受信する受信器と、
前記音響波に基づき前記被検体内の情報を取得する処理装置と、
を有することを特徴とする光音響装置。
【請求項１０】
請求項２または３に記載のレーザー装置と、
前記レーザー装置から発振されたレーザー光のパルスを吸収した被検体から発生する音響波を受信する受信器と、
前記音響波に基づき前記被検体内の情報を取得する処理装置と、
を有し、
前記２つの波長は、それぞれ酸素化ヘモグロビンおよび還元型ヘモグロビンの吸収特性に対応する波長である
ことを特徴とする光音響装置。
【請求項１１】
出力鏡および反射鏡を含む共振器と、前記共振器内に配置されたレーザー媒質および励起ランプと、発振するレーザー光のパルスの波長を複数の波長から選択する波長選択機構と、前記励起ランプの発光のタイミング、および、発振するパルスの波長が前記複数の波長のいずれであるかに応じて決まる前記励起ランプの発光エネルギーを制御するとともに、前記パルスの発振を制御する制御装置とを有するレーザー装置の制御方法であって、
前記制御装置が、少なくとも２つの波長のパルスを含む複数のパルスから構成されるパルス列を連続して発振する発振ステップを有する
ことを特徴とするレーザー装置の制御方法。
【請求項１２】
前記波長選択機構が、前記パルスの波長を、第一の波長および第二の波長の２つから選択する選択ステップをさらに有し、
前記発振ステップにおいて、前記制御装置は、２つのパルスから構成され、前記第一の波長のパルスに続いて前記第二の波長のパルスが発振されるパルス列を繰り返し発振することを特徴とする請求項１１に記載のレーザー装置の制御方法。
【請求項１３】
前記波長選択機構が、前記パルスの波長を、第一の波長および第二の波長の２つから選択する選択ステップをさらに有し、
前記発振ステップにおいて、前記制御装置は、２つのパルスから構成され、前記第一の波長のパルスに続いて前記第二の波長のパルスが発振されるパルス列と、２つのパルスから構成され、前記第二の波長のパルスに続いて前記第一の波長のパルスが発振されるパルス列とを、交互に発振する
ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザー装置の制御方法。
【請求項１４】
前記発振ステップにおいて、前記制御装置は、同じパルス列を繰り返し発振する
ことを特徴とする請求項１１に記載のレーザー装置の制御方法。
【請求項１５】
前記レーザー装置は、前記共振器内に配置されたシャッターをさらに有し、
前記発振ステップの前に、前記制御装置が、前記シャッターを閉じてパルスが発振しない状態で前記励起ランプの照射を行い、前記レーザー媒質の温度を定常状態とする暖気を行う暖気ステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載のレーザー装置の制御方法。
【請求項１６】
前記レーザー装置は、前記パルスの出力エネルギーを測定するエネルギー測定器をさらに有し、
前記発振ステップの前に、前記制御装置が、前記出力エネルギーが安定化したかどうかに基づいて、前記レーザー媒質の温度が定常状態であるかどうかを判断するステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１１ないし１５のいずれか１項に記載のレーザー装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変パルスレーザーを用いた医療用の光音響トモグラフィー装置（ＰｈｏｔｏＡｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ装置：以下ＰＡＴ装置）の開発が進められている（非特許文献１）。ＰＡＴ装置は、ナノ秒パルスレーザーを測定部位に照射して、そこで発生する超音波（光音響波）を受信し、受信信号を解析することで画像を得る測定装置である。生体内部にある腫瘍周囲に集束する血管観察から腫瘍の有無を判断することや、照射レーザーの波長に応じた生体組織の吸収係数に基づくスペクトル測定から生体機能解析を行うことが可能になると期待されている。
【０００３】
ＰＡＴ装置用の光源として、レーザー媒質にチタンサファイア結晶やアレキサンドライト結晶を用いた波長可変レーザーが候補に挙げられる。特に、アレキサンドライトレーザーは、レーザー媒質であるアレキサンドライト結晶の蛍光寿命が長いため、フラッシュランプによる直接励起が有効である。このため、比較的容易に高いエネルギー出力を得られる。
【０００４】
しかしながら、フラッシュランプの発光スペクトルは紫外域から赤外域と広いため、レーザー媒質の吸収スペクトルとの整合性が悪い。このため、フラッシュランプの熱エネルギーによりレーザー媒質温度が変化し、レーザー媒質を通過する光束が屈折する熱レンズ効果が生じる。大気観測用の多波長共鳴散乱ライダー用アレキサンドライトレーザーに関する報告において、アレキサンドライトレーザーは熱レンズ効果が顕著であることが知られている。そのため、熱レンズ効果を抑制するか、安定させることで、レーザー発振を安定化させる必要がある。
【０００５】
レーザー媒質の温度分布差は、フラッシュランプから与えられる熱エネルギーと、レーザー媒質周囲の循環水による冷却効果に依存する。一定温度の循環水にレーザー媒質を浸漬させ、ランプエネルギーを一定に維持して熱レンズを一定状態にする。ランプエネルギーを変える場合は、複数のパルス列の平均ランプエネルギーを一定とし、レーザー発振を安定化させる方法が開示されている（特許文献１）。
【０００６】
ＰＡＴ装置において、２波長以上のレーザー光を用いて、酸素化ヘモグロビンと還元型ヘモグロビンのスペクトルの違いより血液中の酸素飽和度が求められる。２波長から得られる光音響信号を用いて精度良く酸素飽和度等の生体機能情報を測定する場合、各波長におけるレーザー出力を同程度の大きさに保つことが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６１９３７１１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. Manohar et al, Proc. of SPIE vol. 6437 643702-1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
アレキサンドライトレーザーは７２０ｎｍ−８００ｎｍの発振帯域を有していることか
ら、酸素化ヘモグロビンや還元型ヘモグロビンの吸収帯に合致し、酸素飽和度を測定するのに適している。しかしながら、波長による利得強度が大きく異なるため、波長７５０ｎｍと８００ｎｍ近辺のレーザー出力強度が大きく異なる。そこで、波長に関わらず同程度の出力で安定的にレーザーを発振させるためには、波長変換等と共にフラッシュランプ出力制御発を行う必要がある。
【００１０】
特許文献１は、Ｅｒ：ＹＡＧパルスレーザーを生体に対して効果的に照射する方法を開示している。Ｅｒ：ＹＡＧレーザーとは、波長２９４０ｎｍで発光するレーザーであり、生体組織の水分に対する反応が高く発熱が少ないためレーザー治療に好適に用いられる。特許文献１には、レーザーパルス列内に含まれる各パルスにおけるフラッシュランプの平均出力エネルギーを一定とし、フラッシュランプからＥｒ：ＹＡＧレーザー媒質に与える平均熱エネルギーを一定とするレーザー発振の安定化方法が開示されている。
【００１１】
しかしながら、利得帯域の広いチタンサファイアやアレキサンドライトと異なり、Ｅｒ：ＹＡＧレーザーは固定波長で発振するレーザーであるため、特許文献１は固定波長におけるレーザー制御方法しか開示していない。特許文献１の構成では発振波長を容易に変更できないため、異なる波長に対する生体組織の吸収特性の違いを用いたＰＡＴによる生体機能診断には利用できない。
【００１２】
一方、ＰＡＴスペクトル測定では生体照射初期より測定精度を向上させるためのレーザー駆動方法が必要となる。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、波長可変パルスレーザーを、発振波長に関わらず安定した出力で発振させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
出力鏡および反射鏡を含む共振器と、
前記共振器内に配置されたレーザー媒質および励起ランプと、
発振するレーザー光のパルスの波長を複数の波長から選択する波長選択機構と、
前記励起ランプの発光のタイミング、および、発振するパルスの波長が前記複数の波長のいずれであるかに応じて決まる前記励起ランプの発光エネルギーを制御するとともに、前記パルスの発振を制御する制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、少なくとも２つの波長のパルスを含む複数のパルスから構成されるパルス列を連続して発振するものである
ことを特徴とするレーザー装置である。
【００１５】
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
出力鏡および反射鏡を含む共振器と、前記共振器内に配置されたレーザー媒質および励起ランプと、発振するレーザー光のパルスの波長を複数の波長から選択する波長選択機構と、前記励起ランプの発光のタイミング、および、発振するパルスの波長が前記複数の波長のいずれであるかに応じて決まる前記励起ランプの発光エネルギーを制御するとともに、前記パルスの発振を制御する制御装置とを有するレーザー装置の制御方法であって、
前記制御装置が、少なくとも２つの波長のパルスを含む複数のパルスから構成されるパルス列を連続して発振する発振ステップを有する
ことを特徴とするレーザー装置の制御方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、波長可変パルスレーザーを、発振波長に関わらず安定した出力で発振させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図２】本発明のレーザー駆動方法の一実施形態を示すレーザーパルスパターン。
【図３】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図４】本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図５】レーザーパルスパターンの比較例。
【図６】レーザーパルスパターンの比較例。
【図７】本発明のレーザー駆動方法の一実施形態を示すレーザーパルスパターン。
【図８】本発明のレーザー駆動方法の一実施形態。
【図９】光音響測定用の本発明のレーザー装置の一実施形態を示す構成図。
【図１０】ＰＡＴ装置の一実施形態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およ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。
【００１９】
本発明はまず、波長可変なレーザー装置およびその制御方法として捉えることができる。そして本発明は、かかる波長可変レーザー装置を構成要素に含むＰＡＴ装置（光音響装置とも呼ばれる）にも適用できる。すなわち、本発明の波長可変レーザー装置から被検体にレーザー光を照射し、被検体内の光吸収体から光音響効果により発生し伝播する光音響波を取得する、ＰＡＴ装置である。このとき本発明にかかる波長可変レーザーを用いることにより、被検体に照射する光の波長を簡便かつ安定性よく変更できるので、様々な、光吸収特性の異なる組織（光吸収体）の存在を特性情報として識別可能になる。そして、取得された情報を表示して診断に役立てることができる。
【００２０】
本発明で言う音響波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、音響波と呼ばれる弾性波を含む。光音響効果により発生した音響波のことを、光音響波または光超音波と呼ぶ。
【００２１】
（装置の構成）
本発明に用いる波長可変レーザーの構成の一例を図１に示す。出力鏡１０３と反射鏡１０４により共振器を構成し、共振器内部に励起チャンバー１００、Ｑスイッチ１０５、波長選択機構１０６を配置する。励起チャンバー１００内には、ロッド状のレーザー媒質１０１、レーザー媒質１０１を励起するフラッシュランプ１０２（励起ランプ）を隣接して配置する。フラッシュランプ１０２の発光エネルギーの一部をレーザー媒質１０１が吸収し、反転分布状態を形成し、所望のタイミングでＱスイッチ１０５により共振器内損失を下げることでレーザー発振する。レーザー媒質１０１が高利得帯域を有するレーザー結晶であり、波長選択機構１０６により発振波長を選択する。
【００２２】
フラッシュランプ励起の波長可変パルスレーザーとして、例えば、チタンサファイアレーザーやアレキサンドライトレーザーが用いられる。これらの波長可変パルスレーザーは、発振波長帯域が酸素化ヘモグロビンと還元型ヘモグロビンの吸収特性に対応する周波数帯域と一致するため、血液の酸素飽和度を検出するのに好ましい。特にアレキサンドライトレーザーは、フラッシュランプによる励起が容易であり、レーザー光のパルス当たりの出力エネルギーが大きい。以下、アレキサンドライトをレーザー媒質とする例にて説明するが、本発明はアレキサンドライトに限られるものではない。
【００２３】
（熱レンズ効果）
フラッシュランプを励起源とするレーザーでは、熱レンズ効果を一定にして発振を安定化させることが必要である。以下、熱レンズに関して詳しく説明する。フラッシュランプより発光された光がレーザー媒質に吸収されると熱が発生しレーザー媒質の温度が変化する。この温度分布により、光吸収の起きた部分とその周辺部分の密度および屈折率が変化する。レーザー媒質の温度は、レーザー媒質周辺の循環水温度やフラッシュランプが発光した熱エネルギーに依存する。一般的にレーザー媒質の中心部分と周辺部分の温度が異なるため、中心部分と周辺部分の屈折率が大きく異なりレンズ作用を発揮する。このように、レーザー媒質において熱レンズが発生する現象を熱レンズ効果と呼ぶ。
【００２４】
（レーザー媒質温度を定常化させる制御の例）
以下、本発明のレーザー駆動方法の一実施形態を説明する。異なる２波長のレーザー発振を同程度のレーザー出力で発振させる発振パルスパターン例を、図２（ａ）を用いて概説する。図２（ａ）は、横軸が時間（Ｔ）、縦軸がフラッシュランプ１０２のランプ発光エネルギー（Ｅｌａｍｐ）である。
【００２５】
以下の説明では、ランプ発光エネルギーＥｌａｍｐ＿ａで発振する波長λａのレーザー光のパルスをパルスＡとし、ランプ発光エネルギーＥｌａｍｐ＿ｂで発振する波長λｂのレーザー光のパルスをパルスＢとする。被検体に照射されるのは、パルスＡとパルスＢから成るパルス列であり、「パルスＡ、パルスＢ」のセットからなるパルス列を繰り返し照射する。Ｅｌａｍｐ＿ａとＥｌａｍｐ＿ｂの値は、異なる波長で同程度の出力のパルスを発振できるように決まる。このとき、波長λａおよび波長λｂはそれぞれ、本発明の第一の波長および第二の波長に相当すると考えることが出来る。
【００２６】
図２（ａ）内の破線は、レーザー媒質（ロッド）の温度の変化の様子を模式的に示している。レーザー媒質内部には温度分布があるが、ここではレーザー媒質温度を示す温度として、媒質端面の中心軸上の温度（Ｔｌｏｄ）を用いる。レーザー媒質１０１は、励起チャンバー１００内部に満たされた循環水に浸漬されている。そして、フラッシュランプ点灯前には、循環水の温度は一定状態に保たれる。
【００２７】
その後、フラッシュランプ１０２を点灯させることで、レーザー媒質および循環水の温度が上昇する。パルスＡとパルスＢのそれぞれのランプ発光エネルギーはそれぞれＥｌａｍｐ＿ａ、Ｅｌａｍｐ＿ｂであり、これらの条件下で駆動したときに波長λａ，λｂの出力が所定の値となる。パルスＡとパルスＢのパルス列を繰り返すことで、レーザー媒質温度Ｔｌｏｄは徐々に上昇し、定常状態となる。
【００２８】
図２（ａ）右上の、一点鎖線で囲まれた部分の拡大図を図２（ｂ）に示す。矢印はＱスイッチ１０５によりレーザー発振するタイミングである。パルスＡとパルスＢではランプ発光エネルギーが異なるため、レーザー照射後のレーザー媒質温度Ｔｌｏｄが若干変化する。しかしながら、パルス列内の平均ランプエネルギーが一定であるため、Ｔｌｏｄの温度変動は非常に小さい。このため、レーザー媒質の熱レンズパワーがほぼ一定となり、パルスＡおよびパルスＢの両パルスが安定して発振する。レーザー媒質温度が定常状態であり、かつ常に同じパルス列が繰り返し発振する場合、パルスＡとパルスＢそれぞれについて見ると、レーザー媒質温度はほぼ一定となる。このため、同じ波長を持つパルスの間では、レーザー特性変化が少ない。
【００２９】
なお、レーザー媒質の温度変化はフラッシュランプ発光に強く影響を受けるが、発光強度だけでなく発光間隔も重要な温度制御因子である。パルスレーザーの場合、繰り返し周波数が高いほどフラッシュランプの発光間隔が狭いため、レーザー媒質が定常的に熱エネルギーを受けることになり、レーザー媒質温度への影響が大きくなる。具体的には、繰り
返し周波数が高いほど、レーザー媒質の熱緩和の影響が低減するため、レーザー媒質温度が安定化する。
【００３０】
好ましい繰り返し周波数の範囲について検討する。レーザー媒質温度定常化の観点からは、レーザー媒質サイズやレーザー媒質の比熱等の熱的な特性によっても異なるが、１０Ｈｚ以上、好ましくは２０Ｈｚ以上の繰り返し周波数を用いることが好ましい。一方、フラッシュランプ励起における装置構成の観点からは、ランプに印加する電圧にも依存するが、電源容量等を鑑み１００Ｈｚ以下の繰り返し周波数とすることが一般的である。
【００３１】
そこで、本発明のレーザー装置をＰＡＴ装置に用いる場合、レーザー装置に大きな負荷を掛けることなく、かつ安定的な出力を行うために、繰り返し周波数を１０〜５０Ｈｚとすることが好ましい。
【００３２】
（熱レンズ効果の補償）
図２に示すレーザー駆動手法では、レーザー媒質温度を定常状態にできるが、フラッシュランプがパルス発光であるため、熱平衡状態ではない。そのため、ある程度の温度変化により、熱レンズ効果の程度を示す熱レンズパワーが変動する可能性がある。
【００３３】
しかしながら、レーザー媒質の温度変化を極力抑制することにより、熱レンズパワーの変動を非常に小さい範囲に収めることは可能である。そして、熱レンズパワーの変動が非常に小さい場合であれば、反射鏡に一定の曲率を付与することで熱レンズ補償を行うことができる。すなわち、出力鏡１０３と反射鏡１０４の曲率により定められる共振器構造を安定共振器とすることで、発振の安定性を確保することができる。
【００３４】
具体的には、例えば、図１に示すように反射鏡１０４に曲率を付与して熱レンズ補償を行う。この場合、反射鏡１０４の中心に光束が垂直に照射することが必要である。波長選択機構１０６として、平行な平板で構成される複屈折フィルターを面内回転させて波長選択する機構を用いれば、光束の位置ずれがないため好ましい。また、波長選択機構１０６に所望の波長が透過する波長フィルターを利用することも好ましい。
【００３５】
繰り返し周波数を１０Ｈｚ未満にする場合、パルスＡおよびパルスＢに与えるランプ発光エネルギーの差にも依存するが、レーザー媒質温度は熱緩和により変化し易くなる。このように、パルスＡとパルスＢ発振時のレーザー媒質温度差が大きくなる場合は、図３に示すようなレーザー共振器を用いてそれぞれの各レーザーパルスに適した熱レンズ補償をする事が好ましい。
【００３６】
（波長選択機構の例）
図３では、励起チャンバー１００内にロッド上のレーザー媒質１０１、レーザー媒質１０１を励起するフラッシュランプ１０２を隣接させて配置する。本図では、波長選択機構１０６が光路を分岐させる結果、出力鏡１０３と反射鏡３０４からなる共振器、および、出力鏡１０３と反射鏡３０７からなる共振器が構成される。共振器内部において、出力鏡１０３から波長選択機構１０６までの共通光路に、励起チャンバー１００、Ｑスイッチ１０５が配置される。ここでの光路分岐により、パルスＡは反射鏡３０４で反射し、パルスＢは反射鏡３０７で反射する。２つの反射鏡に、それぞれの波長における熱レンズパワーに応じた曲率を付与することにより、レーザーパルスごとに熱レンズ補償を行うことができる。パルスごとに安定して動作し、発振可能な複数の波長から所望の波長を選択できれば、波長選択機構１０６としていかなる構成でも構わない。
【００３７】
光路を分岐する波長選択法として、波長選択機構１０６に固定プリズムを用いて屈折率分散に基づく波長分離を用い、シャッター機構により発振する光束を選択する方法がある
。また、波長選択機構１０６に平行平板を用いて光路を分岐して光束が透過する光路を選択し、反射鏡に所望の波長が反射する誘電体反射膜を用いて波長選択する方法もある。
【００３８】
図４に示すように、波長選択機構１０６と励起チャンバー１００の間にテレスコープ４０１を配置し、テレスコープ４０１のレンズ間距離を調整することで熱レンズパワーを補償することができる。この場合、反射鏡として平面反射鏡４０４を利用可能となる。反射鏡として平面反射鏡４０４を用いる場合、光束を反射鏡の中心に照射させる必要がないため、波長選択機構１０６にレーザー共振光路の変動を伴う屈折率分散を利用するプリズムなどを用いることも可能となる。
【００３９】
（レーザー媒質温度を定常化させる制御の別の例）
以下、図２とは異なるパルスパターンの例を示す。なお、図５および図６は比較例であり、図７が本発明のパルスパターンである。各図において、横軸を時間（Ｔ）、縦軸をランプ発光エネルギー（Ｅｌａｍｐ）、破線をレーザー媒質温度（Ｔｌｏｄ）の推移とする。
【００４０】
図５（ａ）にレーザーパルスのパターン比較例１を示す。ある一定の波長λａ、ランプ発光エネルギーＥｌａｍｐ＿ａのレーザーパルスを照射することにより、レーザー媒質温度Ｔｌｏｄは徐々に上昇し熱安定状態となる。
【００４１】
図５（ｂ）に図５（ａ）の一点鎖線部分の拡大図を示す。矢印はＱスイッチによる発振タイミングである。フラッシュランプがパルス発光であるためレーザー媒質温度は若干変化するが、定常状態ではレーザー発振時においてはほぼ一定のレーザー媒質温度となり熱レンズパワーは非常に安定する。波長が一定であれば、本パターンにより安定的にレーザー発振ができる。
【００４２】
図６にレーザーパルスのパターン比較例２を示す。本パターンでは、まず、波長λａ、ランプ発光エネルギーＥｌａｍｐ＿ａのパルスＡを数１０パルス照射したのち、波長λｂ、ランプ発光エネルギーＥｌａｍｐ＿ｂのパルスＢを数１０パルス照射するパターンを繰り返す。ここでは、パルスＡとＢの切り替え前後のレーザー媒質温度Ｔｌｏｄを示す。
【００４３】
図６に示すように、レーザー媒質温度Ｔｌｏｄは常に変動しており、特に、同じ波長のレーザーパルスにおいても段階的に変化している。このようにレーザー媒質温度の変化が大きい状態では、熱レンズパワーも逐次変化するため熱レンズ補償が困難であり、安定的にレーザー発振させることが困難である。
【００４４】
図７に、本発明のパルスパターン例を示す。パルスパターンは、パルスＡとパルスＢの組み合わせからなっており、パルス列ごとに、ＡＢ，ＢＡ，ＡＢ，・・・のように、パルス列内のパルスＡとパルスＢの順番を交互に入れ替えながら照射する。パルス列内の平均ランプエネルギーは一定であり、レーザー媒質温度はほぼ一定となる。本パターンでは、最初のパルスを除き、同パルス（ＡまたはＢ）が２つずつ連続して照射される。このため、波長変換の回数がレーザー繰り返し周波数の半分となるため、波長変換に伴う発振不安定化リスクを軽減できる。
【００４５】
図２および図７では２波長のレーザーパルスを用いる例を示しているが、３つ以上の波長を用いても構わない。その場合、パルス列に含まれるパルス数を発振する波長数と等しく、かつ、パルス列内の平均ランプエネルギーがほぼ一定となるように、発振波長ごとにランプ発光エネルギーを決める。
【００４６】
３波長（パルスＡ、パルスＢおよびパルスＣ）をパルス列とする場合、パルス列内のパ
ルス順序を一定にしても、毎回に変えても構わないが、波長選択機構の制御方法が複雑化しない順序で照射することが好ましい。熱レンズ補償の観点では、常に同じ順番（例えばＡＢＣ）に並ぶパルス列とすることで、同じ波長のパルスにおけるレーザー媒質温度が一致するため好ましい。なお、迅速にＰＡＴ測定を行うことも必要であり、パルス列内に含まれるパルス数（すなわち波長数）は、２波長以上４波長以下とすることが好ましい。
【００４７】
＜暖気工程＞
ＰＡＴ装置では、初期パルス列で得られる光音響信号を用いて生体組織の機能解析を実施するため、診断精度を向上するためには初期パルス列の段階から安定したレーザー出力を必要とする。レーザー出力を安定化させるためには、生体照射前に暖機工程を行い、レーザー媒質温度を生体照射時と同様の定常状態とする必要がある。
【００４８】
暖機工程では、共振器内部に設置するシャッター機構を設置することにより、レーザー発振をさせずにレーザー媒質温度を定常状態とすることができる。その場合、シャッターを閉じつつ、レーザー媒質周囲の循環水温度を一定に維持した状態で、生体照射時と同じランプ発光エネルギーのフラッシュランプパターンを繰り返すことにより、レーザー媒質温度を所望の定常状態とすることができる。
【００４９】
暖機工程の実施後、迅速に生体へのレーザー照射工程へ移行するためには、レーザー媒質温度が定常状態となったかどうかを確認し、移行の可否を判断することが好ましい。その場合、生体照射前にレーザー出力を直接測定し、レーザー出力エネルギーが安定化したことをもって、レーザー媒質温度が定常状態となったと判断する。
【００５０】
図８に、本発明のレーザー照射制御手順を示す。
ステップＳ８０１は、共振器内シャッターおよび外部シャッターを閉じた状態で、生体等の被検体に照射する時と同様の発光パターンでフラッシュランプを発光する工程である。これは上述した暖気工程にあたる。ランプ発光初期状態は熱レンズパワー変化が大きいため、共振器内に不安定な光束が発生し、共振器内の光学部品にダメージを及ぼす可能性がある。このため、共振器内シャッターなどによりレーザー発振をさせない状態で暖機工程を開始することが好ましい。また、被検体への影響を避けるため、一応外部シャッターを閉じておくことが好ましい。
【００５１】
ステップＳ８０２は、共振器内シャッターを開けて、生体等の被検体に照射する時と同条件の波長変換と、フラッシュランプ発光によるレーザーパルス発振を行う工程である。このとき、生体照射時と同様のレーザーパルス列が繰り替えし照射される。ここでは、生体前に配置する外部シャッターは閉じたままにしておき、レーザー光から被検体を遮蔽する。
【００５２】
ステップＳ８０３は、外部シャッターの前に設置したエネルギー測定器を用いて全レーザーパルスの出力を測定する工程である。
【００５３】
ステップＳ８０４は、エネルギー測定器により波長ごとに測定されたレーザー出力エネルギーが安定化したかどうかを確認し、被検体への照射の可否を判断する工程である。決められたパルス数ごとに出力エネルギーの標準偏差を算出し、標準偏差が予め決めた安定値以下になるまで測定を繰り返す。本レーザー制御方法を用いてＰＡＴ測定を実施する場合、ＰＡＴ測定に必要とする測定精度に応じてレーザー安定値を設定することができる。
【００５４】
ステップＳ８０５は、測定対象たる被検体へのレーザー照射を開始する工程である。レーザー出力が安定化した後、自動的にレーザー照射が開始するようにしても構わない。あるいは、安定化したことを測定者に通知し、測定者が任意のタイミングでレーザー照射を
開始しても構わない。
上記フローを実施することで、ＰＡＴ測定の精度を向上させることができる。
【００５５】
ＰＡＴ診断で生体組織の機能測定を行うためには、照射位置を変えずに異なる波長のレーザー光を照射し、波長ごとに得られる光音響信号より生体組織の機能情報を抽出する。その際、生体の動きを極力抑制し、ＰＡＴ装置と生体との位置を維持した状態で波長ごとの光音響信号を精度高く比較することが好ましい。特にハンドヘルド型ＰＡＴ装置では、動きの抑制が重要になる。ハンドヘルド型においては、プローブに光射出口と受信器が組み込まれ、測定者がそのプローブを手で持って被検体に押し当てて測定する。そのため、被検体とＰＡＴ装置の位置が絶えず変化する問題が生じる。
【００５６】
例えば、繰り返し周波数２０Ｈｚで８００ｎｍ前後の２波長のレーザーパルスからなるレーザーパルス列を用いる場合、それぞれの波長での測定周波数は１０Ｈｚであり、測定者の操作による動きに対して十分早い間隔で血中機能情報を測定できる。そのため、測定位置ずれの影響を軽減した精度の高い測定が可能となる。ＰＡＴスペクトル測定が必要な場合、連続させて波長を変化させながら光音響信号を測定する本手法は測定精度向上に効果的な方法である。
【００５７】
＜実施例１＞
以下、本発明の波長可変パルスレーザーを、ＰＡＴ装置に組み込んで用いた構成とその駆動方法を示す。
【００５８】
（装置の構成）
図９は、ＰＡＴ装置に組み込まれた波長可変パルスレーザー装置の概略図である。本レーザー装置は、波長８００ｎｍと７５５ｎｍが発振するアレキサンドライトレーザーであり、繰り返し周波数２０Ｈｚでレーザー発振する。
【００５９】
レーザー装置の構成は以下の通りである。励起チャンバー９００内に、アレキサンドライトを励起するフラッシュランプ９０１とアレキサンドライト結晶９０２が配置される。アレキサンドライト結晶は摂氏７５度の循環水に浸漬されている。平行平板９０６は合成石英であり、両面は光学研磨され平坦度λ／２０、平行度１秒以下とした。平板厚みは３０ｍｍである。
【００６０】
出力鏡９０３には、波長８００ｎｍと波長７５５ｎｍのレーザーに対して透過率４０％となる誘電体膜を付与する。反射鏡９０４には中心波長８００ｎｍのレーザーを高反射する誘電体反射膜を付与し、反射鏡９０８には中心波長７５５ｎｍのレーザーを高反射する誘電体反射膜を付与する。平行平板９０６が光軸９０５の上から退出した状態（９０６ｂ）では、光束が光軸９０５と共通の第一光路９０９を通り共振する。一方、平行平板９０６が光軸９０５の上に挿入された状態（９０６ａ）では、光束が平行移動し分岐光路９０７を通り共振する。
【００６１】
出力鏡９０３と励起チャンバー９００の間の光軸９０５の上にポッケルスセルからなるＱスイッチ９１１を配置する。励起チャンバー９００と平行平板の間に共振器内シャッター９１２を配置する。
【００６２】
上記の波長可変パルスレーザーを搭載したハンドヘルド型ＰＡＴ装置を用いて、酸素飽和度８０％相当の血管を模した吸収体が埋め込まれている生体模倣サンプル（ファントム）である被検体９１４を測定した。
【００６３】
（駆動方法）
以下、本実施例の駆動方法を、図８のフローの各ステップに対応させて示す。
ステップＳ８０１で、外部シャッター９１３と共振器内シャッター９１２を閉じた状態でランプ発光エネルギー６０ＪのランプパルスＡとランプ発光エネルギー４８ＪのランプパルスＢを繰り返し発光させて暖機工程を開始する。
【００６４】
１０分間暖機を行った後、ステップＳ８０２で、外部シャッター９１３を閉じ、かつ共振器内シャッター９１２を開けた状態でレーザー発振させる。光軸９０５の外に平行平板９０６が退出した状態（９０６ｂ）で、フラッシュランプを発光させるためにコンデンサーへの充電を開始する。充電完了後フラッシュランプを発光させ、ランプ発光をトリガーとして出力エネルギーが最大となるタイミングである１５０μｓｅｃ後にＱスイッチを発光させる。出力鏡９０３と反射鏡９０４間で共振した光束が、発振波長８００ｎｍ、パルス幅５０ｎｓｅｃ、出力１５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、スペクトル線幅８ｎｍ（半値全幅）のパルスＡが発振する。
【００６５】
パルスＡの発振終了後、アレキサンドライト結晶９０２と反射鏡９０４の間の光軸９０５の上に平行平板９０６を挿入する（状態９０６ａ）。平行平板９０６の並進制御と共にフラッシュランプを発光させるためにコンデンサーへの充電を開始する。平行平板９０６挿入終了後、フラッシュランプを発光させる。ランプ発光をトリガーとして１５０μｓｅｃ後にＱスイッチを発光させる。光束が、平行平板９０６を挿入した際の光路である分岐光路９０７を通り出力鏡９０３と反射鏡９０８かなる共振器で共振する。発振するレーザー光は、発振波長７５５ｎｍ、パルス幅５０ｎｓ、出力１５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、スペクトル線幅８ｎｍ（半値全幅）のパルスＢが発振する。
そして、上記パルスＡとパルスＢのレーザーパルス列を繰り返し発振させる。
【００６６】
ステップＳ８０３で、外部シャッターにより反射されたレーザー出力を測定する出力測定器（不図示）により、それぞれのレーザーパルスのエネルギーを測定する。
【００６７】
ステップＳ８０４で、パルスＡ、パルスＢにつき、それぞれ２０パルスごとに、エネルギーの安定性を示す標準偏差／平均エネルギーを算出する。そして、その算出値が２．５％以下になるまでエネルギー測定を繰り返す。それぞれのパルスの算出値が２．５％以下となった時点で、測定者に対してレーザー出力が安定となり、レーザー媒質温度が定常状態となって熱レンズが安定したことを知らせる。
【００６８】
ステップＳ８０５で、外部シャッターを開けて、安定したレーザーパルス列を被検体９１４にレーザー光を照射する。
【００６９】
（ＰＡＴ装置）
図１０に、ＰＡＴ装置の一例として、ハンドヘルド型ＰＡＴ装置の概略図を示す。ただし本発明はハンドヘルド型に限定されず、例えば伏臥型や立位型にも適用できる。
【００７０】
波長可変パルスレーザー装置１００１から射出されたレーザー光束１００２は、外部シャッター９１２を開けることによりバンドルファイバー入射端１００３へ入射する。レーザー光束はバンドルファイバー１００４を通過し、ハンドヘルドプローブ１０００を構成するバンドルファイバー射出端１００５を介して被検体（例えば生体模擬ファントム）へ照射される。
【００７１】
被検体から発生した光音響波は、ハンドヘルドプローブ１０００を構成する受信器１００６で検出されて光音響信号となり、信号線１００７を介して処理装置１００８で信号処理される。制御装置１００９は、制御信号１０１０を経由して、波長可変パルスレーザー装置１００１の波長変換やランプ出力制御のための信号を出力する。
【００７２】
処理装置１００８は、波長可変パルスレーザー装置１００１からの光照射に基づくトリガー信号１０１１に応じて信号処理を行う。処理装置１００８では、光音響信号に増幅、デジタル変換、画像再構成やノイズ除去など各種の処理を施し、被検体内の特性分布を示す画像情報をモニター１０１２に出力する。
【００７３】
このように、本発明を適用したＰＡＴ装置を用いた測定によれば、異なる２波長のパルスＡ（８００ｎｍ）およびパルスＢ（７５５ｎｍ）を安定的に生体模擬ファントムへ照射し、ファントム中の模擬血管からの光音響信号を得ることができる。そして、得られた光音響信号より波長ごとに吸収係数を算出し、酸素化ヘモグロビン濃度ＣＨｂＯおよび還元型ヘモグロビン濃度ＣＨｂを求め、酸素飽和度｛ＣＨｂＯ／（ＣＨｂＯ＋ＣＨｂＯ）｝ｘ１００を導くことができる。本方法により得られた酸素飽和度は８０％であった。
【００７４】
以上述べたように、本発明の波長可変パルスレーザー装置を用いた場合、ＰＡＴ測定において熱レンズ効果を抑制した安定的なレーザー発振が可能になり、測定者の動きによる位置ずれの影響が少なく高精度な測定が可能となる。
【符号の説明】
【００７５】
１０１：レーザー媒質、１０２：フラッシュランプ、１０３：出力鏡、１０４：反射鏡、１０５：Ｑスイッチ、１０６：波長選択機構、１００８：処理装置、１００９：制御装置
【図１】
2014086531.tif 000003
【図２】
2014086531.tif 000004
【図３】
2014086531.tif 000005
【図４】
2014086531.tif 000006
【図５】
2014086531.tif 000007
【図６】
2014086531.tif 000008
【図７】
2014086531.tif 000009
【図８】
2014086531.tif 000010
【図９】
2014086531.tif 000011
【図１０】
2014086531.tif 000012