(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に照射するための測定光を導光する導光部と、音響波を検出可能な音響波振動子および該音響波振動子の前記被検体側に設けられた音響波集束機能を有する音響レンズを含む電気音響変換部とを備える音響波検出用プローブにおいて、
前記電気音響変換部の前記被検体側に設けられた音響波透過性を有する光拡散音響部であって、少なくとも一部の層が、被検体で反射した前記測定光に対して光拡散性を有する光拡散音響部材から構成される光拡散音響部を備え、
前記導光部の前記測定光の出射端面が、該出射端面から前記被検体に入射するまでの前記測定光の光路が前記光拡散音響部に妨害されないように前記光拡散音響部の近傍に配置されたものであることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
前記光拡散音響部材が第１の無機顔料を含有する弾性材料によって構成されるものであることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記第１の無機顔料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることを特徴とする請求項２に記載のプローブ。
【請求項４】
前記第１の無機顔料の粒子の大きさが０．０５〜０．３５μｍであることを特徴とする請求項２または３に記載のプローブ。
【請求項５】
前記第１の無機顔料の添加量が２〜６５ｗｔ％であることを特徴とする請求項２から４いずれかに記載のプローブ。
【請求項６】
前記光拡散音響部が前記被検体に当接する部分を構成するものであり、
前記光拡散音響部の前記被検体側の表面部分が、前記光拡散音響部が前記被検体に当接したときに当接部位の表面形状に適合可能な程度に柔らかい弾性材料から構成されるものであることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載のプローブ。
【請求項７】
前記光拡散音響部の前記被検体側の表面形状が平坦形状を有することを特徴とする請求項６に記載のプローブ。
【請求項８】
前記被検体に当接する部分を構成し前記測定光および音響波を透過せしめる音響カプラであって、前記光拡散音響部の前記被検体側の表面および前記出射端面と接続された音響カプラを備えることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載のプローブ。
【請求項９】
前記光拡散音響部が、前記音響波集束機能を相殺する機能を有するものであり、
前記光拡散音響部および前記音響カプラが、前記電気音響変換部または前記導光部から着脱可能な構成を有するものであることを特徴とする請求項８に記載のプローブ。
【請求項１０】
前記導光部が、前記測定光を導光する少なくとも１つの光ファイバと、該少なくとも１つの光ファイバの一端が接続される入射面および該入射面から入射した前記測定光が出射する前記出射端面としての出射面を有する少なくとも１つの導光板とを有することを特徴とする請求項１から９いずれかに記載のプローブ。
【請求項１１】
前記導光板が、該導光板が前記電気音響変換部を挟んで対向するように複数配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のプローブ。
【請求項１２】
前記導光板と前記電気音響変換部との間に、前記導光板の側面から漏れた前記測定光を拡散させる光拡散部材を備えることを特徴とする請求項１１に記載のプローブ。
【請求項１３】
前記光拡散部材が、第２の無機顔料を含有する塗料が塗布された金属板であることを特徴とする請求項１２に記載のプローブ。
【請求項１４】
前記第２の無機顔料が、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることを特徴とする請求項１３に記載のプローブ。
【請求項１５】
前記光拡散部材が、ポリテトラフルオロエチレンの粉末が押し固められて焼成されたものであることを特徴とする請求項１２に記載のプローブ。
【請求項１６】
請求項１から１５いずれかに記載のプローブを備えることを特徴とする光音響計測装置。
【請求項１７】
近赤外波長域の前記測定光を出力する光源を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光音響計測装置。
【請求項１８】
前記プローブによって検出された光音響波の光音響信号に基づいて、前記光音響信号についての光音響画像を生成する音響画像生成手段を備えることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光音響計測装置。
【請求項１９】
前記プローブが、前記被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、
前記音響画像生成手段が、前記反射超音波の超音波信号に基づいて超音波画像を生成するものであることを特徴とする請求項１８に記載の光音響計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体や無機構造物等の被検体に当てて音響波を検出するプローブおよびそれを備えた光音響計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、音響波検出用のプローブ（または探触子）は、例えば、診断に使用される超音波画像生成装置および光音響画像生成装置、並びに漁業に使用される魚群探知機等に使用されている。このようなプローブには、音響波ビームを集束させて分解能を向上させるために音響レンズが組み込まれている。
【０００３】
例えば特許文献１では、生体との密着性をよくするために、音響レンズは主に６つの特性を満たすことが望まれることが開示されている。具体的な６つの要件は、（１）被検体との接触部分で超音波の反射を最小にすること、（２）超音波を高感度で送受信すること、（３）凸面形状にするために音響レンズ内の音速が被検体内の音速（約１５００ｍ／ｓ）以下の材料から作られること、（４）成型性に優れ、特に引き裂き強度が大きい材料から作られること、（５）添加物を含む音響レンズの構成材料が生体に対して安全であること、（６）使用の際に容易に変形しない程度の硬さを有する材料から作られることである。
【０００４】
そこで特許文献１では、上記６つの要件をすべて満たす音響レンズを提供するため、シリコーンゴムに酸化亜鉛粉末または白金粉末を所定の重量濃度で混合させた組成物を開示している。
【０００５】
また、これに関連して特許文献２には、粒径０．０８〜０．２０μｍの酸化チタン粒子がシリコーンゴムに混合された音響レンズが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１２５０７１号公報
【特許文献２】特開昭５８−２１６２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、本発明者は、光音響計測を行う場合には、測定光の照射に起因する音響レンズについての課題があることを見出した。具体的には、被検体で反射した光が音響レンズを通過し音響波振動子で吸収された場合に、音響波振動子の振動によるアーティファクト（虚像または偽像）が写し出されたり、被検体で反射した光が音響レンズで吸収された場合に、そこで発生した光音響波によるアーティファクトが写し出されたりしてしまう。光音響計測において上記６つの要件を満たすだけでは当該課題を解決することは難しい。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、プローブを用いた光音響計測において、測定光の照射に起因したアーティファクトの発生を低減することを可能とする音響波検出用のプローブおよびそれを備えた光音響計測装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る音響波検出用プローブは、
被検体に照射するための測定光を導光する導光部と、音響波を検出可能な音響波振動子およびこの音響波振動子の被検体側に設けられた音響波集束機能を有する音響レンズを含む電気音響変換部とを備える音響波検出用プローブにおいて、
電気音響変換部の被検体側に設けられた音響波透過性を有する光拡散音響部であって、少なくとも一部の層が光拡散性を有する光拡散音響部材から構成される光拡散音響部を備え、
導光部の測定光の出射端面が、この出射端面から被検体に入射するまでの測定光の光路が光拡散音響部に妨害されないように光拡散音響部の近傍に配置されたものであることを特徴とするものである。
【００１０】
そして、本発明に係る音響波検出用プローブにおいて、光拡散音響部材は第１の無機顔料を含有する弾性材料によって構成されるものであることが好ましい。この場合において、第１の無機顔料は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることが好ましい。さらに、第１の無機顔料の粒子の大きさは０．０５〜０．３５μｍであることが好ましく、第１の無機顔料の添加量は２〜６５ｗｔ％であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る音響波検出用プローブにおいて、光拡散音響部は被検体に当接する部分を構成するものであり、光拡散音響部の被検体側の表面部分は、光拡散音響部が被検体に当接したときに当接部位の表面形状に適合可能な程度に柔らかい弾性材料から構成されるものであることが好ましい。この場合において、光拡散音響部の被検体側の表面形状は平坦形状を有することが好ましい。
【００１２】
或いは、本発明に係る音響波検出用プローブにおいて、被検体に当接する部分を構成し測定光および音響波を透過せしめる音響カプラであって、光拡散音響部の被検体側の表面および出射端面と接続された音響カプラを備えることが好ましい。この場合において、光拡散音響部は、音響波集束機能を相殺する機能を有するものであり、光拡散音響部および音響カプラは、電気音響変換部または導光部から着脱可能な構成を有するものであることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る音響波検出用プローブにおいて、導光部は、測定光を導光する少なくとも１つの光ファイバと、少なくとも１つの光ファイバの一端が接続される入射面およびこの入射面から入射した測定光が出射する上記出射端面としての出射面を有する少なくとも１つの導光板とを有することが好ましい。この場合において、導光板は、導光板が電気音響変換部を挟んで対向するように複数配置されていることが好ましい。
【００１４】
さらに、導光板が電気音響変換部を挟んで対向するように複数配置されている場合において、導光板と電気音響変換部との間に、導光板の側面から漏れた測定光を拡散させる光拡散部材を備えることが好ましい。この場合において、光拡散部材は、第２の無機顔料を含有する塗料が塗布された金属板であることが好ましく、第２の無機顔料は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることが好ましい。或いは、光拡散部材は、ポリテトラフルオロエチレンの粉末が押し固められて焼成されたものであることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る光音響計測装置は、上記に記載のプローブを備えることを特徴とするものである。
【００１６】
そして、本発明に係る光音響計測装置において、近赤外波長域の測定光を出力する光源を備えることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る光音響計測装置において、プローブによって検出された光音響波の光音響信号に基づいて、光音響信号についての光音響画像を生成する音響画像生成手段を備えることが好ましい。この場合において、プローブは、被検体に対して送信された超音波に対する反射超音波を検出するものであり、音響画像生成手段は、反射超音波の超音波信号に基づいて超音波画像を生成するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る音響波検出用プローブおよび光音響計測装置は特に、電気音響変換部の被検体側に設けられた音響波透過性を有する光拡散音響部であって、少なくとも一部の層が光拡散性を有する光拡散音響部材から構成される光拡散音響部を備えることを特徴とする。これにより、被検体で反射した光が、音響レンズを通過し音響波振動子で吸収されたり音響レンズで吸収されたりすることを抑制することができる。この結果、プローブを用いた光音響計測において、測定光の照射に起因したアーティファクトの発生を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態のプローブの構成を示す概略図である。
【図２】電気音響変換部、光拡散音響部および導光板の構成を示す概略図である。
【図３】酸化物粒子に関する粒子サイズと散乱効率の関係を示す概略図である。
【図４】第２の実施形態のプローブの構成を示す概略図である。
【図５】第３の実施形態のプローブの構成を示す概略図である。
【図６】第１の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概略図である。
【図７】第２の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２１】
「音響波検出用プローブの第１の実施形態」
まず、音響波検出用のプローブの第１の実施形態について説明する。図１は本実施形態のプローブの構成を示す概略図であり、図２は電気音響変換部、光拡散音響部および導光板の構成を示す概略図である。
【００２２】
本実施形態のプローブ１１は、図１に示されるように主として、電気音響変換部２０、光拡散音響部４３、光ファイバ４０、導光板４２、筺体４４およびケーブル４５から構成される。例えばプローブ１１は、光源からのレーザ光Ｌを被検体Ｍに照射して、光音響効果によって被検体Ｍ内に発生する光音響波を検出するものである。レーザ光Ｌの波長は、計測の対象となる被検体Ｍ内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。例えば測定対象が生体である場合には、一般的にヘモグロビンの吸収特性を考慮して、レーザ光Ｌとして近赤外波長域の光が使用される。近赤外波長域とはおよそ７００〜８５０ｎｍの波長域を意味する。しかしながら、レーザ光Ｌの波長は当然これに限られるものではない。
【００２３】
＜電気音響変換部＞
電気音響変換部２０は、図２に示されるように、例えばバッキング材５０、音響波振動子アレイ５１および音響レンズ５２を含む。
【００２４】
バッキング材５０は、音響波振動子アレイ５１を透過した音響波を吸収して、音響波の反射波が被検体Ｍ側へ戻ることを抑制する機能を果たす。バッキング材５０は、例えばベース樹脂であるエポキシ樹脂にタングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの密度の高い粉末材料が混合された構成を有する。
【００２５】
音響波振動子アレイ５１は、複数の音響波振動子の１次元的または２次元的に配列したものであり、実際に音響波信号を電気信号に変換する。音響波振動子は、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは音響波振動子アレイの振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは測定光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。
【００２６】
音響レンズ５２は、音響波振動子アレイ５１から照射された超音波を音響波ビームとして集束させるものである。音響レンズ５２は例えば本実施形態では平板形状を有する。音響レンズ５２の材料としては、例えばシリコーンゴムおよびポリウレタン等のゴム材料を使用することができる。
【００２７】
＜光拡散音響部＞
光拡散音響部４３は、電気音響変換部２０の被検体側に設けられた、音響波透過性および光拡散性を有する要素である。すなわち本発明は、この光拡散音響部４３を設けることにより、被検体Ｍを伝搬する光音響波Ｕ等の音響波は通常通り電気音響変換部２０で検出可能としながら、被検体Ｍの表面で反射しまたはその内部で拡散した測定光の一部（ノイズ光Ｌｄ）が電気音響変換部２０に到達することを抑制するものである。また、光拡散音響部４３が光拡散性を有することにより、ノイズ光Ｌｄを再度被検体Ｍへ戻すことができ、光エネルギーを効率的に利用することも可能となる。光拡散音響部４３において、音響透過性はその全体に亘って有することが必要であるが、光拡散性は少なくとも一部に有していればよい。つまり、光拡散音響部４３は、少なくとも一部の層が光拡散性を有する光拡散音響部材から構成されるものである。これは、光拡散音響部４３のいずれかの場所でノイズ光Ｌｄを遮断することができれば充分だからである。ただし、その場合音響整合層５３は光吸収のない透明部材である必要がある。なぜなら、音響整合層５３で光を吸収した際にノイズ音響波を発生するからである。例えば本実施形態では、光拡散音響部４３は、音響整合層５３およびこの音響整合層５３よりも被検体Ｍ側に設けられた光拡散音響部材５４から構成されている。音響整合層５３は、音響インピーダンスを整合する機能を果たす。音響整合層５３を構成する材料の例としては、エポキシ樹脂や石英ガラスなどが挙げられる。なお、音響整合層５３は必ずしも必須ではなく、当然光拡散音響部４３は光拡散音響部材５４のみから構成されてもよい。
【００２８】
本明細書において「音響透過性を有する」とは、音響波を減衰させにくいことを意味し、具体的には生体の減衰率（０．５〜１．０ｄＢ/ｃｍ・ＭＨｚ）以下であることを意味する。これにより、光拡散音響部４３を通過する音響波の減衰を低減することができる。
【００２９】
一方「光拡散性を有する」とは、光に対する拡散反射率が高いことを意味し、具体的には測定光の波長域における平均拡散反射率が８５％以上であることを意味する。「測定光の波長域」とは、測定光の波長分布における半値全幅に対応する波長域を意味する。例えば本実施形態では測定光の波長域は、近赤外波長域に含まれる。さらに「平均拡散反射率」は、光拡散音響部材５４の平均厚さにおける拡散反射率であって、所定の波長域に属する光の拡散反射率の平均値を意味する。所定の波長域に属する光の拡散反射率の平均値は、例えば、その波長域に属するいくつかの光について拡散反射率を求めて、それぞれその平均を取ることにより得られる。拡散反射率は分光光度計等によって測定される。
【００３０】
このような光拡散音響部材５４は、例えば音響透過性のある音響材料に無機顔料を混合して成形することにより形成することができる。この場合において、無機顔料は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることが好ましい。一方、上記音響材料としてはシリコーンゴムおよびポリウレタン等のゴム材料を使用することができる。また、無機顔料の粒子の大きさは、後述するアーティファクトの発生が電気ノイズレベルになり画像上問題とならない範囲で適宜調整される。さらに無機顔料の粒子の大きさは、０．０５〜０．３５μｍであることが好ましい。これは、図３に示された、酸化物粒子に関する粒子サイズと散乱効率（これは粒子濃度一定での還元散乱定数に比例する。）の関係を考慮したものである。
【００３１】
図３のグラフは、７５６ｎｍの光においてＭｉｅ散乱を仮定して計算した散乱効率の値をプロットしたものである。Ａのプロットは、シリコーンゴム（屈折率：１．４１）に酸化チタン（屈折率：２．６）を混合した試料についてのデータであり、Ｂのプロットは、シリコーンゴムに酸化ジルコニウム（屈折率：２．４）を混合した試料についてのデータであり、Ｃのプロットは、シリコーンゴムにポリスチレン（屈折率：１．６）を混合した試料についてのデータである。図３から分かるように、粒子の大きさが０．０５〜０．３５μｍである範囲において、音響材料に対する酸化物粒子の濃度（粒子濃度）が低くても高い拡散反射率を得ることができる。さらに、無機顔料の粒子の大きさは、音響減衰率を増加させないことまで考慮すると０．０８〜０．２μｍであることが好ましい。本明細書において、「粒子の大きさ」とは、その材料種の粒子の直径の平均値を意味し、例えば動的光散乱法、レーザ回折法および走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)による画像イメージング法等によって測定される。
【００３２】
光拡散音響部材５４の厚さ（最も厚い部分の厚さを言う。）は０．５〜２ｍｍであることが好ましい。これは、薄すぎる場合には所定の濃度で測定光の波長域における拡散反射率を得ることが難しく、厚い場合には当該部材の材料による測定光Ｌの波長域における吸収が増加するためである。
【００３３】
無機顔料の添加量は、後述するアーティファクトの発生が電気ノイズレベルになり画像上問題とならない範囲で適宜調整される。さらに無機顔料の添加量は、２〜６５ｗｔ％であることが好ましい。これは、添加量がこの範囲よりも低い場合には測定光の波長域における平均拡散反射率が８５％に達せず、大きい場合には測定光の波長域における平均拡散反射率を増加させる効果が飽和するためである。
【００３４】
一般に、粒子同士が粒子径の半分以下の距離まで近接するような程度にまで粒子濃度が高くなると、散乱能は飽和する。例えば０．２μｍの粒子が一辺０．３μｍの立方体空間に入ることを想定すると、散乱能（拡散反射率）は、例えばシリコーンゴムおよび無機顔料の混合物中における無機顔料の体積分率が０．１５５のときに飽和する。そこで、本発明では、無機顔料の添加量は、光拡散音響部材５４を構成する材料中における無機顔料の体積分率が０．１５５の範囲で適宜設定される。これは、図３のグラフに示されていない酸化鉄および酸化セリウムについても同様である。
【００３５】
また、本実施形態のように、光拡散音響部４３が被検体Ｍに当接する部分を構成する場合には、光拡散音響部４３の被検体Ｍ側の表面部分は、光拡散音響部４３が被検体Ｍに当接したときに当接部位の表面形状に適合可能な程度に柔らかい弾性材料から構成されるものであることが好ましい。このような場合、光拡散音響部４３と被検体Ｍとの間に隙間が生じないようにプローブ１１を被検体Ｍに当接することが可能となるため、効率的に光を被検体Ｍ側に戻すことが可能となる。この場合において、光拡散音響部４３の被検体側の表面形状は平坦形状を有することが好ましい。これは、様々な形状に対して適合し得る汎用性が高いためである。上記弾性材料としてもシリコーンゴムおよびポリウレタン等のゴム材料を使用することができる。
【００３６】
一方、光拡散音響部４３中の光拡散音響部材５４以外の部分は、音響材料として公知のものを使用して形成することができる。
【００３７】
なお、光拡散音響部４３の材料について、その音響インピーダンスを被検体Ｍのものと同じ或いは近づけることが好ましい。光拡散音響部４３の内部で音響波が多重反射することによるアーティファクトを低減することができる。
【００３８】
＜光ファイバ＞
光ファイバ４０は、レーザ光Ｌを出力する光源に光学的に接続されており、本実施形態ではレーザ光Ｌを導光板４２まで導光する。光ファイバ４０は導光板４２の入射面Ｓ１に接続されている。光ファイバ４０は、特に限定されず、石英ファイバ等の公知のものを使用することができる。光ファイバは１本でもよいが、光エネルギーの伝送量を増やすために、複数の光ファイバを使用することが好ましい。例えば、光ファイバとしてバンドルファイバを使用することもできる。
【００３９】
＜導光板＞
導光板４２は、例えばアクリル板や石英板の表面に特殊な加工を施して、一方の端面（入射面Ｓ１）から入れた光を他方の端面（出射面Ｓ２）から均一に面発光させる板である。光ファイバ４０および導光板４２が全体として本発明における導光部に相当する。図１ｂに示されるように、本実施形態では２つの導光板４２が、電気音響変換部２０を挟んで対向するように配置されており、それぞれの導光板４２に光ファイバ４０が例えば２本ずつ接続されている。例えば導光板４２は、図１ａに示されるように、光ファイバ４０と接続された入射面Ｓ１から出射面Ｓ２へ向かうに連れて幅が広くなるテーパー形状に形成されている。さらに、光ファイバ４０と接続される導光板４２の部分は、光エネルギーによる破損を回避するために、ガラス材料で形成されることが好ましい。一方、その他の部分は、例えばアクリル等の樹脂材料で形成される。
【００４０】
光ファイバ４０によって導光されたレーザ光Ｌは、入射面Ｓ１から導光板４２に入射した後、反対側の出射面Ｓ２から被検体Ｍに照射される。つまり、本実施形態では、導光板４２の出射面Ｓ２が本発明における導光部の出射端面に相当する。導光板４２は、より広範囲の被検体Ｍをレーザ光Ｌによって照射できるように、その先端部に光を拡散させる機構（散乱粒子を包含する樹脂等）または光の進行方向を電気音響変換部２０側へ向ける機構（光を屈折させるための切り欠き等）を有していてもよい。導光板４２の出射面Ｓ２は、図２に示されるように、この出射面Ｓ２から被検体Ｍに入射するまでのレーザ光Ｌの光路が光拡散音響部４３に妨害されないように光拡散音響部４３の近傍に配置されている。また、上記光路上に光拡散音響部４３が存在するとノイズ光Ｌｄの増加の要因となる。つまりレーザ光Ｌは、効率よく光エネルギーを被検体Ｍへ伝送するために、光拡散音響部４３を避けて照射される。
【００４１】
＜筺体およびケーブル＞
筺体４４は、例えば、アクリロニトリル（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ブタジエン（Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ）およびスチレン（Ｓｔｙｒｅｎｅ）共重合合成樹脂（ＡＢＳ樹脂）等により構成される。本実施形態ではハンドヘルド型の形状を有しているが、本発明の筺体４４はこれに限られない。またケーブル４５は、電気配線４１および光ファイバ４０を内包し、電気配線４１の他端は計測機器に接続され、光ファイバ４０の他端はレーザ光Ｌを出力する光源に接続されている。
【００４２】
以下のように、本実施形態に係る音響波検出用プローブは特に、電気音響変換部２０よりも被検体側の位置、かつ、出射面Ｓ２から被検体Ｍに入射するまでの測定光（レーザ光Ｌ）の光路を妨害しない位置に、光拡散性および音響透過性を有する光拡散音響部４３を備えるから、ノイズ光Ｌｄが音響レンズ５２を通過し音響波振動子で吸収されたり音響レンズ５２で吸収されたりすることを抑制することができる。この結果、プローブを用いた光音響計測において、測定光の照射に起因したアーティファクトの発生を低減することが可能となる。
【００４３】
また、音響レンズとは別の部材である光拡散音響部に光拡散性を持たせたことにより、既存の光音響用プローブを使用して、例えば光拡散音響部としてシート状の光拡散音響部材を音響レンズに貼り合わせる等の簡易な方法で、本発明を実施することが可能である。さらに、音響レンズとは別の部材である光拡散音響部に光拡散性を持たせたことにより、音響レンズの設計の自由度も確保することができる。
【００４４】
本発明のように被検体表面で反射した光の問題を提起した先行技術文献としては、例えば特開２０１２−４０３６１号公報がある。具体的には当該文献では、後方検出型の光音響プローブにおいて、被検体表面での後方散乱光が音響波振動子に入射した場合、その光によって音響波振動子表面で発生した音響波がノイズの原因となることを挙げ、これらを抑えるため、被検体表面での散乱光を反射するための光反射部材を音響波振動子と被検体表面との間に設けることが開示されている。
【００４５】
しかしながら、本発明は、上記文献の発明と比べ、被検体表面で反射した光を単に正反射させるのみではなく、拡散反射させる点で差異を有する。本発明では、被検体表面で反射した光を拡散反射させることにより、再度被検体表面へ光が照射される際により均一に照射できるという利点を有する。つまり本発明では、被検体表面における局所的な反射成分があった場合でも、そのような成分を均一に照射して再利用することができるため、画像のムラが生じることを防止することができる。
【００４６】
「音響波検出用プローブの第２の実施形態」
次に、音響波検出用のプローブの第２の実施形態について説明する。図４は本実施形態のプローブの構成を示す概略図である。本実施形態は特に、光拡散音響部４３の構造、導光板４２の構造および音響レンズ５２の形状が異なり、並びに音響カプラ４６を備えるという点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成についての詳細な説明は特に必要のない限り省略する。
【００４７】
本実施形態のプローブ１１は、図４に示されるように主として、電気音響変換部２０、光拡散音響部４３、光ファイバ４０、導光板４２、筺体４４、ケーブル４５および音響カプラ４６から構成される。
【００４８】
＜電気音響変換部＞
本実施形態における電気音響変換部２０は、音響レンズ５２の形状が平凸形状（中央が厚く端が薄い形状）を有する点で第１の実施形態と異なるが、その他の事項については第１の実施形態と同様である。
【００４９】
＜光拡散音響部＞
本実施形態の光拡散音響部４３は、光拡散音響部材のみから構成され、かつ音響レンズ５２の音響波集束機能を相殺するように音響レンズ５２の凸形状と相補的な凹形状（中央が薄く端が厚い形状）を有する。したがって、本実施形態では、音響レンズ５２の凸形状と光拡散音響部４３の凹形状とが組み合わされた場合、音響レンズ５２の音響波集束機能が相殺され、音響波振動子アレイ５１から照射された超音波は集束されなくなる。また、音響レンズ５２と光拡散音響部４３は着脱可能に構成されている。
【００５０】
＜導光板＞
本実施形態の導光板４２は、入射面Ｓ１側の第１導光領域４２ａと出射面Ｓ２側の第２導光領域４２ｂで大きく分けられる。第１導光領域４２ａは光エネルギーに対して耐性力の高い材料（例えば石英ガラス）を基に形成されており、第２導光領域４２ｂは外力に応じて変形可能な程度に柔軟な材料（例えばゴム材料）を基に形成されている。このように構成することにより、エネルギー密度の高い入射面Ｓ１側の損傷を抑制するとともに、後述する音響カプラ４６との接続を容易にすることができる。
【００５１】
＜音響カプラ＞
音響カプラ４６は、被検体Ｍに当接する部分を構成しレーザ光Ｌおよび音響波を透過せしめるものであり、例えば被検体Ｍと電気音響変換部２０との距離を稼ぐために使用される。音響カプラ４６は少なくともレーザ光Ｌの波長域においては透明であることが好ましい。本発明においては、音響カプラ４６は、光拡散音響部４３の被検体Ｍ側の表面および導光板４２の出射面Ｓ２と接続される。ここで、音響カプラ４６と導光板４２の出射面Ｓ２とは着脱可能に構成されている。なお、光拡散音響部４３と音響カプラ４６とは、着脱可能に構成されていてもよいし、そのように構成されていなくてもよい。音響カプラ４６の材料としては、音響レンズと同様に、例えばシリコーンゴムおよびポリウレタン等のゴム材料を使用することができる。
【００５２】
音響カプラ４６の側面は、例えば図４に示されるように、音響波振動子アレイ５１の検出面に対して所定の角度で傾斜している。このような音響カプラ４６をプローブ１１に取り付けると、導光板４２の第２導光領域４２ｂが取り付ける際の外力に応じて変形する。具体的には図４ａに示されるように、第２導光領域４２ｂは、出射面Ｓ２が音響カプラ４６の側面と平行になるように変形する。これにより、被検体Ｍに対して、音響カプラ４６の側面の傾斜角度に応じた所望の角度でレーザ光Ｌを照射することができる。すなわち、音響カプラ４６の側面の傾斜角度を調整すること、或いは傾斜角度の異なる複数の音響カプラ４６を用意しておくことにより、レーザ光Ｌの照射角度を調整することができる。
【００５３】
以下のように、本実施形態に係る音響波検出用プローブも特に、電気音響変換部２０よりも被検体側の位置、かつ、出射面Ｓ２から被検体Ｍに入射するまでの測定光（レーザ光Ｌ）の光路を妨害しない位置に、光拡散性および音響透過性を有する光拡散音響部４３を備えるから、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００５４】
また、本実施形態では特に、電気音響変換部２０に対して、音響波集束機能を相殺する光拡散音響部４３が着脱可能に構成されているから、光音響計測の目的に応じて柔軟な計測が可能となる。例えば、１断面の光音響画像を生成する場合には光拡散音響部４３および音響カプラ４６を取り外して光音響計測を行い、２次元走査により光音響画像のボリュームデータを生成する場合には光拡散音響部４３および音響カプラ４６を取り付けて光音響計測を行う等の計測が考えられる。
【００５５】
また、本実施形態では、音響波振動子アレイ５１の検出面に対して所定の角度で傾斜している音響カプラ４６の側面に、出射端面である出射面Ｓ２が接続されているから、音響波振動子アレイ５１の検出面や被検体Ｍの計測部位の表面に対してレーザ光Ｌの照射角度を調整することができる。
【００５６】
「音響波検出用プローブの第３の実施形態」
次に、音響波検出用のプローブの第３の実施形態について説明する。図５は本実施形態のプローブの構成を示す概略図である。本実施形態は特に、光拡散音響部４３および音響レンズ５２の形状が異なり、並びに光拡散部材４７を備えるという点で、第２の実施形態と異なる。したがって、第２の実施形態と同様の構成についての詳細な説明は特に必要のない限り省略する。
【００５７】
本実施形態のプローブ１１は、図５に示されるように主として、電気音響変換部２０、光拡散音響部４３、光ファイバ４０、導光板４２、筺体４４、ケーブル４５、音響カプラ４６および光拡散部材４７から構成される。
【００５８】
＜音響レンズおよび光拡散音響部＞
本実施形態では、音響レンズ５２および光拡散音響部４３は、それぞれ平板形状を有する。
【００５９】
＜光拡散部材＞
光拡散部材４７は、導光板４２の側面から漏れたレーザ光Ｌを拡散させることにより、このような漏れ光を被検体Ｍ側へ戻す機能を果たす。光拡散部材４７は、図５に示されるように、導光板４２と電気音響変換部２０との間の空間に配置される。光拡散部材４７は、効率よくレーザ光Ｌを拡散させるために、白色であることが好ましい。したがって、光拡散部材４７は、例えば無機顔料を含有する塗料が塗布された金属板（例えば鋼板およびアルミ板等）であることが好ましい。これにより、金属板に起因する反射効果のみではなく、無機顔料に起因する拡散効果も得られる。無機顔料は、前述した光拡散音響部材５４に添加するものと同様に、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄および酸化セリウムのうち少なくとも１種の酸化物粒子であることが好ましい。なお、塗料の主成分としては、特に制限されず、塗料として一般的に使用されている材料を使用することができる。塗布膜の厚みは例えば０．０３ｍｍ以上とする。また、無機顔料の粒子の大きさおよび添加量は、後述するアーティファクトの発生が電気ノイズレベルになり画像上問題とならない範囲で適宜調整される。さらに無機顔料の粒子の大きさは０．０５〜０．３５μｍであることが好ましく、無機顔料の添加量は２〜６５ｗｔ％であることが好ましい。これは、光拡散音響部材５４の場合と同様の理由による。或いは、光拡散部材４７は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の粉末が押し固められて焼成されたものとすることもできる。
【００６０】
以下のように、本実施形態に係る音響波検出用プローブも特に、電気音響変換部２０よりも被検体側の位置、かつ、出射面Ｓ２から被検体Ｍに入射するまでの測定光（レーザ光Ｌ）の光路を妨害しない位置に、光拡散性および音響透過性を有する光拡散音響部４３を備えるから、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００６１】
また、本実施形態では特に、導光板４２と電気音響変換部２０との間に光拡散部材４７を有するから、導光板４２の側面から漏れたレーザ光Ｌを拡散させることにより、このような漏れ光を被検体Ｍ側へ戻すことができ、測定光を効率よく利用することが可能となる。
【００６２】
「光音響計測装置の第１の実施形態」
次に、光音響計測装置の第１の実施形態について説明する。本実施形態では、光音響計測装置が、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置である場合について具体的に説明する。図６は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の構成を示すブロック図である。
【００６３】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、本発明に係るプローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４および入力手段１６を備える。
【００６４】
＜レーザユニット＞
レーザユニット１３は、例えばレーザ光Ｌを、被検体Ｍに照射する測定光として出力する。レーザユニット１３は、例えば、制御手段２９からのトリガ信号を受けてレーザ光Ｌを出力するように構成されている。レーザユニット１３が出力するレーザ光Ｌは、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体Ｍに照射される。レーザユニット１３は、レーザ光として１〜１００ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。
【００６５】
例えば本実施形態では、レーザユニット１３は、Ｑスイッチ（Ｑｓｗ）アレキサンドライトレーザである。この場合、レーザ光Ｌのパルス幅は、例えばＱｓｗによって制御される。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。例えば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、一般的にはその波長は近赤外波長域に属する波長であることが好ましい。また、レーザ光Ｌは、単波長でもよいし、複数の波長（例えば７５０ｎｍおよび８００ｎｍ）を含んでもよい。さらに、レーザ光Ｌが複数の波長を含む場合には、これらの波長の光は、同時に被検体Ｍに照射されてもよいし、交互に切り替えられながら照射されてもよい。
【００６６】
＜プローブ＞
プローブ１１は、被検体Ｍ内で発生した光音響波Ｕを検出する本発明に係るプローブであり、例えば図１および図２に示されたものを使用する。
【００６７】
＜超音波ユニット＞
超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、制御手段２９、画像合成手段３８および観察方式選択手段３９を有する。受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、検波・対数変換手段２７および光音響画像構築手段２８が一体として、本発明における音響画像生成手段に相当する。
【００６８】
制御手段２９は、光音響画像生成装置１０の各部を制御するものであり、本実施形態ではトリガ制御回路３０を備える。トリガ制御回路３０は、例えば光音響画像生成装置の起動の際に、レーザユニット１３に光トリガ信号を送る。これによりレーザユニット１３で、フラッシュランプが点灯し、レーザロッドの励起が開始される。そして、レーザロッドの励起状態は維持され、レーザユニット１３はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。
【００６９】
そして、制御手段２９は、その後トリガ制御回路３０からレーザユニット１３へＱｓｗトリガ信号を送信する。つまり、制御手段２９は、このＱｓｗトリガ信号によってレーザユニット１３からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御している。また本実施形態では、制御手段２９は、Ｑｓｗトリガ信号の送信と同時にサンプリングトリガ信号をＡＤ変換手段２２に送信する。サンプリングトリガ信号は、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングの開始タイミングの合図となる。このように、サンプリングトリガ信号を使用することにより、レーザ光の出力と同期して光音響信号をサンプリングすることが可能となる。
【００７０】
受信回路２１は、プローブ１１で検出された光音響信号を受信する。受信回路２１で受信された光音響信号はＡＤ変換手段２２に送信される。
【００７１】
ＡＤ変換手段２２は、サンプリング手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。例えば、ＡＤ変換手段２２は、サンプリング制御部およびＡＤ変換器を有する。受信回路２１によって受信された受信信号は、ＡＤ変換器によってデジタル化されたサンプリング信号に変換される。ＡＤ変換器は、サンプリング制御部によって制御されており、サンプリング制御部がサンプリングトリガ信号を受信したときに、サンプリングを開始するように構成されている。ＡＤ変換手段２２は、例えば外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で受信信号をサンプリングする。
【００７２】
受信メモリ２３は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号（つまり上記サンプリング信号）を記憶する。そして、受信メモリ２３は、プローブ１１によって検出された光音響信号を光音響画像再構成手段２４に出力する。
【００７３】
光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、プローブ１１の電気音響変換部２０で検出された光音響信号に基づいて、光音響画像の各ラインのデータを生成する。光音響画像再構成手段２４は、例えばプローブ１１の６４個の音響波振動子からのデータを、音響波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。光音響画像再構成手段２４は、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行ってもよい。あるいは光音響画像再構成手段２４は、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。
【００７４】
検波・対数変換手段２７は、各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
【００７５】
光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、１フレーム分の光音響画像を構築する。光音響画像構築手段２８は、例えば光音響信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を光音響画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像を構築する。
【００７６】
観察方式選択手段３９は、光音響画像の表示態様を選択するものである。光音響信号についてのボリュームデータの表示態様としては、例えば三次元画像としての態様、断面画像としての態様および所定の軸上のグラフとしての態様が挙げられる。いずれの態様によって表示するかは、初期設定或いは使用者による入力手段１６からの入力に従って選択される。
【００７７】
画像合成手段３８は、順次取得された光音響信号を使用して、ボリュームデータを生成する。ボリュームデータの生成は、それぞれの光音響信号の信号値を、光音響画像のフレームごとに関連付けられた座標および光音響画像中の画素座標に従って、仮想空間に割り当てることにより行う。例えば、Ｑｓｗトリガ信号が送信された時の座標、実際に光が出力された時の座標、および光音響信号のサンプリングが開始された時の座標等が光音響画像の１フレームごとに関連付けられる。信号値を割り当てる際に、割り当てる場所が重複する場合には、その重複する場所の信号値として例えばそれらの信号値の平均値またはそれらのうちの最大値が採用される。また、必要に応じて、割り当てられる信号値がない場合には、その周辺の信号値を用いて補間することが好ましい。補間は、例えば、最近接点から順に４つの近接点の重み付き平均値を補間場所に割り当てることにより行う。これにより、より自然な形のボリュームデータを生成することができる。さらに、画像合成手段３８は、生成されたボリュームデータに必要な処理（例えばスケールの補正およびボクセル値に応じた色付け等）を施す。
【００７８】
また、画像合成手段３８は、観察方式選択手段３９によって選択された観察方式に従って光音響画像を生成する。選択された観察方法に従って生成された光音響画像が、画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）となる。なお、上記の光音響画像の生成方法において、一旦光音響画像が生成された後、使用者が必要に応じて当該画像を回転させたり移動させたりすることも当然可能である。つまり、三次元画像が表示されている場合に、使用者が入力手段１６を使用して視点とする方向を順次指定する或いは移動させることにより、光音響画像が再計算されて三次元画像が回転することになる。また、使用者が入力手段１６を使用して適宜観察方法を変更することも可能である。
【００７９】
画像表示手段１４は、画像合成手段３８によって生成された表示画像を表示するものである。
【００８０】
以上のように、本実施形態に係る光音響計測装置は、本発明のプローブを使用するものであるから、プローブを用いた光音響計測において、測定光の照射に起因したアーティファクトの発生を低減することが可能となる。
【００８１】
「光音響計測装置の第２の実施形態」
次に、光音響計測装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態でも、光音響計測装置が光音響画像生成装置である場合について具体的に説明する。図７は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
【００８２】
本実施形態の光音響画像生成装置１０は、第１の実施形態と同様に、本発明に係るプローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４および入力手段１６を備える。
【００８３】
＜超音波ユニット＞
本実施形態の超音波ユニット１２は、図６に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、送信制御回路３３、データ分離手段３４、超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、および超音波画像構築手段３７を備える。本実施形態では、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、データ分離手段３４、光音響画像再構成手段２４、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、及び超音波画像構築手段３７が一体として、本発明における音響画像生成手段に相当する。
【００８４】
本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波の検出（受信）を行う。超音波の送受信を行う音響波振動子としては、前述した音響波振動子アレイ５１を使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな音響波振動子アレイを使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。
【００８５】
トリガ制御回路３０は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路３３は、このトリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
【００８６】
プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。トリガ制御回路３０は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ここで、反射超音波はプローブ１１と超音波反射位置との間を往復するのに対し、光音響信号はその発生位置からプローブ１１までの片道である。反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響信号の検出に比して２倍の時間がかかるため、ＡＤ変換手段２２のサンプリングクロックは、光音響信号サンプリング時の半分、例えば２０ＭＨｚとしてもよい。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリング信号を受信メモリ２３に格納する。光音響信号のサンプリングと、反射超音波のサンプリングとは、どちらを先に行ってもよい。
【００８７】
データ分離手段３４は、受信メモリ２３に格納された光音響信号のサンプリング信号と反射超音波のサンプリング信号とを分離する。データ分離手段３４は、分離した光音響信号のサンプリング信号を光音響画像再構成手段２４に入力する。光音響画像の生成は、第１の実施形態と同様である。一方、データ分離手段３４は、分離した反射超音波のサンプリング信号を、超音波画像再構成手段３５に入力する。
【００８８】
超音波画像再構成手段３５は、プローブ１１の複数の音響波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリング信号）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。各ラインのデータの生成には、光音響画像再構成手段２４における各ラインのデータの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。検波・対数変換手段３６は、超音波画像再構成手段３５が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
【００８９】
超音波画像構築手段３７は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。
【００９０】
画像合成手段３８は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３８は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えて表示することも可能である。
【００９１】
以上のように、本実施形態に係る光音響計測装置も、本発明のプローブを使用するものであるから、プローブを用いた光音響計測において、測定光の照射に起因したアーティファクトの発生を低減することが可能となる。
【００９２】
さらに本実施形態の光音響計測装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。したがって、超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
なお、以上では光音響計測装置が光音響画像や超音波画像を生成する場合について説明したが、このような画像生成は必ずしも必要ではない。例えば光音響計測装置を、光音響信号の大きさに基づいて測定対象の存在の有無や物理量を計測するような構成にすることもできる。
【符号の説明】
【００９４】
１０   光音響画像生成装置
１１   プローブ
１２   超音波ユニット
１３   レーザユニット
１４   画像表示手段
１６   入力手段
２０   電気音響変換部
４０   光ファイバ
４２   導光板
４３   光拡散音響部
４６   音響カプラ
４７   光拡散部材
５０   バッキング材
５１   音響波振動子アレイ（音響波振動子）
５２   音響レンズ
５４   光拡散音響部材
Ｌ     レーザ光（測定光）
Ｌｄ   ノイズ光
Ｍ     被検体
Ｓ１   入射面
Ｓ２   出射面（出射端面）
Ｕ     光音響波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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