(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの出射光を分岐するビームスプリッタと、
分岐された光同士が干渉するように、分岐光の少なくとも一方の物理特性を変化させる光物理特性シフト部と、
前記分岐された光のそれぞれが光軸に平行に入射するレンズと、
観察対象物において、前記レンズの焦点領域で発生する音響波を検出する音響検出部と、
を備えたことを特徴とする光音響波検出装置。
【請求項２】
前記光物理特性シフト部は、分岐光の少なくとも一方の周波数をシフトさせ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。
【請求項３】
前記音響検出部は、少なくとも一方の周波数がシフトされた分岐光の差周波数帯域を対象に音響波を検出す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。
【請求項４】
前記光物理特性シフト部は、分岐光の少なくとも一方に一定周波数の位相変調を加え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。
【請求項５】
前記レンズは、可変焦点レンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光音響波検出装置。
【請求項６】
前記レンズの焦点領域を光軸に直交する面上で走査させる光走査ユニットを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光音響検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光音響検出装置と、
前記検出信号に基づいて前記観察対象物の内部画像を生成する制御装置と、
を備えたことを特徴とする光音響イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体組織等の観察対象物に光を照射し、照射光によって観察対象物から発せられる音響波を検出する光音響波検出装置および光音響波検出装置を用いた光音響イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体内部をイメージング（可視化、画像化）する手法として、光音響効果を利用した光音響イメージング技術が注目されている。光音響効果とは、光エネルギーを吸収した分子が熱を放出し、その熱による体積膨張で音響波が発生する現象である。音波は生体内を長距離伝搬可能であるため、光音響イメージングは、高コントラストに生体深部を可視化できるという特長を有している。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、生体組織に短パルスレーザを照射し、生体組織が瞬間的に熱膨張を起こして発生する音響波を検出することが記載されている。音響波の到達時間でどの深さからの音響波であるかを知ることができるため、検出された音響波に基づいて内部イメージングを行なうことができる。
【０００４】
また、非特許文献２には、短パルスレーザに換えて安価な通常の連続波レーザを生体組織に照射して内部イメージングを行なうことが記載されている。これは、短パルスレーザのような瞬間的な熱膨張を生体組織に起こさせるのではなく、超音波帯域であるＭＨｚ程度の強度変調を加えた連続波レーザで生体組織に連続的に光刺激を加え、これによって発生する同帯域の音響波を検出してイメージングを行なうものである。連続波レーザでは音響波の到達時間によって深さを判断することができないため、生体組織の様々な深さから発生する音響波を分離するための大きなアーチ状の音響波計測装置が必要となる。
【０００５】
非特許文献１、非特許文献２に記載された技術は、深さ方向（光軸方向）の分解能が音波の性質によって決定される。このため、高分解能化が困難であるという問題がある。
【０００６】
これに対して、多光子励起現象を利用して、深さ方向の分解能を向上させることが特許文献１に開示されている。この技術は、深さ方向の分解能を音波の性質ではなく、多光子励起という光の性質を利用することで向上させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４５５１４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed", Song Hu, Konstantin Maslov, Lihong V. Wang, 1134-1136, OPTICS LETTERS/Vol.36, No.7 / April 1, 2011
【非特許文献２】"Photoacoustic imaging of biological tissue with intensity-modulated continuous-wave laser", Konstantin Maslov, Lihong V. Wang, Journal of Biomedical Optics 13(2), 024006 (March/April 2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載された技術によれば、深さ方向の分解能を向上させることができるが、多光子励起を発生させるために、高価なパルスレーザが必要となる。
【００１０】
このため、高分解能の光音響イメージング装置を安価に実現するための技術が望まれている。そこで、本発明は、高分解能の光音響イメージング装置を安価に提供できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である光音響波検出装置は、光源からの出射光を分岐するビームスプリッタと、分岐された光同士が干渉するように、分岐光の少なくとも一方の物理特性を変化させる光物理特性シフト部と、前記分岐された光のそれぞれが光軸に平行に入射するレンズと、観察対象物において、前記レンズの焦点領域で発生する音響波を検出する音響検出部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記光物理特性シフト部は、分岐光の少なくとも一方の周波数をシフトさせることができる。
このとき、前記音響検出部は、少なくとも一方の周波数がシフトされた分岐光の差周波数帯域を対象に音響波を検出することが望ましい。
あるいは、前記光物理特性シフト部は、分岐光の少なくとも一方に一定周波数の位相変調を加えるようにしてもよい。
いずれの場合も、前記レンズは、可変焦点レンズとすることができる。
また、前記レンズの焦点領域を光軸に直交する面上で走査させる光走査ユニットを備えようにしてもよい。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である光音響イメージング装置は、上述の光音響検出装置と、前記検出信号に基づいて前記観察対象物の内部画像を生成する制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高分解能の光音響イメージング装置を安価に提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る光音響イメージング装置の構成を示すブロック図である。
【図２】制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】可変焦点レンズの焦点付近の様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る光音響波検出装置を適用した光音響イメージング装置１００の構成を示すブロック図である。
【００１５】
本図に示すように光音響イメージング装置１００は、生体組織等の観察対象物２００の内部イメージングを行なう装置であり、レーザ光源１１０、ビームスプリッタ１１１、ミラー１１２、ミラー１１３、ミラー１１４、第１周波数シフタ１２１、第２周波数シフタ１２２、光走査ユニット１３０、可変焦点レンズ１４０、音響トランスデューサ１５０、制御装置１６０、表示装置１７０を備えている。
【００１６】
レーザ光源１１０は、平行光のレーザ光を発する光源である。レーザ光源１１０は、例えば、連続光を発する半導体レーザ光源とすることができる。レーザ光源１１０の発する光の波長は、観察対象物２００において吸収が大きい波長を選択するようにする。例えば、観察対象物２００として血管のイメージングを行なう場合には、ヘモグロビンの吸収が大きい５３２ｎｍ近辺の波長を選択することが望ましい。
【００１７】
レーザ光源１１０の光出射方向には光を２等分するビームスプリッタ１１１が配置されている。ビームスプリッタ１１１による一方の分岐光はミラー１１２、ミラー１１３により第１周波数シフタ１２１に導かれ、他方の分岐光はミラー１１４により第２周波数シフタ１２２に導かれる。なお、第１周波数シフタ１２１と第２周波数シフタ１２２とで周波数シフト部１２０を構成し、光の物理特性を変化させる光物理特性シフト部として機能する。
【００１８】
本図の例では、レーザ光源１１０の出射方向に対して４５度に配置されたビームスプリッタ１１１で直進方向の光と９０度方向の光に分岐し、直進方向の光がそれぞれ４５度に傾けられたミラー１１２とミラー１１３によりレーザ光源１１０の出射方向と同じ方向に進んで第１周波数シフタ１２１に入射する。また、ビームスプリッタ１１１で９０度方向に分岐した光は４５度に傾けられたミラー１１４によりレーザ光源１１０の出射方向と同じ方向に進んで第２周波数シフタ１２２に入射する。
【００１９】
ビームスプリッタ１１１、各ミラー１１２〜１１４の配置や構成は本図の例に限られないが、ビームスプリッタ１１１によって分岐したそれぞれの光が同じ方向で第１周波数シフタ１２１、第２周波数シフタ１２２に入射するようにする。
【００２０】
第１周波数シフタ１２１、第２周波数シフタ１２２は、例えば、音響光学変調器で構成され、光の周波数をわずかにシフトさせる。ここで、第１周波数シフタ１２１の周波数シフト量と、第２周波数シフタ１２２の周波数シフト量とは異なる値とする。一方の周波数シフト量が０であってもよい。
【００２１】
周波数シフト部１２０によって少なくとも一方が周波数シフトされた２つの分岐光は、同じ方向に進み、光走査ユニット１３０を介して可変焦点レンズ１４０に入射して、それぞれ焦点を結ぶ。ここで、２つの光は可変焦点レンズ１４０の光軸に対して平行に入射するように構成されている。このため、２つの光は可変焦点レンズ１４０の焦点で交わることにある。
【００２２】
光走査ユニット１３０は、ガルバノミラー等を有しており、可変焦点レンズ１４０の光軸と直交する面上において、少なくとも１方向に焦点を走査させる。
【００２３】
可変焦点レンズ１４０は、焦点距離を変更することができるレンズであり、高速に焦点位置を変更できるものを選択することが望ましい。
【００２４】
可変焦点レンズ１４０の先には音響波を伝達させるための水等の媒質２１１を収容した媒質容器２１０を配置し、媒質容器２１０の底面に生体組織等の観察対象物２００が固定されている。本図に示すように、可変焦点レンズ１４０の可変焦点が観察対象物２００の内部に位置するようにする。
【００２５】
また、媒質容器２１０内の媒質２１１には、音響検出部として機能する音響トランスデューサ１５０を配置する。音響トランスデューサ１５０は、観察対象物２００が発する音響波を検出して電気信号に変換する。
【００２６】
上述のビームスプリッタ１１１、ミラー１１２〜１１４、周波数シフト部１２０、光走査ユニット１３０、可変焦点レンズ１４０、音響トランスデューサ１５０で、本実施形態の光音響波検出装置を形成している。
【００２７】
制御装置１６０は、レーザ光源１１０、周波数シフト部１２０、光走査ユニット１３０、可変焦点レンズ１４０、音響トランスデューサ１５０を制御するブロックであり、表示装置１７０が接続されている。
【００２８】
図２は、制御装置１６０の構成を示すブロック図である。本図に示すように、制御装置１６０は、光源制御部１６１、変調制御部１６２、レンズ制御部１６３、走査制御部１６４、入力部１６５、画像生成部１６６、制御部１６７を備えている。
【００２９】
光源制御部１６１は、レーザ光源１１０の発光処理を制御する。変調制御部１６２は、周波数シフト部１２０の周波数シフト量を制御する。レンズ制御部１６３は、可変焦点レンズ１４０の焦点距離を制御する。走査制御部１６４は、光走査ユニット１３０の操作位置を制御する。入力部１６５は、音響トランスデューサ１５０からの検出信号を入力する。
【００３０】
画像生成部１６６は、検出信号や可変焦点レンズ１４０の焦点位置の情報等に基づいて観察対象物２００の内部画像を生成して保存し、必要に応じて表示装置１７０等に出力する。
【００３１】
制御部１６７は、光源制御部１６１、変調制御部１６２、レンズ制御部１６３、走査制御部１６４、画像生成部１６６における各種動作を制御する。
【００３２】
次に、上記構成の光音響イメージング装置１００の動作について説明する。制御装置１６０の光源制御部１６１からの信号でレーザ光源１１０は発振を開始し、レーザ光を発する。このレーザ光はビームスプリッタ１１１によって２等分され、直進方向と９０度方向（図１における右側方向）に進む光に分岐される。
【００３３】
直進する光はミラー１１２、ミラー１１３によって第１周波数シフタ１２１に導かれ、９０度方向に進む光はミラー１１４によって第２周波数シフタ１２２に導かれる。
【００３４】
ここでは、制御装置１６０の変調制御部１６２により、第１周波数シフタ１２１は光の周波数を１０ＭＨｚシフトさせ、第２周波数シフタ１２２は光の周波数を１２ＭＨｚシフトさせるように設定されているものとする。
【００３５】
第１周波数シフタ１２１、第２周波数シフタ１２２によってそれぞれ異なる周波数にシフトした光は光走査ユニット１３０を通過して、可変焦点レンズ１４０に入射する。そして、それぞれの光が可変焦点レンズ１４０の作用によって焦点を結ぶ。
【００３６】
図３は、可変焦点レンズ１４０の焦点付近の様子を模式的に示している。本図において、第１周波数シフタ１２１を通過した光をＬ１で示し、第２周波数シフタ１２２を通過した光をＬ２で示している。
【００３７】
２つの光Ｌ１とＬ２は、可変焦点レンズ１４０の光軸に平行に入射するため、可変焦点レンズ１４０の焦点で交わり交差領域Ｆ１を形成する。観察時には、この交差領域Ｆ１が観察対象物２００内部に位置するようにする。
【００３８】
光Ｌ１と光Ｌ２とはわずかに周波数が異なるため、交差領域Ｆ１において光Ｌ１と光Ｌ２は干渉し、差周波数の強度変調となる。本例では、差周波数が２ＭＨｚであるため、２ＭＨｚの強度変調となる。すなわち、交差領域Ｆ１においてのみ２ＭＨｚでの強度変調の光が照射されていることになる。
【００３９】
これによって、観察対象物２００内部において、レーザ光源１１０の発する波長の光の吸収が大きい物質、例えば、ヘモグロビン等を豊富に含有する場合には、２ＭＨｚの光刺激を吸収して熱刺激に変換することで、周期的に温められ、熱膨張を起こすことになる。そして、周期的な熱膨張によって、交差領域Ｆ１に対応する領域から２ＭＨｚの音響波が発せられる。ここで、光の吸収が大きいほど、熱刺激への変換量が増えるため発生する音響波が強くなる。
【００４０】
観察対象物２００の内部で発生した音響波は、媒質容器２１０が収容する媒質２１１を伝播し、音響トランスデューサ１５０によって検出され、電気信号の検出信号に変換される。この際に、図示しないフィルタ等により差周波数である２ＭＨｚ周辺の帯域を抽出するものとする。検出信号は、制御装置１６０の入力部１６５に入力され、一時的に保存される。
【００４１】
音響発生領域となる交差領域Ｆ１は、制御装置１６０のレンズ制御部１６３が可変焦点レンズ１４０の焦点距離を変化させることで、深さ方向に移動させることができる。このため、制御装置１６０は、交差領域Ｆ１を深さ方向の位置を変化させながら音響波の検出信号を取得することができる。一般に、可変焦点レンズ１４０は高速に焦点距離を変化させることができるため、深さ方向の走査を高速に行なうことができる。
【００４２】
また、制御装置１６０の走査制御部１６４が光走査ユニット１３０を制御することで、交差領域Ｆ１を可変焦点レンズ１４０の光軸に直交する面上で移動させることができる。ここでは、１方向（横方向）に移動させるものとするが、２方向（縦横方向）に移動できるようにしてもよい。
【００４３】
このため、制御装置１６０は、観察対象物２００の断面について音響波の大きさの分布を取得することができる。この分布はレーザ光源１１０の発する波長の光の吸収の大きさの分布を示すことになる。
【００４４】
画像生成部１６６は、入力部１６５が一時的に保存する検出信号と、制御部１６７から取得する可変焦点レンズ１４０の焦点距離情報および光走査ユニット１３０の走査位置情報とに基づいて観察対象物２００の断面画像を生成し、保存したり、表示装置１７０に表示させたりする。
【００４５】
以上、本実施形態の光音響イメージング装置１００の動作について説明した。光音響イメージング装置１００では、音響波の発生源は、２つの光が焦点で交差する交差領域Ｆ１だけのきわめて限局された領域である。このため、高い分解能を得ることができる。また、レーザ光源１１０は連続波を出射すればよく、特殊なパルスレーザは不要であるため、安価に実現することができる。
【００４６】
また、可変焦点レンズ１４０の焦点距離を変更することで深さ方向の走査を行なうため、音響波発生の深さ方向の位置を容易に特定することができる。
【００４７】
なお、上記実施例では、第１周波数シフタ１２１、第２周波数シフタ１２２を備えた周波数シフト部１２０を用いたが、少なくとも一方の分岐光の周波数をシフトさせればよいため、第１周波数シフタ１２１、第２周波数シフタ１２２のいずれか一方を省くようにしてもよい。
【００４８】
上記実施形態では、交差領域Ｆ１においてのみ分岐光の差周波数の強度変調の光が照射されることになるが、この差周波数を変化させて画像を生成してもよい。これにより、差周波数に応じた音響波画像を得ることができ、例えば、特定周波数において音響波が大きくなる等の観察対象物２００の弾性特性等の情報を得ることができるようになる。
【００４９】
また、上記実施形態では、分岐光の周波数をシフトすることで交差領域Ｆ１において干渉を生じさせていたが、干渉による特定周波数の強度変調光を発生させることができれば、分岐光の他の物理特性をシフトさせるようにしてもよい。例えば、音響光学素子に代えて、電気光学変調器を用いて、２つの分岐光、あるいは分岐光の一方に一定周波数の位相変調を加えることで、交差領域Ｆ１において干渉による特定周波数の強度変調光を発生させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１００…光音響イメージング装置、１１０…レーザ光源、１１１…ビームスプリッタ、１１２…ミラー、１１３…ミラー、１１４…ミラー、１２０…周波数シフト部、１２１…第１周波数シフタ、１２２…第２周波数シフタ、１３０…光走査ユニット、１４０…可変焦点レンズ、１５０…音響トランスデューサ、１６０…制御装置、１６１…光源制御部、１６２…変調制御部、１６３…レンズ制御部、１６４…走査制御部、１６５…入力部、１６６…画像生成部、１６７…制御部、１７０…表示装置、２００…観察対象物、２１０…媒質容器、２１１…媒質
【図１】
0006402677.tif 000002
【図２】
0006402677.tif 000003
【図３】
0006402677.tif 000004