JP7168097B2

JP7168097B2 - 光音響プローブ

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Publication number: JP7168097B2
Application number: JP2021545032A
Authority: JP
Inventors: 雄次郎田中; 卓郎田島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2022-11-09
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: US20220276150A1; WO2021048951A1; JPWO2021048951A1

Description

本発明は、被測定物の光吸収係数分布を可視化するイメージング装置や被測定物に含まれる特定の成分の濃度を測定する成分濃度測定装置などに使用される光音響プローブに関するものである。

糖などの間質液の成分や血管などの空間的な情報は、糖尿病や悪性新生物の早期発見に対して有用である。光音響法は、物質に光を照射したときに、その物質の吸収波長域に応じて局所的な熱膨張により音波が生じることを利用して物質の光吸収特性を知る方法である（特許文献１参照）。また、光音響法で生じる音波は、超音波の一種であり、光に比べて波長が長いため、被測定物の散乱の影響を受け難い。このため、光音響法は、生体などの散乱の大きい被測定物内の光の吸収特性を可視化する手法として注目されている。

励起光を集光した光スポットで被測定物を走査し、被測定物の各位置で発生する超音波を音響センサ等で検出する手法が用いられている。光スポットで被測定物を走査した場合に、被測定物内に吸収物質が存在すると超音波が発生するので、その超音波を検出することにより、被測定物の光吸収特性を可視化することができる。また、被測定物に対して一様に励起光を照射し、励起光を照射してから音響センサが超音波を受音するまでの時間に基づいて、光吸収物質が光を吸収して超音波を発生した位置を推定する手法もある。また、被測定物を移動させて光スポットを照射する被測定物上の位置を変化させることにより、被測定物を走査することが行われている。

しかしながら、従来の方法では、超音波を取得するために音響センサを被測定物と接触させて、超音波が伝搬する経路（音響整合層）を形成する必要があることから、利用シーンが制約されるという課題があった。図１１に示すようにイメージング装置１００のインタフェイス部１０１のみを例えば生体１０２の腕等に装着して光吸収係数分布を測定することは困難であった。すなわち、従来の装置では、測定部位は一点であり、被測定物の光吸収係数分布を得るためには、音響センサが搭載されたインタフェイス部と被測定物との相対位置を変化させて多数回測定を行う必要があった。このため、測定に時間がかかり、さらにインタフェイス部と被測定物との接触状態が変化してしまうため、正確なデータが得られないという課題があった。

特開２０１８－７９１２５号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、被測定物との接触状態を変えることなく光スポットで被測定物を走査することができる光音響プローブを提供することを目的とする。

本発明の光音響プローブは、１乃至複数の光を放射するように構成された光源と、軸方向が被測定物の深さ方向と平行になるように配置され、前記被測定物から発生した音を検出するように構成された音響センサと、前記光源からの光を前記被測定物に伝えると共に、前記光源からの光の照射によって前記被測定物から発生した音を前記音響センサに伝えるように構成された伝搬部材と、前記伝搬部材内に設けられ、前記光源からの光を反射し、反射した光を前記音響センサの軸方向に沿って前記被測定物に照射するように構成された反射部材と、前記光源から前記反射部材への光の入射位置を変えることが可能な掃引機構とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、被測定物との接触状態を変えることなく光スポットで被測定物を走査することができる。本発明では、光音響プローブと被測定物との相対位置を変化させる必要がないので、被測定物の光吸収係数分布の測定や成分濃度の測定に要する時間を短縮することができる。また、本発明では、測定中に光音響プローブと被測定物との接触状態が変化しないので、測定精度を向上させることができる。

図１は、本発明の実施例に係るイメージング装置の構成を示すブロック図である。図２は、音響センサによって検出された音圧の時間変化を示す図である。図３は、本発明の実施例に係るイメージング装置の掃引機構の１例を示す図である。図４は、本発明の実施例に係るイメージング装置の掃引機構の別の例を示す図である。図５は、本発明の実施例に係るイメージング装置の掃引機構の別の例を示す図である。図６は、本発明の実施例に係るイメージング装置の掃引機構の別の例を示す図である。図７は、本発明の実施例に係るイメージング装置の掃引機構の別の例を示す図である。図８は、被測定物から発生する超音波の周波数と光スポットの半径との関係を示す図である。図９は、被測定物内に形成される円柱状の光スポットの例を示す図である。図１０は、本発明の実施例に係るイメージング装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。図１１は、従来の光音響法の測定形態の１例を示す図である。

［発明の原理］
被測定物から発生する音波を電気信号に変換する音響センサは、平面波が垂直に入射する場合に検出感度が最も高くなるように設計されている。本発明では、音響センサの直下に音源が位置するように光を選択的に音響センサ直下の被測定物に誘導し、かつ被測定物からの音波を阻害することなく選択的に音響センサに誘導する機構を用いる。これにより、装置のインタフェイス部と被測定物との接触状態を変えることなく光スポットで被測定物を走査し、被測定物の３次元的な光吸収特性の情報を取得する。

また、被測定物から発生する音波の周波数は、光スポットによって変化する。光の吸収コントラストが小さい間質液成分などが測定対象の場合、血球などを測定対象とする場合と比較して組織の分布を平均化するために広い領域に光を照射する必要がある。広い領域に光を照射すると、発生する超音波の周波数が１ＭＨｚ程度となり、血球などを測定対象とする場合に発生する数ＭＨｚ～数百ＭＨｚの超音波に対して低い周波数となる。その結果、音響レンズなどによる集音効果が極端に減少する。そこで、本発明では、被測定物から発生する音波の周波数が所望の値（音響センサの感度帯域）になるように、被測定物内に形成される光スポットのサイズを設定することで高感度な測定を実現する。

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係るイメージング装置の構成を示すブロック図である。イメージング装置は、光音響プローブ１と、光音響プローブ１で受音した音に基づいて被測定物２０の光吸収係数分布を演算する演算部２と、演算部２の演算結果を保存する記録部３とから構成される。

光音響プローブ１は、１乃至複数の光を放射する光源１０と、光源１０からの光の集光やビーム整形を行う光学系１１と、光音響効果によって被測定物２０から発生した音を受音して、音圧に比例した電気信号に変換する音響センサ１２と、光学系１１からの光を被測定物２０に伝えると共に、被測定物２０から発生した音を音響センサ１２に伝える伝搬部材１３と、伝搬部材１３内に設けられ、光学系１１からの光を反射し、反射した光を音響センサ１２の軸方向に沿って被測定物２０に照射する反射部材１４と、伝搬部材１３と被測定物２０との間に設けられた光透過性の音響整合層１５と、光学系１１から反射部材１４への光の入射位置を変えることにより光スポットで被測定物２０を走査する掃引機構１６とから構成される。

本実施例では、被測定物２０の表面と平行な方向をＸ方向、Ｙ方向とし、被測定物２０の深さ方向をＺ方向とする。
図１に示すように、光音響プローブ１は、音響整合層１５が被測定物２０の表面と接触し、音響センサ１２の軸方向（最も感度が高い方向）が被測定物２０の深さ方向と略平行になるように設置される。

光音響プローブ１の光源１０としては、例えばレーザダイオード等の発光素子を使用することができる。光学系１１については後述する。音響センサ１２の例としては、圧電センサを用いるマイクロホンがある。

伝搬部材１３の材料としては、利用する光に対して透過率の高い材料が使用できる。可視光から近赤外光の領域では、例えば表１のように伝搬部材１３の材料として光透過性のプラスチック、光透過性のガラス、光透過性のゴム、水などがある。ただし、水を用いる場合には、例えば光透過性のプラスチック等で形成した中空の部材内に水を封入する必要がある。

反射部材１４としては、金属あるいは誘電体膜を用いることができる。音響センサ１２の軸方向に対して垂直な方向（図１のＸ方向）に沿って光学系１１から伝搬部材１３に励起光３０を入射させる場合、反射部材１４は、Ｘ方向およびＺ方向に対して４５度の角度を有するように伝搬部材１３内に配置された平板状の金属あるいは誘電体膜である。反射部材１４に対する励起光３０の入射位置を掃引機構１６によってＸＹＺ方向に沿って移動させることにより、被測定物２０内の光スポットの位置を移動させることができる。

また、反射部材１４は、光音響効果によって被測定物２０から発生した超音波３１の伝搬を妨げないために超音波３１の波長より十分薄いことが望ましく、１／１０程度以下であることが望ましい。
図２は音響センサ１２によって検出された音圧の時間変化を示す図である。図２のｔ１は光源１０から光を照射した時刻、ｔ２は音響センサ１２で超音波３１を受音した時刻である。音の波長λは、一般に音速ｃと周波数ｆの関係より下記のように表すことができる。
λ＝ｃ／ｆ・・・（１）

音響的特性と光学的特性から、伝搬部材１３の材料として用いることが考えられる材料は上記のとおりである。反射部材１４に許容される厚さは、超音波３１の中心周波数を１ＭＨｚ、被測定物２０を生体とした場合、伝搬部材１３に用いられる各種材料に対して表１に示した値となる。反射部材１４として金属あるいは誘電体膜を用いる場合、一般に数百ｎｍ程度の厚さがあれば十分である。超音波３１の周波数が１００ＭＨｚと高い場合でも超音波３１の波長は１５μｍ程度なので、反射部材１４は十分に薄く、超音波３１の伝搬を妨げることはない。

反射部材１４の反射面１４０と反対側の面１４１には、励起光３０は入射しない。この励起光３０が入射しない面１４１に音響整合層（不図示）を形成しておくと、励起光３０の走査を左右する光学特性を変化させないので望ましい。

伝搬部材１３の大きさは、光学系１１の焦点距離と伝搬部材１３の材質の屈折率とを考慮して設計する必要がある。具体的には、被測定物２０内の光スポットの位置までの光路長を確保することができ、かつ被測定物２０の広い範囲にわたって光スポットを走査できるように十分な作動距離（反射部材１４の十分な面積）を持つように設計する必要がある。

反射部材１４の反射面１４０上のあらゆる点で反射する光の光路長が等しくなることが、光学的な損失を一様にすることから望ましい。伝搬部材１３の断面形状としては、正方形などが考えられる。

励起光３０としてコリメートされた平行光を用いる場合、被測定物２０の深さ方向の走査をしなくてもよい。被測定物２０内の吸収物質の深さ方向の位置ＤＺ（被測定物２０の表面から吸収物質までの距離）は、被測定物２０内における既知の音速ｖ１と、伝搬部材１３内における既知の音速ｖ２と、伝搬部材１３内の既知の音路長ＳＬと、光源１０から光を照射した時刻ｔ１と、音響センサ１２で超音波３１を受音した時刻ｔ２とに基づいて、次式により推定してもよい。
ＤＺ＝ｖ１×｛ｔ２－ｔ１―ＳＬ／ｖ２｝・・・（２）

一般に、第１の媒質から第２の媒質へ音が伝搬する場合に、第１の媒質の音響インピーダンスをＺ１、第２の媒質の音響インピーダンスをＺ２とすると、音のエネルギ透過率Ｔは次式により表される。
Ｔ＝（４×Ｚ２）／（Ｚ１＋Ｚ２）² ・・・（３）

図１の例では、被測定物２０が第１の媒質、伝搬部材１３が第２の媒質である。被測定物２０からの超音波３１を効率的に取得するためには、被測定物２０と伝搬部材１３との間に音響整合層１５を設けることが望ましい。上記の第１の媒質と第２の媒質との間に音響インピーダンスＺＭの第３の媒質を挿入した場合、音のエネルギ透過率Ｔは次式により表すことができる。
Ｔ＝４×（Ｚ１／ＺＭ）×（１＋ｔａｎ（Ａ）²）／（（Ｚ１／Ｚ２＋１）²
＋（Ｚ１／ＺＭ＋ＺＭ／Ｚ２）²×ｔａｎ（Ａ）²）・・・（４）
Ａ＝２π×Ｌ／λ ・・・（５）

式（５）のＬはＺ方向の第３の媒質の厚さである。エネルギ透過率Ｔを最大にするために、第３の媒質に求められる音響インピーダンスＺＭと厚さＬは、下記のようになる。
ＺＭ＝（Ｚ１×Ｚ２）^0.5 ・・・（６）
Ｌ＝１／４λ ・・・（７）

第３の媒質である音響整合層１５として、例えばガラスを用いる場合、音響インピーダンスＺＭが凡そ４ＭＲａｙｌとなる材質を使用すればよい。音響整合層１５は、Ｚ方向に複数枚を重ねるようにして設けてもよい。具体的には、生体との音響インピーダンスの差が大きいガラスなどの材質を音響整合層１５として用いる場合に、励起光の損失などの光学的な特性に影響を与えない範囲で、生体と伝搬部材１３との間で段階的に整合がとれるように音響整合層１５を複数枚使用してもよい。

上記のとおり、掃引機構１６は、反射部材１４に対する励起光３０の入射位置をＸＹＺ方向に沿って移動させる。これにより、被測定物２０内の光スポットの位置を変えることができる。特に、光学系１１により光を集光する場合、Ｘ方向に沿って光学系１１を移動させることにより、被測定物２０内で集光する光スポットの位置を変えることができる。本実施例では、被測定物２０と光音響プローブ１との接触状態を変えることなく励起光３０を照射する位置を変えて、光スポットで被測定物２０を走査することができ、被測定物２０の３次元的な光吸収係数分布を得ることができる。

図３～図７は掃引機構１６の例を示す図である。図３の掃引機構１６は、光源１０と光学系１１とをＸＹＺ方向に沿って移動させることが可能な３軸マニピュレータ１６０からなる。

図４の掃引機構１６は、例えばＸ方向の軸を中心とする回動が可能なミラー１６１と、例えばＹ方向の軸を中心とする回動が可能なミラー１６２とからなる。ミラー１６１は、光学系１１からの励起光３０を反射する。ミラー１６２は、ミラー１６１によって反射された励起光３０をさらに反射して反射部材１４に入射させる。ミラー１６１，１６２をそれぞれ回動させることにより、反射部材１４に対する励起光３０の入射位置を変えることができ、被測定物２０内の光スポットの位置を変えることができる。

図５の掃引機構１６は、音響光学素子（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）１６３と、収束レンズ１６４とからなる。ＡＯＭ１６３は、光学系１１からの励起光３０を偏向させる。収束レンズ１６４は、ＡＯＭ１６３からの励起光３０を収束して反射部材１４に入射させる。ＡＯＭ１６３によって励起光３０の偏向角を変えることにより、反射部材１４に対する励起光３０の入射位置を変えることができ、被測定物２０内の光スポットの位置を変えることができる。

図６の掃引機構１６は、光学系１１ａからの光を反射するミラー１６５と、ミラー１６５によって反射された光のうち特定の光を選択的に反射部材１４に入射させるミラーアレイデバイス１６６とからなる。図６の例では、光源として、例えばレーザダイオード等の発光素子がＹＺ平面に沿って２次元配置されたアレイ光源１０ａを用いる。光学系１１ａは、アレイ光源１０ａの複数の発光素子からの光をそれぞれ集光して、複数の平行光に変換する。ミラー１６５は、光学系１１ａからの複数の平行光を反射する。

ミラーアレイデバイス１６６としては、回転軸に平行または傾いて設けられた複数の反射面が２次元配置されたポリゴンミラー、２次元配置された複数のマイクロミラーが独立に回動可能なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーアレイデバイスがある。ミラーアレイデバイス１６６としてポリゴンミラーを用いる場合、ポリゴンミラーを回動させることにより、ミラー１６５によって反射された複数の平行光のうち特定の平行光のみが励起光３０として反射部材１４に入射し、残りの平行光が反射部材１４に入射しないようにすることができる。ミラーアレイデバイス１６６としてＭＥＭＳミラーアレイデバイスを用いる場合、複数のマイクロミラーを個別に回動させることにより、ミラー１６５によって反射された複数の平行光のうち特定の平行光のみが励起光３０として反射部材１４に入射し、残りの平行光が反射部材１４に入射しないようにすることができる。こうして、反射部材１４に対する励起光３０の入射位置を変えることができる。

図７の掃引機構１６は、光学系１１ａからの光のうち特定の光を選択的に通過させる光スイッチ１６７と、複数の光ファイバを束ねたバンドルファイバ１６８とからなる。図７の例においても、光源としてアレイ光源１０ａを用いる。光スイッチ１６７は、光学系１１ａからの複数の平行光のうち特定の平行光のみを通過させ、残りの平行光を遮断する。光スイッチ１６７を通過した特定の平行光のみがバンドルファイバ１６８に入射し、バンドルファイバ１６８から出射した光が励起光３０として反射部材１４に入射する。光スイッチ１６７による光の選択を切り替えることにより、反射部材１４に対する励起光３０の入射位置を変えることができ、被測定物２０内の光スポットの位置を変えることができる。

光音響効果によって被測定物２０から発生する超音波３１の周波数と光スポットの半径との関係を図８に示す。図８の８０は被測定物２０内の光スポットの半径が０．５ｍｍの場合の超音波３１の周波数を示し、８１は光スポットの半径が１．０ｍｍの場合の超音波３１の周波数を示し、８２は光スポットの半径が１．５ｍｍの場合の超音波３１の周波数を示している。このように、超音波３１の周波数は、光スポットのサイズによって変化する。

そこで、被測定物２０内のｍｍオーダー程度の空間的広がりを持つ比較的大きい組織を測定対象とする場合に、光学系１１，１１ａによって光スポットのサイズを調整することにより、被測定物２０から発生する超音波３１を、音響センサ１２の感度が高い周波数に調整したり伝搬効率が良い１ＭＨｚ以下の周波数に調整したりすることができる。光スポットのサイズを調整するには、ビームウェストサイズや焦点深度などを調整すればよい。このような調整が可能な光学系１１，１１ａは、ビームエキスパンダ、凸レンズ、凹レンズなどの一般的な光学素子の組み合わせで実現できる。

また、被測定物２０内に一様に分布しているものを測定対象とする場合、光スポットのサイズだけでなく形状も任意に変更してよい。例えば図９に示すように被測定物２０内に形成される光スポット２００の形状を、円形の断面がＺ方向と平行な円柱状にすると共に、円柱の半径を調整することで、測定物２０から発生する超音波３１を、音響センサ１２の感度が高い周波数に調整したり伝搬効率が良い周波数に調整したりすることができ、測定の高感度化を実現することができる。このような調整が可能な光学系１１，１１ａは、ビームエキスパンダ、凸レンズ、凹レンズ、シリンドリカルレンズ、アナモフィックレンズ、プリズムなどの一般的な光学素子の組み合わせで実現できる。

演算部２は、掃引機構１６を制御する。また、演算部２は、音響センサ１２で受音した音に基づいて被測定物２０の光吸収係数を演算することが可能である。上記のとおり、光スポットで被測定物２０を走査するので、被測定物２０の光吸収係数分布を得ることができる。記録部３は、演算部２の演算結果を保存する。

また、本実施例では、光音響プローブ１をイメージング装置に適用する例で説明しているが、成分濃度測定装置に適用してもよい。この場合、演算部２は、音響センサ１２での検出結果から得られる信号強度または信号周波数の少なくとも一方に基づいて、被測定物２０に含まれる測定対象の成分の濃度を演算する。成分濃度の演算方法は、例えば特許文献１に開示されている。

本実施例で説明した演算部２と記録部３とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置およびインタフェイスを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図１０に示す。コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インタフェイス装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）３０２とを備えている。Ｉ／Ｆ３０２には、例えば音響センサ１２と光源１０，１０ａと掃引機構１６等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の光吸収係数測定方法または成分濃度測定方法を実現させるためのプログラムは記憶装置３０１に格納される。ＣＰＵ３００は、記憶装置３０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、例えば被測定物の光吸収係数分布または成分濃度分布を測定する技術に適用することができる。

１…光音響プローブ、２…演算部、３…記録部、１０…光源、１０ａ…アレイ光源、１１，１１ａ…光学系、１２…音響センサ、１３…伝搬部材、１４…反射部材、１５…音響整合層、１６…掃引機構、２０…被測定物、１６０…３軸マニピュレータ、１６１，１６２，１６５…ミラー、１６３…音響光学素子、１６４…収束レンズ、１６６…ミラーアレイデバイス、１６７…光スイッチ、１６８…バンドルファイバ。

Claims

１乃至複数の光を放射するように構成された光源と、
軸方向が被測定物の深さ方向と平行になるように配置され、前記被測定物から発生した音を検出するように構成された音響センサと、
前記光源からの光を前記被測定物に伝えると共に、前記光源からの光の照射によって前記被測定物から発生した音を前記音響センサに伝えるように構成された伝搬部材と、
前記伝搬部材内に設けられ、前記光源からの光を反射し、反射した光を前記音響センサの軸方向に沿って前記被測定物に照射するように構成された反射部材と、
前記光源から前記反射部材への光の入射位置を変えることが可能な掃引機構とを備えることを特徴とする光音響プローブ。
請求項１記載の光音響プローブにおいて、
前記伝搬部材と前記被測定物との間に設けられた音響整合層をさらに備えることを特徴とする光音響プローブ。
請求項１または２記載の光音響プローブにおいて、
前記掃引機構は、前記光源から前記反射部材への光の入射位置を変えるために回動可能に構成された複数のミラーを含むことを特徴とする光音響プローブ。
請求項１または２記載の光音響プローブにおいて、
前記掃引機構は、
前記光源からの光を偏向させるように構成された音響光学素子と、
前記音響光学素子からの光を収束して前記反射部材に入射させるように構成された収束レンズとを含むことを特徴とする光音響プローブ。
請求項１または２記載の光音響プローブにおいて、
前記光源は、複数の発光素子が集積化されたアレイ光源であり、
前記掃引機構は、前記アレイ光源から放射された複数の光のうち特定の光を選択的に前記反射部材に入射させるように構成されたミラーアレイデバイスを含むことを特徴とする光音響プローブ。
請求項１または２記載の光音響プローブにおいて、
前記光源は、複数の発光素子が集積化されたアレイ光源であり、
前記掃引機構は、
前記アレイ光源から放射された複数の光のうち特定の光を選択的に通過させるように構成された光スイッチと、
前記アレイ光源から放射された複数の光のうち前記光スイッチを通過した光を前記反射部材に入射させるように構成されたバンドルファイバとを含むことを特徴とする光音響プローブ。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光音響プローブにおいて、
前記光源からの光を整形するように構成された光学系をさらに備え、
前記光学系は、前記被測定物から発生する音の周波数が所望の値になるように、前記被測定物内に形成される光スポットのサイズを設定することを特徴とする光音響プローブ。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光音響プローブにおいて、
前記光源からの光を整形するように構成された光学系をさらに備え、
前記光学系は、前記被測定物内に形成される光スポットの形状が、円形の断面が前記被測定物の深さ方向と平行な円柱状になるように前記光源からの光を整形することを特徴とする光音響プローブ。