生物信息获取装置 技术领域 本发明涉及生物信息获取装置， 更具体地， 涉及用于基于光声效应获取生物信息 并将获取的生物信息成像的装置。
背景技术 近 年 来， 提出了利用超声波的与光相比在活体中更少地散射的特性并 以 高 分 辨 率 获 取 活 体 中 的 光 学 特 性 值 分 布 的 光 声 层 析 成 像 (PAT)( 参 见 M.Xu， L.V.Wahng “Photoacoustic imaging biomedicine， Review of scientific instruments， 77， 04111(2006))。
当脉冲光从光源被产生并被辐射到活体上时， 脉冲光在活体中扩散并在其中传 播。
然后， 包含于活体组织中的吸收体 (absorber) 吸收所传播的脉冲光的能量并产 生声波。
声波被声波检测器接收并被声波检测器转换成电信号。 转换后的电信号经受分析 处理， 由此， 可以获取活体的光学特性分布， 特别是光学能量吸收密度。
根据 Xu 等人， 在 PAT 中， 由在活体中通过吸收体进行光吸收而获取的声波的声压 (P) 可由下式表达。
P ＝ Γ·μa·Φ
这里， 符号 Γ 表示 Gruneisen 系数， 该 Gruneisen 系数是弹性特性值并且是通过 将体积膨胀系数 (β) 和声速 (c) 的平方的乘积除以比热 (specific heat)(Cp) 而被获取 的。符号 μa 表示吸收体的吸收系数， 符号 Φ 表示局部区域中的光量 ( 辐射到吸收体上的 光的量 )。
被 PAT 用作声波的信号的声压与到达吸收体的局部的光量成比例。由于照射到活 体上的光通过被散射和被吸收而在体内迅速衰减， 因此， 在体内的深部组织中产生的声波 的声压根据到光照射部分的距离而大大衰减。作为声波的检测方法， 使光从与检测器的方 向相同的方向进入检测器以检测声波的后方检测方法和使光从检测器的相对方向进入检 测器以检测声波的前方检测方法是已知的。
在后方检测 PAT 中， 提出了为了有效地将光辐射到声波检测器的后方而使光从声 波检测器的一侧 ( 侧表面侧 ) 斜着进入被检体的 PAT 显微镜等 ( 参见 J.T.Niederhauser， M.Jeager， R.Lemor， P.Weber， and M.Frenz， IEEE Transactions on medical imaging， vol.24， No.4， 436(2005)， 日 本 专 利 申 请 公 开 No.2008-049063， 美国专利申请公布 No.2006/0184042)。
J.T.Niederhauser 等人和美国专利公布申请 No.2006/0184042 主要针对通过在 声波检测器的一侧布置反射镜和透镜来用光照射活体中的特定部分。
另一方面， 日本专利申请公开 No.2008-049063 借助于直接在声波检测器的一侧 ( 侧表面侧 ) 设置光源的结构来用光照射活体组织。
发明内容 在活体的诊断中， 只要主要目的是对于已知的疾病部位执行详细的观察， 那么如 在美国专利公布申请 No.2006/0184042 中公开的那样将光会聚到特定的部位会是适当的 技术。
但是， 在执行像乳癌诊断的未知疾病的筛查诊断的情况下， 需要向整个希望的活 体组织辐射更均匀的光。
本发明旨在提供能够向作为检测对象的整个活体组织照射均匀和有效的光的生 物信息获取装置。
本发明提供被如下地配置的生物信息获取装置。
本发明的生物信息获取装置是包括光源和声波检测器的生物信息获取装置， 所述 声波检测器检测通过使来自光源的光经由被检体保持部件进入被检体而产生的声波， 所述 生物信息获取装置包括 ： 一个或更多个光透射部件， 其中， 光从声波检测器的侧表面进入光 透射部件， 并以与被检体保持部件垂直的角度以外的角度经由光透射部件进入被检体保持 部件。
根据本发明， 可以实现能够向包含活体组织的对象进行均匀且有效的照明的生物 信息获取装置。
参照附图阅读示例性实施例的以下说明， 本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明 图 1 是沿与光的入射方向相同的方向布置声波检测器的后方检测 PAT 的示意图 ；
图 2 是沿与光的入射方向相对的方向布置声波检测器的前方检测 PAT 的示意图 ；
图 3 是使光从两个表面进入被检体并在一个表面上布置检测器的两面照射 PAT 的 示意图 ；
图 4 是示出本发明的第一实施例中的后方检测 PAT 的配置例子的示意图 ；
图 5 是本发明的第一实施例中的后方检测 PAT 的声波信号的获取范围和照明区域 的断面图 ；
图 6 是示出本发明的第一实施例中的后方检测 PAT 的照明区域的示意图 ；
图 7 是示出比较例的后方检测 PAT 的示意图 ；
图 8 是示出表示光路的形式的示意图 ；
图 9 是示出本发明的第二实施例中的后方检测 PAT 的配置例子的示意图 ；
图 10 是示出本发明的第二实施例中的后方检测 PAT 的照明区域的示意图 ；
图 11 是示出本发明的第三实施例中的两面照射 PAT 的配置例子的示意图 ；
图 12 是示出可应用本发明的 PAT 的例子的示图 ；
图 13 是示出可应用本发明的后方检测 PAT 的实施例的示意图 ； 以及
图 14 是示出可应用本发明的后方检测 PAT 的实施例的示意图。
具体实施方式
下面将描述应用本发明的实施例中的光声层析成像 ( 以下称为 PAT)。 相同的构成元件原则上将由相同的附图标记表示。
如图 1 所示， 这里， 在光对于被检体的入射侧 ( 也称为入射面侧 ) 的同一侧布置声 波检测器 104 的情况被定义为后方检测 PAT。
如图 2 所示， 在光对于被检体的入射侧的相对侧布置声波检测器 104 的情况被定 义为前方检测 PAT。
如图 3 所示， 下述情况被定义为两面照射 PAT ： 通过在把被检体放在两个相对表面 之间的状态下使光从这两个相对表面进入被检体， 形成两个照明区域 303a 和 303b 以及两 个照明光路 305a 和 305b， 并且， 在所述相对表面之一上布置检测器 104。
为了放松临界角的限制并且增大入射光量， 本实施例的生物信息获取装置具有以 下配置。
本实施例的生物信息获取装置包含第一脉冲光源和声波检测器， 所述声波检测器 检测通过使来自脉冲光源的光经由被检体保持部件进入被检体而产生的声波。
此外， 一个或多个光透射部件被设置以被布置， 并且， 来自光源的光从声波检测器 的侧表面进入光透射部件， 并且经由光透射部件以与被检体保持部件垂直的角度以外的角 度进入被检体保持部件。
本发明中的光透射部件表示吸收要使用的近红外 / 可见区域中的少量的光并且 具有 90％或更大的光的透射率的部件。优选地， 光透射部件具有约至 100％的透射率。
被检体保持部件表示被设置在光源之间以保持被检体的部件， 并且， 被检体保持 部件包含被称为平面平板、 压力板、 平行平板和平板的部件。
本发明中的声波表示当诸如近红外线的光被辐射到被检体上时在被检体内产生 的弹性波， 并且包含被称为声波、 超声波和光声波的波。
如图 12 所示， 光透射部件 106 可被布置在声波检测器 104 和被检体保持部件 1203 之间。但是， 如果光透射部件 106 的厚度太大， 那么来自被检体的信号在该信号到达检测器 104 之前有时衰减得很多。
因此， 如果光透射部件 106 被布置在声波检测器 104 和被检体保持部件 1203 之 间， 那么优选地， 将光透射部件 106 的厚度设计为处于可获取所需敏感度的范围内。
光透射部件 106 可被配置为与声波检测器 104 一体化为单元结构。
由于该单元结构可通过在被检体保持部件 1203 上执行二维扫描来大范围地检测 声波， 因此， 优选的是二维扫描。
当光透射部件 106 的折射率由符号 n1 表示并且被检体保持部件 1203 的折射率由 符号 n2 表示时， 优选地配置光透射部件 106 和被检体保持部件 1203 以满足 n1 ＞ n2 的关 系。通过如上面描述的那样调整光透射部件 106 和被检体保持部件 1203 的折射率的大小， 能够有效地使得光进入被检体。
光透射部件 106 和被检体保持部件 1203 可被配置为使得折射率满足 n1 ＜ n2 的 关系。
在本实施例的生物信息获取装置中， 可以采用设置要被布置在声波检测器 104 的 两侧 ( 包围声波检测器 104 的检测表面的侧表面 ) 的光透射部件 106 的配置。此外， 在本 实施例的生物信息获取装置中， 可以采用在被检体保持部件 1203 和单元结构之间供给 ( 或 填充 ) 润滑剂的配置。此外， 在本实施例的生物信息获取装置中， 可以采用满足 n1 ＞ n3 ＞n2 的关系的配置， 这里， 符号 n1、 n2 和 n3 分别表示光透射部件 106、 被检体保持部件 1203 和润滑剂的折射率。
通过满足折射率 n1、 n2 和 n3 的该关系， 可以降低发生在光透射部件 106、 被检体 保持部件 1203 和润滑剂中的每一个的界面上的反射率， 并且， 可使光有效地进入被检体。
在本实施例的生物信息获取装置中， 声波检测器 104 可由 2 维阵列声波检测器件 来配置。
此外， 本实施例的生物信息获取装置可被配置为包含平行平板部件、 压力机构和 与第一光源不同的第二光源， 所述平行平板部件被布置为与被检体保持部件 1203 相对并 且平行， 其中被检体被放在它们之间， 所述压力机构用于通过被检体保持部件 1203 和平行 平板部件这两个平板来按压被检体， 所述第二光源从平行平板部件侧向被检体照射光。
此外， 本实施例的生物信息获取装置可被配置为与第一脉冲光源一体化地使用第 二脉冲光源。
( 第一实施例 )
接着， 作为第一实施例， 将描述后方检测 PAT 的配置例子。图 4 示出用于描述第一 实施例的后方检测 PAT 的配置例子的示图。 在本实施例的后方检测 PAT 中， 在作为检测对象的活体组织 101 中形成散射光区 域 102 和照明区域 103。后方检测 PAT 的装置包含作为被检体保持部件的平面平板 107、 声 波检测器 104、 光透射部件 106 和光源。
照明光路 105 是从光源辐射到本装置的光的路径。
这里， 声波检测器 104 和光透射部件 106 被一体化以形成单元结构 108。 本装置被 配置为使得单元结构 108 借助于单元位置控制单元 109 并通过兼作声波匹配剂的润滑剂来 二维地扫描平面平板 107， 以检测从活体中的吸收体产生的声波。
获取的声波被转换成电信号， 并且， 使用电信号、 通过信号处理和图像构建算法来 执行生物信息的成像。
顺便说一句， 可以使用任何信号处理单元， 只要信号处理单元可存储声波的强度 和该强度的时间变化并可通过运算单元将存储的强度和时间变化转换成光学特性值分布 的数据即可。
例如， 可以使用示波器 (oscilloscope) 和能够分析存储于示波器中的数据的计 算机作为信号处理单元。
常规地被广泛使用的声波诊断装置的相同类型的声波检测器被适当地用作声波 检测器 104。
声波检测器 104 检测由活体中的吸收了照射到活体上的光的能量的一部分的光 吸收体产生的声波 ( 弹性波 )， 并将检测的声波转换成电信号。
作为声波检测器 104， 可以使用任何声波检测器， 例如利用压电现象的声波检测 器、 利用光的共振的声波检测器和利用电容的变化的声波检测器， 只要该声波检测器可检 测声波信号即可。
优选的是， 声波检测器 104 由 2 维阵列声波检测器件构成， 并且能够将声波检测器 104 设计为具有根据信号处理电路的元件数量的声波检测器。
虽然在本实施例中将通过使用二维布置的纵向和横向地被布置的声波检测元件
来进行描述， 但是， 元件的形状不限于这种类型。并且， 元件之间的间距也可被任意设定。
作为光源， 可以使用产生脉冲光的光源。
来自脉冲光源的脉冲光是具有几纳秒到几百纳秒的量级的脉冲宽度的脉冲光， 优 选地， 具有在大于等于 400nm 且小于等于 1600nm 范围内的波长。
特别地， 优选地使用具有强的照射能量强度的诸如 Nd:YAG 激光器和 Alexandrite 激光器之类的固体激光器。
通过使用可转换振荡波长的染料激光器、 光学参数振荡器 (OPO) 激光器或 Ti: 蓝 宝石激光器， 能够测量由波长导致的光学特性值分布的差异。
关于要使用的光源的波长， 光在活体中的吸收很少的 700nm ～ 1100nm 的区域是更 优选的。
在后方检测 PAT 中， 由于声波检测器 104 和照明光学器件被布置在同一侧， 容易产 生光学遮蔽区域， 因此需要考虑如何照明被检体。
特别地， 随着声波检测器 104 的检测面积增大， 问题出现了。虽然提出了在声波检 测器 104 的检测表面中嵌入诸如光纤之类的光学波导来执行光照明的技术， 但是， 光纤的 使用限于其耐热温度下的使用。 这里将简单描述声波信号和辐射强度之间的关系。
由于光声波的信号强度与被给予作为检测对象的活体组织 101 的光量成比例， 因 此优选的是， 用大光量的光照明活体组织 101 的表面。
另一方面， 日本工业标准 (JIS) 将能够照射活体的表面的光量规定为最大容许曝 光量 (MPE)。MPE 意味着每单位面积照射的光强度 ( 或光能量 ) 的最大容许值。
需要在不超过 MPE 的范围内将光均匀、 有效地辐射到活体的表面上。
图 5 示出声波的获取范围和照明区域的断面图。
在后方检测 PAT 中， 如图 5 所示， 优选地， 在位于声波检测器 104 的后方的活体组 织 101 的整个表面上执行均匀的照明， 不形成任何未照明区域。
此外， 为了在处理从声波转换的电信号以将位于活体中的吸收体的位置信息等成 像时以高的 SN 比获取来自作为被检体的吸收体的声波， 优选地使声波检测器 104 的尺寸 C 形成为比成像区域 B 宽。
即， 如图 5 所示， 通过使包含图像重建区域 501 的照明区域 A 形成为比声波检测器 104 的尺寸 C 宽并通过使声波检测器 104 的尺寸 C 形成为比成像区域 B 宽， 可提高声波信号 的强度， 并且， 可改善声波信号的均匀性。
可执行声波检测的区域是从声波检测器 104 中包含的各元件的法线方向到外侧 处于约 45°内 ( 即， 可检测角度约为 45° ) 的区域。
由此， 在不考虑信号均匀性等地通过将能够被捕获的所有声波信号相加并通过执 行适当的成像处理来执行成像的情况下， 成像区域 B 有时变得比声波检测器 104 的尺寸 C 宽。
但是， 在这种情况下， 需要将照明区域 A 设为比成像区域 B 宽的范围。
如图 4 所示， 在从声波检测器 104 的一侧执行照明的情况下， 光斜着前进到平面平 板 107。
虽然在平面平板 107 中存在少量的体积扩散， 但是， 为了提高光的透射率， 大量的
体积扩散是不合适的， 优选地， 主要增加直线传播成分。
这里， 在图 6 中示出通过在平面平板 107 中几乎直进的光在活体组织 101 的表面 上形成的照明区域 103 的断面图。
这里， 符号 α 表示行进光的角， 符号 L 表示声波检测器 104 的宽度， 符号 D 表示平 面平板 107 的厚度， 符号 O 表示入射面上的光的水平宽度。
虽然在图 6 中没有示出， 但是， 声波检测器 104 的断面形状被设计为规则的正方形 或矩形， 并且， 入射面上的深度方向 ( 纸面方向 ) 的光的长度被设计为比声波检测器 104 的 深度 ( 纸面方向 ) 长度的长度长。
为了如图 5 所示的那样形成希望的光， 需要满足关系 ： D×tan(α) ≥ L。
在声波检测器 104 的宽度宽的情况下， 需要将行进光的角度 α 设为大的并将平面 平板 107 的厚度 D 设为厚的。
另一方面， 由于声波是球面波， 因此声波的信号强度与吸收体和声波检测器件的 间隔成反比。
声波在平面平板 107 中也有一定程度的衰减。由此， 为了获取大的声波信号， 优选 的是减薄平面平板 107 的厚度。即， 优选地， 形成所需的挺进角 (approach angle)( 行进光 的角 α)。 图 7 示出去除了图 4 的后方检测 PAT 的光透射部件 106 的装置的示意图。
这里， 如图 7 所示， 在光从大气直接进入平面平板 107 的情况下， 光对于平面平板 107 的折射角变为光在平面平板 107 中的行进角。 光的挺进角 β1 和折射角 β2 遵守 Snell 法则 ： n1×sin(β1) ＝ n2×sine(β2)， 这里， 符号 n1 表示大气的折射率， 符号 n2 表示平 面平板 107 的折射率。平面平板 107 的材料需要能够既应对声波的透明性又应对光的透明 性。
对于光透明性方面， 给出诸如丙烯酸 (acrylic)、 聚碳酸酯 (polycarbonate) 和聚 甲基戊烯 (polymethylpentene) 之类的树脂材料以及玻璃材料。 作为所述材料， 玻璃 (BK7) 在近红外区域和可见区域中具有几乎 100％的透射率。但是， 在玻璃的表面上出现反射， 因此， 在没有抗反射膜涂层的玻璃的前表面和后表面上一般均导致 4 ～ 5％的反射。另一 方面， 通过在前表面上涂敷抗反射膜以便增大透射率， 可以确保 99％或更大的透射率。在 使用树脂材料的情况下， 该材料自身的透射率相当高， 接近 100％ ( 在近红外区域和可见区 域中 )。但是， 同样， 在这种情况下， 因根据材料的表面反射而导致在前、 后表面上均存在约 4％的反射， 因此， 优选地涂敷抗反射膜。此外， 如果还考虑声波特性， 那么聚甲基戊烯是更 优选的材料。
虽然这里例示了聚甲基戊烯的折射率为 1.463 的情况， 但是， 上述材料的折射率 均在 1.5 附近 ( 存在光学玻璃材料的折射率的广泛选项 )。
如果光从具有小的折射率的介质进入具有大的折射率的介质， 那么不能使得此时 的折射角变大， 并且， 从大气进入聚甲基戊烯的光的折射角最大达到 40°。也就是说， 在图 7 所示的配置中不能获取 40°或更大的行进角。
另一方面， 通过作为使光进入与活体组织 101 的表面平行的平面平板 107 的替代、 如图 4 所示那样使来自光源的光进入光透射部件 106 的倾斜面， 如图 7 所示的那样对于平 面平板 107 中的光的行进角的限制被去除。
也就是说， 在使用诸如光学玻璃的由具有高的光透明性的材料制成的棱镜等作为 光透射部件 106 的情况下， 可在从 1.5 附近到 2 或更大的宽范围中选择材料的折射率。
这里， 如上所述， 如果使构成平面平板 107 的材料的折射率在 1.5 附近， 那么光透 射部件 106 和平面平板 107 的折射率变得彼此相等， 或者， 光透射部件 106 的折射率变得比 平面平板 107 的折射率大。
由此， 根据 Snell 法则， 可使得平面平板 107 中的光的行进角大。
由于作为来自大气的光的入射面的光透射部件 106 的折射率大， 因此， 其折射角 变小。但是， 入射面的倾角可被任意确定， 并且， 光的入射角也可被任意确定。
因此， 能够根据声波检测器 104 的宽度和平面平板 107 的厚度设定平面平板 107 中需要的光的行进角， 并使在光透射部件 106 和平面平板 107 之间的界面处产生的折射角 形成为行进角。
在本实施例的情况下， 需要使下述表面相对于平面平板 107 倾斜 ： 光从该表面进 入光透射部件 106。 在平面平板 107 的法线方向被取为基准的情况下， 使倾斜表示倾角处于 0°≤倾角＜ 90°的范围内。
如果制作与平面平板 107 平行的面并使光进入该面， 那么， 如图 7 所示， 由于光不 通过光透射部件进入， 因此， 保持从大气的入射角与对于平面平板 107 的折射角之间的关 系。
因此， 不能使平面平板 107 中的光的行进角大。作为例子， 图 8 示出穿过各部件的 光的路径。
图 8 仅是例子， 并且， 能够使光路为希望的光路。
这里再次给出从光源辐射到活体组织 101 的光的辐射路径的概况。
由作为光源的脉冲激光器产生的激光在空间 ( 大气 ) 中传播从而进入光透射部件 106。
由于折射率差在光透射部件 106 的入射面上是大的， 因此， 基于 Fresnel 法则， 光 的反射率是大的。
为了使光有效地进入光透射部件 106， 需要制作适当的抗反射膜。
通过光透射部件 106 的光在不被声波检测器 104 遮蔽的情况下进入平面平板 107， 但是， 在平面平板 107 和光透射部件 106 之间供给薄的润滑剂。
为了使光可进入平面平板 107， 需要使润滑剂具有对于光透射部件 106 和平面平 板 107 的折射率适当的折射率。
关于润滑剂， 需要注意以下几点。
首先， 需要设定折射率使得当光从光透射部件 106 经由润滑剂进入平面平板 107 时不导致任何全反射。
虽然全反射的条件依赖于入射角， 但是， 当折射率从作为边界的、 光进入的界面大 大减小时， 变得即使以小的入射角也容易导致全反射。
第二， 需要减小在各界面处产生的反射率， 以使光有效地入射。 这里， 优选的是， 对 于各界面设置抗反射膜， 并且， 由于声波检测器 104 和光透射部件 106 的一体化的单元结构 108 被操作为接触平面平板 107， 因此需要抗反射膜具有耐久性。
因此， 更优选的是， 不形成抗反射膜地降低反射率。由此， 由于当使润滑剂的折射率在光透射部件 106 和平面平板 107 的折射率附近时反射率降低， 因此， 优选的形式是借助 于润滑剂来降低反射率。
光经由平面平板 107 进入活体组织 101。当活体组织 101 的皮肤的反射被包含于 折射率中时， 活体组织 101 的折射率不恒定， 因此， 难以完全去除反射。
这里， 由于活体组织 101 包含许多水分， 因此， 活体组织 101 的折射率被假定为与 水的折射率 1.33 相同。
如图 8 的例子所示， 平面平板 107 的材料是具有在 1.5 附近的折射率的树脂材料， 并且例示的聚甲基戊烯的折射率是 1.463。
如果活体组织 101 的折射率被假定为 1.33， 那么光将进入具有更小折射率的介 质。由此， 不要使平面平板 107 中的光的行进角太以便不会出现全反射。
此外， 由于随着入射角和折射角变大， 反射率也明显增大， 因此优选地， 在该界面 上形成抗反射膜。
如上所述， 为了提高光的透射率以有效地将光辐射到活体组织 101 中， 希望在考 虑由材料特性导致的光的透射、 折射和反射的情况下设计结构和材料。
在以上描述中， 描述了这样的例子， 在该例子中， 进入被布置在声波检测器 104 一 侧的光透射部件 106 的倾斜面的光在光透射部件 106 的内部直进从而进入平面平板 107。 但是， 本发明不限于光在光透射部件 106 的内部直进的情况。
例如， 在光进入光透射部件 106 之后， 光可在部件 106 的内部中的倾斜面上被反 射， 即， 光可被内部地反射， 并且可进入平面平板 107。
在这种情况下， 也允许光透射部件 106 的入射面与平面平板 107 平行， 并且， 不出 现光透射部件 106 的入射面相对于平面平板 107 的角度限制。
在这种情况下， 光在光透射部件 106 中的入射面以外的至少一个倾斜面上被内部 地反射是必要的条件。
( 第二实施例 )
下面， 作为第二实施例， 描述后方检测 PAT 的配置例子。图 9 示出根据第二实施例 的后方检测 PAT 的配置例子。
与图 4 所示的装置不同， 根据本实施例的后方检测 PAT 的装置包含两个光透射部 件 906a 和 906b。
从光源辐射到本装置的照明光分别通过照明光路 905a 和 905b。
这里， 两个光透射部件 906a 和 906b 被固定到声波检测器 104 的两侧并被一体化 以形成单元结构 108。
单元结构 108 通过兼作声波匹配剂的润滑剂二维地扫描平面平板 107， 由此检测 从活体组织 101 中的吸收体产生的声波信号。
图 10 示出在活体组织 101 的表面上形成的照明区域 103 的断面图。
图 6 和图 10 在光透射部件 106 与光透射部件 906a、 906b 的数量上彼此不同。
与图 6 类似， 光的行进角由符号 α 表示， 声波检测器 104 的宽度由符号 L 表示， 平 面平板 107 的厚度由符号 D 表示， 入射面上的光的水平宽度由符号 O 表示。声波检测器 104 被设计为规则的正方形或矩形， 并且， 光在入射面上沿深度方向 ( 纸面方向 ) 的长度被设为 比声波检测器 104 沿深度 ( 纸面方向 ) 的长度长。
为了如图 5 所示的那样形成希望的光， 需要入射光的水平宽度 O 满足 O ＞ L/2 的 关系并且厚度 D、 角度 α 和宽度 L 必须满足 D×tan(α) ≥ L/2 的关系。
在使光从声波检测器 104 的两侧进入活体组织 101 的情况下， 从两侧进入组织 101 的光进入声波检测器 104 的宽度 L 的一半， 并且， 从两侧进入组织 101 的光照射位于声波检 测器 104 后方的活体组织 101 的表面的整个表面。
与图 6 所示的情况相比， 在厚度 D 和宽度 L 在这两种情况下分别相同的条件下， 本 实施例的情况可使得行进角 α 更小。
随着行进角 α 变小， 可使得平面平板 107 中的光的透射率的衰减更小。
此外， 平面平板 107 和活体组织 101 之间的界面处的入射角和折射角的减小导致 反射率的减小， 并且， 这些减小是更优选的。
在宽度 L 和角度 α 相同的条件下， 平面平板 107 的厚度 D 变薄， 由此如参照图 6 所描述的那样带来声波信号强度的提高。
( 第三实施例 )
下面， 作为第三实施例， 将描述两面照射 PAT 的配置例子。图 11 示出根据第三实 施例的两面照射 PAT 的配置例子。 本实施例的两面照射 PAT 采取第二实施例的后方检测 PAT 和使光从检测器 104 的 相对侧进入组织 101 的前方检测 PAT 的组合的形式。
在本实施例中， 装置包含来自声波检测器 104 侧的照明区域 1103a 和来自声波检 测器 104 的相对侧的照明区域 1103c。
此外， 该装置包含作为声波检测器 104 侧的被检体保持部件的平面平板 1107a、 声波检测器 104 的相对侧的平行平板 1107c、 声波检测器 104、 两个光透射部件 1106a 和 1106b、 以及光源。
在本装置中， 光源经由照明光路 1105a、 1105b 和 1105c 用光照明组织 101。 作为光 源， 可以在声波检测器 104 侧及其相对侧准备不同的脉冲激光器， 或者， 可以准备相同的脉 冲激光器。
在使用两个不同的脉冲激光器的情况下， 作为辐射时间之间的差值的抖动依赖于 检测对象的尺寸， 并且， 为了获取几 mm 的分辨率， 脉冲激光器所需做的事情只是用小于 100 纳秒的抖动来辐射脉冲激光。
这样的技术是能够补偿 PAT 的深度的分辨率的限制的有效技术 ： 使乳房放在平面 平板 1107a 和 1107c 之间以用平面平板 1107a 和 1107c 按压乳房， 并且在减小乳房厚度的 状态下对其进行诊断。但是， 在一面侧照明的情况下， 声波检测器 104 附近的乳房相对于上 面被辐射光的前表面与深部对应。
由 此， 到 达 位 于 声 波 检 测 器 104 附 近 的 乳 房 中 的 吸 收 体 ( 这 里 为 新 血 管 (neovascular vessel)) 的光量明显降低， 并且， 信号强度变小。
另一方面， 在两面照射 PAT 的情况下， 如果从两个表面照明相同的光量， 那么最小 信号部位是平面平板 1107a 和 1107c 的中央部分 (midsection) 处的活体部分。
也就是说， 如果在使用的光量相同并且活体组织 101 的厚度恒定的条件下将前方 检测 PAT 和两面照射 PAT 进行相互比较， 那么两面照射 PAT 在光利用性方面明显有利。
第三实施例是能够通过用两个平面平板 1107a 和 1107c 调整要被测量的活体组织
101 的厚度、 采用两面照射 PAT 来实现有效地测量整个活体组织 101 的方法的实施例。
根据上述的本实施例的配置， 从声波检测器 104 的同一侧对组织 101 进行照明的 光在声波检测器 104 的后侧的整个表面上形成照明区域。
此外， 通过从放在平面平板 1107a 和 1107c 之间的活体组织 101 的两个表面执行 光照射， 使得能够实现对于整个活体组织 101 的有效照明， 并且， 使得能够实现对于光声信 号的精确测量。
在上述第一到第三实施例中， 概述了光透射部件 106 或光透射部件 906a、 906b 或 1106a、 1106b 位于二维阵列声波检测器件 104 的一侧或两侧的情况， 其中二维阵列声波检 测器件 104 布置有具有规则的正方形或矩形形状的元件。
但是， 除了以上情况之外， 还可采用这样的配置 ： 将二维阵列声波检测器件 104 分 成两个或更多个部分， 并将光透射部件 106 放在二维阵列声波检测器件 104 之间。
也就是说， 本发明的生物信息获取装置通过作为光学波导被布置在声波检测器 104 的一侧或两侧的光透射部件 106 或光透射部件 906a、 906b 或 1106a、 1106b， 有效地向在 具有各种形状的声波检测器 104 的元件的后方的活体组织 101 辐射光。
〔例子〕 以下将描述本发明的例子。
< 例子 1>
在例子 1 中， 将描述应用本发明的后方检测 PAT 的配置例子。对于活体组织 101， 制备如图 4 所示的那样配置的由平面平板 107、 声波检测器 104 和光透射部件 106 构成的后 方检测 PAT。
作为光源， 使用具有 1064nm 的振荡波长的 Nd:YAG 脉冲激光器。
这里， 声波检测器 104 和光透射部件 106 被形成为一体化的单元结构 108。
作为平面平板 107， 使用具有 1.463 的折射率的聚甲基戊烯， 并且， 其厚度被设为 12.5mm。
假设活体组织 101 的折射率为 1.33， 在平面平板 107 与活体组织 101 的接触表面 上形成抗反射膜。
作为声波检测器 104， 使用以二维方式布置声波检测元件的阵列检测器， 并且， 检 测表面的尺寸为 23mm 宽 ×46mm 长。
图 4 所示的声波检测器 104 的水平宽度 L 为 23mm。使用由 BK7 制成的三角棱镜 作为光透射部件 106， BK7 是可从 NEC SCHOTTComponents Corporation 得到的光学玻璃材 料。该棱镜的折射率为 1.507。
光从其进入的三角棱镜的倾斜面相对于平面平板 107 的法线方向被设为约 61° 的角度， 在该倾斜面上， 涂敷适于光的入射角的抗反射膜。
这里， 由于入射角相对于倾斜面被设为约 45°， 因此， 使得抗反射膜与该角度对 应。
在除了从其发射光的棱镜底面和倾斜面以外的各表面上涂敷反射膜。
通过在平面平板 107 上扫描单元结构 108 来获取声波信号， 并且， 在平面平板 107 和单元结构 108 之间供给蓖麻油。
蓖麻油的折射率为约 1.48。折射率的大小关系为棱镜＞蓖麻油＞聚甲基戊烯。
以约 45°进入棱镜的倾斜面的激光脉冲光以约 27°的折射角在棱镜中行进， 并 且， 进入与平面平板 107 的界面。以界面为基准， 入射角与约 56°对应。
由于棱镜、 蓖麻油和平面平板 107 的折射率是相互接近的值， 因此， 反射的贡献 低， 并且， 光相对于平面平板 107 的法线方向以约 61°的角度在平面平板 107 中行进。
制备由扩散介质制成的体模 (phantom)， 所述体模模仿活体组织并且长 20mm、 宽 40mm 且深 20mm。
当用本例子的 PAT 装置从体模检测声波信号时， 声波检测器 104 的检测表面的整 个后方可被照明， 并且， 可从设在体模中的吸收体获取良好的声学信号。
< 例子 2>
在例子 2 中， 将描述应用了本发明的、 形式与例子 1 不同的后方检测 PAT 的配置例 子。
对于活体组织 101， 制备如图 9 所示的那样配置的由平面平板 107、 声波检测器 104 以及光透射部件 906a 和 906b 构成的后方检测 PAT。
这里， 光从声波检测器 104 的两侧对活体组织 101 进行照明。作为光源， 使用具有 1064nm 的振荡波长的 Nd:YAG 脉冲激光器。
这里， 两个光透射部件 906a 和 906b 被固定到声波检测器 104 的两侧， 并且， 声波 检测器 104 和光透射部件 906a、 906b 形成为一体化的单元结构 108。
平面平板 107 与例子 1 中的相同。使用具有以二维方式布置的声波检测元件的阵 列检测器作为声波检测器 104， 并且， 阵列检测器的检测表面的尺寸为 44mm 宽 ×44mm 长。
使用与例子 1 的光学玻璃材料相同的光学玻璃材料作为光透射部件 906a 和 906b。
在平面平板 107 和单元结构 108 之间供给与例子 1 中的蓖麻油相同的蓖麻油。光 中的一束的行进路径与例子 1 中的相同， 而另一光束的行进路径关于声波检测器 104 对称。
制备由扩散介质制成的体模， 所述体模模仿活体组织 101 并且长 40mm、 宽 40mm 且 深 20mm。当用本例子的 PAT 装置从体模检测声波信号时， 可从设在体模中的吸收体获取良 好的声学信号。
在活体组织 101 的表面上， 从两侧照射该表面的激光对声波检测器 104 的检测表 面的整个后方进行照明， 因此， 能够对整个活体组织 101 照明。
与例子 1 相比， 例子 2 可使用具有更宽的面积的检测表面的声波检测器 104， 因此， 能够一次诊断的面积变宽， 从而有助于缩短诊断时间。
< 例子 3>
如图 13 所示， 除了光透射部件 1306a 和 1306b 代替光透射部件 906a 和 906b 的方 面之外， 本例子具有与图 9 所示的例子 2 的配置相同的配置， 在该配置中， 通过一体化声波 检测器和光透射部件形成单元结构 108。
作为用于例子 2 中的三角形光透射部件 906a 和 906b 的替代， 在图 13 的例子 3 中 使用梯形的光透射部件 1306a 和 1306b。
这里， 在激光进入光透射部件 1306a 和 1306b 之后， 激光在光透射部件 1306a 和 1306b 的平整倾斜面上被内部地反射， 并进入平面平板 107( 分别经由照明光路 1305a 和 1305b)。
通过将倾斜面设为相对于平面平板 107 具有希望的角度， 进入平面平板 107 的激光的入射角可被调整为与例子 2 的角度相同的角度， 因此， 例子 3 具有与例子 2 的优点等同 的优点。
< 例子 4>
在例子 4 中， 将描述应用了本发明的两面照射 PAT 的配置例子。本例子配置如图 11 所示的那样的两面照射 PAT。
声波检测器 104 侧的装置和光的入射分别与图 9 的例子 2 的相同。
在声波检测器 104 的相对侧制备平行平板 1107c， 并且， 本例子被配置为将活体组 织 101 放在两个平板 1107a 和 1107c 之间。这里设置用于控制活体组织 101 的按压厚度的 机构。
在相对侧从平行平板 1107c 的法线方向辐射具有比声波检测器 104 的检测表面的 面积宽的面积的激光脉冲光。使得激光脉冲光的照明轴与声波检测器 104 的中心轴一致。 制备模仿活体组织 101 并且长 40mm、 宽 40mm 且深 40mm 的、 由扩散介质制成的体模， 并且， 用 本例子的 PAT 装置从体模检测声波信号。由此， 可从安装在体模中的吸收体获取良好的声 波信号。
通过采用本例子的配置， 与仅从一侧表面照明相比， 可以执行更有效的照明。
特别地， 通过两面照射 PAT， 也可从深部中的活体组织 101( 其通过单面照射不能 有效地进行照射 ) 获取强的声波信号。
( 比较例 )
以下， 将描述与本发明的比较例。
对于活体组织 101 制备具有图 7 所示的配置的后方检测 PAT， 该配置包含平面平板 107 和声波检测器 104。
作为光源， 使用具有 1064nm 的振荡波长的由 Nd:YAG 制成的脉冲激光器。
作为平面平板 107 的材料， 使用具有 1.463 的折射率的聚甲基戊烯， 并且， 使得平 面平板 107 的厚度为 12.5mm。
在平面平板 107 与活体组织 101 的接触表面上形成基于下述假定的抗反射膜 ： 活 体组织 101 的折射率为 1.33。
作为声波检测器 104， 使用以二维方式布置声波检测元件的阵列检测器， 并且， 声 波检测器 104 的检测表面的尺寸被设计为宽 23mm 且长 46mm。
激光从大气直接进入平面平板 107， 但是， 与 80°的入射角对应的抗反射膜被添 加到平面平板 107 上。在本比较例中， 在不通过单元结构 108 执行扫描的情况下测量声波， 并且， 为了确保声波的透射， 仅在声波检测器 104 和平面平板 107 之间供给蓖麻油。蓖麻油 的折射率为约 1.48。
以 80°的入射角进入平面平板 107 的激光具有 40°的折射角， 并以 40°的角度在 平面平板 107 中行进。
制备模仿活体组织 101 并且长 20mm、 宽 40mm 且深 20mm 的、 由扩散介质制成的体 模。
由于在上述条件下不能对声波检测器 104 的检测表面的整个后方进行照明， 因 此， 来自安装在体模中的吸收体中的离开被照射表面的区域的信号特别劣化。 因此， 与上述 的例子 1 相比， 难以通过比较例获取良好的声波信号。< 例子 5>
如图 14 所示， 在本例子中， 声波检测器 104 被分成与照明区域 1403a 和 1403b 对 应的两个部分。
分别在声波检测器 104 的外侧的两侧、 以及在声波检测器 104 之间设置光透射部 件 1406a、 1406b、 1406c 和 1406d， 并且， 这些声波检测器 104 和光透射部件 1406a、 1406b、 1406c 和 1406d 被一体化以形成单元结构 108。
与例子 2 所示的情况类似， 从声波检测器 104 的外侧对声波检测器 104 的后方进 行照明 ( 例如， 照明光路 1404a)， 并且， 在声波检测器 104 之间通过的光也进入光透射部件 1406c 和 1406d 的倾斜面。然后， 光以对位于声波检测器 104 的后方的活体组织 101 进行照 明的角度进入活体组织 101( 照明光路 1404b)。
因此， 与例子 2 类似， 整个活体组织 101 可被有效地照明。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明， 但应理解， 本发明不限于所公开的示例 性实施例。 所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同 的结构和功能。
本申请要求在 2008 年 7 月 11 日提交的日本专利申请 No.2008-182055 和在 2009 年 1 月 6 日提交的日本专利申请 No.2009-000891 的权益， 在此引入它们的全部内容作为参 考。