CN102988024A

CN102988024A - 光声匹配材料

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Publication number: CN102988024A
Application number: CN2012103227713A
Authority: CN
Inventors: 和田喜子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: EP2568274A1; CN102988024B; US20130064771A1; JP2013056100A; EP2568274B1

Abstract

光声匹配材料包括水、增稠剂和光散射组分。

Description

光声匹配材料

技术领域

实施方案的一个公开的方面涉及用于光声断层照相装置（photoacoustic tomography apparatus）等的光声匹配材料（photoacoustic matching material）。

背景技术

作为通过利用超声波（声波）将被检查的物体（测试物）的内部图像化的装置，已提供了用于医疗诊断的光声断层照相（PAT）装置。光声断层照相装置用激光脉冲光照射测试物，用探针内设置的接收元件（电机械转换元件例如压电元件）接收由测试物的组织内吸收照射光的能量而产生的光声波，并且将测试物的内部的与光学特性值有关的信息图像化。

日本专利申请公开No.2010-075681讨论了光声断层照相装置的构成，其中将光声匹配材料设置在接收元件与测试物之间。

日本专利申请公开No.2010-075681中记载的技术中通过在测试物与接收元件之间设置光声匹配材料，从而形成测试物与探针之间的光声阻抗的匹配，但需要光声匹配材料的进一步改善。具体地，对于光声匹配材料要求不仅考虑光声阻抗，而且考虑对于照射测试物的光的光学特性例如反射和透射。进而，由于常常直接与测试物例如人体接触使用，因此对于光声匹配材料还希望对于测试物的良好的触感。

发明内容

一个实施方案的光声匹配材料的特征在于，包括水、增稠剂和光散射组分（light scattering member）。实施方案的光声匹配材料的特征还在于，具有水作为水、增稠剂和光散射组分中的主要组分。

根据一个实施方案的方面，提供光声匹配材料，其包括水、增稠剂和光散射组分。

根据实施方案，能够提供不仅具有良好的声阻抗特性而且对于照射测试物的光具有良好的光学特性的光声匹配材料。进而，能够提供对于测试物具有良好触感的光声匹配材料。

由以下参照附图对例示实施方案的详细说明，公开内容的进一步的特点和方面将变得清楚。

附图说明

并入并构成说明书的一部分的附图表示公开内容的例示实施方案、特点和方面，并且与说明书一起，用于解释公开内容的原理。

图1是表示根据实施方案的光声断层照相装置的图。

图2是表示根据实施方案的光声断层照相装置的部分放大图。

具体实施方式

以下参照附图对公开内容的各种例示实施方案、特点和方面进行详细说明。

以下参照附图对光声匹配材料的实施方案进行说明，首先对使用该光声匹配材料的光声断层照相装置进行说明。

本实施方案中使用的光声断层照相装置是接收通过用光（电磁波）照射测试物而产生的声波并且作为图像数据获得测试物的信息的利用光声效应的装置。声波典型地为超声波并且包括称为声波、超声波、光声波和光超声波的那些弹性波。

图1中，光声断层照相装置包括图中未示出的光源、束纤维105、光照射单元104、光声匹配材料103、探针101、图中未示出的信号处理单元和图中未示出的显示单元。光声匹配材料包括不规则地分散在该材料中的作为光散射组分的光散射体106，并且涂布在测试物的表面上。探针101通过声匹配材料103从测试物102接收声波。

光声断层照相装置从图中未示出的光源产生脉冲光，并且通过束纤维105和光声匹配材料103从光照射单元104用该脉冲光照射测试物102。由照射到测试物102的脉冲光，测试物102内的吸收体产生光声波。光声波通过光声匹配材料103并且由探针101接收。探针101和随后的信号处理单元将光声信号转化为电信号，将该信号放大，并且进行延迟处理和重排（rearrangement）以制备测试物102中的吸收系数分布。例如，通常用于断层照相技术的时域或Fourier域中的反投影（back projection）可用作重排的方法。随后，显示单元显示制备的吸收系数分布。

光照射单元104照射从光源输出的脉冲光并且通过束纤维105。照射的光是具有约750-1100nm的波长的近红外光。从光照射单元104发出的光通过光声匹配材料103进入测试物102。图1中光照射单元104与探针101的侧面接触，但光照射单元104可不与探针101接触，并且可将它们以一定角度配置。

将光声匹配材料103涂布到测试物的表面上。通过光声匹配材料103，光照射单元104用光照射测试物102，探针101获得来自测试物102的声波。光照射单元104与测试物之间的光声匹配材料103的厚度典型地为约0.5mm以下，原因在于常常在被压于测试物102的情况下光照射单元104发光。将光声匹配材料涂布到测试物的表面上后压光照射单元104，从光照射单元周围以约10mm的大小涂布光照射单元周围的光声匹配材料103。将光照射单元104、光声匹配材料103和测试物102的位置关系示于图2中。该光声匹配材料的大小对应于图2中的距离B。

本实施方案中的光声匹配材料包括水、增稠剂和光散射组分。因此，从光照射单元104入射的光201部分从光声匹配材料103射出到外部，但该光被作为光声匹配材料103中的光散射组分的光散射体106散射，因此使其能量密度减小。这进一步提高操作者和被实验者的安全。对此详细说明。

光声断层照相装置通常使用激光器作为用光照射测试物的光源。作为用于处理使用激光的装置的规则，设置JIS C6802。该规则中，将对于视网膜的最大允许曝光量（MPE）和对于皮肤的MPE定义为用激光照射眼睛和皮肤时的允许安全水平。在用于光声断层照相装置的激光装置中必须使用具有等于或小于对于皮肤的MPE的能量密度的激光。

但是，对于视网膜的MPE比对于皮肤的MPE小得多。因此，为了获得光声波，即使在等于或小于对于测试物即皮肤的MPE的水平上用光照射测试物，从光声匹配材料泄漏的光的能量密度潜在地超过对于视网膜的MPE。但是，本实施方案中的光声匹配材料中，由光散射体106使光的能量密度充分地减小，即，光声匹配材料自身可使光的能量密度减小。因此，可在不对光声断层照相装置额外下工夫的情况下进一步提高操作者和被实验者的安全。

进而，本实施方案中的光声匹配材料包括水作为水、增稠剂和光散射组分中的主要组分。这使得光声匹配材料能够在没有触感和气味上的不愉快感的情况下使用，即使光声匹配材料与测试物，特别是人体直接接触。

以下对光声匹配材料103进一步说明。羧基乙烯基聚合物、羧甲基纤维素、丙烯酸甲酯共聚物、黄原胶等可用作光声匹配材料103的增稠剂。除了水、增稠剂和作为光散射组分的光散射体106以外，光声匹配材料103可含有组合物例如保湿剂、防腐剂和pH调节剂。例如，可含有甘油、对-羟基苯甲酸酯和氢氧化钠。添加的光散射体106的颗粒直径可以为大致等于或小于照射的光的波长，并且平均颗粒直径可以为1nm-3μm。

无机细颗粒和有机细颗粒可用于光散射体106。

无机细颗粒的实例包括无机颗粒例如二氧化硅、硅藻土、氧化铝、氧化锌、氧化钛（氧化钛）、氧化锆、氧化钙、氧化镁、金、银。

有机细颗粒的实例包括公知的有机树脂细颗粒例如乙烯基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、酯树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、有机硅树脂、氟树脂、酚醛树脂、蜜胺树脂、苯并胍胺系树脂、脲醛树脂、苯胺树脂、离聚物树脂、聚碳酸酯、纤维素和它们的混合物。在添加到光声匹配材料103中的光散射体106中，可无限制地使用无机材料和有机材料，可单独使用任一种并且也可组合使用。

光声匹配材料103对于照射的波长具有吸光率或者可将光吸收体添加到光声匹配材料103中时，入射的光在散射的同时光强度减弱而射出。

添加到光声匹配材料103中的光吸收体包括颜料和染料例如亚甲基蓝和吲哚菁绿（ICG）。光吸收体和光散射体可以是相同的物质，其包括炭黑、石墨、碳颜料和吸收近红外光的混合原子价金属络合物。

从光声匹配材料103射出的光的散射的程度由光在光声匹配材料103中传播的距离和光散射系数决定。光散射系数取决于光散射体的大小、折射率和浓度而变化。

光照射单元104与测试物之间的光声匹配材料103的厚度（图2中的A）约为0.5mm时，通过该距离以进行各向同性散射的光的散射系数为2/mm。光照射单元104周围的光声匹配材料103具有约10mm的大小（图2中的B）和约1mm的厚度（图2中的C）时，从光照射单元104入射以从光声匹配材料103射出的光通过约1mm-10mm的距离。散射系数，对通过10mm的光进行各向同性散射时，为0.1/mm。此外，散射系数，对通过1mm的光进行各向同性散射时，为1/mm。通常，有用地，从光声匹配材料103向测试物102发出的光（通过图2中距离A的光）是直进光，并且有用地，对朝测试物102以外的方向发出的光（通过图2中距离B和C的光）充分地进行各向同性散射。因此，散射系数可有利地为0.1/mm-2.0/mm，更有利地，为1.0/mm-2.0/mm。

光声匹配材料103具有吸收系数时，与光在光声匹配材料103中移动的距离和吸收系数的大小有关，从光声匹配材料103发出的光衰减。散射系数越大，光在光声匹配材料103中移动的距离就越增加。来自光声匹配材料103的光的衰减用由光散射系数和光吸收系数计算的衰减系数的值表示（式1）。

μ_{eff} = \sqrt{3 \cdot μ_{a} \cdot (μ_{a} + {μ_{s}}^{'})} - - - (1)

其中，衰减系数、吸收系数和散射系数分别用μeff、μa和μs'表示。

其中，有利地，从光声匹配材料103向测试物102发出的光没有如此衰减，而向测试物102以外的方向发出的光强烈地衰减到大致对于视网膜的MPE。这是因为，对于视网膜的MPE和对于皮肤的MPE之差在几至几十万倍的范围内。

光声断层照相装置中，由于希望得到大的来自测试物102的信号，因此基于对于皮肤的MPE用光照射测试物102。但是，希望从光声匹配材料103射出的光衰弱到大致对于操作者和测试物的视网膜的MPE。

使用具有797nm的波长、10ns的脉冲宽度和10Hz的发光频率的光源时，对于皮肤的MPE为313（J/m²）。但是，无法唯一地确定对于视网膜的MPE。其原因在于，对于视网膜的MPE取决于漫射光源的范围和到被实验者的距离而变化。漫射光源小并且操作者和被实验者远离漫射光源时对于视网膜的MPE变高。

例如，使用光声断层照相装置时，操作者和被实验者距离漫射光源约1m并且从60度的方向观察具有5mm的宽度的漫射光源时，MPE为0.14(J/m²)，从45度的方向观察具有10mm的宽度的漫射光源时，MPE为0.39(J/m²)。即使被实验者靠近或者漫射光源的大小增加，也将MPE的上限设定为2.8(J/m²)。如上所述，在通常采用的环境下光声断层照相装置中对于视网膜的MPE为0.14(J/m²)-2.8(J/m²)。如上所述，可取决于光声断层照相装置的使用状况，例如漫射光源的大小和漫射光源与被实验者之间的距离，更详细地设定对于视网膜的MPE。由对于视网膜的MPE确定光声匹配材料103的衰减系数的有利范围（0.47/mm-0.77/mm）和吸收系数的有利范围（0.036/mm-0.40/mm）。

希望取决于光声装置中使用的波长、对于被实验者的漫射光源（光声匹配材料103的表面范围）的大小和距离的预测值来适当地将光声匹配材料103的散射系数、吸收系数和衰减系数设定在适合的范围内。

以下对例示实施方案进行说明，但公开内容并不限于这些实施方案，只要获得具有同样的功能和效果的光声匹配材料103，可自由地改变材料、组成、反应条件等。

对第一例示实施方案进行说明。将本例示实施方案中的光声匹配材料和使用其的光声断层照相装置示于图1中。在光声断层照相装置中，在光照射单元104和测试物102之间使用光声匹配材料103。

本例示实施方案中将具有797nm的波长、10ns的脉冲宽度和10Hz的发光频率的激光脉冲光源用作光源。将超声波凝胶（LOGICLEAN，GEYokokawa Medical）用作光声匹配材料103的基材。该超声波凝胶包括水和增稠剂，并且其主要组分为水。因此，其无气味并且不发粘，即使将该凝胶与测试物直接接触地使用也不产生令人不愉快的感觉。添加作为光散射体106即光散射组分的0.3重量%的量的具有0.21μm的颗粒直径的氧化钛并且分散在该超声波凝胶中。结果，散射系数、吸收系数和衰减系数分别为1.0(/mm)、0.0081(/mm)和0.16(/mm)。而且添加作为光散射组分的光散射体106后，在气味和触感上没有发现大的变化。

设想如下情况：操作者和被实验者以45度的角度在距离其1m的位置观察测试物的表面上的漫射光源（光声匹配材料）。漫射光源设想为从光照射单元104与测试物之间（图2中的A）泄漏的光，并且其大小设想为0.5mm。光声匹配材料103具有10mm的大小（图2中的B），并且以约10mm的厚度（图2中的C）涂布在光照射单元的周围。

将使用不含光散射体106的光声匹配材料103的情形和使用本例示实施方案的光声匹配材料103的情形进行比较和考察。

考虑每种情况下的吸收系数、衰减系数和光射出面积，与使用不含光散射体106的光声匹配材料的情形相比，使用第一例示实施方案的光声匹配材料103的情形下的光的能量密度约为0.007倍。因此，通过使用第一例示实施方案的光声匹配材料103，照射光的能量照射从313(J/m²)减小到2.3(J/m²)，可进一步提高对于操作者和被实验者的安全。

对第二例示实施方案进行说明。第一例示实施方案中对通过将作为光散射体106的氧化钛添加到含有水作为主要组分并且还含有增稠剂的超声波凝胶而得到的光声匹配材料103进行了说明。本例示实施方案中将对通过不仅添加光散射体106而且添加作为光吸收组分的光吸收体而得到的光声匹配材料103进行说明。将本例示实施方案中的光声匹配材料103和使用其的光声断层照相装置示于图2中。本实施方案中，将作为光散射体106并且还作为光吸收组分即吸收体的炭黑以0.01重量%的量添加到光声匹配材料103中。结果，散射系数、衰减系数和衰减系数分别为1.0(/mm)、0.133(/mm)和0.67(/mm)。通过添加吸收体，与第一例示实施方案相比，可使从光声匹配材料103射出的光的能量密度减小。

第一例示实施方案中光声匹配材料103的衰减系数为0.16(/mm)，第二例示实施方案中为0.133(/mm)。因此，与第一例示实施方案中相比，本实施方案中由光声匹配材料103照射的光的能量密度为0.006倍。因此，对于视网膜的MPE为0.39(J/m²)，而本例示实施方案中由光声匹配材料103照射的光的能量密度最大为0.013(J/m²)，表示可进一步提高对于操作者和被实验者的安全。

本例示实施方案中，通过使用具有光散射功能和光吸收功能两者的炭黑，以相同的组分实现了光散射组分和光吸收组分，但光散射组分和光吸收组分并不限于此，可以由不同组分组成。

尽管已参照例示实施方案对公开内容进行了说明，但应理解公开内容并不限于所公开的例示实施方案。下述权利要求的范围应给予最宽泛的解释以包括所有这样的变形、等同的结构和功能。

Claims

1.光声匹配材料，包括：水；增稠剂；和光散射组分。

2.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光声匹配材料包括水作为主要组分。

3.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光声匹配材料的光散射系数为0.1/mm-2.0/mm。

4.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该增稠剂由羧乙烯基聚合物、羧甲基纤维素、丙烯酸甲酯共聚物和黄原胶中的任何物质组成。

5.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光散射组分的平均颗粒直径为1nm-3μm。

6.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光散射组分由无机材料组成。

7.根据权利要求6的光声匹配材料，其中该无机材料由二氧化硅、硅藻土、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氧化钙、氧化镁、金和银中的任何物质组成。

8.根据权利要求6的光声匹配材料，其中该无机材料为氧化钛。

9.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光散射组分由有机材料组成。

10.根据权利要求9的光声匹配材料，其中该有机材料由乙烯基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、酯树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、有机硅树脂、氟树脂、酚醛树脂、蜜胺树脂、苯并胍胺系树脂、脲醛树脂、苯胺树脂、离聚物树脂、聚碳酸酯、纤维素、和它们的混合物中的任何物质组成。

11.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光散射组分是炭黑。

12.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光声匹配材料包括光吸收组分。

13.根据权利要求12的光声匹配材料，其中该光吸收组分是炭黑。

14.根据权利要求1的光声匹配材料，其中该光声匹配材料还包括保湿剂、防腐剂和pH调节剂中的任何物质。