光聲匹配材料的製作方法

2023-09-22 00:26:15 1

專利名稱：光聲匹配材料的製作方法
技術領域：
實施方案的一個公開的方面涉及用於光聲斷層照相裝置(photoacoustictomography apparatus)等的光聲匹配材料(photoacoustic matching material)。
背景技術：
作為通過利用超聲波(聲波)將被檢查的物體(測試物)的內部圖像化的裝置，已提供了用於醫療診斷的光聲斷層照相(PAT)裝置。光聲斷層照相裝置用雷射脈衝光照射測試物，用探針內設置的接收元件(電機械轉換元件例如壓電元件)接收由測試物的組織內吸收照射光的能量而產生的光聲波，並且將測試物的內部的與光學特性值有關的信息圖像化。日本專利申請公開No. 2010-075681討論了光聲斷層照相裝置的構成，其中將光 聲匹配材料設置在接收元件與測試物之間。日本專利申請公開No. 2010-075681中記載的技術中通過在測試物與接收元件之間設置光聲匹配材料，從而形成測試物與探針之間的光聲阻抗的匹配，但需要光聲匹配材料的進一步改善。具體地，對於光聲匹配材料要求不僅考慮光聲阻抗，而且考慮對於照射測試物的光的光學特性例如反射和透射。進而，由於常常直接與測試物例如人體接觸使用，因此對於光聲匹配材料還希望對於測試物的良好的觸感。

發明內容
一個實施方案的光聲匹配材料的特徵在於，包括水、增稠劑和光散射組分(lightscattering member)。實施方案的光聲匹配材料的特徵還在於,具有水作為水、增稠劑和光散射組分中的主要組分。根據一個實施方案的方面，提供光聲匹配材料，其包括水、增稠劑和光散射組分。根據實施方案，能夠提供不僅具有良好的聲阻抗特性而且對於照射測試物的光具有良好的光學特性的光聲匹配材料。進而，能夠提供對於測試物具有良好觸感的光聲匹配材料。由以下參照附圖對例示實施方案的詳細說明，公開內容的進一步的特點和方面將
變得清楚。


併入並構成說明書的一部分的附圖表示公開內容的例示實施方案、特點和方面，並且與說明書一起，用於解釋公開內容的原理。圖1是表示根據實施方案的光聲斷層照相裝置的圖。圖2是表示根據實施方案的光聲斷層照相裝置的部分放大圖。
具體實施例方式以下參照附圖對公開內容的各種例示實施方案、特點和方面進行詳細說明。
以下參照附圖對光聲匹配材料的實施方案進行說明，首先對使用該光聲匹配材料的光聲斷層照相裝置進行說明。本實施方案中使用的光聲斷層照相裝置是接收通過用光(電磁波)照射測試物而產生的聲波並且作為圖像數據獲得測試物的信息的利用光聲效應的裝置。聲波典型地為超聲波並且包括稱為聲波、超聲波、光聲波和光超聲波的那些彈性波。圖1中，光聲斷層照相裝置包括圖中未示出的光源、束纖維105、光照射單元104、光聲匹配材料103、探針101、圖中未示出的信號處理單元和圖中未示出的顯示單元。光聲匹配材料包括不規則地分散在該材料中的作為光散射組分的光散射體106，並且塗布在測試物的表面上。探針101通過聲匹配材料103從測試物102接收聲波。光聲斷層照相裝置從圖中未示出的光源產生脈衝光，並且通過束纖維105和光聲匹配材料103從光照射單元104用該脈衝光照射測試物102。由照射到測試物102的脈衝光，測試物102內的吸收體產生光聲波。光聲波通過光聲匹配材料103並且由探針101接 收。探針101和隨後的信號處理單元將光聲信號轉化為電信號，將該信號放大，並且進行延遲處理和重排(rearrangement)以製備測試物102中的吸收係數分布。例如，通常用於斷層照相技術的時域或Fourier域中的反投影(back projection)可用作重排的方法。隨後，顯示單元顯示製備的吸收係數分布。光照射單元104照射從光源輸出的脈衝光並且通過束纖維105。照射的光是具有約750-1 IOOnm的波長的近紅外光。從光照射單元104發出的光通過光聲匹配材料103進入測試物102。圖1中光照射單元104與探針101的側面接觸，但光照射單元104可不與探針101接觸，並且可將它們以一定角度配置。將光聲匹配材料103塗布到測試物的表面上。通過光聲匹配材料103，光照射單元104用光照射測試物102，探針101獲得來自測試物102的聲波。光照射單元104與測試物之間的光聲匹配材料103的厚度典型地為約O. 5mm以下，原因在於常常在被壓於測試物102的情況下光照射單元104發光。將光聲匹配材料塗布到測試物的表面上後壓光照射單元104，從光照射單元周圍以約IOmm的大小塗布光照射單元周圍的光聲匹配材料103。將光照射單元104、光聲匹配材料103和測試物102的位置關係示於圖2中。該光聲匹配材料的大小對應於圖2中的距離B。本實施方案中的光聲匹配材料包括水、增稠劑和光散射組分。因此，從光照射單元104入射的光201部分從光聲匹配材料103射出到外部，但該光被作為光聲匹配材料103中的光散射組分的光散射體106散射，因此使其能量密度減小。這進一步提高操作者和被實驗者的安全。對此詳細說明。光聲斷層照相裝置通常使用雷射器作為用光照射測試物的光源。作為用於處理使用雷射的裝置的規則，設置Jis C6802。該規則中，將對於視網膜的最大允許曝光量(MPE)和對於皮膚的MPE定義為用雷射照射眼睛和皮膚時的允許安全水平。在用於光聲斷層照相裝置的雷射裝置中必須使用具有等於或小於對於皮膚的MPE的能量密度的雷射。但是，對於視網膜的MPE比對於皮膚的MPE小得多。因此，為了獲得光聲波，即使在等於或小於對於測試物即皮膚的MPE的水平上用光照射測試物，從光聲匹配材料洩漏的光的能量密度潛在地超過對於視網膜的MPE。但是，本實施方案中的光聲匹配材料中，由光散射體106使光的能量密度充分地減小，即，光聲匹配材料自身可使光的能量密度減小。因此，可在不對光聲斷層照相裝置額外下工夫的情況下進一步提高操作者和被實驗者的安全。進而，本實施方案中的光聲匹配材料包括水作為水、增稠劑和光散射組分中的主要組分。這使得光聲匹配材料能夠在沒有觸感和氣味上的不愉快感的情況下使用，即使光聲匹配材料與測試物，特別是人體直接接觸。以下對光聲匹配材料103進一步說明。羧基乙烯基聚合物、羧甲基纖維素、丙烯酸甲酯共聚物、黃原膠等可用作光聲匹配材料103的增稠劑。除了水、增稠劑和作為光散射組分的光散射體106以外，光聲匹配材料103可含有組合物例如保溼劑、防腐劑和pH調節劑。例如，可含有甘油、對-羥基苯甲酸酯和氫氧化鈉。添加的光散射體106的顆粒直徑可以為大致等於或小於照射的光的波長，並且平均顆粒直徑可以為lnm-3 μ m。無機細顆粒和有機細顆粒可用於光散射體106。 無機細顆粒的實例包括無機顆粒例如二氧化矽、硅藻土、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦(氧化鈦)、氧化錯、氧化韓、氧化鎂、金、銀。有機細顆粒的實例包括公知的有機樹脂細顆粒例如乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂、環氧樹脂、酯樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、有機矽樹脂、氟樹脂、酚醛樹脂、蜜胺樹脂、苯並胍胺系樹脂、脲醛樹脂、苯胺樹脂、離聚物樹脂、聚碳酸酯、纖維素和它們的混合物。在添加到光聲匹配材料103中的光散射體106中，可無限制地使用無機材料和有機材料，可單獨使用任一種並且也可組合使用。光聲匹配材料103對於照射的波長具有吸光率或者可將光吸收體添加到光聲匹配材料103中時,入射的光在散射的同時光強度減弱而射出。添加到光聲匹配材料103中的光吸收體包括顏料和染料例如亞甲基藍和吲哚菁綠(ICG)。光吸收體和光散射體可以是相同的物質，其包括炭黑、石墨、碳顏料和吸收近紅外光的混合原子價金屬絡合物。從光聲匹配材料103射出的光的散射的程度由光在光聲匹配材料103中傳播的距離和光散射係數決定。光散射係數取決於光散射體的大小、折射率和濃度而變化。光照射單元104與測試物之間的光聲匹配材料103的厚度(圖2中的A)約為O. 5mm時，通過該距離以進行各向同性散射的光的散射係數為2/mm。光照射單元104周圍的光聲匹配材料103具有約IOmm的大小(圖2中的B)和約Imm的厚度(圖2中的C)時，從光照射單元104入射以從光聲匹配材料103射出的光通過約Imm-1Omm的距離。散射係數,對通過IOmm的光進行各向同性散射時,為O. Ι/mm。此外,散射係數,對通過Imm的光進行各向同性散射時，為Ι/mm。通常，有用地，從光聲匹配材料103向測試物102發出的光(通過圖2中距離A的光)是直進光，並且有用地，對朝測試物102以外的方向發出的光(通過圖2中距離B和C的光)充分地進行各向同性散射。因此，散射係數可有利地為O. l/mm-2. Ο/mm,更有利地，為1. 0/mm-2. 0/mm。光聲匹配材料103具有吸收係數時，與光在光聲匹配材料103中移動的距離和吸收係數的大小有關，從光聲匹配材料103發出的光衰減。散射係數越大，光在光聲匹配材料103中移動的距離就越增加。來自光聲匹配材料103的光的衰減用由光散射係數和光吸收係數計算的衰減係數的值表示(式I)。
=λ/3 ■ Ma - (m3 +Ms')(I)其中，衰減係數、吸收係數和散射係數分別用μ eff、μ a和μ s』表示。其中，有利地，從光聲匹配材料103向測試物102發出的光沒有如此衰減，而向測試物102以外的方向發出的光強烈地衰減到大致對於視網膜的MPE。這是因為，對於視網膜的MPE和對於皮膚的MPE之差在幾至幾十萬倍的範圍內。光聲斷層照相裝置中，由於希望得到大的來自測試物102的信號，因此基於對於皮膚的MPE用光照射測試物102。但是，希望從光聲匹配材料103射出的光衰弱到大致對於操作者和測試物的視網膜的MPE。
使用具有797nm的波長、IOns的脈衝寬度和IOHz的發光頻率的光源時，對於皮膚的MPE為313 (J/m2)。但是，無法唯一地確定對於視網膜的MPE。其原因在於，對於視網膜的MPE取決於漫射光源的範圍和到被實驗者的距離而變化。漫射光源小並且操作者和被實驗者遠離漫射光源時對於視網膜的MPE變高。例如，使用光聲斷層照相裝置時，操作者和被實驗者距離漫射光源約Im並且從60度的方向觀察具有5mm的寬度的漫射光源時，MPE為O. 14(J/m2)，從45度的方向觀察具有IOmm的寬度的漫射光源時，MPE為O. 39 (J/m2)。即使被實驗者靠近或者漫射光源的大小增加，也將MPE的上限設定為2. 8 (J/m2)。如上所述，在通常採用的環境下光聲斷層照相裝置中對於視網膜的MPE為O. 14 (J/m2)-2. 8 (J/m2)。如上所述，可取決於光聲斷層照相裝置的使用狀況，例如漫射光源的大小和漫射光源與被實驗者之間的距離，更詳細地設定對於視網膜的MPE。由對於視網膜的MPE確定光聲匹配材料103的衰減係數的有利範圍(O. 47/mm-Q. 77/mm)和吸收係數的有利範圍(O. 036/mm-0. 40/mm)η希望取決於光聲裝置中使用的波長、對於被實驗者的漫射光源(光聲匹配材料103的表面範圍)的大小和距離的預測值來適當地將光聲匹配材料103的散射係數、吸收係數和衰減係數設定在適合的範圍內。以下對例示實施方案進行說明，但公開內容並不限於這些實施方案，只要獲得具有同樣的功能和效果的光聲匹配材料103，可自由地改變材料、組成、反應條件等。對第一例示實施方案進行說明。將本例示實施方案中的光聲匹配材料和使用其的光聲斷層照相裝置示於圖1中。在光聲斷層照相裝置中，在光照射單元104和測試物102之間使用光聲匹配材料103。本例示實施方案中將具有797nm的波長、IOns的脈衝寬度和IOHz的發光頻率的雷射脈衝光源用作光源。將超聲波凝膠(LOGICLEAN, GEYokokawa Medical)用作光聲匹配材料103的基材。該超聲波凝膠包括水和增稠劑，並且其主要組分為水。因此，其無氣味並且不發粘，即使將該凝膠與測試物直接接觸地使用也不產生令人不愉快的感覺。添加作為光散射體106即光散射組分的O. 3重量％的量的具有O. 21 μ m的顆粒直徑的氧化鈦並且分散在該超聲波凝膠中。結果，散射係數、吸收係數和衰減係數分別為1. O (/mm)、0. 0081 (/mm)和
O.16(/mm)。而且添加作為光散射組分的光散射體106後,在氣味和觸感上沒有發現大的變化。設想如下情況操作者和被實驗者以45度的角度在距離其Im的位置觀察測試物的表面上的漫射光源(光聲匹配材料)。漫射光源設想為從光照射單元104與測試物之間(圖2中的A)洩漏的光，並且其大小設想為O. 5mm。光聲匹配材料103具有IOmm的大小(圖2中的B)，並且以約IOmm的厚度(圖2中的C)塗布在光照射單元的周圍。將使用不含光散射體106的光聲匹配材料103的情形和使用本例不實施方案的光聲匹配材料103的情形進行比較和考察。考慮每種情況下的吸收係數、衰減係數和光射出面積，與使用不含光散射體106的光聲匹配材料的情形相比，使用第一例示實施方案的光聲匹配材料103的情形下的光的能量密度約為O. 007倍。因此，通過使用第一例示實施方案的光聲匹配材料103，照射光的能量照射從313 (J/m2)減小到2. 3 (J/m2)，可進一步提高對於操作者和被實驗者的安全。對第二例示實施方案進行說明。第一例示實施方案中對通過將作為光散射體106的氧化鈦添加到含有水作為主要組分並且還含有增稠劑的超聲波凝膠而得到的光聲匹配材料103進行了說明。本例示實施方案中將對通過不僅添加光散射體106而且添加作為光吸收組分的光吸收體而得到的光聲匹配材料103進行說明。將本例示實施方案中的光聲匹 配材料103和使用其的光聲斷層照相裝置示於圖2中。本實施方案中，將作為光散射體106並且還作為光吸收組分即吸收體的炭黑以O. 01重量％的量添加到光聲匹配材料103中。結果，散射係數、衰減係數和衰減係數分別為1. O (/mm) ,0. 133 (/mm)和O. 67 (/mm)。通過添加吸收體，與第一例示實施方案相比，可使從光聲匹配材料103射出的光的能量密度減小。第一例示實施方案中光聲匹配材料103的衰減係數為O. 16 (/mm)，第二例示實施方案中為O. 133 (/mm)。因此，與第一例示實施方案中相比，本實施方案中由光聲匹配材料103照射的光的能量密度為O. 006倍。因此，對於視網膜的MPE為O. 39 (J/m2)，而本例示實施方案中由光聲匹配材料103照射的光的能量密度最大為O. 013 (J/m2)，表示可進一步提高對於操作者和被實驗者的安全。本例示實施方案中，通過使用具有光散射功能和光吸收功能兩者的炭黑，以相同的組分實現了光散射組分和光吸收組分，但光散射組分和光吸收組分並不限於此，可以由不同組分組成。儘管已參照例示實施方案對公開內容進行了說明，但應理解公開內容並不限於所公開的例示實施方案。下述權利要求的範圍應給予最寬泛的解釋以包括所有這樣的變形、等同的結構和功能。
權利要求
1.光聲匹配材料，包括水；增稠劑；和光散射組分。
2.根據權利要求1的光聲匹配材料,其中該光聲匹配材料包括水作為主要組分。
3.根據權利要求1的光聲匹配材料，其中該光聲匹配材料的光散射係數為O.1/mm-2. 0/mnin
4.根據權利要求1的光聲匹配材料，其中該增稠劑由羧乙烯基聚合物、羧甲基纖維素、丙烯酸甲酯共聚物和黃原膠中的任何物質組成。
5.根據權利要求1的光聲匹配材料，其中該光散射組分的平均顆粒直徑為lnm-3ym。
6.根據權利要求1的光聲匹配材料,其中該光散射組分由無機材料組成。
7.根據權利要求6的光聲匹配材料，其中該無機材料由二氧化矽、硅藻土、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦、氧化錯、氧化I丐、氧化鎂、金和銀中的任何物質組成。
8.根據權利要求6的光聲匹配材料，其中該無機材料為氧化鈦。
9.根據權利要求1的光聲匹配材料,其中該光散射組分由有機材料組成。
10.根據權利要求9的光聲匹配材料，其中該有機材料由乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂、環氧樹脂、酯樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、有機矽樹脂、氟樹脂、酚醛樹脂、蜜胺樹脂、苯並胍胺系樹脂、脲醛樹脂、苯胺樹脂、離聚物樹脂、聚碳酸酯、纖維素、和它們的混合物中的任何物質I的光聲匹配材料，其中該光散射組分是炭黑。I的光聲匹配材料，其中該光聲匹配材料包括光吸收組分。12的光聲匹配材料，其中該光吸收組分是炭黑。I的光聲匹配材料，其中該光聲匹配材料還包括保溼劑、防腐劑和PH組成。
11.根據權利要求
12.根據權利要求
13.根據權利要求
14.根據權利要求調節劑中的任何物質。
全文摘要
光聲匹配材料包括水、增稠劑和光散射組分。
文檔編號A61B5/00GK102988024SQ20121032277
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月4日 優先權日2011年9月9日
發明者和田喜子 申請人:佳能株式會社