DE3500640C2 - Akustisches Abtastmikroskop - Google Patents

Abstract

Ein akustisches Mikroskop, bei dem ein Ultraschallstrahl durch einen Ultraschallwandler mit kurzer Brennweite über ein Ausbreitungsmedium auf eine Probe projiziert wird, die von der Probe reflektierten Schallwellen durch den Wandler erfaßt werden und ein mikroskopisches Bild der Probe durch mechanisches Abtasten der Probe in zwei Richtungen erzielt wird, weist ein Abdeckelement auf, welches zwischen die Probe und das Ausbreitungsmedium eingefügt ist und eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die akustische Impedanz der Probe und des Ausbreitungsmediums ist. Die Intensität des Reflexionssignals hängt von der Vielweg-Reflexion innerhalb des Abdeckelementes ab. Ein intensives Reflexionssignal wird selbst für eine Probe erhalten, deren akustische Impedanz sich geringfügig von der akustischen Impedanz des Ausbreitungsmediums unterscheidet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Mikroskop gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es z. B. aus der EP 00 84 174 bekannt ist.

Ein akustisches Abtastmikroskop ist vorgeschlagen und untersucht worden als ein Gerät zur Erzielung einer Abbildung bzw. eines Bildes, welches die mikroskopischen elastischen Eigenschaften eines zu beobachtenden Gegenstandes zeigt unter Verwendung einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 1 GHz und demzufolge einer Wellenlänge von ungefähr 1,5 μπι in Wasser.

Bei einem in der US-PS 40 28 933 offenbarten Ausführungsbeispiel wird eine akustische Linse mit einer kleinen F-Zahl bzw. Öffnungszahl verwendet zum Projizieren eines Ultraschallstrahles, welcher sehr scharf auf eine durch ein Ausbreitungsmedium wie Wasser zu beobachtende Probe fokussiert ist. Während die Probe mechanisch abgetastet wird, wird Störenergie von der Probe erfaßt. Die erfaßten Schallwellen werden auf einem Kathodenstrahlröhrenschirm angezeigt, Hierdurch werden mikroskopische Bilder erhalten.

Anordnungen zum Erfassen der Störenergie von der Probe, wie oben beschrieben, werden in zwei Bauarten klassifiziert, nämlich die Transmissionsbauart und die Reflexionsbauart. Bei der ersten Bauart werden Schallwellen, welche durch die Probe hindurchgetreten sind, erfaßt, um ein Bild zu erhalten. Hierbei werden eine akustische Senderlinse oder ein konkaver Senderwandler und eine akustische Empfängerlinse oder ein konkaver Empfängerwandler derart angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen, wobei die Probe zwischen ihnen angeordnet ist Da die Senderlinse und Empfängerlinse 5 oder die konkaven Wandler beide in konfokaler Weise angeordnet werden müssen, werden die Einstellungen für ihre Ausrichtung kompliziert und sehr schwierig. Bei der Reflexionsbauart werden von der Probe reflektierte Schallwellen erfaßt, so daß eine einzige akustische Linse oder ein konkaver Wandler sowohl zum Senden wie auch zum Empfangen der Wellen benutzt werden kann. Dies bringt eine Vereinfachung des Aufbaus des Gerätes mit sich. Darüber hinaus sind keine Ausrichtungseinstellungen erforderlich.

Ein biologisches Gewebe, welches den wesentlichen Gegenstand darstellt der durch das akustische Mikroskop abgebildet wird, ist bisher mit einem Gerät der Transmissionsbauart und nicht mit einem Gerät der Reflexionsbauart beobachtet worden. Speziell ist Wasser oder eine physiologische Salzlösung als Ausbreitungsmedium verwendet und zwischen den gegenüberliegenden Wandlern gehalten worden. Die Probe wird innerhalb dieses Mediums in dem Zustand gelagert, in welchem sie an einem Film festsitzt mit einer Dicke und aus einem Material, welche ermöglichen, bei der Ausbreitung der Schallwellen vom Medium zur Probe die Anwesenheit des Filmes zu vernachlässigen.

Der Grund, warum eine solche Anordnung der Transmissionsbauart zur Beobachtung von biologischem Gewebe verwendet worden ist, ist folgender. Das biologische Gewebe unterscheidet sich geringfügig in seiner akustischen Impedanz von Wasser als Ausbreitungsmedium und kann kein intensives Reflexionssignal erzeugen. Mit einer Anordnung der Reflexionsbauart ist daher keine Beobachtung mit einem großen Signal-Rausch-Verhältnis möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein akustisches Mikroskop zu schaffen, bei welchem selbst eine Probe, deren akustische Impedanz sich geringfügig von einem Ausbreitungsmedium unterscheidet, intensive reflektierte Schallwellen erzeugen kann, wodurch sich ein gutes Bild mit Hilfe einer Anordnung der Reflexionsbauart ergibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein akustisches Mikroskop gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das akustische Mikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere gekennzeichnet durch eine Wandlereinheit, welche einen Ultraschallstrahl überträgt, der in einem vorbestimmten Brennpunkt konvergiert, und weiche durch die Übertragung verursachte reflektierte Schallwellen erfaßt, eine Halteeinrichtung i.um Halten einer Probe an oder nahe dem Brennpunkt, eine Abtasteinrichtung zum Abtasten relativer Positionen der Probe, die durch die Halteeinrichtung und die Wandlereinheit gehalten wird, und durch ein flüssiges Ausbreitungsmedium, welches einen Spalt zwischen der Halteeinrichtung und der Wandlereinheit ausfüllt, wobei die Halteeinrichtung ein Abdeckelement aufweist, welches zwischen die Probe und das Ausbreitungsmedium eingefügt ist und eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die akustische Impedanz der Probe und des Ausbreitungsmediums ist.

Ein solcher Aufbau benutzt wirksam Vielweg-Reflcxion innerhalb des Abdeckelementes zur Bildanzeige.

Da die Intensität eines Reflexionssignals, welches durch das Abdeckelement erzeugt wird, von der akustischen Impedanz der Probe abhängt, welche hinter dem Abdeckelement angeordnet ist, können die Verteilungen

35 OO 640

der elastischen Eigenschaften der Probe wie die akustische Impedanz klar beobachtet werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht, aus welcher das Prinzip der vorliegenden Erfindung hervorgeht,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Eigenschaften der Reflexionsgrade in Abhängigkeit von den akustischen Impedanzen der Proben,

F i g. 3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

F i g. 4 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines Wandlers zur Verwendung bei dieser Ausführungsform, und

F i g. 5 und 6A und 6B Schnittansichten verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung.

Im nachfolgenden wird die vorliegende Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

In F i g. 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung de-. Prinzips der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche eine Wandlereinheit 40 mit einer akustischen Linse, eine Probe 60, ein Ausbreitungsmedium 70 (im Falle eines biologischen Gewebes wird normalerweise Wasser oder eine physiologische Salzlösung benutzt), welches den Raum zwischen der Linse und der Probe ausfüllt, und ein Ultraschall-Abdeckelement 5 mit einer Dicke ti zeigt, welches das charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein Ultraschallstrahl 7, der von der Linse der Wandlereinheit 40 ausgestrahlt wird, wird durch die obere Oberfläche (Oberfläche /|) und die untere Oberfläche (Oberfläche I₂) des Abdeckelementes 5 reflektiert In dieser Hinsicht unterscheidet sich die Situation der Vielweg-Reflexion innerhalb des Abdeckelementes in Abhängigkeit von der Dicke des Abdeckelementes und der akustischen Impedanz (Zl) und der Ausbreitungsgeschwindigkeit (Vl) des Abdeckelementes. Durch Auswahl des Materials und der Dicke des Abdeckelementes kann man ein reflektiertes akustisches Signal erhalten, welches die Verteilungen der elastischen Eigenschaften der Probe ausdrückt und welches einen größeren Reflexionsgrad bzw. Reflexionskoeffizienten und demzufolge einen großen Wert aufweist Darüber hinaus ist eine Abbildung vnit einem großen Signal-Rausch-Verhältnis möglich.

Wenn r das Verhältnis des Schalldruckes der reflektierten Ultraschallwellen, welche zu der Seite des Ausbreitungsmediums 70 austreten, wie durch eine Vielzahl von Pfeilen 51 in F i g. 1 angedeutet ist, relativ zum Schalldruck der einfallenden akustischen Welle, d. h. den Reflexionsgrad des in Fi g. 1 dargestellten Systems darstellt, ergibt sich die Größe r durch die nachfolgende Gleichung:

Hierbei ist

r,₂
rn θ

= (Z_s-Z_L)l(Zs+Z₁)
= 4,τ<///ν/.

deckelementes 5, des Ausbreitungsmediums 70 und der Probe 60 und d die Dicke des Abdeckelementes 5 darstellt

Aus Gleichung (1) ergibt sich der absolute Wert des Schalldruck-Reflexionsgrades durch

₌ Γ r\i + 2 r_n /ν; cos Θ + r₁

Γ
|_ 1

+ 2 Tu r_1} cos θ +

r₁₃ Ii
i Γ23 J

wobei f die verwendete Ultraschallfrequenz darstellt, Zi., Zw und Zs jeweils die akustische Impedanz des Ab-Es ist im einzelnen untersucht worden, wie sich der Schalldruck-Reflexionsgrad \r\ eines solchen Systems ändert in Abhängigkeit von der Dicke d (in der obigen Gleichung θ) des Abdeckelementes 5 und der akustischen Impedanz Zl und der Ausbreitungsgeschwindigkeit Vl dieses Abdeckelementes. Hierbei ist festgestellt worden, daß im Falle des Einfügens einer Abdeckplatte zwischen das Ausbreitungsmedium und die Probe, welehe eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die akustische Impedanz des Ausbrei&ingsmediums und der Probe ist, und deren Dicke eine Vier.elwellenlänge beträgt, ein ausreichender Reflexionsgrad und demzufolge ein ausreichendes reflektiertes Ultraschallsignal erhalten wird, selbst wenn die Größe der akustischen Impedanz der Probe sich in einem Bereich von 0,6-2,Ox 10⁶MKS(kg - m-² · s->) verändert

In F i g. 2 ist auf der Abszissenachse die akustische Impedanz Zs einer Probe aufgetragen, während auf der Ordinatenachse der Reflexionsgrad dargestellt ist Die Veränderungen des Reflexionsgrades werden durch einen Parameter illustriert, der gleich der akustischen Impedanz Zl des Viertelwellenlängenplättchens ist Die akustische Impedanz Zw des Ausbreitungsmediums ist gleich 1,5 χ 10⁶ MKS, d. h. es wird als Ausbreitungsmedium 70 Wasser verwendet.

Die Kurve (a) in Fig.2 illustriert einen Fall von Zl gleich LSxIO⁶MKS, wobei die akustische Impedanz des Abdeckelementes gleich der akustischen Impedanz des Ausbreitungsmediums 70 ist oder kein Abdeckelement verwendet wird. Wenn die akustische Impedanz Zs der Probe in die Nähe von 1,5 χ 10⁶MKS kommt, reduziert sich der Reflexionsgrad erheblich, wie man erkennen kann. Die akustische Impedanz Zs eines biologischen Gewebes iit in der Nähe von 1,5 χ 10⁶MKS, d. h. der akustischen impedanz von Wassser verteilt, da der Inhalt des biologischen Gewebes im wesentlichen aus Wasser oder einer physiologischen Salzlösung besteht. Demzufolge werden reflektierte Ultraschallwellen im Bereich des größeren Teils der Probe nicht nachgewiesen.

Diese Umstände sind der wesentliche Grund, warursi die Durchlässigkeitsmethede bisher zur Beobachtung des biologischen Gewebes verwendet worden ist und nicht die Reflexionsmethode. Diese Schwierigkeit wird durch die vorliegende Erfindung eliminien.

Die Kurven (b). (c) und (d) in F i g. 2 stellen die Eigenschaften des Reflexionsgrades für die Fälle dar, in welchen die akustisch." Impedanz Zl des Abdeckelementes jeweils gleich l,83xlO⁶MKS. 4,OxIO⁶MKS und 13,1 χ 10⁶ MKS ist. Wie sich aus diesen Kurven ergibt, erhöht sich der Schalldruck der ref!ektien';n Schallwellen mit ansteigendem Zl- Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß der singuläre Punkt, der in der Kurve (a) bei Zs= 1,5 χ 10⁶ MKS i.vi Falle von Z_L= 1,5 χ 10⁶ MKS beobachtet wird, in den Kurven (b), (c) und (d) nicht beobachtet wird. Der singuläre Punkt tritt bei Zi-Zs auf. Wenn die akustische Impedanz Zs der Probe sich ober-

35 OO 640

halb und unterhalb der akustischen Impedanz Zl des Abdeckelementes verteilt, tritt die Situation auf, in welcher die Reflexionsiniensität und die akustische Impedanz der Probe nicht einer 1—zu—1 Beziehung entsprechen wie in Kurve (a), was für die Interpretation eines Bildes sehr nachteilig ist. Es wird angemerkt, daß, um eine solche Situation zu vermeiden, die akustische Impedanz des Abdeckelementes mindestens größer als die akustische Impedanz der Probe sein muß. Darüber hinaus ist die akustische Impedanz im Falle des biologischen Gewebes innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0,6—2,Ox 10⁶ MKS verteilt. Wenn eine solche Probe unter Verwendung von Wasser als Ausbreitungsmedium und eines Abdeckelementes mit Z/.= 1,83 χ 10⁶ MKS beobachtet wird, verteilt sich der Schalldruck der reflektierten Schallwellen innerhalb eines Bereiches von mindestens —25 dB im Vergleich zum Falle einer Totalreflexion (vgl. Kurve (b)). Da der Schalldruck von —25 dB als untere Grenze angesehen werden kann, welche den Nachweis der reflektierten Wellen mit dem akustischen Mikroskop ermöglicht, ist es günstig für solche biologischen Gewebe, wenn Z/.= 1,83 χ 10⁶ MKS oder größer ist. Wenn Z_t = 4 χ 10⁶ MKS ist, wie im Falle der Kurve (c), wird der Schalldruck der reflektierten Wellen stärker erhöht. Hierbei wird ein Empfangssignal von hohem Signal-Rausch-Verhältnis erhalten.

Wenn Z_L = 13,1 χ 10⁶ MKS ist, wie im Falle der Kurve (d), ist eine Abbildung ohne einen singulären Punkt in einem Bereich von größeren akustischen Impedanzen Zsder Probe möglich, z. B. von 0,6 bis 10 χ 10⁶ MKS. Bei biologischen Geweben werden häufig Einfärbung und Identifizierung mit Schwermetallionen durchgeführt. Der Bereich der akustischen Impedanzen solcher Proben kann 1Ox 10⁶ MKS erreichen. Das Abdeckelement mit einer akustischen Impedanz von Z/.= 13,1 χ 10⁶ MKS liefert günstige Ergebnisse für die Beobachtung solcher Proben.

In F i g. 3 ist eine Anordnung einer Ausführungsform des Mikroskops gezeigt. Eine Wandlereinheit 40 besteht aus einer akustischen Linse 42, welche mit einem konkaven halbkugelförmigen Loch an einer Seitenfläche versehen ist, und einem piezoelektrischen Element 44, welches auf der anderen Seitenfläche der akustischen Linse montiert ist. Eine Signalquelle 10 und ein Empfänger 12 sind mit dem piezoelektrischen Element 44 verbunden. Wenn ein Erregungssignal in Form von Impulsen von der Signalquelle 10 geliefert wird, wird ein Ultraschallstrahl, der zu einem vorbestimmten Brennpunkt konvergiert, durch ein Ausbreitungsmedium 70 übertragen. In der Nähe des Brennpunktes weist ein Probenhalter 80 zum Halten einer Probe 60 ein darauf installiertes Abdeckelement 5 auf. Die Probe ist an der Rückseite des Abdeckelementes 5 befestigt bzw. festgelegt. Der Ultraschallstrahl tritt demzufolge in die Probe über das Medium 70 und das Abdeckelement 5 ein. So erzeugte reflektierte Wellen werden durch die Wandlereinheit 40 über das Medium 70 erfaßt. Dieses nachgewiesene bzw. erfaßte Signal wird durch den Empfänger 12 empfangen und zu einer Bildanzeigeeinrichtung 18 als Abbildungsinformation geliefert. In der Zwischenzeit wird der Probenhalter 80 durch eine Antriebs- bzw. Steuereinrichtung 16 mechanisch abgetastet bzw. abgelenkt und angetrieben bzw. gesteuert Bildanzeigeeinrichtung 18 führt eine Signalverarbeitung entsprechend der Abtastung durch und zeigt das Bild der Probe an. Die Antriebseinrichtung kann die relativen Positionen des Brennpunktes der Wandlereinheit und der Probe steuern und abtasten und kann natürlich die Wandlereinheit 40 antreiben. Darüber hinaus kann die Wandlercinheit 40 ein Ultraschallwandler mit einem vorbestimmten Brennpunkt sein. Es kann daher der sogenannte konkave Wandler z. B. einer sein, bei dem ein piezoelcktrisches Element 45 auf der halbkugelförmigen konkaven Oberfläche eines Substrats 46, wie in F i g. 4 gezeigt ist, montiert ist.

Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele des Abdeckelementes 5 beschrieben. Wenn man ein Abdeckelement mit einer akustischen Impedanz in der Nähe von Zt=4 χ 10⁶ MKS, wie in Fig. 2 erwähnt, verwenden will, eignet sich hierfür eine Polymerfolie. Es wurden die akustischen Eigenschaften eines Polyimidharzes untersucht, welches als »Vespel« (Warenzeichen der Firma Du Pont de Nemours, E. I.) bekannt ist. Man hat festgestellt, daß die akustische Impedanz Zz. = 3,5 χ 10⁶ MKS und die Ausbreitungsgeschwindigkeit gleich 2400 m/s ist. Wenn dieses Harz zu einer Folie mit einer Stärk? von .5 um ausgewalzt wurde, wurden gute Ergebnisse erzielt. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde, wie in F i g. 5 gezeigt, die Folie 52 an einem Metallring 51 mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm befestigt. An der Rückseite der Folie wurde eine Probe 60 angeheftet bzw. befestigt. Der resultierende Aufbau wurde auf den Probenhalter 80 eines akustischen Mikroskops der Reflexionsbauart gesetzt, und die Probe wurde beobachtet. Die Rückseite der Probe (ft ist von Luft umgeben.

Als ähnliches Beispiel wurden die akustischen Eigenschäften von »Stycast 3050« (Warenzeichen von Emerson & Cuming Co.) unter Epoxyharzen gemessen. Es wurden Werte von Z_L *·3.7 χ 10^b MKS und v/. = 2400m/s gefunden. Es wurde eine Folie mit einer Stärke von 5 μπι hergestellt. Die Dicke von 5 μιτι cntspricht einer Viertelwellenlänge einer Ultraschallwelle von 120MHz. Es wurde außerdem festgestellt, daß, selbst wenn die Dicke des Abdeckelementes nicht genau der Viertelwellenlänge entspricht, das Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht wird.

Als Beispiel für Z_L= 13,1 χ 10⁶ MKS in F i g. 2 ist SiO₂ mit günstigen Ergebnissen benutzt worden. Wie in Fig.6A gezeigt, wurde insbesondere ein SiOj-FiIm 54 auf einer Oberfläche eines Bleches 53 aus Stahl und einer Dicke von 10 μηι mit einer Stärke von 2 μπι durch Zerstäuben abgelagert. Danach wurde der Stahl geätzt und in einen Hohlzustand entfernt, wie durch 53' in Fig.6B gezeigt, unter Verwendung einer Säure usw. Dann wurde ein Aufbau hergestellt, der demjenigen von F i g. 5 ähnlich ist. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit vl von S1O2 gleich 6000 m/s ist, ergab der Film von 2 μπι günstige Ergebnisse als Viertelwellenlängen-Aodeckelement bei einer Frequenz von 750 MHz.

Selbst für ein biologisches Gewebe, dessen akustische Eigenschaften denjenigen von Wasser sehr ähnlich sind und das mit Mikroskopen der Reflexionsbauart schwer abzubilden ist, werden, wie im vorhergehenden erläutert worden ist, gemäß der Erfindung die Wirkungen erzielt, daß erstens äquivalent ein sehr großes Reflexionssignal und ein reflektiertes Bild mit großen Signal-Rausch-Verhältnis erzielt werden kann, und daß zweitens der singuläre Punkt eines Reflexionssignals, welcher durch das Ausbreitungsmedium bestimmt wird, vermieden wird und daß die Verteilung einer Reflexionsintensität und die Verteilung einer akustischen Impedanz innerhalb der Oberfläche einer Probe einer 1—zu—1 Beziehung entspricht, so daß eine deutliche Bildanzeige möglich ist. Da das Abdeckelement als Schutzfilm für die Probe dient, ergibt sich außerdem.

35 OO 640

daß die vorliegende Erfindung für Proben wie ι. B. qiiüllbare Proben günstig ist. welche für einen direkten Kontakt mit Wasser oder einer Salzlösung als Ausbreilungsmedium ungeeignet sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

25

30

40

45

50

55

60

65

Claims (6)

35 OO 640 Patentansprüche:

1. Akustisches Mikroskop mit einer Wandlereinheit, welche einen Ultraschallstrahl zu einem vorbestimmten Brennpunkt überträgt und durch die Obertragung verursachte reflektierte Schallwellen erfaßt, einer Halteeinrichtung zum Halten einer Probe an und nahe dem Brennpunkt und einem flüssigen Ausbreitungsmedium, welches zwischen der Probe und der Wandlereinheit gehalten wird, wobei die von der Probe reflektierten Schallwellen erfaßt und als Bilddaten verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abdeckelement (5), welches eine akustische Impedanz aufweist, die größer als die akustische Impedanz des Ausbreitungsmediums (70) und der Probe (60) ist, zwischen das Ausbreitungsmedium und die Probe eingefügt ist

2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, tfaß die Dicke des Abdeckelementes (5) im wesentlichen einer Vierteiweilenlänge einer verwendeten Ultraschallwelle entspricht

3. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement eine Polymerfolie (52) ist, welche an einem ringförmigen Element (55) angeheftet ist

4. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement ein anorganischer Film (54) ist.

5. Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, diZ das Abdeckelement ein SiOrFiIm (54) ist

6. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ^fis Ausbreitungsmedium (70) Wasser ist und die akustische Impedanz des Abdeckelernentes mindestens gleich l,83xl0*MKSist