JP2001330509A - 動的変化検出方法、動的変化検出装置及び超音波診断装置 - Google Patents
動的変化検出方法、動的変化検出装置及び超音波診断装置Info
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- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
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- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 環境変化や各レーザー素子間の固体差による
影響をキャンセルでき、安定した検出を行うことのでき
る動的変化検出方法を提供する。 【解決手段】 超音波５をレーザー７の全反射ミラー２
１に伝幡させて変位させることにより、周波数変調を起
こさせながら、レーザー光Ｌ１を射出して光Ｌ２、Ｌ３
に分割し、光Ｌ２、Ｌ３を互いに光路長の異なる光路を
通過させるとともに、光Ｌ２、Ｌ３の間に周波数シフト
を生じさせ、その後に光Ｌ２、Ｌ３を合波して干渉さ
せ、干渉光を検出して強度信号を得、その強度信号を復
調させてレーザー光Ｌ１の周波数変調信号を検出し、そ
の周波数変調信号から、レーザー７に伝搬する超音波５
を検出する。
影響をキャンセルでき、安定した検出を行うことのでき
る動的変化検出方法を提供する。 【解決手段】 超音波５をレーザー７の全反射ミラー２
１に伝幡させて変位させることにより、周波数変調を起
こさせながら、レーザー光Ｌ１を射出して光Ｌ２、Ｌ３
に分割し、光Ｌ２、Ｌ３を互いに光路長の異なる光路を
通過させるとともに、光Ｌ２、Ｌ３の間に周波数シフト
を生じさせ、その後に光Ｌ２、Ｌ３を合波して干渉さ
せ、干渉光を検出して強度信号を得、その強度信号を復
調させてレーザー光Ｌ１の周波数変調信号を検出し、そ
の周波数変調信号から、レーザー７に伝搬する超音波５
を検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体中を伝搬す
る超音波等の動的変化を検出する方法及び装置に関す
る。また、そのような動的変化検出装置を備える超音波
診断装置に関する。なお、本明細書でいう動的変化に
は、音波、加速度、歪、温度、変位等を含む。
る超音波等の動的変化を検出する方法及び装置に関す
る。また、そのような動的変化検出装置を備える超音波
診断装置に関する。なお、本明細書でいう動的変化に
は、音波、加速度、歪、温度、変位等を含む。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】いわゆ
る超音波エコー観察等を行う超音波診断装置は、超音波
センサー部（探触子）に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）に代表される圧電材料を用いるのが一般的である。
図１２は、現在用いられている一般的な探触子の構造を
模式的に示す図である。（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）
は配列振動子を拡大して示す斜視図である。この図の探
触子３０１は、全体として薄い箱型をしており、細長い
長方形状の探触面３０２を有する。この探触面３０２を
人体に当てて超音波を放射し人体の奥部から返ってくる
超音波エコーを受信する。探触子３０１の図の上側に
は、超音波送受信信号を伝えるケーブル３０７が接続さ
れている。
る超音波エコー観察等を行う超音波診断装置は、超音波
センサー部（探触子）に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）に代表される圧電材料を用いるのが一般的である。
図１２は、現在用いられている一般的な探触子の構造を
模式的に示す図である。（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）
は配列振動子を拡大して示す斜視図である。この図の探
触子３０１は、全体として薄い箱型をしており、細長い
長方形状の探触面３０２を有する。この探触面３０２を
人体に当てて超音波を放射し人体の奥部から返ってくる
超音波エコーを受信する。探触子３０１の図の上側に
は、超音波送受信信号を伝えるケーブル３０７が接続さ
れている。
【０００３】探触面３０２内には、超音波の発振子と受
振子を兼ねる、櫛状の配列振動子３０３が収められてい
る。配列振動子３０３は、薄い（例えば厚さ０．２〜
０．３mm）ＰＺＴの帯状板に、多数のスリット３０６
（例えば幅０．１mm）を入れて櫛の歯状の個別振動子３
０５（例えば幅０．２mm、長さ２０mm）を多数（例えば
２５６個）配列したものである。図示はされていない
が、各個別振動子３０５には電極が形成されており、信
号線が接続されている。また、同様に図示はされていな
いが、配列振動子３０３の表面（図の下面）側には、樹
脂系材料（ゴム含む）からなる音響レンズ層や整合層が
貼られており、裏面側にはバッキング材が貼られてい
る。音響レンズ層は発信する超音波の集束性を良くす
る。整合層は超音波の発信効率を高める。バッキング材
は、振動子を保持する機能を有するとともに、振動子の
振動を早く終了させる。なお、このような超音波探触子
及び超音波診断装置については、東洋出版「超音波観察
法・診断法」や、医歯薬出版「基礎超音波医学」に詳し
く説明されている。
振子を兼ねる、櫛状の配列振動子３０３が収められてい
る。配列振動子３０３は、薄い（例えば厚さ０．２〜
０．３mm）ＰＺＴの帯状板に、多数のスリット３０６
（例えば幅０．１mm）を入れて櫛の歯状の個別振動子３
０５（例えば幅０．２mm、長さ２０mm）を多数（例えば
２５６個）配列したものである。図示はされていない
が、各個別振動子３０５には電極が形成されており、信
号線が接続されている。また、同様に図示はされていな
いが、配列振動子３０３の表面（図の下面）側には、樹
脂系材料（ゴム含む）からなる音響レンズ層や整合層が
貼られており、裏面側にはバッキング材が貼られてい
る。音響レンズ層は発信する超音波の集束性を良くす
る。整合層は超音波の発信効率を高める。バッキング材
は、振動子を保持する機能を有するとともに、振動子の
振動を早く終了させる。なお、このような超音波探触子
及び超音波診断装置については、東洋出版「超音波観察
法・診断法」や、医歯薬出版「基礎超音波医学」に詳し
く説明されている。
【０００４】ところで、超音波診断分野では、より詳細
な被検者の体内情報を取得するために、３次元データの
収集が望まれている。それを実現するために、超音波検
出部（センサー）を２次元アレー化することが求められ
ている。しかし、上述のＰＺＴにおいては、現状以上の
微細化と素子集積は、次のような理由により困難であ
る。すなわち、ＰＺＴ材料（セラミックス）の加工技術
が限界に近くなっており、これ以上の微細化は加工歩留
まりの極端な低下につながる。また、配線数が増大し、
配線の電気的インピーダンスが増大する。さらに、各素
子（個別振動子）間のクロストークが増大する。そのた
め、ＰＺＴを用いた２次元アレー探触子の実現は、現状
では困難と考えられている。
な被検者の体内情報を取得するために、３次元データの
収集が望まれている。それを実現するために、超音波検
出部（センサー）を２次元アレー化することが求められ
ている。しかし、上述のＰＺＴにおいては、現状以上の
微細化と素子集積は、次のような理由により困難であ
る。すなわち、ＰＺＴ材料（セラミックス）の加工技術
が限界に近くなっており、これ以上の微細化は加工歩留
まりの極端な低下につながる。また、配線数が増大し、
配線の電気的インピーダンスが増大する。さらに、各素
子（個別振動子）間のクロストークが増大する。そのた
め、ＰＺＴを用いた２次元アレー探触子の実現は、現状
では困難と考えられている。
【０００５】特表平１０−５０１８９３には、電気的に
励起（ポンピング）された垂直空洞表面放出レーザー
（ＶＣＳＥＬ）のアレーを含む超音波検出装置が開示さ
れている。各レーザーのキャビティ長は、被検体から伝
搬する音響場によって変調される。その結果、得られる
レーザー出力は、音響場によって周波数変調される。こ
の変調は、検出器ヘッドで振幅変調に変換され、その
後、ＣＣＤアレーで検出されて情報が電気的に信号処理
アセンブリーに伝えられ処理される。この超音波検出装
置によって、高度の周波数帯域幅検出、高空間分解能、
及び電気配線の簡略化を達成できるとされている。
励起（ポンピング）された垂直空洞表面放出レーザー
（ＶＣＳＥＬ）のアレーを含む超音波検出装置が開示さ
れている。各レーザーのキャビティ長は、被検体から伝
搬する音響場によって変調される。その結果、得られる
レーザー出力は、音響場によって周波数変調される。こ
の変調は、検出器ヘッドで振幅変調に変換され、その
後、ＣＣＤアレーで検出されて情報が電気的に信号処理
アセンブリーに伝えられ処理される。この超音波検出装
置によって、高度の周波数帯域幅検出、高空間分解能、
及び電気配線の簡略化を達成できるとされている。
【０００６】IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERR
OELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL.45, NO.3, M
AY 1998 には、James D. Hamilton らによる、「High F
requency Ultrasound Imaging Using an Active Optica
l Detector」と題する文が掲載されている。この文中に
は、ネオジウム・ドープ・ガラスからなる導波路を有す
るレーザー及び光変調器を備える超音波検出器が開示さ
れている。
OELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL.45, NO.3, M
AY 1998 には、James D. Hamilton らによる、「High F
requency Ultrasound Imaging Using an Active Optica
l Detector」と題する文が掲載されている。この文中に
は、ネオジウム・ドープ・ガラスからなる導波路を有す
るレーザー及び光変調器を備える超音波検出器が開示さ
れている。
【０００７】つまり、上記両文献には超音波によりレー
ザー発振周波数を変調させ、その光をファブリーペロー
干渉計により光強度変調として超音波を検出する方法が
開示されている。また、そのような検出原理のセンサー
をアレー化することが開示されている。しかしながら、
超音波によるレーザー共振器長の変位を利用する方法
は、もともと変位に対する感度が高いため、温度変動な
ど環境変化に対する補償ができないと実用化できない。
またアレー化にする場合には、各レーザー素子の発振周
波数にバラツキが生じるのは避けがたく、各レーザー素
子の発振周波数にバラツキがあっても影響を受けない計
測法でなければ、アレーとしての実用化は困難である。
ザー発振周波数を変調させ、その光をファブリーペロー
干渉計により光強度変調として超音波を検出する方法が
開示されている。また、そのような検出原理のセンサー
をアレー化することが開示されている。しかしながら、
超音波によるレーザー共振器長の変位を利用する方法
は、もともと変位に対する感度が高いため、温度変動な
ど環境変化に対する補償ができないと実用化できない。
またアレー化にする場合には、各レーザー素子の発振周
波数にバラツキが生じるのは避けがたく、各レーザー素
子の発振周波数にバラツキがあっても影響を受けない計
測法でなければ、アレーとしての実用化は困難である。
【０００８】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、環境変化や各レーザー素子間の固体差によ
る影響をキャンセルでき、安定した検出を行うことので
きる動的変化検出方法及び動的変化検出装置を提供する
ことを目的とする。また、そのような動的変化検出装置
を備え、３次元データの収集にも適した超音波診断装置
を提供することを目的とする。
れたもので、環境変化や各レーザー素子間の固体差によ
る影響をキャンセルでき、安定した検出を行うことので
きる動的変化検出方法及び動的変化検出装置を提供する
ことを目的とする。また、そのような動的変化検出装置
を備え、３次元データの収集にも適した超音波診断装置
を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決する手段及び発明の実施の形態】本発明の
動的変化検出方法は、 被検体の動的変化をレーザーの
共振器ミラーに伝幡させて該ミラーに動的摂動を生じさ
せることにより、周波数変調を起こさせながら、レーザ
ー光を射出し、 該レーザー光を分割し、 分割された
光（分割光）の各々を互いに光路長の異なる光路を通過
させるとともに、前記分割光間に周波数シフトを生じさ
せ、 その後に各分割光を合波して干渉させ、 干渉光
を検出して強度信号を得、 該強度信号を復調させて前
記レーザー光の周波数変調信号を検出し、 該周波数変
調信号から、前記レーザー共振器に伝搬する前記動的変
化を検出することを特徴とする。
動的変化検出方法は、 被検体の動的変化をレーザーの
共振器ミラーに伝幡させて該ミラーに動的摂動を生じさ
せることにより、周波数変調を起こさせながら、レーザ
ー光を射出し、 該レーザー光を分割し、 分割された
光（分割光）の各々を互いに光路長の異なる光路を通過
させるとともに、前記分割光間に周波数シフトを生じさ
せ、 その後に各分割光を合波して干渉させ、 干渉光
を検出して強度信号を得、 該強度信号を復調させて前
記レーザー光の周波数変調信号を検出し、 該周波数変
調信号から、前記レーザー共振器に伝搬する前記動的変
化を検出することを特徴とする。
【００１０】本発明の動的変化検出装置は、 被検体か
らの動的変化が伝搬されるレーザー共振器を有し、その
動的摂動により該レーザーの発する光に周波数変調を起
こすレーザーと、 該レーザーの射出したレーザー光を
分割する手段と、 分割された各分割光の通過する互い
に光路長の異なる二つの光路と、 両光路中で前記分割
光間に周波数シフトを生じさせる手段と、 その後に各
分割光を合波して干渉させる手段と、 干渉光を検出し
て強度信号を得る光検出器と、 該強度信号を復調させ
て前記レーザー光の周波数変調信号を検出する手段と、
を備え、 該周波数変調信号から前記動的変化を検出
することを特徴とする。
らの動的変化が伝搬されるレーザー共振器を有し、その
動的摂動により該レーザーの発する光に周波数変調を起
こすレーザーと、 該レーザーの射出したレーザー光を
分割する手段と、 分割された各分割光の通過する互い
に光路長の異なる二つの光路と、 両光路中で前記分割
光間に周波数シフトを生じさせる手段と、 その後に各
分割光を合波して干渉させる手段と、 干渉光を検出し
て強度信号を得る光検出器と、 該強度信号を復調させ
て前記レーザー光の周波数変調信号を検出する手段と、
を備え、 該周波数変調信号から前記動的変化を検出
することを特徴とする。
【００１１】検出環境の変化、例えば、レーザー共振器
の温度変動があった場合にも、分割したレーザー光の各
々に互いに光路長の異なる光路を通過させるとともに、
周波数シフトを生じさせ、その後に合波して干渉させる
（いわゆるヘテロダイン干渉）ので、干渉光の強度は温
度変動の影響を受けないので、安定して被検体の動的変
化を検出できる。レーザー共振器をアレー化した場合に
おいては、各共振器の発振周波数にバラツキがあって
も、同じ理由により、安定して被検体の動的変化を検出
できる。
の温度変動があった場合にも、分割したレーザー光の各
々に互いに光路長の異なる光路を通過させるとともに、
周波数シフトを生じさせ、その後に合波して干渉させる
（いわゆるヘテロダイン干渉）ので、干渉光の強度は温
度変動の影響を受けないので、安定して被検体の動的変
化を検出できる。レーザー共振器をアレー化した場合に
おいては、各共振器の発振周波数にバラツキがあって
も、同じ理由により、安定して被検体の動的変化を検出
できる。
【００１２】本発明においては、前記レーザー共振器
を、複数個、列状あるいは行列状にアレー化配置して被
検体の動的変化を検出することができる。この場合、レ
ーザーからの信号は光であるので、信号伝達のインピー
ダンスは増大しない。
を、複数個、列状あるいは行列状にアレー化配置して被
検体の動的変化を検出することができる。この場合、レ
ーザーからの信号は光であるので、信号伝達のインピー
ダンスは増大しない。
【００１３】本発明においては、前記レーザーを外部共
振器型とすることが好ましい。ここで、外部共振器型レ
ーザーとは、レーザー媒質の外部に光共振器が構成され
ているものである。このような外部共振器型レーザーが
好ましいのは、超音波による摂動が全反射ミラーにのみ
生じるからである。あるいは、垂直型共振器ＬＤ（面発
光レーザー）も好ましい。ここでは垂直型共振器ＬＤ
（面発光レーザー）とは、レーザー媒質の構成方向と垂
直な方向に光が射出するレーザーのことである。このよ
うな、垂直型共振器ＬＤ（面発光レーザー）が好ましい
のは、レーザー媒質を含む共振器が短く構成できるた
め、超音波摂動を光共振器全体として受けられるからで
ある。なお、超音波の粗密波の波長λの１／２以下の長
さに光共振器が入ってしまえば、光共振器全体として伸
び縮みを受けられる。
振器型とすることが好ましい。ここで、外部共振器型レ
ーザーとは、レーザー媒質の外部に光共振器が構成され
ているものである。このような外部共振器型レーザーが
好ましいのは、超音波による摂動が全反射ミラーにのみ
生じるからである。あるいは、垂直型共振器ＬＤ（面発
光レーザー）も好ましい。ここでは垂直型共振器ＬＤ
（面発光レーザー）とは、レーザー媒質の構成方向と垂
直な方向に光が射出するレーザーのことである。このよ
うな、垂直型共振器ＬＤ（面発光レーザー）が好ましい
のは、レーザー媒質を含む共振器が短く構成できるた
め、超音波摂動を光共振器全体として受けられるからで
ある。なお、超音波の粗密波の波長λの１／２以下の長
さに光共振器が入ってしまえば、光共振器全体として伸
び縮みを受けられる。
【００１４】本発明において検出対象となる動的変化
は、代表的には音である。その他に、加速度、歪、温
度、変位等を検出できる。
は、代表的には音である。その他に、加速度、歪、温
度、変位等を検出できる。
【００１５】本発明の超音波診断装置は、被検体に超音
波を送信する送信部と、該被検体からの超音波反射エコ
ーを受信し電気信号に変換する受信部と、該受信部の信
号を受け画像化処理して表示する画像処理表示部と、を
備える超音波診断装置であって上記受信器中に、上記の
動的変化検出装置を具備することを特徴とする。この超
音波診断装置は三次元データの収集にも適し、環境変化
による影響をキャンセルでき、高解像の体内画像の取得
を期待できる。
波を送信する送信部と、該被検体からの超音波反射エコ
ーを受信し電気信号に変換する受信部と、該受信部の信
号を受け画像化処理して表示する画像処理表示部と、を
備える超音波診断装置であって上記受信器中に、上記の
動的変化検出装置を具備することを特徴とする。この超
音波診断装置は三次元データの収集にも適し、環境変化
による影響をキャンセルでき、高解像の体内画像の取得
を期待できる。
【００１６】以下、図を参照しつつ説明する。図１は、
本発明の第１の実施形態に係る動的変化検出装置（超音
波検出装置）の構成を示す接続図である。この動的変化
検出装置１は、レーザー７を有し、その共振器の全反射
ミラー２１において、被検体３中を伝搬する超音波５を
受ける。レーザー７から発せられたレーザー光Ｌ１は、
ヘテロダイン干渉系９に送られ、ヘテロダイン干渉系９
を通った光は光検出器１１で検出される。光検出器１１
の電気信号は電気信号処理部１３で各種の処理を受け
る。
本発明の第１の実施形態に係る動的変化検出装置（超音
波検出装置）の構成を示す接続図である。この動的変化
検出装置１は、レーザー７を有し、その共振器の全反射
ミラー２１において、被検体３中を伝搬する超音波５を
受ける。レーザー７から発せられたレーザー光Ｌ１は、
ヘテロダイン干渉系９に送られ、ヘテロダイン干渉系９
を通った光は光検出器１１で検出される。光検出器１１
の電気信号は電気信号処理部１３で各種の処理を受け
る。
【００１７】レーザー７は、図の左から右へ配置されて
いる全反射ミラー２１、レーザー媒質２３、部分通過ミ
ラー２５を有する。このレーザー７は、図示せぬ電気、
ランプ、レーザー光等により励起される。全反射ミラー
２１には、図の左方向から被検体３（例えば人体）中を
伝搬する超音波５が印加される。なお、全反射ミラー２
１の表面には、図示せぬ音響整合層やシール層が設けら
れている。このレーザー７においては、超音波５の伝搬
により全反射ミラー２１の動的摂動が生じ、該動的摂動
によって全反射ミラー２１と部分通過ミラー２５により
形成される光共振器に摂動が生じ、レーザー７の発する
レーザー光Ｌ１は周波数変調される。レーザー７中にお
ける、音響−光変調作用の詳細については、図２を参照
しつつ後述する。
いる全反射ミラー２１、レーザー媒質２３、部分通過ミ
ラー２５を有する。このレーザー７は、図示せぬ電気、
ランプ、レーザー光等により励起される。全反射ミラー
２１には、図の左方向から被検体３（例えば人体）中を
伝搬する超音波５が印加される。なお、全反射ミラー２
１の表面には、図示せぬ音響整合層やシール層が設けら
れている。このレーザー７においては、超音波５の伝搬
により全反射ミラー２１の動的摂動が生じ、該動的摂動
によって全反射ミラー２１と部分通過ミラー２５により
形成される光共振器に摂動が生じ、レーザー７の発する
レーザー光Ｌ１は周波数変調される。レーザー７中にお
ける、音響−光変調作用の詳細については、図２を参照
しつつ後述する。
【００１８】レーザー７の発するレーザー光Ｌ１は、ヘ
テロダイン干渉系９に入射する。ヘテロダイン干渉系９
の最もレーザー７寄りには、ビームスプリッター３１が
配置されている。レーザー光Ｌ１は、一部反射し、一部
はこのビームスプリッター３１を通過する。ビームスプ
リッター３１の先には部分通過ミラー３３が配置されて
いる。部分通過ミラー３３は、レーザー光Ｌ１の一部Ｌ
２を反射する。反射した光Ｌ２の一部はビームスプリッ
ター３１で図の下方に反射される。
テロダイン干渉系９に入射する。ヘテロダイン干渉系９
の最もレーザー７寄りには、ビームスプリッター３１が
配置されている。レーザー光Ｌ１は、一部反射し、一部
はこのビームスプリッター３１を通過する。ビームスプ
リッター３１の先には部分通過ミラー３３が配置されて
いる。部分通過ミラー３３は、レーザー光Ｌ１の一部Ｌ
２を反射する。反射した光Ｌ２の一部はビームスプリッ
ター３１で図の下方に反射される。
【００１９】部分通過ミラー３３の出側には、音響光学
素子（ＡＯＭ）等からなる周波数シフター３５が配置さ
れている。この周波数シフター３５は、入射する光Ｌ１
の周波数をわずかにシフトさせる。部分通過ミラー３３
を通過したレーザー光Ｌ１は、周波数シフター３５で周
波数シフトされ光Ｌ３となる。周波数シフター３５の出
側には反射プリズム３７が配置されている。反射プリズ
ム３７は、周波数シフト光Ｌ３を図の左方向に反射す
る。この光Ｌ３は、部分通過ミラー３３を一部通過し、
ビームスプリッター３１で図の下方に反射される。
素子（ＡＯＭ）等からなる周波数シフター３５が配置さ
れている。この周波数シフター３５は、入射する光Ｌ１
の周波数をわずかにシフトさせる。部分通過ミラー３３
を通過したレーザー光Ｌ１は、周波数シフター３５で周
波数シフトされ光Ｌ３となる。周波数シフター３５の出
側には反射プリズム３７が配置されている。反射プリズ
ム３７は、周波数シフト光Ｌ３を図の左方向に反射す
る。この光Ｌ３は、部分通過ミラー３３を一部通過し、
ビームスプリッター３１で図の下方に反射される。
【００２０】ビームスプリッター３１から下方に反射さ
れた光Ｌ２と光Ｌ３は、レンズ３９により収束されて、
光検出器１１上で合波され干渉する。光検出器１１は干
渉光の強度（振幅）変化を電気信号に変換する。ヘテロ
ダイン干渉系９における光の干渉作用の詳細については
後述する。光検出器１１の電気信号は、電気信号処理部
１３に送られて処理される。
れた光Ｌ２と光Ｌ３は、レンズ３９により収束されて、
光検出器１１上で合波され干渉する。光検出器１１は干
渉光の強度（振幅）変化を電気信号に変換する。ヘテロ
ダイン干渉系９における光の干渉作用の詳細については
後述する。光検出器１１の電気信号は、電気信号処理部
１３に送られて処理される。
【００２１】電気信号処理部１３は、光検出器１１の電
気信号を増幅するアンプ４１、増幅された信号を復調す
る復調手段４３、復調された信号を積分する積分処理手
段４５、積分処理された信号を波形として表示する波形
表示部４７、波形を記憶する波形記憶部４９を備える。
電気信号処理部１３における電気信号処理の詳細につい
ても後述する。
気信号を増幅するアンプ４１、増幅された信号を復調す
る復調手段４３、復調された信号を積分する積分処理手
段４５、積分処理された信号を波形として表示する波形
表示部４７、波形を記憶する波形記憶部４９を備える。
電気信号処理部１３における電気信号処理の詳細につい
ても後述する。
【００２２】図２は、図１の動的変化検出装置のレーザ
ー（共振器）を拡大した模式的な図である。図には、レ
ーザー７の全反射ミラー２１、レーザー媒質２３、部分
通過ミラー２５が示されている。全反射ミラー２１には
超音波５が印加されており、全反射ミラー２１は、図の
左右方向に振動（変位ｄ（ｔ））する。このため、レー
ザー媒質２３の共振器長Ｌは変化する。超音波によりレ
ーザー共振器の反射ミラーがｄ（ｔ）だけ変位すると、
レーザーの発振周波数ν（ｔ）も変位し、その大きさは Δν（ｔ）＝−νC ・ｄ（ｔ）／Ｌ … （１） となる。ここでνC はレーザー光の固有の周波数、Ｌは
共振器長である。
ー（共振器）を拡大した模式的な図である。図には、レ
ーザー７の全反射ミラー２１、レーザー媒質２３、部分
通過ミラー２５が示されている。全反射ミラー２１には
超音波５が印加されており、全反射ミラー２１は、図の
左右方向に振動（変位ｄ（ｔ））する。このため、レー
ザー媒質２３の共振器長Ｌは変化する。超音波によりレ
ーザー共振器の反射ミラーがｄ（ｔ）だけ変位すると、
レーザーの発振周波数ν（ｔ）も変位し、その大きさは Δν（ｔ）＝−νC ・ｄ（ｔ）／Ｌ … （１） となる。ここでνC はレーザー光の固有の周波数、Ｌは
共振器長である。
【００２３】図１に示されたヘテロダイン干渉光学系９
に入るレーザー光Ｌ１のうち、ビームスプリッター３１
を透過し部分通過ミラー３３で反射された光Ｌ２はその
後ビームスプリッター３１で反射しレンズ３９を介して
光検出器１１に入る。したがって、超音波が照射されて
いる状態（共振器ミラーに動的変動が生じている状態）
でのレーザー光Ｌ２は cos （２πν（ｔ）ｔ＋φ１） … （２） と表される。ここでφ１は、初期位相と、レーザー光Ｌ
２がレーザ−７から光検出器１１に達するまでの光路長
とを含んだ値である。
に入るレーザー光Ｌ１のうち、ビームスプリッター３１
を透過し部分通過ミラー３３で反射された光Ｌ２はその
後ビームスプリッター３１で反射しレンズ３９を介して
光検出器１１に入る。したがって、超音波が照射されて
いる状態（共振器ミラーに動的変動が生じている状態）
でのレーザー光Ｌ２は cos （２πν（ｔ）ｔ＋φ１） … （２） と表される。ここでφ１は、初期位相と、レーザー光Ｌ
２がレーザ−７から光検出器１１に達するまでの光路長
とを含んだ値である。
【００２４】一方、部分通過ミラー３３及び周波数シフ
ター３５を通った光Ｌ３は、反射プリズム３７で反射さ
れた後、再び部分通過ミラー３３を透過し、ビームスプ
リッター３１で反射しレンズ３９を介して光検出器１１
に入る。両光Ｌ２とＬ３の光路長差Δ１とすると、光検
出器１１に入る光Ｌ２と光Ｌ３とにはΔｔ＝Δ１／ｃの
時間遅延が生じる。したがって、光Ｌ３は cos ｛２π（ω0 ／２π＋ν（ｔ−Δｔ））・ｔ＋φ２｝ … （３） と表され、 ν（ｔ−Δｔ）＝νC−Δν（ｔ） … （４） と書き換えることができる。ここでω0 は周波数シフタ
ー３５により生じた周波数シフト分であり、φ２は、初
期位相と、レーザー光Ｌ１の一部（レーザー光Ｌ３に変
換される部分）がレーザー７から周波数シフター３５を
通して光検出器１１に達するまでの光路長とを含んだ値
である。
ター３５を通った光Ｌ３は、反射プリズム３７で反射さ
れた後、再び部分通過ミラー３３を透過し、ビームスプ
リッター３１で反射しレンズ３９を介して光検出器１１
に入る。両光Ｌ２とＬ３の光路長差Δ１とすると、光検
出器１１に入る光Ｌ２と光Ｌ３とにはΔｔ＝Δ１／ｃの
時間遅延が生じる。したがって、光Ｌ３は cos ｛２π（ω0 ／２π＋ν（ｔ−Δｔ））・ｔ＋φ２｝ … （３） と表され、 ν（ｔ−Δｔ）＝νC−Δν（ｔ） … （４） と書き換えることができる。ここでω0 は周波数シフタ
ー３５により生じた周波数シフト分であり、φ２は、初
期位相と、レーザー光Ｌ１の一部（レーザー光Ｌ３に変
換される部分）がレーザー７から周波数シフター３５を
通して光検出器１１に達するまでの光路長とを含んだ値
である。
【００２５】光Ｌ２、光Ｌ３が光検出器１１上でレンズ
３９により重ね合わされるため、光検出器１１上では光
Ｌ２と光Ｌ３の干渉が起こる。この干渉成分は光Ｌ２と
光Ｌ３により生じるビート成分であり、 cos ｛２π（ω0 ／２π−Δν（ｔ））ｔ＋φ2−φ1｝ … （６） となる。
３９により重ね合わされるため、光検出器１１上では光
Ｌ２と光Ｌ３の干渉が起こる。この干渉成分は光Ｌ２と
光Ｌ３により生じるビート成分であり、 cos ｛２π（ω0 ／２π−Δν（ｔ））ｔ＋φ2−φ1｝ … （６） となる。
【００２６】今簡単のため超音波波形を三角波形とし
て、これによりレーザー共振器の反射鏡の変位ｄ（ｔ）
を図３で示すと、レーザー発振周波数ν（ｔ）の変位は
変位ｄ（ｔ）と逆符号となる図４のようになる。図４の
ように時間的に発振周波数の変位している光ビームが光
路長のある図１に示すような光ヘテロダイン干渉光学系
に入ると、図５に示すようなもともとの光ヘテロダイン
干渉信号ω0 （発振周波数が一定のときの干渉信号）を
中心として、時間遅延分に相当する発振周波数の変化分
だけシフトした周波数ω0 ／２π±Δν（ｔ）のビート
信号が生じることになる。この周波数変調されたビート
信号を復調手段で復調すれば、図６に示す復調信号が得
られる。この復調信号はもともと時間遅延分に相当する
発振周波数の変化分であるから、復調信号を積分処理す
ることで、図７に示すような、全反射ミラー２１の変位
ｄ（ｔ）すなわち超音波波形を再現できることになる。
積分処理して得られた波形を記憶部４９へ格納ないし表
示部４７に表示することで、超音波をはじめとして、各
種物理エネルギーによって発生する動的変動を検出でき
ることになる。なお、電気信号処理部１３における一般
的信号処理についての事項は、東洋出版「超音波観察法
・診断法」や医歯薬出版「基礎超音波医学」を参照され
たい。
て、これによりレーザー共振器の反射鏡の変位ｄ（ｔ）
を図３で示すと、レーザー発振周波数ν（ｔ）の変位は
変位ｄ（ｔ）と逆符号となる図４のようになる。図４の
ように時間的に発振周波数の変位している光ビームが光
路長のある図１に示すような光ヘテロダイン干渉光学系
に入ると、図５に示すようなもともとの光ヘテロダイン
干渉信号ω0 （発振周波数が一定のときの干渉信号）を
中心として、時間遅延分に相当する発振周波数の変化分
だけシフトした周波数ω0 ／２π±Δν（ｔ）のビート
信号が生じることになる。この周波数変調されたビート
信号を復調手段で復調すれば、図６に示す復調信号が得
られる。この復調信号はもともと時間遅延分に相当する
発振周波数の変化分であるから、復調信号を積分処理す
ることで、図７に示すような、全反射ミラー２１の変位
ｄ（ｔ）すなわち超音波波形を再現できることになる。
積分処理して得られた波形を記憶部４９へ格納ないし表
示部４７に表示することで、超音波をはじめとして、各
種物理エネルギーによって発生する動的変動を検出でき
ることになる。なお、電気信号処理部１３における一般
的信号処理についての事項は、東洋出版「超音波観察法
・診断法」や医歯薬出版「基礎超音波医学」を参照され
たい。
【００２７】図８は、本発明の第２の実施の形態に係る
動的変化検出装置（超音波検出装置）の装置構成を示す
系統図である。図の左端部に図１と同様のレーザー７が
示されており、同レーザー７の光がレンズ２６を介して
入射する光ファイバー５１が図の右へ延びるように示さ
れている。
動的変化検出装置（超音波検出装置）の装置構成を示す
系統図である。図の左端部に図１と同様のレーザー７が
示されており、同レーザー７の光がレンズ２６を介して
入射する光ファイバー５１が図の右へ延びるように示さ
れている。
【００２８】光ファイバー５１は、光カプラー５３を通
って図の右方向に延びている。光ファイバー５１の先に
は、光ファイバーブラッググレーティング５５が接続さ
れている。このグレーティング５５は、図１の装置にお
ける部分通過ミラー３３の役割を果たす。グレーティン
グ５５の先には、周波数シフター５９が接続されてい
る。この周波数シフター５９は圧電素子６０の周りに光
ファイバー５７を巻いたものであり、圧電素子径の変化
に伴って光ファイバー５７内を通る光の周波数がシフト
する。周波数シフター５９の先には全反射ミラー６１が
配置されている。
って図の右方向に延びている。光ファイバー５１の先に
は、光ファイバーブラッググレーティング５５が接続さ
れている。このグレーティング５５は、図１の装置にお
ける部分通過ミラー３３の役割を果たす。グレーティン
グ５５の先には、周波数シフター５９が接続されてい
る。この周波数シフター５９は圧電素子６０の周りに光
ファイバー５７を巻いたものであり、圧電素子径の変化
に伴って光ファイバー５７内を通る光の周波数がシフト
する。周波数シフター５９の先には全反射ミラー６１が
配置されている。
【００２９】グレーティング５５から反射してくる光Ｌ
２と全反射ミラーから反射してくる光Ｌ３とは光カプラ
ー５３で合波され、光ファイバー６３に入射する。合波
された光Ｌ２＋Ｌ３は光検出器１１に入射し電気信号に
変換され、その後の電気信号処理は図１の装置と同様で
ある。
２と全反射ミラーから反射してくる光Ｌ３とは光カプラ
ー５３で合波され、光ファイバー６３に入射する。合波
された光Ｌ２＋Ｌ３は光検出器１１に入射し電気信号に
変換され、その後の電気信号処理は図１の装置と同様で
ある。
【００３０】図９は、本発明の第３の実施の形態に係る
動的変化検出装置（超音波検出装置）の装置構成を示す
系統図である。この動的変化検出装置は、ヘテロダイン
干渉系の構成が図８の動的変化検出装置と少し異なって
いる。すなわち、図８の装置における光ファイバーブラ
ッググレーティング５５の替りに光ファイバー６３の末
端に全反射ミラー６４が設けられている。レーザー光Ｌ
１の一部Ｌ２は全反射ミラー６４から反射された後、光
カプラー５３で、周波数シフター５９からの光Ｌ３と合
波される。
動的変化検出装置（超音波検出装置）の装置構成を示す
系統図である。この動的変化検出装置は、ヘテロダイン
干渉系の構成が図８の動的変化検出装置と少し異なって
いる。すなわち、図８の装置における光ファイバーブラ
ッググレーティング５５の替りに光ファイバー６３の末
端に全反射ミラー６４が設けられている。レーザー光Ｌ
１の一部Ｌ２は全反射ミラー６４から反射された後、光
カプラー５３で、周波数シフター５９からの光Ｌ３と合
波される。
【００３１】図１０は本発明の他の実施形態に係る、面
発光レーザーアレーを有する動的変化の全体構成を模式
的に示す図である。この動的変化検出装置は、図３の動
的変化検出装置をアレー化したものである。すなわち、
この動的変化検出装置は、多数のレーザー反射鏡７１を
行列状にアレー化した面発光レーザーアレー７３を有す
る。各レーザー反射鏡７１には図３の動的変化検出装置
同様のヘテロダイン干渉系７０が接続されている。各干
渉系７０の干渉光は、それぞれ光ファイバー６３を通っ
て、光検出器アレー７５に送られ個別に検出される。光
検出器アレー７５で検出された電気信号は、信号処理ア
レー７７に送られて処理される。
発光レーザーアレーを有する動的変化の全体構成を模式
的に示す図である。この動的変化検出装置は、図３の動
的変化検出装置をアレー化したものである。すなわち、
この動的変化検出装置は、多数のレーザー反射鏡７１を
行列状にアレー化した面発光レーザーアレー７３を有す
る。各レーザー反射鏡７１には図３の動的変化検出装置
同様のヘテロダイン干渉系７０が接続されている。各干
渉系７０の干渉光は、それぞれ光ファイバー６３を通っ
て、光検出器アレー７５に送られ個別に検出される。光
検出器アレー７５で検出された電気信号は、信号処理ア
レー７７に送られて処理される。
【００３２】したがって、このように動的変化検出装置
をアレー化することにより、被検体内の超音波スキャン
や偏向、集束をダイナミックかつ同時並行的に行うこと
ができ、３次元データの収集も容易となる。なお、この
動的変化検出装置においては信号の導出線は細い光ファ
イバーであるので、光検出器アレーのような高集積アレ
ー化を実現できる。さらに、信号は光であるので、信号
伝達のインピーダンスは増大しない。
をアレー化することにより、被検体内の超音波スキャン
や偏向、集束をダイナミックかつ同時並行的に行うこと
ができ、３次元データの収集も容易となる。なお、この
動的変化検出装置においては信号の導出線は細い光ファ
イバーであるので、光検出器アレーのような高集積アレ
ー化を実現できる。さらに、信号は光であるので、信号
伝達のインピーダンスは増大しない。
【００３３】図１１は、本発明の１つの実施形態に係る
超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。こ
の例の超音波診断装置は、送信部２０１、探触子２０
９、受信部２１１、テレビ走査変換部２１３、表示部
（テレビモニター）２１５等からなる。送信部２０１
は、パルス状の超音波発信信号を、ＰＺＴやＰＶＤＦか
らなる超音波送信用トランスジューサ２０３に送る。ト
ランスジューサ２０３は送信超音波を発し、被検体２０
６内に超音波を入射する。なお、トランスジューサ２０
３の下方には超音波用部分通過ミラー２０５（樹脂性の
板等）が配置されている。被検体２０６では、超音波エ
コー２０７が被検体２０６の奥部２１６から図の上方に
反射され、該エコー２０７は探触子２０９内の部分通過
ミラー２０５で右方に反射され、２次元アレー超音波検
出部２０８に入射する。同検出部２０８は、超音波を光
に変換して受診部２１１に送る。受信部２１１は、検出
部２０８からの光信号を電気信号に変換する。テレビ走
査変換部２１３は、受信部２１１からの信号を増幅など
したのちに画像化処理を行う。そして画像化処理された
信号は、表示部（テレビモニター）２１５に送られ画像
表示される。
超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。こ
の例の超音波診断装置は、送信部２０１、探触子２０
９、受信部２１１、テレビ走査変換部２１３、表示部
（テレビモニター）２１５等からなる。送信部２０１
は、パルス状の超音波発信信号を、ＰＺＴやＰＶＤＦか
らなる超音波送信用トランスジューサ２０３に送る。ト
ランスジューサ２０３は送信超音波を発し、被検体２０
６内に超音波を入射する。なお、トランスジューサ２０
３の下方には超音波用部分通過ミラー２０５（樹脂性の
板等）が配置されている。被検体２０６では、超音波エ
コー２０７が被検体２０６の奥部２１６から図の上方に
反射され、該エコー２０７は探触子２０９内の部分通過
ミラー２０５で右方に反射され、２次元アレー超音波検
出部２０８に入射する。同検出部２０８は、超音波を光
に変換して受診部２１１に送る。受信部２１１は、検出
部２０８からの光信号を電気信号に変換する。テレビ走
査変換部２１３は、受信部２１１からの信号を増幅など
したのちに画像化処理を行う。そして画像化処理された
信号は、表示部（テレビモニター）２１５に送られ画像
表示される。
【００３４】以上、図を参照しつつ本発明の具体例を説
明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く様々な改変・追加を行うことができる。
明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く様々な改変・追加を行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、環境変化や各レーザー
素子間の固体差による影響をキャンセルでき、安定した
検出を行うことのできる動的変化検出方法及び動的変化
検出装置を提供することができる。また、そのような動
的変化検出装置を備え、３次元データの収集にも適した
超音波診断装置を提供することができる。
素子間の固体差による影響をキャンセルでき、安定した
検出を行うことのできる動的変化検出方法及び動的変化
検出装置を提供することができる。また、そのような動
的変化検出装置を備え、３次元データの収集にも適した
超音波診断装置を提供することができる。
【図１】本発明の第１の実施形態に係る動的変化検出装
置（超音波検出装置）の構成を示す接続図である。
置（超音波検出装置）の構成を示す接続図である。
【図２】図１の動的変化検出装置のレーザー（共振器）
を拡大した模式的な図である。
を拡大した模式的な図である。
【図３】超音波を印加されて振動しているレーザー共振
器の反射鏡の変位ｄ（ｔ）の一例を示すグラフである。
器の反射鏡の変位ｄ（ｔ）の一例を示すグラフである。
【図４】レーザー共振器の反射鏡が図３に示す変位ｄ
（ｔ）で変位する際、レーザー共振器から発振されるレ
ーザーの発振周波数ν（ｔ）を示すグラフである。
（ｔ）で変位する際、レーザー共振器から発振されるレ
ーザーの発振周波数ν（ｔ）を示すグラフである。
【図５】レーザー共振器の反射鏡が図３に示す変位ｄ
（ｔ）で変位する際、光検出器における合成光のビート
信号の波形を示すグラフである。
（ｔ）で変位する際、光検出器における合成光のビート
信号の波形を示すグラフである。
【図６】図５に示すビート信号を復調して得られる復調
信号を示すグラフである。
信号を示すグラフである。
【図７】図６に示す復調信号に基づいて再現されたレー
ザー共振器の反射鏡の変位ｄ（ｔ）を示すグラフであ
る。
ザー共振器の反射鏡の変位ｄ（ｔ）を示すグラフであ
る。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る動的変化検出
装置（超音波検出装置）の装置構成を示す系統図であ
る。
装置（超音波検出装置）の装置構成を示す系統図であ
る。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る動的変化検出
装置（超音波検出装置）の装置構成を示す系統図であ
る。
装置（超音波検出装置）の装置構成を示す系統図であ
る。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る、面発光レーザ
ーアレーを有する動的変化の全体構成を模式的に示す図
である。
ーアレーを有する動的変化の全体構成を模式的に示す図
である。
【図１１】本発明の１つの実施形態に係る超音波診断装
置の全体構成を示すブロック図である。
置の全体構成を示すブロック図である。
【図１２】現在用いられている一般的な探触子の構造を
模式的に示す図である。
模式的に示す図である。
１． 動的変化検出装置 ３．被検体 ５． 超音波 ７．レーザー ９． ヘテロダイン干渉系 １１．光検出器 １３．電気信号処理部 ２１．全反射ミラ
ー ２３．レーザー媒質 ２５．部分通過ミ
ラー ３１．ビームスプリッター ３３．部分通過ミ
ラー ３５．周波数シフター ３７．反射プリズ
ム ３９．レンズ ４１．アンプ ４３．復調手段 ４５．積分処理手
段 ４７．波形表示部 ４９．波形記憶部
ー ２３．レーザー媒質 ２５．部分通過ミ
ラー ３１．ビームスプリッター ３３．部分通過ミ
ラー ３５．周波数シフター ３７．反射プリズ
ム ３９．レンズ ４１．アンプ ４３．復調手段 ４５．積分処理手
段 ４７．波形表示部 ４９．波形記憶部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｐ 15/03 Ｇ０１Ｐ 15/03 Ｃ // Ｇ０１Ｂ 17/00 Ｇ０１Ｂ 17/00 Ｃ Ｆターム(参考） 2F065 AA01 AA52 AA65 CC16 FF52 GG04 LL00 LL02 LL04 LL12 UU02 UU07 2F068 AA39 CC07 FF03 FF12 FF16 GG07 GG09 LL04 2G047 CA04 GA18 GD01 GG29 2G064 AB08 BC06 BC14 BC32 CC41 DD08 DD13 4C301 AA10 BB13 EE20 GA20 JB24
Claims (11)
- 【請求項１】 被検体の動的変化をレーザーの共振器ミ
ラーに伝幡させて該ミラーに動的摂動を生じさせること
により、周波数変調を起こさせながら、レーザー光を射
出し、 該レーザー光を分割し、 分割された光（分割光）の各々を互いに光路長の異なる
光路を通過させるとともに、前記分割光間に周波数シフ
トを生じさせ、 その後に各分割光を合波して干渉させ、 干渉光を検出して強度信号を得、 該強度信号を復調させて前記レーザー光の周波数変調信
号を検出し、 該周波数変調信号から、前記レーザー共振器に伝搬する
前記動的変化を検出することを特徴とする動的変化検出
方法。 - 【請求項２】 前記レーザー共振器を複数個、列状ある
いは行列状にアレー化配置して被検体の動的変化を検出
することを特徴とする請求項１記載の動的変化検出方
法。 - 【請求項３】 前記レーザーが外部共振器型であること
を特徴とする請求項１又は２記載の動的変化検出方法。 - 【請求項４】 前記レーザーが垂直型共振器ＬＤ（面発
光レーザー）であることを特徴とする請求項１又は２記
載の動的変化検出方法。 - 【請求項５】 前記動的変化が前記被検体中を伝搬する
音波であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
項記載の動的変化検出方法。 - 【請求項６】 被検体からの動的変化が伝搬されるレー
ザー共振器を有し、その動的摂動により該レーザーの発
する光に周波数変調を起こすレーザーと、 該レーザーの射出したレーザー光を分割する手段と、 分割された各分割光の通過する互いに光路長の異なる二
つの光路と、 両光路中で前記分割光間に周波数シフトを生じさせる手
段と、 その後に各分割光を合波して干渉させる手段と、 干渉光を検出して強度信号を得る光検出器と、 該強度信号を復調させて前記レーザー光の周波数変調信
号を検出する手段と、 を備え、 該周波数変調信号から前記動的変化を検出することを特
徴とする動的変化検出装置。 - 【請求項７】 前記レーザー共振器を複数個、列状ある
いは行列状にアレー化配置して被検体の動的変化を検出
することを特徴とする請求項１記載の動的変化検出装
置。 - 【請求項８】 前記レーザーが外部共振器型であること
を特徴とする請求項６又は７記載の動的変化検出装置。 - 【請求項９】 前記レーザーが垂直型共振器ＬＤ（面発
光レーザー）であることを特徴とする請求項６又は７記
載の動的変化検出装置。 - 【請求項１０】 前記動的変化が前記被検体中を伝搬す
る音波であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか
１項記載の動的変化検出装置。 - 【請求項１１】 被検体に超音波を送信する送信部と、 該被検体からの超音波反射エコーを受信し電気信号に変
換する受信部と、 該受信部の信号を受け画像化処理して表示する画像処理
表示部と、を備える超音波診断装置であって；上記受信
部中に、請求項６〜１０いずれか１項記載の動的変化検
出装置を具備することを特徴とする超音波診断装置。
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