JP2006308337A - 光学顕微鏡用超音波プローブ、超音波顕微鏡システム、及び光学／超音波顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる光学／超音波顕微鏡システムを提供すること。
【解決手段】本発明の光学／超音波顕微鏡システム１は、顕微鏡本体３、対物レボルバ４、Ｘ−Ｙステージ５、パソコン６等を備える。対物レボルバ４の第１の雌ねじ穴に対物レンズ１２が螺着され、第２の雌ねじ穴に超音波プローブ１３が螺着される。超音波プローブ１３は、Ｘ−Ｙステージ５に固定されたガラス基板７上の生体組織８に対して、超音波を照射する。超音波プローブ１３は、その反射波を受信して電気信号に変換する。パソコン６は、超音波プローブ１３と電気的に接続される。パソコン６は、超音波プローブ１３からの電気信号に基づいて生体組織８の音速を求め、その値に基づいて音速像の画像データを生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料に超音波を照射し、得られた反射波に基づいて前記試料を可視化するための光学顕微鏡用超音波プローブ、その超音波プローブを備えた超音波顕微鏡システム、及び光学／超音波顕微鏡システムに関するものである。

従来、医療分野では、生体組織の診断を行う装置として、超音波顕微鏡を応用した製品の開発が進められており、光学顕微鏡と同等の解像度で生体組織の観察が可能なものが実用化されている。光学顕微鏡では生体組織における化学的性質の違いを染色によって区別するのに対し、超音波顕微鏡では物理的性質の違いを無染色で区別することができる。つまり、超音波顕微鏡を用いた場合には、染色を行わなくても生体組織診断が実施可能になる。

具体的にいうと、超音波顕微鏡を用いた場合には、生体組織などの試料に超音波を照射し、その反射波を検出することにより、音響パラメータ（音速、音響インピーダンス、減衰などのパラメータ）の値を算出する。そして、そのパラメータ値に応じた音響像（音速像、音響インピーダンス像、減衰像など）を表示装置に表示する。例えば、特許文献１や非特許文献１では、パルス励起型超音波顕微鏡を利用して生体組織の音速像を表示させる装置が開示されている。
特開２００４−２９４１８９号公報 特開２００４−１２２４５号公報 「医用超音波：パルス励起型超音波音速顕微鏡」（「超音波TECHNO」VOL.15 No.6(2003.11〜12)（１０１〜１０５頁）日本工業出版社発行）

ところで、同一の試料の同じ場所を観察したとしても、光学顕微鏡を用いて取得した光学像と超音波顕微鏡を用いて取得した音響像とでは、見えるものが異なる場合がある。従って、より正確な組織診断を行うためには、光学像と音響像との両方を観察してそれらを比較することが望ましい。

ところが、従来では、光学像を取得するために光学顕微鏡が必要となり、音響像を取得するために超音波顕微鏡が必要となる。つまり、光学像と音響像とは別々の顕微鏡で取得されるため、各顕微鏡の設置スペースが増大したり設備費用が嵩んだりするといった問題が生じる。また、生体組織をそれぞれの顕微鏡に設置して各画像を取得する必要があるため、生体組織を顕微鏡間で移動させなければならない。さらに、取得した光学像と音響像とを比較して各画像の相関性を確認するために、別々の顕微鏡で取得した各画像の位置やサイズを合わせる必要があり、組織診断を迅速に行うこと困難となるといった問題も生じてしまう。

ちなみに、特許文献２には、光学顕微鏡の対物レボルバに取り付け可能な走査型プローブユニットを備える装置が開示されている。この装置は、プローブ（探針）を試料表面に接近させて、プローブと試料表面間に生じる物理量の変化を検出することにより、試料の表面形状を観察するものである。なお、特許文献２に開示された技術は、参考のために挙げたものであって、本願発明のものとプローブの種類も異なるため、本願発明と直接関係のある技術ではない。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学顕微鏡の機能と超音波顕微鏡の機能とを兼ね備えた顕微鏡システムを実現するための超音波プローブであり、そのシステムの設置スペースを削減するとともに設備コストを抑えることができる光学顕微鏡用超音波プローブを提供することにある。また、別の目的は、設置スペースを削減するとともに設備コストを抑えることができる超音波顕微鏡システムを提供することにある。さらに、別の目的は、設置スペースを削減するとともに設備コストを抑えることができ、光学像及び音響像を迅速に取得できる光学／超音波顕微鏡システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光学顕微鏡の対物レボルバに取り付けた状態で使用される超音波プローブであって、プローブ本体と、前記プローブ本体の基端部に形成され、前記対物レボルバの雌ねじ穴に対して螺着可能な雄ねじ部と、前記プローブ本体に対して音響的に絶縁された状態で設けられ、試料に対して超音波を照射しその反射波を受信して電気信号に変換する超音波トランスデューサとを備えたことを特徴とする光学顕微鏡用超音波プローブをその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、超音波トランスデューサがプローブ本体に設けられており、そのプローブ本体の雄ねじ部が対物レボルバの雌ねじ穴に螺着されることで、試料と対向する位置に超音波トランスデューサが位置決めされる。そして、その超音波トランスデューサにより、試料に超音波が照射され、その反射波が受信されて電気信号に変換される。この電気信号をデジタル処理することで試料の音響像を生成することが可能となる。また、超音波トランスデューサがプローブ本体に対して音響的に絶縁されているので、超音波トランスデューサの駆動時に発生する振動がプローブ本体を介して光学系の部材に伝達されることが防止される。このように、超音波プローブを光学顕微鏡の対物レボルバに装着することにより、超音波顕微鏡として利用することができる。また、対物レボルバに装着した光学レンズを用いれば試料の光学像を取得することができる。従って、従来技術のように光学顕微鏡と超音波顕微鏡とを個別に設置しなくても、光学像と音響像とを取得することができ、顕微鏡の設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記超音波トランスデューサは、一方側面に凹曲面が形成された円環状部材であり、前記プローブ本体の先端部に設置されていることをその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、中心部に孔がある上記形状を採用したことで、超音波トランスデューサが凹曲面側から発する超音波の焦点が合いやすくなり、高精度な音響像を取得することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記プローブ本体の中心部には、対物用の光学レンズが設けられていることをその要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、プローブ本体に設けられた光学レンズを使用して光学像を得ることができる。また、超音波トランスデューサを円環状にした場合には、中心部の光学レンズが邪魔になることがなく、超音波を確実に照射することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記超音波トランスデューサの音軸と前記光学レンズの光軸とが略一致していることをその要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、光学レンズを用いて取得される試料の光学像と同じ場所の音響像を容易に取得することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波プローブと、前記超音波プローブの前記超音波トランスデューサと電気的に接続された処理装置とを備え、前記処理装置は、前記超音波トランスデューサにより得られた前記電気信号に基づいて試料の音響パラメータ値を求め、その求められた音響パラメータ値に基づいて音響像データを生成する音響像データ生成手段を有することを特徴とする超音波顕微鏡システムをその要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、超音波トランスデューサで変換された電気信号が処理装置に入力され、処理装置における音響像データ生成手段により、その電気信号に基づいて試料の音響パラメータ値が求められる。そして、音響パラメータ値に基づいて、その値の大小や位相などに応じた音響像データが生成される。従って、この音響像データによって試料の可視化が可能となり、超音波顕微鏡の機能を備えた顕微鏡システムが実現される。このように顕微鏡システムを構成すれば、従来技術と比較して設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。

請求項６に記載の発明は、顕微鏡本体と、前記顕微鏡本体に支持され、第１の雌ねじ穴及び第２の雌ねじ穴が設けられた対物レボルバと、前記第１の雌ねじ穴に対して螺着された対物用の光学レンズと、前記第２の雌ねじ穴に対して螺着された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波プローブと、前記超音波プローブの前記超音波トランスデューサと電気的に接続された処理装置とを備え、前記処理装置は、前記超音波トランスデューサにより得られた前記電気信号に基づいて試料の音響パラメータ値を求め、その求められた音響パラメータ値に基づいて音響像データを生成する音響像データ生成手段を有することを特徴とする光学／超音波顕微鏡システムをその要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、顕微鏡本体の対物レボルバに設けられた第１の雌ねじ穴に光学レンズが螺着され、その光学レンズを用いて試料を観察することができる。また、対物レボルバの第２の雌ねじ穴に超音波プローブが螺着され、その超音波プローブの超音波トランスデューサが処理装置に電気的に接続される。そして、超音波トランスデューサで変換された電気信号が処理装置に入力され、処理装置における音響像データ生成手段により、その電気信号に基づいて試料の音響パラメータ値が求められ、音響パラメータ値に基づいて音響像データが生成される。この音響像データによって試料の可視化が可能となり、光学顕微鏡と超音波顕微鏡との両機能を兼ね備えた光学／超音波顕微鏡システムが実現される。このように光学／超音波顕微鏡システムを構成すれば、従来技術と比較して設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。また、この光学／超音波顕微鏡システムでは、試料の光学像と音響像とを迅速に取得できるので、それら画像の相関性を容易に確認できる。

以上詳述したように、請求項１〜４に記載の発明によると、光学顕微鏡の機能と超音波顕微鏡の機能とを兼ね備えた顕微鏡システムを実現するための超音波プローブであり、そのシステムの設置スペースを削減するとともに設備コストを抑えることができる光学顕微鏡用超音波プローブを提供することができる。また、請求項５に記載の発明によると、設置スペースを削減するとともに設備コストを抑えることができる超音波顕微鏡システムを提供することができる。さらに、請求項６に記載の発明によると、設置スペースを削減するとともに設備コストを抑えることができる光学／超音波顕微鏡システムを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態における光学／超音波顕微鏡システム１を示す概略構成図であり、図２はその光学／超音波顕微鏡システム１の電気的な構成を示すブロック図である。

図１に示されるように、光学／超音波顕微鏡システム１は、顕微鏡本体３と、その顕微鏡本体３に回転可能に支持される対物レボルバ４と、対物レボルバ４の下方に設けられたＸ−Ｙステージ５と、処理装置としてのパーソナルコンピュータ（パソコン）６とを備える。

Ｘ−Ｙステージ５にはガラス基板７が固定されており、そのガラス基板７には試料としての生体組織８が載置されている。このＸ−Ｙステージ５は二次元走査手段として機能する。そして、このＸ−Ｙステージ５が駆動することにより、ガラス基板７とともに生体組織８が二次元的に移動する。なお、生体組織８は、所定の厚さ（例えば、１０μｍ程度）にスライスされた凍結切片（生体組織切片）である。

図３に示されように、対物レボルバ４には、複数の雌ねじ穴（本実施の形態では、第１の雌ねじ穴１０及び第２の雌ねじ穴１１）が設けられている。第１の雌ねじ穴１０に対しては、対物用の光学レンズ（対物レンズ）１２が螺着されている。第２の雌ねじ穴１１に対しては、超音波プローブ１３が螺着されている。本実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１では、例えば、ユーザが手動で対物レボルバ４を回転させることで、対物レンズ１２と超音波プローブ１３との切り替えが行われる。

超音波プローブ１３は、プローブ本体１４と、そのプローブ本体１４の基端部に形成された雄ねじ部１５と、プローブ本体１４の先端部に設けられた超音波トランスデューサ１６と、その超音波トランスデューサ１６の内側（プローブ本体１４の中心部）に設けられた対物用の光学レンズ１７とを備える。

プローブ本体１４の雄ねじ部１５は、対物レンズ１２の雄ねじ部１８と同じ形状（同一寸法）であり、対物レボルバ４の各雌ねじ穴１０，１１に螺着可能である。このプローブ本体１４の雄ねじ部１５が対物レボルバ４の第２の雌ねじ穴１１に螺着されることで、生体組織８と対向する位置に超音波トランスデューサ１６が位置決めされる。即ち、超音波トランスデューサ１６における光軸Ａ１及び音軸Ａ２が、第２の雌ねじ穴１１の中心軸に一致し、顕微鏡本体３内の光学系と接続されるようになっている。

また、プローブ本体１４にはコネクタ１９が設けられている。そのコネクタ１９には、超音波トランスデューサ１６への電気信号の授受を行うための信号線ケーブル２０が接続される。なお、本実施の形態では、対物レボルバ４の第２の雌ねじ穴１１に対して超音波プローブ１３が螺着された後に、信号線ケーブル２０がプローブ本体１４のコネクタ１９に接続される。このようなコネクタ接続構造を採用した結果、超音波プローブ１３の螺着時において信号線ケーブル２０がプローブ本体１４などに絡まることが防止される。

超音波トランスデューサ１６は、円環状の音響レンズ２１と薄膜圧電素子２２とからなる円環状部材であり、その音響レンズ２１の一方側面（先端側の面）には凹曲面２３が形成されている。超音波トランスデューサ１６がパルス励起されると、薄膜圧電素子２２が振動する。その結果、所定周波数帯域の超音波（具体的には、例えば中心周波数８０ＭＨｚ、帯域幅５０〜１０５ＭＨｚ（−６ｄＢ）の超音波）が音響レンズ２１を通して出力される。この超音波は、水などの超音波伝達媒体Ｗを介して円錐状に収束し、ガラス基板７上の生体組織８表面で焦点を結ぶようになっている（図１参照）。

本実施の形態の超音波プローブ１３は、超音波トランスデューサ１６の内側に設けられた光学レンズ１７を用いて光学像の取得が可能であり、対物レンズとして機能する。なお、光学レンズ１７は、水中レンズであり、水の屈折率を考慮して焦点が合うように形成されている。

超音波プローブ１３は、光学レンズ１７の光軸Ａ１と超音波トランスデューサ１６が照射する超音波の音軸Ａ２とが略一致するように形成されている。また、超音波トランスデューサ１６とプローブ本体１４（光学レンズ１７）との間にはゴムなどの吸音材２５が設けられており、超音波トランスデューサ１６はプローブ本体１４に対して音響的に絶縁されている。

図１に示されるように、顕微鏡本体３には、超音波プローブ１３及びＸ−Ｙステージ５を駆動するための駆動装置２７が設けられている。また、顕微鏡本体３においてＸ−Ｙステージ５の下部にはコンデンサ（集光器）２８が設けられている。このコンデンサ２８は、Ｘ−Ｙステージ５の中央に形成された中空部２９を介してガラス基板７の下方から生体組織８に光を照射する。

また、顕微鏡本体３には、操作ハンドル３０を有する焦準調節機構（図示略）が設けられている。この操作ハンドル３０を操作すると、対物レボルバ４が光軸Ａ１の方向（図１の上下方向）に移動する。その結果、ガラス基板７上の生体組織８に対して光学レンズ（対物レンズ１２または超音波プローブ１３の光学レンズ１７）の焦点が調節される。

さらに、顕微鏡本体３の上部には鏡筒３１が設けられ、その鏡筒３１内には光路を切り替えるプリズム（図示略）が設けられている。この鏡筒３１内で光軸Ａ１が２系統に分割され、一方の光軸Ａ１上に接眼レンズ３２が設けられ、他方の光軸Ａ１上にＣＣＤカメラ３３が設けられている。

光学レンズ（対物レンズ１２または超音波プローブ１３の光学レンズ１７）の焦点を調節してその焦点が生体組織８の表面に一致すると、生体組織像が光学レンズ１２，１７を通って接眼レンズ３２に導かれ、生体組織８の光学像が観察可能となる。また、ＣＣＤカメラ３３は、接眼レンズ３２で観察される生体組織８の光学像と同じ画像を撮影し、その画像に対応する画像信号をパソコン６に出力する。

図２に示されるように、駆動装置２７は、Ｉ／Ｆ回路３５と、パルス発生回路３６と、受信回路３７と、送受波分離回路３８と、検波回路３９と、Ａ／Ｄ変換回路４０と、コントローラ４１とを備える。

また、Ｘ−Ｙステージ５は、超音波の照射点を二次元的に走査させるためのＸステージ５Ｘ及びＹステージ５Ｙを備えるとともに、それぞれのステージ５Ｘ，５Ｙを駆動するモータ４２Ｘ，４２Ｙを備えている。これらのモータ４２Ｘ，４２Ｙとしては、ステッピングモータやリニアモータが使用される。

各モータ４２Ｘ，４２Ｙにはコントローラ４１が接続されており、該コントローラ４１の駆動信号に応答してモータ４２Ｘ，４２Ｙが駆動される。これらモータ４２Ｘ，４２Ｙの駆動により、Ｘステージ５Ｘを連続走査（連続送り）するとともに、Ｙステージ５Ｙを間欠送りとなるよう制御することで、Ｘ−Ｙステージ５の高速走査が可能となっている。

また、本実施の形態においては、Ｘステージ５Ｘに対応してエンコーダ４３が設けられ、エンコーダ４３によりＸステージ５Ｘの走査位置が検出される。具体的に、走査範囲を３００×３００個の測定点（ピクセル）に分割した場合、１回のＸ方向（水平方向）の走査が３００分割される。そして、各測定点の位置がエンコーダ４３によって検出され、Ｉ／Ｆ回路３５を介してパソコン６に取り込まれる。パソコン６はそのエンコーダ４３の出力に同期して駆動制御信号を生成して、その駆動制御信号をＩ／Ｆ回路３５を介してコントローラ４１に供給する。コントローラ４１は、この駆動制御信号に基づいてモータ４２Ｘを駆動する。また、コントローラ４１は、エンコーダ４３の出力信号に基づきＸ方向の１ラインの走査が終了した時点でモータ４２Ｙを駆動して、Ｙステージ５ＹをＹ方向に１ピクセル分移動させる。

さらに、コントローラ４１は、駆動制御信号に同期してトリガ信号を生成してパルス発生回路３６に供給する。これにより、パルス発生回路３６において、そのトリガ信号に同期したタイミングで励起パルスが生成される。その励起パルスが送受波分離回路３８を介して超音波トランスデューサ１６に供給される結果、超音波トランスデューサ１６から超音波が照射される。

超音波トランスデューサ１６の薄膜圧電素子２２は、送受波兼用の超音波振動子であり、生体組織８で反射した超音波（反射波）を電気信号に変換する。そして、その反射波の信号は、送受波分離回路３８を介して受信回路３７に供給される。受信回路３７は、信号増幅回路を含んで構成されていて、反射波の信号を増幅して検波回路３９に出力する。

検波回路３９は、ゲート回路やＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などを含んで構成されている。超音波は、超音波トランスデューサ１６とガラス面（ガラス基板７の表面）もしくは生体組織８との間で繰り返し反射されるものであるため、検波回路３９は、最初に得られる反射波信号を抽出するよう構成されている。この検波回路３９の出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路４０に供給されてＡ／Ｄ変換された後、Ｉ／Ｆ回路３５を介してパソコン６に転送される。

Ｉ／Ｆ回路３５としては、パソコン等の標準インターフェースであるＵＳＢインターフェースが用いられる。なお、Ｉ／Ｆ回路３５としては、ＵＳＢインターフェースの他にＩＥＥＥ１３９４インターフェースを採用してもよく、また、データ転送速度は遅くなるが、シリアルインターフェースやパラレルインターフェースを採用することもできる。

パソコン６は、ＣＰＵ５１、Ｉ／Ｆ回路５２，５３、高速フーリエ変換回路（ＦＦＴ）５４、メモリ５５、記憶装置５６、入力装置５７、及び表示装置５８を備え、それらはバス５９を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ５１は、メモリ５５を利用して制御プログラムを実行し、システム全体を統括的に制御する。制御プログラムとしては、Ｘ−Ｙステージ５による二次元走査を制御するためのプログラム、生体組織８の厚さや音響パラメータ値としての音速を算出するためのプログラム、生体組織８の音速像や光学像を表示するためのプログラムなどを含む。

Ｉ／Ｆ回路５２は、駆動装置２７との間で信号の授受を行うためのインターフェース（具体的には、ＵＳＢインターフェース）である。Ｉ／Ｆ回路５２は、駆動装置２７に制御信号（コントローラ４１への駆動制御信号）を出力したり、駆動装置２７からの転送データ（Ａ／Ｄ変換回路４０からＩ／Ｆ回路３５を介して転送されるデータ）を入力したりする。Ｉ／Ｆ回路５３は、ＣＣＤカメラ３３との間で信号の授受を行うためのインターフェース（具体的には、ＵＳＢインターフェース）であり、ＣＣＤカメラ３３に制御信号を出力したり、該カメラ３３からの画像信号を入力したりする。

高速フーリエ変換回路５４は、駆動装置２７から入力される反射波信号をもとに、その反射波信号の周波数成分を得るためのフーリエ変換処理を行う回路である。

表示装置５８は、例えば、ＬＣＤやＣＲＴなどのカラーディスプレイであり、生体組織８の画像（音速像及び光学像）や各種設定の入力画面を表示するために用いられる。入力装置５７は、キーボードやマウス装置などであり、ユーザからの要求や指示、パラメータの入力に用いられる。

記憶装置５６は、磁気ディスク装置や光ディスク装置などであり、制御プログラム及び各種のデータを記憶している。ＣＰＵ５１は、入力装置５７による指示に従い、プログラムやデータを記憶装置５６からメモリ５５へ転送し、それを逐次実行する。なお、ＣＰＵ５１が実行するプログラムとしては、メモリカード、フレキシブルディスク、光ディスクなどの記憶媒体に記憶されたプログラムや、通信媒体を介してダウンロードしたプログラムでもよく、その実行時には記憶装置５６にインストールして利用する。

次に、生体組織８の厚さ及び音速を算出する方法について説明する。

図４に示すように、超音波トランスデューサ１６により、生体組織８に超音波Ｓｏが照射されると、生体組織８の表面での反射波Ｓａと生体組織８の背面（ガラス基板７表面）での反射波Ｓｂとの合成波が受信される。そして、その受信した反射波信号をフーリエ変換してガラス基板７での直接反射波Ｓｒと比較することにより、強度及び位相スペクトルが得られる。図５は、強度及び位相スペクトルの一例を示すグラフである。

ここで、信号強度の極小点の周波数をｆ_ｍ、そのときの位相をφ_ｍとすると、組織表面と背面からの反射は極小点では逆位相となる。すなわち、極小点においては組織表面からの反射は背面からの反射より位相が（２ｎ−１）π進んでおり、φ_ｍ＋（２ｎ−１）πとなる（ｎは自然数）。従って、生体組織８の厚さｄ、超音波伝達媒体Ｗである水の音速Ｃ_０とすると、

が成立している。

従って、次式のように生体組織８の厚さｄが求まる。

また、距離２ｄを組織音速Ｃで通過した波と水の音速Ｃ_０で通過した波との位相差がφ_ｍであることから、

となり、次式のように組織音速Ｃを求めることができる。

次に、本実施の形態において、ＣＰＵ５１が実行する画像表示処理について説明する。

図６に示すように、ＣＰＵ５１は、ＣＣＤカメラ３３を駆動することにより該カメラ３３で撮影した光学像の画像信号をＩ／Ｆ回路５３を介して取り込み、周知の画像処理を行う。ＣＰＵ５１は、この画像処理を行うことにより、光学像に対応した画像データ（光学像データ）を生成しそのデータをメモリ５５に記憶させる（ステップ１００）。

その後、ＣＰＵ５１は、駆動装置２７を制御して超音波プローブ１３及びＸ−Ｙステージ５を駆動する。このとき、音響像データ生成手段としてのＣＰＵ５１は、超音波プローブ１３で取得した反射波信号をＩ／Ｆ回路５２を介して取り込み、音響インピーダンス像の画像データ（音響像データ）を生成するための処理を行う（ステップ２００）。

図７には、そのデータ生成処理の具体例を示している。

まず、ＣＰＵ５１からの指示に基づいてコントローラ４１によりモータ４２Ｘ，４２Ｙが駆動される。その結果、ガラス基板７の表面（ガラス面）が露出している位置に超音波が照射されるようにＸ−Ｙステージ５が移動する。このとき、励起パルスが超音波トランスデューサ１６に供給されると、図４に示すように、ガラス面７ａに超音波Ｓｏが照射され、その反射波Ｓｒの信号が検波回路３９で検出される。そして、ＣＰＵ５１は、Ａ／Ｄ変換回路４０で変換されたデジタルデータをＩ／Ｆ回路３５，５２を介して取り込み、高速フーリエ変換回路５４に入力する。高速フーリエ変換回路５４では、反射波信号の周波数成分を得るためのフーリエ変換処理が行われる。ＣＰＵ５１は、その高速フーリエ変換回路５４の出力（フーリエ変換出力）を取り込み、それをガラス面７ａでの直接反射波Ｓｒのデータとしてメモリ５５に記憶させる（ステップ２１０）。

その後、ＣＰＵ５１からの指示に基づいてコントローラ４１によりモータ４２Ｘ，４２Ｙが駆動され、Ｘ−Ｙステージ５による二次元走査が開始される。このとき、ＣＰＵ５１は、エンコーダ４３の出力に基づいて測定点の座標データを取得する（ステップ２２０）。

そして、図４に示すように、生体組織８に超音波Ｓｏが照射され、その反射波（組織表面の反射波Ｓａと組織背面の反射波Ｓｂとの合成波）が検波回路３９で検出される。ＣＰＵ５１は、検出された反射波信号をＡ／Ｄ変換回路４０及びＩ／Ｆ回路３５，５２を介して取り込み、その反射波信号を高速フーリエ変換回路５４に入力する。高速フーリエ変換回路５４では、反射波信号の周波数成分を得るためのフーリエ変換処理が行われる。ＣＰＵ５１は、その高速フーリエ変換回路５４の出力（フーリエ変換出力）を取り込み、測定点でのデータとしてメモリ５５に記憶させる（ステップ２３０）。

続いて、ＣＰＵ５１は、メモリ５５に記憶したフーリエ変換出力に基づいて、測定点での反射波信号をガラス面７ａでの反射波信号と比較することにより、強度及び位相スペクトル（図５参照）を求める。そして、ＣＰＵ５１は、その強度及び位相スペクトルから信号強度の極小点の周波数ｆ_ｍとそのときの位相φ_ｍとを判定し、それらの値を用いて上記の式（２）に対応した演算処理を行う。その結果、測定点での生体組織８の厚さｄが求められる（ステップ２４０）。

さらに、ＣＰＵ５１は、算出した厚さｄを用いて上記の式（４）に対応した演算処理を行い測定点での組織音速Ｃを求め、その組織音速Ｃを測定点での座標データと関連付けてメモリ５５に記憶させる（ステップ２５０）。

その後、ＣＰＵ５１は、算出した組織音速Ｃに基づいて音速像を生成するための画像処理を行う（ステップ２６０）。詳しくは、ＣＰＵ５１は、組織音速Ｃを用いてカラー変調処理を行い、組織音速Ｃの大きさに応じた画像データを生成し、該画像データをメモリ５５に記憶させる。

ＣＰＵ５１は、全ての測定点での処理が終了し、１画面分の画像データが取得されたか否かを判断する（ステップ２７０）。ここで、全データが取得されていない場合、ＣＰＵ５１は、ステップ２２０に戻って、ステップ２２０〜２７０の処理を繰り返し実行し、全データが取得された場合には、図６に示すステップ３００の画像表示処理に移行する。

ステップ３００において、ＣＰＵ５１は、光学像の画像データと音速像の画像データとをメモリ５５から読み出し、該各データを表示装置５８に転送する。これにより、表示装置５８の画面には生体組織８の光学像と音速像とが同時に表示される。

この表示装置５８の画面において、音速像は、生体組織８での音速Ｃの大きさに応じて色分けされて表示される。従って、その音速像によって、生体組織８における音速Ｃの分布が確認され、光学像との相関性が判定される。

また、表示装置５８の画面上には、表示画面を切り替えるボタンが表示されており、ユーザが入力装置５７を操作してそのボタンを選択すると、その選択結果に応じて光学像及び音速像のいずれか一方の画像が拡大表示される。

表示装置５８の画面に音速像を表示させた状態でユーザが入力装置５７を操作して音速像における所定のポイント（座標）を指定すると、ＣＰＵ５１により、その座標に対応する音速Ｃのデータがメモリ５５から読み出される。そして、表示装置５８における表示画面にその音速Ｃの値が表示される。

さらに、表示装置５８の画面上には、表示処理の終了を指示するための終了ボタンが表示されており、ユーザが入力装置５７を操作してその終了ボタンを押したときに図６の処理が終了する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１は、光学顕微鏡の対物レボルバ４に超音波プローブ１３を装着した構成であるので、従来技術とは異なり、光学顕微鏡と超音波顕微鏡とを個別に設ける場合と比較して設置スペースを削減できるとともに、設備コストを抑えることができる。

（２）本実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１では、Ｘ−Ｙステージ５にガラス基板７を固定した状態で、そのガラス基板７上の生体組織８の光学像と音速像とを取得することができるため、生体組織診断を迅速に行うことができる。

（３）本実施の形態の超音波プローブ１３では、超音波トランスデューサ１６がプローブ本体１４に対して音響的に絶縁された状態で設けられているので、超音波トランスデューサ１６の駆動時において光学系への振動の伝達が防止される。その結果、光学／超音波顕微鏡システム１では、超音波トランスデューサ１６の駆動時においてもぶれのない鮮明な光学像を得ることができる。また、光学レンズ（対物レンズ）１２の性能低下等を未然に防ぐことができる。さらに、超音波振動に起因する超音波プローブ１３の螺合部の緩みも防止することができる。

（４）本実施の形態における超音波トランスデューサ１６は、一方側面に凹曲面２３が形成された円環状部材であるため、凹曲面２３側から発せられる超音波の焦点が合いやすくなり、高精度な音速像を取得することが可能となる。また、超音波トランスデューサ１６が円環状なので中心部の光学レンズ１７が邪魔になることがなく、超音波を確実に照射することができる。

（５）本実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１において、超音波プローブ１３は、超音波トランスデューサ１６の音軸Ａ２が光学レンズ１７の光軸Ａ１に対して略一致するように形成されている。このように構成すると、光学レンズ１７を用いて取得される生体組織８の光学像と同じ場所の音速像を容易に取得することができ、生体組織８の組織診断を迅速に行うことができる。

（６）本実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１では、光学像の画像データと音速像の画像データとがメモリ５５に記憶される。このため、画像の取得時以外でも、その画像データを利用して生体組織８の光学像と音速像とを表示装置５８に表示させることができ、それらの画像の相関性を検討することができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１において、図８や図９に示す超音波プローブ６１，７１を使用してもよい。

図８の超音波プローブ６１は、プローブ本体６２と、そのプローブ本体６２の基端部に形成された雄ねじ部６３と、プローブ本体６２の先端部に設けられた超音波トランスデューサ６４とを備える。超音波プローブ６１の雄ねじ部６３は、対物レンズ１２の雄ねじ部１８と同じ形状（同一寸法）であり、この雄ねじ部６３が対物レボルバ４の雌ねじ穴１１に螺着された状態で超音波プローブ６１が使用され、生体組織８の音速像が取得される。なお、この超音波プローブ６１には、上記実施の形態とは異なり、光学レンズ１７が設けられていない。そのため、例えば、ユーザが手動で対物レボルバ４を回転させて、超音波プローブ６１から対物レンズ１２に切り替えることで、光学像の取得が可能となる。従って、この超音波プローブ６１を用いる場合でも、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図９の超音波プローブ７１は、プローブ本体７２と、そのプローブ本体７２の基端部に形成された雄ねじ部７３と、プローブ本体７２の先端部に設けられた光学レンズ７４と、その光学レンズ７４の中心部に設けられた超音波トランスデューサ７５とを備える。この超音波プローブ７１は、上記実施の形態と同様に、超音波トランスデューサ７５を用いて音速像の取得が可能であるとともに、光学レンズ７４を用いて光学像の取得が可能である。従って、この超音波プローブ７１を用いる場合でも、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

・上記実施の形態では、測定点毎に反射波を検出し組織音速を求めるようにしたが、反射波の検出を全ての測定点について行い、その後の処理ステップにおいて各測定点での組織音速（１画面分の複数の組織音速）を一括で求めるようにしてもよい。

・上記実施の形態では、ガラス基板７上の生体組織８を上側から観察する顕微鏡システム１に具体化したが、生体組織８を下側から観察する倒立型の顕微鏡システムに具体化してもよい。なおこの場合、Ｘ−Ｙステージ５の上方にコンデンサが配置される。また、Ｘ−Ｙステージ５の下方に対物レボルバが設けられ、その対物レボルバの雌ねじ穴に超音波プローブを螺着する。この倒立型の顕微鏡システムでも、生体組織８の光学像と音速像とを取得することができるため、生体組織診断を迅速に行うことができる。

・上記実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１では、超音波プローブ１３，６１，７１を用いて音速像を表示させるものであったが、音響インピーダンス像、強度像、減衰像などの他の音響像を表示させるものでもよい。

・上記実施の形態では、試料として生体組織８の観察を行うものであったが、それ以外に、例えば樹脂表面などの観察を行うようにしてもよい。

・上記実施の形態の光学／超音波顕微鏡システム１は、光学像を取得するためにＣＣＤカメラ３３を備えるものであったが、それ以外の撮像装置を備えてもよい。

・上記実施の形態では、パソコン６を用いて顕微鏡システム１を構成したが、それ以外にワークステーションなどのコンピュータを用いてもよい。また、光学像や音速像を表示する表示装置５８は、パソコン６に一体的に設けられるものであったが、パソコン６と別体で設けてもよい。勿論、光学像と音速像とを別々の表示装置に表示させるように構成してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１において、前記プローブ本体の先端部に対物用の光学レンズが設けられ、前記超音波トランスデューサはその光学レンズの中心部に設けられることを特徴とする光学顕微鏡用超音波プローブ。

（２）請求項６において、前記試料を載置するステージに、前記超音波の照射点を二次元的に走査させるための二次元走査手段を設けたことを特徴とする光学／超音波顕微鏡システム。

（３）請求項６において、前記音響像データ生成手段が生成した音響像データに基づいて前記試料の音響像を表示するための表示装置をさらに備えることを特徴とする光学／超音波顕微鏡システム。

（４）請求項６において、前記光学レンズを用いて観察される光学像を撮影するための撮像装置をさらに備えることを特徴とする光学／超音波顕微鏡システム。

（５）上記（４）において、前記処理装置は、前記撮像装置と電気的に接続され、前記撮像装置から取得した光学像データを記憶するメモリをさらに備えることを特徴とする光学／超音波顕微鏡システム。

（６）上記（５）において、前記音響像データ及び光学像データに基づいて、前記試料の音響像及び光学像を表示するための表示装置をさらに備えることを特徴とする光学／超音波顕微鏡システム。

本発明を具体化した一実施の形態の光学／超音波顕微鏡システムを示す概略構成図。 光学／超音波顕微鏡システムの電気的構成を示すブロック回路図。 超音波プローブを示す概略断面図。 超音波の反射波を説明するための説明図。 （ａ）は強度スペクトル、（ｂ）は位相スペクトルを示す曲線のグラフ。 画像表示処理を示すフローチャート。 音速像のデータ生成処理を示すフローチャート。 別の実施形態の超音波プローブを示す概略断面図。 別の実施形態の超音波プローブを示す概略断面図。

符号の説明

１…光学／超音波顕微鏡システム
３…顕微鏡本体
４…対物レボルバ
６…処理装置としてのパソコン
１０…第１の雌ねじ穴
１１…第２の雌ねじ穴
１２…光学レンズとしての対物レンズ
１３，６１，７１…超音波プローブ
１４，６２，７２…プローブ本体
１５，６３，７３…雄ねじ部
１６，６４，７５…超音波トランスデューサ
２３…凹曲面
５１…音響像データ生成手段としてのＣＰＵ
Ｗ…超音波伝達媒体
Ａ１…光軸
Ａ２…音軸

Claims (6)

1. 光学顕微鏡の対物レボルバに取り付けた状態で使用される超音波プローブであって、
   プローブ本体と、
   前記プローブ本体の基端部に形成され、前記対物レボルバの雌ねじ穴に対して螺着可能な雄ねじ部と、
   前記プローブ本体に対して音響的に絶縁された状態で設けられ、試料に対して超音波を照射しその反射波を受信して電気信号に変換する超音波トランスデューサと
   を備えたことを特徴とする光学顕微鏡用超音波プローブ。
2. 前記超音波トランスデューサは、一方側面に凹曲面が形成された円環状部材であり、前記プローブ本体の先端部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡用超音波プローブ。
3. 前記プローブ本体の中心部には、対物用の光学レンズが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学顕微鏡用超音波プローブ。
4. 前記超音波トランスデューサの音軸と前記光学レンズの光軸とが略一致していることを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡用超音波プローブ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波プローブと、
   前記超音波プローブの前記超音波トランスデューサと電気的に接続された処理装置と
   を備え、前記処理装置は、前記超音波トランスデューサにより得られた前記電気信号に基づいて試料の音響パラメータ値を求め、その求められた音響パラメータ値に基づいて音響像データを生成する音響像データ生成手段を有することを特徴とする超音波顕微鏡システム。
6. 顕微鏡本体と、
   前記顕微鏡本体に支持され、第１の雌ねじ穴及び第２の雌ねじ穴が設けられた対物レボルバと、
   前記第１の雌ねじ穴に対して螺着された対物用の光学レンズと、
   前記第２の雌ねじ穴に対して螺着された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波プローブと、
   前記超音波プローブの前記超音波トランスデューサと電気的に接続された処理装置と
   を備え、前記処理装置は、前記超音波トランスデューサにより得られた前記電気信号に基づいて試料の音響パラメータ値を求め、その求められた音響パラメータ値に基づいて音響像データを生成する音響像データ生成手段を有することを特徴とする光学／超音波顕微鏡システム。

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