JP2009031268A - 超音波探触子、該超音波探触子を備えた検査装置 - Google Patents

超音波探触子、該超音波探触子を備えた検査装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 光音響効果を用いて検査対象物の内部構造の画像化するのに最適な新規な超音波探触子、及び該超音波探触子を用いた検査装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 超音波探触子であって、光吸収体から超音波を発生させるために光を放射する光照射部と、光照射部からの光により発生した超音波を電気信号に変換するための超音波変換部と、光照射部に光源からの光を導入するための導光板とを有する。また、超音波変換部の超音波受信領域内に、光照射部の光照射領域が含まれている。
【選択図】 図10

Description

本発明は、光音響効果を用いて検査するための超音波探触子(超音波プローブ)、及び当該超音波探触子を備えた検査装置に関する。
特許文献1に記載されているように、光音響効果を用いて試料の断層像もしくは三次元像を取得可能な検査装置が提案されている。この技術は光音響トモグラフィー(PhotoAcoustic Tomography)として一般に知られており、その頭文字をとってPAT技術と称されている。
PAT技術による撮像は以下のようにして行われる。
1)試料の外部から光を照射する。
2)試料内部を光が伝播する。
3)試料内部に存在する光吸収係数が大きい箇所にて光が吸収される。
4)前記光吸収によって当該箇所が加熱される。
5)加熱された部分が膨張する。
6)膨張に伴い超音波が発生する。
7)試料中を超音波が伝播する。
8)伝播する超音波を超音波探触子を用いて受信する。
9)到達超音波の時間差などを解析し、試料の断層像もしくは三次元像を再構成する。
このように、PAT技術は、比較的単純な処理に基づいていることや、光源や超音波探触子自体はそれぞれ他の用途に用いられている部材がそのまま利用できること等から、研究機関を中心として検討が進められている。特に、高解像な断層像を得るための生体情報検査装置への応用が期待されている。
ところで、PAT技術には、検査対象物に近い位置から光を当該対象物に照射させたいという要求があるものの、受信装置である超音波探触子自身がそれを邪魔してしまうという課題がある。
そこで、特許文献2においては、この課題を解決するために図11に示す超音波探触子1100が提案されている。
図11の1110は超音波変換部(変換素子)を示し、所定の間隔で配列されている。この隙間に光ファイバ1120(光照射部)が設けられ、ここから検査対象物に向かって所定の光が放射される。検査対象物の内部の組織(光吸収体)は光吸収により生じた超音波は超音波変換部1110により電気信号に変換される。
このように、特許文献2では、各超音波受信領域の間に光照射領域を設けているため、超音波探触子1100の周辺から光を放射する場合に比べ、超音波探触子自身の陰による影響が少なくなる。
米国特許第4385634号明細書 米国特許2005/0004458明細書
しかしながら、特許文献2に記載された超音波探触子であっても、超音波受信領域と光照射領域が異なる場所に設けられているため、生体の皮下の最も浅い部分に位置する毛細血管を観察する場合等にはさらなる感度の向上が望まれる。
そこで本発明は、光音響効果を用いて検査対象物の内部構造の画像化するのに最適な新規な超音波探触子、及び該超音波探触子を用いた検査装置を提供することを目的とする。
本発明に係る超音波探触子は、光吸収体から超音波を発生させるために光を放射する光照射部と、前記光照射部からの光により発生した超音波を電気信号に変換するための超音波変換部と、前記光照射部に光源からの光を導入するための導光板とを有し、前記超音波変換部の超音波受信領域内に、前記光照射部の光照射領域が含まれていることを特徴とする。
本発明によれば、光音響効果を用いて検査対象物の内部構造の画像化するのに最適な新規な超音波探触子、及び該超音波探触子を用いた検査装置を提供することができる。
本発明による超音波探触子の基本的な概念を図10によって説明する。図10(a)は断面図を示し、図10(b)は超音波の入射側より見た平面図を示す。
1300は超音波探触子、1301は個々の超音波変換部を示す。超音波変換部1301は超音波受信面1302を共有する。
個々の超音波変換部は超音波受信面において1303に示す様な受信感度を持つ超音波受信領域を有する。1304は個々の光照射部を示す。この光照射部1304は超音波受信面1302の前方に配置され、検査対象物1306に対して光を照射する領域である光照射領域を有する。
なお、超音波受信領域1303が光照射部1304を含んでさえいれば超音波受信面全体に広がっていても良い。すなわち、超音波受信領域内に光照射領域が含まれていれば良い。もっとも、図10に示したように超音波受信領域と、光照射領域とが対向するように設けることが、光の利用効率の観点から好ましい。さらに、超音波受信領域の中心と光照射領域の中心が一致していることがより好ましい。
検査対象物の中に光吸収体1307があると、光照射部1304から検査対象物1306に向かって放射された光1305が吸収されて発熱し、ここから光音響波1308が強く放射され超音波変換部によって受信される。
光が超音波受信領域の直前の領域から放射されるため、光吸収体1307が検査対象物1306の極く表面近傍に存在する場合にも高感度で検出ができる。また光照射部が超音波受信面の前方にあるため、超音波探触子1300の基板に孔を開ける必要がなく、CMUT(容量検出型超音波探触子)の様なシリコン基板上に作製される超音波探触子の場合にも製作が容易になる。
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る発明について図1を用いて説明する。
図1において、100は超音波探触子、110は光源、120は光を拡散させるための拡散板、130は照射される光である。
すなわち、図1に示すように、超音波受信面側に、光を拡散させるための拡散板120を用いて、該超音波変換部が超音波を受信する方向と反対方向に向かって光を照射する。
本発明は生体等の検査対象物質と光源、および検査対象物質と超音波探触子との物理的な距離をなるべく短くすることにより、光源からの光や体内から発せられる超音波の生体による減衰を低減しようとするものである。
図1を具体化する形態のひとつとして、いわゆるエッジライト方式の液晶用バックライトが挙げられる。
エッジライト方式のバックライトとは、携帯電話やノート型PCなど中小型液晶ディスプレイに用いられる背面照明方式であって、光源・導光板・拡散板から構成される面発光体である。
図2において、210は、駆動すべき超音波振動子を選択するスイッチ回路を含む回路基板、220は超音波探触子、230は探触子内に包含される複数の超音波振動子である。240は光源、250は導光板である。このような構成により、超音波探触子の直下領域に位置する測定対象物に対して光の照射が可能となる。
なお、光源240は前記導光板の側面にひとつ、もしくは複数個配設される。
そして、導光板250の中を光は全反射を繰り返しながら伝達し、導光板250の面内に全反射条件を崩すような形状あるいは散乱体を設けることで導光板250の外側に光を取り出すことで、面状に発光する仕組みとなっている。
これら形状や散乱体の制御により、面内の輝度分布が最小になるよう設計できるが、導光板250のみでは面内での発光量のばらつきを十分に抑制することは必ずしも容易ではない場合がある。
このため、拡散板などを用いて出射光量の面内分布を平均化し、均一な光量の面発光体とするのが好ましい。
液晶ディスプレイにおける拡散板の役割は、こうした表示面内にて均一な明るさの画像を得ること、および様々な角度から観測したときの著しい輝度変化を抑制することが主たる目的である。
これに対し、本実施形態に係る超音波探触子においては、むしろ光の面密度を低下させつつより多くの光量を照射させることが主たる目的である。つまり、生体に入射させることが可能な単位面積あたりの光の密度は工業規格によって定められており、これを超えた光照射を行うことはできない。
従って、光音響効果を最大限に高めるためには、より多くの光量を照射することが求められる。そのため、光密度の面内分布はなるべく少ない方が好ましいため、本実施形態に係る超音波探触子についても拡散板が用いられる。
このとき、生体内の腫瘍など、検査対象の物質に効率よく光照射するためには、光源からの光が最短距離で検査対象物質に到達することが好ましい。つまり、面光源の法線方向への光量が多くなるよう設計することが好ましい。
本発明に適用され得る光源は、測定対象物質の吸収が顕著にあらわれる波長の光源が好ましく、他の生体物質を透過し易い波長域の採用が好ましいため、近赤外領域の波長から適宜選択される。このとき、単色性の点から、近赤外光レーザを用いることが好ましい。
導光板に関して、近年LCDのフレキシブル化を目指し、薄型の導光板が開発されており、これを好適に用いることが可能である。例えば、米国特許第6773126号明細書に記載の技術を用いることができる。こうした導光板は、インプリント法などを用いて、超音波探触子の上に直接導光板を形成してもよい。
LCD用バックライトの高効率化と同様に、本発明でも多くの光を生体に入射させることが必要である。したがって、導光板から出射する光を高めるために、例えば米国特許第6967698号明細書に記載の技術などを採用することができる。
導光板を用いる場合も、生体により多くの光を照射するためには導光板に光反射層を設けておくことが好ましい。
この光反射層は通常の金属反射板で構わないが、本発明の場合には生体に対して可視光に限らず、近赤外光などさまざまな波長の光が用いられるので、必要な波長帯における反射率の高い金属を用いることが好ましい。
このとき、高効率化のためにも反射率は90%以上あることが好ましい。
なお、光反射層の反射率、あるいは発光体の発光効率が小さい場合には、光出射部において熱を発生することになり、測定誤差の原因となる。そのため、用いる超音波探触子は放熱効果を高めておくことが好ましい。
ここで、導光板の厚みは、超音波検出部で検出する超音波の波長をλとしたときに、0.25×λとなるように構成することができる。この導光板を構成する部材の音響インピーダンスは、少なくとも前記超音波変換部の音響インピーダンスと検査物の音響インピーダンスとの間の値にするのがよい。導光板の音響インピーダンスは、前記超音波変換部の音響インピーダンスと検査物の音響インピーダンスとの相乗平均の値にすることができる。
前記超音波変換部は、PZTなどの圧電体や半導体を用いて形成できる。また、前記超音波変換部は、複数の素子に分離されたもの、あるいは超音波振動素子群をアレイ状に配置して構成することもできる。なお、本発明において、超音波受信手段としては、特に限定されるものではなく、磁歪現象、電歪効果、静電引力と容量変化、光による検出なども利用することができる。
なお、前記超音波探触子によって、超音波の送受信を行ない、反射超音波を処理することで画像を構成することもできる。前記反射超音波を処理することで構成した画像と、光音響効果によって得られた画像とを重ねて表示することもできる。また、前記反射超音波を処理することで構成した画像と、光音響効果によって得られた画像とを並べて表示することもできる。
また、本発明に係る超音波探触子は、受光素子を備えていてもよい。この受光素子は、入射光の光量や分布の測定ならびにキャリブレーション、光を観察対象に透過させることで観察対象内を可視化する拡散光トモグラフィー(DOT:Diffuse Optical Tomography)の受光部として使用することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係わる発明について図3を用いて説明する。図3は本実施形態に係る発明の断面図である。
310は圧電素子やCMUT等の超音波変換部、320は光源から入力される入力光、330は散乱体、340は検査対象物、350は導光板の端面、360はレーザ光、370は導光板、380は超音波探触子の基板である。
超音波探触子の基板380の上に超音波変換部310が2次元アレイ状に配置される。一例をあげると、基板380は3cm四方の正方形、超音波変換部310は1個が0.5mm角の大きさであって、これを縦横2mmのピッチで配置する。超音波変換部310がCMUTの場合はその大きさにより周波数帯域が変化するため、必要に応じて個々が所望の帯域を持つ小さい超音波変換部を複数並べて電極を共通化して駆動する。
超音波変換部310側の基板380の表面には導光板370が配置されている。導光板370の端部からレーザ光320が照射され、この光が導光板370を伝播する。
レーザ光320は導光板370を伝播後、端面350に設けられている光散乱体330により散乱し、検査対象物340内へ導かれる。ここで光散乱体330は、レーザ光360の入射軸に対して垂直な導光板370の面において、レーザ入射面を除く3面に配置されることが好ましい。これにより、効率よく検査対象物340内へ光を導くことが可能となる。また、導光板370は、ビニールやガラスなどで構成された中空形状の筐体であり、その中を水などの液体で満たすことが好ましい。
特に検査対象物340や超音波変換部310と接する部分は超音波をよく透過するマイラー膜などを使うことが好ましい。これにより、固体で構成された導光板よりも、検査対象物340内より発生した超音波を効率よく、超音波変換部310へ導くことが可能となる。また、光散乱体330は、使用する波長よりも大きい形状の凹凸であれば、どのような形状を用いてもかまわない。
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係る発明について図4を用いて説明する。ここで図4(a)は本実施形態に係る発明の断面図であり、図4(b)は平面図である。
400は超音波探触子の基板であって、この上に圧電素子やCMUT等の超音波変換部401が2次元アレイ状に配置される。
超音波変換部401側の基板400の表面には導光板402が配置されている。導光板402の端部には光ファイバの末端403が固着されている。導光板402は検査対象物404と音響結合材405を介して接触する。
光ファイバ403を伝播してきた光406は、導光板402の端部から導光板402内部に導入される。導光板402に入った光は407の様に内部に伝播し、さらに光照射部408から符号409で示すように検査対象物404に向けて放射される。ここで検査対象物404の内部に光吸収体410があると、この光吸収体410は選択的に温度が上昇することとなり、光音響波411を発する。この光音響波411は音響結合材405を介して超音波変換部401に受信される。
ここで、光ファイバ403から導光板402への光の導入を促進するには、光ファイバ406の側面部412に凹凸構造を設けたり、ファイバに光拡散機能を持つ微粒子を分散させたりすると良い。
また、光の導入はなるべく導光板402の端部全体に亘って均一に行われることが望ましい。光の導入が不均一だと基板の縦方向で光の照射強度にむらが生じるからである。そこで光ファイバ側面部412の凹凸構造の大きさや微粒子の分散度を調整して、光406の導入側から奥に向かって分散度の程度を高めることが好ましい。導光板402からの光の放射409も基板全体に亘って均一に行われることが好ましい。
また特に検査対象物404の表面から浅い位置にある光吸収体410を見る場合、光は超音波変換部401の直上に設けた光照射部408から選択的に導入するのが効率的である。そのためには、導光板402の屈折率を音響結合材405の屈折率より大きくなるように構成し、全反射によって光407を導光板402の内部に閉じ込めることができる。
また、光照射部408において選択的に導光板402の表面に凹凸構造を設ける構成や、導光板402内部に光拡散機能を有する微粒子を分散させることによって光が拡散するように構成することができる。なお、光407の導入側から奥に向かって拡散の機能を高めることが好ましい。
一方、導光板402は光吸収体410からの光音響波411をその厚さ方向に効率よく伝播しなくてはならない。そのためには、検査対象物404と超音波変換部401の材質との中間程度の音響インピーダンスを持つことが好ましい。かつ超音波変換部の振動を妨げないため、大きな(0.5に近い)ポアソン比をもつことが好ましい。以上の様な要求を満たす材料としては従来1次元超音波探触子の音響レンズ用に用いられてきたシリコーンゴムが好適である。
またシリコーンゴムの可視光や近赤外光に対する屈折率は1.4〜1.5程度であるため、光閉じ込めの観点から音響結合材405としては、水(屈折率1.33)やエタノール(屈折率1.37)等を用いることができる。
また、シリコーンゴムの表面に凹凸構造を設ける場合、凹凸構造の大きさは光拡散の観点からは光の波長(0.5〜1.5μm)以上の必要がある。なお、超音波の波長(周波数1〜10MHzで1.5〜0.15mm)近くなると超音波を散乱するので、両者の間の値を選択する必要がある。
また、分散させる微粒子としては例えば2μm程度のSiOを用いることができる。
また導光板402と基板400や超音波変換部401の間に光反射面413を設けると、光の利用効率を高められるばかりでなく、基板表面等での不要な光音響波(雑音)の発生を防止する効果もある。また導光板402に光を導入しない端部がある場合は光反射層414を設けることにより、光を効率的に利用できる。
(第4の実施形態)
第4の実施形態に係る発明について図5を用いて説明する。第3の実施形態と共通の部分については説明を省略する。
本実施形態においては、光照射部408を導光板402の表面を曲面とすることにより構成する。光学的には、この曲面の導入によって導光板402と音響結合材405との屈折率差による全反射条件を満たさなくなり、ここから光が検査対象物404に放射される。
また図5の様に曲面が上に凸であれば、音響学的にはシリコーンゴムの音速が900〜1000m/秒、水の音速が1480m/秒なので、音響波に対して凸レンズの作用を有する。そのため、超音波変換部401が、その配列の間隔よりかなり小さい場合でも、光音響波のエネルギーを効率的に超音波変換部401に取り込むことができる。また超音波変換部401の間隔を広めに取ることは、個々の超音波変換部間の混信を防ぎ画像の質を高める効果がある。
(第5の実施形態)
第5の実施形態に係る発明について図6を用いて説明する。第3、第4の実施形態と共通の部分については説明を省略する。
本実施形態においては、導光板402の屈折率を音響結合材405の屈折率より低く設定する。そのため光閉じ込め条件が満たされず、光は検査対象物404に向かって放射される。
但し導光板402の表面に光照射部408に開口を有する遮光マスク層600を設けることによって、光を効率的に利用できる。すなわち、遮光マスク層600が設けられていない領域(開口部)が光照射部となっている。
なお、図4で説明したように、光407の導入側の開口を小さめに、奥の開口を大きめに設定することによって均一な強度の光を照射できる。
本実施形態においては、一般に粘度の高い音響結合材405が使用できる。例えばグリセリン(屈折率1.47)を用いることにしても、これより屈折率の低い適切なシリコーンゴムを選択すれば光閉じ込めが起こらない様に設定できる。粘度の高い音響結合材405は検査対象物404と導光板402の間に挿入しても外部に漏れ出し難いので使い易い。
(第6の実施形態)
第6の実施形態に係る発明について図7を用いて説明する。
本実施例においては乳房の診断(マンモグラフィー)の場合への本発明の適用例を説明する。
図7は電磁波の放射源として光源(ここでは光ファイバ)1001を用意して乳房1000を照射する場合を示す。ここで乳房は光1002に対して透明なプレート1003と、透明でかつ超音波1004をよく伝播するプレート1005によって挟まれている。
ここで、1007は、上記実施形態で説明した超音波探触子である。このように、乳房1000に対して、符号1002と符号1008で示したように、両側から光を乳房1000に対して照射することができるため、癌に伴う新生血管1006の様な光を強く吸収する組織を、強いコントラストを有した画像を得ることができる。また、超音波探触子1007として、上記実施形態で説明した超音波探触子を用いることにより、従来は影となっていた部分を光1008によって効果的に照明できる。
(第7の実施形態)
第7の実施形態に係る発明について図8を用いて説明する。
本実施形態においても乳房の診断の場合への適用例を説明する。本実施形態では、第6の実施形態の超音波探触子1007が2つ設けられている。すなわち、第1の超音波探触子と、第2の超音波探触子が設けられている。
ここで2つの超音波探触子1007は、独立した光源を備え、共通の光制御部の作用により、同時に光パルスを発生するように構成しても良い。また、共通の光源からの光パルスが分割されて導波路により各超音波探触子に伝播され各々の光照射部より放射するように構成してもよい。
本実施形態の様に複数の超音波探触子により異なる方角から入射した受信信号を合成処理すると、欠陥(アーティファクト)の少ない画像データを得ることが出来る。
なお、各超音波探触子は対向するように配置しても良いが、図8に示す様に対向しない状態で作動しても良い。特に乳房の先端部に近い位置に新生血管1006が存在する場合、上部の超音波探触子1007により十分な照度で新生血管が照射できれば、発生した光音響波は乳房との接触面が広い下部の超音波探触子1007によって受信することも効果的である。
(第8の実施形態:検査装置)
上記実施形態に記載されている超音波探触子を用いて検査装置を構成することができる。ここで検査装置とは、前述のPAT技術を利用した超音波画像形成装置が該当する。そのため、本実施形態に係る検査装置においては、該超音波探触子からの受信信号を用いて、検査対象物の内部情報を画像データとして表示する表示部とを有する。
内部情報とは、例えば、断層像であったり、三次元形状であったり、検査対象の構成物に関するパラメータを画像化したものである。
具体的に検査装置を構成した場合の例を示す。図9には例えば図2で説明した超音波探触子(プローブ900)が記載されている。
920は光源の波長、駆動タイミング、出力を制御するための光制御部であり、930は超音波によって検査対象物の内部を走査して観察するための超音波送信部である。PAT技術による場合は、必ずしも超音波の送信は行わなくてもよい。910は、超音波変換部である超音波振動子群から出力される信号を有線あるいは無線で送信し、その信号を受信するための受信部である。
960は信号処理部であり、光音響信号処理部961と超音波信号処理部962とを含み構成される。
光音響信号処理部961は、振動子群から得られた超音波信号を演算処理することで、検査対象物内で発生した光音響信号の方向と強度を算出する。
超音波信号処理部962は、超音波の送信を行った場合にその送信方向に応じて超音波の反射強度を演算処理する。なお、超音波の送信を行わない場合には、この超音波処理部962は省略することもできる。
950は画像データ処理部であり、ここで画像再構成、座標変換、エッジ強調、コントラスト調整、光音響信号による画像と超音波による画像の重ね合わせなどが実施される。そして、画像データ処理部950により処理されたデータがモニター970により表示される。
第1の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第1の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第2の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第3の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第4の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第5の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第6の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第7の実施形態に係る発明を説明するための図である。 第8の実施形態に係る発明を説明するための図である。 本発明による超音波探触子の基本的な概念を示す図である。 従来技術について説明するための図である。
符号の説明
100 超音波探触子
110 光源
120 導光板
130 光

Claims (13)

  1. 超音波探触子であって、
    光吸収体から超音波を発生させるために光を放射する光照射部と、
    前記光照射部からの光により発生した超音波を電気信号に変換するための超音波変換部と、
    前記光照射部に光源からの光を導入するための導光板とを有し、
    前記超音波変換部の超音波受信領域内に、前記光照射部の光照射領域が含まれていることを特徴とする超音波探触子。
  2. 前記超音波受信領域と前記光照射領域が対向するように、前記超音波変換部と前記光照射部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波探触子。
  3. 前記超音波受信領域の中心と、前記光照射領域の中心が一致していることを特徴とする請求項1または2に記載の超音波探触子。
  4. 前記導光板の端面に光散乱体が設けられていることを特徴とすることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の超音波探触子。
  5. 前記導光板は筐体であって、該導光板に液体を含むことを特徴する請求項1から4のいずれかに記載の超音波探触子。
  6. 前記導光板は拡散板であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の超音波探触子。
  7. 前記導光板の表面に凹凸構造が設けられており、該凹凸構造により前記光照射部が構成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の超音波探触子。
  8. 前記導光板の表面に光拡散機能を有する微粒子が分散されており、該微粒子により前記光照射部が構成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の超音波探触子。
  9. 前記導光板の表面に遮光マスク層を有しており、該遮光マスク層が設けられていない領域が前記光照射部となっていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の超音波探触子。
  10. 前記導光板の表面が曲面となっており、該曲面により前記光照射部が構成されていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の超音波探触子。
  11. 前記超音波変換部が容量検出型超音波探触子(CMUT)である請求項1から10のいずれかに記載の超音波探触子。
  12. 請求項1から11のいずれかに記載の超音波探触子を用いた検査装置であって、
    前記超音波探触子からの超音波信号を処理する信号処理部と、
    前記信号処理部からのデータを用いて画像再構成を行う画像データ処理部と、
    前記画像データ処理部により得た検査対象物の情報を画像データとして表示する表示部とを有することを特徴とする検査装置。
  13. 請求項12に記載の検査装置において、前記光源より光パルスを発生させるための光制御部を備えることを特徴とする検査装置。
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