JP2013154139A - 光音響画像化装置および光音響画像化装置用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】光音響画像化装置用プローブを広帯域化する。
【解決手段】光の照射を受けた被検体から発せられた音響波を検出する光音響画像化装置用プローブにおいて、ＭＵＴ下電極５３、無機系圧電薄膜５４およびＭＵＴ上電極５５からなり所定の第一の周波数領域にある音響波を検出するＭＵＴ系トランスデューサと、ＭＵＴ上電極５５、有機系圧電薄膜５６および共通上部電極５７からなり第一の周波数領域よりも高周波側にある第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は光音響画像化装置すなわち、生体組織等の被検体に光を照射し、光照射に伴って発生する音響波に基づいて被検体を画像化する装置に関するものである。

また本発明は、その種の光音響画像化装置において用いられるプローブに関するものである。

従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体内に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波（音響信号）を発生する。そこで、この音響波を超音波プローブなどで検出し、その検出信号に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。

他方、特許文献２や特許文献３に示されるように、超音波プローブを用いる超音波画像化装置も従来公知となっている。この種の超音波プローブは、先端に超音波トランスデューサを備えたものであり、多くの場合、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、並びに音響レンズ等から構成されている。超音波画像化装置においては、超音波トランスデューサから人体等の被検体に超音波が照射され、被検体からの反射超音波が超音波トランスデューサで受信される。そして、この反射超音波の検出信号を電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。

上述のような超音波プローブは、超音波と同様に音響波も検出可能であることから、光音響画像と超音波画像の双方を取得できる装置も提案されている。すなわちその種の装置では、超音波プローブに、被検体に向けて光を照射する光照射部が付加され、そこからの光を受けて被検体から発せられた音響波が、超音波プローブの超音波トランスデューサによって検出されるようになっている。

特開２００５−２１３８０号公報 特表２０１１−５００２５３号公報 特開２０１１−７１８４２号公報

A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata, Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)

ところで、光音響画像化装置において被検体から発生する音響波は、超音波画像化装置における反射超音波よりも極めて広い周波数領域に亘るものであるので、光音響画像化装置用プローブに対しては広帯域化の要求が広く存在する。

特許文献２には、超音波プローブとして、ＭＵＴ（Micromachined Ultrasonic Transducer）系トランスデューサと、有機系圧電薄膜を有する有機系トランスデューサの２つを備えたものが開示されている。しかし特許文献２は、それら２種類のトランスデューサを持つプローブを光音響画像化装置に適用する際に、広帯域化の要求に応えるための方策については何ら示すものではない。

また特許文献３には、超音波プローブとしてＭＵＴ系トランスデューサと、圧電セラミックス厚膜を有するトランスデューサの２つを備えたものが開示されている。しかし特許文献３に示された技術においては、ＭＵＴ系トランスデューサをより高周波領域の超音波を検出するために適用するようにしており、そのような技術思想を光音響画像化装置に適用しても広帯域化の要求に応えることは困難となっている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、広帯域化の要求に応えることができる光音響画像化装置、並びに光音響画像化装置用プローブを提供することを目的とする。

本発明による光音響画像化装置用プローブは、
光の照射を受けた被検体から発せられた音響波を検出する光音響画像化装置用プローブにおいて、
所定の第一の周波数領域にある音響波を検出するＭＵＴ系トランスデューサと、
前記第一の周波数領域よりも高周波側にある第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを備えたことを特徴とするものである。

なお、本発明の光音響画像化装置用プローブにおいては、ＭＵＴ系トランスデューサおよび有機系トランスデューサがそれぞれトランスデューサアレイを構成しており、それらのトランスデューサアレイが互いに積層して配設されていることが望ましい。

また、そのような構成を採用する際は、特に、ＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが基板の上に形成され、その上に有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが積層されていることが望ましい。

さらに、そのように基板側から順にＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイ、有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが積層される場合は、特に、有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイを構成する電極が、ＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイの直上に形成されていることが望ましい。

そして、そのようにトランスデューサアレイを構成する電極が、ＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイの直上に形成される場合は、特に、ＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが、圧電薄膜を挟む１対の電極を有し、それらの電極のうち、有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイの側に配置された電極が、有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイの電極として兼用されていることが望ましい。

また、上記の兼用されている電極は、特に信号取り出し用電極とされていることが好ましい。

さらに、本発明の光音響画像化装置用プローブにおいては、ＭＵＴ系トランスデューサを構成する圧電薄膜が、ＰＺＴ（登録商標）等のチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなるものであることが望ましい。

一方、有機系トランスデューサを構成する有機圧電薄膜は、フッ化系材料からなるものであることが望ましい。

また、本発明の光音響画像化装置用プローブにおいては、前記第一の周波数領域が１〜１０ＭＨｚの領域であり、前記第二の周波数領域が１０ＭＨｚを超える領域であることが望ましい。

他方、本発明による光音響画像化装置は、以上説明した本発明の光音響画像化装置用プローブを備えたことを特徴とするものである。

本発明による光音響画像化装置用プローブは、所定の第一の周波数領域にある音響波を検出するＭＵＴ系トランスデューサと、上記第一の周波数領域よりも高周波側にある第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを備えたものであるので、それら両トランスデューサにより各々比較的低周波の領域と高周波の領域をカバーして、広帯域化の要求に確実に応えることが可能になる。

また本発明による光音響画像化装置は、上述した通りの本発明による光音響画像化装置用プローブを備えたものであるから、これも、広帯域化の要求に応えることができるものとなる。

本発明の一実施形態による光音響画像化装置の概略構成を示すブロック図 本発明の光音響画像化装置の外形形状の例を示す斜視図 本発明の一実施形態によるプローブの要部を示す一部破断斜視図 上記プローブの一部を示す断面図 上記プローブにおけるＭＵＴ上電極の形状を示す平面図 本発明の別の実施形態による光音響画像化装置の一部構成を示すブロック図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光音響画像化装置１０の基本構成を示すブロック図である。この光音響画像化装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザ光源ユニット１３、および画像表示手段１４を備えている。

上記レーザ光源ユニット１３は、例えば中心波長８００ｎｍのレーザ光を発するものとされている。レーザ光源ユニット１３から出射したパルスレーザ光は被検体に照射される。このレーザ光は、例えば複数の光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１の部分から被検体に向けて照射されるのが望ましい。

プローブ１１は、被検体内の観察対象物が上記パルスレーザ光を吸収することで生じた超音波（音響波）を検出する。そのためにプローブ１１は、例えば後述する手操作による走査方向と交わるアジマス方向、およびそれと直交するエレベーション方向（上記走査方向と略同じ方向）に二次元に配列された複数の超音波振動子からなる超音波トランスデューサアレイ（以下、ＵＴアレイと称する）を有する。なお、以下では上記アジマス方向およびエレベーション方向をそれぞれＡＺ方向、ＥＬ方向と称する。プローブ１１は、上記音響波を検出して音響波検出信号を出力する。

なお、このプローブ１１に上述した導光手段が結合される場合は、その導光手段の端部つまり複数の光ファイバの先端部等が、二次元に配列された複数の超音波振動子の周囲を囲む状態に配設され、そこから被検体に向けてレーザ光が照射される。以下では、このように導光手段がプローブ１１に結合される場合を例に取って説明する。なお、光ファイバの先端部等は、上記のように配設するのに加えて、複数の超音波振動子が配列されている面内において十字状や格子状に配設してもよい。そのようにすれば、レーザ光の光学的照射均一性がより向上するので好ましい。

被検体の光音響画像を取得する際、プローブ１１は上記エレベーション方向に移動され、それにより被検体がレーザ光によって二次元走査される。この走査は、検査者が手操作でプローブ１１を動かして行ってもよく、あるいは、走査機構を用いてより精密な二次元走査を実現するようにしてもよい。

超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、データ分離手段２４、画像再構成手段２５、検波・対数変換手段２６、画像構築手段２７を有している。画像構築手段２７の出力は、例えばＣＲＴや液晶表示装置等からなる画像表示手段１４に入力される。さらに超音波ユニット１２は、送信制御回路３０、および超音波ユニット１２内の各部等の動作を制御する制御手段３１を有している。

上記受信回路２１は、プローブ１１が出力した音響波検出信号を受信する。ＡＤ変換手段２２はサンプリング手段であり、受信回路２１が受信した音響波検出信号をサンプリングして、デジタル信号である光音響データに変換する。このサンプリングは、例えば外部から入力されるＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期でなされる。

レーザ光源ユニット１３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザや、アレキサンドライトレーザ等からなるＱスイッチパルスレーザ３２と、その励起光源であるフラッシュランプ３３とを含むものである。このレーザ光源ユニット１３には、前記制御手段３１から光出射を指示する光トリガ信号が入力されるようになっており、該光トリガ信号を受けると、フラッシュランプ３３を点灯させてＱスイッチパルスレーザ３２を励起する。制御手段３１は、例えばフラッシュランプ３３がＱスイッチパルスレーザ３２を十分に励起させると、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチパルスレーザ３２は、Ｑスイッチトリガ信号を受けるとそのＱスイッチをオンにし、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を出射させる。

ここで、フラッシュランプ３３の点灯からＱスイッチパルスレーザ３３が十分な励起状態となるまでに要する時間は、Ｑスイッチパルスレーザ３３の特性などから見積もることができる。なお、上述のように制御手段３１からＱスイッチを制御するのに代えて、レーザ光源ユニット１３内において、Ｑスイッチパルスレーザ３２を十分に励起させた後にＱスイッチをオンにしてもよい。その場合は、Ｑスイッチをオンにしたことを示す信号を超音波ユニット１２側に通知してもよい。

本発明の光音響画像化装置は、光音響画像の他に、反射超音波による超音波画像を取得するように構成されてもよい。以下、そのようにした場合について説明する。制御手段３１は、送信制御回路３０に、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を入力する。送信制御回路３０は、この超音波トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。制御手段３１は、先に前記光トリガ信号を出力し、その後、超音波トリガ信号を出力する。光トリガ信号が出力されることで被検体に対するレーザ光の照射、および音響波の検出が行われ、その後、超音波トリガ信号が出力されることで被検体に対する超音波の送信、および反射超音波の検出が行われる。ここで、プローブ１１から超音波を送信させるためには、音響波検出用のＵＴアレイを兼用してもよいし、あるいはそのＵＴアレイとは別のものが用いられてもよい。

制御手段３１はさらに、ＡＤ変換手段２２に対して、サンプリング開始を指示するサンプリングトリガ信号を出力する。このサンプリングトリガ信号は、前記光トリガ信号が出力された後で、かつ超音波トリガ信号が出力される前、より好ましくは被検体に実際にレーザ光が照射されるタイミングで出力される。そのためにサンプリングトリガ信号は、例えば制御手段３１がＱスイッチトリガ信号を出力するタイミングに同期して出力される。ＡＤ変換手段２２は上記サンプリングトリガ信号を受けると、プローブ１１が出力して受信回路２１が受信した音響波検出信号のサンプリングを開始する。

制御手段３１は、光トリガ信号を出力した後、音響波の検出を終了するタイミングで超音波トリガ信号を出力する。このとき、ＡＤ変換手段２２は音響波検出信号のサンプリングを中断せず、サンプリングを継続して実施する。言い換えれば、制御手段３１は、ＡＤ変換手段２２が音響波検出信号のサンプリングを継続している状態で、超音波トリガ信号を出力する。超音波トリガ信号に応答してプローブ１１が超音波送信を行うことで、プローブ１１の検出対象は、音響波から反射超音波に変わる。ＡＤ変換手段２２は、検出された超音波検出信号のサンプリングを継続することで、音響波検出信号と超音波検出信号とを、連続的にサンプリングする。

ＡＤ変換手段２２は、サンプリングして得られた光音響データおよび超音波データを、共通の受信メモリ２３に格納する。受信メモリ２３に格納されたサンプリングデータは、ある時点までは光音響データであり、ある時点からは超音波データとなる。データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された光音響データと超音波データとを分離する。

以下、光音響画像あるいは反射超音波画像の生成および表示について説明する。図１のデータ分離手段２４には、受信メモリ２３から読み出された超音波データおよび、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を被検体に照射して得られた光音響データが入力される。データ分離手段２４は、光音響画像の生成時には光音響データのみを後段の画像再構成手段２５に入力する。画像再構成手段２５はこの光音響データに基づいて、光音響画像を示すデータを再構成する。

検波・対数変換手段２６は上記光音響画像を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。検波・対数変換手段２６はこれらの処理後のデータを画像構築手段２７に入力する。画像構築手段２７は入力されたデータに基づいて、パルスレーザ光により走査された断面に関する光音響画像を構築し、その光音響画像を示すデータを画像表示手段１４に入力する。それにより画像表示手段１４には、上記断面に関する光音響画像が表示される。

なお、前述したようにプローブ１１を移動して被検体をレーザ光によって二次元走査し、その走査に伴って得られた複数の断面に関する画像データに基づいて、被検体の所望部位例えば血管等を三次元表示する光音響画像を生成、表示することも可能である。

また、データ分離手段２４が分離した超音波データに基づいて、被検体の超音波画像を生成、表示することも可能である。その超音波画像の生成、表示は、従来公知の方法によって行えばよく、本発明とは直接関連が無いので詳しい説明は省略するが、そのような超音波画像と光音響画像とを重ね合わせて表示させることも可能である。

次に、プローブ１１について詳しく説明する。なお、ここでは一例として、光音響画像化装置が図２に示すような携帯型超音波観測器として構成されるものとし、そこで用いられるプローブ１１について説明する。まず、図２の携帯型超音波観測器について説明する。この携帯型超音波観測器は、装置本体１１２とカバー１１３とを備えている。装置本体１１２の上面には、携帯型超音波観測器に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボール等が設けられた操作部１１４が配されている。カバー１１３の内面には、光音響画像や超音波画像、さらには様々な操作画面を表示するモニタ１４（図１の画像表示手段１４に対応する）が設けられている。

カバー１１３は、ヒンジ１１６を介して装置本体１１２に取り付けられており、操作部１１４とモニタ１４とを露呈させる図示の開き位置と、装置本体１１２の上面とカバー１１３の内面を対面させて、操作部１１４とモニタ１４を互いに覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。装置本体１１２の側面には、グリップ（図示せず）が取り付けられており、装置本体１１２とカバー１１３を閉じた状態にして携帯型超音波観測器を持ち運ぶことができる。装置本体１１２のもう一方の側面には、プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１１７およびレーザユニット接続部１７２が設けられている。

一方例えばＱスイッチ固体レーザを内蔵したパルスレーザユニット１７０は、電源ケーブル１７１を介して上記レーザユニット接続部１７２に接続されるようになっている。このパルスレーザユニット１７０は、光音響画像を取得する際に携帯型超音波観測器の操作部１１４から発光指示がなされると、所定のトリガ信号を受けてパルスレーザ光を発する。そのパルスレーザ光はバンドルファイバ１７３を介して伝搬され、超音波プローブ１１の先端に形成された光照射部１７４から被検体に向けて照射される。なお光照射部１７４は、超音波プローブ１１と別体に構成されても構わない。

次にプローブ１１について説明する。このプローブ１１は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド１１８と、プローブ接続部１１７に接続されるコネクタ１１９と、これらを繋ぐケーブル１２０とからなる。走査ヘッド１１８の先端部には、前述したＵＴアレイ１００が内蔵されている。

ＵＴアレイ１００は、第一の周波数領域としての１〜１０ＭＨｚ程度の比較的低周波の音響波を受信可能なように設計されたＭＵＴ（Micromachined Ultrasonic Transducer）アレイと、１０ＭＨｚを超える第二の周波数領域の高周波を良好に受信する有機系トランスデューサアレイの２種類の受信媒体から構成されたハイブリッドＵＴアレイである。このＵＴアレイ１００の代表的な構成は、ＭＵＴアレイの真上に有機系トランスデューサアレイが積層されたタイプのものである。

そのような構成のＵＴアレイ１００について、以下図３〜５を参照して詳しく説明する。図３はこのＵＴアレイ１００の構成を概略的に示す一部破断斜視図であり、図４はＵＴアレイ１００をＥＬ方向に対して直角な断面（Ａ−Ａ線に沿った断面）で切断して示す断面図であり、また図５はＵＴアレイ１００のＭＵＴ上電極５５の形状を示す平面図である。なお図３では、ＭＵＴ上電極５５の形状および本数は概略的に示してあり、それらの点については後に述しく説明する。

図３および図４に示すようにＵＴアレイ１００は、Ｓｉ基板５１の上に形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板５２上に、ＭＵＴ下電極５３、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなる無機系圧電薄膜５４、ＭＵＴ上電極５５、有機系圧電薄膜５６、および共通上部電極５７がこの順に積層されてなる基本構成を有する。

上記ＭＵＴ下電極５３、無機系圧電薄膜５４およびＭＵＴ上電極５５により、ＭＵＴ下電極５３をグラウンド電極とし、ＭＵＴ上電極５５を電圧読み取り電極とするＭＵＴアレイが構成されている。ＭＵＴ上電極５５は図５に示すように複数の六角形の部分が互いに細い線状部分で連結された形状とされ、本実施形態では六角形部分がＥＬ方向に並ぶ列が３列で１ラインを構成している。なお有機系トランスデューサアレイの下部電極を兼ねるＭＵＴ上電極５５の上記ラインは、図１に示した受信回路２１のアンプ回路に接続されている。

なお図４の上部分に４つの六角形部分５５ａ、５５ｂ、５５ｃおよび５５ｄの平面形状を示して、その下部分に示す断面図における各部位置が明確になるようにしているが、ここに示す４つの六角形部分５５ａ、５５ｂ、５５ｃおよび５５ｄは、図５に示した六角形部分５５ａ、５５ｂ、５５ｃおよび５５ｄと対応している。

上記ＭＵＴアレイの上には、ＭＵＴ上電極５５を下部電極とし、それと共通上部電極５７とで有機系圧電薄膜５６を挟んでなる有機系トランスデューサアレイが形成されている。なお有機系トランスデューサアレイを構成する電極は、ＭＵＴアレイの直上ではなく、ＭＵＴアレイどうしの間隙の直上に位置しても構わない。またその電極は、ＭＵＴアレイのＥＬ方向の延長上に、ＭＵＴアレイと並列して形成されても構わない。本発明はその他、低周波設計のＭＵＴアレイと高周波受信に優れる有機系トランスデューサアレイの組み合わせのあらゆる構成を含むものである。

なお、ＭＵＴアレイと有機系トランスデューサアレイから互いに別々の配線で信号を取り出すように構成されてもよい。そのような場合の画像化は、例えば下記の２つのような形態が考えられる。

（１）ＭＵＴアレイと有機系トランスデューサアレイの各配線が受信回路２１に接続され、受信回路２１で信号が合成される。

（２）受信回路２１から画像構築手段２７までの系統を、それぞれＭＵＴアレイ用と有機系トランスデューサアレイ用に合計２系統設け、各系統で構築された画像を合成する。この場合、ＭＵＴアレイから取得された画像と、有機系トランスデューサアレイから取得された画像を互いに色を変えた上で合成するようにしてもよい。

また、上述のようにする場合は、パルスレーザ光が奇数回目に照射されたときにＭＵＴアレイと有機系トランスデューサアレイの一方が出力する音響波検出信号を受信回路２１以下で処理するようにし、パルスレーザ光が偶数回目に照射されたときに上記両アレイの他方が出力する音響波検出信号を受信回路２１以下で処理するようにしてもよい。

ＭＵＴアレイは、例えばｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）の場合、ＳＯＩ基板５２に形成されたＳｉの振動板（メンブレン）上にチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料等からなる無機系圧電薄膜５４が形成された構成となっており、これらの部分が被観察部位からの音響波を受信すると、メンブレンが振動して無機系圧電薄膜５４が電圧を発生し、この電圧が受信信号として出力される。また同様に、有機系トランスデューサアレイの有機系圧電薄膜５６が被観察部位からの音響波を受信すると、有機系圧電薄膜５６が振動して電圧を発生し、この電圧が受信信号として出力される。

ＭＵＴアレイの直上に有機系トランスデューサアレイを積層した場合、ＭＵＴアレイの受信信号電圧と有機系トランスデューサアレイの受信信号電圧が重畳するが、ＭＵＴアレイは前述した１〜１０ＭＨｚ程度の比較的低周波領域の音響波を良好に受信するように設計されているため、この低周波領域ではＭＵＴアレイの共振による受信電圧が有機系トランスデューサアレイの受信電圧より著しく大きくなり、よって有機系トランスデューサアレイの受信電圧は実際上無視できるようになる。一方、前述したように１０ＭＨｚを超える高周波領域では、ＭＵＴアレイはほとんど受信電圧を発生しないため、有機系トランスデューサアレイの受信電圧が主体となり、ＭＵＴアレイの受信電圧は実際上無視できるようになる。

ＭＵＴアレイがｐＭＵＴの場合、その振動板の直径（後述するような空間５２ａのような空間が基板に形成される場合、基本的にその空間の直径がほぼ振動板の直径となる）と無機系圧電薄膜５４および振動板の厚さで共振周波数が決定される。本実施形態においてＭＵＴアレイは１〜１０ＭＨｚ程度の比較的低周波数で共振するように設計され、ｐＭＵＴの場合、上記直径は７０〜１５０μｍ程度、チタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料等からなる無機系圧電薄膜５４の厚さは５〜１０μｍ程度である。無機系圧電薄膜５４の厚さと、Ｓｉ等で形成される振動板の厚さとの比は、１：１近傍が効率上最適である。無機系圧電薄膜５４はＭＵＴ上電極５５およびＭＵＴ下電極５３によって上下から挟み込まれており、電極材料には例えばスパッタリング等で成膜された白金やイリジウムなどの薄膜が用いられる。

一方有機系圧電薄膜５６は、厚さが１０μｍ〜１００μｍ程度であり、共通上部電極５７およびＭＵＴ上電極５５によって上下から挟み込まれている。共通上部電極５７は、例えばスパッタリング等で成膜された金薄膜や白金薄膜からなる。有機系圧電薄膜５６には、圧電性を示す様々な有機材料が適用可能であるが、ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料が特に好ましい。すなわち、これらの材料は受信定数ｇが大きく、音響波の受信感度も比較的高いものとなっている。

なお、共通上部電極５７の上には、音響レンズが設けられてもよい。そのような音響レンズは特に無くても構わないが、有機系圧電薄膜５６より更に人体の音響インピーダンスに近い他の有機材料、例えばエポキシ系樹脂やシリコーンゴムなどを、音響整合用と素子の保護用を兼ねて積層するのが望ましい。

また、ＵＴアレイの各層を積層させる際に用いる接着剤には、様々な材料を適用することができる。特にエポキシ系樹脂は、音響透過性と接合強度に優れ、またコストの面でも安価であるため好ましい。

以下、ＳＯＩ基板５２上に形成したｐＭＵＴアレイに、有機系圧電薄膜５６を備えた有機系トランスデューサアレイを積層した実施例について説明する。

ここでは、基板表面側から順に、表面熱酸化膜／活性層（デバイス層）／ＢＯＸ層（酸化膜）／基板の積層構成を有し、それらの厚さが０．３／１０／１／４００μｍであるＳＯＩ基板５２を用いた。このＳＯＩ基板５２の上に、Ｔｉ、Ｐｔの順で各厚さがＰｔ／Ｔｉ＝１５０／２０ｎｍとなるようにそれらをＤＣスパッタリングして、ＭＵＴ下電極５３を形成した。その上にチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなる無機系圧電薄膜５４を、ＲＦスパッタリングで１０μｍ厚となるように、基板温度を６５０℃にして加熱成膜し、さらにその上にＭＵＴ上電極５５を、Ｔｉ、Ｐｔの順で厚さがＰｔ／Ｔｉ＝１５０／２０ｎｍとなるようにＤＣスパッタリングで形成した。

次にＭＵＴ上電極５５を、図４、５に示す六角形部分が互いに細い線状部分で接続した形状となるように、ドライエッチングした。一例としてこの六角形部分は、その内接円と外接円の中間円が直径１００μｍとなる大きさとした。この際、電極３列で１ラインを形成するようにし、そして１ラインの中で上記六角形部分が相互に導通するように上記線状部分を残した。またライン数は１２８ラインとした。

次に、ＳＯＩ基板５２の裏面から、ＭＵＴ上電極５５の上記六角形部分と整合する六角柱状の空間５２ａを形成した。この空間形成は、深堀エッチング装置でＳｉを酸化膜のストップエッチ層までエッチングすることにより行った。こうして空間５２ａの上に残ったＳｉの薄い部分が、無機系圧電薄膜５４と共にＭＵＴアレイの振動板を構成する。

次にＭＵＴアレイ上に、有機系圧電薄膜５６とするための厚さ２０μｍの有機圧電体シートを積層した。この有機圧電体シートには、音響インピーダンスが４．５Ｍｒａｙｌ（ただし、ｒａｙｌ＝Ｎ・ｓ/ｍ³）のＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を用いた。次に、こうして形成された有機系圧電薄膜５６の上面に、金属膜からなるいわゆるベタ電極である共通上部電極５７を形成した。この電極形成は、Ｔｉ、Ｐｔをこの順に厚さＰｔ／Ｔｉ＝１５０／２０ｎｍにＤＣスパッタリングすることにより行った。

さらに、上記有機圧電体シートの共通上部電極５７と反対側の面を、その下の部分に接着した。この接着は、ＭＵＴアレイの電圧読み取り部分となるＭＵＴ上電極５５の上に加熱硬化型のエポキシ樹脂を塗布し、デバイス全体を覆うテフロン（登録商標）板上に重りを載せて１０〜１００ｋＰａ程度の圧力が面内均一にかかるように加圧しながら、８０℃以下で熱圧着することにより行った。この工程により、ＭＵＴアレイのＭＵＴ上電極５５は有機系トランスデューサアレイの下電極となり、信号読み取り電極となる。一方、前述のようなベタ電極である共通上部電極５７は、全素子共通でグラウンドに落とす共通グラウンド電極になる。

以上のように形成されたＵＴアレイ１００を、図１の受信回路２１等を構成するＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）に接続した。この際、ＵＴアレイ１００のラインに合わせたＦＰＣを用意し、図５に示すように１ライン毎にODD（奇）電極６０とEVEN（偶）電極６１として上下に分離し、分離した信号線をＦＰＣに接続した。ＭＵＴ下電極５３および共通上部電極５７はグラウンドとなるので、ＦＰＣのグラウンドラインに接続した。ＦＰＣには図２に示すプローブ接続部１１７が接続されており、ここにコネクタ１１９を介してケーブル１２０を繋ぐことにより、プローブ１１が完成する。

本プローブ１１を用いて生体に波長８００ｎｍの波長のパルスレーザ光を照射し、光音響信号を受信した。５ＭＨｚから１０ＭＨｚの比較的低周波領域の信号はＭＵＴアレイで強く観測され、１０ＭＨｚを超える高周波領域の信号は有機系トランスデューサアレイで良好に取得することができた。

なお、一般的な超音波診断装置においては、発信した超音波の反射信号を受信するため、反射信号の帯域は送信した超音波プローブの帯域とほぼ合致する。しかし、光音響信号の場合は受信信号の波長領域が幅広く、信号値の最大ピークの１０％までを信号と考えると、１ＭＨｚから４０ＭＨｚ程度まで広がっている。したがって、１種類の超音波プローブで全領域をカバーするのは困難となっているが、本発明のプローブによれば、光音響信号のほとんどの領域をカバーすることが可能になる。

なお以上の説明では、いわゆるリニア電子走査型のプローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは１個のトランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式の超音波プローブでもよい。さらに本発明は、電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式のプローブや、電子内視鏡と一体化された光音響画像化装置に対しても適用可能である。

また、パルスレーザユニットを構成するレーザ光源としては、上記実施形態で用いられた固体レーザの他、発振波長が最大８００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ、発振波長が最大９００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ等も適用可能である。さらには、半導体レーザを種光源とする光増幅型レーザ光源と光波長変換素子との組み合わせからなるもの、より具体的には、波長１５６０ｎｍ程度のレーザ光を発する半導体レーザと、そのレーザ光を増幅する偏波保存型Ｅｒ（エルビウム）添加光ファイバからなるファイバ増幅器と、そこで増幅されたレーザ光を波長７８０ｎｍ程度の第２高調波に変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子とからなるもの等も適用可能である。

また本発明の光音響画像化装置および方法は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正および変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

例えば、上に述べた実施形態の光音響画像化装置は反射超音波による超音波画像も取得、表示できるように構成されたものであるが、本発明の光音響画像化装置はそのような機能は備えないものとして構成されても構わない。

またＭＵＴ系トランスデューサとしては、前述したｐＭＵＴの他に、ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）等も適用可能である。

また本発明は、デコンボリューション処理を施すようにした光音響画像化装置および方法にも適用可能である。図６は、そのデコンボリューション処理を施すように構成された光音響画像化装置の一部を示すブロック図である。この図６の構成は、例えば図１に示した画像再構成手段２５と検波・対数変換手段２６との間に挿入されるものであり、光微分波形逆畳込み手段４０およびその後段に接続された補正手段４６とからなる。そして分波形逆畳込み手段４０は、フーリエ変換手段４１、４２、逆フィルタ演算手段４３、フィルタ適用手段４４、およびフーリエ逆変換手段４５から構成されている。

上記分波形逆畳込み手段４０は、画像再構成手段２５が出力した光音響画像を示すデータから、被検体に照射されたパルスレーザ光の光強度の時間波形を微分した光パルス微分波形をデコンボリューションする。このデコンボリューションにより、吸収分布を示す光音響画像データが得られる。

以下、このデコンボリューションについて詳しく説明する。光微分波形逆畳込み手段４０のフーリエ変換手段（第１のフーリエ変換手段）４１は、離散フーリエ変換により、再構成された光音響画像データを時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換手段（第２のフーリエ変換手段）４２は、離散フーリエ変換により、光パルス微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号を時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換のアルゴリズムには、例えばＦＦＴを用いることができる。

本実施形態においては、ＡＤ変換手段２２における音響波検出信号のサンプリングレートと、光パルス微分波形のサンプリングレートとは等しいものとする。例えば音響波検出信号はＦｓ＝４０ＭＨｚのサンプリングクロックに同期してサンプリングされており、光微分パルスも、Ｆｓ＿ｈ＝４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングされている。フーリエ変換手段４１は、４０ＭＨｚでサンプリングした結果得られた、画像再構成手段２５が出力する光音響画像データを、例えば１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。また、フーリエ変換手段４２は、４０ＭＨｚでサンプリングされた光パルス微分波形を１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。

逆フィルタ演算手段４３は、フーリエ変換された光パルス微分波形の逆数を逆フィルタとして求める。例えば逆フィルタ演算手段４３は、光パルス微分波形ｈをフーリエ変換した信号をｆｆｔ＿ｈとしたとき、conj(fft_h)/abs(fft_h)²を逆フィルタとして求める。フィルタ適用手段４４は、フーリエ変換手段４１でフーリエ変換された光音響画像データに、逆フィルタ演算手段４３で求められた逆フィルタを適用する。フィルタ適用手段４４は、例えば、要素ごとに、光音響画像データのフーリエ係数と逆フィルタのフーリエ係数とを乗算する。逆フィルタが適用されることで、周波数領域の信号において、光パルス微分波形がデコンボリューションされる。フーリエ逆変換手段４５は、フーリエ逆変換により、逆フィルタが適用された光音響画像データを、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。フーリエ逆変換により、時間領域の吸収分布信号が得られる。

以上述べた処理を行うことにより、光微分項がコンボリューションされた音響波検出信号から光微分項を除去することができ、音響波検出信号から吸収分布を求めることができる。そのような吸収分布を画像化した場合には、吸収分布画像を示す光音響画像が得られる。

なお補正手段４６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータを補正し、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから、プローブ１１における超音波振動子の受信角度依存特性の影響を除去する。また、補正手段４６は、受信角度依存特性に加えて、またはこれらに代えて、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから被検体における光の入射光分布の影響を除去する。なお、このような補正を行わずに、光音響画像の生成を行ってもよい。

１０ 光音響画像化装置
１１ プローブ
１２ 超音波ユニット
１３ レーザ光源ユニット
１４ 画像表示手段
２１ 受信回路
２２ ＡＤ変換手段
２３ 受信メモリ
２４ データ分離手段
２５ 画像再構成手段
２６ 検波・対数変換手段
２７ 画像構築手段
３０ 送信制御回路
３１ 制御手段
３２ Ｑスイッチレーザ
３３ フラッシュランプ
４１、４２ フーリエ変換手段
４３ 逆フィルタ演算手段
４４ フィルタ適用手段
４５ フーリエ逆変換手段
５１ Ｓｉ基板
５２ ＳＯＩ基板
５３ ＭＵＴ下電極
５４ 無機系圧電薄膜
５５ ＭＵＴ上電極
５６ 有機系圧電薄膜
５７ 共通上部電極
１００ ＵＴアレイ
１７０ パルスレーザユニット

Claims (10)

1. 光の照射を受けた被検体から発せられた音響波を検出する光音響画像化装置用プローブにおいて、
   所定の第一の周波数領域にある音響波を検出するＭＵＴ系トランスデューサと、
   前記第一の周波数領域よりも高周波側にある第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを備えたことを特徴とする光音響画像化装置用プローブ。
2. 前記ＭＵＴ系トランスデューサおよび有機系トランスデューサがそれぞれトランスデューサアレイを構成しており、
   それらのトランスデューサアレイが互いに積層して配設されていることを特徴とする請求項１記載の光音響画像化装置用プローブ。
3. 前記ＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが基板の上に形成され、
   その上に前記有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが積層されていることを特徴とする請求項２記載の光音響画像化装置用プローブ。
4. 前記有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイを構成する電極が、前記ＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイの直上に形成されていることを特徴とする請求項３記載の光音響画像化装置用プローブ。
5. 前記ＭＵＴ系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが、圧電薄膜を挟む１対の電極を有し、
   それらの電極のうち、有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイの側に配置された電極が、この有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイの電極として兼用されていることを特徴とする請求項４記載の光音響画像化装置用プローブ。
6. 前記兼用されている電極が信号取り出し用電極とされていることを特徴とする請求項５記載の光音響画像化装置用プローブ。
7. 前記ＭＵＴ系トランスデューサを構成する圧電薄膜が、チタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなるものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
8. 前記有機系トランスデューサを構成する有機圧電薄膜が、フッ化系材料からなるものであることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
9. 前記第一の周波数領域が１〜１０ＭＨｚの領域であり、前記第二の周波数領域が１０ＭＨｚを超える領域であることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
10. 請求項１から９いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブを備えてなる光音響画像化装置。

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