JP2014144376A - 超音波検出装置及び超音波診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波検出装置は、静電容量型電気機械変換装置6と、電圧源15と、電気回路14とを含む。静電容量型電気機械変換装置は、第1電極12と、この第1電極と対向し空隙9を隔てて配設された第2電極7とを備える。電圧源は、第1電極12と第2電極7の間に電位差を生じさせる。電気回路は、第2電極7の振動による第1電極12と第2電極7間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する。静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第1カットオフ周波数2を有するハイパス特性1を有し、前記電気回路の出力は、周波数に対して第2カットオフ周波数4を有するローパス特性3を有する。第1カットオフ周波数2よりも第2カットオフ周波数4が小さい。
【選択図】図1
Description
I=P/[(Zm+Zr)/(εA*Vb/d2)+jωC] (1)
ここで、eは真空の誘電率、Aは電気機械変換装置の電極(後述する上部電極7参照)の面積、Vbは電極間に印加するバイアス電圧、dは電極間の真空等価距離、Pは入力音圧、Zmは振動膜(後述する振動膜8参照)の機械インピーダンス、Zrは電気機械変換装置の周りの媒体の音響インピーダンス、ωは入力音圧の角周波数、Cは全静電容量である。この式で、全静電容量は相対的に小さいため、周波数の関数となっているのは振動膜の機械インピーダンスZmであると言ってよい。
Zm=j*km*{(ω/ω0 2)-1/ω} (2)
kmは振動膜のバネ定数であり、共振角周波数ω0(これは、第1のカットオフ周波数2の近くにある。図1(a)参照)よりも周波数が低い領域においては圧力Pに比例して振動膜が変位する。Zmは低周波数領域から共振周波数までは周波数に反比例して0に近づいていく。このことから、振動膜の共振周波数よりも小さい周波数領域において出力電流周波数特性1は周波数について一次特性となる。尚、図1(a)〜(c)の周波数特性の曲線について、これらは原理説明のために簡略化して見易く描いている。実際は、例えば肩部近辺ではもう少し形が崩れてなだらかに変化していて、カットオフ周波数は必ずしも図示した様に肩部の角に位置するものではない。また、図1(a)の横軸は対数表示された周波数を表し、上記一次特性は、対数表示された周波数に関して一次的な特性であることを意味する。同様に、上記反比例も、対数表示された周波数に関して反比例することを意味する。
G=Rf/(1+jωRf*Cf) (3)
f=1/(2πRf*Cf) (4)
Gは電気回路のゲイン、Rfは帰還抵抗、Cfは帰還容量、fとωは入力電流の周波数と角周波数である。本発明の構成で用いる電気回路は、式(3)の様に周波数に対して一次特性(上記周波数特性1と同様に、対数表示された周波数に関しての特性である)のものを用いることが望ましく、高次特性を持つ回路を使用することは好ましくない。
(第1の実施形態)
第1の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の静電容量型電気機械変換装置6(以下、セルとも言う)と電気回路14の構成を図1(d)に示す。1つのセルとして示す静電容量型電気機械変換装置6は、上部電極7、振動膜8、キャビティ9、絶縁層10、振動膜8を支持する支持部11、下部電極12、これらを支持する基板13で構成される。電気回路14は、上部電極7及び下部電極12と接続された抵抗R1、帰還抵抗Rfと帰還容量Cfを含む演算増幅器を有する。これらの変換装置6と電気回路14は、上述した周波数特性を有する様に構成されている。
第2の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の構成を図2(a)、(b)に示す。図の破線部分は、セル6の透視部を除いて、構造の描画を省略したことを示す。本実施形態では、セル6が基板13上に複数並んでいる。各セル6及び電気回路14の構造は第1の実施形態で説明した通りである。複数のセル6の上部電極7と下部電極12は、夫々、電極結合配線部16、17により電気的に接続され、複数のセル6間で夫々導通している。図2(b)に示す様に、セル6は二次元的に等間隔で配列され、1つのエレメント20を形成している。装置は、エレメント20の上部電極7が、例えば、超音波の伝播の良好な液体18に接した状態で使用される。検出感度、信号処理の容易さなどの観点から、複数のセル6間で、振動膜8の機械特性やキャビティ9の深さは均一であるのが望ましい。エレメント20内において、セル6の配列は、図示例では正方格子状になっているが、千鳥状、六方最密状などでも構わない。エレメント20内のセル6の配列形態や数は、場合に応じて適宜決めればよい。また、図示例では振動膜8の形状を円形に描いたが、多角形などでもよい。この様に、本実施形態では、下部電極12(第1電極)と上部電極7(第2電極)で構成されるコンデンサが、複数の空隙9と複数の第2電極ないし振動膜8とを含んで構成される。そして、エレメント20の出力電流の周波数特性は、複数の第2電極ないし振動膜8の機械特性の平均とコンデンサの静電容量を含む因子で決定される。
第3の実施形態の超音波検出装置を説明する。本実施形態の構成を図2(c)、(d)に示す。上面図である図2(d)は超音波検出装置32の全体構成を示す。図2(c)、(d)でも、破線部分は構造の描画を省略したことを示す。本実施形態の超音波検出デバイス30は、第2の実施形態のエレメント20が二次元的に配列されている構成である。配線部16で繋がった上部電極7と配線部17で繋がった下部電極12のうち、どちらか一方はエレメント20ごとに電気的に分離されている。本実施形態でも、上部電極16は超音波の伝播の良好な液体18に接している。エレメント20ごとの出力を配線31で電流‐電圧変換増幅回路14に送って電圧変換することで、超音波信号を二次元の分布として検出することが可能である。ここでも、各エレメント20の周波数特性1は、複数の振動膜8の機械特性の平均値等で決定される。また、各エレメント20の電流出力の大きさは複数の上部電極7の総面積にほぼ比例する。本実施形態の超音波検出装置では、コンデンサは2次元的に配列されており、第2電極ないし振動膜8の振動情報を2次元で検出することが可能である。その他の点は第1の実施形態と同様である。
第4の実施形態の超音波診断装置を説明する。本実施形態の構成を図3に示す。光源40から発せられた光41が伝播して生体組織42にあたることによって、光音響波と呼ばれる超音波43が発せられる。すなわち、生体組織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、当該箇所が加熱される。そして、加熱された部分が膨張し、膨張に伴い弾性波が発生する。この超音波43の周波数は生体組織を構成する物質や個体によって異なるが、上述した様に、例えば、200kHz乃至2MHz程度である。超音波(光音響波)43は、その伝播の良好な液体18を通って、超音波検出装置32で検出される。電流電圧変換・増幅された信号は信号束線44を介して信号処理系45に送られる。検出結果の信号は信号処理系45で信号処理され、生体情報を抽出する。超音波検出装置32が上述した第3の実施形態の如き構成ならば、二次元的な超音波分布を検出することが可能であり、検出装置32を走査することによって広範囲な分布を捉えることができる。超音波は音速であるため、到達波(時間波形)の時間差を解析して時間情報を得て奥行き方向の情報も取得可能であり、その場合、信号処理系45に再構成機能を持たせてもよく、三次元の生体情報を抽出することができる。また、受信した信号をフーリエ変換して周波数特性を得ることで画像などを取得することもできる。
Claims (6)
- 第1電極と、前記第1電極と対向し空隙を隔てて配設された第2電極とを備えるセルを有する静電容量型電気機械変換装置と、
前記第1電極と前記第2電極の間に電位差を生じさせるための電圧源と、
前記第2電極の振動による前記第1電極と前記第2電極との間の静電容量の変化に伴う電流を電圧に変換する電気回路と、
を含む超音波検出装置であって、
前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流は、周波数に対して第1カットオフ周波数を有するハイパス特性を有し、
前記電気回路の出力は、周波数に対して第2カットオフ周波数を有するローパス特性を有し、
前記第1カットオフ周波数よりも前記第2カットオフ周波数が小さいことを特徴とする超音波検出装置。 - 前記静電容量型電気機械変換装置は、基板に配設された第1電極と、前記第1電極と対向して設置された第2電極と、前記第1電極と前記第2電極の間に挟まれた絶縁体及び空隙と、前記第2電極を上下に振動可能に支持する振動膜と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の超音波検出装置。
- 当該超音波検出装置の周波数特性において、
前記第1カットオフ周波数と前記第2カットオフ周波数の相乗平均が0.4MHz乃至1.0MHzの範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の超音波検出装置。 - 前記第1電極と前記第2電極で構成されるコンデンサが、複数の前記空隙と複数の前記第2電極または振動膜とを含んで構成され、
前記静電容量型電気機械変換装置の出力電流の特性が、前記複数の第2電極または振動膜の機械特性の平均と前記コンデンサの静電容量を含む因子で決定されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の超音波検出装置。 - 前記コンデンサが2次元的に配列されており、
前記第2電極または振動膜の振動情報を2次元で検出することが可能であることを特徴とする請求項4に記載の超音波検出装置。 - 請求項1乃至5の何れか1項に記載の超音波検出装置と、
光源と、
前記超音波検出装置によって検出された信号を処理する信号処理系と、
を含む超音波診断装置であって、
前記光源から発せられた光を検査対象にあて、前記検査対象にあてられた光による光音響効果によって生じる弾性波を前記超音波検出装置で検出し、前記検出結果を前記信号処理系で処理することで前記検査対象の情報を取得することを特徴とする超音波診断装置。
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