JP2017047180A - Transducer array, and acoustic wave measurement apparatus including transducer array - Google Patents
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- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
Abstract
Description
本願発明は、音響波を測定するための探触子アレイに関し、特に光音響効果により発生した音響波を測定する探触子アレイに関する。 The present invention relates to a probe array for measuring an acoustic wave, and more particularly to a probe array for measuring an acoustic wave generated by a photoacoustic effect.
光音響効果を利用した光音響トモグラフィー(PAT:Photo AcousticTomography)の診断装置が公知である。かかる装置では、Nd:YAGレーザパルス光源の照明光(近赤外線)を対象物に照射し、その時、対象物内部で光音響効果により発生する音響波を2次元もしくは3次元配列探触子(探触子アレイ)で受信し、画像を生成して表示する。 A photoacoustic tomography (PAT) diagnostic apparatus using a photoacoustic effect is known. In such an apparatus, the object is irradiated with illumination light (near infrared) from an Nd: YAG laser pulse light source, and at that time, an acoustic wave generated by the photoacoustic effect inside the object is irradiated with a two-dimensional or three-dimensional array probe (probe). The image is generated by the toucher array and displayed.
特許文献1には、被検体から伝搬した音響波から伝搬経路毎の音響波信号の分離、合成の精度を高めるために、複数の探触子が曲面状の支持構造に配列された探触子アレイを備えた光音響測定装置が開示されている。また、特許文献1に開示の探触子は、円形の受信面を有している圧電素子タイプである。
微小電気機械システム技術により、高密度、高感度、広受信帯域特性を有するCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)素子からなる探触子を形成することが知られている。微小電気機械システム技術は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術とも言われ、本願明細書では、これ以降、MEMSと称する。 It is known to form a probe composed of a CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) element having high density, high sensitivity, and wide reception band characteristics by a micro electro mechanical system technology. The microelectromechanical system technology is also referred to as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, and is hereinafter referred to as MEMS in the present specification.
CMUT素子は、半導体プロセスで形成されるため、半導体ウエハ18からの所定の形状、サイズで切り出すことが可能なダイシングカット技術を利用して切り出される。従って、半導体ウエハからの収率を高めるため、CMUT素子の外縁形状は、引用文献1のような円形ではなく、正方形を含む平行四辺形となる。
Since the CMUT element is formed by a semiconductor process, the CMUT element is cut out by using a dicing cut technique that can be cut out from the semiconductor wafer 18 in a predetermined shape and size. Therefore, in order to increase the yield from the semiconductor wafer, the outer edge shape of the CMUT element is not a circle as in the cited
このような平行四辺形の受信面を有する探触子を探触子アレイに実装する際、受信面を規定する頂点の1つと、隣接する受信面を規定する頂点の1つが近接した配列では探触子の実装密度が低下し、画像の分解能が制限されるという課題に至ることになった。また、受信面を規定する頂点の1つと、隣接する受信面を規定する辺が近接した配列場合は、有効受信領域が重なりクロストークが発生し、画像の分解能が制限されるという課題に至ることになった。また、かかる態様において、受信面の実装密度を確保するために、1探触子あたりの受信面の面積を小さくすると、受信面積が制限され探触子アレイの受信感度が低下し、被検体の深部の情報を得がたい課題が生じた。 When a probe having such a parallelogram receiving surface is mounted on the probe array, the probe is arranged in an array in which one vertex defining the receiving surface and one vertex defining the adjacent receiving surface are close to each other. As a result, the mounting density of the tentacles decreased, and the resolution of the image was limited. In addition, when one of the vertices that define the receiving surface and the side that defines the adjacent receiving surface are close to each other, the effective receiving area overlaps and crosstalk occurs, leading to a problem that the resolution of the image is limited. Became. Further, in this aspect, if the area of the receiving surface per probe is reduced in order to ensure the mounting density of the receiving surface, the receiving area is limited, and the receiving sensitivity of the probe array is reduced. There was a problem that it was difficult to obtain deep information.
本願発明の探触子アレイは、お椀状の内面を有する支持部と、それぞれの受信面が、前記内面の内側に向けられるように接続され、音響波を電気信号に変換する複数の探触子と、を有する探触子アレイであって、前記支持部は、仮想回転軸の周りに仮想二次曲線が回転した回転二次曲面により前記内面が規定されており、前記探触子は、4つの頂部で規定される略平行四辺形の受信面と、前記受信面で受信した音響波を電気信号に変換する変換素子と、を備え、前記受信面は、前記4つの頂部のうちの1つが、他の3つの頂部よりも、前記仮想回転軸に近接していることを特徴とする。 The probe array according to the present invention includes a plurality of probes that are connected to a support portion having a bowl-shaped inner surface and each receiving surface is directed to the inner side of the inner surface, and converts an acoustic wave into an electric signal. Wherein the inner surface of the support portion is defined by a rotating quadratic curved surface obtained by rotating a virtual quadratic curve around a virtual rotation axis. A substantially parallelogram-shaped receiving surface defined by two tops, and a conversion element for converting an acoustic wave received by the receiving surface into an electrical signal, wherein the receiving surface has one of the four tops. , It is characterized by being closer to the virtual rotation axis than the other three apexes.
また、本願発明の探触子アレイは、複数の探触子を支持するためのお椀状の支持部を有する探触子アレイであって、
前記探触子は音響波を受信する略平行四辺形の受信面を有し、
前記支持部の所定領域に含まれる複数の前記受信面は、前記支持部のお椀状の内面の中心の側から前記内面に沿って、右巻の複数の仮想螺旋と、それらと交差する左巻の複数の仮想螺旋との交点で構成される格子上に配列されるように、前記複数の探触子が前記支持部に支持されていることを特徴とする。
Further, the probe array of the present invention is a probe array having a bowl-shaped support portion for supporting a plurality of probes,
The probe has a substantially parallelogram receiving surface for receiving acoustic waves,
The plurality of receiving surfaces included in the predetermined region of the support part are a plurality of right-handed virtual spirals along the inner surface from the center side of the bowl-shaped inner surface of the support part, and a left-hand winding intersecting them. The plurality of probes are supported by the support portion so as to be arranged on a lattice formed by intersections with the plurality of virtual spirals.
本願発明によれば、音響波測定に適用した際に、分解能、感度が両立した音響波画像を取得する探触子アレイを提供することができる。また、本願発明によれば、撮影品質に優れた、音響波測定装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a probe array that acquires an acoustic wave image having both resolution and sensitivity when applied to acoustic wave measurement. Moreover, according to this invention, it becomes possible to provide the acoustic wave measuring apparatus excellent in imaging | photography quality.
[実施形態]
<音響波測定装置>
図2は、本願発明の探触子アレイ32を光音響波を測定する音響波測定装置21に適用した第2の実施形態を示すブロック図である。支持台1は、被験者24を下方から支持する支持面25と、支持面に設けられ被検体20を下方に挿入する挿入口12と、を備えている。支持台1に設置された保持部材11の上に保持する。被検体20には、被験者24の乳房、四肢、頭部等が含まれる。保持部材11は被検体20を保持しやすいようにお椀状の形状となっている。
[Embodiment]
<Acoustic wave measuring device>
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment in which the
探触子アレイ32は、音響波を被検体20に送信し、被検体20で反射した音響波を探触子アレイで受信する。或いは、探触子アレイ32は、後述する光照射部31から被検体20の内部に照射したパルス光により、被検体20の局所的かつ短時間の膨張・収縮変化の結果生じる圧力弾性波を音響波として受信する。
The
探触子アレイ32は、探触子321が有する受信面10を被検体20の方向に向けるように配置されている。探触子321は、受信面10が液槽36の槽内に向くように液槽36、および、支持部322に接続されていることにより、被検体20から伝搬する音響波を効率的に取得することが可能となっている。
The
探触子アレイ32と保持部材11の間はマッチング液35が貯留された液槽36に充填されており、探触子アレイ32はマッチング液35を充填する液槽36に接続されている。また、探触子アレイ32は、マッチング液35を充填する液槽36の構成の一部をなしているとも言える。液槽36は、貯留されたマッチング液35に被検体20を音響的に接触させられるように、音響的に開口された開口部16を挿入口12と重なる位置に有している。探触子アレイ32は、開口部16と対向する側において液槽35に接続されている。
A space between the
マッチング液35には空気と比較して音響インピーダンスが被検体の組織に近い水が用いられる。マッチング液35は、水以外に、ゲル、ジェル等を用いることも可能である。
As the matching
探触子アレイ32は、被検体20が保持部材11に保持された状態を観察する為のカメラ33、探触子321、および、水平面(XY平面)内で2次元移動させる液槽走査部34を、有する。
The
液槽走査部34は、挿入口12に対して、液槽36を相対的に移動させることにより、探触子アレイ32の受信領域を水平面内で二次元走査させ、被検体20と受信領域とを重ねる。本実施形態においては、光照射部31から照射され、不図示の光照射領域が、被検体20と重ねた状態において、光照射領域が水平面内で二次元走査可能なように構成されているとも言える。
The liquid tank scanning unit 34 moves the liquid tank 36 relative to the insertion port 12 to cause the reception area of the
なお、液槽走査部34が不図示のリニアガイド、送りネジ機構、および、モーター等を組み合わされたXY液槽走査部も本願発明に含まれる。 An XY liquid tank scanning unit in which the liquid tank scanning unit 34 is combined with a linear guide (not shown), a feed screw mechanism, a motor, and the like is also included in the present invention.
信号処理部4は、AD変換を行い、デジタルデータ(音響データ)を信号処理する。画像生成部6は、かかる音響データを用いて2次元もしくは3次元の音響画像を生成する。表示部7は、生成された音響画像およびカメラ33で取得した画像を表示する。
The signal processing unit 4 performs AD conversion and performs signal processing on digital data (acoustic data). The
<保持部材>
保持部材11は、被検体20を測定期間中に所定の形状に保持する保持機能を有するとともに、被検体20から探触子アレイ32に到達する音響波の伝搬を阻害しないように構成された音響インピーダンスを有する。保持部材11は、被検体20の形態に応じて選択されるが、被検体11が乳房の場合は、お椀状の曲面支持部が用いられる。保持部材11は、被検体の大きさに応じたサイズ、曲率を有した複数の交換用支持部が用意されるか、エラストマー等の可橈性を有するものが適用される。
<Holding member>
The holding
なお、保持部材11は音響波を透過しやすいように薄く、0.05mm〜1.0mm厚等が適用される。また保持部材11は、本実施形態では、光照射部31から照射されるパルス光を透過する透光性の部材で構成されている。本実施形態から、光照射部31、導光手段51、光源5を除いた、不図示の、音響波測定装置であれば、保持部材11の透光性は、必ずしも必要ではない。
The holding
保持部材11は、撮影姿勢を維持する点において、被検体20の荷重に耐えうる強度を有する部材で構成されることが好ましく、PET(ポリエチレンテレフタレート)が適用される。
The holding
<光源>
光源5は、被検体20にパルス光を照射することにより、被検体内で光音響波を発生させる。被検体20が生体の場合、光源5からは被検体20を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特定の波長の光を照射する。光源5は、探触子アレイ32と一体的に設けられていても良いが、本実施形態のように、導光手段51を介して探触子アレイ32とは分離して光学的に接続されていても良い。
<Light source>
The light source 5 generates a photoacoustic wave in the subject by irradiating the subject 20 with pulsed light. When the subject 20 is a living body, the light source 5 emits light having a specific wavelength that is absorbed by a specific component among the components constituting the subject 20. The light source 5 may be provided integrally with the
光源5としては数ナノから数百μ秒のパルス幅を有するパルス光を照射光として発生可能なパルス光源が好ましいが。本実施形態では、効率的に光音響波を発生させる意図から、10〜100ナノ秒のパルス幅が調整できるように構成されている。 The light source 5 is preferably a pulse light source that can generate pulsed light having a pulse width of several nanoseconds to several hundreds of microseconds as irradiation light. In the present embodiment, the pulse width of 10 to 100 nanoseconds can be adjusted from the intention of efficiently generating photoacoustic waves.
光源5は、高出力が得られるためレーザが好ましいが、レーザのかわりに発光ダイオードなどを用いることも可能である。レーザとしては、固体レーザ、ガスレーザー、ファイバーレーザー、色素レーザ、半導体レーザなど様々なレーザを使用することができる。照射のタイミング、波形、強度などは不図示の光源制御部によって制御される。本願発明において、使用する光源の波長は、被検体内部まで光が伝搬する赤外波長を使うことが望ましい。本実施形態の光源5の発光中心波長は、500nm以上1200nm以下の近赤外光である。 The light source 5 is preferably a laser because a high output can be obtained, but a light emitting diode or the like can be used instead of the laser. As the laser, various lasers such as a solid laser, a gas laser, a fiber laser, a dye laser, and a semiconductor laser can be used. The timing, waveform, intensity, etc. of irradiation are controlled by a light source control unit (not shown). In the present invention, the wavelength of the light source used is preferably an infrared wavelength at which light propagates to the inside of the subject. The light emission center wavelength of the light source 5 of this embodiment is near infrared light of 500 nm or more and 1200 nm or less.
<導光手段>
光源5から照射された光は、導光手段51により、所望の光分布形状に加工されながら被検体20に導かれる。導光手段51は、光ファイバ、鏡筒にミラーなどを組み込んだArticulating armなどが含まれる。
<Light guide means>
The light emitted from the light source 5 is guided to the subject 20 by the light guide 51 while being processed into a desired light distribution shape. The light guide means 51 includes an optical fiber, an articulating arm in which a mirror is incorporated in a lens barrel, and the like.
その他の導光手段51は、例えば、光を反射するミラーや、光を集光したり拡大したり形状を変化させるレンズ、光を拡散させる拡散板などである。 The other light guide means 51 is, for example, a mirror that reflects light, a lens that collects or enlarges light, or changes its shape, or a diffusion plate that diffuses light.
<探触子アレイ>
図1は、本願発明の第1の実施形態に関わる探触子アレイ32を示す俯瞰図(a)、上面図(b)、(d)および、部分拡大図(c)である。また、図6は、本願発明の第1の実施形態に関わる探触子アレイ32の断面図である。
<Probe array>
FIG. 1 is an overhead view (a), top views (b) and (d), and a partially enlarged view (c) showing a
探触子アレイ32は、図6に示すように、音響的に開口された複数の開口40が設けられたお椀状の支持部322と、それぞれが、複数の開口のそれぞれに接続され、音響波を電気信号に変換する複数の探触子321と、を有する。言い換えると、探触子アレイ32は、回転二次曲面により内面が規定されたお椀状の支持部322と、それぞれの受信面10が、お椀状の内面の内側に向かられるように接続され、音響波を電気信号に変換する複数の探触子321と、を有する。回転二次曲面については後述する。
As shown in FIG. 6, the
なお、本実施形態の探触子アレイ32は、図1(b)、(d)に示すように、光音響波を測定する音響波測定装置21に適用する為、光源5と導光手段51介して接続された光照射部31、探触子321、被検体20の保持状態を観察するカメラ33を有する。
The
本願発明は、回転二次曲面で内面の形状が規定された探触子アレイにおける、複数の受信面の配列であるが、これについては、後述する。 The present invention is an array of a plurality of receiving surfaces in a probe array in which the shape of the inner surface is defined by a rotating quadratic curved surface, which will be described later.
<探触子>
探触子321は、音響波を検出し、アナログ信号である電気信号に変換するものである。圧電現象を用いた変換素子、光の共振を用いた変換素子、容量の変化を用いた変換素子など音響波を検知できるものであれば、どのような素子を用いてもよい。
<Probe>
The
本実施形態において、探触子321は支持部322に互いに間隔を置いて複数配置されることで、多次元の配列の探触子を有した探触子アレイ32を構成する。このような多次元配列素子を用いることで、同時に複数の場所で音響波を検出することができ、検出時間を短縮できる。
In the present embodiment, a plurality of
探触子の一つとしてマイクロマシニング工程を用いて作成される静電容量型探触子が開発されている。静電容量型探触子は、下部電極と間隔を隔てて支持された振動膜と、振動膜の表面に配設される上部電極とを含むセルを有する。このような静電容量型探触子は、CMUT(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer)と称される。CMUTは、数mm□に数十〜数千の静電容量型セルを備えた受信面を形成することが可能であり、軽量の振動膜を用いる為、広い受信帯域を確保することが可能となっている。 As one of the probes, a capacitive probe that is created using a micromachining process has been developed. The capacitance-type probe has a cell including a vibration film supported at a distance from the lower electrode, and an upper electrode disposed on the surface of the vibration film. Such a capacitive probe is called a CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). CMUT can form a receiving surface with several tens to thousands of capacitive cells in several mm □, and because it uses a lightweight diaphragm, it can secure a wide receiving band. It has become.
図3は、半導体ウエハ18上に形成されたCMUT素子アレイの概略図である。また、図7(a)〜(d)は、受信面10の実施形態を示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic view of a CMUT element array formed on the semiconductor wafer 18. 7A to 7D are schematic diagrams illustrating an embodiment of the receiving
CMUT素子は、半導体ウエハ18からダイシングカット等により振動膜(メンブレン)の集合領域を単位セルとして切断して決定される。単位セルは、探触子321から音響波信号に基づく電気信号を読み出すチャネルの最小単位となる。ダイシングカットは、所定の間隔で平行な切断を繰り返すことで必要なデバイス領域が切り出される。切り出された受信面10を有するCMUT素子は、所定の形状、所定の大きさに揃えることができる。
The CMUT element is determined by cutting the collective region of the vibrating membrane (membrane) from the semiconductor wafer 18 by a dicing cut or the like as a unit cell. The unit cell is a minimum unit of a channel for reading an electric signal based on the acoustic wave signal from the
従って、切り出されアCMUT素子の受信面10の外縁は、図3、および、図7(a)に示すように、4つの頂部を有する略平行四辺形となる。探触子アレイ32に実装した際の探触子321の配向依存性を低減する意図から、即ち対称性の観点から、本実施形態では正方形とされている。
Therefore, the outer edge of the
なお、図7(a)に示す様に、本実施形態の受信面10は、CMUT素子の単位セルを6×6=36個有している。CMUT素子は、静電容量を規定するとともに、静電容量変化を外部に読み出すための陽極陰極対(不図示)を有している。陽極陰極対の一方に音響波を受信する振動膜(メンブレン)が音響的に結合されている。従って、CMUT素子における受信面10は、陽極陰極対の一方と音響的に結合された振動膜の形状として決定することが可能である。
As shown in FIG. 7A, the receiving
図7(a)に示す受信面10は、4つの頂部Vaが直角であり、辺部Eaが直線状の正方形である。また、本実施形態の受信面10は、マトリクス状に配列された単位セル17を備えている。
In the receiving
一方、図7(b)に示す受信面10は、4つの頂部Vbが、辺部に対して45度のテーパ処理がなされている点、において図7(a)に示す受信面10と相違する。本実施形態は、テーパ部の長さは、受信面10の外側において受信面10を内接する最小の平行四辺形である、外接正方形の辺に対して14%以下の長さであることが好ましい。
On the other hand, the receiving
また、図7(c)に示す受信面10は、4つの頂部Vbが、四分の1円状にR処理されている点、と、単位セル17が千鳥配列を取っている点、とにおいて図7(a)、(b)に示す受信面10のそれぞれと相違する。本実施形態の千鳥配列は、単位セル17が、列毎に180度位相がずれている。
In addition, the receiving
また、図7(d)に示す受信面10は、辺部Edが曲線で規定されている点、において図7(c)に示す受信面10と相違する。
Moreover, the receiving
以上のように、受信面10は、図1(a)に示すような、幾何学的に厳密な正方形のみならず、図1(b)〜(c)に示すような、互いに実質的に垂直であり長さが等しい隣接する辺部を有する略正方形であっても良い。 As described above, the receiving surfaces 10 are substantially perpendicular to each other as shown in FIGS. 1B to 1C as well as geometrically exact squares as shown in FIG. And may have a substantially square shape with adjacent sides having the same length.
即ち、本願明細書においては、受信面10は幾何学的に厳密な平行四辺形である必要はなく、図7(b)〜(d)に示す通り、ダイシングカット等の半導体切断プロセスと簡単な周縁部の処理により規定される略平行四角形が含まれる。なお、図7(b)、(c)の示す、受信面10の頂部Vb、Vcに対するテーパ処理、R処理は、カット後のハンドリングで頂部に生じるチッピング、欠け等の発生を軽減する意図で行われる。
That is, in the present specification, the receiving
なお、本願発明の探触子アレイに適用可能な探触子は、CMUTの他に、圧電素子型の音響波トランスデューサ(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer)が含まれる。 The probe applicable to the probe array of the present invention includes a piezoelectric element type acoustic wave transducer (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) in addition to the CMUT.
<支持部>
次に、図1、図5を用いて支持部322を説明する。支持部322は複数の探触子321を、支持部322が備える開口に沿って支持する。本実施形態は半球状の支持部322に設けられた複数の開口40に複数の探触子321をそれぞれ接続した探触子アレイ32である。
<Supporting part>
Next, the
支持部322はお椀状の曲面の内側に、それぞれの受信面を向けるように複数の探触子が接続される。曲面は、対称性の観点から、回転二次曲面とすることが好ましい。一般に、回転二次曲面は、球、半球、楕円球、回転放物面、回転双曲面の他に、円錐、円柱、放物線柱、双曲線柱、楕円柱、正弦波柱、放物線柱、が含まれる。一方で、本願発明における回転二次曲面には、球、半球、楕円球、回転放物面、回転双曲面が含まれる。
A plurality of probes are connected to the
換言すると、本願発明における回転二次曲面は、「非可展面要件」と「iso center要件」とを満たす態様である。 In other words, the rotating quadric surface in the present invention is an aspect that satisfies the “non-developable surface requirement” and the “iso center requirement”.
非可展面要件は、平行四辺形の受信面を配列したときに、隣接する受信面間に平行化問題が発生する要件であって、本願発明の課題に対応する。なお、可展面とは、平面上に描かれた展開図を膨張、収縮を伴わずに変形だけで形成される曲面を意味し、非可展面とは、一部の膨張、収縮を伴わなければ平面上に描かれた展開図では形成されない曲面を意味する。 The non-developable surface requirement is a requirement that a parallelization problem occurs between adjacent reception surfaces when parallelogram reception surfaces are arranged, and corresponds to the problem of the present invention. The developable surface means a curved surface formed only by deformation without expanding and contracting a development drawing drawn on a plane, and the non-expandable surface is accompanied by partial expansion and contraction. Otherwise, it means a curved surface that is not formed in a development view drawn on a plane.
また、「iso center要件」とは、複数の探触子からなる探触子アレイの有効受信領域が、特定の1箇所において重なり高感度領域を形成する条件であって、本願発明の前提条件に相当する要件である。かかる特定の1箇所をiso centerと称し、探触子アレイに内面が半球状であれば、半球の曲率中心がiso centerに一致する。図6に示す回転二次曲面は、いずれも、iso centerを有する。 In addition, the “iso center requirement” is a condition in which an effective reception area of a probe array including a plurality of probes overlaps at a specific one to form a high sensitivity area, and is a prerequisite for the present invention. This is a corresponding requirement. One specific place is called an iso center, and if the inner surface of the probe array is a hemisphere, the center of curvature of the hemisphere coincides with the iso center. Each of the rotating quadratic curved surfaces shown in FIG. 6 has an iso center.
支持部322は、図5に示すように、仮想回転軸46の周りに仮想二次曲線41が回転した回転二次曲面45により内面が規定されている。本実施形態では、仮想二次曲線は、円であり、支持部322の内面は、半球により形状が規定されている。回転二次曲面とすることにより、回転軸方向40と重なる位置に配置された被検体から伝搬する音響波を、回転二次曲面で内面が規定された探触子アレイ32の周囲の他の構造による反射、減衰等の影響を受けずに音響波を受信することが可能となる。本実施形態における回転二次曲面45は、半球である。
As shown in FIG. 5, the
なお、図5においては、被検体20と探触子アレイ32との間に配置されるマッチング液は省略されている。
In FIG. 5, the matching liquid arranged between the subject 20 and the
それぞれの探触子321の受信面10の受信領域が、図中の法線Ni、Ni+1を中心として理解して一般性を失わない。図6に示すように、受信面10の法線Niが、回転軸46を軸周りに囲む回転二次曲面45の内側を向いているように、探触子321は支持部322に接続されている。なお、本実施形態では、各受信面の各法線Nは、回転二次曲面45の半球の中心45cに重なっている。
The reception area of the
なお、支持部322は、被検体を配置する方向に開口部16を有している。また、開口部16から最も離れている側に、支持部頂点v1を有している。また、支持部322は、複数の開口40を備えており、受信面10は、対応する開口40と交差する回転二次曲面の接平面15と略平行である。本実施形態では、受信面10と接平面15とのなす角は、±3度の範囲内とする角度を成している。
In addition, the
図6(a)〜(d)には、回転二次曲面の基礎となる仮想二次曲線が、それぞれ、円41、楕円42、放物線43、双曲線44である態様に関する第3の実施形態として示されている。
FIGS. 6A to 6D show a third embodiment relating to an aspect in which the virtual quadratic curve that is the basis of the rotating quadratic curved surface is a
図6(a)に示すように、仮想二次曲線が円41のとき、仮想回転軸46は、円41の直径に一致するように設定される。また、図6(b)に示すように、仮想二次曲線が楕円42のとき、仮想回転軸46は、楕円の長軸または短軸に設定される。本実施形態においては、楕円42の長軸に一致している。また、図6(c)に示すように、仮想二次曲線が放物線43のとき、仮想回転軸46は、放物線43の焦点f3と頂点v3とを結ぶ仮想軸と設定される。また、図6(d)に示すように、仮想二次曲線が双曲線44のとき、仮想回転軸46は、双曲線44の焦点f4と頂点v4とを結ぶ仮想軸と設定される。
As shown in FIG. 6A, when the virtual quadratic curve is a
なお、開口40は、図1(b)、図5に示す通り、受信面10に適合するような形状で、支持部322に開口されている。本実施形態における開口40は、互いに実質的に垂直であり長さが等しい隣接する辺部を有する略正方形である。
As shown in FIGS. 1B and 5, the
<受信面の回転二次曲面上への受信面の配列>
次に、本願発明の特徴である回転二次曲面上への受信面の配列について、図1を用いて説明する。
<Arrangement of receiving surface on rotating quadric surface of receiving surface>
Next, the arrangement of the receiving surface on the rotating quadric surface, which is a feature of the present invention, will be described with reference to FIG.
図1(a)〜(d)、図5には、複数の正方形の開口40が設けられた支持部322と、それぞれの開口40に対応して、受信面10と変換素子14とを有する複数の探触子321とを備えた、第1の実施形態に関わる探触子アレイ32が示されている。
1A to 1D and FIG. 5, a plurality of
受信面10の回転二次曲面上への配列の理解のために、着目する受信面の1つを代表して考える。受信面配列の周縁部等の特異点を除く受信面配列の殆どの部分に対して、かかる一般化が適用可能である。
In order to understand the arrangement of the receiving
図1(c)は、図1(d)の破線の長方形で示した部分を拡大することにより、受信面の配列を詳細に説明する部分拡大図である。図5は、第1の実施形態に関わる概略断面図であって、支持部322の開口40に接続された探触子321と、非接続状態の探触子321とを示すものである。
FIG.1 (c) is the elements on larger scale which explain the arrangement | sequence of a receiving surface in detail by expanding the part shown with the rectangle of the broken line of FIG.1 (d). FIG. 5 is a schematic cross-sectional view relating to the first embodiment, and shows the
図1(c)、(d)、図5に示す受信面10は、4つの頂部を有す略平行四辺形であって、1つの頂部(vr1)が、他の3つの頂部(vr2、vr3、vr4)よりも、仮想回転軸46に近接している。仮想回転軸46は、支持部322の支持部頂点v1を通過しz軸に平行に配置されている。
The receiving
本実施形態では、図7(a)に示す様に、受信面10は、隣接する2つの頂部に挟まれた辺部を4つ有している。図1(c)では、受信面10は、着目している辺部Aを有している。一方で、着目している受信面10(○印)を囲む4つの隣接受信面(◆印)の一つである隣接受信面19は、着目している受信面の側に辺部Bを有している。受信面10と隣接受信面19とは、略平行な間隙部を隔てて隣接している。これにより、受信面10と隣接する受信面との有効受信領域の重なりが抑制され、隣接間クロストークが抑制される。間隙部は、辺部Aと辺部Bとに挟まれた支持部322の部分である。間隙部を規定する辺部Aと辺部Bとは、0度以上10度以内の角度をなす略平行となっている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 7A, the receiving
以上のように受信面を配置することにより、受信面10は、他の受信面との距離において、5番目以降よりも小さい距離を隔てて隣接する4つの隣接受信面に囲まれる配置をとる。隣接受信面と着目している受信面10との間の距離を狭めて、探触子321の実装密度を高めるとともに、隣接する探触子321の有効受信領域におけるクロストークを抑制することが可能となる。
By arranging the receiving surface as described above, the receiving
また、このように配置することにより、受信面10は、対応する開口40の位置において、回転二次曲面上に螺旋配列を取る事が可能となり、隣接する探触子321の有効受信領域におけるクロストークを抑制するとともに、探触子アレイ32内における探触子321の実装密度を高めることが可能となる。
Further, by arranging in this way, the receiving
図1(a)の俯瞰図では、仮想回転軸46の周りに四分の一円を回転して得られた半球で内面が規定されている支持部322に対して、受信面10が螺旋状に配列している。
In the overhead view of FIG. 1A, the receiving
受信面の螺旋状の配列は、支持部頂点v1側から支持部322の内面に沿って支持部の開口部に向かって、二種類の螺旋配列の交点に位置している。(図1(a)ではz方向に向かって、)
図1(a)に示す通り、一方の螺旋配列は、仮想二次曲線41Rを跨ぐ右巻の螺旋に沿った配列であり、他方の螺旋配列は、仮想二次曲線41Rを跨ぐ左巻の螺旋に沿った配列である。このように支持部頂点V1から支持部322の周縁に向かって、受信面間の間隙の平行性を担保しながら探触子321の配列数が増加している。探触子322の配列は、フィボナッチ数列や、フィボナッチ数列の変形例である、トリボナッチ数列に基づいて支持部頂点V1から支持部322の周縁に向かって増加するように定めることができる。
The spiral arrangement of the receiving surface is located at the intersection of two types of helical arrangements from the support portion vertex v1 side along the inner surface of the
As shown in FIG. 1A, one spiral arrangement is an arrangement along a right-handed spiral straddling the virtual quadratic curve 41R, and the other spiral arrangement is a left-handed spiral straddling the virtual quadratic curve 41R. It is an arrangement along. In this manner, the number of
なお、仮想二次曲線41Rは、仮想回転軸46を含む仮想平面47と支持部322との交差により規定される仮想二次曲線に一致しており、本実施形態では、四分の一円である。また、図1(a)に示す仮想二次曲線41Rは、支持部322の内面を規定する回転二次曲面45(図5)の基礎となる仮想二次曲線の群の一であるとも言える。
The virtual quadratic curve 41R coincides with a virtual quadratic curve defined by the intersection of the
このように、回転二次曲面45の内面を有する支持部322に、平面上で略平行四辺形の受信面10を複数配列することにより、探触子321の支持部322上の高い実装密度を実現することが可能となる。
In this manner, by arranging a plurality of substantially parallelogram-shaped receiving surfaces 10 on a plane on the
本実施形態は、以下のように説明される態様であるとも言える。 It can be said that this embodiment is an aspect described as follows.
複数の探触子321を支持するためのお椀状の支持部322を有する探触子アレイ32であって、探触子321は音響波を受信する略平行四辺形の受信面10を有する。
A
さらに、支持部322の所定領域に含まれる複数の受信面10は、支持部322のお椀状の内面の中心V1の側から内面に沿って、右回りの複数の仮想螺旋CWと、それらと交差する左回りの複数の仮想螺旋CCWとの交点で構成される格子上に配列されている。
Further, the plurality of receiving
なお、前述の所定領域は、受信面10を、互いに非平行な少なくとも2方向において配列された任意の領域であって、例えば、図1(d)に破線の矩形で示す領域が含まれる。
The predetermined area described above is an arbitrary area in which the receiving
従って、前述の所定領域は、少なくとも2つの配列方向おいて隣接する受信面10が、少なくとも4以上含まれる領域である形態である。
Therefore, the predetermined area described above is a form in which at least two receiving
なお、本願発明の対象ではない非お椀状の支持部としては、円柱、楕円柱等の非二次曲面が存在する。例えば、円柱により内面が規定される円柱状の支持部では、略平行四辺形の受信面を配列する際、頂部と仮想回転軸とのジオメトリに制約は無く、螺旋配列をとらずに、最密に受信面を実装する形態をとる事ができる。 In addition, as a non bowl-shaped support part which is not the object of the present invention, there is a non-quadratic surface such as a cylinder or an elliptic cylinder. For example, in a cylindrical support part whose inner surface is defined by a cylinder, when arranging a substantially parallelogram receiving surface, there is no restriction on the geometry of the top part and the virtual rotation axis, and without taking a spiral arrangement, It is possible to take a form in which a receiving surface is mounted.
<探触子アレイの走査軌道>
第2の実施形態に関わる光超音波測定装置における探触子アレイの軌道について、図4を用いて説明する。本実施形態の走査軌道は螺旋軌道である。螺旋軌道とは、回転中心に対する動径方向の座標が増加あるいは減少のいずれか一方に変化するように移動させる走査軌道である。
<Scanning trajectory of probe array>
The trajectory of the probe array in the optical ultrasonic measurement apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The scanning trajectory of this embodiment is a spiral trajectory. The spiral trajectory is a scanning trajectory that moves so that the radial coordinate relative to the center of rotation changes in either an increase or a decrease.
図4は螺旋軌道の移動の一例を探触子アレイの支持部頂点v1を代表させて模式的に表現した図である。図4中のO点は螺旋走査前の支持部頂点v1の位置を示し原点に相当する。また、図4中の黒点のそれぞれは、光音響波測定時における支持部頂点v1の位置を示している。探触子アレイは、黒点の位置を順次辿りながら移動する。p点は探触子アレイの移動軌跡上のある一点である。極座標系でp点の位置座標(x、y)を表現すると式(1)となる。 FIG. 4 is a diagram schematically representing an example of the movement of the spiral trajectory with the support portion vertex v1 of the probe array as a representative. The point O in FIG. 4 indicates the position of the support portion vertex v1 before the spiral scan and corresponds to the origin. Each black dot in FIG. 4 indicates the position of the support portion vertex v1 during photoacoustic wave measurement. The probe array moves while sequentially tracking the positions of the black spots. The point p is a certain point on the movement trajectory of the probe array. When the position coordinates (x, y) of the point p are expressed in the polar coordinate system, the equation (1) is obtained.
x=r(t)cosΦ
Y=r(t)sinΦ・・・・(式1)
ここでr(t)は動径方向の座標(移動半径)で、φはx軸と原点からp点に向かう線とがなす角度である。本実施形態においては、探触子アレイの移動軌跡上の動径方向の座標:r(t)が増加あるいは減少のいずれか一方に変化するように探触子アレイを移動させている。さらに、液槽走査部は、移動軌跡の接線方向の速度が一定になるように探触子アレイを移動させることが好ましい。
x = r (t) cosΦ
Y = r (t) sinΦ ... (Formula 1)
Here, r (t) is a radial coordinate (moving radius), and φ is an angle formed by the x-axis and a line from the origin to the point p. In the present embodiment, the probe array is moved so that the radial coordinate r (t) on the movement trajectory of the probe array changes to either increase or decrease. Further, the liquid tank scanning unit preferably moves the probe array so that the tangential speed of the movement trajectory is constant.
通常、光音響波の検出タイミングは、光源から発せられるパルス光の繰り返し周波数で決まる。例えば、10Hzの繰り返し周波数の光源を使用すると、0.1秒に一回、光音響波を発生させることができる。そのため、接線方向の速度が一定の場合、0.1秒ごとに光音響波の検出が行われると仮定すると、空間に対して均一にサンプリングすることが可能となる。 Usually, the photoacoustic wave detection timing is determined by the repetition frequency of the pulsed light emitted from the light source. For example, when a light source having a repetition frequency of 10 Hz is used, a photoacoustic wave can be generated once every 0.1 second. Therefore, when the velocity in the tangential direction is constant, assuming that photoacoustic waves are detected every 0.1 seconds, sampling can be performed uniformly in space.
また、液槽走査部は、探触子アレイを原点方向に向かう加速度を考慮して移動平面の外側から移動させることが好ましい。すなわち、移動の初期段階の加速度が大きいと、装置全体の揺れが大きくなり、その揺れが測定に影響を与えることがある。そのため、原点方向に向かう加速度が小さい外周から移動を開始し、内周に向かって移動を行う方が液槽の揺れを軽減できる。 Further, it is preferable that the liquid tank scanning unit moves the probe array from the outside of the moving plane in consideration of acceleration toward the origin. That is, if the acceleration at the initial stage of movement is large, the shaking of the entire apparatus becomes large, and the shaking may affect the measurement. Therefore, the movement of the liquid tank can be reduced by starting the movement from the outer periphery where the acceleration toward the origin is small and moving toward the inner periphery.
また、液槽走査部は、移動と静止を繰り返す、ステップアンドリピート方式ではなく、連続的に移動させる連続移動を行うのが好ましい。これにより、液槽が走査される時間も短縮化される。また、移動の加速度の変化が少ないために、液槽に貯留されたマッチング液の波打ちを軽減できる。 Moreover, it is preferable that the liquid tank scanning unit performs continuous movement that moves continuously instead of the step-and-repeat method that repeats movement and stationary. Thereby, the time for which the liquid tank is scanned is also shortened. Moreover, since there is little change in the acceleration of movement, the undulation of the matching liquid stored in the liquid tank can be reduced.
10 受信面
14 変換素子
32 探触子アレイ
40 開口
41−44 仮想二次曲線
45 回転二次曲面
46 仮想回転軸
321 探触子
322 支持部
vr1−vr4 頂部
DESCRIPTION OF
Claims (24)
それぞれの受信面が、前記内面の内側に向けられるように接続され、音響波を電気信号に変換する複数の探触子と、を有する探触子アレイであって、
前記支持部は、仮想回転軸の周りに仮想二次曲線が回転した回転二次曲面により前記内面が規定されており、
前記探触子は、4つの頂部で規定される略平行四辺形の受信面と、前記受信面で受信した音響波を電気信号に変換する変換素子と、を備え、
前記受信面は、前記4つの頂部のうちの1つが、他の3つの頂部よりも、前記仮想回転軸に近接していることを特徴とする探触子アレイ。 A support portion having a bowl-shaped inner surface;
A probe array having a plurality of probes, each receiving surface being connected to be directed to the inside of the inner surface, and converting an acoustic wave into an electrical signal,
The inner surface is defined by a rotating quadratic curved surface obtained by rotating a virtual quadratic curve around a virtual rotation axis of the support portion.
The probe includes a substantially parallelogram-shaped receiving surface defined by four apexes, and a conversion element that converts an acoustic wave received on the receiving surface into an electric signal,
1. The probe array according to claim 1, wherein one of the four tops of the receiving surface is closer to the virtual rotation axis than the other three tops.
前記仮想二次曲線が楕円のとき、前記仮想回転軸は、前記楕円の長軸または短軸であり、
前記仮想二次曲線が放物線のとき、前記仮想回転軸は、前記放物線の焦点と頂点とを結ぶ仮想軸であり、
前記仮想二次曲線が双曲線のとき、前記仮想回転軸は、前記双曲線の焦点と頂点とを結ぶ仮想軸であることを特徴とする請求項1に記載の探触子アレイ。 When the virtual quadratic curve is a circle, the virtual rotation axis is the diameter of the circle;
When the virtual quadratic curve is an ellipse, the virtual rotation axis is the major axis or minor axis of the ellipse,
When the virtual quadratic curve is a parabola, the virtual rotation axis is a virtual axis connecting the focal point and the vertex of the parabola,
The probe array according to claim 1, wherein when the virtual quadratic curve is a hyperbola, the virtual rotation axis is a virtual axis connecting a focal point and a vertex of the hyperbola.
前記複数の開口のそれぞれに、前記受信面が配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の探触子アレイ。 The inner surface is provided with a plurality of acoustically opened openings,
4. The probe array according to claim 1, wherein the receiving surface is disposed in each of the plurality of openings. 5.
前記隣接受信面と前記受信面とは、略平行の間隙部を隔てて隣接し、
前記間隙部は、0度以上10度以下の角度をなしていることを特徴とする請求項8に記載の探触子アレイ。 Each of the reception surface and the adjacent reception surface has four sides sandwiched between two adjacent top portions of the four top portions,
The adjacent receiving surface and the receiving surface are adjacent to each other with a substantially parallel gap therebetween,
9. The probe array according to claim 8, wherein the gap portion forms an angle of not less than 0 degrees and not more than 10 degrees.
前記仮想回転軸を含む仮想平面と前記支持部との交差により規定される仮想二次曲線を挟んで互いに交差する左巻の螺旋と右巻の螺旋と、のそれぞれに沿って、
前記複数の受信面が前記支持部に配列されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の探触子アレイ。 When the intersection of the support part and the virtual rotation axis is the support part vertex,
Along each of the left-handed spiral and the right-handed spiral intersecting each other across a virtual quadratic curve defined by the intersection of the virtual plane including the virtual rotation axis and the support part,
The probe array according to claim 1, wherein the plurality of receiving surfaces are arranged on the support portion.
マッチング液が貯留される液槽と、を有する音響波測定装置であって、
前記液槽は、貯留されたマッチング液に被検体を音響的に接触させられるように、音響的に開口された開口部を有し、
前記探触子アレイは、前記開口部と対向する側において前記液槽に接続されていることを特徴とする音響波測定装置。 The probe array according to any one of claims 1 to 11,
An acoustic wave measuring device having a liquid tank in which the matching liquid is stored,
The liquid tank has an opening that is acoustically opened so that the subject can be brought into acoustic contact with the stored matching liquid.
The acoustic wave measuring device according to claim 1, wherein the probe array is connected to the liquid tank on a side facing the opening.
前記探触子は音響波を受信する略平行四辺形の受信面を有し、
前記支持部の所定領域に含まれる複数の前記受信面は、前記支持部のお椀状の内面の中心の側から前記内面に沿って、右巻の複数の仮想螺旋と、それらと交差する左巻の複数の仮想螺旋との交点で構成される格子上に配列されるように、前記複数の探触子が前記支持部に支持されていることを特徴とする探触子アレイ。 A probe array having a bowl-shaped support for supporting a plurality of probes,
The probe has a substantially parallelogram receiving surface for receiving acoustic waves,
The plurality of receiving surfaces included in the predetermined region of the support part are a plurality of right-handed virtual spirals along the inner surface from the center side of the bowl-shaped inner surface of the support part, and a left-hand winding intersecting them. The probe array is characterized in that the plurality of probes are supported by the support portion so as to be arranged on a lattice formed by intersections with a plurality of virtual spirals.
マッチング液が貯留される液槽と、を有する音響波測定装置であって、
前記液槽は、貯留されたマッチング液に被検体を音響的に接触させられるように、音響的に開口された開口部を有し、
前記探触子アレイは、前記開口部と対向する側において前記液槽に接続されていることを特徴とする音響波測定装置。 The probe array according to any one of claims 17 to 20,
An acoustic wave measuring device having a liquid tank in which the matching liquid is stored,
The liquid tank has an opening that is acoustically opened so that the subject can be brought into acoustic contact with the stored matching liquid.
The acoustic wave measuring device according to claim 1, wherein the probe array is connected to the liquid tank on a side facing the opening.
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