JP4076872B2

JP4076872B2 - 超音波受信装置

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Publication number: JP4076872B2
Application number: JP2003036037A
Authority: JP
Inventors: 英二小川
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP2003339707A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を受信する超音波受信装置に関し、さらに、そのような超音波受信装置を用いて超音波を受信することにより医療診断や非破壊検査を行うために用いる超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波撮像装置においては、超音波の送信及び受信を行う素子（振動子）としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyl difluoride）等の高分子圧電素子を含む圧電素子を用いた１次元センサアレイが一般的に用いられていた。そのような１次元センサアレイを機械的に移動させながら、被検体の複数の断面における２次元画像を取得し、さらに、それらの２次元画像を合成することにより３次元画像を得ていた。
【０００３】
しかしながら、この手法によれば、１次元センサアレイの移動方向にタイムラグがあるので、異なる時刻における断面像を合成することになり、合成画像がぼけたものとなってしまう。そのため、このような手法は、超音波エコー観察等のように、被写体として生体を撮像する場合には適していない。
【０００４】
超音波を用いて高品位な３次元画像を取得するためには、センサアレイを移動させることなく２次元画像を取得できる２次元センサが必要である。
しかしながら、上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用いて２次元センサアレイを作製する場合には、素子の微細加工と、多数の微細素子への配線が必要であり、現状以上の微細化と素子集積は困難である。また、それらが解決されたとしても、素子間のクロストークが増大したり、微細配線による電気的インピーダンスの上昇によりＳＮ比が劣化したり、微細素子の電極部が破壊し易くなるといった問題があるので、ＰＺＴやＰＶＤＦを用いた２次元センサアレイの実現は困難である。
【０００５】
一方、受信した超音波信号を光信号に変換して検出する方式のセンサも知られている。このような光検出方式の超音波センサとして、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧと略称）を用いるもの（非特許文献１参照）や、ファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）構造を用いるもの（非特許文献２参照）が報告されている。このような超音波センサを用いて２次元センサアレイを作製すると、多数の微細素子への電気的配線が不要で、且つ、良好な感度が得られるという利点がある。
【０００６】
また、２次元の検出面を有する光検出方式の超音波センサも知られている。非特許文献３には、ファブリーペロー構造を有するポリマー膜を超音波の検出に用いることが記載されている。このような膜状の超音波センサは、多数の微細素子に対する加工が不要であるために、コストを抑制することができる。
【０００７】
ところで、このような光検出方式の超音波センサにおいては、超音波受信面の裏側において超音波の多重反射が生じてしまうという問題がある。
ここで、超音波の多重反射について、光検出方式による２次元面センサを例に取って説明する。図１５に示すように、超音波検出素子１００は、基材１０１及び超音波有感部１０２を含んでいる。この例において、超音波有感部１０２は、全反射ミラー１０３、ハーフミラー１０４、及び、全反射ミラー１０３とハーフミラー１０４との間に形成されるキャビティ１０５を含むファブリーペロー共振器構造を有している。キャビティ１０５を形成する部材は、超音波が印加されることにより幾何学的変位を受ける。
【０００８】
この超音波検出素子１００の受信面１０２ａに、基材１０１側から光を入射させながら超音波を印加する。すると、超音波の音圧変化により、キャビティ１０５の光路長Ｌが受信面１０２ａの位置に応じて変化し、超音波有感部１０２から反射される光の強度が位置に応じて変化する。この反射光の強度を超音波の強度に換算することにより、受信面１０２ａの位置に応じた超音波の強度を検出することができる。
【０００９】
ここで、図１６及び図１７の（ａ）を参照すると、媒質から伝搬し、被検体に関する情報を含む超音波は、位置Ａにおいて振動を発生させると共に超音波検出素子１００の内部に伝搬する（超音波ＵＳ１）。続いて、超音波ＵＳ１は、受信面１０２ａとは反対側の境界面（位置Ｂ）によって反射され、その際に、位置Ｂにおいて振動を発生させ、再び受信面１０２ａ方向に戻ってくる（超音波ＵＳ２）。さらに、超音波ＵＳ２は、受信面１０２ａによって反射され、その際に、位置Ｃにおいて振動を発生させ、再び受信面１０２ａの裏面に伝搬する（超音波ＵＳ３）。このように、超音波検出素子１００においては、伝搬した超音波が減衰するまで反射が繰り返される。この現象により、図１７の（ｂ）に示すように、超音波検出素子１００からは、本来検出すべき被検体に関する信号（位置Ａにおける検出信号）の他に、多重反射して生じた信号（位置Ｃや位置Ｅにおける検出信号）が混入してしまう。
【００１０】
このような超音波の多重反射が、超音波画像におけるＳＮ比を低下させ、画質を悪化させる一因となっている。そのため、例えば、超音波の送受信に圧電素子を用いる超音波受信装置においては、圧電素子にフェライトコア等を含むバッキング材を接続することにより、超音波を減衰させている。しかしながら、光検出方式の超音波受信装置においては、光透過性を考慮しなくてはならないので、従来と同様のバッキング材を用いることはできない。
【００１１】
【非特許文献１】
タカハシ（TAKAHASHI）、他２名、「ファイバブラッググレーティングを用いた水中音響センサ（Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg Grating）」、オプティカルレビュー（OPTICAL REVIEW）, Vol. 4, No. 6 (1997)，P. 691-694
【非特許文献２】
ウノ（UNO）、他１名、「メガヘルツ超音波領域測定のためのファイバーオプティックマイクロプローブの制作と性能（Fabrication and Performance of a Fiber Optic Micro-Probe for Megahertz Ultrasonic Field Measurement）」, 電学論（T. IEE Japan）, Vol. 118-E, No. 11 (1998), P. 487-492
【非特許文献３】
ベアード（Beard）、他２名、「広帯域な超音波検出のためのファブリーペローポリマーフィルムセンシングコンセプトの処理機構（Transduction Mechanisms of the Fabry-Perot Polymer Film Sensing Concept for Wideband Ultrasound Detection）」アイ・イー・イー・イー会報（IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL）, VOL. 46, NO. 6 (NOVEMBER 1999), P.1575-1582
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、光検出方式の超音波受信装置において、超音波の多重反射を抑制し、超音波画像の画質を向上させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の超音波受信装置は、受信される超音波に応じて伸縮し、伸縮に応じて光反射率が変動することにより、入射される光を強度変調する超音波有感部を含む超音波検出素子と、超音波検出素子に光を導くと共に、超音波検出素子によって受信される超音波を伝搬させながら減衰させる光伝送路と、超音波検出素子と光伝送路との間に樹脂系接着剤によって接続されたＧＲＩＮレンズ（グラディエントインデックスレンズ）を具備し、光伝送路によって導かれた光をＧＲＩＮレンズにより超音波検出素子に対してコリメートすると共に、超音波検出素子から導かれた超音波を光伝送路に伝播させるコリメート部と、超音波検出素子において強度変調された光を検出する光電変換部とを具備する。
【００１４】
本発明によれば、超音波検出素子から導かれた超音波をコリメート部が伝播させ、さらに、その超音波を光伝送路が伝搬させながら減衰させることにより、超音波の多重反射による影響を避けることができる。また、超音波検出素子と光伝送路とをコリメート部を介して接続するので、超音波検出素子に平行光を導光できると共に、超音波を光ファイバ等の光伝送路に伝搬させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置を示す図である。この超音波受信装置は、光源１１と、分波器１２と、光伝送路１３と、コリメート部１４と、受信される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子２０と、光検出器１５と、結像系１６〜１８とを含んでいる。
【００１８】
光源１１としては、所定の帯域（例えば、１．５５μｍ）を有するチューナブルＬＤ（レーザダイオード）が用いられる。分波器１２は、ハーフミラー、光サーキュレータ、又は、偏光ビームスプリッター等によって構成され、第１の方向から入射した入射光を第２の方向に反射すると共に、第２の方向から戻ってくる反射光を第１の方向とは別の第３の方向に通過させる。本実施形態においては、分波器１２としてハーフミラーを用いている。ハーフミラーは、入射光を入射方向とほぼ９０°の角度をなす方向に反射して、入射方向とほぼ９０°の角度をなす方向から戻ってくる光を透過する。本実施形態においては、ハーフミラーの前段及び後段に、結像系１６〜１８としてレンズを設けている。
【００１９】
光伝送路１３は、分波器１２を通過した光を超音波検出素子２０に導く。光伝送路１３としては、多数の（例えば、１０２４本）光ファイバを束ねたバンドルファイバが用いられる。本実施形態において、多数のファイバは、超音波検出素子の受信面の形状（例えば、円状）に合わせて束ねられている。
【００２０】
光伝送路１３の先端部は、コリメート部１４を介して超音波検出素子２０に、光軸を合わせて接続されている。コリメート部１４は、例えば、コリメートレンズがアレイ化されたコリメートレンズアレイを含んでいる。光伝送路１３及びコリメート部１４の構成については、後で詳しく説明する。
【００２１】
超音波検出素子２０は、伝搬する超音波によって歪みを生じる２次元の受信面２０ａと、受信面２０ａによって受信される超音波に応じて伸縮する超音波有感部とを有している。この伸縮に応じて超音波有感部の光反射率が変動するので、光伝送路１３及びコリメート部１４を通って超音波検出素子２０に入射した光は強度変調を受けて反射される。超音波検出素子２０から反射された光は、再びコリメート部１４及び光伝送路１３を通り、分波器１２を通過して複数の画素を有する光検出器１５に入射する。
【００２２】
光検出器１５は、ＰＤＡ（フォトダイオードアレイ）やＭＯＳ型センサ等を含む２次元アレイ光電変換器である。光検出器１５は、超音波検出素子２０の対応する位置から分波器１２を介して入射した光を複数の画素ごとに検出し、それぞれの画素における光強度に応じた検出信号を出力する。ここで、反射光は、直接あるいは光ファイバー等を通して光検出器１５に入射するようにしても良いし、分波器１２の後段に結像系１８を設け、これを介して光検出器１５に結像するようにしても良い。
【００２３】
次に、図２を参照しながら、超音波検出素子２０の構造及び超音波の検出原理について詳しく説明する。超音波検出素子２０は、基板２１と、該基板の上に積層された多層膜２２とを含む多層膜センサである。この多層膜２２が、ブラッググレーティング構造を構成し、超音波有感部として働く。
【００２４】
基板２１は、超音波を受信することによって歪みを生じる膜状の基板であり、例えば、直径２ｃｍ程度の円か、それ以上の面積を有している。基板２１には、異なる屈折率を有する２種類の材料層を交互に積層することにより、ブラッググレーティング構造を有する多層膜２２が形成されている。図２には、屈折率ｎ₁を有する材料層Ａと、屈折率ｎ₂を有する材料層Ｂとが示されている。
【００２５】
多層膜２２の周期構造のピッチ（間隔）をｄとし、入射光の波長をλとすると、ブラッグの反射条件は次の式で表される。ただし、ｍは任意の整数である。
２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ ・・・（１）
ここで、θは入射面と入射光とのなす角であり、θ＝π／２とすると次の式のようになる。
２ｄ＝ｍλ ・・・（２）
ブラッググレーティングは、ブラッグの反射条件を満たす特定の波長の光を選択的に反射し、その他の波長の光を透過させる。
【００２６】
超音波検出素子２０に超音波を伝搬させると、超音波の伝搬に伴い基板２１が歪み、多層膜２２の各位置において周期構造のピッチｄが変化する。これに伴い、選択的に反射される光の波長λが変化する。ブラッググレーティングの反射特性においては、最も光反射率の高い（透過率の低い）中心波長の前後に光反射率の変化する傾斜帯域があり、この傾斜帯域の範囲に中心波長を有する光を多層膜２２に入射させながら基板２１に超音波を加える。すると、受信面の各位置における超音波の強さに応じた反射光（又は透過光）の強度変化を観測できる。この光の強度変化を超音波の強度に換算することにより、超音波の２次元強度分布情報を取得できる。ここで、反射特性とは、超音波検出素子２０における光の波長と反射強度との関係のことをいう。
【００２７】
基板２１の材料としては、石英ガラス（ＳｉＯ₂）やＢＫ７（ショット社の製品）等の光学ガラス等が用いられる。また、材料層Ａ及びＢに用いられる物質としては、屈折率が互いに１０％以上異なる物質の組み合わせが望ましい。これには、例えば、ＳｉＯ₂と酸化チタン（Ｔｉ₂Ｏ₃）との組み合わせや、ＳｉＯ₂と酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）との組み合わせ等が挙げられる。材料層Ａ及びＢは、基板２１上に、真空蒸着やスパッタリング等の方法によって形成される。
【００２８】
ところで、超音波の多重反射を抑制するためには、超音波が伝搬する距離を長くすることが有効である。超音波は、伝搬する際に少なからず減衰し、その伝搬距離が長いほど減衰量は大きくなる。そこで、十分な伝搬距離を取れば、一端に伝搬した超音波が他端において反射して戻る間に、超音波を十分に減衰させることができるからである。このため、本実施形態においては、光伝送路として光ファイバを用い、受信した超音波を光ファイバに伝搬させている。即ち、光伝送路に、光を通過させる機能と共に超音波を減衰させるバッキング部としての機能を持たせている。
【００２９】
図３は、図１に示す光伝送路１３、コリメート部１４、及び、超音波検出素子２０の一部を拡大して示す断面図である。図３に示すように、光伝送路（バンドルファイバ）１３に含まれる複数の光ファイバ１３ａと、コリメート部（コリメートレンズアレイ）１４に含まれる複数のコリメートレンズ１４ａとは、それぞれ光軸を合わせて接続され、さらに、超音波検出素子２０に２次元状に配置されて接続されている。複数の光ファイバ１３ａは、接着剤２５を用いて束ねられている。
【００３０】
光ファイバ１３ａは、例えば、２ｍ程度の長さを有するシングルモード又はマルチモードファイバであり、樹脂系材料を含む粘度の低い部材（被覆材２３ａ）で覆われている。光ファイバを伝搬する間に超音波を減衰させるために、光ファイバを上記の部材で被覆することにより、超音波の伝搬エネルギー損失をさらに大きくして超音波減衰を早めることができる。
【００３１】
ここで、光ファイバ１３ａ中を伝送される光は、該光ファイバから出射する際に回折する。このため、光ファイバ１３ａを超音波検出素子２０に直接接続すると、光が拡散して超音波検出素子の光反射特性が著しく乱れ、超音波検出素子内で十分な干渉が生じなくなる。このため、超音波検出素子の検出感度が著しく悪くなってしまう。この現象を避けるため、光ファイバ１３ａの一端には、出射光の拡散を防止するためにコリメートレンズ１４ａが接続されている。コリメートレンズアレイに含まれる複数のコリメートレンズ１４ａは、それぞれの光ファイバによって導かれた光を超音波検出素子２０の超音波受信面における複数の位置に対してコリメートする。
【００３２】
コリメートレンズ１４ａとしては、グラディアントインデックスレンズ（gradient index lens、以下ＧＲＩＮレンズと略す）が用いられる。ＧＲＩＮレンズは、例えば、セルフォック（Ｓｅｌｆｏｃ：日本板硝子株式会社の登録商標）レンズという製品名で知られている。ＧＲＩＮレンズは、位置によって異なる屈折率を有する屈折率分布型レンズであり、その長さを変えることによって光学特性が変化する。例えば、ＧＲＩＮレンズを物体像面間距離（光が正立に結像するピッチ）の１／４の長さにすると、入射光が平行光となって出射される。
【００３３】
本実施形態においては、セルフォックレンズが多数配列されたセルフォックレンズアレイＮＡ０．４６（日本板硝子株式会社の製品）を、０．２５Ｌの長さ（Ｌは、物体像面間距離）で使用し、それぞれのセルフォックレンズをコリメートレンズ１４ａとして光ファイバに接続している。
図３に示すように、コリメートレンズ１４ａを被覆材２３ａによって覆っても良い。光ファイバ１３ａにおけるものと同様に、超音波を早く減衰させるためである。
【００３４】
光ファイバとコリメートレンズ、又は、コリメートレンズと超音波検出素子は、融着又は接着剤を用いて接続される。接着剤を用いる場合には、エポキシ系を含む樹脂系接着剤を用いることが望ましい。このような接着剤においては、音響インピーダンスが光ファイバ及びコリメートレンズの部材や超音波検出素子の基板と近似しているので、超音波が伝搬する際にそれぞれの部材の境界において反射するのを抑制できるからである。また、複数の光ファイバを束ねるための接着剤２５としても、エポキシ系を含む樹脂系接着剤を用いることが望ましい。超音波を減衰させ、隣接する光ファイバ間における超音波のクロストークを防ぐと共に、ケーブルとしての柔軟性を保つことができるからである。本実施形態においては、このような接着剤として、ＳＴＹＣＡＳＴ（Emerson & Cuming社の製品）を用いている。
【００３５】
本実施形態によれば、受信された超音波が光ファイバを伝搬する間に減衰して消滅するので、超音波検出素子における超音波の多重反射を防ぐことができる。このため、超音波画像におけるＳＮ比を高め、画質を向上させることができる。また、光ファイバと超音波検出素子とを、長さが数ｍｍ程度のセルフォックレンズを介して接続するため、超音波受信装置を小型化することができる。
【００３６】
本実施形態の変形例について、図４を参照しながら説明する。この例は、図１における超音波検出素子２０の替わりに、図４に示す超音波検出素子（エタロンセンサ）３０を用いている。その他の構成については、図１及び図３を用いて説明したのと同様である。
図４に示すように、基板３１は、超音波によって変形する膜状の基板である。基板３１に対向して、基板３２が配置されており、これらはエタロンと同様の構造を形成している。
【００３７】
基板３１及び３２の光反射率をＲ、これらの基板の間隔をｄとし、入射光の波長をλとすると、エタロンの透過率は次のように表される。ただし、ｎは任意の整数である。
Ｔ＝｛１＋４Ｒ／（１−Ｒ）²・ｓｉｎ²（φ／２）｝^-1 …（３）
φ＝２π／λ・２ｎｄ・ｃｏｓθ …（４）
ここで、θは出射面の垂線から測った出射角であり、θ＝０とすると次の式のようになる。
φ＝４πｎｄ／λ …（５）
エタロンは、波長λの光を光透過率Ｔで透過し、光反射率Ｒ＝（１−Ｔ）で反射する。
【００３８】
超音波検出素子３０に超音波を伝搬させると、基板３１が歪み、受信面の各位置において基板３１及び３２の間隔ｄが変化するので、波長λの光に対する反射率が変化する。エタロンの反射特性は、波長変化に対して周期的に変化する。反射特性の変化率の大きい領域に中心波長を有する光を基板３１に入射させながら超音波を印加すると、受信面の各位置における超音波の強さに応じた反射光の強度変化を観測できる。この反射光の強度変化を超音波の強度に換算することにより、超音波の強度を２次元的に計測することができる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波受信装置について、図５の（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。本実施形態においては、図１に示す超音波検出素子２０、光伝送路１３、及び、コリメート部１４の替わりに、図５の（ａ）に示すように、超音波有感部を有するバンドルファイバ４０を用いている。その他の構成については、第１の実施形態におけるものと同様である。
【００４０】
図５の（ｂ）に、バンドルファイバ４０に含まれるファイバ４０ａの構成を示す。ファイバ４０ａは、光ファイバ４１とコリメートレンズ４２とを含んでいる。本実施形態においては、第１の実施形態におけるものと同様に、コリメートレンズ４２として、０．２５Ｌの長さを有するセルフォックレンズを用いている。また、両者は、融着又はエポキシ系を含む樹脂系接着剤によって接続されている。
【００４１】
コリメートレンズ４２の一端には、２種類の材料層が交互に積層された多層膜４３が形成されている。この多層膜４３が、ブラッググレーティング構造を構成し、超音波有感部として働く。多層膜４３の材料としては、例えば、ＳｉＯ₂と酸化チタン（Ｔｉ₂Ｏ₃）との組み合わせや、ＳｉＯ₂と酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）との組み合わせ等が用いられる。このような材料層は、コリメートレンズ４２上に、真空蒸着やスパッタリング等の方法によって形成されている。
【００４２】
ファイバ４０ａは、ファイバ４０ａの一端に伝搬した超音波が他端において反射する前に、超音波が減衰してしまうように、粘度の低い部材（被覆材４４）によって覆われている。さらに、図５の（ｂ）に示すように、被覆材４４がコリメートレンズ４２まで覆うようにしても良い。これにより、ファイバ４０ａに伝搬した超音波のエネルギー損失を大きくすることができるので、超音波を早く減衰させてバッキング部としての効果を上げることができる。
【００４３】
このようなファイバ４０ａを、エポキシ系を含む樹脂系接着剤を用いて多数束ねることにより、超音波有感部を有するバンドルファイバ４０が作製される。
本実施形態によれば、コリメートレンズに直接多層膜が形成されるので、コリメートレンズと超音波検出素子との接続部分における強度が増す。また、この接続部分における超音波の反射がより抑制されるので、超音波をファイバ部分に逃がしやすくなり、効果的に多重反射を抑制することができる。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波受信装置について、図６を参照しながら説明する。図６に示す超音波受信装置は、図１における光伝送路１３及びコリメート部１４の替わりに、バッキング部５０を有している。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
【００４５】
バッキング部５０は、検出に用いられる光を透過する光伝送部５１と、超音波を減衰させるための被覆部５２とを含んでいる。光伝送部５１には、光学ガラス等の部材が用いられる。また、被覆部５２には、樹脂、ゴム、液体等の粘度の低い部材が用いられる。このようなバッキング部５０と、超音波検出素子２０とは、エポキシ系等の樹脂系接着剤によって接続される。
【００４６】
図６の超音波受信装置において、光源１１から発生した光は、レンズ１６を通過し、分波器１２によって方向を変えられた後、レンズ１７及び光伝送部５１を通過し、超音波検出素子２０に入射する。超音波検出素子２０においては、受信面２０ａにおいて受信される超音波に応じて伸縮した部分の光反射率が変動する。これにより、超音波検出素子２０に入射した光は、強度変調を受けて反射される。さらに、反射された光は、レンズ１７、分波器１２、及び、結像系１８を通過し、光検出器１５に入射して検出される。
【００４７】
一方、超音波検出素子２０に印加された超音波は、超音波検出素子２０の内部及びバッキング部５０に伝搬する。バッキング部５０において、超音波は、光伝送部５１を伝搬する際にエネルギーを損失すると共に、被覆部５２によってエネルギーを吸収されて急速に減衰する。これにより、超音波の多重反射による影響を低減することができる。
【００４８】
本実施形態によれば、それぞれの画素に対応する複数の光ファイバによって超音波検出素子に導光するのと異なり、超音波検出素子の反射面に対して所定の太さ（照射面積）を有する光を導光するので、超音波受信装置の構成を簡単にすることができる。なお、本実施形態においては、図６に示すレンズ１７を通過した光を直接光伝送部に入射させているが、図１に示すような光ファイバやコリメート部を介して光伝送部に入射させても良い。また、光伝送部５１と超音波検出素子２０との間に、光伝送部５１から出射した光を平行光にして超音波検出素子２０に入射させるコリメート部を挿入しても良い。さらに、本実施形態においては、超音波検出素子として、図２に示す多層膜センサを用いているが、図４に示すエタロンセンサを用いても良い。
【００４９】
以上説明した第１〜第３の実施形態においては、光増幅器を付加することによって超音波検出性能を向上させることができる。この変形例について、図７を参照しながら説明する。
図７に示す超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置に、光増幅器９１と光増幅器９２との内の少なくとも一方を追加したものである。光増幅器９１は、光源１１と分波器１２の間、若しくは、レンズ１６と分波器１２の間に配置され、光源１１から入射した光を増幅して分波器１２に出射する。一方、光増幅器９２は、分波器１２と結像系１８の間に配置され、分波器１２から入射した光を増幅して結像系１８に出射する。結像系１８を用いない場合には、光増幅器９２は、分波器１２と光検出器１５との間に配置され、分波器１２から入射した光を増幅して光検出器１５に出射する。
【００５０】
光増幅器としては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）をドープした光ファイバ増幅器ＥＤＦＡ（Er-doped optical fiber amplifier）を使用する。このＥＤＦＡは、光の強度を約１桁から２桁上昇させることができる。
このような光増幅器を、光源１１と超音波検出素子２０との間に配置した場合には、超音波検出素子２０に入射する入射光の強度が増幅される。また、光増幅器を超音波検出素子２０と光検出器１５との間に配置した場合には、超音波検出素子２０に入射する入射光の強度は変化しないが、光検出器１５に入射する反射光の強度が増幅される。この場合には、受信した超音波によって変調された反射光の強度変化も増幅されることになる。
【００５１】
いずれにしても、光の状態で強度を増幅することにより光検出器１５に入射する反射光の光量が増加するので、光検出器１５における電気的なノイズの影響を低減し、超音波受信装置のＳＮ比を向上させることができる。さらに、両者を併用する場合には、より一層のＳＮ比の向上が実現可能である。
【００５２】
また、第１〜第３の実施形態においては、光源として、チューナブルＬＤの替わりにブロードバンド光源を用いることができる。この変形例について、図８及び図９を参照しながら説明する。
図８においては、ブロードバンド光源から発生する光を、狭帯域化フィルタにより狭帯域化して用いている。ブロードバンド光源としては、例えば、増幅された自然放出光を放出するＡＳＥ（amplified spontaneous emission）光源や、ブロードバンドファイバ光源を用いることができる。図８においては、ブロードバンド光源として、ＡＳＥ光源９３を使用している。ＡＳＥ光源９３は、広帯域光増幅器（broadband optical fiber amplifier）の構造を、増幅された自然放出光を発生できるように変えたものである。広帯域光増幅器の詳細については、例えば、大越春喜氏による「広帯域光増幅器」（電子情報通信学会誌Ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．７、ｐ．７１８〜７２４、１９９９年７月）を参照されたい。
【００５３】
ここで、図９は、図８に示すＡＳＥ光源９３の原理を説明するための図である。ＡＳＥ光源９３は、光増幅用の光ファイバ９６を含んでいる。光ファイバ９６の一方の端部にはレンズ９７が取り付けられており、他方の端部には励起光反射用のブラッググレーティング部９８が形成されている。レンズ９７の図中左側には、レーザ発振器９９が励起光源として配置されている。レーザ発振器９９において発生した光は、レンズ９７を介して光ファイバ９６に入射して増幅され、増幅された光の一部は、自然放出光としてブラッググレーティング部９８を透過する。
【００５４】
再び図８を参照すると、ＡＳＥ光源９３が発生した光は、分波器９４に入射する。分波器９４は、第１の方向から入射した光を第２の方向に通過させると共に、第２の方向から戻ってくる反射光を第１の方向とは別の第３の方向に通過させる。図８においては、分波器９４としてハーフミラーを用いているが、この他、光サーキュレータや偏光ビームスプリッタを用いても良い。
【００５５】
ＡＳＥ光源９３を出た光が分波器９４を通過する方向（図の下側）には、超音波検出素子２０と同じ材料で構成される狭帯域フィルタ９５が設けられている。狭帯域フィルタ９５に入射した光は、狭帯域フィルタ９５に含まれるブラッググレーティング構造を有する多層膜によって反射され、再び分波器９４に入射する。ＡＳＥ光源９３から発生した自然放出光は、狭帯域フィルタ９５を通過することにより、狭帯域化される。
【００５６】
狭帯域フィルタ９５に反射された光は、再び分波器９４に入射し、進路を変更されて分波器１２に入射する。分波器１２を通過した光は、受信される超音波に応じて伸縮することにより超音波有感部の光反射率が変動する超音波検出素子２０に入射し、強度変調を受けて反射される。
【００５７】
ここで、ブラッググレーティング部は、温度の変化によって反射光の中心波長が０．０１ｎｍ／℃の割合で変化する。そのため、単一波長のレーザ光を発生する光源を用いると、ブラッググレーティング部によって構成された超音波検出素子２０の感度が、温度の変化によって大きく変化してしまうという問題があった。しかしながら、図８に示すように、ＡＳＥ光源９３から発生した自然放出光を狭帯域フィルタ９５によって狭帯域化することにより、単一波長のレーザ光に近い帯域を確保できると共に、温度の変化による超音波受信装置の感度の変化を低減することができる。
【００５８】
即ち、狭帯域フィルタ９５と超音波検出素子２０とを同一の材料で形成し、狭帯域フィルタ９５と超音波検出素子２０とを、例えば、熱伝導率の高い材料で結合したり、狭帯域フィルタ９５と超音波検出素子２０とを物理的に近接させることにより、熱的結合を図っている。又は、狭帯域フィルタ９５と超音波検出素子２０との周りにヒートパイプを配置しても良い。
【００５９】
これにより、狭帯域フィルタ９５のブラッググレーティング部と超音波検出素子２０のブラッググレーティング部とがほぼ同じ温度となるので、温度によって超音波検出素子２０の反射特性がシフトしても、超音波検出素子２０に入射する光の波長も同様にシフトして、超音波受信装置の感度の変化を低減することができる。
【００６０】
以上において述べたような超音波受信装置を適用した超音波撮像装置について、図１０を参照しながら説明する。
図１０に示す超音波検出部６０は、第１〜第３の実施形態における超音波検出素子を含んでおり、コリメート部や光伝送路を介してレンズ１７や分波器１２に接続されている。
【００６１】
また、この超音波撮像装置は、超音波送信部７０と駆動信号発生回路７１とを含んでいる。超音波送信部７０は、駆動信号発生回路７１から発生する駆動信号に基づいて超音波を送信する。
超音波送信部７０から送信された超音波は、被検体によって反射され、超音波検出部６０に受信される。このとき、超音波検出部６０の超音波有感部は、印加される超音波に応じて伸縮し、その伸縮に応じて超音波有感部の光反射率が変動する。一方、超音波検出部６０には、光源から発生し、分波器１２を通過した光が入射している。この光は、超音波検出部６０の超音波有感部における光反射率の変動により強度変調を受け、反射される。反射された光は、分波器１２や結像系１８を介して光検出器１５に入射し、２次元的に検出される。
【００６２】
また、この超音波撮像装置は、信号処理部８１と、Ａ／Ｄ変換器８２と、１次記憶部８３と、画像処理部８４と、画像表示部８５と、２次記憶部８６と、タイミングコントロール部７２とを含んでいる。
光検出器１５から出力される検出信号は、信号処理部８１において位相調整、対数増幅、検波等の処理を施され、さらに、Ａ／Ｄ変換器８２においてディジタル信号に変換される。
【００６３】
１次記憶部８３は、変換されたデータに基づく複数枚の面データを記憶する。画像処理部８４は、それらのデータに基づいて、２次元データ又は３次元データを再構成すると共に、補間、レスポンス変調処理、階調処理等の処理を施す。画像表示部８５は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置であり、これらの処理を施された画像データに基づいて画像を表示する。さらに、２次記憶部８６は、画像処理部８４において処理されたデータを記憶する。
【００６４】
タイミングコントロール部７２は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生回路７１を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後に光検出器１５から出力される検出信号を取り込むように、信号処理部８１を制御する。このようにして、被写体の特定の深さから反射された超音波を検出することができる。
ここで、超音波検出部６０と超音波送信部７０とは、別々に設けても良いし、超音波送信部７０と超音波検出素子とを組み合わせることにより、超音波用探触子（超音波送受信部）１を形成しても良い。
【００６５】
超音波送信部７０と超音波検出素子とを組み合わせる場合における超音波用探触子の構成について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。
図１１に示す超音波用探触子１において、超音波検出素子２０の周囲には、複数の超音波送信素子１０が配置されている。超音波送信素子１０は、圧電素子７及び電極８を含んでおり、配線９を介して駆動信号発生回路７１に接続されている。なお、図１１においては、簡単のために、１組のみの配線を示す。
【００６６】
圧電素子７は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyl difluoride）等の高分子圧電素子によって構成される。このような圧電素子に、駆動信号発生回路７１からパルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は圧電効果により伸縮する。これにより、超音波パルス或いは連続波超音波が発生し、媒質中を超音波ビームとして伝搬する。
【００６７】
図１２は、超音波用探触子１のハウジング内の正面図である。超音波用探触子１のハウジング３５内には、圧電素子７及び電極８を含む超音波送信素子１０と、コリメータ部１４を介して光伝送部１３に接続されている超音波検出素子２０とが収納されている。
【００６８】
超音波送信素子１０及び超音波検出素子２０とハウジング３５との間には、音響インピーダンスの整合を図るために音響整合層３６を設けることが望ましい。音響整合層３６は、超音波を伝え易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等により構成することができる。また、ハウジング３５の表面には、超音波送信素子１０や超音波検出素子２０を保護することも兼ねて、シリコンゴム等の音響レンズ材３７を設けることが望ましい。なお、ハウジング３５内は、超音波送信素子１０及び超音波検出素子２０が設けられた部分の近傍を除き、樹脂３８で固められている。
【００６９】
図１３は、超音波用探触子１の平面図を示している。本実施形態においては、図１３の（ａ）に示すように、超音波検出素子２０の周囲に複数の超音波送信素子１０を配置しているが、図１３の（ｂ）又は（ｃ）に示すように、超音波検出素子２０の受信面が１つ又は複数の超音波送信素子１０を囲むように配置することも可能である。図１３の（ｂ）に示すように、超音波検出素子２０の中心に１つの超音波送信素子１０を配置する場合には、送信波のビームスキャンはできないので、無指向性の超音波送信素子を用いることが望ましい。一方、図１３の（ａ）又は（ｃ）に示すように、複数の超音波送信素子１０を１次元又は２次元的に配置する場合には、１次元又は２次元的なビームスキャン送信が可能になる。なお、図１３の（ａ）〜（ｃ）において、超音波送信素子１０や超音波検出素子２０の周囲を、超音波のクロストークを低減させるために、吸音材３９で満たしても良い。吸音材３９としては、金属粉入りエポキシ樹脂や、フェライト粉入りゴム等が適している。
【００７０】
超音波送信素子１０と超音波検出素子２０とを図１３（ｃ）に示すように配置する場合には、例えば、次のように超音波用探触子を作製することができる。図１４は、超音波用探触子の作製方法の例を説明するための図である。
図１４の（ａ）〜（ｄ）は、図１３の（ｃ）のＡ−Ａ’面における断面を示している。まず、図１４の（ａ）に示すように、光学ガラス等を材料とする基板２１に、複数の開口を形成する。次に、図１４の（ｂ）に示すように、基板２１の図中下側の面上に、異なる屈折率を有する２種類の材料層を交互に積層することにより、ブラッググレーティング構造を有する多層膜２２を形成する。次に、図１４の（ｃ）に示すように、基板２１の開口内に、圧電素子７及び電極８を含む超音波送信素子１０を挿入する。これにより、超音波検出素子２０の受信面が、超音波送信素子１０を囲むように形成される。なお、この際に、超音波送信素子１０と超音波検出素子２０との隙間に吸音材３９やエポキシ系の接着剤等を充填してもよい。さらに、図１４の（ｄ）に示すように、超音波送信素子１０に配線９を接続し、超音波検出素子２０にコリメート部１４及び光伝送路１３を接続する。
【００７１】
このように、異なる方式を用いた超音波送信部と超音波検出部とを一つの探触子にまとめると、従来の送受同一方式を用いた探触子と同様の操作感で超音波診断を行うことができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、受信した超音波を光伝送路に伝搬させることにより、超音波の多重反射を抑制することができる。これにより、ＳＮ比の高い信号を得ることができ、画質の良い超音波画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す超音波検出素子の超音波検出原理を説明するための図である。
【図３】図１に示す超音波検出素子、コリメート部、及び、光伝送路の接続部分を拡大して示す断面図である。
【図４】図１に示す超音波受信装置の変形例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波受信装置の一部を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る超音波受信装置を示す図である。
【図７】本発明の第１〜第３の実施形態に係る超音波受信装置の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第１〜第３の実施形態に係る超音波受信装置の別の変形例を示す図である。
【図９】図８に示すＡＳＥ光源の構成を示す図である。
【図１０】本発明に係る超音波受信装置を適用した超音波撮像装置を示すブロック図である。
【図１１】図１０の超音波撮像装置に含まれる超音波用探触子の構成を示す模式図である。
【図１２】図１１に示す超音波用探触子の構造を示す正面図である。
【図１３】超音波検出素子と超音波送信素子の配置例を示す図である。
【図１４】超音波検出素子が超音波送信素子を囲むように配置されている超音波用探触子の作製方法の例を示す図である。
【図１５】ファブリーペロー共振器構造を有する２次元面センサの構成を示す図である。
【図１６】光検出方式の超音波検出素子における超音波の多重反射を説明するための図である。
【図１７】図１７の（ａ）は、超音波検出素子における位置Ａ〜Ｅにおいて生じた振動を示す波形図であり、図１７の（ｂ）は、超音波検出素子によって検出された位置Ａ、Ｃ、Ｅにおける検出信号を示す波形図である。
【符号の説明】
１超音波用探触子（超音波送受信部）
７圧電素子８電極
９配線１０超音波送信素子
１１光源１３光伝送路
１３ａ、９６光ファイバ１４コリメート部
１４ａコリメートレンズ１５光検出器
１６、１７、９７レンズ１８結像系
２０、３０、１００超音波検出素子
２０ａ、１０２ａ受信面２１、３１、３２基板
２２、４３多層膜２３ａ被覆材
２５接着剤３５ハウジング
３６音響整合層３７音響レンズ
３８樹脂３９吸音材
４０超音波有感部を有するバンドルファイバ
４０ａファイバ４１光ファイバ
４２コリメートレンズ４４被覆材
５０バッキング部５１光伝送部
５２被覆部６０超音波検出部
７０超音波送信部７１駆動信号発生回路
７２タイミングコントロール部８１信号処理部
８２Ａ／Ｄ変換器８３１次記憶部
８４画像処理部８５画像表示部
８６２次記憶部９１、９２光増幅器
９３ＡＳＥ光源９４、１２分波器
９５狭帯域フィルタ９８ブラッググレーティング部
９９レーザ発振器１０１基材
１０２超音波有感部１０３全反射ミラー
１０４ハーフミラー１０５キャビティ

Claims

受信される超音波に応じて伸縮し、伸縮に応じて光反射率が変動することにより、入射される光を強度変調する超音波有感部を含む超音波検出素子と、
前記超音波検出素子に光を導くと共に、前記超音波検出素子によって受信される超音波を伝搬させながら減衰させる光伝送路と、
前記超音波検出素子と前記光伝送路との間に樹脂系接着剤によって接続されたＧＲＩＮレンズ（グラディエントインデックスレンズ）を具備し、前記光伝送路によって導かれた光を前記ＧＲＩＮレンズにより前記超音波検出素子に対してコリメートすると共に、前記超音波検出素子から導かれた超音波を前記光伝送路に伝播させるコリメート部と、
前記超音波検出素子において強度変調された光を検出する光電変換部と、
を具備する超音波受信装置。
前記光伝送路が、光透過性を有すると共に超音波を減衰させる部材を含む、請求項１記載の超音波受信装置。
前記光伝送路と前記コリメート部との内の少なくとも一方が、超音波を減衰させる部材によって被覆されている、請求項１又は２記載の超音波受信装置。
ブロードバンド光源と、
前記ブロードバンド光源から発生した光を狭帯域化する狭帯域化フィルタと、
を具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波受信装置。
前記ブロードバンド光源が、増幅された自然放出光を放出するＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源である、請求項４記載の超音波受信装置。
前記狭帯域化フィルタと前記超音波検出素子とが、同一の材料で構成され、かつ、
前記狭帯域化フィルタと前記超音波検出素子との周りにヒートパイプを配置することにより、前記狭帯域化フィルタと前記超音波検出素子とが、熱的に結合している、請求項４又は５記載の超音波受信装置。