JP4266539B2 - 超音波検出方法、超音波検出装置及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体中を伝搬する超音波等の動的変化を検出する方法及び装置に関する。さらに、本発明は、そのような超音波検出装置を備える超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆる超音波エコー観察等を行う超音波診断装置は、超音波センサ部（探触子）に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電材料を用いるのが一般的である。
図１８は、従来の探触子の構造を模式的に示す図である。図１８の（Ａ）は全体の斜視図、図１８の（Ｂ）は配列振動子を拡大して示す斜視図である。
図１８の（Ａ）に示すように、探触子３０１は、全体として薄い箱型をしており、細長い長方形状の探触面３０２を有する。探触面３０２を人体に当てて超音波を送信し、人体の奥部から返ってくる超音波エコーを受信する。探触子３０１の上側には、超音波送受信信号を伝えるケーブル３０７が接続されている。
【０００３】
探触面３０２内には、超音波の発振子と受振子を兼ねる、櫛状の配列振動子３０３が収められている。図１８の（Ｂ）に示すように、配列振動子３０３は、薄い（例えば、厚さ０．２〜０．３ｍｍ）ＰＺＴの帯状板に、多数のスリット３０６（例えば、幅０．１ｍｍ）を入れて櫛の歯状の個別振動子３０５（例えば、幅０．２ｍｍ、長さ２０ｍｍ）を多数（例えば、２５６個）配列したものである。
【０００４】
各個別振動子３０５には電極が形成されており、信号線が接続されている。また、配列振動子３０３の表面（図の下側）には、ゴムを含む樹脂系材料によって構成される音響レンズ層や整合層が貼られており、裏面側にはバッキング材が貼られている。音響レンズ層は送信する超音波の集束性を良くする。整合層は、超音波の送信効率を高める。バッキング材は、振動子を保持する機能を有するとともに、振動子の振動を早く終了させる。
なお、このような超音波探触子及び超音波診断装置については、東洋出版「超音波観察法・診断法」や、医歯薬出版「基礎超音波医学」に詳しく説明されている。
【０００５】
ところで、超音波診断分野では、被検者のより詳細な体内情報を取得するために、３次元データの収集が望まれている。それを実現するために、超音波検出素子（超音波センサ）を２次元アレイ化することが求められている。しかし、上記のＰＺＴにおいては、現状以上の微細化と素子集積は、次のような理由により困難である。すなわち、ＰＺＴ材料（セラミックス）の加工技術が限界に近くなっており、これ以上の微細化は加工歩留まりの極端な低下につながる。また、配線数が増大し、配線の電気的インピーダンスが増大する。さらに、各素子（個別振動子）間のクロストークが増大する。そのため、ＰＺＴを用いた２次元アレイ探触子の実現は、現状では困難と考えらている。
【０００６】
ULTRASONIC IMAGING 20, 1-15 (1998)には、Duke大学のE.D. LIGHTらによる「Progress in Two-Dimensional Arrays for Real-Time Volumetric Imaging 」と題する文が掲載されている。この文献において、ＰＺＴ超音波センサの２次元アレイを有する探触子が開示されている。しかし、同時に次のようにも述べられている。「同様の質の画像を得るためには、２次元アレイのエレメント数は１２８×１２８＝１６，３８４が必要である。しかし、そのような多数のＲＦチャンネルを作ることは、複雑かつコストがかかるので、近い将来には望み薄であろう。また、かくも多数のエレメントを密に結線することは非常に困難である。」（第２頁、第１４〜１８行）
【０００７】
一方、ＰＺＴのような圧電材料を用いない超音波センサとして、光ファイバーを利用したセンサも用いられている。このような光ファイバー超音波センサは、電磁界の影響が大きい場所や、狭小な部位での計測に適している。
【０００８】
J. Acoust. Soc. Am. 93(2), February 1993, p.1182-1191 には、Patrick J. Phillips らによる「Optical transducer for reception of ultrasonic waves」と題する論文が掲載されている。この文献において、光の全反射界面近傍の近接場光（エバネセント光）の強度が該近接場に物体が存在することにより変化することを利用した超音波−光トランスジューサが提案されている。また、同文献中には、全反射界面上で光ビームのスポットを走査することにより１次元の超音波音圧分布を求めることも開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Phillipsらの文献には、ビーム走査を行うことなく、医用画像診断装置に求められるリアルタイム性のある２次元の超音波音圧分布検出を実行する方法については、なんら具体的な開示はない。
【００１０】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされた。本発明の目的は、３次元超音波データのリアルタイム収集に適した超音波検出方法及び超音波検出装置、並びに超音波診断装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波検出方法は、第１の光学層と第２の光学層とがその間に所定の長さを有するギャップを形成するように配列された超音波−光トランスジューサに、ギャップの長さよりも長い波長を有する光を第１の光学層側から入射させ、第１の光学層とギャップとの界面において光を全反射させて反射光を得るステップ（ａ）と、超音波−光トランスジューサに第２の光学層側から超音波を印加して、第２の光学層を弾性変形させることにより第１の光学層からギャップを介して第２の光学層に漏れ出す光の強度を変化させるステップ（ｂ）と、第１の光学層からギャップを介して第２の光学層に漏れ出す光の強度の変化に応じて変化する反射光の強度分布を２次元的に検出するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）において検出された反射光の強度分布に基づいて、第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を２次元的に求めるステップ（ｄ）と、ギャップの長さを、超音波の音圧強度に応じて変化させるステップ（ｅ）とを具備し、超音波が被検体内部からの超音波反射エコーであり、ステップ（ｅ）が、被検体内のエコー源の深さに対応してギャップの長さを変化させることを含む。
【００１２】
また、本発明に係る超音波検出装置は、第１の光学層と第２の光学層とがその間に所定の長さを有するギャップを形成するように配列された超音波−光トランスジューサであって、第２の光学層側から超音波が印加されることにより第２の光学層が弾性変形すると共にギャップの長さが変化する、超音波−光トランスジューサと、第１の光学層とギャップとの界面において光を全反射させるように、ギャップの長さよりも長い波長を有する光を第１の光学層側から入射させる手段と、第１の光学層からギャップを介して第２の光学層に漏れ出す光の強度の変化に応じて変化する反射光の強度分布を２次元的に検出する検出手段と、検出手段によって検出された反射光の強度分布に基づいて、第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を２次元的に求める信号処理手段と、ギャップの長さを、超音波の音圧強度に応じて変化させる調節手段とを具備し、超音波が被検体内部からの超音波反射エコーであり、調節手段が、被検体内のエコー源の深さに応じてギャップの長さを変化させる。
【００１３】
さらに、本発明に係る超音波診断装置は、被検体に超音波を送信する送信部と、上記の超音波検出装置と、該超音波検出装置によって求められた超音波の音圧分布を表す検出信号に基づいて画像を表示する表示部とを具備する。
【００１４】
【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検出装置の構成を模式的に示している。
【００１５】
図１の左端には、レーザ１が示されている。このレーザ１は、例えばＨｅＮｅレーザ（波長λ＝６３２．８ｎｍ）である。レーザ１は、図１の右方に向けてレーザ光Ｌ１を発する。レーザ１の出力側には、ビームスプリッタとして働くハーフミラー３が、レーザ光１の光路に対して斜めに配置されている。レーザ光Ｌ１はハーフミラー３に入射し、該ハーフミラー３を透過する光Ｌ３と、反射して図１の下方に向かう光Ｌ２に分割される。反射された光Ｌ２は、ＰＤ（フォトダイオード）５に入射する。ＰＤ５の検出した光Ｌ２の強度信号は、差動増幅器３３の反転入力に与えられる。
【００１６】
ハーフミラー３を透過した光Ｌ３は、２個のレンズ７ａ及び７ｂからなるビームエキスパンダー７に入射する。ビームエキスパンダー７は、例えばビーム径３ｍｍのレーザ光をビーム径３０ｍｍ程度に拡大する。ビーム径が拡大されたレーザ光をレーザ光Ｌ４とする。レーザ光Ｌ４は、三角プリズム１３の左側の斜面に入射する。
【００１７】
本実施形態における超音波−光トランスジューサ１１は、三角プリズム１３と、スペーサ１５と、オプティカルフラット１７と、音響整合層１９とを備えている。三角プリズム１３は、二等辺三角形を底面とする三角柱の形状をしており、例えば、光学ガラスから成っている。図１において、三角プリズム１３は、図中下側の側面（以下、「三角プリズムの主面」、又は、「第１光学界面」という。）をオプティカルフラット１７に向けている。三角プリズム１３において、超音波の検出に用いるレーザ光Ｌ４が左側の斜面から入射して屈折し（Ｌ５）、三角プリズムの主面Ｓ１で全反射し（Ｌ６）、三角プリズム１３の右側の斜面から屈折して三角プリズム外に出て行く（Ｌ８）。三角プリズム１３の主面Ｓ１を形成している光学ガラス層が、第１光学層を構成している。三角プリズム１３の主面Ｓ１は表面粗さλ／１０以下のきわめて平面度の高い面となっている。
【００１８】
三角プリズム１３の主面Ｓ１の両端にはスペーサ１５が配置されている。スペーサ１５は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を厚さ３０ｎｍに蒸着して形成したものである。このスペーサ１５により、三角プリズム１３とオプティカルフラット１７間のギャップ１４の長さが決定される。ギャップ１４は、例えば、空気で満たされている。
【００１９】
ギャップ１４及びスペーサ１５の下側には、オプティカルフラット（第２光学層）１７が配置されている。オプティカルフラット１７は、例えば、光学ガラスからなるフラットな板である。オプティカルフラット１７において、三角プリズム側の面（図１の上側）Ｓ２は、面粗さが上記の三角プリズムの主面Ｓ１と同じくλ／１０と、きわめて平面度の高い面である。また、オプティカルフラット１７の厚さ（例えば、１ｍｍ）もきわめて均一である。
【００２０】
オプティカルフラット１７において、プリズムの反対側の面には、音響整合層１９が設けられている。音響整合層１９は、例えば、樹脂材料からなり、厚さ０．１〜０．２ｍｍを有している。
音響整合層１９において、オプティカルフラットの反対側の面は（図１の下側）、被検体（例えば、人体表面）２１に接している。被検体２１中を伝搬する超音波２３は、音響整合層１９を介してオプティカルフラット１７に印加される。
【００２１】
図２は、図１に示すような超音波検出装置に含まれる超音波−光トランスジューサの主要部を模式的に示している。図２の上側から下側に向かって、三角プリズム（第１光学層）１３と、ギャップ１４と、オプティカルフラット（第２光学層）１７と、音響整合層１９と、被検体２１とが、順に示されている。
【００２２】
このトランスジューサには、光Ｌ５が、第１光学界面Ｓ１に第１光学層１３とギャップ１４との臨界角以上の角度で入射し、全反射する（反射光Ｌ６）。しかし、第１光学界面Ｓ１の下には、エバネセント場が生じ近接場光（エバネセント光）Ｌ７が出ている。この近接場光Ｌ７は、界面Ｓ１から少し離れると著しく減衰する。しかしながら、ギャップ１４の長さＤが光の波長λよりも小さい場合には、相当の強さの近接場光Ｌ７がオプティカルフラット１７に漏れ出す。例えば、光の波長が６３２．８ｎｍで、ギャップ１４の長さがλの５％程度の場合、θ＝７０°で光Ｌ５を入射すると、漏れ出す近接場光Ｌ７の強度は、光Ｌ５の８０％程度となる。反射光Ｌ６の強度は、漏れ出す近接場光Ｌ７の強度の分だけ、入射光Ｌ５の強度より小さくなる。したがって、入射光Ｌ５と反射光Ｌ６の強度を検出してその差を求めることにより、近接場光Ｌ７の強度を計測できる。
【００２３】
被検体２１中を伝搬する超音波２３は、整合層１９を介してオプティカルフラット１７に印加される。整合層１９の音響インピーダンスＺ₃は、被検体２１の音響インピーダンスＺ_OBJより大きく、第２光学層の音響インピーダンスＺ₂よりは小さく、仮に１層で実現すると、次式を満足することが望ましい。
【数１】

このような関係を満たす整合層１９を設けることによって、超音波２３がオプティカルフラット１７へ入射しやすくなる。オプティカルフラット１７は、印加された超音波によって超音波音圧を受け、振動する。この振動に応じて、オプティカルフラット１７の三角プリズム１３側の面（図２の上面）Ｓ２が動き、ギャップ１４の長さＤは、場所によって動的に変化する。
【００２４】
近接場光Ｌ７の強度は、ギャップ１４の長さＤによって変化する。したがって、近接場光Ｌ７の強度の界面Ｓ１のある範囲における２次元的分布を計測できれば、被検体２１内を伝搬する超音波２３の音圧分布を検出できる。
【００２５】
ここで、各光学層の光学特性の例を次に述べる。
第１光学層１３：光学ガラス（ＢＫ７）、屈折率Ｎ₁＝約１．５、音響インピーダンスＺ₁＝１５．４４×１０⁶kg・m^-2・s^-1
ギャップ１４：空気、屈折率Ｎ_GAP＝１．０、音響インピーダンスＺ_GAP＝４１５kg・m^-2・s^-1
第２光学層１７：光学ガラス（ＢＫ７）、屈折率Ｎ₂＝約１．５、音響インピーダンスＺ₂＝１５．４４×１０⁶kg・m^-2・s^-1
音響整合層１９：樹脂、音響インピーダンス（１層として）Ｚ₃＝約４．７４×１０⁶kg・m^-2・s^-1
被検体２１：人体、音響インピーダンスＺ_OBJ＝１．５×１０⁶kg・m^-2・s^-1
【００２６】
ここで、近接場光を利用する超音波トランスジューサとして必要あるいは望ましい特性は、以下の通りである。
▲１▼ Ｎ₁＞Ｎ_GAPで両者の差は大きいほどよい。
第１光学層１３とギャップ１４の界面Ｓ１で全反射が起こるための条件である。差が大きいほどよいのは、エバネッセント光が境界面近傍で急速に変化するためである。
▲２▼ Ｎ₁≒Ｎ₂
第１光学界面Ｓ１下のギャップ１４に生じている近接場光Ｌ１７が、第２光学層１７に漏れ出すための条件である。ギャップの長さが０のときは、第１光学層から第２光学層へ光は全透過する。
▲３▼ Ｚ₂≫Ｚ_GAP
第２光学層１７の振動に応じてギャップ１４の長さＤが変化しやすいための条件である。
▲４▼
【数２】

被検体の超音波が、音響整合層、オプティカルフラットに反射せずに入射しやすくなるための条件である。
【００２７】
図３は、図１に示す超音波検出装置のトランスジューサに含まれる第１光学界面における入射光の偏波面を模式的に示す図である。
図３には、第１光学層１３、第１光学界面Ｓ１、ギャップ１４が示されている。入射光Ｌ５は、第１光学界面Ｓ１に入射し、反射する（反射光Ｌ６）。第１光学界面Ｓ１のギャップ１４側には、近接場光Ｌ７が漏れ出している。ここで、本発明の目的をよりよく達成するために、入射光Ｌ５は、光の振動方向がギャップの厚み変化の方向と一致するような偏波面を有し、ギャップの長さ変化による光強度変化がＳ偏波より大きいＰ偏波であることが好ましい。
【００２８】
このために、直線偏光のレーザを光源に用いたり、円偏光などの直線偏光以外のレーザ光を偏光子により偏波面を制御することにより、超音波の検出に用いる光の偏波面が入射面に平行（Ｐ偏波）になるよう調整することが好ましい。
【００２９】
再び図１を参照すると、三角プリズム１３から出た光Ｌ８は図の右方に進んでＰＤアレイ３１に入射する。ＰＤアレイ３１は、多数の小形のＰＤが行列状に並べられたものである。このＰＤアレイ３１において光Ｌ８の強度分布が計測される。
【００３０】
各ＰＤが検出した強度の電気信号は、差動増幅器３３に入力される。この差動増幅器３３は、光源のドリフトなどの変動をキャンセルするためのもので、１個のＰＤに対して１個設けられている。差動増幅器３３には、レーザ１の出力側のハーフミラー３の反射光Ｌ２を検出しているＰＤ５からも、トランスジューサ１１に入射する光Ｌ３の強度に関する電気信号が入力される。ＰＤ５により光源（レーザ１）の変動を検出しておき、各差動増幅器３３によって、上述の入射強度とレーザ１の変動値との差をとる。この差動増幅器３３の出力信号は、近接場光の強度に対応し、言い換えれば、三角プリズム１３とオプティカルフラット１７との間のギャップ長に対応する。従って、この信号を適切に処理することにより、オプティカルフラットに加わる超音波の音圧分布を検出できる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波検出装置について、図４及び図５を参照しながら説明する。
図４は、本実施形態に係る超音波検出装置の構成を模式的に示す系統図である。この超音波検出装置は、以下の点について、図１の超音波検出装置と異なっている。
（１）光源がパルスレーザ５５であり、電源５１とレーザ５５の間に可変遅延回路５３が挿入されている。
（２）光検出用のエリアセンサがＣＣＤ撮像素子（カメラ）５７であり、同カメラ５７は時分割で各画素の受けた強度情報を読み出し、その電気信号は差動増幅器５９に入力される。
【００３２】
ここで、この超音波検出装置の動作を説明する。図５は、図４に示す超音波検出装置の動作タイミングを表すタイミングチャートである。
図５の最上段は、送信される超音波の出力タイミングを示している。この例では、６１、６２、６３で示す３回の超音波送信を行っている。１回目の超音波送信と２回目の超音波送信の間隔はＴ_PR１であり、２回目の超音波送信と３回目の超音波送信の間隔はＴ_PR２である。Ｔ_PR１＜Ｔ_PR２としたのは、画像をとっている部分の深度が１回目より２回目の方が深く、超音波送信後、エコーを得るまでの時間が深度に応じて長い（Ｔ_D１＜Ｔ_D２）ためである。
【００３３】
図５の２段目は、パルスレーザの点燈タイミングを示している。１回目の超音波送信６１から遅延時間Ｔ_D１だけ遅れて短時間点燈６４を行う。２回目は、超音波送信６２から遅延時間Ｔ_D２だけ遅れて短時間点燈６５を行う。Ｔ_D１＜Ｔ_D２としているのは、２回目は１回目よりも被検体の深い部分からの超音波反射エコーを検出するためである。ここで、１回目の点燈６４で身体の表面から８０ｍｍの深さの断面を狙い、２回目の点燈６５で、１回目の点燈６４による断面より１ｍｍ深い断面（身体の表面より８１ｍｍ）を狙うものとする。また、超音波の伝搬方向のスライス厚を０．５ｍｍとし、体内での超音波の伝搬速度を１６００ｍ／ｓとすると、Ｔ_D１、Ｔ_D２、点燈時間Ｔ_ONは以下となる。
Ｔ_D１＝（２×０．０８）／１６００＝１００μｓ
Ｔ_D２−Ｔ_D１＝（２×０．００１）／１６００＝１．２５μｓ
Ｔ_ON＝（２×０．５×１０^-3）／１６００＝６２５ｎｓ
図５の３段目は、ＣＣＤの画像読み出しタイミングを示している。レーザ点燈６４、６５から、それぞれ読み出し時間Ｔ_Rをかけて画像を読み出す。
【００３４】
このように、レーザをパルス駆動し、超音波強度に依存した全反射光がエリアセンサに入射する時間帯を限定することにより、被検体の特定深さから反射された超音波を光によって検出することができる。この場合、超音波トランスジューサに入射する光源の点燈は、被検体内の任意深さの情報を収集するのに適当な時間だけ、超音波の送信から遅らせて動作させる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波検出装置について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を模式的に示す系統図である。この超音波検出装置においては、エリアセンサにシャッタを設けることにより、超音波強度に依存した全反射光がエリアセンサに入射する時間帯を限定している。
【００３６】
図６において、レーザ７１は、連続して発振している。レーザ７１とビームエキスパンダー７の間に置かれたシャッタ７７は、光源（レーザ７１）の外部から入射光の点滅を制御する。シャッタ７７は、可変遅延回路７３及びシャッタ駆動回路７５により駆動される。このように、シャッタでタイミング調整する方法は、メカ動作で入射光を点滅させるので、動作速度を高速化できないという欠点はあるが、高価なパルスレーザを使用しないので、コストダウンできるという利点がある。
【００３７】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波検出装置について説明する。図７は、本発明の第４の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を模式的に示す系統図である。
図７において、この超音波検出装置は、超音波−光トランスジューサ１１とＣＣＤ撮像素子５７との間にシャッタ７９を有しており、このシャッタによってＣＣＤ５７への入射光のタイミングが制御される。シャッタ７９は、可変遅延回路７３及びシャッタ駆動回路７５により駆動される。シャッタ７９は、外付けのメカシャッタでもよいし、ＣＣＤ撮像素子内蔵の電子シャッタでもよい。このように受光側にシャッタを置くと、メカシャッタの場合には動作速度を高速化できないという欠点はあるが、高価なパルスレーザを使用しないので、コストダウンできるという利点がある。
【００３８】
次に、本発明の第５の実施形態に係る超音波検出装置について説明する。図８は、本発明の第５の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を模式的に示す系統図である。
この超音波検出装置は、複数の超音波−光トランスジューサ８４、８５を用いて、超音波検出領域８８のそれぞれの位置における音圧分布を測定するものである。各トランスジューサ８４、８５には、１台のレーザ８１から複数のミラー８２、８３を介して光がそれぞれ送られる。複数のトランスジューサ８４、８５からの出力光は、複数の受光素子８６、８７にそれぞれ送られる。
【００３９】
本実施形態によれば、例えば、図１に示すＰＤアレイにおけるように、トランスジューサから出射した光を、さらに分割して受光する必要がないので、各受光素子において十分な強度を確保でき、Ｓ／Ｎを向上できる。また、ギャップの長さも、例えば、図１に示すような面一括露光型（超音波検出領域全体にわたって１枚のオプティカルフラットを用いるもの）に比べて均一に調整しやすく、複数の受光素子間の感度のバラツキを少なくできるという利点がある。
【００４０】
次に、本発明の第６の実施形態に係る超音波検出装置について、図９及び図１０を参照しながら説明する。
図９は、本発明の第６の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を模式的に示す系統図である。図９において、超音波一光トランスジューサ９２が１次元アレイに配置されている。即ち、この超音波検出装置においては、多数（例えば、１２８台）のレーザ光源９１と、トランスジューサ９２と、ＰＤ９５と、差動増幅器９６とをそれぞれ並列に配置して、それぞれ独立、且つ、並列に測定を行う。
【００４１】
複数のトランスジューサ９２を含むアレイは、駆動装置９３によって図中の矢印１０２の方向に走査される。この走査により、測定領域９４の２次元測定が行われる。一方、測定領域９４には、超音波送信部９８から超音波が送信される。超音波送信部９８は、コントローラ１００に制御される駆動回路９９によって駆動される。
【００４２】
複数のトランスジューサ９２からの光信号は、複数のＰＤ９５で電気信号にそれぞれ変換された後に、複数の差動増幅器９６でそれぞれ差動増幅され、データ取り込み回路９７に送られる。データ取り込み回路９７に取り込まれたデータは、コントローラ１００に送られて画像化処理され、ＣＲＴ（表示装置）１０１に表示される。
【００４３】
ここで、この超音波検出装置の動作について説明する。
図１０は、図９に示す超音波検出装置の動作タイミングを表すタイミングチャートである。図１０の最上段は、超音波送信部９８が送信する超音波パルスを示す。この例では、１０３、１０４、１０５、１０６で示す４回の超音波パルスを送信している。各パルスは、等間隔で出力されている。
図１０の２段目は、トランスジューサ９２の出力を示す。超音波送信部９８の超音波パルス出力から所定の時間遅延して、１０７、１０８、１０９、１１０で示す４回の光信号が、ＰＤ９５により検出される。
【００４４】
図１０の３段目は、ＰＤ９５から出力された検出信号の取り込みタイミングを示す。即ち、トランスジューサ９２から出力される光信号に対応して、１１１、１１２、１１３、１１４の４回、検出信号がデータ取り込み回路９７に取り込まれる。
【００４５】
図１０の４段目は、トランジューサ９２のアレイを駆動させる駆動装置９３の動作タイミングを示す。ＰＤ９５からの検出信号の取り込みが終了するごとに、駆動装置９３は、１１５、１１６、１１７、１１８の４回、所定の距離だけ矢印１０２方向にトランスジューサ９２のアレイを移動させる。移動が完了すると、超音波送信部９８から次のパルスが出力される。
【００４６】
この超音波検出装置の特長は、超音波−光トランスジューサを１次元アレイに配置し、該１次元アレイを機械的に走査することにより２次元の超音波分布を計測していることである。一般に、２次元に三角プリズムを配置し、外部から光を三角プリズムに入射させることは、光の入射方向に沿って隣接する三角プリズムに光ビームが重なるために難しい。また、先に述べたように、面一括露光型のトランスジューサでは、ギャップの長さを均一にすることが難しく、複数の受光素子間の感度のバラツキが生じる。これに対して、複数の三角プリズムを１次元に配置し、他の一軸方向は機械的に走査すると、２次元的に三角プリズムを配置した場合の不都合は解決される。また、面一括露光で問題となっていたギャップの長さのバラツキによる受光素子間の感度ムラは、個別素子を用いているので調整可能となる。
【００４７】
次に、本発明の第７の実施形態に係る超音波検出装置について説明する。図１１は、本実施形態に係る超音波検出装置の全体構成及び拡大した一部を模式的に示している。
図１１に示すように、複数の超音波−光トランスジューサユニット１１９がオプティカルフラット１２０上に２次元に配置されて、２次元のアレイセンサの画素を形成している。各超音波−光トランジューサユニット１１９において、光源１２１と、マイクロレンズ１２２と、三角プリズム１２３と、２つの受光素子１２４ａ及び１２４ｂと、差動増幅器１２５とが、１つのケース１２６内に設けられている。ケース１２６は、スペーサ１２７を介してオプティカルフラット１２０上に配置されている。超音波はオプティカルフラット１２０の下から放射される。
【００４８】
三角プリズム１２３は、三角プリズムの主面をオプティカルフラット１２０に向けて配置されている。光源１２１から発せられた光はマイクロレンズ１２２を通過して超音波の検出に用いる光となる。この光は三角プリズム１２３の左側の斜面から入射し、入射光の内、一部の光は反射して受光素子１２４ａに受光される。また、該入射光の内、残りの光は屈折し、主面で全反射し、再び三角プリズム１２３の右側の斜面から屈折して三角プリズム１２３の外に出て、受光素子１２４ｂに受光される。受光素子１２４ａ及び１２４ｂで受光された光は、差動増幅器１２５において差動増幅され、該差動増幅器１２５の先に接続されているデータ取り込み回路に送られる。
【００４９】
本実施形態によれば、光源・三角プリズム・受光素子等を含むユニットによって１つの画素に相当する領域の超音波を検出するので、第６の実施形態のように外部から導光するのとは異なり、各受光素子間の感度バラツキが少ない状態で、超音波−光トランスジューサの２次元化が可能となる。
【００５０】
本発明に係る超音波検出装置又は方法は、超音波以外の圧力を検出するセンサにも適用することができる。
図１２は、本発明に係る超音波検出装置又は方法を利用して水圧を計測する水圧センサの構成の一部を模式的に示す系統図である。
この水圧センサは、トランスジューサ１２９のオプティカルフラット１３０に水圧がかかる構成となっている。レーザ光源１３１から発せられたパルスレーザ光は、ビームエキスパンダー１３２を通過して水圧の検出に用いる光となる。この光は、三角プリズム１３３の左側の斜面から入射して屈折し、主面で全反射し、再び三角プリズム１３３の右側の斜面から屈折して三角プリズム１３３外に出て行く。主面から反射された光は、ＣＣＤ撮像素子１３４で受光され、ＣＣＤ撮像素子１３４の先に接続されているデータ取り込み回路に出力される。この水圧センサのその他の構成については、図１と同様である。
【００５１】
図１３は、本発明に係る超音波検出装置及び方法を利用して衝撃力を計測する衝撃力センサの構成の一部を模式的に示している。
この衝撃力センサは、トランスジューサ１３５のオプティカルフラット１３６に衝撃力がかかる構成となっている。なお、この衝撃力センサのその他の構成については、図１と同様である。
【００５２】
以上に述べたような超音波検出装置においては、様々な改良を加えることができる。
図１４は、図１に示す超音波検出装置に含まれる超音波−光トランスジューサに改良を加えた例を示している。
図１４に示す超音波−光トランスジューサにおいて、三角プリズム１３とオプティカルフラット１７との間のギャップ１４の長さは、変更することができる。即ち、三角プリズム１３の主面Ｓ１とオプティカルフラット１７との間に配置されているスペーサ１５の厚さを可変とすることによって、ギャップ１４の長さを変えている。スペーサ１５の厚さは、例えば、ＰＺＴ等の圧電素子で作製された微動ステージをスペーサのように介在させ、この圧電素子に印加する電圧を変えることによって変更することができる。
【００５３】
三角プリズム１３とオプティカルフラット１７間のギャップ１４の長さは、オプティカルフラット１７に漏れ出す近接場光の強度に影響を与えるものであり、言い換えれば、超音波エコーの検出感度に影響を与える。例えば、パルス発振時からの経過時間が長くなるほど、即ち、エコー源の深さが深くなるほど、超音波は大きく減衰する。このため、時間の経過とともにギャップ１４の長さを小さくして検出感度を高くすることによって、入射する超音波エコーの強度に検出感度を合わせることができる。
【００５４】
ここで、図１５を参照しながら、このような機能について詳しく説明する。図１５の（Ａ）は、パルス発振時からの経過時間とギャップの長さとの関係を示すグラフであり、図１５の（Ｂ）はパルス発振時からの経過時間と超音波反射エコーの検出感度との関係を示すグラフである。図１５の（Ａ）及び（Ｂ）において、横軸は発振時からの経過時間、図１５の（Ａ）の縦軸はギャップの長さ、図１５の（Ｂ）の縦軸は検出感度を示している。
【００５５】
経過時間が短いとき、即ち、エコー源が浅いときには、図１５の（Ａ）に示すようにギャップを厚くすることによって、図１５の（Ｂ）に示すように検出感度を下げている。反対に、経過時間が長いとき、即ち、エコー源が深いときには、図１５の（Ａ）に示すようにギャップを薄くすることによって、図１５の（Ｂ）に示すように、検出感度を上げている。これは、経過時間（エコー源の深さ）とともに増幅器のゲインを変える機能、即ち、現在の超音波画像診断装置で、「ＴＧＣ（Ｔｉｍｅ Ｇａｉｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）」、或いは、「ＳＴＣ（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｔｉｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」と呼ばれている機能と同様のものである。
【００５６】
図１６は、図１に示す超音波検出装置に含まれる超音波−光トランスジューサに改良を加えた別の例を示している。
この超音波−光トランスジューサは、局所的な凹凸を補正する機構を有している。オプティカルフラット１７の被検体側の面には、２次元にＰＺＴが配列されたＰＺＴアレイ１３７を介して固定板１３８が設けられている。各ＰＺＴに印加する電圧を個別に制御してＰＺＴの厚さを変えることにより、オプティカルフラット１７の凹凸を解消することができる。固定板１３８は、音響インピーダンスがＰＺＴに近い材料、例えば、分極処理をしていないＰＺＴ等の材料で作製される。
なお、局所的な凹凸の補正としては、三角プリズム１３とオプティカルフラット１７の面精度をλ／１０とすることでも行うことができる。
【００５７】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置について、図１７を参照しながら説明する。図１７は、本実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
この超音波診断装置は、駆動部２０１と、探触子２０９と、信号処理部２１１と、テレビ走査変換部２１３と、表示部（テレビモニタ）２１５とを含んでいる。
駆動部２０１は、パルス状の超音波駆動信号を、ＰＺＴやＰＶＤＦ等を含む超音波送信用トランスジューサ２０３に出力する。トランスジューサ２０３は、被検体２０６内に向かって超音波を送信する。トランスジューサ２０３の下方には超音波用ハーフミラー２０５（樹脂製の板等）が配置されている。超音波エコー２０７は、被検体２０６において図１７の上方に反射され、探触子２０９内の超音波用ハーフミラー２０５によって右方に反射され、２次元アレイ超音波検出部２０８に入射する。
【００５８】
超音波検出部２０８は、受信した超音波信号を光信号に変換して信号処理部２１１に出力する。信号処理部２１１は、検出部２０８から出力された光信号を電気信号に変換する。テレビ走査変換部２１３は、信号処理部２１１からの信号を増幅し、更に必要な処理を行った後に、画像化処理を行う。画像化処理された信号は、表示部（テレビモニタ）２１５に送られ、画像表示される。
【００５９】
以上、図面を参照しつつ本発明の具体例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、さまざまな改変・追加を行うことができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、３次元超音波データをリアルタイムで収集することができる。従って、そのようにして収集されたデータを利用することにより、良質な超音波画像を得ることが可能である。
【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検出装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１の超音波検出装置に含まれている超音波−光トランスジューサの一部を示す模式図である。
【図３】図１の超音波検出装置に含まれている超音波−光トランスジューサの第１光学界面における入射光の偏波面を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る超音波検出装置の構成を示す模式図である。
【図５】図４の超音波検出装置の動作タイミングを表すタイミングチャートである。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図１０】図９の超音波検出装置の動作タイミングを表すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第７の実施形態に係る超音波検出装置の全体構成及び拡大した一部を示す模式図である。
【図１２】本発明の超音波検出方法を利用して水圧を計測する水圧センサの全体構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の超音波検出方法を利用して衝撃力を計測する衝撃力センサの全体構成を示す模式図である。
【図１４】第１の実施形態を改良した超音波検出装置の一部を拡大して示す模式図である。
【図１５】図１５の（Ａ）は、パルス発振時からの経過時間とギャップの長さの関係を示す図であり、図１５の（Ｂ）はパルス発振時からの経過時間と超音波反射エコーの検出感度の関係を示す図である。
【図１６】第１の実施形態を改良した超音波検出装置の他の例の一部を拡大して示す模式図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１８】図１８の（Ａ）は、従来の探触子の構造を模式的に示す図であり、図１８の（Ｂ）は、図１８の（Ａ）の一部を示す拡大図である。
【符号の説明】
１、５５、７１、８１、９１、１２１、１３１ 光源（レーザ）
３ ハーフミラー
５、９５ ＰＤ（フォトダイオード）
７、１３２ ビームエキスパンダー
７ａ、７ｂ レンズ
１１、８４、８５、９２、１２９、１３５ 超音波−光トランスジューサ
１３、１２３、１３３ 三角プリズム（第１光学層）
１４ ギャップ
１５、１２７ スペーサ
１７、１３０、１３６ オプティカルフラット（第２光学層）
１９ 音響整合層
２１ 被検体
２３ 超音波
３１ ＰＤアレイ
３３、５９、９６、１２５ 差動増幅器
５１ 電源
５３、７３ 可変遅延回路
５７、１３４ ＣＣＤ撮像素子（カメラ）
７５ シャッタ駆動回路
７７、７９ シャッタ
８２、８３ ミラー
８６、８７ 受光素子
８８、９４ 超音波検出領域（測定領域）
９３ 駆動装置
９７ データ取り込み回路
９８ 超音波送信部
９９ 駆動回路
１００ コントローラ
１０１ ＣＲＴ（表示装置）
１１９ 超音波−光トランスジューサユニット
１２２ マイクロレンズ
１２４ａ、１２４ｂ 受光素子
１２６ ケース
１３７ ＰＺＴアレイ
１３８ 固定板
２０１ 駆動部
２０３ 超音波送信用トランスジューサ
２０５ 超音波用ハーフミラー
２０６ 被検体
２０７ 超音波エコー
２０８ 超音波検出部
２０９ 探触子
２１１ 信号処理部
２１３ テレビ走査変換部
２１５ 表示部（テレビモニタ）

Claims (17)

1. 第１の光学層と第２の光学層とがその間に所定の長さを有するギャップを形成するように配列された超音波−光トランスジューサに、前記ギャップの長さよりも長い波長を有する光を前記第１の光学層側から入射させ、前記第１の光学層と前記ギャップとの界面において光を全反射させて反射光を得るステップ（ａ）と、
   前記超音波−光トランスジューサに前記第２の光学層側から超音波を印加して、前記第２の光学層を弾性変形させることにより前記第１の光学層から前記ギャップを介して前記第２の光学層に漏れ出す光の強度を変化させるステップ（ｂ）と、
   前記第１の光学層から前記ギャップを介して前記第２の光学層に漏れ出す光の強度の変化に応じて変化する反射光の強度分布を２次元的に検出するステップ（ｃ）と、
   ステップ（ｃ）において検出された反射光の強度分布に基づいて、前記第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を２次元的に求めるステップ（ｄ）と、
   前記ギャップの長さを、前記超音波の音圧強度に応じて変化させるステップ（ｅ）と、
   を具備し、前記超音波が被検体内部からの超音波反射エコーであり、ステップ（ｅ）が、被検体内のエコー源の深さに対応して前記ギャップの長さを変化させることを含む、超音波検出方法。
2. ステップ（ｃ）が、エリアセンサを用いて前記反射光の強度分布を２次元的に検出することを含む、請求項１記載の超音波検出方法。
3. ステップ（ｄ）が、前記エリアセンサによって検出された反射光の強度分布を並列に読み出すことを含む、請求項２記載の超音波検出方法。
4. ステップ（ｄ）が、前記エリアセンサによって検出された反射光の強度分布を時分割で読み出すことを含む、請求項２記載の超音波検出方法。
5. ステップ（ｄ）が、前記超音波−光トランスジューサに入射された光の強度から、ステップ（ｃ）において検出された反射光の強度を差し引くことにより、前記第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を求めることを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波検出方法。
6. 前記ギャップと前記第２の光学層との界面の凹凸を調整するステップをさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波検出方法。
7. ステップ（ａ）が、前記超音波−光トランスジューサに、Ｐ偏波の光を入射させることを含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波検出方法。
8. 第１の光学層と第２の光学層とがその間に所定の長さを有するギャップを形成するように配列された複数の超音波−光トランスジューサに、前記ギャップの長さよりも長い波長を有する複数の光を前記第１の光学層側からそれぞれ入射させ、前記第１の光学層と前記ギャップとの界面において光を全反射させて複数の反射光を得るステップ（ａ）と、
   前記複数の超音波−光トランスジューサに前記第２の光学層側から超音波を印加して、各々の超音波−光トランスジューサに含まれる第２の光学層を弾性変形させることにより前記第１の光学層から前記ギャップを介して前記第２の光学層に漏れ出す光の強度を変化させるステップ（ｂ）と、
   前記第１の光学層から前記ギャップを介して前記第２の光学層に漏れ出す光の強度の変化に応じて変化する反射光の強度をそれぞれ検出するステップ（ｃ）と、
   ステップ（ｃ）においてそれぞれ検出された反射光の強度から得られた反射光の強度分布に基づいて、前記第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を２次元的に求めるステップ（ｄ）と、
   前記ギャップの長さを、前記超音波の音圧強度に応じて変化させるステップ（ｅ）と、
   を具備し、前記超音波が被検体内部からの超音波反射エコーであり、ステップ（ｅ）が、被検体内のエコー源の深さに対応して前記ギャップの長さを変化させることを含む、超音波検出方法。
9. 第１の光学層と第２の光学層とがその間に所定の長さを有するギャップを形成するように配列された超音波−光トランスジューサであって、前記第２の光学層側から超音波が印加されることにより前記第２の光学層が弾性変形すると共に前記ギャップの長さが変化する、前記超音波−光トランスジューサと、
   前記第１の光学層と前記ギャップとの界面において光を全反射させるように、前記ギャップの長さよりも長い波長を有する光を前記第１の光学層側から入射させる手段と、
   前記第１の光学層から前記ギャップを介して前記第２の光学層に漏れ出す光の強度の変化に応じて変化する反射光の強度分布を２次元的に検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された反射光の強度分布に基づいて、前記第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を２次元的に求める信号処理手段と、
   前記ギャップの長さを、前記超音波の音圧強度に応じて変化させる調節手段と、
   を具備し、前記超音波が被検体内部からの超音波反射エコーであり、前記調節手段が、被検体内のエコー源の深さに応じて前記ギャップの長さを変化させる、超音波検出装置。
10. 前記検出手段が、前記反射光の強度分布を２次元的に検出するエリアセンサを含む、請求項９記載の超音波検出装置。
11. 前記信号処理手段が、前記エリアセンサによって検出された反射光の強度分布を並列に読み出す、請求項１０記載の超音波検出装置。
12. 前記信号処理手段が、前記エリアセンサによって検出された反射光の強度分布を時分割で読み出す、請求項１０記載の超音波検出装置。
13. 前記信号処理手段が、前記超音波−光トランスジューサに入射された光の強度から、前記検出手段によって検出された反射光の強度を差し引くことにより、前記第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を求める、請求項９〜１２のいずれか１項記載の超音波検出装置。
14. 前記ギャップと前記第２光学層との界面の凹凸を調整する手段をさらに具備する請求項９〜１３のいずれか１項記載の超音波検出装置。
15. 前記超音波−光トランスジューサに入射させる光がＰ偏波である、請求項９〜１４のいずれか１項記載の超音波検出装置。
16. 第１の光学層と第２の光学層とがその間に所定の長さを有するギャップを形成するように配列された複数の超音波−光トランスジューサであって、前記第２の光学層側から超音波が印加されることにより、各々の超音波−光トランスジューサに含まれる第２の光学層が弾性変形すると共に前記ギャップの長さが変化する、前記複数の超音波−光トランスジューサと、
    前記第１の光学層と前記ギャップとの界面において光を全反射させるように、前記ギャップの長さよりも長い波長を有する光を前記第１の光学層側から入射させる複数の手段と、
    前記第１の光学層から前記ギャップを介して前記第２の光学層に漏れ出す光の強度の変化に応じて変化する反射光の強度を検出する複数の検出手段と、
    前記複数の検出手段によって検出された反射光の強度から得られた強度分布に基づいて、前記第２の光学層に印加された超音波の音圧分布を２次元的に求める信号処理手段と、
    前記ギャップの長さを、前記超音波の音圧強度に応じて変化させる調節手段と、
    を具備し、前記超音波が被検体内部からの超音波反射エコーであり、前記調節手段が、被検体内のエコー源の深さに応じて前記ギャップの長さを変化させる、超音波検出装置。
17. 被検体に超音波を送信する送信部と、
    請求項９〜１６のいずれか１項記載の超音波検出装置と、
    前記超音波検出装置によって求められた超音波の音圧分布を表す検出信号に基づいて画像を表示する表示部と、
    を具備する超音波診断装置。

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