JP6598944B2 - プローブ、被検体情報取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、プローブ及び被検体情報取得装置に関する。特に光により発生する音響波の受信を行うためのプローブ及び該プローブを備えた被検体情報取得装置に関する。

音響波（典型的には超音波）の送信及び受信のうち少なくとも一方を行う目的で、静電容量型トランスデューサであるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が提案されている。ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）プロセスを用いて作製されたものである。ＣＭＵＴは、第１の電極と、前記第１の電極と間隙（キャビティ）を介して対向する第２の電極と、を備える最小単位をセルと呼び、第２の電極側は振動可能に構成される。また、複数のセルからなる集合体を素子と呼ぶ。

一方、光イメージング技術の一つとして、Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ（ＰＡＩ：光音響イメージング）と呼ばれる技術がある。光音響イメージングは、光の照射により発生する音響波（「光音響波」とも言う）を受信し、得られる受信信号から画像データを生成する技術である。この光音響波は、光源からのパルス光が被検体に照射され、被検体内を伝播した光のエネルギーを吸収した組織が膨張することにより発生する。特許文献１には、このような光音響波を受信するＣＭＵＴが記載されている。

米国特許出願公開第２００７／０２８７９１２号明細書

素子が光音響波を受信する場合において、照射された光が素子表面に当たると、トランスデューサが光を吸収して光音響波を発生する場合がある。このような素子表面から発生する光音響波は、被検体からの光音響波に対してノイズとなる可能性がある。

そこで本発明の一態様は、素子から発生する光音響波によるノイズを低減することを特徴とする。

本発明の一態様のプローブは、光が照射されることにより被検体内で発生する音響波を受信する素子と、第１の光反射膜と、音響レンズと、を備え、前記第１の光反射膜は、前記素子と前記音響レンズとの間に設けられており、前記被検体に照射される光の波長を含む帯域の光を反射することを特徴とする。

また、本発明の一態様のプローブは、光が照射されることにより被検体内で発生する音響波を受信する素子と、第１の光反射膜と、保護層と、を備え、前記第１の光反射膜は、前記素子と前記保護層との間に設けられており、前記被検体に照射される光の波長を含む帯域の光を反射することを特徴とする。

本発明では、光反射膜を設けることにより、素子から発生する光音響波を低減することができる。

第１の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第２の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第３の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第４の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第５の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第６の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第７の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第８の実施形態に係わるプローブを説明する模式図である。 第９実施形態に係わる装置を説明する模式図である。 第１０実施形態に係わる装置を説明する模式図である。 比較例を説明する模式図である。 静電容量型トランスデューサを説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。同一の構成要素には原則として同一の符号を付して、説明を省略する。本発明の一態様のプローブは光反射膜を備え、その光反射膜を配置する位置に着目している。なお、本明細書においては、説明の都合上、光吸収により発生する音響波を「光音響波」と表現し、素子から送信される音響波や該送信された音響波が反射して返ってきた反射波を「超音波」と表現する場合がある。

＜第１の実施形態＞
（プローブの構成）
本実施形態のプローブは、超音波の送信及び受信のうち少なくとも一方を行うことが可能であり、且つ、光音響波の受信を行うことが可能な、静電容量型トランスデューサの素子を備える。図１を用いて本実施形態のプローブの構成について説明する。図１は、本実施形態のプローブの断面の一部を示す模式図であり、プローブの外周側は省略している。

本実施形態のプローブは、素子チップ２００、光反射膜２０２、音響レンズ２０１、を備える。素子チップ２００は支持部材１３０上に設けられている。素子チップ２００内のセルが備える第１の電極１０３は配線１０８を介して電極パッド１１０に電気的に接続されており、電極パッド１１０はワイヤー１３１によりフレキシブル配線基板１２０に接続されている。また、第２の電極１０２は配線１０７を介して電極パッド１０９に電気的に接続されており、電極パッド１０９はワイヤー１３１によりフレキシブル配線基板１２０に接続されている。

フレキシブル配線基板１２０は、絶縁層１２３と絶縁層１２４とに挟まれた導電層１２２と、導電層１２２に電気的に接続される電極パッド１２１と、を備える。素子チップ２００の電極パッド１１０とフレキシブル配線基板１２０の電極パッド１２１とがワイヤー１３１により電気的に接続される。なお、図１では、第１の電極１０３用の導電層１２２と、第２の電極１０２用の導電層１２２と、はそれぞれ別々のフレキシブル配線基板１２０内に設けられているが、本実施形態は共通のフレキシブル配線基板１２０内に配置されていてもよい。つまり、第１の電極１０３用の導電層１２２と、第２の電極１０２用の導電層１２２と、が電気的に絶縁されていれば、１つのフレキシブル配線基板１２０内に第１の電極１０３用の導電層１２２と第２の電極１０２用の導電層１２２とが設けられていてもよい。なお、フレキシブル配線基板１２０内の導電層１２２は、直流電圧発生手段１９２（図１２参照）や送受信回路１９１（図１２参照）に接続されている。

（素子の構成）
素子チップ２００は、１つ以上のセルを備える素子を有している。図１２は１つのセルの拡大図である。セルは、間隙であるキャビティ１０５を介して設けられた一対の電極のうち一方の電極を含む振動膜が振動可能に支持された最小単位の構成である。図１では、第１の電極１０３と第２の電極１０２とがキャビティ１０５を介して設けられており、振動膜はメンブレン１０１と第２の電極１０２とを備える。振動膜は、振動膜支持部１０４により支持されている。

なお、素子とは、１つ以上のセルを備える電気的に独立した１つの構成単位を示す。つまり１つのセルを１つの容量と考えた場合、素子内の複数セルの容量は電気的に並列接続されており、この素子単位で信号の入力や出力が行われる。図１では、素子は４つのセルを備えているが、本実施形態のセルの個数は複数でもよく、いくつであっても構わない。

また図１では、素子は１つであるが、本実施形態の素子の個数は複数でもよく、いくつであっても構わない。素子を複数有する場合、素子同士は電気的に分離されている。具体的には、第１の電極１０３と第２の電極１０２とのうち少なくともいずれか一方が素子毎に電気的に分離される必要がある。素子毎に電気的に分離された電極は個別電極として機能する。個別電極は、送受信回路１９１（図１２参照）に接続されており、素子毎に駆動したり、素子毎の出力を取り出すことができる。第１の電極１０３と第２の電極１０２とのうちの他方は、複数の素子間で電気的に接続された共通電極でもよく、素子毎に分離された個別電極でもよい。

また、振動膜は、図２ではメンブレン１０１と第２の電極１０２とから構成されているが、少なくとも第２の電極１０２を有し振動可能な構成であればよい。

また、本実施形態では、第１の電極１０３は基板上に直接設けられているが、基板との間に絶縁膜を介してもよい。また、第１の電極１０３上には絶縁膜が設けられてもよい。

素子が設けられる基板としては、シリコン基板、ガラス基板等を用いることができる。第１の電極１０３及び第２の電極１０２としては、チタン、アルミ等の金属や、アルミシリコン合金等を用いることができる。絶縁膜１０６及びメンブレン１０１は、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等を用いることができる。また、セルは、犠牲層をエッチングすることによりキャビティを形成する犠牲層型や、ＳＯＩ基板の活性層（表面シリコン層）をメンブレンとして用いる接合型等の公知の方法で作製することができる。

（素子の駆動原理）
本実施形態の素子の駆動原理を説明する。本実施形態のプローブは、光音響波の受信と、超音波の送信及び受信と、を行うことができる。ただし、超音波（反射波）の受信も光音響波も受信も基本的には同じ動作であるため、以下では、超音波の受信時の駆動方法と、超音波の送信の駆動方法と、に分けて説明する。

素子が超音波を受信する場合、第１の電極１０３と第２の電極１０２とを夫々所定の電圧値に固定し、第１及び第２の電極間に電位差を生じさせる。例えば、第１の電極１０３を共通電極とし、第２の電極１０２を個別電極とした場合、第１の電極１０３には直流電圧発生手段１９２から直流電圧Ｖａが印加され、第２の電極１０２はグランド電位Ｖｇに固定された状態にする。なお、本発明においてグランド電位Ｖｇとは、送受信回路１９１が有する直流の基準電位を示す。

これにより、第１及び第２の電極間にＶｂｉａｓ＝Ｖａ−Ｖｇの電位差が発生する。この状態で超音波を受信すると、個別電極である第２の電極１０２を有する振動膜が振動するため、第２の電極１０２と第１の電極１０３との間の距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、第２の電極１０２から素子毎に信号（電流）が出力される。

この電流が、フレキシブル配線基板１２０を介して送受信回路１９１に入力される。送受信回路は、電流を電圧に変換し、受信信号として外部の信号処理部に送信する。

一方、超音波を送信する場合は、第１の電極１０３と第２の電極１０２との間に電位差が発生させた状態で、送受信回路１９１から第２の電極１０２に送信信号である交流電圧やパルス電圧が供給される。もしくは、送受信回路から第２の電極１０２に直流電圧に交流電圧を重畳した電圧（つまり正負が反転しない交流電圧）が送信信号として供給される。この送信信号による静電気力によって振動膜が振動し、素子毎に独立して超音波を送信することができる。

尚、上記では、第１の電極１０３に直流電圧発生手段１９２が、第２の電極１０２に送受信回路１９１がそれぞれ接続されているが、第２の電極１０２に直流電圧発生手段１９２が、第１の電極１０３に送受信回路１９１がそれぞれ接続される構成でもよい。

（音響レンズ２０１）
本実施形態のプローブは、素子の上部（被検体側）に音響レンズ２０１を備える。音響レンズ２０１は、各素子から送信される超音波を集束させる（絞る）ことができ、送信超音波の中心軸付近の音圧を高めることができる。また、被検体内において送信超音波は反射され、戻ってきた反射波をプローブで受信する。その際、音響レンズ２０１を有しているので、送信超音波の中心軸付近から戻ってくる超音波の受信感度を、他の領域から戻ってくる超音波に比べて、高くすることができる。そのため、中心軸付近の検査対象（超音波による検査対象）に対する検出感度を、他の領域に比べて高くすることができるため、中心軸付近の分解能を高めることができる。

音響レンズ２０１の音響インピーダンスは生体に近いことが好ましく、１ＭＲａｙｌｓ以上２ＭＲａｙｌｓ以下であることが好ましい。さらには、１．５ＭＲａｙｌｓ近傍（つまり１．５ＭＲａｙｌｓに対して音響インピーダンスの差が±１０％以下の範囲）であることがより好ましい。また、音響レンズ２０１の厚さは、必要なレンズの曲率により決まり、１０μｍ以上１ｍｍ以下のものを用いることが一般的である。

また、本実施形態の音響レンズ２０１は、光音響発生のために使用される波長帯域の光に対して透明であることが好ましい。つまり使用される波長帯域の光を吸収せず透過させることが好ましい。具体的に、本実施形態の音響レンズ２０１は、光音響波発生のために使用される波長帯域の光の透過率が８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。

また、本実施形態の音響レンズ２０１は、使用される光の波長帯域において０．２ｍｍ^−１未満の吸収係数である。これにより、音響レンズ２０１の厚さが０．５ｍｍの時に吸収される光を２０％程度に抑制することができる。また、本実施形態の音響レンズ２０５は、使用される光の波長帯域において０．１ｍｍ^−１未満の吸収係数であることが好ましい。これにより音響レンズ２０１の厚さが０．５ｍｍの時に吸収される光を１０％程度に抑制することができる。

なお、使用する光の波長帯域として想定される６００ｎｍから１１００ｎｍ程度の帯域に対して、被検体内の代表的な光吸収体（光音響での検査対象）であるヘモグロビンの吸収係数は０．３ｍｍ^−１以上０．９ｍｍ^−１以下である。この観点からも、音響レンズ２０１の吸収係数を０．２ｍｍ^−１未満とすることにより、ヘモグロビンの吸収係数より小さくなるため好ましい。なお、光音響波発生のためには所定の波長にピークを持つレーザー光が用いられることが多いため、この場合、音響レンズ２０１の吸収係数は、そのピーク波長において０．２ｍｍ^−１未満であることを示す。

また、本実施形態の音響レンズ２０１の吸収係数は、０．０１ｍｍ^−１未満であることがより好ましい。これにより音響レンズ２０１で吸収される光を１％未満程度に抑制することができる。なお、被検体として想定される生体（脂肪組織）の光吸収係数は、６００ｎｍから１１００ｎｍの光波長帯域において、０．００５ｍｍ^−１以上０．０２ｍｍ^−１以下程度である。この観点からも、音響レンズ２０１の光吸収係数を、被検体と同等もしくは同等以下の光吸収係数とすることで、検査対象である光吸収体からの光音響波に対して、ノイズ成分となる信号を低減することができる。

具体的な音響レンズ２０１の材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を主成分とした有機ポリマーを架橋したシリコーンゴムや樹脂が好ましい。ＰＤＭＳにシリカ粒子等を添加したものや、ＰＤＭＳの水素の一部をフッ素で置換したフロロシリコーンなどでもよい。ただし、一般的な超音波プローブに用いられるシリコーンゴムは白や灰色であり、ある程度光を吸収してしまう。このようなシリコーンゴムを音響レンズに用いると、音響レンズで光を吸収して光音響波を発生し、検査対象からの光音響波のノイズとなる可能性がある。よって、本実施形態のような光学特性の材料を用いることが好ましい。

（光反射膜２０２）
本実施形態では、素子チップ２００上に音響マッチング層１４１が形成され、その上に素子を覆うように光反射膜２０２が配置されている。光反射膜２０２上には、接着層２０４が配置され、その上に音響レンズ２０１が配置されている。つまり、プローブは素子と音響レンズ２０１との間に光反射膜２０２を備える。

光反射膜２０２は、光音響波を発生させるために光源から照射される波長の光を反射することができる。そのため、音響レンズ２０１を透過して光反射膜２０２に到達した光を、光反射膜２０２で反射させることができ、光反射膜２０２での光音響波の発生や、素子での光音響波の発生を抑制することができる。また、光反射膜２０２で反射した光は、音響レンズ２０１を再び透過して、プローブの外に出て行く。そのため、被検体へ照射された光の一部がプローブ内に侵入してきても、プローブ内部での光音響波の発生を抑えることができる。

ここで、光反射膜２０２付近では音響インピーダンスのミスマッチが発生しやすい。光を反射するためには、光反射膜２０２はある程度の厚さが必要となるが、あまり厚くすると、超音波や光音響波を反射する可能性がある。そのため、光反射膜２０２の厚みは、光の波長以上、送受信する最大周波数の超音波の波長λの１／１６以下が好ましい。さらには波長λの１／３２以下が好ましい。

例えば、Ａｕの場合、音響インピーダンスが約６３×１０^６［ｋｇ・ｍ^−２・ｓ^−１］であり、超音波の周波数が１０ＭＨｚ程度（波長が約１５０μｍ）であるため、Ａｕ膜の厚さは５μｍ以下であることが好ましい。また、光反射のためには５００ｎｍ以上あることが好ましい。

また、本実施形態の光反射膜２０２は、音響レンズの下側（素子側）に設けられているため、素子チップの基板表面に対して平行になるように光反射膜２０２を配置することが可能となる。つまり、光反射膜２０２と素子との間隔が光反射膜の面内方向に均一になるように配置され得る。これにより面内の場所により音響マッチング層１４１の厚さばらつきが低減されるため、音響マッチング層１４１内での音響波の減衰特性を均一にすることができる。なお、平行とは、厳密に平行な場合だけでなく、送受信する最大周波数の超音波の波長λに対して無視できる程度の誤差を含む。具体的には、光反射膜２０２と素子との間隔の面内方向のばらつきが波長λの１／１６未満の範囲の誤差を含む。より好ましくは面内方向のばらつきが波長λの１／３２未満の範囲であるとよい。

また、素子の表面（振動膜上面）と光反射膜２０２との間隔は、超音波の波長λ（音響マッチング層１４１内での波長）に比べて、十分短くすることが望ましい。これは、光反射膜２０２で送信超音波が反射された場合においてもその反射波の受信信号が検査対象の受信信号に影響を与えることを低減するためである。この点についても本実施形態では、音響レンズ２０１よりも素子側に光反射膜２０２が設けられているため、素子と光反射膜２０２の距離を波長に比べて短くすることができる。

比較例として、図１１に光反射膜１８２が音響レンズ１８１の被検体側の面に設けられている例を示す。図１１で示すように、音響レンズ１８１の表面に光反射膜１８２を形成した場合は、素子から光反射膜１８２までの距離が、音響レンズ１８１の厚さ分だけ遠くなる。また、音響レンズ１８１は凸状であるため（つまりＡ≠Ｂ）であり、素子と光反射膜１８２と距離が面内方向に均一でなくなる。そのため、超音波の反射の影響が大きくなり、送受信特性が変化する可能性がある。

それに対して、本実施形態の構成では、図１１での構成による課題が発生しにくく、光反射膜付近での超音波の反射による、送受信特性の変化が少なくなる。なお、本実施形態のように、光反射膜２０２を音響レンズ２０１より素子側に配置することができるのは、音響レンズ２０１を透明であることによる。

また、本実施形態の光反射膜２０２は、使用する波長帯域の光の反射率が８０％以上であることが好ましく９０％以上であることがより好ましい。また、光反射膜２０２は素子チップ２００内の複数の素子を覆うように設けられていることが好ましい。つまり、素子が設けられた面（素子チップ２００の基板表面）への正射影において、光反射膜２０２の正射影内に複数の素子の正射影が含まれるように光反射膜２０２が設けられていることが好ましい。

光反射膜２０２の材料としては、金属薄膜からなることが好ましく、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕのうち少なくとも１つの元素を含む金属や、これらの合金を用いることができる。形成方法としては、蒸着もしくはスパッタリングを用いることができる。また、密着力を上げるためにＣｒやＴｉの下地層を設けてもよい。また、金属膜だけでなく、誘電体多層膜を用いることもできる。さらには、金属膜の上に誘電体多層膜を形成した積層構造とすることもできる。このような積層構造の場合、反射率を更に向上させることができるため好ましい。

本実施形態の光反射膜２０２は、素子チップ２００上に音響マッチング層１４１を塗布し、硬化することにより形成し、その音響マッチング層１４１上に光反射膜２０２を成膜する方法で容易に形成することができる。続けて、光反射膜２０２に接着層２０４を介して音響レンズ２０１を貼り付ける。接着層２０４の硬化後の特性は、音響レンズ２０１と同様に、使用する光の波長を透過する特性を有するものを用いている。

音響マッチング層１４１は、周辺の部材や媒質と比べて、音響インピーダンスが大きく違いがなく、送受信特性に大きな影響を与えないものであれば用いることができる。具体的には、樹脂やシリコーンゴムなどを用いて、容易に構成することができる。また電気的に絶縁性であることが好ましい。具体的には、音響インピーダンスは１ＭＲａｙｌｓ以上２ＭＲａｙｌｓ以下であることが好ましい。より好ましくは１．５ＭＲａｙｌｓ±０．１ＭＲａｙｌｓの範囲である。音響マッチング層１４１としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を主成分とした有機ポリマーを架橋したシリコーンゴムが好ましい。ＰＤＭＳにシリカ粒子等を添加したものや、ＰＤＭＳの水素の一部をフッ素で置換したフロロシリコーンなどでもよい。その厚さは１０μｍ以上９００μｍ以下が好ましい。厚さを１０μｍ以上とすることで、ＰＤＭＳと素子チップ２００との間の接着力を十分に確保することができる。また、振動膜の変形量やバネ定数などの機械特性を大きく変化させないよう、音響マッチング層１４１のヤング率は１０ＭＰａ以下であることが好ましい。

また、接着層２０４は、音響レンズ２０１と音響インピーダンスが十分近いもの（音響インピーダンスの差が±３０％以下であることが好ましい）を用いることができる。具体的には、樹脂やシリコーンゴムなどを用いて、容易に構成することができる。また、音響レンズ２０１の音響インピーダンスと異なっていたとしても、接着層２０４の厚さを超音波の波長λより十分小さくすることで、送受信特性へほとんど影響を与えないようにして、用いることもできる。具体的に接着層２０４の厚さは、波長λの１／８以下が好ましく、波長λの１／１６以下がより好ましい。

以上説明したように、本実施形態のプローブにより、超音波の送受信特性への影響を低減し、入射する光によるノイズの発生を抑制することができるプローブを提供することができる。なお、本実施形態のプローブは、光音響波の受信及び、超音波の送信及び受信を行うことができる。図９及び図１０を用いて後述するが、本実施形態のプローブは、音響波を受信することにより被検体内の情報を取得する被検体情報取得装置に適用することができる。

被検体情報取得装置は、光照射により発生する光音響波の受信信号を用いて、被検体内の複数位置のそれぞれに対応する特性値を示す特性情報を取得することができる。光音響波により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収率を反映している。また、被検体情報取得装置は、送信された超音波が反射されて戻ってきた反射波の受信信号を用いて、被検体内の音響インピーダンスの差を反映した特性情報を取得することができる。

本実施形態のプローブが適用される被検体情報取得装置において用いられる光は、被検体や検査対象に応じて所望の波長の光を用いるとよい。光音響での検査対象をヘモグロビン等の生体内の物質とする場合は、６００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長帯域のパルスレーザー光であることが好ましい。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、素子と音響レンズ２０１との間の構成が第１の実施形態と異なる。本実施形態では、光反射膜２０２が音響レンズ２０１に直接形成されている点が特徴である。よって、第１の実施形態と同じ部分については説明を省略し、第１の実施形態とは違う部分について詳細に説明する。

図２は、本実施形態のプローブの断面を示す模式図である。本実施形態では、光反射膜２０２を、音響レンズ２０１の素子チップ２００側の面に、接着剤を介さずに直接配置している。光反射膜２０２が形成された音響レンズ２０１は、音響マッチング層１４２を介して、素子チップ２００上に配置されている。

本実施形態の光反射膜２０２は、音響レンズ２０１の素子チップ２００側の面（裏面）に、金属等の光反射膜を成膜することで、容易に形成することができる。その際、音響レンズ２０１と光反射膜２０２の密着性を上げるために、音響レンズ２０１の裏面に、超音波の送受信特性に影響を与えない程度に密着性を向上させるため、表面の活性化やごく薄い膜を形成する処理を行ってもよい。光反射膜２０２の材料は、第１の実施形態と同様の材料を用いることができる。

また、本実施形態の音響マッチング層１４２は、第１の実施形態の音響マッチング層１４１と同様に周辺の部材や媒質と比べて、音響インピーダンスが大きく違いがなく、送受信特性に大きな影響を与えないものである。さらに本実施形態の音響マッチング層１４２は、素子チップ２００と音響レンズ２０１とを接着できる接着層として機能するものである。たとえば、シリコーン接着材などにより、容易に構成することができる。音響マッチング層１４２の厚さは、超音波の波長λより十分小さくすることが望ましい。具体的に音響マッチング層１４２の厚さは、波長λの１／８以下が好ましく、波長λの１／１６以下がより好ましい。また、音響マッチング層１４２は、電気的に絶縁性を持った材料である方が望ましい。ただし、素子チップ２００上に形成した素子の表面に絶縁膜などを備えており、電極パッド１０９、１１０、電極パッド１２１やワイヤー１３１が絶縁材料で封止されている構成であれば、必ずしも絶縁性材料である必要はない。

本実施形態の構成の場合、音響レンズ２０１の素子チップ２００側の面に直接光反射膜２０２を成膜するため、音響レンズ２０１と光反射膜２０２との間に接着層を配置する必要がなくなる。そのため、接着層が不要になる分、透過率の低下と、音響特性への影響を無くすことができるため好ましい。また、第１の実施形態の素子チップ上に形成した凹凸のある素子チップ２００上に絶縁膜を介して形成する場合に比べて、より平たんな面上に光反射膜２０２を形成することができる。そのため、光反射膜２０２の特性がより良く、且つ光反射膜２０２と素子との間の距離が面内方向により均一な構成となる。また、第１の実施形態に比べて、構成要素を減らすことができるため、製造工程も簡略化することができるため好ましい。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、素子と音響レンズ２０１との間の構成が第１及び第２の実施形態と異なる。本実施形態では、光反射膜２０２が支持層としてフィルム２０３上に形成されている点が特徴である。第１又は第２の実施形態と同じ部分については説明を省略する。

図３は、本実施形態のプローブの断面を示す模式図である。本実施形態では、素子チップ２００上に音響マッチング層１４２が配置され、その上にフィルム２０３、さらにこのフィルム２０３上に光反射膜２０２が形成されている。光反射膜２０２の上には、接着層２０４を介して、音響レンズ２０１が配置された構成になっている。

本実施形態は、光反射膜２０２の支持層として、延伸法を用いて製膜した平坦性が良いフィルム２０３を用い、このフィルム上に光反射膜２０２を形成する。この場合、延伸法を用いて製膜したフィルムは厚さばらつきを±１０％以下にすることができるため、光反射膜２０２の厚さが薄くても平坦性が高いため反射率を高めることができる。また、光反射膜２０２をより薄くすることができるため、送受信特性に与える影響を更に小さくすることができる。また、このフィルムの効果としては平坦性に限らずない。例えば、光反射膜２０２を音響マッチング層１４２に形成する場合よりも、光反射膜２０２が撓んだり変形したりすることを抑制する効果もある。この場合、フィルムは音響マッチング層１４２よりもヤング率が大きいことが好ましい。具体的には、ヤング率は１００ＭＰａ以上２０ＧＰａ以下が好ましい。また、フィルムの音響インピーダンスは、音響マッチング層１４２や音響レンズ２０１に近いことが好ましく、具体的には音響インピーダンスが１ＭＲａｙｌｓ以上５ＭＲａｙｌｓ以下であることが好ましく、１ＭＲａｙｌｓ以上３ＭＲａｙｌｓ以下であることがより好ましい。

本実施形態のフィルムは２０３、フィルム２０３上に光反射膜２０２を直接形成できるものであれば用いることができる。フィルムの材質は、ＰＥＴ、ポリプロピレン、ポリエチレンなどを用いることができる。フィルムの厚さは、１ミクロンから３０ミクロン程度のものを用いることができる。

光反射膜２０２はあらかじめフィルム２０３に形成しておき、光反射膜２０２が形成された後のフィルム２０３は、音響マッチング層１４２を介して、素子チップ２００上に接着することで容易に配置することができる。その後、フィルム２０３の光反射膜２０２を形成した側は、接着層２０４により音響レンズ２０１と接着される。

また、本実施形態では、光反射膜２０２を形成したフィルム２０３を設けるため、フレキシブル配線基板１２０や、素子チップ２００の端部も、効率良く光反射膜２０２で覆うことができるため好ましい。

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態は、音響レンズ２０１の代わりに保護層２０５を備えていることが特徴である。それ以外は、第１から第３の何れかの実施形態と同じである。第１から第３の実施形態の何れかと同じ部分については説明を省略する。

図４は、本実施形態のプローブの断面の模式図である。本実施形態では、素子チップ２００の表面側に、音響レンズ２０１の代わりに保護層２０５が配置されている。保護層２０５の音響インピーダンスは被検体や周囲の媒体に近いことが好ましく、１ＭＲａｙｌｓ以上２ＭＲａｙｌｓ以下であることが好ましい。さらには、１．５ＭＲａｙｌｓ近傍（つまり１．５ＭＲａｙｌｓに対して音響インピーダンスの差が±１０％以下の範囲）であることがより好ましい。

また、本実施形態の保護層２０５は、光音響発生のために使用される波長帯域の光に対して透明であることが好ましい。つまり使用される波長帯域の光を吸収せず透過させることが好ましい。具体的に、本実施形態の保護層２０５は、光音響波発生のために使用される波長帯域の光の透過率が８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。

また、本実施形態の保護層２０５は、使用される光の波長帯域において０．２ｍｍ^−１未満の吸収係数である。これにより、保護層２０５の厚さが０．５ｍｍの時に吸収される光を２０％程度に抑制することができる。また、本実施形態の保護層２０５は、使用される光の波長帯域において０．１ｍｍ^−１未満の吸収係数であることが好ましい。これにより保護層２０５の厚さが０．５ｍｍの時に吸収される光を１０％程度に抑制することができる。

なお、使用する光の波長帯域として想定される６００ｎｍから１１００ｎｍ程度の光波長帯域に対して、被検体内の代表的な光吸収体（光音響での検査対象）であるヘモグロビンの吸収係数は０．３ｍｍ^−１以上０．９ｍｍ^−１以下である。この観点からも、保護層２０５の吸収係数を０．２ｍｍ^−１未満とすることにより、ヘモグロビンの吸収係数より小さくなるため好ましい。なお、光音響波発生のためには所定の波長にピークを持つレーザー光が用いられることが多いため、この場合、保護層２０５の吸収係数は、そのピーク波長において０．２ｍｍ^−１未満であることを示す。

また、本実施形態の保護層２０５の吸収係数は、０．０１ｍｍ^−１未満であることがより好ましい。これにより保護層２０５で吸収される光を１％未満程度に抑制することができる。なお、被検体として想定される生体（脂肪組織）の光吸収係数は、６００ｎｍから１１００ｎｍの光波長帯域において、０．００５ｍｍ^−１以上０．０２ｍｍ^−１以下程度である。この観点からも、保護層２０５の光吸収係数を、被検体と同等もしくは同等以下の光吸収係数とすることで、検査対象である光吸収体からの光音響波に対して、ノイズ成分となる信号を低減することができる。

具体的な保護層２０５の材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を主成分とした有機ポリマーを架橋したシリコーンゴムや樹脂が好ましい。ＰＤＭＳにシリカ粒子等を添加したものや、ＰＤＭＳの水素の一部をフッ素で置換したフロロシリコーンなどでもよい。ＰＥＴ、ポリプロピレン、ポリエチレンなど等の樹脂でもよい。

本実施形態のように表面に保護層２０５を備えていることにより、光反射膜２０２に傷をつくことを避けることができ、光によるノイズ発生の抑制効果の低下を少なくすることができる。

なお、本実施形態は、音響レンズを備えていないが、素子毎に入力される送信信号の遅延量を調整することで電子フォーカスすることができる。なお、ここまでの説明では、第３の実施形態の音響レンズ２０１を保護層２０５に替えた構成で説明したが、本実施形態はこれに限ったものではなく、第１や第２の実施形態の構成にも同様に用いることができる。

本実施形態によると、音響レンズを用いずに超音波の送受信を行う場合でも、送受信特性を大きく劣化させることなく、且つ、入射した光によるノイズの発生を抑制することができる。

＜第５の実施形態＞
第５の実施形態は、保護層と光反射膜２０２との関係が、第４の実施形態と異なる、それ以外は第４の実施形態と同じであるため、同じ部分については説明を省略する。

図５は、本実施形態のプローブの断面の模式図である。本実施形態では、光反射膜２０２を形成したフィルム状の保護層２０６の素子チップ側の面に光反射膜２０２が直接形成されていることが特徴である。そして、光反射膜２０２を形成した保護層２０６を、光反射膜２０２側を素子チップ２００側に向けて、音響マッチング層１４２で固定することにより、簡単に構成することができる。保護層２０６には、第４の実施形態と同様に、照射される光を吸収せず透過させることが好ましい。また、被検体や周囲の媒体の音響インピーダンスと近いことが好ましい。

また、第３の実施形態のフィルム２０３と同様に平坦性がよい保護層２０６を用いることが好ましい。平坦性がよい保護層２０６上に光反射膜２０２を形成することにより、光反射膜２０２の厚さが薄くても、反射率を高めることができる。そのため、光反射膜２０２をより薄くすることができ、超音波の送受信特性に与える影響を更に小さくすることができる。

更に、光反射膜２０２側を素子チップ２００側に向けることにより、保護層２０６自体に、光反射膜２０２を形成するための支持部材としての機能と、表面保護の機能と、の２つの機能を持たすことができる。また、第４の実施形態に比べて、接着層２０４が不要なため、反射特性のさらなる改善と、送受信特性への影響のさらなる低減が可能となる。

＜第６の実施形態＞
第６の実施形態は、音響レンズ２０１の被検体側の面にも光反射膜２０２が配置されている点が第１から第５の実施形態とは異なる。それ以外は、第１から第５の何れかの実施形態と同じであるため、同じ部分については説明を省略する。

図６（ａ）は、本実施形態のプローブの断面を示す模式図である。本実施形態のプローブは、素子が形成された領域では、音響レンズ２０１の素子チップ２００側（裏側）に光反射膜２０２が配置されている。つまり、基板表面への正射影において、音響レンズ２０１の凸部とオーバーラップする領域（凸部の範囲を含む領域）に、音響レンズ２０１と素子との間に光反射膜２０２が配置されている。そして、素子が形成されていない領域では、音響レンズ２０１の素子チップ２００とは反対側（つまり被検体側である表側）に、光反射膜２０２が配置されている。つまり、基板表面への正射影において、音響レンズ２０１の凸部とオーバーラップしない領域では、音響レンズ２０１の素子チップ２００とは反対側の面に光反射膜２０２が設けられている。

ここで、音響レンズ２０１の表側の光反射膜２０２と裏側の光反射膜は２０２とは、基板表面への正射影において、一部が重なっている。これにより、光が光反射膜の間を抜けて素子に到達することを抑制することができる。

また、本実施形態では、素子が形成された領域には、光反射膜２０２と素子との間隔を近くすることができ、且つ、光反射膜２０２と素子との間隔が面内方向に均一となる。一方、素子が形成されていない領域では、音響レンズ２０１の表面に光反射膜２０２を配置しているため、音響レンズ２０１より下側（素子側）に配置されている接着層２０４等の部材へ光が入射されない。つまり、接着層２０４等の光吸収による微量の光音響波も抑制できる。

音響レンズ２０１の表側に光反射膜２０２を選択的に形成するには、ステンシルマスクなどを用いて成膜することで容易に実現することができる。

なお、本実施形態は、凸型の音響レンズ２０１だけではなく、図６（ｂ）で示すように凹型の音響レンズ２０１においても同様に用いることができる。さらに、本実施形態は音響レンズ２０１を用いる構成に限定されず、第４及び第５の実施形態に記載した保護層を配置した構成にも同様に適用することができる。

＜第７の実施形態＞
第７の実施形態は、素子チップ２００を収容するための筐体３０１（プローブの外枠）を備え、筐体３０１の被検体側の面にも光反射膜が配置されている。それ以外は第１から第６の何れかの実施形態と同じであるため、同じ部分については説明を省略する。

図７は、本実施形態のプローブの断面を示す模式図である。図７では、筐体３０１の内側に素子チップ２００等が配置されている。なお、図７では、光反射膜２０２は、音響マッチング層１４１の上に直接形成されているが、本実施形態はこの構成に限らない。本実施形態では、筐体３０１の被検体側の表面に、光反射膜３０２が設けられ、この光反射膜３０２により筐体３０１の被検体側の表面が露出しないように覆われている。この光反射膜３０２により、筐体３０１から発生する光音響波を抑制できる。光反射膜３０２は、光反射膜２０２と同様の材料を用いることができる。

ただし、筐体３０１上の光反射膜３０２は、超音波や光音響波を通過させる必要がないため、光反射膜３０２の厚さは光の反射特性のみを満たせばよい。つまり、光反射膜２０２よりも厚くてもよい。よって、光反射膜３０２は、樹脂を多層に積層した光反射膜を用いてもよい。樹脂の場合、表面に配置されても金属膜に比べて傷が付きにくく、表面を保護するために光反射膜３０２の被検体側に部材を追加する必要がないため、光学的な反射率が低くなることがない。

また、素子上に配置される光反射膜２０２は、基板表面への正射影において、筐体３０１と一部重なる領域ができるように配置すればよく、全面に配置する必要はない。これにより、超音波の送受信特性に影響を与える光反射膜２０２を、他の領域の制約を受けることなく、最小限の領域に限って配置することができる。

＜第８の実施形態＞
第８の実施形態は、音響レンズ２０１が筐体３０１により区画された領域に配置されている。それ以外は第８の実施形態と同じであるため、同じ部分については説明を省略する。

図８は、本実施形態のプローブの断面を示す模式図である。なお、図８では、光反射膜２０２はフィルム２０３上に形成され、フィルム２０３と素子チップ２００との間には音響マッチング層１４２が設けられている構成が記載されているが、本実施形態はこの構成に限らない。本実施形態では、音響レンズ２０１の形状が他の実施形態と異なり、素子チップ２００上のみに配置されている。そして、音響レンズ２０１が配置されていないフレキシブル配線基板上の領域には、被検体側の表面とレンズ側の側面とに光反射膜３０２が形成された筐体３０１が配置されている。

また、音響レンズ２０１の素子チップ側の面（裏面）側に配置される光反射膜２０２は、基板表面への正射影において音響レンズ２０１と重なる領域を有するように、少し大き目に配置される。本実施形態では、素子の上部を、被検体表面を光反射膜２０２と光反射膜３０２とにより、ほぼ完全に囲むことができるため、入射する光がほぼ光反射膜で反射可能な構成になっている。そのため、光の反射効率がよく、光によるノイズの発生が極めて小さくすることができる。

本実施形態は、一例として下記の手順などで容易に作製することができる。まず、光反射膜２０２が一部の領域に形成されたフィルム２０３を位置合わせしながら、素子チップ２００上に音響マッチング層１４２を介して接着する。次に、フィルム２０３上の光反射膜２０２を基準にして、光反射膜３０２を表面及び側面に備えた筐体３０１を、接着層３０３を用いてフィルム２０３に接着する。最後に、音響レンズ２０１を、接着層２０４を用いて、フィルム２０３及び筐体３０１に接着する。この際、筐体３０１と素子チップ２００の位置関係は調整されているため、音響レンズ２０１は素子チップ２００に対する位置を正確にアライメントして接着することができる。

＜第９の実施形態＞
図９を用いて第９の実施形態を説明する。本実施形態は、第１から第８の何れかの実施形態に記載のプローブを備えた被検体情報取得装置に関する。特に、光音響効果を利用した被検体情報取得装置４００に関する。

図９の被検体情報取得装置４００では、発光指示信号５０３に基づいて光源４０１が発生した光５０１（パルス光）が被検体４０２に照射される。被検体内では光を吸収した検査対象物から光音響波５０２が発生する。この、光音響波５０２をプローブ４０３により受信し、受信信号５０４を出力する。受信信号５０４は処理部である画像情報生成装置４０４に入力され、画像情報生成装置４０４は、受信信号５０４の大きさ、形状、時間の情報と、光源４０１が発生した光５０１の大きさ、形状、時間の情報（発光情報）と、を基に信号処理を行う。具体的には、画像情報生成装置４０４では、受信信号５０４と発光情報とを基に画像再構成を行うことで被検体４０２内の特性情報を示す画像信号を生成し、再構成画像情報５０５として出力する。画像情報生成装置４０４で生成された、光音響波に基づく画像は、表示装置（不図示）により表示される。

なお、光音響波により取得される特性情報は、光エネルギーの吸収率を反映している。具体的に、光音響波により取得される特性情報としては、発生した光音響波の初期音圧、初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度、吸収係数、組織を構成する物質の濃度、等を反映した特性情報がある。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度、トータルヘモグロビン濃度、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビン濃度などである。また、複数位置の特性情報を、２次元又は３次元の特性分布として取得することにより画像データが生成される。

本実施形態の被検体情報取得装置は、第１から第８の実施形態のいずれかのプローブを用いることで、光源からの光によるノイズの発生を抑制することができ、ノイズによる画質劣化が少なく画像を生成できる。

＜第１０の実施形態＞
図１０を用いて第１０の実施形態を説明する。本実施形態は、第１から第８の何れかの実施形態に記載のプローブを用いた被検体情報取得装置に関する。特に、本実施形態の被検体情報取得装置は、光音響効果を利用した光音響波の受信だけでなく、超音波の送信及び受信も行う。つまり、本実施形態の被検体情報取得装置は、第９の実施形態の構成及び動作に加えて、超音波の送信及び反射波の受信を行い、反射波の受信信号を基に被検体内の特性情報を行う。

図１０を用いて本実施形態の被検体情報取得装置について説明する。本実施形態では、送信信号５０８に基づきプローブ４０３から、被検体４０２に向かって超音波５０６が出力（送信）される。被検体４０２内では検査対象物の表面での固有音響インピーダンスの差により、超音波が反射する。反射した反射波５０７は、プローブ４０３で受信され、プローブから受信信号５０９が出力される。受信信号５０９は処理部である画像情報生成装置４０４に入力され、画像情報生成装置４０４は、受信信号５０９の大きさ、形状、時間の情報と、送信信号５０８の情報（送信情報）と、を基に信号処理を行う。具体的には、画像情報生成装置４０４では、受信信号５０９と送信情報とを基に画像再構成を行うことで、被検体４０２内の特性情報を示す画像信号を生成し、再構成画像情報５０５として出力する。画像情報生成装置４０４で生成された、光音響波に基づく画像や、超音波送受信に基づく画像は、表示装置（不図示）により表示される。

なお。反射波の受信信号により得られる特性情報は、被検体内の音響インピーダンスの差を反映している。具体的に反射波により取得される特性情報としては、被検体内の音響インピーダンス差を反映した形態情報や、音響インピーダンス差から導かれる、組織の弾性や粘性を示す情報や血流速度等の移動情報などがある。複数位置の特性情報を、２次元又は３次元の特性分布として取得することにより画像データとして生成され得る。

本実施形態の被検体情報取得装置は、第１から第８の実施形態のいずれかのプローブを用いることで、光によるノイズの発生を抑制することができる。さらに、超音波の送受信特性を大きく変化させることがない。よって、ノイズによる画質劣化が少なく良質な画像を生成できる。

１０１ 振動膜
１０２ 第２の電極
１０３ 第１の電極
１０４ 振動膜支持部
１０６ 絶縁膜
１０７ 配線
１０８ 配線
１０９ 電極
１４１ 音響マッチング層
１４２ 音響マッチング層
２００ 素子チップ
２０１ 音響レンズ
２０２ 光反射膜
２０３ フィルム
２０４ 接着層
２０５ 保護層
２０６ 保護層
３０１ 筐体

Claims (19)

1. 光が照射されることにより被検体内で発生する音響波を受信する素子と、
   第１の光反射膜と、
   音響レンズと、
   を備え、
   前記第１の光反射膜は、前記素子と前記音響レンズとの間に設けられており、前記被検体に照射される光の波長を含む帯域の光を反射するものであり、
   前記音響レンズは、６００ｎｍから１１００ｎｍの波長帯域の光に対して、０．００５ｍｍ^−１以上０．０２ｍｍ^−１以下の光吸収係数であることを特徴とするプローブ。
2. 前記音響レンズは、前記光の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
3. 前記音響レンズは、前記光の透過率が９０％以上であることを特徴とする請求項２に記載のプローブ。
4. 前記音響レンズは、前記光の吸収係数が０．０１ｍｍ^−１未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプローブ。
5. 前記音響レンズにおける前記素子側とは反対側の面であり、且つ、前記素子が設けられた面への正射影において前記素子が設けられていない領域に、第２の光反射膜を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプローブ。
6. 前記音響レンズは、ポリジメチルシロキサンを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプローブ。
7. 前記音響レンズは、シリカ粒子が添加されたポリジメチルシロキサンを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプローブ。
8. 前記第１の光反射膜の厚みは、前記光の波長以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプローブ。
9. 前記第１の光反射膜の厚みは、前記素子によって送受信する音響波の最大周波数に対応する波長の１／１６以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプローブ。
10. 前記第１の光反射膜の厚みは、前記素子によって送受信する音響波の最大周波数に対応する波長の１／３２以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプローブ。
11. 前記素子は、間隙を隔てて設けられた一対の電極のうちの一方の電極を含む振動膜が振動可能に支持された構成のセルを有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のプローブ。
12. 前記第１の光反射膜は、前記帯域の光の反射率が８０％以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のプローブ。
13. 前記素子と前記第１の光反射膜との間に音響マッチング層を備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のプローブ。
14. 前記第１の光反射膜と前記音響マッチング層との間に、前記第１の光反射膜を支持する支持層を備えることを特徴とする請求項１３に記載のプローブ。
15. 前記素子が設けられた面への正射影において、前記第１の光反射膜の正射影内に前記複数の素子の正射影が含まれることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のプローブ。
16. 前記素子を収容するための筐体を備え、
    前記筐体の前記被検体側の面に第３の光反射膜を備えることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のプローブ。
17. 前記素子は、音響波を送信し、且つ、送信された音響波が被検体内で反射した反射波を受信することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のプローブ。
18. 請求項１及至１７のいずれか１項に記載のプローブと、
    処理部と、を有し、
    前記プローブは、前記被検体内で発生する音響波を受信して第１の受信信号を出力し、前記処理部は、前記第１の受信信号を用いて被検体の第１の特性情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
19. 前記プローブは、前記被検体内に送信した音響波が被検体内で反射された反射波を受信して第２の受信信号を出力し、
    前記処理部は、前記第２の受信信号を用いて被検体の第２の特性情報を取得することを特徴とする請求項１８に記載の被検体情報取得装置。

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