光音響画像化装置および光音響画像化方法並びに光音響画像化装置用プローブ
【課題】超音波画像も取得するように構成された光音響画像化装置において、超音波もまた音響波も効率良く検出して、高画質の超音波画像および光音響画像を取得可能とする。
【解決手段】音響波を発生させるために被検体に照射される光を発する光照射部７４と、被検体に照射される超音波を発する超音波発生手段２８と、被検体で反射した超音波を検出する第一圧電体２８と、光照射により被検体から発せられた音響波を検出する第二圧電体３０とを備えてなる光音響画像化装置用プローブにおいて、前記第一圧電体２８として無機材料からなる圧電体を用い、前記第二圧電体３０として有機材料からなる圧電体を用いる。
【解決手段】音響波を発生させるために被検体に照射される光を発する光照射部７４と、被検体に照射される超音波を発する超音波発生手段２８と、被検体で反射した超音波を検出する第一圧電体２８と、光照射により被検体から発せられた音響波を検出する第二圧電体３０とを備えてなる光音響画像化装置用プローブにおいて、前記第一圧電体２８として無機材料からなる圧電体を用い、前記第二圧電体３０として有機材料からなる圧電体を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響画像化装置すなわち、生体組織等の被検体に光を照射し、光照射に伴って発生する音響波に基づいて被検体を画像化する装置に関し、特に詳細には、超音波画像を取得する機能も備えた光音響画像化装置に関するものである。また本発明は、上述の光音響画像化を行う方法に関するものである。
【０００２】
さらに本発明は、その種の光音響画像化装置において用いられるプローブに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体内に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波（音響信号）を発生する。そこで、この音響波を超音波プローブなどで検出し、その検出信号に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。
【０００４】
他方、特許文献２に示されるように、超音波プローブを用いる超音波画像化装置も従来公知となっている。この種の超音波プローブは、先端に超音波トランスデューサ（以下、ＵＴと略す）を備えたものであり、多くの場合、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、並びに音響レンズ等から構成されている。超音波画像化装置においては、ＵＴから被検体（人体）に超音波が照射され、被検体からの反射超音波がＵＴで受信される。そして、この反射超音波の検出信号を電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。
【０００５】
なお、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能である。超音波断層画像を得る方法としては、ＵＴを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式や、複数のＵＴをアレイ状に配列（以下、ＵＴアレイという）し、駆動するＵＴを電子スイッチ等で選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。
【０００６】
ところで、上述のような超音波プローブは、超音波と同様に音響波も検出可能であることから、光音響画像と超音波画像の双方を取得できる装置も提案されている。すなわちその種の装置では、超音波プローブに、被検体に向けて光を照射する光照射部が付加され、そこからの光を受けて被検体から発せられた音響波が、超音波プローブのＵＴによって検出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【特許文献２】特開平０６−１４８１５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata, Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述のように超音波画像も取得するように構成された光音響画像化装置において、超音波もまた音響波も効率良く検出して、高画質の超音波画像および光音響画像を取得可能とすることを目的とするものである。
【００１０】
また本発明は、そのように超音波もまた音響波も効率良く検出できる光音響画像化装置用プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光音響画像化装置用プローブは、
音響波を発生させるために被検体に照射される光を発する光照射部と、
被検体に照射される超音波を発する超音波発生手段と、
被検体で反射した前記超音波を検出する第一圧電体と、
前記光の照射により被検体から発せられた音響波を検出する第二圧電体とを備えてなる光音響画像化装置用プローブにおいて、
前記第一圧電体として無機材料からなる圧電体が用いられ、前記第二圧電体として有機材料からなる圧電体が用いられたことを特徴とするものである。
【００１２】
なお、上記第一および第二圧電体の間には、前記第一および第二圧電体に共通する電極を兼ねた音響整合層が形成されていることが望ましい。
【００１３】
また上記第二圧電体は、前記第一圧電体よりも被検体側に配設されていることが望ましい。
【００１４】
ここで上記音響整合層は、銀等の金属を含有するものであることが望ましい。また、そのように金属を含有する音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体から構成されることが望ましい。そして、そのような有機材料は、接着性を有するものであることが望ましい。
【００１５】
さらに、上述の金属は、金属ナノ粒子からなるものであることが好ましい。
【００１６】
また音響整合層はその他に、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものから構成することもできる。
【００１７】
一方、本発明による光音響画像化装置は、上述した通りの本発明によるプローブを備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明による光音響画像化方法は、上述した通りの本発明によるプローブを用いて、第一圧電体が出力する信号に基づいて超音波画像を取得し、第二圧電体が出力する信号に基づいて光音響画像を取得することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
超音波画像取得のために生体組織等の被検体に照射される超音波は、一般に周波数が１〜４０ＭＨｚ程度における限られた領域（例：２〜５ＭＨｚや４〜１０ＭＨｚ、５〜１２ＭＨｚなど６ｄＢの比帯域で８０％程度の領域）のものが用いられる。それに対して、光照射により生体組織等の被検体から発せられる音響波の周波数も１〜４０ＭＨｚ程度であるが、その音響波は１〜４０ＭＨｚ程度の周波数全域に渡っている。他方、無機材料からなる圧電体は、比較的狭帯域（６ｄＢの比帯域で８０％程度）で非常に高い検出感度を示すが、有機材料からなる圧電体はプローブ構成においては明確な共振点を示さないため、非常に広い周波数帯域に渡って比較的高い検出感度を有する。
【００２０】
本発明の光音響画像化装置用プローブにおいては、上記特性を有する無機材料からなる第一圧電体により生体減衰の少ない比較的低周波の超音波を非常に高い感度で検出するようにし、また、上記特性を有する有機材料からなる第二圧電体により低周波から高周波の非常に広い周波数領域に渡って音響波を検出するようにしたので、このプローブによれば、反射超音波は効率良く、かつ、音響波は幅広く検出可能となる。
【００２１】
そこで、この本発明によるプローブを用いる本発明の光音響画像化装置は、反射超音波もまた音響波も効率良く検出して、高画質の超音波画像および光音響画像を取得できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による光音響画像化装置の全体形状を示す斜視図
【図２】本発明の一実施形態による光音響画像化装置用プローブを示す一部破断斜視図
【図３】上記光音響画像化装置の電気的構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光音響画像化装置の全体形状を示すものであり、図２はそこに用いられたプローブを示すものである。また図３は、本実施形態の装置の電気的構成を示すものである。
【００２４】
本実施形態の装置は、超音波診断装置２として構成されたものであり、図１に示す通りこの超音波診断装置２は基本的に、携帯型超音波観測器１０と体外式の超音波プローブ（光音響画像化装置用プローブ）１１と、パルスレーザユニット７０とから構成されている。
【００２５】
携帯型超音波観測器１０は、装置本体１２とカバー１３とからなる。装置本体１２の上面には、携帯型超音波観測器１０に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボールが設けられた操作部１４が配されている。カバー１３の内面には、超音波画像をはじめとして様々な操作画面を表示するモニタ１５が設けられている。
【００２６】
カバー１３は、ヒンジ１６を介して装置本体１２に取り付けられており、操作部１４とモニタ１５とを露呈させる図示する開き位置と、装置本体１２の上面とカバー１３の内面を対面させて、操作部１４とモニタ１５を互いに覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。装置本体１２の側面には、グリップ（図示せず）が取り付けられており、装置本体１２とカバー１３を閉じた状態で携帯型超音波観測器１０を持ち運ぶことができる。装置本体１２のもう一方の側面には、超音波プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１７およびレーザユニット接続部７２が設けられている。
【００２７】
超音波プローブ１１は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド１８と、プローブ接続部１７に接続されるコネクタ１９と、これらを繋ぐケーブル２０とからなる。走査ヘッド１８の先端部には、超音波トランスデューサアレイ（以下、ＵＴアレイと略す）２１が内蔵されている。
【００２８】
図２に示すように、ＵＴアレイ２１は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座２５上に、バッキング材２６、下部電極２７、超音波送受信用圧電体２８、第一音響整合層２９、音響波受信用圧電体３０、上部電極３１、第二音響整合層３２、および音響レンズ３３が順次積層された構造を有する。
【００２９】
バッキング材２６は、超音波を放射する際の超音波送受信用圧電体２８の自由振動を規制して、超音波の進行方向の分解能を向上させる。バッキング材２６には、振動を吸収できる様々な材料を用いることができ、無機材料、有機材料いずれも適用可能である。特に、エポキシ系樹脂などの樹脂材料や、塩素化ポリエチレンゴム、天然ゴム、ＳＢＲなどのゴム系材料は、音響インピーダンスが小さく、感度を落とさずに振動を吸収できるので、好ましい。
【００３０】
超音波送受信用圧電体２８は本発明における第一の圧電体であり、ＥＬ方向に長い短冊状をしており、ＥＬ方向と直交するアジマス方向（以下、ＡＺ方向と略す）に複数等間隔で配列されている。各超音波送受信用圧電体２８の隙間およびその周囲には、充填剤３４が充填されている。
【００３１】
超音波送受信用圧電体２８は、厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、第一音響整合層２９および下部電極２７によって上下から挟み込まれている。第一音響整合層２９は導電性を有し、超音波送受信用圧電体２８の上部電極を兼ねている。下部電極２７は、例えば金薄膜からなる。第一音響整合層２９および下部電極２７には、リード線（図示省略）がそれぞれ接続されている。下部電極２７、超音波送受信用圧電体２８、および第一音響整合層２９は、これら一式で送受信用の超音波トランスデューサを構成する。
【００３２】
第一音響整合層２９に接続されたリード線は、接地されている（図３参照）。一方、下部電極２７に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。携帯型超音波観測器１０には送受信回路（図３参照）４１が内蔵されており、この送受信回路４１から超音波送受信用圧電体２８にパルス電圧が印加されると、超音波送受信用圧電体２８が振動して超音波を発生し、これにより被検体の被観察部位に超音波が照射される。また、被観察部位からの反射波を受信すると、超音波送受信用圧電体２８が振動して電圧を発生し、この電圧が受信信号として出力される。
【００３３】
超音波送受信用圧電体２８には、圧電性を示す様々な無機材料が用いられる。ＰＺＴを主体とするＰｂ系の圧電材料が非常に好ましい。特に、近年巨大圧電定数を示す材料として用途が広がっているＰＭＮ−ＰＴやＰＺＮ−ＰＴなどのリラクサ系の圧電単結晶が好ましい。これらは、電気機械結合定数ｋが大きく、印加された電圧に対する超音波の出力の割合（変換効率）が比較的高い。
【００３４】
音響波受信用圧電体３０は本発明における第一の圧電体であって、後述する音響波の受信専用に設けられている。この音響波受信用圧電体３０は音響整合層を兼ねており、第一、第二音響整合層２９、３２とともに、超音波送受信用圧電体２８と人体との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の送受信感度を向上させる。また、第二音響整合層３２は、人体と音響波受信用圧電体３０との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の受信感度を向上させる。
【００３５】
第一音響整合層２９には、音響インピーダンスが超音波送受信用圧電体２８よりも小さくかつ音響波受信用圧電体３０より大きい様々な導電性材料を用いることができる。具体的には、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子（直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の金属粒子）と、接着性を有する樹脂とからなる混合物を焼成したものである。金属ナノ粒子として、銀ナノ粒子を含み、さらに好ましくは、金属ナノ粒子の全てが銀ナノ粒子である。銀ナノ粒子は、金属ナノ粒子のうち比較的樹脂に対する高分散性を有しているため、好適である。金属ナノ粒子含有樹脂を焼成すると、樹脂内で粒子が結合して導電性パスを形成する。これにより、高い導電性を得ることができる。なお、第一音響整合層２９は、相対的に導電性の低い材料や導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆った形態であってもよい。
【００３６】
音響波受信用圧電体３０は、超音波送受信用圧電体２８同様複数配列されているか、もしくはシート状のまま短冊状にパターン化された電極によって電気的に分割されている。各音響波受信用圧電体３０の隙間およびその周囲には、充填剤３５が充填されている。
【００３７】
音響波受信用圧電体３０は、厚みが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であり、上部電極３１および第一音響整合層２９によって上下から挟み込まれている。上述のように第一音響整合層２９は導電性を有し、超音波送受信用圧電体２８の上部電極を兼ねているが、第一音響整合層２９は、さらに、音響波受信用圧電体３０の下部電極を兼ねている。つまり、第一音響整合層２９は、超音波送受信用圧電体２８および音響波受信用圧電体３０に共通する電極を兼ねている。上部電極３１は、例えば金薄膜からなり、リード線（図示省略）が接続されている。
【００３８】
上部電極３１に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。音響波受信用圧電体３０が反射波を受信すると、携帯型超音波観測器１０に内蔵された送受信回路４１（図３参照）に受信信号が入力される。第一音響整合層２９、音響波受信用圧電体３０、および上部電極３１は、これら一式で受信用超音波トランスデューサを構成する。
【００３９】
音響波受信用圧電体３０には、音響インピーダンスが第一音響整合層２９より小さくて第二音響整合層３２より大きく、圧電性を示す様々な有機材料が用いられる。ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料が好ましい。これらは、受信定数ｇが大きく、超音波の受信感度が比較的高い。
【００４０】
第二音響整合層３２には、音響インピーダンスが音響波受信用圧電体３０より小さく人体より大きい様々な材料を用いることができる。具体的には、エポキシ系樹脂が挙げられる。
【００４１】
音響レンズ３３は、超音波送受信用圧電体２８から発せられる超音波を被観察部位に集束させる。音響レンズ３３は、例えばシリコーンゴムからなり、厚みは最大で１ｍｍ程度である。
【００４２】
ＵＴアレイ２１の各層を積層させる際に用いる接着剤には、様々な材料を適用することができる。特に、エポキシ系樹脂は、音響透過性と接合強度に優れ、また、コストの面でも安価であるため好ましい。
【００４３】
一方パルスレーザユニット７０は、例えばＱスイッチ固体レーザを内蔵したもので、電源ケーブル７１を介して携帯型超音波観測器１０のレーザユニット接続部７２に接続されるようになっている。このパルスレーザユニット７０は、光音響画像を取得する際に携帯型超音波観測器１０の操作部１４から発光指示がなされると、所定のトリガーを受けてパルスレーザ光を発する。そのパルスレーザ光はバンドルファイバ７３を介して伝搬され、超音波プローブ１１の先端に設けられた光照射部７４から被検体に向けて照射される。
【００４４】
上記光照射部７４は、本実施形態ではバンドルファイバ７３を構成する複数の光ファイバの先端部から構成されている。すなわち、それらの光ファイバの先端部は、ＵＴアレイ２１の両双方（図１における上方と下方）に並べて配設され、それらから出射するパルスレーザ光により被検体をライン状に照射するように構成されている。
【００４５】
図３に示すように、送受信回路４１には、パルサ４２、レシーバ４３、第一Ａ／Ｄ４４、画像生成部４５、Ｔｘ／Ｒｘ４６、レシーバ４７、第二Ａ／Ｄ４８などが設けられている。
【００４６】
パルサ４２は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。パルサ４２は、下部電極２７に対し、超音波送受信用圧電体２８に超音波を発生させるための励振パルス（パルス電圧）を送信する。
【００４７】
レシーバ４３は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。レシーバ４３には、被観察部位で反射した超音波に基づく超音波送受信用圧電体２８からの受信信号が入力され、これを増幅する。
【００４８】
第一Ａ／Ｄ４４は、レシーバ４３からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第一Ａ／Ｄ４４でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。
【００４９】
Ｔｘ／Ｒｘ４６には、パルサ４２およびレシーバ４３が接続されており、これらの入出力を選択的に切り替える。
【００５０】
レシーバ４７は、上部電極３１に接続されている。レシーバ４７は、光音響画像の取得時に、音響波受信用圧電体３０からの受信信号を増幅する。すなわち光音響画像の取得時には、前述したようにパルスレーザユニット７０から生体組織等の被検体に向けてパルスレーザ光が照射される。この照射を受けた被検体の部分からは音響波が発せられ、この音響波が音響波受信用圧電体３０によって検出される。第二Ａ／Ｄ４８は、レシーバ４７からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第二Ａ／Ｄ４８でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。
【００５１】
画像生成部４５は、超音波画像の取得時には第一Ａ／Ｄ４４から入力された受信信号に基づいて超音波画像を生成し、モニタ１５に出力する。また画像生成部４５は、光音響画像の取得時には第二Ａ／Ｄ４８から入力された受信信号に基づいて光音響画像を生成し、モニタ１５に出力する。なお、送受信回路４１を構成する画像生成部４５以外の各部は、一組の超音波送受信用圧電体２８、音響波受信用圧電体３０毎にある。
【００５２】
前述したように無機材料からなる超音波送受信用圧電体２８は比較的狭帯域で非常に感度が高い特性を有し、それに対して、有機材料からなる音響波受信用圧電体３０は非常に広い周波数帯域に渡って検出感度が比較的高い特性を有する。そこで、超音波送受信用圧電体２８により、比較的低周波域に限られる反射超音波を非常に高感度で検出することができ、音響波受信用圧電体３０により、低周波から高周波の非常に広い周波数領域に渡る音響波を幅広く検出することができる。そこで本実施形態の超音波診断装置２においては、高画質の超音波画像および光音響画像を生成可能となる。
【００５３】
また、導電性を有する第一音響整合層２９を、超音波送受信用圧電体２８および音響波受信用圧電体３０に共通する電極として用いることで、別々の電極を用いた場合と比較して、構成が簡単で製造コストも掛からないＵＴアレイを容易に作製することができる。また、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子含有樹脂が用いられているから、高い導電性を示し、共通電極として十分に機能する。
【００５４】
さらに、第一音響整合層２９に用いられる樹脂は熱硬化性であり、音響波受信用圧電体３０の接着剤として機能するから、第一音響整合層の成膜後、接着剤を塗布して音響波受信用圧電体３０を積層する従来の工程に比べて、工程数の増加を抑えて、ＵＴアレイを容易に作製することができる。また、比較的薄層の電極数の増加も抑えられ、歩留まりの悪化が防止される。
【００５５】
なお、超音波を送信する超音波トランスデューサとして、超音波の受信も行う超音波送受信用圧電体２８を備えた場合を例に説明したが、超音波送受信用圧電体２８に代えて、超音波の送信のみを行う送信用超音波トランスデューサを備えていてもよい。その場合は、超音波の受信専用の圧電体が設けられるが、本発明のプローブにおいてはその圧電体も無機材料から構成される。
【００５６】
上部電極３１とレシーバ（増幅器）４７を接続する伝送線路が長くなると、伝送線路の持つ容量性抵抗により、上部電極３１とレシーバ４７との間の受信信号の電圧降下量が大きくなる。受信信号の電圧降下量が大きくなると、音響波受信用圧電体３０で受信した超音波に基づく超音波画像の画質が劣化し、音響波受信用圧電体３０に受信感度が高いものを用いた効果が半減する。
【００５７】
このため、上部電極３１とレシーバ４７を接続する伝送線路は、できるだけ短いことが好ましく、上部電極３１とレシーバ４７とを直近に配置することが好ましい。具体的には、レシーバ４７を、上記実施形態のように携帯型超音波観測器１０ではなく、走査ヘッド１８に内蔵する。
【００５８】
［実施例１］
次に、ＵＴアレイ２１の各層を積層した実施例１を説明する。バッキング材２６には、１ｃｍ厚に切り出した塩素化ポリエチレンゴムを用いた。バッキング材２６上に、熱硬化型のエポキシ樹脂を用いてＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）を接着した。
【００５９】
超音波送受信用圧電体２８には、ＰＺＴ系圧電セラミックスであるＣ９２Ｈ（株式会社富士セラミックス製）を用いた。超音波送受信用圧電体２８の両面を研磨して、その厚さを２６０μｍにした。超音波送受信用圧電体２８の片面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。超音波送受信用圧電体２８の金属膜側を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、熱硬化させた。超音波送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。なお、バッキング材２６上に接着されたＦＰＣと、超音波送受信用圧電体２８上に形成されたＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜とは、下部電極２７を構成する。
【００６０】
超音波送受信用圧電体２８上に、第一音響整合層２９として、銀ナノ粒子を含有した樹脂（住友電気工業株式会社製）を厚さがλ／４（λ：超音波の波長）となるように塗布した。第一音響整合層２９の塗布後、約１８０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１２Ｍｒａｙｌであった。
【００６１】
音響波受信用圧電体３０には、音響インピーダンスが４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを用いた。音響波受信用圧電体３０をλ／４の厚さに成型し、その片面にベタ電極（金属膜）を形成した。音響波受信用圧電体３０をベタ電極の反対側で、第一音響整合層２９に接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用いた。なお、音響波受信用圧電体３０に形成されたベタ電極は、上部電極３１を構成する。
【００６２】
そして、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として上部電極３１上に、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。同様に、第二音響整合層３２上に音響レンズ３３を接着した。
【００６３】
なお、以下の例では、実施例１と同様の構成を省略して異なる部分を説明する。
【００６４】
［実施例２］
超音波送受信用圧電体２８には、リラクサ系圧電単結晶であるＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系材料、ＪＦＥミネラル株式会社製）を用いた。超音波送受信用圧電体２８の両面研磨により、その厚さを２４０μｍにした。超音波送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約２２Ｍｒａｙｌであった。
【００６５】
実施例１と同様、第一音響整合層２９を積層してから、約１６０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１１Ｍｒａｙｌであった。
【００６６】
［比較例１］
超音波送受信用圧電体２８の両面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。両面に金属膜が形成された超音波送受信用圧電体２８を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、１００℃の大気中で１時間加熱して熱硬化を行った。超音波送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。
【００６７】
比較例１では、第一音響整合層２９を積層せず、その代わり、超音波送受信用圧電体２８の上面に形成した金属膜を上部電極とした。また、音響波受信用圧電体３０を積層せず、その代わり、音響インピーダンスが８Ｍｒａｙｌのジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、音響整合層として超音波送受信用圧電体２８上に積層した。接着剤には、熱硬化型のエポキシ系のものを用い、加熱により硬化させた。
【００６８】
さらに、音響インピーダンスが３Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。
【表１】
【００６９】
上記表１は、すでに説明した、各実施例および比較例１における各層の材料と音響インピーダンス［Ｍｒａｙｌ］との関係をまとめたものである。超音波送受信用圧電体２８は、実施例２だけが２２Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したリラクサ系圧電単結晶を材料とするが、その他の例では、３１Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したＰＺＴ系圧電セラミックスを材料とする。
【００７０】
第一音響整合層２９は、実施例１、２では、銀ナノ粒子含有樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、実施例１では１２Ｍｒａｙｌであり、実施例２では１１Ｍｒａｙｌである。一方、比較例１では、第一音響整合層２９を備えていない。
【００７１】
音響波受信用圧電体３０は、実施例１、２では、４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを材料とする。一方、比較例１では、音響波受信用圧電体３０の代わりに、８Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を備えている。
【００７２】
第二音響整合層３２は、全ての例でエポキシ系樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、比較例１だけが３Ｍｒａｙｌであるが、その他の例では２Ｍｒａｙｌである。
【００７３】
各実施例および比較例１で作製したＵＴアレイ２１の受信感度を調べる試験を行った。超音波は、伝播するうちに歪んだ波形となり、基本波の周波数の整数倍である高調波成分を含むこととなる。各実施例では、基本波に加えて、第二次高調波（基本波の周波数の２倍の周波数の音波）を感度良く受信した。
【００７４】
これに対し、比較例１では、送信周波数が所定以上の場合、基本波を受信することができたが、第二次高調波を受信することはできなかった。なお、送信周波数を下げることで、第二次高調波を受信することも可能であったが、このときの送信周波数は、超音波撮像を行うためには不十分であった。
【００７５】
上記実施形態では、いわゆるコンベックス電子走査型の体外式の超音波プローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは１個のＵＴを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式の超音波プローブでもよい。電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式の超音波プローブや、電子内視鏡と一体化された超音波内視鏡についても本発明は適用可能である。
【００７６】
また、パルスレーザユニット７０を構成するレーザ光源としては、上記実施形態で用いられた固体レーザの他、発振波長が最大８００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ、発振波長が最大９００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ等も適用可能である。さらには、半導体レーザを種光源とする光増幅型レーザ光源と光波長変換素子との組み合わせからなるもの、より具体的には、波長１５６０ｎｍ程度のレーザ光を発する半導体レーザと、そのレーザ光を増幅する偏波保存型Ｅｒ（エルビウム）添加光ファイバからなるファイバ増幅器と、そこで増幅された上記レーザ光を波長７８０ｎｍ程度の第２高調波に変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子とからなるもの等も適用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
２ 超音波診断装置
１１ 超音波プローブ
２１ 超音波トランスデューサアレイ（ＵＴアレイ）
２７ 下部電極
２８ 超音波送受信用圧電体（第一圧電体）
２９ 第一音響整合層
３０ 音響波受信用圧電体（第二圧電体）
３１ 上部電極
７０ パルスレーザユニット
７３ バンドルファイバ
７４ 光照射部
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響画像化装置すなわち、生体組織等の被検体に光を照射し、光照射に伴って発生する音響波に基づいて被検体を画像化する装置に関し、特に詳細には、超音波画像を取得する機能も備えた光音響画像化装置に関するものである。また本発明は、上述の光音響画像化を行う方法に関するものである。
【０００２】
さらに本発明は、その種の光音響画像化装置において用いられるプローブに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体内に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波（音響信号）を発生する。そこで、この音響波を超音波プローブなどで検出し、その検出信号に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。
【０００４】
他方、特許文献２に示されるように、超音波プローブを用いる超音波画像化装置も従来公知となっている。この種の超音波プローブは、先端に超音波トランスデューサ（以下、ＵＴと略す）を備えたものであり、多くの場合、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、並びに音響レンズ等から構成されている。超音波画像化装置においては、ＵＴから被検体（人体）に超音波が照射され、被検体からの反射超音波がＵＴで受信される。そして、この反射超音波の検出信号を電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。
【０００５】
なお、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能である。超音波断層画像を得る方法としては、ＵＴを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式や、複数のＵＴをアレイ状に配列（以下、ＵＴアレイという）し、駆動するＵＴを電子スイッチ等で選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。
【０００６】
ところで、上述のような超音波プローブは、超音波と同様に音響波も検出可能であることから、光音響画像と超音波画像の双方を取得できる装置も提案されている。すなわちその種の装置では、超音波プローブに、被検体に向けて光を照射する光照射部が付加され、そこからの光を受けて被検体から発せられた音響波が、超音波プローブのＵＴによって検出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【特許文献２】特開平０６−１４８１５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata, Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述のように超音波画像も取得するように構成された光音響画像化装置において、超音波もまた音響波も効率良く検出して、高画質の超音波画像および光音響画像を取得可能とすることを目的とするものである。
【００１０】
また本発明は、そのように超音波もまた音響波も効率良く検出できる光音響画像化装置用プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光音響画像化装置用プローブは、
音響波を発生させるために被検体に照射される光を発する光照射部と、
被検体に照射される超音波を発する超音波発生手段と、
被検体で反射した前記超音波を検出する第一圧電体と、
前記光の照射により被検体から発せられた音響波を検出する第二圧電体とを備えてなる光音響画像化装置用プローブにおいて、
前記第一圧電体として無機材料からなる圧電体が用いられ、前記第二圧電体として有機材料からなる圧電体が用いられたことを特徴とするものである。
【００１２】
なお、上記第一および第二圧電体の間には、前記第一および第二圧電体に共通する電極を兼ねた音響整合層が形成されていることが望ましい。
【００１３】
また上記第二圧電体は、前記第一圧電体よりも被検体側に配設されていることが望ましい。
【００１４】
ここで上記音響整合層は、銀等の金属を含有するものであることが望ましい。また、そのように金属を含有する音響整合層は、有機材料に金属を含有した複合体から構成されることが望ましい。そして、そのような有機材料は、接着性を有するものであることが望ましい。
【００１５】
さらに、上述の金属は、金属ナノ粒子からなるものであることが好ましい。
【００１６】
また音響整合層はその他に、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものから構成することもできる。
【００１７】
一方、本発明による光音響画像化装置は、上述した通りの本発明によるプローブを備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明による光音響画像化方法は、上述した通りの本発明によるプローブを用いて、第一圧電体が出力する信号に基づいて超音波画像を取得し、第二圧電体が出力する信号に基づいて光音響画像を取得することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
超音波画像取得のために生体組織等の被検体に照射される超音波は、一般に周波数が１〜４０ＭＨｚ程度における限られた領域（例：２〜５ＭＨｚや４〜１０ＭＨｚ、５〜１２ＭＨｚなど６ｄＢの比帯域で８０％程度の領域）のものが用いられる。それに対して、光照射により生体組織等の被検体から発せられる音響波の周波数も１〜４０ＭＨｚ程度であるが、その音響波は１〜４０ＭＨｚ程度の周波数全域に渡っている。他方、無機材料からなる圧電体は、比較的狭帯域（６ｄＢの比帯域で８０％程度）で非常に高い検出感度を示すが、有機材料からなる圧電体はプローブ構成においては明確な共振点を示さないため、非常に広い周波数帯域に渡って比較的高い検出感度を有する。
【００２０】
本発明の光音響画像化装置用プローブにおいては、上記特性を有する無機材料からなる第一圧電体により生体減衰の少ない比較的低周波の超音波を非常に高い感度で検出するようにし、また、上記特性を有する有機材料からなる第二圧電体により低周波から高周波の非常に広い周波数領域に渡って音響波を検出するようにしたので、このプローブによれば、反射超音波は効率良く、かつ、音響波は幅広く検出可能となる。
【００２１】
そこで、この本発明によるプローブを用いる本発明の光音響画像化装置は、反射超音波もまた音響波も効率良く検出して、高画質の超音波画像および光音響画像を取得できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による光音響画像化装置の全体形状を示す斜視図
【図２】本発明の一実施形態による光音響画像化装置用プローブを示す一部破断斜視図
【図３】上記光音響画像化装置の電気的構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光音響画像化装置の全体形状を示すものであり、図２はそこに用いられたプローブを示すものである。また図３は、本実施形態の装置の電気的構成を示すものである。
【００２４】
本実施形態の装置は、超音波診断装置２として構成されたものであり、図１に示す通りこの超音波診断装置２は基本的に、携帯型超音波観測器１０と体外式の超音波プローブ（光音響画像化装置用プローブ）１１と、パルスレーザユニット７０とから構成されている。
【００２５】
携帯型超音波観測器１０は、装置本体１２とカバー１３とからなる。装置本体１２の上面には、携帯型超音波観測器１０に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボールが設けられた操作部１４が配されている。カバー１３の内面には、超音波画像をはじめとして様々な操作画面を表示するモニタ１５が設けられている。
【００２６】
カバー１３は、ヒンジ１６を介して装置本体１２に取り付けられており、操作部１４とモニタ１５とを露呈させる図示する開き位置と、装置本体１２の上面とカバー１３の内面を対面させて、操作部１４とモニタ１５を互いに覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。装置本体１２の側面には、グリップ（図示せず）が取り付けられており、装置本体１２とカバー１３を閉じた状態で携帯型超音波観測器１０を持ち運ぶことができる。装置本体１２のもう一方の側面には、超音波プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１７およびレーザユニット接続部７２が設けられている。
【００２７】
超音波プローブ１１は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド１８と、プローブ接続部１７に接続されるコネクタ１９と、これらを繋ぐケーブル２０とからなる。走査ヘッド１８の先端部には、超音波トランスデューサアレイ（以下、ＵＴアレイと略す）２１が内蔵されている。
【００２８】
図２に示すように、ＵＴアレイ２１は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座２５上に、バッキング材２６、下部電極２７、超音波送受信用圧電体２８、第一音響整合層２９、音響波受信用圧電体３０、上部電極３１、第二音響整合層３２、および音響レンズ３３が順次積層された構造を有する。
【００２９】
バッキング材２６は、超音波を放射する際の超音波送受信用圧電体２８の自由振動を規制して、超音波の進行方向の分解能を向上させる。バッキング材２６には、振動を吸収できる様々な材料を用いることができ、無機材料、有機材料いずれも適用可能である。特に、エポキシ系樹脂などの樹脂材料や、塩素化ポリエチレンゴム、天然ゴム、ＳＢＲなどのゴム系材料は、音響インピーダンスが小さく、感度を落とさずに振動を吸収できるので、好ましい。
【００３０】
超音波送受信用圧電体２８は本発明における第一の圧電体であり、ＥＬ方向に長い短冊状をしており、ＥＬ方向と直交するアジマス方向（以下、ＡＺ方向と略す）に複数等間隔で配列されている。各超音波送受信用圧電体２８の隙間およびその周囲には、充填剤３４が充填されている。
【００３１】
超音波送受信用圧電体２８は、厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、第一音響整合層２９および下部電極２７によって上下から挟み込まれている。第一音響整合層２９は導電性を有し、超音波送受信用圧電体２８の上部電極を兼ねている。下部電極２７は、例えば金薄膜からなる。第一音響整合層２９および下部電極２７には、リード線（図示省略）がそれぞれ接続されている。下部電極２７、超音波送受信用圧電体２８、および第一音響整合層２９は、これら一式で送受信用の超音波トランスデューサを構成する。
【００３２】
第一音響整合層２９に接続されたリード線は、接地されている（図３参照）。一方、下部電極２７に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。携帯型超音波観測器１０には送受信回路（図３参照）４１が内蔵されており、この送受信回路４１から超音波送受信用圧電体２８にパルス電圧が印加されると、超音波送受信用圧電体２８が振動して超音波を発生し、これにより被検体の被観察部位に超音波が照射される。また、被観察部位からの反射波を受信すると、超音波送受信用圧電体２８が振動して電圧を発生し、この電圧が受信信号として出力される。
【００３３】
超音波送受信用圧電体２８には、圧電性を示す様々な無機材料が用いられる。ＰＺＴを主体とするＰｂ系の圧電材料が非常に好ましい。特に、近年巨大圧電定数を示す材料として用途が広がっているＰＭＮ−ＰＴやＰＺＮ−ＰＴなどのリラクサ系の圧電単結晶が好ましい。これらは、電気機械結合定数ｋが大きく、印加された電圧に対する超音波の出力の割合（変換効率）が比較的高い。
【００３４】
音響波受信用圧電体３０は本発明における第一の圧電体であって、後述する音響波の受信専用に設けられている。この音響波受信用圧電体３０は音響整合層を兼ねており、第一、第二音響整合層２９、３２とともに、超音波送受信用圧電体２８と人体との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の送受信感度を向上させる。また、第二音響整合層３２は、人体と音響波受信用圧電体３０との音響インピーダンスの差を段階的に緩和し、超音波の受信感度を向上させる。
【００３５】
第一音響整合層２９には、音響インピーダンスが超音波送受信用圧電体２８よりも小さくかつ音響波受信用圧電体３０より大きい様々な導電性材料を用いることができる。具体的には、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子（直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の金属粒子）と、接着性を有する樹脂とからなる混合物を焼成したものである。金属ナノ粒子として、銀ナノ粒子を含み、さらに好ましくは、金属ナノ粒子の全てが銀ナノ粒子である。銀ナノ粒子は、金属ナノ粒子のうち比較的樹脂に対する高分散性を有しているため、好適である。金属ナノ粒子含有樹脂を焼成すると、樹脂内で粒子が結合して導電性パスを形成する。これにより、高い導電性を得ることができる。なお、第一音響整合層２９は、相対的に導電性の低い材料や導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆った形態であってもよい。
【００３６】
音響波受信用圧電体３０は、超音波送受信用圧電体２８同様複数配列されているか、もしくはシート状のまま短冊状にパターン化された電極によって電気的に分割されている。各音響波受信用圧電体３０の隙間およびその周囲には、充填剤３５が充填されている。
【００３７】
音響波受信用圧電体３０は、厚みが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であり、上部電極３１および第一音響整合層２９によって上下から挟み込まれている。上述のように第一音響整合層２９は導電性を有し、超音波送受信用圧電体２８の上部電極を兼ねているが、第一音響整合層２９は、さらに、音響波受信用圧電体３０の下部電極を兼ねている。つまり、第一音響整合層２９は、超音波送受信用圧電体２８および音響波受信用圧電体３０に共通する電極を兼ねている。上部電極３１は、例えば金薄膜からなり、リード線（図示省略）が接続されている。
【００３８】
上部電極３１に接続されたリード線は、携帯型超音波観測器１０に接続されている。音響波受信用圧電体３０が反射波を受信すると、携帯型超音波観測器１０に内蔵された送受信回路４１（図３参照）に受信信号が入力される。第一音響整合層２９、音響波受信用圧電体３０、および上部電極３１は、これら一式で受信用超音波トランスデューサを構成する。
【００３９】
音響波受信用圧電体３０には、音響インピーダンスが第一音響整合層２９より小さくて第二音響整合層３２より大きく、圧電性を示す様々な有機材料が用いられる。ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料が好ましい。これらは、受信定数ｇが大きく、超音波の受信感度が比較的高い。
【００４０】
第二音響整合層３２には、音響インピーダンスが音響波受信用圧電体３０より小さく人体より大きい様々な材料を用いることができる。具体的には、エポキシ系樹脂が挙げられる。
【００４１】
音響レンズ３３は、超音波送受信用圧電体２８から発せられる超音波を被観察部位に集束させる。音響レンズ３３は、例えばシリコーンゴムからなり、厚みは最大で１ｍｍ程度である。
【００４２】
ＵＴアレイ２１の各層を積層させる際に用いる接着剤には、様々な材料を適用することができる。特に、エポキシ系樹脂は、音響透過性と接合強度に優れ、また、コストの面でも安価であるため好ましい。
【００４３】
一方パルスレーザユニット７０は、例えばＱスイッチ固体レーザを内蔵したもので、電源ケーブル７１を介して携帯型超音波観測器１０のレーザユニット接続部７２に接続されるようになっている。このパルスレーザユニット７０は、光音響画像を取得する際に携帯型超音波観測器１０の操作部１４から発光指示がなされると、所定のトリガーを受けてパルスレーザ光を発する。そのパルスレーザ光はバンドルファイバ７３を介して伝搬され、超音波プローブ１１の先端に設けられた光照射部７４から被検体に向けて照射される。
【００４４】
上記光照射部７４は、本実施形態ではバンドルファイバ７３を構成する複数の光ファイバの先端部から構成されている。すなわち、それらの光ファイバの先端部は、ＵＴアレイ２１の両双方（図１における上方と下方）に並べて配設され、それらから出射するパルスレーザ光により被検体をライン状に照射するように構成されている。
【００４５】
図３に示すように、送受信回路４１には、パルサ４２、レシーバ４３、第一Ａ／Ｄ４４、画像生成部４５、Ｔｘ／Ｒｘ４６、レシーバ４７、第二Ａ／Ｄ４８などが設けられている。
【００４６】
パルサ４２は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。パルサ４２は、下部電極２７に対し、超音波送受信用圧電体２８に超音波を発生させるための励振パルス（パルス電圧）を送信する。
【００４７】
レシーバ４３は、Ｔｘ／Ｒｘ４６を介して下部電極２７に接続されている。レシーバ４３には、被観察部位で反射した超音波に基づく超音波送受信用圧電体２８からの受信信号が入力され、これを増幅する。
【００４８】
第一Ａ／Ｄ４４は、レシーバ４３からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第一Ａ／Ｄ４４でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。
【００４９】
Ｔｘ／Ｒｘ４６には、パルサ４２およびレシーバ４３が接続されており、これらの入出力を選択的に切り替える。
【００５０】
レシーバ４７は、上部電極３１に接続されている。レシーバ４７は、光音響画像の取得時に、音響波受信用圧電体３０からの受信信号を増幅する。すなわち光音響画像の取得時には、前述したようにパルスレーザユニット７０から生体組織等の被検体に向けてパルスレーザ光が照射される。この照射を受けた被検体の部分からは音響波が発せられ、この音響波が音響波受信用圧電体３０によって検出される。第二Ａ／Ｄ４８は、レシーバ４７からの受信信号に対してＡ／Ｄ変換を施し、受信信号をデジタル化する。第二Ａ／Ｄ４８でデジタル化された受信信号は、画像生成部４５に入力される。
【００５１】
画像生成部４５は、超音波画像の取得時には第一Ａ／Ｄ４４から入力された受信信号に基づいて超音波画像を生成し、モニタ１５に出力する。また画像生成部４５は、光音響画像の取得時には第二Ａ／Ｄ４８から入力された受信信号に基づいて光音響画像を生成し、モニタ１５に出力する。なお、送受信回路４１を構成する画像生成部４５以外の各部は、一組の超音波送受信用圧電体２８、音響波受信用圧電体３０毎にある。
【００５２】
前述したように無機材料からなる超音波送受信用圧電体２８は比較的狭帯域で非常に感度が高い特性を有し、それに対して、有機材料からなる音響波受信用圧電体３０は非常に広い周波数帯域に渡って検出感度が比較的高い特性を有する。そこで、超音波送受信用圧電体２８により、比較的低周波域に限られる反射超音波を非常に高感度で検出することができ、音響波受信用圧電体３０により、低周波から高周波の非常に広い周波数領域に渡る音響波を幅広く検出することができる。そこで本実施形態の超音波診断装置２においては、高画質の超音波画像および光音響画像を生成可能となる。
【００５３】
また、導電性を有する第一音響整合層２９を、超音波送受信用圧電体２８および音響波受信用圧電体３０に共通する電極として用いることで、別々の電極を用いた場合と比較して、構成が簡単で製造コストも掛からないＵＴアレイを容易に作製することができる。また、第一音響整合層２９は、金属ナノ粒子含有樹脂が用いられているから、高い導電性を示し、共通電極として十分に機能する。
【００５４】
さらに、第一音響整合層２９に用いられる樹脂は熱硬化性であり、音響波受信用圧電体３０の接着剤として機能するから、第一音響整合層の成膜後、接着剤を塗布して音響波受信用圧電体３０を積層する従来の工程に比べて、工程数の増加を抑えて、ＵＴアレイを容易に作製することができる。また、比較的薄層の電極数の増加も抑えられ、歩留まりの悪化が防止される。
【００５５】
なお、超音波を送信する超音波トランスデューサとして、超音波の受信も行う超音波送受信用圧電体２８を備えた場合を例に説明したが、超音波送受信用圧電体２８に代えて、超音波の送信のみを行う送信用超音波トランスデューサを備えていてもよい。その場合は、超音波の受信専用の圧電体が設けられるが、本発明のプローブにおいてはその圧電体も無機材料から構成される。
【００５６】
上部電極３１とレシーバ（増幅器）４７を接続する伝送線路が長くなると、伝送線路の持つ容量性抵抗により、上部電極３１とレシーバ４７との間の受信信号の電圧降下量が大きくなる。受信信号の電圧降下量が大きくなると、音響波受信用圧電体３０で受信した超音波に基づく超音波画像の画質が劣化し、音響波受信用圧電体３０に受信感度が高いものを用いた効果が半減する。
【００５７】
このため、上部電極３１とレシーバ４７を接続する伝送線路は、できるだけ短いことが好ましく、上部電極３１とレシーバ４７とを直近に配置することが好ましい。具体的には、レシーバ４７を、上記実施形態のように携帯型超音波観測器１０ではなく、走査ヘッド１８に内蔵する。
【００５８】
［実施例１］
次に、ＵＴアレイ２１の各層を積層した実施例１を説明する。バッキング材２６には、１ｃｍ厚に切り出した塩素化ポリエチレンゴムを用いた。バッキング材２６上に、熱硬化型のエポキシ樹脂を用いてＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）を接着した。
【００５９】
超音波送受信用圧電体２８には、ＰＺＴ系圧電セラミックスであるＣ９２Ｈ（株式会社富士セラミックス製）を用いた。超音波送受信用圧電体２８の両面を研磨して、その厚さを２６０μｍにした。超音波送受信用圧電体２８の片面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。超音波送受信用圧電体２８の金属膜側を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、熱硬化させた。超音波送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。なお、バッキング材２６上に接着されたＦＰＣと、超音波送受信用圧電体２８上に形成されたＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの金属膜とは、下部電極２７を構成する。
【００６０】
超音波送受信用圧電体２８上に、第一音響整合層２９として、銀ナノ粒子を含有した樹脂（住友電気工業株式会社製）を厚さがλ／４（λ：超音波の波長）となるように塗布した。第一音響整合層２９の塗布後、約１８０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１２Ｍｒａｙｌであった。
【００６１】
音響波受信用圧電体３０には、音響インピーダンスが４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを用いた。音響波受信用圧電体３０をλ／４の厚さに成型し、その片面にベタ電極（金属膜）を形成した。音響波受信用圧電体３０をベタ電極の反対側で、第一音響整合層２９に接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用いた。なお、音響波受信用圧電体３０に形成されたベタ電極は、上部電極３１を構成する。
【００６２】
そして、音響インピーダンスが２Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として上部電極３１上に、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。同様に、第二音響整合層３２上に音響レンズ３３を接着した。
【００６３】
なお、以下の例では、実施例１と同様の構成を省略して異なる部分を説明する。
【００６４】
［実施例２］
超音波送受信用圧電体２８には、リラクサ系圧電単結晶であるＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系材料、ＪＦＥミネラル株式会社製）を用いた。超音波送受信用圧電体２８の両面研磨により、その厚さを２４０μｍにした。超音波送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約２２Ｍｒａｙｌであった。
【００６５】
実施例１と同様、第一音響整合層２９を積層してから、約１６０℃の大気中で１時間の加熱により硬化させた。加熱後、第一音響整合層２９の音響インピーダンスは、約１１Ｍｒａｙｌであった。
【００６６】
［比較例１］
超音波送受信用圧電体２８の両面にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次スパッタリングして金属膜を形成した。両面に金属膜が形成された超音波送受信用圧電体２８を、バッキング材２６上のＦＰＣに接着した。接着剤には、銀ナノ粒子を含有した樹脂を用い、１００℃の大気中で１時間加熱して熱硬化を行った。超音波送受信用圧電体２８の音響インピーダンスは、約３１Ｍｒａｙｌであった。
【００６７】
比較例１では、第一音響整合層２９を積層せず、その代わり、超音波送受信用圧電体２８の上面に形成した金属膜を上部電極とした。また、音響波受信用圧電体３０を積層せず、その代わり、音響インピーダンスが８Ｍｒａｙｌのジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、音響整合層として超音波送受信用圧電体２８上に積層した。接着剤には、熱硬化型のエポキシ系のものを用い、加熱により硬化させた。
【００６８】
さらに、音響インピーダンスが３Ｍｒａｙｌのエポキシ系樹脂を、その厚さがλ／４となるように研磨してから、第二音響整合層３２として、熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて接着した。
【表１】
【００６９】
上記表１は、すでに説明した、各実施例および比較例１における各層の材料と音響インピーダンス［Ｍｒａｙｌ］との関係をまとめたものである。超音波送受信用圧電体２８は、実施例２だけが２２Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したリラクサ系圧電単結晶を材料とするが、その他の例では、３１Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したＰＺＴ系圧電セラミックスを材料とする。
【００７０】
第一音響整合層２９は、実施例１、２では、銀ナノ粒子含有樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、実施例１では１２Ｍｒａｙｌであり、実施例２では１１Ｍｒａｙｌである。一方、比較例１では、第一音響整合層２９を備えていない。
【００７１】
音響波受信用圧電体３０は、実施例１、２では、４．５ＭｒａｙｌのＰＶＤＦを材料とする。一方、比較例１では、音響波受信用圧電体３０の代わりに、８Ｍｒａｙｌの音響インピーダンスを有したジルコニア粒子分散エポキシ系樹脂を備えている。
【００７２】
第二音響整合層３２は、全ての例でエポキシ系樹脂を材料とする。その音響インピーダンスは、比較例１だけが３Ｍｒａｙｌであるが、その他の例では２Ｍｒａｙｌである。
【００７３】
各実施例および比較例１で作製したＵＴアレイ２１の受信感度を調べる試験を行った。超音波は、伝播するうちに歪んだ波形となり、基本波の周波数の整数倍である高調波成分を含むこととなる。各実施例では、基本波に加えて、第二次高調波（基本波の周波数の２倍の周波数の音波）を感度良く受信した。
【００７４】
これに対し、比較例１では、送信周波数が所定以上の場合、基本波を受信することができたが、第二次高調波を受信することはできなかった。なお、送信周波数を下げることで、第二次高調波を受信することも可能であったが、このときの送信周波数は、超音波撮像を行うためには不十分であった。
【００７５】
上記実施形態では、いわゆるコンベックス電子走査型の体外式の超音波プローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは１個のＵＴを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式の超音波プローブでもよい。電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式の超音波プローブや、電子内視鏡と一体化された超音波内視鏡についても本発明は適用可能である。
【００７６】
また、パルスレーザユニット７０を構成するレーザ光源としては、上記実施形態で用いられた固体レーザの他、発振波長が最大８００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ、発振波長が最大９００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ等も適用可能である。さらには、半導体レーザを種光源とする光増幅型レーザ光源と光波長変換素子との組み合わせからなるもの、より具体的には、波長１５６０ｎｍ程度のレーザ光を発する半導体レーザと、そのレーザ光を増幅する偏波保存型Ｅｒ（エルビウム）添加光ファイバからなるファイバ増幅器と、そこで増幅された上記レーザ光を波長７８０ｎｍ程度の第２高調波に変換するＳＨＧ（第２高調波発生）素子とからなるもの等も適用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
２ 超音波診断装置
１１ 超音波プローブ
２１ 超音波トランスデューサアレイ（ＵＴアレイ）
２７ 下部電極
２８ 超音波送受信用圧電体（第一圧電体）
２９ 第一音響整合層
３０ 音響波受信用圧電体（第二圧電体）
３１ 上部電極
７０ パルスレーザユニット
７３ バンドルファイバ
７４ 光照射部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響波を発生させるために被検体に照射される光を発する光照射部と、
被検体に照射される超音波を発する超音波発生手段と、
被検体で反射した前記超音波を検出する第一圧電体と、
前記光の照射により被検体から発せられた音響波を検出する第二圧電体とを備えてなる光音響画像化装置用プローブにおいて、
前記第一圧電体として無機材料からなる圧電体が用いられ、前記第二圧電体として有機材料からなる圧電体が用いられたことを特徴とする光音響画像化装置用プローブ。
【請求項２】
前記第一および第二圧電体の間に、前記第一および第二圧電体に共通する電極を兼ねた音響整合層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項３】
前記第二圧電体が、前記第一圧電体よりも被検体側に配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項４】
前記音響整合層が金属を含有するものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項５】
前記金属に銀が含まれることを特徴とする請求項４記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項６】
前記音響整合層が、有機材料に金属を含有した複合体であることを特徴とする請求項４または５記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項７】
前記音響整合層を構成する有機材料が接着性を有するものであることを特徴とする請求項６記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項８】
前記金属が金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項４から７いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項９】
前記音響整合層が、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項１０】
請求項１から９いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブを備えてなる光音響画像化装置。
【請求項１１】
請求項１から９いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブを用い、前記第一圧電体が出力する信号に基づいて超音波画像を取得し、第二圧電体が出力する信号に基づいて光音響画像を取得することを特徴とする光音響画像化方法。
【請求項１】
音響波を発生させるために被検体に照射される光を発する光照射部と、
被検体に照射される超音波を発する超音波発生手段と、
被検体で反射した前記超音波を検出する第一圧電体と、
前記光の照射により被検体から発せられた音響波を検出する第二圧電体とを備えてなる光音響画像化装置用プローブにおいて、
前記第一圧電体として無機材料からなる圧電体が用いられ、前記第二圧電体として有機材料からなる圧電体が用いられたことを特徴とする光音響画像化装置用プローブ。
【請求項２】
前記第一および第二圧電体の間に、前記第一および第二圧電体に共通する電極を兼ねた音響整合層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項３】
前記第二圧電体が、前記第一圧電体よりも被検体側に配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項４】
前記音響整合層が金属を含有するものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項５】
前記金属に銀が含まれることを特徴とする請求項４記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項６】
前記音響整合層が、有機材料に金属を含有した複合体であることを特徴とする請求項４または５記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項７】
前記音響整合層を構成する有機材料が接着性を有するものであることを特徴とする請求項６記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項８】
前記金属が金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項４から７いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項９】
前記音響整合層が、相対的に導電性の低い材料、又は導電性のない材料の表面を導電性のある材料で覆ったものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブ。
【請求項１０】
請求項１から９いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブを備えてなる光音響画像化装置。
【請求項１１】
請求項１から９いずれか１項記載の光音響画像化装置用プローブを用い、前記第一圧電体が出力する信号に基づいて超音波画像を取得し、第二圧電体が出力する信号に基づいて光音響画像を取得することを特徴とする光音響画像化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１９２０２１（Ｐ２０１２−１９２０２１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５７７３８（Ｐ２０１１−５７７３８）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]