JP4266548B2 - 超音波受信装置及びそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents
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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を行うための超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波診断装置においては、超音波の送信手段及び受信手段には同じ方式を用いており、超音波の送信及び受信を行う素子（振動子）としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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用いた１次元センサアレイが一般的であった。さらに、そのような１次元センサアレイをスキャンさせることにより２次元画像を取得し、複数の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スキャン方向にタイムラグがあるため、異なる時刻における断面像を合成することになるので、合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、超音波診断装置を用いて超音波エコー観察等を行う場合のように、生体を対象とする被写体には適していない。
【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、センサアレイをスキャンさせることなく２次元画像を取得できる２次元センサアレイが必要である。このため、上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用いて２次元センサアレイを作製する手法が検討された。上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用いる場合には、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、ＰＺＴのような圧電材料を用いない超音波センサとして、光ファイバを利用し、超音波信号を光信号に変換して検出する方式（以下、光検出方式という）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（防衛大のＴＡＫＡＨＡＳＨＩらによる「Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ」ＯＰＴＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．６ （１９９７）ｐ．６９１−６９４参照）や、ファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）構造を用いるもの（東工大のＵＮＯらによる「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａＦｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ Ｍｅｇａｈｅｒｔｚ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ， Ｖｏｌ．１１８−Ｅ，Ｎｏ．１１，’９８参照）が報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの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はあるものの、センサ自体が高価であるため、２次元センサアレイやそれを用いた超音波受信装置を作製する際のコストが上昇してしまうという問題があった。
【０００７】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、多数の微細素子への電気的配線の必要がなく、クロストークや電気的インピーダンスの増大を招かずに超音波信号を２次元的に検出することができ、且つ、低コストで作製することができる超音波受信装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような超音波受信装置を適用して２次元又は３次元の超音波画像を得ることができる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【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１つの観点に係る超音波受信装置は、異なる屈折率を有する２種類の材料を交互に積層することにより形成される多層膜を含み、超音波を受信するための受信面を有し、該受信面の各位置に印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子と、複数の画素を有する光検出器であって、超音波検出素子の対応する位置から出力される光を検出する光検出器とを具備する。
【０００９】
また、本発明の１つの観点に係る超音波診断装置は、駆動信号に従って超音波を送信する送信手段と、送信手段に印加する駆動信号を発生する駆動信号発生回路と、異なる屈折率を有する２種類の材料を交互に積層することにより形成される多層膜を含み、超音波を受信するための受信面を有し、該受信面の各位置に印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子と、複数の画素を有する光検出器であって、超音波検出素子の対応する位置から出力される光を検出して検出信号を出力する光検出器とを含む受信手段と、受信手段から出力される検出信号を取り込んで処理する信号処理手段と、信号処理手段の出力信号に基づいて画像データを構成する画像処理部と、画像データに基づいて画像を表示する画像表示部とを具備する。
【００１０】
本発明によれば、光検出器の複数の画素に対応した超音波受信面を有する超音波検出素子を用いることにより、多数の微細素子への電気的配線の必要がなく、クロストークや電気的インピーダンスの増大を招かずに超音波を２次元的に検出する超音波受信装置を、低コストで作製することができる。従って、そのような超音波受信装置を用いて良質な２次元又は３次元の超音波画像を得ることができる超音波診断装置を実現できる。
【００１１】
【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、本発明の一実施形態に係る超音波受信装置を原理的に示す図である。この超音波受信装置は、光源１１と、分波器１２と、超音波検出素子２０と、結像系１５と、光検出器１６とを含んでいる。光源１１は、例えば、５００〜１６００ｎｍの単波長を有するシングルモードレーザ光を発生する。また、分波器１２は、ハーフミラー又は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。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、入射光を透過して、入射方向と反対の方向から戻ってくる反射光を、入射方向とほぼ９０°の角度をなす方向に反射する。ここで、入射光が分波器１２を通過する前に、ビームエキスパンダー１３によって入射光を拡大しても良い。
【００１２】
超音波検出素子（多層膜センサ）２０は、基板２１と、該基板の上に積層された多層膜２２とを含んでおり、伝搬する超音波によって歪みを生じる受信面を有する。超音波検出素子２０は、光源１１から分波器１２を通過して多層膜２２に入射した光を、基板２１に印加される超音波に基づいて変調して反射する。超音波検出素子２０から反射された光は、分波器１２によって反射され、複数の画素を有する光検出器１６に入射する。
【００１３】
光検出器１６は、ＣＣＤや、ＭＯＳ型センサや、複数のＰＤ（フォトダイオード）等で構成される２次元アレイ検出器である。光検出器１６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１６に入射するようにしても良いし、分波器１２の後段にレンズ等の結像系１５を設けて、これを介して光検出器１６に結像するようにしても良い。
【００１４】
ここで、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。
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。
【００１５】
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は入射面から測った入射角であり、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。
【００１６】
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超音波検出素子２０が歪み、多層膜２２の面の各位置において周期構造のピッチｄが変化するので、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、最も反射率の高い（透過率の低い）中心波長の前後に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検出光を多層膜２２に入射させながら超音波を加える。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。
【００１７】
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。即ち、ｎ1＜ｎ2のとき、ｎ1×１．１≦ｎ2を満たす物質を選択する。これは、材料層Ａと材料層Ｂとの境界面において、高い反射率を得るためである。また、材料層Ａ及びＢは、伸縮しやすい物質であることが望ましい。これは、超音波が印加された際の感度を高めるためである。このような条件を満たす物質の組み合わせとして、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。例えば、前者の場合に、１５２０ｎｍのレーザ光に対するＳｉＯ2の屈折率は約１．４５、Ｔｉ2Ｏ3の屈折率は約２．０であり、これは、屈折率が１０％以上異なるという上記の条件を十分に満たしている。
【００１８】
材料層Ａ及びＢの層厚（膜厚）は、多層膜２２に入射する光の波長λの概ね１／４程度であることが望ましい。ここで、膜厚とは、材料層の屈折率（ｎ）と材料層の厚さ（ｔ）との積で表される光学距離である。即ち、ｎｔ＝λ／４が条件となる。これにより、多層膜２２の周期構造のピッチが入射光の波長の概ね１／２程度となり、ブラッグの反射条件の式（２）を満たす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ようになる。
或いは、層厚λ／４を有する材料層Ａ及びＢを交互に積層し、所々に層厚λ／２を有する材料層Ａ又はＢのいずれか一方を積層しても良い。
【００１９】
このような材料層Ａ及びＢが、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多層（例えば、各１００層）形成されている。
ここで、基板にＳｉＯ2、材料層にＳｉＯ2及びＴｉ2Ｏ3を用いて層数を各層１００層ずつ、計２００層として作製した多層膜センサを用い、レーザ光を入射するシミュレーションを行ったところ、次のような結果が得られた。即ち、入射光の波長の変化に対する反射率の傾斜は、反射率２５％において、２．８ｄＢ／０．０１ｎｍであった。
このように、多層膜２２の層数を増やすことにより、反射率が高くなると共に、波長の変化に対して反射率は急峻な変化を示すようになり、超音波検出素子２０の感度を上げることができる。
【００２０】
次に、図３を参照しながら、本実施形態の変形例について説明する。
この超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置に、光増幅器１と光増幅器２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１は、光源１１と分波器１２との間、若しくは、ビームエキスパンダー１３と分波器１２との間に配置され、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２は、分波器１２とレンズ等の結像系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結像系１５に出射する。結像系１５を用いない場合には、光増幅器２は、分波器１２と光検出器１６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１６に出射する。
【００２１】
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。
【００２２】
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１６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１６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。
【００２３】
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１６に入射する反射光の光量が増加するので、光検出器１６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。
【００２４】
次に、図４及び図５を参照しながら、本実施形態の別の変形例について説明する。図４に示す超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置の光源を変更したものである。即ち、図４に示す例においては、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。
【００２５】
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４においては、ブロードバンド光源として、ＡＳＥ光源１７を使用している。ＡＳＥ光源１７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。
【００２６】
ここで、図５を参照すると、図５は、図４のＡＳＥ光源１７を原理的に示している。ＡＳＥ光源１７は、光増幅用の光ファイバ４を含んでいる。光ファイバ４の一方の端部にはレンズ５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６が形成されている。レンズ５の図中左側には、レーザ発振器７が励起光源として配置されている。レーザ発振器７において発生した光は、レンズ５を介して光ファイバ４に入射し増幅され、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６を透過する。
【００２７】
再び図４を参照すると、ＡＳＥ光源１７が発生した光は、分波器１４に入射する。分波器１４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４おいては、分波器１４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。
【００２８】
ＡＳＥ光源１７を出た光が分波器１４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２３が設けられている。狭帯域フィルタ２３に入射した光は、狭帯域フィルタ２３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１４に入射する。ＡＳＥ光源１７から発生した自然放出光は、狭帯域フィルタ２３を通過することにより、狭帯域化される。
【００２９】
狭帯域フィルタ２３によって反射された光は、再び分波器１４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、超音波検出素子２０に入射し、変調される。
【００３０】
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。
【００３１】
しかしながら、図４に示すように、ＡＳＥ光源１７から発生した自然放出光を狭帯域フィルタ２３によって狭帯域化すると、単一波長のレーザ光に近い帯域を確保すると共に、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。
【００３２】
即ち、狭帯域フィルタ２３と超音波検出素子２０とを同一の材料で形成し、例えば、狭帯域フィルタ２３と超音波検出素子２０とを熱伝導率の高い材料で結合したり、狭帯域フィルタ２３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２３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。
【００３３】
これにより、狭帯域フィルタ２３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一の温度となるので、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。
【００３４】
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６を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る超音波診断装置を示すブロック図である。
この超音波診断装置は、以上述べたような超音波受信装置を適用したものであり、超音波検出部５０において図２に示すような超音波検出素子２０を用いている。図６に示すように、この超音波診断装置は、超音波送信部４０と駆動信号発生回路３０とを含んでいる。超音波送信部４０は、駆動信号発生回路３０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４０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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代表される圧電性を有する材料（圧電素子）等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３０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、圧電素子は微少な機械的振動を生じる。このような機械的振動により、超音波パルス或いは連続波超音波が発生し、伝播媒質中を超音波ビームとして伝わる。
【００３５】
超音波送信部４０から送信された超音波は、診断対象によって反射され、超音波検出部５０に受信される。超音波検出部５０には、光源から発生し、分波器１２を通過した光が入射しており、この光は、超音波検出部５０に印加される超音波に基づいて変調されて反射される。反射された光は、分波器１２や結像系１５を介して光検出器１６に入射し、２次元的に検出される。
【００３６】
また、この超音波診断装置は、信号処理部６１及びＡ／Ｄ変換器６２を含む信号処理手段６０と、タイミングコントロール部７０と、１次記憶部８０と、画像処理部９０と、画像表示部１００と、２次記憶部１１０とを含んでいる。
信号処理手段６０において、光検出器１６から出力される検出信号は、信号処理部６１に入力され、さらに、Ａ／Ｄ変換器６２においてディジタル信号に変換される。
【００３７】
１次記憶部８０は、信号処理手段６０において取得された複数枚の面データを記憶する。画像処理部９０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１００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１１０は、画像処理部９０において処理されたデータを記憶する。
【００３８】
タイミングコントロール部７０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３０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１６から出力される検出信号を取り込むように、信号処理部６１を制御する。このように、駆動信号及び検出信号をコントロールすることにより、読み取る時間帯を限定し、被写体の特定の深さからの超音波の反射を光検出することができる。
【００３９】
次に、図７を参照しながら、本実施形態に係る超音波診断装置の変形例について説明する。図７に示すように、この超音波診断装置は、超音波検出部５０と超音波送信部４０とを一体化させることにより、超音波用探触子１２０を形成したものである。
光検出方式の超音波検出器は、超音波を送信する機能を持たないので、圧電素子等を用いた超音波送信部を別途設けることが必要である。図７に示す変形例は、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ことにより、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ようにしたものである。
【００４０】
図６及び図７の超音波診断装置において、駆動信号発生回路３０及び超音波送信部４０における超音波の送信方法には、以下に述べる３種類が考えられ、これに応じて、信号処理部６１におけるデータ取り込み時刻やデータの内容が変わって来る。
【００４１】
（１）超音波をペンシルビーム状に絞り込んで送信する場合
図８に示すように、超音波送信部４０により送信波を空間的にペンシルビーム状に絞り込み、被検体をある面内で２次元的にスキャンして、超音波検出部５０において送信から一定時間経過後に受信した超音波エコーの検出信号を取り込むようにすれば、その面上の各ポイントにおける情報を取得できる。この動作を、超音波検出部５０から一定の深度に存在する断面内で行えば、一定の深度の断面情報を取得できる。この工程を、各ペンシルビーム位置において取り込み時間を変えながら繰り返せば、深度の異なる複数の断面像を取得することができる。このようにして得られたサンプルデータは、送信・受信共に焦点の合ったものであり、そのまま３次元データとして表示し得るものになる。
【００４２】
（２）超音波を面状に絞り込んで送信する場合
また、図９に示すように、超音波送信部４０から発生される送信波を音響レンズを用いて面状に絞り込み、超音波検出部５０において送信から一定時間経過後に受信した超音波エコーの検出信号を取り込むようにすれば、ある深度における１次元の線情報をまとめて取得できる。ただし、各点の情報には、超音波が印加された領域における他の点の情報も混じることになるので、取り込み時刻のずれた検出信号をもとに波面合成（いわゆる開口合成）して、焦点の合ったデータを再構成することにより表示画像を得る必要がある。
【００４３】
（３）超音波を平面波として送信する場合
さらに、図１０に示すように、超音波送信部４０により送信波を平面波として送信し、超音波検出部５０において送信から一定時間経過後に受信した超音波エコーの検出信号を取り込むようにすれば、ある深度における２次元の面情報をまとめて取得できる。この工程を取り込み時間を変えながら繰り返せば、深度の異なる複数の断面像を取得することができる。ただし、各点の情報には、超音波が印加された領域における他の点の情報も混じることになるので、取り込み時刻のずれた検出信号をもとに波面合成（いわゆる開口合成）して、焦点の合ったデータを再構成することにより表示画像を得る必要がある。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、光検出器の複数の画素に対応した超音波受信面を有する超音波検出素子を用いることにより、超音波を２次元的に検出することができる。このような超音波検出素子は、ファイバーブラッググレーティングをアレイ化するよりも安価に作製することができるので、超音波受信装置を作製する際のコストを下げることができる。また、多層膜は、蒸着やスパッタリング等で１層毎に製膜されるので、屈折率差の大きい部材を選択することができる。これにより、反射率の傾斜を上げることが可能となり、受信装置の感度を向上させることができる。従って、このような超音波受信装置を適用した超音波診断装置を用いることにより、良質な２次元又は３次元の超音波画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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の超音波検出素子を拡大して示す図である。
【図３】図１の超音波受信装置の変形例を示す図である。
【図４】図１の超音波受信装置の別の変形例を示す図である。
【図５】図４のＡＳＥ光源を原理的に示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る超音波診断装置を示すブロック図である。
【図７】図６の超音波診断装置の変形例を示す図である。
【図８】超音波をペンシルビームに絞り込んで送信する場合の受信方法を説明するための図である。
【図９】超音波を面状に絞り込んで送信する場合の受信方法を説明するための図である。
【図１０】超音波を平面波として送信する場合の受信方法を説明するための図である。
【符号の説明】
４ 光ファイバ
５ レンズ
６ ファイバーブラッググレーティング
７ レーザ発振器
１１ 光源
１２、１４ 分波器
１３ ビームエキスパンダー
１５ 結像系
１６ 光検出器
１７ ＡＳＥ光源
２０ 超音波検出素子
２１ 基板
２２ 多層膜
２３ 狭帯域フィルタ
３０ 駆動信号発生回路
４０ 超音波送信部
５０ 超音波検出部
６０ 信号処理手段
６１ 信号処理部
６２ Ａ／Ｄ変換器
７０ タイミングコントロール部
８０ １次記憶部
９０ 画像処理部
１００ 画像表示部
１１０ ２次記憶部
１２０ 超音波用探触子
【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を行うための超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波診断装置においては、超音波の送信手段及び受信手段には同じ方式を用いており、超音波の送信及び受信を行う素子（振動子）としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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用いた１次元センサアレイが一般的であった。さらに、そのような１次元センサアレイをスキャンさせることにより２次元画像を取得し、複数の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スキャン方向にタイムラグがあるため、異なる時刻における断面像を合成することになるので、合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、超音波診断装置を用いて超音波エコー観察等を行う場合のように、生体を対象とする被写体には適していない。
【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、センサアレイをスキャンさせることなく２次元画像を取得できる２次元センサアレイが必要である。このため、上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用いて２次元センサアレイを作製する手法が検討された。上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用いる場合には、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、ＰＺＴのような圧電材料を用いない超音波センサとして、光ファイバを利用し、超音波信号を光信号に変換して検出する方式（以下、光検出方式という）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（防衛大のＴＡＫＡＨＡＳＨＩらによる「Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ」ＯＰＴＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．６ （１９９７）ｐ．６９１−６９４参照）や、ファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）構造を用いるもの（東工大のＵＮＯらによる「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａＦｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ Ｍｅｇａｈｅｒｔｚ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ， Ｖｏｌ．１１８−Ｅ，Ｎｏ．１１，’９８参照）が報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの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はあるものの、センサ自体が高価であるため、２次元センサアレイやそれを用いた超音波受信装置を作製する際のコストが上昇してしまうという問題があった。
【０００７】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、多数の微細素子への電気的配線の必要がなく、クロストークや電気的インピーダンスの増大を招かずに超音波信号を２次元的に検出することができ、且つ、低コストで作製することができる超音波受信装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような超音波受信装置を適用して２次元又は３次元の超音波画像を得ることができる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【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１つの観点に係る超音波受信装置は、異なる屈折率を有する２種類の材料を交互に積層することにより形成される多層膜を含み、超音波を受信するための受信面を有し、該受信面の各位置に印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子と、複数の画素を有する光検出器であって、超音波検出素子の対応する位置から出力される光を検出する光検出器とを具備する。
【０００９】
また、本発明の１つの観点に係る超音波診断装置は、駆動信号に従って超音波を送信する送信手段と、送信手段に印加する駆動信号を発生する駆動信号発生回路と、異なる屈折率を有する２種類の材料を交互に積層することにより形成される多層膜を含み、超音波を受信するための受信面を有し、該受信面の各位置に印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子と、複数の画素を有する光検出器であって、超音波検出素子の対応する位置から出力される光を検出して検出信号を出力する光検出器とを含む受信手段と、受信手段から出力される検出信号を取り込んで処理する信号処理手段と、信号処理手段の出力信号に基づいて画像データを構成する画像処理部と、画像データに基づいて画像を表示する画像表示部とを具備する。
【００１０】
本発明によれば、光検出器の複数の画素に対応した超音波受信面を有する超音波検出素子を用いることにより、多数の微細素子への電気的配線の必要がなく、クロストークや電気的インピーダンスの増大を招かずに超音波を２次元的に検出する超音波受信装置を、低コストで作製することができる。従って、そのような超音波受信装置を用いて良質な２次元又は３次元の超音波画像を得ることができる超音波診断装置を実現できる。
【００１１】
【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、本発明の一実施形態に係る超音波受信装置を原理的に示す図である。この超音波受信装置は、光源１１と、分波器１２と、超音波検出素子２０と、結像系１５と、光検出器１６とを含んでいる。光源１１は、例えば、５００〜１６００ｎｍの単波長を有するシングルモードレーザ光を発生する。また、分波器１２は、ハーフミラー又は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。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、入射光を透過して、入射方向と反対の方向から戻ってくる反射光を、入射方向とほぼ９０°の角度をなす方向に反射する。ここで、入射光が分波器１２を通過する前に、ビームエキスパンダー１３によって入射光を拡大しても良い。
【００１２】
超音波検出素子（多層膜センサ）２０は、基板２１と、該基板の上に積層された多層膜２２とを含んでおり、伝搬する超音波によって歪みを生じる受信面を有する。超音波検出素子２０は、光源１１から分波器１２を通過して多層膜２２に入射した光を、基板２１に印加される超音波に基づいて変調して反射する。超音波検出素子２０から反射された光は、分波器１２によって反射され、複数の画素を有する光検出器１６に入射する。
【００１３】
光検出器１６は、ＣＣＤや、ＭＯＳ型センサや、複数のＰＤ（フォトダイオード）等で構成される２次元アレイ検出器である。光検出器１６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１６に入射するようにしても良いし、分波器１２の後段にレンズ等の結像系１５を設けて、これを介して光検出器１６に結像するようにしても良い。
【００１４】
ここで、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。
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。
【００１５】
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は入射面から測った入射角であり、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。
【００１６】
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超音波検出素子２０が歪み、多層膜２２の面の各位置において周期構造のピッチｄが変化するので、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、最も反射率の高い（透過率の低い）中心波長の前後に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検出光を多層膜２２に入射させながら超音波を加える。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。
【００１７】
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。即ち、ｎ1＜ｎ2のとき、ｎ1×１．１≦ｎ2を満たす物質を選択する。これは、材料層Ａと材料層Ｂとの境界面において、高い反射率を得るためである。また、材料層Ａ及びＢは、伸縮しやすい物質であることが望ましい。これは、超音波が印加された際の感度を高めるためである。このような条件を満たす物質の組み合わせとして、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。例えば、前者の場合に、１５２０ｎｍのレーザ光に対するＳｉＯ2の屈折率は約１．４５、Ｔｉ2Ｏ3の屈折率は約２．０であり、これは、屈折率が１０％以上異なるという上記の条件を十分に満たしている。
【００１８】
材料層Ａ及びＢの層厚（膜厚）は、多層膜２２に入射する光の波長λの概ね１／４程度であることが望ましい。ここで、膜厚とは、材料層の屈折率（ｎ）と材料層の厚さ（ｔ）との積で表される光学距離である。即ち、ｎｔ＝λ／４が条件となる。これにより、多層膜２２の周期構造のピッチが入射光の波長の概ね１／２程度となり、ブラッグの反射条件の式（２）を満たす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ようになる。
或いは、層厚λ／４を有する材料層Ａ及びＢを交互に積層し、所々に層厚λ／２を有する材料層Ａ又はＢのいずれか一方を積層しても良い。
【００１９】
このような材料層Ａ及びＢが、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多層（例えば、各１００層）形成されている。
ここで、基板にＳｉＯ2、材料層にＳｉＯ2及びＴｉ2Ｏ3を用いて層数を各層１００層ずつ、計２００層として作製した多層膜センサを用い、レーザ光を入射するシミュレーションを行ったところ、次のような結果が得られた。即ち、入射光の波長の変化に対する反射率の傾斜は、反射率２５％において、２．８ｄＢ／０．０１ｎｍであった。
このように、多層膜２２の層数を増やすことにより、反射率が高くなると共に、波長の変化に対して反射率は急峻な変化を示すようになり、超音波検出素子２０の感度を上げることができる。
【００２０】
次に、図３を参照しながら、本実施形態の変形例について説明する。
この超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置に、光増幅器１と光増幅器２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１は、光源１１と分波器１２との間、若しくは、ビームエキスパンダー１３と分波器１２との間に配置され、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２は、分波器１２とレンズ等の結像系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結像系１５に出射する。結像系１５を用いない場合には、光増幅器２は、分波器１２と光検出器１６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１６に出射する。
【００２１】
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。
【００２２】
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１６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１６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。
【００２３】
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１６に入射する反射光の光量が増加するので、光検出器１６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。
【００２４】
次に、図４及び図５を参照しながら、本実施形態の別の変形例について説明する。図４に示す超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置の光源を変更したものである。即ち、図４に示す例においては、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。
【００２５】
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４においては、ブロードバンド光源として、ＡＳＥ光源１７を使用している。ＡＳＥ光源１７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。
【００２６】
ここで、図５を参照すると、図５は、図４のＡＳＥ光源１７を原理的に示している。ＡＳＥ光源１７は、光増幅用の光ファイバ４を含んでいる。光ファイバ４の一方の端部にはレンズ５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６が形成されている。レンズ５の図中左側には、レーザ発振器７が励起光源として配置されている。レーザ発振器７において発生した光は、レンズ５を介して光ファイバ４に入射し増幅され、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６を透過する。
【００２７】
再び図４を参照すると、ＡＳＥ光源１７が発生した光は、分波器１４に入射する。分波器１４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４おいては、分波器１４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。
【００２８】
ＡＳＥ光源１７を出た光が分波器１４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２３が設けられている。狭帯域フィルタ２３に入射した光は、狭帯域フィルタ２３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１４に入射する。ＡＳＥ光源１７から発生した自然放出光は、狭帯域フィルタ２３を通過することにより、狭帯域化される。
【００２９】
狭帯域フィルタ２３によって反射された光は、再び分波器１４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、超音波検出素子２０に入射し、変調される。
【００３０】
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。
【００３１】
しかしながら、図４に示すように、ＡＳＥ光源１７から発生した自然放出光を狭帯域フィルタ２３によって狭帯域化すると、単一波長のレーザ光に近い帯域を確保すると共に、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。
【００３２】
即ち、狭帯域フィルタ２３と超音波検出素子２０とを同一の材料で形成し、例えば、狭帯域フィルタ２３と超音波検出素子２０とを熱伝導率の高い材料で結合したり、狭帯域フィルタ２３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２３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。
【００３３】
これにより、狭帯域フィルタ２３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一の温度となるので、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。
【００３４】
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６を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る超音波診断装置を示すブロック図である。
この超音波診断装置は、以上述べたような超音波受信装置を適用したものであり、超音波検出部５０において図２に示すような超音波検出素子２０を用いている。図６に示すように、この超音波診断装置は、超音波送信部４０と駆動信号発生回路３０とを含んでいる。超音波送信部４０は、駆動信号発生回路３０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４０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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代表される圧電性を有する材料（圧電素子）等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３０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、圧電素子は微少な機械的振動を生じる。このような機械的振動により、超音波パルス或いは連続波超音波が発生し、伝播媒質中を超音波ビームとして伝わる。
【００３５】
超音波送信部４０から送信された超音波は、診断対象によって反射され、超音波検出部５０に受信される。超音波検出部５０には、光源から発生し、分波器１２を通過した光が入射しており、この光は、超音波検出部５０に印加される超音波に基づいて変調されて反射される。反射された光は、分波器１２や結像系１５を介して光検出器１６に入射し、２次元的に検出される。
【００３６】
また、この超音波診断装置は、信号処理部６１及びＡ／Ｄ変換器６２を含む信号処理手段６０と、タイミングコントロール部７０と、１次記憶部８０と、画像処理部９０と、画像表示部１００と、２次記憶部１１０とを含んでいる。
信号処理手段６０において、光検出器１６から出力される検出信号は、信号処理部６１に入力され、さらに、Ａ／Ｄ変換器６２においてディジタル信号に変換される。
【００３７】
１次記憶部８０は、信号処理手段６０において取得された複数枚の面データを記憶する。画像処理部９０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１００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１１０は、画像処理部９０において処理されたデータを記憶する。
【００３８】
タイミングコントロール部７０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３０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１６から出力される検出信号を取り込むように、信号処理部６１を制御する。このように、駆動信号及び検出信号をコントロールすることにより、読み取る時間帯を限定し、被写体の特定の深さからの超音波の反射を光検出することができる。
【００３９】
次に、図７を参照しながら、本実施形態に係る超音波診断装置の変形例について説明する。図７に示すように、この超音波診断装置は、超音波検出部５０と超音波送信部４０とを一体化させることにより、超音波用探触子１２０を形成したものである。
光検出方式の超音波検出器は、超音波を送信する機能を持たないので、圧電素子等を用いた超音波送信部を別途設けることが必要である。図７に示す変形例は、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ことにより、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ようにしたものである。
【００４０】
図６及び図７の超音波診断装置において、駆動信号発生回路３０及び超音波送信部４０における超音波の送信方法には、以下に述べる３種類が考えられ、これに応じて、信号処理部６１におけるデータ取り込み時刻やデータの内容が変わって来る。
【００４１】
（１）超音波をペンシルビーム状に絞り込んで送信する場合
図８に示すように、超音波送信部４０により送信波を空間的にペンシルビーム状に絞り込み、被検体をある面内で２次元的にスキャンして、超音波検出部５０において送信から一定時間経過後に受信した超音波エコーの検出信号を取り込むようにすれば、その面上の各ポイントにおける情報を取得できる。この動作を、超音波検出部５０から一定の深度に存在する断面内で行えば、一定の深度の断面情報を取得できる。この工程を、各ペンシルビーム位置において取り込み時間を変えながら繰り返せば、深度の異なる複数の断面像を取得することができる。このようにして得られたサンプルデータは、送信・受信共に焦点の合ったものであり、そのまま３次元データとして表示し得るものになる。
【００４２】
（２）超音波を面状に絞り込んで送信する場合
また、図９に示すように、超音波送信部４０から発生される送信波を音響レンズを用いて面状に絞り込み、超音波検出部５０において送信から一定時間経過後に受信した超音波エコーの検出信号を取り込むようにすれば、ある深度における１次元の線情報をまとめて取得できる。ただし、各点の情報には、超音波が印加された領域における他の点の情報も混じることになるので、取り込み時刻のずれた検出信号をもとに波面合成（いわゆる開口合成）して、焦点の合ったデータを再構成することにより表示画像を得る必要がある。
【００４３】
（３）超音波を平面波として送信する場合
さらに、図１０に示すように、超音波送信部４０により送信波を平面波として送信し、超音波検出部５０において送信から一定時間経過後に受信した超音波エコーの検出信号を取り込むようにすれば、ある深度における２次元の面情報をまとめて取得できる。この工程を取り込み時間を変えながら繰り返せば、深度の異なる複数の断面像を取得することができる。ただし、各点の情報には、超音波が印加された領域における他の点の情報も混じることになるので、取り込み時刻のずれた検出信号をもとに波面合成（いわゆる開口合成）して、焦点の合ったデータを再構成することにより表示画像を得る必要がある。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、光検出器の複数の画素に対応した超音波受信面を有する超音波検出素子を用いることにより、超音波を２次元的に検出することができる。このような超音波検出素子は、ファイバーブラッググレーティングをアレイ化するよりも安価に作製することができるので、超音波受信装置を作製する際のコストを下げることができる。また、多層膜は、蒸着やスパッタリング等で１層毎に製膜されるので、屈折率差の大きい部材を選択することができる。これにより、反射率の傾斜を上げることが可能となり、受信装置の感度を向上させることができる。従って、このような超音波受信装置を適用した超音波診断装置を用いることにより、良質な２次元又は３次元の超音波画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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の超音波検出素子を拡大して示す図である。
【図３】図１の超音波受信装置の変形例を示す図である。
【図４】図１の超音波受信装置の別の変形例を示す図である。
【図５】図４のＡＳＥ光源を原理的に示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る超音波診断装置を示すブロック図である。
【図７】図６の超音波診断装置の変形例を示す図である。
【図８】超音波をペンシルビームに絞り込んで送信する場合の受信方法を説明するための図である。
【図９】超音波を面状に絞り込んで送信する場合の受信方法を説明するための図である。
【図１０】超音波を平面波として送信する場合の受信方法を説明するための図である。
【符号の説明】
４ 光ファイバ
５ レンズ
６ ファイバーブラッググレーティング
７ レーザ発振器
１１ 光源
１２、１４ 分波器
１３ ビームエキスパンダー
１５ 結像系
１６ 光検出器
１７ ＡＳＥ光源
２０ 超音波検出素子
２１ 基板
２２ 多層膜
２３ 狭帯域フィルタ
３０ 駆動信号発生回路
４０ 超音波送信部
５０ 超音波検出部
６０ 信号処理手段
６１ 信号処理部
６２ Ａ／Ｄ変換器
７０ タイミングコントロール部
８０ １次記憶部
９０ 画像処理部
１００ 画像表示部
１１０ ２次記憶部
１２０ 超音波用探触子
Claims (18)
- 異なる屈折率を有する２種類の材料を交互に積層することにより形成される多層膜を含み、超音波を受信するための受信面を有し、該受信面の各位置に印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子と、
複数の画素を有する光検出器であって、前記超音波検出素子の対応する位置から出力される光を検出する前記光検出器と、
を具備する超音波受信装置。 - 前記異なる屈折率を有する２種類の材料が、互いに１０％以上異なる屈折率を有する、請求項１記載の超音波受信装置。
- 前記多層膜を形成する各材料の層が、該多層膜に入射する光の波長の概１／４の膜厚を有する層を含む、請求項１又は２記載の超音波受信装置。
- 前記多層膜を形成する各材料の層が、該多層膜に入射する光の波長の概１／２の膜厚を有する層をさらに含む、請求項３記載の超音波受信装置。
- 前記光検出器が、ＣＣＤ、ＭＯＳ型センサ、又は、複数のフォトダイオードを含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波受信装置。
- 光源から発生した光を拡大するビームエキスパンダーをさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波受信装置。
- 光源から発生した光を増幅して前記超音波検出素子に入射する光増幅器をさらに具備する請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波受信装置。
- 前記超音波検出素子から出力される光を増幅して前記光検出器に入射する光増幅器をさらに具備する請求項１〜７のいずれか１項記載の超音波受信装置。
- ５００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長を有するシングルモードレーザ光を発生する光源をさらに具備する請求項１〜８のいずれか１項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、
をさらに具備する請求項１〜８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（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源である、請求項１０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、
超音波を受信するための受信面を有し、該受信面の各位置に印加される超音波に基づいて、前記狭帯域化フィルタから出力される光を変調する超音波検出素子と、
複数の画素を有する光検出器であって、前記超音波検出素子の対応する位置から出力される光を検出する前記光検出器と、
を具備する超音波受信装置であって、
前記超音波検出素子が、ブラッググレーティング構造を有し、
前記狭帯域化フィルタが、前記超音波検出素子のブラッググレーティング構造と同一の材料で構成されたブラッググレーティング構造を有し、
前記狭帯域化フィルタのブラッググレーティング構造と前記超音波検出素子のブラッググレーティング構造とが熱的に結合している、超音波受信装置。 - 駆動信号に従って超音波を送信する送信手段と、
前記送信手段に印加する駆動信号を発生する駆動信号発生回路と、
異なる屈折率を有する２種類の材料を交互に積層することにより形成される多層膜を含み、超音波を受信するための受信面を有し、該受信面の各位置に印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子と、複数の画素を有する光検出器であって、前記超音波検出素子の対応する位置から出力される光を検出して検出信号を出力する前記光検出器とを含む受信手段と、
前記受信手段から出力される検出信号を取り込んで処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段の出力信号に基づいて画像データを構成する画像処理部と、
前記画像データに基づいて画像を表示する画像表示部と、
を具備する超音波診断装置。 - 前記送信手段が、印加される電圧に応答して超音波を発生する圧電方式に基づくものである、請求項１３記載の超音波診断装置。
- 前記異なる屈折率を有する２種類の材料が、互いに１０％以上異なる屈折率を有する、請求項１３又は１４記載の超音波診断装置。
- 前記多層膜を形成する各材料の層が、該多層膜に入射する光の波長の概１／４の膜厚を有する層を含む、請求項１３〜１５のいずれか１項記載の超音波診断装置。
- 前記多層膜を形成する各材料の層が、該多層膜に入射する光の波長の概１／２の膜厚を有する層をさらに含む、請求項１６記載の超音波診断装置。
- 前記送信手段と、前記検出手段に含まれる前記超音波検出素子とが一体となって超音波用探触子を形成する、請求項１３〜１７のいずれか１項記載の超音波診断装置。
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