JPS60146152A - 超音波顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、高周波超音波エネルギーを利用する超音波撮
像装置にかかり、特に超音波顕微鏡にオｄいて、生物資
料などを観察するに便なる超音波ノＪバーグラスを有す
るものに関する。

〔発明の背景〕

音波周波数ＩＧＨｚ、従って水中での音波長として約１
５μｍに及ぶ超高周波音波を利用して、観察対象の微視
的な弾性的性質を反映した画像を得る装置として、機械
走査型超音波顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＡｃｏｕｓｔｉ
ｃ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　；略して以下ではＳＡＭと
呼ぶ）が提案、検討されている。

即ち第１図に示すよう虻、サファイア等の円柱状の結晶
２０は、その一端面は光学研磨された平面で他端面には
凹面状の半球穴が孔たれている。

平板面に作成された圧電薄膜１５に信号源１０よりＲＦ
電気信号を印加し、結晶２０内に平面波のＲＦ音波を放
射させる。この平面音波は前記の凹面穴に形成される結
晶２〇−媒質３０（通常水）の界面２５で両者の音速差
を利用した正のレンズにより、その所定焦点Ｆに集束さ
れる。周知の様に焦点距離と開口径の比、即ちレンズの
明るさを表わすＦナンバが充分小さい時は、この構成に
より著しく狭い超音波ビームを作成する事が出来る。

焦点付近におかれた試料により、この集束音波は反射、
散乱、透過減衰といったじょう乱を受けるから、このし
よう乱音波エネルギーを検出する事により試料の弾性的
な性質を反映した電気信号を得る事が出来る。試料もし
くはレンズを機械的に２次元に走査しながら、この電気
信号をこの走査に同期してＣＲＴ上に表示すれば、音波
顕微鏡像が得られるわけである。

この様なしよう乱エネルギーを検出する構成としては、
第２図ｆａ）及び第２図（ｂ）に示すものがある。

第２図ｆａ）は、超音波ビームを発生させる探触子系４
０を再び用いて水７０中の試料６０の反射音波を検出す
る反射型の構成を示し、８０は試料台を示す。この反射
型は、ＩＣやＬＳＩ等のデバイスや厚い金属試料等を観
察する際に用いられる。

一方、生物試料はその音響インピーダンスが水の音響イ
ンピーダンスと良く似ている為、充分な反射信号が得ら
れない。そこで、第２図（ｂｌ　Ｋ示す透過型の構成が
用いられる。これは、超音波発振用の探触子系４０と別
に今一つの探触子系５０を対向して共焦点に配置させ、
５０により試料６０を透過した音波を検出するものであ
る。

生物資料６０等は試料台８０に貼っており、この試料台
どしては金属わくにはられた薄いマイラー膜が用いられ
ていた。マイラー膜の音響インピーダンスは水と殆んど
同じで、支持膜の存在が無視出来るからである。

ところで、透過構成では、探触子系が２つ必要であるば
かりでなく、２つの探触子系を共焦点に配置する為に複
雑かつ微妙なアライメン）Ｕ整が必要で反射構成に比べ
て著るしく操作性が悪くなるという欠点を有している。

従って、もし、反射構成のままで、良好な反射信号が得
られるなら、このような難点は解消され、又、装置の価
格も安価になることが期待される。

ところで、超音波顕微鏡の重要な撮像対象である生物組
織切片などの生物資料では反射構成にしただけでは良好
な反射信号が得られないのであるが、この事情を以下に
説明する。

第２図（ａ）　Ｉｃ示すような反射構成における試料か
らの反射信号は、周知のように水及び試）１の音響イン
ピーダンスで定まり次の音圧反射率ｌ′に比例する。

ｒ　＝　（Ｚｓ−Ｚｗ）／（Ｚｓ十Ｚｗ）−−・−＋−
ｆｌｌここで、Ｚａ、　Ｚｗはそれぞれ試料及び水の音
響インピーダンスを表わしている。生物試料では、音響
インピーダンスＺａの大きさの範囲は０．６〜２．０Ｍ
ＫＳであるから、Ｚｗ＝１．５ＭＫＳを用いると、ト記
反射率は極めて小さく　Ｚ　ｓ　＝　２．０　Ｍ　Ｋ　
Ｓの場合ですら−１６，９ｄＢ（ｒ＝１即ち完全反射体
のときをＯｄＢとしている）にすぎないのである。超音
波顕微鏡では分解能の向上の為には使用超音波周波数を
高める必要があるが、レンズと試料間の音波伝播媒質（
一般に水）での伝播減衰（常温で２００　ｄＢ／ｍ＋１
１＠　Ｉ　ＧＨｚ　）が大きいので、出来るだけ強い反
射信号を得ることがシステムのＳ／Ｎ比からみて不可欠
である。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点を　みてなされたもので、反射型構成
の超音波顕微鏡において、生物試料においても良好な反
射信号をもって良好な画像を得られるようｋする事を目
的としている。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、試料と音波伝播媒介との間にこの両者
より音響インピーダンスの大きなカバープレートを介在
させた構成にある。

本発明では、このカバープレートの板肉での超音波の多
重反射を利用するのであるが、以下図面を用いて本発明
の骨子をより詳細に説明する。第３図は本発明の詳細な
説明する為の図で、音響レンズを有する超音波探触子４
０及び試料６０、レンズと試料間を満す音波伝播媒質７
０（通常、生物試料の場合、水や生理的食塩水が用いら
れる）、更に厚みｄの本発明の特徴である超音波カバー
・プレート５が図示されている。超音波探触子４０のレ
ンズから放射された超音波ビーム７は該プレート５の上
面（２を面）や下面（ｔよ）面で反射するのであるが、
該プレートの厚みやその音響インピーダンス（ＺＬ）　
、音波伝播速度（ＶＬ）　Ｋよって該プレート内での多
重反射の様子は異なるのである。

従って、該プレートの材質や厚みの選択によって、試料
の反射率の分布を反映し、しかも反射率としては大きく
、従って大きな反射超音波信号を得、高いＳ／Ｎ比で映
像化が可能になることが期待される。

この原理を更に第４図を用いて詳細に説明する。

第４図においては、第３図を模式化して、水１００；プ
レート１１０、試料１２０とし、水中よりプレートへ入
射した超音波の音圧反射率ｒをめている。

計算によると、− なる式で音圧反射率をめることができる。ここで、 ”＝　（ｚＬ”’）　／　（ＺＬ　十ＺＷ）　−−・−
（３）ｒ＊ｓ＝　（Ｚｓ　”Ｌ）　／　（Ｚｓ　十Ｚ’
ｓ、）−・−・＋４＋θ＝４πｄｆ　／Ｖ　Ｌ　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）であシ、
ｆは使用超音波周波数である。従って、（２）式よシ音
圧反射率の絶対値は、 で与えられる。本発明者等は、かかる系の音圧反射率１
ｒｌの該プレートの厚みｄ（上式ではθ）や音響インピ
ーダンスｚＬ、音波伝播速度ｖＬによってどう変化する
かを詳細に検討したところ、水と試料の間にこれらの音
響インピーダンスより大きな音響インピーダンスを有し
、かつその厚みがＡ波長であるようなプレートを用いた
場合、試料の音響インピーダンスの大きさが０．６〜２
．０ＭＫＳと変化した場合でも充分な反射率従って反射
超音波信号が得られることを見出した。

第５図は、横軸に試料の音響インピーダンスｚ８をとり
、縦軸に反射強度をとったとき、１／４波長のプレート
の音響インピーダンスｚＬをパラメータとしてその変化
の様子を示したものである。図中ｆａｔ　ハ、ＺＬ＝１
．５ＭＫＳ、即ち、本発明のカバープレートを用いない
場合を示しているが、試料の音響インピーダンスｚｌｌ
が１．５ＭＫＳＩＣ近付くと、著るしく反射率が減少す
ることがわかる。生物試料の音響インピーダンスＺｓは
、その内容物が殆んど水もしくは生理的食塩水であるこ
とから、水の音響インピーダンスである１、　５　ＭＫ
　Ｓの付近に分布しているのであるが、第５図の示すよ
うに反射超音波を検出するにははなはだ都合が悪いこと
がわかる。

この事情は、従来は、生物試料の観察に反射法が用いら
れずに透過法が用いられてきた最大の理由であり、本発
明は正にこの難点を解消せんとするものである。

第５図中（ｂ）は、プレートの音響インピーダンスＺＬ
＝４．０のときの反射強度の振舞いを示しているが、こ
の場合には反射率は充分に大きく、しかも曲線（ａ）に
みられるようなＺｓ　＝　１．５　ＭＫ　Ｓでのｌｌ″
？異点が見られないのである。この特異性は、反射強度
と試料の音響インピーダンスが１対１に対応しないとい
う事情を生じ、画像の解釈に極めて不便である。しかし
、超音波顕微鏡で生物試料を観察する場合、反射率の２
次元分布を表示しているから、この例のようにこの分布
はほぼ試料の音響インピーダンスＺｓの分布に比例して
いるなら、Ｗ４微画像の解釈が極めて明解になるのであ
る。勿論、この場合は、反射率そのものの大きさも大き
いので高いＳ／Ｎ比の反射信号を得ることができるので
あり、前述の限られたＳ／Ｎの超音波送受信系を使わざ
るを得ないような超音波顕微鏡ではまことに好都合であ
る。

第５図で曲線（ｃ）は、同様にＺＬ＝１３．１ＭＫＳの
場合を示しているが、結果は同様であり、試料のより大
きな音響インピーダンスｚ１１の範囲、例えば０．６〜
ＩＯＭＫＳまで％異点なしで描画が可能である。

これは、生物試料でしばしば重金属による染色や同定が
行なわれているが、かかる試料では、試料の音響インピ
ーダンスの範囲はＩＯＭＫＳまで達することもあり、こ
の場合に極めて都合がよい。

〔発明の実施例〕

第６図は本発明の実施例の全体構成を示す。信号源１０
からの励振信号は超音波探触子４０の仝型素子に与えら
れる。探触子４０の前面には音波レンズが備えられ、こ
れにより音波伝播媒質７０を介して所定の焦点に向って
超音波ビームが送波される。試料台８０にはカバープレ
ートが設置される。媒質７０、及びカバープレート５を
介して試料に照射される音波により反射波が生じ、これ
が探触子４０にて検出され、この検出信号は受信器１２
にて受信され、画像用データとして画像表示部１８に加
えられる。一方、試料台１６は駆動部１６で機械的に走
査、駆動され、画像表示部１８ではこの走査に対応した
画像処理を行なって試料の画像を表示する。なお上記駆
動部は探触子の焦点と試料との相対位置を駆動走査する
ものであれば良く、探触子４０を駆動するものでも良い
ことは勿論である。

以下では、このような上記カバープレート５の実施例に
ついて述べる。第５図にて説明した例で音響インピーダ
ンスとしてＺＬ＝４ＭＫＳの例としては、高分子のシー
トを用いるこ−とができる。発明者等は、商品名ベスペ
ルとして知られている樹脂の音響特性を調べたところ、
音響インピーダンスＺＬ＝ａ。５ＭＫＳで伝播速度２，
４００　ｍ７ｍであることを見出し、これを厚さ５μｍ
のシート状にロールｉ伸して本発明を実施し良好な結果
を得た。本実施例では、第７図に示すように、直径２０
ｍｍ、厚み５ｍｍの金属リング２００に本シート２１０
を貼り、その裏側に試料２２０を貼ったものを、　反射
型超音波顕微鏡の試料台２３０に設置して観察したので
ある。試料２２０の裏側は空気である。

又、同様な例として、本発明者等は、エポキシ樹脂のな
かでスタイキャス）　３，０５０ＣＤＰの音響特性を測
定してＺＬ＝３．７ＭＫＳ　、　ＶＬ＝２，４００ｍ／
ｓであることを見出し、５μｍの厚みのシートを用いて
も本発明が実現することを確認した。なお、いずれの場
合も、５μｍの厚みは、超音波周波数１２０ＭＨｚにお
ける１／４波長に対応している。又、本発明者等は、超
音波カバープレートの厚みが正確に１／４波長の厚みに
対応していなくても、本発明の趣旨は達せられることも
併せて見出している。

上記のＺ、＝１３．１ＭＫＳの例としては、本発明者等
は、Ｓｉｎｇを用いて良好な結果を得た。即ち、第８図
ｆａ）に示す如（１０μｍの厚みの鋼からなるシート３
２０（スキマシートと呼ばれる）の片面にスパッタリン
グで５ｉｎ２膜３１０を２μｍの厚みをつけ、その後、
酸などＫよって第８図（ｂｌの３２０′のように中空に
エツチングして鋼を取り去り、第７図と同様な構造を作
成した。５ｉ０２の音響インピーダンスはＺＬ＝１３．
１ＭＫＳ　、音波伝播速度はｖＬ＝６，０００ｍ／ｓで
あることから、周波数７５０ＭＨｚで良好な結果を得て
いる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば音響特性が水のそれ
と極低していて、反射型では描画が固唾であった生物試
料についても、■等価的に極めて大きな反射信号が得ら
れ、高Ｓ／Ｎの反射画像を得ることが出来ること、■使
用媒質で定まる反射信号の特異点を除去し、反射強度の
分布と試料面内の音響インピーダンスの分布がｌ対ＩＫ
対応するので明確な画像表示が可能である。どの効果を
有している。また付随的には該プレートが試料の保護膜
として働らくことにより、膨潤性試料など媒質たる水や
食塩水と直接接すること嫌う試別について好都合である
という効果もあり、超音波顕微鏡など生物試料を超音波
で観察する業界への寄与は極めて大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波顕微鏡の基本構成部を示す図、第２図は
従来の透過・反射構成の顕微鏡の動作を説明する図、第
３図は本発明の詳細な説明する図、第４図は反射率の計
算に用いたる図、第５図は本発明の２．３の実施例の特
性を示す図、第６図は本発明の１つの実施例を示す図、
第７図・第８図は第６図のカバープレートの具体的実施
例をそれぞれ示す図である。 ５・・・・・・カバープレート　４０・・・・・・超音
波探触子６０・・・・・・試料　７０・・・・・・音波
伝播媒質嘉　１　閏 論　３　目 喘　４］ｚ あ６図 Ｚ２（Ｘ７θ’　Ｑ、ｙ−’、　！　−’　）ｊ７洒 σＪθ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の焦点を有する音波レンズを備えた超音波探触
   子の前記焦点付近に音波伝播媒質を介して試料を保持し
   、前記探触子を励振して得る前記試料からの反射音波の
   検出信号を画像データとして用いる超音波顕微鏡におい
   て、前記音波伝播媒質及び前記資料より大きな音響イン
   ピーダンスを有するカバープレートが前記音波伝播媒質
   と前記試料の間に介在することを特徴とする超音波顕微
   鏡。 ２、前記カバープレートの厚みは実質的に使用Ａイ’ｒ
   音波の１／４波長であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の超音波顕微鏡。