(57)【要約】【課題】光音響装置用プローブを十分に広帯域化する。【解決手段】光の照射を受けた被検体から発せられた音響波を検出する光音響装置用プローブにおいて、下部電極５２、無機系圧電薄膜５３および上部電極５４からなり所定の第一の周波数領域にある音響波を検出する無機系トランスデューサと、下部電極５６、有機系圧電薄膜５７および上部電極５８からなり上記無機系トランスデューサよりも信号電極面積が広く形成されて、前記第一の周波数領域よりも低周波側の領域を含む第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の照射を受けた被検体から発せられた音響波を検出する光音響装置用プローブにおいて、
所定の第一の周波数領域にある音響波を検出する無機系トランスデューサと、
この無機系トランスデューサと比べて信号電極の面積がより広く形成されて、前記第一の周波数領域よりも低周波側の領域を含む第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを備えたことを特徴とする光音響装置用プローブ。
【請求項２】
前記無機系トランスデューサおよび有機系トランスデューサがそれぞれトランスデューサアレイを構成しており、
それらのトランスデューサアレイが、複数の無機系トランスデューサに対して複数の有機系トランスデューサが対面する状態にして、互いに積層して配設されていることを特徴とする請求項１記載の光音響装置用プローブ。
【請求項３】
前記無機系トランスデューサおよび有機系トランスデューサがそれぞれ、１対の電極の間に圧電薄膜を挟んだ構造を有し、
有機系トランスデューサの信号電極の面積が、この信号電極に対して前記積層の方向に離れている無機系トランスデューサの信号電極の面積よりも広く形成されていることを特徴とする請求項２記載の光音響装置用プローブ。
【請求項４】
前記無機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイがバッキング材の上に形成され、
その上に前記有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが積層されていることを特徴とする請求項２または３記載の光音響装置用プローブ。
【請求項５】
前記無機系トランスデューサを構成する無機圧電薄膜が、チタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなるものであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光音響装置用プローブ。
【請求項６】
前記有機系トランスデューサを構成する有機圧電薄膜が、フッ化系材料からなるものであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の光音響装置用プローブ。
【請求項７】
前記第一の周波数領域が７〜１５ＭＨｚの領域であり、前記第二の周波数領域が７ＭＨｚ以下の領域を含む領域であることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の光音響装置用プローブ。
【請求項８】
請求項１から７いずれか１項記載の光音響装置用プローブを備えてなる光音響装置。
【請求項９】
光音響装置において、請求項１から７いずれか１項記載の光音響装置用プローブにより音響波検出信号を取得する方法であって、
所定の第一の周波数領域にある音響波を前記無機系トランスデューサにより検出して音響波検出信号を取得し、
前記第一の周波数領域よりも低周波側の領域を含む第二の周波数領域の音響波を前記有機系トランスデューサにより検出して音響波検出信号を取得することを特徴とする音響波検出信号の取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響装置すなわち、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等の処理を行う装置に関するものである。
【０００２】
また本発明は、その種の光音響装置において用いられるプローブ、並びにそのようなプローブを用いて音響波検出信号を取得する方法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や特許文献３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、超音波トランスデューサから人体等の被検体に超音波が照射され、被検体からの反射超音波が超音波トランスデューサで受信される。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】
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、超音波プローブの超音波トランスデューサ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】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２１３８０号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００９／０６９３７９号
【特許文献３】特開２０１１−１０８２７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
ところで、光音響画像化装置において被検体から発生する音響波は、超音波画像化装置における反射超音波よりも極めて広い周波数領域に亘るものであるので、光音響画像化装置用プローブに対しては広帯域化の要求が広く存在する。
【０００９】
特許文献２には、複数の無機系圧電素子に対して、高周波対応の１つの有機圧電層を貼り付けてなる超音波探触子（プローブ）が示されている。また特許文献３には、アレイ状の圧電素子を２層積層するプローブにおいて、高周波対応のものは素子を細かくし、低周波対応のものは素子を粗く形成することが記載されている。しかしこれら従来のプローブは、広帯域化の要求に十分に応え得るものではない。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、十分な広帯域化を実現できる光音響装置、光音響装置用プローブ、および音響波検出信号の取得方法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装置用プローブは、
光の照射を受けた被検体から発せられた音響波を検出する光音響装置用プローブにおいて、
所定の第一の周波数領域にある音響波を検出する無機系トランスデューサと、
この無機系トランスデューサと比べて信号電極の面積がより広く形成されて、前記第一の周波数領域よりも低周波側の領域を含む第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
なお、本発明の光音響装置用プローブにおいては、
前記無機系トランスデューサおよび有機系トランスデューサがそれぞれトランスデューサアレイを構成しており、
それらのトランスデューサアレイが、複数の無機系トランスデューサに対して複数の有機系トランスデューサが対面する状態にして、互いに積層して配設されていることが望ましい。
【００１３】
上記の望ましい構成が採用される場合、より具体的には、
無機系トランスデューサおよび有機系トランスデューサがそれぞれ、１対の電極の間に圧電薄膜を挟んだ構造を有し、
有機系トランスデューサの信号電極の面積が、この信号電極に対して前記積層の方向に離れている無機系トランスデューサの信号電極の面積よりも広く形成されることがより好ましい。
【００１４】
また、上記の望ましい構成が採用される場合、より具体的には、無機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイがバッキング材の上に形成され、その上に有機系トランスデューサからなるトランスデューサアレイが積層されることがより好ましい。
【００１５】
また、本発明の光音響装置用プローブにおいて、無機系トランスデューサを構成する無機圧電薄膜には、ＰＺＴ（登録商標）等のチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなるものを好適に用いることができる。
【００１６】
さらに本発明の光音響装置用プローブにおいて、有機系トランスデューサを構成する有機圧電薄膜には、フッ化系材料からなるものを好適に用いることができる。
【００１７】
また、本発明の光音響装置用プローブにおいて、前記第一の周波数領域は７〜１５ＭＨｚの領域であり、前記第二の周波数領域は７ＭＨｚ以下の領域を含む領域であることが望ましい。
【００１８】
他方、本発明による光音響装置は、上に述べた本発明の光音響装置用プローブを備えたことを特徴とするものである。
【００１９】
また本発明による音響波検出信号の取得方法は、
光音響画像化装置等の光音響装置において、上に述べた本発明の光音響装置用プローブにより音響波検出信号を取得する方法であって、
所定の第一の周波数領域にある音響波を前記無機系トランスデューサにより検出して音響波検出信号を取得し、
前記第一の周波数領域よりも低周波側の領域を含む第二の周波数領域の音響波を前記有機系トランスデューサにより検出して音響波検出信号を取得することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による光音響装置用プローブによれば、所定の第一の周波数領域にある音響波を検出する無機系トランスデューサと、この無機系トランスデューサと比べて信号電極面積がより広く形成されて、第一の周波数領域よりも低周波側の領域を含む第二の周波数領域の音響波を検出する有機系トランスデューサとを備えているので、無機系トランスデューサにより比較的高周波領域の音響波を検出する一方、この無機系トランスデューサでは検出できない比較的低周波領域の音響波は有機系トランスデューサで検出することにより、広帯域化の要求に応えることが可能になる。特に有機系トランスデューサは上述の通り無機系トランスデューサと比べて信号電極の面積がより広く形成されているので、十分低い周波数領域まで音響波を検出可能であり、それにより、本発明の光音響装置用プローブは十分な広帯域化を実現できるものとなる。
【００２１】
また本発明による光音響装置は、上述した通りの本発明による光音響装置用プローブを備えたものであるから、これも、十分な広帯域化の要求に応えることができるものとなる。
【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装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の光音響装置の外形形状の例を示す斜視図
【図３】本発明の一実施形態によるプローブを概略的に示す一部破断斜視図
【図４】本発明の別の実施形態による光音響装置の一部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装置である光音響画像化装置１０の基本構成を示すブロック図である。この光音響画像化装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、レーザ光源ユニット１３、および画像表示手段１４を備えている。
【００２４】
上記レーザ光源ユニット１３は、例えば中心波長８００ｎｍのレーザ光を発するものとされている。レーザ光源ユニット１３から出射したパルスレーザ光は被検体に照射される。このレーザ光は、例えば複数の光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１の部分から被検体に向けて照射されるのが望ましい。
【００２５】
プローブ１１は、被検体内の観察対象物が上記パルスレーザ光を吸収することで生じた超音波（音響波）を検出する。そのためにプローブ１１は、例えば後述する手操作による走査方向と交わるアジマス方向に並設された複数の超音波振動子からなる超音波トランスデューサアレイ（以下、ＵＴアレイと称する）を有する。なお、以下では上記アジマス方向をＡＺ方向、それと直交するエレベーション方向をＥＬ方向と称する。プローブ１１は、上記音響波を検出して音響波検出信号を出力する。
【００２６】
なお、このプローブ１１に前述した導光手段が結合される場合は、その導光手段の端部つまり複数の光ファイバの先端部等が、上記のように並設された複数の超音波振動子の周囲を囲む状態に配設され、そこから被検体に向けてレーザ光が照射される。以下では、このように導光手段がプローブ１１に結合される場合を例に取って説明する。なお、光ファイバの先端部等は、上記のように配設するのに加えて、複数の超音波振動子が配列されている面内において十字状や格子状に配設してもよい。そのようにすれば、レーザ光の光学的照射均一性がより向上するので好ましい。
【００２７】
被検体の光音響画像を取得する際、プローブ１１は上記エレベーション方向に移動され、それにより被検体がレーザ光によって二次元走査される。この走査は、検査者が手操作でプローブ１１を動かして行ってもよく、あるいは、走査機構を用いてより精密な二次元走査を実現するようにしてもよい。
【００２８】
超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、データ分離手段２４、画像再構成手段２５、検波・対数変換手段２６、画像構築手段２７を有している。画像構築手段２７の出力は、例えばＣＲＴや液晶表示装置等からなる画像表示手段１４に入力される。さらに超音波ユニット１２は、送信制御回路３０、および超音波ユニット１２内の各部等の動作を制御する制御手段３１を有している。
【００２９】
上記受信回路２１は、プローブ１１が出力した音響波検出信号を受信する。ＡＤ変換手段２２はサンプリング手段であり、受信回路２１が受信した音響波検出信号をサンプリングして、デジタル信号である光音響データに変換する。このサンプリングは、例えば外部から入力されるＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期でなされる。
【００３０】
レーザ光源ユニット１３は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザや、アレキサンドライトレーザ等からなるＱスイッチパルスレーザ３２と、その励起光源であるフラッシュランプ３３とを含むものである。このレーザ光源ユニット１３には、前記制御手段３１から光出射を指示する光トリガ信号が入力されるようになっており、該光トリガ信号を受けると、フラッシュランプ３３を点灯させてＱスイッチパルスレーザ３２を励起する。制御手段３１は、例えばフラッシュランプ３３がＱスイッチパルスレーザ３２を十分に励起させると、Ｑスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチパルスレーザ３２は、Ｑスイッチトリガ信号を受けるとそのＱスイッチをオンにし、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を出射させる。
【００３１】
ここで、フラッシュランプ３３の点灯からＱスイッチパルスレーザ３３が十分な励起状態となるまでに要する時間は、Ｑスイッチパルスレーザ３３の特性などから見積もることができる。なお、上述のように制御手段３１からＱスイッチを制御するのに代えて、レーザ光源ユニット１３内において、Ｑスイッチパルスレーザ３２を十分に励起させた後にＱスイッチをオンにしてもよい。その場合は、Ｑスイッチをオンにしたことを示す信号を超音波ユニット１２側に通知してもよい。
【００３２】
本発明の光音響装置は、光音響画像の他に、反射超音波による超音波画像を取得するように構成されてもよい。以下、そのようにした場合について説明する。制御手段３１は、送信制御回路３０に、超音波送信を指示する超音波トリガ信号を入力する。送信制御回路３０は、この超音波トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。制御手段３１は、先に前記光トリガ信号を出力し、その後、超音波トリガ信号を出力する。光トリガ信号が出力されることで被検体に対するレーザ光の照射、および音響波の検出が行われ、その後、超音波トリガ信号が出力されることで被検体に対する超音波の送信、および反射超音波の検出が行われる。ここで、プローブ１１から超音波を送信させるためには、音響波検出用のＵＴアレイを兼用してもよいし、あるいはそのＵＴアレイとは別のものが用いられてもよい。
【００３３】
制御手段３１はさらに、ＡＤ変換手段２２に対して、サンプリング開始を指示するサンプリングトリガ信号を出力する。このサンプリングトリガ信号は、前記光トリガ信号が出力された後で、かつ超音波トリガ信号が出力される前、より好ましくは被検体に実際にレーザ光が照射されるタイミングで出力される。そのためにサンプリングトリガ信号は、例えば制御手段３１がＱスイッチトリガ信号を出力するタイミングに同期して出力される。ＡＤ変換手段２２は上記サンプリングトリガ信号を受けると、プローブ１１が出力して受信回路２１が受信した音響波検出信号のサンプリングを開始する。
【００３４】
制御手段３１は、光トリガ信号を出力した後、音響波の検出を終了するタイミングで超音波トリガ信号を出力する。このとき、ＡＤ変換手段２２は音響波検出信号のサンプリングを中断せず、サンプリングを継続して実施する。言い換えれば、制御手段３１は、ＡＤ変換手段２２が音響波検出信号のサンプリングを継続している状態で、超音波トリガ信号を出力する。超音波トリガ信号に応答してプローブ１１が超音波送信を行うことで、プローブ１１の検出対象は、音響波から反射超音波に変わる。ＡＤ変換手段２２は、検出された超音波検出信号のサンプリングを継続することで、音響波検出信号と超音波検出信号とを、連続的にサンプリングする。
【００３５】
ＡＤ変換手段２２は、サンプリングして得られた光音響データおよび超音波データを、共通の受信メモリ２３に格納する。受信メモリ２３に格納されたサンプリングデータは、ある時点までは光音響データであり、ある時点からは超音波データとなる。データ分離手段２４は、受信メモリ２３に格納された光音響データと超音波データとを分離する。
【００３６】
以下、光音響画像あるいは反射超音波画像の生成および表示について説明する。図１のデータ分離手段２４には、受信メモリ２３から読み出された超音波データおよび、波長８００ｎｍのパルスレーザ光を被検体に照射して得られた光音響データが入力される。データ分離手段２４は、光音響画像の生成時には光音響データのみを後段の画像再構成手段２５に入力する。画像再構成手段２５はこの光音響データに基づいて、光音響画像を示すデータを再構成する。
【００３７】
検波・対数変換手段２６は上記光音響画像を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。検波・対数変換手段２６はこれらの処理後のデータを画像構築手段２７に入力する。画像構築手段２７は入力されたデータに基づいて、パルスレーザ光により走査された断面に関する光音響画像を構築し、その光音響画像を示すデータを画像表示手段１４に入力する。それにより画像表示手段１４には、上記断面に関する光音響画像が表示される。
【００３８】
なお、前述したようにプローブ１１を移動して被検体をレーザ光によって二次元走査し、その走査に伴って得られた複数の断面に関する画像データに基づいて、被検体の所望部位例えば血管等を三次元表示する光音響画像を生成、表示することも可能である。
【００３９】
また、データ分離手段２４が分離した超音波データに基づいて、被検体の超音波画像を生成、表示することも可能である。その超音波画像の生成、表示は、従来公知の方法によって行えばよく、本発明とは直接関連が無いので詳しい説明は省略するが、そのような超音波画像と光音響画像とを重ね合わせて表示させることも可能である。
【００４０】
次に、プローブ１１について詳しく説明する。なお、ここでは一例として、光音響装置が図２に示すような携帯型超音波観測器として構成されるものとし、そこで用いられるプローブ１１について説明する。まず、図２の携帯型超音波観測器について説明する。この携帯型超音波観測器は、装置本体１１２とカバー１１３とを備えている。装置本体１１２の上面には、携帯型超音波観測器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等が設けられた操作部１１４が配されている。カバー１１３の内面には、光音響画像や超音波画像、さらには様々な操作画面を表示するモニタ１４（図１の画像表示手段１４に対応する）が設けられている。
【００４１】
カバー１１３は、ヒンジ１１６を介して装置本体１１２に取り付けられており、操作部１１４とモニタ１４とを露呈させる図示の開き位置と、装置本体１１２の上面とカバー１１３の内面を対面させて、操作部１１４とモニタ１４を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１１２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１１２とカバー１１３を閉じた状態にして携帯型超音波観測器を持ち運ぶことができる。装置本体１１２のもう一方の側面には、プローブ１１が着脱自在に接続されるプローブ接続部１１７およびレーザユニット接続部１７２が設けられている。
【００４２】
一方例えばＱスイッチ固体レーザを内蔵したパルスレーザユニット１７０は、電源ケーブル１７１を介して上記レーザユニット接続部１７２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１７０は、光音響画像を取得する際に携帯型超音波観測器の操作部１１４から発光指示がなされると、所定のトリガ信号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１７３を介して伝搬され、超音波プローブ１１の先端に形成された光照射部１７４から被検体に向けて照射される。なお光照射部１７４は、超音波プローブ１１と別体に構成されても構わない。
【００４３】
次にプローブ１１について説明する。このプローブ１１は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド１１８と、プローブ接続部１１７に接続されるコネクタ１１９と、これらを繋ぐケーブル１２０とからなる。走査ヘッド１１８の先端部には、前述したようなＵＴアレイ１００が内蔵されている。
【００４４】
ＵＴアレイ１００は、７〜１５ＭＨｚ程度の比較的高周波の音響波を受信可能なように設計された無機系トランスデューサアレイと、低周波領域から高周波領域までの音響波を幅広く良好に受信する有機系トランスデューサアレイの２種類の受信媒体から構成されたハイブリッドＵＴアレイである。無機系トランスデューサアレイは複数の無機系トランスデューサが、また有機系トランスデューサアレイは複数の有機系トランスデューサがそれぞれＡＺ方向に並設されてなるものである。ここで、有機系トランスデューサの信号電極の面積は、静電容量を高め、より低周波数領域の音響波を受信可能とするために、無機系トランスデューサの信号電極の面積よりも広く設定されている。その具体的構成については、後に詳述する。このＵＴアレイ１００の代表的な構成は、無機系トランスデューサアレイの真上に有機系トランスデューサアレイが積層されたタイプのものである。
【００４５】
上記構成のＵＴアレイ１００について、以下図３を参照して詳しく説明する。図３は、このＵＴアレイ１００の構成を概略的に示す一部破断斜視図である。図示されている通りＵＴアレイ１００は、ゴム等からなるバッキング材５１の上に、無機系トランスデューサの下部電極５２、無機系圧電薄膜５３、無機系トランスデューサの上部電極５４、音響整合層５５、有機系トランスデューサの下部電極５６、有機系圧電薄膜５７、有機系トランスデューサの上部電極５８がこの順に積層された構造を有する。
【００４６】
無機系トランスデューサの下部電極５２、無機系圧電薄膜５３および上部電極５４は、各々がＥＬ方向に延びる溝をＡＺ方向に所定ピッチで複数形成するダイシングにより、ＡＺ方向に並ぶ状態に複数に分割されている。なお上記溝には各々絶縁材５９が充填されている。こうして、２つの絶縁材５９の間をＥＬ方向にライン状に延びるように分割された、下部電極５２、無機系圧電薄膜５３および上部電極５４の積層体が１つの無機系トランスデューサとなり、それらが複数ＡＺ方向に並設されて無機系トランスデューサアレイを構成している。
【００４７】
上記無機系圧電薄膜５３としては、例えばＰＺＴ（登録商標）等のチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）系材料からなる薄膜が好適に用いられ得る。無機系トランスデューサアレイにおいては、無機系圧電薄膜５３の厚さおよび幅で共振周波数が決定される。本実施形態において無機系トランスデューサアレイは７〜１５ＭＨｚ程度の比較的高周波数で共振するように設計され、無機系圧電薄膜５３の厚さは５０〜２００μｍ程度とされる。また無機系トランスデューサの素子ピッチは一般に２００〜５００μｍ程度であるが、素子の幅が広過ぎると無機系圧電体の電気機械変換係数が低くなるので、１つの素子に対して１〜２本のサブダイシングを行い、１素子の中で分割を行うのが望ましい。その場合、１素子における複数の圧電体ラインの１つの幅は５０〜２００μｍ程度とする。また無機系圧電薄膜５３を上下から挟み込む下部電極５２および上部電極５４は、例えばスパッタリング等で成膜された白金やイリジウムなどの薄膜から構成される。
【００４８】
上記無機系トランスデューサの各々において、無機系圧電薄膜５３が被検体で発生した音響波を受信すると、該無機系圧電薄膜５３が振動して電圧を発生し、この電圧が電極５２、５４を介して受信信号として出力される。なお本実施形態においては下部電極５２が信号電極とされ、この下部電極５２が図１に示した受信回路２１のアンプ回路に接続される。
【００４９】
一方、有機系トランスデューサの下部電極５６も、ＥＬ方向に延びる溝をＡＺ方向に所定ピッチで複数形成するダイシングにより、ＡＺ方向に並ぶ状態に複数に分割されている。そして上記溝にも各々絶縁材５９が充填されている。こうして、２つの絶縁材５９の間をＥＬ方向にライン状に延びるように分割された下部電極５６と、それに対面する部分の有機系圧電薄膜５７および上部電極５８の積層体が１つの有機系トランスデューサとなり、それらが複数ＡＺ方向に並設されて有機系トランスデューサアレイを構成している。
【００５０】
なお上記有機系トランスデューサの下部電極５６を分割するダイシングは、無機系トランスデューサを分割するためのダイシングのピッチに対して一例として４倍のピッチでなされている。したがって、有機系トランスデューサの信号電極である下部電極５６の面積は、無機系トランスデューサの信号電極である下部電極５２の面積よりも広い（本例では４倍）ものとなる。
【００５１】
なおこの信号電極の面積比は４倍に限られるものではなく、具体的には１倍を超えて１０倍以下程度が好ましい。実用上は１０倍を超えると、有機系トランスデューサの画素が粗くなってしまい、高精細な光音響画像を得ることが困難になる。
【００５２】
有機系圧電薄膜５７は、厚さが１０μｍ〜１００μｍ程度であり、上部電極５８および下部電極５６によって上下から挟み込まれている。上部電極５８は、例えばスパッタリング等で成膜された金薄膜や白金薄膜からなる。有機系圧電薄膜５７には、圧電性を示す様々な有機材料が適用可能であるが、ＰＶＤＦやＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのフッ化系材料が特に好ましい。すなわち、これらの材料は受信定数ｇが大きく、音響波の受信感度も比較的高いものとなっている。
【００５３】
上記有機系トランスデューサの各々において、有機系圧電薄膜５７が被検体で発生した音響波を受信すると、該有機系圧電薄膜５７が振動して電圧を発生し、この電圧が電極５６、５８を介して受信信号として出力される。なおこの構成においては、分割されている下部電極５６が信号電極とされ、この下部電極５６が図１に示した受信回路２１のアンプ回路に接続される。
【００５４】
本実施形態においては、無機系トランスデューサを構成する電極５２、５４と、有機系トランスデューサを構成する電極５６、５８とが互いに積層する形に形成されているが、有機系トランスデューサを構成する電極を、無機系トランスデューサを構成する電極に対してＥＬ方向の延長上に配設して、無機系トランスデューサと有機系トランスデューサとが互いにＥＬ方向に並んだ状態で、各々ＡＺ方向に延びるトランスデューサアレイを構成するようにしてもよい。本発明はその他、高周波設計の無機系トランスデューサアレイと、低周波領域から高周波領域までの広い領域で受信に優れる有機系トランスデューサアレイの組み合わせのあらゆる構成を含むものである。
【００５５】
なお、無機系トランスデューサアレイおよび有機系トランスデューサアレイからは、別々に信号を取り出す必要がある。そのためには、例えば下記の２つのような形態が考えられる。
【００５６】
（１）無機系トランスデューサアレイと有機系トランスデューサアレイの各配線を受信回路２１に接続し、パルスレーザ光が奇数回目に照射されたときに両トランスデューサアレイの一方が出力する音響波検出信号を受信回路２１以下で処理し、パルスレーザ光が偶数回目に照射されたときに両トランスデューサアレイの他方が出力する音響波検出信号を受信回路２１以下で処理する。
【００５７】
（２）受信回路２１から画像構築手段２７までの系統を、それぞれ無機系トランスデューサアレイ用と有機系トランスデューサアレイ用に合計２系統設け、各系統で構築された画像を合成する。この場合、無機系トランスデューサアレイから取得された画像と、有機系トランスデューサアレイから取得された画像を互いに色を変えた上で合成するようにしてもよい。
【００５８】
有機系圧電薄膜５７は、例えば１ＭＨｚ〜１５ＭＨｚ程度の広帯域に渡って検出効率が高い特性を有するので、有機系トランスデューサは上記の広帯域に渡って音響波を効率良く検出することができる。本実施形態における有機系トランスデューサは、有機系トランスデューサの信号電極である下部電極５６の面積が、無機系トランスデューサの信号電極である下部電極５２の面積よりも大とされているので、上記広帯域の中でも特に低周波領域の信号取得に優れている。一方、無機系トランスデューサはより高周波数（一例として７ＭＨｚ〜１５ＭＨｚ程度）で共振するように音響設計されているため、高周波領域の信号取得に優れている。これらにより本実施形態の光音響装置によれば、低周波領域から高周波領域まで幅広く光音響信号を取得し、高画質の光音響画像を生成可能となる。
【００５９】
なお、有機系トランスデューサの上部電極５８の上には、音響レンズが設けられてもよい。そのような音響レンズは特に無くても構わないが、有機系圧電薄膜５７より更に人体の音響インピーダンスに近い他の有機材料、例えばエポキシ系樹脂やシリコーンゴムなどを、音響整合用と素子の保護用を兼ねて積層するのが望ましい。
【００６０】
また、ＵＴアレイ１００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。
【実施例】
【００６１】
以下、ゴム系のバッキング材の上に無機系トランスデューサアレイを形成し、その上に有機系トランスデューサアレイを積層した実施例を、図３に即して説明する。
【００６２】
厚さ１３０μｍに研磨したチタン酸ジルコン酸鉛圧電体の両面にそれぞれ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの順で各厚さがＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ＝３００／１５０／３０ｎｍとなるようにそれらをＤＣスパッタリングして、下部電極５２および上部電極５４を形成した。こうして形成されたチタン酸ジルコン酸鉛圧電素子をゴム系のバッキング材５１の上に、ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）を挟み込むように熱硬化型のエポキシ系樹脂で接着した。
【００６３】
次に、バッキング材５１上に接着されたチタン酸ジルコン酸鉛圧電素子に対して、２つのダイシング溝の間の部分が幅２５０μｍの１ラインとしてＥＬ方向に延びるように、ダイサーを用いてダイシングを行った。
【００６４】
次に、上記溝に熱硬化型のエポキシ樹脂を流し込み、充填して絶縁材５９を形成した。それと共に、音響インピーダンスが９Ｍｒａｙｌ（ただし、ｒａｙｌ＝Ｎ・ｓ/ｍ3）程度に調整された金属酸化物微粒子分散型の樹脂を厚さ８０μｍ程度に研磨して音響整合層５５を作製し、それをチタン酸ジルコン酸鉛圧電素子の上に熱硬化型のエポキシ系樹脂で接着した。さらに、有機系トランスデューサの下部電極５６を形成するために、音響整合層５５の上に金属膜からなるいわゆるベタ電極を形成した。この電極形成は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕをこの順に厚さＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ＝３００／１５０／３０ｎｍとなるようにＤＣスパッタリングすることにより行った。
【００６５】
次にダイサーを用いて、上記ベタ電極および音響整合層５５を、１つのチタン酸ジルコン酸鉛圧電素子の４ライン分の１ｍｍピッチでダイシングした。次いでこれらの溝に熱硬化型のエポキシ系樹脂を流し込み充填して、絶縁材５９を形成した。
【００６６】
次に、有機系圧電薄膜５７とするための厚さ８０μｍの有機圧電体シートを形成した。この有機圧電体シートには、音響インピーダンスが４．５Ｍｒａｙｌ（ただし、ｒａｙｌ＝Ｎ・ｓ/ｍ３）のＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を用いた。この有機系圧電薄膜５７の片面に、金属膜からなるいわゆるベタ電極である上部電極５８を形成した。この電極形成は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕをこの順に厚さＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ＝３００／１５０／３０ｎｍとなるようにＤＣスパッタリングすることにより行った。
【００６７】
そして、上記有機圧電体シートの上部電極５８と反対側の面を、上記下部電極５６の上に接着した。この接着は、下部電極５６の面に加熱硬化型のエポキシ樹脂を塗布し、デバイス全体を覆うテフロン（登録商標）板上に重りを載せて１０〜１００ｋＰａ程度の圧力が面内均一にかかるように加圧しながら、８０℃以下で熱圧着することにより行った。この工程により、音響整合層５５の上に形成されていた電極ラインは有機系トランスデューサアレイの下部電極５６となり、信号読み取り電極となる。一方、前述のようなベタ電極である上部電極５８は、全素子共通でグラウンドに落とす共通グラウンド電極になる。
【００６８】
以上のように形成されたＵＴアレイ１００を、図１の受信回路２１等を構成するＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）に接続した。この際、グラウンドとなる有機系トランスデューサアレイの上部電極５８は、ＦＰＣのグラウンドラインに接続した。ＦＰＣには図２に示すプローブ接続部１１７が接続されており、ここにコネクタ１１９を介してケーブル１２０を繋ぐことにより、プローブ１１が完成する。
【００６９】
本プローブ１１を用いて生体に波長８００ｎｍの波長のパルスレーザ光を照射し、光音響信号を受信した。７ＭＨｚから１５ＭＨｚまでの比較的高周波領域の信号は、中心周波数１０ＭＨｚで設計された無機系トランスデューサアレイで強く観測された。また７ＭＨｚ以下の比較的低周波領域の信号は、前述した通り、無機系トランスデューサの４ライン分の信号電極面積を１ラインの信号電極面積として静電容量（キャパシタンス）を稼ぎ、低周波領域から高周波領域まで広帯域で受信可能とされた有機系トランスデューサアレイにより、良好に取得することができた。
【００７０】
なお、一般的な超音波診断装置においては、発信した超音波の反射信号を受信するため、反射信号の帯域は送信した超音波プローブの帯域とほぼ合致する。しかし、光音響信号の場合は受信信号の波長領域が幅広く、信号値の最大ピークの１０％までを信号と考えると、１ＭＨｚから４０ＭＨｚ程度まで広がっている。したがって、１種類の超音波プローブで全領域をカバーするのは困難となっているが、本発明のプローブによれば、光音響信号のほとんどの領域をカバーすることが可能になる。
【００７１】
以上の説明では、いわゆるリニア電子走査型のプローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは１個のトランスデューサ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。さらに本発明は、電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式のプローブや、電子内視鏡と一体化された光音響装置に対しても適用可能である。
【００７２】
また、パルスレーザユニット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。
【００７３】
また本発明の光音響装置および音響波検出信号の取得方法は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正および変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００７４】
例えば、上に述べた実施形態の光音響装置は反射超音波による超音波画像も取得、表示できるように構成されたものであるが、本発明の光音響装置はそのような機能は備えないものとして構成されても構わない。
【００７５】
また本発明は、デコンボリューション処理を施すようにした光音響画像化装置にも適用可能である。図４は、そのデコンボリューション処理を施すように構成された光音響画像化装置の一部を示すブロック図である。この図４の構成は、例えば図１に示した画像再構成手段２５と検波・対数変換手段２６との間に挿入されるものであり、光微分波形逆畳込み手段４０およびその後段に接続された補正手段４６とからなる。そして分波形逆畳込み手段４０は、フーリエ変換手段４１、４２、逆フィルタ演算手段４３、フィルタ適用手段４４、およびフーリエ逆変換手段４５から構成されている。
【００７６】
上記分波形逆畳込み手段４０は、画像再構成手段２５が出力した光音響画像を示すデータから、被検体に照射されたパルスレーザ光の光強度の時間波形を微分した光パルス微分波形をデコンボリューションする。このデコンボリューションにより、吸収分布を示す光音響画像データが得られる。
【００７７】
以下、このデコンボリューションについて詳しく説明する。光微分波形逆畳込み手段４０のフーリエ変換手段（第１のフーリエ変換手段）４１は、離散フーリエ変換により、再構成された光音響画像データを時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換手段（第２のフーリエ変換手段）４２は、離散フーリエ変換により、光パルス微分波形を所定のサンプリングレートでサンプリングした信号を時間領域の信号から周波数領域の信号へと変換する。フーリエ変換のアルゴリズムには、例えばＦＦＴを用いることができる。
【００７８】
本実施形態においては、ＡＤ変換手段２２における音響波検出信号のサンプリングレートと、光パルス微分波形のサンプリングレートとは等しいものとする。例えば音響波検出信号はＦｓ＝４０ＭＨｚのサンプリングクロックに同期してサンプリングされており、光微分パルスも、Ｆｓ＿ｈ＝４０ＭＨｚのサンプリングレートでサンプリングされている。フーリエ変換手段４１は、４０ＭＨｚでサンプリングした結果得られた、画像再構成手段２５が出力する光音響画像データを、例えば１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。また、フーリエ変換手段４２は、４０ＭＨｚでサンプリングされた光パルス微分波形を１０２４点のフーリエ変換でフーリエ変換する。
【００７９】
逆フィルタ演算手段４３は、フーリエ変換された光パルス微分波形の逆数を逆フィルタとして求める。例えば逆フィルタ演算手段４３は、光パルス微分波形ｈをフーリエ変換した信号をｆｆｔ＿ｈとしたとき、conj(fft_h)/abs(fft_h)2を逆フィルタとして求める。フィルタ適用手段４４は、フーリエ変換手段４１でフーリエ変換された光音響画像データに、逆フィルタ演算手段４３で求められた逆フィルタを適用する。フィルタ適用手段４４は、例えば、要素ごとに、光音響画像データのフーリエ係数と逆フィルタのフーリエ係数とを乗算する。逆フィルタが適用されることで、周波数領域の信号において、光パルス微分波形がデコンボリューションされる。フーリエ逆変換手段４５は、フーリエ逆変換により、逆フィルタが適用された光音響画像データを、周波数領域の信号から時間領域の信号へと変換する。フーリエ逆変換により、時間領域の吸収分布信号が得られる。
【００８０】
以上述べた処理を行うことにより、光微分項がコンボリューションされた音響波検出信号から光微分項を除去することができ、音響波検出信号から吸収分布を求めることができる。そのような吸収分布を画像化した場合には、吸収分布画像を示す光音響画像が得られる。
【００８１】
なお補正手段４６は、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータを補正し、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから、プローブ１１における超音波振動子の受信角度依存特性の影響を除去する。また、補正手段４６は、受信角度依存特性に加えて、またはこれらに代えて、光パルス微分波形がデコンボリューションされたデータから被検体における光の入射光分布の影響を除去する。なお、このような補正を行わずに、光音響画像の生成を行ってもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１０    光音響画像化装置
１１    プローブ
１２    超音波ユニット
１３    レーザ光源ユニット
１４    画像表示手段
２１    受信回路
２２    ＡＤ変換手段
２３    受信メモリ
２４    データ分離手段
２５    画像再構成手段
２６    検波・対数変換手段
２７    画像構築手段
３０    送信制御回路
３１    制御手段
３２    Ｑスイッチレーザ
３３    フラッシュランプ
４１、４２    フーリエ変換手段
４３    逆フィルタ演算手段
４４    フィルタ適用手段
４５    フーリエ逆変換手段
５１    バッキング材
５２    無機系トランスデューサの下部電極
５３    無機系圧電薄膜
５４    無機系トランスデューサの上部電極
５５    音響整合層
５６    有機系トランスデューサの下部電極
５７    有機系圧電薄膜
５８    有機系トランスデューサの上部電極
５９    絶縁材
１００  ＵＴアレイ
１７０  パルスレーザユニット
【図１】
2013158435.tif 000003
【図２】
2013158435.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013158435.tif 000006