(57)【要約】      （修正有）【課題】被検体からの超音波の検出性能（Ｓ／Ｎ）を向上させる事ができる超音波プローブを提供する。【解決手段】被検体とセンサが配置されていない筐体の部分との間で生じる超音波の多重反射を低減するために、超音波プローブ１８０は、複数の超音波センサ２００と、測定の際に測定位置に配置されるべき被検体１２０に向かって凹状となる凹部を有し、複数の超音波センサを支持する筐体と、を備える。超音波センサは、センサ面が被検体側に向くように配置され、筐体は、被検体側の面に超音波反射制御層を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波センサと、測定の際に測定位置に配されるべき被検体に向かって凹状となる凹部を有し、前記複数の超音波センサを支持する筐体と、を備える超音波プローブであって、
前記超音波センサは、センサ面が被検体側に向くように配置され、前記筐体は、被検体側の面に超音波反射制御層を有することを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記筺体の凹部は略球面状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記超音波反射制御層は、超音波吸収層、超音波散乱層、超音波干渉層うち少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記超音波吸収層の音響インピーダンスが、１ＭＲａｙｌｓ以上５ＭＲａｙｌｓ以下であることを特徴とする請求項３に記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記超音波反射制御層の前記被検体側に光反射制御層が形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記光反射制御層の音響インピーダンスが、１ＭＲａｙｌｓ以上５ＭＲａｙｌｓ以下であることを特徴とする請求項５に記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記超音波センサのセンサ面に光反射層が形成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記超音波センサと前記筺体との間に音響マッチング材が侵入することを防止するシール部材が設けられていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記超音波センサは、前記センサ面に、音響波の受信信号への変換と送信信号の音響波への変換のうち少なくとも一方を行う変換素子を有することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記変換素子は、静電容量型電気機械変換素子であることを特徴とする請求項９に記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
前記超音波センサは、前記筐体の空洞の部分に、嵌合されていることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１２】
前記筺体には、被検体に光を照射するための光照射部が取り付けられていることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項１３】
請求項１から１２の何れか１項に記載の超音波プローブを用いて、被検体からの音響波を受信して被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
【請求項１４】
被検体に音響波を送信し被検体から反射した音響波を検出する超音波プローブと、検出した信号を画像情報に変換するための信号処理部と、を備える超音波診断装置であって、
前記超音波プローブは請求項１から１２の何れか１項に記載の超音波プローブであり、前記超音波プローブで検出し、変換された信号を前記信号処理部で処理することで被検体像を構成することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１５】
被検体に光を照射する光源と、光照射により励起された被検体からの音響波を検出する超音波プローブと、検出した信号を画像情報に変換するための信号処理部と、を備える超音波診断装置であって、
前記超音波プローブは請求項１から１２の何れか１項に記載の超音波プローブであり、前記光源からの光が被検体に照射されることによって生じる光音響波を前記超音波プローブで検出し、変換された信号を前記信号処理部で処理することで被検体像を構成することを特徴とする光音響診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波変換素子（トランスデューサ）などとして用いられる超音波プローブ、およびそれを用いる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。このような技術を用いたｃＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）等の静電容量型の電気機械変換素子は、圧電素子の代替品として研究されている。こうした静電容量型の電気機械変換素子によると、振動膜の振動を用いて超音波などの音響波ないし光音響波（本明細書では、超音波で代表することもある）を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を容易に得ることができる。
【０００３】
光音響診断装置は、被検体に光を照射し、被検体からの光音響信号を圧電素子または静電容量型のトランスデューサなどのセンサで受信し、受信した信号に基づいて被検体の光音響画像を構成し、診断に用いる装置である。光源からのパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝搬・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した被検体で発生した光音響波（典型的には超音波）を受信し、その受信信号に基づき被検体をイメージング（画像化）する研究は医療分野で積極的に進められている。
【０００４】
特許文献１には、半球面上に離散的に配置された圧電素子を用いて音響波を受信して、光音響画像を構成する光音響診断装置の提案がなされている。半球面上に圧電素子はらせん状に配置され、その半球面自体を走査する例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開第２０１３/０２１７９９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した様な光音響診断装置を使用する際、被検体から発生した光音響波である超音波が、センサが配置されていない部分で反射すると、反射した超音波は被検体に到達し、被検体から発生した超音波を歪める可能性がある。また、被検体で再び反射してセンサに戻ってくる為、所望の超音波を検出する際にノイズとなる。さらに、光音響診断装置だけでなく、センサから超音波を被検体に送信し、被検体で反射した超音波を受信する送受信プローブでも、同様の点が指摘される。つまり、被検体とセンサが配置されていない部分との間で超音波の多重反射が生じることで、所望の超音波の検出性能が低下する恐れがある。特に、センサがスパース状、即ちまばらに配置されていると、センサが配置されていない領域が多くなるため、超音波の多重反射による検出性能の低下が顕著になることがある。また、被検体とセンサとの距離が近くなるにつれ、所望の超音波と多重反射による超音波との分離が困難になり、検出性能の低下が顕著になり易い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の超音波プローブは、複数の超音波センサと、測定の際に測定位置に配置されるべき被検体に向かって凹状となる凹部を有し、前記複数の超音波センサを支持する筐体と、を備える。前記超音波センサは、センサ面が被検体側に向くように配置され、前記筐体は、被検体側の面に超音波反射制御層を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、被検体とセンサが配置されていない筐体の部分との間で生じる超音波の多重反射を低減する事で、被検体からの超音波の検出性能（Ｓ／Ｎ）を向上させる事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の光音響診断装置の一例の構成図。
【図２】本発明の光音響診断装置に用いられる超音波プローブの一例の斜視図。
【図３】超音波プローブの一部の被検体側拡大図。
【図４】超音波プローブの一例の外側拡大図。
【図５】図３のＡ-Ｂ断面図。
【図６】センサ配置前の超音波プローブの一例の被検体側拡大図。
【図７】図６のＣ-Ｄ断面を示す斜視図。
【図８】本発明の超音波センサの一例（実施例１）を示す図。
【図９】図８のＸ−Ｚ軸スライス図（Ｘ軸とＺ軸とを含む面でスライスした図）。
【図１０】図８のセンサの受信面の一例を示す図。
【図１１】図１０のＥ-Ｆ断面図。
【図１２】静電容量型の電気機械変換素子の製造方法の一例を示す断面図。
【図１３】実施例２の超音波プローブの図３と同様な断面図。
【図１４】実施例３の超音波プローブの図３と同様な断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の実施形態や実施例では、超音波センサは、センサ面が被検体側に向くように配置され、複数の超音波センサを支持する筐体は、測定の際に測定位置に配されるべき被検体に向かって凹状となる凹部を有し、被検体側の面に超音波反射制御層を有する。超音波反射制御層は、吸収、散乱、干渉なども含めて反射波の量を制御する機能を有している。前記筺体の凹部は、典型的には、略球面状であるが、例えば、筺体が多面体構造で形成され、筐体の凹部を、平面を繋ぎ合わせて形成されている形態などにすることも出来る。
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では光音響診断装置について説明しているが、光源を備えない超音波診断装置などでもよく、本発明は本実施形態に制限されない。
【００１２】
＜システム構成＞
図１を参照しながら、本発明に係る超音波プローブないし光音響診断装置の構成例を説明する。図１は本実施形態の構成図である。本実施形態に係る光音響診断装置は、取り付け部１００、被検体１２０を保持する形状保持部１１０、音響マッチング材１３０、光学系１４０、光源１５０、処理部１６０、画像表示部１７０、超音波プローブ１８０を含む。測定は形状保持部１１０に被検者１２０の乳房などを挿入して行う。光源１５０から発生したパルス光は、被検体に光を照射するための光照射部の一部をなす光学系１４０を介して超音波プローブ１８０の頂点近傍から形状保持部１１０の方向に導かれ、被検体１２０に照射される。被検体内部を伝播した光のエネルギーの一部が血液などの光吸収体に吸収されると、その被検体１２０の光吸収体の熱膨張により音響波が発生する。被検体１２０で発生した音響波はすべての方向に伝播し、音響マッチング材１３０を伝播して超音波プローブ１８０内に配置された超音波センサ２００の各々で受信され、処理部１６０において解析される。解析結果は、被検体１２０の特性情報を表す画像として画像表示部１７０に出力される。
【００１３】
＜光源１５０＞
光源１５０はパルス光を発生させる装置である。光源はレーザー光源であることが望ましいが、発光ダイオードやフラッシュランプ等を用いることもできる。照射のタイミング、波形、強度等は不図示の光源制御部により制御される。光音響波を効果的に発生させるためには、被検体１２０の熱特性に応じて、十分短い時間に光を照射しなければならない。被検体１２０が生体である場合、光源から発生するパルス光のパルス幅は１０〜５０ナノ秒程度が好適である。また、パルス光の波長は、被検体内部まで光が伝播する波長であることが望ましい。具体的には、６００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下程度であることが望ましい。この領域の光は比較的生体深部まで到達することができ、深部の情報を得ることができる。さらにパルス光の波長は、観測対象に対して吸収係数が高いことが望ましい。
【００１４】
＜光学系１４０＞
光学系１４０は、光源１５０で発生したパルス光を被検体１２０へ導く手段である。具体的には、所望のビーム形状、光強度分布が得られるように光ファイバやレンズ、ミラー、拡散板などで構成された光学部材である。また、光を導く際に、これらの光学機器を用いて、所望の光分布となるように形状や光密度を変更することもある。光学機器はここに挙げたものだけに限定されず、このような機能を満たすものであれば、どの様なものであってもよい。
【００１５】
＜形状保持部１１０＞
形状保持部１１０は、被検体１２０の形状を一定に保つための部材である。形状保持部１１０は、取り付け部１００に取り付けられている。形状保持部１１０を介して被検体１２０に光を照射する場合、形状保持部１１０は照射光に対して透明であることが好ましい。例えば、形状保持部材１１０の材料としては、ポリメチルペンテンやポリエチレンテレフタラートなどを用いることができる。また、被検体１２０が乳房である場合、乳房形状の変形を少なくして形状を一定に保持するために、形状保持部１１０の形状は球を或る断面で切った形状であることが好ましい。なお、被検体１２０の体積や保持後の所望の形状に応じて、形状保持部１１０の形状を適宜設計することができる。形状保持部１１０が被検体１２０の外形にフィットし、被検体１２０の形状が形状保持部１１０の形状とほぼ同様になるように構成されていることが好ましい。なお、光音響診断装置は、形状保持部１１０を用いることなく、測定を行ってもよい。
【００１６】
＜被検体１２０＞
被検体１２０は測定の対象となるものである。具体例としては、乳房等の生体や、当該装置の調整などにおいては生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。
【００１７】
＜音響マッチング材１３０＞
音響マッチング材１３０は、被検体１２０と超音波プローブ１８０との間の空間を満たし、被検体１２０と超音波プローブ１８０との間を音響的に結合させるためのものである。本実施形態では、超音波プローブ１８０と形状保持部１１０との間に音響マッチング材１３０を配置することができる。また、形状保持部１１０と被検体１２０との間にも音響マッチング材１３０を配置している。超音波プローブ１８０と形状保持部１１０との間及び形状保持部１１０と被検体１２０との間に、それぞれ異なる材料の音響マッチング材１３０を配置してもよい。
【００１８】
なお、音響マッチング材１３０は、その内部で光音響波が減衰し難い材料であることが好ましい。また、音響マッチング材１３０は、光源１５０で発生するパルス光を透過する材料であることが好ましい。また、音響マッチング材１３０は液体であることが好ましい。具体的には、音響マッチング材１３０として、水、ひまし油、ジェルなどを用いることができる。
【００１９】
＜超音波プローブ１８０＞
超音波プローブ１８０は、被検体１２０の内部で発生した音響波をアナログの電気信号に変換する手段である。超音波プローブ１８０の形状は、測定位置に置かれた被検体に向かって凹状である凹部を有しており、本実施形態では半球体のお椀形状をしている。凹部の被検体側の半径は、例えば数ｍｍから数十ｃｍであり、被検体の大きさに応じて変更すればよい。また凹部の厚さ、つまり凹部の被検体側の面（内面）の半径と凹部の被検体側ではない面（外面）の半径との差は、数ｍｍから数ｃｍである。装置全体の大きさに応じて変更すればよい。
【００２０】
超音波プローブ１８０には、複数の超音波センサ２００が配置されている。超音波センサ２００は、少なくとも超音波の受信が行えるものであれば良い。受信と送信の両方を行えるものであっても良い。例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック材料や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電膜材料などを用いることができる。また、圧電素子以外の素子を用いても良い。例えば、ｃＭＵＴなどの静電容量型の素子、ファブリペロー干渉計を用いた音響波受信素子、などを用いることができる。超音波センサ２００と後述の筺体１８４との間には、この間に音響マッチング材が侵入することを防止するためのシール部材が設けられるのが好ましい。
【００２１】
図２乃至図７を参照しながら、超音波プローブ１８０の構成を説明する。図２は本実施形態の光音響診断装置の超音波プローブの一例の図であり、図３は、図２の破線で囲った部分１８３の内面拡大図である。図４は、図３の裏面を示した外面拡大図であり、図６は、超音波センサ２００を配置する前の図２の破線で囲った部分１８３の拡大図である。
【００２２】
超音波センサ２００は、超音波受信面（センサ面）が被検体１２０側に向くように配置されている。音響波プローブ１８０は、内側１８２と外側１８１から構成されており、外側１８１の超音波センサ２００は、導線やケーブル等の配線２０２で処理部１６０に接続されている。内側１８２の、超音波センサ２００が配置されていない筐体１８４の部分には、光反射制御層２２０と超音波反射制御層２３０が配置されている。また超音波センサ２００の超音波受信面には、光反射層２０１が配置されている。超音波プローブ１８０の筐体１８４の材料は、金属やセラミック、樹脂など、半球面状などの凹状に加工して形成できる物であればよい。
【００２３】
光反射制御層２２０は、光の反射を制御できればよく、光反射層であればよい。光反射層は、光源１５０からパルス光を被検体１２０に照射して光音響波を発生させるために用いる光源１５０が発出する波長の光を反射する機能を有する。光反射層は、光源１５０の有する波長に対する反射率が高い膜であればよい。反射率が高い膜としては、Ａｌ、Ａｕ、誘電体多層膜等が用いられる。光反射層の反射率は、使用する光において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。また光反射層は、被検体１２０から生じた音響波を透過させる機能を有することが好ましい。一般的に音響マッチング材の音響インピーダンスが１ＭＲａｙｌｓ〜５ＭＲａｙｌｓであるので、光反射層の音響インピーダンスは１ＭＲａｙｌｓ以上５ＭＲａｙｌｓ以下が好ましい。音響マッチング材と音響インピーダンスの値を近くする事で、界面での超音波の反射を低減することができる。また、光音響波の周波数（波長）に対して十分薄い厚さとするのが好ましい。光反射層を有する事で、光源１５０から発生したパルス光の散乱や形状保持部１１０での反射によって筐体１８４にパルス光が照射されたときに生じる、筐体１８４からの光音響波信号の発生を低減することが出来る。
【００２４】
超音波反射制御層２３０は、超音波の反射を制御すればよく、超音波吸収層、超音波散乱層、もしくは両方の層を有するのが好ましい。超音波の干渉を利用して超音波の戻りを抑制する超音波干渉層を含む構成であってもよい。超音波反射制御層は、被検体から反射もしくは発生した超音波が筐体１８４に到達したときに、筐体で超音波が反射して被検体へ戻っていく多重反射を防ぐ構成であればよい。超音波吸収層は、光源１５０からパルス光を被検体１２０に照射して生じた光音響波を吸収する機能を有する。光音響波に対する吸収率が高い層であればよい。超音波吸収層としては、市販されているイーステック社のAptFlex-F28やAptFlex-F36を用いることが出来る。架橋型ブチルゴム、ガラスエポキシ、シリコーンゲルやシリコーンゴム、ウレタンゴムなどに、タングステンやアルミナ、銅もしくはその化合物、白金、鉄もしくはその化合物、フェライト粉末などの微粒子を含有させた溶媒を元に超音波吸収層を作製できる。超音波散乱層については、半球状超音波プローブ１８０の内側１８２の筐体１８４の表面を、円錐などの錐形突起形状に粗面加工することで、超音波を散乱することが出来る。散乱により多重反射を減少することができる。また、粗面加工をした筐体１８４の上に超音波吸収層を設けることで、超音波吸収層で吸収しきれなかった超音波が超音波散乱層で散乱され、散乱した超音波を超音波吸収層で吸収することもできる。超音波吸収層と超音波散乱層の両方を有することで、超音波反射制御層の厚さを薄くすることもできる。また、超音波吸収層を二層構成にして超音波吸収層内部に粗面加工を施してもよい。超音波吸収層内部を粗面加工することで、超音波吸収層内部で超音波の吸収および散乱した超音波の吸収を行うことができる。超音波干渉層は、材料の屈折率を考慮した各界面からの反射超音波の位相差がπ／２（半波長）の略奇数倍となる様に層厚が適宜に設定された層構造で実現することができる。超音波吸収層の音響インピーダンスは、一般的に音響マッチング材の音響インピーダンスが１ＭＲａｙｌｓ〜５ＭＲａｙｌｓであるので、同等の１ＭＲａｙｌｓ以上５ＭＲａｙｌｓ以下が好ましい。音響マッチング材と音響インピーダンスの値を近くする事で、界面での超音波の反射を低減することができる。
【００２５】
超音波反射制御層２３０を有する事で、光源１５０からのパルス光によって被検体１２０から発生した光音響波の、超音波プローブ１８０内部での多重反射を低減できる。光反射制御層２２０は、超音波プローブ１８０の内側１８２の面に設け、超音波反射制御層２３０は、光反射制御層２２０と筐体１８４の間に設けるのが好ましい。光反射制御層２２０が光反射層の場合、光源１５０からのパルス光の散乱や形状保持部１１０での反射によって筐体１８４にパルス光が照射される際にパルス光を反射して筐体１８４から光音響波信号が発生されることを、低減出来る。被検体１２０から発生した光音響波は、光反射層を透過して超音波反射制御層２３０に達したときに超音波吸収層で吸収され、超音波プローブ１８０内部での光音響波の多重反射を低減出来る。
【００２６】
超音波プローブ１８０と被検体１２０との距離が離れている場合には、光音響波の多重反射が生じても、被検体１２０から発生した最初の光音響波の信号と時間差があるため、超音波センサ２００で検出されるこれらの信号を分離することが出来る。しかし、超音波プローブ１８０と被検体１２０との距離が近づくにつれて、目標の信号と前記多重反射などによる信号との分離が困難になり、検出性能が低下する。このため、超音波反射制御層２３０を超音波吸収層として、光音響波の多重反射を低減することが好ましい。
【００２７】
被検体１２０から発生した光音響波を検出する超音波センサ２００の超音波受信面には、光反射層２０１を設けるのが好ましい。光源１５０からのパルス光の散乱や形状保持部１１０での反射によって超音波センサ２００にパルス光が入射すると、超音波センサ２００から光音響波が発生する。これにより被検体１２０から発生した光音響波を歪め、検出性能が低下する。超音波センサ２００の超音波受信面に光反射層２０１を設けることで、超音波センサ２００からの光音響波の発生を低減することができる。
【００２８】
超音波プローブ１８０は、超音波センサ２００を配置する前の状態では図６や図７に示すように超音波センサ２００を配置する部分が空洞１８５となっている。図７に示すように超音波センサ２００を配置する前の状態の超音波プローブ１８０は、筐体１８４の上に光反射制御層２２０と超音波反射制御層２３０を有している。この空洞１８５に超音波センサ２００を挿入して固定することで超音波プローブ１８０が作製できる。超音波プローブ１８０の大きさは、被検体１２０の特性に応じて所望の大きさにすればよい。また配置する超音波センサ２００の個数は、被検体１２０の特性と超音波プローブ１８０の大きさに応じて所望の個数を所望の箇所に設ければ良い。図５では、超音波プローブ１８０の外側１８１から空洞１８５にセンサ２００を挿入して超音波センサ２００の突起で挿入方向の位置出しを行っている。超音波センサ２００の筐体１８４への固定は、接着材などで固定してもよいし、筐体１８４と超音波センサ２００の接触面を樹脂やゴム製のＯリングを介して密閉して、ねじ留めで固定してもよい。また超音波センサ２００は、内側１８２から挿入して固定してもよいし、超音波センサ２００に位置出し用の突起を設けずに冶具などで位置出しを行って固定してもよい。
【００２９】
＜処理部１６０＞
図１に戻り、処理部１６０と画像表示部１７０について説明する。光音響波は超音波プローブ１８０に配置された超音波センサ２００により検出される。被検体から発生した光音響波はほぼ３６０度×１８０度の方向に対して検出される。画像再構成に関しては、例えば、トモグラフィー技術で通常に用いられるタイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影などが用いられる。高解像度の３次元画像を取得するために、フーリエドメイン法がよく用いられるが、これに限られるわけではない。ここで、被検体１２０の部位から放射された光音響波の強度は、処理部１６０で算出される。画像形成処理を高速化するために、処理部１６０は、超音波センサ２００の位置と被検体１２０の部位の位置と受信時刻とで定まる値を、超音波プローブ１８０の球の半径の関数として算出して、その係数をメモリーに記憶させている。各超音波センサ２００の受信信号に前記係数を乗算し、この乗算結果を各部位について累積する事で画像データを形成する。このように球面上での画像データを算出し、この画像データをフーリエドメイン法により画像処理することにより、被検体の高い分解能の３次元画像を画像表示部１７０に表示することができる。
【００３０】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
上記実施形態で記載した超音波プローブないし光音響診断装置についての具体的な例について説明する。光源としては、近赤外ナノパルスレーザーを用いる。ここでは、チタンサファイアレーザーを用い、励起源としてはＮｄ：ＹＡＧレーザーを使用する。８００ｎｍ付近の波長を照射し、光音響波信号を発生させる。被検体１２０としては乳房用ファントムを用いる。形状保持部１１０はポリメチルペンテンのフィルムを使用する。音響マッチング材１３０は形状保持部１１０と超音波プローブ１８０との間に水を充填する。超音波プローブ１８０は、半球面の内側１８２の半径を約１２０ｍｍとし、超音波センサ２００の超音波受信面が半球面の内側を向くように２５０個配置する。超音波センサ２００は静電容量型電気機械変換装置であり、超音波センサ２００先端の外径は１０ｍｍである。超音波プローブの光反射制御層２２０は光反射層であり、超音波反射制御層２３０は超音波吸収層である。また超音波プローブ１８０の筐体１８４はアルミニウムである。
【００３１】
図８、図９を用いて静電容量型電気機械変換装置（超音波センサ）を説明する。図８は超音波センサの一例であり、図９は図８のＸ−Ｚ軸スライス図である。超音波センサは、光反射層２０１と本体２０４と配線２０２から構成され、本体２０４の一部に突起を有している。本体２０４の中には、静電容量型電気機械変換素子（トランスデューサ）２０５と第一のフレキ配線２０７と第二のフレキ配線２０９、受信プリアンプ２１０が配置されている。このように、超音波センサ２００は、センサ面に、音響波の受信信号への変換と送信信号の音響波への変換のうち少なくとも一方を行う変換素子２０５を有している。
【００３２】
図１０、図１１を用いて静電容量型電気機械変換素子を説明する。図１０は、超音波センサの受信面側の拡大模式図である。また図１１は、図１０のＥ−Ｆ断面図である。トランスデューサ２０５は、シリコン基板１、第一の絶縁膜２、第一の電極３、電極３上の第二の絶縁膜４、空隙（キャビティ）５を隔てて形成された第三の絶縁膜６と絶縁膜６上の第二の電極７と電極７上の第四の絶縁膜８とを含む振動膜９、を備える。振動膜９上には、接着剤１０を介して、光反射層１２が成膜された支持部材１１が接着され保護層２０１を形成している。これらで構成されるセル２０３が複数個集まって静電容量型電気機械変換素子２０５を構成している。図１０では３６個のセルで一つの静電容量型電気機械変換素子２０５を構成しているが、セルは一つでも多数でも構わない。また、セルの配列は格子状でも千鳥状でもハニカム状などでも構わないし、セルの形状は円形に限らず長方形や正方形や多角形でも構わない。また、セルの集合体のである静電容量型電気機械変換素子２０５の形状も問わない。第一の電極３、は第一の電極パッド２０６で第一のフレキ配線２０７と繋がれて本体２０４内部の回路基板２１２に接続され、配線２０２で外部に引き出される。第二の電極７は、第二の電極パッド２０８で第二のフレキ配線２０９と繋がれて本体２０４内部を通って回路基板２１２上の受信プリアンプ２１０と接続している。図１０では、第一の電極３と第二の電極７をフレキ配線で受信面側から引き出しているが、シリコン基板１に貫通孔を設けて、シリコン基板１の裏側に直接電極を形成して回路基板と接続してもよい。
【００３３】
静電容量型電気機械変換素子２０５の表面には、光反射層を含む保護層２０１が形成されている。光反射層は、光源１５０からのパルス光の散乱や形状保持部１１０からの反射光が電気機械変換装置に照射される事で発生する光音響波を低減するためのものである。光反射層１２はＡｕの蒸着膜であり、Ａｕを蒸着する支持部材１１は１２μｍの厚さのＰＥＴフィルムを用いる。接着層１０はシリコン系の接着剤を用いて保護層２０１を作製する。光反射層１２、支持部材１１、接着層１０の種類や厚さは、これらに限らない。
【００３４】
超音波センサは、電圧印加手段で第一の電極３にバイアス電圧を印加することが出来る。第一の電極３にバイアス電圧が印加されると、第一の電極３と第二の電極７との間に電位差が生じる。この電位差により振動膜の復元力と静電引力が釣り合うところまで振動膜９は変位する。この状態で超音波が振動膜９に到達すると、振動膜９が振動する事で第一の電極３と第二の電極７との間の静電容量が変化して第二の電極７に電流が流れる。この電流を超音波の電気信号として取り出す事ができる。受信の際には、不図示のシステム制御部から指示された受信のバイアス電圧に従い、バイアス電圧制御部からバイアス電圧を印加する。被検体から発生した光音響波を超音波センサで受信した受信信号は受信プリアンプ２１０で増幅され、処理部１６０に送られる。
【００３５】
図１２を用いて静電容量型電気機械変換素子の製造方法の一例を説明する。図１２-aに示すように、基板１上に第一の絶縁膜２を形成する。基板１はシリコン基板であり、第一の絶縁膜２は、第一の電極３との絶縁を形成するためのものである。次に第一の電極３を形成する。第一の電極３は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、タングステン、アルミ等である。第一の電極３の表面粗さが大きい場合、第一の電極と第二の電極間の距離が、表面粗さにより素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。次に、第二の絶縁膜４を形成する。第二の絶縁膜４も、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましく、これは、第一の電極と第二の電極との間に電圧が印加された場合の第一の電極と第二の電極間の電気的短絡あるいは絶縁破壊を防止するために形成する。また、本工程の後工程で実施する犠牲層除去のときに第一の電極３がエッチングされることを防止するために形成する。第二の絶縁膜４は、例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等である。
【００３６】
次に、図１２-ｂに示すように、犠牲層５５を形成する。犠牲層５５は、後に空隙５となる。犠牲層５５は表面粗さの小さい材料が望ましい。犠牲層の表面粗さが大きい場合、第一の電極と第二の電極間の距離が、表面粗さにより素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチングのエッチング時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。犠牲層材料としては、例えば、アモルファスシリコン、ポリイミド、クロム等が挙げられる。クロムのエッチング液は、窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜をほぼエッチングしないので、絶縁膜、振動膜が窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜の場合、望ましい。
【００３７】
次に、図１２-ｃに示すように、第三の絶縁膜６を形成する。第三の絶縁膜６は、低い引張り応力のものが望ましい。例えば、５００ＭＰａ以下の引張り応力のものがよい。窒化シリコン膜は応力コントロールが可能であり、５００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。振動膜が圧縮応力を有する場合、振動膜がスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する。他方、大きな引張り応力の場合、第三の絶縁膜６が破壊されることがある。従って、第三の絶縁膜６は、低い引張り応力のものが望ましい。例えば、応力コントロールが可能で、低い引張り応力にできる窒化シリコン膜である。次に、第二の電極７を形成する。第二の電極７は、残留応力が小さい材料が望ましく、アルミニウム、アルミ・シリコン合金やチタンなどの金属が挙げられるが、これに限らない。
【００３８】
次に、図１２-ｄに示すように、第三の絶縁膜６にエッチングホール５６を形成する。エッチングホール５６は、犠牲層５５をエッチングして除去するためにエッチング液あるいはエッチングガスを導入するための孔である。その後、犠牲層５５を除去して空隙５を形成する。犠牲層除去方法は、ウエットエッチングやドライエッチングなどが好ましく、犠牲層材料としてクロムを用いた場合は、ウエットエッチングが好ましい。
次に図１２-eに示すように、エッチングホール５６を封止する為に、第四の絶縁膜８を形成する。第三の絶縁膜６と第二の電極７と第四の絶縁膜８で振動膜９が形成される。封止材料として、第三の絶縁膜６と同じ材料であれば密着性が高い為、好ましい。第三の絶縁膜６が窒化シリコンの場合、第四の絶縁膜８も窒化シリコンが好ましい。
【００３９】
図１１や図１２では、第二の電極７が第三の絶縁膜６と第四の絶縁膜８で挟まれた構成を一例として示した。しかしながら、第三の絶縁膜６を形成した後にエッチングホール５６を形成して犠牲層エッチングを行い、その後、第四の絶縁膜８を形成した後に第二の電極を設けることもできる。ただし、第二の電極７が最表面に露出していると、異物などにより素子がショートする可能性が高くなるため、第二の電極７は絶縁膜の間に設けることが好ましい。本実施例では、超音波センサにするために、変換素子２０５の大きさにダイシングしている。以上の工程を経る事で図１０や図１１のような静電容量型電気機械変換素子を作製する事ができる。
【００４０】
このような静電容量型電気機械変換素子を、図９に示した支持部材２１１にエポキシなどの樹脂接着剤を用いて固定し、第一の電極２０６に第一のフレキ配線２０７を、第二の電極２０８に第二のフレキ配線２０９を接続する。フレキ配線は、受信アンプ２１０が配置されている配線基板２１２に接続される。静電容量型電気機械変換素子２０５、フレキ配線、配線基板２１２が一体となった物は、本体２０４に格納される。本体２０４は樹脂などにより構成することができる。本体２０４内に格納した後、本体２０４内部に音響マッチング材などが流入しないように本体２０４は接着剤で密閉される。本体２０４に格納された変換素子２０５の表面には、光反射層１２を有する保護層２０１を形成する。光反射層１２はＡｕを用いる。支持部材１１としては１２μｍの厚さのＰＥＴフィルムを用いる。まず支持部材１１にＡｕを蒸着し、Ａｕを蒸着した支持部材１１をシリコン系の接着剤を用いて静電容量型電気機械変換素子２０５の表面に接着する。接着後に余分な支持部材１１をカットすることで、静電容量型電気機械変換素子２０５の保護層２０１が作製できる。以上の工程を経て図８や図９のような超音波センサ２００を作製できる。ここにおいて、第一の電極パッド２０６は配線２０２を通ってバイアス電圧を印加する為の電源に接続され、第二の電極パッド２０８はフレキ配線２０９を介して受信アンプ２１０に接続され、配線２０２を介して処理部１６０に繋がれる。
【００４１】
次に、筐体１８４を作製する。筐体の材料はアルミニウムを用いて、半球面の内側の半径が１２０ｍｍ、肉厚２０ｍｍとなるように切削加工する。次に、筐体１８４の内側に超音波反射制御層２３０として超音波吸収層を作製する。超音波吸収層は、イーステック社で販売されているAptFlex-F36を、筐体１８４の内側に塗布して硬化させる事で作製できる。塗布厚さを１０ｍｍとする事で、２ＭＨｚの超音波を約４５ｄＢ減衰することができて好ましい。超音波吸収層の音響インピーダンスは約１．４ＭＲａｙｌｓであり、音響マッチング材１３０を水とする場合、これとの音響インピーダンスの差が１０％以下であり好ましい。また、ウレタンゴムにタングステンの微粒子を１０ｗｔ％程度混合したものを筐体１８４の内側に塗布して硬化させる事で、１ＭＨｚの超音波を約５０ｄＢ減衰することもできる。このときの音響インピーダンスは約１．８ＭＲａｙｌｓであり、音響マッチング材１３０を水とする場合、音響インピーダンスの差が２０％以下であり好ましい。
【００４２】
次に、超音波吸収層の上に光反射制御層として光反射層を作製する。超音波吸収層の上にＡｕを１００ｎｍメッキする事で光反射層を作製する。この光反射層は、光を９０％以上反射することができて好ましい。また光反射層の厚さが１００ｎｍと薄いため、音響マッチング材１３０が有する音響インピーダンスと光反射層が有する音響インピーダンスの差で生じる超音波の反射が殆ど生じない。そのため、伝播してきた超音波を殆ど反射させずに超音波吸収層に伝播させることができて好ましい。
【００４３】
次に、超音波センサを配置する為に筐体１８４に空洞１８５を設ける。超音波センサの外側の直径が１０ｍｍであるので、内側１８２から１１ｍｍの空洞を２５０カ所に、空洞の間隔を２１．２ｍｍとして作製する。空洞１８５の外側１８１には、後に嵌合キャップ１８６を嵌合させるために、嵌合キャップの外径１３ｍｍに０．５ｍｍを加えた１３．５ｍｍの孔を空洞１８５と同じ個所に設けて孔の部分にねじ切り加工を施し、嵌合受け部１８７を形成する。半球面状の筐体１８４の内側１８２の底部には、後に光学系１４０を設置するため、光学系用の空洞を設ける（図１参照）。
【００４４】
次に、超音波センサを筐体１８４に配置する。超音波センサの外側の外周部分に接着剤を塗布し、筐体１８４の外側から超音波センサを挿入する。その後、嵌合キャップ１８６を嵌合受け部１８７に嵌合させることで超音波センサ２００を筐体１８４に固定する。その際、外周部分に塗布した接着剤は、外周部分（10mm）と空洞（11mm）との隙間（1mm）、および嵌合受け部と嵌合キャップとの隙間（0.5mm）に逃げて固まる。このようにして超音波プローブ１８０が作製できる。
【００４５】
次に、図１のように、筐体１８４に固定された超音波センサ２００の配線２０２を処理部１６０に繋ぎ、光学系用の空洞には、パルス光を透過させるためにサファイヤ１４０を設置し、超音波プローブ１８０の外側には光源１５０を設置する。光源はレーザー以外にレンズや拡散版などの光学部品で構成され、そこからのパルス光は、乳房１２０全体に光照射されるような分布を有している。パルス光は数ナノ秒以下のパルス幅で照射される。これにより乳房全体が光励起され、光音響波を発生し、その光音響波を超音波プローブに配置された超音波センサ２００により受信することができるため、乳房全体の画像情報を取得することができる。
【００４６】
超音波プローブ１８０に配置された各超音波センサ２００から得られた受信信号は、処理部１６０に送られる。時系列の受信信号はデジタル信号に変換され、保存される。保存された受信信号に基づいて空間的な二次元、三次元の被検体情報が生成される。画像再構成のアルゴリズムは、タイムドメインあるいはフーリエドメインでの逆投影を用いる。また、形状保持部１１０や音響マッチング材１３０からの光音響波への影響に関しては、予めその情報を取得してメモリーに記憶させておき、被検体１２０からの情報を取得するときに、その記憶情報を読み出してその影響を排除することができる。
【００４７】
このようにして光音響波の受信信号に対して画像再構成アルゴリズムに基づく処理を施す事により、被検体情報を取得することができる。本工程で得られた被検体情報は、被検体から発生した音響波をほぼ３６０度×１８０度にわたる方向で受信して処理することにより得られるため、被検体情報の分解能および定量性（例えば血管の走行や酸素飽和度を定量できるという特性）を高くすることができる。
【００４８】
本実施例の超音波プローブ１８０は、被検体から発生した光音響波が超音波センサ以外の部分に入射したときに、光反射制御層を透過させて超音波反射制御層で吸収することができる。２ＭＨｚの超音波に対する光反射制御層の超音波反射率はほぼ０％であり、超音波反射制御層の超音波減衰率は４５ｄＢであるので、超音波センサ以外の部分に入射した超音波の９９％以上を減衰させることができる。これにより、従来生じていた超音波センサ以外の部分に入射した超音波の超音波プローブ内での多重反射を９９％以上低減することができ、被検体情報のＳ／Ｎを高くすることができる。
【００４９】
本実施例では、２ＭＨｚの超音波の多重反射を低減させたが、所望の周波数の超音波を低減する為に必要な光反射制御層や超音波反射制御層を、適宜設ければ良く、本実施例に制限されない。また、本実施例では光反射制御層を設けているが、超音波反射制御層のみの構成でも良い。光源を備えない超音波診断装置の場合には、光反射制御層を設けなくてよい。
【００５０】
（実施例２）
実施例２では、光反射制御層２２０を光反射層とし、超音波反射制御層２３０として超音波散乱層を用いた場合について説明する。その他の構成は実施例１と同様である。図１３は、実施例２の超音波プローブの図３のＡ-Ｂ断面図と同様な断面図である。図１３では、超音波受信面側の筐体１８４を粗面加工している。粗面加工をする事で超音波を粗面加工した表面で散乱することができる。その上に光反射層を設けており、これには、実施例１と同じように１００ｎｍのＡｕを用いる。
【００５１】
筐体１８４内側への超音波散乱層の形成について説明する。筐体１８４に図１３に示したような凹凸を設ける。凹凸の大きさは、散乱させたい超音波の周波数に合わせれば良く、超音波の波長と同程度にするのが好ましい。例えば、２ＭＨｚの超音波の波長は、音響マッチング材である水における音速が１５００ｍ/ｓであるので、約７５０μｍである。凹凸の形状は錐形突起形状とし、突起の凹凸の山の間隔と凹凸の深さを７５０μｍとして、筐体１８４に粗面加工を施す。粗面加工の手法は、モールド加工やウエットエッチングやドライエッチングなどを適用する事ができる。
【００５２】
次に、粗面加工を施した筐体１８４の表面に光反射制御層として光反射層を形成する。超音波散乱層の上にＡｕを１００ｎｍメッキする事で光反射層を作製する。この光反射層は、光を９０％以上反射することができて好ましい。また光反射層の厚さが１００ｎｍと薄いため、音響マッチング材１３０が有する音響インピーダンスと光反射層が有する音響インピーダンスとの差で生じる超音波の反射が殆ど生じない。さらに、減衰も小さいため、伝播してきた超音波を反射も減衰も殆どさせずに粗面加工層に伝播させることができて好ましい。このようにして作製した筐体１８４を元に、実施例１と同じ工程を経て光音響診断装置を作製する。
【００５３】
本実施例の超音波プローブ１８０は、被検体から発生した光音響波が超音波センサ以外の部分に入射したときに、光反射制御層２２０でパルス光を反射し、光反射制御層を透過した光音響波を超音波反射制御層２３０で散乱することができる。光反射制御層は２ＭＨｚの光音響波をほぼ１００％透過する。そして超音波反射制御層に到達した超音波は、あらゆる方向に散乱される。これにより、従来生じていた超音波センサ２００以外の部分に入射したパルス光による光音響波の発生を低減することができ、超音波の超音波プローブ内での多重反射を低減することができて、被検体情報のＳ／Ｎを高くできる。
【００５４】
また、本実施例では、超音波反射制御層として粗面加工を施した超音波散乱層を用いたが、超音波散乱層と光反射制御層の間に超音波吸収層を配置した構成にしてもよい。粗面加工をした筐体１８４の上に超音波吸収層を設けることで、超音波吸収層で吸収しきれなかった超音波が超音波散乱層で散乱し、散乱した超音波を超音波吸収層で吸収することができる。また、本実施例では光反射制御層を設けた構成としたが、光反射制御層を設けずに超音波散乱層のみを設けた構成としてもよい。超音波診断装置の場合には、光反射制御層を設けなくてよい。
【００５５】
本実施例では、２ＭＨｚの超音波の多重反射を低減させたが、場合に応じて、所望の周波数の超音波を低減する為に必要な光反射制御層や超音波反射制御層を適宜設ければ良く、実施の形態は本実施例に制限されることは無い。
【００５６】
（実施例３）
実施例３では、光反射制御層２２０を光反射層とし、超音波反射制御層２３０として超音波吸収層とし、超音波吸収層の内部に粗面加工を施して、超音波吸収層で、超音波の吸収と散乱を行う。その他の構成は実施例１と同様である。図１４は、実施例３の図３のＡ-Ｂ断面図と同様な断面図である。図１４では、超音波吸収層内部を粗面加工をする事で超音波の吸収を行い、粗面加工した表面で超音波を散乱させてさらに吸収することができる。その上に光反射層２２０を設けており、実施例１と同じように１００ｎｍのＡｕを用いる。
【００５７】
超音波吸収層内部への粗面加工は、実施例１と同様に、筐体１８４の内側面へ１層目の超音波吸収層を形成する。その後に、実施例２で筐体を粗面加工した方法と同様に、モールド加工やウエットエッチングやドライエッチングなどで１層目の超音波吸収層の粗面加工をすればよい。その上に２層目の超音波吸収層を実施例１と同様の方法で形成する事で、図１４のような超音波吸収層を設けることができる。その上に、実施例１と同じ方法で光反射制御層２２０形成し、その後も実施例１と同様の工程を経ることで、光音響診断装置を作製することができる。
【００５８】
本実施例の超音波プローブ１８０は、被検体から発生した光音響波が超音波センサ以外の部分に入射したときに、光反射制御層２２０を透過して超音波反射制御層２３０で吸収することができる。２ＭＨｚの超音波の光反射制御層２２０の超音波反射率はほぼ０％であり、超音波反射制御層２３０の超音波減衰率は４５ｄＢであるので、超音波センサ２００以外の部分に入射した超音波の９９％以上を減衰させることができる。
【００５９】
これにより、従来生じていた超音波センサ以外の部分に入射した超音波の超音波プローブ内での多重反射を９９％以上低減することができ、被検体情報のＳ／Ｎを高くすることができる。本実施例でも、２ＭＨｚの超音波の多重反射を低減させたが、所望の周波数の超音波を低減する為に必要な光反射制御層や超音波反射制御層を、適宜設ければ良く、本実施例に制限されることは無い。また、本実施例でも光反射制御層を設けているが、超音波反射制御層のみの構成でも良い。超音波診断装置の場合には、光反射制御層を設けなくてよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、生体内の情報を得る光イメージング装置や、従来の超音波診断装置などに適用する事が出来る。すなわち、本発明の超音波プローブを用いて、被検体からの音響波を受信して被検体の情報を取得する被検体情報取得装置を実現することができる。情報取得装置の例として、被検体に音響波を送信し被検体から反射した超音波を検出する超音波プローブと、検出した信号を画像情報に変換するための信号処理部と、を備える超音波診断装置がある。また、被検体に光を照射する光源と、光照射により励起された被検体からの音響波を検出する超音波プローブと、検出した信号を画像情報に変換するための信号処理部と、を備える超音波診断装置がある。信号処理部は信号を処理することで被検体像を構成する。さらに、本発明は、静電容量型機械電気変換素子だけでなく、従来の圧電型超音波探触子にも適用する事が可能である。さらに超音波探傷機など、他の用途にも適用する事が出来る。
【符号の説明】
【００６１】
１２０  被検体、１８０  超音波プローブ、１８４  筐体、２００  超音波センサ、２３０  超音波反射制御層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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