JP5685214B2 - 光音響画像生成装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光音響画像生成装置及び方法に関し、更に詳しくは、被検体にレーザ光を照射し、レーザ光照射により被検体内で生じた超音波を検出して光音響画像を生成する光音響画像生成装置及び方法に関する。

生体内部の状態を非侵襲で検査できる画像検査法の一種として、超音波検査法が知られている。超音波検査では、超音波の送信及び受信が可能な超音波探触子を用いる。超音波探触子から被検体（生体）に超音波を送信させると、その超音波は生体内部を進んでいき、組織界面で反射する。超音波探触子でその反射音波を受信し、反射超音波が超音波探触子に戻ってくるまでの時間に基づいて距離を計算することで、内部の様子を画像化することができる。

また、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響イメージングが知られている。一般に光音響イメージングでは、パルスレーザ光を生体内に照射する。生体内部では、生体組織がパルスレーザ光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーによる断熱膨張により超音波（光音響信号）が発生する。この光音響信号を超音波プローブなどで検出し、検出信号に基づいて光音響画像を構成することで、光音響信号に基づく生体内の可視化が可能である。

ここで、光音響イメージングでは、比較的出力の高いレーザ光を生体内に照射する必要がある。安全性の観点からは、プローブが生体に接触していないときはパルスレーザ光の出射を抑止することが好ましい。これに関して、特許文献１には、光路上に配置された被測定物を検出する被測定物検出手段を設け、被測定物検出手段が被測定物を検出しているときに光照射を行うことが記載されている。被測定物の検出には、被測定物の特定を利用できる。具体的には、被測定物の遮光性、反射性、固有の温度、重さ、静電容量を利用できる。

特開２００９−１４２３２０号公報

ところで、光音響画像の生成では、光音響画像を生成したい場所に光照射を行い、その場所で発生した光音響を検出する必要がある。しかし、特許文献１における被測定物検出手段は、レーザが出射する位置に被測定物が位置しているか否かを検出しているだけであり、被測定物のどの部分にレーザ光が照射されるかまでは検出できない。特許文献１では、被測定物がセットされればレーザ光照射が可能になるため、所望の位置とは異なる位置にレーザ光が照射され、画像化したい位置とは異なる位置で光音響画像を生成することがある。

本発明は、上記に鑑み、光音響画像を生成したい部分とは異なる位置にレーザ光等の光が照射されることを防止できる光音響画像生成装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被検体に対して照射すべき光を出射する光源ユニットと、前記被検体に対して音響波の送信を行うと共に、前記光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号、及び前記送信された音響波に対する反射音響信号を検出するプローブと、前記プローブで検出された反射音響信号の特徴と、事前に取得された、前記プローブが光音響画像を生成すべき位置にあるときに前記プローブで検出された反射音響信号の特徴とを比較し、両者が一致するか否かを判定するプローブ位置判定手段と、前記プローブ位置判定手段で一致すると判定されると、前記光源ユニットに光出射を指示する光源制御手段と、前記プローブで検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段とを備える光音響画像生成装置を提供する。

本発明の光音響画像生成装置は、前記反射音響信号に基づいて音響波画像を生成する音響波画像生成手段を更に備え、前記プローブ位置判定手段が、前記音響波画像を利用して前記反射音響信号の特徴を比較する構成を採用することができる。この場合、前記プローブ位置判定手段が、前記生成された音響波画像から特徴を抽出し、該抽出した特徴と、前記事前に取得された反射音響信号に基づいて生成された音響波画像の特徴とを比較することとしてもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、前記プローブが光音響画像を生成すべき位置にあるときに前記プローブで検出された反射音響信号に基づいて前記音響波画像生成手段が生成した音響波画像を参照画像として保存する参照画像保存手段を更に備え、前記プローブ位置判定手段が、前記保存された前記参照画像から特徴を抽出し、前記音響波画像の特徴を比較する構成としてもよい。

本発明の光音響画像生成装置は、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判定する接触状態判定手段と、前記接触状態判定手段で接触していないと判定されると、前記光の出射を抑止する光照射抑止手段とを更に備えていてもよい。この場合、前記接触状態判定手段は、前記プローブで検出された反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判定してもよい。

また本発明の光音響画像生成装置においては、プローブとして、
バッキング材と、
このバッキング材の表面上に配列された複数の無機圧電素子と、
これら複数の無機圧電素子の上に配置された第1の音響整合層と、
この第1の音響整合層の上に配置された第２の音響整合層とを備え、
前記第２の音響整合層は、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、前記上側有機層と併せて前記複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とからなるものが用いられることが望ましい。

あるいは、プローブとして、
バッキング材の上に配列された複数の無機圧電素子と、
これらの無機圧電素子と共に、バッキング材の表面と平行な方向に並べて配列された複数の有機圧電素子とからなるものが用いられてもよい。

なお上述のような各プローブにおいては、複数の無機圧電素子が音響波の送信に用いられ、複数の有機圧電素子が反射音響信号の検出に用いられることが望ましい。

本発明は、また、プローブから、被検体に対して音響波を送信するステップと、前記プローブにより、前記送信された音響波に対する反射音響信号を検出するステップと、前記プローブで検出された反射音響信号の特徴と、事前に取得された、前記プローブが光音響画像を生成すべき位置にあるときに前記プローブで検出された反射音響信号の特徴とを比較するステップと、前記比較するステップで反射音響信号の特徴が一致すると判断されると、前記被検体に対して光の照射を行うステップと、前記プローブにより、前記光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号を検出するステップと、前記検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成するステップとを有する光音響画像生成方法を提供する。

本発明の光音響画像生成装置及び方法では、事前に光音響像を生成した位置において音響波の送受信を行い、その位置における反射音響波を検出しておく。光音響画像の生成では、光照射に先立って、被検体に対して音響波の送受信を行い、検出された反射音響波と、事前の検出しておいた反射音響波との特徴が一致するか否かを判定する。一致すると判定されたとき、被検体に対して光を照射し、光音響信号を検出して光音響画像を生成する。このようにすることで、事前に音響波の検出を行っておいた所望の位置において光音響画像を生成することができ、光音響画像を生成したい部分とは異なる位置に無駄に光が照射されることを防止できる。

本発明の第１実施形態の光音響画像生成装置を示すブロック図。 位置登録時の動作手順を示すフローチャート。 光音響画像生成時の動作手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置を示すブロック図。 プローブの一例を示す一部破断斜視図。 図５のプローブの一部を示す側断面図。 図５のプローブの作製方法を示す概略図。 図５のプローブの駆動回路を示す図。 プローブの別の例を示す一部破断斜視図。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の光音響画像生成装置を示す。光音響画像生成装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１、超音波ユニット１２、及びレーザ光源（レーザユニット）１３を備える。レーザユニット１３は、被検体に照射すべきレーザ光を出射する。レーザ光の波長は、観察対象物に応じて適宜設定すればよい。レーザユニット１３から出射したレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光される。

プローブ１１は、音響波の一例としての超音波を検出する超音波検出部２１と光照射部２２とを含む。光照射部２２は、レーザユニット１３が出射したレーザ光を被検体に向けて照射する。超音波検出部２１は、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び被検体からの超音波の検出（受信）を行う。超音波検出部２１は、例えば一次元的に配列された複数の超音波振動子を有する。超音波検出部２１は、二種類の超音波（超音波信号）を検出する。１つは、被検体内の測定対象物がレーザユニット１３からのレーザ光を吸収することで生じた超音波（以下、光音響信号とも呼ぶ）であり、もう１つは、被検体に出力された超音波に対する反射超音波（以下、反射音響信号とも呼ぶ）である。なお光照射部２２は、プローブ１１とは別体に形成されてもよい。

超音波ユニット１２は、超音波駆動手段２３、受信回路２４、データメモリ２５、画像構築手段２６、画像メモリ２７、参照画像保存手段２８、プローブ位置判定手段２９、及びレーザ制御手段３０を含む。超音波駆動手段２３は、プローブ１１の超音波検出部２１が有する複数の超音波振動子を駆動し、超音波検出部２１から超音波を出力させる。超音波駆動手段２３は、例えば複数の超音波振動子に所定波形のパルス電気信号を出力することで、超音波振動子から超音波を出力させる。受信回路２４は、超音波検出部２１が検出した超音波信号（光音響信号又は反射音響信号）を受信する。受信回路２４は、例えば超音波信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡＤ変換器などを含む。受信回路２４は、受信した超音波信号（そのサンプリングデータ）をデータメモリ２５に格納する。

画像構築手段２６は、超音波信号に基づいて断層画像を生成する。画像構築手段２６は、例えばデータメモリ２５から光音響信号を読み出し、読み出した光音響信号に基づいて光音響画像を生成する。また、画像構築手段２６は、データメモリ２５から反射音響信号を読み出し、読み出した反射音響信号に基づいて超音波画像を生成する。画像構築手段２６は、生成した光音響画像及び超音波画像を画像メモリ２７に格納する。なお、図１では、光音響画像と超音波画像とを１つの画像構築手段２６で生成しているが、光音響画像生成装置が、光音響画像を生成する光音響画像生成手段と、超音波画像を生成する超音波画像生成手段とを別個の手段として備えていてもよい。

プローブ位置判定手段２９は、プローブ１１で検出された反射音響信号の特徴と、事前に取得された、プローブ１１が光音響画像を生成すべき位置にあるときにプローブ１１で検出された反射音響信号の特徴とを比較する。本実施形態では、プローブ位置判定手段２９は、反射音響信号を直接用いるのではなく、反射音響信号に基づいて生成された超音波画像を利用して、超音波画像（反射音響信号）の特徴を比較する。超音波画像の特徴としては、例えば血管の存在の有無、表皮と思われる部分の境界の有無やその位置、或いは信号が十分大きく得られる深さ、位置などを用いることができる。プローブ位置判定手段２９は、例えば画像メモリ２７に格納された超音波画像から特徴を抽出し、抽出した特徴と、プローブ１１が光音響画像を生成する位置にあるときの反射音響信号に基づいて生成された超音波画像の特徴とを比較する。

参照画像保存手段２８は、画像構築手段２６により、プローブ１１が光音響画像を生成すべき位置にあるときにプローブ１１で検出された反射音響信号に基づいて生成された超音波画像を、参照画像として保存する。プローブ位置判定手段２９は、例えば保存された参照画像から特徴を抽出し、参照画像から抽出した特徴と、画像構築手段２６で生成された今回の超音波画像から抽出した特徴とを比較する。これに代えて、参照画像から抽出した特徴を保存し、保存された特徴と、画像構築手段２６で生成された今回の超音波画像から抽出した特徴とを比較してもよい。光源制御手段であるレーザ制御手段３０は、プローブ位置判定手段２９で特徴が一致すると判定されると、レーザユニット１３に対して光出射を指示する旨の信号を出力する。

動作手順について説明する。ユーザは、事前に、光音響画像を生成すべき位置の登録を行う。図２は、位置登録時の動作手順を示す。ユーザは、光音響画像生成装置１０に対して、光音響画像を生成すべき位置の登録を行う旨を指示する。ユーザは、プローブ１１を、光音響画像を生成すべき位置に移動する（ステップＡ１）。プローブ１１の移動後、超音波駆動手段２３は、プローブ１１の超音波検出部２１の超音波振動子に駆動信号を与え、プローブ１１から被検体に対する超音波送信を行わせる（ステップＡ２）。超音波検出部２１は、送信された超音波に対する反射音響信号を検出する（ステップＡ３）。受信回路２４は、検出された反射音響信号をデータメモリ２５に格納する。

画像構築手段２６は、データメモリ２５から反射音響信号を読み出し、超音波画像を生成する（ステップＡ４）。参照画像保存手段２８は、ステップＡ４で生成された超音波画像を、参照画像として保存する（ステップＡ５）。光音響画像を生成したい位置が複数ある場合には、ステップＡ１からステップＡ５を繰り返し実行し、複数の位置における超音波画像を参照画像として保存すればよい。参照画像を保存することで、光音響画像生成の前段階の準備が整う。

図３は、光音響画像生成時の動作手順を示す。ユーザは、位置の登録後、プローブ１１を任意の位置に置いた状態で、光音響画像の生成を指示する。ユーザは、例えば手動スイッチや、フットスイッチなどを用いて、光音響画像生成装置１０を、光音響画像の生成が可能な状態に切り替える。あるいは、この切り替えは自動的に行われてもよい。超音波駆動手段２３は、プローブ１１を駆動し、被検体に対して超音波を送信させる（ステップＢ１）。プローブ１１の超音波検出部２１は、ステップＢ１で送信された超音波に対する反射音響信号を検出する（ステップＢ２）。受信回路２４は、検出された反射音響信号をデータメモリ２５に格納する。

画像構築手段２６は、データメモリ２５から反射音響信号を読み出し、超音波画像を生成する（ステップＢ３）。画像構築手段２６は、生成した超音波画像を画像メモリ２７に格納する。プローブ位置判定手段２９は、参照画像保存手段２８に参照画像として保存された超音波画像と、画像メモリ２７に格納された今回の超音波画像とを比較し、両画像の特徴が一致するか否かを判定する（ステップＢ４）。プローブ位置判定手段２９は、特徴が一致しないときは、プローブ１１が、光音響画像を生成すべき位置として登録された位置、又はその位置と同じ特徴を持つ位置に配置されていないと判断する。この場合はステップＢ１に戻る。光音響画像生成装置１０は、ステップＢ４で特徴が一致すると判定されるまで、ステップＢ１からステップＢ４を繰り返し実行する。

ステップＢ４で特徴が一致すると判定されると、プローブ１１が、光音響画像を生成すべき位置として登録された位置、又はその位置と同じ特徴を持つ位置に配置されていると判断される。その場合、レーザ制御手段３０は、レーザユニット１３に対してレーザ光出射を指示する旨の信号を出力する（ステップＢ５）。レーザユニット１３は、レーザ制御手段３０からの信号を受けてレーザ光を出射する。レーザユニット１３から出射したレーザ光は、プローブ１１の光照射部２２から被検体に向けて照射される（ステップＢ６）。超音波検出部２１は、レーザ光照射により被検体内で生じた光音響信号を検出する（ステップＢ７）。受信回路２４は、検出された光音響信号をデータメモリ２５に格納する。画像構築手段２６は、データメモリ２５から光音響信号を読み出し、光音響画像を生成する（ステップＢ８）。生成された光音響画像は、例えば図示しない画像表示手段などに表示される。

本実施形態では、事前に光音響像を生成したい位置において超音波の送受信を行い、その位置における超音波画像を参照画像として保存しておく。光音響画像の生成では、レーザ光照射に先立って、被検体に対して超音波の送受信を行い、生成された超音波画像と参照画像として保存された超音波画像とを比較する。超音波ユニット１２は、両者の特徴が一致するとき、レーザユニット１３に対してレーザ光の出射を指示する。本実施形態では、超音波画像に基づいて、プローブ１１が事前に登録された位置、又は同様な特徴を持つ位置にあるか否かを判定する。プローブ１１が事前に登録された位置、又は同様な特徴を持つ位置にあることを確認した後に、被検体に対してレーザ光が照射されるようにしている。このようにすることで、所望の位置でレーザ光照射及び光音響信号の検出を行って光音響画像を生成することができ、光音響画像を生成したい部分とは異なる位置に無駄にレーザ光が照射され、光音響画像が生成されることを防止することができる。

続いて、本発明の第２実施形態を説明する。図４は、本発明の第２実施形態の光音響画像生成装置を示す。本実施形態における光音響画像生成装置１０ａと、図１に示す第１実施形態における光音響画像生成装置１０との相違点は、超音波ユニット１２ａが、接触状態判定手段３１と、光照射抑止手段３２とを更に有する点である。その他の部分は、第１実施形態と同様でよい。なお、図４では、接触状態判定手段３１及び光照射抑止手段３２を超音波ユニット１２ａ内に配置しているが、これらのうちの何れか一方又は双方を、プローブ１１内に配置することも可能である。

接触状態判定手段３１は、プローブ１１が被検体に接触しているか否かを判定する。接触状態判定手段３１には、例えばプローブ１１が被検体に接触していることを検出する圧力センサなどの手段を用いることができる。この場合、接触状態判定手段３１は、検出された圧力に応じて、被検体への接触状態を判定すればよい。物理的なセンサを用いるのに代えて、接触状態判定手段３１が、画像構築手段２６で生成された超音波画像に基づいて接触状態を判定してもよい。例えば、接触状態判定手段３１は、超音波画像が、プローブ１１が被検体に接触していないときに典型的に現れる画像パターンを示すとき、具体的には超音波画像に、超音波振動子の近傍に素子に平行な高輝度なラインが含まれているとき、プローブ１１が被検体に接触していないと判定する。

接触状態判定手段３１は、プローブ１１が被検体から離れると、その旨を示す信号を光照射抑止手段３２に出力する。光照射抑止手段３２は、接触状態判定手段３１でプローブ１１が被検体に接触していないと判定されると、被検体に対するレーザ光の照射を抑止する。例えば、光照射抑止手段３２は、レーザ制御手段３０に対してレーザ抑止信号を出力する。レーザ制御手段３０は、レーザ抑止信号を受け取ったときは、レーザユニット１３に対してレーザ光出射を指示する旨の信号を出力しない。これにより、被検体に対するレーザ光照射を抑止できる。レーザユニット１３へのレーザ出射指示を抑制するのに代えて、レーザユニット１３を出射したレーザ光が被検体に照射されるまでの光路中に、出射したレーザ光を遮断する手段を設けることで、被検体に対するレーザ光の照射を抑止してもよい。

本実施形態では、プローブ１１が被検体から離れたときは光照射抑止手段３２が被検体に対するレーザ光照射を抑止する。このようにすることで、レーザ光が空間に出射して人間の眼などに入射する事態を避けることができ、眼に対する安全性を向上できる。その他の効果は、第１実施形態と同様である。

なお、図３における超音波の送信から超音波画像の特徴比較まで（ステップＢ１〜Ｂ４）は、必ずしも毎回行う必要はない。例えば繰り返し光音響画像の生成を行うような場合に、最初の１回目だけ超音波の送受信から超音波画像の特徴の比較までを行った上で光音響画像の生成を行い、その後の光音響画像の生成では、ステップＢ１からステップＢ４を省略してもよい。あるいは、複数回の１回の割合で、ステップＢ１からステップＢ４を実行し、間欠的にプローブ１１の位置を確認するようにしてもよい。

ここで、本発明の光音響画像生成装置において、前記プローブ１１に代えて用いられ得るプローブ（超音波探触子）の例について詳しく説明する。まず、図５および図６に示すプローブについて説明する。このプローブにおいては、バッキング材１の表面上に複数の無機圧電素子２が所定のピッチＰで配列形成されている。超音波振動子となるこれらの無機圧電素子２は、互いに分離された複数の無機圧電体５１を有し、それぞれの無機圧電体５１の一方の面に信号電極層５２が接合され、他方の面に接地電極層５３が接合されている。すなわち、それぞれの無機圧電素子２は、専用の無機圧電体５１と信号電極層５２と接地電極層５３から形成されている。

このような複数の無機圧電素子２の上に、第１の音響整合層３が接合されている。第１の音響整合層３は、複数の断片に分断され、複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで配列されている。

この第１の音響整合層３の上に第２の音響整合層４が接合されている。第２の音響整合層４は、上側有機層４１と下側有機層４２の２層を有する。

下側有機層４２は、複数の断片に分断され、複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで第１の音響整合層３の上に配列されている。一方、上側有機層４１は、複数の断片に分断されることなく、下側有機層４２の全体にわたって延在している。上側有機層４１の厚さと下側有機層４２の厚さの和は、複数の無機圧電素子２から送信される超音波の基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さに形成され、上側有機層４１と下側有機層４２を併せて複数の無機圧電素子２から送信される超音波の音響整合を行う。

さらに、上側有機層４１は、複数の有機圧電素子５の一部を構成する。すなわち、上側有機層４１には、表面上にわたって延在する接地電極層４３が接合されると共に、下側有機層４２に対向する裏面上に複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで互いに分離された複数の信号電極層４４が接合され、これにより上側有機層４が複数の有機圧電素子５の有機圧電体として機能する。このように配列形成されたそれぞれの有機圧電素子５は、専用の信号電極層４４、複数の有機圧電素子５に共通の上側有機層４１、および接地電極層４３から構成される。このため、複数の有機圧電素子５の配列ピッチは、上側有機層４１の裏面上に接合された複数の信号電極層４４の配列ピッチのみにより決定され、複数の有機圧電素子５は複数の無機圧電素子２と同じピッチＰで配列されることとなる。

また、複数の無機圧電素子２、第１の音響整合層３、第２の音響整合層４の下側有機層４２および信号電極層４４の各層において同じピッチＰで分離された複数の断片は、それぞれの層の間で位置を合わせて積層方向に整列し、それぞれの列の間には充填剤６が充填されている。すなわち、充填剤６は、同じピッチＰで繰り返し充填されており、それぞれ信号電極層４４の表面上からバッキング材１の表面上まで各層を貫通するように充填されている。さらに、複数の有機圧電素子５の上には、保護層７を介して音響レンズ８が接合されている。

無機圧電素子２の無機圧電体５１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：登録商標）に代表される圧電セラミックまたはマグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）に代表される圧電単結晶から形成されている。一方、有機圧電素子５の上側有機層４１は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））等の高分子圧電素子から形成されている。

バッキング材１は、複数の無機圧電素子２を支持すると共に、後方へ放出された超音波を吸収するもので、フェライトゴム等のゴム材から形成することができる。

第１の音響整合層３は、複数の無機圧電素子２から発せられた超音波を効率よく被検体内に入射させるためのもので、無機圧電素子２の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスの中間的な値の音響インピーダンスを有する材料から形成される。

第２の音響整合層４は、複数の無機圧電素子２からの超音波ビームを効率よく被検体内に入射させるためのもので、下側有機層４２は、上側有機層４１と同様に、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））等の高分子圧電素子から形成することができる。なお、上側有機層４１と下側有機層４２は、互いに同じまたは近い音響インピーダンスを有する材料で形成されるのが好ましく、例えば互いの音響インピーダンスが±１０％の範囲内のものであれば超音波の音響整合に影響を与えずに第２の音響整合層４を構成することができる。

充填剤６は、隣り合う断片の位置および姿勢を固定するためのもので、例えばエポキシ樹脂などから形成される。

保護層７は、有機圧電素子５の接地電極層４３を保護するもので、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）により形成される。

音響レンズ８は、屈折を利用して超音波ビームを絞り、エレベーション方向の分解能を向上させるもので、シリコーンゴム等から形成されている。

次に、このプローブの動作について説明する。動作時には、例えば複数の無機圧電素子２が超音波の送信専用の振動子として、複数の有機圧電素子５が超音波の受信専用の振動子として使用される。

複数の無機圧電素子２の信号電極層５２と接地電極層５３との間にそれぞれパルス状または連続波の電圧を印加すると、それぞれの無機圧電素子２の無機圧電体５１が伸縮してパルス状または連続波の超音波が発生する。これらの超音波は、第１の音響整合層３、第２の音響整合層４、保護層７および音響レンズ８を介して被検体内に入射し、互いに合成され、超音波ビームを形成して被検体内を伝搬する。

被検体内を伝搬して反射された反射超音波は、音響レンズ８および保護層７を介してそれぞれの有機圧電素子５に入射する。すると、上側有機層４１が超音波の高調波成分に高感度に応答して伸縮し、信号電極層４４と接地電極層４３の間に電気信号が発生して、受信信号として出力される。

このようにして、複数の有機圧電素子５から出力された受信信号に基づいて、例えば超音波画像を生成し、それを前述した特徴比較に用いることができる。ここで、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５は、互いに同じピッチＰで配列形成されているため、超音波の送信位置と同じ配列位置で被検体からの反射超音波を受信することができ、高精度に超音波画像を生成可能となる。

なお、複数の無機圧電素子２を超音波の送受信兼用の振動子として使用することもできる。この場合、音響レンズ８および保護層７を介して有機圧電素子５で受信された反射超音波が、さらに第２の音響整合層４および第１の音響整合層３を介してそれぞれの無機圧電素子２に入射し、無機圧電体５１が主に超音波の基本波成分に応答して伸縮し、信号電極層５２と接地電極層５３の間に電気信号を発生する。

このようにして複数の無機圧電素子２から得られた基本波成分に対応する受信信号と、有機圧電素子５から得られた高調波成分に対応する受信信号とに基づいて、基本波成分と高調波成分とを複合したコンパウンド超音波画像を生成することができる。

この場合も、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５とが位置合わせして同じピッチＰで配列形成されているため、反射超音波の基本波成分と高調波成分を同じ配列位置で受信することができ、基本波成分と高調波成分を高精度に複合したコンパウンド超音波画像を生成することができる。

以上述べたプローブは、次のようにして製造することができる。

まず、図７（Ａ）に示されるように、バッキング材１の表面全域にわたって延びる無機圧電素子層９１ａを接着剤等によりバッキング材１の表面上に接合する。この無機圧電素子層９１ａは、バッキング材１の全面にわたって延びる無機圧電体層９１の両面に、全面にわたってそれぞれ導電層９２および９３が形成されたものである。

次に、図７（Ｂ）に示されるように、無機圧電素子層９１ａの全域にわたって延びる音響整合層９４を、例えば１２０℃〜１５０℃の温度で導電層９３の上に接合する。そして、図７（Ｃ）に示されるように、音響整合層９４の上に有機層９５が接合される。この有機層９５は、音響整合層９４の全面にわたって延びるだけの大きさを有し、音響整合層９４に対向する面とは反対側の表面には全面にわたって導電層９６が予め形成されている。

続いて、図７（Ｄ）に示されるように、導電層９６、有機層９５、音響整合層９４および無機圧電素子層９１ａの各層をピッチＰでダイシングすることにより、各層を複数の断片に分離する。この時、ダイシングは、導電層９６から無機圧電素子層９１ａまでの各層を完全に分断するように行われるため、分断された各層のそれぞれの断片は位置を合わせて整列される。これにより、バッキング材１の表面上には、配列ピッチＰで配列された複数の無機圧電素子２が形成され、それぞれの無機圧電素子２の上には第１の音響整合層３、下側有機層４２および信号電極層４４の各断片が位置を合わせて順次重なるように形成される。また、各層の複数の断片がピッチＰで積層方向に整列されたそれぞれの列の間には、ダイシングにより各層を積層方向に貫通した平板状の複数の溝９７が形成される。

このように、導電層９６から無機圧電素子層９１ａまでの各層をピッチＰでダイシングすることにより、各層が簡便に複数の断片に分離されると共に分離された各層のそれぞれの断片を積層方向に位置合わせすることができる。そして、複数の有機圧電素子５の信号電極層４４と、複数の無機圧電素子２の信号電極層５２および接地電極層５３とを互いに正確に位置合わせすることができる。

次に、ダイシングにより形成された複数の溝９７の内部に充填材６を充填して、図７（Ｅ）に示されるように、各層の複数の断片の位置および姿勢を固定した後、複数の信号電極層４４の上に上側有機層４１を、例えば８０℃程度の温度で圧着させる。上側有機層４１は、複数の信号電極層４４の全体にわたって延びるだけの大きさを有し、複数の信号電極層４４に対向する面とは反対側の表面には全面にわたって接地電極層４３が予め形成されている。

ここで、上側有機層４１は、複数の無機圧電素子２から送信される超音波を音響整合するための第２の音響整合層４の一部を構成しているが、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚さが、複数の無機圧電素子２から送信される基本波の中心波長λに対してλ／４共振条件を満たす値を有していればよく、上側有機層４１のみに着目すると、この共振条件に制限されることなく上側有機層４１を薄く形成して有機圧電素子５の電気容量を高めることができる。すなわち、有機圧電素子５で受信される反射超音波が受信信号に効率よく変換されるような電気容量を有する所望の厚さで上側有機層４１を形成し、この上側有機層４１の厚さに下側有機層４２の厚さを加算することにより、上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚みが上記の共振条件を満たすように形成する。これにより、第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子２に対する共振条件を満たしながら、複数の有機圧電素子５を薄く形成することができる。

ここで、上側有機層４１は、温度上昇によって徐々に結晶化度が低下するため、キュリー点よりかなり低い温度に使用上限温度がある。例えば音響整合層９４などの各層を積層する際に使用される８０℃〜１００℃の高い温度を与えると容易に脱分極されてしまうが、上側有機層４１は保護層７および音響レンズ８を除くその他の層が積層された後に積層される。このため、上側有機層４１は、その他の層を積層する際または充填剤６が溝９７に充填される際の高い温度に曝されることがなく、脱分極するのを抑制することができる。

さらに、上側有機層４１の下側に積層された各層、すなわち信号電極層５２、無機圧電体５１、接地電極層５３、第１の音響整合層３、下側有機層４２および信号電極層４４を順次接着するまでの間は、上側有機層４１が存在しないため、これらの層を互いに高温で接着して高い接着力で積層させることができる。

このようにして複数の信号電極層４４の上に上側有機層４１が積層された後、複数の有機圧電素子５の接地電極層４３の上に保護層７を介して音響レンズ８を接合することにより、図５および図６に示したプローブが完成する。

例えば、複数の無機圧電素子２から送信される超音波の周波数が７ＭＨｚ程度、第１の音響整合層３の音響インピーダンスが約８．９Ｍｒａｙｌ（ｋｇ／ｍ^２ｓ）、そして第２の音響整合層４の音響インピーダンスが約４．０Ｍｒａｙｌであるリニアプローブを作製する場合には、無機圧電体５１としてＰＺＴ（登録商標）を使用して、この厚みを１９０μｍ程度に形成し、第１の音響整合層３の厚みを８０μｍ程度に形成することができる。そして、下側有機層４２および上側有機層４１としてそれぞれＰＶＤＦを使用し、下側有機層４２の厚みを６０μｍ程度、上側有機層４１の厚みを２０μｍ程度に形成し、第２の音響整合層４全体としての厚みを８０μｍ程度とすることにより、第２の音響整合層４が複数の無機圧電素子２に対する共振条件を満たしながら、複数の有機圧電素子５を所望の厚さで形成することができる。

このように、第２の音響整合層４を上側有機層４１と下側有機層４２の２層構造とし、複数の有機圧電素子５を構成する上側有機層４１を所望の厚さで形成すると共に上側有機層４１と下側有機層４２を併せた厚みが共振条件を満たすように第２の音響整合層４を形成することにより、複数の無機圧電素子２から送信される超音波に対して優れた音響透過率を保ちながら、複数の有機圧電素子５における受信信号の変換効率を向上させることができる。

また、複数の無機圧電素子２と複数の有機圧電素子５とが互いに位置を合わせて配列されているため、高精度な超音波コンパウンド画像を生成することができる。

さらに、超音波探触子を製造する際に有機圧電素子５の有機圧電体として機能する上側有機層４１を高温に曝すことが少ないので、上側有機層４１が脱分極するのを抑制することができる。

なお、図８に示されるように、それぞれの無機圧電素子２の信号線電極層５２に無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ６０を接続し、それぞれの有機圧電素子５の信号線電極層４４に、有機圧電素子用アンプ６１および有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ６２を順次接続することができる。

ここで、複数の有機圧電素子５の電気容量は、上記のように有機圧電体の厚さを小さく設定することで高めることはできるが、それだけでは、まだ十分な強度を有する受信信号を得ることが難しく、有機圧電素子用アンプ６１により増幅する必要がある。このとき、有機圧電素子５から有機圧電素子用アンプ６１に伝送される間に受信信号が減衰するのを防ぐために、有機圧電素子用アンプ６１を有機圧電素子５の信号線電極層４４の近傍に接続または直結させるのが好ましい。

また、プローブ内にマルチプレクサを配置することにより、プローブから引き出される信号線の本数を減少させることができる。例えば、無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ６０および有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ６２の後段にマルチプレクサを配置し、無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ６０と有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ６２から引き出された２本の信号線を１本にまとめることができる。

また、表面上に導電層９６が予め形成された下側有機層９５を第１の音響整合層９４の上に積層したが、これに限るものではなく、第１の音響整合層９４の上に下側有機層９５を積層し、その後、下側有機層９５の表面上に導電層９６を形成してもよい。

同様に、表面上に接地電極層４３が予め形成された上側有機層４１を複数の信号電極層４４の上に接合したが、複数の信号電極層４２の上に上側有機層４１を接合した後、上側有機層４１の表面上に接地電極層４３を形成してもよい。

次に図９を参照して、本発明の本発明の光音響画像生成装置において用いられ得るプローブ（超音波探触子）の別の例について説明する。なおこの図９において、図５および図６中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。

図９のプローブにおいては、超音波送信用の複数の無機圧電素子２と、反射超音波受信用の複数の有機圧電素子５とが、互いに重なることなくバッキング材１の表面と平行な方向に並べて配設されている。なお本例においては、有機圧電素子５の接地電極層４３が、無機圧電素子５の接地電極層として兼用されている。また本例では、バッキング材１の上に別のバッキング材１’が雛壇状に積層されて、その上に有機圧電素子５が形成されているが、バッキング材１を雛壇状に加工しても構わない。

以上の構成においては、無機圧電素子２から発せられた超音波が有機圧電素子５の部分を経ることなく被検体に照射されることになる。このような構成のプローブを用いる場合も、複数の有機圧電素子５から出力された受信信号に基づいて、例えば超音波画像を生成し、それを前述した特徴比較に用いることができる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の光音響画像生成装置及び方法は、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及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

２：超音波送信用無機圧電素子
５：反射超音波受信用有機圧電素子
１０：光音響画像生成装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザユニット
５１：超音波検出部
２２：光照射部
２３：超音波駆動手段
２４：受信回路
２５：データメモリ
２６：画像構築手段
２７：画像メモリ
２８：参照画像保存手段
２９：プローブ位置判定手段
３０：レーザ制御手段
３１：接触状態判定手段
３２：光照射抑止手段

Claims (10)

1. 被検体に対して照射すべき光を出射する光源ユニットと、
   前記被検体に対して音響波の送信を行うと共に、前記光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号、及び前記送信された音響波に対する反射音響信号を検出するプローブと、
   前記プローブで検出された反射音響信号の特徴と、事前に取得された、前記プローブが光音響画像を生成すべき位置にあるときに前記プローブで検出された反射音響信号の特徴とを比較し、両者が一致するか否かを判定するプローブ位置判定手段と、
   前記プローブ位置判定手段で一致すると判定されると、前記光源ユニットに光出射を指示する光源制御手段と、
   前記プローブで検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成手段とを備える光音響画像生成装置。
2. 前記反射音響信号に基づいて音響波画像を生成する音響波画像生成手段を更に備え、
   前記プローブ位置判定手段が、前記音響波画像を利用して前記反射音響信号の特徴を比較するものであることを特徴とする請求項１に記載の光音響画像生成手段。
3. 前記プローブ位置判定手段が、前記生成された音響波画像から特徴を抽出し、該抽出した特徴と、前記事前に取得された反射音響信号に基づいて生成された音響波画像の特徴とを比較するものであることを特徴とする請求項２に記載の光音響画像生成装置。
4. 前記プローブが光音響画像を生成すべき位置にあるときに前記プローブで検出された反射音響信号に基づいて前記音響波画像生成手段が生成した音響波画像を参照画像として保存する参照画像保存手段を更に備え、前記プローブ位置判定手段が、前記保存された前記参照画像から特徴を抽出し、前記音響波画像の特徴を比較するものであることを特徴とする請求項３に記載の光音響画像生成装置。
5. 前記プローブが被検体に接触しているか否かを判定する接触状態判定手段と、
   前記接触状態判定手段で接触していないと判定されると、前記光の出射を抑止する光照射抑止手段とを更に備えることを特徴とする請求項１から４何れかに記載の光音響画像生成装置。
6. 前記接触状態判定手段が、前記プローブで検出された反射音響信号に基づいて、前記プローブが被検体に接触しているか否かを判定するものであることを特徴とする請求項５に記載の光音響画像生成装置。
7. 前記プローブが、
   バッキング材と、
   このバッキング材の表面上に配列された複数の無機圧電素子と、
   これら複数の無機圧電素子の上に配置された第1の音響整合層と、
   この第1の音響整合層の上に配置された第２の音響整合層とを備え、
   前記第２の音響整合層は、複数の有機圧電素子を構成する上側有機層と、前記上側有機層と併せて前記複数の無機圧電素子に対する音響整合を行うための下側有機層とからなることを特徴とする請求項１から６何れかに記載の光音響画像生成装置。
8. 前記プローブが、
   バッキング材の上に配列された複数の無機圧電素子と、
   これらの無機圧電素子と共に、バッキング材の表面と平行な方向に並べて配列された複数の有機圧電素子とからなることを特徴とする請求項１から６何れかに記載の光音響画像生成装置。
9. 前記複数の無機圧電素子が音響波の送信に用いられ、
   前記複数の有機圧電素子が反射音響信号の検出に用いられていることを特徴とする請求項７または８に記載の光音響画像生成装置。
10. プローブから、被検体に対して音響波を送信するステップと、
    前記プローブにより、前記送信された音響波に対する反射音響信号を検出するステップと、
    前記プローブで検出された反射音響信号の特徴と、事前に取得された、前記プローブが光音響画像を生成すべき位置にあるときに前記プローブで検出された反射音響信号の特徴とを比較するステップと、
    前記比較するステップで反射音響信号の特徴が一致すると判断されると、前記被検体に対して光の照射を行うステップと、
    前記プローブにより、前記光の照射により前記被検体内で生じた光音響信号を検出するステップと、
    前記検出された光音響信号に基づいて光音響画像を生成するステップとを有する光音響画像生成方法。

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