專利名稱：超聲波探頭、超聲波接收裝置及超聲波診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波探頭、超聲波接收裝置以及通過使用這樣的超聲波探頭和超聲波接收裝置來接收超聲波地進(jìn)行醫(yī)療診斷的超聲波診斷裝置。
過去，在利用超聲波獲得三維圖象的時候，獲得在深度方向的截面內(nèi)的二維圖象地合成這些圖象。該二維圖象是通過使帶位置傳感器的一維傳感器列掃描而獲得并且通過合成先后獲得的多個二維圖象而獲得了三維圖象。
不過，根據(jù)這種方法，由于在一維傳感器陣列的掃描方向上有時間滯后，所以合成圖象因合成不同時刻的截面圖象而成為不清楚的圖象。因此，象利用超聲波診斷裝置進(jìn)行超聲波回聲檢查等的場合是不適用于以生物體為對象的所拍物體的。
為了實時獲得三維圖象，必須使用不使傳感器陣列掃描就能獲得二維圖象的二維傳感器陣列，人們希望開發(fā)出這樣的傳感器陣列。
在超聲波診斷裝置中，一般作為超聲波收發(fā)元件(振動體或探頭)地使用了以PZT(鈦酸鋯酸鉛)為代表的壓電陶瓷、PVDF(高分子壓電元件)等壓電元件的一維傳感器陣列，探討采用上述PZT和PVDF來制作二維傳感器陣列的方法。而在采用上述PZT和PVDF的場合中，必須進(jìn)行元件的精密加工并為多個精密元件配線，而目前的精密化和元件集成很困難。此外，即使解決了那些問題，但元件間的串音增大，SN通過由精密配線引起的電抗上升而變差，所以存在著精密元件的電極部容易損壞的問題，因而，很難實現(xiàn)采用PZT和PVDF的二維傳感器陣列。
例如，在超聲波成像20，1-15(1998)中記載了由杜克大學(xué)的E.D.賴特等人撰寫的以“Progress in Two-Dimensional Arrays for Real-TimeVolumetric Imaging”為題的論文。在該論文中，揭示了具有PZT超聲波傳感器的二維陣列的探頭。而同時描述了以下內(nèi)容，即“為了獲得質(zhì)量相同的圖象，二維陣列的元件數(shù)必須等于128×128=16384。而制作這樣多的RF槽既復(fù)雜且成本很高，而這在不久的將來是不大可能的。此外，相當(dāng)多的元件緊密連成線是很困難的(第2頁第14-18行)”。
另一方面，利用光纖的傳感器也被用作不使用象PZT這樣的超聲波傳感器。作為這樣的光纖超聲波傳感器，知道了利用布拉格光柵(簡稱FBG)的傳感器(國防大學(xué)的TAKAHASHI撰寫的“Underwater Acoustic Sensor with Fiber BraggGrating”，《光學(xué)評論》第4卷，第六版，1997，參見691-694)以及使用法布里-珀羅特諧振器(簡稱FPR)結(jié)構(gòu)的傳感器(東工大學(xué)的UNO撰寫的“Fabrication and Performance of a Fiber Opotic Micro-Probe for MegahertzUltrasonic Field Measurements”,T.IEE,Japan，第118-E卷，第11版，參見’98)。這些傳感器都是單體傳感器并且未披露傳感器陣列的結(jié)構(gòu)。
另外，在上述TAKAHASHI撰寫的論文中，記載了獲得針對20kHz較低頻率帶的超聲波的靈敏度，而沒有記載實際超聲波診斷時所用的兆赫級頻率帶的超聲波。因此，為了使這些傳感器實用化，在進(jìn)行針對處于比記載例高的頻率帶內(nèi)的超聲波的動作確認(rèn)的同時，如果必要的話，還不得不求出在這樣的頻帶內(nèi)獲得良好靈敏度的條件。
鑒于這樣的問題而制定了本發(fā)明。本發(fā)明的第一目的是要提供一種不必給多個微細(xì)元件配線、不引起串音與電抗增大的且配備有傳感器陣列的超聲波探頭。另外，本發(fā)明的第二發(fā)明目的提供一種不使探頭掃描就能獲得三維圖象數(shù)據(jù)的超聲波接收裝置。此外，本發(fā)明的第三目的是要提供一種使用那樣的超聲波探頭和超聲波接收裝置的超聲波診斷裝置。
為解決上述問題，本發(fā)明的超聲波探頭具有包括從第一端部射入光的多個光傳送通道的光傳送通道陣列；成型于所述多個光傳送通道的第二端部上的且根據(jù)所加超聲波調(diào)制經(jīng)各光傳送通道射入的光的多個超聲波檢測元件。
此外，本發(fā)明的超聲波接收裝置具有布置成二維形狀的且根據(jù)所加超聲波調(diào)制光的多個超聲波檢測元件以及檢測來自多個超聲波檢測元件的光的光檢測器。
此外，本發(fā)明的超聲波診斷裝置包括產(chǎn)生發(fā)射超聲波信號用的驅(qū)動信號的驅(qū)動信號發(fā)生回路；根據(jù)來自所述驅(qū)動信號發(fā)生回路的驅(qū)動信號而向所拍物體發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射部；包括根據(jù)所加超聲波而調(diào)制光的多個超聲波檢測元件的超聲波檢測部；檢測來自所述超聲波檢測部的光地產(chǎn)生檢測信號的光檢測器；處理來自所述光檢測器的檢測信號的信號處理裝置；控制所述驅(qū)動信號發(fā)生回路的發(fā)射時刻及所述信號處理裝置的接收時刻的控制裝置。
根據(jù)本發(fā)明，在利用光來檢測超聲波的情況下，不必給多個微細(xì)元件進(jìn)行電氣配線并且沒有引起串音和電抗增大。因此，可以實現(xiàn)制作簡單且SN比良好的超聲波探頭和超聲波接收裝置以及使用它們的超聲波診斷裝置。
下面結(jié)合符圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明

圖1是原理性地表示本發(fā)明第一實施例的超聲波接收裝置的視2是原理性地表示本發(fā)明第二實施例的超聲波接收裝置的視3是表示本發(fā)明第二實施例的超聲波接收裝置的超聲波檢測元件的反射特性例子的視4是原理性地表示本發(fā)明第三實施例的超聲波接收裝置的局部的視5是原理性地表示本發(fā)明第四實施例的超聲波接收裝置的視6是原理性地表示本發(fā)明第五實施例的超聲波接收裝置的視7是表示圖6所示超聲波檢測部的結(jié)構(gòu)的視8是表示圖6所示分波器的結(jié)構(gòu)的視9是原理性地表示本發(fā)明第六實施例的超聲波接收裝置的視10是原理性地表示本發(fā)明第六實施例所用的ASE光源的視11是表示圖10的ASE光源所發(fā)自然光的光譜的視12是表示在本發(fā)明第六實施例所用的窄帶化濾光器的輸出光的光譜的視13是表示本發(fā)明第六實施例的超聲波檢測元件的入射光與反射特性之間關(guān)系(初期狀態(tài))的視14是表示本發(fā)明第六實施例的超聲波檢測元件的入射光與反射特性之間關(guān)系(溫度上升后)的視15是原理性地表示本發(fā)明第七實施例的超聲波接收裝置的局部的視16A-16C是表示本發(fā)明超聲波接收裝置所含超聲波探頭的結(jié)構(gòu)的視17是表示本發(fā)明超聲波接收裝置所含超聲波探頭的結(jié)構(gòu)的視18是本發(fā)明第一實施例的超聲波診斷裝置的框19是說明在尖向束狀態(tài)下收縮地發(fā)射超聲波的場合下的檢測方法的視20是說明在平面狀態(tài)下收縮地發(fā)送超聲波的場合中的檢測方法的視21是說明作為平面波地發(fā)送超聲波的場合中的檢測方法的視22是表示本發(fā)明的第二實施例的超聲波診斷裝置的框圖以下，參見圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。同一構(gòu)件用相同參考標(biāo)記表示并且省略了對其的說明。
圖1是原理性地表示本發(fā)明第一實施例的超聲波接收裝置的視圖。
該超聲波接收裝置具有用于最好具有500-1600nm單波長的單模激光器法發(fā)光的光源11。來自光源11的光射入用半透明反射鏡或環(huán)行器或偏光分光鏡等構(gòu)成的分波器12中。分波器12在使來自第一方向的入射光經(jīng)過第二方向的同時，使從第二方向返回的反射光經(jīng)過不同于第一方向的第三方向。在本實施例中，半透明反射鏡被用作分波器12。半透明反射鏡透過入射光并且將由與入射方向相對的方向返回的反射光反射向大致與入射方向成90度的方向。
來自光源11并經(jīng)過分波器12的光射入光纖陣列13中。光纖陣列13是按二維形狀地設(shè)置微細(xì)光纖13a、13b…而形成的。這些光纖最好是單模光纖。為多個光纖設(shè)置一個光源也是可行的，而設(shè)置對應(yīng)于多個光纖的多個光源也行。另外，對多個光纖來說，最好使一個光源所發(fā)出的光先后掃描地射入。
在光纖13的前端上設(shè)置了超聲波檢測元件14。超聲波檢測元件14是由分別成型于光纖13a、13b…前端上的法布里-珀羅特諧振器(簡稱FPR)14a、14b…構(gòu)成的。
在各FPR一端(圖右側(cè))上形成半透明反射鏡，在另一端上形成了全反射鏡，通過這些鏡子來反射射入超聲波檢測元件14的光。該全反射面通過加在超聲波檢測元件14上的超聲波而接收幾何學(xué)變位，從而反射光因此接收調(diào)制并接著射入分波器12中。射入分波器12的反射光在改變進(jìn)路的情況下射入了由CCD和光電二極管(PD)陣列等構(gòu)成的光檢測器16中。在這里，反射光也可以直接或通過光纖地射入光檢測器16中。在分波器12的后段上設(shè)置了透鏡等成像系15，所述反射光通過成像系15而在光檢測器16上成像。
接著，詳細(xì)說明構(gòu)成超聲波檢測元件14的法布里-珀羅特諧振器的工作。法布里-珀羅特諧振器是這樣的，即通過在單模光纖上進(jìn)行金屬蒸鍍地形成了半透明反射鏡，在其前方地設(shè)置了由聚酯樹脂等構(gòu)成的孔腔，并又在其前方地通過金屬蒸鍍等形成了全反射鏡。形成孔腔的不見通過施加超聲波而接收幾何學(xué)變位。
法布里-珀羅特諧振器上，從半透明反射鏡側(cè)射入波長為λ的檢測光并從全反射鏡側(cè)施加超聲波。設(shè)孔腔的長度為L、折射率為n，用公式(1)表示法布里-珀羅特諧振器的反射特性GRGR=(R-GS)2+4RGSsin2(2πnL/λ)(1-RGS)2+4RGSsin2(2πnL/λ)---(1)]]>在這里，R是半透明反射鏡的反射率，Gs是單道增益。根據(jù)這個公式，當(dāng)孔腔的光路長度L因超聲波聲壓變化而變化時，法布里-珀羅特諧振器的反射光強度也變化了。
在法布里-珀羅特諧振器反射特性中，發(fā)射率最大的波長與發(fā)射率最小的波長之間存在著反射率變大的傾斜區(qū)域，當(dāng)一邊使具有這個傾斜區(qū)域的波長的光射入法布里-珀羅特諧振器并一邊施加超聲波時，能夠觀測到對應(yīng)于超聲波強度的反射光的強度變化。能夠通過光強度變化的換算計算出超聲波強度。所述法布里-珀羅特諧振器具有因傳感器長度短而在傳感器軸向上的分辨能力高的特征。
接著，說明本發(fā)明的第二實施例。圖2是原理性地表示本發(fā)明第二實施例的超聲波接收裝置的視圖。
該超聲波接收裝置在圖1所示的第一實施例超聲波接收裝置的基礎(chǔ)上附加了光放大器1和光放大器2中的至少一個。光放大器1設(shè)置在光源11與分波器12之間，來自光源11的入射光經(jīng)過放大地射出到分波器12中。另一方面，光放大器2設(shè)置在分波器12與透鏡等成像系15之間，來自分波器12的入射光經(jīng)過放大地射出到成像系15中。在不使用成像系15的場合中，光放大器2設(shè)置在分波器12與光檢測器16之間，來自分波器12的入射光經(jīng)過放大地射出到光檢測器16中。
例如，涂鉺的光纖放大器EDFA被用作光放大器。該EDFA能夠使光強度從1位上升到2位。
當(dāng)這樣的光放大器設(shè)置在光源11與光纖陣列13之間時，射入超聲波檢測元件14的入射光強度增大。另外，當(dāng)光放大器設(shè)置在光纖陣列13與光檢測器16之間時，射入超聲波檢測元件14中的入射光強度不變化，而射入光檢測器15中的反射光強度增大。在這種情況下，通過所接收的超聲波而得到調(diào)制的反射光的強度變化也增大。
無論怎樣，由于通過根據(jù)光的狀態(tài)而增大強度地增加了射入光檢測器16中的反射光的光量，所以光檢測器16的電噪音的影響降低了，超聲波接收裝置的SN比能夠提高。另外，在同時使用兩者的情況下，可以實現(xiàn)進(jìn)一步的SN比的提高。
另外，根據(jù)本實施例的結(jié)構(gòu)，由于超聲波接收裝置的SN比的提高，其提高程度能夠被用于緩和超聲波檢測元件14的濾光特性的狀態(tài)。例如，如圖3所示，可以使超聲波檢測元件14的反射特性的斜率變平穩(wěn)。在這種情況下，超聲波檢測元件14的制作變?nèi)菀琢?。另外，反射特性的線形區(qū)域擴大，因而，即使入射光的波長λ0多多少少因溫度有些變動，也能正確地檢測出超聲波。
接著，說明本發(fā)明第三實施例的超聲波接收裝置。圖4是原理性地表示本發(fā)明第三實施例的超聲波接收裝置的局部的視圖。該超聲波接收裝置在第一實施例的法布里-珀羅特諧振器的基礎(chǔ)上還使用了光纖布拉格光柵(簡稱FBG)。即在第三實施例中，與圖1所示的相同地在光纖陣列13的前端上設(shè)置了具有BG結(jié)構(gòu)的超聲波檢測元件17。超聲波檢測元件16是由分別成型于光纖13a、13b…前端上的布拉格光柵部17a、17b…構(gòu)成的。
布拉格光柵部是將折射率不同的兩種材料(光傳播介質(zhì))按照滿足布拉格發(fā)射條件的間距重疊成數(shù)千層而成的，它具有比單層的法布里-珀羅特諧振器高的發(fā)射率以及陡急的波長依賴性。在圖4中畫出了具有折射率n1的材料層A與具有折射率n2的材料層B。當(dāng)設(shè)這些層的周期結(jié)構(gòu)的間距(間隔)為d且入射光波長為λ時，用公式(2)表示布拉格反射條件。不過，m是任意的整數(shù)。
2d·sinθ=mλ…(2)在這里，θ是從入射面測量的入射角，當(dāng)θ=π/2時，公式(2)變?yōu)楣?3)。
2d=mλ …(3)布拉格光柵有選擇地發(fā)射滿足布拉格反射條件的具有特定波長的光并且透過具有其它波長的光。
當(dāng)在布拉格光柵部上傳播超聲波時，布拉格光柵部變形地造成上述周期結(jié)構(gòu)的間距d改變，從而有選擇反射的光的波長λ改變了。在布拉格光柵的反射特性中，在反射率最高的(透光率最低)中心波長前后存在著反射率變化的傾斜帶，在這個傾斜帶范圍內(nèi)，使具有中心波長的檢測光射入布拉格光柵部地施加超聲波。這樣一來，能夠觀察到對應(yīng)于超聲波強度的反射光(或透射光)的強度變化。通過換算這種光強度變化，能夠測算出超聲波強度。
在這里，布拉格光柵一般可以使用靈敏度高而容易制作的民用制品。不過，象超聲波診斷這樣的場合，作為高靈敏度的探測器地就不能使用這樣的產(chǎn)品了。例如，當(dāng)使用普通市場所用的布拉格光柵時，結(jié)果，在比20kHz更高的頻帶區(qū)內(nèi)，對軸向射入的超聲波靈敏度降低了。另外，超聲波感應(yīng)部的長度(布拉格光柵部)大于用下式表示的布拉格光柵部的超聲波波長的約3/4時，所檢測的波形與實際接收的超聲波波形相比偏向低頻側(cè)，探測器的靈敏度降低，即超聲波波長=(布拉格光柵部的音速)/(超聲波頻率)。原因是，在布拉格光柵部的長度大于布拉格光柵部的超聲波波長一半時，由于在超聲波傳到布拉格光柵部的過程中在布拉格光柵部內(nèi)產(chǎn)生了伸縮相位反轉(zhuǎn)部分，這些部分的變位相互抵消。
為避免這樣的現(xiàn)象，布拉格光柵部的長度小于布拉格光柵部的超聲波波長的約3/4并最好小于一半。例如，當(dāng)在是檢測對象的且超聲波頻率為3.5MHz的布拉格光柵部材料中的音速為5500米/秒時，傳到布拉格光柵部的超聲波的波長λs是根據(jù)以下公式計算出來的λs=5500/(3.5×106)=1571.4(μm)因此，布拉格光柵部長度的上限是根據(jù)以下公式算出來的，即1571×(3/4)=1178.5(μm)
因此，如果布拉格光柵部長度小于1178.5μm，則防止了在布拉格光柵部內(nèi)的伸縮相位反轉(zhuǎn)并且能夠獲得無需超聲波檢測的靈敏度。
接著，說明本發(fā)明第四實施例的超聲波接收裝置。本實施例將具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)用作超聲波檢測元件。圖5原理性地表示本實施例的超聲波接收裝置結(jié)構(gòu)。如圖5所示，在基板55上形成多個光波導(dǎo)51a、51b…，而且分別在其芯的前端上形成了布拉格光柵部52a、52b…。來自光源11的光通過分波器12地射入各光波導(dǎo)51a、51b…中。在各光波導(dǎo)中，成型于其前端上的布拉格光柵部通過超聲波而改變了結(jié)構(gòu)，從而對光進(jìn)行調(diào)制。在各布拉格光柵部上所反射的光在分波器12中改變了進(jìn)路地射入對應(yīng)于各光波導(dǎo)51a、51b…的光檢測器16a、16b…中。這樣一來，在光檢測器16a、16b…中檢測出光強度變化，從而能夠測定出在對應(yīng)光波導(dǎo)上傳播的超聲波的強度。而在本實施例中，與第三實施例的場合一樣地，成型于光波導(dǎo)中的布拉格光柵部的長度也最好小于傳給布拉格光柵部的超聲波的波長的3/4。
接著，參見圖6-圖8來說明本發(fā)明的第五實施例。該實施例將具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)53用作超聲波檢測元件。圖6是原理性地表示本發(fā)明第五實施例的超聲波接收裝置的視圖，圖7是表示圖6所示超聲波檢測部的結(jié)構(gòu)的視圖，圖8是表示圖6所示分波器41的結(jié)構(gòu)的視圖。
如圖6所示，該超聲波接收裝置具有光源8、光波導(dǎo)環(huán)形器113、包括具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)的超聲波檢測部50、對由超聲波檢測部50射入的檢測光進(jìn)行分波的分波器41、檢測所分光的強度的光檢測器16a、16b…、相互連接這些裝置(元件)的光纖56、57、58、59a、59b…。在本實施例中，產(chǎn)生寬頻帶光的寬頻帶光源8被用作光源，而對應(yīng)于其入射方向地切換光前進(jìn)方向的光波導(dǎo)環(huán)行器113被用作分波器。
在圖6中，光源8射出的光通過光纖57射入光波導(dǎo)環(huán)形器113并又通過光纖56射入超聲波檢測器50。
在這里，參見圖7，超聲波檢測器50包括成型于基板55上的、波導(dǎo)長度不同的且成倒L形的多個光波導(dǎo)53a、53b…。這些光波導(dǎo)53a、53b…被配置成其各自截面成一列。另外，在各光波導(dǎo)53a、53b…的前端上形成了布拉格光柵52a、52b…。
在本實施例中，構(gòu)成各布拉格光柵的各層的周期結(jié)構(gòu)的間距是根據(jù)公式(3)而如此決定的，即反射波長特性相對特定波長而言增大。就是說，構(gòu)成布拉格光柵52a的各層的周期結(jié)構(gòu)的間距d按照公式(3)是如此決定的，即布拉格波長為λ1。而構(gòu)成布拉格光柵52b的各層的周期結(jié)構(gòu)的間距d按照公式(3)是如此決定的，即布拉格波長為λ2(λ1不等于λ2)。其余的布拉格光柵52c、52d…也是一樣的。因此，布拉格光柵52a、52b…的反射波長特性彼此不同。多個布拉格光柵52a、52b…在施加超聲波時在超聲波聲壓方向上伸縮。由此一來，構(gòu)成各布拉格光柵52a、52b…的各層的周期結(jié)構(gòu)的間距d改變了，各布拉格波長改變了。因此，在接收超聲波時射入各布拉格光柵52a、52b…中的光根據(jù)所加超聲波而受到調(diào)制。在本實施例中，與第三實施例的場合一樣地，成型于各光波導(dǎo)的前端上的布拉格光柵部的長度最好小于傳給光波導(dǎo)的超聲波的波長的3/4。
光波導(dǎo)52a的末端部與光纖56相連。另外，在光波導(dǎo)53a的末端與光波導(dǎo)53b的末端之間形成了間隙54a。所述間隙54a起到了分光鏡的作用。同樣地，在光波導(dǎo)53b的末端與光波導(dǎo)53c的末端之間，形成了起分光鏡作用的間隙54b。在其余光波導(dǎo)53c、53d…中，情況也是如此。在本實施例中，通過這樣連接多個光波導(dǎo)53a、53b…，實現(xiàn)了平坦光波回路(PLC)。
在這里，說明圖7所示的超聲波檢測部50的工作。含有多個波長成分(λ1、λ2…λN)的光LMUL被送往超聲波檢測部50并且通過經(jīng)過多個間隙54a、54b…而進(jìn)行分波處理。射入光波導(dǎo)53a的光L1(波長λ1)通過布拉格光柵52a而被反射向光波導(dǎo)53a并且根據(jù)施加在布拉格光柵52a上的超聲波而被調(diào)制成光L1’。而射入光波導(dǎo)53b的光L2(波長λ2)通過布拉格光柵52b而向著光波導(dǎo)53b反射并且根據(jù)施加在布拉格光柵52b上的超聲波而被調(diào)制成光L2’。至于光LMUL所含的其余光L3(波長λ3)、L4(波長λ4)…，情況也是這樣。各布拉格光柵52a、52b…的出射光L1’、L2’…在對應(yīng)間隙54a、54b…中依次耦合并且射入光纖56中。
接著，參見圖6，射入光纖56的光通過光波導(dǎo)環(huán)形器113而改變了行進(jìn)方向并通過光纖58而射入分波器41中。分波器41將來自光纖58的入射光LMUL’分成除預(yù)定波長成分外的多個光L1’、L2’…。在分波器41中，與所檢測的波長帶不同的多個光檢測器16a、16b…通過對應(yīng)的光纖59a、59b…相連。這些光檢測器16a、16b…通過檢測來自對應(yīng)的光纖59a、59b…的入射光L1’、L2’…而能夠檢測出施加在超聲波檢測部50所含的各布拉格光柵52a、52b…上的超聲波的強度。
在這里參見圖8，在本實施例中，將具有是平坦光波回路中一種的陣列波長光柵(AWG:Arrayed-Wavelength Grating)的分波回路用作分波器12。該分波回路是通過用具有一定波導(dǎo)差的多個陣列波導(dǎo)75a、75b…使與一個與輸入波導(dǎo)相連的輸入側(cè)平波導(dǎo)72和與多個輸出波導(dǎo)73a、73b…相連的輸出側(cè)平波導(dǎo)74之間相連地構(gòu)成的。
輸入側(cè)平波導(dǎo)72成以輸入波導(dǎo)71的端部為曲率中心的扇形，輸出側(cè)平波導(dǎo)74成以多個輸出波導(dǎo)73a、73b…的端部為中心的扇形。多個陣列波導(dǎo)75a、75b…如此設(shè)置成放射狀，即各自的光軸經(jīng)過了輸入側(cè)平波導(dǎo)72及輸出側(cè)平波導(dǎo)74雙方的曲率中心。由此一來，輸入側(cè)平波導(dǎo)72及輸出側(cè)平波導(dǎo)74實現(xiàn)了與透鏡相同的動作。
當(dāng)包含多個波長成分(λ1、λ2…λN)的光LMUL’射入輸入波導(dǎo)71中時，它們在輸入側(cè)平波導(dǎo)72中因衍射而擴寬并且同相位地勵振多個陣列波導(dǎo)75a、75b…。各勵振光在經(jīng)過對應(yīng)的陣列波導(dǎo)75a、75b…時被賦予了對應(yīng)于波導(dǎo)長度差的相位差并到達(dá)輸出側(cè)平波導(dǎo)74。射入輸出側(cè)平波導(dǎo)74中的多個光通過透鏡作用而彼此干涉耦合并且聚集在設(shè)置多個輸出側(cè)波導(dǎo)73a、73b…那側(cè)的一點上，并且在同相條件成立的方向上衍射。通過轉(zhuǎn)換圖8所示的分波回路的輸入側(cè)與輸出側(cè)，它能被用作光波耦合器。
盡管寬頻帶光源在本實施例中被用作光源，但除此之外也可以使用波長不同的多個激光振蕩器，也可以使用射出的激光經(jīng)過耦合而多重化的光。在這種情況下，能夠?qū)D8所示的分波器用做光波耦合器。
接著，說明本發(fā)明第六實施例的超聲波接收裝置。圖9是原理性地表示本實施例的超聲波接收裝置的視圖。本實施例的超聲波接收裝置改變了第一實施例-第五實施例的光源，它通過窄帶化濾光器而使來自寬頻帶光源的光變窄。在本實施例中，說明適用于本發(fā)明第三實施例的超聲波接收裝置的例子。
作為寬頻帶光源地例如使用了發(fā)射出經(jīng)過放大的自然光的ASE(放大自發(fā)射)光源9。ASE光源9能夠產(chǎn)生經(jīng)過放大的自然光地改變了寬頻帶光放大器的結(jié)構(gòu)。至于寬頻帶放大器的細(xì)節(jié)，例如參見大越春喜氏的“寬頻帶光放大器”(電子情報通信學(xué)會記錄第82卷，第7號，P718-724,1999.7)。
如圖10所示，ASE光源9包括光放大用的光纖94。光纖94的一個端部上安裝了透鏡91，在另一端部上形成了激勵光反射用FBG92。在透鏡91的圖左側(cè)上，作為激勵光源地安裝了激光振蕩器93。在激光振蕩器93中產(chǎn)生的光通過透鏡91而射入光纖94中地被放大，經(jīng)過放大的光的一部分作為自然光地透過FBG92。ASE光源9所發(fā)出的自然光如圖11所示地具有寬光譜。而代替ASE光源9地，也可以將寬頻帶光纖光源用作寬頻帶光源。
再參見圖9，ASE光源9所發(fā)出的光射入用半透明反射鏡、環(huán)行器或偏光分波器等構(gòu)成的分波器10中。分波器10在使來自第一方向的入射光通過第二方向的同時，它還使由第二方向返回的反射光通過不同于第一方向的第三方向。在本實施例中，半透明反射鏡被用作分波器10。
ASE光源9所發(fā)出的且經(jīng)過分波器10的光射入光纖陣列20中。光纖陣列20是按二維形狀設(shè)置微細(xì)光纖而形成的。為多個光纖設(shè)置一個光源也是可行的，設(shè)置對應(yīng)于多個光纖的多個光源也行。另外，對多個光纖來說，最好使一個光源所發(fā)出的光先后掃描地射入。
在光纖陣列20的前端上，設(shè)置了由FBG構(gòu)成的窄帶化濾光器19。射入光纖陣列20中的光通過窄帶化濾光器19被反射并且又射入分波器10中。來自ASE光源9的自然光通過經(jīng)過窄帶化濾光器19而成為圖12所示的光譜并且以波長λ0為中心地被窄帶化。
由窄帶化濾光器19反射的光又射入分波器10中。射入分波器10的光改變了進(jìn)路地射入分波器12中，通過分波器12的光射入光纖陣列13中。在光纖陣列13的前端上設(shè)置了超聲波檢測元件17。超聲波檢測元件17由分別成型于多個光纖前端上的FBG構(gòu)成。射入光纖陣列13的光通過超聲波檢測元件17被反射。所述FBG通過加在超聲波檢測元件17上的超聲波而接收幾何學(xué)變位，反射光因此而接收調(diào)制并又射入分波器12中。
射入分波器12的反射光改變進(jìn)路地射入光檢測器16中。反射光也可以直接或通過光纖等地射入光檢測器16中，在分波器12的后段上設(shè)置了透鏡等的成像系15，反射光可以通過成像系15而在光檢測器16中成像。另外，也可以與第二實施例一樣地設(shè)置配置在分波器12與透鏡等的光檢測器16(或成像系15)之間的且放大來自分波器12的光地使其射出到光檢測器16(或成像系15)的光放大器。
在這里，F(xiàn)BG隨溫度變化而按照0.01nm/℃比例改變反射光的中心波長。因此，當(dāng)采用產(chǎn)生單波長激光的光源時，存在著由FBG構(gòu)成的超聲波檢測元件17的靈敏度隨溫度變化而變化很大的問題。
不過，在本實施例中，來自ASE光源9的自然光通過窄帶化濾光器19被縮窄，從而在確保了接近單波長激光的頻帶的同時，還降低了因溫度變化引起的超聲波接收裝置靈敏度的變化。
即，在本實施例中，窄帶化濾光器19與超聲波檢測元件17是用相同材料制成的并實現(xiàn)了窄帶化濾光器19與超聲波檢測元件17之間的熱耦合。這種熱耦合例如是用導(dǎo)熱率高的材料結(jié)合窄帶化濾光器19與超聲波檢測元件17并且使窄帶化濾光器19與超聲波檢測元件17在物理特性方面彼此接近而實現(xiàn)的?；蛘?，在窄帶化濾光器19與超聲波檢測元件17之間的周圍配置了加熱管，從而能夠?qū)崿F(xiàn)熱耦合。在使用加熱管的情況下，對流傳熱的流體被封入加熱管中。
由此一來，窄帶化濾光器19的FBG與超聲波檢測元件17的FBG幾乎處于同一溫度下，即使超聲波檢測元件17的反射特性因溫度而變化，射入超聲波檢測元件17的光的波長也同樣變化，從而能夠降低超聲波接收裝置的靈敏度變化。
例如，在初期狀態(tài)下，如圖13所示，窄帶化濾光器19的輸出光即射入超聲波檢測元件的入射光的中心波長為λ0。超聲波檢測元件17的反射特性處于適于檢測中心波長λ0的波長變化的狀態(tài)(中心波長λ1)。隨著時間推移，超聲波檢測元件17的溫度上升，即使超聲波檢測元件17的反射特性如圖14所示地轉(zhuǎn)變到中心波長λ1’的狀態(tài)，入射光的中心波長也變?yōu)棣?’，從而能夠保持最適于檢測入射光波長變化的狀態(tài)。在這里，超聲波檢測元件17的中心波長變化量(λ1’-λ1)約等于窄帶化濾光器19的輸出光的波長變化量(λ0’-λ0)。
接著，說明本發(fā)明第七實施例的超聲波接收裝置。圖15是原理性地表示第七實施例的超聲波接收裝置局部的視圖。圖15所示的超聲波檢測元件18同時包括第一實施例的法布里-珀羅特諧振器(FPR)14和第三實施例的光纖布拉格光柵(FBG)17。即，在光纖13的前端上形成了FBG17，而在其前端形成了FPR14。由此一來，通過FBG17反射的光能夠通過FPR14被反射。在本實施例中，與第一實施例不同地，它也適用于采用多波長或?qū)掝l帶激光的情況。
參見圖16A-16C、17來說明在上述幾個實施例中的描述的超聲波接收裝置所包括的超聲波探頭的結(jié)構(gòu)。如圖16A所示，在外殼21中容放著設(shè)有超聲波檢測元件14、17或18的光纖陣列13。為抑制旁瓣，最好將超聲波檢測元件14、17或18之間的間隔減少到所接收超聲波的波長的一半以下。另外，超聲波檢測元件14、17或18的排列如圖16B所示地位于連續(xù)正方形的頂點位置上，或者為提高超聲波檢測元件密度，如圖16C所示地隔行或隔列地交錯分布。
在超聲波檢測元件14、17或18與外殼21之間，最好為整合音阻設(shè)置聲象整合層22。聲象整合層22能夠通過易于傳播超聲波的硼硅酸耐熱玻璃和含金屬粉的環(huán)氧樹脂等構(gòu)成。此外，在外殼21的表面上，最好兼負(fù)起保護(hù)超聲波檢測元件與超聲波發(fā)射元件作用地設(shè)置了硅膠等聲象透鏡材料23。另外，最好用吸音材料24填充相鄰光纖以降低超聲波串音。含金屬粉的環(huán)氧樹脂、帶鐵粉的膠等適用作吸音材料24。除了設(shè)置超聲波檢測元件的那部分附近以外，光纖陣列13通過樹脂25被固定住。
如圖17所示，為了將包括具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)的超聲波檢測元件布置成二維形狀，最好并排固定形成該光波導(dǎo)的多個基板55。此時，也可以通過吸音材料24等來布置各基板。
接著，參見圖18來說明本發(fā)明第一實施例的超聲波診斷裝置。在該超聲波診斷裝置中，將上述超聲波接收裝置用作超聲波檢測部(探頭)并且通過其它方式設(shè)置了超聲波發(fā)射部。
如圖18所示，該超聲波診斷裝置包括驅(qū)動信號發(fā)生回路30、根據(jù)該驅(qū)動信號發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射部40。超聲波發(fā)射部40根據(jù)由驅(qū)動信號發(fā)生回路30發(fā)出的驅(qū)動信號來發(fā)射超聲波。超聲波發(fā)射部40是由采用PZT和PVDF等的壓電元件的振動體或探頭(一維陣列)構(gòu)成的。向診斷對象發(fā)出的超聲波被診斷對象反射回來地被超聲波檢測部(探測器)50接收到。探測器50包括光纖陣列及超聲波檢測元件等。
另外，該超聲波診斷裝置包括上述光源11、分波器12、成像系15、光檢測器16。來自光檢測器16的檢測信號被輸入到信號處理器所包括的信號處理部61中并接著在A/D轉(zhuǎn)換器62中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
一次存儲部80與A/D轉(zhuǎn)換器62相連，所獲得的多個平面數(shù)據(jù)被存儲在一次存儲部80中。根據(jù)那些數(shù)據(jù)，圖象處理部90重新構(gòu)成了二維數(shù)據(jù)或三維數(shù)據(jù)。重新構(gòu)成的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補、響應(yīng)調(diào)制處理、音頻處理等處理并且在圖象顯示部100中顯示出來。接著，在二次存儲器110中存儲在圖象處理部90中經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)。
時刻控制部70如此控制信號處理部61，即通過在預(yù)定時刻產(chǎn)生驅(qū)動信號地控制驅(qū)動信號發(fā)生回路30的同時，從發(fā)射時刻起經(jīng)過預(yù)定時間后輸入來自光檢測器16的檢測信號。在這里，至于驅(qū)動信號發(fā)生回路30及超聲波發(fā)射部40的超聲波發(fā)射方法，考慮了以下三種類型。與之對應(yīng)地，信號處理部61的數(shù)據(jù)獲取時刻與數(shù)據(jù)內(nèi)容也改變了。
(1)在尖向束狀態(tài)下收縮地發(fā)射超聲波的場合如圖19所示，通過超聲波發(fā)射部40在空間成尖向束形狀地使發(fā)射波收縮并且在所拍物體所在平面內(nèi)成二維形狀地進(jìn)行掃描，在發(fā)射超聲波后經(jīng)過一定時間后，將檢測信號輸入探測器50中，從而能夠獲得該平面各點的數(shù)據(jù)。如果這個動作是在從探測器50起有一定深度的截面內(nèi)進(jìn)行的，則能夠獲得一定深度的截面數(shù)據(jù)。如果在各尖向束位置上改變獲取時刻地反復(fù)進(jìn)行這個過程，則能夠獲得不同深度的多個截面圖象。這樣獲得的抽樣數(shù)據(jù)是在收發(fā)超聲波時焦點適合的數(shù)據(jù)，它成為仍舊作為三維數(shù)據(jù)顯示的數(shù)據(jù)。
(2)收縮成平面狀地發(fā)射超聲波的場合如圖20所示，來自超聲波發(fā)射部40的超聲波通過聲象透鏡材料地被收縮成平面狀，如果在發(fā)射超聲波后經(jīng)過一段時間地將檢測信號輸入探測器50中，則能夠掌握某個深度的一維的線數(shù)據(jù)。不過，在各點數(shù)據(jù)中，在施加超聲波區(qū)域以外的點的數(shù)據(jù)也混在其中，根據(jù)獲取時刻錯開的檢測信號進(jìn)行波面合成(所謂的孔徑合成)，必須通過重新構(gòu)成焦點適合的數(shù)據(jù)來獲得顯示圖象。
(3)成平面波形式地發(fā)射超聲波的場合如圖21所示，通過超聲波發(fā)射部40而作為平面波地發(fā)射超聲波，如果在發(fā)射超聲波后經(jīng)過一段時間地將檢測信號輸入探測器50中，則能夠掌握某個深度的一維的線數(shù)據(jù)。如果改變獲取時間地反復(fù)進(jìn)行這個過程，則能夠獲得深度不同的多個截面圖象。但是，在各點數(shù)據(jù)中，為施加超聲波的區(qū)域的點的數(shù)據(jù)也混入其中，所以在獲取時刻錯開的檢測信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行波面合成(所謂的孔徑合成)，必須通過重新構(gòu)成焦點適合的數(shù)據(jù)來獲得顯示圖象。
接著，參見圖22來說明本發(fā)明第二實施例的超聲波診斷裝置。在本實施例中，由上述超聲波接收裝置構(gòu)成的超聲波檢測部與超聲波發(fā)射部40組合地被用作超聲波收發(fā)部120。其它方面與第一實施例的超聲波診斷裝置一樣。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在超聲波的一維或二維檢測中使用光的情況下，不必對多個微細(xì)元件進(jìn)行電氣配線的，不引起串音與電抗增大。因此，可以實現(xiàn)制作容易且SN比良好的超聲波探頭和超聲波接收裝置及使用它們的超聲波診斷裝置。
權(quán)利要求
1．一種超聲波探頭，它具有包括從第一端部射入光的多個光傳送通道的光傳送通道陣列；成型于所述多個光傳送通道的第二端部上的且根據(jù)所加超聲波調(diào)制經(jīng)各光傳送通道射入的光的多個超聲波檢測元件。
2．如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述光傳送通道陣列包括具有多個光纖的光纖陣列。
3．如權(quán)利要求2所述的超聲波探頭，其特征在于，所述光纖是單模光纖。
4．如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述光傳送通道包括成型于基板上的多個光波導(dǎo)。
5．如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述多個超聲波檢測元件分別具有法布里-珀羅特諧振器結(jié)構(gòu)。
6．如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述多個超聲波檢測元件分別具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)。
7．如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述多個超聲波檢測元件分別都具有法布里-珀羅特諧振器結(jié)構(gòu)和布拉格光柵結(jié)構(gòu)。
8．如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述超聲波檢測元件所含的超聲波感應(yīng)部的長度小于傳給該超聲波感應(yīng)部的超聲波波長的3/4。
9．如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，它還具有聲象整合層、聲象透鏡材料和吸音材料中的至少一種。
10．一種超聲波接收裝置，它包括成二維狀設(shè)置的且根據(jù)所加超聲波調(diào)制光的多個超聲波檢測元件；檢測來自上述多個超聲波檢測元件的光的光檢測器。
11．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述超聲波接收裝置還具有包括光入射的第一端部、形成所述超聲波檢測元件的第二端部的多個光纖的光纖陣列。
12．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述超聲波接收裝置成型于基板上并且還具有包括光入射的第一端部和形成超聲波檢測元件的第二端部的多個光波導(dǎo)。
13．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，它包括光源發(fā)出的光放大地射入其中的光放大器。
14．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，它具有將來自所述多個超聲波檢測元件的光經(jīng)過放大而射入所述光檢測器中的光放大器。
15．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，它具有產(chǎn)生波長為500-1600nm的單模激光的光源。
16．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述多個超聲波檢測元件分別具有法布里-珀羅特諧振器結(jié)構(gòu)。
17．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述多個超聲波接收裝置分別具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)。
18．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，它具有寬頻帶光源、將來自所述寬頻帶光源的光縮窄的窄頻帶化濾光器。
19．如權(quán)利要求18所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述寬頻帶光源是發(fā)出經(jīng)放大的自然光的ASE(放大自發(fā)射)光源。
20．如權(quán)利要求19所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述窄頻帶化濾光器具有用與所述多個超聲波檢測元件的布拉格光柵結(jié)構(gòu)相同的材料構(gòu)成的布拉格光柵，所述窄帶化濾光器的布拉格光柵結(jié)構(gòu)與所述多個超聲波檢測元件的布拉格光柵結(jié)構(gòu)熱耦合在一起。
21．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述多個超聲波檢測裝置分別都具有法布里-珀羅特諧振器結(jié)構(gòu)和布拉格光柵結(jié)構(gòu)。
22．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，所述光檢測器包括CCD或多個光電二極管。
23．如權(quán)利要求10所述的超聲波接收裝置，其特征在于，它還包括聲象整合層、聲象透鏡材料和吸音材料中的至少一種。
24．一種超聲波診斷裝置，它包括產(chǎn)生發(fā)射超聲波信號用的驅(qū)動信號的驅(qū)動信號發(fā)生回路；根據(jù)來自所述驅(qū)動信號發(fā)生回路的驅(qū)動信號而向所拍物體發(fā)射超聲波的超聲波發(fā)射部；包括根據(jù)所加超聲波而調(diào)制光的多個超聲波檢測元件的超聲波檢測部；檢測來自所述超聲波檢測部的光地產(chǎn)生檢測信號的光檢測器；處理來自所述光檢測器的檢測信號的信號處理裝置；控制所述驅(qū)動信號發(fā)生回路的發(fā)射時刻及所述信號處理裝置的接收時刻的控制裝置。
25．如權(quán)利要求24所述的超聲波診斷裝置，其特征在于，所述超聲波檢測部具有包括從第一端部射入光的多個光傳送通道的光傳送陣列和成型與所述多個光傳送通道的第二端部上的多個超聲波檢測元件，所述超聲波檢測部根據(jù)所拍物體所反射的超聲波來調(diào)治經(jīng)各自的光傳送通道射入的光。
26．如權(quán)利要求24所述的超聲波診斷裝置，其特征在于，所述超聲波檢測部具有布置成二維形狀的多個超聲波檢測元件并且它根據(jù)所拍物體所反射的超聲波來調(diào)制光。
27．如權(quán)利要求24所述的超聲波診斷裝置，其特征在于，它包括將來自光源的光經(jīng)過放大地射入所述多個超聲波檢測元件中的光放大器。
28．如權(quán)利要求24所述的超聲波診斷裝置，其特征在于，它具有將來自所述多個超聲波檢測元件的光經(jīng)過放大地射入所述光檢測器中的光放大器。
29．如權(quán)利要求24所述的超聲波診斷裝置，其特征在于，所述多個超聲波檢測元件分別具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)，所述超聲波診斷裝置還具有發(fā)射出經(jīng)過放大的自然光的ASE(放大自發(fā)射)光源、具有用與所述多個超聲波檢測元件的布拉格光柵結(jié)構(gòu)相同的材料構(gòu)成的布拉格光柵結(jié)構(gòu)并縮窄來自所述ASE光源的光的窄帶化濾光器，所述窄帶化濾光器的布拉格光柵結(jié)構(gòu)與所述多個超聲波檢測元件的布拉格光柵結(jié)構(gòu)熱耦合在一起。
30．如權(quán)利要求24所述的超聲波診斷裝置，其特征在于，所述超聲波發(fā)射部與所述超聲波檢測部組合在一起地構(gòu)成了超聲波收發(fā)部。
全文摘要
本發(fā)明要提供一種不必給多個微細(xì)元件配線、不引起串音與電抗增大的超聲波探頭。該超聲波探頭具有:包括從第一端部射入光的多個光傳送通道的光傳送通道陣列;成型于所述多個光傳送通道的第二端部上的且根據(jù)所加超聲波調(diào)制經(jīng)各光傳送通道射入的光的多個超聲波檢測元件。
文檔編號G01N29/24GK1321889SQ0111547
公開日2001年11月14日 申請日期2001年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月2日
發(fā)明者小川英二 申請人:富士膠片株式會社