DE60132845T2

DE60132845T2 - Ultraschallempfänger und Ultraschalldiagnoseapparat

Info

Publication number: DE60132845T2
Application number: DE60132845T
Authority: DE
Inventors: Eiji Ashigarakami-gun Ogawa
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2001-04-30
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: CN100364482C; US20010042410A1; KR100797899B1; US6647792B2; EP1154269B1; CN1606967A; KR20010100925A; EP1154269A2; CN100397052C; CN1607388A; DE60132845D1; CN1185485C; EP1154269A3; CN1321889A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallempfänger gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Ultraschalldiagnosegerät zum Durchführen medizinischer Diagnosen durch Empfangen von Ultraschallwellen aufgrund der Verwendung des oben angesprochenen Ultraschallempfängers.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei der Aufnahme eines dreidimensionalen Bilds unter Einsatz von Ultraschallwellen werden üblicherweise mehrere zweidimensionale Schnittbilder in Tiefenrichtung gewonnen und zusammengesetzt. Diese zweidimensionalen Bilder können erhalten werden durch Abtastung mit einem mit einem Positionssensor ausgestatteten eindimensionalen Sensorarray, und dann kann ein dreidimensionales Bild gewonnen werden durch Zusammensetzen oder Synthetisieren der mehreren zweidimensionalen Bilder, die zeitlich seriell gewonnen wurden.
Allerdings besteht bei dieser Methode eine zeitliche Nacheilung in Abtastrichtung des eindimensionalen Sensorarrays, so dass die zu unterschiedlichen Zeiten erzeugten Schnittbilder zusammengesetzt werden, weshalb des resultierende zusammengesetzte Bild defokussiert wird. Außerdem ist diese Vorgehensweise nicht geeignet für die Abbildung eines Objekts wie beispielsweise eines lebenden Körpers, da dieser mit einer gewissen Bewegung behaftet ist.
Um ein dreidimensionales Bild in Echtzeit zu gewinnen, ist es wesentlich, ein zweidimensionales Sensorarray bereitzustellen, welches ein zweidimensionales Bild gewinnen kann, ohne dass ein Sensorarray eine Abtastung durchführt. Dementsprechend besteht Bedarf an der Entwicklung eines derartigen Sensorarrays.
In einem Ultraschalldiagnosegerät werden als Element (Oszillator oder Sonde) zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschallwellen piezoelektrische Keramiken, zum Beispiel PZT (Pb-(Blei-)Zirkonat-Titanat) und piezoelektrische Polymerelemente wie beispielsweise PVDF (Polyvinyldifluorid) typischerweise verwendet, und eine Methode zum Fertigen eines zweidimensionalen Arrays mit derartigen Elementen wird derzeit untersucht. Allerdings erfordert das oben angesprochene PZT oder PVDF die Mikrofabrikation der Elemente und die Verdrahtung mit einer großen Anzahl von Mikrokomponenten. Es ist schwierig, die Feinheit und Integration der verwendeten Elemente über den derzeitigen Stand hinaus zu steigern. Selbst wenn diese Schwierigkeiten gelöst würden, verblieben allerdings Probleme wie erhöhtes Übersprechen zwischen den Elementen und eine Verschlechterung des Rauschabstands durch erhöhte elektrische Impedanz aufgrund der feinen Verdrahtung sowie eine Steigerung der Empfindlichkeit einer Mikrokomponente an einem Elektrodenteil für Bruch, was die Implementierung eines derartigen zweidimensionalen Sensorarrays mit PZT oder PVDF schwierig macht.
Beispielsweise gibt es bei ULTRASONIC IMAGING 20, 1–15 (1998) ein Papier mit dem Titel „Progress in Two-Dimensional Arrays for Real-Time Volumetric Imaging" von E. D. LIGHT et al., Duke University. Dieses Papier zeigt eine Sonde mit einem zweidimensionalen Array aus PZT-Ultraschallsensoren. Dieses Papier enthält folgende Beschreibung (in Übersetzung): „Um Bilder ähnlicher Qualität zu erstellen, würde ein zweidimensionales Array 128 × 128 = 16.384 Elemente erfordern. Aufgrund der Kosten und der Komplexität des Aufbaus einer derart großen Anzahl von HF-Kanälen ist es unwahrscheinlich, dass es jemandem gelingen wird, ein derartiges Ultraschall-Abbildungssystem in naher Zukunft zu gestalten. Außerdem ist das Anschließen an derart viele Elemente in einer dichten Apertur sehr schwierig (Seite 2, Zeilen 14–18)".
Andererseits wurde ein Sensor mit einer optischen Faser bei einem Ultraschallsensor ohne die Verwendung irgendwelcher piezoelektrischer Werkstoffe wie beispielsweise PZT angewendet. Als solche Lichtleitfaser-Ultraschallsensoren wurden solche vorgestellt, die ein Faser-Bragg-Gitter (abgekürzt: FBG) beinhalten (siehe Takahashi et al., Japan Defense Academy, „Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg Grating", OPTICAL REVIEW Vol. 4, Nr. 6 (1997), Seiten 691–694), außerdem solche mit einem Fabry-Perot-Resonator (abgekürzt: FPR) (siehe Uno et al., Tokyo Institute of Technology „Fabrication and Performance of a Fiber Optic Micro-Probe for Megahertz Ultrasonic Field Measurements" T. IEE Japan, Vol. 118-E, Nr. 11, '98), die sämtlich diskrete Sensoren sind. Die Idee, ein Sensorarray aus derartigen Sensoren zusammenzusetzen, wurde nicht vorgestellt.
In dem oben angesprochenen Dokument von TAKAHASHI et al. ist beschrieben, dass diese Sensoren gewisse Empfindlichkeiten für solche Ultraschallwellen aufweisen können, die in relativ niedrigen Frequenzbereichen arbeiten, beispielsweise in der Größenordnung von 20 kHz. Allerdings gibt es keine Beschreibung für derartige Ultraschallwellen, die in Frequenzbereichen in der Größenordnung von MHz arbeiten und für aktuelle Ultraschalldiagnosezwecke eingesetzt werden. Als Folge davon sind zur praktischen Verwendung solcher Sensoren Sensorbetriebsarten von Nöten, die mit Ultraschallwellen höherer Frequenzbereiche als jener der beschriebenen Beispiele arbeiten. Außerdem sollten erforderlichenfalls Bedingungen untersucht werden, unter denen höhere Sensorempfindlichkeiten bei derart hohen Frequenzbereichen erzielt werden können.
Gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die US-A-5 532 981 einen Ultraschallempfänger, bei dem ein CCD-Sensor dazu dient, Bilder aus einer Mehrzahl von Pixeln zu erhalten.
WILKENS V ET AL: „Fiber-optic multilayer hydrophone for ultrasonic measurement", ULTRASONICS, IPC SCIENCE AND TECHNOLOGY PRESS LTD. GUILDFORD, GB, Vol. 37, Nr. 1, Januar 1999, Seiten 45–49 offenbart eine Lichtleitfaser (optische Faser) mit einem Fabry-Perot-Interferometer zum Messen von Ultraschallwellen durch Modulieren von Licht, welches durch eine optische Faser läuft.
Die US-A-5 732 046 zeigt einen optoakustischen Detektor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein ähnlicher Detektor ist aus der US-A-5 532 981 bekannt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erläuterten Probleme gemacht. Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Ultraschallempfängers, der Daten eines dreidimensionalen Bildes ohne abtastendes Bewegen der Sonde erfassen kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Ultraschalldiagnosegeräts, welches von einem solchen Ultraschallempfänger Gebrauch macht.
Um die obigen Probleme zu lösen, besitzt ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler die Merkmale des Anspruchs 1.
Außerdem enthält ein Ultraschalldiagnosegerät gemäß der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 9.
Zum Detektieren von Ultraschallwellen macht die Erfindung von Licht Gebrauch, folglich besteht kein Erfordernis für eine elektrische Verdrahtung mit einer großen Anzahl von Mikrokomponenten, und das Übersprechen sowie die Zunahme der elektrischen Impedanz kommen nicht zustande. Damit lassen sich eine Ultraschallsonde und ein Ultraschallwandler, die beide einfach zu fertigen sind und ein gutes Rauschverhältnis zeigen, und ein Ultraschalldiagnosegerät unter Verwendung dieser Elemente implementieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Ultraschallempfänger gemäß einem ersten Beispiel zeigt;
2 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Ultraschallempfänger gemäß einem zweiten Beispiel zeigt;
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Reflexionsvermögens eines Ultraschalldetektorelements zeigt, das in den Ultraschallempfänger gemäß dem zweiten Beispiel eingebaut ist;
4 ist ein Diagramm, das schematisch einen Teil eines Ultraschallempfängers nach einem dritten Beispiel zeigt;
5 ist ein Diagramm, das schematisch einen Teil eines Ultraschallempfängers nach einem vierten Beispiel zeigt;
6 ist ein Diagramm, das schematisch einen Teil eines Ultraschallempfängers nach einem fünften Beispiel zeigt;
7 ist ein Diagramm des Aufbaus einer in 6 gezeigten Ultraschalldetektoreinheit;
8 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Strahlseparators nach 6 zeigt;
9 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Ultraschallempfänger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
10 ist ein Diagramm, welches schematisch eine in der Ausführungsform der Erfindung verwendete ASE-Lichtquelle veranschaulicht;
11 ist ein Diagramm, welches ein Spektrum einer spontanen Lichtemission aus der in 10 gezeigten ASE-Lichtquelle veranschaulicht;
12 ist ein Diagramm eines Spektrums von Licht, das aus einem schmalbandigen Filter gelangt, das in der Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
13 ist ein Diagramm einer Beziehung (in dem Anfangszustand) zwischen dem einfallenden Licht und der Reflexionseigenschaft des Ultraschalldetektorelements in der Ausführungsform der Erfindung;
14 ist ein Diagramm der Beziehung (nach dem Temperaturanstieg) zwischen dem einfallenden Licht und der Reflexionseigenschaft des Ultraschalldetektorelements in der Ausführungsform der Erfindung;
15 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Teil eines Ultraschallempfängers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
16A bis 16C sind Diagramme des Aufbaus einer Ultraschallsonde in dem erfindungsgemäßen Ultraschallempfänger;
17 ist ein Diagramm des Aufbaus einer Ultraschallsonde in dem Ultraschallempfänger gemäß der Erfindung;
18 ist ein Blockdiagramm einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
19 ist ein Diagramm zum Erläutern des Detektierverfahrens für den Fall, dass Ultraschallwellen konzentriert werden, um einen runden Querschnitt ähnlich einem Bleistift anzunehmen;
20 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Detektierverfahrens für den Fall, dass Ultraschallwellen so konzentriert werden, dass sie einen linearen Querschnitt haben, so dass ihr Weg eine Ebene bildet;
21 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Detektierverfahrens für den Fall, dass Ultraschallwellen als ebene Wellen gesendet werden; und
22 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschalldiagnosegeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert, in denen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, jedoch nicht wiederholt beschrieben werden.
1 ist ein Diagramm, das schematisch einen Ultraschallempfänger gemäß einem ersten Beispiel zeigt.
Dieser Ultraschallempfänger enthält eine Lichtquelle 11 zum Erzeugen eines Einzelmoden-Laserlichts mit einer einzelnen Wellenlänge, vorzugsweise in einem Bereich von 500 nm bis 1600 nm. Das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht tritt in einen Strahlseparator 12 ein, der mit Hilfe eines Halbspiegels, eines optischen Zirkulators, eines polarisierenden Strahlauftrenners oder dergleichen aufgebaut ist. Der Strahlseparator 12 lässt das einfallende Licht aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung durch und gibt das aus der zweiten Richtung zurückkehrende reflektierte Licht in eine dritte Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist. Erfindungsgemäß wird als Strahlseparator 12 ein Halbspiegel verwendet. Der Halbspiegel lässt das einfallende Licht durch und lenkt das von der der Einfallrichtung entgegengesetzten Richtung zurückkehrende reflektierte Licht in eine Richtung um, die gegenüber der Einfallrichtung um etwa 90 Grad versetzt ist.
Das von der Lichtquelle 11 emittierte und durch den Strahlseparator 12 gelangte Licht wird dann auf ein optisches Faserarray 13 geführt. Das optische Faserarray 13 enthält feine optische Fasern (Lichtleitfasern) 13a, 13b, ..., die in Form einer zweidimensionalen Anordnung aufgereiht sind. Bevorzugt ist, wenn diese optischen Fasern Einzelmodenfasern sind. Darüber hinaus kann einer einzelnen Lichtquelle vorgesehen und mehreren optischen Fasern zugeordnet sind, oder es können mehrere Lichtquellen vorhanden sein, die jeweils mehreren Lichtleitfasern zugeordnet sind. Außerdem kann das von einer einzelnen Lichtquelle erzeugte Licht zeitlich seriell auf mehrere optische Fasern gelenkt werden, indem das Licht zeitlich seriell abgetastet wird.
Das optische Faserarray 13 besitzt an seinem Ende Ultraschalldetektorelemente 14. Die Ultraschalldetektorelemente 14 sind Fabry-Perot-Resonatoren (abgekürzt: FÜR) 14a, 14b, ..., die an den Spitzen der optischen Fasern 13a, 13b, ... ausgebildet sind.
Jeder FÜR besitzt einen an seinem einen Ende ausgebildeten Halbspiegel (rechts in der Zeichnung) und einen an seinem anderen Ende (links in der Zeichnung) gebildeten totalreflektierenden Spiegel, wobei das auf die Ultraschalldetektorelemente 14 auftreffende Licht durch diese Spiegel teilweise bzw. totalreflektiert wird. Die totalreflektierende Fläche erleidet durch die auf die Ultraschalldetektorelemente 14 aufgebrachten Ultraschallwellen eine geometrische Versetzung, und dadurch wird das reflektierte Licht moduliert und erneut auf den Strahlseparator 12 gelenkt. Das auf den Strahlseparator 12 gelangende reflektierte Licht erleidet eine Änderung im Ausbreitungsweg und wird auf einen Photodetektor 16 in Form eines CCD-Arrays, eines Photodioden-Arrays oder dergleichen gerichtet. Dort kann das reflektierte Licht auf den Photodetektor 16 entweder direkt oder über optische Fasern oder dergleichen auftreffen, oder das reflektierte Licht kann über ein Fokussiersystem 15, beispielsweise eine in dem Fokussiersystem stromabwärts des Strahlseparators 13 angeordnete Linse, auf den Photodetektor 16 fokussiert werden.
Als nächstes soll die Arbeitsweise des Fabry-Perot-Resonators des Ultraschalldetektorelements 14 erläutert werden. Der Fabry-Perot-Resonator enthält einen Halbspiegel, welcher hergestellt wird durch Aufdampfen von Gold oder dergleichen auf die Spitze der optischen Einzelmodenfasern, einen Hohlraum, bestehend aus Elementen mit Polyesterharz oder dergleichen, angeordnet an dem Ende, welches sich sukzessive an den Halbspiegel anschließt, und einen totalreflektierenden Spiegel, der durch Aufdampfen von Gold oder dergleichen an dem an den Hohlraum anschließenden Ende gebildet ist. Diese Elemente des Hohlraums erleiden eine geometrische Verlagerung aufgrund des Aufbringens der Ultraschallwellen.
In diesen Fabry-Perot-Resonator wird von der Seite des Halbspiegels her Detektorlicht mit einer Wellenlänge λ eingespeist, und von dem totalreflektierenden Spiegel her werden Ultraschallwellen angelegt. Wenn die Länge des Hohlraums den Wert L hat und der Brechungsindex n beträgt, so stellt sich das Reflexionsvermögen G_R des Fabry-Perot-Resonators durch folgende Gleichung dar:
Dabei ist R das Reflexionsvermögen des Halbspiegels, und G_S ist die Verstärkung einer einzelnen Weglänge. Anhand dieser Gleichung lässt sich ersehen, dass die Intensität des von dem Fabry-Perot-Resonator reflektierten Lichts sich ändert, wenn die optische Weglänge L des Hohlraums sich aufgrund der Änderung des Schalldrucks der Ultraschallwellen ändert.
Das Reflexionsvermögen des Fabry-Perot-Resonators ist gekennzeichnet durch ein Gradientenband des Reflexionsvermögens, das sich beträchtlich ändert zwischen der Wellenlänge, die das Reflexionsvermögen reflektiert, und der Wellenlänge, die das Reflexionsvermögen minimiert, wenn sich das Reflexionsvermögen signifikant ändert. Eine Intensitätsschwankung des reflektierten Lichts lässt sich beobachten durch Aufbringen von Ultraschallwellen auf den Fabry-Perot-Resonator, während Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des Gradientenband in den Fabry-Perot-Resonator eingelassen wird. Die Ultraschallintensität lässt sich messen, indem man diese Schwankung der Lichtintensität umwandelt. Der Resonator hat eine kurze Sensorlänge und damit eine gute Auflösungsleistung in axialer Richtung des Sensors.
Als nächstes wird ein zweites Beispiel beschrieben. 2 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Ultraschallempfänger gemäß dem zweiten Beispiel veranschaulicht.
Dieser Ultraschallempfänger ist gegenüber dem des ersten Beispiels nach 1 dadurch modifiziert, dass mindestens einer der beiden Lichtverstärker 1 und 2 hinzugefügt ist. Der optische Verstärker 1 befindet sich zwischen der Lichtquelle 11 und dem Strahlseparator 12, er dient zum Verstärken des von der Lichtquelle 11 eintretenden Lichts und emittiert das verstärkte Licht in Richtung des Strahlseparators 12. Andererseits befindet sich der optische Verstärker oder Lichtverstärker 2 zwischen dem Strahlseparator 12 und dem Fokussiersystem 15, beispielsweise in Form einer Linse, und er dient zum Verstärken des von dem Strahlseparator 12 einfallenden Lichts und zum Emittieren des verstärkten Lichts in Richtung des Fokussiersystems 15. Wenn das Fokussiersystem 15 nicht verwendet wird, befindet sich der optische Verstärker 2 zwischen dem Strahlseparator 12 und dem Photodetektor 16, und er dient zum Verstärken des von dem Strahlseparator 12 einfallenden Lichts und zum Emittieren des verstärkten Lichts in Richtung des Photodetektors 16.
Als optischer Verstärker wird zum Beispiel ein mit Erbium dotierter optischer Faserverstärker verwendet, bekannt unter der Bezeichnung EDFA (Er-Doped Optical Fiber Amplifier). Dieser EDFA kann die Lichtintensität vom Zehnfachen bis zum Hundertfachen erhöhen.
Wenn ein solcher optischer Verstärker zwischen der Lichtquelle 11 und dem optischen Faserarray 13 liegt, wird die Intensität des auf die Ultraschalldetektorelemente 14 auftreffenden Lichts verstärkt. Wenn andererseits der optische Verstärker sich zwischen dem optischen Faserarray 13 und dem Photodetektor 16 befindet, ändert sich die Intensität des auf die Ultraschalldetektorelemente 14 auftreffenden Lichts nicht, hingegen wird die Intensität des auf den Photodetektor 16 fallenden reflektierten Lichts verstärkt. In diesem Fall wird auch die Intensitätsschwankung des von den empfangenen Ultraschallwellen modulierten reflektierten Lichts verstärkt.
In jedem Fall wird die Lichtmenge des auf den Photodetektor 16 auftreffenden reflektierten Lichts verstärkt durch Erhöhen der Intensität in einem Lichtabgabezustand, was die Möglichkeit bietet, den Effekt von elektrischem Rauschen auf den Photodetektor 16 wirksam zu reduzieren und dadurch den Rauschabstand des Ultraschallwandlers zu verbessern. Außerdem ermöglicht ihre gemeinsame Verwendung eine weitere Verbesserung des Rauschabstands.
Mit dem Aufbau nach diesem Beispiel wird außerdem der Rauschabstand des Ultraschallempfängers verbessert. Diese Verbesserung spiegelt sich wieder in einer vereinfachten Spezifikationsanforderung bezüglich der Filtereigenschaft. Wie zum Beispiel in 3 gezeigt ist, kann die Neigung des Reflexionsvermögens sanft verlaufen. In diesem Fall erleichtert sich die Fertigung der Ultraschalldetektorelemente 14. Da außerdem ein linearer Abschnitt der Kennlinie für das Reflexionsvermögen erweitert ist, können Ultraschallwellen auch dann exakt nachgewiesen werden, wenn die Wellenlänge λ₀ des einfallenden Lichts in gewissem Ausmaß abhängig von der Temperatur schwankt.
Im folgenden wird ein Ultraschallempfänger nach einem dritten Beispiel beschrieben. 4 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Teil eines Ultraschallempfängers nach einem dritten Beispiel veranschaulicht. Dieser Ultraschallempfänger macht Gebrauch von einem Faser-Bragg-Gitter (abgekürzt als FBG) anstelle des Fabry-Perot-Resonators des ersten Beispiels. Das heißt, bei dem dritten Beispiel sind Ultraschalldetektorelemente 17, die von einem Bragg-Gitter-Aufbau Gebrauch machen, an der Spitze des optischen Faserarrays 13 vorhanden, welches das gleiche ist wie das nach 1. Die Ultraschalldetektorelemente 17 setzen sich zusammen aus Bragg-Gitter-Abschnitten 17a, 17b, ..., die an den Spitzen der optischen Fasern 13a, 13b, ... angeordnet sind.
Der Bragg-Gitter-Abschnitt ist ein mehrlagiger Stapel, gebildet durch abwechselnde Anordnung einiger tausend Schichten, die zwei Arten von Werkstoffen (Lichtausbreitungsmedien) mit unterschiedlichem Brechungsindex enthalten, geschichtet mit einem gewissen Mittenabstand zur Erfüllung der Bragg-Reflexionsbedingung. Das FBG hat ein höheres Reflexionsvermögen und eine stärkere Wellenlängenabhängigkeit als der aus einer einzelnen Schicht bestehende Fabry-Perot-Resonator. Eine Materialschicht „A" mit einem Brechungsindex n1 und eine Materialschicht „B" mit einem Brechungsindex n2 sind in 4 dargestellt. Bezeichnet man den Mittenabstand (Abstand) der periodischen Struktur dieser Schicht mit d und die Wellenlänge des einfallenden Lichts mit λ, so stellt sich die Bragg-Reflexionsbedingung durch folgende Gleichung (2) mit m als natürlicher Zahl dar: 2d·sinθ = mλ (2)wobei θ ein Einfallwinkel in bezug auf die Einfallebene ist. Das Umschreiben mit θ = π/2 liefert folgende Gleichung (3): 2d = mλ (3)
Der Bragg-Gitter-Abschnitt reflektiert selektiv das Licht mit einer spezifischen Wellenlänge, die die Bragg-Reflexionsbedingung erfüllt, und gleichzeitig wird sämtliches Licht mit anderen Wellenlängen durchgelassen.
Wenn Ultraschallwellen in den Bragg-Gitter-Abschnitt gelangen können, wird dieser derart verzerrt, dass der Mittenabstand „d" der oben angesprochenen periodischen Struktur geändert wird und demzufolge die Wellenlänge λ des selektiv reflektierten Lichts eine andere wird. Das Reflexionsvermögen des Bragg-Gitter-Abschnitts ist gekennzeichnet durch ein Gradientenband vor und hinter der Mitten-Wellenlänge für das stärkste Reflexionsvermögen (bei geringer Durchlässigkeit), innerhalb dessen das Reflexionsvermögen variiert. Ein Detektor- oder Nachweislicht mit einer Mitten-Wellenlänge innerhalb des Bereichs des Gradientenbands wird in dem Bragg-Gitter-Abschnitt eingespeist, während dieser mit Ultraschallwellen beaufschlagt wird. Damit lässt sich die Intensitätsschwankung des reflektierten Lichts (oder des transmittierten Lichts) abhängig von der Intensität der Ultraschallwellen beobachten. Die Ultraschallintensität lässt sich messen, indem man diese Schwankung der Lichtintensität umwandelt. Ein solches Faser-Bragg-Gitter besitzt eine gute Empfindlichkeit und lässt sich einfach herstellen. Zu diesem Zweck sind Faser-Bragg-Gitter für Verbraucher verbreitet.
Im vorliegenden Fall können – allgemein gesprochen – Bragg-Gitter bei hohen Empfindlichkeiten einfach hergestellt werden, so dass man alternativ handelsübliche Bragg-Gitter-Produkte einsetzen kann. Allerdings lassen sich diese handelsüblichen Bragg-Gitter-Produkte nicht direkt als hochempfindliche Sensoren für Ultraschalldiagnosezwecke einsetzen. Wenn zum Beispiel ein am Markt verfügbares Bragg-Gitter verwendet wird, lässt sich folgendes bestätigen: in einem Frequenzband oberhalb von 20 kHz sinkt die Empfindlichkeit des Bragg-Gitters für Ultraschallwellen, die in axialer Richtung eintreten. Auch in dem Fall, dass eine Länge eines Ultraschallsensorteils (Bragg-Gitter-Abschnitt) größer als etwa 3/4 einer Wellenlänge der in den Bragg-Gitter-Abschnitt eintretenden Ultraschallwelle ist, wird eine detektierte Wellenform auf der Seite des niedrigen Frequenzbands verzerrt, verglichen mit einer Wellenform der tatsächlich empfangenen Ultraschallwelle, und die Sensorempfindlichkeit sinkt. Diese Ultraschallwellenlänge drückt sich folgendermaßen aus: (Ultraschallwellenlänge) = (Schallgeschwindigkeit im Bragg-Gitter-Abschnitt)/(Frequenz der Ultraschallwelle)
Diese Wellenformverzerrung und die Absenkung der Sensorempfindlichkeit lässt sich durch folgende Gründe erklären: Für den Fall, dass die Länge des Bragg-Gitter-Abschnitts größer als die Hälfte der Ultraschallwellenlänge im Bragg-Gitter-Abschnitt ist, wird, während die Ultraschallwelle den Bragg-Gitter-Abschnitt durchläuft, wird innerhalb des Bragg-Gitter-Abschnitts ein Bereich gebildet, der Phasen expandiert/komprimiert. Im Ergebnis wird der Versatz dieser Abschnitte aufgehoben.
Um das Auftreten eines solchen Phänomens zu vermeiden, kann die Länge des Bragg-Gitter-Abschnitts so gewählt werden, dass sie kürzer oder gleich ist etwa 3/4 einer Ultraschallwellenlänge, vorzugsweise etwa der halben Ultraschallwellenlänge entspricht. Beispielsweise lässt sich in dem Fall, dass eine Frequenz einer zu detektierenden Ultraschallwelle 3,5 MHz beträgt und die Schallgeschwindigkeit in einem Material des Bragg-Gitter-Abschnitts 5500 m/s beträgt, eine Wellenlänge „λ_S" einer durch den Bragg-Gitter-Abschnitt laufenden Ultraschallwelle folgendermaßen berechnet werden: λS = 5500/(3,5 × 106) = 1571,4 (Mikrometer)
Im Ergebnis lässt sich eine obere Grenzlänge für den Bragg-Gitter-Abschnitt folgendermaßen errechnen: 1571 × (3/4) = 1178,5 (Mikrometer)
Wenn folglich die Länge eines solchen Bragg-Gitter-Abschnitts kürzer oder gleich 1178,5 Mikrometer ist, besteht die Möglichkeit, das Auftreten einer Inversion von expandierten/komprimierten Phasen in dem Bragg-Gitter-Abschnitt zu vermeiden, außerdem ist es möglich, zum Detektieren von Ultraschallwellen erforderliche Empfindlichkeiten zu erreichen.
As nächstes wird ein Ultraschallempfangsgerät gemäß einem vierten Beispiel anhand der 5 erläutert. Dieses vierte Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Wellenleiterweg mit einer Bragg-Gitter-Struktur als Ultraschallwellen-Detektorelement verwendet wird. 5 veranschaulicht eine Grundidee einer Ausgestaltung eines Ultraschallempfangsgeräts gemäß dieses vierten Beispiels. Wie in 5 gezeigt ist, sind auf einem Substrat 55 mehrere optische Wellenleiterwege 51a, 51b, ... gebildet. Außerdem sind an den Kern-Spitzenbereichen dieser optischen Wellenleiterwege Bragg-Gitter-Abschnitte 52a, 52b, ... ausgebildet. Von einer Lichtquelle 11 abgegebenes Licht läuft durch einen Strahlseparator (einen optischen Demultiplexer) 12 und anschließend tritt das separierte Licht in die jeweiligen optischen Wellenleiterwege 51a, 51b, ... ein. In jedem der optischen Wellenleiterwege wird der an seinem Spitzenbereich ausgebildete Bragg-Gitter-Abschnitt aufgrund der Ausbreitung der Ultraschallwelle im Aufbau derart geändert, dass das Licht moduliert wird. In jedem der optischen Wellenleiterwege wird der Verlaufsweg des von dem Bragg-Gitter-Abschnitt reflektierten Lichts in dem Strahlseparator 12 geändert, und das reflektierte Licht tritt anschließend in Photodetektoren 16a, 16b, ... entsprechend den optischen Wellenleiterwegen 51a, 51b, ... ein. Wie oben erläutert wurde, lassen sich, da die Änderungen in der Lichtintensität von den Photodetektoren 16a, 16b, ... erfasst werden, die Stärken der Ultraschallwellen, die durch die entsprechenden optischen Wellenleiterwege gelaufen sind, messen. Es sollte gesehen werden, dass ähnlich wie bei dem dritten Beispiel auch bei diesem vierten Beispiel die Länge eines entlang dem optischen Wellenleiterweg ausgebildeten Bragg-Gitter-Abschnitts vorzugsweise kürzer oder gleich 3/4 einer Wellenlänge einer durch diesen Bragg-Gitter-Abschnitt laufenden Ultraschallwelle sein sollte.
Im folgenden wird ein Ultraschallempfangsgerät nach einem fünften Beispiel der Erfindung anhand der 6 bis 8 erläutert. Dieses fünfte Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass, während ein optischer Wellenleiterweg 53 mit einer Bragg-Gitter-Struktur als Ultraschalldetektorelement verwendet wird, mehrere Lichtteile mit unterschiedlichen Wellenlängen gemultiplext werden und das gemultiplexte Licht dann als Detektorlicht verwendet wird. 7 zeigt anschaulich eine Grundidee einer Anordnung des Ultraschallempfangsgeräts gemäß diesem fünften Beispiel. 7 zeigt anschaulich den Aufbau einer Ultraschalldetektoreinheit 50 aus 6. 8 zeigt anschaulich den Aufbau eines Strahlseparators 41 nach 6.
Wie in 6 gezeigt ist, enthält dieses Ultraschallempfangsgerät eine Lichtquelle 8, einen optischen Zirkulator 113, eine Ultraschalldetektoreinheit 50, einen Strahlseparator (einen optischen Demultiplexer) 41, Photodetektoren 16a, 16b, ... und optische Fasern 56, 57, 58, 59a, 59b, ... Die Ultraschalldetektoreinheit 50 enthält einen optischen Wellenleiterweg mit einer Bragg-Gitter-Struktur. Der Strahlseparator 41 trennt detektiertes Licht, welches von der Ultraschalldetektoreinheit 50 her eintritt. Die Photodetektoren 16a, 16b, detektieren die Intensität des separierten Lichts. Die optischen Fasern 56, 57, 58, 59a, 59b, ... verbinden diese Einheiten miteinander. Bei diesem fünften Beispiel dient als Lichtquelleneinheit 8 eine breitbandige Lichtquelle zum Erzeugen von Licht mit einem breiten Band (Breitbandlicht). Als Strahlseparator wird ein optischer Zirkulator 113 verwendet, um eine Ausbreitungsrichtung für Licht ansprechend auf eine Lichteinfallrichtung umzustellen.
In 6 tritt von der Lichtquelle 8 abgegebenes Licht über die optische Faser 57 in den optischen Zirkulator (Spektrometer) 12 ein und gelangt weiter über die optische Faser 56 in die Ultraschalldetektoreinheit 50.
Nunmehr auf 7 bezugnehmend, enthält die Ultraschalldetektoreinheit 50 eine Mehrzahl von optischen Wellenleiterwegen 53a, 53b, ..., die auf dem Substrat 55 ausgebildet sind. Diese optischen Wellenleiterwege 53a, 53b, ... besitzen die Form von jeweils einem umgedrehten „L" und weisen außerdem voneinander verschiedene Wellenleiterwege auf.
Diese Lichtwellenleiterwege 53a, 53b, ... sind derart angeordnet, dass Abschnitte von ihnen jeweils entlang einer Spalte angeordnet sind. Die Bragg-Gitter 52a, 52b, ... sind an den Endbereichen der jeweiligen optischen Wellenleiterwege 23a, 23b, ... ausgebildet.
Bei diesem fünften Beispiel bestimmt sich ein Mittenabstand einer periodischen Struktur jeder die Bragg-Gitter bildenden Schicht basierend auf der Formel (3) in der Weise, dass sich eine Reflexions-Wellenlängenkennlinie in bezug auf eine spezifische Wellenlänge erhöht. In anderen Worten: der Mittenabstand d der periodischen Struktur jeder Schicht des Bragg-Gitters 52a bestimmt sich anhand der Formel (3) in der Weise, dass die Bragg-Wellenlänge zu „λ₁" wird. Außerdem bestimmt sich der Mittenabstand „d" der periodischen Struktur jeder Schicht des Bragg-Gitters 52b basierend auf der Formel (3) in der Weise, dass die Bragg-Wellenlänge λ₂ wird (verschieden von λ₁). Dieses Verfahren zum Bestimmen des Mittenabstands lässt sich in ähnlicher Weise auf die übrigen Bragg-Gitter 52c, 52d, ... anwenden. Als Konsequenz hieraus unterscheiden sich die Reflexions-Wellenlängenkennlinie der Bragg-Gitter 52a, 52b, ... voneinander. Wenn auf die mehreren Bragg-Gitter 52a, 52b, ... Ultraschallwellen aufgebracht werden, werden die Bragg-Gitter entlang der Schalldruckrichtung der Ultraschallwellen komprimiert. Im Ergebnis ändern sich die Mittenabstände „d" der periodischen Strukturen der jeweiligen Schichten der Bragg-Gitter 52a, 52b, ..., so dass die jeweiligen Bragg-Wellenlängen variieren. Die Konsequenz ist, dass beim Empfang der Ultraschallwellen das in die Bragg-Gitter 52a, 52b, ... eintretende Licht abhängig von den aufgebrachten Ultraschallwellen moduliert wird. Außerdem sei angemerkt, dass bei diesem fünften Beispiel die Längen der an den Endbereichen der jeweiligen optischen Wellenleiterwege gebildeten Bragg-Gitter-Abschnitte vorzugsweise kürzer oder gleich 3/4 der Wellenlänge der Ultraschallwelle gewählt werden, ähnlich wie bei dem dritten Beispiel.
Ein auslaufender Abschnitt des optischen Wellenleiterwegs 52a ist mit der optischen Faser 56 verbunden. Außerdem ist zwischen dem Auslaufabschnitt des optischen Wellenleiterwegs 53a und einem Auslaufabschnitt des Wegs 53b eine Lücke 54a ausgebildet. Diese Lücke 54a kann als Strahlaufspalter fungieren. In ähnlicher Weise ist zwischen dem Auslaufabschnitt des Wegs 53b und dem Auslaufabschnitt des Wegs 53c eine weitere Lücke 54b als Strahlaufspalter gebildet. Diese Lückenausbildung findet sich in ähnlicher Weise auch bei dem übrigen optischen Wellenleiterwegen 53c, 53d, ... Bei diesem fünften Beispiel sind mehrere optische Wellenleiterwege 53a, 53b, ... derart verbunden, dass sich eine ebene Lichtwellenschaltung (PLC) realisieren lässt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der in 7 gezeigten Ultraschalldetektoreinheit 50 erläutert. Wenn Licht L_MUL, das mehrere Wellenlängenkomponenten (λ₁, λ₂, ... λ_N) enthält, in diese Ultraschalldetektoreinheit 50 eingespeist wird, wird dieses Licht einer Demultiplexbildung jedes Mal dann unterzogen, wenn das Licht durch die mehreren Lücken 54a, 54b, ... hindurchtritt. Das Licht L₁ (mit einer Wellenlänge λ₁), das in den optischen Wellenleiterweg 53a eintritt, wird von dem Bragg-Gitter 52a in Richtung des optischen Wellenleiterwegs 53a reflektiert und wird ansprechend auf die auf das Bragg-Gitter 52a aufgebrachte Ultraschallwelle moduliert, um Licht L₁' zu erzeugen. Das Licht L₂ (mit einer Wellenlänge (λ₂), das in den optischen Wellenleiterweg 53b eintritt, wird von dem Bragg-Gitter 52b zu dem optischen Wellenleiterweg 53b hin reflektiert und wird ansprechend auf die auf das Bragg-Gitter 52b gegebene Ultraschallwelle moduliert, wodurch Licht „L₂'" erzeugt wird. Der oben beschriebene Lichtverarbeitungsvorgang gilt in ähnlicher Weise auch für das übrige Licht L₃ (mit einer Wellenlänge λ₃), L₄ (mit einer Wellenlänge λ₄) ..., enthalten in dem Licht L_MUL. Das Projektionslicht L₁', L₂', ... der Bragg-Gitter 52a, 52b, ... wird sequentiell in den entsprechenden Lücken 54a, 54b, ... gemultiplext, und das gemultiplexte Licht wird dann in die optische Faser 56 eingegeben.
Erneut auf 6 bezugnehmend, wird die Laufrichtung des in die optische Faser 56 eintretenden Lichts durch den optischen Zirkulator 113 geändert, und dann gelangt dieses Licht über die optische Faser 58 in den Demultiplexer (Strahlseparator) 41. Der Strahlseparator 41 unterzieht das von der optischen Faser 58 kommende Licht L_MUL' einer Demultiplexbildung und erzeugt mehrere Lichtkomponenten L₁', L₂', ..., die voneinander unterschiedliche, vorbestimmte Wellenlängen besitzen. Mehrere Photodetektoren 16a, 16b, ... mit verschiedenen detektierbaren Wellenlängenbereichen sind über entsprechende Lichtleitfasern (optische Fasern) 59a, 59b, ... mit dem Strahlseparator 41 gekoppelt. Da mehrere Photodetektoren 16a, 16b, ... das Licht L₁', L₂', ..., das von den entsprechenden opti schen Fasern 59a, 59b, ... eingetreten ist, detektieren, ist es möglich, die Stärken der Ultraschallwellen zu ermitteln, die auf die jeweiligen Bragg-Gitter 52a, 52b, ... einwirken, die in der Ultraschalldetektoreinheit 50 enthalten sind.
Nunmehr auf 8 bezugnehmend, wird bei diesem fünften Beispiel als Demultiplexer eine Demultiplexerschaltung verwendet, die ein arrangiertes Wellenlängengitter (AWG) entsprechend einer Art der planaren Lichtwellenschaltung (PLC) enthält. Diese Multiplexerschaltung ist derart ausgebildet, dass mehrere optische Array-Wellenleiter 75a, 75b, ... mit einer konstanten Wellenleiter-Wegdifferenz zwischen einem eingangsseitigen optischen Slab-Wellenleiterweg 72, an den der optische Eingangs-Wellenleiterweg 71 angeschlossen ist, gekoppelt sind, ebenso wie an einen ausgangsseitigen optischen Slab-Wellenleiterweg 74, an den mehrere optische Wellenleiterwege 73a, 73b, ... angeschlossen sind. Der eingangsseitige optische Slab-Wellenleiterweg 72 hat die Form eines Fächers, während ein Endbereich des optischen Eingangs-Wellenleitewegs 71 sich an einer Mitte einer Krümmung befindet, während der ausgangsseitige Slab-Wellenleiterweg 74 eine Fächerform besitzt, wobei Endbereiche der mehreren optischen Ausgangswellenleiterwege 73a, 73b, ... als Krümmungszentrum angeordnet sind. Mehrere optische Array-Wellenleiterwege 75a, 75b, ... sind in radialer Form so angeordnet, dass ihre jeweiligen optischen Achsen beider Krümmungszentren des eingangsseitigen optischen Slab-Wellenleiterwegs 72 und des ausgangsseitigen Slab-Wellenleiterwegs 74 laufen. Im Ergebnis können sowohl der eingangsseitige optische Slab-Wellenleiterweg 72 als auch der ausgangsseitige Slab-Wellenleiterweg 74 Operationen ausführen, die denen einer Linse äquivalent sind.
Wenn das Licht L_MUL', das mehrere Wellenlängenkomponenten (λ₁, λ₂, ..., λ_N) enthält, in den optischen Eingangs-Wellenleiterweg 71 eingespeist wird, verläuft dieses Licht in dem eingangsseitigen optischen Slab-Wellenleiterweg 72 aufgrund von Beugung, wobei es mehrere optische Array-Wellenleiterwege 75a, 75b, ... mittels In-Phase-Bedingung anregt. Wenn das jeweilige Anregungslicht durch die zugehörigen optischen Array-Wellenleiterwege 75a, 75b, ... läuft, werden dem Anregungslicht Phasendifferenzen vermittelt, die den optischen Wellenleiter-Wegdifferenzen entsprechen, und anschließend erreicht das Anregungslicht den ausgangsseitigen optischen Slab-Wellenleiterweg 74. Wenn mehrere Lichtkomponenten, die in den ausgangsseitigen optischen Slab-Wellenleiterweg 74 eintreten, aufgrund des Linseneffekts miteinander interferieren, so wird das interferierende Licht auf einen Punkt auf der Seite fokussiert, auf der sich die mehreren optischen Ausgangswellenleiterwege 73a, 73b, ... befinden, anschließend wird das Licht in einer Richtung gebeugt, entlang der die In-Phasen-Bedingung erfüllt werden kann. Es versteht sich, dass in der Demultiplexerschaltung (dem Strahlseparator) nach 8 die auf der Eingangsseite befindlichen Einheiten ausgetauscht werden können mit den auf der Ausgangsseite befindlichen Einheiten, so dass dann diese Demultiplexerschaltung als optische Multiplexerschaltung verwendet werden kann.
Bei diesem fünften Beispiel wurde als Lichtquelle eine breitbandige Lichtquelle verwendet. Alternativ wird, wenn mehrere Laseroszillatoren mit verschiedenen Wellenlängen eingesetzt werden, von diesen Oszillatoren emittiertes Laserlicht gemultiplext, um gemultiplextes Laserlicht zu erzeugen. Dieses Multiplex-Laserlicht kann dann als Lichtquelle verwendet werden. In diesem alternativen Fall kann der in 8 gezeigte Demultiplexer (Strahlseparator) als Multiplexer eingesetzt werden.
Im folgenden wird ein Ultraschallempfänger nach einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 9 zeigt ein Diagramm, welches schematisch einen Ultraschallempfänger gemäß dieser Ausführungsform veranschaulicht. Der Ultraschallempfänger dieser Ausführungsform ist gegenüber dem ersten bis fünften Beispiel dadurch modifiziert, dass die Lichtquelle dahingehend abgewandelt ist, dass von dem Licht Gebrauch gemacht wird, das von einer breitbandigen Lichtquelle emittiert wird, wobei das Transmissionsband der Lichtquelle mit Hilfe eines schmalbandigen Bandpassfilters verengt wird.
Als breitbandige Lichtquelle kann beispielsweise eine ASE-Lichtquelle 9 (Amplified Spontaneous Emission; verstärkte Spontanemission) verwendet werden, von der das verstärkte spontan emittierte Licht abgegeben wird. Die ASE-Lichtquelle 9 ist ausgehend von einem breitbandigen optischen Faserverstärker modifiziert durch Abänderung von dessen Struktur, damit er in der Lage ist, verstärktes Spontanemissionslicht zu emittieren. Bezug lich weiterer Information über den breitbandigen optischen Faserverstärker sei beispielsweise verwiesen auf Haruki Ohgoshi „Broadband Optical Fiber Amplifier" (Review of The Japan Society of Information and Communication Research, Vol. 82, Nr. 7, Seiten 718–724, Juli 1999).
Wie in 10 gezeigt ist, enthält die ASE-Lichtquelle 9 eine Lichtleitfaser oder optische Faser 94 zur Lichtverstärkung. Diese Lichtleitfaser 94 enthält ein erstes Ende mit einer daran angebrachten Linse 91 und ein zweites Ende, bei dem das FBG 92 zum Reflektieren des Anregungslichts ausgebildet ist. Ein Laseroszillator 93 als Anregungslichtquelle befindet sich auf der linken Seite der Linse 91 in der Zeichnung. Das von dem Laseroszillator 93 erzeugte Licht kann auf die Lichtleitfaser über die Linse 91 auftreffen und wird verstärkt, anschließend wird ein Teil des verstärkten Lichts durch das FBG 92 als Spontanemissionslicht durchgelassen. Das Spontanemissionslicht aus der ASE-Lichtquelle 9 besitzt ein breites Spektrum, wie es in 11 skizziert ist. Als breitbandige Lichtquelle kann anstelle der ASE-Lichtquelle eine breitbandige Faserlichtquelle verwendet werden.
Noch einmal auf 9 bezugnehmend, gelangt das von der ASE-Lichtquelle 9 erzeugte Licht in einen Strahlseparator 10, der mit Hilfe eines Halbspiegels, eines optischen Zirkulators, eines Polarisations-Strahlaufspalters oder dergleichen gebildet ist. Der Strahlseparator 10 lässt das aus einer ersten Richtung einfallende Licht in eine zweite Richtung durch und lässt das von der zweiten Richtung zurücklaufende reflektierte Licht in eine dritte Richtung durch, die von der ersten Richtung verschieden ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird als Strahlseparator 10 ein Halbspiegel verwendet.
Das von der ASE-Lichtquelle 9 emittierte Licht, das durch den Strahlseparator 10 gelangt ist, wird auf ein optisches Faserarray 20 gerichtet, welches feine optische Fasern (Lichtleitfasern) enthält, die in Form eines zweidimensionalen Arrays angeordnet sind. Es sei angemerkt, dass eine einzelne ASE-Lichtquelle vorgesehen sein kann, die mehreren optischen Fasern zugeordnet ist, oder dass mehrere ASE-Lichtquellen mehreren Lichtleitfasern zugeordnet sein können. Außerdem kann das von der einzelnen ASE-Lichtquelle erzeugte Licht auf die mehreren optischen Fasern durch zeitlich serielles Abtasten des Lichts gelenkt werden.
Das optische Faserarray 20 besitzt ein schmalbandiges Filter 19 mit den FBGs an seiner Spitze. Das in das optische Faserarray 20 eintretende Licht wird von den FBGs des schmalbandigen Filters 19 reflektiert und kann erneut auf den Strahlseparator 10 auftreffen. Das von der ASC-Lichtquelle 9 erzeugte Licht kann das in 12 dargestellte Spektrum erhalten, indem es durch das schmalbandige Bandpassfilter 19 läuft, dessen Durchlassband um die Wellenlänge λ₀ herum verengt ist.
Das von dem schmalbandigen Filter 19 reflektierte Licht kann erneut auf den Strahlseparator 10 auftreffen. Das auf den Strahlseparator 10 auftreffende Licht wird einer Ausbreitungsweg-Änderung unterzogen und auf den Strahlseparator 12 gelenkt. Das durch den Strahlseparator 12 gelangte Licht trifft auf das optische Faserarray 13 auf, das an seiner Spitze Ultraschalldetektorelemente 17 besitzt. Die Ultraschalldetektorelemente 17 enthalten die FBGs, die an den Spitzen der einzelnen optischen Fasern ausgebildet sind. Das in das optische Faserarray 13 eintretende Licht wird von den FBGs der Ultraschalldetektorelemente 17 reflektiert. Die FBGs erleiden eine geometrische Versetzung durch Ultraschallwellen, die auf die Ultraschalldetektorelemente 17 auftreffen, und dadurch wird das reflektierte Licht moduliert und gelangt erneut auf den Strahlseparator 12.
Das auf den Strahlseparator 12 auftreffende reflektierte Licht erleidet eine Ausbreitungsweg-Änderung und wird zu dem Photodetektor 16 geleitet. Das reflektierte Licht kann entweder direkt oder über die optischen Fasern oder dergleichen auf den Photodetektor 16 auftreffen, das reflektierte Licht kann aber auch mit Hilfe einer Fokussieroptik 15, beispielsweise in Form einer Linse, die stromabwärts des Strahlseparators 12 angeordnet ist, auf den Photodetektor 16 fokussiert werden. Wie im Fall der zweiten Ausführungsform kann ein optischer Verstärker zwischen dem Strahlseparator 12 und der Fokussieroptik 16, zum Beispiel in Form einer Linse, oder dem Photodetektor 16 angeordnet sein, wobei der Verstärker die Funktion hat, das von dem Strahlseparator 12 ankommende Licht zu verstärken und das verstärkte Licht auf die Fokussieroptik 15 oder den Photodetektor 16 zu richten.
In dem FBG ändert sich die Mittenwellenlänge des reflektierten Lichts aufgrund von Temperaturschwankungen mit einer Geschwindigkeit von 0,01 nm/°C. Unter Verwendung einer Lichtquelle, die einen Einzelfrequenz-Laserstrahl erzeugt, ergibt sich also das Problem, dass die Empfindlichkeit der Ultraschalldetektorelemente 17, die die FBGs enthalten, bei Temperaturschwankungen erheblich variiert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch wird ein gewisses Band in der Nähe eines Einzelfrequenz-Laserstrahls dadurch garantiert, dass das Durchlassband der von der ASE-Lichtquelle 9 erzeugten Spontanemissionslichts durch die Verwendung des schmalbandigen Filters 19 eingeengt wird, und Schwankungen der Empfindlichkeit des Ultraschallempfängers aufgrund von Temperaturschwankungen verringert werden.
Insbesondere bestehen bei der vorliegenden Ausführungsform das schmalbandige Filter 19 und die Ultraschalldetektorelemente 17 aus den gleichen Werkstoffen, und zwischen dem Filter 19 und den Detektorelementen 17 befindet sich eine thermische Kopplung. Die thermische Kopplung wird beispielsweise geschaffen durch Verbinden des schmalbandigen Filters 19 mit den Ultraschalldetektorelementen 17 über einen Werkstoff, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, oder dadurch, dass das schmalbandige Filter 19 und die Ultraschalldetektorelemente 17 baulich dicht nebeneinander angeordnet werden. Außerdem wird die thermische Kopplung dadurch gebildet, dass ein Wärmerohr derart angebracht wird, dass es das schmalbandige Filter 19 und die Ultraschalldetektorelemente 17 umgibt. Bei Verwendung eines Wärmerohrs muss man in diesem eine gewisse Flüssigkeit einschließen, die Wärme durch Konvektion leitet.
Im Ergebnis ist die Temperatur des FBG des schmalbandigen Filters 19 etwa die gleiche wie die des FBG des Ultraschalldetektorelements 17, und deshalb verschiebt sich selbst dann, wenn das Reflexionsvermögen der Ultraschalldetektorelemente 17 sich aufgrund der Temperatur verschiebt, auch die Wellenlänge des auf die Ultraschalldetektorelemente 17 auftreffenden Lichts, so dass Empfindlichkeitsschwankungen des Ultraschallempfängers verringert werden können.
Wie in 13 gezeigt ist, sei beispielsweise angenommen, die Mittenwellenlänge im Anfangszustand des Anregungslichts aus dem schmalbandigen Filter 19, das heißt des auf die Ultraschalldetektorelemente 17 auftreffenden Lichts betrage im Anfangszustand λ₀, und das Reflexionsvermögen der Ultraschalldetektorelemente 17 befinden sich in einem Zustand (Mittenwellenlänge λ₁), der geeignet ist zum Nachweisen von Schwankungen in der Wellenlänge des einfallenden Lichts mit der Mittenwellenlänge λ₀. Selbst wenn die Temperatur der Ultraschalldetektorelemente 17 im Verlauf der Zeit ansteigt und dadurch das Reflexionsvermögen der Ultraschalldetektorelemente 17 sich in den Zustand der Mittenwellenlänge λ₁' gemäß 14 ändert, so ändert sich auch die Mittenwellenlänge des einfallenden Lichts auf λ₀', wodurch der zum Detektieren von Wellenlängenschwankungen des einfallenden Lichts geeignete Zustand aufrecht erhalten werden kann. Das Ausmaß der Verschiebung der Mittenwellenlänge der Ultraschalldetektorelemente 17 (λ₁'–λ₁) ist im großen und ganzen gleich der Verschiebung der Mittenwellenlänge des von dem schmalbandigen Filter 19 emittierten Lichts (λ₀'–λ₀).
Als nächstes wird ein Ultraschallempfänger nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 15 ist ein Diagramm, welches schematisch einen Teil eines Ultraschallempfängers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Ein Ultraschalldetektorelement 18 nach 15 enthält einen Fabry-Perot-Resonator (FPR) 14 der ersten Ausführungsform und ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) 17. Das heißt: das FBG 17 ist an einer Spitze der optischen Faser 13 ausgebildet, und der FPR 14 ist direkt im Anschluss an das FBG 17 näher dem Ende zugewandt ausgebildet. Im Ergebnis kann Licht, das von dem FBG 17 nicht reflektiert wird, von dem FPR 14 reflektiert werden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie sich zur Verwendung bei einem Mehrfachwellenlängen-Laserstrahl oder breitbandigen Laserstrahl eignet.
Im folgenden wird der Aufbau einer Ultraschallsonde mit den oben in Verbindung mit einigen Ausführungsformen erläuterten Ultraschallempfängern unter Bezugnahme auf die 16A bis 16C und 17 erläutert. Wie in 16A gezeigt ist, ist in einem Gehäuse 21 ein optisches Faserarray 13 mit Ultraschalldetektorelementen 14, 17 oder 18 aufgenommen. Um die Seitenkeule zu unterdrücken, ist es wünschenswert, den Abstand zwischen den benachbarten Ultraschalldetektorelementen 14, 17 oder 18 kleiner zu machen als die halbe Länge der zu empfangenden Ultraschallwelle. Die Ultraschalldetektorelemente 14, 17, 18 können in Form eines Gitters angeordnet werden, so dass sich die Elemente an den jeweiligen Scheiteln aufeinanderfolgender Quadrate gemäß 16B befinden, oder sie können in einer versetzten Anordnung so platziert werden, dass die Elemente in zwei einander benachbarten Reihen oder Linien gegeneinander in der in 16 dargestellten Weise versetzt sind, um dadurch die Dichte der Ultraschalldetektorelemente zu steigern.
Es ist wünschenswert, eine akustische Anpassschicht 22 zwischen den Ultraschalldetektorelementen 14, 17 oder 18 und dem Gehäuse 21 anzuordnen, um eine Anpassung der akustischen Impedanz zu erreichen. Die akustische Anpassschicht 22 kann sich aus Pyrex-Glas, mit Metallpulver imprägniertem Epoxyharz und dergleichen zusammensetzen, die sich dazu eignen, die Ultraschallwellen zu transportieren. Außerdem ist es wünschenswert, ein akustisches Linsenelement 23 aus einem Werkstoff wie beispielsweise Silikongummi an der Oberfläche des Gehäuses 21 anzubringen, um hierdurch einen Schutz der Ultraschalldetektorelemente zu erreichen. Ferner ist es wünschenswert, den Raum zwischen einander benachbarten optischen Fasern mit einem akustisch absorbierenden Werkstoff 24 auszufüllen, um das Übersprechen der Ultraschallwellen einzuschränken. Als akustisch absorbierende Werkstoffe 24 eignen sich mit Metallpulver imprägniertes Epoxyharz sowie mit Ferritpulver imprägniertes Gummi. Das optische Faserarray 16 ist mit Harz 24 fixiert, ausgenommen der Nahbereich derjenigen Stelle, an der sich die Ultraschalldetektorelemente befinden.
Um Ultraschalldetektorelemente einschließlich optischer Wellenleiter mit Bragg-Gitter-Struktur in einer zweidimensionalen Form gemäß 17 anzuordnen, werden mehrere Substrate 55, in denen optische Wellenleiter ausgebildet sind, parallel zueinander fixiert. In diesem Fall können die mehreren Substrate so angeordnet sein, dass sich zwischen ihnen akustische Werkstoffe 24 befinden.
Als nächstes wird eine Ultraschalldiagnosevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung anhand der 18 erläutert. Dieses Ultraschalldiagnosegerät ist dazu ausgebildet, von dem oben erläuterten Ultraschallempfänger als Ultraschalldetektoreinheit (Sensor) Gebrauch zu machen, außerdem ist eine Ultraschallsendeeinheit vorgesehen.
Wie in 18 gezeigt ist, enthält dieses Ultraschalldiagnosegerät eine Treibersignal-Erzeugungsschaltung 30 zum Erzeugen eines Treibersignals und eine Ultraschallsendeeinheit 40 zum Senden von Ultraschallwellen ansprechend auf dieses Treibersignal. Die Ultraschallsendeeinheit 40 enthält einen Oszillator oder eine Sonde (ein eindimensionales Array), jeweils mit einem piezoelektrischen Element wie zum Beispiel einem PZT oder PVDF ausgestattet. Die auf ein zu prüfendes Objekt gerichteten Ultraschallwellen werden an dem Objekt reflektiert und werden von einer Ultraschalldetektoreinheit (einem Sensor) 50 empfangen. Der Sensor 50 beinhaltet ein optisches Faserarray, ein Ultraschalldetektorelement und dergleichen.
Dieses Ultraschalldiagnosegerät enthält außerdem eine Lichtquelle 11, einen Strahlseparator 12, ein Fokussiersystem 15 und einen Photodetektor 16, die sämtlich oben erläutert wurden. Das von dem Photodetektor 16 kommende Detektorsignal wird auf eine in einer Signalverarbeitungseinrichtung 60 enthaltene Signalverarbeitungseinheit 61 gegeben und in einem A/D-Wandler 62 in ein digitales Signal umgewandelt.
Der A/D-Wandler 62 ist mit einer Primärspeichereinheit 80 gekoppelt, in der aus mehreren Ebenen erfasste Daten gespeichert sind. Eine Bildverarbeitungseinheit 90 rekonstruiert zweidimensionale oder dreidimensionale Daten anhand der oben angesprochenen Daten. Diese rekonstruierten Daten werden Verarbeitungen unterzogen wie beispielsweise einer Interpolation, einer Antwort-Modulation, einer Gradationsverarbeitung oder derglei chen, und sie werden anschließend auf einer Bildanzeigeeinheit 100 angezeigt. Außerdem werden die in der Bildverarbeitungseinheit 90 verarbeiteten Daten in einer Sekundärspeichereinheit 110 gespeichert.
Eine Zeitsteuereinheit 70 steuert die Treibersignal-Erzeugungsschaltung 30 beim Erzeugen von Treibersignalen mit einem vorbestimmten zeitlichen Ablauf, und sie steuert außerdem die Signalverarbeitungseinheit 61 zum Erfassen eines von dem Photodetektor 16 nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit im Anschluss an das Senden der Ultraschallwellen gelieferten Detektorsignal. Es werden hier drei Vorgehensweisen zum Senden von Ultraschallwellen in der Treibersignal-Erzeugungsschaltung 30 und der Ultraschallsendeeinheit 40 erläutert, abhängig davon, wie sich die Zeit zum Erfassen gewisser Daten und Dateninhalte in der Signalverarbeitungseinheit 61 ändert.

(1) Wenn Ultraschallwellen für das Senden ähnlich einer Bleistiftspitze konzentriert werden: Wie in 19 gezeigt ist, kann man durch Konzentrieren der Übertragungswellen in einem Raum mit rundem Querschnitt ähnlich einer Bleistiftspitze ein Objekt in einer gewissen Ebene des Objekts zweidimensional abtasten und Detektorsignale des empfangenen Ultraschallechos mit einem Sensor 50 nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit im Anschluss an das Senden der Ultraschallwellen aufnehmen, um Information über einzelne Punkte der gewissen Ebene zu erlangen. Durch Ausführen dieser Operationen innerhalb eines Abschnitts, der eine gewisse Tiefe gegenüber dem Sensor 50 aufweist, lässt sich Information über den Querschnitt in der gewissen Tiefe erhalten. Damit können mehrere Schnittmuster bei verschiedenen Tiefen dadurch erhalten werden, dass diese Schritte bei jeder Bleistiftspitzenstelle unter Änderung der Erfassungszeit wiederholt werden. Die resultierenden Daten sind sowohl für den Sendevorgang als auch für den Empfangsvorgang im Fokus, und reichen aus zur Darstellung als dreidimensionale Daten ohne Korrektur.
(2) Wenn Ultraschallwellen zur Bildung einer Ebene konzentriert sind: Wie in 20 gezeigt ist, lässt sich durch Konzentrieren der Übertragungswellen aus der Ultraschallsendeeinheit 40 mit einer akustischen Linse derart, dass die Wellen einen linearen Querschnitt aufweisen, so dass ihr Verlaufsweg eine Ebene bildet, und durch Erfassen von Detektorsignalen des von dem Sensor 50 nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne im Anschluss an das Senden der Ultraschallwellen empfangenen Ultraschallechos Information bezüglich einer eindimensionalen Linie in einer gewissen Tiefe erlangen. Allerdings ist es unvermeidlich, dass jeder Informationspunkt auch Information über andere Punkte innerhalb des Bereichs enthält, zu dem die Ultraschallwellen gelangen. Deshalb ist es notwendig, ein Anzeigebild dadurch zu gewinnen, dass gut fokussierte Daten rekonstruiert werden, indem eine Wellenfrontsynthese (eine sogenannte Apertursynthese) basierend auf den Detektorsignalen vorgenommen wird, die mit einer zeitlichen Verzögerung in Folge aufgenommen werden.
(3) Wenn Ultraschallwellen als ebene Wellen gesendet werden: Wie in 21 gezeigt ist, können durch Aussenden der Übertragungswellen in Form von ebenen Wellen aus der Ultraschallsendeeinheit 40 und durch Einfangen von Detektorsignalen des von dem Sensor 50 nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne im Anschluss an das Senden der Ultraschallwelle empfangenen Ultraschallechos Informationen über eine zweidimensionale Ebene in einer gewissen Tiefe mit einem Mal gewonnen werden. Damit lassen sich mehrere Querschnittsmuster bei verschiedenen Tiefen dadurch erhalten, dass diese Schritte bei Änderung der Erfassungszeit wiederholt werden. Allerdings ist es unvermeidlich, dass jeder Informationspunkt auch Informationen über andere Punkte innerhalb des Bereichs enthält, auf den die Ultraschallwellen gelangen. Deshalb ist es notwendig, ein Anzeigebild dadurch zu betrachten, dass man gut fokussierte Daten rekonstruiert, indem man eine Wellenformsynthese (eine sogenannte Apertursynthese) basierend auf den Detektorsignalen durchführt, die mit einer zeitlichen Verzögerung in Folge erfasst wurden.

Als nächstes soll ein Ultraschalldiagnosegerät gemäß einer zweiten Ausführungsform anhand der 22 beschrieben werden. Bei dieser Ausführungsform sind die Ultra schalldetektoreinheit 5 mit dem oben erläuterten Ultraschallempfänger und die Ultraschallsendeeinheit 40 miteinander zur Verwendung als Ultraschallsende- und -empfangseinheit 120 kombiniert. Abgesehen davon, ist das Ultraschalldiagnosegerät der zweiten Ausführungsform ähnlich der ersten Ausführungsform.
Wie oben erläutert wurde, wird erfindungsgemäß Licht für das eindimensionale oder zweidimensionale Erfassen von Ultraschallwellen verwendet, wodurch die elektrische Verdrahtung mit einer großen Anzahl von Mikrokomponenten entfällt und ein verstärktes Übersprechen sowie eine erhöhte elektrische Impedanz vermieden werden. Folglich lässt sich eine Ultraschallsonde sowie ein Ultraschallempfänger implementieren, die sich einfach herstellen lassen und einen guten Rauschabstand liefern, außerdem lässt sich ein Ultraschalldiagnosegerät schaffen, der diese Einrichtungen beinhaltet.

Claims

Ultraschallempfänger, umfassend: eine Ultraschalldetektoreinheit (50) mit einer Mehrzahl von Ultraschalldetektorelementen (17, 18 oder 52), die in einer zweidimensionalen Anordnung platziert sind, um Licht auf der Grundlage einer aufgebrachten Ultraschallwelle zu modulieren; und einen Fotodetektor (16) zum Detektieren des Ausgangslichts von den mehreren Ultraschalldetektorelementen, um Detektorsignale auszugeben; gekennzeichnet durch: eine breitbandige Lichtquelle (2, 9) zum Emittieren von Licht mit einem vorbestimmten Transmissionsband; ein schmalbandiges Bandpassfilter (19) zum Verengen des vorbestimmten Transmissionsbands des von der breitbandigen Lichtquelle emittierten Lichts, wobei jedes der mehreren Ultraschalldetektorelemente (17) eine Bragg-Gitterstruktur aufweist; das schmalbandige Bandpassfilter (19) eine Bragg-Gitterstruktur aus den gleichen Werkstoffen wie die Bragg-Gitterstruktur der mehreren Ultraschalldetektorelemente aufweist; und die Bragg-Gitterstruktur des schmalbandigen Bandpassfilters (19) und die Bragg-Gitterstruktur der mehreren Ultraschalldetektorelemente thermisch gekoppelt sind.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, bei dem die Ultraschalldetektoreinheit weiterhin ein Lichtleitfaserarray (13) aufweist, welches mehrere Lichtleitfasern (13a, 13b) enthält, jeweils ausgestattet mit dem einen Endbereich, in wel chen Licht eintritt, und dem anderen Endbereich, an dem das Ultraschalldetektorelement ausgebildet ist.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, bei dem die Ultraschalldetektoreinheit weiterhin enthält: eine Mehrzahl von optischen Wellenleitwegen (51a, 51b, oder 53a, 53b, ...), die auf einem Substrat (55) ausgebildet sind und jeweils den einen Endbereich aufweisen, in den Licht eintritt, und den anderen Endbereich aufweisen, in welchem das Ultraschalldetektorelement ausgebildet ist.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen optischen Verstärker (1) zum Verstärken von durch die brandbandige Lichtquelle erzeugtem Licht und zum Zuleiten des verstärkten Lichts zu den mehreren Ultraschalldetektorelementen.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen optischen Verstärker (2) zum Verstärken des Ausgangslichts aus den mehreren Ultraschallelementen und zum Zuführen des verstärkten Lichts zu dem Fotodetektor.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, bei dem die breitbandige Lichtquelle eine ASE-Lichtquelle (ASE = Amplified Spontaneous Emission; verstärkte spontane Emission) ist, die verstärktes Licht durch spontane Emission emittiert.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, bei dem jedes der mehreren Ultraschalldetektorelemente sowohl eine Fabry-Perot-Resonatorstruktur als auch eine Bragg-Gitterstruktur aufweist.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, bei dem der Fotodetektor ein CCD-Bauelement oder eine Mehrzahl von Fotodioden aufweist.
Ultraschallempfänger nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine akustische Anpassschicht (22), eine akustische Linse (23) und/oder einen absorbierenden Werkstoff (24).
Ultraschalldiagnosegerät, umfassend: eine Treibersignal-Erzeugungsschaltung (30) zum Erzeugen eines Treibersignals; eine Ultraschallsendeeinheit (40) zum Senden von Ultraschallwellen abhängig von dem von der Treibersignal-Erzeugungsschaltung gelieferten Treibersignal; einen Ultraschallempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9; eine Signalbearbeitungseinrichtung (60) zum Verarbeiten der von dem Fotodetektor ausgegebenen Detektorsignale; und eine Steuereinrichtung (70) zum Steuern der Treibersignal-Erzeugungsschaltung und der Verarbeitungseinrichtung.
Ultraschalldiagnosegerät nach Anspruch 10, bei dem die Ultraschallsendeeinheit (40) und die Ultraschalldetektoreinheit (50) zur Bildung einer Ultraschall-Sende-Empfangseinheit (120) kombiniert sind.