TW201310018A - 光聲影像裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光聲影像裝置，用以偵測一待測物的一光聲影像。光聲影像裝置包括一雷射探頭及一透光式超音波感測器。雷射探頭用以發出一雷射光束。透光式超音波感測器配置於雷射探頭上，且雷射探頭所發出的雷射光束穿透透光式超音波感測器而傳遞至待測物。

Description

光聲影像裝置
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種光聲影像裝置(photoacoustic imaging apparatus)。
當利用光照射組織(例如活體組織)時，組織在吸收光能後，會將部分光能轉換成聲能，並以聲波的方式傳播出去，這樣的效應稱之為光聲效應(photoacoustic effect)。光聲效應通常用於活體內部成像或分析物的化驗。光聲影像探頭(photoacoustic imaging probe)係利用光聲效應，來確定活體之某區域的影像特徵，一般至少包括一個超音波換能器和一個光源。光線照射活體區域後，產生光聲波訊號傳播出去，並由所提供的超音波換能器接受訊號來確定影像特徵。
通常，超音波換能器與偵測區域的光源愈接近愈好，一般將超音波換能器與光源耦合在同一表面區域上。在此產生光源的區域因無法放置超音波換能器，所以無法偵測到光聲波訊號而導致盲區(blind spot)的產生。一般盲區的產生會不利於超音波換能器的靈敏度。為降低盲區對超音波換能器靈敏度的影響，輸出光源的開口愈小愈好。然而小輸出光源口徑對製造而言比較困難。為了解決此問題，在光聲影像探頭上提供適當且穩定的照射功能，並具有相當大面積且均勻強度的光源是必須的。
一種習知的光聲影像探頭在操作時利用配置於超音波換能器兩側的反射鏡來改變雷射光束的行進方向。當超音波換能器欲偵測組織於不同深度的光聲波訊號時，則須轉動反射鏡來改變雷射光束照射於超音波換能器的偵測區域的深度。然而，這樣的操作過於費時，無法將雷射光的能量作有效率地運用。
本發明之一實施例提出一種光聲影像裝置，用以偵測一待測物的一光聲影像。光聲影像裝置包括一雷射探頭及一透光式超音波感測器。雷射探頭用以發出一雷射光束。透光式超音波感測器配置於雷射探頭上，且雷射探頭所發出的雷射光束穿透透光式超音波感測器而傳遞至待測物。
為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例之光聲影像裝置的立體示意圖，圖2為圖1中之雷射探頭與透光式超音波感測器於使用時的示意圖，圖3為圖2之雷射探頭與透光式超音波感測器的立體示意圖，圖4繪示圖1之光聲影像裝置所產生的雷射光束的照射範圍與透光式超音波感測器的感測範圍重合的情形。請參照圖1至圖4，本實施例之光聲影像裝置100用以偵測一待測物50的一光聲影像。在本實施例中，待測物50為活體的組織或其他生物體或非生物體的組織。舉例而言，待測物50例如為人體的皮膚。
光聲影像裝置100包括一雷射探頭210及一透光式超音波感測器220。雷射探頭210用以發出一雷射光束212。透光式超音波感測器220配置於雷射探頭210上，且雷射探頭210所發出的雷射光束212穿透透光式超音波感測器220而傳遞至待測物50。在本實施例中，待測物50受到雷射光束212照射後，會產生一超音波221。透光式超音波感測器220用以偵測超音波221。在本實施例中，超音波感測器220為超音波換能器，以將超音波221之聲能轉換為電能。此外，在本實施例中，雷射光束212為脈衝式雷射光束，當雷射光束212照射於待測物50時，待測物50的結構會隨著吸收脈衝式雷射光束所產生的熱能的變化而造成熱脹冷縮，進而產生超音波。
在本實施例中，由於透光式超音波感測器220相對於雷射光束212而言是透明的，因此雷射光束212穿透透光式超音波感測器220而傳遞至待測物50，且雷射探頭210沿著透光式超音波感測器220的感測範圍A2發出雷射光束212。換言之，如圖4所繪示，雷射光束212照射於待測物50的照射範圍A1與透光式超音波感測器220的感測範圍A2大致上是重合的。如此一來，透光式超音波感測器220的感測範圍A2絕大部分都受到雷射光束212的照射，因此透光式超音波感測器220可獲得完整、無盲點的光聲波影像訊號(即超音波221所產生的超音波影像)。此外，由於絕大部分的感測範圍A2都受到雷射光束212的照射，因此本實施例之光聲影像裝置100可以不用像習知光聲影像探頭那樣須移動反射鏡來改變雷射光束照射於超音波感測器的感測範圍的深度。換言之，本實施例之光聲影像裝置100充分利用雷射光束212的能量來產生光聲波，因此可使光聲影像裝置100在使用時較有效率。另外，由於透光式超音波感測器220是配置於雷射探頭210上，因此本實施例之光聲影像裝置100的結構較為簡易，體積較小。
在本實施例中，光聲影像裝置100更包括一雷射產生器110及一光纖束120。雷射產生器110用以提供雷射光束212。光纖束120連接雷射產生器110與雷射探頭210，以將來自雷射產生器110的雷射光束212傳遞至雷射探頭210。具體而言，雷射產生器110所產生的雷射光束212會進入光纖束120中，並在光纖束120中傳遞至雷射探頭210。在本實施例中，雷射探頭210與透光式超音波感測器220可構成一光聲影像探頭200。
在本實施例中，雷射探頭210包括一出光開口214，且雷射探頭210中的雷射光束212經由出光開口214傳遞至透光式超音波感測器220。透光式超音波感測器220配置於出光開口214上，且透光式超音波感測器220的形狀與出光開口214的形狀相符合。具體而言，在本實施例中，出光開口214為線形開口。此外，在本實施例中，透光式超音波感測器220包括複數個透光式超音波感測單元222，且這些透光式超音波感測單元222排列成線狀。如此一來，透光式超音波感測器220的感測範圍A2便為縱向深入待測物50的一感測面，而雷射光束212的照射範圍A1亦為縱向深入待測物50的一照射面。
圖5為圖1之光聲影像裝置於兩個不同方向的剖面之示意圖。請參照圖1、圖2及圖5，圖5之左圖為與出光開口214(即線形開口)垂直之剖面圖，而右圖為與出光開口214平行之剖面圖。由圖5可看出，光纖束120貫穿雷射探頭120而延伸至出光開口214。此外，光纖束120中的光纖在出光開口214(即線形開口)的延伸方向上展開。此外，為了使待測物50的光吸收體52在吸收雷射光束212後所發出的超音波221能夠順利地傳遞至透光式超音波感測器220，可在透光式超音波感測器220與待測物50之間塗佈一層音波阻抗匹配物質60，以幫助超音波221的傳遞。
圖6為圖1之光聲影像探頭的局部剖面示意圖。請參照圖1、圖4與圖6，在本實施例中，雷射光束212的波長落在10奈米至2400奈米的範圍內。此外，在本實施例中，透光式超音波感測器220對於雷射光束212的透光率大於60%。換言之，在本實施例中，透光式超音波感測器220對於波長落在10奈米至2400奈米的光的透光率大於60%。此外，在本實施例中，每一透光式超音波感測單元222包括一透光基板310、一第一透光電極320、一透光絕緣層330、一圖案化透光支撐結構340、一透光薄膜350及一第二透光電極360。第一透光電極320配置於透光基板310上，透光絕緣層330配置於第一透光電極320上，圖案化透光支撐結構340配置於透光絕緣層330上，且透光薄膜350配置於圖案化透光支撐結構340上。透光絕緣層330、圖案化透光支撐結構340及透光薄膜350之間形成至少一空腔C(在本實施例中是以複數個空腔C為例)。空腔C中可填有空氣或其他適當的氣體。此外，第二透光電極360配置於透光薄膜350上。當超音波221傳遞至透光式超音波感測單元222時，會使透光式超音波感測單元222中的透光薄膜350振動。第一透光電極320及第二透光電極360則可感應到透光薄膜350的振動而產生電訊號。如此一來，透光式超音波感測單元222便可以將超音波221轉換為電訊號。
在本實施例中，透光基板310配置於雷射探頭210與第一透光電極320之間。換言之，透光式超音波感測單元222是以透光基板310的一側面向雷射探頭210，如此可增進透光薄膜350感測超音波221的靈敏度。此外，在本實施例中，透光薄膜350與圖案化透光支撐結構340適於讓波長從10奈米至2400奈米的光穿透。具體而言，透光薄膜350與圖案化透光支撐結構340的材質可包括高分子材料、矽(Si)、石英(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、三氧化二鋁(Al2O3)、單晶材料及其他可讓波長從10奈米至2400奈米的光通過之材料之至少其中之一。上述高分子材料包括苯基環丁烯(benzocyclobutene,BCB)、聚醯亞胺(polyimide,PI)、環氧光阻SU8、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)及其他高分子材料之至少其中之一。
另外，在本實施例中，第一透光電極320與第二透光電極360的材料包括氧化銦錫及氧化銦鋅之至少其中之一。此外，在本實施例中，透光基板310為玻璃基板或高分子基軟性基板。
在本實施例中，每一透光式超音波感測單元222更包括一透光保護層370，配置於第二透光電極360上，以保護第二透光電極360。
以下利用光學模擬數據來驗證透光式超音波感測單元222的透光性，但並非用以限制本發明。所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之實施例後可對這些膜層的參數作適當的設定，但其仍屬本發明的保護範疇。
在本光學模擬中，透光基板310是採用厚度為500微米的BK7光學玻璃來模擬，第一透光電極320與第二透光電極360各是採用厚度為0.1微米的氧化銦錫層來模擬，空腔C中的氣體是以1微米厚的空氣來模擬，透光薄膜350是以1微米厚的介電層(如二氧化矽膜)來模擬，透光保護層370是以0.1微米厚的介電層(如聚醯亞胺膜)來模擬。本光學模擬所採用的BK7光學玻璃的折射率為1.51184，消光係數(extinction coefficient)為0。氧化銦錫膜的折射率為1.88，消光係數的絕對值為0.0056。空氣的折射率為1，消光係數為0。二氧化矽的折射率為1.454，消光係數為0。聚醯亞胺的折射率為1.65，消光係數的絕對值為0.0056。以上述參數作光學模擬後，可得到透光式超音波感測單元222的光穿透率為76.399%，由此可驗證本實施例之透光式超音波感測單元222具有高透光率。
圖7與圖8為本發明之另二個實施例之光聲影像探頭的正視圖。請先參照圖7，本實施例之光聲影像探頭類似於圖1之光聲影像探頭200，而兩者的差異在於本實施例之雷射探頭210a的出光開口214a為環狀開口，且這些透光式超音波感測單元222排列成環狀。如此一來，這些超音波感測單元222的感測區域可呈圓柱狀，而雷射探頭210a所發出的照射區域亦同樣呈圓柱狀。請再參照圖8，本實施例之光聲影像探頭類似於圖1之光聲影像探頭200，而兩者的差異在於本實施例之雷射探頭210b的出光開口214b為陣列狀開口，且這些透光式超音波感測單元222排列成陣列狀。如此一來，這些超音波感測單元222的感測區域可呈三維空間狀，而雷射探頭210b所發出的照射區域亦同樣呈三維空間狀，這樣便能感測到三維空間的光聲波影像。
本發明並不限定出光開口的形狀，亦不限定超音波感測單元222的排列形狀，在其他實施例中，兩者可呈其他適當的對應關係，且使這些超音波感測單元222的感測區域與雷射光束的照射區域大致上重合。
綜上所述，在本發明之實施例之光聲影像裝置中，由於透光式超音波感測器相對於雷射光束而言是透明的，因此雷射光束穿透透光式超音波感測器而傳遞至待測物。如此一來，雷射光束照射於待測物的照射範圍與透光式超音波感測器的感測範圍便可以大致上重合。這樣的話，透光式超音波感測器的感測範圍絕大部分都受到雷射光束的照射，因此透光式超音波感測器可獲得完整、無盲點的光聲波影像訊號。此外，由於絕大部分的感測範圍都受到雷射光束的照射，因此本發明之實施例之光聲影像裝置可以不用像習知光聲影像探頭那樣須移動反射鏡來改變雷射光束照射於超音波感測器的感測範圍的深度。換言之，本發明之實施例之光聲影像裝置充分利用雷射光束的能量來產生光聲波，因此可使光聲影像裝置在使用時較有效率。另外，由於透光式超音波感測器是配置於雷射探頭上，因此本發明之實施例之光聲影像裝置的結構較為簡易，體積較小。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
50．．．待測物
52．．．光吸收體
60．．．音波阻抗匹配物質
100．．．光聲影像裝置
110．．．雷射產生器
120．．．光纖束
200．．．光聲影像探頭
210、210a、210b．．．雷射探頭
212．．．雷射光束
214、214a、214b．．．出光開口
220．．．透光式超音波感測器
221．．．超音波
222．．．透光式超音波感測單元
310．．．透光基板
320．．．第一透光電極
330．．．透光絕緣層
340．．．圖案化透光支撐結構
350．．．透光薄膜
360．．．第二透光電極
370．．．透光保護層
A1．．．照射範圍
A2．．．感測範圍
C．．．空腔
圖1為本發明之一實施例之光聲影像裝置的立體示意圖。
圖2為圖1中之雷射探頭與透光式超音波感測器於使用時的示意圖。
圖3為圖2之雷射探頭與透光式超音波感測器的立體示意圖。
圖4繪示圖1之光聲影像裝置所產生的雷射光束的照射範圍與透光式超音波感測器的感測範圍重合的情形。
圖5為圖1之光聲影像裝置於兩個不同方向的剖面之示意圖。
圖6為圖1之光聲影像探頭的局部剖面示意圖。
圖7與圖8為本發明之另二個實施例之光聲影像探頭的正視圖。
50．．．待測物
210．．．雷射探頭
212．．．雷射光束
220．．．透光式超音波感測器
221．．．超音波
222．．．透光式超音波感測單元

Claims (15)

  1. 一種光聲影像裝置，用以偵測一待測物的一光聲影像，該光聲影像裝置包括：一雷射探頭，用以發出一雷射光束；以及一透光式超音波感測器，配置於該雷射探頭上，其中該雷射探頭所發出的該雷射光束穿透該透光式超音波感測器而傳遞至該待測物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光聲影像裝置，其中該待測物受到該雷射光束照射後，會產生一超音波，該透光式超音波感測器用以偵測該超音波，且該雷射探頭沿著該透光式超音波感測器的感測範圍發出該雷射光束。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光聲影像裝置，其中該雷射光束的波長落在10奈米至2400奈米的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光聲影像裝置，其中該雷射探頭包括一出光開口，該雷射光束經由該出光開口傳遞至該透光式超音波感測器，該透光式超音波感測器配置於該出光開口上，且該透光式超音波感測器的形狀與該出光開口的形狀相符合。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光聲影像裝置，其中該出光開口為線形開口、環狀開口或陣列狀開口。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之光聲影像裝置，其中該透光式超音波感測器包括複數個透光式超音波感測單元，且該些透光式超音波感測單元排列成線狀、環狀或陣列狀。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光聲影像裝置，其中該透光式超音波感測器對於該雷射光束的透光率大於60%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光聲影像裝置，更包括：一雷射產生器，用以提供該雷射光束；以及一光纖束，連接該雷射產生器與該雷射探頭，以將來自雷射產生器的該雷射光束傳遞至該雷射探頭。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光聲影像裝置，其中該透光式超音波感測器包括複數個透光式超音波感測單元，每一該透光式超音波感測單元包括：一透光基板；一第一透光電極，配置於該透光基板上；一透光絕緣層，配置於該第一透光電極上；一圖案化透光支撐結構，配置於該透光絕緣層上；一透光薄膜，配置於該圖案化透光支撐結構上，其中該透光絕緣層、該圖案化透光支撐結構及該透光薄膜之間形成至少一空腔；以及一第二透光電極，配置於該透光薄膜上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光聲影像裝置，其中該透光基板配置於該雷射探頭與該第一透光電極之間。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之光聲影像裝置，其中該透光薄膜與該圖案化透光支撐結構適於讓波長從10奈米至2400奈米的光穿透。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之光聲影像裝置，其中該透光薄膜與該圖案化透光支撐結構的材質包括高分子材料、矽、石英、氮化矽、三氧化二鋁及單晶材料之至少其中之一。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之光聲影像裝置，其中該第一透光電極與該第二透光電極的材料包括氧化銦錫及氧化銦鋅之至少其中之一。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之光聲影像裝置，其中該透光基板為玻璃基板或高分子基軟性基板。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之光聲影像裝置，其中該雷射光束為脈衝式雷射光束。
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