结合透明超声波传感器的光声检测系统

1.本发明涉及一种结合透明超声波传感器的光声检测系统，更详细而言，涉及一种光声检测器，该光声检测器通过使连接超声波传感器和超声波发生点的轴与连接光源和光投射点的轴一致，从而具有高snr并能够获取前哨淋巴结等病变的超声波影像。


背景技术：

2.恶性肿瘤的淋巴结是否转移是决定患者的生存率的主要因素。尤其，由于恶性肿瘤最先转移到“前哨淋巴结(sentinel lymph node，sln)”，因此sln的准确检测和组织检查执行对患者的预后非常重要。必须执行sln组织检查的代表性癌症有乳腺癌和皮肤黑色素癌，sln组织检查在口腔癌、胃癌等也呈增加趋势。
3.当前，sln组织检查经过注入放射性物质，在手术中用伽马射线检测器(radioscope)感测sln的位置并进行切除的过程。伽马射线检测器由手术者手持直接控制。
4.但是，由于在淋巴结活检过程中将放射性物质注射到被手术者的组织的特性，因此利用伽马射线检测器的sln组织检查对被手术者和手术者都有被辐射的风险。此外，伽马射线检测器的价格较贵，并且需要在单独的特殊空间使用，因此只能在非常有限的医院使用。并且，处理使用后的辐射线相关物质也需要相当高的成本。
5.另一方面，作为用于解决这种利用伽马射线检测器的sln组织检查具有的辐射线检查引起的被辐射风险问题的方案，出现了一种利用光声传感器(photoacoustic sensor)代替伽马射线的光声检测器(photoacoustic detector)。
6.光声现象是指，当将特定波长带的光投射到物体时，物体吸收光并产生超声波的现象。光声检测器是利用这种光声现象的设备。
7.图1是示出根据现有技术的光声检测器的一例的图。
8.光声检测器主要包括：光源，用于将特定波长带的光投射到对象；以及超声波传感器(或超声波换能器，相同含义)，用于检测从对象产生的超声波，以便利用从投射到对象的光产生的光声现象的超声波生成超声波影像。
9.这种光声检测器融合了高分辨率的光学系统和超声波系统(与其他医疗影像拍摄设备相比，所述超声波系统能够穿透皮肤下方的深层组织)的优点，因此即使在生物组织内的深处，也可以以高分辨率检测各种组织或器官(癌组织、血管、造影剂等)。
10.但是，在根据现有技术的光声检测器的情况下，由于超声波传感器不透明，因此从光源发射的光不可透过超声波传感器。因此，无法将需要透明介质的光源的光学系统和不透明的超声波传感器配置在同一轴上。
11.其结果，如图1所示，提出了一种光声检测器，光声检测器中的光源和超声波传感器以倾斜规定角度的方式配置。
12.这种现有的光声检测器具有如下问题。
13.1.由于光声检测器的尺寸变大，因此妨碍光声检测器接近目标，并且带来使用上的不便。
14.2.尽管众所周知，只有光源和超声波传感器指向完全相同的平面(plane)才能获得高信噪比(signal-to-noise ratio，snr)，但发生超声波传感器和光源的位置差异引起的信号衰减和伪影(artifact)，从而降低检测灵敏度。
15.因此，为了获取高snr，需要使连接超声波传感器和超声波发生点的轴与连接光源和光投射点的轴一致的光声sln检测器。


技术实现要素：

16.要解决的技术问题
17.本发明是为了对应上述请求而设计，其目的在于，提供一种结合透明超声波传感器的光声检测系统，使连接超声波传感器和超声波发生点的轴与连接光源和光投射点的轴一致，从而具有高snr并能够获取前哨淋巴结等病变的超声波影像。
18.用于解决问题的手段
19.为了解决上述目的，根据一例的结合超声波传感器的光声检测系统包括：光源，通过光振荡装置生成适合产生光声现象的光；光传输系统，将从所述光源生成的光传输到所述探针侧；探针，内部容纳光学系统和透明超声波传感器；光学系统，调节从所述光源生成的光的大小、焦点、路径等；透明超声波传感器，由透光性材料制成，使得根据光声效果，感测对应于投射到观察区域的所述光而在所述观察区域生成的超声波，并且能够使从所述光源生成的所述光透过；数据收集装置，收集包括所述透明超声波传感器感测到的所述超声波的光声数据；以及数据检测装置，通过分析所述光声数据来判断观察区域中是否检测到特定物质。
20.此时，所述光源可以是选自包括光参量谐振器激光(opo激光)、液态染料激光(dye laser)、发光二极管(led)、激光二极管(ld)、固体染料激光、翠绿宝石激光(alexandrite laser)的组种的至少一种光振荡装置。
21.此外，所述光传输系统可包括光纤和活节式臂中的至少一个。
22.此外，所述光学系统可至少包括光束扩展器(beam expander)、镜子(mirror)、透镜(lens)。
23.此外，所述透明超声波传感器可以是聚焦型和非聚焦型中的任一个。
24.此外，所述透明超声波传感器可以是单个透明超声波传感器元件。
25.此外，所述透明超声波传感器可以由多个透明超声波传感器元件的阵列(array)构成。
26.此外，所述光的路径轴与所述超声波的路径轴可以形成为彼此平行。
27.此外，所述结合透明超声波传感器的光声检测系统还可包括改变所述光的波长的波长转换器。
28.此外，所述结合透明超声波传感器的光声检测系统还可包括能够在所述透明超声波传感器和所述观察区域之间传输超声波的介质。
29.此外，所述数据收集装置可以通过与所述透明超声波传感器有线或无线连接来接收所述光声数据。
30.发明效果
31.利用本发明，具有能够实现结合透明超声波传感器的光声检测系统的效果，其通
过使连接具有透光性的超声波传感器和超声波发生点的轴与连接光源和光投射点的轴一致，从而具有高snr并能够获取前哨淋巴结等病变的超声波影像。
32.此外，利用本发明，具有如下效果：由于与现有伽马射线检测器不同，不使用放射性物质，因此不仅可以降低成本，还可以提高手术者和被手术者的安全性。
33.此外，利用本发明，通过利用透明超声波传感器，可以实现作为现有光声技术的局限性的光声检测用探针的小型化。这具有如下效果：适用于手术者手持使用的光声检测器，通过使探针容易地接近要检测的物质来提高检测准确度。
34.此外，利用本发明，具有如下效果：由于不会发生超声波传感器和光源的位置差异引起的信号衰减和伪影(artifact)，因此检测灵敏度增加，并且由于不需要根据用户的经验使超声波轴和光源的轴一致的过程，因此检测可靠性增加。
35.此外，利用本发明，具有如下效果：可以根据需求以各种大小制造光声检测器，因此能够实现具有适用于各种身体部位的可用性的光声检测器。
附图说明
36.图1是例示根据现有技术的光声检测器的图。
37.图2是简略示出结合透明超声波传感器的光声检测器的测定原理的图。
38.图3是示出结合透明超声波传感器的光声检测器的一例的框图。
39.图4是示出图3所示的结合透明超声波传感器的光声检测器的探针末端的各种变形实施例的图。
40.图5是例示包括图3所示的结合透明超声波传感器的光声检测器的光声检测系统的图。
41.图6是表示透明超声波传感器的一例的分解立体图。
具体实施方式
42.以下，参照附图，对根据本发明的结合透明超声波传感器的光声检测系统进行详细说明。
43.在对本发明进行说明时，如果认为添加在相关领域已知技术或构成的详细说明可使本发明的要旨不明确，则在详细说明中省略其一部分。此外，本说明书中使用的术语是为了适当地表达本发明的实施例而使用的术语，这可以根据本领域相关人员或惯例而有所不同。因此，本术语应基于整个说明书的内容进行定义。
44.这里使用的专业术语仅用于提及特定实施例，并非限定本发明。除非文章明确表示与此相反的含义，此处使用的单数形式包括复数形式。在本说明书中使用的“包括”的含义是具体化特定特征、区域、整数、步骤、操作、要素和/或成分，并非排除其他特定特征、区域、整数、步骤、操作、要素成分和/或组的存在或附加。
45.此外，除非特别提及，在本说明书中，透明超声波传感器(transparent ultrasonic sensor)、透明超声波换能器(transparent ultrasonic transducer)、透明超声换能器(transparent ultrasonic transducer，tut)都表示相同的对象。
46.图2是简略示出结合透明超声波传感器的光声检测器的测定原理的图。
47.在结合透明超声波传感器的光声检测器中，光源模块s1和透明超声波传感器s2配
置成一列，使得从光源模块s1输出的光的路径和从透明超声波传感器s2输出的超声波信号的路径彼此平行。
48.即光源模块s1的光出射面和透明超声波传感器s2的入射面彼此平行。
49.因此，最终入射到对象200的光路径p1和透明超声波传感器s2的超声波路径p2可以彼此相同或平行。
50.如上所述，由于光学模块s1位于透明超声波传感器的后方或与透明超声波传感器的路径p2相同的路径上，因此可以获取位于透明超声波传感器s2的前方的对象200的影像。
51.在这种情况下，在不发生从光学超声波传感器s2和光学模块s1输出的信号或光的失真现象的情况下，可以获取相同对象200的相同位置的信号，从而获取准确的影像。
52.图3是示出结合透明超声波传感器的光声检测器的一例的框图。
53.如图3所示，结合透明超声波传感器的光声检测器1包括光源10、光传输系统30和探针50，探针50还包括光学系统40和透明超声波传感器20。
54.光源10作为光振荡装置，广泛包括能够生成适合产生光声现象的光的光参量谐振器激光(opo激光)、液态染料激光、led、ld、固体染料激光、翠绿宝石激光等各种光振荡装置。
55.光传输系统3是将从光源10生成的光传输到探针50侧的光传输路径系统。通常使用光纤(optical fiber)或活节式臂(articulated arm)等，但光传输系统不仅限于此。
56.探针50是包装并收纳光学系统40和透明超声波传感器20的部分，使得手术者能够方便地向被手术者的观察区域投射光。
57.光学系统40是为了调节从光源10生成的光的大小、焦点、路径等而使用的，可以广泛使用光束扩展器(beam expander)、镜子(mirror)、透镜(lens)等。
58.透明超声波传感器20是由透光性元件组成的超声波传感器，使从光源10生成的光可以透过并投射到被手术者的观察区域。此外，根据光声效果，当对应于投射到观察区域的光而在观察区域生成超声波时，执行感测该超声波的作用。透明超声波传感器20可以广泛使用各种频段的聚焦型(focused type)、非聚焦型(unfocused type)的透明超声波传感器。此外，根据用途和需要，可以使用单个(single)元件或阵列(array)元件的超声波传感器。
59.图4是示出图3所示的结合透明超声波传感器的光声检测器的探针末端的各种变形实施例的图。
60.如图4所示，探针50可以通过在光路径和超声波路径配置平面镜(plano mirror)42来调节探针50末端的光路径和超声波路径。
61.例如，在图4的(a)中，透明超声波传感器与光轴的角度为0
°
。如图4的(b)所示，就透明超声波传感器与光轴的角度而言，将平面镜42的角度调节为-45
°
时，可以将被手术者的观察区域配置在探针50的左侧。相同地，如图4的(c)所示，就透明超声波传感器与光轴的角度而言，将平面镜42的角度调节为+45
°
时，可以将被手术者的观察区域配置在探针50的右侧。
62.图5是例示包括图3所示的结合透明超声波传感器的光声检测器的光声检测系统的图。
63.如图5所示，光声检测系统2包括光源10、活节式臂(articulated arm)32、光声检
测器外壳42、波长转换器60、光学系统40、透明超声波传感器20、介质70、数据收集装置80和检测装置90。
64.如上所述，光源10作为光振荡装置，广泛包括能够生成适合产生光声现象的光的光参量谐振器激光(opo激光)、液态染料激光、led、ld、固体染料激光、翠绿宝石激光等各种光振荡装置。此时，主要使用nd：yag的532nm波长带的激光用作泵激光。
65.活节式臂32是传输光的通道，可用光纤或其他光传输系统代替。
66.光声检测器外壳52对应于上述探针50。从光源10发出的激光通过活节式臂32传输到光声检测器外壳52内部。光声检测器外壳52包括波长转换器60和光学系统40。在根据本发明的光声检测系统2的情况下，通过使光路径和超声波路径一致，可以将光声检测器外壳52小型化到适合手术者一手握着使用的程度。
67.波长转换器60是用于改变泵激光的波长的构成要素。用于改变光的波长的方法有多种，在实施例中，利用染料杆(dye rod)作为波长转换器60，将从光源10以532nm发出的激光的波长改变为650nm。
68.光学系统40是用于改变光轴的进行路径的构成要素。如上所述，光学系统40是为了调节从光源10生成的光的大小、焦点、路径等而使用的，可以广泛使用光束扩展器(beam expander)、镜子(mirror)、透镜(lens)等。如果利于光学系统40，则由于不仅可以使透明超声波传感器20位于正面，还可以使透明超声波传感器20以各种角度配置，因此可以更有效的检测。由于光学系统40不是必要构件，因此可以根据情况省略。
69.如上所述，透明超声波传感器20是由透光性元件组成的超声波传感器，使从光源10生成的光可以透过并投射到被手术者的观察区域。此外，根据光声效果，当对应于投射到观察区域的光而在观察区域生成超声波时，执行感测该超声波的作用。透明超声波传感器20可以广泛使用各种频段的聚焦型(focused type)、非聚焦型(unfocused type)的透明超声波传感器。此外，根据用途和需要，可以使用单个(single)元件或阵列(array)元件的超声波传感器。
70.介质70可以执行使超声波从观察区域高效地传输到透明超声波传感器20侧的作用。介质70可包括各种已知具有能够传输超声波的性质的物质，例如水、超声波凝胶或超声波垫等。
71.数据收集装置80是收集来自输入到透明超声波传感器20的观察区域的光声数据的装置。
72.数据收集装置80可以通过有线或无线从透明超声波传感器20接收数据。
73.检测装置90通过分析来自数据收集装置80中收集的观察区域的数据，从而判断观察区域中是否检测到特定物质。
74.图6是表示透明超声波传感器的一例的分解立体图。
75.图6中例示的透明超声波传感器20具有圆形平面形状的圆形形状，但不限于此。
76.透明超声波传感器20从右侧起可包括保护层211、位于保护层211后方的声透镜部213、位于匹配部213后方的压电部215、连接于压电部215的第一壳体2171和第二壳体2173、位于压电部215后方的后表面层216、位于第一壳体2171与第二壳体2173之间的绝缘部218以及位于第二壳体2173后方的校正透镜部219。
77.保护层211用于对透明超声波传感器220进行物理保护和电保护并减小与将要被
超声波信号照射的介质之间(即与样品a)的声阻抗(acoustic impedance)差。因此，保护层211具有保护功能并且可以作为在液体(例如，水)与活体之间实施声阻抗匹配的匹配层工作。
78.这种保护层211可以由透明材料制成。作为一例，保护层211可以包含作为透明聚合物(polymer)的聚对二甲苯(parylene)。
79.在本示例中，保护层211的声阻抗可以是大约2.84兆瑞利(mrayl)。
80.这种保护层211可以位于压电部215的前表面和侧表面以及位于透明超声波传感器20的最边缘处的第二壳体2173的侧表面。
81.因此，保护层211可以最终构成透明超声波传感器20的前表面和侧表面。
82.位于保护层211后方的匹配部213用于减小与照射从压电部215产生的超声波信号的介质之间(即与样品a之间)的声阻抗(acoustic impedance)差。
83.即，当由于压电部215的工作而产生超声波信号时，为了在除空气以外的水、活体组织或其他介质中有效地传递超声波信号，可以通过尽可能地调整介质的声阻抗来使超声波能量的损失最小化。
84.本示例的匹配部213的各声透镜可以是聚焦型(focused type)，其使用能够调节光和超声波信号的焦点的声透镜。
85.如上所述，由于匹配部213具有焦点调节功能，因此从样品a反射并入射到透明超声波传感器20的超声波信号被准确地聚焦在压电部215的期望位置处。
86.因此，通过这种匹配部213的焦点调节功能，实现对从压电部215输出的超声波信号获得的超声波影像的焦点的调节，从而可以获得清晰的超声波影像。
87.由此，提高了通过透明超声波传感器20的工作而获得的影像的清晰度，从而能够获得对于超声波信号照射的样品a的期望部位的清晰的影像。
88.另外，由于匹配部213利用声透镜，因此表面的曲率规定且表面的透明度提高，从而当发送和接收照射到样品a或从样品a反射的超声波信号时，可以减少超声波信号的损失量。
89.并且，可以根据需要在匹配部213上形成额外的透射膜或阻挡膜以仅透射或阻挡在期望波长范围内的信号。
90.设置在匹配部213的声透镜可以由透明玻璃类、透明环氧树脂类和透明硅酮类中的至少一种构成。
91.这种声透镜可以根据声透镜的功能来选择。
92.例如，当声透镜用作实施声阻抗匹配功能的匹配层时，在设置在压电部215的压电材料不是pvdf或pvdf-trfe等聚合物(polymer)形态的情况下，声透镜可以更优选由玻璃类制成。
93.即，当压电材料由lno(lithium niobite)或pmn-pt制成时，声阻抗高达30～40mrayls，但在玻璃类的情况下，声阻抗低至10～15mrayls，具有容易匹配声阻抗的声阻抗值，并且由于透明性非常好，因此当压电材料不是聚合物形态时，声透镜可以由玻璃类制成。
94.然而，在用于执行声阻抗匹配功能的匹配层已被制成的情况下，声透镜可以由透明环氧树脂类或透明硅酮类制成。
95.即，在已经存在在具有大约30～40mrayls的声阻抗的压电材料与具有大约1～2mrayls的声阻抗的活体组织之间或与水(即，将要照射超声波的介质)之间执行匹配功能的匹配层(大约7～20mrayls)的情况下，由于不需要另外的声阻抗匹配动作，因此适合使用具有类似于活体组织或水的声阻抗的环氧树脂类或硅酮类(大约1～3mrayls)。即，这是因为环氧树脂类和硅酮类的声阻抗具有与活体组织或水几乎相似的声阻抗，因此不需要另外的声阻抗匹配。
96.并且，可通过考虑声速(speed of sound)和声透镜材料的声速，确定声透镜曲面的曲率以及是凹还是凸。
97.例如，当声透镜由玻璃类制作时，可以使用光学透镜。此时，玻璃类的光速比水快，因此可以将声透镜设计成诸如平凹(plano-concave)的凹形形状。
98.当声透镜由透明环氧树脂类制作时，对初步制作的声透镜实施抛光工艺，以尽可能提高透明度并最终完成声透镜。这样，即使在声透镜由环氧树脂类制成的情况下，环氧树脂类的光速也比水快，因此也可以将声透镜制作成平凹形形状。
99.即使在声透镜由透明硅酮类制作的情况下，与环氧树脂类的情况相同地，也应通过实施另外的抛光工艺来最大限度地提高成品声透镜。在这种情况下，由于硅酮类的光速比水慢，因此与玻璃类和环氧树脂类的情况不同地，声透镜可以制作成诸如平凸(plano-convex)形状的凸形形状。这样，当声透镜被制作成平凸形形状时，声透镜可以具有会聚光的功能。
100.压电部215可以包括压电层2151、分别位于压电层2151的前后表面的第一电极层2153和第二电极层2155。
101.压电层2151作为发生压电效应和逆压电效应的层，如上所述，可以包含铌酸锂(lno，lithium niobite)、pmn-pt、pvdf和pvdf-trfe中的至少一种压电材料。
102.lno的机电耦合系数(electromechanical coupling coefficient)高达约0.49，因此机电能量转换效率非常好。
103.并且，由于lno具有低介电常数(dielectric permittivity)，当压电层2151由lno构成时，透明超声波传感器可适用于具有大开口部的单个元件换能器(large aperture single element transducer)。
104.并且，由于lno具有高居里温度(curie temperature)，可以承受高温，因此可以实现具有良好耐热性的透明超声波传感器20的开发。
105.此外，当压电层2151由lno形成时，可以容易地实现具有10mhz至400mhz的中心频率的单个元件超声波传感器的开发。
106.当压电层2151包含pmn-pt时，pmn-pt的压电性能(piezoelectric performance)(d33～1500-2800pc/n)和机电耦合系数(k》0.9)非常高，因此可以提高透明超声波传感器20的性能。
107.与lno不同，这种pmn-pt具有高介电常数，因此可以实现适用于小孔径单个或阵列超声波传感器(small aperture single or array ultrasound transducer)的透明超声波传感器20的开发。
108.并且，当压电层2151包含pvdf和pvdf-trfe中的至少一种时，可以具有以下特征。
109.pvdf和pvdf-trfe可以具有聚合物膜(polymer film)形态并且能够制作具有柔性
(flexible)和可拉伸的(stretchable)压电层2151，由此，可以减小压电层2151的厚度，并且与变薄的厚度相对应地，可以制作约100mhz频带的高频带信号的透明超声波传感器20。
110.并且，pvdf和pvdf-trfe具有较低的机电耦合系数和高的接收常数(receiving constant)，并具有比其他压电材料宽的带宽，并且无论是单个元件或阵列形态的元件均可以容易地制作。
111.其中，单个元件(例如，单个超声波传感器)可以指包括压电材料的所有配置的数量都是1个的超声波传感器。并且，阵列形态的元件(例如，阵列超声波传感器)可以是包含压电材料的所有配置的数量为多个(n个)的超声波传感器，并且可以被配置为通常在医院中使用的形态。此时，形态可以是线性(linear)形态、凸形(convex)形态、二维(2d)矩阵(matrix)形态等。
112.在本示例的情况下，类似于pmn-pt的小孔径的单个或阵列超声波传感器均可以制作。
113.这种压电层2151的材料特性可总结为如下【表1】。
114.【表1】
[0115] lnopmn-ptpvdf&pvdf-trfe大小大(large)小(small)中(medium)带宽大小中(medium)中(medium)宽(broad)可用频率范围1～400mhz1～100mhz1khz～100mhz信号传输性能好(good)好(good)坏(bad)信号接收性能好(good)好(good)好(good)机电耦合系数中(medium)好(good)坏(bad)
[0116]
分别位于压电层2151的前后表面的第一电极层2153和第二电极层2155分别接收来自驱动信号发生器(未图示)的(+)驱动信号和(-)驱动信号，以对压电层2151发挥逆压电效应，使超声波信号向样品a侧传递，相反地，可以接收电信号并将其输出到外部，该电信号是从样品a反射并接收到的超声波信号而由压电层2151的压电效应产生的。如上所述，这种第一电极层2153和第二电极层2155可以由透明导电材料构成，例如，可以包含银纳米线(agnw)、ito、碳纳米管和石墨烯(graphene)中的至少一种。
[0117]
为了与第一壳体2171和第二壳体2173容易结合，第一电极层2153的大小与第二电极层2155的大小可以互不相同。
[0118]
因此，在具有圆形平面形状的第一电极层2153和第二电极层2155中，第二电极层2155的直径不同于第一电极层2153的直径，使得第二电极层2155的一部分(例如，边缘部)可以从第一电极层2153的边缘部向外部突出。
[0119]
当向压电材料施加电信号(例如，脉冲信号)时，压电材料(即压电层2151)前后振动并产生超声波信号，不仅在朝向样品a的压电层2151的前表面产生超声波信号，而且在其相反侧的后表面也产生超声波信号。
[0120]
此时，由于在后表面产生的超声波信号不朝向样品a，因此如此在后表面产生的超声波信号起到噪声信号的作用。并且，从样品a反射回来的超声波信号的一部分可以通过匹配部215并朝向校正透镜部219侧输出。
[0121]
因此，后表面层216位于压电部15的后表面，并可起到衰减在压电部215的后表面
产生的超声波信号以及衰减从样品a反射的超声波信号进行的作用。
[0122]
像这样，由于后表面层216位于压电部215的后表面(即位于被反射的超声波信号入射的压电部215的前表面的相反侧表面)，因此入射的超声波信号不会通过压电部215的后表面。
[0123]
由此，防止由通过压电部215的后表面的超声波信号造成的不必要的信号干扰，并且防止反射到压电部215的超声波信号的损失，从而可以减小衰荡信号(ring down signal)并减小衰荡现象。
[0124]
衰荡是不必要的信号沿时间轴拉长的现象，是对影像造成不利影响的因素。
[0125]
因此，为了减少这种衰荡现象，可以通过调整声阻抗和厚度中的至少一个来制作适当的后表面层216。
[0126]
当使用具有高声阻抗的物材料制作后表面层216时，衰荡现象减少，并且在时间轴上衰荡现象减少的含义类似于在频域上带宽增大的含义。但是，替代地，当发送和接收超声波信号时，整个超声波信号的大小也会由于后表面层216而衰减。
[0127]
反之，当使用具有相对低的声阻抗的材料来制造后表面层216时，衰荡现象不会大幅减少且带宽减小，但可以增加超声波信号的发送和接收量。
[0128]
后表面层216也可以由透明非导电材料制成，例如，可以由透明环氧树脂类(例如epotek301)或透明玻璃类制成。
[0129]
当后表面层216由epotek301制成时，在声阻抗具有低至3.1mrayl的声阻抗的情况下，实现低信号衰减(damping)，使得透明超声波传感器20能够获得较高的信号。
[0130]
并且，epotek301具有非常高的透明度，例如在380nm～2000nm的波长下具有约95％以上的透明度，并且由于其在常温下固化，因此后表面层216容易被制造。
[0131]
当后表面层216由玻璃制成时，透明度和平坦度高，并且不需要另外的固化工艺。
[0132]
当玻璃具有约13mrayl的声阻抗时，在后表面层216，由于高信号衰减作用，脉冲长度(pulse length)减小，从而衰荡效果减少，但是，可以发挥增加透明超声波传感器20的频率带宽的效果。
[0133]
这种后表面层216可以根据需要被省略。
[0134]
如上所述，第一壳体2171和第二壳体2173分别连接到第一电极层2153和第二电极层2155。因此，这种第一壳体2171和第二壳体2173可以由包含实现电信号传递的导电材料(例如，铜)的透明导电材料制成。
[0135]
因此，第一壳体2171通过第一信号线l1(未图示)接收相应信号并将其传递到第一电极层2153，反之，可将从第一电极层2153施加的信号输出到第一信号线l1。
[0136]
第二壳体2173也通过作为与第一信号线l1不同的信号线的第二信号线l2(未图示)接收相应信号并将其传递到第二电极层2155，反之，可将从第二电极层2155施加的信号输出到第二信号线l2。
[0137]
在本示例中，输入到第一信号线l1的信号可以是脉冲信号，并且流入到第二信号线l2的信号可以是接地信号或屏蔽信号(-)，因此第一壳体2171可以将脉冲信号传递到第一电极层2153，并且第二壳体2173可以将接地信号传递到第二电极层2155。
[0138]
这种第一壳体2171和第二壳体2173均呈环(ring)状，并且可以以与各相接触的相应电极层2153、2155的边缘部(即圆形的侧面)接触的方式设置。
[0139]
即，第一电极层2153和第二电极层2155可插入并安装到位于第一壳体2171和第二壳体2173内部的空的空间内。
[0140]
因此，如图2所示，基于第一壳体2171和第二壳体2173，透明超声波传感器20以包围实际有效区域ar1的周边的方式设置，从而可以最小化第一壳体2171和第二壳体2173(实际上第一壳体2171)而导致的有效区域ar1的减小。
[0141]
像这样，第一壳体2171和第二壳体2173起到将电信号传递到相应电极层2153、2155的作用，因此其可以包含具有良好导电性的材料。
[0142]
由于第一壳体2171位于设置在接收光的压电层2151的整个后表面的第一电极层2151的边缘部(即周围部)，因此优选具有尽可能薄的宽度w11，并且为了最小化布线电阻等引起的信号损失率，可具有尽可能厚的厚度。
[0143]
如图3和图4所示，由于第二壳体2173与具有比第一电极层2153大的直径的第二电极层2155结合，因此具有比第一壳体2171大的直径。
[0144]
并且，由于第二壳体2173位于第一壳体2171的外围，起到保护透明超声波传感器20的作用，因此可具有比第一壳体2171大的宽度和厚度。
[0145]
因此，第一电极层2153和第一壳体2171可以位于第二壳体2173内。
[0146]
并且，如上所述，暴露于外部的第二壳体2173的外侧面被保护层211覆盖着，以防止噪声信号通过第二壳体2173流入到透明超声波传感器20。
[0147]
由于第二壳体2173不影响压电层2151的光接收面积，因此可以根据需要增加大小。
[0148]
并且，可以通过在第二壳体2173中形成螺纹线或连接器等来将期望的光学部件结合到第二壳体2173中。在这种情况下，第二壳体2173可以用作用于与其他部件结合的结合部。
[0149]
绝缘部218可以以与相应壳体2171、2173接触的方式位于用于将相应的电信号传递到相应的电极层2153、2155的第一壳体2171与第二壳体2173之间，以对第一壳体2171和第二壳体2173进行绝缘并防止电短路或短路(short)，并且可以起到固定第一壳体2171和第二壳体2173的位置的作用。
[0150]
这种绝缘部218可以由诸如非导电环氧树脂的透明绝缘材料制成。作为一个示例，当匹配部213使用平凹(plano-concave)形状的声透镜时，从样品a反射并入射的光和超声波信号虽然可通过匹配部213的声透镜来调节其焦点，但其在通过匹配部213之后，会出现光扩散现象。
[0151]
因此，将具有与匹配部213中使用的声透镜的形状相反的平凸(plano-convex)形状的校正透镜部219设置在后表面层217前方，可通过补偿这种光折射现象来防止光扩散现象。
[0152]
此时，校正透镜部219的曲率可以根据光最终位于哪个位置来选择性地使用。
[0153]
像这样，校正透镜部219仅影响光的焦点而与超声波信号的焦点无关，但是匹配部213的声透镜均可以影响超声波信号的焦点和光的焦点。
[0154]
这种校正透镜部219可根据需要而被省略，并且可以通过改变校正透镜部219来调整光的焦距。
[0155]
并且，校正透镜部219可以具有同时调整被反射并接收到的超声波信号的焦点和
光的焦点的共焦功能。然而，当校正透镜部219具有共焦功能时，应考虑在通过透明超声波传感器20之前的光的形态来设计校正透镜部219。
[0156]
在本示例中，校正透镜部219包括一个透镜，但不限于此，并且可以通过除了诸如平凸透镜的一个透镜之外还包括用于像差校正的透镜，因此可以包括多个透镜。
[0157]
当具有这种结构且位于透明超声波传感器20的有效区域ar1中的所有组件均由透光的透明材料制成时，透明超声波传感器20的特征如下。
[0158]
首先，由于通过匹配部213的工作实现光学阻抗匹配(即整合)，因此可以提高从透明超声波传感器20输出的信号的可靠性。
[0159]
并且，由于使用在匹配部213中使用的具有焦点调节功能的声透镜，因此可以实现从样品a反射的光和超声波信号的焦点的调节，从而光和超声波信号可以凝聚在压电部215的期望的准确的位置上。由此，通过从透明超声波传感器20输出的信号来获得的超声波影像的清晰度大幅提升，从而可准确掌握相应样品a是否存在，而且还可掌握检测到的样品a的精确的形状。
[0160]
并且，如上所述，由于构成透明超声波传感器20的组件(例如，保护层211、匹配部213、压电部215、后表面层216、校正透镜部219)均由诸如透明玻璃类、透明环氧树脂类、透明硅酮类的透明材料制成，因此从光源10输出的光可以直接通过透明超声波传感器20并向相应样品a侧照射。
[0161]
由此，可以自由布置具有透明超声波传感器20的光学系统，并且可以提高安装光学系统的空间的利用率。
[0162]
并且，根据用户的需求，可以选择性地使用校正透镜部219，并且可以通过改变校正透镜部219来调节光的焦距。
[0163]
并且，当根据用户的需求使用400-1000nm用涂层的平凹形形状的光学透镜作为声透镜时，在400-1000nm范围可以很好地透射光，从而可以提高超声波影像的清晰度。具体的涂层工艺和厚度等可以在满足需要的范围内广泛应用以往公知的涂层技术，也可以省略光学透镜表面的涂层。
[0164]
当使用平凹形形状的光学透镜作为声透镜213时，发生由声透镜引起的光扩散现象，但是由校正透镜部219引起的光扩散现象被补偿，并且可以在期望的地点调整光的焦点。像这样，通过使用补偿透镜，可以扩大声透镜的选择范围。
[0165]
通过这种声透镜213和校正透镜部219的焦点调节来保持光的形状(shape)，由此可以保持精细的聚焦，从而可以获得高分辨率的光学影像(例如，光声影像或光学干涉断层拍摄影像)。
[0166]
并且，分别将第一信号线l1和第二信号线l2连接到构成透明超声波传感器20的壳体的第一壳体2171和第二壳体2173，并向透明超声波传感器20的第一电极2153和第二电极2155施加电信号，因此可容易实施信号线l1、l2的连接。
[0167]
此外，可以通过在作为外侧壳体的第二壳体2173中形成螺纹等，来使地与其他光学元件的连接或结合更容易。像这样，由于实现必要的光学元件与位于与从光源10射出的光的路径完全无关的部分的第二壳体2173的结合，因此光正常且无损失地入射到透明超声波传感器20的压电部215，并且沿法线方向通过透明超声波传感器20的中心，因此可以容易地实现光与超声波信号的排列。
[0168]
这里，垂直的含义可以是指光在垂直于透明超声波传感器(例如，透明超声波传感器)的入射面的方向上直行。
[0169]
像这样，当光垂直入射到超声波传感器时，可使光和超声波信号的焦点位置完全一致，因此可以进一步提高从透明超声波传感器获得的影像的清晰度。
[0170]
如上所述，可以存在匹配层，用于最小化由于空气与介质之间的声阻抗差导致的介质中的超声波能量的损失。
[0171]
可以存在一个以上这种匹配层。
[0172]
在比较例中，这种匹配层的形成可以如下实现。
[0173]
当超声波信号的介质为水或活体组织(1.5mrayl)时，在压电层为lno(34.5mrayl)或pmn-pt(37.1mrayl)的情况下，需要进行声阻抗匹配以获得超声波能量的最大发送和接收效率。在这种情况下，会需要由37.1mrayl至1.5mrayl范围内的材料制成的1层以上的匹配层。
[0174]
此时，当利用klm仿真工具(simulation tool)(例如，piezocad、pzflex等)生成特定的匹配层时，需要通过模拟来确认从水或活体组织传递的超声波信号的波形以寻找合适的匹配层材料，并且由于生成的匹配层的厚度也会影响超声波波形，并且厚度对波形的影响也很大，因此需要通过调整匹配层的厚度来寻找合适的厚度。从理论上讲，波能最小损失的厚度是通过波动方程式在期望的λ/4的厚度处成为最小损失(c＝λ*f，c：声速(speed of sound)约1480/s，λ：波长，f：期望的中心频率)。
[0175]
在传统的超声波传感器中，通常由银粉(silver powder)与环氧树脂(epoxy)的混合物(7.9mrayl)形成第一个匹配层。此时，可根据银粉与环氧树脂的混合比例来调节声阻抗，作为一个示例可以是，银粉：环氧树脂＝3：1.25。
[0176]
然后，可通过聚对二甲苯(2.8mrayl)的涂层形成第二个匹配层。
[0177]
当压电层为pvdf或pvdf-trfe(约4mrayl)时，仅使用聚对二甲苯的涂层即可生成一个匹配层。这里，由聚对二甲苯涂层形成的匹配层不仅可以起到匹配层的作用，而且还可以起到从外部保护和绝缘的作用。
[0178]
然而，在根据本示例的透明超声波传感器20的情况下，由于位于有效区域ar1的组件(例如，保护层211、匹配部213、压电部215、后表面层216、校正透镜部219)是透明的，因此在构成压电层的lno或pmn-pt的情况下，可利用玻璃来生成匹配层213。此时，由于根据玻璃的原料(例如，硼硅酸盐玻璃(borosilicate glass)＝13mrayl、冠玻璃(crown glass)＝14.2mrayl、石英(quartz)＝14.5mrayl、平板玻璃(plate glass)＝10.7mrayl、钠钙玻璃(sodalime glass)＝13mrayl)而略有不同，因此可以适当地选择和使用所需的玻璃。
[0179]
然后，可以使用透明环氧类或硅酮类(例如，pdms)来生成第二个匹配层(例如，2～6mrayl)，并且可以使用聚对亚苯基涂层来生成第三个匹配层。此时，省略第二个匹配层层的生成，并且可以直接使用聚对二甲苯涂层在第一个匹配层(例如，匹配部213)上方形成第二个匹配层(例如，保护层211)。即使在这种情况下，也可以通过利用从klm模拟得到的结果模拟波形来实施期望的匹配层的生成。
[0180]
根据本示例的透明超声波传感器20中，作为一个示例，使用由硼硅酸盐(borosilicate)制作的工程透镜作为第一个匹配层，并且可通过聚对二甲苯涂层，在第一个匹配层上方形成第二个匹配层，以实现声阻抗匹配、从外部的保护以及信号绝缘。
[0181]
如上所述，该光学透镜不仅可以起到声阻抗匹配的功能，还可以起到对从压电层产生的超声波信号进行集束(即聚焦)的作用。
[0182]
由于透明超声波传感器20主要用于影像采集用途，因此超声波信号的集束是一个影响高分辨率和高灵敏度(sensitivity)的重要因素。

技术特征：
1.一种结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，包括：光源，通过光振荡装置生成适合产生光声现象的光；光传输系统，将从所述光源生成的光传输到探针侧；探针，内部容纳光学系统和透明超声波传感器；光学系统，调节从所述光源生成的光的大小、焦点、路径等；透明超声波传感器，由透光性材料制成，使得根据光声效果感测对应于投射到观察区域的所述光而在所述观察区域生成的超声波，并且能够使从所述光源生成的所述光透过；数据收集装置，收集包括所述透明超声波传感器感测到的所述超声波的光声数据；以及数据检测装置，通过分析所述光声数据来判断观察区域中是否检测到特定物质。2.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述光源是至少一个光振荡装置，所述光振荡装置选自至少包括光参量谐振器激光、液态染料激光、发光二极管、激光二极管、固体染料激光、翠绿宝石激光的组。3.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述光传输系统包括光纤和活节式臂中的至少一个。4.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述光学系统至少包括光束扩展器、镜子和透镜。5.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述透明超声波传感器是聚焦型和非聚焦型中的任一个。6.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述透明超声波传感器是单个透明超声波传感器元件。7.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述透明超声波传感器由多个透明超声波传感器元件的阵列构成。8.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述光的路径轴与所述超声波的路径轴形成为彼此平行。9.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述结合透明超声波传感器的光声检测系统还包括改变所述光的波长的波长转换器。10.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述结合透明超声波传感器的光声检测系统还包括能够在所述透明超声波传感器和所述观察区域之间传输超声波的介质。11.根据权利要求1所述的结合透明超声波传感器的光声检测系统，其中，所述数据收集装置通过与所述透明超声波传感器有线或无线连接来接收所述光声数据。

技术总结
本发明公开一种结合透明超声波传感器的光声检测系统。根据一例的结合超声波传感器的光声检测系统包括：光源，通过光振荡装置生成适合产生光声现象的光；光传输系统，将从所述光源生成的光传输到所述探针侧；探针，内部容纳光学系统和透明超声波传感器；光学系统，调整从所述光源生成的光的大小、焦点、路径等；透明超声波传感器，由透光性材料制成，使得根据光声效果，感测对应于投射到观察区域的所述光而在所述观察区域生成的超声波，并且能够使从所述光源生成的所述光透过；数据收集装置，收集包括所述透明超声波传感器感测到的所述超声波的光声数据；以及数据检测装置，通过分析所述光声数据来判断观察区域中是否检测到特定物质。定物质。定物质。


技术研发人员：金哲弘 朴正愚 金亨咸 朴馠离 韩文闺
受保护的技术使用者：浦项工科大学校产学协力团
技术研发日：2021.04.29
技术公布日：2023/9/20