特許ウォッチ

公開番号2025063170
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-15
出願番号2025004456,2022517280
出願日2025-01-13,2020-09-18
発明の名称ウィスパリングギャラリーモード(WGM)マイクロ共振器に基づく超音波センシング及び画像化
出願人ワシントン・ユニバーシティ,Washington University
代理人弁理士法人大島特許事務所
主分類A61B 8/13 20060101AFI20250408BHJP(医学または獣医学;衛生学)
要約【課題】ウィスパリングギャラリーモードの光共振器ベースの音響センサ、この音響センサを使用した画像化システム、及びこの音響センサを使用して超音波を検出する方法を提供する。
【解決手段】一態様では、音響センサであって、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器と、光共振器に光学的に結合するための結合導波路と、結合導波路の一部及び光共振器を包むポリマーと、を含む音響センサが開示される。結合導波路は、分離ギャップによって光共振器から隔てられている。光共振器及び結合導波路は、それぞれ、ポリマーの屈折率よりも高い屈折率を有する。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
音響センサであって、
ウィスパリングギャラリーモードの光共振器と、
前記光共振器に光学的に結合するための結合導波路であって、分離ギャップによって前記光共振器から隔てられた、該結合導波路と、
前記結合導波路の一部及び前記光共振器を包むポリマーであって、前記ポリマーは前記分離ギャップを充填する、該ポリマーと、を含み、
前記光共振器及び前記結合導波路は、それぞれ、前記ポリマーの屈折率よりも高い屈折率を有し、
前記分離ギャップは、前記ポリマーが前記分離ギャップを充填している状態において、前記音響センサが前記光共振器と前記結合導波路との臨界結合で、または最大負荷係数で動作するようなサイズにされる、音響センサ。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
請求項１に記載の音響センサであって、
前記光共振器は、５０μｍ～２００μｍの範囲の直径を有する、音響センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の音響センサであって、
前記分離ギャップは、０．６μｍ～０．８μｍの範囲の距離を有する、音響センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の音響センサであって、
前記分離ギャップは、前記音響センサの動作中に最大負荷係数をもたらすサイズにされる、音響センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の音響センサであって、
前記結合導波路は、１．５μｍ未満の最小テーパ直径を有するテーパ付き光ファイバである、音響センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の音響センサであって、
前記音響センサは、圧力変動を、前記光共振器を通る透過振幅の変動として符号化するように構成される、音響センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の音響センサであって、
前記ポリマーが、１．３３の屈折率を有する紫外線硬化型ポリマーである、音響センサ。
【請求項８】
音響センシングシステムであって、
ウィスパリングギャラリーモードの光共振器と、
前記光共振器に光学的に結合するための結合導波路であって、第１の端部及びその反対側の第２の端部を有し、かつ、分離ギャップによって前記光共振器から隔てられた、該結合導波路と、
前記結合導波路の一部及び前記光共振器を包むポリマーであって、前記ポリマーは前記分離ギャップを充填し、前記結合導波路の前記第１の端部と前記第２の端部とが前記ポリマーから突出する、該ポリマーと、
前記結合導波路の前記第１の端部に結合された光源と、
前記結合導波路の前記第２の端部に結合された光検出器と、を備え、
前記光共振器及び前記結合導波路は、それぞれ、前記ポリマーの屈折率よりも高い屈折率を有し、
前記分離ギャップは、前記ポリマーが前記分離ギャップを充填している状態において、前記音響センシングシステムが前記光共振器と前記結合導波路との臨界結合で、または最大負荷係数で動作するようなサイズにされる、音響センシングシステム。
【請求項９】
請求項８に記載の音響センシングシステムであって、
プロセッサを有するコンピュータ装置を含む駆動システムをさらに備え、
前記駆動システムは、前記光源及び前記光検出器に動作可能に接続され、
前記駆動システムは、
前記光源を或る範囲の波長で動作させ、前記光検出器から複数の検出器信号を受信することによって透過スペクトルを取得するステップであって、前記検出器信号は、前記光共振器に結合された結合ファイバを通る前記光源からの光の透過を符号化する、該ステップと、
前記透過スペクトルに基づいて、圧力変動を検出するための動作波長を選択するステップと、
前記光源を前記動作波長で動作させ、前記光検出器から追加の複数の検出器信号を受信することによって圧力変動を検出するステップと、
を行うように構成されている、音響センシングシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載の音響センシングシステムであって、
前記圧力変動を、前記光共振器を通る透過振幅の変動として符号化するように構成される、音響センシングシステム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年９月１８日出願の米国仮特許出願第６２／９０１、８８３号に基づく優先権を主張する。上記出願の開示内容の全体は、参照により本明細書中に援用される。
続きを表示（約 2,000 文字）【０００２】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
本発明は、米国国立衛生研究所から交付された助成金番号Ｗ９１１ＮＦ１７１０１８９及びＷ９１１ＮＦ１２１００２６の下に、米国政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
（技術分野）
本開示は、一般に、ウィスパリングギャラリーモード共振器を含む音響トランスデューサを使用して超音波画像化を行うためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
超音波技術は、様々な分野で、特に、非侵襲的測定、リモートセンシング、及び生物医学的画像化において、関心が高まっている。超音波画像化は、患者の体内の組織境界から反射された超音波パルスを検出することによって、患者の内部構造を非侵襲的に画像化するために、様々な設定で使用される。超音波画像化の用途に使用される超音波検出器は、一般的に、低い雑音等価電力（ＮＥＰ）を有し、広帯域幅の高周波で機能する。現在利用可能な圧電型の超音波検出器は、これらの要件を概ね満たしている。しかしながら、圧電型の超音波検出器を小型すると、超音波検出に関連するノイズの増加を伴う。そのため、小型の超音波検出器が必要とされる超音波画像化用途では、圧電型の超音波検出器の使用は、ノイズによって制限される。
【０００５】
さらに、高周波数の音波を適用して超音波の分解能を高めると、音響減衰の増加に起因して、浸透深さ（侵入深さ）が減少する。分解能と浸透深さとの間のこのトレードオフは、従来の圧電型の超音波センサでは課題であった。
【０００６】
フォトニックデバイス（例えば、回析格子、エタロンなど）は超音波検出の性能または感度を犠牲にすることなくマイクロスケールで製造することができるため、フォトニックデバイス及び光学的圧力検出技術は、それらが超音波検出において非常に有望視されており、ますます関心が高まっている。フォトニックデバイスでは、音波によって誘起された歪みに起因する屈折率変調及び／または形状変形は、検出光の強度の変化または該デバイスのスペクトル特性の変化に変換される。いくつかの既存のフォトニックデバイスでは、光共振器が高感度超音波検出器として使用されている。これらの光共振器では、超音波の入射により、共振周波数または透過光強度が変調される。一般に、光共振器の性能は、そのＱ値（すなわち、Ｑ値が高いほど、光損失は低くなり、検出可能な共鳴シフトは小さくなる）、並びに、共振器を形成する材料の音響光学的特性及び機械的特性によって制限される。
【０００７】
他の目的及び特徴は、以下で、一部は明らかになり、一部は示されるであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様では、音響センサであって、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器と、光共振器に光学的に結合するための結合導波路と、結合導波路の一部及び光共振器を包むポリマーと、を含む音響センサが開示される。結合導波路は、分離ギャップによって光共振器から隔てられている。光共振器及び結合導波路は、それぞれ、ポリマーの屈折率よりも高い屈折率を有する。
【０００９】
別の態様では、音響センシングシステムであって、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器と、光共振器に光学的に結合するための結合導波路と、結合導波路の一部及び光共振器を包むポリマーと、結合導波路の第１の端部に結合され、低屈折率ポリマーから突出する光源と、結合導波路の第２の端部に結合され、低屈折率ポリマーから突出する光検出器と、を備えた音響センシングシステムが開示される。結合導波路は、第１の端部及びその反対側の第２の端部を有し、かつ、分離ギャップによって光共振器から隔てられている。光共振器及び結合導波路は、それぞれ、ポリマーの屈折率よりも高い屈折率を有する。
【００１０】
別の態様では、音響センサを備えた光音響画像化装置が開示される。音響センサは、ウィスパリングギャラリーモードの光共振器と、光共振器に光学的に結合するための結合導波路と、結合導波路の一部及び光共振器を包むポリマーと、結合導波路の第１の端部に結合され、低屈折率ポリマーから突出するトランスデューサ光源と、結合導波路の第２の端部に結合され、低屈折率ポリマーから突出するトランスデューサ光検出器と、を含む。結合導波路は、第１の端部及びその反対側の第２の端部を有し、かつ、分離ギャップによって光共振器から隔てられている。光共振器及び結合導波路は、それぞれ、ポリマーの屈折率よりも高い屈折率を有する。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許