(57)【要約】【課題】複数の振動素子を備えた超音波プローブにおいて超音波の放射特性についての実用的な改善技術を提供する。【解決手段】複数の送信用振動素子が連続的に配列されて送信素子領域１２を形成し、複数の受信用振動素子が連続的に配列されて受信素子領域１４を形成する。送信素子領域１２は、円状の振動子面１０の中心から外側に向かって伸長された複数の伸長領域部１２ａを含んでおり、これら複数の伸長領域部１２ａの間を充填するように、受信素子領域１４が形成されている。送信素子領域１２と受信素子領域１４が互いに入り組んでいるため、グレイティングローブ特性が改善される。また、送信素子領域１２と受信素子領域１４の各領域がデンス構造であるため、サイドローブが低減される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元領域内に配列された複数の振動素子を備える超音波プローブにおいて、
前記複数の振動素子は、複数の送信用振動素子と複数の受信用振動素子とを含み、
前記複数の送信用振動素子は、連続的に配列されて送信素子領域を形成し、
前記複数の受信用振動素子は、連続的に配列されて受信素子領域を形成し、
前記送信素子領域は、前記二次元領域の中心側から外側に向かって伸長された複数の伸長領域部を含み、
前記受信素子領域は、前記送信素子領域の伸長領域部と伸長領域部の間に充填的に形成される充填領域部を含む、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波プローブにおいて、
前記二次元領域の外側から中心側に向かって前記送信素子領域の面積の割合を増加させた増加傾向領域を備える、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波プローブにおいて、
前記送信素子領域の面積の割合をガウス曲線状に変化させる、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波プローブにおいて、
前記送信素子領域に含まれる複数の伸長領域部の個数が奇数である、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波プローブにおいて、
前記送信素子領域は、星型に形成される、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波プローブにおいて、
前記送信素子領域は、菊型に形成される、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項７】
請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波プローブにおいて、
前記送信素子領域は、不規則的な形状に形成される、
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波プローブを有する超音波診断装置において、
前記超音波プローブの各送信用振動素子へ送信信号を出力する送信回路と、
前記超音波プローブの各受信用振動素子から受信信号を得る受信回路と、
送信信号と受信信号を伝送するケーブルと、
を有し、
各送信用振動素子と各受信用振動素子との組み合わせにより送受信素子対が形成され、
送受信素子対に含まれる送信用振動素子への送信信号と当該送受信素子対に含まれる受信用振動素子からの受信信号を同一のケーブルを介して伝送する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波プローブに関し、特に超音波の放射特性を改善する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波の放射特性として、サイドローブやグレイティングローブなどが従来からよく知られおり、これらの特性を改善するための技術もいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、単一素子の電極の形状を多数の花弁形とすることによりサイドローブのレベルを減少させる旨の技術が記載されている。
【０００３】
一方、近年における超音波技術の進歩に伴い、複数の振動素子を備えた超音波プローブにより超音波ビームを走査してＢモード画像などを形成する装置が実用化されている。複数の振動素子を利用する場合においても、サイドローブやグレイティングローブなどの放射特性による悪影響を軽減することが望ましい。しかし、複数の振動素子を利用する場合においては、振動素子数の増加に伴う装置構成の大型化や複雑化などの別の問題もあり、単一素子の場合に比べて事態は単純ではない。
【０００４】
例えば、二次元的に複数の振動素子を配列させた二次元アレイ振動子において、多数の振動素子の全てに対して各振動素子ごとに信号ケーブルを接続することは、信号ケーブルの本数が多数となることなどから現実的ではない。そこで、実用的な対応技術として、信号ケーブルの本数を減らすために、有効な振動素子を疎らに配置するスパースアレイと呼ばれる配列構造や、送信専用素子と受信専用素子とを千鳥格子状に配置する技術なども提案されている。しかし、単純なスパースアレイや千鳥格子状の配列は、サイドローブやグレイティングローブなどの放射特性を悪化させる恐れがある。
【０００５】
このように、複数の振動素子を備えた超音波プローブにおいては、実用的な装置構成を採用しつつ放射特性を改善することが難しかった。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−１６１４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、その目的は、複数の振動素子を備えた超音波プローブにおいて超音波の放射特性についての実用的な改善技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の超音波プローブは、二次元領域内に配列された複数の振動素子を備える超音波プローブにおいて、前記複数の振動素子は、複数の送信用振動素子と複数の受信用振動素子とを含み、前記複数の送信用振動素子は、連続的に配列されて送信素子領域を形成し、前記複数の受信用振動素子は、連続的に配列されて受信素子領域を形成し、前記送信素子領域は、前記二次元領域の中心側から外側に向かって伸長された複数の伸長領域部を含み、前記受信素子領域は、前記送信素子領域の伸長領域部と伸長領域部の間に充填的に形成される充填領域部を含む、ことを特徴とする。
【０００９】
望ましい態様において、前記超音波プローブは、前記二次元領域の外側から中心側に向かって前記送信素子領域の面積の割合を増加させた増加傾向領域を備える、ことを特徴とする。
【００１０】
望ましい態様において、前記超音波プローブは、前記送信素子領域の面積の割合をガウス曲線状に変化させる、ことを特徴とする。
【００１１】
望ましい態様において、前記超音波プローブは、前記送信素子領域に含まれる複数の伸長領域部の個数が奇数である、ことを特徴とする。
【００１２】
望ましい態様において、前記送信素子領域は星型に形成されることを特徴とする。望ましい態様において、前記送信素子領域は菊型に形成されることを特徴とする。望ましい態様において、前記送信素子領域は不規則的な形状に形成されることを特徴とする。
【００１３】
また上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の超音波診断装置は、前記いずれかの超音波プローブを有する超音波診断装置において、前記超音波プローブの各送信用振動素子へ送信信号を出力する送信回路と、前記超音波プローブの各受信用振動素子から受信信号を得る受信回路と、送信信号と受信信号を伝送するケーブルと、を有し、各送信用振動素子と各受信用振動素子との組み合わせにより送受信素子対が形成され、送受信素子対に含まれる送信用振動素子への送信信号と当該送受信素子対に含まれる受信用振動素子からの受信信号を同一のケーブルを介して伝送する、ことを特徴とする。なお、送受信素子対を構成する送信用振動素子と受信用振動素子は、それぞれ、互いに干渉することのないような位置にあることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、複数の振動素子を備えた超音波プローブにおいて超音波の放射特性についての実用的な改善技術が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明に係る超音波プローブの好適な実施形態を説明するための図であり、図１（Ｉ）には、その超音波プローブの振動子面１０が示されている。
【００１６】
本実施形態における超音波プローブは、複数の振動素子を備えており、これら複数の振動素子を二次元的に配列させて振動子面１０が形成される。複数の振動素子の各々は、ほぼ等しい素子面積である。複数の振動素子は、例えば縦横に格子状に配列されて円状の振動子面１０を形成する。複数の振動素子が、複数の同心円の円周に沿って配列されて円状の振動子面１０を形成してもよい。
【００１７】
本実施形態において、複数の振動素子は、複数の送信用振動素子と複数の受信用振動素子で構成される。そして、複数の送信用振動素子が連続的に配列されて送信素子領域１２を形成し、複数の受信用振動素子が連続的に配列されて受信素子領域１４を形成する。つまり、複数の送信用振動素子は、スパースアレイのような疎らな配列構造ではなく、連続的に隙間を無くして密集するような配列構造（デンス構造：Ｄｅｎｓｅ構造）となっている。複数の受信用振動素子についてもデンス構造となっている。
【００１８】
なお、送信用振動素子の個数と受信用振動素子の個数は、互いにほぼ等しいことが望ましい。また、送信素子領域１２の全面積と受信素子領域１４の全面積は、互いにほぼ等しいことが望ましい。
【００１９】
そして、本実施形態においては、振動子面１０内で送信素子領域１２と受信素子領域１４が互いに入り組んでいる。つまり、送信素子領域１２が、円状の振動子面１０の中心から外側に向かって伸長された複数の伸長領域部１２ａを含んでおり、これら複数の伸長領域部１２ａの間を充填するように、受信素子領域１４が形成されている。図１（Ｉ）において、送信素子領域１２は、全体的に菊型に形成されている。つまり、各伸長領域部１２ａが、植物の花弁または葉のような形状となっている。
【００２０】
このように、本実施形態においては、送信素子領域１２と受信素子領域１４が互いに入り組んでいるため、例えば送信素子領域１２と受信素子領域１４が同心円状に単純に分割されている場合などに比べて、グレイティングローブ特性が改善される。また、送信素子領域１２と受信素子領域１４の各領域がデンス構造であるため、素子が疎らなスパースアレイ構造に比べて、サイドローブが低減される。
【００２１】
さらに、本実施形態においては、円状の振動子面１０の外側から中心に向かって、送信素子領域１２の面積の割合を増加させている。つまり、円状の振動子面１０をその半径方向に沿って等しい間隔で複数の同心円の円周によって分割すると、円状の振動子面１０が複数のドーナツ状領域に分割される。そして、各ドーナツ状領域内においてそのドーナツ状領域内を占める送信素子領域１２の面積の割合を算出する。こうして複数のドーナツ状領域において算出される複数の割合が、外側のドーナツ状領域から中心側のドーナツ状領域に向かって増加傾向を示す。
【００２２】
送信素子領域１２の面積の割合の変化は、図１（ＩＩ）に示すガウス曲線２０に従うことが望ましい。図１（ＩＩ）において、横軸は円状の振動子面１０の半径方向に対応しており、縦軸に送信素子領域１２の面積の割合が示されている。図１（ＩＩ）から、送信素子領域１２が円状の振動子面１０の中心付近に比較的まとまっていることがわかる。送信素子領域１２を中心付近にまとめることにより、超音波の送信開口を比較的小さくすることができ、例えば超音波をブロード送信する場合に好適である。
【００２３】
なお、送信素子領域１２の全体的な形状は、図１に示す菊型に限定されず、菊型以外の形状であってもよい。
【００２４】
図２は、星型の送信素子領域１２を示す図である。図２（Ａ）（Ｂ）の送信素子領域１２は、共に星型に形成されている。つまり、各伸長領域部１２ａが三角形となっている。そして、複数の伸長領域部１２ａの間を充填するように、受信素子領域１４が形成されている。
【００２５】
サイドローブやグレイティングローブは、複数の振動素子の配列の規則性などに起因して発生する。したがって、サイドローブやグレイティングローブを低減させるためには、複数の振動素子を不規則的に配列することが望ましい。例えば、複数の伸長領域部１２ａの個数は奇数（特に素数）であることが望ましい。また、送信素子領域１２や受信素子領域１４の形状も不規則的であることが望ましい。
【００２６】
図３は、不規則的な形状の送信素子領域１２を示す図である。図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の送信素子領域１２は、不規則的な形状の代表例である。図３において、各伸長領域部１２ａは、三角形、丸みを帯びた形状、ひび割れ形状となっている。そして、複数の伸長領域部１２ａの間を充填するように、受信素子領域１４が形成されている。
【００２７】
なお、不規則的な形状とは、例えば、点対称や線対称や面対称などの対称性が少ないあるいは対称性が全く存在しない形状などであり、図３に示す形状に限定されない。
【００２８】
図４は、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を説明するための図であり、図４には、その超音波診断装置の送受信部が図示されている。図４（Ａ）（Ｂ）に示す送受信部には、図１から図３に示した超音波プローブの送信素子領域１２に含まれる送信用振動素子１２ｅと受信素子領域１４に含まれる受信用振動素子１４ｅが存在する。図４において、１個の送信用振動素子１２ｅと１個の受信用振動素子１４ｅは送受信素子対を形成している。
【００２９】
図４（Ａ）の回路構成において、送信回路Ｔから出力される送信信号は、同軸ケーブル３０を通り、双方向に接続された２つのダイオードＤを経由して、送信用振動素子１２ｅを励振する。送信信号が出力されている期間においてはＳＷがＯＦＦとなっており受信用振動素子１４ｅに送信信号は印加されない。
【００３０】
生体内からの反射波は、送信用振動素子１２ｅと受信用振動素子１４ｅの両方によって受波されるが、送信用振動素子１２ｅには双方向の２つのダイオードＤが接続されているため、送信用振動素子１２ｅからの受信信号は、これらダイオードＤの順方向電圧降下によって阻止されて同軸ケーブル３０には伝送されない。受信信号が得られる期間においてはＳＷがＯＮとなっており、受信用振動素子１４ｅにおいて得られた受信信号は、同軸ケーブル３０を介して、受信回路Ｒまで伝送される。
【００３１】
図４（Ｂ）の回路構成においても、送信信号は送信用振動素子１２ｅのみへ出力され、受信用振動素子１４ｅにおいて得られた受信信号のみが受信回路Ｒへ伝送される。
【００３２】
送信回路Ｔから出力される送信信号は、同軸ケーブル３０を通り、双方向に接続された２つのダイオードＤを経由して、送信用振動素子１２ｅを励振する。なお、同軸ケーブル３０の送信回路Ｔ側には抵抗Ｒ２とコンデンサＣが接続されており、同軸ケーブル３０と双方向に接続された２つのダイオードＤとの間には、抵抗ＲとコンデンサＣが接続されている。
【００３３】
送信信号が出力されている期間においては、後述するトランジスタＴＲ１およびダイオードＤ１によって送信信号が遮断され、受信用振動素子１４ｅに送信信号は印加されない。また、送信用振動素子１２ｅにおいて得られた受信信号は、双方向に接続された２つのダイオードＤによって阻止されて同軸ケーブル３０には伝送されない。
【００３４】
受信用振動素子１４ｅにおいて得られた受信信号は、エミッタ接地されたトランジスタＴＲ１のベース端子に入力される。そして、トランジスタＴＲ１において受信信号が電流信号に変換されて同軸ケーブル３０を介して受信回路Ｒまで伝送される。
【００３５】
トランジスタＴＲ１は、エミッタ−コレクタ間の耐圧が例えば１００Ｖ以上のスペックを持つ素子を利用する。また、トランジスタＴＲ１のコレクタ端子に接続されるダイオードＤ１も例えば１００Ｖ以上の耐圧を持つ素子を利用する。トランジスタＴＲ１は、定常時は定電流回路として動作しているので、例えば＋１００Ｖまでの送信信号が到来してもコレクタ電流が増加することは無い。一方、−１００Ｖまでの送信信号が到来した場合にはダイオードＤ１によって遮断される。従って、トランジスタＴＲ１とダイオードＤ１とにより、送信信号が受信用振動素子１４ｅを励振することを阻止している。ちなみに、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２は、トランジスタＴＲ１を動作させるためのバイアス電流を供給するための抵抗であると共に、（Ｒ２＋Ｚ０）／（Ｚ０・Ｒ２・Ｒ１）の比率で受信信号を増幅する機能も担っている。Ｚ０は、受信側の入力インピーダンスである。
【００３６】
図４（Ａ）（Ｂ）の送受信部により、送受信素子対に含まれる送信用振動素子１２ｅへの送信信号と当該送受信素子対に含まれる受信用振動素子１４ｅからの受信信号を同一の同軸ケーブル３０を介して伝送することが可能になる。１つの送受信素子対に対して１つの同軸ケーブル３０を接続しているため、送信用振動素子１２ｅと受信用振動素子１４ｅの各々に対して１つの同軸ケーブル３０を接続する場合に比べて、同軸ケーブル３０の本数を１／２に減らすことなどが可能になる。
【００３７】
次に、図１から図３を利用して説明した実施形態に対する比較例について説明する。図５は、スパースアレイの振動子面１０´を説明するための図である。スパースアレイは、有効な振動素子（図５において黒塗り潰しの四角形）を疎らに配置する配列構造であり、図５（Ｉ）に示すように振動子面１０´内に有効な振動素子をほぼ均一に分散的に配置するランダムスパースや、図５（ＩＩ）に示すように振動子面１０´内の中央に向かって有効な振動素子を集中的に配置するガウシャンスパースなどが知られている。有効な振動素子を密に配置するフルアレイに比べて、スパースアレイではサイドローブ特性を悪化させてしまう。
【００３８】
図５（ＩＩＩ）は、スパースアレイとフルアレイのビーム特性を示している。横軸に示す角度が０の方向を目標として超音波を放射した場合に、角度０の方向（メインローブ）からずれて放射される成分がサイドローブと呼ばれる。図５（ＩＩＩ）において、角度０からずれた左右両側に存在する上昇成分がサイドローブであり、フルアレイの場合に比べて、スパースアレイの場合にはサイドローブのフロアが上昇している。つまり、スパースアレイの場合にはサイドローブが多く存在する。
【００３９】
これに対して、図１から図３を利用して説明した実施形態においては、複数の送信用振動素子と複数の受信用振動素子が共にデンス構造でありフルアレイの場合と同じであるため、スパースアレイの場合に比べて、サイドローブを低減させることができる。
【００４０】
図６は、千鳥格子状の振動子面１０´を説明するための図である。図６（Ｉ）においては、送信専用素子と受信専用素子とが交互に千鳥格子状に配置されて振動子面１０´が形成されている。図６（ＩＩ）は、千鳥格子状の振動子面１０´のビーム特性を示している。横軸に示す角度の中央方向を目標として超音波を放射した場合に、目標の方向以外において合成される現象がグレイティングローブと呼ばれる。
【００４１】
送受信兼用の振動素子が密に配置されているフルアレイの場合に比べて、千鳥格子状の場合には送信専用素子の素子ピッチと受信専用素子の素子ピッチが２倍となる。そのため、千鳥格子状の場合には、フルアレイの場合に比べて、グレイティングローブの出現角度が約１／２となり、目標の方向に近づいてしまう。
【００４２】
これに対して、図１から図３を利用して説明した実施形態においては、複数の送信用振動素子と複数の受信用振動素子が共にデンス構造でありフルアレイの場合と同じであるため、千鳥格子状の場合に比べて、グレイティングローブ特性が改善される。
【００４３】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る超音波プローブの好適な実施形態を説明するための図である。
【図２】星型の送信素子領域を示す図である。
【図３】不規則的な形状の送信素子領域を示す図である。
【図４】本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を説明するための図である。
【図５】スパースアレイの振動子面を説明するための図である。
【図６】千鳥格子状の振動子面を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  振動子面、１２  送信素子領域、１４  受信素子領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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