(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に超音波を送信し、エコーに応じた受信信号を出力する超音波プローブと、前記超音波プローブから伝送された前記受信信号に基づいて断層画像を生成する本体とからなり、
前記超音波プローブは、
基本周波数の超音波を送受信する第１超音波トランスデューサと、前記基本周波数の整数倍の周波数を有する高調波を受信可能な第２超音波トランスデューサとを含む超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイがエコーを受信したときに出力する信号を増幅するとともに、Ａ／Ｄ変換する受信手段と、
参照信号を用いて前記受信信号を検波する検波手段と、
前記検波手段で検波された前記受信信号をシリアル化するシリアル化手段と、
エコーに応じて前記第１超音波トランスデューサが出力する信号を前記第２超音波トランスデューサが出力する信号に合算して前記受信手段へ入力させる第１モードと、前記第２超音波トランスデューサが出力する信号だけを前記受信手段に入力させる第２モードとを切り替える切り替え手段と、
前記切り変え手段の状態に応じて、前記参照信号の角周波数を変化させる制御手段と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記第２超音波トランスデューサと前記受信手段との間に、共振周波数が可変の共振回路を備え、
前記制御手段は、前記角周波数を前記共振周波数に対応した角周波数に調節することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１モード時に前記共振周波数を前記基本周波数に調節し、前記第２モード時に前記共振周波数を前記高調波の周波数に調節することを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記第１モード時に、エコーの受信時刻に応じて前記共振周波数を変化させることを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記共振回路は、インダクタと可変容量キャパシタを並列に接続して形成され、前記共振周波数は、前記可変容量キャパシタのキャパシタンスにより調節されることを特徴とする請求項２ないし４いずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記可変容量キャパシタがバリキャップであることを特徴とする請求項５記載の超音波診断装置。
【請求項７】
前記第１超音波トランスデューサは、無機材料からなる圧電素子から形成され、前記第２超音波トランスデューサは、有機材料からなる圧電素子から形成されることを特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項８】
前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサは積層して設けられることを特徴とする請求項７記載の超音波診断装置。
【請求項９】
前記超音波プローブと前記本体とは、持ち運び可能な可搬型であることを特徴とする請求項１ないし８いずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記超音波プローブと前記本体を接続し、前記受信信号を伝送するケーブルを備え、
前記ケーブルがＵＳＢ３．０、ｓＡＴＡｇｅｎ２、１０ＧｂａｓｅＴのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし９いずれかに記載の超音波診断装置。
【請求項１１】
前記超音波プローブから前記本体への前記受信信号の伝送が無線通信により行われることを特徴とする請求項１ないし９いずれかに記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体に超音波を送信し、そのエコーに基づいて被検体内を観察する超音波診断装置に関し、さらに詳しくは、エコーの基本周波数成分からなる受信信号とともに、エコーの高調波成分からなる受信信号を用いて被検体内を観察する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は、非侵襲的にリアルタイムに被検体の断層画像を観察することができるので、腹部検査や乳腺・甲状腺検査等、様々な部位の検査に利用されている。従来の超音波診断装置では、超音波トランスデューサから所定周波数の超音波を被検体内にパルス送信し、そのエコーを超音波の送信に用いた超音波トランスデューサで受信して、エコーに応じた受信信号を出力させ、これに基づいて被検体の断面を画像化する。
【０００３】
超音波トランスデューサは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）等の圧電材料を所定形状に形成した圧電素子からなる。このため、圧電素子の表裏に電圧を印加することにより、これに応じた周波数の超音波が被検体内に送信される。一方、被検体内から超音波トランスデューサにエコーが入射すると、入射したエコーの周波数に応じて圧電素子が伸縮して表裏に電位差が生じ、超音波トランスデューサはこれを受信信号として出力する。また、圧電素子の共振周波数は、その大きさや形状から予め定まっているので、超音波トランスデューサからは主に共振周波数（以下、基本周波数という）の超音波が送信されるとともに、超音波トランスデューサが出力する受信信号は入射したエコーの基本周波数成分（以下、基本波成分という）が主として反映されたものとなっている。
【０００４】
さらに、エコーには基本周波数以外の周波数成分が含まれていることが知られている。こうした基本周波数以外の周波数成分は、生体による超音波の散乱が非線形現象であるために生じるものであり、より細かな被検体内の組織構造を反映している。このため、近年では、基本波の整数倍の周波数成分（以下、高調波成分という）を利用して断層画像を生成するハーモニックイメージングという手法が用いられるようになってきた。ハーモニックイメージングでは、多重反射やサイドローブによる影響を抑えられる。このため、高調波成分を利用して生成した断層画像は、基本波成分だけを利用する場合よりも、方位分解能やコントラスト分解能を向上させることができ、より鮮鋭な断層画像が得られることが知られている（特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１９２５９８号
【特許文献２】特開平１１−２７６４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波診断装置は、従来、据え置き型の大型装置であり、大病院に設置されるものであったが、近年ではクリニック等の小病院や、病棟のベットサイド等に持ち運んで使用することが可能な可搬型の超音波診断装置が普及している。こうした可搬型の超音波診断装置は、内蔵するバッテリからの電力供給だけで駆動させることを考慮して、超音波診断装置内の消費電力をできるだけ抑えることが求められる。しかし、超音波を送受信する超音波トランスデューサを低電圧駆動すると、被検体内からのエコー自体が弱くなるために感度不足となり、断層画像の画質が低下する。特に、エコーに含まれる高調波成分の低下が顕著であり、微細な組織構造の観察は困難になり、正確な診断が難しくなるという問題がある。
【０００７】
また、超音波診断装置は、超音波プローブと、超音波プローブで取得した受信信号の信号処理を行う本体とからなり、超音波プローブと本体とを接続するケーブルが超音波プローブの扱いの妨げになることがある。特に可搬型の超音波診断装置では、本体が容易に移動してしまうような小型サイズとなっているので、超音波プローブと本体とを接続するケーブルが太かったり、硬かったりすると、超音波プローブの動きに応じて本体までもが動き、診断の妨げになる。こうしたことから、超音波プローブと本体間のケーブルを細径化（あるいは無線化）することが求められている。
【０００８】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、低電圧駆動であっても高調波成分を高感度に受信する超音波診断装置を提供することを目的とする。同時に、超音波プローブと本体との間のケーブルを細径化し、超音波プローブを扱い易い超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の超音波診断装置は、被検体に超音波を送信し、エコーに応じた受信信号を出力する超音波プローブと、前記超音波プローブから伝送された前記受信信号に基づいて断層画像を生成する本体とからなり、前記超音波プローブは、基本周波数の超音波を送受信する第１超音波トランスデューサと、前記基本周波数の整数倍の周波数を有する高調波を受信可能な第２超音波トランスデューサとを含む超音波トランスデューサアレイと、前記超音波トランスデューサアレイがエコーを受信したときに出力する信号を増幅するとともに、Ａ／Ｄ変換する受信手段と、参照信号を用いて前記受信信号を検波する検波手段と、前記検波手段で検波された前記受信信号をシリアル化するシリアル化手段と、エコーに応じて前記第１超音波トランスデューサが出力する信号を前記第２超音波トランスデューサが出力する信号に合算して前記受信手段へ入力させる第１モードと、前記第２超音波トランスデューサが出力する信号だけを前記受信手段に入力させる第２モードとを切り替える切り替え手段と、前記切り変え手段の状態に応じて、前記参照信号の角周波数を変化させる制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
前記第２超音波トランスデューサと前記受信手段との間に、共振周波数が可変の共振回路を備え、前記制御手段は、前記角周波数を前記共振周波数に対応した角周波数に調節することが好ましい。
【００１１】
前記制御手段は、前記第１モード時に前記共振周波数を前記基本周波数に調節し、前記第２モード時に前記共振周波数を前記高調波の周波数に調節することが好ましい。
【００１２】
前記第１モード時に、エコーの受信時刻に応じて前記共振周波数を変化させることが好ましい。
【００１３】
前記共振回路は、インダクタと可変容量キャパシタを並列に接続して形成され、前記共振周波数は、前記可変容量キャパシタのキャパシタンスにより調節されることが好ましい。
【００１４】
前記可変容量キャパシタがバリキャップであることが好ましい。
【００１５】
前記第１超音波トランスデューサは、無機材料からなる圧電素子から形成され、前記第２超音波トランスデューサは、有機材料からなる圧電素子から形成されることが好ましい。
【００１６】
前記第１超音波トランスデューサと前記第２超音波トランスデューサは積層して設けられることが好ましい。
【００１７】
前記超音波プローブと前記本体とは持ち運び可能な可搬型であることが好ましい。
【００１８】
前記超音波プローブと前記本体を接続し、前記受信信号を伝送するケーブルを備え、前記ケーブルがＵＳＢ３．０、ｓＡＴＡｇｅｎ２、１０ＧｂａｓｅＴのいずれかであることが好ましい。
【００１９】
前記超音波プローブから前記本体への前記受信信号の伝送が無線通信により行われることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、低電圧駆動であっても高調波成分を高感度に受信することができる。同時に、超音波プローブと本体との間のケーブルを細径化し、超音波プローブを扱い易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】可搬型の超音波診断装置の外観を示す構成図である。
【図２】超音波診断装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】基本波受信時の回路図である。
【図４】高調波受信時の回路図である。
【図５】超音波診断装置の動作様態を示すタイミングチャートである。
【図６】超音波トランスデューサの感度を概略的に示す説明図である。
【図７】別の動作様態を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、超音波診断装置１０は、可搬型の超音波診断装置であり、本体１１と超音波プローブ１２とから構成される。本体１１は、プロセッサ１３とカバー１４とからなる。プロセッサ１３の上面には、種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボールが設けられた操作部１６が配されている。カバー１４の内面には、断層画像をはじめとして様々な操作画面を表示するモニタ１７が設けられている。
【００２３】
カバー１４は、ヒンジ１８を介してプロセッサ１３に取り付けられており、操作部１６とモニタ１７とを露呈させる図示する開き位置と、プロセッサ１３の上面とカバー１４の内面を対面させて、操作部１６とモニタ１７を互いに覆って保護する閉じ位置（図示せず）との間で回動自在である。プロセッサ１３の側面にはグリップ（図示せず）が取り付けられており、プロセッサ１３とカバー１４を閉じた状態で超音波診断装置１０を持ち運ぶことができる。プロセッサ１３のもう一方の側面には、超音波プローブ１２が着脱自在に接続されるプローブ接続部１９が設けられている。
【００２４】
超音波プローブ１２は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド２１と、プローブ接続部１９に接続されるコネクタ２２と、これらをつなぐケーブル２３とからなる。走査ヘッド２１の先端部には、複数チャンネルの超音波トランスデューサをアジマス（ＡＺ）方向に一列に並べた超音波トランスデューサアレイ２４が内蔵されている。
【００２５】
図２に示すように、超音波トランスデューサアレイ２４は、エレベーション（ＥＬ）方向の断面を見ると、ガラス‐エポキシ樹脂等の平板状の台座（図示しない）の上に、バッキング材３１、第１電極３２、第１圧電素子３３、共通電極３４、第２圧電素子３６、第２電極３７、音響整合層３８、音響レンズ３９が順次積層された構造となっている。これらのうち、第１電極３２、第１圧電素子３３、共通電極３４から第１超音波トランスデューサ４１が形成され、共通電極３４、第２圧電素子３６、第２電極３７から第２超音波トランスデューサ４２が形成される。このため、超音波トランスデューサアレイ２４は１チャンネルに第１超音波トランスデューサ４１と第２超音波トランスデューサ４２が各々１つずつ積層された構造となっている。
【００２６】
バッキング材３１は、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂からなり、超音波トランスデューサ３３から台座側に発せられる超音波を吸収する。バッキング材３１は、ＥＬ方向に垂直な断面がほぼ蒲鉾様に形成された凸状である。
【００２７】
第１電極３２は、共通電極３４とともに第１圧電素子３３を挟持するように配置される。第１電極３２には第１圧電素子３３の駆動パルス（Ｔｘ）が入力される。一方、第１圧電素子３３が被検体内からのエコーを受信した時には、第１圧電素子３３による受信信号は、第１電極３２を通じて取得される。
【００２８】
第１圧電素子３３は、無機材料からなる圧電素子であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。第１圧電素子３３は、ＥＬ方向に長い短冊状に形成され、ＡＺ方向に複数、等間隔に配列される。各々の第１圧電素子３３は、対応して設けられた第１電極３２に駆動パルスが入力されると、駆動パルスに応じて伸縮し、形状から定まる周波数（基本周波数）ｆ１の超音波を送信する。一方、被検体内からのエコーを受信すると、第１電極３２と共通電極３４との間にエコーに応じた電位差を生じさせる。こうして生じた電位差は、第１電極３２を通じて第１受信信号として取得される。第１圧電素子３３の共振周波数は第１圧電素子３３の形状から定まるため、こうして第１圧電素子３３から取得される第１受信信号は、基本周波数ｆ１近傍に高感度な受信信号である。第１超音波トランスデューサ４１は送受信兼用の超音波トランスデューサである。
【００２９】
共通電極３４は、第１圧電素子３３と第２圧電素子３６との間に設けられ、走査ヘッド２１の外装に接地される。同時に、共通電極３４は、音響整合層として機能し、第１圧電素子３３と第２圧電素子３６間の音響インピーダンスの差を緩和する。
【００３０】
第２圧電素子３６は、有機材料からなる圧電素子であり、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる。第２圧電素子３６は、第１圧電素子３３と同様に、ＥＬ方向に短冊状に形成され、ＡＺ方向に複数、等間隔に配列され、これらの間には充填材が充填される。第２圧電素子３６は、有機材料からなるために明確な共振特性を示さないが、第２圧電素子３６の厚さは概ね２次高調波（周波数２ｆ１）のエコーに対して共振するように定められている。このため、第２圧電素子３６がエコーを受信すると、共通電極３４と第２電極３７との間にエコーに応じた電位差を生じさせるが、この電位差は、２次高調波成分を含む広い周波数成分を反映したシグナルとなる。同時に、第２圧電素子３６は、音響整合層として機能し、周囲の構造との音響インピーダンスの差を緩和する。第２圧電素子３６からは超音波は発振せず、第２超音波トランスデューサ４２は、受信専用の超音波トランスデューサである。
【００３１】
第２電極３７は、共通電極３４とともに第２圧電素子３６を挟持するように配置される。前述のように、第２圧電素子３６がエコーを受信して共通電極３４と第２電極３７との間に生じさせる電位差は、第２電極３７を通じて、第２受信信号として取得される。
【００３２】
音響整合層３８は、超音波トランスデューサアレイ２４と被検体との音響インピーダンスの差を緩和する。音響レンズ３９は、シリコーン樹脂等からなり、ＥＬ方向にほぼ蒲鉾様に湾曲して設けられる。このため、音響レンズ３９は、第１超音波トランスデューサ４１から送信される超音波を、被検体内の観察部位に向けてＥＬ方向に収束させる。
【００３３】
超音波プローブ１２は、上述のように形成される超音波トランスデューサアレイ２４とともに、マルチプレクサ（ＭＵＸ）５１，５２、送信回路５３、共振回路５４、受信回路５６、直交検波部５７、シリアル変換部５８、通信ＩＦ６１、制御部６２を備える。
【００３４】
マルチプレクサ５１は、複数の第１超音波トランスデューサ４１（第１電極３２）と送信回路５３とを切り替え自在に複数同時に接続する。また、マルチプレクサ５１は、第１超音波トランスデューサ４１でエコーを受信するときに、複数の第１超音波トランスデューサ４１を選択し、モード切り替えスイッチ（以下、単にスイッチという）ＳＷを介して受信回路５６に接続させる。一方、マルチプレクサ５２は、第２超音波トランスデューサ４２でエコーを受信するときに、複数の第２超音波トランスデューサ４２（第２電極３７）を選択し、受信回路５６に接続する。
【００３５】
送信回路５３は、マルチプレクサ５１を介して接続された第１超音波トランスデューサ４１に超音波を送信させる駆動パルスを入力する。このとき送信回路５３は、複数の超音波トランスデューサ４１のうち、所定数の第１超音波トランスデューサ４１に選択的に駆動パルスを入力するとともに、所定のタイミングで遅延させながら駆動パルスをそれぞれ異なる組み合わせの第１超音波トランスデューサ４１に入力する。これにより、超音波トランスデューサアレイ２４は、所定の深さでＡＺ方向に焦点を結ぶ超音波ビームを被検体内に送信する。
【００３６】
共振回路５４は、第２超音波トランスデューサ４２の近傍に、第２超音波トランスデューサ４２と並列に接続される。この共振回路５４は、後述するように、共振周波数が可変となっており、第２超音波トランスデューサ４２から受信回路５６に入力される第２受信信号の周波数を調節する。スイッチＳＷがオフの場合には、第２超音波トランスデューサ４２から第２受信信号が単独で、受信信号として受信回路５６に入力される。このとき、共振回路５４の共振周波数が調節されることによって、受信回路５６に入力される受信信号（第２受信信号）の周波数が選択される。また、スイッチＳＷがオンの場合には、第１超音波トランスデューサ４１からの第１受信信号と、第２超音波トランスデューサ４２からの第２受信信号が、同一の信号出力線を通って、合算された受信信号として受信回路５６に入力される。このとき、共振回路５４は、受信回路５６に入力される受信信号のうち、第２受信信号由来の成分にのみ作用する。したがって、スイッチＳＷがオンの場合には、第１受信信号と、共振回路５４によって周波数が選別された第２受信信号とを合算した受信信号が受信回路５６に入力される。
【００３７】
受信回路５６は、アンプ６３、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６４、Ａ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）６６からなる。受信回路５６には、前述のようにスイッチＳＷの状態に応じて、スイッチＳＷがオンのときには第１受信信号と第２受信信号を合算したアナログの受信信号が入力され、スイッチＳＷがオフのときには第２超音波トランスデューサ４２から取得したアナログの第２受信信号が入力される。受信回路５６は、入力された受信信号をアンプ６３で増幅し、ローパスフィルタ６４を通して高周波数のノイズを除去した後に、Ａ／Ｄ変換回路６６によってデジタルの受信信号に変換し、直交検波部５７に入力する。なお、受信回路５６は、エコーの受信時にマルチプレクサ５１，５２によって一度に選択される第１，第２超音波トランスデューサ４１，４２の個数に応じて、アンプ６３、ローパスフィルタ６４、Ａ／Ｄ変換回路６６を複数セット備えている。このため、受信回路５６は、同時に入力される複数の受信信号に対して上述の処理を同時に施し、これらを並列に直交検波部５７に入力する。
【００３８】
直交検波部５７は、受信回路５６から入力された受信信号に対して直交検波処理を施してＩ相信号及びＱ相信号を生成するとともに、所定のサンプリング周波数でサンプリングして、複素ベースバンド化する。なお、後述するように、直交検波部５７は、共振回路５４の共振周波数に応じた参照信号を用いて直交検波処理を施す。また、前述のように、直交検波部５７は、受信回路５６から同時に入力される複数の受信信号に、同時に直交検波処理を施し、それぞれ複素ベースバンド化し、シリアル変換部５８に入力する。
【００３９】
シリアル変換部５８は、直交検波部５７から同時に入力される複数の受信信号をシリアル化する。こうしてシリアル化された受信信号は、コネクタ２２やケーブル２３等からなる通信ＩＦ６１を介して所定のプロトコルで本体１１に転送される。また、操作部１６から入力された情報等は、通信ＩＦ６１を介して制御部６２に入力される。
【００４０】
制御部６２は、超音波プローブ１２内の各部と接続され、これらを統括的に制御する。例えば、制御部６２は、超音波トランスデューサアレイ２４から所定の超音波ビームが送信されるように、前述のように送信回路５３を制御する。制御部６２は、操作部１６からの入力にしたがって、スイッチＳＷのオンオフを切り替えることにより、超音波診断装置１０の動作モードを切り替える。さらに、制御部６２は、スイッチＳＷのオンオフの状態等に応じて、共振回路５４の共振周波数を調節すると同時に、調節後の共振回路５４の共振周波数に対応する参照信号で直交検波処理が行われるように直交検波部５７を制御する。
【００４１】
本体１１は、画像生成部７１、制御部７２、バッテリ７６等を備える。画像生成部７１は、超音波プローブ１２から転送された受信信号から断層画像を生成する。このとき、画像生成部７１は、まず、通信ＩＦ７３を介して取得された受信信号を、元のパラレルデータに変換し、整相加算することにより受信フォーカス処理を施し、予め定められている走査線に沿った音線データを生成する。その後、画像生成部７１は、１フレーム分の音線データから、Ｂモード画像やＭモード画像といった断層画像を設定に応じて生成し、モニタ１７に表示する。
【００４２】
制御部７２は、操作部１６からの入力を受け、本体１１の各部を統括的に制御するとともに、通信ＩＦ７３を介して超音波プローブ１２の制御部６２に制御信号を入力し、超音波プローブ１２の動作を制御する。
【００４３】
バッテリ７６は、本体１１の各部に電力を供給するとともに、プローブ接続部１９、コネクタ２２、ケーブル２３等（図１参照）を介して超音波プローブ１２の各部に電力を供給する。
【００４４】
上述のように構成される超音波診断装置１０は、スイッチＳＷのオンオフの切り替えにより、エコーの基本波成分から断層画像を生成する通常モードと、高調波成分から断層画像を生成するティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩ）モードの２つの様態で動作する。いずれの動作モードにおいても、送信回路５３から第１超音波トランスデューサ４１に駆動パルスを入力することにより、超音波トランスデューサアレイ２４から被検体内に超音波ビームを送信させる点は共通である。このとき、超音波診断装置１０は、通常モード、ＴＨＩモードのいずれの場合にも超音波トランスデューサアレイ２４を低電圧で駆動することにより、バッテリ７６の電力消費を抑える。
【００４５】
図３に示すように、超音波診断装置１０を通常モードで動作させる場合、スイッチＳＷはオンに切り替えられ、第１超音波トランスデューサ４１からの信号出力線と、第２超音波トランスデューサ４２の信号出力線が結ばれる。このため、通常モードでは、第１超音波トランスデューサ４１からの第１受信信号と、第２超音波トランスデューサ４２からの第２受信信号が合算された受信信号が受信回路５６に入力される。
【００４６】
なお、第１超音波トランスデューサ４１及び第２超音波トランスデューサ４２は、各々キャパシタンスがＣａ，Ｃｂのキャパシタとみなすことができる。また、共振回路５４は、インダクタンスＬのインダクタ（以下、インダクタＬという）と、キャパシタンスＣｖが可変の可変容量キャパシタ（以下、可変容量キャパシタＣｖという）を並列接続して形成されるとともに、ダンピング用の抵抗Ｒを介して信号出力線に接続される。ここでは、可変容量キャパシタＣｖとして、印加する直流電圧の大きさによって空乏層の厚さを積極的に変更可能にしたダイオード（いわゆるバリキャップ）を用いる。
【００４７】
通常モードでは、超音波プローブ１２の制御部６２は、共振回路５４の共振周波数が基本周波数ｆ１となるように、ｆ１＝１／２π√（Ｌ×Ｃ１）を満たすＣ１に可変容量キャパシタＣｖを調節する。こうすると、共振回路５４は、基本周波数ｆ１の信号に対してはほぼ無限大のインピーダンスを持つ回路として機能し、基本周波数ｆ１と異なる信号に対しては受信回路５６よりも低インピーダンスの回路として機能する。このため、基本周波数ｆ１以外の周波数の第２受信信号は共振回路５４を介してグラウンドに吸収される。一方、基本周波数ｆ１の第２受信信号は信号出力線を通って受信回路５６に伝達される。したがって、受信回路５６に入力される受信信号は、第１超音波トランスデューサ４１から出力されるほぼ基本波成分の第１受信信号と、第２超音波トランスデューサ４２から出力される第２受信信号の基本波成分を合算したものなる。このとき、制御部６２は、共振回路５４の共振周波数ｆ１に合わせて、直交検波部５７で用いられる参照信号の角周波数ωをｆ１／２π＝ω１に調節する。
【００４８】
直交検波部５７は、受信回路５６から出力された受信信号を２つに分岐する。一方では、参照信号ｃｏｓω１ｔを乗算し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）８１を通すことによってＩ相信号を生成し、サンプリング回路８２によって所定のサンプリング周波数でサンプリングすることによりベースバンド化されたＩ相の受信信号をシリアル変換部５８に入力する。他方では、参照信号ｓｉｎω１ｔを乗算し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）８３を通すことによってＱ相信号を生成し、サンプリング回路８４によってサンプリング回路８２と同様にサンプリングすることにより、ベースバンド化されたＱ相信号をシリアル変換部５８に入力する。
【００４９】
シリアル変換部５８は、上述のように処理された受信信号をシリアルデータに変換して、本体１１に転送する。本体１１では、上述のようにして取得した受信信号から断層画像を生成し、モニタ１７に表示する。したがって、通常モードでモニタ１７上に表示される断層画像は、エコーの基本波成分によって被検体内を可視化したものである。
【００５０】
一方、図４に示すように、超音波診断装置１０をＴＨＩモードで動作させる場合には、スイッチＳＷはオフに切り替えられ、第１超音波トランスデューサ４１からの信号出力線は、受信回路５６から切り離される。このため、受信回路５８に入力される受信信号は、第２超音波トランスデューサ４２からの第２受信信号に限られる。
【００５１】
このとき、超音波プローブ１２の制御部６２は、共振回路５４の共振周波数が２次高調波の周波数２ｆ１となるように、２ｆ１＝１／２π√（Ｌ×Ｃ２）を満たすＣ２に可変容量キャパシタＣｖを調節する。このため、前述と同様に、共振回路５４は、周波数２ｆ１の信号に対してはほぼ無限大のインピーダンスを持つ回路となり、これと異なる周波数の信号に対しては受信回路５６よりも低インピーダンスの回路となる。このため、受信回路５６に入力される受信信号は、第２超音波トランスデューサ４２から出力される第２受信信号の２次高調波成分に制限される。これにより、超音波診断装置１０は、超音波トランスデューサアレイ２４を低電圧駆動しているにもかかわらず、２次高調波成分を高感度に受信する。このとき、制御部６２は、共振回路５４の共振周波数２ｆ１に合わせて、直交検波部５７で用いられる参照信号の角周波数ωを２ｆ１／２π＝ω２に調節する。
【００５２】
直交検波部５７は、通常モードの場合と同様にして受信回路５６から出力された受信信号を２つに分岐するが、上述のように定められた角周波数ω２の参照信号（ｃｏｓω２ｔ、ｓｉｎω２ｔ）を各々乗算してローパスフィルタ８１，８３を通すことにより、Ｉ相信号とＱ相信号を各々生成する。そして、サンプリング回路８２，８４によりサンプリングし、ベースバンド化したＩ相信号及びＱ相信号をシリアル変換部５８に入力する。
【００５３】
その後は、通常モードの場合と同様に、本体１１で断層画像が生成され、モニタ１７上に表示される。但し、通常モードでは、基本波成分から生成された断層画像が表示されるのに対し、ＴＨＩモードでは２次高調波成分から生成された断層画像が表示される。したがって、通常モード、ＴＨＩモードはともに超音波トランスデューサアレイ２４を低電圧駆動するが、ＴＨＩモードにおける断層画像は、通常モードにおける断層画像よりも、より高精細である。
【００５４】
超音波診断装置１０では、操作部１６の操作により、上述の通常モードとＴＨＩモードをほぼ任意のタイミングで切り替えることができるようになっている。図５に示すように、超音波トランスデューサアレイ２４から超音波ビームを送信させる駆動パルスＴｘがある時刻ｔ１に入力（オン）された後、次の超音波ビームを送信させる駆動パルスＴｘが時刻ｔ２に入力されるまでの間に操作部１６から通常モードからＴＨＩモードに切り替える操作がなされたとする。
【００５５】
このとき、制御部６２は本体１１の制御部７２からモードを切り替える制御信号を受けるが、制御部６２は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、スイッチＳＷをオンに維持する。同時に、可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスをＣ１に、直交検波部５７における参照信号の角周波数ωをω１に調節しながら、通常モードで超音波プローブ１２を駆動する。このため、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、受信回路５６に入力される受信信号Ｒｘは、基本周波数ｆ１の受信信号となる。
【００５６】
次いで、時刻ｔ２に制御部６２は、スイッチＳＷをオフに切り替える。同時に、制御部６２は、可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスをＣ２に、直交検波部５７における参照信号の角周波数ωをω２に調節し、ＴＨＩモードで超音波プローブ１２を駆動する。このため、時刻ｔ２以降は、受信回路５６に入力される受信信号Ｒｘは、第２超音波トランスデューサ４２が出力した第２受信信号の２次高調波成分となる。
【００５７】
上述のように、超音波診断装置１０は、スイッチＳＷにより通常モードとＴＨＩモードとを切り替え自在に設けられ、直交検波部５７で使用する参照信号の角周波数ωを各動作モードに適した角周波数に変更する。これにより、超音波トランスデューサアレイ２４を低電圧駆動して消費電力を抑え、送信パワーが低下したことにともなって受信感度が低下した場合であっても、直交検波部５７によって直交検波処理を施すことにより、各動作モードで必要な周波数成分が他の周波数成分よりも相対的に強調された受信信号となる。特に、ＴＨＩモードでは、低電圧駆動時にも２次高調波成分を高感度に受信することができる。
【００５８】
また、前述のように、第２超音波トランスデューサ４２は、概ね２次高調波（周波数２ｆ１）に共振するように設けられているため、共振回路５４を接続しなくても、２次高調波成分を強調して受信することができるが、上述の実施形態のように、第２超音波トランスデューサ４２に対して共振回路５４を設けておくことにより、２次高調波成分をさらに高感度に受信することができる。これにより、超音波トランスデューサアレイ２４を低電圧駆動した場合であっても、ＴＨＩモードで、さらに高精細な断層画像を容易に得ることができる。
【００５９】
さらに、超音波トランスデューサ１０は、超音波プローブ１２内で超音波トランスデューサアレイ２４からの受信信号を検波し、シリアル化して本体１１に伝送するので、本体１１と超音波プローブ１２間のケーブル２３を細径化（あるいは無線化）することができ、超音波プローブ１２を扱い易くすることができる。
【００６０】
なお、上述の実施形態では、超音波診断装置１０を通常モードで動作させるときに、可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスをＣ１に調節する例を説明したが、通常モード時に広い視野（深い位置）を観察するときには、以下のように可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンス等を調節しながら超音波プローブ１２を駆動することが好ましい。
【００６１】
図６に示すように、第１超音波トランスデューサ４１（ＰＺＴ）の感度特性と、第２超音波トランスデューサ４２（ＰＶＤＦ）の感度特性の概要を示す。第１超音波トランスデューサ４１の感度は、基本周波数ｆ１を含む低周波数帯で高く、ある一定の周波数以上では周波数が高くなるにつれて感度が小さくなる。一方、第２超音波トランスデューサ４２の感度は、２次高調波の周波数２ｆ１で共振するように設けられているものの、第１超音波トランスデューサ４１に感度がある周波数の範囲では殆ど一定の感度となっている。このため、第１超音波トランスデューサ４１の感度がほぼ０になる周波数をｆＨ、第１超音波トランスデューサ４１と第２超音波トランスデューサ４２の感度特性のグラフが交わる周波数をｆＬとすると、周波数ｆＬから周波数ｆＨの間の周波数帯の信号は、第１超音波トランスデューサ４１よりも第２超音波トランスデューサ４２の方が高感度に受信することができる。
【００６２】
超音波は伝播距離に応じて減衰すると同時に、周波数の大きさに応じて減衰することが知られている。特に、生体内では、超音波は、周波数に比例して減衰することが知られており、被検体内の深い位置で生じたエコーは、被検体内の浅い位置で発生したエコーに比べて高周波数の成分が損なわれる。このため、深い位置からのエコーを受信すると、エコーの発生時点で中心周波数が基本周波数ｆ１のエコーが生じたとしても、超音波トランスデューサアレイ２４で受信する時点では、第１超音波トランスデューサ４１と第２超音波トランスデューサ４２で感度が逆転するような周波数帯（ｆＬ〜ｆＨ）の信号はほとんど失われ、被検体の組織構造を観察できるような精細な断層画像を生成することができなくなる。
【００６３】
このため、図７に示すように、通常モード下において、浅い位置Ａからのエコーの受信時には上述の実施形態で説明したように、可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスをＣ１に、直交検波部５７で用いる参照信号の角周波数ωをω１に調節して受信信号を取得する。一方、深い位置Ｂからのエコーを可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスをＣ１、直交検波部５７で用いる参照信号の角周波数ωをω１に調節したままで受信すると、高周波数の成分の減衰により、二点鎖線で模式的に示すように受信信号Ｒｘは断層画像の生成にはほとんど意味を成さなくなる。
【００６４】
したがって、深い位置Ｂのエコーを受信するときには、可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスをＣＬからＣＨに時間に比例して増加させる。ここで、キャパシタンスＣＬは、ｆＬ＝１／２π√（Ｌ×ＣＬ）を満たすように定められ、キャパシタンスＣＨはｆＨ＝１／２π√（Ｌ×ＣＨ）を満たすように定められる。同様に、深い位置Ｂのエコーを受信するときには、直交検波部５７で用いる参照信号の角周波数ωをωＬからωＨに時間に比例して減少させる。ここで、角周波数ωＬはωＬ＝ｆＬ／２πで定められる周波数であり、角周波数ωＨはωＨ＝ｆＨ／２πで定められる周波数である。このようにキャパシタンスＣｖや角周波数ωを調節すると、深い位置Ｂからのエコーによる受信信号Ｒｘは第２超音波トランスデューサ４２が出力する第２受信信号が大部分を占める。
【００６５】
こうして、深い位置Ｂからのエコーを受信するときに、高周波数の成分の減衰が小さければ、本来、第１超音波トランスデューサ４１で受信できる周波数範囲（基本周波数範囲）内で、上述のようにキャパシタンスＣｖや角周波数ωを調節することにより、深い位置Ｂでも診断に用いることが可能な程度に精細な断層画像を得ることができる。
【００６６】
なお、上述のようにキャパシタンスＣｖをＣ１からＣＬに（角周波数ωをω１からωＬに）変化させる境界の深さは、操作部１６からの制御信号の入力によって可変となっている。このように、通常モード下で、キャパシタンスＣｖ及び角周波数ωをＣ１及びω１から変化させ始まる深さは、超音波ビームの焦点の深さ、超音波ビームの音圧、観察する部位の性状等に応じて自動的に調節されるようにすることが好ましい。
【００６７】
なお、上述の実施形態では、ケーブル２３で超音波プローブ１２と本体１１とを接続する例を説明したが、超音波診断装置１０は、超音波プローブ１２内で受信信号をデジタル化するとともに、シリアル化して本体１１に伝送するので、ケーブル２３としてはデジタルデータ伝送用の細径のケーブルを用いることができる。超音波診断装置１０に用いるケーブル２３としては、特にＵＳＢ３．０、ｓＡＴＡｇｅｎ２、１０ＧｂａｓｅＴのいずれかであることが好ましい。こうした細径のケーブルを用いる場合には、超音波プローブ１２の扱いが特に容易になる。
【００６８】
また、上述の実施形態では、ケーブル２３を用いて、超音波プローブ１２と本体１１とを有線で接続する例を説明したが、超音波プローブ１２と本体１１とのデータの送受信は無線で行うことが好ましい。この場合、通信ＩＦ６１，７３を無線通信用のＩＦとする。
【００６９】
なお、上述の実施形態では、第１超音波トランスデューサ４１と第２超音波トランスデューサ４２を重ねて設ける例を説明したが、これに限らず、第１超音波トランスデューサ４１と第２超音波トランスデューサ４２をＡＺ方向に交互に配置する等、別の様態で配列しても良い。
【００７０】
なお、上述の実施形態では、可変容量キャパシタＣｖとしてバリキャップを用いる例を説明したが、可変容量キャパシタＣｖは、キャパシタンスが可変のキャパシタであれば他の周知のものを用いることができる。
【００７１】
なお、上述の実施形態では、第２超音波トランスデューサ４２は２次高調波の受信に適した様態に設ける例を説明したが、これに限らず、３次以上の高次高調波の受信に適した様態に第２超音波トランスデューサ４２を設けても良い。
【００７２】
また、上述の実施形態では、第１圧電素子３３にＰＺＴを用い、第２圧電素子３６にＰＶＤＦを用いる例を説明したが、第１圧電素子３３には基本周波数ｆ１の超音波を送受信可能な材料であれば任意の圧電材料を用いることができ、第２圧電素子３６には高調波の受信が可能であれば任意の圧電材料を用いることができる。但し、上述の実施形態のように、第１超音波トランスデューサ４１と第２超音波トランスデューサ４２を積層して設ける場合には、基本波送受信用の第１圧電素子３３にはＰＺＴ等の無機材料を用い、高調波受信用の第２圧電素子３６にはＰＶＤＦ等の有機材料を用いることが好ましい。
【００７３】
なお、上述の実施形態では、可搬型の超音波診断装置１０の例を説明したが、これに限らず、据え置き型の超音波診断装置にも本発明を好適に用いることができる。
【００７４】
なお、上述の実施形態では、駆動パルスＴｘが超音波トランスデューサアレイ２４に入力されるタイミングで通常モードからＴＨＩモードへ切り替える例を説明したが、動作モードを切り替えるタイミングはこれに限らない。例えば、操作部１６からモード切り替えの制御信号が入力された後、１フレームの断層画像を出力した後に、動作モードを切り替えるようにしても良い。ＴＨＩモードから通常モードに切り替える場合も同様である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  超音波診断装置
１１  本体
１２  超音波プローブ
１９  プローブ接続部
２１  走査ヘッド
２２  コネクタ
２３  ケーブル
２４  超音波トランスデューサアレイ
３２  第１電極
３３  第１圧電素子
３４  共通電極
３６  第２圧電素子
３７  第２電極
４１  第１超音波トランスデューサ
４２  第２超音波トランスデューサ
５３  送信回路
５４  共振回路
５６  受信回路
５７  直交検波部
５８  シリアル変換部
６２，７２  制御部
６１，７３  通信ＩＦ
６３  アンプ
６６  Ａ／Ｄ変換回路
７１  画像生成部
７６  バッテリ
【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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【図７】
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