(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元配列された複数の超音波振動素子で構成された超音波振動素子群と、
前記各超音波振動素子ごとに設けられ、通過する超音波の音速を調整する機能を有する複数の音速制御素子と、
前記複数の超音波振動素子の内でｙ方向に沿って整列したｙ方向列ごとに、ｘ方向の電子走査又は電子フォーカスを実行する電子的制御手段と、
前記複数の超音波振動素子の内でｘ方向に沿って整列したｘ方向列ごとに、そのｘ方向列に対応する音速制御素子列の音速を制御してフォーカスまたはビームの角度走査を実行する音速制御手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
二次元配列された複数の超音波振動素子で構成された超音波振動素子群と、
前記各超音波振動素子ごとに設けられ、通過する超音波の音速を調整する機能を有する複数の音速制御素子と、
前記複数の音速制御素子の内でｙ方向に沿って整列したｙ方向列ごとに、ｘ方向の電子的な遅延制御によって、ｘ方向のビームの角度走査またはフォーカスを実行する電子的遅延制御手段と、
前記複数の超音波振動素子の内でｘ方向に沿って整列したｘ方向列ごとに、そのｘ方向列に対応する音速制御素子列の音速を制御してｙ方向のフォーカスまたはビームの角度走査を実行する音速制御手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置に関し、特に、音速可変による超音波ビームの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１次元アレイ振動子（１Ｄ振動子）は、複数の超音波振動素子を配列したものである。そのアレイ振動子を構成する各超音波振動素子に供給する送信信号や受信信号の個々に所定の遅延量を与えることによって超音波ビームの電子フォーカスや電子走査（例えば電子セクタ走査）が行われる。
【０００３】
１.５Ｄ振動子は、エレベーション方向（電子走査方向と直交する方向でスライス方向に対応する）に沿って、複数の１次元アレイ振動子を並べたものである。そして、各アレイ振動子に対して電子的に遅延制御を行うことによってエレベーション方向のビームフォーミングを行うことができる。すなわち、音響レンズが固定焦点であるのに対し、この方式によればエレベーション方向にも焦点を可変できる。
【０００４】
２次元アレイ振動子（２Ｄ振動子）は、二次元的に超音波振動素子を配列したものであり、二次元的に自由に超音波ビームを走査できる。特に、三次元エコーデータを取り込む場合に、この２Ｄ振動子が利用される。従来、超音波ビームを２次元走査するために、Ｘ方向及びＹ方向の両者に電子走査方式が適用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、１.５Ｄ振動子や２Ｄ振動子においては、超音波ビームのフォーカスや走査を送受信信号の電子的制御に頼っており、各素子を個別に制御するための多数の信号線と送受信器が必要となる。このため、超音波探触子が極めて困難となり、探触子ケーブルが極めて太くなり、装置も大規模となるという問題が生じていた。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、信号線の本数が削減された１.５Ｄ振動子や２Ｄ振動子を実現することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、従来から使用されてきた送受信信号の電子的遅延と同等の機能をもつ超音波の伝搬速度の制御を使用した新しいビームフォーミング方式を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の望ましい態様では、複数の超音波振動素子と、前記複数の超音波振動素子の上側に設けられ、前記各超音波振動素子で送波又は受波される超音波が通過する複数の素子であって、それぞれの素子内での超音波の音速を個別に調整する機能を有する複数の音速制御素子と、前記複数の音速制御素子の上側に設けられた複数の整合層と、を含み、前記各音速制御素子内での超音波の音速を個別に制御して超音波通過方向において音響的な遅延が実現されることを特徴とする。望ましくは、前記各整合層は積層された第１整合層及び第２整合層を含む。
【００１０】
上記構成によれば、音速制御素子（音速制御媒体）を通過する超音波の音速が制御され、これによって音響的な遅延制御が実現される。音速制御素子は、超音波振動素子から送波される超音波又は受波される超音波の通過経路に設けられる。
【００１１】
望ましくは、前記音速制御素子は、圧電材料を主要構成部材とするものである。圧電材料は、超音波が通過する際、その圧電素子に接続されているインピーダンスによって、その圧電材料の弾性的定数を変化させることができる。この性質を利用して音速制御を行うことができる。次の関係式は、圧電素子に接続されているインピーダンスが短絡に対応する場合と無限大すなわち開放に対応する場合のそれぞれの弾性的定数間の関係を示したものである。
【００１２】
１−Ｋ＊Ｋ＝ｓD／ｓE
ここで、Ｋ＝電気機械結合係数
ｓD＝電極間が短絡されている場合の弾性的係数（コンプライアンス）
ｓE＝電極間が開放されている場合の弾性的係数（コンプライアンス）
もちろん、音速制御素子としては電気的に音速を制御することができる他の素子を利用できる。
【００１３】
本発明の望ましい態様では、前記音速制御素子には、第１電極及び第２電極が設けられ、前記第１電極及び前記第２電極の間には可変インピーダンス回路が接続される、
本発明の望ましい態様では、前記第２電極は前記音速制御素子と前記超音波振動素子との間に設けられ、前記第２電極が共通のグランド電極を構成する。この電極の共用化によって、振動子の部品点数を削減でき、信号線を引き出す上で構造的にも単純化できる。
【００１５】
本発明に係る超音波診断装置は、二次元配列された複数の超音波振動素子で構成された超音波振動素子群と、前記各超音波振動素子ごとに設けられ、通過する超音波の音速を調整する機能を有する複数の音速制御素子と、前記複数の超音波振動素子の内でｙ方向に沿って整列したｙ方向列ごとに、ｘ方向の電子走査又は電子フォーカスを実行する電子的制御手段と、前記複数の超音波振動素子の内でｘ方向に沿って整列したｙ方向列ごとに、そのｘ方向列に対応する音速制御素子列の音速を制御してフォーカスまたはビームの角度走査を実行する音速制御手段と、を含むことを特徴とする。すなわち、ｙ方向について音速調整を利用してビーム制御を実行するものである。ｘ方向については電子的な制御（例えばリニア走査）を利用してビーム制御が行われる。
【００１６】
本発明に係る超音波診断装置は、二次元配列された複数の超音波振動素子で構成された超音波振動素子群と、前記各超音波振動素子ごとに設けられ、通過する超音波の音速を調整する機能を有する複数の音速制御素子と、前記複数の音速制御素子の内でｙ方向に沿って整列したｙ方向列ごとに、ｘ方向の電子的な遅延制御によって、ｘ方向のビームの角度走査またはフォーカスを実行する電子的遅延制御手段と、前記複数の超音波振動素子の内でｘ方向に沿って整列したｘ方向列ごとに、そのｘ方向列に対応する音速制御素子列の音速を制御してｙ方向のフォーカスまたはビームの角度走査を実行する音速制御手段と、を含むことを特徴とする。すなわち、ｘ方向については電子的な制御（例えばセクタ走査）によりビーム制御がなされ、ｙ方向については音速制御によってビーム制御がなされる。
【００１７】
本発明によれば、従来の２Ｄ振動子がＮ×Ｎ本の信号線を要するのに対し（ＮはＸ方向及びＹ方向の振動素子の個数）、Ｎ＋Ｎ本の信号線を利用して制御を行えるので、信号線の本数を大幅に削減できる。また、製造コストを削減でき、更に超音波探触子を小型化できる。１.５Ｄ振動子に関しても、従来に比べて、信号線の本数を（Ｎ＋Ｍ）／（Ｎ×Ｍ）（ただし、Ｎは素子数、Ｍはエレベーション方向の分割数）まで削減できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１には、本発明に係る超音波探触子及び超音波診断装置の要部構成が示されている。この図１を用いて本発明の原理について説明する。
【００２０】
超音波探触子１０は、体表面に当接して用いられ、あるいは体腔内に挿入して用いられる超音波プローブである。この超音波探触子１０はケーブルによって装置本体１２に接続される。
【００２１】
超音波探触子１０において、超音波の送波及び受波を行う圧電振動素子１４は、ＰＺＴ等の圧電材料で構成されるものであり、その下面側にはシグナル側電極１６が設けられ、その上面側にはグランド側リード１８が設けられる。シグナル側電極１６の下側にはバッキング２０が接合される。このバッキング２０は圧電振動素子１４から後方に放射された超音波を吸収する部材である。グランド側リード１８の上側には音速制御素子２２が設けられている。この音速制御素子２２は音速制御媒体として機能するものであり、それを通過する超音波の音速を調整する機能を有する。音速制御素子２２の上面には制御側リード２４が設けられている。図１に示されるように、グランド側リード１８は圧電素子１４及び音速制御素子２２の共通の電極として機能する。
【００２２】
シグナル側電極１６とグランド側リード１８との間に電圧を印加すれば圧電振動素子１４にて超音波が生成され、一方、圧電振動素子１４にて超音波が受波されると、シグナル側電極１６とグランド側リード１８との間に電圧が発生する。シグナル側電極１６とグランド側リード１８との間には送受信器３２が接続されており、この送受信器３２によって送信信号が両電極に供給され、また、その両電極からの受信信号が送受信器３２によって受信される。送受信器３２は、いわゆる電子遅延制御を実行する回路である。
【００２３】
制御側リード２４とグランド側リード１８との間に音速制御素子２２が挟み込まれており、それらの両電極にはインピーダンス制御部３０が接続されている。このインピーダンス制御部３０は、それが内蔵するインピーダンス回路のインピーダンスの大きさを調整することによって、音速制御素子２２の弾性的定数を制御し、音速を制御する回路である。本実施形態では、インピーダンス制御部３０が装置本体側に位置しているが、もちろん超音波探触子に内蔵することも可能である。
【００２４】
本実施形態において、音速制御素子２２は圧電体で構成される。圧電体には一般に圧電反作用があり、圧電体の電極に接続された電気的負荷（インピーダンス）によってその内部を通過する超音波の音速が変化するという性質を持っている。本実施形態においては、その性質を有効に利用して超音波の音速を制御する。よって、インピーダンス制御部３０は、それが有するインピーダンスの大きさを制御することによって、結果として音速制御素子２２における音速の制御を行う。上記実施形態では、音速制御素子２２として圧電体が利用されているが、もちろん他の音速制御媒体を利用してもよい。
【００２５】
なお、制御側リード２４の上側には第一音響整合層２６及び第二音響整合層２８が設けられている。これらの整合層２６，２８はそれぞれ音響インピーダンスの整合を図る機能を有する。第二音響整合層２８の上側には必要に応じて音響レンズ等が配置される。
【００２６】
以上のように、圧電振動素子１４で超音波が発生されると、その超音波が音速制御素子２２を通過するが、その通過の際の音速は、インピーダンス制御部３０によって制御される。もちろん、受信時においても音速制御素子２２を通過して圧電振動素子１４にて受波される超音波の音速はインピーダンス制御部３０によって制御される。
【００２７】
よって、図１に示すアセンブリを複数設け、各アセンブリ間で音速を異ならせることによって、従来の電子フォーカスや電子走査といったビームフォーミングを音響的に実現することが可能である。すなわち、本発明は、上述した１．５Ｄ振動子や２Ｄ振動子等に適用するのが望ましい。もちろん、単振動子に本発明を適用することも可能である。
【００２８】
図２には、インピーダンス制御部３０の構成例が示されている。この回路構成例は最も簡易な例であり、もちろん、この他の回路構成を採用することができる。音速制御素子２２は制御側リード２４とグランド側リード１８との間に挟まれ、それらの両電極にはインピーダンス回路３２が接続される。この例では、インピーダンス回路３２は可変抵抗器で構成され、その可変抵抗器の抵抗値をコントロール信号によって制御することにより、インピーダンスが制御されている。インピーダンス回路３２の他の構成としては、例えば可変インダクタンスも使用できる。図１に示したアッセンブリが複数設けられる場合、例えば図３に示すような回路構成を採用できる。音速制御素子２２ごとにインピーダンス回路３２を設け、さらにそれらのインピーダンス回路３２を音速コントローラ３４によってコントロールするものである。例えば、中央の素子に対して両側の素子の音速を早めれば、結果として両側から先に超音波が放射され、一方、中央から遅れて超音波が放射されることになり、アッセンブリの配列方向に沿って超音波の収束作用を得ることができる。
【００２９】
図４には、本発明の原理を１．５Ｄ振動子に適用した場合の構成例が示されている。
【００３０】
図４における（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は正面図であり、（Ｃ）は側面図である。図においてＸ方向は電子走査方向であり、Ｙ方向はエレベーション方向である。すなわち、この１．５Ｄ振動子は、一次元アレイ振動子をエレベーション方向に複数列揃えた構成を有している。
【００３１】
図４において、Ｘ方向及びＹ方向に配列された超音波振動素子１４の個々に対応して二次元配列された音速制御素子２２が設けられている。電子走査を実現するため、各超音波振動素子１４はＸ方向に電気的にも音響的にも分離されており、一方、エレベーション方向のフォーカシングを実現するため超音波振動素子１４はＹ方向に沿って音響的に分離され、各音速制御素子２２はＹ方向に沿って音響的にも電気的にも分離されている。すなわち、シグナル側電極１６はＹ方向に沿った列ごとに設けられており、制御側リード２４はＸ方向に沿った列ごとに設けられている。なお、グランド側リード１８は全ての素子に対して共通に設けられている。
【００３２】
したがって、上記構成において、Ｘ方向に対して電子走査を行う場合にＹ方向に対して音速の制御による重み付けを行えば、エレベーション方向に沿った超音波ビームのフォーカシングを行うことができる。もちろん、周知の音響レンズによってもエレベーション方向における超音波ビームのフォーカシングを行えるが、本発明に係る音速制御によれば、フォーカスポイントを自在に可変できるという利点がある。
【００３３】
ちなみに、図４に示す構成では必要に応じて音響レンズが用いられる。音響レンズが用いられる場合、その音響収束作用を考慮して各音速制御素子２２の音速が制御される。
【００３４】
図５には、本発明の原理を２Ｄ振動子に適用した場合の構成例が示されている。圧電振動素子１４が二次元的に配列され、一方、音速制御素子２２も二次元的に配列されている。シグナル側電極１６はＹ方向に沿ったＹ列ごとに設けられ、制御側リード２４はＸ方向に沿ったＸ列ごとに設けられる。すなわち、Ｘ方向については、従来同様に電子遅延制御による第一の電子走査が実現され、Ｙ方向については、音速制御による第二の電子走査が実現される。このような構成によれば、従来のように各振動子ごとに信号線を接続して個別に制御を行う場合に比べ信号線の総数を大幅に削減できるという利点がある。なお、図５において、グランド側リード１８は各素子に対して共通電極を構成している。
【００３５】
図５に示す振動子を利用すれば、安価にして高画質を得られる超音波診断装置を構成することができ、特に三次元画像形成に有用な振動子を実現できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、信号の遅延制御に変わる新しいビームフォーミング方式を実現でき、特に、信号線の本数が削減された１．５Ｄ振動子や２Ｄ振動子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理を説明するための原理説明図である。
【図２】  インピーダンス制御部３０の例を示す回路図である。
【図３】  超音波診断装置におけるインピーダンス制御部３０の構成例を示す図である。
【図４】  １．５Ｄ振動子に本発明を適用した場合の例を示す図である。
【図５】  ２Ｄ振動子に本発明を適用した場合の例を示す図である。
【符号の説明】
１０  超音波探触子、１２  装置本体、１４  圧電振動素子、１６  シグナル側電極、１８  グランド側リード、２０  バッキング、２２  音速制御素子、２４  制御側リード、３０  インピーダンス制御部、３２  インピーダンス回路。
【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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