(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動素子からなるアレイ振動子を有する超音波探触子において、
前記複数の振動素子が複数のグループに区分され、
前記各グループ間では振動素子の送受波方向がエレベーション方向において異なる角度に設定されたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項１記載の超音波探触子において、
前記各振動素子は圧電素子を含み、
前記各グループ間では圧電素子がエレベーション方向において異なる傾斜角度をもって配置されたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
請求項１記載の超音波探触子において、
前記複数のグループの内で少なくとも１つのグループを構成する各振動素子は、超音波の送受波を行う圧電素子とその圧電素子で送受波される超音波の伝搬方向を屈折させる屈折層とを含み、
前記屈折層を利用して送受波方向の角度が設定されたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項４】
請求項１記載の超音波探触子において、
前記複数のグループを全体的に利用して単一の送信ビームが形成され、
前記各グループごとを個別的に利用して複数の受信ビームが形成されることを特徴とする超音波探触子。
【請求項５】
複数の振動素子からなるアレイ振動子を有する超音波探触子において、
前記複数の振動素子が複数のグループに区分され、
前記各振動素子は、超音波の送受波を行う圧電素子とその圧電素子で送受波される超音波の伝搬方向を屈折させる屈折層とを含み、
前記各グループ間では前記屈折層の屈折作用が異なることを特徴とする超音波探触子。
【請求項６】
請求項５記載の超音波探触子において、
前記屈折層は、前記圧電素子の上面に対して傾斜した境界面で互いに接合され、かつ、互いに異なる音速を有する第１部材及び第２部材を含むことを特徴とする超音波探触子。
【請求項７】
請求項６記載の超音波探触子において、
前記第１部材と前記第２部材は互いにほぼ同一の音響インピーダンスを有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項８】
複数の振動素子からなるアレイ振動子を有する振動子ユニットと、前記振動子ユニットをエレベーション方向に機械的に走査する機械走査機構と、を含む三次元データ取込用の超音波探触子において、
前記複数の振動素子が複数のグループに区分され、
前記各グループ間では振動素子の送受波方向が前記エレベーション方向において異なる角度に設定されたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項９】
複数の振動素子グループからなる振動素子アレイを含む超音波探触子と、
前記超音波探触子に接続された装置本体と、
を含み、
前記各振動素子グループ間では、超音波の送受波方向がエレベーション方向において異なる角度に設定され、
前記装置本体は、
前記振動素子アレイにおいて送信ビームを形成するための送信部と、
前記振動素子アレイにおいて１つの送信ビームに対して前記各振動素子グループごとに受信ビームを同時形成するための受信部と、
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】
本発明は超音波探触子及び超音波診断装置に関し、特にフレームレートを向上させるための超音波探触子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な超音波探触子には複数の振動素子からなるアレイ振動子が設けられる。そのアレイ振動子に対して電子走査を適用することにより超音波ビームがアレイ方向に走査される。走査方式としては、電子リニア走査、電子セクタ走査などが知られている。一般に、アレイ振動子の上面側には１又は複数の整合層が形成され、その上面には音響レンズが設けられる。音響レンズは、アレイ方向と直交するエレベーション方向について超音波ビームの集束を図るための部材である。従来の超音波探触子においては、１回の電子走査で、１つの走査面しか形成されないため、例えば、三次元領域内でエコーデータを取り込む場合には、アレイ振動子を含む振動子ユニットを並行移動又は揺動させながら（つまり機械走査を行いながら）、各機械走査位置において電子走査を繰り返し行わせる必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば心臓などの比較的高速で運動する臓器について三次元計測を行う場合、単位時間当たりのフレームレートを向上させないと、三次元像が時間的に歪んでしまう。その一方、フレームレートを向上させて高速に走査すると、当該走査方向における空間的な分解能が低下する。この問題は、例えば、各走査面上のエコーデータを重ね合わせて積算画像を形成するような場合にも同様に生じる。
【０００４】
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、三次元領域でエコーデータを取り込む場合に、フレームレートの向上を図ることにある。
【０００５】
本発明は、エレベーション方向に複数の受信ビームを同時に形成することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の振動素子からなるアレイ振動子を有する超音波探触子において、前記複数の振動素子が複数のグループに区分され、前記各グループ間では振動素子の送受波方向がエレベーション方向において異なる角度に設定されたことを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、各グループ間では、エレベーション方向において振動素子の送受波方向が異なる方向に設定されているため、アレイ振動子の向きを変更することなく、同時に複数の走査面を形成することが可能となる。例えば、アレイ振動子（あるいはそれを備えた振動子ユニット）を揺動走査しながら、複数の走査面を形成して三次元エコーデータ取込空間を形成する場合に、本発明によれば、単位時間当たりの走査面の個数を増大でき、特に、同時に２つの走査面を構成でき、これにより短時間で三次元データ取込領域を形成できる。よって、いわゆる時間歪の問題や時間分解能不足の問題などを解消、改善することができる。
【０００８】
複数の振動素子に対してグループ設定を行う場合、１つずつ交互に異なるグループを割り当てるようにしてもよく、あるいは、ランダムにグループを割り当てるようにしてもよい。グループの個数を増加させれば、１回の送信でより多くの受信ビームを形成することが可能となる。但し、１つのグループを構成する振動素子数があまり少ないと、感度や分解能が低下するため、それを考慮してグループ設定を行う必要がある。
【０００９】
本発明は、２Ｄプローブの他、１．５Ｄプローブなどにも適用可能である。また、電子セクタ、電子リニアなどの各種の電子走査方式において適用可能である。
【００１０】
望ましくは、前記各振動素子は圧電素子を含み、前記各グループ間では圧電素子がエレベーション方向において異なる傾斜角度をもって配置される。この構成によれば、圧電素子の向きを異ならせて超音波の送受波方向を所望の向きに設定できる。但し、電子セクタ走査を行う場合において超音波ビームの偏向角度が大きいと、隣接する２つの振動素子の間において、一方の振動素子から放射された超音波が他方の振動素子に衝突する、あるいは、一方の振動子で受波すべき反射波が他方の振動子に衝突して陰ができる、という相互干渉の問題が生じる。
【００１１】
望ましくは、各振動素子は、超音波の送受波を行う圧電素子及びその圧電素子で送受波される超音波の伝搬方向を屈折させる屈折層を含み、前記屈折層を利用して送受波方位の角度が設定される。この構成によれば、上記のような相互干渉の問題を回避することが可能であり、しかも製造コストの面でも有利である。
【００１２】
望ましくは、前記複数のグループを全体的に利用して単一の送信ビームが形成され、前記各グループごとを個別的に利用して複数の受信ビームが形成される。なお、複数の受信ビームの起点は、互いに一致していても、一致していなくてもよい。例えば、第１グループと第２グループにおいて、互いに送受波方向の角度を異ならせ、かつ、各グループ間で振動素子の中心をエレベーション方向にずらすようにしてもよい。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の振動素子からなるアレイ振動子を有する超音波探触子において、前記複数の振動素子が複数のグループに区分され、前記各振動素子は、超音波の送受波を行う圧電素子とその圧電素子で送受波される超音波の伝搬方向を屈折させる屈折層とを含み、前記各グループ間では前記屈折層の屈折作用が異なることを特徴とする。
【００１４】
望ましくは、前記屈折層は、前記圧電素子の上面に対して傾斜した境界面で互いに接合され、かつ、互いに異なる音速を有する第１部材及び第２部材を含む。ここで、境界面は平面であるのが望ましいが、凹面、凸面などの曲面であってもよい。
【００１５】
望ましくは、前記第１部材中の音速と前記第２部材中の音速が互いに異なり、前記第１部材と前記第２部材は互いにほぼ同一の音響インピーダンスを有する。
【００１６】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の振動素子からなるアレイ振動子を有する振動子ユニットと、前記振動子ユニットをエレベーション方向に機械的に走査する機械走査機構と、を含む三次元データ取込用の超音波探触子において、前記複数の振動素子が複数のグループに区分され、前記各グループ間では振動素子の送受波方向が前記エレベーション方向において異なる角度に設定されたことを特徴とする。
【００１７】
上記のように、送受波方向を異ならせる手段としては、振動素子そのものを傾ける手法、屈折層を利用する手法などが考えられる。
【００１８】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の振動素子グループからなる振動素子アレイを含む超音波探触子と、前記超音波探触子に接続された装置本体と、を含み、前記各振動素子グループ間では、超音波の送受波方向がエレベーション方向において異なる角度に設定され、前記装置本体は、前記振動素子アレイにおいて送信ビームを形成するための送信部と、前記振動素子アレイにおいて１つの送信ビームに対して前記各振動素子グループごとに受信ビームを同時形成するための受信部と、を含むことを特徴とする。ここで、受信部は複数の受信回路によって構成されてもよい。
【００１９】
【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。
【００２０】
図１には、本発明に係る超音波探触子の要部構成が示されている。具体的には、振動子ユニット８が斜視図として示されている。
【００２１】
本実施形態に係る三次元エコーデータ取込用超音波探触子は、大別して、図１に示す振動子ユニット８とその振動子ユニットを機械的に揺動する走査機構（図示せず）と、によって構成されている。以下に、振動子ユニット８について詳述する。
【００２２】
圧電素子アレイ１２は、複数の圧電素子によって構成されている。それらの複数の圧電素子は、本実施形態においてＡグループとＢグループの２つのグループに区分されており、図においてはＡグループに属する圧電素子が符号１０Ａによって表されており、Ｂグループに属する圧電素子が符号１０Ｂによって表されている。圧電素子１０Ａと圧電素子１０Ｂは図示されるように、交互に上下配置されている。本実施形態では、２つのグループが設定されているが、もちろん３つ以上のグループを設定するようにしてもよい。
【００２３】
図１に示されるように、各圧電素子１０Ａは、図１において一端側が持ち上がり、他端側が下がった傾斜状態で配列されている。一方、各圧電素子１０Ｂは、圧電素子１０Ａとは逆に、他端側が持ち上がっており、かつ、一端側が下がった傾斜状態で配列されている。このように、圧電素子１０Ａ又は１０Ｂを傾斜して配置するのは、超音波の送受波の方位をグループ間において異ならせるためであり、具体的には、図においてＹ方向として示されるエレベーション方向において、各グループごとに超音波の送受波方向が異なっている。各圧電素子は例えばＰＺＴなどの部材で構成され、その各圧電素子において超音波の送受波がなされる。
【００２４】
第１整合層アレイ１６は、複数の第１整合層によって構成されている。具体的には、複数の第１整合層がＡグループ及びＢグループの２つのグループに区分されており、符号１４ＡはＡグループに属する第１整合層を示し、符号１４ＢはＢグループに属する第１整合層を示している。つまり、第１整合層１４Ａは圧電素子１０Ａの上面側に位置し、第１整合層１４Ｂは圧電素子１０Ｂの上面側に位置している。
【００２５】
さらに、本実施形態においては、第２整合層アレイ２０が複数の第２整合層によって構成され、それらの複数の第２整合層がＡグループとＢグループの２つのグループに区分されている。図１において、符号１８ＡはＡグループに属する第２整合層を示し、符号１８ＢはＢグループに属する第２整合層を示している。第２整合層１８Ａは第１整合層１４Ａの上面側に位置し、第２整合層１８Ｂは第１整合層１４Ｂの上面側に位置している。
【００２６】
したがって、Ｘ方向であるアレイ方向に沿って、複数の積層体（振動素子）が整列して構成されることになるが、それらは２つのグループに区分され、すなわち積層体２２はＡグループに属し、積層体２４はＢグループに属する。図１に示されるように、各積層体２２，２４においては、振動素子の傾斜に従って、第１整合層及び第２整合層も傾斜している。
【００２７】
第２整合層アレイ２０の上面側には音響レンズ３２が設けられ、圧電素子アレイ１２の下面側にはバッキング層３０が設けられる。音響レンズ３２の下面側は第２整合層アレイ２０の上面側形状に合致した形状を有しており、バッキング層３０の上面側は圧電素子アレイ１２の下面側形状に合致した形状を有している。
【００２８】
ちなみに、積層体２２，２４の相互間には溝が形成されているが、図１においてはそれが図示省略されている。
【００２９】
図１に示す実施形態によれば、上述したように、各グループごとに圧電素子が傾斜して設けられているため、その傾斜に従って、エレベーション方向における超音波の送受波方向を異ならせることができ、例えば、１送信ビームあたりエレベーション方向に異なる角度をもった２つの受信ビームを同時に形成することが可能となる。ちなみに、送信ビームを形成する場合には、全グループの振動素子によって超音波の送波が行われる。
【００３０】
したがって、図１に示すような振動子ユニット８をエレベーション方向に平行移動あるいは揺動走査すれば、単位時間当たりに形成される走査面の個数を従来よりも２倍にすることができ、これによって、三次元データ取込空間の大きさが同じであれば、その取込に要する時間を従来の半分にすることが可能となる。
【００３１】
なお、図１においては第１整合層アレイ１６及び第２整合層アレイ２０の２つの整合層が設けられていたが、それらの整合層アレイは必ずしも２つ設ける必要はなく、１つの整合層アレイによって音響レンズと圧電素子アレイ１２との間の音響的な整合を図るようにしてもよい。
【００３２】
図２には、他の実施形態に係る振動素子ユニット３３が斜視図として示されている。
【００３３】
圧電素子アレイ３４は従来の圧電素子アレイと同様にそれぞれ水平に配置された複数の圧電素子３６によって構成されている。その圧電素子アレイ３４の上面側には、従来同様に、第１整合層アレイ３８及び第２整合層アレイ４２が設けられている。各第１整合層４０及び各第２整合層４４は、それぞれ水平配置されている。
【００３４】
本実施形態においては、第２整合層アレイ４２の上面側に屈折層アレイ４６が設けられている。屈折層アレイ４６は複数の屈折層によって構成され、それらの屈折層は互い違いにＡグループ及びＢグループを構成している。図２においてはＡグループを構成する屈折層５２Ａが示されており、その屈折層５２Ａは後に詳述するように第１部材４８Ａと第２部材５０Ａとによって構成されている。これは、Ｂグループに属する屈折層５２Ｂ（後述）についても同様である。屈折層アレイ４６の上面側には音響レンズ５６が設けられ、圧電素子アレイ３４の下面側にはバッキング層５４が設けられている。
【００３５】
図示されるように圧電素子３６、第１整合層４０、第２整合層４４、及び屈折層５２Ａ又は５２Ｂによって１つの積層体（振動素子）が構成されており、各積層体はそれぞれ交互にＡグループ及びＢグループに属している。
【００３６】
図３及び図４には、図２に示した振動子ユニット３３の断面図が示されている。図３には屈折層５２Ａの断面が示されており、図４には屈折層５２Ｂの断面が示されている。図３において、屈折層５２Ａは、上側に設けられた第１部材４８Ａと下側に設けられた第２部材５０Ａとによって構成されている。ここで、第１部材４８Ａと第２部材５０Ａは、互いにそれを通過する超音波の音速を異ならせる材料によって構成されており、屈折層５２Ａについては、第１部材４８Ａにおける音速の方が第２部材５０Ａにおける音速よりも大きい。よって、図３に示されるように、圧電素子３６において送受波される超音波の伝搬経路は図３において右の方に所定角度だけ傾けられることになる。もちろん、音響レンズ５６もエレベーション方向における超音波の収束作用を発揮しており、最終的な送受波の方位は屈折層５２Ａの作用と音響レンズ５６の作用とを総合したものによって規定される。ちなみに、第１部材４８Ａと第２部材５０Ａとの間の境界面は図示されるように傾斜した平面であるが、その境界面を凸面や凹面とするようにしてもよい。これは以下に説明する屈折層５２Ｂについても同様である。
【００３７】
図４において、屈折層５２Ｂは、上側に配置された第１部材４８Ｂと下側に配置された５０Ｂとによって構成され、ここで、通過する超音波の音速が第２部材５０Ｂにおける音速よりも第１部材４８Ｂにおける音速の方が大きくなるように選択されている。なお、屈折層５２Ａ及び屈折層５２Ｂにおいて、それぞれの第１部材４８Ａ及び４８Ｂは互いに同一部材で構成され、これは第２部材５０Ａ及び５０Ｂについても同様である。図４に示す屈折層５２Ｂによれば、上述したように、その屈折層５２Ｂの作用によって圧電素子３６において送受波される超音波の伝搬方向を図４において左の方に傾けることが可能である。なお、本実施形態においては、Ａグループ及びＢグループの双方ともエレベーション方向における超音波ビームの方向を変更させるようにしたが、少なくとも一方のグループにおいて超音波のビームの偏向を行えば、１送信あたり複数の受信ビームを互いに異なる方向に設定することが可能である。
【００３８】
なお、第１部材４８Ａ，第２部材５２Ａの音響インピーダンスをほぼ同じとし、それらの間の反射の発生による超音波の透過率の低下を防止するようにしてもよい。第１部材４８Ｂ，第２部材５２Ｂの場合も同様である。
【００３９】
図５には、２つの受信ビーム６０，６２及び送信ビーム６４が示されている。図５において横軸は圧電素子アレイの中心からのエレベーション方向の距離を示しており、縦軸は音圧あるいは感度としての相対振幅を示している。Ａグループを構成する積層体すなわち振動素子により、図示されるように右方向に偏向した受信ビーム６０が形成され、これと同様に、Ｂグループを構成する積層体すなわち振動素子により左方向に偏向した受信ビーム６２を形成することができる。送信時においては、両グループの積層体すなわち振動素子が全部同時に利用され、これによって２つの送信ビームを合成した単一の送信ビーム６４が形成されることになる。したがって、１送信当たり２受信を行って、上述したように、単位時間当たりに形成される走査面の個数を従来よりも２倍にすることが可能となる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、いわゆる電子セクタ走査が適用されているが、もちろん電子リニア走査やあるいは他の電子走査方式が適用される場合にも上記同様の振動子ユニットを利用することができる。
【００４１】
次に図６には、本実施形態に係る超音波診断装置の要部構成がブロック図として示されている。
【００４２】
三次元データ取込用プローブ８０は、図２に示した振動子ユニット３３を有している。振動子ユニット３３は、複数の圧電素子からなる圧電素子アレイを有しており、それらの複数の圧電素子は上述したようにＡグループ及びＢグループの２つのグループに区分されている。
【００４３】
走査機構８２は、振動子ユニット３３を揺動走査するメカニカルな機構であり、その走査機構８２は具体的には駆動モータ及び揺動機構によって構成される。駆動モータにはドライバ８６からの駆動信号が供給されており、そのドライバ８６に対しては走査制御部８８からの制御信号が送られている。位置検出器８４は、走査機構８２によって揺動走査される振動子ユニット３３の揺動位置を検出する検出器である。その検出信号は走査制御部８８に出力されている。
【００４４】
走査制御部８８は、機械走査及び電子走査の両方を制御しており、図示されるようにドライバ８６を介して走査機構８２を制御すると共に、走査制御部８８から送信ビームフォーマー７０、受信ビームフォーマー７２，７４へ制御信号が出力されている。
【００４５】
ここで、送信ビームフォーマー７０は、複数の振動素子に対して送信信号を供給することによって図５に示したような送信ビーム６４を形成する回路である。受信ビームフォーマー７２は、Ａグループを構成する圧電素子から出力される複数の受信信号に対していわゆる整相加算を行って受信ビームを形成する回路である。これと同様に、受信ビームフォーマー７４は、Ｂグループを構成する複数の圧電素子からの複数の受信信号に対して整相加算処理を行って受信ビームを形成する回路である。受信ビームフォーマー７２，７４から出力される整相加算後の各受信信号は必要に応じて三次元エコーデータメモリにいったん格納された後、それらの受信信号が読み出されて三次元画像の形成に利用される。図６に示す回路構成例は一例であって、これ以外にも各種の回路構成例を採用することが可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、三次元領域に対するエコーデータの取込みを行う場合に、フレームレートを向上することができる。また、本発明によれば、エレベーション方向に複数の受信ビームを同時に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態に係る振動子ユニットの斜視図である。
【図２】  他の実施形態に係る振動子ユニットの斜視図である。
【図３】  図２に示す振動子ユニットの断面図である。
【図４】  図２に示す振動子ユニットの断面図である。
【図５】  ２つの受信ビーム及び送信ビームのパターンを示す図である。
【図６】  超音波診断装置の要部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
８，３３  振動子ユニット、１２  圧電素子アレイ、１６  第１整合層アレイ、２０  第２整合層アレイ、２２，２４  積層体（振動素子）、３０  バッキング層、３２  音響レンズ。
【図１】
0003660903.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003660903.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003660903.tif 000006
【図６】
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