(57)【要約】      （修正有）【課題】探触子と超音波検査装置本体とを接続する配線数を削減でき、且つ、超音波ビームを偏向させた場合においてもサイドローブを抑制できる超音波検査装置を提供する。【解決手段】各々に複数の超音波トランスデューサが１次元に配列されている複数の素子列を互いに平行に並べることにより形成された多列アレイと、該多列アレイの各行において、それぞれ隣接する２つの素子間の電気的な接続を開閉することにより、複数の素子群を形成する複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０とを有する探触子１００と、超音波ビームの送受信方向に応じて、上記複数のスイッチの開閉を制御するシステム制御部と、複数の素子群にそれぞれ供給される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、複数の素子群からそれぞれ出力される複数の受信信号を処理して画像信号を生成するプリアンプ〜ビームプロセッサとを含む。【選択図】図１
2008022887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々に複数の超音波トランスデューサが１次元に配列されている複数の素子列を互いに平行に並べることにより形成された多列アレイと、前記多列アレイの各行において、それぞれ隣接する２つの素子間の電気的な接続を開閉することにより、複数の素子群を形成する複数のスイッチとを有する探触子と、
超音波ビームの送受信方向に応じて、前記複数のスイッチの開閉を制御する制御手段と、
前記複数の素子群にそれぞれ供給される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記複数の素子群からそれぞれ出力される複数の受信信号を処理して画像信号を生成する信号処理手段と、
を具備する超音波検査装置。
【請求項２】
前記制御手段が、超音波ビームの送受信方向に応じて、前記駆動信号生成手段によって生成される駆動信号の特性、及び／又は、前記信号処理手段における受信信号の特性を変化させるように、前記駆動信号生成手段及び／又は前記信号処理手段を制御する、請求項１記載の超音波検査装置。
【請求項３】
前記探触子が、内視鏡観察に用いられる照明手段及び撮像手段をさらに有する、請求項１又は２記載の超音波検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体に向けて超音波を送信及び受信することにより超音波画像を生成する超音波検査装置に関し、特に、被検体の体腔内に挿入され、被検体内の様子を光学的に観察する内視鏡と組み合わせられた超音波内視鏡が適用される超音波検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体内に向けて送信され、被検体内の構造物（臓器等）によって反射された超音波（超音波エコー）を受信して信号処理することにより、被検体内の組織の様子が表された画像を生成する超音波撮像技術は、医療を含む様々な分野において、広く利用されている。超音波検査を行う装置（超音波検査装置、超音波診断装置等と呼ばれる）には、超音波の送受信を行う探触子が備えられており、撮像を行う際には、探触子が被検体に当接して用いられる。また、超音波の送受信を行う探触子と、被検体の体腔内の様子を光学的に観察する内視鏡とを組み合わせた超音波内視鏡も広く用いられており、この場合には、超音波内視鏡が被検体内に挿入して用いられる。
【０００３】
超音波用探触子や超音波内視鏡（以下において、これらをまとめて、単に「プローブ」ともいう）においては、超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとして、圧電体の両面に電極を形成した振動子（以下において「素子」ともいう）が、一般的に用いられている。このような振動子の電極に電界を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子を、時間をずらして駆動することにより、所望の深度に焦点を結ぶ超音波ビームを形成することができる。また、それらの振動子は、伝播する超音波を受信することにより伸縮して電気信号をそれぞれ発生する。これらの電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。
【０００４】
このようなプローブにおいては、複数の素子が並べられたアレイ状のトランスデューサ（超音波トランスデューサアレイ）が用いられる。例えば、複数の素子を走査方向（アジマス方向）に、直線状又は円弧上に１列に配置したものは、１次元（１Ｄ）アレイと呼ばれている。１Ｄアレイの各素子に印加される駆動信号の振幅や遅延量を制御することにより、探触子自体の位置や向きを変えることなく超音波ビームの送信位置や方向を変化させることができる。このような走査方式は、フェーズドアレイ方式又は電子スキャン方式と呼ばれている。
【０００５】
最近では、多数の振動子が２次元的に配置されたフェーズドアレイ（２Ｄアレイ）に関する研究が盛んに行われている。複数の超音波を２次元領域から送信することにより、超音波ビームの送信方向や焦点深度を任意に制御できるようになり、３次元超音波画像情報（ボリューム・データ）を取得できるようになる。それにより、病変部の位置や、広がりや、大きさ等を正確に把握できるようになるので、超音波検査の精度を飛躍的に高めることが可能である。
【０００６】
ところが、２Ｄアレイにおいては微細な素子が用いられるので、製造工程が微細化及び複雑化してしまう。また、素子数の増加に伴い、配線数も増加するので、探触子と超音波検査装置本体とを接続するケーブルの径が太くなる問題が生じている。特に、生体の内部に挿入される超音波内視鏡においてはサイズ面で制約が厳しいので、ケーブルの太径化は致命的な欠点となる。
【０００７】
このような問題点を解決するために、複数の１Ｄアレイを平行に配列した、所謂多列アレイが注目されている。多列アレイに並べられている１Ｄアレイの数はマトリックス配置におけるものほど多くはないが、２次元領域に配置された振動子を用いることによって、２方向についてフォーカスされた超音波ビームを形成することが可能である。関連する技術として、非特許文献１においては、エレベーション方向における振動子の配置や配線方法を変化させた多列アレイの性能が検討されている。
【０００８】
ここで、図１５を参照しながら、一般的な多列アレイの構造について説明する。図１５の（ａ）は、多列アレイを示す側面図であり、図１５の（ｂ）はその平面図である。この多列アレイは、バッキング材９０１上に、１１列（Ｅ１列〜Ｅ１１列）に渡って配置された複数の素子９０２を含んでいる。また、各列は、例えば、１２８個の素子９０２を含んでいる。なお、多列アレイにおいて、各素子列における素子の配列方向（走査方向）はアジマス（azimuth：方位）方向と呼ばれており、アジマス方向に直交する方向はエレベーション（elevation：仰角）方向と呼ばれている。さらに、各素子９０２は、配線９０３に接続されている。
【０００９】
このような多列アレイにおいては、グレーティングローブを低減することにより超音波ビームの品質を向上するために、通常、アジマス方向における素子の配列ピッチが送信超音波の波長以下となるように設計されている。一方、エレベーション方向については、通常、波長以上のピッチで配列されている。このような特徴により、多列アレイは、分解能等の超音波ビームの質やスキャニングボリューム（走査量）といった面でマトリックス配置のアレイに及ばない面は残るものの、素子数や配線数を大幅に削減できるという大きな利点が得られる。即ち、超音波用探触子や超音波内視鏡の小型化やコストの低減を図ることが可能になる。なお、多列アレイを用いて画質の良い超音波画像を得るためには、１０列程度の素子列が必要になる。
【００１０】
関連する技術として、特許文献１には、体腔内等に挿入する挿入部の先端部に設けられ、超音波ビームを送受信する超音波送受信手段と、該超音波送受信手段による超音波ビームの走査範囲に向けて穿刺針等の処置具を導出可能な処置具導出口と、超音波送受信手段による超音波ビームの走査範囲を偏向する超音波偏向手段とを備えた超音波プローブが開示されている。即ち、特許文献１においては、超音波振動子を３列に配置し、各列から位相の異なる超音波を送信して超音波の走査範囲を偏向することにより、穿刺針が湾曲した場合にも穿刺針に超音波ビームを照射できるようにしている。
【００１１】
また、特許文献２には、連続波ドプラモードを有する超音波診断装置であって、電子走査方向及び電子走査方向に直交するエレベーション方向に整列した複数の振動素子からなるアレイ振動子と、上記複数の振動素子の動作を制御する送受信制御部とを備え、連続波ドプラモードにおいて、上記アレイ振動子上に、電子走査方向に整列した少なくとも１つの送信振動素子群と、電子走査方向に整列した少なくとも１つの受信振動素子群とが、エレベーション方向において互いに異なる位置に設定されている超音波診断装置が開示されている。即ち、特許文献２においては、送信振動素子列と受信振動素子列とを１列おきに交互に配置することにより、送信開口及び受信開口を広く取るようにしている。
【００１２】
さらに、特許文献３には、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の振動子を有するフェーズドアレイプローブを駆動制御するためのフェーズドアレイ駆動装置であって、第１〜第ｎの超音波振動子を駆動するための駆動信号を出力する１つの駆動回路と、駆動信号のタイミングをずらして第１〜第ｎの駆動信号としてそれぞれ第１〜第ｎの超音波振動子に与えるタイミング調整手段とを有するフェーズドアレイ駆動装置が開示されている。即ち、特許文献３においては、駆動回路の数を削減するために、複数の超音波振動子を、タイミングをずらして駆動している。また、特許文献３においては、第１〜第ｎの超音波振動子を第１〜第ｍ（ｍはｎより小さい自然数）のグループのいずれかに分けて、それらの第１〜第ｍのグループに属する超音波振動子に選択的に駆動信号を与えるようにしている（段落００１７、００４２）。即ち、複数の超音波振動子をグループ化し、グループ毎に超音波振動子の駆動タイミングを制御することにより、全ての超音波振動子を駆動制御するトータルの時間を短縮化している（段落００１８）。
【００１３】
ところで、多列アレイは、エレベーション方向における素子数が１Ｄアレイと２Ｄアレイとの間であることから、１．２５Ｄアレイ、１．５Ｄアレイ、又は、１．７５Ｄアレイとも呼ばれる。これらのアレイの次元は、非特許文献１の定義によれば、次の（１）〜（５）のように説明される。
（１）１Ｄアレイ：エレベーション方向の開口が固定（１列のみ）されており、音響レンズ等によって固定された距離に焦点を形成する。
【００１４】
（２）１．２５Ｄアレイ：複数の１Ｄアレイを平行に配置したものである。エレベーション方向における開口径は可変（１列〜１１列）であるが、焦点の形成は音響レンズ等によって行われるので、焦点距離は固定されている。
【００１５】
（３）１．５Ｄアレイ：アレイのセンター軸について対称な２つの素子９０２（例えば、Ｅ１列とＥ１１列、Ｅ２列とＥ１０列、…）を共通結線し、それらの素子９０２を同じタイミングで駆動するようにしたアレイである。従って、エレベーション方向における開口径は可変（１列〜１１列）であり、素子の駆動タイミングを配線ごとに調節することにより、焦点距離も動的に変化させることができる。しかしながら、超音波ビームの送信方向はセンター方向に固定されている。
【００１６】
（４）１．７５Ｄアレイ：１．５Ｄアレイに対し、各素子９０２を独立に配線することにより、センター軸に対称という制約を外したものである。それにより、開口径や焦点距離を変化させると共に、超音波ビームをセンター以外の方向に偏向できるようになる。しかしながら、エレベーション方向における素子の幅は波長よりも大きいので、超音波ビームを偏向できる範囲には制約があり、アジマス方向と同等の自由度はない。
【００１７】
（５）２Ｄアレイ：エレベーション方向における素子数及び配列ピッチを、アジマス方向におけるのと同程度にしたものである。従って、アポダイゼーションや３次元空間における焦点形成や超音波ビームの偏向を完全に制御することができる。
【００１８】
このような多列アレイにおいては、より少ない素子列数で、超音波ビームの品質を改良するための工夫が為されている。例えば、図１６は、エレベーション方向において素子を荷重配置した多列アレイを示している。この多列アレイにおいて、バッキング材９１１上に配置されている素子９１２〜９１４は、中央部から外側に向かうほど、幅が狭くなっている。また、各素子９１２〜９１４には、配線９１５が接続されている。このような荷重配置としては、フレネル（Fresnel）配置や、ＭＩＡＥ（Minimum Integrated Absolute time-delay Error）配置等と呼ばれる方法が知られている。なお、フレネル配置及びＭＩＡＥ配置の詳細については、非特許文献１を参照されたい。
【特許文献１】特開２０００−１３９９２６号公報（第１、２頁、図６）
【特許文献２】特開２００４−５７４６０号公報（第２頁、図６）
【特許文献３】特開２００３−１３０８５９号公報
【非特許文献１】ワイルズ（D. G. Wildes）、他、「１．２５次元及び１．５次元トランスデューサアレイにおけるエレベーション・パフォーマンス（Elevation Performance of 1.25D and 1.5D Transducer Arrays）」、ＩＥＥＥ超音波、強誘電体、周波数会報(IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL)、第４４巻、第５号、ｐ．１０２７−１０３７、１９９７年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、図１５に示す多列アレイにおいて、１．７５Ｄアレイ方式を採用する場合には、超音波ビームを超音波トランスデューサアレイの正面方向（即ち、超音波トランスデューサアレイのセンター軸）から偏向できるという利点がある。しかしながら、その場合には、素子９０２に駆動信号を供給するための配線９０３が、素子数の分だけ必要になる。例えば、１２８チャンネルの素子列を１１列並べる場合には、信号線の数は１４０８本に至る。このように配線数が多いと、被検体内に挿入して用いられる超音波内視鏡においては、操作性や患者に与える苦痛等の観点から、致命的な欠点となる。
【００２０】
それに対して、特許文献３に開示されているように、複数の素子をグループ化して駆動する場合には、駆動回路の数や、駆動回路と複数の素子を接続する配線の数を大幅に低減することが可能になる。しかしながら、特許文献３においては、グループを切り換えるためのスイッチ数が増えてしまうという問題がある。例えば、エレベーション方向において１１個の素子を５個のグループに分ける場合には、各素子に５個の切替スイッチが設けられるので、１チャンネルにつき５５個のスイッチが必要になる。従って、各素子列を１２８チャンネルとする場合には、トータルのスイッチ数は７０４０個に至る。このように膨大な数のスイッチを探触子側に設けると、探触子自体が大きくなってしまうので、超音波内視鏡においてはやはり致命的な欠点となる。
【００２１】
一方、図１６に示す荷重配置を採用する場合には、少ない素子数及び配線数（１２８チャンネル×５列＝６４０）で、品質の良い超音波ビームを形成することができる。しかしながら、このような荷重配置において１．７５Ｄアレイを採用することにより、超音波ビームを偏向しようとすると、サイドローブが拡大してしまうという問題が生じている。これは、通常の荷重配置は、センター方向に超音波ビームを送信する場合にビーム品質が最良となるように、素子の幅や配列が最適化されているからである。
【００２２】
そこで、上記の課題に鑑み、本発明は、探触子と超音波検査装置本体とを接続する配線数を削減でき、且つ、エレベーション方向において超音波ビームを偏向させた場合においてもサイドローブの拡大を抑制できる超音波検査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】
【００２３】
本発明の１つの観点に係る超音波検査装置は、各々に複数の超音波トランスデューサが１次元に配列されている複数の素子列を互いに平行に並べることにより形成された多列アレイと、該多列アレイの各行において、それぞれ隣接する２つの素子間の電気的な接続を開閉することにより、複数の素子群を形成する複数のスイッチとを有する探触子と、超音波ビームの送受信方向に応じて、上記複数のスイッチの開閉を制御する制御手段と、複数の素子群にそれぞれ供給される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、複数の素子群からそれぞれ出力される複数の受信信号を処理して画像信号を生成する信号処理手段とを具備する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、多列アレイの各行において複数の素子をグループ化し、グループごとに駆動信号を供給するので、多列アレイに接続される配線の数を低減することが可能になる。それにより、超音波検査装置本体と探触子とを接続するケーブルの数を低減できるので、探触子の操作性を向上させると共に、検査される患者の身体的負担を軽減することが可能になる。また、超音波ビームの送信方向に応じて最適となるように、グループ化される素子の組み合わせを切り換えるので、超音波ビームの送信方向にかかわらず良質な超音波ビームを送信できるようになる。それにより、超音波画像の画質を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波検査装置の構成を示すブロック図である。この超音波検査装置は、探触子１００と、超音波検査装置本体２００と、それらを接続するケーブル１５０とを含んでいる。探触子（プローブ）１００は、被検体の体腔内に挿入されて被検体の内部の様子を観察する超音波内視鏡検査において用いられるのに適しているが、被検体の体表に当接して用いられる通常の超音波検査用の探触子であっても良い。
【００２６】
図１に示すように、探触子１００は、１１個の素子列Ｅ１〜Ｅ１１を含む超音波トランスデューサアレイ１０と、１０個のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０と、シリアル／パラレル変換回路（Ｓ／Ｐ）１４と、デコーダ１５とを含んでいる。
【００２７】
図２の（ａ）は、図１に示す超音波トランスデューサアレイ１０を示す側面図であり、図２の（ｂ）は、その平面図である。図２の（ｂ）に示すように、各素子列Ｅ１〜Ｅ１１は、バッキング材１１上に所定のピッチで配置された１２８個の超音波トランスデューサ（以下において、単に、「素子」とも言う）１２を含んでいる。また、図２の（ａ）に示すように、各素子１２は、配線１３に接続されている。以下においては、各素子列における素子の配列方向（走査方向）のことを「アジマス方向」といい、それと直交する方向（各素子行における素子の配列方向）のことを「エレベーション方向」と言う。
【００２８】
バッキング材１１は、例えば、フェライト粉や金属粉やＰＺＴ粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、素子１２を支持すると共に、超音波トランスデューサアレイ１０から発生した不要な超音波の減衰を早めるために配置されている。
【００２９】
各素子１２は、例えば、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電体の両面に電極を形成した振動子であり、電圧を印加されることにより伸縮して超音波を発生する。また、各素子１２は、被検体から伝播してきた超音波により伸縮して電圧を発生する。この電圧は、受信信号として超音波検査装置本体２００に出力される。各素子１２の一方の電極には駆動信号ＤＳ１〜ＤＳ５の内のいずれかが供給され、他方の電極には共通電位（本実施形態においては接地電位とする）が供給される。
【００３０】
なお、超音波トランスデューサアレイ１０の上層に、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消することにより超音波トランスデューサから送信された超音波を効率良く被検体中に伝播させる音響整合層をさらに設けても良い。音響整合層は、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成される。
【００３１】
通常、アジマス方向における素子１２の配列ピッチは、電子セクタスキャン方式におけるグレーティングローブの発生角度を考慮して、送信超音波の波長の半分以下となるように設計されている。例えば、生体における音速を１５００ｍ／ｓとすると、送信超音波の周波数が５ＭＨｚである場合に波長は約０．３ｍｍとなるので、超音波の波長の半分は０．１５ｍｍとなる。本実施形態において、アジマス方向における配列ピッチは０．１５ｍｍである。一方、エレベーション方向における配列ピッチは、送信超音波の波長よりも大きい１．１ｍｍとなっている。
【００３２】
図１に示すように、各行において、素子１２は、配線１３を介してスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０に接続されている。これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０は、それぞれ隣接する２つの素子間の電気的な接続を開閉することにより、複数の素子グループを形成するために設けられており、その数は、各行の素子数（１１個）より１つ少ないので、１２８行の素子について１２８０個となる。また、各行の素子に対応するスイッチＳＷ１には、デコーダ１５から同一の制御信号が供給され、スイッチＳＷ２〜ＳＷ１０についても同様である。このようなスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０の各々は、例えば、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴとＮチャネルＭＯＳＦＥＴとを組み合わせたアナログスイッチによって構成される。
【００３３】
シリアル／パラレル変換回路１４は、超音波検査装置本体２００からシリアルの制御信号ＣＳとクロック信号ＣＫの供給を受け、シリアルの制御信号をパラレル（例えば、４ビット）の制御信号に変換する。デコーダ１５は、パラレルの制御信号に基づいて、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１０に供給される制御信号を生成する。なお、シリアル／パラレル変換回路１４とデコーダ１５とを、一体化した回路ブロックとして構成しても良い。
【００３４】
超音波検査装置本体２００からそれぞれの同軸ケーブルを介して探触子１００に供給される１２８組の駆動信号ＤＳ１〜ＤＳ５は、１２８行の各々においてスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０によって形成される複数の素子グループにそれぞれ印加される。また、超音波の受信時においては、１２８行の各々における複数の素子グループから、それぞれの同軸ケーブルを介して、１２８×５個の受信信号が超音波検査装置本体２００に出力される。
【００３５】
図３は、図１に示す超音波検査装置本体２００の構成を説明するためのブロック図である。図３に示すように、超音波検査装置本体２００は、超音波検査装置の各部を制御するシステム制御部２０１と、送信ビーム制御部２０２と、駆動信号生成部２０３と、送受信切換部２０４と、プリアンプ（前置増幅器）２０５と、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）２０６と、受信信号演算部２０７と、ビームプロセッサ２０８と、ビデオプロセッサ２０９とを含んでいる。
【００３６】
システム制御部２０１は、超音波ビームを所望の方向で送受信して、所望の深度に焦点を形成するために、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１０を制御するための制御信号ＣＳを生成して、制御信号ＣＳ及びクロック信号ＣＫを探触子１００に供給する。
送信ビーム制御部２０２は、システム制御部２０１の制御の下で、複数の素子グループにそれぞれ供給される複数の駆動信号の供給タイミング及び遅延時間を設定する。
【００３７】
駆動信号生成部２０３は、１２８組の駆動信号ＤＳ１〜ＤＳ５を生成する複数のパルサを含んでいる。
送受信切換部２０４は、探触子１００への１２８組の駆動信号ＤＳ１〜ＤＳ３５の出力と探触子１００からの１２８×５個の受信信号の入力とを切り換える。超音波検査装置本体２００と探触子１００との間の駆動信号／受信信号の受渡しのためには、１２８×５＝６４０本の同軸ケーブルが用いられる。
【００３８】
プリアンプ２０５は、探触子１００から出力された受信信号を前置増幅する。また、Ａ／Ｄ変換器２０６は、前置増幅されたアナログの受信信号をディジタルの受信信号（受信データ）に変換する。プリアンプ２０５及びＡ／Ｄ変換器２０６は、１２８×５チャンネル分設けられている。
受信信号演算部２０７は、システム制御部２０１の制御の下で、取得された受信信号のレベルを調整して整相加算処理を施すことにより、超音波ビームの送信方向に対応する受信データ（音線データ）を生成する。
【００３９】
ビームプロセッサ２０８は、受信データについて、検波、ＳＴＣ（sensitivity time control）、ダイナミックレンジ調整、フィルタ処理等の所定の信号処理を施す。
ビデオプロセッサ２０９は、所定の信号処理を施された受信データについて走査フォーマットを変換し、さらに、ディジタル／アナログ変換処理を行うことにより、ビデオ信号（画像信号）を生成して、表示装置等に出力する。
【００４０】
次に、本実施形態に係る超音波検査装置の動作について、図１〜図４を参照しながら説明する。以下においては、１行の素子についての動作を説明するが、このような動作を他の行の素子についても行うことにより、超音波ビームがアジマス方向に走査される。その際には、１回の超音波ビームの送受信において、複数行の素子を、所定の遅延時間を設けて動作させることにより、アジマス方向においても所望の深度に超音波ビームの焦点を形成することができる。
【００４１】
本実施形態においては、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１０を用いて複数の素子１２をグループ化することにより、位置に応じて素子の幅が異なる荷重配置を擬似的に形成する。そのため、図３に示すシステム制御部２０１は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１０の動作を制御するためのスイッチングパターンと、各素子グループに供給される駆動信号の遅延パターンとを、超音波ビームの形状（送信方向及び焦点距離）に応じて最適となるように設定する。
【００４２】
図４の（ａ）は、超音波トランスデューサアレイ１０の正面方向（即ち、超音波トランスデューサアレイ１０のセンター軸）に対して超音波ビームを送受信する場合における配線状態を示している。なお、図４において、超音波ビームの送信方向に向かって右方向（図の下側）をエレベーション方向のプラスとする。
【００４３】
この場合には、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ８、ＳＷ１０がオフにされ、スイッチＳＷ２、ＳＷ４〜７、ＳＷ９がオンにされる。それにより、共通結線された素子１２によって素子グループ（ＴＲ１）、（ＴＲ２，ＴＲ３）、（ＴＲ４〜ＴＲ８）、（ＴＲ９，ＴＲ１０）、（ＴＲ１１）が形成される。これらの素子グループに、駆動信号供給線ＤＳ１〜ＤＳ５を介して、所定の遅延時間ＤＬを与えられた駆動信号がそれぞれ供給される。ここで、各駆動信号供給線ＤＳ１〜ＤＳ５上に示されたブロック（ＤＬ）の長さは、各駆動信号に与えられる遅延時間の長さを示している。このような遅延パターンにより、端部の素子グループ（ＴＲ１）及び（ＴＲ１１）から順に超音波が送信され、その結果、超音波トランスデューサアレイ１０の正面方向に超音波ビームが送信され、所望の深度に焦点Ｆが形成される。
【００４４】
図４の（ｂ）は、超音波ビームを偏向して送受信する場合における配線状態を示している。ここで、偏向とは、正面からずれた方向に超音波ビームを送信することをいう。また、偏向角とは、超音波ビームの送信方向と正面方向との為す角度のことを言う。
【００４５】
図４の（ｂ）に示すように、例えば、超音波ビームを＋１０°偏向させる場合には、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ６、ＳＷ１０がオフにされ、スイッチＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ７〜ＳＷ９がオンにされる。それにより、共通結線された素子１２によって素子グループ（ＴＲ１）、（ＴＲ２，ＴＲ３）、（ＴＲ４〜ＴＲ６）、（ＴＲ７〜ＴＲ１０）、（ＴＲ１１）が形成される。これらの素子グループを、駆動信号供給線ＤＳ１〜ＤＳ５を介して所定の遅延時間ＤＬを与えられた駆動信号を供給し、順次駆動することにより、例えば、偏向角が１０°の方向に超音波ビームが送信され、所望の深度に焦点Ｆが形成される。
【００４６】
ここで、本実施形態において、超音波ビームの送信方向に応じて素子のグループ化を変化させる利点について、図５〜図９を参照しながら説明する。
図５は、複数の素子２１が均等に配置された一般的なフェーズドアレイ（以下において、均等配置アレイという）における超音波送信方法を説明するための図である。これらの素子２１には、駆動信号ＤＳ１１〜ＤＳ２１が供給される。このようなフェーズドアレイにおいて、図５の（ａ）に示すように、正面方向に向けて超音波ビームを送信する場合には、端部からセンターに向けて素子２１を順次駆動するように、遅延パターン（遅延時間ＤＬ）が設定される。また、図５の（ｂ）に示すように、超音波ビームを偏向する場合には、偏向方向から遠い方から先に素子２１を駆動するように、遅延パターンがシフトされる。
【００４７】
図６は、図５に示すフェーズドアレイから送信される超音波ビームのプロファイルのシミュレーション結果を示している。図６において、横軸は超音波トランスデューサアレイのセンター軸からの距離を示しており、縦軸は音圧（ｄＢ）を示している。
図６に示すように、この場合には、超音波ビームの偏向角によらず、概ね良好なビーム品質が得られている。しかしながら、このようなフェーズドアレイにおいては、素子数に対応する数だけ駆動信号を供給するための同軸ケーブルが必要となるので、ケーブル全体の径が大きくなるという問題が生じる。
【００４８】
図７は、複数種類の素子３１〜３３が荷重配置されたフェーズドアレイ（以下において、荷重配置アレイという）における超音波送信方法を説明するための図である。荷重配置アレイにおいては、超音波ビームの品質を改良するために、エレベーション方向において、素子３１〜３３は、センターから外側に向けて、素子の幅が次第に狭くなるように設計されている。このようなアレイにおいては、素子列の数が少ないので、これらの素子３１〜３３に駆動信号ＤＳ３１〜ＤＳ３５を供給しても、ケーブル全体の径に関する問題は生じない。
【００４９】
図８は、図７に示す荷重配置アレイから送信される超音波ビームのプロファイルのシミュレーション結果を示している。図８に示すように、超音波ビームを正面方向に送信する場合（偏向角＝０°、図７の（ａ））には、均等配置アレイ（図７）におけるものと概ね同程度のビーム品質が得られている。しかしながら、超音波ビームを少しでも偏向すると（図７の（ｂ））、超音波ビームの品質が著しく悪化することがわかる。例えば、偏向角を５°とした場合には、距離−２ｍｍ〜−３ｍｍ付近に、メインローブよりも音圧レベルの高いサイドローブが出現している。その原因は、図７に示す荷重配置アレイは、超音波ビームを正面に送信する場合に最良のビーム品質が得られるように設計されているからである。
【００５０】
それに対して、本実施形態においては、超音波ビームを正面方向に送信する場合には、荷重配置アレイと同様に、中央付近の素子の幅が擬似的に広くなるように素子グループを形成するが、超音波ビームを偏向する場合には、偏向方向よりの素子の幅が擬似的に広くなるように素子グループを形成する。それにより、配線数を削減できる荷重配置を採用しつつ、超音波ビームの偏向時におけるサイドローブを低減することができるからである。
【００５１】
図９は、本実施形態に係る超音波検査装置（図４）から送信される超音波ビームのプロファイルのシミュレーション結果を示している。図９に示すように、超音波ビームを正面方向に送信する場合（偏向角＝０°）には、均等配置アレイ（図７）や荷重配置アレイ（図８）と同程度のビーム品質を得ることができた。また、超音波ビームを偏向させた場合には、サイドローブのレベルは若干大きくなるが、明確なメインローブを形成することができ、荷重配置アレイに比較してビーム品質が大幅に改善されていることがわかる。なお、偏向角を１０°以上とした場合に、センターから離れた位置（例えば、−６ｍｍ付近）に、比較的大きなサイドローブが観察されるが、この位置はメインローブの位置と離れているため、超音波画像情報に対してあまり大きな影響を及ぼすことはない。
【００５２】
ここで、素子１２を形成している圧電体の変位量は、素子１２に印加される電圧によって決定されるので、図４に示すように、同一の特性を有する複数の素子１２を並列接続しても出力音圧は変化しない。また、素子１２の出力電圧は、素子１２が受ける音圧によって決定されるので、複数の素子１２を共通配線しても、受信信号の電圧は変化しない。従って、複数の素子１２をグループ化しても、出力音圧及び受信感度に与える影響は少ない。
【００５３】
しかしながら、送受信回路を含む電気特性については、次のような影響が生じる。
図１０は、駆動信号生成部２０３（図３）における送信回路（パルサ）と探触子における素子とを含む送信系回路の等価回路を示している。図１０に示すように、送信回路は、パルス信号源（駆動電圧ＶＤ）と出力インピーダンスＲＯとを有している。送信回路と素子とは、同軸ケーブル１５０によって接続される。超音波の送信時においては、素子のグループ化によって、送信回路に対する負荷インピーダンスＺＬが変化する。そのため、送信回路の出力インピーダンスＲ０が負荷インピーダンスＺＬに比較して十分に小さくない場合には、素子のグループ化によって駆動電圧ＶＤが変化してしまう。また、素子は容量性負荷であるので、送信系回路の周波数特性が変化して、駆動波形の立ち上り特性も変化してしまう。
【００５４】
一方、図１１は、探触子における素子とプリアンプ２０５（図３）とを含む受信系回路の等価回路を示している。図１１に示すように、受信時において、探触子は、素子のインピーダンスＺＬを出力インピーダンスとする信号源（受信電圧ＶＲ）と等価となる。また、プリアンプは、入力インピーダンスＲｉを有している。従って、素子のインピーダンスＺＬとプリアンプの入力インピーダンスＲｉとの分圧値ＶＲ・Ｒｉ／（ＺＬ＋Ｒｉ）が、プリアンプに入力される。また、素子のインピーダンスＺＬが変化すると、同軸ケーブル１５０の端部における反射率も変化する。
【００５５】
そのため、素子をグループ化して駆動する場合には、共通配線される素子数に応じて、駆動電圧が低下したり、受信電圧が低下したりすることになる。従って、生成される超音波画像の精度をより高くする場合には、これらの電気的な変化を補正することが望ましい。具体的には、素子をグループ化するためのスイッチングパターンに応じて、駆動信号生成部２０３（図３）において駆動信号の電圧及び／又は波形の補正を行うと共に、受信信号演算部２０７（図３）において、受信系回路のゲイン及び／又は周波数特性の補正を行うように、システム制御部２０１がこれらの部分を制御する。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、多列アレイの各チャンネルにおいて複数の素子をグループ化することにより、均等配置された複数の素子を擬似的に荷重配置とすることができる。従って、均等配置アレイに比較して、駆動信号供給線の数を大幅に削減することができる。具体的には、通常、１２８行１１列の多列アレイには、１２８×１１＝１４０８本の同軸ケーブルが必要となる。それに対して、本実施形態においては、１１個の素子を５個のグループに分けることにより、１２８×５＝６４０本の同軸ケーブルと、２本の制御信号及びクロック信号供給線で済むようになる。なお、アナログ回路用のアース線とは別個に、ロジック回路用のアース線を設けるようにしても良い。
また、各行の素子には（素子数−１）個のスイッチを設ければ良いので、超音波トランスデューサアレイにおけるトータルのスイッチ数は１２８０個で済む。従って、探触子のサイズもあまり大型にはならないで済む。
【００５７】
さらに、本実施形態によれば、超音波ビームの送信方向に応じて擬似的な荷重配置を変化させるので、方向によらず、品質の良い超音波ビームを送信することが可能になる。従って、そのような超音波ビームを送信及び受信することによって取得された受信信号に基づいて、画質の良い超音波画像を生成することが可能になる。
【００５８】
以上の説明においては、多列アレイを平面上に配置する場合について説明したが、例えば、平面を湾曲させた曲面や、円筒の側面上に複数の素子列を配置することにより、コンベックス型アレイや、ラジアル型アレイを形成しても良い。
【００５９】
次に、図１２〜図１４を参照しながら、図１に示す超音波検査装置が適用される超音波内視鏡検査装置の構成について説明する。図１２は、超音波内視鏡の外観を示す模式図であり、図１３は、図１２に示す超音波内視鏡に接続されることにより医用画像を生成する装置を示す模式図であり、図１４は、図１２に示す挿入部３０１の先端部分を拡大して示す模式図である。
【００６０】
図１２に示すように、超音波内視鏡３００は、挿入部３０１と、操作部３０２と、接続コード３０３と、ユニバーサルコード３０４とを含んでいる。
挿入部３０１は、被検体の体腔内に挿入することができるように、可撓性を有する材料によって形成された細長い管となっている。操作部３０２は、挿入部３０１の基端に設けられており、接続コード３０３を介して、図１３に示す超音波検査装置本体２００に接続されると共に、ユニバーサルコード３０４を介して、図１３に示す光源装置３２０に接続される。
【００６１】
図１３に示す超音波検査装置本体２００は、図１２に示す超音波トランスデューサアレイ１０に駆動信号を供給することによって超音波ビームを送信させると共に、超音波トランスデューサアレイ１０が超音波エコーを受信することによって出力した受信信号に基づいて超音波画像信号を生成する。
【００６２】
光源装置３２０は、被検体の体腔内を照射するための光を発生する。また、ビデオプロセッサ３３０は、挿入部の先端部に設けられている撮像素子から出力された検出信号に基づいて、被検体内の様子を表す光学観察画像信号を生成する。
【００６３】
ミキサ３４０は、超音波検査装置２００から出力された超音波画像信号と、ビデオプロセッサ３３０から出力された光学観察画像信号とに基づいて、超音波画像、又は、光学観察画像、又は、それらの両方が１つの画面に表された画像信号を生成して表示装置３５０に出力する。表示装置３５０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示部を備えており、ミキサ３４０から出力された画像信号に基づいて超音波画像や光学観察画像を表示する。
【００６４】
図１４の（ａ）は、挿入部３０１の先端部分を側面から見た様子を示しており、図１４の（ｂ）は、それを上面から見た様子を示している。図１４に示すように、挿入部３０１の先端部分には、超音波トランスデューサアレイ１０と、観察窓３１１と、照明窓３１２と、処置具挿通口３１３と、ノズル孔３１４とが設けられている。また、処置具挿通口３１３には、穿刺針３０６が配置されている。
【００６５】
超音波トランスデューサアレイ１０は、コンベックス型の多列アレイであり、湾曲した面上に配置された１１列の素子を含んでいる。また、図１４の（ｂ）に示すように、上面から見た場合に、エレベーション方向が処置具挿通口３１３に配置される処置具（例えば、穿刺針３０６）の挿通方向と直交するように、超音波トランスデューサアレイ１０を配置することが望ましい。それにより、処置具のエレベーション方向における先端位置を検出できるようになる。図示されていないが、超音波トランスデューサアレイ１０の超音波送信面上には音響整合層が配置され、超音波トランスデューサアレイ１０の超音波送信面とは反対側の面にはバッキング層が配置される。さらに、音響整合層の上層に、必要に応じて音響レンズを配置しても良い。
【００６６】
観察窓３１１には、対物レンズが装着されており、この対物レンズの結像位置には、イメージガイドの入力端又はＣＣＤカメラ等の固体撮像素子が配置されている。これらは、観察光学系を構成しており、固体撮像素子の検出信号は、図１３に示すビデオプロセッサ３３０に出力される。また、照明窓３１２には、図１３に示す光源装置３２０からライトガイドを介して供給される照明光を出射させるための照明用レンズが装着されている。これらは、照明光学系を構成する。
【００６７】
処置具挿通口３１３は、操作部３０２に設けられた処置具挿入口３０５（図１２）から挿入された処置具等を導出させる孔である。この孔から穿刺針３０６や鉗子等の処置具を突出させ、操作部３０２においてこれを操作することにより、被検体の体腔内において種々の処置が行われる。さらに、ノズル孔３１４は、観察窓３１１及び観察窓３１２を洗浄するための液体（水等）を噴射するために設けられている。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、被検体に向けて超音波を送信及び受信することにより超音波画像を生成する超音波検査装置において利用することが可能であり、特に、被検体の体腔内に挿入され、被検体内の様子を光学的に観察する内視鏡と組み合わせられた超音波内視鏡が適用される超音波検査装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波検査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す超音波トランスデューサアレイの図である。
【図３】図１に示す超音波検査装置本体の構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す探触子の超音波ビーム送信時における配線状態を示す図である。
【図５】複数の素子が均等配置された超音波トランスデューサアレイから超音波ビームを送信する様子を示す図である。
【図６】図５に示す超音波トランスデューサアレイから送信される超音波ビームのプロファイルを示す図である。
【図７】複数の素子が荷重配置された超音波トランスデューサアレイから超音波ビームを送信する様子を示す図である。
【図８】図７に示す超音波トランスデューサアレイから送信される超音波ビームのプロファイルを示す図である。
【図９】図４に示す超音波トランスデューサアレイから送信される超音波ビームのプロファイルを示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る超音波検査装置における送信系回路の等価回路を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る超音波検査装置における受信系回路の等価回路を示す図である。
【図１２】図１に示す探触子が適用される超音波内視鏡を示す模式図である。
【図１３】図１２に示す超音波内視鏡に接続される医用画像生成装置を示す模式図である。
【図１４】図１２に示す挿入部の先端部分を拡大して示す模式図である。
【図１５】一般的な多列アレイを示す図である。
【図１６】複数種類の素子を荷重配置した多列アレイを示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  超音波トランスデューサアレイ
１１、９０１、９１１  バッキング材
１２、２１、３１〜３５、９０２、９１２〜９１４  超音波トランスデューサ（素子）
１３、９０３、９１５  配線
１４  Ｓ／Ｐ
１５  デコーダ
１００  探触子
１５０  同軸ケーブル
２００  超音波検査装置本体
２０１  システム制御部
２０２  送信ビーム制御部
２０３  駆動信号生成部
２０４  送受信切換部
２０５  プリアンプ
２０６  アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）
２０７  受信信号演算部
２０８  ビームプロセッサ
２０９、３３０  ビデオプロセッサ
３００  超音波内視鏡
３０１  挿入部
３０２  操作部
３０３  接続コード
３０４  ユニバーサルコード
３０５  処置具挿入口
３０６  穿刺針
３１１  観察窓
３１２  照明窓
３１３  処置具挿通口
３１４  ノズル孔
３２０  光源装置
３４０  ミキサ
３５０  表示装置
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2008022887.tif 000014
【図１３】
2008022887.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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