(57)【要約】【課題】回路的な負担を増加させずに、また、超音波トランスデューサの耐電圧性能に制限されずに、振幅の大きい超音波を送信することにより高い音圧を実現できる超音波用探触子を提供する。【解決手段】この超音波用探触子は、駆動信号に従って振動する圧電部２と、圧電部の少なくとも一端に配置され、圧電部の振動によって発生した音響エネルギーを蓄積する少なくとも１つの共振器３と、制御信号に従って共振器と接触又は非接触状態になるスイッチ手段であって、共振器と接触したときに共振器に蓄積されている音響エネルギーを外部に放出するスイッチ手段４とを具備する。【選択図】　図１
2004120701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号に従って振動する圧電部と、
前記圧電部の少なくとも一端に配置され、前記圧電部の振動によって発生した音響エネルギーを蓄積する少なくとも１つの共振器と、
制御信号に従って前記共振器と接触又は非接触状態になるスイッチ手段であって、前記共振器と接触したときに、前記共振器に蓄積されている音響エネルギーを外部に放出する前記スイッチ手段と、
を具備する超音波用探触子。
【請求項２】
前記スイッチ手段に供給する制御信号を発生する制御手段をさらに具備する請求項１記載の超音波用探触子。
【請求項３】
前記圧電部と前記少なくとも１つの共振器と前記スイッチ手段との組を複数具備し、前記複数の組に対して複数の前記制御手段がそれぞれ設けられている請求項２記載の超音波用探触子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波用探触子と、
前記超音波用探触子に複数の駆動信号を供給して超音波を送信させる送信側回路と、
前記超音波用探触子が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を処理することにより、被検体に関する画像情報を得る受信側回路と、
を具備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、超音波を送受信する超音波用探触子に関し、さらに、そのような超音波用探触子を用いて超音波を送受信することにより医療診断又は非破壊検査を行うために用いられる超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置においては、通常、超音波の送受信機能を有する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子を用いて、超音波の送受信が行われる。超音波診断装置は、医療用の診断や工業用の探傷検査等のために用いられているが、近年においては、受信感度と分解能を向上させるために、超音波を送信する際にパルス幅を狭めて振幅を大きくする手法が取られている。また、超音波に含まれる高調波成分を利用するハーモニック・イメージングにおいては、高い音圧により超音波造影剤の気泡を破壊する必要があるために、あるいは、組織のハーモニック信号を得るためにも、送信される超音波の信号強度が高いことが望まれる。
【０００３】
しかしながら、超音波を送信する際にパルス幅を狭めて振幅を大きくする手法は、回路規模や超音波トランスデューサの耐電圧性能の制限により限界に達している。そこで、特殊な変調に基づいた送信波形を生成したり、超音波エコーを受信して得られる検出信号に対して特殊な信号処理を施すことにより、感度と分解能を向上させることが試みられている。
【０００４】
下記の特許文献１には、ダイナミックフィルタを有するＢモード系と、局部発信器からの局部発信信号を参照信号とする同期検波を行うドプラ系とを有する超音波診断装置が開示されている。この超音波診断装置は、Ｂモードにおいて深さに応じて出力信号の周波数を変化させて最良の画像を得るために、システムコントローラからのレートパルスに同期して、反射体の深度が小さいときは周波数が低く深度が大きいときは周波数が高いチャープ信号である局部発信信号を発生して、第１のミキサと第２のミキサに同期検波を行わせるチャープ発信器を具備している。
【０００５】
下記の特許文献２には、チャープ波の相関演算を行わずに、受信信号の反射深度が深くなるにつれて通過周波数帯域が低くなるバンドパスフィルタを使用することにより感度と分解能を改善する超音波撮像方法及び超音波診断装置が開示されている。
【０００６】
下記の特許文献３には、外科手術用装置の作用部に振幅と周波数を調整できる超音波振動を複数同時に発生するために、第１の共振器と第２の共振器との間に位置するピエゾ圧電部を含む超音波スタックを、第１の周波数の電気信号及び第２の周波数の電気信号で励起することが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−２３７１０３号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−９５７９８号公報（第２頁、図２）
【特許文献３】
特開平９−１３５８４２号公報（第２頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波エコーを受信して得られた検出信号に対して特殊な信号処理を施す手法によれば、受信感度と分解能は上昇するものの、送信される超音波の信号強度を高くすることはできないので、ハーモニック・イメージングにおいては効果がない。特に、最近報告され始めている２次元トランスデューサアレイを使用したシステムにおいては、素子の小型化に伴う電気インピーダンスの上昇により、振幅の大きい超音波を送信することは、従来よりも一層難しくなりつつある。
【０００９】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、回路的な負担を増加させずに、また、超音波トランスデューサの耐電圧性能に制限されずに、振幅の大きい超音波を送信することにより高い音圧を実現できる超音波用探触子、及び、それを用いて受信感度と分解能を向上させた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る超音波用探触子は、駆動信号に従って振動する圧電部と、圧電部の少なくとも一端に配置され、圧電部の振動によって発生した音響エネルギーを蓄積する少なくとも１つの共振器と、制御信号に従って共振器と接触又は非接触状態になるスイッチ手段であって、共振器と接触したときに、共振器に蓄積されている音響エネルギーを外部に放出するスイッチ手段とを具備する。
【００１１】
また、本発明に係る超音波診断装置は、本発明に係る超音波用探触子と、超音波用探触子に複数の駆動信号を供給して超音波を送信させる送信側回路と、超音波用探触子が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を処理することにより、被検体に関する画像情報を得る受信側回路とを具備する。
【００１２】
本発明に係る超音波用探触子によれば、圧電部の振動によって発生した音響エネルギーを共振器に蓄積し、スイッチ手段が共振器と接触したときに音響エネルギーを外部に放出するようにしたので、回路的な負担を増加させずに、また、超音波トランスデューサの耐電圧性能に制限されずに、振幅の大きい超音波を送信することにより高い音圧を実現できる。さらに、そのような超音波用探触子を用いて、受信感度と分解能を向上させた超音波診断装置を提供することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。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。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子に含まれている超音波トランスデューサを概略的に示す図である。この超音波トランスデューサは、基板１と、基板１上に形成された圧電部２と、圧電部２の一端に配置された共振器３と、制御信号に従って共振器３と接触又は非接触状態になるスイッチ部４とを含んでいる。スイッチ部４は、人体等の被検体５に当接されている。ここで、図１の（ａ）は、共振器３とスイッチ部４とが接触していない状態を示し、図１の（ｂ）は、共振器３とスイッチ部４とが接触している状態を示している。
【００１５】
図２に示すように、圧電部２は、例えば３層に形成された圧電素子２１〜２３と、これらの圧電素子に駆動信号を印加するために用いられる電極２４及び２５とを含んでいる。圧電素子２１〜２３の材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の高分子圧電材料を用いることができる。このような圧電素子にパルス状あるいは連続波の電圧（駆動信号）を印加すると、圧電素子は微少な機械的振動を生じる。
【００１６】
この機械的振動は、超音波となって、図１に示す共振器３に伝搬する。共振器３の材料としては、超音波の音響エネルギーの損失を抑えるために、圧電部２の音響インピーダンスと整合する音響インピーダンスを有する材料、例えば、ＰＺＴ、ガラス、結晶金属等を用いることができる。図１の（ａ）に示すようにスイッチ部４が共振器３と接触していない状態においては、共振器３の右端は開放端となっているので、共振器３の右端において超音波が反射されて定在波が生じ、圧電部２の振動によって発生した音響エネルギーが共振器３に蓄積される。この定在波のレベルを大きくするために、共振器３の長さは、共振器３中における超音波の波長λの半分の整数倍（ｎλ／２）であることが望ましい。
【００１７】
図３に示すように、スイッチ部４は、金属等の超音波伝搬媒体４１と、制御信号に従って超音波伝搬媒体４１を駆動する駆動部４２と、樹脂等の音響整合層４３と、適度なコンプライアンスを有して音響整合層４３又は超音波伝搬媒体４１を支持する支持部４４とを有している。なお、音響整合層４３は省略することもできる。本実施形態においては、超音波伝搬媒体４１を磁性材料で作成し、駆動部４２をソレノイドコイルとして、電磁力を用いて超音波伝搬媒体４１を駆動しているが、静電力を用いて超音波伝搬媒体４１を駆動するようにしても良い。あるいは、制御信号に従って超音波伝搬媒体４１の体積を変化させるようにして、共振器３とスイッチ部４とが接触又は非接触状態になるようにしても良い。
【００１８】
図４に、本実施形態における駆動信号と制御信号と送信波との関係を示す。スイッチ部４は、通常は共振器３と接触しており、所定の期間だけ制御信号がハイレベルになると、スイッチ部４が共振器３から離される。その間に、圧電部２に駆動信号が供給され、共振器３に音響エネルギーが蓄積される。ここでは、駆動信号が、一定の周期Δｔ＝（λ０／２）／ｖを有する１組のパルスを含んでいる。ここで、記号λ０は、共振器３において共振する基本波の波長を表し、記号ｖは、共振器３中における基本波の音速を表している。駆動信号に含まれる１組のパルス中の最後のパルスに同期して、制御信号がローレベルになると、スイッチ部４が共振器３と接触する。その結果、共振器３に蓄積されている音響エネルギーが外部（被検体）に放出され、強力な超音波が被検体中に送信される。スイッチ部４が共振器３と接触する期間Ｔは、共振器３において共振する基本波の１周期（λ０／ｖ）以上とすることが望ましい。
【００１９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子に含まれている超音波トランスデューサを概略的に示す図である。この超音波トランスデューサにおいては、２つの共振器６及び７が、圧電部２の両側に配置されている。スイッチ部４は、制御信号に従って共振器７と接触又は非接触状態になる。図５に示すようにスイッチ部４が共振器７と接触していない状態においては、共振器７の右端は開放端となっているので、共振器７の右端において超音波が反射されて定在波が生じ、圧電部２の振動によって発生した音響エネルギーが共振器６及び７に蓄積される。この定在波のレベルを大きくするために、共振器６及び７の各々の長さは、共振器６及び７中における超音波の波長λの４分の１の整数倍（ｎλ／４）であることが望ましい。
【００２０】
次に、本発明の第３の実施形態にに係る超音波用探触子について説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子を概略的に示す部分断面図である。この超音波用探触子１０は、第１の実施形態において説明したのと同様の超音波トランスデューサを、Ｎ行Ｍ列の２次元状に複数配列することにより構成されている。
【００２１】
超音波用探触子１０のハウジング１１内には、基板１と、基板１上に形成された複数の圧電部２と、それらの圧電部２の一端にそれぞれ配置された複数の共振器３と、制御信号に従ってそれらの共振器３とそれぞれ接触又は非接触状態になる複数のスイッチ部４とが含まれている。また、ハウジング１１内には、超音波トランスデューサ毎に供給される駆動信号に基づいて、それぞれのスイッチ部４に供給する制御信号を発生する制御回路１２が含まれている。ハウジング１１内は、超音波トランスデューサが設けられた部分の近傍を除き、樹脂１３で固められている。なお、超音波の受信に関しては、超音波によって変調された光を検出する光検出方式による超音波検出素子を用いても良い。
【００２２】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置について説明する。
図７は、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置は、図６に示す超音波用探触子１０と、超音波用探触子１０に複数の駆動信号を供給して超音波を送信させる送信側回路２０と、超音波用探触子１０が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を処理することにより、被検体に関する画像情報を得る受信側回路５０と、受信側回路５０から出力される画像信号に基づいて画像を表示する画像表示部８０と、超音波用探触子１０におけるスイッチ部４の動作を制御回路１２を介して制御すると共に各部の回路を制御するＣＰＵ等の制御部９０とを含んでいる。
【００２３】
送信側回路２０は、超音波用探触子１０に含まれている複数の超音波トランスデューサから送信される超音波の位相合わせを行うために、複数の駆動信号を発生するタイミングを定める送信ビームフォーマ３０と、送信ビームフォーマ３０によって定められたタイミングに従って複数の駆動信号を発生する駆動信号発生回路４０とを有している。これにより駆動信号の遅延時間が定められ、超音波ビームのフォーカシング及びステアリングが行われる。その結果、複数の超音波トランスデューサから送信される超音波パルスの合波によって超音波ビームを形成し、被検体を走査することができる。
【００２４】
受信側回路５０は、超音波用探触子１０に含まれている複数の超音波トランスデューサから出力される複数の検出信号の増幅や位相合わせ等を行う検出信号処理回路６０と、検出信号処理回路６０の出力信号に基づいて画像信号を生成して処理する画像信号処理回路７０とを有している。増幅された検出信号に所望の遅延を与えて加算することにより、各方向からのエコー強度を検出して、被検体の超音波画像を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係る超音波用探触子によれば、回路的な負担を増加させずに、また、超音波トランスデューサの耐電圧性能に制限されずに、振幅の大きい超音波を送信することにより高い音圧を実現できる。さらに、そのような超音波用探触子を用いて、受信感度と分解能を向上させた超音波診断装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子に含まれている超音波トランスデューサを概略的に示す図である。
【図２】図１に示す圧電部の構造を示す断面図である。
【図３】図１に示すスイッチ部の構造を示す部分断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における駆動信号と制御信号と送信波との関係を示す波形図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子に含まれている超音波トランスデューサを概略的に示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子を概略的に示す部分断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　基板
２　圧電部
２１〜２３　圧電素子
２４、２５　電極
３、６、７　共振器
４　スイッチ部
４１　超音波伝搬媒体
４２　駆動部
４３　音響整合層
４４　支持部
５　被検体
１０　超音波用探触子
１１　ハウジング
１２　制御回路
１３　樹脂
２０　送信側回路
３０　送信ビームフォーマ
４０　駆動信号発生回路
５０　受信側回路
６０　検出信号処理回路
７０　画像信号処理回路
８０　画像表示部
９０　制御部
【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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