(57)【要約】  【課題】先端部の細径化を実現すると共に、近点及び遠点での方位分解能を向上させて高画質な超音波断層像を得る。  【解決手段】挿入部５の先端部に配設した超音波振動子３を構成する圧電体３１を回転方向で３分割すると共に、各圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃの挿入軸方向Ｃでの厚みを中央部分で薄く、両端方向へ移行するに従い次第に厚く変化させた不均一形状に形成する。近距離領域Ａの超音波断層像は、回転方向中央の圧電体エレメント３１ａと挿入軸方向Ｃの中央部分の高周波数領域３１Ｃとを駆動させて、近点に焦点位置を合わせた超音波ビームを被検体内に送信し、その基本波エコー成分を受信することで得る。遠距離領域Ｂの超音波断層像は、各圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃの挿入軸方向Ｃ側に設けた低周波数領域３１Ｓを駆動し、被検体中での減衰が小さい低周波数成分により焦点位置を遠点とし、被検体内からのエコー信号を受信することで得る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信する超音波振動子を挿入部の先端部近傍に備え、超音波ビームを走査させて超音波診断像を得る超音波診断装置であって、
前記超音波振動子は不均一な厚みの音響整合層を有する複合圧電体或いは不均一な厚みの圧電体を有する少なくとも１つの圧電体エレメントから成り、
前記超音波振動子を機械的に駆動させる振動子駆動手段と、
前記超音波振動子から送信する超音波の位相を制御する位相制御手段と、
前記超音波振動子で受信した超音波エコーに基づき超音波診断像を生成する画像生成手段とを備え、
前記位相制御手段は前記超音波ビームのビームフォームの変更を行うことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記ビームフォームを変更することで前記超音波ビームの焦点位置を変更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】
前記ビームフォームの変更は、前記圧電体エレメントに入力する信号の周波数成分を変更することで行うことを特徴とする請求項１或いは２記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記ビームフォームの変更は、前記圧電体エレメントの駆動部位を変更することで行うことを特徴とする請求項１或いは２記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記ビームフォームの変更は、前記圧電体エレメントに入力する信号の周波数成分を変更すと共に、前記圧電体エレメントの駆動部位を変更することで行うことを特徴とする請求項１或いは２記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記ビームフォームの変更により、前記超音波ビームは、少なくとも第１の領域を走査する第１の周波数成分と第２の領域を走査する第２の周波数成分とを選択的に形成可能であることを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の超音波診断装置。
【請求項７】
前記第１の領域が近距離領域で、第２の領域が遠距離領域で、該近距離領域を走査する前記超音波ビームの第１の周波数成分が高周波数成分で、第２の周波数成分が低周波数成分であり、
前記画像生成手段では、前記超音波振動子で受信した基本周波成分と、その高調波成分との混合エコーにより画像を生成すことを特徴とする請求項６記載の超音波診断装置。
【請求項８】
前記高周波数成分は約12〜30MHzであり、前記低周波数成分は約5〜10MHzであることを特徴とする請求項７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、超音波観測に使用される超音波振動子を備える超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波振動子から生体組織内に超音波パルスを繰り返し送信し、生体組織から反射される超音波パルスのエコーを同一、或は、別体に設けた超音波振動子で受信し、超音波パルスの送受信する方向を徐々にずらすことによって、生体内の複数の方向から収集した情報を可視像である超音波断層像として表示する超音波診断装置が種々提案されている。
【０００３】
超音波診断装置は体外式超音波プローブによるものが一般的であるが、内視鏡と組み合わせたものや、細径の超音波プローブを体腔内に挿入する体腔内超音波プローブ等の体内式超音波診断装置も広く用いられている。
【０００４】
体腔内式超音波診断装置として、例えば特開２００２−３４５８１９号公報には、超音波振動子を、音響媒体を満たした先端キャップ内で機械的に回転させ、超音波パルスにて被検体内を走査し、断層像を得るようにした機械式超音波診断装置が開示されている。
【０００５】
体腔内式超音波診断装置は、体腔内への挿入性を向上させるために、挿入部の先端部分を可能な限り、細径化する必要がある。
【特許文献１】特開２００２−３４５８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、体腔内への挿入性を向上させるため、挿入部の先端部分を細径化した場合、内蔵する超音波振動子も細径化してしまうため、超音波振動子の回転方向のサイズが小さくなり、遠点での方位分解能が低下し、画質劣化を起因する問題がある。
【０００７】
ところで、内視鏡チャンネル内に挿入して使用することの可能な機械走査式超音波ミニチュアプローブでは、一般に、高周波数(12〜30MHz)の超音波振動子が用いられるため、超音波の減衰が大きく深度の深い部位の診断に適用することが困難である。この場合、深度の深い部位の診断については、超音波減衰の少ない低周波数を用いて行うことも考えられるが、遠点での方位分解能が低いため、高画質を得ることが困難である。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑み、画像劣化を抑制しつつ先端部の細径化を実現し、又、超音波ミニチュアプローブを用いて超音波診断する際の近点及び遠点における方位分解能が向上し、高画質な超音波断層像を得ることのできる機械走査式の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】
上記目的を達成するため、本発明は、超音波を送受信する超音波振動子を挿入部の先端部近傍に備え、超音波ビームを走査させて超音波診断像を得る超音波診断装置であって、前記超音波振動子は不均一な厚みの音響整合層を有する複合圧電体或いは不均一な厚みの圧電体を有する少なくとも１つの圧電体エレメントから成り、前記超音波振動子を機械的に駆動させる振動子駆動手段と、前記超音波振動子から送信する超音波の位相を制御する位相制御手段と、前記超音波振動子で受信した超音波エコーに基づき超音波診断像を生成する画像生成手段とを備え、前記位相制御手段は前記超音波ビームのビームフォームの変更を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、画像劣化を抑制しつつ先端部の細径化を実現し、又、超音波ミニチュアプローブを用いて超音波診断する際の近点及び遠点における分解能が向上し、高画質な超音波断層像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づき本発明の一形態について説明する。図１〜図４に本発明の第１形態を示す。図１に超音波診断装置の全体構成図を示す。
【００１２】
同図に示すように超音波診断装置１は体腔内等に挿入され、被検体に対する超音波の送受信を行う機械走査式の超音波プローブ２と、超音波プローブ２が接続され、超音波プローブ２に内蔵された超音波振動子３に対する信号処理等を行うと共に、超音波断層像を表示する画像生成手段としての超音波観測装置４とを備えている。
【００１３】
超音波プローブ２は体腔内等に挿入される細長で可撓性を有する挿入部５と、この挿入部５の後端に設けられた把持部６と、この把持部６から延出されたケーブル部７と、このケーブル部７の端部に設けられたコネクタ８とを有し、このコネクタ８が超音波観測装置４に対し着脱自在に接続される。
【００１４】
超音波プローブ２の挿入部５内には、例えばフレキシブルシャフト１１が挿通され、このフレキシブルシャフト１１の先端側に超音波振動子３が取り付けられている。又、フレキシブルシャフト１１の後端が、例えば把持部６内に設けたモータ１２に連設され、このモータ１２を回転することにより、フレキシブルシャフト１１と共に超音波振動子３が、回転軸Ｏｆを中心に回転駆動して、被検体が機械的にラジアル走査される。尚、この回転軸Ｏｆは、シース３５の軸芯と同軸上にある。
【００１５】
又、超音波振動子３には図示しない同軸ケーブルが接続され、この同軸ケーブルがフレキシブルシャフト１１の中空部を通して把持部６内のスリップリング１３に接続されている。更に、スリップリング１３のステータ側接点に接続されたケーブル部１４がケーブル部７に挿通されてコネクタ８に接続されている。
【００１６】
超音波振動子３は、同軸ケーブル、ケーブル部１４、コネクタ８を介して超音波観測装置４内に設けた、超音波の位相制御を行う位相制御手段としての位相制御部２０に接続され、更に、位相制御部２０が、超音波の送受信を行う送受信部１５に接続される。又、モータ１２、及びこのモータ１２の回転角を検出するロータリエンコーダ１６がケーブル部１４を介して超音波観測装置４内の走査手段としてのシステムコントローラ１７に接続されている。
【００１７】
システムコントローラ１７はモータ１２の回転制御、及び超音波の送受信等の制御を行う。送受信部１５は位相制御部２０に送信パルス（駆動信号）を送信する。位相制御部２０は、送受信部１５からの送信パルスを位相を制御しながら超音波振動子３に印加して超音波を送信させる。又、被検体内からの超音波エコーは超音波振動子３により受信して電気信号（エコー信号）に変換した後、位相制御部２０で位相制御され、送受信部１５で増幅等された後、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換され、システムコントローラ１７の制御下でフレームメモリ１８に一時的に書込まれる。
【００１８】
フレームメモリ１８に書き込まれたエコー信号データはラジアル方向の音線データであり、デジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣと略記）１９により直交座標系のデータに変換された後、Ｄ／Ａ変換器２１を介してアナログデータに変換されて、モニタ２２に出力され、超音波断層像が表示される。
【００１９】
尚、超音波観測装置４のフロントパネル２３には、ＳＴＣ（sensitivity time control）の特性を可変設定するスイッチ、超音波送受信スイッチ等が配設されている。ここで、ＳＴＣとは、超音波振動子３から被検体までの深さ（或いは時間）に応じてそのゲインを変えて増幅するためのコントローラである。
【００２０】
又、図２に示すように、超音波プローブ２の先端側に配置された超音波振動子３が、電気−音響を変換する圧電特性を有する圧電体３１と、超音波を集音する音響整合層３２と、超音波を減衰させるバッキング層３３とで構成されている。更に、バッキング層３３が、フレキシブルシャフト１１の先端に固設されているハウジング３４に接着固定されている。
【００２１】
音響整合層３２はエポキシ樹脂、プラスチック樹脂等の樹脂製であり、圧電体３１の前面に設けられている。又、バッキング層３３は、例えばフェライトゴム製であり、圧電体３１の背面に設けられている。尚、圧電体３１としては、圧電セラミックス単体でも良いが、微小圧電素子が樹脂中に埋め込まれた複合圧電体であることが望ましい。
【００２２】
又、図示しないが圧電体３１の両面には電極が形成されている。この圧電体３１の音響整合層３２側の電極が、フレキシブルシャフト１１に挿通されている同軸ケーブルのグランド線に接続されており、又、圧電体３１のバッキング層３３側の電極が同軸ケーブルの信号線に電気的に接続されている。
【００２３】
超音波振動子３は、挿入部５の外皮を形成する可撓性のシース３５に収容されて、フレキシブルシャフト１１と一体回転自在にされている。尚、シース３５は、ポリアミドエラストマ、ポリメチルペンテン、ポリウレタン、ポリ弗化エチレン、ポリエチレン等の可撓性を有する材質で形成されている。又、シース３５内には、水、或いは流動パラフィン等の音響媒体３６が充填されている。
【００２４】
更に、フレキシブルシャフト１１の先端部が軸受け３７を介して、シース３５に回動自在に支持されている。フレキシブルシャフト１１を軸受け３７を介してシース３５に支持させることで、超音波振動子３の回転が安定し、良好なラジアル走査を行うことができる。
【００２５】
又、シース３５の先端部における超音波振動子３に対向する部分に、超音波を透過させる音響窓３８が形成されている。
【００２６】
図３に圧電体３１の斜視図を示す。超音波振動子３を構成する圧電体３１は、回転方向が点Ｏｓを中心とする円弧状に形成されていると共に挿入軸方向Ｃに対しては、厚みが中央部分で薄く両端方向へ移行するに従い次第に厚く変化する不均一な形状を有する、いわゆる鞍型に形成されている。更に、圧電体３１は、回転方向に沿って３分割されており、中央の圧電体エレメント３１ａと、その両側に配設された圧電体エレメント３１ｂ，３１ｃとで構成されている。尚、圧電体３１が複合圧電体の場合は、信号側の電極のみを軸周方向で３分割すれば良い。
【００２７】
又、図４に示すように、圧電体３１の曲率中心点Ｏｓは、圧電体３１の回転中心Ｏｆと一致しておらず、本形態では、圧電体３１の曲率中心Ｏｓが、圧電体３１の回転中心に対してシース３５の内壁に近接する方向へ変位されている。従って、圧電体３１の回転方向の中央部とシース３５との距離が近く、両端部とシース３５との距離が離れた位置関係となり、シース３５に対するレンズ効果が相違している。
【００２８】
又、音響整合層３２は、超音波を効率よく送信あるいは受信するために圧電体３１の厚み変化に合わせて中央部で薄く、両端部へ移行するに従い次第に厚くなる形状に形成されている。
【００２９】
圧電体３１の振動によって励起される超音波の周波数スペクトラムは、圧電体３１の厚みによって変化し、厚みが薄くなるほど高周波数側にシフトする。従って、厚みが漸次的に変化する圧電体３１は、中央部の薄い部分は高周波数で振動し、端部側へ移行するほど低周波数で振動するようになる。以下においては、各圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃの中央部分を高周波数領域３１Ｃ、両端部を低周波数領域３１Ｓと称する。
【００３０】
又、高周波数で振動する高周波数領域３１Ｃに対応する音響窓３８の実効的な開口は小さく、低周波数領域３１Ｓに対応する音響窓３８の実効的な開口は大きくなる。
【００３１】
従って、超音波振動子３では、高周波数領域３１Ｃで励起される第１の周波数成分としての高周波数成分を取出すことで、近距離に焦点位置を合わせた超音波ビームが形成される。又、逆に、低周波数領域３１Ｓで励起される第２の周波数成分としての低周波数成分を取出すことで遠距離に焦点位置を合わせた超音波ビームが形成される。その結果、取り出す周波数成分を選択することで、近距離から遠距離に渡って焦点位置の可変する超音波ビームが形成され、近距離から遠距離に掛けての方位分解能が向上し高画質化が実現できる。
【００３２】
次に、このような構成による本形態の作用について説明する。  
超音波プローブ２を超音波観測装置４に接続して、フロントパネル２３に配設されている超音波送受信スイッチ（図示せず）をＯＮすると、超音波プローブ２に内蔵されているモータ１２が駆動し、フレキシブルシャフト１１を介して超音波振動子３が回転駆動する。
【００３３】
圧電体３１の回転中心Ｏｆは圧電体３１の実行面中心軸、すなわち超音波の音軸となっており、圧電体３１の曲率中心Ｏｓは、圧電体３１の回転中心Ｏｆに対して変位した位置に設定されている。従って、圧電体３１を回転させて、被検体を走査する場合、圧電体３１の回転方向の中央部と両端側とでは、シース３５との間の距離が相違しており、本形態では、中央部とシース３５との距離が近く、両端部とシース３５との距離が離れた状態で走査される。
【００３４】
更に、圧電体３１は、回転方向においても振動子サイズが可変できるため、近距離領域は振動子３１ａを駆動し、遠距離領域において振動子３１ａ、３１ｂ，３１ｃを組み合わせて位相制御しながら駆動することで、焦点位置を可変させることができる。従って、超音波プローブ２の先端部の細径化に伴い超音波振動子３の回転方向のサイズを小型化した場合であっても、遠点での方位分解能が向上し、高画質化を実現することができる。
【００３５】
超音波振動子３（モータ１２）の回転はロータリエンコーダ１６にて検出され、その回転に同期して、送受信部１５からの駆動信号が、位相制御部２０によって位相制御された状態で超音波探触子３の圧電体３１を構成する各圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃに順次印加される。
【００３６】
すると、各圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃが励振され、それによって生成された超音波パルスが音響整合層３２を介して送信され、音響媒体３６を伝播し、シース３５に設けた音響窓３８を透過して、音響窓３８に接触する被検体側に出射され、被検体側における音響インピーダンスが変化する部分で反射される。
【００３７】
そして、被検体内からの超音波エコーは、往路とは逆の復路をたどり、圧電体３１で受信されて電気信号、つまりエコー信号となり、位相制御部２０を介して送受信部１５で検波及び増幅され、更にＡ／Ｄ変換されて、フレームメモリ１８に各音線データ（超音波データ）が順次格納される。
【００３８】
音線データはＤＳＣ１９で直交座標系の音線データに変換され、Ｄ／Ａ変換器２１でアナログの映像信号に変換され、図示しない同期信号と共に、モニタ２２に出力されて、モニタ２２の表示面に超音波断層像が表示される。
【００３９】
ところで、位相制御部２０では、第１の領域である近距離領域Ａの超音波断層像を得ようとする場合は、圧電体３１の回転方向中央の圧電体エレメント３１ａの高周波数領域３１Ｃを駆動させる周波数の信号を圧電体エレメント３１ａにのみ入力する。
【００４０】
すると、図４に示すように、焦点位置が近点となり、被検体内の近距離領域Ａが走査される。そして、被検体内からの超音波エコーを圧電体３１で受信し、フィルタ処理して、基本波である高周波数成分を取出す。その結果、近距離領域Ａでの音場の乱れに起因する画像の劣化もなく、近距離領域Ａの方位分解能が向上し高画質化が可能となる。
【００４１】
一方、第２の領域である遠距離領域Ｂの超音波断層像を得ようとする場合は、超音波振動子３の挿入軸方向Ｃの周辺部位に設けた低周波数領域３１Ｓを駆動させる周波数の信号を、各圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃに所定位相で入力する。すると、焦点位置が遠点となり、被検体内の遠距離領域Ｂが走査される（図４参照）。その結果、被検体中での減衰が小さい低周波数成分により、被検体内からのエコー信号を十分な大きさで受信することが可能となり、深いところまでの超音波断層像を得ることができる。
【００４２】
その際、受信されるエコー信号は、基本波の低周波数成分と、低周波数成分が被検体を伝播する際に発生した高調波成分との混合エコーとなり、これを送受信部１５に設けた受信フィルタを通して画像生成することで、遠距離領域Ｂの方位分解能が向上し、高画質化が実現される。
【００４３】
更に、回転方向において各圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃを位相制御しているため、走査線密度が高く、より高い画質を得ることができる。
【００４４】
又、以上説明した実施例と同様な効果をもつ他の例として、挿入方向で圧電体を複数エレメントに分割し、回転方向で不均一な厚みの圧電体を用いても良い。
【００４５】
又、図５、図６に本発明の第２形態を示す。  
第１形態では、圧電体３１を３分割した圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃで構成したが、本形態では、圧電体４１を１エレメントとし、その厚みを挿入軸方向Ｃ及び、回転中心Ｏｆを軸芯とする回転方向において、中央部分で薄く、両端方向へ移行するに従い次第に厚く変化する不均一な形状としている。又、圧電体４１の前面に設けた音響整合層３２は、超音波を効率よく送信あるいは受信するために圧電体４１の厚み変化に合わせて中央部で薄く、両端部部で厚くなるように形成されている。
【００４６】
圧電体４１の振動によって励起される超音波の周波数スペクトラムは、圧電体４１の厚みによって変化し、厚みが薄くなるほど高周波数側にシフトする。従って、厚みが漸次的に変化する圧電体４１は、中央部の薄い部分は高周波数で振動し、端部側へ移行するほど低周波数で振動するようになる。以下においては、各圧電体４１の中央部分を高周波数領域４１Ｃ、両端部を低周波数領域４１Ｓと称する。
【００４７】
本形態では、近距離領域Ａの超音波断層像を得ようとする場合は、圧電体４１の高周波数領域４１Ｃを、その共振周波数ｆ0で駆動し、発生した高周波信号を被検体内に送信し、その基本波エコー成分を受信することで高画質化が可能となる。
【００４８】
又、遠距離領域Ｂの超音波断層像を得ようとする場合は、圧電体４１の低周波数領域４１Ｓを、その共振周波数ｆ1で駆動し、発生した低周波を被検体内に送信し、その基本波エコーの低周波数成分とその高調波成分との混合エコーを、送受信部１５に設けた受信フィルタを通して画像生成することで、遠距離領域Ｂの方位分解能が向上し、高画質化を実現することができる。
【００４９】
尚、圧電体４１の高周波数領域４１Ｃと低周波数領域４１Ｓとは同時に駆動する必要はなく、所定位相で別々に駆動させるようにしても良い。
【００５０】
又、図７に本発明の第３形態を示す。  
本形態では、圧電体４１の低周波数領域４１Ｓを送信用振動子として駆動させ、中央の高周波数領域４１Ｃを受信用振動子とするように、圧電体４１の厚みを設定し、更に、高周波数領域４１Ｃに対応するバッキング層３３の中央部３３ａの音響インピーダンスを、挿入軸方向Ｃの両端側の周辺部４３ｂの音響インピーダンスよりも小さく設定したものである。
【００５１】
本形態では、低周波数の基本波エコー、及びその高調波成分を高周波数領域４１Ｃで受信するようにしたので、高調波成分の受信感度が上昇し、より高い画質を得ることができる。
【００５２】
尚、上述した各形態では、位相制御部２０による位相制御の時間（周期）を適宜可変させることで、走査密度を高めることが可能である。
【００５３】
又、不均一な厚みの音響整合層３２を有し、或いは不均一な厚みの圧電体エレメント３１ａ〜３１ｃから成る超音波振動子３の駆動部位を変更することで、超音波ビームの信号を可変させるようにしたので、機械式超音波診断装置を用い、少ない配線数で、あたかも電子走査式超音波診断装置で診断したかのような超音波断層像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１形態による超音波診断装置の全体構成図
【図２】同、超音波プローブの先端部分の拡大図
【図３】同、圧電体と位相制御部の説明図
【図４】同、図３のIV-IV断面に相当しており、近距離領域を走査する高周波数と遠距離領域を走査する低周波数とを説明する概念図
【図５】第２形態による超音波プローブの先端部分の拡大図
【図６】同、図５のVI-VI断面図に相当しており、近距離領域を走査する高周波数と遠距離領域を走査する低周波数とを説明する概念図
【図７】第３形態による超音波プローブの先端部分の拡大図
【符号の説明】
【００５５】
１  超音波診断装置
３  超音波振動子
４  超音波観測装置（画像生成手段）
５  挿入部
１７  システムコントローラ（走査手段）
３２  音響整合層
３１，４１  圧電体
３１ａ〜３１ｃ  圧電体エレメント
３６  音響媒体
３８  音響窓
Ａ  近距離領域
Ｂ  遠距離領域
Ｃ  挿入軸方向
代理人    弁理士    伊  藤    進
【図１】
2005185566.tif 000003
【図２】
2005185566.tif 000004
【図３】
2005185566.tif 000005
【図４】
2005185566.tif 000006
【図５】
2005185566.tif 000007
【図６】
2005185566.tif 000008
【図７】
2005185566.tif 000009