(57)【要約】【課題】変換素子内のセラミック素子の厚さを異にしてセラミック層を形成することによって、フォーカスの特性および低周波数帯域幅(ｂａｎｄｗｉｄｔｈ)を拡大させることができる超音波プローブおよびそれを用いた超音波システムを提供すること。【解決手段】本発明における超音プローブは、セラミック層を備える少なくとも1つの変換素子を備え、前記セラミック層は、複数の異なる厚さのセラミック素子を備える。【選択図】図３
2012096033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波信号を送受信する超音波プローブであって、
セラミック層を備える少なくとも1つの変換素子を備え、
前記セラミック層は、複数の異なる厚さのセラミック素子を備えることを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記セラミック層は、
前記セラミック層の中心に位置する第１セラミック素子と、
前記第１セラミック素子を中心に超音波信号の送信方向と垂直な方向で前記第１セラミック素子の両側方向に沿って形成される複数の第２セラミック素子と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記複数の第２セラミック素子は、前記第１セラミック素子を基準に前記両側方向に厚さが次第に薄く形成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記複数の第２セラミック素子は、前記第１セラミック素子を基準に前記両側方向に厚さが次第に厚く形成されることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記セラミック層は、圧電素子からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記変換素子は、
前記セラミック層の振動および前記セラミック層から出力されて前記超音波信号の送信方向の反対方向に伝播される超音波信号を吸収するための吸音層と、
前記セラミック層と対象体との間の音響インピーダンス差を減らすための整合層と
を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記整合層は、前記セラミック層上に設けられる第１整合層および該第１整合層上に設けられる第２整合層を備え、
前記第１および第２整合層の厚さは、超音波波長の１/４となり、
前記第１および及び第２整合層の音響インピーダンス値は、前記セラミック層の音響インピーダンスと前記対象体の音響インピーダンスとの中間値であることを特徴とする請求項６に記載の超音波プローブ。
【請求項８】
セラミック層を備える少なくとも1つの変換素子を備え、超音波信号を送受信する超音波プローブを備え、
前記セラミック層は、複数の異なる厚さのセラミック素子を備えることを特徴とする超音波システム。
【請求項９】
前記セラミック層は、
前記セラミック層の中心に位置する第１セラミック素子と、
前記第１セラミック素子を中心に超音波信号の送信方向と垂直な方向で前記第１セラミック素子の両側方向に沿って形成される複数の第２セラミック素子と
を備えることを特徴とする請求項８に記載の超音波システム。
【請求項１０】
前記複数の第２セラミック素子は、前記第１セラミック素子を基準に前記両側方向に厚さが次第に薄く形成されることを特徴とする請求項９に記載の超音波システム。
【請求項１１】
前記複数の第２セラミック素子は、前記第１セラミック素子を基準に前記両側方向に厚さが次第に厚く形成されることを特徴とする請求項９に記載の超音波システム。
【請求項１２】
前記セラミック層は、圧電素子からなることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の超音波システム。
【請求項１３】
前記変換素子は、
前記セラミック層の振動および前記セラミック層から出力されて前記超音波信号の送信方向の反対方向に伝播される超音波信号を吸収するための吸音層と、
前記セラミック層と対象体との間の音響インピーダンス差を減らすための整合層と
を備えることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載の超音波システム。
【請求項１４】
前記整合層は、前記セラミック層上に設けられる第１整合層および該第１整合層上に設けられる第２整合層を備え、
前記第１および第２整合層の厚さは、超音波波長の１/４となり、
前記第１および及び第２整合層の音響インピーダンス値は、前記セラミック層の音響インピーダンスと前記対象体の音響インピーダンスとの中間値であることを特徴とする請求項１３に記載の超音波システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波システムに関し、特に、互いに異なる厚さのセラミック素子で形成されたセラミック層を備える超音波プローブ及びそれを用いた超音波システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波システムは、無侵襲および非破壊特性を有しており、対象体内部の情報を得るために医療分野で広く用いられている。超音波システムは、対象体を直接切開して観察する外科手術の必要がなく、対象体の内部組織を高解像度の映像で医師に提供することができるため、医療分野で非常に重要なものとして用いられている。
【０００３】
超音波システムは、超音波信号を対象体に送信し、対象体から反射される超音波信号(即ち、超音波エコー信号)を受信する超音波プローブを備える。超音波プローブは、電気的信号と超音波信号を相互に変換する少なくとも1つの変換素子(ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ｅｌｅｍｅｎｔ)を備える。
【０００４】
変換素子は、電気的信号に応答して超音波信号を生成し、超音波エコー信号に応答して電気的信号を生成するために、圧電(ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ)素子のようなセラミック層を備える。電気的信号に応答して各変換素子から出力される送信超音波ビームは、セラミック層の特性に応じて高周波または低周波特性を示すようになる。
【０００５】
送信超音波ビームが高周波特性を有する場合、超音波プローブから近い領域、即ち対象体の浅い領域に対しては超音波ビームの集束特性が良好であるため、解像度が高い映像を得ることができる。一方、超音波プローブから遠い領域、即ち対象体の深い領域に対しては相対的に超音波ビームの浸透が難しいため、送信集束の特性が低下して解像度が落ちる。
【０００６】
これとは反対に、送信超音波ビームが低周波特性を有する場合、超音波プローブから近い領域、即ち対象体の浅い領域に対しては高周波特性の送信超音波ビームに比べて解像度が落ちるのに対し、超音波プローブから遠い領域、即ち対象体の深い領域に対しては相対的に超音波ビームの浸透が容易であるため、改善された解像度の映像を得ることができる。従って、対象体の浅い領域だけでなく、深い領域でも改善された解像度の映像を得ることができる超音波プローブが要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、少なくとも1つの変換素子を備え、変換素子におけるセラミック層を異なる厚さの複数のセラミック素子で形成することによって、送受信超音波信号のフォーカス特性および低周波数帯域幅(ｂａｎｄｗｉｄｔｈ)を拡大させることができる超音波プローブおよびそれを用いた超音波システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明における超音波プローブは、セラミック層を備える少なくとも1つの変換素子を備え、前記セラミック層は、複数の異なる厚さのセラミック素子を備える。
【００１０】
また、本発明における超音波システムは、セラミック層を備える少なくとも1つの変換素子を備え、超音波信号を送受信する超音波プローブを備え、前記セラミック層は、複数の異なる厚さのセラミック素子を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、異なる厚さのセラミック素子で形成されたセラミック層を備える超音波プローブを用い、さらに長い集束領域(ｆｏｃａｌ  ｚｏｎｅ)および帯域幅(ｂａｎｄｗｉｄｔｈ)を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例における超音波システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例における超音波プローブの断面を概略的に示す図面である。
【図３】本発明の実施例における各変換素子において、セラミック層の構成を概略的に示す図面である。
【図４】本発明の実施例によって、変換素子から送信される超音波信号のビームプロファイルを示す例示図である。
【図５】本発明の他の実施例によって、変換素子から送信される超音波信号のビームプロファイルを示す例示図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施例における超音波システムの構成を示すブロック図である。図１を参照すると、超音波システム１０は、超音波プローブ１００、ビーム形成部２００、信号処理部３００、スキャン変換部４００、映像処理部５００およびディスプレイ部６００を備える。超音波システム１００は、メモリのような格納部(図示せず)をさらに備える。
【００１５】
超音波プローブ１００は、少なくとも１つの変換素子１１０を備える。超音波プローブ１００は、送信信号生成部(図示せず)から出力される電気的信号である送信信号に応答して超音波信号を対象体に送信し、対象体から反射されたエコー信号を受信する。超音波プローブ１００は、受信したエコー信号に応答して電気的信号である受信信号を出力する。
【００１６】
ビーム形成部２００は、超音波プローブ１００から出力される受信信号を受信集束して受信集束ビームを形成する。信号処理部３００は、ビーム形成部２００から出力される受信集束ビームに対して包絡線検波処理などを行って超音波映像データを形成する。
【００１７】
スキャン変換部４００は、信号処理部３００から出力される超音波映像データを表示可能なデータフォーマットに変換（スキャン変換データ）し、映像処理部５００は、スキャン変換部４００から出力されるスキャン変換データを加工して映像を形成しディスプレイ部６００に伝達する。そして、ディスプレイ部６００は、映像処理部５００で形成された映像を表示する。
【００１８】
図２は、本発明の実施例における超音波プローブの断面を概略的に示す。図２を参照すると、超音波プローブ１００は、少なくとも１つの変換素子１１０を備える。また、超音波プローブ１００は、超音波集束のためにレンズおよびメンブレンカバー１２０などをさらに備える。
【００１９】
各変換素子１１０は、電気的信号と超音波信号を相互に変換するためのセラミック層１１２を備える。セラミック層１１２は、不規則な方向に配列された微細結晶の混合物からなり、電気的信号または超音波信号に応答して分極(ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ)される圧電特性を示すことによって、超音波を送信および受信することができる。セラミック層１１２は、ＰＺＴ(ｌｅａｄ  ｚｉｒｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ)などの圧電素子で形成される。
【００２０】
また、各変換素子１１０は、セラミック層１１２が電気的信号である送信パルス信号に応答して励起された時、すぐにセラミック層１１２の振動およびセラミック層１１２から出力されて超音波プローブの超音波送信方向の反対方向に伝播される超音波信号を吸収するための吸音層(ｂａｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ)１１１を備える。吸音層１１１は、セラミック層１１２を形成する圧電素子と類似の音響インピーダンス(ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ)を有する物質で形成され、吸音層１１０に伝達される超音波を吸収する特性を有するように形成される。
【００２１】
また、各変換素子１１０は、セラミック層１１２と対象体との間の音響インピーダンス差を減らすために、セラミック層１１２を覆う第１整合層(ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｌａｙｅｒ)１１３および当該第１整合層１１３上に設けられる第２整合層１１４をさらに備える。
【００２２】
本実施例において、第１整合層１１３および第２整合層１１４の厚さは、音響インピーダンスの差を最小化するために、実質的に超音波波長の１/４となり、第１および第２吸音層１１３、１１４の音響インピーダンス値は、セラミック層１１２のインピーダンスと対象体の音響インピーダンスとの中間値を有するように形成することが望ましい。
【００２３】
図３は、本発明の実施例における各変換素子において、セラミック層の構成を概略的に示す図面である。図３を参照すると、セラミック層１１２は、異なる厚さを有する複数のセラミック素子１１２−１、・・・、１１２−ｎからなる。ここで、複数のセラミック素子１１２−１、・・・、１１２−ｎは、セラミックス素子１１２の真ん中に位置したセラミック素子１１２−ｃを中心に、セラミック層１１２の長手方向でセラミックス素子１１２−ｃの両側方向に沿って対称的に形成される。セラミック素子の厚さは、セラミック層１１２での超音波信号の送信方向と垂直な方向、即ち、変換素子の長手（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向の厚さである。
【００２４】
一般に、セラミック素子の特性上、厚さが厚ければ高周波の特性より低周波の特性が目立つようになる。従って、単一のセラミック素子を用いてセラミック層を形成する場合、単一の周波数範囲の送信および受信特性を有するようになるのに対し、本発明の実施例のように、互いに異なる厚さを有する複数のセラミック素子１１２−１〜１１２−ｎを用いてセラミック層を形成する場合、複数の周波数範囲の送信および受信特性を有するようになる。
【００２５】
本実施例において、各セラミック素子の厚さがセラミック層１１２の真ん中のセラミック素子１１２−ｃを基準に、セラミック素子１１２−ｃの両側方向に次第に薄くなるように形成することができる。すなわち、セラミック素子１１２−ｃからセラミック素子１１２−１およびセラミック素子１１２−ｎに向かって、各セラミック素子の厚さが徐々に薄くなるように形成することができる。
【００２６】
また別の形態では、セラミック素子１１２−ｃからセラミック素子１１２−１およびセラミック素子１１２−ｎに向かって、セラミック素子の厚さが段階的に薄くなるように形成することができる。具体的には、セラミック素子１１２−ｃからセラミック素子１１２−１およびセラミック素子１１２−ｎに向かってセラミック素子の厚さが薄くなるが、セラミック素子１１２−（ｃ−１）および１１２−（ｃ−２）の厚さ、セラミック素子１１２−（ｃ−３）および１１２−（ｃ−４）の厚さ・・・・セラミック素子１１２−３および１１２−２の厚さが同じであるように形成することもできる。
【００２７】
またさらに、他の形態では、各セラミック素子の厚さと、各セラミック素子を構成する材料との組合せによって、前記複数の周波数範囲の送信および受信特性を得ることもできる。
【００２８】
図４は、本発明の実施例によって、セラミック層１１２の両端に行くほどセラミック素子の厚さを薄く形成した時、変換素子から送信される超音波信号のビームプロファイルを概略的に示す図面である。
【００２９】
図４に示すように、セラミック層１１２を形成するようになれば、相対的に厚さが厚い真ん中に位置したセラミック素子１１２−ｃから出力される超音波信号は、低周波特性を有するようになって深い領域で送信集束となり、真ん中のセラミック素子１１２−ｃを基準にセラミック層１１２の両側方向に相対的に薄く形成されたセラミック素子１１２−１〜１１２−ｎから出力される超音波信号は、高周波特性を有するようになって浅い領域で送信集束となる。従って、真ん中のセラミック素子１１２−ｃから出力される超音波信号で不十分な高周波特性を、両側のセラミック素子１１２−１〜１１２−ｎから出力される高周波特性の超音波信号を用いて補償することができる。即ち、送信超音波ビームの低周波特性によって相対的に対象体の浅い領域で超音波映像の解像度が低下することを補償することができる。
【００３０】
また、本発明の他の実施例において、各セラミック素子の厚さがセラミック層１１２の真ん中のセラミック素子１１２−ｃを基準に、セラミック層１１２の長手方向でセラミックス素子１１２−ｃの両側方向に沿って次第に厚く形成することもできる。図５は、本発明の実施例によって、セラミック層１１２の両端に行くほどセラミック素子の厚さを厚く形成した時、変換素子から送信される超音波信号のビームプロファイルを概略的に示す図面である。
【００３１】
図５に示すようにセラミック層１１２を形成するようになれば、相対的に厚さが薄い真ん中に位置したセラミック素子１１２−ｃから出力される超音波信号は、高周波特性を有するようになって浅い領域で送信集束となり、真ん中のセラミック素子１１２−ｃを基準にセラミック層１１２の両側方向に相対的に厚く形成されたセラミック素子１１２−１〜１１２−ｎから出力される超音波信号は、低周波特性を有するようになって深い領域で送信集束となる。従って、真ん中のセラミック素子１１２−ｃから出力される超音波信号で不十分な低周波特性を、両側のセラミック素子１２−１〜１１２−ｎから出力される低周波特性の超音波信号を用いて補償することができる。即ち、送信超音波ビームの高周波特性によって相対的に対象体の深い領域で超音波映像の解像度が低下されることを補償することができる。
【００３２】
なお、本発明の他の実施例においても、本発明の実施例の別の形態のように、セラミック素子の厚さが段階的に厚くなるように形成することもできる。
【００３３】
本発明は、望ましい実施例によって説明および例示をしたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項および範疇を逸脱することなく、様々な変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０    超音波システム
１００  超音波プローブ
２００  ビーム形成部
３００  信号処理部
４００  スキャン変換部
５００  映像処理部
６００  ディスプレイ部
１１０  変換素子
１１１  吸音層
１１２セラミック層
１１２−１〜１１２−ｎ  セラミック素子
１１２−ｃ  真ん中のセラミック素子
１１３  第１整合層
１１４  第２整合層
１２０  レンズ、メンブレン
【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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