(57)【要約】【課題】簡素な構成で複数の異なる周波数の超音波を同時に出射させることができる処理装置、超音波デバイス、超音波プローブ及び超音波診断装置等を提供すること。【解決手段】処理装置２００は、超音波デバイス１００の処理装置であって、超音波デバイス１００に対して駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎを出力する送信部２１０と、送信部２１０を制御する制御部２２０とを含む。超音波デバイス１００は、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数の共振特性を有する第１〜第ｎの超音波素子群ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎを有する。送信部２１０は、第１〜第ｎの超音波素子群ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎに対して、駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎとして、半波パルスの駆動信号を出力する。【選択図】図７
2013247982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波デバイスの処理装置であって、
前記超音波デバイスに対して駆動信号を出力する送信部と、
前記送信部を制御する制御部とを含み、
前記超音波デバイスは、
第１の周波数〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数の共振特性を有する第１の超音波素子群〜第ｎの超音波素子群を有し、
前記送信部は、
前記第１の超音波素子群〜前記第ｎの超音波素子群に対して、前記駆動信号として、半波パルスの駆動信号を出力することを特徴とする処理装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数のうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１である整数）の周波数及び前記第ｉの周波数より高い第ｊ（ｊは２≦ｊ≦ｎである整数）の周波数は、前記第ｊの周波数が前記第ｉの周波数の非整数倍であることを特徴とする処理装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記半波パルスの周波数は、
前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数のうちの最も高い周波数よりも高い周波数であることを特徴とする処理装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記半波パルスは、
半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波のうちのいずれかであることを特徴とする処理装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記超音波デバイスからの受信信号の受信処理を行う受信部を含み、
前記受信部は、
前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数が通過周波数帯域に含まれる第１のバンドパスフィルター回路〜第ｎのバンドパスフィルター回路を有することを特徴とする処理装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の出力信号に基づいて周波数解析を行う信号解析部を含むことを特徴とする処理装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記信号解析部は、
前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の出力信号を直交検波する第１の直交検波器〜第ｎの直交検波器と、
前記第１の直交検波器〜前記第ｎの直交検波器により直交検波された信号に基づいて周波数解析を行う少なくとも１つのフーリエ変換器と、
前記少なくとも１つのフーリエ変換器の解析結果に基づいて演算を行う少なくとも１つの演算回路とを有することを特徴とする処理装置。
【請求項８】
請求項６又は７において、
前記信号解析部は、
前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の各出力信号ごとに周波数解析を行うことを特徴とする処理装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記信号解析部は、
前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の第１の出力信号〜第ｎの出力信号から得られる第１のサンプルデータ〜第ｎのサンプルデータに基づいて、前記周波数解析を行うことを特徴とする処理装置。
【請求項１０】
請求項７において、
前記信号解析部は、
前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の出力信号を規格化する第１の規格化回路〜第ｎの規格化回路を有し、
前記第１の規格化回路〜前記第ｎの規格化回路は、
前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数の受信信号を１つの基準周波数の信号に変換する規格化処理を行い、
前記フーリエ変換器は、
前記第１の規格化回路〜前記第ｎの規格化回路により規格化された信号を合成して周波数解析を行うことを特徴とする処理装置。
【請求項１１】
第１の周波数〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数の共振特性を有する第１の超音波素子群〜第ｎの超音波素子群と、
第１の方向に沿って配線される複数の駆動電極線と、
前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って配線される複数のコモン電極線とを含み、
前記第１の超音波素子群〜前記第ｎの超音波素子群の各超音波素子群は、
前記第２の方向に沿って配置される複数の超音波素子列を有し、
前記複数の超音波素子列の各超音波素子列は、
前記第１の方向に沿って配置される複数の超音波素子を有し、
前記複数の超音波素子の各超音波素子が有する第１の電極は、前記複数の駆動電極線のいずれかに接続され、
前記複数の超音波素子の各超音波素子が有する第２の電極は、前記複数のコモン電極線のいずれかに接続されることを特徴とする超音波デバイス。
【請求項１２】
請求項１１において、
アレイ状に配置された複数の開口を有する基板を含み、
前記複数の開口の各開口ごとに設けられる前記超音波素子は、
前記開口を塞ぐ振動膜と、
前記振動膜の上に設けられる圧電素子部とを有し、
前記圧電素子部は、
前記振動膜の上に設けられる下部電極と、
前記下部電極の少なくとも一部を覆うように設けられる圧電体膜と、
前記圧電体膜の少なくとも一部を覆うように設けられる上部電極とを有し、
前記第１の電極は、前記上部電極及び前記下部電極の一方であり、
前記第２の電極は、前記上部電極及び前記下部電極の他方であることを特徴とする超音波デバイス。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数のうちの、第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１である整数）の周波数の共振特性を有する超音波素子の前記開口の短辺の長さは、前記第ｉの周波数より高い第ｊ（ｊは２≦ｊ≦ｎである整数）の周波数の共振特性を有する超音波素子の前記開口の短辺の長さより長いことを特徴とする超音波デバイス。
【請求項１４】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の処理装置を含むことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１５】
請求項１１又は１２に記載の超音波デバイスを含むことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項１６】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の処理装置と、
表示用画像データを表示する表示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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理装置、超音波デバイス、超音波プローブ及び超音波診断装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物に向けて超音波を照射し、対象物内部における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信するための装置として、例えば人体の内部を検査するための診断装置や血管中の血液の流速をドップラー効果を利用して検出する診断装置などが知られている。血液の流速を精度良く検出するためには、フーリエ解析に用いるサンプル数を多くする必要があるが、そのためにはサンプリング周波数を上げたり、複数の異なる周波数の超音波を用いるなどの方法がある。例えば特許文献１には、異なる周波数の超音波素子を混在させる手法が開示されている。しかしながらこの手法では、送信回路の構成が複雑になるなどの課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６９８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の幾つかの態様によれば、簡素な構成で複数の異なる周波数の超音波を同時に出射させることができる処理装置、超音波デバイス、超音波プローブ及び超音波診断装置等を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、超音波デバイスの処理装置であって、前記超音波デバイスに対して駆動信号を出力する送信部と、前記送信部を制御する制御部とを含み、前記超音波デバイスは、第１の周波数〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数の共振特性を有する第１の超音波素子群〜第ｎの超音波素子群を有し、前記送信部は、前記第１の超音波素子群〜前記第ｎの超音波素子群に対して、前記駆動信号として、半波パルスの駆動信号を出力する処理装置に関係する。
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１〜第ｎの周波数の共振特性を有する超音波デバイスを１つの周波数の半波パルスで駆動することにより、簡素な構成で複数の異なる周波数の超音波を同時に出射させることができる。その結果、効率的で精度の高い検出などが可能になる。
【０００７】
また本発明の一態様では、前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数のうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１である整数）の周波数及び前記第ｉの周波数より高い第ｊ（ｊは２≦ｊ≦ｎである整数）の周波数は、前記第ｊの周波数が前記第ｉの周波数の非整数倍であってもよい。
【０００８】
このようにすれば、第ｊの周波数が第ｉの周波数の高調波にならないから、高調波の周波数成分が受信信号に与える影響を防止することができる。
【０００９】
また本発明の一態様では、前記半波パルスの周波数は、前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数のうちの最も高い周波数よりも高い周波数であってもよい。
【００１０】
このようにすれば、第１の周波数〜第ｎの周波数の超音波を効率良く出射することができる。
【００１１】
また本発明の一態様では、前記半波パルスは、半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波のうちのいずれかであってもよい。
【００１２】
このようにすれば、１つの周波数の半波パルスで駆動することにより、第１〜第ｎの周波数の超音波を同時に出射させることができる。
【００１３】
また本発明の一態様では、前記超音波デバイスからの受信信号の受信処理を行う受信部を含み、前記受信部は、前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数が通過周波数帯域に含まれる第１のバンドパスフィルター回路〜第ｎのバンドパスフィルター回路を有してもよい。
【００１４】
このようにすれば、第１〜第ｎのバンドパスフィルター回路により、受信信号から第１〜第ｎの周波数を含む所望の周波数成分を分離して出力することができる。
【００１５】
また本発明の一態様では、前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の出力信号に基づいて周波数解析を行う信号解析部を含んでもよい。
【００１６】
このようにすれば、第１〜第ｎのバンドパスフィルター回路の出力信号の周波数解析を行うことで、第１〜第ｎの周波数の超音波によるエコー信号の周波数分布などを解析することができる。
【００１７】
また本発明の一態様では、前記信号解析部は、前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の出力信号を直交検波する第１の直交検波器〜第ｎの直交検波器と、前記第１の直交検波器〜前記第ｎの直交検波器により直交検波された信号に基づいて周波数解析を行う少なくとも１つのフーリエ変換器と、前記少なくとも１つのフーリエ変換器の解析結果に基づいて演算を行う少なくとも１つの演算回路とを有してもよい。
【００１８】
このようにすれば、直交検波を行うことで受信信号から周波数シフトの成分だけを取り出すことができるから、精度の高い周波数解析を行うことができる。
【００１９】
また本発明の一態様では、前記信号解析部は、前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の各出力信号ごとに周波数解析を行ってもよい。
【００２０】
このようにすれば、第１〜第ｎの周波数ごとに、それぞれの周波数の超音波によるエコー信号の周波数分布などを解析することができる。
【００２１】
また本発明の一態様では、前記信号解析部は、前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の第１の出力信号〜第ｎの出力信号から得られる第１のサンプルデータ〜第ｎのサンプルデータに基づいて、前記周波数解析を行ってもよい。
【００２２】
このようにすれば、解析に用いるデータのサンプル数を多くすることができ、また時間応答性を向上させることができるから効率的で精度の高い周波数解析が可能になる。
【００２３】
また本発明の一態様では、前記信号解析部は、前記第１のバンドパスフィルター回路〜前記第ｎのバンドパスフィルター回路の出力信号を規格化する第１の規格化回路〜第ｎの規格化回路を有し、前記第１の規格化回路〜前記第ｎの規格化回路は、前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数の受信信号を１つの基準周波数の信号に変換する規格化処理を行い、前記フーリエ変換器は、前記第１の規格化回路〜前記第ｎの規格化回路により規格化された信号を合成して周波数解析を行ってもよい。
【００２４】
このようにすれば、規格化された信号を合成して周波数解析を行うことができるから、異なる周波数の超音波によるエコー信号の周波数分布などを効率的に解析することができる。
【００２５】
本発明の他の態様は、第１の周波数〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数の共振特性を有する第１の超音波素子群〜第ｎの超音波素子群と、第１の方向に沿って配線される複数の駆動電極線と、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って配線される複数のコモン電極線とを含み、前記第１の超音波素子群〜前記第ｎの超音波素子群の各超音波素子群は、前記第２の方向に沿って配置される複数の超音波素子列を有し、前記複数の超音波素子列の各超音波素子列は、前記第１の方向に沿って配置される複数の超音波素子を有し、前記複数の超音波素子の各超音波素子が有する第１の電極は、前記複数の駆動電極線のいずれかに接続され、前記複数の超音波素子の各超音波素子が有する第２の電極は、前記複数のコモン電極線のいずれかに接続される超音波デバイスに関係する。
【００２６】
本発明の他の態様によれば、複数の駆動電極線に対して駆動信号を供給することで、第１〜第ｎの周波数の共振特性を有する第１〜第ｎの超音波素子群を駆動し、第１〜第ｎの周波数の超音波を同時に出射することができる。
【００２７】
また本発明の他の態様では、アレイ状に配置された複数の開口を有する基板を含み、前記複数の開口の各開口ごとに設けられる前記超音波素子は、前記開口を塞ぐ振動膜と、前記振動膜の上に設けられる圧電素子部とを有し、前記圧電素子部は、前記振動膜の上に設けられる下部電極と、前記下部電極の少なくとも一部を覆うように設けられる圧電体膜と、前記圧電体膜の少なくとも一部を覆うように設けられる上部電極とを有し、前記第１の電極は、前記上部電極及び前記下部電極の一方であり、前記第２の電極は、前記上部電極及び前記下部電極の他方であってもよい。
【００２８】
このようにすれば、圧電体膜を有する超音波素子を基板上にアレイ状に配置することができる。
【００２９】
また本発明の他の態様では、前記第１の周波数〜前記第ｎの周波数のうちの、第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１である整数）の周波数の共振特性を有する超音波素子の前記開口の短辺の長さは、前記第ｉの周波数より高い第ｊ（ｊは２≦ｊ≦ｎである整数）の周波数の共振特性を有する超音波素子の前記開口の短辺の長さより長くてもよい。
【００３０】
このようにすれば、第１〜第ｎの周波数の共振特性を有する超音波素子を、同一基板上に混在して形成することができる。
【００３１】
本発明の他の態様は、上記いずれかに記載の処理装置を含む超音波プローブに関係する。
【００３２】
本発明の他の態様は、上記いずれかに記載の超音波デバイスを含む超音波プローブに関係する。
【００３３】
本発明の他の態様は、上記いずれかに記載の処理装置と、表示用画像データを表示する表示部とを含む超音波診断装置に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、超音波素子の基本的な構成例。
【図２】半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波の例。
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、半波の矩形波を入力した場合に出射される超音波の周波数分布。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、半波の正弦波を入力した場合に出射される超音波の周波数分布。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）は、半波の三角波を入力した場合に出射される超音波の周波数分布。
【図６】超音波デバイスの構成例。
【図７】処理装置の構成例。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、受信部及び信号解析部の第１、第２の構成例。
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、ドップラー効果による流速検出を説明する図。
【図１０】超音波プローブ及び超音波診断装置の基本的な構成例。
【図１１】図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は、超音波診断装置の具体的な構成例。図１１（Ｃ）は、超音波プローブの具体的な構成例。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３６】
１．超音波素子
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に本実施形態の超音波装置に含まれる超音波素子ＵＥの基本的な構成例を示す。本実施形態の超音波素子ＵＥは、振動膜（メンブレン、支持部材）ＭＢと、圧電素子部とを有する。圧電素子部は、下部電極（第１電極層）ＥＬ１、圧電体膜（圧電体層）ＰＥ、上部電極（第２電極層）ＥＬ２を有する。なお、本実施形態の超音波素子ＵＥは図１の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
【００３７】
図１（Ａ）は、基板（シリコン基板）ＳＵＢに形成された超音波素子ＵＥの、素子形成面側の基板に垂直な方向から見た平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。
【００３８】
第１電極層ＥＬ１は、振動膜ＭＢの上層に例えば金属薄膜で形成される。この第１電極層ＥＬ１は、図１（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波素子ＵＥに接続される配線であってもよい。
【００３９】
圧電体膜ＰＥは、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極層ＥＬ１の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体膜ＰＥの材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。
【００４０】
第２電極層ＥＬ２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体膜ＰＥの少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極層ＥＬ２は、図１（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波素子ＵＥに接続される配線であってもよい。
【００４１】
振動膜（メンブレン）ＭＢは、例えばＳｉＯ２薄膜とＺｒＯ２薄膜との２層構造により開口ＯＰを塞ぐように設けられる。この振動膜ＭＢは、圧電体膜ＰＥ及び第１、第２電極層ＥＬ１、ＥＬ２を支持すると共に、圧電体膜ＰＥの伸縮に従って振動し、超音波を発生させることができる。
【００４２】
空洞領域ＣＡＶは、シリコン基板ＳＵＢの裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。この空洞領域ＣＡＶの開口ＯＰより超音波が放射される。
【００４３】
超音波素子ＵＥの下部電極は、第１電極層ＥＬ１により形成され、上部電極は、第２電極層ＥＬ２により形成される。具体的には、第１電極層ＥＬ１のうちの圧電体膜ＰＥに覆われた部分が下部電極を形成し、第２電極層ＥＬ２のうちの圧電体膜ＰＥを覆う部分が上部電極を形成する。即ち、圧電体膜ＰＥは、下部電極と上部電極に挟まれて設けられる。
【００４４】
圧電体膜ＰＥは、下部電極と上部電極との間、即ち第１電極層ＥＬ１と第２電極層ＥＬ２との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。圧電体膜ＰＥの一方の面は第１電極層ＥＬ１を介して振動膜ＭＢに接合されているが、他方の面には第２電極層ＥＬ２が形成されるものの、第２電極層ＥＬ２上には他の層が形成されない。そのため圧電体膜ＰＥの振動膜ＭＢ側が伸縮しにくく、第２電極層ＥＬ２側が伸縮し易くなる。従って、圧電体膜ＰＥに電圧を印加すると、空洞領域ＣＡＶ側に凸となる撓みが生じ、振動膜ＭＢを撓ませる。圧電体膜ＰＥに交流電圧を印加することで、振動膜ＭＢが膜厚方向に対して振動し、この振動膜ＭＢの振動により超音波が開口ＯＰから放射される。圧電体膜ＰＥに印加される電圧は、例えば１０〜３０Ｖであり、周波数は例えば１〜１０ＭＨｚである。
【００４５】
超音波素子ＵＥは、開口ＯＰの短辺の長さＬＯＰによって決まる共振特性を有する。開口ＯＰの短辺の長さＬＯＰが長いほど共振周波数が低くなり、開口ＯＰの短辺の長さＬＯＰが短いほど共振周波数が高くなる。第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数ｆ１〜ｆｎの共振周波数を有する第１〜第ｎの超音波素子について、第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１である整数）の周波数ｆｉの共振特性を有する第ｉの超音波素子の開口ＯＰの短辺の長さＬＯＰｉは、第ｉの周波数ｆｉより高い第ｊ（ｊは２≦ｊ≦ｎである整数）の周波数ｆｊの共振特性を有する第ｊの超音波素子の開口ＯＰの短辺の長さＬＯＰｊより長い。即ち、第ｉの超音波素子の共振周波数をｆｉ、第ｊの超音波素子の共振周波数をｆｊ（ｆｉ＜ｆｊ）とし、第ｉ、第ｊの超音波素子の開口ＯＰの短辺の長さをＬＯＰｉ、ＬＯＰｊとした場合に、ＬＯＰｉ＞ＬＯＰｊである。
【００４６】
超音波素子ＵＥが第ｉの周波数の共振特性を有するとは、超音波素子ＵＥから出射される超音波が第ｉの周波数においてピークをもつということである。
【００４７】
後述するように、本実施形態の超音波デバイス１００では、開口ＯＰの短辺の長さＬＯＰが異なる超音波素子を設けることで、異なる共振周波数をもつ超音波素子を１つの基板上に混在して配置することができる。
【００４８】
超音波素子ＵＥの圧電体膜ＰＥに印加する信号（駆動信号）として半波パルスを用いることができる。この半波パルスとして、半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波のうちのいずれかを用いることができる。或いは、半波パルスとして、半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波のうちのいずれかを用いることが望ましい。
【００４９】
半波パルスの信号波形は、電圧が基準電圧から最大電圧まで変化する１つの立ち上がり部と、電圧が最大電圧から基準電圧まで変化する１つの立ち下がり部とから構成される信号波形である。但し、立ち上がり部における電圧変化は単調増加とは限らず、立ち下がり部における電圧変化は単調減少とは限らない。例えば、立ち上がり部がオーバーシュートを含んでもよいし、立ち下がり部がアンダーシュートを含んでもよい。
【００５０】
図２に、半波パルスとして、半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波の例を示す。図２に示すように、半波パルスは１／２周期分の信号で構成される。このような半波パルスを駆動信号として用いることで、異なる共振周波数をもつ複数の超音波素子を同一周波数の半波パルスで駆動することができる。これは、これらの半波パルスが広い周波数成分をもっているからである。
【００５１】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に、半波の矩形波を入力した場合に出射される超音波の周波数分布（周波数スペクトル）を示す。超音波素子の共振周波数は１ＭＨｚである。図３（Ａ）は０．５ＭＨｚの半波の矩形波を入力した場合であるが、共振周波数１ＭＨｚの近傍で出力が著しく減少している。また、０．５ＭＨｚ付近で出力のサブピークが見られる。一方、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）はそれぞれ１ＭＨｚ、１．５ＭＨｚの半波の矩形波を入力した場合であるが、共振周波数１ＭＨｚの近傍で出力の減少は見られない。
【００５２】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に、半波の正弦波を入力した場合に出射される超音波の周波数分布を示す。超音波素子の共振周波数は１ＭＨｚである。図４（Ａ）は０．５ＭＨｚの半波の正弦波を入力した場合であるが、共振周波数１ＭＨｚより低い周波数領域でも出力が分布している。一方、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）はそれぞれ１ＭＨｚ、１．５ＭＨｚの半波の正弦波を入力した場合であるが、共振周波数１ＭＨｚの近傍でシャープなピークが見られる。
【００５３】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に、半波の三角波を入力した場合に出射される超音波の周波数分布を示す。超音波素子の共振周波数は１ＭＨｚである。図４（Ａ）は０．５ＭＨｚの半波の三角波を入力した場合であるが、共振周波数１ＭＨｚより低い周波数領域でも出力が分布している。一方、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）はそれぞれ１ＭＨｚ、１．５ＭＨｚの半波の正弦波を入力した場合であるが、共振周波数１ＭＨｚの近傍でシャープなピークが見られる。
【００５４】
以上のことから、超音波素子の共振周波数より低い周波数の半波パルスを用いた場合には、出射される超音波の周波数スペクトルは複雑になる。一方、超音波素子の共振周波数より高い周波数の半波パルスを用いた場合には、出射される超音波の周波数スペクトルは望ましい形になる。従って、異なる共振周波数をもつ複数の超音波素子を同一の半波パルスで駆動する場合には、最も高い共振周波数よりも高い周波数の半波パルスを用いるのが望ましい。
【００５５】
２．超音波デバイス
図６に、本実施形態の超音波デバイス１００の構成例を示す。本構成例の超音波デバイス１００は、第１〜第ｎ（ｎは２以上の整数）の超音波素子群ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎ、複数の駆動電極線ＤＬ１１、ＤＬ１２、ＤＬ１３・・・、複数のコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬｍ（ｍは２以上の整数）を含む。図６では、例としてｍ＝８、ｎ＝４の場合を示すが、これ以外の値であってもよい。なお、本実施形態の超音波デバイス１００は図６の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
【００５６】
第１〜第ｎの超音波素子群ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎは、第１〜第ｎの周波数の共振周波数を有する。そして各超音波素子群は、第２の方向Ｄ２に沿って配置される複数の超音波素子列（例えばＵＥＣ１１、ＵＥＣ１２、ＵＥＣ１３）を含む。複数の超音波素子列の各超音波素子列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される複数の超音波素子を含む。例えば、第１の超音波素子群ＵＥＧ１は、３つの超音波素子列ＵＥＣ１１、ＵＥＣ１２、ＵＥＣ１３を含む。超音波素子列ＵＥＣ１１は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される８個の超音波素子ＵＥを含む。３つの超音波素子列ＵＥＣ１１、ＵＥＣ１２、ＵＥＣ１３に含まれる超音波素子は、第１の周波数の共振特性を有する。図６では、各超音波素子群は３つの超音波素子列を含むが、超音波素子列の数はこれに限定されるものではない。
【００５７】
第１〜第ｎの超音波素子群ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎの共振周波数をｆ１〜ｆｎとすると、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜・・・＜ｆｎである場合には、ＬＯＰ１＞ＬＯＰ２＞ＬＯＰ３＞・・・＞ＬＯＰｎである。ここでＬＯＰｋ（ｋは１≦ｋ≦ｎである整数）は第ｋの超音波素子群ＵＥＧｋに含まれる超音波素子ＵＥの開口ＯＰの短辺の長さである。
【００５８】
第１〜第ｎの周波数のうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１である整数）の周波数ｆｉ及び第ｉの周波数より高い第ｊ（ｊは２≦ｊ≦ｎである整数）の周波数ｆｊは、第ｊの周波数ｆｊが第ｉの周波数ｆｉの非整数倍となるように設定される。例えばｎ＝４の場合では、ｆ１＝１ＭＨｚ、ｆ２＝１．５ＭＨｚ、ｆ３＝３．５ＭＨｚ、ｆ４＝５．５ＭＨｚに設定される。このようにすることで、１つの超音波素子群から出射される超音波に含まれる高調波成分が、高調波と同じ共振周波数をもつ他の超音波素子群から出射される超音波と重なることを防止できる。また、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング時に発生する実際の受信周波数の２倍、３倍などの架空の周波数成分が、本来の受信信号に重なることを防止できる。
【００５９】
複数の駆動電極線ＤＬ１１、ＤＬ１２、ＤＬ１３・・・は、第１の方向Ｄ１に沿って配線される。各超音波素子ＵＥが有する第１の電極は、複数の駆動電極線のいずれかに接続される。例えば図６では、第１の超音波素子群ＵＥＧ１の超音波素子列ＵＥＣ１１に含まれる８個の超音波素子の第１の電極は、駆動電極線ＤＬ１１に接続される。同様に、超音波素子列ＵＥＣ１２に含まれる８個の超音波素子の第１の電極は、駆動電極線ＤＬ１２に接続される。
【００６０】
超音波を出射する送信期間には、後述する処理装置２００が出力する駆動信号が駆動電極線ＤＬ１１、ＤＬ１２、・・・を介して各超音波素子に供給される。また、超音波エコー信号を受信する受信期間には、各超音波素子からの受信信号が駆動電極線ＤＬ１１、ＤＬ１２、・・・を介して出力される。
【００６１】
第１〜第ｍのコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬｍ（広義には複数のコモン電極線）は、第２の方向Ｄ２に沿って配線される。各超音波素子ＵＥが有する第２の電極は、第１〜第ｍのコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬｍのうちのいずれかに接続される。
【００６２】
第１〜第ｍのコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬｍはコモン電圧線ＣＭＬに共通接続され、コモン電圧線ＣＭＬにはコモン電圧ＶＣＯＭが供給される。このコモン電圧ＶＣＯＭは一定の直流電圧であればよく、０Ｖ即ちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。
【００６３】
本実施形態の超音波デバイス１００によれば、異なる共振周波数を有する複数の超音波素子を設けることができるから、異なる周波数の超音波を同時に出射することができる。さらに、１つの周波数の駆動信号により異なる共振周波数をもつ超音波素子を同時に駆動することができる。
【００６４】
３．処理装置
図７に、本実施形態の処理装置２００の構成例を示す。本構成例の処理装置２００は、超音波デバイス１００に対して超音波の送信及び受信の処理を行う処理装置であって、送信部２１０、制御部２２０、スイッチ部２３０、受信部２４０を含む。なお、本実施形態の処理装置２００は図７の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
【００６５】
送信部２１０は、スイッチ部２３０を介して、超音波デバイス１００の第１〜第ｎの超音波素子群ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎに対して、半波パルスの第１〜第ｎの駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎ（広義には駆動信号）を出力する。半波パルスとして、半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波のうちのいずれかを用いることができる。或いは、半波パルスとして、半波の矩形波、半波の三角波及び半波の正弦波のうちのいずれかを用いることが望ましい。駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎは、同一周波数の半波パルスであって、上述したように、最も高い共振周波数よりも高い周波数の半波パルスを用いるのが望ましい。こうすることで、第１〜第ｎの超音波素子群ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎの共振周波数ごとに、異なる周波数の駆動信号を生成する必要がなくなるから、送信部２１０の構成を簡素にすることができる。
【００６６】
受信部２４０は、スイッチ部２３０を介して、超音波デバイス１００からの受信信号ＶＲ１〜ＶＤＲｎの受信処理を行う。具体的には、受信信号の増幅、ゲイン設定、周波数設定、Ａ／Ｄ変換（アナログ／デジタル変換）などを行い、信号解析部２５０に出力する。受信部２４０の構成については、後述する。
【００６７】
制御部２２０は、送信部２１０、受信部２４０、スイッチ部２３０及び信号解析部２５０を制御する。具体的には、送信部２１０に対して駆動信号ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎの生成及び出力処理の制御を行い、受信部２４０に対して受信信号ＶＲ１〜ＶＲｎの受信処理の制御を行い、スイッチ部２３０に対して送信・受信の切り換えの制御を行う。制御部２２０は、例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）で実現することができる。
【００６８】
スイッチ部２３０は、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷｎを含み、制御部２２０の制御に基づいて、送信・受信の切り換え処理を行う。具体的には、例えばＳＷ１は、送信期間には第１の超音波素子群ＵＥＧ１に対して、送信部２１０からの駆動信号ＶＤＲ１を出力し、受信期間には第１の超音波素子群ＵＥＧ１からの受信信号ＶＲ１を受信部２４０に対して出力する。
【００６９】
信号解析部２５０は、受信部２４０からの信号に基づいて周波数解析を行って、解析結果（例えば平均流速、最大流速など）を出力する。
【００７０】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）に、本実施形態の受信部２４０及び信号解析部２５０の第１、第２の構成例を示す。なお、本実施形態の受信部２４０及び信号解析部２５０は図８（Ａ）、図８（Ｂ）の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
【００７１】
図８（Ａ）に示す受信部２４０は、増幅回路ＡＭＰ、第１〜第４のバンドパスフィルター回路ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４を含む。また、信号解析部２５０は、第１〜第４の直交検波器ＱＤＴ１〜ＱＤＴ４、第１〜第４のフーリエ変換器ＦＦＴ１〜ＦＦＴ４、第１〜第５の演算回路ＣＬＣ１〜ＣＬＣ５を含む。
【００７２】
増幅回路ＡＭＰは、超音波デバイス１００の各超音波素子からの受信信号ＶＲを増幅して、バンドパスフィルター回路ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４に出力する。
【００７３】
第１〜第４のバンドパスフィルター回路ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４の通過周波数帯域は、第１の周波数〜第４（広義には第ｎ）の周波数ｆ１〜ｆ４を含む。例えばｆ１＝１ＭＨｚ、ｆ２＝１．５ＭＨｚ、ｆ３＝３．５ＭＨｚ、ｆ４＝５．５ＭＨｚの場合では、ＢＰＦ１は１ＭＨｚ±１０ｋＨｚ、ＢＰＦ２は１．５ＭＨｚ±１０ｋＨｚ、ＢＰＦ３は３．５ＭＨｚ±１０ｋＨｚ、ＢＰＦ４は５．５ＭＨｚ±１０ｋＨｚの通過周波数帯域を有する。このようにすることで、例えば血管中を流れる血液の流速に対応するドップラー効果による周波数シフトは数ｋＨｚ程度であるから、受信信号から周波数ｆ１〜ｆ４に対応する周波数シフトの成分をそれぞれ分離して取り出すことができる。
【００７４】
直交検波器ＱＤＴ１〜ＱＤＴ４は、バンドパスフィルター回路ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４からの出力信号を直交検波する。直交検波を行うことで、周波数シフトの成分だけを取り出すことができる。
【００７５】
フーリエ変換器ＦＦＴ１〜ＦＦＴ４は、直交検波器ＱＤＴ１〜ＱＤＴ４からの出力信号の周波数解析を行う。演算回路ＣＬＣ１〜ＣＬＣ４は、フーリエ変換器ＦＦＴ１〜ＦＦＴ４の解析結果に基づいて、平均流速、最小流速、最大流速などを算出する。演算回路ＣＬＣ５は、演算回路ＣＬＣ１〜ＣＬＣ４により算出された４組の平均流速、最小流速、最大流速をさらに平均して、最終的な平均流速、最小流速、最大流速などを出力する。
【００７６】
信号解析部２５０は、第１〜第４のバンドパスフィルター回路ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４の第１〜第４の出力信号から得られる第１〜第４のサンプルデータに基づいて、周波数解析を行う。１つの半波パルスの駆動信号により第１〜第４の周波数の超音波が同時に出射され、第１〜第４の周波数の受信信号が受信され、それらの受信信号から第１〜第４のサンプルデータが得られる。
【００７７】
このように信号解析部２５０の第１の構成例によれば、異なる周波数のエコー信号を同時に受信し、それぞれの周波数について信号解析を行って平均流速、最小流速、最大流速などを算出し、最後にそれらを平均して最終的な解析結果を得ることができる。その結果、解析に用いる信号のサンプル数を多くすることができ、また時間応答性を向上させることができるから効率的で精度の高い解析が可能になる。
【００７８】
フーリエ解析による流速検出では、フーリエ解析を行うためのサンプル数が例えば１０００サンプル程度必要になる。１サンプルの取得にかかる時間が１００μｓとすると、１回の流速検出を行う際には１００ｍｓ必要になる。サンプリング周波数を上げることで時間応答性を向上させることは可能であるが、回路負荷が大きくなるというデメリットがある。本実施形態の処理装置２００によれば、異なる周波数の超音波を同時に出射し、それぞれの周波数のエコー信号を受信して解析することができるから、例えば第１〜第４の周波数の超音波を用いる場合には、サンプル数を４倍に増やすことができる。
【００７９】
図８（Ｂ）に示す受信部２４０は、増幅回路ＡＭＰ、第１〜第４のバンドパスフィルター回路ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４を含む。また、信号解析部２５０は、第１〜第４の直交検波器ＱＤＴ１〜ＱＤＴ４、第１〜第４の規格化回路ＮＲＭ１〜ＮＲＭ４、フーリエ変換器ＦＦＴ、ＣＬＣを含む。
【００８０】
増幅回路ＡＭＰ、バンドパスフィルター回路ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４及び直交検波器ＱＤＴ１〜ＱＤＴ４は、第１の構成例と同じであるから詳細な説明を省略する。
【００８１】
規格化回路ＮＲＭ１〜ＮＲＭ４は、直交検波器ＱＤＴ１〜ＱＤＴ４からの出力信号を所定の周波数（基準周波数）に基づいて規格化する。この規格化処理は、次のように行われる。基準周波数をｆｒｅｆとし、受信信号の周波数をｆｋ（ｋ＝１、２、３、４）とした場合に、受信信号の時間ｔをｔ’＝ｆｋ／ｆｒｅｆ×ｔで定義されるｔ’に変換するためのサンプリング（リサンプリング）を行う。このようにすることで、異なる周波数ｆ１〜ｆ４の受信信号を１つのフーリエ変換器ＦＦＴで周波数解析することができる。なお、基準周波数ｆｒｅｆは、受信周波数のうちの１つであってもよい。例えば第１の周波数ｆ１＝１ＭＨｚを基準周波数とした場合には、第１の規格化回路ＮＲＭ１を省略することができる。
【００８２】
フーリエ変換器ＦＦＴは、規格化回路ＮＲＭ１〜ＮＲＭ４により規格化された信号を合成して周波数解析を行う。演算回路ＣＬＣは、フーリエ変換器ＦＦＴの解析結果に基づいて、平均流速、最小流速、最大流速などを算出する。
【００８３】
このように信号解析部２５０の第２の構成例によれば、規格化処理をすることで、異なる周波数について１つのフーリエ変換器ＦＦＴで周波数解析を行って、平均流速、最小流速、最大流速などを算出することができるから、より効率的で精度の高い解析が可能になる。
【００８４】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）は、ドップラー効果による流速検出を説明する図である。図９（Ａ）に示すように、超音波デバイス１００及び処理装置２００を含む超音波プローブ３００から周波数ｆの超音波が出射される。この超音波が流速ｖで流れる液体（例えば血液）により反射されて、超音波プローブ３００によってエコー信号として受信される。このときドップラー効果により、周波数がｆ＋Δｆにシフトする。この周波数シフトΔｆは、流速ｖの方向と超音波の出射方向との成す角をθ、血液中の超音波の速度をｃとすると、次式で与えられる。
【００８５】
Δｆ＝２・ｆ・ｃｏｓθ・ｖ／ｃ      （１）
実際の血液の流速はある幅をもって分布しているため、周波数シフトΔｆもある幅をもって検出される。例えば図９（Ｂ）に示すように、検出された周波数シフトΔｆはΔｆ１からΔｆ３の範囲に分布し、Δｆ２でピークをもつ。Δｆ１から最小流速、Δｆ２から平均流速、Δｆ３から最大流速を、式（１）を用いてそれぞれ算出することができる。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態の超音波デバイス１００及び処理装置２００によれば、超音波デバイス１００を１つの周波数の半波パルスで駆動することにより、簡素な構成で複数の異なる周波数の超音波を同時に出射させることができるから、解析に用いるサンプル数を多くすることができ、また時間応答性を向上させることができる。その結果、効率的で精度の高い流速検出などが可能になる。
【００８７】
４．超音波プローブ及び超音波診断装置
図１０に、本実施形態の超音波プローブ３００及び超音波診断装置（血流測定装置）４００の基本的な構成例を示す。超音波プローブ３００は、超音波デバイス１００及び処理装置２００を含む。超音波診断装置４００は、超音波プローブ３００、主制御部３１０、処理部３２０、ＵＩ（ユーザーインターフェース）部３３０、表示部３４０を含む。
【００８８】
主制御部３１０は、超音波プローブ３００に対して超音波の送受信制御を行い、処理部３２０に対して解析結果の表示処理等の制御を行う。なお、主制御部３１０が行う制御の一部を、処理装置２００の制御部２２０が行ってもよいし、制御部２２０が行う制御の一部を、超音波診断装置４００の主制御部３１０が行ってもよい。
【００８９】
処理部３２０は、信号解析部２５０からの解析結果を受けて、必要な表示処理や表示用画像データの生成などを行う。
【００９０】
ＵＩ（ユーザーインターフェース）部３３０は、ユーザーの行う操作（例えばタッチパネル操作など）に基づいて主制御部３１０に必要な命令（コマンド）を出力する。
【００９１】
表示部３４０は、例えば液晶ディスプレイ等であって、処理部３２０からの表示用画像データを表示する。
【００９２】
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に、本実施形態の超音波診断装置（血流測定装置）４００の具体的な構成例を示す。図１１（Ａ）は携帯型の超音波診断装置４００を示し、図１１（Ｂ）はリストバンド型の超音波診断装置４００を示す。
【００９３】
図１１（Ａ）の携帯型の超音波診断装置４００は、超音波プローブ３００、ケーブルＣＢ及び超音波診断装置本体４１０を含む。超音波プローブ３００は、ケーブルＣＢにより超音波診断装置本体４１０に接続される。超音波診断装置本体４１０は診断結果（表示用画像データ）を表示する表示部３４０を含む。
【００９４】
図１１（Ｂ）のリストバンド型の超音波診断装置４００は、超音波プローブ３００及び超音波診断装置本体４１０を含む。超音波診断装置本体４１０は診断結果（表示用画像データ）を表示する表示部３４０を含む。超音波プローブ３００と超音波診断装置本体４１０とは、一体の筐体に格納することができる。
【００９５】
図１１（Ｃ）に、本実施形態の超音波プローブ３００の具体的な構成例を示す。超音波プローブ３００はプローブヘッド３０１及びプローブ本体３０２を含み、図１１（Ｃ）に示すように、プローブヘッド３０１はプローブ本体３０２と脱着可能である。
【００９６】
プローブヘッド３０１は、超音波デバイス１００、支持部材ＳＵＰ、被検体と接触する接触部材１３０、超音波デバイス１００を保護する保護部材（保護膜）ＰＦ、コネクターＣＮａ及びプローブ筐体１４０を含む。超音波デバイス１００は、接触部材１３０と支持部材ＳＵＰとの間に設けられる。
【００９７】
プローブ本体３０２は、処理装置２０１及びプローブ本体側コネクターＣＮｂを含む。処理装置２０１は、駆動装置２００及び受信部２４０を含む。プローブ本体側コネクターＣＮｂは、プローブヘッド側コネクターＣＮａと接続される。プローブ本体３０２は、ケーブルＣＢにより超音波診断装置本体に接続される。
【００９８】
なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また処理装置、超音波デバイス、超音波プローブ及び超音波診断装置の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１００  超音波デバイス、１３０  接触部材、１４０  プローブ筐体、
２００  処理装置、２１０  送信部、２２０  制御部、
２３０  スイッチ部、２４０  受信部、２５０  信号解析部、
３００  超音波プローブ、３０１  プローブヘッド、３０２  プローブ本体、
３１０  主制御部、３２０  処理部、３３０  ＵＩ部、
３４０  表示部、４００  超音波診断装置、４１０  超音波診断装置本体、
ＵＥＧ１〜ＵＥＧｎ  第１〜第ｎの超音波素子群、ＶＤＲ１〜ＶＤＲｎ  駆動信号、
ＶＲ１〜ＶＲｎ  受信信号
【図１】
2013247982.tif 000003
【図２】
2013247982.tif 000004
【図３】
2013247982.tif 000005
【図４】
2013247982.tif 000006
【図５】
2013247982.tif 000007
【図６】
2013247982.tif 000008
【図７】
2013247982.tif 000009
【図８】
2013247982.tif 000010
【図９】
2013247982.tif 000011
【図１０】
2013247982.tif 000012
【図１１】
2013247982.tif 000013