(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し超音波を打ち出すと共に被検体内からの反射波を受信する複数の振動子素子と、これらの振動子素子の前面及び背面に設けられ電圧を印加する電極と、上記振動子素子と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層とを有して成る超音波探触子において、
上記音響整合層は、短冊状に形成された各振動子素子の短辺幅よりも小さい厚さで共に薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料と音響インピーダンスの小さい材料とを、上記振動子素子の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向に交互に複数枚配列して組み合わせ、所定の厚さの板状に形成した複合材で構成し、上記超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有するものとしたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
被検体内に向けて超音波を送受信する超音波探触子と、この超音波探触子を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部と、この超音波ビーム形成部からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置と、この画像処理装置からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、
上記超音波探触子として請求項１記載の超音波探触子を用いたことを特徴と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、複数の振動子素子が所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し被検体内に向けて超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する超音波探触子に関し、特に、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波探触子は、図１１に示すように、所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し超音波を打ち出すと共に被検体内からの反射波を受信する複数の振動子素子１，１，…と、これらの振動子素子１の前面及び背面に設けられ電圧を印加する電極２ａ，２ｂと、上記振動子素子１と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層３とを有して成っていた。なお、図１１において、符号４は上記振動子素子１の背面から出る超音波が再び振動子素子面に戻ってこないようにするバッキング材を示し、符号５は上記振動子素子１の前面から打ち出される超音波ビームを集束させるために上記音響整合層３の上に設けられた音響レンズを示している。
【０００３】
ここで、上記音響整合層３は、その音響インピーダンスが振動子素子１の値と被検体の値との中間的な値とされ、その厚さが超音波の波長の１／４になるように形成されていた。そして、このような音響整合層３が振動子素子１，１，…の配列方向に沿って横方向に連続していると、該音響整合層３を介して伝播する超音波により各チャンネル間の振動子素子１，１，…のクロストーク（信号の混信）が大きくなるので、上記音響整合層３は、所定ピッチで配列された複数の振動子素子１，１，…の各チャンネル間のギャップ６，６，…に合わせて切り込みを入れ、各チャンネル間にギャップ７，７，…が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の超音波探触子においては、上記音響整合層３はその音響インピーダンスが振動子素子１の値と被検体の値との中間的な値の一様な材料で構成されていたので、各音響整合層３は、振動子素子１からの超音波の打ち出し方向にのみ純粋なピストン運動を行うことはなく、上記打ち出し方向と直交する方向にも振動するものであった。このような各音響整合層３における超音波の打ち出し方向と直交する方向の振動モードの存在は、本来の超音波送受信には有害なものである。そして、上記各チャンネルの音響整合層３の横幅は、それ自身の振動モードの適正化というよりは指向性向上の要請から決められており、任意の幅寸法とする自由度は殆どないものであった。したがって、図１１に示すように音響整合層３にギャップ７，７，…を形成して上記各チャンネル間の振動子素子１，１，…のクロストークを低減しようとすれば、各チャンネルの音響整合層３における超音波の打ち出し方向と直交する方向の不要な振動モードの発生により、周波数特性を犠牲にしなければならなかった。
【０００５】
例えば、図１２に示すエコー電圧波形のシミュレーションに見られるように、時間の経過によってエコー電圧波形に変な共振ｃが発生し、受信信号のパルス特性が悪くなるものであった。また、図１３に示す受信信号強度のシミュレーションに見られるように、ある周波数においてリップルｄ1，ｄ2，ｄ3が発生していわゆる尾引きが出て、周波数特性が低下するものであった。このことから、従来の超音波探触子では、音響整合層３における超音波の打ち出し方向と直交する方向の振動モードを最適化することができず、各チャンネル間のクロストークの低減と周波数特性の向上とを両立させることは困難であった。したがって、得られる超音波画像の画質が劣化することがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波探触子は、所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し超音波を打ち出すと共に被検体内からの反射波を受信する複数の振動子素子と、これらの振動子素子の前面及び背面に設けられ電圧を印加する電極と、上記振動子素子と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層とを有して成る超音波探触子において、上記音響整合層は、短冊状に形成された各振動子素子の短辺幅よりも小さい厚さで共に薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料と音響インピーダンスの小さい材料とを、上記振動子素子の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向に交互に複数枚配列して組み合わせ、所定の厚さの板状に形成した複合材で構成し、上記超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有するものとしたものである。
【００１３】
また、関連発明としての超音波診断装置は、被検体内に向けて超音波を送受信する超音波探触子と、この超音波探触子を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部と、この超音波ビーム形成部からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置と、この画像処理装置からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、上記超音波探触子として前記手段に記載の超音波探触子を用いたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による超音波探触子の第一の実施形態を示す一部切断斜視図である。この超音波探触子は、被検体内に向けて超音波を打ち出すと共にその反射波を受信するもので、図１に示すように、複数の振動子素子１，１，…と、電極２ａ，２ｂと、音響整合層８とを有して成る。
【００１５】
上記振動子素子１は、被検体内に向けて超音波を打ち出すと共に診断部位からの反射波を受信する部材となるもので、個々の素子部材は短冊状に形成され、これらの素子部材間に一定のギャップ６，６，…をおいて所定ピッチで配列し、超音波の送受信の各チャンネルが形成されている。上記各振動子素子１の前面及び背面には、電極２ａ，２ｂが設けられている。この電極２ａ，２ｂは、上記振動子素子１に電圧を印加して素子部材を振動させて超音波を発生させると共に、反射波を受信した振動子素子１に励起された電圧を取り出すもので、図示外の超音波送受信回路に接続されている。
【００１６】
また、上記振動子素子１の前面側には、音響整合層８が設けられている。この音響整合層８は、上記振動子素子１と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うためのもので、全体としてその音響インピーダンスが振動子素子１の値と被検体の値との中間的な値とされ、その厚さが超音波の波長の１／４になるように形成されている。
【００１７】
なお、図１において、符号４は上記振動子素子１の背面から出る超音波が再び振動子素子面に戻ってこないようにするバッキング材を示し、符号５は上記振動子素子１の前面から打ち出される超音波ビームを集束させるために上記音響整合層８の上に設けられた音響レンズを示している。上記バッキング材４としては、超音波の減衰の大きい材料を使用している。
【００１８】
ここで、本発明においては、上記音響整合層８は、音響インピーダンスの異なる複数種類の材料を組み合わせた複合材で構成し、上記振動子素子１からの超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有する構成とされ、さらに好適には超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにされている。
【００１９】
例えば、図２に示すように、音響インピーダンスの大きい材料９とそれより音響インピーダンスの小さい材料１０とを組み合わせた複合材から成り、上記音響インピーダンスの大きい材料９は、短冊状に形成された各振動子素子１の短辺幅よりも小さい径で細い柱状に形成して所定の長さに切断したものを、上記振動子素子１の超音波打ち出し方向に直交する方向に多数並べ、これらの隙間を音響インピーダンスの小さい材料１０で埋めて、全体として所定の厚さの板状に形成されている。音響インピーダンスの大きい材料９としては、アルミニウム、マグネシウムなどの軽金属或いはセラミックス、ガラス等が用いられる。また、音響インピーダンスの小さい材料１０としては、ナイロン、ポリウレタン、エポキシ樹脂、プラスチック材料等が使用可能である。そして、図２の例では、音響インピーダンスの大きい材料９を予め機械加工や整形加工で所定長さの柱状に形成して並べ、それらの隙間に音響インピーダンスの小さい材料１０として例えばプラスチック材料を流し込むことにより、所定の厚さの板状に形成された音響特性に異方性を有する音響整合層８が作製される。
【００２０】
このように構成された音響整合層８においては、図２において、音響インピーダンスの大きい材料９が多数並んだ縦方向には、超音波は該音響インピーダンスの大きい材料９を伝わる音速と略同等の速度で伝播し、上記縦方向に直交する横方向には、超音波は音響インピーダンスの小さい材料１０を伝わる音速と略同等の比較的低い速度で伝播するという異方性を呈することになる。そして、このような音響特性に異方性を有する音響整合層８を、図１に示すように、音響インピーダンスの大きい材料９が多数並んだ縦方向を上記振動子素子１，１，…からの超音波打ち出し方向に一致させて取り付けることにより、超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにすることができる。したがって、図１１に示す従来例のように音響整合層３にギャップ７，７，…を形成しないでも、各チャンネル間のクロストークを低減することができる。
【００２１】
図３は上記超音波探触子の第二の実施形態を示す一部切断斜視図である。この実施形態は、上記音響整合層８を、所定ピッチで配列された複数の振動子素子１，１，…の各チャンネル間のギャップ６，６，…に合わせて切り込みを入れ、各チャンネル間にギャップ１１，１１，…を形成したものである。この場合は、音響整合層８が各チャンネルごとにギャップ１１で分断されているので、該音響整合層８の振動が横方向に伝わることはなく、各チャンネル間のクロストークを図１の例に比べさらに低減することができる。
【００２２】
また、上記各チャンネルの音響整合層８は、音響インピーダンスの異なる複数種類の材料９，１０を組み合わせた複合材から成り、振動子素子１からの超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有する構成とされているので、各チャンネルの音響整合層８における超音波の打ち出し方向と直交する方向の不要な振動モードの発生を抑えることができる。したがって、各チャンネル間のクロストークの低減と周波数特性の向上とを両立させることができる。
【００２３】
例えば、図８に示すエコー電圧波形のシミュレーションに見られるように、時間の経過によってエコー電圧波形に従来のように変な共振が発生せず、受信信号のパルス特性が向上する。また、図９に示す受信信号強度のシミュレーションに見られるように、従来のようにある周波数においてリップルが発生することはなく、周波数特性が向上すると共に感度も向上する。。
【００２４】
図４は上記超音波探触子の第三の実施形態を示す一部切断斜視図である。この実施形態は、音響整合層８’を、図５に示すように、短冊状に形成された各振動子素子１の短辺幅よりも小さい厚さで薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料９と、同じく細長板状に形成された音響インピーダンスの小さい材料１０とを、上記振動子素子１の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向にサンドイッチ状に交互に配列して組み合わせた複合材から成り、全体として所定の厚さの板状に形成したものである。このように形成された音響整合層８’は、その板状の厚さ方向とこれに直交する横方向とで音響特性に異方性を有することとなる。すなわち、上記板状の厚さ方向には音響インピーダンスの大きい材料９を伝わる音速に近い伝播速度となり、その厚さ方向に直交する横方向には音響インピーダンスの小さい材料１０を伝わる音速に近い伝播速度となる。
【００２５】
そして、このような音響特性に異方性を有する音響整合層８’を、図４に示すように、上記板状の厚さ方向を振動子素子１，１，…からの超音波打ち出し方向に一致させて取り付けることにより、超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにすることができる。したがって、図１１に示す従来例のように音響整合層３にギャップ７，７，…を形成しないでも、各チャンネル間のクロストークを低減することができる。
【００２６】
図６は上記超音波探触子の第四の実施形態を示す一部切断斜視図である。この実施形態は、上記音響整合層８’を、所定ピッチで配列された複数の振動子素子１，１，…の各チャンネル間のギャップ６，６，…に合わせて切り込みを入れ、各チャンネル間にギャップ１１，１１，…を形成したものである。この場合は、音響整合層８’が各チャンネルごとにギャップ１１で分断されているので、該音響整合層８’の振動が横方向に伝わることはなく、各チャンネル間のクロストークを図４の例に比べさらに低減することができる。
【００２７】
また、上記各チャンネルの音響整合層８’は、音響インピーダンスの異なる複数種類の材料９，１０を組み合わせた複合材から成り、振動子素子１からの超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有する構成とされているので、各チャンネルの音響整合層８’における超音波の打ち出し方向と直交する方向の不要な振動モードの発生を抑えることができる。したがって、各チャンネル間のクロストークの低減と周波数特性の向上とを両立させることができる。
【００２８】
図７は上記超音波探触子の第五の実施形態を示す一部省略斜視図である。この実施形態は、以上の説明では複数の振動子素子１，１，…は所定ピッチで１次元に配列されたものであるのに対し、上記複数の振動子素子１，１，…に対して該振動子素子１，１，…の奥行き方向にも所定間隔でギャップ６’，６’，…を形成し、個々の振動子素子１，１，…を２次元に配列し、この２次元に配列された振動子素子１，１，…の前面側に上述の音響整合層８又は８’を配置したものである。この場合は、２次元アレイ型の超音波探触子において、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる。なお、図７においては、音響レンズ５は省略してある。
【００２９】
図１０は、以上のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。すなわち、この超音波診断装置は、図１０に示すように、被検体内に向けて超音波を送受信する超音波探触子１２と、この超音波探触子１２を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子１２で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部１３と、この超音波ビーム形成部１３からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置１４と、この画像処理装置１４からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置１５とを備えて成る超音波診断装置において、上記超音波探触子１２として図１又は図３、図４、図６、図７のいずれかに記載の超音波探触子を用いたものである。この場合は、超音波探触子１２の各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる超音波診断装置を実現することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項１に係る超音波探触子によれば、音響整合層を、短冊状に形成された各振動子素子の短辺幅よりも小さい厚さで共に薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料と音響インピーダンスの小さい材料とを、上記振動子素子の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向に交互に複数枚配列して組み合わせ、所定の厚さの板状に形成した複合材で構成し、上記超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有するものとしたことにより、振動子素子のチャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる。この場合、上記板状の厚さ方向には音響インピーダンスの大きい材料を伝わる音速に近い伝播速度となり、その厚さ方向に直交する横方向には音響インピーダンスの小さい材料を伝わる音速に近い伝播速度となる。このような音響特性に異方性を有する音響整合層を、音響インピーダンスの大きい細長板状の部材が複数枚配列された縦方向を上記振動子素子からの超音波打ち出し方向に一致させて取り付けることにより、超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにすることができる。したがって、得られる超音波画像の画質を向上することができる。
【００３６】
また、請求項２に係る超音波診断装置によれば、その超音波探触子として前記のように構成された本発明の超音波探触子を用いたことにより、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波探触子の第一の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図２】上記超音波探触子の音響整合層の構造例を示す斜視図である。
【図３】本発明の超音波探触子の第二の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図４】本発明の超音波探触子の第三の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図５】上記第三の実施形態における超音波探触子の音響整合層の構造例を示す要部斜視図である。
【図６】本発明の超音波探触子の第四の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図７】本発明の超音波探触子の第五の実施形態を示す一部省略斜視図である。
【図８】本発明の超音波探触子においてエコー電圧波形をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【図９】本発明の超音波探触子において受信信号強度をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【図１０】以上のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の超音波探触子を示す一部切断斜視図である。
【図１２】従来の超音波探触子においてエコー電圧波形をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【図１３】従来の超音波探触子において受信信号強度をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１…振動子素子
２ａ，２ｂ…電極
４…バッキング材
５…音響レンズ
６，６’…振動子素子のギャップ
８，８’…音響整合層
９…音響インピーダンスの大きい材料
１０…音響インピーダンスの小さい材料
１１…音響整合層のギャップ
１２…超音波探触子
１３…超音波ビーム形成部
１４…画像処理装置
１５…表示装置
【図１】
0003926448.tif 000002
【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】
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【図１３】
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