JP2002209894A

JP2002209894A - 超音波用探触子

Info

Publication number: JP2002209894A
Application number: JP2001011366A
Authority: JP
Inventors: Toshitaka Agano; 俊孝阿賀野
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】胸部内臓器の超音波診断において、送受信面
を肋骨の間に差し入れることができ、且つ、分解能の高
い超音波画像を撮像することのできる探触子を提供す
る。【解決手段】被検体に向かって複数の超音波トランス
デューサから超音波を送信し、被検体から反射される超
音波を複数の超音波トランスデューサにより受信する超
音波用探触子であって、被検体に接触し、超音波トラン
スデューサが送信又は受信する超音波を通過させる超音
波送受信面２ａ及び２ｂを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波診断におい
て超音波を送受信するために用いる超音波用探触子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図９に、超音波診断において用いる一般
的なアレイ探触子の構造を示す。探触子６０は、ＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック
や、ＰＶＤＦ（高分子圧電素子）等の振動子６１を含ん
でいる。振動子６１の背面にはバッキング材６２が設け
られ、配列された複数の振動子を支えると共に、振動子
に対して音響的に制動をかけて超音波パルスを短くして
いる。棒状に成形されたそれぞれの振動子６１には電極
６３が取り付けられ、リード線６４を介して電子回路に
接続されている。振動子６１の圧電効果により発生した
超音波は、被検体に効率良く超音波を送信するために設
けられた音響整合層６５を介して、音響レンズ６６によ
りｙ方向について集束させられる。一方、それぞれの振
動子に接続された電子回路の制御に従って、時間差をも
って振動子を順次駆動することにより、超音波の波面は
ｘ方向について集束する。このように形成された超音波
ビーム６７は、点Ｐに焦点を形成する。

【０００３】ところで、超音波診断における画質の良否
は、探触子の性能に負うところが大きい。一般的に、こ
のような探触子の性能は、ビーム方向に関する距離分解
能と、ビームに対し直角方向に関する方位分解能とによ
り評価される。このうち、距離分解能は、超音波パルス
のパルス幅により決定され、パルス幅が短いほど分解能
が高くなる。一方、方位分解能は、超音波を送受信する
振動子の形状やそれらの配列によって決定される。方位
分解能は、Ｒ＝１．２λ×Ｆ／Ｄ・・・（１）という式により表すことができる。ここで、Ｒは焦点の
径であり、λは超音波の波長であり、Ｆは焦点距離であ
り、Ｄは開口である。波長λは、音速ｃと周波数ｆを用
いて、λ＝ｃ／ｆで表すことができる。また、図９に示
す探触子の場合には、開口Ｄは、ｐを配列振動子の素子
間隔、ｎを配列された振動子の数として、Ｄ＝ｎ×ｐで
表される。従って、探触子の方位分解能を上げて焦点を
絞り込むためには、開口Ｄを大きくすれば良い。しかし
ながら、素子間隔ｐが半波長よりも大きくなると、グレ
ーティングローブと呼ばれる副ビームが生じて、アーテ
ィファクト（虚像）の原因となる。従って、探触子の方
位分解能を向上させるためには、素子間隔は小さく保っ
たまま素子数を増やすということが考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波診断
を行う場合には、骨部を避けて被検体に探触子を当てな
くてはならない。骨部は音響インピーダンスが大きく、
その境界面において超音波の大部分は反射されてしまう
ため骨部の後方が影となり、骨部の後方に存在する臓器
等を画面上で観察することができないからである。この
ため、例えば心臓等の胸部内臓器を観察する場合には、
胸部を覆っている肋骨を避け、肋骨の間に探触子を押し
つけて超音波撮像を行っていた。従って、胸部内観察に
おいては、肋骨の間に差し入れることのできる最大幅が
１３ｍｍ程度の小さい探触子しか用いることができなか
った。

【０００５】このような探触子を用いた場合、焦点距離
１０ｃｍにおける方位分解能Ｒは、例えば、超音波の音
速ｃを１５３０ｍ／ｓ、周波数ｆを３．５ＭＨｚ、焦点
距離Ｆを１０ｃｍ、開口Ｄを１３ｍｍとして式（１）を
用いると、Ｒ＝１．２×（１５３０×１０³×１００）／（３．５×１０⁶×１３） ≒４．０（ｍｍ）と算出される。このように、従来は、観察部位による制
約から開口Ｄを大きくすることができないため、方位分
解能を上げることができなかった。このため、胸部内に
おける超音波画像の画質は低下していた。

【０００６】そこで、上記の点に鑑み、本発明は、胸部
内臓器の超音波診断において、送受信面を肋骨の間に差
し入れることができ、且つ、分解能の高い超音波画像を
撮像することのできる探触子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】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、被検体に向かって
複数の超音波トランスデューサから超音波を送信し、被
検体から反射される超音波を複数の超音波トランスデュ
ーサにより受信する超音波用探触子であって、被検体に
接触し、超音波トランスデューサが送信又は受信する超
音波を通過させる超音波送受信面を複数有する。本発明
によれば、肋骨の間に差し入れることができる程度の大
きさの複数の送受信面を、肋骨をまたいで胸部に当てる
ので、開口の大きい探触子を実現することができる。従
って、胸部内臓器観察において画質の良い超音波画像を
提供することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について説明する。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。図１は、本
発明の第１の実施形態に係る探触子の概観を示す斜視図
である。図１に示すように、探触子１は複数の超音波送
受信面２ａ及び２ｂを有している。超音波送受信面２ａ
と２ｂとの間には隙間があり、肋骨をまたいでそれぞれ
の送受信面を胸部に押し当てることができる。探触子１
は、ケーブル３を介して超音波診断装置本体に接続され
る。

【０００９】探触子１は、複数の超音波トランスデュー
サにより構成される超音波トランスデューサアレイを含
んでいる。超音波トランスデューサとしては、ＰＺＴや
ＰＶＤＦ等の圧電素子を用いても良いし、受信用に光検
出素子を用いても良い。なお、光検出素子については後
で詳しく説明する。

【００１０】探触子１のそれぞれの送受信面には、複数
の超音波送信素子や複数の超音波受信素子（センサ）が
１次元又は２次元に配列されている。図２に、探触子１
の送受信面に送信素子やセンサを２次元に配置した例を
示す。図２は、探触子１を送受信方向から見た平面図で
ある。送受信面２ａ、２ｂには、複数の送信素子４ａ、
４ｄ、・・・とセンサ５ａ、５ｂ、・・・とが配置され
ている。このように複数の送信素子が超音波を順次送信
することにより超音波ビームが形成され、被検体に反射
した超音波が複数のセンサにより検出される。なお、セ
ンサを２次元に配置する場合に、センサとして圧電素子
を用いると、素子間のクロストークが増大したり、微細
配線による電気的インピーダンスの上昇によりＳＮ比が
劣化したり、微細素子の電極部が破壊し易くなるといっ
た問題が生じる恐れがある。このような場合には、セン
サとして光検出素子を用いると良い。

【００１１】送受信面２ａ、２ｂのそれぞれの幅は、肋
骨の間に差し入れるために１３ｍｍ以内とすることが望
ましい。また、送受信面２ａと２ｂとの間隔は、肋骨を
またぐことのできる５〜２０ｍｍの範囲であれば良い。
さらに、探触子１の外形輪郭の幅は、開口を大きくして
分解能を上げるために、少なくとも２０ｍｍ以上である
ことが望ましい。

【００１２】例えば、図２に示すように探触子１の複数
の送受信面に送信素子やセンサを配置した場合、探触子
１の外形輪郭の幅を２０ｍｍとすると、焦点距離１０ｃ
ｍにおける方位分解能Ｒは、超音波の音速ｃを１５３０
ｍ／ｓ、周波数ｆを３．５ＭＨｚ、焦点距離Ｆを１０ｃ
ｍ、開口Ｄを２０ｍｍとして、Ｒ＝１．２λ×Ｆ／Ｄ・・・（１）＝１．２×（ｃ／ｆ）×Ｆ／Ｄ・・・（２）＝１．２×（１５３０×１０³×１００）／（３．５×１０⁶×２０） ≒２．６（ｍｍ）となる。即ち、胸部内臓器観察において、方位分解能と
して少なくとも２．６ｍｍを得ることができる。

【００１３】図３は、本発明の第１の実施形態に係る探
触子を含む超音波診断装置の構成を示すブロック図であ
る。図３に示すように、この超音波診断装置は、システ
ム全体を制御するシステム制御部２０と、システム制御
部２０の制御の下で超音波の送受信条件を制御する送信
遅延制御回路２１、送信パワー制御回路２２、送信周波
数制御回路２３、受信感度制御回路２４、受信遅延制御
回路２５とを含んでいる。

【００１４】信号発生器２６は、送信のために用いる信
号を発生する。送信駆動回路２７は、この信号を増幅及
び遅延することにより駆動信号を出力する。探触子１
は、これらの駆動信号に基づいて超音波を被検体に送信
し、被検体から反射された超音波を受信して受信信号を
出力する。これらの受信信号は、複数のアンプ３０によ
り増幅される。

【００１５】送信遅延制御回路２１は、複数の送信駆動
回路２７から出力される駆動信号の遅延時間を制御す
る。これにより、探触子１に含まれる複数の送信素子
は、駆動信号の時間差に対応した位相差を持つ超音波
を、被検体に向けてそれぞれ送信する。このような複数
の超音波の波面合成により、超音波ビームが形成され
る。また、送信パワー制御回路２２が複数の送信駆動回
路２７から出力される駆動信号の振幅を制御することに
より、超音波の送信パワーが制御される。

【００１６】受信感度制御回路２４が複数のアンプ３０
のゲインを制御することにより、受信感度が制御され
る。また、受信遅延制御回路２５は、受信遅延回路３１
における受信信号の遅延時間を制御する。受信遅延回路
３１の出力信号は、ログ（ｌｏｇ）変換回路３２におい
て対数変換され、検波回路３３において検波された後、
Ａ／Ｄ変換回路３４において順次Ａ／Ｄ変換される。こ
の過程を繰り返し、複数回データを取得することで、複
数枚の２次元フレームデータ（面データ）が取得でき
る。Ａ／Ｄ変換回路３４には１次記憶部３５が接続され
ており、取得された複数枚の面データが１次記憶部３５
に記憶される。それらのデータに基づいて、画像処理部
３６が、２次元画像データ又は３次元画像データを再構
成する。再構成されたデータは、補間、レスポンス変調
処理、階調処理等の処理を受け、画像表示部３７にて表
示される。さらに、画像処理部３６において処理された
データは、２次記憶部３８に記憶される。

【００１７】本実施形態によれば、超音波診断におい
て、開口の大きい探触子を用いながら、肋骨を避けて超
音波を送受信することができるので、心臓等の胸部内臓
器観察において、分解能の高い画質の良好な超音波画像
を得ることができる。本実施形態においては、探触子に
含まれる送受信面の数は２つとしたが、２つ以上の複数
でも良い。例えば、図４に示すように、送受信面を３つ
とすると、探触子の外形輪郭が大きくなり、送受信面の
開口をさらに大きくすることができるので、探触子の分
解能をさらに上げることができる。

【００１８】次に、本発明の第２の実施形態に係る探触
子について説明する。図５は、本実施形態に係る探触子
の概観を示す斜視図である。図５において、探触子５０
は、第１の探触子５１ａと、第２の探触子５１ｂと、連
結部５２とを含んでいる。連結部５２は、第１の探触子
５１ａと第２の探触子５１ｂとを連結しており、例えば
ボルト、ナット、スプリング等により構成される。第１
の探触子５１ａと第２の探触子５１ｂとの相対的な位置
は移動可能であり、連結部５２を操作することにより位
置を調節することができる。第１及び第２の探触子５１
ａ、５１ｂは、ジャイロスコープや発振器等により構成
される第１の位置測定部５３ａ及び第２の位置測定部５
３ｂをそれぞれ含んでいる。また、第１及び第２の探触
子５１ａ、５１ｂは、第１のケーブル５４ａ及び第２の
ケーブル５４ｂを介してそれぞれ超音波診断装置本体に
接続されている。

【００１９】図６は、探触子５０を送受信方向から示し
た平面図である。図６には、第１及び第２の探触子５１
ａ、５１ｂのそれぞれの送受信面に含まれる複数の送信
素子５５ａ、５５ｂ、・・・と複数のセンサ５６ａ、５
６ｂ、・・・とを２次元に配置した例が示されている。
第1の探触子５１ａと第２の探触子５１ｂとの間隔は、
肋骨の間に差し入れるため、共に１３ｍｍ以内とするこ
とが望ましい。また、第1の探触子５１ａと第２の探触
子５１ｂとを含む探触子５０の外形輪郭の幅は、探触子
の開口を大きくして分解能を上げるという観点から、２
０ｍｍ以上とすることが望ましい。さらに、例えば体格
の小さい子どもの胸部に対応する必要もあるので、第１
の探触子５１ａと第２の探触子５１ｂとの間隔は、５ｍ
ｍ〜２０ｍｍの範囲で移動可能とすることが望ましい。

【００２０】例えば、第１及び第２の探触子５１ａ、５
１ｂの幅をそれぞれ１０ｍｍとし、２つの探触子の間隔
を２０ｍｍとすると、探触子５０の外形輪郭の幅は４０
ｍｍとなる。このとき、焦点距離１０ｃｍにおける方位
分解能Ｒは、超音波の音速ｃを１５３０ｍ／ｓ、周波数
ｆを３．５ＭＨｚ、焦点距離Ｆを１０ｃｍ、開口Ｄを４
０ｍｍとすると、式（２）を用いて、Ｒ＝１．２×（１５３０×１０³×１００）／（３．５×１０⁶×４０） ≒１．３（ｍｍ）と表される。この値は、超音波診断において十分といえ
る。

【００２１】次に、本実施形態に係る探触子を含む超音
波診断装置について、図５及び図７を参照しながら説明
する。図７は、本実施形態に係る探触子を含む超音波診
断装置の構成を示すブロック図である。図７において、
この超音波診断装置は、受信器４１と位置情報作成部４
２とを含んでいる。受信器４１は、探触子５０を構成す
る第１及び第２の探触子５１ａ、５１ｂにそれぞれ含ま
れる発振器により送信される探触子の位置及び角度に関
する情報を受信する。位置情報作成部４２は、受信器４
１により受信されたそれぞれの探触子の位置及び角度に
関する情報に基づいて、探触子５０に含まれるそれぞれ
の送信素子及び受信素子の位置を算出する。

【００２２】次に、本実施形態に係る探触子とそれを含
む超音波診断装置の動作について図５及び図７を参照し
ながら説明する。図５において、連結部５２を操作する
ことにより、第１の探触子５１ａと第２の探触子５１ｂ
との間隔や角度が調節される。この間隔や角度は、被検
体の体格や肋骨の太さにより異なるので、探触子５０を
被検体の胸部に当てながら、第１及び第２の探触子５１
ａ、５１ｂがちょうど肋骨の間に入るように調節して固
定する。なお、被検体の体格が小さい等の場合には、複
数の肋骨をまたいで探触子５０を当てても良い。このよ
うに探触子の間隔を調節する間に、第１及び第２の位置
測定部５３ａ、５３ｂにそれぞれ含まれるジャイロスコ
ープにより、第１及び第２の探触子５１ａ、５１ｂと位
置や角度が測定される。

【００２３】第１の探触子５１ａと第２の探触子５１ｂ
との間隔が決定されると、第１及び第２の位置測定部５
３ａ、５３ｂにそれぞれ含まれる発振器により、第１及
び第２の探触子５１ａ、５１ｂの位置や姿勢（角度）に
関する情報が超音波診断装置本体にそれぞれ送信され
る。図７を参照すると、これらの位置や姿勢に関する情
報は、受信器４１により受信される。ここで、それぞれ
の探触子に含まれる送信素子やセンサの探触子１におけ
る位置や向きは、各探触子の送受信面内における位置
と、第１及び第２の探触子５１ａ、５１ｂの位置や角度
とにより決定される。位置情報作成部４２は、受信器４
１が受信した位置や姿勢に関する情報に基づいて、第１
及び第２の探触子５１ａ、５１ｂにそれぞれ含まれる送
信素子やセンサの位置や向きを算出して位置情報を作成
する。作成された位置情報はシステム制御部２０に入力
される。

【００２４】超音波撮像が開始されると、システム制御
部２０は、入力された位置情報に基づいて各部を制御す
る。即ち、システム制御部２０は、送信遅延制御回路２
１、送信パワー制御回路２２、送信周波数制御回路２３
を制御することにより、第１及び第２の探触子５１ａ、
５１ｂから超音波ビームを被検体に送信させる。また、
システム制御部２０は、受信感度制御回路２４、受信遅
延制御回路２５を制御して、受信信号の検出を制御す
る。さらに、システム制御部２０は、画像処理部３６を
制御して、取得された受信信号に基づいて画像データを
作成させる。

【００２５】探触子５０から送信され被検体に反射した
超音波は、各センサにより受信される。各センサにより
出力された受信信号は複数のアンプ３０により増幅さ
れ、受信遅延制御回路２５に制御された受信遅延回路３
１に入力される。受信遅延回路３１の出力信号は、ログ
（ｌｏｇ）変換回路３２において対数変換され、検波回
路３３において検波された後、Ａ／Ｄ変換回路３４にお
いて順次Ａ／Ｄ変換される。この過程を、データ取り込
み開始時間をずらして繰り返し、複数回データを取得す
ることで、複数枚の２次元フレームデータ（面データ）
が取得できる。Ａ／Ｄ変換回路３４には１次記憶部３５
が接続されており、取得された複数枚の面データが１次
記憶部３５に記憶される。それらのデータに基づいて、
画像処理部３６が、２次元画像データ又は３次元画像デ
ータを再構成する。再構成されたデータは、さらに、補
間、レスポンス変調処理、階調処理等の処理を受け、画
像表示部３７にて表示される。さらに、画像処理部３６
において処理されたデータは、２次記憶部３８に記憶さ
れる。

【００２６】本実施形態によれば、探触子全体を構成す
るそれぞれの探触子の位置が変更可能なので、様々な体
格の被検体に対応して超音波撮像を行うことができる。
本実施形態においては、探触子全体を構成する探触子
は、第１及び第２の探触子の２つとして説明したが、２
つ以上の複数の探触子により構成しても良い。

【００２７】２次元センサアレイとしては、例えば、光
検出方式の光ファイバーアレイを用いることができる。
図８は、先端に超音波検出素子を設けた光ファイバーア
レイを用いる超音波診断装置の一部を原理的に表した図
である。図８において、光ファイバーアレイ２０３は、
微細な光ファイバー２０３ａ、２０３ｂ、・・・の断面
を２次元マトリックス状に配列させたものである。ま
た、先端に設けられた超音波検出素子２０４は、例え
ば、各々の光ファイバーの先端にそれぞれ形成されたフ
ァブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）２０４ａ、２０
４ｂ、・・・又はファイバーブラッググレーティングに
より構成される。

【００２８】光源２０１から発生した光は、分光器２０
２を通過し、光ファイバーアレイ２０３に入射する。そ
れぞれの光ファイバーに入射した光は、ＦＰＲの両端に
形成されたハーフミラー（図中右端）及び全反射ミラー
（図中左端）により反射される。この全反射面は、超音
波検出素子２０４に印加される超音波により幾何学的変
位を受けるので、反射光はこれにより変調されて、再び
分光器２０２に入射する。分光器２０２に入射された反
射光は、直接あるいは光ファイバー等を通して、又はレ
ンズ等の結像系２０５を介して、光検出器２０６に結像
する。

【００２９】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、骨部
を避けて超音波撮像する胸部内臓器観察において、方位
分解能を向上させることができる。従って、心臓等の超
音波画像の画質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る探触子を示す斜
視図である。

【図２】図１の探触子を送受信の方向から見た平面図で
ある。

【図３】図１の探触子を含む超音波診断装置を示すブロ
ック図である。

【図４】本発明の第１の実施形態に係る探触子の応用例
を示す斜視図である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る探触子を示す斜
視図である。

【図６】図５の探触子を送受信の方向から見た平面図で
ある。

【図７】図５の探触子を含む超音波診断装置を示すブロ
ック図である。

【図８】光検出方式の２次元センサアレイの例を示す図
である。

【図９】従来の探触子の構造を示す斜視図である。

【符号の説明】

１、５０、６０探触子２ａ、２ｂ超音波送受信面３ケーブル４ａ、４ｄ、・・・、５５ａ、５５ｂ、・・・送信素
子５ａ、５ｂ、・・・、５６ａ、５６ｂ、・・・受信素
子（センサ）２０システム制御部２１送信遅延制御回路２２送信パワー制御回路２３送信周波数制御回路２４受信感度制御回路２５受信遅延制御回路２６信号発生器２７送信駆動回路３１受信遅延回路３２ログ（ｌｏｇ）変換回路３３検波回路３４Ａ／Ｄ変換回路３５１次記憶部３６画像処理部３７画像表示部３８２次記憶部４１受信器４２位置情報作成部５１ａ第１の探触子５１ｂ第２の探触子５２連結部５３ａ第１の位置測定部５３ｂ第２の位置測定部５４ａ第１のケーブル５４ｂ第２のケーブル６１振動子６２バッキング材６３電極６４リード線６５音響整合層６６音響レンズ６７超音波ビーム２０１光源２０２分光器２０３光ファイバーアレイ２０３ａ、２０３ｂ、・・・光ファイバー２０４超音波検出素子２０４ａ、２０４ｂ、・・・ファブリーペロー共振器
（ＦＰＲ）２０５結像系２０６光検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体に向かって複数の超音波トランス
デューサから超音波を送信し、被検体から反射される超
音波を複数の超音波トランスデューサにより受信する超
音波用探触子であって、被検体に接触し、前記超音波トランスデューサが送信又
は受信する超音波を通過させる超音波送受信面を複数有
する超音波用探触子。
【請求項２】それぞれの超音波送受信面を介して超音
波を送信又は受信する複数群の超音波トランスデューサ
が、所定の相対位置関係を有するように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の超音波用探触子。
【請求項３】前記複数の超音波送受信面の相対位置が
変更可能である請求項１記載の超音波用探触子。
【請求項４】前記超音波送受信面を有する部分の各々
が、位置情報を送信する手段を含むことを特徴とする請
求項３記載の超音波用探触子。
【請求項５】前記複数の超音波送受信面を有する前記
超音波用探触子の外形輪郭の１辺の長さが２０ｍｍ以上
であり、胸部内臓器観察に用いられることを特徴とする
請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波用探触子。
【請求項６】前記超音波送受信面を２個有しており、
２個の超音波送受信面の間隔が５ｍｍ以上２０ｍｍ以下
であり、胸部内臓器観察に用いられることを特徴とする
請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波用探触子。