JP2005177205A

JP2005177205A - 超音波探触子及び超音波診断装置

Info

Publication number: JP2005177205A
Application number: JP2003423962A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Kobayashi; 和裕小林
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】振動素子と送受信部との間において良好なマッチング帯域を確保しつつ良好なインピーダンスマッチングを図る。
【解決手段】信号線は第１部分１２と第２部分１４とに区分され、それらの間には途中マッチング回路としてインダクタンス素子Ｌ１が直列挿入される。また、信号線１６の終端側には終端マッチング回路としてインダクタンス素子Ｌには直列挿入される。信号線１６の途中においてもマッチングが図れるため、良好な伝送特性を形成することができる。マッチング回路は体腔内挿入型プローブの場合には操作部内に設けるのが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波探触子及び超音波診断装置に関し、特に信号伝送系におけるインピーダンスマッチング技術に関する。

超音波診断装置は、大別して、超音波探触子（プローブ）と装置本体とで構成される。超音波探触子の種別としては、生体の体表に当接して用いるタイプ、体腔内に挿入して用いるタイプ、などが知られている。前者のタイプでは、超音波探触子はプローブヘッド、
プローブケーブル、コネクタなどによって構成される。プローブヘッド内には一般に複数の振動素子からなるアレイ振動子が設けられる。プローブケーブル内には、複数の振動素子に接続された複数の信号線（一般に同軸ケーブルが利用される）が含まれる。後者のタイプでは、超音波探触子は、体腔内に入られるプローブヘッド、フレキシブルな挿入管、プローブヘッドの向きを操作するための操作部、プローブケーブル、コネクタなどによって構成される。各振動素子から引き出された信号線は、挿入管、操作部及びプローブケーブルを介してコネクタへ導かれている。

近時、アレイ振動子を構成する振動素子数が増大しており、特に２Ｄアレイ振動子においては顕著である。このために、プローブケーブル内の信号線についてはより細いものが使用されている。一般に、信号線が細くなればなるほど、信号線自体が有する容量（キャパシタンス）が大きくなる。また、体腔内挿入型の超音波探触子などにおいては、どうしても、各信号線の全長が長くなる。一般に、信号線の長さが大きくなればなるほど、信号線自体が有する容量が大きくなる。

各信号線は装置本体内の送受信回路に接続されるが、振動素子と送受信回路との間におけるインピーダンスマッチングが重要であるため、マッチング回路が必要となる。インピーダンスマッチングが良好でない場合、送信信号及び受信信号の伝送ロス、周波数特性の悪化などの問題が生じる。そこで、装置本体内あるいはコネクタ内に（つまり、いずれも信号線の終端側に）マッチング回路を設けることが提案されている（例えば特許文献１参照）。非特許文献１にはプローブヘッド内にインダクタンス素子を設けた構成が示されている。なお、本発明の関連する未公開の先願発明が特願２００２−２６５０５０号で既に出願されている。

特開平６−２２５８８１号公報 "ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＰｕｌｓｅＤｒｉｖｅＳｈａｐｅａｎｄＴｕｎｉｎｇｏｎｔｈｅＢｒｏａｄｂａｎｄＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆａＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ"（１９９７ＩＥＥＥＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳＳＹＭＰＯＳＩＵＭ１６３７頁〜１６４２頁）

しかし、上記のように信号線が長い場合や信号線が細いような場合、信号線全体の容量が増大し、その信号線の終端側あるいはプローブヘッド側にマッチング回路を設けるだけでは、十分な特性を図れない。すなわち、マッチングの効果（利得）を優先的に良好にすると、マッチングの帯域が狭くなり、その一方、マッチングの帯域を優先的に良好にすると、マッチングの効果が不十分となる。そこで、マッチングの帯域をある程度確保しつつ良好なマッチングを形成することが要望される。

本発明の目的は、送信信号や受信信号の伝送に当たって良好な信号伝送を実現する。

本発明の他の目的は、マッチングの帯域を確保しつつ良好なインピーダンスマッチングを図れるようにすることにある。

（１）本発明は、超音波を送受波する超音波振動子と、前記超音波振動子に対して一端が接続された信号線と、前記信号線の他端に設けられ、超音波診断装置の本体に接続されるコネクタと、前記信号線の途中に設けられたマッチング回路と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、超音波振動子（アレイ振動子を構成する各振動素子であってもよい）と装置本体との間に設けられた信号線（通常、同軸信号線で構成される）の途中に、マッチング回路が設けられ、そのマッチング回路によって、インピーダンスマッチングが図られる。信号線の終端でマッチングを図ると、上記のように、十分なマッチング帯域を確保できない場合が生じるが、それに加えてあるいは単独で信号線の途中でマッチングを図れば、そのような問題を解消又は軽減できる。よって、本発明によれば、信号線が長い場合あるいは細い場合においても、良好な信号伝送を行える。よって、例えば数百あるいは数千の振動素子を有する２Ｄアレイ振動子を用いる場合に好適な回路構成を提供できる。もちろん、本発明は単振動子（１つの振動素子）が用いられる場合においても適用できる。

マッチング回路は、プローブケーブルの途中に設けられた中継ユニット内に配置することもできるし、マッチング回路を小型化してプローブケーブル内に埋設するようにしてもよい。上記中継ユニットは、箱形、筒状などの形態で構成することもできるし、体腔内挿入用のプローブであればそれが有する操作部として構成することもできる。その場合には、操作部が中継ユニットとしての機能を併有することになる。中継ユニット内には、複数の信号線に対応した複数のマッチング回路が形成された１又は複数の回路基板を配置してもよく、その場合に、基板面スペースを効率利用するため、複数のマッチング回路を分散的にあるいは互い違いの配列で形成することもできる。

望ましくは、前記マッチング回路は、前記信号線の途中に直列挿入されたインダクタンス素子を含む。すなわち、信号線は複数の部分（区間）に区分され、それらの部分間にインダクタンス素子が直列挿入される。インダクタンス素子に繋がる一方側あるいは両側の信号線部分の容量成分（キャパシタンス成分）と相俟って、インピーダンスマッチングが達成される。更に、信号線のプローブヘッド側端部及び装置本体側端部の一方又は双方に更にマッチング回路を設けるのが望ましい。また、信号線の途中一カ所のみならず複数箇所にインダクタンス素子を直列挿入するようにしてもよい。インダクタンス素子としては固定型あるいは可変型の素子を用いることができる。後者の場合にはコントロール信号によってインダクタンスの値を制御してもよい。

望ましくは、前記マッチング回路は、更に、前記信号線の途中に並列配置されたキャパシタンス素子を含む。帯域確保の観点から、信号線が有する容量成分が不足するような場合あるいはマッチング回路構成上の都合から、信号線の途中にキャパシタンス素子を設けてもよい。もちろん、それ以外の素子を加えてマッチング回路を構成することができる。

望ましくは、前記超音波振動子は、複数の振動素子からなるアレイ振動子であり、前記複数の振動素子に対して複数の信号線が接続され、前記各信号線に対して個別的に前記マッチング回路が設けられる。

（２）また本発明は、体腔内に挿入され、超音波を送受波する超音波振動子を有する探触子ヘッドと、前記探触子ヘッドから引き出されたフレキシブルな挿入管と、前記挿入管の基端に設けられた操作部と、前記操作部から引き出された探触子ケーブルと、前記探触子ケーブルの本体側端部に設けられたコネクタと、前記超音波振動子から前記挿入管、前記操作部及び前記探触子ケーブルを介して前記コネクタに接続された信号線と、前記操作部内に配置され、前記信号線の途中に挿入されたマッチング回路と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、信号線の途中に挿入されたマッチング回路によって帯域をある程度確保しながら良好なインピーダンスマッチングを図ることができ、電力伝達ロスを少なくして、伝送特性を高めることができる。また、操作部を利用してマッチング回路が配置されるので、信号線を内装するプローブケーブルに対して、マッチング回路のための特別な加工が不要となる。操作部に十分なデットスペースが存在していればその空間を利用してマッチング回路を配置でき、そのような空間が存在していなければ操作部の軸方向あるいは太さを増大させて回路配置スペースを確保する。

（３）また本発明は、超音波を送受波する超音波振動子と、前記超音波振動子に対して一端側が接続された信号線と、前記信号線の他端側に接続される送受信回路と、前記信号線の他端と前記送受信回路との間に設けられた終端マッチング回路と、前記信号線の途中に挿入された途中マッチング回路と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、信号線の装置本体側端部におけるマッチング及び信号線の途中におけるマッチングを併用して信号線全体として良好な信号伝送を行える。なお、終端マッチング回路はプローブコネクタ内に設けることもできるし、装置本体内に設けることもできる。更に、プローブヘッド内にマッチング回路を設けることも可能である。上記構成は、体腔内挿入型の超音波探触子及び体表当接型の超音波探触子のいずれにも適用でき、また単振動子、１Ｄアレイ振動子、２Ｄアレイ振動子などの各種タイプの超音波振動子に適用できる。

本発明者の実験（シミュレーション）によれば、後述するように、従来構成に比べて、マッチングの帯域を維持又は向上させつつ、非常に良好な利得を得られることが実証されている。なお、マッチング回路に設けられるインダクタンス素子が有するインダクタの値は、送信時の送信信号及び受信時の受信信号の両方を考慮して設定するのが望ましく、詳しくは、送信面からの理想的な値と受信面からの理想的な値の中間値として設定するのがよい。但し、送信専用の振動素子又は受信専用の振動素子については理想的な値そのままを設定することができる。マッチングの帯域に関しては、超音波の送受波に当たって必要な帯域に合わせるのが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、送信信号や受信信号の伝送に当たって良好な信号伝送を実現できる。また本発明によれば、マッチングの帯域を確保しつつ良好なインピーダンスマッチングを図れる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本実施形態の原理が概念図として示されている。振動素子１０は超音波の送受波を行う素子である。振動素子１０と送受信部１８との間には信号線１６が設けられている。この信号線１６を介して送受信部１８から振動素子１０へ送信信号が供給され、その一方、振動素子１０からの受信信号は信号線１６を介して送受信部１８へ送られる。なお、振動素子１０はアレイ振動子を構成する１つの素子であってもよいし、いわゆる単振動子であってもよい。送受信部１８は装置本体４２内に設けられるものである。

信号線１６の装置本体４２側の端部すなわち終端側には終端マッチング回路としてのインダクタンス素子Ｌ２が設けられている。また、本実施形態においては、信号線１６が２つの区間すなわち第１部分１２及び第２部分１４に分けられており、それらの間には途中マッチング回路としてのインダクタンス素子Ｌ１が直列挿入されている。信号線１６は同軸信号線によって構成されており、通常のプローブにおいては、プローブケーブル内に複数の信号線１６が挿入される。図１においてはそのうちの１本の信号線１６が示されている。

図１に示されるように、信号線１６の途中にインダクタンス素子Ｌ１を直列挿入することにより、信号線１６の全体として一定のマッチング帯域を確保しつつ良好なインピーダンスマッチングを図ることが可能となる。すなわち良好な信号伝送路を形成することが可能となる。

途中マッチング回路としてのインダクタンス素子Ｌ１は、プローブケーブルの途中に設けられた中継ユニット内に配置されてもよく、あるいは、信号線１６の内部に埋設されてもよい。インダクタンス素子Ｌ１及びＬ２のそれぞれのインダクタンスの値については後に計算式を用いて説明することにする。なお、信号線１６の１カ所のみならず複数箇所にインダクタンス素子を含むマッチング回路を挿入するようにしてもよい。

図２には、比較例が示されている。この比較例においては信号線２０の終端側にのみマッチング回路が設けられ、そのマッチング回路は直列接続された２つのインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２とそれらの中間に接続されたコンデンサ（容量素子）Ｃ１とで構成される。このようなマッチング回路を用いてもインピーダンス整合を図ることは可能であるが、上述したように充分な帯域を確保しつつインピーダンス整合を図ることは一般に困難である。これに対し、図１に示される構成を用いれば、信号線の途中においてもマッチングを図ることができるため、後に特性の対比をもって示すように、比較例との対比において良好な特性を得ることが可能となる。

図３に示す構成例では、図１に示した構成に加えてコンデンサＣ１が付加されている。すなわち、終端マッチング回路の構成としては各種のものを用いることが可能である。

図４に示す構成例では、途中マッチング回路にインダクタンス素子Ｌ１に加えてコンデンサＣ２が付加されている。すなわち、この図４に示されるように、途中マッチング回路については、マッチングを実現できる限りにおいて各種の構成を採用し得る。図４に示す構成によれば、例えば各部分１２，１４の容量が大きくないような場合においてもコンデンサＣ１，Ｃ２を付加して良好なインピーダンス整合を図ることができる。

図５には、より一般的な構成が示されている。アレイ振動子２２は複数の振動素子１０によって構成され、そのアレイ振動子２２は図示されていないプローブヘッド内に設けられる。そのプローブヘッドからプローブケーブル２４が引き出されており、そのプローブケーブル２４内には複数の信号線が挿入されている。プローブケーブル２４の終端側にはコネクタボックス２６が設けられており、その内部には各信号線ごとに終端マッチング回路が設けられている。

プローブケーブル２４内において、各信号線は図５に示す例において２分割されており、すなわち第１部分１２及び第２部分１４に分かれている。それらの間には図１に示した構成と同様に途中マッチング回路としてインダクタンス素子Ｌ１が直列挿入されている。一方、終端マッチング回路にもインダクタンス素子Ｌ２が直列挿入されている。

したがって、図５に示す回路構成によれば、アレイ振動子２２を構成する各振動素子１０ごとにそれに接続されている信号ラインについて良好なインピーダンス整合を図ることができる。ちなみに、途中マッチング回路１００及び終端マッチング回路１０２の構成は図５に示したものには限られず各種のものを採用し得る。

図６には、上記原理を体腔内挿入型のプローブに適応した場合の実施形態が示されている。プローブ３０は、挿入管３２、操作部３４、ケーブル３６及びコネクタボックス３７によって構成されている。挿入管３２の先端部３２Ａにはアレイ振動子２２が設けられている。アレイ振動子２２は複数の振動素子で構成されるものであり、このアレイ振動子２２によって超音波ビームが形成され、その超音波ビームは電子的に走査される。その電子走査方式としてはリニア走査、セクタ走査、ラジアル走査などが公知である。挿入管３２はフレキシブルなチューブ部材によって構成され、その挿入管３２は生体４０内に挿入される。例えば口から食道へ先端部３２Ａが導かれ、その食道において超音波の送受波がなされる。

操作部３４は先端部３２Ａの屈曲方向を操作するための摘み４４を有し、本実施形態においては更に基板群４３が設けられている。各基板４５は複数のマッチング回路を備えており、具体的には各信号線ごとに設けられたインダクタンス素子Ｌ１を有している。インダクタンス素子Ｌ１は例えばチップインダクタなどのチップ素子によって構成され、基板４５上において所定のレイアウトをもって複数のチップ素子が配置される。この場合においては、基板４５の基板面スペースを有効活用するため複数のチップ素子を互い違いに配列するあるいは分散的に配列するなどの構成を採用するのが望ましい。各基板４５は例えば３×５ｃｍのサイズを有し、１つの基板４５当たり例えば５０チャンネルのマッチング回路が設けられる。チップインダクタンスは例えば２×２×１ｍｍのサイズをもった素子として構成される。１つの基板４５当たり５０チャンネルのマッチング回路が設けられ、その基板４５が１０枚積層されるのであれば、全体として５００チャンネルの回路を構成することができる。すなわち、上記のアレイ振動子２２は１Ｄアレイ振動子また２Ｄアレイ振動子である。

次に、図８及び図９を用いて途中マッチング回路として設けられるインダクタ素子の値について考察する。

図７には、図１の回路構成について、受信時における等価回路が示されている。ここで（ａ）は等価回路の全体を示しており、（ｂ）は（ａ）に示すＡ点を右側から見たインピーダンスＺＡを示している。

ここで、上記の図１に示した構成において、第１部分１２の単位長さ当たりの容量をＣ_c1とし、その長さをｌ₁とする。また、図１に示した第２部分１４の単位長さ当たりの容量をＣ_c2とし、その長さをｌ₂とする。図７に示されるｅｔｒは振動子において発生する受信信号の電圧を表しており、Ｚｔｒは振動素子のインピーダンスを示している。Ｙ₁は第１部分の等価インピーダンスを示しており、Ｙ₂は第２部分の等価インピーダンスを示している。またＬ₁及びＬ₂は、それぞれ途中インダクタンス素子及び終端インダクタンス素子のインダクタンス値を示している。更にＲ_rは受信回路の受信インピーダンスを示している。なお、ωは超音波の周波数に対応する角速度である。

以上の定義に従うと、第１部分の等価インピーダンスＹ₁及び第２部分の等価インピーダンスＹ₂はそれぞれ以下の（１）式及び（２）式によって表される。

（ａ）に示すＢ点から右側を見たインピーダンスＺ_Bは次の（３）式によって表される。

一方、（ａ）に示すＡ点から右側を見たインピーダンスＺ_Aは次の（４）式によって表される。

ここで、次のように振動子のインピーダンスＺ_tr及びインピーダンスＺ_Aを定義すると、

次のように、Ｒ_rに対して最大の電力が伝わる条件は次のように表される。

すなわち、上記のような（７）式及び（８）式の条件が満たされるようにＬ₁及びＬ₂を適宜定めれば受信時における良好なインピーダンスマッチングを図ることができる。

図８には、図１の構成に関し、送信時における等価回路が示されている。（ａ）はその等価回路の全体を表しており、（ｄ）は（ａ）に示すＤ点から左側を見たインピーダンスＺ_dを表している。なお、Ｒｔは送信回路の内部インピーダンスを示しており、ｅｔは送信電圧を示している。

以上のような条件の下で、（ａ）に示すＣ点から左側を見たインピーダンスＺ_Cは次の（９）によって表される。

一方、（ａ）におけるＤ点から左側を見たインピーダンスＺ_dは次の（１０）式によって表される。

ここで、以下の（１１）式のようにおくと、

Ｚｔｒに対して、最大の電力が伝わる条件は次のように表される。

すなわち、送信時においては上記（１２）式及び（１３）式で表される条件を満たすように各インダクタンス素子の値を適宜設定すればよい。

そこで超音波振動子が送受兼用の素子である場合には、受信時における理想的な値と送信時における理想的な値の中間の値を設定することにより送受総合の面で良好なインピーダンスマッチングを図ることが可能となる。

図９には、図２に示した比較例と図３に示した構成の特性が比較して表されている。ここで、図２に示したＬ１は４μＨであり、Ｃ１は７００ｐＦであり、Ｌ２は１．５μＨである。その一方、図３に示した実施形態の構成においては、Ｌ１が１０μＨであり、Ｃ１が２００ｐＦであり、Ｌ２が２．２μＨである。比較例において信号線としては１１０ｐＦ／ｍの特性をもったものが３ｍ用いられている。その一方、実施形態においても同様の特性をもった信号線が用いられており、第１部分の長さは１ｍであり、その容量は１１０ｐＦである。第２部分の長さは２ｍであり、その部分の容量は２２０ｐＦである。図９に示されるように、比較例との対比において実施形態によれば、マッチングの帯域を維持あるいは向上することが可能であり、更に広い周波数範囲にわたって非常に良好な利得向上（例えば１０ｄＢ向上）の効果を得られている。

以上説明したように、本実施形態によれば、信号線の途中にマッチング回路を挿入したことにより、良好な伝送特性を得ることが可能であり、これによって受信信号に基づいて形成される超音波画像の画質を向上できるという利点がある。また、図６に示した構成例によれば、操作部内に各信号線ごとのマッチング回路を挿入してベッドスペースを有効活用でき、あるいは操作部３４をやや肥大化させるとしてもケーブルの途中に中継ユニットなどが別途設けられないので、プローブの操作性を良好にできるという利点がある。

実施形態の原理を説明するための回路図である。比較例の構成を示す回路図である。終端マッチング回路にコンデンサを付加した構成を示す回路図である。途中マッチング回路にコンデンサを付加した構成を示す回路図である。複数の信号線に対して複数のマッチング回路を設けた構成を示す回路図である。体腔内挿入型のプローブを示す説明図である。受信時における等価回路を示す図である。送信時における等価回路を示す図である。比較例との対比において実施形態の効果を説明するための特性図である。

符号の説明

１０振動素子、１２第１部分、１４第２部分、１６信号線、１８送受信部、１００途中マッチング回路、１０２終端マッチング回路、Ｌ１，Ｌ２インダクタンス素子。

Claims

超音波を送受波する超音波振動子と、
前記超音波振動子に対して一端が接続された信号線と、
前記信号線の他端に設けられ、超音波診断装置の本体に接続されるコネクタと、
前記信号線の途中に設けられたマッチング回路と、
を含むことを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記マッチング回路は、前記信号線の途中に直列挿入されたインダクタンス素子を含むことを特徴とする超音波探触子。
請求項２記載の超音波探触子において、
前記マッチング回路は、更に、前記信号線の途中に並列配置されたキャパシタンス素子を含むことを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記超音波振動子は、複数の振動素子からなるアレイ振動子であり、
前記複数の振動素子に対して複数の信号線が接続され、
前記各信号線に対して個別的に前記マッチング回路が設けられたことを特徴とする超音波探触子。
体腔内に挿入され、超音波を送受波する超音波振動子を有する探触子ヘッドと、
前記探触子ヘッドから引き出されたフレキシブルな挿入管と、
前記挿入管の基端に設けられた操作部と、
前記操作部から引き出された探触子ケーブルと、
前記探触子ケーブルの本体側端部に設けられたコネクタと、
前記超音波振動子から前記挿入管、前記操作部及び前記探触子ケーブルを介して前記コネクタに接続された信号線と、
前記操作部内に配置され、前記信号線の途中に挿入されたマッチング回路と、
を含むことを特徴とする体腔内挿入型の超音波探触子。
超音波を送受波する超音波振動子と、
前記超音波振動子に対して一端側が接続された信号線と、
前記信号線の他端側に接続される送受信回路と、
前記信号線の他端と前記送受信回路との間に設けられた終端マッチング回路と、
前記信号線の途中に挿入された途中マッチング回路と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。