JP2006255014A

JP2006255014A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2006255014A
Application number: JP2005073775A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Sato; 智夫佐藤
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】簡単且つ安価な構成で、一個の超音波トランスデューサから周波数帯域幅および中心周波数の異なる複数種類の超音波を発生させることができる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】超音波診断装置２は、超音波トランスデューサ１４を励振させるための駆動パルスを発する単極型のパルサ１６と、超音波トランスデューサ１４とパルサ１６との間に接続され、ある特定の周波数帯域幅の出力のみを通過させる三個のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃）１７〜１９と、これらＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９を選択的に切り替える切り替えスイッチ２０とが設けられた超音波観測器１１を備える。切り替えスイッチ２０によりＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９を選択的に切り替えることで、一個の超音波トランスデューサ１４から周波数帯域幅および中心周波数の異なる三種類の超音波が発せられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波トランスデューサが先端に配設された超音波プローブと、生体からのエコー信号に基づいた超音波画像を表示する超音波観測器とから構成される超音波診断装置に関する。

近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから生体の所要部に超音波を照射し、超音波プローブとコネクタを介して接続された超音波観測器で、生体からのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。

また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能で、超音波を送受信する超音波トランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式の超音波プローブや、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブも知られている。

上記のようにして得られた超音波断層画像を利用して医療診断を行う場合、生体には固体差（例えば、脂肪量の差）や組織によって超音波の伝播特性が違うため、その深さ方向に応じた周波数の超音波を照射しなければ、的確な診断に供する超音波断層画像を得ることができない。

このため、従来は、周波数帯域幅および中心周波数の異なる超音波トランスデューサを搭載した複数の超音波内視鏡または鉗子チャンネルから挿入される細径の超音波プローブを準備し、これらを観察部位に応じて使い分けていた。しかし、最近になって、複合型圧電素子を使用した広帯域幅の周波数特性をもつ超音波トランスデューサが現れてからは、超音波トランスデューサに与える駆動パルスの幅や波数を変更することで、一個の超音波トランスデューサで周波数帯域幅および中心周波数の異なる複数種類の超音波を発生させることができるようになった（特許文献１〜６参照）。
特開平５−５６９８０号公報特開２０００−５１６９号公報特開２００１−１３７７７９号公報特開２００１−３４０３３３号公報特開２００１−３４６７９８号公報特開２００２−３１５７４９号公報

しかしながら、特許文献１〜６に記載の技術では、いずれも駆動パルスを発生させる手段として２個のパルサまたはバイポーラパルサを用いているため、部品コストが嵩むうえに回路構成が複雑であるという問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、簡単且つ安価な構成で、一個の超音波トランスデューサから周波数帯域幅および中心周波数の異なる複数種類の超音波を発生させることができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、生体の所要部に超音波を照射し、生体からのエコー信号を受信する超音波トランスデューサが先端に配設された超音波プローブと、前記エコー信号に基づいた超音波画像を表示する超音波観測器とから構成される超音波診断装置において、前記超音波観測器は、前記超音波トランスデューサを励振させるための駆動パルスを発する単極型のパルス発生手段と、前記超音波の周波数帯域幅およびピーク周波数を多段に変更する周波数特性変更手段とを備えたことを特徴とする。

なお、前記周波数特性変更手段は、前記超音波トランスデューサと前記パルス発生手段との間に接続され、ある特定の周波数帯域幅の出力のみを通過させる複数のバンドパスフィルタと、これらのバンドパスフィルタを選択的に切り替える切り替えスイッチとからなることが好ましい。

あるいは、前記周波数特性変更手段は、前記超音波トランスデューサと前記パルス発生手段との間に接続され、ある特定の周波数帯域以上の出力のみを通過させる複数のハイパスフィルタと、これらのハイパスフィルタを選択的に切り替える切り替えスイッチと、前記駆動パルスのパルス幅を制御するパルス幅制御回路とからなることが好ましい。

若しくは、前記超音波トランスデューサとして、そのピーク周波数が半値幅の中間の周波数よりも大きい周波数特性を有するものを用い、前記周波数特性変更手段は、前記駆動パルスのパルス幅を制御するパルス幅制御回路であることが好ましい。

前記超音波トランスデューサは、アレイ状に配列されていることが好ましい。また、前記超音波プローブの先端には、生体内の観察部位の像光を取り込むための対物光学系と、前記像光を撮像して撮像信号を出力する撮像素子とを有する撮像装置が配設されていることが好ましい。

本発明の超音波診断装置によれば、超音波トランスデューサを励振させるための駆動パルスを発する単極型のパルス発生手段と、超音波の周波数帯域幅およびピーク周波数を多段に変更する周波数特性変更手段とを超音波観測器に設けたので、簡単且つ安価な構成で、一個の超音波トランスデューサから周波数帯域幅および中心周波数の異なる複数種類の超音波を発生させることができる。これにより、観察部位に適応した超音波断層画像が得られ、的確な超音波診断に供することができる。

本発明の第１の実施形態を示す図１において、超音波診断装置２は、超音波内視鏡１０と、この超音波内視鏡１０が接続された超音波観測器１１とからなる。超音波内視鏡１０の先端には、超音波トランスデューサアレイ１２および撮像装置１３が配設されている。超音波トランスデューサアレイ１２には、例えば、蒲鉾状に形成された支持体上に、１次元アレイ状に複数の超音波トランスデューサ１４が配列されてなる、いわゆるコンベックス電子走査方式が採用されている。また、超音波トランスデューサ１４には、広帯域幅の周波数特性Ｔ（図２参照）を持つものが用いられている。

撮像装置１３は、生体内の観察部位の像光を取り込むための対物光学系（撮像レンズ、プリズムなど）と、像光を撮像して撮像信号を出力するＣＣＤとを有し、コネクタやケーブルを介して内視鏡用プロセッサ（図示せず）に接続されている。この撮像装置１３で取得した生体内の光学画像は、内視鏡用プロセッサのモニタを介して観察することができるようになっている。なお、図示はしていないが、超音波内視鏡１０の先端には、生体内の所要部を採取するための穿刺針が挿通される穿刺針用チャンネルが設けられている。

超音波観測器１１には、超音波トランスデューサアレイ１２を構成する超音波トランスデューサ１４の各々に接続された送受信部１５が設けられている。送受信部１５は、単極型（モノポーラ）のパルサ１６と、低、中、高、三段の周波数帯域幅の出力のみを通過させる三個のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃）１７〜１９と、これらＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９を選択的に切り替える切り替えスイッチ２０と、超音波トランスデューサ１４を介して生体からのエコー信号を受信するレシーバ２１とからなる。なお、ＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９および切り替えスイッチ２０は、周波数特性変更手段を構成している。また、切り替えスイッチ２０は、外部からオペレータが操作可能なようになっている。

超音波トランスデューサ１４、パルサ１６、およびＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９の周波数特性Ｔ、Ｐ、およびＦ_B1〜Ｆ_B3の関係は、図２に示すようになる。すなわち、超音波トランスデューサ１４の広帯域幅の周波数特性Ｔに対して、パルサ１６で発せられる駆動パルスの周波数特性Ｐが、高周波側が欠けるように重なり合っており、低、中、高周波数帯域幅の出力のみを通過させるＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９の周波数特性Ｆ_B1〜Ｆ_B3がさらに重なっている。

図２に示す各々の周波数特性の関係から、最終的に超音波トランスデューサ１４から照射される超音波の周波数特性Ｕ₁〜Ｕ₃は、図３に示すように、超音波トランスデューサ１４の周波数特性Ｔと駆動パルスの周波数特性Ｐとが重なり合った部分と、ＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９の周波数特性Ｆ_B1〜Ｆ_B3によって通過を許容された部分とを合成したものとなる。つまり、切り替えスイッチ２０によりＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９を選択的に切り替えることで、一個の超音波トランスデューサ１４から周波数帯域幅および中心周波数の異なる三種類の超音波が発せられることとなる。

図１に戻って、パルサ１６には、タイミングコントローラ２２が接続されている。タイミングコントローラ２２は、ＣＰＵ２３の制御の下に、駆動パルスを発生させるための励振信号をパルサ１６に出力する。パルサ１６は、この励振信号に基づいて、超音波トランスデューサ１４に駆動パルスを発する。

一方、超音波トランスデューサ１４を介してレシーバ２１に受信されたエコー信号は、メモリ２４に一旦格納された後、各超音波トランスデューサ１４に対して一個宛設けられた位相整合演算部２５に入力される。位相整合演算部２５は、ＣＰＵ２３の制御の下に、各超音波トランスデューサ１４からのエコー信号に時間差に応じた遅延を与えた後、各超音波トランスデューサ１４からのエコー信号を加算する。

位相整合演算部２５から出力された信号は、表示画像演算部２６に入力される。表示画像演算部２６は、位相整合演算部２５からの信号に各種画像処理を施した後、テレビ信号の走査方式（ＮＴＳＣ方式）に変換する。モニタ２７は、表示画像演算部２６によりＮＴＳＣ方式に変換された信号をアナログ信号に変換し、これを超音波断層画像として表示する。

生体内の超音波画像を取得する際には、超音波内視鏡１０が生体内に挿入され、撮像装置１３で得られる光学画像が内視鏡用プロセッサのモニタで観測されながら、生体内の所要部が探索される。

そして、生体内の所要部に超音波内視鏡１０の先端が到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、ＣＰＵ２３の制御の下に、タイミングコントローラ２２からの励振信号によりパルサ１６から駆動パルスが発せられ、ＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９のうち、切り替えスイッチ２０により選択されたＢＰＦを介して、駆動パルスが各超音波トランスデューサ１４に送信される。各超音波トランスデューサ１４は、この駆動パルスにより励振され、これにより、超音波トランスデューサアレイ１２から生体内の所要部に向けて、所望の周波数帯域幅および中心周波数を有する超音波が発せられる。

上記のように生体に超音波が照射されるとともに、生体からのエコー信号が超音波トランスデューサアレイ１２で受信される。生体からのエコー信号は、レシーバ２１に入力され、メモリ２４に一旦格納される。メモリ２４に格納されたエコー信号は、ＣＰＵ２３の制御の下に、位相整合演算部２５で時間差に応じた遅延がかけられて加算される。

位相整合演算部２５から出力されたエコー信号は、表示画像演算部２６によりＮＴＳＣ方式に変換され、アナログ信号に変換されてモニタ２７に超音波断層画像として表示される。また、光学画像または超音波画像が観測されながら、必要に応じて穿刺針が操作され、生体内の所要部が採取される。

以上説明したように、超音波診断装置２は、超音波トランスデューサ１４を励振させるための駆動パルスを発する単極型のパルサ１６と、超音波トランスデューサ１４とパルサ１６との間に接続され、ある特定の周波数帯域幅の出力のみを通過させる三個のＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９と、これらＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃１７〜１９を選択的に切り替える切り替えスイッチ２０とが設けられた超音波観測器１１を備えたので、簡単且つ安価な構成で、一個の超音波トランスデューサから周波数帯域幅および中心周波数の異なる超音波を発生させることができる。

本発明の第２の実施形態を示す図４において、超音波診断装置３０の超音波観測器３１は、周波数特性変更手段として、低、中、高、三段の周波数帯域以上の出力のみを通過させる三個のハイパスフィルタ（ＨＰＦ₁〜ＨＰＦ₃）３２〜３４と、これらＨＰＦ₁〜ＨＰＦ₃３２〜３４を選択的に切り替える切り替えスイッチ３５と、駆動パルスのパルス幅を制御するパルス幅制御回路３６とが設けられた送受信部３７を備えている。

超音波トランスデューサ１４、パルサ１６、およびＨＰＦ₁〜ＨＰＦ₃３２〜３４の周波数特性Ｔ、Ｐ₁〜Ｐ₃、およびＦ_H1〜Ｆ_H3の関係は、図５に示すようになる。すなわち、超音波トランスデューサ１４の広帯域幅の周波数特性Ｔに対して、パルサ１６で発生され、パルス幅制御回路３６によりパルス幅が変更された三種の駆動パルスの周波数特性Ｐ₁〜Ｐ₃が、高周波側が欠けるように重なり合っており、低、中、高、三段の周波数帯域以上の出力のみを通過させるＨＰＦ₁〜ＨＰＦ₃３２〜３４の周波数特性Ｆ_H1〜Ｆ_H3がさらに重なっている。

図５に示す各々の周波数特性の関係から、最終的に超音波トランスデューサ１４から照射される超音波の周波数特性Ｕ₁〜Ｕ₃は、Ｔ、Ｐ₁〜Ｐ₃、Ｆ_H1〜Ｆ_H3の重なった部分がそれぞれＵ₁〜Ｕ₃となって、第１の実施形態と同様に、図３に示すようになる。つまり、この場合も第１の実施形態と同様に、切り替えスイッチ３５によりＨＰＦ₁〜ＨＰＦ₃３２〜３４を選択的に切り替えることで、一個の超音波トランスデューサ１４から周波数帯域幅および中心周波数の異なる三種の超音波を発生させることができる。

本発明の第３の実施形態を示す図６において、超音波診断装置４０の超音波観測器４１は、周波数特性変更手段として、パルサ１６で発せられる駆動パルスのパルス幅を制御するパルス幅制御回路４２が設けられた送受信部４３を備えている。また、超音波診断装置４０では、図７に示すように、そのピーク周波数ｆ_Pが半値幅（ｆ_H−ｆ_L）の中間の周波数ｆ_Cよりも大きい周波数特性Ｔ’を有する超音波トランスデューサ４４が用いられている。

図８に示すように、超音波トランスデューサ４４は、バッキング材５０と、電極（図示せず）に挟まれた圧電素子５１と、第１〜第３音響整合層５２〜５４とからなる。バッキング材５０は、エポキシ樹脂に金属微粒子を混入してなり、圧電素子５１から生体と反対側に発せられる超音波を吸収する。第１〜第３音響整合層５２〜５４は、それぞれ、硼珪酸ガラス、ガラス微粒子が混入されたエポキシ樹脂、ウレタン樹脂からなり、生体と圧電素子５１との間の音響インピーダンスの整合をとる。

バッキング材５０の圧電素子５１から０．４λの深さまでの部分は、０．４λの位置で反射率が０．６となるように、他の部分と組成が異なっている。このため、図９に示すように、超音波トランスデューサ４４から発せられる超音波の実際の波形は、（Ａ）に示す本来の超音波の波形（バッキング材５０を改質する前の波形）に、（Ｂ）に示すバッキング材５０の０．４λの位置からの反射波が重なり、（Ｃ）に示すようになる。これにより、図７に示す周波数特性Ｔ’を有する超音波トランスデューサ４４が実現される。なお、上記で挙げた０．４λおよび反射率０．６という値は、バッキング材５０の厚さを十分大きくし、バッキング材５０を改質する前の出力が、例えば中心周波数８ＭＨｚで周波数帯域幅が４．８〜１１．２ＭＨｚ（比帯域８０％）であったと仮定したときの値である。

超音波トランスデューサ４４、およびパルサ１６の周波数特性Ｔ’、およびＰ₁〜Ｐ₄の関係は、図１０に示すようになる。すなわち、超音波トランスデューサ４４の右肩上がりの広帯域幅の周波数特性Ｔ’に対して、パルサ１６で発生され、パルス幅制御回路４２によりパルス幅が変更された四種の駆動パルスの周波数特性Ｐ₁〜Ｐ₄が、周波数特性Ｔ’のピーク部分が欠けるように重なり合っている。

図１０に示す各々の周波数特性の関係から、最終的に超音波トランスデューサ４４から照射される超音波の周波数特性Ｕ’₁〜Ｕ’₄は、Ｔ’とＰ₁〜Ｐ₄の重なった部分がＵ’₁〜Ｕ’₄となって、図１１に示すようになる。つまり、この場合も第１、第２の実施形態と同様に、パルス幅制御回路４２により駆動パルスのパルス幅を変更することで、一個の超音波トランスデューサ１４から周波数帯域幅および中心周波数の異なる四種の超音波を発生させることができる。この場合、バンドパスフィルタやハイパスフィルタ、切り替えスイッチなどを用いる必要がないので、第１、第２の実施形態と比べて、部品コストを低減させることができる。なお、パルス幅制御回路４２によるパルス幅の変更は、外部からオペレータが操作可能となっている。

なお、バンドパスフィルタやハイパスフィルタの個数、パルス幅制御回路で変更する駆動パルスの個数は、上記実施形態で例示されている個数に特に限定されるものではなく、超音波診断装置の仕様に応じて適宜変更可能である。

上記実施形態では、コンベックス電子走査方式の１次元アレイ型超音波トランスデューサアレイ１２、４６を例示して説明したが、１．５次元、２次元アレイ型の超音波トランスデューサアレイは勿論のこと、複数の超音波トランスデューサを同心円上に配置した、いわゆるラジアル電子走査式の超音波トランスデューサアレイを採用した場合についても、本発明は有効である。また、電子走査方式に限らず、超音波トランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン走査方式を採用した場合も、本発明は有効である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。超音波トランスデューサ、パルサ、およびバンドパスフィルタの周波数特性の関係を示すグラフである。超音波の周波数特性を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。超音波トランスデューサ、パルサ、およびハイパスフィルタの周波数特性の関係を示すグラフである。本発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。超音波トランスデューサの周波数特性を示すグラフである。超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。超音波トランスデューサから発せられる超音波の波形の成り立ちを説明する図であり、（Ａ）は、バッキング材を改質する前の波形、（Ｂ）は、バッキング材の改質した部分からの反射波、（Ｃ）は、超音波トランスデューサから発せられる実際の超音波の波形をそれぞれ示す。超音波トランスデューサ、およびパルサの周波数特性の関係を示すグラフである。最終的に出力される超音波の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

２、３０、４０超音波診断装置
１０、４５超音波内視鏡
１１、３１、４１超音波観測器
１２、４６超音波トランスデューサアレイ
１３撮像装置
１４、４４超音波トランスデューサ
１６パルサ
１７〜１９バンドパスフィルタ（ＢＰＦ₁〜ＢＰＦ₃）
２０、３５切り替えスイッチ
２３ＣＰＵ
２７モニタ
３２〜３４ハイパスフィルタ（ＨＰＦ₁〜ＨＰＦ₃）
３６、４２パルス幅制御回路
Ｔ、Ｔ’ 超音波トランスデューサの周波数特性
Ｐ、Ｐ₁〜Ｐ₄ パルサの周波数特性
Ｆ_B1〜Ｆ_B3 バンドパスフィルタの周波数特性
Ｆ_H1〜Ｆ_H3 ハイパスフィルタの周波数特性
Ｕ₁〜Ｕ₃、Ｕ’₁〜Ｕ’₄ 超音波の周波数特性

Claims

生体の所要部に超音波を照射し、生体からのエコー信号を受信する超音波トランスデューサが先端に配設された超音波プローブと、前記エコー信号に基づいた超音波画像を表示する超音波観測器とから構成される超音波診断装置において、
前記超音波観測器は、前記超音波トランスデューサを励振させるための駆動パルスを発する単極型のパルス発生手段と、
前記超音波の周波数帯域幅およびピーク周波数を多段に変更する周波数特性変更手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
前記周波数特性変更手段は、前記超音波トランスデューサと前記パルス発生手段との間に接続され、ある特定の周波数帯域幅の出力のみを通過させる複数のバンドパスフィルタと、
これらのバンドパスフィルタを選択的に切り替える切り替えスイッチとからなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記周波数特性変更手段は、前記超音波トランスデューサと前記パルス発生手段との間に接続され、ある特定の周波数帯域以上の出力のみを通過させる複数のハイパスフィルタと、
これらのハイパスフィルタを選択的に切り替える切り替えスイッチと、
前記駆動パルスのパルス幅を制御するパルス幅制御回路とからなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記超音波トランスデューサとして、そのピーク周波数が半値幅の中間の周波数よりも大きい周波数特性を有するものを用い、
前記周波数特性変更手段は、前記駆動パルスのパルス幅を制御するパルス幅制御回路であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記超音波トランスデューサは、アレイ状に配列されてい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診断装置。
前記超音波プローブの先端には、生体内の観察部位の像光を取り込むための対物光学系と、
前記像光を撮像して撮像信号を出力する撮像素子とを有する撮像装置が配設されてい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診断装置。