JP2006320415A - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＴＨＩモードに適応する広帯域の周波数特性及び高感度特性を有し、更に、超音波画像のスライス厚を均一にし、サイドローブを低減することが可能な超音波プローブを提供する。
【解決手段】 複数の圧電体層が積層し、少なくとも１層以上の圧電体層に非圧電材料部を混在させる。例えば第１の圧電体層４において、圧電材料部４１ａ、・・・と樹脂材料部４２ａ、・・・とを混在させる。圧電材料部４１ａ、・・・と第２の圧電体層５とが積層している部分（圧電体部４４）においては、電気容量が増加するため感度が高くなる。樹脂材料部４２ａ、・・・と第２の圧電体層５とが積層している部分（樹脂部４３）においては、圧電体部４４に比べて２倍の周波数を有する超音波に対して感度が高くなる。従って、樹脂部４３と圧電体部４４とにより、基本周波数〜２次高調波までの広帯域の周波数特性を有することになる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、超音波の送受信を行う超音波プローブ及び超音波診断装置に関し、特に、ＴＨＩモード（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）に適応する広帯域の周波数特性、高感度特性を有し、更に、超音波画像のスライス厚を均一化し、サイドローブを低減することが可能な超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。

被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号に基づいて、被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置が知られている。このような超音波診断装置は、圧電振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信して受信信号を生成する。

超音波プローブは送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する圧電振動子を走査方向に複数個、配置している。このような超音波プローブは、上記走査方向に直交する方向（以下、スライス方向と称する場合がある）に均一な矩形強度を有する超音波を音響レンズにより遅延差を与えることにより、ある深さで焦点を形成している。

ところで、超音波画像診断の方法として、基本周波数の超音波を被検体に送信し、送信周波数の２倍程度の周波数範囲にある２次高調波信号を受信してその２次高調波信号に基づいて画像データを生成するＴＨＩ（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）モードがある。このＴＨＩモードに適応するため、超音波プローブの周波数帯域としては、基本周波数〜２次高調波の周波数までを包含する広帯域の特性が要求される。

一方、従来から、超音波診断装置により収集される画像のスライス厚を均一にし、スライス方向の音場のサイドローブを低減させる試みがなされている。例えば、スライス方向に沿って圧電体に溝を形成し、圧電体の密度分布に重み付けを行う技術が知られている（例えば特許文献１）。また、スライス方向に電気的に分割した圧電体に複数の送信回路を接続し、各圧電体に印加する駆動電圧に重み付けを行う技術が知られている（例えば特許文献２）。さらに、スライス方向に圧電体の厚さを変え、駆動周波数により音圧を制御する技術が知られている（例えば特許文献３）。

特開２００３−９２８８号公報 特開平５−３８３３５号公報 特開平７−１０７５９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の超音波プローブにおいては、スライス方向に沿って圧電体を疎密な状態にするため、圧電体の実効的な比誘電率が低下する。そのことにより、超音波プローブのヘッド部のインピーダンスが高くなるため、超音波診断装置本体との電気的インピーダンスの整合が悪くなり、感度が低下する問題があった。また、圧電体が単一の周波数を送受信するための構成となっているため、ＴＨＩモードに適応したより広帯域な周波数特性を得ることが困難であった。

また、上記特許文献２に記載の超音波プローブにおいては、超音波プローブ及び回路の構造が複雑になるため、超音波診断装置の信頼性の低下、製造工程数の増加、製造コストの増加を招いてしまうおそれがあった。また、特許文献１に記載の超音波プローブと同様に、ＴＨＩモードに適応したより広帯域な周波数特性を得ることが困難であった。

さらに、上記特許文献３に記載の超音波プローブにおいては、広帯域の周波数特性を得ることができるが、特定の周波数でのみ音圧の制御が可能となるため、周波数特性と音圧制御の設計自由度が低い問題があった。また、圧電体の曲面加工及び接合が難しく、製造性が悪い問題があった。

この発明は上記の問題点を解決するものであり、複数の圧電体層が積層された圧電振動子部のうち、少なくとも１層以上の圧電体層に非圧電材料部を混在させることにより、超音波プローブの製造性を確保した上で、ＴＨＩモードに適応する広帯域の周波数特性、及び高感度特性を有する超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することを目的とする。さらに、超音波画像のスライス厚を均一にし、サイドローブを低減することが可能な超音波プローブ及びそれを備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数積層された圧電振動子部を有し、前記複数の圧電体層のうち少なくとも１層の圧電体層を構成する圧電体は、圧電材料部と非圧電材料部とが混在する複合圧電体からなることを特徴とする超音波プローブである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波プローブであって、前記複合圧電体を構成する圧電材料部は、所定の重み付けに従った間隔でスライス方向に配置されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波プローブであって、前記複合圧電体を構成する圧電材料部は、前記複合圧電体のスライス方向の中央部が疎であり、前記スライス方向の中央部から端部にかけて徐々に密になっていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記複合圧電体を構成する非圧電材料部の前記スライス方向の幅は、前記スライス方向の中央部から端部にかけて徐々に狭くなっていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記複合圧電体を構成する圧電材料部の前記スライス方向の幅は、前記複合圧電体の中央部から端部にかけて徐々に広くなっていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記複合圧電体において、前記走査方向の長さと前記スライス方向の単位長さとで規定される２次元平面の単位面積に占める前記圧電材料部の面積の割合が、前記複合圧電体の中央部から端部にかけて徐々に大きくなっていることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の超音波プローブであって、前記圧電振動子部に接して背面材が設けられ、前記圧電振動子部は前記背面材に接する面の反対側から超音波の送受信を行い、前記複合圧電体は前記背面材に接して設けられ、前記複合圧電体を構成する非圧電材料部の音響インピーダンスは、前記背面材の音響インピーダンスと略一致することを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の超音波プローブと、前記超音波プローブにより被検体に対して超音波を送受信させる送受信手段と、前記送受信手段が受信した前記被検体からの反射波に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする超音波診断装置である。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の超音波診断装置であって、前記送受信手段は、前記超音波プローブにより所定の周波数を有する超音波を前記被検体に対して送信し、前記被検体から前記所定の周波数に対する２次高調波を受信し、前記画像生成手段は、前記２次高調波に基づいて超音波画像を生成することを特徴とするものである。

この発明によると、電極を介して複数の圧電体層を積層することにより、積層しない場合と比べて電気容量が大きくなるため、超音波プローブの感度を高めることが可能となる。また、少なくとも１層以上の圧電体層に非圧電材料部を混在させることにより、非圧電材料部が混在した部分においては、混在していない部分と比べて、高周波帯域の超音波に対して感度が高くなるため、ＴＨＩモードに適応する広帯域の周波数特性を有することが可能となる。

さらに、圧電材料部をスライス方向の中央部で疎の状態とし、中央部から端部にかけて徐々に密の状態にすることにより、深さ方向に均一な音場が得られるため超音波画像のスライス厚を均一にし、更に、サイドローブを低減することが可能となる。

さらに、圧電振動子部の構造が複雑ではないため、超音波プローブの製造性を確保しつつ上記の効果を奏することが可能である。

この発明の実施形態に係る超音波プローブ及び超音波診断装置について、図１乃至図１３を参照しつつ説明する。

この発明の実施形態に係る超音波プローブの構成について図１を参照しつつ説明する。図１はこの発明の実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す断面側面図である。超音波プローブはヘッド側とケーブル側とからなり、図１には超音波プローブのヘッド側が示されている。

同図に示すように、超音波プローブ１は、背面材２の上に圧電振動子部３が設けられている。圧電振動子部３の上には、第１の音響整合層６が設けられ、第１の音響整合層６の上には第２の音響整合層７が設けられている。圧電振動子部３、第１の音響整合層６及び第２の音響整合層７は、走査方向（図面に垂直な方向）に複数に分割されて配列されている。さらに、第２の音響整合層７の上には音響レンズ８が設けられている。

背面材２は、圧電振動子部３から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材２には、一般的に、フェライトゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにマイクロバルーンなどを混入した材料が用いられる。

圧電振動子部３は、複数の圧電体層が積層して構成されている。複数の圧電体層のうち、少なくとも１層以上の圧電体層は、圧電材料部と非圧電材料部とが混在した複合圧電体となっている。非圧電材料部の材料として、例えば樹脂が用いられ、より具体的にはエポキシ樹脂などが用いられる。この実施形態においては、第１の圧電体層４の上に第２の圧電体層５が積層され、２層の圧電体層により圧電振動子部３を構成している。第１の圧電体層４及び第２の圧電体層５は、走査方向（図面に垂直な方向）に複数に分割されて配列されている。

そして、２層の圧電体層のうち、１層の圧電体層（この実施形態では第１の圧電体層４）は、圧電材料部と樹脂（非圧電材料部）とが混在した複合圧電体となっている。この第１の圧電体層４の詳細な構成について、図２を参照しつつ説明する。図２は、第１の圧電体層の概略構成を示す斜視図である。

図２に示すように、第１の圧電体層４は、それぞれ走査方向に延び、走査方向の幅が略等しい、圧電材料部４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、・・・と、樹脂材料部４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、・・・とを、スライス方向（走査方向に直交する方向）に沿って交互に混在して配列して構成されている。ここで、圧電材料部４１ａ、４１ｂ、・・・の分布は、第１の圧電体層４の中央部Ｏに近づくにつれて疎になり、端部に近づくにつれて密になっている。

例えば、走査方向の長さとスライス方向の単位長さとによって規定される２次元平面での単位面積当たりに占める圧電材料部の面積の割合を、第１の圧電体層４の中央部Ｏに近づくにつれて小さくし、逆に端部に近づくにつれて大きくすることにより、第１の圧電体層４の中央部Ｏに近づくにつれて圧電材料部の分布を疎の状態にし、端部に近づくにつれて密の状態としている。また、２次元平面での単位面積当たりに占める樹脂材料部の面積の割合は、第１の圧電体層４の中央部Ｏに近づくにつれて大きくなり、逆に端部に近づくにつれて小さくなる。

この実施形態においては、第１の圧電体層４のスライス方向の中央部Ｏに近づくにつれて樹脂材料部のスライス方向の幅が長くなり、端部に近づくにつれてスライス方向の幅が短くなっている。具体的には、スライス方向の幅は、樹脂材料部４２ａが一番長く、樹脂部材料部４２ｂが２番目に長く、樹脂材料部４２ｃが３番目に長くなっている。これにより、走査方向及びスライス方向によって決定される２次元平面での樹脂材料部の面積を、第１の圧電体層４の中央部Ｏに近づくに従って大きくすることができる。つまり、第１の圧電体層４の中央部Ｏに近づくに従って、単位面積当たりに占める樹脂材料部の面積の割合が大きくなり、逆に、単位面積当たりに占める圧電材料部の面積の割合が小さくなっている。換言すると、第１の圧電体層４のスライス方向の端部に近づくに従って、単位面積当たりに占める圧電材料部の面積の割合が大きくなり、逆に、単位面積当たりに占める樹脂材料部の面積の割合が小さくなっている。

なお、図１及び図２に示す圧電材料部４１ａ、４１ｂ、・・・は、スライス方向の幅が一定となっている。しかしながら、この発明においては、圧電材料部４１ａ、４１ｂ、・・・によってスライス方向の幅を変えても良い。例えば、圧電材料部４１ａ、４１ｂ、・・・のスライス方向の幅を、中央部Ｏから端部にかけて徐々に広くすることにより、中央部Ｏに近づくにつれて、単位面積当たりに占める圧電材料部の面積の割合が小さくなり、端部に近づくにつれて単位面積当たりに占める圧電材料部の面積の割合が大きくなる。

上記のように、圧電材料部の分布がスライス方向の中央部Ｏで疎となり、端部で密となるように、圧電材料部及び樹脂材料部を所定の間隔で配置することで、圧電振動子部３により送受信される超音波ビームの音圧に重み付けを付けることができる。また、この実施形態における圧電材料部及び樹脂材料部の構成による作用と同じ作用が奏される構成は、この実施形態に係る超音波プローブ１に含まれる。例えば、超音波ビームの音圧に付けられる重み付けが、この実施形態に係る超音波プローブ１の作用により付けられる所定の重み付けと同程度であれば、圧電材料部のスライス方向の幅を、スライス方向の中央部Ｏから端部にかけて徐々に広くする構成において、一部分の圧電材料部の幅が狭くなっていても構わない。

第１の圧電体層４の圧電材料部４１ａ、４１ｂ、・・・と、第２の圧電体層５は、例えばチタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）等のセラミック材料からなる。

圧電振動子部３は、第１の圧電体層４と第２の圧電体層５とが積層されることにより、第１の圧電体層４の樹脂材料部４２ａ、４２ｂ、・・・と第２の圧電体層５とが積層された部分と（以下、樹脂部と称する場合がある）、第１の圧電体層４の圧電材料部４１ａ、４１ｂ、・・・と第２の圧電体層５とが積層された部分（以下、圧電体部と称する場合がある）とで構成されることになる。樹脂部と圧電体部について図３を参照しつつ説明する。図３は、この発明の実施形態に係る超音波プローブの圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図である。例えば、図３に示すように、第１の圧電体層４の樹脂材料部４２ａと第２の圧電体層５とが積層された部分は樹脂部４３を構成し、第１の圧電体層４の圧電材料部４１ａと第２の圧電体層５とが積層された部分は圧電体部４４を構成する。また、第１の圧電体層４の樹脂材料部４２ｂと第２の圧電体層５とが積層された部分は樹脂部を構成し、第１の圧電体層４の圧電材料部４１ｂと第２の圧電体層５とが積層された部分は圧電体部を構成する。圧電材料部４１ｃ、４１ｄ、・・・についても圧電体部を構成し、樹脂材料部４２ｃ、４２ｄ、・・・についても樹脂部を構成する。

また、図１に示すように、圧電振動子部３の上下面に電極９ａ、９ｃが接続され、第１の圧電体層４と第２の圧電体層５との間には電極９ｂが接続されている。電極９ａ、９ｃに電圧が印加され、電極９ｂはＧＮＤに接続されている。これにより、電極９ａ、第１の圧電体層４及び電極９ｂで構成される部分と、電極９ｂ、第２の圧電体層５及び電極９ｃで構成される部分とは、並列接続を構成することになる。

第１の音響整合層６及び第２の音響整合層７には、エポキシ樹脂やプラスチック材などが用いられている。音響整合層は、圧電振動子部３の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。音響整合層は、１層だけであっても良く、この実施形態のように２層設けても良く、更に、３層以上設けても良い。例えば、この実施形態のように２層の音響整合層を設ける場合、音響整合を良好にするために、第２の音響整合層７の音響インピーダンスが第１の音響整合層６の音響インピーダンスよりも小さくなるように設計されている。音響整合層を複数の層構造にすることで、音響レンズ８とあいまって被検体の体表との音響インピーダンスの差分による信号ロスの発生を抑えている。

また、送受信する超音波の波長と関係なく、圧電振動子部３の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合をとるために、深さ方向に徐々に音響インピーダンスが小さくなる音響整合層を第１の音響整合層６及び第２の音響整合層７の代わりに設けても良い。

音響レンズ８は、被検体の体表面に接触して超音波の送受信の仲介を行なう。この音響レンズ８により、体表より所定の深さにスライス方向（走査方向に直交する方向）の音響的な焦点を結ぶ。また、走査方向の音響的な焦点は、走査方向に短冊状に配置された複数の圧電振動子部３の送信／受信のタイミングを切り替え制御することにより結ばれる。

なお、複数に分割された圧電振動子部３、第１の音響整合層６及び第２の音響整合層７の分割溝には、機械的強度を保つためにシリコーンゴム、ウレタンゴム又はエポキシ樹脂などの充填剤（図示しない）が充填されている。

なお、圧電振動子部３と背面材２との界面で発生し得る超音波の反射を防止するために、第１の圧電体層４の樹脂材料部４２ａ、４２ｂ、・・・の音響インピーダンスと背面材２の音響インピーダンスとを等しくしても良い。例えば、背面材２の材料と同じ材料を樹脂材料部４２ａ、４２ｂ、・・・に用いることで、音響インピーダンスを等しくする。また、樹脂材料部４２ａ、４２ｂ、・・・に用いられるエポキシ樹脂などにタングステン（Ｗ）などのフィラーを混合させても良い。

（作用）
上記の構成を有する超音波プローブ１によると、次のような好適な作用を奏することが可能となる。

この実施形態に係る超音波プローブ１において、第１の圧電体層４の厚さと第２の圧電体層５の厚さは等しいものとする。図３に示すように、第１の圧電体層４の厚さを厚さ（Ｔ／２）とし、第２の圧電体層５の厚さも厚さ（Ｔ／２）とすると、圧電振動子部３の全体の厚さは厚さＴとなる。また、圧電体部４４において、走査方向の長さとスライス方向の長さとで規定される面積を面積Ｓとする。ここで、厚さ（Ｔ／２）の第１の圧電体層４及び第２の圧電体層５のそれぞれの電気容量を電気容量Ｃ_１とすると、電気容量Ｃ_１は以下の式（１）で表される。
式（１） 電気容量Ｃ_１＝ε｛Ｓ／（Ｔ／２）｝
εは誘電率である。

また、この実施形態においては、電極９ｂを介して第１の圧電体層４と第２の圧電体層５とが積層されているため、圧電体層の接続は並列接続に相当する。従って、圧電振動子部３における圧電体部４４の電気容量を電気容量Ｃ_２とすると、電気容量Ｃ_２は以下の式（２）で表される。
式（２） Ｃ_２＝２×Ｃ_１＝２×ε｛Ｓ／（Ｔ／２）｝＝４×ε（Ｓ／Ｔ）＝４×Ｃ_０
ここで、電気容量Ｃ_０は、厚さＴの１層からなる圧電体の電気容量である。

上記式（２）に表されるように、圧電体部４４の電気容量は、厚さＴの１層からなる圧電体の４倍の電気容量になる。これは、電極９ｂを介して厚さ（Ｔ／２）の圧電体層を積層して、並列接続としているからである。

ここで、ｎ層の圧電体層が電極を介して積層された圧電振動子部３について説明する。ｎ層の圧電体層が積層されている場合、圧電体部の電気容量は、一般的に、以下の式（３）で表される。
式（３） Ｃ＝（ｄ_１＋ｄ_２＋・・・ｄ_ｎ）^２／（ｄ_１・ｄ_２・・・・ｄ_ｎ）×Ｃ_０
ここで、電気容量Ｃは、ｎ層の圧電体層が電極を介して形成された圧電体部の電気容量である。ｄ_１、ｄ_２、・・・、ｄ_ｎは、ｎ層の各層の厚さである。電気容量Ｃ_０は、厚さ（ｄ_１＋ｄ_２＋・・・＋ｄ_ｎ）の１層からなる圧電体の電気容量であり、以下の式（４）で表される。
式（４） Ｃ_０＝ε｛Ｓ／（ｄ_１＋ｄ_２＋・・・＋ｄ_ｎ）｝

上記式（３）に表されるように、圧電体部の電気容量は、１層からなる圧電体の電気容量の（ｄ_１＋ｄ_２＋・・・ｄ_ｎ）^２／（ｄ_１・ｄ_２・・・・ｄ_ｎ）倍となる。従って、同じ厚さの圧電体層が２層積層されている場合の電気容量Ｃは、電気容量Ｃ_０の２^２＝４倍となり、３層積層されている場合の電気容量Ｃは、電気容量Ｃ_０の３^２＝９倍となる。従って、同じ厚さの圧電体層がｎ層積層されている場合の電気容量Ｃは、電気容量Ｃ_０のｎ^２倍となる。

このように電極を介して圧電体層を積層することにより電気容量を大きくすることができるため、超音波プローブのインピーダンスを下げることができ、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。

また、第１の圧電体層４の樹脂材料部４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、・・・と第２の圧電体層５とが積層されている樹脂部においては、第２の圧電体層５の圧電材料部のみが存在するため、圧電材料部が占める厚さは厚さ（Ｔ／２）となる。一般的に、圧電体から送受信される超音波ビームの周波数は、圧電体の厚さの逆数の関数で表されるため、圧電体の厚さが薄くなれば周波数は高くなる。例えば、樹脂部４３において圧電材料部が占める厚さは厚さ（Ｔ／２）であるため、樹脂部４３における圧電体から送受信される超音波ビームの周波数は、圧電体部４４の周波数の２倍の周波数となる。つまり、圧電体部４４により送受信される超音波ビームの周波数をｆ_０とすると、樹脂部４３により送受信される超音波ビームの周波数ｆは２×ｆ_０となる。

ここで、圧電振動子部３の全体の厚さを厚さＴとし、全体の厚さＴのうち圧電材料部が占める厚さを厚さＴ’とすると、その厚さＴ’の圧電材料部により送受信される超音波ビームの周波数ｆは、一般的に以下の式（５）で表される。
式（５） ｆ＝（Ｔ／Ｔ’）×ｆ_０

従って、樹脂部において圧電材料部が占める厚さが厚さ（Ｔ／２）であれば、樹脂部により送受信される超音波ビームの周波数ｆは、ｆ＝｛Ｔ／（Ｔ／２）｝×ｆ_０＝２×ｆ_０となる。また、樹脂部において圧電材料部が占める厚さが厚さ（Ｔ／３）であれば、樹脂部により送受信される超音波ビームの周波数ｆは、ｆ＝｛Ｔ／（Ｔ／３）｝×ｆ_０＝３×ｆ_０となる。

換言すると、同じ厚さの圧電体層がｎ層積層されている場合であって、樹脂部においてｎ層のうちｍ層（ｍ＜ｎ）が圧電材料部で構成されている場合、全体の厚さＴのうち圧電材料部が占める厚さはＴ’＝（ｍ／ｎ）×Ｔとなる。従って、樹脂部により送受信される超音波ビームの周波数ｆは上記式（５）に従って、ｆ＝（ｎ／ｍ）×ｆ_０と表される。例えば、２層の圧電体層が積層されている場合であって、樹脂部において２層のうち１層が圧電材料部からなる場合、ｆ＝（２／１）×ｆ_０＝２×ｆ_０となる。また、３層の圧電体層が積層されている場合であって、樹脂部において３層のうち１層が圧電材料部からなる場合、ｆ＝（３／１）×ｆ_０＝３×ｆ_０となる。また、３層の圧電体層が積層されている場合であって、樹脂部において３層のうち２層が圧電材料部からなる場合、ｆ＝（３／２）×ｆ_０＝１．５×ｆ_０となる。さらに、４層の圧電体層が積層されている場合であって、樹脂部において４層のうち１層が圧電材料部からなる場合は、ｆ＝（４／１）×ｆ_０＝４×ｆ_０となる。

このように、圧電材料部と樹脂材料部とが積層されている部分においては、圧電材料部が占める厚さによって、圧電材料部のみが積層している部分と比べて、高周波の超音波ビームの送受信がなされることになる。圧電体部４４は低周波領域の周波数特性を有し、樹脂部４３は高周波領域の周波数特性を有するため、両者を有する超音波プローブ１は低周波領域から高周波領域までの広帯域の周波数特性を有することになり、ＴＨＩモードに適応することが可能となる。

ここで、２層の圧電体層からなり、そのうち１層の圧電体層が圧電材料部と樹脂材料部とが混在した超音波プローブ１の周波数特性を図４のグラフに示す。図４において、横軸は周波数［ＭＨｚ］を示し、縦軸は音圧［ｄＢ］を示す。ここでは、第１の圧電体層４と第２の圧電体層５の厚さを、３５０［μｍ］とした。図中、曲線Ａは、圧電材料部が積層された部分（圧電体部４４）における周波数特性を示し、曲線Ｂは、樹脂材料部と圧電体とが積層された部分（樹脂部４３）における周波数特性を示している。これらの曲線から、圧電材料部が積層された部分（圧電体部４４）においては、比較的、低周波数の超音波に対して高感度となり、樹脂材料部と圧電材料部とが積層された部分（樹脂部４３）においては、比較的、高周波数の超音波に対して高感度となる。

より具体的には、圧電体部４４においては、基本周波数となるｆ_０＝２［ＭＨｚ］付近の周波数の超音波に対して高感度となり、樹脂部４３においては、２次高調波となるｆ＝２×ｆ_０＝４［ＭＨｚ］付近の周波数の超音波に対して高感度となる。従って、超音波の送信時には圧電体部４３の作用により、２［ＭＨｚ］付近の基本周波数を有する超音波を高感度に送信することが可能となり、ＴＨＩモードにおける超音波の受信時には樹脂部４３の作用により、４［ＭＨｚ］付近の２次高調波を有する超音波を高感度に受信することが可能となる。つまり、この実施形態に係る超音波プローブ１によると、ＴＨＩモードにおいて、送信時には圧電体部４４の作用により、また、受信時には樹脂部４３の作用により、基本周波数〜２次高調波の広帯域の周波数特性を有することになり、良好にＴＨＩモードの超音波画像データを収集することが可能となる。

また、圧電体部４４は、上述したように、スライス方向の中央部Ｏにおいては疎の状態であり、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に密の状態となっているため、超音波プローブ１の中心部Ｏに近いほど、高調波帯域の周波数特性を有し、端部に近づくほど低周波帯域の周波数特性を有することになる。

ここで、２［ＭＨｚ］の基本周波数で超音波プローブ１を駆動した場合の、送信時における音圧分布を図５に示す。図５は、２［ＭＨｚ］の周波数の超音波を送信したときの音圧分布を示すグラフであり、横軸はスライス方向の位置を示し、縦軸は音圧の相対的強度を示す。この音圧分布は、上記の圧電振動子部３の構造に対応している。つまり、圧電体部４４を構成している部分においては、２［ＭＨｚ］の周波数の超音波に対して高感度となり、樹脂部４３を構成している部分においては、２［ＭＨｚ］の周波数の超音波に対して比較的、感度が低くなる。

また、圧電体部４４は、上述したように、スライス方向の中央部Ｏにおいては疎の状態であり、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に密の状態となっているため、スライス方向の端部において２［ＭＨｚ］の周波数を有する超音波に対して感度が高くなる。一方、樹脂部４３の占める割合は、スライス方向の中央部Ｏに近づくにつれて多くなるため、スライス方向の中央部Ｏにおいて２［ＭＨｚ］の周波数を有する超音波に対する感度が比較的、低くなる。

図６に、２［ＭＨｚ］の基本周波数で超音波プローブ１を駆動した場合の、送信時のスライス方向における超音波の音場分布を示す。また、図７に、２［ＭＨｚ］の基本周波数で従来技術に係る超音波プローブを駆動したときの、送信時のスライス方向における超音波の音場分布を示す。この従来技術に係る超音波プローブは、矩形状の音圧分布を有する超音波の送受信を行う。図６及び図７において、横軸は超音波プローブからの深さ方向の距離を示し、縦軸は超音波プローブ１のスライス方向の位置を示している。

送信時においては２［ＭＨｚ］の周波数で超音波を送信しているため、圧電体部の作用により、図５に示すように超音波プローブ１の端部における感度が高くなる。これにより、この実施形態に係る超音波プローブ１により送信される超音波ビームは、図６及び図７に示すように、従来技術と比べてサイドローブが高くなるが、メインビームが絞れた音場が得られる。

ＴＨＩモードに適応するために、４［ＭＨｚ］の周波数の超音波を受信した場合の音圧分布を図８に示す。図８は、４［ＭＨｚ］の周波数の超音波を受信したときの音圧分布を示すグラフであり、横軸はスライス方向の位置を示し、縦軸は音圧の相対的強度を示す。この音圧分布は、上記の圧電振動子部３の構造に対応している。つまり、樹脂部４３を構成している部分においては、４［ＭＨｚ］の周波数の超音波に対して高感度となり、圧電体部４４を構成している部分においては、４［ＭＨｚ］の周波数の超音波に対して比較的、感度が低くなる。

また、圧電体部４４は、上述したように、スライス方向の中央部Ｏにおいては疎の状態であり、スライス方向の端部に近づくにつれて徐々に密の状態となっている。換言すると、樹脂部４３が占める割合は、スライス方向の中央部Ｏにおいて多くなり、端部に近づくにつれて徐々に少なくなるため、スライス方向の中央部Ｏにおいて４［ＭＨｚ］の周波数を有する超音波に対して感度が高くなる。

図９に、この実施形態に係る超音波プローブ１により、４［ＭＨｚ］の周波数の超音波を受信したときの、受信時におけるスライス方向の超音波の音場分布を示す。また、図１０に、従来技術に係る超音波プローブにより、４［ＭＨｚ］の周波数の超音波を受信したときの、受信時におけるスライス方向の超音波の音場分布を示す。この従来技術に係る超音波プローブは、矩形状の音圧分布を有する超音波の送受信を行う。図９及び図１０において、横軸は超音波プローブからの深さ方向の距離を示し、縦軸は超音波プローブ１のスライス方向の位置を示している。

受信時においては４［ＭＨｚ］の周波数の超音波を受信しているため、樹脂部の作用により、図８に示すように超音波プローブ１の中央部Ｏにおける感度が高くなる。これにより、この実施形態に係る超音波プローブ１により受信される超音波ビームは、図９及び図１０に示すように、従来技術と比べてサイドローブが低減し、深さ方向に均一な音場が得られる。

以上のように、この実施形態に係る超音波プローブ１によると、超音波の送信時には圧電体部４４の作用により、２［ＭＨｚ］付近の基本周波数を有する超音波を高感度に送信することが可能となり、超音波の受信時には樹脂部４３の作用により、４［ＭＨｚ］付近の２次高調波を有する超音波を高感度に受信することが可能となる。このように、広帯域の周波数特性を有することが可能となるため、ＴＨＩモードの超音波画像データを良好に収集することが可能となる。また、圧電体層を複数層積層することにより、高感度特性を有することが可能となる。さらに、圧電材料部を所定の重み付けに従って配置することにより、深さ方向に均一な音場が得られるため、超音波画像のスライス厚を均一にすることができ、また、サイドローブを低減することが可能となる。

また、ｎ層の圧電体層が積層された圧電振動子部は、従来技術に係る一般的な超音波プローブと同様の製造工程により製造されるため、超音波プローブ１の製造性を確保しつつ、上記の広帯域の周波数特性及び高感度特性を奏することができ、更には、超音波画像のスライス厚の均一化、及びサイドローブの低減することが可能となる。また、上記特許文献２のように電気回路の構造が複雑にならず、いわゆる１次元超音波プローブに用いられる電気回路を適用することができるため、上記の効果を奏しつつ製造コストを削減することが可能となる。

なお、圧電振動子部３における電極の配置を図１１に示すような配置にしても良い。図１１は、この発明の実施形態に係る超音波プローブにおける圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図である。図１１に示すように、電極９ａ、９ｂ、９ｃ及び９ｄを用いて第１の音響整合層６までを含めた電極構成とし、第１の圧電体層４、第２の圧電体層５、及び第１の音響整合層６の３層の上下面に設けた電極９ａ及び電極９ｄにより、電圧を印加しても良い。

この実施形態においては、２層の圧電体層により圧電振動子部３を構成したが、この発明は２層に限定されず、上述したようにｎ層（ｎは３以上）の圧電体層により圧電振動子部３を構成しても良い。また、各圧電体層の厚さを異なる厚さとしても良い。例えば、３層の圧電体層を積層して圧電振動子部３を構成した場合、３層のうち少なくとも１層の圧電体層を上述した複合圧電体とすることにより、ＴＨＩモードに適した周波数特性を得ることが可能となる。ｎ層の圧電体層を積層することにより、圧電体部の電気容量は上記式（３）で表され、周波数特性は上記式（５）などにより表される。

次に、この発明の実施形態に係る超音波プローブの様々な変形例について図１２を参照しつつ説明する。図１２は、この発明の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示す図であり、圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図である。例えば、図１２（ａ）に示すように、圧電振動子部を第１の圧電体層４と第２の圧電体層２０とで構成し、第２の圧電体層２０においても圧電材料部２１ａ、２１ｂ・・・と樹脂材料部２２ａ、・・・とを混在しても良い。この場合、第１の圧電体層４における圧電材料部４１ａ、・・・と第２の圧電体層２０における圧電材料部２１ａ、・・・とが積層している部分においては、上述したように、電気容量が２^２＝４倍になる。また、圧電材料部同士が積層している部分により送受信される超音波ビームの周波数をｆ_０とすると、圧電材料部と樹脂材料部とが積層している部分により送受信される超音波ビームの周波数ｆは、圧電材料部の厚さが全体の厚さの（１／２）となるため、ｆ＝２×ｆ_０となる。このように、図１２（ａ）に示す圧電振動子部を有する超音波プローブにおいても、高感度特性及び広帯域の周波数特性を有することが可能となる。

また、図１２（ｂ）に示すように、３層の圧電体層を積層しても良い。図示した例においては、３層のうち、２層の圧電体層４に樹脂材料部を混在し、残り１層を圧電材料部のみで形成している。この場合、圧電材料部が重なっている領域においては、電気容量が３^２＝９倍になる。また、圧電材料部同士が積層している部分により送受信される超音波ビームの周波数をｆ_０とすると、圧電材料部と樹脂材料部とが積層している部分により送受信される超音波ビームの周波数ｆは、圧電材料部の厚さが全体の厚さの（１／３）となるため、ｆ＝３×ｆ_０となる。このように、図１２（ｂ）に示す圧電振動子部を有する超音波プローブにおいても、高感度特性及び広帯域の周波数特性を有することが可能となる。

また、圧電材料部をスライス方向の中央部において疎の状態とし、スライス方向の端部において密の状態とすることにより、深さ方向に均一な音場を形成するため、超音波画像のスライス厚を均一にし、更に、サイドローブを低減することが可能となる。

以上のように、この発明においては圧電体層の積層の数は限定されない。さらに、一部分において圧電材料部が積層していれば、積層していない部分とで周波数特性が異なるため、広帯域の周波数特性が得られる。従って、複合圧電体における圧電材料部の配置パターン（重み付け）が異なった圧電体層が複数層積層されていても良い。また、圧電材料部が積層している部分においては、電気容量が大きくなるため、超音波プローブの感度を向上させることが可能となる。

また、圧電材料部と樹脂材料部とをスライス方向に沿って交互に混在させるだけでなく、走査方向に沿って交互に混在させて配列させても良い。例えば図１３に示す斜視図のように、圧電材料部のみからなる第１の圧電体層５０の上に、圧電材料部と樹脂材料部とが混在した第２の圧電体層６０を設ける。この第２の圧電体層６０は、圧電材料部６１と樹脂材料部６２とがスライス方向及び走査方向に沿って交互に混在して配列されている。この例においては、圧電材料部６１の分布は第２の圧電体層の中央部Ｏに近づくにつれて疎になり、端部に近づくにつれて密になっている。このように圧電材料部６１と樹脂材料部６２とを混在させることにより、走査方向の長さとスライス方向の単位長さとによって規定される２次元平面での単位面積当たりに占める圧電材料部６１の面積の割合を、第２の圧電体層６０の中央部に近づくにつれて小さくし、逆に端部に近づくにつれて大きくなる。また、２次元平面での単位面積当たりに占める樹脂材料部の面積の割合は、第２の圧電体層６０の中央部Ｏに近づくにつれて大きくなり、逆に端部に近づくにつれて小さくなる。以上のような圧電振動子部を有する超音波プローブにおいても、高感度特性及び広帯域の周波数特性が得られる。

次に、超音波プローブ１を備えた超音波診断装置について図１４を参照しつつ説明する。図１４は、この発明の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。

この超音波診断装置１０は、主に、超音波プローブ１、送受信部１１、信号処理部１２、ＤＳＣ１３、画像処理部１４、表示部１５及び制御部１６を備えて構成されている。この超音波診断装置１０においては超音波プローブ１に特徴があり、それ以外の送受信部１１などは公知のものが用いられる。

超音波プローブ１には、上述したこの実施形態に係る超音波プローブが用いられる。送受信部１１は送信部と受信部とからなり、超音波プローブ１に電気信号を供給して超音波を発生させるとともに、超音波プローブ１が受信したエコー信号を受信する。

信号処理部１２は、公知のＢモード処理回路、ドプラ処理回路及びカラーモード処理回路を備えている。送受信部１１から出力されたデータはいずれかの処理回路にて所定の処理を施される。Ｂモード処理回路はエコーの振幅情報の映像化を行い、エコー信号からＢモード超音波ラスタデータを生成する。ドプラ処理回路はドプラ偏移周波数成分を取り出し、更にＦＦＴ処理等を施して血流情報を有するデータを生成する。カラーモード処理回路は動いている血流情報の映像化を行い、カラー超音波ラスタデータを生成する。血流情報には、速度、分散、パワー等の情報があり、血流情報は２値化情報として得られる。

ＤＳＣ１３（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、直交座標系で表される画像を得るために、超音波ラスタデータを直交座標で表されるデータに変換する（スキャンコンバージョン処理）。例えば、Ｂモード処理回路から出力されたデータに対してスキャンコンバージョン処理が施されると、被検体の組織形状を２次元情報として表す断層像データが生成される。画像処理部１４は各種画像処理を行う。例えば、断層像データからボクセルデータを生成し、更に、ボリュームレンダリング処理を行って３次元画像データなどを生成する。

表示部１５は液晶ディスプレイなどのモニタからなり、断層像や３次元画像などが表示される。制御部１６はＣＰＵからなり、記憶部（図示しない）に記憶されている制御プログラムや画像生成プログラムなどを実行することにより各処理部の制御を行う。記憶部はＲＯＭなどのメモリやハードディスクなどからなり、画像データ、各種設定条件及びプログラムなどが記憶されている。その他、ジョイスティックなどのポインティングデバイス、スイッチ又はＴＣＳ（Ｔｏｕｃｈ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｓｃｒｅｅｎ）などの操作部（図示しない）が備えられ、超音波の送受信条件などに関する各種設定が操作者により入力される。

この実施形態に係る超音波プローブ１を備えた超音波診断装置１０によれば、広帯域の周波数特性及び高感度特性を有することが可能となるため、ＴＨＩモードによる超音波画像の生成を良好に行うことが可能となる。さらに、圧電材料部を所定の重み付けに従って配置することにより、深さ方向に均一な音場が形成されるため、超音波画像のスライス厚を均一にすることが可能となり、更に、サイドローブが低減された音場を形成することが可能となる。

この発明の実施形態に係る超音波プローブのヘッド部の概略構成を示す断面側面図である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブの第１の圧電体層の概略構成を示す斜視図である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブの圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブの周波数特性を示すグラフである。 この発明の実施形態に係る超音波プローブにより周波数が２［ＭＨｚ］の超音波を送信又は受信する際に形成される音圧分布である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブにより、周波数が２［ＭＨｚ］の超音波を送信した際に形成される音場分布を示すグラフである。 矩形状の音圧分布を形成する従来技術に係る超音波プローブにより、周波数が２［ＭＨｚ］の超音波を送信した際に形成される音場分布である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブにより周波数が４［ＭＨｚ］の超音波を送信又は受信する際に形成される音圧分布である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブにより、周波数が４［ＭＨｚ］の超音波を受信した際に形成される音場分布を示すグラフである。 矩形状の音圧分布を形成する従来技術に係る超音波プローブにより、周波数が４［ＭＨｚ］の超音波を受信した際に形成される音場分布である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブにおける圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示す図であり、圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブの変形例を示す図であり、圧電振動子部の概略構成を示す断面側面図である。 この発明の実施形態に係る超音波プローブを備えた超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 超音波プローブ
２ 背面材
３ 圧電振動子部
４、５０ 第１の圧電体層
５、６０ 第２の圧電体層
６ 第１の音響整合層
７ 第２の音響整合層
８ 音響レンズ
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 電極
１０ 超音波診断装置
１１ 送受信部
１２ 信号処理部
１３ ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）
１４ 画像処理部
１５ 表示部
４１ａ、４１ｂ、・・・、６１ 圧電材料部
４２ａ、４２ｂ、・・・、６２ 樹脂材料部
４３ 樹脂部
４４ 圧電体部

Claims (9)

1. 複数の圧電体が走査方向に配列された圧電体層が電極を介して複数積層された圧電振動子部を有し、
   前記複数の圧電体層のうち少なくとも１層の圧電体層を構成する圧電体は、圧電材料部と非圧電材料部とが混在する複合圧電体からなることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記複合圧電体を構成する圧電材料部は、所定の重み付けに従った間隔でスライス方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記複合圧電体を構成する圧電材料部は、前記複合圧電体のスライス方向の中央部が疎であり、前記スライス方向の中央部から端部にかけて徐々に密になっていることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記複合圧電体を構成する非圧電材料部の前記スライス方向の幅は、前記スライス方向の中央部から端部にかけて徐々に狭くなっていることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
5. 前記複合圧電体を構成する圧電材料部の前記スライス方向の幅は、前記複合圧電体の中央部から端部にかけて徐々に広くなっていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の超音波プローブ。
6. 前記複合圧電体において、前記走査方向の長さと前記スライス方向の単位長さとで規定される２次元平面の単位面積に占める前記圧電材料部の面積の割合が、前記複合圧電体の中央部から端部にかけて徐々に大きくなっていることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の超音波プローブ。
7. 前記圧電振動子部に接して背面材が設けられ、前記圧電振動子部は前記背面材に接する面の反対側から超音波の送受信を行い、
   前記複合圧電体は前記背面材に接して設けられ、前記複合圧電体を構成する非圧電材料部の音響インピーダンスは、前記背面材の音響インピーダンスと略一致することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の超音波プローブ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の超音波プローブと、
   前記超音波プローブにより被検体に対して超音波を送受信させる送受信手段と、
   前記送受信手段が受信した前記被検体からの反射波に基づいて超音波画像を生成する画像生成手段と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置。
9. 前記送受信手段は、前記超音波プローブにより所定の周波数を有する超音波を前記被検体に対して送信し、前記被検体から前記所定の周波数に対する２次高調波を受信し、
   前記画像生成手段は、前記２次高調波に基づいて超音波画像を生成することを特徴とする請求項８に記載の超音波診断装置。

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