JP2009510889A - 超音波診断用プローブ及びこれを用いる超音波診断システム - Google Patents

Abstract

本発明は、音響インピーダンスを整合させて不要な信号を遮断することができるプローブ及びこれを用いた超音波診断システムに関するものである。超音波診断用プローブは、超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射された超音波信号を受信するための変換素子アレイを備える。また、前記プローブは、前記変換素子アレイを取り囲む複数のメンブレンを備え、前記複数のメンブレンは互いに異なる物質から形成され且つ異なる厚さを有する少なくとも二層以上のメンブレンを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に超音波診断用プローブ及びこれを用いる超音波診断システムに関し、より詳細には音響インピーダンスを整合させて不要な信号を遮断することができる超音波診断用プローブ及びこれを用いる超音波診断システムに関する。

超音波診断システムは、広い範囲で応用されている重要かつ広く普及した診断器具になった。特に、超音波診断システムは対象体に対して無侵襲及び非破壊特性を有しているため、医療分野に広く用いられている。近来の高性能超音波診断システムは対象体の２次元または３次元診断映像を形成するのに用いられている。

一般に、超音波診断システムは超音波信号を送信及び受信する多数の変換素子で構成された変換素子アレイを備えるプローブを用いる。超音波診断システムは、変換素子を電気的に刺激して対象体に転送される超音波パルスを生成して対象体の内部構造に関する超音波映像を形成する。超音波パルスは、伝搬する超音波パルスに不連続に示される内部構造の音響インピーダンスの不連続面から反射されるために超音波エコーを生成する。多様な超音波エコーが変換素子に戻って電気的信号に変換され、変換された電気的信号は増幅及び処理されて対象体の内部構造の映像のための超音波データが生成される。

一般的な超音波プローブは、変換素子アレイと、プローブハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）、ポッティング（ｐｏｔｔｉｎｇ）物質及び電気的シールドのような他の機械的なハードウェアとを有する。変換素子アレイは、一般的に、各種の層を積層して形成される。

従来は、プローブは、ゴムまたはプラスチックからなる単一のメンブレンを用いてそのハウジングを形成している。しかし、このようなプローブを用いてスキャンされる超音波信号は、歪んだり正確な診断を妨害するノイズまたは不要な信号を含む可能性がある。従って、高感度及び高解像度の３次元超音波映像を得るようにプローブを改善する必要がある。

前述した問題を解決するために、本発明は超音波信号の歪みまたは損失なく音響インピーダンスを整合させて不要な信号を遮断することができるプローブ及びこれを用いた超音波診断システムを提供する。

本発明の一実施例による超音波診断用プローブは、超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射された超音波信号を受信するための変換素子アレイと、前記変換素子アレイを取り囲む複数のメンブレン（membrane：膜）とを備え、前記複数のメンブレンは互いに異なる物質で形成され且つ異なる厚さを有する少なくとも二層以上のメンブレンを備える。

本発明の他の実施例による超音波診断システムは、超音波信号をスキャンするプローブと、前記プローブから提供された超音波信号に基づいて超音波映像を生成するプロセッサと、前記生成された超音波映像をディスプレイするディスプレイ部とを備え、前記プローブは、前記超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射された超音波信号を受信する変換素子アレイと、前記変換素子アレイを取り囲む複数のメンブレンを備え、前記複数のメンブレンは互いに異なる物質で形成され且つ異なる厚さを有する少なくとも二層以上のメンブレンを備える。

本発明によれば、複数のメンブレンは変換素子アレイとメンブレンとの間の音響インピーダンス差を最小化し、高感度及び高解像度の３次元映像を形成することができる。

また、導電性物質からなる遮蔽層を含むメンブレンをプローブに適用し、ノイズまたは不要な信号を遮断することによって、高感度及び高解像度の３次元超音波映像を形成することができる。

以下、図面を参照して本発明による実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例に従う超音波診断用プローブの断面を概略的に示す。本発明のプローブは複数のメンブレンを備える。

図１を参照すると、プローブ１１０は、複数のメンブレン１１２と超音波信号を送受信する変換素子アレイ１１４とを備える。メンブレン１１２と変換素子アレイ１１４との間の空間をオイル１１６で充填してプローブ１１０の動作を容易にすることができる。メンブレン１１２は、変換素子アレイ１１４を保護するためのカバーとして機能する。変換素子アレイ１１４は、圧電素子１１４ａで形成される。また、プローブ１１０は、圧電素子１１４ａを覆う整合層１１５、整合層１１５を覆うレンズ１１６及び圧電素子１１４ａを支持する吸音層（ｂａｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１１７を備える。本実施例ではプローブ１１０が整合層１１５を備えるが、複数のメンブレン１１２が整合層として機能し得る。このような場合、整合層１１５は省略できる。

メンブレン１１２は、互いに異なる物質で形成され且つ異なる厚さを有する、内側メンブレン１１２ａ及び外側メンブレン１１２ｂからなる。内側メンブレン１１２ａ及び外側メンブレン１１２ｂは、変換素子アレイ及び対象体とそれぞれ対向する。超音波が複数のメンブレン１１２を通過する時、内側メンブレン１１２ａにおける超音波速度は外側メンブレン１１２ｂにおけるものと互いに異なる。内側メンブレン１１２ａ及び外側メンブレン１１２ｂの厚さは、音響インピーダンス差を最小化するために、内側メンブレン１１２ａと外側メンブレン１１２ｂそれぞれで実質的に超音波波長の１／４になるように形成することが望ましい。また、変換素子アレイ１１４の高い音響インピーダンスと人体の低い音響インピーダンスに起因して、音響反射（損失）を減少させるために、内側メンブレン１１２ａのインピーダンス値が外側メンブレン１１２ｂのインピーダンス値より相対的に大きい値を有することが好ましい。

本実施例では、複数のメンブレン１１２が二層のメンブレン（即ち、内側及び外側メンブレン）を備える。しかし、複数のメンブレン１１２は、内側及び外側メンブレン以外に一層以上のメンブレンを備えることができる。また、三層以上のメンブレンを用いる時、各メンブレンの厚さは、実質的に各メンブレンにおいて超音波波長の１／４になるように形成することが望ましい。内層のインピーダンス値は、外層のインピーダンス値より大きいことが望ましい。

図２は、図１の複数のメンブレンに遮蔽層が挿入された構造を概略的に示したものである。図２を参照すると、遮蔽層（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１１２ｓは、メンブレン１１２内に配置される。しかし、図３に示されるように、遮蔽層１１２ｓは、変換素子アレイ１１４に対向する内側メンブレン１１２ａの表面上に形成できる。メンブレン１１２ａまたはメンブレン１１２ｂは、遮蔽層として機能し得る。

遮蔽層１１２ｓは、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｐｂから成る群から選択される導電性物質を含有する。例えば、遮蔽層１１２ｓは、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）で形成できる。

遮蔽層１１２ｓは、メンブレン１１２を通過する信号のうち、不要なノイズ（ｎｏｉｓｅ）または信号がプローブ１１０に侵入するのを防止する。即ち、遮蔽層１１２ｓは、音響信号のみを複数のメンブレン１１２を通じて通過させて、高感度及び高解像度の超音波映像の形成を可能にする。

図４は、図１のプローブを用いて構成される超音波診断システムを概略的に示したものである。図４を参照すると、超音波診断システム１００は、プローブ１１０と、ビームフォーマ１２０と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１３０と、デジタルスキャン変換器（ＤＳＣ）１４０と、ビデオマネージャ１５０及びディスプレイ部１６０を備える。ビームフォーマ１２０、ＤＳＰ１３０、ＤＳＣ１４０及びビデオマネージャ１５０は、プローブ１１０から提供された超音波信号に基づいて超音波映像を生成する単一プロセッサで形成できる。

図１に示されるように、プローブ１１０は超音波信号を送受信するための変換素子アレイ１１４を備える。プローブ１１０はまた、変換素子アレイ１１４を覆うハウジングとして機能する複数のメンブレン１１２を備える。複数のメンブレン１１２は、少なくとも２層のメンブレン、例えば、互いに異なる厚さを有し且つ異なる物質で形成される内側メンブレン１１２ａ及び外側メンブレン１１２ｂを備える。超音波が複数のメンブレン１１２を通過する時、内側メンブレン１１２ａにおける超音波速度は外側メンブレン１１２ｂにおけるものと互いに異なる。内側メンブレン１１２ａ及び外側メンブレン１１２ｂの厚さは、音響インピーダンス差を最小化するために、内側メンブレン１１２ａと外側メンブレン１１２ｂそれぞれで実質的に超音波波長の１／４になるように形成することが望ましい。

一方、遮蔽層（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１１２ｓは、複数のメンブレン１１２間に配置されるか、変換素子アレイ１１４に対向する内側メンブレン１１２ａの表面上に形成できる。本明細書において、内側メンブレン１１２ａ及び外側メンブレン１１２ｂの何れか一方は遮蔽層として用いられることが留意されるべきである。遮蔽層１１２ｓは、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｐｂから成る群から選択される導電性物質を含有する。遮蔽層１１２ｓは、メンブレン１１２を通過する信号のうち、不要なノイズ（ｎｏｉｓｅ）または信号がプローブ１１０に侵入するのを防止する。即ち、遮蔽層１１２ｓは、音響信号のみを複数のメンブレン１１２を通じて通過させる。

ビームフォーマ１２０は、変換素子アレイによって受信された超音波エコー信号を集束してフレームデータ信号を生成する。ＤＳＰ１３０は、フレームデータ信号をデジタル信号処理して超音波映像データを生成する。ＤＳＣ１４０は、超音波映像データをビデオディスプレイのためのＸ−Ｙ形式のスキャン変換されたデータに変換する。

ビデオマネージャ（ｖｉｄｅｏ ｍａｎａｇｅｒ）１５０は、スキャン変換されたフレームデータをディスプレイ部１６０で使用するために適切なビデオ信号に変換する。ディスプレイ部１６０は、ビデオマネージャ１５０から受信したビデオ信号に基づいて超音波映像をディスプレイしてユーザに提供する。

以上、本発明がその好ましい実施例に関して説明・図示されたが、当業者にとって、（添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである）本発明の幅広い原理及び教示から逸脱すること無く種々の変更・修正が可能であることは明白であろう。

本発明による複数のメンブレンは、変換素子アレイとメンブレンとの間の音響インピーダンス差を最小化することができる。さらに、導電性物質からなる遮蔽層を含むメンブレンをプローブに適用し、ノイズまたは不要な信号を遮断することができる。従って、上記複数のメンブレンを使用して高感度及び高解像度の３次元超音波映像を形成することができる。

本発明の実施例に従う複数のメンブレンを備える超音波診断用プローブの断面を概略的に示す。 上記複数のメンブレンに挿入された遮蔽層を示す概略図である。 上記複数のメンブレンの、変換素子アレイに対向する表面に形成された遮蔽層を示す概略図である。 図１に示されたプローブを用いて構成される超音波診断システムを概略的に示す。

Claims (14)

1. 超音波信号を対象体に送信して前記対象体から反射された超音波信号を受信するための変換素子アレイと、
   前記変換素子アレイを取り囲む複数のメンブレンとを備え、
   前記複数のメンブレンは互いに異なる物質から形成され且つ異なる厚さを有する少なくとも二層以上のメンブレンを備えることを特徴とする超音波診断用プローブ。
2. 前記複数のメンブレンそれぞれの厚さは、実質的に、前記各メンブレンにおいて超音波信号波長の１／４になるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断用プローブ。
3. 前記複数のメンブレンは、前記変換素子アレイに対向する内側メンブレンと前記対象体に対向する外側メンブレンを備え、前記内側メンブレンのインピーダンス値が前記外側メンブレンのインピーダンス値より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断用プローブ。
4. 前記複数のメンブレンは、整合層であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断用プローブ。
5. 前記複数のメンブレンのうちのいずれか一層は、遮蔽層であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断用プローブ。
6. 前記遮蔽層は、導電性元素を含有することを特徴とする請求項５に記載の超音波診断用プローブ。
7. 前記導電性元素は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｐｂから成る群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の超音波診断用プローブ。
8. 超音波信号をスキャンするプローブと、
   前記プローブから提供された超音波信号に基づいて超音波映像を生成するプロセッサと、
   前記生成された超音波映像をディスプレイするディスプレイ部とを備え、
   前記プローブは、前記超音波信号を対象体に送信し、前記対象体から反射された超音波信号を受信する変換素子アレイと、前記変換素子アレイを取り囲む複数のメンブレンを備え、前記複数のメンブレンは互いに異なる物質から形成され且つ異なる厚さを有する少なくとも二層以上のメンブレンを備えることを特徴とする超音波診断システム。
9. 前記複数のメンブレンそれぞれの厚さは、実質的に、前記各メンブレンにおいて超音波信号波長の１／４になるように形成されることを特徴とする請求項８に記載の超音波診断システム。
10. 前記複数のメンブレンは、前記変換素子アレイに対向する内側メンブレンと前記対象体に対向する外側メンブレンを備え、前記内側メンブレンのインピーダンス値が前記外側メンブレンのインピーダンス値より大きいことを特徴とする請求項８に記載の超音波診断システム。
11. 前記複数のメンブレンは、整合層であることを特徴とする請求項８に記載の超音波診断システム。
12. 前記複数のメンブレンのうちのいずれか一層は、遮蔽層であることを特徴とする請求項８に記載の超音波診断システム。
13. 前記遮蔽層は、導電性元素を含有することを特徴とする請求項１２に記載の超音波診断システム。
14. 前記導電性元素は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｐｂから成る群から選択されることを特徴とする請求項１３に記載の超音波診断システム。

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