JP2010284235A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】バブルから得られる高調波成分の抽出に適した超音波プローブを提供する。
【解決手段】送信用アレイ１０は、バブルを含む診断領域に対して超音波を送波する。受信用アレイ２１，２２は、バブルから得られる超音波を受波する。送信用アレイ１０は、中央に配置され、その送信用アレイ１０を挟んで両側に受信用アレイ２１，２２が配置される。また、送信用アレイ１０は、超音波の基本波に対応した周波数帯域を備えており、超音波の基本波を送波する。一方、受信用アレイ２１，２２は、超音波の高調波に対応した周波数帯域を備えており、バブルから得られる超音波の高調波を受波する。
【選択図】図１

Description

本発明はバブルを含む診断領域に対して超音波を送受波する超音波プローブに関する。

マイクロバブル（またはナノバブル）は、液体などに注入された微細な気泡を意味している。このマイクロバブルは、様々な優れた特性を備えているため、多くの分野で利用されている。例えば、医療分野への応用として、マイクロバブルが超音波の好適な反射体となることから、超音波画像を形成する際の造影剤として利用されている。

造影剤を利用した超音波画像の形成においては、バブルから得られる高調波成分に注目した技術が知られており、例えば、フェイズインバージョン法（パルスインバージョン法）やパワーモジュレーション法などが有名である。

高調波成分を利用するためには、超音波プローブの周波数帯域などを高調波成分に対応させる必要がある。例えば、基本波を送信して高調波を受信する場合には、送信と受信とで利用される周波数帯域が異なる。そのため、例えば、基本波に対応した送信用の振動子と高調波に対応した受信用の振動子を利用するなど、超音波プローブの構成上の工夫が必要になる。

ちなみに、バブルから得られる高調波成分に注目した技術ではないものの、特許文献１には、送信用アレイを中央に配置してその送信用アレイを挟んで両側に受信用アレイを配置した構造が記載されている。また、連続波ドプラモードに注目した技術として、特許文献２にも、送信用アレイを中央に配置してその送信用アレイを挟んで両側に受信用アレイを配置した構造が記載されている。

特開昭５８−３８５４３号公報 特開２００４−５７４６０号公報

このような状況のもと、本願の発明者は、バブル（マイクロバブルなど）を利用した超音波による画像化技術について研究開発を重ねてきた。特に、バブルから得られる高調波成分を利用した画像化技術に注目した。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、バブルから得られる高調波成分の抽出に適した超音波プローブを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波プローブは、バブルを含む診断領域に対して超音波を送波する送信用アレイと、前記バブルから得られる超音波を受波する受信用アレイと、を有し、前記送信用アレイが中央に配置されてその送信用アレイを挟んで両側に前記受信用アレイが配置される、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記送信用アレイは、超音波の基本波に対応した周波数帯域を備え、前記バブルを含む診断領域に対して超音波の基本波を送波し、前記受信用アレイは、超音波の高調波に対応した周波数帯域を備え、前記バブルから得られる超音波の高調波を受波する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、１列に並べられた複数の送信用振動素子によって１列の前記送信用アレイが形成され、１列に並べられた複数の受信用振動素子によって１列の前記受信用アレイが形成され、１列の送信用アレイが中央に配置されてその送信用アレイを挟んで両側に２列の受信用アレイが配置される、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記超音波プローブは、前記１列の送信用アレイと前記２列の受信用アレイからなる３列のアレイに共用される音響レンズをさらに有する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記音響レンズは、前記１列の送信用アレイに対応した中央部分で厚く形成され、前記２列の受信用アレイに対応した両側部分に向かって徐々に薄く形成される、ことを特徴とする。

本発明により、バブルから得られるの高調波成分の抽出に適した超音波プローブが提供される。

本発明の好適な超音波プローブを説明するための図である。 図１の超音波振動子に設けられる音響レンズを説明するための図である。 ３列の振動子アレイによるサイドローブを説明するための図である。 比較例の超音波プローブによる観測断面外バブルの検出を説明するための図である。 本発明の好適な超音波プローブによる観測断面外バブルの検出を説明するための図である。

以下、本発明に係る超音波プローブの好適な実施形態を説明する。

図１は、本発明の好適な超音波プローブを説明するための図であり、図１には、その超音波プローブが備える超音波振動子が示されている。図１に示す超音波振動子は、中央に配置された１列の送信用アレイ１０と、その送信用アレイ１０を挟むように外側に配置された２列の受信用アレイ２１，２２で構成されている。

中央に配置された送信用アレイ１０は、複数の送信用振動素子により形成される。例えば９６個の送信用振動素子がＸ軸に沿って１列に直線状に配列されて送信用アレイ１０が形成される。

外側に配置された受信用アレイ２１は、複数の受信用振動素子により形成される。例えば９６個の受信用振動素子がＸ軸に沿って１列に直線状に配列されて受信用アレイ２１が形成される。同じく外側に配置された受信用アレイ２２も複数の受信用振動素子により形成される。例えば９６個の受信用振動素子がＸ軸に沿って１列に直線状に配列されて受信用アレイ２２が形成される。

図１に示す超音波振動子を備えた超音波プローブは、バブルから得られる高調波成分の抽出に適している。例えば、バブルを含む診断領域に対して送信用アレイ１０から超音波の基本波を送波し、バブルから発せられる超音波に含まれる高調波成分を受信用アレイ２１，２２により受波する。

図１に示す送信用アレイ１０と受信用アレイ２１，２２からなる３列の振動子アレイには、これら３列の振動子アレイによって共用される音響レンズが設けられる。

図２は、図１の超音波振動子に設けられる音響レンズを説明するための図である。図２には、図１の送信用アレイ１０と受信用アレイ２１，２２が図示されており、図２のＹＺ平面は、図１のＹＺ平面に対応している。

送信用アレイ１０と受信用アレイ２１，２２は、Ｙ軸方向に沿って、互いに角度や段差を設けずに直線的に並べられており、Ｚ軸の正方向側にある送信用アレイ１０の振動子面と受信用アレイ２１，２２の振動子面が同一平面内に配置されている。その同一平面内に配置された３列の振動子アレイの振動子面上に（図２においては下側に）、音響レンズ３０が設けられている。

音響レンズ３０は、送信用アレイ１０から送波される超音波をＹ軸方向で絞り込む。音響レンズ３０は、所定の深さを送信焦点とするように設計され、これにより、送信用アレイ１０から送波された超音波がその送信焦点において絞り込まれる。なお、送信用アレイ１０は、Ｘ軸方向（図１参照）に沿って配列された複数の送信用振動素子を備えているため、これら複数の送信用振動素子を電子的に送信制御してＸ軸方向で超音波を絞り込むようにしてもよい。

また、音響レンズ３０は、受信用アレイ２１，２２で受波される超音波をＹ軸方向で絞り込む。音響レンズ３０は、所定の深さを受信焦点とするように設計され、これにより、受信用アレイ２１，２２で受波される超音波がその受信焦点において絞り込まれる。なお、受信用アレイ２１，２２は、Ｘ軸方向（図１参照）に沿って配列された複数の受信用振動素子を備えているため、これら複数の受信用振動素子から得られる信号に基づいて、Ｘ軸方向で超音波を絞り込むようにしてもよい。

音響レンズ３０の三次元的な全体形状は蒲鉾型であり、送信用アレイ１０に対応した中央部分で厚く形成され、２列の受信用アレイ２１，２２に対応した両側部分に向かって徐々に薄く形成される（Ｔ１＞Ｔ２）。

図２に示すように、本発明の好適な超音波プローブでは、１列の送信用アレイ１０を中央に配置してその両側に２列の受信用アレイ２１，２２を配置している。これに対し、１列の受信用アレイを中央に配置してその両側に２列の送信用アレイを配置した構成を比較例の超音波プローブとする。

本発明の好適な超音波プローブでは、比較例の超音波プローブに比べて、受波される超音波の音響レンズ３０内での通過距離が短くなるため受信の感度が向上する。

例えば、音響レンズ３０の減衰率を１０ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚとする。また、受波される超音波の周波数（例えば３次高調波）を７．５ＭＨｚとし、音響レンズ３０内における通過距離が１ｍｍ短くなったとすると、１０ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ×１ｍｍ×７．５ＭＨｚ＝７．５ｄＢだけ感度が向上する。

ちなみに、本発明の好適な超音波プローブでは、比較例の超音波プローブに比べて、送波される超音波の音響レンズ３０内での通過距離が長くなる。しかし、送波される超音波は基本波であり、その周波数は例えば１．５ＭＨｚである。そのため、音響レンズ３０内における通過距離が１ｍｍ長くなったとしても、減衰の増加は、１０ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ×１ｍｍ×１．５ＭＨｚ＝１．５ｄＢとなり、受信感度の向上（７．５ｄＢ）に比べて小さい。また、例えば送信音圧を大きくすることにより、送波される超音波の減衰（１．５ｄＢ）を補償することもできる。

さらに、本発明の好適な超音波プローブは、バブルからの高調波を利用する場合において、比較例の超音波プローブに比べて、サイドローブの影響を低減することができる。

図３は、３列の振動子アレイによるサイドローブを説明するための図である。図３には比較例の超音波プローブ、つまり、１列の受信用アレイを中央に配置してその両側に２列の送信用アレイを配置した構成の超音波プローブに関する、送信ビーム特性のシミュレーション結果が示されている。

アジマス方向（Ｘ軸方向）に比べて、エレベーション方向（Ｙ軸方向）において、サイドローブが強く出現している。これは、送信ビームを形成する２列の送信用アレイが互いに離れた構造であることに起因するものと考えられる。エレベーション方向においてサイドローブが強く出現すると、観測したい断面（観測断面）からエレベーション方向にずれた位置における信号を大きく取得してしまい、虚像を形成してしまう。

バブルからの高調波を利用したコントラストイメージングにおいても、サイドローブは無視できない。例えば、エレベーション方向において送信ビームのサイドローブが強く出現し、そのサイドローブの位置にバブルが存在すると、観測断面からずれた位置に存在するそのバブル（観測断面外バブル）が虚像として検出されてしまう。

図４は、比較例の超音波プローブによる観測断面外バブルの検出を説明するための図である。比較例の超音波プローブは、受信用アレイを中央に配置してその両側に送信用アレイを配置した構造である。

比較例の超音波プローブでは、２列の送信用アレイが離れている。そこで、図３のエレベーション方向におけるシミュレーション結果を参考にして、比較例の超音波プローブによる基本波の送信ビームでは、メインローブに対してサイドローブが２ｄＢだけ下がると仮定する。

一方、比較例の超音波プローブでは、受信用アレイが中央に配置されているため、図３のアジマス方向におけるシミュレーション結果のように、サイドローブがある程度抑えられていると考えられる。そこで、比較例の超音波プローブによる受信ビームでは、メインローブに対してサイドローブが１０ｄＢだけ下がると仮定する。但し、受信ビームの特性が音圧によらず一定であると仮定する。

さらに、バブルからの高次高調波の信号電力は、バブルに与えられる超音波の送信音圧に大きく依存する。そこで、バブルから得られる高調波の信号電力と送信音圧との関係を示すシミュレーション結果に基づいて、バブルから得られる信号の大きさを仮定する。

図４に示す結果は、以上の仮定に基づいて得られたものである。まず、図４（１）に示すように、観測断面外バブルと同じ深さの観測断面内の位置、つまりメインローブの位置で送信音圧が２００ｋＰａとなるように送信を行うと、観測断面外バブルの位置、つまりサイドローブの位置では２ｄＢだけ下がる仮定から、送信音圧が１６０ｋＰａとなる。

次に、図４（２）に示す、バブルから得られる高調波の信号電力（縦軸）と送信音圧（横軸）との関係を示すシミュレーション結果から、送信音圧が２００ｋＰａの場合に比べて、送信音圧が１６０ｋＰａの場合には３次高調波の信号量が６ｄＢだけ下がる。

そして、図４（３）に示すように、受信時においては、受信用アレイが中央に配置されているため、サイドローブがある程度抑えられているとする仮定から、メインローブに比べてサイドローブが１０ｄＢだけ下がる。

図４に示す結果から、比較例の超音波プローブでは、観測断面内にあるバブル（メインローブによって検出されるバブル）の検出感度に比べて、それと同じ深さにある観測断面外バブル（サイドローブによって検出されるバブル）の検出感度は、６＋１０＝１６ｄＢ程度だけ下がる。

これに対し、本発明の好適な超音波プローブでは、観測断面外バブルの検出感度をさらに下げることが可能になる。

図５は、本発明の好適な超音波プローブによる観測断面外バブルの検出を説明するための図である。本発明の好適な超音波プローブは、送信用アレイを中央に配置してその両側に受信用アレイを配置した構造である。

図５に示す結果は、図４の場合と同等な仮定に基づいて得られたものである。まず、図５（１）に示すように、観測断面外バブルと同じ深さの観測断面内の位置、つまりメインローブの位置で送信音圧が２００ｋＰａとなるように送信を行う。送信用アレイが中央に配置されているため、サイドローブがある程度抑えられていると考えられ、メインローブに対してサイドローブが１０ｄＢだけ下がると仮定する。

次に、図５（２）に示す、バブルから得られる高調波の信号電力（縦軸）と送信音圧（横軸）との関係を示すシミュレーション結果（図４（２）のシミュレーション結果と同じ）から、送信音圧が２００ｋＰａの場合に比べて、送信音圧が１０ｄＢだけ下がると、３次高調波の信号量が３０ｄＢだけ下がる。

そして、図５（３）に示すように、受信時においては、２列の受信用アレイが離れているため、メインローブに対してサイドローブが２ｄＢだけ下がると仮定する。

図５に示す結果から、本発明の好適な超音波プローブでは、観測断面内にあるバブル（メインローブによって検出されるバブル）の検出感度に比べて、それと同じ深さにある観測断面外バブル（サイドローブによって検出されるバブル）の検出感度は、３０＋２＝３２ｄＢ程度と大幅に下がる。

図４と図５の結果から、比較例の超音波プローブに対して、本発明の好適な超音波プローブでは、３２−１６＝１６ｄＢ程度の改善が見込まれる。さらに、本発明の好適な超音波プローブでは、図２を利用して説明したように、音響レンズ３０内における超音波の通過距離に伴う改善が上乗せされることになる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した本発明の好適な実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。例えば、中央に１列の送信用アレイを配置して、その送信用アレイを挟むように、一方の外側に２列の受信用アレイを配置して他方の外側に２列の受信用アレイを配置してもよい。

１０ 送信用アレイ、２１，２２ 受信用アレイ。

Claims (5)

1. バブルを含む診断領域に対して超音波を送波する送信用アレイと、
   前記バブルから得られる超音波を受波する受信用アレイと、
   を有し、
   前記送信用アレイが中央に配置されてその送信用アレイを挟んで両側に前記受信用アレイが配置される、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
2. 請求項１に記載の超音波プローブにおいて、
   前記送信用アレイは、超音波の基本波に対応した周波数帯域を備え、前記バブルを含む診断領域に対して超音波の基本波を送波し、
   前記受信用アレイは、超音波の高調波に対応した周波数帯域を備え、前記バブルから得られる超音波の高調波を受波する、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
3. 請求項２に記載の超音波プローブにおいて、
   １列に並べられた複数の送信用振動素子によって１列の前記送信用アレイが形成され、
   １列に並べられた複数の受信用振動素子によって１列の前記受信用アレイが形成され、
   １列の送信用アレイが中央に配置されてその送信用アレイを挟んで両側に２列の受信用アレイが配置される、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
4. 請求項３に記載の超音波プローブにおいて、
   前記１列の送信用アレイと前記２列の受信用アレイからなる３列のアレイに共用される音響レンズをさらに有する、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
5. 請求項４に記載の超音波プローブにおいて、
   前記音響レンズは、前記１列の送信用アレイに対応した中央部分で厚く形成され、前記２列の受信用アレイに対応した両側部分に向かって徐々に薄く形成される、
   ことを特徴とする超音波プローブ。