JP2011050471A - Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus - Google Patents

Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2011050471A
JP2011050471A JP2009200372A JP2009200372A JP2011050471A JP 2011050471 A JP2011050471 A JP 2011050471A JP 2009200372 A JP2009200372 A JP 2009200372A JP 2009200372 A JP2009200372 A JP 2009200372A JP 2011050471 A JP2011050471 A JP 2011050471A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic
vibrator
single crystal
ultrasonic probe
piezoelectric single
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009200372A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Hayashi
健一 林
Atsushi Osawa
敦 大澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujifilm Corp filed Critical Fujifilm Corp
Priority to JP2009200372A priority Critical patent/JP2011050471A/en
Publication of JP2011050471A publication Critical patent/JP2011050471A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To drive a transducer made of piezoelectric single crystal with low-voltage bipolar pulses without depolarization, and to achieve high penetration. <P>SOLUTION: A plurality of transducers 15 made of piezoelectric single crystal are arranged within a distal end of the ultrasonic probe 11, and preamplifiers 23 are connected to the respective transducers 15. The respective transducers 15 are driven with low-voltage bipolar pulses fed from a pulser 34 of an ultrasonic observation device 12 and generate ultrasonic waves without depolarization. Echo signals outputted from the transducers 15 upon receipt of reflection waves are amplified by the preamplifiers 23 to be transmitted to the ultrasonic observing device 12. As a result, penetration is improved without being affected by the electric capacity of a cable 29. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波を送受信する振動子を備えた超音波プローブと、超音波プローブに超音波を送受信させる超音波観測器を備えた超音波診断装置とに関する。   The present invention relates to an ultrasonic probe including a transducer that transmits and receives ultrasonic waves, and an ultrasonic diagnostic apparatus including an ultrasonic observation device that causes an ultrasonic probe to transmit and receive ultrasonic waves.

被検者に送信した超音波の反射波を受信し、反射波の強弱を輝度に変換して画像を生成する超音波パルス反射法を用いた医療機器として、超音波診断装置が知られている。超音波診断装置は、先端部内に振動子を備えた超音波プローブと、振動子に超音波を発生させ、振動子が受信した超音波を画像化する超音波観測器とから構成されている。   An ultrasonic diagnostic apparatus is known as a medical device using an ultrasonic pulse reflection method that receives an ultrasonic reflected wave transmitted to a subject and converts the intensity of the reflected wave into luminance to generate an image. . The ultrasonic diagnostic apparatus is composed of an ultrasonic probe having a transducer in the tip, and an ultrasonic observer that generates ultrasonic waves in the transducer and images the ultrasonic waves received by the transducer.

超音波観測器は、ケーブルを介して接続された超音波プローブの振動子に駆動信号を入力する。振動子は、超音波観測器から入力された駆動信号に基づいて超音波を発生する。振動子が発生した超音波は、被検者の体内に向けて送信され、音響インピーダンスの境界で反射し、振動子により反射波が受信される。振動子は、受信した反射波の強弱に応じたエコー信号を発生する。超音波観測器は、エコー信号の強弱を輝度に変換して画像を生成する。   The ultrasonic observer inputs a drive signal to the transducer of the ultrasonic probe connected via a cable. The vibrator generates ultrasonic waves based on the drive signal input from the ultrasonic observer. The ultrasonic wave generated by the vibrator is transmitted toward the body of the subject, reflected at the boundary of acoustic impedance, and the reflected wave is received by the vibrator. The vibrator generates an echo signal corresponding to the strength of the received reflected wave. The ultrasonic observer generates an image by converting the strength of the echo signal into luminance.

振動子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTと呼ぶ)等の強誘電体に分極処理を施して圧電性が付与された圧電セラミックス等からなる。分極処理とは、強誘電体に高電界を印加して自発分極の向きを揃え、残留分極を持たせる処理であり、分極処理後のPZTは、図5に示すようなヒステリシス特性を有している。強誘電体は、自身が有する分極方向と逆方向の電界が、ある一定以上の大きさで加えられると自発分極が弱まり(脱分極またはデポールという)、抗電界Ec以上の逆電界が加えられると完全に脱分極され、自発分極は消失し、変位能、受信能を失ってしまう。そのため、超音波観測器から振動子に供給される駆動信号の電圧は、振動子に印加される電界が、振動子の自発分極と逆方向について抗電界を超えないように設定されている。   The vibrator is made of, for example, a piezoelectric ceramic or the like in which a ferroelectric material such as lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) is subjected to polarization treatment to impart piezoelectricity. The polarization process is a process in which a high electric field is applied to the ferroelectric material to align the direction of spontaneous polarization and to give residual polarization. The PZT after the polarization process has hysteresis characteristics as shown in FIG. Yes. When an electric field in the direction opposite to the polarization direction of the ferroelectric is applied with a certain magnitude or more, the spontaneous polarization is weakened (referred to as depolarization or depolarization), and a reverse electric field greater than the coercive electric field Ec is applied. It is completely depolarized, spontaneous polarization disappears, and displacement ability and reception ability are lost. Therefore, the voltage of the drive signal supplied to the vibrator from the ultrasonic observer is set so that the electric field applied to the vibrator does not exceed the coercive electric field in the direction opposite to the spontaneous polarization of the vibrator.

超音波診断装置には、体内のより深部を高精細な画像で確かな診断を行いたいという要求から、高分解能及び高感度であることが望まれており、これらの性能を実現するため様々な発明がなされている。例えば、高分解能を得るため、振動子の駆動信号として一般的なユニポーラパルス(図6参照)に代えて、バイポーラパルス(図2参照)を用いた超音波診断装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。   Ultrasonic diagnostic devices are desired to have high resolution and high sensitivity because of the demand for reliable diagnosis of deeper parts of the body with high-definition images. An invention has been made. For example, in order to obtain high resolution, an ultrasonic diagnostic apparatus using a bipolar pulse (see FIG. 2) instead of a general unipolar pulse (see FIG. 6) as a driving signal for a vibrator is known (for example, Patent Document 1).

バイポーラパルスは、最初のパルスによる振動子の振動を次の逆極性のパルスが打ち消すように印加される。このため、バイポーラパルスに基づく超音波は、ユニポーラパルスのそれよりも発振時間が短くなり、ユニポーラパルスの場合の冗長部分をカットしたものとなる。バイポーラパルスに基づく超音波は、周波数分析にかけてスペクトル図を描くと、ユニポーラのそれよりも広帯域である。したがって、画像の分解能を向上させることができる。   The bipolar pulse is applied so that the vibration of the vibrator caused by the first pulse is canceled by the next pulse having the opposite polarity. For this reason, the ultrasonic wave based on the bipolar pulse has an oscillation time shorter than that of the unipolar pulse, and the redundant portion in the case of the unipolar pulse is cut. An ultrasonic wave based on a bipolar pulse has a wider band than that of a unipolar when a spectrum diagram is drawn through frequency analysis. Therefore, the resolution of the image can be improved.

また、感度を向上させて高いペネトレーション(深達度ともいう)を得るため、電気機械結合係数が高く、超音波及び反射波の送受信能力に優れた圧電体単結晶からなる振動子を用いた超音波診断装置も知られている(例えば、特許文献2参照)。   In addition, in order to improve sensitivity and obtain high penetration (also called depth of penetration), an ultrasonic transducer using a piezoelectric single crystal with a high electromechanical coupling coefficient and excellent ultrasonic wave and reflected wave transmission / reception capability is used. An ultrasonic diagnostic apparatus is also known (see, for example, Patent Document 2).

特開2000−005180号公報JP 2000-005180 A 特開2000−014672号公報JP 2000-014672 A

高分解能及び高感度を両立するため、圧電体単結晶からなる振動子をバイポーラパルスによって駆動させることが考えられている。しかし、図3に示すように、圧電体単結晶は、抗電界Ec、−Ecの範囲がPZTのような圧電体セラミックスに比べて狭いため、電圧幅が広いバイポーラパルスでは余計に脱分極が発生しやすくなる。脱分極を防止するには、抗電界を超えないように駆動信号の電圧を低くせざるをえないが、振動子から送信される超音波のパワーが弱くなり、ペネトレーションが低下してしまう。   In order to achieve both high resolution and high sensitivity, it is considered to drive a vibrator made of a piezoelectric single crystal with a bipolar pulse. However, as shown in FIG. 3, the piezoelectric single crystal has a narrow coercive electric field Ec, -Ec range compared to the piezoelectric ceramics such as PZT, so that a depolarization occurs more in the case of a bipolar pulse having a wide voltage range. It becomes easy to do. In order to prevent depolarization, the voltage of the drive signal must be lowered so as not to exceed the coercive electric field, but the power of the ultrasonic wave transmitted from the vibrator becomes weak and the penetration is lowered.

本発明の目的は、圧電体単結晶からなる振動子を脱分極させることなく低電圧のバイポーラパルスによって駆動し、高いペネトレーションを得ることにある。   An object of the present invention is to drive a vibrator made of a piezoelectric single crystal by a low-voltage bipolar pulse without depolarization, thereby obtaining high penetration.

本発明の超音波プローブは、圧電体単結晶からなる振動子であって、超音波観測器の送信回路から供給されたバイポーラパルスにより超音波を発生し、反射波を受信してエコー信号を出力する振動子と、電気容量性の伝送線路を介さずに振動子に直接接続されてエコー信号を増幅する増幅手段とを備えている。   The ultrasonic probe of the present invention is a vibrator made of a piezoelectric single crystal, generates ultrasonic waves by bipolar pulses supplied from a transmission circuit of an ultrasonic observation device, receives reflected waves, and outputs echo signals. And an amplifying means that is directly connected to the vibrator without passing through the capacitive transmission line and amplifies the echo signal.

圧電体単結晶は、少なくともチタン酸鉛を含み、Pb[(B1,B2)1−XTi]Oにて表される固溶系圧電体単結晶であって、Xが0.05〜0.55であり、B1がZn、Mg、Ni、Sc、In、Ybのいずれか1つであり、B2がNbあるいはTaのいずれか一方である。 The piezoelectric single crystal is a solid solution type piezoelectric single crystal containing at least lead titanate and represented by Pb [(B1, B2) 1-X Ti X ] O 3 , wherein X is 0.05-0. .55, B1 is any one of Zn, Mg, Ni, Sc, In, and Yb, and B2 is either Nb or Ta.

振動子の使用電界強度は、250V/mm以下であることが好ましい。   The used electric field strength of the vibrator is preferably 250 V / mm or less.

本発明の超音波診断装置は、上述した超音波プローブと、この超音波プローブにバイポーラパルスを出力する送信回路、及び超音波プローブによって増幅されたエコー信号を受信する受信回路を有する超音波観測器とを備えている。   An ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention includes an ultrasonic probe described above, a transmission circuit that outputs a bipolar pulse to the ultrasonic probe, and a reception circuit that receives an echo signal amplified by the ultrasonic probe. And.

本発明によれば、圧電体単結晶からなる振動子をバイポーラパルスで駆動させ、電気容量性の伝送線路を介さずに増幅手段と振動子を直接接続するので、振動子と増幅手段間のエコー信号の減衰が低減され、振動子に脱分極が発生しないよう低電圧で駆動させてもペネトレーションを向上させることができる。   According to the present invention, the vibrator made of a piezoelectric single crystal is driven with a bipolar pulse, and the amplification means and the vibrator are directly connected without using the capacitive transmission line. The attenuation of the signal is reduced, and the penetration can be improved even when the vibrator is driven at a low voltage so that depolarization does not occur in the vibrator.

圧電体単結晶として、チタン酸鉛を含む様々な種類のものを用いることができるので、超音波プローブの用途やコスト等を考慮して最適な圧電体単結晶を選定することができる。   Since various types of piezoelectric single crystals including lead titanate can be used, an optimal piezoelectric single crystal can be selected in consideration of the use and cost of the ultrasonic probe.

また、圧電体単結晶の抗電界を考慮して使用電界強度を規定したので、振動子に脱分極が発生することはない。   In addition, since the electric field strength used is defined in consideration of the coercive electric field of the piezoelectric single crystal, no depolarization occurs in the vibrator.

本発明の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the ultrasonic diagnosing device of this invention. バイポーラパルスの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a bipolar pulse. 圧電体単結晶のヒステリシス特性を示すグラフである。It is a graph which shows the hysteresis characteristic of a piezoelectric material single crystal. 診断部位に応じた超音波の使用周波数を示す表である。It is a table | surface which shows the use frequency of the ultrasonic wave according to a diagnostic region. PZTのヒステリシス特性を示すグラフである。It is a graph which shows the hysteresis characteristic of PZT. ユニポーラパルスの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a unipolar pulse.

以下、本発明を実施した超音波診断装置の実施形態について説明する。図1に示すように、超音波診断装置10は、超音波プローブ11と、超音波観測器12とを備えている。超音波プローブ11は、例えば、被検者の体表面に先端部が当接される体外式のものであり、被検者の体表面から体内に向けて超音波を送信し、音響インピーダンスの境界で反射した反射波を受信する。超音波観測器12は、超音波プローブ11に超音波を送信させ、超音波プローブ11が反射波を受信して出力したエコー信号を画像化する。   Hereinafter, embodiments of an ultrasonic diagnostic apparatus embodying the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the ultrasonic diagnostic apparatus 10 includes an ultrasonic probe 11 and an ultrasonic observer 12. The ultrasonic probe 11 is, for example, an external type whose tip is in contact with the body surface of the subject, transmits ultrasonic waves from the body surface of the subject into the body, and has a boundary of acoustic impedance. The reflected wave reflected at is received. The ultrasonic observation device 12 causes the ultrasonic probe 11 to transmit an ultrasonic wave, and the ultrasonic probe 11 receives the reflected wave and images the echo signal output.

超音波プローブ11の先端部には、振動子アレイ14が配設されている。振動子アレイ14には、例えば、凸状に形成された支持体上に、1次元または2次元アレイ状に複数の振動子15が配列されたコンベックス電子走査方式が採用されている。   A transducer array 14 is disposed at the tip of the ultrasonic probe 11. The transducer array 14 employs, for example, a convex electronic scanning method in which a plurality of transducers 15 are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array on a support formed in a convex shape.

振動子15は、分極処理を施して圧電性を付与した圧電体単結晶からなり、超音波観測器12から供給された駆動信号に基づいて超音波を発生し、反射波を受信してエコー信号を出力する。圧電体単結晶は、PZTに比べて極めて高い電気機械結合係数を有し、超音波の送受信能力に優れている。   The vibrator 15 is made of a piezoelectric single crystal that has been subjected to polarization processing to impart piezoelectricity, generates ultrasonic waves based on the drive signal supplied from the ultrasonic observation device 12, receives reflected waves, and receives echo signals. Is output. A piezoelectric single crystal has an extremely high electromechanical coupling coefficient compared to PZT, and is excellent in ultrasonic wave transmission / reception capability.

振動子15に用いられる圧電体単結晶には、Pb[(B1,B2)1−XTi]Oの一般式にて表された、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電体単結晶が用いられている。前記一般式のXは、0.05〜0.55であることが好ましく、B1はZn、Mg、Ni、Sc、In、Ybのいずれか1つであり、B2がNbあるいはTaのいずれか一方であることが好ましい。 The piezoelectric single crystal used for the vibrator 15 is a solid solution type piezoelectric single crystal containing at least lead titanate represented by the general formula of Pb [(B1, B2) 1-X Ti X ] O 3. It is used. X in the general formula is preferably 0.05 to 0.55, B1 is any one of Zn, Mg, Ni, Sc, In, and Yb, and B2 is either Nb or Ta. It is preferable that

上記条件に該当する固溶系圧電体単結晶として、例えば、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛(Pb[(Zn1/3Nb2/3)Ti]O)(PZNT)、あるいはマグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛(Pb[(Mg1/3Nb2/3)Ti]O)(PMNT)等の2成分系単結晶を用いることができる。なお、上記一般式においてXを0.05〜0.55の範囲に規定しているのは、圧電体単結晶のキュリー温度及び電気機械結合係数を一定以上に維持するためである。また、PZTの単結晶を用いてもよい。 As a solid solution type piezoelectric single crystal corresponding to the above conditions, for example, lead zinc niobate-lead titanate (Pb [(Zn 1/3 Nb 2/3 ) Ti] O 3 ) (PZNT), or lead magnesium niobate A binary single crystal such as lead titanate (Pb [(Mg 1/3 Nb 2/3 ) Ti] O 3 ) (PMNT) can be used. Note that the reason why X is defined in the range of 0.05 to 0.55 in the above general formula is to maintain the Curie temperature and the electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric single crystal above a certain level. Alternatively, a single crystal of PZT may be used.

振動子15に用いる圧電体単結晶は、例えば固相エピタキシー法(SPE法)によって作製するのが好ましい。固相エピタキシー法は、基材上にイオン注入や蒸着等によって形成された非晶質層を比較的低温で熱処理し、固相のままエピタキシャル薄膜を成長させる方法であり、安価に圧電体単結晶を作製することができる。なお、固相エピタキシー法を用いて作製された圧電体単結晶は、分極処理後の抗電界がその他の方法により作製されたものよりも低くなるが、本実施形態では振動子15を脱分極が発生しない低電圧で駆動するため、問題は生じない。   The piezoelectric single crystal used for the vibrator 15 is preferably produced by, for example, a solid phase epitaxy method (SPE method). The solid phase epitaxy method is a method in which an amorphous layer formed on a substrate by ion implantation or vapor deposition is heat-treated at a relatively low temperature, and an epitaxial thin film is grown in a solid phase. Can be produced. In addition, the piezoelectric single crystal manufactured using the solid phase epitaxy method has a coercive electric field after polarization processing lower than that manufactured by other methods, but in this embodiment, the vibrator 15 is depolarized. Since it is driven at a low voltage that does not occur, there is no problem.

振動子15は、上記圧電体単結晶の対向する2面を一対の電極16で挟んでいる。一方の電極16は、各振動子15の共通電極であり、グランドに接続されている。他方の電極16には、第1共通伝送路17が接続されている。第1共通伝送路17は、超音波観測器12から供給された駆動信号、及び振動子15が発生したエコー信号を伝送する。   The vibrator 15 sandwiches two opposing surfaces of the piezoelectric single crystal with a pair of electrodes 16. One electrode 16 is a common electrode of each vibrator 15 and is connected to the ground. A first common transmission line 17 is connected to the other electrode 16. The first common transmission path 17 transmits the drive signal supplied from the ultrasonic observer 12 and the echo signal generated by the transducer 15.

第1共通伝送路17の後段には、第1スイッチ19の一端が接続されている。第1スイッチ19の二股に分岐した他端には、第1、第2分岐伝送路20、21がそれぞれ接続されている。第1スイッチ19は、第1、第2分岐伝送路20、21のうち、第1共通伝送路17に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。   One end of the first switch 19 is connected to the subsequent stage of the first common transmission line 17. First and second branch transmission lines 20 and 21 are connected to the other end of the first switch 19 which is branched into two branches. The first switch 19 selectively switches a branch transmission line connected to the first common transmission line 17 among the first and second branch transmission lines 20 and 21.

第1、第2分岐伝送路20、21は、それぞれ駆動信号とエコー信号を伝送する。第2分岐伝送路21には、エコー信号を増幅するプリアンプ23が介挿されている。プリアンプ23は、例えば、エミッタフォロア回路を構成するトランジスタからなる。   The first and second branch transmission lines 20 and 21 transmit drive signals and echo signals, respectively. A preamplifier 23 for amplifying an echo signal is inserted in the second branch transmission line 21. The preamplifier 23 is composed of, for example, a transistor constituting an emitter follower circuit.

第1、第2分岐伝送路20、21は、プリアンプ23の後段で第2スイッチ25の2つの分岐端にそれぞれ接続している。第2スイッチ25の他端には、駆動信号及びエコー信号を伝送する第2共通伝送路26が接続されている。第2スイッチ25は、第1スイッチ19に連動して、第1、第2分岐伝送路20、21のうち、第2共通伝送路26に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。   The first and second branch transmission lines 20 and 21 are respectively connected to the two branch ends of the second switch 25 at the subsequent stage of the preamplifier 23. The other end of the second switch 25 is connected to a second common transmission path 26 that transmits a drive signal and an echo signal. In conjunction with the first switch 19, the second switch 25 selectively switches the branch transmission line connected to the second common transmission line 26 among the first and second branch transmission lines 20 and 21.

第2共通伝送路26は、その途中からシールド線28となり、複数本が束ねられてケーブル29となっている。ケーブル29は、一般的な体外式で1〜2m、内視鏡の先端に振動子を内蔵した超音波内視鏡では3.5m程の長さとなる。ケーブル29の後端には、コネクタ部(図示せず)が設けられており、このコネクタ部を超音波観測器12のソケット部(図示せず)に差し込むことにより、超音波プローブ11と超音波観測器12とが電気的に接続される。   The second common transmission line 26 becomes a shield wire 28 from the middle, and a plurality of wires are bundled to form a cable 29. The cable 29 has a length of about 1 to 2 m in a general extracorporeal type, and about 3.5 m in an ultrasonic endoscope in which a vibrator is built in the distal end of the endoscope. A connector portion (not shown) is provided at the rear end of the cable 29. By inserting this connector portion into a socket portion (not shown) of the ultrasonic observation device 12, the ultrasonic probe 11 and the ultrasonic wave are connected. The observation device 12 is electrically connected.

第1共通伝送路17及び第2分極伝送路21は、数mの長さを有するケーブル29と比べて極めて短く、電気容量及びその線抵抗による電圧降下量も微小である。したがって、プリアンプ23は、伝送線路を介さずに振動子15と直接接続しているのにほぼ等しい状態となる。   The first common transmission line 17 and the second polarization transmission line 21 are extremely short as compared with the cable 29 having a length of several meters, and the amount of voltage drop due to the electric capacity and the line resistance is very small. Therefore, the preamplifier 23 is almost in the same state as being directly connected to the vibrator 15 without passing through the transmission line.

超音波観測器12のソケット部は、マルチプレクサ(以下、MUXと表記する。)31に接続されている。MUX31は、振動子アレイ14の中から駆動させる振動子15を選択的に切り替える。   The socket part of the ultrasonic observation device 12 is connected to a multiplexer (hereinafter referred to as MUX) 31. The MUX 31 selectively switches the transducer 15 to be driven from the transducer array 14.

MUX31には、第3スイッチ33の一端に接続されている。第3スイッチ33の2つの分岐端には、超音波を発生させるための駆動信号を出力するパルサ34と、エコー信号を受信するレシーバ35とがそれぞれ接続されている。第3スイッチ33は、第1スイッチ19及び第2スイッチ25に連動して、パルサ34、レシーバ35が繋がれた分岐伝送路のうち、第2共通伝送路26に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。   The MUX 31 is connected to one end of the third switch 33. A pulser 34 that outputs a drive signal for generating an ultrasonic wave and a receiver 35 that receives an echo signal are connected to the two branch ends of the third switch 33, respectively. The third switch 33 selectively operates a branch transmission line connected to the second common transmission line 26 among the branch transmission lines connected to the pulser 34 and the receiver 35 in conjunction with the first switch 19 and the second switch 25. Switch to.

第1〜第3スイッチ19、25、33は、切り替え制御信号を外部から入力する必要のない、決まった方向に電力を伝送するサーキュレータなどの電子スイッチからなる。振動子15から被観察部位に超音波を照射する際には、図示のように第1〜第3スイッチ19、25、33が第1分岐伝送路20、パルサ34に接続し、被観察部位からの反射波を受信する際には、第1〜第3スイッチ19、25、33が第2分岐伝送路21、レシーバ35に接続する。   The first to third switches 19, 25, and 33 are electronic switches such as circulators that transmit power in a fixed direction without the need to input a switching control signal from the outside. When irradiating ultrasonic waves from the transducer 15 to the site to be observed, the first to third switches 19, 25 and 33 are connected to the first branch transmission path 20 and the pulser 34 as shown in the figure, and When receiving the reflected wave, the first to third switches 19, 25, 33 are connected to the second branch transmission line 21 and the receiver 35.

なお、第1〜第3スイッチ19、25、33は、実際には第1、第2分岐伝送路20、21、パルサ34及びレシーバ35に繋がる伝送路の両方と接続しており、パルサ34を起点として、第2共通伝送路26から第1分岐伝送路20、第1共通伝送路17を通って振動子15に至る駆動信号を伝送する方向と、振動子15を起点として、第1共通伝送路17から第2分岐伝送路21、第2共通伝送路26を通ってレシーバ35に至るエコー信号を伝送する方向の2つの決まった方向にのみ電力を伝送する。   The first to third switches 19, 25, 33 are actually connected to both the first and second branch transmission lines 20, 21, the pulsar 34, and the transmission line connected to the receiver 35. Starting from the second common transmission path 26 through the first branch transmission path 20 and the first common transmission path 17, the direction in which the drive signal is transmitted to the vibrator 15 and the first common transmission from the vibrator 15 as the starting point. Electric power is transmitted only in two predetermined directions of transmitting an echo signal from the path 17 to the receiver 35 through the second branch transmission path 21 and the second common transmission path 26.

パルサ34は、図2に示すように、駆動信号として双極性のバイポーラパルスを発生し、振動子15に印加する。バイポーラパルスは、最初のパルスによる振動子15の振動を次の逆極性のパルスが打ち消すように印加されるので、バイポーラパルスに基づく超音波は、ユニポーラパルスのそれよりも発振時間が短くなり、ユニポーラパルスの場合の冗長部分をカットしたものとなる。バイポーラパルスに基づく超音波は、周波数分析にかけてスペクトル図を描くと、ユニポーラのそれよりも広帯域になるので、画像の分解能を向上させることができる。   As shown in FIG. 2, the pulser 34 generates a bipolar bipolar pulse as a drive signal and applies it to the vibrator 15. Since the bipolar pulse is applied so that the vibration of the vibrator 15 caused by the first pulse is canceled by the next pulse having the opposite polarity, the ultrasonic wave based on the bipolar pulse has an oscillation time shorter than that of the unipolar pulse. The redundant part in the case of a pulse is cut. Ultrasonic waves based on bipolar pulses have a wider band than that of unipolar when a spectrum diagram is drawn through frequency analysis, so that the resolution of the image can be improved.

図3に示すように、圧電体単結晶からなる振動子15は、図5に示すPZTよりも抗電界Ec、−Ecの範囲が狭いので、脱分極が発生しやすいという性質を有している。例えば、圧電体単結晶の抗電界|Ec|は350V/mmであり、PZTの抗電界|Ec|は1kV/mmである。したがって、パルサ34から出力されるバイポーラパルスは、振動子15に脱分極が発生しないように、従来のPZTからなる振動子よりも低電圧となっている。   As shown in FIG. 3, the vibrator 15 made of a piezoelectric single crystal has a property that depolarization is likely to occur because the range of the coercive electric fields Ec and −Ec is narrower than that of PZT shown in FIG. . For example, the coercive electric field | Ec | of the piezoelectric single crystal is 350 V / mm, and the coercive electric field | Ec | of PZT is 1 kV / mm. Therefore, the bipolar pulse output from the pulsar 34 has a lower voltage than that of a conventional PZT vibrator so that depolarization does not occur in the vibrator 15.

本実施形態では、例えば、振動子15が256個、第3スイッチ33、パルサ34及びレシーバ35からなる送受信回路が48個設けられている。MUX31は、256個の振動子15のうち、隣り合う48個の振動子15を1つのブロックとして同時に駆動させるように、パルサ34に接続された伝送路を選択し、駆動信号及びエコー信号の1回の送受信毎に、駆動させる振動子15を1〜数個ずつずらしていく。   In the present embodiment, for example, 256 transducers 15 and 48 transmission / reception circuits including the third switch 33, the pulser 34, and the receiver 35 are provided. The MUX 31 selects a transmission path connected to the pulsar 34 so that the adjacent 48 transducers 15 among the 256 transducers 15 are simultaneously driven as one block, and 1 of the drive signal and the echo signal is selected. One to several vibrators 15 to be driven are shifted every transmission / reception.

パルサ34にはタイミングコントローラ37が、レシーバ35にはメモリ38がそれぞれ接続されている。タイミングコントローラ37は、CPU39の制御の下に、駆動信号を発生させるためのタイミング信号をパルサ34に出力する。パルサ34は、タイミング信号に基づいて、振動子15に駆動信号を送信する。メモリ38は、レシーバ35で受信されたエコー信号を一旦格納する。   A timing controller 37 is connected to the pulser 34 and a memory 38 is connected to the receiver 35. The timing controller 37 outputs a timing signal for generating a drive signal to the pulser 34 under the control of the CPU 39. The pulsar 34 transmits a drive signal to the vibrator 15 based on the timing signal. The memory 38 temporarily stores the echo signal received by the receiver 35.

メモリ38には、位相整合演算部40が接続されている。位相整合演算部40は、CPU39の制御の下に、メモリ38からの各エコー信号に対して、時間差に応じた遅延を与えた後、各エコー信号を加算する。   A phase matching calculation unit 40 is connected to the memory 38. Under the control of the CPU 39, the phase matching calculation unit 40 adds a delay corresponding to the time difference to each echo signal from the memory 38 and then adds each echo signal.

位相整合演算部40から出力された加算されたエコー信号は、検波、Log圧縮後、表示画像演算部42に入力される。表示画像演算部42は、位相整合演算部40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。表示画像演算部42によりNTSC方式に変換された信号は、アナログ信号に変換され、モニタ43に超音波画像として表示される。   The added echo signal output from the phase matching calculation unit 40 is input to the display image calculation unit 42 after detection and log compression. The display image calculation unit 42 performs various types of image processing on the signal from the phase matching calculation unit 40 and then converts the signal into a television signal scanning method (NTSC method). The signal converted into the NTSC system by the display image calculation unit 42 is converted into an analog signal and displayed on the monitor 43 as an ultrasonic image.

次に、上記実施形態の作用について説明する。超音波プローブ11は、先端部が被検者の体表面に当接される。超音波観測器12では、CPU39の制御の下に、MUX31により駆動すべき振動子15に接続した第2共通伝送路26が選択され、タイミングコントローラ37からのタイミング信号によりパルサ34から駆動信号が発せられる。   Next, the operation of the above embodiment will be described. The tip of the ultrasonic probe 11 is brought into contact with the body surface of the subject. In the ultrasonic observation device 12, the second common transmission path 26 connected to the transducer 15 to be driven by the MUX 31 is selected under the control of the CPU 39, and a drive signal is generated from the pulser 34 by the timing signal from the timing controller 37. It is done.

バイポーラパルスからなる駆動信号は、第2共通伝送路26、第1分岐伝送路20、第1共通伝送路17を通って、振動子15に伝送される。振動子15は、バイポーラパルスにより励振され、これにより、振動子15から被観察部位に向けて超音波が送信される。   A drive signal composed of a bipolar pulse is transmitted to the vibrator 15 through the second common transmission path 26, the first branch transmission path 20, and the first common transmission path 17. The vibrator 15 is excited by a bipolar pulse, whereby ultrasonic waves are transmitted from the vibrator 15 toward the site to be observed.

被観察部位に送信された超音波は、被検者の体内において、音響インピーダンスの境界で反射される。振動子15は、反射波を受信し、その強度に応じてエコー信号を出力する。エコー信号は、第1共通伝送路17、第2分岐伝送路21を通り、プリアンプ23により増幅され、第2共通伝送路26を通ってレシーバ35に受信される。   The ultrasonic wave transmitted to the site to be observed is reflected at the boundary of the acoustic impedance in the body of the subject. The transducer 15 receives the reflected wave and outputs an echo signal according to the intensity. The echo signal passes through the first common transmission path 17 and the second branch transmission path 21, is amplified by the preamplifier 23, and is received by the receiver 35 through the second common transmission path 26.

駆動信号のバイポーラパルスは、振動子15の脱分極を防止するため、従来のPZTからなる振動子に供給されるものよりも低電圧となっている。したがって、振動子15から送信される超音波は、PZTからなる振動子を用いた従来の診断装置よりも弱くなり、エコー信号も小さくなってしまう。しかし、本実施形態では、振動子15から出力された直後のエコー信号を振動子15に直接接続したプリアンプ23により増幅しているので、振動子15を低電圧駆動させてもその分の感度低下をエコー信号の減衰を低減させることで補うことができ、ペネトレーションを向上させることができる。   The bipolar pulse of the drive signal has a lower voltage than that supplied to a conventional vibrator made of PZT in order to prevent depolarization of the vibrator 15. Therefore, the ultrasonic wave transmitted from the transducer 15 is weaker than the conventional diagnostic apparatus using the transducer made of PZT, and the echo signal is also small. However, in this embodiment, since the echo signal immediately after being output from the transducer 15 is amplified by the preamplifier 23 directly connected to the transducer 15, the sensitivity decreases correspondingly even if the transducer 15 is driven at a low voltage. Can be compensated by reducing the attenuation of the echo signal, and the penetration can be improved.

プリアンプ23を超音波観測器12に設け、ケーブル29を介して超音波観測器12に伝送した後にエコー信号を増幅すると、ケーブル29の電気容量によってエコー信号が減衰してしまうため、プリアンプ23による増幅率を大きくしなければならない。信号の増幅率を大きくするとノイズも大きくなってしまうため、本実施形態のように、振動子15に直結されたプリアンプ23によってエコー信号を増幅するのが最も効果的である。   If the preamplifier 23 is provided in the ultrasonic observer 12 and the echo signal is amplified after being transmitted to the ultrasonic observer 12 via the cable 29, the echo signal is attenuated by the electric capacity of the cable 29. The rate must be increased. When the signal amplification factor is increased, the noise also increases. Therefore, it is most effective to amplify the echo signal by the preamplifier 23 directly connected to the transducer 15 as in this embodiment.

駆動信号及びエコー信号の1回の送受信が終了すると、MUX31により駆動させる振動子15が切り替えられて上記同様の処理が施され、被観察部位に超音波が走査される。   When the transmission / reception of the drive signal and the echo signal is completed once, the transducer 15 driven by the MUX 31 is switched, the same processing as described above is performed, and ultrasonic waves are scanned on the site to be observed.

レシーバ35で受信されたエコー信号は、メモリ38に一旦格納される。メモリ38に格納されたエコー信号は、CPU39の制御の下に、位相整合演算部40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40で加算されたエコー信号は、検波、Log圧縮後、表示画像演算部42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43に超音波画像として表示される。   The echo signal received by the receiver 35 is temporarily stored in the memory 38. The echo signals stored in the memory 38 are added with a delay corresponding to the time difference by the phase matching calculation unit 40 under the control of the CPU 39. The echo signal added by the phase matching calculation unit 40 is detected and Log-compressed, converted to the NTSC system by the display image calculation unit 42, converted to an analog signal, and displayed on the monitor 43 as an ultrasonic image.

図5に示すように、超音波プローブ11から被検者に送信する超音波の周波数は診断部位によって異なっており、例えば、腹部の診断では3.5MHzの超音波が使用され、乳腺または表皮の診断では10MHzの超音波が使用される。周波数は、バイポーラパルスのパルス幅や繰返し周期、振動子15の膜厚等によって調整されるため、バイポーラパルスの電圧が同じであっても、振動子15に印加される電界強度は、超音波が高周波になるほど高くなる。   As shown in FIG. 5, the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic probe 11 to the subject differs depending on the diagnosis site. For example, in the diagnosis of the abdomen, 3.5 MHz ultrasonic waves are used, and the mammary gland or epidermis is Diagnosis uses 10 MHz ultrasound. Since the frequency is adjusted by the pulse width and repetition period of the bipolar pulse, the film thickness of the vibrator 15, etc., even if the voltage of the bipolar pulse is the same, the electric field strength applied to the vibrator 15 is the ultrasonic wave. The higher the frequency, the higher.

例えば、振動子15に供給されるバイポーラパルスの電圧が100Vであるとき、乳腺または表皮の診断では振動子15に1000V/mmの電界強度が印加され、心臓の診断では、振動子15に660V/mmの電界強度が印加される。腹部の診断では、振動子15に印加される電界強度が300V/mmであるため問題ないが、乳腺または表皮を診断する場合には、振動子15に印加される電界強度が抗電界|Ec|=350V/mm以下となるようにバイポーラパルスの電圧を設定しなければならない。   For example, when the voltage of the bipolar pulse supplied to the vibrator 15 is 100 V, an electric field strength of 1000 V / mm is applied to the vibrator 15 in breast or epidermis diagnosis, and 660 V / mm is applied to the vibrator 15 in heart diagnosis. A field strength of mm is applied. In the diagnosis of the abdomen, there is no problem because the electric field strength applied to the transducer 15 is 300 V / mm. However, when diagnosing the mammary gland or the epidermis, the electric field strength applied to the transducer 15 is the coercive electric field | Ec | The voltage of the bipolar pulse must be set to be equal to or less than 350 V / mm.

図5の表の最下段に示すように、バイポーラパルスの電圧が25Vであれば、乳腺または心臓の診断時に振動子15に印加される電界強度が250V/mmとなる。この電界強度は、圧電体単結晶の抗電界|Ec|=350V/mm以下となるため、振動子15に脱分極が発生することはなく、圧電体単結晶からなる振動子15の使用電界強度として好ましい。   As shown at the bottom of the table in FIG. 5, if the voltage of the bipolar pulse is 25V, the electric field strength applied to the vibrator 15 at the time of diagnosis of the breast or heart is 250V / mm. Since the electric field strength is coercive electric field | Ec | = 350 V / mm or less of the piezoelectric single crystal, depolarization does not occur in the vibrator 15 and the electric field strength of the vibrator 15 made of the piezoelectric single crystal is used. As preferred.

上記実施形態では、圧電体単結晶として2成分系単結晶を用いたが、例えば、インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛(PIMNT)、スカンジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛(PZMNT)等の3成分系単結晶を用いてもよい。また、圧電体単結晶の作製に固相エピタキシー法を用いたが、その他の固相法、または気相法あるいは液相法を用いて圧電体単結晶を作製してもよい。   In the above embodiment, a binary single crystal is used as the piezoelectric single crystal. For example, lead indium niobate-lead magnesium niobate-lead titanate (PIMNT), scandium lead niobate-lead magnesium niobate-titanium. A ternary single crystal such as lead acid (PZMNT) may be used. In addition, although the solid phase epitaxy method is used for the production of the piezoelectric single crystal, the piezoelectric single crystal may be produced using another solid phase method, a gas phase method, or a liquid phase method.

上記実施形態では、超音波パルス反射法を用いた体外式の超音波診断装置を例に説明したが、ドプラ法を用いた超音波診断装置、体内式の超音波診断装置にも適用可能である。また、複数の振動子からなる振動子アレイではなく、1個の振動子を機械的に移動させる機械走査式の超音波プローブ、無線プローブにも適用可能である。更には、MUX、パルサ及びレシーバを超音波プローブに内蔵した場合でも上記実施形態と同様の効果をえることができる。   In the above embodiment, the external ultrasonic diagnostic apparatus using the ultrasonic pulse reflection method has been described as an example, but the present invention is also applicable to an ultrasonic diagnostic apparatus using the Doppler method and an internal ultrasonic diagnostic apparatus. . Further, the present invention can be applied to a mechanical scanning ultrasonic probe and a wireless probe that mechanically move one transducer instead of a transducer array including a plurality of transducers. Furthermore, even when the MUX, the pulser, and the receiver are built in the ultrasonic probe, the same effect as in the above embodiment can be obtained.

10 超音波診断装置
11 超音波プローブ
12 超音波観測器
15 振動子
23 プリアンプ
29 ケーブル
34 パルサ
35 レシーバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ultrasonic diagnostic apparatus 11 Ultrasonic probe 12 Ultrasonic observer 15 Transducer 23 Preamplifier 29 Cable 34 Pulsar 35 Receiver

Claims (4)

圧電体単結晶からなる振動子であって、超音波観測器の送信回路から供給されたバイポーラパルスにより超音波を発生し、反射波を受信してエコー信号を出力する複数の前記振動子と、
前記振動子に接続されて前記エコー信号を増幅する増幅手段とを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
A plurality of transducers that are composed of a piezoelectric single crystal, generate ultrasonic waves by bipolar pulses supplied from a transmission circuit of an ultrasonic observation device, receive reflected waves, and output echo signals;
An ultrasonic probe comprising: amplification means connected to the vibrator for amplifying the echo signal.
前記圧電体単結晶は、少なくともチタン酸鉛を含み、Pb[(B1,B2)1−XTi]Oにて表される固溶系圧電体単結晶であり、前記Xが0.05〜0.55であり、前記B1がZn、Mg、Ni、Sc、In、Ybのいずれか1つであり、前記B2がNbあるいはTaのいずれか一方であることを特徴とする請求項1記載の超音波プローブ。 The piezoelectric single crystal is a solid solution type piezoelectric single crystal containing at least lead titanate and represented by Pb [(B1, B2) 1-X Ti X ] O 3 , and the X is 0.05 to The B1 is 0.55, the B1 is any one of Zn, Mg, Ni, Sc, In, and Yb, and the B2 is either Nb or Ta. Ultrasonic probe. 前記振動子の使用電界強度が250V/mm以下であることを特徴とする請求項1または2記載の超音波プローブ。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the electric field strength of the vibrator is 250 V / mm or less. 請求項1〜3いずれか記載の前記超音波プローブと、
前記超音波プローブにバイポーラパルスを出力する送信回路、及び前記超音波プローブによって増幅されたエコー信号を受信する受信回路を有する超音波観測器とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
The ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 3,
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: a transmission circuit that outputs a bipolar pulse to the ultrasonic probe; and an ultrasonic observer having a reception circuit that receives an echo signal amplified by the ultrasonic probe.
JP2009200372A 2009-08-31 2009-08-31 Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus Pending JP2011050471A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009200372A JP2011050471A (en) 2009-08-31 2009-08-31 Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009200372A JP2011050471A (en) 2009-08-31 2009-08-31 Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011050471A true JP2011050471A (en) 2011-03-17

Family

ID=43940128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009200372A Pending JP2011050471A (en) 2009-08-31 2009-08-31 Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011050471A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11712222B2 (en) Configurable ultrasonic imager
JP7367152B2 (en) Ultrasonic diagnostic device and method of operating the ultrasonic diagnostic device
JP7183338B2 (en) Ultrasound system with asymmetric transmit signal
CN109952062B (en) Ultrasonic device contact
US20070232924A1 (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnosing apparatus
US8500643B2 (en) Multilayer ultrasound transducer devices for high power transmission and wide-band reception and associated systems and methods
US20150018688A1 (en) Ultrasound probe and ultrasound diagnostic apparatus including same
US8216142B2 (en) Ultrasonic probe, ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic endoscopic apparatus
EP1915221B1 (en) Ultrasound transducer arrays
US20130226006A1 (en) Ultrasonic probe
US20230148999A1 (en) Ultrasound diagnostic apparatus and operation method of ultrasound diagnostic apparatus
US8876718B2 (en) Ultrasound diagnostic apparatus and ultrasound image generating method
JP2011050471A (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus
JP2011056103A (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic device
JP2001016677A (en) Ultrasonic vibrator and drive method therefor
WO2023047891A1 (en) Ultrasonic endoscope system and ultrasonic endoscope system operating method
US20200246829A1 (en) Ultrasound transducer device and method for controlling the same
JP2013188412A (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus
JP2004120701A (en) Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus using the same