JP2011056103A - Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波プローブおよび超音波診断装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus.
超音波プローブを利用した医療診断が盛んに行われている。超音波プローブの先端には、超音波トランスデューサ(以下、UTと略す)が配されている。UTは、バッキング材、圧電体およびこれを挟む電極、音響整合層、および音響レンズから構成される。UTから被検体(人体)に超音波を照射し、被検体からの反射波をUTで受信する。これにより出力される検出信号を超音波観測器で電気的に処理することによって、超音波画像が得られる。 Medical diagnosis using an ultrasonic probe is actively performed. An ultrasonic transducer (hereinafter abbreviated as UT) is disposed at the tip of the ultrasonic probe. The UT includes a backing material, a piezoelectric body and electrodes sandwiching the piezoelectric body, an acoustic matching layer, and an acoustic lens. The subject (human body) is irradiated with ultrasonic waves from the UT, and the reflected wave from the subject is received by the UT. An ultrasonic image is obtained by electrically processing the detection signal output in this way with an ultrasonic observer.
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ある。超音波断層画像を得る方法としては、UT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や、複数のUTをアレイ状に配列(以下、UTアレイという)し、駆動するUTを電子スイッチ等で選択的に切り替える電子スキャン走査方式が知られている。 It is also possible to obtain an ultrasonic tomographic image by irradiating while scanning with ultrasonic waves. As a method for obtaining an ultrasonic tomographic image, a mechanical scan scanning method in which a UT is mechanically rotated, rocked, or slid, or a plurality of UTs arranged in an array (hereinafter referred to as a UT array) and driven UTs are arranged. An electronic scan scanning method that is selectively switched by an electronic switch or the like is known.
被検体のより深部を高精細な画像で観察したいという要求が高まっている。この要求に応えるためには、UTの送受信感度を高めることが必要である。従来、UTの送受信感度を高めるための対策として、UTの部材の材料選定、最適化が行われてきた。例えば1−3複合圧電体や単結晶圧電体(PMN−PT、PZN−PT等)、積層圧電体を用いたり、音響整合層、音響レンズの音波減衰を低減させたりしている。また、別の対策として、UTに印加する電圧を上げて超音波の送信パワーを増大させることも考えられる。 There is an increasing demand for observing deeper portions of a subject with high-definition images. In order to meet this requirement, it is necessary to increase the transmission / reception sensitivity of the UT. Conventionally, as a measure for increasing the transmission / reception sensitivity of the UT, material selection and optimization of the UT member have been performed. For example, a 1-3 composite piezoelectric body, a single crystal piezoelectric body (PMN-PT, PZN-PT, etc.), a laminated piezoelectric body is used, or sound wave attenuation of an acoustic matching layer and an acoustic lens is reduced. As another countermeasure, it is conceivable to increase the transmission power of the ultrasonic wave by increasing the voltage applied to the UT.
しかしながら、前者の材料選定、最適化の対策は、改善がいきつくところまでいった感があり、その効果も頭打ちの状況である。現況では飛躍的なUTの送受信感度向上は見込めない。また、後者の超音波の送信パワーを増大させる対策は、人体への影響を考えると好ましくない。 However, the former material selection and optimization measures have felt that improvement has been striking, and the effects are at the peak. Under the present circumstances, a dramatic improvement in the transmission / reception sensitivity of UT cannot be expected. Further, the latter measure for increasing the transmission power of ultrasonic waves is not preferable in view of the influence on the human body.
特許文献1には、圧電体の電極を複数に分割した超音波プローブが開示されている。電極を分割したので、1個の圧電体を複数の圧電体として扱うことができ、超音波の送信時には複数の圧電体を並列接続し、反射波の受信時は直列接続することで送受信感度の向上を達成している。送信時のパワー不足を補うため、UTに印加する電圧を上げることが記載されている。 Patent Document 1 discloses an ultrasonic probe in which a piezoelectric electrode is divided into a plurality of parts. Since the electrodes are divided, one piezoelectric body can be handled as a plurality of piezoelectric bodies. When transmitting ultrasonic waves, connect multiple piezoelectric bodies in parallel, and when receiving reflected waves, connect them in series. Improvement has been achieved. It is described that the voltage applied to the UT is increased in order to compensate for power shortage during transmission.
特許文献1では、超音波の送信時のパワー不足を補うためにUTに印加する電圧を上げている。印加電圧を上げると電圧印加回路(パルサ)の規模が大きくなるし、電力消費も嵩む。電圧印加回路を内蔵するタイプの超音波プローブでは、電圧印加回路の規模が大きくなると超音波プローブが大型化し、超音波プローブに最も必要な操作性が阻害される。特に、電圧印加回路を内蔵する無線タイプの超音波プローブは、印加電圧が高くなると超音波プローブが大型化することに加え、バッテリ駆動であるため耐用時間が短くなり、使い勝手が悪くなる。 In Patent Document 1, the voltage applied to the UT is increased in order to compensate for power shortage during transmission of ultrasonic waves. Increasing the applied voltage increases the scale of the voltage application circuit (pulsar) and increases power consumption. In the type of ultrasonic probe having a built-in voltage application circuit, the size of the voltage application circuit increases and the size of the ultrasonic probe increases, and the operability most necessary for the ultrasonic probe is hindered. In particular, a wireless ultrasonic probe with a built-in voltage application circuit becomes larger in size when the applied voltage is increased, and further, because the battery is battery-driven, the service life is shortened and the usability is deteriorated.
本発明は、上記背景を鑑みてなされたものであり、その目的は、より低電圧駆動で超音波トランスデューサの送受信感度を向上させることにある。 The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to improve transmission / reception sensitivity of an ultrasonic transducer with lower voltage driving.
本発明の超音波プローブは、超音波の送信能力および反射波の受信感度が異なり、超音波および反射波の送受波面に平行な方向に並べられた複数の圧電体、並びに隣り合う圧電体の一方の上面電極および他方の下面電極を兼ねる兼用電極を含む電極を有し、該電極により複数の圧電体が直列接続された超音波トランスデューサと、1個以外の圧電体に電極を介して駆動電圧を印加して超音波を発生させ、且つ反射波を受信して圧電体から出力される検出電圧が全ての圧電体の分加算されるよう、前記超音波トランスデューサの駆動を制御する駆動制御手段とを備えることを特徴とする。 The ultrasonic probe of the present invention is different in ultrasonic transmission capability and reflected wave reception sensitivity, and includes a plurality of piezoelectric bodies arranged in a direction parallel to the transmission / reception surface of ultrasonic waves and reflected waves, and one of adjacent piezoelectric bodies. And an ultrasonic transducer in which a plurality of piezoelectric bodies are connected in series by the electrode, and a drive voltage is applied to the other piezoelectric bodies via the electrodes. Drive control means for controlling the drive of the ultrasonic transducer so that the detection voltage output from the piezoelectric body by applying the ultrasonic wave by applying it and receiving the reflected wave is added for all the piezoelectric bodies. It is characterized by providing.
なお、「超音波の送信能力および反射波の受信感度が異なる複数の圧電体」とは、複数の圧電体の1個1個が互いに異なる場合と、複数の圧電体のうち、少なくとも1個が他と異なる場合を含む。 Note that “a plurality of piezoelectric bodies having different ultrasonic transmission capabilities and reflected wave reception sensitivities” means that each of the plurality of piezoelectric bodies is different from each other and at least one of the plurality of piezoelectric bodies. Includes cases that are different from others.
複数の圧電体は、超音波および反射波の送受波面の法線方向に分極されている。また、複数の圧電体は、等価圧電定数d33、電圧出力係数g33、または超音波および反射波の送受波面の面積比率が異なる。 The plurality of piezoelectric bodies are polarized in the normal direction of the transmission / reception surface of ultrasonic waves and reflected waves. In addition, the plurality of piezoelectric bodies have different equivalent piezoelectric constants d 33 , voltage output coefficients g 33 , or different area ratios of the transmission and reception surfaces of ultrasonic waves and reflected waves.
直列接続の一方の端の第1圧電体と、前記第1圧電体よりも超音波の送信能力が低く反射波の受信感度が高く、超音波および反射波の送受波面の面積比率が低い直列接続の他方の端の第2圧電体と、前記第1圧電体の兼用電極ではない電極に接続され、駆動電圧を供給するパルサと、前記第2圧電体の兼用電極ではない電極に接続され、検出電圧を増幅する増幅器と、前記第1圧電体、前記第2圧電体の電極と前記パルサおよび前記増幅器の接続のオン/オフを切り替える切り替えスイッチとを備えることが好ましい。前記駆動制御手段は、前記第2圧電体以外の圧電体に駆動電圧が印加され、且つ全ての圧電体からの検出信号の和が前記増幅器に入力されるよう、前記切り替えスイッチを動作させる。 The first piezoelectric body at one end of the series connection and the serial connection having a lower ultrasonic wave transmission capability and higher reflected wave reception sensitivity than the first piezoelectric body, and a lower area ratio of the transmission / reception surface of the ultrasonic wave and reflected wave Connected to the second piezoelectric body at the other end of the first electrode, an electrode that is not the dual-purpose electrode of the first piezoelectric body, and connected to an electrode that is not the dual-purpose electrode of the second piezoelectric body It is preferable to include an amplifier that amplifies a voltage, and a changeover switch that switches on / off the connection between the electrodes of the first piezoelectric body and the second piezoelectric body, the pulser, and the amplifier. The drive control means operates the changeover switch so that a drive voltage is applied to a piezoelectric body other than the second piezoelectric body and a sum of detection signals from all the piezoelectric bodies is input to the amplifier.
前記増幅器と前記第2圧電体の電極は、電気容量性の伝送線路を介さずに直接接続されている。前記増幅器は、電圧帰還型または電荷蓄積型等が考えられる。 The amplifier and the electrode of the second piezoelectric body are directly connected without passing through a capacitive transmission line. The amplifier may be a voltage feedback type or a charge storage type.
前記第2圧電体は、前記第1圧電体よりも等価圧電定数d33が低く、電圧出力係数g33が高く、超音波および反射波の送受波面の面積比率が小さい。例えば、前記第1圧電体はソフト・リラクサー系、前記第2圧電体はハード系の圧電セラミックスである。 It said second piezoelectric body, wherein the low equivalent piezoelectric constant d 33 than the first piezoelectric element, a high voltage output coefficient g 33, the area ratio of the transmitting and receiving surface of the ultrasonic and the reflected wave is small. For example, the first piezoelectric body is a soft relaxor system, and the second piezoelectric body is a hard piezoelectric ceramic.
前記超音波トランスデューサは、複数アレイ状に配列されている。この場合、圧電体に駆動電圧を供給するパルサと、前記パルサを駆動させ、超音波を走査させる走査制御手段と、前記増幅器で増幅された検出電圧をデジタルの検出信号とするA/D変換器と、検出信号から超音波画像を生成するための信号処理を実行する信号処理手段と、各部を統括的に制御する主制御手段とを備えることが好ましい。 The ultrasonic transducers are arranged in a plurality of arrays. In this case, a pulser that supplies a driving voltage to the piezoelectric body, scanning control means that drives the pulser to scan ultrasonic waves, and an A / D converter that uses the detection voltage amplified by the amplifier as a digital detection signal And signal processing means for executing signal processing for generating an ultrasonic image from the detection signal, and main control means for comprehensively controlling each part.
超音波および反射波を送受波する前記超音波トランスデューサを選択的に切り替えるマルチプレクサを備えてもよい。さらに、各部に電源を供給する電源供給手段と、超音波画像を表示する超音波観測器に信号処理後の検出信号を無線送信する無線送信手段とを備えてもよい。 You may provide the multiplexer which selectively switches the said ultrasonic transducer which transmits / receives an ultrasonic wave and a reflected wave. Furthermore, a power supply unit that supplies power to each unit and a wireless transmission unit that wirelessly transmits a detection signal after signal processing to an ultrasonic observation device that displays an ultrasonic image may be provided.
本発明の超音波診断装置は、超音波の送信能力および反射波の受信感度が異なり、超音波および反射波の送受波面に平行な方向に並べられた複数の圧電体、並びに隣り合う圧電体の一方の上面電極および他方の下面電極を兼ねる兼用電極を含む電極を有し、該電極により複数の圧電体が直列接続された超音波トランスデューサ、および1個以外の圧電体に電極を介して駆動電圧を印加して超音波を発生させ、且つ反射波を受信して圧電体から出力される検出電圧が全ての圧電体の分加算されるよう、前記超音波トランスデューサの駆動を制御する駆動制御手段を備える超音波プローブと、前記超音波プローブと接続され、超音波画像を表示する超音波観測器とからなることを特徴とする。 The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention is different in ultrasonic transmission capability and reflected wave reception sensitivity, and includes a plurality of piezoelectric bodies arranged in a direction parallel to the transmission and reception surfaces of ultrasonic waves and reflected waves, and adjacent piezoelectric bodies. An ultrasonic transducer having an electrode including a dual-purpose electrode that also serves as one upper surface electrode and the other lower surface electrode, and a plurality of piezoelectric bodies connected in series by the electrode, and a drive voltage through the electrodes to other piezoelectric bodies A drive control means for controlling the drive of the ultrasonic transducer so that the ultrasonic wave is generated by applying and the reflected voltage is received and the detection voltage output from the piezoelectric body is added for all the piezoelectric bodies. It comprises an ultrasonic probe provided, and an ultrasonic observer connected to the ultrasonic probe and displaying an ultrasonic image.
本発明によれば、超音波の送信能力および反射波の受信感度が異なり、兼用電極を含む電極により直列接続された複数の圧電体を有する超音波トランスデューサを、1個以外の圧電体に電極を介して駆動電圧を印加して超音波を発生させ、且つ反射波を受信して圧電体から出力される検出電圧が全ての圧電体の分加算されるよう駆動するので、超音波トランスデューサの送受信感度を向上させることができる。 According to the present invention, an ultrasonic transducer having a plurality of piezoelectric bodies connected in series by an electrode including a dual-purpose electrode is different in ultrasonic wave transmission capability and reflected wave reception sensitivity. The drive voltage is applied to generate an ultrasonic wave, and the reflected voltage is received and the detection voltage output from the piezoelectric body is driven to be added for all the piezoelectric bodies. Can be improved.
図1において、超音波診断装置2は、携帯型超音波観測器10と体外式の超音波プローブ11とで構成される。携帯型超音波観測器10は、装置本体12とカバー13とからなる。装置本体12の上面には、携帯型超音波観測器10に種々の操作指示を入力するための複数のボタンやトラックボールが設けられた操作部14が配されている。カバー13の内面には、超音波画像をはじめとして様々な操作画面を表示するモニタ15が設けられている。
In FIG. 1, the ultrasonic diagnostic apparatus 2 includes a portable
カバー13は、ヒンジ16を介して装置本体12に取り付けられており、操作部14とモニタ15とを露呈させる図示する開き位置と、装置本体12の上面とカバー13の内面を対面させて、操作部14とモニタ15を互いに覆って保護する閉じ位置(図示せず)との間で回動自在である。装置本体12の側面には、グリップ(図示せず)が取り付けられており、装置本体12とカバー13を閉じた状態で携帯型超音波観測器10を持ち運ぶことができる。装置本体12のもう一方の側面には、超音波プローブ11が着脱自在に接続されるプローブ接続部17が設けられている。
The
超音波プローブ11は、術者が把持して被検体にあてがう走査ヘッド18と、プローブ接続部17に接続されるコネクタ19と、これらを繋ぐケーブル20とからなる。走査ヘッド18の先端部には、超音波トランスデューサアレイ(以下、UTアレイと略す)21が内蔵されている。
The ultrasonic probe 11 includes a
図2において、UTアレイ21は、ガラス−エポキシ樹脂等の平板状の台座25上に、バッキング材26、超音波トランスデューサ(以下、UTと略す)27、音響整合層28a、28b、および音響レンズ29が順次積層された構造を有する。
In FIG. 2, the
バッキング材26は、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂からなり、UT27から台座25側に発せられる超音波を吸収する。バッキング材26は、エレベーション方向(以下、EL方向と略す)に垂直な断面が略蒲鉾様に形成された凸状である(図1も参照)。
The
UT27は、EL方向に長い短冊状をしており、EL方向と直交するアジマス方向(以下、AZ方向と略す)に複数等間隔で配列されている。各UT27の隙間およびその周囲には、充填材30が充填されている。
The
音響整合層28a、28bは、UT27と被検体との間の音響インピーダンスの差異を緩和するために設けられている。音響レンズ29は、シリコーン樹脂等からなり、UT27から発せられる超音波を被検体内の被観察部位に向けて集束させる。なお、音響レンズ29は無くてもよく、音響レンズ29の代わりに保護層を設けてもよい。後述する第1電極37とパルサ44との間に遅延線を設け、励振パルスをUT27に与えるタイミングをずらすことで、電気的に超音波を集束させてもよい。
The acoustic matching layers 28a and 28b are provided to alleviate the difference in acoustic impedance between the
図3において、UT27は、第1圧電体(以下、Psと略す)35、第2圧電体(以下、Phと略す)36、および第1、第2、第3電極37、38、39から構成される(台座25、音響整合層28a、28b、および音響レンズ29は図示せず)。
In FIG. 3, the
Ps35は、一般にソフト・リラクサー系と呼ばれる圧電セラミックスであり、例えばPb(Mn、Nb)O3−PbTiO3、Pb(Ni、Nb)O3−PbTiO3、Pb(Zn、Nb)O3−PbTiO3等を主体とする。Ph36は、Ps35とは異なり、一般にハード系と呼ばれる圧電セラミックスであり、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系である。Ps35とPh36は、ともに同じ方向(矢印で示す下から上の方向)に分極している。 Ps35 is a piezoelectric ceramic generally called a soft relaxor system, for example, Pb (Mn, Nb) O 3 —PbTiO 3 , Pb (Ni, Nb) O 3 —PbTiO 3 , Pb (Zn, Nb) O 3 —PbTiO 3. Mainly 3rd . Unlike Ps35, Ph36 is a piezoelectric ceramic generally called a hard system, for example, a PZT (lead zirconate titanate) system. Ps35 and Ph36 are both polarized in the same direction (from bottom to top as indicated by arrows).
Ps35とPh36は、AZ方向に平行な線で分断されている。Ps35は、EL方向の長さがPh36よりも長く、従ってその上面である送受波面の面積はPh36よりも大きい。送受波面の面積比率は、例えばPs:Ph=4:1である。 Ps35 and Ph36 are separated by a line parallel to the AZ direction. Ps35 has a length in the EL direction longer than Ph36, and therefore the area of the wave transmitting / receiving surface, which is the upper surface thereof, is larger than Ph36. The area ratio of the transmission / reception wave surface is, for example, Ps: Ph = 4: 1.
本例では、Ps35として富士セラミックス社製の型番C−92Hを、Ph36として同社製の型番C−5を用いる。表1に示すように、Ps35に用いる型番C−92Hは、比誘電率ε33が5300、等価圧電定数d33が770、電圧出力係数g33が16.4である。一方、Ph36に用いる型番C−5は、比誘電率ε33が1170、等価圧電定数d33が333、電圧出力係数g33が32.1である。型番C−5は、等価圧電定数d33が型番C−92Hの約0.43倍、電圧出力係数g33が約1.95倍である。等価圧電定数d33が大きいほど超音波の送信能力が高く、電圧出力係数g33が大きいほど反射波の受信感度が高いので、Ps35はPh36よりも送信能力が高く、Ph36はPs35よりも受信感度が高いといえる。 In this example, model number C-92H manufactured by Fuji Ceramics is used as Ps35, and model number C-5 manufactured by the company is used as Ph36. As shown in Table 1, the model number C-92H used for Ps35 has a relative dielectric constant ε 33 of 5300, an equivalent piezoelectric constant d 33 of 770, and a voltage output coefficient g 33 of 16.4. On the other hand, the model number C-5 used for Ph36 has a relative dielectric constant ε 33 of 1170, an equivalent piezoelectric constant d 33 of 333, and a voltage output coefficient g 33 of 32.1. Model number C-5 is about 0.43 times the equivalent piezoelectric constant d 33 is model number C-92H, the voltage output coefficient g 33 is approximately 1.95 times. As Equivalent piezoelectric constant d 33 is greater high ultrasound transmission capability, since the reception sensitivity enough reflected wave larger voltage output coefficient g 33 high, Ps35 has a high transmission capability than Ph36, Ph36 reception sensitivity than Ps35 Can be said to be expensive.
第1電極37、第2電極38はそれぞれ、Ps35の下面電極、Ph36の上面電極である。第3電極39は、Ps35の上面電極とPh36の下面電極を兼ねる。第3電極39は、Ps35とPh36の分断箇所で略乙字状に屈曲した接続部40を有する。接続部40は、Ps35の上面電極の部分とPh36の下面電極の部分を繋ぐ。Ps35とPh36の外側面および接続部40があるPs35とPh36の分断箇所には、充填材30が充填されている。なお、第1電極37、第2電極38をそれぞれ、Ps35の上面電極、Ph36の下面電極とし、第3電極39がPs35の下面電極とPh36の上面電極を兼ねる構成としてもよい。
The
第1〜第3電極37〜39には、第1、第2、第3スイッチ(以下、SWa、SWb、SWcという)41、42、43がそれぞれ接続されている。SWa41は二股のスイッチであり、第1電極37とパルサ44またはグランドとを選択可能に繋ぐ。SWb42、SWc43はそれぞれ、第2電極38と電圧帰還型または電荷蓄積型の受信アンプ45、第3電極39とグランドの接続をオン/オフする。第2電極38、SWb42、および受信アンプ45は、電気容量性の伝送線路を介さずに互いに直接接続されている。
First, second, and third switches (hereinafter referred to as SWa, SWb, and SWc) 41, 42, and 43 are connected to the first to
表2に示すように、SWa〜SWc41〜43は、超音波の送信時と反射波の受信時で選択状態が変わる。超音波の送信時、SWa41は、パルサ44側に倒される。また、SWb42はオフ、SWc43はオンとなる。図3に示す状態と同じである。この場合の等価回路は、図4(A)に示すようになる。すなわち、パルサ44と第1電極37、第3電極39とグランドが繋がれる。そして、第1電極37と第3電極39に挟まれたPs35にパルサ44からの励振パルス(駆動電圧)が印加され、Ps35の上面から超音波(点線矢印で示す)が発せられる。SWb42がオフなので、第2電極38と第3電極39に挟まれたPh36には励振パルスは印加されず、従ってPh36から超音波は発せられない。
As shown in Table 2, the selection states of SWa to
一方、反射波の受信時、SWa41は、グランド側に倒される。また、SWb42はオン、SWc43はオフとなる。この場合の等価回路は、図4(B)に示すように、グランドと第1電極37、第2電極38と受信アンプ45が繋がれる。Ps35とPh36は、各電極37〜39によって受信アンプ45に直列接続される。Ps35とPh36の上面に反射波(点線矢印で示す)が入射すると、これに応じた検出信号(検出電圧)がPs35とPh36から出力される。Ps35とPh36は、ともに矢印で示す同じ方向に分極しているため、各検出信号も同極性で打ち消し合わない。また、Ps35とPh36は直列接続されているため、第2電極38、SWb42を介して受信アンプ45に入力される検出信号は、Ps35とPh36から出力された各検出信号の和である。
On the other hand, when receiving the reflected wave, SWa41 is tilted to the ground side. Further, SWb42 is turned on and SWc43 is turned off. In the equivalent circuit in this case, as shown in FIG. 4B, the ground, the
なお、表2の「active」は駆動、「inactive」は非駆動を示す。超音波の送信時はPs35のみから超音波が発せられるので、Ps35は「active」、Ph36は「inactive」である。反射波の受信時は、Ps35とPh36両方で反射波を受けて検出信号を出力するので、両方とも「active」である。
In Table 2, “active” indicates driving, and “inactive” indicates non-driving. When transmitting ultrasonic waves, ultrasonic waves are emitted only from Ps35, so Ps35 is “active” and Ph36 is “inactive”. When the reflected wave is received, both the
超音波の送信時は比較的送信能力が高いPs35で超音波を発し、反射波の受信時はPs35と、比較的受信感度が高いPh36で反射波を受けるので、Ps35、Ph36の互いの長所を活かした(短所を補った)駆動方法であるといえる。 When transmitting ultrasonic waves, ultrasonic waves are emitted with Ps35 having a relatively high transmission capability, and when receiving reflected waves, Ps35 and reflected waves are received with Ph36 having a relatively high receiving sensitivity. Therefore, the advantages of Ps35 and Ph36 are obtained. It can be said that this is a driving method that takes advantage of (compensates for disadvantages).
Ps35として富士セラミックス社製の型番C−92Hを、Ph36として同社製の型番C−5を用いた場合、これらを直列接続したときの合成静電容量は、Ps35とPh36の送受波面の面積比率に応じて図5のように変化する。縦軸はPs35単体を1としたときの合成静電容量の比、横軸はPs35の送受波面の面積比率である。 When the model number C-92H manufactured by Fuji Ceramics is used as Ps35 and the model number C-5 manufactured by the company is used as Ph36, the combined capacitance when these are connected in series is the area ratio of the transmission / reception surface of Ps35 and Ph36. In response to this, it changes as shown in FIG. The vertical axis represents the ratio of the combined capacitance when the single Ps35 is 1, and the horizontal axis represents the area ratio of the Ps35 transmission / reception surface.
いま、例えばPs35の送受波面の面積比率を80%(Ph36の送受波面の面積比率20%)としたとき、合成静電容量の比は、グラフから0.055と読み取れる。腹部用の超音波プローブに用いられる圧電体の静電容量は、通常200〜300pF程度である。本例の圧電体の静電容量は、200〜300×0.055=11〜16.5pF程度となり低下する。本例では、この静電容量低下に伴う電圧降下の影響を極力抑えるため、受信アンプ45をUT27の直近に配置して、第2電極38、SWb42、および受信アンプ45を互いに直接接続し、伝送線路による電圧降下を低減している。
For example, when the area ratio of the transmission / reception surface of Ps35 is 80% (the area ratio of the transmission / reception surface of Ph36 is 20%), the ratio of the combined capacitance can be read as 0.055 from the graph. The capacitance of the piezoelectric body used for the abdominal ultrasound probe is usually about 200 to 300 pF. The capacitance of the piezoelectric body of this example is reduced to about 200 to 300 × 0.055 = 11 to 16.5 pF. In this example, in order to suppress the influence of the voltage drop due to the decrease in capacitance as much as possible, the
また、送受信感度は、(送波面の面積比率)×{(Ps35の受信感度)+(Ph36の受信感度)}=(送波面の面積比率)×{1+(Ps35に対するPh36の電圧出力係数g33の比)}=0.80×(1+1.95)=2.36(=+7.46dB)となる。単純に同じ種類の圧電体を直列接続した場合、送受信感度は圧電体の個数倍にしかならないが、本例では個数倍以上に送受信感度が向上する。 The transmitting and receiving sensitivity, (area ratio of the transmitting surface) × {(Ps35 reception sensitivity) + (reception sensitivity of Ph36)} = voltage Ph36 for (area ratio of the transmitting surface) × {1+ (Ps35 output coefficient g 33 Ratio)} = 0.80 × (1 + 1.95) = 2.36 (= + 7.46 dB). When the same kind of piezoelectric bodies are simply connected in series, the transmission / reception sensitivity is only several times that of the piezoelectric bodies, but in this example, the transmission / reception sensitivity is improved more than several times.
図6において、受信アンプ45にはレシーバ50が接続され、レシーバ50にはA/D変換器(以下、A/Dと略す)51が接続されている。レシーバ50は、受信アンプ45で増幅された検出信号を受信する。A/D51は、レシーバ50からの検出信号にデジタル変換を施し、検出信号をデジタル化する。このレシーバ50、A/D51と、前述のパルサ44、受信アンプ45は、ここでは1組しか図示していないが、1個のUT27に対して1個ずつ、つまりUT27の個数分設けられている。
In FIG. 6, a
パルサ44は、CPU52の制御の下、走査制御部53によって駆動制御される。走査制御部53は、複数のパルサ44の中から、駆動させるパルサ44を選択して、これを所定の時間間隔で順次切り替える。具体的には、例えばUT27が128個配されている場合、128個のUT27のうち、隣接する48個のUT27を1つのブロックとして各UT27に任意の遅延差を与えて駆動させるように選択し、超音波および反射波の1回の送受信毎に、駆動させるUT27を1〜数個ずつずらす。パルサ44は、走査制御部53から送信される駆動信号に基づいて、UT27に超音波を発生させるための励振パルスを送信する。
The
また、走査制御部53は、SWa〜SWc41〜43のスイッチング動作を制御する。
Further, the
A/D51は、ビームフォーマ(以下、BFと略す)54と接続している。BF54は、A/D51でデジタル化された検出信号に対して、位相整合演算を施す。検波Log圧縮回路55は、BF54から出力される検出信号の振幅を検波し、Log圧縮を施す。検波Log圧縮回路55から出力された検出信号は、メモリ(図示せず)に一旦格納される。
The A /
携帯型超音波観測器10は、デジタルスキャンコンバータ(以下、DSCと略す)60を有する。DSC60は、コネクタ19、プローブ接続部17等を介して超音波プローブ11のメモリからデジタルの検出信号を受け取る。DSC60は、CPU61の制御の下、検出信号をテレビ信号に変換する。DSC60で変換されたテレビ信号は、D/A変換器(図示せず)でD/A変換が施され、モニタ15に超音波画像として表示される。
The portable
CPU61は、携帯型超音波観測器10の各部の動作を統括的に制御する。CPU61は、操作部14からの操作入力信号に基づいて各部を動作させる。また、CPU61は、電源供給部62を駆動制御し、超音波プローブ11への電源供給を行わせる。
The
上記構成を有する超音波診断装置2の作用について説明する。まず、超音波プローブ11のコネクタ19を携帯型超音波観測器10のプローブ接続部17に挿入固定し、携帯型超音波観測器10と超音波プローブ11の電気的機械的接続を得る。そして、操作部14を操作して携帯型超音波観測器10の電源を立ち上げるとともに、電源供給部62から超音波プローブ11に電源を供給する。術者は、超音波プローブ11の走査ヘッド18を被検体に押し当てながら、携帯型超音波観測器10のモニタ15に表示される超音波画像を観察して診断を行う。
The operation of the ultrasonic diagnostic apparatus 2 having the above configuration will be described. First, the
超音波プローブ11では、走査制御部53によって選択されたパルサ44からUT27に励振パルスが送信され、UT27から被検体に超音波が照射される。走査制御部53により駆動されるパルサ44は、超音波および反射波の1回の送受信毎に順次切り替えられる。これにより被検体に超音波が走査される。
In the ultrasonic probe 11, an excitation pulse is transmitted from the
このとき、走査制御部53により、超音波を照射するUT27のSWa41がパルサ44側に倒され、SWb42がオフ、SWc43がオンされる。パルサ44からの励振パルスは、第1電極37と第3電極39を介してPs35に印加され、Ps35から被検体に向けて超音波が発せられる。Ph36からは超音波は発せられない。
At this time, the
Ps35から発せられた超音波は被検体で反射され、その反射波に応じた検出信号がUT27から出力される。このとき、走査制御部53により、反射波を受信するUT27のSWa41がグランド側に倒され、SWb42がオン、SWc43がオフされる。各電極37〜39によって、Ps35とPh36が受信アンプ45に直列接続される。受信アンプ45には、Ps35とPh36から出力された各検出信号の和が入力される。
The ultrasonic wave emitted from Ps35 is reflected by the subject, and a detection signal corresponding to the reflected wave is output from the UT27. At this time, the
UT27からの検出信号は、受信アンプ45で増幅された後、レシーバ50に受信され、A/D51でA/D変換されてデジタル化される。A/D51でデジタル化された検出信号は、BF54に送られてBF54で位相整合演算され、さらに検波Log圧縮回路55で検波、Log圧縮された後、メモリに一旦格納される。
The detection signal from the
検波、Log圧縮後の検出信号は、コネクタ19、プローブ接続部17等を介して携帯型超音波観測器10のDSC60に送信され、DSC60でテレビ信号に変換される。DSC60で変換されたテレビ信号は、D/A変換されてモニタ15に超音波画像として表示される。
The detection signal after detection and log compression is transmitted to the
以上説明したように、比較的送信能力に長けたPs35と比較的受信感度が高いPh36を各電極37〜39で直列接続し、超音波の送信時はPs35を用い、反射波の受信時はPs35とPh36の両方で検出信号を出力してその和を受信アンプ45に入力するので、従来よりもさらに送受信感度を向上させることができる。送受信感度が向上すれば、UT27に与える駆動電圧を上げる必要がなくなり、低電圧駆動が可能となる。
As described above, Ps35 having a relatively high transmission capability and Ph36 having a relatively high reception sensitivity are connected in series by the
上記実施形態では、Ps35とPh36の2個の圧電体を有するUT27を例示したが、圧電体の個数は2個以上でもよい。例えば図7に示すUT70のように、ソフト・リラクサー系のPs35とハード系のPh36に、もう1個ハード系の第3圧電体(以下、Ph’と略す)71を追加した構成としてもよい。上記実施形態と同様、Ps35、Ph36、およびPh’71は、同じ方向に分極している。また、Ph36とPh’71の送受波面の面積は同じであり、送受波面の面積比率は、例えばPs:Ph:Ph’=4:1:1である。
In the above embodiment, the
この場合、上記実施形態の第3電極39に加えて、Ph36の上面電極とPh’71の下面電極を兼ね、第3電極39の接続部40と同様の接続部73を有する第4電極72を形成する。また、上記実施形態の第2電極38をPh’71の上面電極とする。第1、第2電極37、38とSWa41、SWb42との接続は上記実施形態と同じである。第3電極39の代わりに第4電極72にSWc43が接続されている点が上記実施形態と異なる。超音波の送信時と反射波の受信時のSWa〜SWc41〜43の選択状態は、表2と同じである。
In this case, in addition to the
超音波の送信時は、Ps35とPh36から超音波が発せられる。Ph’71からは発せられない。反射波の受信時には、Ps35、Ph36、およびPh’71が受信アンプ45に直列接続される。直列接続する圧電体が多くなる分、合成静電容量は低下するが、送受信感度は向上する。なお、第3電極39がPs35の上面電極とPh36の下面電極となっているので、Ps35とPh36から発せられる超音波は逆位相となるが、Ph36の送受波面の面積がPs35に比して小さく、等価圧電定数d33もPh36の方が小さいので、Ph36の超音波によるPs35の超音波のキャンセル量は軽微である。
When transmitting ultrasonic waves, ultrasonic waves are emitted from Ps35 and Ph36. It cannot be emitted from Ph'71. When receiving the reflected wave,
UTを構成する圧電体の個数がn個(nは2以上の自然数)であった場合、隣り合う圧電体の一方の上面電極および他方の下面電極を兼ねる、第3電極39や第4電極72等の兼用電極はn−1個必要である。兼用電極を含む電極の総数はn+1個であり、兼用電極以外の電極は第1電極37と第2電極38の2個である。
When the number of piezoelectric bodies constituting the UT is n (n is a natural number of 2 or more), the
上記実施形態では、携帯型超音波観測器10と超音波プローブ11がケーブル20で有線接続される例を挙げたが、図8に示す超音波診断装置80のように、携帯型超音波観測器81と超音波プローブ82間のデータの送受信を無線で行うものに適用してもよい。
In the above-described embodiment, an example in which the portable
図8において、携帯型超音波観測器81と超音波プローブ82にはそれぞれ、A/D変換後の検出信号を無線で遣り取りするための無線受信部83と無線送信部84が設けられている。また、超音波プローブ82には、バッテリ85が内蔵されており、バッテリ85からの電源が電源供給部86を介して超音波プローブ82の各部に供給される。
In FIG. 8, a portable
本発明によれば、比較的低い電圧でUTを駆動しても、比較的高い送受信感度が得られるので、超音波プローブ82のようにバッテリ85で駆動するタイプの耐用時間を従来よりも長引かせることができる。また、低電圧駆動であるためパルサ等の回路規模を小さくすることができ、ひいては超音波プローブの小型化にも寄与することができる。
According to the present invention, even when the UT is driven at a relatively low voltage, a relatively high transmission / reception sensitivity can be obtained. Therefore, the service life of the type driven by the
なお、図9に示すように、UTアレイ21とパルサ44およびレシーバ50の間に、駆動するUT27を選択的に切り替えるマルチプレクサ(以下、MUXと略す)90を介挿してもよい。例えばUT27が128個で、隣接する48個のUT27を1つのブロックとして各UT27に任意の遅延差を与えて駆動させる場合、MUX90で駆動させる48個を選択する。こうすれば、一度に駆動するUT27の個数分(この場合は48個分)、パルサ44とレシーバ50を用意すればよいので、超音波プローブをさらに小型化することができる。
As shown in FIG. 9, a multiplexer (hereinafter abbreviated as MUX) 90 that selectively switches the
上記実施形態では、隣り合う圧電体の一方の上面電極および他方の下面電極を兼ねる兼用電極である第3電極39や第4電極72に接続部40、73を設けているが、接続部の代わりにワイヤボンディング等で隣り合う圧電体の一方の上面電極および他方の下面電極を導通させてもよい。
In the above-described embodiment, the
上記実施形態では、EL方向に沿って各圧電体を並べているが、AZ方向に沿って並べても構わない。また、ハード系の圧電セラミックスの代わりに、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の圧電樹脂を用いてもよい。 In the above embodiment, the piezoelectric bodies are arranged along the EL direction, but may be arranged along the AZ direction. Further, a piezoelectric resin such as PVDF (polyvinylidene fluoride) may be used instead of the hard piezoelectric ceramic.
上記実施形態では、いわゆるコンベックス電子走査型の体外式の超音波プローブを例示したが、ラジアル電子走査型、あるいは1個のUT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でもよい。電子内視鏡の鉗子チャンネルに挿入される体内式の超音波プローブや、電子内視鏡と一体化された超音波内視鏡についても本発明は適用可能である。 In the above embodiment, a so-called convex electronic scanning type extracorporeal ultrasonic probe has been exemplified. However, a radial electronic scanning type or a mechanical scanning scanning type ultrasonic probe that mechanically rotates, swings, or slides a single UT. An acoustic probe may be used. The present invention can also be applied to an in-vivo ultrasonic probe inserted into a forceps channel of an electronic endoscope or an ultrasonic endoscope integrated with an electronic endoscope.
2、80 超音波診断装置
10、81 携帯型超音波観測器
11、82 超音波プローブ
21 超音波トランスデューサアレイ(UTアレイ)
27、70 超音波トランスデューサ(UT)
35 第1圧電体(Ps)
36 第2圧電体(Ph)
37〜39 第1〜第3電極
40、73 接続部
41〜43 第1〜第3スイッチ(SWa〜SWc)
44 パルサ
45 受信アンプ
51 A/D変換器(A/D)
52 CPU
53 走査制御部
54 ビームフォーマ(BF)
55 検波Log圧縮回路
71 第3圧電体(Ph’)
72 第4電極
84 無線送信部
85 バッテリ
90 マルチプレクサ(MUX)
2, 80 Ultrasonic
27, 70 Ultrasonic transducer (UT)
35 First piezoelectric body (Ps)
36 Second piezoelectric body (Ph)
37-39 1st-
44
52 CPU
53
55 Detection
72
Claims (12)
1個以外の圧電体に電極を介して駆動電圧を印加して超音波を発生させ、且つ反射波を受信して圧電体から出力される検出電圧が全ての圧電体の分加算されるよう、前記超音波トランスデューサの駆動を制御する駆動制御手段とを備えることを特徴とする超音波プローブ。 A plurality of piezoelectric bodies arranged in a direction parallel to the transmission / reception surface of the ultrasonic waves and the reflected waves, and one upper surface electrode and the other lower surface electrode of the adjacent piezoelectric bodies having different ultrasonic transmission capabilities and reflected wave reception sensitivities An ultrasonic transducer in which a plurality of piezoelectric bodies are connected in series by the electrode,
A drive voltage is applied to electrodes other than one through an electrode to generate an ultrasonic wave, and a detection voltage output from the piezoelectric body by receiving a reflected wave is added for all the piezoelectric bodies. An ultrasonic probe comprising drive control means for controlling the drive of the ultrasonic transducer.
前記第1圧電体よりも超音波の送信能力が低く反射波の受信感度が高く、超音波および反射波の送受波面の面積比率が低い直列接続の他方の端の第2圧電体と、
前記第1圧電体の兼用電極ではない電極に接続され、駆動電圧を供給するパルサと、
前記第2圧電体の兼用電極ではない電極に接続され、検出電圧を増幅する増幅器と、
前記第1圧電体、前記第2圧電体の電極と前記パルサおよび前記増幅器の接続のオン/オフを切り替える切り替えスイッチとを備え、
前記駆動制御手段は、前記第2圧電体以外の圧電体に駆動電圧が印加され、且つ全ての圧電体からの検出信号の和が前記増幅器に入力されるよう、前記切り替えスイッチを動作させることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の超音波プローブ。 A first piezoelectric body at one end of the series connection;
A second piezoelectric body at the other end of the series connection, which has lower ultrasonic wave transmission capability and higher reflected wave reception sensitivity than the first piezoelectric body, and a lower area ratio of the transmission and reception surfaces of the ultrasonic wave and reflected wave;
A pulser that is connected to an electrode that is not a dual-purpose electrode of the first piezoelectric body and supplies a driving voltage;
An amplifier that is connected to an electrode that is not a dual-purpose electrode of the second piezoelectric body and amplifies a detection voltage;
A switch for switching on / off the connection of the first piezoelectric body, the electrode of the second piezoelectric body, and the connection between the pulser and the amplifier;
The drive control means operates the changeover switch so that a drive voltage is applied to a piezoelectric body other than the second piezoelectric body, and a sum of detection signals from all the piezoelectric bodies is input to the amplifier. The ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 3, wherein
圧電体に駆動電圧を供給するパルサと、
前記パルサを駆動させ、超音波を走査させる走査制御手段と、
前記増幅器で増幅された検出電圧をデジタルの検出信号とするA/D変換器と、
検出信号から超音波画像を生成するための信号処理を実行する信号処理手段と、
各部を統括的に制御する主制御手段とを備えることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の超音波プローブ。 The ultrasonic transducers are arranged in a plurality of arrays,
A pulser that supplies a drive voltage to the piezoelectric body;
Scanning control means for driving the pulser and scanning ultrasonic waves;
An A / D converter using the detection voltage amplified by the amplifier as a digital detection signal;
Signal processing means for executing signal processing for generating an ultrasound image from the detection signal;
The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising main control means for comprehensively controlling each unit.
超音波画像を表示する超音波観測器に信号処理後の検出信号を無線送信する無線送信手段とを備えることを特徴とする請求項9または10に記載の超音波プローブ。 Power supply means for supplying power to each unit;
The ultrasonic probe according to claim 9, further comprising: a wireless transmission unit that wirelessly transmits a detection signal after signal processing to an ultrasonic observation device that displays an ultrasonic image.
前記超音波プローブと接続され、超音波画像を表示する超音波観測器とからなることを特徴とする超音波診断装置。 A plurality of piezoelectric bodies arranged in a direction parallel to the transmission / reception surface of the ultrasonic waves and the reflected waves, and one upper surface electrode and the other lower surface electrode of the adjacent piezoelectric bodies having different ultrasonic transmission capabilities and reflected wave reception sensitivities An ultrasonic transducer in which a plurality of piezoelectric bodies are connected in series by the electrode, and a drive voltage is applied to the other piezoelectric bodies via the electrodes to generate ultrasonic waves. And an ultrasonic probe comprising drive control means for controlling the drive of the ultrasonic transducer so that the detection voltage output from the piezoelectric body upon receiving the reflected wave is added for all of the piezoelectric bodies;
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: an ultrasonic observer connected to the ultrasonic probe and displaying an ultrasonic image.
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