JP2011071842A - 超音波プローブ、および超音波トランスデューサアレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハーモニックイメージングの高画質化に資する実用的な超音波プローブを提供する。
【解決手段】超音波プローブ１１は、第１超音波トランスデューサ（ＵＴａ）２７ａと第２超音波トランスデューサ（ＵＴｂ）２７ｂを有する。ＵＴａ２７ａは圧電体４０を上面、下面電極４１ａ、４１ｂで挟んだ単層圧電素子、ＵＴｂ２７ｂは複数配列されたｐＭＵＴ３６からなる。ＵＴｂ２７ｂは、ＵＴａ２７ａ同士の隙間上に配置されている。ＵＴａ２７ａは、超音波の送信および反射波のうちの基本波成分の受信、ＵＴｂ２７ｂは、反射波のうちの高調波成分の受信をそれぞれ担う。
【選択図】図２

Description

本発明は、反射波のうちの高調波成分を受信する超音波プローブ、および超音波トランスデューサアレイの製造方法に関する。

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。

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。

ＵＴから発せられた超音波は、被検体内を伝播するにつれて波形が歪む。このため、被検体内を伝播する超音波は、元の周波数の基本波成分だけでなく、基本波成分のｎ倍の周波数をもつｎ次高調波成分も含むことになる。例えば５ＭＨｚの超音波をＵＴから発した場合、５ＭＨｚの基本波成分と１０ＭＨｚ、１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、・・・の２、３、４、・・・次高調波成分を含む超音波が被検体内を伝播し、大部分は基本波成分からなり一部高調波成分からなる反射波がＵＴにて受信される。

近年の超音波診断の分野では、反射波の高調波成分を画像化するハーモニックイメージングが注目されている。ハーモニックイメージングとしては、被検体からの反射波の高調波成分をそのまま画像化するＴＨＩ（Tissue Harmonic Imaging）や、超音波造影剤の微小気泡が共振、崩壊する際の高調波成分を画像化するＣＨＩ（Contrast Harmonic Imaging）が知られており、様々な疾患の臨床検査に利用されている。また、高調波成分を解析することで、生体組織固有の性状を表す値であるＢ／Ａ係数（非線形パラメータ、非線形音響係数とも呼ばれる）も取得することができ、新しい病変診断への応用が期待されている。

以上の説明から明らかなように、ハーモニックイメージングでは、反射波の高調波成分を如何に効率よく取得することができるかが鍵となる。医療用のＵＴは圧電体の共振現象を利用しているため、使用最適周波数（最大感度周波数）と帯域幅を有する。そのため、同一のＵＴでハーモニックイメージングを実施する場合、そのＵＴ固有の帯域幅内で超音波（基本波）の発信と高調波成分の受信をしなければならず、ＵＴの最大感度周波数を利用することができない。従って、高調波成分の受信感度が低くなるため、ハーモニックイメージングには不適である。この対処法として、反射波の基本波成分および高調波成分のそれぞれで作られた各画像を重畳して表示し、高調波成分で作られた画像の不鮮明さを補うことが行われている。しかし、音響レンズや電子フォーカスによる超音波ビームの焦点を外れた、高調波成分の発生量が元々少ない領域は高画質化が望めない。

そこで、反射波の高調波成分をより効率的に取り込むため、超音波（基本波成分）送信用ＵＴとは別に反射波（高調波成分）受信用ＵＴをもつ超音波プローブが種々提案されている（特許文献１〜３、非特許文献１参照）。

特許文献１では、ＭＥＭＳ技術にて作製されるｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）を送信用、受信用ＵＴとして用いている。超音波の走査方向（アジマス（ＡＺ）方向）とこれに直交するエレベーション（ＥＬ）方向にｃＭＵＴを複数並べ、且つ超音波の送信方向に送信用、受信用ＵＴを積層している。送信用、受信用ＵＴが超音波の送信方向に重ならないよう配置したり、これらを同一面上に並べる態様も記載されている。また、複数のＵＴを何個かのブロックとし、ブロック単位で超音波および反射波の位相整合をとるフレネルフォーカス制御により、超音波と反射波の送受信でＥＬ方向の可変焦点を実現している。

特許文献２は、送信用にｃＭＵＴ、受信用にｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）を組み合せた超音波プローブを開示している。ｐＭＵＴは、単結晶あるいは多結晶の圧電酸化物薄膜を主体とするメンブレン構造を有し、ｃＭＵＴと同様にＭＥＭＳ技術にて作製される。

特許文献３には、円形の低周波セルの周りに径が小さい高周波セルを配し、高周波セルで低周波セルを取り囲んだＵＴアレイが記載されている。各セルはｃＭＵＴまたはｐＭＵＴからなる。

非特許文献１では、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の無機圧電体を送信用ＵＴ、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の有機圧電体を受信用ＵＴにそれぞれ用いている。超音波の送信方向に各圧電体を積層している。

特開２００７−１３０３５７号公報 特開２００７−２２９３２８号公報 特表２００９−５０３９９０号公報 "Development of an ultra-broadband ultrasonic imaging system: prototype mechanical sector device", Iwaki Akiyama, Shigemi Saito and Akihisa Ohya ,The Japanese Society of Ultrasonics in Medicine, 2006, pp.71-76

特許文献１〜３に記載の発明のように、送信用、受信用のＵＴを超音波の送信方向に重ならないよう配置したり、同一平面上に配置する場合、配置スペースに限界があるため、送信用、受信用のＵＴの配置密度が疎になり、超音波の送信パワーや方位分解能が低下する、各ＵＴで深度毎の超音波ビームの幅がずれるといったことが起こり、超音波画像の画質が劣化するおそれがある。

非特許文献１に記載の発明では、受信用のＵＴとして有機圧電体を採用しているが、有機圧電体は誘電率が極端に低く、反射波の検出信号のレベルが相対的に低くなる。そのうえ発熱の問題もあり、結局は高調波成分の受信感度を劇的に向上させるまでには至っていない。

以上述べた通り、現状では、ハーモニックイメージングの高画質化に資する、反射波の高調波成分を効率よく取得することが可能な超音波プローブは実現されていない。

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、ハーモニックイメージングの高画質化に資する実用的な超音波プローブを提供することにある。

また、本発明の目的は、ハーモニックイメージングの高画質化に資する実用的な超音波トランスデューサアレイを簡単に製造することにある。

本発明の超音波プローブは、圧電セラミックス厚膜からなり、超音波を送信し、反射波のうちの基本波成分を受信する第１超音波トランスデューサと、圧電酸化物薄膜を有するメンブレン構造からなり、反射波のうちの高調波成分を受信する第２超音波トランスデューサとを備えることを特徴とする。

なお、前記第１超音波トランスデューサは、圧電セラミックス厚膜を１対の電極で挟んでなり、厚み方向に振動する単層圧電素子である。前記第２超音波トランスデューサは、圧電酸化物薄膜の撓み振動を検出するｐＭＵＴである。

前記第１、第２超音波トランスデューサは、超音波の送信方向に関して互いに重複しないよう配置されていることが好ましい。例えば、前記第１超音波トランスデューサが超音波の走査方向に複数等間隔で配列されていた場合、前記第２超音波トランスデューサは、前記第１超音波トランスデューサ同士の隙間上に配置される。

前記第２超音波トランスデューサは、超音波の走査方向と直交する方向に複数配列されており、前記第２超音波トランスデューサの各々から出力される検出信号に対して位相整合演算を行い、超音波の走査方向と直交する方向の受信フォーカス処理を行う受信フォーカス回路を備えることが好ましい。

前記第２超音波トランスデューサは、２次高調波成分を受信することが好ましい。

本発明の超音波トランスデューサアレイの製造方法は、圧電セラミックス厚膜からなり、超音波を送信し、反射波のうちの基本波成分を受信する第１超音波トランスデューサをバッキング材上に形成し、第１超音波トランスデューサを所定の間隔でダイシングして第１超音波トランスデューサのアレイを作製する第１工程と、圧電酸化物薄膜を有するメンブレン構造からなり、反射波のうちの高調波成分を受信する第２超音波トランスデューサのアレイをＳｉ基板上に作製する第２工程と、前記第１、第２工程で作製した各構造物を一体化して１つの超音波トランスデューサアレイとする第３工程とを備えることを特徴とする。

前記第２工程では、第１超音波トランスデューサの超音波および反射波の送受信面と同じサイズの穴をＳｉ基板に複数穿ち、各穴に音響整合層を充填して、各穴同士の隙間に第２超音波トランスデューサを作製する。

前記第３工程では、第１超音波トランスデューサ同士の隙間上に第２超音波トランスデューサが配置されるよう各構造物を位置合わせしつつ積層する。

本発明によれば、超音波の送信および反射波のうちの基本波成分の受信は圧電セラミックス厚膜からなる第１超音波トランスデューサ、反射波のうちの高調波成分の受信はｐＭＵＴからなる第２超音波トランスデューサで行うので、ハーモニックイメージングの高画質化に資する実用的な超音波プローブを提供することができる。

また、第１超音波トランスデューサと第２超音波トランスデューサのアレイを別々に作製し、その構造物を一体化して１つの超音波トランスデューサアレイとするので、ハーモニックイメージングの高画質化に資する実用的な超音波トランスデューサアレイを簡単に製造することができる。

超音波診断装置の構成を示す外観図である。 超音波トランスデューサアレイの構成を示す斜視図である。 第２超音波トランスデューサの構成を示す平面図である。 超音波トランスデューサアレイの配線状態を示す断面図である。 超音波トランスデューサアレイの製造手順を示す図である。 超音波トランスデューサアレイの製造手順を示す図である。 超音波の送信時および反射波の受信時の超音波トランスデューサの等価回路を示す説明図である。 超音波診断装置の電気的構成を示すブロック図である。 受信フォーカス回路を設けた例を示す図である。

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。

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。

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。

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、第１超音波トランスデューサ（以下、ＵＴａと略す）２７ａと第２超音波トランスデューサ（以下、ＵＴｂと略す）２７ｂ、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。なお、図２では、簡略化のため後述するＳｉ基板３５や電極３７ａ、３７ｂ等の図示を省略している。

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、ＵＴａ２７ａ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）。

ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂはそれぞれ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（超音波の走査方向、以下、ＡＺ方向と略す）に複数等間隔で配列されている。ＵＴａ２７ａの隙間およびその周囲には、充填材３０が充填されている。

音響整合層２８ａ、２８ｂは、例えばエポキシ樹脂からなり、ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂ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、ＵＴａ２７ａ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。

隣り合うＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂは、これらの組で超音波および反射波を送受信する１チャンネルを構成している。ＵＴアレイ２１全体としては、ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂがＡＺ方向に交互に複数並べられた構成であり、従ってＵＴアレイ２１は複数の送受信チャンネルを有する。

ＵＴａ２７ａは、ＰＺＴ系（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックス厚膜（圧電体）４０を上面、下面電極４１ａ、４１ｂで挟んだ単層圧電素子である（図４参照）。上面電極４１ａは音響整合層２８ａ側、下面電極４１ｂはバッキング材２６側の電極である。ＵＴａ２７ａの圧電体４０は、下面電極４１ｂから上面電極４１ａに向かう方向に分極されている。両電極４１ａ、４１ｂに電圧（励振パルス）が印加されると、圧電体４０が厚み方向に振動して超音波を発生し、これにより被検体の被観察部位に超音波が照射される。また、被観察部位からの反射波を受信すると、圧電体４０が振動して電圧を発生し、この電圧が検出信号として出力される。ＵＴａ２７ａは、反射波のうちの基本波成分に基づいた検出信号を主として出力する。

ＵＴｂ２７ｂは、音響整合層２８ｂとともにＳｉ基板３５（図３参照）に形成される。ＵＴｂ２７ｂは、ＵＴａ２７ａの超音波および反射波の送受信面と重ならないよう、充填剤３０が充填されるＵＴａ２７ａ同士の隙間上に配置されている。ＵＴａ２７ａ同士の隙間は、例えば１０ＭＨｚ以下の超音波送信周波数をもつＵＴアレイであれば３０μｍ程である。３ＭＨｚでは３０μｍ〜５０μｍであり、ＵＴａ２７ａ自体のＡＺ方向の幅は９０μｍ〜１００μｍである。一方、音響整合層２８ｂは、ＵＴａ２７ａ上に配置されるよう、ＵＴａ２７ａの超音波の送信面と同じサイズを有し、ＵＴａ２７ａと同じピッチでＡＺ方向に配列されている。

図３において、ＵＴｂ２７ｂは、ＡＺ方向に例えば３列、ＥＬ方向に複数個並べられたｐＭＵＴ３６からなる。ｐＭＵＴ３６は、単結晶あるいは多結晶の圧電酸化物薄膜を主体とするメンブレン構造を有し、周知のＭＥＭＳ技術にて作製される。ｐＭＵＴ３６の共振周波数は、圧電酸化物薄膜の径、厚みにより変化する。被観察部位からの反射波を受信すると、圧電酸化物薄膜が撓んで電圧を発生し、この電圧が検出信号として出力される。ＵＴｂ２７ｂは、ＵＴａ２７ａとは異なり、反射波のうちの高調波成分、例えば２次高調波成分に基づいた検出信号を主として出力する。

複数のｐＭＵＴ３６は、電極３７ａ、３７ｂ（図３では３７ａのみ図示、３７ｂは図４参照）に繋がれている。各電極３７ａ、３７ｂは、Ｓｉ基板３５のＥＬ方向の両端に形成されている。反射波の受信により発生した検出信号は、各電極３７ａ、３７ｂを介して外部に取り出される。

ＵＴアレイ２１をＥＬ方向に沿って切った断面を示す図４において、ＵＴａ２７ａは、前述のように圧電体４０を上面、下面電極４１ａ、４１ｂで挟んだ構造である。上面電極４１ａには、銅等からなる配線４２ａが片側面から引き出されている。下面電極４１ｂには、配線４２ｂ、４２ｃが両側面から引き出されている。ＵＴｂ２７ｂの各電極３７ａ、３７ｂには、配線４２ｄ、４２ｅがそれぞれ接続されている。

ＵＴｂ２７ｂの電極３７ａに接続された配線４２ｄには、ＵＴａ２７ａの上面電極４１ａに接続された配線４２ａが接続されており、これらは同軸ケーブル４３ａのシールド線に繋がれて接地されている。ＵＴａ２７ａの下面電極４１ｂに接続された配線４２ｂ、４２ｃは、バッキング材２６の両側面に配置された送信回路基板４４ａおよび受信回路基板４４ｂにそれぞれ接続されている。また、ＵＴｂ２７ｂの電極３７ｂに接続された配線４２ｅは、受信回路基板４４ｂに接続されている。送信回路基板４４ａおよび受信回路基板４４ｂは、例えば、ポリイミド等のフレキシブルプリント基板である。各電極３７ａ、３７ｂ、４１ａ、４１ｂ、各配線４２ａ〜４２ｅ、および各基板４４ａ、４４ｂは、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂４５で封止されて保護されている。

各基板４４ａ、４４ｂには、同軸ケーブル４３ａ、４３ｂがそれぞれ接続されている。送信回路基板４４ａに接続された同軸ケーブル４３ａは、後述するパルサ５６の駆動信号等を伝送する。一方、受信回路基板４４ｂに接続された同軸ケーブル４３ｂは、反射波の受信によりＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂから出力された検出信号等を伝送する。

図５および図６を参照して、ＵＴアレイ２１の製造手順を説明する。まず、図５（Ａ）において、バッキング材２６上に、例えばグリーンシート法を利用してＵＴａ２７ａを作製し、その上に音響整合層２８ａを積層する。そして、（Ｂ）に示すように、音響整合層２８ａ諸共ＵＴａ２７ａに切込みを入れて隙間５０を作り、ＵＴａ２７ａを所定のサイズにダイシングする。ここまでは従来のＵＴアレイの製法と同じである。

一方、（ａ）に示すように、音響整合層２８ｂと同じ厚み１００μｍ〜２００μｍのＳｉ基板３５を用意する。次いで（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板３５にエッチング加工を施して、音響整合層２８ｂと同サイズの穴５１を複数形成する。

（ｃ）において、穴５１に音響整合層２８ｂの材料であるエポキシ樹脂を流し込んで穴５１に充填した後、Ｓｉ基板３５の表面を研磨し、Ｓｉ基板３５を均一な厚みにする。そして、（ｄ）に示すように、周知のＭＥＭＳ技術を用いて穴５１の隙間（つまりＵＴａ２７ａ同士の隙間５０上）にＵＴｂ２７ｂを構成するｐＭＵＴ３６、電極３７ａ、３７ｂを作製する。

図６（Ａ）において、図５（Ａ）、（Ｂ）の手順で作製された構造物に、（ａ）〜（ｄ）の手順で作製された構造物を位置合わせしつつ積層し、接着する。位置合わせは、ＵＴａ２７ａと音響整合層２８ｂ、ＵＴａ２７ａ同士の隙間５０とＵＴｂ２７ｂとが超音波の送信方向で一致するよう行われる。

次いで、図６（Ｂ）に示すように、図５（Ｂ）で形成されたＵＴａ２７ａ同士の隙間５０に側面からシリンジ等で充填剤３０を注入し充填する。その後、台座２５、音響レンズ２９の取り付け、ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂと各基板４４ａ、４４ｂとの配線接続等を行ってＵＴアレイ２１を完成させる。

図７および図８において、ＵＴａ２７ａの下面電極４１ｂから引き出された配線４２ｂは、第１スイッチ（以下、ＳＷａと表記する）５５ａの一端に接続されている。ＳＷａ５５ａの他端には、パルサ５６が接続されている。

パルサ５６は、ＣＰＵ５７の制御の下、走査制御部５８によって駆動制御される。走査制御部５８は、複数のパルサ５６の中から、駆動させるパルサ５６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、例えば送受信チャンネルが１２８チャンネルであった場合、１２８チャンネルのうち、隣接する４８チャンネルを１つのブロックとして、該チャンネルに属する各ＵＴａ２７ａ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、駆動させるチャンネルを１〜数個ずつずらす。パルサ５６は、走査制御部５８から送信される駆動信号に基づいて、ＵＴａ２７ａに超音波を発生させるための励振パルスを送信する。

ＵＴａ２７ａの下面電極４１ｂから引き出された配線４２ｃと、ＵＴｂ２７ｂの電極３７ｂに接続された配線４２ｅとは、第２スイッチ（以下、ＳＷｂと表記する）５５ｂの一端に接続されている。ＳＷｂ５５ｂは、２入力２出力のスイッチであり、各入出力が連動してオン／オフする。ＳＷｂ５５ｂの他端には、２台の受信アンプ５９ａ、５９ｂが接続されている。受信アンプ５９ａ、５９ｂの出力端には、１台のミキサー６０が接続され、ミキサー６０にはＡ／Ｄ変換器（以下、Ａ／Ｄと略す）６１が接続されている。

受信アンプ５９ａ、５９ｂには、例えば電圧帰還型または電荷蓄積型のものが用いられる。受信アンプ５９ａ、５９ｂは、反射波を受信してＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂから出力された検出信号（検出電圧）を増幅する。ミキサー６０は、受信アンプ５９ａ、５９ｂで増幅されたＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂ各々からの検出信号を混合する。Ａ／Ｄ６１は、ミキサー６０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。受信アンプ５９ａ、５９ｂ、ミキサー６０、Ａ／Ｄ６１と、前述のパルサ５６、ＳＷａ５５ａ、ＳＷｂ５５ｂは、ここでは１組しか図示していないが、１チャンネルに対して１組ずつ、つまりチャンネル数分設けられている。

図７（Ａ）に示すように、超音波の送信時、ＳＷａ５５ａはオン、ＳＷｂ５５ｂはオフとなる。すなわち、パルサ５６とＵＴａ２７ａが繋がれ、ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂと受信アンプ５９ａ、５９ｂとの接続が断たれる。配線４２ｂを介してパルサ５６から励振パルスが印加されると、ＵＴａ２７ａの上面から超音波（点線矢印で示す）が発せられる。

一方、（Ｂ）に示すように、反射波の受信時、ＳＷａ５５ａはオフ、ＳＷｂ５５ｂはオンとなる。今度はパルサ５６とＵＴａ２７ａとの接続が断たれ、ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂと受信アンプ５９ａ、５９ｂがそれぞれ繋がれる。ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂ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がＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂから出力される。ＵＴａ２７ａから出力される検出信号は、主に反射波の基本波成分を表し、ＵＴｂ２７ｂからの検出信号は、主に反射波の高調波成分を表す。ＳＷａ５５ａ、ＳＷｂ５５ｂのスイッチング動作は、走査制御部５８によって制御される。

ＳＷａ５５ａおよびパルサ５６は、送信回路基板４４ａに実装されている。ＳＷｂ５５ｂ、受信アンプ５９ａ、５９ｂ、ミキサー６０、およびＡ／Ｄ６１は、受信回路基板４４ｂに実装されている。また、ＳＷａ５５ａおよびパルサ５６と走査制御部５８を繋ぐ線が前述の同軸ケーブル４３ａ、ＳＷｂ５５ｂと走査制御部５８、Ａ／Ｄ６１とパラレル／シリアル変換回路（以下、Ｐ／Ｓと略す）６２を繋ぐ線が同軸ケーブル４３ｂに相当する。

なお、ここで示した回路構成は一例であり、如何様にも変更可能である。例えばミキサー６０はなくともよく、後段の処理でＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂ各々からの検出信号を混合してもよい。あるいは受信アンプの後段にＡ／Ｄを配し、Ａ／Ｄ変換後にミキサーで混合してもよい。また、各基板４４ａ、４４ｂに実装する部品も上記例に限らない。ｐＭＵＴ３６が形成されるＳｉ基板３５に、周知の半導体製造プロセスでミキサー６０やＳＷａ５５ａ、ＳＷｂ５５ｂその他を設けても可である。

Ａ／Ｄ６１は、Ｐ／Ｓ６２と接続している。Ｐ／Ｓ６２は、各Ａ／Ｄ６１からの検出信号をパラレルデータからシリアルデータに変換する。このシリアルデータは、ケーブル２０、コネクタ１９、プローブ接続部１７を通って、携帯型超音波観測器１０のシリアル／パラレル変換回路（以下、Ｓ／Ｐと略す）６５に入力される。

Ｓ／Ｐ６５は、超音波プローブ１１から送られてきたシリアルデータを元のパラレルデータに戻す。ビームフォーマ（以下、ＢＦと略す）６６は、パラレルデータに戻された検出信号に対して、位相整合演算を施す。Ｌｏｇ圧縮検波回路６７は、ＢＦ６６から出力される検出信号にＬｏｇ圧縮を施し、その振幅を検波する。Ｌｏｇ圧縮検波回路６７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。

デジタルスキャンコンバータ（以下、ＤＳＣと略す）６８は、ＣＰＵ６９の制御の下、検出信号をテレビ信号に変換する。ＤＳＣ６８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。超音波画像は、ＵＴａ２７ａで得られた反射波の基本波成分とＵＴｂ２７ｂで得られた高調波成分を反映した、ハーモニックイメージングに好適な画質である。

ＣＰＵ６９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。ＣＰＵ６９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、ＣＰＵ６９は、超音波プローブ１１への電源供給を制御する。

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、携帯型超音波観測器１０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。

超音波プローブ１１では、走査制御部５８によって選択されたパルサ５６から該当チャンネルのＵＴａ２７ａに励振パルスが送信され、ＵＴａ２７ａから被検体に超音波が照射される。走査制御部５８により駆動されるパルサ５６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。このとき、走査制御部５８により、超音波を照射するＵＴａ２７ａに繋がれたＳＷａ５５ａがオン、全てのＳＷｂ５５ｂがオフされる。

ＵＴａ２７ａ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該当チャンネルのＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂから出力される。このとき、走査制御部５８により、全てのＳＷａ５５ａがオフ、反射波を受信するＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂに繋がれたＳＷｂ５５ｂがオンされる。ＵＴａ２７ａ、ＵＴｂ２７ｂからの検出信号は、受信アンプ５９ａ、５９ｂで増幅された後、ミキサー６０で混合され、Ａ／Ｄ６１でＡ／Ｄ変換されてデジタル化される。Ａ／Ｄ６１でデジタル化された検出信号は、Ｐ／Ｓ６２でシリアルデータ化されて携帯型超音波観測器１０に送られる。

携帯型超音波観測器１０では、Ｓ／Ｐ６５によって検出信号がパラレルデータに戻さる。その後、検出信号はＢＦ６６に送られてＢＦ６６で位相整合演算され、さらにＬｏｇ圧縮検波回路６７でＬｏｇ圧縮、検波された後、メモリに一旦格納される。

Ｌｏｇ圧縮、検波後の検出信号は、ＤＳＣ６８でテレビ信号に変換される。ＤＳＣ６８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。

以上説明したように、超音波の送信および反射波のうちの基本波成分の受信は単層圧電素子であるＵＴａ２７ａ、反射波のうちの高調波成分の受信はｐＭＵＴ３６からなるＵＴｂ２７ｂに担わせるので、ハーモニックイメージングの高画質化を達成することができる。

ＰＺＴ等の圧電セラミックス厚膜からなる単層圧電素子は、単純に駆動電圧を高くすれば超音波の送信パワーを上げられるので、超音波の送信音圧レベルについては問題ない。但し、ＦＤＡ５１０ｋやＩＥＣ規格に基づいたメカニカルインデックス（ＭＩ）で１．９以下と定められているように、人体に影響を与えない程度（眼部は除く）で超音波を照射することは言う迄もない。しかしながら、反射波の受信に関しては、反射波のうちの基本波成分の受信に合せて作られているので基本波成分には有効であるが、高調波成分は僅かに受信されるのみである。

ｐＭＵＴと同じくＭＥＭＳ技術にて作製されるｃＭＵＴは、単層圧電素子と同様に超音波の送信パワーは稼げるが、一般的に反射波の受信に難があるとされている。その理由として、単層圧電素子と比べても静電容量があまり変わらないことが挙げられる。

一方、ｐＭＵＴは、単層圧電素子やｃＭＵＴとは逆に、超音波の送信には適さないが反射波の受信用としては十分に機能する。また、圧電酸化物薄膜の径や厚みを変更するだけで、２次高調波成分だけでなく他の高調波成分も取得することができる。さらに、ＰＶＤＦといった有機圧電体と比べて、凡そ５００〜１０００倍の高い誘電率を有し、メンブレン構造であることから、静電容量が桁違いに高い。このため、静電容量が比較的低い材料を使用した場合と比べて検出信号のレベルが高くなり、従って反射波の高調波成分を効率よく取得することができる。

加えて、ｐＭＵＴはＭＥＭＳ技術で作製されるため、従来のＵＴアレイの各ＵＴの隙間に配置するのに十分な微小サイズを有する。従ってＵＴａ同士の隙間にＵＴｂを配することができ、実質的に従来のＵＴアレイのサイズを大きくする必要がない。従来のＵＴアレイと同様に超音波および反射波の送受信を扱うことができるので、超音波の送信パワーや方位分解能が低下する等して、超音波画像の画質が劣化するおそれがない。

単層圧電素子を用いた従来のＵＴアレイでは、送受信能力を高めるために各ＵＴ同士を隔てる隙間は必須である。この隙間は充填剤が充填されるだけでデッドスペースとなっているため、隙間上にＵＴｂを配せばスペースを有効活用することができる。

高調波成分を効率よく取得することができるため、生体組織固有の性状を表す値であるＢ／Ａ係数も精度よく取得することができる。従って、Ｂ／Ａ係数を指標とした新しい病変診断を行うことが可能となる。

上記実施形態では、ＵＴａ同士の隙間にＵＴｂを配する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。超音波の送信方向に関して互いに重複しないよう配置されていればよい。例えばＵＴａ、ＵＴｂのアレイのみで構成された領域をそれぞれ平面上に近接配置してもよい。この場合は各領域の位置関係に基づいてＢＦで位相整合演算を行う際のパラメータを変更すればよい。

なお、図９に示すように、ＥＬ方向に関して反射波の高調波成分の受信フォーカスを可変する受信フォーカス回路７５を設けてもよい。この場合、ＡＺ方向に並ぶ３個のｐＭＵＴ３６を１組として、受信フォーカス回路７５に接続する。ｐＭＵＴ３６はＳｉ基板３５に作製されるデバイスであり、配線の引き回しには自由度があるため、ｐＭＵＴ３６と受信フォーカス回路７５を上記のように接続することは比較的容易である。

受信フォーカス回路７５は、例えば焦点がｆａまたはｆｂ（焦点距離はそれぞれＬａ、Ｌｂ、Ｌａ＜Ｌｂ）となるよう、ＥＬ方向のｐＭＵＴ３６の各組について反射波の位相差を揃える位相整合演算を検出信号に対して施す。受信フォーカス回路７５は、合せたい焦点に応じて位相整合演算のパラメータ、すなわちｐＭＵＴ３６の各組の反射波の位相差を変更することで受信フォーカスを行う。こうすることで、観察したい深さの反射波の高調波成分をより高感度且つ高分解能で取得することができる。

なお、送信回路基板および受信回路基板をバッキング材や台座の内部に埋設しても可である。この場合、各基板に実装された部品、特に受信アンプの駆動熱をとるために水冷の冷却機構を設けてもよい。具体的には、バッキング材や台座内に冷却水等の液状冷媒を流す管路を配管する。そして、管路に冷却機と循環ポンプを繋ぎ、受信アンプの駆動熱を奪った液状冷媒を冷却機で冷却しつつ、循環ポンプで管路内を循環させる。

各基板をバッキング材等の側面に配する例と埋設する例を説明したが、一方の基板をバッキング材の側面に配置し、他方はバッキング材の内部に埋め込む、というように、これらを複合させてもよい。

上記実施形態では、携帯型超音波観測器と超音波プローブがケーブルで有線接続される例を挙げたが、携帯型超音波観測器と超音波プローブ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。この場合は図８のＰ／Ｓ６２の後段とＳ／Ｐ６５の前段に、検出信号を無線で遣り取りするための無線送信部と無線受信部をそれぞれ設ける。また、超音波プローブにバッテリを内蔵させ、バッテリからの電源を超音波プローブの各部に供給する。

なお、ＵＴアレイとパルサおよびミキサーの間に、駆動するＵＴａ、ＵＴｂを選択的に切り替えるマルチプレクサを介挿してもよい。例えば送受信チャンネルが１２８チャンネルで、隣接する４８チャンネルを１つのブロックとして、該チャンネルに属する各ＵＴａに任意の遅延差を与えて駆動する場合、マルチプレクサで駆動させるチャンネルを選択する。こうすれば、一度に駆動するチャンネル数分（この場合は４８チャンネル分）、パルサとミキサー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。また、走査制御部からマルチプレクサに切り替え信号を送信するだけで済むので、走査制御も簡単になる。ｐＭＵＴが作製されるＳｉ基板上にマルチプレクサを設けてもよい。

上記実施形態では、１つの送受信チャンネルをＵＴａとＵＴｂの１個ずつとした場合を例示したが、例えばＵＴａを２個（または１個）、ＵＴｂを１個（または２個）として、１つの送受信チャンネルを３個の圧電素子で構成してもよい。

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、リニア電子走査型、ラジアル電子走査型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。

２ 超音波診断装置
１０ 携帯型超音波観測器
１１ 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）
２７ａ 第１超音波トランスデューサ（ＵＴａ）
２７ｂ 第２超音波トランスデューサ（ＵＴｂ）
３６ ｐＭＵＴ
４０ 圧電体
４４ａ 送信回路基板
４４ｂ 受信回路基板
５０ 隙間
５６ パルサ
５７ ＣＰＵ
５９ａ、５９ｂ 受信アンプ
６０ ミキサー
６１ Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）
６６ ビームフォーマ（ＢＦ）
６９ ＣＰＵ
７５ 受信フォーカス回路

Claims (8)

1. 圧電セラミックス厚膜からなり、超音波を送信し、反射波のうちの基本波成分を受信する第１超音波トランスデューサと、
   圧電酸化物薄膜を有するメンブレン構造からなり、反射波のうちの高調波成分を受信する第２超音波トランスデューサとを備えることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記第１、第２超音波トランスデューサは、超音波の送信方向に関して互いに重複しないよう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. 前記第１超音波トランスデューサが超音波の走査方向に複数等間隔で配列されており、
   前記第２超音波トランスデューサは、前記第１超音波トランスデューサ同士の隙間上に配置され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. 前記第２超音波トランスデューサは、超音波の走査方向と直交する方向に複数配列されており、
   前記第２超音波トランスデューサの各々から出力される検出信号に対して位相整合演算を行い、超音波の走査方向と直交する方向の受信フォーカス処理を行う受信フォーカス回路を備え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。
5. 前記第２超音波トランスデューサは、２次高調波成分を受信することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波プローブ。
6. 圧電セラミックス厚膜からなり、超音波を送信し、反射波のうちの基本波成分を受信する第１超音波トランスデューサをバッキング材上に形成し、第１超音波トランスデューサを所定の間隔でダイシングして第１超音波トランスデューサのアレイを作製する第１工程と、
   圧電酸化物薄膜を有するメンブレン構造からなり、反射波のうちの高調波成分を受信する第２超音波トランスデューサのアレイをＳｉ基板上に作製する第２工程と、
   前記第１、第２工程で作製した各構造物を一体化して１つの超音波トランスデューサアレイとする第３工程とを備えることを特徴とする超音波トランスデューサアレイの製造方法。
7. 前記第２工程では、第１超音波トランスデューサの超音波および反射波の送受信面と同じサイズの穴をＳｉ基板に複数穿ち、各穴に音響整合層を充填して、各穴同士の隙間に第２超音波トランスデューサを作製することを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。
8. 前記第３工程では、第１超音波トランスデューサ同士の隙間上に第２超音波トランスデューサが配置されるよう各構造物を位置合わせしつつ積層することを特徴とする請求項７に記載の超音波トランスデューサアレイの製造方法。

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