JP2011072588A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化させることなく、有機圧電素子からなる超音波トランスデューサを用いて、エコーの高調波成分を高感度に受信する。
【解決手段】超音波診断装置１０は、第１超音波トランスデューサ３１、第２超音波トランスデューサ３２とともに、共振回路１２を備える。第１超音波トランスデューサ３１は、無機圧電素子からなり、基本周波数の超音波を被検体に向けて送信するとともに、エコーを受信して基本周波数成分に対応する第１受信信号を出力する。第２超音波トランスデューサ３２は、有機圧電素子からなり、エコーを受信し、基本周波数の整数倍の周波数を有する高調波成分に対応した第２受信信号を出力する。共振回路１２は、第２超音波トランスデューサ３２に対して並列に接続されたキャパシタとインダクタとを有し、共振周波数が高調波の周波数に一致するように設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体に超音波を送信し、そのエコーに基づいて被検体内を観察する超音波診断装置に関し、さらに詳しくは、エコーの基本周波数成分からなる受信信号とともに、エコーの高調波成分からなる受信信号を用いて被検体内を観察する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、非侵襲的にリアルタイムに被検体の断層画像を観察することができるので、腹部検査や乳腺・甲状腺検査等、様々な部位の検査に利用されている。従来の超音波診断装置では、超音波トランスデューサから所定周波数の超音波を被検体内にパルス送信し、そのエコーを超音波の送信に用いた超音波トランスデューサで受信して、エコーに応じた受信信号を出力させ、これに基づいて被検体の断面を画像化する。

超音波トランスデューサは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）等の圧電材料を所定形状に形成した圧電素子からなる。このため、圧電素子の表裏に電圧を印加することにより、これに応じた周波数の超音波が被検体内に送信される。一方、被検体内から超音波トランスデューサにエコーが入射すると、入射したエコーの周波数に応じて圧電素子が伸縮して表裏に電位差が生じ、超音波トランスデューサはこれを受信信号として出力する。また、圧電素子の共振周波数は、その大きさや形状から予め定まっているので、超音波トランスデューサからは主に共振周波数（以下、基本周波数という）の超音波が送信されるとともに、超音波トランスデューサが出力する受信信号は入射したエコーの基本周波数成分（以下、基本波成分という）が主として反映されたものとなっている。

ところで、エコーには基本周波数以外の周波数成分が含まれていることが知られている。こうした基本周波数以外の周波数成分は、生体による超音波の散乱が非線形現象であるために生じるものであり、より細かな被検体内の組織構造を反映している。このため、近年では、基本波の整数倍の周波数成分（以下、高調波成分という）を利用して断層画像を生成するハーモニックイメージングという手法が用いられるようになってきた。ハーモニックイメージングでは、多重反射やサイドローブによる影響を抑えられる。このため、高調波成分を利用して生成した断層画像は、基本波成分だけを利用する場合よりも、方位分解能やコントラスト分解能を向上させることができ、より鮮鋭な断層画像が得られることが知られている。

しかしながら、前述のように超音波トランスデューサで受信することができる周波数は圧電素子の大きさや形状で定まるので、超音波の送信に用いる超音波トランスデューサで高調波成分を感度良く受信することは難しい。このため、超音波トランスデューサと受信回路の間にキャパシタを直列に付加するとともに、インダクタを並列に付加することによって、超音波トランスデューサ、キャパシタ、インダクタ、及びこれらを接続する同軸ケーブルのキャパシタンスによって共振回路を形成させ、その共振周波数を高調波の周波数に合わせることで高調波の受信感度を向上させる技術が知られている（特許文献１）。

また、方位分解能を低下させずに基本波用と高調波用の超音波トランスデューサを分けて設けることを考えると、基本波用と高調波用の超音波トランスデューサを積層することになるが、無機材料からなる２つの圧電素子を積層すると、共振周波数は積層した２つの圧電素子全体の厚みで定まってしまうことから、基本波用と高調波用を重ねて設けることはできない。こうしたことから、基本波用の超音波トランスデューサを無機圧電素子で形成し、その上に、高調波用の超音波トランスデューサをポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという）等からなる有機圧電素子で形成した高調波用の超音波トランスデューサを重ねた超音波診断装置が知られている（特許文献２）。

特開２００３−３１０６０８号公報 特開２００４−２０８９１８号公報

エコーに含まれる高調波成分は、基本波成分に比べて信号強度が小さい。また、有機圧電素子は、無機圧電素子に比べてＱ値が小さく、明確な共振特性を示さない。このため、特許文献２に記載されているように、単に高調波用に有機圧電素子からなる超音波トランスデューサを設けただけでは、高調波成分を感度良く受信することが難しいという問題がある。

また、有機圧電素子からなる高調波用の超音波トランスデューサは、キャパシタンスが１ｐＦ程度であり、この値は、無機圧電素子からなる基本波用の超音波トランスデューサのキャパシタンスや、基本波用の超音波トランスデューサとその受信回路をつなぐ同軸ケーブルのキャパシタンスの１／１００程度である。したがって、高調波用に有機圧電素子からなる超音波トランスデューサを用いる場合、特許文献１に記載されているように、超音波トランスデューサと、キャパシタ、インダクタ、同軸ケーブルで共振回路を形成しようとしても、超音波トランスデューサと受信回路が同軸ケーブルで接続されている限り、信号の減衰が大きく、感度向上は殆ど望めない。

このため、有機圧電素子からなる超音波トランスデューサと受信回路をできるだけ近接して配置し、その他は特許文献１と同様に、超音波トランスデューサと、キャパシタ及びインダクタで共振回路を形成することが考えられる。このとき、共振特性にあわせた付加キャパシタを用いるとすると、そのキャパシタンスは数百ｐＦの値となり、また、超音波トランスデューサと付加キャパシタが直列に接続されるので、１ｐＦ程度とキャパシタンスが小さい超音波トランスデューサが支配的になり、超音波トランスデューサ、キャパシタ、及びインダクタから形成される共振回路の共振周波数は、ほぼ超音波トランスデューサのキャパシタンスと付加したインダクタンスとで定まることになる。

このため、高調波成分の受信感度を向上させるためには、付加するインダクタンスで共振周波数を調節する必要があり、高調波成分の受信に無機圧電素子からなる超音波トランスデューサを用いる場合と比較して、特性値として数百倍にもなり、また、これに伴って数倍のサイズに大型化したインダクタを用いなければならないという問題が生じる。特に、有機圧電素子からなる超音波トランスデューサで高調波成分を高感度に受信するためには、前述のように超音波トランスデューサと受信回路をできるだけ近接させて配置する必要があることから、その間に付加するインダクタが上述のように大型化してしまうと、超音波トランスデューサの近傍という限られたスペース内に、これを複数（例えば６４個以上）付加することは極めて困難となり、利便性を損なわない現実的な超音波プローブのサイズを考慮すればほぼ不可能である。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、大型化することなく、有機圧電素子からなる超音波トランスデューサを用いて、エコーの高調波成分を高感度に受信することができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波診断装置は、無機圧電素子からなり、基本周波数の超音波を被検体に向けて送信するとともに、前記超音波のエコーを受信し、前記エコーの前記基本周波数成分に対応する第１受信信号を出力する第１超音波トランスデューサと、有機圧電素子からなり、前記超音波のエコーを受信し、前記基本周波数の整数倍の周波数を有する高調波成分に対応した第２受信信号を出力する第２超音波トランスデューサと、前記第２超音波トランスデューサに対して並列に接続されたキャパシタとインダクタとを有し、共振周波数が前記高調波の周波数に一致するように設けられた共振回路と、を備えることを特徴とする。

また、複数種類の前記高調波成分に対応して、前記共振周波数が各々異なる複数の前記共振回路を、前記第２超音波トランスデューサに対してそれぞれ並列に、かつ、１つを選択して接続可能に備えることが好ましい。

複数の前記共振回路は、共通の前記インダクタに対して、各々キャパシタンスの異なるキャパシタを並列に接続して形成されることが好ましい。

前記共振回路は、前記キャパシタと並列に、キャパシタンスが可変の第２キャパシタを備えることが好ましい。

前記第２キャパシタがバリキャップであることが好ましい。

前記共振周波数に一致する前記高調波成分の前記第２受信信号が入力され、その振幅または位相の少なくともいずれか一方に基づいて、前記第２キャパシタのキャパシタンスをフィードバック制御するフィードバック制御手段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と前記共振回路との間に、前記第２受信信号を取得する前記第２超音波トランスデューサを選択するマルチプレクサを備え、前記共振回路は、前記マルチプレクサが一度に選択する前記第２超音波トランスデューサの個数と同数設けられていることが好ましい。

前記第２キャパシタが接続されていない第１の共振回路と、前記第２キャパシタが接続された第２の共振回路と、をともに備え、前記マルチプレクサの両端部分に前記第１共振回路を配置し、前記マルチプレクサの中央部分に前記第２共振回路を配置することが好ましい。

本発明によれば、大型化することなく、有機圧電素子からなる超音波トランスデューサを用いて、エコーの高調波成分を高感度に受信することができる。

超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 共振回路の構成を示す回路図である。 共振回路の作用を示す説明図である。 共振回路を複数設けた変形例を示す回路図である。 キャパシタだけを複数接続することにより共振回路を複数設けた変形例を示す回路図である。 可変容量のキャパシタを付加した共振回路の変形例を示す回路図である。 エコーの周波数が受信時に低周波側にシフトする例を模式的に示す説明図である。 ２種類の共振回路を併用した変形例の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、超音波診断装置１０は、超音波トランスデューサアレイ１１、共振回路１２、マルチプレクサ１３，１４、送信回路１６、受信回路１７，１８、検波部２１、整相加算部２２、メモリ２３、画像生成部２４、モニタ２６、制御部２７、操作部２８等から構成される。

超音波トランスデューサアレイ１１は、被検体内に向けて超音波ビームを送信するとともに、エコーを受信し、受信したエコーに応じた信号を出力する超音波トランスデューサの配列であり、複数の第１超音波トランスデューサ３１と第２超音波トランスデューサ３２からなる。超音波トランスデューサ１１には、１対の第１超音波トランスデューサ３１と第２超音波トランスデューサ３２を１チャンネルとして、例えば２５６チャンネルが１列に配列されている。

第１超音波トランスデューサ３１は、共振周波数が所定の周波数ｆ_０（基本周波数）となるように、無機材料であるＰＺＴを所定の形状及び大きさに形成した無機圧電素子からなる。第１超音波トランスデューサ３１は、送受信兼用の超音波トランスデューサであり、所定の駆動信号が入力されることにより、基本周波数ｆ_０の超音波（以下、基本波という）を被検体内に送信する。また、送信した超音波が被検体内の組織構造等により反射され、そのエコーを受信すると、受信したエコーのうち主に基本周波数ｆ_０の成分を反映した第１受信信号を出力する。また、隣接する他の第１超音波トランスデューサ３１とは、各々の第１超音波トランスデューサ３１が上述のように共振周波数ｆ_０で駆動するように、適宜間隔を空けて配置されている。

第２超音波トランスデューサ３２は、それぞれ第１超音波トランスデューサ３１の上に重ねて配置され、有機材料であるＰＶＤＦを所定の厚さに形成した有機圧電素子からなる。ＰＶＤＦから形成された有機圧電素子は、Ｑ値が小さく、明確な共振特性を示さないが、第２超音波トランスデューサ３２では、共振周波数が基本周波数ｆ_０の２倍（２ｆ_０）となるように、有機圧電素子の厚さが定められている。なお、第２超音波トランスデューサ３２は、受信専用の超音波トランスデューサであり、超音波の送信は行わず、専ら第１超音波トランスデューサ３１が送信した超音波のエコーを受信するために利用される。第２超音波トランスデューサ３２は、被検体内からのエコーを受信したときに、周波数２ｆ_０の２次高調波成分を多く反映する第２受信信号を出力する。

共振回路１２は、各々の第２超音波トランスデューサ３２の近傍に、第２超音波トランスデューサ３２に対して並列に設けられる。共振回路１２は、後述するように、キャパシタとインダクタを並列に接続した共振回路であり、共振周波数が２次高調波の周波数２ｆ_０に一致するように、キャパシタのキャパシタンス及びインダクタのインダクタンスが定められている。したがって、共振回路１２は、第２超音波トランスデューサ３２で取得する第２受信信号のうち、２次高調波成分の受信感度を選択的に向上させる。

マルチプレクサ（ＭＵＸ）１３は、第１超音波トランスデューサ３１と送信回路１６、受信回路１７に接続される。超音波トランスデューサアレイ１１から超音波を送信するときには、マルチプレクサ１３は、送信回路１６から出力される駆動信号を、２５６チャンネルの第１超音波トランスデューサ３１から複数のチャンネルを選択して同時に入力する。また、受信回路１７が第１超音波トランスデューサ３１から第１受信信号を取得する場合も同様に、２５６チャンネルの第１超音波トランスデューサ３１から、６４チャンネルの第１超音波トランスデューサ３１を選択し、各々の出力する第１受信信号を受信回路１７に入力させる。一方、マルチプレクサ１４は、第２超音波トランスデューサ３２と受信回路１８に接続され、第２超音波トランスデューサ３２から第２受信信号を取得する場合に、２５６チャンネルの第２超音波トランスデューサ３２から、６４チャンネルの第２超音波トランスデューサ３２を選択し、各々の出力する第２受信信号を受信回路１８に入力させる。

送信回路１６は、マルチプレクサ１３を介して第１超音波トランスデューサ３１に接続されており、各々の第１超音波トランスデューサ３１に超音波を送信させる駆動信号を出力する。送信回路１６は、走査線１ライン分のデータを得るために、所定のタイミングで遅延させながら複数回の駆動信号を出力する。こうして送信回路１６が遅延させながら出力された複数の駆動信号は、前述のようにマルチプレクサ１３を介して各々異なる組み合わせの第１超音波トランスデューサ３１に入力され、駆動信号が入力された第１超音波トランスデューサ３１は各々超音波を送信する。これにより、超音波トランスデューサアレイ１１は、走査線に沿って、所定の深さで焦点を結ぶ超音波ビームを送信する。

受信回路１７は、アンプやＡ／Ｄ変換回路（図６参照）等からなり、マルチプレクサ１３を介して第１超音波トランスデューサ３１に接続されており、各々の第１超音波トランスデューサ３１から第１受信信号が入力される。受信回路１７に入力された第１受信信号は、アンプで増幅された後に、Ａ／Ｄ変換回路によってデジタル信号に変換され、検波部２１に入力される。受信回路１７には、マルチプレクサ１３のチャンネル数に応じて、アンプやＡ／Ｄ変換回路等が複数設けられており、マルチプレクサ１３から入力される複数の第１受信信号を同時に増幅し、デジタル化して検波部２１に入力する。一方、受信回路１８は、受信回路１７と同様にアンプやＡ／Ｄ変換回路等からなり、その作用も同じであるが、マルチプレクサ１４を介して第２超音波トランスデューサ３２に接続されている。

検波部２１には、受信回路１７や受信回路１８から、増幅され、デジタル化された第１受信信号や第２受信信号が入力される。検波部２１は、入力された第１受信信号や第２受信信号に対して、直交検波処理を施して複素ベースバンド化する。こうして直交検波処理を施され、ベースバンド化された受信信号は、整相加算部２２に入力される。なお、検波部２１には、同時に受信信号を取得した第１，第２超音波トランスデューサの数に応じて、複数の第１受信信号，第２受信信号がパラレルに入力され、検波部２１はこれらの各々に直交検波処理を施して複素ベースバンド化し、各々を同時に整相加算部２２に入力する。

整相加算部２２は、同時に入力される複数の第１，第２受信信号の位相を整合させて加算することにより、第１，第２受信信号に受信フォーカス処理を施し、予め定められた走査線に沿って第１，第２音線データを生成する。こうして整相加算部２２が生成した第１音線データや第２音線データは、メモリ２３に複数フレーム分記憶される。

画像生成部２４は、メモリ２３から第１音線データや第２音線データを読み出し、これに基づいてＢモード画像やＭモード画像といった断層画像を生成する。例えば、画像生成部２４は、１フレーム分の第１音線データを用いることにより、エコーの基本波成分に基づいた断層画像を生成する。同様に、画像生成部２４は、１フレーム分の第２音線データを用いることにより、エコーの２次高調波成分に基づいた断層画像を生成する。さらに、画像生成部２４は、オペレータによる設定に応じて、基本波成分による断層画像の一部または全てに、２次高調波成分による断層画像を所定比率で重畳した断層画像を生成する。こうして画像生成部２４が生成した断層画像は、モニタ２６に表示される。

制御部２７は、超音波診断装置１０の各部を統括的に制御する。例えば、制御部２７は、第１超音波トランスデューサ３１の駆動信号を送信回路１６から出力させるタイミングや遅延のパターンを制御する。また、制御部２７は、マルチプレクサ１３，１４を制御して、駆動信号を入力したり、第１受信信号，第２受信信号を取得する超音波トランスデューサを選択させる。また、制御部２７は、整相加算部２２に制御信号を入力することで、超音波ビームの送信位置や焦点の深さ等に応じて、各種受信信号を整相加算させる。

操作部２８は、キーボードやポインティングデバイス、各種ボタンやダイヤル等から構成され、医師等のオペレータの操作により、超音波診断装置１０の設定や動作様態の変更を制御部２７に入力する。制御部２７は、操作部２８から入力された情報にしたがって超音波診断装置１０の各部を制御する。

図２に示すように、共振回路１２は、キャパシタＣ_２とインダクタＬとからなる。これらのキャパシタＣ_２とインダクタＬは互いに並列に接続されるとともに、ダンピング用の抵抗Ｒを介して第２超音波トランスデューサ３２に対して並列に接続される。また、共振回路１２の他端は超音波診断装置１０のケースに接地される。以下では、キャパシタＣ_２のキャパシタンスはＣ_２、インダクタＬのインダクタンスはＬと表記し、他の回路素子も同様に表す。

第２超音波トランスデューサ３２は、一端が超音波診断装置１０のケースに接地され、他端が受信回路１８に接続されたキャパシタンスがＣ_０の振動子とみなせる。さらに、信号出力線上には、直流成分をカットするキャパシタＣ_ａ，Ｃ_ｂが第２超音波トランスデューサ３２に対して直列に設けられる。

これらの各素子の特性値（Ｃ_０，Ｃ_２，Ｌ，Ｃ_ａ，Ｃ_ｂ）は、以下のようにして定められる。まず、第２超音波トランスデューサ３２はＰＶＤＦからなるため、キャパシタンスＣ_０は概ね１ｐＦである。また、インダクタＬは、共振回路１２から受信回路１８の要素を第２超音波トランスデューサ３２の近傍の狭いスペースに配置するために、径が制限され、これに応じてインダクタンスＬの値も制限される。例えば、インダクタＬは、１〜２ｍｍ□程度以下であることが好ましいので、以下ではインダクタＬは１ｍｍ□であるとし、これに応じてインダクタンスＬの値は１μＨであるとする。

また、共振回路１２を第２超音波トランスデューサ３２の近傍に配置し、第２超音波トランスデューサ３２に共振回路１２をほぼ直接接続する場合、第２超音波トランスデューサ３２〜共振回路１２間及び共振回路１２〜受信回路１８間のキャパシタＣ_ａ，Ｃ_ｂは、第２超音波トランスデューサ３２のキャパシタンスＣ_０よりも十分に大きくなるように選ばれる（Ｃ_０＜＜Ｃ_ａ，Ｃ_ｂ）。例えば、キャパシタＣ_ａ，Ｃ_ｂは０．０１μＦ程度以上の値とする。

こうして、第２超音波トランスデューサ３２の材料や共振回路１２の配置から、キャパシタンスＣ_０，Ｃ_ａ，Ｃ_ｂの値やインダクタンスＬの値がほぼ自動的に定まる。このため、共振回路１２の共振周波数は、キャパシタＣ_２によって調節される。前述のように、共振回路１２の共振周波数は、第１超音波トランスデューサ３１が送受信する超音波の基本周波数をｆ_０として、２ｆ_０になるように定められる。

このとき、キャパシタＣ_２は、第２超音波トランスデューサ３２に対して並列に接続されているので、キャパシタンスＣ_２が第２超音波トランスデューサ３２のキャパシタンスＣ_０よりも十分に大きな値（Ｃ_０＜＜Ｃ_２）のものを用いることにより、共振回路１２の共振周波数は、第２超音波トランスデューサ３２のキャパシタンスＣ_０から独立して、ほぼキャパシタンスＣ_２によって定めることができる。このため、キャパシタＣ_２は、２ｆ_０＝１／２π√（Ｌ×Ｃ_２）を満たすように選ばれる。

上述のように構成される超音波診断装置１０では、以下のようにエコーの２次高調波成分が峻別された第２受信信号を取得し、これに基づいて断層画像を生成、表示する。まず、複数の第１超音波トランスデューサ３１を用いて被検体内に基本周波数ｆ_０の超音波ビームを送信させ、被検体内で反射されたエコーを超音波トランスデューサアレイ１１で受信する。このとき、第１超音波トランスデューサ３１は、共振周波数が基本周波数ｆ_０となるように形成されているので、受信したエコーのうち主に基本波成分（周波数ｆ_０）を反映した第１受信信号を出力する。

一方、第２超音波トランスデューサ３２は、共振周波数が２次高調波の周波数２ｆ_０と一致するように形成されているが、ＰＶＤＦで形成されているために第１超音波トランスデューサ３１程には明確な共振特性を示さない。このため、第２超音波トランスデューサ３２は、基本波成分やその他の周波数の成分を２次高調波成分（周波数２ｆ_０）とほぼ同程度に含む第２受信信号を出力する。

共振回路１２は、周波数ｆが２次高調波の周波数２ｆ_０にほぼ一致する信号成分に対しては共振し、インピーダンスが極大になり、受信回路１８と比較してほぼ無限大のインピーダンスを有する素子として機能する。このため、図３（Ａ）に示すように、第２超音波トランスデューサ３２が出力した第２受信信号のうち、２次高調波成分は受信回路１８に取得される。

一方、共振回路１２は、周波数ｆが２次高調波成分の周波数２ｆ_０よりも大きい信号成分や、周波数２ｆ_０よりも小さい信号成分に対しては、周波数２ｆ_０からの差が大きくなるほどインピーダンスが小さくなり、受信回路１８と比較してインピーダンスがほぼ０に等しい素子として機能する。このため、図３（Ｂ）に示すように、第２超音波トランスデューサ３２が出力した第２受信信号のうち、２次高調波成分以外の信号成分は、共振回路１２を通ってケースに吸収される。このため、２次高調波成分以外の信号成分は受信回路１８には到達せず、受信回路１８が取得する第２受信信号には、ほぼ２次高調波成分だけが含まれる。

超音波診断装置１０は、上述のように取得した第１受信信号や第２受信信号を、受信回路１７，１８で増幅し、デジタル化した後、検波部２１で直交検波処理を施し、複素ベースバンド化し、整相加算部２２で受信フォーカス処理を施すことによって第１音線信号や第２音線信号を生成する。そして、画像生成部２４において、こうした第１音線信号や第２音線信号から断層画像を生成し、モニタ２６に表示する。このとき、第２音線信号から生成された断層画像は、ほぼ２次高調波成分だけを反映した画像であるため、第１音線信号から生成された断層画像よりも、より被検体内の微細な組織構造を明瞭に観察することができる。

以上のように、超音波診断装置１０は、共振回路１２を設けたことによって、大型化させずに、明確な共振特性を示さないＰＶＤＦからなる第２超音波トランスデューサ３２を用いて、エコーの２次高調波成分を高感度に取得することができる。

なお、上述の実施形態では、共振周波数を２次高調波の周波数２ｆ_０に合わせた共振回路１２を設ける例を説明したが、これに限らず、３次以上の高次高調波成分の受信信号を第２超音波トランスデューサ３２から取得しても良い。

例えば、図４に示すように、第２超音波トランスデューサ３２の近傍に、共振周波数を２次高調波の周波数２ｆ_０に合わせた共振回路１２の他に、キャパシタＣｋによって共振周波数をｋ次高調波の周波数ｋｆ_０（ｋ＝３〜ｎ）に合わせた共振回路１２［ｋ］を、それぞれ第２超音波トランスデューサ３２に対して並列に設ける。また、２次高調波用の共振回路１２を含めて、各次高調波用の共振回路１２［ｋ］をそれぞれスイッチＳＷｋ（ｋ＝２〜ｎ）によって択一的に接続させる。スイッチＳＷｋは操作部２８の操作に応じてオン／オフを切り替えられる。このように、２次高調波用の共振回路１２だけでなく、３次以上の高次高調波用の共振回路１２［３］〜１２［ｎ］を各々並列に設けておくことで、キャパシタＣ_２を交換せずに、操作部２８から超音波診断装置１０の設定を変更するだけで、所望の次数の高調波成分を取得し、これに基づいた断層画像を生成、表示させることができる。

また、２次高調波用だけでなく、３次以上の高次高調波用の共振回路を設けておく場合、図５に示すように、ダンピング用の抵抗ＲやインダクタＬを各次高調波用の共振回路で共通化し、キャパシタだけを並列に追加することが好ましい。この場合、スイッチＳＷ２をオンにすれば、共用のインダクタＬとキャパシタＣ_２によって２次高調波用の共振回路１２が形成され、スイッチＳＷ３をオンにすれば、共用のインダクタＬとキャパシタＣ_３とで３次高調波用の共振回路が形成される。同様に、ｋ次高調波の場合もスイッチＳＷｋを択一的にオンにすることにより、対応するキャパシタＣ_ｋと共用のインダクタＬによってｋ次高調波用の共振回路が形成される。このように、２次高調波用だけでなく、３次以上の高次高調波用の共振回路を設けるときに、ダンピング用の抵抗ＲやインダクタＬを共用化して、共振周波数を決定付けるキャパシタだけを並列に、かつ、択一的に選択できるように追加すると、ダンピング用の抵抗ＲやインダクタＬの個数を最小限に抑えることができるため、より少ないスペースで３次以上の高次高調波用の共振回路を形成することができる。また、ダンピング用の抵抗ＲやインダクタＬの個数を抑えることで、低コストに各次高調波用の共振回路を形成することができる。

なお、上述のように高調波用の共振回路１２［ｋ］（ｋ＝２〜ｎ）を設けると、基本波成分及び２次高調波成分だけでなく、３次以上の高次高調波成分を取得することができる現実的な超音波プローブを構成することができる。例えば、通常であれば、２次高調波成分だけでなく、３次以上の高次高調波成分を受信する場合、２次高調波用の超音波トランスデューサ３２及び受信回路１８の他に、３次高調波用の超音波トランスデューサ及び受信回路、４次高調波用の超音波トランスデューサ及び受信回路、・・・・といったように、受信する高調波成分の数に応じてそれぞれ専用の超音波トランスデューサ及び受信回路が必要になる。一方、使い易さ等から、超音波プローブの大きさはほぼ決まっているので、実際には、基本波用の超音波トランスデューサ及び受信回路の他に、２次高調波用の超音波トランスデューサ及び受信回路を設けるだけで、超音波プローブ内に余分なスペースはほぼない。このため、３次以上の高次高調波用の超音波トランスデューサ及び受信回路を個別に設けることは現実的ではなく、基本波成分及び２次高調波成分だけでなく、さらに３次以上の高次高調波成分を受信することができる超音波プローブを構成することはきわめて難しい。しかしながら、上述のように、共振回路１２［ｋ］（ｋ＝２〜ｎ）を設けると、第２超音波トランスデューサ３２及び受信回路１８を共通して用いて、スイッチＳＷｋの切り替えだけで各次の高調波成分が受信可能になる。したがって、各次高調波用の共振回路１２［ｋ］を設ける僅かなスペースだけで、基本波成分及び２次高調波成分に加え、３次以上の高次高調波成分を受信することが可能な現実的な超音波プローブを構成することができる。

なお、上述の共振回路１２［ｋ］を設ける例では、受信する高調波の次数を選択する例を説明したが、断層画像の生成には、複数の高調波成分を用いることができる。例えば、２次高調波成分と３次高調波成分とに基づいて１枚の断層画像を生成する場合、被検体の同一箇所（，同一の方向）に向けて超音波ビームを２回送信する。そして、１回目の超音波ビームの送信時には、まず、スイッチＳＷ２をオンにして２次高調波成分を受信する。次に、２回目の超音波ビームの送信時に、スイッチＳＷ３をオンにして３次高調波成分の第２受信信号する。そして、２次高調波成分の第２受信信号から第２音線データを生成し、３次高調波成分の第２受信信号から第３音線データを生成し、各々断層画像を生成する。その後、これらの断層画像を合成することにより、２次高調波成分（または３次高調波成分）だけから生成した断層画像よりも、精細な断層画像を得ることができる。こうした方法は、骨や消化器系等、アーティファクトが小さい部位を観察する場合に特に効果的である。

また、上述の２〜ｎ次高調波用の共振回路１２［２］〜１２［ｎ］を設ける例を説明したが、ノイズと区別できる有意な大きさの第２受信信号が観測でき、断層画像の画質向上に有効な高調波成分は３〜４次の高調波成分までである。このため、共振回路１２［ｋ］としては、ｋ＝２〜４（２〜４次高調波用のもの）を設けることが好ましく、共振回路１２［ｋ］の配置スペースと断層画像の画質向上度合いから、２次高調波用の共振回路１２［２］と３次高調波用の共振回路１２［３］の２つを設けることが特に好ましい。

なお、上述の実施形態では、２次高調波用の共振回路１２を、キャパシタＣ_２とインダクタＬによって形成するが、共振回路１２の構成はこれに限らない。例えば、図６に示すように、可変容量キャパシタＣ_ｖを並列に付加し、可変容量キャパシタＣ_ｖ、キャパシタＣ_２、インダクタＬによって２次高調波用の共振回路４１を形成しても良い。この場合、可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを変化させる制御回路を同時に設ける。

ここでは、可変容量キャパシタＣ_ｖとして、印加する直流電圧の大きさによって空乏層の厚さを積極的に変更可能にしたいわゆるバリキャップダイオードを用いる。また、可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを制御する制御回路として、フィードバック制御回路４２を設ける。フィードバック制御回路４２は、受信回路１８から、アンプ４３によって増幅され、Ａ／Ｄ変換回路４４によってデジタル化された第２受信信号を取得する。そして、第２受信信号の振幅が最大になるように、第２受信信号の振幅及び位相に応じた直流電圧を出力し、可変容量キャパシタＣ_ｖに印加する。

こうして可変容量キャパシタＣ_ｖを付加することで、共振回路４１の共振周波数を調節することができる。例えば、超音波は、伝播距離だけでなく、周波数に応じて減衰することが知られており、特に人体内を伝播する超音波は周波数に比例して減衰することが知られている。このため、図７（Ａ）に示すように、エコーの発生時点で基本周波数ｆ_０や２次高調波の周波数２ｆ_０であっても、図７（Ｂ）に示すように、均一に減衰するのではなく、高周波数側がより顕著に減衰し、超音波トランスデューサ１１への到達時点では、当初規定していた基本波や高調波の周波数が低周波側にシフトする。こうした周波数のシフトは、より深い位置から戻るエコーほど顕著に生じ、また、高調波成分ほど顕著に生じる。

共振回路４１は、超音波ビームの送信時点からの経過時間に応じて、可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを増大させることにより、受信時点での２次高調波の周波数シフトに追従して共振周波数を調節することができる。このため、共振回路４１を備える場合には、エコーが発生した深さによらず、２次高調波成分を高感度に受信して、被検体の深い位置も２次高調波に基づく断層画像に鮮明に写し出すことができる。特に、フィードバック制御回路４２によって、受信回路１８から出力される第２受信信号を監視し、その振幅及び位相に応じて可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスを変更することによって、上述のようなエコー受信時点での周波数のシフトに自動的に追従して共振周波数を調節することができる。

なお、可変容量キャパシタＣ_ｖとしては、バリキャップの他にも、誘電体を挟持する１対の電極のうち一方を移動させてキャパシタンスを変化させるもの（いわゆるバリコン）等、可変容量キャパシタとして振舞うものであれば好適に用いることができるが、超音波診断装置１０の場合には、より小さく、キャパシタンスの制御が容易なバリキャップを用いることが好ましい。

なお、ここでは可変容量キャパシタＣ_ｖによって、共振回路４１の共振周波数を、受信時点のエコーの周波数シフトに追従させる例を説明したが、これに限らず、可変容量キャパシタＣ_ｖを付加し、可変容量キャパシタＣｖのキャパシタンスを変化させることによって、共振回路の共振周波数を、２次だけでなく、３次以上の高次高調波の周波数に合わせるように調節することができる。この場合、例えば、キャパシタＣ_２の替わりに、キャパシタＣ_２’を用い、可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを最大にした状態（Ｃ_ｖＭ）で、Ｃ_２＝Ｃ_２’＋Ｃ_ｖＭを満たすようにする。このように構成した共振回路を用いるときには、２次高調波成分を受信するときには、可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを最大にして受信する。そして、３次高調波成分を受信するときには、可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを減じることにより、共振周波数を３次高調波の周波数に調節する。さらに高次高調波成分を受信する場合にも同様である。これにより、可変容量キャパシタＣ_ｖの変化分で対応できる範囲内で、任意の高次高調波成分を高感度に受信することができる。

さらに、ここでは可変容量キャパシタＣ_ｖをキャパシタＣ_２に並列に付加する例を説明したが、可変容量キャパシタＣ_ｖをＣ_ｖ＝Ｃ_２となるように調節可能な場合には、キャパシタＣ２の替わりに可変容量キャパシタＣ_ｖを単独で用い、可変容量キャパシタＣｖとインダクタＬとによって共振回路を形成しても良い。

また、ここではフィードバック制御回路４２が受信回路１８から出力される第２受信信号を取得する例を説明したが、フィードバック制御回路４２は、受信回路１８で増幅、デジタル化される以前の第２受信信号を取得しても良い。さらに、フィードバック制御回路４２は、第２受信信号の振幅と位相の両方に応じて可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを調節する例を説明したが、第２受信信号の振幅または位相のいずれか一方に基づいて可変容量キャパシタＣ_ｖのキャパシタンスを調節するようにしても良い。

なお、上述の実施形態では、第２超音波トランスデューサ３２と受信回路１８の間の中でも、第２超音波トランスデューサ３２とマルチプレクサ１４との間に共振回路１２を設ける例を説明したが、共振回路１２は第２超音波トランスデューサ３２の近傍で、第２超音波トランスデューサ３２と受信回路１８の間に接続されていれば良く、マルチプレクサ１４の下流側（マルチプレクサ１４と受信回路１８の間）に設けても良い。上述の実施形態では第２超音波トランスデューサ３２と同数の共振回路１２を必要とするが、マルチプレクサ１４の下流側に共振回路１２を設けると、マルチプレクサ１４のチャンネル数（６４チャンネル）分だけ共振回路１２を設ければ良いので、低コスト化できるとともに、より容易に共振回路１２を配置することができる。

また、マルチプレクサ１４の下流側に共振回路を設ける場合に、可変容量キャパシタＣ_ｖを付加した共振回路４１を用いるときには、マルチプレクサ１４の６４チャンネルのうち、一部分のチャンネルに共振回路４１を接続すれば良い。例えば、図８に示すように、６４チャンネルのマルチプレクサ１４のうち、両端の２１チャンネルには、共振回路１２（第１の共振回路）を接続し、中央の２２チャンネルには可変容量キャパシタＣ_ｖを付加した共振回路４１（第２の共振回路）を接続する。また、中央２２チャンネルの共振回路４１には、各々に前述と同様のフィードバック制御回路４２が接続する。こうして共振回路１２と、可変容量キャパシタＣ_ｖを付加した共振回路４２とを併用すると、中央部分のチャンネルでは、両端部分のチャンネルと比較してさらに高感度に高調波成分を受信することができる。

この場合、前述のようにマルチプレクサ１４を介して同時に取得される６４チャンネル分の第２受信信号は、後に整相加算されて１つの第２音線データが生成されるので、上述のようにマルチプレクサ１４の中央部分にだけ可変容量キャパシタＣ_ｖを付加した共振回路４２を設けるだけでも、生成される第２音線データの分解能は十分に向上する。同時に、可変容量キャパシタＣ_ｖを付加した共振回路４２を用いる数を抑えられ、コストを低減することができる。

なお、上述の実施形態では、第２超音波トランスデューサ３２を第１超音波トランスデューサ３１に重ねて設ける例を説明したが、第１超音波トランスデューサ３１及び第２超音波トランスデューサ３２は任意に配置して良い。例えば、第１超音波トランスデューサ３１と第２超音波トランスデューサ３２とが超音波ビームの走査方向に交互に並ぶように配置しても良い。また、上述の実施形態では、第１超音波トランスデューサ３１と第２超音波トランスデューサ３２をチャンネル毎に１対に設ける例を説明したが、これに限らず、第１超音波トランスデューサ３１と第２超音波トランスデューサ３２を各々異なる個数ずつ設けても良い。さらに、第１超音波トランスデューサ３１と第２超音波トランスデューサ３２をそれぞれ配置する位置は任意であり、それぞれ異なる位置に配列しても良い。例えば、第１超音波トランスデューサ３１の列と第２超音波トランスデューサ３２の列を互いに平行に配置したり、第１超音波トランスデューサ３１と第２超音波トランスデューサ３２を１列に並べながらも、一方の端から中央まで第１超音波トランスデューサ３１を並べ、他方の端から中央までが第２超音波トランスデューサ３２の列になるように配列しても良い。

なお、上述の実施形態では、第２超音波トランスデューサ３２で必ず２次高調波成分の受信が行えるように構成する例を説明したが、３次以上の高次高調波だけを第２超音波トランスデューサ３２で受信するようにしても良い。

なお、上述の実施形態では、簡単のためにマルチプレクサ１３，１４のキャパシタンスを無視して説明したが、共振回路１２，４２を構成するキャパシタＣ_２は、マルチプレクサ１３，１４のキャパシタンスを考慮して定めることが好ましい。例えば、マルチプレクサ１３，１４は、キャパシタンスが１０ｐＦ程度で、第２超音波トランスデューサ３２に並列に接続されたキャパシタとみなすことができるので、この場合、キャパシタＣ_２は、２次高調波の周波数に合わせたキャパシタンスＣ_２から１０ｐＦ小さいキャパシタンスとすれば良い。

なお、上述の実施形態及び変形例では、共振回路１２や３次以上の高次高調波の受信に切り替え可能な共振回路、可変容量キャパシタＣ_ｖを付加した共振回路４２等、いくつかのパターンの共振回路を説明したが、これらの共振回路は任意に組み合わせて用いて良い。

なお、上述の実施形態では、第１超音波トランスデューサ３１をＰＺＴから形成し、第２超音波トランスデューサ３２をＰＶＤＦから形成する例を説明したが、これらの超音波トランスデューサの材料は任意に選択して良い。

１０ 超音波診断装置
１１ 超音波トランスデューサアレイ
１２，４２ 共振回路
１３，１４ マルチプレクサ
１６ 送信回路
１７，１８ 受信回路
２１ 検波部
２２ 整相加算部
２３ メモリ
２４ 画像生成部
２６ モニタ
２７ 制御部
２８ 操作部
３１ 第１超音波トランスデューサ
３２ 第２超音波トランスデューサ
４２ フィードバック制御回路
４３ アンプ
４４ Ａ／Ｄ変換回路

Claims (8)

1. 無機圧電素子からなり、基本周波数の超音波を被検体に向けて送信するとともに、前記超音波のエコーを受信し、前記エコーの前記基本周波数成分に対応する第１受信信号を出力する第１超音波トランスデューサと、
   有機圧電素子からなり、前記超音波のエコーを受信し、前記基本周波数の整数倍の周波数を有する高調波成分に対応した第２受信信号を出力する第２超音波トランスデューサと、
   前記第２超音波トランスデューサに対して並列に接続されたキャパシタとインダクタとを有し、共振周波数が前記高調波の周波数に一致するように設けられた共振回路と、
   を備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 複数種類の前記高調波成分に対応して、前記共振周波数が各々異なる複数の前記共振回路を、前記第２超音波トランスデューサに対してそれぞれ並列に、かつ、１つを選択して接続可能に備えることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 複数の前記共振回路は、共通の前記インダクタに対して、各々キャパシタンスの異なるキャパシタを並列に接続して形成されることを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記共振回路は、前記キャパシタと並列に、キャパシタンスが可変の第２キャパシタを備えることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の超音波診断装置。
5. 前記第２キャパシタがバリキャップであることを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
6. 前記共振周波数に一致する前記高調波成分の前記第２受信信号が入力され、その振幅または位相の少なくともいずれか一方に基づいて、前記第２キャパシタのキャパシタンスをフィードバック制御するフィードバック制御手段を備えることを特徴とする請求項４または５記載の超音波診断装置。
7. 前記第２超音波トランスデューサと前記共振回路との間に、前記第２受信信号を取得する前記第２超音波トランスデューサを選択するマルチプレクサを備え、
   前記共振回路は、前記マルチプレクサが一度に選択する前記第２超音波トランスデューサの個数と同数設けられていること
   を特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載の超音波診断装置。
8. 前記第２キャパシタが接続されていない第１の共振回路と、前記第２キャパシタが接続された第２の共振回路と、をともに備え、
   前記マルチプレクサの両端部分に前記第１共振回路を配置し、前記マルチプレクサの中央部分に前記第２共振回路を配置したことを特徴とする請求項７記載の超音波診断装置。

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