JP2011160856A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】高次高調波の超音波に適した超音波プローブを提供する。
【解決手段】送信用アレイ１０は、各々が基本波の超音波を送波する複数の送信用振動素子１２により形成される。複数の送信用振動素子１２は、基本波に対応した配列条件に従って配列される。受信用アレイ２０は、各々が高次高調波の超音波を受波する複数の受信用振動素子２２により形成される。複数の受信用振動素子２２は、高調波に対応した配列条件に従って配列される。基本波に対応した配列条件と高調波に対応した配列条件との間には、高次高調波の次数に応じた相違がある。これにより、基本波を送波して高次高調波を受波するにあたって、極めて良好なビームプロファイルを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基本波と高次高調波の超音波に対応した超音波プローブに関する。

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

造影剤を利用した超音波画像の形成においては、造影剤に含まれるバブルから得られる高調波成分が利用される。例えば特許文献１には、バブルの挙動に基づいた送信条件で超音波を送波し、バブルから得られる高調波成分に基づいた画像を形成する旨の画期的な技術が記載されている。また、特許文献２には、送信時と受信時においてトランスジューサ素子のピッチを異ならせて高調波信号を検出する旨の技術が記載されている（特許文献２の請求項３など）。

特開２００９−１３６６２６号公報 特開平１１−２２１２１５号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、バブル（マイクロバブルなど）を利用した超音波による画像化技術について研究開発を重ねてきた。特に、高調波成分を利用した画像化の技術について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、高次高調波の超音波に適した超音波プローブを提供することにある。また、本発明の他の目的は、当該超音波プローブを用いた超音波診断装置を提供することにある。

上記目的にかなう好適な超音波プローブは、基本波の超音波に対応した複数の基本波振動素子で構成された基本波アレイと、前記基本波に関する高次高調波の超音波に対応した複数の高調波振動素子で構成された高調波アレイと、を有し、前記複数の基本波振動素子は、基本波に対応した配列条件に従って配列され、前記複数の高調波振動素子は、前記基本波に対応した配列条件と比較して前記高次高調波の次数に応じた相違がある高調波に対応した配列条件に従って配列される、ことを特徴とする。

上記構成では、基本波に対応した配列条件と高調波に対応した配列条件との間に高次高調波の次数に応じた相違がある。そのため、例えば、基本波を送信して高次高調波を受信するのに適した超音波プローブが提供される。ちなみに、前述した特許文献２には、高次高調波の次数に応じて配列条件を異ならせる旨の技術は記載されていない。

望ましい具体例において、前記各基本波振動素子は、配列方向に沿ってサイズＳＬで形成され、前記各高調波振動素子は、サイズＳＬを前記高次高調波の次数に応じて小さくしたサイズＳＨで配列方向に沿って形成される、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記高次高調波の次数はＮであり、前記サイズＳＨは前記サイズＳＬの１／Ｎである、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記複数の基本波振動素子は、配列方向に沿ってピッチＰＬで配列され、前記複数の高調波振動素子は、ピッチＰＬを前記高次高調波の次数に応じて小さくしたピッチＰＨで配列方向に沿って配列される、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記高次高調波の次数はＮであり、前記ピッチＰＨは前記ピッチＰＬの１／Ｎである、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記基本波アレイと前記高調波アレイは、互いに略平行に近接して配置され、前記高調波アレイは、前記基本波アレイに比べて配列方向に沿って長いことを特徴とする。

また、上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、前記超音波プローブを有する超音波診断装置において、基本波の超音波を送波するように前記基本波アレイを制御して前記高調波アレイから高次高調波の超音波に対応した受信信号を得る送受信部と、前記基本波アレイから選択されるいくつかの基本波振動素子と前記高調波アレイから選択されるいくつかの高調波振動素子を前記送受信部に接続するセレクタと、前記受信信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、を有することを特徴とする。

望ましい具体例において、前記基本波アレイと前記高調波アレイは、互いに略平行に近接して配置され、前記複数の基本波振動素子と前記複数の高調波振動素子で構成された複合アレイを形成し、前記複合アレイの一方端から順に、複数の基本波振動素子と複数の高調波振動素子に対して、共通した通し番号が割り当てられ、前記セレクタは、連続的な番号が割り当てられたいくつかの基本波振動素子といくつかの高調波振動素子を選択して前記送受信部に接続する、ことを特徴とする。

本発明により、高次高調波の超音波に適した超音波プローブが提供される。また、本発明により、当該超音波プローブを用いた超音波診断装置が提供される。

本発明に係る超音波プローブの好適な実施形態を説明するための図である。 複数の振動素子の配列条件を説明するための図である。 基本波の送波した場合の送信ビームプロファイルを示す図である。 基本波を送波して高調波を受波した場合の送受信ビームプロファイルを示す図である。 高調波を送受した場合の送受信ビームプロファイルを示す図である。 複数の振動素子の配列構造の変形例を示す図である。 本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を説明するための図である。

図１は、本発明に係る超音波プローブの好適な実施形態を説明するための図であり、図１には、その超音波プローブが備える複数の振動素子の配列構造が示されている。本実施形態において、超音波プローブは、送信用アレイ１０と受信用アレイ２０を備えている。送信用アレイ１０と受信用アレイ２０は、互いに平行に近接して配置される。

送信用アレイ１０は、各々が基本波の超音波を送波する複数の送信用振動素子１２により形成される。複数の送信用振動素子１２は、基本波に対応した配列条件に従ってＸ軸方向に沿って１次元的に配列される。その配列条件については後に詳述する。

一方、受信用アレイ２０は、各々が高次高調波の超音波を受波する複数の受信用振動素子２２により形成される。複数の受信用振動素子２２は、高調波に対応した配列条件に従ってＸ軸方向に沿って１次元的に配列される。その配列条件については後に詳述する。

複数の送信用振動素子１２と複数の受信用振動素子２２には、送信用と受信用に関して共通した通し番号でチャンネル番号が割り当てられている。つまり、送信用アレイ１０と受信用アレイ２０（複合アレイ）の一方端から、すなわち図１に示すＸ軸の原点側から、まず、３つの受信用振動素子２２に対してチャンネル１（ＣＨ１）からチャンネル３（ＣＨ３）が割り当てられ、これらに対向して配置された１つの送信用振動素子１２に対してチャンネル４（ＣＨ４）が割り当てられる。さらに、３つの受信用振動素子２２に対してチャンネル５（ＣＨ５）からチャンネル７（ＣＨ７）が割り当てられ、これらに対向して配置された１つの送信用振動素子１２に対してチャンネル８（ＣＨ８）が割り当てられる。こうして、送信用アレイ１０と受信用アレイ２０からなる複合アレイに含まれる複数の振動素子に対して、複合アレイの一方端から他方端まで共通した通し番号でチャンネル番号が割り当てられる。

図１に示す配列構造を備えた超音波プローブは、バブルなどから得られる高次高調波の抽出に適している。例えば、バブルを含む診断領域に対して、送信用アレイ１０から、Ｘ軸とＹ軸に直交する方向に超音波の基本波が送波され、バブルから発せられた超音波に含まれる高次高調波が受信用アレイ２０により受波される。

本実施形態においては、複数の送信用振動素子１２が基本波に対応した配列条件に従って配列され、さらに、複数の受信用振動素子２２が高調波に対応した配列条件に従って配列される。そのため、例えば、基本波を送波して高次高調波を受波するにあたって、極めて良好なビームプロファイルを得ることができる。そこで、以下に本実施形態における配列条件とビームプロファイルについて説明する。

図２は、複数の振動素子の配列条件を説明するための図である。図２には、送信用振動素子と受信用振動素子の素子数の割合（送信：受信）を異ならせた条件（１）〜（４）が示されている。但し、条件（１）〜（４）の全てにおいて、送信用振動素子数と受信用振動素子数の合計数（総数）を１９２個（１：４の場合は１９０個）とし、送信用アレイの長さと送信開口を一定とし、受信用アレイの長さと受信開口を一定とする。

条件（１）は、送信用振動素子数と受信用振動素子数の比が１：１である。つまり、送信用振動素子数が９６個であり受信用振動素子数も９６個である。そして、送信用振動素子のピッチが０．４ｍｍであり受信用振動素子のピッチも０．４ｍｍである。ピッチは、互いに隣接する２つの振動素子に関する例えば中心間の距離である。複数の振動素子が隙間なく配列されていれば、各振動素子の配列方向の大きさ（サイズ）とピッチが等しくなる。

条件（２）は、送信用振動素子数と受信用振動素子数の比が１：２である。つまり、送信用振動素子数が６４個であり受信用振動素子数が１２８個である。そして、送信用振動素子のピッチが０．６ｍｍであり受信用振動素子のピッチが０．３ｍｍである。さらに、図２には、送信用振動素子数と受信用振動素子数の比が１：３である条件（３）と、送信用振動素子数と受信用振動素子数の比が１：４である条件（４）について、振動素子数やピッチの具体的な数値が記載されている。

図２に示される各条件で得られるビームプロファイルをシミュレーションで解析した結果が図３から図５に図示されている。

図３は、基本波を送波した場合の送信ビームプロファイルを示す図である。図３には、送信用アレイを利用して送信中心周波数２ＭＨｚのパルス波を深さ２０ｍｍにフォーカスした場合に、図２の条件（１）〜（４）の各々の配列条件で得られる、方位方向の送信ビームプロファイルが示されている。図２の条件（１）〜（４）の各々が、図３の波形（１）〜（４）に対応している。

横軸に示す方位方向の０°付近のメインローブは、例えば画像の分解能に関連すると考えられる。このメインローブについて、例えばその高さや幅については、波形（１）〜（４）つまり条件（１）〜（４）の間で大きな差が現れていない。

これに対し、メインローブから横軸方向の左右に広がるサイドローブについては、波形（１）〜（４）の順に高さが上昇している。つまり、サイドローブについては条件（１）が最も良好であり、条件（１）〜（４）の順に徐々に悪化している。

図４は、基本波を送波して高調波を受波した場合の送受信ビームプロファイルを示す図である。図３に示す基本波の送信ビームプロファイルに基づいて３次高調波のプロファイルを推定し、その３次高調波を受信用アレイで受波することにより得られる送受信ビームプロファイルが図４に示されている。図４には、図２の条件（１）〜（４）の各々の配列条件で得られる送受信ビームプロファイルが示されており、図２の条件（１）〜（４）の各々が、図４の波形（１）〜（４）に対応している。

横軸に示す方位方向の０°付近のメインローブについては、波形（１）〜（４）つまり条件（１）〜（４）の間で大きな差が現れていないものの、サイドローブについては条件（３）が最も小さく良好となっている。つまり、基本波（例えば中心周波数２ＭＨｚ）の超音波を送波し、３次高調波（例えば６ＭＨｚ）の超音波を受波する場合においては、送信用振動素子数と受信用振動素子数の比が１：３である条件（３）とすることにより、例えばサイドローブの小さい良好なビームプロファイルを得ることができる。

条件（３）における送信用振動素子数と受信用振動素子数の比率、つまり１：３は、送波される超音波の周波数と受波される超音波の周波数との比率、つまり基本波と３次高調波の比率である１：３に対応している。

この事実を一般化すると、基本波の超音波を送波してその基本波に関するＮ次高調波の超音波を受波する場合には、送信用振動素子数と受信用振動素子数の比率を１：Ｎとする配列条件が望ましいと考えられる。振動素子数の比率を１：Ｎとすると、送信用振動素子のピッチと受信用振動素子のピッチの比率は１：１／ＮつまりＮ：１となる。同様に送信用振動素子のサイズと受信用振動素子のサイズの比率も１：１／ＮつまりＮ：１となる。

このように、高次高調波の次数Ｎに応じて、振動素子数の割合を１：Ｎとする、つまり受信用振動素子数を送信用振動素子数のＮ倍とする条件が最適であると考えられる。例えば、基本波を送波して３次高調波を受波する場合には、受信用振動素子数を送信用振動素子数の３倍とする条件が望ましい。

但し、図４に示すビームプロファイルのサイドローブを比較すると、波形（１）に比べて、波形（２）や波形（４）も比較的良好となっている。つまり、受信用振動素子数と送信用振動素子数を等しくする条件（１）よりも、受信用振動素子数を送信用振動素子数の２倍とする条件（２）や、受信用振動素子数を送信用振動素子数の４倍とする条件（４）の方が良好なビームプロファイルとなっている。したがって、例えば設計上の制約やコスト面の制約などにより、受信用振動素子数を送信用振動素子数の３倍とすることが困難な場合でも、例えば、受信用振動素子数を送信用振動素子数の２倍程度またはそれ以上（３倍以上でもよい）とすることにより、条件（１）よりも良好なビームプロファイルを実現できると考えられる。

次に、例えばバブルを観察する場合には、基本波の超音波を送波してバブルから得られる３次高調波の成分に基づいてバブルの超音波画像が形成される。これに対し、例えば組織を観察する場合には、送波と受波において同じ周波数の超音波を利用することが望ましい。そこで、図１に示す配列構造を備えた超音波プローブで組織を画像化する場合には、例えば受信用アレイ１０のみを利用して高調波の超音波を送受する。

図５は、高調波を送受した場合の送受信ビームプロファイルを示す図である。図５には受信用アレイを高調波用（リニア）振動子として利用し、送信中心周波数６ＭＨｚ（高調波）のパルスを送波して６ＭＨｚの超音波を受波した場合の送受信ビームプロファイルが示されている。なお、送信のフォーカスは深さ２０ｍｍとしている。図２の条件（１）〜（４）の各々が、図５の波形（１）〜（４）に対応している。条件（１）（２）の場合に比べて、条件（３）（４）の場合において、例えばサイドローブの小さい良好なビームプロファイルを得ることができる。また、バブルの画像化において好適な条件（３）では、条件（４）とほぼ同程度に良好なビームプロファイルが得られている。つまり、条件（３）はバブルの画像化においても組織の画像化においても好適な条件であることが分かる。

図６は、複数の振動素子の配列構造の変形例を示す図である。図６（Ａ）は、受信用アレイ２０を挟むように、外側に２列の送信用アレイ１０が配置された構造を示している。図１に示す配列構造と同様に、図６（Ａ）においても、送信用アレイ１０は、各々が基本波の超音波を送波する複数の送信用振動素子により形成され、複数の送信用振動素子が基本波に対応した配列条件に従って配列される。また、受信用アレイ２０は、各々が高次高調波の超音波を受波する複数の受信用振動素子により形成され、複数の受信用振動素子が高調波に対応した配列条件に従って配列される。例えば、受信用アレイ２０を構成する受信用振動素子数が、１列の送信用アレイ１０を構成する送信用振動素子数の３倍（Ｎ次高調波の場合にはＮ倍）とされる。

そして、図６（Ａ）においては、受信用アレイ２０が送信用アレイ１０よりも配列方向に沿って長くなっている。例えば、受信用アレイ２０が送信用アレイ１０の１．２倍とされる。これに伴い、受信開口も送信開口の例えば１．２倍とされる。なお、受信用アレイ１０を長くした結果、３次高調波の場合において、送信用振動素子のピッチは受信用振動素子のピッチの３倍よりも小さくなるものの、例えば２倍以上とすることが望ましい。

さらに、図６（Ａ）においても、送信用アレイ１０と受信用アレイ２０の一方端から、送信用と受信用に関して共通した通し番号でチャンネル番号が割り当てられる。但し、互いに対向して配置される２つの送信用振動素子に対して、同一のチャンネル番号が割り当てられ、それら２つの送信用振動素子が共通の信号線で制御される。例えば、チャンネル１（ＣＨ１）の２つの送信用振動素子に対して、共通の信号線を介して同一の送信信号が供給される。

図６（Ｂ）は、送信用アレイ１０を挟むように、外側に２列の受信用アレイ２０が配置された構造を示している。図６（Ｂ）においても、送信用アレイ１０は、各々が基本波の超音波を送波する複数の送信用振動素子により形成され、複数の送信用振動素子が基本波に対応した配列条件に従って配列される。また、受信用アレイ２０は、各々が高次高調波の超音波を受波する複数の受信用振動素子により形成され、複数の受信用振動素子が高調波に対応した配列条件に従って配列される。例えば、１列の受信用アレイ２０を構成する受信用振動素子数が、送信用アレイ１０を構成する送信用振動素子数の３倍（Ｎ次高調波の場合にはＮ倍）とされる。

また、受信用アレイ２０が送信用アレイ１０よりも配列方向に沿って長くなっている。受信用アレイ２０を長くした結果、３次高調波の場合において、送信用振動素子のピッチは、受信用振動素子のピッチの３倍よりも小さくなるものの、例えば２倍以上とすることが望ましい。

さらに、送信用アレイ１０と受信用アレイ２０の一方端から、送信用と受信用に関して共通した通し番号でチャンネル番号が割り当てられる。但し、互いに対向して配置される２つの受信用振動素子に対して、同一のチャンネル番号が割り当てられる。そして、例えば、チャンネル１（ＣＨ１）の２つの受信用振動素子が共通の信号線を介して互いに接続される。

図６に示すように、送信開口に比べて受信開口を広くすることにより、深さ方向に比較的均一な音圧分布をもった送信が可能になり、また、受信においては比較的良好な感度と方位分解能を実現することが可能になる。

図７は、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を説明するための図であり、図７には、その超音波診断装置の全体構成がブロック図で示されている。図７に示す超音波診断装置は、図１から図６を利用して説明した超音波プローブを有している。

例えば、図７における複数の振動素子は、図１の送信用アレイ１０を構成する複数の送信用振動素子１２と受信用アレイ２０を構成する複数の受信用振動素子２２である。図１を利用して説明したように、複数の送信用振動素子１２と複数の受信用振動素子２２は、送信用と受信用に関して共通した通し番号でチャンネル番号が割り当てられている。図７の各振動素子に付されたチャンネル（ＣＨ）番号は、その共通した通し番号である。例えば、チャンネル１（ＣＨ１）からチャンネル３（ＣＨ３）の振動素子が受信用であり、チャンネル４（ＣＨ４）が送信用である。図１の例と同様に、図７においても総数１９２チャンネルの振動素子で超音波プローブが構成されている。

図７においては、１９２チャンネルの振動素子に対して、９６チャンネルの送受信回路４０が設けられている。つまり、チャンネル１（ＣＨ１）からチャンネル９６（ＣＨ９６）の送受信回路４０が設けられている。そして、１９２チャンネルの振動素子と９６チャンネルの送受信回路４０との間に、セレクタ３０が設けられている。

セレクタ３０は、１９２チャンネルの振動素子の中から、９６チャンネルの振動素子を選択し、選択した９６チャンネルの振動素子と９６チャンネルの送受信回路４０を接続する。セレクタ３０を介して、１チャンネルの振動素子と１チャンネルの送受信回路４０が互いに電気的に接続される。

セレクタ３０は、連続的なチャンネル番号が割り当てられた９６個の振動素子を選択して各送受信回路４０に接続する。例えば、まずチャンネル１（ＣＨ１）からチャンネル９６（ＣＨ９６）までの９６個の振動素子が選択されて９６チャンネルの送受信回路４０に接続される。この接続状態で超音波の送受信が終了すると、次にチャンネル２（ＣＨ１）からチャンネル９７（ＣＨ９６）までの９６個の振動素子が選択されて９６チャンネルの送受信回路４０に接続され、超音波の送受信が実行される。こうして、振動素子のチャンネル番号を次々にずらしつつ、９６個の振動素子が９６チャンネルの送受信回路４０に接続され、例えばリニア走査型の電子走査が実現される。

ビームフォーマ５０は、複数の送受信回路４０から得られる受信信号に基づいて、受信ビームを形成する。つまり、９６チャンネルの送受信回路４０のうちの、受信用振動素子に接続された送受信回路４０から受信信号を得て、複数の受信用振動素子から得られる受信信号を整相加算処理することにより受信ビームに沿った信号を形成する。そして、画像形成部６０において、受信ビームに沿った信号から超音波画像が形成される。

なお、図７に示す超音波診断装置において、特許文献１（特開２００９−１３６６２６号公報）に記載された画像形成処理が利用されてもよい。例えば、互いに位相が反転関係にある超音波の組を送波し、その組のうちの一方に対応した第１受信信号と他方に対応した第２受信信号を得て、第１受信信号と第２受信信号の差分を算出して高調波成分を抽出するようにしてもよい。もちろん、他の手法を利用して高調波成分が抽出されてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０ 送信用アレイ、１２ 送信用振動素子、２０ 受信用アレイ、２２ 受信用振動素子、３０ セレクタ、４０ 送受信回路、５０ ビームフォーマ、６０ 画像形成部。

Claims (8)

1. 基本波の超音波に対応した複数の基本波振動素子で構成された基本波アレイと、
   前記基本波に関する高次高調波の超音波に対応した複数の高調波振動素子で構成された高調波アレイと、
   を有し、
   前記複数の基本波振動素子は、基本波に対応した配列条件に従って配列され、
   前記複数の高調波振動素子は、前記基本波に対応した配列条件と比較して前記高次高調波の次数に応じた相違がある高調波に対応した配列条件に従って配列される、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
2. 請求項１に記載の超音波プローブにおいて、
   前記各基本波振動素子は、配列方向に沿ってサイズＳＬで形成され、
   前記各高調波振動素子は、サイズＳＬを前記高次高調波の次数に応じて小さくしたサイズＳＨで配列方向に沿って形成される、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
3. 請求項２に記載の超音波プローブにおいて、
   前記高次高調波の次数はＮであり、
   前記サイズＳＨは前記サイズＳＬの１／Ｎである、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波プローブにおいて、
   前記複数の基本波振動素子は、配列方向に沿ってピッチＰＬで配列され、
   前記複数の高調波振動素子は、ピッチＰＬを前記高次高調波の次数に応じて小さくしたピッチＰＨで配列方向に沿って配列される、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
5. 請求項４に記載の超音波プローブにおいて、
   前記高次高調波の次数はＮであり、
   前記ピッチＰＨは前記ピッチＰＬの１／Ｎである、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波プローブにおいて、
   前記基本波アレイと前記高調波アレイは、互いに略平行に近接して配置され、
   前記高調波アレイは、前記基本波アレイに比べて配列方向に沿って長い、
   ことを特徴とする超音波プローブ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波プローブを有する超音波診断装置において、
   基本波の超音波を送波するように前記基本波アレイを制御して前記高調波アレイから高次高調波の超音波に対応した受信信号を得る送受信部と、
   前記基本波アレイから選択されるいくつかの基本波振動素子と前記高調波アレイから選択されるいくつかの高調波振動素子を前記送受信部に接続するセレクタと、
   前記受信信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項７に記載の超音波診断装置において、
   前記基本波アレイと前記高調波アレイは、互いに略平行に近接して配置され、前記複数の基本波振動素子と前記複数の高調波振動素子で構成された複合アレイを形成し、
   前記複合アレイの一方端から順に、複数の基本波振動素子と複数の高調波振動素子に対して、共通した通し番号が割り当てられ、
   前記セレクタは、連続的な番号が割り当てられたいくつかの基本波振動素子といくつかの高調波振動素子を選択して前記送受信部に接続する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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