JP2012000220A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波プローブ内の温度上昇を防止し、超音波プローブの使用を制限することなく、内蔵される増幅器の増幅率の変動や熱雑音の変動等による高調波画像の劣化のない超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】超音波の送受信素子と、送受信素子で受信された受信信号を増幅する増幅器とを備えた超音波プローブに温度センサを内蔵し、温度センサによって検出された超音波プローブ内の温度に応じて増幅器の増幅量を制御することで、超音波プローブ内の温度上昇を防止し、超音波プローブの使用を制限することなく、内蔵される増幅器の増幅率の変動や熱雑音の変動等による高調波画像の劣化のない超音波診断装置を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、超音波プローブから被検体へ送信された超音波の反射波を受信して被検体内部の超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波パルス反射法により、体表から被検体内の軟組織の断層像を無侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線等の被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等、多くの特長を有し、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿器科系（腎臓、膀胱）、および産婦人科系等で広く利用されている。

このような医療用超音波診断装置に使用される超音波プローブは、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、圧電素子の圧電効果が一般的に利用される。

一方、高調波信号を用いた組織ハーモニックイメージング（ＴＨＩ）診断は、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから、標準的な診断モダリティとなりつつある。

ＴＨＩ診断は、基本波に比較して、サイドローブレベルが小さいことで、Ｓ／Ｎが良く、コントラスト分解能が良くなること、周波数が高くなることでビーム幅が細くなり横方向分解能が良くなること、近距離では音圧が小さく、さらに音圧の変動が少ないので多重反射が起こらないこと、焦点以遠の減衰は基本波並みであり、高調波の超音波は基本波の超音波に比べ深速度を大きく取れること、という多くの利点を有している。

そこで、例えば特許文献１には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やポリフッ化ビニリデン／３フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ／３ＦＥ））等の有機圧電素子を利用することで、広帯域で高感度の受信用圧電素子を構成する方法が提案されている。これによって、ＴＨＩ診断が容易になる。

ところで、超音波プローブを継続使用することで、プローブ内の温度が上昇し、被検者への当接面の温度の上限値を超えてしまったり、超音波を送受信する素子の特性が劣化する等の問題がある。

さらに、近年、受信した信号を確実に伝送するために、超音波プローブ内に増幅器を内蔵したプローブが提供されている。しかし、増幅器を内蔵したことで、増幅器の消費電力により、密閉された超音波プローブ内の温度がさらに上昇する問題が発生している。

これらを解決するために、例えば特許文献２では、超音波プローブ内に設けられた温度センサによって検知された温度から送受信面の温度を推定し、推定された送受信面の温度に基づいて送信制限を行う方法が開示されている。

また、特許文献３では、周囲環境の温度を検知する温度センサを備え、使用環境温度内でのみ超音波プローブを使用可能とする制御方法が開示されている。

さらに、特許文献４では、超音波プローブの温度上昇を小さく抑えるために、所定期間において受信回路の動作を停止するように制御する方法が開示されている。

特開２００８−１８８４１５号公報 特開２００３−０５２６９３号公報 特開２０１０−０００１３７号公報 特開２００９−１４８４２４号公報

しかしながら、特許文献２、３および４に示された方法では、いずれの方法においても超音波プローブの使用が制限されてしまうために診断が中断されてしまい、使用者および被検者に温度が低下するまで待たせるという不便を強いることになる。また、超音波プローブ内の温度変化によって、内蔵される増幅器の動作が不安定となり、増幅率の変動や熱雑音の変動等によって、高調波信号に変動ノイズが多く含まれてしまい、高調波画像が劣化してしまう不具合も発生することが分かってきた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、超音波プローブ内の温度上昇を防止し、超音波プローブの使用を制限することなく、内蔵される増幅器の増幅率の変動や熱雑音の変動等による高調波画像の劣化のない超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１．超音波を送受信する送受信素子と、
前記送受信素子により受信された受信信号を増幅する増幅器とを有する超音波プローブを備えた超音波診断装置において、
前記超音波プローブは、温度センサを有し、
前記温度センサによって検出された前記超音波プローブ内の温度に基づいて、前記増幅器の増幅量を制御する制御部を備えたことを特徴とする超音波診断装置。

２．前記制御部は、
前記超音波プローブ内の温度に応じて前記増幅器の増幅量を決定する増幅量決定電圧テーブルと、
前記超音波プローブ内の温度と、前記増幅量決定電圧テーブルとに基づいて、出力電圧が変化する電圧制御部とを有することを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。

３．前記超音波プローブは、複数の温度センサを有することを特徴とする前記１または２に記載の超音波診断装置。

４．前記増幅量決定電圧テーブルは、前記温度センサによって検出された前記超音波プローブ内の温度履歴と現在の温度とから決定されることを特徴とする前記２または３に記載の超音波診断装置。

５．前記電圧制御部の前記出力電圧を、前記増幅器の電源電圧として供給することを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。

６．前記増幅器は、入力される電圧によって増幅量が決定される増幅量決定端子を有する可変ゲイン増幅器であり、
前記電圧制御部の前記出力電圧を、前記可変ゲイン増幅器の増幅量決定端子に入力することを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。

７．超音波を送受信する前記送受信素子は、有機圧電素子薄膜であることを特徴とする前記１から６の何れか１項に記載の超音波診断装置。

本発明によれば、超音波の送受信素子と、送受信素子で受信された受信信号を増幅する増幅器とを備えた超音波プローブに温度センサを内蔵し、温度センサによって検出された超音波プローブ内の温度に応じて増幅器の増幅量を制御することで、超音波プローブ内の温度上昇を防止し、超音波プローブの使用を制限することなく、内蔵される増幅器の増幅率の変動や熱雑音の変動等による高調波画像の劣化のない超音波診断装置を提供することができる。

本発明の各実施の形態における超音波診断装置の外観構成を示す模式図である。 本発明の各実施の形態における超音波診断装置の内部構成を示すブロック図である。 本発明の各実施の形態における送受信素子の一例を示す断面模式図である。 本発明の各実施の形態における超音波プローブの構成の一例を示す模式図である。 第１の実施の形態における制御部の増幅量決定電圧を供給する部分の構成を示す模式図である。 第１の実施の形態における増幅器の構成を示す模式図である。 第２の実施の形態における制御部の増幅量決定電圧を供給する部分の構成を示す模式図である。 第２の実施の形態における増幅器の構成を示す模式図である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略することがある。

最初に、本発明の各実施の形態における超音波診断装置の構成について、図１および図２を用いて説明する、図１は、本発明の各実施の形態における超音波診断装置の外観構成を示す模式図である。

図１において、超音波診断装置Ｓは、超音波診断装置本体１、超音波プローブ２およびケーブル３等で構成される。超音波診断装置本体１は、例えば診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力する操作部１１、および、操作部１１で入力された各種情報や、超音波プローブ２で受信した受信信号に基づいて生成された被検体内の内部状態の画像（超音波画像）等を表示する表示部１５等を備えている。

超音波プローブ２は、図示しない人体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信するとともに、被検体内で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）を受信し、受信信号を生成する。

ケーブル３は、超音波診断装置本体１と超音波プローブ２とを接続し、超音波診断装置本体１からの送信信号を超音波プローブ２へ伝達するとともに、超音波プローブ２で生成された受信信号を超音波診断装置本体１に伝達する。

図２は、本発明の各実施の形態における超音波診断装置の内部構成を示すブロック図である。

図２において、上述したように、超音波診断装置Ｓは、超音波診断装置本体１、超音波プローブ２およびケーブル３等で構成される。超音波診断装置本体１は、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、制御部１６、記憶部１７、および上述した操作部１１、表示部１５等で構成される。超音波プローブ２は、送受信素子２１、増幅器２２、および温度センサ２３等で構成される。

操作部１１は、上述したように、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力する。送信部１２は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２の送受信素子２１へ送信信号１２１を供給することで、送受信素子２１に超音波を発生させるように駆動する。受信部１３は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２の送受信素子２１で受信した超音波の反射波の信号２１ｒを、増幅器２２で増幅した受信信号２２１を受信する。

画像処理部１４は、受信部１３で受信した受信信号に基づいて、被検体内の内部状態の画像、即ち超音波画像を生成する。表示部１５は、上述した操作部１１で入力された各種情報や、画像処理部１４で生成された被検体内の超音波画像を表示する。記憶部１７は、画像処理部１４で生成された被検体内の超音波画像を記憶する。

制御部１６は、操作部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５、および記憶部１７を各機能に応じて制御することによって、超音波診断装置Ｓの全体制御を行う。

また、制御部１６は、ケーブル３を介して、超音波プローブ２の温度センサ２３の温度信号２３１を受信し、温度信号２３１に基づいて、増幅器２２に、増幅器２２の増幅量を制御する増幅量決定電圧Ｖｇを供給する。増幅量決定電圧Ｖｇによって増幅器２２の増幅量を制御することで、超音波プローブ２内の温度を所定の範囲に治めることができる。

制御部１６による増幅器２２の増幅量の制御、および増幅器２２の構成については、図５以降の各実施の形態で詳述する。

送受信素子２１としては、有機圧電素子や、無機圧電素子を用いることができる。また、上述したＴＨＩ診断に適した送受信素子として、送信用素子と受信用素子とを分けて、送信用素子として無機圧電素子を用い、受信用素子として有機圧電素子を用いる方法もある。送受信素子２１の一例を図３に示す。図３は、本発明の各実施の形態における送受信素子の一例を示す断面模式図である。

図３において、送受信素子２１は、バッキング層２１１、バッキング層２１１上に設けられた電極および圧電体を有する圧電部２１２、圧電部２１２上に設けられた音響整合層２１３および音響整合層２１３上に設けられた音響レンズ２１４等で構成される。

圧電部２１２は、送信用素子２１２ａ、送信用素子２１２ａ上に配された中間層２１２ｂ、および中間層２１２ｂ上に配された受信用素子２１２ｃ等で構成される。送信用素子２１２ａは、送信用圧電素子２１８に電極２１７が付されたものがフレキシブル基板（以下、ＦＰＣと言う）２１５上に載置されて構成される。受信用素子２１２ｃも同様に、受信用圧電素子２１９に電極２１７が付されたものがＦＰＣ２１６上に載置されて構成される。

（バッキング層２１１）
バッキング層２１１は、圧電部２１２を支持し、不要な超音波を吸収し得る超音波吸収体である。バッキング層２１１に用いられるバッキング材としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形した材料、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体等の熱可塑性樹脂等を用いることができる。

好ましいバッキング材としては、ゴム系複合材料およびまたはエポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は送受信素子２１や送受信素子２１を含む超音波プローブ２の形状に応じて、適宜選択することができる。

ゴム系複合材としては、ゴム成分および充填剤を含有する物が好ましく、ＪＩＳ Ｋ６２５３に準拠したスプリング硬さ試験機（デュロメータ硬さ）におけるタイプＡデュロメータでＡ７０からタイプＤデュロメータでＤ７０までの硬さを有するものであり、さらに、必要に応じて各種の他の配合剤を添加することもできる。

ゴム成分としては、たとえば、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴム等が好ましい。

より好ましくは、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭまたはＥＰＭ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、ＥＰＤＭとＨＮＢＲのブレンドゴム、ＥＰＤＭとニトリルゴム（ＮＢＲ）のブレンドゴム、ＮＢＲおよび／またはＨＮＢＲと高スチレンゴム（ＨＳＲ）のブレンドゴム、ＥＰＤＭとＨＳＲブレンドゴム等が挙げられる。本実施の形態のゴム成分は、加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマー等のゴム成分の１種を単独で使用してもよいが、ブレンドゴムのように２種以上のゴム成分をブレンドしたブレンドゴムを用いてもよい。

ゴム成分に添加される充填剤としては、通常使用されているものから比重の大きいものに至るまでその配合量と共に様々な形で選ぶことが出来る。たとえば、亜鉛華、チタン白、ベンガラ、フェライト、アルミナ、三酸化タングステン、酸化イットリビウム等の金属酸化物、炭酸カルシウム、ハードクレイ、ケイソウ土等のクレイ類、炭酸カルシウム、硫酸バリウム等の金属塩類、ガラス粉末等やタングステン、モリブデン等の各種の金属系微粉末類、ガラスバルーン、ポリマーバルーン等の各種バルーン類が挙げられる。

これらの充填剤は、種々の比率で添加することができるが、好ましくはゴム成分１００質量部に対して５０〜３０００質量部、より好ましくは１００〜２０００質量部、または３００〜１５００質量部程度が好ましい。また、これらの充填剤は１種または２種以上を組み合わせて添加してもよい。

ゴム系複合材料には、さらに他の配合剤を必要に応じて添加することができ、このような配合剤としては、加硫剤、架橋剤、硬化剤、それらの助剤類、劣化防止剤、酸化防止剤、着色剤等が挙げられる。たとえば、カーボンブラック、二酸化ケイ素、プロセスオイル、イオウ（加硫剤）、ジクミルパーオキサイド（Ｄｉｃｕｐ、架橋剤）、ステアリン酸等を配合することができる。これらの配合剤は必要に応じて使用されるものであるが、その使用量は、一般にゴム成分１００質量部に対しそれぞれ１〜１００質量部程度であるが全体的バランスや特性によって適宜変更することもできる。

エポキシ樹脂複合剤としては、エポキシ樹脂成分および充填剤を含有するのが好ましく、さらに必要に応じて各種の配合剤を添加することもできる。エポキシ樹脂成分としては、たとえばビスフェノールＡタイプ、ビスフェノールＦタイプ、レゾールノボラックタイプ、フェノール変性ノボラックタイプ等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン構造含有タイプ、アントラセン構造含有タイプ、フルオレン構造含有タイプ等の多環芳香族型エポキシ樹脂、水添脂環型エポキシ樹脂、液晶性エポキシ樹脂等が挙げられる。本発明のエポキシ樹脂成分は単独で用いてもよいが、ブレンド樹脂のように２種類以上のエポキシ樹脂成分を混合して用いてもよい。

エポキシ成分に添加される充填剤としては、上記ゴム成分に混合する充填剤と同様のものから、上記ゴム系複合剤を粉砕しさく作製した複合粒子までいずれも好ましく使用することができる。複合粒子としては、たとえばシリコーンゴム中にフェライトを充填したものを、粉砕器にて粉砕し２００μｍ程度の粒径にしたものが挙げることができる。

エポキシ樹脂複合剤を使用する際にはさらに架橋剤を添加する必要があり、たとえばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジプロピレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン等の鎖状脂肪族ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソフォロンジアミン等の環状脂肪族ポリアミン、ｍ−キシレンジアミン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ポリアミド樹脂、ピペリジン、ＮＮ−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ベンジルジメチルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール等の２級および３級アミン等、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウム・トリメリテート等のイミダゾール類、液状ポリメルカプタン、ポリスルフィド、無水フタル酸、無視トリメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレンテトラヒドロ無水フタル酸、メチルブテニルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等の酸無水物を挙げることができる。

バッキング材の厚さは、概ね１〜１０ｍｍが好ましく、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。

（送信用素子２１２ａおよび受信用素子２１２ｃ）
本実施の形態における送信用素子２１２ａおよび受信用素子２１２ｃは、電極および圧電素子を有し、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能で超音波の送受信が可能な素子である。圧電素子は、電気信号を機械的な振動に、また機械的な振動を電気信号に変換可能な圧電材料を含有する電気機械変換素子である。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミクス、ＰｂＴｉＯ３系セラミック等の無機圧電セラミクス、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機高分子圧電材料、水晶、ロッシェル塩等を用いることができる。圧電材料の厚さとしては、概ね１００μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。圧電材料は、その両面に電極が付された状態で、圧電素子として用いられる。

（電極２１７）
圧電材料に付される電極２１７に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）等が挙げられる。

圧電材料に電極２１７を付す方法としては、たとえば、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）等の下地金属をスパッタ法により０．０２〜１．０μｍの厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属およびそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、その他の適当な方法で１〜１０μｍの厚さに形成する方法が挙げられる。

電極形成はスパッタ法以外でも、微粉末の金属粉末と低融点ガラスとを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。電極は、圧電材料上に、送受信素子２１の形状に応じて、圧電体面の全面あるいは圧電体面の一部に、設けられる。

圧電部２１２とバッキング層２１１とは、接着層を介して積層されていることが好ましい態様である。接着層を形成するための接着剤としては、エポキシ系の接着剤を用いることができる。

圧電部２１２の、バッキング層２１１側の表面の一部と、音響整合層２１３側の表面の一部には電極が接触されており、バッキング層２１１と電極２１７とが接着層を介して積層されている部分を含む場合もある。

（音響整合層２１３）
本実施の形態における音響整合層２１３は、圧電部２１２と被検体との間の音響インピーダンスを整合させるもので、圧電部２１２と被検体との中間の音響インピーダンスを有する材料で構成される。

音響整合層２１３に用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（たとえばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＣ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。

好ましくはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に充填剤として亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン等を入れて成形したものを用いることができる。

音響整合層２１３は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは２層以上である。音響整合層２１３の層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定める必要がある。これを満たさない場合、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎの低下を引き起こしてしまい好ましくない。このような音響整合層２１３の厚さとしては、概ね３０μｍ〜５００μｍの範囲で用いられる。

（音響レンズ２１４）
音響レンズ２１４は、送受信素子２１の最先端にあり、超音波ビームを集束させるためのものである。音響レンズ２１４の音響インピーダンスは生体組織とほぼ同じであり、音響レンズ２１４の形状を凸形にすることで、スネルの法則に従って超音波ビームを集束させることができる。

上述した送受信素子２１では、送信用素子２１２ａと受信用素子２１２ｃとを別々に備える構成について説明した。送信用素子２１２ａと受信用素子２１２ｃとの配列は、各々を上下に配置する配列、および並列に配置する配列のどちらでもよいが、上下に配置して積層する構造が好ましい。積層する場合の送信用素子２１２ａおよび受信用素子２１２ｃの厚さとしては、４０〜１５０μｍであることが好ましい。

なお、送受信素子２１は、送信用素子２１２ａと受信用素子２１２ｃとを別々に備える構成に限るものではなく、例えば図３において、受信用素子２１２ｃ（受信用圧電素子２１９と電極２１７）とＦＰＣ２１６とを無くして、送信用素子２１２ａを送受信兼用の送受信素子としてもよい。

温度センサ２３は、一般的に使用されているサーミスタや白金抵抗体等の測温抵抗体や、熱電対等が簡便性やコストの面で好ましい。また、例えば、特開２００６−３４６１０５に開示されている、微細加工（ＭＥＭＳ）技術によって作製され、送受信素子２１内に埋め込まれた温度センサデバイスでもよい。

また、温度センサ２３は１つに限るものではなく、複数個設けてもよい。例えば超音波プローブ２内の主な熱源である送受信素子２１と増幅器２２との近傍の少なくとも２つの温度センサ２３を設けることで、より高精度に超音波プローブ２内の温度を検出することができる。さらには、外気温を検出する温度センサも設けてもよい。

次に、本発明の各実施の形態における超音波プローブの構成の一例を、図４を用いて説明する。図４は、本発明の各実施の形態における超音波プローブの構成の一例を示す模式図で、図４（ａ）は超音波プローブの外観模式図、図４（ｂ）は超音波プローブの内部構成図である。

図４（ａ）において、超音波プローブ２の外観は、筐体２９、筐体２９の先端に配置された送受信素子２１の音響レンズ２１４、および筐体２９の後端に接続されたケーブル３等で構成される。

図４（ｂ）において、超音波プローブ２の筐体２９の内部には、音響レンズ２１４を含む送受信素子２１、基板２５、コネクタ２６およびケーブル３等が配置されている。

送受信素子２１には、ＦＰＣ２４が接続され、ＦＰＣ２４と基板２５とは接続部２４ａで接続されている。基板２５上には複数のアンプ素子で構成される増幅器２２が実装されている。増幅器２２を送受信素子２１から離れた位置に実装することで、増幅器２２の発熱が送受信素子２１に悪影響を及ぼすことを防止することができる。基板２５とケーブル３の各々の同軸ケーブル２７とは、コネクタ２６で接続されている。

なお、基板２５と同軸ケーブル２７とは、基板２５に直接ハンダ付け等で接続されてもよい。あるいは、同軸ケーブル２７を、ハンダ付けあるいは同軸ケーブル用コネクタを用いて別基板に接続し、別基板に設けた基板用コネクタと基板２５に設けたコネクタとで基板２５と同軸ケーブル２７とを接続する構成でもよい。

図４の例では、温度センサ２３を３個配置している。温度センサ２３ａは、増幅器２２の配列の中心付近に配置されて、増幅器２２の温度を検知する。温度センサ２３ｂは、送受信素子２１の音響レンズ２１４に近接する位置に配置され、被検者が肌に感じる音響レンズ２１４の温度を検知する。温度センサ２３ｃは、例えば筐体２９内の側面位置で、使用者が把持しない位置に配置され、外気温を検知する。

制御部１６は、これらの各温度センサ２３によって検知された温度から、超音波プローブ２の内部の温度を取得する。詳細は後述する。

次に、本発明の第１の実施の形態における超音波診断装置の内部構成を、図５および図６を用いて説明する。図５は、第１の実施の形態における制御部の増幅量決定電圧を供給する部分の構成を示す模式図であり、図５（ａ）は制御部の増幅量決定電圧を供給する部分の構成を示すブロック図で、図５（ｂ）は増幅量決定電圧テーブルの構成を示す模式図である。

図５（ａ）において、制御部１６は、電圧制御部１６１と増幅量決定電圧テーブル１６２等とで構成され、超音波プローブ２内の温度を所定の範囲に治めるために、増幅器２２の増幅量を制御する。電圧制御部１６１は、電圧決定制御部１６１１と増幅量決定電圧生成部１６１２等とで構成される。

電圧決定制御部１６１１は、図２で示した温度センサ２３の温度信号２３１を受信し、温度信号２３１に基づいて、超音波プローブ２内の主な熱源である送受信素子２１や増幅器２２の温度Ｔｐを取得する。次いで、取得された温度Ｔｐに基づいて、増幅量決定電圧テーブル１６２から増幅量決定電圧データＶｇｄを決定し、増幅量決定電圧生成部１６１２に送信する。

増幅量決定電圧生成部１６１２は、電圧決定制御部１６１１から受信した増幅量決定電圧データＶｇｄに基づいて、増幅量決定電圧Ｖｇを生成し、増幅器２２に供給する。図６で後述するように、増幅量決定電圧Ｖｇは、増幅器２２の正の電源電圧Ｖ^＋および負の電源電圧Ｖ⁻であり、それぞれ、所定の電源電圧値＋Ｖｃｃから増幅量決定電圧データＶｇｄに所定の係数ｋを乗算した値を減算した電圧、および所定の電源電圧値−Ｖｃｃに増幅量決定電圧データＶｇｄに所定の係数ｊを乗算した値を加算した電圧として生成される。ここに、
Ｖ^＋＝＋Ｖｃｃ−ｋ×Ｖｇｄ
Ｖ⁻＝−Ｖｃｃ＋ｊ×Ｖｇｄ
である。所定の係数ｋおよびｊは、実測等により適宜決定されればよい。

図５（ｂ）において、増幅量決定電圧テーブル１６２は、温度センサ２３の温度信号２３１が示す超音波プローブ２の内部温度Ｔｐと、超音波プローブ２の内部温度Ｔｐに対応した増幅器２２の増幅量決定電圧データＶｇｄとで構成されるルックアップテーブル（ＬＵＴ）である。増幅量決定電圧テーブル１６２は、記憶部１７内に設けられてもよい。

図示の例では、超音波プローブ２の内部温度Ｔｐが上昇するにつれて、増幅量決定電圧データＶｇｄも上昇するように設定されているが、これに限るものではない。また、増幅量決定電圧テーブル１６２は１つのテーブルである必要はなく、例えば上述したＶ^＋およびＶ⁻を決定するための増幅量決定電圧データＶｇｄを、それぞれ別個のテーブルとして持ってもよい。

さらに、外気温や超音波プローブ２の動作モード（例えば、Ｂ−モード、パワードプラモード、カラードプラモード、Ｍ−モードやこれらの複合モード等）毎に別個の増幅量決定電圧テーブル１６２を持ってもよい。

図６は、第１の実施の形態における増幅器の構成を示す模式図で、図６（ａ）は第１の実施の形態における増幅器の構成を示す回路図で、図６（ｂ）および図６（ｃ）は増幅器の消費電力を示す模式図である。

図６（ａ）において、第１の実施の形態では、増幅器２２は、オペアンプ２２２を用いた反転増幅器である。超音波プローブ２の送受信素子２１で受信された超音波の反射波の信号２１ｒは、抵抗Ｒ１を介してオペアンプ２２２の非反転入力（−）に入力され、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１との比によって決定される増幅率で増幅されて、受信信号２２１として出力される。オペアンプ２２２の電源には、上述した増幅量決定電圧Ｖｇ（Ｖ^＋とＶ⁻）が用いられる。

超音波プローブ２の送受信素子２１で受信された超音波の反射波の信号２１ｒは、通常は正負両方の電圧を持つ信号であることが多い。そのため、増幅器２２の消費電力Ｐ_Ｔは、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、
Ｐ_Ｔ＝Ｉｃｃ×（Ｖ^＋−Ｖ⁻）＋Ｉｏ×（Ｖ^＋−Ｖｏ）・・・（１式）
あるいは、
Ｐ_Ｔ＝Ｉｃｃ×（Ｖ^＋−Ｖ⁻）＋Ｉｏ×（Ｖｏ−Ｖ⁻）・・・（２式）
となる。

従って、（１式）および（２式）から、増幅器２２の電源電圧の差（Ｖ^＋−Ｖ⁻）、および、増幅器２２の出力Ｖｏと電源電圧との差（Ｖ^＋−Ｖｏ）あるいは（Ｖｏ−Ｖ⁻）を小さくすることで、増幅器２２の消費電力Ｐ_Ｔを小さく抑えることができ、増幅器２２の発熱を抑えることができる。従って、増幅器２２の電源電圧として図５に示したＶ^＋とＶ⁻とを用いることで、増幅器２２の発熱を抑えることができる。

この場合でも、増幅器２２の出力Ｖｏの振幅が小さい場合には、信号が歪むことはなく、出力Ｖｏの振幅が大きい場合にのみ、出力の線形性がなくなって飽和する状態となる。つまり、増幅量決定電圧Ｖｇ（Ｖ^＋とＶ⁻）によって、出力Ｖｏの振幅が大きい場合にのみ、増幅器２２の増幅量が抑圧されるように決定されたことになる。

上述したように、第１の実施の形態によれば、超音波の送受信素子と、送受信素子で受信された受信信号を増幅する増幅器とを備えた超音波プローブに温度センサを内蔵し、温度センサによって検出された超音波プローブ内の温度に応じて、増幅器の電源電圧を抑制することによって増幅器の増幅量を制御することで、超音波プローブ内の温度上昇を防止し、超音波プローブの使用を制限することなく、内蔵される増幅器の増幅率の変動や熱雑音の変動等による高調波画像の劣化のない超音波診断装置を提供することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図７および図８を用いて説明する。図７は、第２の実施の形態における制御部の増幅量決定電圧を供給する部分の構成を示す模式図であり、図７（ａ）は制御部の増幅量決定電圧を供給する部分の構成を示すブロック図で、図７（ｂ）は温度経時変化データの構成を示す模式図である。

図７（ａ）において、制御部１６は、電圧制御部１６１と温度経時変化データ１６３等とで構成され、超音波プローブ２内の温度を所定の範囲に治めるために、増幅器２２の増幅量を制御する。電圧制御部１６１は、電圧決定制御部１６１１と増幅量決定電圧生成部１６１２等とで構成される。

電圧決定制御部１６１１は、例えば超音波プローブ２の電源が投入されてから所定時間（例えば１０秒）間隔毎に、図２で示した温度センサ２３の温度信号２３１を受信し、温度信号２３１に基づいて、超音波プローブ２内の主な熱源である送受信素子２１や増幅器２２の温度Ｔｐを取得して、温度経時変化データ１６３に追記する。

次いで、取得された現在の温度Ｔｐと過去に取得された温度Ｔｐの経時変化データとに基づいて、例えばＰＩＤ制御やＰＩ制御等の制御法を用いて、増幅量決定電圧データＶｇｄを決定し、温度経時変化データ１６３に追記するとともに、増幅量決定電圧生成部１６１２に送信する。

この時の制御目標温度Ｔｏは、一意に決まる温度（例えば４０℃）としてもよい。さらに好ましくは、外気温との差分に基づいて、患者が外気温と超音波プローブ２の接触面とに大きな温度差を感じないような温度を制御目標温度Ｔｏとしてもよい。

増幅量決定電圧生成部１６１２は、電圧決定制御部１６１１から受信した増幅量決定電圧データＶｇｄに基づいて、増幅量決定電圧Ｖｇを生成し、増幅器２２に供給する。図８で後述するように、増幅量決定電圧Ｖｇは、増幅器２２の増幅量決定端子２２３に入力される電圧である。

図７（ｂ）において、温度経時変化データ１６３は、超音波プローブ２の電源が投入されてからの所定時間（例えば１０秒）間隔毎の電圧決定制御部１６１１によって取得された超音波プローブ２内の温度Ｔｐと、その時の増幅量決定電圧データＶｇｄとのデータ表である。温度経時変化データ１６３は、記憶部１７内に設けられてもよい。

図示の例によれば、超音波プローブ２の電源が投入されてから時間が経過するにつれて、超音波プローブ２内の温度Ｔｐが徐々に上昇しており、それに対応して、増幅量決定電圧データＶｇｄも徐々に変化していることが分かる。

図８は、第２の実施の形態における増幅器の構成を示す模式図である。

図８において、第２の実施の形態では、増幅器２２は、増幅量決定端子２２３に増幅量決定電圧Ｖｇを印加することで、増幅量を制御可能な可変ゲイン増幅器である。増幅器２２の電源は、通常の電源＋Ｖｃｃと−Ｖｃｃとに固定されている。

超音波プローブ２の送受信素子２１で受信された超音波の反射波の信号２１ｒは、増幅器２２に入力され、増幅量決定端子２２３に印加された増幅量決定電圧Ｖｇによって決定荒れる増幅量で増幅されて、受信信号２２１（Ｖｏ）として出力される。

図７で示したように、現在の温度Ｔｐと過去に取得された温度Ｔｐの経時変化データとに基づいて決定された増幅量決定電圧Ｖｇによって、増幅器２２の増幅量を決定することで、超音波プローブ２内の温度を所定の範囲に治めることができる。

上述したように、第２の実施の形態によれば、超音波の送受信素子と、送受信素子で受信された受信信号を増幅する増幅器とを備えた超音波プローブに温度センサを内蔵し、温度センサによって検出された超音波プローブ内の現在の温度と過去に取得された温度Ｔｐの経時変化データとに基づいて、増幅量決定端子２２３に増幅量決定電圧Ｖｇを印加することによって増幅器の増幅量を制御することで、超音波プローブ内の温度上昇を防止し、超音波プローブの使用を制限することなく、内蔵される増幅器の増幅率の変動や熱雑音の変動等による高調波画像の劣化のない超音波診断装置を提供することができる。

ここで、超音波プローブ２に用いられる有機圧電素子薄膜とその動作とについて、簡単に説明する。有機圧電素子薄膜は、被検体内部で反射された超音波の反射波を受信して電気信号に変換する電気機械変換素子として用いられるもので、例えば、フッ化ビニリデンの重合体や、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマ、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体等の有機圧電材料の薄膜で構成される。

被検体内部で反射された反射波は、送信された超音波の基本周波数成分の基本反射波だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分、例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等の第２高調波成分、第３高調波成分および第４高調波成分等の反射波も含まれる。

つまり、基本波の高調波が受信されるので、上述したハーモニックイメージング技術によって超音波画像を形成することが可能となり、上述した第１および第２の実施の形態における超音波プローブ２および超音波診断装置Ｓは、より高精度な超音波画像の提供が可能となる。特に、比較的パワーの大きい第２高調波と第３高調波が受信されるので、より鮮明な超音波画像の提供が可能となる。

以上に述べたように、本発明によれば、超音波の送受信素子と、送受信素子で受信された受信信号を増幅する増幅器とを備えた超音波プローブに温度センサを内蔵し、温度センサによって検出された超音波プローブ内の温度に応じて増幅器の増幅量を制御することで、超音波プローブ内の温度上昇を防止し、超音波プローブの使用を制限することなく、内蔵される増幅器の増幅率の変動や熱雑音の変動等による高調波画像の劣化のない超音波診断装置を提供することができる。

なお、本発明に係る超音波診断装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１ 超音波診断装置本体
２ 超音波プローブ
３ ケーブル
１１ 操作部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
１６１ 電圧制御部
１６１１ 電圧決定制御部
１６１２ 増幅量決定電圧生成部
１６２ 増幅量決定電圧テーブル
１６３ 温度経時変化データ
１７ 記憶部
２１ 送受信素子
２１ｒ （超音波の反射波の）信号
２１１ バッキング層
２１２ 圧電部
２１２ａ 送信用素子
２１２ｂ 中間層
２１２ｃ 受信用素子
２１３ 音響整合層
２１４ 音響レンズ
２２ 増幅器
２２１ 受信信号
２２３ 増幅量決定端子
２３ 温度センサ
２３１ 温度信号
２４ フレキシブル基板（ＦＰＣ）
２５ 基板
２６ コネクタ
２７ （ケーブル３の）同軸ケーブル
２９ 筐体
Ｓ 超音波診断装置
Ｖｇ 増幅量決定電圧
Ｖｇｄ 増幅量決定電圧データ
Ｖ^＋ （増幅器２２の）正の電源電圧
Ｖ⁻ （増幅器２２の）負の電源電圧

Claims (7)

1. 超音波を送受信する送受信素子と、
   前記送受信素子により受信された受信信号を増幅する増幅器とを有する超音波プローブを備えた超音波診断装置において、
   前記超音波プローブは、温度センサを有し、
   前記温度センサによって検出された前記超音波プローブ内の温度に基づいて、前記増幅器の増幅量を制御する制御部を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記制御部は、
   前記超音波プローブ内の温度に応じて前記増幅器の増幅量を決定する増幅量決定電圧テーブルと、
   前記超音波プローブ内の温度と、前記増幅量決定電圧テーブルとに基づいて、出力電圧が変化する電圧制御部とを有することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記超音波プローブは、複数の温度センサを有することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記増幅量決定電圧テーブルは、前記温度センサによって検出された前記超音波プローブ内の温度履歴と現在の温度とから決定されることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波診断装置。
5. 前記電圧制御部の前記出力電圧を、前記増幅器の電源電圧として供給することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。
6. 前記増幅器は、入力される電圧によって増幅量が決定される増幅量決定端子を有する可変ゲイン増幅器であり、
   前記電圧制御部の前記出力電圧を、前記可変ゲイン増幅器の増幅量決定端子に入力することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。
7. 超音波を送受信する前記送受信素子は、有機圧電素子薄膜であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の超音波診断装置。

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