JP2013070734A - 超音波診断装置および超音波画像生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造の超音波探触子を用いながらも、効率よく超音波の送出を行って高画質の超音波画像を生成することができる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】有機圧電素子３４の有機圧電体３４ａは無機圧電素子３２から送信される超音波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さＤを有し、信号線電極層３４ｂに有機圧電素子３４の静電容量に対し０．１〜５倍の範囲内の静電容量を有する伝送ケーブル５４を介して受信回路５内の有機圧電素子用アンプ５２が接続され、複数の有機圧電素子３４は、送信時に音響整合層３３に続く第２の音響整合層として作用し、受信時には、非共振型の受信デバイスとして利用され、受信信号が信号線電極層３４ｂから伝送ケーブル５４を介して有機圧電素子用アンプ５２に伝送されて増幅された後、有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ５３でＡ／Ｄ変換される。
【選択図】図３

Description

この発明は、超音波診断装置および超音波画像生成方法に係り、特に、アレイ状に配列された複数の有機圧電素子を用いて超音波の送受信を行う超音波診断装置に関する。

従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、超音波探触子から被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーを超音波探触子で受信して、その受信信号を電気的に処理することにより超音波画像が生成される。

また、近年、より正確な診断を行うために、被検体の非線形性により超音波波形が歪むことで発生する高調波成分を受信して映像化するハーモニックイメージングが脚光を浴びつつある。
このハーモニックイメージングに適した超音波探触子として、例えば、特許文献１に開示されているように、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の無機圧電体を用いた複数の無機圧電素子とポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機圧電体を用いた複数の有機圧電素子とを積層形成したものが提案されている。
無機圧電素子により高出力の超音波ビームを送信し、有機圧電素子により高調波の信号を高感度に受信することができる。

特開平１１−１５５８６３号公報

複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子との間には、無機圧電素子から発せられた超音波を効率よく送出させるために音響整合層が配置される。この音響整合層は、無機圧電素子から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さを有し、これにより、音響整合層の表面での反射を防止すると共に、無機圧電素子の音響インピーダンスと生体である被検体の音響インピーダンスとの中間的な値の音響インピーダンスを有する材料から形成されることで、音響インピーダンスのマッチングを行い、無機圧電素子から送信される超音波を効率よく被検体内に入射させるように構成されている。

しかしながら、無機圧電素子と被検体とでは、固有の音響インピーダンスが大きく異なるため、１つの音響整合層では十分なマッチング効果を得ることができない場合がある。
互いに異なる音響インピーダンスを有する複数の音響整合層を音響インピーダンスの値の順序で積層して使用する方法もあるが、超音波探触子の構造が複雑になってしまう。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、簡単な構造の超音波探触子を用いながらも、効率よく超音波の送出を行って高画質の超音波画像を生成することができる超音波診断装置および超音波画像生成方法を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波診断装置は、音響整合層を挟んで複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが互いに積層された超音波探触子を用いて超音波の送受信を行うことにより得られる受信信号に基づき超音波画像を生成して表示する超音波診断装置であって、複数の有機圧電素子を第２の音響整合層として複数の無機圧電素子から超音波を送信する送信回路と、複数の有機圧電素子を非共振型の受信デバイスとして利用して超音波エコーを受信することにより得られた受信信号を処理してサンプルデータを生成する受信回路と、受信回路で生成されたサンプルデータに基づいて超音波画像を生成する画像生成部とを備えたものである。

複数の有機圧電素子は、複数の無機圧電素子から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さを有することが好ましい。
画像生成部は、複数の有機圧電素子により得られた受信信号を任意の周波数で画像化することにより超音波画像を生成することができる。好ましくは、画像生成部は、複数の有機圧電素子により得られた受信信号を、複数の無機圧電素子から送信される基本波に対するｎ次高調波の周波数で画像化することにより超音波画像を生成する。
受信回路は、複数の無機圧電素子により得られた受信信号と複数の有機圧電素子により得られた受信信号の双方に基づいてサンプルデータを生成することもできる。
受信回路は、それぞれの有機圧電素子に対して０．１〜５倍の静電容量を有する伝送ケーブルを介して有機圧電素子で得られた受信信号をアンプに伝送して増幅することが好ましい。

この発明に係る超音波画像生成方法は、音響整合層を挟んで複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが互いに積層された超音波探触子を用いて超音波画像を生成する方法であって、複数の有機圧電素子を第２の音響整合層として複数の無機圧電素子から超音波を送信し、複数の有機圧電素子を非共振型の受信デバイスとして利用して超音波エコーを受信し、複数の有機圧電素子により得られた受信信号に基づいて超音波画像を生成する方法である。

この発明によれば、複数の有機圧電素子を第２の音響整合層として複数の無機圧電素子から超音波を送信すると共に、複数の有機圧電素子を非共振型の受信デバイスとして利用して超音波エコーを受信するので、簡単な構造の超音波探触子を用いながらも、効率よく超音波の送出を行って高画質の超音波画像を生成することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態で用いられた超音波探触子の構造を示す断面図である。 実施の形態における超音波探触子と受信回路の接続状態を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、実施の形態に係る超音波診断装置の構成を示す。超音波診断装置は、超音波プローブ１と、この超音波プローブ１に接続された診断装置本体２とを備えている。
超音波プローブ１は、超音波探触子３を有し、この超音波探触子３に送信回路４と受信回路５が接続され、送信回路４および受信回路５にプローブ制御部６が接続されている。

診断装置本体２は、超音波プローブ１の受信回路５に接続された信号処理部１１を有し、この信号処理部１１にＤＳＣ（Digital Scan Converter）１２、画像処理部１３、表示制御部１４および表示部１５が順次接続されている。画像処理部１３には、画像メモリ１６が接続され、信号処理部１１、ＤＳＣ１２、画像処理部１３および画像メモリ１６により画像生成部１７が形成されている。信号処理部１１、ＤＳＣ１２および表示制御部１４に本体制御部１８が接続されており、本体制御部１８に操作部１９および格納部２０がそれぞれ接続されている。
また、超音波プローブ１のプローブ制御部６と診断装置本体２の本体制御部１８が互いに接続されている。

超音波プローブ１の超音波探触子３は、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサを有している。
送信回路４は、例えば、複数のパルサを含んでおり、プローブ制御部６からの制御信号に応じて選択された送信遅延パターンに基づいて、超音波探触子３の複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が超音波ビームを形成するようにそれぞれの駆動信号の遅延量を調節して複数の超音波トランスデューサに供給する。

受信回路５は、超音波探触子３の各超音波トランスデューサで得られた受信信号を増幅してＡ／Ｄ変換した後、プローブ制御部６からの制御信号に応じて選択された受信遅延パターンに基づいて設定される音速または音速の分布に従い、各受信信号にそれぞれの遅延を与えて加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれたサンプルデータ（音線信号）が生成される。
プローブ制御部６は、診断装置本体２の本体制御部１８から伝送される各種の制御信号に基づいて、超音波プローブ１の各部の制御を行う。

診断装置本体２の信号処理部１１は、超音波プローブ１の受信回路６で生成されたサンプルデータに対し、超音波の反射位置の深度に応じて距離による減衰の補正を施した後、包絡線検波処理を施すことにより、被検体内の組織に関する断層画像情報であるＢモード画像信号を生成する。
ＤＳＣ１２は、信号処理部１１で生成されたＢモード画像信号を通常のテレビジョン信号の走査方式に従う画像信号に変換（ラスター変換）する。
画像処理部１３は、ＤＳＣ１２から入力されるＢモード画像信号に階調処理等の各種の必要な画像処理を施した後、Ｂモード画像信号を表示制御部１４に出力する、あるいは画像メモリ１６に格納する。

表示制御部１４は、画像処理部１３によって画像処理が施されたＢモード画像信号に基づいて、表示部１５に超音波診断画像を表示させる。
表示部１５は、例えば、ＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、表示制御部１４の制御の下で、超音波診断画像を表示する。

操作部１９は、操作者が入力操作を行うためのもので、キーボード、マウス、トラックボール、タッチパネル等から形成することができる。
格納部２０は、動作プログラム等を格納するもので、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＳＤカード、ＣＦカード、ＵＳＢメモリ等の記録メディア、またはサーバ等を用いることができる。

本体制御部１８は、操作者により操作部１９から入力された各種の指令信号等に基づいて、診断装置本体２内の各部の制御を行うものである。
なお、信号処理部１１、ＤＳＣ１２、画像処理部１３および表示制御部１４は、ＣＰＵと、ＣＰＵに各種の処理を行わせるための動作プログラムから構成されるが、それらをデジタル回路で構成してもよい。

ここで、超音波探触子３の構造を図２に示す。
バッキング材３１の表面上に複数の無機圧電素子３２が配列形成されている。複数の無機圧電素子３２は、互いに分離された複数の無機圧電体３２ａを有し、それぞれの無機圧電体３２ａの一方の面に信号線電極層３２ｂが接合され、他方の面に接地電極層３２ｃが接合されている。すなわち、それぞれの無機圧電素子３２は、専用の無機圧電体３２ａと信号線電極層３２ｂと接地電極層３２ｃから形成されている。
このような複数の無機圧電素子３２の上に音響整合層３３が接合されている。音響整合層３３は、複数に分断されることなく、複数の無機圧電素子３２の全体にわたって延在している。

この音響整合層３３の上に複数の有機圧電素子３４が配列形成されている。複数の有機圧電素子３４は、これら複数の有機圧電素子３４にわたって延在する共通の有機圧電体３４ａを有している。そして、音響整合層３３に対向する有機圧電体３４ａの面上に複数の有機圧電素子３４に対応して互いに分離された複数の信号線電極層３４ｂが接合され、音響整合層３３とは反対側の有機圧電体３４ａの全面上に複数の有機圧電素子３４にわたって延在する共通の接地電極層３４ｃが接合されている。

すなわち、それぞれの有機圧電素子３４は、専用の信号線電極層３４ｂと、複数の有機圧電素子３４に共通の有機圧電体３４ａおよび接地電極層３４ｃから形成されている。このため、複数の有機圧電素子３４の配列ピッチは、有機圧電体３４ａの面上に接合された複数の信号線電極層３４ｂの配列ピッチのみにより決定されることとなる。この実施の形態においては、複数の信号線電極層３４ｂは、無機圧電素子３２の配列ピッチよりも狭いピッチで配列され、これにより、無機圧電素子３２よりも狭いピッチで配列された複数の有機圧電素子３４が形成されている。
さらに、複数の有機圧電素子３４の上に保護層３５を介して音響レンズ３６が接合されている。

無機圧電素子３２の無機圧電体３２ａは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される圧電セラミックまたはマグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）に代表される圧電単結晶から形成されている。一方、有機圧電素子３４の有機圧電体３４ａは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等の高分子圧電素子から形成されている。

音響整合層３３は、複数の無機圧電素子３２から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さを有すると共に、複数の無機圧電素子３２から送信される超音波を効率よく被検体内に入射させるように、無機圧電素子３２の音響インピーダンスと有機圧電素子３４の音響インピーダンスの中間的な値の音響インピーダンスを有する材料から形成されている。

図３に示されるように、受信回路５には、複数の無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ５１と、複数の有機圧電素子用アンプ５２および複数の有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ５３が内蔵されており、それぞれの無機圧電素子３２の信号線電極層３２ｂに受信回路５内の対応する無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ５１が接続され、それぞれの有機圧電素子３４の信号線電極層３４ｂに伝送ケーブル５４を介して受信回路５内の対応する有機圧電素子用アンプ５２および有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ５３が順次接続されている。また、それぞれの無機圧電素子３２の接地電極層３２ｃおよびそれぞれの有機圧電素子３４の接地電極層３４ｃは共に接地されている。
さらに、図３に示されていないが、それぞれの無機圧電素子３２の信号線電極層３２ｂに送信回路４が接続されている。

また、複数の有機圧電素子３４は、複数の無機圧電素子３２による超音波の送信時には、音響整合層３３に続く第２の音響整合層として利用される。このため、それぞれの有機圧電素子３４の有機圧電体３４ａは、複数の無機圧電素子３２から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さＤを有すると共に、音響整合層３３の音響インピーダンスと生体である被検体の音響インピーダンスの中間的な値の音響インピーダンスを有している。
例えば、無機圧電体３２ａを構成するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、約３５×１０^６（ｋｇ／ｍ^２ｓ）、有機圧電体３４ａを構成するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）は、約４×１０^６（ｋｇ／ｍ^２ｓ）、生体物質は、骨部を除くと、１〜２×１０^６（ｋｇ／ｍ^２ｓ）程度の固有の音響インピーダンスを有している。そこで、音響整合層３３の音響インピーダンスを、無機圧電体３２ａの音響インピーダンスと有機圧電体３４ａの音響インピーダンスの中間的な値に設定すれば、無機圧電素子３２から音響整合層３３および有機圧電素子３４を介して被検体まで、次第に音響インピーダンスの値が小さくなるような配列となり、十分なマッチング効果を発揮することができる。

また、複数の有機圧電素子３４は、超音波エコーの受信時には、非共振型の受信デバイスとして利用される。一般に、有機圧電体３４ａを構成するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等の高分子圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックに比べて、機械的品質係数Ｑｍが極めて低く、超音波診断における超音波エコーを受信する際に共振受信をすることがほとんどない。そこで、複数の有機圧電素子３４を非共振型の受信デバイスとして扱うことで、幅広い波長の超音波を受信することができ、任意の周波数で画像化することが可能となる。

なお、アレイ化された有機圧電素子３４は、数ｐＦ〜１０ｐＦ程度の極めて小さな静電容量を有するので、有機圧電素子３４で得られた受信信号の減衰を防ぐため、それぞれの有機圧電素子３４の信号線電極層３４ｂと受信回路５内の有機圧電素子用アンプ５２とを接続する伝送ケーブル５４の静電容量が、有機圧電素子３４の静電容量に対して０．１〜５倍の範囲内の値に制限される。可能であれば、有機圧電素子用アンプ５２が有機圧電素子３４の信号線電極層３４ｂに直結されるのが望ましい。

次に、この実施の形態の動作について説明する。
例えば、複数の無機圧電素子３２が超音波の送信専用のトランスデューサとして、複数の有機圧電素子３４が超音波の受信専用のトランスデューサとしてそれぞれ使用される。
超音波プローブ１の送信回路４からの駆動信号に従って、複数の無機圧電素子３２の信号線電極層３２ｂと接地電極層３２ｃの間にそれぞれパルス状または連続波の電圧が印加され、それぞれの無機圧電素子３２の無機圧電体３２ａが伸縮してパルス状または連続波の超音波が発生する。これらの超音波は、音響整合層３３、有機圧電素子３４、保護層３５および音響レンズ３６を介して被検体内に入射する。このとき、複数の有機圧電素子３４が音響整合層３３に続く第２の音響整合層として作用するため、十分なマッチング効果が発揮され、超音波が効率よく被検体内に入射することとなる。
被検体内に入射した超音波は互いに合成され、超音波ビームを形成して被検体内を伝搬する。

被検体からの超音波エコーが音響レンズ６および保護層５を介してそれぞれの有機圧電素子３４に入射すると、有機圧電体３４ａが超音波の高調波成分に高感度に応答して伸縮し、信号線電極層３４ｂと接地電極層３４ｃの間に電気信号が発生し、受信信号として出力される。このとき、有機圧電素子３４は、非共振型の受信デバイスとして利用されるので、幅広い波長の超音波を受信することができ、例えば、複数の無機圧電素子３２から送信される基本波に対するｎ次高調波成分も受信することができる。

それぞれの有機圧電素子３４の信号線電極層３４ｂから出力された受信信号は、受信回路５内の有機圧電素子用アンプ５２で増幅された後、有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ５３でＡ／Ｄ変換され、さらに受信フォーカス処理が行われてサンプルデータが生成される。このとき、有機圧電素子３４の静電容量に対し０．１〜５倍の範囲内の静電容量を有する伝送ケーブル５４を介してそれぞれの有機圧電素子３４の信号線電極層３４ｂから受信信号が受信回路５内の有機圧電素子用アンプ５２に伝送されるため、伝送に伴う受信信号の減衰を軽減することができる。

複数の有機圧電素子３４からの受信信号により受信回路５で生成されたサンプルデータに基づいて、診断装置本体２の画像生成部１７で高調波画像に対する画像信号が生成され、さらに、この画像信号に基づいて表示制御部１４により高調波画像が表示部１５に表示される。
このようにして、複数の有機圧電素子３４で得られた受信信号を、複数の無機圧電素子３２から送信される基本波に対するｎ次高調波の周波数で画像化する等、任意の周波数で画像化して、超音波画像を生成することができる。

また、複数の無機圧電素子３２を超音波の送受信兼用のトランスデューサとして使用することもできる。
この場合には、音響レンズ３６および保護層３５を介して有機圧電素子３４で受信された超音波エコーが、さらに有機圧電素子３４および音響整合層３３を介してそれぞれの無機圧電素子３２に入射し、無機圧電体３２ａが主に超音波の基本波成分に応答して伸縮し、信号線電極層３２ｂと接地電極層３２ｃの間に電気信号を発生する。この電気信号が、受信信号として出力され、受信回路５内の無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ５１でＡ／Ｄ変換される。

そして、Ａ／Ｄ変換された、複数の無機圧電素子３２から得られた基本波成分に対応する受信信号と複数の有機圧電素子３４から得られた高調波成分に対応する受信信号の双方に基づいて、受信回路５でサンプルデータが生成され、診断装置本体２の画像生成部１７で画像信号が生成され、さらに、この画像信号に基づいて表示制御部１４により超音波画像が表示部１５に表示される。
このようにして、基本波成分と高調波成分を複合したコンパウンド画像を生成することができる。

この実施の形態においては、超音波エコーの受信時に、複数の有機圧電素子３４を非共振型の受信デバイスとして利用するので、複数の無機圧電素子３２からの送信超音波の波長を任意に設定することができる。また、複数の無機圧電素子３２から送信される基本波が広帯域で、いわゆるリンギングが極めて少なく、高画質の超音波画像の生成を図ることができる。
さらに、複数の有機圧電素子３４により幅広い波長の超音波を受信することができるため、奥行き分解能が向上すると共に、検波周波数／フィルタ周波数を任意に２種類以上の周波数に設定することができ、画像設計の自由度が向上する。

なお、複数の有機圧電素子３４は、必ずしも複数の無機圧電素子３２の配列ピッチより狭いピッチで配列形成する必要はなく、例えば、複数の有機圧電素子３４を複数の無機圧電素子３２と同じ配列ピッチ、または、複数の無機圧電素子３２の配列ピッチより広いピッチで配列してもよい。ただし、図２に示したように、複数の有機圧電素子３４が、複数の無機圧電素子３２の配列ピッチよりも狭いピッチで配列されていれば、有機圧電素子３４により高次の高調波成分を受信しても、グレーティングローブが発生しにくくなり、高画質の超音波画像を生成することが可能となる。

また、超音波プローブ１と診断装置本体２との接続は、有線による接続および無線通信による接続のいずれの形態をとることもできる。

１ 超音波プローブ、２ 診断装置本体、３ 超音波探触子、４ 送信回路、５ 受信回路、６ プローブ制御部、１１ 信号処理部、１２ ＤＳＣ、１３ 画像処理部、１４ 表示制御部、１５ 表示部、１６ 画像メモリ、１７ 画像生成部、１８ 本体制御部、１９ 操作部、２０ 格納部、３１ バッキング材、３２ 無機圧電素子、３２ａ 無機圧電体、３２ｂ 信号線電極層、３２ｃ 接地電極層、３３ 音響整合層、３４ 有機圧電素子、３４ａ 有機圧電体、３４ｂ 信号線電極層、３４ｃ 接地電極層、３５ 保護層、３６ 音響レンズ、５１ 無機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ、５２ 有機圧電素子用アンプ、５３ 有機圧電素子用Ａ／Ｄコンバータ、５４ 伝送ケーブル、Ｄ 有機圧電体の厚さ。

Claims (7)

1. 音響整合層を挟んで複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが互いに積層された超音波探触子を用いて超音波の送受信を行うことにより得られる受信信号に基づき超音波画像を生成して表示する超音波診断装置であって、
   前記複数の有機圧電素子を第２の音響整合層として前記複数の無機圧電素子から超音波を送信する送信回路と、
   前記複数の有機圧電素子を非共振型の受信デバイスとして利用して超音波エコーを受信することにより得られた受信信号を処理してサンプルデータを生成する受信回路と、
   前記受信回路で生成されたサンプルデータに基づいて超音波画像を生成する画像生成部と
   を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記複数の有機圧電素子は、前記複数の無機圧電素子から送信される基本波の波長λに対してλ／４共振条件を満たす厚さを有する請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記画像生成部は、前記複数の有機圧電素子により得られた受信信号を任意の周波数で画像化することにより超音波画像を生成する請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記画像生成部は、前記複数の有機圧電素子により得られた受信信号を、前記複数の無機圧電素子から送信される基本波に対するｎ次高調波の周波数で画像化することにより超音波画像を生成する請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記受信回路は、前記複数の無機圧電素子により得られた受信信号と前記複数の有機圧電素子により得られた受信信号の双方に基づいてサンプルデータを生成する請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波診断装置。
6. 前記受信回路は、それぞれの前記有機圧電素子に対して０．１〜５倍の静電容量を有する伝送ケーブルを介して前記有機圧電素子で得られた受信信号をアンプに伝送して増幅する請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波診断装置。
7. 音響整合層を挟んで複数の無機圧電素子と複数の有機圧電素子とが互いに積層された超音波探触子を用いて超音波画像を生成する方法であって、
   前記複数の有機圧電素子を第２の音響整合層として前記複数の無機圧電素子から超音波を送信し、
   前記複数の有機圧電素子を非共振型の受信デバイスとして利用して超音波エコーを受信し、
   前記複数の有機圧電素子により得られた受信信号に基づいて超音波画像を生成する
   ことを特徴とする超音波画像生成方法。

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