JP2013146498A - 超音波診断装置、および超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波プローブ表面の異常発熱を検出可能な超音波診断装置および超音波プローブを提供すること。
【解決手段】本実施形態に係る超音波診断装置１は、音響整合層と配列された複数の振動子を有する振動子層とバッキング層との積層構造を有する超音波プローブ１１と、振動子を介して被検体に対して超音波を送受信する送受信部２０と、送受信部２０の出力に基づいて画像データを発生する画像発生部３１と、複数の振動子のうち特定の振動子による超音波発生と特定の振動子とは異なる振動子による超音波受信とを同期させるために送受信部を制御する制御部３９と、超音波発生と超音波受信との同期に対応する送受信部からの出力信号の基準信号に対する位相シフトを検出する位相シフト検出部２７とを具備し、制御部３９は、検出された位相シフトが所定の閾値に達したとき、振動子に印加される電圧を低下させるため、または電圧を前記振動子に印加することを停止するために、送受信部２０をさらに制御すること、を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置と超音波プローブとに関する。

従来、超音波診断装置は、被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号に基づいて、被検体の内部状態を画像化することができる。具体的には、超音波診断装置は、超音波プローブを介して被検体内に超音波を送信する。超音波診断装置は、超音波プローブを介して被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる被検体内からの反射波を受信し、受信信号を発生する。超音波診断装置は、受信信号に基づいて、被検体の内部状態を画像化する。

従来、超音波プローブは、図１１、図１２に示すように、アレイ状に配列され超音波を発生する複数の振動子と、振動子から被検体接触面側に向かって、振動子と被検体との間の音響インピーダンスの不整合を緩和する複数の音響整合層と、超音波を収束させる音響レンズとを有する。また、超音波プローブは、振動子の背面側に、信号引き出し用のフレキシブルプリント基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：以下、ＦＰＣと呼ぶ）とバッキング材とを有する。複数の振動子各々は、超音波診断装置からの送信信号に基づいて振動し、超音波を発生する。

超音波プローブにおいて、被検体に接触する部分（以下、被検体接触部分と呼ぶ）は、振動子の駆動により温度上昇を伴うことが一般的である。通常は超音波診断装置では適切な駆動条件が設定されている。しかしながら、何らかの異常により想定を超えた発熱が発生し続けた場合、被検体に火傷などの危害を与える可能性がある。

そのため、製品安全性向上の観点から、以下のような幾つかの技術が提案されている。例えば、図１３に示すように、超音波駆動時に被検体接触部分の温度を検出するために、超音波プローブ内部にサーミスタ等の温度センサを配置する技術が提案されている。この時、サーミスタ等の温度センサは、超音波伝播に影響を与えてしまうために、バッキング材内部に配置される。この時、超音波診断装置は、サーミスタから出力される信号を用いてバッキング材の温度をモニタリングすることで、異常発熱を検出し、振動子の駆動を停止させることができる。

しかしながら、超音波プローブ内部から超音波信号線とは別にサーミスタの信号線を引き出す必要がある。サーミスタの信号線の引き出しは、超音波プローブの製造を煩雑にし、製造コストを増大させる問題がある。加えて、サーミスタからの信号によりモニタリングされる温度は、バッキング材の温度であって、被検体接触部分の温度ではない。すなわち、上記技術は、時間的かつ空間的検出精度の観点から被検体接触部分の温度を直接的にモニタリングするものではなく、間接的な温度モニタリングシステムである。

また、別例として超音波プローブ外部に加圧センサを設置し、超音波プローブ未使用状態を識別する技術が提案されている。この技術の主目的は、未使用時に超音波プローブの駆動を停止することにより製品の劣化を防ぐことであるが、不要な発熱を低減することで製品安全性の向上に寄与することも可能である。

しかしながら、超音波信号線とは別に加圧センサの信号線を引き出す必要があり、上記技術と同様な問題がある。加えて、超音波プローブの使用中に発生した発熱異常には対処できない問題がある。

特許第３８６３２３４号公報

目的は、サーミスタまたは加圧センサなどの設置および超音波信号線とは異なる配線の引き出しが不要であって、超音波プローブ表面の異常発熱検知が可能な超音波診断装置および超音波プローブを提供することにある。

本実施形態に係る超音波診断装置は、音響整合層と配列された複数の振動子を有する振動子層とバッキング層との積層構造を有する超音波プローブと、前記振動子を介して被検体に対して超音波を送受信する送受信部と、前記送受信部の出力に基づいて画像データを発生する画像発生部と、前記複数の振動子のうち特定の振動子による超音波発生と前記特定の振動子とは異なる振動子による超音波受信とを同期させるために前記送受信部を制御する制御部と、前記超音波発生と前記超音波受信との同期に対応する前記送受信部からの出力信号の基準信号に対する位相シフトを検出する位相シフト検出部とを具備し、前記制御部は、前記検出された位相シフトが所定の閾値に達したとき、前記振動子に印加される電圧を低下させるため、または前記電圧を前記振動子に印加することを停止するために、前記送受信部をさらに制御すること、を特徴とする。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す構成図である。 図２は、本実施形態に係り、送信中心周波数と画像データに関する周波数帯域とを、位相シフトの検出に用いられる周波数とともに示すパワースペクトラムの一例を示す図である。 図３は、本実施形態に係り、音響整合層を伝搬する超音波の横波の概略の一例を示す概略図である。 図４は、本実形態に係り、ＦＥＭ用いられる超音波プローブの計算モデルの一例を示す図である。 図５は、本実施形態に係り、図４の計算モデルを用いたシミュレーション結果であり、５００ｋＨｚの周波数の超音波を５波送信したときの出力信号（８０℃）を、基準信号（２５℃）とともに示す図である。 図６は、本実施形態に係り、図５との比較のためのシミュレーション結果であり、３ＭＨｚの周波数の超音波を５波送信したときの出力信号（８０℃）を、基準信号（２５℃）とともに示す図である。 図７は、本実施形態に係り、基準信号に対する出力信号の位相シフトを検出し、検出された位相シフトが所定の閾値以上である場合、被検体への超音波の送信を停止する手順を示すフローチャートである。 図８は、本実施形態の変形例に係り、超音波プローブの開口における特定の振動子と受信振動子との一例を示す図である。 図９は、本実施形態の変形例に係り、図５との比較のためのシミュレーション結果であり、１００ｋＨｚの周波数の超音波を５波送信したときの出力信号（８０℃）を、基準信号（２５℃）とともに示す図である。 図１０は、本実施形態の変形例に係り、図５との比較のためのシミュレーション結果であり、１０ＭＨｚの周波数の超音波を５波送信したときの出力信号（８０℃）を、基準信号（２５℃）とともに示す図である。 図１１は、従来の超音波プローブにおいて、レンズ方向の断面図である。 図１２は、従来の超音波プローブにおいて、アレイ方向の断面図である。 図１３は、従来のサーミスタを有する超音波プローブにおいて、アレイ方向の断面図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる超音波診断装置を説明する。なお、以下の説明において、略同一の構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１の構成を示す構成図である。同図に示すように、超音波診断装置１は、超音波プローブ１１、装置本体１２、装置本体１２に接続され操作者からの各種指示・命令・情報を装置本体１２に取り込むための入力装置１３、モニタ１４を有する。加えて本超音波診断装置１には、心電計、心音計、脈波計、呼吸センサに代表される図示していない生体信号計測部およびネットワークが、後述するインターフェース部３７を介して接続されてもよい。

超音波プローブ１１は、複数の振動子を有する振動子層と、複数の音響整合層と、振動子層の背面側に設けられるバッキング材とを有する。複数の振動子は、圧電セラミックス等の音響／電気可逆的変換素子である。複数の振動子は並列され、超音波プローブ１１の先端に装備される。複数の音響整合層は、振動子層の前面に積層して配置される。以下、複数の音響整合層は、説明を簡単にするため、３種類であるとする。すなわち、振動子層の超音波放射面側（以下、放射面側と呼ぶ）に第１の音響整合層が積層される。第１の音響整合層の放射面側には、第２の音響整合層が積層される。第２の音響整合層の放射面側には第３の音響整合層が積層される。なお、複数の音響整合層のうち少なくとも一つの音響整合層は、複数の振動子に対して非分割である。例えば、第１、第２の音響整合層は、振動子層における複数の振動子に対応して分割される。第３の音響整合層は、振動子層における複数の振動子に対して非分割な構造を有する。

複数の振動子が１次元に配列されている場合（以下、１次元アレイ振動子と呼ぶ）、音響レンズが第３の音響整合層の放射面側に配置される。複数の振動子が２次元に配列されている場合（以下、２次元アレイ振動子と呼ぶ）、音響レンズは不要となる。圧電振動子と音響レンズの間に共通電極が配置される。

バッキング材は、振動子の後方への超音波の伝搬を防止する。振動子層とバッキング材との間には、複数の振動子にそれぞれ対応する複数の個別電極を有するフレキシブルプリント基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：以下、ＦＰＣと呼ぶ）が配置される。ＦＰＣは、超音波プローブ１１からケーブルを介して、装置本体１２の後述する送受信部に接続される。以下、１つの振動子が１チャンネルを構成するものとして説明する。

複数の振動子各々は、後述する送受信部２０のパルサから供給される駆動信号に応答して、超音波を発生する。超音波プローブ１１を介して被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波（以下、送信超音波と呼ぶ）は、被検体内の生体組織における音響インピーダンスの不連続面で反射される。振動子は、反射された超音波を受信し、エコー信号を発生する。エコー信号の振幅は、超音波の反射に関する不連続面を境界とする音響インピーダンスの差に依存する。また、送信超音波が移動している血流、および心臓壁等の表面で反射された場合のエコー信号の周波数は、ドプラ効果により、移動体（血流および心臓壁の表面）の超音波送信方向の速度成分に依存して偏移する。

以下、超音波プローブ１１は、１次元アレイにより２次元走査するプローブとして説明する。なお、超音波プローブ１１は、１次元アレイを複数の振動子の配列方向と直交する方向に揺動させて３次元走査を実行するメカニカル４次元プローブであってもよい。また、超音波プローブ１１は、メカニカル４次元プローブに限定されず、２次元アレイ振動子を有する２次元アレイプローブであってもよい。

装置本体１２は、送受信部２０と、ハイパスフィルタ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：以下、ＨＰＦと呼ぶ）２３と、ローパスフィルタ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：以下、ＬＰＦと呼ぶ）２５と、位相シフト検出部２７と、温度推定部２９と、画像発生部３１と、画像合成部３３と、記憶部３５と、インターフェース部３７と、制御部（中央演算処理装置：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：以下ＣＰＵと呼ぶ）３９とを有する。

送受信部２０は、レートパルス発生器２１Ａと、送信遅延回路２１Ｂ、複数のチャンネル各々に対応するパルサ回路２１Ｃ、プリアンプ２２Ａ、図示していないアナログディジタル（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ（以下、Ａ／Ｄと呼ぶ））変換器、受信遅延回路２２Ｂと、加算器２２Ｃを有する。送受信部２０は、後述するＣＰＵ３９による制御のもとで、超音波プローブ１１における複数の振動子各々に駆動信号を供給する。

レートパルス発生器２１Ａは、所定のレート周波数ｆｒＨｚ（周期：１／ｆｒ秒）で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。発生されたレートパルスは、チャンネル数に分配され、送信遅延回路２１Ｂに送られる。送信遅延回路２１Ｂは、複数のチャンネルごとに、送信超音波をビーム状に収束し、かつ送信指向性を決定するために必要な遅延時間（以下、送信遅延時間と呼ぶ）を、各レートパルスに与える。送信超音波の送信方向または送信遅延時間（以下、送信遅延パターンと呼ぶ）は、後述する記憶部３５に記憶される。記憶部３５に記憶された送信遅延パターンは、後述するＣＰＵ３９により超音波の送信時に参照される。パルサ回路２１Ｃは、このレートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ１１の複数の振動子各々に電圧パルス（駆動信号）を印加する。これにより、超音波ビームが被検体に送信される。

プリアンプ２２Ａは、超音波プローブ１１を介して取り込まれた被検体Ｐからのエコー信号をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅されたエコー信号をディジタル信号に変換する。受信遅延回路２２Ｂは、ディジタル信号に変換されたエコー信号に、受信指向性を決定するために必要な遅延時間（以下、受信遅延時間と呼ぶ）を与える。エコー信号の受信方向または受信遅延時間（以下、受信遅延パターンと呼ぶ）は、後述する記憶部３５に記憶される。記憶部３５に記憶された受信遅延パターンは、後述するＣＰＵ３９により超音波の受信時に参照される。

加算器２２Ｃは、遅延時間が与えられた複数のエコー信号を加算する。この加算により、送受信部２０は、受信指向性に応じた方向からの反射成分を強調した受信信号（ＲＦ（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号ともいう）を発生する。この送信指向性と受信指向性とにより超音波送受信の総合的な指向性が決定される。この総合的な指向性により、超音波ビーム（いわゆる「超音波走査線」）が決まる。なお、プリアンプ２２ＡとＡ／Ｄ変換器と受信遅延回路２２Ｂとの代わりにディジタルビームフォーマが用いられてもよい。

送受信部２０は、後述するＣＰＵ３９による制御のもとで、複数の振動子のうち特定の振動子による超音波発生と、特定の振動子とは異なる振動子（以下、受信振動子と呼ぶ）による超音波受信とを同期させる。超音波発生と超音波受信との同期は、例えば、走査範囲を走査するごとに実行される。なお、超音波発生と超音波受信との同期は、走査範囲における１走査線の超音波送受信ごとに実行されてもよい。なお、受信振動子は、特定の振動子に隣接する振動子（以下、隣接素子と呼ぶ）であってもよい。

また、超音波発生と超音波受信との同期は、所定の間隔だけ離れた２つの振動子（以下、振動子対と呼ぶ）に対して実行されてもよい。この時、所定の間隔は、第３の音響整合層を伝搬する超音波の横波の減衰量、および音響レンズ表面における超音波の反射波の振動子への到達時間とに基づいて決定される。所定の間隔とは、例えば、１乃至２の振動子の距離を隔てた間隔である。なお、振動子対は複数であってもよい。この時、後述する温度推定部２９により、第３の音響整合層の温度分布を推定することも可能となる。また、特定の振動子は、一つであって、受信振動子は複数であってもよい。また、受信振動子は、開口において任意の位置に設定可能である。

送受信部２０は、後述する超音波画像に影響しない周波数であって、かつ第３の音響整合層の横波の共振周波数（固有周波数）に近い周波数を有する超音波を発生させるための電圧を、特定の振動子に印加する。走査範囲を超音波で走査後に、特定の意振動子により発生される超音波は、第３の音響整合層を横波として伝搬しやすい波数およびパルス繰り返し周波数（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：以下、ＰＲＦと呼ぶ）と、上記周波数とを有する。

送受信部２０は、後述するＣＰＵ３９による制御のもとで、特定の振動子による超音波発生と同期して、第３の音響整合層を伝搬した超音波の横波を、受信振動子で受信する。具体的には、特定の振動子で発生された超音波は、非分割の音響整合層にて横波に変換される。横波は、超音波の放射方向（以下、音響放射方向と呼ぶ）と直交する方向（以下、直交方向と呼ぶ）に非分割の音響整合層を伝搬する。非分割の音響整合層を伝搬した横波は、受信振動子に到達する。送受信部２０は、受信振動子から出力される出力信号を、後述するＬＰＦ２５に出力する。

図２は、３ＭＨｚの送信周波数、および画像化に用いられる１ＭＨｚ乃至５ＭＨｚの周波数帯域を、後述する位相シフトの検出に関する出力信号に関する周波数とともに示した周波数スペクトルに関する図である。以下、画像化に関する超音波の送信周波数を、画像化送信周波数と呼ぶ。

ＨＰＦ２３は、送受信部２０から出力された受信信号のうち、画像化に関する高周波成分（図２の１ＭＨｚ乃至５ＭＨｚの周波数帯域）を通過させるディジタルフィルタである。ＨＰＦ２３を通過した受信信号は、後述する画像発生部３１に出力される。なお、ＨＰＦ２３は、超音波発生と超音波受信との同期に対応した送受信部２０から出力された出力信号を、遮断する。

ＬＰＦ２５は、送受信部２０から出力された受信信号のうち、後述する位相シフトの検出に関する低周波成分（図２の１ＭＨｚ以下の周波数帯域）を通過させるディジタルフィルタである。具体的には、ＬＰＦ２５は、超音波発生と超音波受信との同期に対応する送受信部２０からの出力信号を通過させる。超音波発生と超音波受信との同期に対応する送受信部２０からの出力信号とは、音響整合層を伝搬した超音波の横波を受信することにより、受信振動子から出力される信号（以下、横波受信信号と呼ぶ）である。ＬＰＦ２５は、画像化に関する受信信号を遮断する。

なお、ＨＰＦ２３とＬＰＦ２５とは、位相シフトの検出のための超音波受信と画像化のための超音波の受信と同期して、通過できる周波数帯域を切り替えるフィルタであってもよい。

図３は、超音波プローブ１１のアレイ方向から見た断面図であって、第３の音響整合層を伝搬する超音波の横波の一例を示す図である。超音波はプローブ内を伝搬する過程で、その一部が非分割の音響整合層にて横波に変換され、音響放射方向とは直行方向にも伝搬し、隣接素子に到達する。

位相シフト検出部２７は、ＬＰＦ２５を通過した出力信号（横波受信信号）の基準信号に対する位相シフトを検出する。具体的には、位相シフト検出部２７は、後述する記憶部３５に記憶された基準信号を、記憶部３５から読み出す。位相シフト検出部２７は、基準信号に対する横波受信信号の位相シフトを検出する。位相シフトとは、例えば、基準信号における所定の波数における最大振幅の時刻と、所定の波数と同じ波数における横波受信信号の最大振幅の時刻との間隔（以下、時間間隔と呼ぶ）である。基準信号とは、例えば、第３の音響層整合層の温度が２５℃であって、特定の振動子における超音波発生と受信振動子における超音波受信との同期に対応する送受信部２０からの出力信号である。位相シフト検出部２７は、検出した位相シフトを、後述するＣＰＵ３９と温度推定部２９とに出力する。

位相シフト検出部２７は、複数の振動子対にそれぞれ対応する複数の位相シフトを検出することも可能である。位相シフト検出部２７は、複数の位相シフトを、後述するＣＰＵ３９と温度推定部２９とに出力する。

図４は、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：以下、ＦＥＭと呼ぶ）によるコンピュータ・シミュレーションにおける計算モデルの一例を示す図である。計算モデルとして中心周波数約3ＭＨｚのセクタアレイプローブを想定した。図４におけるＡは、特定の振動子を示している。図４におけるＢは、受信振動子を示している。図５は、図４の計算モデルを用いて、ＦＥＭによるシミュレーション結果の一例を示す図である。超音波の送信周波数は、５００ｋＨｚで波数は５である。図５における実線は、第３の音響整合層の温度が通常使用状態に近い２５℃における基準信号の波形を示している。図５における点線は、第３の音響整合層の温度が明らかに異常発熱状態である８０℃における出力信号（横波受信信号）の波形を示している。音響整合層に使用される材料は温度に依存して音速が変化するため、本シミュレーションではそれぞれの温度における音速を規定して計算を行った。図５における矢印で挟まれた時間間隔は、２番目の波数において、基準信号の最大振幅値の時刻と横波受信信号の最大振幅値の時刻とで挟まれる位相シフトを示している。

なお、図６は、図４の計算モデルを用いて、ＦＥＭによるシミュレーション結果の一例を示す図である。送信周波数は、３ＭＨｚで波数は５である。図６における実線は、第３の音響整合層の温度が２５℃における基準信号の波形を示している。図６における点線は、第３の音響整合層の温度が８０℃における出力信号（横波受信信号）の波形を示している。図６に示すように、送信周波数が３ＭＨｚの場合、位相シフトを検出できないことが示唆される。

ＬＰＦ２５は、図２における画像データに関する周波数帯域の最小周波数より大きな周波数に関する受信信号を遮断し、図２における周波数帯域の最小周波数より小さい周波数に関する出力信号を通過させる。ＨＰＦ２３は、図２における画像データに関する周波数帯域の受信信号を通過させる。

温度推定部２９は、第３の音響整合層の温度に対する位相シフトの対応表（以下、整合層温度対応表と呼ぶ）を、後述する記憶部３５から読み出す。温度推定部２９は、位相シフト検出部２７から出力された位相シフトと、整合層温度対応表とに基づいて、第３の音響整合層の温度を推定する。温度推定部２９は、推定した温度を後述する画像合成部３３に出力する。なお、温度推定部２９は、推定した温度を、後述するＣＰＵ３９および後述するモニタ１４に出力してもよい。温度推定部２９は、複数の振動子対にそれぞれ対応した複数の位相シフトと整合層温度対応表とに基づいて、第３の音響整合層の温度分布を推定することも可能である。

また、温度推定部２９は、第３の音響整合層の温度に対する超音波プローブ１１と被検体との接触面の温度の対応表（以下、接触面温度対応表と呼ぶ）を、記憶部３５から読み出す。温度推定部２９は、推定された第３の音響整合層の温度と接触面温度対応表とに基づいて、接触面の温度を推定する。温度推定部２９は、推定した接触面の温度を後述する画像合成部３３に出力する。なお、温度推定部２９は、第３の音響整合層の温度分布と整合層温度対応表とに基づいて、接触面の温度分布を推定することも可能である。温度推定部２９は、推定した温度分布を後述する画像合成部３３に出力する。

画像発生部３１は、図示していないＢモード処理ユニットと、ドプラ処理ユニットと、画像生成ユニットとを有する。画像発生部３１は、超音波画像を発生する。超音波画像とは、後述するＢモード画像、ドプラ画像である。

Ｂモード処理ユニットは、図示していない包絡線検波器、対数変換器などを有する。包絡線検波器は、ＨＰＦ２３から出力された受信信号に対して包絡線検波を実行する。包絡線検波器は、包絡線検波された信号を、後述する対数変換器に出力する。対数変換器は、包絡線検波された信号に対して対数変換して弱い信号を相対的に強調する。Ｂモード処理ユニットは、対数変換器により強調された信号に基づいて、各走査線および各超音波送受信における深さごとの信号値（Ｂモードデータ）を発生する。

なお、Ｂモード処理ユニットは、被走査領域におけるアジマス（Ａｚｉｍｕｔｈ）方向、エレベーション（Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向、深さ方向（以下レンジ（Ｒａｎｇｅ）方向と呼ぶ）にそれぞれ対応付けて配列された複数の信号値からなる３次元Ｂモードデータを発生してもよい。レンジ方向とは、走査線上の深さ方向である。アジマス方向とは例えば、１次元超音波振動子の配列方向に沿った電子走査方向である。エレベーション方向とは、１次元超音波振動子の機械的揺動方向である。

なお、３次元Ｂモードデータは、複数の画素値または複数の輝度値などを、走査線に沿って、アジマス方向、エレベーション方向、レンジ方向にそれぞれ対応付けて配列させたデータであってもよい。また、３次元Ｂモードデータは、被走査領域において予め設定された関心領域（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ：以下ＲＯＩと呼ぶ）に関するデータであってもよい。また、Ｂモード処理ユニットは、３次元Ｂモードデータの代わりにボリュームデータを発生してもよい。以下、Ｂモード処理ユニットで発生されるデータをまとめて、Ｂモードデータ呼ぶ。

ドプラ処理ユニットは、図示していないミキサー、低域通過フィルタ、速度／分散／Ｐｏｗｅｒ演算デバイス等を有する。ミキサーは、ＨＰＦ２３から出力された受信信号に、送信周波数と同じ周波数ｆ_０を有する基準信号を掛け合わせる。この掛け合わせにより、ドプラ偏移周波数ｆ_ｄの成分の信号と（２ｆ_０＋ｆ_ｄ）の周波数成分を有する信号とが得られる。低域通過フィルタは、ミキサーからの２種の周波数成分を有する信号のうち、高い周波数成分（２ｆ_０＋ｆ_ｄ）の信号を取り除く。ドプラ処理ユニットは、高い周波数成分（２ｆ_０＋ｆ_ｄ）の信号を取り除くことにより、ドプラ偏移周波数ｆ_ｄの成分を有するドプラ信号を発生する。

なお、ドプラ処理ユニットは、ドプラ信号を発生するために、直交検波方式を用いてもよい。このとき、受信信号（ＲＦ信号）は、直交検波されＩＱ信号に変換される。ドプラ処理ユニット１４２は、ＩＱ信号を複素フーリエ変換することにより、ドプラ偏移周波数ｆ_ｄの成分を有するドプラ信号を発生する。ドプラ信号は、例えば、血流、組織、造影剤によるエコー成分である。

速度／分散／Ｐｏｗｅｒ演算デバイスは、図示していないＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）フィルタ、自己相関演算器等を有する。ＭＴＩフィルタは、発生されたドプラ信号に対して、臓器の呼吸性移動や拍動性移動などに起因するドプラ成分（クラッタ成分）を除去する。自己相関演算器は、ＭＴＩフィルタによって血流情報のみが抽出されたドプラ信号に対して、自己相関値を算出する。自己相関演算器は、算出された自己相関値に基づいて、血流の平均速度値、分散値、ドプラ信号の反射強度等を算出する。速度／分散／Ｐｏｗｅｒ演算デバイスは、複数のドプラ信号に基づく血流の平均速度値、分散値、ドプラ信号の反射強度等に基づいて、カラードプラデータを発生する。以下、ドプラ信号とカラードプラデータとをまとめて、ドプラデータと呼ぶ。

また、ドプラデータとＢモードデータとをまとめてローデータ（Ｒａｗ Ｄａｔａ）と呼ぶ。なお、ローデータは、エコー信号のうち、送信超音波の高調波成分によるＢモードデータ、および被検体内の生体組織に関する弾性データであってもよい。Ｂモード処理ユニットおよびドプラ処理ユニットは、発生したローデータを画像生成ユニットに出力する。なお、Ｂモード処理ユニットおよびドプラ処理ユニットは、発生したローデータを図示していないシネメモリに出力することも可能である。

画像生成ユニットは、図示していないディジタルスキャンコンバータ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下ＤＳＣと呼ぶ）を有する。画像生成ユニットは、ＤＳＣに対して、座標変換処理（リサンプリング）を実行する。座標変換処理とは、例えば、ローデータからなる超音波スキャンの走査線信号列を、テレビなどに代表される一般的なビデオフォーマットの走査線信号列に変換することである。画像生成ユニットは、座標変換処理に続けて補間処理を、ＤＳＣに対して実行する。補間処理とは、隣り合う走査線信号列におけるローデータを用いて、走査線信号列間にデータを補間する処理である。

画像生成ユニットは、ローデータに対して座標変換処理と補間処理とを実行することにより、表示画像としての超音波画像を生成する。なお、画像生成ユニットは、生成した超音波画像に対応するデータ（以下、画像データと呼ぶ）を記憶する画像メモリを有していてもよい。画像生成ユニットは、座標変換処理と補間処理とを実行したローデータを、画像合成部３３に出力する。以下、Ｂモードデータを用いて発生された超音波画像をＢモード画像と呼ぶ。また、ドプラデータを用いて発生された超音波画像をドプラ画像と呼ぶ。

シネメモリは、例えばフリーズする直前の複数のフレームに対応する超音波画像を保存するメモリである。このシネメモリに記憶されている画像を連続表示（シネ表示）することで、超音波動画像を表示することも可能である。

画像合成部３３は、発生された超音波画像に、種々のパラメータの文字情報および目盛等を合成する。画像合成部３３は、合成された超音波画像をモニタ１４に出力する。画像合成部３３は、温度推定部２９により推定された温度（接触面の温度と第３の音響整合層の温度とのうち少なくとも一つ）を、後述するモニタ１４に出力するために、超音波画像に合成することも可能である。画像合成部３３は、温度推定部２９により推定された温度分布を、後述するモニタ１４に出力するために、超音波画像に合成することも可能である。

記憶部３５は、フォーカス深度の異なる複数の受信遅延パターンおよび複数の送信遅延パターン、本超音波診断装置１の制御プログラム、診断プロトコル、送受信条件等の各種データ群、画像発生部３１で発生されたローデータおよび超音波画像などを記憶する。記憶部３５は、整合層温度対応表を記憶する。記憶部３５は、所定の閾値を記憶する。所定の閾値とは、例えば、第３の音響整合層の温度に対応する位相シフトの値である。所定の閾値とは、具体的には、例えば、被検体接触部分において、被検体に対する安全性に関する温度（以下、限界温度と呼ぶ）に対応する位相シフトの値である。なお、記憶部３５は、後述する所定の警告、所定の警告音などを記憶してもよい。また、記憶部３５は、限界温度を記憶してもよい。記憶部３５は、接触面温度対応表を記憶してもよい。

インターフェース部３７は、入力装置１３、ネットワーク、図示していない外部記憶装置および生体信号計測部に関するインターフェースである。装置本体１２によって得られた超音波画像等のデータおよび解析結果等は、インターフェース部３７とネットワークとを介して他の装置に転送可能である。なお、インターフェース部３７は、ネットワークを介して、図示していない他の医用画像診断装置で取得された被検体に関する医用画像を、ダウンロードすることも可能である。

ＣＰＵ３９は、操作者により入力装置１３を介して入力されたＢモードとドプラモードとの選択、フレームレート、被走査深度、送信開始・終了に基づいて、記憶部３５に記憶された送信遅延パターン、受信遅延パターンと装置制御プログラムとを読み出し、これらに従って装置本体１２および超音波プローブ１１を制御する。ＣＰＵ３９は、複数の振動子のうち特定の振動子による超音波発生と、特定の振動子とは異なる振動子による超音波受信とを同期させるために、送受信部２０を制御する。ＣＰＵ３９は、記憶部３５に記憶された所定の閾値を読み出す。ＣＰＵ３９は、検出された位相シフトが所定の閾値に達した場合、画像データの発生に関する超音波を発生させるために振動子に印加される電圧（以下、印加電圧と呼ぶ）を低減させるために、送受信部２０を制御する。

ＣＰＵ３９は、複数の振動子対にそれぞれ対応する複数の位相シフトが位相シフト検出部２７から出力された場合、複数の位相シフトのうち最大の位相シフトを、所定の閾値と比較してもよい。また、ＣＰＵ３９は、複数の振動子対のうち、開口中心にもっとも近い受信振動子に関する位相シフトを、複数の位相シフトから選択し、所定の閾値と比較してもよい。

なお、ＣＰＵ３９は、検出された位相シフトが所定の閾値に達した場合、以下のような制御を実行してもよい。ＣＰＵ３９は、印加電圧を振動子に印加することを停止するために、送受信部２０を制御する。また、ＣＰＵ３９は、所定の警告をモニタに表示させるために、モニタ１４を制御することも可能である。また、ＣＰＵ３９は、所定の警告音を図示していない音声出力部から出力するために、音声出力部を制御してもよい。

なお、ＣＰＵ３９は、推定された温度を記憶部３５に記憶された限界温度と比較してもよい。この時、ＣＰＵ３９は、推定された温度が限界温度に達した場合、振動子に印加される電圧（以下、印加電圧と呼ぶ）を低減させるため、または印加電圧を振動子に印加することを停止するために、送受信部２０を制御する。

入力装置１３は、インターフェース部３７に接続され操作者からの各種指示・命令・情報・選択・設定を装置本体１２に取り込む。入力装置１３は、図示していないトラックボール、スイッチボタン、マウス、キーボード等の入力デバイスを有する。入力デバイスは、表示画面上に表示されるカーソルの座標を検出し、検出した座標をＣＰＵ３９に出力する。なお、入力デバイスは、表示画面を覆うように設けられたタッチコマンドスクリーンでもよい。この場合、入力装置１３は、電磁誘導式、電磁歪式、感圧式等の座標読み取り原理でタッチ指示された座標を検出し、検出した座標をＣＰＵ３９に出力する。また、操作者が入力装置１３の終了ボタンまたはフリーズボタンを操作すると、超音波の送受信は終了し、装置本体１２は一時停止状態となる。

モニタ１４は、画像合成部３３の出力に基づいて、Ｂモード画像およびドプラ画像などの超音波画像を表示する。なお、モニタ１４は、表示された画像に対して、ブライトネス、コントラスト、ダイナミックレンジ、γ補正などの調整および、カラーマップの割り当てを実行してもよい。なお、モニタ１４は、接触面の温度と第３の音響整合層の温度とのうち少なくとも一つを表示することも可能である。また、モニタ１４は、第３の音響整合層の温度分布または接触面の温度分布を表示することも可能である。

（位相シフト送受信制御機能）
位相シフト送受信制御機能とは、検出された位相シフトと所定の閾値とに基づいて超音波の送受信を制御する機能である。以下、位相シフト送受信制御機能に関する処理（以下、位相シフト送受信制御処理と呼ぶ）を説明する。

図７は、位相シフト送受信制御処理の手順を示すフローチャートである。
被検体に超音波が送信され、Ｂモード画像が生成される（ステップＳａ１）。特定の振動子から、超音波が発生される（ステップＳａ２）。特定の振動子における超音波の発生と同期して、受信振動子を介して横波受信信号が発生される（ステップＳａ３）。基準信号に対する横波受信信号の位相シフトが検出される（ステップＳａ４）。検出された位相シフトが所定の閾値未満なら、ステップＳａ１からステップＳａ４までの処理が繰り返される（ステップＳａ５）。検出された位相シフトが所定の閾値以上のとき、被検体への超音波の送信が停止される（ステップＳａ６）。

なお、検出された位相シフトを用いて音響整合層の温度が推定され、推定された温度と限界温度とに基づいて、被検体への超音波の送信停止されることも可能である。限界温度のデータは、記憶部３５に記憶される。具体的には、位相シフトと対応表とに基づいて、第３の音響整合層の温度が推定される。推定された温度と記憶部から読み出した限界温度とが比較される。この時、推定された温度が限界温度未満ならば、ステップＳａ１からステップＳａ４までの処理が繰り返される。推定された温度が限界温度以上のとき、被検体への超音波の送信が停止される。

（変形例）
実施形態との相違は、位相シフトの検出に用いられる送信中心周波数（以下、位相シフト検出周波数と呼ぶ）を有する超音波を発生する振動子（以下、第１の振動子と呼ぶ）と、第３の音響整合層を伝搬した超音波の横波を受信する振動子（以下、第２の振動子と呼ぶ）と、超音波画像を発生させるために被検体に送信する超音波を発生し、被検体内で反射された超音波を受信しエコー信号を発生する複数の振動子（以下、第３の振動子と呼ぶ）とを有する。なお、第１及び第２の振動子は、同じ構造の振動子であってもよい。第１、第２の振動子は、位相シフト検出専用の振動子であって、第３の振動子は、超音波画像の発生に関する専用の振動子である。

第１の振動子は、超音波プローブの開口中心に位置させる。なお、第１の振動子は、開口中心近傍に位置させてもよい。開口中心とは、例えば、開口形状の重心である。第２の振動子は、第１の振動子の近傍に配置される。具体的には、第２の振動子は、第１の振動子に隣り合う位置に配置される。なお、第２の振動子は、第１の振動子から所定の間隔離れた位置に配置されてもよい。また、第１の振動子と第２の振動子とはそれぞれ対に複数配置されてもよい。

第１の振動子は、例えば、画像化送信周波数が３ＭＨｚである場合、位相シフト検出周波数として、５００ｋＨｚの周波数を有する超音波を、ＣＰＵ３９による制御のもとで発生する。位相シフト検出周波数は、例えば、第３の音響整合層の材質を用いたコンピュータ・シミュレーションにより、予め決定される。決定された位相シフト検出周波数を効率的に発生させるために、第１の振動子の材質及び厚みが決定される。

図８は、２次元アレイ振動子を有する超音波プローブ１１の超音波放射面における開口と、開口における第１乃至第３の振動子の配置の一例を示す図である。なお、第１乃至第３の振動子の開口における位置を示すために、第１乃至第３の音響整合層は省略している。図８におけるＡは、第１の振動子を示している。図８におけるＢは、第２の振動子を示している。

図９は、図４の計算モデルを用いて、ＦＥＭによるシミュレーション結果の一例を示す図である。第１の振動子で発生される超音波の位相シフト検出周波数は、１００ｋＨｚで波数は５である。図９における実線は、第３の音響整合層の温度が２５℃における基準信号の波形を示している。図９における点線は、第３の音響整合層の温度が８０℃における出力信号（横波受信信号）の波形を示している。図９に示すように、位相シフト検出周波数が１００ｋＨｚの場合、位相シフトを検出できないことが示唆される。

図１０は、図４の計算モデルを用いて、ＦＥＭによるシミュレーション結果の一例を示す図である。第１の振動子で発生される超音波の位相シフト検出周波数は、１０ＭＨｚで波数は５である。図１０における実線は、第３の音響整合層の温度が２５℃における基準信号の波形を示している。図１０における点線は、第３の音響整合層の温度が８０℃における出力信号（横波受信信号）の波形を示している。図１０に示すように、位相シフト検出周波数が１０ＭＨｚの場合、位相シフトを検出できないことが示唆される。

以上に述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。
本超音波診断装置１によれば、例えば第３の音響整合層のような非分割の音響整合層を伝搬しやすく、発生される超音波画像に影響しない周波数、波数およびＰＲＦを有する超音波を、例えば超音波画像に関する走査範囲の走査ごとに、特定の振動子により発生することができる。本超音波診断装置１によれば、特定の振動子による超音波発生と、特定の振動子とは異なる振動子による超音波受信とを同期させ、同期に対応する出力信号の基準信号に対する位相シフトを検出することができる。本超音波診断装置１によれば、検出された位相シフトが所定の閾値に到達したとき、振動子に印加する印加電圧を低減させるため、または振動子への印加電圧の印加を停止するために、送受信部を制御することができる。

これらのことから、本超音波診断装置１によれば、超音波プローブ１１内に、サーミスタなどの温度センサ及び加圧センサと、各センサからの出力を引き出すための信号線とを設置することなく、超音波プローブ１１と被検体との接触面の温度が高温になる前に、印加電圧の低減または印加電圧の印加の停止を実行することができる。本超音波診断装置１によれば、超音波プローブ１１内に、サーミスタなどの温度センサ及び加圧センサの設置と、各センサからの出力を引き出すための信号線の設置とが不要となるため、超音波プローブ１１の製造コストを低減させることができる。また、本超音波診断装置１によれば、開口における任意の位置で位相シフトを検出できるため、音響整合層の温度分布および接触面の温度分布を推定し、表示することも可能である。加えて、本超音波診断装置１によれば、位相シフトと閾値とに基づいて、所定の警告を表示、および所定の警告音を発生することができる。

本超音波診断装置１の変形例によれば、位相シフトを検出するための振動子を、超音波プローブ１１内に設置することができる。これにより、超音波画像の発生に関する振動子と、位相シフトの検出に用いられる振動子とを分離することができる。従って、超音波画像の発生および位相シフトの検出に最適な超音波の送受信条件を設定することができる。

以上のことから、本超音波診断装置１によれば、超音波プローブ１１の温度モニタリングが可能であって、本超音波画像に影響なくかつ、高性能で被検体にとってより安全な超音波診断装置を提供することができる。

加えて、実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記憶媒体に格納して頒布することも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…超音波診断装置、１１…超音波プローブ、１２…装置本体、１３…入力装置、１４…モニタ、２０…送受信部、２１Ａ…レートパルス発生器、２１Ｂ…送信遅延回路、２１Ｃ…パルサ回路、２２Ａ…プリアンプ、２２Ｂ…受信遅延回路、２２Ｃ…加算器、２３…ＨＰＦ、２５…ＬＰＦ、２７…位相シフト検出部、２９…温度推定部、３１…画像発生部、３３…画像合成部、３５…記憶部、３７…インターフェース部、３９…制御部（ＣＰＵ）、

Claims (10)

1. 音響整合層と配列された複数の振動子を有する振動子層とバッキング層との積層構造を有する超音波プローブと、
   前記振動子を介して被検体に対して超音波を送受信する送受信部と、
   前記送受信部の出力に基づいて画像データを発生する画像発生部と、
   前記複数の振動子のうち特定の振動子による超音波発生と前記特定の振動子とは異なる振動子による超音波受信とを同期させるために前記送受信部を制御する制御部と、
   前記超音波発生と前記超音波受信との同期に対応する前記送受信部からの出力信号の基準信号に対する位相シフトを検出する位相シフト検出部とを具備し、
   前記制御部は、
   前記検出された位相シフトが所定の閾値に達したとき、前記振動子に印加される電圧を低下させるため、または前記電圧を前記振動子に印加することを停止するために、前記送受信部をさらに制御すること、
   を特徴とする超音波診断装置。
2. 前記音響整合層の温度に対する前記位相シフトの依存性に基づいて、前記音響整合層の温度を推定する温度推定部をさらに具備すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記位相シフト検出部は、前記位相シフトを時間間隔として検出すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記制御部は、前記画像データに関する超音波の送受信とは異なる時相に、前記超音波発生と前記超音波受信とを同期させるために前記送受信部をさらに制御すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
5. 前記制御部は、前記画像データの発生に関する超音波の周波数と異なる前記超音波発生と前記超音波受信とを同期させるために、前記送受信部をさらに制御すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
6. 前記特定の振動子は、前記画像データの発生に関する超音波の周波数と異なる前記超音波発生に関する振動子であること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
7. 前記送受信部からの出力のうち、前記出力信号を抽出するためのローパスフィルタをさらに具備すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
8. 配列された複数の振動子を有する振動子層と、
   前記振動子層の背面側に設けられたバッキング材と、
   前記振動子層の前面側に設けられた複数の音響整合層とを具備し、
   前記複数の振動子のうちの特定の振動子は、被検体に送信される超音波の周波数より低い周波数の超音波を発生し、前記特定の振動子とは異なる振動子は、前記音響整合層を伝搬した超音波を受信すること、
   を特徴とする超音波プローブ。
9. 前記音響整合層の少なくとも一つは、非分割構造を有すること、
   を特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。
10. 前記特定の振動子は、開口の中心に位置すること、
    を特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。

Images