JP2013243462A - 超音波プローブおよび超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域でかつ高感度な２周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プローブ１は、第１圧電体１８と、前記第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する第２圧電体３０と、前記第１圧電体１８と前記第２圧電体３０との間に設けられ、前記第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する中間層２０と、を具備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、圧電振動子を２層にした超音波プローブおよび圧電振動子を２層にした超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。

被検体内を超音波で走査し、被検体内で発生した反射波により生成した受信信号に基づいて、当該被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。このような超音波診断装置は、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、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反射波を、超音波プローブを介して受信する。超音波診断装置は、受信した反射波に基づいて、受信信号を生成する。

超音波プローブは、送信信号（駆動電圧）に基づいて、超音波プローブ内の圧電体を振動させる。超音波プローブには、圧電体の振動により超音波を発生し、反射波を受けて電圧信号を生成する圧電体が、走査方向（アレイ方向）に複数個、配設されている。

超音波プローブの主な構成は、例えば図９に示すように、圧電体と、音響整合層と、音響レンズと、フレキシブルプリント基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：以下、ＦＰＣと呼ぶ）と、背面材とを有する。圧電体は、送信信号により超音波を発生する。音響整合層は、圧電体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ために、圧電体から被検体接触面側に向かって設けられる。音響レンズは、圧電体で発生された超音波を収束させる。ＦＰＣは、圧電体の背面側に設けられる。ＦＰＣは、超音波プローブと超音波診断装置を電気的に接続するケーブル内に格納される。ＦＰＣは、超音波診断装置本体で発生された送信信号を圧電体に、圧電体により発生された電圧信号を超音波診断装置本体に伝送するための配線を有する。背面材は、圧電体により発生された超音波のうち背面側に伝搬した超音波の振動成分を減衰し、吸収する。背面材は、圧電体の余分な振動を抑える。

また、図１０に示すように、圧電体の背面側に中間層を有し、圧電体に厚み振動を発生させて超音波を送受信する超音波プローブがある。この中間層の音響インピーダンスは圧電体の音響インピーダンスよりも高い。中間層の材料としては、金、鉛、タングステン、水銀、サファイヤなどがある。従来の中間層がない超音波プローブにおいて、超音波放射側と背面材側とに超音波が伝搬する。図１０に示すように、圧電体より大きい音響インピーダンスを有する中間層が存在すると、背面材側に超音波を伝搬させないため、超音波放射側から放射される超音波のエネルギーを高めることができる。

一方、超音波診断装置では、１つの超音波プローブでより広範囲（広帯域）の診断、部位観察ができることが望まれている。その解決方法の１つとして、１つの超音波プローブにおいて圧電体を２層構造にした、いわゆる２周波プローブが知られている。たとえば、図１１に示すように、２つの圧電体の分極方向を変えて積層し、駆動させる超音波プローブがある。あるいは、画像診断用の超音波ビームと治療や計測のための超音波ビームの２つを送受信する場合もある。

しかしながら、２周波プローブにおいて、超音波放射面に近い圧電体（第1の圧電体）を駆動する場合、第１の圧電体の背面側に設けられたもう1つの圧電体（第２の圧電体）により音響整合が乱れ、音響性能が低下する。

逆に、第２の圧電体を駆動する場合、第２の圧電体の前面から音響放射面までの音路内に、音響インピーダンスの高い第１の圧電体が設けられるため、音響整合が乱れ、音響性能が低下する。いずれの場合においても、２層化された圧電体による音響性能は、音響整合が乱れることにより、低下する。

一般に、第１の圧電体は高周波用に、第２の圧電体は低周波用に設計されることが多い。このとき、第１の圧電体は、第２の圧電体による影響を相対的に強く受ける。このため、特に高周波の音響性能は、低周波の音響性能の低下に比べて、より大きく低下する。さらに、第２の圧電体の背面側に中間層が設けられた場合、第１の圧電体による超音波の発生に対して第２の圧電体と中間層とは負荷となるため、第１の圧電体から発生される超音波は、音響的に劣化する。

以上のことから、２周波プローブにおいて、圧電振動子の性能の限界により、低周波から高周波まで（例えば、２ＭＨｚから１０ＭＨｚまで）の広帯域で、高感度特性を得ることが難しい問題がある。

特開昭５３−２５３９０号公報 特開２００７−２４４６３８号公報 特開２００５−１０３１９３号公報

目的は、広帯域でかつ高感度な２周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プローブは、第１圧電体と、前記第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する第２圧電体と、前記第１圧電体と前記第２圧電体との間に設けられ、前記第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する中間層と、を具備することを特徴とする。

図１は、第１の実施形態に係り、１次元アレイプローブにおいて、レンズ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。 図２は、第１の実施形態に係り、周波数に対する感度の分布に関する計算結果の一例を示す図である。 図３は、第１の実施形態の第１の変形例に係り、１次元アレイプローブにおいて、アレイ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。 図４は、第１の実施形態の第２の変形例に係り、１次元アレイプローブにおいて、レンズ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。 図５は、第１の実施形態の第３の変形例に係り、１次元アレイプローブにおいて、アレイ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。 図６は、第１の実施形態の第４の変形例に係り、第１、第２圧電体の電極に接続される回路の一例を示す図である。 図７は、第２の実施形態に係る超音波診断装置の構成の一例を示す構成図である。 図８は、第２の実施形態に係り、超音波プローブの回路と装置本体の構成要素との関係の一例を示す図である。 図９は、従来に係る超音波プローブの断面を示す図である。 図１０は、従来に係る超音波プローブの断面を示す図である。 図１１は、従来に係る超音波プローブの断面を示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態を説明する。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。

（第１の実施形態）
図１は、１次元アレイプローブにおいて、レンズ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。第１の実施形態に係る超音波プローブ１は、１次元アレイプローブである。レンズ方向とは、超音波プローブ１が１次元アレイプローブである場合、第１圧電体１８、および第２圧電体３０の長軸方向である。レンズ方向に直交し、かつ第１圧電体１８、および第２圧電体３０が配列される方向をアレイ方向（アジマス方向ともいう）と呼ぶ。

なお、本実施形態は、アレイ方向に配列された複数の圧電体の数より少ない数で、複数の圧電体をエレベーション方向（レンズ方向）について分割した１．５次元アレイプローブであってもよい。また、本実施形態は、アジマス方向（アレイ方向）とエレベーション方向とに２次元状に配列された複数の圧電体を有する２次元アレイプローブであってもよい。また、圧電体は、超音波放射方向に沿って、複数積層されていてもよい。以下、説明を簡便にするため、圧電体は２層構造であるものとする。

超音波プローブ１は、音響レンズ１０、第１の音響整合層１２、第２の音響整合層１４、第１電極１６、第１圧電体１８、中間層２０、第２電極２２、絶縁層２４、低インピーダンス層２６、第３電極２８、第２圧電体３０、第４電極３２、フレキシブルプリント基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：以下、ＦＰＣと呼ぶ）３４、背面材３６を有する。

音響レンズ１０は、後述する第１圧電体１８、および第２圧電体３０で発生された超音波を、レンズ方向に対して収束させる機能を有する。なお、音響レンズ１０は、第１圧電体１８、および第２圧電体３０で発生された超音波をアレイ方向に収束させる機能を有していてもよい。音響レンズ１０は、単焦点レンズである。なお、第１圧電体１８、および第２圧電体３０が超音波放射方向に対して凹型の形状を有する場合、音響レンズ１０は、省略されてもよい。なお、音響レンズ１０は、複焦点レンズであってもよい。

第１の音響整合層１２および第２の音響整合層１４は、音響レンズ１０の背面側に設けられる。第１の音響整合層１２は、音響レンズ１０の背面に設けられる。第２の音響整合層１４は、第１の音響整合層１２の背面に設けられる。なお、音響整合層は、１層であってもよい。また、音響整合層は、３層以上であってもよい。第１の音響整合層１２および第２の音響整合層１４における音速、厚さ、音響インピーダンス等の物理的パラメータを調整することで、被検体と第１圧電体１８との音響インピーダンスの整合、および被検体と第２圧電体３０との音響インピーダンスの整合を図ることができる。

アレイ方向に配列された複数の第１圧電体１８に共通する前面電極（以下、第１電極と呼ぶ）１６は、第１圧電体１８と第２の音響整合層１４との間、すなわち第１圧電体１８の超音波放射面（以下、前面と呼ぶ）側に設けられる。第１電極１６は、電気的配線を介して、後述するＦＰＣ３４における第１接地用配線に接続される。なお、第２の音響整合層１４が導体である場合、第１電極１６は、第１の音響整合層１２と第２の音響整合層１４との間に設けられてもよい。また、第１の音響整合層１２と第２の音響整合層１４とが導体である場合、第１電極１６は、第１の音響整合層１２の前面側に設けられてもよい。

第１圧電体１８は、レンズ方向を長軸、アレイ方向を短軸として、矩形上に成形された特定の圧電セラミックスからなる。第１圧電体１８は、図示していない超音波診断装置における送信部により発生された駆動信号により、後述する第２圧電体３０で発生される超音波の周波数より高い周波数（以下、第１周波数と呼ぶ）を有する超音波（以下、第１の超音波と呼ぶ）を発生する。

第１圧電体１８は、被検体に関する物質により反射された超音波を受けて、エコー信号（電気信号）を発生する。発生されたエコー信号は、図示していない超音波診断装置に供給される。第１圧電体１８は、後述する中間層２０により第１周波数に対応する第１波長の略４分の１（以下、１／４波長と呼ぶ）で振動する。

中間層２０は、第１圧電体１８の背面に設けられる。中間層２０の音響インピーダンスは、第１圧電体１８の音響インピーダンスより大きい。以下、中間層２０は、導体として説明する。中間層２０の材料は、例えば、金、鉛、タングステン合金（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｃａｒｂｉｄｅ：タングステンカーバイド）などである。なお、中間層２０は、絶縁体であってもよい。中間層２０が絶縁体である場合、中間層２０の材料は、例えば、炭化珪素、酸化アルミニウム（例えば、サファイア）などである。なお、中間層２０は、後述する第２圧電体３０の背面側にさらに設けられてもよい。また、中間層２０の音響インピーダンスは、後述する第２圧電体より高いまたは低い音響インピーダンスを有していてもよい。本実施形態では、説明を簡便にするため、中間層２０は、１層であるものとする。

中間層２０は、第１圧電体１８を１／４波長で振動させるための所定の厚みを有する。所定の厚みとは、例えば、後述する第２圧電体３０から放射される超音波の周波数（以下、第２周波数と呼ぶ）に対応する第２波長の０．５％乃至５％の長さである。中間層２０の厚みの下限が第２波長の０．５％となる理由は、この厚みより薄い場合、第１圧電体１８を１／４波長で振動させることができないからである。すなわち、第１圧電体１８と中間層２０との境界を第１圧電体１８の振動において固定端にすることができないからである。また、中間層２０の厚みの上限が第２波長の５％となる理由は、この厚みより厚い場合、後述する第２圧電体３０の振動が抑制されるからである。すなわち、第２波長の５％の厚みは、第２圧電体３０により発生された超音波の音響特性に対して、影響が現れない限界の厚さである。

なお、第１圧電体１８と中間層２０とは、一体化された圧電積層体であってもよい。この時、具体的には、中間層２０の前面に第１圧電体１８が積層される。

第１圧電体１８に関する背面電極（以下、第２電極と呼ぶ）２２は、中間層２０と後述する絶縁層２４との間、すなわち中間層２０の背面に設けられる。第２電極２２は、電気的配線を介して、後述するＦＰＣ３４における入出力信号用配線に接続される。なお、中間層２０が絶縁体である場合、第２電極２２は、第１圧電体１８と中間層２０との間、すなわち第１圧電体１８の背面に設けられる。第２電極２２は、複数の第１圧電体各々に対して設けられる。中間層２０が絶縁体である場合の圧電積層体において、第２電極２２は、第１圧電体１８と中間層２０との間に設けられる。

絶縁層２４は、第２電極２２の背面に設けられる。なお、中間層２０が絶縁体である場合、絶縁層２４は不要となる。絶縁層２４は、例えば、音響インピーダンスが比較的小さいポリイミド膜である。

低インピーダンス層２６は、絶縁層２４の背面に設けられる。中間層２０が絶縁体である場合、絶縁層２４は不要となるため、低インピーダンス層２６は、中間層２０の背面に設けられる。低インピーダンス層２６の音響インピーダンスは、中間層２０の音響インピーダンスおよび第２圧電体３０の音響インピーダンスより小さい。なお、低インピーダンス層２６は、省略することも可能である。

アレイ方向に配列された複数の第２圧電体３０に共通する前面電極（以下、第３電極と呼ぶ）２８は、低インピーダンス層２６の背面、すなわち、後述する第２圧電体３０の前面に設けられる。第３電極２８は、電気的配線を介して、後述するＦＰＣ３４における第２接地用配線に接続される。第３電極２８は、第２電極２２と絶縁される。

なお、低インピーダンス層２６が省略される場合、第３電極２８は、絶縁層２４の背面に設けられる。加えて、中間層２０が絶縁体である場合、第３電極２８は、中間層２０の背面に設けられる。

第２圧電体３０は、レンズ方向を長軸、アレイ方向を短軸として、矩形上に成形された特定の圧電セラミックスからなる。第２圧電体３０は、図示していない超音波診断装置における送信部により発生された駆動信号により、第２周波数を有する超音波（以下、第２の超音波と呼ぶ）を発生する。第２圧電体３０は、被検体に関する物質により反射された超音波を受けて、エコー信号を発生する。発生されたエコー信号は、図示していない超音波診断装置に供給される。

第２圧電体３０に関する背面電極（以下、第４電極と呼ぶ）３２は、第２圧電体２０の背面に設けられる。第４電極３２は、電気的配線を介して、後述するＦＰＣ３４における入出力信号用配線に接続される。

ＦＰＣ３４は、第４電極３２の背面に設けられる。ＦＰＣ３４の前面には第１、第２接地用配線が設けられる。第１接地用信配線は、第１電極１６を接地するために設けられる配線である。第２接地用信配線は、第３電極２８を接地するために設けられる配線である。ＦＰＣ３４の背面には、入出力信号用配線が設けられる。入出力信号用配線は、第１圧電体１８および第２圧電体３０各々に対して設けられる。すなわち、入出力信号用配線は、複数の第１、第２圧電体各々に対して設けられる。入出力信号用配線と、第２電極２２とは、ＦＰＣ３４のベースの設けられたスルーホールを介して電気的に接続される。入出力信号用配線と、第４電極３０とは、ＦＰＣ３４のベースの設けられたスルーホールを介して電気的に接続される。

背面材３６は、ＦＰＣ３４の背面に設けられる。背面材３６は、ＦＰＣ３４、第４電極３２、第２圧電体３０、第３電極２８、低インピーダンス層２６、絶縁層２４、第２電極２２、中間層２０、第１圧電体１８、第１電極１６、第２の音響整合層１４、第１の音響整合層１２、音響レンズ１０を支持する。背面材３６は、第１圧電体１８および第２圧電体３０で発生される超音波パルスを短くするために、第１圧電体１８と第２圧電体３０とを制動する。背面材３６の厚さは、音響特性を良好に維持するため、発生される超音波の波長に対して十分な厚さ、すなわち背面方向へ伝搬する超音波が十分に減衰する厚さに設定される。

図２は、本実施形態に係り、周波数に対する感度の分布に関する計算結果（周波数スペクトラム）の一例を示す図である。図２の横軸は、本超音波プローブ１により発生される超音波（送信超音波）の周波数（ＭＨｚ単位）を示している。図２における縦軸は、送信超音波の周波数ごとの音圧強度（デシベルｄＢ）を示している。計算条件は、以下の通りである。第１周波数は、約１０ＭＨｚである。第２周波数は、約３ＭＨｚである。計算に用いられた超音波プローブ１の構造は、図１において、低インピーダンス層２６を有しない構造である。

図２における従来例の計算結果は、図１に記載の超音波プローブの構造を有する。図２における第１圧電体１８の送信中心周波数は、約１０ＭＨｚである。図２における第２圧電体３０の送信中心周波数は、約３ＭＨｚである。

図２において、第２圧電体３０に関する第２の超音波の音響特性は、大きく劣化していない。すなわち、第２圧電体３０の音響特性において、中間層２０による悪影響はない。図２における第１圧電体１８に関する第１の超音波の音響特性は、従来に比べて広帯域となり、かつ高感度となっている。

（第１の変形例）
第１の実施形態との相違は、アレイ方向に配列される複数の第１圧電体１８の配列間隔と、アレイ方向に配列される複数の第２圧電体３０の配列間隔とが異なることにある。

図３は、第１の変形例に係り、１次元アレイプローブにおいて、アレイ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。図３において、絶縁層２４の背面の低インピーダンス層２６、第２の音響整合層１４、第１の音響整合層１２、音響レンズ１０は、図示していない。隣接する２つの第１圧電体１８の間と隣接する２つの第２圧電体１８の間とには、絶縁性の接着剤３７が設けられる。図３に示すように、アレイ方向において、第１圧電体１８の配列間隔ａは、第２圧電体３０の配列間隔ｂより短い。

（第２の変形例）
第１の実施形態および第１の変形例との相違は、レンズ方向において、第１圧電体１８の長さと、第２圧電体３０の長さとが異なることにある。

図４は、第２の変形例に係り、１次元アレイプローブにおいて、レンズ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。図４において、絶縁層２４の背面の低インピーダンス層２６は、図示していない。図４に示すように、レンズ方向の端部分において、第２の音響整合層１４と第３電極２８との間には、絶縁性の接着剤３７が設けられる。図４に示すように、レンズ方向において、第１圧電体１８の長さｃは、第２圧電体３０の長さｄより短い。これにより、複数の第１圧電体による口径（以下、第１口径と呼ぶ）は、複数の第２圧電体による口径（以下第２口径と呼ぶ）と異なる口径となる。

（第３の変形例）
第１の実施形態および第１、第２の変形例との相違は、レンズ方向において、第１電極１６および第２電極２２の長さと、第３電極２８および第４電極３２の長さとが異なることにある。

図５は、第３の変形例に係り、１次元アレイプローブにおいて、アレイ方向に沿った断面の一例を示す断面図である。図５において、絶縁層２４の背面の低インピーダンス層２６は、図示していない。図５に示すように、レンズ方向の端部分において、中間層２０と第３電極２８との間には、絶縁性の接着剤３７が設けられる。図５に示すように、レンズ方向において、第１電極１６および第２電極２２の長さｅは、第３電極２８および第４電極３２の長さｆより短い。これにより、複数の第１圧電体による電極の口径（以下、第１電極口径と呼ぶ）は、複数の第２圧電体による電極の口径（以下、第２電極口径と呼ぶ）と異なる電極口径となる。第１電極口径と第２電極口径との違いは、実質的に第１口径と第２口径との違いに対応する。

（第４の変形例）
第１の実施形態および第１乃至第３の変形例との相違は、第１接地用配線とケーブルとの間と、第２接地用配線とケーブルとの間とに、接地との接続を切り換える接続切換部をさらに有することにある。

図６は、第４の変形例に係り、第１乃至第４電極に接続される回路の一例を示す図である。
ケーブル３８は、図示していない超音波診断装置などに接続される。

接続切換部４０は、第１電極１６に接続された第１接地用配線とケーブル３８との間と、第３電極２８に接続された第２接地用配線とケーブル３８との間とに設けられる。接続切換部４０は、図示していない超音波診断装置からの制御信号に従って、第１接地用配線に対するケーブル３８への接続の切り換えを実行する。接続切換部４０は、図示していない超音波診断装置からの制御信号に従って、第２接地用配線に対するケーブル３８への接続の切り換えを実行する。

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。
本実施形態の超音波プローブ１によれば、第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する中間層２０を、第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する第２圧電体３０と第１圧電体１８との間に設けることができる。中間層２０の厚みは、第２の超音波の波長の０．５％乃至５％の間にすることができる。

本実施形態の超音波プローブ１の構造により、第１圧電体１８の前面から放射され、被検体へ送信される超音波のエネルギー効率を向上させることができる。すなわち、第２の超音波の音響特性を劣化させることなく、第１の超音波の音響特性を向上させることができる。具体的には、第２の超音波の音響特性（低周波特性）は維持され、第１の超音波の音響特性は、より広帯域かつより高感度となる。また、中間層２０は、第１圧電体１８の振動を抑制し、かつ第２の超音波に対する音響的影響を少なくすることができる。

また、圧電積層体の背面に低インピーダンス層２６を設けることで、第２圧電体３０を音響整合層として機能させないようにするこれにより、圧電積層体のから発生する超音波（第１の超音波）の音響特性の劣化を低減することができる。加えて、圧電積層体による第１の超音波の周波数を第２の超音波の周波数より高くすることにより、第２の超音波に対する圧電積層体の音響的負荷などの影響を低減することができる。

加えて、本実施形態によれば、中間層２０が導体である場合、第１圧電体１８と第２圧電体３０との間に、第２電極２２と第３電極２８とを絶縁するために、絶縁層２４を設けることも可能である。また、第１接地用配線とケーブル３８との間と、第２接地用配線とケーブル３８との間とに接続切換部４０をさらに設けられてもよい。これらにより、第１圧電体１８と第２圧電体３０とのうち少なくとも一方を用いて、超音波を送受信させることが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、音響レンズ１０として複焦点レンズを適用することができる。これにより、第１周波数と第２周波数とを用いて、被検体に対する走査領域の浅部から深部まで広い領域で高分解能な超音波の送受信を実行することができる。

また、本実施形態によれば、アレイ方向における複数の第１圧電体１８の配列間隔を、複数の第２圧電体３０の配列間隔と異なる配列間隔にすることも可能である。また、本実施形態によれば、第１口径を第２口径より小さい口径にすること、または、第１電極口径を第２電極口径より小さい電極口径にすることも可能である。例えば、複数の第１圧電体１８に関する音響的な実効口径を、複数の第２圧電体３０に関する音響的な実効口径より小さくすることができる。これにより、被検体に送信される超音波のビーム幅を細くすることができ、高分解能な超音波画像の発生に寄与することができる。特に、複数の第１圧電体１８に関する物理的な口径と複数の第２圧電体３０に関する物理的な口径とが同じ口径であっても、第１、第２電極のアレイ方向の幅を第３、第４電極のアレイ方向の幅に比べて小さくすることで実行口径の違いを実現できるため、２周波プローブの製造コストを低減することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態の第４の変形例の超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。
図７は、第２の実施形態に係る超音波診断装置１００の構成の一例を示す構成図である。図７に示すように、超音波診断装置１００は、超音波プローブ１、装置本体１１０、モニタ１２８、装置本体１１０に接続され操作者からの各種指示・命令・情報を装置本体１１０に取り込むための入力装置１３０を有する。加えて、本超音波診断装置１００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１２４を介して接続されてもよい。

図８は、第２の実施形態に係り、超音波プローブ１における第１乃至第４電極とケーブル３８との間の回路と装置本体１１０の構成要素との関係の一例を示す図である。

本実施形態における超音波診断装置１００によれば、後述する接続切換部４０を制御することにより、例えば、第２圧電体３０により発生された第２の超音波で、被検体Ｐを高感度で走査し、ついで、第１圧電体１８により発生された第１の超音波で、被検体Ｐを高分解能で走査すること（以下、高感度高分解能モードと呼ぶ）が可能である。なお、第１圧電体（または圧電積層体）１８と、第２圧電体３０とを同時に駆動することにより、広帯域な超音波の送受信を実行すること（以下、広帯域モードと呼ぶ）も可能である。

また、本超音波診断装置１は、組織ハーモニックイメージング（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）、造影ハーモニックイメージング（Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）などの高調波を用いた超音波イメージング（以下、高調波イメージングと呼ぶ）に適用可能である。高調波イメージングでは、超音波の送信は、第２圧電体３０を駆動することにより実行される。超音波の受信は、第１圧電体１８で実行される。さらに、高調波イメージングでは、超音波の受信信号のうち、３次の高調波成分を用いて、超音波画像を発生することも可能である。以下、高周波イメージングに関する超音波の送受信モードを、ＨＩ（Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）モードと呼ぶ。以下のＢモード処理部１１６の説明においては、ＨＩモードに関して説明する。なお、Ｂモード処理部１１６は、通常のＢモード処理を実行する事も可能である。

超音波プローブ１は、ケーブル３８を介して装置本体１１０に接続される。超音波プローブ１は、圧電セラミックス等の音響／電気可逆的変換素子としての複数の圧電体（複数の第１圧電体１８、複数の第２圧電体３０）を有する。以下、説明を簡単にするために、一つの圧電体が一チャンネルを構成するものとして説明する。複数の圧電体各々は、後述する送信部１１２のパルサ１１２１から供給される電圧信号（駆動信号）に応答して超音波を発生する。複数の圧電体各々は、被検体の生体組織で反射された超音波エコーの受信に応答して、エコー信号を発生する。

以下、説明を簡便にするために、第１圧電体の中心周波数ｆ１（第１周波数）は、第２圧電体の中心周波数ｆ２（第２周波数）の２倍（ｆ１＝２×ｆ２）であるものとする。なお、第１周波数ｆ１は第２周波数の３倍（ｆ１＝３×ｆ２）であってもよい。

中間層２０は、第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する。中間層２０は、第１圧電体１８と、第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する第２圧電体３０との間に設けられる。

ケーブル３８は、接地用配線と、入出力信号用配線と、後述する制御プロセッサ１２６からの制御信号を接続切換部４０へ伝送するための信号線とを有する。

接続切換部４０は、第１電極１６につながる接地用配線に接続されたスイッチ（以下、第１スイッチ４２と呼ぶ）と、第３電極２８につながる接地用配線に接続されたスイッチ（以下、第２スイッチ４４と呼ぶ）とを有する。接続切換部４０は、後述する制御プロセッサ（制御部）１２６から出力された切り換え制御信号に従って、第１接地用配線に対するケーブル３８への接続の切り換えを実行する。接続切換部４０は、制御プロセッサ１２６からの制御信号に基づいて、第２接地用配線に対するケーブル３８への接続の切り換えを実行する。制御信号については、後述する制御プロセッサ１２６で詳述する。

装置本体１１０は、送信部１１２、受信部１１４、Ｂモード処理部１１６、画像発生部１１８、画像合成部１２０、内部記憶部１２２、インターフェース部１２４、制御プロセッサ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：以下、ＣＰＵと呼ぶ）１２６を有する。

送信部１１２は、図示していないレートパルス発生器および送信遅延回路と、パルサ１１２１とを有する。レートパルス発生器は、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、送信遅延回路に送られる。

送信遅延回路は、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、後述する内部記憶部１２２に記憶される。内部記憶部１２２に記憶された送信遅延パターンは、後述するＣＰＵ１２６により超音波の送信時に参照される。パルサ１１２１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１における第１圧電体１８、第２圧電体３０ごとに電圧パルス（駆動信号）を印加する。これにより、超音波ビームが被検体Ｐに送信される。

受信部１１４は、図示していないプリアンプと、アナログディジタル（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ（以下、Ａ／Ｄと呼ぶ））変換器と、受信遅延回路と、加算器とを有する。プリアンプは、超音波プローブ１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、後述する内部記憶部１２２に記憶される。内部記憶部１２２に記憶された受信遅延パターンは、後述するＣＰＵ１２６により超音波の受信時に参照される。

加算器は、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、受信部１１４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、受信部１１４は、１回の超音波送信で複数の走査線上に生じたエコー信号を同時に受信する並列受信機能を有していてもよい。

Ｂモード処理部１１６は、包絡線検波器、対数変換器を有する。包絡線検波器は、第２圧電体３０に関する受信信号（以下、基本波信号と呼ぶ）および第１圧電体１８に関する受信信号（以下、２次高調波信号と呼ぶ）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。これらの処理により、Ｂモード処理部１１６は、基本波信号に関するＢモードデータ（以下、基本Ｂモードデータと呼ぶ）と、２次高調波信号に関するＢモードデータ（以下、２次高調Ｂモードデータと呼ぶ）とを発生する。Ｂモード処理部１１６は、基本Ｂモードデータと２次高調Ｂモードデータとを、後述する画像発生部１１８に出力する。以下、基本Ｂモードデータと２次高調ＢモードデータとをまとめてＢモードデータと呼ぶ。

なお、Ｂモード処理部１１６は、第１周波数ｆ１が第２周波数の３倍である（ｆ１＝３×ｆ２）場合、第１圧電体１８に関する受信信号に基づいて、３次高調波信号に対応するＢモードデータ（以下、３次高調Ｂモードデータと呼ぶ）を発生することも可能である。

画像発生部１１８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。画像発生部１１８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、Ｂモード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。画像発生部１１８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Ｂモードデータを用いて、走査線信号列間にデータを補間する処理である。

画像発生部１１８は、Ｂモード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発生する。例えば、画像発生部１１８は、基本Ｂモードデータに基づいて、超音波画像として基本Ｂモード画像を発生する。画像発生部１１８は、２次高調Ｂモードデータに基づいて、超音波画像として２次高調Ｂモード画像を発生する。なお、画像発生部１１８は、発生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。画像発生部１１８は、画像データを後述する画像合成部１２０に出力する。なお、画像発生部１１８は、３次高調Ｂモードデータに基づいて、超音波画像として３次高調Ｂモード画像を発生することも可能である。

画像合成部１２０は、画像発生部１１８で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１２０は、合成された超音波画像をモニタ１２８に出力する。なお、画像合成部１２０は、図示していないシネメモリに記憶された画像を発生してもよい。この時、シネメモリに記憶された画像は、シネ表示（ループ再生）される。

内部記憶部１２２は、フォーカス深度の異なる複数の受信遅延パターン、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１１８で発生された超音波画像（基本Ｂモード画像および２次高調Ｂモード画像）、後述する制御プロセッサ１２６で用いられるプログラムなどを記憶する。プログラムとは、例えば、高感度高分解能モード、広帯域モード、ＨＩモードなどの超音波の送受信モードに応じて、接続切換部４０における第１スイッチ４２、第２スイッチ４４のスイッチングを制御するためのプログラムである。

インターフェース部１２４は、入力装置１３０、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１１０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１２４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１２４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Ｐ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。

ＣＰＵ１２６は、操作者により入力装置１３０を介して入力された送受信モード、フレームレート、被走査深度などに基づいて、内部記憶部３３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１１０を制御する。

具体的には、ＣＰＵ１２６は、入力装置１３０を介して高感度高分解能モードが入力されると、被走査領域に対する第１回目の超音波送受信において、第２圧電体３０を用いて超音波送受信を実行するために、送信部１１２と接続切換部４０とを制御する。具体的には、ＣＰＵ１２６は、第１スイッチ４２をオフにし、第２スイッチ４４をオンにするための制御信号を、接続切換部４０に出力する。次いで、ＣＰＵ１２６は、被走査領域に対する第２回目の超音波送受信において、第１圧電体１８を用いて超音波送受信を実行するために、送信部１１２と接続切換部４０とを制御する。具体的には、ＣＰＵ１２６は、第２スイッチ４４をオフにし、第１スイッチ４２をオンにするための制御信号を、接続切換部４０に出力する。

また、ＣＰＵ１２６は、入力装置１３０を介して広帯域モードが入力されると、第１圧電体１８、および第２圧電体３０を用いて超音波送受信を実行するために、送信部１１２と接続切換部４０とを制御することも可能である。具体的には、ＣＰＵ１２６は、第１スイッチ４２および第２スイッチ４４をオンまたはオフするための制御信号を、接続切換部４０に出力する。

さらに、ＣＰＵ１２６は、入力装置１３０を介して、ＨＩモードが入力されると、第２圧電体３０を用いて超音波を送信し、第１圧電体１８を用いて超音波を受信するために、送信部１１２と接続切換部４０とを制御することも可能である。具体的には、ＣＰＵ１２６は、超音波の送信時に第１スイッチ４２をオフにし、第２スイッチ４４をオンにするための制御信号を、接続切換部４０に出力する。次いで、ＣＰＵ１２６は、超音波の受信時に第２スイッチ４４をオフにし、第１スイッチ４２をオンにするための制御信号を、接続切換部４０に出力する。

モニタ１２８は、画像合成部１２０の出力に基づいて、基本Ｂモード画像、２次高調Ｂモード画像、３次高調Ｂモード画像などの超音波画像などを表示する。なお、モニタ１２８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補正などの調整を実行してもよい。

入力装置１３０は、インターフェース部１２４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１１０に取り込む。入力装置１３０は、操作者による指示に従って、高感度高分解能モード、広帯域モード、ＨＩモードなどの送受信モードを、装置本体１１０に入力する。入力された送受信モードは、ＣＰＵ１２６に出力される。入力装置１３０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、検出した座標を後述するＣＰＵ１２６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１３０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ＣＰＵ１２６に出力する。また、操作者が入力装置１５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１１０は一時停止状態となる。

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。
本実施形態の超音波診断装置１００によれば、超音波プローブ１において、第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する中間層２０を、第１圧電体１８よりも大きい音響インピーダンスを有する第２圧電体３０と第１圧電体１８との間に設けることができる。中間層２０が導体である場合、第１圧電体１８と第２圧電体３０との間に、第２電極２２と第３電極２８とを絶縁するために、絶縁層２４が設けられる。第１接地用配線とケーブル３８との間と、第２接地用配線とケーブル３８との間とに接続切換部４０が設けられる。

これらにより、本超音波診断装置１００は、送受信モードに応じて、第１圧電体１８と第２圧電体３０とのうち少なく一方を用いて超音波送受信を実行するために、接続切換部４０を制御することができる。すなわち、本超音波プローブ１は第１圧電体１８と第２圧電体３０とはそれぞれ独立した電極（第１乃至第４電極）を有しているため、本超音波診断装置１００は、第１圧電体１８と第２圧電体３０とを独立して、送受信モードに応じて駆動することができる。１層の圧電体では、周波数帯域を基本波の周波数帯域と高調波の周波数帯域とに弁別する必要があるため結果としてエコー信号の帯域は狭帯域となるが、本実施形態の２層の超音波プローブ１を有する本超音波診断装置１００によれば、広帯域で高分解能な２次高調Ｂモード画像および３次高調Ｂモード画像を得ることができる。

以上のことから、本超音波プローブ１を有する本超音波診断装置１００によれば、広帯域でかつ高感度な超音波画像を得ることができ、超音波診断装置の性能が向上する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…超音波プローブ、１０…音響レンズ、１２…第１の音響整合層、１４…第２の音響整合層、１６…第１電極、１８…第１圧電体、２０…中間層、２２…第２電極、２４…絶縁層、２６…低インピーダンス層、２８…第３電極、３０…第２圧電体、３２…第４電極、３４…ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）、３６…背面材、３７…接着剤、３８…ケーブル、４０…接続切換部、４２…第１スイッチ、４４…第２スイッチ、１００…超音波診断装置、１１０…装置本体、１１２…送信部、１１４…受信部、１１６…Ｂモード処理部、１１８…画像発生部、１２０…画像合成部、１２２…内部記憶部、１２４…インターフェース部、１２６…制御プロセッサ（ＣＰＵ）、１２８…モニタ、１３０入力装置

Claims (9)

1. 複数の第１圧電体と、
   前記第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する複数の第２圧電体と、
   前記第１圧電体と前記第２圧電体との間に設けられ、前記第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する中間層と、
   を具備することを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記中間層は、前記第１圧電体により発生される超音波の波長の４分の１で前記第１圧電体を振動させるための所定の厚みを有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記中間層と前記第２圧電体との間に設けられ、前記中間層の音響インピーダンスおよび前記第２圧電体の音響インピーダンスより低い音響インピーダンスを有する層をさらに具備すること、
   を特徴とする請求項１乃至請求項２のうちいずれか一項に記載の超音波プローブ。
4. 前記中間層と前記第２圧電体との間に絶縁層をさらに具備し、
   前記中間層は導電性を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
5. 前記中間層は、絶縁性を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか一項に記載の超音波プローブ。
6. 前記中間層の背面側に設けられた背面電極と前記第２圧電体の超音波放射面側に設けられた前面電極とは絶縁されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
7. 前記第１、第２圧電体の超音波放射面側の電極と超音波診断装置本体に接続されるケーブルとの間に設けられ、前記超音波放射面側の電極に対する前記ケーブルへの接続を切り換える接続切換部をさらに具備すること、
   を特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
8. 第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する中間層に、前記第１圧電体を積み重ねた圧電積層体と、
   前記圧電積層体の背面側に配置され、前記第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する第２圧電体と、
   を具備することを特徴とする超音波プローブ。
9. 超音波プローブと、
   前記超音波プローブを介して被検体に超音波を送信する送信部と、
   前記超音波プローブを介して前記被検体からの超音波エコーを受信する受信部と、
   前記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、
   前記超音波の送受信を選択的に実行するために、前記超音波プローブを制御する制御部とを具備し、
   前記超音波プローブは、
   複数の第１圧電体と、
   前記第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する複数の第２圧電体と、
   前記第１圧電体と前記第２圧電体との間に設けられ、前記第１圧電体よりも大きい音響インピーダンスを有する中間層と、
   前記第１、第２圧電体の超音波放射面側の電極と超音波診断装置本体に接続されるケーブルとの間に設けられ、前記超音波放射面側の電極に対する前記ケーブルへの接続を切り換える接続切換部と有し、
   前記制御部は、予め設定された超音波の送受信モードに従って前記接続切換部を制御すること、
   を特徴とする超音波診断装置。

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