JP2015062621A

JP2015062621A - 超音波装置

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Publication number: JP2015062621A
Application number: JP2013199446A
Authority: JP
Inventors: 正良本田; Masayoshi Honda; 中野　雄介; Yusuke Nakano; 雄介中野; 雨宮　慎一; Shinichi Amamiya; 慎一雨宮
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: JP6158017B2

Abstract

【課題】特別な回路を必要とすることなく、超音波を送信するための電圧を出力する回路を用いて、分極電圧を供給することができる超音波装置を提供する。
【解決手段】超音波装置は、被検体への超音波の送受信を行なう超音波振動子と、超音波振動子を励振させて加熱させる電圧波形Ｗ１を有するパルス波を出力させた後、超音波振動子に波形Ｗ２の分極電圧Ｖを印加する制御を行なう制御部と、を備える。超音波振動子を励振させるパルス波と、分極電圧とを出力する回路は、超音波プローブに設けられている。前記制御部は、前記超音波振動子の温度に基づいて、分極電圧Ｖの印加を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波振動子によって超音波の送受信を行なう超音波装置に関する。

被検体に対する超音波の送受信を行なう超音波装置においては、圧電材料からなる超音波振動子の圧電効果を利用して超音波の送受信が行われている。超音波振動子には、圧電性を付与するために、極性を生じさせる分極処理が施されている。分極処理は、超音波振動子に電圧を印加することにより行われる。

しかし、超音波振動子の分極特性は、経時変化などによって劣化する。そこで、分極特性が劣化した超音波振動子を再分極させるための装置が、特許文献１に開示されている。

特開２００４−２３００３３号公報

しかし、特許文献１では、再分極させるための装置が超音波装置とは別に必要である。そこで、超音波装置のみで、再分極させることができることが求められている。しかし、超音波振動子に分極特性を付与するために必要な電圧（分極電圧）は、常温下では、超音波振動子から超音波を送信するために印加される電圧よりも高い。このため、超音波を送信するための電圧を出力する回路をそのまま用いても、超音波振動子を分極させるための電圧を出力することはできない。

上述の課題を解決するためになされた一の観点の発明は、被検体への超音波の送受信を行なう超音波振動子と、この超音波振動子を励振させて加熱させた状態で、該超音波振動子に分極電圧を印加する制御を行なう制御部と、を備えることを特徴とする超音波装置である。

他の観点の発明は、被検体への超音波の送受信を行なう複数の超音波振動子と、この超音波振動子を有する超音波プローブに設けられ、前記超音波振動子から送信される超音波パルスの送信ビームフォーミング及び前記超音波振動子で受信された超音波パルスの受信ビームフォーミングのうち少なくとも一方を行なう回路であって、電力消費によって生じる熱により、前記超音波振動子を加熱可能な位置に設けられている回路と、この回路に通電させる制御と、通電による電力消費で加熱された状態で、前記超音波振動子に分極電圧を印加する制御とを行なう制御部と、を備えることを特徴とする超音波装置である。

上記一の観点の発明によれば、前記超音波振動子を励振させて加熱させた状態で、前記超音波振動子に分極電圧が印加されるので、分極電圧を常温下よりも低くすることができる。従って、超音波を送信するための電圧を出力する回路を用いて、分極電圧を供給することができる。

上記他の観点の発明によれば、前記超音波振動子を、前記回路の通電による電力消費で加熱させた状態で、前記超音波振動子に分極電圧が印加されるので、分極電圧を常温下よりも低くすることができる。従って、超音波を送信するための電圧を出力する回路を用いて、分極電圧を供給することができる。

第一実施形態の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。第一実施形態における超音波プローブの先端部分の一部の概略構成を示す一部破断斜視図である。第一実施形態の超音波プローブにおける集積回路のブロック図である。超音波振動子に印加される電圧の時間変化を示す図である。第一実施形態の第一変形例において、超音波振動子に印加される電圧の時間変化を示す図である。第一実施形態の第二変形例において、超音波振動子に印加される電圧の時間変化を示す図である。第二実施形態の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。第二実施形態の超音波診断装置における送受信回路の構成を示すブロック図である。第二実施形態における超音波プローブの先端部分の一部の概略構成を示す一部破断斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、本発明の超音波装置として、超音波診断装置の例を挙げて説明する。
（第一実施形態）
先ず、第一実施形態について説明する。図１に示す超音波診断装置１は、装置本体１ａを有し、この装置本体１ａに超音波プローブ２が接続されている。

前記装置本体１ａは、本体側受信回路３、エコーデータ処理部４、表示制御部５、表示部６、操作部７、制御部８、記憶部９を備える。また、前記超音波プローブ２は、集積回路１０を備える。

前記本体側受信回路３は、受信ビームフォーマの機能を有し、前記超音波プローブ２で受信した超音波のエコー信号に対して、整相加算処理等の信号処理を行なう。

前記エコーデータ処理部４は、前記本体側受信回路３から出力されたエコーデータに対し、超音波画像を作成するための処理を行なう。例えば、前記エコーデータ処理部４は、対数圧縮処理、包絡線検波処理等のＢモード処理を行ってＢモードデータを作成する。

前記表示制御部５は、前記エコーデータ処理部４から入力されたデータをスキャンコンバータ（ＳｃａｎＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）によって走査変換して超音波画像データを作成し、この超音波画像データに基づく超音波画像を前記表示部６に表示させる。例えば、前記表示制御部５は、Ｂモードデータに基づいてＢモード画像データを作成し、Ｂモード画像を前記表示部６に表示させる。

前記表示部６は、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイなどである。前記操作部７は、操作者が指示や情報を入力するためのキーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）及びポインティングデバイス（ｐｏｉｎｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅ）などを含んで構成されている。

前記制御部８は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）を有して構成される。この制御部８は、前記記憶部９に記憶された制御プログラムを読み出し、前記超音波診断装置１における各部の機能を実行させる。

また、前記制御部８は、後述するように、超音波振動子１４（図２参照）を励振させて加熱させた状態で、前記超音波振動子１４を分極させる分極電圧を印加する制御信号を、前記超音波プローブ２へ出力する。

前記記憶部９は、例えばＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）や半導体メモリ（ｍｅｍｏｒｙ）などである。

前記超音波プローブ２について、図２に基づいて説明する。図２には、前記超音波プローブ２の先端部分の一部の概略構成が示されている。前記超音波プローブ２は、音響レンズ（ｌｅｎｓ）１１、音響整合層１２，１３、超音波振動子１４、フレキシブルプリント基板１５、前記集積回路１０、バッキング層１６を有している。前記音響レンズ１１以外の構成については、図示しないプローブ筐体内に設けられている。

前記音響レンズ１１は、被検体の体表面と当接する。この状態で、前記音響レンズ１１の表面から被検体内に超音波が送信される。

前記音響整合層１２，１３は、前記音響レンズ１１と前記超音波振動子１４の間に設けられている。前記音響整合層１２，１３は、前記音響レンズ１１と前記超音波振動子１４の中間の音響インピーダンスを有している。

前記超音波振動子１４は、単結晶又は多結晶の圧電材料からなる。前記超音波プローブ２においては、複数の前記超音波振動子１４が、アジマス（ａｚｉｍｕｔｈ）方向に設けられている。

前記超音波振動子１４の表面には、図示しない電極層が形成されている。この超音波振動子１４に形成された電極層の前記音響整合層１３とは反対側の面には、前記フレキシブルプリント基板１５が設けられている。

前記フレキシブルプリント基板１５において、前記超音波振動子１４とは反対側の面には、前記集積回路１０が設けられている。前記集積回路１０が、この位置に設けられていることにより、前記集積回路１０における電力消費により発生する熱によって、前記超音波振動子１４が加熱される。前記集積回路１０は、本発明における回路の実施の形態の一例である。

前記集積回路１０は、図３に示すように、電源回路１０１、送信用パルス出力部１０２、加熱パルス出力部１０３、分極電圧出力部１０４、受信ビームフォーマ１０５、温度検出部１０６及び分極制御部１０７を備えている。

前記電源回路１０１は、前記超音波振動子１４に印加する電圧の電源である。ここで、前記超音波振動子１４には、後述するように、この超音波振動子１４を励振させるための電圧が印加される。この超音波振動子１４を励振させるための電圧の印加としては、超音波画像を得るための超音波の送信を目的とした電圧の印加と、前記超音波振動子１４を加熱するための電圧の印加とがある。また、前記超音波振動子１４には、この超音波振動子１４を再分極させるための電圧も印加される。

前記送信用パルス出力部１０２は、送信ビームフォーミングを行なうものであり、超音波振動子１４を励振させて超音波を送信するためのパルス波を、前記制御部８からの制御信号に基づいて、前記超音波振動子１４へ出力する。この送信用パルス出力部１０２から出力されたパルス波により、前記超音波振動子１４に電圧が印加され、超音波画像を作成するための超音波が送信される。

前記加熱パルス出力部１０３は、前記超音波振動子１４を加熱するためのパルス波を前記超音波振動子１４へ出力する。後述するように、前記超音波振動子１４の加熱は、前記超音波振動子１４を分極させる時に行われる。

前記分極電圧出力部１０４は、前記超音波振動子１４を分極させるために必要な電圧（分極電圧）を、前記超音波振動子１４へ出力する。

ここで、図３において、前記送信用パルス出力部１０２、前記加熱パルス出力部１０３及び前記分極電圧出力部１０４は、三つに分かれて示されているが、ハードウェア（ｈａｒｄｗａｒｅ）的には、同一の回路によって構成される。言い換えれば、送信ビームフォーミングを行なう回路によって、前記加熱パルス出力部１０３及び前記分極電圧出力部１０４の機能が果たされる。

前記受信ビームフォーマ１０５は、前記超音波プローブ２で受信したエコー信号について、整相加算処理等の信号処理を行なう。前記超音波振動子１４の各々で受信されたエコー信号について、前記受信ビームフォーマ１０５においてある程度の整相加算が行われた後、前記本体側受信回路３で行われる整相加算処理によって、受信ビームフォーミングが完結する。

前記温度検出部１０６は、前記超音波振動子１４から発生する熱の影響による温度を検出することを目的とした温度センサである。前記温度検出部１０６は、本発明における温度検出部の実施の形態の一例である。本発明において、超音波振動子の温度を検出することには、超音波振動子から発生する熱の影響による温度を検出することが含まれる。

ちなみに、後述するように、前記超音波振動子１４においては、励振によって熱が発生する。また、前記超音波振動子１４は、前記集積回路１０における電力消費による熱によって加熱される。

前記温度検出部１０６における温度検出信号は、前記分極制御部１０７へ入力される。また、前記温度検出信号は、前記制御部８へ入力されてもよい。

前記分極制御部１０７は、前記加熱パルス出力部１０３及び前記分極電圧出力部１０４を制御する。具体的には、前記分極制御部１０６は、前記制御部８からの信号に基づいて、前記加熱パルス出力部１０３から前記パルス波を出力させる。また、前記分極制御部１０６は、前記温度検出部１０６からの温度検出信号に基づいて、前記分極電圧出力部１０４から前記分極電圧を出力させる。

前記分極制御部１０７及び前記制御部８は、本発明における制御部の実施の形態の一例である。

ちなみに、前記装置本体１ａから前記集積回路１０への制御信号の入力や、前記集積回路１０から前記装置本体１ａへのエコー信号の入力は、前記フレキシブルプリント基板１５及び前記超音波プローブ２と前記装置本体１ａとを接続するプローブケーブル（図示省略）を介して行われる。

前記集積回路１０において、前記フレキシブルプリント基板１５とは反対側の面には、前記バッキング層１６が設けられている。

さて、本例の超音波診断装置１において、前記超音波振動子１４を再分極させる際の作用について説明する。操作者が、前記装置本体１ａの操作部７において、再分極の処理を指示する入力を行なうと、前記制御部８は、前記集積回路１０に対して、再分極の処理を開始させる制御信号を出力する。

前記集積回路１０に前記制御部８からの制御信号が入力されると、先ず前記分極制御部１０７は前記加熱パルス出力部１０３へ制御信号を出力する。この制御信号により、前記加熱パルス出力部１０３は、前記超音波振動子１４を加熱させるため、前記超音波振動子１４の各々を励振させる電圧を前記超音波振動子１４へ出力する。

前記超音波振動子１４を励振させる電圧波形Ｗ１の一例を図４に示す。この電圧波形Ｗ１は、所定の周波数のパルス波である。このパルス波の周波数は、超音波画像を得るための超音波を送信するために用いられるパルス波の周波数とは異なっていてもよい。また、前記パルス波の周波数は、前記超音波振動子１４の固有振動数とは異なっていてもよい。これにより、前記超音波振動子１４における熱によるエネルギーロスが多く、熱をより多く発生させることができる。

前記超音波振動子１４は、励振によって温度が上昇するとともに、この超音波振動子１４を励振させるための前記集積回路１０における電力消費による熱によっても、温度が上昇する。

前記分極制御部１０７は、前記温度検出部１０６の温度検出信号に基づいて、前記分極電圧出力部１０４へ制御信号を出力する。具体的には、前記分極制御部１０７は、前記温度検出部１０６で検出される温度が所定温度Ｔまで上昇すると、前記分極電圧出力部１０４へ制御信号を出力する。この制御信号により、前記分極電圧出力部１０４は、前記超音波振動子１４の各々に対して、再分極に必要な大きさを有する分極電圧Ｖを出力する。この分極電圧Ｖの波形Ｗ２は、直流波形である。前記分極電圧出力部１０４によって分極電圧Ｖが出力される時間の長さＸは、分極に要する時間である。

ここで、前記電源回路１０１で生成できる電圧は、超音波画像を得るための超音波を送信するために用いられる大きさの電圧であり、常温下における分極電圧よりも低い電圧である。しかし、分極電圧は、超音波振動子１４の温度が高いほど低くなる。従って、分極電圧が、前記電源回路１０１において生成できる大きさの電圧となるように、前記所定温度Ｔを設定することにより、特別な回路を必要とすることなく、通常の送信ビームフォーミングを行なう回路を用いて、再分極の処理を行なうことができる。

次に、第一実施形態の変形例について説明する。先ず、第一変形例について説明する。操作者によって、再分極の処理を指示する入力が行われると、前記分極制御部１０７は、前記分極電圧出力部１０４へ制御信号を出力する。この制御信号により、前記分極電圧出力部１０４は、図５に示すように、前記分極電圧Ｖを出力する。

前記集積回路１０は、前記分極電圧Ｖを出力することによる電力消費によって熱を発生する。この熱により、前記超音波振動子１４は加熱され温度が上昇する。前記分極制御部１０７は、前記温度検出部１０６によって検出される温度が前記所定温度Ｔに達した時刻ｔ１から、分極に要する時間の長さＸが経過する時刻ｔ２まで前記分極電圧Ｖが出力されるよう制御する。

次に、第二変形例について説明する。操作者によって、再分極の処理を指示する入力が行われると、前記分極制御部１０７は、前記電源回路１０１に対して電力を発生させるよう制御を行なう。これにより、前記集積回路１０において電力が消費されることによる熱が発生し、前記超音波振動子１４は加熱され温度が上昇する。

前記分極制御部１０７は、図６に示すように、前記温度検出部１０６によって検出される温度が前記所定温度Ｔに達した時刻ｔ１から、分極に要する時間の長さＸが経過する時刻ｔ２まで前記分極電圧Ｖが出力されるよう制御する。

なお、前記時刻ｔ１よりも前においては、前記超音波振動子１４に電圧が印加されていないため、図６において、前記時刻ｔ１よりも前においては、電圧は零となっている。

（第二実施形態）
次に、第二実施形態について説明する。ただし、第一実施形態と同一構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、本例の超音波診断装置１′は、装置本体１ａ′を有し、この装置本体１ａ′に超音波プローブ２′が接続されている。

前記装置本体１ａ′は、前記エコーデータ処理部４、前記表示制御部５、前記表示部６、前記操作部７、前記制御部８、前記記憶部９の他、送受信回路２０を備える。

前記送受信回路２０は、集積回路で構成されている。この送受信回路２０は、図８に示すように、温度検出部を備えていない点を除き、第一実施形態の前記集積回路１０と同一の構成になっている。すなわち、前記送受信回路２０は、前記電源回路１０１、前記送信用パルス出力部１０２、前記受信ビームフォーマ１０５、前記加熱パルス出力部１０３、前記分極電圧出力部１０４、前記分極制御部１０７を備えている。

ただし、本例では、前記受信ビームフォーマ１０５により、前記超音波プローブ２で受信したエコー信号の受信ビームフォーミングが完結する。

本例では、図９に示すように、前記超音波プローブ２′は、第一実施形態と同様に、音響レンズ（ｌｅｎｓ）１１、音響整合層１２，１３、超音波振動子１４、フレキシブルプリント基板１５、バッキング層１６を有しているが、前記集積回路１０を有していない。前記集積回路１０の機能は、前記送受信回路２０によって実行される。

本例の作用について説明する。本例の作用も、基本的には第一実施形態と同様であり、前記超音波振動子１４が励振された後に、前記分極電圧Ｖが印加される。ただし、本例では、前記超音波プローブ２′は前記集積回路１０を有さないため、前記超音波振動子１４は、集積回路１０の熱に起因する温度上昇はないものの、励振によって温度が上昇する。

また、本例では、前記温度検出部１０６を備えていないため、前記分極制御部１０７は、励振の開始から所定時間経過した時に、前記分極電圧出力部１０４へ制御信号を出力して分極電圧Ｖを出力させる。前記所定時間は、励振の開始から、前記超音波振動子１４が前記分極電圧Ｖで分極できる温度に上昇するまでの時間である。

本例によっても、前記超音波振動子１４が励振されることにより加熱されるので、分極電圧を低くすることができる。従って、特別な回路を必要とすることなく、再分極の処理を行なうことができる。

以上、本発明を前記実施形態によって説明したが、本発明はその主旨を変更しない範囲で種々変更実施可能なことはもちろんである。例えば、第一実施形態において、前記集積回路１０は、前記送信用パルス出力部１０２及び前記受信ビームフォーマ１０５を備えているが、いずれか一方のみを備えていてもよい。また、上述の図２及び図９に図示された構成は一例であり、本発明はこれらに限られるものではない。

１，１′ 超音波診断装置
２，２′ 超音波プローブ
８制御部
１０集積回路
１０６温度検出部
１０７分極制御部
１４超音波振動子

Claims

被検体への超音波の送受信を行なう超音波振動子と、
該超音波振動子を励振させて加熱させた状態で、該超音波振動子に分極電圧を印加する制御を行なう制御部と、
を備えることを特徴とする超音波装置。
前記超音波振動子を有する超音波プローブに設けられて、前記超音波振動子を励振する電圧と前記分極電圧とを出力する回路を有し、
該回路は、該回路における電力消費によって生じる熱により、前記超音波振動子を加熱可能な位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波装置。
被検体への超音波の送受信を行なう複数の超音波振動子と、
該超音波振動子を有する超音波プローブに設けられ、前記超音波振動子から送信される超音波パルスの送信ビームフォーミング及び前記超音波振動子で受信された超音波パルスの受信ビームフォーミングのうち少なくとも一方を行なう回路であって、電力消費によって生じる熱により、前記超音波振動子を加熱可能な位置に設けられている回路と、
該回路に通電させる制御と、通電による電力消費で加熱された状態で、前記超音波振動子に分極電圧を印加する制御とを行なう制御部と、
を備えることを特徴とする超音波装置。
前記回路は、前記超音波振動子を励振させる電圧と前記分極電圧とを出力することを特徴とする請求項３に記載の超音波装置。
前記制御部は、前記超音波振動子を加熱するために、超音波パルスを送信する時に前記超音波振動子に出力されるパルス波よりもエネルギーロスが大きいパルス波が、前記超音波振動子に出力されるよう制御を行なうことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波装置。
前記超音波振動子の温度を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、前記温度検出部で検出される温度に基づいて、前記分極電圧の印加を制御する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波装置。