JP2017080130A - 超音波デバイス、超音波プローブ、および超音波画像装置 - Google Patents

超音波デバイス、超音波プローブ、および超音波画像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】プローブを移動せずに針先を捉え易くする超音波デバイス、超音波プローブ、および超音波画像装置を提供する。【解決手段】超音波デバイスは、超音波素子１０を有して超音波の送受信を行い、超音波デバイスは、超音波素子１０のうち、一つのチャンネルを構成する超音波素子１０が第一方向（スキャン方向Ｄ２）に配列された第一の超音波素子アレイ（超音波素子アレイＡ）と、一つのチャンネルを構成する超音波素子１０が第一方向に配列された第二の超音波素子アレイ（超音波素子アレイＢ）と、を備え、第二の超音波素子アレイは、第一の超音波素子アレイに対して、第一方向と交差する第二方向（スライス方向Ｄ１）にシフトして配置されている。【選択図】図７

Description

本発明は、超音波デバイス、超音波デバイスを備えた超音波プローブ、および超音波プローブを備えた超音波画像装置に関する。
従来、超音波デバイスは、圧電部材、バッキング部、音響整合層、および音響レンズ等から構成されている。そして、超音波デバイスは、圧電部材で発生させた超音波を、音響整合層、音響レンズを介して被検体に入射させる。そして、超音波デバイスは、被検体内部で反射した反射波（超音波エコー）を受信し、反射波の強弱に対応した電圧を発生させる。
なお、このような超音波デバイスを備えたプローブおよび超音波画像装置を用いて、穿刺動作を行う場合には、針先を見失わないように、針先が常に超音波画像の走査線の平面に重なるようにプローブを傾けながら、同時に針を進めることで行われている。また、プローブを被検体の体表面上にスイープさせ、血管と針先とが常に画像に映し出されるようにして、針先を認識しながら穿刺を行う手技も存在する。
特許文献１には、穿刺針からの超音波エコー信号の強度を高め、穿刺針の視認性を向上させることができる超音波診断装置が開示されている。
特開２０１２−１９２１６２号公報
上述したように、針先を常に画像に映し出すためにプローブを傾けたりスイープさせたりすることは、移動させたプローブの位置を保持することが難しく、また、プローブを当てる位置が不安定となりやすいため、プローブを操作する技術が必要となる。そのため、プローブを移動させることで針先を常に画像に映し出すことは難しく、針先を見失いやすいという課題があった。
従って、プローブを移動せずに針先を捉え易くする超音波デバイス、超音波プローブ、および超音波画像装置が要望されていた。
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例に係る超音波デバイスは、超音波素子を有して超音波の送受信を行う超音波デバイスであって、超音波デバイスは、超音波素子のうち、一つのチャンネルを構成する超音波素子が第一方向に配列された第一の超音波素子アレイと、一つのチャンネルを構成する超音波素子が第一方向に配列された第二の超音波素子アレイと、を備え、第二の超音波素子アレイは、第一の超音波素子アレイに対して、第一方向と交差する第二方向にシフトして配置されたことを特徴とする。
このような超音波デバイスによれば、第一の超音波素子アレイと第二の超音波素子アレイをそれぞれ駆動することで、超音波素子アレイ毎に超音波を射出することができる。そして、第二方向に沿って、超音波素子アレイに対応した画像を生成するための超音波エコーを受信することができる。これにより、穿刺を行う場合、受信した超音波エコーに基づき、画像を生成し、針先を第二方向に進めて行くことで、針先を画像に映し出すことができる。従って、超音波デバイスを移動せずに針先を捉え易くする超音波デバイスを実現することができる。
［適用例２］上記適用例に係る超音波デバイスにおいて、第一の超音波素子アレイおよび第二の超音波素子アレイは、超音波素子アレイ毎の駆動に加え、第一の超音波素子アレイと第二の超音波素子アレイとを組み合わせた駆動により超音波を送受信することが好ましい。
このような超音波デバイスによれば、超音波素子アレイ毎の駆動に加え、超音波素子アレイを組み合わせた駆動を行うことにより、超音波素子アレイの数よりも多くの画像を生成するための超音波エコーを受信することができる。従って、超音波デバイスを移動せずに針先を更に捉え易くする超音波デバイスを実現することができる。
［適用例３］上記適用例に係る超音波デバイスにおいて、第一の超音波素子アレイおよび第二の超音波素子アレイは、超音波素子アレイ毎の駆動に加え、第一の超音波素子アレイと第二の超音波素子アレイを含む、超音波素子全体の駆動により超音波を送受信することが好ましい。
このような超音波デバイスによれば、超音波素子アレイ毎の駆動に加え、超音波素子全体の駆動を行うことにより、超音波素子アレイの数よりも１つ多く画像を生成するための超音波エコーを受信することができる。従って、超音波デバイスを移動せずに針先を更に捉え易くする超音波デバイスを実現することができる。
［適用例４］上記適用例に係る超音波デバイスにおいて、被検体に当接させる音響部を備え、音響部は、被検体に当接させる平坦面部を備えていることが好ましい。
このような超音波デバイスによれば、音響部が被検体に当接させる平坦面部を備えていることにより、超音波素子アレイを駆動した場合、アレイ状に形成される超音波素子から射出された超音波が音響部により集束される。これにより、針先を含めて被検体内部を捉えた超音波エコーを受信することができる。
［適用例５］本適用例に係る超音波プローブは、上述したいずれかの超音波デバイスと、超音波デバイスの一部を露出させて収容する収容部材と、を備えていることを特徴とする。
このような超音波プローブによれば、第一の超音波素子アレイおよび第二の超音波素子アレイを備える超音波デバイスを収容部材に収容して超音波プローブを構成することにより、超音波プローブを移動せずに針先を捉え易くする超音波プローブを実現することができる。
［適用例６］本適用例に係る超音波画像装置は、上述した超音波プローブと、超音波プローブを制御し、超音波プローブからの入力信号に基づき超音波素子アレイでの画像を生成する処理装置と、処理装置で生成された画像をそれぞれ表示する表示装置と、を備えていることを特徴とする。
このような超音波画像装置によれば、超音波プローブを移動せずに、複数の超音波素子アレイを駆動して第二方向に複数の画像を生成することができることで、針先を捉え易くする超音波画像装置を実現することができる。
第１実施形態に係る超音波画像装置の概略構成を示す斜視図。 超音波プローブの概略構成を示す斜視図。 超音波デバイスの概略構成を示す斜視図。 超音波画像装置の回路ブロック図。 超音波素子の概略構成を示す平面図。 超音波素子の概略構成を示す断面図。 超音波素子アレイの概略構成を示す説明図。 超音波素子アレイを駆動した場合に得られる断面画像を示す模式図。 超音波素子アレイを駆動した場合に得られる断面画像を示す模式図。 ２つの超音波素子アレイ全体を駆動した場合に得られる断面画像を示す模式図。 穿刺を行う場合の穿刺針、血管、超音波プローブ、および断面画像の位置関係を示す模式図。 穿刺動作時の穿刺針の状態を模式的に示す断面画像。 第２実施形態に係る超音波デバイスの概略構成を示す斜視図。
〔第１実施形態〕
本実施形態では、超音波デバイス１、超音波デバイス１を備えた超音波プローブ１００、および超音波プローブ１００を備えた電子機器としての超音波画像装置１２０に関し、図面に基づいて説明する。なお、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。
図１は、第１実施形態に係る超音波画像装置１２０の概略構成を示す斜視図である。図１を参照して、超音波画像装置１２０の構成を説明する。
本実施形態の超音波画像装置１２０は、超音波プローブ１００を被検体の体表面上などに密着させて保持し、超音波プローブ１００から超音波を送信し、被検体内部から反射する反射波（超音波エコー）を受信し、受信した超音波エコーのデータを解析して画像として表示する装置である。術者は、この画像を確認しながら穿刺動作等を行う。
超音波画像装置１２０は、超音波プローブ１００と処理装置１１０とを備えている。また、処理装置１１０は、操作部１１７や表示装置１１８などを含んで構成されている。超音波プローブ１００と処理装置１１０とは、可撓性を有するケーブル１４０で相互に接続され、電気信号を送受信する。表示装置１１８は、処理装置１１０で処理されて生成された画像（超音波プローブ１００で検出された超音波エコーに基づいた画像）を表示する。また、操作部１１７は、キースイッチで構成され、キースイッチの操作に基づく命令を処理装置１１０（後述する主制御部１１５）に出力する。
図２は、超音波プローブ１００の概略構成を示す斜視図である。詳細には、図２は、超音波プローブ１００を体表面上に密着させる側から見た斜視図である。図３は、超音波デバイス１の概略構成を示す斜視図である。図２、図３を参照して、超音波プローブ１００、超音波デバイス１の構成を説明する。
図２に示すように、本実施形態の超音波プローブ１００は、超音波デバイス１、収容部材８０などを備えて構成される。超音波デバイス１は、図３に示すように、概ね矩形の平板状に形成されている。収容部材８０も超音波デバイス１と同様に、概ね矩形の平板状に形成されている。収容部材８０は、収容部８１を有して、超音波デバイス１の一部となる音響部４０（平坦面部４１）を露出させる状態で超音波デバイス１を収容する。なお、収容部８１に超音波デバイス１を収容する際に、収容部８１の内側面と超音波デバイス１の外側面との隙間に、シリコーン系のシール部材８５を挟み込むことで、収容部８１と超音波デバイス１との隙間が封止される。収容部材８０は、本実施形態では、合成樹脂部材を用いて形成されている。しかし、これには限られず、他の部材、例えば金属部材などを用いることができる。
図３に示すように、本実施形態の超音波デバイス１は、矩形状に形成される超音波素子アレイ１０Ａ（超音波素子１０）を中心に、音響整合層３０、音響部４０、およびバッキング部２０等を含んで構成される。超音波デバイス１は、超音波素子１０で発生させた超音波を、音響整合層３０、音響部４０を介して被検体に入射させる。そして、超音波デバイス１は、被検体内部で反射した超音波の反射波（超音波エコー）を受信し、エコーの強弱に対応した電圧を発生させる。
音響整合層３０は、超音波素子アレイ１０Ａと被検体との音響インピーダンスの差を小さくし、超音波の反射を抑えて効率よく被検体内部に入射させるための音響整合を取っている。
音響部４０は、図２、図３に示すように、外面となる一方の面が平坦面となる平坦面部４１を有している。音響部４０は、この平坦面部４１により、超音波素子アレイ１０Ａで射出された超音波の広がりを集束させる。なお、本実施形態の超音波素子１０は、いわゆる薄膜圧電型超音波素子で構成され、この超音波素子１０がアレイ状に配置されて超音波素子アレイ１０Ａが構成されている。このような超音波素子アレイ１０Ａから超音波が射出された場合、音響部４０の被検体と当接する部分がレンズで構成されていなく、本実施形態のように平坦面部４１で構成されている場合にも、平坦面部４１から射出された超音波はある距離までは集束する特性を有している。
バッキング部２０は、超音波素子アレイ１０Ａから射出される不要となる超音波を減衰させることにより、画像における距離分解能を向上させている。
超音波素子アレイ１０Ａは、本実施形態では、２つの超音波素子アレイで構成されている。具体的には、超音波素子アレイ１０Ａは、超音波素子アレイＡと超音波素子アレイＢとにより構成されている。超音波素子アレイＡと超音波素子アレイＢに関する詳細は後述する。
図２に示すように、音響部４０の長手方向に平行にスキャン方向Ｄ２が規定され、音響部４０の長手方向に直交し、収容部８１が形成される収容部材８０の面に平行にスライス方向Ｄ１が規定される。この面内でスキャン方向Ｄ２およびスライス方向Ｄ１は互いに直交する。
図４は、超音波画像装置１２０の回路ブロック図である。図４を参照して、超音波画像装置１２０の回路構成を説明する。
超音波画像装置１２０は、上述したように超音波プローブ１００と処理装置１１０とを備えている。超音波プローブ１００は、超音波デバイス１等を備えている。処理装置１１０は、処理回路１３０、主制御部１１５、画像処理部１１６、操作部１１７、表示装置１１８等を備えている。
処理回路１３０は、制御部１３１、送信回路１３２、受信回路１３３、選択回路１３４等を備えている。処理回路１３０は、超音波デバイス１の送信処理および受信処理を行う。送信回路１３２は、送信期間において、選択回路１３４を介して超音波デバイス１に対して送信信号ＶＴを出力する。具体的には、送信回路１３２は、制御部１３１の制御に基づいて送信信号ＶＴを生成し、選択回路１３４に出力する。選択回路１３４は、制御部１３１の制御に基づいて、送信回路１３２からの送信信号ＶＴを出力する。送信信号ＶＴの周波数および振幅電圧は、制御部１３１により設定することができる。
受信回路１３３は、超音波デバイス１からの受信信号ＶＲの受信処理を行う。具体的には、受信回路１３３は、受信期間において、選択回路１３４を介して超音波デバイス１からの受信信号ＶＲを受け取り、受信信号の増幅、ゲイン設定、周波数設定、Ａ／Ｄ変換（アナログ／デジタル変換）などの受信処理を行う。受信処理の結果は、検出データ（検出情報）として最終的に画像処理部１１６に出力される。受信回路１３３は、例えば、低雑音増幅器、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、Ａ／Ｄコンバーターなどで構成することができる。
制御部１３１は、送信回路１３２および受信回路１３３を制御する。具体的には、制御部１３１は、送信回路１３２に対して送信信号ＶＴの生成および出力処理の制御を行い、受信回路１３３に対して受信信号ＶＲの周波数設定やゲインなどの制御を行う。
選択回路１３４は、制御部１３１の制御に基づいて、駆動させる超音波素子アレイＡ，Ｂを切り替え、送信信号ＶＴを、対応する超音波素子アレイＡ，Ｂに出力する。なお、本実施形態では、超音波デバイス１は、いわゆるリニアスキャン方式による駆動が行われるため、選択回路１３４は、駆動するチャンネルを所定のタイミングで順次切り替える機能を有している。
主制御部１１５は、超音波プローブ１００に対して超音波の送受信制御を行い、画像処理部１１６に対して検出データの画像処理等の制御を行う。画像処理部１１６は、受信回路１３３からの検出データを受けて、必要な画像処理や表示用画像データの生成などを行う。操作部１１７は、ユーザーの行う操作に基づいて主制御部１１５に必要な命令（コマンド）を出力する。本実施形態では、操作部１１７は、キースイッチで構成される。表示装置１１８は、画像処理部１１６からの表示用画像データを表示する。本実施形態では、表示装置１１８は、液晶ディスプレイで構成される。なお、主制御部１１５が行う制御の一部を処理回路１３０の制御部１３１が行ってもよいし、制御部１３１が行う制御の一部を主制御部１１５が行ってもよい。
図５は、超音波素子１０の概略構成を示す平面図である。図６は、超音波素子１０の概略構成を示す断面図である。なお、図６は、図５のＤ-Ｄ切断線に沿った断面を示している。図５、図６を参照して、本実施形態の超音波素子１０の構成を説明する。なお、本実施形態の超音波素子１０は薄膜圧電型超音波素子で構成される。
図５、図６に示すように、超音波素子１０は、ベース基板１１と、ベース基板１１に形成された振動膜１３と、振動膜１３上に設けられた圧電体部１８とを有する。そして圧電体部１８は、第１電極１４、圧電体層１５、第２電極１６を有する。
超音波素子１０は、シリコンなどのベース基板１１に開口部１２を有し、開口部１２を覆って閉塞する振動膜１３を備えている。開口部１２は、ベース基板１１の裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。振動膜１３は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）層と酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）層との２層構造により構成される。ここで、酸化シリコン層は、ベース基板１１がシリコン基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、酸化ジルコニウム層は、酸化シリコン層上に例えばスパッタリングなどの手法により成膜される。ここで、酸化ジルコニウム層は、後述する圧電体層１５として例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる場合に、ＰＺＴを構成する鉛が酸化シリコン層に拡散することを防止するための層である。また、酸化ジルコニウム層は、圧電体層１５の歪みに対する撓み効率を向上させるなどの効果もある。
振動膜１３の上面には第１電極１４が形成され、第１電極１４の上面には圧電体層１５が形成され、更に圧電体層１５の上面に第２電極１６が形成されている。言い換えると、圧電体部１８は、第１電極１４と第２電極１６との間に圧電体層１５が挟まれる構造で構成されている。
第１電極１４は、金属薄膜で形成され、複数の超音波素子１０（圧電体層１５）を備える場合、図５に示すように、素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波素子１０（圧電体層１５）に接続される配線であってもよい。
圧電体層１５は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極１４の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層１５の材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ3）などを用いてもよい。
第２電極１６は、金属薄膜で形成され、圧電体層１５の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極１６は、複数の超音波素子１０（圧電体層１５）を備える場合、図５に示すように、素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波素子１０（圧電体層１５）に接続される配線であってもよい。
また、図６に示すように、超音波素子１０を覆い、外部からの透湿を防止する防湿層１９が備えられている。この防湿層１９はアルミナなどの材料で形成され、超音波素子１０の全面あるいは一部に設けられている。なお、防湿層１９は、使用する状態や環境により適宜設ければよく、防湿層１９を設けない構造であってもよい。
圧電体層１５は、第１電極１４と第２電極１６との間に電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。従って、圧電体層１５に電圧を印加すると、例えば開口部１２側に凸となる撓みが生じ、振動膜１３を撓ませる。圧電体層１５に交流電圧を印加することで、振動膜１３が膜厚方向に対して振動し、この振動膜１３の振動により超音波が開口部１２から射出される。併せて、開口部１２とは反対側（素子形成側）に超音波が射出される。なお、本実施形態の超音波デバイス１は、開口部１２とは反対側（素子形成側）に射出される超音波を被検体に射出する。
超音波素子１０は、射出された超音波が対象物で反射されて戻ってくる超音波エコーを受信する受信素子としても動作する。超音波エコーにより振動膜１３が振動し、この振動によって圧電体層１５に応力が加わり、第１電極１４と第２電極１６との間に電圧が発生する。この電圧を受信信号として取り出すことができる。
図７は超音波素子アレイ１０Ａの概略構成を示す説明図である。図７を参照して、上記の超音波素子１０をアレイ状に配置した超音波素子アレイ１０Ａについて説明する。
超音波素子アレイ１０Ａは、複数の超音波素子１０がアレイ状に配置されて構成されている。複数の超音波素子１０は、ｍ行ｎ列のマトリックス状に配置される。図７では、一例として、超音波素子アレイ１０Ａが、スライス方向Ｄ１に沿って８行、スキャン方向Ｄ２に沿って１２列に配置される構成としている。図７に示す超音波素子アレイ１０Ａを基にして本実施形態を説明する。
本実施形態の超音波素子アレイ１０Ａは、第一の超音波素子アレイに対応する超音波素子アレイＡと、第二の超音波素子アレイに対応する超音波素子アレイＢとで構成される。従って、超音波素子アレイ１０Ａは、本実施形態では、２つの超音波素子アレイＡ，Ｂで構成されている。超音波素子アレイＡおよび超音波素子アレイＢは、共に、一つのチャンネル（後述する駆動電極線ＤＬで繋がる超音波素子１０）を構成する超音波素子１０が第１方向（本実施形態ではスキャン方向Ｄ２に対応）に配列されている。そして、超音波素子アレイＢは超音波素子アレイＡに対して、第１方向と交差（本実施形態では略直交）する第二方向（本実施形態スライス方向Ｄ１に対応）にシフトして配置されている。
具体的には、８行１２列に構成される超音波素子アレイ１０Ａに対して、超音波素子アレイＡと超音波素子アレイＢとは、共に４行１２列の領域で構成される。言い換えると、本実施形態の超音波素子アレイＡと超音波素子アレイＢとは、超音波素子アレイ１０Ａをスライス方向Ｄ１で２分割した状態で構成されている。
なお、超音波素子１０の配置は、８行１２列のマトリックス配置に限定されない。また、超音波素子アレイＡと超音波素子アレイＢとは、４行１２列の構成には限定されない。
超音波素子アレイ１０Ａは、超音波素子１０の他、駆動電極線ＤＬａ，ＤＬｂ、コモン電極線ＣＬａ，ＣＬｂを含んで構成されている。そして、超音波素子アレイＡは、超音波素子１０、駆動電極線ＤＬａ、コモン電極線ＣＬａを含んで構成されている。超音波素子アレイＢは、超音波素子１０、駆動電極線ＤＬｂ、コモン電極線ＣＬｂを含んで構成されている。
超音波素子アレイＡ，Ｂは、超音波素子アレイＡ，Ｂ毎に駆動することでそれぞれ超音波を送受信すると共に、超音波素子アレイＡ，Ｂの全体を駆動することで超音波を送受信することができる。なお、本実施形態では、２つの超音波素子アレイＡ，Ｂで構成されるため、超音波素子アレイＡ，Ｂの全体を駆動することは、超音波素子アレイＡ，Ｂを組み合わせて駆動するとも言える。
超音波素子アレイＡにおいて、駆動電極線ＤＬａは、それぞれスライス方向Ｄ１に沿って配線されている。それぞれの駆動電極線ＤＬａを、駆動電極線ＤＬａ１〜ＤＬａ１２とする。なお、各チャンネルは、各駆動電極線ＤＬａで繋がる一連の超音波素子１０で構成されている。超音波を射出する送信期間には、処理装置１１０を構成する処理回路１３０が出力する送信信号ＶＴａ１〜ＶＴａ１２が駆動電極線ＤＬａ１〜ＤＬａ１２を介して各超音波素子１０に供給される。また、超音波のエコー信号を受信する受信期間には、超音波素子１０からの受信信号ＶＲａ１〜ＶＲａ１２が駆動電極線ＤＬａ１〜ＤＬａ１２を介して処理回路１３０に出力される。
超音波素子アレイＡにおいて、コモン電極線ＣＬａは、それぞれスキャン方向Ｄ２に沿って配線されている。それぞれのコモン電極線ＣＬａを、コモン電極線ＣＬａ１〜ＣＬａ４とする。コモン電極線ＣＬａ１〜ＣＬａ４には、コモン電圧ＶＣＯＭａが供給される。このコモン電圧ＶＣＯＭａは一定の直流電圧であればよく、０Ｖすなわちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。
また、超音波素子アレイＢにおいても、超音波素子アレイＡと略同様で略対称に配線されている。詳細には、超音波素子アレイＢにおいて、駆動電極線ＤＬｂは、それぞれスライス方向Ｄ１に沿って配線されている。それぞれの駆動電極線ＤＬｂを、駆動電極線ＤＬｂ１〜ＤＬｂ１２とする。なお、各チャンネルは、超音波素子アレイＡと同様に、各駆動電極線ＤＬｂで繋がる一連の超音波素子１０で構成されている。超音波を射出する送信期間には、処理装置１１０を構成する処理回路１３０が出力する送信信号ＶＴｂ１〜ＶＴｂ１２が駆動電極線ＤＬｂ１〜ＤＬｂ１２を介して各超音波素子１０に供給される。また、超音波のエコー信号を受信する受信期間には、超音波素子１０からの受信信号ＶＲｂ１〜ＶＲｂ１２が駆動電極線ＤＬｂ１〜ＤＬｂ１２を介して処理回路１３０に出力される。
超音波素子アレイＢにおいて、コモン電極線ＣＬｂは、それぞれスキャン方向Ｄ２に沿って配線されている。それぞれのコモン電極線ＣＬｂを、コモン電極線ＣＬｂ１〜ＣＬｂ４とする。コモン電極線ＣＬｂ１〜ＣＬｂ４には、コモン電圧ＶＣＯＭｂが供給される。このコモン電圧ＶＣＯＭｂは一定の直流電圧であればよく、グランド電位（接地電位）でなくてもよい。
送信期間では、送信信号電圧とコモン電圧との差の電圧が各超音波素子１０に印加され、所定の周波数の超音波が射出される。本実施形態では、超音波素子１０に印加される電圧（駆動電圧）は、例えばピークツーピーク値で１０〜３０Ｖであり、周波数は例えば１〜１０ＭＨｚである。
図８Ａは、超音波素子アレイＡを駆動した場合に得られる断面画像ＳＡを示す模式図である。図８Ｂは、超音波素子アレイＢを駆動した場合に得られる断面画像ＳＢを示す模式図である。図８Ｃは、２つの超音波素子アレイＡ，Ｂ全体を駆動した場合に得られる断面画像ＳＣを示す模式図である。図８Ａ〜図８Ｃを参照して、超音波素子アレイと断面画像との関係を説明する。なお、断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、イメージ図として図示している。
上述したように、本実施形態の超音波画像装置１２０は、超音波デバイス１（超音波素子アレイ１０Ａ）に対して、超音波素子アレイＡ，Ｂ毎の駆動と、超音波素子アレイＡ，Ｂ全体の駆動との３通りの駆動を行わせることが可能である。そして、超音波画像装置１２０は、超音波素子アレイＡ，Ｂを駆動することにより、３つの断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを生成することができる。そして、本実施形態の超音波画像装置１２０は、二次元画像となるＢモード表示用の画像としてスライス方向Ｄ１（第二方向）に断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを生成して表示する。なお、二次元画像が生成される場合、画像の奥行方向に対応するのがスライス方向Ｄ１（第二方向）であり、画像の左右方向に対応するのがスキャン方向Ｄ２（第一方向）となる。
図８Ａに示すように、超音波素子アレイＡの超音波素子１０を駆動した場合、送信期間において、超音波素子アレイＡから超音波が射出され、当接する被検体内部に入射する。そして、受信期間において、被検体内部で反射した超音波がエコー信号として超音波素子アレイＡに入射する。その入射したエコー信号を処理装置１１０により断面画像ＳＡとして生成する。これにより、超音波素子アレイＡを駆動した際の断面画像ＳＡとして、超音波素子アレイＡのスライス方向Ｄ１での中心線に対して直下方向の断面画像を得ることができる。
図８Ｂに示すように、超音波素子アレイＢの超音波素子１０を駆動した場合にも、超音波素子アレイＡを駆動する場合と同様に、送信期間において、超音波素子アレイＢから超音波が射出され、当接する被検体内部に入射する。そして、受信期間において、被検体内部で反射した超音波がエコー信号として超音波素子アレイＢに入射し、その入射したエコー信号を処理装置１１０により断面画像ＳＢとして生成する。これにより、超音波素子アレイＢを駆動した際の断面画像ＳＢとして、超音波素子アレイＢのスライス方向Ｄ１での中心線に対して直下方向の断面画像を得ることができる。
図８Ｃに示すように、超音波素子アレイＡ，Ｂの超音波素子１０を駆動した場合、送信期間において、超音波素子アレイＡ，Ｂから超音波が射出され、当接する被検体内部に入射する。そして、受信期間において、被検体内部で反射した超音波がエコー信号として超音波素子アレイＡ，Ｂに入射する。その入射したエコー信号を処理装置１１０により断面画像ＳＣとして生成する。これにより、超音波素子アレイＡ，Ｂ全体を駆動した際の断面画像ＳＣとして、超音波素子アレイＡ，Ｂを合せたスライス方向Ｄ１での中心線に対して直下方向の断面画像を得ることができる。
図９は、穿刺を行う場合の穿刺針６０、血管５５、超音波プローブ１００、および断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣの位置関係を示す模式図である。図１０は、穿刺動作時の穿刺針６０の状態を模式的に示す断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣである。なお、図１０に示す断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、イメージ図として図示している。また、図１０は、断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣが、一例として、超音波画像装置１２０の表示装置１１８に表示された状態を示している。図９、図１０を参照して、超音波画像装置１２０（超音波プローブ１００）を使用して術者が穿刺を行う場合の手順を概略説明する。
以降では、一例として、本実施形態の超音波画像装置１２０を用いて、被検体である腕５０の血管５５に穿刺を行う場合を説明する。
図９に示すように、最初に、超音波プローブ１００を、穿刺する血管５５の断面が画像として得られるように腕５０の皮膚面５１に設置する。詳細には、穿刺する血管５５の断面が画像として得られるように、血管５５が延びる方向に対してスキャン方向Ｄ２が略垂直方向となるように超音波プローブ１００を設置する。言い換えると、血管５５の延びる方向にスライス方向Ｄ１が略平行となるように設置する。また、超音波プローブ１００を、穿刺しようとする血管５５の位置（穿刺位置とする）の上部となる皮膚面５１の概略の位置に、超音波用のジェルを塗布して設置する。
設置後、超音波画像装置１２０を動作させる。本実施形態では、超音波画像装置１２０は、超音波素子アレイＡ、超音波素子アレイＢ、および超音波素子アレイＡ，Ｂを順次駆動させる。これにより、スライス方向Ｄ１（第二方向）に断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣが得られる。
超音波画像装置１２０の動作により得られる断面画像は、図９に示すように、穿刺を開始する位置（超音波プローブ１００の先端側）から、スライス方向Ｄ１に沿って、最初に超音波素子アレイＡを駆動して得られる断面画像ＳＡ、次に超音波素子アレイＡ，Ｂ全体を駆動して得られる断面画像ＳＣ、次に超音波素子アレイＢを駆動して得られる断面画像ＳＢという位置関係となる。
なお、上述したように、図１０は、得られた断面画像ＳＡ，ＳＣ，ＳＢが超音波画像装置１２０の表示装置１１８に表示された状態を示している。本実施形態では、得られた断面画像は、表示装置１１８の下側から上側に、断面画像ＳＡ、断面画像ＳＣ、断面画像ＳＢの順番で表示される。なお、表示する順番はユーザーにより設定できる。
術者は、図９に示すように、超音波プローブ１００の先端側（超音波素子アレイＡ側）の皮膚面５１から、腕５０内部の血管５５に向けてスライス方向Ｄ１に穿刺針６０の穿刺を開始する。この時、術者は、超音波プローブ１００の下方の想定する穿刺位置に向けて穿刺を開始する。
ここで、術者が穿刺針６０の穿刺を開始して進行させた場合、断面画像ＳＡが形成される断面位置に穿刺針６０が位置すると、図１０に示すように、穿刺針６０からの超音波エコーにより、断面画像ＳＡに穿刺針６０が映し出される。術者が穿刺を更に進めて、断面画像ＳＣが形成される断面位置に穿刺針６０が位置すると、同様に、断面画像ＳＣに穿刺針６０が映し出される。術者が更に穿刺を進めて、断面画像ＳＢが形成される断面位置に穿刺針６０が位置すると、同様に、断面画像ＳＢに穿刺針６０が映し出される。
ここで、図１０に示す断面画像ＳＢが、穿刺針６０の針先が映り出した瞬間の画像であるとした場合、血管５５に穿刺針６０の針先が当接して、血管５５を押圧している状態を示していることになる。この場合、この状態からわずかに穿刺を進めることにより、血管５５内部へ穿刺針６０の針先が挿入され、穿刺針６０の穿刺が完了する状態となる。
上述したように超音波画像装置１２０を皮膚面５１に設置した後、術者は、針先が映る何れかの断面画像を確認しながらスライス方向Ｄ１に穿刺を行うことで、針先を見失わずに、確実で安全に穿刺を行うことができる。
上述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
本実施形態の超音波デバイス１において、超音波素子アレイ１０Ａは、２つの超音波素子アレイＡ，Ｂにより構成されている。なお、超音波素子アレイＡは、一つのチャンネルを構成する超音波素子１０が第一方向（本実施形態ではスキャン方向Ｄ２に対応）に配列された第一の超音波素子アレイに対応している。また、超音波素子アレイＢは、一つのチャンネルを構成する超音波素子１０が第一方向に配列された第二の超音波素子アレイに対応している。なお、第二の超音波素子アレイは、第一の超音波素子アレイに対して、第一方向と交差する第二方向（本実施形態ではスライス方向Ｄ１に対応）にシフトして配置されている。そして、超音波素子アレイＡ，Ｂ毎の駆動に加え、超音波素子アレイＡ，Ｂ全体を駆動することで、超音波を送受信することができる。これにより、第二方向（スライス方向Ｄ１）に、３つの断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを生成するための超音波エコーを受信することができる。これにより、最もシンプルな構成で、穿刺針６０の針先を捉え易くする超音波デバイス１を実現することができる。
本実施形態の超音波プローブ１００によれば、２つの超音波素子アレイＡ，Ｂを備える超音波デバイス１を収容部材８０に収容して超音波プローブ１００を構成することにより、超音波プローブ１００を移動せずに針先を捉え易くする超音波プローブ１００を実現することができる。
本実施形態の超音波画像装置１２０によれば、２つの超音波素子アレイＡ，Ｂを駆動して第二方向（スライス方向Ｄ１）に３つの断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを生成する。これにより、超音波プローブ１００を移動せずに、針先を捉え易くする超音波画像装置１２０を実現することができる。なお、術者は、このように構成される超音波画像装置１２０を用いることにより、針先を見失わずに、確実で安全に穿刺を行うことができる。
本実施形態の超音波デバイス１、超音波プローブ１００、および超音波画像装置１２０は、神経ブロック療法、生体検査（バイオプシー）、ＲＦＡ（ラジオ波焼灼治療）、採血、頸動脈エコー検査等に、好適に用いることができる。
〔第２実施形態〕
図１１は、第２実施形態に係る超音波デバイス１Ａの概略構成を示す斜視図である。図１１を参照して、本実施形態の超音波デバイス１Ａの構成および動作について説明する。
本実施形態の超音波デバイス１Ａは、第１実施形態の超音波デバイス１と比べて、音響部７０の構成が異なっている。それ以外の構成は、第１実施形態の超音波デバイス１と同様に構成されている。第１実施形態と同様の構成部には同様の符号を付記している。
本実施形態の音響部７０は、第１実施形態の音響部４０の平坦面部４１を、２つの凸状のレンズに置き換えた構成となっている。この２つのレンズをレンズ７１，７２とする。従って、音響部７０は、レンズ７１，７２を備えて構成されている。なお、レンズ７１は、超音波素子アレイＡに対応して形成され、レンズ７２は、超音波素子アレイＢに対応して形成されている。レンズ７１，７２は、凸状の部分的な円柱面形状に形成され、スキャン方向Ｄ２に延びて形成されている。また、レンズ７１，７２の曲率は、超音波の焦点位置に応じて設定されている。
第１実施形態の超音波デバイス１に換えて、本実施形態の超音波デバイス１Ａを備えて構成される超音波画像装置１２０は、超音波素子アレイＡ，Ｂ毎の駆動のみを行う。従って、本実施形態の超音波画像装置１２０においては、超音波素子アレイＡ，Ｂ全体の駆動は行わない仕様となっている。
本実施形態の超音波画像装置１２０を用いて超音波デバイス１Ａを駆動することにより、超音波素子アレイＡに対応した断面画像（第１実施形態では断面画像ＳＡに対応する）と、超音波素子アレイＢに対応した断面画像（第１実施形態では断面画像ＳＢに対応する）との２つの断面画像を得ることができる。
上述した実施形態によれば、第１実施形態での超音波素子アレイＡ，Ｂ全体を駆動させることを除いた場合の効果を同様に奏することができる他、以下の効果を奏する。
本実施形態の超音波デバイス１Ａによれば、超音波素子アレイＡ，Ｂに対応して、音響部７０にレンズ７１，７２が構成されている。これにより、超音波素子アレイＡで射出された超音波の広がりを、第１実施形態に比べて更に集束させることができ、超音波素子アレイＡでの分解能を向上させることができる。超音波素子アレイＢにおいても同様となる。従って、超音波画像装置１２０の表示装置１１８に表示される断面画像の解像度を第１実施形態に比べて向上させることができる。
なお、上述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更や改良等を加えて実施することが可能である。変形例を以下に述べる。
第１実施形態の超音波素子アレイ１０Ａは、第一の超音波素子アレイとしての超音波素子アレイＡと、第二の超音波素子アレイとしての超音波素子アレイＢとで構成されている。具体的には、超音波素子アレイ１０Ａは２つの超音波素子アレイＡ，Ｂで構成されている。しかし、これに限られず、超音波素子アレイ１０Ａは、第一の超音波素子アレイと第二の超音波素子アレイとの関係を保持して構成される３つ以上の超音波素子アレイで構成されることでもよい。これにより、超音波デバイス１および超音波プローブ１００は、３つ以上で構成された超音波素子アレイに対して、超音波素子アレイ毎の駆動に加え、超音波素子アレイを組み合わせた駆動により超音波を送受信することができる。これにより、超音波画像装置１２０は、第１実施形態での断面画像の数より多くの断面画像を第２方向に生成することができるため、超音波デバイス１を移動せずに針先を更に捉え易くすることができる。これは、第２実施形態においても同様となる。
なお、超音波素子アレイを組み合わせた駆動とは、複数の超音波素子アレイに対して隣り合う２つの超音波素子アレイを合せて駆動することや、隣り合う３つ以上の超音波素子アレイを合せて駆動することや、隣り合わない超音波素子アレイを合せて駆動すること等を含めている。いずれにしても、針先を捉え易くするために必要となる断面画像を得るために、有効となる超音波素子アレイを組み合わせて駆動することでよい。
第１実施形態の超音波画像装置１２０は、３つの断面画像ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを生成している。しかし、３つの断面画像が必要ない場合には、操作部１１７の操作により、必要な超音波素子アレイＡ，Ｂを駆動して意図する断面画像を得ることもできる。
第２実施形態の超音波画像装置１２０は、２つの超音波素子アレイＡ，Ｂに対応して音響部７０に２つのレンズ７１，７２を備えている。しかし、超音波素子アレイが３つ以上で構成される場合にも、超音波素子アレイの数に対応させてレンズを構成することでよい。この場合には、超音波素子アレイ毎の駆動のみ行い、超音波素子アレイを組み合わせた駆動は行わないことでよい。
１，１Ａ…超音波デバイス、１０…超音波素子、１０Ａ…超音波素子アレイ、４０…音響部、４１…平坦面部、５０…腕、５１…皮膚面、５５…血管、６０…穿刺針、７０…音響部、７１，７２…レンズ、８０…収容部材、１００…超音波プローブ、１１０…処理装置、１１８…表示装置、１２０…超音波画像装置、Ａ…第一の超音波素子アレイに対応する超音波素子アレイ、Ｂ…第二の超音波素子アレイに対応する超音波素子アレイ、Ｄ１…第二方向に対応するスライス方向、Ｄ２…第一方向に対応するスキャン方向、ＣＬａ，ＣＬｂ…コモン電極線、ＤＬａ，ＤＬｂ…駆動電極線、ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ…断面画像、ＶＣＯＭａ，ＶＣＯＭｂ…コモン電圧、ＶＲａ１〜ＶＲａ１２，ＶＲｂ１〜ＶＲｂ１２…受信信号、ＶＴａ１〜ＶＴａ１２，ＶＴｂ１〜ＶＴｂ１２…送信信号。

Claims (6)

  1. 超音波素子を有して超音波の送受信を行う超音波デバイスであって、
    前記超音波デバイスは、
    前記超音波素子のうち、一つのチャンネルを構成する超音波素子が第一方向に配列された第一の超音波素子アレイと、一つのチャンネルを構成する超音波素子が第一方向に配列された第二の超音波素子アレイと、
    を備え、
    前記第二の超音波素子アレイは、前記第一の超音波素子アレイに対して、前記第一方向と交差する第二方向にシフトして配置されたことを特徴とする超音波デバイス。
  2. 請求項１に記載の超音波デバイスであって、
    前記第一の超音波素子アレイおよび前記第二の超音波素子アレイは、超音波素子アレイ毎の駆動に加え、前記第一の超音波素子アレイと前記第二の超音波素子アレイとを組み合わせた駆動により前記超音波を送受信することを特徴とする超音波デバイス。
  3. 請求項１または請求項２に記載の超音波デバイスであって、
    前記第一の超音波素子アレイおよび前記第二の超音波素子アレイは、前記超音波素子アレイ毎の駆動に加え、前記第一の超音波素子アレイと前記第二の超音波素子アレイを含む、前記超音波素子全体の駆動により前記超音波を送受信することを特徴とする超音波デバイス。
  4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の超音波デバイスであって、
    被検体に当接させる音響部を備え、
    前記音響部は、前記被検体に当接させる平坦面部を備えていることを特徴とする超音波デバイス。
  5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
    前記超音波デバイスの一部を露出させて収容する収容部材と、
    を備えていることを特徴とする超音波プローブ。
  6. 請求項５に記載の超音波プローブと、
    前記超音波プローブを制御し、前記超音波プローブからの入力信号に基づき前記超音波素子アレイでの画像を生成する処理装置と、
    前記処理装置で生成された画像を表示する表示装置と、
    を備えていることを特徴とする超音波画像装置。
JP2015212627A 2015-10-29 2015-10-29 超音波デバイス、超音波プローブ、および超音波画像装置 Pending JP2017080130A (ja)

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