JP2021023395A - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

超音波プローブ及び超音波診断装置 Download PDF

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Abstract

【課題】格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続すること。【解決手段】実施形態の超音波プローブは、圧電振動子群と、基板とを備える。圧電振動子群は、格子状に分割される。基板は、前記圧電振動子群の背面に敷設され、前記圧電振動子群に対する複数の電極を略同心円状に並列接続する配線を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
超音波検査は、技師または医師が超音波プローブを被検体の体表上で操作して、人体内部の組織構造、血流等の情報を得ることによって実施される。例えば、技師や医師は、診断部位や診断内容に応じて、超音波を送受信する超音波プローブを体表上で操作することによって被検体内を超音波で走査して、組織構造を示す超音波画像や、血流等の情報を示す超音波画像を収集する。
このような超音波検査のための超音波プローブとしては、例えば、２次元アレイプローブが知られている。２次元アレイプローブは、板状の振動子を格子状に分割した振動子アレイを有する。この２次元アレイプローブは、素子数（分割後の振動子数）が多数のため、振動子近傍に駆動回路が設けられ、受信時には部分的なビームフォーミングを行って装置本体に限られた信号数を接続する。
一方、格子状に分割された振動子アレイに対して、多重同心円状の電極を設け、アニュラアレイとして装置に接続する技術も知られている。アニュラアレイでは、超音波ビームを偏向したり、移動したりすることで断面を走査することができないため、振動子を機械的に揺動して走査することが必要になるが、ビーム形状が優れ、高画質が得られる。
特開昭５９−２０２０５９号公報 特開２００３−８７８９７号公報
本発明が解決しようとする課題は、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続することである。
実施形態の超音波プローブは、圧電振動子群と、基板とを備える。圧電振動子群は、格子状に分割される。基板は、前記圧電振動子群の背面に敷設され、前記圧電振動子群に対する複数の電極を略同心円状に並列接続する配線を有する。
図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係る超音波プローブの構成の一例を示す図である。 図３Ａは、第１の実施形態に係る第１のＦＰＣを説明するための図である。 図３Ｂは、第１の実施形態に係る第１のＦＰＣを説明するための図である。 図４は、第１の実施形態に係る超音波プローブにおけるチャンネルを説明するための図である。 図５は、第１の実施形態に係る超音波プローブにおける送受信回路との接続を説明するための図である。 図６は、第１の実施形態に係る超音波プローブにおける振動子数と平均距離との関係を示す図である。 図７は、第１の実施形態に係る搖動機構の一例を示す図である。 図８は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の処理の手順を説明するためのフローチャートである。 図９は、第２の実施形態に係る超音波プローブの構成の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願に係る超音波プローブ及び超音波診断装置の実施形態を詳細に説明する。なお、本願に係る超音波プローブ及び超音波診断装置は、以下に示す実施形態によって限定されるものではない。また、以下の説明において、同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態における超音波診断装置について説明する。図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置１は、超音波プローブ２と、ディスプレイ３と、入力インターフェース４と、装置本体５とを有し、超音波プローブ２と、ディスプレイ３と、入力インターフェース４とが装置本体５と通信可能に接続される。
超音波プローブ２は、装置本体５に含まれる送受信回路５１に接続される。超音波プローブ２は、例えば、プローブ本体に複数の圧電振動子を有し、これら複数の圧電振動子は、送受信回路５１から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。また、超音波プローブ２は、被検体Ｐからの反射波を受信して電気信号に変換する。また、超音波プローブ２は、プローブ本体において、圧電振動子に設けられる整合層と、圧電振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有する。なお、超音波プローブ２は、装置本体５と着脱自在に接続される。ここで、本実施形態に係る超音波プローブ２は、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続された超音波プローブであるが、この点については、後に詳述する。
超音波プローブ２から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波信号として超音波プローブ２が有する複数の圧電振動子にて受信される。受信される反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。
ディスプレイ３は、超音波診断装置１の操作者が入力インターフェース４を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体５において生成された超音波画像や表示情報等を表示したりする。また、ディスプレイ３は、装置本体５の処理状況や処理結果を操作者に通知するために、各種のメッセージや表示情報を表示する。また、ディスプレイ３は、スピーカーを有し、音声を出力することもできる。
入力インターフェース４は、所定の位置（例えば、関心領域等）の設定や、画像の表示方向の設定、数値の入力、モードの切り替え等を行うための操作を受け付ける。例えば、入力インターフェース４は、トラックボール、スイッチ、ボタン、マウス、キーボード、操作面へ触れることで入力操作を行うタッチパッド、表示画面とタッチパッドとが一体化されたタッチモニタ、光学センサを用いた非接触入力回路、及び音声入力回路等によって実現される。入力インターフェース４は、後述する処理回路５５に接続されており、操作者から受け付けた入力操作を電気信号へ変換し処理回路５５へと出力する。なお、本明細書において入力インターフェース４は、マウス、キーボード等の物理的な操作部品を備えるものだけに限られない。例えば、装置とは別体に設けられた外部の入力機器から入力操作に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を処理回路５５へ出力する電気信号の処理回路も入力インターフェースの例に含まれる。
装置本体５は、送受信回路５１と、Ｂモード処理回路５２と、ドプラ処理回路５３と、メモリ５４と、処理回路５５とを有する。図１に示す超音波診断装置１においては、各処理機能がコンピュータによって実行可能なプログラムの形態でメモリ５４へ記憶されている。送受信回路５１、Ｂモード処理回路５２、ドプラ処理回路５３、及び、処理回路５５は、メモリ５４からプログラムを読み出して実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の各回路は、読み出したプログラムに対応する機能を有することとなる。
送受信回路５１は、パルス発生器、送信遅延回路、パルサ等を有し、超音波プローブ２に駆動信号を供給する。パルス発生器は、所定のレート周波数で、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。また、送信遅延回路は、超音波プローブ２から発生される超音波をビーム状に集束し、かつ送信指向性を決定するために必要な圧電振動子ごとの遅延時間を、パルス発生器が発生する各レートパルスに対し与える。また、パルサは、レートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ２に駆動信号（駆動パルス）を印加する。ここで、本実施形態に係る送受信回路５１は、格子状に分割された圧電振動子群が多重同心円状に接続された素子グループ（圧電振動子群）ごとに遅延を与えた駆動信号を供給する。この点については、後に詳述する。
なお、送受信回路５１は、後述する処理回路５５の指示に基づいて、所定のスキャンシーケンスを実行するために、送信周波数、送信駆動電圧等を瞬時に変更可能な機能を有している。特に、送信駆動電圧の変更は、瞬間にその値を切り替え可能なリニアアンプ型の発信回路、又は、複数の電源ユニットを電気的に切り替える機構によって実現される。
また、送受信回路５１は、プリアンプ、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換器、受信遅延回路、加算器等を有し、超音波プローブ２が受信した反射波信号に対して各種処理を行って反射波データを生成する。プリアンプは、反射波信号をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅された反射波信号をＡ／Ｄ変換する。受信遅延回路は、受信指向性を決定するために必要な遅延時間を与える。加算器は、受信遅延回路によって処理された反射波信号の加算処理を行なって反射波データを生成する。加算器の加算処理により、反射波信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調され、受信指向性と送信指向性とにより超音波送受信の総合的なビームが形成される。なお、送受信回路５１は、駆動回路の一例である。
Ｂモード処理回路５２は、送受信回路５１から反射波データを受信し、対数増幅、包絡線検波処理等を行なって、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。
ドプラ処理回路５３は、送受信回路５１から受信した反射波データから速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、速度、分散、パワー等の移動体情報を多点について抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。本実施形態の移動体は、血管内を流動する血液や、リンパ管内を流動するリンパ液等の流体である。
なお、Ｂモード処理回路５２及びドプラ処理回路５３は、２次元の反射波データ及び３次元の反射波データの両方について処理可能である。すなわち、Ｂモード処理回路５２は、２次元の反射波データから２次元のＢモードデータを生成し、３次元の反射波データから３次元のＢモードデータを生成する。また、ドプラ処理回路５３は、２次元の反射波データから２次元のドプラデータを生成し、３次元の反射波データから３次元のドプラデータを生成する。３次元のＢモードデータは、３次元走査範囲の各走査線上で設定された複数の点（サンプル点）それぞれに位置する反射源の反射強度に応じた輝度値が割り当てられたデータとなる。また、３次元のドプラデータは、３次元走査範囲の各走査線上で設定された複数の点（サンプル点）それぞれに、血流情報（速度、分散、パワー）の値に応じた輝度値が割り当てられたデータとなる。
メモリ５４は、処理回路５５が生成した表示用の超音波画像を記憶する。また、メモリ５４は、Ｂモード処理回路５２やドプラ処理回路５３が生成したデータを記憶する。また、メモリ５４は、超音波送受信、画像処理及び表示処理を行なうための制御プログラムや、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見等）や、診断プロトコルや各種ボディーマーク等の各種データを記憶する。
処理回路５５は、超音波診断装置１の処理全体を制御する。具体的には、処理回路５５は、図１に示す制御機能５５１、画像生成機能５５２、及び、表示制御機能５５３に対応するプログラムをメモリ５４から読み出して実行することで、種々の処理を行う。
制御機能５５１は、入力インターフェース４を介して操作者から入力された各種設定要求や、メモリ５４から読込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づき、送受信回路５１、Ｂモード処理回路５２、ドプラ処理回路５３の処理を制御する。
画像生成機能５５２は、Ｂモード処理回路５２及びドプラ処理回路５３が生成したデータから超音波画像を生成する。すなわち、画像生成機能５５２は、Ｂモード処理回路５２が生成した２次元のＢモードデータから反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像データを生成する。Ｂモード画像データは、超音波走査された領域内の組織形状が描出されたデータとなる。また、画像生成機能５５２は、ドプラ処理回路５３が生成した２次元のドプラデータから移動体情報を表すドプラ画像データを生成する。ドプラ画像データは、速度画像データ、分散画像データ、パワー画像データ、又は、これらを組み合わせた画像データである。ドプラ画像データは、超音波走査された領域内を流動する流体に関する流体情報を示すデータとなる。
ここで、画像生成機能５５２は、一般的には、超音波走査の走査線信号列を、テレビ等に代表されるビデオフォーマットの走査線信号列に変換（スキャンコンバート）し、表示用の超音波画像を生成する。具体的には、画像生成機能５５２は、超音波プローブ２による超音波の走査形態に応じて座標変換を行なうことで、表示用の超音波画像を生成する。
また、画像生成機能５５２は、スキャンコンバート以外に種々の画像処理として、例えば、スキャンコンバート後の複数の画像フレームを用いて、輝度の平均値画像を再生成する画像処理（平滑化処理）や、画像内で微分フィルタを用いる画像処理（エッジ強調処理）等を行なう。また、画像生成機能５５２は、超音波画像に、種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディーマーク等を合成する。
すなわち、Ｂモードデータ及びドプラデータは、スキャンコンバート処理前の超音波画像データであり、画像生成機能５５２が生成するデータは、スキャンコンバート処理後の表示用の超音波画像である。なお、Ｂモードデータ及びドプラデータは、生データ（Raw Data）とも呼ばれる。
更に、画像生成機能５５２は、Ｂモード処理回路５２が生成した３次元のＢモードデータに対して座標変換を行なうことで、３次元のＢモード画像データを生成することもできる。また、画像生成機能５５２は、ドプラ処理回路５３が生成した３次元のドプラデータに対して座標変換を行なうことで、３次元のドプラ画像データを生成することもできる。すなわち、画像生成機能５５２は、「３次元のＢモード画像データや３次元のドプラ画像データ」を「３次元の超音波画像データであるボリュームデータ」として生成することもできる。
更に、画像生成機能５５２は、ボリュームデータをディスプレイ３にて表示するための各種の２次元画像データ（超音波画像）を生成するために、ボリュームデータに対してレンダリング処理を行なうこともできる。
表示制御機能５５３は、メモリ５４が記憶する表示用の超音波画像をディスプレイ３にて表示するように制御する。また、制御機能５５１は、各機能による処理結果をディスプレイ３にて表示するように制御する。
以上、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の全体構成について説明した。かかる構成のもと、第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続した超音波プローブを有する。上述したように、２次元アレイプローブは、圧電振動子近傍に駆動回路が設けられ、各圧電振動子の駆動が制御されることから、走査の自由度が高く、３次元でのスキャンが可能である。しかしながら、２次元アレイプローブは、超音波プローブに内蔵される集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）の面積や消費電力の制約から、装置本体で駆動する場合に比べて送受信性能が劣るため、Ｓ／Ｎ（Signal-to-Noise）や、ダイナミックレンジ、帯域幅等に制約があり、高画質の断面画像を得ることが難しい。
また、上述したアニュラアレイは、高画質の断面画像を得ることができるが、格子状に分割された振動子アレイに対して多重同心円状の電極を設けることで形成されるアニュラアレイでは、チャンネル間を音響的、電気的に分離するために、同心円状の電極間に１素子分以上のギャップが必要になるため、振動子アレイにおける有効面積の減少や、サイドローブの上昇を招いてしまう。
また、一般に、アニュラアレイでは、駆動回路に対する負荷（振動子の静電容量）をチャンネル間で一定にし、均一な特性とするため、同心円状の各チャンネルに含まれる振動子数が一定となるように形成される。したがって、アニュラアレイでは、各チャンネル間の半径ピッチが、中心部では粗く、周辺部では細かく変化することとなる。そのため、中心部では、チャンネルあたりの口径、遅延の制御が粗くなり、小口径で送受信する近距離での画質が悪化する。また、周辺部では、電極間のギャップの比率が大きくなり、非効率となる。
そこで、本願では、格子状に分割された圧電振動子群に対する電極を略同心円状に並列接続する配線を設けた基板を用いることで、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続したアニュラアレイを実現する。また、本願では、上記構成により、中心部での半径ピッチを細かくすることができるため、小口径で送受信する近距離においても良好なビーム形状を実現することができ、近距離での画質を向上させることができる。
以下、第１の実施形態に係る超音波プローブ２の詳細について説明する。図２は、第１の実施形態に係る超音波プローブ２の構成の一例を示す図である。ここで、図２においては、超音波プローブ２の断面図を示す。また、図２では、格子状に分割された圧電振動子群に対する電極を略同心円状に並列接続する配線を設けた基板として、ＦＰＣ（Flexible preprint circuits）を用いる場合の例を示す。
図２に示すように、超音波プローブ２は、窓部材２１と、音響整合層２２と、圧電振動子２３と、第１のＦＰＣ２４と、第２のＦＰＣ２５と、バンプ２６と、背面材（バッキング）２７と、モータ２８とを有する。
圧電振動子２３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などであり、音響放射面側（図中、上側）と背面側（図中、下側）に対向する電極を有し、送受信回路５１による制御のもと超音波を送受信する。本実施形態に係る超音波プローブ２においては、圧電振動子２３が格子状に分割されることで、２次元マトリクス状に配列された振動子群を形成する。なお、圧電振動子２３の音響放射面側には、さらに、圧電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音響整合層２２や、被検体と接触する窓部材２１などが設けられる。
第１のＦＰＣ２４は、圧電振動子２３の背面側に敷設され、圧電振動子２３側とは異なる側の導電パターンによって、圧電振動子２３の中心からの距離が近い複数の電極を略同心円状に並列接続する。具体的には、第１のＦＰＣ２４は、圧電振動子２３における格子状の各振動子において、圧電振動子２３のアレイ中心からの距離が近似する規定数の振動子群を並列接続する導電パターンが背面側に配設される。すなわち、第１のＦＰＣ２４は、背面側に略同心円状の導電パターンが配設される。
図３Ａ及び図３Ｂは、第１の実施形態に係る第１のＦＰＣ２４を説明するための図である。ここで、図３Ａは、第１のＦＰＣにおける圧電振動子２３側の面を示し、図３Ｂは、背面側の面を示す。例えば、第１のＦＰＣ２４は、図３Ａに示すように、圧電振動子２３側の面に格子状の導電パターン２４１を有する。導電パターン２４１は、圧電振動子２３における格子状の各振動子に対応し、各振動子の電極と接合される。
また、例えば、第１のＦＰＣ２４は、図３Ｂに示すように、背面側の面に略同心円状の導電パターン２４２を有する。導電パターン２４２は、環状に形成された複数の配線により、圧電振動子２３の各振動子に対応する複数の電極を略同心円状に並列接続する。すなわち、導電パターン２４２は、１つの環状の配線によって複数の電極を並列接続し、並列接続された電極に対応する振動子を１つの振動子グループとして形成させる。１例を挙げると、図３Ｂに示す導電パターン２４２における最も外側に位置する配線は、圧電振動子２３側において対応する位置にある複数の振動子の電極を並列接続することで、１つの振動子グループを形成させる。本実施形態に係る超音波プローブ２では、上記した１つの振動子グループが１チャンネルとなる。
同様に、略同心円状に形成された環状の各配線が、圧電振動子２３側において対応する位置にある複数の振動子の電極を並列接続することで、各振動子グループを形成させる。なお、図３Ｂでは、環状の配線を細い円で示しているが、実際には、格子状の振動子を環状に並列接続させるために、配線はある程度の太さを有し、円ではない環状で形成される場合でもよい。
ここで、図３Ｂに示すように、超音波プローブ２における導電パターン２４２が、中心からの半径ピッチが細かい複数の配線が形成されることで、チャンネル間の半径ピッチが細かいアニュラアレイとなる。図４は、第１の実施形態に係る超音波プローブ２におけるチャンネルを説明するための図である。図４では、同心円状に同一のハッチングで示した領域に含まれる複数の振動子が１つの振動子グループ、すなわち、１つのチャンネルを構成する。例えば、超音波プローブ２におけるチャンネルは、上述した導電パターン２４２によって、図４に示すように、中心から外側に向かってｎ個のチャンネルが形成される。
また、超音波プローブ２においては、図４に示すように、半径のピッチが隣接するチャンネル間で略一定となるように形成される。すなわち、第１のＦＰＣ２４における導電パターン２４２は、半径のピッチが隣接するチャンネル間で略一定となるように、振動子アレイの中心からの距離が近似する複数の振動子を並列接続する。
このように、本実施形態に係る超音波プローブ２では、各振動子に対応する電極を第１のＦＰＣ２４の背面側で略同心円状に並列接続させることで、チャンネル間で音響的及び電気的な分離を行うためのギャップを意図的に設ける必要がなく、導電パターン２４２の内側の全ての振動子を超音波の送受信に利用することができ、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続することができる。
図２に戻って、第２のＦＰＣ２５は、第１のＦＰＣ２４の背面に敷設され、第１のＦＰＣ２４における導電部の位置に対応する位置に導電部を有し、第１のＦＰＣ２４との間で信号を送受信する。具体的には、第２のＦＰＣ２５は、第１のＦＰＣ２４の導電パターン２４２側に敷設されたＩ／Ｏ（Input／Output）用の基板である。第２のＦＰＣ２５は、装置本体５と接続するためのケーブルに含まれる信号線と接続される。
バンプ２６は、第１のＦＰＣ２４と第２のＦＰＣ２５とを電気的に接続する。ここで、第１のＦＰＣ２４と第２のＦＰＣ２５とは、導電部の露出位置を合わせるように形成される。すなわち、第１のＦＰＣ２４と第２のＦＰＣ２５とが重ねられた際に、第１のＦＰＣ２４における導電パターン２４２の露出位置と、第２のＦＰＣ２５における導電部の露出位置とが対応するように、各ＦＰＣにおける導電部の露出位置が決定される。
ここで、第１のＦＰＣ２４における導電パターン２４２の導電部（露出位置）は、各チャンネルに対応する配線ごとに設けられる。一例を挙げると、図４に示したチャンネル１〜ｎのｎ個の配線それぞれについて導電部が設けられる。なお、第１のＦＰＣ２４における導電部（露出位置）は、十分な電流が流れるようにインピーダンスが確保されていれば、数及び位置は任意である。
バンプ２６は、第１のＦＰＣ２４における導電パターン２４２の露出位置と、第２のＦＰＣ２５における導電部の露出位置との間に配置され、第１のＦＰＣ２４と第２のＦＰＣ２５とを電気的に接続する。なお、第１のＦＰＣ２４と第２のＦＰＣ２５との間でバンプ２６以外の空隙は非導電の接着剤によって充填されている。
モータ２８は、制御機能５５１の制御に沿って、圧電振動子２３を揺動する。具体的には、モータ２８は、格子状に分割された圧電振動子群と、基板とを揺動させる。例えば、モータ２８は、制御機能５５１から受信した制御信号に基づいて、図２に示す交点６１を回転軸として、矢印６２で示す方向に、音響整合層２２、圧電振動子２３、第１のＦＰＣ、第２のＦＰＣ２５、バンプ２６、及び、背面材２７を揺動する。なお、モータ２８は、搖動部の一例である。
アニュラアレイでは、圧電振動子の駆動制御によって超音波ビームを走査方向に偏向させることが難しいため、超音波プローブ２は、モータ２８を有し、モータ２８による揺動によって走査を行う。
上述したように、超音波プローブ２は、第１のＦＰＣ２４の背面側に、格子状に分割された圧電振動子群に対する電極を略同心円状に並列接続する配線を設けることで、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続したアニュラアレイを実現する。
さらに、本実施形態に係る超音波プローブ２は、各チャンネルを駆動する送受信回路５１に対する負荷（振動子静電容量）を概ね一定とし、均一の特性を実現するために、各チャンネルを駆動する送受信回路５１の数と、振動子グループに含まれる振動子の数との比が概ね一定となるように構成される。
具体的には、略同心円状に並列接続された電極に対応する振動子グループは、単一、又は、複数の送受信回路５１にそれぞれ並列接続され、単一、又は、複数の送受信回路５１に並列接続された各振動子グループの間で、振動子数と送受信回路数との比が、略一定に保たれる。すなわち、含まれる振動子の数が少ない振動子グループは、少ない送受信回路５１によって駆動され、含まれる振動子の数が多い振動子グループは、多い送受信回路５１によって駆動される。
図５は、第１の実施形態に係る超音波プローブ２における送受信回路５１との接続を説明するための図である。なお、図５では、説明の便宜上、送受信回路５１と接続される導電パターン２４２として、最も内側の配線と最も外側の配線の２つのみを示しているが、実際には、その他複数の配線がそれぞれ送受信回路５１と接続される。例えば、超音波プローブ２は、図５に示すように、最も内側の配線で並列接続された振動子グループは、含まれる振動子数が少なく、単一の送受信回路５１によって駆動される。一方、最も外側の配線で並列接続された振動子グループは、含まれる振動子数が多く、例えば、４つの送受信回路５１によって駆動される。
このように、超音波プローブ２における各振動子グループは、含まれる振動子の数に応じた数の送受信回路５１と並列接続され、並列接続された送受信回路５１によってそれぞれ駆動される。ここで、各振動子グループの間で、振動子数と送受信回路数との比を略一定に保つことによって、各チャンネルを駆動する送受信回路５１に対する負荷（振動子静電容量）を概ね一定とし、均一の特性を実現することができる。
図６は、第１の実施形態に係る超音波プローブ２における振動子数と平均距離との関係を示す図である。図６においては、縦軸をエレメント数（振動子数）及び振動子アレイの中心からの平均距離を示し、横軸はチャンネル（グループＮｏ．）を示す。また、図６においては、線Ｌ１が各チャンネルのエレメント数を示し、線Ｌ２が各チャンネルにおける振動子の中心からの平均距離を示す。
例えば、超音波プローブ２においては、図６における線Ｌ１に示すように、チャンネルのよって振動子数を変化させる。ここで、超音波プローブ２における各チャンネルに含まれる振動子数は、送受信回路５１の数の対応を容易にするため、線Ｌ１に示すように、離散的に変化させる。すなわち、超音波プローブ２においては、同一数の振動子を含むチャンネルが複数存在し、含まれる振動子の数を離散的に増加させる。
ここで、各チャンネルは、含まれる振動子数に応じた数の送受信回路５１と並列接続される。例えば、図６に示す超音波プローブ２では、矢印６３の範囲に含まれるチャンネルに対して２以上の送受信回路５１が並列接続され、矢印６３の範囲外（０から矢印６３の左端まで）のチャンネルに対して１つの送受信回路５１が接続される。なお、矢印６３の範囲に含まれるチャンネルについては、振動子数が多いチャンネルほど、並列接続される送受信回路５１の数が増加する。
このような構成の超音波プローブ２では、図６における線Ｌ２に示すように、各チャンネルにおける振動子の中心からの平均距離が線形に変化することとなる。特に、図６の矢印６４で示した範囲（２以上の送受信回路５１が並列接続されたチャンネル）では、振動子グループに含まれる振動子の中心からの平均距離がより線形に変化することとなる。すなわち、複数の送受信回路５１に並列接続される振動子グループでは、中心からの平均距離が略一定の間隔に保たれており、口径及び遅延の制御を精度よく行うことができる。
上述したように、超音波プローブ２は、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続し、各チャンネルを駆動する送受信回路５１に対する負荷（振動子静電容量）を概ね一定とし、均一の特性を実現したアニュラアレイとなる。ここで、上述した例では、圧電振動子２３等を内蔵されたモータ２８によって搖動することで断面を走査する場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものでなく、例えば、外付けの機構を用いて超音波プローブ２の位置や向きを変化させることで断面を走査する場合でもよい。
図７は、第１の実施形態に係る搖動機構の一例を示す図である。ここで、図７においては、超音波プローブ２に対して搖動機構７が外付けされた場合の例を示す。また、図７においては、超音波プローブ２が取り付けられた状態の搖動機構７を、超音波プローブ２の搖動方向（左上）、搖動方向に直交する方向（右上）、超音波プローブ２の送受信面側（下）から見た場合の図を示す。
例えば、搖動機構７は、図７に示すように、被検体との接触面が、超音波プローブ２の送受信面と同一の曲率を有し、超音波プローブ２に取り付けられた状態のときに、送受信面と高さが同一となる。そして、搖動機構７は、取り付けられた超音波プローブ２を支持する支持機構を有する。すなわち、超音波プローブ２は、支持機構によって回転可能に軸支される。操作者は、超音波プローブ２を把持した状態で支持機構に直交する方向に超音波プローブ２を傾けることで、超音波ビームの向きを変化させることができる。
ここで、図７に示す超音波プローブ２には、位置センサ６が取り付けられる。すなわち、操作者による手動の走査のため、データと収集位置とを対応付けるために、位置センサ６が用いられる。かかる場合には、例えば、画像生成機能５５２が、位置センサ６から位置情報を取得する。そして、画像生成機能５５２は、時間情報に基づいて、位置センサ６によって取得された位置情報を、Ｂモード処理回路５２及びドプラ処理回路５３が生成したデータに対応付けてメモリ５４に格納する。
すなわち、画像生成機能５５２は、反射波データの収集時刻と、位置センサ６によって取得された位置情報の取得時刻とに基づいて、位置情報とデータとを対応付ける。これにより、画像生成機能５５２は、手動での走査で正確な超音波画像を生成することができる。なお、位置センサ６としては、例えば、トランスミッタによって形成された３次元の磁場を検出することで位置情報を取得する磁気センサである。
また、上述した例では、超音波プローブ２が操作者によって手動で走査される場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、超音波プローブ２がロボットアームに保持され、ロボットの制御によって走査される場合でもよい。かかる場合には、例えば、画像生成機能５５２は、ロボットアームに保持された超音波プローブ２の所定の位置を初期位置として設定する。そして、取得機能１６２は、超音波プローブ２を保持するロボットアームの初期位置からの移動量を、超音波プローブ２の位置及び方向の変位量として取得し、取得した変位量に基づいて、データと位置情報とを対応付ける。
次に、図８を用いて、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の処理について説明する。図８は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の処理の手順を説明するためのフローチャートである。なお、図８は、モータ２８によって走査される場合について示す。また、ステップ１０１〜１１０は、処理回路５５がメモリ５４から制御機能５５１、画像生成機能５５２、表示制御機能５５３に対応するプログラムを読み出して実行することで実現されるステップである。
図８に示すように、第１の実施形態に係る超音波診断装置１では、処理回路５５が、スキャンが開始されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここで、スキャンが開始された場合には（ステップＳ１０１、肯定）、処理回路５５は、圧電振動子２３等の原点位置を検出して（ステップＳ１０２）、検出した原点位置に基づくモータ２８の制御により、圧電振動子２３等を初期ラスタ位置に移動させる（ステップＳ１０３）。なお、スキャンが開始されるまで、処理回路５５は、待機状態である（ステップＳ１０１、否定）。
そして、処理回路５５は、超音波を送受信するように送受信回路５１を制御することで（ステップＳ１０４）、ビームを形成させ（ステップＳ１０５）、受信波形をメモリ５４に記憶させる。その後、処理回路５５は、１フレーム分の受信波形の収集が終了したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。ここで、１フレーム分の受信波形の収集が終了していない場合には（ステップＳ１０７、否定）、処理回路５５は、モータ２８を制御して、圧電振動子２３等を次のラスタ位置に移動させ（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０４以降の処理を継続する。
一方、ステップＳ１０７において、１フレーム分の受信波形の収集が終了している場合には（ステップＳ１０７、肯定）、処理回路５５は、超音波画像を生成して表示させ（ステップＳ１０９）、スキャンが終了したか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、スキャンが終了していない場合には（ステップＳ１１０、否定）、処理回路５５は、ステップＳ１０３に戻って、処理を継続する。一方、スキャンが終了している場合には（ステップＳ１１０、肯定）、処理回路５５は、処理を終了する。
上述したように、第１の実施形態によれば、圧電振動子２３は、格子状に分割される。基板は、圧電振動子群の背面に敷設され、圧電振動子群に対する複数の電極を略同心円状に並列接続する配線を有する。従って、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、チャンネル間で音響的及び電気的な分離を行うためのギャップを意図的に設ける必要がなく、導電パターン２４２の内側の全ての振動子を超音波の送受信に利用することができ、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続したアニュラアレイの実現を可能にする。また、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、サイドローブの上昇がないアニュラアレイの実現を可能にする。また、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、圧電振動子２３の中心部における振動子グループの半径や、中心部の半径ピッチを小さくでき、小口径で送受信する近距離においても良好なビーム形状を実現して、高画質の超音波画像を取得することを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、基板は、圧電振動子群側とは異なる側の導電パターンによって、圧電振動子の中心からの距離が近い複数の電極を略同心円状に並列接続する第１のＦＰＣ２４である。従って、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続したアニュラアレイを容易に実現することを可能にする。また、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、振動子としてＰＺＴ等の強誘電体を用いることができ、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）等の高分子圧電体を用いるアニュラアレイと比べて、電気音響変換効率が上げ、感度が向上させることを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、基板としての第１のＦＰＣ２４に加え、第１のＦＰＣ２４の背面に敷設され、第１のＦＰＣ２４における導電部の位置に対応する位置に導電部を有し、第１のＦＰＣ２４との間で信号を送受信する第２のＦＰＣ２５をさらに備え、第１のＦＰＣ２４と第２のＦＰＣ２５との間は、導電部間が導電接合によって導通されるとともに、導電接合された位置以外の空隙が非導電の接着剤によって充填されている。従って、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、信号引き出しの構成を容易に実現することを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、略同心円状に並列接続された電極に対応する振動子グループは、単一、又は、複数の送受信回路５１にそれぞれ並列接続され、単一、又は、複数の送受信回路５１に並列接続された各振動子グループの間で、振動子数と送受信回路数との比が、略一定に保たれる。従って、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、各送受信回路５１に対する負荷（振動子静電容量）を概ね一定にすることができ、均一な特性を実現することを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、複数の送受信回路５１に並列接続される振動子グループは、中心からの平均距離が略一定の間隔に保たれる。従って、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、圧電振動子２３の外周部まで、半径ピッチをほぼ一定にすることができ、ＦＰＣ裏面のみでリング状配線が可能であり、構成を単純化することを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、モータ２８は、格子状に分割された圧電振動子２３と、基板とを揺動させる。従って、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、断面を走査することを可能にする。
また、第１の実施形態によれば、搖動機構７は、超音波プローブ２を揺動させる。従って、第１の実施形態に係る超音波プローブ２は、モータ２８などの機械的な搖動機構を内蔵することなく、断面を走査することを可能にする。
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、基板としてＦＰＣを用いる場合について説明した。第２の実施形態では、基板として多層基板を用いる場合について説明する。図９は、第２の実施形態に係る超音波プローブの構成の一例を示す図である。ここで、図９においては、超音波プローブ２の断面図を示す。また、第２の実施形態に係る超音波プローブ２は、第１の実施形態と比較して、基板として多層基板を用いる点が異なる。以下、この点を中心に説明する。
図９に示すように、第２の実施形態に係る超音波プローブ２は、窓部材２１と、音響整合層２２と、圧電振動子２３と、第２のＦＰＣ２５と、背面材（バッキング）２７と、モータ２８と、多層基板２９とを有する。
多層基板２９は、複数層を介した配線によって、圧電振動子２３の中心からの距離が近い複数の電極を略同心円状に並列接続する。例えば、多層基板２９は、音響放射面側（図中、上側）の外面に、圧電振動子２３における格子状の各振動子に対応し、各振動子の電極と接合される導電部を有する。そして、多層基板２９は、内層及び背面側の外層を介した接続により、圧電振動子２３における複数の電極を略同心円状に並列接続する。
なお、図９においては、モータ２８によって圧電振動子２３等を揺動して走査する構成を示しているが、第２の実施形態に係る超音波プローブ２においても、第１の実施形態と同様に、搖動機構７や、ロボットアームなどで搖動することで走査することもできる。
上述したように、第２の実施形態によれば、基板は、複数層を介した配線によって、圧電振動子２３の中心からの距離が近い複数の電極を略同心円状に並列接続する多層基板２９である。従って、第２の実施形態に係る超音波プローブ２は、多層基板を用いて実現することを可能にする。
（その他の実施形態）
さて、これまで第１及び第２の実施形態について説明したが、上述した第１及び第２の実施形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。
図１では、上述した各処理機能が単一の処理回路５５によって実現される場合の例を説明したが、実施形態はこれに限られない。例えば、処理回路５５は、複数の独立したプロセッサを組み合わせて構成され、各プロセッサが各プログラムを実行することにより各処理機能を実現するものとしても構わない。また、処理回路５５が有する各処理機能は、単一又は複数の処理回路に適宜に分散又は統合されて実現されてもよい。
上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサはメモリに保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、メモリにプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。
なお、上記の実施形態の説明で図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。更に、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部又は任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
以上、説明したとおり、実施形態によれば、格子状に分割した振動子アレイを面積効率よく多重同心円状に接続することを可能にする。
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同様に、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
２ 超音波プローブ
７ 搖動機構
２３ 圧電振動子
２４ 第１のＦＰＣ
２５ 第２のＦＰＣ
２８ モータ
２９ 多層基板
５１ 送受信回路

Claims (9)

  1. 格子状に分割された圧電振動子群と、
    前記圧電振動子群の背面に敷設され、前記圧電振動子群に対する複数の電極を略同心円状に並列接続する配線を有する基板と、
    を備える、超音波プローブ。
  2. 前記基板は、前記圧電振動子群側とは異なる側の導電パターンによって、前記圧電振動子群の中心からの距離が近い複数の電極を略同心円状に並列接続するＦＰＣ（Flexible preprint circuits）である、請求項１に記載の超音波プローブ。
  3. 前記基板としての第１のＦＰＣに加え、
    前記第１のＦＰＣの背面に敷設され、前記第１のＦＰＣにおける導電部の位置に対応する位置に導電部を有し、前記第１のＦＰＣとの間で信号を送受信する第２のＦＰＣをさらに備え、
    前記第１のＦＰＣと前記第２のＦＰＣとの間は、前記導電部間が導電接合によって導通されるとともに、前記導電接合された位置以外の空隙が非導電の接着剤によって充填されている、請求項２に記載の超音波プローブ。
  4. 前記基板は、複数層を介した配線によって、前記圧電振動子群の中心からの距離が近い複数の電極を略同心円状に並列接続する多層基板である、請求項１に記載の超音波プローブ。
  5. 略同心円状に並列接続された電極に対応する圧電振動子群は、単一、又は、複数の駆動回路にそれぞれ並列接続され、単一、又は、複数の駆動回路に並列接続された各圧電振動子群の間で、圧電振動子数と駆動回路数との比が、略一定に保たれる、請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
  6. 複数の駆動回路に並列接続される圧電振動子群は、前記圧電振動子群の中心からの平均距離が略一定の間隔に保たれる、請求項５に記載の超音波プローブ。
  7. 格子状に分割された圧電振動子群と、前記基板とを揺動させる搖動部をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１つに記載の超音波プローブ。
  8. 格子状に分割された圧電振動子群と、前記圧電振動子群の背面に敷設され、前記圧電振動子群に対する複数の電極を略同心円状に並列接続する配線を有する基板と、を有する超音波プローブと、
    前記超音波プローブによって受信された信号に基づいて超音波画像を生成する生成部と、
    を備える、超音波診断装置。
  9. 前記超音波プローブを揺動させる搖動機構をさらに備える、請求項８に記載の超音波診断装置。
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