JP3862793B2

JP3862793B2 - 超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置

Info

Publication number: JP3862793B2
Application number: JP30762796A
Authority: JP
Inventors: 房勝徳浅
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH10146337A; WO2004089220A1; US6299580B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波打ち出し時のグレイティングローブ（grating lobe）を軽減して超音波送信ビームの指向性を改善することができる超音波探触子、及びこの超音波探触子を被検体内の診断部位へ向けて超音波を送受信する探触子として用いた超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波探触子は、超音波を打ち出すと共にその反射エコーを受信する複数の振動子と、この振動子の背面に設けられ該振動子から出る超音波が再び戻って来ないようにするバッキング材と、上記振動子の前面に設けられ該振動子の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの差を整合する音響整合層と、この音響整合層の上面に設けられ超音波ビームを収束させる音響レンズとを有して成っていた。そして、上記複数の振動子は短冊形に形成され、この短冊形の振動子を一次元に直線状に多数並べ、又は二次元に多数配列し、或いは多数配列後の超音波送受信面が円弧状となるように並べて超音波探触子が形成されていた。
【０００３】
このような超音波探触子で超音波ビームを走査するには、該超音波探触子の駆動による超音波送信ビーム及び超音波受信ビームを組み合わせて行っている。すなわち、上記振動子に時間的に遅延した送信信号を加えることによりある点にて超音波を収束する超音波送信ビームを形成し、上記振動子で受信した反射エコー信号を遅延し整相することにより超音波受信ビームを形成していた。また、多数並べられた振動子の短軸方向の超音波ビームを音響レンズ等により収束することで、断層像のスライス厚を制御していた。さらに、１方向の超音波送信ビームに対して２〜４本程度の超音波受信ビームを組み合わせることにより、超音波ビームの走査線本数を増加し、走査時間の改善及び超音波画像の分解能の向上を図っていた。また、三次元画像を得る方法として、超音波ビームの二次元走査を被検体に対するスライス方向に複数回行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の超音波探触子においては、超音波送信ビームに指向性があり、従来の振動子形状及び振動子配列ではメインローブ以外にグレイティングローブと呼ばれる横方向に出る超音波が発生し、超音波送信ビームの指向性が劣化することがあった。このようなグレイティングローブが存在することから、超音波受信ビームを複数本使用して超音波ビーム本数を増やすと各々の超音波ビーム間に感度差が生じるものであった。そして、この感度差が生じることから超音波受信ビームの本数が制限され、得られる超音波画像の高フレームレート化が制約されることがあった
。また、従来の超音波探触子を用いて診断用の三次元画像を得るには、上記超音波ビームの本数に制限があることと、フレームレートをあまり高くできないこととから、例えば被検体内の運動部位の三次元診断ができないことがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、超音波打ち出し時のグレイティングローブを軽減して超音波送信ビームの指向性を改善することができる超音波探触子、及びこの超音波探触子を被検体内の診断部位へ向けて超音波を送受信する探触子として用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波探触子は、超音波を打ち出すと共にその反射エコーを受信する複数の振動子を備え、この振動子の背面にはバッキング材を有し、且つその前面には音響整合層及び音響レンズを有して成る超音波探触子において、上記振動子を所定形状の小形ブロック状に形成すると共に、この小形ブロック状の多数の振動子を半球状に突出する球面に形成されたバッキング材の前面側に球面状に配列したものである。
【０００７】
また、上記振動子は、円板状又は多角形板状に形成され、円板状のもののみ、又は多角形板状のもののみ、或いは円板状と多角形板状とを組み合わせたものを用いて球面状に配列したものとしてもよい。
【０００８】
また、関連発明としての超音波診断装置は、複数の振動子が配列され被検体内へ超音波を送受信する探触子と、この探触子内の各振動子に超音波打ち出しの送信信号を送出する送信部と、上記探触子からの反射エコー信号を整相加算する受信部と、この受信部からの受信信号を処理する信号処理部と、この処理後の受信信号を画像データに変換して記憶する画像記憶部と、この画像記憶部からの画像データを画像として表示する表示部と、を有して成る超音波診断装置において、上記探触子として、上述の手段の超音波探触子を用い、その探触子を構成する多数の振動子に上記送信部から同位相の送信信号を送出して指向性を有しない点音源と同等の音場を発生可能とし、上記受信部は探触子からの受信信号により同時に複数本の受信ビームを発生可能としたものである。
【０００９】
さらに、上記画像記憶部は、同時に二次元の断層像を少なくとも２画像以上表示するための画像データ又は三次元の画像を表示するための画像データを記憶するフレームメモリを有するものとしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による超音波探触子の実施の形態を示す斜視図である。この超音波探触子１は、超音波を利用して被検体内の診断部位の超音波画像を得る超音波診断装置にて上記被検体内へ超音波を送受信する計測部となるもので、図１に示すように、超音波を打ち出すと共にその反射エコーを受信する複数の振動子２，２，…を備え、この振動子２の背面にはバッキング材３を有し、且つその前面には音響整合層（図示せず）を有して成る。
【００１１】
上記複数の振動子２は、超音波を打ち出すと共にその反射エコーを受信するもので、ＺnＯ又はＰＺＴ等の材料を圧電素子とし、この圧電素子の両面に電極を設け、両電極間に電圧を印加して上記圧電素子を厚さ方向に伸縮させるようになっている。また、バッキング材３は、上記振動子２の背面に設けられ該振動子２から出る超音波が再び戻って来ないようにするもので、超音波の減衰の大きい材料を使用している。さらに、図示省略してあるが、音響整合層は、上記振動子２の前面に設けられ該振動子２の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの差を整合するもので、その音響インピーダンスが両者の中間的な値の材料でできている。
【００１２】
ここで、本発明においては、上記振動子２は所定形状の小形ブロック状に形成されると共に、この小形ブロック状の多数の振動子２，２，…が半球状に突出する球面に形成されたバッキング材３の前面側に球面状に配列されている。すなわち、上記振動子２は、図１に示すように、直径数μm〜数mm程度の円板状に形成されている。或いは、図２に示すように、一辺数μm〜数mm程度の多角形板状、例えば六角形板状に形成されている。製法としては、例えばスパッタリングにより薄膜を形成しカッティングすることによりできる。また、上記バッキング材３の前面側は、図１及び図２に示すように、半球状に突出する球面に形成されている。そして、このような形状に形成されたバッキング材３の前面側に、上記多数の振動子２，２，…が球面状に配列されている。この配列方法の例としては、チップ自動実装機でマウントし、バッキング材３側にある端子にワイヤボンディングを施すことにより実現する。
【００１３】
なお、図１においては円板状の振動子２のみを多数球面状に配列し、図２においては多角形板状の振動子２のみを多数球面状に配列したものを示したが、これに限らず、円板状の振動子２と多角形板状の振動子２とを交互に配列して組合せ、全体として球面状に配列してもよい。
【００１４】
このように、多数の振動子２，２，…を球面状に配列して構成されているので、上記多数の振動子２，２，…に対して図示外の超音波診断装置から同位相の送信信号を送出することにより、図３（ａ）に示すように、各振動子２，２，…から特定の指向性を有した超音波４，４，…が送信される。このとき、全体として上記各振動子２，２，…から放射状に超音波４，４，…が送信され、そのときの超音波４の音圧の山谷に着目すると、振動子２，２，…を配列している球面の中心を中心とした同心円を描いて波面５が順次伝播する。これにより、図３（ｂ）に示すように、上記振動子２，２，…が配列された球面６の中心に点音源７が存在する状態と同等になり、該点音源７から一様に超音波８が送信されることとなる。
【００１５】
しかし、実際には、前述のように振動子２からの超音波送信ビームには指向性がある。いま、上記振動子２の形状による指向性の変化の様子を図４及び図５に示す。図４は円板状の振動子２の場合の指向性を示している。このとき、図４(ａ）に示すように上記円板状の振動子２の直径をｄとし、打ち出される超音波の波長をλとし、図４（ｂ）においてメインローブ９の中心からの方位角をγとすると、ベッセル関数Ｊ₁(Ｚ)のファクタＺは下記の式（１）で表わされ、図４（ｂ）においてメインローブ９の高さを示す指向性関数Ｒは下記の式（２）で表わされる。
【００１６】

【００１７】
また、図５は多角形板状の振動子２′の場合の指向性を示している。このとき、図５（ａ）に示すように正方形板状の振動子２′の一辺の長さをａとし、打ち出される超音波の波長をλとし、図５（ｂ）においてメインローブ９の中心からの方位角をγとすると、ベッセル関数Ｊ₁(Ｚ)のファクタＺは下記の式（３）で表わされ、図５（ｂ）においてメインローブ９の高さを示す指向性関数Ｒは下記の式（４）で表わされる。
【００１８】

【００１９】
いま、図４の円板状の振動子２の場合と、図５の正方形板状の振動子２′の場合の指向性を比較すると、次のことが言える。すなわち、図４（ｂ）に示す円板状の振動子２の場合は、図５（ｂ）に示す正方形板状の振動子２′の場合に比し、メインローブ９の幅は拡大するが、グレイティングローブ１０のレベルは低減する。このことから、円板状の振動子２の方が正方形板状の振動子２′よりも指向性が向上することが分かる。一般的には、多角形の角数が多い方が指向性は高いと言える。また、各振動子２間の間隔が密で、振動子口径が小さく、且つ振動子数が多いほど指向性を向上することが出来る。従って、本発明の超音波探触子１によれば、送信信号を印加して駆動することにより、送信した超音波の音圧は全方向に対して均等に伝播し、点音源送信を可能とする。なお、上記振動子２の配列間隔を密にすることにより、メインローブが折り重なり全方向に対して均等に伝播し、点音源送信を可能とすることができる。
【００２０】
なお、上記振動子２の形状を円板状又は正多角形としその振動子２の配列を等間隔にすることにより、後述の超音波診断装置における超音波受信ビームの形成において、ある一方向の遅延量データと他の方向の遅延量データとを共通化でき、データ数の削減、演算量の削減が可能となり、装置の回路規模の小形化及び処理速度の高速化並びに高フレームレート化が可能となる。
【００２１】
図６は上記超音波探触子の関連発明としての超音波診断装置を示すブロック図である。この超音波診断装置は、超音波を利用して被検体内の診断部位の断層像を収集して表示するもので、図６に示すように、探触子１と、送信部１１と、受信部１２と、信号処理部１３と、画像記憶部１４と、表示部１５と、制御部１６と、入力手段１７とを有して成る。
【００２２】
上記探触子１は、被検体内へ超音波を送信すると共に受信するもので、その内部には複数の振動子が配列されている。送信部１１は、上記探触子１内の各振動子に超音波打ち出しの送信信号を送出するもので、その内部には図７又は図８に示すように、基本クロック発生器１８と、送信信号タイミング部１９と、送信信号発生部２０と、増幅器２１とを有している。また、受信部１２は、上記探触子１からの反射エコー信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換し、整相加算し、さらにフィルタ処理、検波、ＬＯＧ圧縮処理等をするもので、その内部には図９に示すように、信号遅延部２２と加算部２３とから成る整相部を有している。
【００２３】
信号処理部１３は、上記受信部１２からの受信信号を処理するもので、メディアン、ＦＦＴ、スムージングなどのフィルタ処理等を行うようになっている。画像記憶部１４は、上記信号処理部１３で処理後の受信信号を画像データに変換し画像処理を行い画像データを記憶するもので、ＲＡＭ等の画像記憶用メモリに保管するようになっている。また、表示部１５は、上記画像記憶部１４からの画像データを画像として表示するもので、画像エンコーダ及びＣＲＴ等を有して成る。
【００２４】
そして、制御部１６は、上記各構成要素の動作を制御するもので、例えばＣＰＵ（中央処理装置）から成る。さらに、入力手段１７は、上記制御部１６に操作指令を入力するもので、装置の操作、制御の際に各種パラメータを入力するためのボタン、スイッチ、トラックボール、マウス、タッチパネル等から成る。
【００２５】
ここで、本発明においては、上記探触子１として、図１又は図２に示す超音波探触子１が用いられ、その探触子１を構成する多数の振動子２，２，…に上記送信部１１から同位相の送信信号を送出して指向性を有しない点音源と同等の音場を発生可能とし、上記受信部１２は探触子１からの受信信号により同時に複数本の受信ビームを発生可能とされている。
【００２６】
図７は送信部１１の内部構成を示すブロック図である。基本クロック発生器１８は、探触子１に対する送信信号を生成するためのサンプリングクロックを発生するもので、例えば水晶等の発振器や、カウンタ、分周器等で構成されている。送信信号タイミング部１９は、上記基本クロック発生器１８からの出力信号を入力して探触子１に対する送信信号を生成するためのタイミングを発生するもので、例えばＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段、カウンター、分周器等で構成されている。また、送信信号発生部２０は、上記送信信号タイミング部１９からの出力信号を入力して探触子１に対する送信信号を発生するもので、例えばＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段、Ｄ／Ａ変換器、オペアンプ、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等で構成されている。さらに、増幅器２１は、上記送信信号発生部２０からの出力信号を入力して増幅し探触子１に送信信号を出力するもので、例えばトランジスタ、ＦＥＴ、オペアンプ、バッファメモリ等で構成されている。
【００２７】
この状態で、従来の超音波探触子を用いた超音波診断装置の送信部では、超音波を送信する振動子数分の送信信号タイミングを発生し、複数の送信信号を発生し増幅していたが、本発明によれば、図７に示すように従来と同様に複数個の増幅器２１を利用すると、探触子１の振動子数Ｎ個に対応した増幅器２１に対して同位相の送信信号タイミングを供給すればよい。また、上記のように送信信号タイミングが同位相なので、図８に示すように、増幅器２１は振動子を駆動可能であれば１個だけでもよく、増幅器２１の駆動能力に応じ最小限の個数で実施できる。このように、図７又は図８に示す送信部１１で発生した同位相の送信信号が、図１又は図２に示す構成の探触子１に送信されることにより、該探触子１で送信した超音波の音圧は全方向に対して均等に伝播し、点音源送信を可能とする。
【００２８】
図９は受信部１２内の整相部を示すブロック図である。信号遅延部２２は、探触子１の複数の振動子で受信した複数の受信信号をそれぞれ遅延し位相を合わせるもので、ＬＣ遅延線、ＲＣ遅延線等の遅延素子、またはデジタル遅延回路等におけるＲＡＭ等のメモリ、セレクタ等で構成されている。加算部２３は、上記信号遅延部２２からの受信信号を加算するもので、オペアンプ、トランジスタ又はＤＳＰ、デジタル加算器等により構成されている。図９の例では、三つの超音波受信ビームを生成する場合を示しており、上記信号遅延部２２には複数の遅延素子から成る遅延素子群が３群（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ）設けられ、受信信号の方向ごとに遅延量を制御して受信ビームの方向を制御するようになっている。そして、それぞれの遅延素子群２４ａ，２４ｂ，２４ｃによって整相された受信信号は、３個の加算部２３でそれぞれ加算され、三方向の超音波受信ビームが生成される。なお、上記遅延素子群２４ａ〜２４ｃ及び加算部２３の数を増やすことにより、得られる超音波受信ビームの本数が増大し超音波画像のフレームレート及び分解能等を向上することが出来る。
【００２９】
なお、この実施例において、超音波受信ビームを二次元方向に同時に走査することにより、超音波三次元画像を得ることができる。或いは超音波受信ビームを一次元方向に走査し、且つその走査方向と９０度方向に超音波受信ビームを絞り込むことにより、短軸方向スライス厚がシャープな超音波断層像を得ることができる。或いは、超音波受信ビームを一次元方向に同時に走査し、且つその走査方向と９０度方向に超音波受信ビームを絞り込まないことにより、短軸方向の超音波透過断層像を得ることができる。
【００３０】
図１０は画像記憶部１４の内部構成を示す説明図であり、同時に二次元の断層像を少なくとも２画像以上表示するための画像データ又は三次元の画像を表示するための画像データを記憶するフレームメモリを有している。具体的には、プリメモリ２５と、画像処理部２６と、ポストメモリ２７とから成る。上記プリメモリ２５は、診断用画像データの元になる受信信号データ、設定状態、コメント、スケール等の診断用パラメータ、ボディマーク等のキャラクタデータを記憶するもので、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶媒体から成る。また、画像処理部２６は、上記プリメモリ２５から読み出した各データについて、フレーム間処理、フィルタ処理、座標変換処理、拡大又は縮小等の画像処理を二次元表示、三次元表示、分割表示等の方式に対応して行うもので、ＤＳＰ、デジタルフィルタ、掛け算器、引き算器、足し算器、割り算器などから成る。さらに、ポストメモリ２７は、上記画像処理部２６で処理された画像データを記憶すると共に後段の表示部１５へ出力するもので、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶媒体から成る。
【００３１】
以上のように、図９に示す受信部１２内の整相部と図１０に示す画像記憶部１４において、超音波受信ビームを少なくとも同時に２直線方向走査以上又は三次元方向走査を行い、且つ同時に二次元の断層像を少なくとも２画像以上表示するための画像データを記憶するフレームメモリを有することにより、複数の断層像を表示することができる。また、上記受信部１２と画像記憶部１４で超音波受信ビームを三次元方向に同時に走査し、且つ三次元画像を表示するための画像処理を行うことにより、シネ撮影、透過、鳥瞰等の三次元画像を表示することができる。さらに、上記において三次元画像データから二次元の画像を表示するための画像処理を行うことにより、Ｂ像、Ｃ像等の超音波断層像、及びシネ撮影像、透視像等の二次元画像を表示することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による超音波探触子は以上のように構成されたので、振動子を所定形状の小形ブロック状に形成すると共に、この小形ブロック状の多数の振動子を半球状に突出する球面に形成されたバッキング材の前面側に球面状に配列したことにより、上記多数の振動子に同位相の送信信号を印加して駆動することで、送信した超音波の音圧は全方向に対して均等に伝播し、点音源送信を可能とすることができる。
【００３３】
また、上記超音波探触子の振動子を、円板状又は多角形板状に形成し、円板状のもののみ、又は多角形板状のもののみ、或いは円板状と多角形板状とを組み合わせたものを用いて球面状に配列した場合は、超音波打ち出し時のグレイティングローブを軽減して超音波送信ビームの指向性を改善することができる。従って、超音波ビーム本数を増やしても感度差があまり生じず、超音波受信ビームの本数が制限されず、得られる超音波画像の高フレームレート化が可能となる。
【００３４】
また、上記超音波探触子の関連発明としての超音波診断装置は、その探触子として図１又は図２に示す超音波探触子を用い、その探触子を構成する多数の振動子に送信部から同位相の送信信号を送出して指向性を有しない点音源と同等の音場を発生可能とし、受信部は探触子からの受信信号により同時に複数本の受信ビームを発生可能としたことにより、送信した超音波の音圧は全方向に対して均等に伝播し、点音源送信を可能とすることができると共に、超音波ビーム本数を増やしても感度差があまり生じず、超音波受信ビームの本数が制限されず、得られる超音波画像の高フレームレート化が可能となる。
【００３５】
さらに、上記超音波診断装置の画像記憶部を、同時に二次元の断層像を少なくとも２画像以上表示するための画像データ又は三次元の画像を表示するための画像データを記憶するフレームメモリを有するものとした場合は、複数の断層像を表示することができると共に、超音波受信ビームを三次元方向に同時に走査して三次元画像を表示するための画像処理を行うことにより、シネ撮影、透過、鳥瞰等の三次元画像を表示することができる。また、上記において三次元画像データから二次元の画像を表示するための画像処理を行うことにより、Ｂ像、Ｃ像等の超音波断層像、及びシネ撮影像、透視像等の二次元画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波探触子の実施形態を示す斜視図である。
【図２】上記超音波探触子の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】上記超音波探触子による超音波の伝播の様子を示す説明図である。
【図４】円板状の振動子による超音波送信ビームの指向性を示す説明図である。
【図５】正方形板状の振動子による超音波送信ビームの指向性を示す説明図である。
【図６】上記超音波探触子の関連発明としての超音波診断装置を示すブロック図である。
【図７】送信部の内部構成を示すブロック図である。
【図８】送信部の内部構成の他の例を示すブロック図である。
【図９】受信部内の整相部の内部構成を示すブロック図である。
【図１０】画像記憶部の内部構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１…超音波探触子
２，２′…振動子
３…バッキング材
１１…送信部
１２…受信部
１３…信号処理部
１４…画像記憶部
１５…表示部
１６…制御部
１７…入力手段

Claims

超音波を打ち出すと共にその反射エコーを受信する複数の振動子を備え、この振動子の背面にはバッキング材を有し、且つその前面には音響整合層及び音響レンズを有して成る超音波探触子において、
上記振動子を所定形状の小形ブロック状に形成すると共に、この小形ブロック状の多数の振動子を半球状に突出する球面に形成されたバッキング材の前面側に球面状に配列したことを特徴とする超音波探触子。
上記振動子は、円板状又は多角形板状に形成され、円板状のもののみ、又は多角形板状のもののみ、或いは円板状と多角形板状とを組み合わせたものを用いて球面状に配列したことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
複数の振動子が配列され被検体内へ超音波を送受信する探触子と、この探触子内の各振動子に超音波打ち出しの送信信号を送出する送信部と、上記探触子からの反射エコー信号を整相加算する受信部と、この受信部からの受信信号を処理する信号処理部と、この処理後の受信信号を画像データに変換して記憶する画像記憶部と、この画像記憶部からの画像データを画像として表示する表示部と、を有して成る超音波診断装置において、
上記探触子として、請求項１又は２記載の超音波探触子を用い、その探触子を構成する多数の振動子に上記送信部から同位相の送信信号を送出して指向性を有しない点音源と同等の音場を発生可能とし、上記受信部は探触子からの受信信号により同時に複数本の受信ビームを発生可能としたことを特徴とする超音波診断装置。
上記画像記憶部は、同時に二次元の断層像を少なくとも２画像以上表示するための画像データ又は三次元の画像を表示するための画像データを記憶するフレームメモリを有することを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。