JP4220723B2

JP4220723B2 - 超音波探触子

Info

Publication number: JP4220723B2
Application number: JP2002138102A
Authority: JP
Inventors: 英司笠原; 剛望月
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: JP2003325507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探触子に関し、特に複数の素子を二次元配列してなる素子アレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次元アレイ振動子は、複数の圧電素子をマトリックス状に配列してなる素子アレイ（振動素子アレイ）を有する。この二次元アレイ振動子は、超音波ビームを電子的に二次元走査し、三次元データ取込領域を形成する際に利用される。素子アレイは例えば２５６×２５６個の正方形状をもった素子（圧電素子）によって構成され、つまり極めて多数の素子からなる。それ故、各素子への信号線の接続はその微細化構造とあいまって極めて煩雑で、製造コストを増大させる。また、超音波診断装置側においても、各素子ごとに送信回路、受信回路などを設ける必要があることから、装置構成が複雑化する。
【０００３】
そこで、上記同様に超音波ビームの電子的な二次元走査を実現しつつも、素子数を大幅に削減した二次元アレイ振動子として、いわゆるスパースアレイ型振動子が提案されている。このスパースアレイ型振動子は、マトリックス状に配列された複数の素子に対して、超音波の送受波で実際に機能させる複数の有効素子を分散的に設定し、それ以外の素子を無効素子としてなるものである。なお、無効素子を物理的に除外したものもある。また、複数の有効素子を受信（専用）素子又は送信（専用）素子として構成する場合や、複数の有効素子を送受信（兼用）素子として構成する場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスパースアレイ型振動子においては、単一の素子によって送信素子及び受信素子（あるいは送受信素子）が構成される。ここで、受信に関しては、指向性を良好にし、空間分解能を高めるために、一般に、単一の素子によって受信素子を構成するのが望ましいが、特に送信に関して、単一の素子で送信を行うと、どうしても音響パワーが不足する。これに対し、素子面積を画一的に増大させると、素子単位での指向性が低下し、結果としてサイドローブが高くなり、超音波画像の画質低下という問題を招く。一方、送信信号の送信電圧を増大させると、素子発熱が増大し、また素子の劣化を早めることになる。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、超音波画像の画質を高められるスパースアレイ型振動子をもった超音波探触子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の素子を二次元配列してなる素子アレイを含み、前記素子アレイは、当該素子アレイ上に二次元的に分散的に配置される複数の素子連結体と単一の素子からなる複数の受信素子とを含み、前記各素子連結体は、バッキング内部に各素子ごとに埋設されたリードをバッキング外部で共通の信号線に接続することにより、隣接関係にある複数の素子を電気的に連結して形成され、前記複数の素子連結体には、送信素子連結体及び送受信素子連結体の少なくとも一方が含まれ、前記各素子連結体を利用して超音波を送信することにより音響パワーを増大させ、前記各受信素子を利用して超音波を受信することにより空間分解能を高め、三次元超音波画像の画質を向上させることを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、素子連結体を利用して、超音波の送信を行うことができるので、送信時の音響パワーを増大できる。ここで、素子連結体は隣接関係にある複数の素子を電気的に連結（接続）してなるものであり、例えば、素子アレイを構成した後に、電気的な結線（共通電極の設置、信号線の共通接続）によって構成される。よって、複雑な製造プロセスを経ることなく、簡便に素子連結体を構成できる。複数の素子連結体は、その全部が送信素子連結体であるのが望ましいが、その全部が送受信素子連結体であってもよく、あるいは、送信素子連結体と送受信素子連結体の混合であってもよい。
【０００８】
望ましくは、前記素子アレイは、更に、単一の素子からなる複数の受信素子を含む。この構成によれば、素子アレイに単一の素子からなる受信素子が含まれるため、送信時の音響パワーの増大と相俟って、受信時の空間分解能を高められる。超音波の受信は、受信素子のみによって行わせるのが望ましいが、受信素子及び送受信素子の両方によって行わせてもよい。
【０００９】
望ましくは、前記素子アレイにおける前記複数の素子連結体及び前記複数の受信素子以外の各素子は無効素子である。無効素子はダミー素子として機能し、例えば各無効素子を共通グランドに電気的に短絡するようにしてもよい。
【００１０】
望ましくは、前記素子アレイ全体として、前記各素子連結体の連結パターンが不揃いである。連結パターンに方向性あるいは規則性があると、どうしてもサイドローブが強調されるが、上記構成によれば、そのような問題を軽減できる。連結パターンの概念には連結数、連結方向、連結形態などが含まれ、特に望ましくは連結方向に多様性をもたせる。
【００１１】
望ましくは、前記各素子連結体は隣接する２つの素子を電気的に連結してなるものであり、前記素子アレイ全体として、前記各素子連結体の連結方向が不揃いである。
【００１２】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の素子を二次元配列してなる素子アレイを含み、前記素子アレイは、当該素子アレイ上に二次元的に分散的に配置された複数の送信素子部を含み、前記複数の送信素子部は、単一の送信素子と、バッキング内部に各素子ごとに埋設されたリードをバッキング外部で共通の信号線に接続することにより、隣接関係にある複数の素子を電気的に連結してなる複数の送信素子連結体と、で構成され、前記素子アレイ上における各送信素子部の位置に応じて、各送信素子を構成する送信素子数に変化をもたせたことを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、各送信素子部が単一の送信素子及び送信素子連結体によって構成される。素子アレイ上で、送信単位を構成する送信素子数が変化付けされるため、素子アレイ面上で送信時の音響的重み付け（アポダイゼーション）を行える。これによって、電気的な重み付けを行うための回路や制御を不要にでき（もちろん併用してもよいが）、更に、そのような重み付けによってサイドローブを低減して超音波画像の画質をより良好にすることができる。
【００１４】
望ましくは、前記素子アレイの周辺部から中央部にかけて、前記各送信素子部を構成する送信素子数が増大される。
【００１５】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の素子を二次元配列してなる素子アレイを含み、前記素子アレイは、当該素子アレイ上に二次元的に分散的に配置された複数の送受信素子部を含み、前記複数の送受信素子部は、単一の送受信素子と、バッキング内部に各素子ごとに埋設されたリードをバッキング外部で共通の信号線に接続することにより、隣接関係にある複数の素子を電気的に連結してなる複数の送受信素子連結体と、で構成され、前記素子アレイ上における各送受信素子部の位置に応じて、各送受信素子部を構成する送受信素子数に変化をもたせたことを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、各送受信素子部が単一素子からなる送受信素子及び送受信素子連結体によって構成され、上記同様に、音響的な重み付けを行える。
【００１７】
望ましくは、前記素子アレイの周辺部から中央部にかけて、前記各送受信素子部を構成する送受信素子数が増大される。
【００１８】
望ましくは、前記素子アレイは、更に単一の素子からなる複数の受信素子を含む。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１には、本発明に係る超音波探触子を備えた超音波診断装置の全体構成が概念図として示されている。
【００２１】
この超音波診断装置は、超音波探触子１０と装置本体１２とによって構成され、超音波探触子１０はケーブル１１によって装置本体１２に接続されている。
【００２２】
超音波探触子１０において、素子アレイ１４は、ＰＺＴなどの公知の圧電材料からなる圧電板に対してマトリックス状にカッティングを行うことにより形成された複数の素子１６からなるものである。複数の素子１６は、送信素子、受信素子又は送受信素子として機能する有効素子と、それ以外の無効素子とからなるものである。ちなみに、無効素子については、その上下面にある両電極間に短絡処理などを施すようにしてもよい。本実施形態においては、送受信素子（兼用素子）は設けられていないが、もちろんそのような素子を含ませることができる。
【００２３】
なお、素子アレイ１４の素子構成（無効素子を除く）としては、１）複数の受信素子及び複数の送信素子からなる構成（本実施形態）、２）複数の受信素子及び複数の送受信素子からなる構成、３）複数の送受信素子及び複数の送信素子からなる構成、４）複数の受信素子、複数の送信素子及び複数の送受信素子からなる構成、５）複数の送受信素子からなる構成、をあげることができる。そして、それらの各構成において、受信素子は単一素子とし、それ以外は素子連結体を採用できる。
【００２４】
図１に示す構成例では、素子アレイ１４の上面側に共通のグランド電極１８が設けられ、素子アレイ１４の下面側には、各素子に対応して個別電極２０が形成されている。本実施形態においては、リード３２，３６が接続される有効素子（送信素子及び受信素子）の他に、無効素子についても個別電極２０が設けられているが、もちろんそのような個別電極については省略可能である。但し、製造プロセスをより簡易にするためには、各素子１６ごとに個別電極２０を設け、信号線の接続を省略することによって、実質的に無効素子を構成するのが望ましい。
【００２５】
素子アレイ１４の下面側には、バッキング３０が設けられている。このバッキング３０は後方に放射される不要な超音波を吸収するためのものである。バッキング３０の内部には、この構成例において、各受信素子ごとにリード３６が埋設されており、また、各送信素子ごとにリード３２が埋設されている。リード３６に対しては、図示されていない電極を介して受信信号用の信号線３８が接続され、一方、リード３２に対しては、後述する送信素子連結体を１単位として、送信信号用の信号線３４が図示されていない電極を介して接続されている。
【００２６】
すなわち、この図１に示す構成例においては、素子アレイ１４上において、単一の素子からなる複数の受信素子が分散的に設定され、各受信素子に対しては個別的に信号線３８が接続されている。また、素子アレイ１４上には、送信部として機能する複数の送信素子連結体が分散的に設定され、各送信素子連結体ごとに個別的に信号線３４が接続されている。
【００２７】
図１に示す構成例では、送信素子連結体を構成する各送信素子から引き出された２つのリード３２に対して１つの信号線３４を共通接続することにより、それらの送信素子が電気的に連結されているが、もちろん、そのような電気的連結の手法としては、図示のような結線によるものの他、共通電極を設けるなどの手法を利用することができる。始めから製造プロセスにおいて送信素子連結体に相当する大きな素子を構成すると、素子アレイ１４の製造が複雑化し、製造コストアップを招くが、本実施形態によれば、結線あるいは共通電極の形成といった簡便な手法によって送信素子連結体を構成することができる。以上のような受信素子及び送信素子連結体については後に図２などを用いて具体的に説明することにする。
【００２８】
ちなみに、素子アレイ１４の上面側には第１整合層２２及び第２整合層２４が設けられている。第１整合層２２は各素子１６ごとに分割された複数の整合素子２６によって構成され、これと同様に、第２整合層２４も各素子１６ごとに分割された複数の整合素子２８によって構成されている。もちろん、超音波探触子１０についての図１に示される構成は一例であって、これ以外にも各種の構造を採用可能である。
【００２９】
装置本体１２について説明すると、上述した送信素子連結体ごとに送信部４０が設けられている。各送信部４０は送信素子連結体に対して共通の送信パルスを供給するものであり、複数の送信部４０全体として、特定方位に超音波ビームを形成する送信ビームフォーマーとして機能する。それらの送信部４０における送信タイミングなどの制御は制御部４６によって行われている。
【００３０】
一方、各受信素子ごとに受信部４２が設けられている。各受信部４２は増幅器、Ａ／Ｄ変換器、遅延器などによって構成されるものであり、受信部４２から出力された受信信号に対して加算器４８において整相加算を実行することによって受信ビームが形成される。すなわち複数の受信部４２及び加算器４８はそれら全体として受信ビームフォーマーを形成する。加算器４８から出力される受信信号は画像処理部４９に入力され、そこで例えば超音波三次元画像などが構成され、その画像データが表示部５０へ出力される。
【００３１】
なお、図１において、グランド電極１８に接続されるグランド信号線については図示省略されている。
【００３２】
図２には、図１に示した超音波探触子１０における受信素子５２及び送信素子連結体５４の配列パターンが一例として示されている。上述したように、素子アレイ１４は二次元マトリックス状に配列された多数の素子１６からなるものであり、その素子アレイ１４上には、上述した結線関係によって、複数の受信素子５２が分散的に設定され、また、複数の送信素子連結体５４が分散的に設定されている。もちろん、それらに代えて、あるいは、それらと併せて、送受信素子連結体を分散的に設定することもできる。
【００３３】
図２に示す例では、各送信素子連結体５４は、２つの素子（送信素子）５６を相互に電気的に連結したものであり、具体的には、縦横斜めのいずれかの方向において相互に隣接する２つの素子５６を接続したものである。図においては、その連結の向きが太い直線によって仮想的に示されている。
【００３４】
図２に示されるように、素子アレイ１４全体として、送信素子連結体５４の連結向きは不揃いに設定されており、すなわち、各送信素子連結体５４ごとに縦横斜めの合計４方向の内からいずれかの方向がランダムに選択されている。
【００３５】
図３には、従来例に相当する比較例が示されており、この比較例においては単一の素子によって受信素子５２が構成されると共に単一の素子によって送信素子５６が構成されている。この比較例との対比において、図２に示す構成例によれば、送信時においては、複数の送信素子５６が連結して送信素子連結体５４を構成しているので、そのような送信部単位で送信用の放射面積の増大を図ることができ、これによって送波パワーを増大できるという利点がある。また、受信時においては、単一の素子によって受信素子５２が形成されているため、素子連結体で受信素子を形成する場合より空間分解能を高められるという利点がある。よって、図３に示す比較例よりも三次元超音波画像の画質を向上できる。ちなみに、図２に示す構成例は上述したスパースアレイ型を有しているため、信号線の本数や送受信回路の規模を削減することができ、その意味においても実用性の高い超音波診断装置を構成できるという利点がある。
【００３６】
図５には、他の実施形態に係る構成例が示されている。この図５に示す例では、図２に示した構成例と同様に、素子アレイ１４上において複数の受信素子５２が分散的に設定されているが、その一方において、ｎ個の素子１６からなる送信部が分散的に設定されている。ここで、前記のｎは１以上の整数であって、すなわち、各送信部は単一の素子１６あるいは２以上の素子１６を連結したものとして構成される。図においては送信部が単一の素子として構成されるものが送信素子５８として示されており、２以上の素子１６によって送信部が形成されているものが送信素子連結体５４として示されている。
【００３７】
図５に示されるように、素子アレイ１４における周辺部に比べて中央部の方が、送信部を構成する素子数が増大されている。
【００３８】
すなわち、周辺部においては、単一の素子１６からなる送信素子５８がより多く設定されており、その一方において、周辺部から中央部にかけて、２つの素子を連結した送信素子連結体５４Ａ、３つの素子を連結した送信素子連結体５４Ｂ、４つの素子を連結した送信素子連結体５４Ｃといったように素子数を増大させる設定条件が定められている。したがって、素子アレイ１４の全体を見た場合に、中央部の方が周辺部よりもより送信面積が増大されており、これによっていわゆるアポダイゼーションすなわち重み付けを行うことが可能となる。
【００３９】
従来においては、送信電圧レベルの微妙な調整などの電気的な手法によってアポダイゼーションを行う場合があったが、本実施形態によれば、超音波放射面積の段階的な切換えすなわち物理的な重み付けの手法を利用して従来同様のアポダイゼーションを行えるという利点がある。ちなみに、２つの素子を連結した送信素子連結体５４Ａについては、素子アレイ１４の全体としてその連結向きが不揃いにされており、これと同様に、３つの素子を連結した送信素子連結体５４Ｂについてもその３連結のパターンは不揃いにされている。さらに、４つの素子を連結した送信素子連結体５４Ｃについても、必要に応じて様々な連結パターンを採用するようにしてもよい。
【００４０】
なお、図４には、比較例が示されており、この比較例においては、送信素子連結体５４の連結向きが一定方向に揃えられている。この場合においては、特定方位にサイドローブが増強するという点を指摘でき、この比較例との対比からも理解されるように、連結向きや連結の態様を不揃いにすることによってサイドローブを抑制することができる。
【００４１】
図６及び図７には、それぞれ図２及び図３に示した構成を採用した場合におけるシミュレーション結果が示されている。
【００４２】
図６及び図７に示される特性図の横軸は方位角度であり、これは超音波ビームの偏向角に相当するものである。縦軸は、偏向角０度におけるメインビームの音圧に対する相対的な音圧をｄＢで表したものである。
【００４３】
図６においては、偏向角０度にメインビームを設定した場合におけるビームプロファイルが示されており、図７においては、偏向角が３０度の場合におけるビームプロファイルが示されている。そして、各図において太字の線は上述した２つの素子を連結（接続）して送信素子連結体５４を構成した場合（図２参照）の特性を示しており、細字の線はそのような連結を行わなかった場合の図３に示される比較例のプロファイルを示している。
【００４４】
各図に示されるように、本実施形態によれば、まず、メインビームの方位が０度である場合に比較例よりも約６ｄＢだけ感度を向上することができ、偏向角が３０度の場合にも約２ｄＢ程度感度を向上できる。また、各図から明らかなように、サイドローブについても一定の抑圧作用を得ることができる。もちろん、図６及び図７に示すものはシミュレーション結果であり、実際の超音波探触子においては幾分かの異なる特性となるが、いずれにしても、上記構成を採用することにより、従来のスパースアレイ型振動子に比べてより超音波画像の画質を高められるという効果を得られる。
【００４５】
上記実施形態においては、隣接関係にある複数の送信素子を連結して送信素子連結体を構成したが、隣接関係にある複数の送受信素子を連結して送受信素子連結体を構成することもできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スパースアレイ型振動子を利用する場合において、超音波画像の画質を高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探触子を備えた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】受信素子と送信素子連結体の配列パターンを示す図である。
【図３】比較例における受信素子と送信素子の配列パターンを示す図である。
【図４】比較例における受信素子と送信素子連結体の配列パターンを示す図である。
【図５】連結数を可変することによるアポダイゼーションを説明するための図である。
【図６】偏向角０度の場合におけるシミュレーション結果を示す図である。
【図７】偏向角３０度の場合におけるシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１０超音波探触子、１２装置本体、１４素子アレイ、１６素子、３０バッキング、３２，３６リード、３４，３８信号線、４０送信部、４２受信部、４６制御部、４８加算部、４９画像処理部、５０表示部。

Claims

複数の素子を二次元配列してなる素子アレイを含み、
前記素子アレイは、当該素子アレイ上に二次元的に分散的に配置される複数の素子連結体と単一の素子からなる複数の受信素子とを含み、
前記各素子連結体は、バッキング内部に各素子ごとに埋設されたリードをバッキング外部で共通の信号線に接続することにより、隣接関係にある複数の素子を電気的に連結して形成され、
前記複数の素子連結体には、送信素子連結体及び送受信素子連結体の少なくとも一方が含まれ、
前記各素子連結体を利用して超音波を送信することにより音響パワーを増大させ、前記各受信素子を利用して超音波を受信することにより空間分解能を高め、三次元超音波画像の画質を向上させる、
ことを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記素子アレイ全体として、前記各素子連結体の連結パターンが不揃いであることを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記素子アレイにおける前記複数の素子連結体及び前記複数の受信素子以外の各素子は無効素子であることを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記素子アレイ全体として、前記各素子連結体の連結形態が不揃いであることを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記各素子連結体は隣接する２つの素子を電気的に連結してなるものであり、
前記素子アレイ全体として、前記各素子連結体の連結方向が不揃いであることを特徴とする超音波探触子。
複数の素子を二次元配列してなる素子アレイを含み、
前記素子アレイは、当該素子アレイ上に二次元的に分散的に配置された複数の送信素子部を含み、
前記複数の送信素子部は、
単一の送信素子と、
バッキング内部に各素子ごとに埋設されたリードをバッキング外部で共通の信号線に接続することにより、隣接関係にある複数の素子を電気的に連結してなる複数の送信素子連結体と、
で構成され、
前記素子アレイ上における各送信素子部の位置に応じて、各送信素子部を構成する送信素子数に変化をもたせたことを特徴とする超音波探触子。
請求項６記載の超音波探触子において、
前記素子アレイの周辺部から中央部にかけて、前記各送信素子部を構成する送信素子数が増大されたことを特徴とする超音波探触子。
複数の素子を二次元配列してなる素子アレイを含み、
前記素子アレイは、当該素子アレイ上に二次元的に分散的に配置された複数の送受信素子部を含み、
前記複数の送受信素子部は、
単一の送受信素子と、
バッキング内部に各素子ごとに埋設されたリードをバッキング外部で共通の信号線に接続することにより、隣接関係にある複数の素子を電気的に連結してなる複数の送受信素子連結体と、
で構成され、
前記素子アレイ上における各送受信素子部の位置に応じて、各送受信素子部を構成する送受信素子数に変化をもたせたことを特徴とする超音波探触子。
請求項８記載の超音波探触子において、
前記素子アレイの周辺部から中央部にかけて、前記各送受信素子部を構成する送受信素子数が増大されたことを特徴とする超音波探触子。
請求項６又は８記載の超音波探触子において、
前記素子アレイは、更に、単一の素子からなる複数の受信素子を含むことを特徴とする超音波探触子。