JP4632728B2 - 超音波プローブおよび超音波画像診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子として、ＭＵＴ（Micromachining Ultrasound Transducers）素子を使用する超音波プローブおよび超音波画像診断装置に関する。

一般に、超音波画像診断装置は超音波プローブと本体装置とを具備している。超音波プローブは複数の超音波振動子を駆動して、これらから被検体内に超音波を送波させる一方、この被検体内部の音響インピーダンスの境界で生じたエコー波（反射波）を超音波振動子で受波して電気信号のエコー信号に変換し、本体装置に与えるものである。

本体装置は、このエコー信号を増幅し、これに基づいて超音波画像を構成して表示するものである。

ところで、このような超音波画像診断装置では、被検体の深い深部において超音波画像のＳ／Ｎ比を改善するためには、低周波数の超音波を使用することが必要である一方、高分解能を得るためには、高周波数の超音波を使用することが必要である。したがって、これら両者の必要性を満足させるためには、超音波の広帯域化が必要である。

そこで、図６で示す従来の圧電素子型の超音波振動子１では、その圧電素子２の超音波放射面２ａを凹弧面に形成することにより、厚みを、その中央部と端部とで徐々にかつ連続的に変化させ、各厚さに対応した周波数の加算により超音波周波数帯の広帯域化を図った技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。なお、図６中、符号３は音響整合層、４は音響レンズ、５はバッキング、６はパルサーである。
特開平７−１０７５９５号公報

しかしながら、このような従来の超音波振動子では、セラミックス製の超音波圧電素子２の超音波放射面２ａを凹弧面ないし球面に研削ないし研摩する加工工程が必要であり、超音波安定素子２の製造コストがアップするという課題がある。

また、超音波圧電素子２の超音波放射面２ａに嵌合する音響整合層３の嵌合面にも、その超音波放射面２ａに嵌合する凸弧面３ａに形成加工する工程も必要であり、さらに、製造コストが増大するという課題がある。

さらにまた、超音波放射面２ａが球面の場合は、超音波圧電素子の表面曲率によりスライス方向のジオメトリックフォーカスが一義的に決定されてしまう。このために、フォーカス点が一旦決定すると、取り得る周波数範囲も限定されてしまうという課題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、出力する超音波の周波数帯域が広帯域であって、視野深度が深く、かつ高分解能の超音波プローブおよび超音波画像診断装置を提供することを目的とする。

本発明は、ＭＵＴ（Micromachining Ultrasound Transducers）素子は、その口径の大きさにより、放射される超音波の周波数が相違するという特性に着目してなされたものである。

請求項１に係る発明は、口径が２種類以上相違する複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）素子を有し、スライス方向あるいはこれに直交するスキャン方向に、大口径の前記ＭＵＴ素子とこれよりも小口径の前記ＭＵＴ素子とを交互に配設したアレイ素子と、前記アレイ素子に配設した前記複数のＭＵＴ素子を共通の電圧で駆動する駆動手段とを具備していることを特徴とする超音波プローブである。

請求項２に係る発明は、口径が２種類以上相違する複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）素子を有し、スライス方向に、大口径の前記ＭＵＴ素子とこれよりも小口径の前記ＭＵＴ素子とを交互に配設して１チャネルを構成し、この１チャネルを前記スライス方向に直交するスキャン方向に複数並設して複数チャネルを構成したアレイ素子と、前記アレイ素子に配設した前記複数のＭＵＴ素子を共通の電圧で駆動する駆動手段とを具備していることを特徴とする超音波プローブである。

請求項３に係る発明は、口径が２種類以上相違する複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）素子を有し、スライス方向の両端部に大口径の前記ＭＵＴ素子を配列し前記スライス方向の中央部に小口径の前記ＭＵＴ素子を配列して１チャネルを構成し、この１チャネルを、前記スライス方向に直交するスキャン方向に複数並設して複数チャネルを構成したアレイ素子と、前記アレイ素子に配設した前記複数のＭＵＴ素子を共通の電圧で駆動する駆動手段とを具備していることを特徴とする超音波プローブである。

請求項４に係る発明は、上記請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波プローブと、上記ＭＵＴ素子に駆動信号を与えて超音波を送波させる一方、このＭＵＴ素子により受波された超音波反射波を電気信号に変換してエコー信号として出力する送受信手段と、この送受信手段からのエコー信号に基づいて超音波画像を構成し表示する画像構成表示手段と、を具備していることを特徴とする超音波画像診断装置である。

本発明によれば、低周波の超音波を送波する大口径のＭＵＴ素子と、高周波の超音波を送波する小口径のＭＵＴ素子を備えているので、超音波周波数帯の広帯域化を図ることができる。このために、低周波の超音波により被検体深部でのＳＮ比を向上させることができる。また、高周波の超音波により分解能を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、これら添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る超音波プローブヘッド１１の電極引出しを主に示す一部切欠模式図、図２はこの超音波プローブヘッド１１の一部切欠斜視図、図３はこの超音波プローブヘッド１１のＭＵＴ素子（Micromachining Ultrasound Transducers）の縦断面図である。

図１，２に示すように、超音波プローブヘッド１１は、１チャネル（ｃｈ）を構成する１次元アレイ素子１２の複数を、スキャン方向に並設することにより、複数チャネルに構成されている。

各１次元アレイ素子１２はシリコン製等の同一基板１３上に、平面形状が円形で、その円形が大口径の大ＭＵＴ素子１４と、この大ＭＵＴ素子１４よりも小口径（小径）の小ＭＵＴ素子１５と、をスライス方向とスキャン方向に所定のピッチを置いて例えば２列に配列し、大ＭＵＴ素子１４から所要の基本周波数の超音波を生成送波し、小ＭＵＴ素子１５から、その基本周波数の２倍の高周波超音波を生成送波するようになっている。

図３に示すように、大ＭＵＴ素子１４と小ＭＵＴ素子１５は、その平面形状等の大きさは相違するが、構造は同一である。すなわち、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５は、シリコン製等の同一基板１３の下底面に、接地用の共通電極１６を一体に形成する一方、この基板１３の図中上面上に、所要大のギャップ１７を置いて、有蓋円錐台状または有蓋円筒状の圧電膜１８を形成し、この圧電膜１８の円形上蓋部上に、平面形状が円形の電極１９を同心状に一体に形成している。また、このギャップ１７の開口径は大，小ＭＵＴ素子１４，１５から出力させる超音波の周波数に基づいて決定される。すなわち、大口径の大ＭＵＴ素子１４からは所定の基本周波数等の低周波の超音波が出力され、小口径の小ＭＵＴ素子１５からは、基本周波数の２倍の高周波の超音波が出力されるようになっている。また、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５は被検体内の音響インピーダンスが異なる境界で反射した超音波反射波を受波したときに、これを電気信号に変換してエコー信号として電極１９から各々の送受信回路２１へそれぞれ与えるようになっている。

そして、図２に示すように電極１９側の基板１３の上面上に、音響レンズ２０を配設している。また、これら電極１９には、図１，２で示す１次元アレイ素子１２毎に、図示省略の接続導体を介して大，小ＭＵＴ素子１４，１５同士を電気的に接続すると共に、これら１４，１５を送受信手段である送受信回路２１に電気的に接続している。

これら送受信回路２１は、同一の所要電圧と周波数のパルスを駆動信号として、各大，小ＭＵＴ素子１４，１５の電極１９にそれぞれ印加させることにより圧電膜１８を振動させて各々所要の周波数の超音波を生成し、被検体に送波させるパルサーを含む送信回路と、各大，小ＭＵＴ素子１４，１５で受波されて電気信号に変換された被検体からのエコー信号を増幅するプリアンプ等の増幅回路を具備している。

図４は、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５の周波数特性を示し、大ＭＵＴ素子１４から送波される低周波数帯域Ｌｆと、小ＭＵＴ素子１５から送波される高周波数帯域Ｈｆとが合成された広帯域の周波数帯が各１次元アレイ素子１２の周波数帯域になる。

このように構成された超音波プローブヘッド１１は、上記各送受信回路２１と画像構成表示手段を具備した本体装置２２に電気的に接続されることにより、超音波画像診断装置２３に構成されている。
本体装置２２は送受信回路２１の受信回路からのエコー信号に基づいて超音波画像データを形成する信号処理部と、この信号処理部からの超音波画像データをＣＲＴ（陰極線管）やＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示装置に表示する表示部と、を具備している。

すなわち、上記信号処理部は、Ａ／Ｄ変換器群、メモリ、整相加算器を備えている。Ａ／Ｄ変換器群は送受信回路１１のプリアンプにより増幅された各エコー信号のアナログ信号をデジタル信号にそれぞれ変換してメモリに与えるものである。このメモリはこのデジタルエコー信号の所定時間分、一時的に記憶するバッファメモリである。

整相加算器はメモリに記憶されているエコー信号を所定のタイミングで読み出し、被検体内の診断位置を焦点として、この焦点から全大，小ＭＵＴ素子１４，１５までのエコー波伝播時間に相当する遅延時間を乗算する整相加算をして表示部に与えるものである。

表示部は、検波回路、フレームメモリ、Ｄ／Ａ変換器およびＣＲＴやＬＣＤ等のモニタを備えている。検波回路は整相加算器からのエコー信号をデジタル信号のまま検波し、この検波信号をフレームメモリに与えて、モニタのフレーム毎に一時的に記憶させるものである。

このフレームメモリの記憶データはモニタの表示タイミングに同期して読み出され、Ｄ／Ａ変換器によりアナログ信号に変換されてからモニタに与えられ、超音波画像として表示される。

次に、この超音波プローブヘッド１１を備えた超音波画像診断装置２３の作用を説明する。

まず、各１次元アレイ素子１２の各大，小ＭＵＴ素子１４，１５の電極１９に、各送受信回路２１のパルサーから同一の所要電圧および所要周波数のパルス信号が駆動信号としてそれぞれ与えられる。

すると、各大ＭＵＴ素子１４では、その圧電膜１８が振動して、例えば所要の基本周波数の超音波が発生する一方、各小ＭＵＴ素子１５では、その圧電膜１８が振動して、例えば基本周波の２倍周波数の超音波が発生し、これら基本周波数と２倍周波数の高低２波の超音波が出力されて音響レンズ２０により所要の焦点の超音波ビームに集束されて図示しない被検体内に送波される。この超音波ビームはスキャン方向にスキャンされる。

この被検体内に送波される超音波ビームの周波数帯域は、各大ＭＵＴ素子１４から送波される基本周波数の低い周波数帯域Ｌｆと、小ＭＵＴ素子１５から送波される２倍周波数の高い周波数帯域Ｈｆとを合成してなる広い周波数帯域を有する。

こうして被検体内に送波された超音波ビームは被検体内の音響インピーダンスが異なる境界で反射して広帯域のエコー波（反射波）として各大，小ＭＵＴ素子１４，１５により受波され、かつ電気信号のエコー信号に変換される。

したがって、この広帯域のエコー信号は、被検体内の深部において、低周波の基本周波数の超音波によりＳ／Ｎ比が改善され、被検体内の浅い部位では高分解能の２倍周波数の超音波により分解能が向上する。

さらに、この広帯域のエコー信号は各大，小ＭＵＴ素子１４，１５の電極１９から図示しない接続導体を介して各送受信回路２１の受信回路へ出力され、ここで前置増幅されてから本体装置２２の信号処理部へ入力され、ここで超音波画像データに構成され、表示部で超音波画像が表示される。

したがって、この超音波画像診断装置１３によれば、各１次元アレイ素子１２からは、基本周波数の低周波から２倍周波数の高周波を含む広帯域の周波数成分を含む超音波ビームを被検体内に送波することができるので、被検体内の深部におけるエコー信号のＳ／Ｎ比を基本周波数の低周波により改善することができると共に、被検体内の浅い部位におけるエコー信号の分解能を、２倍周波数の高周波により向上させることができる。

このために、表示部に表示される被検体の超音波画像のＳ／Ｎ比と分解能を向上させることができる。

また、ＴＨＩ（ティッシュハーモニック）画像モードでは、大ＭＵＴ素子１４を基本周波数の駆動信号により駆動する一方、被検体内で歪んだ基本周波数の２倍周波のエコー波を小ＭＵＴ素子１５により受波することによりＴＨＩ画像を得ることができる。すなわち、大ＭＵＴ素子１４により主に駆動し、小ＭＵＴ素子１５により主にエコー波を受波することによりＴＨＩ画像を得ることができる。

また、この超音波プローブヘッド１１によれば、図６で示す従来の超音波プローブヘッド１のように圧電体２の一面を凹弧面２ａや球面に研摩する等の機械加工を必要とせずに、超音波の周波数帯域の広帯域化を簡単に図ることができるので、この超音波プローブヘッド１１の製造の簡単化と製造コストの低減とを共に図ることができる。

さらに、超音波ビームのフォーカス点が大，小ＭＵＴ素子１４，１５の形状により一義的に限定されないので、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５を駆動する駆動振動の周波数が限定されない。このために、被検体の診断部位や検査目的に応じて好適な周波数を使用することができる。

さらに、基板１３上において、複数の大，小ＭＵＴ素子１４，１５をスキャン方向とスライス方向に交互に配列しているので、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５の実装密度の向上を図ることができ、その分、分解能を向上させることができる。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態に係る超音波プローブヘッド１１Ａの構成を示す一部切欠模式図である。

この超音波プローブヘッド１１Ａは、各１次元アレイ素子１２のスライス方向両端部に、大ＭＵＴ素子１４，１４，…をそれぞれ配設する一方、そのスライス方向中央部に小ＭＵＴ素子１５，１５，…を配設した点に特徴があり、これ以外の構成は図１で示す超音波プローブヘッド１１と同様であるので、その説明は省略する。

したがって、これら１次元素子１２の周波数特性は、そのスライス方向中央部で超音波の高周波帯域を有し、スライス方向端部へ行くに従って周波数が低周波化する。

このために、主に高周波の小ＭＵＴ素子１５を駆動信号により駆動することにより、スライス方向中央部の超音波送信音圧が高くなる一方、スライス方向端部の超音波送信音圧が低くなるので、スライス方向に重み付けがされて、超音波のサイドローブが抑制された音場を被検体の深さ方向に均一に形成させることができる。

なお、上記図１で示す超音波プローブヘッド１１では、スライス方向とスキャン方向に大，小ＭＵＴ素子１４，１５を交互に配設する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば全く規制性なく、ランダムに大，小ＭＵＴ素子１４，１５を配設してもよく、１次元アレイ素子１２にて混在させればよい。これによっても超音波プローブヘッド１１の周波数帯域の広帯域化を図ることができる。

また、送受信回路２１は１次元アレイ素子１２のシリコン製基板１３に集積回路として一体に形成したとしてもよく、または、本体装置２２内に配設してもよい。

さらに、上記実施形態では、大，小ＭＵＴ素子１４，１５の平面形状が円形である場合について説明したが、本発明は円形に限定されるものではなく、例えば六角形や八角形等多角形でもよく、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５をスライス方向に千鳥状に配設して実装密度を向上させるように構成してもよい。

また、図５で示す第２実施形態に係る超音波プローブヘッド１１Ａでは、大，小ＭＵＴ素子１４，１５と共に、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５の中間の口径を有する複数の中ＭＵＴ素子２４を、これら大，小ＭＵＴ素子１４，１５の中間に配設してＭＵＴ素子の口径の相違を３種類にしてもよく、その口径の相違は２種類以上であればよい。さらに、上記実施形態では本発明を１次元アレイ素子１２に適用する場合について説明したが、本発明を２次元アレイ素子に適用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る超音波プローブヘッドを具備した超音波画像診断装置の構成を示す模式図。 図１で示す超音波プローブヘッドの一部切欠斜視図。 図１，図２で示す大，小ＭＵＴ素子の拡大縦断面図。 図１，図２で示す超音波プローブヘッドの周波数帯域を示す周波数特性図。 本発明の第２実施形態に係る超音波プローブヘッドの一部省略模式図。 従来の超音波振動子の概略縦断面図。

符号の説明

１１，１１Ａ 超音波プローブヘッド
１２ １次元アレイ素子
１３ 基板
１４ 大ＭＵＴ素子
１５ 小ＭＵＴ素子
１７ ギャップ
１８ 圧電膜
１９ 電極
２０ 音響レンズ
２１ 送受信回路
２２ 本体装置
２３ 超音波装置

Claims (4)

1. 口径が２種類以上相違する複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）素子を有し、
   スライス方向あるいはこれに直交するスキャン方向に、大口径の前記ＭＵＴ素子とこれよりも小口径の前記ＭＵＴ素子とを交互に配設したアレイ素子と、
   前記アレイ素子に配設した前記複数のＭＵＴ素子を共通の電圧で駆動する駆動手段と
   を具備していることを特徴とする超音波プローブ。
2. 口径が２種類以上相違する複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）素子を有し、
   スライス方向に、大口径の前記ＭＵＴ素子とこれよりも小口径の前記ＭＵＴ素子とを交互に配設して１チャネルを構成し、この１チャネルを前記スライス方向に直交するスキャン方向に複数並設して複数チャネルを構成したアレイ素子と、
   前記アレイ素子に配設した前記複数のＭＵＴ素子を共通の電圧で駆動する駆動手段と
   を具備していることを特徴とする超音波プローブ。
3. 口径が２種類以上相違する複数のＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）素子を有し、
   スライス方向の両端部に大口径の前記ＭＵＴ素子を配列し前記スライス方向の中央部に小口径の前記ＭＵＴ素子を配列して１チャネルを構成し、この１チャネルを、前記スライス方向に直交するスキャン方向に複数並設して複数チャネルを構成したアレイ素子と、
   前記アレイ素子に配設した前記複数のＭＵＴ素子を共通の電圧で駆動する駆動手段と
   を具備していることを特徴とする超音波プローブ。
4. 上記請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波プローブと、
   上記ＭＵＴ素子に駆動信号を与えて超音波を送波させる一方、このＭＵＴ素子により受波された超音波反射波を電気信号に変換してエコー信号として出力する送受信手段と、
   この送受信手段からのエコー信号に基づいて超音波画像を構成し表示する画像構成表示手段と、
   を具備していることを特徴とする超音波画像診断装置。

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