JP5083030B2

JP5083030B2 - 超音波診断装置

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Publication number: JP5083030B2
Application number: JP2008130674A
Authority: JP
Inventors: 昌二西尾; 美樹加藤
Original assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Current assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP2009273835A

Description

本発明は、被検体内に第１超音波信号を送信し前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号を受信して前記第２超音波信号に基づいて前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置に関し、特に、符号化した第１超音波信号を２次元超音波探触子によって前記被検体内に送信して相関処理に行うことで得られた第２超音波信号に基づいて前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。この超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられている。この超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備えて構成されている。

この超音波探触子（超音波プローブ）の一つに、短冊状（細長い直方体状）の圧電素子をアレイ状に配列した１次元アレイ超音波探触子がある。一般に、この１次元アレイ超音波探触子は、電子走査法と呼ばれる超音波走査方式によって被検体を超音波信号で走査し、被検体を診断する場合に使用される。ここで、電子走査法とは、アレイ状の複数の圧電素子それぞれに遅延時間を与え、送信パルスや受信信号のフォーカスをかける方法である。この電子走査法によれば、送受信超音波ビームのフォーカス点を高速に変更することが可能であり、現在の超音波走査方式の主流である。

この１次元アレイ超音波探触子による電子走査では、これら圧電素子の配列方向の面内における電子フォーカスや超音波ビームの走査は、可能である。しかしながら、配列方向と直交する方向（すなわち前記超音波走査面の法線方向）には、音響レンズのみによるフォーカスしか行うことができず、フォーカス点の変更は、狭い範囲に限られてしまい、ダイナミックなフォーカスが難しい。また、これら圧電素子の配列が１次元配列となっているため、超音波ビームを２次元的にしか走査することができない。

一方、近年では、超音波ビームのフォーカスを全方位的にダイナミックフォーカスしたり、超音波ビームの３次元的な走査が可能な超音波探触子およびこの超音波探触子によって収集された被検体からの超音波信号に基づいて３次元超音波画像を生成し表示するシステムが研究、開発されつつある。超音波ビームの３次元走査は、上述の１次元アレイ超音波探触子と機械的な（メカニカルな）走査機構とを組み合わせることで実現することが可能である。しかしながら、この方式では、超音波信号の全方位的なフォーカシングや高速な３次元走査等を実現することが困難である。

そこで、この超音波の全方位的なフォーカシングや高速な３次元走査を実現する超音波探触子として、複数の圧電素子を２次元マトリックス状等に配列した２次元超音波探触子（２次元アレイ超音波プローブ）がある。このような複数の圧電素子をアレイ状に２次元配列した超音波探触子は、例えば、特許文献１に開示されている。
特開２００４−０８８０５６号公報

ところで、複数の圧電素子が２次元配列された２次元超音波探触子を用いることによって、空間的にスキャン（ボリュームスキャン）して３次元的な生体情報を収集することができる。２次元超音波探触子を用いてボリュームスキャンを行なうと、ボリュームデータが収集され、３次元画像の表示が可能となる。このボリュームスキャンは、２次元の平面からなるスキャン面をスキャンする場合と異なり、送受信される超音波信号の走査線数が格段と多くなって、得られるデータ量も多くなる。そのため、ボリュームスキャンを行なうことによって、２次元のスキャン面をスキャンする場合と比べて、画像診断に有用な情報が多く得られる。その一方で、高調波成分のＳＮ比が低下してしまう。高調波検出においては、検出する高調波の次数が高ければ高いほど、細いビームの形成が可能となり、より高解像度の画像を得ることができる。このため、高調波のＳＮ比は、画像品質にとって重要な要素である。したがって、実質的には、２次高調波よりも３次以上の高調波が望ましい。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、２次元超音波探触子によってボリュームスキャンする場合でも高調波、望ましくは２次よりもさらに分解能に優れる３次以上の高調波を高いＳＮ比で検出することができる超音波診断装置を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる超音波診断装置は、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができ、２次元アレイ状に配列された複数の圧電素子を含む２次元超音波探触子と、被検体内に第１超音波信号を送信するように前記２次元超音波探触子へ送信電気信号を出力するための送信部と、前記２次元超音波探触子で受信された超音波を変換した受信電気信号を受信するための受信部と、前記受信部の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号の受信電気信号を前記受信部の出力から検出する相関部と、前記相関部で検出した前記第２超音波信号の受信電気信号に基づいて前記被検体内の画像を形成する画像処理部とを備え、前記送信電気信号は、予め定められた方式により符号化され、前記参照信号は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、前記被検体の診断部位、および、前記被検体の診断深度に応じて設定され、前記相関部は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成されることを特徴とする。

このような構成の超音波診断装置では、２次元アレイ状に配列された複数の圧電素子を含む２次元超音波探触子を備えるので、ボリュームスキャンを行って３次元的な生体情報を収集することができ、３次元の超音波画像の形成が可能となる。このため、ボリュームスキャンを行なうことによって、２次元のスキャン面をスキャンする場合と比べて、画像診断に有用な情報が多く得られる。そして、送信電気信号が符号化されており、この送信電気信号が第１超音波信号に変換され、符号化された第１超音波信号が被検体内に送信され、この第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号が受信電気信号に変換され、この受信電気信号が相関処理され、第２超音波信号の受信電気信号が検出される。このため、この送信電気信号の符号化と相関処理とによって、第２超音波信号の高調波成分を比較的高いＳＮ比で取得することが可能となる。そして、この構成によれば、相関部がＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成されるので、微弱な信号レベルである高調波成分でもより適切に相関処理を行うことが可能となる。

また、上述の超音波診断装置において、前記送信電気信号は、その周波数を時間経過に伴って変化させるチャープ波とする方式により符号化されていることを特徴とする。

この構成によれば、送信電気信号、ひいては第１超音波信号が自然界に通常存在しない波形であるので、その高調波成分を検出する場合に、ノイズ成分と区別し易い。このため、より高いＳＮ比で高調波成分を取得することが可能となる。ここで、前記チャープ波の高周波部分の周波数は、高調波成分の周波数と重ならないように設定されることが好ましい。

また、これら上述の超音波診断装置において、前記画像処理部は、前記相関部で検出した前記第２超音波信号における２次以上の高次高調波成分の受信電気信号に基づいて前記被検体内の画像を形成することを特徴とする。

この構成によれば、２次以上の高次高調波成分の受信電気信号に基づいて被検体内の画像を形成するので、より高解像度な画像を得ることが可能となる。

また、上述の超音波診断装置において、前記送信電気信号は、ＰＮ符号系列により符号化されていることを特徴とする。

この構成によれば、送信電気信号、ひいては第１超音波信号が自然界に通常存在しない波形であるので、その高調波成分を検出する場合に、ノイズ成分と区別し易い。このため、より高いＳＮ比で高調波成分を取得することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置において、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、前記被検体の診断部位、および、前記被検体の診断深度に応じて設定された複数の参照信号を記憶する参照信号記憶部をさらに備え、前記相関部は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、前記被検体の診断部位、および、前記被検体の診断深度に応じて前記複数の参照信号から１つの参照信号を選択して前記相関処理を行うことを特徴とする。

この構成によれば、互いに異なる複数の参照信号が参照信号記憶部に記憶され、相関部が、検出すべき高調波の次数、被検体の診断部位および被検体の診断深度に応じてこれら複数の参照信号から１つの参照信号を選択して相関処理を行うので、診断領域全体に亘ってより適切な参照信号が選択され、相関処理が行われる。このため、診断領域全体に亘って、より高いＳＮ比で高調波成分を取得することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置において、前記参照信号は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を２ｎ（ｎは正の整数）とした場合に、前記第１超音波信号が正の値である場合には＋１を乗算した前記第１超音波信号の２ｎ乗であって、前記第１超音波信号が負の値である場合には−１を乗算した前記第１超音波信号の２ｎ乗であることを特徴とする。

この構成によれば、２ｎ次高調波成分を取得するための参照信号を生成することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置において、前記参照信号は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を（２ｎ＋１）（ｎは正の整数）とした場合に、前記第１超音波信号の（２ｎ＋１）乗であることを特徴とする。

この構成によれば、（２ｎ＋１）次高調波成分を取得するための参照信号を生成することが可能となる。

また、これら上述の超音波診断装置において、前記２次元アレイ状に配列された複数の圧電素子は、送信用と受信用とに分離されていることを特徴とする。

この構成によれば、圧電素子が送信用と受信用とに分離されているので、前記圧電素子のうち送信用の部分には、送信に適した圧電素子とすることができ、そして、前記圧電素子のうち受信用の部分には、受信に適した圧電素子とすることができる。このため、より適切に高調波成分を取得することが可能となる。

また、これら上述の超音波診断装置において、前記受信用の前記圧電素子は、有機圧電材料を備えて成ることを特徴とする。

この構成によれば、比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子が受信用の圧電素子に用いられているので、より適切に高周波成分を受信することが可能となる。

本発明にかかる超音波診断装置は、２次元超音波探触子によってボリュームスキャンする場合でも高調波成分のＳＮ比を向上させることができる。

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。図３は、実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。図３（Ａ）は、超音波探触子の全体構成を示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、超音波探触子を構成する複数の第１圧電素子のうちの一素子分を示す断面図である。

超音波診断装置Ｓは、図１および図２に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この被検体で反射した超音波の反射波（エコー、第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、相関部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、参照信号記憶部１８とを備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力や後述の参照信号の各重み付け係数ｇ（ｎ）を微調整する指示を受け付けるものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。

送信部１２は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波探触子２に第１超音波信号を発生させる回路である。送信信号、ひいては第１超音波信号は、予め定められた方式により符号化されている。送信信号には、例えば、周波数を時間経過に伴って予め設定された所定割合で変化させるチャープ波が用いられ、符号化される。チャープ波の前記所定割合は、周波数が時間経過に従って徐々に高くなるチャープ波であってもよく、また、周波数が時間経過に従って徐々に低くなるチャープはであってもよい。なお、チャープ波に代え、送信信号は、いわゆるＰＮ符号系列により符号化されていてもよい。送信部１２は、例えば、制御部１７からの送信信号ｓ（ｔ）に応じて送信ビームを形成する送信ビームフォーマ回路１２２、および、送信ビームフォーマ回路１２２から後述の超音波探触子２の各第１圧電素子２０を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成回路１２１等を備えて構成される（図４参照）。受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を相関部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。

相関部１４は、受信部１３の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって受信部１３の出力から第２超音波信号を検出するものである。この参照信号は、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、被検体の診断部位（診断部位の種類）、および、被検体の診断深度に応じて設定されている。

参照信号記憶部１８は、例えば、ＲＯＭあるいはＥＥＰＲＯＭ等の記憶素子を備えて構成され、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、被検体の診断部位、および、被検体の診断深度に応じて設定された複数の参照信号を記憶するものである。そして、上記相関部１４は、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、被検体の診断部位、および、被検体の診断深度に応じて参照信号記憶部１８に記憶されている複数の参照信号から１つの参照信号を選択して相関処理を行う。これら検出すべき高調波の次数、被検体の診断部位および被検体の診断深度は、例えば、操作入力部１１から入力される。

ここで、参照信号は、後述するように、第１超音波信号に基づいて生成される関数であってよい。より具体的には、参照信号は、例えば、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を２ｎ（ｎは正の整数）とした場合に、第１超音波信号が正の値である場合には＋１を乗算した第１超音波信号の２ｎ乗であって、第１超音波信号が負の値である場合には−１を乗算した第１超音波信号の２ｎ乗である。また例えば、参照信号は、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を（２ｎ＋１）（ｎは正の整数）とした場合に、第１超音波信号の（２ｎ＋１）乗である。なお、参照信号は、その振幅がフォーカルポイント深度に応じて増減されていてもよい。

タイミング発生部１９は、超音波診断装置本体１の各部の動作タイミングを生成し、動作タイミングの必要な各部へ出力するものである。

画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、相関部１４で相関処理された受信信号に基づいて被検体内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する回路である。画像処理部１５は、例えば、後述の各相関処理部５０−１、５０−２、５０−３、・・・、５０−ｎからの各出力ｙ−１、ｙ−２、ｙ−３、・・・、ｙ−ｎに対し遅延時間を補正する遅延補正回路１５１、および、遅延補正回路１５１の出力を整相加算する整相加算回路１５２等を備えて構成される（図４参照）。表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。制御部１７は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、相関部１４、参照信号記憶部１８、画像処理部１５および表示部１６を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

超音波探触子（超音波プローブ）２は、被検体内に第１超音波信号を送信しこの第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号を受信する装置であって、例えば、図３（Ａ）に示すように、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができ、２次元アレイ状に配列された複数の第１圧電素子２０を含んで構成されている。複数の第１圧電素子２０は、平面視にて互いに線形独立な２方向に、例えば、互いに直交する２方向にｍ行×ｎ列で配列されている（ｍ、ｎは、正の整数である）。複数の第１圧電素子２０は、クロストーク等の相互干渉を低減するために、互いに所定の隙間（溝、間隙、ギャップ）を空けて基板上に配置される。なお、さらに相互干渉を低減するために、超音波を吸収する超音波吸収材がこの隙間に充填されることが好ましい。この超音波吸収材には、例えば、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等が用いられる。

図３（Ａ）は、２４個の第１圧電素子２０−１１〜２０−４６が、互いに直交する２方向に配列された２次元アレイを構成している例を示している。実際の超音波探触子では、例えば、第１圧電素子２０が６４×６４の４０９６個であったり、また例えば第１圧電素子２０が１２８×１２８の１６９００個であったり、多数の第１圧電素子２０を備えていることは言うまでもない。超音波探触子２は、本実施形態では、２次元超音波探触子（２次元アレイ超音波プローブ）である。

なお、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。また、添え字のうちの左側の添え字は、行番号を示し、その右側の添え字は、列番号を示している。例えば、第１圧電素子２０−２３は、行番号２で列番号３の第１圧電素子２０である。

超音波探触子２における複数の第１圧電素子２０は、被検体内へ第１超音波信号を送信する場合では、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信の電気信号を圧電現象を利用することによって第１超音波信号に変換して被検体内にこの第１超音波信号を送信し、そして、被検体内から来た第２超音波信号を受信する場合では、圧電現象を利用することによってこの受信した第２超音波信号を電気信号に変換して受信信号をケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波探触子２が被検体に当てられることによって、第１圧電素子２０で生成された第１超音波信号が被検体内へ送信され、被検体内からの第２超音波信号が第１圧電素子２０で受信される。

これら複数の第１圧電素子２０のそれぞれは、第２圧電素子２２と、第２圧電素子２２に積層された第３圧電素子２５とを備えて構成されている。複数の第１圧電素子２０のそれぞれにおいて、第３圧電素子２５は、直接的にあるいは図３（Ｂ）に示すように他の層を介して間接的に第２圧電素子２２上に積層されている。

本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、第２圧電素子２２は、平板状の音響制動部材（バッキング層）２１の一方主面上に配置され、第２圧電素子２２上に第１音響整合層２３が積層され、第１音響整合層２３上に音響制動部材（バッキング層）２４が積層されている。第３圧電素子２５は、この音響制動部材２４上に積層され、第３圧電素子２５上に第２音響整合層２６が積層されている。そして、第２音響整合層２６上に音響レンズ２７が積層されている。

音響制動部材２１は、超音波を吸収する材料から構成され、複数の第１圧電素子２０から音響制動部材２１方向へ放射される超音波を吸収するものである。音響制動部材２４は、超音波を吸収する材料から構成される。音響制動部材２１、２４は、一般に、ダンパあるいはバッキング層とも呼ばれる。そして、各第１圧電素子２０のそれぞれに接続する複数の複数の信号線２８２が音響制動部材２１を貫通している。なお、各第１圧電素子２０のそれぞれに接続する複数の接地線（アース線）２８３は、各第１圧電素子２０からそれぞれ引き出される。

第２圧電素子２２は、導電線の信号線（送信信号線）２８２と接続する導電材料から成る信号電極層２２２と、信号電極層２２２上に形成され、圧電材料から成る圧電層２２１と、圧電層２２１上に形成され、導電材料から成る接地電極層２２３とを備えて構成される。すなわち、これら複数の第２圧電素子２２のそれぞれは、互いに対向する一対の第１および第２電極を備え、これら第１および第２電極間に、圧電材料から成る圧電部が形成されている。圧電材料は、例えば、無機圧電材料が用いられる。無機圧電材料は、電気エネルギを超音波振動エネルギに変換する変換効率の高いセラミック圧電材料が好ましく、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等である。あるいは、水酸化カリウムと酸化ニオブ(Ｎｂ_２Ｏ_５）と水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用い、１５０−２００℃に加熱する水熱合成法によりＫＮｂＯ_３の高品質粉末を得る技術が提案されており（例えば特開２００４−２８４８８９号公報参照）、このような材料も採用可能である。この系統は、化学式で（Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ）（Ｎｂ、Ｔａ）Ｏ_３と表される。これらの音響インピーダンスは、２０〜５０の範囲にあり、比較的高い音響インピーダンスをもち、好適である。

そして、超音波探触子２では、複数の第２圧電素子２２のそれぞれが、複数の区域に分割され、これら複数の区域（区画、領域）のそれぞれに、共振周波数が互いに異なる。

例えば、図３（Ｂ）に示す例では、第２圧電素子２２は、平面視にて第２圧電素子２２の一辺に平行な第１および第２境界（図３（Ｂ）では紙面に垂直な方向に沿った境界）で第１ないし第３区域Ａｒ−ａ〜Ａｒ−ｃに分割されている。これら３個の第１ないし第３区域Ａｒ−ａ〜Ａｒ−ｃは、図３（Ｂ）に示す例では、平面視にて互いに同一形状の矩形となっている。この第１区域Ａｒ−ａには、第１厚さｔ１の圧電材料から成る圧電部２２１−ａが信号電極層２２２と接地電極層２２３との間に形成され、第１共振周波数ｆｃ１を持つ。第２区域Ａｒ−ｂには、第２厚さｔ２の圧電材料から成る圧電部２２１−ｂが信号電極層２２２と接地電極層２２３との間に形成され、第２共振周波数ｆｃ２を持つ。第３区域Ａｒ−ｃには、第３厚さｔ３の圧電材料から成る圧電部２２１−ｃが信号電極層２２２と接地電極層２２３との間に形成され、第３共振周波数ｆｃ３を持つ。そして、これら第１ないし第３厚さｔ１〜ｔ３が互いに異なる厚さとされることで、第１ないし第３共振周波数ｆｃ１〜ｆｃ３は、互いに異なる周波数となっている。圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃの圧電材料と性能が同一である場合には共振周波数定数が一定であるので、例えば、第１厚さｔ１＞第２厚さｔ２＞第３厚さｔ３の関係にある場合では、第１共振周波数ｆｃ１＜第２共振周波数ｆｃ２＜第３共振周波数ｆｃ３となり、第１ないし第３区域Ａｒ−ａ〜Ａｒ−ｃには、共振周波数が低周波数から高周波数へ順に配列されることになる。なお、共振周波数定数は、（共振周波数）×（圧電素子の振動方向の厚さ）で与えられる。例えば、圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃの圧電材料として、共振周波数定数が約２０００Ｈｚ・ｍのＰＺＴが用いられる場合では、第１厚さｔ１が２００μｍに設計されると、第１区域Ａｒ−ａでは、共振周波数は、１０Ｍｚとなり、第２厚さｔ２が１００μｍに設計されると、第２区域Ａｒ−ｂでは、共振周波数は、２０Ｍｚとなり、そして、第３厚さｔ３が５０μｍに設計されると、第３区域Ａｒ−ｃでは、共振周波数は、４０Ｍｚとなる。

ここで、このように各区域Ａｒ−ａ〜Ａｒ−ｃにおける各圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃの厚さが異なるため、各圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃにおける接地電極層２２３側の各面が面一とされると共に、圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃにおける信号電極層２２２側の面が信号電極層２２２に当接されると、圧電部２２１−ｂおよび圧電部２２１−ｃにおける信号電極層２２２側の各面と第１音響制動部材２１との間に、空隙が形成されることになる。このため、この空隙に誘電材料２２４が充填される。この空隙に充填される誘電材料２２４の誘電率は、約２ないし約４０であることが好ましい。

第１音響整合層２３は、第２圧電素子２２の音響インピーダンスと第３圧電素子２５の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。第１音響整合層２３は、第１圧電素子２０の音響インピーダンスと第２圧電素子２５の音響インピーダンスとの間の値を採用することが好ましい。第２圧電素子２５に例えばセラミック圧電材料を使用すると、その音響インピーダンスは、２０〜５０（Mralys）の範囲になり、第３圧電素子２５に例えば有機圧電材料を使用すると、その音響インピーダンスは、２〜１０（Mralys）の範囲になる。したがって、第１音響整合層２３の音響インピーダンスは、２から３０の範囲が好ましい。第２圧電素子２２の音響インピーダンスＺｔと、第３圧電素子２５の音響インピーダンスＺｒとした場合に、それらと第１音響整合層２３の音響インピーダンスＺｉの関係は、Ｚｔ＜Ｚｉ＜Ｚｒの関係になるのが好ましい。本実施形態では、第１音響整合層２３は、少なくとも１層必要である。ｎ層とする場合、送信側から受信側に掛けてＺｉ１、Ｚｉ２、Ｚｉ３、・・・、Ｚｉｎの関係は、Ｚｉ１＜Ｚｉ２＜Ｚｉ３＜・・・＜Ｚｉｎのような関係になることが好ましい。第１音響整合層２３は、この関係で多ければ多い程整合が採り易いが、性能と生産性から２層から３層程度が好ましい。２層の場合では、２＜Ｚｉ２＜７、１０＜Ｚｉ１＜３０の範囲が好ましい。この値より小さい場合や大きい場合は、音響整合が採りにくくなるからである。音響インピーダンスの採り方は、デジレ（Ｄｅｓｉｌｅｔｓ）のＫＬＭモデルやドール（Ｄｏｌｌ）の計算式を適用してもよい。第１音響整合層２３の樹脂素材は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、ポリオレフィン樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリエスエル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂が好ましい。エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンの共重合体がもっとも好ましい。エポキシ樹脂の硬化剤としては、種々のポリアミンや酸無水物が使用される。ポリイミド樹脂としては、ビフエニルテトラカルボン酸二無水(ＢＰＤＡ)とジアミンとの縮重合によるものが好ましい。シリコン樹脂は、シロキサン結合したオルガノポリシロキサンが好ましく、オルガノ基の選択により好適な構造を選択することができる。このような樹脂のなかに、各種添加物、例えば、タングステン粒子、タンタル粒子、銅粒子、アルミニウム粒子、銀粒子、白金粒子などを添加することにより音響インピーダンスを調整することができる。タングステン粒子をビスフェノール型のエポキシ樹脂に添加することにより、第１音響整合層２３に必要な音響インピーダンスである２〜５０（MRayls）を得ることが可能である。

第３圧電素子２５は、導電線の信号線（受信信号線）２８１と接続する導電材料から成る信号電極層２５２と、信号電極層２５２上に形成され、圧電材料から成る圧電層２５１と、圧電層２５１上に形成され、導電材料から成る接地電極層２５３とを備えて構成される。すなわち、これら複数の第３圧電素子２５のそれぞれは、互いに対向する一対の第１および第２電極を備え、これら第１および第２電極間に、圧電材料から成る圧電部が形成されている。圧電材料は、例えば、有機圧電材料が用いられる。有機圧電材料は、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、有機圧電材料は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。フッ化ビニリデン系コポリマは、その共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化するので、例えば、超音波探触子の仕様等に応じて適宜な共重合比が採用される。例えば、フッ化ビニリデン／３フッ化エチレンのコポリマの場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が６０ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％が好ましく、有機圧電素子を無機圧電素子に積層する複合素子の場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が８５ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％がより好ましい。また、このような複合素子の場合では、他の単量体は、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレンが好ましい。また例えば、有機圧電材料は、ポリ尿素を用いることができる。このポリ尿素の場合では、蒸着重合法で圧電体を作成することが好ましい。ポリ尿素用のモノマとして、一般式、Ｈ_２Ｎ−Ｒ−ＮＨ_２構造を挙げることができる。ここで、Ｒは、任意の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フェニレン基、２価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでもよい。ポリ尿素は、尿素誘導体と他の単量体との共重合体であってもよい。好ましいポリ尿素として、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を用いる芳香族ポリ尿素を挙げることができる。

そして、超音波探触子２では、複数の第３圧電素子２５のそれぞれが、第２圧電素子２２と同様に、複数の区域に分割され、これら複数の区域（区画、領域）のそれぞれに、共振周波数が互いに異なる。

例えば、図３（Ｂ）に示す例では、第３圧電素子２５は、平面視にて第３圧電素子２２の一辺に平行な第１および第２境界（図３（Ｂ）では紙面に垂直な方向に沿った境界）で第１ないし第３区域Ａｒ−ｄ〜Ａｒ−ｆに分割されている。これら３個の第１ないし第３区域Ａｒ−ｄ〜Ａｒ−ｆは、図３（Ｂ）に示す例では、平面視にて互いに同一形状の矩形となっている。この第１区域Ａｒ−ｄには、第４厚さｔ４の圧電材料から成る圧電部２５１−ｄが信号電極層２５２と接地電極層２５３との間に形成され、第４共振周波数ｆｃ４を持つ。第２区域Ａｒ−ｅには、第５厚さｔ５の圧電材料から成る圧電部２５１−ｅが信号電極層２５２と接地電極層２５３との間に形成され、第５共振周波数ｆｃ５を持つ。第３区域Ａｒ−ｆには、第６厚さｔ６の圧電材料から成る圧電部２５１−ｆが信号電極層２５２と接地電極層２５３との間に形成され、第６共振周波数ｆｃ６を持つ。そして、これら第４ないし第６厚さｔ４〜ｔ６が互いに異なる厚さとされることで、第４ないし第６共振周波数ｆｃ４〜ｆｃ６は、互いに異なる周波数となっている。圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆの圧電材料と性能が同一である場合には共振周波数定数が一定であるので、例えば、第４厚さｔ４＞第５厚さｔ５＞第６厚さｔ６の関係にある場合では、第４共振周波数ｆｃ４＜第５共振周波数ｆｃ５＜第６共振周波数ｆｃ６となり、第１ないし第３区域Ａｒ−ｄ〜Ａｒ−ｆには、共振周波数が低周波数から高周波数へ順に配列されることになる。

そして、このように各区域Ａｒ−ｄ〜Ａｒ−ｆにおける各圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆの厚さが異なるため、各圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆにおける接地電極層２５３側の各面が面一とされると共に、圧電部２５１−ｄ〜２２１−ｆにおける信号電極層２５２側の面が信号電極層２５２に当接されると、圧電部２５１−ｅおよび圧電部２５１−ｆにおける信号電極層２５２側の各面と音響整合層２３との間に、空隙が形成されることになる。このため、この空隙に誘電材料２５４が充填される。

ここで、上述の超音波探触子２において、第２圧電素子２２における隣接する圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃ間には、それらの境界に沿って厚さ方向の溝（隙間、間隙、ギャップ）２２５が形成されてもよい。同様に、第３圧電素子２５における隣接する圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆ間には、それらの境界に沿って厚さ方向の溝（隙間、間隙、ギャップ）２５５が形成されてもよい。このように互いに隣接する圧電部２２１間や圧電部２５１間に溝を形成することによって、それら間におけるクロストーク等の相互干渉が低減される。

第２音響整合層２６は、第１圧電素子２０の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの整合をとる部材である。したがって、第２音響整合層２６は、第１圧電素子２０の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの差が最も小さくなるように設定される。第２音響整合層２３は、単層で構成されてもよく、あるいは、複数層で構成されてもよい。第２音響整合層２６は、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルブチラール樹脂等が好ましい。これらの樹脂の音響インピーダンスは、２〜５であり、音響インピーダンスを調節する混合材料として、シリカ粒子、硝子粒子、金属粒子（タングステン、亜鉛、アルミニウム、錫、銀、白金、金等）が添加されてもよい。なお、第３圧電素子２５は、有機圧電材料で形成されているため、その音響インピーダンスは、低い。このため、第２音響整合層２６は、省略可能である。

音響レンズ２７は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体に向けて送信される超音波を収束する音響素子である。

これら複数の第１圧電素子２０のそれぞれは、第２圧電素子２２と、第２圧電素子２２に積層された第３圧電素子２５とを備えて構成されている。第３圧電素子２５は、直接的にあるいは図３（Ｂ）に示すように他の層を介して間接的に第２圧電素子２２上に積層されている。

このような構成の超音波診断装置Ｓでは、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１７の制御によって送信部１２で電気信号の送信信号が生成される。この生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。より具体的には、この電気信号の送信信号は、超音波探触子２における第１圧電素子２０へ供給され、第１圧電素子２０では、第２圧電素子２２における各区域Ａｒ−ａ〜Ａｒ−ｃの圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃへそれぞれ供給される。第２圧電素子２２では、これら圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃのうちの、この電気信号に対応する共振周波数を持つ圧電部２２１−ａ〜２２１−ｃが、この電気信号の送信信号が供給されることによってその厚さ方向に伸縮し、この電気信号の送信信号に応じて超音波振動する。この超音波振動によって、第１圧電素子２０は、第１超音波信号を放射する。第１圧電素子２０から音響制動部材２１方向へ放射された第１超音波信号は、音響制動部材２１によって吸収される。また、第１圧電素子２０から第１音響整合層２３方向へ放射された第１超音波信号は、第３圧電素子２５、第２音響整合層２６および音響レンズ２７を介して放射される。超音波探触子２が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。

なお、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。

この被検体に対して送信された超音波は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波（第２超音波信号）となる。この第２超音波信号には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍等の２次高調波成分（＝２×１次高調波成分）、３次高調波成分（＝（２×１＋１）高調波成分）および４次高調波成分（＝２×２次高調波成分）等も含まれる。この第２超音波信号は、超音波探触子２で受信される。より具体的には、この第２超音波信号は、音響レンズ２７および第２音響整合層２６を介して第１圧電素子２０の第３圧電素子２５で受信される。すなわち、この第２超音波信号は、第３圧電素子２５における各区域Ａｒ−ｄ〜Ａｒ−ｆの圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆでそれぞれ受信され、これら圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆのそれぞれで機械的な振動が電気信号に変換されて受信信号として取り出される。

ここで、第３圧電素子２５における各圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆは、それぞれ、第２超音波信号に含まれる周波数成分のうちのその共振周波数にほぼ対応する周波数成分で機械的に振動し、その振動に応じた電気信号を出力する。そして、第３圧電素子２５は、互いに共振周波数の異なる複数の圧電部２５１−ｄ〜２５１−ｆを有するので、第２超音波信号に含まれる複数の周波数成分、すなわち、広い周波数帯域に亘って第２超音波信号を受信することができる。

そして、第１圧電素子２０（第３圧電素子２５）で取り出されたこの電気信号の受信信号は、ケーブル３を介して制御部１７で制御される受信部１３で受信される。受信部１３は、この入力された受信信号を受信処理し、より具体的には、例えば増幅した後に相関部１４へ出力する。そして、相関部１４で相関処理を行うことで所定次数の高調波成分が取得され、画像処理部１５へ出力される。

ここで、上述において、各第１圧電素子２０から順次に超音波が被検体に向けて送信され、被検体で反射した第２超音波信号が複数の第１圧電素子２０で受信される。

そして、画像処理部１５は、制御部１７の制御によって、受信部１３で受信され相関部１４で相関処理された受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度等から被検体の超音波画像を生成する。

画像処理部１５は、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路またはカラーモード処理回路を備えている。Ｂモード処理回路は、エコーの振幅情報の映像化を行い、エコー信号からＢモード超音波ラスタデータを生成する。ドプラ処理回路は、ドプラ偏移周波数成分を取り出し、さらに（高速フーリエ変換）ＦＦＴ処理等を施して血流情報を有するデータを生成する。カラーモード処理回路は、動いている血流情報の映像化を行い、カラー超音波ラスタデータを生成する。血流情報には、速度、分散、パワー等の情報があり、血流情報は、２値化情報として得られる。また、直交座標系で表される画像を得るために、超音波ラスタデータは、直交座標で表されるデータに変換される。例えば、Ｂモード処理回路から出力されたデータに対してＤＳＣ処理が施されると、被検体の組織形状を２次元情報として表す断層像データが生成される。また、ＤＳＣ処理では、断層像データをリサンプリング処理することによって、ボクセルデータを生成することも可能である。ボクセルデータに対してボリュームレンダリング処理などを行って３次元画像データ等が生成される。表示部１６は、制御部１７の制御によって、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する。

次に、相関処理に関し、より具体的に説明する。

図４は、相関処理の説明に当たって、実施形態にかかる超音波診断装置のより具体的な構成を示す図である。図５は、相関演算を説明するための図である。図６は、アナログ積和演算を説明するための図である。

アナログ信号をデジタル変換してから相関処理を行ったのでは、高調波成分が受信信号全体に占めるエネルギ量が微弱であるため、良質な超音波画像の形成に必要なダイナミックレンジが取れない。そのため、本実施形態における相関部１４では、相関処理自体をアナログで行うものである。

図４において、相関部１４は、超音波探触子２の複数（ｎ個）の第１圧電素子２０ごとに複数の相関処理部５０−１、５０−２、５０−３、・・・、５０−ｎを備えて構成されており、各相関処理部５０−１、５０−２、５０−３、・・・、５０−ｎは、同様に構成されている。その一つについて説明すると、相関処理部５０は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算を行うことによって受信部１３の出力と参照信号との相関を演算する回路であり、例えば、サンプルホールド部５１と、電荷転送部５２と、重み付け設定部５３と、デジタルアナログ乗算部５４と、加算部５５とを備えて構成される。

サンプルホールド部５１は、タイミング発生部１９からの動作タイミングに応じたサンプリング周期で、受信部１３の出力を保持する回路である。サンプルホールド部５１は、動作タイミングに応じたタイミングで、この保持した受信部１３の出力に対応する電荷を電荷転送部５２へ出力する。

電荷転送部５２は、電荷を保持する複数の電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎを備えて構成されている。これら各電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎは、直列に接続されており、タイミング発生部１９からの動作タイミングに応じたタイミングで自己の電荷保持部５２１で保持している電荷を順次に後段の電荷保持部５２１へ転送する。この点がＣＣＤ原理に基づいている。そして、電荷転送部５２の各電荷保持部５２１で順次に転送された電荷は、高調波検出部１５へ出力される。

デジタルアナログ乗算部５４は、各電荷保持部５２１に対応して設けられた複数のデジタルアナログ乗算器（ＤＡ乗算器）５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎを備えて構成されている。ＤＡ乗算器５４１は、重み付け設定部５３によって自機に設定されている重み付けで電荷保持部５２１からの出力値を乗算し、この乗算結果を加算部５５へ出力する。

重み付け設定部５３は、参照信号記憶部１０に記憶されている参照信号に基づいてデジタルアナログ乗算部５４の各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎに対し、重み付け値を設定するものである。この重み付け値は、操作入力部１１の補正値入力部１１１から補正値が入力された場合には、この入力された補正値で補正される。

加算部５５は、デジタルアナログ乗算部５４の各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎから入力された乗算結果を加算し、この加算結果を画像処理部１６へ出力する回路である。

このような構成の相関部１４（相関処理部５０）では、次のように動作する。

アナログ相関処理では、ＣＣＤに用いられる電荷移送技術を用いて、２つ以上の電荷を1つの容量素子にまとめあげることで加算を行い、１つの電荷を２分し、一方をさらに２分し、それを繰り返すことで、１／２、１／４、１／８、１／１６、・・・の電荷を用意し、乗数の２進表現に従い、取捨し、再度ひとつの電荷にまとめることで乗算を行うアナログ電荷積和遅延が行われる。この点が、アナログ積和演算である。ここで言う相関処理とは、２つの波形がどの程度似ているかを判定する処理であり、例えば、２つの数列ｘ_ｎとｙ_ｎがあった場合、次の式１で示されるｚが大きいほど、２つの数列が似通っていることになる（通常、信号を検出すると図５のグラフのような急峻なピークを示す）。
ｚ＝Σｘ_ｋｙ_ｋ・・・（１）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。

電荷転送部５２の電荷保持部５２１の各ステージに蓄えられている電荷量Ｑｋに参照信号（テンプレート）の対応する重み付け値を乗じ、和をとることで、ノイズの中に信号が存在するか否かを高いＳ／Ｎ比で計算することができる。

相関処理部５０は、アナログ量である電荷量Ｑを用い、遅延、加算および乗算が可能なデバイスであり、これを用いることで、高分解能、高速かつ低消費電力に、相関処理などの演算処理が可能となる。実際のデバイスの構成としては、上述したようにＣＣＤ類似のデバイス形態となる。例えば、ＣＣＤでは、電荷移送を行う場合、ポテンシャル井戸の深さが転送方向に向かって深くなるように調節することによって行われる。図６（Ａ）のように電荷を図上では左から右へ移動させていくことで信号の流れを制御する。加算を行う場合は、図６（Ｂ）に示すように、二つ以上のポテンシャル井戸が一つになるように、駆動電圧を制御する。乗算を行う場合は、例えば、一つのポテンシャル井戸を２分割するような駆動電圧を制御して（例えば上記加算器の逆）、電荷ＱをＱ／２、Ｑ／４、Ｑ／８、Ｑ／１６、Ｑ／３２、Ｑ／６４、・・・というように分割し、それを乗数（デジタル値）のビットに応じて捨てたり残したりする。すなわち、ビットが０の場合には、捨て、ビットが１の場合には残す。その後に、残した電荷をすべて足すことで、乗数Ｍが０≦Ｍ＜１の乗算を行う。例えば、Ｑ×０．３６８２７(１０進数)は、Ｑ×０．０１０１１１１０(２進数)となって、Ｑ×（０＋０／２＋１／４＋０／８＋１／１６＋１／３２＋１／６４＋１／１２８＋０／２５６）となる。

これら絶対値電荷に加え、絶対値である電荷量の正負を表す符号ビットを用いて積和演算を実現する。

また、相関処理とは、２つの波形がどの程度似ているかを判定する処理であり、例えば、上述したように、２つの数列ｘ_ｎとｙ_ｎとがあった場合、上記式１で示されるｚが判定基準となる。

送信信号をｓ（ｔ）とし、送信信号ｓ（ｔ）に雑音を含ませたものをｚ（ｔ）とし、上記の式１からなる判定基準をzとすると、図５に波線で示すように、参照信号と受信信号が重なる瞬間に急峻なピークが検出される。このピークが大きければ大きいほど、参照信号とよく類似した信号が受信されたことになる。ノイズ耐性を高めるためには、できるだけ冗長な、自然界に無い信号を送信信号（参照信号）ｓ（ｔ）に用いることが望ましい。実際には、図４のように、受信部１３が受信する連続信号ｓ（ｔ）を時間τでサンプリングホールドし、離散量ｆ（ｔ）、ｆ（ｔ−τ）、ｆ（ｔ−２τ）、ｆ（ｔ−３τ）、ｆ（ｔ−４τ）、・・・とする。これらに各々相当する重み付け係数ｇ（１）〜ｇ（ｎ）をかけて総和をとることによって得ることができる（式２）。
ｚ＝Σｆ（ｔ−ｋτ）ｇ（ｋ）・・・（２）
ただし、Σは、ｋ＝１からｋ＝ｎまでの和を求める。

このｚの値がある閾値より大きい場合に、第２超音波信号の高調波成分をｚに比例する強度で受信したとして画像処理部１５へ出力する。画像処理部１５では、このｚから遅延時間や信号強度を求めて超音波画像を生成する。

例えば、３ＭＨｚ〜５ＭＨｚのチャープ波を用いた送信信号を以下のようにする。
s(t)=A・sin{2π[(f_c-B_w/2)t+（B_w/(2T_w)）t²]}・W(t) ・・・（３）
Ｗ（ｔ）は、窓関数（本実施形態では例えばハミング窓を使用）であり、ｆ_ｃは、チャープ波の中心周波数であり、Ｂ_ｗは、チャープ波の掃引周波数であり、Ｔ_ｗは、チャープ波の時間幅である。本実施形態においては、ｆ_ｃ＝４ＭＨｚ、Ｂ_ｗ＝２ＭＨｚとし、Ｔ_ｗは、診断領域の面積により設定される。

相関処理によって検出する高調波の次数をｎとすると、ｎが偶数の場合の参照波形ｒ（ｔ）は、式４となる。
r(t)＝f(d,n)・(s(t)/|s(t)|)・{s(t)}ⁿ ・・・（４）
一方、ｎが奇数の場合の参照波形ｒ（ｔ）は、式５となる。
r(t)＝f(d,n)・{s(t)}ⁿ ・・・（５）
ｆ（ｄ、ｎ）は、診断深度、診断対象および次数によって決定される項であり、フォーカルポイントごとに用意された補正値入力部１１１の重み付けスライダ等によって、ユーザが出力画像を見つつ最適な値を選択してもよい。この関数ｒ（ｔ）を規定のサンプリング周波数でデジタル化したものが参照信号のｇ（１）〜ｇ（ｎ）に書き込まれる値として、診断深度、診断対象および検出次数ごとに参照信号のデータとして参照信号記憶部１８に記憶される。

制御部１７がＲＯＩを基に指定するステアリング角度とフォーカルポイント深度からビームフォーマの遅延が送信ビームフォーマ回路１２２で設定され、駆動信号生成回路１２１でＰＣＭによって形成した上記チャープ波が、超音波探触子２の第１圧電素子２０に印加され、電気音響変換（圧電現象）によって第１超音波信号が発生される。フォーカルポイントにて収束された超音波信号は、被検体内の組織界面で反射されるとともに音圧強度に依存した高調波が発生される。組織界面で反射し、被検体内を伝播した第２超音波信号は、超音波探触子２の第１圧電素子２０によって受信され、受信部１３で受信処理される。受信部１３からの出力は、その受信波形をサンプルホールドすべく、各第１圧電素子２０ごとに、サンプルホールド部５１によって時間方向に離散化される。それらは、一定の動作タイミングのタイミング（制御クロック）によって、電荷転送部５２に入力される。電荷転送部５２では、ｘ_a（１）〜ｘ_ａ（ｎ）のｎ段の電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎを持ち、動作タイイングごとにそれぞれの値が次の段に移動する。電荷転送部５２の各電荷保持部５２１−１、５２１−２、５２１−３、・・・、５２１−ｎの各段ｘ_a（１）〜ｘ_ａ（ｎ）は、それぞれ、保持する値を出力するＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎを有し、それぞれが対応するＤＡ乗算器５４１へと接続されている。各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎには、それぞれ相関処理のための重み付け係数ｇ（１）〜ｇ（ｎ）が重み付け設定部５３の設定によって保持されており、また、これら重み付け係数は、制御部１７に制御による重み付け設定部５３によって、書き換え可能とされている。制御部１７は、参照信号（テンプレート）のデータを参照信号記憶部１８から選択し、重み付け設定部５３を介して各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎが保持する重み付け係数ｇ（１）〜ｇ（ｎ）を書き込む。各ＤＡ乗算器５４１−１、５４１−２、５４１−３、・・・、５４１−ｎは、重み付け係数ｇ（ｋ）のビット数に比例する遅延を経て、ｘ_ａ（ｋ）×ｇ（ｋ）を出力し、これら出力が加算部５５によって加算され、相関係数ｚ_ａが得られる。なお、添え字ａは、超音波探触子２の複数の第１圧電素子２０のうちのａ番目の第１圧電素子２０に関連していることを表している。超音波探触子２のアレイ状に配列された第１圧電素子２０それぞれに対して相関係数ｚ_ａが得られ、また相関係数ｚ_ａのピーク位置を基に遅延補正回路１５１で遅延補正を行った後、各第１圧電素子２０の相関係数を整相加算回路１５２で整相加算することで、全体の相関係数ｚ、すなわち相関処理された受信信号ｙ（ｔ）が得られ、これを基に超音波画像が形成される。

このように本実施形態の超音波診断装置Ｓでは、２次元アレイ状に配列された複数の第１圧電素子２０を含む２次元の超音波探触子２を備えるので、ボリュームスキャンを行って３次元的な生体情報を収集することができ、３次元の超音波画像の形成が可能となる。このため、ボリュームスキャンを行なうことによって、２次元のスキャン面をスキャンする場合と比べて、画像診断に有用な情報が多く得られる。そして、送信電気信号が符号化されており、この送信電気信号が第１超音波信号に変換され、符号化された第１超音波信号が被検体内に送信され、この第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号が受信電気信号に変換され、この受信電気信号が相関処理され、第２超音波信号の受信電気信号が検出される。このため、この送信電気信号の符号化と相関処理とによって、第２超音波信号の高調波成分を比較的高いＳＮ比で取得することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、第１超音波信号（送信電気信号）が自然界に通常存在しないチャープ波であるので、その高調波成分を検出する場合に、ノイズ成分と区別し易い。このため、より高いＳＮ比で高調波成分を取得することが可能となる。チャープ波に代え、送信電気信号がＰＮ符号系列により符号化される場合も同様に、より高いＳＮ比で高調波成分を取得することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、互いに異なる複数の参照信号が参照信号記憶部１８に記憶され、相関部１４が、検出すべき高調波の次数、被検体の診断部位および被検体の診断深度に応じてこれら複数の参照信号から１つの参照信号を選択して相関処理を行うので、診断領域全体に亘ってより適切な参照信号が選択され、相関処理が行われる。このため、診断領域全体に亘って、より高いＳＮ比で高調波成分を取得することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、参照信号は、第１超音波信号に基づいて生成される関数である。より具体的には、参照信号は、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を２ｎ（ｎは正の整数）とした場合に、第１超音波信号が正の値である場合には＋１を乗算した第１超音波信号の２ｎ乗であって、第１超音波信号が負の値である場合には−１を乗算した前記第１超音波信号の２ｎ乗である。このため、２ｎ次高調波成分を取得するための参照信号を生成することが可能となる。あるいは、参照信号は、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を（２ｎ＋１）（ｎは正の整数）とした場合に、第１超音波信号の（２ｎ＋１）乗である。このため、（２ｎ＋１）次高調波成分を取得するための参照信号を生成することが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、相関部１４は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成される。このため、微弱な信号レベルである高調波成分でもより適切に相関処理を行うことが可能となる。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、第１圧電素子２０は、送信用の第２圧電素子２２と受信用の第３圧電素子２５とに分離されている。このため、第２圧電素子２２には、例えば圧電材料に無機圧電材料を使用することによって送信に適した圧電素子とすることができ、そして、第３圧電素子２５には、例えば圧電材料に有機圧電材料を使用することによって受信に適した圧電素子とすることができる。このため、よりに高調波成分を取得することが可能となる。なお、上述の超音波診断装置Ｓでは、送信用の第２圧電素子２２と受信用の第３圧電素子２５とは、超音波信号の送受信方向に積層されているが、複数の圧電素子を送信用の圧電素子と受信用の圧電素子２５とに分離するに当たって、超音波信号の送受信方向に略垂直な平面において、並置され、２次元アレイ状に配列された複数の圧電素子が領域ごとに分割されたものであってもよい。

また、上述の超音波診断装置Ｓでは、受信用の第３圧電素子２５には、比較的広帯域で超音波を受信することができる有機圧電素子が用いられているので、より適切に高周波成分を受信することが可能となる。

次に、超音波探触子の製造方法について説明する。

（超音波探触子の製造方法）
図７は、実施形態における超音波探触子の製造方法を説明するための図である。

本実施形態における上記構成の超音波探触子２は、例えば、次のように製造することができる。

図３および図７において、まず、送信用の第２圧電素子２２を音響制動部材２１上に製作する。図３に示す送受信分離型の第１圧電素子２０は、送信用の第２圧電素子２２と受信用の第３圧電素子２５を第１音響整合層２３および音響制動部材２４を挟んで積層した構造になっている。送信用の第２圧電素子２２は、図３に示すように薄い圧電薄板と電極層の挟み込み構造をなしてもよい。このような構造は、例えば圧電セラミックグリーンシートに銀ペースト等によって電極を印刷形成したものを焼成前に積層して一体で焼結することによって作成することができる。グリーンシートは、目的の共振周波数ｆｃに応じて厚みを調製できる。厚み方向の圧電素子の周波数定数が２０００ＭＨｚ・ｍのＰＺＴのグリーンシートでは、４ＭＨｚの周波数を発振するには、５００μｍであり、８ＭＨｚでは２５０μｍであり、１６ＭＨｚでは１２５μｍとなる。このように、圧電材料の周波数定数から求めた最適な共振周波数の厚さ（焼結後の最終厚さ）を求めて、第２圧電素子２２（圧電部２２１）の厚さを設定できる。この厚さを計算した後には、最も厚い圧電薄膜を順次研削や加温圧着して厚さを薄くして所望の周波数になるように調整し、各圧電部２２１の両端には、共通電極２２２、２２３を取り付け、その後、第１音響整合層２３を取り付けていく。送信用の第２圧電素子２２として、低周波から高周波までを発振するためには、好ましい方法としては、３領域の設定にすることが好ましい。すなわち、それぞれ３〜６ＭＨｚ、７〜１１ＭＨｚおよび１２〜２５ＭＨｚから選択されること、あるいは７〜１１ＭＨｚ、１２〜１５ＭＨｚおよび１６ＭＨｚ〜２５ＭＨｚから選択されることである。その理由は、３〜６ＭＨｚは、断層深部（１０〜２０ｃｍ）に、７〜１１ＭＨｚは、中程度（３〜１０ｃｍ）に、１２〜２５は、浅部断層（０．１ｍｍ〜３）に、それぞれ適した超音波周波数であるからである。

同様にして、受信用の第３圧電素子２５は、ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ／３ＦＥ）尿素樹脂などの有機圧電素子の周波数定数から厚さを求め、その厚さになるように塗設や延伸を行う。延伸は、１軸と２軸延伸があり、多軸延伸としては、鍛造が好ましく適用される。鍛造は、ハンマーや圧着器等で叩いて圧力を加え、有機薄膜内部の空隙をつぶし、結晶を微細化し、結晶の方向を整えて強度を高めると共に圧電素子の形状に成形することで、本実施形態では、５ｋＰａ〜１ＧＰａの圧力の範囲で加圧することが好ましい。この圧力以下では、薄膜内部の結晶や分子配列の制御が充分でなく圧電性能が向上しない。また、これ以上の圧力では、膜が破壊されてしまうので好ましくない。

本実施形態では、送信用の第２圧電素子２２の上に第１音響整合層２３を少なくも１層設ける。第１音響整合層２３は、重合された樹脂中にフィラーを充填して１層から５層の範囲で複層で設けることもできるし、傾斜時材料的に、フィラーの充填量を変化させてもよい。フィラーの充填量を変化させる方法としては、例えば特開２００３−１６９３９７号公報の如く光造形用樹脂をレーザー光照射により硬化させてもよい、インクジェットで樹脂材料とフィラーを吐出しながらフィラー濃度を変化させてもよい。樹脂の溶解が難しいときには、オリゴマーやモノマー原料液をインクジェットヘッドから吐出して塗布するのが好ましい。受信用の第３圧電素子２５は、送信用の第２圧電素子２２と同様に予め作成した板又はシートを接着剤で張り合わせてもよいし、第１音響整合層２３の上に樹脂を塗布乾燥して製膜してもよいし、ここでも樹脂原料モノマーやオリゴマーをインクジェット式でヘッドから吐出させて薄膜を形成しても製作することができるし、または、モノマーを塗布して熱重合や光線、Ｘ線、電子線で重合することもできる。電極は、銀ペースト、白金ペースト、パラジウムペースト等を使用して形成しても良い。

本実施形態の超音波探触子２は、第１音響整合層２３が第２圧電素子２２上に光または熱硬化性樹脂の硬化層が積層されてもよい。この場合、第２圧電素子２２の上に第１音響整合層２３を接着せずに形成することができるため、接着剤の使用による気泡などの発生の恐れがなく、特性のバラツキが少ない第１音響整合層２３を作成することができる。

また本実施形態の超音波探触子２は、光または熱硬化性樹脂に任意のフィラーが混入されて第２音響整合層２６が形成されていることが好ましい。これにより、超音波の送受信を効率良く行なうために必要とされる適正な音響インピーダンスの第２音響整合層２６を容易に作成することができる。第２音響整合層２６は、厚み方向に音響インピーダンスが順次異なっていてもよい。第２音響整合層２６が、フィラーの含有量が順次異なる複数の層を積層したことで、音響インピーダンスが順次異なる第２音響整合層２６が形成されていると第１圧電素子２０から送受信する超音波信号を効率良く伝達することができる。

本実施形態の超音波探触子２は、粒径が２種類以上のフィラーの混合物または層方向に異なったフィラーを混合した光または熱硬化性樹脂で第２音響整合層２６を形成することが好ましい。これにより、超音波の送受信を更に効率良く行なうために必要とされる適正音響インピーダンスの第２音響整合層２６を調節することができ、第１圧電素子２０の超音波信号を効率良く送受信することができる。

また、本実施形態の超音波探触子２は、密度が２種類以上のフィラーの混合物または層方向に異なったフィラーを混合した光または熱硬化性樹脂で第２音響整合層２６を形成することができる。これにより、第１圧電素子２０の超音波信号を効率良く送受信することができる。超音波探触子２は、光硬化性樹脂にフィラーとしてタングステン、フェライト、あるいはアルミナのいずれか１種類以上を混入していることが好ましい。これにより、第１圧電素子２０の音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスとの中間的な値の第２音響整合層２６を容易に形成することができ、超音波信号を効率良く送受信することができる。前記において、フェライトとは、鉄（Ｆｅ）が有する結晶構造体をいう。フィラーの樹脂中への充填量は、質量０％〜２０００質量％の範囲で混合することが好ましい。第２音響整合層２６を構成する樹脂層を複数層で形成し、下層の樹脂層の密度を大きく、表層の樹脂層の密度を小さくして、厚み方向の音響インピーダンスが異なるように成形することが好ましい。前記樹脂に混合したフィラーの沈降速度を利用して、下層のフィラー存在量が高く、表層のフィラー存在量を低くして、厚み方向の音響インピーダンスが異なるように成形する傾斜技術が好ましい。また前記樹脂層の密度は、フィラーの添加量、平均粒子径、及び密度から選ばれる少なくとも１つを異ならせることにより制御することが好ましい。

フィラーを充填するに好ましい熱硬化性樹脂は、ウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系、エステルアクリレート系、アクリレート系などのラジカル重合反応で硬化するタイプと、エポキシ系、ビニルエーテル系等のカチオン重合反応により硬化するタイプ等がある。どのようなタイプの樹脂を使用するかは、反応速度、収縮歪み、寸法精度、耐熱性、強度などによって使い分ける。樹脂としては、ウレタンアクリレート系とエポキシ系のものが主に使われているが、ウレタンアクリレート系は、反応速度が早く、分子間凝集力が大きく、機械的強度／熱的強度がエポキシ系に比べて有利で、強度を重要視した場合適当であり、一方、エポキシ系は、重合反応速度が遅く、収縮歪みが小さいのが特徴である。よって、エポキシ系の光造形樹脂は、寸法精度の点で有利で、精度を重視する場合に好適である。

上記積層および電極の挿入には、電極の固定化のために有機結合材を使用しないでもよいが、簡便な方法として採用する場合には汎用の接着剤を使用してもよい。特に、セラミック圧電素子と有機圧電素子を合体させる際に、有機圧電素子を挟む電極と有機圧電素子の界面の接着強度が不足して剥離し易いので有機結合材を使用するのが好ましい。好ましい有機結合材として以下のものを挙げることができる。

ポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリシクロオレフィン、ポリアクリレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリスルホン、シリコーンおよびその誘導体からなる樹脂等である。ポリビニルブチラールは、化審法の既存化学物質として（６）−７０８（ＣＡＳＮｏ．６３１４８−６５−２）を代表例に挙げることができる。ポリアミドは、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド４６、メトキシ化ポリアミド（既存化学句物質（７）−３８３等である。ポリイミドは、ＮＡＳＡが開発した既存化学物質番号（７）−２２１１（ＣＡＳＮｏ．６１１−７９−０）を挙げることができる。シリコーンとしては、既存化学物質（７）−４７６，（７）−４７４，（７）−４７７，（７）−４８３，（７）−４８５等が挙げられる。エポキシ化合物としては、ポリフェノール型、ポリグリシジルアミン型、アルコール型、エステル型などがあるが、特に、脂環式型が好ましく、既存化学物質番号で３−２４５２、３−３４５３、４−４７、５−１０５２等が好ましい。脂環式型は、耐熱性もよく、接着力もよいので好ましく使用できる。これら樹脂の使用量は、求める感度、周波数特性などで適宜選択されるが、膜厚にして、１０ｎｍから６０μｍ、好ましくは２０ｎｍから３０μｍである。

樹脂の使用方法は、ＤＭＳＯ，ＤＭＦ，ＤＭＥ等の溶媒に溶解して使用してもよいし、溶媒を使用せず、バルクを溶解温度まで加温して熱溶解して使用してもよい。

結合剤の使用方法は、素子の積層において何れの層にも使用してよいが、好ましくは送信用の第２圧電素子２２と受信用の第３圧電素子２５を接合する際に使用するのが好ましい。送信用の第２圧電素子２２には、既に電極が印刷または塗工されて形成されている場合には、電極が印刷されていない受信用の第３圧電素子２５の上に使用するのが好ましい。

上記の積層製作行程では、送信用の第２圧電素子２２と受信用の第３圧電素子２５をそれぞれセラミックシートと有機薄膜シート状態で何れか一方の電極を印刷しておいて、第１音響整合層２３を挟んで張り合わせることで合体化製作することができる。この場合に、圧電素子材料の送受信感度特性や駆動あるいは受信部１３の入出力インピーダンス等を考慮して各積層構造の厚みや材料を選択して送信用および受信用の各圧電素子を製作することが必要である。したがって、送信用の第２圧電素子２２、第１音響整合層２３および受信用の第３圧電素子２５は、それぞれ、インピーダンスを適宜選択したものとなることが好ましい。また、送信用の第２圧電素子２２のみをグリーンシートの積層工法によって焼成製作し、第１音響整合層２３および受信用の第３圧電素子２５を後から張り合わせて被覆してもよいし、フッ化ビニリデン系の場合には、予めシートとして塗布乾燥され、１軸延伸されたシートを重ねて加工したものを使用し接着させた構造でもよい。特に、フッ化ビニリデン系は、予め圧電効果が最大となるように一軸延伸し、分極処理（ポーリング処理）を掛けたシートを有機結合剤を使用して貼り合わせた積層型のものが好ましい。

有機圧電シートしては、低い引張弾性率を有する高分子圧電膜であるフッ化ビニリデン／３フッ化エチレン共重合体が特に好ましい。例えば、製膜後の熱処理工程（強誘電−常誘電相転移点と融点との間の温度の熱を印加することで結晶性を高める工程）時の徐冷速度を３℃／分程度に早めることにより得られるものや、さらに、圧電膜を分極後、１００度の温度で数１０分（２０〜３０分間）アニーリングを施すことで、弾性率を若干下げることができる。また、この他にも製造工程中の操作で引張弾性率を低下させるのであればどのような方法を用いてもよい。

原料ポリマーの分子量に関しては、一般に、高分子では分子量の増加にともなって高分子特有の柔軟性やしなやかさを持ち、低い引張弾性率をもった圧電膜となる。Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）および／またはＰ（ＶＤＦ−ＴｅＦＥ）において、２３０℃におけるメルトフローレイト（Ｍelt Ｆlow Ｒate）が０．０２ｇ／分以下、より好ましくは、０．０１ｇ／分以下である高分子圧電体を使用すると引張弾性率の低い高分子圧電膜になり、高感度な圧電シートが得られる。上記ＶＤＦは、フッ化ビニリデンを、ＴｒＦＥは、３フッ化エチレンを、ＴｅＦＥは、テトラフルオロエチレンをそれぞれ示す。

一方、フッ化ビニリデン／３フッ化エチレンの場合、共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化すので、例えば、前者の共重合比が６０ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％が好ましいが、セラミック圧電素子と有機圧電素子を重ねる時に使用する有機結合剤の使用方法にもよるので、その最適値は、変化する。最も好ましい前記前者の共重合比の範囲は８５モル％〜９９モル％である。フッ化ビニリデンを８５モル％〜９９モル％にして、パーフルオロアルキルビニルエーテル、パーフルオロアルコキシエチレン、パーフルオロヘキサエチレン等を１モル％〜１５モル％にしたポリマーは、送信用のセラミック圧電素子と受信用の有機圧電素子との組み合わせにおいて、送信基本波を抑制して、高調波受信の感度を高めるので特に好ましい。本実施形態の複合素子では、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）やパーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）、パーフルオロヘキサエチレンを使用することが好ましい。

その他の圧電素子用の高分子としてポリ尿素樹脂が挙げられる。好ましいポリ尿素としては、下記のａ／ｂの組合せによるポリ尿素を挙げることができる。４，４′−ジアミノジフェニルメタン／３，３′−ジメチルジフェニル−４，４′−ジイソシアナート、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／ｏ−ジアニシジンジイソシアナート、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／メチレンビス（４−イソシアナート−２−メチルベンゼン）、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／４，４′−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／２，４−トルエンジイソシアナート（２，４−ＴＤＩ）、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／２，６−トルエンジイソシアナート（２，６−ＴＤＩ）、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／ビス（４−イソシアナートフエニル）エーテル、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／ｐ−フェニレンジイソシアナート、４，４′−ジアミノジフェニルメタン／１，５−ナフタレンジイソシアナート等を挙げることができる。シアナートモンマーとジアミンモノマーを重合させた素材である。

高分子膜の製法は、それぞれのモノマーを真空中で蒸発させ、重合させる蒸着重合で薄膜を製法する方法や予めモノマー同士を重合させたポリマーを適当な溶媒で溶解し、溶媒を蒸発させて薄膜を形成する塗布方式などが存在する。圧電性は、ポリマーの重合度、分子量分布、共重合比で変化するので、適宜選択することが好ましい。特に、延伸することにより、分子を一定方向に配向させるので、２軸延伸や多軸延伸である鍛造が好ましい。鍛造は、薄膜を圧力で多方向に引き延ばすもので、元の薄膜を２倍から６倍の範囲で多軸に延伸することができ、圧電性の付与には得に好ましい。圧力は、前述のごとく５ｋＰａ〜１ＧＰａの範囲で任意に実施することができるので、加温しつつこの方法を採用することは素子の作成が簡便であるというメリットがある。

高分子圧電膜は、ポーリングは分極反転が起こるまでポーリングすることが好ましく、分極反転は、ポーリング電場をその方向を繰り返し反転させて印加することによって得られる。このような分極分布状態の形成が充分するには温度によって異なり、常温では数万回〜数十万回と必要であるが、８０℃以上の高温では数回〜数十回でよい。また、受信用圧電素子の場合には該素子の薄膜形成時に１ｍＷ〜１ｋＷ／ｃｍ^２のコロナ処理を常圧で実施してもよい。

送信用の第２圧電素子２２の材料は、ＰＺＴが屡々使用されるが、鉛を含まないものであってもよい。水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム［Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等である。

超音波の収束のために音響レンズ２７を第２音響整合層２６に接合させてもよい。またここでは第２音響整合層２６は、単層であっても多層であっても、あるいは第２音響整合層２６がなくてもよい。好ましい第２音響整合層２６の層数は、２〜３である。

次に、実施例について説明する。図３に示す構成で超音波探触子２を作製した。送信用の第２圧電素子２２としては、周波数４ＭＨｚの発振が可能な音響インピーダンス３４MraylsのＰＺＴを使用した。この素子の３分の１は、厚さを半分にして８ＭＨｚ、更に３分の１を厚さを半分にして１６ＭＨｚに共振する区域を形成させた。図３に示す圧電部２２１−ａの区域Ａｒ−ａが４ＭＨｚであり、圧電部２２１−ｂの区域Ａｒ−ｂが８ＭＨｚであり、圧電部２２１−ｃの区域Ａｒ−ｃが１６ＭＨｚで発振する。受信用の第３圧電素子２６としてトリフッ化エチレンが２５％モルであり、７５モル％がフッ化ビニリデンからなる数平均分量量３０万の共重合体：Ｐ（ＶＤＦ／３ＦＥ）を使用した。このＰＶＤＦの音響インピーダンスは、４．５であり、このＰ（ＶＤＦ／３ＦＥ）を４ＭＨｚ、８ＭＨｚおよび１６ＭＨｚの各周波数を共振して受信することができるように３区分して振動方向の厚さを鍛造設定した。図３に示す圧電部２５１−ｄの区域Ａｒ−ｄが４ＭＨｚであり、圧電部２５１−ｅの区域Ａｒ−ｅが８ＭＨｚであり、圧電部２５１−ｆの区域Ａｒ−ｆが１６ＭＨｚである。鍛造は、ハンマーで区域Ａｒ−ｄを５ＭＰａで、区域Ａｒ−ｅを１０ＭＰａで、区域Ａｒ−ｆを２０ＭＰでそれぞれ薄膜を温度１２０℃で一定にしながらおこなった（試料１）。比較用として鍛造なしで溶媒メチルエチルケトンに溶解して塗布乾燥した薄膜も作成した（試料２）。第１音響整合層２３は、２層型としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に平均粒子径３μｍのタングステン粉末を分散して、音響インピーダンスが７（受信側に近い）および１５Ｍｒａｙ（送信側に近い）を作製した。受信用の第３圧電素子２５と音響レンズ２７の間の第２音響整合層２６は、添加物なしのシリコン樹脂のみの層を使用した。音響制動部材２１にはビスフェノール型エポキシ樹脂に平均粒子径５μｍのタングステン粉末を添加してＰ（ＶＤＦ／３ＦＥ）膜の音響インピーダンスが７Ｍｒａｙとなるように作製し、ＰＺＴ膜の音響制動部材は、３７Ｍｒａｙとなるように作成した。電極は、アルミニウム蒸着で配線し、接地線２８３、送信信号線２８２および受信信号線２８１を図３の如く配線し、送信部１２および受信部１３に結線した。第１圧電素子２０は、８列直線上に並べた。図７のＰ１，Ｐ２およびＰ３は有機薄膜の鍛造圧力の方向を示す。間隙は、エポキシ樹脂で封印した。図７の切削１および切削２は、ＰＺＴを高強度切削加工機で研磨する方向を示す。切削後の間隙ｗの部分には、タングステン粉を入れたエポキシ樹脂で封入した。図３の溝の部分は、エポキシ樹脂で硬化封印した。

性能評価は、信号として、送信基本波が４ＭＨｚ、８ＭＨｚおよび１６ＭＨｚで発振されていることを確認し、高次高調波として８ＭＨｚ（２倍波）、１２ＭＨｚ（３倍波）、１６ＭＨｚ（４倍波）、２４ＭＨｚ（６倍波）までの受信試験を行った。鍛造処理なしの比較に対して鍛造したものは、広い周波数域の高い感度（６ｄＢ）と−６ｄＢ比帯域で＋２６０％広帯域の感度を得ることができることを確認した。送信用の第２圧電素子２２と受信用の第３圧電素子２５の間に第１音響整合層２３があると感度が高く、帯域が広くなった。第１音響整合層２３の挿入方法として、１層であるよりも第１音響整合層２３を２層入れて音響整合することが好ましいことも確認した。有機薄膜としてｐ（ＶＤＦ／３ＦＥ）の代わりに４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を使用する芳香族ポリ尿素を使用した圧電素子も受信周波数帯域の広がった性能結果が得られた。３周波化工のない圧電素子では、帯域幅は−６ＤＢ比帯域で８０％であった。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。相関処理の説明に当たって、実施形態にかかる超音波診断装置のより具体的な構成を示す図である。相関演算を説明するための図である。アナログ積和演算を説明するための図である。実施形態における超音波探触子の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

Ｓ超音波診断装置
１超音波診断装置本体
２超音波探触子（２次元超音波探触子）
１４相関部
１８参照信号記憶部
２０第１圧電素子
２２第２圧電素子
２５第３圧電素子
５０相関処理部
５１サンプルホールド部
５２電荷転送部
５３重み付け設定部
５４デジタルアナログ乗算器
５５加算部

Claims

圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができ、２次元アレイ状に配列された複数の圧電素子を含む２次元超音波探触子と、
被検体内に第１超音波信号を送信するように前記２次元超音波探触子へ送信電気信号を出力するための送信部と、
前記２次元超音波探触子で受信された超音波を変換した受信電気信号を受信するための受信部と、
前記受信部の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことによって、前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号の受信電気信号を前記受信部の出力から検出する相関部と、
前記相関部で検出した前記第２超音波信号の受信電気信号に基づいて前記被検体内の画像を形成する画像処理部とを備え、
前記送信電気信号は、予め定められた方式により符号化され、
前記参照信号は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、前記被検体の診断部位、および、前記被検体の診断深度に応じて設定され、
前記相関部は、ＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算装置を備えて構成されること
を特徴とする超音波診断装置。
前記送信電気信号は、その周波数を時間経過に伴って変化させるチャープ波とする方式により符号化されていること
を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記画像処理部は、前記相関部で検出した前記第２超音波信号における２次以上の高次高調波成分の受信電気信号に基づいて前記被検体内の画像を形成すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。
前記送信電気信号は、ＰＮ符号系列により符号化されていること
を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、前記被検体の診断部位、および、前記被検体の診断深度に応じて設定された複数の参照信号を記憶する参照信号記憶部をさらに備え、
前記相関部は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数、前記被検体の診断部位、および、前記被検体の診断深度に応じて前記複数の参照信号から１つの参照信号を選択して前記相関処理を行うこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記参照信号は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を２ｎ（ｎは正の整数）とした場合に、前記第１超音波信号が正の値である場合には＋１を乗算した前記第１超音波信号の２ｎ乗であって、前記第１超音波信号が負の値である場合には−１を乗算した前記第１超音波信号の２ｎ乗であること
を特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
前記参照信号は、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき高調波の次数を（２ｎ＋１）（ｎは正の整数）とした場合に、前記第１超音波信号の（２ｎ＋１）乗であること
を特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
前記２次元アレイ状に配列された複数の圧電素子は、送信用と受信用とに分離されていること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
前記受信用の前記圧電素子は、有機圧電材料を備えて成ることを
を特徴とする請求項８に記載の超音波診断装置。