JP5299128B2 - 超音波探触子、超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受信可能な超音波探触子で被検体の画像を取得する超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、２００００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害及び略リアルタイムでその内部を調べることが可能であることから、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（例えば下記特許文献１参照）。

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、膵臓及び脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓及び膀胱等）及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、これら複数の圧電素子が例えば１次元配列や２次元配列等の配列態様で配列された変換層を有する。

そして、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波の周波数成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Harmonic Imaging）技術についても研究や開発がなされている。

特表平１１−５０８４６１号公報

しかしながら、ハーモニックイメージング技術においては、高調波は基本波に比べてパワーが小さいことにより受信信号のＳ／Ｎ比が悪いという点と、純粋な高調波を得るための基本波の除去が困難であるという点とが問題点として指摘されている。これらの問題点に対する対策技術として、高調波特性の良好な変換層を更に設け、多層の変換層構造を有する技術が提案されている。

ところが、このような超音波探触子は、圧電素子の数が非常に多いため、各圧電素子で生成された電気信号をパラレルで取り出そうとすると、超音波探触子内の回路規模の増大や超音波探触子から本体への信号線数が増加する。その結果、超音波探触子自身の重量や、該超音波探触子と本体とを電気的に接続するケーブル（信号線の束）の重量が大きくなり、診断時における超音波探触子の操作性が低下するという問題が発生する。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、高い検出精度を維持しつつ、超音波探触子自身の重量や、該超音波探触子と本体とを電気的に接続するケーブル（信号線の束）の重量を可及的に低減することのできる超音波探触子及び超音波診断装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、圧電現象により超音波信号を電気信号に変換する変換動作を行う複数の第１圧電素子が配列された第１変換層と、前記第１変換層に対して積層され、前記変換動作を行う複数の第２圧電素子が配列された第２変換層と、前記第１及び第２変換層における前記第１及び第２圧電素子の配列面をそれぞれ複数のエリアに分割した場合の分割エリア１つ当りの第１及び第２圧電素子の集合をサブアレイというとき、前記第１及び第２圧電素子から出力される電気信号の位相ずれをサブアレイ単位で解消するための遅延を前記電気信号に与える複数の探触子側遅延回路とを備え、前記複数の探触子側遅延回路の少なくとも一部を、前記配列面の面方向における位置が対応する前記第１変換層のサブアレイと前記第２変換層のサブアレイとに、兼用する兼用構造を持つ超音波探触子である。

この発明によれば、前記少なくとも一部の探触子側遅延回路が、前記配列面の面方向における位置が対応する前記第１変換層のサブアレイと前記第２変換層のサブアレイとに兼用される。したがって、前記第１及び第２変換層にそれぞれ設定されるサブアレイにそれぞれ対応して探触子側遅延回路を設ける場合に比して、探触子側遅延回路が兼用される分だけ探触子側遅延回路の数を減らすことができる。

特に、請求項２に記載の発明のように、前記第２圧電素子の個数が前記第１圧電素子の個数よりも多く、前記複数の探触子側遅延回路のうち一部の探触子側遅延回路を前記兼用構造によって兼用する構造の場合には、前記第１及び第２変換層にそれぞれ設定されるサブアレイにそれぞれ対応して探触子側遅延回路を設ける場合に比して、探触子側遅延回路が兼用される分だけ探触子側遅延回路の数を大幅に減らすことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波探触子において、前記兼用構造は、兼用される前記探触子側遅延回路の各々にそれぞれ接続される対象を、当該探触子側遅延回路に対応する第１圧電素子と第２圧電素子との間で切り替える切替回路を、兼用される前記探触子側遅延回路の各々に対して備えてなるものである。

この発明によれば、簡単な構造で前記兼用構造を実現することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波探触子において、前記第１及び第２変換層は、前記複数の第１圧電素子及び前記複数の第２圧電素子がそれぞれマトリックス状に配列されてなり、前記各分割エリアを、前記マトリックスに相当する四角形の直交する２辺と平行な辺をもつ四角形状のエリアとし、且つ、前記２辺の各方向における寸法を、前記第１変換層と第２変換層とで同一としたものである。

前記電気信号に与える遅延量について同一のサブアレイの中で最大のものと最小のものとに着目した場合、それらの差（以下、最大遅延差という）は、所定の条件下では、前記マトリックスに相当する四角形の直交する２辺と平行な辺の方向における寸法により決定する。

本発明は、この点を用い、前記各分割エリアの前記２辺の各方向における寸法を、前記第１変換層と第２変換層とで同一としたので、各サブアレイについての最大遅延差を、サブアレイ同士で互いに一致させることができる。

電気信号に与える遅延量が異なる場合、探触子側遅延回路の回路規模が異なる。前記最大遅延差がサブアレイ同士で互いに異なると、最も大きい最大遅延差にあわせて遅延回路の設計や製作を行う必要がある。このような遅延回路は、最も大きい最大遅延差に相当する探触子側遅延回路以外の探触子側遅延回路に対応するサブアレイの電気信号に対しては過剰な能力を有するものとなる。

しかしながら、本発明では、前記各分割エリアを、前記２辺の各方向における寸法を前記第１変換層と第２変換層とで同一としたので、このようなことが無く、全ての探触子側遅延回路の回路規模を同一にすることができるから、探触子側遅延回路の設計や製作を効率的に行うことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波探触子において、前記第１変換層及び前記第２変換層における前記サブアレイの数を互いに同一としたものである。

前記各変換層におけるサブアレイの数が異なる場合には、サブアレイが最も多い変換層の該サブアレイ数だけ探触子側遅延回路を設ける必要がある。このとき、前記各探触子側遅延回路の中に、第１変換層及び第２変換層のうち一方の変換層にしか接続されない探触子側遅延回路が生じる。その探触子側遅延回路においては、前記他方の変換層から電気信号が出力される期間のときには、その電気信号を受信しないから、前記他方の変換層から電気信号が出力されたときには動作しない。すなわち、動作しない探触子側遅延回路が生じる。

これに対し、本発明では、前記各変換層の前記サブアレイの数を互いに同一とすることで、前記全ての探触子側遅延回路にそれぞれ第１及び第２変換層をそれぞれ対応させることができ、前記各探触子側遅延回路は、第１変換層から電気信号が出力された場合も、第２変換層から電気信号が出力された場合も電気信号を受信する。すなわち、動作しない探触子側遅延回路が生じない。したがって、回路資産を最大限有効に活用することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか一項に記載の超音波探触子において、前記第１圧電素子と第２圧電素子とを、前記超音波信号の受信感度についての周波数特性が互いに異なる圧電素子としたものである。

この発明によれば、前記第１圧電素子と第２圧電素子とを、前記超音波信号の受信感度についての周波数特性が互いに異なる圧電素子としたので、広い周波数帯域に亘る超音波信号を高感度で受信することが可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６の何れか一項に記載の超音波探触子において、前記第１及び第２変換層のうち少なくとも一方を有機圧電素子で構成したものである。

この発明によれば、比較的高周波の超音波信号を受信することが可能となる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の超音波探触子において、前記第１変換層及び第２変換層のうち一方の変換層を、有機圧電素子で構成したものであり、他方の変換層を、無機圧電素子で構成したものである。

この発明によれば、基本波の超音波信号と高調波の超音波信号とを高感度に受信できる超音波探触子を構成することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の超音波探触子において、前記各探触子側遅延回路から出力された各電気信号をサブアレイ単位で加算し、この加算後の各電気信号を、当該超音波探触子に接続された装置本体にそれぞれ出力する複数の探触子側加算回路を更に備えるものである。

この発明によれば、前記各探触子側遅延回路から出力された各電気信号をサブアレイ単位で加算し、この加算後の各電気信号を、当該超音波探触子に接続された装置本体にそれぞれ出力する複数の探触子側加算回路を更に備えたので、サブアレイ単位で同相とされた各電気信号がサブアレイ単位で加算される。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の超音波探触子と、前記超音波探触子の各探触子側加算回路からそれぞれ出力される電気信号を受信する装置本体とを備え、前記装置本体は、前記超音波探触子の各探触子側加算回路にそれぞれ対応して備えられ、受信した各電気信号を同相にするための遅延をそれらの電気信号にそれぞれ与えて出力する複数の本体側遅延回路と、前記各本体側遅延回路から出力された各電気信号を加算する本体側加算回路と、前記本体側加算回路による加算後の電気信号に基づき被検体の内部状態の画像を生成する画像処理部とを備える超音波診断装置である。

この発明によれば、超音波探触子の各探触子側加算回路から電気信号が装置本体に出力される。すなわち、各探触子側加算回路の電気信号は、当該探触子側加算回路に対応する装置本体の本体側遅延回路にそれぞれ出力され、各本体側遅延回路において前記各探触子側加算回路からそれぞれ出力される各電気信号を同相にするための遅延が電気信号に対して与えられ、この遅延が与えられた電気信号が本体側加算回路にて加算される。そして、画像処理部により、該加算回路から出力される電気信号に基づき前記被検体の内部状態の画像が生成される。

ここで、本発明を採用せず、各圧電素子の電気信号を装置本体にパラレルで送信し、装置本体内で、各圧電素子の電気信号を同相にする構成では、圧電素子の数だけ信号線を要する。各変換層に備えられる圧電素子の数が多い場合には、超音波探触子と装置本体との間に多数の信号線が配設されることとなる。

これに対し、本発明では、超音波探触子内で、各電気信号に対する遅延付与及び加算を一定数（１つのサブアレイに含まれる圧電素子の数）ごとに分けて実施し、該実施後の電気信号を装置本体に送信する形態を採用したので、本発明を採用しない前述の構成に比して、超音波探触子と装置本体との間に配設される信号線の本数を少なくすることができる。

本発明によれば、高い検出精度を維持しつつ、超音波探触子自身の重量や、該超音波探触子と本体とを電気的に接続するケーブル（信号線の束）の重量を可及的に低減できる超音波探触子及び超音波診断装置を実現することができる。

本発明に係る超音波診断装置の外観構成の一例を示す図である。 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。 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。 超音波探触子で受信した第２超音波信号に基づく電気信号の伝達に係る部分の電気的な構成を示すブロック図である。 受信部に備えられる各受信回路部の詳細な電気的構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明に係る超音波診断装置の実施形態を説明する。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。また、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。

図１は、超音波診断装置の外観構成を示す図、図２は、超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図、図３は、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１，図２に示すように、超音波診断装置Ｓは、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、この被検体から来た超音波の反射波（エコー、第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、ケーブル３を介して超音波探触子２と接続され、ケーブル３を介して超音波探触子２に送信信号としての電気信号（送信電気信号）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の第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された受信信号としての電気信号（受信電気信号）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装置本体１とを備えて構成される。

装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部４と、送信部５と、受信部６と、画像処理部７と、表示部８と、本体側制御部９とを備えて構成されている。

操作入力部４は、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報のデータ等を入力するものであり、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５は、本体側制御部９の制御に従い、ケーブル３を介して超音波探触子２に送信電気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。送信部５は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。受信部６は、本体側制御部９の制御に従い、ケーブル３を介して超音波探触子２から受信電気信号を受信する回路であり、この受信信号を画像処理部７へ出力する。受信部６は、例えば、ケーブル３の伝送損失（伝送ロス）を補償すべく、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、及び、この増幅器で増幅された受信信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換するアナログ−ディジタル変換器等を備えて構成される。

画像処理部７は、本体側制御部９の制御に従い、受信部６で受信した受信信号に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を生成する回路である。

表示部８は、本体側制御部９の制御に従い、画像処理部７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８は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイ及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。

本体側制御部９は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子及びその周辺回路等を備えて構成され、これら超音波探触子２、操作入力部４、送信部５、受信部６、画像処理部７及び表示部８を関連付けて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超音波信号に基づいて被検体内から来た第２超音波信号を受信するものである。

図３に示すように、超音波探触子２は、多層構造を有しており、平板状の音響制動層１０と、この音響制動層１０の一方主面上に積層された第１電気−音響変換層１１と、この第１電気−音響変換層１１上に積層された接地電極層１２と、この接地電極層１２の上面に積層された音響整合層１３と、この音響整合層１３上に積層された接地電極層１４と、この接地電極層１４上に積層された第２電気−音響変換層１５と、第２電気−音響変換層１５の上面に形成された信号電極層１６とを備える。

音響制動層１０は、超音波を吸収する材料（超音波吸収材）から構成され、主に超音波の送信時に、第１電気−音響変換層１１から音響制動層１０方向へ放射される超音波を吸収するものである。音響制動層１０は、超音波を充分に減衰することによって第１電気−音響変換層１１の音響的特性を良好に保つべく、使用される超音波の波長に対して充分な厚みを有していることが好ましい。

また、音響制動層１０は、第１電気−音響変換層１１を機械的に支持し、また、第１超音波信号のパルス波形を短くすべく音響的に制動をかける。音響制動層１０は、一般に、音響負荷層、バッキング層、ダンパ層或いは音響吸収層とも呼ばれる。音響制動層１０の材料として、例えばエポキシ樹脂等の樹脂に音響散乱粉体を混ぜた材料が挙げられる。このような材料では音響散乱体によって超音波の減衰率を大きくすることができる。

前記音響散乱粉体は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びタンタル（Ｔａ）等を挙げることができ、コストや入手の容易性から、本実施形態では、タングステンが用いられる。

第１電気−音響変換層１１は、音響制動層１０内の貫通電極１００と電気的にそれぞれ接続され、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を相互に変換する複数の圧電素子１１１を備えて構成される。

第１電気−音響変換層１１は、電気機械変換効率が高く（送信パワーが大きく）、比較的低周波数の超音波（基本波）の受信感度が高い無機圧電材料で構成される。無機圧電材料は、例えば、所謂ＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）及びチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等である。

第１電気−音響変換層１１は、これら複数の圧電素子１１１が、互いに所定の間隔を空けて平面視にて線形独立な２方向にｍ行×ｎ列でアレイ状に２次元配列して構成されている。ｍ、ｎは、正の整数であり、例えば、ｍ＝１０，ｎ＝１０である。この場合、圧電素子１１１の個数は、１０×１０＝１００である。前記所定の間隔を空けることによって生じる隙間には、複数の圧電素子１１１間のクロストークを低減する観点から、超音波吸収材が充填されていることが好ましい。

各圧電素子１１１は、圧電材料から成る圧電体の互いに平行な２つの面にそれぞれ電極を備えて構成されている。各圧電素子１１１における電極の一方は接地電極層１２に接続されることにより接地され、電極の他方は音響制動層１０内の貫通電極１００に電気的に接続される。この圧電体の厚さは、例えば、第１電気−音響変換層１１で送受信すべき超音波の周波数や圧電材料の種類等に応じて設定される。各圧電素子１１１には、装置本体１の送信回路１２からケーブル３を介して超音波探触子２に入力された送信電気信号が入力される。各圧電素子１１１は、この電気信号を圧電現象により超音波信号に変換し、該超音波信号を送信する。

そして、超音波探触子２が被検体に当てられることにより、第１電気−音響変換層１１の各圧電素子で生成された超音波信号が第１超音波信号として被検体内へ送信される。一方、第１電気−音響変換層１１の各圧電素子１１１は、第１超音波信号に基づいて被検体内から来た第２超音波信号を受信し、この受信した第２超音波信号を圧電現象により電気信号に変換し、該電気信号を出力する。この電気信号は、各圧電素子１１１の電極から出力される。

接地電極層１２は、第１電気−音響変換層１１をグランドに接続する（接地する）ものである。

音響整合層１３は、第１電気−音響変換層１１の音響インピーダンスや第２電気−音響変換層１５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り、生体に対して効率よく超音波を送受信させるような音響インピーダンスに設定されている。

接地電極層１４は、第２電気−音響変換層１５をグランドに接続するものである。

第２電気−音響変換層１５は、接地電極層１４と電気的にそれぞれ接続され、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を相互に変換する複数の圧電素子１５１を備えて構成される。

第２電気−音響変換層１５は、第１電気−音響変換層１１より比較的高周波の超音波（高調波）の受信感度が高い有機圧電材料（ＰＶＤＦ）で構成される。前記有機圧電材料としては、例えば、フッ化ビニリデンの重合体、或いは、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。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）及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。

第２電気−音響変換層１５は、これら複数の圧電素子１５１が、互いに所定の間隔を空けて平面視にて線形独立な２方向にｍ行×ｎ列でアレイ状に２次元配列して構成されている。ｍ、ｎは、正の整数であり、例えば、ｍ＝２０，ｎ＝２０である。この場合、圧電素子１５１の個数は、２０×２０＝４００である。

各圧電素子１５１は、圧電材料から成る圧電体の互いに平行な２つの面にそれぞれ電極を備えて構成されている。各圧電素子１５１における電極の一方は接地電極層１４に接続されることにより接地され、電極の他方は信号電極層１６に電気的に接続される。この圧電体の厚さは、例えば、第２電気−音響変換層１５で受信すべき超音波の周波数や圧電材料の種類等に応じて設定される。

第２電気−音響変換層１５の各圧電素子１５１は、第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号を受信し、この受信した第２超音波信号を圧電現象により電気信号に変換して該電気信号を出力する。この電気信号は、各圧電素子１５１の電極から出力される。

信号電極層１６は、第２電気−音響変換層１５に駆動信号を入力したり、第２電気−音響変換層１５から電気信号を取り出したりするための電極である。

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４から診断開始の指示が入力されると、本体側制御部９の制御によって送信部５で送信電気信号が生成される。この生成された送信電気信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。この送信電気信号は、例えば、所定の周期で繰り返される電圧パルスである。第１電気−音響変換層１１では、この送信電気信号が供給されることによってその複数の圧電素子１１１のそれぞれが圧電現象によりその厚み方向に伸縮し、この送信電気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電気−音響変換層１１は、音響整合層１３を介して超音波（前記第１電気−音響変換層１１に備えられる圧電素子１１１の数の第１超音波信号）を放射する。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第１超音波信号は、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倍及び４倍などの第２次高調波成分、第３次高調波成分及び第４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、前記音響整合層１３を介して第１電気−音響変換層１１及び第２電気−音響変換層１５で受信され、第１電気−音響変換層１１及び第２電気−音響変換層１５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。第１電気−音響変換層１１では、主に基本波成分が抽出され、第２電気−音響変換層１５で主に高調波成分が抽出される。

この取り出された受信電気信号は、超音波探触子２において後述する所定の処理を経たのちケーブル３を介して装置本体１の受信部６で受信される。受信部６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アナログ信号からディジタル信号へ変換して画像処理部７へ出力する。

そして、画像処理部７は、本体側制御部９の制御によって、受信部６で受信し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し、表示部８は、本体側制御部９の制御によって、画像処理部７で生成された被検体の超音波画像を表示する。

図４は、超音波探触子２で受信した第２超音波信号に基づく電気信号の伝達に係る部分の電気的な構成を示すブロック図である。図４に示すように、超音波探触子２は、第２超音波信号を受信した圧電素子１１１，１５１から出力される電気信号を受信する受信部１８を備える。

本実施形態では、図４に示すように、前記各圧電素子１１１が１０×１０に配列された第１電気−音響変換層１１における前記各圧電素子１１１の配列面、及び、前記各圧電素子１５１が２０×２０に配列された第２電気−音響変換層１５における前記各圧電素子１５１の配列面は、それぞれ５×５のマトリックスに分割され２５個の分割エリアが設定されている。この場合、第１電気−音響変換層１１については、１つの分割エリアに４個（２×２）の圧電素子１１１が設定され、また、第２電気−音響変換層１５については、１つの分割エリアに１６個（４×４）の圧電素子１５１が設定されることとなる。

なお、以下の説明において、第１電気−音響変換層１１及び第２電気−音響変換層１５における前記各圧電素子１１１，１５１の配列面をそれぞれマトリックス状に複数のエリアに分割した場合の分割エリア１つ当りの圧電素子１１１，１５１の集合をサブアレイというものとする。

本実施形態では、第１電気−音響変換層１１に設定されたサブアレイと、第２電気−音響変換層１５に設定されたサブアレイとが１対１の関係で対応付けられている。両変換層１１，１５のサブアレイの組み合わせをグループというものとすると、本実施形態では、図４に示すように、第１電気−音響変換層１１に設定されたサブアレイをサブアレイＢ１〜Ｂ２５とし、第２電気−音響変換層１５に設定されたサブアレイをサブアレイＡ１〜Ａ２５と表したとき、（Ａ１，Ｂ１），（Ａ２，Ｂ２）・・・（Ａ２５，Ｂ２５）という複数組のグループが設定されている。

前記受信部１８は、この設定されたグループに対応して設けられた複数の受信回路部１９を備えて構成されている。すなわち、或る受信回路部１９は、例えばサブアレイＡ１とサブアレイＢ１とからなるグループに対応付けられていて、サブアレイＡ１，Ｂ１に属する各圧電素子１５１，１１１の出力信号（電気信号）を受信するものとして機能し、また、別の或る受信回路部１９は、例えばサブアレイＡ２５とサブアレイＢ２５とからなるグループに対応付けられていて、サブアレイＡ２５，Ｂ２５に属する各圧電素子１５１，１１１の出力信号（電気信号）を受信するものとして機能する。

受信部１８の各受信回路部１９は、超音波探触子２内に設けられた探触子側制御部２０により制御される。探触子側制御部２０の制御内容については後述する。探触子側制御部２０は、本体側制御部９により制御の開始及び終了が指示される。

図５は、受信部１８に備えられる各受信回路部１９の詳細な電気的構成を示す図である。なお、受信部１８に備えられる各受信回路部１９は互いに略同様の構成を有しているから、図５では、１つの受信回路部１９の電気的構成を示している。

図５に示すように、受信回路部１９は、圧電素子１１１，１５１から受信した前記出力信号に対して後述する遅延処理を実施する遅延回路部２１と、該遅延回路部２１による遅延処理後の出力信号を加算する加算回路部（探触子側加算回路に相当）２２と、圧電素子１１１，１５１と遅延回路部２１との間の信号経路上に設置された切替回路部２３とを有する。

遅延回路部２１は、複数の遅延回路２４を有してなる。被検体から来た超音波信号は球面上に拡散するものとすると、前記被検体から各圧電素子１１１，１５１までの距離が互い異なるため、各圧電素子１１１，１５１における前記第２超音波信号の到達タイミングがそれぞれ異なる。遅延回路２４は、各到達タイミングの時間差を補償するべく、到達タイミングが最も遅い第２超音波信号に基づく電気信号の位相と同位相となるように他の電気信号の位相を遅らせる遅延処理を行う。各遅延回路２４で遅延させる遅延量は予め求められている。これにより、遅延回路部２１に属する各遅延回路２４の出力信号は互いに位相が一致したものとなる。

加算回路部２２は、当該遅延回路部２１における各遅延回路２４の出力信号を加算するものである。加算回路部２２は、前記装置本体１における受信部２８の遅延回路２７と信号線２６により電気的に接続されている。

切替回路部２３は、当該受信回路部１９が受信する電気信号を最も多く出力する変換層（ここでは、第２電気−音響変換層１５）のサブアレイに属する圧電素子１５１の数と同数のスイッチ回路（前記切替回路に相当）２５を有して構成されている。前記遅延回路２４は、スイッチ回路２５と同数設けられ、各スイッチ回路２５と前記各遅延回路２４とは１対１の関係で対応付けられており、対応関係にあるスイッチ回路２５と前記各遅延回路２４とは電気的に接続されている。

各スイッチ回路２５は、略同様の構成を有し、２つの入力端子（第１入力端子Ａ、第２入力端子Ｂ）と１つの出力端子Ｃとをそれぞれ備えている。ここで、各スイッチ回路２５を専用スイッチ回路２５Ａと兼用スイッチ回路２５Ｂとに分類する。

各専用スイッチ回路２５Ａにおいては、第１入力端子Ａが前記第２電気−音響変換層１５におけるサブアレイの圧電素子１５１の電極にそれぞれ接続されており、第２入力端子Ｂがグランドに接続されており、出力端子Ｃが当該専用スイッチ回路２５Ａと対応関係にある遅延回路２４と接続されている。

一方、兼用スイッチ回路２５Ｂにおいては、第１入力端子Ａが前記第２電気−音響変換層１５における前記サブアレイの残りの圧電素子１５１の電極にそれぞれ接続されており、第２入力端子Ｂが第１電気−音響変換層１１における前記サブアレイの圧電素子１１１の電極に接続されており、出力端子Ｃが当該兼用スイッチ回路２５Ｂと対応関係にある遅延回路２４と接続されている。

そして、各専用スイッチ回路２５Ａ及び各兼用スイッチ回路２５Ｂは、前記出力端子Ｃとの接続対象が、前記第１入力端子Ａと第２入力端子Ｂとの間で切替え可能な構成となっている。これにより、専用スイッチ回路２５Ａにおいては、遅延回路２４との接続対象が、第２電気−音響変換層１５の圧電素子１５１の電極とグランドとの間で切り替わる。また、兼用スイッチ回路２５Ｂにおいては、遅延回路２４との接続対象が、第１電気−音響変換層１１の圧電素子１１１の電極と第２電気−音響変換層１５の圧電素子１５１の電極との間で切り替わる。

探触子側制御部２０は、本体側制御部９から動作開始指示を受けると、専用スイッチ回路２５Ａ及び兼用スイッチ回路２５Ｂにおける前記出力端子Ｃとの接続対象の切替動作を制御するものである。探触子側制御部２０は、１回の超音波信号の送受信ごとに、圧電素子の電気信号を取得する対象の変換層を、前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５との間で切り替える。

なお、１回あたりの超音波信号の送受信に要する時間は通常約２００（μｓｅｃ）と比較的短いが、前記専用スイッチ回路２５Ａ及び兼用スイッチ回路２５Ｂとして半導体スイッチを採用することで、圧電素子の電気信号を取得する対象の変換層を、前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５との間で切り替える処理を、１回の超音波信号の送受信ごとに確実に行うことが可能である。また、ここでは、１回の超音波信号の送受信ごとに前記専用スイッチ回路２５Ａ及び兼用スイッチ回路２５Ｂにおける切替処理を行うようにしたが、超音波信号の所定回の送受信ごとに前記切替処理を行うようにしてもよい。

探触子側制御部２０は、第１電気−音響変換層１１から出力信号を取り出すときには、各兼用スイッチ回路２５Ｂにおいて、出力端子Ｃを第２入力端子Ｂにそれぞれ接続する。これにより、当該兼用スイッチ回路２５Ｂに対応する、第１電気−音響変換層１１の圧電素子１１１と前記遅延回路２４とが電気的に接続され、その圧電素子１１１から出力される電気信号が当該兼用スイッチ回路２５Ｂを介して前記遅延回路２４に伝送される。

また、このとき、探触子側制御部２０は、専用スイッチ回路２５Ａにおいて、出力端子Ｃを第２入力端子Ｂにそれぞれ接続する。これにより、遅延回路２４の入力はグランドに接続され、圧電素子１５１から出力される電気信号は遅延回路２４に伝送されなくなる。

これにより、当該受信回路部１９に対応する、第１電気−音響変換層１１のサブアレイから全ての圧電素子１１１の出力信号を各受信回路部１９に取り込ませることができる。

一方、探触子側制御部２０は、第２電気−音響変換層１５から出力信号を取り出すときには、各兼用スイッチ回路２５Ｂにおいて、出力端子Ｃを第１入力端子Ａにそれぞれ接続する。これにより、当該兼用スイッチ回路２５Ｂに対応する、第２電気−音響変換層１５の圧電素子１５１と前記遅延回路２４とが電気的に接続され、その圧電素子１５１から出力される電気信号が当該兼用スイッチ回路２５Ｂを介して前記遅延回路２４に伝送される。

また、探触子側制御部２０は、専用スイッチ回路２５Ａにおいて、出力端子Ｃを第１入力端子Ａにそれぞれ接続する。これにより、当該専用スイッチ回路２５Ａに対応する、第２電気−音響変換層１５の圧電素子１５１と前記遅延回路２４とが電気的に接続され、その圧電素子１５１から出力される電気信号が当該専用スイッチ回路２５Ａを介して前記遅延回路２４に伝送される。

これにより、当該受信回路部１９に対応する、第２電気−音響変換層１５のサブアレイから全ての圧電素子１５１の出力信号を各受信回路部１９に取り込ませることができる。

このように遅延回路２４に入力された電気信号は、各遅延回路２４により所要の遅延が与えられる。これにより、各圧電素子１１１，１５１から出力された各出力信号は、各々同位相で加算回路部２２に出力され、加算回路部２２は、同位相の出力信号を加算して強め合った電気信号を装置本体１に送信する。以上のような動作が受信回路部１９ごとに実施される。

このような構成においては、第１電気−音響変換層１１に対して設定したサブアレイ１つ当たりに含まれる圧電素子１１１の個数が４個、第２電気−音響変換層１５に対して設定したサブアレイ１つ当たりに含まれる圧電素子１５１の個数が１６個の場合、１２個の専用スイッチ回路２５Ａと４個の兼用スイッチ回路２５Ｂが各受信回路部１９において設けられることとなり、遅延回路部２１に設けるべき遅延回路２４は、１６個となる。

図４に戻り、装置本体１の受信部２８は、複数の遅延回路２７と加算回路２９とを有する。遅延回路２７は、超音波探触子２の各受信回路部１９と１対１の対応関係を有して設けられており、対応関係にある受信回路部１９（加算回路部２２）と信号線２６で接続されている。

遅延回路２７は、遅延回路２４と同様の遅延処理を実施するものである。すなわち、前記被検体から各サブアレイまでの距離が互い異なることに起因して、超音波探触子２の各受信回路部１９から出力される電気信号は互いに位相がずれている。各遅延回路２７は、この位相のずれを補償するべく、超音波探触子２の各受信回路部１９から出力される各電気信号のうち最も位相が遅れた電気信号の位相と同位相となるように他の電気信号の位相を遅らせる遅延処理を行う。各遅延回路２７で遅延させる遅延量は予め求められている。これにより、各遅延回路２７の出力信号は互いに位相が一致したものとなる。

加算回路２９は、各遅延回路２７の出力信号を加算するものである。加算回路２９は、前記装置本体１における画像処理部７に電気的に接続されており、加算後の電気信号を画像処理部７に出力する。画像処理部７は、加算後の電気信号に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を生成する。

以上のように、圧電素子１１１，１５１の配列面の面方向における位置が対応する前記第１電気−音響変換層１１のサブアレイと前記第２電気−音響変換層１５のサブアレイとの各電気信号については、与えるべき遅延時間が共通することに着眼し、遅延回路部２１に備えられる各遅延回路２４のうち一部の遅延回路２４については、前記第２電気−音響変換層１５に対して設定されたサブアレイの各圧電素子１５１から出力される電気信号の受信と、前記第１電気−音響変換層１１に対して設定されたサブアレイの各圧電素子１１１から出力される電気信号の受信とに兼用されるため、遅延回路部２１に備えるべき遅延回路２４の数を減らすことができる。

すなわち、前記第１電気−音響変換層１１の各圧電素子１１１から出力される電気信号、及び、前記第２電気−音響変換層１５の各圧電素子１５１から出力される電気信号の各々に対して遅延回路２４を設けると、前記第１電気−音響変換層１１に備えられる圧電素子１１１の数と、前記第２電気−音響変換層１５に備えられる圧電素子１５１の数との総和分の遅延回路２４が必要となる。

例えば、前記第１電気−音響変換層１１における圧電素子１１１の数が１００個、前記第２電気−音響変換層１５における圧電素子１５１の数が４００個である場合に、これらの圧電素子１１１，１５１の各々に対応して遅延回路２４を設けると、５００（＝４００＋１００）個だけ遅延回路２４が必要となる。

これに対し、本実施形態のような兼用構造を採用すると、その構成に比して、前記第１電気−音響変換層１１の圧電素子１５１の数の分だけ遅延回路２４の数を減らすことができる。前記の例では、必要な遅延回路２４は４００個となり、１００個分の遅延回路２４を低減することができる。

なお、本実施形態の構成では、圧電素子１１１，１５１の各々に対応して遅延回路２４を設ける構成に対して、切替回路部２３（前記の例では１６個のスイッチ回路２５）が別途必要となるが、ここで採用されるスイッチ回路として例えば一般的な半導体のスイッチング素子を用いた回路を採用すれば、前記スイッチ回路を小規模な回路で構成できるため、該切替回路部２３を新たに設けたことによる回路規模の増大分を考慮しても、超音波探触子２全体としては回路規模を小さくすることができる。また、遅延回路２４の数を減らせることにより、遅延回路部２１と各圧電素子１１１，１５１とを電気的に接続する信号線の数も減らすことができる。

さらに、各圧電素子１１１，１５１で生成された電気信号をパラレルで装置本体１に送信する構成では、超音波探触子２に備えられる圧電素子１１１，１５１の総和分だけ、超音波探触子２と装置本体１との間に配設される信号線が必要となるが、本実施形態では、超音波探触子２内で、各圧電素子１１１，１５１から出力される電気信号を一定数ごとに位相を合わせておき、それを装置本体１に送信する形態としたので、前述の構成に比して超音波探触子２と装置本体１との間に配設される信号線の数を低減することができる。

前記の例でいうと、各圧電素子１１１，１５１で生成された電気信号をパラレルで装置本体１に送信する構成では、５００本の信号線が必要となるのに対し、本実施形態では、２５本の信号線で済む。このように、超音波探触子２と装置本体１との間に配設されるケーブルの太線化を抑制又は細線化を実現することができる。

以上の点により、従来の超音波探触子よりも小型の超音波探触子、又は、圧電素子数を増大させても大型化を抑制できる超音波探触子を構成することができ、その結果、操作性の良好な超音波探触子を有する超音波診断装置を実現することができる。

なお、本件は、前記各実施形態に代えて、又は前記実施形態に加えて次のような変形形態も採用可能である。

［１］前記第１の実施形態では、前記第１電気−音響変換層１１及び前記第２電気−音響変換層１５にそれぞれ設定したサブアレイの数を同数としたが、同数でなくてもよい。ただし、同数とすると、前記第１電気−音響変換層１１に対して超音波探触子２内に設けるべき受信回路部１９の数と、前記第２電気−音響変換層１５に対して超音波探触子２内に設けるべき受信回路部１９の数とを一致させることができる。その結果、前記両変換層１１，１５のうち一方の変換層には全く利用されない受信回路部１９が生じるということがなく、必要最小限の受信回路部１９で、前記両変換層１１，１５の各圧電素子１１１，１５１の電気信号に対する所要の処理を行うことができる。

［２］前記第１の実施形態のように、圧電素子１１１，１５１が２次元配列されたサブアレイを設定する場合に、このサブアレイに相当する分割エリアが成す四角形の各辺の長さを、前記両変換層１１，１５同士で同一にすると次のようなメリットがある。

同一の変換層に設定したサブアレイにおける各圧電素子の中で、超音波信号を最も早いタイミングで受信する圧電素子と、超音波信号を最も遅いタイミングで受信する圧電素子とについての超音波信号の受信タイミングの時間差を最大遅延時間というものとするとき、この最大遅延時間は、所定の条件下では、サブアレイに相当する分割エリアが成す四角形の２辺の長さによって決定することが知られている。

したがって、この２辺の長さを、前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５とで同一にすると、各サブアレイについての前記最大遅延時間が前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５とで同一となる。

ここで、最大遅延時間が前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５とで異なる場合、超音波探触子２内に設ける遅延回路として、各変換層１１，１５に対応する各最大遅延時間をそれぞれ補償できる遅延回路を設計・製作する必要がある。例えば、超音波探触子２内に設ける遅延回路として、前記第１電気−音響変換層１１についての最大遅延時間を補償する回路と、前記第２電気−音響変換層１５についての最大遅延時間を補償する回路と、これらの回路を切り替える回路とを備えた遅延回路を設計・製作するなどの手間暇が必要となるのである。

これに対し、前記のように分割エリアが成す四角形の２辺の長さを、前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５とで同一にして、最大遅延時間が前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５とで同一となるようにすることで、前記遅延回路２４は１つの最大遅延時間さえ補償できればよいため、前記遅延回路２４を最も小さい規模で構成することが可能となり、また、前記のような手間や時間が必要無くなる。

［３］前記変形形態［１］，［２］で説明した両条件を満たすように超音波探触子２を設計すると、前記変形形態［１］，［２］でそれぞれ述べた効果を同時に奏することができる。

［４］前記第１の実施形態では、変換層として、前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５との２層を想定したが、２層に限定されず、３層以上でも本件は適用可能である。

［５］前記第１の実施形態では、前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５とで、受信感度の周波数特性が異なるものとしたが、本件は、受信感度の周波数特性が同一である場合も含む。

［６］前記実施形態においては、専用スイッチ回路２５Ａ及び兼用スイッチ回路２５Ｂにおける前記出力端子Ｃとの接続対象の切替動作を自動的に切り替えるようにしたが、手動で切り替えられるようにしてもよい。

すなわち、圧電素子の電気信号を取得する対象の変換層を、前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５との間で切り替える操作を行うための切替指示操作部１４１（図２参照）を備え、本体側制御部９はこの切替指示操作部１４１に対する操作を受けて探触子側制御部２０に切替指示し、探触子側制御部２０は、その切替指示に基づき、圧電素子の電気信号を取得する対象の変換層を前記第１電気−音響変換層１１と前記第２電気−音響変換層１５との間で切り替えるようにしてもよい。

Ｓ 超音波診断装置
１ 装置本体
２ 超音波探触子
９ 本体側制御部
１１ 第１電気−音響変換層
１５ 第２電気−音響変換層
１６ 制御部
２０ 探触子側制御部

Claims (10)

1. 圧電現象により超音波信号を電気信号に変換する変換動作を行う複数の第１圧電素子が配列された第１変換層と、
   前記第１変換層に対して積層され、前記変換動作を行う複数の第２圧電素子が配列された第２変換層と、
   前記第１及び第２変換層における前記第１及び第２圧電素子の配列面をそれぞれ複数のエリアに分割した場合の分割エリア１つ当りの第１及び第２圧電素子の集合をサブアレイというとき、前記第１及び第２圧電素子から出力される電気信号の位相ずれをサブアレイ単位で解消するための遅延を前記電気信号に与える複数の探触子側遅延回路と
   を備え、
   前記複数の探触子側遅延回路の少なくとも一部を、前記配列面の面方向における位置が対応する前記第１変換層のサブアレイと前記第２変換層のサブアレイとに、兼用する兼用構造を持つ超音波探触子。
2. 前記第２圧電素子の個数は前記第１圧電素子の個数よりも多く、
   前記複数の探触子側遅延回路のうち一部の探触子側遅延回路が前記兼用構造によって兼用される請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記兼用構造は、兼用される前記探触子側遅延回路の各々にそれぞれ接続される対象を、当該探触子側遅延回路に対応する第１圧電素子と第２圧電素子との間で切り替える切替回路を、兼用される前記探触子側遅延回路の各々に対して備えてなる請求項１又は２に記載の超音波探触子。
4. 前記第１及び第２変換層は、前記複数の第１圧電素子及び前記複数の第２圧電素子がそれぞれマトリックス状に配列されてなり、
   前記各分割エリアは、前記マトリックスに相当する四角形の直交する２辺と平行な辺をもつ四角形状のエリアであり、且つ、前記２辺の各方向における寸法が、前記第１変換層と第２変換層とで同一である請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記第１変換層及び前記第２変換層における前記サブアレイの数が互いに同一である請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波探触子。
6. 前記第１圧電素子と第２圧電素子とは、前記超音波信号の受信感度についての周波数特性が互いに異なる圧電素子である請求項１乃至５の何れか一項に記載の超音波探触子。
7. 前記第１及び第２変換層のうち少なくとも一方は有機圧電素子で構成されたものである請求項１乃至６の何れか一項に記載の超音波探触子。
8. 前記第１変換層及び第２変換層のうち一方の変換層は、有機圧電素子で構成されたものであり、他方の変換層は、無機圧電素子で構成されたものである請求項７に記載の超音波探触子。
9. 前記各探触子側遅延回路から出力された各電気信号をサブアレイ単位で加算し、この加算後の各電気信号を、当該超音波探触子に接続された装置本体にそれぞれ出力する複数の探触子側加算回路を更に備える請求項１乃至８の何れか一項に記載の超音波探触子。
10. 請求項９に記載の超音波探触子と、
    前記超音波探触子の各探触子側加算回路からそれぞれ出力される電気信号を受信する装置本体と
    を備え、
    前記装置本体は、
    前記超音波探触子の各探触子側加算回路にそれぞれ対応して備えられ、受信した各電気信号を同相にするための遅延をそれらの電気信号にそれぞれ与えて出力する複数の本体側遅延回路と、
    前記各本体側遅延回路から出力された各電気信号を加算する本体側加算回路と、
    前記本体側加算回路による加算後の電気信号に基づき被検体の内部状態の画像を生成する画像処理部と
    を備える超音波診断装置。

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