JP5408976B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、アーチファクトを低減し、鮮明な画像を形成するための超音波探触子に関する。

従来から三次元超音波画像情報を取得可能な超音波探触子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図８は、従来の超音波探触子の構成を示す断面図である。振動子ユニット１０１は本体ケース１０２内に配置され、振動子ユニット１０１にはコンベックス型の先端部に超音波振動素子１０３が配列されたアレイ振動子１０４が配置されている。振動子ユニット１０１は、揺動機構１０５によりアレイ振動子１０４の配列方向に垂直な方向に揺動可能である。

振動子ユニット１０１の先端面１０７と対向する面である本体ケース１０２の内面１０６は凹面状に形成されている。本体ケース１０２の内面１０６は、超音波振動素子１０３の配列方向における曲率が、振動子ユニット１０１の先端面１０７の曲率より小さく形成されている。振動子ユニット１０１における超音波振動素子１０３の配列方向の端部と対向する本体ケースの側壁１０９には、超音波吸収部材１０８が配設されている。

超音波振動素子１０３の配列方向において、先端面１０７の曲率より本体ケース１０２の内面１０６の曲率が小さいため、２つの面の間で多重反射する不要な超音波は、２つの面の間で反射を繰り返すうちにアレイ振動子１０４の配列方向において、振動子ユニット１０１の外側に導かれる。更に、不要な超音波は、本体ケース１０２の側壁１０９に配設された超音波吸収部材１０８に吸収される。この結果、取り込まれる三次元超音波画像データにおける雑音が低減され、虚像がない鮮明な超音波画像の形成が可能となる。
特開平４−１２２３５８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、不要な超音波を吸収するために、本体ケース１０２内の側壁１０９に超音波吸収部材１０８を配設しているので、本体ケース１０２のサイズが大きくなり、超音波探触子の小型化が困難となる。また、超音波吸収部材１０８を必要とすることから、コスト高になる。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、小型、かつ低コストで超音波画像の虚像を低減した超音波画像データの生成を可能とする超音波探触子を提供することを目的とする。

本発明の第１の超音波探触子は、超音波を透過する音響ウィンドウを有する筐体と、前記筐体内に配置され、かつ複数のアレイ振動子を有する振動子ユニットとを備え、前記アレイ振動子は、被検体に対して超音波を放射し、前記被検体から反射した超音波を受信する。上記課題を解決するために、前記筐体内面には、前記アレイ振動子から放射され、前記振動子ユニットの前記アレイ振動子が配列された面と前記音響ウィンドウとの間で反射された超音波を振動子ユニット外へ導く反射体が配設されたことを特徴とする。

本発明の第２の超音波探触子は、超音波を透過する音響ウィンドウを有する筐体と、前記筐体内に配置され、配列された複数のアレイ振動子を有する振動子ユニットとを備え、前記アレイ振動子は、被検体に対して超音波を放射し、前記被検体から反射した超音波を受信する。上記課題を解決するために、前記アレイ振動子の配列方向における前記振動子ユニットの端部と対向する前記筐体内面には、全体として前記アレイ振動子側に向かって凸状形状であって前記凸状形状の表面に凹凸が形成された反射面を有する反射体が配設されたことを特徴とする。

本発明によれば、振動子ユニットの端部と対向する筐体内面には、アレイ振動子の配列方向におけるアレイ振動子の中心線に対して、離れる向きに超音波を反射させる反射体を配置することにより、小型、かつ低コストで超音波画像の虚像を低減した超音波画像データの形成を可能とする超音波探触子を提供することができる。

本発明の超音波探触子は、上記構成を基本として種々の態様をとることができる。すなわち、本発明の第１の超音波探触子において、前記反射体は、前記アレイ振動子の配列方向における前記振動子ユニットの端部と対向する前記筐体内面に配設された構成にすることができる。
また、前記アレイ振動子が一次元状に配列され、かつ前記配列の方向と直交する方向に前記振動子ユニットを揺動させる揺動機構を備えた構成にすることができる。

また、前記反射体は、前記アレイ振動子から離れる向きに前記超音波を反射させる構成にすることができる。
また、前記反射体は、前記アレイ振動子の配列方向における前記アレイ振動子の中心線に頂点を有する凸状形状である反射面を有する構成にすることもできる。

また、前記反射体は、円柱面を形成している構成にすることができる。また、前記反射体は、三角柱面を形成している構成にすることもできる。

また、本発明の第２の超音波探触子において、前記凸状形状は、前記アレイ振動子の配列方向における前記アレイ振動子の中心線に頂点を有する構成にすることもできる。

以下に、本発明に係る超音波探触子の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波探触子１の構成を示す斜視図である。なお、見易さを考慮して、音響ウィンドウ１１、ハウジング１４および凸部１６を破線で示す。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

超音波探触子１は、音響ウィンドウ１１とハウジング１４とで構成される筐体の内部に振動子ユニット２を配置して構成されている。音響ウィンドウ１１は、超音波を透過させる材料で形成されている。

振動子ユニット２は、揺動機構６に支持されている。振動子ユニット２は、揺動機構６に支持された側の反対側の端面（以下、先端面と称する）３が、コンベックス形状に形成されており、先端面３にはアレイ振動子４が配置されている。アレイ振動子４は、短冊状の超音波振動素子５が複数配列されて構成されている。音響ウィンドウ１１における被検体と接触する領域である被検体接触壁１２は緩やかな凸状に形成されている。

図３に示す超音波振動素子５が配列されている方向（Ｃ−Ｃ線方向）において、振動子ユニット２と対向する音響ウィンドウ１１の端部１５に凸部１６が形成されている。凸部１６は、振動子ユニット２の揺動角が０度（図１〜図３に示した状態）の場合における超音波振動素子５が配列されている線上（Ｃ−Ｃ線上）に凸状の頂点が位置しており、凸部１６にはＣ−Ｃ線に直交する平面が形成されていない。なお、凸部１６は、音響ウィンドウ１１と一体形成されていてもよい。

図２に示すように、揺動機構６は、モータ７と、シャフト８と、エンコーダ９とを有する。振動子ユニット２は、揺動軸止め（不図示）によってシャフト８に揺動可能に支持されている。振動子ユニット２は、駆動源であるモータ７の回転が伝達されてシャフト８を軸として、図３のＤ−Ｄ方向に揺動される。モータ７の動力をシャフト８に伝達させるために、複数の歯車から構成されるギア部（不図示）がモータ７とシャフト８との間に介設されている。

モータ７は、液シール用のオイルシール（不図示）を介してフレーム１０に固定されており、オイルシールは、モータ７にカップリング液１３が侵入することを防いでいる。振動子ユニット２の揺動角度および揺動原点の検出は、モータ７と一体に取り付けられたエンコーダ９によって行われる。振動子ユニット２は、カップリング液１３の中で揺動し、カップリング液１３は音響ウィンドウ１１によって封じられている。カップリング液１３には、例えば水や油等の被検体と同様の音響インピーダンスを有する液体が用いられ、音響伝搬を確保している。

また、ハウジング１４には、フレーム１０が固定され、揺動機構６全体を覆っている。

なお、図示していないが、振動子ユニット２の先端面３には、超音波ビームの広がりを抑止する音響レンズが設けられており、その音響レンズとアレイ振動子４との間には音響インピーダンスの整合を行う整合層が設けられている。また、アレイ振動子４の後方にはバッキング層が設けられている。

なお、振動子ユニット２は、アレイ振動子４を円筒面状に配置したコンベックス形状を成しているが直線（リニア）状に配置することもできる。また、アレイ振動子の総数、円筒面の半径、超音波振動素子５の厚さは種々のものがあり、その使用目的によって使い分けることができる。

次に、本実施の形態に係る超音波探触子１の動作について説明する。超音波探触子１は、図３に示すＣ−Ｃ方向に電子走査方式、Ｄ−Ｄ方向に機械走査方式により走査を行うことができる。まず、超音波探触子１が超音波によりＣ−Ｃ方向に走査する動作について説明する。超音波探触子１は、超音波診断装置本体（不図示）に接続されている。超音波診断装置本体は、各超音波振動素子５から超音波を放射させるための送信信号を出力する。送信信号は、超音波振動素子５に入力される前に遅延回路に入力される。遅延回路は、各送信信号に対して対応する超音波振動素子５に合わせて遅延時間を異ならせる。したがって、各超音波振動素子５からは、異なったタイミングで超音波が放射され、各超音波が合成されて指向性を有する超音波ビームとなる。また、遅延回路における遅延時間を変更することにより、超音波ビームの指向方向を変えることができる。

図４は、超音波振動素子５から放射される超音波ビームを示す図である。超音波ビームの大部分は、設定された指向方向に放射されるが、一部は斜め方向に放射される。前者を主極（メインローブ２１）、後者を副極（サイドローブ２２）と呼ぶ。メインローブ２１は、大部分が音響ウィンドウ１１を透過して外部へ放射される。超音波探触子１の外部へ放射されたメインローブ２１は、被検体で反射され、超音波振動素子５で受信される。超音波振動素子５で受信された受信信号は、超音波診断装置本体で信号処理され、超音波画像として表示される。

また、メインローブ２１の一部は、音響ウィンドウ１１の内面で反射され、超音波振動素子５に到達する。超音波素子３に到達した一部は超音波素子３により受信され、残りは反射される。このような反射が繰り返され、多重反射となって超音波画像に複数の反射体として表示される。この場合、超音波振動素子５と音響ウィンドウ１１とを往復する距離だけ離れた等しい間隔で反射体が超音波画像に表示されることとなる。

また、多重反射は、超音波振動素子５の先端面３と音響ウィンドウ１１の内面との間で生じるため、被検体から反射した超音波に比べて、比較的早い時間で受信されることとなる。つまり、多重反射による虚像（アーチファクト）は、超音波画像上では近距離領域すなわち画像上部に表示される。従って、近距離領域に表示され、かつ、超音波振動素子５と音響ウィンドウ１１の内面間の距離に等しい間隔で表示される虚像を例えば信号処理により排除することで、多重反射の影響を目立たなくすることは可能である。

一方、超音波のサイドローブ２２は、メインローブ２１から大きく傾いた向きに放射される。このため、音響ウィンドウ１１の内面で反射されたサイドローブ２２は、Ｃ−Ｃ方向において、振動子ユニット２の外側に誘導される。振動子ユニット２の外側に誘導された超音波は、図３に示すＣ−Ｃ方向における音響ウィンドウ１１の端部１５に到達する。

図５Ａは、従来の超音波探触子の構成を示す断面図である。図５Ａに示す超音波探触子は、端部１５ａの形状がＣ−Ｃ方向に垂直な面となっており、凸部が配置されていない構成である。振動子ユニット２の外側に誘導されたサイドローブ２２は、図５Ａに示すように、音響ウィンドウ１１内の端部１５ａで１８０°反転するように反射され、振動子ユニット２の超音波振動素子５に到達する。この超音波が超音波振動素子５で受信されると、超音波画像に虚像が表示される。

図５Ｂは、従来の別の超音波探触子の構成を示す平面図である。図５Ｂに示す超音波探触子は、端部１５ｂの形状が楕円弧の凹状となっており、凸部が配置されていない構成である。この場合、振動子ユニット２の外側に誘導されたサイドローブ２２は、図５Ｂに示すように、進行方向から見てＣ−Ｃ線に対して右側の成分２２ａが左向きに傾けて反射され、左側の成分２２ｂが右向きに傾けて反射される。つまり、振動子ユニット２の外側に誘導されたサイドローブ２２は、端部１５ｂによりＣ−Ｃ線に近づくように、すなわち超音波振動素子５に集中するように反射される。この超音波が超音波振動素子５で受信されると、超音波画像に虚像が表示される。

端部１５ａ、１５ｂで反射されて、超音波振動素子５で受信されるサイドローブ２２は、伝搬経路長がメインローブの多重反射の経路より長いために、虚像が超音波画像上では被検体の像と重なって表示される場合がある。さらに、振動子ユニット２の揺動姿勢により、反射経路が変化するため、超音波画像における虚像の位置を特定することが困難である。従って、サイドローブ２２によって形成された虚像は、メインローブの多重反射により形成された像と異なり、信号処理により排除することが困難である。

図６Ａは、本実施の形態に係る超音波探触子１の図１に示すＢ−Ｂ線に沿った断面拡大図である。端部１５には、反射面として円柱面を形成している凸部１６が形成されている。振動子ユニット２の外側に誘導されたサイドローブ２２は、凸部１６により、進行方向から見てＣ−Ｃ線に対して右側の成分が右側に傾いて反射され、左側の成分が左側に傾いて反射される。つまり、振動子ユニット２の外側に誘導されたサイドローブ２２は、凸部１６によりＣ−Ｃ線に対し離れる向きに反射される。したがって、サイドローブ２２による多重反射の超音波は、超音波振動素子５に逆戻りしないので、超音波画像において、不要なノイズを低減することが可能となる。

以上のようにして、超音波探触子は、超音波ビームにより、Ｃ−Ｃ方向に被検体を走査することができる。

次に、超音波探触子が超音波によりＤ−Ｄ方向に走査する動作について説明する。まず、上述したＣ−Ｃ方向の電子走査を行う。次に、モータ７が振動子ユニット２を所定角度傾ける。振動子ユニット２が所定角度傾けられた状態で、Ｃ−Ｃ方向の電子走査を行う。そして、さらにモータ７が振動子ユニット２を所定角度傾ける。以上の動作を繰り返すことにより、超音波によりＤ−Ｄ方向に走査することができ、Ｃ−Ｃ方向およびＤ−Ｄ方向に走査したデータに基いて超音波診断装置本体において、三次元の超音波画像データが形成される。

以上のように、本実施の形態に係る超音波探触子１は、端部１５に凸部１６を配置することにより、超音波画像にサイドローブにより生じる虚像を低減することができる。

また、凸部１６は、超音波を透過しやすい音響ウィンドウ１１と同じ材料で構成されていても、反射しやすい材料で構成されていてもよい。つまり、凸部１６は、反射した超音波をＣ−Ｃ線上に伝搬させないようにできればよい。

以上の構成により、超音波伝播体であるカップリング液１３中に振動子ユニット２を浸し、モータ７により振動子ユニット２を高速揺動することによって、超音波信号情報を三次元位置情報と対応付けて収集し、被診断体内の観測部位を立体的、且つリアルタイムに表示することが可能となる。

また、凸部１６を端部１５と一体形成することにより、部品点数および製造工程を増やすことなく、つまりコスト高とならずに、虚像を低減することができる。

また、凸部１６を配置するだけであるので、小型のままで超音波探触子を構成することができる。

なお、本実施の形態では、必ずしも凸部１６が円柱面を形成している必要はなく、端部１５に到達した超音波を超音波振動素子５に到達しないように、超音波素子ユニット２が位置されている領域外に反射する構成であればよい。例えば、図６Ｂに示すように、反射面として三角柱面が形成された構成にすることもできる。この場合、凸部１６は、三角柱面の１つの頂点がＣ−Ｃ線上に位置するように配置される。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る超音波探触子１ｂの端部１５付近を示す断面図である。本実施の形態に係る超音波探触子１ｂは、実施の形態１に係る超音波探触子１の凸部１６に代えて端部１５に凹凸部１７が配置された構成である。本実施の形態に係る超音波探触子１ｂにおいて、実施の形態１に係る超音波探触子１と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。凹凸部１７は、シボ加工等により形成され、超音波を乱反射させる。

実施の形態１と同様に、超音波ビームのサイドローブ２２が端部１５に到達すると、サイドローブ２２は、凹凸部１７により乱反射される。このため、乱反射されたサイドローブ２２が超音波振動素子５に受信される割合が低減して、虚像が超音波画像にほとんど生じなくなる。

以上のように、本実施の形態に係る超音波探触子１ｂは、端部１５に凹凸部１７を配置することにより、超音波画像にサイドローブにより生じる虚像を低減することができる。

また、凹凸部１７を端部１５と一体形成することができる。この構成により、部品点数および製造工程を増やすことなく、つまりコスト高とならずに、虚像を低減することができる。

また、凹凸部１７を配置するだけであるので、小型のままで超音波探触子を構成することができる。

なお、凹凸部１７は、凹凸が形成された面が、Ｃ−Ｃ線に垂直であってもよいが、凹凸部１７全体として、振動子ユニット２の揺動角が０度の場合における超音波振動素子５が配列されている線上（Ｃ−Ｃ線上）に頂点が位置する凸状であることが好ましい。このような構成にすることにより、散乱光が超音波振動素子５に到達する割合をさらに減らすことができる。

また、実施の形態１および２では、三次元走査の超音波探触子を例に説明したが、サイドローブが生じる二次元走査の超音波探触子にも用いることができる。

また、実施の形態１および２において、一次元に配列されたアレイ振動子４について説明したが、アレイ振動子を二次元に配列した場合でも、本発明の効果を得ることができる。この場合、凸部または凹凸部は、アレイ振動子が配列された２方向それぞれにおいて、振動子ユニット２と対向する音響ウィンドウ１１の端部１５に配置される。

本発明の超音波探触子は、小型、かつ低コストで虚像のない超音波画像を形成することが可能であり、被検体内部の三次元領域のエコーデータを取り込むことのできる超音波探触子等として有用である。

本発明の実施の形態１に係る超音波探触子の構成を示す斜視図 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図 図１のＢ−Ｂ線に沿った平面図 超音波振動素子から放射される超音波ビームを示す図 従来の超音波探触子の構成を示す断面図 従来の別の超音波探触子の構成を示す断面図 本発明の実施の形態１に係る超音波探触子の構成を示す断面図 本発明の実施の形態１に係る別の超音波探触子の構成を示す断面図 本発明の実施の形態２に係る超音波探触子の構成を示す断面図 従来の超音波探触子の構成を示す断面図

符号の説明

１、１ｂ 超音波探触子
２ 振動子ユニット
３ 先端面
４ アレイ振動子
５ 超音波振動素子
６ 揺動機構
７ モータ
８ シャフト
９ エンコーダ
１０ フレーム
１１ 音響ウィンドウ
１２ 被検体接触壁
１３ カップリング液
１４ ハウジング
１５ 端部
１６ 凸部
１７ 凹凸部
２１ メインローブ
２２ サイドローブ

Claims (9)

1. 超音波を透過する音響ウィンドウを有する筐体と、
   前記筐体内に配置され、かつ複数のアレイ振動子を有する振動子ユニットとを備え、
   前記アレイ振動子は、被検体に対して超音波を放射し、前記被検体から反射した超音波を受信する超音波探触子において、
   前記筐体内面には、前記アレイ振動子から放射され、前記振動子ユニットの前記アレイ振動子が配列された面と前記音響ウィンドウとの間で反射された超音波を振動子ユニット外へ導く反射体が配設されたことを特徴とする超音波探触子。
2. 前記反射体は、前記アレイ振動子の配列方向における前記振動子ユニットの端部と対向する前記筐体内面に配設された請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記アレイ振動子が一次元状に配列され、かつ前記配列の方向と直交する方向に前記振動子ユニットを揺動させる揺動機構を備えた請求項１または２記載の超音波探触子。
4. 前記反射体は、前記アレイ振動子から離れる向きに前記超音波を反射させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記反射体は、前記アレイ振動子の配列方向における前記アレイ振動子の中心線に頂点を有する凸状形状である反射面を有する請求項４記載の超音波探触子。
6. 前記反射体は、円柱面を形成している請求項４または５記載の超音波探触子。
7. 前記反射体は、三角柱面を形成している請求項４または５記載の超音波探触子。
8. 超音波を透過する音響ウィンドウを有する筐体と、
   前記筐体内に配置され、配列された複数のアレイ振動子を有する振動子ユニットとを備え、
   前記アレイ振動子は、被検体に対して超音波を放射し、前記被検体から反射した超音波を受信する超音波探触子において、
   前記アレイ振動子の配列方向における前記振動子ユニットの端部と対向する前記筐体内面には、全体として前記アレイ振動子側に向かって凸状形状であって前記凸状形状の表面に凹凸が形成された反射面を有する反射体が配設されたことを特徴とする超音波探触子。
9. 前記凸状形状は、前記アレイ振動子の配列方向における前記アレイ振動子の中心線に頂点を有する請求項８記載の超音波探触子。

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