JP5468564B2 - 超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置において超音波を送受信するために用いられる超音波探触子およびこれを用いる超音波診断装置に関する。

従来から、医療分野において、超音波画像を利用した超音波診断装置が実用化されている。一般に、この種の超音波診断装置は、振動子アレイを内蔵した超音波探触子（超音波プローブ）と、この超音波探触子に接続された装置本体とを有しており、超音波探触子から被検体に向けて超音波を送信し、被検体からの超音波エコーを超音波探触子で受信して、その受信信号を装置本体で電気的に処理することにより超音波画像が生成される。

超音波探触子において、超音波を送受信する超音波トランスデューサとしては、圧電効果を発現する材料（圧電体）の両面に電極を形成した振動子が一般的に用いられている。
圧電体としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミクスや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電素子等が用いられる。
このような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電圧を印加すると、圧電体が伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、それらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。

ここで、超音波探触子に用いられる圧電セラミクスと、被検体（生体）とは、音響インピーダンスの差が大きく、振動子と被検体との境界面で超音波ビームが反射してしまい、振動子から発せられた超音波ビームを、被検体内に効率良く伝搬させることができない。そのため、超音波探触子においては、圧電セラミクスの上に、圧電セラミクスと被検体との間の音響インピーダンスを有する音響整合層を積層し、音響インピーダンスのマッチングを行なって、境界での超音波ビームの反射を低減することが行なわれている。

超音波診断において、高精細な画像を得るためには、高い空間分解能で計測が可能な、高い周波数の超音波を用いる必要がある。しかしながら、被検体の深い部位を計測する場合に、高い周波数の超音波を用いると、超音波が減衰してしまい、受信感度が十分に得られない。そのため、深い部位を計測するためには、低い周波数の超音波を用いる必要があり、高精細な画像を得ることができない。
したがって、単一の探触子で、被検体の浅い部位と深い部位とから同時に良好な信号を計測することは困難であった。そのため、被検体の浅い部位と深い部位とで探触子を使い分けて、それぞれの画像を得る方法が行なわれている。

被検体の浅い部位と深い部位とで探触子を使い分ける場合、これらの探触子を被検体の全く同じ位置に当てて、同一部位の画像を得ることは困難であり、また、全く同じ位置に当てることができたとしても、被検体が生体であれば、生体内の臓器や組織が動くため、時間的に同一の画像を得ることは困難であり、また、検査効率も悪くなるという問題があった。

そのため、単一の探触子で、被検体の浅い部位と深い部位とから同時に良好な信号を計測するために、振動子の受信帯域を広く（広帯域化）する方法が種々提案されている。
探触子の広帯域化は、高調波を用いたイメージング（ハーモニックイメージング）技法を活用することで高分解能とすることにつながるが、圧電セラミクスを用いる１つの振動子を広帯域化すると感度が低下してしまう。
そこで、圧電セラミクスを用いる探触子において、圧電セラミクスの上に積層する音響整合層として、圧電セラミクスよりも音響インピーダンスの低い有機圧電体を用いて、この有機圧電体が、音響整合層として機能すると共に、高調波の受信を行なうことにより、受信信号の帯域を広げることが行なわれている。

例えば、特許文献１には、凹面を有する基台と、該凹面に積層される圧電セラミクス材料および有機圧電材料の複合膜と、該複合膜に積層された有機圧電膜と、を有する超音波プローブが記載されている。
また、特許文献２には、両面に電極を有する第１圧電素子（無機圧電素子）が２次元状に配列された第１圧電素子アレイと、第１圧電素子アレイに積層して配置され、第１圧電素子アレイと反対側の面に第１電極を有し、第１圧電素子アレイ側の面に第２電極を有する第２圧電素子（有機圧電素子）が２次元状に配列された第２圧電素子アレイと、配列された第１圧電素子の間に備えられた音響分離部とを有し、音響分離部を貫通して第２電極に接続され、音響分離部の音響インピーダンスに略等しい音響インピーダンスを有する導電性部材からなる信号線とを有する超音波探触子が記載されている。

特開平９−２１５０９４号公報 特開２０１０−１３６８０７号公報

前述のとおり、特許文献１のように、圧電セラミクスと有機圧電体との複合膜の上に有機圧電体を積層する場合や、特許文献２のように、圧電セラミクスの上に積層した音響整合層の上に、有機圧電体を積層する場合は、有機圧電体は音響整合層としても機能する。そのため、有機圧電体の下（送受信面とは反対側）の層の音響インピーダンスは、有機圧電体の音響インピーダンスよりも大きい。ところが、有機圧電体の下の層の音響インピーダンスが、有機圧電体の音響インピーダンスよりも大きいと、有機圧電体の共振能が低下してしまい、感度低下を招いてしまう。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決することにあり、圧電セラミクスを用いる超音波探触子において、有機圧電体を積層し、この有機圧電体を音響整合層として用いると共に高調波の受信を行なう場合に、有機圧電体の共振能が低下することなく、高調波の受信を行なうことができ、受信信号の帯域を広げることができる超音波探触子を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、間隙を有して一次元的に配列されたセラミクス製の無機圧電体と、前記無機圧電体の上に積層される、前記無機圧電体と同様に配列された音響整合層と、前記音響整合層の上に積層される有機圧電体と、前記無機圧電体の間隙および前記音響整合層の間隙を充填する、有機圧電体よりも音響インピーダンスが低い有機材料で形成された溝充填部材と、前記有機圧電体の上に形成される共通電極、および、前記共通電極と共に前記有機圧電体を挟んで配置される個別電極とを有し、さらに、前記個別電極は、前記無機圧電体の配列方向に分割されて配列されるものであり、かつ、少なくとも前記溝充填部材の全面を覆って形成されることを特徴とする超音波探触子を提供する。

ここで、前記溝充填部材が、有機材料に、この有機材料よりも密度が小さい微粒子を分散させたものであることが好ましい。
また、前記有機材料よりも密度が小さい微粒子が、ガラスバルーンであることが好ましい。
また、前記有機材料が、シリコーン樹脂を含むことが好ましい。
また、前記有機圧電体が、前記音響整合層を覆うことが好ましい。

また、前記目的を達成するために、本発明は、間隙を有して一次元的に配列されたセラミクス製の無機圧電体と、前記無機圧電体の上に積層される、前記無機圧電体と同様に配列された音響整合層と、前記音響整合層の上に積層される有機圧電体と、前記有機圧電体の上に形成される共通電極、および、前記共通電極と共に前記有機圧電体を挟んで配置される個別電極とを有し、さらに、前記個別電極は、前記無機圧電体の配列方向に分割されて配列されるものであり、かつ、配列された前記音響整合層の間隙を覆うように配置されることを特徴とする超音波探触子を提供する。

また、前記有機圧電体が超音波エコーを受けて発生した電位変化を、静電容量を有するケーブルを介することなく、受信増幅器に入力することが好ましい。
また、前記目的を達成するために、本発明は、上記超音波探触子を有する超音波診断装置を提供する。

上記構成を有する本発明の超音波探触子によれば、間隙を有して配列されたセラミクス製の無機圧電体と、無機圧電体の上に、無機圧電体と同様に配列された音響整合層と、音響整合層の上に積層される有機圧電体と、無機圧電体の間隙および音響整合層の間隙を充填する有機材料で形成された、有機圧電体よりも音響インピーダンスが低い有機材料で形成された溝充填部材と、有機圧電体を挟む共通電極および個別電極と、を有し、音響整合層側の個別電極が、無機圧電体の配列方向に分割されて配列され、かつ、少なくとも溝充填部材を覆って形成されるので、有機圧電体が高調波の受信を行なう場合であっても、有機圧電体の共振能が低下することなく、高調波の受信を行なうことができ、受信信号の帯域を広げることができる。

本発明の超音波探触子を用いる超音波診断装置の一例を概念的に示す図である。 図１に示す超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 本発明の超音波探触子の内部構造を模式的に示す斜視図である。 （Ａ）は、図３に示す超音波探触子の一部を拡大した正面図であり、（Ｂ）は、図３に示す超音波探触子の上面図である。 超音波探触子の他の一例の一部を拡大して示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実験用の素子の構成を示す概略図である。 （Ａ）は、周波数と電気インピーダンスとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は、周波数と位相との関係を示すグラフである。 （Ａ）は、周波数と電気インピーダンスとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は、周波数と位相との関係を示すグラフである。

以下、本発明の超音波探触子について、添付の図面に示される好適実施例を基に、詳細に説明する。

図１は、本発明の超音波探触子を用いる超音波診断装置の一例を概念的に示す図であり、図２は、図１に示す超音波診断装置４０の構成を概念的に示すブロック図である。
なお、図示例の超音波診断装置４０は、有機圧電体を挟んで配置される１対の電極の音響整合層側の個別電極が、無機圧電体の間隙および音響整合層の間隙に形成される溝充填部材を覆って形成された超音波探触子を有する以外は、基本的に、公知の超音波診断装置である。
超音波診断装置４０は、超音波探触子１０を有するプローブ本体４２と、このプローブ本体４２が通信ケーブル４４を介して接続される診断装置本体４６とを有する。

プローブ本体４２は、超音波探触子１０と、超音波探触子１０の複数の第１電極２４にそれぞれ対応して接続される複数の第１受信信号処理部４８と、超音波探触子１０の複数の個別電極２８にそれぞれ対応して接続される複数の第２受信信号処理部５０と、第１電極２４に接続される送信駆動部５２と、第１受信信号処理部４８、第２受信信号処理部５０および送信駆動部５２を制御するプローブ制御部５４とを有する。
また、第１受信信号処理部４８は診断装置本体４６の第１データ格納部５６に、第２受信信号処理部５０は第２データ格納部５８に、プローブ制御部５４は本体制御部６４に、通信ケーブル４４を介して、それぞれ接続されている。

図３は、超音波探触子１０の内部構造を模式的に示す斜視図であり、図４（Ａ）は、図３に示す超音波探触子１０の一部を拡大した正面図であり、図４（Ｂ）は、図３に示す超音波探触子１０の上面図である。なお、図４（Ｂ）においては、超音波探触子１０の内部構造を示すため、ａで示す領域では、音響レンズ２０および共通電極３０の図示を省略し、ｂで示す領域では、さらに、有機圧電体１８および個別電極２８の図示を省略している。この超音波探触子１０は、被検体に当接して体腔外走査を行う際に、又は、被検体の体腔内に挿入して体腔内走査を行う際に用いられる。

図３に示す超音波探触子１０は、バッキング材１２と、バッキング材１２の上に配列され積層される複数の無機圧電体１４と、無機圧電体１４の上に積層される音響整合層１６と、無機圧電体１４の間隙および音響整合層１６の間隙に充填される溝充填部材２２と、音響整合層１６および溝充填部材２２の上に積層される有機圧電体１８と、有機圧電体１８の上に積層される音響レンズ２０と、無機圧電体１４を挟んで配置される電極対を構成する第１電極２４および第２電極２６と、有機圧電体１８を挟んで配置される電極対を構成する個別電極２８および共通電極３０とを有している。

バッキング材１２は、例えば、フェライト粉や金属粉やＰＺＴ粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、無機圧電体１４から発生する不要な超音波の減衰を早めるものである。

無機圧電体１４は、セラミクス等の無機圧電材料で構成され、診断装置本体４４から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生し、また、被検体から伝播する超音波エコーを受信することにより、受信した超音波エコーの強さに応じた電気信号を発生するものである。無機圧電体１４は、アジマス方向（図中Ｘ方向）に、間隙を有して一次元的に複数配列されて、バッキング材１２上に積層されている。アジマス方向の無機圧電体１４の長さと間隙の長さとの比は３：１程度である。

無機圧電体１４の材料としては圧電セラミクスが用いられる。圧電セラミクスは、電気・機械エネルギー変換能力が高いので、体内の深部まで到達可能な強力な超音波を発生することができ、また、受信感度も高い。具体的な材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３）や、同様のペロブスカイト系結晶構造を有する変成組成の材料や、一般にリラクサ系材料と呼ばれている材料等を用いることができる。
無機圧電体１４としてＰＺＴを用いる場合は、無機圧電体１４の音響インピーダンスは、３０〜３４Ｍｒａｙｌである。

無機圧電体１４のバッキング材１２側の面およびこれに対向する面には、それぞれ第１電極２４および第２電極２６が形成されている。無機圧電体１４と第１電極２４および第２電極２６とで無機圧電素子を形成している。図示例においては、第１電極２４は、送信駆動部５２と第１受信信号処理部４８とに切り替え可能に接続され、第２電極は接地されている。第１電極２４および第２電極２６は、一対の電極対を形成しており、超音波の送信時には、第１電極２４が送信駆動部５２と接続され、超音波の送信信号が供給される。また、超音波の受信時には、第１電極２４が受信信号処理部４８に接続され、無機圧電体１４が超音波エコーを受信することにより発生した電気信号を取得し、受信信号処理部４８に供給する。

音響整合層１６は、無機圧電体１４と有機圧電体１８との間の音響インピーダンスの整合（マッチング）を図るための部材であり、無機圧電体１４上に、無機圧電体１４と同様に間隙を有して複数配列されて積層されている。音響整合層１６は、無機圧電体１４と、後述する有機圧電体１８との間の音響インピーダンスを有する。
音響整合層１６の材料としては、無機圧電体１４と有機圧電体１８との間の音響インピーダンスの整合を図ることができる種々の公知の材料が利用可能である。

溝充填部材２２は、無機圧電体１４の間隙および音響整合層１６の間隙に形成され、複数の無機圧電体１４の間で相互に音が伝搬し、干渉しないように、個々の無機圧電体１４を分離するためのものである。溝充填部材２２は、個々の無機圧電体１４の間での音の伝搬を分離するために、無機圧電体１４および音響整合層１６よりも低い音響インピーダンスを有する。
また、溝充填部材２２は、後述する有機圧電体１８の下面に形成された個別電極２８の下層に形成されており、有機圧電体１８よりも低い音響インピーダンスを有し、有機圧電体１８に対するバッキング材としての機能も有する。この点に関しては後に詳述する。

溝充填部材２２の材料としては、有機圧電体１８よりも低い音響インピーダンスとすることができる種々の公知の材料が利用可能である。例えば、シリコーン樹脂やウレタン樹脂等の樹脂を用いることができる。
また、樹脂に、ガラスバルーン等の、この樹脂よりも密度が小さい微粒子を分散させることが好ましい。樹脂に密度が小さい微粒子を分散させることにより、音響インピーダンスをより小さくすることができる。

有機圧電体１８は、音響整合層１６と音響レンズ２０との間の音響インピーダンスの整合を図ると共に、被検体から伝搬する超音波エコーの高調波を受信することにより電気信号を発生するものである。有機圧電体１８は、音響整合層１６上に積層されている。
有機圧電体１８の材料としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の有機圧電材料が用いられる。また、有機圧電体１８の音響インピーダンスは、音響整合層１６よりも小さく、溝充填部材２２および音響レンズ２０よりも大きい。ＰＶＤＦを有機圧電体１８として用いる場合は、有機圧電体１８の音響インピーダンスは、３〜４Ｍｒａｙｌである。

有機圧電体１８は、音響整合層１６よりも大きく、音響レンズ２０よりも小さい音響インピーダンスを有することにより、音響整合層１６と音響レンズ２０との間の音響インピーダンスの整合を図る音響整合層として機能する。

また、有機圧電体１８は、ハーモニックイメージング技法を用いて超音波画像を生成する際に、被検体から伝搬する超音波エコーの高調波を受信する素子として機能する。そのため、有機圧電体１８の音響整合層１６側の面には、個別電極２８が形成され、反対側の面には共通電極３０が形成されている。図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、個別電極２８は、Ｘ方向に、間隙を有して一次元的に複数配列されており、各個別電極２８は、対応する溝充填部材２２の全面および音響整合層１６の一部を覆うように配置されている。一方、共通電極３０は、有機圧電体１８の全体に亘って一様に形成されている。各個別電極２８は、それぞれ受信信号処理部４８に接続され、共通電極３０は、接地されている。超音波の受信時には、個別電極２８は、有機圧電体１８が超音波エコーの高調波を受信することにより発生した電気信号を取得し、受信信号処理部４８に供給する。

ＰＶＤＦ等の有機圧電材料で構成される有機圧電体１８は、横方向（Ｘ方向）の振動結合が小さく、音が伝搬しにくいため、個別電極２８が配置された部分が超音波エコーを受信する素子として機能する。従って、個別電極２８を、間隙を有して複数配列することにより、有機圧電体１８を複数の素子として分離することができ、個別電極２８が配置された領域の有機圧電体１８と個別電極２８と共通電極３０とが有機圧電素子を形成する。

このように、本発明の超音波探触子は、間隙を有して配列されたセラミクス製の無機圧電体１４と、無機圧電体１４の上に、無機圧電体１４と同様に配列された音響整合層１６と、音響整合層１６の上に積層される有機圧電体１８と、無機圧電体１４の間隙および音響整合層１６の間隙を充填する、有機圧電体１８よりも音響インピーダンスが低い有機材料で形成された溝充填部材２２と、有機圧電体１８を挟む共通電極３０および個別電極２８とを有し、音響整合層１６側の個別電極２８が、無機圧電体１４の配列方向に分割されて配列され、かつ、少なくとも溝充填部材２２を覆って形成されているので、超音波探触子１０において、セラミクス製の無機圧電体１４に加えて、有機圧電体１８を積層する構成とし、無機圧電体１４が被検体に超音波ビームを送信し、有機圧電体１８が超音波エコーの高調波を受信することにより、被検体の深い部分を計測する場合にも、超音波が減衰することなく、高い空間分解能で計測することができ、高精細な画像を得ることができる。
このとき、個別電極２８を溝充填部材２２の上に配置することにより、超音波エコーの高調波を受信する有機圧電素子としての有機圧電体１８の下層が、有機圧電体１８よりも音響インピーダンスが低い溝充填部材２２であるので、溝充填部材２２が有機圧電体１８のバッキング材として機能し、有機圧電体１８の共振能が低下することを防止できるので、有機圧電素子の感度が低下することを防止し、高感度で超音波エコーの高調波を受信することができ、受信信号の帯域を広げることができ、これにより、深い部位を計測する場合であっても高精細な画像を得ることができる。また、被検体の浅い部分と深い部分とで超音波探触子を使い分ける必要もない。

ここで、図示例においては、個別電極２８は、溝充填部材２２の全面および音響整合層１６の一部を覆うように配置されているが、本発明は、これに限定はされず、個別電極２８が溝充填部材２２のみを覆うように、個別電極２８を形成してもよい。すなわち、本発明においては、溝充填部材２２が無機圧電体１４の間隙および音響整合層１６の間隙に形成され、個別電極２８が、この溝充填部材２２の上面の全てを覆うように配置すれば、各種の構成が利用可能である。
なお、個別電極２８のサイズは、大きいほど静電容量が大きくなる点で好ましいが、音響整合層１６を覆う部分が大きくなるほど、個別電極２８の下層の音響インピーダンスが大きくなり、有機圧電体１８の共振能が低下するおそれがある。そのため、個別電極２８のサイズは、超音波探触子１０の構成、要求される性能等に応じて適宜、決定すればよい。

また、図示例においては、有機圧電体１８は、音響整合層１６の全面を覆うように一体的に形成し、個別電極２８のみを分離して配置する構成としたが、本発明はこれに限定はされず、有機圧電体を、Ｘ方向に、間隙を有して一次元的に複数配列する構成としてもよい。

図５に、有機圧電体をＸ方向に間隙を有して一次元的に複数配列する構成とした本発明の超音波探触子の一例を示す。
なお、図５に示す超音波探触子１００は、図４に示す超音波探触子１０において、有機圧電体１８に代えて、有機圧電体１０２および第２溝充填部材１０４を有する構成以外は、同じ構成を有するので、同じ部位には、同じ符号を付し、以下の説明は異なる部位を主に行なう。

超音波探触子１００は、バッキング材１２と、バッキング材１２の上に配列され積層される複数の無機圧電体１４と、無機圧電体１４の上に積層される音響整合層１６と、無機圧電体１４の間隙および音響整合層１６の間隙に充填される溝充填部材２２と、音響整合層１６および溝充填部材２２の上に積層される有機圧電体１０２と、有機圧電体１０２の間隙に充填される第２溝充填部材１０４と、無機圧電体１４を挟んで配置される電極対を構成する第１電極２４および第２電極２６と、有機圧電体１８を挟んで配置される電極対を構成する個別電極２８および共通電極３０とを有している。また、図示は省略しているが、超音波探触子１０と同様、有機圧電体１０２の上には音響レンズ２０が積層されている。

有機圧電体１０２は、音響整合層１６と音響レンズ２０との間の音響インピーダンスの整合を図ると共に、被検体から伝搬する超音波エコーの高調波を受信することにより電気信号を発生するものである。有機圧電体１０２は、アジマス方向（Ｘ方向）に、間隙を有して一次元的に複数配列されて、音響整合層１６および溝充填部材２２上に積層されている。ここで、有機圧電体１０２は、有機圧電体１０２の音響整合層１６側の面に形成される個別電極２８が、溝充填部材２２の全面および音響整合層１６の一部を覆うように配置されている。
超音波の受信時には、有機圧電体１０２が超音波エコーの高調波を受信することにより発生した電気信号は、個別電極２８を介して受信信号処理部４８に供給される。

第２溝充填部材１０４は、有機圧電体１０２の間隙に形成され、個々の有機圧電体１０２を分離するためのものである。第２溝充填部材１０４は、個々の有機圧電体１０２の間での音の伝搬を分離するために、有機圧電体１０２よりも低い音響インピーダンスを有することが好ましい。溝充填部材１０４の材料としては、例えば、シリコーン樹脂やウレタン樹脂等の樹脂を用いることができる。

このように、有機圧電体１０２を分離して形成した場合でも、有機圧電体１０２の音響整合層１６側に形成される個別電極２８が、溝充填部材２２の全面を覆うように配列することにより、超音波エコーを受信する素子としての有機圧電体１０２の下層が、有機圧電体１０２よりも音響インピーダンスが低い溝充填部材２２となり、溝充填部材２２が有機圧電体１０２のバッキング材として機能するので、有機圧電体１０２の共振能が低下することを防止し、感度が低下することなく、高調波の受信を行なうことができ、受信信号の帯域を広げることができる。

音響レンズ２０は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、無機圧電体１４から送信され、音響整合層１６および有機圧電体１８を伝播した超音波ビームを、被検体内の所定の深度において集束させる。

送信駆動部５２は、例えば、複数のパルサを含んでおり、プローブ制御部５４によって選択された送信遅延パターンに基づいて、超音波探触子１０から送信される超音波が被検体内の組織のエリアをカバーする幅広の超音波ビームを形成するようにそれぞれの駆動信号の遅延量を調節して複数の第１電極２４に供給する。

受信信号処理部４８は、本体制御部６４からの指示に応じて、プローブ制御部５４の制御の下で、通常の超音波画像を撮像する場合には、第１電極２４から出力される受信信号を取得し、ハーモニックイメージング技法による超音波画像を撮像する場合には、個別電極２８から出力される受信信号を取得する。
各チャンネルの受信信号処理部４８は、対応する第１電極２４または個別電極２８から出力される受信信号に対して直交検波処理又は直交サンプリング処理を施すことにより複素ベースバンド信号を生成し、複素ベースバンド信号をサンプリングすることにより、組織のエリアの情報を含むサンプルデータを生成する。受信信号処理部４８は、複素ベースバンド信号をサンプリングして得られるデータに高能率符号化のためのデータ圧縮処理を施すことによりサンプルデータを生成してもよい。

プローブ制御部５４は、診断装置本体４６から伝送される各種の制御信号に基づいて、プローブ本体４２の各部の制御を行う。
ここで、プローブ制御部５４は、本体制御部６４から供給される制御信号に基づいて、通常の超音波画像の撮像の場合には、受信信号処理部４８が第１電極２４からの受信信号を取得するように、受信信号処理部４８を制御し、ハーモニックイメージング技法による超音波画像の撮像の場合には、受信信号処理部４８が個別電極２８からの受信信号を取得するように、受信信号処理部４８を制御する。

次に診断装置本体４６について説明する。
診断装置本体４６は、通信ケーブル４４を介して接続されるプローブ本体４２に、超音波の送信の指示信号を送ると共に、プローブ本体４２から伝送された超音波の受信データ（サンプルデータ）に基づいて、超音波画像を生成して、表示するものである。
なお、通信ケーブル４４としては、静電容量を有さない（小さい）ケーブルを用いることが好ましい。有機圧電体１８の静電容量は小さいため、ケーブルの静電容量が大きいと、受信電圧が降下して感度が低下してしまう。これに対して、静電容量を有さないケーブルを用いることで、シグナル感度が大幅に向上する。

診断装置本体４６は、データ格納部５６を有し、データ格納部５６に画像処理部６０が接続されている。さらに、画像処理部６０に表示部６２が接続されている。画像処理部６０および表示部６２に本体制御部６４が接続されている。さらに、本体制御部６４には、オペレータが入力操作を行うための操作部６６が接続されている。

操作部６６は、撮影メニュー、撮影条件などを設定し、被検体の撮像を指示する部位である。操作部６６には、撮影メニュー、撮影条件などを設定するための入力キー、ダイヤルボタン、トラックボール、タッチパネル等の入力手段が設けられる。
また、本発明においては、操作部６６は、通常の超音波画像の生成と、ハーモニックイメージング技法を用いた超音波画像の生成とのいずれかを指示するための入力を行なうためのものである。

データ格納部５６は、メモリまたはハードディスク等によって構成され、通信ケーブル４４を介してプローブ本体４２から伝送された少なくとも１フレーム分のサンプルデータを格納する。

画像生成部６０は、データ格納部５６から読み出される１フレーム毎のサンプルデータに受信フォーカス処理等の必要な画像処理を施して、超音波診断画像を表す画像信号を生成する。画像生成部６０は、生成した画像信号を表示部６２に供給する。

表示部６２は、例えば、ＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、画像生成部６０によって生成される画像信号に基づいて、本体制御部６４の指示の下で、超音波診断画像を表示する。
本体制御部６４は、診断装置本体４６内の各部の制御を行うものである。また、本体制御部６４は、通信ケーブル４４を介してプローブ本体４２と接続されており、プローブ本体４２の動作を制御する制御信号を供給する。
ここで、入力指示により、ハーモニックイメージング技法による超音波画像の生成が指示された場合には、その旨の信号をプローブ制御部５４に供給する。

次に、超音波診断装置４０の動作について説明する。
まず、操作者は、通常の超音波画像の撮像か、ハーモニックイメージング技法による超音波画像の撮像かを操作部６６に入力し、プローブ本体４２を被検体の表面に当接する。この状態で、プローブ本体４２の送信駆動部５２から供給される駆動信号に従って無機圧電体１４から超音波が送信され、被検体からの超音波エコーを受信した超音波探触子１０から出力された受信信号が受信信号処理部４８に供給されてサンプルデータが生成され、通信ケーブル４４を介して診断装置本体４６へ伝送されてデータ格納部５６に格納される。このとき、通常の超音波画像の撮像の場合は、受信信号処理部４８は、第１電極２４（無機圧電体１４）から出力される受信信号を取得し、ハーモニックイメージング技法による超音波画像の撮像の場合には、受信信号処理部４８は、個別電極２８（有機圧電体１８）から出力される受信信号を取得し、サンプルデータを生成する。データ格納部５６から１フレーム毎のサンプルデータが読み出され、画像生成部６０で画像信号が生成され、この画像信号に基づいて超音波診断画像が表示部６２に表示される。

ここで、図示例の超音波探触子１０においては、無機圧電体１４の間隙および音響整合層１６の間隙を、有機圧電体１８よりも音響インピーダンスが低い有機材料で形成された溝充填部材２２で充填する構成としたが、本発明は、これに限定はされず、無機圧電体１４の間隙および音響整合層１６の間隙に、溝充填部材２２を配置せずに、空気を介在させる構成としてもよい。すなわち、有機圧電体（個別電極）のバッキング材を空気とすることにより、さらに有機圧電体の共振能が低下することを防止できるので、有機圧電素子の感度が低下することを防止できる。従って、高感度で超音波エコーの高調波を受信することができ、受信信号の帯域を広げることができ、これにより、深い部位を計測する場合であっても高精細な画像を得ることができる。

参考例

以下、本発明の具体例を挙げて、本発明について、より詳細に説明する。
本参考例では、要素実験用の素子を作成して測定を行なうと共に、この要素実験用の素子に対応するモデルを作成して、シミュレーションを行なった。

［参考例１］
図６（Ａ）に、作成した要素実験用素子２００の概略図を示す。
要素実験用素子２００は、土台２０２と、中間層２０４と、有機圧電素子２０６とを有する。

土台２０２は、略矩形状の板状部材で、材質は、ガラスエポキシで、音響インピーダンスは、６．９Ｍｒａｙｌである。
中間層２０４は、土台２０２の一方の面に配置された部材で、材質は、シリコーンで、幅は２０ｍｍ、長さは２０ｍｍ、厚さは５００μｍで、音響インピーダンスは、１．２Ｍｒａｙｌである。
有機圧電素子２０６は、中間層２０４の土台２０２とは反対側の面に配置された板状部材で、有機圧電体の両面に電極が形成されている。有機圧電体は、ＰＶＤＦで、幅は、２０ｍｍ、長さは２０ｍｍ、厚さは２４０μｍで、音響インピーダンスは、４．０Ｍｒａｙｌである。

また、要素実験用素子２００に対して、超音波を送信する探触子として、Φ３０ｍｍのＰＺＴ探触子を用いた。ＰＺＴ探触子が送信する超音波の中心周波数は、３．５ＭＨｚとした。
このような要素実験用素子２００と、ＰＺＴ探触子との間に水を介在させて、ＰＺＴ探触子から超音波の送信を行ない、要素実験用素子２００で超音波を受信し、インピーダンスアナライザー4294Ａ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製）を用いて、周波数と、電気インピーダンスおよび位相との関係を求めた。
なお、水の音響インピーダンスは、１．５Ｍｒａｙｌである。

また、要素実験用素子２００と同様のモデルを作成し、シミュレーションにより周波数と、電気インピーダンスおよび位相との関係を算出した。
なお、シミュレーションにおいては、土台のガラスエポキシの音響インピーダンスを８Ｍｒａｙｌとし、中間層のシリコーンの音響インピーダンスを１．２Ｍｒａｙｌとし、有機圧電体のＰＶＤＦの音響インピーダンスを６．０Ｍｒａｙｌとし、共振周波数を５ＭＨｚとし、圧電体の電気機械結合係数を０．２５とし、キャパシタンスを４０ｐＦとしてシミュレーションを行なった。

［参考例２］
参考例２として、図６（Ｂ）に示す要素実験用素子２１０を用いて測定を行なった。
要素実験用素子２１０は、土台２１２と、有機圧電素子２０６とを有する。
土台２１２は、有機圧電素子２０６が配置される領域に対応する領域が開口している以外は、土台２０２と同様の形状である。また、土台２１２の開口部の長さは２０ｍｍとし、有機圧電素子２０６の長さは２４ｍｍとした。すなわち、参考例２は、有機圧電素子の裏面側を空気層とした構成である。空気の音響インピーダンスは、０．０００１Ｍｒａｙｌである。このような参考例２において、周波数と、電気インピーダンスおよび位相との関係を求めた。

また、参考例２においても、要素実験用素子２１０と同様のモデルを作成し、シミュレーションにより周波数と、電気インピーダンスおよび位相との関係を算出した。
なお、シミュレーションにおいては、空気の音響インピーダンスを０．０１Ｍｒａｙｌとし、それ以外は、参考例１のシミュレーションと同様の数値を用いた。

［参考例３］
参考例３として、図６（Ｃ）に示す要素実験用素子２２０を用いて測定を行なった。
すなわち、中間層２０４を有さない構成とした以外は、参考例１と同様にして、周波数と、電気インピーダンスおよび位相との関係を求めた。

また、参考例３においても、要素実験用素子２２０と同様のモデルを作成し、シミュレーションにより周波数と、電気インピーダンスおよび位相との関係を算出した。
なお、シミュレーションにおいては、参考例１のシミュレーションと同様の数値を用いた。

シミュレーションにより算出した電気インピーダンスを図７（Ａ）に示し、位相を図７（Ｂ）に示す。また、測定した電気インピーダンスを図８（Ａ）に示し、位相を図８（Ｂ）に示す。ここで、図７（Ａ）および図８（Ａ）では、縦軸を電気インピーダンス［ｏｈｍ］とし、横軸を周波数［ＭＨｚ］とし、参考例１を実線で示し、参考例２を破線で示し、参考例３を一点鎖線で示す。また、図７（Ｂ）および図８（Ｂ）では、縦軸を位相［ｄｅｇ］とし、横軸を周波数［ＭＨｚ］とし、参考例１を実線で示し、参考例２を破線で示し、参考例３を一点鎖線で示す。

図７および図８に示すように、有機圧電素子の裏面側に配置されるバッキング材の音響インピーダンスが、有機圧電体の音響インピーダンスよりも小さい参考例１および２では、４．５ＭＨｚ近傍で共振が出ており、圧電性能が高いことがわかる。
一方、有機圧電素子の裏面側に配置されるバッキング材の音響インピーダンスが、有機圧電体の音響インピーダンスよりも大きい参考例３では、共振が見られず、圧電性能が低いことがわかる。

また、参考例１〜３から、有機圧電素子のバッキング材（溝充填部材）の音響インピーダンスが低いほど、有機圧電体の共振性能が高くなり、好ましいことがわかる。また、シミュレーションの結果（図７）と実測の結果（図８）から、シミュレーションによる予測以上に有機圧電素子のバッキング材（溝充填部材）の音響インピーダンスを低くする必要があることがわかる。したがって、実測値のグラフ（図８）から、有機圧電素子のバッキング材（溝充填部材）の音響インピーダンスは、１Ｍｒａｙｌ以下とするのが好ましく、０．１Ｍｒａｙｌ以下とすることがさらに好ましいことがわかる。シリコーン等の樹脂に、ガラスバルーン等の、樹脂よりも密度が小さい微粒子を分散させることにより、音響インピーダンスを１Ｍｒａｙｌ以下とすることができる。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。

本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

例えば、図示例の超音波診断装置４０においては、プローブ本体４２と診断装置本体４６とは通信ケーブル４４を介して接続されているが、これに限定はされず、プローブ本体４２と診断装置本体４６とが無線通信により接続される構成としてもよい。

１０、１００ 超音波探触子
１２ バッキング材
１４ 無機圧電体
１６ 音響整合層
１８ 有機圧電体
２０ 音響レンズ
２２ 溝充填部材
２４ 第１電極
２６ 第２電極
２８ 個別電極
３０ 共通電極
４０ 超音波診断装置
４２ プローブ本体
４４ 通信ケーブル
４６ 診断装置本体
４８ 受信信号処理部
５２ 送信駆動部
５４ プローブ制御部
５６ データ格納部
６０ 画像生成部
６２ 表示部
６４ 本体制御部
６６ 操作部
１０２ 有機圧電体
１０４ 第２溝充填部材
２００、２１０、２２０ 要素実験用素子
２０２、２１２ 土台
２０４ 中間層
２０６ 有機圧電素子

Claims (8)

1. 間隙を有して一次元的に配列されたセラミクス製の無機圧電体と、
   前記無機圧電体の上に積層される、前記無機圧電体と同様に配列された音響整合層と、
   前記音響整合層の上に積層される有機圧電体と、
   前記無機圧電体の間隙および前記音響整合層の間隙を充填する、有機圧電体よりも音響インピーダンスが低い有機材料で形成された溝充填部材と、
   前記有機圧電体の上に形成される共通電極、および、前記共通電極と共に前記有機圧電体を挟んで配置される個別電極とを有し、
   さらに、前記個別電極は、前記無機圧電体の配列方向に分割されて配列されるものであり、かつ、少なくとも前記溝充填部材を覆って形成されることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記溝充填部材が、有機材料に、この有機材料よりも密度が小さい微粒子を分散させたものである請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記有機材料よりも密度が小さい微粒子が、ガラスバルーンである請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記有機材料が、シリコーン樹脂を含む請求項１〜３のいずれかに記載の超音波探触子。
5. 前記有機圧電体が、前記音響整合層を覆う請求項１〜４のいずれかに記載の超音波探触子。
6. 間隙を有して一次元的に配列されたセラミクス製の無機圧電体と、
   前記無機圧電体の上に積層される、前記無機圧電体と同様に配列された音響整合層と、
   前記音響整合層の上に積層される有機圧電体と、
   前記有機圧電体の上に形成される共通電極、および、前記共通電極と共に前記有機圧電体を挟んで配置される個別電極とを有し、
   さらに、前記個別電極は、前記無機圧電体の配列方向に分割されて配列されるものであり、かつ、配列された前記音響整合層の間隙を覆うように配置されることを特徴とする超音波探触子。
7. 前記有機圧電体が超音波エコーを受けて発生した電位変化を、静電容量を有するケーブルを介することなく、受信増幅器に入力する請求項１〜６のいずれかに記載の超音波探触子。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の超音波探触子を有する超音波診断装置。

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