JP5487810B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層像を低侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線などの被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等の特長を有している。そのため、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿科系（腎臓、膀胱）、及び産婦人科系などで広く利用されている。

従来、このような超音波診断装置では、超音波の非線形な伝播により生じる高調波成分を取りだし、この高調波成分に基づいて超音波画像を生成し、表示するハーモニックイメージング（ＨＩ）法と呼ばれている手法が用いられてきた。

上記ハーモニックイメージングは、超音波の受信信号に含まれる高調波成分を検出して、映像化する手法であり（例えば５ＭＨｚの超音波を送信し、１０ＭＨｚの高調波でイメージング）、微小気泡よりなる超音波造影剤をより効率的に検出することを目的として開発された。

微小気泡は強い非線形散乱特性を有しており、その散乱信号は生体組織と比べて大きな高調波成分を含んでいる。そこで、この高調波成分のみを検出することにより、通常（基本波）では周囲組織からのエコーに埋もれてしまうような微小な血流（パフュージョン）の映像化が可能となる。

ハーモニックイメージングに用いるアレイ型超音波探触子の具体的な構造として、送信用圧電素子と受信用圧電素子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子が提案されている。

このようなアレイ型超音波探触子に用いられる受信用圧電素子は、高調波信号を高感度で受信できることが望ましい。しかしながら、ジルコン酸チタン酸鉛等無機圧電素子を材料とした圧電素子の送受信周波数は圧電素子の厚さに依存するため、受信する周波数が高周波になるほど圧電素子を小型に加工する必要があり、製造が困難であった。

このような問題を解決するため、シート状の圧電セラミックを単層または積層した構造の送信用圧電素子と受信用のシート状の圧電素子を単層または積層させ、送信と受信を別々の圧電素子に分離するとともに、受信用に高感度有機圧電素子材料を使用することにより高感度な超音波探触子を得る方法が提案されている（特許文献１、２、３参照）。

近年、組織ハーモニック映像法（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ；ＴＨＩ）が注目されている。これはハーモニックイメージング法が有する画質改善効果に着目したもので、どのような患者でもノイズの低減された高コントラストのＢモード画像が得られ、心内膜等の描出に優れることが特徴である。組織ハーモニック映像法では、送信された超音波が生体内を歪みながら“伝播”するいわゆる伝播の非線形性により発生する高調波を映像化している。

この高調波の振幅は、超音波の伝播距離および基本波の音圧の二乗に比例するため、超音波ビームの中心軸上（音圧の高い領域）に集中して発生する。すなわち基本波を用いた場合に比べ、メインローブが細くかつサイドローブレベルが低いシャープな超音波ビームが形成可能である。

このように組織ハーモニック映像法ではビーム幅が狭くかつサイドローブレベルの低いビーム形成が可能なため、ビーム幅の低減により方位方向分解能が向上し、またサイドローブレベルの低減によりコントラスト分解能が向上する。特に、患者の比較的深い部位を診断するときに、組織ハーモニック映像法を用いると、高分解能の鮮明な画像が得られる。反面、関心領域が体表から浅い領域にあるような場合は、鮮明な画像が得にくい場合もあった。

一方、基本周波数の超音波を被検体に送波し、この被検体から返ってくる反射波に含まれる基本周波数の成分を主体として被検体内を映像化する方法では、組織ハーモニック映像法ほどの高分解能の画像は得られないが、被検体内の浅い部位から深い部位まで鮮明な診断像が得られる。

そのため、基本周波数の超音波を被検体に送波し、この被検体から返ってくる反射波に含まれる基本周波数の成分を主体として被検体内を映像化する基本波モードと、基本周波数の超音波を被検体に送波し、この被検体から返ってくる反射波に含まれる高調波の成分を主体として被検体内を映像化する非基本波モードとを選択可能に構成することが行われている（例えば、特許文献４参照）。

一方、高い周波数の超音波を被検体に送波し、その反射波を受信すると、被検体の表面近くを高分解能で診断する事ができる。例えば、有機圧電材料から成るシート状の圧電素子を送信および受信に用いて、２０ＭＨｚを越える高周波数の超音波を送信し、その反射波（２０ＭＨｚ）を受信することにより、広い帯域幅と高解像度を得る技術が開示されている（非特許文献１参照）。

このような有機材料から成る圧電素子は、出力インピーダンスが高いため、インピーダンスマッチングをとることが難しい。そのため、非特許文献１では、増幅器を圧電素子の近くに配置し、圧電素子の受信信号を増幅器で増幅してからＡ／Ｄ変換することにより、寄生容量の除去とノイズの混入を低減している。

特開２００８−１８８４１５号公報 国際公開第２００７／１４５０７３号パンフレット 国際公開第２００８／０１０５０９号パンフレット 特許４１１６１４３号公報 Ｓ．ＪＣａｒｅｙ，Ｃ．Ｍ Ｇｒｅｇｏｒｙ，Ｍ．Ｐ． Ｂｒｅｗｉｎ，Ｓ．Ｎｇ，Ｊ．Ｖ Ｈａｔｆｉｅｌｄ， "ＰＶｄＦ Ａｒｒａｙ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ"２００４ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｊｏｉｎｔ ５０ｔｈ Ａｎｎｉｖｅｒｓａｒｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

ユーザから、関心領域が被検体内の浅い部位なのか、深い部位なのか、あるいは浅い部位から深い部位まで全体像を把握したいのか、によって最適な映像法を選択し、鮮明な画像が得られる超音波診断装置が要望されている。

被検体内の深い部位に関心がある時は、特許文献１、２、３に開示されているように、無機材料から成る圧電素子（以下無機圧電素子と呼ぶ）から基本周波数（例えば５ＭＨｚ）の超音波を被検体に送波し、この被検体から返ってくる反射波を有機材料から成る圧電素子（以下、有機圧電素子と呼ぶ）により受信し、反射波に含まれる高調波の成分を主体として被検体内を映像化すると高分解能な診断像が得られることが知られている。

また、被検体内の浅い部位から深い部位までの全体像に関心がある時は、無機圧電素子を送受信に用いて、基本周波数（例えば５ＭＨｚ）の超音波を被検体に送波し、反射波に含まれる基本周波数の成分を主体として被検体内を映像化すると鮮明な画像が得られることが知られている。

一方、非特許文献１のように、被検体内の浅い部位に関心がある時は、有機圧電素子を送受信に用いて、高い周波数の超音波を被検体に送波し、その反射波を受信すると高分解能な診断像が得られることが知られている。

これらのことから、超音波探触子に無機圧電素子と、有機圧電素子とを配置し、関心領域に応じて送受信に用いる圧電素子を選択できるように構成することが考えられる。

しかしながら、超音波探触子に無機圧電素子と、有機圧電素子とを設けると、駆動条件等が異なるため超音波探触子と超音波診断装置本体との間の配線が多くなってしまう。

また、有機圧電素子を受信用に用いる場合は、非特許文献１に開示されているように有機圧電素子の出力を増幅器によって増幅することが望ましい。そのため、送信用、および受信用として用いる場合は、有機圧電素子に印加する駆動信号が、増幅器の出力側に印加されないように分離して配線する必要がある。

増幅器は、超音波探触子の有機圧電素子の近くに配置することが望ましいので、超音波探触子に配置された増幅器と超音波診断装置本体に設けられた受信回路との間を、送信用の配線と別に配線する必要がある。そのため、超音波探触子と超音波診断装置本体との間のケーブルが太くなり、超音波探触子を被検体の所望の部位に押し当てにくくなるなどの操作性の問題が発生する。また、ケーブルの断線などが起こる可能性が高まり、信頼性が損なわれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、所望の部位の映像化に最適な圧電素子を選択可能に構成され、操作性が良く信頼性の高い超音波探触子、及び該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。

１．無機材料から成る複数の無機圧電素子と、有機材料から成る複数の有機圧電素子と、前記超音波を受信したそれぞれの前記有機圧電素子が発生する受信信号を増幅する複数の増幅器と、超音波診断装置本体と接続するための複数の信号線への接続部をそれぞれ備えた切替手段とを有する超音波探触子と、
前記信号線を介して前記無機圧電素子または前記有機圧電素子を駆動する駆動信号を送信する送信手段と、
前記信号線を介して前記受信信号を受信する受信手段と、
前記切替手段の接続形態を切り換える切替制御信号を送信し、前記切替手段を制御する制御手段と、を有する超音波診断装置であって、
前記切替手段は、前記無機圧電素子と前記接続部との間を直接接続する接続形態と、前記有機圧電素子と前記接続部との間を直接接続する接続形態と、前記有機圧電素子と前記接続部との間を前記増幅器を介して接続する接続形態と、を切り替えて接続する機能を有し、
前記制御手段は、
超音波の送信を前記無機圧電素子で行い、超音波の受信を前記無機圧電素子で行う第１のモードと、
超音波の送信を前記無機圧電素子で行い、超音波の受信を前記有機圧電素子で行う第２のモードと、
超音波の送信を前記有機圧電素子で行い、超音波の受信を前記有機圧電素子で行う第３のモードとを設定可能であり、各モードに応じて前記切替手段を制御することを特徴とする超音波診断装置。

２．前記無機圧電素子と前記有機圧電素子は積層されていることを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。

３．前記第２のモードでは、前記無機圧電素子から送信された超音波の高調波を前記有機圧電素子で受信することを特徴とする前記１または２に記載の超音波診断装置。

４．前記第３のモードで前記有機圧電素子から送信する超音波は、前記第１のモードで前記無機圧電素子から送信する超音波よりも周波数が高いことを特徴とする前記１〜３の何れか１項に記載の超音波診断装置。

５．深度が浅い領域では前記第３のモードで超音波の送受信を行い、深度が深い領域では前記第２のモードで超音波の送受信を行うことを特徴とする前記１〜４の何れか１項に記載の超音波診断装置。

本発明によれば、超音波探触子に、複数の無機圧電素子と、複数の有機圧電素子と、それぞれの有機圧電素子の出力を増幅する増幅器と、を切り替えて信号線と接続する切替手段を設けたので、超音波診断装置と接続する配線数を減らすことができる。

したがって、所望の部位の映像化に最適な圧電素子を選択可能に構成され、操作性が良く信頼性の高い超音波探触子、及び該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。

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。 実施形態における超音波探触子と送信処理部、受信処理部の詳細な回路ブロック図である。 実施形態における超音波探触子のヘッド部の断面図である。 多段フォーカス法により設定された各フォーカス領域を示す図である。 超音波を各フォーカス領域の焦点に送波し、受信するまでを模式的に説明する図である。 送受信のタイミングを説明するタイムチャートである。 単極単投のアナログスイッチを組み合わせて切替手段を構成した一例である。

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が、本発明は該実施の形態に限られない。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。

超音波診断装置１００は、図略の生体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送波し、受信した被検体で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）から被検体内の内部状態を超音波画像として画像化し、モニタ１０に表示する。

超音波探触子２は、被検体に対して超音波（超音波信号）を送波し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する。超音波探触子２は、図１に示すように、ケーブル１５を介して超音波診断装置本体１４と接続されている。

入力部１３は、スイッチやキーボードなどから構成され、ユーザが診断開始を指示するコマンドの入力や、後に説明する第１のモードまたは第２のモード、または第３のモードの選択、被検体の個人情報等のデータの入力をするために設けられている。

モニタ１０は、液晶パネルなどから成り、画像化した超音波画像を表示する。

図２は、本実施形態に係る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、実施形態における超音波探触子と送信処理部、受信処理部の詳細な回路ブロック図、図４は、実施形態における超音波探触子のヘッド部の断面図である。

最初に図２、図３、図４を用いて超音波探触子２の構成を説明する。

図３に示すように、超音波探触子２の先端部分には、電気信号と音響信号とを相互変換するためのアレイ状に配列された複数の無機圧電素子５０ａ〜５０ｕと、アレイ状に配列された複数の有機圧電素子５１ａ〜５１ｕと、が積層されている。無機圧電素子５０ａ〜５０ｕは、無機材料から成る圧電素子、有機圧電素子５１ａ〜５１ｕは、有機材料から成る圧電素子である。なお、ここでは、１つの圧電素子が１チャンネルを構成するものとして説明する。また、無機圧電素子５０、有機圧電素子５１の素子数はそれぞれ２１とし、ａ〜ｕで区別する例を説明するが、素子数は特に限定されるものではなく、２０〜２００程度の素子数が用いられる。

図２では、複数の無機圧電素子５０ａ〜５０ｕから成る無機圧電素子アレイ５０、複数の有機圧電素子５１ａ〜５１ｕから成る有機圧電素子アレイ５１を、それぞれ一つのブロックで図示している。

有機圧電素子５１ａ〜５１ｕはインピーダンスが数ＫΩと非常に高いため、ノイズの影響を受けやすい。そのため、有機圧電素子５１ａ〜５１ｕは、それぞれ増幅器５２ａ〜５２ｕと接続されており、増幅器５２ａ〜５２ｕは、それぞれ超音波を受信した有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが発生する電気信号（以下、受信信号と呼ぶ）を増幅する。増幅器５２ａ〜５２ｕによって受信信号を増幅し、低インピーダンスで出力することにより高Ｓ／Ｎで受信信号を超音波診断装置本体１４に伝送することができる。

増幅器５２ａ〜５２ｕには、初段にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いたオペアンプなど入力インピーダンスの高い汎用の増幅器を用いることができる。

切替手段５３の接続部５８ａ〜５８ｕは、超音波診断装置本体１４と接続するための信号線５６ａ〜５６ｕがそれぞれ接続されている。

切替手段５３のスイッチ５３ａ〜５３ｕは、切替制御信号線５７によって伝送される切替制御信号に応じて、無機圧電素子５０ａ〜５０ｕと接続部５８ａ〜５８ｕとの間を直接接続する接続形態と、有機圧電素子５１ａ〜５１ｕと接続部５８ａ〜５８ｕとの間を直接接続する接続形態と、有機圧電素子５１ａ〜５１ｕと接続部５８ａ〜５８ｕとの間を増幅器５２ａ〜５２ｕを介して接続する接続形態と、を切り替えて接続する。

図３に示す単極３投のスイッチ５３ａ〜５３ｕは、単極単投のアナログスイッチ等を組み合わせ、切替制御信号により適宜オンまたはオフにすることにより等価的に同機能のスイッチを構成することができる。

図８は、単極単投の４つのアナログスイッチ１１０ａ、１１１ａ、１１２ａ、１１３ａを組み合わせて切替手段５３を構成した一例である。

図８では、スイッチ５３ａに相当する１チャネル分の回路を示している。アナログスイッチ１１０ａ、１１１ａ、１１２ａ、１１３ａにはそれぞれ切替制御信号線５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄが接続され、伝送される切替制御信号に応じてオン、オフする。

図８の状態は、アナログスイッチ１１０ａがオン、アナログスイッチ１１１ａ、１１２ａ、１１３ａがオフであり、無機圧電素子５０ａと接続部５８ａとの間が直接接続されている。切替制御信号により、アナログスイッチ１１０ａをオフ、アナログスイッチ１１１ａとアナログスイッチ１１２ａをオン、アナログスイッチ１１３ａをオフにすると、有機圧電素子５１ａと接続部５８ａとの間を直接接続できる。

また、切替制御信号により、アナログスイッチ１１０ａをオフ、アナログスイッチ１１１ａとアナログスイッチ１１３ａをオン、アナログスイッチ１１２ａをオフにすると、有機圧電素子５１ａと接続部５８ａとの間を増幅器５２ａを介して接続できる。

有機圧電素子５１ａ〜５１ｕと増幅器５２ａ〜５２ｕとの間の配線、および有機圧電素子５１ａ〜５１ｕとスイッチ５３ａ〜５３ｕとの間の配線は高インピーダンスなので配線長をできるだけ短くし、コアキシャルケーブルやシールド線を用いて外来ノイズの影響を受けないようにすることが望ましい。

図２では、増幅器５２ａ〜５２ｕを増幅器５２のブロックで、スイッチ５３ａ〜５３ｕを切替手段５３のブロックで図示している。

信号線５６ａ〜５６ｕと切替制御信号線５７はコネクタ５４に接続され、ケーブル１５を介して超音波診断装置本体１４のコネクタ１６と接続されている。このように、切替手段５３により、対応する信号線５６ａ〜５６ｕを、無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、または有機圧電素子５１ａ〜５１ｕ、または増幅器５２ａ〜５２ｕの出力端子の何れか一つに接続するのでケーブル１５による配線数を少なくすることができる。このことにより、ケーブル１５を細くできるので超音波探触子２の操作性と信頼性を向上させることができる。

次に、図４を用いて超音波探触子のヘッド部の構成を説明する。

以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向はエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。また、Ｚ軸方向は積層方向である。

図４に示す超音波探触子１は、バッキング材６５の上に第４電極７５、無機圧電膜６２、第３電極７４、中間層７３、第２電極７０、有機圧電膜６３、第１電極６９、整合層６６、音響レンズ６７の順に積層されている。整合層６６から第４電極７５まではＸ方向に向かってダイシングされ、複数の無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、と有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが形成されている。

以降、積層された順に各構成要素を説明する。

（無機圧電素子アレイ）
無機圧電素子アレイ５０は、ジルコン酸チタン酸鉛などの無機材料から成る無機圧電膜６２の互いに厚み方向に対向する両面に、それぞれ第３電極７４、第４電極７５を備えた無機圧電素子５０ａ〜５０ｕから構成されている。無機圧電膜６２の厚みは３２０μｍ程度である。

無機圧電素子５０ａ〜５０ｕの第３電極７４ａ〜７４ｕは、図示せぬコネクタを介してスイッチ５３ａ〜５３ｕの端子とそれぞれ接続され、第４電極７５ａ〜７５ｕは接地されている。

第３電極７４ａ〜７４ｕに駆動信号を印加すると無機圧電素子５０ａ〜５０ｕが振動し、無機圧電素子アレイ５０からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。

また、無機圧電素子アレイ５０が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて第３電極７４ａ〜７４ｕに電気信号（以下、受信信号と呼ぶ）が発生する。

第３電極７４、第４電極７５は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、無機圧電素子アレイ５０の両面に蒸着法やフォトリソグラフィー法を用いて成膜されている。

（中間層）
中間層７３は、有機圧電素子アレイ５１が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動した際に、無機圧電素子アレイ５０が共振して振動しないように有機圧電素子アレイ５１の振動を吸収するために設けられている。

このような中間層７３は、樹脂材料を成型して形成することができる。中間層７３に用いる樹脂材料としては、例えばポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリスルホン、エポキシ、オキセタン、などを用いることができる。

中間層７３の厚みは、求める感度や周波数特性により選択されるが、例えば１８０〜１９０μｍ程度である。

なお、求める感度や周波数特性によっては中間層７３を省略することもできる。

（有機圧電素子アレイ）
有機圧電素子アレイ５１は、有機材料から成る有機圧電膜６３の互いに厚み方向に対向する両面に、それぞれ第１電極６９ａ〜６９ｕ、第２電極７０ａ〜７０ｕを備えた複数の有機圧電素子５１ａ〜５１ｕから構成されている。

有機圧電膜６３に用いる有機材料として、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、有機圧電膜６３には、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（ＴｒＦＥ）、テトラフルオロエチレ（ＴｅＦＥ）、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。

一般に、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電材料から成る圧電素子は、基本波の周波数に対する２倍程度の周波数帯域の超音波しか受信することができないが、有機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する例えば３〜５倍程度の周波数帯域の超音波を送受信することができ、受信周波数帯域の広帯域化に適している。

有機圧電膜６３の厚さｔは、受信すべき超音波の周波数や有機圧電材料の種類等によって適宜に設定される。

このような有機圧電膜６３は、有機圧電材料の溶液から流延して所定の厚さの膜を作製し、加熱して結晶化を行った後、所定の大きさのシート状に成型して作製する。

有機圧電膜６３の厚み方向（Ｚ軸方向）に互いに対向する両面には、それぞれ第１電極６９、第２電極７０を形成する。

有機圧電素子５１ａ〜５１ｕの第１電極６９ａ〜６９ｕは、図示せぬコネクタを介してスイッチ５３ａ〜５３ｕの端子とそれぞれ接続され、第２電極７０ａ〜７０ｕは接地されている。

第１電極６９ａ〜６９ｕに駆動信号を印加すると有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが振動し、有機圧電素子アレイ５１からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。

また、有機圧電素子アレイ５１が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて第１電極６９ａ〜６９ｕに電気信号が発生する。

（整合層）
整合層６６は、被検体の一つである人体と有機圧電素子アレイ５１の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響インピーダンスの整合を図る。整合層６６は、例えば、樹脂材料を成型して形成することができる。

整合層６６に用いる材料は、音響インピーダンスが１．７〜１．８程度で、音速が人体に近い１３００ｍ／ｓｅｃ以上、２２００ｍ／ｓｅｃ以下の材料を用いることが好ましい。例えば、ポリメチルペンテンなどを用いることができる。

（音響レンズ）
音響レンズ６７は、無機圧電素子アレイ５０が送信する超音波を所定の距離に収束させる。

このように、無機圧電素子アレイ５０と有機圧電素子アレイ５１とが積層されているので、超音波探触子２を小型化することができる。

超音波探触子２の説明は以上である。

次に、図２、図３を用いて超音波診断装置本体１４の電気的な構成を説明する。

超音波探触子２の信号線５６ａ〜５６ｕは、コネクタ５４、ケーブル１５、コネクタ１６を介して、図２、図３に示すように送信処理部１および受信処理部３に接続されている。また、切替制御信号線５７は、コネクタ５４、ケーブル１５、コネクタ１６を介して、図２、図３に示すように制御部９９に接続されている。送信処理部１は本発明の送信手段、受信処理部３は本発明の受信手段である。

制御部９９は、ＣＰＵ９８（中央処理装置）と記憶部９６等から構成され、記憶部９６に記憶されているプログラムをＲＡＭ９７に読み出し、当該プログラムに従って超音波診断装置１００の各部を制御する。記憶部９６は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成される。

制御部９９は、操作者によって入力部１３から入力されたモード（第１のモード、第２のモード、又は第３のモード）を送信処理部１と受信処理部３に設定する。

超音波を送波する時、制御部９９は設定されたモードに応じて、スイッチ５３ａ〜５３ｕを信号線５６ａ〜５６ｕが、それぞれ無機圧電素子５０ａ〜５０ｕまたは有機圧電素子５１ａ〜５１ｕの何れかに接続されるようにする。

制御部９９は、第１のモードと第２のモードとでは、スイッチ５３ａ〜５３ｕを信号線５６ａ〜５６ｕが無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに接続するように切り替え、第３のモードでは、信号線５６ａ〜５６ｕが有機圧電素子５１ａ〜５１ｕに接続するように切り替える。

送信処理部１は、制御部９９により設定されたモードに応じたタイミングで、超音波をビーム状に形成し、また任意の深さで収束させて焦点を形成するように遅延処理をかけた駆動信号を信号線５６ａ〜５６ｕを介して超音波探触子２の各チャンネルに印加する。送信処理部１は、第１のモードと第２のモードとでは、基本周波数ｆ_０の駆動信号を印加し、第３のモードでは基本周波数ｆ_０より高い駆動信号を印加する。本実施形態では、説明を簡単にするため基本周波数ｆ_０の３倍の３ｆ_０を印加するものとする。

超音波探触子２で発生した超音波は、被検体に送波され、被検体内部を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で反射し、エコーとして超音波探触子２に返ってくる。

超音波を被検体に向けて送波した後、超音波探触子２に返ってきたエコーは、超音波探触子２に配列された無機圧電素子５０ａ〜５０ｕと有機圧電素子５１ａ〜５１ｕとを機械的に振動させ、微弱な受信信号を発生させる。

超音波を受信する時、制御部９９は、設定されたモードに応じて、スイッチ５３ａ〜５３ｕを切り替えて信号線５６ａ〜５６ｕが無機圧電素子５０ａ〜５０ｕまたは有機圧電素子５１ａ〜５１ｕまたは増幅器５２ａ〜５２ｕの何れかに接続されるようにする。

制御部９９は、第１のモードでは、スイッチ５３ａ〜５３ｕが受信時もそのまま信号線５６ａ〜５６ｕが無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに接続するようにし、第２のモードと第３のモードでは、スイッチ５３ａ〜５３ｕを信号線５６ａ〜５６ｕが増幅器５２ａ〜５２ｕに接続するように切り替える。

超音波受信時の信号線５６ａ〜５６ｕの信号は、受信処理部３に取り込まれ、プリ増幅器４２ａ〜４２ｕで増幅された後、送波時と同じ遅延処理を受信ビームフォーマー４１受けた後、加算ユニット４３で加算される。

この受信信号は、第１のモード時には、受信信号から基本波成分を主に抽出するために通過帯域が基本周波数ｆ_０を中心とした所定の帯域に設定されている基本波用帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）４を通ってＢモード処理部６に送られる。

また、第２のモード時と第３のモード時には、通過帯域が基本周波数ｆ_０の例えば３倍の周波数を中心とした所定の帯域に設定されている高調波用帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）５を通って、Ｂモード処理部６に送られる。

第２のモード時は、エコーに含まれる超音波が被検体（生体）の内部を歪みながら‘伝播’する、いわゆる伝播の非線形性により発生した基本周波数ｆ_０以外の非基本波成分を利用する。非基本波成分のなかでも、基本周波数ｆ_０の２倍の２次高調波成分、３倍の３次高調波成分などを診断のための画像形成に利用することができるが、本実施形態では３倍の周波数３ｆ_０の３次高調波成分を利用するものとして説明する。

また、第３のモード時は、本実施形態では、基本周波数ｆ_０の３倍の周波数３ｆ_０の超音波を、被検体に送波し、同じ周波数３ｆ_０の成分を利用するものとして説明する。

Ｂモード処理部６は、第１のモード時には基本波用帯域通過型フィルタ４からの基本周波数ｆ_０の成分に基づいて通常のＢモード像を生成し、また第２のモード時と第３のモード時には高調波用帯域通過型フィルタ５からの基本周波数の３倍の３ｆ_０の成分に基づいて画像を生成する。これらの画像はデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）９によって再構成された後、ビデオ信号に変換され、モニタ１０に表示される。

次に、図５、図６、図７を用いて多段フォーカス法について説明する。

図５は多段フォーカス法により設定された各フォーカス領域の一例を示す図、図６は超音波を各フォーカス領域の焦点に送波し、受信するまでを模式的に説明する図である。図７は送波タイミングの一例を説明するタイムチャートである。

本実施形態では、図５に示す生体（被検体）の深さ方向に等間隔の４つのフォーカス領域Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の画像を得る場合を説明する。

送信処理部１は、超音波をビーム状に形成し、フォーカス領域Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に焦点を形成するように遅延処理をかけた駆動信号を順次無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、または有機圧電素子５１ａ〜５１ｕに印加する。フォーカス領域Ｅ１の焦点はＦ１、フォーカス領域Ｅ２の焦点はＦ２、フォーカス領域Ｅ３の焦点はＦ３、フォーカス領域Ｅ４の焦点はＦ４であり、図６（ａ）の例ではアレイ状の無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、または有機圧電素子５１ａ〜５１ｕの中心軸上に焦点を形成する。無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、または有機圧電素子５１ａ〜５１ｕから送波した超音波ビームは、図４（ａ）のように各焦点の位置で収束した後、また広がっている。

図６（ｂ）〜（ｅ）は、第２のモード時において、各焦点にそれぞれ超音波を送波してから、焦点位置の付近で発生した高調波を受信するまでの最大時間を模式的に示している。高調波は、焦点位置付近のフォーカス領域のみで発生し、発生した高調波は基本波より減衰率が高いのでさらに深い領域まで進行して反射することも無い。したがって、最大時間は、送波した超音波の基本波が各フォーカス領域の深い方の境界まで進行し、境界で発生した高調波が、超音波探触子２まで戻るまでの時間である。

図６（ｅ）は、最深部の焦点Ｆ４に送波した場合であり、フォーカス領域Ｅ４の深い方の境界付近で発生した高調波を受信するまでの最大時間をｔとしている。図６（ｄ）は、焦点Ｆ３に送波した場合であり、各フォーカス領域は等間隔とすると、フォーカス領域Ｅ３の深い方の境界付近で発生した高調波を受信するまでの最大時間は３／４ｔである。

同様に、図６（ｃ）は、焦点Ｆ２に送波した場合、図６（ｂ）は、焦点Ｆ１に送波した場合であり、それぞれフォーカス領域Ｅ２の深い方の境界付近で発生した高調波を受信するまでの最大時間は２／４×ｔ、フォーカス領域Ｅ１の深い方の境界付近で発生した高調波を受信するまでの最大時間は１／４×ｔである。

図７は送波タイミングを説明するタイムチャートである。図７の横軸は時間軸であり、送信処理部１で生成されるタイミングパルスを示している。周期ｔ毎のタイミングパルスの立ち上がりで駆動信号が無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、または有機圧電素子５１ａ〜５１ｕに送信され、超音波が送波される。Ｔは１画面を形成する期間である。

送信処理部１は、図７に示す送波タイミングで駆動信号を無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、または有機圧電素子５１ａ〜５１ｕに印加する。

最初に、第１のモード時の送受信タイミングを説明する。

制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを、信号線５６ａ〜５６ｕが無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに接続するようにしてから、Ｆ１のタイミングパルスの立ち上がりで最も近い焦点Ｆ１に収束するように超音波を送波させる。図７にＥ１で示すフォーカス領域Ｅ１からの反射波を受信する期間、無機圧電素子５０ａ〜５０ｕが受信した信号を、受信処理部３に送波時と同じ遅延処理をさせる。同様に、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４のタイミングパルスの立ち上がりで焦点Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４にそれぞれ収束するように超音波を送波させる。

このように、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の期間に無機圧電素子５０ａ〜５０ｕが受信した信号は、受信処理部３によって送波時と同じ遅延処理を経て加算され、高調波用帯域通過型フィルタ５を通って、高調波成分だけＢモード処理部６に送られ画像を生成する。

次に、第２のモード時の送受信タイミングを説明する。

制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを、信号線５６ａ〜５６ｕが無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに接続するようにしてから、Ｆ１のタイミングパルスの立ち上がりで最も近い焦点Ｆ１に収束するように超音波を送波させる。送波後約１μＳの後、制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを、信号線５６ａ〜５６ｕが増幅器５２ａ〜５２ｕに接続するように切り替え、Ｅ１の期間に有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが受信した信号を、受信処理部３に送波時と同じ遅延処理をさせる。

次に、制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを切り替えて、信号線５６ａ〜５６ｕが無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに接続するようにしてから、Ｆ２のタイミングパルスの立ち上がりで焦点Ｆ２に収束するように超音波を送波する。送波後約１μＳの後、制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを、信号線５６ａ〜５６ｕを増幅器５２ａ〜５２ｕに接続するように切り替え、Ｅ２の期間に有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが受信した信号を、受信処理部３に送波時と同じ遅延処理をさせる。同様に、Ｆ３、Ｆ４のタイミングパルスの立ち上がりで焦点Ｆ３、Ｆ４にそれぞれ収束するように無機圧電素子５０ａ〜５０ｕから超音波を送波させ、Ｅ３、Ｅ４の期間に、受信処理部３が増幅器５２ａ〜５２ｕの出力を処理するように制御する。

このようにして、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の期間に有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが受信した信号は、受信処理部３によって送波時と同じ遅延処理を経て加算され、高調波用帯域通過型フィルタ５を通って、高調波成分だけＢモード処理部６に送られ画像を生成する。

次に、第３のモード時の送受信タイミングを説明する。

制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを、信号線５６ａ〜５６ｕが有機圧電素子５１ａ〜５１ｕに接続するようにしてから、Ｆ１のタイミングパルスの立ち上がりで最も近い焦点Ｆ１に収束するように超音波を送波させる。送波後約１μＳの後、制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを、信号線５６ａ〜５６ｕを増幅器５２ａ〜５２ｕに接続するように切り替え、Ｅ１の期間に有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが受信した信号を、受信処理部３に送波時と同じ遅延処理をさせる。

次に、制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを切り替えて、信号線５６ａ〜５６ｕが有機圧電素子５１ａ〜５１ｕに接続するようにしてから、Ｆ２のタイミングパルスの立ち上がりで焦点Ｆ２に収束するように超音波を送波する。送波後約１μＳの後、制御部９９は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを、信号線５６ａ〜５６ｕを増幅器５２ａ〜５２ｕに接続するように切り替え、Ｅ２の期間に有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが受信した信号を、受信処理部３に送波時と同じ遅延処理をさせる。同様に、Ｆ３、Ｆ４のタイミングパルスの立ち上がりで焦点Ｆ３、Ｆ４にそれぞれ収束するように有機圧電素子５１ａ〜５１ｕから超音波を送波させ、Ｅ３、Ｅ４の期間に、受信処理部３が増幅器５２ａ〜５２ｕの出力を処理するように制御する。

このように、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の期間に有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが受信した信号は、受信処理部３によって送波時と同じ遅延処理を経て加算され、高調波用帯域通過型フィルタ５を通って、高調波成分だけＢモード処理部６に送られ画像を生成する。

なお、本実施形態では、操作者が入力部１３でモード切り替え操作したときに第１のモード、第２のモード、第３のモードが、切り替わる例を説明したが、例えば、１断面分を１回走査する毎に、または１回送受信する毎に自動的に切り替えるようにしてもよい。

例えば、最も浅いフォーカス領域Ｅ１は第３のモードで送受信を行い、フォーカス領域Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は第２のモードで送受信を行い、受信した信号を加算して画像を生成しても良い。このようにすると、浅い領域は浅い領域で高分解能が得られる第３のモードで送受信し、深い領域は深い領域で高分解能が得られる第２のモードで送受信するので浅部から深部まで鮮明な断層像が得られる。

以上このように、本発明によれば、所望の部位の映像化に最適な圧電素子を選択可能に構成され、操作性が良く信頼性の高い超音波探触子、及び該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。

１ 送信処理部
２ 超音波探触子
３ 受信処理部
４ 基本波用帯域通過型フィルタ
５ 高調波用帯域通過型フィルタ
６ Ｂモード処理部
９ デジタルスキャンコンバータ
１０ 表示部
１３ 入力部
１４ 超音波診断装置本体
１５ ケーブル
５０ 無機圧電素子アレイ
５０ａ〜５０ｕ 無機圧電素子
５１ 有機圧電素子アレイ
５１ａ〜５１ｕ 有機圧電素子
５２ 増幅器
５３ 切替手段
５３ａ〜５３ｕ スイッチ
５６ 信号線
５７ 切替制御信号線
６９ 第１電極
７０ 第２電極
７４ 第３電極
７５ 第４電極
９６ 記憶部
９８ ＣＰＵ
９９ 制御部
１００ 超音波診断装置

Claims (5)

1. 無機材料から成る複数の無機圧電素子と、有機材料から成る複数の有機圧電素子と、前記超音波を受信したそれぞれの前記有機圧電素子が発生する受信信号を増幅する複数の増幅器と、超音波診断装置本体と接続するための複数の信号線への接続部をそれぞれ備えた切替手段とを有する超音波探触子と、
   前記信号線を介して前記無機圧電素子または前記有機圧電素子を駆動する駆動信号を送信する送信手段と、
   前記信号線を介して前記受信信号を受信する受信手段と、
   前記切替手段の接続形態を切り換える切替制御信号を送信し、前記切替手段を制御する制御手段と、を有する超音波診断装置であって、
   前記切替手段は、前記無機圧電素子と前記接続部との間を直接接続する接続形態と、前記有機圧電素子と前記接続部との間を直接接続する接続形態と、前記有機圧電素子と前記接続部との間を前記増幅器を介して接続する接続形態と、を切り替えて接続する機能を有し、
   前記制御手段は、
   超音波の送信を前記無機圧電素子で行い、超音波の受信を前記無機圧電素子で行う第１のモードと、
   超音波の送信を前記無機圧電素子で行い、超音波の受信を前記有機圧電素子で行う第２のモードと、
   超音波の送信を前記有機圧電素子で行い、超音波の受信を前記有機圧電素子で行う第３のモードとを設定可能であり、各モードに応じて前記切替手段を制御することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記無機圧電素子と前記有機圧電素子は積層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。
3. 前記第２のモードでは、前記無機圧電素子から送信された超音波の高調波を前記有機圧電素子で受信することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記第３のモードで前記有機圧電素子から送信する超音波は、前記第１のモードで前記無機圧電素子から送信する超音波よりも周波数が高いことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波診断装置。
5. 深度が浅い領域では前記第３のモードで超音波の送受信を行い、深度が深い領域では前記第２のモードで超音波の送受信を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の超音波診断装置。

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