JP5702326B2

JP5702326B2 - 超音波プローブおよびそれを備える超音波診断装置

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Publication number: JP5702326B2
Application number: JP2012080793A
Authority: JP
Inventors: 大澤　敦; 敦大澤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: EP2832295A1; US20150018688A1; EP2832295A4; JP2013208295A; WO2013145466A1; CN104244836A

Description

この発明は、超音波プローブおよびそれを備える超音波診断装置に係り、特に、診断装置本体に接続され、超音波の送受信を行う超音波プローブに関する。

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、超音波プローブのアレイトランスデューサから被検体内に向けて超音波ビームを送信し、被検体からの超音波エコーをアレイトランスデューサで受信して、その受信信号を診断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。

特許文献１には、超音波振動子と、超音波振動子に対して信号線を介して接続された送受信部との間に、直列接続されたインダクタ素子と並列接続されたキャパシタ素子とを含むことでインピーダンス整合を行う整合部を備える超音波診断装置が開示されている。
また、特許文献２および特許文献３には、異なる深さから反射してくる反射波を最良の状態で受信するために同調周波数を可変とすることができる超音波診断装置が開示されている。
このような超音波診断装置によれば、インピーダンス整合によって同調周波数を変更することで焦点深度に応じた最適な受信信号を得ることができる。

特許第３７０２２５９号公報特開平６−２２５８８１号公報特開昭６３−２２１２４１号公報

しかしながら、従来の超音波診断装置では、上述のとおり診断の部位や深さ等に応じてインピーダンス整合が行われているものの、個々の超音波トランスデューサは、正面方向に放射した場合の超音波エコーの特性しか考慮されておらず、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサにおける個々のトランスデューサの配列位置の相違、つまり、それぞれの超音波トランスデューサに対する超音波エコーの入射角度の相違に起因する超音波画像の画質の低下については、何ら考慮されていなかった。

本発明の目的は、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサに対する超音波エコーの入射角度の相違に起因する超音波画像の画質の低下を補償することができる超音波プローブおよびそれを備える超音波診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波プローブは、診断装置本体に接続され、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサによって超音波の送受信を行うことで受信信号を生成し、診断装置本体へ伝送する超音波プローブであって、複数の超音波トランスデューサに接続され、受信信号の伝送経路中に所定のマッチング周波数を有する複数のインピーダンスマッチング要素を備え、複数のインピーダンスマッチング要素は、対応する超音波トランスデューサのアレイ内における配列位置に起因する超音波の送受信の角度の影響を低減するために、それらのマッチング周波数が、対応する超音波トランスデューサのアレイ内における配列位置が中心によるほど高くなるような分布を有する。

また、インピーダンスマッチング要素は、少なくとも１つのインダクタまたはキャパシタを、直列または並列に接続することで構成されることができる。

超音波プローブは、複数の超音波トランスデューサを備えるプローブ本体と、プローブ本体と診断装置本体とを接続するケーブルと、ケーブルを診断装置本体に連結するコネクタとからなり、インピーダンスマッチング要素は、コネクタの内部に設置されることが最も好ましく、また、インピーダンスマッチング要素は、プローブ本体の内部に設置されることが好ましく、なお、インピーダンスマッチング要素は、ケーブルの内部に設置されてもよい。

また、本発明に係る超音波診断装置は、上述の超音波プローブと、超音波プローブが接続された診断装置本体と備える。

本発明によれば、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサの配列位置に起因する個々の受信信号の中心周波数のズレの影響を補償することができるため、高画質な超音波画像を取得することができる。

この発明の実施の形態１に係る超音波プローブの内部構成を示すブロック図である。被検体内の反射点と超音波プローブの個々の超音波トランスデューサとの位置関係を模式的に示す図である。実施の形態１に係る超音波プローブの個々の超音波トランスデューサの設置位置と対応するインピーダンスマッチング要素のマッチング周波数との関係を示すグラフである。（Ａ）〜（Ｆ）は、実施の形態１に係る超音波プローブの伝送経路中に設置されるインピーダンスマッチング要素の一例を示す図である。超音波プローブに接続される診断装置本体の内部構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る超音波プローブの内部構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２の変形例に係る超音波プローブの内部構成を示すブロック図である。図７の超音波プローブに接続される診断装置本体の内部構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３に係る超音波プローブの内部構成を示すブロック図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係る超音波プローブ４の構成を示す。超音波プローブ４は、診断装置本体５とコネクタ３Ａおよび３Ｂを介して接続され、超音波診断装置を構成する。
超音波プローブ４は、例えば、１次元のアレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎからなるアレイトランスデューサ１１を有するプローブ本体１と、プローブ本体１に接続され、プローブ本体１と診断装置本体５とを接続するケーブル２と、ケーブル２を診断装置本体５のコネクタ３Ｂに連結するコネクタ３Ａとを備える。なお、ケーブル２は、プローブ本体１に対しては接続固定されているが、診断装置本体５に対しては、コネクタ３Ａ、３Ｂを介して着脱可能に接続されている。
また、複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎは、伝送経路６によってそれぞれが独立して診断装置本体５と接続されており、個々の伝送経路６の途中、コネクタ３Ａ内部にインピーダンスマッチング要素７がそれぞれ設置される。

複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎは、個々の伝送経路６を通じて送信回路１２から供給される駆動信号に従って超音波を送信すると共に被検体からの超音波エコーを受信して受信信号を出力する。各超音波トランスデューサａｋ（ｋ＝１〜２ｎ）は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電素子、ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体）に代表される圧電単結晶等からなる圧電体の両端に電極を形成した振動子によって構成される。

そのような振動子の電極に、パルス状または連続波の電圧を印加すると、圧電体が伸縮し、それぞれの振動子からパルス状または連続波の超音波が発生して、それらの超音波の合成により超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することにより伸縮して電気信号を発生し、それらの電気信号は、超音波の受信信号として出力される。

図２に、プローブ本体１のアレイトランスデューサ１１と被検体内の所定の反射点Ｒとの位置関係を示す。アレイトランスデューサ１１の複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎが１次元状に配列されると共に、互いに平行な音響放射面１１Ｓを有し、１つの反射点Ｒがこれら複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎの音響放射面１１Ｓに対向して位置している。このため、反射点Ｒと各超音波トランスデューサａｋにおける音響放射面１１Ｓのなす角度は、超音波トランスデューサａｋ毎に異なったものとなる。ここで、超音波トランスデューサａｋにおける音響放射面１１Ｓのなす角度θｋ（ｋ＝１〜２ｎ）は、超音波トランスデューサａｋの音響放射面１１Ｓと反射点Ｒとを結ぶ直線と、音響放射面１１Ｓにおける法線との間に形成される角度で表される。なお、超音波トランスデューサａｋにおける音響放射面１１Ｓのなす角度θｋは、超音波トランスデューサａｋに対する反射点Ｒからの超音波エコーの入射角度でもある。そして、反射点Ｒが、アレイトランスデューサ１１の中心線上にあるとすると、中心線に対して対称な位置にある超音波トランスデューサは互いに等しい大きさの超音波エコーの入射角度を持つ。すなわち、超音波トランスデューサａ１とａ２ｎ、ａ２とａ（２ｎ−１）、ａ３とａ（２ｎ−２）、・・・、ａｎとａ（ｎ＋１）とは互いに等しい大きさの超音波エコーの入射角度を持つ。

このように、反射点Ｒから戻ってくる超音波エコーの入射角度θｋが超音波トランスデューサａｋ毎に異なることから、それぞれの超音波トランスデューサａｋで得られる受信信号は、超音波エコーの入射角度θｋに応じて異なる中心周波数を有する。一般的に、超音波エコーの入射角度θｋが大きくなるほど、超音波トランスデューサａｋにおいて得られる受信信号の中心周波数は低くなる。

中心周波数の異なる受信信号をそのまま位相整合して音線信号を生成したのでは、超音波画像の画質の低下を招く。よって、超音波プローブ４においては、超音波トランスデューサａｋからの個々の受信信号における中心周波数のズレの影響を補償するために、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎに対して、コネクタ３Ａ内であって、個々の伝送経路６中に設置される複数のインピーダンスマッチング要素７が、図３に示すようなマッチング周波数の分布を備えるように調整される。なお、上述のとおり、反射点Ｒを通るアレイトランスデューサ１１の中心線に対して対称な位置にある超音波トランスデューサは互いに等しい大きさの超音波エコーの入射角度を備えるため、図３に示すマッチング周波数の分布も中心に対して対称な分布を備える。
実施の形態１の超音波プローブ４は、個々の受信信号の伝送経路６中に設置された複数のインピーダンスマッチング要素７が、超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎの配列位置に対応した周波数分布を備え、個々のインピーダンスマッチング要素７によって個々の受信信号における中心周波数のズレの影響が補償されるため、診断装置本体５と接続されて画質の高い超音波画像を生成することができる。

なお、インピーダンスマッチング要素７は、電気的インピーダンスを調整するもので、例えば、図４（Ａ）のように、個々の伝送経路６中にインダクタを直列接続したものでもよく、また、図４（Ｂ）のように、キャパシタを並列接続したものでもよく、また、図４（Ｃ）のようにキャパシタを直列接続したものでもよく、図４（Ｄ）のように、並列接続したキャパシタとインダクタとを直列接続したものでもよい。
また、さらに、図４（Ｅ）に示すように、主に受信感度の向上を目的とし、振動子側の電気的インピーダンスが高い場合に用いられるΠ型マッチングや、図４（Ｆ）に示すように、主に受信感度の向上を目的とし、振動子側の電気的インピーダンスが低い場合に用いられるＴ型マッチングなどが用いられてもよい。
超音波トランスデューサａｋからの受信信号が対応するインピーダンスマッチング要素７を通ることで、それぞれの受信信号の中心周波数のズレの影響が補償される。

次に、診断装置本体５の内部構成を図５に示す。
診断装置本体５は、プローブ本体１の複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎと個々の伝送経路６を介して接続される送信回路１２および受信回路１３を備える。
また、診断装置本体５は、受信回路１３に接続される信号処理部１７を有し、この信号処理部１７に、ＤＳＣ（Digital Scan Converter）１８、画像処理部１９、表示制御部２０および表示部１６が順次接続されている。また、画像処理部１９には、画像メモリ２１が接続され、信号処理部１７、ＤＳＣ１８、画像処理部１９および画像メモリ２１により画像生成部２２が形成されている。
さらに、送信回路１２および受信回路１３、信号処理部１７、ＤＳＣ１８、ならびに表示制御部２０に制御部２３が接続されており、制御部２３に操作部１５、および格納部２４がそれぞれ接続されている。

図５の送信回路１２は、例えば、複数のパルサを含んでおり、制御部２３からの制御信号に応じて選択された送信遅延パターンに基づいて、図１のアレイトランスデューサ１１の複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎから送信される超音波が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超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎに供給する。

また、図５の受信回路は、各超音波トランスデューサａｋから送信される受信信号を増幅してＡ／Ｄ変換した後、制御部２３からの制御信号に応じて選択された受信遅延パターンに基づいて設定される音速または音速の分布に従い、各受信信号にそれぞれの遅延を与えて加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた受信データ（音線信号）が生成される。

診断装置本体５の信号処理部１７は、受信回路１３で生成された受信データに対し、超音波の反射位置の深度に応じて距離による減衰の補正を施した後、包絡線検波処理を施すことにより、被検体内の組織に関する断層画像情報であるＢモード画像信号を生成する。
ＤＳＣ１８は、信号処理部１７で生成されたＢモード画像信号を通常のテレビジョン信号の走査方式に従う画像信号に変換（ラスター変換）する。
画像処理部１９は、ＤＳＣ１８から入力されるＢモード画像信号に階調処理等の各種の必要な画像処理を施した後、Ｂモード画像信号を表示制御部２０に出力する、あるいは画像メモリ２１に格納する。

表示制御部２０は、画像処理部１９によって画像処理が施されたＢモード画像信号に基づいて、表示部１６に超音波診断画像を表示させる。
表示部１６は、例えば、ＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、表示制御部２４の制御の下で、超音波診断画像を表示する。また、検査時には、必要に応じて検査のためのカーソルやキャリパ等が超音波診断画像に重畳表示される。

操作部１５は、操作者が入力操作を行うため各種の操作ボタンを有している。また、格納部２４は、動作プログラムおよび一連の検査項目を含む検査プログラム等を格納するもので、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＳＤカード、ＣＦカード、ＵＳＢメモリ等の記録メディア、またはサーバ等を用いることができる。
制御部２３は、操作者により操作部１５から入力された各種の指令信号等に基づいて、診断装置本体５内の各部の制御を行う。

なお、信号処理部１７、ＤＳＣ１８、画像処理部１９、表示制御部２０を行わせるための動作プログラムから構成されるが、それらをデジタル回路で構成してもよい。

次に、実施の形態１に係る超音波プローブ４を診断装置本体５に接続した超音波診断装置の動作を説明する。
診断装置本体５にコネクタ３Ａおよび３Ｂを介して超音波プローブ４を接続し、診断装置本体５の電源スイッチを投入することにより、診断装置本体５内および超音波プローブ４内の各部に電力が供給され、超音波診断装置が起動される。

そして、診断装置本体５の送信回路１２からの駆動信号に従って、アレイトランスデューサ１１の複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎから順次超音波ビームが送信され、複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎで受信された受信信号が、個々の伝送経路６中に設置された所定の周波数分布を備える個々のインピーダンスマッチング要素７を通ることで、個々の受信信号の中心周波数のズレの影響が補償され、伝送経路６を介して順次診断装置本体５の受信回路１３に出力されて受信データが生成される。これらの受信データに基づいて診断装置本体５の画像生成部２２で画像信号が生成され、さらに、画像信号に基づいて表示制御部２０により超音波画像が表示部１６に表示される。
なお、上述の受信信号は、上述のとおりコネクタ３Ａにそれぞれ設置された超音波トランスデューサａｋの配列位置に対応するインピーダンスマッチング要素７によって、それぞれの中心周波数のズレの影響が補償されているため、高画質な超音波画像を得ることができる。

実施の形態１では、複数の受信信号における中心周波数のズレの影響を対応するインピーダンスマッチング要素７が所定のマッチング周波数の分布を備えることで補償しているが、インピーダンスマッチング要素７の設置位置を超音波プローブ４のコネクタ３Ａ内としているため、プローブ本体１の小型化を図ることができ、超音波プローブ４自体の操作が容易となる。

実施の形態２
図６に、実施の形態２に係る超音波プローブ４１の構成を示す。この超音波プローブ４１は、図１に示した実施の形態１の超音波プローブ４において、インピーダンスマッチング要素７をコネクタ３Ａ内でなく、プローブ本体１内に設置したものであり、その他の構成は実施の形態１の超音波プローブ４と同様である。
このように、アレイトランスデューサ１１の複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎにそれぞれ接続されるインピーダンスマッチング要素７をプローブ本体１内に配置しても、実施の形態１と同様の動作が行われ、個々の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎにおける中心周波数のズレの影響を補償して、高画質の超音波画像を得ることが可能となる。

さらに、実施の形態２の変形例として図７に示すように、実施の形態１では診断装置本体５内に設置されていた送信回路１２および受信回路１３をもプローブ本体１内に配置した超音波プローブ４２を構成することもできる。
この場合、超音波プローブ４２は、図８に示されるような診断装置本体５１に接続されて使用される。この診断装置本体５１は、図５に示した診断装置本体５において、送信回路１２および受信回路１３を省略したものである。
この超音波プローブ４２では、アレイトランスデューサ１１の複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎで得られた受信信号がそれぞれインピーダンスマッチング要素７を介して受信回路１３に入力され、受信回路１３でデジタル化された信号が診断装置本体５１に伝送されることとなる。すなわち、デジタル式の超音波プローブ４２が構成される。

実施の形態３
図９に、実施の形態３に係る超音波プローブ４３の構成を示す。この超音波プローブ４３は、図１に示した実施の形態１の超音波プローブ４において、インピーダンスマッチング要素７をコネクタ３Ａ内でなく、ケーブル２内に設置したものであり、その他の構成は実施の形態１の超音波プローブ４と同様である。
このように、アレイトランスデューサ１１の複数の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎにそれぞれ接続されるインピーダンスマッチング要素７をケーブル２内に配置しても、実施の形態１と同様の動作が行われ、個々の超音波トランスデューサａ１〜ａ２ｎにおける中心周波数のズレの影響を補償して、高画質の超音波画像を得ることが可能となる。

また、上記の実施の形態１および２では、超音波プローブ４、４１と診断装置本体５とが互いにケーブル２を介して接続され、また、超音波プローブ４２と診断装置本体５１とが互いにケーブル２を介して接続されていたが、これに限るものではなく、プローブ本体１が診断装置本体５、５１に無線接続されていてもよい。

以上、本発明の超音波プローブおよびそれを備える超音波診断装置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るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。

１プローブ本体、２ケーブル、３Ａ、３Ｂコネクタ、４超音波プローブ、５診断装置本体、６伝送経路、７インピーダンスマッチング要素、８表示部、９タッチパネル、１１アレイトランスデューサ、１１Ｓ音響放射面、１２送信回路、１３受信回路、１５操作部、１６表示部、１７信号処理部、１８ＤＳＣ（Digital Scan Converter）、１９画像処理部、２０表示制御部、２１画像メモリ、２２画像生成部、２３制御部、２４格納部、ａ１〜ａ２ｎ超音波トランスデューサ。

Claims

診断装置本体に接続され、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサによって超音波の送受信を行うことで受信信号を生成し、前記診断装置本体へ伝送する超音波プローブであって、
前記複数の超音波トランスデューサに接続され、前記受信信号の伝送経路中に所定のマッチング周波数を有する複数のインピーダンスマッチング要素を備え、
前記複数のインピーダンスマッチング要素は、対応する前記超音波トランスデューサのアレイ内における配列位置に起因する超音波の送受信の角度の影響を低減するために、それらのマッチング周波数が、対応する前記超音波トランスデューサのアレイ内における配列位置が中心によるほど高くなるような分布を有することを特徴とする超音波プローブ。
前記インピーダンスマッチング要素は、少なくとも１つのインダクタまたはキャパシタを、直列または並列に接続することで構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
前記超音波プローブは、前記複数の超音波トランスデューサを備えるプローブ本体と、前記プローブ本体と診断装置本体とを接続するケーブルと、前記ケーブルを前記診断装置本体に連結するコネクタとからなり、
前記インピーダンスマッチング要素は、前記コネクタの内部に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波プローブ。
前記超音波プローブは、前記複数の超音波トランスデューサを備えるプローブ本体と、前記プローブ本体と診断装置本体とを接続するケーブルと、前記ケーブルを前記診断装置本体に連結するコネクタとからなり、
前記インピーダンスマッチング要素は、前記プローブ本体の内部に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波プローブ。
前記超音波プローブは、前記複数の超音波トランスデューサを備えるプローブ本体と、前記プローブ本体と診断装置本体とを接続するケーブルと、前記ケーブルを前記診断装置本体に連結するコネクタとからなり、
前記インピーダンスマッチング要素は、前記ケーブルの内部に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波プローブ。
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波プローブと、前記超音波プローブが接続された診断装置本体とからなる超音波診断装置。