JPH0323849A - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業」二の利用分野〕 本発明は、複数の周波数の超音波を送受信可能とした広
帯域超音波探触子およびこの超音波探触子を用いた超音
波診断装置に関する。

〔従来の技術〕

超音波診断は、現在その簡便性、安全性および経済性の
高い画像診断法として広く普及しており、検査の対象も
、ほぼ全身に渡ってきている。しかしながら、特に生体
の検査では、検査の対象により周波数が異なるため、検
査の対象別に超音波探触子が多品種必要である。例えば
生体の浅い部分の検査には、高い周波数（５〜１０ＭＨ
ｚ）の探触子を選択し、深い部分の検査には、低い周波
数（３．５〜５ＭＨｚ）の探触子を選択するというよう
に、超音波探触子を検査の対象によって使い分ける不便
さが伴っている。したがって、１本の探触子で低い周波
数から高い周波数まで送受信できる広帯域のものが強く
望まれている状況にある。

現在までにも複数の周波数を送受信できる超音波探触子
がいくつか発明されている。それらには、例えば共振周
波数の異なる圧電振動子を積層するタイプ（特開昭５８
−７３８６１号公報、特開昭６　：３−１　７　２　６
　０　０号公報、特開昭６　３−１　７　３９５４号公
報、特開昭６１−１７５７６１号公報等）や音響整合層
を工夫しているタイプ（特開昭６３−２５５０４４号公
報）、あるいは共振周波数の異なる圧電振動子を交互に
配列するタイプ（特開昭６１−６　８　０　０　０号公
報）等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、いずれの方式も、複雑で製造が困難であ
ったり、あるいは周波数の応答する帯域が狭いというよ
うな欠点を有している。

例えば積層タイプは、周波数の異なる数だけ圧電振動子
を積層する必要があり、製造上複雉であり、また、経済
性も悪い。さらに特性についても共振周波数の異なる圧
電振動子が超音波の送受信方向に積層されているので、
お互いに圧電振動子が送受信の際に超音波伝播に対して
妨害を与えるように作用して良好な結果は得られ難い。

また、音響整合層を工夫したタイプも、圧電振動子の帯
域以上の広帯域化は望めず、特性的には満足なものが得
られ難い。

そして、共振周波数の異なる圧電振動子を交互に配列す
るタイプは、アレイ型の超音波探触子として使用できる
が、１つの周波数の振動子の配列密度が低くなる。その
ため、アレイ型探触子として最も重要な配列密度を高く
し、できる限りクレイテインクローブを抑圧した指向性
の高い送受信の超音波音場を形戊するという原理、原則
に矛盾し、特性の劣化をもたらすものとなる。

そこで、上記の方式とは別の方式として、圧電振動子の
厚さを走査方向に対して直角方向に連続的に変化させて
、共振周波数がこの方向に連続的に可変となるアレイ型
の探触子も発明されている（特開昭５８−２２０４０号
公報）。しかし、この方式も、このような圧電振動子を
製造する際の困難さが大きく、実用化が難しい。

本発明は、上記状況に鑑みて発明されたものであり、製
造」二の困難さも比較的少なく、また周波数帯域の幅が
広く、特性も良好であり、あらゆる方式の超音波探触子
に適用できる広帯域な超音波探触子を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、圧電体の背面に背面体を有する超
音波探触子において、前記背面体を、前記圧電体の音響
インピーダンスより低い音響インピーダンスを有する背
面体と前記圧電体の音響インピーダンスより高い音響イ
ンピーダンスを有する背面体に区分して配置したことを
特徴とするものである。

また、前記低い音響インピーダンスを有する背面体を前
記圧電体の背面の中央部イ」近に配置し、前記高い音響
インピーダンスを有する背面体を前記圧電体の背面の周
辺部付近に配置したことを特徴とし、さらに、前記圧電
体の開口に対して前記中央部付近の開口を約半分にした
ことを特徴とする。あるいは、前記音響整合層の厚さは
、前記高い音響インピーダンスを有する背面体の配置側
が前記低い音響インピーダンスを有する背面体の配置側
よりも厚くしたことを特徴とする。

そして、前記の超音波探触子を用いた超音波診断装置と
しては、２つの共振周波数による断層像を採取し合或処
理する手段を備えたことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の超音波探触子及び超音波診断装置では、超音波
探触子として、背面体を、圧電体の音響インピーダンス
より低い音響インピーダンスを有する背面体と圧電体の
音響インピーダンスより高い音響インピーダンスを有す
る背面体に区分して圧電体の背面に配置するので、それ
ぞれ前者の区分ではλ／２共振により、また、後者の区
分ではλ／４共振により異なる周波数で共振が得られる
。

したがって、超音波診断装置にこの超音波探触子を用い
ることにより１つの超音波探触子で２つの周波数の断層
像を得ることができると共にその合或断層像を得ること
ができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明す
る。

第１図は本発明に係る超音波探触子の１実施例を示す図
、第２図は本発明に係る超音波探触子の原理を説明する
ための図である。図中、１、１′は電極、５は負荷、１
０と１５は圧電振動子、２０、２５、２７と２８は音響
整合層、３０と３３は背面材、４０、４５と５０は音響
反射板、８０は探触子を示す。

第１図において、同図（ａ）は探触子８０の横断面図、
同図（ｂ）は正面図を示し、探触子８０は、圧電振動子
１０の負荷（生体）５側に電極１′を挟んで音響整合層
２８を、反対側に電極１を挟んで環状に形成した音響反
射板５０および背面材３０を配置したものである。した
がって、同図（ｂ）に示すように円形の圧電振動子１０
に対して、環状に形或した音響反射板５０が周辺部領域
已に配置され、中央付近領域Δに背面体３０が配置され
る。なお、音響インピーダンスは、それぞれ振動子１０
がＺ。、背面材３０が２　３０、音響反射板５０がＺ　
ｓｏであるとすると、Ｚ　３ｏ＜　Ｚ　ＩＯＮ　Ｚ　ｓ
ｏ＞　Ｚ　ｔｏの関係にある。つまり、背面材３０は、
圧電振動子１０の音響インピーダンスより低い音響イン
ピーダンスを有する背面体であり、逆に音響反射板５０
は、圧電振動子１０の音響インピーダンスより高い音響
インピーダンスを有する背面体である。このようにする
と、圧電振動子１０の中央付近領域Ａはλ／２共振（λ
：波長）で振動し、周辺部領域Ｂはパ／４共振で振動す
る。したがって、探触子８０全体としてみれば、中央付
近領域Ａは、周辺部領域Ｂと比べて２倍の周波数で超音
波を負荷５へ向けて送信し、負荷５よりエコーとして戻
ってきた超音波を受信することができる。

ところで、超音波の性質として、振動子の開口が小さく
なっても周波数が高くなる程指向性が高くなる傾向があ
る。いま、超音波の直進からのずれの角度、すなわち発
散角をθとすると、中央付近領域八の開口Ｄと、超音波
の周波数ｆとの間には、 θξｆ−Ｄ の関係がある。そのため、超音波の周波数ｆを２倍にす
れば開口Ｄは半分でも同じ指向性（同じ発散角度θ）が
得られる。したがって、第１図の最も好ましい実施例は
、周辺部領域Ｂの直径をＤＢ、中央付近領域Ａの直径を
ＤＡとすると、ＤＢ−２・ＤＡ となるように音響反射板５０を設定すればよい。

次に上記本発明に係る超音波探触子の原理を第２図によ
り説明する。

同図（ａ）は、円形の圧電振動子ｌＯ１同形状の音響整
合層２０および背面材３０により構威した、λ／２共振
と呼ばれている超音波探触子の断面図である。この超音
波探触子では、背面材３０の音響インピーダンス２　３
０と圧電振動子１０の音響インピーダンスＺ　１０との
関係が２１０＞２３０のとき、圧電振動子１０の厚さが
波長λの１／２となるような周波数ｆで共振し、このｆ
を中心周波数としてある程度の狭い帯域幅『±△ｆを有
する。この場合、音響整合層２０の音響インピーダンス
２２０は、圧電振動子１０の音響インピーダンスＺ　Ｉ
Ｑと負荷（検体）５の音響インピーダンスＺ５との間、
つまり、Ｚ，。〉Ｚ２ｏ＞ｚ５の範囲で選ばれ、通常λ
５／４に選択される。ここで、λ２ｏは音響整合層中の
波長であり、音響整合層中の音速をＣ　２０とすると、
ス，。−Ｃ２ｏ／ｒの関係にある。

同図（ｂ）は、２／４共振と呼ばれている超音波探触子
の断面図であり、同図（ａ）に示した超音波探触子と異
なる点は、圧電振動子１５の厚さが同図（ａ）に示した
圧電振動子１０の厚さの半分、ずなわちλ／４に設定さ
れている点である。さらに、背面材３３と振動子１５の
間には、音響反則板４０が存在しており、その音響イン
ピーダンスＺ　４０は、Ｚ　４　０　＞Ｚｌ　５に選ば
れている。背面利３３は、音響反対板４０を保持ずるた
めのものである。したがって、同図（ｂ）に示す超音波
探触子も、同図（ａ）に示す超音波探触子と同じ共振周
波数ｆとなる。

上記のようにλ／４共振方式は、λ／２共振方式に比べ
て半分の厚さの振動子で同一の周波数を送受信できる。

したがって、高分子系の圧電振動子のように製造上あま
り厚い振動子が形或できない場合にはλ／４共振方式が
よく採用されるが、逆にセラミック系の圧電振動子のよ
うにあまり薄い振動子が製造できない制料の場合には、
λ／２共振方式の方が有利となるためよく採用されてい
る。

第２図（Ｃ）は、同図（ｂ）と同じ構戊の探触子の断面
図であるが、圧電振動子１０は、同図（ａ）のものと同
じで同図（ｂ）の圧電振動子１５の厚さの２倍に設定さ
れている。しかし、この圧電振動子１０は、１１ 音響反射板４５　（２４５＞Ｚｌ。）の存在により、同
図（ｂ）と同様、λ／４共振となり、圧電振動子１０の
厚さが圧電振動子１５の厚さの２倍あるので、共振周波
数は、同図（ｂ）に比べて半分の低い周波数ｆ／２とな
る。

つまり、同図（ａ）と（Ｃ）とを比べると明らかなよう
に同じ圧電振動子の厚さでも、λ／２共振の場合と、背
面に圧電振動子より音響インピーダンスの高い音響反射
板４５があるλ／４共振の場合では、その共振周波数は
全く異なり、λ／２共振はλ／４共振の２倍の周波数で
共振し、超音波を送受信することになる。本発明の第１
図に示す実施例は、上記第２図（ａ）と（Ｃ）とを絹み
合わせたものであり、同図（Ｃ）における音響反射板４
５を第１図に示すように環状にしたものである。

第３図および第４図は本発明に係る超音波探触子の他の
実施例を示す図である。

第３図に示す例は、音響整合層６０について、λ／４共
振の周辺部領域Ｂの方の厚さをλ／２共振の中央付近領
域べの厚さｔの２倍になるように１２ することによって、周辺部領域Ｂでは、長い波長の周波
数が良く透過し、また、中央付近領域八では、短い波長
の周波数が良く透過するようにしたものである。

第４図に示す例は、アレイ型の超音波探触子であり、圧
電振動子１００は、各々アレイ状に配列されており、走
査方向と直角方向に於いて中央部の背面には背面材を設
け（図示省略）、両端部付近の背面には音響反射板５０
０を形威したものである。また、音響整合層６００は、
第３図に示した実施例同様、中央部にいく程高い周波数
を良く透過させるよう厚さを工夫してある。

第４図のアレイ型超音波探触子は、走査方向と直角方向
に於いて、中央部イ１近は両端部付近の２倍の高い周波
数を送受信できるわけである。例えば従来腹部で主とし
て用いられている３．５１ＶＨ｛Ｚに両端部付近の共振
周波数を選べば、中央部イ１近は、２倍の７ＭＨｚとな
り、生体の浅い部分（乳腺等）の診断に極めて有効であ
る。

次に本発明に係る超音波探触子を使用した超音波診断装
置の例を説明する。

第５図および第６図は本発明に係る超音波探触子を使用
した超音波診断装置の実施例を示す図である。

第５図において、探触子２００は、２つの共振周波数ｆ
および２ｆを持ち、送信回路３００および３５０は、探
触子２００に対応して各々の共振波形を作るものである
。操作部８００は、オペレタの摸作信号を受け付け処理
するものであり、例えば検査の対象部位に適した周波数
ｆあるいは２ｆのいずれかをオペレータの摸作入力によ
り選択する。制御部９００は、摸作部８００で入力され
た操作指令により各回路の動作を制御するものであり、
操作部８００で周波数が選択されると、その周波数の送
信回路３００あるいは３５０を作動させる。その結果、
探触子２００より選択された周波数の超音波が送信され
る。受信回路４００は、被検査対象よりのエコーを受信
するものであり、Ａ／Ｄ変換部５００は、この受信回路
４００で受信された信号をデシタル信号に変換するもの
である。このデジタル信号を記憶するのがメモリ部６０
０であり、そして、メモリ部６００に記憶されたデータ
が表示部７００により断層像として展開される。

受信回路４００は、２つの周波数ｆおよび２ｆに対して
受信特性の合った広帯域の回路を使用してもよいし、各
々の周波数に合った２組の受信回路４００および４５０
　（図示省略）を用意し、制御部９００からの指令でこ
れらの受信回路４００あるいは４５０の適した周波数特
性を持つ回路の方を選択して使用するようにしてもよい
。

第６図に示す例は、複数のメモリ部６００、６５０、６
８０を有し、それぞれの周波数による断層像を得、これ
らを紹み合わせ処理して表示できるようにしたものであ
る。その手順を簡単に説明すると、まず、送信回路３０
０を作動させて周波数ｆの超音波を探触子２００より送
信し、受信回路４００、Ａ／Ｄ変換部５００を通してメ
モリ部６００に深い部位の断層像データを記憶する。同
様に、送信回路３５０を作動させて周波数２ｆの１５ 超音波を探触子２００より送信し、受信回路４００、Ａ
　／　Ｄ変換部５００を通してメモリ部６５０に浅い部
位の断層像データを記憶する。次に、メモリ部［ｉ　０
　０および６５０に記憶された２つの断層像データを合
成しｌつの完成された断層像データを生戊してメモリ部
６８０に記憶し、これを表示部７００に展開する。この
ように浅い部位に対しては高い周波数２１のエコーで断
層像を採取し、また、深い部位に対しては低い周波数ｆ
のエコーで断層像を採取することによって検査の深度に
適した各々の周波数による断層像を採取すると共に、こ
れらの断層像を合ｙ戊ずることによって１つの断層像と
して表示部７００に展開可能とするものである。

なお、本発明は、前記の実施例に限定されることなく、
その要旨を変更しない範囲において種々変更し得ること
は勿論である。例えば実施例では、周辺部領域に高い音
響インピーダンスを有する音響反射板を配置し、中央付
近領域に低い音響インピーダンスを有する背面材を配置
したが、中央と■６ 周辺でなく２分するように一方と他方に区分してもよい
。また、第６図に示す実施例では、それぞれの断層像を
合或して表示部に展開する場合には、画面を分割しある
いはウインドウを設けて２つの断層像を並べるようにし
たり、重ね合わせるようにして断層像を合或してもよい
。また、断層像を記憶するために３つのメモリ部を備え
る構威を示したが、２つのメモリ部により一方にオーハ
ライト処理して同様の断層像を得るようにしてもよいし
、１つのメモリ部で２回目のデータ記憶時に１回目に記
憶したデータと演算処理を行って同様の断層像を得るよ
うにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、１本
の超音波探触子において、１つの圧電振動子の背面体（
負荷）の配置を工夫してλ／２共振モードとλ／４共振
モードとを混在させるようにしたので、製造上の困難性
もなく簡便に製造でき、特性も良好な広周波数帯域をも
つ超音波探触子を実現することができる。しかも、検査
対象の広範囲の深度にわたって分解能およびＳ／Ｈのよ
い超音波断層像を得ることができる。

また、本発明によれば、１つの超音波探触子で２つの周
波数の断層像を得ることができるので、異なる周波数に
対するエコー信号の性質の差を利用して生体組織の特性
化（Ｔ　Ｃ　；　Ｔ　ｉｓｓｕｅ　Ｃ　ｈａｒａｃｔｅ
ｒｉｚａｔｉｏｎ）を行うような処理が可能である。例
えば組織の減衰係数を求めることも可能となり、正常組
織と例えば癌組織の分別が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波探触子の１実施例を示す図
、第２図は本発明に係る超音波探触子の原理を説明する
ための図、第３図および第４図は本発明に係る超音波探
触子の他の実施例を示す図、第５図および第６図は本発
明に係る超音波探触子を使用した超音波診断装置の実施
例を示す図である。 １、１′・・・電極、５・・負荷、１０と１５・・圧電
振動子、２０、２５、２７と２８・・・音響整合層、３
０と３３・・・背面材、４０，４５と５０・音響反射板
、 ８０・・・探触子。 出 願 人 テルモ株式会社

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体の背面に背面体を有する超音波探触子であ
   って、前記背面体を、前記圧電体の音響インピーダンス
   より低い音響インピーダンスを有する背面体と前記圧電
   体の音響インピーダンスより高い音響インピーダンスを
   有する背面体に区分して配置したことを特徴とする超音
   波探触子。
2. （２）前記低い音響インピーダンスを有する背面体を前
   記圧電体の背面の中央部付近に配置し、前記高い音響イ
   ンピーダンスを有する背面体を前記圧電体の背面の周辺
   部付近に配置したことを特徴とする請求項１記載の超音
   波探触子。
3. （３）前記圧電体の開口に対して前記中央部付近の開口
   を約半分にしたことを特徴とする請求項２記載の超音波
   探触子。
4. （４）前記圧電体の前面に音響整合層を有し、該音響整
   合層は、前記高い音響インピーダンスを有する背面体の
   配置側が前記低い音響インピーダンスを有する背面体の
   配置側よりも厚くしたことを特徴とする請求項１記載の
   超音波探触子。
5. （５）圧電体の背面に背面体を有し前面に音響整合層を
   有すると共に、前記背面体を、前記圧電体の音響インピ
   ーダンスより低い音響インピーダンスを有する背面体と
   前記圧電体の音響インピーダンスより高い音響インピー
   ダンスを有する背面体に区分し配置してなる超音波探触
   子を用いた超音波診断装置であって、２つの共振周波数
   による断層像を採取し合成処理する手段を備えたことを
   特徴とする超音波診断装置。