JPWO2001056474A1 - Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus using the same - Google Patents

Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus using the same Download PDF

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JPWO2001056474A1
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大澤　孝也
佐藤　裕
佐野　秀造
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0629—Square array

Abstract

本発明においては、超音波探触子が送受信する超音波の周波数特性の帯域を広げて、ハーモニックイメージング等の変調処理を容易にし良好な三次元超音波画像を形成するために、超音波を送受信する複数の振動子素子を二次元に配列された超音波探触子において、周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が２次元マトリクス状に混在するように配列され、そして、１種類の振動子素子群が有する周波数特性に含まれるある周波数成分に対し、他の種類の振動子素子群が有する周波数特性に含まれるある周波数成分が整数倍であるようにそれらの周波数特性が選択されている。In the present invention, in order to widen the frequency characteristic band of the ultrasonic wave transmitted and received by the ultrasonic probe and facilitate modulation processing such as harmonic imaging and to form a good three-dimensional ultrasonic image, the ultrasonic wave is transmitted and received. In an ultrasonic probe in which a plurality of transducer elements are arranged two-dimensionally, a plurality of transducer elements having different frequency characteristics are arranged so as to be mixed in a two-dimensional matrix. These frequency characteristics are selected such that a certain frequency component included in the frequency characteristics of another type of transducer element group is an integral multiple of a certain frequency component included in the frequency characteristics of the element group.

Description

技術分野
本発明は、被検体の診断部位を超音波を利用して検査するために用いる超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置に関し、特に、広帯域の超音波を送受信することができるように構成された２次元アレー型超音波探触子と、この探触子と組み合わせによってハーモニックイメージングや高分解能で明瞭な３次元画像を取得することができる超音波診断装置に関する。
背景技術
超音波診断装置により取得される診断部位の超音波画像を良好な画像とするためには、反射エコーを受信する超音波探触子の周波数特性を可能な限り広い帯域にすると良いことが知られている。超音波探触子で受信されたエコー信号に対してさまざまな変調処理が行わなければならないが、超音波画像の画質を向上させるためには、上記エコー信号の変調処理がより広いレンジで行われなければならない。そのためには超音波探触子が有する周波数特性の帯域を拡大させることが必要である。
また、近年、超音波画像の画質を向上させるためのハーモニックイメージングと称する超音波撮像技術が用いられている。ハーモニックイメージング技術とは、超音波探触子からある周波数を有する基本波を被検体（生体）内に送信し、被検体内から発生する上記基本波の整数倍（例えば、２倍）の周波数成分を有する高調波の反射エコーを超音波探触子により受信し、超音波診断装置で上記反射エコーを電気信号に変換した後にさまざまな画像処理を行うことにより超音波画像の分解能を向上させ明瞭な画像を形成する技術である。このハーモニックイメージング技術は、マイクロバブル等からなる超音波造影剤を血管を介して生体内部へ投与し、診断部位をコントラストの強調された画像として描出するために用いられる。その理由は、被検体内へ投与されたマイクロバブルが高調波をより強く反射する性質を有していることにある。
このハーモニックイメージング技術を用いて診断部位の超音波画像の画質を向上させることは、振動子素子が２次元に配列された超音波探触子を用いる超音波診断装置にとっても必要となる。このためには、２次元配列振動子を備えた超音波探触子は、基本波の周波数成分と高調波の周波数成分とをカバーする広い帯域の周波数特性を有することが必要とされる。
一方、近年において、被検体の診断部位を立体画像化して表示させる３次元超音波撮像技術が注目されている。３次元超音波撮像技術とは、超音波を送受信する振動子素子を２次元配列された超音波探触子から被検体内へ超音波を送信し、送信された超音波が診断部位で反射されたエコーを探触子で受信し、この受信されたエコー信号を信号処理するとともに、超音波の送受信方向を変えて被検体内を超音波ビームで走査する動作を被検体内の複数断面に対して行い、上記診断部位の断面を表示する２次元画像を多数形成し、この多数の断面の画像データを用いて診断部位を立体的に表示する３次元画像を表示する技術である。
従来の超音波探触子は広い帯域の周波数特性を有していなかったので、超音波診断装置により取得された診断部位の３次元画像は分解能が低く、画質が良好ではなかった。そのため、３次元超音波撮像技術の分野においても上記のハーモニックイメージング技術を適用することにより、高分解能を有した、かつ明瞭な３次元超音波画像を取得できる技術が待望されていた。３次元超音波撮像技術へハーモニックイメージング技術を適用するためには、前記２次元超音波探触子が基本波の周波数成分と高調波の周波数成分とをカバーする広い帯域の周波数特性を有することが要求される。
本発明の第１の目的は、超音波探触子により送受信される超音波の周波数特性の帯域を拡大することにある。
そして、本発明の第２の目的は、ハーモニックイメージングにおける変調処理を容易に行うことができる超音波診断装置を提供することにある。
さらに、本発明の第３の目的は、被検体の診断部位を高分解能を有した、かつ明瞭な３次元画像で表示させることができる超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置を提供することにある。
発明の開示
前記第１の目的を達成するために、本発明による超音波探触子は、超音波を送受信する複数の振動子素子が２次元に配列された超音波探触子において、前記二２次元に配列された複数の振動子素子は、その周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が２次元配列内に混在するように設けられていることを特徴としている。
そして、前記周波数特性が異なる複数種類の振動子素子は、２次元配列の行または列の単位内において混在するように設けられていることが望ましい。
また、前記周波数特性が異なる複数種類の振動子素子は、２次元配列の行または列の単位毎に同一の周波数特性を持ち、行または列単位では混在するように設けられていることが望ましい．
さらに、前記周波数特性が異なる複数種類の振動子の混在する順序が巡回的になされていることが望ましい。
前記第２の目的を達成するために、本発明による超音波探触子では、前記複数種類の振動子素子群は、一種類の振動子素子群が有する周波数特性の帯域に含まれるある
周波数成分に対し、他の種類の振動子素子群が有する周波数特性の帯域に含まれるある周波数成分が整数倍の周波数であることを特徴としている。
そして、前記第２、第３の目的を達成するために本発明による超音波診断装置は、周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ第１の周波数特性を有した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた振動子群とは異なる第２の周波数特性を有した振動子群で受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴としている。
また、本発明の超音波診断装置は、周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ第１の周波数特性を有した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた第１の振動子群と、これとは異なる第２の周波数特性を有した振動子群とで受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴としている。
さらに本発明の、超音波診断装置は、周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ複数種類の周波数特性を有した振動子が混在した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた振動子群のうちの１種類の周波数特性を持つ振動子群のみで受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴としている。
そしてさらに本発明の超音波診断装置は、周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ複数種類の周波数特性を有した振動子が混在した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた振動子群と同じ振動子群を用いて受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴としている。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による超音波探触子の第１の実施形態の概念を示す図である。この超音波探触子は、超音波を用いて被検体の診断部位を画像化する超音波診断装置において、被検体に対して超音波を送信及び受信するもので、複数の振動子素子が２次元に配列された２次元配列振動子１と、この２次元配列振動子１へ超音波を送信させるためのパルス信号を供給する信号線及び２次元配列振動子１で受信されたエコー信号を出力する信号線が形成されているフレキシブル基板２と、前記各振動子素子の背面へ放出される超音波を吸収及び減衰するバッキング材３とを備えている。
ここで、実施形態においては、２次元配列振動子１は周波数特性が異なる振動子素子１ａと振動子素子１ｂとの２種類の振動子が入り混じるように配列されて構成されている。前記２種類の振動子素子１ａ，１ｂは、前記フレキシブル基板２の表面における所定部位に同一方向（２次元の行方向または列方向）にそれぞれ交互に配列されている。そして、各振動子素子１ａ，１ｂの背面にはバッキング材３が設けられている。このように本実施形態の超音波探触子は、２次元の行方向または列方向に交互に配列された振動子素子１ａ，１ｂとバッキング材３とを所定位置に備えたフレキシブル基板２を複数枚積層して構成されている。また、上記フレキシブル基板２の積層方向においても、前記２種類の振動子素子１ａ，１ｂがそれぞれ交互に配列されるように積層されている。
以上のように、本発明の第１の実施形態における超音波探触子は、２種類の振動子素子１ａ，１ｂがフレキシブル基板２上に配列される方向と、フレキシブル基板２が積層される方向との直交する二方向に交互に混在するように配列されて構成されている。
図２は、本発明の第２の実施形態における超音波探触子の概念を示す図である。この実施形態では、複数種類の振動子素子が、４種類の振動子素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄから成り、これら振動子素子は互いに周波数特性が異なるものである。前記４種類の振動子素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、一つのフレキシブル基板２の所定位置に振動子素子１ａが配置され、この素子１ａの隣りに振動子素子１ｂが配置され、またこの素子１ｂの隣りに振動子素子１ｃが配置され、さらにこの素子１ｃの隣りに振動子素子１ｄが配設され、そしてこの素子１ｄの隣りに振動子素子１ａが配置されるというように４種類の振動子素子が巡回的に配列されている。また、４種類の振動子が巡回的に配列されたフレキシブル基板２は、その積層方向においても４種類の振動子素子が順次位置が異なるように複数枚積層されている。このような振動子素子の配列及びフレキシブル基板の積層により、４種類の振動子素子が、いわゆる２次元マトリックス状に混在して配列される。
図３は、本発明の第３の実施形態における超音波探触子の概念を示す図である。この実施形態では、各フレキシブル基板２には４種類の振動子素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのうちの１種類の振動子素子のみが配列される。そして、１種類の振動子素子のみが配列されたフレキシブル基板２が４種類の振動子素子の各々について作成され、それらがその積層方向において４種類の振動子素子の周波数特性が巡回的に変化するように、複数枚積層されている。
この第３の実施形態において、４種類の振動子素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにおける各素子の厚みが異なっても幅と長さが全て同一であれば、各フレキシブル基板２に配列された各素子のピッチは、配列された素子の種類によらず総て同一となる。したがって、直交する２方向に配列された各素子の位置関係は等方的であるので、この探触子を使用して得た信号を画像化処理、例えば３次元画像化するための処理をする際に、素子の位置を算出するための演算処理は必要とされない。つまり、超音波探触子から診断装置本体に送出された電気信号（エコー信号）を演算処理して超音波画像を形成させるための演算処理が複雑化することはない。
以上に説明したように、本発明によれば、、振動子素子の周波数特性の数とその組合せを変えて種々の超音波探触子が形成され得る。それらの組合せは無数に設定することが可能であり、適正な振動子素子を組み合わせることにより用途に応じた多様な超音波探触子が実現され得る。
また、図１乃至図３に示す第１乃至第の実施形態では、リニアアレイ型やフェイズドアレイ型のように振動子の超音波送受信面が平坦なものについて説明したが、本発明はコンベックス型（カーブドリニア）型の超音波探触子などの様々な超音波探触子にも適用することができる。
次に、前記図１乃至図３に示された超音波探触子を構成する振動子素子群の構造を図４を参照して説明する。図４において、前記フレキシブル基板２の所定部位に振動子素子１が配列され、この振動子素子１の下方にはバッキング材３が設けられている。そして、前記振動子素子１の上方には、この振動子素子１から放出された超音波を効率よく生体に伝播させるマッチング層４が設けられている。前記振動子素子１の下面には信号電極５が、前記振動子素子１の上面にはグランド電極６が設けられている。この信号電極５とグランド電極６の間に電圧が印加されると、振動子素子１が振動して超音波が発生される。
ここで、図４から明らかに読み取れるように、前記実施形態では、振動子素子１下面に設けられたバッキング材３は１枚のフレキシブル基板に対しては１個が使用されているが、バッキング材は素子毎に個別に設けられても良い。何故ならば、バッキング材を一体成形するようにすると、振動子素子の周波数特性を素子の厚みによって変化させると仮定したときに、振動子の送受信面を平坦にするためには、バッキング材の振動子取付面を複雑に一体成形する必要が生ずるが、振動子素子毎にバッキング材を設けるようにすれば、バッキング材を複雑な形状にする必要がなくなるからである。
前記フレキシブル基板２は、その母体とされるベースフィルム７と、このベースフィルム７の表面の所定部位に配設された信号パターン８と、上記ベースフィルム７の裏面の所定部位に配設されたグランドパターン９と、このグランドパターン９を覆うようにベースフィルム７の裏面に配設されたカバー層１０とから構成されている。前記信号パターン８の接続部１１及びグランドパターン９の接続部１２は、それぞれ前記信号電極５と前記グランド電極６とへそれぞれ電気的に接続するように半田付けされている。また、このフレキシブル基板２の接続部１１と接続部１２へ振動子素子１の信号電極５とグランド電極６が半田付けによって接続される。そして、信号パターン８とグランドパターン９の間に電圧が印加されると、これらの電極とパターンとの接続によって振動子素子１の上下両面に設けられた信号電極５とグランド電極６の間に電圧が印加され、前記振動子素子１が振動して超音波が発生される。
前述のように、本発明の第１乃至第３の実施形態における超音波探触子は、周波数特性の異なる複数種類の振動子素子群から構成されているが、各振動素子群の周波数特性は、振動子素子１セラミック材料の組成、厚み及び／またはマッチング層４の厚さを変えることによって調整することができる。但し、振動子素子の周波数特性帯域に大きな差をつける場合には、振動子素子の厚み、とりわけ、圧電セラミックの厚みを変えることが望ましいと考えられる。そして、超音波振動子素子の周波数特性の帯域を高く設定したい場合には、振動子素子１及び／またはマッチング層４の厚さを薄くすれば良く、逆に周波数特性の帯域を低く設定したい場合には、振動子素子１及び／またはマッチング層４の厚さを厚くすれば良い。振動子素子１の上下両面に設けられた信号電極５及びグランド電極６の間隔は、振動子素子１の厚さによって変化させられる。
図５は、図４に示されるフレキシブル基板２の正面図である。図５において、フレキシブル基板２は、フレキシブル基板２の母体とされるベースフィルム７と、ベースフィルム７の表面に設けられた信号パターン８と、この信号パターン８を前記振動子素子１の下面に設けられた信号電極５（図４参照）へ電気的に接続させる接続部１１と、前記信号パターン８を診断装置本体と接続するためのケーブルに接続させる信号パターン端部１３と、前記ベースフィルム７の裏面に設けられたグランドパターン（図示せず）の接続部１２とで構成されている。
前記フレキシブル基板２の表面の所定位置には、周波数特性の異なる２種類の振動子素子１ａ，１ｂがそれぞれ交互に配列されている。このような構造を実現するため、フレキシブル基板２の表面に設けられた前記接続部１１と接続部１２との間隔は、図４に示される振動子素子１の上下両面に設けられた信号電極５及びグランド電極６の間隔に合わせて形成される。つまり、振動子素子の周波数特性の帯域を低く設定するときは、振動子素子の厚さは厚くなるので、信号電極５とグランド電極６との間隔は長くなる。逆に、配設される振動子素子の周波数特性の帯域を高く設定するときは、振動子素子の厚さは薄くなるので、信号電極５及びグランド電極６の間隔は短くなる。なお、第１の実施形態の超音波探触子では、周波数特性の異なる２種類の振動子素子１ａ，１ｂが上記フレキシブル基板２の表面の所定位置にそれぞれ交互に配列されるので、接続部１１と接続部１２との間隔は、長短交互に形成される。
このように振動子素子の周波数特性に合わせて形成されたフレキシブル基板２の表面には、接続部１１と接続部１２との間隔に等しい厚みを有した振動子素子がそれぞれ配列され、半田付け等により接続部１１，１２へ接続される。振動子素子をフレキシブル基板上に並べるには、半導体チップ部品等を基板上にマウントする技術を用いて実現することができ、また半田付けはリフロー炉等を用いれば容易に実現可能である。以上のようにして作製されたものを複数枚積層することにより、第１の実施形態による周波数特性が異なる２種類の振動子素子群が直交する二方向に配列されて構成された超音波探触子を作製することができる。
以上、本発明の超音波探触子の第１の実施形態について説明したが、図２、図３に示される第２、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、フレキシブル基板２の表面における接続部１１及び接続部１２の間隔は、振動子素子１の上下両面に設けられた信号電極５及びグランド電極６の間隔に合わせて形成される。
図６は、コンベックス型超音波探触子におけるフレキシブル基板２’の正面図である。このコンベックス型超音波探触子においても、図５に示されるリニアアレイ型用のフレキシブル基板２と同様に、フレキシブル基板２’は、フレキシブル基板２’の母体となるベースフィルム７’と、信号パターン８と、接続部１１，１２と、信号パターン端部１３とから構成されている。なお、上記ベースフィルム７’は上部が円弧状に形成されている。また、上記接続部１１及び接続部１２の配設間隔は振動子素子１の上下両面に設けられた信号電極５及びグランド電極６の間隔に合わせて形成されるが、振動子素子の配列位置を決める接続部１１及び接続部１２の位置は、ベースフィルム７’の上部の円弧に沿うように形成される。このように形成されたコンベックス型のフレキシブル基板２’上に振動子素子が配列されたものを複数枚積層させると、コンベックス型の２次元超音波探触子が形成される。
次に、本発明における超音波探触子の周波数特性について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、本発明の第１の実施形態で用いた周波数特性の異なる２種類の振動子素子１ａ，１ｂ（図１参照）の周波数特性を示すグラフである。このグラフは、２種類の振動子素子１ａ，１ｂが発生する超音波の周波数帯域に対する音響強度の関係を説明するもので、グラフにおける横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸は音響強度である。符号Ａは振動子素子１ａの周波数特性を示し、符号Ｂは振動子素子１ｂの周波数特性を示している。前記２種類の振動子素子１ａ，１ｂにおいて、振動子素子１ａが有する周波数特性Ａに含まれるある周波数成分ｆ１に対し、振動子素子１ｂが有する周波数特性Ｂに含まれるある周波数成分ｆ２は整数倍、例えば２倍の周波数である。このように、前記２種類の振動子素子１ａ，１ｂが有する周波数特性Ａ，Ｂのうちのある成分ｆ１，ｆ２は整数倍の関係を有すようにすることにより、ハーモニックイメージングのための変調処理が容易になり、良好な超音波画像が形成される。また、本発明による超音波探触子は、周波数特性の異なる２種類の振動子素子１ａ，１ｂを備えているので、周波数特性が１種類のみの振動子素子を備えている超音波探触子よりその周波数帯域が広くなる。
次に図８を参照して、本発明の第２、第３の実施形態における超音波探触子の周波数特性を説明する。図８は周波数特性の異なる４種類の振動子素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの周波数特性を示すグラフである。振動子素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの周波数特性をそれぞれ符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示している。図８において、例えば、振動子素子１ａの周波数特性Ａの帯域を２〜４ＭＨｚとし、振動子素子１ｂの周波数特性Ｂの帯域を３〜６ＭＨｚとし、振動子素子１ｃの周波数特性Ｃの帯域を６〜９ＭＨｚとし、振動子素子１ｄの周波数特性Ｄの帯域を８〜１２ＭＨｚと仮定すると、各周波数帯域を重ね合わせることにより、２〜１２ＭＨｚの広い帯域の周波数特性が得られる。このように、周波数特性の異なる４種類の振動子素子群で構成された超音波探触子を用いると、被検体内から得られるエコー信号の帯域もそれに応じて広帯域化される。前記４種類の振動子素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのうち、１種類の振動子素子群が有する周波数特性に含まれるある周波数成分に対し、他の種類の振動子素子群が有する周波数特性に含まれる周波数成分がその整数倍の周波数成分を有すようにすることによりハーモニックイメージングのための変調処理が容易になり、良好な超音波画像が形成される。
以上のように本発明を用いると、周波性特性の異なる複数種類の振動子素子群を組み合わせることにより、用途に応じて超音波探触子の周波数特性を様々に設定することが可能となる。
次に、前述のように構成された超音波探触子を用いた超音波診断装置について説明する。図９は、明の第１の実施形態で説明された超音波探触子を用いた超音波診断装置を示すブロック図である。この超音波診断装置は、複数の振動子素子が２次元に配列され被検体に対し超音波を送受信する探触子２０と、超音波を発生させるためにこの探触子２０を駆動する送信部２１と、前記探触子２０で受信された反射エコーを電気信号に変換する受信部２２と、この受信部２２から出力された電気信号をＢモード信号に変換するＢモード処理部２３と、前記受信部２２から出力された信号をドプラ信号に変換するドプラ処理部２４と、前記Ｂモード処理部２３またはドプラ処理部２４からの信号を後述の表示部２６で表示される超音波画像情報に変換するデジタルスキャンコンバーター（以下「ＤＳＣ」と略称する）２５と、このＤＳＣ２５から出力された画像信号を表示する表示部２６とで構成されている。
この実施形態においては、前記探触子２０として、前述の図１に示した超音波探触子を用いたものである。すなわち、探触子２０は、振動子素子１ａから成る振動子群と振動子素子１ｂから成る振動子群を備えている。そして、前記２種類の振動子素子群１ａ，１ｂは、図７に示されるように、１種類の振動子素子群１ａが有する周波数特性Ａに含まれる周波数成分ｆ１に対し、他の種類の振動子素子群１ｂが有する周波数特性Ｂに含まれるある周波数成分ｆ２が整数倍である。そして、前記振動子素子群１ａは送信部２１に接続され、前記振動子素子群１ｂは受信部２２に接続されている。
このような構成により、前記探触子２０における振動素子群１ａから周波数特性Ａを有した超音波を被検体内へ送信し、周波数特性Ｂを有する振動子群１ｂで受信すると、送信周波数に対し整数倍の周波数を有した超音波を受信できる。したがって、受信されたエコー信号をハーモニックイメージング等のために変調処理することにより、被検体の診断部位が高分解能で明瞭な三次元超音波画像として表示される。また、前記探触子２０としては、図２、図３に示す第２、第３の実施形態を含むさまざまな超音波探触子が用いられ得るので、本発明の探触子を用いた超音波診断装置は、ハーモニックイメージング等の変調処理を最適に行うことができる。それゆえに、本発明によれば、より良好な三次元超音波画像を医師等へ提供することが可能となる。
図１０は、図９に示される超音波診断装置の第１の変形例を示すブロック図である。この実施形態における装置の全体構成は図１０に示される構成と似ているが、探触子２０を構成する２種類の振動子素子群１ａ，１ｂのうちの振動子素子群１ａが送信部２１に接続され、両方の振動子素子群が受信部２２に接続されている点が図９に示される構成と相違する。この実施の形態においては、周波数特性Ａを有した超音波が被検体内へ送信され、そのエコー信号は周波数特性Ａと周波数特性Ｂとが加算された周波数特性で受信される。したがって、周波数特性Ａによる画像と、周波数特性Ａに含まれるある周波数の整数倍の高調波の画像との合成画像が得られる。
図１１は、図９に示される超音波診断装置の第２の変形例を示すブロック図である。この実施形態における装置の全体構成は、これも図９に示される構成と似ているが、探触子２０を構成する２種類の振動子素子群１ａ，１ｂの両方が送信部２１に接続され、振動子素子群１ｂのみが受信部２２に接続されている点が相違する。この実施の形態においては、周波数特性Ａと周波数特性Ｂとが合成された広帯域の超音波が被検体内へ送信され、送信された周波数特性Ｂに対応したエコー信号と、周波数特性Ａに含まれるある周波数の整数倍の周波数のエコー信号とが併せて受信される。したがって、この実施形態によって、高調波の信号がより強調された画像が得られる。
図１２は、図９に示される超音波診断装置の第３の変形例を示すブロック図である。この実施形態における装置の全体構成は、図１０と図１１に示された実施形態を組み合わされたもので。探触子２０を構成する２種類の振動子素子群１ａ，１ｂの両方が送信部２１に接続され、且つその両方が受信部２２に接続されている。この実施形態においては、周波数特性Ａと周波数特性Ｂとが合成された広帯域の超音波が被検体内へで送信され、二つの周波数特性で受信も行われるので、被検体の浅い部分からのエコー信号は周波数特性Ａによって、また被検体の深い部分からのエコー信号は周波数特性Ｂによって受信されるので、被検体の浅い部分から深い部分までの良好な画像が得られる。また、この実施形態によれば、前記ハーモニックイメージングに適した信号をも同時に受信することができる。
なお、図９乃至図１２に示された実施形態は、図２及び図３に示された探触子を組み合わせた変形例として構成することが可能である。
以上のように、本発明においては、探触子を構成する２種類の振動子素子群のうちの一方または両方が、送信部または受信部に接続されているので、前記探触子は、超音波を送信及び受信する周波数帯域を基本波の周波数成分と高調波の周波数成分をカバーするように広い帯域に拡大することができる。したがって、超音波診断装置は、ハーモニックイメージング等の変調処理によって被検体の診断部位を分解能が高く明瞭な三次元超音波画像で表示することができる。
なお、上記実施の形態では探触子を二次元探触子として説明したが、本発明は１次元のアレー配列振動子へ適用した場合にも同様の効果が得られる。
また、前記実施例では振動子素子の幅と長さを周波数特性が異なっても同じにする例を説明したが、振動子素子の幅と長さを周波数特性毎に変更しても良い。例えば、周波数特性の帯域が低いものは振動子素子のサイズを小さくし、帯域が高いものは振動子素子のサイズを大きくする実施形態もあり得る。こうすることによって、探触子の高調波受信感度を向上することが可能となる。
以上説明したように、本発明の第１の発明によれば、２次元に配列される複数の振動子素子として、その周波数特性が異なる複数種類の振動子素子群を備えたことにより、単一の周波数特性を有する振動子素子を備えた探触子と比較し、より広帯域の周波数特性を有した探触子が実現できる。
また、本発明の探触子において、一種類の振動子素子群が有する周波数特性に含まれるある周波数成分に対し、他の種類の振動子素子群が有する周波数特性に含まれるある周波数成分が整数倍の関係を持たせると、基本波の周波数成分と高調波の周波数成分とを同時にまたは個別に受信する使用態様に適応することができる。
また、本発明の第２の発明によれば、超音波診断装置の探触子として第１の発明による超音波探触子を用いることにより、ハーモニックイメージングのための変調処理が容易に行えるようになり、被検体の診断部位が高分解能で、かつ明瞭な画像で表示される。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による超音波探触子の第１の実施形態を示す概略構成図である。図２は上記超音波探触子の第２の実施形態を示す概略構成図である。図３は上記超音波探触子の第３の実施形態を示す概略構成図である。図４は図１乃至図３に示される第１乃至第３の実施形態における超音波探触子を構成する振動子素子群の構造を示す断面図である。図５は図４に示される超音波探触子を構成するフレキシブル基板の正面図である。図６はコンベックス型の超音波探触子を構成するフレキシブル基板の正面図である。図７は本発明の第１の実施形態における２種類の振動子素子群から構成される超音波探触子の周波数特性を示すグラフである。図８は本発明の第２、第３の実施形態における４種類の振動子素子群から構成される超音波探触子の周波数特性を示すグラフである。図９は本発明の第１の実施形態における超音波探触子を用いた超音波診断装置を示すブロック図である。図１０は図９に示される超音波診断装置の第１の変形例を示すブロック図である。図１１は図９に示される超音波診断装置の第２の変形例を示すブロック図である。図１２は図９に示される超音波診断装置の第３の変形例を示すブロック図である。Technical field
The present invention relates to an ultrasonic probe used for examining a diagnostic site of a subject using ultrasonic waves and an ultrasonic diagnostic apparatus using the same, and in particular, to transmit and receive ultrasonic waves in a wide band. The present invention relates to a two-dimensional array type ultrasonic probe configured as described above, and an ultrasonic diagnostic apparatus capable of acquiring a harmonic image or a high-resolution clear three-dimensional image by using the two-dimensional array type ultrasonic probe.
Background art
It is known that in order to make an ultrasonic image of a diagnostic site acquired by an ultrasonic diagnostic apparatus a good image, it is good to set the frequency characteristics of an ultrasonic probe that receives a reflected echo as wide as possible. ing. Various modulation processing must be performed on the echo signal received by the ultrasonic probe, but in order to improve the image quality of the ultrasonic image, the modulation processing of the echo signal is performed over a wider range. There must be. For that purpose, it is necessary to expand the frequency characteristic band of the ultrasonic probe.
In recent years, an ultrasonic imaging technique called harmonic imaging for improving the image quality of an ultrasonic image has been used. A harmonic imaging technique is a technique in which a fundamental wave having a certain frequency is transmitted from an ultrasonic probe into a subject (living body) and a frequency component that is an integral multiple (for example, twice) of the fundamental wave generated from the subject. The reflected echo of the harmonic having the following is received by the ultrasonic probe, and after converting the reflected echo into an electric signal by the ultrasonic diagnostic apparatus, various image processings are performed to improve the resolution of the ultrasonic image and improve the clarity. This is a technique for forming an image. This harmonic imaging technique is used to administer an ultrasonic contrast agent composed of microbubbles or the like to the inside of a living body via a blood vessel, and to render a diagnostic site as a contrast-enhanced image. The reason is that the microbubbles administered into the subject have the property of reflecting harmonics more strongly.
Improving the image quality of an ultrasonic image of a diagnostic site using this harmonic imaging technique is also necessary for an ultrasonic diagnostic apparatus using an ultrasonic probe in which transducer elements are two-dimensionally arranged. For this purpose, the ultrasonic probe including the two-dimensionally arrayed transducers needs to have a wide-band frequency characteristic covering the frequency components of the fundamental wave and the harmonics.
On the other hand, in recent years, attention has been paid to a three-dimensional ultrasonic imaging technique for displaying a diagnostic region of a subject in a stereoscopic image and displaying the image. The three-dimensional ultrasonic imaging technique is to transmit an ultrasonic wave from a two-dimensionally arranged ultrasonic transducer into a subject to be transmitted and received by a transducer element for transmitting and receiving an ultrasonic wave, and the transmitted ultrasonic wave is reflected at a diagnostic site. The received echo is received by the probe, the received echo signal is processed, and the operation of scanning the inside of the subject with the ultrasound beam while changing the transmission / reception direction of the ultrasound is performed on a plurality of sections in the subject. This is a technique for forming a large number of two-dimensional images for displaying the cross-sections of the diagnostic site, and displaying a three-dimensional image for displaying the diagnostic site three-dimensionally using the image data of the multiple cross-sections.
Since the conventional ultrasonic probe does not have a wide band frequency characteristic, the three-dimensional image of the diagnostic site acquired by the ultrasonic diagnostic apparatus has low resolution and poor image quality. Therefore, in the field of the three-dimensional ultrasonic imaging technology, a technology capable of acquiring a clear three-dimensional ultrasonic image having high resolution by applying the above-described harmonic imaging technology has been desired. In order to apply the harmonic imaging technology to the three-dimensional ultrasonic imaging technology, it is necessary that the two-dimensional ultrasonic probe has a wide band frequency characteristic covering the fundamental frequency component and the harmonic frequency component. Required.
A first object of the present invention is to expand a frequency characteristic band of ultrasonic waves transmitted and received by an ultrasonic probe.
A second object of the present invention is to provide an ultrasonic diagnostic apparatus that can easily perform modulation processing in harmonic imaging.
Further, a third object of the present invention is to provide an ultrasonic probe having a high resolution and a clear three-dimensional image of a diagnostic site of a subject and an ultrasonic diagnostic apparatus using the same. To provide.
Disclosure of the invention
In order to achieve the first object, an ultrasonic probe according to the present invention is an ultrasonic probe in which a plurality of transducer elements for transmitting and receiving ultrasonic waves are two-dimensionally arranged. The plurality of arranged transducer elements are characterized in that a plurality of kinds of transducer elements having different frequency characteristics are provided so as to be mixed in a two-dimensional array.
It is preferable that the plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are provided so as to be mixed in a unit of a row or a column of a two-dimensional array.
Further, it is desirable that the plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics have the same frequency characteristic for each row or column unit of the two-dimensional array, and are provided so as to be mixed in the row or column unit.
Further, it is desirable that the order in which a plurality of types of transducers having different frequency characteristics are mixed is cyclically determined.
In order to achieve the second object, in the ultrasonic probe according to the present invention, the plurality of types of transducer element groups are included in a frequency characteristic band of one type of transducer element group.
It is characterized in that a certain frequency component included in a frequency characteristic band of another type of transducer element group has a frequency that is an integral multiple of the frequency component.
In order to achieve the second and third objects, the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention has an arrayed vibrator in which a plurality of types of vibrator elements having different frequency characteristics are mixed. A probe that transmits and receives ultrasonic waves, a transmitting unit that drives a group of transducers having the first frequency characteristic of the probe to transmit ultrasonic waves, and uses an echo from inside the subject for transmission. Receiving means for receiving by a group of transducers having a second frequency characteristic different from that of the group of transducers, signal processing means for converting a signal received by the receiving means into image data, and output from the signal processing means. Means for displaying the image data.
Further, the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention has an arrayed transducer in which a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are mixed, and a probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from a subject, Transmitting means for driving a group of transducers having a first frequency characteristic of the transducer to transmit ultrasonic waves, and a first group of transducers for transmitting echoes from inside the subject, Receiving means for receiving the signal with the transducer group having the second frequency characteristic, signal processing means for converting a signal received by the receiving means into image data, and displaying the image data output from the signal processing means; Means.
Further, the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention has an arrayed transducer in which a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are mixed, and a probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from a subject, Transmitting means for driving a vibrator group in which vibrators having a plurality of types of frequency characteristics possessed by the vibrator are mixed to transmit ultrasonic waves, and one of vibrator groups used for transmitting echoes from inside the subject. Receiving means for receiving only by a group of transducers having different frequency characteristics, signal processing means for making a signal received by the receiving means image data, and means for displaying image data output from the signal processing means. It is characterized by having.
Further, the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention has an array transducer in which a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are mixed, and a probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from a subject, A transmitting means for driving a vibrator group in which vibrators having a plurality of types of frequency characteristics possessed by the vibrator and transmitting ultrasonic waves, and the same vibrator as the vibrator group used for transmitting echoes from within the subject Receiving means for receiving using the group, signal processing means for converting a signal received by the receiving means into image data, and means for displaying image data output from the signal processing means. I have.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the concept of a first embodiment of an ultrasonic probe according to the present invention. This ultrasonic probe transmits and receives ultrasonic waves to and from a subject in an ultrasonic diagnostic apparatus that images a diagnostic site of the subject using ultrasonic waves. A two-dimensional array transducer 1 arranged in a dimension, a signal line for supplying a pulse signal for transmitting an ultrasonic wave to the two-dimensional array transducer 1, and an echo signal received by the two-dimensional array transducer 1 are output. And a backing material 3 that absorbs and attenuates ultrasonic waves emitted to the back of each transducer element.
Here, in the embodiment, the two-dimensionally arranged vibrators 1 are configured such that two types of vibrators, vibrator elements 1a and 1b, having different frequency characteristics are mixed. The two types of transducer elements 1a and 1b are alternately arranged in the same direction (two-dimensional row direction or column direction) on a predetermined portion on the surface of the flexible substrate 2. A backing material 3 is provided on the back of each of the transducer elements 1a and 1b. As described above, the ultrasonic probe according to the present embodiment includes a plurality of flexible substrates 2 provided with the transducer elements 1a and 1b and the backing material 3 arranged at predetermined positions alternately in a two-dimensional row direction or column direction. It is configured by laminating a plurality of sheets. Further, also in the laminating direction of the flexible substrate 2, the two types of transducer elements 1a and 1b are laminated so as to be alternately arranged.
As described above, the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention has a direction in which the two types of transducer elements 1a and 1b are arranged on the flexible substrate 2 and a direction in which the flexible substrate 2 is laminated. And arranged alternately in two directions orthogonal to each other.
FIG. 2 is a diagram illustrating the concept of an ultrasonic probe according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, a plurality of types of vibrator elements are composed of four types of vibrator elements 1a, 1b, 1c, and 1d, and these vibrator elements have different frequency characteristics. The four types of vibrator elements 1a, 1b, 1c, and 1d have a vibrator element 1a disposed at a predetermined position on one flexible substrate 2, a vibrator element 1b disposed next to the vibrator element 1a, and A vibrator element 1c is arranged next to the element 1b, a vibrator element 1d is arranged next to the element 1c, and a vibrator element 1a is arranged next to the element 1d. The child elements are arranged cyclically. The flexible substrate 2 on which four types of transducers are cyclically arranged has a plurality of four types of transducer elements laminated such that their positions are sequentially different in the laminating direction. By virtue of the arrangement of the transducer elements and the lamination of the flexible substrates, four types of transducer elements are mixedly arranged in a so-called two-dimensional matrix.
FIG. 3 is a diagram illustrating the concept of an ultrasonic probe according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, only one of the four types of transducer elements 1a, 1b, 1c, 1d is arranged on each flexible substrate 2. Then, a flexible substrate 2 in which only one type of vibrator element is arranged is created for each of the four types of vibrator elements, and the frequency characteristics of the four types of vibrator elements change cyclically in the laminating direction. Thus, a plurality of sheets are stacked.
In the third embodiment, each of the four types of transducer elements 1a, 1b, 1c, and 1d is arranged on each flexible substrate 2 as long as the width and length are the same even if the thickness of each element is different. The element pitches are all the same irrespective of the type of the arranged elements. Therefore, since the positional relationship between the elements arranged in two orthogonal directions is isotropic, a signal obtained by using this probe is subjected to an imaging process, for example, a process for forming a three-dimensional image. In this case, an arithmetic process for calculating the position of the element is not required. That is, the arithmetic processing for forming the ultrasonic image by performing the arithmetic processing on the electric signal (echo signal) transmitted from the ultrasonic probe to the diagnostic apparatus main body does not become complicated.
As described above, according to the present invention, various ultrasonic probes can be formed by changing the number and the combination of the frequency characteristics of the transducer elements. An infinite number of these combinations can be set, and by combining appropriate transducer elements, various ultrasonic probes according to the intended use can be realized.
In addition, in the first to the first embodiments shown in FIGS. 1 to 3, the case where the ultrasonic transmission / reception surface of the transducer is flat, such as the linear array type or the phased array type, has been described. The present invention can also be applied to various ultrasonic probes such as a curved linear type ultrasonic probe.
Next, the structure of the transducer element group constituting the ultrasonic probe shown in FIGS. 1 to 3 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the vibrator elements 1 are arranged at predetermined positions on the flexible substrate 2, and a backing material 3 is provided below the vibrator element 1. A matching layer 4 is provided above the transducer element 1 for efficiently transmitting the ultrasonic waves emitted from the transducer element 1 to a living body. A signal electrode 5 is provided on a lower surface of the vibrator element 1, and a ground electrode 6 is provided on an upper surface of the vibrator element 1. When a voltage is applied between the signal electrode 5 and the ground electrode 6, the vibrator element 1 vibrates to generate ultrasonic waves.
Here, as can be clearly seen from FIG. 4, in the above-described embodiment, one backing material 3 provided on the lower surface of the vibrator element 1 is used for one flexible substrate. May be provided individually for each element. The reason is that if the backing material is integrally formed, and if the frequency characteristics of the vibrator element are changed by the thickness of the element, the vibration of the backing material is required to make the transmitting and receiving surfaces of the vibrator flat. This is because it is necessary to integrally form the element mounting surface in a complicated manner. However, if a backing material is provided for each transducer element, it is not necessary to form the backing material in a complicated shape.
The flexible substrate 2 includes a base film 7 serving as a base, a signal pattern 8 disposed at a predetermined position on the front surface of the base film 7, and a ground disposed at a predetermined position on the back surface of the base film 7. It comprises a pattern 9 and a cover layer 10 provided on the back surface of the base film 7 so as to cover the ground pattern 9. The connection portion 11 of the signal pattern 8 and the connection portion 12 of the ground pattern 9 are soldered so as to be electrically connected to the signal electrode 5 and the ground electrode 6, respectively. The signal electrode 5 and the ground electrode 6 of the vibrator element 1 are connected to the connection portions 11 and 12 of the flexible substrate 2 by soldering. When a voltage is applied between the signal pattern 8 and the ground pattern 9, a voltage is applied between the signal electrode 5 and the ground electrode 6 provided on the upper and lower surfaces of the vibrator element 1 by connecting these electrodes and the pattern. Is applied, the vibrator element 1 vibrates, and an ultrasonic wave is generated.
As described above, the ultrasonic probe according to the first to third embodiments of the present invention includes a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics. The vibrator element 1 can be adjusted by changing the composition and thickness of the ceramic material and / or the thickness of the matching layer 4. However, when a large difference is made in the frequency characteristic band of the vibrator element, it is considered desirable to change the thickness of the vibrator element, particularly, the thickness of the piezoelectric ceramic. When it is desired to set the frequency characteristic band of the ultrasonic vibrator element high, it is sufficient to reduce the thickness of the vibrator element 1 and / or the matching layer 4, and conversely, to set the frequency characteristic band low. In this case, the thickness of the vibrator element 1 and / or the matching layer 4 may be increased. The distance between the signal electrode 5 and the ground electrode 6 provided on the upper and lower surfaces of the vibrator element 1 is changed by the thickness of the vibrator element 1.
FIG. 5 is a front view of the flexible substrate 2 shown in FIG. In FIG. 5, a flexible substrate 2 includes a base film 7 serving as a base of the flexible substrate 2, a signal pattern 8 provided on a surface of the base film 7, and the signal pattern 8 provided on a lower surface of the vibrator element 1. A connection portion 11 for electrically connecting to the signal electrode 5 (see FIG. 4), a signal pattern end portion 13 for connecting the signal pattern 8 to a cable for connecting to the diagnostic apparatus main body, and a base film 7. And a connection portion 12 of a ground pattern (not shown) provided on the back surface.
At predetermined positions on the surface of the flexible substrate 2, two types of vibrator elements 1a and 1b having different frequency characteristics are alternately arranged. In order to realize such a structure, the distance between the connection parts 11 and the connection parts 12 provided on the surface of the flexible substrate 2 is set to the signal electrodes 5 provided on the upper and lower surfaces of the vibrator element 1 shown in FIG. And the distance between the ground electrodes 6. That is, when the band of the frequency characteristic of the vibrator element is set to be low, the thickness of the vibrator element increases, so that the distance between the signal electrode 5 and the ground electrode 6 increases. Conversely, when setting the frequency characteristic band of the vibrator element to be set high, the thickness of the vibrator element becomes thin, so that the distance between the signal electrode 5 and the ground electrode 6 becomes short. In the ultrasonic probe according to the first embodiment, two types of transducer elements 1 a and 1 b having different frequency characteristics are alternately arranged at predetermined positions on the surface of the flexible substrate 2. The distance between the connection part 12 and the connection part 12 is formed alternately in a long and short direction.
On the surface of the flexible substrate 2 formed in accordance with the frequency characteristics of the vibrator element, vibrator elements having a thickness equal to the distance between the connection portions 11 and 12 are arranged, respectively, and soldering or the like is performed. Are connected to the connection units 11 and 12. Arrangement of the vibrator elements on the flexible substrate can be realized by using a technique of mounting semiconductor chip components and the like on the substrate, and soldering can be easily realized by using a reflow furnace or the like. By laminating a plurality of devices manufactured as described above, the ultrasonic probe according to the first embodiment is configured such that two types of transducer element groups having different frequency characteristics are arranged in two orthogonal directions. A child can be made.
Although the first embodiment of the ultrasonic probe of the present invention has been described above, the second and third embodiments shown in FIGS. 2 and 3 are also flexible as in the first embodiment. The distance between the connection parts 11 and the connection parts 12 on the surface of the substrate 2 is formed in accordance with the distance between the signal electrodes 5 and the ground electrodes 6 provided on the upper and lower surfaces of the vibrator element 1.
FIG. 6 is a front view of the flexible substrate 2 'in the convex ultrasonic probe. In this convex type ultrasonic probe as well, like the flexible substrate 2 for the linear array type shown in FIG. 5, the flexible substrate 2 ′ is composed of a base film 7 ′ which is a base of the flexible substrate 2 ′, 8, connecting portions 11 and 12, and a signal pattern end portion 13. The upper portion of the base film 7 'is formed in an arc shape. The interval between the connection portions 11 and the connection portions 12 is formed in accordance with the interval between the signal electrode 5 and the ground electrode 6 provided on the upper and lower surfaces of the transducer element 1. The determined positions of the connection portion 11 and the connection portion 12 are formed so as to follow the arc above the base film 7 '. By stacking a plurality of transducer elements arranged on the thus formed convex flexible substrate 2 ', a convex two-dimensional ultrasonic probe is formed.
Next, the frequency characteristics of the ultrasonic probe according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a graph showing the frequency characteristics of two types of vibrator elements 1a and 1b (see FIG. 1) having different frequency characteristics used in the first embodiment of the present invention. This graph illustrates the relationship between the sound intensity and the frequency band of the ultrasonic waves generated by the two types of transducer elements 1a and 1b. The horizontal axis in the graph is the frequency (MHz), and the vertical axis is the sound intensity. Symbol A indicates the frequency characteristic of the vibrator element 1a, and symbol B indicates the frequency characteristic of the vibrator element 1b. In the two types of vibrator elements 1a and 1b, a certain frequency component f2 included in the frequency characteristic B of the vibrator element 1b is an integral multiple of a certain frequency component f1 included in the frequency characteristic A of the vibrator element 1a. , For example, twice the frequency. As described above, by making certain components f1 and f2 of the frequency characteristics A and B of the two types of transducer elements 1a and 1b have a relationship of an integral multiple, modulation processing for harmonic imaging is performed. And a good ultrasonic image is formed. Further, since the ultrasonic probe according to the present invention includes two types of transducer elements 1a and 1b having different frequency characteristics, the ultrasonic probe includes only one type of transducer element having the frequency characteristic. The frequency band becomes wider.
Next, the frequency characteristics of the ultrasonic probe according to the second and third embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a graph showing frequency characteristics of four types of transducer elements 1a, 1b, 1c, 1d having different frequency characteristics. The frequency characteristics of the vibrator elements 1a, 1b, 1c, 1d are indicated by symbols A, B, C, D, respectively. In FIG. 8, for example, the band of the frequency characteristic A of the vibrator element 1a is 2 to 4 MHz, the band of the frequency characteristic B of the vibrator element 1b is 3 to 6 MHz, and the band of the frequency characteristic C of the vibrator element 1c is 6 MHz. Assuming that the frequency characteristic is up to 9 MHz and the band of the frequency characteristic D of the vibrator element 1d is 8 to 12 MHz, a frequency characteristic of a wide band of 2 to 12 MHz can be obtained by overlapping the respective frequency bands. As described above, when the ultrasonic probe including the four types of transducer elements having different frequency characteristics is used, the band of the echo signal obtained from the inside of the subject is broadened accordingly. Of the four types of vibrator elements 1a, 1b, 1c, and 1d, a certain frequency component included in a frequency characteristic of one type of vibrator element group is changed to a frequency characteristic of another type of vibrator element group. By making the included frequency component have a frequency component that is an integral multiple of the frequency component, modulation processing for harmonic imaging becomes easy, and a good ultrasonic image is formed.
As described above, when the present invention is used, by combining a plurality of types of transducer element groups having different frequency characteristics, it becomes possible to variously set the frequency characteristics of the ultrasonic probe according to the application.
Next, an ultrasonic diagnostic apparatus using the ultrasonic probe configured as described above will be described. FIG. 9 is a block diagram showing an ultrasonic diagnostic apparatus using the ultrasonic probe described in the first embodiment of the present invention. The ultrasonic diagnostic apparatus includes a probe 20 in which a plurality of transducer elements are two-dimensionally arranged to transmit and receive ultrasonic waves to and from a subject, and a transmitting unit that drives the probe 20 to generate ultrasonic waves. 21, a receiving unit 22 that converts a reflected echo received by the probe 20 into an electric signal, a B-mode processing unit 23 that converts an electric signal output from the receiving unit 22 into a B-mode signal, A Doppler processing unit 24 for converting a signal output from the receiving unit 22 into a Doppler signal, and converting a signal from the B-mode processing unit 23 or the Doppler processing unit 24 into ultrasonic image information displayed on a display unit 26 described later. A digital scan converter (hereinafter abbreviated as “DSC”) 25 and a display unit 26 for displaying an image signal output from the DSC 25.
In this embodiment, the ultrasonic probe shown in FIG. 1 is used as the probe 20. That is, the probe 20 includes a vibrator group including the vibrator element 1a and a vibrator group including the vibrator element 1b. As shown in FIG. 7, the two types of vibrator element groups 1a and 1b are different from the other types of vibrators in response to the frequency component f1 included in the frequency characteristic A of one type of vibrator element group 1a. A certain frequency component f2 included in the frequency characteristic B of the sub-element group 1b is an integral multiple. The vibrator element group 1a is connected to a transmitter 21 and the vibrator element group 1b is connected to a receiver 22.
With such a configuration, when an ultrasonic wave having a frequency characteristic A is transmitted from the vibrating element group 1a of the probe 20 into the subject and received by the vibrator group 1b having the frequency characteristic B, Ultrasonic waves having an integral multiple of frequency can be received. Therefore, by modulating the received echo signal for harmonic imaging or the like, a diagnostic part of the subject is displayed as a clear three-dimensional ultrasonic image with high resolution. Also, since various ultrasonic probes including the second and third embodiments shown in FIGS. 2 and 3 can be used as the probe 20, an ultrasonic probe using the probe of the present invention can be used. The ultrasonic diagnostic apparatus can optimally perform modulation processing such as harmonic imaging. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a better three-dimensional ultrasonic image to a doctor or the like.
FIG. 10 is a block diagram showing a first modified example of the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. The overall configuration of the device in this embodiment is similar to the configuration shown in FIG. 10, but the transducer element group 1 a of the two types of transducer element groups 1 a and 1 b constituting the probe 20 is , And both the transducer element groups are connected to the receiving unit 22, which is different from the configuration shown in FIG. In this embodiment, an ultrasonic wave having a frequency characteristic A is transmitted into a subject, and an echo signal thereof is received with a frequency characteristic obtained by adding the frequency characteristic A and the frequency characteristic B. Therefore, a composite image of an image based on the frequency characteristic A and an image of a harmonic that is an integral multiple of a certain frequency included in the frequency characteristic A is obtained.
FIG. 11 is a block diagram showing a second modified example of the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. The overall configuration of the device in this embodiment is also similar to the configuration shown in FIG. 9, but both the two types of transducer element groups 1 a and 1 b constituting the probe 20 are connected to the transmission unit 21. The difference is that only the transducer element group 1b is connected to the receiving unit 22. In this embodiment, a wideband ultrasonic wave in which the frequency characteristic A and the frequency characteristic B are combined is transmitted into the subject, and is included in the transmitted echo signal corresponding to the frequency characteristic B and the frequency characteristic A. An echo signal having a frequency that is an integral multiple of a certain frequency is also received. Therefore, according to this embodiment, an image in which the harmonic signal is more emphasized can be obtained.
FIG. 12 is a block diagram showing a third modification of the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. The overall configuration of the device in this embodiment is a combination of the embodiments shown in FIGS. The two types of transducer element groups 1 a and 1 b constituting the probe 20 are both connected to the transmission unit 21, and both are connected to the reception unit 22. In this embodiment, a wide-band ultrasonic wave in which the frequency characteristics A and the frequency characteristics B are synthesized is transmitted into the subject, and reception is also performed using the two frequency characteristics. Since the signal is received by the frequency characteristic A and the echo signal from the deep part of the subject is received by the frequency characteristic B, a good image from the shallow part to the deep part of the subject is obtained. According to this embodiment, a signal suitable for the harmonic imaging can be received at the same time.
The embodiment shown in FIGS. 9 to 12 can be configured as a modified example in which the probes shown in FIGS. 2 and 3 are combined.
As described above, in the present invention, one or both of the two types of transducer element groups constituting the probe are connected to the transmission unit or the reception unit. The frequency band for transmitting and receiving a sound wave can be expanded to a wide band so as to cover the frequency components of the fundamental wave and the harmonics. Therefore, the ultrasonic diagnostic apparatus can display a diagnostic part of the subject as a clear three-dimensional ultrasonic image with high resolution by modulation processing such as harmonic imaging.
In the above embodiment, the probe has been described as a two-dimensional probe, but the same effect can be obtained when the present invention is applied to a one-dimensional array array transducer.
Further, in the above-described embodiment, an example has been described in which the width and the length of the vibrator element are the same even if the frequency characteristics are different. However, the width and the length of the vibrator element may be changed for each frequency characteristic. For example, there may be an embodiment in which the size of the vibrator element is reduced when the frequency characteristic band is low and the size of the vibrator element is increased when the frequency characteristic is high. This makes it possible to improve the harmonic reception sensitivity of the probe.
As described above, according to the first aspect of the present invention, since a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are provided as a plurality of transducer elements arranged two-dimensionally, As compared with a probe including a transducer element having the above frequency characteristics, a probe having a wider frequency characteristic can be realized.
Further, in the probe of the present invention, for a certain frequency component included in the frequency characteristics of one type of transducer element group, a certain frequency component included in the frequency characteristics of another type of transducer element group is an integer. When the relationship is doubled, it is possible to adapt to a usage mode of receiving the frequency component of the fundamental wave and the frequency component of the harmonic wave simultaneously or individually.
Further, according to the second aspect of the present invention, by using the ultrasonic probe according to the first aspect of the present invention as a probe of an ultrasonic diagnostic apparatus, it is possible to easily perform modulation processing for harmonic imaging. In other words, the diagnostic site of the subject is displayed with high resolution and a clear image.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of an ultrasonic probe according to the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the ultrasonic probe. FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of the ultrasonic probe. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a transducer element group constituting the ultrasonic probe according to the first to third embodiments shown in FIGS. FIG. 5 is a front view of a flexible substrate constituting the ultrasonic probe shown in FIG. FIG. 6 is a front view of a flexible substrate constituting a convex ultrasonic probe. FIG. 7 is a graph showing frequency characteristics of an ultrasonic probe including two types of transducer elements according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a graph showing frequency characteristics of an ultrasonic probe including four types of transducer element groups according to the second and third embodiments of the present invention. FIG. 9 is a block diagram showing an ultrasonic diagnostic apparatus using the ultrasonic probe according to the first embodiment of the present invention. FIG. 10 is a block diagram showing a first modified example of the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. FIG. 11 is a block diagram showing a second modified example of the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. FIG. 12 is a block diagram showing a third modified example of the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG.

Claims (12)

超音波を送受信する複数の振動子素子が２次元に配列された超音波探触子において、前記二２次元に配列された複数の振動子素子は、その周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が２次元配列内に混在するように設けられていることを特徴とする超音波探触子。In an ultrasonic probe in which a plurality of transducer elements for transmitting and receiving ultrasonic waves are arranged two-dimensionally, the plurality of transducer elements arranged two-dimensionally include a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics. Are provided so as to be mixed in a two-dimensional array. 前記周波数特性が異なる複数種類の振動子素子は、２次元配列の行または列の単位内において混在するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are provided so as to be mixed in a unit of a row or a column of a two-dimensional array. 前記周波数特性が異なる複数種類の振動子素子は、２次元配列の行または列の単位毎に同一の周波数特性を持ち、行または列単位で混在するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。The plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics have the same frequency characteristic for each row or column unit of a two-dimensional array, and are provided so as to be mixed in a row or column unit. Item 7. An ultrasonic probe according to Item 1. 前記周波数特性が異なる複数種類の振動子の混在する順序が巡回的になされていることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波探触子。4. The ultrasonic probe according to claim 2, wherein the order in which the plurality of types of transducers having different frequency characteristics are mixed is determined cyclically. 5. 前記複数種類の振動子素子群は、一種類の振動子素子群が有する周波数特性の帯域に含まれるある周波数成分に対し、他の種類の振動子素子群が有する周波数特性の帯域に含まれるある周波数成分が整数倍の周波数であることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。The plurality of types of vibrator element groups are included in a frequency characteristic band of another type of vibrator element group with respect to a certain frequency component included in a frequency characteristic band of one type of vibrator element group. 2. The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the frequency component has an integral multiple of the frequency. 超音波を送受信する複数の振動子素子がアレイ状に配列された超音波探触子において、前記アレイ状に配列された複数の振動子素子は、その周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が配列内に混在するように設けられていることを特徴とする超音波探触子。In an ultrasonic probe in which a plurality of transducer elements for transmitting and receiving ultrasonic waves are arranged in an array, the plurality of transducer elements arranged in the array have a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics. An ultrasonic probe, which is provided so as to be mixed in an array. 周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ第１の周波数特性を有した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた振動子群とは異なる第２の周波数特性を有した振動子群で受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。It has an arrayed transducer in which a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are mixed, and has a probe for transmitting and receiving ultrasonic waves to and from a subject, and a first frequency characteristic of the probe. A transmitting unit that drives a group of transducers to transmit ultrasonic waves, and a receiving unit that receives an echo from the subject by a group of transducers having a second frequency characteristic different from the group of transducers used for transmission. An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: signal processing means for converting a signal received by the receiving means into image data; and means for displaying image data output from the signal processing means. 周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ第１の周波数特性を有した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた第１の振動子群と、これとは異なる第２の周波数特性を有した振動子群とで受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。It has an arrayed transducer in which a plurality of types of transducer elements having different frequency characteristics are mixed, and has a probe for transmitting and receiving ultrasonic waves to and from a subject, and a first frequency characteristic of the probe. Transmitting means for driving a group of transducers to transmit ultrasonic waves, a first group of transducers used for transmitting echoes from inside the subject, and a group of transducers having second frequency characteristics different from the first group And a signal processing means for converting a signal received by the receiving means into image data, and a means for displaying the image data output from the signal processing means. Ultrasound diagnostic device. 請求項８に記載の超音波診断装置において、第１の周波数特性の帯域が第２の周波数特性の帯域よりも低域にあることを特徴とする超音波診断装置。9. The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 8, wherein a band of the first frequency characteristic is lower than a band of the second frequency characteristic. 周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ複数種類の周波数特性を有した振動子が混在した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた振動子群のうちの１種類の周波数特性を持つ振動子群のみで受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。It has an arrayed transducer in which multiple types of transducer elements with different frequency characteristics are mixed, and has a probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from the subject, and has multiple types of frequency characteristics of this probe A transmitting unit that drives a vibrator group in which vibrators are mixed and transmits ultrasonic waves, and a vibrator group having one type of frequency characteristic among the vibrator group used for transmitting echoes from inside the subject. Ultrasound diagnosis, comprising: receiving means for receiving, signal processing means for converting a signal received by the receiving means into image data, and means for displaying image data output from the signal processing means. apparatus. 請求項１０に記載の超音波診断装置において、受信動作に供される振動子群の周波数特性の帯域が受信動作に供されない振動子群の周波数特性の帯域よりも高域にあることを特徴とする超音波診断装置。The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 10, wherein a frequency characteristic band of the group of transducers provided for the reception operation is higher than a band of the frequency characteristic of the group of transducers not provided for the reception operation. Ultrasonic diagnostic equipment. 周波数特性が異なる複数種類の振動子素子が混在させられた配列振動子を有し、被検体に対し超音波を送受信する探触子と、この探触子の持つ複数種類の周波数特性を有した振動子が混在した振動子群を駆動し超音波を送信させる送信手段と、前記被検体内からのエコーを送信に用いた振動子群と同じ振動子群を用いて受信させる受信手段と、この受信手段により受信された信号を画像データとする信号処理手段と、この信号処理手段から出力された画像データを表示する手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。It has an arrayed transducer in which multiple types of transducer elements with different frequency characteristics are mixed, and has a probe that transmits and receives ultrasonic waves to and from the subject, and has multiple types of frequency characteristics of this probe A transmitting unit that drives a vibrator group in which vibrators are mixed and transmits ultrasonic waves, and a receiving unit that receives an echo from inside the subject using the same vibrator group as the vibrator group used for transmission, An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: a signal processing unit that converts a signal received by a receiving unit into image data; and a unit that displays image data output from the signal processing unit.
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