JP2010201014A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探触子における圧電素子が送信する超音波に含まれる高調波成分を削減し、高精細な超音波画像を構築することができる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】第１送信用圧電素子毎に近傍に配置された第２送信用圧電素子に、第１送信用圧電素子が送信する第１超音波信号に含まれる所定次数の少なくとも一つの高調波成分に対して、逆位相の第２超音波信号を送信させ、受信用圧電素子を用いて自己チェックおよびセットアップを実施する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波診断装置に関するものであって、特に、高精細な超音波画像を構築する超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。

超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている（例えば、特許文献１参照）。

また、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、高調波成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）技術が研究、開発されている。このハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が良くなってコントラスト分解能が向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。

ハーモニックイメージング技術においては、単一周波数成分をもつパルスを送信し、被検体からの反射波の中の高調波成分によって被検体内の内部状態の画像（超音波画像）を構築するので、被検体からの反射波以外から送信される高調波成分の超音波はノイズ成分となり、高精細に被検体内の内部状態の画像を構築することができなくなる。一方、超音波探触子が送信する超音波（超音波信号）は、超音波探触子内に備えられた圧電素子にパルス電圧が印加されることで生成される。パルス電圧は高調波成分を有するので、圧電素子が生成する超音波自体にも高調波成分が生成されてしまう。従って、この高調波成分が被検体内の反射波と供に受信されるので、ノイズ成分となり、高精細な超音波画像の構築を妨げることとなる。

この不具合を解決するための提案がなされている。例えば、異なる電圧値が個別に供給された複数のスイッチング素子をパルサに備え、この複数のスイッチング素子をオンオフ制御することで、その異なる電圧値に基づき少なくとも時間的に等幅な波形の駆動パルスをパルサに発生させ、より正弦波に近い超音波を生成し、高調波成分を減じるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−０８８０５６号公報 特開平８−２３８２４３号公報

特許文献２に記載の技術は、圧電素子に印加する電圧波形を正弦波に近づけることで超音波が単一周波数を有するごとくに単色性を高めたものである。しかし、特許文献２に記載の技術は、矩形波状の電圧波形における、時間軸の前後を矩形波で整形するというものであることから、正弦波に近づける効果は小さい。従って、圧電素子が送信する超音波に含まれる高調波成分を減じる効果は小さいことから、高精細な超音波画像を構築することは難しい。

本発明は、超音波探触子における圧電素子が送信する超音波に含まれる高調波成分を削減し、高精細な超音波画像を構築することができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。

１．被検体内に第１超音波信号を送信する複数の第１送信用圧電素子と、
前記第１送信用圧電素子毎に近傍に配置され、前記第１送信用圧電素子が送信する前記第１超音波信号に含まれる所定次数の少なくとも一つの高調波成分に対して、逆位相の第２超音波信号を送信する複数の第２送信用圧電素子と、
前記第１超音波信号が前記被検体内において反射されて生成された第３超音波信号を受信して電気信号に変換する複数の受信用圧電素子と、
を備える超音波探触子と、
前記第１送信用圧電素子および前記第２送信用圧電素子を駆動する送信部と、
前記受信用圧電素子を駆動する受信部と、
前記電気信号から前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。

２．被検体内に第１超音波信号を送信する複数の第１送信用圧電素子と、
前記第１送信用圧電素子毎に近傍に配置され、前記第１送信用圧電素子が送信する前記第１超音波信号に含まれる所定次数の少なくとも一つの高調波成分に対して、逆位相の第２超音波信号を送信し、前記第１超音波信号が前記被検体内において反射されて生成された第３超音波信号を受信する複数の送受信用圧電素子と、
を備える超音波探触子と、
前記第１送信用圧電素子を駆動する送信部と、
前記送受信用圧電素子を送信用として駆動する送信部と、
前記送受信用圧電素子を受信用として駆動する受信部と、
前記電気信号から前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。

３．前記第２送信用圧電素子または前記送受信用圧電素子は、前記第１送信用圧電素子から１ｍｍ以内の距離に配置され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．前記所定次数は、第２次、または第３次であることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の超音波診断装置。

５．前記第２送信用圧電素子または前記送受信用圧電素子は、前記第１送信用圧電素子が被検体に超音波を送信する方向に、前記第１送信用圧電素子上に積層されていることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。

６．前記第１送信用圧電素子は無機圧電素子であり、前記送受信用圧電素子は有機圧電素子であることを特徴とする前記２に記載の超音波診断装置。

超音波探触子における圧電素子が送信する超音波に含まれる高調波成分を削減し、高精細な超音波画像を構築することができる超音波診断装置を提供できる。

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診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。 実施形態の超音波探触子が送信する超音波の周波数の概要を示す概要図である。 実施形態の超音波探触子が送信する超音波の周波数の概要を示す概要図である。 実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の他の構成を示す図である。 実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の他の構成を示す図である。 実施形態の超音波探触子が送信する超音波の周波数の概要を示す概要図である。 実施形態の送信側と受信側の回路構成例の概要図である。 実施形態の送信側と受信側の回路構成例の概要図である。 実施形態における自己チェック機能処理のフロー図である。 実施形態における第１超音波信号と第２超音波信号が合わさった超音波の周波数スペクトルを表す概要図である。

以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。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。また、本明細書において、適宜、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

〔超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作〕
本実施形態に係る超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作について説明図１から図８を用いて説明する。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。図２は、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。図３は実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す図である。図４と図５は、実施形態の超音波探触子が送信する超音波の周波数の概要を示す概要図である。図６、図７は実施形態の超音波診断装置における超音波探触子の他の構成を示す図である。図８は、実施形態の超音波探触子が送信する超音波の周波数の概要を示す概要図である。

超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波（超音波信号）を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体Ｈに対して超音波を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの超音波の反射波に応じて超音波探触子２で生成された受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力する操作入力部１１と、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給することで超音波探触子２に超音波を発生させるよう駆動する送信部１２と、超音波探触子２からケーブル３を介して受信信号を受信する受信部１３と、受信部１３で受信した受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する画像処理部１４と、受信部１３で受信した受信信号に基づいて、超音波探触子２が送信する超音波から高調波成分が除去されているか、自己チェックするチェック部１７と、チェック部１７で得られた結果等を記憶させる記憶部１８と、画像処理部１４で生成された被検体Ｈ内の内部状態の画像を表示する表示部１５と、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５、チェック部１７および記憶部１８とを該機能に応じて制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う制御部１６と、を備えて構成される。

超音波探触子（超音波プローブ）２の一例を、図３を用いて説明する。超音波探触子２は、一つの有機圧電素子と二つの無機圧電素子とを備えている。

無機圧電素子は無機圧電材料を備えて成り、有機圧電素子は有機圧電材料を備えて成り、各々圧電現象を利用することによって受信信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる。

無機圧電材料には、例えばＰＺＴを用いることができる。有機圧電材料には、例えば、フッ化ビニリデンの重合体や、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。

超音波探触子２は、被検体Ｈ方向に向かって、平板状の音響制動部材２３と、音響制動部材２３の上に積層された音響整合層３１と、無機圧電素子アレイ４ａと、音響整合層２６ａと、無機圧電素子アレイ４ｂと、音響整合層２６ｂと、有機圧電素子アレイ５と、この有機圧電素子アレイ５上に積層される音響整合層２７と、を有する。

無機圧電素子アレイ４ａは、複数の無機圧電素子２２ａと、無機圧電素子２２同士の隙間に音響分離材を充填して作製される音響分離部２４と、無機圧電素子２２上に積層された共通接地電極２５とを有す。

無機圧電素子アレイ４ｂは、複数の無機圧電素子２２ｂと、無機圧電素子２２同士の隙間に音響分離材を充填して作製される音響分離部２４と、無機圧電素子２２上に積層された共通接地電極２５とを有す。

音響制動部材２３は、超音波を吸収する材料から構成され、複数の無機圧電素子２２から音響制動部材２３方向へ放射される超音波を吸収するものである。

音響整合層３１は、音響制動部材２３と無機圧電素子２２の各々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、音響制動部材２３と無機圧電素子２２の音響インピーダンスの整合を図る。

各無機圧電素子２２は、無機圧電材料から構成される圧電素子１０１における互いに対向する両面にそれぞれ電極１０２、１０３を備えて構成される。複数の無機圧電素子２２は、互いに所定の間隔を空けて平面視にて２次元状に配列され、音響制動部材２３上に配置されている。

この他、図示しないが、外部からの電気信号を受ける導電パッドが音響制動部材２３の下部に設けられ、導電パッドと無機圧電素子２２ａ、および導電パッドと無機圧電素子２２ｂの電極とが信号線で接続されている。

複数の無機圧電素子２２は、超音波を送信するように構成されている。より具体的には、複数の無機圧電素子２２には、送信部１２からケーブル３と導電パッドと信号線を介して電気信号が入力される。電気信号は、無機圧電素子２２の電極１０２と電極１０３との間に入力される。複数の無機圧電素子２２は、この電気信号を超音波信号に変換することによって超音波信号を送信する。

音響分離部２４は、無機圧電素子２２の音響インピーダンスに比して値が大きく異なる低音響インピーダンス樹脂から構成され、音響インピーダンスが大きく異なることにより、音響分離材として働き、これら複数の無機圧電素子２２の相互干渉を低減する機能を有する。音響分離部２４によって各無機圧電素子２２間におけるクロストークの低減が可能となる。

共通接地電極２５は、導電性の材料から構成され、図略の配線によって接地されており、そして、複数の無機圧電素子２２上にまたがって直線状に積層されることによってこれら無機圧電素子２２における各電極１０３を電気的に接地している。

音響整合層２６ａは、無機圧電素子アレイ４ａと無機圧電素子アレイ４ｂの各々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、無機圧電素子アレイ４ａと無機圧電素子アレイ４ｂの音響インピーダンスの整合を図る。

音響整合層２６ｂは、無機圧電素子アレイ４ｂと有機圧電素子アレイ５の各々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、無機圧電素子アレイ４ｂと有機圧電素子アレイ５の音響インピーダンスの整合を図る。

音響整合層２７は、有機圧電素子アレイ５の音響インピーダンスと被検体Ｈの音響インピーダンスとの整合をとる部材である。音響整合層２７は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体Ｈに向けて送信される超音波を収束する音響レンズの機能を有する。

有機圧電素子アレイ５は、所定の厚さを持った平板状の有機圧電材料から成る圧電素子１０５と、この圧電素子１０５の一方主面に形成された互いに分離した複数の電極１０６と、この圧電素子１０５の他方主面に略全面に亘って一様に形成された電極１０７とを備えて構成されたシート状の圧電素子である。

複数の電極１０６が圧電素子１０５の一方主面に形成されることによって、有機圧電素子アレイ５は、１個の電極１０７と圧電素子１０５と電極１０６とから成る圧電素子を２次元状に備え、各圧電素子が個別に動作する。

有機圧電素子アレイ５における複数の圧電素子は、個別に機能させるために無機圧電素子２２のように個々に分離する必要がなく、一体的なシート状で構成することが可能である。

図３では、２１で示される部分のように、電極１０７と圧電素子１０５と電極１０６とで形成される部分を一つの各々有機圧電素子、すなわち有機圧電素子２１とみなすことができる。

有機圧電素子２１は、反射波の超音波信号を受信する受信用圧電素子であり、受信した超音波信号を電気信号に変換する。この電気信号は、有機圧電素子２１における電極１０６と電極１０７とから出力される。この電気信号は、ケーブル３を介して受信部１３へ出力される。

このような構成の超音波診断装置Ｓでは、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御によって送信部１２で電気信号の送信信号が生成される。この生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して無機圧電素子アレイ４ａ内の各々の無機圧電素子２２へ供給される。

電気信号の送信信号は、例えば、所定の周期で繰り返される電圧パルスである。複数の無機圧電素子２２は、それぞれ、この電気信号の送信信号が供給されることによってその厚み方向に伸縮し、この電気信号の送信信号に応じて超音波振動するよう駆動される。

この超音波振動は超音波である第１超音波信号を発生させ、無機圧電素子アレイ４ｂ、有機圧電素子アレイ５等を伝播して被検体Ｈ方向へ照射される。

第１超音波信号信号には送信部からの電気信号に含まれる周波数（基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍などの第２高調波成分、第３高調波成分および第４高調波成分なども含まれる。これは、送信部からの電気信号自体に高調波成分が含まれることと、圧電素子の応答特性に依存する。

超音波診断装置においては、被検体Ｈからの反射波である第２超音波信号における高調波成分を解析することで、高精細な超音波画像を得る。従って、無機圧電素子アレイ４ａが送信する超音波に含まれる高調波成分が有機圧電素子アレイ５で受信されるとノイズになり、高精細な超音波画像を得ることができない。そこで、無機圧電素子アレイ４ｂにおいては、無機圧電素子アレイ４ａが送信する超音波に含まれる高調波成分を相殺するような超音波である第２超音波信号を送信する。

例えば、超音波画像を生成するに際し、２次高調波を用いる場合には、無機圧電素子アレイ４ａが送信する超音波に含まれる２次高調波を相殺するように、無機圧電素子アレイ４ｂに２次高調波を第２超音波信号として送信させる。

また、超音波画像を生成するに際し、３次高調波を用いる場合、無機圧電素子アレイ４ａが送信する超音波に含まれる３次高調波を相殺するように、図４に示すように、無機圧電素子アレイ４ｂに３次高調波を第２超音波信号として送信させる。より高精細な超音波画像を得るには、次数はより高次であることが望ましい。

図４において、超音波探触子２と、第１超音波信号強度の時間波形を示すグラフＧ１、第２超音波信号強度の時間波形を示すグラフＧ２、および第１超音波信号強度と第２超音波信号強度を重畳した時間波形を示すグラフＧ３を示す。図中ｔは時間、ＡＭＰは超音波信号強度を表す。

グラフＧ１に示すように、第１超音波信号強度の時間波形における基本周波数ｆ１と３次高調波ｆ３とは無機圧電素子アレイ４ａの表面から同相で送信される。基本周波数ｆ１と３次高調波ｆ３とを有する第１超音波信号は、被検体Ｈ方向に進行する。無機圧電素子アレイ４ｂにおいては、無機圧電素子アレイ４ｂから第２超音波信号を送信する面において、グラフＧ２に示すように、第１超音波信号に含まれる第３高調波が有する位相に対して逆位相の第３高調波を送信する。なお、送信する第３高調波は、第１超音波信号に含まれる第３高調波と同振幅で送信することが望ましい。超音波探触子２を出射する超音波信号は、グラフＧ３に示すように、第１超音波信号と第２超音波信号とが重畳された結果、第３高調波が相殺され、基本波成分のみ有して被検体Ｈへ送信されることとなる。

第３高調波を相殺するには、無機圧電素子アレイ４ａと無機圧電素子アレイ４ｂにおいて実際に超音波を送信する各々の無機圧電素子２２が接近していることが望ましく、例えば１ｍｍ以内に各々の無機圧電素子２２を配置する。

超音波画像を生成するに際し、３次高調波を用いる場合、無機圧電素子アレイ４ａが送信する超音波に含まれる２次高調波と３次高調波の両方の高調波を相殺するようにすると、さらに高精細な超音波画像を得ることができる。

以下、図５を用いて説明する。図５において、第１超音波信号強度の時間波形を示すグラフＧ４、第２超音波信号強度の時間波形を示すグラフＧ５、および第１超音波信号強度と第２超音波信号強度を重畳した時間波形を示すグラフＧ６を示す。図中ｔは時間、ＡＭＰは超音波信号強度を表す。

グラフＧ４に示すように、第１超音波信号強度の時間波形における基本周波数ｆ１、２次高調波ｆ２、および３次高調波ｆ３とは図示しない無機圧電素子アレイ４ａの表面から同相で送信される。基本周波数ｆ１、２次高調波ｆ２、および３次高調波ｆ３とを有する第１超音波信号は、被検体Ｈ方向に進行する。無機圧電素子アレイ４ｂにおいては、無機圧電素子アレイ４ｂから第２超音波信号を送信する面において、グラフＧ５に示すように、第１超音波信号に含まれる第２高調波と第３高調波が各々有する位相に対して逆位相の第２高調波と第３高調波を送信する。なお、送信する第２高調波と第３高調波は、第１超音波信号に含まれる第２高調波と第３高調波と同振幅で送信することが望ましい。超音波探触子２を出射する超音波信号は、グラフＧ６に示すように、第１超音波信号と第２超音波信号とが重畳された結果、第２高調波と第３高調波が相殺され、基本波成分のみ有して被検体Ｈへ送信されることとなる。

なお、無機圧電素子アレイ４ａと無機圧電素子アレイ４ｂとから送信される第１超音波信号における各次数の周波数成分の強度について、予め、無機圧電素子アレイ４ａと無機圧電素子アレイ４ｂとに入力する電気入力との関係を実験により求めておく。得られたデータを基に、上記のように、第１超音波信号と第２超音波信号とが重畳されて、第２高調波と第３高調波が相殺され、基本波成分のみ有して被検体Ｈへ送信されるように、無機圧電素子アレイ４ａと無機圧電素子アレイ４ｂへの電気入力を制御する。また、無機圧電素子アレイ４ａから送信される第１超音波信号における各次数の周波数成分の強度を測定する図示しないセンサを設け、そのセンサの測定値に従って、無機圧電素子アレイ４ｂから各次数の周波数成分を送信させてもよい。

なお、図３に示すように、無機圧電素子アレイ４ａと、無機圧電素子アレイ４ｂとを被検体Ｈの方向に積層することで、第１超音波信号と、第２超音波信号を被検体Ｈの方向上に重ねることができる。従って、超音波探触子２と被検体Ｈの間において、常に第３高調波を相殺することができ、被検体Ｈ内の測定箇所と超音波探触子２の距離に関わりなく、高精細な超音波画像を構築することができる。

超音波探触子２は、被検体Ｈの表面上に当接して用いられてもよいし、被検体Ｈの内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。

この被検体Ｈに対して送信された超音波は、被検体Ｈ内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波である第３超音波信号となる。

第３超音波信号には、送信された超音波の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高次高調波の周波数成分も含まれる。第３超音波信号は、超音波探触子２で受信される。より具体的には、第３超音波信号は、音響整合層２７を介して受信用圧電素子である有機圧電素子２１で受信され、有機圧電素子２１で機械的な振動が受信信号として電気信号に変換されて取り出される。取り出された受信信号は、ケーブル３を介して制御部１６で制御される受信部１３で受信される。

画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信部１３で受信した受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度などから被検体Ｈ内の内部状態の画像（超音波画像）を生成し、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体Ｈ内の内部状態の画像を表示する。

本実施形態における超音波探触子２および超音波診断装置Ｓでは、上述したように基本波の高調波が受信されるので、いわゆるハーモニックイメージング技術によって超音波画像を形成することが可能となる。このため、本実施形態における超音波探触子２および超音波診断装置Ｓは、より高精度な超音波画像の提供が可能となる。そして、比較的パワーの大きい第２高調波や第３高調波が受信されるので、より鮮明な超音波画像の提供が可能となる。

なお、超音波探触子２は図６に示したような構成でもよい。図６に示した超音波探触子２においては、図３で示した超音波探触子２に備えられていた無機圧電素子アレイ４ｂを設けず、圧電素子アレイは無機圧電素子アレイ４ａと有機圧電素子アレイ５のみにした。

この超音波探触子２は、被検体Ｈ方向に向かって、平板状の音響制動部材２３と、音響制動部材２３の上に積層された音響整合層３１と、無機圧電素子アレイ４ａと、音響整合層２６ｂと、有機圧電素子アレイ５と、この有機圧電素子アレイ５上に積層される音響整合層２７と、を有する。

無機圧電素子アレイ４ｂが有していた機能である高次高調波を送信する機能は、有機圧電素子アレイ５が併せ持つ。すなわち有機圧電素子アレイ５は、第３超音波信号を受信する機能と、第２超音波信号を送信する機能の両方を有する送受信用圧電素子である。

送信する圧電素子アレイを一つにすることで、小型の超音波探触子２を構成することができる。送受信する機能を有機圧電素子２１にもたせることで、有機圧電素子の有する受信時の広帯域性を生かせるので、高精細な超音波画像を構築することができる。

第１超音波信号強度の時間波形、第２超音波信号強度の時間波形、および第１超音波信号強度と第２超音波信号強度を重畳した時間波形は、図４に示した時間波形と同様である。従って、第１超音波信号と第２超音波信号とが重畳された結果、第３高調波が相殺され、基本波成分のみ有し、被検体Ｈへ送信されることとなる。

超音波探触子２は、さらに、図７に示したような構成でもよい。図７においては、無機圧電素子２２と有機圧電素子２１とが被検体Ｈの方向に対して垂直方向に、有機圧電素子２１−１、無機圧電素子２２−１、有機圧電素子２１−２、無機圧電素子２２−２、というように交互に配列され、音響制動部材２３と音響整合層２６を備える構成とする。その他の構成部分は簡単化のため省略する。

無機圧電素子２２−ｎが第１超音波信号を送信し、有機圧電素子２１−ｎが第２超音波信号を送信する。被検体Ｈからの反射波である第３超音波信号は、有機圧電素子２１が受信する。

無機圧電素子２２−ｎと有機圧電素子２１−ｎが送信する超音波信号について説明する。図８に、第１超音波信号強度の時間波形を示すグラフＧ７、第２超音波信号強度の時間波形を示すグラフＧ８、および第１超音波信号強度と第２超音波信号強度を重畳した時間波形を示すグラフＧ９を示す。図中ｔは時間、ＡＭＰは超音波信号強度を表す。

グラフＧ７に示すように、第１超音波信号強度の時間波形における基本周波数ｆ１と３次高調波ｆ３とは、無機圧電素子２２−ｎおよび有機圧電素子２１−ｎの表面から同相で送信される。なお説明の簡易化のため、第２高調波は無視する。基本周波数ｆ１と３次高調波ｆ３とを有する第１超音波信号は、被検体Ｈ方向に進行する。有機圧電膜基板２１−ｎにおいては、グラフＧ８に示すように、第１超音波信号に含まれる第３高調波が有する位相に対して逆位相の第３高調波が送信される。なお、送信する第３高調波は、第１超音波信号に含まれる第３高調波と同振幅で送信することが望ましい。超音波探触子２を出射する超音波信号は、グラフＧ９に示すように、第１超音波信号と第２超音波信号とが重畳された結果、第３高調波が相殺され、基本波成分のみ有して被検体Ｈへ送信されることとなる。

〔超音波探触子の回路構成〕
超音波診断装置と超音波探触子間の電気接続について図９と図１０を用いて説明する。図９と図１０は、送信側と受信側の回路構成例の概要図である。

最初に、送信時の回路動作を説明する。Ｖｃｃはプラス側に電圧を持つ電源で、Ｖｄｄはマイナス側に電圧を持つ電源である。

送信側９０の圧電素子Ｙ１を駆動するため超音波診断装置本体１の端子８０から送信信号が入力される。送信信号波形は、プラス側、マイナス側にも振られる正弦波でも良いし、矩形波でも良い。またインパルス波形でもよい。

送信信号は大信号のため、ダイオードＤ１はＯＮし、送信信号は圧電素子Ｙ１に印加される。

受信側９１の圧電素子Ｙ２には、送信波形のプラス側信号はダイオードＤ３を通過した後、抵抗Ｒ２を通過してＶｄｄ側に流れる。送信波形のマイナス側信号は抵抗Ｒ１を通ってＶｃｃへ、及び抵抗Ｒ２を通ってＶｄｄ側に流れるため、Ｙ２側に信号が印加されない。

このような動作により、受信側９１の圧電素子Ｙ２を振動させずに、送信側９０の圧電素子Ｙ１を振動させることができる。

次に受信時の回路動作を説明する。第２超音波信号を受けて圧電素子Ｙ２において電気信号が発生し、ＶｃｃおよびＶｄｄによって常にダイオードＤ３はＯＮされる。

受信信号はダイオードＤ３を通過し端子８０側に伝達される。送信側９０においては、ダイオードＤ１のスレッショルド電圧によってダイオードＤ１はＯＦＦ状態のため、圧電素子Ｙ１側には電気信号は流れない。以上の動作によって、図９に示す回路がスイッチを用いずとも、送受切替回路の機能を有する。

また、図１０に示す構成を有する回路でも良い。最初に、送信時の回路動作を説明する。Ｖｃｃはプラス側に電圧を持つ電源で、Ｖｄｄはマイナス側に電圧を持つ電源である。

送信側９０の圧電素子Ｙ１を駆動するため超音波診断装置本体１の端子８０から送信信号が入力される。送信信号波形は、プラス側、マイナス側にも振られる正弦波でも良いし、矩形波でも良い。またインパルス波形でもよい。

送信信号は大信号のため、ダイオードＤ１はＯＮし、送信信号は圧電素子Ｙ１に印加される。

受信側９１の圧電素子Ｙ２には、ダイオードＤ１７、Ｄ１８、Ｄ１９、およびＤ２０はＶｃｃおよびＶｄｄの電圧によって常にＯＮしている為、送信波形のプラス側信号は抵抗Ｒ１２を通過した後、Ｖｃｃ側に流れる。送信波形のマイナス側信号は抵抗Ｒ１４を通ってＶｄｄ側に流れるため、Ｙ２側に信号が印加されない。

このような動作により、受信側９１の信号Ｙ２を振動させずに、送信側９０の圧電素子Ｙ１を振動させることができる。

次に受信時の回路動作を説明する。第２超音波信号を受けてＹ２から電気信号が発生し、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１３の比率によって定まる増幅率に従ってオペアンプＵが電気信号を増幅される。第２超音波信号を増幅させない場合には、第２超音波信号をダイオードＤ１７とダイオードＤ１９の間に直接接続する。ＶｃｃおよびＶｄｄによって常にダイオードＤ１７、Ｄ１９はＯＮされる。

ダイオードＤ１７とダイオードＤ１９の間に伝達された電気信号は端子８０側と接続されるダイオードＤ１７とダイオードＤ１９の間に同じ電圧が発生するため、超音波診断装置本体１の端子８０に伝達される。

ダイオードＤ１６のスレッショルド電圧によってダイオードＤ１６はＯＦＦ状態のため、送信側９０の圧電素子Ｙ１側には受信信号は流れない。以上の動作によって、図１０に示す回路がスイッチを用いずとも、送受切替回路の機能を有する。

なお、Ｖｃｃ、Ｖｄｄの電圧を送信時は逆の関係（Ｖｃｃをマイナス側、Ｖｄｄをプラス側）にする事で、ダイオードＤ１７、Ｄ１８、Ｄ１９、およびＤ２０は常にＯＦＦになるため、送信信号が完全に抵抗Ｒ１３側に流れないようにできる。

〔超音波探触子の自己チェック機能とセットアップ機能〕
以下に本実施形態における超音波探触子の自己チェック機能について図３と図１１を用いて説明する。図１１は自己チェック機能処理のフロー図である。

超音波探触子の自己チェック機能とは、第１送信用圧電素子が送信する第１超音波信号に含まれる高次高調波を、第２送信用圧電素子に送信させる高次高調波で相殺させる動作を実施した結果、超音波探触子２を出射する超音波に含まれる高次高調波が、所定の基準を満たす程度に減少しているかどうかを自己チェックする機能である。

超音波探触子のセットアップ機能とは、超音波探触子２を出射する超音波に含まれる高次高調波が、所定の基準を満たす程度に減少していない場合に、第２送信用圧電素子に送信させる高次高調波の出力を変更することで、超音波探触子２を出射する超音波に含まれる高次高調波を、所定の基準を満たす程度に減少させる機能である。

以下の動作は、制御部１６が中心になって実施される動作であり、動作するタイミングは、術者からの操作指示の入力を受けて実施されてもよいし、超音波診断装置を立ち上げた際に自動で実施されてもよい。超音波探触子２は図３に示すものを前提とするが、図６、図７に示す他の超音波探触子２でもよい。なお、説明の簡易化のため、高次高調波は３次高調波のみとし、２次高調波は無視する。

最初にステップＳ１にて、制御部１６は、送信部１２に第１送信用圧電素子である無機圧電素子アレイ４ａの中の一つの無機圧電素子２２ａを駆動させて第１超音波信号を送信させる。そして、第２送信用圧電素子である無機圧電素子アレイ４ｂにおいて、駆動された無機圧電素子２２ａの被検体Ｈ方向の近傍に存在する無機圧電素子２２ｂを駆動させて、第２超音波信号を送信させる。無機圧電素子２２ａと無機圧電素子２２ｂの駆動については前述のように第３高調波を相殺させるようなタイミングで実施する。

次にステップＳ２にて、第１超音波信号と第２超音波信号を、受信用圧電素子である有機圧電素子アレイ５において、送信した無機圧電素子２２ａと無機圧電素子２２ｂの近傍に存在するで有機圧電素子２１で受信する。

次にステップＳ３にて、チェック部１７は、有機圧電素子２１が受信した第１超音波信号と第２超音波信号が合わさって生成された電気信号の周波数解析を実施する。第１超音波信号における第３高調波が、第２超音波信号で相殺されておれば、有機圧電素子２１の出力する電気信号には第３高調波が殆ど観測されないようにすることができる。実際には第３高調波の振幅が所定の基準値を下回っているかどうかで判断する。所定の基準値は、例えば、第１超音波信号が被検体Ｈにおいて反射して生成された第３高調波に比べて無視できるほど小さい値に設定される。

周波数解析の手法としては、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ、高速フーリエ変換）やＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ、有限インパルス応答）等のフィルタをかける方法を採用する。周波数解析によって、第１超音波信号と第２超音波信号が合わさった超音波に含まれる周波数毎に信号振幅を算出でき例えば、図１２に示すような解析結果を得ることができる。図１２は第１超音波信号と第２超音波信号が合わさった超音波の周波数スペクトルを表す概要図である。

図１２においては、信号振幅値ｐ１を有する基本周波数ｆ１、信号振幅値ｐ２を有する第２高調波周波数ｆ２、信号振幅値ｐ３を有する第３高調波周波数ｆ３の存在が確認される。

次にステップＳ４にて、チェック部１７は、基準値をｐｃとすると、第３高調波の振幅値が基準値を下回っているか、すなわちｐ３＜ｐｃとなっているかを判断する自己チェックを実施する。

第３高調波の振幅値が基準値を下回っていなければ、ステップＳ５に移行し、制御部１６は、第３高調波の振幅値が基準値を下回るように無機圧電素子アレイ４ｂの送信条件を調整するセットアップを実施する。調整後、ステップＳ１に移り、同様に第１送信用圧電素子と第２送信用圧電素子を駆動する。調整結果は、記憶部１８に記憶させ、今後の動作に用いる。なお、第３高調波の振幅値が基準値を下回まではセットアップを継続することが好ましい。

第３高調波の振幅値が基準値を下回っていれば、ステップＳ６に移行し、次の無機圧電素子２２ａ、無機圧電素子２２ｂおよび有機圧電素子アレイ５について同様の処理を実施する。

ステップＳ６にて、全ての無機圧電素子２２ａと無機圧電素子２２ｂについて処理を実施した場合にはフローは終了する。

なお、図６に示す超音波探触子２を用いた場合には、第１超音波信号は無機圧電素子２２に送信させ、第２超音波信号は有機圧電素子２１に送信させ、第１超音波信号と第２超音波探触子の合わさった超音波は、例えば、第２超音波信号を送信する有機圧電素子２１の近傍にある有機圧電素子２１で受信するようにする。図７に示す超音波探触子２を用いた場合にも、第２超音波信号を送信する有機圧電素子２１−ｎの近傍の有機圧電素子２１、例えば有機圧電素子２１−（ｎ＋１）で受信するようにする。

以上のように、本実施形態によれば、第１送信用圧電素子毎に近傍に配置された第２送信用圧電素子に、第１送信用圧電素子が送信する第１超音波信号に含まれる所定次数の少なくとも一つの高調波成分に対して、逆位相の第２超音波信号を送信させ、受信用圧電素子を用いて自己チェックおよびセットアップを実施することで、第１超音波信号に含まれる高次高調波を相殺することができ、高精細な超音波画像を構築することができる。

また、本実施形態によれば、第２送信用圧電素子と受信用圧電素子を兼用することで、小型の構成で高精細な超音波画像を構築することができる。さらに、送受信する機能を有機圧電素子２１にもたせることで、有機圧電素子の有する受信時の広帯域性を生かせるので、高精細な超音波画像を構築することができる。

また、本実施の形態によれば、無機圧電素子アレイ４ａと無機圧電素子アレイ４ｂにおいて超音波を送信する各々の無機圧電素子２２を１ｍｍ以内に接近させて配置することで、効果的に第３高調波を相殺することができる。

また、本実施の形態によれば、第２送信用圧電素子に、第１送信用圧電素子が送信する第１超音波信号に含まれる高調波成分の中で、より高次の高調波成分に対して、逆位相の第２超音波信号を送信させ、受信用圧電素子を用いて自己チェックおよびセットアップを実施することで、より高精細な超音波画像を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、無機圧電素子アレイ４ａと、無機圧電素子アレイ４ｂとを被検体Ｈの方向に積層することで、第１超音波信号と、第２超音波信号を被検体Ｈの方向上に重ねることができる。従って、超音波探触子２と被検体Ｈの間において、常に第３高調波成分を相殺することができ、被検体Ｈ内の測定箇所と超音波探触子２の距離に関わりなく、高精細な超音波画像を構築することができる。

１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
３ ケーブル
４ 無機圧電素子アレイ
５ 有機圧電素子アレイ
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
１７ チェック部
１８ 記憶部
２１ 有機圧電素子
２２ 無機圧電素子
２４ 音響分離部
２５ 共通接地電極
２６、２７、３１ 音響整合層
５１ 有機圧電素子アレイ
８０ 端子
１０１ 圧電素子
１０２、１０３、１０６、１０７ 電極
１０５ 圧電素子
Ｈ 被検体
Ｓ 超音波診断装置

Claims (6)

1. 被検体内に第１超音波信号を送信する複数の第１送信用圧電素子と、
   前記第１送信用圧電素子毎に近傍に配置され、前記第１送信用圧電素子が送信する前記第１超音波信号に含まれる所定次数の少なくとも一つの高調波成分に対して、逆位相の第２超音波信号を送信する複数の第２送信用圧電素子と、
   前記第１超音波信号が前記被検体内において反射されて生成された第３超音波信号を受信して電気信号に変換する複数の受信用圧電素子と、
   を備える超音波探触子と、
   前記第１送信用圧電素子および前記第２送信用圧電素子を駆動する送信部と、
   前記受信用圧電素子を駆動する受信部と、
   前記電気信号から前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置。
2. 被検体内に第１超音波信号を送信する複数の第１送信用圧電素子と、
   前記第１送信用圧電素子毎に近傍に配置され、前記第１送信用圧電素子が送信する前記第１超音波信号に含まれる所定次数の少なくとも一つの高調波成分に対して、逆位相の第２超音波信号を送信し、前記第１超音波信号が前記被検体内において反射されて生成された第３超音波信号を受信する複数の送受信用圧電素子と、
   を備える超音波探触子と、
   前記第１送信用圧電素子を駆動する送信部と、
   前記送受信用圧電素子を送信用として駆動する送信部と、
   前記送受信用圧電素子を受信用として駆動する受信部と、
   前記電気信号から前記被検体内の超音波画像を生成する画像処理部と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置。
3. 前記第２送信用圧電素子または前記送受信用圧電素子は、前記第１送信用圧電素子から１ｍｍ以内の距離に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記所定次数は、第２次、または第３次であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波診断装置。
5. 前記第２送信用圧電素子または前記送受信用圧電素子は、前記第１送信用圧電素子が被検体に超音波を送信する方向に、前記第１送信用圧電素子上に積層されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の超音波診断装置。
6. 前記第１送信用圧電素子は無機圧電素子であり、前記送受信用圧電素子は有機圧電素子であることを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。

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