JP7014178B2 - アレイ型超音波振動子、超音波プローブ、超音波カテーテル、手持ち手術器具及び医療機器 - Google Patents

アレイ型超音波振動子、超音波プローブ、超音波カテーテル、手持ち手術器具及び医療機器 Download PDF

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Description

本技術は、超音波診断画像の生成に利用可能なアレイ型超音波振動子、超音波プローブ、超音波カテーテル、手持ち手術器具及び医療機器に関する。
医療分野等で利用される超音波イメージングは、超音波振動子アレイを備える超音波プローブから観察対象物に超音波を照射し、その反射波を超音波プローブによって探知することによって観察対象物の超音波画像を生成するものである。超音波イメージングは、生体組織を透視することができ、血管の走行や腫瘍の位置と形状の把握、血管に随伴する神経の見出し等に適している。
超音波イメージングにおけるスライス方向（超音波画像の奥行き方向）の超音波ビーム幅は、スライス分解能やコントラストに作用するため、近年はこのビーム幅を薄くすることが進められている。例えば、超音波振動子が１列に配列された一次元アレイでは、音響レンズを用いて超音波ビームを集束させることにより、スライス方向のビーム幅を薄くすることができる。
一方、超音波振動子が平面的に配列された二次元アレイでは、スライス方向の超音波ビームの集束性を向上させるためにアポタイゼーションや位相調整といった技術が用いられる。アポタイゼーションは、二次元アレイの端の振動子の出力を小さくする技術であり、サイドローブ（主たる放射方向から外れた方向に進行する超音波）成分を抑制し、ビームの集束性を向上させるものである。また、位相調整では、振動子間の位相差を意図的に調整することで、ビームの集束性を向上させるものである（例えば、特許文献１）。
さらに、振動子の厚みに差異を設けることにより、二次元アレイ全体でレンズ状の形状を形成し、ビームの集束性を向上させるハナフィーレンズと呼ばれる構造も知られている。
特開２０１４－０９７１５７号公報
しかしながら、上述したアポタイゼーションや位相調整を実現するためには、それぞれの超音波振動子の出力を個別に制御する必要があり、各振動子に接続される配線数が増加するため、製造の煩雑さや製造コストが増加する。また、超音波プローブ内にマルチプレクサ等を導入する必要が生じ、超音波プローブの構造も複雑となる。
ハナフィーレンズ構造を形成する場合にも、振動子を加工する必要が生じる。特に振動子が薄い場合には振動子の厚みに差異を設けることが困難であり、振動子の高周波化や低背化を実現することが容易ではない。
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、生産性及び実用性に優れ、スライス方向の超音波ビームの集束性を向上させることが可能な二次元アレイ構造のアレイ型超音波振動子、超音波プローブ、超音波カテーテル、手持ち手術器具及び医療機器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るアレイ型超音波振動子は、振動子アレイと、抵抗素子とを具備する。
上記振動子アレイは、超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する。
上記抵抗素子は、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動子エレメントの対の間に電気的に接続されている。
この構成によれば、エレメント列に接続された配線に超音波振動子エレメントの駆動信号が供給されると、抵抗素子によって駆動信号が減衰することによってエレメント列端部の超音波振動子エレメントに供給される駆動信号の強度が小さくなり、エレメント列端部の超音波振動子エレメントから放出される超音波の出力が小さくなる（アポタイゼーション）。これにより、スライス方向における超音波ビームのビーム幅を小さくすることができ、超音波診断画像のスライス分解能やコントラストを向上させることが可能となる。また、１つエレメント列に対して１本の配線を接続すればよく、個々の超音波振動子エレメントに配線を接続する必要がないので、配線数の大幅な削減が可能である。
上記抵抗素子は、上記エレメント列のうち、全ての超音波振動エレメントの間に電気的に接続されていてもよい。
抵抗素子が、全ての超音波振動エレメントの間に配置されることにより、エレメント列を構成する個々の超音波振動子エレメントから放出される超音波の出力を少しずつ相違させることが可能となる。
上記エレメント列の端の超音波振動エレメントとグランドの間に接続された接地用抵抗素子をさらに具備してもよい。
接地用抵抗素子を設けることにより、エレメント列の端部に電荷の逃げ道を確保し、同端部への電化荷の蓄積を防止することができる。
振動子アレイは、上記超音波振動子エレメントを支持する基板を有し、上記抵抗素子は上記基板の表面又は内部に実装されていてもよい。
この構成によれば振動子アレイと抵抗素子を一体的に構成することが可能となり、アレイ型超音波振動子の小型化、低背化が可能となる。
上記超音波振動子エレメントは、上記エレメント列毎に上記超音波振動子エレメントを駆動するための配線に接続されていてもよい。
この構成によれば、エレメント列毎に超音波エレメントから出射される超音波の出力を調整することができる。なお、それぞれのエレメント列においては上述の抵抗素子によって超音波エレメントから出射される超音波の出力が調整される。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波カテーテルは、アレイ型超音波振動子を具備する。
上記アレイ型超音波振動子は、超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子とを備える。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る手持ち器具は、アレイ型超音波振動子を具備する。
上記アレイ型超音波振動子は、超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子とを備える。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る医療機器は、アレイ型超音波振動子と位置センサとを具備する。
上記アレイ型超音波振動子は、超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子とを備える。
上記位置センサは上記アレイ型超音波振動子の位置を検出する。
上記医療機器は、上記アレイ型超音波振動子と上記位置センサの出力に基づいて超音波ボリューム画像を生成してもよい。
上記アレイ型超音波振動子は、それぞれの上記エレメント列において、上記抵抗素子と上記接地用抵抗素子の合計の抵抗値が、上記超音波振動子エレメントと駆動電源を接続する信号配線の抵抗値より大きくてもよい。
抵抗素子と接地用抵抗素子の合計の抵抗値を信号配線の抵抗値より大きくすることにより、各振動子エレメントにおける電圧降下を抑制することが可能である。
上記アレイ型超音波振動子は、それぞれの上記エレメント列において、上記超音波振動子エレメントの駆動電圧の周波数をｆ［Ｈｚ］としたときに、上記抵抗素子の合計の抵抗値と上記超音波振動子エレメントの静電容量の合計値の積が、１／２ｆより小さくてもよい。
抵抗素子の合計の抵抗値と超音波振動子エレメントの静電容量の合計値の積を１／２ｆより小さくすることにより、各超音波振動子エレメントから出射される超音波のＲＣ遅延（位相のずれ）を防止することが可能である。
上記アレイ型超音波振動子は、それぞれの上記エレメント列において、上記接地用抵抗素子の抵抗値が、上記抵抗素子の合計の抵抗値より小さくてもよい。
接地用抵抗素子の抵抗値を抵抗素子の合計の抵抗値より小さくすることにより、エレメント列における超音波のダイナミックレンジを大きくすることが可能である。
以上のように、本技術によれば、生産性及び実用性に優れ、スライス方向の超音波ビームの集束性を向上させることが可能な二次元アレイ構造のアレイ型超音波振動子、超音波プローブ、超音波カテーテル、手持ち手術器具及び医療機器を提供することが可能である。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の実施形態に係るアレイ型超音波振動子の斜視図である。 同アレイ型超音波振動子の一部構成の斜視図である。 同アレイ型超音波振動子が備える振動子エレメントの平面図である。 同アレイ型超音波振動子の断面図である。 同アレイ型超音波振動子が備える振動子エレメントの配列を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子が備えるエレメント列の電気的接続関係を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子が備えるエレメント列の動作を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子が備える抵抗素子を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子が備える独立配線を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子が備えるエレメント列の電気的接続関係を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子が備えるエレメント列の電気的接続関係を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子を備える超音波プローブの断面図である。 同アレイ型超音波振動子を備える超音波プローブの断面図である。 アレイ型超音波振動子を備える超音波プローブのビームプロファイルを示すグラフである。 本技術の実施形態に係るアレイ型超音波振動子を備える超音波カテーテルの模式図である。 アレイ型超音波振動子を備える超音波カテーテルのビームプロファイルを示すグラフである。 本技術の実施形態に係るアレイ型超音波振動子を備える手術器具の模式図である。 本技術の実施形態に係るアレイ型超音波振動子のそれぞれのエレメント列の電気回路構成を示す模式図である。 同アレイ型超音波振動子における、抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子の抵抗値の割合を示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子のエレメント列における各振動子エレメントでの電圧時刻暦波形のシミュレーション結果を示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子のエレメント列における各振動子エレメントでの電圧時刻暦波形のシミュレーション結果を示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子のエレメント列における各振動子エレメントでの電圧時刻暦波形のシミュレーション結果を示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子のエレメント列における各振動子エレメントでの電圧時刻暦波形のシミュレーション結果を示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子のエレメント列における各振動子エレメントでの電圧時刻暦波形のシミュレーション結果を示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子（開口幅：５ｍｍ）の音圧ビームプロファイルのシミュレーション結果である。 図２５に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅を示すグラフである。 図２５に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子（開口幅：２ｍｍ）の音圧ビームプロファイルのシミュレーション結果である。 図２８に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅を示すグラフである。 図２８に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子のエレメント列におけるアポタイゼーション強度分布を示すグラフ 同アレイ型超音波振動子の構造を示す模式図である。 ハミング窓関数を示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子（開口幅：５ｍｍ）の音圧ビームプロファイルのシミュレーション結果である。 図３４に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅を示すグラフである。 図３４に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。 同アレイ型超音波振動子（開口幅：２ｍｍ）の音圧ビームプロファイルのシミュレーション結果である。 図３７に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅を示すグラフである。 図３７に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。
本実施形態に係るアレイ型超音波振動子について説明する。
［アレイ型超音波振動子の構成］
図１は本実施形態に係るアレイ型超音波振動子１００の斜視図であり、図２はアレイ型超音波振動子１００の一部構成の斜視図である。図３はアレイ型超音波振動子１００の一部構成の平面図である。図４はアレイ型超音波振動子１００の断面図であり、図３のＡ－Ａ線での断面図である。各図において、相互に直交する三方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向とする。
図４に示すように、アレイ型超音波振動子１００は、基板１０１、圧電体層１０２、上部電極層１０３、下部電極層１０４、バッキング層１０５、音響整合層１０６、音響整合層１０７及び音響レンズ１０８を備える。
圧電体層１０２、上部電極層１０３、音響整合層１０６、下部電極層１０４及びバッキング層１０５の一部は互いに分離されており、それぞれが振動子エレメント１５０を構成している。即ち、アレイ型超音波振動子１００は振動子エレメント１５０のアレイである。なお、図２と図３では振動子エレメント１５０の数が相違しているが、図２では所定数の振動子エレメント１５０の図示を省略している。
基板１０１は、ガラスエポキシ等からなるリジッドプリント基板やＦＰＣ（flexible printed circuits）基板等の配線基板であり、振動子エレメント１５０を支持し、電気的に接続する。基板１０１には基板内蔵抵抗素子１２１、配線１２２、独立配線１２３及びパッド１２４が設けられている。
パッド１２４は基板１０１の表面に設けられ、各振動子エレメント１５０が電気的に接続される。配線１２２はパッド１２４と基板内蔵抵抗素子１２１を電気的に接続する。基板内蔵抵抗素子１２１は配線１２２及びパッド１２４を介して各振動子エレメント１５０が接続される。独立配線１２３は基板内蔵抵抗素子１２１に電気的に接続される。各振動子エレメント１５０の電気的接続については後述する。
圧電体層１０２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料からなる。圧電体層１０２は、下部電極層１０４と上部電極層１０３の間に設けられ、下部電極層１０４と上部電極層１０３の間に電圧が印加されると、逆圧電効果による振動を生じ、超音波を生成する。また、診断対象物からの反射波が圧電体層１０２に入射すると、圧電効果による分極を生じる。圧電体層１０２のサイズは特に限定されないが、例えば２５０μｍ角とすることができる。
上部電極層１０３は圧電体層１０２上に設けられ、導電性材料からなり、例えばメッキやスパッタなどで成膜された金属である。なお、上部電極層１０３は、図４に示すように振動子エレメント１５０毎に分離されていてもよく、分離されていなくてもよい。
下部電極層１０４はバッキング層１０５上に設けられ、導電性材料からなり、例えばメッキやスパッタなどで成膜された金属である。下部電極層１０４は、配線１２５を介して基板１０１に電気的に接続されている。
バッキング層１０５は、基板１０１上に設けられ、振動子エレメント１５０の不要な振動を吸収する。バッキング層１０５は一般にはフィラーと合成樹脂を混合した材料等からなる。バッキング層１０５中には下部電極層１０４とパッド１２４を接続する配線１２５が設けられている。
音響整合層１０６及び音響整合層１０７は、診断対象物と振動子エレメント１５０の間の音響インピーダンスの差を低減し、超音波の診断対象物への反射を防止する。音響整合層１０６は、合成樹脂やセラミックス材料からなる。図４に示すように音響整合層１０６は振動子エレメント１５０毎に分離され、音響整合層１０７は分離されていないものとすることができるがこれに限られない。
音響レンズ１０８は、診断対象物に接触し、圧電体層１０２において生成された超音波を集束させる。音響レンズ１０８は例えばシリコーンゴム等からなり、そのサイズや形状は特に限定されない。
［振動子エレメントの配列について］
図２及び図３に示すように振動子エレメント１５０は振動子エレメント１５０の厚み方向（Ｚ方向）から見てＸ方向及びＹ方向の二方向に沿って配列する。
アレイ型超音波振動子１００の短手方向（Ｘ方向）はスライス方向（又はエレベーション方向）と呼ばれ、同方向の解像度は超音波診断画像における奥行き方向の解像度に相当する。スライス方向の振動子エレメント１５０の数は特に限定されず、複数であればよい。
アレイ型超音波振動子１００の長手方向（Ｙ方向）はアジマス方向と呼ばれ、同方向の解像度は超音波診断画像における方位方向の解像度に相当する。アジマス方向の振動子エレメント１５０の数は特に限定されず、複数であればよい。
なお、振動子エレメント１５０の厚み方向（Ｚ方向）の解像度は超音波診断画像における距離方向の解像度に相当する。
スライス方向における超音波ビームのビーム幅は、超音波診断画像のスライス分解能やコントラストに作用するため、このビーム幅は薄い方が好適である。アジマス方向に沿って一列に振動子エレメントが配列する一次元アレイ型超音波振動子では、音響レンズを用いることによりスライス方向におけるビーム幅を集束させることができる。
一方でアレイ型超音波振動子１００のようにスライス方向にも複数の振動子エレメントが配列する二次元アレイ型超音波振動子では、音響レンズのみで十分にスライス方向のビーム幅を集束させることが困難である。このため、一般には、アレイ端部の振動子エレメントの出力を小さく抑えること（アポタイゼーション）や振動子エレメントの超音波振動の位相差を調整することによってスライス方向のビーム幅を集束させることが行われている。
上記アポタイゼーションや位相調整は、振動子エレメント毎に電極（本実施形態では上部電極層１０３及び下部電極層１０４に相当）に配線を施し、振動子エレメント毎に電圧や位相を制御することによって実現することが可能である。しかしながら、個々の振動子エレメントの全てに配線を施す場合、アレイ型超音波振動子から伸びる配線数が増加し、製造工程の複雑化や高コスト化の原因となる。さらに、アレイ型超音波振動子の近傍に、個々の振動子エレメントの振動を制御するためのプロセッサ（マルチプレクサ等）を搭載する必要があり、超音波プローブの内部空間が限られる場合等には利用が困難である。
これに対し、本実施形態に係るアレイ型超音波振動子１００では以下のように配線が施されており、上述のような問題を回避ひつつ、スライス方向のビーム集束が実現されている。
［振動子エレメントの配線について］
図５はアレイ型超音波振動子１００における振動子エレメント１５０の配列を示す模式図である。同図に示すように、スライス方向（Ｘ方向）に沿った振動子エレメント１５０の列をエレメント列Ｓとする。アレイ型超音波振動子１００は複数のエレメント列Ｓから構成されている。エレメント列Ｓを構成する振動子エレメント１５０の数及びエレメント列Ｓの数は特に限定されず、共に複数であればよい。
図６は、一つのエレメント列Ｓの電気的接続関係を示す模式図である。同図ではそれぞれの振動子エレメント１５０について、圧電体層１０２、上部電極層１０３及び下部電極層１０４を模式的に示す。
同図に示すように、上部電極層１０３は配線１３１によって互いに接続され、グランドＧに接続されている。また、下部電極層１０４は配線１３２によって互いに接続され、独立配線１２３に接続されている。エレメント列Ｓを構成する振動子エレメント１５０の間には抵抗素子１３３が電気的に接続されている。なお、配線１３２は図４において配線１２５、パッド１２４及び配線１２２によって実現されており、抵抗素子１３３は基板内蔵抵抗素子１２１によって実現されている。なお、各抵抗素子１３３の抵抗値は互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。例えばエレメント列Ｓの中央部から端部にかけて各抵抗素子１３３の抵抗値が次第に大きくなるように構成されていてもよい。
アレイ型超音波振動子１００を構成する複数のエレメント列Ｓはそれぞれが図６に示す構成を有しており、エレメント列Ｓ間では電気的に接続されていない。したがって、アレイ型超音波振動子１００においては、各々のエレメント列Ｓに一本ずつの独立配線１２３が接続されている。
以上のようにして振動子エレメント１５０に配線を施すことにより、アレイ型超音波振動子１００では、エレメント列Ｓ毎に独立配線１２３から駆動信号が供給され、エレメント列Ｓ毎に圧電体層１０２の振動が制御される。
図７はアレイ型超音波振動子１００における振動子エレメント１５０から放出される超音波の出力を示す模式図である。同図において振動子エレメントから放出される超音波の出力の大きさを矢印の長さで示す。
個々のエレメント列Ｓにおいては独立配線１２３から供給された駆動信号は抵抗素子１３３によって減衰されながら、抵抗素子１３３を介して接続された振動子エレメント１５０に供給される。これにより、図７に示すようにそれぞれのエレメント列Ｓの端部に近い振動子エレメント１５０ほど圧電体層１０２において生じる超音波の出力が小さくなる。
このようにアレイ型超音波振動子１００が備えるそれぞれのエレメント列Ｓで端部での超音波の出力が小さくなるため、アポタイゼーションが実現され、スライス方向のビーム幅が集束される。
また、エレメント列Ｓそれぞれには独立配線１２３が接続されているため、エレメント列Ｓ毎に駆動信号によって超音波振動を制御することができる。即ち、アジマス方向においては駆動信号によってアポタイゼーション及び位相制御を実現することが可能である。
以上のように、アレイ型超音波振動子１００においてはアジマス方向についてはエレメント列Ｓ毎の駆動信号によって超音波の出力を調整することでき、スライス方向については抵抗素子１３３によって受動的に超音波の出力が調整される。アレイ型超音波振動子１００において必要な配線は一つのエレメント列Ｓについて１本であるため、振動子エレメント１５０の一つずつに配線を施す場合に比べて配線数を大幅に低減することが可能である。
なお、各振動子エレメント１５０の間には抵抗素子１３３によって実質的なローパスフィルタが形成される。しかしながら、ローパスフィルタのカットオフ周波数以下で用いることにより各エレメント列Ｓにおいて生じる位相ずれを抑制することが可能である。
［振動子エレメントの配線の具体的構造］
アレイ型超音波振動子１００においては、図６に示すような接続関係が実現できるものであればよく、具体的な構造は特に限定されない。しかしながら、図４に示すように基板内蔵抵抗素子１２１を利用すると好適である。
図８は、基板内蔵抵抗素子１２１を示す模式図であり、振動子エレメント１５０、基板内蔵抵抗素子１２１及び配線１３１を示す。基板内蔵抵抗素子１２１は、電気抵抗が高い導電性材料からなり、同図に示すようにエレメント列Ｓの端部に向かって次第に幅が狭くなり、即ち電気抵抗が増大するような形状に形成されている。これにより、基板内蔵抵抗素子１２１によって図６に示す抵抗素子１３３を実現することができる。
なお、基板内蔵抵抗素子１２１は、Ｎｉ膜、ＮｉＣｒ膜、Ｎｉ－Ｐ素子又はＮｉＣｒＡｌＳｉ膜等をメッキ又はスパッタにて成膜し、パターニングすることによって形成することが可能である。
なお、抵抗素子１３３は基板内蔵抵抗素子１２１以外によって実現することも可能であり、例えば、低背ＥＰＤ（Embedded Passive Device)に対応した抵抗素子を利用することも可能である。
図９は、独立配線１２３を示す模式図であり、振動子エレメント１５０、独立配線１２３及び配線１３１を示す。独立配線１２３は同図に示すように、スライス方向（Ｘ方向）に沿って延伸するように設けられている。
［アレイ型超音波振動子の他の構成について］
アレイ型超音波振動子１００の構成は上述のものに限られない。図１０及び図１１は、他の構成を有するアレイ型超音波振動子１００を示す模式図である。
図１０に示すように、抵抗素子１３３は、全ての振動子エレメント１５０の間に電気的に接続されていなくてもよく、一部の振動子エレメント１５０の対の間に電気的に接続されていてもよい。この構造においてもエレメント列Ｓで端部での超音波の出力が小さくなるため、アポタイゼーションが実現され、スライス方向のビーム幅が集束される。
また、図１１に示すように、アレイ型超音波振動子１００は、接地用抵抗素子１３４を備えてもよい。接地用抵抗素子１３４は、エレメント列Ｓの両端に位置する振動子エレメント１５０とグランドＧの間に電気的に接続されている。
上記構成においては、エレメント列Ｓの端部に蓄積された電荷が駆動信号の入力後も残存するおそれがある。これに対し、接地用抵抗素子１３４を設けることによりエレメント列Ｓ端部に電荷の逃げ道を確保し、エレメント列Ｓ端部への電荷の蓄積を防止することができる。
なお、接地用抵抗素子１３４の抵抗値が低すぎると駆動信号入力時に電荷が逃げてしまい、高すぎると接地用抵抗素子１３４を設けた意味がなくなるため、適切な抵抗値とする必要がある。また、図１０に示す一部の振動子エレメント１５０の対の間に抵抗素子１３３が設けられた構成に対して接地用抵抗素子１３４を設けても良い。
［アレイ型超音波振動子の適用例］
本実施形態に係るアレイ型超音波振動子１００の適用例について説明する。
図１２及び図１３は、アレイ型超音波振動子１００を備える超音波プローブ１１の模式図である。同図に示すように超音波プローブ１１は、アレイ型超音波振動子１００、アレイ型超音波振動子１００を収容するケース１７１及び独立配線１２３が接続される配線接続部１７２を備える。
上述のように、アレイ型超音波振動子１００は、１つのエレメント列Ｓに対して１本の独立配線１２３を接続すればよいため、個々の振動子エレメント１５０に配線を施す構造に比較して配線数を大幅に削減することができる。
図１４は、超音波プローブから放出される超音波強度のシミュレーション結果を示すグラフであり、超音波プローブのスライス方向（Ｘ方向）の開口幅を５ｍｍとし、測定深度３．５ｃｍでのビームプロファイルを示す。
図中「エレメント列駆動」は本実施形態に係るアレイ型超音波振動子１００を利用してアポタイゼーションを実施した場合の超音波強度、図中「独立エレメント駆動」は個々の振動子エレメントに配線を接続したアレイ型超音波振動子を利用してアポタイゼーションを実施した場合の超音波強度である。図中「音響レンズ」はアポタイゼーションを利用せず、音響レンズによる集束効果のみの場合の超音波強度である。
本実施形態に係る「エレメント列駆動」では「音響レンズ」に比べてサイドローブ（主たる放射方向から外れた方向に進行する超音波）が大幅に低下しており、「独立エレメント駆動」に近いビームプロファイルが得られる。
したがって、「エレメント列駆動」では「独立エレメント駆動」に対して大幅に配線数を低減しつつ、「独立エレメント駆動」と同等のダイナミックレンジを有し、視認性に優れた超音波画像を生成することが可能となる。
図１５は、アレイ型超音波振動子１００を備える超音波カテーテル１２の模式図である。超音波カテーテル１２は例えば心腔内超音波カテーテルである。超音波カテーテル１２は本体１２ａとカテーテル１２ｂを備え、アレイ型超音波振動子１００はカテーテル１２ｂの先端に搭載される。
図１６は、超音波カテーテルから放出される超音波強度のシミュレーション結果を示すグラフであり、超音波プローブのスライス方向（Ｘ方向）の開口幅を２ｍｍとした場合のビームプロファイルを示す。
「エレメント列駆動」、「独立エレメント駆動」及び「音響レンズ」は上述のものと同義である。超音波カテーテルであっても、「エレメント列駆動」では「音響レンズ」に比べてサイドローブが大幅に低下しており、「独立エレメント駆動」に近いビームプロファイルが得られる。
また、超音波カテーテルはカテーテルを屈曲させて操作する必要があるが、個々の振動子エレメントに配線を接続したアレイ型超音波振動子ではカテーテル内の配線数が多くなり、操作の妨げとなる。カテーテル先端部にマルチプレクサ等を搭載すればカテーテル内の配線数を削減できるが、カテーテル先端部の搭載空間は限定されており、容易ではない。このような点からも、必要な配線数が少ないアレイ型超音波振動子１００は好適である。
図１７は、アレイ型超音波振動子１００を備える手術器具１３の模式図である。手術器具１３は切開具や鉗子であり、先端部にアレイ型超音波振動子１００が搭載されている。このように手術器具にアレイ型超音波振動子を搭載する場合、収容空間が小さく、開口径も小さくなるため、ダイナミックレンジが悪化する。
これに対して本実施形態に係るアレイ型超音波振動子１００は上記のように高いダイナミックレンジを有するため、超音波診断の画質を向上させることが可能である。
また、アレイ型超音波振動子１００は、位置センサと共に超音波プローブに搭載することができる。位置センサは超音波プローブの位置を取得するセンサであり、例えば磁気センサとすることができる。このような構成により、アレイ型超音波振動子１００が生成する２次元超音波診断画像と位置センサから出力される超音波プローブの位置関係に基づいて、３次元ボリューム画像を構築することが可能となる（特開２００８－１７８５００号公報参照）。
上述のように本実施形態に係るアレイ型超音波振動子１００はコントラストの高い超音波診断画像を生成することが可能であるため、アレイ型超音波振動子１００を位置センサと共に搭載することによりコントラストの高い３次元ボリューム画像を生成することが可能となる。
［抵抗値の詳細について］
図１１に示す抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子１３４を備えるアレイ型超音波振動子１００における、抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子１３４の抵抗値の詳細について説明する。
図１８は、アレイ型超音波振動子１００のそれぞれのエレメント列Ｓの電気回路構成を示す模式図である。同図において、それぞれの振動子エレメント１５０（図１１参照）によって形成される静電容量をＣ１～Ｃ１６として示し、抵抗素子１３３による抵抗をＲ１～Ｒ１４、接地用抵抗素子１３４による抵抗をＲｇ１及びＲｇ２として示す。なお、振動子エレメント１５０及び抵抗素子１３３の数は図１８に示すものに限られない。
図１９は、抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子１３４の抵抗値の割合を示すグラフであり、抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子１３４の総抵抗値を１００％とした場合の抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子１３４の抵抗値割合を示すグラフである。同図において括弧内は各抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子１３４の位置を示す。
また、図１８において、独立配線１２３を介してエレメント列Ｓと接続された電源回路１８０の構成を示す。電源回路１８０は、駆動電源１８１、インダクタ１８２、インダクタ１８３、抵抗素子１８４、抵抗素子１８５、抵抗素子１８６、抵抗素子１８７、キャパシタ１８８及びキャパシタ１８９を備える。さらに、エレメント列Ｓと駆動電源１８１の間の配線を信号配線１９０とする。信号配線１９０は同軸ケーブルであり、その抵抗値は例えば１４３Ωである。
ここで、抵抗素子１３３及び接地用抵抗素子１３４は、エレメント列Ｓにおける抵抗素子１３３と接地用抵抗素子１３４の合計の抵抗値（Ｒｇ１＋Ｒｇ２＋Ｒ１＋…＋Ｒ１４）が、信号配線１９０の抵抗値より大きいものが好適である。
さらに、駆動電源１８１の駆動電圧の周波数をｆ［Ｈｚ］としたときに、エレメント列Ｓにおける抵抗素子１３３の合計の抵抗値（Ｒ１＋…＋Ｒ１４）と振動子エレメント１５０の静電容量の合計値（Ｃ１＋…＋Ｃ１６）の積（以下、ＲＣ）が、１／２ｆより小さいものが好適である。
図２０～図２４は、エレメント列Ｓにおける各振動子エレメント１５０での電圧時刻暦波形のシミュレーション結果を示すグラフである。各図において、「中央の素子」は図１８中Ｃ８又はＣ９の振動子エレメント１５０を指し、「端から５番目の素子」は同図中Ｃ５又はＣ１２の振動子エレメント１５０を指す。「端の素子」は同図中Ｃ１又はＣ１６の振動子エレメント１５０を指す。
抵抗素子１３３と接地用抵抗素子１３４の合計の抵抗値（以下、合計抵抗値）は図２０では１０Ω、図２１では１００Ω、図２２では１ｋΩ、図２３では１０ｋΩ、図２４では１００ｋΩである。
シミュレーションの解析条件は、アジマス方向（Ｙ方向）の振動子エレメント幅：９０μｍ、スライス方向（Ｘ方向）のアレイ型超音波振動子幅（開口幅）：５ｍｍ、スライス方向（Ｘ方向）の振動子エレメント数：１６、アレイ型超音波振動子厚み：１２０μｍ、印加電圧波形：１００Ｖ、７ＭＨｚ、Ｓｉｎ波、１波である。
図２０及び図２１に示すように、合計抵抗値が信号配線１９０の抵抗値（１４３Ω）より小さい場合、１００Ｖの印加電圧に対して最大電圧が３Ｖ又は２０Ｖ程度であり、各振動子エレメント１５０の電圧降下が大きすぎる。
一方、図２２乃至図図２４に示すように、合計抵抗値が信号配線１９０の抵抗値（１４３Ω）より大きい場合、１００Ｖの印加電圧に対して最大電圧が６０Ｖ又は８０Ｖ程度であり、各振動子エレメント１５０の電圧降下は大きくない。
このため、合計抵抗値は信号配線１９０の抵抗値より大きい方が好適である。
また、ＲＣ（抵抗素子１３３の合計の抵抗値（Ｒ１＋…＋Ｒ１４）と振動子エレメント１５０の静電容量の合計値（Ｃ１＋…＋Ｃ１６）の積）が、１／２ｆより大きいと、図２３及び図２４に示すようにＲＣ遅延（位相のずれ）が生じる。
このため、ＲＣは１／２ｆより小さい方が好適である。なお、図２０～図２４において、Ｒは図中に記載の「合計抵抗値」であり、Ｃはいずれも６５．８ｐＦである。７ＭＨｚでの１／２ｆが７１．４ｎｓｅｃであるのに対し、ＲＣの値は図２０の条件では０．６５８ｐＦ、図２１では６．５８ｐＦ、図２２では６５．８ｐＦ、図２３では６５８ｐＦ、図２４では６．５８ｎＦである。
以上から、合計抵抗値は信号配線１９０抵抗値より大きい方が好適であり、ＲＣは１／２ｆより小さい方が好適である。図２２（合計抵抗値：１ｋΩ）に示すようにこれらの条件が満たされる場合、各振動子エレメント１５０の電圧降下が小さく、ＲＣ遅延の発生も防止される
図２５は、Ｘ方向の幅（開口幅）が５ｍｍの場合のアレイ型超音波振動子１００の音圧ビームプロファイルのシミュレーション結果であり、焦点距離は３５ｍｍである。
図２６は図２５に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅（－３ｄＢ及び－６ｄＢ低下時の幅）を示すグラフであり、図２７は、図２５に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。
これらの図に示すように、開口幅５ｍｍの場合、合計抵抗値が１ｋΩのときにダイナミックレンジの向上（図２５中、矢印Ａ）及びビーム幅の縮小（図２５中、矢印Ｂ）という効果が得られる。
図２８は、Ｘ方向の幅（開口幅）が２ｍｍの場合のアレイ型超音波振動子１００の音圧ビームプロファイルの別のシミュレーション結果であり、焦点距離は３５ｍｍである。
図２９は図２８に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅（－３ｄＢ及び－６ｄＢ低下時の幅）を示すグラフであり、図３０は、図２８に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。
これらの図に示すように開口幅が２ｍｍの場合、合計抵抗値が１ｋΩのときにダイナミックレンジの向上（図２８中、矢印Ａ）という効果が得られる。
このように、合計抵抗値が信号配線１９０抵抗値より大きく、ＲＣが１／２ｆより小さい場合、アレイ型超音波振動子１００のダイナミックレンジの向上やビーム幅の縮小といった効果が得られる。
また、それぞれのエレメント列Ｓにおいて、接地用抵抗素子１３４の抵抗値（Ｒｇ１及びＲｇ２）は、抵抗素子１３３の合計の抵抗値（Ｒ１＋…＋Ｒ１４）より小さい方が好適である。図３１は、エレメント列Ｓにおけるアポタイゼーション強度分布を示すグラフであり、バイアス値（端での強度係数）が小さい方がダイナミックレンジが大きくなる。
より具体的には、図３２に示すように、エレメント列Ｓの振動子エレメント１５０の数をｎ、スライス方向（Ｘ方向）のエレメント列Ｓの幅をｗ、スライス方向の中央を原点としたときの、原点からのスライス方向の距離をｘ、駆動電源１８１の駆動電圧によって端からｋ番目の振動子エレメント１５０で生じる電圧波形のピーク値をＶｋ、Ｖｋ（１≦ｋ≦ｎ）の最大値をＶｍａｘとしたときに、Ｖｋの分布が下記（式１）に示すハミング窓関数に沿った分布となることが好適である。
Ｖｋ／Ｖｍａｘ＝０．５４＋０．４６ｃｏｓ（２π・ｘ／ｗ） （式１）
図３３は、上記（式１）に示すハミング窓関数を示すグラフである。
図３４は、Ｘ方向の幅（開口幅）が５ｍｍの場合のアレイ型超音波振動子１００の音圧ビームプロファイルのシミュレーション結果であり、焦点距離は３５ｍｍである。
図３５は図３４に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅（－３ｄＢ及び－６ｄＢ低下時の幅）を示すグラフであり、図３６は、図３４に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。
図３７は、Ｘ方向の幅（開口幅）が２ｍｍの場合のアレイ型超音波振動子１００の音圧ビームプロファイルのシミュレーション結果であり、焦点距離は３５ｍｍである。
図３８は図３７に示す音圧ビームプロファイルでのビーム幅（－３ｄＢ及び－６ｄＢ低下時の幅）を示すグラフであり、図３９は、図３７に示す音圧ビームプロファイルでのダイナミックレンジを示すグラフである。
これらの図に示すように、強度分布関数が上記ハミング窓関数となる場合にダイナミックレンジが大きくなり、好適である。
このように、接地用抵抗素子１３４の抵抗値が抵抗素子１３３の合計の抵抗値より小さく、アポタイゼーション強度分布がハミング窓関数に沿った分布となるように構成することにより、アレイ型超音波振動子１００のダイナミックレンジの向上といった効果が得られる。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、
上記エレメント列のうち、任意の超音波振動子エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子と
を具備するアレイ型超音波振動子。
（２）
上記（１）に記載のアレイ型超音波振動子であって、
上記抵抗素子は、上記エレメント列のうち、全ての超音波振動エレメントの間に電気的に接続されている
アレイ型超音波振動子。
（３）
上記（１）又は（２）に記載のアレイ型超音波振動子であって、
上記エレメント列の端の超音波振動エレメントとグランドの間に接続された接地用抵抗素子
をさらに具備するアレイ型超音波振動子。
（４）
上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載のアレイ型超音波振動子であって、
上記振動子アレイは、上記超音波振動子エレメントを支持する基板を有し、
上記抵抗素子は上記基板の表面又は内部に実装されている
アレイ型超音波振動子。
（５）
上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載のアレイ型超音波振動子であって、
上記超音波振動子エレメントは、上記エレメント列毎に上記超音波振動子エレメントを駆動するための配線に接続されている
アレイ型超音波振動子。
（６）
超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子とを備えるアレイ型超音波振動子
を具備する超音波プローブ。
（７）
超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子とを備えるアレイ型超音波振動子
を具備する超音波カテーテル。
（８）
超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子とを備えるアレイ型超音波振動子
を具備する手持ち手術器具。
（９）
超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、上記エレメント列のうち、任意の超音波振動エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子とを備えるアレイ型超音波振動子と、
上記アレイ型超音波振動子の位置を検出する位置センサと
を具備する医療機器。
（１０）
上記（９）に記載の医療機器であって、
上記アレイ型超音波振動子と上記位置センサの出力に基づいて超音波ボリューム画像を生成する
医療機器。
（１１）
上記（３）から（５）のうちいずれか一つに記載のアレイ型超音波振動子であって、
それぞれの上記エレメント列において、上記抵抗素子と上記接地用抵抗素子の合計の抵抗値が、上記超音波振動子エレメントと駆動電源を接続する信号配線の抵抗値より大きい
アレイ型超音波振動子。
（１２）
上記（３）から（５）及び（１１）のうちいずれか一つに記載のアレイ型超音波振動子であって、
それぞれの上記エレメント列において、上記超音波振動子エレメントの駆動電圧の周波数をｆ［Ｈｚ］としたときに、上記抵抗素子の合計の抵抗値と上記超音波振動子エレメントの静電容量の合計値の積が、１／２ｆより小さい
アレイ型超音波振動子。
（１３）
上記（３）から（５）、（１１）及び（１２）のうちいずれか一つに記載のアレイ型超音波振動子であって、
それぞれの上記エレメント列において、上記接地用抵抗素子の抵抗値が、上記抵抗素子の合計の抵抗値より小さい
アレイ型超音波振動子。
１１…超音波プローブ
１２…超音波カテーテル
１３…手術器具
１００…アレイ型超音波振動子
１０１…基板
１０２…圧電体層
１０３…上部電極層
１０４…下部電極層
１０５…バッキング層
１０６、１０７…音響整合層
１０７…音響整合層
１０８…音響レンズ
１２１…基板内蔵抵抗素子
１２３…独立配線
１３３…抵抗素子
１３４…接地用抵抗素子
１５０…振動子エレメント

Claims (12)

  1. 超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、
    前記エレメント列のうち、任意の超音波振動子エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子と、
    前記エレメント列の端の超音波振動子エレメントとグランドの間に接続された接地用抵抗素子と
    を具備し、
    前記接地用抵抗素子は、前記端の超音波振動子エレメントと前記端の超音波振動子エレメントと対をなす超音波振動子エレメントとの間に電気的に接続された抵抗素子ではない
    アレイ型超音波振動子。
  2. 請求項１に記載のアレイ型超音波振動子であって、
    前記抵抗素子は、前記エレメント列のうち、全ての超音波振動子エレメントの間に電気的に接続されている
    アレイ型超音波振動子。
  3. 請求項１又は２に記載のアレイ型超音波振動子であって、
    前記振動子アレイは、前記超音波振動子エレメントを支持する基板を有し、
    前記抵抗素子は前記基板の表面又は内部に実装されている
    アレイ型超音波振動子。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のアレイ型超音波振動子であって、
    前記超音波振動子エレメントは、前記エレメント列毎に前記超音波振動子エレメントを駆動するための配線に接続されている
    アレイ型超音波振動子。
  5. 超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、前記エレメント列のうち、任意の超音波振動子エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子と、前記エレメント列の端の超音波振動子エレメントとグランドの間に接続された接地用抵抗素子とを備え、前記接地用抵抗素子は、前記端の超音波振動子エレメントと前記端の超音波振動子エレメントと対をなす超音波振動子エレメントとの間に電気的に接続された抵抗素子ではない、アレイ型超音波振動子
    を具備する超音波プローブ。
  6. 超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、前記エレメント列のうち、任意の超音波振動子エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子と、前記エレメント列の端の超音波振動子エレメントとグランドの間に接続された接地用抵抗素子とを備え、前記接地用抵抗素子は、前記端の超音波振動子エレメントと前記端の超音波振動子エレメントと対をなす超音波振動子エレメントとの間に電気的に接続された抵抗素子ではない、アレイ型超音波振動子
    を具備する超音波カテーテル。
  7. 超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、前記エレメント列のうち、任意の超音波振動子エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子と、前記エレメント列の端の超音波振動子エレメントとグランドの間に接続された接地用抵抗素子とを備え、前記接地用抵抗素子は、前記端の超音波振動子エレメントと前記端の超音波振動子エレメントと対をなす超音波振動子エレメントとの間に電気的に接続された抵抗素子ではない、アレイ型超音波振動子
    を具備する手持ち手術器具。
  8. 超音波振動子エレメントが２次元アレイを構成する振動子アレイであって、スライス方向に沿って複数の超音波振動子エレメントが配列するエレメント列を複数有する振動子アレイと、前記エレメント列のうち、任意の超音波振動子エレメントの対の間に電気的に接続された抵抗素子と、前記エレメント列の端の超音波振動子エレメントとグランドの間に接続された接地用抵抗素子とを備え、前記接地用抵抗素子は、前記端の超音波振動子エレメントと前記端の超音波振動子エレメントと対をなす超音波振動子エレメントとの間に電気的に接続された抵抗素子ではない、アレイ型超音波振動子と、
    前記アレイ型超音波振動子の位置を検出する位置センサと
    を具備する医療機器。
  9. 請求項８に記載の医療機器であって、
    前記アレイ型超音波振動子と前記位置センサの出力に基づいて超音波ボリューム画像を生成する
    医療機器。
  10. 請求項１から４のいずれか１項に記載のアレイ型超音波振動子であって、
    それぞれの前記エレメント列において、前記抵抗素子と前記接地用抵抗素子の合計の抵抗値が、前記超音波振動子エレメントと駆動電源を接続する信号配線の抵抗値より大きい
    アレイ型超音波振動子。
  11. 請求項１から４及び１０のいずれか１項に記載のアレイ型超音波振動子であって、
    それぞれの前記エレメント列において、前記超音波振動子エレメントの駆動電圧の周波数をｆ［Ｈｚ］としたときに、前記抵抗素子の合計の抵抗値と前記超音波振動子エレメントの静電容量の合計値の積が、１／２ｆより小さい
    アレイ型超音波振動子。
  12. 請求項１から４、１０、及び１１のいずれか１項に記載のアレイ型超音波振動子であって、
    それぞれの前記エレメント列において、前記接地用抵抗素子の抵抗値が、前記抵抗素子の合計の抵抗値より小さい
    アレイ型超音波振動子。
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