JPH0880302A

JPH0880302A - 超音波探触子およびこれを用いた超音波診断装置

Info

Publication number: JPH0880302A
Application number: JP6218699A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Masuzawa; 裕鱒沢
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】異常を疑われる部位が体表から深い場合に
も、生体内深部の組織鑑別を摘出することなく行うこと
が可能な超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装
置を提供すること。【構成】針の表面に圧電体層と櫛形電極群を備え、櫛
形電極間に電界を作用させることにより弾性波を針の表
面上で発生させるか、針の表面で送受信する手段を備え
た超音波探触子、および、この超音波探触子の電極に印
加する電気信号の周波数を変化させて、該信号の挿入損
失を計測する手段を備え、挿入損失の周波数依存性から
組織鑑別を行うようにした超音波診断装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を用いて生体の
組織情報を得るための超音波探触子およびこれを用いた
超音波診断装置に関し、特に針を穿刺することにより注
目部位近傍の組織鑑別を行うに好適な超音波探触子およ
びこれを用いた超音波診断装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被検体の体表から被検体内部
に超音波ビームを送波し、体内からの反射波を受信し
て、この受信信号に基づいて超音波画像診断を行う超音
波診断装置が広く知られるところとなっている。現在の
技術では、これらの超音波診断装置の分解能は、生体深
部で数mm程度であり、断層像の中で異常を疑われる場合
には、バイオプシと称される細胞検が行われている。こ
の検査は、生検針を断層像の観察下で被検体に穿刺し、
病変を疑われる部位の細胞を実際に採取して検査するこ
とにより、部位の細胞病変を推定するものである。この
方法は、切開手術で摘出する場合に比べて、被験者への
侵襲性が低く、負担を軽減できる点で有利である。しか
し、例えば、診断基準が少量の細胞ではなく、所定の大
きさ(数mm程度)にわたってその性状を検査しなければな
らない場合も多く、異常を疑われる部位が体表から深い
場合等には、やはり切開手術で摘出する以外に確定的な
方法がないのが現状である。このような問題点に鑑み、
例えば、特開平2-206449号公報等に開示される如く、被
検体内部に穿刺する針の先端に超音波送受信を行う振動
子を備え、被検体内の注目部位の減衰等の情報を得る手
法が提案されている。これらの従来技術は、針の表面に
超音波を送受信する振動子を形成し、被検体内へ超音波
を放射して生体からの反射を受信するか、振動子を対向
配置し、被検体の一部を挟む状態で超音波を送受信する
ものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、生体の細胞組
織の特性を鑑別できるような計測を行うためには、細胞
の平均的大きさと同程度の波長を有する非常に高い周波
数の超音波を用いる必要がある。例えば、病巣と疑わし
き部位において、中心周波数が10ミクロン程度の波長を
有する超音波パルスを送受信しようとすると、150ＭＨz
程度の高周波の超音波パルスを送受信する必要がある。
しかし、このような高い周波数の超音波パルスを透過さ
せることは、生体内で著しい減衰が発生するため、非常
に困難であった。また、振動子から被検体内へ超音波を
放射して生体からの反射を受信する場合では、送波時の
振動子の残響成分と反射波受信信号の時間的分離が困難
であるために十分な受信感度が得られず、対向配置した
振動子間の透過減衰量を計測する場合では、生体内の著
しい減衰のために対向振動子間の距離を非常に小さなも
のとしなければ計測が困難であった。従って、上述の如
く、病巣と疑わしき部位で外径数mm程度の範囲にわたる
情報を得るためには、十分な受信信号強度が得られず、
計測の信頼性が低下するという問題があった。本発明は
上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、従来の技術における上述の如き問題を解消し、異
常を疑われる部位が体表から深い場合にも、生体内深部
の組織鑑別を摘出することなく行うことが可能な超音波
探触子およびそれを用いる超音波診断装置を提供するこ
とにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の上述の目的は、
電気信号を弾性波に変換する電気音響変換器を備えた針
状の超音波探触子であって、前記電気音響変換器により
発生する弾性波を伝播させ、伝播する弾性波エネルギー
の一部を接触する被検体中に徐々に散逸させる構造を、
針状の超音波探触子の表面に形成したことを特徴とする
超音波探触子、および、前記超音波探触子と、該超音波
探触子からの信号の処理手段を備えたことを特徴とする
超音波診断装置によって達成される。より具体的には、
針状の超音波探触子の表面に圧電体層と櫛形電極群を備
え、櫛形電極間に電界を作用させることにより弾性波を
針の表面上で発生させるか、針の表面上で送受信する手
段を備えた超音波探触子、および、この超音波探触子の
電極に印加する電気信号の周波数を変化させて、該信号
の挿入損失を計測する手段を備え、挿入損失の周波数依
存性から組織鑑別を行うようにした超音波診断装置によ
って達成される。

【０００５】

【作用】本発明に係る超音波探触子においては、櫛形電
極間に電界を作用させることにより、薄膜で形成した圧
電体層から、弾性波が発生する。この弾性波は、表面弾
性波(ＳＡＷ)、あるいは、薄膜の形状がなす音響導波路
を伝搬する弾性波から成る。これらの弾性波は、針の表
面上を伝搬し、再び圧電性により電気信号に変換され
る。弾性波の伝搬経路に直接に、あるいは、他の層を介
して間接に、生体組織が接触していると、弾性波のエネ
ルギーは生体組織内へ散逸し、この散逸量が素子全体の
電気的挿入損失(以下、単に「挿入損失」ともいう)に変化
を与える。接触している生体組織の平均的周期構造(例
えば、球状に近い細胞の平均径など)が異なると、生体
組織内へのエネルギー散逸量が、発生している弾性波の
波長に依存して変化する。櫛形電極間に印加する電界の
周波数を変化させる、あるいは、間隔の異なる櫛形電極
構成により、挿入損失の周波数依存性を検出することが
でき、その特性が接触している生体組織の平均的細胞径
などの周期構造を反映するので組織鑑別を行うことがで
きる。なお、本発明に係る超音波探触子においては、穿
刺する針の表面上に櫛形電極構成を備えているので、生
体組織との接触区間長を波長に比べて比較的長く構成で
きるために、精度の高い評価が可能になる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず、本発明の一実施例に係る超音波探触
子を用いた具体的計測手順を、図８を用いて説明する。
図８は、断層像の撮像下で穿刺を行う様子を説明する断
面図である。図において、１は外径１〜２mm程度の針状
探触子であり、針状探触子１は、穿刺箇所を観察するた
めのリニア探触子８１に付帯して設けられた治具に沿っ
て摺動する如く構成されている。針状探触子１の末端に
は、信号を送受信，分析するための手段が接続される
が、図８では図示を省略している。また、リニア探触子
８１は被検体の体表８２に接しており、臓器８５内の患
部と思われる注目部位８３を、実時間走査視野８４内に
捕えている。このような断層像観察下で、針状探触子１
は、体表８２から注目部位８３まで穿刺される。ここ
で、針状探触子１は、並進や回転が可能な摺動構成にな
っている。これにより、検査者は、針状探触子１の検知
部分を注目部位８３に接触させることができ、細胞の音
響的な特性を評価することができる。

【０００７】次に、針状探触子１の先端付近にある検知
部分の詳細な構造を図１に示す。図１に示す如く、針状
探触子１は円筒の側面を面取りした部分に異なる層を積
層した構造となっている。針として全体を保持する基底
部１１は、金属，硬質の樹脂あるいはシリコンなどで形
成される。基底部１１の上には、圧電薄膜層１０が形成
されている。この圧電薄膜層１０はスパッタ処理等で形
成された酸化亜鉛やチタン酸鉛から成る。更に、圧電薄
膜層１０の上層に櫛形電極１２〜１５の層が形成され、
更に、この２層を覆う保護膜１６が形成されている。櫛
形電極の対１２と１３の組に、図示されていない送波回
路から150ＭＨz程度の中心周波数を有する超音波パルス
信号電圧が供給されると、圧電薄膜層１０に弾性波が発
生する。この弾性波は、表面弾性波あるいは圧電薄膜層
１０自体を導波路とするバルク波であり、針の長手方向
に弾性エネルギーを伝搬させる。このとき、圧電薄膜層
１０と基底部１１の音響インピーダンスが異なるため
に、圧電薄膜層１０自体が音響導波路となる。

【０００８】また、これらの弾性波の振幅方向は、針の
長手方向あるいは圧電薄膜層１０の厚さ方向の両者を含
む。伝搬した弾性波のエネルギーは、進行する長手方向
に存在する櫛形電極の対１４と１５の組に至り、ここ
で、一部が再び電気エネルギーに変換されて受信信号と
なる。ここで、伝搬経路上に生体の組織が存在すると、
弾性波のエネルギーは、上述の非常に薄い保護膜１６を
介して、組織中に次第に散逸する。ここで、本針状探触
子１が保護膜１６を介して接触している生体組織の平均
的周期構造(例えば、球状に近い細胞の平均径など)が異
なると、生体組織内へのエネルギー散逸量が発生してい
る弾性波の波長に依存して変化する。櫛形電極間に印加
する電界の周波数を変化させるか、間隔の異なる櫛形電
極構成を備えることにより、挿入損失の周波数依存性を
検出することができ、その特性が、接触している生体組
織の平均的周期構造を反映するので、組織鑑別を行うこ
とができる。特に、本実施例に係る超音波探触子は、穿
刺する針の表面上に櫛形電極構成を備えているので、生
体組織との接触区間長を波長に比べて比較的長く構成で
きるために、精度の高い評価が可能になる。

【０００９】以下、この原理に基づき、挿入損失の周波
数依存性を検出する装置の構成例を図４に示す。針状探
触子１の検知部分にある櫛形電極１２〜１５の延長は、
針の根元部分で送波増幅器４１，受波増幅器４２に接続
される。送波回路４３の出力は、送波増幅器４１を介し
て、針状探触子１へ出力される。送波回路の発生する信
号波形は、周波数掃引されたチャープ信号やパルス信号
など、さまざまに設計できる。受波増幅器４２の出力
は、受波回路４４の入力となる。受波回路４４の出力
は、周波数分析器４５の入力となり、減衰の周波数依存
性が測定される。周波数分析器４５は、受信信号を低周
波に周波数移動して、帯域通過フィルタ処理を行う等の
一般的な周波数分析のための測定回路を備えている。測
定結果は、表示器４６によって検査者に対して示され、
例えば、針状探触子１を水中においた時の減衰に対する
生体内での減衰の比を求め、周波数特性を表示する。こ
れら一連の動作は、制御手段４７により動作を規定され
る。

【００１０】図２に、本発明に係る針状探触子１の他の
構成例を示す。針状探触子１の層状構造において、櫛形
電極１２〜１５の層と圧電薄膜層１０の形成順序を逆転
してもよい。図２(ａ)の断面図は、図１の構成と同じで
ある。基底部１１の上に、最初に圧電薄膜層１０を形成
する。この構成では、基底部１１に結晶材料を用いるこ
とにより、圧電薄膜層１０をエピタキシャル成長させる
ことができ、電気機械結合係数の大きな配向膜をスパッ
タ等で作成できる製造上の利点がある。また、逆に、図
２(ｂ)の断面図のように、基底部１１の上に先に櫛形電
極１２〜１５の層を形成してもよい。この場合には、圧
電薄膜層１０の被検体側表面を比較的平坦に形成するこ
とができるため、電極が接触している生体組織と圧電薄
膜層１０の間に介在しないので、伝播する表面波の不要
な負荷を減らした理想的な構成とすることができる。図
６に、本発明に係る針状探触子１の更に他の構成例を示
す。図６に示す構成例では、図２に示した層状構成にお
いて生体と接触させて検知する部分に凹凸をつけた構造
としたものである。この構造は、生体組織に針を侵入さ
せた場合に接触面の面積を増加させるように改良を加え
たものである。

【００１１】図７の構成は、針状探触子１の先端の形状
を円錐形としたものである。本発明の探触子では、針を
侵入させて生体内に生じる空洞内面の性状が細胞の周期
的構造を著しく損なう場合には、正しい計測結果を与え
ない問題点がある。このようなことから、針の先端形状
はできるだけ鋭利とし、針を侵入させる過程で不必要に
空洞内面の細胞の構造を乱さないことが必要である。こ
のような事情から、先端の形状を円錐形とした場合が非
常に好適である。次の実施例として、圧電薄膜層１０に
接して設ける櫛形電極のパターン形状のいくつかの例
を、図３に示す。図中、１２〜１５は図１に示した単純
な櫛形電極対を対向させて、一方から送信、他方から受
信するものである。また、３１，３２は単一の櫛形電極
対を用いるもので、２端子としたものである。

【００１２】この場合には、計測回路は図５に示す構成
とする。図４の構成と図５の構成では、送受信回路５１
が送波回路４３、受波回路４４の代わりに設けられ、針
状探触子１からの端子３１，３２間の電気的インピーダ
ンスを計測する周波数分析回路４５を設ける。櫛形電極
対のパターンは図３の３３〜３８に示すように自由に設
計できる。３３，３４では電極間のピッチを順次変えて
おり、発生する弾性波の波長に広がりを持たせることが
できる。３５，３６の場合には発生する波の包絡線形状
に空間的重み付けを行うことが可能である。また、同様
に、３７，３８の場合にも、発生する弾性波の波長に広
がりを持たせることができる。このような電極の設計に
より、測定する弾性波の周波数特性を設計することがで
きる。なお、上記各実施例は本発明の一例を示したもの
であり、本発明はこれに限定されるべきものではないこ
とは言うまでもないことである。

【００１３】

【発明の効果】以上、詳細に説明した如く、本発明によ
れば、異常を疑われる部位が体表から深い場合にも、生
体内深部の組織鑑別を摘出することなく行うことが可能
な超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置を実
現できるという顕著な効果を奏するものである。詳細に
は、生体深部の領域に存在する生体組織を切開して摘出
することなく、その平均的周期構造を反映する非常に高
い周波数での超音波減衰特性を利用した組織鑑別を低い
侵襲度で行うことができる。特に、生体組織との接触区
間長を従来の技術に比べて比較的長く構成できるため、
精度の高い評価が可能になるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る針状探触子検知部の構
造を説明するための斜視透視図である。

【図２】図１に示した針状探触子検知部の構造を説明す
る断面図である。

【図３】実施例に係る針状探触子の櫛形電極形状の他の
構成例を説明する図である。

【図４】実施例に係る針状探触子が２対の櫛形電極を有
する場合の測定系の実施例を説明する図(その１)であ
る。

【図５】実施例に係る針状探触子が２端子櫛形電極を有
する場合の測定系の実施例を説明する図(その２)であ
る。

【図６】針状探触子検知部の他の実施例を説明する断面
図である。

【図７】針状探触子の先端形状の他の実施例を説明する
斜視透視図である。

【図８】本発明に係る針状探触子を超音波断層像の撮像
下で穿刺する様子を例示する図である。

【符号の説明】

１針状探触子１０圧電薄膜層１１基底部１２〜１５,３１〜３８櫛形電極１６保護膜４１送波増幅器４２受波増幅器４３送波回路４４受波回路４５周波数分析器４６表示器４７制御手段８１リニア探触子８２体表８３注目部位８５臓器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気信号を弾性波に変換する電気音響変
換器を備えた針状の超音波探触子であって、前記電気音
響変換器により発生する弾性波を伝播させ、伝播する弾
性波エネルギーの一部を接触する被検体中に散逸させる
構造を、穿刺針の表面に形成したことを特徴とする超音
波探触子。
【請求項２】前記電気音響変換器を、圧電体薄膜と該
圧電体薄膜上に形成した電極とで構成したことを特徴と
する請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】前記電極を、櫛形もしくはすだれ状電極
とし、前記弾性波を主として表面波としたことを特徴と
する請求項２記載の超音波探触子。
【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載の超音
波探触子と、該超音波探触子からの信号の処理手段を備
えたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】前記超音波探触子の電気的挿入損失ある
いはインピーダンスの周波数依存性を測定する周波数分
析手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の超音波
診断装置。
【請求項６】前記超音波探触子を生体内に穿刺し、生
体内に穿刺された前記超音波探触子からの信号を実時間
画像で捕える手段を備えたことを特徴とする請求項５記
載の超音波診断装置。