JP2006346105A - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、超音波プローブ及び超音波診断装置において、温度計測の精度向上、温度センサの取り付け工数の削減、コストアップの抑制を実現することにある。
【解決手段】超音波プローブは、半導体基板１と、半導体基板１上に形成される複数の振動子１０と、半導体基板１上に形成される少なくとも一つの温度センサ６とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。

生体と接触する部分の表面温度を検出することは安全性等の様々な面で有益である。温度センサとしては、サーミスタや熱電対が一般的であるが、音響的に邪魔にならないよう放射面を避けて側面に接着して取り付けられる。

この取付場所では生体接触部の温度との誤差が大きく、そのためマージンを持った温度設定にしておく必要があり最大限の送信パワーを投入できないという問題があった。また、温度センサ取付の工程や接着剤の管理工程等の工数増加がコストアップにつながるという問題もあった。サーミスタ等の部品が増えることにより信頼性を下げる原因にもなる。
特開平７−２６５３１５号公報

本発明の目的は、超音波プローブ及び超音波診断装置において、温度計測の精度向上、温度センサの取り付け工数の削減、コストアップの抑制を実現することにある。

本発明のある局面では、超音波プローブは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成される複数の振動子と、前記半導体基板上に形成される少なくとも一つの温度センサとを具備する。

本発明のよれば、温度計測の精度向上、温度センサの取り付け工数の削減、コストアップの抑制を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に示すように、本実施形態は、超音波プローブ、又はその超音波プローブを装備する超音波診断装置に関する。超音波診断装置は、周知の通り、超音波プローブを介して超音波ビームで被検体内部を走査し、得られたエコー信号に基づいて超音波画像を生成し表示することを主機能としている。

本実施形態に係る超音波プローブは、２次元状に配列された複数の振動子１０を有する。複数の振動子１０は１次元状に配列されていてもよい。複数の振動子１０は、図２に示すように、半導体基板として典型的にはシリコン基板１の上に、半導体製造プロセス技術により形成される。振動子１０は、シリコン基板１上に形成されたベース電極（共通電極）２と、ベース電極２の上方に所定厚の空隙１１を隔てて配置されるメンブレン４と、メンブレン４上に形成される電極（個別電極）５とからなる。スペーサ３は、空隙１１を一定厚に確保し、振動子１０ごとに空隙１１を分離し、さらに空隙１１を真空に又はガスで密封するために設けられる。空隙１１によりメンブレン４は太鼓の皮のように振動できる。ベース電極２とメンブレン４上の電極５との間に１００〜２００Ｖ程度のＤＣ電圧（バイアス電圧）を印加すると、その静電気力でメンブレン４がベース電極２側へ引き寄せられる。この状態で電極２、５間に高電圧を重畳させると、引き寄せられたメンブレン４が静電気力の変化関数に応じて変位し、超音波パルスとしてメンブレン４から放射される。メンブレン４の表面には、必要に応じて図示しない保護膜や音響レンズが生体接触面に配置され、超音波パルスが生体へ放射される。

図２に示すように、少なくとも一つの振動子１０に対応して、温度センサ６が設けられる。温度センサ６は、半導体製造プロセス技術により振動子１０を形成する一連の工程の中で振動子１０とともに形成される。温度センサ６は、特定の一の振動子１０に設けられても良いし、全ての振動子１０に個々に設けられても良いし、一部の振動子１０に設けられても良い。例えば、温度センサ６が設けられた振動子１０の周囲８個の振動子１０には温度センサ６が設けられない。温度センサ６を複数箇所に設けることで、振動子面の温度分布を測定でき、細かな温度制御が行える。

温度センサ６は、シリコン基板１上に形成され、換言するとシリコン基板１とベース電極２との間に配置される。温度センサ６は、典型的には、振動への影響を軽減するために振動子１０の振動中心から外れた位置であって、被検体接触部からの熱伝導性を向上させるためにスペーサ３の直下に配置される。さらに、プローブ側の発熱状態の検出能向上にために、後述の温度検出回路８及び送信回路９等の発熱の比較的大きな部分に近いその直上位置に設けられる。

温度センサ６を、メンブレン４を含む振動子１０を形成する前に基板１上に形成しておけば、振動子１０の下側に埋め込むことができ、音響的な影響を受けずにシリコン基板１の温度を計測することができる。シリコン基板１は熱伝導率が高いので、生体接触するメンブレン４とほぼ同じ温度を計測できる。温度センサ６として典型的なダイオードは、通常の半導体製造プロセスで形成され、その後、メンブレン４を含む振動子１０を順に形成する。従って、温度センサ６としてはダイオード以外にも、半導体製造プロセスで形成でき、しかも温度によりその特性が変化する素子として、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ、抵抗体、キャパシタが用いられる。本実施形態のような静電容量型の振動子１０では、メンブレン４の外側には絶縁膜や音響レンズが配置される場合があるが、ピエゾ素子を用いた超音波振動子のような、音響整合層が不要であり、温度測定精度が高い。

なお、上述では温度センサ６は振動子１０の下方に形成したが、隣り合う振動子１０の間隔が比較的長いとき、メンブレン４を支持するスペーサ３上にメンブレン４と並設してもよい。これにより生体接触部の温度をより正確に計測できる。また、深さ方向や、水平方向に複数配置すれば、シリコン基板の温度分布を３次元的に計測することもできる。

図３に示すように、温度センサ６に温度検出回路８が接続される。温度検出回路８は、温度センサ（ここではダイオード）６にバイアス電流を流し、その電圧変化を観測することで温度センサ６周囲の温度を計測する。実際的には、温度センサ６は被検体接触部に熱伝導上に非常に接近しているので、温度センサ６周囲の温度を、生体温度として計測することができる。

振動子１０には、バイアス電源回路（高圧電源）１２から直流バイアス電圧が印加される。また、振動子１０には個々に送信回路９が接続される。送信回路９は、波形発生／遅延制御回路１４からのトリガパルスに同期して高電圧パルスを発生する。波形発生／遅延制御回路１４は、焦点深度及び超音波スキャンの方位方向に対応した遅延時間で送信回路９ごとにトリガパルスを発生する。波形発生／遅延制御回路１４には遅延データ記憶部１５が接続される。遅延補正データ記憶部１５には、焦点深度と方位方向に応じて決まる振動子１０ごとの遅延時間を、生体温度の変化による音速の変化に応じて補正するための補正データが予め記憶されている。波形発生／遅延制御回路１４は、温度検出回路８から発生される生体温度を表す信号（生体温度信号）による生体温度に対応する遅延補正データを遅延補正データ記憶部１５から読み取り、焦点深度と方位方向に応じて決まる振動子１０ごとの遅延時間を補正する。波形発生／遅延制御回路１４は、補正された遅延時間に応じた時間差でもって各送信回路９に対してトリガパルスを個々に発生する。

周知の通り、音速は温度が高いほど早くなるため、送信および受信フォーカスは体温を３７度等の平熱とした生体内の音速で仮定して設定されている。例えば低体温の被検者や、高熱の被検者は設定音速と異なるため、フォーカス位置がずれる。送受信前の計測により取得できる生体温度に対応する補正データによりフォーカス精度を向上できる。また、胎児頭部等の距離計測時にも生体温度を用いることで距離計測誤差を軽減することができる。

温度検出回路８から発生される生体温度を表す信号（生体温度信号）は、表示制御部１３にも供給される。表示制御部１３は、生体温度信号による生体温度を図示しないディスプレイに数値でもしくは図形等で表示するための信号、又は生体温度に応じた色等で温度インジケータランプを点灯するための信号を発生する。

上記送信回路９と温度検出回路８は、図２に例示するようにシリコン基板１に積層される他層のシリコン基板７上に形成される。送信回路９と温度検出回路８は、振動子１０及び温度センサ６と同じシリコン基板１上に形成しても良い。

超音波プローブのハウジング内には、超音波振動子１０、上記送信回路９、温度検出回路８とともに、図示しない受信アンプ、バイアス電源回路１２、波形発生／遅延制御回路１４、遅延補正データ記憶部１５、表示制御部１３、図示しないディスプレイが収容される。特にディスプレイを超音波プローブに設けることで超音波プローブを保持する術者は容易に生体温度状態を監視することができ、過度の温度上昇に対して超音波プローブを被検体から離す等の措置を迅速に行うことができる。生体接触面は、生体の体温による温度上昇の他、超音波の送信に伴って生体カップリング膜との多重反射や、機械的ロス、浮遊インピーダンスによる損失などにより超音波トランスジューサ自体が発熱したり、ハウジング内の電子回路として主に送信回路９の発熱が伝達されて発熱する。超音波振動子１０自体、および電子回路からの発熱は超音波送受信を開始しなければ発生しないため、超音波検査直前の、まだ超音波の送受信が開始される前に、被検体の温度が計測され得る。

なお、振動子１０及び温度センサ以外の温度検出回路８、受信アンプ、バイアス電源回路１２、波形発生／遅延制御回路１４、遅延補正データ記憶部１５、表示制御部１３、ディスプレイは、超音波プローブの発熱抑制や軽量化のために、超音波プローブではなく、超音波診断装置本体に設けるようにしても良い。

なお、温度検出回路８は、図４に示すように、温度センサ６により計測した温度が所定閾値を達した又は超過したとき、送信停止信号を発生する機能を有する温度検出回路１６に代替え可能である。温度検出回路１６からの送信停止信号は、ゲート回路１７に供給される。ゲート回路１７は、波形発生／遅延制御回路１４と送信回路９との間に介在される。ゲート回路１７は、温度検出回路１６からの送信停止信号が供給されていないときには波形発生／遅延制御回路１４から送信回路９へトリガパルスを伝達し、送信停止信号が供給されているときには送信回路９へのトリガパルスの伝達を停止するための典型的には半導体プロセスで形成できるＭＯＳトランジスタである。

また、温度検出回路１６は、図５に示すように、計測温度が図４の送信停止のための閾値よりも低い閾値温度に達した又は超過したとき、送信電圧を下げて駆動時間を延長するための制御信号を送信回路９の電源回路１９に対して発生する機能を、図４の送信停止機能とともに有する温度検出回路１８に代替え可能である。なお、送信電圧の低下は、電源回路１９による送信回路（増幅器）９の電源電圧の低下に限定されるものではなく、送信回路９の増幅率の低下、または波形発生／遅延制御回路１４のトリガパルスの波形振幅の低下により実現しても良い。さらに、送信電圧は、複数の閾値を用いて段階的に変化させても良いし、無断で連続的に変化させるようにしても良い。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態において、超音波プローブの振動子配列を示す平面図。 図１の単一の振動子の断面構造を示す断面図。 本実施形態において、図１の素子の周辺回路を示す図。 本実施形態の変形例において、温度上昇に伴う送信停止機能のための構成を示す図。 本実施形態の変形例において、温度上昇に伴う送信電圧低下機能のための構成を示す図。

符号の説明

１…Ｓｉ基板、２…ベース電極、３…スペーサ、４…メンブレン、５…個別電極、６…温度センサ、７…Ｓｉ基板、８…温度検出回路、９…送信回路、１０…振動子、１２…バイアス電源回路、１３…表示制御回路、１４…波形発生／遅延制御回路、１５…遅延データ記憶部。

Claims (14)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成される複数の振動子と、
   前記半導体基板上に形成される少なくとも一つの温度センサとを具備することを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記温度センサは前記半導体基板と前記振動子との間に設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
3. 前記温度センサは隣り合う前記振動子の間に設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
4. 前記振動子は、前記半導体基板に形成されるベース電極と、前記ベース電極上に空隙を隔てて配置され、静電気力による変位により超音波を発生するメンブレンと、前記メンブレン上に形成される個別電極とを有することを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
5. 前記温度センサは離散的に配置されることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
6. 前記温度センサは前記振動子各々に一つずつ設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
7. 前記温度センサは、ダイオード、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ又は抵抗体であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
8. 前記温度センサは前記振動子の振動中心から外れた位置に設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
9. 超音波を被検体に対して超音波プローブを介して送受信し、得られたエコー信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置において、
   前記超音波プローブは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成される複数の超音波振動子と、前記半導体基板上に形成される少なくとも１つの温度センサとを有することを特徴とする超音波診断装置。
10. 前記温度センサの出力に基づいて温度表示のための信号を発生する表示制御部を備えることを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。
11. 前記温度センサの出力に基づいて送受信遅延制御を変更する遅延制御回路を有することを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。
12. 前記温度センサにより検出された温度と送受信遅延時間との対応関係を記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項１１記載の超音波診断装置。
13. 前記温度センサの出力に基づいて送信停止信号を発生する回路を有することを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。
14. 前記温度センサの出力に基づいて送信電圧を変化させるための信号を発生する回路を有することを特徴とする請求項９記載の超音波診断装置。

Images