JP2007236820A - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波プローブを大型化せずにパルス減算法の実現が可能な超音波プローブ及び超音波診断装置を提供する。
【解決手段】正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂは互いに逆方向に分極されている。正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂは交互に配置され、超音波振動子の配列面に直交する方向であって、配列面の中心を通る軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置されている。１回目の送信では正極性振動子３ａを駆動して超音波を送信させ、２回目の送信では逆極性振動子３ｂを駆動して超音波を送信させる。逆極性振動子３ｂが受信した信号の位相は位相反転部６によって反転させられる。１回目と２回目の送受信によって得られた信号を加算することで非線形成分のみの信号が得られ、非線形成分に基づいた画像が得られる。
【選択図】図１

Description

この発明は、超音波振動子が２次元的に配列された超音波プローブ、及びその超音波プローブを備えた超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信し、被検体内部における音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信し、受信信号に基づいて被検体の内部状態を画像化する装置である。

ここで、従来技術に係る超音波診断装置の概略的な構成について図１０を参照して説明する。図１０は、従来技術に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。超音波診断装置は、超音波プローブ１００と本体部２００とを備えて構成され、超音波プローブ１００によって超音波の送受信を行い、本体部２００によって超音波の送受信で取得された信号に基づいて画像を生成して表示する。

超音波プローブ１００は、マトリックス（格子）状に配列された複数の超音波振動子１０１を備え、３次元的に超音波を送信して反射波を受信することで、放射状に広がる形状の３次元データをエコー信号として受信することができる。

本体部２００に備えられている制御部２０１には、クロック発生回路や送信遅延設定回路が備えられている。クロック発生回路は、超音波信号の送信タイミングや送信周波数を決めるクロック信号を発生する回路である。送信遅延回路は、超音波の送信時に遅延を掛けて送信フォーカスを実施するため、送信部に遅延データを設定する回路である。

送信部１０２は、遅延が掛けられた送信タイミングで駆動パルスを発生し、各超音波振動子１０１に供給するようになっている。受信部１０３は、超音波振動子１０１が受信したエコー信号を受信し、そのエコー信号を受信チャンネルごとに増幅する。増幅されたエコー信号はコネクタ１０４を介して本体部２００の信号処理部２０２に出力される。

信号処理部２０２は、受信部１０３によって受信されたエコー信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後のエコー信号に対して受信指向性を決定するために必要な遅延時間を与え、加算する。そして、加算処理後の信号に対してバンドパスフィルタ処理を行い、その後、出力信号の包絡線を検波し、検波したデータに対して対数変換による圧縮処理を施す。

画像処理部２０３は、超音波の送受信によって取得されたボリュームデータに対して、ボリュームレンダリング処理やＭＰＲ処理などの画像処理を実施することで、３次元画像データや任意断面の画像データ（ＭＰＲ画像データ）などの画像データを生成する。この画像データは表示部２０４に出力され、表示部２０４の画面上に３次元画像やＭＰＲ画像などが表示される。

ここで、超音波プローブ１００の製造工程について図１１を参照して説明する。図１１は、従来技術に係る超音波プローブの製造工程を示すフローチャートである。まず、超音波振動子を１方向に分極する（ステップＳ１０）。そして、音響整合層を形成した後（ステップＳ１１）、超音波の放射面側に共通（ＧＮＤ）電極を接続し、その放射面の反対側である背面側に信号電極を接続する（ステップＳ１２）。その後、超音波振動子を２次元的にアレイ加工することで複数の超音波振動子１０１をマトリックス（格子）状に配列する（ステップＳ１３）。そして、送信部１０２と受信部１０３を超音波振動子１０１に接続し（ステップＳ１４）、外形ケースを装着することで超音波プローブ１００とする（ステップＳ１５）。

超音波振動子が１列に配列した１次元超音波プローブでは短冊状の超音波振動子を１列に配列するため、素子数は１００個程度となるが、超音波振動子を２次元的に配列した２次元超音波プローブでは超音波振動子の素子数は数千個にもなる。従って、超音波プローブと超音波診断装置の本体部とを接続するケーブルに全超音波振動子の信号線を通すとケーブルの径が大きくなってしまい、超音波プローブの操作性が悪くなってしまう問題がある。そのため、図１０に示すように、超音波プローブ内に送信部と受信部を設けることが多い。一方、超音波プローブは操作者が手で持って操作するため、操作性を考慮すると超音波プローブは小型であることが望ましい。従って、超音波プローブ内に設置する送信部と受信部の物理的容量の制約が厳しくなるため、超音波プローブ内に送信部と受信部を設ける場合は、超音波診断装置の本体部に送信部と受信部を設ける場合と比べて、送信部と受信部の機能を単純化して回路規模を可能な限り小さくする必要がある。

また、１次元超音波プローブを用いた超音波診断装置では、１回目の超音波の送信と２回目の超音波の送信とで逆位相のパルス波を送信し、受信した反射波を加算することで基本波成分を除去して非線形成分のみを映像化する技術（パルス減算法）が実用化されている（例えば特許文献１）。これにより、サイドローブやグレーティングローブなどのアーチファクトの影響が低減され、コントラストが高くて見やすい画像が生成される。しかしながら、パルス減算法では、両極性のパルス波を送信する必要があるため、１つの極性のパルス波を送信する場合と比べて送信部の構成は複雑になり、送信部の回路規模も増大する。２次元超音波プローブを備えた超音波診断装置では、２次元超音波プローブ内に設置する送信部と受信部の回路規模を制限する必要があるため、パルス減算法の実現は容易ではない。換言すると、超音波プローブ内に設置する送信部の回路規模を増大せずにパルス減算法を実現することは容易ではない。

米国特許第５，７０６，８１９号明細書

この発明は上記の問題点を解決するものであり、超音波振動子が２次元的に配列された２次元超音波プローブ及びその２次元超音波プローブを備えた超音波診断装置であって、超音波プローブを大型化せずにパルス減算法の実現が可能な超音波プローブ及びその超音波プローブを備えた超音波診断装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部を有する超音波プローブであって、前記超音波振動子部は、第１の方向に分極した複数の第１の超音波振動子と、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に分極した複数の第２の超音波振動子と、を有し、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子は交互に配列され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置されていることを特徴とする超音波プローブである。

請求項５に記載の発明は、複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部と、前記超音波振動子に駆動パルス信号を印加する送信部と、を有する超音波プローブであって、前記超音波振動子部は、所定方向に分極した複数の第３の超音波振動子と、前記第３の超音波振動子と同じ方向に分極した複数の第４の超音波振動子と、を有し、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子は交互に配置され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置され、前記送信部は、前記第３の超音波振動子への駆動パルス信号の印加と、前記第４の超音波振動子への駆動パルス信号の印加とを交互に実施し、前記第４の超音波振動子に対しては、前記第３の超音波振動子に印加する駆動パルス信号と逆極性の駆動パルス信号を印加することを特徴とする超音波プローブである。

請求項８に記載の発明は、複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部を有する超音波プローブと、前記超音波振動子部に駆動パルス信号を印加する送信部と、信号処理部と、前記超音波プローブが受信した信号に基づいて画像データを生成する画像処理部と、を有する超音波診断装置であって、前記超音波振動子部は、第１の方向に分極した複数の第１の超音波振動子と、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に分極した複数の第２の超音波振動子と、を有し、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子は交互に配列され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置され、前記送信部は、前記第１の超音波振動子への駆動パルス信号の印加と、前記第２の超音波振動子への駆動パルス信号の印加とを交互に実施することで、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子に交互に超音波を送信させ、前記信号処理部は、前記第１の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子が受信した信号と、前記第２の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子が受信した信号と、を加算し、前記画像処理部は、前記加算された信号に基づいて画像データを生成することを特徴とする超音波診断装置である。

請求項１０に記載の発明は、複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部を有する超音波プローブと、前記超音波振動子部に駆動パルス信号を印加する送信部と、信号処理部と、前記超音波プローブが受信した信号に基づいて画像データを生成する画像処理部と、を有する超音波診断装置であって、前記超音波振動子部は、所定方向に分極した複数の第３の超音波振動子と、前記第３の超音波振動子と同じ方向に分極した複数の第４の超音波振動子と、を有し、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子は交互に配列され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置され、前記送信部は、前記第３の超音波振動子への駆動パルス信号の印加と、前記第４の超音波振動子への駆動パルス信号の印加とを交互に実施し、前記第４の超音波振動子に対しては、前記第３の超音波振動子に印加する駆動パルス信号と逆極性の駆動パルス信号を印加することで、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子に交互に超音波を送信させ、前記信号処理部は、前記第３の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子が受信した信号と、前記第４の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子が受信した信号と、を加算し、前記画像処理部は、前記加算された信号に基づいて画像データを生成することを特徴とする超音波診断装置である。

この発明によると、互いに逆方向に分極された超音波振動子を交互に配列し、各超音波振動子に同じ極性の駆動パルス信号を印加することによりパルス減算法を実現することができるため、両極性の駆動パルス信号を各超音波振動子に印加する必要がない。このように両極性の駆動パルス信号を各超音波振動子に印加する必要がないため、送信部の構成を複雑にして回路規模を増大することなく、パルス減算法を実現することが可能となる。そのことにより、送信部を超音波プローブ内に設置した場合であっても、超音波プローブを大型化せずにパルス減算法を実現することが可能となる。

また、この発明によると、同じ方向に分極した複数の超音波振動子に互い違いに逆極性の駆動パルス信号を印加して超音波を送信することによりパルス減算法を実現することができるため、両極性の駆動パルス信号を各超音波振動子に印加する必要がない。このように両極性の駆動パルス信号を各超音波振動子に印加する必要がないため、送信部の構成を複雑にして回路規模を増大することなく、パルス減算法を実現することが可能となる。そのことにより、送信部を超音波プローブ内に設置した場合であっても、超音波プローブを大型化せずにパルス減算法を実現することが可能となる。

［第１の実施の形態］
（構成）
この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブ及び超音波診断装置の構成について図１及び図２を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブに設置されている超音波振動子部の概略構成を示す上面図である。

超音波プローブ２は、既知の背面材（図示しない）上に超音波振動子部３が設けられ、その超音波振動子部３の上には既知の音響整合層（図示しない）が設けられている。つまり、背面材、超音波振動子部３、音響整合層の順番で積層されていることになる。超音波振動子部３において、音響整合層が設けられている面が超音波の放射面側となり、その面の反対側の面（背面材が設けられている面）が背面側となる。超音波振動子部３の放射面側には共通（ＧＮＤ）電極が接続され、背面側には信号電極が接続されている。

超音波振動子部３は、所定方向に分極された複数の超音波振動子と、その所定方向の反対方向に分極された複数の超音波振動子とを備えて構成され、それら複数の超音波振動子がマトリックス（格子）状に交互に配列されることで超音波振動子部３を構成している。つまり、超音波振動子部３は、互いに逆方向に分極された複数の超音波振動子が交互に配列されることで構成されていることになる。

この実施形態では、所定方向に分極された超音波振動子を正極性振動子３ａとし、その反対方向に分極された超音波振動子を逆極性振動子３ｂとする。なお、正極性振動子３ａがこの発明の「第１の超音波振動子」に相当し、逆極性振動子３ｂがこの発明の「第２の超音波振動子」に相当する。

ここで、超音波振動子部３を構成する正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの配列パターンについて図２の上面図を参照して説明する。正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂは同じ大きさで矩形状の形状をしている。そして、図２に示すように、複数の正極性振動子３ａと複数の逆極性振動子３ｂとが交互に並んで配列している。つまり、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂとが互い違いに並んで配列され、全体として市松模様状の配列パターンを成している。また、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの数は等しくなっている。超音波振動子部３の配列面の中心を通り、その配列面に垂直な軸を中心軸とすると、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの配列パターンは、その中心軸を回転軸として１８０°回転対称となっている。

なお、超音波振動子部３は、チタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）などのセラミック材料が用いられる。また、背面材は、超音波動子部３から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材には、一般的に、合成ゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにタングステン、フェライト、酸化亜鉛などの無機粒子粉末などを混入した材料が用いられる。音響整合層は、超音波振動子部３の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。音響整合層は、１層だけであっても良く、２層以上設けても良い。

本体部８に備えられている制御部９には、クロック発生回路や送信遅延設定回路が備えられている。クロック発生回路は、超音波振動の送信タイミングや送信周波数を決めるクロック信号を発生する回路である。送信遅延設定回路は、超音波の送信時に遅延を掛けて送信フォーカスを実施するため、送信部に遅延データを設定する回路である。

送信部４は、遅延が掛けられた送信タイミングで駆動パルス信号を発生し、正極性振動子３ａ又は逆極性振動子３ｂのいずれかにその駆動パルス信号を供給するようになっている。駆動パルス信号の供給先の切り換えは、制御部９による制御によって行なわれる。パルス減算法を実施する場合、例えば、１回目の超音波の送信では、制御部９による制御により正極性振動子３ａに駆動パルス信号を印加することで、正極性振動子３ａから超音波を送信し、２回目の超音波の送信では、制御部９の制御によって駆動パルス信号の供給先を切り替えて逆極性振動子３ｂに駆動パルス信号を印加することで、逆極性振動子３ｂから超音波を送信する。

受信部５は、正極性振動子３ａ及び逆極性振動子３ｂが受信したエコー信号を受信し、そのエコー信号を受信チャンネルごとに増幅する。増幅されたエコー信号はコネクタ７を介して本体部８の信号処理部１０に出力される。

位相反転部６は、逆極性振動子３ｂと受信部５との間に設置され、逆極性振動子３ｂから出力された信号の位相を反転し、位相を反転した信号を受信部５に出力する。

信号処理部１０は、Ａ／Ｄ変換回路、受信遅延・加算回路、及びＢモード処理回路などを備えて構成されている。Ａ／Ｄ変換回路は、受信部５によって受信されたエコー信号をＡ／Ｄ変換する。受信遅延・加算回路は、Ａ／Ｄ変換後のエコー信号に対して受信指向性を決定するために必要な遅延時間を与え、加算する。その加算により、受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。Ｂモード処理回路は、エコー信号の振幅情報の映像化を行い、エコー信号からＢモード超音波ラスタデータを生成する。具体的には、Ｂモード処理回路は加算処理後の信号に対してバンドパスフィルタ処理を行い、その後、出力信号の包絡線を検波し、検波したデータに対して対数変換による圧縮処理を施すことによりＢモード超音波ラスタデータを生成する。

パルス減算法を実施する場合、信号処理部１０は、１回目の超音波の送受信によって得られた信号と、２回目の超音波の送受信によって得られた信号とを加算することで基本波成分を除去し、非線形成分の信号のみを得る。詳しく説明すると、信号処理部１０は、正極性振動子３ａに駆動パルス信号を印加することで正極性振動子３ａから送信した超音波に基づく反射波であって、正極性振動子３ａ及び逆極性振動子３ｂ（全超音波振動子）が受信した信号と、逆極性振動子３ｂで駆動パルス信号を印加することで逆極性振動子３ｂから送信した超音波に基づく反射波であって、正極性振動子３ａ及び逆極性振動子３ｂ（全超音波振動子）が受信した信号と、を加算する。なお、上述したように、逆極性振動子３ｂが受信した信号の位相は、位相反転部６によって反転させられている。

なお、信号処理部１０にドプラ処理部やＣＦＭ処理部が備わっている場合もある。ドプラ処理部はドプラ偏移周波数成分を取り出し、更にＦＦＴ処理などを施して血流情報を有するデータを生成する。また、ＣＦＭ処理部は血流情報の映像化を行い、カラー超音波ラスタデータを生成する。

画像処理部１１は、超音波の送受信によって取得されたボリュームデータに対して、ボリュームレンダリング処理やＭＰＲ処理などの画像処理を実施することで、３次元画像データや任意断面の画像データ（ＭＰＲ画像データ）などの画像データを生成する。この画像データは表示部１２に出力され、表示部１２の画面上に３次元画像やＭＰＲ画像などが表示される。

（超音波プローブ２の製造工程）
次に、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの製造工程について図３を参照して説明する。図３は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの製造工程を示すフローチャートである。

まず、超音波振動子上に音響整合層を形成した後（ステップＳ０１）、超音波の放射面側に共通（ＧＮＤ）電極を接続し、その放射面の反対側である背面側に信号電極を接続する（ステップＳ０２）。そして、超音波振動子が２次元的にアレイ加工することで複数の超音波振動子をマトリックス（格子）状に配列する（ステップＳ０３）。その後、半数の超音波振動子であって、１つおきに直流の高電圧を印加することで所定方向に分極した正極性振動子３ａを作製する（ステップＳ０４）。そして、残り半数の超音波振動子に対して、逆方向の直流高電圧を印加することで、正極性振動子３ａの分極に対して逆方向に分極した逆極性振動子３ｂを作製する（ステップＳ０５）。そして、送信部４と受信部５を超音波振動子３ａ、３ｂに接続する（ステップＳ０６）。このとき、逆極性振動子３ｂと受信部５との間に位相反転部６を設ける。その後、外形ケースを装着することで超音波プローブ２とする（ステップＳ０７）。

（作用）
上記の構成を有する超音波プローブ２及び超音波診断装置１によると、以下に示す好適な作用及び効果を奏することが可能となる。

（送信時）
パルス減算法を実施する場合、１回目の超音波の送信で同一方向に分極された半数の超音波振動子のみを駆動し、２回目の超音波の送信で残り半数の超音波振動子を駆動する。例えば、１回目の超音波の送信では、制御部９の制御によって送信部４は正極性振動子３ａのみに駆動パルス信号を印加して超音波を送信させ、２回目の超音波の送信では、制御部９の制御によって送信部４は逆極性振動子３ｂのみに駆動パルス信号を印加して超音波を送信させる。

（受信時）
受信時には、全ての超音波振動子で反射波を受信する。つまり、送信時においては、正極性振動子３ａ又は逆極性振動子３ｂのいずれかを駆動させることで超音波を送信するが、受信時においては、正極性振動子３ａ及び逆極性振動子３ｂ（全ての超音波振動子）によって反射波を受信する。正極性振動子３ａによって受信されたエコー信号は、受信した際の位相を保った状態で受信部５に出力される。一方、逆極性振動子３ｂによって受信されたエコー信号は、位相反転部６によって位相が反転され、その後、受信部５に出力される。この位相反転部６の機能によって、逆極性振動子３ｂによって受信された超音波の位相を、正極性振動子３ａが受信した超音波の位相と一致させることができる。

超音波振動子部３によって受信されたエコー信号は、コネクタ７を介して本体部８の信号処理部１０に出力される。そして、信号処理部１０は、１回目の超音波の送受信によって得られた信号と、２回目の超音波の送受信によって得られた信号とを加算することで基本波成分を除去して非線形成分の信号のみを得る。つまり、１回目の超音波の送信では正極性振動子３ａのみを駆動して超音波を送信し、２回目の超音波の送信では逆極性振動子３ｂのみを駆動して超音波を送信しているため、互いに逆位相のパルス波を送信していることになり、この送受信によって得られた信号を加算することで基本波成分が除去され、非線形成分の信号のみが得られることになる。

画像処理部１１は、信号処理部１０の加算処理によって得られた非線形成分の信号に基づいて画像データを生成する。例えばボリュームレンダリングやＭＰＲ処理などの画像処理を施すことにより、３次元画像データや任意断面におけるＭＰＲ画像データなどの画像データを生成する。これにより、非線形成分の信号に基づく３次元画像やＭＰＲ画像などの画像が表示部１２に表示されることになる。

ここで、送受信時における超音波の音場分布について図４及び図５を参照して説明する。図４は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を送信する際に形成される音場分布を示す図である。図５は、この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。

例えば、超音波振動子部３の中心から斜め方向に偏向して超音波ビームを送信した場合、斜め方向にグレーティングローブが発生する。この第１の実施形態では、縦横方向の素子ピッチは従来技術と変わらないが、斜め方向の素子ピッチが従来技術の素子ピッチと比べて約１．４倍となる。その影響があるため、図４に示すように、斜め方向にグレーティングローブが発生する。

このように送信時にグレーティグローブが発生するが、上述したように受信時には全ての超音波振動子で反射波を受信することにより、受信時においては斜め方向のグレーティングローブの信号強度は低くなる。従って、図５に示すように、送信時に発生したグレーティングローブの反射波からの受信信号強度は低くなるため、送信時に発生したグレーティングローブの影響を低減することが可能となる。これにより、アーチファクトの影響が低減された画像を得ることができる。また、パルス減算法においては、送信時に発生したグレーティグローブなどのアーチファクトを効率良く低減することができるため、グレーティングローブなどの影響は問題にならないと考えられる。これにより、サイドローブやグレーティングローブなどのアーチファクトの影響が低減され、コントラストが高くて見やすい高画質の画像が得られる。

以上のように、この第１の実施形態に係る超音波プローブ２によると、超音波振動子の製造工程において特殊な製造を採用する必要がなく、また、超音波プローブ２の構成も特殊な構成にする必要がないため、コストアップや歩留まり低下を招かずにパルス減算法を実現することが可能となる。また、互いに逆方向に分極された超音波振動子を交互に配列し、各超音波振動子に同じ極性の駆動パルス信号を印加することによりパルス減算法を実現することができるため、両極性の駆動パルス信号を各超音波振動子に印加する必要がない。このように両極性の駆動パルス信号を各超音波振動子に印加する必要がないため、送信部４の構成を複雑にして回路規模を増大することなく、パルス減算法を実現することが可能となる。そのことにより、送信部４を超音波プローブ２内に設置した場合であっても、超音波プローブ２を大型化せずにパルス減算法を実現することが可能となる。

また、互いに逆方向に分極された正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの数を等しくすることで、正極性での送信時の音圧と逆極性での送信時の基本波の音圧とを等しくすることができ、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの配列パターンを１８０°回転対称とすることで、超音波の音軸がずれることなく送受信することができるため、正確にパルス減算法を実施して、パルス減算法の効果を十分に得ることが可能となる。

なお、この実施形態では、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの数を等しくしたが、これらの数が完全に一致せずに、厳密に１８０°回転対称となっていなくても、この発明と同様の作用及び効果を奏することが可能である。つまり、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの数がほぼ一致し、実質的に１８０°回転対称となっていれば、この発明と同様の作用及び効果を奏することが可能となる。例えば、超音波振動子部３の端部において正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの数が一致せずに、厳密に１８０°回転対称となっていない場合であっても、パルス減算法を実施することで、グレーティングローブなどのアーチファクトの影響が低減され、コントラストが高い高画質の画像を得ることができる。

また、この第１の実施形態では、逆極性振動子３ｂから出力された信号の位相を位相反転部６にて反転したが、位相反転部６を設ける代わりに、信号処理部１０にてＡ／Ｄ変換を行った後に逆極性振動子３ｂから出力された信号の位相を反転しても良い。このように信号処理部１０にて信号の位相を反転しても、逆極性振動子３ｂによって受信された超音波の位相を、正極性振動子３ａが受信した超音波の位相と一致させることができる。

また、この第１の実施形態では、超音波プローブ２内に送信部４、受信部５、及び位相反転部６を設けた例について説明したが、これらを本体部８やコネクタ７に設置しても、第１の実施形態に係る超音波診断装置１と同じ作用及び効果を奏することができる。

なお、基本波モードやドプラモードで超音波を送受信する場合は、正極性振動子３ａ又は逆極性振動子３ｂのいずれか一方を駆動させて基本波モードやドプラモードを実施する。

（変形例１）
次に、変形例１について図６から図８を参照して説明する。図６は変形例１に係る超音波振動子部の概略構成を示す上面図である。図７は、変形例１に係る超音波プローブにより超音波を送信する際に形成される音場分布を示す図である。図８は、変形例１に係る超音波プローブにより超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。

この変形例１では、列ごとに複数の超音波振動子をまとめて、まとめた素子を同じ方向に分極する。図６に示す例では、３個の正極性振動子３ａを１つのまとまりとし、３個の逆極性振動子３ｂを１つのまとまりとする。そして、３個ずつまとめられた正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂを交互に配置し、超音波振動子部３１の中心を通り、配列面に垂直な中心軸を回転軸として１８０°回転対称となるように、正極性振動子３ａのまとまりと逆極性振動子３ｂのまとまりを配置する。このように複数の超音波振動子をまとめることにより、分極や回路配置を単純化することができる。

このように同じ極性の超音波振動子を複数個まとめて、逆極性の超音波振動子を交互に配置した場合であっても、パルス減算法を正確に実施することができる。パルス減算法を実施する場合、送信時においては、制御部９による制御によって１回目の超音波の送信では、正極性振動子３ａのみに駆動パルス信号を印加して超音波を送信させ、２回目の超音波の送信では、逆極性振動子３ｂのみに駆動パルス信号を印加して超音波を送信させる。そして、受信時には、全ての超音波振動子で反射波を受信する。上述した第１の実施形態と同様に、逆極性振動子３ｂによって受信されたエコー信号は位相反転部６によって位相が反転させられる。

そして、上述した第１の実施形態と同様に、信号処理部１０によって、１回目の超音波の送受信によって得られた信号と、２回目の超音波の送受信によって得られた信号とが加算される。これにより、基本波成分が除去されて非線形成分の信号のみが得られる。そして、画像処理部１１は、その非線形成分の信号に基づいて画像データを生成する。これにより、非線形成分の信号に基づく３次元画像やＭＰＲ画像などの画像が表示部１２に表示されることになる。

次に、送受信時における超音波の音場分布について図７及び図８を参照して説明する。例えば、超音波振動子部３１の中心から斜め方向に偏向して超音波ビームを送信した場合、図７に示すように、斜め方向にグレーティングローブが発生する。このように送信時にグレーティングローブが発生するが、受信時には全ての超音波振動子で反射波を受信することにより、受信時においては斜め方向のグレーティングローブの信号強度は低くなる。従って、図８に示すように、送信時に発生したグレーティングローブの反射波の信号強度は低くなるため、送信時に発生したグレーティングローブの影響を低減することが可能となる。これにより、アーチファクトの影響が低減された画像を得ることができる。その結果、サイドローブやグレーティングローブなどのアーチファクトの影響が低減され、コントラストが高くて見やすい高画質の画像が得られる。

以上のように、変形例１に係る超音波プローブによっても、超音波プローブの構成を特殊な構成にする必要がないため、コストアップや歩留まり低下を招かずにパルス減算法を実現することが可能となる。

なお、この変形例１においても、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの数が厳密に一致せずに、厳密に１８０°回転対称となっていない場合であっても、正極性振動子３ａと逆極性振動子３ｂの数がほぼ一致し、実質的に１８０°回転対称となっていれば、この発明と同様の作用及び効果を奏することが可能となる。

［第２の実施の形態］
（構成）
この発明の第２の実施形態に係る超音波プローブ及び超音波診断装置の構成について図９を参照して説明する。図９は、この発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。

第２の実施形態に係る超音波診断装置２０は、上述した第１の実施形態に係る超音波診断装置１と比べて、超音波プローブ３０の構成が異なっており、本体部８は同じ構成を有している。

超音波振動子部３１は、マトリックス（格子）状に配列された複数の正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｄを備えて構成されている。これら複数の正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｄは、同じ方向（１つの方向）に分極されている。上述した第１の実施形態においては、逆方向に分極された超音波振動子を交互に配列したが、第２の実施形態においては、全て同じ方向に分極された超音波振動子によって超音波振動子部３１を構成している。なお、正極用振動子３ｃがこの発明の「第３の超音波振動子」に相当し、逆極用振動子３ｄがこの発明の「第４の超音波振動子」に相当する。

正極性送信部４ａと逆極性送信部４ｂは、互いに逆極性の駆動パルス信号を超音波振動子に印加する。正極性送信部４ａは正極用振動子３ｃに接続され、逆極性送信部４ｂは逆極用振動子３ｄに接続されている。

そして、正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｄは交互に並んで配列されている。つまり、正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｄとが互い違いに並んで配列され、全体として市松模様状の配列パターンを成している。また、正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｄの数は等しくなっており、超音波振動子部３１の配列面の中心を通り、その配列面に垂直な線を中心軸Ｏとすると、正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｄの配列パターンは、その中心軸Ｏを回転軸として１８０°回転対称となっている。

正極用振動子３ｃには正極性送信部４ａが接続され、逆極用振動子３ｄには逆極性送信部４ｂが接続されているため、正極用振動子３ｃから送信される超音波の極性と逆極用振動子３ｄから送信される超音波の極性は逆の極性になる。

受信部５、コネクタ７、制御部９、信号処理部１０、及び画像処理部１１の機能は、上述した第１の実施形態に係る各部と同じ機能を有するため説明を省略する。

なお、制御部９は、正極性送信部４ａ及び逆極性送信部４ｂによる駆動パルス信号の印加の切り替えを制御する。つまり、パルス減算法を実施する場合、１回目の超音波の送信では、制御部９による制御により正極性送信部４ａが正極用振動子３ｃに駆動パルス信号を印加することで、正極用振動子３ｃから超音波を送信し、２回目の超音波の送信では、制御部９の制御により逆極性送信部４ｂが逆極用振動子３ｄに駆動パルス信号を印加することで、逆極用振動子３ｄから超音波を送信する。このように、制御部９は、正極性送信部４ａ及び逆極性送信部４ｂによる駆動パルス信号の印加の切り替えを行う。

ここで、超音波プローブ３０の製造工程について簡単に説明する。まず、超音波振動子を所定方向に分極した後、アレイ加工を行うことで、複数の超音波振動子が配列された超音波振動子部３１を作製する。そして、互いに逆極性の駆動パルス信号を印加する正極性送信部４ａと逆極性送信部４ｂを、交互に超音波振動子に接続する。これにより、正極性送信部４ａに接続された超音波振動子と、逆極性送信部４ｂに接続された超音波振動子の配列パターンは市松模様状になる。

（作用）
上記の構成を有する超音波プローブ３０及び超音波診断装置２０によると、以下に示す好適な作用及び効果を奏することが可能となる。

（送信時）
パルス減算法を実施する場合、１回目の超音波の送信では、制御部９の制御によって正極性送信部４ａが正極用振動子３ｃを駆動して超音波を送信させる。そして、２回目の超音波の送信では、制御部９の切り替え制御によって逆極性送信部４ｂが逆極用振動子３ｄを駆動して超音波を送信させる。

（受信時）
受信時には、全ての超音波振動子で反射波を受信する。つまり、送信時においては、正極性送信部４ａ又は逆極性送信部４ｂのいずれかによって正極用振動子３ｃ又は逆極用振動子３ｄのいずれかに駆動パルス信号を印加することで、正極用振動子３ｃ又は逆極用振動子３ｄのいずれかから超音波を送信させるが、受信時においては、正極用振動子３ｃ及び逆極用振動子３ｄ（全ての超音波振動子）によって反射波を受信する。超音波振動子部３１を構成する正極用振動子３ｃ及び逆極用振動子３ｄは全て同じ方向に分極しているため、上述した第１の実施形態のようにいずれか一方の出力の位相を反転する必要がない。

超音波振動子部３１によって受信されたエコー信号は、コネクタ７を介して本体部８の信号処理部１０に出力される。そして、信号処理部１０は、１回目の超音波の送受信によって得られた信号と、２回目の超音波の送受信によって得られた信号とを加算することで基本波成分を除去し、非線形成分の信号のみを得る。つまり、１回目の超音波の送信では正極性送信部４ａによって正極用振動子３ｃのみを駆動して超音波を送信し、２回目の超音波の送信では逆極性送信部４ｂによって逆極用振動子３ｄのみを駆動して超音波を送信しているため、互いに逆位相のパルス波を送信していることになり、この送受信によって得られた信号を加算することで基本波成分が除去され、非線形成分の信号のみが得られることになる。

画像処理部１１は、信号処理部１０の加算処理によって得られた非線形成分の信号に基づいて画像データを生成する。これにより、非線形成分の信号に基づく３次元画像やＭＰＲ画像などの画像が表示部１２に表示されることになる。

なお、送受信時における超音波の音場分布は第１の実施形態と同じになる。つまり、送信時においては図４に示すように、斜め方向のグレーティグローブが発生するが、受信時においてはグレーティグローブの信号強度は低くなる。従って、図５に示すように、送信時に発生したグレーティングローブの反射波の信号強度は低くなるため、送信時に発生したグレーティングローブの影響を低減することが可能となる。これにより、アーチファクトの影響が低減された画像を得ることができる。その結果、サイドローブやグレーティングローブなどのアーチファクトの影響が低減され、コントラストが高くて見やすい高画質の画像が得られる。

以上のように、この第２の実施形態に係る超音波プローブ３０によると、正極性送信部４ａと逆極性送信部４ｂを備えて互いに逆極性の駆動パルス信号を超音波振動子に供給することによりパルス減算法を実現することできるため、両極性の駆動パルス信号を各超音波振動子に印加させる必要がない。そして、正極性送信部４ａと逆極性送信部４ｂのように送信部の位相を反転させることは、各超音波振動子に両極性のパルス波を供給する回路を接続する場合と比べて、はるかに小規模で実現できる。さらに、スイッチ回路も必要がなく、回路規模が増大することがないため、コストアップや歩留まり低下を招かずにパルス減算法を実現することが可能となる。そのことにより、送信部を超音波プローブ３０内に設置した場合であっても、超音波プローブ３０を大型化せずにパルス減算法を実現することが可能となる。

なお、第１の実施形態と同様に、正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｂの数が完全に一致せずに、厳密に１８０°回転対称となっていなくても、この発明と同様の作用及び効果を奏することができる。

また、この第２の実施形態では、超音波プローブ３０内に正極性送信部４ａ、逆極性送信部４ｂ、及び受信部５を設けた例について説明したが、これらを本体部８やコネクタ７に設置しても、第２の実施形態に係る超音波診断装置２０と同じ作用及び効果を奏することができる。

（変形例２）
次に、変形例２について説明する。第２の実施形態に係る超音波プローブ及び超音波診断装置においても、上述した変形例１と同様に複数の超音波振動子をまとめ、まとめた素子に同じ極性の駆動パルス信号を印加しても良い。例えば、３個の正極用振動子３ｃを１つのまとまりとし、３個の逆極用振動子３ｄを１つのまとまりとする。そして、３個ずつまとめられた正極用振動子３ｃと逆極用振動子３ｄを交互に配置する。

このように同じ極性の駆動パルス信号が印加される超音波振動子を複数個まとめて、交互に配置した場合であっても、パルス減算法を正確に実施することができる。パルス減算法を実施する場合、送信時においては、制御部９による制御によって１回目の超音波の送信では、正極性送信部４ａが正極用振動子３ｃを駆動して超音波を送信させ、２回目の超音波の送信では、逆極性送信部４ｂが逆極用振動子３ｄを駆動して超音波を送信させる。そして、受信時には、全ての超音波振動子で反射波を受信する。正極用振動子３ｃ及び逆極用振動子３ｄは全て同じ方向に分極しているため、正極用振動子３ｃ又は逆極用振動子３ｄによって受信されたエコー信号の位相を反転させる必要はない。

そして、上述した第２の実施形態と同様に、信号処理部１０によって、１回目の超音波の送受信によって得られた信号と、２回目の超音波の送受信によって得られた信号とが加算される。これにより、基本波成分が除去されて非線形成分の信号のみが得られる。そして、画像処理部１１は、その被線形成分の信号に基づいて画像データを生成する。これにより、非線形成分の信号に基づく３次元画像やＭＰＲ画像などの画像が表示部１２に表示されることになる。

なお、送受信時における超音波の音場分布は変形例１と同じになる。つまり、送信時においては図７に示すように、斜め方向のグレーティグローブが発生するが、受信時においてはグレーティグローブの信号強度は低くなる。従って、図８に示すように、送信時に発生したグレーティングローブの反射波の信号強度が低くなるため、送信時に発生したグレーティングローブの影響を低減することが可能となる。これにより、アーチファクトの影響が低減された画像を得ることができる。その結果、サイドローブやグレーティングローブなどのアーチファクトの影響が低減され、コントラストが高くて見やすい高画質の画像が得られる。

以上のように、変形例２に係る超音波プローブによっても、超音波プローブの構成を特殊な構成にする必要がないため、コストアップや歩留まり低下を招かずにパルス減算法を実現することが可能となる。

なお、２次元超音波プローブを備えた超音波診断装置にてパルス減算法を実現する別の方法として、以下の２つの方法が挙げられる。

第１の方法としては、超音波振動子の両面に信号電極を設置し、正極性のパルス波を送信する時には背面側を信号電極とし、放射面側を共通電極として用い、逆極性のパルス波を送信する時には放射面側を信号電極とし、背面側を共通電極として用いて、超音波の送受信を行う。これにより、１回目の送信と２回目の送信とで、逆極性のパルス波を送信することができ、パルス減算法を実現することができる。

また、第２の方法としては、逆極性のパルス波を送信する時に、直流成分を最大値に保った状態から電圧を下げる方向のパルス波を発生することで逆極性のパルス波を得る。これにより、１回目の送信と２回目の送信とで、逆極性のパルス波を送信することができ、パルス減算法を実現することができる。

この発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。 この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブに設置されている超音波振動子部の概略構成を示す上面図である。 この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの製造工程を説明するためのフローチャートである。 この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を送信する際に形成される音場分布を示す図である。 この発明の第１の実施形態に係る超音波プローブにより超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。 変形例１に係る超音波振動子部の概略構成を示す上面図である。 変形例１に係る超音波プローブにより超音波を送信する際に形成される音場分布を示す図である。 変形例２に係る超音波プローブにより超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。 この発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。 従来技術に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。 従来技術に係る超音波プローブの製造工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１、２０ 超音波診断装置
２、３０ 超音波プローブ
３、３１ 超音波振動子部
３ａ 正極性振動子
３ｂ 逆極性振動子
３ｃ 正極用振動子
３ｄ 逆極用振動子
４ 送信部
４ａ 正極性送信部
４ｂ 逆極性送信部
５ 受信部
６ 位相反転部
８ 本体部
９ 制御部
１０ 信号処理部
１１ 画像処理部

Claims (10)

1. 複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部を有する超音波プローブであって、
   前記超音波振動子部は、
   第１の方向に分極した複数の第１の超音波振動子と、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に分極した複数の第２の超音波振動子と、を有し、
   前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子は交互に配列され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置されていることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子の数が等しいことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子の配列パターンが、市松模様状となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の超音波プローブ。
4. 前記第２の超音波振動子から出力される信号の位相を反転させる位相反転部を更に有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
5. 複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部と、
   前記超音波振動子に駆動パルス信号を印加する送信部と、
   を有する超音波プローブであって、
   前記超音波振動子部は、
   所定方向に分極した複数の第３の超音波振動子と、前記第３の超音波振動子と同じ方向に分極した複数の第４の超音波振動子と、を有し、
   前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子は交互に配置され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置され、
   前記送信部は、
   前記第３の超音波振動子への駆動パルス信号の印加と、前記第４の超音波振動子への駆動パルス信号の印加とを交互に実施し、前記第４の超音波振動子に対しては、前記第３の超音波振動子に印加する駆動パルス信号と逆極性の駆動パルス信号を印加することを特徴とする超音波プローブ。
6. 前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子の数が等しいことを特徴とする請求項５に記載の超音波プローブ。
7. 前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子の配列パターンが、市松模様状となっていることを特徴とする請求項５又は請求項６のいずれかに記載の超音波プローブ。
8. 複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部を有する超音波プローブと、
   前記超音波振動子部に駆動パルス信号を印加する送信部と、
   信号処理部と、
   前記超音波プローブが受信した信号に基づいて画像データを生成する画像処理部と、
   を有する超音波診断装置であって、
   前記超音波振動子部は、
   第１の方向に分極した複数の第１の超音波振動子と、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に分極した複数の第２の超音波振動子と、を有し、
   前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子は交互に配列され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置され、
   前記送信部は、
   前記第１の超音波振動子への駆動パルス信号の印加と、前記第２の超音波振動子への駆動パルス信号の印加とを交互に実施することで、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子に交互に超音波を送信させ、
   前記信号処理部は、
   前記第１の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子が受信した信号と、
   前記第２の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第１の超音波振動子と前記第２の超音波振動子が受信した信号と、を加算し、
   前記画像処理部は、前記加算された信号に基づいて画像データを生成することを特徴とする超音波診断装置。
9. 前記第２の超音波振動子が受信した信号の位相を反転させる位相反転部を更に有し、
   前記信号処理部は、前記第１の超音波振動子が受信した信号と前記位相が反転させられた信号とを加算することを特徴とする請求項８に記載の超音波診断装置。
10. 複数の超音波振動子が２次元的に配列された超音波振動子部を有する超音波プローブと、
    前記超音波振動子部に駆動パルス信号を印加する送信部と、
    信号処理部と、
    前記超音波プローブが受信した信号に基づいて画像データを生成する画像処理部と、
    を有する超音波診断装置であって、
    前記超音波振動子部は、
    所定方向に分極した複数の第３の超音波振動子と、前記第３の超音波振動子と同じ方向に分極した複数の第４の超音波振動子と、を有し、
    前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子は交互に配列され、前記超音波振動子の配列面に垂直な軸を回転軸として１８０°回転対称となるように配置され、
    前記送信部は、
    前記第３の超音波振動子への駆動パルス信号の印加と、前記第４の超音波振動子への駆動パルス信号の印加とを交互に実施し、前記第４の超音波振動子に対しては、前記第３の超音波振動子に印加する駆動パルス信号と逆極性の駆動パルス信号を印加することで、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子に交互に超音波を送信させ、
    前記信号処理部は、
    前記第３の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子が受信した信号と、
    前記第４の超音波振動子に駆動パルス信号を印加して送信した超音波に基づく反射波であって、前記第３の超音波振動子と前記第４の超音波振動子が受信した信号と、を加算し、
    前記画像処理部は、前記加算された信号に基づいて画像データを生成することを特徴とする超音波診断装置。