JP2008005996A - 超音波トランスデューサアレイ、超音波用探触子、超音波内視鏡、超音波診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波送受信面の面積が互いに異なっていると共に、全体の厚さが互いに実質的に等しい少なくとも2種類の複数の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイであって、第1の超音波トランスデューサと、層数が上記第1の超音波トランスデューサの層数よりも多く、且つ、超音波送受信面の面積が第1の超音波トランスデューサの超音波送受信面の面積よりも小さい第2の超音波トランスデューサとを含む。
【選択図】図1
Description
なお、1.25Dアレイ、1.5Dアレイ、及び、1.75Dアレイについては、エレベーション方向における素子数が1Dアレイと2Dアレイとの間であることから、このように呼ばれている。
一方、エレベーション方向については、内側(C列)から外側(L2列及びR2列)に向かって、素子901〜903の幅W1〜W3が小さくるように設計されている。このような配置は、超音波ビームの品質を改良するための工夫として行われており、フレネル(Fresnel)配置や、MIAE(Minimum Integrated Absolute time-delay Error)配置等と呼ばれる配置方法が知られている。
なお、フレネル配置及びMIAE配置の詳細については、非特許文献1を参照されたい。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを模式的に示している。図1の(a)は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイがバッキング層の上に配置されている様子を示す側面図であり、図1の(b)は、その平面図である。
音響整合層3は、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス(登録商標)ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。
図3に示す超音波トランスデューサは、下部電極層10aと、5層の圧電体層10と、それらの圧電体層10の間に交互に挿入されている内部電極層10b及び10cと、上部電極層10dと、側面電極10e及び10fとを有している。
さらに、図1の(a)に示すように、各列に配置されている素子11〜13の各々は、配線14に独立に接続されている。それにより、素子11〜13には、超音波診断装置本体において生成された駆動信号が、配線14を介してそれぞれ供給される。
パルサ(駆動信号生成部):出力電圧100V、出力インピーダンス30Ω
同軸ケーブル:長さ3.4m、容量100pF/m、
インピーダンス94Ω(5MHz)
プリアンプ(受信信号処理部):入力インピーダンス10MΩ
配列方法:フレネル配置、配線方法:独立配線
素子の平面サイズ:
C列(素子11及び901):幅W1=2.88mm、長さX0=0.12mm
L1列、R1列(素子12及び902):
幅W2=0.57mm、長さX0=0.12mm
L2列、R2列(素子13及び903):
幅W3=0.43mm、長さX0=0.12mm
エレベーション方向の素子間隔:0.03mm(30μm)
アジマス方向の配列ピッチ:P0=0.15mm(素子間隔0.03mm)
素子901(C列):Z901=326Ω
素子902(L1列、R1列):Z902=1647Ω
素子903(L2列、R2列):Z903=2183Ω
素子11(C列):N11=3、Z11=Z901/32≒36.2Ω
素子12(L1列、R1列):N12=6、Z12=Z902/62≒45.8Ω
素子13(L2列、R1列):N13=7、Z13=Z903/72≒44.6Ω
素子21(C列):N21=3
幅W1=2.88mm、長さX1=0.095
Z21=45.8Ω(共振周波数5MHz)
この電気インピーダンスZ21の値は、図1に示す素子11の電気インピーダンスZ11の約X0/X1倍に相当する。
素子22(L1列及びR1列):N22=6
幅W2=0.57mm、長さX2=0.120mm
Z22=45.8Ω(共振周波数5MHz)
この電気インピーダンスZ22の値は、図1に示す素子12の電気インピーダンスZ12の約X0/X2倍に相当する。
素子23(L2列及びR2列):N23=7
幅W3=0.43mm、長さX3=0.116mm
Z23=46.1Ω(共振周波数5MHz)
この電気インピーダンスZ23の値は、図1に示す素子13の電気インピーダンスZ13の約X0/X3倍に相当する。
図4に示すように、各素子の層数に加えて、素子の長さを調節することにより、素子21〜23間の電気インピーダンスを実質的に揃えることができた(バラツキは最大で、100×(Z23−Z21)/Z23≒0.7%)。また、送信音響エネルギーのバラツキをさらに低減することができた。なお、素子21及び23については、素子の長さを実施例1における素子11及び13よりも小さくしたために、送信音響エネルギーが若干低下している。しかしながら、各素子の電気インピーダンスと送信回路の出力インピーダンスとの整合が良好なので、依然として比較例1よりも大幅に高い値を維持することができた。
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、図1に示す超音波トランスデューサアレイに対して、配線方法及び各素子の層数を変更したものである。従って、各素子の平面サイズや配列方法(フレネル配置)や配列ピッチについては、図1に示すものと同様である。
配列方法:フレネル配置、配線方法:共通配線
素子の平面サイズ:
配線34に接続された素子31、及び、
配線905に接続された素子901(C列):
幅W1=2.88mm、長さX0=0.12mm
配線35に接続された素子32、及び、
配線906に接続された2つの素子902(L1列、R1列):
幅W2=0.57×2mm、長さX0=0.12mm
配線36に接続された素子33、及び、
配線907に接続された2つの素子903(L2列、R2列):
幅W3=0.43×2mm、長さX0=0.12mm
エレベーション方向の素子間隔:39μm
アジマス方向の配列ピッチ:P0=0.15mm(素子間隔30μm)
素子901:Z901'=326Ω
2つの素子902:Z902'=824Ω
2つの素子903:Z903'=1092Ω
配線34に接続された素子31(C列):N31=3
Z31=Z901'/32≒36.2Ω
配線35に接続された2つの素子32(L1列、R1列):N32=4
Z32=Z902'/42≒51.5Ω
配線36に接続された2つの素子33(L2列、R1列):N33=5
Z33=Z903'/52≒43.7Ω
配線44に接続された素子41(C列):N41=3
幅W1=2.88mm、長さX1'=0.085mm
Z41=51.1Ω(共振周波数5MHz)
この電気インピーダンスZ41の値は、図6に示す素子31の電気インピーダンスZ31の約X0/X1'倍に相当する。
配線45に接続された2つの素子42(R1列、L1列):N42=4
幅W2=0.57mm、長さX2'=0.120mm
Z42=51.5Ω(共振周波数5MHz)
この電気インピーダンスZ42の値は、図6に示す配線35に接続されている素子32の合成電気インピーダンスZ32の約X0/X2'倍に相当する。
配線46に接続された2つの素子43(L2列、R2列):N43=5
幅W3=0.43mm、長さX3'=0.102mm
Z43=51.4Ω(共振周波数5MHz)
この電気インピーダンスZ43の値は、図6に示す配線36に接続されている素子33の合成電気インピーダンスZ33の約X0/X3'倍に相当する。
図7に示すように、各素子の層数に加えて、素子の長さを調節することにより、配線44〜46ごとの合成電気インピーダンス(即ち、電気容量の和)を実質的に揃えることができた(バラツキは最大で、100×(Z41−Z42)/Z42≒0.8%)。また、素子41〜43間における送信音響エネルギーのバラツキをさらに低減することができた。なお、素子41及び43については、素子の長さを実施例3における素子31及び33よりも小さくしたために、送信音響エネルギーが若干低下している。しかしながら、各組の素子の電気インピーダンスと送信回路の出力インピーダンスとのマッチングとの整合が良好なので、依然として比較例2よりも大幅に高い値を維持することができた。
本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイは、図5に示す超音波トランスデューサアレイに対して、素子の配置を変更したものである。即ち、素子21が配置されているC列と、素子22が配置されているL1列及びR1列と、素子23が配置されているL2列及びR2列とにおいて、アジマス方向における素子の間隔を0.03mmに統一している。この素子間隔0.03mmは、素子21〜23の長さX1〜X3を含めた素子の配列ピッチP1〜P3が、最大でも送信超音波の波長の半分以下(例えば、150μm以下)になるように設計されている。
なお、各素子21〜23のサイズ及び層数や、エレベーション方向における配置(フレネル配置)や、配線方法(独立配線)については、第2の実施形態におけるものと同様である。
なお、本発明の第4の実施形態において説明した超音波トランスデューサアレイを、素子41〜43の間隔が各列で同じになるように変形しても良い。
超音波内視鏡100の挿入部101は、被検体の体内に挿入することができるように、可撓性を有する材料によって形成された細長い管となっている。操作部102は、挿入部101の基端に設けられており、接続コード103を介して超音波診断装置本体に接続されていると共に、ユニバーサルコード104を介して光源装置に接続されている。
図11に示すように、挿入部101の先端部分には、超音波トランスデューサアレイ110と、観察窓111と、照明窓112と、処置具挿通口113と、ノズル孔114とが設けられている。また、処置具挿通口113には、穿刺針106が配置されている。
1a 充填材
2、900 バッキング層
3 音響整合層
4 音響レンズ
5 筐体
6 ケーブル
10、910 圧電体
10a 下部電極
10b、10c 内部電極
10d 上部電極
10e、10f 側面電極
11〜13、21〜23、31〜33、41〜43、201〜203、211〜213、222〜223、231〜233、901〜903 超音波トランスデューサ素子
14、24、34〜36、44〜46、904〜907 配線
100 超音波内視鏡
101 挿入部
102 操作部
103 接続コード
104 ユニバーサルコード
105 処置具挿入口
106 穿刺針
111 観察窓
112 照明窓
113 処置具挿通口
114 ノズル孔
911、912 電極
Claims (23)
- 超音波送受信面の面積が互いに異なっていると共に、全体の厚さが互いに実質的に等しい少なくとも2種類の複数の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイであって、
第1の超音波トランスデューサと、
層数が前記第1の超音波トランスデューサの層数よりも多く、且つ、超音波送受信面の面積が第1の超音波トランスデューサの超音波送受信面の面積よりも小さい第2の超音波トランスデューサと、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。 - 前記第1の超音波トランスデューサの電気インピーダンスと、前記第2の超音波トランスデューサの電気インピーダンスとが、互いに実質的に等しい、請求項1記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 前記第1の超音波トランスデューサの層数をN1、超音波送受信面の面積をS1とし、前記第2の超音波トランスデューサの層数をN2、超音波送受信面の面積をS2とする場合に、S1:S2=1/N1 2:1/N2 2である、請求項2記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 全体の厚さが互いに実質的に等しい少なくとも2種類の複数の超音波トランスデューサが配置されている超音波トランスデューサアレイであって、
1つ、又は、共通の配線に接続された複数の第1の超音波トランスデューサと、
1つ、又は、共通の配線に接続された複数の第2の超音波トランスデューサであって、層数が前記1つ又は複数の第1の超音波トランスデューサの層数よりも多く、且つ、超音波送受信面の総面積が、前記1つ又は複数の第1の超音波トランスデューサの超音波送受信面の総面積よりも小さい前記1つ又は複数の第2の超音波トランスデューサと、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。 - 前記1つ又は複数の第1の超音波トランスデューサの総電気容量と、前記1つ又は複数の第2の超音波トランスデューサの総電気容量とが、互いに実質的に等しい、請求項4記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 前記1つ又は複数の第1の超音波トランスデューサの層数をN1、超音波送受信面の総面積をS1、各配線に接続されている前記1つ又は複数の第1の超音波トランスデューサの数をM1個とし、前記1つ又は複数の第2の超音波トランスデューサの層数をN2、超音波送受信面の総面積をS2、各配線に接続されている前記1つ又は複数の第2の超音波トランスデューサの数をM2個とする場合に、S1:S2=1/(N1 2・M1):1/(N2 2・M2)である、請求項4又は5記載の超音波トランスデューサ。
- 複数の第1の超音波トランスデューサが1次元的に配列された第1の素子列と、
複数の第2の超音波トランスデューサが1次元的に配列された第2の素子列と、
を有し、前記第1の素子列と前記第2の素子列とが、互いに平行に並べられている、
請求項1〜6のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイ。 - 前記複数の第1及び第2の超音波トランスデューサの各々が、矩形の超音波送受信面を有する、請求項7記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 各素子列における超音波トランスデューサの配列方向に直交する向きにおいて、内側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの幅よりも、外側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの幅が小さい、請求項7又は8記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 前記第1の素子列における前記複数の第1の超音波トランスデューサの配列ピッチと、前記第2の素子列における前記複数の第2の超音波トランスデューサの配列ピッチとが、互いに等しい、請求項7〜9のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 前記第1の素子列における前記複数の第1の超音波トランスデューサの間隔と、前記第2の素子列における前記複数の第2の超音波トランスデューサの間隔とが、互いに等しい、請求項7〜9のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 各素子列における超音波トランスデューサの配列方向に直交する向きにおいて、外側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの密度よりも、内側の素子列に配置されている超音波トランスデューサの密度が高い、請求項11記載の超音波トランスデューサアレイ。
- 請求項1〜12のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイの超音波送信面側に配置された音響整合層と、
前記超音波トランスデューサアレイの前記超音波送信面とは反対側に配置されたバッキング層と、
を具備する超音波用探触子。 - 被検体の体内に挿入して用いられる超音波内視鏡であって、
可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体内に挿入して使用される挿入部と、
前記挿入部の先端部に設けられた請求項1〜12のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイと、
を具備する超音波内視鏡。 - 被検体の体内に挿入して用いられる超音波内視鏡であって、
可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体内に挿入される挿入部と、
前記挿入部の内部を通り、前記挿入部の先端部に設けられた開口から被検体の体内に挿通される処置具と、
前記挿入部の先端部に設けられた請求項7〜12のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイであって、各素子列における複数の超音波トランスデューサが、前記処置具の先端の位置を検出できるように配置された前記超音波トランスデューサアレイと、
を具備する超音波内視鏡。 - 請求項13記載の超音波用探触子、又は、請求項14若しくは15記載の超音波内視鏡と、
前記第1及び第2の超音波トランスデューサにそれぞれ供給される複数の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記第1及び第2の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号を処理する信号処理部と、
前記信号処理部によって処理された複数の受信信号に基づいて超音波画像を生成する画像生成部と、
を具備する超音波診断装置。 - 前記信号処理部が、前記第1の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第2の超音波トランスデューサから出力された受信信号とについて、受信信号のレベル差を補正する補正手段を有する、請求項16記載の超音波診断装置。
- 前記補正手段が、前記第1及び第2の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された受信信号を前置増幅する複数のプリアンプであって、各々に、前記第1及び第2の超音波トランスデューサの層数及び/又は超音波送受信面の面積に応じたゲインが設定されている前記複数のプリアンプを含む、請求項17記載の超音波診断装置。
- 前記補正手段が、前記第1及び第2の超音波トランスデューサから出力され、前置増幅された受信信号のレベルを調整する複数の可変利得回路であって、各々に、前記第1及び第2の超音波トランスデューサの層数及び/又は超音波送受信面の面積に応じたゲインが設定されている前記複数の可変利得回路を含む、請求項17記載の超音波診断装置。
- 前記補正手段が、前記第1及び第2の超音波トランスデューサから出力され、前置増幅され、A/D変換された受信信号に演算処理を施す手段であって、前記第1及び第2の超音波トランスデューサの層数及び/又は超音波送受信面の面積に応じた補正率で各受信信号のレベルを補正する前記手段を含む、請求項17記載の超音波診断装置。
- 前記第1の超音波トランスデューサの層数をN1とし、前記第2の超音波トランスデューサの層数をN2とする場合に、前記補正手段が、前記第1の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第2の超音波トランスデューサから出力された受信信号とを、ゲイン又は補正率の比がN1:N2となるように補正する、請求項17〜20のいずれか1記載の超音波診断装置。
- 請求項1〜12のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイの超音波送信面側に配置された音響整合層と、
前記超音波トランスデューサアレイの前記超音波送信面とは反対側に配置されたバッキング層と、
前記第1の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第2の超音波トランスデューサから出力された受信信号とについて、受信信号のレベル差を補正する補正手段と、
を具備する超音波用探触子。 - 被検体の体内に挿入して用いられる超音波内視鏡であって、
可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体内に挿入して使用される挿入部と、
前記挿入部の先端部に設けられた請求項1〜12のいずれか1項記載の超音波トランスデューサアレイと、
前記第1の超音波トランスデューサから出力された受信信号と、前記第2の超音波トランスデューサから出力された受信信号とについて、受信信号のレベル差を補正する補正手段と、
を具備する超音波内視鏡。
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