JP2013135793A

JP2013135793A - 超音波プローブおよび超音波検査装置

Info

Publication number: JP2013135793A
Application number: JP2011288454A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Nagata; 貴之永田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP5776542B2

Abstract

【課題】２次元アレイプローブに適したｐＭＵＴ（ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子の高感度化、広帯域化を実現する。
【解決手段】上部電極をメイン電極とサブ電極に分け、それぞれに異なる駆動信号を送信することにより、発生する超音波を短パルス化する。また受信時には、サブ電極に送信からの時間の経過に応じた電圧を印加して振動部に与える応力を変化させ、共振周波数を時間の経過とともにシフトさせる。これにより、エコーの深さに合わせた効果的な周波数帯で受信することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＵＴ（ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を用いる超音波プローブおよび、それを用いた超音波検査装置に関する。特に、生体の体内観察を３次元的に行うための超音波プローブの広帯域化、高感度化に関する。

超音波検査装置は、超音波プローブから超音波ビームを被検体に送出し、被検体内部で反射した超音波信号（以後、超音波エコー）を超音波プローブで受信して、被検体内部の情報を得る装置である。この超音波検査装置では、超音波プローブから送信される超音波の周波数が高い程分解能が高くなるが、生体の体内観察を行う場合、超音波の到達深度は、超音波の周波数が高い程浅く、低い程深くなる。そのため、深部から浅部まで高分解能な画像を得るために、広帯域の超音波を送受信可能な超音波プローブが望まれている。

超音波プローブは、従来、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックからなる圧電振動子を多数配列して構成される。この構成において、送受信される超音波の帯域を広げる方法として、スライス方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成（例えば、特許文献１）、あるいは、アレイ方向に共振周波数の異なる振動子を配列する構成（例えば、特許文献２）などが提案されている。

しかしながら、このような方法は、振動子が１列に配列された１次元プローブでは実現できるものの、近年、要望の高まっている２次元アレイプローブでは実現が困難である。従来の１次元プローブの構造をそのまま２次元化するには、微細加工、配線、電気的インピーダンスの点で課題があり、そこに、スライス方向に分布を持つ振動子や、厚みの異なる振動子を加えると、難易度がさらに上がり現実的ではない。

このような２次元アレイプローブに適した構成として、近年、ｐＭＵＴ（ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ：圧電型トランスデューサ）素子、および、ｃＭＵＴ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ：静電容量型トランスデューサ）素子が注目されている。これらのトランスデューサは半導体製造技術を用いて形成されており、アレイ数増加の可能性や回路との集積化の容易性などが長所となっている。一方、このようなトランスデューサは、超音波プローブとして用いる場合、共振周波数の高さ、送受信される周波数帯域の広さ、送信出力および受信感度の大きさ、等を同時に満たすことが難しいという課題を有している。

この対策として、ｐＭＵＴでは、圧電層を構造化することで感度を向上させる構成が提案されている（例えば、特許文献４）。また、ｃＭＵＴでは、メンブレン表面に凹部を設け、メンブレンの密度を下げることにより、共振周波数の保持と感度向上の両立を狙った構成が提案されている（例えば、特許文献４）。

特開平６−１２１３９０号公報特開２００５−２７７９８８号公報特開２０１１−１５４２３号公報特開２００９−１８２８３８号公報

前記したように、特許文献１、２に記載された従来のバルク型構成の振動子は、微細加工、配線、電気的インピーダンス等の課題があり、２次元アレイプローブに適していない。

また、特許文献３に記載したｃＭＵＴは、受信感度の向上と広帯域特性を実現できるものの、送信素子としてみたときには、出力される超音波の音圧は従来のバルク型構成と比較して大きく劣る。

また、特許文献４に記載したｐＭＵＴ素子は、ｃＭＵＴより大きな送信出力が期待できるものの、広帯域特性との両立に関しては全く言及されていない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＭＵＴ素子、特に、ｐＭＵＴの送信出力、および、受信感度を向上させるとともに、それぞれ広帯域の特性を両立した２次元アレイプローブを提供する。この超音波プローブを用いることにより、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる超音波検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の超音波プローブは、２次元的に配列された複数の単位振動子を備え、前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動板と前記振動板の上面に形成された第１の圧電体膜および第２の圧電体膜と前記第１の圧電体膜の上面に形成された第１の電極と前記第２の圧電体膜の上面に形成された第２の電極から成る複数のＭＵＴ（ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、電気的に接続されていない構成とする。この構成により、発生する超音波を短パルス化し、送信される超音波を広帯域化することができる。

また、第２の電極に送信する駆動信号を制御する制御部をさらに備え、制御部は、超音波を前記被検体内に送信した後の時間経過に応じて、印加電圧を制御可能な構成とする。この構成により、受信感度の高い周波数帯を、超音波エコーが返ってくる深さに応じて効果的に設定することができ、見かけ上、広帯域かつ高感度の特性が得られる。

また、本発明の超音波検査装置は、上記超音波プローブと、上記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、上記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、上記信号処理部で得られた３次元データに基づいて３次元画像を生成する画像処理部と、上記３次元画像を表示する表示部を備えた構成とする。この構成により、広範囲で明瞭な超音波画像が得られる。

本発明の超音波プローブおよび超音波検査装置は、発生する超音波を短パルス化し、帯域の広い送信波を形成することができる。

さらに、受信時には、時間の経過とともに受信感度の高い周波数帯をシフトさせることにより、超音波エコーの返ってくる深さに応じた設定が行え、見かけ上、広帯域かつ高感度の信号検出が可能となる。

したがって、本発明にかかる超音波プローブを用いることにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波検査装置を実現できる。

本発明の実施の形態１にかかる超音波検査装置の概略構成を示すブロック図本発明の実施の形態１にかかる超音波プローブの全体構成を示す構成図本発明の実施の形態１にかかる振動子ユニットの構造を示した説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡＡ断面における側面図本発明の実施の形態１にかかるｐＭＵＴ素子３１の断面図で、（ａ）は電圧印加時の圧電体膜３５に作用する圧力を示した説明図、（ｂ）は振動板３６に作用するモーメントおよび、それに伴う変形を示した説明図本発明の実施の形態１にかかる単位振動子の別の構造を示した上面図本発明の実施の形態１にかかる単位振動子のさらに別の構造を示した上面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる超音波検査装置１０の概略構成を示すブロック図である。超音波検査装置１０は、超音波を被検体１１に送信するとともに、被検体１１の内部で反射した超音波信号を受信する超音波プローブ１２と、超音波を送信するための駆動信号を発生して超音波プローブ１２のメイン電極に供給するとともに、超音波プローブ１２のメイン電極で検出した信号を増幅およびデジタル変換して出力する送受信部１３と、送受信部１３から出力された信号を用いてデジタルビームフォーミングを行う信号処理部１４と、信号処理部１４で生成された３次元データに基づいて、３次元画像のレンダリング処理等を施す画像処理部１５と、処理を施された画像データに基づいて画像を表示する画像表示部１６と、超音波を送信および受信する際に、超音波プローブ１２のサブ電極に送信する駆動信号を発生して超音波プローブ１２に供給するサブ送信部１８と、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送受信部１３およびサブ送信部１８を制御する制御部１７を有している。

また、送受信部１３、サブ送信部１８、信号処理部１４、画像処理部１５、画像表示部１６、制御部１７は、検査装置本体１９に格納されており、超音波プローブ１２との間は、複数の信号線のケーブルをひとまとめにして被覆したプローブケーブルで接続されている。

図２は、本発明の実施の形態１にかかる超音波プローブ１２の全体構成を示す構成図である。図２に示すように超音波プローブ１２は、プローブケース２１の内部に超音波を送受波する振動子ユニット２２と、振動子ユニット２２内の単位振動子のメイン電極およびサブ電極に対して独立に電気信号を入出力するための複数の信号線がプリントされたプリント基板２４とを備えている。また、超音波プローブ１２は、プローブケーブル２５を介して検査装置本体１９に接続されている。

ここで、振動子ユニット２２は、複数のｐＭＵＴ素子からなる単位振動子を２次元的に配列した振動子アレイで構成され、各単位振動子には、グランド接地された共通電極の他に、メイン電極とサブ電極の２種類の電極を有している。このメイン電極にパルス状の電圧を印加することにより、超音波パルスが発生するように構成され、送受信部１３からメイン電極に遅延処理を施された駆動電圧を供給することにより、発生した超音波をフォーカスおよび偏向することができる。この構成により、超音波プローブ１２は３次元方向に超音波を送信してセクタ走査が行えるように構成されている。

また、超音波の送信時、および受信時に、サブ電極に対して後で説明する所定の信号を送信することにより、広帯域の超音波を送受信できるように構成されている。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる振動子ユニット２２の構造を示した説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡＡ断面における側面図である。

図３（ａ）（ｂ）に示すように振動子ユニット２２は、例えばｐＭＵＴ素子３１を４つ含む単位振動子３２を２次元に配列して構成されている。また各ｐＭＵＴ素子は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜から成るメイン電極３３、およびサブ電極３４、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等からなる圧電体膜３５ａおよび３５ｂ、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）等の金属膜からなり、共通電極を兼ねた振動板３６、剛性を有する素材で構成された台座３７で構成されている。

またｐＭＵＴ素子３１のメイン電極３３およびサブ電極３４は、それぞれ単位振動子ごとに連結され、引き出し部３３ａおよび引き出し部３４ａから個別に図２に示したプリント基板２４に接続される。また、共通電極を兼ねた振動板３６の引き出し部はプリント基板２４のグランド線に接続される。この構成により、単位振動子３２のメイン電極およびサブ電極ごとに独立して電圧を印加することができ、対応する圧電体膜３５ａおよび３５ｂを駆動することができる。

なお、上記したメイン電極３３およびサブ電極３４、圧電体膜３５、振動板３６の素材は一例であり、同様の機能を有する素材であれば、いかなる素材を用いてもよい。

次に、このように構成された本実施の形態１の超音波検査装置１０の動作について図１〜図３、および図４を用いて具体的に説明する。図４は本発明の実施の形態１にかかるｐＭＵＴ素子３１の断面図で、（ａ）は電圧印加時の圧電体膜３５に作用する圧力を示した説明図、（ｂ）は振動板３６に作用するモーメントおよび、それに伴う変形を示した説明図である。

図１〜図３において、まず、制御部１７が所定のタイミングでパルス信号を発生するように送受信部１３を制御し、送受信部１３は超音波をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行い、プローブケーブル２５内にまとめられた信号線を経由して超音波プローブ１２に駆動信号を送信する。このとき、制御部１７からの信号により、サブ送信部１８からも同様に駆動信号が送信される。送受信部１３から送信される遅延処理された駆動信号は、プリント基板２４を経由して振動子ユニット２２のメイン電極３３に送られ、サブ送信部１８から送信される駆動信号は同様の経路でサブ電極３４に送られる。メイン電極３３およびサブ電極３４に印加された電圧により圧電体膜３５ａおよび３５ｂが歪み、各単位振動子から所定の時間差で超音波が発生する。この超音波の位相分布により所定の波面が形成され、被検体１１内に超音波ビームが送信される。

この超音波を送信する動作を、図４を用いて具体的に説明する。まず、図４（ａ）において、メイン電極３３に駆動信号が送信されると、それに応じて、圧電体膜３５ａの厚み方向にパルス状の電圧が印加され、圧電体膜３５ａは、例えば、面内で縮む方向に歪む。このとき、サブ電極３４にメイン電極３３と逆の電位の電圧を印加し、圧電体膜３５ｂを面内で伸びる方向に歪ませる。圧電体膜３５ａおよび３５ｂが図４（ａ）に示した矢印の方向に歪むと、振動板３６の圧電体膜３５ａおよび３５ｂに接する部分に、それぞれ図４（ｂ）の矢印で示すようなモーメントが発生し、振動板３６が瞬間的に撓んで超音波を発生する。

そして、超音波を送信直後にサブ電極３４に印加する電圧を制御して圧電体膜３５ｂを駆動し、超音波送信直後の振動板３６の振動を抑える。振動板３６の振動を効果的に抑えることにより、短パルスの超音波が送信される。

ここで、本実施の形態では、圧電体膜３５ａと３５ｂを用いて駆動することにより、圧電体膜を中央のみに配置する場合と比べて振動板３６の変位を大きくすることができ、送信出力を向上させている。また、超音波送信直後に圧電体膜３５ｂを駆動して振動を抑えることにより、送信波を通常より短パルス化し、帯域の広い信号が送信できるようにしている。

なお、サブ電極３４および圧電体膜３５ｂの配置は、台座３７と空間３８の境界線３９を振動板３６上に投影した位置に端面が揃うように配置するのが望ましい。この位置は振動板３６の振動の節となるため、圧電体膜３５ｂで発生したモーメントを効果的に振動板３６に伝えることができる。

また、超音波送信時にサブ電極に送信する信号は、メイン電極に送信される信号の電位を反転させたものを用いることが出来、また、制振のための信号もメイン電極に送信される信号の位相をずらしたものを用いてもよい。このような制御とすると、サブ送信部の構成を簡略化することができる。

超音波プローブ１２から送信された超音波は、被検体１１内部の反射組織で反射され、超音波エコーとなって被検体１１の表面に伝搬し、振動子ユニット２２を振動させる。

このときサブ送信部１８は、超音波を送信後の時間経過に応じた電圧がサブ電極３４に印加されるように駆動信号を送信する。サブ電極３４により厚み方向に電圧を印加された圧電体膜３５は、面内方向に伸縮して振動板３６に引張あるいは圧縮応力を与え、振動板３６の見かけ上の剛性を時間とともに変化させる。

超音波エコーによって各ｐＭＵＴ素子の振動板３６が振動すると、中央の圧電体膜３５ａは平面内で引張、圧縮されて歪を生じ、この歪に応じて圧電体膜３５ａの厚み方向に電圧を発生する。このとき、メイン電極３３と振動板３６の間の電圧を検出することにより、超音波エコーに応じた振動を検出することができる。

ところで、超音波プローブ１２から送信される超音波は、周波数が高い程高い分解能が得られるが、その到達深度は、周波数が高い程浅く、低い程深くなる。したがって、超音波を被検体内に送信後、短時間で検出される信号は高い周波数成分を有するが、時間と共に検出される信号の高周波成分は低下する。そこで、超音波送信後の時間経過に応じて、振動子ユニット２２の受信感度の周波数特性を高い周波数帯から低い周波数帯にずらしていくと、見かけ上、広い周波数帯域で高い受信感度を実現できる。

本実施の形態では、サブ送信部１８により、超音波送信後の時間経過に応じてサブ電極３４に印加する電圧を制御してｐＭＵＴ素子３１の振動板３６に応力を与え、ｐＭＵＴ素子３１の共振周波数を時間経過に応じてずらす。これにより、受信感度の中心周波数が時間経過に応じて変わり、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーが感度よく検出される。

再び図１に戻り、超音波プローブ１２で検出された信号は送受信部１３に送られ、送受信部１３で増幅、およびデジタル変換され、信号処理部１４で超音波の送信経路（以後、音線）に沿った領域のビームフォーミング処理が行われる。

以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて、信号処理部１４内の画像メモリに保存される。画像メモリに保存された３次元データは、画像処理部１５で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１６に画像が表示される。

以上に説明したように本実施の形態１の超音波検査装置１０は、超音波を被検体内に送受信する際に、パルス長を短くすることができる。これにより、広帯域の超音波を送信することができる。また、超音波エコーを受信する際には、時間の経過に応じて、受信感度の周波数特性をずらすことにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で発生する超音波エコーを高感度に検出することができる。これにより、広範囲で高画質の３次元画像を取得可能な超音波検査装置が実現できる。

なお、本実施の形態では、受信時にサブ電極に印加する電圧を、時間の経過に応じて制御する手法としたが、送受信する超音波の周波数より十分高い周波数でサブ電極に印加する電圧を変調し、メイン電極で検出される信号の周波数変化でエコー信号の検出を行うように構成してもよい。このように振動型センサとすると、分解能、温度特性に優れ、出力信号が交流で、超音波エコーの音圧に応じてその周波数が変動するのでデジタル信号処理が容易となる。

また、本実施の形態では、ｐＭＵＴ素子３１の形状を正方形としたが、この形状は長方形、あるいは図５に示すような六角形、あるいは、その他の形状であってもよい。また、１つの単位振動子に含まれるｐＭＵＴ素子３１の数は４つに限らず、それ以上の数でも良い。例えば図６に示すようにｐＭＵＴ素子３１を９つ含むように構成することもできる。

また、本実施の形態では、検出した信号のＡＤ変換を検査装置本体１９内の送受信部１３で行うとしたが、超音波プローブ１２内の単位振動子３２の数が多い場合、アナログ信号のまま検出信号を送信しようとすると、多くの信号線が必要となり、プローブケーブル２５が太く硬くなってしまう。この結果、ハンドリングが悪くなってしまうため、送受信部１３の機能の一部、または全部は超音波プローブ１２と一体に設け、デジタル変換した信号をプローブケーブル２５で通信するように構成してもよい。

以上本発明によれば、広帯域にわたって高感度な２次元アレイプローブを実現できる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な超音波診断装置を実現できる。

１０超音波検査装置
１１被検体
１２超音波プローブ
１３送受信部
１４信号処理部
１５画像処理部
１６画像表示部
１７制御部
１８サブ送信部
１９検査装置本体
２１プローブケース
２２振動子ユニット
２４プリント基板
２５プローブケーブル
３１ｐＭＵＴ素子
３２単位振動子
３３メイン電極
３３ａ引き出し部
３４サブ電極
３４ａ引き出し部
３５圧電体膜
３５ａ圧電体膜
３５ｂ圧電体膜
３６振動板
３７台座
３８空間
３９境界線

Claims

被検体の体内観察を行うための超音波プローブであって、
２次元的に配列された複数の単位振動子を備え、
前記単位振動子は、少なくとも、台座部と前記台座部上に形成された振動板と前記振動板の上面に形成された第１の圧電体膜および第２の圧電体膜と前記第１の圧電体膜の上面に形成された第１の電極と前記第２の圧電体膜の上面に形成された第２の電極から成る複数のＭＵＴ（ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）素子を有し、
前記第１の電極と前記第２の電極は、電気的に接続されていないことを特徴とする超音波プローブ。
前記第１の電極と第２の電極にそれぞれ異なる駆動信号を送信して超音波を発生させることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
各前記ＭＵＴ素子において、前記第２の圧電体膜は前記第１の圧電体膜の周囲に配置され、同じ単位振動子内で隣接するＭＵＴ素子の第１の電極どうし、および、第２の電極どうしは電気的に接続されていることを特徴とする請求項１、２記載の超音波プローブ。
前記振動板上の前記台座部を投影した領域に前記第２の圧電体膜が配置されていることを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
前記第１の電極に送信する駆動信号を、位相をずらして前記第２の電極に送信することを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
前記第１の電極に電圧を印加する際に、前記第２の電極に前記第１の電極に印加する電圧と逆の電位の電圧を印加することを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
前記第２の電極に送信する駆動信号を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、超音波を前記被検体内に送信した後の時間経過に応じて、印加電圧を制御することを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
前記第２の電極に送信する駆動信号を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記振動板が特定の周波数で振動するように、印加電圧を周期的に変調することを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
請求項１〜請求項８に記載の超音波プローブと、前記超音波プローブで検出した信号をデジタル変換する受信部と、前記受信部でデジタル変換された信号を用いてビームフォーミング処理を行う信号処理部と、前記信号処理部で得られた３次元データに基づいて３次元画像を生成する画像処理部と、前記３次元画像を表示する表示部を備えた超音波検査装置。
前記受信部が、前記超音波プローブ内に配置されていることを特徴とする請求項９記載の超音波検査装置。