JP3926448B2 - 超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の振動子素子が所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し被検体内に向けて超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する超音波探触子に関し、特に、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の超音波探触子は、図11に示すように、所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し超音波を打ち出すと共に被検体内からの反射波を受信する複数の振動子素子1,1,…と、これらの振動子素子1の前面及び背面に設けられ電圧を印加する電極2a,2bと、上記振動子素子1と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層3とを有して成っていた。なお、図11において、符号4は上記振動子素子1の背面から出る超音波が再び振動子素子面に戻ってこないようにするバッキング材を示し、符号5は上記振動子素子1の前面から打ち出される超音波ビームを集束させるために上記音響整合層3の上に設けられた音響レンズを示している。
【0003】
ここで、上記音響整合層3は、その音響インピーダンスが振動子素子1の値と被検体の値との中間的な値とされ、その厚さが超音波の波長の1/4になるように形成されていた。そして、このような音響整合層3が振動子素子1,1,…の配列方向に沿って横方向に連続していると、該音響整合層3を介して伝播する超音波により各チャンネル間の振動子素子1,1,…のクロストーク(信号の混信)が大きくなるので、上記音響整合層3は、所定ピッチで配列された複数の振動子素子1,1,…の各チャンネル間のギャップ6,6,…に合わせて切り込みを入れ、各チャンネル間にギャップ7,7,…が形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の超音波探触子においては、上記音響整合層3はその音響インピーダンスが振動子素子1の値と被検体の値との中間的な値の一様な材料で構成されていたので、各音響整合層3は、振動子素子1からの超音波の打ち出し方向にのみ純粋なピストン運動を行うことはなく、上記打ち出し方向と直交する方向にも振動するものであった。このような各音響整合層3における超音波の打ち出し方向と直交する方向の振動モードの存在は、本来の超音波送受信には有害なものである。そして、上記各チャンネルの音響整合層3の横幅は、それ自身の振動モードの適正化というよりは指向性向上の要請から決められており、任意の幅寸法とする自由度は殆どないものであった。したがって、図11に示すように音響整合層3にギャップ7,7,…を形成して上記各チャンネル間の振動子素子1,1,…のクロストークを低減しようとすれば、各チャンネルの音響整合層3における超音波の打ち出し方向と直交する方向の不要な振動モードの発生により、周波数特性を犠牲にしなければならなかった。
【0005】
例えば、図12に示すエコー電圧波形のシミュレーションに見られるように、時間の経過によってエコー電圧波形に変な共振cが発生し、受信信号のパルス特性が悪くなるものであった。また、図13に示す受信信号強度のシミュレーションに見られるように、ある周波数においてリップルd1,d2,d3が発生していわゆる尾引きが出て、周波数特性が低下するものであった。このことから、従来の超音波探触子では、音響整合層3における超音波の打ち出し方向と直交する方向の振動モードを最適化することができず、各チャンネル間のクロストークの低減と周波数特性の向上とを両立させることは困難であった。したがって、得られる超音波画像の画質が劣化することがあった。
【0006】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波探触子は、所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し超音波を打ち出すと共に被検体内からの反射波を受信する複数の振動子素子と、これらの振動子素子の前面及び背面に設けられ電圧を印加する電極と、上記振動子素子と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層とを有して成る超音波探触子において、上記音響整合層は、短冊状に形成された各振動子素子の短辺幅よりも小さい厚さで共に薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料と音響インピーダンスの小さい材料とを、上記振動子素子の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向に交互に複数枚配列して組み合わせ、所定の厚さの板状に形成した複合材で構成し、上記超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有するものとしたものである。
【0013】
また、関連発明としての超音波診断装置は、被検体内に向けて超音波を送受信する超音波探触子と、この超音波探触子を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部と、この超音波ビーム形成部からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置と、この画像処理装置からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、上記超音波探触子として前記手段に記載の超音波探触子を用いたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明による超音波探触子の第一の実施形態を示す一部切断斜視図である。この超音波探触子は、被検体内に向けて超音波を打ち出すと共にその反射波を受信するもので、図1に示すように、複数の振動子素子1,1,…と、電極2a,2bと、音響整合層8とを有して成る。
【0015】
上記振動子素子1は、被検体内に向けて超音波を打ち出すと共に診断部位からの反射波を受信する部材となるもので、個々の素子部材は短冊状に形成され、これらの素子部材間に一定のギャップ6,6,…をおいて所定ピッチで配列し、超音波の送受信の各チャンネルが形成されている。上記各振動子素子1の前面及び背面には、電極2a,2bが設けられている。この電極2a,2bは、上記振動子素子1に電圧を印加して素子部材を振動させて超音波を発生させると共に、反射波を受信した振動子素子1に励起された電圧を取り出すもので、図示外の超音波送受信回路に接続されている。
【0016】
また、上記振動子素子1の前面側には、音響整合層8が設けられている。この音響整合層8は、上記振動子素子1と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うためのもので、全体としてその音響インピーダンスが振動子素子1の値と被検体の値との中間的な値とされ、その厚さが超音波の波長の1/4になるように形成されている。
【0017】
なお、図1において、符号4は上記振動子素子1の背面から出る超音波が再び振動子素子面に戻ってこないようにするバッキング材を示し、符号5は上記振動子素子1の前面から打ち出される超音波ビームを集束させるために上記音響整合層8の上に設けられた音響レンズを示している。上記バッキング材4としては、超音波の減衰の大きい材料を使用している。
【0018】
ここで、本発明においては、上記音響整合層8は、音響インピーダンスの異なる複数種類の材料を組み合わせた複合材で構成し、上記振動子素子1からの超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有する構成とされ、さらに好適には超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにされている。
【0019】
例えば、図2に示すように、音響インピーダンスの大きい材料9とそれより音響インピーダンスの小さい材料10とを組み合わせた複合材から成り、上記音響インピーダンスの大きい材料9は、短冊状に形成された各振動子素子1の短辺幅よりも小さい径で細い柱状に形成して所定の長さに切断したものを、上記振動子素子1の超音波打ち出し方向に直交する方向に多数並べ、これらの隙間を音響インピーダンスの小さい材料10で埋めて、全体として所定の厚さの板状に形成されている。音響インピーダンスの大きい材料9としては、アルミニウム、マグネシウムなどの軽金属或いはセラミックス、ガラス等が用いられる。また、音響インピーダンスの小さい材料10としては、ナイロン、ポリウレタン、エポキシ樹脂、プラスチック材料等が使用可能である。そして、図2の例では、音響インピーダンスの大きい材料9を予め機械加工や整形加工で所定長さの柱状に形成して並べ、それらの隙間に音響インピーダンスの小さい材料10として例えばプラスチック材料を流し込むことにより、所定の厚さの板状に形成された音響特性に異方性を有する音響整合層8が作製される。
【0020】
このように構成された音響整合層8においては、図2において、音響インピーダンスの大きい材料9が多数並んだ縦方向には、超音波は該音響インピーダンスの大きい材料9を伝わる音速と略同等の速度で伝播し、上記縦方向に直交する横方向には、超音波は音響インピーダンスの小さい材料10を伝わる音速と略同等の比較的低い速度で伝播するという異方性を呈することになる。そして、このような音響特性に異方性を有する音響整合層8を、図1に示すように、音響インピーダンスの大きい材料9が多数並んだ縦方向を上記振動子素子1,1,…からの超音波打ち出し方向に一致させて取り付けることにより、超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにすることができる。したがって、図11に示す従来例のように音響整合層3にギャップ7,7,…を形成しないでも、各チャンネル間のクロストークを低減することができる。
【0021】
図3は上記超音波探触子の第二の実施形態を示す一部切断斜視図である。この実施形態は、上記音響整合層8を、所定ピッチで配列された複数の振動子素子1,1,…の各チャンネル間のギャップ6,6,…に合わせて切り込みを入れ、各チャンネル間にギャップ11,11,…を形成したものである。この場合は、音響整合層8が各チャンネルごとにギャップ11で分断されているので、該音響整合層8の振動が横方向に伝わることはなく、各チャンネル間のクロストークを図1の例に比べさらに低減することができる。
【0022】
また、上記各チャンネルの音響整合層8は、音響インピーダンスの異なる複数種類の材料9,10を組み合わせた複合材から成り、振動子素子1からの超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有する構成とされているので、各チャンネルの音響整合層8における超音波の打ち出し方向と直交する方向の不要な振動モードの発生を抑えることができる。したがって、各チャンネル間のクロストークの低減と周波数特性の向上とを両立させることができる。
【0023】
例えば、図8に示すエコー電圧波形のシミュレーションに見られるように、時間の経過によってエコー電圧波形に従来のように変な共振が発生せず、受信信号のパルス特性が向上する。また、図9に示す受信信号強度のシミュレーションに見られるように、従来のようにある周波数においてリップルが発生することはなく、周波数特性が向上すると共に感度も向上する。。
【0024】
図4は上記超音波探触子の第三の実施形態を示す一部切断斜視図である。この実施形態は、音響整合層8’を、図5に示すように、短冊状に形成された各振動子素子1の短辺幅よりも小さい厚さで薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料9と、同じく細長板状に形成された音響インピーダンスの小さい材料10とを、上記振動子素子1の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向にサンドイッチ状に交互に配列して組み合わせた複合材から成り、全体として所定の厚さの板状に形成したものである。このように形成された音響整合層8’は、その板状の厚さ方向とこれに直交する横方向とで音響特性に異方性を有することとなる。すなわち、上記板状の厚さ方向には音響インピーダンスの大きい材料9を伝わる音速に近い伝播速度となり、その厚さ方向に直交する横方向には音響インピーダンスの小さい材料10を伝わる音速に近い伝播速度となる。
【0025】
そして、このような音響特性に異方性を有する音響整合層8’を、図4に示すように、上記板状の厚さ方向を振動子素子1,1,…からの超音波打ち出し方向に一致させて取り付けることにより、超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにすることができる。したがって、図11に示す従来例のように音響整合層3にギャップ7,7,…を形成しないでも、各チャンネル間のクロストークを低減することができる。
【0026】
図6は上記超音波探触子の第四の実施形態を示す一部切断斜視図である。この実施形態は、上記音響整合層8’を、所定ピッチで配列された複数の振動子素子1,1,…の各チャンネル間のギャップ6,6,…に合わせて切り込みを入れ、各チャンネル間にギャップ11,11,…を形成したものである。この場合は、音響整合層8’が各チャンネルごとにギャップ11で分断されているので、該音響整合層8’の振動が横方向に伝わることはなく、各チャンネル間のクロストークを図4の例に比べさらに低減することができる。
【0027】
また、上記各チャンネルの音響整合層8’は、音響インピーダンスの異なる複数種類の材料9,10を組み合わせた複合材から成り、振動子素子1からの超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有する構成とされているので、各チャンネルの音響整合層8’における超音波の打ち出し方向と直交する方向の不要な振動モードの発生を抑えることができる。したがって、各チャンネル間のクロストークの低減と周波数特性の向上とを両立させることができる。
【0028】
図7は上記超音波探触子の第五の実施形態を示す一部省略斜視図である。この実施形態は、以上の説明では複数の振動子素子1,1,…は所定ピッチで1次元に配列されたものであるのに対し、上記複数の振動子素子1,1,…に対して該振動子素子1,1,…の奥行き方向にも所定間隔でギャップ6’,6’,…を形成し、個々の振動子素子1,1,…を2次元に配列し、この2次元に配列された振動子素子1,1,…の前面側に上述の音響整合層8又は8’を配置したものである。この場合は、2次元アレイ型の超音波探触子において、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる。なお、図7においては、音響レンズ5は省略してある。
【0029】
図10は、以上のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。すなわち、この超音波診断装置は、図10に示すように、被検体内に向けて超音波を送受信する超音波探触子12と、この超音波探触子12を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子12で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部13と、この超音波ビーム形成部13からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置14と、この画像処理装置14からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置15とを備えて成る超音波診断装置において、上記超音波探触子12として図1又は図3、図4、図6、図7のいずれかに記載の超音波探触子を用いたものである。この場合は、超音波探触子12の各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる超音波診断装置を実現することができる。
【0030】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項1に係る超音波探触子によれば、音響整合層を、短冊状に形成された各振動子素子の短辺幅よりも小さい厚さで共に薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料と音響インピーダンスの小さい材料とを、上記振動子素子の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向に交互に複数枚配列して組み合わせ、所定の厚さの板状に形成した複合材で構成し、上記超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有するものとしたことにより、振動子素子のチャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる。この場合、上記板状の厚さ方向には音響インピーダンスの大きい材料を伝わる音速に近い伝播速度となり、その厚さ方向に直交する横方向には音響インピーダンスの小さい材料を伝わる音速に近い伝播速度となる。このような音響特性に異方性を有する音響整合層を、音響インピーダンスの大きい細長板状の部材が複数枚配列された縦方向を上記振動子素子からの超音波打ち出し方向に一致させて取り付けることにより、超音波打ち出し方向に対しこれに直交する方向で超音波をより大きく減衰させるようにすることができる。したがって、得られる超音波画像の画質を向上することができる。
【0036】
また、請求項2に係る超音波診断装置によれば、その超音波探触子として前記のように構成された本発明の超音波探触子を用いたことにより、各チャンネル間のクロストークを低減することができると共に周波数特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超音波探触子の第一の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図2】上記超音波探触子の音響整合層の構造例を示す斜視図である。
【図3】本発明の超音波探触子の第二の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図4】本発明の超音波探触子の第三の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図5】上記第三の実施形態における超音波探触子の音響整合層の構造例を示す要部斜視図である。
【図6】本発明の超音波探触子の第四の実施形態を示す一部切断斜視図である。
【図7】本発明の超音波探触子の第五の実施形態を示す一部省略斜視図である。
【図8】本発明の超音波探触子においてエコー電圧波形をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【図9】本発明の超音波探触子において受信信号強度をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【図10】以上のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図11】従来の超音波探触子を示す一部切断斜視図である。
【図12】従来の超音波探触子においてエコー電圧波形をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【図13】従来の超音波探触子において受信信号強度をシミュレーションした状態を示すグラフである。
【符号の説明】
1…振動子素子
2a,2b…電極
4…バッキング材
5…音響レンズ
6,6’…振動子素子のギャップ
8,8’…音響整合層
9…音響インピーダンスの大きい材料
10…音響インピーダンスの小さい材料
11…音響整合層のギャップ
12…超音波探触子
13…超音波ビーム形成部
14…画像処理装置
15…表示装置
Claims (2)
- 所定ピッチで配列されて各チャンネルを形成し超音波を打ち出すと共に被検体内からの反射波を受信する複数の振動子素子と、これらの振動子素子の前面及び背面に設けられ電圧を印加する電極と、上記振動子素子と被検体との間の音響インピーダンスの整合を行うための音響整合層とを有して成る超音波探触子において、
上記音響整合層は、短冊状に形成された各振動子素子の短辺幅よりも小さい厚さで共に薄い細長板状に形成された音響インピーダンスの大きい材料と音響インピーダンスの小さい材料とを、上記振動子素子の短辺方向にて超音波打ち出し方向に直交する方向に交互に複数枚配列して組み合わせ、所定の厚さの板状に形成した複合材で構成し、上記超音波打ち出し方向とこの超音波打ち出し方向に直交する方向とで音響特性に異方性を有するものとしたことを特徴とする超音波探触子。 - 被検体内に向けて超音波を送受信する超音波探触子と、この超音波探触子を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部と、この超音波ビーム形成部からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置と、この画像処理装置からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置とを備えて成る超音波診断装置において、
上記超音波探触子として請求項1記載の超音波探触子を用いたことを特徴とする超音波診断装置。
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