JP6772708B2 - 超音波プローブおよび当該超音波プローブの補正方法 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波プローブおよび当該超音波プローブの補正方法に関する。
超音波診断装置は、超音波プローブから超音波パルスを被検体内に送信し、被検体内からのエコー信号を超音波プローブで受信し、電気信号に変換する。超音波プローブは、電気信号を機械振動に変換するか、機械振動を電気信号に変換する超音波振動子（超音波トランスデューサ−）を有する。従来の超音波診断装置の超音波プローブに使用されている圧電体は、主に厚み振動が利用されるため、その厚さは波長の１／４程度、１００μｍ程度である。
近年、半導体微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）を使用して、小型化および高密度化を実現した超音波トランスデューサーが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
非特許文献１に記載の超音波トランスデューサーは、下部電極と、下部電極上に積層された圧電体膜と、圧電体膜の上に積層された上部電極を有する。非特許文献１に記載の超音波トランスデューサーでは、圧電変換時において、圧電変化への寄与度が高い領域（有効領域）と、圧電変化への寄与度が低い領域（参照領域）と、があることが知られている。
Chao Wang, Zheyao Wang, Tian-Ling Ren, Senior Member, IEEE, Yiping Zhu, Yi Yang, Xiaoming Wu, Haining Wang, Huajun Fang, and Litian Liu, "A Micromachined Piezoelectric Ultrasonic Transducer Operating in d33 Mode Using Square Interdigital Electrodes", IEEE SENSORS JOURNAL, Vol. 7, No.7, pp. 967-976.
しかしながら、非特許文献１に記載の超音波トランスデューサーなどに使用される圧電体は薄膜であり、その厚さは１０μｍ以下であるため、グレインサイズと比べて十分な厚さであるとは言いがたい。これにより、グレインサイズと、その分布とによって、圧電特性を一定に保つことは困難である。また、超音波トランスデューサー間で電気特性を一定に維持することが困難であった。
そこで、本発明の第一の課題は、参照領域からの出力値に基づいて、複数の超音波トランスデューサー間の電気特性のばらつきを補正できる超音波プローブを提供することである。また、本発明の第二の課題は、当該超音波プローブの補正方法を提供することである。
本発明は、前述の第一の課題を解決するための一手段として、ダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの表面に積層された下部電極と、前記下部電極の表面に積層され、圧電変換時に大きく振動する有効領域および前記有効領域よりも圧電変換時に小さく振動する参照領域を含む圧電体膜と、前記圧電体膜の表面に積層された上部電極と、をそれぞれ含む複数の超音波トランスデューサーと、前記超音波トランスデューサー間の性能のばらつきを補正するための補正部と、を有し、前記下部電極および前記上部電極の一方または両方は、前記有効領域に独立して接続された有効領域電極部と、前記参照領域に独立して接続された参照領域電極部と、を含み、前記補正部は、前記参照領域電極部からの出力値に基づいて、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正するための装置である、超音波プローブを提供する。
また、本発明は、前述の第二の課題を解決するための一手段として、ダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配置された下部電極と、前記下部電極上に配置された圧電体膜と、前記圧電体膜上に配置された上部電極と、をそれぞれ含み、前記圧電体膜は、圧電変換時に大きく振動する有効領域と、前記有効領域よりも圧電変換時に小さく振動する参照領域と、を含み、前記下部電極および前記上部電極の一方または両方は、前記有効領域に独立して接続された有効領域電極部と、前記参照領域に独立して接続された参照領域電極部と、を含む、複数の超音波トランスデューサーを有する超音波プローブの補正方法であって、前記参照領域電極部から前記参照領域の電気特性が反映された出力値を検出する第１工程と、前記電気特性に基づいて、前記有効領域間の圧電特性のばらつきを打ち消すように、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正する第２工程と、を含む、超音波プローブの補正方法を提供する。
本発明によれば、超音波トランスデューサーにおける同一面内のバラつきや、複数の超音波トランスデューサー間の電気特性のばらつきを補正できる超音波プローブを提供できる。
以下、本発明の一実施の形態に係る超音波プローブおよび超音波プローブの補正方法について説明する。
［超音波プローブの構成］
図１Ａ〜Ｃは、超音波プローブの構成を示す図である。図１Ａは、超音波プローブの構成を模式的に示す図であり、図１Ｂは、トランスデューサー部の構成を模式的に示す図であり、図１Ｃは、超音波トランスデューサーの構成を模式的に示す図である。図２は、図１Ｃの破線で示される領域の断面図である。図３Ａ、Ｂは、圧電薄膜および下部電極の平面図である。図３Ａは、圧電薄膜の平面図であり、図３Ｂは、下部電極の平面図である。
図１Ａ〜Ｃは、超音波プローブの構成を示す図である。図１Ａは、超音波プローブの構成を模式的に示す図であり、図１Ｂは、トランスデューサー部の構成を模式的に示す図であり、図１Ｃは、超音波トランスデューサーの構成を模式的に示す図である。図２は、図１Ｃの破線で示される領域の断面図である。図３Ａ、Ｂは、圧電薄膜および下部電極の平面図である。図３Ａは、圧電薄膜の平面図であり、図３Ｂは、下部電極の平面図である。
図１Ａに示されるように、超音波プローブ１００は、例えば、トランスデューサー部１０２と、トランスデューサー部１０２を収容するホルダと、トランスデューサー部１０２間の電気特性のばらつきを補正する補正部１０８（図２参照）と、を有する。ホルダは、例えば、トランスデューサー部１０２の表面に配置される音響整合層と、当該音響整合層の表面に配置されるとともに超音波プローブ１００の表面に露出するように（表面を構成するように）配置される音響レンズとを有する。
図１Ｂに示されるように、トランスデューサー部１０２は、トランスデューサーアレイ１０４が並列して配置されている。図１Ｃに示されるように、トランスデューサーアレイ１０４は、超音波トランスデューサー１０６が並列して配置されている。本実施の形態では、４５６９６個の超音波トランスデューサー１０６が並列している。
図２に示されるように、超音波トランスデューサー１０６は、ダイヤフラム部１１１と、ダイヤフラム部１１１をその周囲で支持する支持部１１２と、ダイヤフラム部１１１の上に配置された圧電素子部１１３とを有する。ダイヤフラム部１１１および支持部１１２は、例えばシリコン製である。本実施の形態では、ダイヤフラム部１１１および支持部１１２は、一体として形成されている。
圧電素子部１１３は、圧電体膜１２１と、圧電体膜１２１を表裏から挟むように配置された下部電極１２２および上部電極１２３と、を有する。圧電素子部１１３は、ダイヤフラム部１１１の表面に下部電極１２２が積層され、下部電極１２２の表面に圧電体膜１２１が積層され、圧電体膜１２１の表面に上部電極１２３が積層されている。
圧電体膜１２１は、例えば鉛を含むペロブスカイト構造の圧電体の薄膜であり、より具体的にはいわゆるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。圧電体膜１２１の厚さは、音響波長の１／４以下の厚さであることが好ましく、１／１０以下の厚さであることがさらに好ましく、例えば０．１〜１０μｍの範囲内である。本実施の形態のような薄膜を使用するＭＥＭＳでは、圧電体膜を局所的に薄くすることで折れ曲がる「撓み振動」を利用する。これにより、圧電体膜において撓む領域と、撓まない領域とが存在し、撓まない領域を超音波プローブ１００の補正方法に使用できる。
図２および図３Ａに示されるように、圧電体膜１２１は、有効領域１３１および参照領域１３２を有する。ここで、「有効領域１３１」とは、圧電変換時に大きく振動する領域を意味する。また、「参照領域１３２」とは、有効領域１３１よりも圧電変換時に小さく振動する領域を意味する。そして、有効領域１３１と、参照領域１３２とは、圧電変換時の振動の大きさを比較した結果として、相対的に決まる領域であり、それぞれを一義的に決めることはできない。よって、有効領域１３１および参照領域１３２は、超音波トランスデューサー１０６毎に異なる。参照領域１３２は、支持部１１２に対応した第１参照領域１３３と、第１参照領域１３３以外の第２参照領域１３４とを含む。
本実施の形態では、圧電体膜１２１の中央部分と、圧電体膜１２１の外周部分と、が参照領域１３２である。すなわち、圧電体膜１２１の中央部分が第２参照領域１３４であり、圧電体膜１２１の外周部分が第１参照領域１３３である。また、圧電体膜１２１の中央部分と、圧電体膜１２１の外周部分と、の間の円環状の領域が有効領域１３１である。
図２および図３Ｂに示されるように、下部電極１２２は、ダイヤフラム部１１１の表面に積層されており、ダイヤフラム部１１１と反対側の面には、圧電体膜１２１が積層されている。下部電極１２２は、例えば金の薄層である。下部電極１２２の厚さは、５０〜５００ｎｍであり、好ましくは１００〜２００ｎｍである。
下部電極１２２は、有効領域電極部１４１と、参照領域電極部１４２と、を有する。そして、有効領域電極部１４１と参照領域電極部１４２とが電気的に独立するように、有効領域電極部１４１と参照領域電極部１４２とは切り離されている。例えば、有効領域電極部１４１と参照領域電極部１４２とが電気的に接続しないように、有効領域電極部１４１と参照領域電極部１４２との間は空間で隔てられている。
有効領域電極部１４１は、圧電体膜１２１の有効領域１３１に対応して配置されており、独立して有効領域１３１に裏面側から接続されている。本実施の形態では、有効領域電極部１４１は、有効領域１３１に対応して、略円環状に形成されている。なお、有効領域電極部１４１は、有効領域１３１の全体に配置されていればよく、複数に分割されていてもよい。
参照領域電極部１４２は、圧電体膜１２１の参照領域１３２に対応して配置されており、独立して参照領域１３２に裏面側から接続されている。本実施の形態では、参照領域電極部１４２は、第１参照領域１３３に接続された第１参照領域電極部１４３と、第２参照領域１３４に接続された第２参照領域電極部１４４と、を含む。
上部電極１２３は、圧電体膜１２１の下部電極１２２が配置された面と反対側の表面に積層されている。上部電極は、例えば金の薄層である。上部電極１２３の厚さは、５０〜５００ｎｍであり、好ましくは１００〜２００ｎｍである。
補正部１０８は、参照領域電極部１４２からの出力値に基づいて、有効領域電極部１４１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正するための装置である。これらの出力値および入力値は、例えば、電圧値である。補正部１０８は、例えば、記憶部や演算部を有しており、以下のような各種演算処理などを行うＣＰＵなどである。
参照領域１３２の電気特性が、「分極後に参照領域１３２に残留した電荷」の場合、補正部１０８は、まず、参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。そして、補正部１０８は、分極後に参照領域１３２に残留した電荷量を求めて、有効領域の分極量を求めて、有効領域１３１間の分極量のばらつきを打ち消すように有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２における静電誘導による電荷」の場合、補正部１０８は、まず、参照領域１３２における静電誘導による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。そして、補正部１０８は、参照領域１３２における静電誘導による電荷量を求めて、有効領域１３１間における静電誘導による電荷量を求めて、有効領域１３１間における静電誘導を打ち消すように、有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷」の場合、補正部１０８は、参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。そして、補正部１０８は、参照領域１３２の温度による電荷量を求めて、有効領域１３１間の温度分布による電荷量のばらつきを求めて、有効領域１３１間における温度のばらつきを打ち消すように、有効領域１３１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２における音響信号の受信による電荷」の場合、補正部１０８は、参照領域１３２における音響信号の受信による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。そして、補正部１０８は、参照領域１３２における音響信号の受信による電荷量を求めて、有効領域１３１間における音響信号による電荷量のばらつきを求めて、有効領域１３１間における音響信号のばらつきを打ち消すように、有効領域１３１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。
支持部１１２は、ダイヤフラム部１１１と一体に成形されている。支持部１１２は、超音波トランスデューサー１０６を支持できれば、その形状は特に限定されない。本実施の形態では、支持部１１２は、円筒形状、または楕円形状などの非円筒形状である。そして、円筒の上面に超音波トランスデューサー１０６が支持されている。
音響整合層は、圧電素子部１１３と上記音響レンズとの音響特性を整合させるための層である。音響整合層は、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂や、アルミニウムまたはその合金などの無機材料によって、単層構造または積層構造で構成される。また、上記音響レンズは、被検体と音響整合層との中間の音響インピーダンスを有する軟質の材料により構成される。当該材料は、例えばシリコーン系ゴムであり、その例には、シリコーンゴムおよびフッ素シリコーンゴムが含まれる。音響整合層および音響レンズの配置には、必要に応じて、当該技術分野で通常使用される接着剤（例えば、エポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤など）が使用される。
［超音波プローブの補正方法］
次いで、超音波プローブ１００の補正方法について説明する。超音波プローブ１００の補正方法は、参照領域電極部１４２から参照領域１３２の電気特性が反映された出力値を検出する第１工程と、電気特性に基づいて、有効領域１３１間の圧電特性のばらつきを打ち消すように、有効領域電極部１４１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する第２工程と、を含む。ここで、「参照領域１３２の電気特性」とは、（１）分極後に参照領域１３２に残留した電荷、（２）参照領域１３２における静電誘導による電荷、（３）参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷、（４）参照領域１３２における音響信号の受信による電荷などが含まれる。以下に、それぞれの電気特性の場合における超音波プローブ１００の補正方法について説明する。これらの超音波プローブ１００の補正方法は、各超音波トランスデューサー１０６単位で補正することにより、超音波プローブ１００全体について補正する方法である。
次いで、超音波プローブ１００の補正方法について説明する。超音波プローブ１００の補正方法は、参照領域電極部１４２から参照領域１３２の電気特性が反映された出力値を検出する第１工程と、電気特性に基づいて、有効領域１３１間の圧電特性のばらつきを打ち消すように、有効領域電極部１４１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する第２工程と、を含む。ここで、「参照領域１３２の電気特性」とは、（１）分極後に参照領域１３２に残留した電荷、（２）参照領域１３２における静電誘導による電荷、（３）参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷、（４）参照領域１３２における音響信号の受信による電荷などが含まれる。以下に、それぞれの電気特性の場合における超音波プローブ１００の補正方法について説明する。これらの超音波プローブ１００の補正方法は、各超音波トランスデューサー１０６単位で補正することにより、超音波プローブ１００全体について補正する方法である。
（超音波プローブの補正方法１）
参照領域１３２の電気特性が、「分極後に参照領域１３２に残留した電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法について説明する。
参照領域１３２の電気特性が、「分極後に参照領域１３２に残留した電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法について説明する。
参照領域１３２の電気特性が、「分極後に参照領域１３２に残留した電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法の第１工程は、参照領域電極部１４２からの出力値を検出する工程である。また、第２工程は、分極後に参照領域１３２に残留した電荷量を求める工程と、有効領域の分極量を求める工程と、有効領域１３１間の分極量のばらつきを打ち消すように有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む工程である。
第１工程では、参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。参照領域１３２には、分極後の一定期間、電荷が残留することが知られている。そこで、第１工程では、分極後に参照領域１３２に残留した電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。
第２工程の参照領域１３２の電荷量を求める工程では、参照領域電極部１４２からの出力値（電圧値）から、参照領域１３２の電荷量を求める。具体的には、参照領域１３２の電荷量は、予め求めた電荷量および電圧値との関係から、参照領域電極部１４２からの電圧値に対した電荷量として求める。
第２工程の有効領域の分極量を求める工程では、参照領域１３２の電荷量に基づいて、有効領域１３１の分極量を求める。具体的には、有効領域１３１の電荷量は、参照領域１３２および有効領域１３１が近接していることを利用して、参照領域１３２の電荷量に基づいて推定する。そして、有効領域１３１の電荷量から、有効領域１３１に残留していたであろう分極量を求める。具体的には、有効領域１３１の分極量は、予め求めた、有効領域１３１の電荷量および有効領域１３１の分極量との関係から、有効領域１３１の電荷量に対する分極量として求める。
第２工程の補正する方法では、有効領域１３１間の分極量のばらつきを打ち消すように有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。具体的には、補正対象である有効領域１３１の分極量と、他の有効領域１３１の分極量とのばらつきをなくすように、当該有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。すなわち、有効領域電極部１４１からの出力値のみを補正して、有効領域１３１間の分極量のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１への入力値のみを補正して、有効領域１３１間の分極量のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値のみを補正して、有効領域１３１間の分極量のばらつきをなくしてもよい。
分極処理は、圧電体膜１２１全体に対して一様に行われるため、第１参照領域１３３および第２参照領域１３４に残留する分極量は、ほぼ同じであると考えられる。そこで、第１工程では、第１参照領域１３３に分極後に残留した電荷を含む第１参照領域電極部１４３からの出力値を検出するか、第２参照領域１３４に分極後に残留した電荷を含む第２参照領域電極部１４４からの出力値を検出することが好ましい。また、第１工程では、第１参照領域１３３に分極後に残留した電荷を含む第１参照領域電極部１４３からの出力値を検出するとともに、第２参照領域１３４に分極後に残留した電荷を含む第２参照領域電極部１４４からの出力値を検出してもよい。この場合、第１参照領域電極部１４３からの出力値と、第２参照領域電極部１４４からの出力値との平均値を参照領域電極部１４２からの出力値とする。
（超音波プローブの補正方法２）
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２における静電誘導による電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法の第１工程は、参照領域１３２における静電誘導による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する工程である。また、第２工程は、参照領域１３２における静電誘導による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間における静電誘導による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間における静電誘導を打ち消すように、有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む工程である。
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２における静電誘導による電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法の第１工程は、参照領域１３２における静電誘導による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する工程である。また、第２工程は、参照領域１３２における静電誘導による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間における静電誘導による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間における静電誘導を打ち消すように、有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む工程である。
第１工程では、参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。超音波プローブ１００では、静電誘導により、圧電体膜１２１が大きく振動することがある。そこで、第１工程では、生じた静電誘導により参照領域１３２に生じた電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。なお、第１工程では、第１参照領域電極部１４３からの出力値を検出することが好ましい。
第２工程の参照領域の電荷量を求める工程では、参照領域電極部１４２からの出力値（電圧値）から、参照領域１３２の静電誘導による電荷量を求める。具体的には、参照領域１３２の静電誘導による電荷量は、予め求めた静電誘導による電荷量および電圧値との関係から、参照領域電極部１４２からの電圧値に対した電荷量として求める。
第２工程の有効領域１３１間における電荷量を求める工程では、参照領域１３２の電荷量に基づいて、有効領域間における電荷量を求める。
第２工程の補正する方法では、有効領域１３１間の静電誘導を打ち消すように有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。具体的には、補正対象である有効領域１３１の静電誘導と、他の有効領域１３１の静電誘導とのばらつきをなくすように、当該有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。すなわち、有効領域電極部１４１からの出力値のみを補正して、有効領域１３１間の静電誘導のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１への入力値のみを補正して、有効領域１３１間の静電誘導のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の両方を補正して、有効領域１３１間の静電誘導のばらつきをなくしてもよい。
（超音波プローブの補正方法３）
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法の第１工程は、参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する工程である。また、第２工程は、参照領域１３２の温度による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間の温度分布による電荷量のばらつきを求める工程と、有効領域１３１間における温度のばらつきを打ち消すように、有効領域１３１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む工程である。
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法の第１工程は、参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する工程である。また、第２工程は、参照領域１３２の温度による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間の温度分布による電荷量のばらつきを求める工程と、有効領域１３１間における温度のばらつきを打ち消すように、有効領域１３１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む工程である。
第１工程では、参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。超音波プローブ１００では、温度により参照領域電極部１４２から検出される検出値が異なることがある。そこで、第１工程では、参照領域１３２間の温度分布による参照領域１３２の温度による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。なお、第１参照領域１３３は、支持部１１２に接触しているため、第１参照領域１３３の温度は、支持部１１２の影響を受けるおそれがある。そこで、第１工程では、第２参照領域電極部１４４からの出力値を検出することが好ましい。
第２工程の参照領域１３２の温度による電荷量を求める工程では、参照領域電極部１４２からの出力値（電圧値）から、参照領域１３２の温度による電荷量を求める。具体的には、参照領域１３２の温度による電荷量は、予め求めた温度による電荷量および電圧値との関係から、参照領域電極部１４２からの電圧値に対した電荷量として求める。
第２工程の有効領域１３１間における電荷量を求める工程では、参照領域１３２の電荷量に基づいて、有効領域１３１間における電荷量を求める。
第２工程の補正する方法では、有効領域１３１間における電荷量のばらつきを打ち消すように、有効領域１３１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。具体的には、補正対象である有効領域１３１の温度における電荷量と、他の有効領域１３１の温度における電荷量とのばらつきをなくすように、当該有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。すなわち、有効領域電極部１４１からの出力値のみを補正して、有効領域１３１間の温度における電荷量のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１への入力値のみを補正して、有効領域１３１間の温度における電荷量のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の両方を補正して、有効領域１３１間の温度における電荷量のばらつきをなくしてもよい。
（超音波プローブの補正方法４）
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２における音響信号の受信による電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法の第１工程は、参照領域１３２における音響信号の受信による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する工程である。また、第２工程は、参照領域１３２における音響信号の受信による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間における音響信号による電荷量のばらつきを求める工程と、有効領域１３１間における音響信号のばらつきを打ち消すように、有効領域１３１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む工程である。
参照領域１３２の電気特性が、「参照領域１３２における音響信号の受信による電荷」の場合における超音波プローブ１００の補正方法の第１工程は、参照領域１３２における音響信号の受信による電荷を含む参照領域電極部１４２からの出力値を検出する工程である。また、第２工程は、参照領域１３２における音響信号の受信による電荷量を求める工程と、有効領域１３１間における音響信号による電荷量のばらつきを求める工程と、有効領域１３１間における音響信号のばらつきを打ち消すように、有効領域１３１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む工程である。
第１工程では、参照領域電極部１４２からの出力値を検出する。本実施の形態に係るトランスデューサー部１０２では、参照領域１３２は音響信号に対する応答性が低く、有効領域は、音響信号に対する応答性が高い。そこで、第１工程では、参照領域１３２における音響信号の受信による電荷を含む第１参照領域電極部１４３からの出力値を検出することが好ましい。
第２工程の参照領域の電荷量を求める工程では、参照領域電極部１４２からの出力値（電圧値）から、参照領域１３２の音響信号の受信による電荷量を求める。具体的には、参照領域１３２の音響信号の受信による電荷量は、予め求めた音響信号の受信による電荷量および電圧値との関係から、参照領域電極部１４２からの電圧値に対した電荷量として求める。
第２工程の有効領域１３１間における電荷量を求める工程では、参照領域１３２の電荷量に基づいて、有効領域間における音響信号による電荷量のばらつきを求める。
第２工程の補正する方法では、有効領域１３１間における音響信号のばらつきを打ち消すように、有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。具体的には、補正対象である有効領域１３１の音響信号と、他の有効領域１３１の音響信号とのばらつきをなくすように、当該有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。すなわち、有効領域電極部１４１からの出力値のみを補正して、有効領域１３１間の音響信号のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１への入力値のみを補正して、有効領域１３１間の音響信号のばらつきをなくしてもよいし、有効領域電極部１４１からの電圧値および有効領域電極部１４１への入力値の両方を補正して、有効領域１３１間の音響信号のばらつきをなくしてもよい。
以上のように、本発明に係る超音波プローブ１００の補正方法は、参照領域１３２の電気特性が考慮された出力値に基づいて、有効領域１３１間の前述した（１）〜（４）の圧電特性のばらつきを打ち消すように、有効領域電極部１４１からの出力値および有効領域電極部１４１への入力値の一方または両方を補正する。これにより、超音波プローブ１００からの出力値（電圧値）を一定にすることができる。また、圧電変換する圧電体膜１２１から補正情報（電圧値）を得られるため、超音波プローブ１００が劣化しても適切に補正することができる。
［超音波撮像装置の構成］
次いで、前述した超音波プローブ１００を有する超音波撮像装置２００の構成について説明する。超音波撮像装置２００の構成は、前述した超音波プローブ１００を有していれば特に限定されず、公知の構成を採用できる。図４Ａ、Ｂは、超音波撮像装置の構成を示す図である。図４Ａは、超音波撮像装置の構成を模式的に示す図であり、図４Ｂは、超音波撮像装置の電気的な構成を示すブロック図である。
次いで、前述した超音波プローブ１００を有する超音波撮像装置２００の構成について説明する。超音波撮像装置２００の構成は、前述した超音波プローブ１００を有していれば特に限定されず、公知の構成を採用できる。図４Ａ、Ｂは、超音波撮像装置の構成を示す図である。図４Ａは、超音波撮像装置の構成を模式的に示す図であり、図４Ｂは、超音波撮像装置の電気的な構成を示すブロック図である。
図４Ａ、４Ｂに示されるように、超音波撮像装置２００は、装置本体２０１と、装置本体２０１にケーブル２０３を介して接続されている超音波プローブ１００と、装置本体２０１上に配置されている入力部２０４および表示部２０９と、を有する。
装置本体２０１は、入力部２０４に接続されている制御部２０５と、制御部２０５およびケーブル２０３に接続されている送信部２０６および受信部２０７と、受信部２０７および制御部２０５のそれぞれと接続されている画像処理部２０８と、を有する。なお、制御部２０５および画像処理部２０８は、それぞれ表示部２０９と接続されている。
入力部２０４は、例えば、診断開始などを指示するコマンドや被検体の個人情報などのデータを入力するための装置である。入力部２０４の構成は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。入力部２０４は、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボードなどである。
制御部２０５は、超音波撮像装置２００の全体の制御を行う回路である。制御部２０５は、超音波プローブ１００、入力部２０４、送信部２０６、受信部２０７、画像処理部２０８および表示部２０９を、それぞれの機能に応じて制御する。制御部２０５は、例えば、マイクロプロセッサや記憶素子、その周辺回路などを有する。
送信部２０６は、例えば、制御部２０５からの信号を超音波プローブ１００に送信する。具体的には、送信部２０６は、制御部２０５による制御に従って、超音波プローブ１００にケーブル２０３を介して電気信号である駆動信号を供給して超音波プローブ１００に送信超音波を発生させる回路である。受信部２０７は、例えば、超音波プローブ１００からの信号を受信して制御部２０５または画像処理部２０８へ出力する。具体的には、受信部２０７は、制御部２０５による制御に従って、超音波プローブ１００からケーブル２０３を介して電気信号である受信信号を受信する回路である。
画像処理部２０８は、例えば、制御部２０５の制御に従い、受信部２０７で受信した信号に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。たとえば、画像処理部２０８は、被検体の超音波画像を生成するＤｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）、および、当該ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）などを有する。
表示部２０９は、例えば、制御部２０５の制御に従って、画像処理部２０８で生成された被検体の超音波画像を表示するための装置である。表示部２０９は、例えば、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイなどの表示装置や、プリンタなどの印刷装置などである。
なお、本実施の形態では、下部電極１２２が有効領域電極部１４１および参照領域電極部１４２を構成しているが、上部電極１２３が有効領域電極部１４１および参照領域電極部１４２を構成していてもよいし、下部電極１２２および上部電極１２３が有効領域電極部１４１および参照領域電極部１４２を構成していてもよい。上部電極１２３が有効領域電極部１４１および参照領域電極部１４２を構成している場合、上部電極１２３は、表面から有効領域１３１に独立して接続された有効領域電極部１４１と、表面から参照領域１３２に独立して接続された参照領域電極部１４２とを有する。また、下部電極１２２および上部電極１２３が有効領域電極部１４１および参照領域電極部１４２を構成している場合には、上部電極１２３は、表面から有効領域１３１に独立して接続された有効領域電極部１４１と、表面から参照領域１３２に独立して接続された参照領域電極部１４２とを有する。また、下部電極１２２は、裏面から有効領域１３１に独立して接続された有効領域電極部１４１と、裏面から参照領域１３２に独立して接続された参照領域電極部１４２とを有する。また、上部電極１２３が有効領域電極部１４１を有し、下部電極１２２が参照領域電極部１４２を有していてもよい。また、上部電極１２３が参照領域電極部１４２を有し、下部電極１２２が有効領域電極部１４１を有していてもよい。
なお、本実施の形態では、補正部１０８は、超音波プローブ１００に含まれているが、超音波プローブ１００外であって、例えば超音波診断装置２００の制御部２０５内にあってもよい。また、補正部１０８は、超音波診断装置２００に対して外部から接続できるように構成されていてもよい。
本発明に係る超音波プローブによれば、電気特性が一定な超音波トランスデューサーを有する超音波プローブを提供できる。したがって、上記補正方法によれば、超音波プローブのさらなる高性能化とさらなる普及とが期待される。
１００ 超音波プローブ
１０２ トランスデューサー部
１０４ トランスデューサーアレイ
１０６ 超音波トランスデューサー
１０８ 補正部
１１１ ダイヤフラム部
１１２ 支持部
１１３ 圧電素子部
１２１ 圧電体膜
１２２ 下部電極
１２３ 上部電極
１３１ 有効領域
１３２ 参照領域
１３３ 第１参照領域
１３４ 第２参照領域
１４１ 有効領域電極部
１４２ 参照領域電極部
１４３ 第１参照領域電極部
１４４ 第２参照領域電極部
２００ 超音波撮像装置
２０１ 装置本体
２０３ ケーブル
２０４ 入力部
２０５ 制御部
２０６ 送信部
２０７ 受信部
２０８ 画像処理部
２０９ 表示部
１０２ トランスデューサー部
１０４ トランスデューサーアレイ
１０６ 超音波トランスデューサー
１０８ 補正部
１１１ ダイヤフラム部
１１２ 支持部
１１３ 圧電素子部
１２１ 圧電体膜
１２２ 下部電極
１２３ 上部電極
１３１ 有効領域
１３２ 参照領域
１３３ 第１参照領域
１３４ 第２参照領域
１４１ 有効領域電極部
１４２ 参照領域電極部
１４３ 第１参照領域電極部
１４４ 第２参照領域電極部
２００ 超音波撮像装置
２０１ 装置本体
２０３ ケーブル
２０４ 入力部
２０５ 制御部
２０６ 送信部
２０７ 受信部
２０８ 画像処理部
２０９ 表示部
Claims (18)
- ダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの表面に積層された下部電極と、前記下部電極の表面に積層され、圧電変換時に大きく振動する有効領域および前記有効領域よりも圧電変換時に小さく振動する参照領域を含む圧電体膜と、前記圧電体膜の表面に積層された上部電極と、をそれぞれ含む複数の超音波トランスデューサーと、
前記超音波トランスデューサー間の性能のばらつきを補正するための補正部と、を有し、
前記下部電極および前記上部電極の一方または両方は、前記有効領域に独立して接続された有効領域電極部と、前記参照領域に独立して接続された参照領域電極部と、を含み、
前記補正部は、前記参照領域電極部からの出力値に基づいて、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正するための装置である、
超音波プローブ。 - 前記補正部は、分極後に前記参照領域に残留した電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出した後、分極後に前記参照領域に残留した電荷量を求めて、前記電荷量に基づいて、前記有効領域の分極量を求めて、前記有効領域間の分極量のばらつきを打ち消すように前記有効領域電極部からの電圧値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正するための装置である、
請求項１に記載の超音波プローブ。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部に対応した第１参照領域と、前記第１参照領域以外の第２参照領域とを含み、
前記参照領域電極部は、前記第１参照領域に接続された第１参照領域電極部および前記第２参照領域に接続された第２参照領域電極部の一方または両方を含み、
前記補正部は、前記第１参照領域に分極後に残留した電荷を含む前記第１参照領域電極部からの出力値を検出する、および前記第２参照領域に分極後に残留した電荷を含む前記第２参照領域電極部からの出力値を検出する、の一方または両方を行う、
請求項２に記載の超音波プローブ。 - 前記補正部は、前記参照領域における静電誘導による電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出した後、前記参照領域における静電誘導による電荷量を求めて、前記電荷量に基づいて、前記有効領域間における静電誘導による電荷量を求めて、前記有効領域間における静電誘導のばらつきを打ち消すように、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正するための装置である、
請求項１に記載の超音波プローブ。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部の領域に対応した第１参照領域であり、
前記参照領域電極部は、前記第１参照領域に接続された第１参照領域電極部である、
請求項４に記載の超音波プローブ。 - 前記補正部は、前記参照領域間の温度分布による前記参照領域の温度による電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出した後、前記参照領域の温度による電荷量を求めて、前記電荷量に基づいて、前記有効領域間の温度分布による電荷量のばらつきを求めて、前記有効領域間における温度のばらつきを打ち消すように、前記有効領域からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正するための装置である、
請求項１に記載の超音波プローブ。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部の領域に対応した第１参照領域と、前記第１参照領域以外の第２参照領域とを含み、
前記参照領域電極部は、前記第２参照領域に接続された第２参照領域電極部である、
請求項６に記載の超音波プローブ。 - 前記補正部は、前記参照領域における音響信号の受信による電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出した後、前記参照領域における音響信号の受信による電荷量を求めて、前記電荷量に基づいて、前記有効領域間における音響信号による電荷量のばらつきを求めて前記有効領域間における音響信号のばらつきを打ち消すように、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正するための装置である、
請求項１に記載の超音波プローブ。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部の領域に対応した第１参照領域を含み、
前記参照領域電極部は、前記第１参照領域に接続された第１参照領域電極部である、
請求項８に記載の超音波プローブ。 - ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラム上に配置された下部電極と、
前記下部電極上に配置された圧電体膜と、
前記圧電体膜上に配置された上部電極と、をそれぞれ含み、
前記圧電体膜は、圧電変換時に大きく振動する有効領域と、前記有効領域よりも圧電変換時に小さく振動する参照領域と、を含み、
前記下部電極および前記上部電極の一方または両方は、前記有効領域に独立して接続された有効領域電極部と、前記参照領域に独立して接続された参照領域電極部と、を含む、複数の超音波トランスデューサーを有する超音波プローブの補正方法であって、
前記参照領域電極部から前記参照領域の電気特性が反映された出力値を検出する第１工程と、
前記電気特性に基づいて、前記有効領域間の圧電特性のばらつきを打ち消すように、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正する第２工程と、を含む、
超音波プローブの補正方法。 - 前記第１工程は、分極後に前記参照領域に残留した電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出する工程であり、
前記第２工程は、
分極後に前記参照領域に残留した電荷量を求める工程と、
前記電荷量に基づいて、前記有効領域の分極量を求める工程と、
前記有効領域間の分極量のばらつきを打ち消すように前記有効領域電極部からの電圧値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む、
請求項１０に記載の超音波プローブの補正方法。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部に対応した第１参照領域と、前記第１参照領域以外の第２参照領域とを含み、
前記参照領域電極部は、前記第１参照領域に接続された第１参照領域電極部および前記第２参照領域に接続された第２参照領域電極部の一方または両方を含み、
前記第１工程は、前記第１参照領域に分極後に残留した電荷を含む前記第１参照領域電極部からの出力値を検出する工程と、前記第２参照領域に分極後に残留した電荷を含む前記第２参照領域電極部からの出力値を検出する工程との一方または両方を含む工程である、
請求項１１に記載の超音波プローブの補正方法。 - 前記第１工程は、前記参照領域における静電誘導による電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出する工程であり、
前記第２工程は、
前記参照領域における静電誘導による電荷量を求める工程と、
前記電荷量に基づいて、前記有効領域間における静電誘導による電荷量を求める工程と、
前記有効領域間における静電誘導のばらつきを打ち消すように、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む、
請求項１０に記載の超音波プローブの補正方法。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部の領域に対応した第１参照領域であり、
前記参照領域電極部は、前記第１参照領域に接続された第１参照領域電極部である、
請求項１３に記載の超音波プローブの補正方法。 - 前記第１工程は、前記参照領域間の温度分布による前記参照領域の温度による電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出する工程であり、
前記第２工程は、前記参照領域の温度による電荷量を求める工程と、
前記電荷量に基づいて、前記有効領域間の温度分布による電荷量のばらつきを求める工程と、
前記有効領域間における温度のばらつきを打ち消すように、前記有効領域からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む、
請求項１０に記載の超音波プローブの補正方法。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部の領域に対応した第１参照領域と、前記第１参照領域以外の第２参照領域とを含み、
前記参照領域電極部は、前記第２参照領域に接続された第２参照領域電極部である、
請求項１５に記載の超音波プローブの補正方法。 - 前記第１工程は、前記参照領域における音響信号の受信による電荷を含む前記参照領域電極部からの出力値を検出する工程であり、
前記第２工程は、
前記参照領域における音響信号の受信による電荷量を求める工程と、
前記電荷量に基づいて、前記有効領域間における音響信号による電荷量のばらつきを求める工程と、
前記有効領域間における音響信号のばらつきを打ち消すように、前記有効領域電極部からの出力値および前記有効領域電極部への入力値の一方または両方を補正する工程と、を含む、
請求項１０に記載の超音波プローブの補正方法。 - 前記参照領域は、前記超音波トランスデューサーを支持する支持部の領域に対応した第１参照領域を含み、
前記参照領域電極部は、前記第１参照領域に接続された第１参照領域電極部である、
請求項１７に記載の超音波プローブの補正方法。
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