JP2004024464A

JP2004024464A - 超音波探触子及び超音波診断装置

Info

Publication number: JP2004024464A
Application number: JP2002183991A
Authority: JP
Inventors: Toru Watanabe; 渡辺　徹; Moriyuki Ishikawa; 石川　盛之; Takemi Aso; 麻生　剛己
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP3990208B2

Abstract

【課題】電子走査方向と直交するエレベーション方向において複数の焦点を形成できるようにする。また、その場合に生体との密着性を良好にする。
【解決手段】音響レンズ１２において、表面１５の中央部分１６は生体側に緩やかな凸状の形態を有している。音響レンズ１２の裏面２０は非生体側に緩やかな凸状を有している。超音波を音響レンズ１２の中央部分に通過させれば近距離焦点Ｆ１を形成でき、音響レンズ１２の全体に超音波を通過させれば近距離焦点Ｆ１及び遠距離焦点Ｆ２の両方を形成可能である。超音波振動子２４を構成する各振動素子は複数の要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃに分割されそれらを選択的に動作させることによって送受波開口の切換えを行える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探触子及び超音波診断装置に関し、特に、複数の焦点（超音波フォーカス点）の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波探触子は、超音波振動子（単振動子又はアレイ振動子）と、その上面側に設けられた１又は複数の整合層と、その上面側に設けられた音響レンズと、超音波振動子の下面側に設けられたバッキング層と、を有する。
【０００３】
従来において、音響レンズによってそれを通過する超音波が集束され、これによって超音波ビームが音響的に形成される。具体的には、アレイ振動子の場合、電子走査方向において電子フォーカス制御によって超音波ビームのフォーカスがなされるが、それと直交するエレベーション方向については基本的に音響レンズによって超音波ビームのフォーカスがなされる。そのような音響レンズは、従来において１つの焦点のみを有しており、例えば、観測する深さ範囲の中央に焦点が位置決めされるように、音響レンズの表面曲率などが設定される。なお、音響レンズの裏面は平坦に形成され、整合層及び圧電体も平板状をなす。
【０００４】
以上のように、エレベーション方向において、１点の焦点が固定的に設定されると、どうしても超音波探触子の近傍あるいは深部において空間分解能が低下するという問題がある。そこで、蒲鉾状の音響レンズの上面の曲率に対してその中央部の曲率を部分的に大きくして、つまり２つの曲率を音響レンズにもたせることが提案されている（特開平６−２４５９３１号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の提案内容によると、音響レンズの表面において、中央部分が隆起し、端部が生体側からより引っ込んでいるため、音響レンズの全体（特に端部）を生体表面に密着させるのが困難となる。一方、従来において、音響レンズの下面側形状は平坦であり、その形状を積極的に利用することはなされていない。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、生体との密着性をできるだけ良好にしつつ、音響レンズによって複数の焦点を形成できるようにすることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、焦点形成条件を切り換えられるようにすることにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、音響レンズの下面側形状あるいは振動子形状を活用することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、生体側の表面が第１焦点距離を形成する第１形状を有し、非生体側の裏面が第２焦点距離を形成する第２形状を有する音響レンズと、前記音響レンズの裏面側に設けられ、前記第２形状に沿った形状を有する送受波部と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、音響レンズの表面が第１焦点距離を形成するための第１形状を有し、音響レンズの裏面が第２焦点距離を形成するための第２形状を有し、音響レンズの表面の形状に加えて、その裏面の形状も超音波ビーム形成に利用することができる。ここで、送受波部も音響レンズの裏面に沿った形状を有しており、送受波部の形状と相俟って音響レンズの裏面の形状を超音波ビームの形成に役立てることができる。
【００１１】
望ましくは、前記第１形状は、超音波の通過領域内の第１部分領域に形成され、第１曲率をもった生体側へ凸状の形状であり、前記第２形状は、超音波の通過領域の全体にわたって形成され、第２曲率をもった生体側へ凹状の形状である。
【００１２】
上記構成によれば、音響レンズの表面及び裏面の両方で超音波ビームを収束させる作用を発揮させることができる（但し、音響レンズの音速は生体の音速（１５３０ｍ／ｓ）より遅いことが条件である）。表面の部分領域に第１形状が形成され、裏面の全体に第２形状が形成されているため、送受波部の動作範囲を選択することによって焦点形成条件を切り換えられる。例えば、送受波部の中央部のみで送受波を行えば単一の焦点を形成でき、送受波部の全体で送受波を行えば複数の焦点を形成できる。
【００１３】
望ましくは、前記第１焦点距離は前記第２焦点距離よりも小さい。つまり、第１形状の曲率半径よりも第２形状の曲率半径の方が大きく設定される。その結果、第１焦点距離が近距離となり、第２焦点距離が遠距離となる。
【００１４】
望ましくは、前記送受波部は、前記第２形状に沿って前記第２曲率で湾曲した全体形状を有する。この構成によれば、送受波部自体の形状によって超音波ビームの集束を行える。つまり、正確には、音響レンズの裏面と送受波部の上面との接合面の形状によって、音響的な集束作用を発揮させることができる。
【００１５】
望ましくは、前記送受波部の裏面の形状に沿って湾曲した上面をもったバッキング層を有する。この構成によれば、送受波部からの不要な背面放射を効果的に吸収できる。
【００１６】
望ましくは、前記送受波部は、電子走査方向に整列した複数の圧電素子を含み、前記第１形状及び前記第２形状は前記電子走査方向と直交するエレベーション方向に湾曲した形状である。
【００１７】
この構成によれば、電子走査方向については従来同様に電子フォーカス技術が適用され、一方、エレベーション方向については音響レンズの表面及び裏面の形状を利用してフォーカスを行える。
【００１８】
望ましくは、前記各圧電素子は前記エレベーション方向に整列した分割要素群によって構成される。この構成によれば、送受波部におけるエレベーション方向における動作範囲を適宜選択することによって、焦点条件を切り換えることができる。
【００１９】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、装置本体とそれに接続された超音波探触子とからなる超音波診断装置において、前記超音波探触子は、生体側の表面の中央部が近焦点距離を形成する第１形状を有し、非生体側の裏面の全体が遠焦点距離を形成する第２形状を有する音響レンズと、前記音響レンズの裏面側に設けられ、前記第２形状に沿った形状を有する振動子と、を含み、前記振動子は前記電子走査方向に整列した複数の圧電素子からなり、各圧電素子は前記電子走査方向と直交するエレベーション方向に整列した分割要素群からなり、前記装置本体は、近焦点処理を形成する場合には前記各圧電素子を構成する分割要素群の内で中央部を送受波動作させ、遠焦点距離を形成する場合には前記各圧電素子を構成する分割要素群の全体を送受波動作させる開口制御部を含むことを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、エレベーション方向における送受波開口の制御を行うことができ、各圧電素子を構成する分割要素群の中で中央部だけを利用して送受波を行うと、そこで送受波される超音波は音響レンズの中央部を通過することになるため、その音響レンズの中央部が有する主に第１形状に従った伝播特性が形成される。一方、各圧電素子を構成する分割要素群の全体を利用して送受波を行うと、そこで送受波される超音波は音響レンズの全体を通過することになるため、音響レンズ表面の第１形状及び音響レンズ裏面の第２形状の双方によって伝播特性が形成される。後者の場合には２焦点が形成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１には、本発明に係る超音波探触子の要部構成が断面図として示されている。ここで、その断面図は電子走査方向と直交するエレベーション方向を示すものである。
【００２３】
図１において、先端カバー部１０は大別して音響レンズ１２とスカート部１４とによって構成される。音響レンズ１２は生体表面上に当接され、エレベーション方向に超音波の集束作用を発揮するものである。スカート部１４は音響レンズ１２の端部に連なって一体形成されたものであり、超音波探触子の先端部の側面を包み込んでいる。ちなみに、先端カバー部１０はそれ全体として樹脂などの材料によって構成されている。ここで、その材料としては例えば生体と同等の音響インピーダンスを有するものを用いるのが望ましい。
【００２４】
音響レンズ１２について説明する。音響レンズ１２の表面１５は生体表面に当接される面であり、その中央部１６は緩やかな凸状を有している。本実施形態においては、その中央部１６の曲率は電子走査方向において同一であり、それ全体として円筒曲面状の形態を有している。中央部１６の両側には平坦部１８が形成されている。この平坦部１８は本実施形態においてエレベーション方向（及び電子走査方向）に沿って平面を構成している。ちなみに、音響レンズ１２の縁は丸みを帯びている。
【００２５】
一方、音響レンズ１２の裏面２０は非生体側に緩やかな凸状の形態を有している。ここで、裏面２０の曲率半径は上記の表面１５の中央部１６の曲率半径よりも大きい。よって、中央部１６は図において符号１００で示すように近距離に焦点Ｆ１を有する超音波集束作用を発揮し、一方、裏面２０は遠距離に焦点Ｆ２を形成する超音波集束作用を発揮する。ちなみに、図１に示されるように、中央部１６の膨らみは表面１５全体としてそれほど大きくはなく、表面１５を生体表面に接触させた場合には表面１５の全体を生体表面に密着させることができる。すなわち、仮に、平坦部１８ではなくその部分が非生体側に引っ込んだ形態を有していると当該部分において生体との密着性が低下するが、本実施形態においてはそのような問題を解消することができる。
【００２６】
なお、本実施形態において、焦点Ｆ１の焦点距離は例えば４ｍｍであり、焦点Ｆ２の焦点距離は例えば９ｍｍである。
【００２７】
先端カバー部１０の内部には、送受波部２６及びバッキング層２７が収納されている。ここで、送受波部２６は本実施形態において整合層２２と超音波振動子２４とによって構成され、音響レンズ１２、整合層２２及び超音波振動子２４がそれぞれ重合されている。整合層２２は、非生体側にかけて緩やかに凸状をもった形態を有しており、これと同様に超音波振動子２４も非生体側に緩やかな凸状をもった形態を有している。それぞれの部材の曲率は音響レンズ１２の裏面２０の曲率に一致している。超音波振動子２４の非生体側の面はバッキング層２７の上面に接合しており、ここでそのバッキング層２７の上面は生体側に緩やかな凹面を有している。ちなみに、各部材の曲率は電子走査方向の各位置において同一である。
【００２８】
上記の超音波振動子２４は複数の振動素子からなるアレイ振動子を構成している。図２には、超音波振動子２４の構成が概念的に示されており、当該超音波振動子２４は電子走査方向に配列された複数の振動素子２５によって構成され、各振動素子２５は複数の要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃで構成されている。
【００２９】
図１に示されるように、中央部分の要素２５ａは音響レンズ１２の中央部１６のエレベーション方向の範囲に対応した大きさをもっており、各振動素子２５における両端部の要素２５ｂ，２５ｃはそれぞれ平坦部１８の大きさに対応した大きさを有している。本実施形態においては、各振動素子２５が３つの要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃによって構成されているが、もちろんより多くの要素によって構成されるようにしてもよい。
【００３０】
このように各振動素子２５がエレベーション方向において複数の要素に分割されているため、後述するようにエレベーション方向における送受波開口の切換えを行えるという利点がある。
【００３１】
ちなみに、整合層２２は電子走査方向に配列された複数の整合素子によって構成され、ここで各整合素子は各振動素子２５に対応している。各整合素子は図１に示されるように３つの要素２３ａ，２３ｂ，２３ｃに分割されており、それぞれの要素２３ａ，２３ｂ，２３ｃは上記の要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃに対応した大きさをもって重ね合わされている。ちなみに、図１に示されるように、各要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃ及び２３ａ，２３ｂ，２３ｃの相互間における境界は図においてエレベーション方向及び電子走査方向に対して直交する方向と並行に形成されているが、その境界をフォーカス点の方向に向けて斜めに形成することも可能である。上記のように各振動素子及び各整合要素が複数の要素に分割されているため、エレベーション方向における超音波の回り込みあるいはクロストークといった問題を効果的に解消することができる。もちろん、そのような問題が生じない限りにおいて、各整合素子を単一の材料によって構成することも可能である。
【００３２】
また、図１に示す実施形態では、各振動素子２５が複数の要素に分割されていたが、各振動素子２５を単一の素子として構成してもよい。この場合においては、それぞれの振動素子を利用して超音波の送受波を行う場合に２つの焦点を形成できる。
【００３３】
図２には、本実施形態に係る超音波診断装置の全体構成が概念図として示されている。この超音波診断装置は大別して超音波探触子３０と装置本体３２とで構成される。
【００３４】
装置本体３２について説明すると、送信部３４は、各振動素子２５を構成する要素２５ａ，２５ｂ，２５ｃに対して送信信号を供給する回路であり、電子走査方向において送信ビームの形成を実行し、またエレベーション方向において送受波開口の切換えを行える機能を有している。もちろん、その送受波開口の制御に代えて、あるいはそれと共にエレベーション方向についても電子的なビームフォーミング制御を行ってもよい。
【００３５】
受信部３６は、各振動素子２５を構成する要素からの受信信号を受けて、整相加算処理を実行し、これによって受信ビームを形成する機能を有している。この受信部３６も送信部３４と同様に、電子走査方向において受信ビームの電子走査制御を実行し、またエレベーション方向において送受波開口の切換制御を実行する。もちろん、この場合において、エレベーション方向において受信ビームフォーミングに関する制御を行ってもよい。制御部３８は送信部３４及び受信部３６の動作条件を切り換える手段である。入力部４０は操作パネルなどによって構成され、ユーザーによって焦点形成条件あるいはビーム形成条件を切り換えることができる。もちろん、そのような条件の切換は送受波モードあるいは診断深さなどに応じて自動的に行われるようにしてもよい。
【００３６】
画像処理部４２は、受信部３６から出力される整相加算後の受信信号に基づいて例えばＢモード画像（二次元断層画像）などの超音波画像を形成する回路である。表示部４４にはそのような超音波画像が表示される。
【００３７】
超音波探触子３０を生体表面に当接し、その状態において体表面近傍の領域について超音波診断を行う場合、制御部３８の制御の下、送信部３４及び受信部３６の作用によって、各振動素子２５における中央部分の要素２５ａのみが送受波動作する。すると、音響レンズ１２における中央部分のみを超音波が通過することになり、その場合、表面１５における中央部１６の超音波集束作用が支配的となる。すなわち、近距離の焦点Ｆ１が設定される。一方、体表面から深い部位あるいは近距離から遠距離までの全体にわたって超音波診断を行う場合には、送信部３４及び受信部３６の作用によって各振動素子２５における全要素が送受波動作し、その結果、音響レンズ１２の全体を超音波が通過することになる。よって中央部分を通過する超音波によって近距離の焦点Ｆ１が形成されると共に、その中央部分の両側を通過する超音波によって遠距離に焦点Ｆ２が形成される。すなわち、複数の焦点が同時に形成され、近距離から遠距離までの広い範囲にわたって空間分解能を向上させることが可能である。もちろん、場合によっては、要素２５ｂ及び２５ｃのみを送受波動作させ、遠距離の焦点Ｆ２のみを形成するようにしてもよい。あるいは、送信時と受信時とで焦点形成条件を切り換えるようにしてもよい。ちなみに、電子走査方向については、電子的にフォーカシングが行われるため、これは従来同様に実行される。具体的には、送信時においては必要に応じて送信多段フォーカスが実行され、受信時には必要に応じて受信ダイナミックフォーカスが適用される。
【００３８】
以上のように、本実施形態の超音波診断装置によれば、エレベーション方向における送受波開口の大きさを切り換えるだけで、焦点形成条件を切り換えることができ、これによって必要に応じて近距離についての空間分解能を向上させたり、あるいは近距離から遠距離まで空間分解能を向上させたりすることができる。もちろん、音響レンズ１２の作用と共にエレベーション方向において電子フォーカス制御を併せて適用することによりエレベーション方向における多様なビーム制御を実現することも可能である。なお、図１及び図２に示した実施形態において、電子走査方向においては、各振動素子２５が直線状に配列され、これによって電子リニア走査が実現されていたが、もちろんそれと同一の構成において電子セクタ走査を行うようにしてもよく、あるいは各振動素子２５を円弧状に配列して電子コンベックス型超音波探触子を構成することもできる。この場合においても上記同様に音響レンズ１２の表面１８及び裏面２０の形状を所望のものにすることによって各種の焦点形成条件を設定できる。
【００３９】
また、上記実施形態においては、いわゆるアレイ振動子についての説明を行ったが、円形の単振動子あるいは円形のアニュラーアレイ振動子についても上記の原理を適用することができ、すなわちその場合においては円形の音響レンズが利用されるが、その表面の中央部分の曲率と裏面の全体の曲率とを適宜設定することによってマルチフォーカスを実現することが可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生体との密着性を良好にしつつエレベーション方向において複数の焦点を設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探触子の要部構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０　先端カバー部、１２　音響レンズ、１４　スカート部、１５　表面、１６　中央部、１８　平坦部、２０　裏面、２２　整合層、２４　超音波振動子（アレイ振動子）、２６　送受波部、２７　バッキング層。

Claims

生体側の表面が第１焦点距離を形成する第１形状を有し、非生体側の裏面が第２焦点距離を形成する第２形状を有する音響レンズと、
前記音響レンズの裏面側に設けられ、前記第２形状に沿った形状を有する送受波部と、
を含むことを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記第１形状は、超音波の通過領域内の第１部分領域に形成され、第１曲率をもった生体側へ凸状の形状であり、
前記第２形状は、超音波の通過領域の全体にわたって形成され、第２曲率をもった生体側へ凹状の形状であることを特徴とする超音波探触子。
請求項１又は２記載の超音波探触子において、
前記第１焦点距離は前記第２焦点距離よりも小さいことを特徴とする超音波探触子。
請求項２記載の超音波探触子において、
前記送受波部は、前記第２形状に沿って前記第２曲率で湾曲した全体形状を有することを特徴とする超音波探触子。
請求項４記載の超音波探触子において、
前記送受波部の裏面の形状に沿って湾曲した上面をもったバッキング層を有することを特徴とする超音波探触子。
請求項１記載の超音波探触子において、
前記送受波部は、電子走査方向に整列した複数の圧電素子を含み、
前記第１形状及び前記第２形状は前記電子走査方向と直交するエレベーション方向に湾曲した形状であることを特徴とする超音波探触子。
請求項４記載の超音波探触子において、
前記各圧電素子は前記エレベーション方向に整列した分割要素群によって構成されることを特徴とする超音波探触子。
装置本体とそれに接続された超音波探触子とからなる超音波診断装置において、
前記超音波探触子は、
生体側の表面の中央部が近焦点距離を形成するための第１形状を有し、非生体側の裏面の全体が遠焦点距離を形成するための第２形状を有する音響レンズと、
前記音響レンズの裏面側に設けられ、前記第２形状に沿った形状を有する振動子と、
を含み、
前記振動子は前記電子走査方向に整列した複数の圧電素子からなり、各圧電素子は前記電子走査方向と直交するエレベーション方向に整列した分割要素群からなり、
前記装置本体は、近焦点処理を形成する場合には前記各圧電素子を構成する要素群の内で中央部を送受波動作させ、遠焦点距離を形成する場合には前記各圧電素子を構成する要素群の全体を送受波動作させる開口制御部を含むことを特徴とする超音波診断装置。