超音波診断装置
【課題】特定の周波数の信号を、共振回路を用いて共振させることで振幅を増幅する超音波診断装置において、共振回路の出力のリンギングの発生を防ぎ、高精細な超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】送信電気信号を、少なくとも１周期の矩形波状の電気信号である第１波形４０と、位相が１８０度異なる１周期分の電気信号である第２波形とで生成する。
【解決手段】送信電気信号を、少なくとも１周期の矩形波状の電気信号である第１波形４０と、位相が１８０度異なる１周期分の電気信号である第２波形とで生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体内に超音波信号を送信し、反射波に基づいて被検体内部の超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）技術が研究、開発されている。ハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が良くなってコントラストが向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。
【０００５】
高調波成分の検出は、超音波探触子が超音波から変換された電気信号を、基本周波数を除去するハイパスフィルタなどに通して実施されている。しかし、高調波成分は、基本波成分に比べてかなり小さいことから、高精細な超音波画像を構築するに十分な信号レベルを得るには、高価で大規模なハイパスフィルタを採用する必要があり、装置の高コスト化と大規模化を招く要因になっている。
【０００６】
この不具合を解決するための提案がなされている。例えば、超音波から変換された電気信号を共振回路を通過させて、高調波成分のみを共振により増幅させる技術がある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０８８０５６号公報
【特許文献２】特開２００７−１８５５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載の技術は、特定の周波数の信号を、共振回路を用いて共振させることで振幅を増幅しているので、共振回路の出力に共振回路の特性に応じたリンギングが発生する。超音波探触子に送信する電気信号は、所定の時間間隔をおいた電気信号の集合であるので、電気信号同士の間に発生するリンギングは、時間的に後の電気信号に重畳されるという不具合が発生する。リンギングが重畳された電気信号は、超音波画像にノイズを発生させるので、高精細な超音波画像の構築を妨げることとなる。
【０００９】
本発明は、共振回路の出力のリンギングの発生を防ぎ、高精細な超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。
【００１１】
１．無機圧電材料を主成分とし、送信電気信号を第１超音波信号に変換して、被検体内に送信する複数の圧電素子を有する無機圧電素子アレイと、
所定の周波数の第１電気信号波形と、該第１電気信号波形と略同一の周波数を成し略１８０度位相の異なる第２電気信号波形とを、この順で連続して生成された電気信号である送信電気信号を出力する電気回路を備え、前記送信電気信号を前記圧電素子に印加する送信部と、
有機圧電材料を主成分とし、前記第１超音波信号が前記被検体内において反射して生成された第２超音波信号の高調波成分を受信し、受信電気信号に変換する複数の圧電素子を備える有機圧電素子アレイと、
前記受信電気信号を入力し、前記第２超音波信号の高調波成分を共振周波数とする共振回路を備える受信部と、
前記受信部の出力から前記被検体内の内部状態の画像を生成する画像処理部１４と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【００１２】
２．前記有機圧電材料は、フッ化ビニリデンの重合体、または、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体であることを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。
【００１３】
３．前記無機圧電材料は、ジルコニウム酸チタン酸鉛であることを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。
【００１４】
４．前記無機圧電素子アレイは、前記無機圧電素子アレイが前記被検体に第１超音波信号を送信する方向に、前記有機圧電素子アレイ上に積層されていることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【発明の効果】
【００１５】
超音波探触子における共振回路の出力のリンギングの発生を防ぎ、高精細な超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る超音波診断装置Ｓの外観構成を示す概要図である。
【図２】本実施形態に係る超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態に係る超音波診断装置Ｓにおける超音波探触子２の構成を示す概要図である。
【図４】送信部１２が生成する送信電気信号の波形の例を示す図であり、図４（ａ）は従来の超音波診断装置の送信部１２が生成していた送信電気信号の例であり、図４（ｂ）は本実施形態における送信電気信号の例である。
【図５】本実施形態に係る送信部１２と受信部１３の回路構成の１例を示す概要図である。
【図６】本実施形態に係る超音波探触子２の回路構成と送信電気波形を説明する図であり、図６（ａ）は、回路構成の１例を示す概要図であり、図６（ｂ）は圧電素子に印加される送信電気波形の１例を示す概要図である。
【図７】本実施形態に係る受信電気信号が共振回路４７を通過した後の波形の概要図である。
【図８】本実施形態に係る増幅回路の例である。
【図９】本実施形態に係る送信電気信号の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００１８】
以下に超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作について図１から図３を用いて説明する。図１は、超音波診断装置の外観構成を示す概要図である。図２は、超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。図３は超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す概要図である。
【００１９】
超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波の反射波（エコー、第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体Ｈに対して超音波を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。
【００２０】
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力する操作入力部１１と、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給することで超音波探触子２に超音波を発生させるよう駆動する送信部１２と、超音波探触子２からケーブル３を介して受信信号を受信する受信部１３と、
受信信号の高調波成分に基づいて被検体Ｈ内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する画像処理部１４と、
画像処理部１４で得られた結果等を記憶させる記憶部１７と、画像処理部１４で生成された被検体Ｈ内の内部状態の画像を表示する表示部１５と、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５および記憶部１７とを該機能に応じて制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う制御部１６と、を備えて構成される。
【００２１】
超音波探触子２の一例を、図３を用いて説明する。超音波探触子２は、有機圧電素子アレイ５と無機圧電素子アレイ４とを備えている。
【００２２】
無機圧電素子アレイ４は無機圧電素子を、有機圧電素子アレイ５は有機圧電素子を備え、無機圧電素子は無機圧電材料を主成分とし、有機圧電素子は有機圧電材料を主成分とする。各々圧電現象を利用することによって受信信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる。
【００２３】
超音波探触子２は、被検体Ｈ方向に向かって、平板状の音響制動部材２３と、音響制動部材２３の上に積層された音響整合層３１と、無機圧電素子アレイ４と、音響整合層２６と、有機圧電素子アレイ５と、有機圧電素子アレイ５上に積層される音響整合層２７と、を有する。無機圧電素子アレイ４は被検体Ｈ方向に向かって超音波信号（第１超音波信号とも称す）を送信する圧電素子アレイであり、有機圧電素子アレイ５は被検体Ｈから反射して生成された超音波信号（第２超音波信号とも称す）を受信する圧電素子アレイである。このように、被検体Ｈ方向に向かって、送信用と受信用の圧電素子アレイを積層することで、反射してきた超音波信号を効率よく受信することができるとともに、超音波探触子２の小型に寄与する。
【００２４】
無機圧電素子アレイ４は、複数の無機圧電素子２２と、無機圧電素子２２同士の隙間に音響分離材を充填して作製される音響分離部２４と、無機圧電素子２２上に積層された共通接地電極２５とを有す。
【００２５】
この他、図示しないが、外部からの電気信号を受ける導電パッドが音響制動部材２３の下部に設けられ、導電パッドと無機圧電素子２２の電極とを信号線で接続されている。
【００２６】
音響制動部材２３は、超音波を吸収する材料から構成され、複数の無機圧電素子２２から音響制動部材２３方向へ放射される超音波を吸収するものである。
【００２７】
音響整合層３１は、音響制動部材２３と無機圧電素子２２の各々の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響制動部材２３と無機圧電素子２２の音響インピーダンスの整合を図る。
【００２８】
各無機圧電素子２２は、無機圧電材料から構成される圧電素子１０１における互いに対向する両面にそれぞれ電極１０２、１０３を備えて構成される。複数の無機圧電素子２２は、互いに所定の間隔を空けて平面視にて２次元状に配列され、音響制動部材２３上に配置されている。
【００２９】
複数の無機圧電素子２２は、超音波を送信するように構成されている。より具体的には、複数の無機圧電素子２２には、送信部１２からケーブル３と導電パッドと信号線を介して電気信号が入力される。電気信号は、無機圧電素子２２の電極１０２と電極１０３との間に入力される。複数の無機圧電素子２２は、この電気信号を超音波信号に変換することによって第１超音波信号を送信する。
【００３０】
音響分離部２４は、無機圧電素子２２の音響インピーダンスに比して値が大きく異なる低音響インピーダンス樹脂から構成され、音響インピーダンスが大きく異なることにより、音響分離材として働き、これら複数の無機圧電素子２２の相互干渉を低減する機能を有する。音響分離部２４によって各無機圧電素子２２間におけるクロストークの低減が可能となる。
【００３１】
共通接地電極２５は、導電性の材料から構成され、図略の配線によって接地されており、そして、複数の無機圧電素子２２上にまたがって直線状に積層されることによってこれら無機圧電素子２２における各電極１０３を電気的に接地している。
【００３２】
音響整合層２６は、無機圧電素子アレイ４と有機圧電素子アレイ５の各々の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、無機圧電素子アレイ４と有機圧電素子アレイ５の音響インピーダンスの整合を図る。
【００３３】
音響整合層２７は、有機圧電素子アレイ５の音響インピーダンスと被検体Ｈの音響インピーダンスとの整合をとる部材である。音響整合層２７は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体Ｈに向けて送信される超音波を収束する音響レンズの機能を有する。
【００３４】
有機圧電素子アレイ５は、所定の厚さを持った平板状の有機圧電材料から成る圧電素子１０５と、この圧電素子１０５の一方主面に形成された互いに分離した複数の電極１０６と、この圧電素子１０５の他方主面に略全面に亘って一様に形成された電極１０７とを備えて構成されたシート状の圧電素子である。
【００３５】
複数の電極１０６が圧電素子１０５の一方主面に形成されることによって、有機圧電素子アレイ５は、１個の電極１０７と圧電素子１０５と電極１０６とから成る圧電素子を２次元状に備え、各圧電素子が個別に動作する。
【００３６】
有機圧電素子アレイ５における複数の圧電素子は、個別に機能させるために無機圧電素子２２のように個々に分離する必要がなく、一体的なシート状で構成することが可能である。
【００３７】
図３では、２１で示される部分のように、電極１０７と圧電素子１０５と電極１０６とで形成される部分を一つの各々有機圧電素子、すなわち有機圧電素子２１とみなすことができる。
【００３８】
有機圧電素子２１は、反射波の超音波信号を受信する受信用圧電素子であり、受信した超音波信号を電気信号に変換する。この電気信号は、有機圧電素子２１における電極１０６と電極１０７とから出力される。この電気信号は、ケーブル３を介して受信部１３へ出力される。
【００３９】
無機圧電材料には、例えばＰＺＴ（ジルコニウム酸チタン酸鉛）などの焼結体を分極処理したもの、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３などの単結晶、ＺｎＯ、ＡｌＮなどの薄膜、を用いることができる。無機圧電材料を用いることで、狭い帯域を有する第１超音波信号を送信することができる。これら無機圧電材料は、弾性スティフネスが高く、機械的損失係数が高い、密度が高く誘電率も高いなどの特徴を持っている。中でもＰＺＴを用いることで、高感度、高解像度の超音波信号の送信（受信）を行うことができる。
【００４０】
有機圧電材料には、例えば、フッ化ビニリデンの重合体や、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を用いることができる。フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体の場合、共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化すので、例えば、前者の共重合比が６０〜９９モル％が好ましいが、無機圧電素子と有機圧電素子を重ねる時に使用する有機結合剤の使用方法にもよるので、その最適値は変化する。最も好ましい前者の共重合比の範囲は８５〜９９モル％である。フッ化ビニリデンを８５〜９９モル％にして、パーフルオロアルキルビニルエーテル、パーフルオロアルコキシエチレン、パーフルオロヘキサエチレン等を１〜１５モル％にしたポリマーは、送信用無機圧電素子と受信用有機圧電素子との組み合わせにおいて、送信における基本周波波を抑制して、高調波受信の感度を高めることができる。
【００４１】
フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体は、薄膜化、大面積化等の加工性に比較的優れ、任意の形状、形態の物が作ることができ、弾性率が低い、誘電率が低い等の特徴を持つため、超音波信号を受信する圧電素子としての使用に際しては、高感度な検出を可能とする特徴を持っている。また、これらの有機圧電材料は、高周波特性、広帯域特性を必要とするハーモニックイメージング技術における圧電材料として適している。
【００４２】
この他、例えば、ポリシアノビニリデン、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）のようなジイソシアネート化合物と４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）のようなジアミン化合物よりつくるウレイン基から構成されるポリウレア樹脂等の有機圧電材料も好適である。
【００４３】
次いで、超音波診断装置本体１における送信部１２、受信部１３、および超音波探触子２における回路構成と、被検体に送信する第１超音波信号について説明する。
【００４４】
図４は、送信部１２が生成する送信電気信号の波形の例を示す図である。図５は、送信部１２と受信部１３の回路構成の１例を示す概要図である。図６は、超音波探触子２の回路構成の１例と圧電素子に印加される送信電気信号の波形の１例を示す概要図である。
【００４５】
最初に送信部１２が生成する送信電気信号について説明する。図４（ａ）は従来の超音波診断装置の送信部１２が生成していた送信電気信号の１例である。図４（ｂ）は本実施形態における送信電気信号の例である。
【００４６】
従来の送信電気信号は、少なくとも１周期の矩形波状の電気信号である（第１波形４０とも称す）。これに対して本実施形態における送信電気信号は図４（ｂ）に示すように、第１波形４０に時間的に微小遅れｄｔが経過した後に、付加部分が付加された波形である。付加部分は第１波形４０をなす矩形波と略同じ振幅を有し、位相が略１８０度異なる１周期分の波形（第２波形とも称す）である。微小遅れｄｔは、第１波形と第２波形の１周期分の時間に対して、例えば１０分の１以下の値である。
【００４７】
次に第２波形を生成する送信部１２と、受信部１３の回路構成について説明する。図５において、送信部１と受信部１３とは各々一点差線で囲まれた範囲である。送信部１２と受信部１３とは超音波診断装置本体１と超音波探触子２とを繋ぐケーブル３に接続されている。１つのケーブル３を共有するにあたり、ケーブル３を送信に用いる場合には、制御部１６は、送信部１２のスイッチＳＷ１をＯＮにし受信部１３のスイッチＳＷ２をＯＦＦにする。逆に、ケーブル３を受信に用いる場合には、制御部１６は、送信部１２のスイッチＳＷ１をＯＦＦにし受信部１３のスイッチＳＷ２をＯＮにする。
【００４８】
送信部１２が超音波探触子２に送信する送信電気信号は、例えば二つのＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）４４、４５と、そのＣＭＯＳを駆動するＣＭＯＳドライバ４３を用いて生成される。具体的には、プラスの定圧電源Ｖｃ１、マイナスの定電圧源Ｖｃ２とを用いて、図５に示すような回路配置を採用する。
【００４９】
以下に動作を説明する。制御部１６がＣＭＯＳドライバ４３を制御し、ＣＭＯＳドライバ４３の駆動により、ＣＭＯＳ４４をＯＮにし、ＣＭＯＳ４５をＯＦＦにすると、スイッチＳＷ１を介してケーブル３に接続される地点４６の電位は定電圧源Ｖｃ１と同電位になり、例えば図４（ｂ）における正の電圧値Ｖ０となる。次に、制御部１６がＣＭＯＳドライバ４３を制御し、ＣＭＯＳドライバ４３の駆動により、ＣＭＯＳ４４をＯＦＦにし、ＣＭＯＳ４５をＯＮにすると、地点４６の電位は定電圧源Ｖｃ２と同電位になり、例えば図４（ｂ）における負の電圧値−Ｖ０となる。以上の動作を制御部１６が繰り返すことで、図４（ｂ）に示す矩形の連続波形の送信電気信号である第１波形４０を得ることができる。次に、制御部１６は、制御部１６内に備える図示しないクロックの時間計測値を読み出し、所定のｄｔの時間経過後に、第２波形、すなわち第１波形４０をなす矩形と同じ振幅を有し、位相が１８０度異なる１周期分の波形を、上記の同様に、ＣＭＯＳドライバ４３を制御することで生成する。このように第１波形４０と第２波形４２とからなる送信電気信号４１は、スイッチＳＷ１、ケーブル３を介して超音波探触子２に送信される。超音波探触子２は、図６（ａ）に示すように、送信電気信号４１を送信する無機圧電素子２２、基板５０上のインダクタンスＬおよびスイッチＳＷ３のラインと、有機圧電素子２１およびスイッチＳＷ４のラインとが、一つのケーブル３に接続されている。超音波診断装置本体１から送信される送信電気信号４１は、制御部１６に制御により、スイッチＳＷ３をＯＮ、スイッチＳＷ４をＯＦＦされた後に、インダクタンスＬ、無機圧電素子２２に伝達される。送信電気信号４１は、インダクタンスＬを通過することで、図６（ｂ）に示すような正弦波状の連続波に変換され、無機圧電素子２２に印加される。
【００５０】
無機圧電素子２２においては、正弦波状の電圧印加を受けて、その厚み方向に伸縮し、超音波振動するよう駆動され、正弦波状の強度振幅を有する第１超音波信号を生成して送信する。第１超音波信号は有機圧電素子アレイ５等を伝播して被検体Ｈ方向へ照射される。
【００５１】
第１超音波信号には送信部からの送信電気信号４１に含まれる周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍などの第２高調波成分、第３高調波成分および第４高調波成分なども含まれる。これは、送信部１２からの電気信号自体に高調波成分が含まれることと、圧電素子の応答特性等に依存する。
【００５２】
この被検体Ｈに対して送信された第１超音波信号は、被検体Ｈ内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波である第２超音波信号となる。
【００５３】
第２超音波信号には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高次高調波の周波数成分も含まれる。第２超音波信号、超音波探触子２で受信される。より具体的には、第２超音波信号は、音響整合層２７を介して受信用圧電素子である有機圧電素子２１で受信され、有機圧電素子２１で機械的な振動が受信電気信号に変換されて取り出される。取り出された受信電気信号は、制御部１６により制御されてＯＮにされたスイッチＳＷ４介してケーブル３を通じ、制御部１６で制御される受信部１３で受信される。この時、スイッチＳＷ３は制御部１６に制御によりＯＦＦにされる。受信部１３においては、受信電気信号は制御部１６の制御により、ＯＮにされたスイッチＳＷ２を介して共振回路４７に入力される。この時、スイッチＳＷ１は制御部１６に制御によりＯＦＦにされる。受信電気信号には送信電気信号４１に含まれる基本周波数の他に被検体Ｈの中で第２超音波信号に含まれる高調波成分には、例えば３次高調波成分の電気信号が含まれる。本実施形態に係る超音波診断装置Ｓにおいては、被検体Ｈからの反射波である第２超音波信号における３次高調波成分を解析することで、高精細な超音波画像を得る。そのために、共振回路４７の共振周波数を３次高調波の周波数に合わせる。例えば、図５に示すような公知のＬＣ共振回路を採用した場合、共振周波数はインダクタンスＬとキャパシタＣの値を３次高調波の周波数が共振するように選択する。このようにすることで、３次高調波を共振させて次段に３次高調波のみ伝送し、基本周波数や２次高調波を減衰させることができる。また３次高調波をさらに増幅器ＡＭＰ１に入射されることでより増幅させる。
【００５４】
共振回路４７を通過した受信電気信号の中で３次高調波の周波数を有する受信電気信号の信号波形について図７を用いて説明する。図７は受信電気信号が共振回路４７を通過した後の波形の概要図である。
【００５５】
図７（ａ）から（ｅ）において、横軸は時間、縦軸は受信電気信号の振幅を表す。図７（ａ）は送信用の圧電素子である無機圧電素子に印加される送信電気信号４１がインダクタンスＬを通過した信号である。上記したように送信電気信号４１は実線で表した第１波形４０と点線で表した第２波形４２とに分けられる。
【００５６】
第１波形４０のみが共振回路４７を通過した波形を図７（ｂ）に示す。共振回路４７を通過することで、リンギングＲ１が発生する。このリンギングＲ１は、第１波形４０をなす正弦波と同相の正弦波状である。特にリンギングの最初の波形であるリンギングＲ１１は、第１波形４０をなす正弦波と１８０度位相の異なる第２波形と打ち消しあう関係にある。リンギングＲ１は、振幅を徐々に減少させながら減衰していく。
【００５７】
第２波形４２のみが共振回路４７を通過した波形を図７（ｃ）に示す。共振回路４７を通過することで、リンギングＲ２が発生する。上記のように、第２波形４２は、リンギングＲ１１と打ち消しあう関係にある。また、リンギングＲ２も図７（ｂ）で示したリンギングＲ１におけるリンギングＲ１１より後のリンギングと位相が１８０ずれているので互いに打ち消しあう関係にある。
【００５８】
図７（ｄ）は第１波形４０のみが共振回路４７を通過した波形と、第２波形４２のみが共振回路４７を通過した波形とを重ね合わせた波形である。これらの波形を足し算すると図７（ｅ）のように第１波形のリンギングＲ１が減衰することとなる。このように、第１波形のリンギングＲ１と、第２波形と第２波形のリンギングＲ２とを相殺させ、共振回路４７の出力のリンギングを極めて小さくすることができる。従って、送信部１２が送信電気信号を送信させた後に、引き続いて次に送信電気信号を直ちに送信でき、次の送信電気信号にリンギングによるノイズが重畳されることがないので、高精細な超音波画像を構築することが可能となる。
【００５９】
なお、超音波探触子２は、被検体Ｈの表面上に当接して用いられてもよいし、被検体Ｈ内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。
【００６０】
このように高次高調波成分を抽出した受信部１３の出力は、画像処理部１４に送られる。画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信部１３で受信した受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度などから被検体Ｈ内の内部状態の画像（超音波画像）を生成し、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体Ｈ内の内部状態の画像を表示する。
【００６１】
本実施形態における超音波探触子２および超音波診断装置Ｓでは、上述したように基本波の高調波が受信されるので、いわゆるハーモニックイメージング技術によって超音波画像を形成することが可能となる。このため、本実施形態における超音波探触子２および超音波診断装置Ｓは、より高精度な超音波画像の提供が可能となる。そして、比較的パワーの大きい第３高調波が受信されるので、より鮮明な超音波画像の提供が可能となる。
【００６２】
なお、送信部１２が超音波探触子２に送信する送信電気信号を生成する回路は、図８（ａ）、（ｂ）に示すような回路でもよい。図８は増幅回路の例である。以下に説明する。図８（ａ）の増幅回路は、アンプＡＭＰ２の出力端にトランジスタｔｒ１、ｔｒ２を同図に示す向きで配置した回路である。ここで、Ｖｃ３は正の定電圧、Ｖｃ４は負の定電圧である。このような増幅回路の増幅率は、１＋Ｒ１／Ｒ２となる。同様に図８（ｂ）の増幅回路は、アンプＡＭＰ２の出力端にトランジスタｔｒ３、ｔｒ４を、同図に示す向きで配置した回路であり、Ｖｃ５は正の定電圧、Ｖｃ６は負の定電圧である。このような増幅回路の増幅率は、−Ｒ２／Ｒ１となる。このような増幅回路に所望の波形を生成する図示しない回路の出力を入力して増幅する。例えば、図９（ａ）に示すような時間波形を有する送信電気信号を生成した場合を検討する。図９は送信電気信号の例である。図４（ｂ）で示した送信電気信号は±Ｖ０の振幅を有する矩形波であったが、図９（ａ）に示す送信電気信号は、第１波形４０の振幅が±Ｖ０、第２波形４２の振幅が±Ｖ１であり、Ｖ１はＶ０より大きいとする。
【００６３】
このような送信電気信号の場合、図４（ｂ）で示した送信電気信号の場合に比較して、第１波形のリンギングＲ１と、第２波形と第２波形のリンギングＲ２とが、より良く相殺させ、共振回路４７の出力のリンギングをさらに小さくすることができる。すなわち図９（ｂ）で示すように、図４（ｂ）で示した送信電気信号の場合のリンギング５０に対して、図９（ａ）に示す送信電気信号の場合のリンギング５１の振幅が、より小さくなる効果を有する。
【００６４】
以上のように、本実施形態によれば、送信電気信号を、少なくとも１周期の矩形波状の電気信号である第１波形４０と、位相が１８０度異なる１周期分の電気信号である第２波形とで生成することで、リンギングを極めて小さくすることができる。従って、送信部１２が送信電気信号を送信させた後に、引き続いて次に送信電気信号を直ちに送信でき、次の送信電気信号にリンギングによるノイズが重畳されることがないので、高精細な超音波画像を構築することが可能となる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、前記有機圧電材料に、フッ化ビニリデンの重合体、または、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を採用することで、薄膜化、大面積化等の加工性に比較的優れ、任意の形状、形態の物が作ることができ、弾性率が低い、誘電率が低い等の特徴を持つため、超音波信号を受信する圧電素子としての使用に際しては、高感度な検出を可能とする特徴を持っている。また、これらの有機圧電材料は、高周波特性、広帯域特性を必要とするハーモニックイメージング技術における圧電材料として適している。
【００６６】
また、本実施形態によれば、前記無機圧電材料に、ジルコニウム酸チタン酸鉛を採用することで、高感度、高解像度の超音波信号の送信を行うことができる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、被検体Ｈ方向に向かって、無機圧電素子アレイと有機圧電素子アレイを積層することで、反射してきた第２超音波信号を効率よく受信することができるとともに、超音波探触子２の小型に寄与する。
【符号の説明】
【００６８】
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
３ ケーブル
４ 無機圧電素子アレイ
５ 有機圧電素子アレイ
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
１７ 記憶部
２１ 有機圧電素子
２２ 無機圧電素子
２３ 音響制動部材
２４ 音響分離部
２５ 共通接地電極
２６、２７、３１ 音響整合層
４１ 送信電気信号
４３ ＣＭＯＳドライバ
４７ 共振回路
１０１ 圧電素子
１０２、１０３、１０６、１０７ 電極
１０５ 圧電素子
Ｈ 被検体
Ｓ 超音波診断装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体内に超音波信号を送信し、反射波に基づいて被検体内部の超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。
【０００３】
超音波診断装置には、被検体に対して超音波（超音波信号）を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子は、圧電現象を利用することによって、送信の電気信号に基づいて機械振動して超音波（超音波信号）を発生し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波（超音波信号）の反射波を受けて受信の電気信号を生成する複数の圧電素子を備え、これら複数の圧電素子が例えばアレイ状に２次元配列されて構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波成分によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）技術が研究、開発されている。ハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）が良くなってコントラストが向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。
【０００５】
高調波成分の検出は、超音波探触子が超音波から変換された電気信号を、基本周波数を除去するハイパスフィルタなどに通して実施されている。しかし、高調波成分は、基本波成分に比べてかなり小さいことから、高精細な超音波画像を構築するに十分な信号レベルを得るには、高価で大規模なハイパスフィルタを採用する必要があり、装置の高コスト化と大規模化を招く要因になっている。
【０００６】
この不具合を解決するための提案がなされている。例えば、超音波から変換された電気信号を共振回路を通過させて、高調波成分のみを共振により増幅させる技術がある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０８８０５６号公報
【特許文献２】特開２００７−１８５５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載の技術は、特定の周波数の信号を、共振回路を用いて共振させることで振幅を増幅しているので、共振回路の出力に共振回路の特性に応じたリンギングが発生する。超音波探触子に送信する電気信号は、所定の時間間隔をおいた電気信号の集合であるので、電気信号同士の間に発生するリンギングは、時間的に後の電気信号に重畳されるという不具合が発生する。リンギングが重畳された電気信号は、超音波画像にノイズを発生させるので、高精細な超音波画像の構築を妨げることとなる。
【０００９】
本発明は、共振回路の出力のリンギングの発生を防ぎ、高精細な超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の目的は、下記に記載する発明により達成される。
【００１１】
１．無機圧電材料を主成分とし、送信電気信号を第１超音波信号に変換して、被検体内に送信する複数の圧電素子を有する無機圧電素子アレイと、
所定の周波数の第１電気信号波形と、該第１電気信号波形と略同一の周波数を成し略１８０度位相の異なる第２電気信号波形とを、この順で連続して生成された電気信号である送信電気信号を出力する電気回路を備え、前記送信電気信号を前記圧電素子に印加する送信部と、
有機圧電材料を主成分とし、前記第１超音波信号が前記被検体内において反射して生成された第２超音波信号の高調波成分を受信し、受信電気信号に変換する複数の圧電素子を備える有機圧電素子アレイと、
前記受信電気信号を入力し、前記第２超音波信号の高調波成分を共振周波数とする共振回路を備える受信部と、
前記受信部の出力から前記被検体内の内部状態の画像を生成する画像処理部１４と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【００１２】
２．前記有機圧電材料は、フッ化ビニリデンの重合体、または、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体であることを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。
【００１３】
３．前記無機圧電材料は、ジルコニウム酸チタン酸鉛であることを特徴とする前記１に記載の超音波診断装置。
【００１４】
４．前記無機圧電素子アレイは、前記無機圧電素子アレイが前記被検体に第１超音波信号を送信する方向に、前記有機圧電素子アレイ上に積層されていることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【発明の効果】
【００１５】
超音波探触子における共振回路の出力のリンギングの発生を防ぎ、高精細な超音波画像を構築できる超音波診断装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る超音波診断装置Ｓの外観構成を示す概要図である。
【図２】本実施形態に係る超音波診断装置Ｓの電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態に係る超音波診断装置Ｓにおける超音波探触子２の構成を示す概要図である。
【図４】送信部１２が生成する送信電気信号の波形の例を示す図であり、図４（ａ）は従来の超音波診断装置の送信部１２が生成していた送信電気信号の例であり、図４（ｂ）は本実施形態における送信電気信号の例である。
【図５】本実施形態に係る送信部１２と受信部１３の回路構成の１例を示す概要図である。
【図６】本実施形態に係る超音波探触子２の回路構成と送信電気波形を説明する図であり、図６（ａ）は、回路構成の１例を示す概要図であり、図６（ｂ）は圧電素子に印加される送信電気波形の１例を示す概要図である。
【図７】本実施形態に係る受信電気信号が共振回路４７を通過した後の波形の概要図である。
【図８】本実施形態に係る増幅回路の例である。
【図９】本実施形態に係る送信電気信号の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図面により説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限られるものではない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００１８】
以下に超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作について図１から図３を用いて説明する。図１は、超音波診断装置の外観構成を示す概要図である。図２は、超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。図３は超音波診断装置における超音波探触子の構成を示す概要図である。
【００１９】
超音波診断装置Ｓは、図１に示すように、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、被検体Ｈで反射した超音波の反射波（エコー、第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体Ｈに対して超音波を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。
【００２０】
超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、診断開始を指示するコマンドや被検体Ｈの個人情報等のデータを入力する操作入力部１１と、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給することで超音波探触子２に超音波を発生させるよう駆動する送信部１２と、超音波探触子２からケーブル３を介して受信信号を受信する受信部１３と、
受信信号の高調波成分に基づいて被検体Ｈ内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する画像処理部１４と、
画像処理部１４で得られた結果等を記憶させる記憶部１７と、画像処理部１４で生成された被検体Ｈ内の内部状態の画像を表示する表示部１５と、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５および記憶部１７とを該機能に応じて制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う制御部１６と、を備えて構成される。
【００２１】
超音波探触子２の一例を、図３を用いて説明する。超音波探触子２は、有機圧電素子アレイ５と無機圧電素子アレイ４とを備えている。
【００２２】
無機圧電素子アレイ４は無機圧電素子を、有機圧電素子アレイ５は有機圧電素子を備え、無機圧電素子は無機圧電材料を主成分とし、有機圧電素子は有機圧電材料を主成分とする。各々圧電現象を利用することによって受信信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる。
【００２３】
超音波探触子２は、被検体Ｈ方向に向かって、平板状の音響制動部材２３と、音響制動部材２３の上に積層された音響整合層３１と、無機圧電素子アレイ４と、音響整合層２６と、有機圧電素子アレイ５と、有機圧電素子アレイ５上に積層される音響整合層２７と、を有する。無機圧電素子アレイ４は被検体Ｈ方向に向かって超音波信号（第１超音波信号とも称す）を送信する圧電素子アレイであり、有機圧電素子アレイ５は被検体Ｈから反射して生成された超音波信号（第２超音波信号とも称す）を受信する圧電素子アレイである。このように、被検体Ｈ方向に向かって、送信用と受信用の圧電素子アレイを積層することで、反射してきた超音波信号を効率よく受信することができるとともに、超音波探触子２の小型に寄与する。
【００２４】
無機圧電素子アレイ４は、複数の無機圧電素子２２と、無機圧電素子２２同士の隙間に音響分離材を充填して作製される音響分離部２４と、無機圧電素子２２上に積層された共通接地電極２５とを有す。
【００２５】
この他、図示しないが、外部からの電気信号を受ける導電パッドが音響制動部材２３の下部に設けられ、導電パッドと無機圧電素子２２の電極とを信号線で接続されている。
【００２６】
音響制動部材２３は、超音波を吸収する材料から構成され、複数の無機圧電素子２２から音響制動部材２３方向へ放射される超音波を吸収するものである。
【００２７】
音響整合層３１は、音響制動部材２３と無機圧電素子２２の各々の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響制動部材２３と無機圧電素子２２の音響インピーダンスの整合を図る。
【００２８】
各無機圧電素子２２は、無機圧電材料から構成される圧電素子１０１における互いに対向する両面にそれぞれ電極１０２、１０３を備えて構成される。複数の無機圧電素子２２は、互いに所定の間隔を空けて平面視にて２次元状に配列され、音響制動部材２３上に配置されている。
【００２９】
複数の無機圧電素子２２は、超音波を送信するように構成されている。より具体的には、複数の無機圧電素子２２には、送信部１２からケーブル３と導電パッドと信号線を介して電気信号が入力される。電気信号は、無機圧電素子２２の電極１０２と電極１０３との間に入力される。複数の無機圧電素子２２は、この電気信号を超音波信号に変換することによって第１超音波信号を送信する。
【００３０】
音響分離部２４は、無機圧電素子２２の音響インピーダンスに比して値が大きく異なる低音響インピーダンス樹脂から構成され、音響インピーダンスが大きく異なることにより、音響分離材として働き、これら複数の無機圧電素子２２の相互干渉を低減する機能を有する。音響分離部２４によって各無機圧電素子２２間におけるクロストークの低減が可能となる。
【００３１】
共通接地電極２５は、導電性の材料から構成され、図略の配線によって接地されており、そして、複数の無機圧電素子２２上にまたがって直線状に積層されることによってこれら無機圧電素子２２における各電極１０３を電気的に接地している。
【００３２】
音響整合層２６は、無機圧電素子アレイ４と有機圧電素子アレイ５の各々の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、無機圧電素子アレイ４と有機圧電素子アレイ５の音響インピーダンスの整合を図る。
【００３３】
音響整合層２７は、有機圧電素子アレイ５の音響インピーダンスと被検体Ｈの音響インピーダンスとの整合をとる部材である。音響整合層２７は、円弧状に膨出した形状とされ、被検体Ｈに向けて送信される超音波を収束する音響レンズの機能を有する。
【００３４】
有機圧電素子アレイ５は、所定の厚さを持った平板状の有機圧電材料から成る圧電素子１０５と、この圧電素子１０５の一方主面に形成された互いに分離した複数の電極１０６と、この圧電素子１０５の他方主面に略全面に亘って一様に形成された電極１０７とを備えて構成されたシート状の圧電素子である。
【００３５】
複数の電極１０６が圧電素子１０５の一方主面に形成されることによって、有機圧電素子アレイ５は、１個の電極１０７と圧電素子１０５と電極１０６とから成る圧電素子を２次元状に備え、各圧電素子が個別に動作する。
【００３６】
有機圧電素子アレイ５における複数の圧電素子は、個別に機能させるために無機圧電素子２２のように個々に分離する必要がなく、一体的なシート状で構成することが可能である。
【００３７】
図３では、２１で示される部分のように、電極１０７と圧電素子１０５と電極１０６とで形成される部分を一つの各々有機圧電素子、すなわち有機圧電素子２１とみなすことができる。
【００３８】
有機圧電素子２１は、反射波の超音波信号を受信する受信用圧電素子であり、受信した超音波信号を電気信号に変換する。この電気信号は、有機圧電素子２１における電極１０６と電極１０７とから出力される。この電気信号は、ケーブル３を介して受信部１３へ出力される。
【００３９】
無機圧電材料には、例えばＰＺＴ（ジルコニウム酸チタン酸鉛）などの焼結体を分極処理したもの、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３などの単結晶、ＺｎＯ、ＡｌＮなどの薄膜、を用いることができる。無機圧電材料を用いることで、狭い帯域を有する第１超音波信号を送信することができる。これら無機圧電材料は、弾性スティフネスが高く、機械的損失係数が高い、密度が高く誘電率も高いなどの特徴を持っている。中でもＰＺＴを用いることで、高感度、高解像度の超音波信号の送信（受信）を行うことができる。
【００４０】
有機圧電材料には、例えば、フッ化ビニリデンの重合体や、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を用いることができる。フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体の場合、共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化すので、例えば、前者の共重合比が６０〜９９モル％が好ましいが、無機圧電素子と有機圧電素子を重ねる時に使用する有機結合剤の使用方法にもよるので、その最適値は変化する。最も好ましい前者の共重合比の範囲は８５〜９９モル％である。フッ化ビニリデンを８５〜９９モル％にして、パーフルオロアルキルビニルエーテル、パーフルオロアルコキシエチレン、パーフルオロヘキサエチレン等を１〜１５モル％にしたポリマーは、送信用無機圧電素子と受信用有機圧電素子との組み合わせにおいて、送信における基本周波波を抑制して、高調波受信の感度を高めることができる。
【００４１】
フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体は、薄膜化、大面積化等の加工性に比較的優れ、任意の形状、形態の物が作ることができ、弾性率が低い、誘電率が低い等の特徴を持つため、超音波信号を受信する圧電素子としての使用に際しては、高感度な検出を可能とする特徴を持っている。また、これらの有機圧電材料は、高周波特性、広帯域特性を必要とするハーモニックイメージング技術における圧電材料として適している。
【００４２】
この他、例えば、ポリシアノビニリデン、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）のようなジイソシアネート化合物と４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）のようなジアミン化合物よりつくるウレイン基から構成されるポリウレア樹脂等の有機圧電材料も好適である。
【００４３】
次いで、超音波診断装置本体１における送信部１２、受信部１３、および超音波探触子２における回路構成と、被検体に送信する第１超音波信号について説明する。
【００４４】
図４は、送信部１２が生成する送信電気信号の波形の例を示す図である。図５は、送信部１２と受信部１３の回路構成の１例を示す概要図である。図６は、超音波探触子２の回路構成の１例と圧電素子に印加される送信電気信号の波形の１例を示す概要図である。
【００４５】
最初に送信部１２が生成する送信電気信号について説明する。図４（ａ）は従来の超音波診断装置の送信部１２が生成していた送信電気信号の１例である。図４（ｂ）は本実施形態における送信電気信号の例である。
【００４６】
従来の送信電気信号は、少なくとも１周期の矩形波状の電気信号である（第１波形４０とも称す）。これに対して本実施形態における送信電気信号は図４（ｂ）に示すように、第１波形４０に時間的に微小遅れｄｔが経過した後に、付加部分が付加された波形である。付加部分は第１波形４０をなす矩形波と略同じ振幅を有し、位相が略１８０度異なる１周期分の波形（第２波形とも称す）である。微小遅れｄｔは、第１波形と第２波形の１周期分の時間に対して、例えば１０分の１以下の値である。
【００４７】
次に第２波形を生成する送信部１２と、受信部１３の回路構成について説明する。図５において、送信部１と受信部１３とは各々一点差線で囲まれた範囲である。送信部１２と受信部１３とは超音波診断装置本体１と超音波探触子２とを繋ぐケーブル３に接続されている。１つのケーブル３を共有するにあたり、ケーブル３を送信に用いる場合には、制御部１６は、送信部１２のスイッチＳＷ１をＯＮにし受信部１３のスイッチＳＷ２をＯＦＦにする。逆に、ケーブル３を受信に用いる場合には、制御部１６は、送信部１２のスイッチＳＷ１をＯＦＦにし受信部１３のスイッチＳＷ２をＯＮにする。
【００４８】
送信部１２が超音波探触子２に送信する送信電気信号は、例えば二つのＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）４４、４５と、そのＣＭＯＳを駆動するＣＭＯＳドライバ４３を用いて生成される。具体的には、プラスの定圧電源Ｖｃ１、マイナスの定電圧源Ｖｃ２とを用いて、図５に示すような回路配置を採用する。
【００４９】
以下に動作を説明する。制御部１６がＣＭＯＳドライバ４３を制御し、ＣＭＯＳドライバ４３の駆動により、ＣＭＯＳ４４をＯＮにし、ＣＭＯＳ４５をＯＦＦにすると、スイッチＳＷ１を介してケーブル３に接続される地点４６の電位は定電圧源Ｖｃ１と同電位になり、例えば図４（ｂ）における正の電圧値Ｖ０となる。次に、制御部１６がＣＭＯＳドライバ４３を制御し、ＣＭＯＳドライバ４３の駆動により、ＣＭＯＳ４４をＯＦＦにし、ＣＭＯＳ４５をＯＮにすると、地点４６の電位は定電圧源Ｖｃ２と同電位になり、例えば図４（ｂ）における負の電圧値−Ｖ０となる。以上の動作を制御部１６が繰り返すことで、図４（ｂ）に示す矩形の連続波形の送信電気信号である第１波形４０を得ることができる。次に、制御部１６は、制御部１６内に備える図示しないクロックの時間計測値を読み出し、所定のｄｔの時間経過後に、第２波形、すなわち第１波形４０をなす矩形と同じ振幅を有し、位相が１８０度異なる１周期分の波形を、上記の同様に、ＣＭＯＳドライバ４３を制御することで生成する。このように第１波形４０と第２波形４２とからなる送信電気信号４１は、スイッチＳＷ１、ケーブル３を介して超音波探触子２に送信される。超音波探触子２は、図６（ａ）に示すように、送信電気信号４１を送信する無機圧電素子２２、基板５０上のインダクタンスＬおよびスイッチＳＷ３のラインと、有機圧電素子２１およびスイッチＳＷ４のラインとが、一つのケーブル３に接続されている。超音波診断装置本体１から送信される送信電気信号４１は、制御部１６に制御により、スイッチＳＷ３をＯＮ、スイッチＳＷ４をＯＦＦされた後に、インダクタンスＬ、無機圧電素子２２に伝達される。送信電気信号４１は、インダクタンスＬを通過することで、図６（ｂ）に示すような正弦波状の連続波に変換され、無機圧電素子２２に印加される。
【００５０】
無機圧電素子２２においては、正弦波状の電圧印加を受けて、その厚み方向に伸縮し、超音波振動するよう駆動され、正弦波状の強度振幅を有する第１超音波信号を生成して送信する。第１超音波信号は有機圧電素子アレイ５等を伝播して被検体Ｈ方向へ照射される。
【００５１】
第１超音波信号には送信部からの送信電気信号４１に含まれる周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍などの第２高調波成分、第３高調波成分および第４高調波成分なども含まれる。これは、送信部１２からの電気信号自体に高調波成分が含まれることと、圧電素子の応答特性等に依存する。
【００５２】
この被検体Ｈに対して送信された第１超音波信号は、被検体Ｈ内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波である第２超音波信号となる。
【００５３】
第２超音波信号には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高次高調波の周波数成分も含まれる。第２超音波信号、超音波探触子２で受信される。より具体的には、第２超音波信号は、音響整合層２７を介して受信用圧電素子である有機圧電素子２１で受信され、有機圧電素子２１で機械的な振動が受信電気信号に変換されて取り出される。取り出された受信電気信号は、制御部１６により制御されてＯＮにされたスイッチＳＷ４介してケーブル３を通じ、制御部１６で制御される受信部１３で受信される。この時、スイッチＳＷ３は制御部１６に制御によりＯＦＦにされる。受信部１３においては、受信電気信号は制御部１６の制御により、ＯＮにされたスイッチＳＷ２を介して共振回路４７に入力される。この時、スイッチＳＷ１は制御部１６に制御によりＯＦＦにされる。受信電気信号には送信電気信号４１に含まれる基本周波数の他に被検体Ｈの中で第２超音波信号に含まれる高調波成分には、例えば３次高調波成分の電気信号が含まれる。本実施形態に係る超音波診断装置Ｓにおいては、被検体Ｈからの反射波である第２超音波信号における３次高調波成分を解析することで、高精細な超音波画像を得る。そのために、共振回路４７の共振周波数を３次高調波の周波数に合わせる。例えば、図５に示すような公知のＬＣ共振回路を採用した場合、共振周波数はインダクタンスＬとキャパシタＣの値を３次高調波の周波数が共振するように選択する。このようにすることで、３次高調波を共振させて次段に３次高調波のみ伝送し、基本周波数や２次高調波を減衰させることができる。また３次高調波をさらに増幅器ＡＭＰ１に入射されることでより増幅させる。
【００５４】
共振回路４７を通過した受信電気信号の中で３次高調波の周波数を有する受信電気信号の信号波形について図７を用いて説明する。図７は受信電気信号が共振回路４７を通過した後の波形の概要図である。
【００５５】
図７（ａ）から（ｅ）において、横軸は時間、縦軸は受信電気信号の振幅を表す。図７（ａ）は送信用の圧電素子である無機圧電素子に印加される送信電気信号４１がインダクタンスＬを通過した信号である。上記したように送信電気信号４１は実線で表した第１波形４０と点線で表した第２波形４２とに分けられる。
【００５６】
第１波形４０のみが共振回路４７を通過した波形を図７（ｂ）に示す。共振回路４７を通過することで、リンギングＲ１が発生する。このリンギングＲ１は、第１波形４０をなす正弦波と同相の正弦波状である。特にリンギングの最初の波形であるリンギングＲ１１は、第１波形４０をなす正弦波と１８０度位相の異なる第２波形と打ち消しあう関係にある。リンギングＲ１は、振幅を徐々に減少させながら減衰していく。
【００５７】
第２波形４２のみが共振回路４７を通過した波形を図７（ｃ）に示す。共振回路４７を通過することで、リンギングＲ２が発生する。上記のように、第２波形４２は、リンギングＲ１１と打ち消しあう関係にある。また、リンギングＲ２も図７（ｂ）で示したリンギングＲ１におけるリンギングＲ１１より後のリンギングと位相が１８０ずれているので互いに打ち消しあう関係にある。
【００５８】
図７（ｄ）は第１波形４０のみが共振回路４７を通過した波形と、第２波形４２のみが共振回路４７を通過した波形とを重ね合わせた波形である。これらの波形を足し算すると図７（ｅ）のように第１波形のリンギングＲ１が減衰することとなる。このように、第１波形のリンギングＲ１と、第２波形と第２波形のリンギングＲ２とを相殺させ、共振回路４７の出力のリンギングを極めて小さくすることができる。従って、送信部１２が送信電気信号を送信させた後に、引き続いて次に送信電気信号を直ちに送信でき、次の送信電気信号にリンギングによるノイズが重畳されることがないので、高精細な超音波画像を構築することが可能となる。
【００５９】
なお、超音波探触子２は、被検体Ｈの表面上に当接して用いられてもよいし、被検体Ｈ内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。
【００６０】
このように高次高調波成分を抽出した受信部１３の出力は、画像処理部１４に送られる。画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信部１３で受信した受信信号に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度などから被検体Ｈ内の内部状態の画像（超音波画像）を生成し、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体Ｈ内の内部状態の画像を表示する。
【００６１】
本実施形態における超音波探触子２および超音波診断装置Ｓでは、上述したように基本波の高調波が受信されるので、いわゆるハーモニックイメージング技術によって超音波画像を形成することが可能となる。このため、本実施形態における超音波探触子２および超音波診断装置Ｓは、より高精度な超音波画像の提供が可能となる。そして、比較的パワーの大きい第３高調波が受信されるので、より鮮明な超音波画像の提供が可能となる。
【００６２】
なお、送信部１２が超音波探触子２に送信する送信電気信号を生成する回路は、図８（ａ）、（ｂ）に示すような回路でもよい。図８は増幅回路の例である。以下に説明する。図８（ａ）の増幅回路は、アンプＡＭＰ２の出力端にトランジスタｔｒ１、ｔｒ２を同図に示す向きで配置した回路である。ここで、Ｖｃ３は正の定電圧、Ｖｃ４は負の定電圧である。このような増幅回路の増幅率は、１＋Ｒ１／Ｒ２となる。同様に図８（ｂ）の増幅回路は、アンプＡＭＰ２の出力端にトランジスタｔｒ３、ｔｒ４を、同図に示す向きで配置した回路であり、Ｖｃ５は正の定電圧、Ｖｃ６は負の定電圧である。このような増幅回路の増幅率は、−Ｒ２／Ｒ１となる。このような増幅回路に所望の波形を生成する図示しない回路の出力を入力して増幅する。例えば、図９（ａ）に示すような時間波形を有する送信電気信号を生成した場合を検討する。図９は送信電気信号の例である。図４（ｂ）で示した送信電気信号は±Ｖ０の振幅を有する矩形波であったが、図９（ａ）に示す送信電気信号は、第１波形４０の振幅が±Ｖ０、第２波形４２の振幅が±Ｖ１であり、Ｖ１はＶ０より大きいとする。
【００６３】
このような送信電気信号の場合、図４（ｂ）で示した送信電気信号の場合に比較して、第１波形のリンギングＲ１と、第２波形と第２波形のリンギングＲ２とが、より良く相殺させ、共振回路４７の出力のリンギングをさらに小さくすることができる。すなわち図９（ｂ）で示すように、図４（ｂ）で示した送信電気信号の場合のリンギング５０に対して、図９（ａ）に示す送信電気信号の場合のリンギング５１の振幅が、より小さくなる効果を有する。
【００６４】
以上のように、本実施形態によれば、送信電気信号を、少なくとも１周期の矩形波状の電気信号である第１波形４０と、位相が１８０度異なる１周期分の電気信号である第２波形とで生成することで、リンギングを極めて小さくすることができる。従って、送信部１２が送信電気信号を送信させた後に、引き続いて次に送信電気信号を直ちに送信でき、次の送信電気信号にリンギングによるノイズが重畳されることがないので、高精細な超音波画像を構築することが可能となる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、前記有機圧電材料に、フッ化ビニリデンの重合体、または、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体を採用することで、薄膜化、大面積化等の加工性に比較的優れ、任意の形状、形態の物が作ることができ、弾性率が低い、誘電率が低い等の特徴を持つため、超音波信号を受信する圧電素子としての使用に際しては、高感度な検出を可能とする特徴を持っている。また、これらの有機圧電材料は、高周波特性、広帯域特性を必要とするハーモニックイメージング技術における圧電材料として適している。
【００６６】
また、本実施形態によれば、前記無機圧電材料に、ジルコニウム酸チタン酸鉛を採用することで、高感度、高解像度の超音波信号の送信を行うことができる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、被検体Ｈ方向に向かって、無機圧電素子アレイと有機圧電素子アレイを積層することで、反射してきた第２超音波信号を効率よく受信することができるとともに、超音波探触子２の小型に寄与する。
【符号の説明】
【００６８】
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
３ ケーブル
４ 無機圧電素子アレイ
５ 有機圧電素子アレイ
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像処理部
１５ 表示部
１６ 制御部
１７ 記憶部
２１ 有機圧電素子
２２ 無機圧電素子
２３ 音響制動部材
２４ 音響分離部
２５ 共通接地電極
２６、２７、３１ 音響整合層
４１ 送信電気信号
４３ ＣＭＯＳドライバ
４７ 共振回路
１０１ 圧電素子
１０２、１０３、１０６、１０７ 電極
１０５ 圧電素子
Ｈ 被検体
Ｓ 超音波診断装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機圧電材料を主成分とし、送信電気信号を第１超音波信号に変換して、被検体内に送信する複数の圧電素子を有する無機圧電素子アレイと、
所定の周波数の第１電気信号波形と、該第１電気信号波形と略同一の周波数を成し略１８０度位相の異なる第２電気信号波形とを、この順で連続して生成された電気信号である送信電気信号を出力する電気回路を備え、前記送信電気信号を前記圧電素子に印加する送信部と、
有機圧電材料を主成分とし、前記第１超音波信号が前記被検体内において反射して生成された第２超音波信号の高調波成分を受信し、受信電気信号に変換する複数の圧電素子を備える有機圧電素子アレイと、
前記受信電気信号を入力し、前記第２超音波信号の高調波成分を共振周波数とする共振回路を備える受信部と、
前記受信部の出力から前記被検体内の内部状態の画像を生成する画像処理部１４と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記有機圧電材料は、フッ化ビニリデンの重合体、または、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記無機圧電材料は、ジルコニウム酸チタン酸鉛であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記無機圧電素子アレイは、前記無機圧電素子アレイが前記被検体に第１超音波信号を送信する方向に、前記有機圧電素子アレイ上に積層されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【請求項１】
無機圧電材料を主成分とし、送信電気信号を第１超音波信号に変換して、被検体内に送信する複数の圧電素子を有する無機圧電素子アレイと、
所定の周波数の第１電気信号波形と、該第１電気信号波形と略同一の周波数を成し略１８０度位相の異なる第２電気信号波形とを、この順で連続して生成された電気信号である送信電気信号を出力する電気回路を備え、前記送信電気信号を前記圧電素子に印加する送信部と、
有機圧電材料を主成分とし、前記第１超音波信号が前記被検体内において反射して生成された第２超音波信号の高調波成分を受信し、受信電気信号に変換する複数の圧電素子を備える有機圧電素子アレイと、
前記受信電気信号を入力し、前記第２超音波信号の高調波成分を共振周波数とする共振回路を備える受信部と、
前記受信部の出力から前記被検体内の内部状態の画像を生成する画像処理部１４と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記有機圧電材料は、フッ化ビニリデンの重合体、または、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記無機圧電材料は、ジルコニウム酸チタン酸鉛であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記無機圧電素子アレイは、前記無機圧電素子アレイが前記被検体に第１超音波信号を送信する方向に、前記有機圧電素子アレイ上に積層されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２１３９０３（Ｐ２０１０−２１３９０３Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６４１１６（Ｐ２００９−６４１１６）
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
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