生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_超音波プローブ及び超音波診断装置 |
| 出願番号： | 2009200372 |
| 年次： | 2011 |
| IPC分類： | A61B 8/00,G01N 29/24,H04R 17/00,H04R 3/00 |
特許情報キャッシュ
林 健一 大澤 敦 JP 2011050471 公開特許公報(A) 20110317 2009200372 20090831 超音波プローブ及び超音波診断装置 富士フイルム株式会社 306037311 小林 和憲 100075281 林 健一 大澤 敦 A61B 8/00 20060101AFI20110218BHJP G01N 29/24 20060101ALI20110218BHJP H04R 17/00 20060101ALI20110218BHJP H04R 3/00 20060101ALI20110218BHJP JPA61B8/00G01N29/24H04R17/00 330YH04R3/00 330 4 1 ＯＬ 9 2G047 4C601 5D019 2G047EA08 2G047EA11 2G047GF06 2G047GF10 4C601EE06 4C601EE10 4C601HH04 5D019BB03 5D019FF04 本発明は、超音波を送受信する振動子を備えた超音波プローブと、超音波プローブに超音波を送受信させる超音波観測器を備えた超音波診断装置とに関する。 被検者に送信した超音波の反射波を受信し、反射波の強弱を輝度に変換して画像を生成する超音波パルス反射法を用いた医療機器として、超音波診断装置が知られている。超音波診断装置は、先端部内に振動子を備えた超音波プローブと、振動子に超音波を発生させ、振動子が受信した超音波を画像化する超音波観測器とから構成されている。 超音波観測器は、ケーブルを介して接続された超音波プローブの振動子に駆動信号を入力する。振動子は、超音波観測器から入力された駆動信号に基づいて超音波を発生する。振動子が発生した超音波は、被検者の体内に向けて送信され、音響インピーダンスの境界で反射し、振動子により反射波が受信される。振動子は、受信した反射波の強弱に応じたエコー信号を発生する。超音波観測器は、エコー信号の強弱を輝度に変換して画像を生成する。 振動子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと呼ぶ）等の強誘電体に分極処理を施して圧電性が付与された圧電セラミックス等からなる。分極処理とは、強誘電体に高電界を印加して自発分極の向きを揃え、残留分極を持たせる処理であり、分極処理後のＰＺＴは、図５に示すようなヒステリシス特性を有している。強誘電体は、自身が有する分極方向と逆方向の電界が、ある一定以上の大きさで加えられると自発分極が弱まり（脱分極またはデポールという）、抗電界Ｅｃ以上の逆電界が加えられると完全に脱分極され、自発分極は消失し、変位能、受信能を失ってしまう。そのため、超音波観測器から振動子に供給される駆動信号の電圧は、振動子に印加される電界が、振動子の自発分極と逆方向について抗電界を超えないように設定されている。 超音波診断装置には、体内のより深部を高精細な画像で確かな診断を行いたいという要求から、高分解能及び高感度であることが望まれており、これらの性能を実現するため様々な発明がなされている。例えば、高分解能を得るため、振動子の駆動信号として一般的なユニポーラパルス（図６参照）に代えて、バイポーラパルス（図２参照）を用いた超音波診断装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。 バイポーラパルスは、最初のパルスによる振動子の振動を次の逆極性のパルスが打ち消すように印加される。このため、バイポーラパルスに基づく超音波は、ユニポーラパルスのそれよりも発振時間が短くなり、ユニポーラパルスの場合の冗長部分をカットしたものとなる。バイポーラパルスに基づく超音波は、周波数分析にかけてスペクトル図を描くと、ユニポーラのそれよりも広帯域である。したがって、画像の分解能を向上させることができる。 また、感度を向上させて高いペネトレーション（深達度ともいう）を得るため、電気機械結合係数が高く、超音波及び反射波の送受信能力に優れた圧電体単結晶からなる振動子を用いた超音波診断装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。特開２０００−００５１８０号公報特開２０００−０１４６７２号公報 高分解能及び高感度を両立するため、圧電体単結晶からなる振動子をバイポーラパルスによって駆動させることが考えられている。しかし、図３に示すように、圧電体単結晶は、抗電界Ｅｃ、−Ｅｃの範囲がＰＺＴのような圧電体セラミックスに比べて狭いため、電圧幅が広いバイポーラパルスでは余計に脱分極が発生しやすくなる。脱分極を防止するには、抗電界を超えないように駆動信号の電圧を低くせざるをえないが、振動子から送信される超音波のパワーが弱くなり、ペネトレーションが低下してしまう。 本発明の目的は、圧電体単結晶からなる振動子を脱分極させることなく低電圧のバイポーラパルスによって駆動し、高いペネトレーションを得ることにある。 本発明の超音波プローブは、圧電体単結晶からなる振動子であって、超音波観測器の送信回路から供給されたバイポーラパルスにより超音波を発生し、反射波を受信してエコー信号を出力する振動子と、電気容量性の伝送線路を介さずに振動子に直接接続されてエコー信号を増幅する増幅手段とを備えている。 圧電体単結晶は、少なくともチタン酸鉛を含み、Ｐｂ［（Ｂ１，Ｂ２）１−ＸＴｉＸ］Ｏ３にて表される固溶系圧電体単結晶であって、Ｘが０．０５〜０．５５であり、Ｂ１がＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙｂのいずれか１つであり、Ｂ２がＮｂあるいはＴａのいずれか一方である。 振動子の使用電界強度は、２５０Ｖ／ｍｍ以下であることが好ましい。 本発明の超音波診断装置は、上述した超音波プローブと、この超音波プローブにバイポーラパルスを出力する送信回路、及び超音波プローブによって増幅されたエコー信号を受信する受信回路を有する超音波観測器とを備えている。 本発明によれば、圧電体単結晶からなる振動子をバイポーラパルスで駆動させ、電気容量性の伝送線路を介さずに増幅手段と振動子を直接接続するので、振動子と増幅手段間のエコー信号の減衰が低減され、振動子に脱分極が発生しないよう低電圧で駆動させてもペネトレーションを向上させることができる。 圧電体単結晶として、チタン酸鉛を含む様々な種類のものを用いることができるので、超音波プローブの用途やコスト等を考慮して最適な圧電体単結晶を選定することができる。 また、圧電体単結晶の抗電界を考慮して使用電界強度を規定したので、振動子に脱分極が発生することはない。本発明の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。バイポーラパルスの一例を示すグラフである。圧電体単結晶のヒステリシス特性を示すグラフである。診断部位に応じた超音波の使用周波数を示す表である。ＰＺＴのヒステリシス特性を示すグラフである。ユニポーラパルスの一例を示すグラフである。 以下、本発明を実施した超音波診断装置の実施形態について説明する。図１に示すように、超音波診断装置１０は、超音波プローブ１１と、超音波観測器１２とを備えている。超音波プローブ１１は、例えば、被検者の体表面に先端部が当接される体外式のものであり、被検者の体表面から体内に向けて超音波を送信し、音響インピーダンスの境界で反射した反射波を受信する。超音波観測器１２は、超音波プローブ１１に超音波を送信させ、超音波プローブ１１が反射波を受信して出力したエコー信号を画像化する。 超音波プローブ１１の先端部には、振動子アレイ１４が配設されている。振動子アレイ１４には、例えば、凸状に形成された支持体上に、１次元または２次元アレイ状に複数の振動子１５が配列されたコンベックス電子走査方式が採用されている。 振動子１５は、分極処理を施して圧電性を付与した圧電体単結晶からなり、超音波観測器１２から供給された駆動信号に基づいて超音波を発生し、反射波を受信してエコー信号を出力する。圧電体単結晶は、ＰＺＴに比べて極めて高い電気機械結合係数を有し、超音波の送受信能力に優れている。 振動子１５に用いられる圧電体単結晶には、Ｐｂ［（Ｂ１，Ｂ２）１−ＸＴｉＸ］Ｏ３の一般式にて表された、少なくともチタン酸鉛を含む固溶系圧電体単結晶が用いられている。前記一般式のＸは、０．０５〜０．５５であることが好ましく、Ｂ１はＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙｂのいずれか１つであり、Ｂ２がＮｂあるいはＴａのいずれか一方であることが好ましい。 上記条件に該当する固溶系圧電体単結晶として、例えば、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛（Ｐｂ［（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｔｉ］Ｏ３）（ＰＺＮＴ）、あるいはマグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛（Ｐｂ［（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｔｉ］Ｏ３）（ＰＭＮＴ）等の２成分系単結晶を用いることができる。なお、上記一般式においてＸを０．０５〜０．５５の範囲に規定しているのは、圧電体単結晶のキュリー温度及び電気機械結合係数を一定以上に維持するためである。また、ＰＺＴの単結晶を用いてもよい。 振動子１５に用いる圧電体単結晶は、例えば固相エピタキシー法（ＳＰＥ法）によって作製するのが好ましい。固相エピタキシー法は、基材上にイオン注入や蒸着等によって形成された非晶質層を比較的低温で熱処理し、固相のままエピタキシャル薄膜を成長させる方法であり、安価に圧電体単結晶を作製することができる。なお、固相エピタキシー法を用いて作製された圧電体単結晶は、分極処理後の抗電界がその他の方法により作製されたものよりも低くなるが、本実施形態では振動子１５を脱分極が発生しない低電圧で駆動するため、問題は生じない。 振動子１５は、上記圧電体単結晶の対向する２面を一対の電極１６で挟んでいる。一方の電極１６は、各振動子１５の共通電極であり、グランドに接続されている。他方の電極１６には、第１共通伝送路１７が接続されている。第１共通伝送路１７は、超音波観測器１２から供給された駆動信号、及び振動子１５が発生したエコー信号を伝送する。 第１共通伝送路１７の後段には、第１スイッチ１９の一端が接続されている。第１スイッチ１９の二股に分岐した他端には、第１、第２分岐伝送路２０、２１がそれぞれ接続されている。第１スイッチ１９は、第１、第２分岐伝送路２０、２１のうち、第１共通伝送路１７に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。 第１、第２分岐伝送路２０、２１は、それぞれ駆動信号とエコー信号を伝送する。第２分岐伝送路２１には、エコー信号を増幅するプリアンプ２３が介挿されている。プリアンプ２３は、例えば、エミッタフォロア回路を構成するトランジスタからなる。 第１、第２分岐伝送路２０、２１は、プリアンプ２３の後段で第２スイッチ２５の２つの分岐端にそれぞれ接続している。第２スイッチ２５の他端には、駆動信号及びエコー信号を伝送する第２共通伝送路２６が接続されている。第２スイッチ２５は、第１スイッチ１９に連動して、第１、第２分岐伝送路２０、２１のうち、第２共通伝送路２６に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。 第２共通伝送路２６は、その途中からシールド線２８となり、複数本が束ねられてケーブル２９となっている。ケーブル２９は、一般的な体外式で１〜２ｍ、内視鏡の先端に振動子を内蔵した超音波内視鏡では３．５ｍ程の長さとなる。ケーブル２９の後端には、コネクタ部（図示せず）が設けられており、このコネクタ部を超音波観測器１２のソケット部（図示せず）に差し込むことにより、超音波プローブ１１と超音波観測器１２とが電気的に接続される。 第１共通伝送路１７及び第２分極伝送路２１は、数ｍの長さを有するケーブル２９と比べて極めて短く、電気容量及びその線抵抗による電圧降下量も微小である。したがって、プリアンプ２３は、伝送線路を介さずに振動子１５と直接接続しているのにほぼ等しい状態となる。 超音波観測器１２のソケット部は、マルチプレクサ（以下、ＭＵＸと表記する。）３１に接続されている。ＭＵＸ３１は、振動子アレイ１４の中から駆動させる振動子１５を選択的に切り替える。 ＭＵＸ３１には、第３スイッチ３３の一端に接続されている。第３スイッチ３３の２つの分岐端には、超音波を発生させるための駆動信号を出力するパルサ３４と、エコー信号を受信するレシーバ３５とがそれぞれ接続されている。第３スイッチ３３は、第１スイッチ１９及び第２スイッチ２５に連動して、パルサ３４、レシーバ３５が繋がれた分岐伝送路のうち、第２共通伝送路２６に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。 第１〜第３スイッチ１９、２５、３３は、切り替え制御信号を外部から入力する必要のない、決まった方向に電力を伝送するサーキュレータなどの電子スイッチからなる。振動子１５から被観察部位に超音波を照射する際には、図示のように第１〜第３スイッチ１９、２５、３３が第１分岐伝送路２０、パルサ３４に接続し、被観察部位からの反射波を受信する際には、第１〜第３スイッチ１９、２５、３３が第２分岐伝送路２１、レシーバ３５に接続する。 なお、第１〜第３スイッチ１９、２５、３３は、実際には第１、第２分岐伝送路２０、２１、パルサ３４及びレシーバ３５に繋がる伝送路の両方と接続しており、パルサ３４を起点として、第２共通伝送路２６から第１分岐伝送路２０、第１共通伝送路１７を通って振動子１５に至る駆動信号を伝送する方向と、振動子１５を起点として、第１共通伝送路１７から第２分岐伝送路２１、第２共通伝送路２６を通ってレシーバ３５に至るエコー信号を伝送する方向の２つの決まった方向にのみ電力を伝送する。 パルサ３４は、図２に示すように、駆動信号として双極性のバイポーラパルスを発生し、振動子１５に印加する。バイポーラパルスは、最初のパルスによる振動子１５の振動を次の逆極性のパルスが打ち消すように印加されるので、バイポーラパルスに基づく超音波は、ユニポーラパルスのそれよりも発振時間が短くなり、ユニポーラパルスの場合の冗長部分をカットしたものとなる。バイポーラパルスに基づく超音波は、周波数分析にかけてスペクトル図を描くと、ユニポーラのそれよりも広帯域になるので、画像の分解能を向上させることができる。 図３に示すように、圧電体単結晶からなる振動子１５は、図５に示すＰＺＴよりも抗電界Ｅｃ、−Ｅｃの範囲が狭いので、脱分極が発生しやすいという性質を有している。例えば、圧電体単結晶の抗電界｜Ｅｃ｜は３５０Ｖ／ｍｍであり、ＰＺＴの抗電界｜Ｅｃ｜は１ｋＶ／ｍｍである。したがって、パルサ３４から出力されるバイポーラパルスは、振動子１５に脱分極が発生しないように、従来のＰＺＴからなる振動子よりも低電圧となっている。 本実施形態では、例えば、振動子１５が２５６個、第３スイッチ３３、パルサ３４及びレシーバ３５からなる送受信回路が４８個設けられている。ＭＵＸ３１は、２５６個の振動子１５のうち、隣り合う４８個の振動子１５を１つのブロックとして同時に駆動させるように、パルサ３４に接続された伝送路を選択し、駆動信号及びエコー信号の１回の送受信毎に、駆動させる振動子１５を１〜数個ずつずらしていく。 パルサ３４にはタイミングコントローラ３７が、レシーバ３５にはメモリ３８がそれぞれ接続されている。タイミングコントローラ３７は、ＣＰＵ３９の制御の下に、駆動信号を発生させるためのタイミング信号をパルサ３４に出力する。パルサ３４は、タイミング信号に基づいて、振動子１５に駆動信号を送信する。メモリ３８は、レシーバ３５で受信されたエコー信号を一旦格納する。 メモリ３８には、位相整合演算部４０が接続されている。位相整合演算部４０は、ＣＰＵ３９の制御の下に、メモリ３８からの各エコー信号に対して、時間差に応じた遅延を与えた後、各エコー信号を加算する。 位相整合演算部４０から出力された加算されたエコー信号は、検波、Ｌｏｇ圧縮後、表示画像演算部４２に入力される。表示画像演算部４２は、位相整合演算部４０からの信号に各種画像処理を施した後、テレビ信号の走査方式（ＮＴＳＣ方式）に変換する。表示画像演算部４２によりＮＴＳＣ方式に変換された信号は、アナログ信号に変換され、モニタ４３に超音波画像として表示される。 次に、上記実施形態の作用について説明する。超音波プローブ１１は、先端部が被検者の体表面に当接される。超音波観測器１２では、ＣＰＵ３９の制御の下に、ＭＵＸ３１により駆動すべき振動子１５に接続した第２共通伝送路２６が選択され、タイミングコントローラ３７からのタイミング信号によりパルサ３４から駆動信号が発せられる。 バイポーラパルスからなる駆動信号は、第２共通伝送路２６、第１分岐伝送路２０、第１共通伝送路１７を通って、振動子１５に伝送される。振動子１５は、バイポーラパルスにより励振され、これにより、振動子１５から被観察部位に向けて超音波が送信される。 被観察部位に送信された超音波は、被検者の体内において、音響インピーダンスの境界で反射される。振動子１５は、反射波を受信し、その強度に応じてエコー信号を出力する。エコー信号は、第１共通伝送路１７、第２分岐伝送路２１を通り、プリアンプ２３により増幅され、第２共通伝送路２６を通ってレシーバ３５に受信される。 駆動信号のバイポーラパルスは、振動子１５の脱分極を防止するため、従来のＰＺＴからなる振動子に供給されるものよりも低電圧となっている。したがって、振動子１５から送信される超音波は、ＰＺＴからなる振動子を用いた従来の診断装置よりも弱くなり、エコー信号も小さくなってしまう。しかし、本実施形態では、振動子１５から出力された直後のエコー信号を振動子１５に直接接続したプリアンプ２３により増幅しているので、振動子１５を低電圧駆動させてもその分の感度低下をエコー信号の減衰を低減させることで補うことができ、ペネトレーションを向上させることができる。 プリアンプ２３を超音波観測器１２に設け、ケーブル２９を介して超音波観測器１２に伝送した後にエコー信号を増幅すると、ケーブル２９の電気容量によってエコー信号が減衰してしまうため、プリアンプ２３による増幅率を大きくしなければならない。信号の増幅率を大きくするとノイズも大きくなってしまうため、本実施形態のように、振動子１５に直結されたプリアンプ２３によってエコー信号を増幅するのが最も効果的である。 駆動信号及びエコー信号の１回の送受信が終了すると、ＭＵＸ３１により駆動させる振動子１５が切り替えられて上記同様の処理が施され、被観察部位に超音波が走査される。 レシーバ３５で受信されたエコー信号は、メモリ３８に一旦格納される。メモリ３８に格納されたエコー信号は、ＣＰＵ３９の制御の下に、位相整合演算部４０で時間差に応じた遅延がかけられて加算される。位相整合演算部４０で加算されたエコー信号は、検波、Ｌｏｇ圧縮後、表示画像演算部４２によりＮＴＳＣ方式に変換され、アナログ信号に変換されてモニタ４３に超音波画像として表示される。 図５に示すように、超音波プローブ１１から被検者に送信する超音波の周波数は診断部位によって異なっており、例えば、腹部の診断では３．５ＭＨｚの超音波が使用され、乳腺または表皮の診断では１０ＭＨｚの超音波が使用される。周波数は、バイポーラパルスのパルス幅や繰返し周期、振動子１５の膜厚等によって調整されるため、バイポーラパルスの電圧が同じであっても、振動子１５に印加される電界強度は、超音波が高周波になるほど高くなる。 例えば、振動子１５に供給されるバイポーラパルスの電圧が１００Ｖであるとき、乳腺または表皮の診断では振動子１５に１０００Ｖ／ｍｍの電界強度が印加され、心臓の診断では、振動子１５に６６０Ｖ／ｍｍの電界強度が印加される。腹部の診断では、振動子１５に印加される電界強度が３００Ｖ／ｍｍであるため問題ないが、乳腺または表皮を診断する場合には、振動子１５に印加される電界強度が抗電界｜Ｅｃ｜＝３５０Ｖ／ｍｍ以下となるようにバイポーラパルスの電圧を設定しなければならない。 図５の表の最下段に示すように、バイポーラパルスの電圧が２５Ｖであれば、乳腺または心臓の診断時に振動子１５に印加される電界強度が２５０Ｖ／ｍｍとなる。この電界強度は、圧電体単結晶の抗電界｜Ｅｃ｜＝３５０Ｖ／ｍｍ以下となるため、振動子１５に脱分極が発生することはなく、圧電体単結晶からなる振動子１５の使用電界強度として好ましい。 上記実施形態では、圧電体単結晶として２成分系単結晶を用いたが、例えば、インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛（ＰＩＭＮＴ）、スカンジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛（ＰＺＭＮＴ）等の３成分系単結晶を用いてもよい。また、圧電体単結晶の作製に固相エピタキシー法を用いたが、その他の固相法、または気相法あるいは液相法を用いて圧電体単結晶を作製してもよい。 上記実施形態では、超音波パルス反射法を用いた体外式の超音波診断装置を例に説明したが、ドプラ法を用いた超音波診断装置、体内式の超音波診断装置にも適用可能である。また、複数の振動子からなる振動子アレイではなく、１個の振動子を機械的に移動させる機械走査式の超音波プローブ、無線プローブにも適用可能である。更には、ＭＵＸ、パルサ及びレシーバを超音波プローブに内蔵した場合でも上記実施形態と同様の効果をえることができる。 １０ 超音波診断装置 １１ 超音波プローブ １２ 超音波観測器 １５ 振動子 ２３ プリアンプ ２９ ケーブル ３４ パルサ ３５ レシーバ 圧電体単結晶からなる振動子であって、超音波観測器の送信回路から供給されたバイポーラパルスにより超音波を発生し、反射波を受信してエコー信号を出力する複数の前記振動子と、 前記振動子に接続されて前記エコー信号を増幅する増幅手段とを備えたことを特徴とする超音波プローブ。 前記圧電体単結晶は、少なくともチタン酸鉛を含み、Ｐｂ［（Ｂ１，Ｂ２）１−ＸＴｉＸ］Ｏ３にて表される固溶系圧電体単結晶であり、前記Ｘが０．０５〜０．５５であり、前記Ｂ１がＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙｂのいずれか１つであり、前記Ｂ２がＮｂあるいはＴａのいずれか一方であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。 前記振動子の使用電界強度が２５０Ｖ／ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の超音波プローブ。 請求項１〜３いずれか記載の前記超音波プローブと、 前記超音波プローブにバイポーラパルスを出力する送信回路、及び前記超音波プローブによって増幅されたエコー信号を受信する受信回路を有する超音波観測器とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。 【課題】圧電体単結晶からなる振動子を脱分極させることなく低電圧のバイポーラパルスによって駆動し、かつ高いペネトレーションを得る。【解決手段】超音波プローブ１１の先端部内に、圧電体単結晶からなる複数の振動子１５を配列し、各振動子１５にプリアンプ２３を接続する。各振動子１５は、超音波観測器１２のパルサ３４から供給された低電圧のバイポーラパルスにより駆動され、脱分極を生じることなく超音波を発生する。振動子１５が反射波を受信して出力したエコー信号は、プリアンプ２３により増幅されて超音波観測器１２に伝送されるので、ケーブル２９の電気容量による影響を受けることがなく、ペネトレーションの向上を図ることができる。【選択図】図１