本発明は、超音波プローブおよび超音波装置に関する。

従来、超音波の送受信を行う超音波プローブとして、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子が一般的に利用されている。 近年では、静電容量型の超音波変換素子であるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を用いた超音波プローブが研究されている。

ＣＭＵＴは、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）プロセスを用いて作られる構造である。 ＣＭＵＴは、軽量の振動膜を用いて超音波を送信または受信する構成を取っており、液体中及び気体中でも優れた広帯域特性を得ることができる。 このＣＭＵＴを利用することで、従来の医用画像診断モダリティよりも高精度な超音波診断が可能になるとして注目されている。

ＣＭＵＴは、前段の静電容量型の超音波変換素子と後段の電気回路の組み合わせにより、受信した超音波を電気信号（すなわち受信信号）に変換して出力する。 ここで、前段の超音波変換素子の出力信号は、静電容量の時間変動による電流出力となっているので、後段の電気回路として、電流−電圧変換の増幅回路を用いることが一般的である（特許文献１参照）。

一方、生体等の被検体に超音波を送信し、その反射波より得られる受信信号に基づいて被検体の特性情報を画像化する超音波診断装置において、診断目的に応じて異なるスキャン方式のプローブが使い分けられる。 スキャン方式として例えば、コンベックス、リニア、セクタ、２Ｄアレイ等がある。 それと同様に、ＰＺＴ、ＣＭＵＴ等の異なる送受信の信号特性を持った超音波プローブについても、診断目的に応じて使い分けることが考えられている。

ＰＺＴ用のプローブを用いる超音波診断装置では、プローブ接続用のコネクタ部で単素子ごとの送信信号と受信信号を混合することによって、プローブケーブルの配線数を１／２に減らす構造が一般的に使われている。

このコネクタ部にＣＭＵＴ用のプローブを接続した際、送信側の駆動信号に受信回路の入力電圧よりも高い電圧を使用していることから、受信側に実装されている電流−電圧変換増幅回路の入出力に保護回路を設ける必要があった。 すなわち、上記特許文献２に記載の従来例のように、送信と受信を切換えるタイミングで、切換え制御信号を使ってプローブ内部のスイッチを切換えることで、増幅回路に過電圧がかからないよう保護する方式を用いていた。

しかしながら、素子ごとに個別に切換えタイミングを変える必要のある装置では、制御信号が素子数と同じ数だけ必要となるので、プローブケーブルの配線数が増えてしまうという問題が有った。 また、超音波診断装置のＰＺＴ用に構成されたコネクタ部には、送受信の切換え制御信号が含まれていないので、ＣＭＵＴ用のプローブを接続する際は専用のコネクタ部を別途用意しなければならないという問題が有った。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電素子用の超音波プローブとＣＭＵＴ用の超音波プローブを共通のケーブルで使用するための技術を提供することにある。

本発明は以下の構成を採用する。 すなわち、
電気信号である送信信号の入力に応じて超音波を送信する送信手段と、
送信された前記超音波の反射波を電気信号に変換して受信信号とする受信手段と、
前記受信信号を増幅する増幅手段と、
前記送信信号が送出されている期間は、前記送信信号が通過する経路から前記増幅手段を遮断する信号検知切換え手段と、
を有することを特徴とする超音波プローブである。

本発明によれば、圧電素子用の超音波プローブとＣＭＵＴ用の超音波プローブを共通のケーブルで使用するための技術を提供することができる。

本発明の超音波診断装置の構成の概要を示す図。

超音波診断装置にＰＺＴ用のプローブを接続した図。

従来の超音波診断装置にＣＭＵＴ用プローブを接続した図。

第１の実施例に係る超音波診断装置を説明する図。

第２の実施例に係る超音波診断装置を説明する図。

第３の実施例に係る超音波診断装置を説明する図。

以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。 ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状及びそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

本発明は、超音波の送受信を行う超音波プローブと、生体に超音波を送信して得られる受信信号により被検体の特性情報を画像化する超音波診断装置に関するものである。

より詳細には、本発明の装置は、被検体に超音波プローブから超音波を送信し、被検体内部で反射した反射波（エコー波）を受信して、被検体内の特性情報を画像データとして取得する超音波エコー技術を利用する装置である。 このとき取得される被検体内の特性情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報である。
本発明でいう超音波とは、一種の弾性波であり、音波、超音波、音響波などと呼ばれるものを含む。

本発明に係る超音波装置は、典型的には、生体である被検体の特性情報を取得して診断に用いる超音波診断装置として実現される。 以下の記載では、かかる超音波診断装置を取り上げて説明する。 また、プローブに用いる圧電素子の例としてＰＺＴを取り上げて説明するが、圧電素子の種類はこれに限られない。 また以下の説明で、ＣＭＵＴとは静電容量型の超音波変換素子を指す。

＜実施例１＞
図１は、本発明の特徴を最もよく表す超音波診断装置のブロック図である。 同図において、符号１は超音波診断装置の主制御を司るＣＰＵ、符号２は超音波の送受信に関わるビームフォーミング制御を行う送受信制御部である。 符号５は超音波を発生させ反射エコーを検出する仕組みを持つ超音波プローブ、符号３はプローブを駆動して超音波を発生させる送信部、符号４はプローブで検出した受信データを処理する受信部、符号６は信号伝達ケーブルである。 さらに、符号７は反射エコー波からの形態情報を算出する画像処理部、符号８はスキャンコンバートを行う表示制御部、符号９は画像を表示するディスプレイである。

超音波による画像化の基本動作を説明する。 まず初めに、超音波プローブ５を生体等の被検体に当てた状態で送信部３から電気信号を送ると、超音波が発生する。 超音波はごく短い時間のうちに対象物の中を進んでいき、固いものに当たると反射エコーとして返ってくる。 次に、超音波プローブ５でその反射エコーを電気信号に変換して受信部４で検出する。 これが受信信号となる。 続いて、超音波を送信してから反射エコーが返ってくるまでの時間より、超音波プローブから超音波が反射した地点までの距離を計算して、画像処理部７により内部の様子を画像データにする。 そして、表示制御部８を使って画像データに基づく画像をディスプレイ９に表示することで、生体組織の物質分布を表す機能イメージを可視化できる。

図２は、装置にＰＺＴ用の超音波プローブ５を接続した図を示している。 同図において、送受信ＰＺＴ２５を駆動して超音波を発生させる送信部３は、ＨＶ−ＣＭＯＳで構成された高電圧駆動の送信回路（ＴＸ）２１で構成されている。 また受信部４は、プローブ５で検出した反射エコーや光音響波の微弱信号を受信回路（ＲＸ）２３で増幅し、その出力をＡ／Ｄコンバータでサンプリングしてデジタル変換を行う。 受信部は、本発明の信号処理手段に相当する。

送信部３から出力される駆動信号（送信信号）１００は高電圧（例えば、一般的には±１００Ｖ程度）の電気信号となり、これは受信部に入力される受信信号１０１の許容電圧値を大幅に超えている。 そのため、リミッタ２２を受信回路への入力側に設ける必要がある。 このリミッタ２２は、一般的にはディスクリート部品を使ったダイオードブリッジ、インダクタ、抵抗を組み合わせた回路で構成され、受信回路２３への入力電圧を許容値以内に制限する機能を持っている。

信号伝達ケーブル６については、超音波プローブ５の送受信信号が同軸ケーブル６１に接続され、振動素子のベースに繋がるＧＮＤ線１０２は別系統で接続されている。 すなわち、ＰＺＴの振動素子ごとに１本の同軸ケーブルが対応するので、プローブの素子数と同じ信号線数の同軸ケーブルが使われている。

図３は、装置に従来のＣＭＵＴ用プローブを接続した図である。 ＣＭＵＴ用プローブには、送受信ＣＭＵＴ２６の素子ごとにＩ−Ｖ変換増幅回路２４（電源−電圧変換回路）が実装されている。 Ｉ−Ｖ変換増幅回路（電源−電圧変換回路）は、本発明の増幅手段に相当する。 そのため、送信用の駆動信号１００から、Ｉ−Ｖ変換増幅回路２４の入出力両側を保護するスイッチ回路が必要となってくる。 そこで、受信側のＩ−Ｖ変換増幅回路２４の入出力それぞれに、スイッチ回路としてＳＷ１とＳＷ２を配置している。 そして、受信タイミングの期間だけＳＷ１とＳＷ２をオンにすることで、送信タイミングの期間中に駆動信号が流入することを防ぐことが可能になる。 また、送信側の経路にＳＷ３を配置することで、受信タイミングにＳＷ３をオフにしてＩ−Ｖ変換増幅回路へＣＭＵＴ素子からの受信信号を流すことが可能になる。

ＳＷ１〜３のオン・オフをコントロールする切換え制御信号（ＳＷＩＴＣＨ）１０３は、ビームフォーミング制御を司る送受信制御部２から出力される信号である。 受信タイミングと送信タイミングは反転したタイミングで繰り返されていることから、ＳＷ１およびＳＷ２に対して、ＳＷ３を反転させた構成となっている。 このスイッチ回路については、動作速度を加味するとアナログスイッチで構成することが一般的であるが、高速に切換えが出来るデバイスであれば、構成を限定するものではない。

また、ＣＭＵＴ用プローブを利用する際は、外部からバイアス電源（ＢＩＡＳ）１０４を供給する必要があるので、このＢＩＡＳに１００Ｖ程度の高圧電源を接続して動作させている。

ここで、本図のＣＭＵＴプローブ接続時の信号線と、図２におけるＰＺＴ用プローブ接続時の信号線と比較する。 本図では、送受信の切換え制御信号（ＳＷＩＴＣＨ）とＣＭＵＴ用バイアス電源（ＢＩＡＳ）、さらにＩ−Ｖ変換増幅回路やスイッチ回路の駆動電源となるＶＣＣとＧＮＤが追加されていることが分かる。

送受信の切換え制御信号について検討する。 実際の超音波測定では送信ビームフォーミングを行うことが多いので、各素子の送信信号の出力タイミングに遅延がかけられた状態となる。 そのため、素子ごとに高電圧のかかるタイミングがずれてしまう。 この場合、タイミングのずれを解消するために、切換え制御信号を素子ごとに変更する必要が生じる。 すなわち、１素子あたり２本の信号線が同軸ケーブル６１として必要となる。

以上の説明を踏まえ、本発明の第１の実施例について記載する。
図４は、本実施例に係る装置を説明する図である。 ＣＭＵＴ用プローブの超音波変換素子は、送信ＣＭＵＴ２７と受信ＣＭＵＴ２８が分離された別々のＣＭＵＴで構成されているのが特徴である。 受信ＣＭＵＴの素子ごとに、Ｉ−Ｖ変換増幅回路２４が実装されている。 この構成を用いると、Ｉ−Ｖ変換増幅回路の出力側にだけ、送信用の駆動信号１００からの保護回路を設ければよい。 したがって、図３におけるＳＷ２に相当する保護回路は不要であり、削減できる。

受信ＣＭＵＴとＩ−Ｖ変換増幅回路を接続する信号線には、ＣＭＵＴから微弱な電流出力された信号が流れてくる。 そのため、図３で示したようなＳＷ２が介在するとスイッチ回路にノイズが載ってしまい、増幅回路の出力端においてノイズ成分が増大する要因となっていた。 対して、本実施例１ではＳＷ２が介在しないので、受信側のノイズ成分が低減されるという効果も得られる。

送信ＣＭＵＴ２７に繋がる送信経路には双方向ダイオード２９が実装されている。 このダイオードの特性により、受信時の微弱信号成分だけをカットすることが出来るので、ＳＷ３と同様に送信信号のみを通過させる機能が実現できる。

一方、Ｔ／Ｒスイッチ（Ｔ／Ｒ ＳＷ１）は、高電圧保護デバイスと呼ばれるもので、Ｉ−Ｖ変換増幅回路の出力側を保護する回路である。 Ｔ／Ｒスイッチは、送信／受信スイッチを意味しており、本発明の信号検知切換え手段に相当する。 このＴ／Ｒスイッチは、図３で用いた切換え制御信号でオン・オフするデバイスとは異なり、両端子の電圧しきい値に応じてオン・オフを切換えることのできるデバイスである。 すなわち、小信号が通過可能なスイッチング抵抗を持つ閉スイッチとみなすことができる。

本実施例のＴ／Ｒスイッチは、両端子間の電圧低下がいったん±２．０Ｖの値を超えると、オフし始める。 オフ状態では端子を境に±１００Ｖまで耐えることができ、２００μＡの少量電流のみが貫流されるデバイスとなっている。 なお、電圧しきい値はこれに限られず、装置の特性に応じた所定値をしきい値とすることができる。 したがって所定値を超えた高電圧の送信信号が送出される期間はオフ状態となってＩ−Ｖ変換増幅回路を遮断し、送信信号が送出されない期間、例えば低電圧の受信信号が流れる期間は回路が接続して電気信号が貫流される。

信号伝達ケーブル６は、超音波プローブからの送受信信号が素子ごとに同軸ケーブル６１に接続されている。 図４では切換え制御信号（ＳＷＩＴＣＨ）を使用していないので、ＣＭＵＴに供給するバイアス電源ＢＩＡＳと、Ｉ−Ｖ変換増幅回路２４に供給する駆動電源ＶＣＣとＧＮＤだけが接続されている。 図２で示したＰＺＴ用プローブを用いた場合の信号伝達ケーブル６を比較すると、送受信信号の同軸ケーブルは共通となるので、２種類の超音波プローブを共通のコネクタで接続することが可能となる。 なお、電源系であるＶＣＣとＢＩＡＳの配線を別途用意しておく必要があるが、これらはＰＺＴ用プローブと共通である。

以上説明したように、本実施例の構成を持つ超音波装置によれば、超音波送信時の高電圧から回路を保護しつつ、ＰＺＴ用プローブと、送受信素子が別々のＣＭＵＴ用プローブを交換して用いる場合に、共通のコネクタを用いて接続が可能となる。 また、同軸ケーブルの配線を削減することができる。

＜実施例２＞
図５は、本発明の第２の実施例に係る装置を説明する図である。 ＣＭＵＴ用プローブの超音波変換素子が、送信と受信を兼用した送受信ＣＭＵＴ２６となっているのが特徴である。 送信側の経路には双方向ダイオード２９が実装されており、受信側の経路にはＩ−Ｖ変換増幅回路２４が素子ごとに実装されている。 この構成では、Ｉ−Ｖ変換増幅回路の入出力の両側に保護回路を設ける必要があるので、入力側にＴ／Ｒ ＳＷ２を、出力側にＴ／Ｒ ＳＷ１を実装している。 すなわち、図３におけるＳＷ１とＳＷ２の代わりにＴ／Ｒスイッチを設け、ＳＷ３の代わりに双方向ダイオードを設けることで、切換え制御信号を別途用意することなく、保護スイッチ回路の機能を実現することが可能となる。

信号伝達ケーブル６に関しては、超音波プローブからの送受信信号は素子ごとに同軸ケーブル６１で接続される。 また、切換え制御信号（ＳＷＩＴＣＨ）は使用されず、ＣＭＵＴに供給するバイアス電源ＢＩＡＳと、Ｉ−Ｖ変換増幅回路２４に供給する駆動電源ＶＣＣとＧＮＤが接続されている。 図２で示したＰＺＴ用プローブを用いた場合の信号伝達ケーブル６を比較すると、送受信信号の同軸ケーブルは共通となるので、２種類の超音波プローブを共通のコネクタで接続することが可能となる。 なお、電源系であるＶＣＣとＢＩＡＳの配線を別途用意しておく必要があるが、これらはＰＺＴ用プローブと共通である。

以上説明したように、本実施例の構成を持つ超音波装置によれば、超音波送信時の高電圧から回路を保護しつつ、ＰＺＴ用プローブと、送受信素子が兼用のＣＭＵＴ用プローブを交換して用いる場合に、共通のコネクタを用いて接続が可能となる。 また、同軸ケーブルの配線を削減することができる。

＜実施例３＞
図６は、本発明の第３の実施例に係る装置を説明する図である。 ＣＭＵＴ用プローブの超音波変換素子は、実施例２と同様に、送信と受信を兼用した送受信ＣＭＵＴ２６となっている。 そして本実施例の特徴として、送信側の経路に電圧変換用のアンプ（ＡＭＰ）３０を組み込んでいるので、送信部からの駆動信号１００（送信信号）を低電圧化することが可能な構成となっている。 低電圧の駆動信号１００は、アンプ３０により高電圧の送信信号１０５となり超音波駆動に用いられる。

この構成では、信号伝達ケーブル６における送受信信号用の同軸ケーブル６１に高電圧（例えば±１００Ｖ）はかからないので、Ｉ−Ｖ変換増幅回路の出力側には保護回路を設ける必要はない。 しかし入力側については高電圧の送信信号１０５がかかってしまうので、Ｔ／Ｒ ＳＷ２を実装する必要がある。

信号伝達ケーブル６に関しては、超音波プローブからの送受信信号は素子ごとに同軸ケーブル６１で接続される。 また、切換え制御信号（ＳＷＩＴＣＨ）は使用されず、ＣＭＵＴとアンプに供給するバイアス電源ＢＩＡＳと、Ｉ−Ｖ変換増幅回路２４に供給する駆動電源ＶＣＣとＧＮＤが接続されている。 図２で示したＰＺＴ用プローブを用いた場合の信号伝達ケーブル６を比較すると、送受信信号の同軸ケーブルは共通となるので、２種類の超音波プローブを共通のコネクタで接続することが可能となる。 なお、電源系であるＶＣＣとＢＩＡＳの配線を別途用意しておく必要があるが、これらはＰＺＴ用プローブと共通である。

以上説明したように、本実施例の構成を持つ超音波装置によれば、超音波送信時の高電圧から回路を保護しつつ、ＰＺＴ用プローブと、送受信素子が兼用のＣＭＵＴ用プローブを交換して用いる場合に、共通のコネクタを用いて接続が可能となる。 また、同軸ケーブルの配線を削減することができる。 またアンプを設けることにより保護回路の規模を減少させることができる。

１：ＣＰＵ，２：送受信制御部，３：送信部，４：受信部，５：超音波探触子，６：ケーブル，７：画像処理部，２１：送信回路，２３：受信回路，２４：Ｉ−Ｖ変換増幅回路，２５：送受信ＰＺＴ，２６：送受信ＣＭＵＴ，２７：送信ＣＭＵＴ
２８：受信ＣＭＵＴ