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JP3860862B2 - Ultrasonic diagnostic equipment - Google Patents
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JP3860862B2 - Ultrasonic diagnostic equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波トランスデューサにパルス電圧を印加することにより発生する超音波応答信号を解析して被検対象物の表面及び深部に亘って音響的構造を検出する超音波診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、超音波トランスデューサにパルス電圧を印加することにより発生する超音波応答信号を解析して、被検対象物の音響的構造を検出する超音波診断装置が、医療分野、非破壊検査分野において実用化されている。
【0003】
これらの超音波トランスデューサにおいては、種々の構造や駆動法が開発されている。例えば、医療分野では、超音波トランスデューサを体腔内に挿入して皮下脂肪や肋骨に邪魔されずに、生体組織の異常を診断出来る超音波内視鏡への需要が急激に増加している。更に、血管内に超音波トランスデューサカテーテルを挿入し、血管内に堆積した血栓の有無や血管の硬化を診断する超音波診断装置が提案されている。又、一方で生体組織の表面の粘弾性特性を診断するという超音波診断装置も触覚センサ装置と称して、研究開発が進められている。
【0004】
例えば、USP5,454,373号では、超音波トランスデューサカテーテルに関して開示されている。この超音波トランスデューサカテーテルは、図13(a),(b)に示した様な構造、即ち、フレキシブル管状構造体101の先端にベアリング102を介して回動可能に配置されたトランスデューサアセンブリ103を回転駆動軸104の回転で回転させることにより、超音波ビームをメカニカル走査して超音波断層像を得る様に構成している。
【0005】
この装置に用いている超音波トランスデューサ105は、図13に示したような構造、即ち約0.2mmφの圧電素子107の超音波送受側の面に超音波透過レンズ108を、背面側にバッキング材109を接合した構造になっている。この様な構造により、血管の分岐部100近傍の血管壁111に付着した血栓112の形状を描画することができ、超音波エコー信号の検出時刻と超音波エコー信号の振幅の大きさから超音波像を合成するものである。
【0006】
一方、本願発明の出願人は、特開平6−273396号公報において、血管の粘弾性を検出する触覚センサを提案している。この触覚センサは、図14に示す様な超音波振動子(図15に示す圧電体107a)にインパルス電圧を印加した時の振動応答のパラメータを抽出し、これらのパラメータを加工し、演算した結果を用いて、対象物の表面と深部の両方の粘弾性に対応した触感を呈示する装置に関するものであり、深部診断可能な触覚センサ装置である。ここで、触覚センシングというのは、対象物の表面の硬軟性を検出することであるので、この触覚センサの提案は、被検対象物の表面及び深部に亘って、音響的構造を検出する超音波診断装置と言い直すことが出来る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように特開平6−273396号公報において、被検対象物の表面及び深部に亘って音響的構造を検出する超音波診断装置が提案されているが、以下のような課題を改善することによって、更に好ましい超音波診断装置が提供できる。
【0008】
まず、インパルス電圧を印加した時の振動応答波形から表面及び深部に亘って音響的構造に関する情報を検出する場合、表面情報即ち触覚情報は、インパルス電圧を印加した直後の超音波応答信号に含まれ、深部情報は、直後の超音波応答信号に後続する超音波応答信号即ちエコー信号に含まれる。
【0009】
これらの超音波応答信号は、圧電振動子の圧電効果によって高周波パルス信号に変換されるが、直後の超音波応答信号から変換された高周波パルス信号には、インパルス電圧信号が重畳されて観測される為、この重畳信号からは対象物接触による直後超音波応答信号の変化を検出することは困難となる。即ち、表面情報、即ち触覚情報を感度良く検出することは困難である。
【0010】
従って、インパルス電圧信号が重畳した高周波パルス信号から、インパルス電圧を印加した直後の超音波応答信号のみに対応した高周波パルス信号を分離して検出し、解析する必要性があることが課題となる。
そこで本願発明は、被検対象物の表面及び深部に亘って音響的構造を検出することが出来る超音波診断装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、圧電振動子からなる超音波トランスデューサと、これにパルス電圧を印加し、このパルス電圧の印加によって前記超音波トランスデューサに発生する超音波応答信号を受信するパルサ/レシーバと、該パルサ/レシーバの出力信号を信号処理する手段からなり、該出力信号を解析することによって、被検対象物の音響的構造を検出する超音波診断装置に於いて、前記パルス電圧を印加した直後の超音波応答信号を分離検出し、解析する手段を有する超音波診断装置を提供する。
【0013】
以上のような構成の超音波診断装置は、超音波トランスデューサにパルス電圧を印加して、そのパルス電圧を印加した直後の超音波応答信号のみを分離検出して解析して被検対象物の音響的構造を検出する。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1乃至図5を参照して、本発明による超音波診断装置の第1の実施形態について説明する。ここで、図1は第1の実施形態の超音波診断装置の構成例を示す図であり、図2は超音波応答波形を模式に示した図であり、図3は台形パルス発生器の内部構成例を示す図であり、図4はダイナミックダンピングの原理を説明するための図であり、図5は、本実施形態を説明するための、通常の超音波診断装置に利用されている方法で得られる超音波応答波形を示す図である。
【0018】
この超音波診断装置において、例えば、最大電圧が10V以下、立ち上がり時間tr が20ns以下、電圧保持時間tw が20〜100nsで可変,立ち下がり時間tf が20〜200nsで可変できる台形パルスを一定の周期で繰り返して発生する台形パルス発生器1と、この台形パルス発生器1の出力信号16を2つに分岐し、等価な2つの信号17a,17bを生成する分岐回路2と、前記信号17aを50〜100Vに電圧増幅させる為の高周波増幅器3と、高周波増幅器3で増幅された増幅信号18が直接印加される超音波トランスデューサ4と、超音波トランスデューサ4が出力した後述する高周波パルス電圧信号19a,19bのうち、高周波パルス電圧信号19aの電圧を低電圧に減衰させる減衰器5と、パルス電圧信号19bから直後応答信号を除去するゲート回路59と、前記信号17bを遅延させるための遅延回路7と、この遅延回路7からの信号21と減衰器5からの信号20との差をとる差動増幅器6と、差動増幅器6の出力信号と高周波増幅器8の出力信号を波形解析のために合波するFFT回路9と、差動増幅器6からの1つの出力信号23をゲートタイミング設定部10からの信号に基づいて、一定の時間通過させるゲート回路11と、このゲート回路11を通過してくる信号25の最大値を検出し、その出力信号26を台形パルスの立ち下がり時間に関係したn値として次段の台形パルス波形制御部15へ自動入力させる最大値検出器12と、台形パルスの立ち下がり時間に関係したn値を予め複数記憶し、台形波形の最適化に用いられるマニュアル設定回路13と、前記最大値検出器12の信号26とマニュアル設定回路13からのn値のいずれかを選択する切り替えスイッチ14と、切り替えスイッチ14からの信号に基づき、台形パルス発生器1の制御を行う台形パルス波形制御部15とで構成される。
【0019】
前記高周波パルス電圧信号19a,19bは、印加電圧信号18と、超音波応答信号が圧電変換された高周波パルス電圧信号との重畳信号になっていて、特に、印加電圧信号18を印加直後に発生する直後高周波パルス電圧信号は、直後超音波応答信号の圧電変換によって得られる直後高周波パルス電圧信号(図2に示す波形29)と、印加電圧信号18(図2に示す波形30と同じ)との重畳信号となっており、かなり複雑な波形(図示せず)となる。図1において、減衰器5、差動増幅器6、遅延回路7を点線で囲った部分は、直後超音波応答を印加電圧信号18と分離するための回路ブロック部を示している。
【0020】
次に図3には、前記台形パルス発生器1の具体的な回路構成例を示し説明する。この回路は、後述するダイナミックダンピングを実現するための具体的な回路例であり、従来の超音波診断装置には用いられていない回路構成である。
【0021】
この台形パルス発生器1においては、矩形波発生器37の出力部が、トランジスタ38とエミッタ抵抗46からなるエミッタフォロワ回路に接続され、その出力は、ダイオード39と抵抗40からなる台形パルスの立ち上がり時間設定部35と、ダイオード41と抵抗42とFET43とからなる台形パルスの立ち下がり時間設定部36との並列回路に接続されている。
【0022】
更に、それらの出力は、トランジスタ45とエミッタ抵抗47からなるエミッタフォロワ回路に、他方が接地された積分用コンデンサ44を介して接続され、台形パルス発生器出力部へ導かれている。また前記FETのゲート部には、台形パルス波形制御回路15からの制御信号28が入力される様に接続されている。この制御信号28は、台形パルス波形制御部15において、信号27が台形パルスのパルス幅を決めるm値設定部10からの信号によって、デューティ設定信号48に変換された後、デューティ設定部49に入力され、生成された矩形波のデューティ比設定信号を矩形波発生器37へ送出する。
【0023】
この様に構成された第1の実施形態の超音波診断装置の作用について説明する。本実施形態には、以下の特徴がある。
第1の特徴としては、台形パルスを超音波トランスデューサに印加した直後の超音波応答信号を分離検出する。第2の特徴としては、前記直後の超音波応答信号が機械的に全くダンピングされていない領域を有し、且つ短いパルス幅の超音波パルスとなっていることである。第3の特徴としては、前記直後の超音波応答信号が対象物に入射し、対象物内の異常組織との境界面で反射して超音波トランスデューサにエコー信号として戻る信号も受信し、直後信号とエコー信号、又はエコー信号同志の関係をFFTを経て信号解析出来る様になっていることである。
【0024】
本実施形態により、第1の特徴を実現する為の方法として、電気的な信号処理で直後超音波応答信号分離を行うというものである。以下、図1乃至図6を参照して、作用について詳述する。
【0025】
まず、台形パルス波形制御部15からの制御信号28によって、パルス幅tw と立ち下がり時間tf が最適に制御された台形パルス信号16は、分岐回路2によって、2つの同等な分岐信号17a,17bに分岐される。これらの分岐信号のうち、分岐信号17aは、高周波増幅器3によって、50〜100Vに増幅され、増幅された増幅信号18が超音波トランスデューサ4に印加される。圧電振動子からなる超音波トランスデューサ4は、図6(a),(b)に示すように、背面負荷材が一切形成されていないため、圧電振動子の共振周波数近くで超音波振動が発生する。
【0026】
この超音波振動は、台形パルス電圧印加直後に発生する直後超音波応答信号29と印加電圧信号30との大きな振幅の重畳信号と、対象物中に入射し、減衰して異物との境界面で反射し、エコー信号として観測される超音波信号31,32,33,34とが時間軸上に合成された信号19a,19bとなる。この信号19aは、減衰器5によって信号17aと同レベルの電圧に減衰された減衰信号20として、差動増幅器6の一方の入力端子に入力される。
【0027】
一方、分岐回路2における他の出力信号17bは、高周波増幅器3や減衰器5による位相遅れを補正する為に、遅延回路7を通し、差動増幅器6の他方の入力端子に入力される。この差動増幅器6から印加電圧信号が除去された信号23として出力される。
【0028】
また、信号19bは、ゲート回路59で直後応答信号が除去されたエコー信号のみが検出される。このエコー信号と信号22は、同じタイムドメインの信号になる様に合波されて、合波信号24となり、FFT回路9によって信号解析される。最初の動作では、超音波トランスデューサ4は無負荷状態とし、エコー信号が全く検出されない様にして、直後応答信号22のみを検出し、直後超音波応答波形が最適の形状になる様にn値をマニュアル設定する。同時に、その状態でのFFT解析結果、即ち直後超音波応答信号の中心周波数f0 、最大振幅A0 、比帯域幅α0 等のパラメータを記憶しておく。
【0029】
次に、対象物負荷を印加する。対象物が粘弾性体の場合、等価的にインダクタンスLと直流抵抗Rとの直列接続で表されることが知られており、これが圧電振動子の等価回路の直列共振回路に直列に挿入されるので、共振抵抗は大きくなり、共振周波数は低下することになる。これは、直後超音波応答信号の最大振幅A0 が低下し、中心周波数f0 が低下することを意味し、逆に、この変化の様子から、どの程度、粘弾性体負荷が印加されているか検出できる。
【0030】
この検出感度は、無負荷状態での最大振幅A0 が全くダンピングされていないことが好ましい。これを実現するためにダイナミック・ダンピング(DD)と称される方法を用いる。
【0031】
このDD方法は、通常、機械的振動を他の機械振動の印加によって、制動しようとするものとして使われているが、従来の背面負荷材を超音波トランスデューサに形成して機械的、静的、構造的にダンピングするという通常の超音波診断装置に利用されている方法に対して、本実施形態では、電気的に、駆動波形で動的に一定の波数以上の波だけをダンピングすると言う意味でダイナミック・ダンピングと称している。重要なことは、図4に示すダイナミック・ダンピング領域(DD領域)57は、大きくダンピングされて、その結果パルス全体のパルス幅が短くなっているが、直前の非ダンピング領域56では、全くダンピングされていない最大振幅 ampCを持っているということから、直後超音波応答信号を用いて、表面情報センシング(触覚センシング)を高感度で実現できる。背面負荷材を超音波トランスデューサに形成して機械的、静的、構造的にダンピングするという通常の超音波診断装置に利用されている方法で得られる超音波応答波形は、図5に示す信号59aのように、ダンピングによってパルス幅は短くなっているが、同時に超音波パルス全体がダンピングされてしまい、最大振幅も既に大きくダンピングされているので、最大振幅や中心周波数の高感度な変化を起こさせることが出来ない。
【0032】
ここでDD方法の原理を図4を参照して、以下に詳しく説明する。
背面負荷材が形成されていない圧電振動子は、ステップアップ電圧50を印加すると、ステップアップ時刻T1から最大振幅 ampAを持つ超音波振動51が励起される。またステップダウン電圧52を印加すると、ステップダウン時刻T2から最大振幅 ampBを持ち、位相が反転した超音波振動53が励起される。これは、時刻T2 に於ける印加電圧の急変部の周波数成分が圧電振動子の共振周波数以上であることが前提であるが、これによって圧電共振が起こり、緩やかな立ち下がり(時間tf )によってダンピングを受け、最大振幅がamp Bに減衰する。
【0033】
以上の2つのステップ状印加電圧を合成した電圧保持時間tw を持った台形パルス54を印加すると、非ダンピング領域56とダンピング領域57を持った超音波パルス55が得られることがわかる。
【0034】
この様な非ダンピング領域を持ったパルス幅の短い超音波パルスを得るには、台形パルスの立ち上がり時間をtr 、電圧保持時間をtw 、立ち下がり時間をtf 、圧電振動子の共振周波数の逆数をtp とすると、
r <tp <tf
w =n×tp (n=1〜5)
f =m×tp (m=1〜10)
が好ましい条件である。n>5の場合には、パルス幅が長くなりすぎ、深さ方向の分解能が低下する。しかし、m>10の場合には、前述した時刻T2 に於ける印加電圧の急変部の周波数成分が、圧電振動子の共振周波数以上にならなくなり、DD効果が大幅に低下する。
【0035】
次に、最適な台形パルス信号を発生させる台形パルス信号発生器について、図3を参照して、その動作を詳述する。
前記デューティ設定器49からの制御信号によって、パルス幅tw 、繰り返し周波数1k〜10kHzの矩形波を矩形波発生器37から発生させる。この発生信号をトランジスタ38とエミッタ抵抗46からなるエミッタフォロワ回路を介して順方向のダイオード39と抵抗40の直列接続からなるtr 設定部と、逆方向のダイオード41と抵抗42と可変抵抗用FET43の直列接続からなるtf 設定部36の並列接続支に入力する。
【0036】
立ち上がり時間tr は抵抗40とコンデンサ44によって決まる。また立ち下がり時間tf は抵抗42とFET43のソース−ドレイン間抵抗とコンデンサ44とによって決まる。ソース−ドレイン間抵抗は、FET43のゲート電圧信号28(制御信号28)で制御するが、ゲート電圧信号28は、台形パルス波形制御回路15とm値設定回路によって信号27から変換される。信号27はDD領域に於ける最大電圧を最小にする為のフィードバック信号で、n値設定回路13からマニュアルで、または最大値検出回路12の出力26を直接用いる。
【0037】
次にエコー信号の検出によって深部の情報、即ち対象物の内部粘弾性特性の検出について図1を参照して説明する。
前記超音波トランスデューサ4の圧電振動子の超音波応答信号の分岐信号19bは、ゲート回路59を振幅の小さいエコー信号のみ通過するように制御し、高周波増幅器8に入力、増幅する。その出力信号は、直後超音波応答信号22と合成され、合成信号24としたうえで、FFT回路9で信号解析される。
【0038】
この合成信号24は、図2に示す様に、直後超音波応答信号29とエコー信号31(異物表面反射)、信号32(異物背面反射)、信号33(異物表面と対象物表面の間の多重反射)、信号34(対象物の裏面反射)の様になっていると、時間t1 から対象物の音速が、時間t2 から対象物内の異物の音速が、また、直後超音波応答信号29とエコー信号31の振幅比A1 / A0 の関係から対象物の減衰率α1 が、エコー信号31とエコー信号32の振幅比A2 / A1 の関係から対象物内に存在する異物の減衰率α2 がそれぞれ次式に基づいて計算される。
【0039】
音速V1 = 2d1 / t1 、V2 = 2d2 / t2
減衰α1 = 20log (A1 / A0 )/ d1
α2 = 20log (A2 / A1 )/ d2
但し、上式で、表面から異物までの距離d1 、異物の層厚d2 が既知であれば、音速、減衰率とも絶対値で表現出来るが、実際の生体組織の様な対象物の場合は、最初からd1 、d2 が既知であることはない。しかしながら、対象物内部に出来た異物の音速V2 は、V1 に近いと近似できるので、寸法比d1 / d2 は、t1 / t2 で近似出来ることになる。
【0040】
従って、減衰率比は、粘性率比に対応するため、対象物に内部の異物の相対的な粘性率比が分かることになる。通常、生体の音速は、比較的音速の早い肝臓が1570m/ s、比較的音速の遅い脂肪が1476m/ sとされており、その差は6.5%であり、対象物の音速V1 が異物の音速V2 に等しいと近似しても、この近似による寸法誤差も6.5%となり、実際の診断には全く問題のない範囲であり、通常の超音波診断でも全く問題とされていない。
【0041】
尚、音速及び減衰の求め方は、以下に示すFFT解析による方法もあるので、どちらを用いてもよい。
図2に示す超音波応答信号29、31、32、33、34のそれぞれのFFTをF0 、F1 、F2 、F3 、F4 とし、周波数fにおける。F0 とF1 の位相差をφ10、F1 とF2 の位相差をφ21、とすると、
1 = 4πd1 / (φ10/ f)、V2 = 4πd2 / (φ21/ f)
減衰 α1 = 20log (|F1 / F0 |)/2 d1
α2 = 20log (|F2 / F1 |)/2 d2
となる。その後の処理は、前述した方法と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【0042】
次に、図6には、本発明の超音波診断装置に用いられる超音波トランスデューサの構成を示し、説明する。
この超音波トランスデューサ4の圧電振動子4aは、部分電極60aから裏面に折り返された引き出し電極60acを有し、部分電極60bも引き出し電極60bcを有する。保持部61は互いに絶縁された導線67,68を有し、それぞれ端を電極パッド61a,61b,61c,61dとして保持部61の図に示す部分に繋いである。
【0043】
さらに、管状構造体77と脱着可能とするため、図8に示すような管状構造体77の雌ネジ部(図示せず)を、該保持部61にネジ部62を有している。引き出し電極61acは、保持電極パッド61aに61bcは電極パッド61bに合うように接着をして圧電振動子59と保持部を一体化する。
【0044】
このときの接着方法の一例としては、電極パッド61a,61bに導電性ペーストを塗布し、その周囲に嫌気性接着剤を塗布した後、圧電振動子4aを保持部61に位置を確認しながら落とし込み、一定時間加圧後、洗浄を行う。
【0045】
嫌気性接着剤を使用することにより、空気と触れていた部位の接着剤は、硬化せず、容易に取り除くことができる。その後、受圧部を塗布する。
この受圧部材料にエポキシ系樹脂などの接着材となる材料を用いた場合は、前述したようなプロセスを行わず、受圧部塗布と圧電振動子と保持部の接着と受圧部形成を1つのプロセスで行うことが可能である。
【0046】
組立後の保持部61は、管状構造体77にねじ込むが、該管状構造体77にはOリング69、管状構造体77にある信号線と繋がっている電気端子となるばね部66a,66bがある。リング69は気密性を確実なものとし、ばね部は保持部との導通を確実なものとしている。ここで、2つのばね部は、上部電極60a、下部電極60bにそれぞれ対応しており、バネ部66a,66bと接続された信号線には、圧電振動子4aのインビーダンス特性の変化が情報として伝達することになる。
【0047】
この保持部の材質は、生体と直接接触する可能性があるため、生体適合性や圧電振動子との接着性を考慮して高密度ポリエチレンが望ましい。ただし生体適合性を優先するならば、テフロンやポリウレタンでもよい。さらに、着脱を考慮しない場合はネジ部62を省略して単に、接着してもよい。
【0048】
また、図7には前記保持部61の変形例を示す。
この保持部のリベット形状は、リベットの凹部に圧電振動子4aのそれぞれの電極に導通している電極端子61c、61dが露出している。一方、図8に示している管状構造体77には、リベットのメス部(図示せず)を設けておき、その先端には信号線と導通している端子66ta、66tbを設ける。
【0049】
これらの保持部61と管状構造体77をはめ込むと、それぞれの端子が接触して電気的に導通となり、導通確認後、接着剤(エポキシ系)を用いて、保持部と管状構造体を接着固定する。
【0050】
そして、受圧部63が対象物65に接していない状態では、音響結合層兼受圧部63と空気との音響インピーダンスに大きな差があるので、超音波はいずれの面に於いても殆ど放射せず、圧電振動子4aと音響結合層兼受圧部63からなる超音波振動子の共振周波数で自由振動する。
【0051】
この自由振動は背面側、即ち電極60b側に一切背面負荷材が形成されていないため、大きな振幅の自由振動を実現できる。この様に大きな振幅の自由振動を実現できるもう1つの理由は、電極60a,60bを部分電極とし、マウン卜構造体61にマウン卜する、圧電振動子のエッジ部で振動が起らない様にしていることである。
【0052】
この様に大きな振幅で自由振動しているところに、対象物65が接触すると、大きな振幅の自由振動は、対象物の負荷状態に応じて、共振周波数と共振抵抗が変化する。これに応じて超音波振動の中心周波数、振動振幅も変化するので、この変化量を検出することによって、逆に対象物65の機械的特性、例えば粘弾性特性を把握することが出来るのである。以上のように本実施の形態によれば台形パルス印加直後の超音波直後応答信号を分離して検出でき、エコー信号も検出できる。この超音波直後応答信号は、ダイナミックダンピングという特徴ある手法を用いることによって、殆どダンピングを受けていない短いパルス幅の超音波直後応答信号を得ることが出来る。
【0053】
この信号は、殆どダンピングを受けていないので、対象物負荷によって、その中心周波数や振幅を高感度で変化させる。このことは対象物の表面情報(表面の粘弾性)の検出を高感度で出来ることを意味しており、粘弾性対象物が生体組織と考えれば、高精度の生体組織診断が出来るという好ましい効果に結びつくことを意味している。
【0054】
ー方、短いパルス幅の超音波直後応答信号が対象物に侵入することによって得られるエコー信号も、その伝搬経路の粘弾性特性に応じて、振幅や中心周波数を変化させるので、超音波直後応答信号とエコー信号の関係やエコー信号同志の関係、例えば振幅や中心周波数の変化を解析することによって、対象物の深部情報(深さ方向の粘弾性)の検出を高感度で出来る。このことは、粘弾性対象物を生体組織と考えれば、高精度の生体組織の深部診断が出来るという好ましい効果に結びつくことを意味している。
【0055】
以上のことから本実施形態は、従来の超音波診断装置で不可能だった表面情報の検出が可能な超音波診断装置を提供できる。また他方、この表面情報の検出は触覚センシングとみなすことも出来るので、従来の触覚センサ装置で不可能だった深部情報の検出が可能な触覚センサ装置を提供できる。
【0056】
次に、図8(a)乃至(d)には、第2の実施形態として、本発明の超音波診断装置に用いる超音波トランスデューサの構成を示し説明する。
図8(a)には、先端部に音響結合層兼受圧部78が設けられた超音波トランスデューサカテーテル77の外観を示し、同図(b)には、超音波トランスデューサカテーテル77をA方向から見た先端部付近の断面を示している。
【0057】
この超音波トランスデューサカテーテル77は、図8(c)に示した様な2体構造で、同図(b)に示すように、はめ合わされた構造である。
この2体構造のうち、一方は、はめ込み部80aと、はめ込みストッパ83を付した保持構造体80の複数の部分に、複数の圧電振動子82a〜82hが接合されている構造になっている。
【0058】
まず、溶融石英等からなる円柱材料を、切削や研削加工を施し、はめ込み部80aを形成し、さらに圧電振動子82a〜82hをマウントする面89a〜89hが形成されている。
【0059】
次に、共通接地電極99として、スパッタリングや真空蒸着等の手段を用いて、金、白金、又は金/ チタン、白金/ チタン等の2層金属層を圧電振動子接合面89a〜89hを含む皿状面及びはめ込み部80aの表面に連続する様に形成する。さらに、前記圧電振動子接合面89a〜89hに接着等により圧電振動子82a〜82hを接合する。そして、圧電振動子82a〜82h上にシリコーン樹脂やウレタン樹脂を薄くコーティングして、受圧部78を形成する。
【0060】
円柱状はめ込み部80aにストッパリング83を接着剤で固着し、超音波トランスデューサヘッド92が完成する。この超音波トランスデューサヘッド92を図8(c)のB方向から見たのが、同図8(d)である。
【0061】
これらの圧電振動子82a〜82hからは、リード線93a〜93hが中心軸管状孔98に引導され、内部配線93a" 〜93h" を経て、ターミナル93a" 〜93h" に接続する。
【0062】
一方、管状構造体79の中心軸管状孔98´の内壁には、金属膜94が形成され、圧電振動子82a〜82hのそれぞれに電気信号を授受する同軸多芯ケーブル96が配置されている。この同軸多芯ケーブル96のシールド線(図示せず)は、管状構造体79の手元操作部付近で、中心軸管状孔98´の内壁に形成されている金属膜94に接続される。
【0063】
この超音波トランスデューサヘッド92の先端は、最後に前面塞ぎ材97を接合封止する。
この様に構成された超音波トランスデューサヘッドの作用について説明する。前記同軸多芯ケ−ブル96と表面接地電極94,99を経て、台形パルス電圧が圧電振動子82a〜82hのそれぞれに順に印加される。この印加によって、圧電振動子82a〜82hに発生した超音波パルスは、対象物に作用して、対象物の粘弾性特性に応じて変調を受け、直後超音波応答信号として観測される。この送受信を圧電振動子82a〜82hの各圧電振動子毎に電子式切り替えスイッチ等の手段を用いて順次動作させる。
【0064】
そしてエコー信号が観測されない圧電振動子は、対象物に接していないので、圧電振動子の位置が分かっていれば、超音波トランスデューサヘッド92の向きが分かることになる。また、対象物に接していない圧電振動子からの応答信号をFFT解析し、中心周波数f0 、最大値A0 、比帯域幅等のパラメータを抽出し、これらをリファレンス値として、対象物接触面からの反射超音波29の中心周波数f0 、最大値A0 ,比帯域幅αと比較することによって対象物の粘弾性特性が判定できる。また、複数の超音波トランスデューサのそれぞれの信号処理方法は、前述した第1の実施形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
【0065】
また圧電振動子が対象物に接触し、エコー信号がそれぞれから検出できる時は、順に電子的に走査することによって、円環状走査断層像が得られる。この場合の信号処理方法は、リニア電子スキャン超音波診断装置の場合と全く同じであり、ここでの説明は省略する。
【0066】
この様な円環状走査断層像は、血管等の管腔壁の360度周囲の様子を診断するのに有効である。
以上説明したように、対象物に接しているときは、対象物表面で反射する超音波応答信号を解析して、対象物の粘弾性特性を評価し、エコー信号から断層情報を得られるが、圧電振動子を環状に配設し、順次走査させることによって、円環状走査断層像が得られ血管等の管腔壁の360度周囲の様子を、対象物の表面情報と断層情報を共に診断することが出来る様になる。
【0067】
次に図9(a)〜(d)を参照して、第3の実施形態として、本発明の超音波診断装置に用いる超音波トランスデューサについて説明する。
ここで、前述した第2の実施形態の構成と異なる点について説明する。構造の面で、図8と図9の比較から、超音波トランスデューサカテーテルの構成においては、複数の圧電振動子が形成されているのは同じであるが、本実施形態は、圧電振動子82a〜82hの前面に超音波遅延媒体80を設けている点と、音響結合層兼受圧部が直接圧電振動子に形成されずに、超音波遅延媒体80の対象物との接触面において形成されている点とが異なっている。
【0068】
また、本実施形態を実施するための超音波診断装置の構成例を図10に示す。この構成で、図1に示した部位と同等の部位には同じ参照符号を付してその説明は省略する。この超音波診断装置は、前述した第1の実施形態の構成から、分岐回路2、減衰器5、遅延回路7及び、差動増幅器6を削除した簡単な構成になっている。
【0069】
図10において、台形パルス発生器1からの台形パルス信号16は、高周波増幅器3によって50〜100Vの信号18に増幅され、超音波トランスデューサ66に印加される。
【0070】
超音波トランスデューサは、図9(d)に示す様に、単一の超音波遅延媒体80に複数の圧電振動子82a〜82hが取りつけられている。圧電振動子82a〜82hに発生した超音波振動は、超音波遅延媒体80中をtd / 2かかって伝搬し、対象物75の表面td / 2に到達し、対象物の表面の粘弾性特性に応じて中心周波数の変化や振幅の変化を受ける。
【0071】
この影響を受けた後の超音波応答信号が、図11に示す超音波信号29であり、この超音波信号29の中心周波数や振幅と、対象物75を接触させない状態で、台形パルス30を印加し、td 時間後に発生する応答信号の中心周波数や振幅とを比較することによって、対象物の表面粘弾性特性が検出できる。対象物接触時の超音波応答波形は、図11に示す様に最初の表面情報を含む超音波応答信号29に後続して、エコー信号31,32,33,34等が観測される。これらの信号にそれぞれFFT処理を施し、それぞれから中心周波数、振幅、位相をパラメータ抽出し、比較することにより、対象物とその内部に存在する異常組織の粘弾性特性比を知ることが出来る。以上を各超音波トランスデューサ毎に順次切り替える。
【0072】
本実施形態によれば、超音波が対象物表面に到達した直後の応答信号を、印加台形パルス波形と分離して検出することができ、対象物非接触時の応答信号との比較によって、対象物の表面の粘弾性特性を検出できる。また、直後応答信号に後続して観察されるエコー信号から対象物の深さ方向粘弾性特性が検出できる。また、超音波トランスデューサは、圧電振動子が直接生体等の対象物に接触しないので、生体に対する電流漏洩の不安がなくなるだけでなく、超音波トランスデューサの洗浄や消毒に対するダメージの心配もなくなる。
【0073】
次に図12には、前述した第3の実施形態の変形例について説明する。
この変形例が第3の実施形態と異なる点は、圧電振動子の構造が異なるのみである。即ち、皿状をした円環状圧電セラミクス85に素子数(図12の例では、8個)に対応した数の部分電極86a〜86hと、その裏面に全面電極(図示せず)を施し、部分電極形成後に全て同電位で分極し、超音波遅延媒体に全面電極側が接触するように接着等の方法で接合する。
【0074】
そして各部分電極毎にリード線87a〜87hをとりつけ、このリード線と超音波遅延媒体のはめ込み部80aの表面に形成した表面接地電極99との間に台形パルス電圧を印加する。
【0075】
この変形例では、第3の実施の形態の様に圧電振動子をl枚づつ接合する必要がなく、組立による圧電振動子間の特性のばらつきを留意する必要がなくなる。さらに、各圧電振動子部が曲面になり、曲面の凹面側から超音波が出射するので超音波ビ−ムは絞られて、超音波ビ−ムの迷走が起こりにくくなる。これによって、高精度の直後超音波応答とエコー信号の検出ができる様になる。尚、本実施の形態では、圧電振動子が遅延媒体に対し、対象物に接しない側に配設させた例であるが、圧電振動子の位置は、前述した第2の実施形態と同様に、対象物に接する側に配設させた構成も当然、本発明の範囲にあることは言うまでもない。
【0076】
また本発明の超音波診断装置は、従来の超音波診断装置に限定されず、従来触覚センサ、圧覚センサと称されるものも超音波振動を検出に用いているのであれば含めて考えている。
【0077】
以上の実施形態について説明したが、本明細書には以下の課題を解決する発明も含まれている。
課題として、前述した直後の超音波応答信号のみに対応した高周波パルス信号を分離出来れば、前記第1の課題は、達成されることになるが、これだけでは、被検対象物の表面及び深部に亘って音響的構造を高感度、高分解能で検出できることにはならない。特に、深部情報検出の際には、エコー信号のパルス幅が大きく影響する。
【0078】
一般に、エコー信号のパルス幅は、直後の超音波応答信号のパルス幅で殆ど決定される。従来技術に於いては、図14に示した様に圧電素子107の背面に背面負荷材109を形成した超音波トランスデューサの構造によって超音波振動をダンピングさせ、パルス幅を短くすることが行われている。
【0079】
従来の超音波診断装置の様に、深部情報検出のみが目的でエコー信号のみを信号処理する場合はこれでも良いが、深部情報だけでなく、表面情報即ち触覚情報も感度良く検出する場合には、直後の超音波応答信号が最初からダンピングされていると、所望する検出感度が得られなくなってしまう課題がある。従って、表面情報即ち触覚情報を感度良く検出する為に、直後の超音波応答信号が最初からダンピングされていず、深部診断の分解能を高めるため超音波パルスのパルス幅は短く出来ることが必要である。
【0080】
以上の様な技術課題の解決によって、直後の超音波応答信号が利用出来る様になると、この信号とこれに後続する信号との関係を導くことに意味が出てくる。従来は、単純にエコー信号の検出される時刻とエコー振幅の大きさの関係から、どの位置にどの様な音響的不連続部があるかを描出していたのみで、生体表面から音響的不連続部までの位置に存在する生体組織の粘弾性特性や生体異常組織の粘弾性特性を描出していたのではない。しかしながら、より望ましい超音波診断と言うのは、正常な生体組織のどの位置にどの様な異常組織があって、正常な生体組織に比べどの程度の異常度になっているかを診断出来ることである。
【0081】
従って、正常な生体組織のどの位置に、どの様な、どの程度の異常組織が有るかを、絶対値または相対値で表現できることが必要となる課題がある。
さらに、生体組織の超音波診断を行う場合、超音波ビームを走査しなくてもある程度の診断は出来るが、超音波ビームを走査して面情報が得られれば、更に診断の精度は向上する。この様な面情報を得る為には、従来の技術の様に、単一の超音波トランスデューサを回転させ、超音波ビームを走査する方法があるが、本発明の目的の様に、被検対象物の表面及び深部に亘って音響的構造を検出するには、超音波トランスデューサの超音波送受面は、被検対象物の表面に接触している必要があるので、超音波トランスデューサを回転させることは出来ず、電子走査型の超音波トランスデューサにすることが必要である課題があり、電子走査型の超音波トランスデューサでなければならない。
【0082】
(1) 圧電振動子からなる超音波トランスデューサと、これにパルス電圧を印加し、このパルス電圧の印加によって前記超音波トランスデューサに発生する超音波応答信号を受信するパルサ/レシーバと、該パルサ/レシーバの出力信号を信号処理する手段からなり、該出力信号を解析することによって、被検対象物の音響的構造を検出する超音波診断装置に於いて、前記パルス電圧を印加した直後の超音波応答信号を分離検出し、解析する手段を有することを特徴とした超音波診断装置。
【0083】
但し、前記直後の超音波応答信号とは、対象物に最初に作用した超音波信号のことである。又、パルサ/レシーバとは、通常用いられている一体化されている装置で、パルサはパルス発生器、パルス幅、パルス発生周期設定部、時定数設定器等を含みレシーバは、高周波増幅器、フィルタ回路等から構成される装置である。前記パルサから、圧電振動子からなる超音波トランスデューサにパルス電圧を印加すると、超音波トランスデューサは、圧電振動子が持っている固有の共振周波数に等しい周波数成分を有した超音波応答信号を発生させる。
【0084】
この信号は、圧電振動子の圧電効果によって高周波パルス電圧信号に変換される。この電圧信号のうちパルス電圧印加直後に発生する電圧信号には、印加パルス電圧信号と直後超音波応答信号が圧電変換された高周波パルス電圧信号が含まれている。このうち、直後超音波応答信号には、対象物の表面状態に対応した触覚信号が含まれている。従って、パルス電圧を印加した直後の超音波応答信号を分離検出し、解析する手段を有していれば、対象物の表面状態を診断できる効果が得られる。
【0085】
(2) 前記(1)項に記載した超音波診断装置において、前記した直後超音波応答信号のみを分離検出する手段が、パルス発生器(パルサ)の出力を分岐する手段と、分岐信号の一方を増幅する手段と、該増幅信号を超音波トランスデューサに電圧印加したときの直後応答信号を入力し、該直後信号の振幅を低減させる減衰手段と、前記分岐信号の他方の信号を遅延させる手段と、該遅延出力と前記減衰出力の差をとる手段とを有することを特徴とした超音波診断装置。
【0086】
第1の実施形態が該当する。
前記(1)項に記載した超音波診断装置は、パルス発生器(パルサ)の出力を分岐する手段を有しており、パルス出力は分岐され、一方は、リファレンス信号として、他方は、増幅手段で増幅した後、超音波トランスデューサにパルス電圧印加するための超音波励起信号として用いられる。この超音波励起信号の印加によって、超音波トランスデューサに直後超音波応答信号が励起されるが、印加パルス電圧信号と、前記超音波応答信号が圧電変換された高周波パルス電圧信号とは殆ど時間差が無いので、両者の重畳信号として観測される。この重畳信号は電圧が高いので減衰手段によって適当な振幅に減衰する。一方、リファレンス信号は、他方の信号伝達経路に存在する増幅手段や減衰手段や配線による全時間遅延に等しい時間遅延を与える。そして、両信号を、差をとる手段に入力し差動出力を得る。これらの手段を用いることによって、直後の超音波応答信号のみを分離検出でき、対象物の表面状態を診断出できる。
【0087】
(3) 前記(1)項に記載した超音波診断装置において、前記直後の超音波応答信号のみを分離検出する手段が低損失超音波遅延媒体とゲート手段を有することを特徴とした超音波診断装置。
【0088】
第2の実施形態が該当する。
但し、低損失超音波遅延媒体は、第2の実施形態では、溶融石英を一例として挙げているが、他の材料においても、例えばシリコンやニオブ酸リチウム、結晶化ガラス、又は振動に対して損失の少ない材料、具体的には減衰率α<0.1dB/cm程度であれば良い。また、もともと超音波ロスの少ない対象物のみを測定することが分かっている場合は、必ずしも溶融石英程度の超音波ロスの必要はなく、α<5dB/cm程度あれば良い。
【0089】
従って、この(3)項は、圧電振動子に発生した超音波を低損失超音波遅延媒体を経て、対象物に作用させ、この時の応答信号を低損失超音波遅延媒体を経て圧電振動子に返し、圧電振動子の圧電効果により高周波パルス電圧信号に変換する。この場合の高周波パルス電圧信号は、圧電振動子に発生した超音波が低損失超音波遅延媒体を往復する時間だけ、パルス電圧印加タイミングより遅れるため、この時間経過後の信号のみを伝達させるゲート手段を通過させる。ゲート手段を通過した信号には圧電振動子への印加電圧波形が含まれていない。
【0090】
以上の手段により、対象物による直後超音波応答信号のみを分離検出できることになり、対象物の表面状態を診断できる。
(4) 前記(1)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記したパルス電圧を印加する手段が、電気的にダンピングされた時間領域とダンピングのされていない時間領域とからなる超音波パルス振動を発生させる手段を有していることを特徴とした超音波診断装置。
【0091】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(4)項は、パルス電圧を印加した直後、圧電振動子に発生する超音波パルス振動は電気的にダンピングされた時間領域に於いては、振動振幅を殆ど持たず、ダンピングのされていない時間領域に於いては、圧電振動子は何の影響も受けていない全く自由な振動をするので大きな振動振幅を持っている。よって、対象物負荷が加わった時、ダンピングのされていない時間領域に於ける超音波パルス振動は、対象物負荷が加わると振動状態が大きく変化する。また前述したように、超音波パルスが本来持っていた尾曳き部を電気的にダンピングしているため、超音波パルスのパルス幅を短くすることができる。以上の手段により、対象物の表面情報を感度良く検出することが可能となる。
【0092】
(5) 前記(4)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記したパルス電圧を印加する手段が、電圧立ち上がり時間tr 、電圧保持時間tw 、電圧立ち下がり時間tf を持ち、前記超音波トランスデューサを構成する圧電振動子の共振周波数の逆数をtp とすると、
r <tp <tf
w = n×tp (n=1〜5 )
f =m×tp (m=1〜10)
の関係を有する台形パルスを発生させる手段と、該台形パルスを増幅する手段を有することを特徴とした超音波診断装置。
【0093】
全ての実施の形態が該当する。
但し、m,n は必ずしも整数でなくても良く、実数を示している。また圧電振動子は微分素子なので、印加電圧が増加した時と減少する時では位相が反転した振動を起こす。
【0094】
従って、前記(5)項は、圧電振動子の共振周波数の逆数tp より短い時間tr の立ち上がりのステップアップ電圧を与えると、圧電振動子は共振周波数で自由振動し、これに対し、逆数tp より長い時間tf の立ち下がりのステップダウン電圧を与えると、時間tf に対応して圧電振動子は、共振周波数で制動振動する。よって、適当なtw を持ち、上記tr 、tp 、tf の関係の台形パルスを印加すると、電気的にダンピングされた時間領域とダンピングのされていない時間領域とからなる超音波パルス振動を発生させることが可能となる。
【0095】
以上の手段により、対象物の表面情報を感度良く検出することが可能となり、短いパルス幅の超音波応答信号が利用できる。
(6) 前記(5)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記台形パルスを発生させる手段が、前記m,nの値を変化させる為の可変信号入力手段を有していることを特徴とする超音波診断装置。
【0096】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(6)項は、m,nの値を変化させる為の可変信号入力手段を有しているので可変信号を入力し、最適な超音波応答信号が得られる最適台形パルス信号を発生することが可能となる。但し、mの値は、超音波応答波形の波数を決めることになる。波数が多くなると、パルス幅は長くなってしまい分解能に対しては悪影響を及ぼすが、超音波パルスの超音波エネルギーは、波数が多いほど大きくなりダイナミックレンジ増加に寄与する。よって、台形パルスのtw 、tf を調整する機能があれば、対象物の表面情報を大きな感度及び、大きなダイナミックレンジで検出することが可能となり、短いパルス幅の超音波応答信号が利用できる。
【0097】
(7) 前記(6)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記nの値は前記mの値を設定した上で、前記(5)項に記載した電気的にダンピングされた時間領域に於ける最大振幅が最小になる様に自動設定する手段を有することを特徴とする超音波診断装置。
【0098】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(7)項は、mの値を自動設定出来る様にすると、用いる超音波トランスデューサを交換しても最適の超音波応答波形が得られる。
【0099】
(8) 前記(1)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記パルス電圧を印加した直後の超音波応答信号を検出し、解析する手段が直後超音波応答信号から中心周波数f0 と最大振幅A0 をパラメータ抽出する手段を有することを特徴とする超音波診断装置。
【0100】
全ての実施の形態が該当する。
但し、中心周波数f0 と最大振幅A0 をパラメータ抽出する手段は、実施の形態では時間軸に対する超音波応答信号をFFT 処理を施した上で、パラメータ抽出している。
【0101】
従って、前記(8)項は、直後超音波応答信号は対象物負荷の有無や対象物負荷の大きさに対応して、その中心周波数や振幅が変化するので、中心周波数f0 と最大振幅A0 をパラメータ抽出する手段によって、これらの変化量を知ることによって、逆に対象物負荷の有無や対象物負荷の大きさを知ることが出来る。
【0102】
(9) 前記(1)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記直後超音波応答信号に後続する超音波応答信号を検出し、解析する手段を有する事を特徴とした超音波診断装置。
【0103】
但し、前記後続する超音波応答信号とは、超音波エコー信号を意味する。
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(9)項は、直後超音波応答信号S0 から対象物の表面情報を検出することが可能となった。後続する超音波応答信号は、対象物表面から深部に伝搬していった超音波パルスが、その伝搬媒体の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを持った組織に出会うと、その境界で超音波パルスは反射し、エコー信号Se1となって、超音波トランスデューサに戻ってゆく。また、その境界面で透過していった超音波パルスは、次の境界面で反射を越し、最初の境界面に戻って行き、そこで一部が境界面を透過し、エコー信号Se2となって超音波トランスデューサに戻ってゆく。
【0104】
これらのエコー信号S0 とエコー信号Se1の関係から前記伝搬媒体の音速が分かり、振幅比から前記伝搬媒体の減衰が分かる。またSe1とSe2の関係から前記異なる音響インピーダンスを持った組織の音速が分かり、振幅比から前記異なる音響インピーダンスを持った組織の減衰が分かる。
【0105】
また、音速と減衰はそれぞれ粘弾性特性の弾性と粘性に関係しているので、直後超音波応答信号に後続する超音波応答信号を検出し、解析する手段が加わることによって、表面だけでなく深部の粘弾性特性の診断ができる。
【0106】
(10) 前記(9)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記直後の超音波応答信号と後続した超音波応答信号との時間間隔を計測する手段と、後続した複数の超音波応答信号間の時間間隔を計測する手段を有することを特徴とする超音波診断装置。
【0107】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(10)項は、前記(9)項と同様の作用効果が得られる。
(11) 前記(9)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記直後の超音波応答信号と後続した超音波応答信号との最大振幅比を計測する手段と、後続した複数の超音波応答信号間の時間間隔を計測する手段を有することを特徴とした超音波診断装置。
【0108】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(11)項は、前記(9)項と同様の作用効果が得られる。
(12) 前記(9)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記直後の超音波応答信号の位相と後続した超音波応答信号の位相との関係を計測する手段を有することを特徴とした超音波診断装置。
【0109】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(12)項は、前記(9)項と同様の作用効果が得られる。
(13) 前記(4)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記超音波トランスデューサが該超音波トランスデューサの超音波送受側と反対側の面に於いて、超音波振動に対する応力負荷が加わらない構造になっていることを特徴とした超音波診断装置。
【0110】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(13)項は、超音波トランスデューサが背面負荷材を一切接合しない構造をとっているので前記(4)項に記載した様に電気的にダンピングされた時間領域とダンピングのされていない時間領域とからなる超音波パルス振動を発生させることができる。よって、対象物が接触した時の超音波パルス振動の中心周波数や振幅の変化が高感度及び、高ダイナミックレンジで検出できる。
【0111】
(14) 前記(13)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記トランスデューサが圧電振動子と、超音波出射側の面に接合した音響結合層と該音響結合層上に接合した受圧部からなることを特徴とした超音波診断装置。
【0112】
全ての実施の形態が該当する。
従って、前記(14)項は、圧電振動子に励起された超音波が音響結合層を通して、一部は、対象物の深さ方向に受圧部を介して効率良く侵入し、残りは、直後超音波応答信号として表面情報検出に用いられる。最適に音響結合されると、対象物に大きな超音波エネルギーが侵入し、減衰の大きな対象物でも音響的境界面まで達し、そこで、反射した超音波エコー信号は検出でき、減衰の大きな対象物でも弾性率と粘性率が評価できる。
【0113】
(15) 前記(13)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記超音波トランスデューサが圧電振動子の超音波送受側の面に前記(4)に記載した低損失超音波遅延媒体を接合し、低損失超音波遅延媒体の対象物に接する側の表面に受圧部を兼ねた音響整合層が形成されている構造を有することを特徴とする超音波診断装置。
【0114】
第2の実施形態が該当する。
従って、前記(15)項は、超音波トランスデューサの構造が低損失超音波遅延媒体を接合し、また、背面には圧電振動子の超音波振動の負荷になる様な背面負荷材が形成されていない構造になっている。
【0115】
そして圧電振動子に励起された超音波振動は、低損失超音波遅延媒体を伝搬し、対象物に到達し、その界面で反射する成分と対象物内に侵入して行く成分に分かれる。前者の成分を直後超音波応答信号として用い、この信号から対象物の表面情報を検出し、後者の成分をエコー信号の発生に用い、このエコー信号から深部情報を検出する。低損失超音波遅延媒体と対象物の間には音響整合層が形成されているので低損失超音波遅延媒体内での多重反射は、低減され程良く表面情報と深部情報を検出できる様になる。更に、対象物には圧電振動子が直に接触することが無いので、対象物が生体の場合、安全性に対する不安も完全に払拭できる効果も得られる。また、超音波トランスデューサの洗浄、消毒時の耐薬品性の問題も全く無くなる。
【0116】
(16) 前記(15)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記超音波トランスデューサが1つの低損失超音波遅延媒体に複数の圧電振動子を接合し、該複数の圧電振動子の低損失超音波遅延媒体を挟んだ対角側の低損失超音波遅延媒体の表面に、対象物に超音波を授受する為の受圧部が形成された構造を有することを特徴とする超音波診断装置。
【0117】
第2の実施形態が該当する。
従って、前記(16)項は、前記(15)項の作用効果に加えて、1つの低損失超音波遅延媒体に複数の圧電振動子を接合しているため、超音波トランスデューサの姿勢を変えなくても、対象物に低損失超音波遅延媒体を介して接している圧電振動子を用いて、対象物の診断が出来る。また、対象物に低損失超音波遅延媒体を介して接していない圧電振動子の信号を参照信号として、低損失超音波遅延媒体を介して接している圧電振動子からの信号に対し、温度特性等の共通に被る不要特性を補正することも出来る。
【0118】
(17) 前記(16)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記複数の圧電振動子が環状に配列し、前記低損失超音波遅延媒体の超音波送受面も対角的に環状に構成されていることを特徴とする超音波診断装置。
【0119】
第2,第3の実施形態が該当する。
従って、前記(17)は、前記(16)項に記載した実施形態では、環状に配列した圧電振動子の数は、8 個としているが、必ずしもこの数が最良ということでは無く、用途に応じ、それ以上の数でもそれ以下の数でもよく、用途に応じ設計すれば良い。また、ディスクリートな複数の圧電素子を接合するとしているが、例えば、耐熱性が高く、成膜性の良い超音波遅延媒体上に下部電極を介して圧電厚膜や圧電薄膜を形成し、その上に上部電極を形成し、配線した構造でも構わない。
【0120】
よって、複数の圧電振動子が環状に配列させ、順次環状に沿って駆動走査させることにより、超音波ビームを環状に走査できる。これによって先行技術の様に機械的に環状に超音波トランスデューサを回転させる必要が無くなり、機械的な構造部品を大幅に削減でき、装置の信頼性が大幅に向上する。
【0121】
(18) 前記(17)項に記載した超音波診断装置に於いて、前記環状に配列した複数の圧電振動子は環状圧電素子に分割電極が形成された構造であることを特徴とする超音波診断装置。
第2,第3の実施形態が該当する。
従って、前記(18)項は、前記(17)項と同等の作用効果が得られる。
【0122】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、被検対象物の表面及び深部に亘って音響的構造を検出することが出来る超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の超音波診断装置の構成例を示す図である。
【図2】図1に示した超音波診断装置における超音波応答波形を模式に示した図である。
【図3】図1に示した超音波診断装置における台形パルス発生器の内部構成例を示す図である。
【図4】第1の実施形態の超音波診断装置におけるダイナミックダンピングの原理を説明するための図である。
【図5】従来、通常の超音波診断装置に利用されている方法で得られる超音波応答波形を示す図である。
【図6】第1の実施形態の超音波診断装置に用いられる超音波トランスデューサの構成例を示す図である。
【図7】図6に示した超音波トランスデューサの変形例を示す図である。
【図8】第2の実施形態として、本発明の超音波診断装置に用いる超音波トランスデューサの構成を示す図である。
【図9】第3の実施形態として、本発明の超音波診断装置に用いる超音波トランスデューサの構成を示す図である。
【図10】第3の実施形態を実施するための超音波診断装置の構成例を示す図である。
【図11】図10における超音波応答波形を模式に示した図である。
【図12】第3の実施形態の超音波診断装置に用いる超音波トランスデューサの変形例を示す図である。
【図13】従来の超音波トランスデューサカテーテルの構成を示す図である。
【図14】従来の超音波振動子の構成を示す図である。
【図15】従来の超音波診断装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
1…台形パルス発生器
2…分岐回路
3…高周波増幅器
4…超音波トランスデューサ
5…減衰器
6…差動増幅器
7…遅延回路
8…高周波増幅器
9…FFT回路
10…ゲートタイミング設定部
11,59…ゲート回路
12…最大値検出器
13…n値設定回路
14…切り替えスイッチ
15…台形パルス波形制御部
16〜28…信号
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus that analyzes an ultrasonic response signal generated by applying a pulse voltage to an ultrasonic transducer and detects an acoustic structure over a surface and a deep portion of a test object.
[0002]
[Prior art]
In general, an ultrasonic diagnostic apparatus that detects an acoustic structure of a test object by analyzing an ultrasonic response signal generated by applying a pulse voltage to an ultrasonic transducer is practical in the medical field and the nondestructive inspection field. It has become.
[0003]
Various structures and driving methods have been developed for these ultrasonic transducers. For example, in the medical field, there is a rapid increase in demand for an ultrasonic endoscope that can diagnose an abnormality of a living tissue without inserting an ultrasonic transducer into a body cavity and being obstructed by subcutaneous fat or ribs. Furthermore, an ultrasonic diagnostic apparatus has been proposed in which an ultrasonic transducer catheter is inserted into a blood vessel to diagnose the presence or absence of a thrombus deposited in the blood vessel and the hardening of the blood vessel. On the other hand, an ultrasonic diagnostic apparatus for diagnosing the viscoelastic characteristics of the surface of a living tissue is also called a tactile sensor apparatus, and research and development are being promoted.
[0004]
For example, USP 5,454,373 discloses an ultrasound transducer catheter. This ultrasonic transducer catheter has a structure as shown in FIGS. 13A and 13B, that is, rotates a transducer assembly 103 that is rotatably arranged via a bearing 102 at the tip of a flexible tubular structure 101. By rotating with the rotation of the drive shaft 104, the ultrasonic beam is mechanically scanned to obtain an ultrasonic tomographic image.
[0005]
The ultrasonic transducer 105 used in this apparatus has a structure as shown in FIG. 13, that is, an ultrasonic transmission lens 108 on the ultrasonic transmission / reception side surface of a piezoelectric element 107 of about 0.2 mmφ, and a backing material on the back side. 109 is joined. With such a structure, the shape of the thrombus 112 attached to the blood vessel wall 111 in the vicinity of the blood vessel bifurcation 100 can be drawn, and the ultrasonic wave is detected from the detection time of the ultrasonic echo signal and the amplitude of the ultrasonic echo signal. It is a composition of images.
[0006]
On the other hand, the applicant of the present invention has proposed a tactile sensor for detecting viscoelasticity of blood vessels in Japanese Patent Laid-Open No. 6-273396. This tactile sensor extracts vibration response parameters when an impulse voltage is applied to an ultrasonic transducer as shown in FIG. 14 (piezoelectric body 107a shown in FIG. 15), and processes and calculates these parameters. Is a tactile sensor device that provides a tactile sensation corresponding to the viscoelasticity of both the surface and the deep part of the object and is capable of deep diagnosis. Here, since tactile sensing is to detect the hardness of the surface of the object, the proposal of this tactile sensor is an ultra-thin sensor that detects the acoustic structure over the surface and depth of the object to be examined. It can be rephrased as an ultrasonic diagnostic apparatus.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, Japanese Patent Laid-Open No. 6-273396 proposes an ultrasonic diagnostic apparatus that detects an acoustic structure over the surface and depth of an object to be examined. However, the following problems can be improved. Thus, a more preferable ultrasonic diagnostic apparatus can be provided.
[0008]
First, when detecting information on the acoustic structure over the surface and deep part from the vibration response waveform when the impulse voltage is applied, the surface information, that is, the tactile information is included in the ultrasonic response signal immediately after the impulse voltage is applied. The deep information is included in an ultrasonic response signal, that is, an echo signal subsequent to the ultrasonic response signal immediately after.
[0009]
These ultrasonic response signals are converted into high-frequency pulse signals by the piezoelectric effect of the piezoelectric vibrator, but an impulse voltage signal is superimposed on the high-frequency pulse signal converted from the ultrasonic response signal immediately after that, and is observed. For this reason, it is difficult to detect a change in the ultrasonic response signal immediately after the object contact from the superimposed signal. That is, it is difficult to detect surface information, that is, tactile information with high sensitivity.
[0010]
Accordingly, there is a problem that it is necessary to separately detect and analyze a high-frequency pulse signal corresponding only to the ultrasonic response signal immediately after applying the impulse voltage from the high-frequency pulse signal on which the impulse voltage signal is superimposed.
Then, this invention aims at providing the ultrasonic diagnosing device which can detect an acoustic structure over the surface and deep part of a test subject.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present inventionAn ultrasonic transducer comprising a piezoelectric vibrator, a pulser / receiver for applying a pulse voltage to the ultrasonic transducer and receiving an ultrasonic response signal generated in the ultrasonic transducer by the application of the pulse voltage, and an output signal of the pulser / receiver In the ultrasonic diagnostic apparatus that detects the acoustic structure of the test object by analyzing the output signal, the ultrasonic response signal immediately after the pulse voltage is applied is separated by analyzing the output signal. Has a means to detect and analyzeAn ultrasound diagnostic apparatus is provided.
[0013]
  The ultrasonic diagnostic apparatus configured as described aboveA pulse voltage is applied to the ultrasonic transducer, and only the ultrasonic response signal immediately after the pulse voltage is applied is separated, detected, and analyzed to detect the acoustic structure of the test object.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
A first embodiment of an ultrasonic diagnostic apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the ultrasonic diagnostic apparatus of the first embodiment, FIG. 2 is a diagram schematically showing an ultrasonic response waveform, and FIG. 3 is an internal view of a trapezoidal pulse generator. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example, FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of dynamic damping, and FIG. 5 is a method used for a normal ultrasonic diagnostic apparatus for explaining the present embodiment. It is a figure which shows the ultrasonic response waveform obtained.
[0018]
In this ultrasonic diagnostic apparatus, for example, the maximum voltage is 10 V or less, the rise time tr Is 20 ns or less, voltage holding time tw Is variable from 20 to 100ns, fall time tf Trapezoidal pulse generator 1 that repeatedly generates a trapezoidal pulse that can be varied in a period of 20 to 200 ns, and an output signal 16 of this trapezoidal pulse generator 1 is branched into two, and two equivalent signals 17a and 17b A high-frequency amplifier 3 for amplifying the signal 17a to 50 to 100 V, an ultrasonic transducer 4 to which the amplified signal 18 amplified by the high-frequency amplifier 3 is directly applied, and an ultrasonic transducer Among the high-frequency pulse voltage signals 19a and 19b described later outputted by 4, the attenuator 5 for attenuating the voltage of the high-frequency pulse voltage signal 19 a to a low voltage, the gate circuit 59 for removing the response signal immediately after the pulse voltage signal 19 b, The delay circuit 7 for delaying the signal 17b and the difference between the signal 21 from the delay circuit 7 and the signal 20 from the attenuator 5 The differential amplifier 6, the FFT circuit 9 for combining the output signal of the differential amplifier 6 and the output signal of the high frequency amplifier 8 for waveform analysis, and the gate timing of one output signal 23 from the differential amplifier 6. Based on the signal from the unit 10, the gate circuit 11 that passes for a predetermined time and the maximum value of the signal 25 that passes through the gate circuit 11 are detected, and the output signal 26 is related to the falling time of the trapezoidal pulse. The maximum value detector 12 that is automatically input to the trapezoidal pulse waveform control unit 15 of the next stage as the n value and a plurality of n values related to the falling time of the trapezoidal pulse are stored in advance, and a manual used for optimizing the trapezoidal waveform A setting circuit 13; a change-over switch 14 for selecting either the signal 26 of the maximum value detector 12 or the n-value from the manual setting circuit 13; A trapezoidal pulse waveform control unit 15 that controls the trapezoidal pulse generator 1 based on the signal is configured.
[0019]
The high-frequency pulse voltage signals 19a and 19b are superimposed signals of the applied voltage signal 18 and the high-frequency pulse voltage signal obtained by piezoelectrically converting the ultrasonic response signal, and are generated immediately after the applied voltage signal 18 is applied. The immediately following high frequency pulse voltage signal is a superposition of the immediately following high frequency pulse voltage signal (waveform 29 shown in FIG. 2) obtained by piezoelectric conversion of the immediately following ultrasonic response signal and the applied voltage signal 18 (same as the waveform 30 shown in FIG. 2). It is a signal and has a fairly complex waveform (not shown). In FIG. 1, a portion surrounded by a dotted line with the attenuator 5, the differential amplifier 6, and the delay circuit 7 indicates a circuit block unit for separating the immediately after ultrasonic response from the applied voltage signal 18.
[0020]
Next, FIG. 3 shows a specific circuit configuration example of the trapezoidal pulse generator 1 and will be described. This circuit is a specific circuit example for realizing dynamic damping described later, and has a circuit configuration that is not used in a conventional ultrasonic diagnostic apparatus.
[0021]
In the trapezoidal pulse generator 1, the output portion of the rectangular wave generator 37 is connected to an emitter follower circuit composed of a transistor 38 and an emitter resistor 46, and its output is the rise time of a trapezoidal pulse composed of a diode 39 and a resistor 40. The setting unit 35 is connected to a parallel circuit including a trapezoidal pulse falling time setting unit 36 including a diode 41, a resistor 42, and an FET 43.
[0022]
Further, these outputs are connected to an emitter follower circuit comprising a transistor 45 and an emitter resistor 47 via an integrating capacitor 44, the other of which is grounded, and led to the trapezoidal pulse generator output section. The gate of the FET is connected so that a control signal 28 from the trapezoidal pulse waveform control circuit 15 is input. This control signal 28 is converted into a duty setting signal 48 in the trapezoidal pulse waveform control unit 15 by a signal from the m value setting unit 10 that determines the pulse width of the trapezoidal pulse, and then input to the duty setting unit 49. Then, the generated rectangular wave duty ratio setting signal is sent to the rectangular wave generator 37.
[0023]
The operation of the ultrasonic diagnostic apparatus of the first embodiment configured as described above will be described. This embodiment has the following features.
As a first feature, the ultrasonic response signal immediately after the trapezoidal pulse is applied to the ultrasonic transducer is separated and detected. The second characteristic is that the ultrasonic response signal immediately after the above has an area where no mechanical damping is performed and the ultrasonic pulse has a short pulse width. As a third feature, the signal immediately after the ultrasonic response signal is incident on the object, reflected by the boundary surface with the abnormal tissue in the object, and returned as an echo signal to the ultrasonic transducer is also received. And the echo signal or the relationship between the echo signals can be analyzed through FFT.
[0024]
According to this embodiment, as a method for realizing the first feature, the ultrasonic response signal separation is performed immediately after electrical signal processing. Hereinafter, the operation will be described in detail with reference to FIGS.
[0025]
First, the pulse width t is determined by the control signal 28 from the trapezoidal pulse waveform controller 15.w And fall time tf The trapezoidal pulse signal 16 that is optimally controlled is branched by the branch circuit 2 into two equivalent branch signals 17a and 17b. Among these branch signals, the branch signal 17 a is amplified to 50 to 100 V by the high frequency amplifier 3, and the amplified signal 18 is applied to the ultrasonic transducer 4. As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the ultrasonic transducer 4 made of a piezoelectric vibrator has no back surface load material, so that ultrasonic vibration is generated near the resonance frequency of the piezoelectric vibrator. .
[0026]
This ultrasonic vibration is generated at the boundary surface between the ultrasonic response signal 29 generated immediately after the trapezoidal pulse voltage is applied and the superimposed signal having a large amplitude between the applied voltage signal 30 and the target object, and is attenuated. The ultrasonic signals 31, 32, 33, and 34 that are reflected and observed as echo signals become signals 19a and 19b synthesized on the time axis. This signal 19a is input to one input terminal of the differential amplifier 6 as an attenuated signal 20 that has been attenuated by the attenuator 5 to a voltage of the same level as the signal 17a.
[0027]
On the other hand, the other output signal 17 b in the branch circuit 2 is input to the other input terminal of the differential amplifier 6 through the delay circuit 7 in order to correct the phase delay caused by the high frequency amplifier 3 and the attenuator 5. The differential amplifier 6 outputs a signal 23 from which the applied voltage signal has been removed.
[0028]
As for the signal 19b, only the echo signal from which the response signal is removed immediately after by the gate circuit 59 is detected. The echo signal and the signal 22 are combined to be a signal in the same time domain to form a combined signal 24, which is analyzed by the FFT circuit 9. In the first operation, the ultrasonic transducer 4 is in a no-load state, the echo signal is not detected at all, only the immediate response signal 22 is detected, and the n value is set so that the immediate ultrasonic response waveform has an optimum shape. Set manually. At the same time, the FFT analysis result in that state, that is, the center frequency f of the ultrasonic response signal immediately after0 , Maximum amplitude A0 , Specific bandwidth α0 Etc. are stored.
[0029]
Next, an object load is applied. When the object is a viscoelastic body, it is known that it is equivalently represented by a series connection of an inductance L and a DC resistance R, and this is inserted in series into a series resonance circuit of an equivalent circuit of a piezoelectric vibrator. As a result, the resonance resistance increases and the resonance frequency decreases. This is immediately after the maximum amplitude A of the ultrasonic response signal.0 Decreases and the center frequency f0 On the contrary, it can be detected from the state of this change how much viscoelastic load is applied.
[0030]
This detection sensitivity is the maximum amplitude A in the no-load state.0 Is preferably not damped at all. In order to realize this, a method called dynamic damping (DD) is used.
[0031]
This DD method is usually used to brake mechanical vibrations by applying other mechanical vibrations, but a conventional back load material is formed on an ultrasonic transducer to form mechanical, static, In contrast to a method that is used for a normal ultrasonic diagnostic apparatus that is structurally damped, in the present embodiment, in the sense that only a wave having a predetermined wave number or more is electrically damped electrically in a drive waveform. This is called dynamic damping. What is important is that the dynamic damping region (DD region) 57 shown in FIG. 4 is greatly damped, and as a result, the pulse width of the entire pulse is shortened. However, in the immediately preceding non-damping region 56, it is completely damped. Therefore, surface information sensing (tactile sensing) can be realized with high sensitivity by using the ultrasonic response signal immediately after that. An ultrasonic response waveform obtained by a method used in a normal ultrasonic diagnostic apparatus in which a back load material is formed on an ultrasonic transducer and mechanically, statically, or structurally is damped is a signal 59a shown in FIG. In this way, the pulse width is shortened by damping, but at the same time, the entire ultrasonic pulse is damped, and the maximum amplitude is already damped greatly, which causes a highly sensitive change in the maximum amplitude and the center frequency. I can't.
[0032]
Here, the principle of the DD method will be described in detail with reference to FIG.
When the step-up voltage 50 is applied to the piezoelectric vibrator in which the back load material is not formed, the ultrasonic vibration 51 having the maximum amplitude ampA is excited from the step-up time T1. Further, when the step-down voltage 52 is applied, the ultrasonic vibration 53 having the maximum amplitude ampB and the phase inverted from the step-down time T2 is excited. This is based on the premise that the frequency component of the sudden change part of the applied voltage at time T2 is equal to or higher than the resonance frequency of the piezoelectric vibrator.f ), And the maximum amplitude is attenuated to amp B.
[0033]
Voltage holding time t obtained by synthesizing the above two step-like applied voltagesw It can be seen that an ultrasonic pulse 55 having a non-damping region 56 and a damping region 57 can be obtained by applying a trapezoidal pulse 54 with
[0034]
In order to obtain an ultrasonic pulse with a short pulse width having such a non-damping region, the rise time of the trapezoidal pulse is set to tr , The voltage holding time is tw , Tf , The inverse of the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is tp Then,
tr <Tp <Tf
tw = N × tp (N = 1-5)
tf = M × tp (M = 1-10)
Is a preferable condition. When n> 5, the pulse width becomes too long, and the resolution in the depth direction decreases. However, when m> 10, the frequency component of the sudden change portion of the applied voltage at the time T2 described above does not become higher than the resonance frequency of the piezoelectric vibrator, and the DD effect is greatly reduced.
[0035]
Next, the operation of the trapezoidal pulse signal generator for generating the optimum trapezoidal pulse signal will be described in detail with reference to FIG.
According to the control signal from the duty setting device 49, the pulse width tw The rectangular wave generator 37 generates a rectangular wave having a repetition frequency of 1 k to 10 kHz. This generated signal is transmitted through an emitter follower circuit composed of a transistor 38 and an emitter resistor 46, and is formed by a series connection of a forward diode 39 and a resistor 40.r T consisting of a series connection of a setting unit, a diode 41, a resistor 42 and a variable resistance FET 43 in the reverse directionf Input to the parallel connection branch of the setting unit 36.
[0036]
Rise time tr Is determined by the resistor 40 and the capacitor 44. Fall time tf Is determined by the resistor 42, the resistance between the source and drain of the FET 43, and the capacitor 44. The source-drain resistance is controlled by the gate voltage signal 28 (control signal 28) of the FET 43. The gate voltage signal 28 is converted from the signal 27 by the trapezoidal pulse waveform control circuit 15 and the m-value setting circuit. The signal 27 is a feedback signal for minimizing the maximum voltage in the DD region, and is used manually from the n value setting circuit 13 or directly from the output 26 of the maximum value detection circuit 12.
[0037]
Next, detection of information on the deep part, that is, detection of the internal viscoelastic property of the object by detecting the echo signal will be described with reference to FIG.
The branch signal 19b of the ultrasonic response signal of the piezoelectric vibrator of the ultrasonic transducer 4 is controlled so as to pass only the echo signal having a small amplitude through the gate circuit 59, and is input to the high frequency amplifier 8 and amplified. The output signal is immediately combined with the ultrasonic response signal 22 to obtain a combined signal 24, and the signal is analyzed by the FFT circuit 9.
[0038]
As shown in FIG. 2, the synthesized signal 24 includes an ultrasonic response signal 29, an echo signal 31 (foreign object surface reflection), a signal 32 (foreign object rear surface reflection), and a signal 33 (multiplex between the foreign object surface and the object surface). Reflection), signal 34 (back reflection of object), time t1 To the sound speed of the object is time t2 To the sound velocity of the foreign matter in the object, and the amplitude ratio A between the ultrasonic response signal 29 and the echo signal 31 immediately thereafter.1 / A0 The attenuation rate α of the object1 Is the amplitude ratio A between the echo signal 31 and the echo signal 32.2 / A1 From the relationship, the attenuation rate α of the foreign matter present in the object2 Are calculated based on the following equations.
[0039]
Speed of sound V1 = 2d1 / t1 , V2 = 2d2 / t2
Attenuation α1 = 20log (A1 / A0 ) / D1
α2 = 20log (A2 / A1 ) / D2
However, in the above equation, the distance d from the surface to the foreign object1 , Layer thickness d of foreign matter2 Can be expressed by absolute values of sound velocity and attenuation rate, but in the case of an object such as an actual living tissue, d1 , D2 Is never known. However, the speed of sound V of the foreign material formed inside the object2 Is V1 Can be approximated as close to1 / d2 T1 / t2 It can be approximated by.
[0040]
Therefore, since the damping rate ratio corresponds to the viscosity rate ratio, the relative viscosity rate ratio of the foreign matter inside the object can be known. Usually, the sound speed of the living body is 1570 m / s for the liver with relatively fast sound speed and 1476 m / s for fat with relatively slow sound speed, and the difference is 6.5%.1 Is the speed of sound V2 Even if it is approximated to be equal to, the dimensional error due to this approximation is 6.5%, which is in the range where there is no problem in actual diagnosis, and is not considered as a problem even in normal ultrasonic diagnosis.
[0041]
In addition, since there is a method by the FFT analysis shown below as the method of calculating | requiring a sound speed and attenuation | damage, either may be used.
The FFT of each of the ultrasonic response signals 29, 31, 32, 33, and 34 shown in FIG.0 , F1 , F2 , FThree , FFour And at frequency f. F0 And F1 The phase difference ofTen, F1 And F2 The phase difference oftwenty oneThen,
V1 = 4πd1 / (ΦTen/ f), V2 = 4πd2 / (Φtwenty one/ f)
Attenuation α1 = 20log (| F1 / F0 |) / 2 d1
α2 = 20log (| F2 / F1 |) / 2 d2
It becomes. Since the subsequent processing is the same as the method described above, description thereof is omitted here.
[0042]
Next, FIG. 6 shows and describes the configuration of an ultrasonic transducer used in the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention.
The piezoelectric vibrator 4a of the ultrasonic transducer 4 has an extraction electrode 60ac folded back from the partial electrode 60a, and the partial electrode 60b also has an extraction electrode 60bc. The holding part 61 has conducting wires 67 and 68 insulated from each other, and ends thereof are connected to portions shown in the drawing of the holding part 61 as electrode pads 61a, 61b, 61c and 61d.
[0043]
Further, in order to be detachable from the tubular structure 77, an internal thread portion (not shown) of the tubular structure 77 as shown in FIG. The lead electrode 61ac is bonded to the holding electrode pad 61a and 61bc is bonded to the electrode pad 61b to integrate the piezoelectric vibrator 59 and the holding portion.
[0044]
As an example of the bonding method at this time, a conductive paste is applied to the electrode pads 61a and 61b, an anaerobic adhesive is applied around the electrode pads 61a and 61b, and then the piezoelectric vibrator 4a is dropped onto the holding unit 61 while confirming the position. Washing is performed after pressurizing for a certain time.
[0045]
By using an anaerobic adhesive, the adhesive at the site that has been in contact with air does not cure and can be easily removed. Thereafter, the pressure receiving part is applied.
When a material to be an adhesive such as an epoxy resin is used for the pressure receiving portion material, the process as described above is not performed, and the pressure receiving portion application, the bonding between the piezoelectric vibrator and the holding portion, and the pressure receiving portion formation are performed in one process. Can be done.
[0046]
The assembled holding portion 61 is screwed into the tubular structure 77. The tubular structure 77 has an O-ring 69 and spring portions 66a and 66b serving as electric terminals connected to signal lines in the tubular structure 77. . The ring 69 ensures airtightness, and the spring portion ensures conduction with the holding portion. Here, the two spring portions correspond to the upper electrode 60a and the lower electrode 60b, respectively, and the signal line connected to the spring portions 66a and 66b shows the change in the impedance characteristic of the piezoelectric vibrator 4a. Will be communicated as.
[0047]
Since the material of the holding portion may be in direct contact with the living body, high density polyethylene is desirable in consideration of biocompatibility and adhesiveness with the piezoelectric vibrator. However, if priority is given to biocompatibility, Teflon or polyurethane may be used. Further, when the attachment / detachment is not considered, the screw portion 62 may be omitted and simply bonded.
[0048]
FIG. 7 shows a modification of the holding unit 61.
In the rivet shape of the holding portion, electrode terminals 61c and 61d connected to the respective electrodes of the piezoelectric vibrator 4a are exposed in the recesses of the rivet. On the other hand, the tubular structure 77 shown in FIG. 8 is provided with a female part (not shown) of a rivet, and terminals 66ta and 66tb electrically connected to the signal line are provided at the tip thereof.
[0049]
When the holding portion 61 and the tubular structure 77 are fitted, the respective terminals come into contact and become electrically conductive. After confirming the conduction, the holding portion and the tubular structure are bonded and fixed using an adhesive (epoxy system). To do.
[0050]
In the state where the pressure receiving part 63 is not in contact with the object 65, there is a large difference in acoustic impedance between the acoustic coupling layer / pressure receiving part 63 and the air, so that the ultrasonic wave hardly radiates on any surface. Then, it vibrates freely at the resonance frequency of the ultrasonic vibrator comprising the piezoelectric vibrator 4a and the acoustic coupling layer / pressure receiving portion 63.
[0051]
Since this free vibration has no back load material formed on the back side, that is, on the electrode 60b side, free vibration with a large amplitude can be realized. Another reason why such a large amplitude free vibration can be realized is that the electrodes 60a and 60b are partial electrodes and mounted on the mount structure 61 so that no vibration occurs at the edge of the piezoelectric vibrator. It is that.
[0052]
When the object 65 comes into contact with the free vibration with such a large amplitude, the resonance frequency and the resonance resistance of the free vibration with the large amplitude change according to the load state of the object. Accordingly, since the center frequency and vibration amplitude of the ultrasonic vibration also change, it is possible to grasp the mechanical characteristics of the object 65, for example, the viscoelastic characteristics, by detecting the amount of change. As described above, according to the present embodiment, the response signal immediately after the ultrasonic wave immediately after the application of the trapezoidal pulse can be detected separately, and the echo signal can also be detected. The response signal immediately after the ultrasonic wave can be obtained as a response signal immediately after the ultrasonic wave having a short pulse width that is hardly subjected to damping by using a characteristic technique called dynamic damping.
[0053]
Since this signal is hardly damped, its center frequency and amplitude are changed with high sensitivity according to the object load. This means that detection of surface information (surface viscoelasticity) of an object can be performed with high sensitivity, and if the viscoelastic object is considered to be a biological tissue, a favorable effect that a highly accurate biological tissue diagnosis can be performed. It means to be tied to.
[0054]
-On the other hand, the echo signal obtained when the response signal immediately after the ultrasonic wave with a short pulse width enters the object also changes the amplitude and the center frequency according to the viscoelastic characteristics of the propagation path. By analyzing the relationship between the signal and the echo signal and the relationship between the echo signals, for example, changes in amplitude and center frequency, it is possible to detect the depth information (viscoelasticity in the depth direction) of the object with high sensitivity. This means that if the viscoelastic object is considered to be a living tissue, it leads to a preferable effect that a deep diagnosis of the living tissue can be performed with high accuracy.
[0055]
From the above, this embodiment can provide an ultrasonic diagnostic apparatus capable of detecting surface information, which was impossible with a conventional ultrasonic diagnostic apparatus. On the other hand, since the detection of the surface information can be regarded as tactile sensing, it is possible to provide a tactile sensor device capable of detecting deep information, which was impossible with a conventional tactile sensor device.
[0056]
Next, FIGS. 8A to 8D show and explain the configuration of an ultrasonic transducer used in the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention as a second embodiment.
FIG. 8A shows the appearance of an ultrasonic transducer catheter 77 having an acoustic coupling layer / pressure receiving portion 78 provided at the tip, and FIG. 8B shows the ultrasonic transducer catheter 77 viewed from the A direction. A cross section near the tip is shown.
[0057]
The ultrasonic transducer catheter 77 has a two-body structure as shown in FIG. 8C and is a fitted structure as shown in FIG.
One of the two-body structures has a structure in which a plurality of piezoelectric vibrators 82a to 82h are joined to a plurality of portions of a holding structure 80 provided with a fitting portion 80a and a fitting stopper 83.
[0058]
First, a cylindrical material made of fused silica or the like is cut or ground to form an inset portion 80a, and surfaces 89a to 89h for mounting the piezoelectric vibrators 82a to 82h are formed.
[0059]
Next, as a common ground electrode 99, using a means such as sputtering or vacuum deposition, a two-layer metal layer such as gold, platinum, or gold / titanium, platinum / titanium, etc., including piezoelectric vibrator bonding surfaces 89a to 89h It is formed so as to be continuous with the surface and the surface of the fitting portion 80a. Further, the piezoelectric vibrators 82a to 82h are joined to the piezoelectric vibrator joining surfaces 89a to 89h by bonding or the like. Then, a silicone resin or a urethane resin is thinly coated on the piezoelectric vibrators 82a to 82h to form the pressure receiving portion 78.
[0060]
The stopper ring 83 is fixed to the cylindrical fitting portion 80a with an adhesive, and the ultrasonic transducer head 92 is completed. FIG. 8D shows the ultrasonic transducer head 92 viewed from the direction B in FIG.
[0061]
From these piezoelectric vibrators 82a to 82h, lead wires 93a to 93h are led to the central shaft tubular hole 98 and connected to the terminals 93a "to 93h" via the internal wirings 93a "to 93h".
[0062]
On the other hand, a metal film 94 is formed on the inner wall of the central shaft tubular hole 98 ′ of the tubular structure 79, and a coaxial multicore cable 96 that transmits and receives electrical signals to each of the piezoelectric vibrators 82 a to 82 h is disposed. The shielded wire (not shown) of the coaxial multicore cable 96 is connected to a metal film 94 formed on the inner wall of the central shaft tubular hole 98 ′ in the vicinity of the hand operating portion of the tubular structure 79.
[0063]
The front end of the ultrasonic transducer head 92 is finally joined and sealed with the front plugging material 97.
The operation of the ultrasonic transducer head configured as described above will be described. A trapezoidal pulse voltage is sequentially applied to each of the piezoelectric vibrators 82a to 82h via the coaxial multicore cable 96 and the surface ground electrodes 94 and 99. As a result of this application, the ultrasonic pulses generated in the piezoelectric vibrators 82a to 82h act on the object, are modulated according to the viscoelastic characteristics of the object, and are immediately observed as an ultrasonic response signal. This transmission / reception is sequentially operated using means such as an electronic switch for each of the piezoelectric vibrators 82a to 82h.
[0064]
Since the piezoelectric vibrator in which no echo signal is observed is not in contact with the object, the orientation of the ultrasonic transducer head 92 can be known if the position of the piezoelectric vibrator is known. Further, the response signal from the piezoelectric vibrator not in contact with the object is subjected to FFT analysis, and the center frequency f0 Maximum value A0 , Parameters such as specific bandwidth are extracted, and these are used as reference values, and the center frequency f of the reflected ultrasound 29 from the object contact surface0 Maximum value A0 The viscoelastic characteristics of the object can be determined by comparing with the specific bandwidth α. The signal processing method for each of the plurality of ultrasonic transducers is the same as that in the first embodiment described above, and a description thereof is omitted here.
[0065]
Further, when the piezoelectric vibrator comes into contact with the object and the echo signals can be detected from the respective objects, an annular scanning tomographic image is obtained by sequentially scanning electronically. The signal processing method in this case is exactly the same as that of the linear electronic scan ultrasonic diagnostic apparatus, and description thereof is omitted here.
[0066]
Such an annular scanning tomographic image is effective for diagnosing a state around a 360-degree lumen wall such as a blood vessel.
As described above, when in contact with the object, the ultrasonic response signal reflected on the object surface is analyzed to evaluate the viscoelastic characteristics of the object, and tomographic information can be obtained from the echo signal. By arranging piezoelectric vibrators in an annular shape and sequentially scanning them, an annular scanning tomographic image is obtained, and a state around 360 ° around a lumen wall such as a blood vessel is diagnosed together with the surface information and tomographic information of the object. I can do it.
[0067]
Next, with reference to FIGS. 9A to 9D, an ultrasonic transducer used in the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention will be described as a third embodiment.
Here, differences from the configuration of the second embodiment described above will be described. From the viewpoint of the structure, from the comparison between FIG. 8 and FIG. 9, in the configuration of the ultrasonic transducer catheter, it is the same that a plurality of piezoelectric vibrators are formed. The ultrasonic delay medium 80 is provided on the front surface of 82h, and the acoustic coupling layer / pressure receiving portion is not directly formed on the piezoelectric vibrator, but is formed on the contact surface of the ultrasonic delay medium 80 with the object. The point is different.
[0068]
Moreover, the structural example of the ultrasonic diagnosing device for implementing this embodiment is shown in FIG. In this configuration, parts equivalent to those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. This ultrasonic diagnostic apparatus has a simple configuration in which the branch circuit 2, the attenuator 5, the delay circuit 7, and the differential amplifier 6 are omitted from the configuration of the first embodiment described above.
[0069]
In FIG. 10, the trapezoidal pulse signal 16 from the trapezoidal pulse generator 1 is amplified to a signal 18 of 50 to 100 V by the high frequency amplifier 3 and applied to the ultrasonic transducer 66.
[0070]
In the ultrasonic transducer, as shown in FIG. 9D, a plurality of piezoelectric vibrators 82 a to 82 h are attached to a single ultrasonic delay medium 80. The ultrasonic vibration generated in the piezoelectric vibrators 82a to 82h passes through the ultrasonic delay medium 80.d / 2 propagates and the surface t of the object 75d / 2 and undergoes changes in the center frequency and amplitude depending on the viscoelastic properties of the surface of the object.
[0071]
The ultrasonic response signal after being affected by this is the ultrasonic signal 29 shown in FIG. 11, and the trapezoidal pulse 30 is applied in a state where the object 75 is not in contact with the center frequency and amplitude of the ultrasonic signal 29. Td By comparing the center frequency and amplitude of the response signal generated after the time, the surface viscoelastic property of the object can be detected. As shown in FIG. 11, the ultrasonic response waveform at the time of contact with the target object is observed as echo signals 31, 32, 33, 34, etc., following the ultrasonic response signal 29 including the first surface information. By applying FFT processing to each of these signals, extracting the parameters of the center frequency, amplitude, and phase from each of these signals and comparing them, the viscoelastic characteristic ratio between the target object and the abnormal tissue present therein can be known. The above is sequentially switched for each ultrasonic transducer.
[0072]
According to the present embodiment, the response signal immediately after the ultrasonic wave reaches the surface of the object can be detected separately from the applied trapezoidal pulse waveform, and the target signal can be detected by comparing with the response signal when the object is not in contact. The viscoelastic property of the surface of the object can be detected. In addition, the depth direction viscoelasticity characteristic of the object can be detected from the echo signal observed immediately after the response signal. In addition, since the ultrasonic transducer does not directly contact an object such as a living body, the ultrasonic transducer not only has no fear of current leakage to the living body, but also does not have to worry about damage due to cleaning or disinfection of the ultrasonic transducer.
[0073]
Next, FIG. 12 illustrates a modification of the above-described third embodiment.
This modified example is different from the third embodiment only in the structure of the piezoelectric vibrator. That is, partial electrodes 86a to 86h corresponding to the number of elements (eight in the example of FIG. 12) and full-surface electrodes (not shown) are provided on the back surface of the circular annular piezoelectric ceramics 85. After the electrodes are formed, they are all polarized at the same potential, and bonded by a method such as adhesion so that the entire electrode side contacts the ultrasonic delay medium.
[0074]
Then, lead wires 87a to 87h are attached to each partial electrode, and a trapezoidal pulse voltage is applied between the lead wire and the surface ground electrode 99 formed on the surface of the fitting portion 80a of the ultrasonic delay medium.
[0075]
In this modification, it is not necessary to join the piezoelectric vibrators one by one as in the third embodiment, and it is not necessary to pay attention to variations in characteristics between the piezoelectric vibrators due to assembly. Furthermore, since each piezoelectric vibrator part becomes a curved surface and ultrasonic waves are emitted from the concave side of the curved surface, the ultrasonic beam is narrowed down, and the stray of the ultrasonic beam is less likely to occur. As a result, it is possible to detect the ultrasonic response and echo signal with high accuracy. In this embodiment, the piezoelectric vibrator is disposed on the side that does not contact the object with respect to the delay medium. However, the position of the piezoelectric vibrator is the same as in the second embodiment described above. Needless to say, the configuration arranged on the side in contact with the object is also within the scope of the present invention.
[0076]
In addition, the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention is not limited to the conventional ultrasonic diagnostic apparatus, and what is conventionally referred to as a tactile sensor or a pressure sensor is also considered as long as ultrasonic vibration is used for detection. .
[0077]
Although the above embodiment was demonstrated, this specification also includes the invention which solves the following subjects.
As a problem, the first problem can be achieved if a high-frequency pulse signal corresponding only to the ultrasonic response signal immediately after the above can be separated, but this alone can be applied to the surface and the deep part of the test object. Therefore, the acoustic structure cannot be detected with high sensitivity and high resolution. In particular, when detecting deep part information, the pulse width of the echo signal greatly affects.
[0078]
In general, the pulse width of the echo signal is almost determined by the pulse width of the ultrasonic response signal immediately after. In the prior art, as shown in FIG. 14, the ultrasonic vibration is damped by the structure of the ultrasonic transducer in which the back surface load material 109 is formed on the back surface of the piezoelectric element 107, and the pulse width is shortened. Yes.
[0079]
As with conventional ultrasonic diagnostic equipment, this is sufficient when only echo information is processed for the purpose of deep information detection. However, not only deep information but also surface information, that is, tactile information, is detected with high sensitivity. If the immediately following ultrasonic response signal is damped from the beginning, there is a problem that the desired detection sensitivity cannot be obtained. Therefore, in order to detect surface information, that is, tactile information with high sensitivity, the ultrasonic response signal immediately after is not damped from the beginning, and the pulse width of the ultrasonic pulse must be shortened in order to increase the resolution of deep diagnosis. .
[0080]
When the immediately following ultrasonic response signal becomes available by solving the technical problems as described above, it is meaningful to derive the relationship between this signal and the subsequent signal. In the past, the acoustic discontinuity was simply drawn from which position and what kind of acoustic discontinuity was depicted simply from the relationship between the time when the echo signal was detected and the magnitude of the echo amplitude. It does not depict viscoelastic properties of living tissue existing at positions up to the continuous part or viscoelastic properties of living abnormal tissue. However, a more desirable ultrasonic diagnosis is that it is possible to diagnose what kind of abnormal tissue is located at which position of normal living tissue and how much abnormality is present compared to normal living tissue. .
[0081]
Therefore, there is a problem that it is necessary to express what and how much abnormal tissue is present at which position of normal living tissue by an absolute value or a relative value.
Furthermore, when performing ultrasonic diagnosis of a living tissue, a certain degree of diagnosis can be performed without scanning the ultrasonic beam, but if surface information is obtained by scanning the ultrasonic beam, the accuracy of the diagnosis is further improved. In order to obtain such surface information, there is a method in which a single ultrasonic transducer is rotated and an ultrasonic beam is scanned, as in the prior art. In order to detect an acoustic structure over the surface and depth of an object, the ultrasonic transmission / reception surface of the ultrasonic transducer needs to be in contact with the surface of the object to be examined. However, there is a problem that it is necessary to make an electronic scanning ultrasonic transducer, and it must be an electronic scanning ultrasonic transducer.
[0082]
(1) An ultrasonic transducer comprising a piezoelectric vibrator, a pulser / receiver that applies a pulse voltage to the ultrasonic transducer and receives an ultrasonic response signal generated in the ultrasonic transducer by the application of the pulse voltage, and the pulser / receiver An ultrasonic response immediately after applying the pulse voltage in an ultrasonic diagnostic apparatus that detects the acoustic structure of the test object by analyzing the output signal. An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for separately detecting and analyzing a signal.
[0083]
However, the ultrasonic response signal immediately after the above is an ultrasonic signal that first acts on the object. A pulsar / receiver is a commonly used integrated device. The pulsar includes a pulse generator, a pulse width, a pulse generation period setting unit, a time constant setting device, etc. It is a device composed of a circuit and the like. When a pulse voltage is applied from the pulsar to an ultrasonic transducer composed of a piezoelectric vibrator, the ultrasonic transducer generates an ultrasonic response signal having a frequency component equal to the inherent resonance frequency of the piezoelectric vibrator.
[0084]
This signal is converted into a high-frequency pulse voltage signal by the piezoelectric effect of the piezoelectric vibrator. Among these voltage signals, a voltage signal generated immediately after application of the pulse voltage includes a high-frequency pulse voltage signal obtained by piezoelectrically converting the applied pulse voltage signal and the immediately following ultrasonic response signal. Among these, the immediately following ultrasonic response signal includes a tactile signal corresponding to the surface state of the object. Therefore, if it has a means for separating and detecting the ultrasonic response signal immediately after applying the pulse voltage and analyzing it, the effect of diagnosing the surface state of the object can be obtained.
[0085]
(2) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (1) above, the means for separating and detecting only the ultrasonic response signal immediately after the above is one of the means for branching the output of the pulse generator (pulsa) and one of the branch signals Means for inputting a response signal immediately after the amplified signal is applied to the ultrasonic transducer, attenuating means for reducing the amplitude of the immediately following signal, and means for delaying the other signal of the branch signal An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for taking a difference between the delayed output and the attenuated output.
[0086]
The first embodiment is applicable.
The ultrasonic diagnostic apparatus described in the item (1) has means for branching the output of the pulse generator (pulser), the pulse output is branched, one as a reference signal and the other as amplification means. After being amplified by the above, it is used as an ultrasonic excitation signal for applying a pulse voltage to the ultrasonic transducer. By applying this ultrasonic excitation signal, an ultrasonic response signal is immediately excited in the ultrasonic transducer, but there is almost no time difference between the applied pulse voltage signal and the high-frequency pulse voltage signal obtained by piezoelectrically converting the ultrasonic response signal. Therefore, it is observed as a superimposed signal of both. Since this superimposed signal has a high voltage, it is attenuated to an appropriate amplitude by the attenuation means. On the other hand, the reference signal gives a time delay equal to the total time delay due to the amplifying means, the attenuating means and the wiring existing in the other signal transmission path. Then, both signals are input to a means for taking a difference to obtain a differential output. By using these means, only the ultrasonic response signal immediately after can be separated and detected, and the surface state of the object can be diagnosed.
[0087]
(3) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in the item (1), the means for separating and detecting only the ultrasonic response signal immediately after the ultrasonic diagnosis includes a low-loss ultrasonic delay medium and a gate means. apparatus.
[0088]
The second embodiment is applicable.
However, in the second embodiment, the low-loss ultrasonic delay medium is exemplified by fused quartz. However, other materials are also lossy with respect to, for example, silicon, lithium niobate, crystallized glass, or vibration. For example, a material with a small amount of attenuation, specifically, an attenuation factor α <0.1 dB / cm may be used. In addition, when it is known that only an object with a small ultrasonic loss is originally measured, it is not always necessary to have an ultrasonic loss as high as that of fused silica, and it is sufficient if α <5 dB / cm.
[0089]
Therefore, the item (3) applies the ultrasonic wave generated in the piezoelectric vibrator to the object through the low-loss ultrasonic delay medium, and the response signal at this time passes through the low-loss ultrasonic delay medium to the piezoelectric vibrator. In other words, the high frequency pulse voltage signal is converted by the piezoelectric effect of the piezoelectric vibrator. The high-frequency pulse voltage signal in this case is delayed from the pulse voltage application timing by the time that the ultrasonic wave generated in the piezoelectric vibrator reciprocates through the low-loss ultrasonic delay medium, so that only the signal after this time has passed is transmitted. Pass through. The signal passing through the gate means does not include the voltage waveform applied to the piezoelectric vibrator.
[0090]
With the above means, only the ultrasonic response signal immediately after the object can be separated and detected, and the surface state of the object can be diagnosed.
(4) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (1) above, the means for applying the pulse voltage includes an ultrasonically-damped time region and an undamped time region. An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for generating pulse vibration.
[0091]
All the embodiments are applicable.
Therefore, in the above item (4), the ultrasonic pulse vibration generated in the piezoelectric vibrator immediately after applying the pulse voltage has almost no vibration amplitude in the time region where the vibration is electrically damped and is damped. In the non-time region, the piezoelectric vibrator vibrates completely unaffected and has a large vibration amplitude. Therefore, when an object load is applied, the ultrasonic pulse vibration in a time region in which damping is not performed changes greatly when the object load is applied. Further, as described above, since the tailing portion originally possessed by the ultrasonic pulse is electrically damped, the pulse width of the ultrasonic pulse can be shortened. By the above means, it becomes possible to detect the surface information of the object with high sensitivity.
[0092]
(5) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in the above item (4), the means for applying the pulse voltage described above is configured such that the voltage rise time tr , Voltage holding time tw , Voltage fall time tf And the inverse of the resonance frequency of the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic transducer is tp Then,
tr <Tp <Tf
tw = nxtp   (N = 1-5)
tf = m × tp   (M = 1-10)
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: means for generating a trapezoidal pulse having the following relationship; and means for amplifying the trapezoidal pulse.
[0093]
All the embodiments are applicable.
However, m and n do not necessarily have to be integers and represent real numbers. In addition, since the piezoelectric vibrator is a differential element, it causes a vibration whose phase is reversed when the applied voltage increases and decreases.
[0094]
Therefore, the term (5) is the reciprocal t of the resonance frequency of the piezoelectric vibrator.p Shorter time tr When the step-up voltage of the rising edge is given, the piezoelectric vibrator freely vibrates at the resonance frequency, whereas the reciprocal tp Longer time tf When the step-down voltage at the falling edge is applied, the piezoelectric vibrator oscillates at the resonance frequency corresponding to the time tf. Therefore, the appropriate tw And tr , Tp , Tf By applying the trapezoidal pulse of the relationship, it is possible to generate ultrasonic pulse vibrations consisting of an electrically damped time region and an undamped time region.
[0095]
By the above means, it becomes possible to detect the surface information of the object with high sensitivity, and an ultrasonic response signal having a short pulse width can be used.
(6) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (5) above, the means for generating the trapezoidal pulse has variable signal input means for changing the values of m and n. A characteristic ultrasonic diagnostic apparatus.
[0096]
All the embodiments are applicable.
Therefore, the item (6) has variable signal input means for changing the values of m and n, so that the variable signal is inputted and the optimum trapezoidal pulse signal that can obtain the optimum ultrasonic response signal is generated. It becomes possible to do. However, the value of m determines the wave number of the ultrasonic response waveform. As the wave number increases, the pulse width becomes longer and adversely affects the resolution, but the ultrasonic energy of the ultrasonic pulse increases as the wave number increases, contributing to an increase in the dynamic range. Therefore, the trapezoidal pulse tw , Tf If there is a function to adjust the surface, it is possible to detect the surface information of the object with a large sensitivity and a large dynamic range, and an ultrasonic response signal having a short pulse width can be used.
[0097]
(7) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (6) above, the value of n is set to the value of m, and then the electrically damped time region described in (5) above An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for automatically setting so that the maximum amplitude is minimized.
[0098]
All the embodiments are applicable.
Therefore, in the item (7), if the value of m can be automatically set, an optimum ultrasonic response waveform can be obtained even if the ultrasonic transducer to be used is replaced.
[0099]
(8) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in the item (1), the means for detecting and analyzing the ultrasonic response signal immediately after the application of the pulse voltage has a center frequency f from the immediate ultrasonic response signal.0 And maximum amplitude A0 An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for extracting parameters.
[0100]
All the embodiments are applicable.
However, the center frequency f0 And maximum amplitude A0 In the embodiment, the parameter extracting means performs parameter extraction after subjecting the ultrasonic response signal to the time axis to FFT processing.
[0101]
Therefore, the term (8) indicates that the center frequency and amplitude of the immediately after ultrasonic response signal change depending on the presence or absence of the object load and the magnitude of the object load.0 And maximum amplitude A0 By knowing these changes by means of parameter extraction, it is possible to know the presence or absence of the object load and the magnitude of the object load.
[0102]
(9) The ultrasonic diagnostic apparatus described in (1) above, further comprising means for detecting and analyzing an ultrasonic response signal following the ultrasonic response signal. .
[0103]
However, the subsequent ultrasonic response signal means an ultrasonic echo signal.
All the embodiments are applicable.
Therefore, the item (9) is the ultrasonic response signal S immediately after0 It is possible to detect the surface information of the object. Subsequent ultrasonic response signals are reflected at the boundary when an ultrasonic pulse that has propagated deep from the surface of the object encounters tissue with an acoustic impedance different from that of the propagation medium. The echo signal Se1 is then returned to the ultrasonic transducer. The ultrasonic pulse transmitted through the boundary surface passes through the next boundary surface and returns to the first boundary surface, where a part of the ultrasonic pulse passes through the boundary surface and becomes an echo signal Se2. Return to the ultrasonic transducer.
[0104]
These echo signals S0 And the echo signal Se1 indicate the sound velocity of the propagation medium, and the amplitude ratio indicates the attenuation of the propagation medium. Further, the sound speed of the tissue having the different acoustic impedance can be found from the relationship between Se1 and Se2, and the attenuation of the tissue having the different acoustic impedance can be found from the amplitude ratio.
[0105]
In addition, since the sound velocity and attenuation are related to the elasticity and viscosity of the viscoelastic characteristics, respectively, an ultrasonic response signal that immediately follows the ultrasonic response signal is detected and analyzed, so that not only the surface but also the deep portion. Diagnosis of viscoelastic properties of
[0106]
(10) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (9) above, means for measuring a time interval between the immediately following ultrasonic response signal and the subsequent ultrasonic response signal, and a plurality of subsequent ultrasonic responses An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for measuring a time interval between signals.
[0107]
All the embodiments are applicable.
Accordingly, the item (10) provides the same effect as the item (9).
(11) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (9) above, means for measuring the maximum amplitude ratio between the immediately following ultrasonic response signal and the subsequent ultrasonic response signal, and a plurality of subsequent ultrasonic waves An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for measuring a time interval between response signals.
[0108]
All the embodiments are applicable.
Accordingly, the item (11) can obtain the same effect as the item (9).
(12) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in the item (9), the ultrasonic diagnostic apparatus includes means for measuring a relationship between a phase of the immediately following ultrasonic response signal and a phase of the subsequent ultrasonic response signal. Ultrasonic diagnostic equipment.
[0109]
All the embodiments are applicable.
Therefore, the same effect as the item (9) can be obtained in the item (12).
(13) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in the item (4), a stress load against ultrasonic vibration is applied to the ultrasonic transducer on a surface opposite to the ultrasonic transmission / reception side of the ultrasonic transducer. An ultrasonic diagnostic apparatus characterized by having no structure.
[0110]
All the embodiments are applicable.
Therefore, the item (13) has a structure in which the ultrasonic transducer does not join the back load material at all, so that it is not damped with the time domain electrically damped as described in the item (4). Ultrasonic pulse vibration consisting of a time domain can be generated. Therefore, changes in the center frequency and amplitude of the ultrasonic pulse vibration when the object comes into contact can be detected with high sensitivity and high dynamic range.
[0111]
(14) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (13), the transducer includes a piezoelectric vibrator, an acoustic coupling layer bonded to the surface on the ultrasonic wave output side, and a pressure receiving unit bonded to the acoustic coupling layer. An ultrasonic diagnostic apparatus comprising:
[0112]
All the embodiments are applicable.
Therefore, in the above item (14), the ultrasonic wave excited by the piezoelectric vibrator passes through the acoustic coupling layer, and a part of the ultrasonic wave penetrates efficiently through the pressure receiving portion in the depth direction of the object. It is used for detecting surface information as a sound wave response signal. When acoustically coupled optimally, large ultrasonic energy enters the object, and even a highly attenuated object reaches the acoustic boundary, where the reflected ultrasonic echo signal can be detected and the highly attenuated object can be detected. Elastic modulus and viscosity can be evaluated.
[0113]
(15) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (13) above, the ultrasonic transducer joins the low-loss ultrasonic delay medium described in (4) to the ultrasonic transmission / reception side surface of the piezoelectric vibrator. An ultrasonic diagnostic apparatus having a structure in which an acoustic matching layer serving also as a pressure receiving portion is formed on a surface of the low loss ultrasonic delay medium that is in contact with an object.
[0114]
The second embodiment is applicable.
Therefore, in the above item (15), the structure of the ultrasonic transducer is bonded with a low-loss ultrasonic delay medium, and a back load material is formed on the back so as to be a load of ultrasonic vibration of the piezoelectric vibrator. It has no structure.
[0115]
The ultrasonic vibration excited by the piezoelectric vibrator propagates through the low-loss ultrasonic delay medium, reaches the object, and is divided into a component that reflects at the interface and a component that enters the object. The former component is used as an immediate ultrasonic response signal, the surface information of the object is detected from this signal, the latter component is used to generate an echo signal, and the depth information is detected from this echo signal. Since an acoustic matching layer is formed between the low-loss ultrasonic delay medium and the object, multiple reflections in the low-loss ultrasonic delay medium are reduced, and surface information and depth information can be detected appropriately. . Furthermore, since the piezoelectric vibrator does not come into direct contact with the target object, when the target object is a living body, it is possible to obtain an effect of completely wiping out safety concerns. In addition, the problem of chemical resistance at the time of cleaning and disinfection of the ultrasonic transducer is completely eliminated.
[0116]
(16) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in (15), the ultrasonic transducer joins a plurality of piezoelectric vibrators to one low-loss ultrasonic delay medium, An ultrasonic diagnostic apparatus having a structure in which a pressure receiving portion for transmitting and receiving ultrasonic waves to an object is formed on a surface of a low-loss ultrasonic delay medium on a diagonal side across a loss ultrasonic delay medium .
[0117]
The second embodiment is applicable.
Therefore, in the item (16), in addition to the function and effect of the item (15), since a plurality of piezoelectric vibrators are bonded to one low-loss ultrasonic delay medium, the posture of the ultrasonic transducer is not changed. However, the object can be diagnosed using a piezoelectric vibrator that is in contact with the object via a low-loss ultrasonic delay medium. In addition, with reference to the signal from the piezoelectric vibrator that is not in contact with the object via the low-loss ultrasonic delay medium as a reference signal, the temperature characteristics of the signal from the piezoelectric vibrator that is in contact with the low-loss ultrasonic delay medium It is also possible to correct unnecessary characteristics such as common.
[0118]
(17) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in the above (16), the plurality of piezoelectric vibrators are arranged in a ring shape, and the ultrasonic transmission / reception surface of the low-loss ultrasonic delay medium is also formed in a diagonal ring shape. An ultrasonic diagnostic apparatus characterized by being configured.
[0119]
The second and third embodiments are applicable.
Therefore, in the embodiment described in (16) above, the number of piezoelectric vibrators arranged in the form (17) is eight, but this number is not necessarily the best, and it depends on the application. The number may be larger or smaller and may be designed according to the application. In addition, it is assumed that a plurality of discrete piezoelectric elements are joined. For example, a piezoelectric thick film or a piezoelectric thin film is formed on an ultrasonic delay medium having high heat resistance and good film form via a lower electrode, A structure in which an upper electrode is formed and wired may be used.
[0120]
Therefore, the ultrasonic beam can be scanned in an annular shape by arranging a plurality of piezoelectric vibrators in an annular shape and sequentially performing drive scanning along the annular shape. This eliminates the need for mechanically rotating the ultrasonic transducer like the prior art, greatly reducing mechanical structural components and greatly improving the reliability of the apparatus.
[0121]
(18) In the ultrasonic diagnostic apparatus described in the item (17), the plurality of annularly arranged piezoelectric vibrators have a structure in which a divided electrode is formed on an annular piezoelectric element. Diagnostic device.
The second and third embodiments are applicable.
Therefore, the item (18) can obtain the same effect as the item (17).
[0122]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic diagnostic apparatus capable of detecting an acoustic structure over the surface and deep part of a test object.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an ultrasonic diagnostic apparatus according to a first embodiment.
2 is a diagram schematically showing an ultrasonic response waveform in the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG. 1. FIG.
3 is a diagram showing an example of the internal configuration of a trapezoidal pulse generator in the ultrasonic diagnostic apparatus shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of dynamic damping in the ultrasonic diagnostic apparatus according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing an ultrasonic response waveform obtained by a method conventionally used in a normal ultrasonic diagnostic apparatus.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of an ultrasonic transducer used in the ultrasonic diagnostic apparatus according to the first embodiment.
7 is a view showing a modification of the ultrasonic transducer shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic transducer used in an ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention as a second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic transducer used in an ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention as a third embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of an ultrasonic diagnostic apparatus for carrying out a third embodiment.
11 is a diagram schematically showing an ultrasonic response waveform in FIG.
FIG. 12 is a diagram showing a modification of the ultrasonic transducer used in the ultrasonic diagnostic apparatus according to the third embodiment.
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a conventional ultrasonic transducer catheter.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a conventional ultrasonic transducer.
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional ultrasonic diagnostic apparatus.
[Explanation of symbols]
1 ... Trapezoidal pulse generator
2 ... Branch circuit
3. High frequency amplifier
4 ... Ultrasonic transducer
5 ... Attenuator
6 ... Differential amplifier
7. Delay circuit
8 ... High frequency amplifier
9 ... FFT circuit
10: Gate timing setting section
11, 59... Gate circuit
12 ... Maximum value detector
13 ... n value setting circuit
14 ... changeover switch
15 ... Trapezoidal pulse waveform controller
16-28 ... Signal

Claims (11)

圧電振動子からなる超音波トランスデューサと、これにパルス電圧を印加し、このパルス電圧の印加によって前記超音波トランスデューサに発生する超音波応答信号を受信するパルサ/レシーバと、該パルサ/レシーバの出力信号を信号処理する手段からなり、該出力信号を解析することによって、被検対象物の音響的構造を検出する超音波診断装置に於いて、
前記パルス電圧を印加した直後の超音波応答信号を分離検出し、解析する手段を有することを特徴とした超音波診断装置。
An ultrasonic transducer comprising a piezoelectric vibrator, a pulser / receiver for applying a pulse voltage to the ultrasonic transducer and receiving an ultrasonic response signal generated in the ultrasonic transducer by the application of the pulse voltage, and an output signal of the pulser / receiver In the ultrasonic diagnostic apparatus for detecting the acoustic structure of the test object by analyzing the output signal,
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising means for separately detecting and analyzing an ultrasonic response signal immediately after applying the pulse voltage.
前記超音波診断装置において、
前記した直後超音波応答信号のみを分離検出する手段が、
パルス発生器(パルサ)の出力を分岐する手段と、
分岐信号の一方を増幅する手段と、
前記増幅信号を超音波トランスデューサに電圧印加したときの直後応答信号を入力し、該直後信号の振幅を低減させる減衰手段と、
前記分岐信号の他方の信号を遅延させる手段と、
前記遅延出力と前記減衰出力の差をとる手段と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
Means for separating and detecting only the ultrasonic response signal immediately after the above
Means for branching the output of the pulse generator (pulsa);
Means for amplifying one of the branch signals;
Attenuating means for inputting a response signal immediately after a voltage is applied to the ultrasonic transducer and applying a voltage to the ultrasonic transducer to reduce the amplitude of the signal.
Means for delaying the other signal of the branch signal;
Means for taking the difference between the delayed output and the attenuated output;
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1, further comprising:
前記超音波診断装置において、
前記直後の超音波応答信号のみを分離検出する手段が低損失超音波遅延媒体と、ゲート手段を有することを特徴とする請求項1に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1, wherein the means for separating and detecting only the ultrasonic response signal immediately after is provided with a low-loss ultrasonic delay medium and a gate means.
前記超音波診断装置に於いて、
前記したパルス電圧を印加する手段が、電気的にダンピングされた時間領域とダンピングのされていない時間領域とからなる超音波パルス振動を発生させる手段を有していることを特徴とする請求項1に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
The means for applying the pulse voltage includes means for generating an ultrasonic pulse vibration consisting of an electrically damped time region and an undamped time region. An ultrasonic diagnostic apparatus according to 1.
前記超音波診断装置に於いて、
前記したパルス電圧を印加する手段が、電圧立ち上がり時間t、電圧保持時間t、電圧立ち下がり時間tを持ち、前記超音波トランスデューサを構成する圧電振動子の共振周波数の逆数をtとすると、
<t<t
=n×t (n=1〜5)
=m×t (m=1〜10)
の関係を有する台形パルスを発生させる手段と、該台形パルスを増幅する手段を有することを特徴とする請求項4に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
Means for applying a pulse voltage the is has a voltage rise time t r, the voltage holding time t w, the voltage fall time t f, the inverse of the resonance frequency of the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic transducer and t p Then
t r <t p <t f
t w = n × t p (n = 1 to 5)
t f = m × t p ( m = 1~10)
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 4, further comprising: means for generating a trapezoidal pulse having the following relationship; and means for amplifying the trapezoidal pulse.
前記超音波診断装置に於いて、
前記台形パルスを発生させる手段が、前記m,nの値を変化させる為の可変信号入力手段を有していることを特徴とする請求項5に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
6. The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 5, wherein the means for generating the trapezoidal pulse has variable signal input means for changing the values of m and n.
前記超音波診断装置に於いて、
前記パルス電圧を印加した直後の超音波応答信号を検出し、解析する手段が直後超音波応答信号から中心周波数fと最大振幅Aをパラメータ抽出する手段を有することを特徴とする請求項1に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
Claim 1, wherein the pulse voltage to detect the ultrasonic response signal immediately after the application of the means for analyzing is characterized in that it comprises means for parameter extraction the center frequency f 0 and a maximum amplitude A 0 from the ultrasonic response signal immediately An ultrasonic diagnostic apparatus according to 1.
前記超音波診断装置に於いて、
前記超音波トランスデューサが該超音波トランスデューサの超音波送受側と反対側の面に於いて、超音波振動に対する応力負荷が加わらない構造になっていることを特徴とする請求項4に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
5. The ultrasonic wave according to claim 4, wherein the ultrasonic transducer has a structure in which a stress load against ultrasonic vibration is not applied to a surface opposite to the ultrasonic wave transmission / reception side of the ultrasonic transducer. Diagnostic device.
前記超音波診断装置に於いて、
前記トランスデューサが圧電振動子と、
超音波出射側の面に接合した音響結合層と該音響結合層上に接合した受圧部と、
で構成されることを特徴とする請求項8に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
The transducer is a piezoelectric vibrator;
An acoustic coupling layer joined to the surface on the ultrasonic emission side, and a pressure receiving part joined on the acoustic coupling layer;
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 8, comprising:
前記超音波診断装置に於いて、
前記超音波トランスデューサが圧電振動子の超音波送受側の面に、超音波応答信号のみを分離検出する機能を有する低損失超音波遅延媒体を接合し、該低損失超音波遅延媒体の対象物に接する側の表面に受圧部を兼ねた音響整合層が形成されている構造を有することを特徴とする請求項8に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
The ultrasonic transducer is bonded to the ultrasonic transmission / reception side surface of the piezoelectric vibrator with a low-loss ultrasonic delay medium having a function of separating and detecting only the ultrasonic response signal, and is attached to an object of the low-loss ultrasonic delay medium. The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 8, wherein an acoustic matching layer that also serves as a pressure receiving portion is formed on a surface on the contact side.
前記超音波診断装置に於いて、
前記超音波トランスデューサが1つの低損失超音波遅延媒体に複数の圧電振動子を接合し、該複数の圧電振動子の低損失超音波遅延媒体を挟んだ対角側の低損失超音波遅延媒体の表面に、対象物に超音波を授受する為の受圧部が形成された構造を有することを特徴とする請求項10に記載の超音波診断装置。
In the ultrasonic diagnostic apparatus,
The ultrasonic transducer includes a plurality of piezoelectric vibrators bonded to one low-loss ultrasonic delay medium, and a low-loss ultrasonic delay medium on a diagonal side sandwiching the low-loss ultrasonic delay media of the plurality of piezoelectric vibrators. The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 10, wherein the ultrasonic diagnostic apparatus has a structure in which a pressure receiving portion for transmitting and receiving ultrasonic waves to an object is formed on a surface.
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