CN101404786B - 超声波探头以及超声波诊断装置 - Google Patents

超声波探头以及超声波诊断装置 Download PDF

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Abstract

一种超声波探头，具备至少沿着仰角方向结合的多个模块。模块具有多个第1振子，该多个第1振子关于仰角方向具有第1宽度。模块具有至少一个第2振子，该第2振子关于仰角方向具有比第1宽度窄的第2宽度。第2压电振子配置在关于仰角方向的模块端部。模块配置为，其第2眼电振子面向相邻的模块的第2压电振子。

Description

超声波探头以及超声波诊断装置
本发明基于并要求于2007年10月3日提出的日本在先申请No.2007-260320，该在先申请的全部内容援引入本发明。
技术领域
本发明涉及一种具有多个模块的超声波探头以及超声波诊断装置。
背景技术
已知一种具有多个压电振子的超声波探头。作为该超声波探头的应用例，已知至少在一个方向上结合2个以上的模块而构成的超声波探头(例如，参照日本特开2004-41730号公报)。
图8表示由多个模块90构成的超声波探头100的横截面图。超声波探头100具有2个模块90。模块90具有背面材91。在背面材91的上部经由具有厚度为W90(典型的为50μm)的柔性PC板(FPC)93设置有多个压电振子95。模块90沿着第1方向具有12个压电振子95。典型的，沿着压电振子95的第1方向的宽度W91为250μm。并且，经小块切割(dicing)的压电振子95间的槽的宽度W93的典型的宽度为50μm。因此在模块90的内部，相邻的2个压电振子95b的中心间的距离p90为300μm。
模块90通过硅粘结等在第1方向上被结合，其粘结层96的厚度W96典型为50μm。为了使模块90结合，并且为了使FPC93贯通被结合的面和面之间，被结合的2个压电振子95a的中心间的距离p91变为400μm。即，距离p91比距离p90宽。其结果是旁瓣上升。
这样构成的模块中，存在为了抑制不需要的振动而对压电振子进行辅助小块切割的情况。这里，将通过辅助小块切割而被分割并具有宽度W97的压电振子95b的一部分称为压电振子片95c。通过辅助切割而生成的槽的宽度W98的典型的宽度为50μm。因此，因为压电振子片95c的宽度W97为100μm，模块90内部的压电振子95c的实际宽度W99(W99＝2×W97)为200μm。
如图8所示，在对压电振子95b进行辅助小块切割的情况下，为了确保机械强度，仅对模块90端部的压电振子95a进行辅助小块切割。但是，在该情况下，压电振子95a的宽度W91比压电振子95b的实际宽度W99恰好宽50μm。因此，当在压电振子95a和压电振子95b上施加同一驱动电压时，由压电振子95a产生的超声波的强度比由压电振子95b产生的超声波的强度高大约2dB。其结果，声压分布变为反梯度(inverse-weighting)，旁瓣进一步上升。
发明内容
本发明的目的是在由多个模块构成的超声波探头以及超声波诊断装置中，能够减少旁瓣的上升。
本发明的第1方案的超声波探头，具备至少沿着第1方向结合的多个模块，其特征在于，上述多个模块的每一个具有：多个第1振子，该多个第1振子关于上述第1方向具有第1宽度；以及至少一个第2振子，该第2振子关于上述第1方向具有比上述第1宽度窄的第2宽度，并且配置在关于上述第1方向的上述模块的两端部或一端部。
本发明的第2方案的超声波探头，具备：多个第1振子，关于第1方向具有第1宽度，并且沿着上述第1方向和与上述第1方向垂直的第2方向排列成2维状；以及多个第2振子，关于上述第1方向具有比上述第1宽度窄的第2宽度，并且沿着上述第1方向和上述第2方向排列成2维状，上述多个第1振子和上述多个第2振子至少沿着上述第1方向交替地排列。
本发明的第3方案的超声波诊断装置，具备超声波探头，该超声波探头具有至少沿着第1方向结合的多个模块，上述多个模块的每一个具有：多个第1振子，该多个第1振子关于上述第1方向具有第1宽度；以及至少一个第2振子，该第2振子关于上述第1方向具有比上述第1宽度窄的第2宽度，并且配置在关于上述第1方向的上述模块的两端部或一端部。
更多的目的及优点将在接下来的部分进行说明和例示，而且部分地将通过说明及实施而更加明确。并且，下文的说明尤其能够描述并突出本发明的目的及优点。
附图说明
下面的附图作为说明书的一部分，将解释本发明的具体内容，并与接下来的说明及实施例一起，诠释本发明的各个方面。
图1为表示本发明的实施方式的超声波诊断装置的构成的图。
图2为简略地表示图1的超声波探头的构造的立体图。
图3为简略地表示图2的超声波探头的构造的俯视图。
图4为图3的4-4′截面图。
图5为表示由图3的各压电振子产生的超声波强度的不同的图。
图6为表示本实施方式的超声波探头和现有的超声波探头的超声波特性的不同的图。
图7为本实施方式的未经辅助小块切割的超声波探头的横截面图。
图8现有的超声波探头的横截面图。
具体实施方式
接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1为表示本实施方式的超声波探头和超声波诊断装置的构成的图。如图1所示，超声波诊断装置1包括超声波探头5和超声波诊断装置主体10。
超声波探头5与超声波诊断装置主体10相连接。超声波探头5接收来自超声波诊断装置主体10的超声波驱动脉冲并产生超声波，并且接收由被检测体反射的超声波。超声波探头5将接收的超声波转换为回声信号，并发送到超声波诊断装置主体10。超声波探头5具有本实施方式特有的构造。该特有的构造如下所述。
超声波诊断装置主体10具有：超声波发送部11、超声波接收部12、B模式处理部13、多普勒处理部14、扫描变换器15、图像合成部16、监视器17、存储部18、控制部19以及输入部20。下面，对每个构成要素的功能进行说明。
超声波发送部11具有：未图示的速率脉冲产生电路、延迟电路以及驱动脉冲产生电路等。速率脉冲产生电路以规定的速率频率frHz(周期；1/fr秒)反复产生速率脉冲。延迟电路使超声波对于每个频道聚集成束状并赋予各速率脉冲以决定发送指向性所需的延迟时间。驱动脉冲产生电路在基于各延迟后的速率脉冲的定时，产生超声波驱动脉冲。接收了超声波驱动脉冲的超声波探头5的多个压电振子产生超声波。
超声波接收部12具有：未图示的放大器电路、A/D转换器以及加法器等。放大电路对于每个频道放大回声信号。A/D转换器通过将放大后的回声信号抽样和量化，而由模拟信号转换为数字信号。延迟电路对转换为数字信号后的各回声信号赋予延迟时间，该延迟时间是聚焦成束状并依次改变接收指向性所需的延迟时间。加法器对赋予了延迟时间的回声信号进行加法运算。进行加法运算处理后的回声信号被供给到B模式处理部13以及多普勒处理部14。
B模式处理部13对从超声波接收部12供给的回声信号进行对数放大，对经对数放大后的回声信号进行包络线检波。通过包络线检波，B模式处理部13生成以亮度表现回声信号的信号强度的亮度数据。B模式处理部13将该亮度数据供给到扫描变换器15。被供给的亮度数据作为B模式图像被表示在监视器17上。
多普勒处理部14通过对从超声波接收部12供给的回声信号进行频率解析，算出由多普勒效应所产生的血流等的多普勒信号。多普勒处理器14基于血流等多普勒信号，在多个点算出以血流等的平均速度、速度的离散、多普勒信号的能量等为代表的血流信息等数据。多普勒处理部14将算出的血流信息等数据发送到扫描变换器15。被发送的血流信息等数据作为平均速度图像、离散图像、能量图像或这些的组合图像而被表示在监视器17上。
扫描变换器15将接收的亮度数据或血流信息等数据的超声波扫描的扫描线信号列转换为电视等一般的视频格式的扫描线信号列，生成视频信号并发送到图像合成部16。
图像合成部16从扫描变换器15或存储部18接收视频信号，合成视频信号、各种参数的文字信息或读数等，输出到监视器17。
监视器17基于来自图像合成部16的视频信号将生物体内的形态学信息和血流信息作为图像显示出来。
存储部18存储用于执行图像生成及显示处理的控制程序、和各种图像数据等。
***控制部19对各构成要素进行控制，以实现作为超声波诊断装置主体10的动作。
输入部20具有：用于将来自操作者的指示输入到超声波振动装置主体10的各种开关、按钮、跟踪球、鼠标或键盘等。
下面，对本实施方式的超声波探头5特有的构造进行说明。图2为表示超声波探头5的构成的立体图。如图2所示，超声波探头5具有沿着仰角(侧面)方向而结合的2个模块30。相邻的模块30例如通过硅等粘结。另外，2个模块是一个例子，根据需要也可以将3个、4个或更多的模块30结合。这里，将超声波探头5的电子扫描方向作为方位角(方位)方向(Azimuth direction)，将与电子扫描面相垂直的方向作为仰角(侧面)方向(Elevation direction)，将与方位角方向和仰角方向相垂直的方向作为距离方向(Range direction)。
模块30具有作为吸音材的背面材(填充材)41。背面材41形成矩形块状。在背面材41的上部，经由柔性PC板(FPC)43与多个压电振子45相接合。
多个压电振子45在仰角方向以及方位角方向上隔开规定的间隔配置。这样的多个压电振子45形成2维阵列构造。压电振子45例如配置成沿着仰角方向12列，沿着方位角方向40列，共计480个排列。当然也可以排列其它数量的压电振子45。
各压电振子45具有压电元件46、形成在压电元件46的下部的信号电极47以及形成在压电元件46的上部的接地电极48。关于压电振子45的排列在下文中详细叙述。
压电元件46由二元系或三元系的压电陶瓷或压电单结晶构成。
信号电极47由铜箔等金属箔形成。多个信号电极47与设置在FPC43上的多个布线一一电气地连接。通过该连接关系，能够对多个压电振子45独立地提供驱动信号。
FPC43如上所述设置在背面材41和压电振子45之间。FPC43由用于向多个信号电极47供给电力的多个布线以及具有柔软性的基板等构成。信号电极47和布线被电气地连接。经由该布线在信号电极47上施加来自超声波发送部11的规定的电压。FPC43沿着背面材41的仰角方向的两侧面，折弯成大致90°。
接地电极48以铜箔等金属箔为材料构成。接地电极48通过与沿着超声波探头5的仰角方向的两侧面相连接的接地取出电极(未图示)而被取出。接地取出电极是用于将接地电极48接地连接的电极。虽然未图示，但接地取出电极在超声波探头5的两侧面与FPC43连接并一体化。
在各压电振子45的上部，经由接地电极48设置有第1音响整合层49。第1音响整合层49以导电性材料为材料形成。第1音响整合层49的上部与第2音响整合层51相连接。第2音响整合层51以绝缘性材料为材料形成。第1音响整合层49以及第2音响整合层51用于使音响阻抗从压电振子45向被检测体阶段地变化而设置。第2音响整合层51的上部以覆盖全部第2音响整合层51的上部的方式设置音响透镜(未图示)。另外，虽然本实施方式的超声波探头5为具有第1音响整合层49以及第2音响整合层51的构成，但是也可以是仅具有第1音响整合层49的构成。
压电振子45、第1音响整合层49以及第2音响整合层51通过间隙53沿着仰角方向以及方位角方向被分割。各间隙53中，典型地填充有环氧树脂等树脂材料或者填充有在环氧树脂等树脂材料中混入填充物材料而形成的填充材料。
图3是图2的超声波探头5的简略的俯视图。如图3所示，2个模块30(图3的粗框)经由由硅构成的粘结层35而结合。在1个模块30上，沿着仰角方向排列有12列，沿着方位角方向配置有40列，共计480个压电振子45。压电振子45根据仰角方向的宽度被分为第1压电振子45a和第2压电振子45b。第1压电振子45a沿着仰角方向具有宽度W1。第1压电振子45a设置在沿着模块30的仰角方向的内部。图3中，第1压电振子45a沿着仰角方向每10个地设置。第2压电振子45b沿着仰角方向具有宽度W2。第2压电振子45b设置在沿着模块30的仰角方向的端部。为了实现旁瓣上升的减少，宽度W1被设计成比宽度W2大。
当将超声波探头5作为整体来看而不仅单独看模块30时，超声波探头5中，在仰角方向上设置24列，方位角方向上设置40列，共计960个压电振子45。在沿着仰角方向的超声波探头5的两端部设置第2压电振子45b。另外，在沿着仰角方向相邻接的模块30的边界部分也设置第2压电振子45b。在剩余的部分上设置有第1压电振子45a。
图4为图3的4-4′截面图。如图4所示，模块30具有背面材41。背面材41的上部经由具有厚度WF的FPC43与多个压电振子45相接合。厚度WF典型地为50μm。FPC43在背面材41的两侧面被折弯成大约90°。模块30通过硅粘结等被结合在仰角方向上。更详细来说，模块30以该第2压电振子45b夹着粘结层35并与相邻的模块30的第2压电振子45b相面对的方式被结合。由硅形成的粘结层35的厚度(被粘合的2个FPC43之间的距离)WA，典型地为50μm。
如图4所示，邻接的第1压电振子45a之间、邻接的第2压电振子45b之间、以及邻接的第1压电振子45a和第2压电振子45b之间设置小块切割槽53。小块切割槽53沿着仰角方向具有宽度WD。该宽度DS根据小块切割板的厚度而决定。典型地，宽度DS为50μm。
沿着仰角方向的第1压电振子45a的宽度W1典型地被设计成250μm。在第1压电振子45a上有通过由小块切割板进行辅助小块切割而形成的辅助小块切割槽55。辅助小块切割槽55沿着仰角方向具有宽度WS。宽度WS根据小块切割板的厚度而决定。典型地，宽度WS与宽度WD相等，为50μm。这里，将通过辅助小块切割被分断为2个的第1压电振子45a的各部分称作第1压电振子片45c。第1压电振子片45c沿着仰角方向具有宽度W3。宽度W3为100μm。因此，第1压电振子45b的实际宽度WE(WE＝2×W3＝W1-WS)变为200μm。并且，邻接的2个第1压电振子45a的中心间的距离(第1压电振子间距离)p1为300μm。
如图4所示，模块30的端部上设置的第2压电振子45b为了机械强度的增强而没有被小块切割。宽度W2被决定为，结合的2个第2压电振子45b的中心间的距离(第2压电振子间距离)P2与第1压电振子间距离p1相等。即，宽度W2变为150μm。并且，第1压电振子的中心和第2压电振子的中心的距离(第1-第2压电振子间的距离)p3为250μm。
下面，对具有上述构成的超声波探头5的效果进行说明。
(1)根据图8所示的现有的超声波探头100的构成，经由粘结层邻接的2个压电振子95a的中心间的距离p91，比模块内部的邻接的2个压电振子95b的中心间的距离p90大。另一方面，根据图4所示的本实施方式的超声波探头5的构成，模块30端部的压电振子45b的宽度W2比模块30内部的第1压电振子45a的宽度W1窄。因此，能够使第2压电振子间距离p2和第1压电振子间距离p1大致相等。其结果是，超声波探头5与现有的超声波探头100相比，旁瓣的上升被减少。
(2)在进行了辅助小块切割的情况下，根据图8所示的现有的超声波探头100的构成，模块端部的压电振子95a的宽度W91为250μm，模块内部的压电振子95b的实际宽度W99为200μm。因此，在压电振子95a和压电振子95b上施加同一驱动电压的情况下，由压电振子95a产生的超声波的强度比由压电振子95b产生的超声波的强度高约2dB。另一方面，根据图4所示的本实施方式的超声波探头5的构成，通过使第2压电振子45b的宽度W2比第1压电振子45a的实际宽度W1窄，第2压电振子45b的宽度W2变得比第1压电振子45a的实际宽度WE窄。在图4的例子中，宽度W3为150μm，宽度WE为200μm，因此，在压电振子45a和压电振子45b上施加同一驱动电压的情况下，如图5所示，由第2压电振子45b产生的超声波的强度比由第1压电振子45a产生的超声波的强度小约2dB。其结果是，由超声波探头5产生的超声波的声场不变为反梯度。即，超声波探头5与现有的超声波探头100相比旁瓣的上升被减少。
下面，参照图6所示的模拟结果对由超声波探头5产生的超声波的特性进行说明。图6是表示在3MHz驱动，并且在各电压振子上施加同一驱动电压，而且使超声波束对中心轴偏向45°的情况下的超声波的声场强度和超声波束的角度之间的关系的附图。实线表示本实施方式的超声波探头5的数据，虚线表示图8的现有的超声波探头100的数据。2个数据都以45°的声场强度为0。如图6所示，本实施方式的超声波探头5与现有的超声波探头100相比，以-40°～+30°的宽阔范围减小旁瓣。
另外，将上述构成中的第1压电振子45a作为被辅助小块切割的装置进行了说明。但是并不是必须拘泥于此，第1压电振子45a不被辅助小块切割也可。图7是表示没有被小块切割的超声波探头的横截面图。如图7所示，因为第1压电振子45a的实际宽度W1为250μm，所以由第2压电振子45b产生的超声波的强度比由第1压电振子45a产生的超声波的强度低4dB。因此，声场不会为反梯度，其结果是，与不被辅助小块切割的现有超声波探头相比，图7所示的超声波探头减少旁瓣的上升。
并且，在上述构成中，模块30的粘合方向仅考虑仰角方向。但是，模块30也可以不仅与仰角方向，还与方位角方向相结合。即，模块30可以被2维状地结合。此时，使在方位角方向上被结合的2个压电振子的中心间的方位角方向的距离，与在方位角方向的模块内部的压电振子的中心间的方位角方向的距离相等。因此，使在方位角方向上被结合的压电振子的方位角的宽度，关于方位角方向而比沿着模块内部的压电振子的方位角方向的宽度窄即可。
并且，在上述构成中，压电振子被配置成2维状。但是，并不是必须拘泥于此，也可以将压电振子沿着仰角方向或者方位角方向配置成1维状。
并且，在上述构成中，在设置具有宽度W3的第2压电振子45b的场所为模块30的两端部。但是，也可以在模块30的端部的不与相邻的模块30相结合的部分上设置具有宽度W1的第1压电振子45a。
这样，根据本实施方式，由多个模块30构成的超声波探头5以及超声波诊断装置1中，能够减少旁瓣的上升。并且，具有超声波探头5的超声波诊断装置1能够提供精度高的B模式图象或多普勒图像等超声波图像。
更进一步的优点和改进容易从本发明中得出。因此，本发明不限于描述过的细节及实施方式。在不脱离本发明主旨的范围内，可以进行多种变形。

Claims (5)

1.一种超声波探头，具备至少沿着第1方向结合的多个模块，其特征在于，
上述多个模块的每一个具有：
多个第1振子，该第1振子关于上述第1方向具有第1宽度；以及
至少一个第2振子，该第2振子关于上述第1方向具有比上述第1宽度窄的第2宽度，并且配置在关于上述第1方向的上述模块的两端部或一端部，
上述多个模块的每一个，以上述第2振子面向相邻的上述模块的上述第2振子的方式结合，
在上述第1方向上结合的2个上述第2振子的中心间的距离，大致等于沿着上述第1方向邻接的2个上述第1振子的中心间的距离。
2.如权利要求1记载的超声波探头，其特征在于，上述多个第1振子不仅沿着上述第1方向，还沿着与上述第1方向交叉的第2方向排列。
3.如权利要求1记载的超声波探头，其特征在于，上述多个模块不仅沿着上述第1方向，还沿着与上述第1方向交叉的第2方向结合。
4.如权利要求1记载的超声波探头，其特征在于，上述第1振子具有槽。
5.一种超声波诊断装置，其特征在于，具备超声波探头，该超声波探头具有至少沿着第1方向结合的多个模块，
上述多个模块的每一个具有：
多个第1振子，该第1振子关于上述第1方向具有第1宽度；以及
至少一个第2振子，该第2振子关于上述第1方向具有比上述第1宽度窄的第2宽度，并且配置在关于上述第1方向的上述模块的两端部或一端部，
上述多个模块的每一个，以上述第2振子面向相邻的上述模块的上述第2振子的方式结合，
在上述第1方向上结合的2个上述第2振子的中心间的距离，大致等于沿着上述第1方向邻接的2个上述第1振子的中心间的距离。
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