JP2009201053A - 超音波探触子、その製造方法およびその超音波探触子を用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの材料を組み合わせた音響整合層において、内部反射を可能な限り抑え、良好な超音波画像を生成する超音波探触子および超音波診断を提供する。
【解決手段】超音波を照射するとともにその反射波を受信する圧電振動子１１と、圧電振動子１１の超音波照射側に配置された音響整合層１２とを備える。音響整合層１２は、一つ以上の凹状部が片面側に形成された第１音響整合部１３と、第１音響整合部１３の材料と音速あるいは密度の異なる音響整合材で、かつ凹状部内に充填されて形成された第２音響整合部１４とを有し、凹状部の側面は、超音波の照射方向に平行である。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波を利用して被検体の診断情報を得る超音波探触子、その製造方法およびその超音波探触子を用いた超音波診断装置に関するものである。

近年、わずかな界面特性の違いにより生体内部の断層像を得る超音波診断装置が用いられている。超音波診断装置の超音波探触子により超音波が送受信されるが、この超音波探触子は、超音波が圧電振動子と生体との間で送受信される際の反射損失が少なく、広帯域であることが求められる。

そのため、圧電振動子と生体との間に音響整合層を設けて、音響整合を行っている。音響を整合させるために、音響インピーダンスを連続的、もしくは多段階的に変化させる方法が用いられている。具体的には、音響整合層の音響インピーダンスを、圧電振動子側で、圧電振動子の音響インピーダンスに近くなるように比較的大きくし、生体側で、当該生体の音響インピーダンスに近くなるように比較的小さくしている。

この音響インピーダンスの傾斜化を実現するために、一般には、複数の音響整合層を積層させて、段階的に音響インピーダンスを変化させる構造をとる。しかし、音響整合層を多数積層することによって、超音波の減衰が大きくなるという問題があり、現実的ではない。他方では、音響インピーダンスの異なる二つの材料を混合して音響整合層としている構成もあるが、製造方法によっては定量的に音響インピーダンスをコントロールすることができない場合がある。

図７は、この問題を解決することができる音響整合層を有する超音波探触子の構成を示す断面図である（例えば、特許文献１参照）。図８は、図７に示す音響整合層の構成を示す斜視図である。

この超音波探触子は、圧電振動子３１と、圧電振動子３１上に形成された音響整合層３２と、圧電振動子３１下に形成された背面負荷材３８とを有する。圧電振動子３１には、図示しない診断装置本体との間で信号を送受信する接地電極３６と信号用電極３７とが接続されている。

音響整合層３２には、生体側に頂部を向けた複数の円錐形状の第１音響整合部３３と、第１材料部と音響インピーダンスが異なり、第１音響整合部３３とはまり合う第２音響整合部３４とが形成されている。第１音響整合部３３のピッチは、例えば超音波の波長程度以下のように微小にすることで、マクロ的には、音響整合層３２は、音響インピーダンスが異なる二つの材料が混ぜ合わされた場合と同様の振る舞いを示す。その実質的な混合比は、音響整合層の厚み方向に対する位置に応じて単調に変化する。

一方ミクロ的には、二つの材料を混合した場合と異なり、第１音響整合部３３と第２音響整合部３４との接合境界面が存在する。そのため、超音波が入射された際の、全反射等の問題を考慮しなければならない。そのため、圧電振動子に垂直な線に対する第１音響整合部３３の側面のなす角度θが、入射波の全反射の発生を防止または、低減する角度に設定が行われている。具体的には、第１音響整合部３３での音速Ｃ１と第２音響整合部３４での音速Ｃ２との間に、
Ｃ２＜Ｃ１＜Ｃ２／ｃｏｓθ・・・・（式１）
または、
Ｃ１＝Ｃ２・・・・・・・・・・（式２）
が満たされるように、角度θを定める（特許文献２参照）。
特開平１１−８９８３５号公報 特開２００３−１１１１８２号公報

しかしながら、上記構成の音響整合層では、全反射を防ぐことはできても、第１音響整合部３３と第２音響整合部３４との接合境界面が超音波の送受波方向に対して斜めに存在するために、音響整合層３２内部の反射を防ぐことができない。特に、音響整合層３２は、２種類の材料で形成されているために整合的に不十分となり、接合境界面での繰り返し反射が無視できなくなり、超音波の送受波のリンキング（尾引き）が生じ、距離分解能が低下する。そのため、形成されたフォーカスやビームパターンの劣化が生じ、その結果、超音波画像の画質が低下する。

本発明は、上記問題点を改善するためになされたもので、２つの材料を組み合わせた音響整合層において、内部反射を可能な限り抑え、良好な超音波画像を生成する超音波探触子および超音波診断を提供することを目的とする。

本発明の超音波探触子は、超音波を照射するとともにその反射波を受信する圧電振動子と、前記圧電振動子の前記超音波照射側に配置された音響整合層とを備える。上記課題を解決するために、前記音響整合層は、一つ以上の凹状部が片面側に形成された第１音響整合部と、前記第１音響整合部の材料と音速あるいは密度の異なる音響整合材で、かつ前記凹状部内に充填されて形成された第２音響整合部とを有し、前記凹状部の側面は、超音波の照射方向に平行であることを特徴とする。

また、前記音響整合層の厚さは、前記超音波の１／４波長である構成にすることができる。

また、前記凹状部が複数設けられ、複数の前記凹状部は、少なくとも２種類の異なる深さに設定されている構成にすることができる。

また、前記凹状部が溝形状である構成にすることができる。また、前記凹状部の形状は多角柱状もしくは円柱状である構成にすることができる。

また、前記超音波探触子が複数の圧電振動子から構成され、前記音響整合層が、前記複数の圧電振動子の各々に対応して分割されている構成にすることができる。

また、本発明の超音波診断装置は、超音波を送受信する前記超音波探触子と、前記超音波探触子との間に電気的に接続され、前記超音波探触子に駆動信号を送信し、前記超音波探触子からの電気信号を処理して断層画像データを生成する診断装置本体と、前記断層画像データを断層画像として表示するモニターとを備える。上記課題を解決するために、前記超音波探触子が、上記記載の超音波探触子であることを特徴とする。

また、本発明の超音波探触子の製造方法は、上記超音波探触子を製造する方法であって、前記圧電振動子上に前記音響整合層を積層し、前記音響整合層をダイシングブレードにより、前記溝形状の凹状部を形成する。

本発明の超音波探触子によれば、第１音響整合部の凹状部に第２音響整合部が配置されているために、第２音響整合部の側面が超音波放射方向に対して傾斜ができず、音響整合層内における内部反射を抑えることができる。そのため、距離分解能が向上し、広帯域化された超音波画像を生成する超音波探触子、及びその超音波探触子を有する超音波診断装置を実現することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波診断装置の構成を示す構成図である。超音波診断装置１は、モニター３と、診断装置本体２と、診断装置本体２とケーブル４を介して接続する超音波探触子５とを有する。超音波探触子５は、圧電振動子を有するが、詳細な説明は後述する。

この超音波診断装置１によれば、まず診断装置本体２において圧電パルス（駆動信号）が生成され、ケーブル４を介して圧電パルスが超音波探触子５に送信される。超音波探触子５の圧電振動子は、圧電パルスにより駆動され、超音波を送信する。超音波探触子５を被検体６の表面に当てた状態において、超音波探触子５の圧電振動子は、被検体６の対象部位で反射した超音波を受信する。受信したエコー信号は、超音波探触子５から診断装置本体２に送信される。エコー信号は、診断装置本体において、例えば断層画像データに変換され、断層画像などの超音波画像がＣＲＴなどのモニター３に表示される。

図２は、超音波探触子５の構成を示す斜視図である。図３は、図２に示す超音波探触子５のＡ−Ａ断面図である。圧電振動子１１の上面に接地電極１６が接続され、下面に信号用電極１７が接続されている。接地電極１６上には、音響整合層１２が配置されている。信号用電極１７下には、背面負荷材１８が配置されている。

圧電振動子１１は、診断装置本体２（図１参照）から送信された圧電パルスを超音波に変換して照射する。また、圧電振動子１１は、被検体６（図１参照）から反射した超音波を電気信号（エコー信号）に変換する。接地電極１６および信号用電極１７は、圧電振動子１１とケーブル４（図１参照）とに接続され、診断装置本体２からの圧電パルスを圧電振動子１１に伝送し、圧電振動子１１からのエコー信号を診断装置本体２に伝送する。圧電振動子１１間は、ダイシング溝１５により分離されている。圧電振動子１１と音響整合層１２とを所定のピッチでダイシングブレード等により分割することにより、複数の圧電振動子１１が形成されて多チャンネル化が実現されている。

音響整合層１２は、第１音響整合部１３と第２音響整合部１４とを有する。第１音響整合部１３は、圧電振動子１１上に形成されている。第１音響整合部１３の表面には、側面が圧電振動子１１の超音波照方向に平行である凹型の溝が形成されている。溝は、例えばダイシングブレードにより、第１音響整合部１３を削ることにより形成される。この溝には、溝の形状に合わせて第２音響整合部１４が配置されている。このため、第２音響整合部の側面１９（図３参照）は、圧電振動子１１の超音波照射方向に平行となっている。また、どの第２音響整合部１４も、音響整合層１２の表面から同一の深さまで形成されている。背面負荷材１８は、圧電振動子１１の超音波照射面の裏面に配置され、圧電振動子１１の背面から不要な超音波が反射しないように、超音波を吸収する材料で形成されている。

次に、音響整合層１２について詳細に説明する。圧電振動子１１がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系のような圧電セラミックの場合、圧電振動子１１の音響インピーダンスは、約３０ＭＲａｙｌであり、被検体としての人体の音響インピーダンスは、約１．５ＭＲａｙｌである。超音波を効率よく被検体に照射するには、音響整合層１２が圧電振動子１１と被検体６との間の音響整合を取る必要がある。

音響整合層１２において、第１音響整合部１３は、音響インピーダンスが圧電振動子１１の音響インピーダンスに近い材料により形成されている。また、第２音響整合部１４は、被検体６の音響インピーダンスに近い材料により形成されている。低音響インピーダンス領域２１は、音響整合層１２において、表面から第２音響整合部１４の端部までの領域である。また、高音響インピーダンス領域２２は、低音響インピーダンス領域２１の下側の第２音響整合部１４が形成されていない領域である。

以上のような構成により、マクロ的に見れば、音響整合層１２において、段階的に材料の音速あるいは密度が変化しており、低音響インピーダンス領域２１は、第２音響整合部１４の影響を受けて、高音響インピーダンス領域２２より音響インピーダンスが低くなる。つまり、音響整合層１２において、音響インピーダンスが段階的に変化する。そのため、音響整合層１２は、被検体６と圧電振動子１１との音響インピーダンスを音響整合させることができる。

また、第２音響整合部の側面１９が超音波照射方向に平行である。このため、第２音響整合部の側面１９における超音波の反射がほとんどなく、超音波の送受波におけるリンキングを防止することができる。このため、超音波画像の画質の低下を抑えることができる。

さらに、音響整合層１２の超音波送受波方向の厚みは、圧電振動子１１が送信する超音波の中心周波数に対応する波長の１／４である。１／４波長とすることにより、超音波探触子５の表面における反射を抑えることができる。

なお、本実施の形態では、第２音響整合部１４の形状が直方体状である場合を例に説明したが、この構成に限定されない。図４は、第２音響整合部１４ｂが円柱形状である超音波探触子の構成を示す斜視図である。第２音響整合部１４ｂが円柱形状である以外は、図２に示す超音波探触子と同様である。この構成においても、図２に示す超音波探触子と同様に、第２音響整合部１４ｂの側面が超音波照射方向に平行であるので、超音波の送受波におけるリンキングを防止して、超音波画像の画質の低下を抑えることができる。また、第２音響整合部を円柱形状以外にも、四角柱など多角形柱としても同様の効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す断面図である。第２音響整合部１４が深さＤ１の第２音響整合部１４ｃと、深さＤ２の第２音響整合部１４ｄとが交互に配置されている。他の構成は、第１の実施の形態に係る超音波探触子の構成と同様であり、第１の実施の形態に係る超音波探触子と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

低音響インピーダンス領域２１は、音響整合層１２における表面から深さＤ２までの領域である。中間音響インピーダンス領域２３は、音響整合層１２における表面から深さＤ２までの領域である。高音響インピーダンス領域２２は、音響整合層１２における深さＤ１より深い領域である。

低音響インピーダンス領域２１は、第２音響整合部１４ｃ、１４ｄの影響を受けるため、第１音響整合部１３のみで形成された高音響インピーダンス領域２２ｂより音響インピーダンスが低い。中間音響インピーダンス領域２３は、第２音響整合部１４ｄの影響を受けるため、高音響インピーダンス領域２２と低音響インピーダンス領域２１の間の音響インピーダンスとなる。

この構成により、マクロ的に見れば音響整合層１２は、段階的に材料の音速あるいは密度が変化しており、厚さ方向に対して、３種類の音響インピーダンスの層が積層されたものと同様の特性を有する。このため、音響整合層１２におけるみなし３層の境界における音響インピーダンス差が第１の実施の形態における差より小さくなり、境界で反射する超音波の量が減少して、高効率で音響整合を行うことができる。

図６は、第２音響整合部１４ｅの深さを多階に異ならせることにより、中間音響インピーダンス領域２３の音響インピーダンスをマクロ的に見ると限りなく連続的に音響インピーダンスを変化させた超音波探触子の構成を示す断面図である。この構成により、図５に示す音響整合層１２よりもさらに高効率で音響整合を行うことができる。

また、図５、図６における音響整合層１２は、第２音響整合部の側面１９が超音波照射方向に平行である。このため、第２音響整合部の側面１９における超音波の反射がほとんどなく、超音波の送受波におけるリンキングを防止することができる。このため、超音波画像の画質の低下を抑えることができる。

なお、被検体は、人体に限らず他の動物などの生体であってもよく、また材料や構造物などを対象としてもよい。材料や構造物を対象として、内部探傷の発見を目的とする超音波診断装置とすることもできる。

本発明にかかる超音波探触子は、人体などの被検体の超音波診断を行う各種医療分野、さらには材料や構造物の内部探傷を目的とした工業分野において利用が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る超音波診断装置の構成を示す構成図 同上超音波診断装置の超音波探触子の構成を示す斜視図 同上超音波探触子のＡ−Ａ断面図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の別の構成を示す斜視図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波探触子の構成を示す断面図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波探触子の別の構成を示す断面図 従来の超音波探触子の構成を示す断面図 同上超音波探触子の音響整合層の構成を示す斜視図

符号の説明

１ 超音波診断装置
２ 診断装置本体
３ モニター
４ ケーブル
５ 超音波探触子
６ 被検体
１１ 圧電振動子
１２ 音響整合層
１３ 第１音響整合部
１４、１４ｂ〜１４ｅ 第２音響整合部
１５ ダイシング溝
１６ 接地電極
１７ 信号用電極
１８ 背面負荷材
１９ 第２音響整合部の側面
２１ 低音響インピーダンス領域
２２ 高音響インピーダンス領域
２３ 中間音響インピーダンス領域

Claims (8)

1. 超音波を照射するとともにその反射波を受信する圧電振動子と、
   前記圧電振動子の前記超音波照射側に配置された音響整合層とを備えた超音波探触子において、
   前記音響整合層は、
   一つ以上の凹状部が片面側に形成された第１音響整合部と、
   前記第１音響整合部の材料と音速あるいは密度の異なる音響整合材で、かつ前記凹状部内に充填されて形成された第２音響整合部とを有し、
   前記凹状部の側面は、超音波の照射方向に平行であることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記音響整合層の厚さは、前記超音波の１／４波長である請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記凹状部が複数設けられ、
   複数の前記凹状部は、少なくとも２種類の異なる深さに設定されている請求項１または２記載の超音波探触子。
4. 前記凹状部が溝形状である請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記凹状部の形状は多角柱状もしくは円柱状である請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
6. 前記超音波探触子が複数の圧電振動子から構成され、前記音響整合層が、前記複数の圧電振動子の各々に対応して分割されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波探触子。
7. 超音波を送受信する前記超音波探触子と、
   前記超音波探触子との間に電気的に接続され、前記超音波探触子に駆動信号を送信し、前記超音波探触子からの電気信号を処理して断層画像データを生成する診断装置本体と、
   前記断層画像データを断層画像として表示するモニターとを備えた超音波診断装置において、
   前記超音波探触子が、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項４記載の超音波探触子を製造する方法であって、
   前記圧電振動子上に前記音響整合層を積層し、
   前記音響整合層をダイシングブレードにより、前記溝形状の凹状部を形成する超音波探触子の製造方法。

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