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
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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
【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
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)。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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JP2008043298A JP2009201053A (ja) | 2008-02-25 | 2008-02-25 | 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 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9468419B2 (en) | 2012-06-13 | 2016-10-18 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic transducer element unit, probe, probe head, electronic device, and ultrasonic diagnostic device |
-
2008
- 2008-02-25 JP JP2008043298A patent/JP2009201053A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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