JP4560417B2

JP4560417B2 - 超音波トランスデューサ、およびその製造方法、並びに超音波プローブ

Info

Publication number: JP4560417B2
Application number: JP2005025297A
Authority: JP
Inventors: 敦大澤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: JP2006212076A

Description

本発明は、バッキング材、およびバッキング材の表面に配置される圧電素子を有する超音波トランスデューサ、およびその製造方法、並びに超音波プローブに関する。

近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから生体の所要部に超音波を照射し、超音波プローブとコネクタを介して接続された超音波観測器で、生体からのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能で、超音波を送受信する超音波トランスデューサを複数個配置し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブも知られている。

超音波トランスデューサは、バッキング材、圧電素子、電極、および音響整合層からなり、超音波プローブの挿入部先端に内蔵されている（特許文献１参照）。バッキング材は、生体と逆方向に圧電素子から発せられる超音波を吸収し、圧電素子の余分な振動を抑えるために設けられている。
特開平８−１７２６９５号公報

ところで、超音波プローブを生体内に挿入する際の患者への負担を軽減させるためには、また、より細径な検査対象（血管や気管支など）用の超音波プローブや、生体の所要部の光学画像を取得するための撮像素子が超音波トランスデューサとともに内蔵された、いわゆる超音波内視鏡の作製にあたっては、超音波プローブの挿入部の細径化、延いては、挿入部先端に内蔵される超音波トランスデューサの小型化が最も重要な課題となる。

超音波トランスデューサの大きさは、これを構成する部品であるバッキング材、圧電素子、電極、および音響整合層の大きさに左右されるが、これらの部品のうち、圧電素子や音響整合層の大きさに関しては、発振する超音波の周波数によって一義的に決まってしまう。したがって、超音波トランスデューサの小型化を実現するためには、バッキング材の大きさ、特に厚みを薄くすることが有効である。しかしながら、バッキング材の厚みを単に薄くすると、バッキング材の裏面で反射した超音波によって、エコー信号にノイズが乗ってしまうおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、エコー信号にノイズが乗ることを防ぎ、且つ超音波プローブの挿入部の細径化に寄与することができる超音波トランスデューサ、およびその製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、挿入部の細径化を実現させることができる超音波プローブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、バッキング材、およびバッキング材の表面に配置された圧電素子を有する超音波トランスデューサであって、前記バッキング材の裏面に、前記表面の方向、若しくは、生体からのエコー信号を受信する圧電素子の方向に超音波が反射することを防止する溝を形成したことを特徴とする。

なお、少なくとも前記バッキング材の前記溝が形成された部分に、超音波散乱材を添加することが好ましい。また、サンドブラスト、ダイシング、型押し、または鋳型成形のうちのいずれかを用いて、前記溝を形成することが好ましい。さらに、前記バッキング材は、曲率を有する形状であることが好ましい。

請求項５に記載の発明は、バッキング材、およびバッキング材の表面に配置された圧電素子を有する超音波トランスデューサの製造方法であって、前記バッキング材の裏面に、前記表面の方向、若しくは、生体からのエコー信号を受信する圧電素子の方向に超音波が反射することを防止する溝を形成する工程を備えたことを特徴とする。

なお、少なくとも前記バッキング材の前記溝が形成された部分に、超音波散乱材を添加する工程を備えることが好ましい。また、サンドブラスト、ダイシング、型押し、または鋳型成形のうちのいずれかを用いて、前記溝を形成することが好ましい。

請求項８に記載の発明は、超音波プローブにおいて、請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波トランスデューサが内蔵されたことを特徴とする。なお、体腔内に挿入して使用する体腔内診断用であることが好ましい。また、生体の所要部の光学画像を取得するための撮像素子が内蔵されることが好ましい。

本発明の超音波トランスデューサ、およびその製造方法によれば、バッキング材の裏面に、バッキング材の表面の方向、若しくは、生体からのエコー信号を受信する圧電素子の方向に超音波が反射することを防止する溝を形成したので、エコー信号にノイズが乗ることを防ぐことができる。また、バッキング材の厚みを薄くすることが可能となり、超音波プローブの挿入部の細径化に寄与することができる。

また、本発明の超音波プローブによれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波トランスデューサが内蔵されたので、挿入部の細径化を実現させることができる。

図１において、超音波診断装置２は、超音波内視鏡１０、超音波観測器１１、および光源装置（図示せず）などから構成される。超音波内視鏡１０は、生体内に挿入される挿入部１２と、挿入部１２の基端部分に連設された操作部１３と、超音波観測器１１、光源装置にそれぞれ接続される接続コード１４、ユニバーサルコード１５とを備えている。操作部１３には、処置具が挿通される鉗子口１６が設けられている。また、挿入部１２の先端１２ａには、超音波トランスデューサ１７、および生体内撮影用の撮像装置を構成する撮像素子１８（ともに図２参照）が内蔵されている。

光源装置には、ユニバーサルコード１５を通して超音波内視鏡１０に照明光を供給する光源が搭載されている。光源からの照明光は、先端１２ａに設けられた照明窓を介して生体の所要部に照射される。また、先端１２ａには、生体内の観察部位の像光を撮像素子１８に取り込むための対物光学系が組み込まれた観察窓が設けられている。撮像素子１８で取得された光学画像は、光学画像表示専用の内視鏡モニタ（図示せず）に表示される。

超音波診断装置２では、撮像素子１８で生体内の画像を取得し、この画像を観察することで探索された生体の所要部に、超音波トランスデューサ１７からの超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることができる。超音波内視鏡１０で得られた超音波断層画像は、超音波観測器１１のモニタ１９に表示される。

図２において、超音波トランスデューサ１７には、複数（例えば１９２個）の圧電素子２０が電極（図示せず）に挟まれてバッキング材２１の表面２１ａ（図３参照）に配置された、いわゆるラジアル電子走査方式が採用されている。なお、図示は省略するが、圧電素子２０上には、音響整合層と音響レンズとが配されている。

超音波観測器１１は、ＣＰＵ２２により全体の動作を統括的に制御される。ＣＰＵ２２には、キーボード、マウスなどの入力装置を備えた操作部２３が接続されている。ＣＰＵ２２は、この操作部２３からの操作信号を受けて、超音波観測器１１の各部を動作させる。

送受信回路２４は、ＣＰＵ２２の制御の下に、超音波トランスデューサ１７への駆動信号（超音波トランスデューサ１７を励振させるための電圧パルス）の送信とともに、超音波トランスデューサ１７で取得された生体からのエコー信号の受信を媒介し、これらの信号の切り替えタイミングや、駆動する超音波トランスデューサ１７の選択を行う。

送受信回路２４で受信されたエコー信号は、Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）２５に入力される。Ａ／Ｄ２５は、送受信回路２４から入力されたエコー信号をデジタル変換し、バッファメモリ２６に送信する。バッファメモリ２６は、Ａ／Ｄ２５によりデジタル変換されたエコー信号を一時記憶する。

デジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ；Digital Scan Converter）２７は、ＣＰＵ２２の制御の下に、バッファメモリ２６からエコー信号を読み出して、これをテレビ信号の走査方式（ＮＴＳＣ方式）に変換し、画像メモリ２８に送信する。Ｄ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ）２９は、ＤＳＣ２７によりＮＴＳＣ方式に変換された信号を画像メモリ２８から読み出し、これを再びアナログ信号に変換する。モニタ１９は、Ｄ／Ａ２９で変換されたアナログ信号を超音波断層画像として表示する。

図３に示すように、超音波トランスデューサ１７は、生体に超音波を走査する際には、複数の圧電素子２０うちの、角度θ₁の範囲内の数個から数十個が１つのブロックとして同時に駆動される。生体からのエコー信号を受信する際にも、角度θ₁の範囲内の数個から数十個のブロックが同時に駆動される。また、駆動信号およびエコー信号の一回の送受信毎に、駆動すべき圧電素子２０が少なくとも１個ずつ図３に示す時計回りにずらされ、駆動信号およびエコー信号を送受信する圧電素子２０が選択的に切り替えられる。

バッキング材２１の裏面２１ｂには、溝３０が形成されている。溝３０は、各圧電素子２０に対して１個ずつ設けられ、圧電素子２０の中心を対称軸としてＶ字状となっており、圧電素子２０の幅Ｌ₁と同じ大きさを有している。

溝３０の形成にあたっては、サンドブラスト、ダイシング、型押し、または鋳型成形のうちのいずれかが用いられる。具体的には、バッキング材２１に比較的軟らかい材質のものを選定した場合は、サンドブラスト、ダイシング、または型押しにより、バッキング材２１に直接溝３０を形成する。また、バッキング材２１に溶融成形が可能なプラスチックなどを用いた場合は、サンドブラスト、またはダイシングにより、溝３０に対応する溝を鋳型に形成しておき、この鋳型に溶融プラスチックを流し込んで固化させる。

溝３０は、バッキング材２１の表面２１ａの方向、若しくは、生体からのエコー信号を受信する圧電素子２０の方向に超音波が反射することを防止するように、その形状が決定されている。すなわち、バッキング材２１の内半径をＲ₁、外半径をＲ₂、溝３０の角度をθ₂とした場合、望ましくはθ₂が次式の条件を満たすように、溝３０が形成される。
θ₂＜ａｒｃｃｏｓ｛（Ｒ₁−Ｒ₂ｃｏｓθ₁）／（Ｒ₁ ²＋Ｒ₂ ²−２Ｒ₁Ｒ₂ｃｏｓθ₁）^1/2｝

ここで、例えば、θ₁を３５°、バッキング材２１の内半径Ｒ₁を３．２５ｍｍとしたとき、従来ならばバッキング材２１の厚みを１．２５ｍｍ程度とする必要があるが、θ₂＜８９．６４°、例えばθ₂＝８５°として溝３０を形成すれば、バッキング材２１の厚みを０．７ｍｍと薄くすることが可能である。なお、上式による溝３０の形状は一例であり、特に本発明を限定するものではない。

次に、上記構成を有する超音波診断装置２の動作手順について説明する。まず、超音波内視鏡１０の挿入部１２が生体内に挿入され、撮像素子１８で得られる画像が観測されながら、生体内の所要部が探索される。そして、生体内の所要部に超音波内視鏡１０の挿入部１２の先端１２ａが到達し、操作部２３が操作されてフリーズが解除されると、ＣＰＵ２２の制御の下に、送受信回路２４から超音波トランスデューサ１７に駆動信号が発せられる。超音波トランスデューサ１７は、この駆動信号により励振され、これにより生体の所要部に超音波が照射される。

駆動信号の送信後、ＣＰＵ２２の制御の下に、送受信回路２４の送受信が切り替えられ、超音波トランスデューサ１７で取得された生体からのエコー信号が送受信回路２４に入力される。このとき、バッキング材２１の裏面２１ｂに形成された溝３０によって、エコー信号にノイズが乗ることが防がれる。

送受信回路２４に入力されたエコー信号は、Ａ／Ｄ２５によりデジタル変換され、バッファメモリ２６に一時記憶される。バッファメモリ２６に記憶されたデジタル変換されたエコー信号は、ＤＳＣ２７によりＮＴＳＣ方式に変換され、画像メモリ２８に送信される。そして、Ｄ／Ａ２９により再びアナログ信号に変換され、モニタ１９に超音波断層画像として表示される。

以上詳細に説明したように、バッキング材２１の裏面２１ｂに、バッキング材２１の表面２１ａの方向、若しくは、生体からのエコー信号を受信する圧電素子２０の方向に超音波が反射することを防止する溝３０を形成したので、エコー信号にノイズが乗ることが防がれ、且つ超音波内視鏡１０の挿入部１２ａの細径化に寄与することができる。

また、上記実施形態のような超音波内視鏡１０や、より細径な検査対象（血管や気管支など）用の超音波プローブ、カプセル内視鏡など、超音波トランスデューサの小型化が最も重要な課題となるものに対して本発明を適用すれば、特に優れた効果を奏する。

また、上記実施形態のラジアル電子走査式の超音波プローブ２のように、バッキング材２１に曲率を有するものを用いた場合は、溝３０の角度をあまり大きくしなくても、生体からのエコー信号を受信する圧電素子２０の方向に超音波が反射することを防止することができ、より容易にエコー信号にノイズが乗ることを防ぐことができる。

上記実施形態では、各圧電素子２０に１個ずつ溝３０を設けているが、図４に示すように、各圧電素子２０に対して、溝３０を複数個（この場合は３個）設けてもよい。また、図５に示すように、少なくともバッキング材２１の溝３０が形成された部分に、アルミナ、タングステン、またはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）粉末などからかる超音波散乱材４０を添加してもよい。このようにすれば、バッキング材２１の裏面２１ｂに反射する超音波自体を減らすことができ、バッキング材２１の厚みをさらに薄くすることが可能となる。

さらに、図６に示すように、溝３０の形状を工夫して、溝３０に超音波が捕捉されて溝３０の外に反射しないような構造としてもよい。また、図７に示すように、溝３０を縦横方向に交互に配置した、無響室の壁面に用いられる構造を採用してもよい。

なお、上記実施形態では、バッキング材２１の内半径Ｒ₁や外半径Ｒ₂を参照して、溝３０の形状を決定しているが、これに加えて、駆動信号およびエコー信号の送受信タイミングを考慮して、溝３０の形状を決定してもよい。

また、超音波トランスデューサ１７を構成する圧電素子２０の個数、一度に駆動する圧電素子２０の個数、エコー信号を受信する圧電素子２０の位置および個数などは、上記実施形態で挙げられている数値に限定されず、超音波診断装置２の仕様に応じて適宜変更することができる。

上記実施形態では、ラジアル電子走査方式の超音波内視鏡１０を例に挙げて説明したが、コンベックス電子走査式やリニア電子走査式などの他の超音波プローブについても、本発明を適用することが可能である。また、体腔内診断用の超音波プローブに限らず、体腔外診断用の超音波プローブに適用してもよい。

超音波診断装置の構成を示す概略図である。超音波診断装置の内部構成を示すブロック図である。超音波トランスデューサの拡大図である。超音波トランスデューサの別の実施形態を示す拡大図である。超音波トランスデューサのさらに別の実施形態を示す拡大図である。超音波トランスデューサのさらに別の実施形態を示す拡大図である。超音波トランスデューサのさらに別の実施形態を示す拡大図である。

符号の説明

２超音波診断装置
１０超音波内視鏡
１１超音波観測器
１２挿入部
１２ａ先端
１７超音波トランスデューサ
１８撮像素子
２０圧電素子
２１バッキング材
２１ａ、２１ｂ表面、裏面
２２ＣＰＵ
３０溝
４０超音波散乱材

Claims

曲率を有する形状のバッキング材、およびバッキング材の表面に配置された複数の圧電素子を有し、複数の圧電素子のうちの複数個を１つのブロックとして同時に超音波およびエコー信号を送受信する超音波トランスデューサであって、
前記バッキング材の裏面に、前記表面の方向、若しくは、生体からのエコー信号を受信する圧電素子の方向に超音波が反射することを防止するＶ字状の溝を形成し、
前記溝の角度θ _２は、バッキング材の曲面の内半径をＲ _１、外半径をＲ _２、バッキング材の曲面中心からみた、同時に超音波およびエコー信号を送受信する１ブロック分の圧電素子の角度範囲をθ _１としたとき、
θ _２＜ａｒｃｃｏｓ｛（Ｒ _１ −Ｒ _２ｃｏｓθ _１）／（Ｒ _１ ^２＋Ｒ _２ ^２ −２Ｒ _１Ｒ _２ｃｏｓθ _１） ^１／２｝
を満たすことを特徴とする超音波トランスデューサ。
少なくとも前記バッキング材の前記溝が形成された部分に、超音波散乱材を添加したことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
サンドブラスト、ダイシング、型押し、または鋳型成形のうちのいずれかを用いて、前記溝を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
曲率を有する形状のバッキング材、およびバッキング材の表面に配置された複数の圧電素子を有し、複数の圧電素子のうちの複数個を１つのブロックとして同時に超音波およびエコー信号を送受信する超音波トランスデューサの製造方法であって、
前記バッキング材の裏面に、前記表面の方向、若しくは、生体からのエコー信号を受信する圧電素子の方向に超音波が反射することを防止するＶ字状の溝を形成する工程を備え、
バッキング材の曲面の内半径をＲ _１、外半径をＲ _２、バッキング材の曲面中心からみた、同時に超音波およびエコー信号を送受信する１ブロック分の圧電素子の角度範囲をθ _１としたとき、前記溝の角度θ _２を、
θ _２＜ａｒｃｃｏｓ｛（Ｒ _１ −Ｒ _２ｃｏｓθ _１）／（Ｒ _１ ^２＋Ｒ _２ ^２ −２Ｒ _１Ｒ _２ｃｏｓθ _１） ^１／２｝
を満たすように形成することを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。
少なくとも前記バッキング材の前記溝が形成された部分に、超音波散乱材を添加する工程を備えたことを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
サンドブラスト、ダイシング、型押し、または鋳型成形のうちのいずれかを用いて、前記溝を形成したことを特徴とする請求項４または５に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波トランスデューサが内蔵されたことを特徴とする超音波プローブ。
体腔内に挿入して使用する体腔内診断用であることを特徴とする請求項７に記載の超音波プローブ。
生体の所要部の光学画像を取得するための撮像素子が内蔵されたことを特徴とする請求項７または８に記載の超音波プローブ。