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技術 超音波用探触子

出願人 富士フイルム株式会社
発明者 大澤敦中村博親
出願日 2006年4月21日 (14年8ヶ月経過) 出願番号 2006-118344
公開日 2007年11月8日 (13年1ヶ月経過) 公開番号 2007-289283
状態 未査定
技術分野 超音波診断装置 超音波変換器
主要キーワード 四端子回路 中心周波数帯域 信号伝達関数 機械共振周波数 周波数帯域特性 体積弾性率 半波長分 インパルス波形
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題

解決手段

音響インピーダンスZ0を有する材料によって形成されている圧電体及び該圧電体の両面に形成されている電極を含み、機械共振周波数f0を有する振動子と、音響インピーダンスZBを有する材料によって形成されているバッキング層と、音響インピーダンスZ1及び整合厚λ1/4に対してM1倍の厚さを有する第1の音響整合層と、音響インピーダンスZ2及び整合厚λ2/4に対してM2倍の厚さを有する第2の音響整合層とを含み、上記ZB、Z1、Z2、M1、及び、M2が、2<M1+M2≦2+0.68(ZB/Z0)、且つ、4≦Z1≦22、2≦Z2≦8、5<ZBを満たす。

概要

背景

医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイム画像観察を行うことができる上に、X線写真RI(radio isotope)シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系循環器系消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界(例えば、構造物の境界)において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術であり、超音波ビーム人体等の被検体内に送信し、被検体内において生じた超音波エコーを受信し、超音波エコーが生じた反射点反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物(例えば、内臓病変組織等)の輪郭を抽出する。

このような超音波撮像を行う装置(超音波診断装置超音波撮像装置等と呼ばれる)においては、超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとして、PZTチタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)に代表される圧電セラミックや、PVDFポリフッ化ビニリデン:polyvinyliden difluoride)に代表される高分子圧電材料等の圧電体の両面に電極を形成した振動子圧電振動子)が、一般的に用いられている。

振動子の電極に電圧印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子を1次元又は2次元状に配列し、それらの振動子を順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。

ところで、異なる物質が接する境界面における超音波の伝播効率は、それらの物質の音響インピーダンスに応じて変化する。具体的には、音響インピーダンスの差が大きい境界面において、超音波は反射し易くなるので、超音波の伝播損失は大きくなる。ここで、音響インピーダンスとは、音響媒質密度音速との積で表される物質固有定数であり、その単位としては、一般に、MRayl(メガレイル)が用いられる(1MRayl=1×106kg・m−2・s−1)。例えば、PZT等の圧電セラミックの音響インピーダンスは、約23MRayl〜約35MRaylであり、人体の音響インピーダンスは、約1.5MRaylである。

音響インピーダンスZ0の物質と音響インピーダンスZMの物質との境界面における超音波の反射率RPは、次式(1)によって表される。
RP=(Z0−ZM)/(Z0+ZM) ・・・(1)
そこで、式(1)に、一般的な圧電セラミックスの音響インピーダンスZ0=35MRaylと、生体の音響インピーダンスZM=1.5MRaylを代入すると、反射率はRP=0.92となる。即ち、振動子の材料として圧電セラミックを用いる場合には、振動子を人体に直接接触させても、超音波はあまり伝播しない(1割未満)ことがわかる。

そのため、通常は、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入することにより、音響インピーダンスの整合が図られている。即ち、振動子から被検体に向けて音響インピーダンスを段階的に変化させることにより、各境界面における超音波の反射率を低下させている。この音響整合層は、理論的には多層構造とする方が、より伝播効率を改善できるが、設計上の理由等により、一般には1層〜3層程度設けられる。

超音波の伝播効率を高めるためには、各音響整合層について、最適な音響インピーダンス及び厚さを設定する必要がある。例えば、非特許文献1には、エネルギー伝送論に基づいて求められた最適な音響インピーダンスが開示されている。

また、非特許文献2には、音響整合層の界面における超音波の反射を考慮して、音響整合層の厚さを、それぞれの音響整合層を伝播する超音波の波長の1/4に設定することが開示されている。その理由は、以下の通りである。理想的なインパルス波形を有する駆動信号によって振動子を励振したとしても、振動子が有する周波数帯域特性の影響により、送信された超音波は、振動減衰しながら持続する波形を示す。そのため、超音波の伝播方向における分解能(即ち、距離分解能)はあまり良くない。ここで、超音波が音響整合層の界面において反射することにより、音響整合層を往復する超音波の位相は、直接波(振動子又は下層の音響整合層から伝播したままの超音波)に比べて波長の1/2(半波長分)だけずれる。そこで、音響整合層の厚さを波長の1/4に設定すると、反射波と直接波との重ね合わせにより、直接波の半波長以降の波形が反射波によって抑圧される。それにより、直接波の波形を理想的なインパルス波形に近付けることができる。

関連する技術として、特許文献1には、圧電体に2層の音響整合層を設けた超音波探触子において、圧電体上に形成された第1音響整合層の厚みをt1とし、第1音響整合層上に形成された第2の音響整合層の厚みをt2とし、また、第1音響整合層の材料中の縦波の音速をv1とし、第2音響整合層の材料中の縦波の音速をv2とし、この超音波探触子に用いる圧電体の機械共振周波数をf0としたとき、第1及び第2の音響整合層の厚みを(v1/4f0)×1.15≦t1≦(v1/4f0)×1.20、及び、(v2/4f0)×1.15≦t2≦(v2/4f0)×1.20の範囲にすることが開示されている。即ち、特許文献1においては、中心周波数付近における損失及び損失変動の低減して、高感度及び高分解能を実現するために、非特許文献2に記載されている理論値に対して、各音響整合層の厚さを増加させている(例えば、λ/4に対して1.15〜1.20倍)。

ところで、超音波には、低周波数帯域における深部到達性や、高周波帯域における高分解能等の特性がある。そのため、通常は、中心周波数帯域の異なる複数種類超音波用探触子を用意し、それらを診断対象に応じて交換して使用することにより、そのような超音波特性を生かした画像生成が行われている。しかしながら、消化器官に挿入される内視鏡タイプの探触子や、血管に挿入されるカテーテルタイプの探触子を用いる場合には、探触子を被検体(人体)内に挿入したり抜き出したりする必要があるので、そのような作業を何度も行うことは、被検体にとって大きな身体的負担となる。そのため、特にこれらの探触子においては、探触子を交換することなく多くの超音波画像情報が得られるように、低周波から高周波までの広い周波数帯域網羅できる性能が求められている。また、一般的な超音波用探触子においても、周波数特性広帯域化することにより、得られる超音波画像画質を高めることができる。

ところが、音響整合層を設けることにより超音波の伝播効率を向上させても、その一方で、周波数帯域が狭まるという弊害が存在する。ここで、周波数帯域幅fBW(%)は、次式(2)によって表される。式(2)において、周波数fH及びfLは、音圧ピーク値から6dB減衰する2つの周波数であり(fL<fH)、周波数fCは、周波数fHと周波数fLとの中心周波数である。
fBW(%)=100×(fH−fL)/fC ・・・(2)

例えば、圧電セラミック(音響インピーダンスが35MRayl程度、電気機械結合定数がK33=0.7程度)とバッキング層(音響インピーダンスが3.5MRayl〜6.0MRayl程度)とを含む超音波用探触子に、第1の音響整合層(音響インピーダンスが8.92MRayl程度)、及び、第2の音響整合層(音響インピーダンスが2.34MRayl程度)を設ける場合に、非特許文献2に記載されているように、各音響整合層の厚さを波長の1/4に設計すると、周波数帯域幅fBW(%)は、およそ60%〜65%程度となる。
このように、超音波の伝播効率を最大にするような音響整合層の条件は、広帯域の周波数特性を実現するためには必ずしも適していない。
特開昭58−177640号公報(第1頁)
「超音波便覧」、丸善、p.116
伊東正安、望月剛 著「超音波診断装置」、コロナ社、p.30

概要

圧電振動子と、バッキング層と、2層の音響整合層を備える超音波用探触子において、周波数特性を広帯域化する。音響インピーダンスZ0を有する材料によって形成されている圧電体及び該圧電体の両面に形成されている電極を含み、機械共振周波数f0を有する振動子と、音響インピーダンスZBを有する材料によって形成されているバッキング層と、音響インピーダンスZ1及び整合厚λ1/4に対してM1倍の厚さを有する第1の音響整合層と、音響インピーダンスZ2及び整合厚λ2/4に対してM2倍の厚さを有する第2の音響整合層とを含み、上記ZB、Z1、Z2、M1、及び、M2が、2<M1+M2≦2+0.68(ZB/Z0)、且つ、4≦Z1≦22、2≦Z2≦8、5<ZBを満たす。

目的

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための2層の音響整合層を備える超音波用探触子において、周波数特性を広帯域化することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

音響インピーダンスZ0を有する材料によって形成されている圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数f0を有する前記振動子と、前記振動子の第1の主面上に、音響インピーダンスZBを有する材料によって形成されているバッキング層と、前記振動子の第2の主面上に、音響インピーダンスZ1を有する第1の材料によって形成されている第1の音響整合層であって、前記第1の材料及び前記機械共振周波数f0に基づいて定まる超音波の波長λ1に対してM1/4倍の厚さを有する前記第1の音響整合層と、前記第1の音響整合層上に、音響インピーダンスZ2を有する第2の材料によって形成されている第2の音響整合層であって、前記第2の材料及び前記機械共振周波数f0に基づいて定まる超音波の波長λ2に対してM2/4倍の厚さを有する前記第2の音響整合層と、を具備し、前記ZB、Z1、Z2、M1、及び、M2が、2<M1+M2≦2+0.68(ZB/Z0)且つ、4≦Z1≦22、2≦Z2≦8、5<ZBを満たす、超音波用探触子

請求項2

音響インピーダンスZ0を有する材料によって形成されている圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数f0を有する前記振動子と、前記振動子の第1の主面上に、音響インピーダンスZBを有する材料によって形成されているバッキング層と、前記振動子の第2の主面上に、音響インピーダンスZ1を有する第1の材料によって形成されている第1の音響整合層であって、前記第1の材料及び前記機械共振周波数f0に基づいて定まる超音波の波長λ1に対してM1/4倍の厚さを有する前記第1の音響整合層と、前記第1の音響整合層上に、音響インピーダンスZ2を有する第2の材料によって形成されている第2の音響整合層であって、前記第2の材料及び前記機械共振周波数f0に基づいて定まる超音波の波長λ2に対してM2/4倍の厚さを有する前記第2の音響整合層と、を具備し、前記ZB、Z1、Z2、M1、及び、M2が、2<M1+M2≦2+0.68(ZB/Z0)且つ、を満たす、超音波用探触子。

請求項3

前記圧電体が、圧電セラミックスによって形成されている、請求項1又は2記載の超音波用探触子。

技術分野

0001

本発明は、超音波送受信する圧電振動子と、不要な振動制動するためのバッキング層と、音響インピーダンス整合を図るための音響整合層とを有し、医療用超音波診断装置等において用いられる超音波用探触子に関する。

背景技術

0002

医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイム画像観察を行うことができる上に、X線写真RI(radio isotope)シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系循環器系消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界(例えば、構造物の境界)において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術であり、超音波ビーム人体等の被検体内に送信し、被検体内において生じた超音波エコーを受信し、超音波エコーが生じた反射点反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物(例えば、内臓病変組織等)の輪郭を抽出する。

0003

このような超音波撮像を行う装置(超音波診断装置、超音波撮像装置等と呼ばれる)においては、超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとして、PZTチタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)に代表される圧電セラミックや、PVDFポリフッ化ビニリデン:polyvinyliden difluoride)に代表される高分子圧電材料等の圧電体の両面に電極を形成した振動子(圧電振動子)が、一般的に用いられている。

0004

振動子の電極に電圧印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子を1次元又は2次元状に配列し、それらの振動子を順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。

0005

ところで、異なる物質が接する境界面における超音波の伝播効率は、それらの物質の音響インピーダンスに応じて変化する。具体的には、音響インピーダンスの差が大きい境界面において、超音波は反射し易くなるので、超音波の伝播損失は大きくなる。ここで、音響インピーダンスとは、音響媒質密度音速との積で表される物質固有定数であり、その単位としては、一般に、MRayl(メガレイル)が用いられる(1MRayl=1×106kg・m−2・s−1)。例えば、PZT等の圧電セラミックの音響インピーダンスは、約23MRayl〜約35MRaylであり、人体の音響インピーダンスは、約1.5MRaylである。

0006

音響インピーダンスZ0の物質と音響インピーダンスZMの物質との境界面における超音波の反射率RPは、次式(1)によって表される。
RP=(Z0−ZM)/(Z0+ZM) ・・・(1)
そこで、式(1)に、一般的な圧電セラミックスの音響インピーダンスZ0=35MRaylと、生体の音響インピーダンスZM=1.5MRaylを代入すると、反射率はRP=0.92となる。即ち、振動子の材料として圧電セラミックを用いる場合には、振動子を人体に直接接触させても、超音波はあまり伝播しない(1割未満)ことがわかる。

0007

そのため、通常は、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入することにより、音響インピーダンスの整合が図られている。即ち、振動子から被検体に向けて音響インピーダンスを段階的に変化させることにより、各境界面における超音波の反射率を低下させている。この音響整合層は、理論的には多層構造とする方が、より伝播効率を改善できるが、設計上の理由等により、一般には1層〜3層程度設けられる。

0008

超音波の伝播効率を高めるためには、各音響整合層について、最適な音響インピーダンス及び厚さを設定する必要がある。例えば、非特許文献1には、エネルギー伝送論に基づいて求められた最適な音響インピーダンスが開示されている。

0009

また、非特許文献2には、音響整合層の界面における超音波の反射を考慮して、音響整合層の厚さを、それぞれの音響整合層を伝播する超音波の波長の1/4に設定することが開示されている。その理由は、以下の通りである。理想的なインパルス波形を有する駆動信号によって振動子を励振したとしても、振動子が有する周波数帯域特性の影響により、送信された超音波は、振動が減衰しながら持続する波形を示す。そのため、超音波の伝播方向における分解能(即ち、距離分解能)はあまり良くない。ここで、超音波が音響整合層の界面において反射することにより、音響整合層を往復する超音波の位相は、直接波(振動子又は下層の音響整合層から伝播したままの超音波)に比べて波長の1/2(半波長分)だけずれる。そこで、音響整合層の厚さを波長の1/4に設定すると、反射波と直接波との重ね合わせにより、直接波の半波長以降の波形が反射波によって抑圧される。それにより、直接波の波形を理想的なインパルス波形に近付けることができる。

0010

関連する技術として、特許文献1には、圧電体に2層の音響整合層を設けた超音波探触子において、圧電体上に形成された第1音響整合層の厚みをt1とし、第1音響整合層上に形成された第2の音響整合層の厚みをt2とし、また、第1音響整合層の材料中の縦波の音速をv1とし、第2音響整合層の材料中の縦波の音速をv2とし、この超音波探触子に用いる圧電体の機械共振周波数をf0としたとき、第1及び第2の音響整合層の厚みを(v1/4f0)×1.15≦t1≦(v1/4f0)×1.20、及び、(v2/4f0)×1.15≦t2≦(v2/4f0)×1.20の範囲にすることが開示されている。即ち、特許文献1においては、中心周波数付近における損失及び損失変動の低減して、高感度及び高分解能を実現するために、非特許文献2に記載されている理論値に対して、各音響整合層の厚さを増加させている(例えば、λ/4に対して1.15〜1.20倍)。

0011

ところで、超音波には、低周波数帯域における深部到達性や、高周波帯域における高分解能等の特性がある。そのため、通常は、中心周波数帯域の異なる複数種類の超音波用探触子を用意し、それらを診断対象に応じて交換して使用することにより、そのような超音波特性を生かした画像生成が行われている。しかしながら、消化器官に挿入される内視鏡タイプの探触子や、血管に挿入されるカテーテルタイプの探触子を用いる場合には、探触子を被検体(人体)内に挿入したり抜き出したりする必要があるので、そのような作業を何度も行うことは、被検体にとって大きな身体的負担となる。そのため、特にこれらの探触子においては、探触子を交換することなく多くの超音波画像情報が得られるように、低周波から高周波までの広い周波数帯域網羅できる性能が求められている。また、一般的な超音波用探触子においても、周波数特性広帯域化することにより、得られる超音波画像画質を高めることができる。

0012

ところが、音響整合層を設けることにより超音波の伝播効率を向上させても、その一方で、周波数帯域が狭まるという弊害が存在する。ここで、周波数帯域幅fBW(%)は、次式(2)によって表される。式(2)において、周波数fH及びfLは、音圧ピーク値から6dB減衰する2つの周波数であり(fL<fH)、周波数fCは、周波数fHと周波数fLとの中心周波数である。
fBW(%)=100×(fH−fL)/fC ・・・(2)

0013

例えば、圧電セラミック(音響インピーダンスが35MRayl程度、電気機械結合定数がK33=0.7程度)とバッキング層(音響インピーダンスが3.5MRayl〜6.0MRayl程度)とを含む超音波用探触子に、第1の音響整合層(音響インピーダンスが8.92MRayl程度)、及び、第2の音響整合層(音響インピーダンスが2.34MRayl程度)を設ける場合に、非特許文献2に記載されているように、各音響整合層の厚さを波長の1/4に設計すると、周波数帯域幅fBW(%)は、およそ60%〜65%程度となる。
このように、超音波の伝播効率を最大にするような音響整合層の条件は、広帯域の周波数特性を実現するためには必ずしも適していない。
特開昭58−177640号公報(第1頁)
「超音波便覧」、丸善、p.116
伊東正安、望月剛 著「超音波診断装置」、コロナ社、p.30

発明が解決しようとする課題

0014

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための2層の音響整合層を備える超音波用探触子において、周波数特性を広帯域化することを目的とする。

課題を解決するための手段

0015

上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る超音波用探触子は、音響インピーダンスZ0を有する材料によって形成されている圧電体及び該圧電体の両面に形成された電極を含み、印加される電圧に応じて超音波を送信すると共に、超音波を受信することにより電圧を発生する振動子であって、機械共振周波数f0を有する振動子と、該振動子の第1の主面上に、音響インピーダンスZBを有する材料によって形成されているバッキング層と、振動子の第2の主面上に、音響インピーダンスZ1を有する第1の材料によって形成されている第1の音響整合層であって、第1の材料及び機械共振周波数f0に基づいて定まる超音波の波長λ1に対してM1/4倍の厚さを有する第1の音響整合層と、該第1の音響整合層上に、音響インピーダンスZ2を有する第2の材料によって形成されている第2の音響整合層であって、第2の材料及び機械共振周波数f0に基づいて定まる超音波の波長λ2に対してM2/4倍の厚さを有する第2の音響整合層とを具備し、上記ZB、Z1、Z2、M1、及び、M2が、2<M1+M2≦2+0.68(ZB/Z0)、且つ、4≦Z1≦22、2≦Z2≦8、5<ZBを満たす。

発明の効果

0016

本発明によれば、超音波の周波数特性を考慮しながら、バッキング層の音響インピーダンス並びに2層の音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスを設定するので、広帯域な超音波を送受信できる超音波用探触子を得ることが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0017

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の構造を示す一部断面斜視図である。図1に示すように、超音波用探触子1は、圧電体11並びにその両面に形成されている電極12及び13と、第1の音響整合層14と、第2の音響整合層15と、バッキング層16とを含んでいる。また、超音波用探触子1は、これらの構成に加えて、充填材17及び音響レンズ18を含んでいても良い。

0018

圧電体11並びに電極12及び13は、電圧を印加されることにより圧電効果により伸縮して超音波を発生する振動子(圧電振動子)を構成する。圧電体11は、圧電セラミックによって形成されている。圧電セラミックは、電気機械エネルギー変換能力が高いので、体内の深部まで到達可能な強力な超音波を発生することができると共に、受信感度も高いからである。具体的な材料としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(Ti,Zr)O3)や、同様のペロブスカイト系結晶構造を有する変成組成の材料や、PMN−PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3固溶体)、PNN−PT(Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−PbTiO固溶体)を含むリラクサ系材料等が用いられる。

0019

以下において、圧電体層11の音響インピーダンスをZ0とし、圧電体層11並びに電極層12及び13を含む振動子の機械共振周波数をf0とする。本実施形態においては、圧電体層11として、音響インピーダンスZ0が、例えば、23〜35MRayl程度の圧電材料が用いられる。また、振動子11〜13は、機械共振周波数f0が、例えば、3.5MHz〜12MHz程度になるように設計されている。

0020

第1及び第2の音響整合層14及び15は、振動子11〜13の上面に配置されており、振動子と人体等の被検体との間における音響インピーダンスを整合させることにより、超音波の伝播効率を高める。
第1の音響整合層14は、例えば、石英ガラスや、有機材料エポキシ樹脂ウレタン樹脂シリコン樹脂アクリル樹脂等)に高い音響インピーダンスを有する材料粉末タングステンフェライト紛等)を混ぜ合わせた材料によって形成されている。以下において、音響整合層14の音響インピーダンスをZ1とする。

0021

また、音響整合層14の厚さt1は、音響整合層14を伝播する超音波の波長をλ1として、整合厚λ1/4のM1倍となるように設計されている(即ち、t1=M1・λ1/4)。ここで、整合厚とは、音響整合層を伝播する超音波の波長の1/4の厚さのことである。本願において整合厚を基準とするのは、一般的な超音波用探触子において、音響整合層はこの厚さになるように設計されるからである(非特許文献2参照)。以下において、整合厚λ1/4に対する厚さt1の比率M1のことを、整合比ともいう。

0022

音響整合層を伝播する超音波の波長λiは、媒質(音響整合層の材料)を伝播する音速vと周波数fとを用いて、次式(3)により表される。
λi=v/f …(3)
また、音速vは、媒質の体積弾性率をK、密度をρとする場合に、次式(4)により表される。
v=(K/ρ)1/2 …(4)
結局、式(3)及び(4)より、波長λiは、次式(5)により表される。
λi=(K/ρ)1/2/f …(5)

0023

従って、音響整合層14を伝播する超音波の波長λ1は、音響整合層14を構成する材料の体積弾性率をK1、密度をρ1とすると、式(5)及び振動子11〜13の機械共振周波数f0を用いて、次式により表される。
λ1=(K1/ρ1)1/2/f0

0024

第2の音響整合層15は、例えば、有機材料(エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等)のように、第1の音響整合層14よりも音響インピーダンスが低い材料によって形成されている。以下において、音響整合層15の音響インピーダンスをZ2とする。

0025

また、音響整合層15の厚さt2は、音響整合層15を伝播する超音波の波長をλ2として、整合厚λ2/4のM2倍となるように設計されている(即ち、t2=M2・λ2/4)。波長λ2は、音響整合層15を構成する材料の体積弾性率をK2、密度をρ2とすると、式(5)及び振動子11〜13の機械共振周波数f0を用いて、次式により表される。
λ2=(K2/ρ2)1/2/f0
なお、音響インピーダンスZ1及びZ2、並びに、整合比M1及びM2の条件については、後で詳しく説明する。

0026

バッキング層16は、振動子11〜13の下面(即ち、音響整合層14及び15の反対側の面)に配置されており、振動子11〜13から発生した不要な超音波を減衰させる。バッキング層16は、エポキシ樹脂やゴム等のように、音響減衰の大きい材料によって形成されている。以下において、バッキング層16の音響インピーダンスをZBとする。

0027

充填材17は、複数の圧電振動子の間における干渉を低減し、振動子11〜13の横方向の振動を抑えることにより、振動子11〜13が縦方向に振動するようにする。音響レンズ18は、所望の深度焦点を形成するように、超音波を収束させる。

0028

本実施形態においては、このような構成を有する超音波用探触子において、超音波の広帯域な周波数特性を実現させるために、バッキング層16及び2つの音響整合層14及び15を次のような方法を用いて設計している。なお、以下においては、音響レンズ18を配置しない場合について説明する。

0029

まず、超音波用探触子の周波数特性を算出する方法について説明する。超音波用探触子に含まれている各構成要素を等価的な四端子回路に置き換えることにより、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。各構成要素は固有の音響インピーダンスを有しており、超音波の伝送系を介して超音波を送信又は受信する際に、特有の周波数特性が生じる。従って、この四端子回路網の一端に電圧を入力すると共に、他端を被検体の等価回路によって終端することにより、超音波用探触子の発振性能を送受波特性VTG(Voltage Transfer Gain)として算出することができる。

0030

伝送系の入力インピーダンスZは次式(6)により表される。



ここで、






である。また、Kは電気機械結合定数を表し、Z0は圧電振動子の音響インピーダンスを表し、ZAは音響整合層の音響インピーダンスを表し、ZBはバッキング層の音響インピーダンスを表し、f0は圧電振動子の機械共振周波数を表し、ω0は2πf0を表し、C0は容量値を表している。さらに、kA、kBは、圧電振動子の厚さに対する音響整合層の厚さ及びバッキング層の厚さからそれぞれ決定されるパラメータである。

0031

この等価回路を2層構造の音響整合層に適用したシミュレーションを行うために、超音波の伝送系を、バッキング層、圧電振動子、第1の音響整合層、第2の音響整合層が直列に接続された四端子回路網と考える。この伝送モデルにおいて、送信音圧受信音圧とが等しいものとすると、伝送系の入力インピーダンス及び四端子回路網の定数に基づいて、信号伝達関数Tが求められる。この信号伝達関数Tに対して、各周波数において20・log(T)を計算することにより、送受波特性VTGが求められる。

0032

このような周波数特性の算出手法を用い、下記の5つのパラメータを変化させることにより、超音波用探触子から発生する超音波の周波数特性をシミュレーションにより求める。
(i)バッキング層16の音響インピーダンスZB(例えば、ZB=5MRayl、10MRayl、15MRayl、20MRayl)
(ii)音響整合層14の音響インピーダンスZ1(4MRayl≦Z1≦30MRayl)
(ii)音響整合層15の音響インピーダンスZ2(1MRayl≦Z2≦8MRayl)
(iv)音響整合層14の厚さt1(或いは、整合比M1、0.4≦M1≦1.6)
(v)音響整合層15の厚さt2(或いは、整合比M2、0.4≦M2≦1.6)

0033

図2図11は、このようなシミュレーションの結果を示している。各図において、整合比M1及びM2によって特定される各欄には、2つの音響整合層14及び15の整合比をそれぞれM1及びM2とした場合に、最も良い周波数帯域幅を得ることができた音響インピーダンスZ1及びZ2の組合せと、その帯域幅(%)とが示されている。例えば、図3に示す左下の欄(M1=0.4、M2=0.4)において、音響整合層14の整合比をM1=0.4、音響インピーダンスをZ1=4MRayl〜6MRaylとし、音響整合層15の整合比をM2=0.4、音響インピーダンスをZ2=7MRayl〜8MRaylとした場合に、最大で50%以上の周波数帯域幅が得られている。

0034

図2及び図3は、バッキング層16の音響インピーダンスをZB=5MRaylとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、2つの音響整合層14及び15の整合比を(M1,M2)=(1.0,1.0)としたときに(図2に示す太枠内)、Z1=20MRayl〜24MRayl、且つ、Z2=4MRayl〜5MRayl付近で最大80%以上の周波数帯域幅が得られた。しかしながら、それ以外の範囲については、狭い範囲において70%以上の帯域が得られたに過ぎなかった(例えば、(M1,M2)=(1.2,1.0)としたときに(12≦Z1≦14,Z2=3)付近、(M1,M2)=(1.2,1.2)としたときに(12≦Z1≦18,3≦Z2≦4)付近、(M1,M2)=(1.2,1.0)としたときに(12≦Z1≦14,Z2=3)付近)。

0035

図4及び図5は、バッキング層16の音響インピーダンスをZB=10MRaylとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を(M1,M2)=(0.8,0.8)、(0.8,1.0)、(1.0,0.6)、(1.0,0.8)、(1.2,0.6)、(1.2,1.2)としたときに、最大80%以上の周波数帯域幅が得られた。これより、整合比を(M1,M2)=(1.0,1.0)からずらした場合においても、比較的高い周波数帯域幅を得られることがわかった。また、整合比を(M1,M2)=(1.2,1.0)、(1.2,1.2)、(1.0,1.2)とした場合(図4に示す太枠内)には、比較的まとまった領域において70%以上又は80%以上の周波数帯域が得られていた。

0036

図6図8は、バッキング層16の音響インピーダンスをZB=15MRaylとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を(M1,M2)=(0.4,1.6)、(0.6、1.4〜1.6)、(0.8,1.2〜1.4)、(1.0,1.0〜1.4)、(1.2,0.8〜1.0)、(1.4,0.6〜0.8)、(1.6,0.6)としたときに、90%以上の周波数帯域幅が得られた。それらの内でも、整合比を(M1,M2)=(0.6,1.6)、(0.8,1.4)、(1.0,1.2)、(1.2,1.0)、(1.4,0.8)、(1.6,0.6)としたときに(図6図8に示す太枠内)、100%以上の周波数帯域幅を得ることができた。また、これらの場合には、音響インピーダンス(Z1,Z2)の組合せの広い範囲において、概ね70%以上、その内の広い範囲で80%以上の周波数帯域が得られていた。

0037

図9図11は、バッキング層16の音響インピーダンスをZB=20MRaylとした場合におけるシミュレーション結果を示している。
この場合には、整合比を(M1,M2)=(0.4,1.6)、(0.6,1.0〜1.6)、(0.8,1.2〜1.6)、(1.0,1.0〜1.6)、(1.2,0.8〜1.6)、(1.4,0.6〜1.0)、(1.6,0.4〜0.8)としたときに、90%以上の周波数帯域幅が得られた。それらの内でも、整合比を(M1,M2)=(0.6,1.6)、(0.8,1.4〜1.6)、(1.0,1.2)、(1.2,1.0)、(1.4,0.8)、(1.6,0.6〜0.8)としたときに(図9図11に示す太枠内)、100%以上の周波数帯域幅を得ることができた。また、これらの場合には、音響インピーダンス(Z1,Z2)の組合せの広い範囲において、概ね70%以上、その内の広い範囲で80%以上の周波数帯域が得られていた。

0038

次に、図4図11に示す結果に基づいて、良好な周波数帯域幅を得るために必要な条件を求めた。なお、以下においては、比較的広い範囲で概ね80%以上(部分的に70%以上)の周波数帯域が得られる場合を比較的良好な周波数帯域幅としており、音響インピーダンスZ1及びZ2が取り得る範囲がΔZ1≧8(MRayl)、ΔZ2≧3(MRayl)である場合を比較的広い範囲としている。

0039

図4図11より、比較的良好な周波数帯域が得られる整合比M1及びM2の組合せは、一方の整合比が大きくなれば他方の整合比が小さくなる関係にあるものと考えられる。そこで解析を行ったところ、次式(7)に示す関係が見出された。なお、式(7)は、圧電体層11の音響インピーダンスZ0によって規格化されている。
2<M1+M2≦2+0.68(ZB/Z0) …(7)

0040

さらに、式(7)を満たす整合比の組合せ(M1,M2)の範囲内において、比較的良好な周波数帯域が得られる音響インピーダンスZ1及びZ2に関する解析を行ったところ、次式(8)に示す関係が得られた。なお、式(8)は、圧電体層11の音響インピーダンスZ0によって規格化されている。

0041

そこで、条件式(7)及び(8)を満たすパラメータを選択して超音波用探触子を実際に作製し、周波数特性を測定する実験を行った。この実験においては、各パラメータを次のように設定した。
振動子:音響インピーダンスZ0=34MRayl
バッキング層:音響インピーダンスZB=20MRayl
第1の音響整合層:音響インピーダンスZ1=8MRayl、整合比M1=0.8
第2の音響整合層:音響インピーダンスZ2=4MRayl、整合比:M2=1.4

0042

図12は、その実験結果を示している。図12において、横軸は周波数(MHz)を示し、縦軸送信超音波の強度(任意の単位)を示している。図12に示すように、この超音波用探触子においては、約3MHzから約10MHzに渡る広い周波数帯域を得ることができた。この超音波用探触子の周波数帯域幅は、設計値100%に対して、実測値は110%であった。

0043

以上説明したように、本実施形態によれば、音響整合層を2層構造とする場合に、バッキング層の音響インピーダンスと、第1の音響整合層及び第2の音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスとを適切に組み合わせることにより、超音波用探触子の広帯域化を実現することが可能となる。

0044

本実施形態においては、図1に示すように、複数の振動子が平面上に1列に配列されたリニアアレイ型探触子について説明したが、本発明は、振動子が凸面上に配列されたコンベックスアレイ型探触子や、円環状の振動子が同心円状に配列されたアニュラアレイ型探触子や、複数の振動子が2次元状に配列された2次元アレイ型探触子や、体腔内においてラジアル走査を行う体腔内探触子等の様々な探触子に適用することが可能である。

0045

本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、不要な振動を制動するためのバッキング層と、音響インピーダンスの整合を図るための音響整合層とを有し、医療用の超音波診断装置等において用いられる超音波用探触子において利用することが可能である。

図面の簡単な説明

0046

本発明の一実施形態に係る超音波用探触子の構造を示す一部断面斜視図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=5MRaylの場合(M2=1.6〜1.0)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=5MRaylの場合(M2=0.8〜0.4)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=10MRaylの場合(M2=1.6〜1.0)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=10MRaylの場合(M2=0.8〜0.4)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=15MRaylの場合(M2=1.6〜1.2)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=15MRaylの場合(M2=1.0〜0.8)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=15MRaylの場合(M2=0.6〜0.4)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=20MRaylの場合(M2=1.6〜1.4)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=20MRaylの場合(M2=1.2〜1.0)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
バッキング層の音響インピーダンスがZB=20MRaylの場合(M2=0.8〜0.4)における送受波特性のシミュレーション結果を示す図である。
式(7)及び(8)を満たすパラメータに基づいて作製された超音波用探触子の周波数特性を示す図である。

符号の説明

0047

1超音波用探触子
11圧電体
12、13電極
14 第1の音響整合層
15 第2の音響整合層
16バッキング層
17充填材
18 音響レンズ

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