超音波プローブ
【課題】超音波画像における分解能劣化を防止することが可能な、さらに、高い信頼性を超音波振動子の電極を引き出すことが可能な超音波プローブを提供する。
【解決手段】
超音波振動子、第1音響整合層、電極引き出し層、及び第2音響整合層を有する。超音波振動子は素子が所定のピッチで複数配列されている。第1音響整合層は、所定のピッチと同じピッチで超音波振動子上に配列され、所定の音響インピーダンスを有する。電極引き出し層は、第1音響整合層上に設けられ、超音波振動子と電気的に接続されている。第2音響整合層は、第1音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、電極引き出し層上に設けられ、素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が電極引き出し層側の面に形成されたシート状のものである。
【解決手段】
超音波振動子、第1音響整合層、電極引き出し層、及び第2音響整合層を有する。超音波振動子は素子が所定のピッチで複数配列されている。第1音響整合層は、所定のピッチと同じピッチで超音波振動子上に配列され、所定の音響インピーダンスを有する。電極引き出し層は、第1音響整合層上に設けられ、超音波振動子と電気的に接続されている。第2音響整合層は、第1音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、電極引き出し層上に設けられ、素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が電極引き出し層側の面に形成されたシート状のものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。
【背景技術】
【0002】
被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号を基に当該被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。
【0003】
このような超音波診断装置は、超音波プローブから被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信して受信信号を生成する。超音波プローブは、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する微小振動子を走査方向に複数個、アレイ状に配設している。なお、微小振動子を素子という場合がある。また、微小振動子をアレイ状に配設したものを超音波振動子という場合がある。
【0004】
図9を参照して超音波ローブの基本構成について説明する。図9は超音波1Dアレイプローブの基本構成図である。図9に示すように、超音波プローブは、超音波を発生する超音波振動子3と、超音波振動子3から生体接触面側に向かって、超音波振動子−生体間の音響インピーダンスの不整合を緩和する高音響インピーダンス整合層(高AI整合層)4、上面電極引き出し層6、低音響インピーダンス整合層(低AI整合層)5、超音波を収束させる音響レンズ7を有する。また、超音波振動子3からケーブル側(生体接触面とは反対側)には、信号引き出し用基板2、及び、背面材1がある。ここでは、上面電極をGND(ground)電極とする。
【0005】
高音響AI整合層4、低音響AI整合層5は、超音波振動子3から生体にかけて徐々に音響インピーダンスを下げながら、2〜3層設定される。各音響整合層4、5の厚みは、波長λの1/4が広く用いられている。ここで、波長λは、各音響整合層4、5を伝わる超音波の波長である。一般的に高AI整合層4は硬く、切削性がよいので、隣接素子との音響的カップリングを低減するために、超音波振動子3を分割すると同時に高AI整合層4も分割される。一方、低AI整合層5は音速が遅いため形状比(w/t)を十分に小さくできない。それにより、次の2つの方法がとられている。なお、w、tは低AI整合層5の幅、厚さをそれぞれ示す。
【0006】
第1は、ゴム系材料の低AI整合層5をシート状に積層する方法である。図10は第1の方法による超音波プローブの構造図である。図10に示すように、この構造では、単一の低AI整合層5を積層するため、形状比(w/t)を考慮せずに積層することができる。単一の音響整合層の場合、超音波振動子3の指向特性が悪化するが、低AI整合層5の材料として高ポアソン比材料(たとえばポリウレタン材)を採用することにより超音波振動子3の指向性悪化を軽減することができる。一般的に上面電極引き出し層6の音響インピーダンスの値は高AI整合層4と低AI整合層5の間の値であるため、上面電極引き出し層6を低AI整合層5の超音波振動子3側に積層する必要があるが、この構造では、超音波振動子3から高AI整合層4までを分割し、高AI整合層4側に上面電極引き出し層6、低AI整合層5をシート状に積層することができ、上面電極引き出し層6と高AI整合層4との接触面積を十分に確保することにより、高い信頼性で超音波振動子3の上面電極(GND電極)を引き出すことができる。
【0007】
第2は、非ゴム系低AI整合層5を分割し、形成された溝にゴム系材料を充填する方法である。図11は第2の方法による超音波プローブの構造図である。図11に示す構造では、低AI整合層5の形状比(w/t)は十分小さくできないが、発生する横振動を、溝に充填されたゴム系材料で軽減することが可能である。また、低AI整合層5は完全、又は部分的に分割されているため、素子間クロストークの影響を軽減することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図12は従来技術に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図である。図10に示す超音波プローブでは、低AI整合層5が複数素子間に跨って積層されるため、素子間のクロストークの影響により、図12に矢印で示すように、素子指向特性は周波数ごとに細かく変化してしまい、超音波診断装置で画像描出するときの周波数によっては指向性が狭くなってしまう。このため、超音波ビームの振り角が小さくなり、超音波画像における走査方向の分解能(方位分解能)が著しく劣化する原因となる。
【0009】
図11に示す超音波プローブでは、低AI整合層5も分割するために、超音波振動子3の上面電極引き出し層6を含む構造を採用した場合、上面電極引き出し層6も低AI整合層5と同様に分割しなければならない。超音波プローブのカッティングピッチは約0.2mmと非常比狭いピッチとなるため、各素子の上面電極(GND電極)引き出しにおける信頼性は著しく低下する。
【0010】
図13は従来例に係る超音波プローブの構造図である。図13に示すように、上面電極11を引き出す他の方法として、超音波振動子3の端部から引き出す方法がある。しかし、超音波振動子3の厚みは200μmから500μmと非常に薄いため、接合面積を十分に確保することが困難となり、超音波振動子3の電極引き出しにおける信頼性が低いという問題がある。
【0011】
この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、超音波画像における方位分解能の劣化を防止することが可能な、さらに、超音波振動子の電極引き出しにおける高い信頼性を得ることが可能な超音波プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために、実施形態の超音波プローブは、超音波振動子、第1音響整合層、電極引き出し層、及び第2音響整合層を有する。超音波振動子は素子が所定のピッチで複数配列されている。第1音響整合層は、所定のピッチと同じピッチで超音波振動子上に配列され、高い音響インピーダンスを有する。電極引き出し層は、第1音響整合層上に設けられ、超音波振動子と電気的に接続されている。第2音響整合層は、第1音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、電極引き出し層上に設けられ、素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が超音波振動子側の面に形成されたシート状のものである。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第1実施形態に係る超音波振動子及び音響整合層等の構成を示す図。
【図2】低AI整合層の構造図。
【図3】第1実施形態に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図。
【図4】第2実施形態に係る超音波振動子及び音響整合層等の構成を示す図。
【図5】低AI整合層の構造図。
【図6】一般的な超音波2Dアレイプローブの構造図。
【図7】第3実施形態に係る低AI整合層の構造図。
【図8】超音波診断装置の基本構成ブロック図。
【図9】超音波1Dアレイプローブの基本構成図。
【図10】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【図11】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【図12】従来例に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図。
【図13】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
[第1実施形態]
第1実施形態に係る超音波プローブ12が設けられる超音波診断装置の基本構成について図8を参照して説明する。図8は超音波診断装置の基本構成ブロック図である。
【0015】
図8に示すように、超音波診断装置は、医療分野において、生体(患者)の疾病を診断するために用いられる。詳細には、超音波診断装置は、超音波振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信する。そして、被検体内部における音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を超音波プローブで受信し、かかる反射波に基づいて被検体の内部状態を画像化する。
【0016】
超音波診断装置として、複数の素子(微小振動子)がアレイ状に一次元配列された超音波1Dアレイプローブ、また複数の素子がアレイ状に二次元配列された超音波2Dアレイプローブが用いられる。
【0017】
超音波診断装置は、超音波プローブ12、送信遅延加算手段21、送信処理手段22、制御プロセッサ(CPU)28、開口径決定手段43、受信遅延加算手段44、受信処理手段46、信号処理手段47、表示制御手段27、モニタ14を具備する。
【0018】
超音波プローブ12は、超音波振動子、整合層、バッキング材等を有する。
【0019】
超音波プローブ12は、既知の背面材上に複数の超音波振動子が設けられ、その超音波振動子上には既知の整合層が設けられている。すなわち、背面材、超音波振動子、整合層の順番で積層されている。超音波振動子において、整合層が設けられている面が超音波の放射面側となり、その面の反対側の面(背面材が設けられている面)が背面側となる。超音波振動子の放射面側には共通(GND)電極(図示省略)が接続され、背面側には信号電極(図示省略)が接続されている。
【0020】
超音波振動子としては、圧電セラミック等の音響/電気可逆的変換素子等が使用され得る。例えば、チタン酸ジリコン酸鉛Pb(Zr、Ti)O3、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)又はチタン酸鉛(PbTiO3)などのセラミック材料が好ましく用いられる。
【0021】
超音波振動子は、送信処理手段22からの駆動信号に基づき超音波を発生する。発生した超音波は、被検体内の音響インピーダンスの不連続面で反射される。各超音波振動子は、この反射波を受信し、信号を発生し、チャンネル毎に受信処理手段46に取り込まれる。
【0022】
整合層は、超音波振動子の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。整合層は、1層だけであってもよく、2層以上設けてもよい。
【0023】
バッキング材は、超音波振動子から後方への超音波の伝播を防止する。
【0024】
また、背面材は、超音波振動子から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材には、一般的に、合成ゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにタングステン、フェライト、酸化亜鉛などの無機粒子粉末などを混入した材料が用いられる。
【0025】
送信遅延加算手段21は、前記焦点距離に応じて遅延加算処理をする。受信遅延加算手段44は、送信遅延加算手段21による遅延タイミングと逆のタイミングで遅延加算処理をする。
【0026】
受信処理手段46は、アポダイゼーションユニット(図示しない)、周波数変調/復調ユニット(図示しない)、受信バッファユニット(図示しない)、受信ミキサ(図示しない)、DBPF(図示しない)、離散フーリエ変換ユニット(図示しない)、ビームメモリ(図示しない)を有する。そして、遅延が掛けられた受信タイミングで信号を受信し、増幅する。増幅された信号は、信号処理手段47に出力される。
【0027】
信号処理手段47は、A/D変換回路、Bモード処理回路、ドプラ処理回路等を有する。
【0028】
A/D変換回路は、受信処理手段46によって受信された信号をA/D変換する。
【0029】
Bモード処理回路は、受信処理手段46から信号を受け取り、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。このデータは、表示制御手段27に送信され、反射波の強度を輝度にて表したBモード画像としてモニター14に表示される。
【0030】
ドプラ処理回路は、受信処理手段46から受け取った信号から速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、平均速度、分散、パワー等の血流情報を多点について求める。特に、ドプラ処理回路は、受信処理手段46から多位相復調データを逐次読み出し、各レンジで得られたスペクトラムを演算し、これを用いてCWスペクトラム画像のデータを演算する。
【0031】
表示制御手段27は、信号処理手段47から受け取ったデータを用いて、超音波画像を生成する。さらに、生成された画像を種々のパラメーターの文字情報や目盛等と共に合成し、ビデオ信号としてモニタ14に出力する。
【0032】
制御プロセッサ(CPU)28は、情報処理装置としての機能を有し、前記した各手段の動作を制御する。すなわち、超音波診断装置本体の動作を制御する。制御プロセッサ28は、記憶部から画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、所定のスキャンシーケンスを実行するための制御プログラムを読み出して自身が有するメモリ上に展開し、各種処理に関する演算・制御等を実行する。
【0033】
記憶部は、異なる画角設定により複数のボリュームデータを収集するための所定のスキャンシーケンス、画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、画像生成、表示処理を実行するための制御プログラム、診断情報(患者ID、医師所見等)、診断プログラム、送受信条件、ボディマーク生成プログラムその他のデータ群を保管する。
【0034】
以上、超音波プローブ12が設けられる超音波診断装置の基本構造について説明した。次に、第1実施形態に係る超音波プローブの主な構成について説明する。
【0035】
超音波プローブの基本構成については、前述したように、音響レンズ7、高AI整合層4、低AI整合層5、超音波振動子3、フレキシブルプリント基板2、6、背面材1にて構成され、レンズ7を介して被検体と接触する(図9参照)。超音波振動子3は分割溝8により所定ピッチ(素子ピッチ)で複数の素子が配列された構成になっている。高AI整合層4も分割溝8により素子ピッチと同じピッチで分割され、分割された整合層が素子と同じ位置に配置された構成になっている(図10参照)。
【0036】
第1実施形態に係る超音波プローブが図10に示す従来の超音波プローブと異なるのは、低AI整合層5の構成である。
【0037】
次に、低AI整合層5の構成の構成について図1を参照して説明する。図1は超音波振動子3及び音響整合層等の構成を示す図である。図1に示すように、低AI整合層5の超音波振動子3側の面(上面電極引き出し層6に接着する面)には、素子の配列方向(素子エレベーション方向)に対し平行に素子ピッチの1/2以下のピッチで溝5aが形成されている。形成される溝5aの深さは低AI整合層5の25%から75%が望ましい。また、溝5aの幅は素子ピッチの1/4以下の長さであることが望ましい。さらに、溝5aは充填材で充填するのが望ましい。
【0038】
なお、超音波プローブの性能を維持するため、低AI整合層5は、0.43以上のポアソン比を有する材料により形成されていればよく、例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、及びポリエステルのいずれか一つの材料により形成される。
【0039】
次に、超音波プローブの製造方法について図2を参照して説明する。図2は低AI整合層の構造図である。接着前の低AI整合層5の超音波振動子3側に、素子配列方向に対して平行な方向にアレイ分割溝8の1/2以下のピッチ、厚みの25%から75%の深さの溝5aを形成する(図2参照)。
【0040】
溝5aのピッチをアレイ分割溝8の1/2以下のピッチとすることにより方位分解能をより安定させることが可能となる。また、溝5aの深さを低AI整合層5の厚みの25%から75%とすることにより音響整合機能を維持することが可能となる。
【0041】
次に、その加工面を従来方法と同様に上面電極引き出し層6に接着する。この際に溝5aはアレイ分割溝8に対し平行であれば良く、一致させる必要はない。従って、アレイ分割溝8と低AI整合層5の溝5aを揃えるようにすれば(角度調整)、比較的容易に接着可能である。溝5aの充填材の充填方向は、溝5aの形成時に予め充填材を充填させても良いし、低AI整合層5を上面電極引き出し層6に接着する際に塗布するエポキシ系接着剤で充填させても良い。なお、充填材及び接着剤は、低AI整合層5の音響整合機能に影響を与えない材料であればよい。溝5aに充填材を充填することにより、溝5aの形状を安定させることが可能となる。
【0042】
図3は第1実施形態に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図である。図3と図12を比較すればわかるように、素子指向特性は周波数ごとに細かく変化することがなく、また、超音波診断装置で画像描出するときの周波数によって指向性が狭くなることもない。それにより、超音波ビームの振り角が小さくなることもなく、超音波画像における走査方向の分解能(方位分解能)が劣化するのを防止することが可能となる。
【0043】
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る超音波プローブについて図4〜図6を参照して説明する。
図4は、第2実施形態に係る超音波2Dアレイプローブの構造図、図5は低AI整合層の構造図、図6は、比較される一般的な超音波2Dアレイプローブの構造図である。なお、超音波プローブを構成する各部品は第1実施形態と同様である。
【0044】
図4及び図6に示すように、第2実施形態に係る超音波2Dアレイプローブは、一般的な超音波2Dアレイプローブに対して、低AI整合層5の構成のみが異なる。
【0045】
次に、低AI整合層5の構成について説明する。図4に示すように、超音波2Dアレイプローブは素子エレベーション方向、素子アジマス方向に格子状に素子分割されるため、低AI整合層5に形成する溝5aも格子状に形成する必要がある。素子エレベーション方向、素子アジマス方向の素子ピッチが異なる場合、低AI整合層5に形成する溝5aのピッチはそれぞれの方向の素子ピッチの1/2以下のピッチとする(図5参照)。ここで、素子アジマス方向とは、エレベーション方向及び音響整合層の積層方向にそれぞれ直交する方向をいう。
【0046】
各方向における溝5aのピッチを素子ピッチの1/2以下のピッチとしたことにより、3次元画像における方位分解能の劣化を防止することが可能となる。
【0047】
第1実施形態と同様にアレイ分割溝8と低AI整合層5の溝5aの角度調整を行えば、比較的容易に接着可能である。第1実施形態と同様に、形成される溝5aは充填材で充填するのが望ましい。
【0048】
[第3実施形態]
次に、第3実施形態に係る超音波プローブの構造について図7を参照して説明する。なお、超音波プローブの基本的な構成は第1実施形態と同じである。
【0049】
図7は低AI整合層の構造図である。図7に示すように、全規定AI整合層の前記上面電極側に直径が素子ピッチの1/4以下の穴5bを素子ピッチの1/2以下のピッチで配置する。それにより、十分な音圧を取得することが可能となる。第3の実施形態では、第1実施形態の溝5aに代わる穴5bが設けられている。
【0050】
形成する穴5bの深さは整合層厚の25%から75%が望ましい。又、穴5bの部分は充填材で充填するのが望ましい。
【0051】
本実施形態の加工方法は前記溝5aが前記穴bに変更されたこと以外は第1実施形態と同じである。
【0052】
以上の通り、本実施形態により、素子間のクロストークの影響が軽減されるため、素子指向性の周波数ごとの変化は緩和される。これにより、超音波診断装置で画像抽出する際に使用する周波数に依らず、超音波ビームの振り角が維持でき、超音波画像における方位分解能の劣化を防止することができる。また、低AI整合層5をあらかじめ加工し積層する構造のため、上面電圧引き出し層6は分割せずに積層することができ、超音波振動子3の電極引き出しにおける高い信頼性を得ることが可能である。
【0053】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるととともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0054】
1 背面材
2 下面電極引き出し層(FPC:フレキシブルプリント基板)
3 超音波振動子
4 高AI整合層
5 高AI整合層
5a 溝
5b 穴
6 上面電極引き出し層
7 音響レンズ
8 アレイ分割溝
9 充填材
10 下面電極
11 上面電極
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。
【背景技術】
【0002】
被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号を基に当該被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。
【0003】
このような超音波診断装置は、超音波プローブから被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信して受信信号を生成する。超音波プローブは、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する微小振動子を走査方向に複数個、アレイ状に配設している。なお、微小振動子を素子という場合がある。また、微小振動子をアレイ状に配設したものを超音波振動子という場合がある。
【0004】
図9を参照して超音波ローブの基本構成について説明する。図9は超音波1Dアレイプローブの基本構成図である。図9に示すように、超音波プローブは、超音波を発生する超音波振動子3と、超音波振動子3から生体接触面側に向かって、超音波振動子−生体間の音響インピーダンスの不整合を緩和する高音響インピーダンス整合層(高AI整合層)4、上面電極引き出し層6、低音響インピーダンス整合層(低AI整合層)5、超音波を収束させる音響レンズ7を有する。また、超音波振動子3からケーブル側(生体接触面とは反対側)には、信号引き出し用基板2、及び、背面材1がある。ここでは、上面電極をGND(ground)電極とする。
【0005】
高音響AI整合層4、低音響AI整合層5は、超音波振動子3から生体にかけて徐々に音響インピーダンスを下げながら、2〜3層設定される。各音響整合層4、5の厚みは、波長λの1/4が広く用いられている。ここで、波長λは、各音響整合層4、5を伝わる超音波の波長である。一般的に高AI整合層4は硬く、切削性がよいので、隣接素子との音響的カップリングを低減するために、超音波振動子3を分割すると同時に高AI整合層4も分割される。一方、低AI整合層5は音速が遅いため形状比(w/t)を十分に小さくできない。それにより、次の2つの方法がとられている。なお、w、tは低AI整合層5の幅、厚さをそれぞれ示す。
【0006】
第1は、ゴム系材料の低AI整合層5をシート状に積層する方法である。図10は第1の方法による超音波プローブの構造図である。図10に示すように、この構造では、単一の低AI整合層5を積層するため、形状比(w/t)を考慮せずに積層することができる。単一の音響整合層の場合、超音波振動子3の指向特性が悪化するが、低AI整合層5の材料として高ポアソン比材料(たとえばポリウレタン材)を採用することにより超音波振動子3の指向性悪化を軽減することができる。一般的に上面電極引き出し層6の音響インピーダンスの値は高AI整合層4と低AI整合層5の間の値であるため、上面電極引き出し層6を低AI整合層5の超音波振動子3側に積層する必要があるが、この構造では、超音波振動子3から高AI整合層4までを分割し、高AI整合層4側に上面電極引き出し層6、低AI整合層5をシート状に積層することができ、上面電極引き出し層6と高AI整合層4との接触面積を十分に確保することにより、高い信頼性で超音波振動子3の上面電極(GND電極)を引き出すことができる。
【0007】
第2は、非ゴム系低AI整合層5を分割し、形成された溝にゴム系材料を充填する方法である。図11は第2の方法による超音波プローブの構造図である。図11に示す構造では、低AI整合層5の形状比(w/t)は十分小さくできないが、発生する横振動を、溝に充填されたゴム系材料で軽減することが可能である。また、低AI整合層5は完全、又は部分的に分割されているため、素子間クロストークの影響を軽減することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図12は従来技術に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図である。図10に示す超音波プローブでは、低AI整合層5が複数素子間に跨って積層されるため、素子間のクロストークの影響により、図12に矢印で示すように、素子指向特性は周波数ごとに細かく変化してしまい、超音波診断装置で画像描出するときの周波数によっては指向性が狭くなってしまう。このため、超音波ビームの振り角が小さくなり、超音波画像における走査方向の分解能(方位分解能)が著しく劣化する原因となる。
【0009】
図11に示す超音波プローブでは、低AI整合層5も分割するために、超音波振動子3の上面電極引き出し層6を含む構造を採用した場合、上面電極引き出し層6も低AI整合層5と同様に分割しなければならない。超音波プローブのカッティングピッチは約0.2mmと非常比狭いピッチとなるため、各素子の上面電極(GND電極)引き出しにおける信頼性は著しく低下する。
【0010】
図13は従来例に係る超音波プローブの構造図である。図13に示すように、上面電極11を引き出す他の方法として、超音波振動子3の端部から引き出す方法がある。しかし、超音波振動子3の厚みは200μmから500μmと非常に薄いため、接合面積を十分に確保することが困難となり、超音波振動子3の電極引き出しにおける信頼性が低いという問題がある。
【0011】
この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、超音波画像における方位分解能の劣化を防止することが可能な、さらに、超音波振動子の電極引き出しにおける高い信頼性を得ることが可能な超音波プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために、実施形態の超音波プローブは、超音波振動子、第1音響整合層、電極引き出し層、及び第2音響整合層を有する。超音波振動子は素子が所定のピッチで複数配列されている。第1音響整合層は、所定のピッチと同じピッチで超音波振動子上に配列され、高い音響インピーダンスを有する。電極引き出し層は、第1音響整合層上に設けられ、超音波振動子と電気的に接続されている。第2音響整合層は、第1音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、電極引き出し層上に設けられ、素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が超音波振動子側の面に形成されたシート状のものである。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第1実施形態に係る超音波振動子及び音響整合層等の構成を示す図。
【図2】低AI整合層の構造図。
【図3】第1実施形態に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図。
【図4】第2実施形態に係る超音波振動子及び音響整合層等の構成を示す図。
【図5】低AI整合層の構造図。
【図6】一般的な超音波2Dアレイプローブの構造図。
【図7】第3実施形態に係る低AI整合層の構造図。
【図8】超音波診断装置の基本構成ブロック図。
【図9】超音波1Dアレイプローブの基本構成図。
【図10】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【図11】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【図12】従来例に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図。
【図13】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
[第1実施形態]
第1実施形態に係る超音波プローブ12が設けられる超音波診断装置の基本構成について図8を参照して説明する。図8は超音波診断装置の基本構成ブロック図である。
【0015】
図8に示すように、超音波診断装置は、医療分野において、生体(患者)の疾病を診断するために用いられる。詳細には、超音波診断装置は、超音波振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信する。そして、被検体内部における音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を超音波プローブで受信し、かかる反射波に基づいて被検体の内部状態を画像化する。
【0016】
超音波診断装置として、複数の素子(微小振動子)がアレイ状に一次元配列された超音波1Dアレイプローブ、また複数の素子がアレイ状に二次元配列された超音波2Dアレイプローブが用いられる。
【0017】
超音波診断装置は、超音波プローブ12、送信遅延加算手段21、送信処理手段22、制御プロセッサ(CPU)28、開口径決定手段43、受信遅延加算手段44、受信処理手段46、信号処理手段47、表示制御手段27、モニタ14を具備する。
【0018】
超音波プローブ12は、超音波振動子、整合層、バッキング材等を有する。
【0019】
超音波プローブ12は、既知の背面材上に複数の超音波振動子が設けられ、その超音波振動子上には既知の整合層が設けられている。すなわち、背面材、超音波振動子、整合層の順番で積層されている。超音波振動子において、整合層が設けられている面が超音波の放射面側となり、その面の反対側の面(背面材が設けられている面)が背面側となる。超音波振動子の放射面側には共通(GND)電極(図示省略)が接続され、背面側には信号電極(図示省略)が接続されている。
【0020】
超音波振動子としては、圧電セラミック等の音響/電気可逆的変換素子等が使用され得る。例えば、チタン酸ジリコン酸鉛Pb(Zr、Ti)O3、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)又はチタン酸鉛(PbTiO3)などのセラミック材料が好ましく用いられる。
【0021】
超音波振動子は、送信処理手段22からの駆動信号に基づき超音波を発生する。発生した超音波は、被検体内の音響インピーダンスの不連続面で反射される。各超音波振動子は、この反射波を受信し、信号を発生し、チャンネル毎に受信処理手段46に取り込まれる。
【0022】
整合層は、超音波振動子の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。整合層は、1層だけであってもよく、2層以上設けてもよい。
【0023】
バッキング材は、超音波振動子から後方への超音波の伝播を防止する。
【0024】
また、背面材は、超音波振動子から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材には、一般的に、合成ゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにタングステン、フェライト、酸化亜鉛などの無機粒子粉末などを混入した材料が用いられる。
【0025】
送信遅延加算手段21は、前記焦点距離に応じて遅延加算処理をする。受信遅延加算手段44は、送信遅延加算手段21による遅延タイミングと逆のタイミングで遅延加算処理をする。
【0026】
受信処理手段46は、アポダイゼーションユニット(図示しない)、周波数変調/復調ユニット(図示しない)、受信バッファユニット(図示しない)、受信ミキサ(図示しない)、DBPF(図示しない)、離散フーリエ変換ユニット(図示しない)、ビームメモリ(図示しない)を有する。そして、遅延が掛けられた受信タイミングで信号を受信し、増幅する。増幅された信号は、信号処理手段47に出力される。
【0027】
信号処理手段47は、A/D変換回路、Bモード処理回路、ドプラ処理回路等を有する。
【0028】
A/D変換回路は、受信処理手段46によって受信された信号をA/D変換する。
【0029】
Bモード処理回路は、受信処理手段46から信号を受け取り、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。このデータは、表示制御手段27に送信され、反射波の強度を輝度にて表したBモード画像としてモニター14に表示される。
【0030】
ドプラ処理回路は、受信処理手段46から受け取った信号から速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、平均速度、分散、パワー等の血流情報を多点について求める。特に、ドプラ処理回路は、受信処理手段46から多位相復調データを逐次読み出し、各レンジで得られたスペクトラムを演算し、これを用いてCWスペクトラム画像のデータを演算する。
【0031】
表示制御手段27は、信号処理手段47から受け取ったデータを用いて、超音波画像を生成する。さらに、生成された画像を種々のパラメーターの文字情報や目盛等と共に合成し、ビデオ信号としてモニタ14に出力する。
【0032】
制御プロセッサ(CPU)28は、情報処理装置としての機能を有し、前記した各手段の動作を制御する。すなわち、超音波診断装置本体の動作を制御する。制御プロセッサ28は、記憶部から画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、所定のスキャンシーケンスを実行するための制御プログラムを読み出して自身が有するメモリ上に展開し、各種処理に関する演算・制御等を実行する。
【0033】
記憶部は、異なる画角設定により複数のボリュームデータを収集するための所定のスキャンシーケンス、画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、画像生成、表示処理を実行するための制御プログラム、診断情報(患者ID、医師所見等)、診断プログラム、送受信条件、ボディマーク生成プログラムその他のデータ群を保管する。
【0034】
以上、超音波プローブ12が設けられる超音波診断装置の基本構造について説明した。次に、第1実施形態に係る超音波プローブの主な構成について説明する。
【0035】
超音波プローブの基本構成については、前述したように、音響レンズ7、高AI整合層4、低AI整合層5、超音波振動子3、フレキシブルプリント基板2、6、背面材1にて構成され、レンズ7を介して被検体と接触する(図9参照)。超音波振動子3は分割溝8により所定ピッチ(素子ピッチ)で複数の素子が配列された構成になっている。高AI整合層4も分割溝8により素子ピッチと同じピッチで分割され、分割された整合層が素子と同じ位置に配置された構成になっている(図10参照)。
【0036】
第1実施形態に係る超音波プローブが図10に示す従来の超音波プローブと異なるのは、低AI整合層5の構成である。
【0037】
次に、低AI整合層5の構成の構成について図1を参照して説明する。図1は超音波振動子3及び音響整合層等の構成を示す図である。図1に示すように、低AI整合層5の超音波振動子3側の面(上面電極引き出し層6に接着する面)には、素子の配列方向(素子エレベーション方向)に対し平行に素子ピッチの1/2以下のピッチで溝5aが形成されている。形成される溝5aの深さは低AI整合層5の25%から75%が望ましい。また、溝5aの幅は素子ピッチの1/4以下の長さであることが望ましい。さらに、溝5aは充填材で充填するのが望ましい。
【0038】
なお、超音波プローブの性能を維持するため、低AI整合層5は、0.43以上のポアソン比を有する材料により形成されていればよく、例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、及びポリエステルのいずれか一つの材料により形成される。
【0039】
次に、超音波プローブの製造方法について図2を参照して説明する。図2は低AI整合層の構造図である。接着前の低AI整合層5の超音波振動子3側に、素子配列方向に対して平行な方向にアレイ分割溝8の1/2以下のピッチ、厚みの25%から75%の深さの溝5aを形成する(図2参照)。
【0040】
溝5aのピッチをアレイ分割溝8の1/2以下のピッチとすることにより方位分解能をより安定させることが可能となる。また、溝5aの深さを低AI整合層5の厚みの25%から75%とすることにより音響整合機能を維持することが可能となる。
【0041】
次に、その加工面を従来方法と同様に上面電極引き出し層6に接着する。この際に溝5aはアレイ分割溝8に対し平行であれば良く、一致させる必要はない。従って、アレイ分割溝8と低AI整合層5の溝5aを揃えるようにすれば(角度調整)、比較的容易に接着可能である。溝5aの充填材の充填方向は、溝5aの形成時に予め充填材を充填させても良いし、低AI整合層5を上面電極引き出し層6に接着する際に塗布するエポキシ系接着剤で充填させても良い。なお、充填材及び接着剤は、低AI整合層5の音響整合機能に影響を与えない材料であればよい。溝5aに充填材を充填することにより、溝5aの形状を安定させることが可能となる。
【0042】
図3は第1実施形態に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図である。図3と図12を比較すればわかるように、素子指向特性は周波数ごとに細かく変化することがなく、また、超音波診断装置で画像描出するときの周波数によって指向性が狭くなることもない。それにより、超音波ビームの振り角が小さくなることもなく、超音波画像における走査方向の分解能(方位分解能)が劣化するのを防止することが可能となる。
【0043】
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る超音波プローブについて図4〜図6を参照して説明する。
図4は、第2実施形態に係る超音波2Dアレイプローブの構造図、図5は低AI整合層の構造図、図6は、比較される一般的な超音波2Dアレイプローブの構造図である。なお、超音波プローブを構成する各部品は第1実施形態と同様である。
【0044】
図4及び図6に示すように、第2実施形態に係る超音波2Dアレイプローブは、一般的な超音波2Dアレイプローブに対して、低AI整合層5の構成のみが異なる。
【0045】
次に、低AI整合層5の構成について説明する。図4に示すように、超音波2Dアレイプローブは素子エレベーション方向、素子アジマス方向に格子状に素子分割されるため、低AI整合層5に形成する溝5aも格子状に形成する必要がある。素子エレベーション方向、素子アジマス方向の素子ピッチが異なる場合、低AI整合層5に形成する溝5aのピッチはそれぞれの方向の素子ピッチの1/2以下のピッチとする(図5参照)。ここで、素子アジマス方向とは、エレベーション方向及び音響整合層の積層方向にそれぞれ直交する方向をいう。
【0046】
各方向における溝5aのピッチを素子ピッチの1/2以下のピッチとしたことにより、3次元画像における方位分解能の劣化を防止することが可能となる。
【0047】
第1実施形態と同様にアレイ分割溝8と低AI整合層5の溝5aの角度調整を行えば、比較的容易に接着可能である。第1実施形態と同様に、形成される溝5aは充填材で充填するのが望ましい。
【0048】
[第3実施形態]
次に、第3実施形態に係る超音波プローブの構造について図7を参照して説明する。なお、超音波プローブの基本的な構成は第1実施形態と同じである。
【0049】
図7は低AI整合層の構造図である。図7に示すように、全規定AI整合層の前記上面電極側に直径が素子ピッチの1/4以下の穴5bを素子ピッチの1/2以下のピッチで配置する。それにより、十分な音圧を取得することが可能となる。第3の実施形態では、第1実施形態の溝5aに代わる穴5bが設けられている。
【0050】
形成する穴5bの深さは整合層厚の25%から75%が望ましい。又、穴5bの部分は充填材で充填するのが望ましい。
【0051】
本実施形態の加工方法は前記溝5aが前記穴bに変更されたこと以外は第1実施形態と同じである。
【0052】
以上の通り、本実施形態により、素子間のクロストークの影響が軽減されるため、素子指向性の周波数ごとの変化は緩和される。これにより、超音波診断装置で画像抽出する際に使用する周波数に依らず、超音波ビームの振り角が維持でき、超音波画像における方位分解能の劣化を防止することができる。また、低AI整合層5をあらかじめ加工し積層する構造のため、上面電圧引き出し層6は分割せずに積層することができ、超音波振動子3の電極引き出しにおける高い信頼性を得ることが可能である。
【0053】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるととともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0054】
1 背面材
2 下面電極引き出し層(FPC:フレキシブルプリント基板)
3 超音波振動子
4 高AI整合層
5 高AI整合層
5a 溝
5b 穴
6 上面電極引き出し層
7 音響レンズ
8 アレイ分割溝
9 充填材
10 下面電極
11 上面電極
【特許請求の範囲】
【請求項1】
素子が所定のピッチで複数配列された超音波振動子と、
前記所定のピッチと同じピッチで前記超音波振動子上に配列され、所定の音響インピーダンスを有する第1音響整合層と、
前記第1音響整合層上に設けられ、前記超音波振動子と電気的に接続された電極引き出し層と、
前記第1音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、前記電極引き出し層上に設けられ、前記素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が前記電極引き出し層側の面に形成されたシート状の第2音響整合層と、
を有する
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項2】
前記複数の溝は、前記所定のピッチの略1/2以下のピッチで配列されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波プローブ。
【請求項3】
前記超音波振動子及び前記第1音響整合層は、2次元の方向に配列されており、
前記複数の溝は、前記2次元の方向に対し平行な方向に配列されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波プローブ。
【請求項4】
前記複数の溝として、前記所定のピッチの略1/4以下の長さに相当する直径を有する穴が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波プローブ。
【請求項5】
前記第2音響整合層の厚みは超音波の波長の略1/4であり、
前記溝の深さは、前記第2音響整合層の厚みに対し25%から75%の値であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項6】
前記第2音響整合層の厚みは超音波の波長の略1/4であり、
前記穴の深さは、前記第2音響整合層の厚みに対し25%から75%の値であることを特徴とする請求項4に記載の超音波プローブ。
【請求項7】
前記溝に充填材が充填されていることを特徴とする請求項1、2、3または5記載の超音波プローブ。
【請求項8】
前記穴に充填材が充填されていることを特徴とする請求項4または請求項6記載の超音波プローブ。
【請求項9】
前記充填材は、前記第2音響整合層と電極引き出し層とを接着するためのエポキシ系接着剤であることを特徴とする請求項7または請求項8記載の超音波プローブ。
【請求項10】
前記第2音響整合層は、0.43以上のポアソン比を有する材料により形成される請求項1から請求項9のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項11】
前記第2音響整合層は、ポリウレタン、ポリエチレン、及びポリエステルのいずれか一つの材料により形成される請求項1から請求項10のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項1】
素子が所定のピッチで複数配列された超音波振動子と、
前記所定のピッチと同じピッチで前記超音波振動子上に配列され、所定の音響インピーダンスを有する第1音響整合層と、
前記第1音響整合層上に設けられ、前記超音波振動子と電気的に接続された電極引き出し層と、
前記第1音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、前記電極引き出し層上に設けられ、前記素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が前記電極引き出し層側の面に形成されたシート状の第2音響整合層と、
を有する
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項2】
前記複数の溝は、前記所定のピッチの略1/2以下のピッチで配列されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波プローブ。
【請求項3】
前記超音波振動子及び前記第1音響整合層は、2次元の方向に配列されており、
前記複数の溝は、前記2次元の方向に対し平行な方向に配列されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超音波プローブ。
【請求項4】
前記複数の溝として、前記所定のピッチの略1/4以下の長さに相当する直径を有する穴が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波プローブ。
【請求項5】
前記第2音響整合層の厚みは超音波の波長の略1/4であり、
前記溝の深さは、前記第2音響整合層の厚みに対し25%から75%の値であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項6】
前記第2音響整合層の厚みは超音波の波長の略1/4であり、
前記穴の深さは、前記第2音響整合層の厚みに対し25%から75%の値であることを特徴とする請求項4に記載の超音波プローブ。
【請求項7】
前記溝に充填材が充填されていることを特徴とする請求項1、2、3または5記載の超音波プローブ。
【請求項8】
前記穴に充填材が充填されていることを特徴とする請求項4または請求項6記載の超音波プローブ。
【請求項9】
前記充填材は、前記第2音響整合層と電極引き出し層とを接着するためのエポキシ系接着剤であることを特徴とする請求項7または請求項8記載の超音波プローブ。
【請求項10】
前記第2音響整合層は、0.43以上のポアソン比を有する材料により形成される請求項1から請求項9のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項11】
前記第2音響整合層は、ポリウレタン、ポリエチレン、及びポリエステルのいずれか一つの材料により形成される請求項1から請求項10のいずれかに記載の超音波プローブ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2012−257017(P2012−257017A)
【公開日】平成24年12月27日(2012.12.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−128057(P2011−128057)
【出願日】平成23年6月8日(2011.6.8)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【出願人】(594164542)東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年12月27日(2012.12.27)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年6月8日(2011.6.8)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【出願人】(594164542)東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Fターム(参考)】
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