超音波探触子および超音波画像装置
【課題】生体接触部分の上昇の抑制。
【解決手段】ケース１０は、操作者により把持される。圧電振動子２１は、ケース１０内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する。背面材２４は、圧電振動子２１の下面側に配置され、圧電振動子２１からの超音波を減衰させる。放熱部材４０は、背面材２４の側面に接合され、ケース１０の下部側に延設され、背面材２４の熱が流入される。フレキシブルプリントサーキット３０は、電極に接続された配線を有し、圧電振動子２１に対して電気信号を送受信する。ケーブル５０は、ケース１０の下部において保持され、フレキシブルプリントサーキット３０に接続されている。ケーブル１０は、放熱部材４０の熱を放出するために放熱部材４０に接続された複数のシールド線５３を有する。
【解決手段】ケース１０は、操作者により把持される。圧電振動子２１は、ケース１０内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する。背面材２４は、圧電振動子２１の下面側に配置され、圧電振動子２１からの超音波を減衰させる。放熱部材４０は、背面材２４の側面に接合され、ケース１０の下部側に延設され、背面材２４の熱が流入される。フレキシブルプリントサーキット３０は、電極に接続された配線を有し、圧電振動子２１に対して電気信号を送受信する。ケーブル５０は、ケース１０の下部において保持され、フレキシブルプリントサーキット３０に接続されている。ケーブル１０は、放熱部材４０の熱を放出するために放熱部材４０に接続された複数のシールド線５３を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、対象物に対し超音波を送受信して、対象物内部を画像化する超音波探触子および超音波画像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子は、対象物内部の画像化等を目的として、前記対象物に向けて超音波を照射し、当該対象物内における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する装置である。超音波探触子が使用される超音波画像装置としては、人体等の生体内部を検査する超音波画像診断装置が知られている。
【０００３】
超音波探触子は、操作者に把持されるケース体を有し、その内部には超音波を送受信するための超音波トランスデューサが収納されている。
【０００４】
図６は従来のトランスデューサの構成図である。
【０００５】
図６に示すように、従来の超音波トランスデューサ１００は、操作者の手元側から順に、背面材１０１、圧電振動子１０２、音響整合層１０３、及び音響レンズ１０４を具備しており、このうち圧電振動子１０２と音響整合層１０３は、超音波をスキャンする方向に対して複数の圧電素子１０５に分割されている。
【０００６】
各圧電素子１０５は、音響整合層１０３側の面にＧＮＤ用電極１０５ａ、背面材１０１側の面に信号用電極１０５ｂを備え、各信号用電極１０５ｂへの電気信号に遅延を与えることで、超音波のスキャンを実行している。
【０００７】
すなわち、超音波のスキャンを実行するためには、各圧電素子１０５の信号用電極１０５ｂに対して僅かな遅延時間を与えた電気信号を別々に印加する必要がある。そのため、複数の信号用電極１０５ｂと接触する背面材１０１には、信号用電極１０５ｂ間の絶縁性を確保することができる絶縁体が使用されている。
【０００８】
ところで、圧電振動子１０２から発生される超音波は、生体側へ放射される以外に、音響レンズ１０４や背面材１０１の内部で熱に変換される。そのため、超音波探触子には安全性の確保が義務づけられており、超音波探触子の生体接触部分の温度が規制値以下となるよう送信電圧を低く抑制する必要が生じている。
【０００９】
しかしながら、送信電圧を低く抑えると、生体深部におけるＳ／Ｎ比が劣化して、画像診断能力が低下するという問題がある。そこで近年、この問題を解決するために、圧電振動子からの熱を背面材経由でケースやケーブルに放熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−５６５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、背面材の材料である絶縁体は、熱伝導率が０．２［Ｗ／ｍＫ］〜１［Ｗ／ｍＫ］程度であり、放熱効率があまり良くない。そのため、圧電振動子で発生した熱が背面材中を効率良く移送されず、超音波探触子の生体接触部分の温度が上昇するという問題がある。
【００１２】
実施形態は、前記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、生体接触部分の温度の上昇を抑制することができる超音波探触子および超音波画像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施形態に係る超音波探触子は、操作者により把持されるケースと、前記ケース内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する圧電振動子と、前記圧電振動子の下面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、前記背面材の側面に接合され、前記ケースの下部側に延設され、前記背面材の熱が流入される放熱部材と、前記電極に接続された配線を有し、前記圧電振動子に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキットと、前記ケースの下部において保持され、前記フレキシブルプリントサーキットに接続されたケーブルであって、前記放熱部材の熱を放出するために前記放熱部材に接続された複数のシールド線を有するケーブルと、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略図。
【図２】同形態に係る超音波探触子の構成図。
【図３】同実施形態に係るトランスデューサの斜視図。
【図４】同実施形態に係るケーブルの断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子の構成図。
【図６】従来の超音波トランスデューサの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１６】
図１〜図４を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置（超音波画像装置）は、超音波探触子１と超音波診断装置本体２とから構成され、超音波を利用して人体（対象物）の内部状態を画像化するものである。
【００１９】
図２は同実施形態に係る超音波探触子１の構成図である。
【００２０】
図２に示すように、超音波探触子１は、操作者により把持されるケース１０と、ケース１０内に配置され、人体に対して超音波を送受信するトランスデューサ２０と、ケース１０内に配置され、トランスデューサ２０に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキット（以下、「ＦＰＣ」とする。）３０と、ケース１０内に配置され、トランスデューサ２０の熱を放出させる放熱板（放熱部材）４０と、ケース１０の基端部に繋がれ、ＦＰＣ３０と超音波診断装置本体２とを接続するケーブル５０とを具備している。
【００２１】
次に、前記各構成要件について詳細に説明する。なお、以下の説明では、ケース１０の先端側を上側、ケース１０の基端側を下側とする。
【００２２】
［ケース１０］
ケース１０は、その上端部に開口部１１、下端部に挿通孔１２を備えている。開口部１１からはトランスデューサ２０（実際には音響レンズ２６）が僅かに突出し、挿通孔１２にはケーブル５０を保持するためのブッシュ６０が嵌め込まれている。
【００２３】
［トランスデューサ２０］
図３は同実施形態に係るトランスデューサ２０の斜視図である。
【００２４】
図３に示すように、トランスデューサ２０は、圧電振動子２１、音響整合層２２、ポリイミドフィルム（絶縁部材）２３、第１の背面材（背面材）２４、第２の背面材（減衰部材）２５、及び音響レンズ２６を具備している。
【００２５】
圧電振動子２１は、電気信号を受信して超音波に変換するとともに、超音波を受信して電気信号に変換するものである。この圧電振動子２１は、多数の圧電素子２１１により構成されている。
【００２６】
これら圧電素子２１１は短冊状をしており、ケース１０の軸心線と略直角な方向に対して所定間隔で配列されている。圧電素子２１１の素材としては、２成分系あるいは３成分系の圧電セラミックス等が用いられる。以降、圧電素子２１１の配列方向をアレイ方向とし、アレイ方向および上下方向と略直角な方向をレンズ方向とする。
【００２７】
圧電振動子２１の隙間、すなわち圧電素子２１１と圧電素子２１１との隙間には、圧電振動子２１の機械的強度を確保するための樹脂材（図示しない）が充填されている。樹脂材の素材としては、エポキシ樹脂等が用いられる。
【００２８】
各圧電素子２１１は、上端面にＧＮＤ用電極（電極）２１１ａ、下端面に信号用電極（電極）２１１ｂを備え、これら電極２１１ａ、２１１ｂ間に電気信号を印加することで、圧電素子２１１の軸心線の方向、すなわち上下方向に対して超音波を発生できるようになっている。
【００２９】
圧電振動子２１のレンズ方向の一側面には、各圧電素子２１１のＧＮＤ用電極２１１ａを電気的に共通化するための共通化電極２１２がアレイ方向の全域に亘って接合されている。前述したＦＰＣ３０のＧＮＤ配線３１は、この共通化電極２１２を介して各ＧＮＤ用電極２１１ａに接続され、ＦＰＣ３０の信号配線３２は、それぞれ各信号用電極２１１ｂに接続されている。
【００３０】
音響整合層２２は、圧電振動子２１と人体との間の音響インピーダンスを整合させるものである。この音響整合層２２は、圧電振動子２１の上側に配置され、多数の音響整合素子２２１により構成されている。
【００３１】
これら音響整合素子２２１は短冊状をしており、アレイ方向及びレンズ方向に対して、前記各圧電素子２１１と等しいピッチ間隔で配列されている。音響整合素子２２１の上下方向に対する厚さは、圧電振動子２１から送信される超音波の波長λの４分の１に設定されている。
【００３２】
音響整合層２２の隙間、すなわち音響整合素子２２１と音響整合素子２２１との隙間には、音響整合層２２の機械的強度を確保するための樹脂材（図示しない）が充填されている。樹脂材の素材としては、エポキシ樹脂等が用いられる。
【００３３】
なお、本実施形態では、音響整合素子２２１を１つの素材で構成しているが、材質の異なる２つの素材を用いて、音響インピーダンスが圧電素子２１１から人体に向かって段階的に変化するように構成してもよい。
【００３４】
ポリイミドフィルム２３は、圧電素子２１１相互の絶縁を確保するものである。このポリイミドフィルム２３は、圧電振動子２１と第１の背面材２４との間に介装されており、圧電振動子２１や音響整合層２２の隙間に対応する部分に溝部２３１を備えている。
【００３５】
なお、ポリイミドフィルム２３の熱伝導率は０．２［Ｗ／ｍＫ］程度であり、またポリイミドフィルム２３の音響インピーダンスは、３［Ｍｒａｙｌ］〜４［Ｍｒａｙｌ］程度である。
【００３６】
ポリイミドフィルム２３の厚さは、超音波の波長λの１０分の１以下、すなわちλ／１０以下に設定されている。例えば、音速が２２００［ｍ／ｓ］、超音波の周波数が５［ＭＨｚ］である場合、ポリイミドフィルム２３の厚さは４４［μｍ］以下となる。
【００３７】
第１の背面材２４は、圧電振動子２１で発生した超音波のうち下側、すなわち操作者の手元側に伝播してくる超音波を減衰して熱に変換するものである。この第１の背面材２４は、ポリイミドフィルム２３の下側に配置されている。
【００３８】
第１の背面材２４の素材としては、高い熱伝導率と導電性を有する、等方性黒鉛、金属、又はカーボンのフィラーあるいはファイバーを含む樹脂混合物等が用いられる。また、第１の背面材２４の音響インピーダンスとしては、超音波の収斂が良好な２［Ｍｒａｙｌ］〜７［Ｍｒａｙｌ］の範囲が好ましい。
【００３９】
そこで、本実施形態では、第１の背面材２４の素材として、熱伝導率が９０［Ｗ／ｍＫ］、音響インピーダンスが５［Ｍｒａｙｌ］である等方性黒鉛を用いている。これにより、トランスデューサ２０の熱が第１の背面材２４中を効率良く移送されるようになっている。
【００４０】
第２の背面材２５は、圧電振動子２１で発生した超音波のうち、第１の背面材２４で減衰し切れなかった超音波を減衰して熱に変換するものである。この第２の背面材２５は、第１の背面材２４の下側に配置されている。
【００４１】
第２の背面材２５の素材としては、酸化物フィラーを含む樹脂混合物が用いられる。また、第２の背面材２５の音響インピーダンスとしては、第１の背面材２４と第２の背面材２５の接合面における超音波の反射を防止するために、等方性黒鉛の音響インピーダンスと略等しい５［Ｍｒａｙｌ］に設定されている。
【００４２】
音響レンズ２６は、音響の屈折を利用して超音波ビームを収束させ、超音波の分解能を向上させるものである。この音響レンズ２６は、音響整合層２２の上側に全ての音響整合素子２２１を覆うように配置されている。
【００４３】
音響レンズ２６の素材としては、シリコーンゴム等が用いられる。また、音響レンズ２６の音響インピーダンスとしては、人体と音響レンズ２６の接触面における超音波の反射を防止するために、人体の音響インピーダンスに近い値に設定されている。
【００４４】
［ＦＰＣ３０］
ＦＰＣ３０は、トランスデューサ２０のレンズ方向の一側に配置されており、主にＧＮＤ配線３１と信号配線３２とによる平面２層構造となっている。これらＧＮＤ配線３１と信号配線３２は、ＦＰＣ３０の中途部で分離されており、各々の先端部にて共通化電極２１２と信号用電極２１１ｂに夫々接続されている。
【００４５】
［放熱板４０］
放熱板４０は、第１の背面材２４のレンズ方向の両側面に対して螺子（図示しない）等により接合されている。この放熱板４０は、第１の背面材２４の上下方向の中途部からケース１０の下部側に延設されており、ケース１０の下端部に最も接近したところで、ケーブル５０の端面から突出したのシールド線（後述する）５３に接続されている（図２参照）。放熱板４０の素材としては、熱伝導率が２００［Ｗ／ｍＫ］程度の銅が用いられる。
【００４６】
［ケーブル５０］
図４は同実施形態に係るケーブル５０の断面図である。
【００４７】
図４に示すように、ケーブル５０は、前記ブッシュ６０によりケース１０の下端部に保持されており、主に複数の信号線５１と、信号線５１の周囲を覆う樹脂材５２と、樹脂材５２の外周部に環状に配設された多数のシールド線５３と、シールド線５３の外側を覆う外皮５４とから構成されている。
【００４８】
シールド線５３は、信号線５１を外部のノイズから保護するためのものである。このシールド線５３は、ケーブル５０のケース１０側の端面から突出し、放熱板４０の下側部に接続されている。シールド線５３の素材としては、銅やアルミ等の導電性の高い金属が用いられる。
【００４９】
次に、前記構成の超音波探触子１の製造工程について簡単に説明する。
【００５０】
まず圧電振動ブロックと音響整合ブロックを用意する。なお、圧電振動ブロックは、ブロック状に形成された圧電材料にメッキまたはスパッタリングで電極を形成し、その後、圧電材料に分極処理を施したものである。
【００５１】
圧電振動ブロックと音響整合ブロックを用意したら、圧電振動子ブロックの一方の電極に音響整合ブロックを接合し、これら圧電振動ブロックと音響整合ブロックを所望の厚さ・寸法に加工する。
【００５２】
次に、圧電振動子ブロックの電極のうち、音響整合ブロックが接合された電極に対してＦＰＣ３０の信号配線３２を接続する。この状態では、ＦＰＣ３０の信号配線は１枚の薄膜状である。そして、圧電振動子ブロックを挟んで音響整合ブロックの反対側にポリイミドフィルム２３、第１の背面材２４、及び第２の背面材２５を順に接合し、音響整合ブロック側からポリイミドフィルム２３の中途部に至るまでダイシング加工を行う。
【００５３】
これにより、圧電振動子ブロックは複数の圧電素子２１１に分割されて圧電振動子２１となり、音響整合ブロックは複数の音響整合素子２２１に分割されて音響整合層２２となる。また、ポリイミドフィルム２３には複数の溝部２３１が形成される。さらに、ＦＰＣ３０の信号配線３２は、圧電振動子２１の圧電素子２１１ごとに分割される。
【００５４】
次に、圧電振動子２１のレンズ方向の一側面に共通化電極２１２を接合し、この共通化電極２１２を介して各ＧＮＤ用電極２１１ａとＦＰＣ３０のＧＮＤ配線３１とを接続する。
【００５５】
そして、圧電振動子２１及び音響整合層２２の隙間に樹脂材を充填した後、音響整合層２２を挟んで圧電振動子２１の反対側に音響レンズ６を接合する。以上で、前記構成のトランスデューサ２０が完成する。
【００５６】
次に、このトランスデューサ２０をケース１０内に収納し、第１の背面材２４のアレイ方向の両側面に放熱板４０を接合する。そして、ＦＰＣ３０とケーブル５０を接続するとともに、放熱板４０とケーブル５０のシールド線５３を接続する。以上で、本実施形態に係る超音波探触子１が完成する。
【００５７】
次に、前記構成の超音波探触子による作用について説明する。
【００５８】
本実施形態では、圧電振動子２１の下側に第１の背面材２４を配置し、その素材として熱伝導率の高い等方性黒鉛を用いている。そのため、トランスデューサ２０の熱が第１の背面材２４で滞ることなく放熱板４０に流入し、ケーブル５０のシールド線５３から迅速に放熱されるから、人体と接触する音響レンズ２６の温度上昇を抑制することができる。
【００５９】
その結果、超音波診断時に使用する送信電圧を高く設定することが可能となるから、生体深部の画像化を行う場合であっても、Ｓ／Ｎ比の良い高品質の超音波画像を取得することができる。
【００６０】
また、圧電振動子２１と第１の背面材２４の間にポリイミドフィルム２３を介装している。そのため、圧電素子２１１相互の絶縁が確保され、各圧電素子２１１に対して別々の電気信号を印加することができる。
【００６１】
しかも、ポリイミドフィルム２３の厚さを超音波の波長λの１／１０以下としている。そのため、送受信される超音波に対する音響的な影響が無視できる位に小さくできるから、本実施形態のように圧電振動子２１と第１の背面材２４との間にポリイミドフィルム２３を介装しても、超音波画像の品質を低下させることがない。
【００６２】
また、本実施形態では、第１の背面材２４の下側に、第１の背面材２４よりも高い減衰効果を有する第２の背面材２５を配置している。そのため、第１の背面材２４の素材が減衰効果の小さな素材であっても、圧電振動子２１からの超音波を第２の背面材２５で十分に減衰することができる。逆に言えば、本実施形態のように、第１の背面材２４の下側に第２の背面材２５を配置することで、第１の背面材２４の素材選択の幅を広げることが可能となる。
【００６３】
また、本実施形態では、第２の背面材２５の音響インピーダンスを第１の背面材２４の音響インピーダンスと等しい５［Ｍｒａｙｌ］としている。そのため、第１の背面材２４と第２の背面材２５の接合面における超音波の反射を防止することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、ポリイミドフィルム２３の厚さをλ／１０以下としているが、音響整合層２２の厚さ以下、すなわちλ／４以下であれば、トランスデューサ２０の熱が音響レンズ２６側よりも背面材２４、２５側に伝わり易くなるから、超音波探触子１の人体と接触する部分の温度上昇を防止するという、本発明の目的を達成することが可能である。
【００６５】
また、本実施形態では、超音波を減衰するために、圧電振動子２１の下側に２つの背面材、すなわち第１の背面材２４と第２の背面材２５を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６６】
すなわち、第１の背面材２４の素材として、熱伝導率が５００［Ｗ／ｍＫ］のカーボンファイバを含む樹脂混合物を用いれば、減衰係数が５［ｄＢ／ＭＨｚ・ｍｍ］程度まで上昇するから、第１の背面材２４だけで十分に超音波の減衰を行うことができる。
【００６７】
なお、カーボンファイバを含む第１の背面材２４の音響インピーダンスは、４［Ｍｒａｙｌ］程度であり、熱伝導率は１０［Ｗ／ｍＫ］程度である。
【００６８】
次に、図５を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。なお、ここでは第１の実施形態と同じ構成、作用については、その説明を省略する。
【００６９】
図５は本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子１Ａの構成図である。
【００７０】
図５に示すように、本実施形態は、本発明の技術を二次元アレイ型の超音波探触子１Ａに適用した例である。二次元アレイ型の超音波探触子１Ａは、ケース１０内の基端側にトランスデューサ２０を駆動するための駆動回路７０を備えている。
【００７１】
このため、二次元アレイ型の超音波探触子１Ａを使用すると、この駆動回路７０から熱が発生し、超音波探触子１Ａが加熱されることがある。しかしながら、本実施形態のように、圧電振動子２１の下側にポリイミドフィルム２３を介して第１の背面材２４を配置し、この放熱板４０を介してケーブル５０のシールド線５３から熱を排出すれば、圧電素子２１１間の絶縁を確保したまま、駆動回路７０に起因するトランスデューサ２０の加熱も抑制することが可能となる。
【００７２】
その結果、超音波診断時に使用できる送信電圧を高く設定することができるから、生体深部を画像化する場合であっても、Ｓ／Ｎ比の良い高品質の超音波画像を取得することができる。
【００７３】
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、置き換え、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ものである。
【符号の説明】
【００７４】
１…超音波探触子、１Ａ…超音波探触子、２１…圧電振動子、２２…音響整合層、２３…ポリイミドフィルム（絶縁部材）、２４…第１の背面材（背面材）、２５…第２の背面材（減衰部材）、４０…放熱板（放熱部材）、２１１ａ…ＧＮＤ用電極（電極）、２１１ｂ…信号用電極（電極）
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、対象物に対し超音波を送受信して、対象物内部を画像化する超音波探触子および超音波画像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波探触子は、対象物内部の画像化等を目的として、前記対象物に向けて超音波を照射し、当該対象物内における音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を受信する装置である。超音波探触子が使用される超音波画像装置としては、人体等の生体内部を検査する超音波画像診断装置が知られている。
【０００３】
超音波探触子は、操作者に把持されるケース体を有し、その内部には超音波を送受信するための超音波トランスデューサが収納されている。
【０００４】
図６は従来のトランスデューサの構成図である。
【０００５】
図６に示すように、従来の超音波トランスデューサ１００は、操作者の手元側から順に、背面材１０１、圧電振動子１０２、音響整合層１０３、及び音響レンズ１０４を具備しており、このうち圧電振動子１０２と音響整合層１０３は、超音波をスキャンする方向に対して複数の圧電素子１０５に分割されている。
【０００６】
各圧電素子１０５は、音響整合層１０３側の面にＧＮＤ用電極１０５ａ、背面材１０１側の面に信号用電極１０５ｂを備え、各信号用電極１０５ｂへの電気信号に遅延を与えることで、超音波のスキャンを実行している。
【０００７】
すなわち、超音波のスキャンを実行するためには、各圧電素子１０５の信号用電極１０５ｂに対して僅かな遅延時間を与えた電気信号を別々に印加する必要がある。そのため、複数の信号用電極１０５ｂと接触する背面材１０１には、信号用電極１０５ｂ間の絶縁性を確保することができる絶縁体が使用されている。
【０００８】
ところで、圧電振動子１０２から発生される超音波は、生体側へ放射される以外に、音響レンズ１０４や背面材１０１の内部で熱に変換される。そのため、超音波探触子には安全性の確保が義務づけられており、超音波探触子の生体接触部分の温度が規制値以下となるよう送信電圧を低く抑制する必要が生じている。
【０００９】
しかしながら、送信電圧を低く抑えると、生体深部におけるＳ／Ｎ比が劣化して、画像診断能力が低下するという問題がある。そこで近年、この問題を解決するために、圧電振動子からの熱を背面材経由でケースやケーブルに放熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−５６５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、背面材の材料である絶縁体は、熱伝導率が０．２［Ｗ／ｍＫ］〜１［Ｗ／ｍＫ］程度であり、放熱効率があまり良くない。そのため、圧電振動子で発生した熱が背面材中を効率良く移送されず、超音波探触子の生体接触部分の温度が上昇するという問題がある。
【００１２】
実施形態は、前記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、生体接触部分の温度の上昇を抑制することができる超音波探触子および超音波画像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施形態に係る超音波探触子は、操作者により把持されるケースと、前記ケース内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する圧電振動子と、前記圧電振動子の下面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、前記背面材の側面に接合され、前記ケースの下部側に延設され、前記背面材の熱が流入される放熱部材と、前記電極に接続された配線を有し、前記圧電振動子に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキットと、前記ケースの下部において保持され、前記フレキシブルプリントサーキットに接続されたケーブルであって、前記放熱部材の熱を放出するために前記放熱部材に接続された複数のシールド線を有するケーブルと、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略図。
【図２】同形態に係る超音波探触子の構成図。
【図３】同実施形態に係るトランスデューサの斜視図。
【図４】同実施形態に係るケーブルの断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子の構成図。
【図６】従来の超音波トランスデューサの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１６】
図１〜図４を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置（超音波画像装置）は、超音波探触子１と超音波診断装置本体２とから構成され、超音波を利用して人体（対象物）の内部状態を画像化するものである。
【００１９】
図２は同実施形態に係る超音波探触子１の構成図である。
【００２０】
図２に示すように、超音波探触子１は、操作者により把持されるケース１０と、ケース１０内に配置され、人体に対して超音波を送受信するトランスデューサ２０と、ケース１０内に配置され、トランスデューサ２０に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキット（以下、「ＦＰＣ」とする。）３０と、ケース１０内に配置され、トランスデューサ２０の熱を放出させる放熱板（放熱部材）４０と、ケース１０の基端部に繋がれ、ＦＰＣ３０と超音波診断装置本体２とを接続するケーブル５０とを具備している。
【００２１】
次に、前記各構成要件について詳細に説明する。なお、以下の説明では、ケース１０の先端側を上側、ケース１０の基端側を下側とする。
【００２２】
［ケース１０］
ケース１０は、その上端部に開口部１１、下端部に挿通孔１２を備えている。開口部１１からはトランスデューサ２０（実際には音響レンズ２６）が僅かに突出し、挿通孔１２にはケーブル５０を保持するためのブッシュ６０が嵌め込まれている。
【００２３】
［トランスデューサ２０］
図３は同実施形態に係るトランスデューサ２０の斜視図である。
【００２４】
図３に示すように、トランスデューサ２０は、圧電振動子２１、音響整合層２２、ポリイミドフィルム（絶縁部材）２３、第１の背面材（背面材）２４、第２の背面材（減衰部材）２５、及び音響レンズ２６を具備している。
【００２５】
圧電振動子２１は、電気信号を受信して超音波に変換するとともに、超音波を受信して電気信号に変換するものである。この圧電振動子２１は、多数の圧電素子２１１により構成されている。
【００２６】
これら圧電素子２１１は短冊状をしており、ケース１０の軸心線と略直角な方向に対して所定間隔で配列されている。圧電素子２１１の素材としては、２成分系あるいは３成分系の圧電セラミックス等が用いられる。以降、圧電素子２１１の配列方向をアレイ方向とし、アレイ方向および上下方向と略直角な方向をレンズ方向とする。
【００２７】
圧電振動子２１の隙間、すなわち圧電素子２１１と圧電素子２１１との隙間には、圧電振動子２１の機械的強度を確保するための樹脂材（図示しない）が充填されている。樹脂材の素材としては、エポキシ樹脂等が用いられる。
【００２８】
各圧電素子２１１は、上端面にＧＮＤ用電極（電極）２１１ａ、下端面に信号用電極（電極）２１１ｂを備え、これら電極２１１ａ、２１１ｂ間に電気信号を印加することで、圧電素子２１１の軸心線の方向、すなわち上下方向に対して超音波を発生できるようになっている。
【００２９】
圧電振動子２１のレンズ方向の一側面には、各圧電素子２１１のＧＮＤ用電極２１１ａを電気的に共通化するための共通化電極２１２がアレイ方向の全域に亘って接合されている。前述したＦＰＣ３０のＧＮＤ配線３１は、この共通化電極２１２を介して各ＧＮＤ用電極２１１ａに接続され、ＦＰＣ３０の信号配線３２は、それぞれ各信号用電極２１１ｂに接続されている。
【００３０】
音響整合層２２は、圧電振動子２１と人体との間の音響インピーダンスを整合させるものである。この音響整合層２２は、圧電振動子２１の上側に配置され、多数の音響整合素子２２１により構成されている。
【００３１】
これら音響整合素子２２１は短冊状をしており、アレイ方向及びレンズ方向に対して、前記各圧電素子２１１と等しいピッチ間隔で配列されている。音響整合素子２２１の上下方向に対する厚さは、圧電振動子２１から送信される超音波の波長λの４分の１に設定されている。
【００３２】
音響整合層２２の隙間、すなわち音響整合素子２２１と音響整合素子２２１との隙間には、音響整合層２２の機械的強度を確保するための樹脂材（図示しない）が充填されている。樹脂材の素材としては、エポキシ樹脂等が用いられる。
【００３３】
なお、本実施形態では、音響整合素子２２１を１つの素材で構成しているが、材質の異なる２つの素材を用いて、音響インピーダンスが圧電素子２１１から人体に向かって段階的に変化するように構成してもよい。
【００３４】
ポリイミドフィルム２３は、圧電素子２１１相互の絶縁を確保するものである。このポリイミドフィルム２３は、圧電振動子２１と第１の背面材２４との間に介装されており、圧電振動子２１や音響整合層２２の隙間に対応する部分に溝部２３１を備えている。
【００３５】
なお、ポリイミドフィルム２３の熱伝導率は０．２［Ｗ／ｍＫ］程度であり、またポリイミドフィルム２３の音響インピーダンスは、３［Ｍｒａｙｌ］〜４［Ｍｒａｙｌ］程度である。
【００３６】
ポリイミドフィルム２３の厚さは、超音波の波長λの１０分の１以下、すなわちλ／１０以下に設定されている。例えば、音速が２２００［ｍ／ｓ］、超音波の周波数が５［ＭＨｚ］である場合、ポリイミドフィルム２３の厚さは４４［μｍ］以下となる。
【００３７】
第１の背面材２４は、圧電振動子２１で発生した超音波のうち下側、すなわち操作者の手元側に伝播してくる超音波を減衰して熱に変換するものである。この第１の背面材２４は、ポリイミドフィルム２３の下側に配置されている。
【００３８】
第１の背面材２４の素材としては、高い熱伝導率と導電性を有する、等方性黒鉛、金属、又はカーボンのフィラーあるいはファイバーを含む樹脂混合物等が用いられる。また、第１の背面材２４の音響インピーダンスとしては、超音波の収斂が良好な２［Ｍｒａｙｌ］〜７［Ｍｒａｙｌ］の範囲が好ましい。
【００３９】
そこで、本実施形態では、第１の背面材２４の素材として、熱伝導率が９０［Ｗ／ｍＫ］、音響インピーダンスが５［Ｍｒａｙｌ］である等方性黒鉛を用いている。これにより、トランスデューサ２０の熱が第１の背面材２４中を効率良く移送されるようになっている。
【００４０】
第２の背面材２５は、圧電振動子２１で発生した超音波のうち、第１の背面材２４で減衰し切れなかった超音波を減衰して熱に変換するものである。この第２の背面材２５は、第１の背面材２４の下側に配置されている。
【００４１】
第２の背面材２５の素材としては、酸化物フィラーを含む樹脂混合物が用いられる。また、第２の背面材２５の音響インピーダンスとしては、第１の背面材２４と第２の背面材２５の接合面における超音波の反射を防止するために、等方性黒鉛の音響インピーダンスと略等しい５［Ｍｒａｙｌ］に設定されている。
【００４２】
音響レンズ２６は、音響の屈折を利用して超音波ビームを収束させ、超音波の分解能を向上させるものである。この音響レンズ２６は、音響整合層２２の上側に全ての音響整合素子２２１を覆うように配置されている。
【００４３】
音響レンズ２６の素材としては、シリコーンゴム等が用いられる。また、音響レンズ２６の音響インピーダンスとしては、人体と音響レンズ２６の接触面における超音波の反射を防止するために、人体の音響インピーダンスに近い値に設定されている。
【００４４】
［ＦＰＣ３０］
ＦＰＣ３０は、トランスデューサ２０のレンズ方向の一側に配置されており、主にＧＮＤ配線３１と信号配線３２とによる平面２層構造となっている。これらＧＮＤ配線３１と信号配線３２は、ＦＰＣ３０の中途部で分離されており、各々の先端部にて共通化電極２１２と信号用電極２１１ｂに夫々接続されている。
【００４５】
［放熱板４０］
放熱板４０は、第１の背面材２４のレンズ方向の両側面に対して螺子（図示しない）等により接合されている。この放熱板４０は、第１の背面材２４の上下方向の中途部からケース１０の下部側に延設されており、ケース１０の下端部に最も接近したところで、ケーブル５０の端面から突出したのシールド線（後述する）５３に接続されている（図２参照）。放熱板４０の素材としては、熱伝導率が２００［Ｗ／ｍＫ］程度の銅が用いられる。
【００４６】
［ケーブル５０］
図４は同実施形態に係るケーブル５０の断面図である。
【００４７】
図４に示すように、ケーブル５０は、前記ブッシュ６０によりケース１０の下端部に保持されており、主に複数の信号線５１と、信号線５１の周囲を覆う樹脂材５２と、樹脂材５２の外周部に環状に配設された多数のシールド線５３と、シールド線５３の外側を覆う外皮５４とから構成されている。
【００４８】
シールド線５３は、信号線５１を外部のノイズから保護するためのものである。このシールド線５３は、ケーブル５０のケース１０側の端面から突出し、放熱板４０の下側部に接続されている。シールド線５３の素材としては、銅やアルミ等の導電性の高い金属が用いられる。
【００４９】
次に、前記構成の超音波探触子１の製造工程について簡単に説明する。
【００５０】
まず圧電振動ブロックと音響整合ブロックを用意する。なお、圧電振動ブロックは、ブロック状に形成された圧電材料にメッキまたはスパッタリングで電極を形成し、その後、圧電材料に分極処理を施したものである。
【００５１】
圧電振動ブロックと音響整合ブロックを用意したら、圧電振動子ブロックの一方の電極に音響整合ブロックを接合し、これら圧電振動ブロックと音響整合ブロックを所望の厚さ・寸法に加工する。
【００５２】
次に、圧電振動子ブロックの電極のうち、音響整合ブロックが接合された電極に対してＦＰＣ３０の信号配線３２を接続する。この状態では、ＦＰＣ３０の信号配線は１枚の薄膜状である。そして、圧電振動子ブロックを挟んで音響整合ブロックの反対側にポリイミドフィルム２３、第１の背面材２４、及び第２の背面材２５を順に接合し、音響整合ブロック側からポリイミドフィルム２３の中途部に至るまでダイシング加工を行う。
【００５３】
これにより、圧電振動子ブロックは複数の圧電素子２１１に分割されて圧電振動子２１となり、音響整合ブロックは複数の音響整合素子２２１に分割されて音響整合層２２となる。また、ポリイミドフィルム２３には複数の溝部２３１が形成される。さらに、ＦＰＣ３０の信号配線３２は、圧電振動子２１の圧電素子２１１ごとに分割される。
【００５４】
次に、圧電振動子２１のレンズ方向の一側面に共通化電極２１２を接合し、この共通化電極２１２を介して各ＧＮＤ用電極２１１ａとＦＰＣ３０のＧＮＤ配線３１とを接続する。
【００５５】
そして、圧電振動子２１及び音響整合層２２の隙間に樹脂材を充填した後、音響整合層２２を挟んで圧電振動子２１の反対側に音響レンズ６を接合する。以上で、前記構成のトランスデューサ２０が完成する。
【００５６】
次に、このトランスデューサ２０をケース１０内に収納し、第１の背面材２４のアレイ方向の両側面に放熱板４０を接合する。そして、ＦＰＣ３０とケーブル５０を接続するとともに、放熱板４０とケーブル５０のシールド線５３を接続する。以上で、本実施形態に係る超音波探触子１が完成する。
【００５７】
次に、前記構成の超音波探触子による作用について説明する。
【００５８】
本実施形態では、圧電振動子２１の下側に第１の背面材２４を配置し、その素材として熱伝導率の高い等方性黒鉛を用いている。そのため、トランスデューサ２０の熱が第１の背面材２４で滞ることなく放熱板４０に流入し、ケーブル５０のシールド線５３から迅速に放熱されるから、人体と接触する音響レンズ２６の温度上昇を抑制することができる。
【００５９】
その結果、超音波診断時に使用する送信電圧を高く設定することが可能となるから、生体深部の画像化を行う場合であっても、Ｓ／Ｎ比の良い高品質の超音波画像を取得することができる。
【００６０】
また、圧電振動子２１と第１の背面材２４の間にポリイミドフィルム２３を介装している。そのため、圧電素子２１１相互の絶縁が確保され、各圧電素子２１１に対して別々の電気信号を印加することができる。
【００６１】
しかも、ポリイミドフィルム２３の厚さを超音波の波長λの１／１０以下としている。そのため、送受信される超音波に対する音響的な影響が無視できる位に小さくできるから、本実施形態のように圧電振動子２１と第１の背面材２４との間にポリイミドフィルム２３を介装しても、超音波画像の品質を低下させることがない。
【００６２】
また、本実施形態では、第１の背面材２４の下側に、第１の背面材２４よりも高い減衰効果を有する第２の背面材２５を配置している。そのため、第１の背面材２４の素材が減衰効果の小さな素材であっても、圧電振動子２１からの超音波を第２の背面材２５で十分に減衰することができる。逆に言えば、本実施形態のように、第１の背面材２４の下側に第２の背面材２５を配置することで、第１の背面材２４の素材選択の幅を広げることが可能となる。
【００６３】
また、本実施形態では、第２の背面材２５の音響インピーダンスを第１の背面材２４の音響インピーダンスと等しい５［Ｍｒａｙｌ］としている。そのため、第１の背面材２４と第２の背面材２５の接合面における超音波の反射を防止することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、ポリイミドフィルム２３の厚さをλ／１０以下としているが、音響整合層２２の厚さ以下、すなわちλ／４以下であれば、トランスデューサ２０の熱が音響レンズ２６側よりも背面材２４、２５側に伝わり易くなるから、超音波探触子１の人体と接触する部分の温度上昇を防止するという、本発明の目的を達成することが可能である。
【００６５】
また、本実施形態では、超音波を減衰するために、圧電振動子２１の下側に２つの背面材、すなわち第１の背面材２４と第２の背面材２５を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６６】
すなわち、第１の背面材２４の素材として、熱伝導率が５００［Ｗ／ｍＫ］のカーボンファイバを含む樹脂混合物を用いれば、減衰係数が５［ｄＢ／ＭＨｚ・ｍｍ］程度まで上昇するから、第１の背面材２４だけで十分に超音波の減衰を行うことができる。
【００６７】
なお、カーボンファイバを含む第１の背面材２４の音響インピーダンスは、４［Ｍｒａｙｌ］程度であり、熱伝導率は１０［Ｗ／ｍＫ］程度である。
【００６８】
次に、図５を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。なお、ここでは第１の実施形態と同じ構成、作用については、その説明を省略する。
【００６９】
図５は本発明の第２の実施形態に係る超音波探触子１Ａの構成図である。
【００７０】
図５に示すように、本実施形態は、本発明の技術を二次元アレイ型の超音波探触子１Ａに適用した例である。二次元アレイ型の超音波探触子１Ａは、ケース１０内の基端側にトランスデューサ２０を駆動するための駆動回路７０を備えている。
【００７１】
このため、二次元アレイ型の超音波探触子１Ａを使用すると、この駆動回路７０から熱が発生し、超音波探触子１Ａが加熱されることがある。しかしながら、本実施形態のように、圧電振動子２１の下側にポリイミドフィルム２３を介して第１の背面材２４を配置し、この放熱板４０を介してケーブル５０のシールド線５３から熱を排出すれば、圧電素子２１１間の絶縁を確保したまま、駆動回路７０に起因するトランスデューサ２０の加熱も抑制することが可能となる。
【００７２】
その結果、超音波診断時に使用できる送信電圧を高く設定することができるから、生体深部を画像化する場合であっても、Ｓ／Ｎ比の良い高品質の超音波画像を取得することができる。
【００７３】
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、置き換え、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ものである。
【符号の説明】
【００７４】
１…超音波探触子、１Ａ…超音波探触子、２１…圧電振動子、２２…音響整合層、２３…ポリイミドフィルム（絶縁部材）、２４…第１の背面材（背面材）、２５…第２の背面材（減衰部材）、４０…放熱板（放熱部材）、２１１ａ…ＧＮＤ用電極（電極）、２１１ｂ…信号用電極（電極）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者により把持されるケースと、
前記ケース内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する圧電振動子と、
前記圧電振動子の下面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、
前記背面材の側面に接合され、前記ケースの下部側に延設され、前記背面材の熱が流入される放熱部材と、
前記電極に接続された配線を有し、前記圧電振動子に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキットと、
前記ケースの下部において保持され、前記フレキシブルプリントサーキットに接続されたケーブルであって、前記放熱部材の熱を放出するために前記放熱部材に接続された複数のシールド線を有するケーブルと、
を具備する超音波探触子。
【請求項２】
前記複数のシールド線と前記放熱部材とは、前記ケースの下部において接続されている、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記ケーブルは、複数の信号線と前記複数の信号線の周囲を覆う樹脂と前記樹脂の外周部に環状に配設された前記複数のシールド線とを有する、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記複数のシールド線の素材は、銅またはアルミが用いられる、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記背面材は、導電性を有し、
前記背面材と前記圧電振動子との間に介装された絶縁部材、をさらに備える、
請求項１記載の超音波探触子。
【請求項６】
超音波探触子を具備する超音波画像装置において、
前記超音波探触子は、
操作者により把持されるケースと、
前記ケース内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する圧電振動子と、
前記圧電振動子の下面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、
前記背面材の側面に接合され、前記ケースの下部側に延設され、前記背面材の熱が流入される放熱部材と、
前記電極に接続された配線を有し、前記圧電振動子に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキットと、
前記ケースの下部において保持され、前記フレキシブルプリントサーキットに接続されたケーブルであって、前記放熱部材の熱を放出するために前記放熱部材に接続された複数のシールド線を有するケーブルと、
を有することを特徴とする超音波画像装置。
【請求項１】
操作者により把持されるケースと、
前記ケース内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する圧電振動子と、
前記圧電振動子の下面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、
前記背面材の側面に接合され、前記ケースの下部側に延設され、前記背面材の熱が流入される放熱部材と、
前記電極に接続された配線を有し、前記圧電振動子に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキットと、
前記ケースの下部において保持され、前記フレキシブルプリントサーキットに接続されたケーブルであって、前記放熱部材の熱を放出するために前記放熱部材に接続された複数のシールド線を有するケーブルと、
を具備する超音波探触子。
【請求項２】
前記複数のシールド線と前記放熱部材とは、前記ケースの下部において接続されている、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記ケーブルは、複数の信号線と前記複数の信号線の周囲を覆う樹脂と前記樹脂の外周部に環状に配設された前記複数のシールド線とを有する、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記複数のシールド線の素材は、銅またはアルミが用いられる、請求項１記載の超音波探触子。
【請求項５】
前記背面材は、導電性を有し、
前記背面材と前記圧電振動子との間に介装された絶縁部材、をさらに備える、
請求項１記載の超音波探触子。
【請求項６】
超音波探触子を具備する超音波画像装置において、
前記超音波探触子は、
操作者により把持されるケースと、
前記ケース内に配置され、電極を有し、超音波を送受信する圧電振動子と、
前記圧電振動子の下面側に配置され、前記圧電振動子からの超音波を減衰させる背面材と、
前記背面材の側面に接合され、前記ケースの下部側に延設され、前記背面材の熱が流入される放熱部材と、
前記電極に接続された配線を有し、前記圧電振動子に対して電気信号を送受信するフレキシブルプリントサーキットと、
前記ケースの下部において保持され、前記フレキシブルプリントサーキットに接続されたケーブルであって、前記放熱部材の熱を放出するために前記放熱部材に接続された複数のシールド線を有するケーブルと、
を有することを特徴とする超音波画像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２２９９７６（Ｐ２０１１−２２９９７６Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７２７３５（Ｐ２０１１−１７２７３５）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【分割の表示】特願２００５−３４７１７４（Ｐ２００５−３４７１７４）の分割
【原出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【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)
【出願人】（５９４１６４５３１）東芝医用システムエンジニアリング株式会社 (892)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【分割の表示】特願２００５−３４７１７４（Ｐ２００５−３４７１７４）の分割
【原出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【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)
【出願人】（５９４１６４５３１）東芝医用システムエンジニアリング株式会社 (892)
【Ｆターム（参考）】
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