JP2007288397A - Ultrasonic probe - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、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関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe used in a medical ultrasonic diagnostic apparatus or the like, which includes a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves and an acoustic matching layer for matching acoustic impedance.
従来より、超音波の送信及び/又は受信に用いられる超音波トランスデューサにおいて、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端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きた。 Conventionally, in ultrasonic transducers used for transmitting and / or receiving ultrasonic waves, piezoelectric ceramics represented by PZT (lead zirconate titanate) and PVDF (polyvinyliden difluoride: polyvinylidene difluoride). In general, vibrators (piezoelectric vibrators) in which electrodes are formed on both ends of a piezoelectric body such as a polymer piezoelectric material represented by (1) have been used.
このような振動子の電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮して超音波が発生する。さらに、複数の振動子を1次元又は2次元状に配列し、所定の遅延を与えた複数の駆動信号によって駆動することにより、超音波ビームを所望の方向に向けて形成することができる。一方、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、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。 When a voltage is applied to the electrodes of such a vibrator, the piezoelectric element expands and contracts due to the piezoelectric effect, and ultrasonic waves are generated. Furthermore, an ultrasonic beam can be formed in a desired direction by arranging a plurality of transducers in a one-dimensional or two-dimensional manner and driving with a plurality of drive signals given a predetermined delay. On the other hand, the vibrator expands and contracts by receiving propagating ultrasonic waves and generates an electrical signal. This electric signal is used as an ultrasonic reception signal.
超音波診断装置は、被検体に超音波を送信し、被検体からの反射波を受信して、その受信信号に基づいて画像を表示することにより、体内の臓器や血管の検査を行っている。しかしながら、圧電セラミックを振動子に用いる場合には、振動子の音響インピーダンス(音響媒質密度と音速との積で表される)と、被検体(人体等)との音響インピーダンスとの間には大きな差があり、そのような音響インピーダンスの差がある境界面においては、超音波の反射が生じて超音波の伝播損失となる。 An ultrasound diagnostic apparatus transmits an ultrasonic wave to a subject, receives a reflected wave from the subject, and displays an image based on the received signal to inspect an internal organ or blood vessel. . However, when piezoelectric ceramic is used for the vibrator, there is a large gap between the acoustic impedance of the vibrator (expressed by the product of the acoustic medium density and the speed of sound) and the acoustic impedance of the subject (human body, etc.). There is a difference, and at the boundary surface where there is such a difference in acoustic impedance, reflection of ultrasonic waves occurs, resulting in propagation loss of ultrasonic waves.
音響インピーダンスとは、音響媒質密度と音速との積で表される物質固有の定数であり、その単位としては、一般にMRayl(メガ・レイル)が用いられ、1MRayl=1×106kg・m−2・s−1である。一般的な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。 The acoustic impedance is a material-specific constant represented by the product of the acoustic medium density and the speed of sound. The unit is generally MRayl (mega-rail), and 1 MRayl = 1 × 10 6 kg · m −. 2 · s −1 . A typical piezoelectric ceramic has an acoustic impedance of about 23 MRayl to about 35 MRayl, and a human body has an acoustic impedance of about 1.5 MRayl.
圧電振動子を人体に直接接触させると、それらの音響インピーダンスの差により、ほとんどの超音波は接触界面で反射してしまう。圧電振動子の音響インピーダンスをZ0とし、人体の音響インピーダンスをZMとすると、接触界面における超音波の反射率RPは、次式(1)で与えられる。
RP=(Z0−ZM)/(Z0+ZM) ・・・(1)
式(1)において、Z0=35MRayl、ZM=1.5MRaylとすると、RP=0.92となり、超音波は1割も伝播しないことが分る。
When the piezoelectric vibrator is brought into direct contact with the human body, most ultrasonic waves are reflected at the contact interface due to the difference in acoustic impedance between them. The acoustic impedance of the piezoelectric vibrator and Z 0, when the body of the acoustic impedance and Z M, the reflectance R P of ultrasonic wave in the contact interface is given by the following equation (1).
R P = (Z 0 −Z M ) / (Z 0 + Z M ) (1)
In Equation (1), when Z 0 = 35 MRayl and Z M = 1.5 MRayl, R P = 0.92, and it can be seen that ultrasonic waves do not propagate by 10%.
この問題を解決するために、振動子と被検体との間に音響整合層を挿入して、音響インピーダンスの整合を図ることが行われている。さらに、音響整合層を多層構造とすることにより、超音波の伝播効率が改善される。ここで、超音波の伝播効率を最大にするために、それぞれの音響整合層における音響インピーダンスの理想値を理論的に求めることが可能である。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音響インピーダンスが掲載されている(図7参照)。
In order to solve this problem, an acoustic matching layer is inserted between the transducer and the subject to achieve acoustic impedance matching. Furthermore, the propagation efficiency of ultrasonic waves is improved by making the acoustic matching layer have a multilayer structure. Here, in order to maximize the propagation efficiency of the ultrasonic wave, it is possible to theoretically obtain the ideal value of the acoustic impedance in each acoustic matching layer. Non-Patent
音響整合層を設けることにより、超音波の伝播効率が向上して感度は上昇するが、一方、発振周波数帯域が狭まるという弊害も存在する。そこで、非特許文献1に従って、2層の音響整合層を有する超音波用探触子における周波数帯域幅を計算してみた。ここでは、一般的な圧電セラミック(Z0=35MRayl程度、電気機械結合定数K33=0.7程度)と、一般的なバッキング材料(音響インピーダンスが1.75MRayl〜20.0MRayl程度)とを用いるものとする。
By providing the acoustic matching layer, the propagation efficiency of the ultrasonic wave is improved and the sensitivity is increased, but there is also a disadvantage that the oscillation frequency band is narrowed. Therefore, according to Non-Patent
一般的には、ダンピング(制動)性のある樹脂に高密度粉末を混ぜることによって、高音響インピーダンスのバッキング材料を作製するが、音響減衰能力とのバランスを考慮して、20MRaylが音響インピーダンスの上限値とされている。また、圧電振動子を保持する観点から、エポキシ・ポリスチレン樹脂等の樹脂材料を用いることによって作製された場合の1.75MRaylが音響インピーダンスの下限値とされている。 In general, a backing material with high acoustic impedance is produced by mixing a high-density powder with a resin having damping (braking) properties. However, in consideration of the balance with the sound attenuation capability, 20 MRayl is the upper limit of the acoustic impedance. Value. Further, from the viewpoint of holding the piezoelectric vibrator, 1.75 MRayl when produced by using a resin material such as epoxy / polystyrene resin is the lower limit value of the acoustic impedance.
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に鑑みて、各音響整合層の厚さを発振波長の1/4に設定することが開示されているので、ここでも同様の条件とする。
Non-Patent
その結果、周波数帯域幅fBW(%)は、およそ60%〜65%程度となった。なお、周波数帯域幅fBW(%)は、次式(2)によって表される。
fBW(%)=100×(fH−fL)/fC ・・・(2)
ここで、周波数fH及びfLは、音圧がピーク値から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。
As a result, the frequency bandwidth f BW (%) was about 60% to 65%. The frequency bandwidth f BW (%) is expressed by the following equation (2).
f BW (%) = 100 × (f H −f L ) / f C (2)
Here, the frequencies f H and f L are two frequencies at which the sound pressure is attenuated by 6 dB from the peak value (f L <f H ), and the frequency f C is a center frequency between the frequency f H and the frequency f L. .
一般に、低周波数領域の超音波は減衰率が小さいので、それにより得られる画像は、輝度は高いが粗い画像となり、高周波領域の超音波は減衰率が大きいので、それにより得られる画像は、輝度は低いが細かい画像となる。それらの特性を生かすように、診断対象によって超音波用探触子が選択的に用いられている。 In general, since the ultrasonic wave in the low frequency region has a low attenuation factor, the image obtained thereby has a high brightness but is a coarse image, and the ultrasonic wave in the high frequency region has a large attenuation factor. Is a low but fine image. In order to make use of these characteristics, an ultrasonic probe is selectively used depending on the diagnosis target.
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においては、低周波領域から高周波領域までの広い周波数帯域を網羅できる性能が求められている。これにより、人体内に探触子を挿入する回数を減らすことができる。このように人体内に挿入される探触子においては、周波数帯域幅fBW(%)が65%程度以上であることが望ましい。さらに、一般的な超音波用探触子においても、広帯域の周波数特性を実現することにより、得られる超音波画像の画質を高めることができる。 However, endoscope-type probes inserted into the digestive organs and catheter-type probes inserted into blood vessels are required to have a performance capable of covering a wide frequency band from a low frequency region to a high frequency region. ing. Thereby, the frequency | count of inserting a probe in a human body can be reduced. Thus, in the probe inserted into the human body, it is desirable that the frequency bandwidth f BW (%) is about 65% or more. Further, even in a general ultrasonic probe, the image quality of an obtained ultrasonic image can be improved by realizing a wideband frequency characteristic.
そのような事情により、音響整合層の音響インピーダンスを設定する際には、その結果得られる周波数特性も考慮すべきである。音響整合層を多層構造とする場合において、それぞれの音響整合層における音響インピーダンスの理想値は、超音波の伝播効率を最大にするように設定されている。しかしながら、その結果得られる周波数帯域は、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。 Due to such circumstances, when setting the acoustic impedance of the acoustic matching layer, the frequency characteristics obtained as a result should be taken into consideration. When the acoustic matching layer has a multilayer structure, the ideal value of the acoustic impedance in each acoustic matching layer is set so as to maximize the propagation efficiency of ultrasonic waves. However, the frequency band obtained as a result is not necessarily suitable for realizing a wide frequency characteristic.
関連する技術として、下記の特許文献1には、複数の通過帯域を有し、これら複数の通過帯域の和が実効的に広帯域特性と高感度化を実現する超音波用探触子が開示されている。この超音波用探触子においては、2つの振動子の共振周波数を大幅に異ならせることによって、2つの通過帯域を実現させている。
As a related technique, the following
また、下記の特許文献2〜4には、3層構造の音響整合層を有し、それらの音響整合層における音響インピーダンスを特定の範囲とした超音波用探触子が開示されている。この超音波用探触子によれば、低損失かつ低リップルで、2層構造の音響整合層を有する超音波用探触子より広い周波数帯域特性を有し、優れた超音波パルス応答特性を実現させることができる。
さらに、下記の特許文献5には、バッキング層の音響インピーダンスと音響整合層の厚さ及び音響インピーダンスとの組み合わせを適切に設定して、容易に適切なパルス幅及び振幅の超音波パルスを放射できる超音波用探触子が開示されている。
Further, in
このように、超音波用探触子において広帯域の周波数特性を実現するために、様々な技術が開発されている。しかしながら、近年における高度の要求に応じて、超音波用探触子における周波数特性をさらに広帯域化することが求められている。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、2層構造の音響整合層を有する超音波用探触子において、それぞれの音響整合層における音響インピーダンスの理想値を見直すことにより、従来よりも周波数特性を広帯域化することを目的とする。 Accordingly, in view of the above points, the present invention provides an ultrasonic probe having an acoustic matching layer having a two-layer structure. The purpose is to widen the bandwidth.
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点に係る超音波用探触子は、圧電セラミックによって形成された圧電体及び該圧電体の両端に形成された電極を有し、印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、振動子の主面上に形成され、振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.265〜0.294である音響インピーダンスを有する第1の音響整合層と、第1の音響整合層上に形成され、振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.069〜0.079である音響インピーダンスを有する第2の音響整合層とを具備する。 In order to solve the above problems, an ultrasonic probe according to a first aspect of the present invention includes a piezoelectric body formed of piezoelectric ceramic and electrodes formed at both ends of the piezoelectric body, and is applied. A transducer that transmits ultrasonic waves according to a voltage and receives ultrasonic waves to generate a voltage, and an acoustic wave that is formed on the main surface of the transducer and has a ratio of 0.265 to 0.294 with respect to the acoustic impedance of the transducer A first acoustic matching layer having impedance, and a second acoustic matching layer formed on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance having a ratio of 0.069 to 0.079 with respect to the acoustic impedance of the vibrator; It comprises.
また、本発明の第2の観点に係る超音波用探触子は、圧電セラミックによって形成された圧電体及び該圧電体の両端に形成された電極を有し、印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、振動子の主面上に形成され、振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.309〜0.338である音響インピーダンスを有する第1の音響整合層と、第1の音響整合層上に形成され、振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.062〜0.088である音響インピーダンスを有する第2の音響整合層とを具備する。 The ultrasonic probe according to the second aspect of the present invention includes a piezoelectric body formed of piezoelectric ceramic and electrodes formed at both ends of the piezoelectric body, and generates ultrasonic waves according to an applied voltage. A transducer that transmits and receives ultrasonic waves to generate a voltage, and a first transducer that is formed on the main surface of the transducer and has an acoustic impedance that has a ratio to the acoustic impedance of the transducer of 0.309 to 0.338. And a second acoustic matching layer formed on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance with a ratio of 0.062 to 0.088 to the acoustic impedance of the vibrator.
さらに、本発明の第3の観点に係る超音波用探触子は、圧電セラミックによって形成された圧電体及び該圧電体の両端に形成された電極を有し、印加される電圧に従って超音波を送信し、超音波を受信して電圧を発生する振動子と、振動子の主面上に形成され、振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.353〜0.456である音響インピーダンスを有する第1の音響整合層と、第1の音響整合層上に形成され、振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.062〜0.106である音響インピーダンスを有する第2の音響整合層とを具備する。 Furthermore, the ultrasonic probe according to the third aspect of the present invention includes a piezoelectric body formed of piezoelectric ceramic and electrodes formed at both ends of the piezoelectric body, and transmits ultrasonic waves according to an applied voltage. A transducer that transmits and receives ultrasonic waves to generate a voltage, and a first transducer that is formed on the main surface of the transducer and has an acoustic impedance that has a ratio to the acoustic impedance of the transducer of 0.353 to 0.456. And a second acoustic matching layer formed on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance with a ratio of 0.062 to 0.106 with respect to the acoustic impedance of the vibrator.
本発明によれば、超音波用探触子の周波数特性を広帯域化するのに適した第1及び第2の音響整合層の音響インピーダンスの範囲を新たに規定したことにより、従来よりも周波数特性を広帯域化することができる。 According to the present invention, since the range of the acoustic impedance of the first and second acoustic matching layers suitable for broadening the frequency characteristic of the ultrasonic probe is newly specified, the frequency characteristic is more than conventional. Can be broadened.
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内部構造を示す斜視図である。図1に示すように、超音波用探触子1は、圧電効果により伸縮して超音波を発生する圧電体11と、圧電体11に圧電効果を発生させるための電圧が印加される電極12及び13と、圧電体11と電極12及び13とによって構成される圧電振動子と人体等の被検体との間で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及び第2の音響整合層15と、圧電体11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とを含んでいる。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a perspective view showing the internal structure of an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an
さらに、超音波用探触子1は、複数の圧電振動子の間における干渉を低減し、圧電振動子の横方向の振動を抑えて圧電振動子が縦方向のみに振動するようにするために、充填材17を含んでいても良い。また、超音波用探触子1は、超音波を収束させるための音響レンズ18を含んでいても良いが、以下においては音響レンズ18が無い場合について説明する。
Furthermore, the
本実施形態においては、圧電体11の材料として圧電セラミックが用いられる。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、また、受信感度も高い。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、一般にリラクサ系材料と呼ばれている材料等を用いることができる。
In the present embodiment, a piezoelectric ceramic is used as the material of the
圧電体11の材料として圧電セラミックを用いる場合には、圧電振動子の音響インピーダンスと被検体(人体等)との音響インピーダンスとの間に大きな差があるので、圧電振動子と人体との間に、それらの中間の音響インピーダンスを有する音響整合層を設けることにより、音響インピーダンスの整合を図って、超音波の伝播効率を上げることが必要となる。ここで、音響整合層を多層構造とする程、超音波の伝播効率が良くなるが、製造上の観点から、2層構造又は3層構造とすることが多い。なお、本発明において、圧電体の材料は、圧電セラミックに限定されない。例えば、圧電振動子の音響インピーダンスと被検体(人体等)の音響インピーダンスとの差が小さい材料を用いた場合にも、本発明は適用される。
When a piezoelectric ceramic is used as the material of the
本実施形態において、第1の音響整合層14の材料としては、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を用いることができる。第2の音響整合層15の材料としては、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)を用いることができる。また、バッキング層16の材料としては、音響減衰の大きい材料であるエポキシ樹脂やゴム等を用いることができる。
In the present embodiment, as the material of the first
音響整合層の層数と音響インピーダンスを設定する際には、その結果として得られる周波数帯域特性も重要であることから、周波数特性を広帯域化するために、本実施形態においては次のような設計方法を用いている。 When setting the number of acoustic matching layers and acoustic impedance, the frequency band characteristics obtained as a result are also important. Therefore, in order to broaden the frequency characteristics, the following design is used in this embodiment. The method is used.
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し、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)として計算して予測することができる。 First, a method for calculating the frequency characteristics of the ultrasonic probe will be described. By replacing each component included in the ultrasonic probe with an equivalent four-terminal circuit, the ultrasonic transmission system can be divided into four layers in which a backing layer, a piezoelectric vibrator, and an acoustic matching layer are connected in series. Think of it as a terminal network. Each component has a specific acoustic impedance, and a specific frequency characteristic is generated when transmitting or receiving an ultrasonic wave via an ultrasonic transmission system. Therefore, by inputting a voltage to one end of this four-terminal network and terminating the other end by an equivalent circuit of the subject, the oscillation performance of the ultrasonic probe can be changed to a transmission / reception characteristic VTG (Voltage Transfer Gain). Can be calculated and predicted.
伝送系の入力インピーダンスZは、下記(3)のように表され、その入力インピーダンスZに基づいて、送受波特性VTGが計算される。
さらに、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、送信音圧と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。 Furthermore, in order to perform a simulation in which this equivalent circuit is applied to an acoustic matching layer having a two-layer structure, an ultrasonic transmission system includes a backing layer, a piezoelectric vibrator, a first acoustic matching layer, and a second acoustic matching layer. Consider a four-terminal network connected in series. In this transmission model, assuming that the transmission sound pressure is equal to the reception sound pressure, the signal transfer function T is obtained based on the input impedance of the transmission system and the constants of the four-terminal network. By calculating 20 · log (T) at each frequency with respect to this signal transfer function T, the transmission / reception characteristic VTG is obtained.
図2に、送受波特性のシミュレーションにおける計算条件を従来例と比較して示す。本実施形態においては、2層構造の音響整合層を用いるので、第1の音響整合層の音響インピーダンスと、第2の音響整合層の音響インピーダンスと、圧電振動子の音響インピーダンス及び電気機械結合定数と、バッキング層の音響インピーダンスと、圧電振動子の設計上の中心周波数とを示している。 FIG. 2 shows the calculation conditions in the simulation of the transmission / reception characteristics in comparison with the conventional example. In this embodiment, since an acoustic matching layer having a two-layer structure is used, the acoustic impedance of the first acoustic matching layer, the acoustic impedance of the second acoustic matching layer, the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator, and the electromechanical coupling constant The acoustic impedance of the backing layer and the design center frequency of the piezoelectric vibrator are shown.
従来例においては、第1の音響インピーダンスを8.92MRaylとし、第2の音響インピーダンスを2.34MRaylとしている(図7と同じ)。これに対し、本実施形態においては、第1の音響インピーダンスを12MRaylとし、第2の音響インピーダンスを2.7MRaylとしている。その他の計算条件は同一である。即ち、圧電セラミックの音響インピーダンスZ0を34MRaylとし、電気機械結合定数K33を0.65とし、バッキング層の音響インピーダンスを5.5MRaylとしている。 In the conventional example, the first acoustic impedance is 8.92 MRayl and the second acoustic impedance is 2.34 MRayl (same as FIG. 7). On the other hand, in this embodiment, the first acoustic impedance is 12 MRayl and the second acoustic impedance is 2.7 MRayl. Other calculation conditions are the same. That is, the acoustic impedance Z 0 of the piezoelectric ceramic is 34 MRayl, the electromechanical coupling constant K 33 is 0.65, and the acoustic impedance of the backing layer is 5.5 MRayl.
図3に、本実施形態における送受波特性のシミュレーション結果を従来例と比較して示す。図3において、横軸は周波数(MHz)を表し、縦軸は送受波特性VTG(dB)を表している。また、実線は本実施形態における計算結果を示しており、破線は従来例における計算結果を示している。 In FIG. 3, the simulation result of the transmission / reception characteristic in this embodiment is shown in comparison with the conventional example. In FIG. 3, the horizontal axis represents frequency (MHz) and the vertical axis represents transmission / reception wave characteristics VTG (dB). Moreover, the solid line has shown the calculation result in this embodiment, and the broken line has shown the calculation result in a prior art example.
図3において、音圧がピーク値から6dB減衰する2つの周波数fH及びfLに基づいて、式(2)を用いて周波数帯域幅fBW(%)を求めると、従来例においては、fH=8.6MHz、fL=4.5MHz、fC=6.55MHzであり、周波数帯域幅fBW(%)は63%となる。一方、本実施形態においては、fH=8.6MHz、fL=4.1MHz、f0=6.35MHzであるため、周波数帯域幅fBW(%)は71%となる。このように、従来においては最適とされていた第1及び第2の音響整合層の音響インピーダンスの値を変更することにより、従来の設計条件よりも周波数帯域幅を改善することができた。 In FIG. 3, when the frequency bandwidth f BW (%) is obtained using Equation (2) based on two frequencies f H and f L at which the sound pressure attenuates 6 dB from the peak value, H = 8.6 MHz, f L = 4.5 MHz, f C = 6.55 MHz, and the frequency bandwidth f BW (%) is 63%. On the other hand, in the present embodiment, since f H = 8.6 MHz, f L = 4.1 MHz, and f 0 = 6.35 MHz, the frequency bandwidth f BW (%) is 71%. As described above, by changing the acoustic impedance values of the first and second acoustic matching layers, which have been optimized in the past, the frequency bandwidth can be improved over the conventional design conditions.
超音波は、高い周波数になる程、体内や水中における減衰が大きいという性質があることから、従来の設計指針によって作成された超音波用探触子においては、減衰を考慮していない計算値と比較して高周波成分が低くなり、周波数帯域幅が狭くなることが多かった。これに対し、本実施形態によれば、周波数帯域幅の拡大に加えて、VTG特性を高周波領域において高く設計することが可能であり、高周波成分の減衰を補償することができる。 Ultrasound has the property that the higher the frequency, the greater the attenuation in the body and water. Therefore, in the ultrasonic probe created by the conventional design guidelines, the calculated value does not take attenuation into account. In comparison, the high frequency component is low, and the frequency bandwidth is often narrow. On the other hand, according to the present embodiment, in addition to the expansion of the frequency bandwidth, the VTG characteristic can be designed high in the high frequency region, and the attenuation of the high frequency component can be compensated.
次に、上記の計算結果に基づいて試作された実施例について説明する。この実施例においては、図1に示す圧電体11としてPZTを用い、第1の音響整合層14として石英ガラスを用い、第2の音響整合層15としてポリイミドシートを用い、バッキング層16としてフェライト入りゴム材料を用いている。
Next, a description will be given of an embodiment that is experimentally manufactured based on the above calculation result. In this embodiment, PZT is used as the
ここで、圧電体11の音響インピーダンスは約34MRaylであり、第1の音響整合層14の音響インピーダンスは12MRaylであり、第2の音響整合層15の音響インピーダンスは、2.7MRaylであり、バッキング層16の音響インピーダンスは、約5.5MRaylである。従って、各音響インピーダンスは、図3に示すシミュレーションにおけるのと同一条件である。また、設計上の中心周波数は、6.5MHzであり、これに基づいて超音波波長が定まる。ここでは、圧電体の厚さを超音波波長の1/2に設定すると共に、音響整合層の界面における超音波の反射に鑑みて、各音響整合層の厚さを超音波波長の1/4に設定した。
Here, the acoustic impedance of the
図4に、本実施例における送受波特性の実測結果を示す。図4において、横軸は周波数(MHz)を表し、縦軸は送受波特性VTG(dB)を表している。図4に示す送受波特性の実測結果は、図3において実線で示す送受波特性のシミュレーション結果に近い曲線となっている。従って、上記のシミュレーションに妥当性があることが証明された。 FIG. 4 shows the actual measurement results of the transmission / reception characteristics in this embodiment. In FIG. 4, the horizontal axis represents frequency (MHz), and the vertical axis represents transmission / reception wave characteristics VTG (dB). The actual measurement result of the transmission / reception characteristics shown in FIG. 4 is a curve close to the simulation result of the transmission / reception characteristics shown by the solid line in FIG. Therefore, it was proved that the above simulation is valid.
図5及び図6は、上記のシミュレーションにおいて、第1及び第2の音響整合層の音響インピーダンスを変化させた場合の周波数帯域幅を示す図である。横方向には、振動子に対する第1の音響整合層の音響インピーダンス比を変化させており、縦方向には、振動子に対する第2の音響整合層の音響インピーダンス比を変化させている。 5 and 6 are diagrams showing frequency bandwidths when the acoustic impedances of the first and second acoustic matching layers are changed in the above simulation. In the horizontal direction, the acoustic impedance ratio of the first acoustic matching layer relative to the vibrator is changed, and in the vertical direction, the acoustic impedance ratio of the second acoustic matching layer relative to the vibrator is changed.
例えば、図5において、振動子に対する第1の音響整合層の音響インピーダンス比が0.262であり、かつ、振動子に対する第2の音響整合層の音響インピーダンス比が0.069であるときには、その超音波用探触子の周波数帯域幅fBW(%)は、63.16%となる。 For example, in FIG. 5, when the acoustic impedance ratio of the first acoustic matching layer to the vibrator is 0.262 and the acoustic impedance ratio of the second acoustic matching layer to the vibrator is 0.069, The frequency bandwidth f BW (%) of the ultrasonic probe is 63.16%.
ここで、振動子の音響インピーダンスが34MRaylであるとすると、振動子に対する第1の音響整合層の音響インピーダンス比が0.262であるということは、第1の音響整合層の音響インピーダンスが8.91MRaylであることを意味する。また、振動子に対する第2の音響整合層の音響インピーダンス比が0.069であるということは、第2の音響整合層の音響インピーダンスが2.35MRaylであることを意味する。即ち、この条件は、図3に示す従来例の条件とほぼ同一であり、周波数帯域幅の値もほぼ同一となっている。 Here, assuming that the acoustic impedance of the vibrator is 34 MRayl, the ratio of the acoustic impedance of the first acoustic matching layer to the vibrator is 0.262 means that the acoustic impedance of the first acoustic matching layer is 8. It means 91 MRayl. In addition, the acoustic impedance ratio of the second acoustic matching layer to the vibrator being 0.069 means that the acoustic impedance of the second acoustic matching layer is 2.35 MRayl. That is, this condition is almost the same as the condition of the conventional example shown in FIG. 3, and the value of the frequency bandwidth is also almost the same.
図5及び図6において、周波数帯域幅の値が従来例における63.16%を超えて比較的大きくなるための条件を選別すると、その周波数帯域幅は、概ね、太線で囲まれた領域で表される。即ち、図5においては、振動子に対する第1の音響整合層の音響インピーダンス比が0.265〜0.294であり、かつ、振動子に対する第2の音響整合層の音響インピーダンス比が0.069〜0.079である組み合わせが該当する。 In FIG. 5 and FIG. 6, when the condition for the frequency bandwidth value to be relatively large exceeding 63.16% in the conventional example is selected, the frequency bandwidth is generally represented by a region surrounded by a thick line. Is done. That is, in FIG. 5, the acoustic impedance ratio of the first acoustic matching layer to the vibrator is 0.265 to 0.294, and the acoustic impedance ratio of the second acoustic matching layer to the vibrator is 0.069. A combination of ~ 0.079 is applicable.
また、図6においては、振動子に対する第1の音響整合層の音響インピーダンス比が0.309〜0.338であり、かつ、振動子に対する第2の音響整合層の音響インピーダンス比が0.062〜0.088である組み合わせと、振動子に対する第1の音響整合層の音響インピーダンス比が0.353〜0.456であり、かつ、振動子に対する第2の音響整合層の音響インピーダンス比が0.062〜0.106である組み合わせが該当する。なお、バッキング層の音響インピーダンスが1.75MRayl〜20.0MRayl程度の範囲にある場合において、概ね同様の結果が得られる。なお、実用上は、バッキング層の音響インピーダンスが、1.75MRayl〜6.0MRaylの範囲と、さらに好ましくは、3.5MRayl〜6.0MRaylの範囲が適している。 In FIG. 6, the acoustic impedance ratio of the first acoustic matching layer to the vibrator is 0.309 to 0.338, and the acoustic impedance ratio of the second acoustic matching layer to the vibrator is 0.062. The acoustic impedance ratio of the first acoustic matching layer relative to the vibrator is 0.353 to 0.456, and the acoustic impedance ratio of the second acoustic matching layer relative to the vibrator is 0. A combination of .062 to 0.106 is applicable. In the case where the acoustic impedance of the backing layer is in the range of about 1.75 MRayl to 20.0 MRayl, substantially the same result is obtained. In practice, the acoustic impedance of the backing layer is in the range of 1.75 MRayl to 6.0 MRayl, and more preferably in the range of 3.5 MRayl to 6.0 MRayl.
このように、本発明によれば、音響整合層を2層構造とする場合に、第1の音響整合層の音響インピーダンスと第2の音響整合層の音響インピーダンスとの組み合わせを選択することにより、超音波用探触子の周波数帯域幅を広帯域化することができる。なお、本発明は、セクタ型、リニア型、コンベックス型、ラジアル型等、いずれの形状の超音波用探触子にも適用することができる。 Thus, according to the present invention, when the acoustic matching layer has a two-layer structure, by selecting a combination of the acoustic impedance of the first acoustic matching layer and the acoustic impedance of the second acoustic matching layer, The frequency bandwidth of the ultrasonic probe can be widened. The present invention can be applied to an ultrasonic probe having any shape such as a sector type, a linear type, a convex type, and a radial type.
本発明は、超音波を送受信する圧電振動子と、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。 The present invention has a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves and an acoustic matching layer for matching acoustic impedance, and is used in an ultrasonic probe used in a medical ultrasonic diagnostic apparatus and the like. It is possible.
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
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記振動子の主面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.265〜0.294である音響インピーダンスを有する第1の音響整合層と、
前記第1の音響整合層上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.069〜0.079である音響インピーダンスを有する第2の音響整合層と、
を具備する超音波用探触子。 A vibrator that transmits an ultrasonic wave according to an applied voltage and receives the ultrasonic wave to generate a voltage;
A first acoustic matching layer formed on a main surface of the vibrator and having an acoustic impedance of a ratio of 0.265 to 0.294 with respect to the acoustic impedance of the vibrator;
A second acoustic matching layer formed on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance with a ratio of 0.069 to 0.079 to the acoustic impedance of the vibrator;
An ultrasonic probe comprising:
前記振動子の主面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.309〜0.338である音響インピーダンスを有する第1の音響整合層と、
前記第1の音響整合層上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.062〜0.088である音響インピーダンスを有する第2の音響整合層と、
を具備する超音波用探触子。 A vibrator that transmits an ultrasonic wave according to an applied voltage and receives the ultrasonic wave to generate a voltage;
A first acoustic matching layer formed on a main surface of the vibrator and having an acoustic impedance of a ratio of 0.309 to 0.338 with respect to the acoustic impedance of the vibrator;
A second acoustic matching layer formed on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance with a ratio of 0.062 to 0.088 to the acoustic impedance of the vibrator;
An ultrasonic probe comprising:
前記振動子の主面上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.353〜0.456である音響インピーダンスを有する第1の音響整合層と、
前記第1の音響整合層上に形成され、前記振動子の音響インピーダンスに対する比率が0.062〜0.106である音響インピーダンスを有する第2の音響整合層と、
を具備する超音波用探触子。 A vibrator that transmits an ultrasonic wave according to an applied voltage and receives the ultrasonic wave to generate a voltage;
A first acoustic matching layer formed on a main surface of the vibrator and having an acoustic impedance with a ratio of 0.353 to 0.456 to the acoustic impedance of the vibrator;
A second acoustic matching layer formed on the first acoustic matching layer and having an acoustic impedance of a ratio of 0.062 to 0.106 with respect to the acoustic impedance of the vibrator;
An ultrasonic probe comprising:
4. The method according to claim 1, further comprising a backing layer formed on a surface opposite to the main surface of the vibrator and having an acoustic impedance ratio of 0.05 to 0.59. The ultrasonic probe according to item 1.
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Cited By (2)
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JP2009218749A (en) * | 2008-03-07 | 2009-09-24 | Panasonic Corp | Acoustic matching body, ultrasonic transducer, and ultrasonic flowmeter |
US7859170B2 (en) * | 2005-08-08 | 2010-12-28 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Wide-bandwidth matrix transducer with polyethylene third matching layer |
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- 2006-04-14 JP JP2006111650A patent/JP2007288397A/en not_active Withdrawn
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