JP2007289283A - 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、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関する。 The present invention includes a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves, a backing layer for damping unnecessary vibrations, and an acoustic matching layer for matching acoustic impedance, and includes a medical ultrasonic diagnostic apparatus and the like The present invention relates to an ultrasonic probe used in the above.
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、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、X線写真や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、超音波ビームを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や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、内臓や病変組織等)の輪郭を抽出する。 In the medical field, various imaging techniques have been developed in order to observe and diagnose the inside of a subject. In particular, ultrasonic imaging that acquires internal information of a subject by transmitting and receiving ultrasonic waves enables real-time image observation, and other medical uses such as X-ray photographs and RI (radio isotope) scintillation cameras. Unlike imaging technology, there is no radiation exposure. Therefore, ultrasonic imaging is used as a highly safe imaging technique in a wide range of areas including gynecological system, circulatory system, digestive system, etc. in addition to fetal diagnosis in the obstetrics field. Ultrasound imaging is an image generation technology that uses the property that ultrasound is reflected at the boundary between regions with different acoustic impedances (for example, the boundary between structures), and transmits an ultrasonic beam into a subject such as a human body. Then, by receiving the ultrasonic echo generated in the subject and obtaining the reflection point and reflection intensity at which the ultrasonic echo is generated, the outline of the structure (eg, viscera or lesion tissue) existing in the subject is obtained. To extract.
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。 In an apparatus for performing such ultrasonic imaging (referred to as an ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic imaging apparatus, or the like), PZT (lead zirconate titanate: Pb (lead)) is used as an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves. Generally, vibrators (piezoelectric vibrators) with electrodes formed on both sides of piezoelectric ceramics such as piezoelectric ceramics represented by zirconate titanate and polymer piezoelectric materials represented by PVDF (polyvinyliden difluoride) are common. It is used for.
振動子の電極に電圧を印加すると、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。 When a voltage is applied to the electrodes of the vibrator, the piezoelectric body expands and contracts due to the piezoelectric effect, and ultrasonic waves are generated. Therefore, an ultrasonic beam transmitted in a desired direction can be formed by arranging a plurality of transducers in a one-dimensional or two-dimensional manner and sequentially driving the transducers. The vibrator expands and contracts by receiving propagating ultrasonic waves to generate an electrical signal. This electric signal is used as an ultrasonic reception signal.
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。 By the way, the propagation efficiency of the ultrasonic wave in the boundary surface where different substances contact changes according to the acoustic impedance of those substances. Specifically, since ultrasonic waves are easily reflected at the boundary surface where the difference in acoustic impedance is large, the propagation loss of ultrasonic waves increases. Here, the acoustic impedance is a material-specific constant represented by the product of the acoustic medium density and the sound velocity, and MRayl (megarail) is generally used as the unit (1 MRayl = 1 × 10 6 kg · m- 2 · s- 1 ). For example, the acoustic impedance of a piezoelectric ceramic such as PZT is about 23 MRayl to about 35 MRayl, and the human body has an acoustic impedance of about 1.5 MRayl.
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。
Reflectance R P of ultrasonic wave in the boundary surface between the substance on the acoustic impedance Z M of the acoustic impedance Z 0 is expressed by the following equation (1).
R P = (Z 0 −Z M ) / (Z 0 + Z M ) (1)
Therefore, when the acoustic impedance Z 0 = 35 MRayl of a general piezoelectric ceramic and the acoustic impedance Z M = 1.5 MRayl of a living body are substituted into the equation (1), the reflectance becomes R P = 0.92. That is, when using a piezoelectric ceramic as the material of the vibrator, it can be seen that even if the vibrator is brought into direct contact with the human body, the ultrasonic wave does not propagate so much (less than 10%).
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。 For this reason, acoustic impedance matching is usually achieved by inserting an acoustic matching layer between the transducer and the subject. That is, by changing the acoustic impedance stepwise from the transducer toward the subject, the reflectance of the ultrasonic wave at each boundary surface is lowered. The acoustic matching layer theoretically has a multilayer structure, which can further improve the propagation efficiency. However, generally, about one to three layers are provided for reasons of design.
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。
In order to increase the propagation efficiency of ultrasonic waves, it is necessary to set an optimum acoustic impedance and thickness for each acoustic matching layer. For example, Non-Patent
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。
In
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)。
As a related technique,
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を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、周波数特性を広帯域化することにより、得られる超音波画像の画質を高めることができる。 By the way, ultrasonic waves have characteristics such as deep reachability in a low frequency band and high resolution in a high frequency band. For this reason, usually, multiple types of ultrasonic probes with different center frequency bands are prepared, and these are used in accordance with the diagnosis target, so that image generation utilizing such ultrasonic characteristics is possible. Has been done. However, when using an endoscope-type probe inserted into the digestive organ or a catheter-type probe inserted into a blood vessel, the probe is inserted into or extracted from the subject (human body). Therefore, it is a great physical burden on the subject to perform such work many times. Therefore, in particular, these probes are required to have a performance capable of covering a wide frequency band from a low frequency to a high frequency so that a lot of ultrasonic image information can be obtained without exchanging the probes. Also in a general ultrasonic probe, the image quality of the obtained ultrasonic image can be improved by widening the frequency characteristics.
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。
fBW(%)=100×(fH−fL)/fC ・・・(2)
However, even if the propagation efficiency of ultrasonic waves is improved by providing an acoustic matching layer, there is a problem that the frequency band is narrowed. Here, the frequency bandwidth f BW (%) is expressed by the following equation (2). In Expression (2), 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 the frequency f H and the frequency f L. Center frequency.
f BW (%) = 100 × (f H −f L ) / f C (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。
As described above, the condition of the acoustic matching layer that maximizes the propagation efficiency of ultrasonic waves is not necessarily suitable for realizing a broadband frequency characteristic.
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。 Therefore, in view of the above points, the present invention includes a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves, a backing layer for damping unnecessary vibrations, and two acoustic matching layers for matching acoustic impedance. The purpose of the ultrasonic probe is to broaden the frequency characteristics.
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。 To solve the above problems, an ultrasonic probe according to one aspect of the present invention includes electrodes formed on both surfaces of the piezoelectric body and the piezoelectric body is formed of a material having an acoustic impedance Z 0 A vibrator that generates a voltage by transmitting an ultrasonic wave according to an applied voltage and receiving the ultrasonic wave, the vibrator having a mechanical resonance frequency f 0, and a first of the vibrator on the main surface, and a backing layer formed of a material having an acoustic impedance Z B, on the second major surface of the vibrator, the first being formed by a first material having an acoustic impedance Z 1 an acoustic matching layer, a first acoustic matching layer having a first material and the mechanical resonance frequency f 0 thickness of M 1/4 times the ultrasonic wavelength lambda 1 determined based on of, said On one acoustic matching layer A second acoustic matching layer formed of a second material having impedance Z 2 , wherein M 2 / with respect to the wavelength λ 2 of the ultrasonic wave determined based on the second material and the mechanical resonance frequency f 0 A second acoustic matching layer having a thickness of 4 times, and the above Z B , Z 1 , Z 2 , M 1 , and M 2 are 2 <M 1 + M 2 ≦ 2 + 0.68 (Z B / Z 0 ), and 4 ≦ Z 1 ≦ 22, 2 ≦ Z 2 ≦ 8, and 5 <Z B.
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。 According to the present invention, the acoustic impedance of the backing layer and the thickness and acoustic impedance of the two acoustic matching layers are set in consideration of the frequency characteristics of the ultrasonic wave, so that an ultrasonic probe capable of transmitting and receiving broadband ultrasonic waves is set. It becomes possible to obtain a tentacle.
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。
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 partial cross-sectional perspective view showing the structure of an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
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。
The
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。
In the following, the acoustic impedance of the
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。
The first and second acoustic matching layers 14 and 15 are disposed on the top surfaces of the
The first
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。
The thickness t 1 of the
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)
The wavelength λ i of the ultrasonic wave propagating through the acoustic matching layer is expressed by the following equation (3) using the sound velocity v and the frequency f propagating through the medium (material of the acoustic matching layer).
λ i = v / f (3)
The sound velocity v is expressed by the following equation (4), where K is the bulk modulus of the medium and ρ is the density.
v = (K / ρ) 1/2 (4)
After all, from the equations (3) and (4), the wavelength λ i is expressed by the following equation (5).
λ i = (K / ρ) 1/2 / f (5)
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
Therefore, the wavelength λ 1 of the ultrasonic wave propagating through the
λ 1 = (K 1 / ρ 1 ) 1/2 / f 0
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。
The second
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。
The thickness t 2 of the
λ 2 = (K 2 / ρ 2 ) 1/2 / f 0
The conditions of the acoustic impedances Z 1 and Z 2 and the matching ratios M 1 and M 2 will be described in detail later.
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。
The
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、所望の深度に焦点を形成するように、超音波を収束させる。
The
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。
In the present embodiment, in the ultrasonic probe having such a configuration, the
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。 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 the four-terminal network and terminating the other end by an equivalent circuit of the subject, the oscillation performance of the ultrasonic probe is determined by a transmission / reception characteristic VTG (Voltage Transfer Gain). Can be calculated as
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。 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 in series. Think of it as a connected four-terminal network. 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.
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)
Using such a frequency characteristic calculation method, the following five parameters are changed to obtain the frequency characteristic of the ultrasonic wave generated from the ultrasonic probe by simulation.
(i) Acoustic impedance Z B of the backing layer 16 (for example, Z B = 5 MRayl, 10 MRayl, 15 MRayl, 20 MRayl)
(ii) the
(ii) Acoustic impedance Z 2 of the acoustic matching layer 15 (1 MRayl ≦ Z 2 ≦ 8 MRayl)
(iv) Thickness t 1 of the acoustic matching layer 14 (or matching ratio M 1 , 0.4 ≦ M 1 ≦ 1.6)
(v) Thickness t 2 of the acoustic matching layer 15 (or matching ratio M 2 , 0.4 ≦ M 2 ≦ 1.6)
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。
2 to 11 show the results of such a simulation. In each figure, each column identified by matching ratios M 1 and
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)。
2 and 3 show the simulation results when the acoustic impedance of the
In this case, when the matching ratio of the two acoustic matching layers 14 and 15 is (M 1 , M 2 ) = (1.0, 1.0) (within the thick frame shown in FIG. 2), Z 1 = 20 MRayl to 24 MRayl, and a maximum frequency bandwidth of 80% or more was obtained in the vicinity of Z 2 = 4 MRayl to 5 MRayl. However, with respect to the other ranges, only a bandwidth of 70% or more was obtained in a narrow range (for example, when (M 1 , M 2 ) = (1.2, 1.0) ( 12 ≦ Z 1 ≦ 14, Z 2 = 3), (M 1 , M 2 ) = (1.2,1.2) (12 ≦ Z 1 ≦ 18, 3 ≦ Z 2 ≦ 4) Near, when (M 1 , M 2 ) = (1.2, 1.0) (near 12 ≦ Z 1 ≦ 14, Z 2 = 3).
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。
4 and 5 show the simulation results when the acoustic impedance of the
In this case, the matching ratios are (M 1 , M 2 ) = (0.8, 0.8), (0.8, 1.0), (1.0, 0.6), (1.0 , 0.8), (1.2, 0.6), (1.2, 1.2), a maximum frequency bandwidth of 80% or more was obtained. From this, it was found that a relatively high frequency bandwidth can be obtained even when the matching ratio is shifted from (M 1 , M 2 ) = (1.0, 1.0). Further, when the matching ratio is (M 1 , M 2 ) = (1.2, 1.0), (1.2, 1.2), (1.0, 1.2) (shown in FIG. 4) In the thick frame), a frequency band of 70% or more or 80% or more was obtained in a relatively grouped region.
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。
6 to 8 show simulation results when the acoustic impedance of the
In this case, the matching ratio is (M 1 , M 2 ) = (0.4, 1.6), (0.6, 1.4 to 1.6), (0.8, 1.2 to 1). .4), (1.0, 1.0-1.4), (1.2, 0.8-1.0), (1.4, 0.6-0.8), (1.6 , 0.6), a frequency bandwidth of 90% or more was obtained. Among them, the matching ratio is (M 1 , M 2 ) = (0.6, 1.6), (0.8, 1.4), (1.0, 1.2), (1.2 , 1.0), (1.4, 0.8), (1.6, 0.6) (within the thick frame shown in FIGS. 6 to 8), a frequency bandwidth of 100% or more is obtained. I was able to get it. In these cases, a frequency band of approximately 70% or more is obtained in a wide range of combinations of acoustic impedances (Z 1 , Z 2 ), and 80% or more in a wide range.
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。
9 to 11 show simulation results when the acoustic impedance of the
In this case, the matching ratio is (M 1 , M 2 ) = (0.4, 1.6), (0.6, 1.0 to 1.6), (0.8, 1.2 to 1). .6), (1.0, 1.0-1.6), (1.2, 0.8-1.6), (1.4, 0.6-1.0), (1.6 , 0.4 to 0.8), a frequency bandwidth of 90% or more was obtained. Among them, the matching ratio is (M 1 , M 2 ) = (0.6, 1.6), (0.8, 1.4 to 1.6), (1.0, 1.2), When (1.2, 1.0), (1.4, 0.8), (1.6, 0.6 to 0.8) (in the thick frame shown in FIGS. 9 to 11), A frequency bandwidth of 100% or more could be obtained. In these cases, a frequency band of approximately 70% or more is obtained in a wide range of combinations of acoustic impedances (Z 1 , Z 2 ), and 80% or more in a wide range.
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。 Next, based on the results shown in FIGS. 4 to 11, conditions necessary for obtaining a good frequency bandwidth were obtained. In the following, a case where a frequency band of approximately 80% or more (partially 70% or more) can be obtained in a relatively wide range is defined as a relatively good frequency bandwidth, and acoustic impedances Z 1 and Z 2 are taken. The case where the obtained ranges are ΔZ 1 ≧ 8 (MRayl) and ΔZ 2 ≧ 3 (MRayl) is a relatively wide range.
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)
From FIG. 4 to FIG. 11, it is considered that the combination of the matching ratios M 1 and M 2 that can obtain a relatively good frequency band has a relationship in which the matching ratio of the other decreases as the matching ratio of one increases. As a result of analysis, the relationship shown in the following formula (7) was found. Equation (7) is normalized by the acoustic impedance Z 0 of the
2 <M 1 + M 2 ≦ 2 + 0.68 (Z B / Z 0) ... (7)
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。
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
Therefore, an experiment was conducted in which a parameter for satisfying conditional expressions (7) and (8) was selected to actually produce an ultrasonic probe, and frequency characteristics were measured. In this experiment, each parameter was set as follows.
Transducer: Acoustic impedance Z 0 = 34 MRayl
Backing layer: acoustic impedance Z B = 20 MRayl
First acoustic matching layer: acoustic impedance Z 1 = 8 MRayl, matching ratio M 1 = 0.8
Second acoustic matching layer: acoustic impedance Z 2 = 4 MRayl, matching ratio: M 2 = 1.4
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、縦軸は送信超音波の強度(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。 FIG. 12 shows the experimental results. In FIG. 12, the horizontal axis indicates the frequency (MHz), and the vertical axis indicates the intensity (arbitrary unit) of the transmission ultrasonic wave. As shown in FIG. 12, in this ultrasonic probe, a wide frequency band extending from about 3 MHz to about 10 MHz could be obtained. The frequency bandwidth of this ultrasonic probe was 110% of the actual measurement value with respect to the design value of 100%.
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。 As described above, according to this embodiment, when the acoustic matching layer has a two-layer structure, the acoustic impedance of the backing layer, the thickness of the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer, and the acoustic By combining the impedance appropriately, it is possible to realize a broadband ultrasonic probe.
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。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a linear array probe in which a plurality of transducers are arranged in a line on a plane has been described. However, in the present invention, transducers are arranged on a convex surface. A convex array probe, an annular array probe in which annular transducers are arranged concentrically, a two-dimensional array probe in which a plurality of transducers are arranged in two dimensions, The present invention can be applied to various probes such as an intracavity probe that performs radial scanning in a body cavity.
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。 The present invention includes a piezoelectric vibrator that transmits and receives ultrasonic waves, a backing layer for damping unnecessary vibrations, and an acoustic matching layer for matching acoustic impedance, and includes a medical ultrasonic diagnostic apparatus and the like It can be used in an ultrasonic probe used in the above.
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 (3)
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。 Includes a piezoelectric body and both sides are formed the electrodes of the piezoelectric body is formed of a material having an acoustic impedance Z 0, in accordance with the applied voltage transmits ultrasonic waves, a voltage by receiving the ultrasonic waves A vibrator having a mechanical resonance frequency f 0 ,
A backing layer formed of a material having an acoustic impedance Z B on the first main surface of the vibrator;
On the second major surface of the vibrator, a first acoustic matching layer which is formed by a first material having an acoustic impedance Z 1, said first material and said mechanical resonant frequency f 0 said first acoustic matching layer having a M 1/4 times the thickness with respect to the ultrasonic wavelength lambda 1, which is determined,
The first acoustic matching layer, a second acoustic matching layer formed by a second material having an acoustic impedance Z 2, on the basis of the second material and the mechanical resonance frequency f 0 said second acoustic matching layer having a M 2/4 times the thickness of the ultrasound wavelength lambda 2 determined,
Comprising
Z B , Z 1 , Z 2 , M 1 and M 2 are
2 <M 1 + M 2 ≦ 2 + 0.68 (Z B / Z 0 )
and,
4 ≦ Z 1 ≦ 22, 2 ≦ Z 2 ≦ 8, 5 <Z B
Satisfies the ultrasonic probe.
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、
A backing layer formed of a material having an acoustic impedance Z B on the first main surface of the vibrator;
On the second major surface of the vibrator, a first acoustic matching layer which is formed by a first material having an acoustic impedance Z 1, said first material and said mechanical resonant frequency f 0 said first acoustic matching layer having a M 1/4 times the thickness with respect to the ultrasonic wavelength lambda 1, which is determined,
The first acoustic matching layer, a second acoustic matching layer formed by a second material having an acoustic impedance Z 2, on the basis of the second material and the mechanical resonance frequency f 0 said second acoustic matching layer having a M 2/4 times the thickness of the ultrasound wavelength lambda 2 determined,
Comprising
Z B , Z 1 , Z 2 , M 1 and M 2 are
2 <M 1 + M 2 ≦ 2 + 0.68 (Z B / Z 0 )
and,
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2018074462A (en) * | 2016-11-01 | 2018-05-10 | 株式会社トーキン | Ultrasonic transducer |
-
2006
- 2006-04-21 JP JP2006118344A patent/JP2007289283A/en not_active Withdrawn
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