JP2009247416A - 超音波探触子用の音響レンズ及びこれを用いた超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】伝搬損失を抑制した超音波探触子の音響レンズ及びこれを用いて感度を高めた超音波探触子を提供する。
【解決手段】超音波送受波面となる圧電素子１の前面に厚みを一定とした音響整合層４が設けられ、前記音響整合層４上に設けられた超音波探触子用の音響レンズ５において、前記音響レンズ５は前記音響整合層４とは材料を異にするとともに超音波が送出される超音波媒質３よりも音速が小さい凸レンズ５ａと前記超音波媒質３よりも音速の大きい凹レンズ５ｂとの平行平面とした積層体からなり、前記凹レンズ５ｂの最小厚み部は前記凸レンズ５ａの最大厚み部よりも小さくして前記積層体の厚みは前記凸レンズ５ａの最大厚みが支配的である構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は音響レンズ及びこれを用いた超音波探触子を技術分野とし、特に超音波の減衰を抑圧した凹凸レンズの積層体からなる音響レンズ及び感度を向上した超音波探触子に関する。

（発明の背景）
超音波探触子（プローブ）は例えば医用の超音波診断装置に超音波送受波源として利用され、通常で前面には音響レンズを設けて生体表面からの焦点を患部に一致させる。音響レンズは一般にシリコーン系の樹脂（ゴム）が適用されることから、これに伴う超音波の伝搬損失（減衰）を少なくしたものが望まれている。

（従来技術の一例、特許文献１参照）
第６図は一従来例を説明する超音波探触子の図で、同図（ａ）は長軸方向の断面図、同図（ｂ）は作用を説明する短軸方向の断面図である。

超音波探触子は例えば短冊状した多数の圧電素子１を幅方向に並べて即ち長軸方向に並べてなる。圧電素子１は両主面に図示しない駆動電極を有し、振動制動材としてのバッキング材２上に並べられる。圧電素子１の駆動電極は例えば図示しないフレキシブル基板によって導出される。

通常では、超音波送受波面となる圧電素子１の前面には音響整合層４を設けて、超音波媒質としての生体３（1.5Mrayls）と圧電素子１（ＰＺＴ、約34Mrayls）との音響インピーダンスの整合を計る。音響整合層４は必要に応じて二層や三層構造として順次に生体３の音響インピーダンスに接近させる。これにより、音響インピーダンスの不整合による超音波の伝搬損失を防止する。また、音響整合層４は各層ともに超音波周波数のλ／４として尾引（リンギング）等を防止する。

そして、音響整合層４上には圧電素子１の長さ、即ち短軸方向に曲率を有する音響レンズ５を設ける。音響レンズ５は例えば生体３（超音波媒質）よりも音速の遅い材料からなる凸レンズとする。そして、一般にはシリコーン系樹脂（ゴム）を主成分として添加物を混入してなる。

これにより、音響レンズ５の厚みの最も大きい中央部での細線で示す超音波Ｐ1よりも外周部での超音波Ｐ2の伝搬が速まるので、超音波の波面は中心部が最も遅い曲線Ｗで示す湾曲面となる。したがって、超音波Ｐは太線で示すように音響レンズの中心線Ａに向かって進行し、音響レンズ５の曲率に従った×印の焦点距離ｆにて収束する。したがって、超音波の伝搬効率を高められる。

ちなみに、超音波媒質としての生体３の音速をｃ3（1500ｍ／ｓ）、音響レンズ５（シリコーン樹脂）の音速をｃ2（1000ｍ／ｓ）として焦点距離をｆとすると、音響レンズ５の曲率半径ｒは次式（Ａ）になる。但し、ｎは生体３を基準とした音響レンズ５の屈折率で、ｎ＝ｃ2／ｃ3である。
ｒ＝ｆ｛１−（ｃ3／ｃ2）｝
＝ｆ｛（ｎ−１）／ｎ｝ ・・・（Ａ）

通常では、生体３の表面から深部を診断する場合（焦点距離ｆが長い場合）は低周波帯例えば3.5ＭＨｚが、体表面近傍を診断する場合（焦点距離ｆが短い場合）は高周波数帯例えば10ＭＨｚ帯が適用される。なお、超音波探触子の長軸方向では電子的走査例えばリニアー走査やセクタ走査によって局所的に超音波を送受波し、音響レンズ５によって短軸方向に焦点を絞った上で、長軸方向での診断画像を順次に得る。
特開平８−２２３６９７号公報 実開昭５７−２３５９９号公報 基礎物理学 上巻 編者：金原寿郎 発行者：我孫子貞次 昭和４６年２月１日発行 ｐ221（薄レンズの公式）

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の超音波探触子では、音響レンズ５は凸レンズとして音速が遅いシリコーン樹脂（ゴム）が選択されるので、超音波の伝搬損失が大きい。特に、疾患部が生体３表面に近く焦点距離ｆが短いほど、音響レンズ５の曲率は大きくなって（曲率半径は小さくなって）中心部での厚みが大きくなることから、で伝搬損失が増大する問題があった。そして、伝搬損失が増大するほど、超音波探触子の感度が低下する。

（発明の目的）
本発明は伝搬損失を抑制した超音波探触子の音響レンズ及びこれを用いて感度を高めた超音波探触子を提供することを目的とする。

（音響レンズ５）
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、超音波送受波面となる圧電素子の前面に厚みを一定とした音響整合層が設けられ、前記音響整合層上に設けられた超音波探触子用の音響レンズにおいて、前記音響レンズは前記音響整合層とは材料を異にするとともに超音波が送出される超音波媒質よりも音速が小さい凸レンズと前記超音波媒質よりも音速の大きい凹レンズとの平行平面とした積層体からなり、前記凹レンズの最小厚み部は前記凸レンズの最大厚み部よりも小さくして前記積層体の厚みは前記凸レンズの最大厚みが支配的である構成とする。

（超音波探触子）
同請求項５に示したように、請求項１又は２の音響レンズは超音波発生源としての圧電素子の前面に設けられ、前記音響レンズと前記圧電素子との間には音響整合層を有し、前記超音波媒質は生体とする。

このような請求項１（音響レンズ）の構成であれば、圧電素子の前面に音響整合層を形成して、これとは別材料とした音響レンズを設けるので、例えば特許文献２で示される音響整合層を凹レンズと兼用した場合に比較し、音響レンズの設計を容易にする。

そして、音響レンズは凸レンズと凹レンズとの積層体として凸レンズの最大厚みを支配的にする。したがって、超音波媒質よりも音速の遅い凸レンズの厚みが最大となる中央部での超音波の伝搬が遅延し、超音波媒質よりも音速が早い凹レンズの厚みが最大となる外周部での伝搬が速まる。

したがって、超音波媒質よりも音速の遅い単一の凸レンズで音響レンズを形成する場合よりも、凹凸レンズによる積層体中央部と外周部とでは超音波の進行時間差を大きくできる。これにより、平行平面とした積層体の厚みを小さくしても、実質的に曲率半径を大きくした音響レンズを得られる。よって、音響レンズを通過する超音波の伝搬損失を抑制できる。

また、請求項６（超音波探触子）の構成であれば、請求項１の音響レンズによって伝搬損失を小さくすることから高感度の超音波探触子を得られる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記超音波媒質に対する超音波媒質の音速をｃ3、前記凸レンズの音速をｃ1、前記凹レンズの音速をｃ2として焦点距離をＦとしたとき、前記凸レンズの曲率半径ｒは、ｒ＝｛（ｃ1−ｃ2）／ｃ1・ｃ2｝・ｃ3・Ｆで決定される。これにより、焦点距離ｆに応じた凸レンズの曲率半径（換言すると凹レンズの曲率半径）を容易に決定できる。なお、上式は非特許文献１の（３）式に基づいて導出される。

同請求項３では、請求項１において、前記凸レンズはシリコーン樹脂を主成分とし、前記凹レンズはメチルペンテン（methylpentene）樹脂を主成分とする。これにより、超音波媒質よりも音速の遅い凸レンズ及び音速の速い凹レンズの材料を特定し、請求項１の発明を具現化する。

同請求項４では、請求項１において、前記凹レンズは超音波送受波面側として前記凸レンズは音響整合層側として曲面同士が接合されて前記積層体を形成し、前記凹レンズの両端側に脚部を有する。これにより、音響整合層上への位置決を含めた接着を容易にする。

同請求項５では、請求項１において、前記凸レンズは超音波送受波面側として前記凹レンズは音響整合層側として曲面同士が接合されて前記積層体を形成し、前記凹レンズの両端側に脚部を有する。この場合においても、音響整合層上への位置決を含めた接着を容易にする。

（第１実施形態）
第１図は本発明の第１実施形態を説明する図で、同図（ａ）は音響レンズを含む超音波探触子の短軸方向の断面図、同図（ｂ）は作用を説明する同断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

超音波探触子は、前述したように、図示しない駆動電極を両主面に有する圧電素子１をバッキング材２上に長軸方向に並べ（前第４図参照）、超音波の送受波面となる圧電素子１の前面に音響整合層４を設けて、さらに短軸方向に曲率を有する音響レンズ５を設けてなる。

ここでの、音響レンズ５は凸レンズ５ａと凹レンズ５ｂとの曲面同士を図示しない接着剤によって接合した積層体からなり、両主面間で平行平面する。凸レンズ５ａの外周曲率半径ｒと凹レンズ５ｂの内周曲率半径ｒは同一とし、理論上は凸レンズの中心が点的に露出した平行平面とする。以下では、本発明での積層体からなる音響レンズ５を、便宜的に積層レンズ５とする。

凸レンズ５ａは前述のように超音波媒質としての生体３よりも音速の遅いシリコーン樹脂を主成分とする。また、凹レンズ５ｂは生体３よりも音速の速い例えばメチルペンテン樹脂（通称ではＴＰＸ樹脂）を主成分とする。生体３及び凸レンズ５ａの音速ｃ3、ｃ2は前述したように1500、1000ｍ／secとし、凹レンズ５ｂとしたメチルペンテン樹脂の音速ｃ1は2050ｍ／secとなる。

このような構成であれば、積層レンズ５の中心部では凸レンズ５ａの最大厚み部となって音速ｃ2が生体３よりも遅いことから、生体３に送出される超音波Ｐ1の伝搬が前述同様に遅延する。そして、積層レンズ５の外周部では凹レンズ５ｂの最大厚み部となって音速ｃ１が生体３よりも速いことから、従来例のように凸レンズ５ａのみとした場合よりも超音波Ｐ2の伝搬が速まる。

したがって、焦点距離ｆを従来例と同一距離とすると、凸レンズ５ａと凹レンズ５ｂとからなる平行平面とした積層レンズ５の中心部と外周部とでは、中心部からの超音波Ｐ1と外周部からの超音波Ｐ2の伝搬距離差（経路差、時間差）が大きくなる。したがって、平行平面とした積層レンズ５の厚みを小さくできる。

ちなみに、積層レンズ５の凸レンズ５ａ（＝凹レンズ５ｂ）の曲率半径ｒ1と、焦点距離ｆとの関係は次式になる。但し、ｃ1は凹レンズ５ｂの、ｃ2は凸レンズ５ａの、ｃ3は超音波媒質としての生体３の音速である。
ｒ＝｛（ｃ1−ｃ2）／（ｃ1・ｃ2）｝・ｃ3・ｆ ・・（Ｂ）

上式（Ｂ）は例えば非特許文献１で示される薄レンズの結像公式（１）（２）から以下にして導出される。すなわち、特許文献１では、第２図（非特許文献１の１１．４−１1図と同一）に示したように、屈折率ｎ1、ｎ2、ｎ3とした媒質が、曲率半径をｒ1、ｒ2とした曲面１及び２で順次接した場合、各曲面１、２の結像公式は、次式（１）（２）になる。
ｎ2/ｓ1′−ｎ1/ｓ1＝(ｎ2−ｎ1)/ｒ1・・・（１）
ｎ3/ｓ2′−ｎ2/ｓ2＝(ｎ3−ｎ2)/ｒ2・・・（２）

但し、座標軸ｘで示す主軸と各曲面との交点をＳ1、Ｓ2とし、Ｓ1Ｓ2間の距離は十分に小さいとする。そして、ｓ1、ｓ1′は交点Ｓ1からの、ｓ2、ｓ2′は交点Ｓ2からの距離である。また、図中のＣ1は曲率半径ｒ１とした曲面１の、Ｃ2は同ｒ2とした曲面２の中心であり、例えばｒ1＜ｒ2の例を示している。なお、式（１）（２）でのｓ1′、ｓ2′が各曲面１、２による入射光（実線）の焦点距離ｆになる。

ここで、ｓ2＝ｓ1′−Ｓ1Ｓ2となるが、薄レンズの仮定により、距離Ｓ1Ｓ2は無視できるので、ｓ2＝ｓ1′となる。したがって、式（１）（２）よりｓ2を消去すると、次式（３）になるとしている。
(ｎ3/ｓ2′)−(ｎ1/ｓ1)＝
(ｎ2−１)（１/ｒ1−１/ｒ2）＋{(ｎ3−１)/ｒ2−(ｎ1−１)/ｒ1}・・・（３）

以上が特許文献１での開示事項であるが、ここで、本発明は、曲面２（曲率半径ｒ2）を平坦面即ち曲率半径を無限大（∞）とした場合を想定した。この場合は、曲率半径ｒが∞なので、式（３）は次式（４）になる。そして、ｓ1を−∞とすると、換言すると、入射波が無限に離れた点源からの波（即ち平行波）とすると、次式（５）になる。
(ｎ3/ｓ2′)−(ｎ1/ｓ1)＝（ｎ2−ｎ1）/ｒ1・・・（４）
(ｎ3/ｓ2′)＝（ｎ2−ｎ1）/ｒ1・・・（５）

したがって、式（５）から、曲面２を平坦面（曲率半径ｒが∞）として入射光を平行波としたときの、焦点距離ｆ即ちｓ2′、媒質ｎ1、ｎ2、ｎ3及び曲面１の曲率半径ｒ1の関係が導出される。例えば（５）式を変形して曲面１の曲率半径ｒ1を求めると次式（６）になる。
ｒ1＝｛（ｎ2−ｎ1）/ｎ3｝ｓ2′・・・（６）

ここで、屈折率ｎ1、ｎ2、ｎ3とした媒質を、本実施形態での凹レンズ５ｂ、凸レンズ５ａ、生体３とする。この場合、生体の音速ｃ3（1500m/s）を基準とすると、凹レンズ（音速ｃ1）、凸レンズ（音速ｃ2）及び生体３の屈折率ｎ1、ｎ2、ｎ3はｃ3／ｃ1、ｃ3／ｃ2、ｃ3／ｃ3（＝１）となる。

したがって、式（６）は次式（７）になる「前述の式（Ｂ）と同一」。但し、ｓ2′＝ｆである。これにより、生体３での焦点距離ｆ（＝ｓ2′）及び凹レンズ５ｂ、凸レンズ５ａの音速から、凸レンズ５ａ（凹レンズ５ｂ）の曲率半径ｒ1を求められる。
ｒ1＝｛（ｃ3/ｃ2）−（ｃ3/ｃ1）｝ｓ2′
＝｛（ｃ1−ｃ2）／（ｃ1・ｃ2）｝・ｃ3・ｆ・・・（７）

例えば超音波周波数を10ＭＨｚとして圧電素子１の短軸方向での長さＬを5ｍｍ、焦点距離ｆを15ｍｍとすると、従来例の単一材からなる凸レンズとした音響レンズ５の場合は中央部の最大厚み部は0.43ｍｍとなる。なお、従来例で示した前述の（Ａ）式から曲率半径ｒが求められるので、短軸方向での長さが与えられれば、凸レンズ５の最大厚み部が算出できる。

これに対し、圧電素子１の短軸方向での長さＬ及び焦点距離ｆを同一とすると、本実施形態による積層レンズ５での凸レンズ５ａの最大厚み部即ち平行平面の厚みは0.274ｍｍとなる。なお、（Ｂ）式から曲率半径ｒ1が求まるので、同様にして最大厚み部が算出できる。したがって、本実施形態では、従来例に対して約63.7％の厚みになって、積層レンズ５の厚みを従来例に対して概ね半減できる。

この場合、シリコーン樹脂の単位長さ（１ｍｍ）当たりの減衰量は概ね1.0ｄＢであり、減衰量Ａ（ｄＢ）は長さｌ及び超音波周波数ｆ（ＭＨｚ）に比例してＡ＝1.0・L・ｆ（ｄＢ）となる。この観点からすると、上記例での減衰量は従来例では-4.3ｄＢであるのに対して、本実施形態では-2.74ｄＢとなって1.56ｄＢほど向上し、これに伴い超音波探触子の感度も上昇する。

なお、積層体からなる積層レンズ５の厚みは、凸レンズ５ａのシリコーン樹脂は音速が約1000ｍ／s、凹レンズのメチルペンテンの音速は2050ｍ／ｓとした場合であり、凸レンズ５ａと凹レンズ５ｂにおける音速の速度差が大きいほど、積層レンズ５の厚みを小さくできるとともに感度を向上できる。

なお、本実施形態では、非特許文献１との整合を計るため、生体３側を凸レンズ５ａとして凹レンズ５ｂを音響整合層４側としたが、第３図に示したように、生体３側を凹レンズ５ｂとして凸レンズ５ａを音響整合層４側としてもよい。

（第２実施形態）
第４は本発明の第２実施形態を説明する超音波探触子における短軸方向の断面図である。なお、前実施形態と同一部分には同番号を付与してその説明は省略又は簡略する。

第１実施形態ではシリコーン樹脂とした凸レンズ５ａの中心が点的に露出するとしたが、現実にはメチルペンテン樹脂とした凹レンズ５ｂに、図示しない接着剤によって凸レンズ５ａ（シリコーン樹脂）を積層して中心を点的に露出することは困難となる。また、通常では曲率部のみを有する音響レンズ５を音響整合層４上に固着することは位置決等の点から困難とする。

したがって、第２実施形態では、例えば超音波送の受波面側（生体側）を凹レンズ５ｂとして、音響整合層４側を凸レンズ５ａとして積層する場合は、凹レンズ５ｂの中心部は厚みを持たせて凸レンズ５ａに積層する。例えば積層レンズ５の厚みに対し、凸レンズ５ａの最大厚み部を例えば９０以上とする。そして、両端側には脚部６を設けて音響整合層４上に接着する。

このようなものでは、凹レンズ５ｂに一定の厚みを付加するので、減衰量は増加するものの現実的な製造を容易する。そして、この場合でも、凸レンズ５ａと凹レンズ５ｂとの積層体にすることによって、従来例に比較して減衰量を低減して感度を高められる。この場合は、凸レンズ５ａは一定の厚みの増加はなく曲率部のみとするので、凸レンズ５ａによる減衰量の増加は抑制できる。

（第３実施形態）
第５図は本発明の第３実施形態を説明する超音波探触子の断面図で、前実施形態と同一部分には同番号を付与してその説明は省略又は簡略する。

第３実施形態は、超音波送受波面を凸レンズ（シリコーン樹脂）５ａとして、音響整合層４側を凹レンズ（メチルペンテン樹脂）５ｂとした場合の例である。この場合は、凸レンズ５ａの外周部と凹レンズ５ｂの外周部に平坦部を設けて図示しない接着剤によって接合する。これにより、凸レンズ５ａと凹レンズ５ｂとの外周部での接着剤による接合強度を維持する。例えば曲率をもった状態で凸レンズ５ａと凹レンズ５ｂとを接着すると、例えば超音波媒質としての生体３に当接した際に外周部での接着強度が低下する。

この場合においても、凸レンズ５ａは厚みを一定とした領域を生ずるので、減衰量は増加する。しかし、従来例に比較して、凸レンズ５ａと凹レンズ５ｂの積層体とから音響レンズ５を形成するので、基本的には減衰量を少なくして、超音波探触子の感度を向上できる。

本発明の第１実施形態を説明する図で、同図（ａ）は音響レンズを含む超音波探触子の短軸方向の断面図、同図（ｂ）は作用を説明する同断面図である。 本発明の第１実施形態に至った薄レンズの作用を説明する概念図である。 本発明の第１実施形態の他の例を説明する超音波探触子の短軸方向の断面図である。 本発明の第２実施形態を説明する超音波探触子における短軸方向での断面図である。 本発明の第３実施形態を説明する超音波探触子における短軸方向の断面図である。 従来例を説明する超音波探触子の図で、同図（ａ）は長軸方向の断面図、同図（ｂ）は作用を説明する短軸方向の断面図である。

符号の説明

１ 圧電素子、２ バッキング材、３ 超音波媒質（生体）、４ 音響整合層、５ 音響レンズ、５ａ 凸レンズ、５ｂ 凹レンズ、６ 脚部。

Claims (6)

1. 超音波送受波面となる圧電素子の前面に厚みを一定とした音響整合層が設けられ、前記音響整合層上に設けられた超音波探触子用の音響レンズにおいて、前記音響レンズは前記音響整合層とは材料を異にするとともに超音波が送出される超音波媒質よりも音速が小さい凸レンズと前記超音波媒質よりも音速の大きい凹レンズとの平行平面とした積層体からなり、前記凹レンズの最小厚み部は前記凸レンズの最大厚み部よりも小さくして前記積層体の厚みは前記凸レンズの最大厚みが支配的であることを特徴とする超音波探触子用の音響レンズ。
2. 請求項１において、前記超音波媒質に対する超音波媒質の音速をｃ3、前記凸レンズの音速をｃ1、前記凹レンズの音速をｃ2として焦点距離をＦとしたとき、前記凸レンズの曲率ｒは、ｒ＝｛（ｃ1−ｃ2）／ｃ1・ｃ2｝・ｃ3・Ｆで決定される超音波探触子用の音響レンズ。
3. 請求項１又は２において、前記凸レンズはシリコーン樹脂を主成分とし、前記凹レンズはメチルペンテン樹脂を主成分とする超音波探触子用の音響レンズ。
4. 請求項１において、前記凹レンズは超音波送受波面側として前記凸レンズは音響整合層側として曲面同士が接合されて前記積層体を形成し、前記凹レンズの両端側に脚部を有する超音波探触子用の音響レンズ。
5. 請求項１において、前記凸レンズは超音波送受波面側として前記凹レンズは音響整合層側として曲面同士が接合されて前記積層体を形成し、前記凹レンズの両端側に脚部を有する超音波探触子用の音響レンズ。
6. 請求項１の音響レンズは超音波発生源としての圧電素子の前面に設けられ、前記音響レンズと前記圧電素子との間には音響整合層を有し、前記超音波媒質は生体である医用の超音波探触子。

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