CN101589958B - 短轴运动型超声波探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够抑制传播损失、并能提高灵敏度的短轴运动型超声波探头。本发明的短轴运动型超声波探头，包括：压电元件组，多个压电元件沿着压电元件的长轴方向排列；声透镜，设置在所述压电元件组的超声波发送/接收面侧，并且在所述压电元件的短轴方向上具有既定曲率；以及密闭容器，收容设置有所述声透镜的压电元件组，并且填充有作为超声波介质的液体；在压电元件组沿着其短轴方向运动并对生物体发送/接收超声波的短轴运动型超声波探头中，声透镜是由与硅树脂相比超声波的传播损失少、且与生物体相比音速大的材料形成的凹透镜，凹透镜的音速c₁、液体的音速c₂、以及生物体的音速c₃的关系构成为c₁＞c₃＞c₂。

Description

短轴运动型超声波探头

技术领域

本发明涉及一种沿着压电元件组的短轴方向旋转摇动或者直线往复移动的短轴运动型超声波探头，特别涉及一种设置在形成于压电元件组的前面的超声波发送/接收面上的声透镜。

背景技术

在短轴运动型超声波探头中，对作为超声波发生源的压电元件组沿其短轴方向进行机械地扫描，并且，沿其长轴方向进行电子地扫描。因此，短轴运动型超声波探头与例如沿着短轴方向和长轴方向的任一方向进行电子扫描的矩阵型相比较，由于容易进行电性配线并能够获得三维图像，因此最近引起了注意。

图5A和图5B是说明旋转摇动型的短轴运动型超声波探头的一个现有例的图示，图5A是其长轴方向的剖面图，图5B是其短轴方向的剖面图。

该超声波探头至少具有压电元件组1、声透镜2、以及密闭容器3。压电元件组1由沿着作为宽度方向的长轴方向排列的多个压电元件1a构成，这里，这些元件固定在背衬件4上。背衬件4沿着长轴方向固定在圆弧状的基台5上，因此压电元件组1沿着长轴方向形成凸起的形状。在压电元件组1上设置有未图示的声整合层，用于计量生物体(例如，人体的乳房)与声阻抗的整合。

声透镜2，设置在成为压电元件组1的超声波发送/接收面侧的声整合层上，是在作为压电元件长度方向的短轴方向上具有曲率的凸透镜。而且，声透镜2具有一对腿部2x，腿部2x覆盖压电元件组1等的整个外侧面。这里，声透镜2由与生物体相比具有较小音速的硅树脂形成。

在现有例的情况下，如图6所示，与声透镜2厚度最大的中央部的超声波P₁相比，声透镜2的两端部的超声波P₂的传播(行进)较快，因此，如图6所示，超声波的波面成为声透镜2的中心部最慢的曲线W示出的弯曲面。因此，如实线所示，超声波P朝向声透镜2的中心线A行进，根据声透镜2的曲率会聚在符号x所示的焦点距离f。因此，提高了相对于生物体B的被检测部(疾病部)的超声波传播效率。

如图5A和图5B所示，压电元件组1和声透镜2的密闭容器3由剖面均为凹状的容器主体(内壳)3a和覆盖容器主体3a的盖3b形成。在容器主体3a上安装有通过电动机11、伞齿轮机构7等沿短轴方向旋转摇动的固定台8。在固定台8上预先固定，固定有压电元件组1等的基台5。并且，设置在压电元件组1的超声波发送/接收面侧的声透镜2与盖3b的内壁面3b₁对面，来自盖3b的超声波对于生物体B进行发送/接收。

在密闭容器3的内部空间中，从未图示的密闭容器3的注入孔填充例如聚丙二醇的液体l，作为防止来自压电元件组1的超声波衰减的超声波介质。并且，在密闭容器3中未填充液体l并且在盖3b的内壁面3b₁与压电元件组1的表面之间存在空气的情况下，超声波的衰减变大，传播效率恶化，因此不能期望对于生物体进行正常的超声波的发送/接收。

图5A和图5B中示出的符号10为伞齿轮7的驱动轴，10a为其轴承，11为使固定台8自由旋转的销。

并且，伞齿轮7的驱动轴10，被收容在嵌合于密闭容器3的盖3b的端部的外壳15内，并通过连接于电导线12的电动机11经由支架13支承的齿轮系11a使其旋转。

参照专利文献1：日本特开2007-267817号公报、专利文献2：日本特开2008-80093号公报、专利文献3：日本实开昭57-23599号公报、以及非专利文献1：基础物理学，上卷，作者：金原寿郎，发行人：我孙子贞次，昭和46年2月1日发行，p221(薄透镜的公式)。

现有技术的问题

但是，在具有所述构成的现有的超声波探头中，声透镜2(凸透镜)由硅树脂(橡胶)形成，因此超声波的传播损失较大。在这种情况下，诊断部离生物体B的表面越近并且超声波的焦点距离f越短，声透镜2的曲率半径就越小。因此，由于声透镜2的中心部的厚度变大，因此传播损失更大。并且有以下问题，传播损失越是增大，超声波探头的灵敏度就越是减小。

并且，当作为超声波介质的生物体B的音速(声波通过生物体内的速度，下同)为c₃(1500m/s)，由硅树脂形成的声透镜2的音速为c₁(1000m/s)，焦点距离为f时，声透镜2的曲率半径r可以由下面的公式(A)表示。这里，n为以生物体B为基准的声透镜的折射率，n＝c₁/c₃。并且，如果曲率半径r通过公式(A)计算出是负数，则为凸透镜，如果是正数，则为凹透镜。

r＝f{1-(c₃/c₁)}

＝f{(n-1)/n}…(A)

从该公式(A)可以看出，焦点距离f越短，声透镜2的曲率半径就越小。通常，在从生物体B的表面诊断其深部的情况下(焦点距离f较长的情况下)，适合用低频率带的超声波，例如3.5MHz，在诊断生物体表面附近的情况下(焦点距离f较短的情况下)，适合用高频率带的超声波，例如10MHz。并且，虽然作为超声波介质的液体l的音速c₂(1370m/s)也有影响，但是，通常处理为与生物体的音速c₃同等。

发明内容

(发明要解决的技术问题)

本发明的目的在于提供一种能够抑制传播损失并能提高灵敏度的短轴运动型超声波探头。

(发明的公开)

在本发明中，本发明人的着眼点为，第一，声透镜适用音速比生物体大并且传播损失比硅树脂小的树脂，作为凹透镜。第二，如果填充于密闭容器内的作为超声波介质的液体的音速比生物体的音速小，则与凹透镜与生物体的音速差相比，能够使凹透镜与液体的音速差变大，并使凹透镜的厚度减小。

(解决技术问题的技术手段)

本发明的短轴运动型超声波探头，包括，压电元件组，将多个压电元件沿着作为所述压电元件宽度方向的长轴方向排列；声透镜，设置在所述压电元件组的超声波发送/接收面侧，并且在作为所述压电元件长度方向的短轴方向上具有曲率；以及密闭容器，收容设置有所述声透镜的压电元件组，并且填充有作为超声波介质的液体；在所述压电元件组沿着所述短轴方向运动并对生物体发送/接收超声波的短轴运动型超声波探头中，所述声透镜是由与硅树脂相比传播损失少、且与生物体相比音速大的材料形成的凹透镜，所述凹透镜的音速c₁、所述液体的音速c₂、以及所述生物体的音速c₃的关系构成为c₁＞c₃＞c₂。

(发明的效果)

根据这样的构成，由于凹透镜、液体l、以及生物体B的各音速c₁、c₂、c₃为c₁＞c₃＞c₂，所以与凹透镜和生物体B的音速差(c₁-c₃)相比，凹透镜与液体的音速差(c₁-c₂)变大。这里，当凹透镜的曲率半径r相同时，凹透镜与液体的音速差越大焦点距离f越短。换言之，当焦点距离f为相同距离时，音速差越大凹透镜的曲率半径就越变大。因此，与没有考虑音速比生物体小的液体的仅是凹透镜的厚度相比，能够减小考虑液体的凹透镜的厚度。

并且，作为声透镜的凹透镜为传播损失比硅树脂少的树脂。因此，假设与现有的由硅树脂形成的凸透镜相比，即使c₁＞c₃＞c₂的凹透镜的厚度变大，也能够抑制超声波的传播损失，并能提高探头的灵敏度。

(关于实施形态)

并且，在本发明中，相对于所述凹透镜的焦点距离f的曲率半径r通过r＝{(c₁-c₂)/(c₁·c₂)}·c₃·f确定。因此，能够容易地确定对应于焦点距离f的凹透镜的曲率半径。并且，在实施方式中，如后述，上式是基于“基础物理学，上卷，作者：金原寿郎，发行人：我孙子贞次，昭和46年2月1日发行，p221(薄透镜的公式)”的(3)公式被导出。

此外，在本发明中，所述声透镜由甲基戊烯树脂形成，并且所述液体由聚丙二醇形成。因此，声透镜的甲基戊烯树脂的音速c₁为2050m/s，并且声透镜成为凹透镜2a，比生物体B的音速c₃(1500m/s)大，通过成为凹透镜，能够适用于声透镜。并且，如后述，由于甲基戊烯树脂的单位长度的衰减量约为0.448dB/mm/MHz，因此该衰减量比硅树脂的约1.0dB/mm/MHz小。

并且，作为液体使用的聚丙二醇的音速c₂为1370m/s，比生物体的音速c₃小。因此，由于凹透镜(音速c₁)与液体的音速差(c₁-c₂)比凹透镜与生物体的音速差(c₁-c₃)大，因此能够实现本发明的c₁＞c₃＞c₂的构成。并且，由于声透镜的甲基戊烯树脂的音速大，因此自身的超声波的传播损失小。

此外，在本发明的超声波探头中，所述压电元件组沿着短轴方向以圆弧状旋转摇动，并且沿着短轴方向进行直线往复移动。因此，能够充分地实现短轴运动型超声波探头的功能。

附图说明

图1是说明本发明的超声波探头的一个实施方式的短轴方向剖面图。这里是省略了用于收容电动机等的外壳的图示。

图2是说明本发明的超声波探头的一个实施方式的作用的短轴方向的示意性部分剖面图。

图3是说明本发明实施方式涉及的薄透镜的作用的示意图。

图4A和图4B是说明本发明的另一实施方式的图示，图4A是超声波探头的短轴方向的剖面图，图4B是声透镜的斜视图。

图5A和图5B是说明旋转摇动型的短轴运动型超声波探头的现有例的图示，图5A是其长轴方向的剖面图，图5B是其短轴方向的剖面图。

图6是说明使用于超声波探头的现有例中的声透镜作用的部分剖面图。

具体实施方式

图1是说明本发明的超声波探头的一个实施方式的短轴方向剖面图。

本发明的超声波探头，被构造成在其短轴方向具有既定曲率的声透镜2设置在超声波发送/接收面侧，并且沿着其长轴方向排列的压电元件组1收容在密闭容器3内。在密闭容器3内填充作为超声波介质的液体l，压电元件组1固定于在容器主体3a内旋转摇动的固定台8上，并沿着超声波探头的短轴方向旋转摇动。并且，来自盖3b侧的超声波对生物体B进行超声波的发送/接收。

并且，在该实施方式中，声透镜2作为具有一对腿部2x的凹透镜2a，其凹面面向生物体侧(盖侧)配置。凹透镜2a由甲基戊烯树脂(通称TPX树脂)形成，其音速c₁为2050m/s，比生物体B内的音速c₃(1500m/s)大。并且，密闭容器3内填充的作为超声波介质的液体l，由聚丙二醇形成，其音速c₂为1370m/s，比生物体B内的音速c₃小。

这里，声透镜的音速、液体的音速、以及生物体B的音速指的是超声波通过这些物体时的音速。

即，在本发明中，声透镜2(凹透镜2a)、液体l、以及生物体B的各自的音速c₁、c₂、c₃的关系为c₁＞c₃＞c₂。这样，由于凹透镜2a的音速c₁比液体l以及生物体B的音速c₂、c₃大，因此，通过凹透镜2a厚度较大的两端部并到达生物体B的超声波的行进程度，比通过厚度较小的中央部的超声波快。因此，凸透镜同样具有与凹透镜2a的曲率相对应的焦点距离f，超声波会聚在生物体B内中心线上。

在该情况下例如，如图2所示，凹透镜2a的凹面内填充的液体l形成凸透镜2b，利用凹透镜2a与凸透镜2b在两主面之间形成成为平行平面的堆叠透镜。在该情况下，凹透镜2a的内周曲率半径r与凸透镜2b的外周曲率半径r相同。在图2中，为了方便，凸透镜的中心成为点露出的平行平面。

因此，如图2所示，首先，从收容在密闭容器3内的压电元件组1发送的超声波P，由于凹透镜2a(音速c₁)和较慢的音速c₂的液体l，凹透镜2a的两端部的超声波P₂的行进较快(超声波P₂)，凹透镜2a的中央部的超声波P₁较慢。因此，直到填充了液体l的凹透镜2a的开口端面(水平面)，两端部的超声波P₂比中央部的超声波P₁行进的快。

其次，当经过凹透镜2a的开口端面时，凹透镜的两端部的超声波P₂和中央部的超声波P₁都变成液体l中的音速c₂，并且维持该超声波的行进距离差，以同一速度行进。最后，从图1所示的盖3b的表面起，维持该行进距离差，超声波P以与音速c₃相同的速度行进穿过生物体B的内部。并且，超声波以基于凹透镜2a的曲率半径r而决定的焦点距离f，会聚在生物体B内。

根据本发明这样的构成，声透镜2(凹透镜2a)是由与硅树脂相比超声波的衰减较小的树脂形成。因此，即使凹透镜2a的厚度比使用了现有硅树脂的凸透镜大，也能够基本上减小超声波的衰减量。

并且，如上所述，在填充了液体l的凹透镜2a的空间(空腔)，即在凹透镜2a与凸透镜2b形成的堆叠透镜的中心部，成为由音速比凹透镜2a小的液体l形成的凸透镜2b的最大厚度部分，因此超声波的行进变慢。并且，如图2所示，由于堆叠透镜的两端部成为音速比液体l(凸透镜)大的凹透镜2a的最大厚度部分，因此超声波的行进变快。

因此，通过考虑液体l形成的凸透镜2b的堆叠透镜，凸透镜2b的中央部和其两端部之间的超声波P₁、P₂之间的行进距离差变大。这样，与没有考虑液体l的仅是凹透镜2a的情况相比，能够减小考虑液体l并成为平行平面的堆叠透镜(2a，2b)的厚度，即，能够减小凹透镜2a的凹面内填充了液体l的凹透镜2a的厚度。

即，如本申请说明书前述的发明效果中所记载，在本发明中，由于凹透镜2a、液体l、以及生物体B的音速c₁、c₂、c₃的关系为c₁＞c₃＞c₂，因此和凹透镜2a与生物体B的音速差(c₁-c₃)相比较，凹透镜2a与液体l的音速差(c₁-c₂)变大。在该情况下，当凹透镜2a的曲率半径相同时，音速差越大，焦点距离f就越短。

换而言之，当焦点距离f为相同距离时，该音速差越大，凹透镜2a的曲率半径就越大。因此，与未考虑液体l的凹透镜2a相比较，能够减小加入了液体l的凹透镜2a的厚度。这样，能够进一步抑制通过声透镜2(凹透镜2a)的超声波的传播损失(衰减量)，并能够提高超声波探头的灵敏度。

(声透镜2的曲率r以及根据)

图3中示出的凹透镜2a的曲率r₁，基于预先设定的焦点距离f，从凹透镜2a、作为凸透镜2b的液体l、以及生物体B的音速c₁、c₂、c₃，通过下面的公式(B)确定。并且，在现有例中，液体l的音速c₂没有被视为与生物体B的大致相同。

r＝{(c₁-c₂)/(c₁·c₂)}·c₃·f    …(B)

上面的公式(B)例如从前述非专利文献(“基础物理学”)中示出的薄透镜的成像公式(1)和(2)，如下述导出。即，在前述非专利文献1中，如图3(与前述非专利文献1的图11.4-11相同)所示，在折射率为n₁、n₂、n₃的介质，在曲率半径为r₁、r₂的曲面1和2，依次、接触的情况下，各面1、2的成像公式为下面的公式(1)和(2)。

n₂/s₁’-n₁/s₁＝(n₂-n₁)/r₁…(1)

n₃/s₂’-n₂/s₂＝(n₃-n₂)/r₂…(2)

这里，以坐标轴x示出的主轴与各曲面的交点为S₁和S₂，S₁和S₂之间的距离非常小。这里，s₁和s₁’为到交点S₁的距离，s₂和s₂’为到交点S₂的距离。并且，图3中的C₁为曲率半径r₁的曲面1的中心，C₂为曲率半径r₂的曲面2的中心，例如，示出r₁＜r₂的情况。并且，公式(1)和(2)中的s₁’和s₂’为利用各曲面1和2的入射光(实线)的焦点距离f。

这里，图3中示出的s₂为，s₂＝s₁’-S₁S₂，但是假设薄透镜，S₁和S₂之间的距离可以忽略，因此变为s₂＝s₁’。因此，当从所述公式(1)和(2)中去掉s₂时，成为下面的公式(3)。

(n₃/s₂’)-(n₁/s₁)＝

(n₂-1)(1/r₁-1/r₂)+{(n₃-1)/r₂-(n₁-1)/r₁}…(3)

以上为前述非专利文献1中记载的事项，但是在这里，本发明假定曲面2(曲率半径r₂)为平坦面，即曲率半径无限大(∞)。在该情况下，由于曲率半径r为无限大(∞)，因此，所述公式(3)变为下面的公式(4)。并且，当s₁为-∞时，换言之，当入射波为来自无限远的点源的波时(即，平行波)，变为下面的公式(5)。

(n₃/s₂’)-(n₁/s₁)＝(n₂-n₁)/r₁…(4)

(n₃/s₂’)＝(n₂-n₁)/r₁…(5)

因此，从公式(5)导出图3中示出的曲面2为平坦面(曲率半径r为∞)并且入射光为平行波时的焦点距离f即s₂’、介质n₁、n₂、n₃、以及曲面1的曲率半径r₁的关系。例如，将公式(5)变形，为求出曲面1的曲率半径r₁的公式(6)。

r₁＝{(n₂-n₁)/n₃}s₂’…(6)

这里，所述折射率为n₁、n₂、n₃的介质为本实施方式中的凹透镜2a、液体l形成的凸透镜2b、以及生物体B。在该情况下，当以生物体B的音速c₃(1500m/s)为基准时，凹透镜2a(音速c₁)、凸透镜2b(音速c₂)、以及生物体B的折射率n₁、n₂、n₃为c₃/c₁、c₃/c₂、c₃/c₃(＝1)。

因此，所述公式(6)变为下面的公式(7)(与前述的公式(B)相同)。但是，s₂’＝f。因此，从生物体B的焦点距离f(＝s₂’)以及凹透镜2a和凸透镜2b的音速，求出凸透镜2a(凹透镜2a)的曲率半径r₁。

r₁＝{(c₃/c₂)-(c₃/c₁)}s₂’

＝{(c₁-c₂)/(c₁·c₂)}·c₃·f...(7)“＝(B)”

(各声透镜的厚度)

例如，当超声波频率为7.5MHz、压电元件1的短轴方向的长度L为6mm、焦点距离f为20mm时，作为现有例的硅树脂形成的凸透镜，在没有考虑液体l的存在的情况下，从前述的公式(A)算出曲率半径r为9.98mm，凸透镜的中央部的最大厚度部位0.462mm。

并且，超声波频率和超声波探头的短轴方向的长度L在相同条件下，作为由甲基戊烯树脂形成的凹透镜2a，在声透镜2没有考虑液体l的存在的情况下，同样从公式(A)算出曲率半径r为5.36mm，凹透镜2a的两端部的最大厚度部位0.92mm。并且，对于这些最大厚度部的值，能够从公式(A)求出曲率半径r，因此只要给出短轴方向的长度L，就能够算出凸透镜的最大厚度部。

此外，在相同条件下，作为甲基戊烯树脂形成的凹透镜2a，在本发明中声透镜2(凹透镜2a、凸透镜2b形成的堆叠透镜)没有考虑液体l的存在的情况下，根据本发明，基于公式(B)算出曲率半径为7.26mm，由长度L得出凹透镜2a的两端部的最大厚度部为0.66mm。

根据这些结果，不论是否考虑液体l的存在，由甲基戊烯树脂形成的凹透镜2a的大小也比现有例的凸透镜大，但是，另一方面，考虑了液体l的存在的凹透镜2a(堆叠透镜)的厚度能够比没有考虑液体l的存在的凹透镜2a小百分之三十左右。

(各声透镜的衰减量)

这里，通过声透镜2的超声波的衰减量A(dB)与超声波频率f(MHz)成比例，为A＝α·t·f(dB)。这里，α为每个单位长度(1mm)的衰减量，t为前述凹透镜的最大厚度部的厚度。并且，现有的由硅树脂形成的凸透镜的单位长度的衰减量约为1.0dB/mm/MHz，本发明中由甲基戊烯树脂形成的凹透镜2a的单位长度的衰减量约为0.448dB/mm/MHz。

根据这些结果，当超声波频率f为7.5MHz时，使用硅树脂的凸透镜的衰减量A1为3.465dB(1×0.462×7.5)。另一方面，使用甲基戊烯树脂的没有考虑液体l的存在的凹透镜2a的衰减量A2为3.091dB(0.448×0.92×7.5)，考虑了液体l的存在的本发明的凹透镜2a(2a、2b形成的堆叠透镜)的衰减量A3为2.21dB(0.448×0.66×7.5)。

因此，使用甲基戊烯树脂的凹透镜2a的厚度的大小比使用硅树脂的凸透镜的大，但是当考虑单位长度的衰减量α时，不管凹透镜2a的凹面内的液体l的有无，使用甲基戊烯树脂的凹透镜2a的衰减量A2、A3比使用硅树脂的凸透镜的衰减量A1小。

此外，考虑了本发明凹透镜的凹面内液体l存在的凹透镜2a(堆叠透镜)的衰减量A3(2.21dB)，比没有考虑凹透镜2的凹面内液体l存在的凹透镜2a的衰减量A2(3.091)小百分之三十左右。并且，该衰减量A2比现有的使用硅树脂的凸透镜的衰减量A1(3.465dB)减小百分之四十左右。根据这些结果，在本发明的实施方式中，能够获得抑制声透镜2(凹透镜2a)的传播损失(衰减量)并具有高灵敏度的超声波探头。

(其他实施方式)

在所述实施方式中，虽然凹透镜2a的凹面面向生物体侧配置，但是如图4A所示，即使凹透镜2a的凹面面向压电元件组1侧配置也能获得同样的效果。在该情况下，如图4B所示，具有一对腿部2x的声透镜2的例如向长轴方向的两端侧打开，使液体l填充到声透镜2的凹处内，从而构成堆叠透镜。

并且，在前述实施方式中，虽然压电元件组1沿着其短轴方向旋转摇动，但是例如，如前述专利文献2所示，也可以使压电元件组1沿着其短轴方向进行直线往复移动，只要是压电元件组1被收容在液体l中，并且来自声透镜的超声波对生物体进行超声波的发送/接收的超声波探头，本发明都可适用。

Claims (5)

1.一种短轴运动型超声波探头，包括：压电元件组，多个压电元件沿着该压电元件的长轴方向排列；声透镜，设置在所述压电元件组的超声波发送/接收面侧，并且在所述压电元件的短轴方向上具有曲率；以及密闭容器，收容设置有所述声透镜的压电元件组，并且填充有作为超声波介质的液体；所述压电元件组沿着所述短轴方向运动并对生物体发送/接收超声波的短轴运动型超声波探头的特征在于，所述声透镜是由与硅树脂相比超声波的传播损失少、且与生物体相比音速大的材料形成的凹透镜，所述凹透镜的音速c₁、所述液体的音速c₂、以及所述生物体的音速c₃的关系为c₁＞c₃＞c₂。

2.根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，相对于所述凹透镜的焦点距离f的曲率半径r是

由r＝{(c₁-c₂)/(c₁·c₂)}·c₃·f确定。

3.根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，所述声透镜由甲基戊烯树脂形成，并且作为超声波介质的所述液体由聚丙二醇形成。

4.根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，所述压电元件组沿着所述压电元件的短轴方向以圆弧状旋转摇动。

5.根据权利要求1所述的短轴运动型超声波探头，其特征在于，所述压电元件组沿着所述压电元件的短轴方向进行直线往复移动。

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