CN102327128A - 超声波探头及超声波诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施形态涉及超声波探头和超声波诊断装置。提供能够降低由背面材料反射的超声波的影响的超声波探头和超声波诊断装置。超声波探头具有接收发送超声波的超声波振子、声阻抗比超声波振子的大的中间层、支承超声波振子的背面材料、和缓冲层。超声波振子、中间层和背面材料依超声波振子、中间层和背面材料的顺序配置。声阻抗比中间层和背面材料小的缓冲层配置在中间层与背面材料之间。
Description
本申请以日本专利申请2010-148583号(申请日：6/30/2010)为基础，享受该申请的优先权利。本申请通过参照该申请从而包含该申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施形态涉及超声波探头及超声波诊断装置。
背景技术
超声波诊断装置(ultrasound imaging apparatus)用超声波探头(ultrasound probe)往被检体内发送超声波，用超声波探头接收被检体内的因声阻抗(acoustic impedance)的不匹配产生的反射波。而且，超声波诊断装置根据超声波探头接收到的反射波，生成表示被检体内部的超声波图像。
超声波探头例如具有背面材料(backing material)、多个压电振动器(piezoelectric transducer)、声匹配层(acoustic matching layer)和声透镜(acoustic lens)。背面材料起结构支承材料的作用，并且衰减、吸收多余的超声波振动成分。多个压电振动器沿扫描方向配置在背面材料上。压电振动器通过根据发送信号振动来产生超声波，接收反射波生成接收信号。将压电振动器的一个面称为“放射面”，将放射面的相反一侧的面称为“里面”。背面材料设置在压电振动器的里面上。声匹配层设置在压电振动器的放射面上。声匹配层缓解压电振动器与生体之间的声阻抗的不匹配。声透镜设置在声匹配层上。声透镜使超声波收敛。由压电振动器产生的超声波经过声匹配层和声透镜放射。
并且，专利文献1公开了在压电振动器与背面材料之间具有中间层(intermediate layer)的超声波探头。中间层的声阻抗比压电振动器的声阻抗高。中间层的厚度为使用的超声波波长的约1/4。使用金、铅、钨、水银或蓝宝石作为中间层。由压电振动器放射到里面一侧的超声波被中间层反射到放射面一侧，经由声匹配层和声透镜放射。
发明内容
本发明想要解决的问题就是要提供一种能够降低由背面材料反射的超声波的影响的超声波探头和超声波诊断装置。
该实施形态的超声波探头具有：接收发送超声波的超声波振子、声阻抗比超声波振子大的中间层、支承超声波振子的背面材料、和缓冲层。超声波振子、中间层和背面材料依超声波振子、中间层和背面材料的顺序配置着。声阻抗比中间层和背面材料小的缓冲层配置在中间层与背面材料之间。
具有以上结构的超声波探头将缓冲层配置在背面材料与中间层之间。由于缓冲层的声阻抗比背面材料和中间层的小，因此通过中间层的超声波被缓冲层反射。因此，超声波的反射被背面材料抑制，因而能够抑制超声波从背面材料向超声波振子的放射面一侧传播。这样一来，不会使超声波探头的声特性恶化，能够获得伪像(artifact)少的超声波图像。
附图说明
图1为第1实施形态的超声波探头的立体图；
图2为第1实施形态的超声波探头的剖视图；
图3为第2实施形态的超声波探头的剖视图；
图4为示意地表示模拟的模型的图；
图5A为表示模拟的结果的曲线图；
图5B为表示模拟的结果的曲线图；
图6为表示该实施形态的超声波诊断装置的框图。
具体实施方式
[第1实施方式]
参照图1和图2说明第1实施形态的超声波探头。超声波探头1具有头(head)和线缆。图1表示了超声波探头1的头。图2为用Y-Z面剖切超声波探头1的剖视图。另外，在图中X方向为扫描方向，Y方向为切片(slice)方向，Z方向为超声波的收发方向。X方向、Y方向和Z方向互相正交。
第1实施形态的超声波探头1具有背面材料2、多个超声波振子(ultrasound oscillator)3、多个声匹配层4、声透镜5、中间层6、缓冲层7和挠性基板8。依背面材料2、缓冲层7(buffer layer)、挠性基板8、中间层6、超声波振子3、声匹配层4和声透镜5的顺序配置各部。即，在背面材料2的上面设置有缓冲层7。在缓冲层7的上面设置有挠性基板8FPC(flexible printed circuit)。在挠性基板8上面设置有中间层6。在中间层6的上面设置有沿扫描方向(图中的X方向)排列的多个超声波振子3。在超声波振子3的上面设置有沿扫描方向排列的多个声匹配层4。在声匹配层4的上面设置有声透镜5。声匹配层4具有设置在超声波振子3上的第1声匹配层41、和设置在第1声匹配层41上的第2声匹配层42。声匹配层4既可以只有一层，也可以具有多层。另外，线缆的说明省略。中间层6的声阻抗比超声波振子3的声阻抗大。并且，缓冲层7的声阻抗比背面材料2和中间层6的声阻抗小。下面说明超声波探头1的各部。
背面材料2支承超声波振子3。背面材料2的声阻抗优选例如5[Mrayl]以上。背面材料2优选用例如铝、铜、钛、锌、锡、金或银等金属，以这些金属为主要成分的合金、金属炭化物、或金属氧化物构成。通过将这些材料用于背面材料2，能够提高背面材料2的刚性，并且能够提高背面材料2的导热系数。通过使用导热系数高的背面材料2，能够通过背面材料2效率良好地散发超声波振子3产生的热量。由于这样能够提高超声波探头1的散热性，因此能够发送能量更高的超声波，结果能够提高超声波探头1的灵敏度。另外，背面材料2也可以用以聚丁二烯或氯丁二烯等为材料的橡胶材料构成。
超声波振子3用例如锆钛酸铅(lead zirconate titanate)Pb(Zr、Ti)O3、铌酸锂(lithium niobate)(LiNbO3)、钛酸钡(barium titanate)(BaTiO3)、或者钛酸铅(Lead Titanate)(PbTiO3)等陶瓷构成。在超声波振子3的上下表面分别设置有未图示的电极。超声波振子3的声阻抗为例如30[Mrayl]左右。将超声波振子3的与声匹配层4相对的面称为“放射面”，将放射面的相反一侧的面(与中间层6相对的面)称为“里面”。
通过使声匹配层4为多层结构，与声透镜5相结合能够抑制与被检体的体表之间的声阻抗的差分引起的信号干扰的产生。
声透镜5与被检体的体表面接触进行超声波的收发的调解(mediate)。利用该声透镜5在离体表规定深度凝聚切片方向(图中的Y方向)的声的焦点(acoustic focal point)。并且，利用配置在扫描方向上的多个超声波振子3切换超声波的发送和接收的定时，通过这样凝聚扫描方向(X方向)的声的焦点。
由于多个超声波振子3沿扫描方向(X方向)排成一列，因此本实施形态的超声波探头1为一维阵列探头。另外，该实施形态的超声波探头也可以是多个超声波振子3二维配置的二维阵列探头。
中间层6具有比超声波振子3大的声阻抗。中间层6的声阻抗为例如50～100[Mrayl]。中间层6例如用导电性材料构成。作为一个例子，中间层6用金、铅、钨或水银等金属、蓝宝石构成。中间层6也可以用树脂等非导电性材料构成。在中间层6使用非导电性材料的情况下，只要通过电镀等在中间层6的表面上形成金属，通过这样使中间层6具有导电性就可以。中间层6的厚度优选为使用的超声波波长的大致1/4。由此，能够使被中间层6反射、回到超声波振子3的放射面一侧的超声波与从超声波振子3放射到放射面一侧的超声波相位一致。
挠性基板8具有导电部和支承导电部的基板部。挠性基板8连接在中间层6的与背面材料2相对的面上。由于中间层6具有导电性，因此挠性基板8通过中间层6将电压施加到超声波振子3上。挠性基板8的声阻抗为例如5～10[Mrayl]。并且，在超声波振子3与声匹配层4之间设置有接地引出用的未图示的挠性基板。另外，也可以使声匹配层4具有导电性，在声匹配层4与声透镜5之间设置接地引出用的挠性基板。
缓冲层7配置在背面材料2与中间层6之间。在第1实施形态中，挠性基板8配置在背面材料2与中间层6之间，缓冲层7配置在背面材料2与挠性基板8之间。缓冲层7的声阻抗比背面材料2和中间层6的声阻抗小。缓冲层7的声阻抗为例如1～5[Mrayl]。缓冲层7例如用聚氨酯系、聚乙烯系、或聚酰亚胺系高分子材料，或者聚硅氧烷树脂、环氧树脂等构成。缓冲层7也可以是层叠多层高分子材料或聚硅氧烷树脂、环氧树脂等构成的层的构造体。缓冲层7的厚度优选为使用的超声波波长(λ)的1/16以上。
(超声波探头1的制造方法)
下面说明超声波探头1的制造方法。首先，将中间层6与板状超声波振子和声匹配层层叠。具体为，将板状超声波振子接合在中间层6的一个面上，将声匹配层接合到超声波振子的与中间层6相对的面的相反一侧的面上。将挠性基板8接合到中间层6的与超声波振子相对的面的相反一侧的面上。接着，将缓冲层7接合到挠性基板8的与中间层6相对的面的相反一侧的面上。将背面材料2接合到缓冲层7的与挠性基板8相对的面的相反一侧的面上。各接合可以使用例如环氧系粘接剂。另外，也可以预先将缓冲层7接合到挠性基板8和背面材料2上。通过上述操作制作依声匹配层、板状超声波振子、中间层6、挠性基板8、缓冲层7和背面材料2的顺序层叠了各部的结构体。并且，通过用包含切片方向(Y方向)和收发方向(Z方向)的面沿扫描方向(X方向)多次切断板状超声波振子和声匹配层，获得多个超声波振子3和多个声匹配层4。通过将声透镜5配置到声匹配层4上，制作超声波探头1。
如果采用具有以上结构的超声波探头1，由于在背面材料2与中间层6之间配置有声阻抗比背面材料2和中间层6小的缓冲层7，因此能够抑制超声波从超声波振子3向背面材料2的传播。即，从超声波振子3放射到里面一侧(中间层6一侧)的超声波被声阻抗比超声波振子3高的中间层6反射到超声波振子3的放射面一侧。另一方面，被放射到里面一侧的超声波的一部分穿过中间层6朝向背面材料2一侧。第1实施形态由于声阻抗比背面材料2和中间层6小的缓冲层7被配置在背面材料2与中间层6之间，因此穿过了中间层6的超声波被缓冲层7反射。由此，能够抑制超声波从超声波振子3向背面材料2传播。结果，由于由背面材料2引起的超声波的反射被抑制，因此能够抑制超声波从背面材料2向超声波振子3的放射面一侧传播。由于这样能够降低由背面材料2反射的超声波的影响，因此不会使超声波探头1的声波特性恶化，能够获得伪像少的超声波图像。
并且，由于在背面材料2与中间层6之间配置有缓冲层7，因此背面材料2也可以不一定具有衰减超声波的功能。即，背面材料2只要具有支承超声波振子3的功能就可以。这样一来，对用于背面材料2的材料的约束少，因此能够将导热系数高的材料用于背面材料2。因此，如上所述，能够将金属、金属炭化物或金属氧化物用于背面材料2的材料，能够提高背面材料2的导热系数。由此，能够通过背面材料2效率良好地散发超声波振子3产生的热量，所以能够发送更高能量的超声波。
并且，通过使用缓冲层7，能够衰减超声波振子3或中间层6的机械震动。超声波振子3在超声波产生时机械震动。该震动有时会传播到中间层6、挠性基板8、背面材料2，产生串扰(cross talk)。由于如上所述缓冲层7使用了声阻抗低的材料，因此缓冲层7的泊松比大。通过配置泊松比大的缓冲层7，能够缓冲、衰减超声波振子3或中间层6的震动。结果，能够抑制串音的产生。
另外，能够像上述那样根据超声波的波长(λ)设定缓冲层7的厚度。其中，通过使缓冲层7的厚度为规定以上的厚度，能够更有效地抑制超声波从超声波振子3向背面材料2传播。而且能够更有效地缓冲、衰减超声波振子3或中间层6的震动。
但是，在设定缓冲层7厚度的过程中，优选考虑超声波探头中的散热性、尤其是考虑缓冲层7的导热系数。
并且，以上述示例过的超声波探头的制造方法制作依声匹配层、板状超声波振子、中间层6、挠性基板8、缓冲层7、和背面材料2的顺序层叠各部的结构体。并且，多次切断该结构体中的板状超声波振子和声匹配层。这样的制造方法优选设定不妨碍结构体的切断工序的缓冲层7的厚度。即，如果使泊松比较大的缓冲层7过厚，则有可能给结构体的切断工序招致障碍。
因此，有可能考虑超声波向背面材料2传播的抑制、震动的衰减、散热性、对制造工序的影响等观点适当地设定缓冲层7的厚度。
[第2实施形态]
参照图3说明第2实施形态的超声波探头。图3为用Y-Z面剖切第2实施形态的超声波探头1A的剖视图。第1实施形态中缓冲层7配置在背面材料2与挠性基板8之间，但第2实施形态中改变了缓冲层7的位置。第2实施形态中，缓冲层7配置在中间层6与挠性基板8之间。另外，在第2实施形态的超声波探头1A中，缓冲层7的位置和中间层6的形状与第1实施形态的超声波探头1不同，除此以外的结构与超声波探头1的结构是相同的。以下说明中间层6和缓冲层7。
中间层6在与背面材料2相对的面(与超声波振子3相对的面的相反一侧的面)上具有凹部62。例如，中间层6在与背面材料2相对的面上与超声波的有效口径相对应的地方具有凹部62。凹部62的形状和大小与缓冲层7的形状和大小大致相同。换言之，实施形态2的缓冲层7具有与凹部62大致相同的形状和大小。缓冲层7配置在中间层6的凹部62内。并且，中间层6在凹部62的周围具有围绕凹部62的凸起部61。缓冲层7通过配置在凹部62内从而被凸起部61包围。并且，挠性基板8配置在中间层6和缓冲层7与背面材料2之间。凸起部61包围着缓冲层7朝挠性基板8延伸，凸起部61的顶端与挠性基板8接合。由此，中间层6与挠性基板8电连接。
如果采用具有以上结构的超声波探头1A，能够提高缓冲层7产生的效果，并且能够通过中间层6从挠性基板8给超声波振子3施加电压。即，为了提高上述缓冲层7的效果，缓冲层7最好不将挠性基板8夹在中间地配置到中间层6的正下方。作为一个例子，优选依中间层6、缓冲层7和挠性基板8的顺序配置各部。但是，根据用于缓冲层7的材料不同，缓冲层7有时没有导电性。在中间层6与挠性基板8之间配置没有导电性的缓冲层7的情况下，挠性基板8与超声波振子3之间获得电连接困难。因此，像第2实施形态的超声波探头1A这样在中间层6设置凹部62、将缓冲层7配置到凹部62中，并且将中间层6的凸起部61接合到挠性基板8上。由此，能够将缓冲层7配置到中间层6的正下方，能够提高缓冲层7产生的效果。并且，由于中间层6的凸起部61与挠性基板8接合着，因此中间层6与挠性基板8电连接，能够通过中间层6从挠性基板8给超声波振子3施加电压。
(模拟)
以第1实施形态的超声波探头1和第2实施形态的超声波探头1A为对象，用有限元分析法进行了声模拟。图4、图5A和图5B表示模拟的结果。假定具有超声波振子3、中间层6、挠性基板8、缓冲层7和背面材料2的模型，通过对该模型进行模拟，求出了在超声波振子3的前方声压随时间的变化。
图4表示各模型。模型100为没有缓冲层7的超声波探头的模型。模型100具有背面材料2、中间层6和超声波振子3，各部依这样的顺序配置着。模型110相当于第1实施形态的超声波探头1。模型110具有背面材料2、缓冲层7、挠性基板8、中间层6和超声波振子3，各部依这样的顺序配置着。模型120相当于第2实施形态的超声波探头1A。模型120具有背面材料2、挠性基板8、缓冲层7、中间层6和超声波振子3，各部依这些的顺序配置着。在各模型中，水10配置在超声波振子3的前方。
以下说明模拟使用的各参数。另外，Za为声阻抗，λ为超声波的波长。
超声波的中心频率：3[MHz]
超声波振子3：Za＝约30[Mrayl]，厚度＝约λ/4
中间层6：Za＝约80[Mrayl]，厚度＝约λ/4
背面材料2：Za＝约20[Mrayl]，厚度＝约2[mm]
缓冲层7：Za＝约2[Mrayl]，厚度＝约λ/8
挠性基板8：Za＝约5[Mrayl]，厚度＝约0.1[mm]
图5A和图5B表示模拟结果。图5A表示声压分布[dB]，图5B表示声压值V。各曲线图的横轴为时间。曲线200为模型100的模拟结果。曲线210为模型110的模拟结果。曲线220为模型120的模拟结果。从声压分布来看，约1.5[μsec]以后的波形强度产生了差异。没有缓冲层7的模型100如曲线200所示，变成了波形的收敛不好的结果。该结果成为超声波诊断装置中距离分辨率低下的原因，引起超声波图像的画质恶化。与此不同，具有缓冲层7的模型110和模型120如曲线210和曲线220所示，比模型100改善了波形的收敛。该结果起因于通过在中间层6与背面材料2之间配置了声阻抗小的缓冲层7、降低了来自背面材料2的超声波的反射。
另外，如曲线210和曲线220所示，缓冲层7无论是相对于挠性基板8配置在背面材料2一侧(模型110的形态)还是配置在中间层6一侧(模型120的形态)，都能够获得相同的效果。
(超声波诊断装置)
参照图6说明该实施形态的超声波诊断装置。该实施形态的超声波诊断装置具有第1实施形态的超声波探头1、收发部20、信号处理部21、图像生成部22、显示控制部23和用户接口(UI)24。或者，该实施形态的超声波诊断装置也可以具有第2实施形态的超声波探头1A来取代超声波探头1。
(收发部20)
收发部20具有未图示的发送部和接收部。收发部20给超声波探头1提供电信号产生超声波，接收超声波探头1接收到的回波信号。
发送部给超声波探头1提供电信号、发送聚束在规定焦点(发送聚束)的超声波。发送部具有例如未图示的时钟发生器、发送延迟电路和脉冲电路。时钟发生器产生决定超声波信号的发送定时和发送频率的时钟信号。发送延迟电路根据用来将超声波聚束在规定深度的聚束用延迟时间和用来朝规定方向发送超声波的偏向用延迟时间，在发送超声波时施加延迟，实施发送聚焦。脉冲电路具有与各超声波振子3相对应的各个信道(channel)的数量的脉冲发生器。脉冲电路以施加了延迟的发送定时产生驱动脉冲，提供给超声波探头1的各超声波振子3。
接收部接收超声波探头1接收到的回波信号，对该回波信号进行延迟处理，通过这样将模拟接收信号变换成整相过的(接收聚束过的)数字接收数据。接收部具有例如未图示的前置放大电路、A/D变换器、接收延迟电路、和加法器。前置放大电路在每个接收信道放大从超声波探头1的各超声波振子3输出的回波信号。A/D变换器将放大的回波信号变换成数字信号。接收延迟电路给变换成数字信号的回波信号付与决定接收指向性所必需的延迟时间。具体为，接收延迟电路将用来聚束来自规定深度的超声波的聚束用延迟时间、和用来对规定方向设定接收指向性的偏向用延迟时间付与数字回波信号。加法器加算被付与了延迟时间的回波信号。通过该加算，来自与接收指向性相对应的方向的反射成分被强调。即，从规定方向获得的接收信号被接收延迟电路和加法器整相并加算。
(信号处理部21)
信号处理部21具有B模式处理部。B模式处理部进行回波振幅信息的影像化，从回波信号生成B模式超声波栅格数据。具体为，B模式处理部对接收信号进行带通滤波处理，然后检波输出信号的包络线，用对数变换对检波过的数据实施压缩处理。并且，信号处理部21也可以具有CFM(Color Flow Mapping，彩色血流成像)处理部。CFM处理部进行血流信息的影像化，生成彩色超声波栅格数据。血流信息为速度、分布或能量等信息，血流信息作为二值化信息获得。并且，信号处理部21还可以具有多普勒处理部。多普勒处理部通过相位检波接收信号取出多普勒偏移频率成分，通过实施FFT处理生成表示血流速度的多普勒频率分布。
(图像生成部22)
图像生成部22根据从信号处理部21输出的数据生成超声波图像数据。图像生成部22具有例如DSC(Digital Scan Converter，数字扫描转换器)。图像生成部22将用扫描线信号列表示的信号处理后的数据变换成用正交坐标系表示的图像数据(扫描转换处理)。例如图像生成部22通过对用B模式处理部实施了信号处理的B模式超声波栅格数据实施扫描转换处理，生成表示被检体的组织形状的B模式图像数据。
(显示控制部23)
显示控制部23根据由图像生成部22生成的超声波图像数据将超声波图像显示在显示部25中。
(用户接口(UI)24)
用户接口(UI)24具有显示部25和操作部26。显示部25为CRT或液晶显示器等显示器，在画面上显示断层像等超声波图像。操作部26由操纵杆或跟踪球等定位设备、开关、各种按钮、键盘、或TCS(Touch CommandScreen，触摸控制屏)等构成。
图像生成部22和显示控制部23也可以分别由CPU、GPU或ASIC等未图示的处理装置，和ROM、RAM或HDD等未图示的存储装置构成。存储装置中存储有用来执行图像生成部22的功能的图像生成程序、和用来执行显示控制部23的功能的显示控制程序。CPU等处理装置通过执行存储在存储装置中的各程序执行各部的功能。
如果采用具有以上结构的超声波诊断装置，由于具有第1实施形态的超声波探头1或第2实施形态的超声波探头1A，因此能够不会使超声波探头1或超声波探头1A的声特性恶化地生成伪像少的超声波图像。
虽然说明了本发明的几个实施形态，但这些实施形态只是作为例子提出的，并没有限定发明的范围的意图。这些实施形态可以以其他各种形态实施，在不超出发明旨意的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施形态或其变形与包含在发明的范围或宗旨中一样，是包含在权利要求范围中记载的发明及其均等的范围内的。
Claims (8)
1.一种超声波探头，其特征在于，具有：接收发送超声波的超声波振子，声阻抗比上述超声波振子大的中间层，以及支承上述超声波振子的背面材料；
上述超声波振子、上述中间层和上述背面材料依上述超声波振子、上述中间层和上述背面材料的顺序配置；
还具有声阻抗比上述中间层和上述背面材料小、配置在上述中间层与上述背面材料之间的缓冲层。
2.如权利要求1所述的超声波探头，上述缓冲层的声阻抗为1～5[Mrayl]。
3.如权利要求1所述的超声波探头，还具有连接在上述中间层的与上述背面材料相对的面上、用来给上述超声波振子施加电压的基板；
上述中间层具有导电性；
上述缓冲层设置在上述基板与上述背面材料之间。
4.如权利要求2所述的超声波探头，还具有连接在上述中间层的与上述背面材料相对的面上、用来给上述超声波振子施加电压的基板；
上述中间层具有导电性；
上述缓冲层设置在上述基板与上述背面材料之间。
5.如权利要求1所述的超声波探头，还具有配置在上述中间层与上述背面材料之间、用来给上述超声波振子施加电压的基板；
上述中间层具有导电性，而且在与上述背面材料相对的面上具有凹部；
上述缓冲层配置在上述中间层的上述凹部内；
上述中间层的上述凹部的周围与上述基板连接着。
6.如权利要求2所述的超声波探头，还具有配置在上述中间层与上述背面材料之间、用来给上述超声波振子施加电压的基板；
上述中间层具有导电性，而且在与上述背面材料相对的面上具有凹部；
上述缓冲层配置在上述中间层的上述凹部内；
上述中间层的上述凹部的周围与上述基板连接着。
7.如权利要求1所述的超声波探头，上述背面材料为金属、金属炭化物或金属氧化物。
8.一种超声波诊断装置，具有：权利要求1至权利要求7中任一项所述的超声波探头，以及根据上述超声波探头接收到的信号生成超声波图像的图像生成部。
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