CN1626041A - 超声波探头和超声波诊断装置 - Google Patents

超声波探头和超声波诊断装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声波探头和超声波诊断装置。其中，该超声波探头具有：压电振子层(3)，用于收发超声波并具有被排列配置的多个压电振子(30)和形成于压电振子(30)上的多个电极(32)；声透镜(5)，用于会聚或扩散超声波；以及声匹配层(4c)，被设置在压电振子层(3)与声透镜(5)之间，由树脂基体(4e)、和被混合在树脂基体(4e)中的具有导电性的粉粒(4d)组成。

Description

超声波探头和超声波诊断装置
技术领域
本发明涉及一种超声波探头和超声波诊断装置。
背景技术
已知这样一种超声波诊断装置，即：用超声波对被检体内进行扫描，并基于由来自被检体内的反射波所生成的接收信号而使被检体的内部状态图像化。这种超声波诊断装置，借助于具备了压电振子的超声波探头对被检体内发送超声波，用超声波探头接收在被检体内部因声阻抗的不匹配而产生的反射波以生成接收信号。
超声波探头，在扫描方向上配置有多个用于根据发送信号进行振动而产生超声波，并接收反射波以生成接收信号的压电振子。这种压电振子，例如，发送在垂直于扫描方向的方向上具有均匀的矩形形状的声压分布的超声波，借助于声透镜(音响透镜)提供延迟差，由此，在被检体内的预定的深度形成焦点。
可是，为了谋求压电振子的声阻抗与被检体的声阻抗的声匹配之目的，而在压电振子之上设置具有多层构造的声匹配层，并通过声匹配层进行超声波的收发。作为声匹配层，与1层的声匹配层相比，2层的声匹配层的声匹配较为良好，若设为3层则其声匹配更好。这是因为，从压电振子向被检体的声阻抗的变化，较之于1层而言，3层的一方声损失较少。
之所以这样使压电振子和被检体的声匹配变得良好是因为，如果压电振子的声阻抗与被检体的声阻抗之差较大，则在从压电振子向被检体发送超声波时，被检体中的超声波的反射损失将增大的缘故。由此，就不能效率良好地向被检体发送超声波，而不能取得图像质量良好的图像的缘故。
图9表示具备声匹配层的超声波探头的结构，其中，该声匹配层具有多层构造。图9是超声波探头的正视图。超声波探头包括：背面材料32；压电振子层33，在该背面材料32上沿着扫描方向被分割成多个进行排列配置；声匹配层34，在该压电振子层33上沿着扫描方向被分割成多个进行排列配置；以及被设置在该声匹配层34上的声透镜35。此外，声匹配层34构成如下，即：第1声匹配层34a；被设置在该第1声匹配层34a上的第2声匹配层34b；以及被设置在该第2声匹配层34b上的第3声匹配层34c。在这种超声波探头中，压电振子层33经由声匹配层34进行超声波的收发。
一般而言，压电振子层33的声阻抗约为30Mrayl，被检体的声阻抗约为1.5Mrayl。于是，为了使压电振子层33和被检体的声匹配变得良好，需要将声匹配层4设为多层构造，并使得声阻抗从压电振子层33向被检体逐渐减小。在图9所述的超声波探头的情况下，需要使声阻抗从第1声匹配层34a向第3声匹配层34c逐渐减小，并将声匹配层34中被检体侧的声匹配层(第3声匹配层34c)的声阻抗设为1.2～3.5Mrayl。在由2层的声匹配层构成的超声波探头的情况下，需要将第2声匹配层的声阻抗设为1.2～3.5Mrayl。
以往，通过在声匹配层34上使用聚氨基甲酸乙酯(聚氨酯)或聚乙烯之类的柔软树脂薄膜，使声阻抗降低。但是，由于树脂薄膜柔软所以其切削性能较差，就不能为了将声匹配层34在扫描方向上分割成多个进行排列配置而利用切割进行加工(阵列加工)。即，在将压电振子层33和声匹配层4叠层在背面材料2之上以后，就不能按照所希望的间距进行切割。因此，存在着压电振子层33间的声串扰较高的问题。另外，由于切削性能较差，所以不能容易地制造超声波探头。
此外，由于聚氨基甲酸乙酯或聚乙烯不具有导电性，所以，不能从声匹配层34侧引出接地电极。在此，即使为了使得声匹配层34具有导电性而在聚氨基甲酸乙酯或聚乙烯中混合了金属填充物等导电粒子，但由于密度上升所以也未能满足所希望的声阻抗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易于加工的超声波探头。
本发明的第一技术方案提供一种超声波探头，具备：压电振子层，用于收发超声波并具有被排列配置的多个压电振子和形成于上述压电振子上的多个电极；声透镜，用于会聚或扩散上述超声波；以及声匹配层，被设置在上述压电振子层与上述声透镜之间，由树脂基体、和被混合在上述树脂基体中的具有导电性的粉粒构成。
本发明的第二技术方案提供一种超声波探头，具备：压电振子层，用于收发超声波；声透镜，用于会聚或扩散上述超声波；以及多个声匹配层，被叠层在上述压电振子层与上述声透镜之间；其中，上述多个声匹配层中的至少一层是由树脂基体和被混合于上述树脂基体中的具有导电性的粉粒构成的。
本发明的第三技术方案提供一种超声波诊断装置，具备：超声波探头；扫描部，经由上述超声波探头用超声波扫描被检体，收集来自上述被检体的多个回波信号；以及图像发生部，基于由上述扫描部所收集的回波信号发生上述被检体的内部图像；其中，上述超声波探头具有：压电振子层，用于收发超声波并具有被排列配置的多个压电振子、和形成于上述压电振子上的多个电极；声透镜，用于会聚或扩散上述超声波；以及声匹配层，被设置在上述压电振子层与上述声透镜之间，由树脂基体、和被混合在上述树脂基体中的具有导电性的粉粒构成。
本发明另外的目的和特征将在以下的说明中得以阐明，并部分地从该说明而显而易见，或者可通过本发明的实施而得以了解。本发明的所述目的和特征可通过在下文中特别指出的手段极其组合而得以实现和获得。
附图说明
附图包含在说明书中并构成其一部分，表明目前本发明优选的实施方式，并与上面所给出的概括说明和下面给出的其优选实施方式的详细说明一起用于阐述本发明的原理。
图1是表示本发明的实施例的超声波探头的概略结构的斜视图。
图2A是图1的第3声匹配层的剖面图。
图2B是图2A的粉粒(粉体：fine particles)的剖面图。
图3是图1的超声波探头的XZ剖面图。
图4是图1的超声波探头的YZ剖面图。
图5是表示在本发明的实施例中，中空的碳填充物的混合量与声匹配层的密度的关系的图表。
图6是表示在本发明的实施例中，中空的碳填充物的混合量与声匹配层的声阻抗的关系的图表。
图7是表示在本发明的实施例中，中空的碳填充物的混合量与声匹配层的体积电阻率的关系的图表。
图8是表示具备了本发明的超声波探头的超声波诊断装置的概略结构的框图。
图9是现有的声匹配层的剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图就本发明的实施例的超声波探头进行说明。
图1是表示本发明的实施例的超声波探头的概略结构的斜视图。超声波探头由头侧和电缆侧构成。在图1中表示了超声波探头的头侧。
如图1所示，本实施例的超声波探头1由下述构成，即：背面材料2；压电振子层3，被设置在上述背面材料2上；声匹配层4，在上述压电振子层33上沿着扫描方向Z被多层化；以及声透镜5，被设置在上述声匹配层4上用于使超声波会聚或扩散。压电振子层3，如图3所示，具有沿着扫描方向X进行排列配置的多个压电振子30。
声匹配层4由下述构成，即：第1声匹配层4a；第2声匹配层4b，被设置在上述第1声匹配层4a上；以及第3声匹配层4c，被设置在上述第2声匹配层4b上。第1至第3声匹配层4a、4b、4c被叠层在压电振子层3上。第1至第3声匹配层4a、4b、4c均具有导电性。因此，可以经由第1至第3声匹配层4a、4b、4c引出接地电极32。即，可以从声匹配层4与声透镜5之间引出接地电极32。
第1声匹配层4a具有比压电振子层3低、比第2声匹配层4b高的声阻抗。第2声匹配层4b具有比第1声匹配层4a低、比第3声匹配层4c高的声阻抗。第3声匹配层4c具有比第2声匹配层4b低、比被检体高的声阻抗。
压电振子层3沿着扫描方向X被分割。同样地，第1、第2、第3声匹配层4a、4b、4c也分别沿着扫描方向X被分割。换言之，第1声匹配层4a具有沿着扫描方向X排列配置的多个第1声匹配元件40a。多个第1声匹配元件40a分别对应于多个压电振子30。第2声匹配层4b具有沿着扫描方向X排列配置的多个第2声匹配元件40b。多个第2声匹配元件40b分别对应于多个第1声匹配元件40a。第3声匹配层4c具有沿着扫描方向X排列配置的多个第3声匹配元件40c。多个第3声匹配元件40c分别对应于多个第2声匹配元件40b。
各压电振子30与相邻的压电振子30在物理上和声学上进行分离。第1声匹配元件40a也与相邻的第1声匹配元件40a在物理上和声学上分离。第2声匹配元件40b也与相邻的第2声匹配元件40b在物理上和声学上分离。第3声匹配元件40c也与相邻的第3声匹配元件40c在物理上和声学上分离。在现有技术中，由于第3声匹配层未被分割，所以，在中间间隔第3声匹配层而相邻的压电振子30之间就会发生干扰。在本申请的发明中，由于第3声匹配元件40c也与相邻的第3声匹配元件40c在物理上和声学上分离，所以，在相邻的压电振子30之间实质上不会发生干扰。
背面材料2对从压电振子层3发出的超声波振动或接收时的超声波振动之中、对超声波诊断装置的图像提取而言不必要的超声波振动成分进行减衰吸收。
压电振子30例如由钛酸锆酸铅Pb(Zr，Ti)O3、铌酸锂(LiNbO3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)等陶瓷材料构成。另外，在压电振子层3的上下两面上形成有电极31和电极32。典型地，电极31是信号电极，电极32是共用电极(接地电极)。
此外，通过使声匹配层4多层化，和声透镜5一起抑制因与被检体的体表之间的声阻抗的差分所导致的信号损失的发生。关于该声匹配层4的构造，将在后面进行详述。
声透镜5与被检体的体表面接触以进行超声波收发的中介。借助于该声透镜5，自体表在预定的深度凝结成切层方向上的声焦点。另外，扫描方向上的声焦点通过切换控制在扫描方向上被配置为短栅状的多个压电振子30的发送/接收的定时而得以结成。
如图4所示，另外，在背面材料2与压电振子层3之间经由电极31而粘结有在整个面上形成了Cu箔的信号电极引出用的挠性基板6a。进而，在声匹配层4与声透镜5之间设置有接地引出用的挠性基板6b。具体而言，在第3声匹配层4c与声透镜5之间设置有挠性基板6b。另外，挠性基板6a起着引线的作用。
接着，详细地说明本实施例的超声波探头1的声匹配层4。在本实施例的超声波探头中，由于第3声匹配层4c经由声透镜5而与被检体接触，所以，该第3声匹配层4c被要求2Mrayl左右的声阻抗。首先，参照图2A、2B说明第3声匹配层4c的结构。图2A是第3声匹配层4c的剖面图。
第3声匹配层4c由树脂基体4e、混合在树脂基体4e中的中空的粉粒(粉体：fine particles)4d构成。粉粒4d的粒径为40nm。粉粒4d具有60％的空孔率。粉粒4d的壳体材料由在导电性上具有典型性的碳或金形成。树脂基体4e例如由声阻抗约为3Mrayl的环氧树脂或氨基甲酸乙酯树脂形成。由于通过混合粉粒4d能够使声阻抗降低，所以可以在第3声匹配层4c上采用声阻抗比较高但具有比较高的硬度的环氧树脂或氨基甲酸乙酯树脂制的树脂基体4e。由此，与压电振子层3、第1声匹配层4a、第2声匹配层4b同样地，能够对第3声匹配层4c进行切割。作为以往的第3声匹配层的材料，为了获得较低的声阻抗而不可避免地采用非常柔软的树脂。
如图2B所示，粉粒4d，就典型而言由具有导电性的例如碳制的壳体40，封入空气气体41而构成。壳体40的声阻抗比树脂基体4e高。壳体40的内部41的声阻抗比树脂基体4e低。壳体40也可以被覆具有其声阻抗低于树脂基体4e的性质的固体来取代封入气体41。
粉粒4d的粒径的大小与将要收发的超声波的波长相关。如果粉粒4d的粒径的大小过大，则超声波被粉粒4d反射而产生散射。例如，如果将粉粒4d的粒径的大小减小到小于等于超声波的波长的1/5～1/10，则超声波的反射、散射在实质上不会发生。此处，在环氧树脂内的声速为2500m/s。在本实施例中，假定使用频率为5Mhz的超声波，波长为500μs左右，且超声波的反射、散射未得到证实。粉粒4d的粒径越小，超声波的反射、散射就越难以发生。
参照图5和图6说明在混合了中空的碳填充物时的第3声匹配层4c的密度变化和声阻抗的变化。图5是表示中空的碳填充物的混合量与第3声匹配层4c的密度的关系的图表。图6是表示中空的碳填充物的混合量与第3声匹配层4c的声阻抗的关系的图表。如图5所示，如果中空的碳填充物的混合量增加，则第3声匹配层4c的密度降低。另外，如图6所示，如果中空的碳填充物的混合量增加，则第3声匹配层4c的声阻抗降低。如此，声匹配层的密度与声阻抗的比例关系成立，通过混合中空的碳填充物并使得第3声匹配层4c的密度降低，从而就可以降低第3声匹配层4c的声阻抗。例如，通过将中空的碳填充物的混合量设为约20wt％，就能够使第3声匹配层4c的声阻抗成为约2Mrayl。
另外，如果采用空孔率高于60％的碳填充物，则能够以小于约20wt％的混合量而获得约2Mrayl的声阻抗。这是因为，通过使空孔率加高，即使以相同的混合量第3声匹配层4c的密度也会降低。另一方面，在使用了空孔率低于60％的碳填充物的情况下，能够以高于约20wt％的混合量获得约2Mrayl的声阻抗。如此，即使是在改变了粉粒4d(碳填充物)的空孔率的情况下，通过调整混合量也能获得所希望的声阻抗。
参照图7说明在混合了中空的碳填充物时的第3声匹配层4c的体积电阻率的变化。图7是表示中空的碳填充物的混合量与第3声匹配层4c的体积电阻率的关系的图表。
由于碳填充物(粉粒4d)具有导电性，所以，如图7所示，如果增加对基体4e的混合量(体积率)，则第3声匹配层4c的体积电阻率减小。由此，就可以使得第3声匹配层4c具有导电性。如该图所示，如果将中空的碳填充物的混合量设定为大于或等于约20wt％，则体积电阻率将小于或等于约2Ω·cm，就能够使得第3声匹配层4c具有充分的导电性。
另外，如果为了获得导电性而增多中空的碳填充物的混合量，则有时会导致第3声匹配层4c的密度变得过低，从而不能获得所希望的声阻抗(约2Mrayl的声阻抗)。这时，也可以通过和中空的碳填充物一起混合非中空的碳填充物，来调整第3声匹配层4c的密度以获得所希望的声阻抗。
此外，在第1声匹配层4a和第2声匹配层4b中采用导电性的材料，例如碳/石墨(carbon graphite)。
如此，通过一边用树脂构成第3声匹配层4c还一边混合导电性的粉粒以使其具有导电性，就能够使接地引出用的挠性基板6b与压电振子30电连接起来。
在本实施例中，用树脂构成3层声匹配层中的1层声匹配层、即第3声匹配层4c，并在其中混合中空的粉粒以使声阻抗降低。但是，本申请的发明并不限于此。还可以用环氧树脂或氨基甲酸乙酯树脂构成3层声匹配层中的2层或3层声匹配层，并在其中混合中空的粉粒4d。也就是说，不仅仅是第3声匹配层4c，也可以用树脂构成第2声匹配层4b和第1声匹配层4a，并混合中空的粉粒。
例如，在用树脂构成3层声匹配层中的2层声匹配层时，用树脂构成第3声匹配层4c和第2声匹配层4b，在其中混合中空的粉粒以使声阻抗降低。在此，通过使在第3声匹配层4c中混合的中空的粉粒的混合量多于在第2声匹配层4b中混合的中空的粉粒的混合量，以使第3声匹配层4c的声阻抗与第2声匹配层4b的声阻抗相比降低。由此，就能够使声匹配层的声阻抗从压电振子层3向被检体逐渐降低，并可使压电振子层3与被检体的声匹配变得良好。
用树脂构成3层声匹配层中的所有的声匹配层的情况也同样如此。使在第2声匹配层4b中混合的中空的粉粒的混合量多于在第1声匹配层4a中混合的中空的粉粒的混合量，使在第3声匹配层4c中混合的中空的粉粒的混合量多于在第2声匹配层4b中混合的中空的粉粒的混合量。由此，第2声匹配层4b的声阻抗就低于第1声匹配层4a的声阻抗，第3声匹配层4c的声阻抗就低于第2声匹配层4b的声阻抗。从而，就能够使声匹配层的声阻抗从压电振子层3向被检体逐渐降低，并可使压电振子层3与被检体的声匹配变得良好。
另外，在本实施方式中，说明了由3层构成的声匹配层，但是本发明并不限于此，声匹配层4既可以由2层构成，也可以由大于或等于4层的层构成。即使在这样的情况下，通过使声匹配层的声阻抗从压电振子层3向被检体逐渐降低，也能够使声匹配变得良好。
此外，在本实施方式中，作为中空的粉粒使用了碳填充物。但是并不限于碳填充物。只要是具有导电性的粉粒即可，也可以使用Au(金)填充物等。另外，作为树脂使用了环氧树脂，但是也可以使用氨基甲酸乙酯树脂。
如上所述，通过降低被检体侧的声匹配层的声阻抗，就能够使压电振子层3与被检体之间的声匹配变得良好。
接着，说明本实施方式中的超声波探头1的制造方法。首先，当在环氧树脂中混合中空的碳填充物并进行了脱泡后，在第2声匹配层4b上涂敷该环氧树脂。然后，在加热并使树脂硬化后，研磨成所希望的厚度，由此形成第3声匹配层4c。
此外，也可以在将碳填充物混合到环氧树脂中之后，进行加热并使其硬化后制作成锭(ingot)。此时，以所希望的大小切出该锭，并研磨成所希望的厚度后制作第3声匹配层4c，将其粘结在第2声匹配层4b上。
然后，在背面材料2上经由挠性基板6a粘结压电振子3，进而在压电振子3上粘结声匹配层4。该声匹配层4是预先在第1声匹配层4a上粘结第2声匹配层4b，进而，通过上述方法在第2声匹配层4b上粘结第3声匹配层4c。之后，以所希望的间距对压电振子3和声匹配层4进行切割，以制作在扫描方向上被分割为多个的压电振子3和声匹配层4。然后，在第3声匹配层4c上经由挠性基板6b粘结声透镜5，由此制作超声波探头1。
如此，由于通过使用硬度较高的环氧树脂而使切削性能变好，所以能够通过切割来分割压电振子3和被叠层多次的声匹配层4。也就是说，由于本实施方式中的超声波探头能够进行阵列加工，所以与因使用了柔软且切削性能较差的树脂薄片而不能进行阵列加工的现有的超声波探头相比较而言，就能够减小声串扰。进而，由于使用了硬度较高且切削性能良好的材料，所以易于加工从而使得超声波探头1的制造变得容易。
接着，参照图8说明具备了本发明的超声波探头的超声波诊断装置。图8是表示本发明的实施方式的超声波诊断装置的主要部件的框图。
该超声波诊断装置60，由超声波探头61、收发电路62、收发控制电路63、图像数据变换电路64、显示控制电路65、控制电路67构成。为了经由超声波探头61用超声波扫描被检体并收集来自被检体的多个回波信号而设置了收发电路62和收发控制电路63。为了基于通过扫描所收集到的回波信号来产生被检体的内部图像而设置了图像数据变换电路64。
在超声波探头61中，使用本申请发明的超声波探头对患者等被检体发送超声波信号，并将由被检体反射的超声波作为回波信号进行接收。
收发电路62，向超声波探头61供给电信号并使之产生超声波，同时接收由超声波探头61所接收的回波信号。收发控制电路63进行收发电路62的收发控制。
图像数据变换电路64，将由收发电路62接收到的回波信号变换为被检体的超声波图像数据。显示控制电路65控制监视器66以显示由图像数据变换电路64所变换的超声波图像数据。另外，控制电路67进行超声波诊断装置60整体的控制。
在控制电路67上，连接着收发控制电路63、图像数据变换电路64、显示控制电路65，控制电路67控制上述各部件的动作。
然后，对超声波探头61的压电振子外加电信号并对被检体发送超声波，由超声波探头61接收在被检体内部因声阻抗的不匹配所产生的反射波。
根据具备了本发明的超声波探头的超声波诊断装置，由于能够使压电振子3与被检体的声匹配变得良好，所以，就能够减小超声波的反射损失，并能够效率良好地向被检体发送超声波。由此，就能够获得像质良好的图像。
另外的特征和变形可由本领域技术人员容易地想到。因此，本发明在其更宽的方面并不限于这里所描述和表示的特定细节和代表性实施方式。从而，在不脱离由附加的权利要求及其等同物所规定的概括性发明概念的精神和范围内，可进行各种各样的变形。

Claims (16)

1.一种超声波探头，其特征在于，具备：
压电振子层，用于收发超声波并具有被排列配置的多个压电振子、和形成于上述压电振子上的多个电极；
声透镜，用于会聚或扩散上述超声波；以及
声匹配层，被设置在上述压电振子层与上述声透镜之间，由树脂基体、和被混合在上述树脂基体中的具有导电性的粉粒组成。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述声匹配层具有多个声匹配元件。
3.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述粉粒是中空的。
4.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述粉粒的声阻抗低于上述树脂基体的声阻抗。
5.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述粉粒具有小于或等于上述超声波的波长的1/10的粒径。
6.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述粉粒用具有导电性的壳体材料封入气体而成。
7.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述粉粒用具有导电性的壳体材料被覆固体而成。
8.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于：
上述壳体材料由碳形成。
9.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于：
上述壳体材料由金形成。
10.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述树脂基体由环氧树脂或氨基甲酸乙酯树脂形成。
11.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述电极从上述声匹配层与上述声透镜之间引出。
12.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
还具备被设置在上述压电振子层与上述声匹配层之间、声阻抗高于上述声匹配层的声阻抗的其他声匹配层。
13.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述声匹配层具有1.5～3.5Mrayl的声阻抗。
14.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于：
上述声匹配层具有小于或等于2Ω·cm的体积电阻率。
15.一种超声波探头，其特征在于，具备：
压电振子层，用于收发超声波；
声透镜，用于会聚或扩散上述超声波；以及
多个声匹配层，被叠层在上述压电振子层与上述声透镜之间；
其中，上述多个声匹配层中的至少一层由树脂基体和被混合于上述树脂基体中的具有导电性的粉粒组成。
16.一种超声波诊断装置，其特征在于，具备：
超声波探头；
扫描部，经由上述超声波探头用超声波扫描被检体，并收集来自上述被检体的多个回波信号；以及
图像发生部，基于由上述扫描部所收集的回波信号，发生上述被检体的内部图像，
其中，上述超声波探头具有：压电振子层，用于收发超声波并具有被排列配置的多个压电振子、和形成于上述压电振子上的多个电极；声透镜，用于会聚或扩散上述超声波；以及声匹配层，被设置在上述压电振子层与上述声透镜之间，由树脂基体、和被混合在上述树脂基体中的具有导电性的粉粒组成。
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