JP2004298368A

JP2004298368A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2004298368A
Application number: JP2003094425A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Muramatsu; 博之村松
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】製造を容易にするために基板に圧電素子を固定した超音波診断装置においても最適な周波数で動作させることが可能であり、感度を向上させることを課題とする。
【解決手段】圧電素子４１は、駆動回路３２により入力された駆動信号に応じて、測定対象物内に超音波を送信する。圧電素子４１、４２は基板４３に保持される。圧電素子４１、４２の上面に音響整合層４５を設ける。駆動回路３２は、圧電素子４１、４２を所定の周波数で圧電素子４１、４２の厚み方向に励振することで、圧電素子４１、４２を駆動する。駆動周波数は圧電素子４１、４２が基板４３に保持される前における、厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数より高く設定する。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置に関し、詳細には、動脈に対する超音波の送受信により血流変化をドップラシフト周波数の検出により測定し、脈波あるいは血液循環動態を検出するための、超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波技術を利用して物理情報を検出する超音波診断装置には、測定対象物あるいは媒体に超音波を送信して位置、距離あるいは速度を検出する計測装置、生体に超音波を放射し、その反射波のドップラシフト周波数を検出して例えば、生体の流速を測定する超音波診断装置がある。
【０００３】
図１０は従来の超音波診断装置の例である。図１０では、圧電素子の共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間の中心周波数ｆ０に動作周波数を選択するように設定された超音波診断装置である。以下にこの従来例の超音波診断装置について説明する。
【０００４】
図１０に示すように、圧電振動子１００を図示しない電極の形成されたＰＺＴとし、後面にバッキング材２００を、前面に音響整合層を形成する。そして、圧電振動子１００の動作周波数を圧電素子１００の共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａの間の中間周波数ｆ０とする。音響整合層は例えば２層構造とし、圧電板側となる１層目３００をセラミックの貼着により形成する。ただし、１層目３００の厚みは予め接着剤４００の厚みを加えた上で、動作周波数（中心周波数ｆ０）のλ／４とするように設定する。次にエポキシ系の樹脂を１層目３００の上に塗布し、固体樹脂６００とする。次にスペクトラムアナライザ等により帯域特性を監視しながらその平坦部が最も大きくなるように研磨し、最適な周波数特性を得るようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
一方、図１１は、超音波の減衰特性が十分ではないが、製造を容易にするためにガラスエポキシ基板やガラス基板などの基板に圧電素子を設けた超音波診断装置の従来例である（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
図１１の通り、超音波診断装置は、基板４３０に圧電材料４１０、４２０を固定し、圧電材料４１０、４２０に電圧を印加するための電極４７０ａ、４７０ｂにより構成される。
【０００７】
上記いずれにおいても、圧電素子を駆動する周波数は、固定前の圧電素子の共振周波数、反共振周波数を基準として決定されていた（例えば、特許文献２参照。）
【０００８】
【特許文献１】
特許２７９１５８８号公報（第２−３頁、第１図）
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−０８５３６１（第９−１０頁、第６図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波診断装置は、製造ばらつきを抑え、製造を容易にするためガラス、シリコン、ガラエポなどの基板上に圧電素子を接着などにより固定し、圧電素子上に音響整合層を設ける場合、圧電素子の厚み方向の共振周波数、反共振周波数が高周波数側にシフトし、固定前の圧電素子の共振周波数、反共振周波数を基準として圧電素子の駆動周波数を決定すると、感度が低くなってしうという問題があった。
【００１１】
また、従来の超音波診断装置は、基板に固定せず、バッキング材として通常のタングステン粉末を混合したエポキシ樹脂などを使用すると、圧電素子への配線が困難になるなど、製造上の不具合があった。
【００１２】
そこで、本発明は、製造を容易にするために基板に圧電素子を固定した超音波診断装置においても、最適な周波数で動作させることが可能であり、感度を向上させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の超音波診断装置は、入力された駆動信号に応じて測定対象物内に超音波を送信する圧電素子と、前記圧電素子を保持する基板と、前記圧電素子上面に設けた音響整合層と、前記圧電素子を所定の周波数で駆動する駆動周波数により、前記圧電素子の厚み方向に励振し駆動する駆動回路と、を有し、前記駆動周波数は前記圧電素子の基板保持前の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数より高く設定したことを特徴とする。このような構成とすることで、圧電素子を基板上に固定した際に、共振点が高周波数側にシフトしても所望の検出感度を得ることができる。
【００１４】
本発明の超音波診断装置は、前記駆動周波数は、前記基板に保持する前の前記圧電素子の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数に対して１．０２乃至１．２７倍の倍率に設定したことを特徴とする。駆動周波数を圧電素子の基板保持前の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数に対して１．０２〜１．２７倍に設定することで、さらに検出感度を向上させることができる。
【００１５】
本発明の超音波診断装置は、前記音響整合層がエポキシ系樹脂であり、前記駆動周波数は前記エポキシ樹脂の硬化後の機械的強度により前記倍率を選択したことを特徴とする。例えば、音響整合層の機械的強度が高いほど駆動周波数の設定値を大きくすると、さらに検出感度を向上させることができる。ここで、機械的強度とはヤング率などをいう。
【００１６】
本発明の超音波診断装置は、前記基板の材質が、ガラス、シリコン、ガラスエポキシ樹脂、セラミックのいずれかの基板であることを特徴する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１〜図９を参照して、本発明の超音波診断装置の１実施の形態について詳細に説明する。先ず、図１〜図２を参照して、超音波診断装置１の外観について説明する。
【００１８】
図１は、本発明を適用した超音波診断装置１の外観上の構成を示す側面図であり、図２は、図１に示した超音波診断装置１を生体２（腕）に装着した状態を示す図である。
【００１９】
図２に示すように、超音波診断装置１は、処理部３、超音波センサ部４、バンド５、及び止め金具６によって概略構成されており、図２に示すように、超音波診断装置１は、生体２に装着することにより常時携帯可能である。ここで、処理部３及び超音波センサ部４は、バンド５に取り付けられており、バンド５及び止め金具６によって生体２（図中の破線部）に装着される。この時、超音波センサ部４は、生体２の橈骨（とうこつ）動脈あるいは尺骨動脈付近（図示省略）に当接される。また図示しないが、処理部３と超音波センサ部４は導線により接続されており、この導線を介して処理部３から駆動用電圧信号が超音波センサ部４に入力され、超音波センサ部４で測定された電圧信号が処理部３に入力される。
【００２０】
次に、図３を参照して超音波診断装置１の処理部３について説明する。図３は、処理部３の内部構成と、処理部３と超音波センサ部４の接続状態を示すブロック図である。図３に示すように、処理部３は、演算処理部３１、駆動回路３２、及び表示部３３によって概略構成されている。
【００２１】
演算処理部３１は、内部に備えた記憶領域（図示省略）に記憶されている処理プログラムを実行することによって、脈の検出に関する各種処理を実行し、その処理結果を表示部３３に表示する。演算処理部３１は、脈測定時に、駆動回路３２から超音波センサ部４の送信用圧電素子４１（詳細は後述）に特定の駆動用電圧信号を出力させる。また、演算処理部３１は、送信用圧電素子４１から発せられた超音波の周波数と、受信用圧電素子４２で受信され血流のドップラ効果により変化した超音波の周波数と、を比較して脈を検出する。
【００２２】
駆動回路３２は、演算処理部３１の指示に従って、特定の駆動用電圧信号を超音波センサ部４の送信用圧電素子４１に出力する。表示部３３は、液晶表示画面等によって構成されており、演算処理部３１から入力される脈波検出結果等を表示する。
【００２３】
次に、図４を参照して、超音波診断装置１の超音波センサ部４について説明する。図４は、超音波センサ部４の構成を示す概要図である。
【００２４】
図４に示すように、超音波センサ部４は、送信用圧電素子４１、受信用圧電素子４２、基板４４、音響整合層４５によって概略構成されている。ここで、送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２の厚み方向の両面には、図示しない電極が形成されている。図示しない導線により、送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２の厚さ方向に電圧を印加する事が可能である。
【００２５】
また、送信用圧電素子４１は、図示しない両面の電極が処理部３の駆動回路３２と導線によって接続されている。そして、送信用圧電素子４１の両面に設けられた電極に、駆動回路３２から特定の駆動用電圧信号が印加されると、送信用圧電素子４１は励振して特定周波数の超音波を発生し、生体内（図５の２ａ参照）に送信する。
【００２６】
受信用圧電素子４２は、その両面に設けられた電極が処理部３の演算処理部３１と導線によって接続されている。受信用圧電素子４２は、生体内部からの反射超音波を受信すると、この超音波を電圧信号に変換し、処理部３の演算処理部３１に出力する。
【００２７】
尚、送信用圧電素子４１と受信用圧電素子４２に、同一の圧電素子を使用してもよい。また、圧電素子４１，４２によって超音波の送信、受信を分担させているが、一枚の圧電素子を使用して、超音波の送信、受信を行うことも可能である。
【００２８】
本実施の形態では、送信用圧電素子、受信用圧電素子として外形０．６５×８ｍｍ、厚み方向の振動のＱ値が７５、圧電定数ｄ３３が４１７（×１０^−１２ｍ／Ｖ）のＰＺＴを、基板４４は厚さ１．０ｍｍ、外形４×１２ｍｍのガラスエポキシ基板を使用した。
【００２９】
次に、図３及び図５を参照して、超音波診断装置１における処理部３及び超音波センサ部４の動作について説明する。図５は本実施の形態の超音波診断装置の超音波センサ部４と生体２との配置関係を示した図である。
【００３０】
先ず、生体に超音波診断装置１を装着すると（図５では超音波センサ部４のみ記載）、図５に示すように、超音波センサ部４が生体２（の橈骨（とうこつ）動脈あるいは尺骨動脈付近）に当接される。そして、脈の検出時に、図３に示す演算処理部３１は、駆動回路３２から送信用圧電素子４１の両面に設けられた電極に特定の駆動用電圧信号を出力させる。
【００３１】
送信用圧電素子４１は、両面に設けられた電極に入力された駆動用電圧信号に基づいて励振し超音波を発生し、該超音波を生体２（図５参照）内に送信する。生体２内に送信された超音波は動脈内の血流２ａにより反射され、超音波センサ部４の受信用圧電素子４２により受信される（超音波の伝播経路を矢印で示す）。受信用圧電素子４２は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両面に設けられた電極から演算処理部３１に出力する。
【００３２】
次に、演算処理部３１は、送信用圧電素子４１から送信された超音波の周波数と、受信用圧電素子４２で受信され血流のドップラ効果により変化した超音波の周波数と、を比較して生体の脈を検出する。そして、演算処理部３１は、脈の検出結果を表示部３３に表示する。このようにして、超音波診断装置１は、生体の脈を測定・表示する。
【００３３】
次に本実施の形態の超音波センサ部４の製造方法について、図４を用いて説明する。送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２はアルミ、Ａｕなどの金属を真空蒸着等することで両面に電極を形成し、外形をダイシングなどにより切断する。
【００３４】
基板４４と送信用圧電素子４１、受信用圧電素子４２を接着剤などにより固定する。さらにエポキシ樹脂の音響整合層４５を圧電素子、基板に塗布することにより形成する。
【００３５】
さらに、送信用圧電素子４１に設けられた両面電極は図示しない配線により、図３の処理部３の駆動回路３２に接続され、受信用圧電素子に設けられた両面電極は演算処理部３１に接続される。
【００３６】
次に圧電素子４１の設定周波数と駆動周波数の関係について説明する。図６（ａ）における曲線Ａが圧電素子４１、４２を基板４４に接着により固定する前の圧電素子４１，４２のアドミッタンス特性であり、図６（ａ）における曲線Ｂが圧電素子４１、４２を基板４４に接着により固定し、音響整合層を設けた後のアドミッタンス特性である。図６（ａ）からわかるように、基板４４に接着し、音響整合層を形成すると、結果として厚み方向の共振点は高周波数側にシフトする。そのため、共振周波数と反共振周波数の中間の周波数も高周波数側にシフトする（図６（ａ）におけるｆ１からｆ１’へのシフト）。なお、図６（ａ）において、ｆ１よりも低周波側にアドミッタンスの極大値が複数個見られるが、これは圧電素子の長さ方向の振動及び、その高調波成分であり、実際に使用するモードは共振周波数が図６（ａ）におけるＡの９．５ＭＨｚ付近の振動モードである。
【００３７】
図６（ｂ）はこのときのセンサの感度（送信用圧電素子４１に４Ｖのバースト波を入力した場合に、送信された超音波が圧電トランスデューサ４から４．０ｍｍ程度離して対向・設置された真鍮板に反射して受信用圧電素子４２によって検出されるときの出力電圧）の周波数特性である。明らかにｆ１’に近いｆ２付近に強度のピークがシフトしてしまっていることがわかる。
【００３８】
このシフト量は基板４４の材質、音響整合層４４の材質、厚さで変化するが、おおよそ１．０２〜１．２７倍になることが実験により確認された。図６はｆ１を１０．１５ＭＨｚに設定した圧電素子を使用した結果であり、図７はｆ１が９．６５ＭＨｚである圧電素子を使用した場合の結果である。シフト量は若干異なるが、同様に高周波数側にシフトすることがわかる。
【００３９】
図８はｆ１とシフト量（ｆ１’／ｆ１）の結果である。例えば、共振周波数と反共振周波数の中間の周波数が９．４ＭＨｚの圧電素子を使用した場合、駆動周波数を９．４×１．０２〜９．４×１．２７＝９．６〜１１．９ＭＨｚに設定すれば、感度を著しく低下させること無く、動作させることができた。
【００４０】
このシフト量は、音響整合層４５のエポキシ樹脂の厚さ、機械的強度によって大きく変化する。図９は樹脂硬さ（ＪＩＳＡ）が８０程度の樹脂を使用した場合のアドミッタンス特性の変化を示した図である。図６、図７の場合（樹脂硬さが９２程度）の場合に比べ、その変化量が小さいことがわかる。
【００４１】
そのため、音響整合層４５の硬さが高いほど、１．０２〜１．２７の範囲内で駆動周波数を高く、逆に低いほど駆動周波数も低く設定すればよい。なお、樹脂硬さ（ＪＩＳＡ）とヤング率とは略比例関係があることがわかっており、この樹脂硬さが不明であるばあいには、ヤング率を基準としてその駆動周波数を選定することも可能である。
【００４２】
また特に広帯域、高感度化を目指して、低Ｑ，高圧電定数のＰＺＴを使用した場合にこの傾向が顕著であることが実験により確認されている。
さらに基板についても、ガラエポ基板より機械的強度が高いガラス基板を使用した場合のほうがこの周波数変化の割合が大きかった。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の超音波診断装置によれば、製造ばらつきを低減しつつ、強度を向上させた超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した超音波診断装置の構成を示す外観図である。
【図２】本発明の超音波診断装置を生体（腕）に装着した状態を示す外観図である。
【図３】処理部の内部構成と、超音波センサとの接続状態を示すブロック図である。
【図４】本発明による超音波診断装置の超音波センサの構成を示す図である。
【図５】超音波センサが生体に当接された状態を示す図である。
【図６】アドミッタンス特性、感度特性の結果を示す図である。
【図７】アドミッタンス特性の結果を示す図である。
【図８】共振周波数のシフト量を示す図である。
【図９】アドミッタンス特性の結果を示す図である。
【図１０】従来の超音波診断装置のセンサ部の図である。
【図１１】従来の超音波診断装置のセンサ部の図である。
【符号の説明】
１超音波診断装置
２生体
２ａ血管
３処理部
３１演算処理部
３２駆動回路
３３表示部
４超音波センサ部
４１送信用圧電素子
４２受信用圧電素子
４３基板
４５音響整合層
５バンド
６止め金具
１００圧電振動子
２００バッキング材
３００音響整合層
４００接着剤
４１０圧電素子
４２０圧電素子
４３０基板
４７０ａ電極
４７０ｂ電極
６００固体樹脂

Claims

入力された駆動信号に応じて測定対象物内に超音波を送信する圧電素子と、
前記圧電素子を保持する基板と、
前記圧電素子上面に設けた音響整合層と、
前記圧電素子を所定の周波数で駆動する駆動周波数により、前記圧電素子の厚み方向に励振し駆動する駆動回路と、を有し、
前記駆動周波数は前記圧電素子の基板保持前の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数より高く設定したことを特徴とする超音波診断装置。
前記駆動周波数は、前記基板に保持する前の前記圧電素子の厚み方向の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数に対して１．０２乃至１．２７倍の倍率に設定したことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記音響整合層がエポキシ系樹脂であり、前記駆動周波数は前記エポキシ樹脂の硬化後の機械的強度により前記倍率を選択したことを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
前記基板の材質は、ガラス、シリコン、ガラスエポキシ樹脂、セラミックのいずれかの基板であることを特徴する請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波診断装置。