JP2006061448A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面温度の上昇を抑え、高感度の診断画像を得ることができる超音波探触子を提供する。
【解決手段】 超音波を送受信する圧電素子１００と、送信される超音波を集束し被検体に当て、反射される超音波を受ける音響レンズ１０２と、圧電素子と音響レンズとの間に位置し、それらの間で送受信される超音波及び反射超音波を伝搬させる音響整合層１０１と、圧電素子と接し固定させる背面負荷材１０４とからなる超音波素子部１０５と、超音波素子部を収納する筺体１０６と、筺体に収納され、背面負荷材に接し、それを介して伝わる圧電素子の駆動による熱を筺体内に放熱させる放熱材１０７と、筺体内で超音波素子部及び放熱材を保持する充填材１０８と、放熱材に接し、音響整合層と音響レンズとを結合させ、それらの間で発生する熱を放熱材を介し筺体内に放熱する熱伝導率が０．９から２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムである接着部材１０３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動によって生じる熱を放出させ、診断画像の感度劣化を減少させる超音波探触子に関する。

従来の超音波探触子は、圧電素子と、音響整合層と、音響レンズと、背面負荷材とが積層されている。従来の超音波探触子について図４を用いて説明する。図４に示すように、超音波探触子は、電気音響変換素子であって、超音波を送受信する圧電素子４００、１又は２以上の層からなる音響整合層４０１、超音波の集束などを行う音響レンズ４０２、圧電素子４００の超音波放射面側の反対側に取り付けられた背面負荷材４０３からなる超音波素子部４０４と、超音波素子部４０４を収納する筺体４０５と、超音波素子部４０４と筺体４０５との間に充填される充填材４０７と、背面負荷材４０３を介して筺体４０５に備え付けられた放熱板４０６とから構成されている。不図示の超音波診断装置からの駆動信号により圧電素子４００で発生した超音波は、音響整合層４０１、音響レンズ４０２を介して不図示の被検体に照射される。

そして、被検体から反射された超音波は圧電素子４００で受信され、電気信号に変換されて超音波診断装置へ送られて処理される。このとき、圧電素子４００の内部損失や、音響整合層４０１と音響レンズ４０２との間の音響的不整合による損失によって熱が発生する。この熱は、超音波放射面である音響レンズ４０２から外部に放出される。ここで、超音波探触子の超音波放射面の温度、すなわち表面温度はＩＥＣ６０６０１−２−３７などによって規制されており、規格温度以上にすることはできない。この表面温度と、超音波診断装置からの駆動電圧とには相関があり、駆動電圧を増加させると表面温度は上昇する。通常、表面温度を規格以内に収めるために、超音波診断装置からの駆動電圧を抑制している。このため、従来の超音波探触子では、放熱板４０６によって放熱している。なお、上述したような従来の超音波探触子が下記の特許文献１に開示されている。
特開平１０−９４５４０号公報（図２）

しかしながら、特許文献１に開示されたような従来の超音波探触子では、圧電素子４００より背面負荷材４０３側、すなわち超音波放射面と反対側の熱は抑制できる。しかし、音響整合層４０１と音響レンズ４０２との間の音響的不整合によって発生する超音波放射面側の熱は、抑制できず、その熱により表面温度が上昇してしまう。そのため、超音波診断装置からの駆動電圧を減少させる必要があり、これにより超音波探触子が送信する超音波の音響出力を減少させなければならず、診断画像の感度が劣化するという問題が起こっていた。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、表面温度の上昇を抑え、高感度の診断画像を得ることができる超音波探触子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の超音波探触子は、超音波を送受信する圧電素子と、前記圧電素子から送信される前記超音波を集束して被検体に当て、前記被検体に当てられた前記超音波のうち前記被検体から反射される超音波を受ける音響レンズと、前記圧電素子と前記音響レンズとの間に位置し、前記圧電素子と前記音響レンズとの間で送受信される前記超音波及び前記被検体から反射される前記超音波を効率よく伝搬させる音響整合層と、前記圧電素子と接し、前記圧電素子を固定させる背面負荷材とからなる超音波素子部と、前記超音波素子部を収納する筺体と、前記筺体に収納され、前記背面負荷材に接し、前記背面負荷材を介して伝わる前記圧電素子の駆動により発生する熱を前記筺体内に放熱する放熱材と、前記筺体内で前記超音波素子部及び前記放熱材を保持する充填材と、前記放熱材に接し、前記音響整合層と前記音響レンズとを結合させ、結合された前記音響整合層と前記音響レンズとの間で発生する熱を前記放熱材を介して前記筺体内に放熱させる熱伝導率が０．９から２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムである接着部材とを備える。この構成により、表面温度の上昇を抑え、高感度の診断画像を得ることができる。

また、本発明の超音波探触子における前記充填材が前記接着部材であることは、本発明の好ましい態様である。この構成により、発生した熱に対して、より高い放熱効果が得られる。

また、本発明の超音波探触子は、超音波を送受信する圧電素子と、前記圧電素子から送信される前記超音波を集束して被検体に当て、前記被検体に当てられた前記超音波のうち前記被検体から反射される超音波を受ける音響レンズと、前記圧電素子と前記音響レンズとの間に位置し、前記圧電素子と前記音響レンズとの間で送受信される前記超音波及び前記被検体から反射される前記超音波を効率よく伝搬させる音響整合層と、前記圧電素子と接し、前記圧電素子を固定させる背面負荷材とからなる超音波素子部と、前記超音波素子部を収納する筺体と、前記筺体内で前記超音波素子部を保持し、前記音響整合層と前記音響レンズとを結合させ、結合された前記音響整合層と前記音響レンズとの間で発生する熱を前記筺体内に放熱させる熱伝導率が０．９から２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムである接着充填部材とを備える。この構成により、表面温度の上昇を抑え、高感度の診断画像を得ることができる。

また、本発明の超音波探触子における前記接着充填部材が、前記背面負荷材に接する構造であることは、本発明の好ましい態様である。この構成により、圧電素子によって生じる熱を筺体全体に拡散することができる。

本発明の超音波探触子は、上記構成を有し、表面温度の上昇を抑え、高感度の診断画像を得ることができる。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子について図１及び図２を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の概略断面図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の表面温度変化についての説明図である。

まず、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子について図１を用いて説明する。図１に示すように、超音波探触子は、超音波を送受信する圧電素子１００、超音波を効率よく伝搬させるための樹脂などが用いられる１又は２層以上の音響整合層１０１、被検体と接し、超音波を絞る（集束させる）ための音響レンズ１０２、音響整合層１０１と音響レンズ１０２とを接着するための接着剤１０３、圧電素子１００を機械的に保持し、かつ不要な超音波を減衰させる機能を有する背面負荷材１０４から構成される超音波素子部１０５と、超音波素子部１０５を収納するプラスチックなどの樹脂でできた筺体１０６と、超音波素子部１０５で発生した熱を放熱させる放熱板１０７と、筺体１０６内で超音波素子部１０５を保持するための充填材１０８とから構成されている。

ここで、圧電素子１００には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系などの圧電セラミックス、単結晶、及びＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの高分子などが用いられる。また、音響レンズ１０２には、例えばシリコーンゴムなどが用いられる。また、放熱板１０７には、例えば金属、金属箔を積層させた絶縁体、グラファイトなどの熱伝導に優れた材料が用いられる。また充填材１０８には、例えばエポキシなどの樹脂や発砲ウレタンなど発砲性のある材料が用いられる。

このように構成された超音波探触子において、圧電素子１００は、不図示の超音波診断装置から供給される駆動電圧を電気・音響変換効果によって、超音波を発生させる。発生した超音波は、音響整合層１０１、接着剤１０３、音響レンズ１０２を介して不図示の被検体に照射される。照射されて反射した超音波は、音響レンズ１０２、接着剤１０３、音響整合層１０１を介して圧電素子１００に受信される。超音波を受信した圧電素子１００は、電気・音響変換効果によって電気信号に変換し、変換された電気信号を超音波診断装置へ送信する。超音波診断装置では、受信した電気信号に基づいて処理を行う。

この際、音響インピーダンスが約３ＭＲａｙｌの音響整合層１０１と、音響インピーダンスが約１．４〜１．６ＭＲａｙｌの音響レンズ１０２との間で、音響的な不整合による内部損失によって熱が発生し、音響レンズ１０２の表面、すなわち超音波探触子の表面温度が上昇する。上述したように、超音波探触子の表面温度には、被検体である人体に影響がないように、ある程度以上上昇させてはいけないという規制があり、通常、超音波診断装置からの駆動電圧の最大値を抑制し、表面温度が規制値以下になるようにしている。すなわち表面温度の規制により、超音波探触子の感度は抑制されている。また、超音波探触子の表面温度の上昇を抑えるために、接着剤１０３に工夫がなされている。接着剤１０３の特徴について以下で説明する。

接着剤１０３の材料としては、接着強度が高いものであることが前提であり、音響整合層１０１のようなエポキシ樹脂を接着するには多くの接着剤がある。しかし、シリコーンゴムのような音響レンズ１０２と音響整合層１０１とを接着するものはあまりないため、接着剤１０３の材料としては、シリコーンゴムなどの材料に限定されていた。しかしながら、従来のシリコーンゴムの接着剤は、熱伝導率が０．２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下のものであった。本発明の第１の実施の形態では、接着剤１０３として、熱伝導率が０．９〜２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムを用いることによって、音響整合層１０１と音響レンズ１０２との間に発生する熱を接着剤１０３を介して放熱板１０７へ放出させるようにしている。これにより、超音波探触子の表面温度の上昇を抑えることができ、超音波診断装置からの駆動電圧を増加させることができる。すなわち、高感度の診断画像を得ることができる。

この接着剤１０３には、高熱伝導性物質を配合したシリコーンなどが用いられ、例えばＫＥ３４６６やＫＥ３４６７（信越シリコーン株式会社製）、ＳＥ４４５０（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）が用いられる。

ここで、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の表面温度変化について図２を用いて説明する。図２は、測定開始（０ｓ）からの温度変化を示している。図２より、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子は、従来の超音波探触子と比べ、表面温度を抑えられることがわかる。この表面温度の上昇の抑制によって、超音波診断装置からの駆動電圧を約１．０ｄＢ増加させることができる。すなわち、超音波診断画像の感度を１．０ｄＢ向上させることができる。以上のことから、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子を用いることによって、超音波探触子の表面温度の上昇を抑え、超音波診断装置からの駆動電圧を増加させることができる。すなわち、高感度の診断画像を得ることができる。

なお、充填材１０８に用いられる材料として、従来より用いられてきたエポキシ樹脂などの熱伝導率は、０．１９Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、十分な熱伝導はできない。しかし、充填材１０８に熱伝導率が０．９〜２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムを用いることで、音響整合層１０１と音響レンズ１０２との間の熱は、接着剤１０３、放熱板１０７を介して充填材１０８へ伝わり、放熱効果が得られる。また、第１の実施の形態では、単一の超音波探触子の場合について説明したが、この他に圧電素子を複数配列した、いわゆるアレイ型超音波探触子に本発明を用いても同様の効果がある。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る超音波探触子について図３を用いて説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係る超音波探触子の概略断面図である。第２の実施の形態に係る超音波探触子には、第１の実施の形態に係る超音波探触子と同様の構成部分もあるため、異なる構成部分に関して説明する。第２の実施の形態に係る超音波探触子は、第１の実施の形態に係る超音波探触子の構成要素である放熱板１０７を有しておらず、音響整合層１０１と音響レンズ１０２との間の接着剤と、筺体１０６内で超音波素子部１０５を保持する充填材とを同一の材料によって構成したものである。ここでは、この接着剤と充填材とを総称して接着充填材３００として説明する。

接着充填材３００として、熱伝導率が０．９〜２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムを用いることで、音響整合層１０１と音響レンズ１０２との間に生じる熱は、音響整合層１０１の超音波放射面から接着充填材３００を通り、筺体１０６内全体に広がり、放熱効果がもたらされる。これにより、超音波探触子の表面温度の上昇を抑えることができ、超音波診断装置からの駆動電圧を増加させることができる。すなわち、高感度の診断画像を得ることができる。

また、接着充填材３００が圧電素子１００や背面負荷材１０４に接することにより、圧電素子１００の内部損失による熱を抑制し、超音波探触子の表面温度の上昇を抑えることができ、超音波診断装置からの駆動電圧を増加させることができる。すなわち、高感度の診断画像を得ることができる。なお、第２の実施の形態では、単一の超音波探触子の場合について説明したが、この他に圧電素子を複数配列した、いわゆるアレイ型超音波探触子に本発明を用いても同様の効果がある。

本発明に係る超音波探触子は、表面温度の上昇を抑え、高感度の診断画像を得ることができるため、駆動によって生じる熱を放出させ、診断画像の感度劣化を減少させる超音波探触子などに有用である。

本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の概略断面図 本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の表面温度変化についての説明図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波探触子の概略断面図 従来の超音波探触子の説明図

符号の説明

１００、４００ 圧電素子
１０１、４０１ 音響整合層
１０２、４０２ 音響レンズ
１０３ 接着剤（接着部材）
１０４、４０３ 背面負荷材
１０５、４０４ 超音波素子部
１０６、４０５ 筺体
１０７、４０６ 放熱板（放熱材）
１０８、４０７ 充填材
３００ 接着充填材（接着充填部材）

Claims (4)

1. 超音波を送受信する圧電素子と、前記圧電素子から送信される前記超音波を集束して被検体に当て、前記被検体に当てられた前記超音波のうち前記被検体から反射される超音波を受ける音響レンズと、前記圧電素子と前記音響レンズとの間に位置し、前記圧電素子と前記音響レンズとの間で送受信される前記超音波及び前記被検体から反射される前記超音波を効率よく伝搬させる音響整合層と、前記圧電素子と接し、前記圧電素子を固定させる背面負荷材とからなる超音波素子部と、
   前記超音波素子部を収納する筺体と、
   前記筺体に収納され、前記背面負荷材に接し、前記背面負荷材を介して伝わる前記圧電素子の駆動により発生する熱を前記筺体内に放熱する放熱材と、
   前記筺体内で前記超音波素子部及び前記放熱材を保持する充填材と、
   前記放熱材に接し、前記音響整合層と前記音響レンズとを結合させ、結合された前記音響整合層と前記音響レンズとの間で発生する熱を前記放熱材を介して前記筺体内に放熱させる熱伝導率が０．９から２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムである接着部材とを、
   備える超音波探触子。
2. 前記充填材が、前記接着部材である請求項１に記載の超音波探触子。
3. 超音波を送受信する圧電素子と、前記圧電素子から送信される前記超音波を集束して被検体に当て、前記被検体に当てられた前記超音波のうち前記被検体から反射される超音波を受ける音響レンズと、前記圧電素子と前記音響レンズとの間に位置し、前記圧電素子と前記音響レンズとの間で送受信される前記超音波及び前記被検体から反射される前記超音波を効率よく伝搬させる音響整合層と、前記圧電素子と接し、前記圧電素子を固定させる背面負荷材とからなる超音波素子部と、
   前記超音波素子部を収納する筺体と、
   前記筺体内で前記超音波素子部を保持し、前記音響整合層と前記音響レンズとを結合させ、結合された前記音響整合層と前記音響レンズとの間で発生する熱を前記筺体内に放熱させる熱伝導率が０．９から２．９Ｗ／ｍ・Ｋのシリコーンゴムである接着充填部材とを、
   備える超音波探触子。
4. 前記接着充填部材が、前記背面負荷材に接する請求項３に記載の超音波探触子。
   

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