JP2006262149A - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波ビームのビーム幅を絞るのにより好適な超音波探触子を実現する。
【解決手段】 超音波探触子１は、被検体との間で超音波を送受する振動子１０ａ〜１０ｃを複数配列し、各振動子１０ａ〜１０ｃは、超音波を送受する複数の振動素子１２−１〜１２−ｍを有し、振動素子１２−１〜１２−ｍの間に充填材を配して充填層１４を形成してなり、充填層１４は、短軸方向に弾性定数が異なって形成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被検体との間で超音波を送受する超音波探触子及び被検体の超音波像を撮像する超音波診断装置に関する。

被検体の診断画像を撮像する超音波診断装置として、被検体との間で超音波を送受する振動子を複数配列した超音波探触子に駆動信号を供給し、超音波探触子から出力される受信信号に基づき超音波像を再構成するものが知られている。

このような超音波診断装置により撮像される超音波像の分解能は、超音波探触子で送受される超音波ビームのビーム幅又は径（以下、ビーム幅と総称する）に左右される。このビーム幅は、振動子の配列方向（以下、長軸方向という）の幅や、長軸方向に直交する方向（以下、短軸方向という）の幅により決められる。

長軸方向のビーム幅を絞るときは、各振動子で送受される超音波に遅延時間を付与する電子フォーカスが行われる。一方、短軸方向のビーム幅を絞るために、例えば、短軸方向に沿って振動子の中心部の厚みを薄く形成し、中心部から端部に向かうにつれて厚く形成することにより、短軸方向の中心部で高周波の応答性を高くしつつ、端部で低周波の応答性を高くする。これによって、短軸方向の開口径が超音波の周波数に逆比例して変化することになるため、超音波の周波数を制御して被検体の浅部から深部まで短軸方向のビーム幅を絞ることが行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１０７５９５号公報

しかし、特許文献１のような方式では、超音波が低周波である場合、超音波の応答性が各振動子の肉厚部つまり端部で高いため、端部での音圧が中央部よりも高くなることがある。その場合、ビーム幅が比較的太くなり、結果として超音波像の分解能が劣化するという問題がある。

本発明の課題は、超音波ビームのビーム幅を絞るのにより好適な超音波探触子及び超音波診断装置を実現することにある。

上記課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、被検体との間で超音波を送受する振動子を複数配列し、その振動子は、超音波を送受する複数の振動素子を有し、振動素子間に充填材を配して充填層を形成してなり、充填層は、振動子の一軸方向に弾性定数が異なることを特徴とする。

すなわち、充填層は各振動素子に密着しているため、充填層の弾性定数を一軸方向に異ならせて充填層を形成することにより、各振動素子の伸縮の程度を一軸方向に変えることができる。換言すると、各振動子素子の電気機械結合係数を一軸方向に変えることができる。したがって、超音波の周波数に関わらず、一軸方向のビーム音圧に重みを付けることが可能になり、一軸方向のビーム幅を所望の細さに絞ることができる。その結果、被検体の浅部から深部にわたって高分解能画像を構成できる。

ここでの充填層については、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて弾性定数を小さくして形成できる。これにより、短軸方向の中央部でビーム音圧を大きくしつつ、端部でビーム音圧を小さくできるため、短軸方向のビーム幅が絞られた超音波ビームを形成できる。

また、振動子については、隣の前記振動子との間に分離材が配設され、その分離材は、充填層よりも減衰率が大きい材料から形成できる。これにより、各振動子間のいわゆるクロストークが抑制されるので、ノイズを低減できる。

また、本発明の超音波診断装置は、上記の超音波探触子に駆動信号を供給する送信部と、超音波探触子から出力される受信信号を受信する受信部と、受信部から出力される受信信号に基づき超音波像を再構成する画像構成部とを備えて構成できる。

本発明によれば、超音波ビームのビーム幅を絞るのにより好適な超音波探触子及び超音波診断装置を実現できる。

本発明を適用した超音波探触子及び超音波診断装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の超音波探触子の構成を示す斜視図である。図２は、図１の振動子の構成を示す斜視図である。なお、本形態では、振動子の配列方向を長軸方向と称し、長軸方向に直交する方向を短軸方向と称する。また、各振動子から被検体に向けて超音波が送波される方向を超音波射出方向と適宜称し、振動子の背面側の方向を背面方向と適宜称する。

図１に示すように、被検体の診断画像を撮像する超音波探触子１は、被検体との間で超音波を送受する複数の振動子（例えば、振動子１０ａ〜１０ｃ）を配列して形成されている。

本発明に係る超音波探触子１に適用する振動子１０ａは、図２に示すように、超音波を送受する複数の圧電体としての振動素子（例えば、振動素子１２−１〜１２−ｍ）を有し、振動素子１２−１〜１２−ｍの間に充填材を配して充填層１４が形成されている。充填層１４は、振動子１０ａの一軸方向に弾性定数が異なって形成されている。より具体的には、充填層１４は、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて弾性定数を小さくして形成されている。振動子１０ｂ、１０ｃについても同様である。

より詳細に超音波探触子１について説明する。図１に示すように、超音波探触子１は、振動子１０ａ〜１０ｃを配列した圧電層１６と、圧電層１６の超音波送受面側に配設された音響整合層１８と、音響整合層１８の被検体側に配設された音響レンズ２０と、圧電層１６の背面側に配設されたバッキング層２２を有して構成される。

圧電層１６は、振動子１０ａ〜１０ｃが短冊状に並べて配設されている。振動子１０ａ〜１０ｃは、各振動子１０ａ〜１０ｃ間の超音波のクロストークを抑制する分離材２４ａ〜２４ｃが間に介在されている。例えば、振動子１０ａは、隣の振動子１０ｂとの間に分離材２４ａが配設されている。ここでの分離材２４ａ〜２４ｃは、充填層１４よりも減衰率が大きい材料を用いて形成されている。なお、圧電層１６の超音波射出側と背面側とを挟む一対の電極が配設されている。

音響整合層１８は、分離材２４ａ〜２４ｃにより長軸方向に複数に分離されている。換言すると、音響整合層１８は、振動子１０ａ〜１０ｃの超音波送受面に対応して分割されている。この音響整合層１８は、圧電層１６に配設される第一の整合層１８ａと、整合層１８ａの被検体側の面に重ねられる第二の整合層１８ｂとを有する。整合層１８ａは、セラミックスに樹脂を充填した材料など、圧電層１６よりも音響インピーダンスが小さい材料を用いて形成されている。整合層１８ｂは、整合層１８ａよりも音響インピーダンスが被検体に近い材料（例えば、樹脂）を用いて形成されている。これらの整合層１８ａ、１８ｂは、超音波の中心周波数（ｆ_center）に対する１／４波長板としての役割をそれぞれが果たしている。なお、二層構造の音響整合層１８を説明したが、一層構造でもよい。

音響レンズ２０は、被検体側に膨らんで形成された凸面を有し、振動子１０ａ〜１０ｃと被検体との間で送受される超音波をフォーカスする。この音響レンズ２０は、音響インピーダンスが被検体に近く、音速が被検体よりも遅い材料（例えば、シリコン、ゴム）を用いて形成されている。また、バッキング層２２は、振動子１０ａ〜１０ｃの背面から射出された超音波を減衰する背面部材である。

振動子１０ａは、図２に示すように、いわゆる１−３型複合圧電体構造に形成されたものである。より具体的には、振動子１０ａは、超音波を送受する複数の振動子素子１２−１〜１２−ｍを有し、振動子素子１２−１〜１２−ｍの間に充填材を配して充填層１４が形成されている。振動子１０ｂ、１０ｃについても同様である。なお、１−３型複合圧電体構造に限らず、２−２型複合圧電体構造の場合にも本発明を適用できる。要は、複数の振動子素子１２−１〜１２−ｍが配列された複合圧電体構造の超音波探触子に適用できる。

振動素子１２−１〜１２−ｍは、短軸方向に４列に配列されるとともに、長軸方向に８列に配列されている。各振動素子１２−１〜１２−ｍは、角柱形の細棒にそれぞれ形成されており、超音波射出方向に立設して配列されている。ただし、配列数や形状については適宜変更できる。ここでの振動素子１２−１〜１２−ｍは、圧電セラミックス（例えば、ＰＺＴ、ＰＺＬＴ）、圧電単結晶（例えば、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＴ）、有機圧電材料（例えば、ＰＶＤＦ）、又はそれらと樹脂とで構成される複合材などにより形成される。

充填層１４は、短軸方向に弾性定数が異なって形成されている。より具体的には、充填層１４は、振動素子１２−１〜１２−８の間に充填された充填部１４ａと、振動素子１２−９〜１２−２４の間に充填された充填部１４ｂと、振動素子１２−２５〜１２−ｍの間に充填された充填部１４ｃという３つの部分に短軸方向に分けられている。換言すると、充填層１４は、短軸方向の中央部に位置する充填部１４ｂと、充填部１４ｂを挟んで短軸方向の端部に位置する充填部１４ａ及び充填部１４ｃを有して形成されている。充填部１４ａ及び充填部１４ｃは、弾性定数の小さい材料（例えば、セラミックス、エポキシ樹脂）を用いて形成されている。充填部１４ｂは、弾性定数の大きい材料（例えば、ポリウレタン、シリコン、ゴム）を用いて形成されている。要するに、充填部１４ａ及び充填部１４ｃは、比較的硬い材料を用いて形成される一方、充填部１４ｂは、比較的軟らかい材料を用いて形成される。なお、充填層１４を短軸方向に３つに分けた例を説明したが、それ以上に分割し、各分割部をそれぞれ異なる材料で形成してもよい。要は、充填層１４の弾性定数が短軸方向に異なればよい。

図３は、本実施形態の超音波探触子１を適用した超音波診断装置２５の構成図である。図３に示すように、超音波診断装置２５は、超音波探触子１に駆動信号としての送信パルスを信号線を介して供給する送信部２６と、超音波探触子１から出力される受信信号を受信する受信部２８と、受信部２８から出力される受信信号に基づき、被検体の診断画像としての超音波像（例えば、断層像、Ｍモード像）を再構成する画像構成部３０とを備えている。

このように構成される超音波探触子１及び超音波診断装置２５の動作について説明する。まず、被検体の体表に超音波探触子１の音響レンズ２０側を接触させる。超音波探触子１に送信部２６から駆動信号が出力されると、駆動信号は例えば振動子１０ａに供給される。供給された駆動信号が電極を介して振動素子１２−１〜１２−ｍに入力すると、振動素子１２−１〜１２−ｍが振動子１０ａの厚み方向に伸縮する。これによって、振動素子１２−１〜１２−ｍから超音波が送波される。送波された超音波により超音波ビームが形成され、被検体に向けて射出される。被検体から発生する反射エコーは、電極を介して振動素子１２−１〜１２−ｍに受波されることによって受信信号に変換される。変換された受信信号は、受信部２８により増幅や整相加算などの処理が施される。受信部２８から出力した受信信号は、画像構成部３０により超音波像として再構成される。再構成された超音波像は、モニタの表示画面に表示される。

図４は、超音波探触子１により送受される超音波ビームの短軸方向の音圧分布と、図２の振動子１０ａを長軸方向から見た図である。振動子１０ａに駆動信号を供給すると、その駆動信号は各振動素子１２−１〜１２−ｍに入力される。これによって、各振動素子１２−１〜１２−ｍが縦方向に伸縮する。このときの振動素子１２−１〜１２−８は、充填部１４ａの硬さに起因して伸縮の程度が比較的小さい。振動素子１２−２５〜１２−ｍも同様である。一方、振動素子１２−９〜１２−２４は、充填部１４ｂの軟らかさに起因して伸縮の程度が比較的大きい。したがって、各振動素子１２−１〜１２−ｍにより形成される超音波ビームは、図４に示すように、短軸方向の中央部の音圧が端部よりも大きいものとなる。

すなわち、充填層１４は振動素子１２−１〜１２−ｍに密着しているため、充填層１４の弾性定数を短軸方向に異ならせて充填層１４を形成することにより、各振動素子１２−１〜１２−ｍの伸縮の程度を短軸方向に変えることができる。換言すると、各振動子素子１２−１〜１２−ｍの電気機械結合係数を短軸方向に変えることができる。

したがって、超音波が高周波又は低周波であるときでも、短軸方向の端部のビーム音圧が中央部よりも大きくなることを回避できる。要するに、超音波の周波数に関わらず、短軸方向のビーム音圧に重みを付けることが可能になるため、短軸方向のビーム幅を所望の細さに絞ることができる。また、微細な各振動子素子１２−１〜１２−ｍの形状を異ならせずに短軸方向のビーム幅を簡単に絞ることができる。これにより、被検体の浅部から深部にわたって高分解能画像を撮像できる。

ここで、本発明の原理について補足説明をする。図５は、短軸方向に弾性定数を一様にして充填層４０を形成した場合の振動子４２の斜視図である。まず、図５の振動子４２の系全体の電気機械結合係数ｋ_３３について説明する。振動子４２に一様な応力Ｔが印加されることによって振動子４２に一様な歪みＳが生じたとすると、歪みＳは、数１式のように表される。数１式により、振動子４２の系全体の電気機械結合係数ｋ_３３は、数２式のようになる。

なお、振動素子１２−１〜１２−ｍの体積分率をｖ_１とし、充填層４０の体積分率をｖ_２とする。また、振動素子１２−１〜１２−ｍの圧電定数をｄ^１ _ｉｊとし、弾性コンプライアンスをｓ^１ _ｉｊとし、誘電率をε^１ _ｉｊとする。充填層４０の圧電定数をｄ^２ _ｉｊとし、弾性コンプライアンスをｓ^２ _ｉｊとし、誘電率をε^２ _ｉｊとする。ここでいう弾性コンプライアンスとは、弾性定数の逆数に対応する。

（数１式）

（数２式）

次に、図５の充填層４０に樹脂などの材料を充填すると、充填層４０の弾性コンプライアンスｓ^２ _３３、圧電定数ｄ^２ _３３、誘電率ε^２ _３３は、数３式のように表される。この場合の振動子４２の系全体の電気機械結合係数ｋ_３３は、数４式のように表される。数４式に示すように、系全体の電気機械結合係数ｋ_３３は、振動素子１２−１〜１２−ｍの電気機械結合係数ｋ^１ _３３に近似する。

（数３式）

（数４式）

一方、図５の充填層４０に、振動素子１２−１〜１２−ｍと同じ弾性コンプライアンスを有する材料を充填すると、充填層４０の弾性コンプライアンスｓ^２ _３３、圧電定数ｄ^２ _３３、誘電率ε^２ _３３は、数５式のように表される。例えば、振動素子１２−１〜１２−ｍが圧電セラミックスＰＺＴで形成されている場合、充填層４０にセラミックスを充填する。この場合の系全体の電気機械結合係数ｋ_３３は、数６式のように表される。数６式に示すように、系全体の電気機械結合係数ｋ_３３は、振動素子１２−１〜１２−ｍの電気機械結合係数ｋ^１ _３３が可変されたものとなる。

（数５式）

（数６式）

なお、充填層４０にＰＶＤＦなどの有機圧電材料を充填すると、充填層４０の弾性コンプライアンスｓ^２ _３３、圧電定数ｄ^２ _３３、誘電率ε^２ _３３、系全体の電気機械結合係数ｋ_３３は、数７式のように表される。数７式に示すように、充填層４０にＰＶＤＦなどの有機圧電材料を用いると、系全体の電気機械結合係数ｋ_３３については、振動素子１２−１〜１２−ｍの電気機械結合係数ｋ^１ _３３よりも更に小さくできる。

（数７式）

本発明は、このような原理に着目してなされたものである。すなわち、図２の充填層１４の場合、充填部１４ａ及び充填部１４ｃに、セラミックスやエポキシ樹脂などの弾性コンプライアンスが大きい特性（Ｓ_{３３（high）}）を有する材料を充填し、充填部１４ｂには、ポリウレタン、シリコン、ゴムなどの弾性コンプライアンスが小さい特性（Ｓ_{３３（low）}）を有する材料を充填する。換言すると、充填部１４ａ及び充填部１４ｃに、弾性定数が小さい比較的硬い材料を充填し、充填部１４ｂには、弾性定数が大きい比較的軟らかい材料を充填する。これにより、各振動素子１２−１〜１２−ｍの電気機械結合係数を短軸方向に異ならせることができる。したがって、超音波の周波数に関わらず、短軸方向のビーム音圧に重みを付けることが可能になる。

また、他の例として、充填部１４ａ及び充填部１４ｃに、負の圧電定数（−ｄ_３３）を有する有機圧電材料（例えばＰＶＤＦ）を充填し、充填部１４ｂには、ポリウレタン、シリコン、ゴムなどの弾性コンプライアンスが小さい特性（Ｓ_{３３（low）}）を有する材料を充填してもよい。

図６は、本実施形態と比較するための図であり、図５の振動子４２による超音波ビームの短軸方向の音圧分布を示す図である。ここでの振動子４２は、充填層４０が短軸方向に弾性定数が一様に形成されている。したがって、図６に示すように、超音波ビームの短軸方向の音圧は、短軸方向に中心部から端部に向かって一様な分布を示す。この点、本実施形態によれば、図４に示すように、短軸方向の音圧分布に重みを付けることができるため、低周波のときでも短軸方向の端部の音圧が中心部よりも大きくなることを回避できる。すなわち、超音波の周波数に関わらず、短軸方向のビーム音圧に重みを付けることが可能になり、短軸方向のビーム幅を所望の細さに絞ることができる。したがって、超音波ビームに生じるサイドローブを低減できるから、被検体の浅部から深部にかけて高分解能画像を撮像することができる。

図７は、本実施形態と比較するための参考の形態であり、振動子５０を長軸方向から見た図と、振動子５０により送受される超音波ビームの音圧分布を示す図である。図７に示すように、振動子５０は、超音波送受面が短軸方向に凹平面に形成されている。より具体的には、振動子５０は、短軸方向に沿って中心部の厚みが薄く形成されるとともに、中心部から端部に向かうにつれて厚く形成されている。これによって短軸方向の中心部で高周波の応答性が高くなる一方、端部で低周波の応答性が高くなる。

本参考の形態によれば、図７に示すように、超音波が高周波（ｆ_high）である場合、超音波の応答性が振動子５０の薄肉部つまり中央部で高い一方、肉厚部つまり端部で低いため、短軸方向のビーム幅が絞られる。これによって、例えば被検体の浅部について高分解能画像を撮像できる。しかし、超音波が低周波（ｆ_low）である場合、超音波の応答性が振動子５０の肉厚部つまり端部で高いため、端部での音圧が中央部よりも高くなることがあり、短軸方向のビーム幅が比較的大きくなる。その結果、例えば被検体の深部についての画像分解能が劣化する。

この点、本実施形態によれば、超音波の周波数に関わらず、短軸方向のビーム音圧に重みを付けることが可能になり、短軸方向のビーム幅を所望の細さに絞ることができる。

また、従前の技術として、図５の各振動子素子１２−１〜１２−ｍの分極強度を例えば短軸方向に異ならせることにより、短軸方向のビーム音圧に重みを付けるものがある（例えば、特開平５−７６５２７号公報）。しかし、このような方式の場合、各振動素子１２−１〜１２−ｍの分極強度を異ならせるための回路構成が煩雑になる。この点、本実施形態によれば、回路構造に影響を与えずに短軸方向のビーム音圧に重みを付けることができる。

上述のとおり、第一の実施形態により本発明を説明したがこれに限られるものではない。例えば、図２の場合、超音波送受面が矩形の振動子１０ａを例に説明したが、超音波送受面が円形の振動子にも本発明を適用できる。要は、ビーム音圧に重みを付けたい方向に、振動子１０ａの充填層１４の弾性定数を異ならせればよい。

また、超音波ビームの長軸方向のビーム幅については、各振動子１０ａ〜１０ｃで送受される超音波に遅延時間を付与する電子フォーカスによって絞られるが、各振動子１０ａ〜１０ｃの充填層１４の弾性定数を長軸方向に異ならせてもよい。

また、振動子１０ａの製造方法については、例えば圧電セラミックス板をカッティングして等間隔に配列した複数の振動素子を形成する。形成された振動素子群を仕切りにより短軸方向に複数のグループに分ける。分けられた各グループに所定の弾性定数を有する充填材料を注入して充填層を成形する。成形された充填層を長軸方向に所定間隔で分割して振動子１０ａを形成する。このように充填層の弾性定数を短軸方向に異ならせた後に、その充填層を振動子１０ａとして分割することにより、振動子１０ａを簡単に製造できる。

（第二の実施形態）
本発明を適用した超音波探触子の第二の実施形態について図８を参照して説明する。図８に示すように、本実施形態の振動子６０は、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて充填層６２の弾性定数を徐々に小さくして形成された点で、弾性定数が段階的に小さくして形成された図２の場合と異なる。

本実施形態の充填層６２は、ポリウレタンやエポキシ樹脂などにタングステンやアルミニウムなどの金属を複合した材料を充填して形成される。要するに、充填層６２は、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて金属の配合比を連続的に小さくして形成される。その結果、充填層６２は、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて弾性コンプライアンスが連続的に大きくなる。換言すると、充填層６２は、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて弾性定数が連続的に小さくなる。これにより、超音波の周波数に関わらず、短軸方向のビーム音圧に重みを連続的に変えることが可能になり、短軸方向のビーム幅をより所望の細さに絞ることができる。したがって、超音波ビームに生じるサイドローブレベルを低減できるから、より高分解能画像を撮像することができる。

また、振動子６０の製造方法については、例えば圧電セラミックス板をカッティングして等間隔に配列した複数の振動素子を形成する。形成された複数の振動素子間に充填材料（例えば、ポリウレタン、エポキシ樹脂）を注入して充填層を成形する。充填層を成形する際、例えばイオンビームにより金属材料（例えば、タングステン、アルミニウム）を射出して充填層に配合する。ここでの金属材料の配合比については、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて連続的に小さくされる。形成された充填層を長軸方向に所定間隔で分割して例えば振動子６０を形成する。このように充填層の成形の際に金属材料を埋め込むことにより、振動子６０を簡単に製造できる。

本発明を適用した第一の実施形態の超音波探触子の構成を示す斜視図である。 図１の振動子の構成を示す斜視図である。 図１の超音波探触子を適用した超音波診断装置の構成図である。 図１の超音波探触子により送受される超音波ビームの短軸方向の音圧分布と、図２の振動子を長軸方向から見た図である。 短軸方向に弾性定数を一様にして充填層を形成した場合の振動子の斜視図である。 図５の振動子による超音波ビームの短軸方向の音圧分布を示す図である。 参考の形態の振動子を長軸方向から見た図と、その振動子により送受される超音波ビームの音圧分布を示す図である。 本発明を適用した第二の実施形態の超音波探触子の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 超音波探触子
１０ａ 振動子
１２−１ 振動素子
１４ 充填層
１４ａ 充填部
１６ 圧電層
１８ 音響整合層
２０ 音響レンズ
２２ バッキング層
２４ａ 分離材

Claims (4)

1. 被検体との間で超音波を送受する振動子を複数配列した超音波探触子において、
   前記振動子は、前記超音波を送受する複数の振動素子を有し、該振動素子間に充填材を配して充填層を形成してなり、前記充填層は、前記振動子の一軸方向に弾性定数が異なることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記充填層は、短軸方向の中央部から端部に向かうにつれて弾性定数が小さくされて形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記振動子は、隣の前記振動子との間に分離材が配設され、前記分離材は、前記充填層よりも減衰率が大きい材料から形成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探触子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波探触子に駆動信号を供給する送信部と、前記超音波探触子から出力される受信信号を受信する受信部と、該受信部から出力される受信信号に基づき超音波像を再構成する画像構成部とを備えてなる超音波診断装置。
   

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