JP2006334075A - Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic equipment - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic probe which can obtain a high-resolution diagnostic image by avoiding the attenuation of an ultrasonic wave by an acoustic lens and which can increase directivity by virtue of structural simplicity, and ultrasonic diagnostic equipment. <P>SOLUTION: An acoustic matching layer 2 is formed in such a manner that an acoustic impedance of the acoustic matching layer 2 is continuously changed in the direction of thickness to a value close to the acoustic impedance of a subject 15 from a value close to that of a piezoelectric element 1, and a subject-side surface 2s of the acoustic matching layer 2 is formed in a curved shape along the width direction and arrangement direction of the piezoelectric element 1. This enables ultrasonic beams to converge in the width direction so that the acoustic lens 13 can fall into disuse, and enables the ultrasonic beams to be diffused in the arrangement direction so that the directivity can be increased. The thickness of the acoustic matching layer 2 is set equal to/greater than half the wavelength of an ultrasonic frequency, so that a change in thickness, caused by the curved shape, cannot affect frequency characteristics. When a subject-side sonic velocity of the acoustic matching layer 2 is lower than the sonic velocity of the subject, the curved shape is convexly formed in the width direction and concavely formed in the arrangement direction. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、生体などの被検体に当て、超音波を発信して被検体の診断情報を得るために使用される超音波探触子、および該超音波探触子を利用する超音波診断装置に関する。   The present invention relates to an ultrasonic probe used for obtaining diagnostic information of a subject by transmitting ultrasonic waves to a subject such as a living body, and an ultrasonic diagnostic apparatus using the ultrasonic probe About.

超音波診断装置は、超音波を被検体内へ発信し、生体内で反射されるエコー信号を検出して生体内組織の断層像などをモニタに表示することで、生体内部の診断に必要な情報を提供する。超音波診断装置は、被検体内へ超音波を送信し、被検体内からのエコー信号を受信するために超音波探触子を使用している。   An ultrasonic diagnostic apparatus transmits ultrasonic waves into a subject, detects echo signals reflected in the living body, and displays a tomographic image of the tissue in the living body on a monitor, which is necessary for diagnosis inside the living body. Provide information. The ultrasonic diagnostic apparatus uses an ultrasonic probe to transmit an ultrasonic wave into the subject and receive an echo signal from the subject.

図10は、従来技術による超音波探触子の一例を示している。図において、超音波探触子20は、一定方向に複数個配列された超音波を送受信する圧電素子11と、圧電素子11の被検体側の前面(図の上方)に設けられる2層からなる音響整合層12(12a、12b)と、音響整合層12のさらに被検体側の表面に設けられる音響レンズ13と、圧電素子11に対して音響整合層12の反対側となる圧電素子11の背面に設けられる背面負荷材14とから構成されている。圧電素子11の前面・背面には、それぞれ図示しない電極が配置され、圧電素子11との間で電気信号の送・受信を行う。   FIG. 10 shows an example of a conventional ultrasound probe. In the figure, an ultrasonic probe 20 includes a piezoelectric element 11 that transmits and receives a plurality of ultrasonic waves arranged in a certain direction, and two layers provided on the front surface (upper side in the drawing) of the piezoelectric element 11 on the subject side. The acoustic matching layer 12 (12a, 12b), the acoustic lens 13 provided on the surface of the acoustic matching layer 12 on the subject side, and the back surface of the piezoelectric element 11 on the opposite side of the acoustic matching layer 12 with respect to the piezoelectric element 11 It is comprised from the back surface load material 14 provided in this. Electrodes (not shown) are arranged on the front and back surfaces of the piezoelectric element 11, and transmit and receive electrical signals to and from the piezoelectric element 11.

圧電素子11は、PZT系などの圧電セラミック、単結晶、あるいは前記材料と高分子を複合した複合圧電体などによって形成され、電圧を超音波に変換して被検体内に送信し、あるいは被検体内で反射したエコーを電気信号に変換して受信する。図示の例では、X方向に複数の圧電素子11が配列されている。このような圧電素子11の複数個配列は、電子的に超音波を走査して偏向あるいは集束させることができ、所謂電子走査を可能とする。   The piezoelectric element 11 is formed of a piezoelectric ceramic such as a PZT system, a single crystal, or a composite piezoelectric body in which the material and the polymer are combined. The piezoelectric element 11 converts the voltage into an ultrasonic wave and transmits the ultrasonic wave into the subject, or the subject. The echo reflected inside is converted into an electrical signal and received. In the illustrated example, a plurality of piezoelectric elements 11 are arranged in the X direction. Such a plurality of arrangements of the piezoelectric elements 11 can be deflected or focused by electronically scanning ultrasonic waves, which enables so-called electronic scanning.

音響整合層12は、超音波を効率よく被検体内に送受信するために設けられ、具体的には圧電素子11の音響インピーダンスを段階的に被検体の音響インピーダンスに近づける役割を果たす。図示の例では2層の音響整合層12a、12bが設けられているが、これは1層であっても3層以上であってもよい。また音響整合層12を、複数個の圧電素子11にそれぞれ対応させて分割して配置し、超音波の指向性を広くする構成も用いられている(例えば、特許文献1参照。)。   The acoustic matching layer 12 is provided in order to efficiently transmit and receive ultrasonic waves into the subject, and specifically, plays a role of making the acoustic impedance of the piezoelectric element 11 close to the acoustic impedance of the subject stepwise. In the illustrated example, two acoustic matching layers 12a and 12b are provided, but this may be one layer or three or more layers. Further, a configuration is also used in which the acoustic matching layer 12 is divided and arranged corresponding to each of the plurality of piezoelectric elements 11 to widen the directivity of the ultrasonic waves (see, for example, Patent Document 1).

音響レンズ13は、診断画像の分解能を高めるために被検体との間の音速差を利用して超音波ビームを屈折させ、絞る役割を果たす。図示の例ではY方向に沿って凸状となるかまぼこ型に形成され、Y方向に超音波ビームを絞る。また、背面負荷材14は、圧電素子11に結合されてこれを保持し、さらに不要な超音波を減衰する役割を果たす。なお、本明細書では、図のX方向を「(圧電素子の)配列方向」、Y方向を「(圧電素子の)幅方向」、Z方向を「(圧電素子の)厚さ方向」とも呼ぶものとする。   The acoustic lens 13 plays a role of refracting and narrowing the ultrasonic beam using the difference in sound velocity with the subject in order to increase the resolution of the diagnostic image. In the illustrated example, it is formed in a semi-cylindrical shape that is convex along the Y direction, and the ultrasonic beam is focused in the Y direction. Further, the back load member 14 is coupled to and holds the piezoelectric element 11 and further plays a role of attenuating unnecessary ultrasonic waves. In the present specification, the X direction in the figure is also referred to as “(piezoelectric element) arrangement direction”, the Y direction as “(piezoelectric element) width direction”, and the Z direction as “(piezoelectric element) thickness direction”. Shall.

上述した複数層で構成される音響整合層12に対し、従来技術ではさらに、厚さ方向に音響インピーダンスを連続的に変化させる構造を持った図11に示すような音響整合層が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。図11において、この音響整合層22は、圧電素子11にほぼ等しい音響インピーダンスを有する円錐状または四角錐状の第1の音響整合材22aと、被検体にほぼ等しい音響インピーダンスを有する残余の部分を占める第2の音響整合材22bとを厚さ方向に組み合わせて構成されている。   In contrast to the above-described acoustic matching layer 12 composed of a plurality of layers, the conventional technology further discloses an acoustic matching layer as shown in FIG. 11 having a structure in which acoustic impedance is continuously changed in the thickness direction. (For example, refer to Patent Document 2). In FIG. 11, the acoustic matching layer 22 includes a first acoustic matching material 22 a having a cone shape or a quadrangular pyramid shape having an acoustic impedance substantially equal to that of the piezoelectric element 11, and a remaining portion having an acoustic impedance substantially equal to the subject. The second acoustic matching material 22b that occupies is combined in the thickness direction.

具体的には、第1の音響整合材22aを音響インピーダンスが大きい(圧電素子11の音響インピーダンスに近い)ガラス、アルミニウム、セラミックあるいはシリコン単結晶等の材料により形成し、その隙間に音響インピーダンスの小さい(被検体の音響インピーダンスに近い)エポキシ樹脂、ウレタン樹脂あるいはシリコーンゴムなどからなる第2の音響整合層22bを充填することによって形成されている。図11の下側を圧電素子11側に配置し、上側を被検体側(音響レンズ13側)に配置することで音響インピーダンスを厚さ方向に連続して変化させることができる。音響整合層22を以上のように構成することで、使用周波数の広帯域化を図ることができ、超音波診断の効率を高めることができるとしている。
特開平9―238399号公報 特開平11―89835号公報
Specifically, the first acoustic matching material 22a is formed of a material such as glass, aluminum, ceramic, or silicon single crystal having a large acoustic impedance (similar to the acoustic impedance of the piezoelectric element 11), and the acoustic impedance is small in the gap. It is formed by filling a second acoustic matching layer 22b made of epoxy resin, urethane resin, silicone rubber or the like (close to the acoustic impedance of the subject). The acoustic impedance can be continuously changed in the thickness direction by arranging the lower side of FIG. 11 on the piezoelectric element 11 side and the upper side on the subject side (acoustic lens 13 side). By configuring the acoustic matching layer 22 as described above, the use frequency can be widened, and the efficiency of ultrasonic diagnosis can be increased.
JP-A-9-238399 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-89835

電子走査型の超音波診断装置は、圧電素子を任意の群にして個々の圧電素子に一定の遅延時間与えて駆動し、各圧電素子から被検体内に超音波を送信し、また被検体側からのエコー信号を受信する。前記遅延時間を与えることで超音波ビームが集束あるいは偏向され、広い視野幅あるいは高分解能の超音波画像を得ることができる。これは一般的なシステムとして既に知られている。超音波探触子として、かかる高分解能の超音波画像を得るために重要なことは、電子的に走査する複数個配列された個々の圧電素子から音響整合層、更には音響レンズを介して被検体に放射される超音波ビームの指向性が優れていることであり、即ち指向性が広いことである。   An electronic scanning type ultrasonic diagnostic apparatus is configured to drive a piezoelectric element into an arbitrary group by giving a certain delay time to each piezoelectric element, and to transmit ultrasonic waves from each piezoelectric element into the subject. The echo signal from is received. By giving the delay time, the ultrasonic beam is focused or deflected, and a wide field width or high resolution ultrasonic image can be obtained. This is already known as a general system. As an ultrasonic probe, in order to obtain such a high-resolution ultrasonic image, what is important is that a plurality of individual piezoelectric elements that are electronically scanned are covered by an acoustic matching layer and further through an acoustic lens. The directivity of the ultrasonic beam emitted to the specimen is excellent, that is, the directivity is wide.

指向性を広くするための1つの方策として、特許文献1に示すような複数個配列された圧電素子に対応して音響整合層を分割し、隣接する圧電素子相互間での音響的な結合を小さくした構成とすることが挙げられる。しかしながらこの構成においては、配列する圧電素子の間隔あるいは圧電素子の幅と駆動周波数とによって指向性が定まるため、それ以上に指向性を広くすることが困難であるという問題があった。   As one measure for widening the directivity, an acoustic matching layer is divided corresponding to a plurality of arranged piezoelectric elements as shown in Patent Document 1, and acoustic coupling between adjacent piezoelectric elements is performed. For example, the configuration may be reduced. However, in this configuration, there is a problem that it is difficult to widen the directivity beyond that because the directivity is determined by the interval between the arranged piezoelectric elements or the width and drive frequency of the piezoelectric elements.

一方、超音波診断装置の診断画像の分解能を向上させるために、超音波ビームを収束し細くする方策として上述した音響レンズ13を設ける構成が一般に用いられている。音響レンズ13の素材としては、一般的に音速が被検体よりも遅く、しかも音響インピーダンスが被検体に近い値を有するシリコーンゴムが用いられる。音速が被検体よりも遅い材料が選択されるのは、超音波ビームを収束させる際に音響レンズ13を図10に示すように凸面形状とすることができ、凸面形状であれば被検体側との密着がより得やすいからである。但し、音速が被検体よりも速い材料を使用して音響レンズ13を凹面形状とすることも可能であり、これを被検体側に密着させることで同様に使用することもできる。   On the other hand, in order to improve the resolution of the diagnostic image of the ultrasonic diagnostic apparatus, a configuration in which the above-described acoustic lens 13 is provided as a measure for converging and thinning the ultrasonic beam is generally used. As a material of the acoustic lens 13, generally used is a silicone rubber having a sound speed slower than that of the subject and having an acoustic impedance close to that of the subject. The material whose sound speed is slower than that of the subject is selected because the acoustic lens 13 can have a convex shape as shown in FIG. 10 when the ultrasonic beam is converged. This is because it is easier to obtain adhesion. However, it is possible to make the acoustic lens 13 concave by using a material whose sound speed is faster than that of the subject, and the acoustic lens 13 can be used in the same manner by bringing it into close contact with the subject.

しかしながら、上述した従来技術による音響レンズを備える超音波探触子では、被検体に対向する面を凸面形状とするよう音響レンズ13の材料として音響インピーダンスが被検体に近いシリコーンゴムを使用した場合、超音波の減衰が大きくなって感度と周波数特性が劣化するという問題があった。逆に、これを避けようとして減衰が小さいシリコーンゴムを選択した場合、今度は音響インピーダンスが被検体の値から離れてその境界で超音波が反射し、画像に悪影響を及ぼすという別の問題が生じた。   However, in the ultrasonic probe including the acoustic lens according to the related art described above, when silicone rubber having an acoustic impedance close to the subject is used as the material of the acoustic lens 13 so that the surface facing the subject has a convex shape, There was a problem that sensitivity and frequency characteristics deteriorated as attenuation of ultrasonic waves increased. On the other hand, if silicone rubber with low attenuation is selected in order to avoid this, another problem arises that this time the acoustic impedance is away from the value of the subject and the ultrasound is reflected at the boundary, adversely affecting the image. It was.

昨今では超音波探触子の使用周波数がより広帯域化される傾向にあり、複数の周波数で使用する場合が多くなってきていることから、広帯域化を図ることが重要であるが、同時に超音波探触子の指向性を広くし、高分解能の超音波画像を得ることが求められている。このため、上述した指向性の改善や超音波の減衰回避といった高分解能化への障害を回避する技術が求められている。   In recent years, the frequency of use of ultrasonic probes has tended to be wider, and since there are many cases where multiple frequencies are used, it is important to increase the bandwidth. There is a demand to widen the directivity of the probe and to obtain a high-resolution ultrasonic image. For this reason, there is a need for a technique for avoiding obstacles to high resolution such as the above-described improvement in directivity and avoidance of ultrasonic attenuation.

したがって本発明は、以上述べたような従来技術にある問題点を全て解消し、超音波の減衰を極力回避し、感度と周波数特性の劣化を防ぐと共に、圧電素子の配列方向に関しては指向性を広くすることを可能にし、高分解能な診断画像を得ることができる超音波探触子、及び当該超音波探触子を備えた超音波診断装置を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention eliminates all the problems of the prior art as described above, avoids attenuation of ultrasonic waves as much as possible, prevents deterioration of sensitivity and frequency characteristics, and provides directivity with respect to the arrangement direction of piezoelectric elements. An object of the present invention is to provide an ultrasonic probe that can be widened and obtain a high-resolution diagnostic image, and an ultrasonic diagnostic apparatus including the ultrasonic probe.

本発明は、音響インピーダンスが圧電素子側から被検体側の方向に連続的に変化する音響整合層を使用した場合に、音響整合層の厚さが超音波の周波数特性に関係しないという事実に着目し、音響レンズを取り除き、音響整合層を利用して一方では圧電素子の幅方向に超音波を絞って収束させ、他方では圧電素子の配列方向に超音波を拡散させて指向性を広くすることにより上述した問題を同時に解消するもので、具体的には以下の内容を含む。   The present invention focuses on the fact that the thickness of the acoustic matching layer is not related to the frequency characteristics of the ultrasonic wave when an acoustic matching layer whose acoustic impedance continuously changes from the piezoelectric element side to the subject side is used. The acoustic lens is removed and the acoustic matching layer is used to narrow and converge the ultrasonic wave in the width direction of the piezoelectric element on the one hand, and to spread the directivity by diffusing the ultrasonic wave in the arrangement direction of the piezoelectric element on the other hand. The above-mentioned problem is solved at the same time, and specifically includes the following contents.

すなわち、本発明にかかる1つの態様は、複数個配列され、被検体との間で超音波を送受信する圧電素子と、前記圧電素子の被検体側前面に設けられる音響整合層と、前記圧電素子に対して前記音響整合層の反対側となる前記圧電素子の背面に設けられる背面負荷材と、前記圧電素子の前面及び背面に設けられる一対の電極とから構成される超音波探触子であって、前記音響整合層の音響インピーダンスが、前記圧電素子側部分での圧電素子に近い値から、前記被検体側部分での被検体に近い値へと厚さ方向に連続的に変化し、前記複数の圧電素子の各々に対応した前記音響整合層の被検体側の表面形状が、前記複数の圧電素子の配列方向、およびこれと直交する幅方向に沿って曲面状に形成され、前記音響整合層が超音波ビームを前記配列方向に拡散させ、前記幅方向に収束させることを特徴とする超音波探触子に関する。   That is, according to one aspect of the present invention, a plurality of piezoelectric elements arranged and transmitting / receiving ultrasonic waves to / from a subject, an acoustic matching layer provided on the subject-side front surface of the piezoelectric elements, and the piezoelectric elements An ultrasonic probe comprising a back load material provided on the back surface of the piezoelectric element on the opposite side of the acoustic matching layer, and a pair of electrodes provided on the front surface and the back surface of the piezoelectric element. The acoustic impedance of the acoustic matching layer continuously changes in the thickness direction from a value close to the piezoelectric element in the piezoelectric element side portion to a value close to the subject in the object side portion, A surface shape on the subject side of the acoustic matching layer corresponding to each of the plurality of piezoelectric elements is formed in a curved shape along the arrangement direction of the plurality of piezoelectric elements and a width direction orthogonal thereto, and the acoustic matching Layer arranged ultrasonic beam said array Is diffused into direction, an ultrasonic probe, characterized in that to converge in the width direction.

前記音響整合層は、前記圧電素子の発生する超音波の使用周波数帯の少なくとも1/2波長以上の厚さを有する。   The acoustic matching layer has a thickness of at least a half wavelength or more of a use frequency band of ultrasonic waves generated by the piezoelectric element.

前記音響整合層の被検体側部分の音速をCml、被検体の音速をCbとしたとき、Cml<Cbの場合は前記被検体に対する前記配列方向に沿った曲面が凹形状、前記幅方向に沿った曲面が凸形状にそれぞれ形成され、Cml>Cbの場合は前記被検体に対する前記配列方向に沿った曲面が凸形状、前記幅方向に沿った曲面が凹形状にそれぞれ形成されている。   When the sound velocity of the subject side portion of the acoustic matching layer is Cml and the sound velocity of the subject is Cb, when Cml <Cb, the curved surface along the arrangement direction with respect to the subject is concave, and along the width direction. Each curved surface is formed in a convex shape, and when Cml> Cb, the curved surface along the arrangement direction with respect to the subject is formed in a convex shape, and the curved surface along the width direction is formed in a concave shape.

前記配列方向に沿った曲面は、複数の曲率半径の曲面の組み合わせから構成することができ、当該複数の曲率半径は、前記配列方向に沿って変化させることができる。この場合、前記複数の曲率半径の変化は、前記配列方向の各電圧素子の中心部に対応する位置で曲率半径が相対的に大きく、前記中心部から前記配列方向両端部に進むにしたがって曲率半径が相対的に徐々に小さくなるよう形成することが好ましい。   The curved surface along the arrangement direction can be composed of a combination of curved surfaces having a plurality of curvature radii, and the plurality of curvature radii can be changed along the arrangement direction. In this case, the change in the plurality of radii of curvature is such that the radius of curvature is relatively large at a position corresponding to the center of each voltage element in the arrangement direction, and the radius of curvature progresses from the center to both ends in the arrangement direction. It is preferable to form so that becomes relatively gradually smaller.

前記配列方向に沿った曲面の形状は、前記幅方向に沿って変化させることができる。この場合、前記幅方向の中心部に対応する位置で曲率半径が相対的に小さく、前記中心部から前記幅方向両端部に進むにしたがって曲率半径が相対的に徐々に大きくなるよう形成することが好ましい。   The shape of the curved surface along the arrangement direction can be changed along the width direction. In this case, the radius of curvature is relatively small at a position corresponding to the center portion in the width direction, and the radius of curvature gradually increases gradually from the center portion to both ends in the width direction. preferable.

前記幅方向に沿った曲面は、複数の曲率半径の曲面の組み合わせから構成することができ、当該複数の曲率半径は、前記幅方向に沿って変化させることができる。この場合、前記複数の曲率半径の変化は、前記幅方向の中心部で曲率半径が相対的に小さく、前記中心部から前記幅方向両端部に進むにしたがって曲率半径が相対的に徐々に大きくなるよう形成することが好ましい。   The curved surface along the width direction can be composed of a combination of curved surfaces having a plurality of curvature radii, and the plurality of curvature radii can be changed along the width direction. In this case, the change in the plurality of radii of curvature is such that the radius of curvature is relatively small at the center in the width direction, and the radius of curvature gradually increases gradually from the center to both ends in the width direction. It is preferable to form such a shape.

前記音響整合層は、前記圧電素子にほぼ等しい音響インピーダンスを有する円錐状または多角錐状の複数の第1音響整合材を前記錐状が同一方向となるよう密集して配置した第1の層と、被検体にほぼ等しい音響インピーダンスを有する第2音響整合材で前記第1の層の空隙部分を埋めた第2の層とを厚さ方向に組み合わせて形成することができる。あるいは、前記音響整合層は、被検体に近い音響インピーダンスの樹脂に前記圧電素子にほぼ等しい音響インピーダンスの粉体を充填して前記樹脂中で前記粉体充填度合いを厚さ方向に傾斜させて形成することができる。   The acoustic matching layer includes a first layer in which a plurality of conical or polygonal cone-shaped first acoustic matching materials having an acoustic impedance substantially equal to that of the piezoelectric element are arranged densely so that the cones are in the same direction. The second layer in which the void portion of the first layer is filled with the second acoustic matching material having an acoustic impedance substantially equal to that of the subject can be formed in combination in the thickness direction. Alternatively, the acoustic matching layer is formed by filling a resin having an acoustic impedance close to a subject with a powder having an acoustic impedance substantially equal to the piezoelectric element, and inclining the degree of powder filling in the resin in the thickness direction. can do.

本発明にかかる他の態様は、被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子との間に電気的に接続され、前記超音波探触子に駆動信号を送信し、前記超音波探触子からの電気信号を処理して診断結果を出力する診断装置本体とから構成される超音波診断装置であって、上述したいずれか一の超音波探触子を利用する超音波診断装置に関する。   According to another aspect of the present invention, an ultrasonic probe that transmits / receives ultrasonic waves to / from a subject is electrically connected to the ultrasonic probe, and a drive signal is transmitted to the ultrasonic probe. An ultrasonic diagnostic apparatus configured to transmit, process an electrical signal from the ultrasonic probe, and output a diagnostic result, wherein any one of the ultrasonic probes described above The present invention relates to an ultrasonic diagnostic apparatus to be used.

本発明の実施により、音響整合層を用いて超音波ビームを圧電素子の幅方向に収束させることが可能となって音響レンズによる超音波の減衰が回避され、同時に超音波ビームを圧電素子の配列方向に拡散させて指向性を広くすることが可能となり、高分解能な診断画像を得ることができる超音波探触子、及び該超音波探触子を利用する超音波診断装置を実現することができる。   By implementing the present invention, it is possible to converge the ultrasonic beam in the width direction of the piezoelectric element using the acoustic matching layer, and avoid attenuation of the ultrasonic wave by the acoustic lens, and at the same time, arrange the ultrasonic beam into the arrangement of the piezoelectric element. An ultrasonic probe capable of widening directivity by diffusing in a direction and obtaining a high-resolution diagnostic image, and an ultrasonic diagnostic apparatus using the ultrasonic probe are realized. it can.

以下、本発明にかかる第1の実施の形態の超音波探触子について、図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態にかかる超音波探触子を示している。図において、超音波探触子10aは、図のX方向(配列方向)に複数個配列された圧電素子1と、各圧電素子1に対して被検体側となるZ方向前面(図の上方)に配置された音響整合層2と、圧電素子1に対して音響整合層2の反対側となる厚さ方向背面に配置された背面負荷材4とから構成されている。これら各構成要素のそれぞれの機能は、基本的に従来技術で説明したものと同様である。図からも明らかな通り、本実施の形態にかかる超音波探触子10aでは、従来技術にあった音響レンズ(図10の符号13)が除かれている。   Hereinafter, an ultrasonic probe according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an ultrasonic probe according to the present embodiment. In the figure, an ultrasonic probe 10a includes a plurality of piezoelectric elements 1 arranged in the X direction (arrangement direction) in the figure, and a front surface in the Z direction (upward in the figure) on the subject side with respect to each piezoelectric element 1. And a back load material 4 disposed on the back surface in the thickness direction opposite to the acoustic matching layer 2 with respect to the piezoelectric element 1. The functions of these components are basically the same as those described in the prior art. As is apparent from the figure, the ultrasonic probe 10a according to the present embodiment excludes the acoustic lens (reference numeral 13 in FIG. 10) that is used in the prior art.

圧電素子1の厚さ方向の前面には接地電極6が、背面には信号用電極7がそれぞれ設けられている。両電極6、7は、金や銀の蒸着、スパッタリング、あるいは銀の焼き付けなどにより圧電素子1の前面、背面にそれぞれ形成される。各圧電素子11の信号用電極7は、個別に信号用電気端子8に接続され、接地電極6と共にケーブルを介して図示しない超音波診断装置と電気的に接続される。両電極6、7を利用し、超音波診断装置で作られる規則正しいパルス電圧が圧電素子1に印加され、逆に圧電素子1が電気信号に変換したエコー受信波が超音波診断装置本体に送信される。   A ground electrode 6 is provided on the front surface of the piezoelectric element 1 in the thickness direction, and a signal electrode 7 is provided on the back surface. Both electrodes 6 and 7 are formed on the front surface and the back surface of the piezoelectric element 1 by vapor deposition of gold or silver, sputtering, or baking of silver, respectively. The signal electrode 7 of each piezoelectric element 11 is individually connected to a signal electrical terminal 8 and is electrically connected to an ultrasonic diagnostic apparatus (not shown) through a cable together with the ground electrode 6. Using both electrodes 6 and 7, a regular pulse voltage generated by the ultrasonic diagnostic apparatus is applied to the piezoelectric element 1, and conversely, an echo reception wave converted into an electric signal by the piezoelectric element 1 is transmitted to the ultrasonic diagnostic apparatus body. The

本実施の形態にかかる音響整合層2は、厚さ方向に音響インピーダンスが連続的に変化する特性を有している。すなわち、圧電素子1の接地電極6側に位置する音響整合層2の部分は圧電素子1に近い音響インピーダンスを有し、被検体側に位置する音響整合層2の部分は被検体に近い音響インピーダンスを有し、その間で音響インピーダンスは連続的に傾斜している。より具体的に、音響整合層2の設置電極6側の音響インピーダンスは約30メガレイル(圧電素子1がPZT系のような圧電セラミックの場合)、被検体側の音響インピーダンスは約1.5メガレイルであり(被検体が人体である場合)、その間で音響整合層2の音響インピーダンスは連続的に変化している。   The acoustic matching layer 2 according to the present embodiment has a characteristic that acoustic impedance continuously changes in the thickness direction. That is, the portion of the acoustic matching layer 2 located on the ground electrode 6 side of the piezoelectric element 1 has an acoustic impedance close to that of the piezoelectric element 1, and the portion of the acoustic matching layer 2 located on the subject side is close to the subject. Between which the acoustic impedance slopes continuously. More specifically, the acoustic impedance of the acoustic matching layer 2 on the installation electrode 6 side is about 30 megarail (when the piezoelectric element 1 is a piezoelectric ceramic such as a PZT system), and the acoustic impedance on the subject side is about 1.5 megarail ( When the subject is a human body), the acoustic impedance of the acoustic matching layer 2 continuously changes during that time.

このような音響インピーダンスの連続的な変化は、例えば図11を参照して従来技術の項で示したように、音響整合層2を、圧電素子1にほぼ等しい音響インピーダンスを有する円錐状または四角錐などの多角錐状の第1の音響整合材と、被検体にほぼ等しい音響インピーダンスを有する残余の部分を占める第2の音響整合材とを厚さ方向に組み合わせて構成することにより得られる(図1に示す音響整合層2のとげ状縞模様は、この両部材が組み合わされた状態を模式的に示している。)。このような方法以外にも、被検体15に近い音響インピーダンスの樹脂にタングステン粉等のように比重の高い(音響インピーダンスの大きい)粉体を充填して樹脂中で粉体充填度合いを厚さ方向に傾斜させることなど、音響インピーダンスの連続的な変化は他の代替方法によっても得ることができる。   For example, as shown in the section of the prior art with reference to FIG. 11, such a continuous change in the acoustic impedance causes the acoustic matching layer 2 to have a conical or quadrangular pyramid having an acoustic impedance substantially equal to that of the piezoelectric element 1. Obtained by combining the first acoustic matching material having a polygonal pyramid shape and the like and the second acoustic matching material occupying the remaining portion having an acoustic impedance substantially equal to the subject in the thickness direction (see FIG. The barbed stripe pattern of the acoustic matching layer 2 shown in FIG. 1 schematically shows a state in which both members are combined. In addition to this method, a resin having an acoustic impedance close to the subject 15 is filled with a powder having a high specific gravity (high acoustic impedance) such as tungsten powder, and the degree of powder filling in the resin in the thickness direction is determined. Continuous changes in acoustic impedance, such as tilting, can also be obtained by other alternative methods.

音響インピーダンスをこのように連続的に傾斜させた音響整合層2を用いることにより、周波数の広帯域化が実現できる。加えて、本願発明者らの実験によれば、上述したような音響インピーダンスを連続的に変化させる音響整合層2を用いた場合、音響整合層2の厚さを使用周波数帯の約1/2波長以上とすれば、その厚さと周波数特性はあまり関係しない。   By using the acoustic matching layer 2 in which the acoustic impedance is continuously inclined as described above, a wide frequency band can be realized. In addition, according to the experiments of the inventors of the present application, when the acoustic matching layer 2 that continuously changes the acoustic impedance as described above is used, the thickness of the acoustic matching layer 2 is about ½ of the used frequency band. If it is longer than the wavelength, its thickness and frequency characteristics are not so related.

本実施の形態は、この音響インピーダンスを連続的に傾斜させた音響整合層2では厚さが周波数特性に影響しないことに着目し、これを積極的に利用して図1に示すように各圧電素子1に対応する音響整合層2の被検体側の表面を圧電素子1の幅方向(Y方向)および配列方向(X方向)の双方に沿って曲面状に形成し、これによって音響レンズを使用することなく超音波ビームをそれぞれ収束、拡散させる機能を持たせるものとしている。図1に示す例では、幅方向には凸状、配列方向には凹状の曲面を形成している。この状況につき、図2、図3を参照してより詳細に説明する。   In the present embodiment, attention is paid to the fact that the thickness does not affect the frequency characteristics in the acoustic matching layer 2 in which the acoustic impedance is continuously inclined, and each piezoelectric element is actively utilized by using this as shown in FIG. The surface on the subject side of the acoustic matching layer 2 corresponding to the element 1 is formed in a curved shape along both the width direction (Y direction) and the arrangement direction (X direction) of the piezoelectric element 1, thereby using an acoustic lens. It is assumed that the function of converging and diffusing the ultrasonic beam without being performed is provided. In the example shown in FIG. 1, a convex curved surface is formed in the width direction and a concave curved surface is formed in the arrangement direction. This situation will be described in more detail with reference to FIGS.

図2は、図1に示す超音波探触子10のY軸に平行な幅方向断面を示している。例えば、音響整合層2を構成する一方の音響整合材(図11の符号22b)としてシリコーンゴムが使用された場合、音響整合層2の被検体15側の音速Cmlは約1.0km/秒となる。これに対して被検体15が生体であれば、音速Cbは約1.53km/秒となるため、両者の間にはCml<Cbの関係が成立する。この場合、音響整合層2の表面2sの形状を図2に示すように被検体15に対して凸面にすれば、前記音速の差を利用して超音波を屈折させて被検体15内の任意の位置に焦点を定めて収束させることができる。この結果、音響整合層2が音響レンズと同様の機能を果たし、分解能を高める効果が得られる。この際の凸面は、例えば単一の曲率半径を持たせた凸面形状などとすることができる。   FIG. 2 shows a cross section in the width direction parallel to the Y-axis of the ultrasonic probe 10 shown in FIG. For example, when silicone rubber is used as one acoustic matching material (reference numeral 22b in FIG. 11) constituting the acoustic matching layer 2, the sound velocity Cml on the subject 15 side of the acoustic matching layer 2 is about 1.0 km / sec. . On the other hand, if the subject 15 is a living body, the speed of sound Cb is about 1.53 km / second, so that a relationship of Cml <Cb is established between the two. In this case, if the shape of the surface 2s of the acoustic matching layer 2 is convex with respect to the subject 15 as shown in FIG. 2, the ultrasonic wave is refracted using the difference in sound speed to arbitrarily set the surface of the subject 15 It is possible to focus on the position of and to converge. As a result, the acoustic matching layer 2 performs the same function as the acoustic lens, and the effect of increasing the resolution is obtained. The convex surface at this time can be, for example, a convex shape having a single radius of curvature.

ここで音響整合層2が本来の音響整合層としての機能を果すため、最も厚さが薄い部分においても使用周波数帯の1/2波長以上の厚さを確保しておく。この厚さを基準にして上述したような表面を曲面形状にすれば、音響整合層と音響レンズの双方の機能を同時に果たし得る音響整合層を得ることができ、結果として音響レンズを除くことができる。   Here, since the acoustic matching layer 2 functions as an original acoustic matching layer, a thickness of ½ wavelength or more of the used frequency band is secured even in the thinnest portion. If the surface as described above is curved based on this thickness, an acoustic matching layer that can simultaneously perform the functions of both the acoustic matching layer and the acoustic lens can be obtained, and as a result, the acoustic lens can be removed. it can.

前記音響整合層2の表面2sの曲面形状は、圧電素子1の幅方向に対して曲率半径を持たせた曲面としているが、これに限らず、例えば台形や多角形の一部などのように超音波ビームを収束できるものであれば他の形状とすることでもよい。   The curved surface shape of the surface 2 s of the acoustic matching layer 2 is a curved surface having a radius of curvature with respect to the width direction of the piezoelectric element 1, but is not limited to this, for example, a trapezoid or a part of a polygon. Other shapes may be used as long as the ultrasonic beam can be converged.

一方、図3は、図1に示す超音波探触子10のX軸に平行な配列方向の断面を示している。図はその一部で、図示の形状がX方向(左右方向)に一定の長さつながって図1に示す超音波探触子10を構成する。ここで、図2で説明したと同様、音響整合層2の音響インピーダンスは圧電素子1に近い値から被検体15に近い値まで厚さ方向に連続的に変化しており、また音響整合層2の被検体側の音速Cmlと被検体の音速Cbの間にはCml<Cbの関係が成立している。このような場合、複数の圧電素子1の各々に対応した音響整合層2の表面を、図3に示すように被検体15に対して凹面に形成することにより、超音波を配列方向(図3の左右方向)に屈折、拡散させ、超音波探触子10の指向性を広くする効果を得ることができる。   On the other hand, FIG. 3 shows a cross section in the arrangement direction parallel to the X-axis of the ultrasonic probe 10 shown in FIG. The figure is a part thereof, and the illustrated shape is connected to the X direction (left and right direction) for a certain length to constitute the ultrasonic probe 10 shown in FIG. Here, as described in FIG. 2, the acoustic impedance of the acoustic matching layer 2 continuously changes in the thickness direction from a value close to the piezoelectric element 1 to a value close to the subject 15, and the acoustic matching layer 2 The relationship Cml <Cb is established between the sound velocity Cml on the subject side and the sound velocity Cb of the subject. In such a case, the surface of the acoustic matching layer 2 corresponding to each of the plurality of piezoelectric elements 1 is formed in a concave surface with respect to the subject 15 as shown in FIG. (Right and left directions) can be refracted and diffused to obtain the effect of widening the directivity of the ultrasonic probe 10.

ここにおいても同様に、音響整合層5が本来の機能を果すために最も厚さが薄い部分においても使用周波数帯の1/2波長以上の厚さが確保されている。また、この際の凹面は、例えば単一の曲率半径を持たせた凹面形状などとすることができるほか、曲面を台形や多角形の一部など他の形状とすることが可能である。   In this case as well, a thickness of 1/2 wavelength or more of the used frequency band is secured even in the thinnest portion in order for the acoustic matching layer 5 to perform its original function. In addition, the concave surface at this time can be, for example, a concave shape having a single radius of curvature, and the curved surface can be another shape such as a trapezoid or a part of a polygon.

音響整合層2の表面を以上のように幅方向、配列方向に沿って曲面形状とした場合、音響整合層2の厚さは当然ながら一定ではなく、変化するものとなる。このことは従来の構成である単層、または複数層からなる音響整合層であれば、厚さが変化することによって周波数特性が大きく変動するために所望の特性を得ることができなくなることを意味していた。すなわち、従来の形式の音響整合層のままで音響レンズとしての機能を負わせようとすれば、音響レンズ機能を優先にするか、あるいは周波数特性を優先にするかしかなく、音響整合層が音響レンズの機能を兼ねることは困難であった。   When the surface of the acoustic matching layer 2 has a curved shape along the width direction and the arrangement direction as described above, the thickness of the acoustic matching layer 2 is naturally not constant and varies. This means that if the acoustic matching layer is composed of a single layer or a plurality of layers having the conventional structure, the frequency characteristics greatly fluctuate due to the change in thickness, so that the desired characteristics cannot be obtained. Was. In other words, if the function of the acoustic lens is to be imposed with the acoustic matching layer of the conventional type, the acoustic lens function has to be prioritized or the frequency characteristic has to be prioritized. It was difficult to double as a lens.

これに対して本実施の形態にかかる音響インピーダンスが連続的に傾斜した音響整合層2であれば、少なくとも1/2波長以上の厚さを確保することで、表面を曲面に形成してその厚さが変化しようともこれによる周波数特性への影響は見られない。このため、上述したような音響整合層2の表面を曲面に構成することにより、周波数の広帯域化が図れると同時に、超音波ビームを幅方向に収束させる音響レンズの機能をも果たすことができ、かつ配列方向に超音波ビームを拡散させて指向性を広くできるようになる。   On the other hand, if the acoustic matching layer 2 according to the present embodiment has a continuously inclined acoustic impedance, the surface is formed into a curved surface by securing a thickness of at least 1/2 wavelength or more. This does not affect the frequency characteristics even if the frequency changes. For this reason, by constructing the surface of the acoustic matching layer 2 as described above into a curved surface, it is possible to achieve the function of an acoustic lens for converging the ultrasonic beam in the width direction at the same time as achieving a wide frequency band. In addition, the directivity can be widened by diffusing the ultrasonic beam in the arrangement direction.

なお、図3に示す例では、音響整合層2が各圧電素子1に対応して配列方向に分割して配置されている。このように分割することで隣接する圧電素子1間の音響的な結合を小さくすることができ、指向性を広くする効果が得られる。分割された溝の部分には、音響的な結合が小さいシリコーンゴムやウレタンゴムなどのような材料が充填され得る。但し、このように分割をせず、音響整合層2を複数の圧電素子1全体の上に一体となって配置するよう構成しても同様の効果を得ることができる。この場合の音響整合層2表面の曲面形状は、各圧電素子1に対応して形成される。   In the example shown in FIG. 3, the acoustic matching layer 2 is divided and arranged in the arrangement direction corresponding to each piezoelectric element 1. By dividing in this way, the acoustic coupling between the adjacent piezoelectric elements 1 can be reduced, and the effect of widening the directivity can be obtained. The divided groove portions may be filled with a material such as silicone rubber or urethane rubber having a small acoustic coupling. However, the same effect can be obtained even if the acoustic matching layer 2 is integrally arranged on the entire plurality of piezoelectric elements 1 without being divided in this way. In this case, the curved surface shape of the surface of the acoustic matching layer 2 is formed corresponding to each piezoelectric element 1.

次に、図4は、本実施の形態にかかる他の態様の超音波探触子10bを示しており、ここでは音響整合層2の被検体15に対する表面が、図1とは逆に、圧電素子1の幅方向(Y方向)に沿って凹面、配列方向(X方向)に沿って凸面の曲面形状に形成されている。これは、音響整合層2の被検体側の音速Cmlと被検体の音速Cbの間にCml>Cbの関係が成立している場合である。   Next, FIG. 4 shows an ultrasonic probe 10b of another aspect according to the present embodiment. Here, the surface of the acoustic matching layer 2 with respect to the subject 15 is piezoelectric, contrary to FIG. The element 1 is formed into a concave curved surface along the width direction (Y direction) and a convex curved surface along the arrangement direction (X direction). This is a case where a relationship of Cml> Cb is established between the sound velocity Cml on the subject side of the acoustic matching layer 2 and the sound velocity Cb of the subject.

即ち、音響整合層2の素材としてエポキシ樹脂などを主体とした材料が使用された場合、音響整合層2の被検体側の音速Cmlは約2〜2.6km/秒となる。被検体が同じく生体であるとすれば、被検体の音速Cbは約1.53km/秒であることからCml>Cbの関係が成立する。この場合は上述した態様とは逆向きに曲面を形成することで、先の態様と全く同様に、超音波ビームを幅方向に収束させ、配列方向に拡散させることができる。その詳細を図5、図6を参照して説明する。   That is, when a material mainly composed of epoxy resin or the like is used as the material of the acoustic matching layer 2, the sound velocity Cml on the subject side of the acoustic matching layer 2 is about 2 to 2.6 km / sec. If the subject is also a living body, the sound velocity Cb of the subject is about 1.53 km / second, so the relationship of Cml> Cb is established. In this case, by forming the curved surface in the opposite direction to the above-described aspect, the ultrasonic beam can be converged in the width direction and diffused in the arrangement direction, just like the previous aspect. Details thereof will be described with reference to FIGS.

図5は、図4に示す超音波探触子10bの幅方向(Y方向)の断面図を示しており、音響整合層2の表面2sが凹状に形成されている。この表面の形状を除いて他の構成は図2に示すものと同様である。すなわち、音響整合層2の音響インピーダンスは圧電素子1に近い値から被検体15に近い値まで厚さ方向に連続的に変化しており、最小厚さは1/2波長が確保されている。この凹面は、例えば単一の曲率半径を持たせた凹面形状などとすることができる。   FIG. 5 is a cross-sectional view in the width direction (Y direction) of the ultrasonic probe 10b shown in FIG. 4, and the surface 2s of the acoustic matching layer 2 is formed in a concave shape. Except for the shape of the surface, other structures are the same as those shown in FIG. That is, the acoustic impedance of the acoustic matching layer 2 continuously changes in the thickness direction from a value close to the piezoelectric element 1 to a value close to the subject 15 and a minimum thickness of 1/2 wavelength is secured. This concave surface can be, for example, a concave shape having a single radius of curvature.

音響整合層2をこのような曲面形状で構成することにより、音速の差を利用して超音波を幅方向(図5の左右方向)に屈折させ、絞ることができ、超音波を被検体15内の任意の焦点位置に収束することができる。音響レンズを除くことにより、超音波の減衰を排除できることは先の態様と同様である。   By configuring the acoustic matching layer 2 with such a curved surface shape, the ultrasonic wave can be refracted and narrowed in the width direction (left-right direction in FIG. 5) using the difference in sound velocity, and the ultrasonic wave can be focused on the subject 15. It is possible to converge to an arbitrary focal position within. It is the same as in the previous embodiment that the attenuation of ultrasonic waves can be eliminated by removing the acoustic lens.

次に、図6は、図4に示す超音波探触子10bの配列方向(X方向)の断面を示したもので、これも同様にして音響整合層2の各圧電素子1に対応した表面が、音速の関係で先の態様とは逆に凸状の曲面形状とされる。この点を除いて他の構成は図3に示すものと同様である。各圧電素子1に対応して音響整合層2の被検体に対する表面をこのような凸面形状とすることにより、配列方向において超音波を屈折させて拡散させることができ、指向性を広くすることができる。   Next, FIG. 6 shows a cross section in the arrangement direction (X direction) of the ultrasonic probes 10b shown in FIG. 4, which is also the surface corresponding to each piezoelectric element 1 of the acoustic matching layer 2 in the same manner. However, the curved surface shape is convex, contrary to the previous aspect, due to the speed of sound. Except for this point, the other configuration is the same as that shown in FIG. By making the surface of the acoustic matching layer 2 with respect to the subject corresponding to each piezoelectric element 1 in such a convex shape, ultrasonic waves can be refracted and diffused in the arrangement direction, and the directivity can be widened. it can.

以上述べたように、図4に示す超音波探触子10bでは、音響整合層2の被検体に対する表面を幅方向に沿って凹面形状に、配列方向に沿って凸面形状にそれぞれ形成することにより、図1に示す超音波探触子10aと全く同様の効果を得ることができる。   As described above, in the ultrasonic probe 10b shown in FIG. 4, the surface of the acoustic matching layer 2 with respect to the subject is formed in a concave shape along the width direction and in a convex shape along the arrangement direction. The same effect as the ultrasonic probe 10a shown in FIG. 1 can be obtained.

次に、本発明にかかる第2の実施の形態の超音波探触子について、図面を参照して説明する。先の実施の形態において音響整合層2の表面形状は、幅方向、配列方向のいずれにおいても、単一の曲率半径を有する曲面形状(凹面、凸面)を例として説明している。本実施の形態では、この曲面形状を幅方向、配列方向のいずれか一方、または双方に沿って複数の曲率半径を有する曲面の組み合わせから構成し、この曲率半径を変化させることによって、より良好な指向性、解像度を得ることができる超音波探触子を提供する。   Next, an ultrasonic probe according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the previous embodiment, the surface shape of the acoustic matching layer 2 has been described as an example of a curved surface shape (concave surface, convex surface) having a single radius of curvature in both the width direction and the arrangement direction. In the present embodiment, the curved surface shape is constituted by a combination of curved surfaces having a plurality of curvature radii along one or both of the width direction and the arrangement direction, and by changing the curvature radii, the better An ultrasonic probe capable of obtaining directivity and resolution is provided.

図7は、本実施の形態にかかる超音波探触子10aの幅方向の側面断面図を示している。ここでは、音響整合層2の被検体15に対する表面形状を除いて図2に示した超音波探触子10aと同様である。音響整合層2の曲面形状の曲率半径を単一のものとした場合、焦点距離、つまり超音波ビームが最も絞られてビーム径が細くなる距離付近では分解能は向上するものの、焦点距離から外れた領域は逆にビームが拡散されてビーム径は太くなり分解能が低下するという傾向にある。   FIG. 7 is a side sectional view in the width direction of the ultrasonic probe 10a according to the present embodiment. Here, the surface of the acoustic matching layer 2 is the same as that of the ultrasonic probe 10a shown in FIG. When the curvature radius of the curved surface shape of the acoustic matching layer 2 is a single one, the resolution is improved near the focal length, that is, the distance where the ultrasonic beam is most narrowed and the beam diameter is narrowed, but deviated from the focal length. On the contrary, the region tends to diffuse the beam, increase the beam diameter and reduce the resolution.

本実施の形態では、このような現象を改善し、超音波ビーム径を広い領域で細くできるように音響整合層2を構成している。すなわち、図7の圧電素子1の幅方向中心部に対応する音響整合層2の表面部分2cは曲率半径を小さくして超音波ビームの焦点距離を近付け、両端部2dに進むに従って極率半径を大きして徐々に超音波ビームの焦点距離を遠くにしている。これにより、全体として一点に超音波ビームを絞るものと比較してビームは若干太くなるものの広い領域でビームの拡散を防止し、絞ることが可能となるため、広い領域で分解能を向上させるという効果が得られる。この曲率半径の変化は、連続的であっても段階的であってもよい。   In the present embodiment, the acoustic matching layer 2 is configured to improve such a phenomenon and reduce the ultrasonic beam diameter in a wide region. That is, the surface portion 2c of the acoustic matching layer 2 corresponding to the center portion in the width direction of the piezoelectric element 1 in FIG. 7 decreases the radius of curvature to bring the focal length of the ultrasonic beam closer, and increases the radius of curvature as proceeding to both ends 2d. The focal length of the ultrasonic beam is gradually increased. As a result, although the beam is slightly thicker than the focused ultrasound beam as a whole, the beam can be prevented from being diffused and narrowed in a wide area, so that the resolution can be improved in a wide area. Is obtained. The change in the radius of curvature may be continuous or stepwise.

なお、図7では、音響整合層2の表面を凸面の形状にしているが、これは上述した図2に対応した音響整合層2の音速Cmlが被検体の音速Cbより遅い場合の形状であり、この音速の関係が逆になれば曲面形状は図5に対応した凹面状となる。この場合においても前記曲面形状を幅方向に変化させることで同様の効果を得ることができる。   In FIG. 7, the surface of the acoustic matching layer 2 has a convex shape. This is a shape when the sound velocity Cml of the acoustic matching layer 2 corresponding to FIG. 2 described above is slower than the sound velocity Cb of the subject. If the relationship between the sound speeds is reversed, the curved surface shape becomes a concave shape corresponding to FIG. Even in this case, the same effect can be obtained by changing the curved surface shape in the width direction.

次に、図8は、本実施の形態にかかる超音波探触子10bの配列方向(X方向)の側面断面図の一部を示している。ここでは、音響整合層2の被検体15に対する表面形状を除いて図6に示した超音波探触子10bと同様である。図8において、音響整合層2の表面形状は、複数の曲率半径を持たせた曲面で構成するものとしている。すなわち、各圧電素子1の配列方向(図の左右方向)中心位置に対応する表面部分2eの曲率半径を最も大きくし、各圧電素子1の配列方向両端部2fに進むに従って曲率半径を徐々に小さくした曲面に構成している。この曲率半径の変化は、連続的であっても段階的であってもよい。   Next, FIG. 8 shows a part of a side sectional view in the arrangement direction (X direction) of the ultrasound probe 10b according to the present embodiment. Here, it is the same as the ultrasonic probe 10b shown in FIG. 6 except for the surface shape of the acoustic matching layer 2 with respect to the subject 15. In FIG. 8, the surface shape of the acoustic matching layer 2 is constituted by a curved surface having a plurality of radii of curvature. That is, the radius of curvature of the surface portion 2e corresponding to the center position of each piezoelectric element 1 in the arrangement direction (left-right direction in the figure) is maximized, and the curvature radius is gradually reduced as it proceeds to both ends 2f in the arrangement direction of each piezoelectric element 1. It is composed of curved surfaces. The change in the radius of curvature may be continuous or stepwise.

このように配列方向に沿って音響整合層2の表面形状の曲率半径を変化させた曲面とすることによって、中心部での超音波ビームはそれほど拡散せず、端部に進むにしたがって曲率半径が小さくなって超音波ビームの拡散が徐々に大きくなり、広い指向特性を得ることができる。このように構成することによって単一の曲率半径の曲面にするよりも音響整合層2の厚さの変化は少なくすることができ、また、音響整合層2の超音波減衰を小さくできるため、感度低下を防止できるという効果を得ることができる。   In this way, by forming a curved surface in which the curvature radius of the surface shape of the acoustic matching layer 2 is changed along the arrangement direction, the ultrasonic beam at the center portion is not diffused so much, and the curvature radius increases toward the end portion. The diffusion becomes smaller and the diffusion of the ultrasonic beam gradually increases, and a wide directivity can be obtained. With this configuration, the thickness of the acoustic matching layer 2 can be changed less than the curved surface having a single radius of curvature, and the ultrasonic attenuation of the acoustic matching layer 2 can be reduced. The effect that a fall can be prevented can be acquired.

なお、図8では、音響整合層2を各圧電素子1に対応して分割する構成としているが、分割せずに複数の圧電素子1を覆う一体に形成しても同様の効果が得られることは先の態様と同様である。また、図8では、音響整合層2の表面を凸面の形状にしているが、これは上述した図6に対応した音響整合層2の音速Cmlが被検体の音速Cbより速い場合の形状であり、この音速の関係が逆になれば曲面形状は図3に対応した凹面状となることもこれまでの説明と同様である。   In FIG. 8, the acoustic matching layer 2 is divided so as to correspond to each piezoelectric element 1. However, the same effect can be obtained even if the acoustic matching layer 2 is integrally formed so as to cover a plurality of piezoelectric elements 1 without being divided. Is the same as the previous embodiment. In FIG. 8, the surface of the acoustic matching layer 2 has a convex shape. This is a shape when the sound velocity Cml of the acoustic matching layer 2 corresponding to FIG. 6 described above is faster than the sound velocity Cb of the subject. If the relationship between the sound speeds is reversed, the curved surface shape is a concave surface corresponding to FIG.

以上に加え、配列方向に沿った音響整合層2のこの曲面形状に関しては、配列方向と直交する幅方向(図3、図6、図8の図面に垂直な方向、図1のY方向)に沿って当該曲面形状を変化させることができる。すなわち、同曲面形状を幅方向(同上)の中心部分では指向性を広くするよう曲率半径を最も小さくし、同幅方向両端部に進むに従って曲率半径を相対的に大きくして中心部より指向性を狭くするような構成とすることができる。   In addition to the above, regarding the curved surface shape of the acoustic matching layer 2 along the arrangement direction, in the width direction orthogonal to the arrangement direction (direction perpendicular to the drawings of FIGS. 3, 6, and 8, the Y direction of FIG. 1). The curved surface shape can be changed along. That is, the curvature radius is made the smallest so that the directivity is widened in the center part in the width direction (same as above) of the same curved surface shape, and the curvature radius is relatively increased as it goes to both ends of the same width direction so that the directivity from the center part It can be set as the structure which narrows.

これは、当該曲面形状が単一の曲率半径を有する曲面の場合であっても、複数の曲率半径を有する曲面の場合であっても同様である。このように曲面形状を幅方向に変化させる構成とすることにより、幅方向の中心部分では複数の圧電素子1を多く用いて電子的に超音波ビームを偏向あるいは収束させて診断深さが浅い領域での診断を容易にし、一方、幅方向端部では診断深さが深い領域が主となるために端部に至るまで有効に超音波を利用することができるようになる。   This is the same whether the curved surface shape is a curved surface having a single curvature radius or a curved surface having a plurality of curvature radii. By adopting a configuration in which the curved surface shape is changed in the width direction in this way, a region where the diagnostic depth is shallow by electronically deflecting or converging an ultrasonic beam using a plurality of piezoelectric elements 1 at the center in the width direction. On the other hand, since the region having a deep diagnosis depth is mainly used at the end portion in the width direction, the ultrasonic wave can be effectively used up to the end portion.

なお、本実施の形態では、音響整合層2の被検体側の曲面形状を幅方向と配列方向とにそれぞれ複数の曲率半径を有する曲面から構成し、この曲率半径をそれぞれ幅方向、配列方向に沿って変化させる態様を併せて示しているが、この曲率半径の変化は、幅方向、配列方向のいずれか一方に沿ってのみ変化させることも可能であり、あるいは双方向に沿って同時に変化させることも可能である。   In the present embodiment, the curved surface shape on the subject side of the acoustic matching layer 2 is configured by curved surfaces having a plurality of curvature radii in the width direction and the arrangement direction, and the curvature radii are respectively in the width direction and the arrangement direction. Although the mode of changing along the direction is also shown, it is possible to change the radius of curvature only along one of the width direction and the arrangement direction, or simultaneously change along both directions. It is also possible.

同様に、前記配列方向に沿った曲面形状をこれと直行する幅方向に沿って変化させる態様では、前記表面形状の幅方向に沿った曲面の曲率半径の変化との間で、いずれか単独であっても双方を組み合わせても適用することができる。これらの曲面形状の変化は、使用目的に応じて選択が可能である。   Similarly, in the aspect in which the curved surface shape along the arrangement direction is changed along the width direction orthogonal thereto, either alone or between changes in the curvature radius of the curved surface along the width direction of the surface shape. Even if it exists, it can apply even if both are combined. These changes in the curved surface shape can be selected according to the purpose of use.

以上、本発明にかかる超音波探触子の各実施の形態について述べてきたが、本発明はさらに、これらの超音波探触子を使用する超音波診断装置をも包含している。図9はその概要を示すもので、図において、超音波診断装置50は、各実施の形態で説明した超音波探触子10がケーブル25を介して診断装置本体30と電気的に接続されている。超音波探触子10は被検体15の表面に当てられ、診断装置本体30から超音波探触子10に電圧パルスの駆動信号が送られる。この駆動信号は、超音波探触子10の電極7(図1参照)を介して圧電素子1に伝えられ、超音波に変換される。被検体15に送波された超音波は体内で反射され、反射エコーの一部が圧電素子1で受信される。ここで反射波は電気信号に変換され、超音波診断装置本体30に入力される。入力された受信信号は、超音波診断装置本体30にて信号処理され、例えば断層画像としてCRTなどの表示装置35に出力される。   As mentioned above, although each embodiment of the ultrasonic probe concerning this invention has been described, this invention also includes the ultrasonic diagnostic apparatus which uses these ultrasonic probes. FIG. 9 shows an outline thereof. In the figure, the ultrasonic diagnostic apparatus 50 is configured such that the ultrasonic probe 10 described in each embodiment is electrically connected to the diagnostic apparatus main body 30 via the cable 25. Yes. The ultrasonic probe 10 is applied to the surface of the subject 15, and a voltage pulse drive signal is sent from the diagnostic apparatus main body 30 to the ultrasonic probe 10. This drive signal is transmitted to the piezoelectric element 1 via the electrode 7 (see FIG. 1) of the ultrasonic probe 10 and converted into ultrasonic waves. The ultrasonic wave transmitted to the subject 15 is reflected inside the body, and a part of the reflected echo is received by the piezoelectric element 1. Here, the reflected wave is converted into an electric signal and input to the ultrasonic diagnostic apparatus main body 30. The input reception signal is subjected to signal processing in the ultrasonic diagnostic apparatus main body 30 and output to a display device 35 such as a CRT as a tomographic image, for example.

被検体15は、人体に限らず他の動物などの生体であってもよく、さらには材料や構造物などを対象に内部探傷目的で本超音波診断装置50を利用することも可能である。   The subject 15 is not limited to a human body, and may be a living body such as another animal, and the ultrasonic diagnostic apparatus 50 can be used for the purpose of internal flaw detection for materials and structures.

本発明にかかる超音波探触子は、人体などの被検体の超音波診断を行う各種医療分野、さらには材料や構造物の内部探傷を目的とした工業分野において利用が可能である。   The ultrasonic probe according to the present invention can be used in various medical fields for performing ultrasonic diagnosis of a subject such as a human body, and in industrial fields for the purpose of internal flaw detection of materials and structures.

本発明にかかる実施の形態の超音波探触子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the ultrasonic probe of embodiment concerning this invention. 図1に示す超音波探触子の圧電素子幅方向の部分拡大断面図である。FIG. 2 is a partial enlarged cross-sectional view in the piezoelectric element width direction of the ultrasonic probe shown in FIG. 1. 図1に示す超音波探触子の圧電素子配列方向の部分拡大断面図である。FIG. 2 is a partial enlarged cross-sectional view of the ultrasonic probe shown in FIG. 1 in the direction in which piezoelectric elements are arranged. 本発明にかかる実施の形態の超音波探触子の他の態様を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other aspect of the ultrasonic probe of embodiment concerning this invention. 図4に示す超音波探触子の圧電素子幅方向の部分拡大断面図である。FIG. 5 is a partial enlarged cross-sectional view of the ultrasonic probe shown in FIG. 4 in the piezoelectric element width direction. 図4に示す超音波探触子の圧電素子配列方向の部分拡大断面図である。FIG. 5 is a partial enlarged cross-sectional view of the ultrasonic probe shown in FIG. 4 in the direction in which the piezoelectric elements are arranged. 本発明にかかる他の実施の形態の超音波探触子の圧電素子幅方向の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the piezoelectric element width direction of the ultrasonic probe of other embodiment concerning this invention. 本発明にかかる他の実施の形態の超音波探触子の圧電素子配列方向の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the piezoelectric element arrangement | positioning direction of the ultrasonic probe of other embodiment concerning this invention. 本発明にかかる超音波探触子を利用する超音波診断装置の概略図である。1 is a schematic view of an ultrasonic diagnostic apparatus using an ultrasonic probe according to the present invention. 従来技術による超音波探触子の構成を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the structure of the ultrasonic probe by a prior art. 従来技術による音響インピーダンスが連続して傾斜する音響整合層の構成を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the structure of the acoustic matching layer which the acoustic impedance by a prior art inclines continuously.

符号の説明Explanation of symbols

1.圧電素子、 2.音響整合層、 3.音響レンズ、 4.背面負荷材、 6.接地電極、 7.信号用電極、 8.信号用電気端子、 10.超音波探触子、 11.圧電素子、 12.音響整合層、 13.音響レンズ、 14.背面負荷材、 15.被検体、 20.超音波探触子、 22.音響整合層、 22a.第1の音響整合材、 22b.第2の音響整合材、 25.ケーブル、 30.診断装置本体、 35.表示装置、 50.超音波診断装置。

1. 1. piezoelectric element, 2. acoustic matching layer; Acoustic lens, 4. 5. Back load material, 6. ground electrode; 7. Signal electrode 10. signal electrical terminal; 10. Ultrasonic probe, Piezoelectric element, 12. 12. acoustic matching layer; Acoustic lens, 14. Back load material, 15. Subject, 20. Ultrasonic probe, 22. Acoustic matching layer, 22a. A first acoustic matching material, 22b. 25. second acoustic matching material; Cable, 30. 35. diagnostic device body Display device, 50. Ultrasonic diagnostic equipment.

Claims (12)

被検体との間で超音波を送受信する複数個配列された圧電素子と、
前記圧電素子の被検体側前面に設けられる音響整合層と、
前記圧電素子に対して前記音響整合層の反対側となる前記圧電素子の背面に設けられる背面負荷材と、
前記圧電素子の前面及び背面に設けられる一対の電極とから構成される超音波探触子において、
前記音響整合層の音響インピーダンスが、前記圧電素子側部分での圧電素子に近い値から、前記被検体側部分での被検体に近い値へと厚さ方向に連続的に変化し、前記複数の圧電素子の各々に対応した前記音響整合層の被検体側の表面形状が、前記複数の圧電素子の配列方向、およびこれと直交する幅方向に沿って曲面状に形成され、前記音響整合層が超音波ビームを前記配列方向に拡散させ、前記幅方向に収束させることを特徴とする超音波探触子。
A plurality of arranged piezoelectric elements that transmit and receive ultrasonic waves to and from the subject;
An acoustic matching layer provided on the subject-side front surface of the piezoelectric element;
A back load material provided on the back surface of the piezoelectric element on the opposite side of the acoustic matching layer with respect to the piezoelectric element;
In the ultrasonic probe composed of a pair of electrodes provided on the front surface and the back surface of the piezoelectric element,
The acoustic impedance of the acoustic matching layer continuously changes in the thickness direction from a value close to the piezoelectric element in the piezoelectric element side portion to a value close to the subject in the subject side portion, The object-side surface shape of the acoustic matching layer corresponding to each of the piezoelectric elements is formed in a curved shape along the arrangement direction of the plurality of piezoelectric elements and the width direction orthogonal thereto, and the acoustic matching layer includes An ultrasonic probe characterized in that an ultrasonic beam is diffused in the arrangement direction and converged in the width direction.
前記音響整合層が、前記圧電素子の発生する超音波の使用周波数帯の少なくとも1/2波長以上の厚さを有することを特徴とする、請求項1に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the acoustic matching layer has a thickness of at least a half wavelength or more of a use frequency band of an ultrasonic wave generated by the piezoelectric element. 前記音響整合層の被検体側部分の音速をCml、被検体の音速をCbとしたとき、Cml<Cbの場合は前記被検体に対する前記配列方向に沿った曲面が凹形状、前記幅方向に沿った曲面が凸形状にそれぞれ形成され、Cml>Cbの場合は前記被検体に対する前記配列方向に沿った曲面が凸形状、前記幅方向に沿った曲面が凹形状にそれぞれ形成されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の超音波探触子。   When the sound velocity of the subject side portion of the acoustic matching layer is Cml and the sound velocity of the subject is Cb, when Cml <Cb, the curved surface along the arrangement direction with respect to the subject is concave, and along the width direction. Each curved surface is formed in a convex shape, and when Cml> Cb, the curved surface along the arrangement direction with respect to the subject is formed in a convex shape, and the curved surface along the width direction is formed in a concave shape. The ultrasonic probe according to claim 1 or 2. 前記配列方向に沿った曲面が複数の曲率半径の曲面の組み合わせから構成され、当該複数の曲率半径が、前記配列方向に沿って変化していることを特徴とする、請求項3に記載の超音波探触子。   The curved surface along the arrangement direction is composed of a combination of curved surfaces having a plurality of curvature radii, and the plurality of curvature radii vary along the arrangement direction. Sonic probe. 前記複数の曲率半径の変化は、前記配列方向の各電圧素子の中心部に対応する位置で曲率半径が相対的に大きく、前記中心部から前記配列方向両端部に進むにしたがって曲率半径が相対的に徐々に小さくなるよう形成されていることを特徴とする、請求項4に記載の超音波探触子。   The change in the plurality of radii of curvature is such that the radius of curvature is relatively large at a position corresponding to the central portion of each voltage element in the arrangement direction, and the radius of curvature is relative to each other in the arrangement direction. The ultrasonic probe according to claim 4, wherein the ultrasonic probe is formed so as to gradually become smaller. 前記配列方向に沿った曲面の形状が、前記幅方向に沿って変化していることを特徴とする、請求項3に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to claim 3, wherein the shape of the curved surface along the arrangement direction changes along the width direction. 前記配列方向に沿った曲面が単一の曲率半径の曲面、または複数の曲率半径の曲面の組み合わせから構成され、当該曲面の形状の前記幅方向に沿った変化が、前記幅方向の中心部に対応する位置で曲率半径が相対的に小さく、前記中心部から前記幅方向両端部に進むにしたがって曲率半径が相対的に徐々に大きくなるよう形成されていることを特徴とする、請求項6に記載の超音波探触子。   The curved surface along the arrangement direction is composed of a curved surface having a single radius of curvature or a combination of curved surfaces having a plurality of curvature radii, and the change in the shape of the curved surface along the width direction is at the center in the width direction. The radius of curvature is relatively small at a corresponding position, and the radius of curvature gradually increases gradually from the center to both ends in the width direction. The described ultrasonic probe. 前記幅方向に沿った曲面が複数の曲率半径の曲面の組み合わせから構成され、当該複数の曲率半径が、前記幅方向に沿って変化していることを特徴とする、請求項3に記載の超音波探触子。   The curved surface along the width direction is composed of a combination of curved surfaces having a plurality of curvature radii, and the plurality of curvature radii vary along the width direction. Sonic probe. 前記複数の曲率半径の変化は、前記幅方向の中心部で曲率半径が相対的に小さく、前記中心部から前記幅方向両端部に進むにしたがって曲率半径が相対的に徐々に大きくなるよう形成されていることを特徴とする、請求項8に記載の超音波探触子。   The change in the plurality of radii of curvature is formed such that the radius of curvature is relatively small at the center in the width direction, and the radius of curvature gradually increases gradually from the center to both ends in the width direction. The ultrasonic probe according to claim 8, wherein the ultrasonic probe is provided. 前記音響整合層が、前記圧電素子にほぼ等しい音響インピーダンスを有する円錐状または多角錐状の複数の第1音響整合材を前記錐状が同一方向となるよう密集して配置した第1の層と、被検体にほぼ等しい音響インピーダンスを有する第2音響整合材で前記第1の層の空隙部分を埋めた第2の層とを厚さ方向に組み合わせて形成したもの、または、被検体に近い音響インピーダンスの樹脂に前記圧電素子にほぼ等しい音響インピーダンスの粉体を充填して前記樹脂中で前記粉体充填度合いを厚さ方向に傾斜させて形成したもののいずれかであることを特徴とする、請求項1から請求項9のいずれか一にかかる超音波探触子。   The acoustic matching layer includes a first layer in which a plurality of conical or polygonal cone-shaped first acoustic matching materials having an acoustic impedance substantially equal to that of the piezoelectric element are arranged densely so that the cones are in the same direction; A second acoustic matching material having an acoustic impedance substantially equal to that of the subject and a combination of the first layer and the second layer in which the gap portion of the first layer is filled in the thickness direction, or an acoustic close to the subject An impedance resin is filled with powder having an acoustic impedance substantially equal to that of the piezoelectric element and the powder filling degree is inclined in the thickness direction in the resin. The ultrasonic probe according to any one of Items 1 to 9. 前記音響整合層が、前記複数の圧電素子の各々に対応して分割されていることを特徴とする、請求項1から請求項10のいずれか一に記載の超音波探触子。   The ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 10, wherein the acoustic matching layer is divided in correspondence with each of the plurality of piezoelectric elements. 被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子との間に電気的に接続され、前記超音波探触子に駆動信号を送信し、前記超音波探触子からの電気信号を処理して診断結果を出力する診断装置本体とから構成される超音波診断装置において、
前記超音波探触子が、請求項1から請求項11のいずれか一に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波診断装置。
An ultrasound probe that transmits and receives ultrasound to and from the subject;
A diagnostic apparatus that is electrically connected to the ultrasound probe, transmits a drive signal to the ultrasound probe, processes the electrical signal from the ultrasound probe, and outputs a diagnosis result In an ultrasonic diagnostic apparatus composed of a main body,
The ultrasonic diagnostic apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic probe is the ultrasonic probe according to claim 1.
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