JP2007319597A - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の送受信波形を広帯域化することができる超音波プローブを提供すること。
【解決手段】超音波プローブ２０において、超音波を送受信する圧電振動子２２１と、前記圧電振動子２２１から送受信される超音波を収束させる音響レンズ２２２と、前記圧電振動子２２１と前記音響レンズ２２２との間に配設され、前記圧電振動子２２１から前記音響レンズ２２２にかけて音響インピーダンスが連続的に変化して、前記圧電振動子２２１と前記音響レンズ２２２を音響整合させる音響整合層２２３とを備え、前記超音波の送受信方向における前記音響整合層２２３の厚さｄは、前記音響整合層２２３を伝播する超音波の平均波長以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検体内を超音波で走査して、当該被検体の内部を画像化する超音波プローブ及び超音波画像装置に係り、特に超音波プローブが備えている音響整合層の厚さに関するものである。

超音波プローブから被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合により生じる反射波を超音波探触子で受信して受信信号を生成する超音波診断装置が知られている。

ところで、従来の超音波プローブにおいて、圧電振動子の音響インピーダンス（約３２Ｍｒａｌｙ）と音響レンズの音響インピーダンス（約１．５Ｍｒａｌｙ）との整合を目的として、λ／４（λ：超音波の波長）程度の厚さに規定された複数の音響整合層を積層させる技術（以下、λ／４整合技術）が存在する。音響整合層としては、１層整合層より２層整合層、２層整合層より３層整合層の方が、圧電振動子と音響レンズとの音響整合が良好となり、超音波の送受信波形の広帯域化や超音波の高感度化に寄与することになる。

これに対して、音響整合層の音響インピーダンスを超音波の伝播方向（以下、厚さ方向）に徐々に変化させて、音響整合層に傾斜特性を持たせる技術（以下、傾斜整合技術）が知られている。これは、圧電振動子の音響インピーダンスと音響レンズの音響インピーダンスとを連続的に整合し、音響インピーダンスの不整合部を完全に除去することで、超音波の伝播効率の向上をはかる技術である。

具体的には、音響インピーダンスが異なる２種類以上の材料を徐々に割合を変えながら蒸着していくことで、音響インピーダンスに傾斜特性を持たせる方法（例えば、特許文献１を参照。）や、先細りした複数の柱状体を並べて、その隙間を樹脂で充填することで、音響インピーダンスに傾斜特性を持たせる方法（例えば、特許文献２を参照。）などがある。

これらの傾斜整合層は、従来のλ／４整合層とは異なり、音響整合層内に音響インピーダンスの明確な不連続面が存在しないため、反射損失が低減され、超音波の送受信効率の向上や送受信波形の広帯域化などが期待される。
特開平７−３９０号公報 特開平１１−８９８３５号公報

ところが、本出願人は、超音波プローブが傾斜整合層を備えていても、超音波の送受信波形が狭帯域化することを発見した。

図８は傾斜整合層を備えた３［ＭＨｚ］系の超音波プローブを使用したときの送受信波形のグラフである。図８において、曲線イは傾斜整合層の厚さが５００［μｍ］の場合、曲線ロは傾斜整合層の厚さが１０００［μｍ］の場合、曲線ハは傾斜整合層の厚さが１５００［μｍ］の場合、曲線ニは傾斜整合層の厚さが２０００［μｍ］の場合、曲線ホは二層整合層の場合である。

図８に示すように、３［ＭＨｚ］系の超音波プローブでは、傾斜整合層を備えていても、傾斜整合層の厚さが小さくなると、超音波の送受信波形が狭帯域化することがわかる。

図９は傾斜整合層を備えた６ＭＨｚ系の超音波プローブを使用したときの送受信波形のグラフである。図９において、曲線イは傾斜整合層の厚さが２００［μｍ］の場合、曲線ロは傾斜整合層の厚さが４００［μｍ］の場合、曲線ハは傾斜整合層の厚さが６００［μｍ］の場合、曲線ニは傾斜整合層の厚さが８００［μｍ］の場合、曲線ホは二層整合層の場合である。

図９に示すように、６［ＭＨｚ］系の超音波プローブでは、傾斜整合層を備えていても、傾斜整合層の厚さが小さくなると、超音波の送受信波形が狭帯域化することがわかる。

本発明は、超音波の送受信波形を広帯域化することができる超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することにある。

本発明における超音波プローブ及び超音波診断装置は、以下のように構成されている。

（１）超音波プローブにおいて、超音波を送受信する圧電振動子と、前記圧電振動子から送受信される超音波を収束させる音響レンズと、前記圧電振動子と前記音響レンズとの間に配設され、前記圧電振動子から前記音響レンズにかけて音響インピーダンスが連続的に変化して、前記圧電振動子と前記音響レンズを音響整合させる音響整合層とを備え、前記超音波の送受信方向における前記音響整合層の厚さは、前記音響整合層を伝播する超音波の平均波長以上である。

（２）（１）に記載された超音波プローブにおいて、前記超音波の平均波長は、前記超音波の送受信方向における前記音響整合層の両端部での音速の平均と、前記音響整合層を伝播する超音波の周波数とに基づいて算出される。

（３）（１）に記載された超音波プローブにおいて、前記音響レンズとの接合面における前記音響整合層の音響インピーダンスは、前記音響レンズの音響インピーダンスに等しい。

（４）（１）に記載された超音波プローブにおいて、前記圧電振動子との接合面における前記音響整合層の音響インピーダンスは、前記圧電振動子の音響インピーダンスに等しい。

（５）（１）に記載された超音波プローブにおいて、前記音響整合層は、前記超音波の送受信方向の中途部に位置する第１の領域と、前記第１の領域と前記圧電振動子との間に位置し、前記超音波の送受信方向に対する音響インピーダンスの変化率が前記第１の領域より小さい第２の領域と、前記第１の領域と前記音響レンズとの間に位置し、前記超音波の送受信方向に対する音響インピーダンスの変化率が前記第１の領域より小さい第３の領域とを含んでいる。

（６）超音波を送受信する超音波プローブ備える超音波診断装置において、前記超音波プローブは、前記超音波を送受信する圧電振動子と、前記圧電振動子から送受信される超音波を屈折させる音響レンズと、前記圧電振動子と前記音響レンズとの間に配設され、前記圧電振動子から前記音響レンズにかけて音響インピーダンスが連続的に変化して、前記圧電振動子の音響インピーダンスと前記音響レンズの音響インピーダンスとの差を緩和させる音響整合層とを備え、前記超音波の送受信方向における前記音響整合層の厚さは、前記音響整合層を伝播する超音波の平均波長以上である。

本発明によれば、超音波の送受信波形を広帯域化することができ、さらに距離分解能の向上、ひいては画像診断能の向上を実現できる。

以下、図面を参照しながら、一実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波を利用して被検体の内部を画像化するものであって、装置本体１０と超音波プローブ２０とで構成されている。

装置本体１０は、ベッドサイドでの診断ができるよう、キャスター１１を備えていて、内部には超音波プローブ２０に駆動信号を印加するとともに、超音波プローブ２０により取得されたエコー信号に基づいて受信信号を生成する送受信回路１２と、送受信回路１２により生成された受信信号に基づいて、被検体に関する超音波画像を生成する画像生成部１３とが配設されている。また、装置本体１０の上部には、画像生成部１３により生成された超音波画像を表示するモニタ１４が配設されている。装置本体１０と超音波プローブ２０とは、ケーブル１５によって接続されていて、当該ケーブル１５を通してデータ等の通信が行われる。

図２は同実施形態に係る超音波プローブ２０の断面図である。
図２に示すように、超音波プローブ２０は、操作者に把持されるケース２１と、ケース２１内に配置され、ケース２１の先端部から被検体に対して超音波を送受信するトランスデューサ２２とを具備している。

［トランスデューサ２２の構成］
図３は同実施形態に係るトランスデューサ２２の要部の斜視図である。なお、図３では、音響レンズ２２２が省略されている。

図３に示すように、トランスデューサ２２は、超音波を送受信するための圧電振動子２２１と、圧電振動子２２１から送受信された超音波を収束もしくは拡散するための音響レンズ２２２（図２を参照）と、圧電振動子２２１と音響レンズ２２２との間に配設され、圧電振動子２２１の音響インピーダンスと音響レンズ２２２の音響インピーダンスとを整合するための音響整合層２２３と、圧電振動子２２１から背面に送信された超音波を吸収するためのバッキング材２２４とを具備している。

圧電振動子２２１は、超音波の走査方向に対して複数の素子に分割されていて、それぞれの素子が被検体に対して超音波の送受信を実行するように構成されている。圧電振動子２２１の音響インピーダンスは約３２Ｍｒａｌｙである。圧電振動子２２１の素材としては、特に限定されるものではないが、例えば２成分系あるいは３成分系の圧電セラミックス等が用いられる。なお、圧電振動子２２１の素子と素子との隙間には、シリコン等の樹脂が充填されている。

音響レンズ２２２は、音響整合層２２３の前面に配設されていて、被検体に密着する部位に曲面が形成されている。音響レンズ２２２の音響インピーダンスは、被検体と音響レンズ２２２との接触面における超音波の反射を防止するために、被検体の音響インピーダンスに近い値、即ち約１．５Ｍｒａｌｙに設定されている。音響レンズ２２２の素材としては、特に限定されるものではないが、例えばシリコーンゴム等が用いられる。

音響整合層２２３は、圧電振動子２２１と同様に、超音波の走査方向に対して複数の要素に分割されていて、それぞれの要素が圧電振動子２２１の音響インピーダンスと音響レンズ２２２の音響インピーダンスとを良好に整合するように構成されている。なお、音響整合層２２３の要素と要素との隙間には、シリコン等の樹脂が充填されている。

以下、音響整合層２２３の構成について詳細に説明する。
図４は同実施形態に係る音響整合層２２３の構成図である。
図４に示すように、この音響整合層２２３は、圧電振動子２２１から音響レンズ２２２に向かって順に積層された、第１の整合層２２３（１）、第２の整合層２２３（２）、…第ｎの整合層２２３（ｎ）で構成されている。これら第１〜第ｎの整合層２２３（１）〜２２３（ｎ）は、いずれも樹脂フィルムであって、それぞれの厚さは、λ／４０（λ：超音波の波長）以下に設定されている。樹脂フィルムの素材は、特に限定されるものではないが、例えばポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂等が用いられる。なお、図３では整合層２２３（１）〜２２３（ｎ）の境界面が描かれているが、実際には目視できるものではない。

第１の整合層２２３（１）〜第ｎの整合層２２３（ｎ）には、それぞれフィラーが添加されている。フィラーの素材としては、特に限定されるものではないが、例えばシリカ粉末やタングステン粉末等が用いられる。

フィラーの添加率は、圧電振動子２２１からの距離に応じて、即ち圧電振動子２２１から数えて何枚目に積層されているかに応じて決められている。これにより、本実施形態における音響整合層２２３の音響インピーダンス、及び音響インピーダンスの変化率は、以下のように設定される。

図５は同実施形態に係る圧電振動子２２１から音響レンズ２２２にかけての音響インピーダンスの変化を示す概略図である。
図５（ａ）に示すように、音響整合層２２３の音響インピーダンスは、圧電振動子２２１から音響レンズ２２２に向かってなだらかに低下して、圧電振動子２２１との境界付近で圧電振動子２２１と同等の約３２Ｍｒａｌｙとなり、音響レンズ２２２との境界付近で音響レンズ２２２と同等の約１．５Ｍｒａｌｙとなるように調整されている。即ち、圧電振動子２２１に密着する第１の整合層２２３（１）の音響インピーダンスは約３２Ｍｒａｌｙに設定され、音響レンズ２２２と密着する第ｎの整合層２２３（ｎ）の音響インピーダンスは約１．５Ｍｒａｌｙに設定されている。

なお、音響整合層２２３の音響インピーダンスが圧電振動子２２１からの距離に応じて異なっていることで、音響整合層２２３における音速も、圧電振動子２２１からの距離に応じて異なっていて、圧電振動子２２１との境界付近では、圧電振動子２２１の音速に等しく、音響レンズ２２２との境界付近では、音響レンズ２２２の音速に等しい。

図５（ｂ）に示すように、音響整合層２２３の音響インピーダンスの変化率は、音響整合層２２３の厚さ方向の中心部で大きく、圧電振動子２２１及び音響レンズ２２２に接近するにつれて０に接近するように調整される。これにより、音響インピーダンスの変化率は、圧電振動子２２１と音響整合層２２３との境界、及び音響レンズ２２２と音響整合層２２３との境界で連続することになる。即ち、音響整合層２２３の音響インピーダンスの変化率は、圧電振動子２２１から音響レンズ２２２にかけて、音響インピーダンスの変化率が連続的に変化するように調整されている。

換言すれば、音響整合層２２３は、厚さ方向の中途部に位置する第１の領域２２３ａと、圧電振動子２２１と第１の領域２２３ａとの間に位置し、音響インピーダンスの変化率が第１の領域２２３ａより小さい第２の領域２２３ｂと、音響レンズ２２２と第１の領域２２３ａとの間に位置し、音響インピーダンスの変化率が第１の領域２２３ａより小さい第３の領域２２３ｃとから構成されている、と理解することも可能である。

以下、音響整合層２２３の厚さｄについて詳細に説明する。
音響整合層２２３の厚さｄは、音響整合層２２３を伝播する超音波の平均波長以上に設定されている。超音波の平均波長は、音響整合層２２３の平均音速と、超音波の周波数に基づいて算術される。なお、本実施形態において、音響整合層２２３の平均音速として、音響レンズ２２２との接合面における音響整合層２２３の音速と、圧電振動子２２１との接合面における音響整合層２２３の音速との算術平均が採用される。

ところで、前述のように、音響整合層２２３の音速は、圧電振動子２２１との境界付近で圧電振動子２２１の音速に等しく、音響レンズ２２２との境界付近で音響レンズ２２２の音速に等しい。したがって、音響整合層２２３の厚さｄを算出する際に、圧電振動子２２１との接合面における音響整合層２２３の音速の代わりに、圧電振動子２２１の音速、音響レンズ２２２との接合面における音響整合層２２３の音速の代わりに、音響レンズ２２２の音速を使用しても良い。

ここで、図６を参照しながら、３ＭＨｚ系の超音波プローブについて、音響整合層２２３の厚さｄと超音波の送受信比帯域との関係を検討してみる。

図６は同実施形態に係る３ＭＨｚ系の超音波プローブを使用したときの送受信比帯域のシミュレーション結果を示すグラフである。図６において、横軸は音響整合層２２３の厚さｄ、縦軸は送受信比帯域（ＲＢＷ）を示している。なお、曲線イは帯域幅（ＢＷ）が−６［ｄＢ］の場合、曲線ロは帯域幅（ＢＷ）が−２０［ｄＢ］の場合である。

ちなみに、３［ＭＨｚ］系の超音波プローブにおいて、圧電振動子２２１の音速を４０００［ｍ／ｓ］、音響レンズ２２２の音速を１０００［ｍ／ｓ］としたとき、超音波の平均波長は、約８３３［μｍ］となる。

図６に示すように、音響整合層２２３の厚さｄが８３３［μｍ］以上になると、超音波の送受信比帯域が高くなることがわかる。逆に、音響整合層２２３の厚さｄが８３３［μｍ］未満になると、超音波の送受信比帯域が急激に低くなることがわかる。即ち、３［ＭＨｚ］系の超音波プローブでは、音響整合層２２３を伝播する超音波の平均波長が送受信比帯域の良否の境界となっている。

次に、図７を参照しながら、６［ＭＨｚ］系の超音波プローブについて、音響整合層２２３の厚さｄと超音波の送受信比帯域との関係を検討してみる。

図７は同実施形態に係る６［ＭＨｚ］系の超音波プローブを使用したときの送受信比帯域のシミュレーション結果を示すグラフである。図７において、横軸は音響整合層２２３の厚さｄ、縦軸は送受信比帯域（ＲＢＷ）を示している。なお、曲線イは帯域幅（ＢＷ）が−６［ｄＢ］の場合、曲線ロは帯域幅（ＢＷ）が−２０［ｄＢ］の場合である。

ちなみに、６［ＭＨｚ］系の超音波プローブにおいて、圧電振動子２２１の音速を４００［ｍ／ｓ］、音響レンズ２２２の音速を１０００［ｍ／ｓ］としたとき、超音波の平均波長は、４１７［μｍ］となる。

図７に示すように、音響整合層２２３の厚さｄが４１７［μｍ］以上になると、超音波の送受信比帯域が高くなることがわかる。逆に、音響整合層２２３の厚さｄが４１７［μｍ］未満になると、超音波の送受信比帯域が急激に低くなることがわかる。即ち、６［ＭＨｚ］系の超音波プローブでは、音響整合層２２３を伝播する超音波の平均波長が送受信比帯域の良否の境界となっている。

以上のシミュレーションから、超音波の波長に依らず、音響整合層２２３の厚さｄが超音波の平均波長以上に設定されると、超音波波形が広域化し、音響整合層２２３の厚さｄが超音波の平均波長未満に設定されると、超音波の送受信波形が狭帯域化することが実証された。

（本実施形態による作用）
本実施形態における音響整合層２２３の厚さｄは、音響整合層２２３を伝播する超音波の平均波長以上に設定されている。そのため、超音波の送受信波形が広帯域化され、さらに距離分解能の向上、ひいては画像診断能の向上が実現される。

ただし、音響整合層２２３の厚さは、超音波の減衰率に影響するため、厚ければ厚いほど望ましいとは限らない。即ち、図６、図７に示すように、音響整合層２２３の厚さが１０００［μｍ］以上になると、広帯域化が頭打ちとなっていることがわかる。従って、音響整合層２２３の厚さは、超音波の減衰率と広帯域化とを勘案して決定すべきである。

なお、本実施形態では、音響整合層２２３の平均音速として、音響レンズ２２２との接合面における音響整合層２２３の音速と、圧電振動子２２１との接合面における音響整合層２２３の音速との算術平均が採用されていが、本発明は、これに限定されるものではない。即ち、音響レンズ２２２との接合面における音響整合層２２３の音速から、圧電振動子２２１との接合面における音響整合層２２３の音速までの範囲であれば、ある程度の効果が期待できる。

また、本実施形態では、既にフィラーが添加された樹脂フィルムが用いられているが、圧電振動子２２１の前面に樹脂フィルムが積層されるときに、樹脂フィルムと樹脂フィルムの間にフィラーが添加されるようにしても同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態では、樹脂フィルムに対して同じ種類のフィラーを添加することが想定されているが、それぞれの樹脂フィルムに対して異なる種類のフィラーが添加されても良い。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の斜視図。 同実施形態に係るトランスデューサの断面図。 同実施形態に係るトランスデューサの要部の斜視図。 同実施形態に係る音響整合層の構成図。 同実施形態に係る圧電振動子から音響レンズにかけての音響インピーダンスの変化を示す概略図。 同実施形態に係る３ＭＨｚ系の超音波プローブを使用したときの送受信比帯域のシミュレーション結果を示すグラフ。 同実施形態に係る６ＭＨｚ系の超音波プローブを使用したときの送受信比帯域のシミュレーション結果を示すグラフ。 ３ＭＨｚ系の超音波プローブを使用したときの送受信波形のグラフ。 ６ＭＨｚ系の超音波プローブを使用したときの送受信波形のグラフ。

符号の説明

２０…超音波プローブ、２２１…圧電振動子、２２２…音響レンズ、２２３…音響整合層、２２３ａ…第１の領域、２２３ｂ…第２の領域、２２３ｃ…第３の領域、ｄ…音響整合層の厚さ。

Claims (6)

1. 超音波を送受信する圧電振動子と、
   前記圧電振動子から送受信される超音波を収束させる音響レンズと、
   前記圧電振動子と前記音響レンズとの間に配設され、前記圧電振動子から前記音響レンズにかけて音響インピーダンスが連続的に変化して、前記圧電振動子と前記音響レンズを音響整合させる音響整合層とを備え、
   前記超音波の送受信方向における前記音響整合層の厚さは、前記音響整合層を伝播する超音波の平均波長以上であることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記超音波の平均波長は、前記超音波の送受信方向における前記音響整合層の両端部での音速の平均と、前記音響整合層を伝播する超音波の周波数とに基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載された超音波プローブ。
3. 前記音響レンズとの接合面における前記音響整合層の音響インピーダンスは、前記音響レンズの音響インピーダンスに等しいことを特徴とする請求項１に記載された超音波プローブ。
4. 前記圧電振動子との接合面における前記音響整合層の音響インピーダンスは、前記圧電振動子の音響インピーダンスに等しいことを特徴とする請求項１に記載された超音波プローブ。
5. 前記音響整合層は、
   前記超音波の送受信方向の中途部に位置する第１の領域と、
   前記第１の領域と前記圧電振動子との間に位置し、前記超音波の送受信方向に対する音響インピーダンスの変化率が前記第１の領域より小さい第２の領域と、
   前記第１の領域と前記音響レンズとの間に位置し、前記超音波の送受信方向に対する音響インピーダンスの変化率が前記第１の領域より小さい第３の領域とを含んでいることを特徴とする請求項１に記載された超音波プローブ。
6. 超音波を送受信する超音波プローブ備える超音波診断装置において、
   前記超音波プローブは、
   前記超音波を送受信する圧電振動子と、
   前記圧電振動子から送受信される超音波を屈折させる音響レンズと、
   前記圧電振動子と前記音響レンズとの間に配設され、前記圧電振動子から前記音響レンズにかけて音響インピーダンスが連続的に変化して、前記圧電振動子の音響インピーダンスと前記音響レンズの音響インピーダンスとの差を緩和させる音響整合層とを備え、
   前記超音波の送受信方向における前記音響整合層の厚さは、前記音響整合層を伝播する超音波の平均波長以上であることを特徴とする超音波診断装置。

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