JP2009089738A - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のモジュールからなる超音波探触子及び超音波診断装置において、サイドローブ上昇の低減を可能とする。
【解決手段】少なくとも第１の方向に結合される複数のモジュール３０を有する超音波探触子５において、複数のモジュール３０の各々は、第１の方向に関して第１の幅Ｗ１を有する複数の第１圧電振動子４５ａと、第１の方向に関して第１の幅Ｗ１よりも狭い第２の幅Ｗ２を有する少なくとも１つの第２圧電振動子４５ｂと、を有し、複数のモジュール３０は、第２圧電振動子４５ｂにおいて隣のモジュール３０と結合されることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のモジュールを有する超音波探触子及び超音波診断装置に関する。

複数の圧電振動子を有する超音波探触子がある。超音波探触子の応用例として、少なくとも１方向に２個以上のモジュールを結合してなる超音波探触子がある（例えば、特許文献１参照）。

図７に、結合された複数のモジュール９０からなる超音波探触子の横断面図を示す。図７に示す超音波探触子１００は、２つのモジュール９０を有する。モジュール９０は背面材９１を有している。背面材９１の上部は、厚さＷ９０（典型的には５０μｍ）を有するフレキシブルＰＣ板９３を介して複数の圧電振動子９５が設けられている。モジュール９０は、第１の方向に沿って１２個の圧電振動子９５を有している。典型的には、圧電振動子９５の第１の方向に沿う幅Ｗ９１は、２５０μｍである。また、ダイシングによる圧電振動子９５間の溝の幅Ｗ９３は、典型的には５０μｍである。従ってモジュール９０内部において隣り合う２つの圧電振動子９５ｂの中心間の距離ｐ９０は、３００μｍである。

モジュール９０は、シリコーン接着等で第１の方向に結合され、その接着層９６の厚みＷ９６は、典型的には５０μｍである。モジュール９０を結合させるため、又結合される面と面との間をフレキシブルＰＣ板９３が貫通するため、結合される２つの圧電振動子９５ａの中心間の距離ｐ９１は、４００μｍとなる。すなわち、距離ｐ９１は、距離ｐ９０に比べて広い。その結果、サイドローブが上昇してしまう。

このような構成のモジュールにおいて、圧電振動子に対して、不要振動を抑えるためのサブダイシングが行なわれる場合がある。ここで、サブダイシングにより分割され幅Ｗ９７を有する圧電振動子９５ｂの一部分を圧電振動子片９５ｃと称することにする。サブダイシングによって生じる溝の幅Ｗ９８は典型的には、５０μｍである。従って、圧電振動子片９５ｃの幅Ｗ９７は１００μｍとなり、モジュール９０内部における圧電振動子９５ｃの実効幅Ｗ９９（２×Ｗ９７）は２００μｍである。

図７に示すように、サブダイシングが行なわれる場合においても、機械的強度を確保するため、モジュール９０端部における圧電振動子９５ａのみサブダイスは行われない。しかし、この場合、圧電振動子９５ａの幅Ｗ９１が圧電振動子９５ｂの実行幅Ｗ９９よりも５０μｍだけ広くなる。従って、圧電振動子９１ａと圧電振動子９５ｂとに同一の駆動電圧を印加すると、圧電振動子９１ａから発生される超音波の強度は、圧電振動子９１ｂから発生される超音波の強度よりも約２ｄＢ高くなる。その結果、音圧分布が逆ウェイティングとなり、サイドローブが更に上昇する。
特開２００４−４１７３０Ａ公報

本発明の目的は、複数のモジュールからなる超音波探触子及び超音波診断装置において、サイドローブ上昇の低減を可能とすることにある。

上記目的を達成するために本発明の超音波探触子は、ある局面において、少なくとも第１の方向に結合される複数のモジュールを有し、前記複数のモジュールの各々は、前記第１の方向に関して第１の幅を有する複数の第１圧電振動子と、前記第１の方向に関して第１の幅よりも狭い第２の幅を有する少なくとも１つの第２圧電振動子と、を有し、前記複数のモジュールは、前記第２圧電振動子において隣のモジュールと結合されることを特徴とする。

本発明の超音波診断装置は、ある局面において、少なくとも第１の方向に結合される複数のモジュールを有する超音波探触子を具備し、前記複数のモジュールの各々は、前記第１の方向に関して第１の幅を有する複数の第１圧電振動子と、前記第１の方向に関して第１の幅よりも狭い第２の幅を有する少なくとも１つの第２圧電振動子と、を有し、前記複数のモジュールは、前記第２圧電振動子において隣のモジュールと結合されることを特徴とする。

本発明によれば、複数のモジュールからなる超音波探触子及び超音波診断装置において、サイドローブ上昇の低減が可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態における超音波探触子及び超音波診断装置の構成を示す図である。図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波探触子５と超音波診断装置本体１０とから構成される。

超音波探触子５は、超音波診断装置本体１０に接続されている。

超音波診断装置本体１０は、超音波送信部１１、超音波受信部１２、Ｂモード処理部１３、ドプラ処理部１４、スキャンコンバータ１５、画像合成部１６、モニター１７、記憶部１８、制御部１９及び入力部２０を備える。以下、個々の構成要素の機能について説明する。

超音波送信部１１は、図示しないレートパルス発生回路、遅延回路及び駆動パルス発生回路等を有している。レートパルス発生回路は、所定のレート周波数ｆr Ｈｚ（周期；１／ｆr秒）で、レートパルスを繰り返し発生する。遅延回路は、チャンネル毎に超音波をビーム状に集束させ且つ送信指向性を決定するのに必要な遅延時間を各レートパルスに与える。駆動パルス発生回路は、各遅延されたレートパルスに基づくタイミングで超音波駆動パルスを発生する。駆動パルスを受けた超音波振動子ユニット３１の複数の圧電振動子は、超音波を発生する。

超音波受信部１２は、図示しないアンプ回路、Ａ／Ｄ変換器及び加算器等を有している。アンプ回路は、被検体からのエコー信号をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅されたエコー信号を標本化及び量子化することにより、アナログ信号からデジタル信号に変換する。遅延回路は、デジタル信号に変換されたエコー信号を、ビーム状に集束させ且つ受信指向性を順次変更するのに必要な遅延時間を各エコー信号に与える。加算器は、遅延時間が与えられたエコー信号を加算する。加算処理されたエコー信号は、Ｂモード処理部１３やドプラ処理部１４に供給される。

Ｂモード処理部１３は、超音波受信部１２からのエコー信号の供給を受け、エコー信号を対数増幅し、対数増幅されたエコー信号を絡線検波処理し、エコー信号の信号強度が輝度で表現された輝度データを生成する。Ｂモード処理部１３は、この輝度データをスキャンコンバータ１５に供給する。供給された輝度データは、Ｂモード画像としてモニター１８に表示される。

ドプラ処理部１４は、超音波受信部１２からのエコー信号の供給を受け、エコー信号を周波数解析することによって、ドプラ効果による血流等のドプラ信号を算出する。ドプラ処理部１４は、血流等のドプラ信号に基づいて、血流等の平均速度、速度の分散、ドプラ信号のパワー等に代表される血流情報等のデータを多数の点で算出する。ドプラ処理部２４は、算出した血流情報等のデータをスキャンコンバータ１５に送信する。送信された血流情報等のデータは、平均速度画像、分散画像、パワー画像或いはこれらの組み合わせ画像としてモニター１８に表示される。

スキャンコンバータ１５は、受信した輝度データや血流情報等のデータの超音波スキャン走査線信号列をテレビなどの一般的なビデオフォーマットの走査線信号列に変換し、ビデオ信号を生成し、画像合成部１６に送信する。

画像合成部１６は、スキャンコンバータ１５や記憶部１８からビデオ信号を受信し、ビデオ信号と種々のパラメータの文字情報や目盛等とを合成し、モニター１７に出力する。

モニター１７は、画像合成部１６からのビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報や、血流情報を画像として表示する。

入力部２０は、操作者からの指示を超音波振動装置本体１０にとりこむための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を有している。

記憶部１８は、画像生成、表示処理を実行するための制御プログラムや、各種画像データ等を記憶する。

システム制御部１９は、超音波診断装置本体１０としての動作を実現するように各構成要素を制御する。

図２は、超音波探触子５の構成を示す斜視図である。図２に示すように、エレベーション（側面）方向に沿って結合される２つのモジュール３０を有している。モジュール３０の結合にはシリコーン接着等が用いられる。なお２つというのは一例であって、必要に応じて、３つ、４つ或いはそれ以上のモジュール３０を結合させても良い。ここで、超音波探触子５の電子走査方向をアジマス（方位）方向、電子走査面に垂直な方向をエレベーション（側面）方向、アジマス方向とエレベーション方向とに垂直な方向をレンジ方向とする。

モジュール３０は、吸音材としての背面材（バッキング材）４１を有している。背面材４１は矩形ブロック状に形成され、その上部にはフレキシブルＰＣ板（ＦＰＣ）４３を介して複数の圧電振動子４５が接合されている。

複数の圧電振動子４５は、エレベーション方向及びアジマス（方位）方向に所定の間隔をあけて配列されており、２次元アレイ構造を成している。図２の例では複数の圧電振動子は、エレベーション方向に沿って１２列、アジマス方向に沿って４０列、計４８０個配列される。もちろんこれ以外の数の圧電振動子４５を配列させても良い。各々の圧電振動子４５は、圧電素子４６、圧電素子４６の下部に設けられた信号電極４７及び圧電素子４６の上部に設けられたアース電極４８で構成されている。圧電振動子の配列に関する詳細は後述する。

圧電素子４６の素材は、２成分系或いは３成分系の圧電セラミックや圧電単結晶が用いられている。

信号電極４７は、銅箔などの金属箔で形成される。複数の信号電極４７はフレキシブルＰＣ板４３に設けられた複数の配線に一つ一つ電気的に接続され、複数の圧電振動子４５に対して独立に駆動信号を印加できるようになっている。

フレキシブルＰＣ板４３は、上述のように背面材４１と圧電振動子４５との間に設けられる。フレキシブルＰＣ板４３は、複数の信号電極４７に電力を供給するための複数の配線及び柔軟性を有する基板等から構成されている。信号電極４７と配線とは電気的に接続されており、信号電極４７には超音波送信部１１から所定の電圧が印加される。フレキシブルＰＣ板４３は、背面材４１のエレベーション方向に関する両側面に沿って略９０°に折り曲げられている。

アース電極４８は、銅箔などの金属箔で形成される。複数のアース電極４８は、超音波探触子５のエレベーション方向に沿う両側面に接続されたアース取り出し電極（図示せず）によって取り出される。アース取り出し電極は、アース電極４８をアース接続するための電極である。図示しないが、アース取り出し電極は、超音波探触子５の両側面において、フレキシブルＰＣ板４３と接続され一体化される。

各々の圧電振動子４５の上部はアース電極５８を介して第１音響整合層４９が接続されている。第１音響整合層４９は導電性材料により形成される。第１音響整合層４９の上部は第２音響整合層５１と接合されている。第２音響整合層５１は絶縁性材料により形成される。第１音響整合層４９及び第２音響整合層５１は、音響インピーダンスを圧電振動子４５から被検体に向かって段階的に変化させるために設けられている。第２音響整合層５１の上部は、全ての第２音響整合層５１の上部を覆うように音響レンズ（図示せず）が設けられている。

なお、本実施形態に係わる超音波探触子５は、第１音響整合層４９及び第２音響整合層５１を有する構成になっているが、第１音響整合層４９のみ有する構成であってもよい。

エレベーション方向及びアジマス方向に配列された複数の圧電振動子４５、第１音響整合層４９及び第２音響整合層５１の間にある複数の隙間５３には、エポキシ樹脂等の樹脂材やエポキシ樹脂等の樹脂材にフィラー材を混入させた複合充填材が充填さる。

以下、図３及び図４を参照しながら、超音波探触子５の詳細な構造を説明する。

図３は、図２の超音波探触子５の簡略的な平面図であり、超音波探触子５の圧電振動子４５のアレイを説明するための図である。図３に示すように、シリコーン接着による接着層３５を介して２つのモジュール３０（図３の太枠）が結合されている。１つのモジュール３０には、エレベーション方向に沿って１２列、アジマス方向に沿って４０列、計４８０個の圧電振動子４５が配列されている。アジマス方向の各列において、モジュール３０のエレベーション方向に沿う内部には、エレベーション方向に沿って幅Ｗ１を有する１０個の圧電振動子４５ａが設けられている。また、アジマス方向の各列において、モジュール３０のエレベーション方向に沿う端部には、エレベーション方向に沿って幅Ｗ１よりも小さい幅Ｗ２を有する２個の圧電振動子４５ｂが設けられている。

図３に示すように、超音波探触子５には、エレベーション方向に２４列、アジマス方向に４０列、計９６０個の圧電振動子４５が設けられている。エレベーション方向に関して、超音波探触子５の両端部及び略中央にて隣り合う部分には圧電振動子４５ｂが、残りの部分には圧電振動子４５ａが設けられている。

図４は、図３の４―４´断面図である。図４に示すように、モジュール３０は、背面材４１を有しており、背面材４１の上部は厚みＷＦを有するフレキシブルＰＣ板４３を介して複数の圧電振動子４５が接合されている。厚みＷＦは、典型的には５０μｍである。フレキシブルＰＣ板４３は、背面材４１の両側面において略９０°に折り曲げられている。モジュール３０は、シリコーン接着等でエレベーション方向に結合される。シリコーン接着による接着層３５の厚み（張り合わされる２つのフレキシブルＰＣ板４３間の距離）ＷＡは、典型的には５０μｍである。

図４に示すように、幅Ｗ１を有する第１圧電振動子４５ａは、サブダイシングによってアジマス方向に沿って幅ＤＳを有するサブダイシング溝が形成されている。幅Ｗ１は、典型的には２５０μｍである。また、ダイシングによって形成されるダイシング溝５３の幅ＷＤ及びサブダイシング溝５５の幅ＷＳは、典型的には、５０μｍである。サブダイシングによって２つに分断され且つエレベーション方向に沿って幅Ｗ３を有する第１圧電振動子４５ａの一部分を、第１圧電振動子片４５ｃと称することにする。幅Ｗ３は、１００μｍである。従って第１圧電振動子４５ｂの実行幅ＷＥ（２×Ｗ３＝Ｗ１−ＤＳ）は２００μｍとなる。また、隣り合う２つの第１圧電振動子４５ａの中心間の距離（第１圧電振動子間ピッチ）ｐ１は、３００μｍである。

図４に示すように、第２圧電振動子４５ｂは、機械的強度の補強のためにサブダイシングされない。幅Ｗ２は、結合される２つの第２圧電振動子４５ｂの中心間の距離（第２圧電振動子間ピッチ）ｐ２が第１圧電振動子間ピッチｐ１と等しくなるように決められる。すなわち、幅Ｗ２は、１５０μｍとなる。また、第１圧電振動子の中心と第２圧電振動子の中心との距離（第１圧電振動子―第２圧電振動子間ピッチ）ｐ３は、２５０μｍとなる。

以下、上記構成を有する超音波探触子５の効果を説明する。

（１）図７に示す従来の超音波探触子１００の構成によれば、接着層を介して隣り合う２つの圧電振動子９５ａの中心間の距離ｐ９１は、モジュール内部において隣り合う２つの圧電振動子９５ｂの中心間の距離ｐ９０よりも大きい。一方、図４に示す本実施形態に係わる超音波探触子５の構成によれば、モジュール３０端部における圧電振動子４５ｂの幅Ｗ２を、モジュール３０内部における第１圧電振動子４５ａの幅Ｗ１よりも狭めている。従って、結合される２つの圧電振動子４５ｂの中心間の距離である第２圧電振動子間ピッチｐ２とモジュール内部において隣り合う２つの圧電振動子４５ａの中心間の距離である第１圧電振動子間ピッチｐ１とを略等しくすることが可能である。その結果、超音波探触子５は、従来の超音波探触子１００に比して、サイドローブの上昇が低減される。

（２）サブダイシングされた場合において、図７に示す従来の超音波探触子１００の構成によれば、モジュール端部における圧電振動子９５ａの幅Ｗ９１は２５０μｍ、モジュール内部における圧電振動子９５ｂの実行幅Ｗ９９は２００μｍである。そのため、圧電振動子９５ａと圧電振動子９５ｂとに同一の駆動電圧を印加した場合、圧電振動子９５ａから発生される超音波の強度は、圧電振動子９５ｂから発生される超音波の強度よりも約２ｄＢ高い。一方、図４に示す本実施形態に係わる超音波探触子５の構成によれば、第２圧電振動子４５ｂの幅Ｗ２を第１圧電振動子４５ａの幅Ｗ１よりも狭めることにより、第２圧電振動子４５ｂの幅Ｗ２は、第１圧電振動子４５ａの実行幅ＷＥよりも狭くなる。図４の例では、幅Ｗ３は１５０μｍ、幅ＷＥは２００μｍであるため、圧電振動子４５ａと圧電振動子４５ｂとに同一の駆動電圧を印加した場合、第２圧電振動子４５ｂから発生される超音波の強度は、第１圧電振動子４５ａから発生される超音波の強度よりも約２ｄＢ小さくなる。その結果、超音波探触子５から発生される超音波の音場は逆ウェイティングにならない。すなわち、超音波探触子５は、従来の超音波探触子１００に比してサイドローブの上昇が低減される。

以下、超音波探触子５から発せられる超音波の特性を図５に示すシミュレーション結果を参照しながら説明する。図５は、３Ｍｚ駆動、各圧電振動子同一駆動電圧、超音波ビームを４５°偏向した場合における超音波の音場強度と超音波ビームの角度との関係を示す図である。実線は本実施形態における超音波探触子５によるデータ、破線は図７の従来の超音波探触子１００によるデータを示す。２つのデータとも４５°における音場強度を０としている。図５に示すように、本実施形態における超音波探触子５は、従来の超音波探触子１００に比して、−４０°〜＋３０°の広い範囲でサイドローブが低減する。

なお、上記構成において第１圧電振動子３０は、サブダイシングされるものとして説明した。しかしながらこれに拘泥される必要はなく、第１圧電振動子３０はサブダイシングされなくても良い。図６は、サブダイシングされていない超音波探触子の横断面図を示す図である。図６に示すように、第１圧電振動子４５ａの実行幅Ｗ１は２５０μｍとなるから、第２圧電振動子４５ｂから発生される超音波の強度は、第１圧電振動子４５ａから発生される超音波の強度よりも４ｄＢ低くなる。そのため、音場が逆ウェイティングにならず、その結果、サブダイシングされていない従来の超音波探触子に比して、図６の超音波探触子は、サイドローブの上昇が低減される。

また、上記構成においては、モジュール３０の張り合わせ方向はエレベーション方向のみ考慮していた。しかしながら、モジュール３０は、エレベーション方向だけでなくアジマス方向にも結合せることも可能である。すなわち、モジュール３０を２次元状に結合させることも可能である。その際、アジマス方向において結合される２つの圧電振動子の中心間のアジマス方向に関する距離を、アジマス方向におけるモジュール内部の圧電振動子の中心間のアジマス方向に関する距離と等しくする。そのために、アジマス方向において結合される圧電振動子のアジマス方向に関する幅を、アジマス方向に関してモジュール内部の圧電振動子のアジマス方向に沿う幅よりも狭くすればよい。

また、上記構成においては、圧電振動子は２次元状に配列されるとしたが、これに拘泥される必要はなく、圧電振動子をエレベーション方向又はアジマス方向に沿って１次元状に配列させてもよい。

また、上記構成において、幅Ｗ３を有する第２圧電振動子４５ｂが設けられる場所は、モジュール３０の両端部とした。しかしながら、モジュール３０の端部であるが結合されない部分には、幅Ｗ１を有する圧電振動子４５ａが設けられても良い。

かくして本実施形態によれば、複数のモジュール３０からなる超音波探触子５及び超音波診断装置１において、サイドローブ上昇の低減を可能とする。また、超音波探触子５を有する超音波診断装置１は、精度の良いＢモード画像やドプラ画像等の超音波画像を提供することが可能となる。

なお、本発明は上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、上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わせにより、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に係わる超音波診断装置の構成を示す図。 本実施形態の超音波探触子の構成を示す斜視図。 図２の超音波探触子の簡略的な平面図。 図３の４―４´断面図。 本実施形態における超音波探触子と従来の超音波探触子との超音波の特性の違いを説明するための図。 本実施形態に係わるサブダイシングされていない超音波探触子の横断面図。 従来における超音波探触子の横断面図。

符号の説明

１…超音波診断装置、５…超音波探触子、１０…超音波診断装置本体、１１…超音波送信部、１２…超音波受信部、１３…Ｂモード処理部、１４…ドプラ処理部、１５…スキャンコンバータ、１６…画像合成部、１７…モニター、１８…記憶部、１９…制御部、２０…入力部、３０…モジュール、３５…接着層、４１…背面材、４３…フレキシブルＰＣ板、４５ａ…第１圧電振動子、４５ｂ…第２圧電振動子、４５ｃ…第１圧電振動子片、４６…圧電素子、４７…信号電極、４８…アース電極、４９…第１音響整合層、５１…第２音響整合層、５３…ダイシング溝、５５…サブダイシング溝。

Claims (7)

1. 少なくとも第１の方向に結合される複数のモジュールを有する超音波探触子において、
   前記複数のモジュールの各々は、
   前記第１の方向に関して第１の幅を有する複数の第１圧電振動子と、
   前記第１の方向に関して第１の幅よりも狭い第２の幅を有する少なくとも１つの第２圧電振動子と、を有し、
   前記複数のモジュールは、前記第２圧電振動子において隣の前記モジュールと結合されることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記第１の方向に関して結合される２つの前記第２圧電振動子の中心間の距離は、前記第１の方向に関して隣り合う２つの前記第１圧電振動子の中心間の距離と略等しいことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記複数の第１圧電振動子は、前記第１の方向だけでなく前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って配列されることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
4. 前記複数のモジュールは、前記第１の方向だけでなく前記第２の方向に沿って結合されることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
5. 前記第１圧電振動子は、溝が形成されることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
6. 第１の方向に関して第１の幅を有し前記第１の方向及び前記第１の方向と異なる第２の方向に複数配列される複数の第１圧電振動子を有し、それぞれが第１の方向に沿って配列される少なくとも２つの第１振動子群と、
   前記少なくとも２つの第１振動子群がなす少なくとも１つの間に配置され、前記第１の方向に関して前記第１の幅より狭い第２の幅を有し、前記第１の方向に２列及び前記第２の方向に複数配列される複数の第２圧電振動子を有する少なくとも１つの第２振動子群と、
   を具備することを特徴とする超音波探触子。
7. 少なくとも第１の方向に結合される複数のモジュールを有する超音波探触子を具備し、
   前記複数のモジュールの各々は、
   前記第１の方向に関して第１の幅を有する複数の第１圧電振動子と、
   前記第１の方向に関して第１の幅よりも狭い第２の幅を有する少なくとも１つの第２圧電振動子と、を有し、
   前記複数のモジュールは、前記第２圧電振動子において隣のモジュールと結合されることを特徴とする超音波診断装置。

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