JP2009505468A - ポリエチレン第三整合層を備える広帯域マトリックストランスデューサ - Google Patents

Abstract

超音波マトリックスプローブのために広帯域をもたらす第三の整合層１４０がポリエチレンから形成され、アレイを囲むように下向きに延在し、アレイをシールするためにハウジングに付けられる。

Description

超音波トランスデューサ（変換器）（ultrasound transducer）は、電気信号を超音波エネルギに変換すると共に超音波エネルギを電気信号に逆変換する役割を果たす。

超音波エネルギは、例えば、関心本体を調査するために使用されてもよく、トランスデューサによって本体から受信される反射（反響）波（エコー（echo））が、診断情報を得るために使用されてもよい。一つの特定の用途は、反射波が、患者の内臓の２次元及び３次元画像を形成するために使用される医療画像化にある。超音波トランスデューサは、圧電で生成される音響エネルギを対象物又は患者の本体に、より効果的に結合させるために一つの整合（マッチング）層（matching layer）又は一連の整合層を使用する。整合層は、プローブされる本体（身体）の近傍において、トランスデューサ上に位置される。音響結合（アコースティックカップリング（acoustic coupling））が、光学経路（オプティカルパス）におけるレンズのための各反射防止コーティングの機能と同様の態様で層毎に実現される。本体の音響インピダンスと比較してトランスデューサにおける圧電物質の比較的高い音響インピダンスは、整合層の挿入インピダンス（intervening impedance）によって伸縮（スパン）される。設計は、例えば、特定のインピダンスの第一の整合層を必要としてもよい。第一の整合層は、トランスデューサから本体に音声経路（サウンドパス）がぶつかる第一の層になる。ともすれば、各々の連続の整合層は、漸進的に低くなるインピダンスを必要とする。最上層（最もトップの層）のインピダンスは本体のインピダンスよりもずっと高くなるが、一つ又はそれより多くの層は、圧電体によって生成される超音波を本体に音響カップリング（結合）することにより、及び本体から反射してくる超音波を圧電体に音響カップリングすることにより、インピダンスについてより滑らかな遷移をもたらす。

最適な層化（レイヤリング）ステップは、各材料（物質）の識別及び適切な一連の音響インピダンスの設計を含む。構成要素が単一の行に整列（アライン）される１次元（１Ｄ）トランスデューサの整合層において使用される材料は、セラミック、グラファイト合成物、及びポリウレタン（polyurethane）等を含む。

１Ｄトランスデューサは複数の整合層を含むことで知られているが、トランスデューサ素子（要素）の２次元アレイで構成されるトランスデューサは、トランスデューサ素子の異なる形状による異なる整合層方式を必要とする。伝達される音波は、特定の音波の周波数特性で振動し、その周波数は、関連する波長を有する。１Ｄアレイトランスデューサの素子は通常、一方の横（交）軸方向において動作周波数の波長幅の半分よりも少なくなるが、他方の横軸方向において数波長長さの半分よりも少なくならない。２Ｄアレイトランスデューサの素子は、両方の横軸方向において波長幅の半分よりも少なくなってもよい。形状のこの変化は、実効的な縦（軸）方向の堅さ、それ故に素子の機械的なインピダンスを低減する。素子インピダンスはより低くなるため、結果として、整合層のインピダンスも、最良特性を実現するためにより低くなるべきである。しかしながら、低インピダンス物質の複雑化要因は、２Ｄアレイトランスデューサのように狭いポストに切り込まれるとき、音の速度が信号の周波数に依存していることにあり、このことは速度分散（velocity dispersion）として知られている現象である。この分散は、周波数を伴う層の整合特性を変化させるが、このことは所望されず、遮断（カットオフ）周波数（cutoff frequency）をもたらし得る（遮断周波数より高い周波数においてはトランスデューサを動作させることが不可能になる）。２Ｄアレイトランスデューサは現在、三つの整合層設計に適した材料の不足のために、たった二つの整合層で構成されている。しかしながら、このことは帯域幅及び感度を制限し、帯域幅と感度との両方は、ドップラ（Doppler）、色の流れ（カラーフロー（color flow））、及び高調波画像化モード（ハーモニックイメージングモード（harmonic imaging mode））における特性を向上させるのにクリティカルになる。高調波画像化の場合、例えば、低い基本周波数が、超音波被験者又は患者の体組織へのより深い侵入をもたらすように伝達されるが、基本周波数を上回る高調波周波数を受信することによって、より高い解像度が得られる。それ故に、様々な周波数を含むのに十分大きな帯域幅が、多くの場合所望される。

１Ｄ及び２Ｄアレイトランスデューサの圧電素子は通常、多結晶セラミック物質から構成されており、最も一般的なものの一つは、ジルコン酸チタン酸鉛（lead zirconate titanate (PZT)）になる。例えば、単結晶マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体（mono-crystalline lead manganese niobate/lead titanate (PMN/PT)）アロイのような単結晶圧電物質が利用可能になる。これらの単結晶物質から構成される圧電トランスデューサ素子は、ともすると向上された感度及び帯域幅をもたらすかなりより高いエレクトロ・メカニカルカップリング（電気機械的結合）を示す。

本発明者は、単結晶圧電体の増大されたエレクトロ・メカニカルカップリングが、より低い実効音響インピダンスももたらすことを確認している。結果として、セラミックのような通常の多結晶シリコントランスデューサの音響インピダンスよりも低い音響インピダンスの整合層を選択することは好ましい。

三つの整合層のため、単結晶トランスデューサは、より低い音響インピダンスを備える整合層を必要とし、超音波プローブトランスデューサの第二の整合層は常に、超音波プローブトランスデューサの第一の整合層よりも低いインピダンスになるため、グラファイト複合材料（graphite composite）のようなセラミックトランスデューサに対して使用され得る第二の整合層が、三つの整合層、単結晶トランスデューサのための第一の整合層としての役割を果たしてもよいことは可能である。

第一及び第二の整合層は通常、アレイの各々の素子のための層が、各々の素子を他から音響的に独立させている状態を保持するために、機械的に互いから分離されなければならないように十分堅くなっている（硬化されている）。多くの場合、このことは、二つの整合層及び圧電物質を貫く二つの方向におけるのこぎりカットによってなされる。

他の考慮する点は、導電性にあってもよく、等方導電性グラファイト複合材料に対する問題点をもたらし得ない。

しかしながら、好適な第二の整合層を見つけることは、適切な音響インピダンスのみならず適切な導電性も備える物質を選択することを含んでいる。

超音波プローブの圧電トランスデューサは、圧電体において生成される電場に依拠する。これらの場は、圧電体の少なくとも二つの面に付けられる電極によって生成されると共に検出される。超音波を発生させるため、例えば、電気的接続部が電極に形成されることを必要とする電極の間に電圧が印加される。トランスデューサの各々の素子は、異なる電気的入力を受信し得る。トランスデューサ素子に対する端子（ターミナル）は、ときとして音経路（パス）に対して垂直に付けられるが、このことは、２次元マトリックスアレイの内部素子に対して問題となり得る。従って、アレイの上又は下の共通（コモン）グランド（common ground）に素子を付けることは好ましい。整合層は、グランド面（プレーン）部としての役割を果たしてもよく、若しくは分離グランド面部が設けられてもよい。グランド面部は、超音波を乱すことを防止するのに十分に薄い導電性フォイルで実現されてもよい。

しかしながら、分離グランド面部が、第一の整合層と圧電素子との間に配置される限り、アレイの後ろから流れると共にアレイを通じて流れる電気回路を完全にするため、第一の整合層は、好ましくは音経路方向に導電的になる。２Ｄアレイ素子は、例えば個々のポストをもたらす二つの方向ののこぎりカットによって機械的に分離されるため、アレイの縁（エッジ）とラテラル（横方向）に、アレイの内部における素子のための電気経路は存在しない。従って、電気経路は、整合層を通じて完結されなければならない。同じ原理が第二の整合層について当てはまる。

約2.1メガライル（2.1 MegaRayls (MRayls)）の音響インピダンスを備えるポリウレタンは、第三の整合層としての役割を果たし得るが、当該ポリウレタンは、第一又は第二の層よりも低いインピダンスを必要とする。しかしながら、所望のインピダンスよりもいくらか高いインピダンスを有することに加えて、ポリウレタンは化学反応を非常に受け易い。従ってポリウレタンは、化学的消毒剤及び湿度から、又は環境異物から、トランスデューサアレイの残り及びポリウレタンをシール（密封）するために保護コーティングを必要とする。更に、プロセス制御面から、異なる製造工程が、保護コーティングの異なる厚さをもたらしてもよく、その結果、製造されたプローブの間に不均質な音響特性がもたらされる。最終的に、分離プロセスが保護コーティングに適用される必要性は、製造費用を大幅に増大させる。

上記欠点を克服するため、一つの態様において、超音波トランスデューサは圧電素子及び第一乃至第三整合層を含み、第三の層は低密度ポリエチレン（low-density polyethylene (LDPE)）を有する。

他の態様において、超音波トランスデューサは、２次元構成体で構成されるトランスデューサ素子のアレイ及び少なくとも三つの整合層を有する。

新規な超音波プローブの詳細は、以下の図面を参照して説明される。

図１は、例示及び限定的ではない例によって、本発明による超音波プローブにおいて使用され得るマトリックストランスデューサ１００を示す。マトリックストランスデューサ１００は、圧電層１１０と、三つの整合層１２０、１３０、及び１４０と、第三の整合層１４０を含むフィルム（薄膜）１５０と、相互接続層１５５と、一つ又はそれより多くの半導体チップ（ＩＣ）１６０と、バッキング（backing）１６５とを有する。圧電層１１０は、トランスデューサ素子１７５の２次元アレイ１７０から構成され、アレイの行は図１の図面と平行になり、アレイの列は図１の図面と垂直になる。トランスデューサ１００は、フレキシブル（柔軟な）回路１８５への接続のために下向きに巻き付けるように周辺部に延在する、第二の整合層１３０と第三の整合層１４０との間の共通グランド面部１８０を更に含む。これによって、個々のトランスデューサ素子１７５に対して回路が完成される。特に、トランスデューサ素子１７５は、スタッドバンプ（stud bump）１９０又は他の手段によって半導体チップ１６０に接合され、チップは、フレキシブル回路１８５に接続される。超音波プローブのバック（裏部）から来る同軸ケーブル（図示略）は通常、フレキシブル回路１８５に接合される。マトリックストランスデューサ１００は、超音波を送信するために利用されてもよく、及び／又は超音波を受信するために利用されてもよい。

第一の整合層１２０は、上記のように、グラファイト複合材料として実現されてもよい。

エポキシ整合層は、十分な速度で音を伝送し、三つのマトリックストランスデューサの第二の整合層としての実現のために十分に低くなる密度、それ故に音響インピダンスを有するが、エポキシ層は非導電性である。

第二の整合層１３０は、例えば、導電性粒子（electrically-conductive particle）で担持されるポリマ（重合体）であってもよい。

第三の整合層１４０は、好ましくは、低密度ポリエチレン（LDPE）から形成され、共通グランド面部１８０と同様の態様で下向きに延在するLDPEフィルム１５０の部分になる。

しかしながら、図２において分かるように、フレキシブル回路１８５に付けられる代わりに、図１に示されている実施例における第三の整合層１４０は、エポキシ接着部（ボンド）２１０によって、アレイ１７０の周りにハーメチックシール部（hermetic seal）を形成するようにトランスデューサ１００のハウジング２２０に付けられる。エポキシ接着部２１０は、第三の整合層１４０を無効にする（オーバライドする）音響レンズ２３０とトランスデューサハウジング２２０との間に使用されてもよい。

図３は、第三の整合層１４０を具現化するLDPEフィルム１１０を含むように図１のプローブ１００を形成するためのプロセスの一例を示す。アレイ１７０を構成するため、圧電物質と第一の二つの整合層１２０及び１３０とは、正確な厚さに機械加工され、電極は、圧電層１１０にもたらされる（ステップＳ３１０）。第一の整合層１２０が圧電層１１０上にもたらされた（ステップＳ３２０）後、第二の整合層はもたらされる（ステップＳ３３０）。層110, 120, 及び130のこのアセンブリ（部品）は、集積回路１６０に直接付けられてもよく、又は存在するならば、中間接続手段（intermediary connecting means）、例えばフレキシブル回路１８５若しくは埋込み導体（エンベデッドコンダクタ（embedded conductor））を備えるバッキング構造体に直接付けられてもよい。トランスデューサ１００はそれから、二つの直交する方向に複数ののこぎりカットを形成することによって個々の素子１７５の２Ｄアレイ１７０に分離される（ステップＳ３４０）。のこぎり（ソーイング）動作に後続して、グランド面部１８０は、第二の整合層１３０の上部（トップ）に接続され、フレキシブル回路１８５又は他の接続手段と接触（コンタクト）するようにアレイ１７０の周りに下向きに巻き込まれる。LDPEフィルム１１０がその上にもたらされ、下向きに延在して、それによってアレイ１７０を囲むように巻き込まれる。それに応じてフィルム１５０の部分は最上整合層を形成し、当該最上整合層はこの場合、第三の整合層１４０になる（ステップＳ３５０及び３６０）。アレイ１７０の周りにハーメチックシール部を形成するため、下向きに延在させられたフィルム１５０は、エポキシ２１０によってハウジング２２０に結合される（ステップＳ３７０）。このように、LDPEはバリア（障壁）層としての役割も果たす。追加のステップは、音響レンズ２３０、通常常温加硫シリコンゴム（room temperature vulcanization (RTV) silicone rubber）を用いて、第三の整合層１４０に結合する（ステップＳ３８０）。ポリエチレンと比較すると、第三の整合層１４０としてのポリエチレンの使用は、保護コーティングに対する必要性を無くし、それによって製造コストが劇的に削減される。

図３におけるステップの特定の順序が示されているが、意図された本発明の範囲がこの順序に限定されるものではない。従って例えば、第一及び第二の整合層１２０及び１３０は、圧電物質１１０に対するユニットとしてもたらされる前に互いに結合されてもよい。更に、音響設計が、圧電層１１０の後ろに一つ又はそれより多くの音響層を必要としてもよい。

本発明の代わりの実施例において、音響レンズ２３０は、ウィンドウ（窓）、すなわち集束音響能力（focusing acoustical power.）を備えていない素子で置換される。ウィンドウは、例えばウィンドウ物質PEBAXから構成されてもよい。通常、PEBAXウィンドウは、ポリウレタンの第三の整合層のための保護層だけでなく、更に保護層をPEBAXに結合するために、例えばマイラ（Mylar）(R)のようなポリエステル材から形成される中間（介入）ボンディング（結合）層（intervening bonding layer）も必要とし得る。しかしながら、LDPEはPEBAXに直接結合し得るので、保護層又はボンディング層の何れも必要としない。PEBAXウィンドウ材とLDPEフィルム１５０との二重層は、第一の整合層１２０によってアレイ１７０に接続される第二の整合層１３０に付けられる前に形成され得る。結果としてもたらされるPEBAXウィンドウを備えるトランスデューサ１００は、経食道超音波心臓エコー（trans-esophageal echocardiography (TEE)）のためだけでなく、心臓内心エコー検査（intra-cardiac-echocardiography (ICE)）のような他の用途のためにも使用可能である。選択的に、大きさの制約に適合させるため、LDPEは、大きさが減少され得ると共に巻き込まれ得ない。

本発明の整合層は、小児科プローブ（pediatric probe）のような他の種類のプローブに組み込まれてもよく、湾曲した線及び管アレイのような様々な種類のアレイ上に組み込まれてもよい。

上記の実施例は三つの整合層で記載されているが、第二の整合層１３０と最上整合層１４０との間等に更なる整合層が間に入れられてもよい。

本発明の基本的に新規性のある特徴が、本発明の好ましい実施例にもたらされているように示され、記載され、指摘されているが、形態における様々な省略例、代替例、及び変形例、並びに記載のデバイス及び当該デバイスの動作における詳細な例が、本発明の特許請求の範囲からはずれることなく当業者によってなされることは理解されるであろう。例えば、要素の全ての組み合わせ、及び／又は同じ結果を実現するためにほぼ同じ機能をほぼ同じ態様で実行する方法ステップが本発明の範囲内にあることは特に意図される。更に、いかなる開示形態若しくは本発明の実施例にも関連して例示及び／又は記載の構造及び／又は要素及び／又は方法ステップが、設計的選択の通常の事項として、いかなる他の開示若しくは記載若しくは提案形態又は実施例に含まれてもよいことは認識されるべきである。それ故に、記載の特許請求の範囲によって示される事項としてのみ限定されるべきことが意図される。

本発明による三つの整合層を有するマトリックストランスデューサの側面断面図である。 第三の整合層がトランスデューサハウジングに結合される態様の例の側面断面図である。 図１のトランスデューサを形成するためのプロセスの例のフローチャートである。

Claims (14)

1. 圧電素子と、
   第一及び第二の整合層と、
   低密度ポリエチレンを有する第三の整合層と
   を有する超音波トランスデューサ。
2. 前記第三の整合層を含み、前記素子を囲むように下向きに延在する前記低密度ポリエチレンフィルムを更に含む請求項１に記載のトランスデューサ。
3. 前記フィルムは、前記素子の周りにシール部の部分を形成する請求項２に記載のトランスデューサ。
4. ２次元構成で構成されるトランスデューサ素子のアレイと、
   少なくとも三つの整合層と
   を有する超音波トランスデューサ。
5. 前記層の最上部は、低密度ポリエチレンを有する請求項４に記載のトランスデューサ。
6. 前記層の最上部を含み、前記アレイを囲むように下向きに延在するフィルムを有する請求項４に記載のトランスデューサ。
7. 前記フィルムは、前記アレイの周りにシール部の部分を形成する請求項６に記載のトランスデューサ。
8. 圧電素子を設けるステップと、
   前記素子に三つの整合層を供給し、前記第三の整合層は低密度ポリエチレンを有するステップと
   を有する、超音波トランスデューサを製造する方法。
9. 前記供給するステップは、前記第三の整合層を含み、前記素子を囲むように下向きに延在するフィルムを供給する請求項８に記載の方法。
10. 前記フィルムは、前記素子の周りにシール部の部分を形成する請求項９に記載の方法。
11. ２次元構成で構成されるトランスデューサ素子のアレイを設けるステップと、
    前記アレイに少なくとも三つの整合層を供給するステップと
    を有する、超音波トランスデューサを製造する方法。
12. 前記層の最上部は、低密度ポリエチレンを有する請求項１１に記載の方法。
13. 前記供給するステップは、前記層の最上部を含み、前記アレイを囲むように下向きに延在するフィルムを供給する請求項１１に記載の方法。
14. 前記フィルムは、前記アレイの周りにシール部の部分を形成する請求項１３に記載の方法。

Images