JP2010088591A - 超音波プローブ及びそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リニア、コンベックスプローブのような開口の大きいプローブにおいても多数の温度センサを形成せず、超音波プローブの表面温度をリアルタイムで正確に測定できる超音波プローブの提供。
【解決手段】バッキング材１１１と、バッキング材１１１上に形成され、複数の下側電極１１２ａが配列された下側電極群１１２と、複数の下側電極１１２ａ上に各々１個の圧電素子１１４ａが形成されるように、複数の圧電素子１１４ａが配列された圧電素子群１１４と、複数の圧電素子１１４ａ上に形成された上側電極１３と、上側電極１３上に形成され、圧電素子１１４ａと測定対象体との間の音響インピーダンス差により超音波が反射されることを抑制する整合層１１５と、圧電素子１１４ａによって送受信される超音波の焦点を絞る音響レンズ１１６とを有する振動子２０を備える超音波プローブ１０であって、上側電極１３と接続された温度センサ２１を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波プローブ及びそれを用いた超音波診断装置に関し、より詳しくは、複数の圧電素子が配列された振動子を備える超音波プローブ及びそれを用いた超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、測定対象体（例えば、人体）に超音波信号を送信した後、測定対象体で反射された超音波エコー信号を受信して、超音波エコー信号から変換した電気的信号に対して所定の映像処理を実行することにより、モニタ等で超音波画像を提供するものである。このような超音波診断装置では、測定対象体に超音波信号を送信し、測定対象体で反射された超音波エコー信号を受信して、受信した超音波エコー信号を電気的信号に変換するために、複数の圧電素子が配列された振動子を備える超音波プローブが使用されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、振動子を備える超音波プローブの一例について説明する。図３は、振動子を備える超音波プローブの一例の概略構成を示す斜視図である。なお、図３中では、説明を判りやすくするために、音響レンズ１１６や整合層１１５が一部の圧電素子１１４ａの上面のみに装着されている場合を示しているが、実際の音響レンズ１１６と整合層１１５とは、全ての圧電素子１１４ａの上面を覆うように取り付けられたものである。
超音波プローブ１００は、バッキング材１１１と、バッキング材１１１上に形成されたＭ個の下側電極１１２ａからなる下側電極群１１２と、Ｍ個の下側電極１１２ａ上に形成されたＭ個の圧電素子１１４ａからなる圧電素子群１１４と、Ｍ個の圧電素子１１４ａ上に形成されたＧＮＤ線（上側電極）１１３と、ＧＮＤ線１１３上に形成された整合層１１５と、整合層１１５上に形成された音響レンズ１１６と、下側電極群１１２とフレキシブル印刷配線板（ＦＰＣ）とを電気的に接続するＭ本のリード線（信号線）１１８ａと、ＧＮＤ線１１３とＦＰＣとを電気的に接続するアース線（共通接続線）１１９とを有する振動子を備える。

バッキング材１１１は、フェライトゴム等を用いて形成されており、支持体としての機能と、圧電素子１１４ａの下面から放射される不要な超音波を吸収する吸収体としての機能とを有する。
圧電素子１１４ａは、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）等の圧電セラミック等を用いて形成されおり、電気的信号である送信パルス信号に応答して超音波信号を生成し、測定対象体で反射された超音波エコー信号を受信して、受信した超音波エコー信号を電気的信号に変換する。
このような圧電素子１１４ａは、短冊形状をしており、Ｍ個の圧電素子１１４ａは、横方向（Ｘ方向）に所定間隔で一列となるように配列されている（例えば、圧電素子群１１４は、Ｘ方向に４０ｍｍの大きさとなる。）。

１個の圧電素子１１４ａの下面には、銀等の金属で１個の下側電極１１２ａが形成されている。さらに、１個の下側電極１１２ａには、１本のリード線１１８ａが電気的に（例えば、銀線によるワイヤボンディングで）接続されている。
また、Ｍ個の圧電素子１１４ａの上面には、銀等の金属でＧＮＤ線１１３が形成されている。ＧＮＤ線１１３は、横方向（Ｘ方向）に伸びる直線状の第一ＧＮＤ線１１３ａと、横方向（Ｘ方向）に伸びる直線状の第二ＧＮＤ線１１３ｂとからなる。第一ＧＮＤ線１１３ａは、Ｍ個の圧電素子１１４ａの上面で手前側に形成されるとともに、第二ＧＮＤ線１１３ｂは、Ｍ個の圧電素子１１４ａの上面で奥側に形成されている。
つまり、第一ＧＮＤ線１１３ａは、Ｍ個の圧電素子１１４ａに対して共通接続されており、さらに右横にアース線１１９が電気的に接続されている。

整合層１２０は、エポキシ樹脂や有機樹脂中にＷ等の金属粒子を分散したもの等で形成されており、音響特性の異なる薄膜が２層或いは３層に上下方向（Ｚ方向）に積層されて構成され、圧電素子（２０〜３０ＭＲａｙｌ）１１４ａと測定対象体（例えば、人体の場合、１．５ＭＲａｙｌ）との間の音響インピーダンス差によって超音波信号が反射されることを抑制する。つまり、各薄膜の音響インピーダンス値は、圧電素子１１４ａから測定対象体に向かって徐々に小さくなるように設定されることになる。
音響レンズ１１６は、シリコンゴム等を用いて形成されており、圧電素子１１４ａによって送受信される超音波をＹ方向に収束する。

このような超音波プローブ１００によれば、送信パルス信号が圧電素子１１４ａに印加されると、圧電素子１１４ａの振動による超音波信号が生成することになる。
ところで、送信パルス信号が圧電素子１１４ａに印加されたとき、圧電素子１１４ａの振動による超音波信号が生成すること以外にも、熱が発生する。そして、発生した熱によって超音波プローブ１００の表面温度Ｔが上昇し、その結果、超音波プローブ１００の表面温度Ｔが高温になると、超音波プローブ１００は測定対象体に接触して用いられるので、測定対象体に損傷を与える場合があった。

そこで、個別規格ＪＩＳ Ｔ ０６０１―２―３７（ＩＥＣ６０６０１―２―３７）によって、超音波プローブ１００の表面温度上昇ΔＴが下記のようになるように規定されている。
（１）体表用途（周囲温度２３±３℃）
空中放置試験：温度上昇ΔＴ≦２７℃
模擬使用試験：温度上昇ΔＴ≦１０℃
（２）体内用途（周囲温度２３±３℃）
空中放置試験：温度上昇ΔＴ≦２７℃
模擬使用試験：温度上昇ΔＴ≦６℃

また、駆動電圧や送信パルス信号の周波数等の全ての駆動条件で超音波プローブ１００の表面温度Ｔを予め測定して、実験式を作成することにより、得られた実験式を用いて超音波プローブ１００の表面温度Ｔを予測する予測方法もある。これにより、超音波プローブ１００の表面温度Ｔをリアルタイムで予測及び制御することを実行している。
特開２００７−２１５９２１号公報

しかしながら、個別規格ＪＩＳ Ｔ ０６０１―２―３７や上述したような予測方法では、測定対象体を検査する前に、超音波プローブ１００の表面温度Ｔを予め測定しなければならないので、かなりの時間と手間とが要されるという問題点がある。
さらに、上述したような予測方法では、超音波プローブ１００が複雑に構成されている場合には、超音波プローブ１００の熱的解析に困難があり、その結果、超音波プローブ１００の表面温度Ｔを予測することができなくなった。

また、超音波プローブ１００の表面温度Ｔを実際に検出するように、超音波プローブ１００に温度センサを形成することも考えられるが、測定対象体の関心領域（ＲＯＩ）のみを検査する場合に、Ｍ個の圧電素子１１４ａの内から一部（数個から十数個）の圧電素子１１４ａのみに送信パルス信号を印加することになるので、超音波プローブ１００には温度分布が生じるため、超音波プローブ１００に多数の温度センサを形成することが必要となる。その結果、超音波プローブ１００に多数の温度センサを形成したために、リード線１１８ａの数やＧＮＤ線１１３の数を減少しなければならず、得られる超音波画像の画質を悪化させることになる。

本件発明者らは、上記課題を解決するために、超音波プローブに多数の温度センサを形成せずに、超音波プローブの表面温度をリアルタイムで正確に測定する測定方法について検討を行った。圧電素子で発生した熱は、バッキング材はゴム等で構成されて熱伝導率（例えば、０．２１Ｗ／ｍ・Ｋ）が低く、ＧＮＤ線（上側電極）や下側電極は銀等で構成されて熱伝導率（例えば、４２０Ｗ／ｍ・Ｋ）が高いため、バッキング材にはほとんど伝導されず、上側電極や下側電極に伝導されることがわかった。そこで、複数の圧電素子上に形成される上側電極に電気的に接続するように１個若しくは少数の温度センサを形成することを見出した。

すなわち、本発明の超音波プローブは、超音波を吸収するバッキング材と、前記バッキング材上に形成され、複数の信号線にそれぞれ１個の下側電極が電気的に接続されるように、複数の下側電極が配列された下側電極群と、前記複数の下側電極上にそれぞれ１個の圧電素子が形成されるように、複数の圧電素子が配列された圧電素子群と、前記複数の圧電素子上に形成され、前記複数の圧電素子に対する共通電極である上側電極と、前記上側電極上に形成され、前記圧電素子と測定対象体との間の音響インピーダンス差によって超音波が反射されることを抑制する整合層と、前記整合層上に形成され、前記圧電素子によって送受信される超音波の焦点を絞る音響レンズとを有する振動子を備える超音波プローブであって、前記上側電極と接続された温度センサを備えるようにしている。

本発明の超音波プローブによれば、上側電極と接続された温度センサを備える。
そして、超音波プローブが使用されることにより、送信パルス信号が圧電素子に印加されると、圧電素子の振動による超音波信号が生成する。このとき、圧電素子の振動による超音波信号が生成すること以外にも、熱が発生する。圧電素子で発生した多くの熱は、上述したように上側電極に伝導されることにより、温度センサで検出されることになる。

以上のように、本発明の超音波プローブによれば、多数の温度センサを形成しなくても、表面温度をリアルタイムで正確に測定することができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記複数の圧電素子は、横方向に一列となるように配列されており、前記圧電素子群の横に、前記温度センサが形成されており、前記上側電極は、前記圧電素子群の横に伸びることにより、前記温度センサと接続されるようにしてもよい。
本発明の超音波プローブによれば、温度センサが圧電素子の放射面の前方に形成されていないので、得られる超音波画像に温度センサが影響を与えることをなくすことができる。

また、上記の発明において、前記圧電素子群の横の両側に、前記温度センサがそれぞれ形成されており、前記上側電極は、前記圧電素子群の横の両側の温度センサと接続されているようにしてもよい。
本発明の超音波プローブによれば、測定対象体の関心領域（ＲＯＩ）のみを検査する場合に、複数の圧電素子の内から一部（数個から十数個）の圧電素子のみに送信パルス信号を印加したときには、圧電素子で発生した熱は、近い方の温度センサですぐに検出されるので、検出する温度の応答性を向上させることができる。

そして、本発明の超音波診断装置は、上述したような超音波プローブと、前記温度センサで検出された温度に基づいて、前記超音波プローブを制御する制御部を備えるようにしてもよい。
本発明の超音波診断装置によれば、制御部が、超音波プローブの表面温度をリアルタイムで正確に測定することができるので、測定対象体に損傷を与えないように超音波プローブを制御することができる。例えば、検出した温度が設定閾値温度以上になったときには、駆動電圧を低下させたり、繰り返し周波数を遅くしたり、駆動波連数を少なくするように、超音波プローブを自動的に制御する。

さらに、上記の発明において、前記超音波プローブの開口の最大幅が、３５ｍｍ以上であり、前記制御部は、２個以下の温度センサで超音波プローブの最高温度を観測することで、前記超音波プローブの温度を制御するようにしてもよい。
本発明の超音波診断装置によれば、リニア、コンベックスプローブのような開口の大きい超音波プローブでも、少ない温度センサで超音波プローブの最高温度を観測できる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、実施形態に係る超音波診断装置の一例の概略構成を示すブロック図である。また、図２は、実施形態に係る超音波プローブの一例の概略構成を示す斜視図である。なお、超音波プローブ１００と同様のものについては、同じ符号を付している。
超音波診断装置は、超音波を送受波する超音波プローブ１０と、超音波画像を表示するためのモニタ２と、入力操作が行われる入力装置３と、超音波診断装置全体の制御を行う制御部（コンピュータ）４０とにより構成される。

超音波プローブ１０は、バッキング材１１１と、バッキング材１１１上に形成されたＭ個の下側電極１１２ａからなる下側電極群１１２と、Ｍ個の下側電極１１２ａ上に形成されたＭ個の圧電素子１１４ａからなる圧電素子群１１４と、Ｍ個の圧電素子１１４ａ上に形成されたＧＮＤ線（上側電極）１３と、ＧＮＤ線１３上に形成された整合層１１５と、整合層１１５上に形成された音響レンズ１１６と、下側電極群１１２とフレキシブル印刷配線板（ＦＰＣ）とを電気的に接続するＭ本のリード線（信号線）１１８ａと、ＧＮＤ線１３とＦＰＣとを電気的に接続する金属製の共通接続線１９ａとを有する振動子２０と、温度センサ２１と、温度センサ２１とＦＰＣとを電気的に接続する２本の金属製の共通接続線１９ｂ、１９ｃとを備える。
そして、Ｍ本のリード線１１８ａと共通接続線１９ａ、１９ｂ、１９ｃとが接続されたＦＰＣは、後述するコンピュータ４０と接続されている。

温度センサ２１は、第一温度Ｔ_１を検出する第一温度センサ２１ａと、第二温度Ｔ_２を検出する第二温度センサ２１ｂとからなる。第一温度センサ２１ａは、サーミスタ等の温度に比例する抵抗温度センサが好ましく、圧電素子群１１４の右横に形成される。また、第二温度センサ２１ｂは、サーミスタ等の温度に比例する抵抗温度センサが好ましく、圧電素子群１１４の左横に形成されている。つまり、温度センサ２１は、圧電素子群１１４の横の両側に形成されている。これにより、温度センサ２１が圧電素子群１１４の放射面の前方（Ｚ方向）に形成されていないので、得られる超音波画像に温度センサ２１が影響を与えることをなくすことができる。

Ｍ個の圧電素子１１４ａの上面には、銀等の金属でＧＮＤ線１３が形成されている。ＧＮＤ線１３は、横方向（Ｘ方向）に伸びる直線状の第一ＧＮＤ線１３ａと、横方向（Ｘ方向）に伸びる直線状の第二ＧＮＤ線１３ｂとからなる。第一ＧＮＤ線１３ａは、Ｍ個の圧電素子１１４ａの上面で手前側に形成されるとともに、第二ＧＮＤ線１３ｂは、Ｍ個の圧電素子１１４ａの上面で奥側に形成されている。
第一ＧＮＤ線１３ａは、Ｍ個の圧電素子１１４ａに対して共通接続されており、さらに右横（Ｘ方向）に伸びることにより、第一温度センサ２１ａと電気的に接続された後、１本の共通接続線１９ａと接続されるとともに、左横（Ｘ方向）に伸びることにより、第二温度センサ２１ｂと電気的に接続されている。
これにより、測定対象体の関心領域（ＲＯＩ）のみを検査する場合に、Ｍ個の圧電素子１１４ａの内から一部（数個）の圧電素子１１４ａのみに送信パルス信号を印加したときには、圧電素子１１４ａで発生した熱は、近い方の第一温度センサ２１ａ若しくは第二温度センサ２１ｂで検出されるので、検出する温度Ｔ_１、Ｔ_２の応答性を向上させることができる。

コンピュータ（制御部）４０が処理する機能をブロック化して説明すると、超音波プローブ１０を制御する超音波プローブ制御部４１と、モニタ２に超音波画像を表示するモニタ表示制御部４２とを備える。
モニタ表示制御部４２は、ＦＰＣを介して得られる超音波プローブ１０からの電気的信号に基づいて、モニタ２に超音波画像を表示する制御を行う。

超音波プローブ制御部４１は、ＦＰＣを介して得られる温度センサ２１からの温度信号（温度Ｔ_１、Ｔ_２）や入力装置３からの制御信号に基づいて、超音波プローブ１０をＦＰＣを介して制御する。
ところで、上述したように超音波プローブ１００の表面温度Ｔが高温になりすぎると、測定対象体に損傷を与えることがあるが、本実施形態において、超音波プローブ制御部４１は、検出した第一温度Ｔ_１若しくは第二温度Ｔ_２のいずれかが設定閾値温度Ｔ_ｔｈ以上になったときには、駆動電圧を低下させたり、繰り返し周波数を遅くしたり、駆動波連数を少なくするように、超音波プローブ１０を制御する。

ここで、超音波プローブ制御部４１に設定された設定閾値温度Ｔ_ｔｈについて説明する。
第一温度Ｔ_１と第二温度Ｔ_２とは、第一ＧＮＤ線１３ａの温度であって、超音波プローブ１０の表面温度Ｔとは完全に一致しない。つまり、超音波プローブ１０の表面温度Ｔは、整合層１１５や音響レンズ１１６が形成されているため、第一温度Ｔ_１や第二温度Ｔ_２より一般的に低くなる。そこで、使用者等が測定対象体を検査する前に、超音波プローブ１０の表面温度Ｔと第一温度Ｔ_１と第二温度Ｔ_２との関係を予め算出することにより、超音波プローブ制御部４１に設定閾値温度Ｔ_ｔｈを設定する。

以上のように、本発明の超音波プローブ１０によれば、第一温度センサ２１ａと第二温度センサ２１ｂとの２個の温度センサ２１が形成されているだけで、超音波プローブ１０の表面温度Ｔをリアルタイムで正確に測定することができ、その結果、測定対象体に損傷を与えないように超音波プローブ１０を制御することができる。

（他の実施形態）
（１）上述した超音波プローブ１０では、Ｍ個の圧電素子１１４ａが平面上で一列に配列された所謂、リニアアレイ型の圧電素子群１１４を備える構成を示したが、Ｍ個の圧電素子が凸面上に配列された、所謂、コンベックスアレイ型の圧電素子群を備える構成としてもよい。
（２）上述した超音波プローブ１０では、温度センサ２１が圧電素子群１１４の横の両側に形成されている構成を示したが、温度センサが圧電素子群の横の片側のみに形成されている構成としてもよい。

本発明は、複数の圧電素子が配列された振動子を備える超音波プローブ等に利用することができる。

実施形態に係る超音波診断装置の一例の概略構成を示すブロック図である。 実施形態に係る超音波プローブの一例の概略構成を示す斜視図である。 従来の超音波プローブの一例の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０、１００ 超音波プローブ
１３、１１３ ＧＮＤ線（上側電極）
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１１９ 共通接続線
２０ 振動子
２１ 温度センサ
１１１ バッキング材
１１２ 下側電極群
１１２ａ 下側電極
１１４ 圧電素子群
１１４ａ 圧電素子
１１５ 整合層
１１６ 音響レンズ
１１８ａ リード線（信号線）

Claims (5)

1. 超音波を吸収するバッキング材と、
   前記バッキング材上に形成され、複数の信号線にそれぞれ１個の下側電極が電気的に接続されるように、複数の下側電極が配列された下側電極群と、
   前記複数の下側電極上にそれぞれ１個の圧電素子が形成されるように、複数の圧電素子が配列された圧電素子群と、
   前記複数の圧電素子上に形成され、前記複数の圧電素子に対する共通電極である上側電極と、
   前記上側電極上に形成され、前記圧電素子と測定対象体との間の音響インピーダンス差によって超音波が反射されることを抑制する整合層と、
   前記整合層上に形成され、前記圧電素子によって送受信される超音波の焦点を絞る音響レンズとを有する振動子を備える超音波プローブであって、
   前記上側電極と接続された温度センサを備えることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記複数の圧電素子は、横方向に一列となるように配列されており、
   前記圧電素子群の横に、前記温度センサが形成されており、
   前記上側電極は、前記圧電素子群の横に伸びることにより、前記温度センサと接続されることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記圧電素子群の横の両側に、前記温度センサがそれぞれ形成されており、
   前記上側電極は、前記圧電素子群の横の両側の温度センサと接続されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の超音波プローブと、
   前記温度センサで検出された温度に基づいて、前記超音波プローブを制御する制御部を備えることを特徴とする超音波診断装置。
5. 前記超音波プローブの開口の最大幅が、３５ｍｍ以上であり、
   前記制御部は、２個以下の温度センサで超音波プローブの最高温度を観測することで、前記超音波プローブの温度を制御することを特徴とする請求項４に記載の超音波診断装置。

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