JP2010252065A - 音響レンズ、超音波探触子、および超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体への密着性に優れ、超音波の伝播損失の少ない音響レンズ、該音響レンズを有する超音波探触子、および該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供する。
【解決手段】超音波が前記第１のレンズ面に入射する位置に応じて、第１のレンズ面から第２のレンズ面まで進行する間の超音波の伝播速度を変えることにより超音波を所定の距離に収束させるように構成したことを特徴とする音響レンズ。
【選択図】図３

Description

本発明は、音響レンズ、超音波探触子、および超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層像を低侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線などの被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等の特長を有している。そのため、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿科系（腎臓、膀胱）、及び産婦人科系などで広く利用されている。

このような医療用超音波診断装置に使用される超音波探触子は、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、ジルコン酸チタン酸鉛を材料とした圧電素子が一般的に使用される。この場合、送信用圧電素子の振動モードとしては、単一型探触子であるシングル型または複数の探触子を２次元配置したアレイ型探触子がよく使用される。アレイ型は精細な画像を得ることができるので、診断検査のための医療用画像として広く普及している。

一方、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断は、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから標準的な診断方法となりつつある。

ハーモニックイメージングは、基本波に比較して下記のような多くの利点を有している。

１．サイドローブレベルが小さいことにより、Ｓ／Ｎ比が良くコントラスト分解能が良くなること。

２．周波数が高くなることによって、ビーム幅が細くなり横方向分解能が良くなること。

３．近距離では音圧が小さく、音圧の変動が少ないため、多重反射が起こらないこと。

４．焦点以遠の減衰は基本波並みであり、高調波の周波数を基本波とする超音波に比べ深速度を大きく取れること。

などである。

ハーモニックイメージングに用いるアレイ型超音波探触子の具体的な構造として、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子が提案されている。

このようなアレイ型超音波探触子に用いられる受信用圧電振動子は、高調波信号を高感度で受信できることが望ましい。しかしながら、ジルコン酸チタン酸鉛等を材料とした圧電素子の送受信周波数は圧電素子の厚さに依存するため、受信する周波数が高周波になるほど圧電素子を小型に加工する必要があり、製造が困難であった。

このような問題を解決するため、シート状の圧電セラミックを単層または積層した構造の送信用圧電素子と受信用のシート状の圧電素子を単層または積層させ、送信と受信を別々の圧電素子に分離するとともに、受信用に高感度有機圧電素子材料を使用することにより高感度な超音波探触子を得る方法が提案されている（特許文献１、２、３参照）。

一方、従来から超音波探触子には、超音波のビームを収束させて分解能を向上させるため音響レンズが用いられている。音響レンズは被検体（生体）と密着させるので、被検体と密着させやすく、診断に使用する周波数において減衰率の小さい材料が求められている。

従来からこのような材料としてシリコンゴムが主に用いられている。シリコンゴムは、被検体（生体）より音波の伝播速度（以下、音速ともいう）が遅いので、断面形状の中央部を凸状に形成し、超音波が中央の厚みの厚い部分を通過する時間を、厚みの薄い部分より長くして超音波を収束させるようにしていた。

しかしながら、シリコンゴムは超音波の伝播損失が大きいため、超音波探触子の受信感度を向上させることは難しい。特に、高周波の伝播損失が大きいため、高調波信号を用いたハーモニックイメージングには不向きな材料であると言える。

一方、伝播損失の少ない材料としては、例えば樹脂材料であるポリメチルペンテンが知られているが、ポリメチルペンテンは被検体（生体）より音速が速いので、断面形状の中央部を凹状に形成し、超音波を収束させるようにする必要がある。

しかしながら、凹状では被検体（生体）の表面との接触性が悪くなるという問題があった。

そのため、ポリメチルペンテンを用いた凹状の音響レンズの上に、両凸の音響領域を固着して被検体（生体）の表面との接触性を改善する方法が開示されている。（例えば、特許文献４参照）

特開２００８−１８８４１５号公報 国際公開第２００７／１４５０７３号パンフレット 国際公開第２００８／０１０５０９号パンフレット 特開平６−２５４１００号公報

しかしながら、特許文献４に開示されているように凹状の音響レンズの上に両凸の音響領域を設けると、音響領域での伝播損失が加わるため音響レンズのトータルの伝播損失はほとんど改善されない。特に、特許文献４のように音響領域としてシリコンゴムを用いると、シリコンゴムによる超音波の伝播損失が大きく高次高調波を利用する場合は受信感度が不十分になってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、被検体への密着性に優れ、超音波の伝播損失の少ない音響レンズ、該音響レンズを有する超音波探触子、および該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。

１．第１のレンズ面から入射した超音波を、第２のレンズ面から放射し所定の距離に収束させる音響レンズにおいて、
前記超音波が前記第１のレンズ面に入射する位置に応じて、前記第１のレンズ面から前記第２のレンズ面まで進行する間の超音波の伝播速度を変えることにより前記超音波を所定の距離に収束させるように構成したことを特徴とする音響レンズ。

２．前記第２のレンズ面は、平面であることを特徴とする前記１に記載の音響レンズ。

３．前記超音波が前記第１のレンズ面に入射する位置が、前記第１のレンズ面の中央から離間するにつれて超音波の伝播速度が速くなるように構成されていることを特徴とする前記１または２に記載の音響レンズ。

４．直方体の中央部と、
前記超音波の進行する方向と直交する前記中央部の対向する２面に、同形状の面がそれぞれ接するように配設された直方体の２つの周辺部と、
を有し、
前記周辺部は、
前記中央部の対向する２面と平行に形成された少なくとも１つの層から成り、前記中央部からの距離が遠い前記層ほど超音波の伝播速度が速い材料から形成されていることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の音響レンズ。

５．母材樹脂に添加剤を添加して超音波の伝播速度を調整した樹脂材料を用いて形成したことを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の音響レンズ。

６．前記音響レンズの減衰特性は、
周波数５ＭＨｚで２ｄＢ／ｃｍ以下であることを特徴とする前記１から５の何れか１項に記載の音響レンズ。

７．超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から該超音波の反射波を受信する超音波探触子において、
前記１から６の何れか１項に記載の音響レンズを有し、
前記音響レンズを介して超音波を送信および受信することを特徴とする超音波探触子。

８．超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から受信した該超音波の反射波に応じて画像を生成する超音波診断装置において、
前記７に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。

本発明によれば、超音波が第１のレンズ面に入射する位置に応じて、第１のレンズ面から第２のレンズ面まで進行する間の超音波の伝播速度を変えることにより前記超音波を所定の距離に収束させるように構成したので、第２のレンズ面の形状を平面にしても超音波を所定の距離に収束させることができる。

したがって、被検体への密着性に優れ、超音波の伝播損失の少ない音響レンズ、および該音響レンズを有する超音波探触子、該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。

実施形態の音響レンズ７の斜視図である。 実施形態の音響レンズ７が超音波を収束させる原理を説明するための説明図である。 実施形態に係る音響レンズ７の製造方法の一例を説明する説明図である。 実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。 実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。 実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

図１は、実施形態の音響レンズ７の斜視図である。図２は、実施形態の音響レンズ７が超音波を収束させる原理を説明するための説明図である。以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向はエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。

音響レンズ７の外観は図１のように、Ｘ軸方向の幅はＷ、Ｚ軸方向の幅はＨ、Ｙ軸方向の幅はＬの直方体である。Ｚ軸と直交する対向する２面のうち、Ｚ軸負方向の面は、図示せぬ圧電素子から放射した超音波を入射させる面（第１のレンズ面）であり、Ｚ軸正方向の面は図示せぬ被検体に密着させ被検体の内部に超音波を放射する面（第２のレンズ面）である。Ｚ軸と直交する対向する２面はともに平面である。

音響レンズ７は、中央部４と、中央部４の樹脂材料より音波の伝播速度（以降、音速ともいう）が速い樹脂材料から成る周辺部８とから構成される。

図１の例では、周辺部８は、直方体の中央部４のＸ軸方向に対向する２面を挟んで、該２面と平行に形成されたそれぞれ１０の層から構成されている。すなわち、中央部４の紙面左側には層８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊがＸ方向の幅ｗで形成され、中央部４の紙面右側には層８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐ、８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔが同じ幅ｗで形成されている。中央部４のＸ方向の幅はＷ０、中央部４を挟む周辺部８の幅はそれぞれＷ１、中央部４と周辺部８のＺ方向の幅はともにＨである。

周辺部８の層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔは、中央部４からの距離が遠い層ほど音速の速い樹脂材料から形成されている。

例えば、中央部４は音速Ｖ_１の樹脂材料から形成されているとすると、周辺部８ａと周辺部８ｋとは音速Ｖ_１より速い音速Ｖａの樹脂材料から成る。周辺部８ｂと周辺部８ｌとは音速Ｖａより速い音速Ｖｂの樹脂材料から成る。周辺部８ｃと周辺部８ｍとは音速Ｖｂより速い音速Ｖｃの樹脂材料から成り、周辺部８ｄと周辺部８ｎとは音速Ｖｃより速い音速Ｖｄの樹脂材料から成る。

同様に、周辺部の各部は中央部からの距離に応じて音波の伝播速度が速くなるように構成されており、最も外側の周辺部８ｊと周辺部８ｔとは音響レンズ７の中で最も速い音速Ｖｊの樹脂材料から成る。

図２を用いて、本発明の音響レンズ７が超音波を収束させる原理を説明する。図２では説明を簡単にするため、周辺部８が全て同じ材料から形成される例を説明する。中央部４は音速Ｖ_１の材料から成り、周辺部８は音速Ｖ_１より速い音速Ｖ_２の材料から成るものとする。また、音響レンズ７のＺ軸正方向の面は図示せぬ容器に貯えられた音速Ｖ_０の液体５０に接しているものとする。

ｌ_２は、中央部４の中央から入射した超音波が、中央部４と液体５０とを進行する状態を示している。ｌ_１は、紙面左側の周辺部８の中央から入射した超音波が、周辺部８と液体５０とを進行し、焦点距離ｆの位置でｌ_２と収束する状態を示している。ｘは音響レンズ７に入射したｌ_１とｌ_２との距離である。

周辺部８の音速Ｖ_２は、中央部４の音速Ｖ_１より速いので、周辺部８から入射した超音波は、同時に中央部４から入射した超音波より早く液体５０に入射し、液体５０の中を同心円状に波面が進行する。

周辺部８から入射した超音波と中央部４から入射した超音波の音響レンズ７を通過する時間差ｔ_１は下記式（１）で求めることができる。

図２のｍは時間差ｔ_１の間に周辺部８から入射した超音波が進行する距離である。液体５０の音速はＶ_０とすると、距離ｍは下記式（２）で求めることができる。

ｍ＝Ｖ_０×ｔ_１・・・・・・（２）
紙面左側の周辺部８の中央から入射した超音波は、距離ｍを進行した後、中央部４の中央から入射した超音波と同じ距離ｆを進行し点ｑに収束する。焦点距離ｆはピタゴラスの定理を用いて下記式（３）で求めることができる。

ｆ＝（ｘ^２−ｍ^２）／２ｍ・・・・・・（３）
式（３）に式（１）、式（２）を代入すると焦点距離ｆは下記式（４）で求めることができる。

Ｈは音響レンズ７のＺ軸方向の幅（厚み）、Ｖ_１は中央部４の音速、Ｖ_２は周辺部８の音速、Ｖ_０は液体５０の音速である。

このように、中央部４と周辺部８の音速の差によって中央部４を進行する超音波ｌ_２と周辺部８から入射した超音波ｌ_１とを一点に収束させることができる。

例えば、Ｖ_０＝１５３０ｍ／ｓｅｃ、Ｖ_１＝２５００ｍ／ｓｅｃ、Ｈ＝２．５ｍｍ、ｘ＝３ｍｍ、Ｖ_２＝２７７１ｍ／ｓｅｃとすると焦点距離ｆ＝３０ｍｍである。また、他の値は同じでＨ＝５ｍｍに変更すると焦点距離ｆ＝１４．９ｍｍになる。

図１のように周辺部８が中央部４を挟んでそれぞれ１０の層から構成される場合は、中央部４の内部を進行する超音波と平行に各層の内部を進行する超音波が一点に収束するよう各層の音速を設定する。焦点距離ｆに収束する周辺部８を形成する樹脂材料の音速Ｖ_２は、下記式（５）で求めることができる。

例えば、焦点距離ｆ＝３０ｍｍ、Ｖ_０＝１５３０ｍ／ｓｅｃ、Ｖ_１＝２５００ｍ／ｓｅｃ、Ｈ＝２．５ｍｍ、ｘ＝３ｍｍとすると、Ｖ_２＝２７７１ｍ／ｓｅｃである。

同様に式（５）を用いて、同じ焦点距離ｆに超音波を収束させる層８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｊ、および層８ｋ、８ｌ、８ｍ、８ｎ、８ｏ、８ｐ、８ｑ、８ｒ、８ｓ、８ｔを形成する樹脂材料の音速Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅ、Ｖｆ、Ｖｇ、Ｖｈ、Ｖｉ、Ｖｊを求めることができる。

後に説明するように、このような音速の異なる樹脂材料は、母材となる樹脂材料に添加剤を添加することにより得ることができる。

次に、音響レンズ７の製造方法の一例を説明する。

図３は、実施形態に係る音響レンズ７の製造方法の一例を説明する説明図である。

＜樹脂基板の製造工程＞
図３（ａ）は、中央部４を形成する樹脂基板の一例である。樹脂基板は、図３（ａ）に示すように幅Ｌ、高さＨ１、奥行きＭの長方体である。樹脂基板の大きさに特に限定はないが、一例としては、Ｌ＝１００ｍｍ、Ｍ＝１５０ｍｍ、Ｈ１＝２ｍｍである。

樹脂基板を形成する材料には、各種樹脂材料を用いることができるが、超音波の減衰特性は、周波数５ＭＨｚで２ｄＢ／ｃｍ以下の樹脂材料が好ましい。例えば、メチルペンテン、スチレン、メチルメタクリレート、カーボネート、プロピレンなどの重合体または共重合体を用いることができる。

図３（ａ）の樹脂基板は、例えば金型に樹脂材料を注型して作製する。

＜積層工程＞
中央部４を形成する樹脂基板の対向する両面に、中央部４より速い所定の音速が得られる割合で添加物を添加した樹脂液−１を所定の厚みｗになるよう塗布した後、加熱硬化を行う。次に、さらに速い所定の音速が得られる割合で添加物を添加した樹脂液−２を所定の厚みｗになるよう塗布した後、加熱硬化を行う。このように順次樹脂液の塗布と、加熱硬化を繰り返し、図３（ｂ）のように次の工程で層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔになる層をそれぞれ形成する。なお、層の数は図３（ｂ）の例に限定されるものではなく、音響レンズ７の仕様に応じて決定すれば良い。

母材樹脂の音速を変えるため樹脂材料に添加する添加剤としては、例えば酸化亜鉛、アルミニウム、酸化アルミニウム、ジュラルミン、チタン、窒化ケイ素、炭化ボロン、モリブデン等が用いられる。これらの添加剤は、母材の樹脂材料に均一に添加し、母材と添加剤界面で音響不整合を生じないよう、波長に対して充分小さい粉末の状態で用いられることが好ましく、その粒径は１０μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下であることが好ましい。

添加剤を母材樹脂に添加する体積割合Ｐは、添加剤の音速をＶｘと母材の樹脂材料の音速をＶ_０と所定の音速をＶαすると、（６）式で求められる。

Ｐ＝（Ｖα−Ｖ_１）／（Ｖｘ−Ｖ_１）・・・・・・（６）
例えば、Ｖｘ＝６４００ｍ／ｓｅｃ、Ｖ_１＝２５００ｍ／ｓｅｃ、Ｖα＝２７７１ｍ／ｓｅｃとするとＰ＝０．０６９５であり、体積比で６．９５％添加すれば良い。

このようにして、母材樹脂に添加剤を添加して超音波の伝播速度を調整した樹脂材料を用いて層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔになる層をそれぞれ形成する。

質量比Ｒは、添加剤の比重と母材の樹脂材料の比重の比重比Ｃとすると、（７）式で求められる。

Ｒ＝Ｐ×Ｃ／（（１−Ｐ）＋Ｐ×Ｃ）・・・・・（７）
例えば、比重比Ｃ＝５．４１、Ｐ＝０．０６９５のとき質量比Ｒは０．２８８であり、質量比では２８．８％添加すれば良い。

＜切断、研磨工程＞
図３（ｂ）のように積層した状態から、第１のレンズ面と第２のレンズ面との間隔が所定の厚みになるように、樹脂材料を積層した面に直交する面に沿って（本実施形態ではＹ軸方向の面）切断し、切断面の研磨を行い、図３（ｃ）に示すような音響レンズ７を得る。図３（ｃ）の音響レンズ７は図１で説明した音響レンズ７と同一形状であり、Ｚ軸負方向から見た図である。

切断法としては、ダイシングソー、レーザーカッター、超音波カッター、高圧水カッターなどを用いることができる。

このように本実施形態の音響レンズ７は、超音波が第１のレンズ面に入射する位置に応じて、第１のレンズ面から第２のレンズ面まで進行する間の超音波の伝播速度が異なるように構成し、第２のレンズ面から放射する超音波を所定の距離に収束させている。このことにより、被検体より音速が速い樹脂材料を用いても、被検体と接触する面を被検体に密着させやすい平面形状にすることができる。

また、本実施形態の音響レンズ７は、樹脂材料から形成されているので、被検体と接触する面が磨耗しにくい。そのため、シリコンゴムから成る音響レンズのように、超音波探触子を使用する際に塗布するゼリー状物質を使用後にふき取る際に音響レンズ面が徐々に磨耗し、フォーカス位置が当初の設計から合わなくなるという問題がおこりにくい。

さらに、樹脂材料はガスや液体を透過しにくいので、音響レンズ７の被検体と接する側の面から消毒用ガス、または液体が侵入して、超音波探触子の特性が劣化することも少ない。

さらに加えて、本実施形態の音響レンズ７は、伝播損失の少ない樹脂材料から形成することができるので、減衰の少ない音響レンズ７を作製することができる。特に、周波数５ＭＨｚで２ｄＢ／ｃｍ以下の樹脂材料を用いると、高調波信号を利用するアレイ型超音波探触子に好適な音響レンズ７を作製することができる。

図４は、実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。

本実施形態では、送信用圧電素子と受信用圧電素子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子に本発明を適用した例を説明するが、特に限定されるものではなく単一の圧電素子で送受信を行うシングル型超音波探触子にも適用できる。

以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向はエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。また、Ｚ軸方向は積層方向である。

図４に示す超音波探触子１は、バッキング材５の上に第４電極１５、送信素子層２、第３電極１４、中間層１３、第２電極１０、受信素子層３、第１電極９、整合層６、音響レンズ７の順に積層されている。

以降、積層順に各構成要素を説明する。

（送信素子層）
送信素子層２は、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電材料から成る圧電素子であり、互いに厚み方向に対向する両面にそれぞれ第３電極１４、第４電極１５を備えている。送信素子層２の厚みは３２０μｍ程度である。

第３電極１４、第４電極１５は、図示せぬコネクタにより図４には図示せぬケーブル３３と接続され、ケーブル３３を介して送信回路４２と接続する。第３電極１４、第４電極１５に電気信号を入力すると圧電素子が振動し、送信素子層２からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。

第３電極１４、第４電極１５は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、送信素子層２の両面に蒸着法やフォトリソグラフィー法を用いて成膜する。

（中間層）
中間層１３は、受信素子層３が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動した際に、送信素子層２が共振して振動しないように受信素子層３の振動を吸収するために設けられている。

このような中間層１３は、樹脂材料を成型して形成することができる。中間層１３に用いる樹脂材料としては、例えばポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリスルホン、エポキシ、オキセタン、などを用いることができる。

中間層１３の厚みは、求める感度や周波数特性により選択されるが、例えば１８０〜１９０μｍ程度である。

なお、求める感度や周波数特性によっては中間層１３を省略することもできる。

（受信素子層）
受信素子層３は、有機圧電材料から成る複数の圧電素子から構成されている。

受信素子層３に用いる有機圧電材料として、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、有機圧電材料は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）、テトラフルオロエチレ（ＴｅＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。

一般に、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電材料から成る圧電素子は、基本波の周波数に対する２倍程度の周波数帯域の超音波しか受信することができないが、有機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する例えば４〜５倍程度の周波数帯域の超音波を受信することができ、受信周波数帯域の広帯域化に適している。このような超音波を広い周波数に亘って受信可能な特性を持つ有機圧電素子によって超音波信号が受信されるので、本実施形態における超音波探触子１および超音波診断装置１００は、比較的簡単な構造で周波数帯域を広帯域にすることができる。

受信素子層３の厚さｔは、受信すべき超音波の周波数や有機圧電材料の種類等によって適宜に設定される。受信すべき超音波の波長をλとすると、受信素子層３の厚さｔがｔ＝λ／４のとき最も受信素子層３の受信効率が良い。

このような受信素子層３は、有機圧電材料の溶液から流延して所定の厚さの膜を作製し、加熱して結晶化を行った後、所定の大きさのシート状に成型して作製する。

受信素子層３の厚み方向（Ｚ軸方向）に互いに対向する両面には、それぞれ第１電極９、第２電極１０が形成されている。

第１電極９、第２電極１０は、図４には図示せぬケーブル３３を介して受信回路４３と接続する。

受信素子層３が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて圧電素子に第１電極９、第２電極１０の間に電気信号が発生する。第１電極９、第２電極１０の間に発生した電気信号は、ケーブル３３を介して受信回路４３で受信され、画像処理部４４で画像化される。

（整合層）
整合層６は、被検体の一つである人体と受信素子層３の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響インピーダンスの整合を図る。整合層６は、例えば、樹脂材料を成型して形成することができる。

整合層６に用いる材料は、音響インピーダンスが１．７〜１．８程度で、音速が人体に近い１３００ｍ／ｓ以上、２２００ｍ／ｓ以下の材料を用いることが好ましい。例えば、ポリメチルペンテンなどを用いることができる。

バッキング材５の上に、これまでに説明した第３電極１４と第４電極１５とが形成された送信素子層２、中間層１３、第１電極９と第２電極１０とが形成された受信素子層３、整合層６の順に、接着剤により接着して図４のように積層する。積層後、整合層６から超音波放射方向と反対の方向に向かってダイシングを行い、バッキング材５と第４電極１５の接着層からさらにＺ軸負方向に１００μｍの深さまでダイシングを行う。ダイシングによりできた溝部に、シリコン樹脂などから成る充填剤を充填した後、最上層に図１〜図３で説明した音響レンズ７を接着する。

音響レンズ７は、送信素子層２から送信された超音波を所定の距離に収束させる。

（超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作）
図５は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図６は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。

超音波診断装置１００は、図略の生体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、受信した被検体で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）から被検体内の内部状態を超音波画像として画像化し、表示部４５に表示する。

超音波探触子１は、被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する。超音波探触子１は、図６に示すように、ケーブル３３を介して超音波診断装置本体３１と接続されており、送信回路４２、受信回路４３と電気的に接続されている。

送信回路４２は、制御部４６の指令により、超音波探触子１へケーブル３３を介して電気信号を送信し、超音波探触子１から被検体に対して超音波を送信させる。

受信回路４３は、制御部４６の指令により、超音波探触子１からケーブル３３を介して、被検体内からの超音波の反射波に応じた電気信号を受信する。

画像処理部４４は、制御部４６の指令により、受信回路４３が受信した電気信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。

表示部４５は、液晶パネルなどから成り、制御部４６の指令により、画像処理部４４が画像化した超音波画像を表示する。

操作入力部４１は、スイッチやキーボードなどから構成され、ユーザが診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するために設けられている。

制御部４６は、ＣＰＵ、メモリなどから構成され、操作入力部４１の入力に基づいてプログラムされた手順により超音波診断装置１００各部の制御を行う。

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

［実施例１、実施例２］
（音響レンズの作製）
実施例１では、図１と同じ構成のＸ軸方向の幅Ｗ＝６ｍｍ、Ｚ軸方向の幅Ｈ＝２．５ｍｍ、Ｙ軸方向の幅Ｌ＝１００ｍｍ、の直方体で、焦点距離ｆ＝３０ｍｍの音響レンズを図３で説明した手順で作製した。また、層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔの幅ｗはそれぞれ０．２ｍｍとし、Ｗ１＝２ｍｍとした。

実施例２では、図１と同じ構成のＸ軸方向の幅Ｗ＝６ｍｍ、Ｚ軸方向の幅Ｈ＝５ｍｍ、Ｙ軸方向の幅Ｌ＝１００ｍｍ、の直方体で、焦点距離ｆ＝１４．９ｍｍの音響レンズを同じ手順で作製した。層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔの幅ｗは実施例１と同じである。

以下、工程の順に説明する。

＜樹脂基板の製造工程＞
スチレンとジビニルベンゼンとを質量比９５：５の割合で架橋した共重合体を材料として金型に注型し、図３（ａ）に示すようなＬ＝１００ｍｍ、Ｍ＝１５０ｍｍ、Ｈ１＝２ｍｍの長方形の中央部４を形成する樹脂基板を作製した。中央部４を形成する樹脂基板の音速Ｖ_１を測定したところ２５００ｍ／ｓｅｃであった。

＜積層工程＞
式５を用いて実施例１の層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔに求められる音速Ｖ_ａ〜Ｖ_ｊを表１のように求めた。

ただし、Ｈ＝２．５ｍｍ、ｆ＝３０ｍｍ、Ｖ_０＝１５３０ｍ／ｓｅｃ、Ｖ_１＝２５００ｍ／ｓｅｃとし、ｘは中央部４のＸ軸方向の中心から、層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔのそれぞれ遠い側の辺までのＸ軸方向の距離を代入した。

次に、表１の音速が得られる添加物を添加する割合を（６）式と（７）式を用いて表２のように求めた。

実施例では、スチレンとジビニルベンゼンに添加剤の親油性酸化亜鉛ナノ微粒子と熱重合開始剤とを所定の質量比で混合した樹脂液１〜１０を作製し、この樹脂液１〜１０を用いて層８ａ〜８ｊ、層８ｋ〜８ｔになる層をそれぞれ形成した。

樹脂液１〜１０に含まれる添加剤の質量比は、表１に求めた音速Ｖ_ａ〜Ｖ_ｊを（６）式に代入して、添加剤を母材の樹脂材料に添加する体積割合Ｐを求め、（７）式で質量比に換算して求めた。ただし、スチレンとジビニルベンゼンとの共重合体と親油性酸化亜鉛ナノ微粒子との比重比Ｃ＝５．４１とした。

表２に、このようにして求めた樹脂液１〜１０のスチレン、ジビニルベンゼン、親油性酸化亜鉛ナノ微粒子、熱重合開始剤の質量割合を示す。

なお、親油性酸化亜鉛ナノ微粒子はデグサ社製ＶＰ ＡｄＮａｎｏ Ｚ８０５であり、平均粒径は２５０ｎｍである。また、熱重合開始剤はアゾビスイソブチロニトリルを用いた。

中央部４を形成する樹脂基板の対向する両面に、常温で樹脂液−１を加熱硬化後に厚みｗになるよう塗布した後、オーブンに入れ１２０℃で５分加熱し、硬化させた。次に、常温で樹脂液−２を加熱硬化後に厚みｗになるよう塗布した後、同じ条件で加熱硬化を行った。その後、同じ条件で順次樹脂液の塗布と、加熱硬化とを繰り返し、樹脂液−１０まで塗布と、加熱硬化を行った。

＜切断、研磨工程＞
図３（ｂ）のように積層した状態から、Ｚ軸方向の幅３ｍｍ毎に樹脂材料を積層した面に直交する面に沿ってＹ軸方向に切断した後、切断面の研磨を行ってＨ＝２．５ｍｍとし、Ｌ＝１００ｍｍ、Ｗ＝６ｍｍの図３（ｃ）に示すような実施例１の音響レンズ７を得た。

また、図３（ｂ）のように積層した状態から、Ｚ軸方向の幅５．５ｍｍ毎に樹脂材料を積層した面に直交する面に沿ってＹ軸方向に切断した後、切断面の研磨を行ってＨ＝５ｍｍとし、Ｌ＝１００ｍｍ、Ｗ＝６ｍｍの図３（ｃ）に示すような実施例２の音響レンズ７を得た。

なお、切断は、ダイシングソーで行った。

（超音波探触子の作製）
試作した超音波探触子１は、次のように作製した。

送信素子層２は、ジルコン酸チタン酸鉛を材料として、Ｘ方向の長さ１０ｍｍ、Ｙ方向の長さ５５ｍｍ、Ｚ方向の長さ（厚み）３２０μｍのシート状にラップ仕上げで作製した。

次に、送信素子層２の両面に、金を真空蒸着して０．３μｍ厚の第３電極１４と第４電極１５とを作製した。

中間層１３は、ポリビニルブチラールを材料としてＸ方向の長さ１０ｍｍ、Ｙ方向の長さ５５ｍｍ、Ｚ方向の長さ（厚み）を１８５μｍに成形した。

受信素子層３は、フッ化ビニリデン（以下ＶＤＦ）とトリフルオロエチレン（以下３ＦＥ）のモル比率が７５：２５であるポリフッ化ビニリデン共重合体粉末（重量平均分子量２９万）を５０℃に加熱したエチルメチルケトン（以下ＭＥＫ）、ジメチルホルムアミド（以下ＤＭＦ）の９：１混合溶媒に溶解した液をガラス板上に流延した。その後、５０℃にて溶媒を乾燥させ、厚さ約１４０μｍ、融点１５５℃のフィルム（有機圧電材料）を得た。

このフィルムをチャックにかかる荷重が測定できるロードセル付きの一軸延伸機によって、室温で４倍に延伸した。４倍延伸終了時点での延伸軸方向の張力は、単位幅（ｍｍ）あたり２．２Ｎであった。延伸した長さを保ったまま延伸機を加熱し、１３５℃で１時間熱処理を行った。その後、張力が０にならないように、チャック間距離を制御しながら（弛緩処理）、室温まで冷却した。得られた熱処理後のフィルムの膜厚は４０μｍであった。

その後、Ｙ方向の長さ５５ｍｍ、Ｘ方向の長さ１０ｍｍのシート状に成形した。ここで得られたフィルムの両面に、表面抵抗が２０Ω以下になるように金、またはアルミニウムを蒸着塗布して両面に０．３μｍ厚の表面電極（第１電極９と第２電極１０）付の試料を得た。

続いて、この電極に室温にて、０．１Ｈｚの交流電圧を印加しながら分極処理を行った。分極処理は低電圧から行い、最終的に電極間電場が１００ＭＶ／ｍになるまで徐々に電圧をかけて行った。最終的な分極量は、圧電材料をコンデンサと見たてた際の残留分極量、すなわち膜厚、電極面積、印加電場に対する電荷蓄積量から求め、前記の各大きさの有機圧電材料を得た。

整合層６は、ポリメチルペンテンを材料としＹ方向の長さ５５ｍｍ、Ｘ方向の長さ１０ｍｍ、Ｚ方向の長さ（厚み）１４０μｍに作製した。

バッキング材５の上に、第３電極１４と第４電極１５とが形成された送信素子層２、中間層１３、第１電極９と第２電極１０とが形成された受信素子層３、整合層６の順に、接着剤により接着して図３のように積層する。積層後、整合層６からＺ軸負方向に向かってダイシングを行い、バッキング材と第４電極の接着層からさらにＺ軸負方向に１００μｍの深さまでダイシングを行った。

最後に最上層に、音響レンズ７を接着し、実施例１の超音波探触子１を各５個作製した。

［比較例１］
（音響レンズの作製）
Ｘ軸方向の幅Ｗ＝６ｍｍ、Ｙ軸方向の幅Ｌ＝１００ｍｍ、Ｚ軸方向に曲率半径１０ｍｍの凸面形状のレンズ面を有する焦点距離３０ｍｍの音響レンズを、シリコンゴムを成型して作製した。Ｚ軸方向の最大幅Ｈ＝４６０μｍである。

（超音波探触子の作製）
実施例１と同じ手順で各層を積層し、最後に最上層に、シリコンゴムから成る音響レンズを接着し、比較例１の超音波探触子１を５個作製した。

［評価方法］
実施例１、実施例２と比較例１のそれぞれの超音波探触子の焦点距離と減衰量を測定し、平均値を求めた。焦点距離の測定は水中ハイドロフォン法で行い、減衰量の測定はシングアラウンド法で行った。

また、音響レンズ表面を不織布ワイパー（ＢＥＭＣＯＴ Ｍ−３II（商品名）、旭化成（株）製）に５０ｇの荷重をかけて５００回の摩擦試験を行った後、再度焦点距離を測定した。

［結果］

表３のように、摩擦試験を行う前の実施例１の焦点距離は３０ｍｍ、実施例２の焦点距離は１５ｍｍであり音響レンズの厚みＨを変えることにより所定の焦点距離の音響レンズが得られることが確認できた。

また、摩擦試験を行う前の実施例１、比較例１の焦点距離は表４のようにどちらも３０ｍｍであった。

減衰量は表４に示すように、実施例１は周波数５ＭＨｚで１．２ｄＢ、周波数１５ＭＨｚで８．３ｄＢ、実施例２は周波数５ＭＨｚで２．４ｄＢ、周波数１５ＭＨｚで１６．６ｄＢであった。実施例１の音響レンズ７はＨ＝２．５ｍｍなので周波数５ＭＨｚの減衰特性は４．８ｄＢ／ｃｍである。また、実施例２の音響レンズ７はＨ＝５ｍｍなので周波数５ＭＨｚの減衰特性は４．８ｄＢ／ｃｍである。

一方、比較例１は、表４に示すように減衰量が周波数５ＭＨｚで４．１ｄＢ、周波数１５ＭＨｚで２１、３ｄＢであり、周波数５ＭＨｚで約３ｄＢ、周波数１５ＭＨｚで１３ｄＢも実施例１より減衰が多くなっている。このように、本発明では、同一の焦点距離で、伝播損失の少ない音響レンズが得られることが確認できた。

摩擦試験を行った後の実施例１の焦点距離は表４のように変化が無かったが、比較例１の焦点距離は４１ｍｍに変化していた。このことから、本発明の音響レンズは対摩耗性に優れ、耐久性が高いことが確認できた。

以上このように、本発明によれば、被検体への密着性に優れ、超音波の伝播損失の少ない音響レンズ、該音響レンズを有する超音波探触子、および該超音波探触子を有する超音波診断装置を提供することができる。

１ 超音波探触子
２ 送信素子
３ 受信素子
４ 中央部
５ バッキング材
６ 整合層
７ 音響レンズ
８ 周辺部
９ 第１電極
１０ 第２電極
１３ 中間層
１４ 第３電極
１５ 第４電極
２０ 基板材
３１ 超音波診断装置本体
３３ ケーブル
４１ 操作入力部
４２ 送信回路
４３ 受信回路
４４ 画像処理部
４５ 表示部
４６ 制御部
５０ 液体
１００ 超音波診断装置

Claims (8)

1. 第１のレンズ面から入射した超音波を、第２のレンズ面から放射し所定の距離に収束させる音響レンズにおいて、
   前記超音波が前記第１のレンズ面に入射する位置に応じて、前記第１のレンズ面から前記第２のレンズ面まで進行する間の超音波の伝播速度を変えることにより前記超音波を所定の距離に収束させるように構成したことを特徴とする音響レンズ。
2. 前記第２のレンズ面は、平面であることを特徴とする請求項１に記載の音響レンズ。
3. 前記超音波が前記第１のレンズ面に入射する位置が、前記第１のレンズ面の中央から離間するにつれて超音波の伝播速度が速くなるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の音響レンズ。
4. 直方体の中央部と、
   前記超音波の進行する方向と直交する前記中央部の対向する２面に、同形状の面がそれぞれ接するように配設された直方体の２つの周辺部と、
   を有し、
   前記周辺部は、
   前記中央部の対向する２面と平行に形成された少なくとも１つの層から成り、前記中央部からの距離が遠い前記層ほど超音波の伝播速度が速い材料から形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の音響レンズ。
5. 母材樹脂に添加剤を添加して超音波の伝播速度を調整した樹脂材料を用いて形成したことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の音響レンズ。
6. 前記音響レンズの減衰特性は、
   周波数５ＭＨｚで２ｄＢ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の音響レンズ。
7. 超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から該超音波の反射波を受信する超音波探触子において、
   請求項１から６の何れか１項に記載の音響レンズを有し、
   前記音響レンズを介して超音波を送信および受信することを特徴とする超音波探触子。
8. 超音波を被検体に向けて送信し、該被検体から受信した該超音波の反射波に応じて画像を生成する超音波診断装置において、
   請求項７に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。

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