JP2011077789A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探触子において、製造が容易で良好な特性を実現する整合層を構築する。
【解決手段】振動子部と生体との間に設けられる連結整合部１８は、下側の積層型整合部２４と、上側の複合型整合部２６とにより構成されている。積層型整合部２４は、複数の整合層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃにより構成され、下側から上側にかけて段階的に音響インピーダンスが下げられている。複合型整合部２６は第１部材２８と第２部材２９により構成され、２つの部材の比率を下方から上方にかけて徐々に変化させることにより、音響インピーダンスが連続的に変化している。その結果、連結整合部１８全体として、音響インピーダンスを階段状に変化させた上でそこから音響インピーダンスを連続的に変化させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は超音波探触子に関し、特に整合部の構造に関する。

超音波探触子は、超音波診断時に、生体に対して超音波の送受波を行うものであり、振動子部、振動子部の下面側に設けられたバッキング部、振動子部の上面側に設けられた整合層、などを有する。振動子部は、例えば、単振動子、１Ｄアレイ振動子あるいは２Ｄアレイ振動子として構成される。振動子部と生体との間においては音響インピーダンスに大きな隔たりが生じるので、その間に設けられた整合層が、振動子部と生体との間で音響インピーダンスを整合させる作用を発揮する。整合層と生体との間に音響レンズ等が設けられる場合もある。

整合層の一種としての傾斜型音響整合層は、音響インピーダンスの隔たりが大きい振動子部と生体との間において、超音波を高効率で伝播させるために使用される。傾斜型音響整合層の厚み方向における音響インピーダンスの変化を見ると、振動子部との接続点においては、振動子部の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスが設定され、生体との接続点においては、生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスが設定される。

従来から、上記の傾斜型音響整合層における始点から終点までの音響インピーダンスの変化を連続的に又は段階的に変化させるために、以下に説明する２つの方式が提案されている。

第１の方式は、特許文献１、２に記載されているように、傾斜型音響整合層を、高い音響インピーダンスをもった傾斜用第１部材と、低い音響インピーダンスをもった傾斜用第２部材と、で構成するものである（1-3型複合構造）。傾斜用第１部材は、例えば、上方に向かって先細形状（尖塔形状）を有する複数の第１部材要素の集合体として構成され、第２部材は複数の第１部材要素間に充填された噛み合い形態を有する。このような複合構造によれば音響インピーダンスの変化を連続的なものにできる。

第２の方式は、特許文献３に記載されているように、音響インピーダンスを少しずつ小刻みに変化させた複数の薄い板を積層することにより、積層体として傾斜型音響整合層を構成するものである。音響インピーダンスを段階的に変化させるために例えば１０層の板が積層される。なお、積層体の全体厚さが１／２波長ならば各層は２０分の１波長条件を満たす厚みをもって構成される。

特開２００３−１１１１８２号公報 特開平１１−８９８３５号公報 米国特許公開２００２／０１６１３０１号公報

上記で説明した第１の方式（複合構造方式）において、傾斜用第１材料は、例えば、音響インピーダンスが高いタングステンなどの無機粉末（微粒子）を、母材であるエポキシなどの樹脂に充填したものとして構成される。その場合、音響インピーダンスを高めるために、無機粉末を極めて高い充填率で母材へ充填する必要があるが、そのような高い充填率をしかもある程度の厚みをもって実現するのは非常に困難である。加えて、高い充填率をもった第１材料が製作された後に、その第１材料をピラミッド状などの所望の形態に加工することは非常に難しい。複合構造によれば、理論的には理想的な整合特性を得られるが、製造面及び加工面での大きな困難性を指摘せざるを得ない。

一方、上記で説明した第２の方式（積層構造方式）において、音響インピーダンスを段階的に変化させるに当たって大きな音響インピーダンスギャップを生じさせないためには、より多くの層を積層することが求められる。しかし、多くの層について個別的に音響インピーダンスの値を正確に設定することは非常に大変である。

以上のように、複合構造方式及び積層構造方式には、それぞれ一長一短があり、それぞれを単独で使用した場合には、音響特性の向上、製造容易、加工容易という複数の要望を同時に満たすのは困難と言いうる。

本発明の目的は、製作が容易で良好な性能を得られる整合層を実現することにある。

本発明に係る超音波探触子は、超音波の送受波を行う振動子部と、前記振動子部の上面側に設けられ、それ全体として傾斜した音響インピーダンス変化特性を有する連結整合部と、を含み、前記連結整合部は、上下方向に連結された複合型整合部及び積層型整合部を有し、前記複合型整合部は、互いに異なる音響インピーダンスを有する傾斜用第１部材及び傾斜用第２部材を有し、上下方向に前記傾斜用第１部材及び前記傾斜用第２部材の構成割合が連続的に変化する複合構造を備え、前記積層型整合部は、互いに異なる音響インピーダンスを有する複数の整合層が上下方向に積層されてなる積層構造を備える、ことを特徴とする。

上記構成によれば、連結整合部が、複合型整合部及び積層型整合部の連結体として構成され、それぞれの欠点を補いつつそれぞれの利点を発揮させることができる。すなわち、例えば、複合型整合部の傾斜特性の内で振動子部に近い方の機能を積層型整合部に代替発揮させるようにすれば、複合型整合部の製造に当たって高密度充填等に伴う困難性を回避あるいは緩和できるので、製造及び加工が容易となる。すなわち、複合型整合部と積層型整合部それぞれの製造及び加工上のデメリットを補いつつ、それぞれの音響整合特性を生かすことができ、探触子全体の音響特性を向上することができる。ここで、振動子部は単振動子であってもよいが、通常、１Ｄアレイ振動子、２Ｄアレイ振動子である。複合型整合部については、第１水平方向及び第２水平方向の両方に後述する複数の尖塔要素が並んだ構造を採用するのが望ましい。連結整合部の生体側に他の整合部あるいは音響レンズを設けることもできる。

望ましくは、前記連結整合部では、前記積層型整合部が下側に設けられ、前記複合型整合部が上側に設けられ、前記積層型整合部の上面が前記複合型整合部の下面に接合される。望ましくは、前記積層型整合部はそれ全体として高い音響インピーダンスを有し、前記複合型整合部はそれ全体として低い音響インピーダンスを有し、前記積層型整合部における最上整合層の音響インピーダンスと、前記複合型整合部の下面付近の音響インピーダンスとが実質同一又は近似関係にある。この構成によれば２つの整合部における音響インピーダンスの連続性を確保して、そこでの不要な反射を軽減できる。

望ましくは、前記積層型整合部を構成する前記複数の整合層の音響インピーダンスは最下整合層から最上整合層にかけて段階的に低くなり、前記積層型整合層における最下整合層の音響インピーダンスは前記振動子部の音響インピーダンスよりも低く、前記複合型整合層においては、下方から上方にかけて、前記傾斜用第１部材の構成割合が連続的に小さくなり、同時に、前記傾斜用第２部材の構成割合が連続的に大きくなることにより、音響インピーダンスが連続的に変化する。すなわち、連結整合部において、その下面から上面にかけて、小刻みに音響インピーダンスが変化してから、連続的に音響インピーダンスを変化させることができ、離散的な音響インピーダンス特性変化と連続的な音響インピーダンス特性変化とを組み合わせた特性を得ることができる。

望ましくは、前記複合型整合部における前記傾斜用第１部材は、上方又は下方に向かって先細となった複数の尖塔要素を含み、前記複合型整合部における前記傾斜用第２部材は、前記複数の尖塔要素の周囲を満たす形態を有する。

本発明によれば、製作が容易で良好な性能を得られる整合層を提供できる。

本発明に係る超音波探触子の概略的な構成を示す図である。 図１に示した連結整合部の概略的な構成を示す図である。 連結整合部が有する傾斜した音響インピーダンス変化特性を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波探触子の好適な実施形態が示されており、図１はその概略的な構成を示す図である。超音波探触子は超音波診断装置に対してケーブルを介して接続されるものであり、本実施形態において、超音波探触子はその送受波面が生体１２に対して当接される。図１においては、便宜上、上方が生体側である。

超音波探触子１０は、超音波の送受波を行う振動子部１４、その上側に設けられた整合部（連結整合部）１８、及び、振動子部１４の下側に設けられたバッキング１６を有する。図１においては、音響レンズや探触子ケース等の部材については図示省略されている。整合部１８の上面は図１に示す例において生体１２の表面に直接的に当接されているが、もちろん間接的に当接されてもよい。またバッキング１６は振動子部１４の後方から放射された不要な超音波を減衰、散乱させるものである。整合部１８は振動子部１４における音響インピーダンスと生体１２における音響インピーダンスとの間のインピーダンス整合を図る部材である。本実施形態において、整合部１８は、それ全体として傾斜した音響インピーダンス変化特性を有する連結整合部として構成されており、すなわち、それは積層型整合部と複合型整合部とを含んで構成されている。以下、これについて詳述する。なお、振動子部１４は単振動子であってもよいが、通常は複数の振動素子からなる１Ｄアレイ振動子又は２Ｄアレイ振動子が用いられる。

図２には、図１に示した連結整合部１８が概念的に示されている。連結整合部１８は第１水平方向及び第２水平方向の両方に広がる平板型の構造を有しているが、図２においてはその一部が示されている。ちなみに複数の振動子に対応して連結整合部１８を複数の部分に分割するようにしてもよく、そのように分割された１つの部分が図２に示す構造に相当する。もちろん図２に示す構造は一例にすぎない。

連結整合部１８は、下側から上側にかけて２つの整合部からなり、具体的には、相互に連結された積層型整合部２４及び複合型整合部２６からなっている。積層型整合部２４は、下方から上方にかけて積層された複数の整合層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃにより構成されている。各整合層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃはそれぞれ平板状のレイヤーを構成している。

積層型整合部２４の上面は複合型整合部２６の下面に接合されている。複合型整合部２６は、大別して２つの部材により構成され、具体的には第１部材２８及び第２部材２９により構成されている。第１部材２８は、図示されるように複数の要素の集合体として構成され、図２に示す例ではピラミッド状すなわち尖塔形状をもった複数の要素２８Ａにより構成されている。そのような複数の要素２８Ａの隙間を満たすように第２部材２９が設けられている。第１部材２８は下方から上方にかけて徐々に少なくなるように設けられており、それとは逆に、第２部材は下方から上方にかけて徐々に多くなるように設けられている。すなわち複合型整合部２６は音響インピーダンスが連続的に変化する特性を有している。その点で音響インピーダンスが段階的に変化する積層型整合層２４とは異なっている。

更に音響インピーダンス変化について詳述する。積層型整合層２４は本実施形態において３層構造を有しているが、もちろん層の個数は３には限られず、２層あるいは４層以上であってもよい。それらの層のうちで最下層２４Ａは振動子部の音響インピーダンスに近いかそれよりも低い音響インピーダンスをもった材料により構成されている。一方、最上層２４Ｃは第１部材２８が有する音響インピーダンスに対して実質同一あるいは近接関係をもった音響インピーダンスを実現する材料により構成されている。積層型整合部２４と複合型整合部２６との間の境界面において超音波の反射を防止あるいは軽減するには両者間において音響インピーダンスの顕著な段差が生じないように材料選択を行うのが望ましく、より望ましくはその境界面において音響インピーダンスを一致させることが推奨される。積層型整合層２４において中間層２４Ｂは最下層２４Ａと最上層２４Ｃとの間の中間的な音響インピーダンスを実現する材料により構成されている。連結整合部１８全体は１／２波長条件を満たす厚みをもって構成されている。

複合型整合部２６においては、上述したように第１部材２８の構成比が徐々に変化しているため、逆に言えば第２部材２９の構成比が徐々に変化しているため、下方から上方にかけて音響インピーダンスが連続的に低くされている。その傾斜特性が理想的なものになるように第１部材及び第２部材の構成比率を変化させるのが望ましく、図２に示される複数のピラミッド要素２８Ａの利用は一例であって、そのような理想的な特性が生じるように各要素の形状を定めるのが望ましい。

図３には、連結整合部１８の音響インピーダンス変化特性が示されており、横軸は厚み方向を表しており、具体的には波長との関係における厚さを表している。縦軸は音響インピーダンスの大きさを表している。ここでは振動子部１４の音響インピーダンスとして30MRaylsを想定している。図示されるように、積層型整合部２４においては、３つの整合層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃの作用によって段階的に音響インピーダンスが引き下げられており、それが階段状のグラフ部分として現れている。積層型整合部２４の上面における音響インピーダンスと傾斜型整合部２６の下面における音響インピーダンスは図３に示す例において一致しており、そこにおいてはなだらかな変化が担保されている。このような境界面から複合型整合部２６の上面にかけて図示されるように連続的に音響インピーダンスが変化しており、理想的な特性が実現されている。すなわち下側においては階段状のグラフ形態が認められそこから上側についてはなだらかなグラフ形態が認められる。

以上の本実施形態の構成によれば、複合型整合部の利点である連続的な音響インピーダンス変化というものを利用しつつも、そのような複合型整合層を製作あるいは加工する際に生じる困難性を積層型整合部を部分的に代替利用することにより克服することができ、それら全体として極めて良好な音響特性及び製造容易性を得られるという利点がある。具体的には、本実施形態に係る構成によれば、広帯域化、指向角の拡大、多重反射によるアーチファクトの低減といった多面的な利点を得られ、更に製造段階における各種の利点を得ることができる。

ちなみに、各整合層の製作にあたっては、その基材あるいは母材としてエポキシ樹脂を利用することができる。そしてそのエポキシ樹脂に対してタングステン粉末（平均粒径０．６〜２μｍ）の混入率を変えることにより、それぞれの整合層の音響インピーダンスを所望のものに設定することが可能である。もちろんタングステン粉末の混入率が高い程音響インピーダンスを高めることができる。同様の手法により複合型整合層における第１部材及び第２部材を所望のものに製作することが可能である。

１０ 超音波探触子、１２ 生体、１４ 振動子部、１６ バッキング、１８ 連結整合部（連結体）、２４ 積層型整合部、２６ 複合型整合部、２８ 第１部材、２９ 第２部材。

Claims (5)

1. 超音波の送受波を行う振動子部と、
   前記振動子部の上面側に設けられ、それ全体として傾斜した音響インピーダンス変化特性を有する連結整合部と、
   を含み、
   前記連結整合部は、上下方向に連結された複合型整合部及び積層型整合部を有し、
   前記複合型整合部は、互いに異なる音響インピーダンスを有する傾斜用第１部材及び傾斜用第２部材を有し、上下方向に前記傾斜用第１部材及び前記傾斜用第２部材の構成割合が連続的に変化する複合構造を備え、
   前記積層型整合部は、互いに異なる音響インピーダンスを有する複数の整合層が上下方向に積層されてなる積層構造を備える、
   ことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１記載の超音波探触子において、
   前記連結整合部では、前記積層型整合部が下側に設けられ、前記複合型整合部が上側に設けられ、
   前記積層型整合部の上面が前記複合型整合部の下面に接合された、
   ことを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項２記載の超音波探触子において、
   前記積層型整合部はそれ全体として高い音響インピーダンスを有し、
   前記複合型整合部はそれ全体として低い音響インピーダンスを有し、
   前記積層型整合部における最上整合層の音響インピーダンスと、前記複合型整合部の下面付近の音響インピーダンスとが実質同一又は近似関係にある、
   ことを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項３記載の超音波探触子において、
   前記積層型整合部を構成する前記複数の整合層の音響インピーダンスは最下整合層から最上整合層にかけて段階的に低くなり、
   前記積層型整合層における最下整合層の音響インピーダンスは前記振動子部の音響インピーダンスよりも低く、
   前記複合型整合層においては、下方から上方にかけて、前記傾斜用第１部材の構成割合が連続的に小さくなり、同時に、前記傾斜用第２部材の構成割合が連続的に大きくなることにより、音響インピーダンスが連続的に変化する、
   ことを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項４記載の超音波探触子において、
   前記複合型整合部における前記傾斜用第１部材は、上方又は下方に向かって先細となった複数の尖塔要素を含み、
   前記複合型整合部における前記傾斜用第２部材は、前記複数の尖塔要素の周囲を満たす形態を有する、
   ことを特徴とする超音波探触子。

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