JP2011109448A - 超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有機無機積層型の超音波探触子において、感度向上、低コスト化、薄型化する。
【解決手段】ハーモニックイメージングのための高調波の受信が可能な有機の受信用圧電層２２と、大パワー送信が可能な無機の送信用圧電層２１とを積層して成る超音波探触子２において、比較的硬い圧電層２１に比較的軟らかい圧電層２２を密着させ、かつ該圧電層２２を受信波長λの１／４の厚さに形成してλ／４共振させて感度（Ｓ／Ｎ）を約２倍に高めるとともに、圧電層２１の背後側にも硬い共振層２７を設けるとともに、該圧電層２１も送信波長λの１／４の厚さに形成してλ／４共振させる。したがって、従来の超音波探触子２’で設けられる中間層２５を無くし、またバッキング層２６に代えてデマッチドレイヤーと呼ばれる薄い共振層２７を設け、さらに各圧電層２１，２２を、λ／２の厚さからλ／４の厚さに薄くすることで、超音波探触子２を、低コスト化、薄型化できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波診断装置に用いられる超音波探触子およびその超音波診断装置に関する。

前記超音波診断装置は、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無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、多くの特長を有し、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）、およ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おいて、高調波信号を用いた組織ハーモニックイメージング（ＴＨＩ）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、標準的な診断モダリティとなりつつある。前記ハーモニックイメージングは、基本波に比較して、サイドローブレベルが小さいことで、Ｓ／Ｎが良く、コントラスト分解能が良くなること、周波数が高くなることでビーム幅が細くなり横方向分解能が良くなること、近距離では音圧が小さく、さらに音圧の変動が少ないので多重反射が起こらないこと、焦点以遠の減衰は基本波並みであり、高調波の超音波は基本波の超音波に比べ深速度を大きく取れること、という多くの利点を有している。

そこで、本件出願人は、先に特許文献１において、送信用には大パワー送信が可能な無機材料から成る送信用圧電層を用い、受信用には前記ハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層を用い、それらを受信用圧電層を被検体側として積層した超音波探触子を提案している。

特開２００８−１８８４１５号公報

上述の従来技術では、ハーモニックイメージングに適するものの、従来の単層の無機圧電素子から成る超音波探触子に比べて、積層しているために、厚く、またコストや信号の感度（Ｓ／Ｎ）も低いという問題がある。

本発明の目的は、感度を向上することができるとともに、コストおよび厚さを削減することができる超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置を提供することである。

本発明の超音波探触子は、被検体内に超音波を送信し、前記被検体内からの超音波を受信する超音波探触子において、無機材料から成る送信用圧電層と、前記送信用圧電層の前記超音波の放射面側に設けられ、受信超音波の波長の１／４の厚さに形成され、有機材料から成る受信用圧電層とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、断層画像撮影などのために、被検体内に超音波を送信し、前記被検体内の組織境界からの反射波や前記組織境界で発生した高調波などの被検体内から来た超音波を受信する超音波探触子において、送信用には大パワー送信が可能な無機材料から成る送信用圧電層を用い、受信用にはハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層を用い、それらを受信用圧電層を被検体側として積層する。さらに前記受信用圧電層の上には前記被検体（生体）との音響インピーダンスを整合させるための整合層およびさらにその上に音響レンズなどが適宜積層され、送信用圧電層の受信用圧電層とは反対側には、後方へ放射されてしまった送信超音波を吸収して熱に変換するバッキング（ダンパー）層などが設けられる。

そして、そのような有機無機の積層構造で、通常は、無機の送信用圧電層と有機の受信用圧電層との間には、インピーダンス整合のための中間層が介在されるのに対して、本発明では、比較的硬い無機の送信用圧電層に対して、比較的軟らかい有機の受信用圧電層を、受信超音波の波長λの１／４の厚さに形成して密着させることである。

したがって、前記受信用圧電層をλ／４共振させ、従来のλ／２共振の約２倍の感度（Ｓ／Ｎ）を得ることができる。また、前記中間層が無くなり、さらに受信用圧電層がλ／２の厚さからλ／４の厚さ、すなわち半分の厚さとなるので、超音波探触子のコストおよび厚さを削減することもできる。

また、本発明の超音波探触子は、被検体内に超音波を送信し、前記被検体からの超音波を受信する超音波探触子において、無機材料から成り、前記超音波を少なくとも送信し、その送信超音波の波長の１／４の厚さに形成される圧電層と、前記圧電層の前記超音波の放射面とは反対側に設けられ、前記圧電層よりも硬い材料から成る共振層が設けられることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記の有機無機の積層構造などで、少なくとも送信を行う無機の圧電層において、通常は、その圧電層の放射面とは反対側には、後方へ放射されてしまった送信超音波を吸収して熱に変換するバッキング（ダンパー）層が設けられるのに対して、本発明では、前記圧電層よりも硬い材料、たとえばタングステンカーバイトから成り、デマッチドレイヤーと呼ばれる共振層を設けるとともに、前記圧電層を送信超音波の波長λの１／４の厚さに形成して密着させる。

したがって、前記送信を行う圧電層をλ／４共振させ、従来のλ／２共振の約２倍の感度を得ることができ。また、送信超音波の吸収のための厚いバッキング層が薄い共振層に代わり、さらに送信用圧電層がλ／２の厚さからλ／４の厚さ、すなわち半分の厚さとなるので、超音波探触子の厚さを約半減することができるとともに、コストを削減することができる。

また、本発明の超音波探触子では、前記送信用圧電層は、ＰＺＴから成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記送信用圧電層としては、電気エネルギーを超音波振動エネルギーに変換する変換効率の高いセラミック圧電材料が好ましく、しかも近年は鉛を含まないものが推奨され、いわゆるＰＺＴが特に好ましい。

さらにまた、本発明の超音波探触子では、前記受信用圧電層は、ＰＶＤＦから成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記受信用圧電層としては、音響インピーダンスが低いＰＶＤＦが好ましく、そのＰＶＤＦとしては、トリ弗化エチレンを２５モル％、弗化ビニリデンを７５モル％含有する共重合体が好ましく、有機の圧電層として高い圧電特性が得られ、広帯域でもある。

また、本発明の超音波診断装置は、前記の超音波探触子を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、超音波診断装置のコストを削減することができるとともに、感度を向上することができる。

本発明の超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置は、以上のように、超音波の放射面側にハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機の受信用圧電層を、背後側に大パワー送信が可能な無機の送信用圧電層を積層して成る有機無機の超音波探触子において、比較的硬い送信用圧電層に比較的軟らかい有機の受信用圧電層を密着させ、受信用圧電層を受信超音波の波長の１／４の厚さに形成してλ／４共振させるとともに、無機の送信用圧電層の背後側にも前記送信用圧電層よりも硬い材料から成る共振層を設けるとともに、前記送信用圧電層も送信超音波の波長λの１／４の厚さに形成してλ／４共振させる。

それゆえ、従来の送信用圧電層と受信用圧電層との間の中間層を無くし、また後方へ放射されてしまった送信超音波を吸収して熱に変換するバッキング（ダンパー）層に代えて、硬い材料から成り、デマッチドレイヤーと呼ばれる共振層を設けるとともに、前記送信用圧電層および受信用圧電層を、λ／２の厚さからλ／４の厚さに薄くすることで、超音波探触子を、低コスト化および薄型化することができる。また、λ／２共振からλ／４共振に代わることで、送信側および受信側で、それぞれ感度（Ｓ／Ｎ）を約２倍に高めることができる。

また、本発明の超音波探触子およびそれを用いる超音波診断装置は、以上のように、少なくとも送信を行う無機の圧電層において、その圧電層の放射面とは反対側に該圧電層よりも硬い材料から成り、デマッチドレイヤーと呼ばれる共振層を設けるとともに、該圧電層を送信超音波の波長λの１／４の厚さに形成して密着させる。

それゆえ、前記送信を行う圧電層をλ／４共振させ、従来のλ／２共振の約２倍の感度を得ることができる。また、送信超音波の吸収のための厚いバッキング層が薄い共振層に代わり、さらに送信用圧電層がλ／２の厚さからλ／４の厚さ、すなわち半分の厚さとなるので、超音波探触子の厚さを約半減することができるとともに、コストを削減することができる。

本発明の実施の一形態に係る超音波診断装置の外観構成を示す斜視図である。 前記超音波診断装置における診断装置本体の電気的構成を示すブロック図である。 従来と本発明の実施の一形態との超音波探触子の構造を対比して模式的に示す断面図である。 本発明の実施の他の形態に係る超音波探触子の構造を示す斜視図である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態に係る超音波診断装置１の外観構成を示す斜視図である。超音波診断装置１は、図略の生体等の被検体に対して超音波を送信すると共に、その被検体において反射などで生成された超音波を受信する超音波探触子２と、前記超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、該ケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して前記超音波信号を送信させるとともに、超音波探触子２で受信された信号に基づいて、被検体内の内部状態を断層画像として画像化する診断装置本体４とを備えて構成される。

図２は、前記診断装置本体４の電気的構成を示すブロック図である。診断装置本体４は、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、相関部１４と、画像処理部１５と、表示部１６と、制御部１７と、参照信号記憶部１８と、タイミング発生部１９とを備えて構成されている。

操作入力部１１は、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等から成り、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の入力などが行われる。

送信部１２は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波探触子２に送信超音波を発生させる回路である。この送信部１２は、制御部１７からの送信信号に応じて送信ビームを形成する送信ビームフォーマ回路や、その送信ビームフォーマ回路から前記超音波探触子２における各圧電素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成回路等を備えて構成される。

受信部１３は、制御部１７の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路であり、この受信信号を相関部１４へ出力する。受信部１３は、受信信号を所定の増幅率で増幅する増幅器等を備えて構成される。

相関部１４は、受信部１３の出力と予め設定された参照信号との相関処理を行うことで、受信部１３の出力から受信超音波を検出するものである。この参照信号は、送信超音波の周波数を基本周波数とした場合における検出すべき３次以上の高調波の次数および被検体の診断部位および診断深度から導かれる近似関数である。

参照信号記憶部１８は、ＲＯＭあるいはＥＥＰＲＯＭ等の記憶素子を備えて構成され、被検体における複数の各診断部位および診断深度に対応した近似関数を前記参照信号として記憶するものである。そして、上記相関部１４は、被検体の診断部位および診断深度に応じて、前記参照信号記憶部１８に記憶されている複数の参照信号（近似関数）の中から１つの参照信号を選択して相関処理を行う。前記診断部位および診断深度は、操作入力部１１から入力される。

タイミング発生部１９は、診断装置本体４の各部の動作タイミング信号を生成し、動作タイミングの必要な各部へ出力するものである。

画像処理部１５は、制御部１７の制御に従って、相関部１４で相関処理された受信信号に基づいて、被検体内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する回路である。

表示部１６は、制御部１７の制御に従って、画像処理部１５で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１６は、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置や、プリンタ等の印刷装置等で実現される。

制御部１７は、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、相関部１４、参照信号記憶部１８、画像処理部１５および表示部１６を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置１の全体制御を行う回路である。

図３は、前記超音波探触子（超音波プローブ）２の構造を模式的に示す断面図である。この図３では、従来技術との違いがよく分るように、本発明と対比させている。図３（ａ）が前記特許文献１による超音波探触子２’であり、図３（ｂ）が本発明の実施の一形態による前記超音波探触子２である。

これらの超音波探触子２，２’は、基本的に有機無機積層型の超音波探触子であり、先ず大パワー送信が可能なように、無機材料から成る送信用圧電層２１，２１’を用い、その送信用圧電層２１，２１’の被検体側には、ハーモニックイメージングのための高調波帯域の受信が可能な有機材料から成る受信用圧電層２２，２２’が設けられる。そして、前記送信部１２からの送信信号は送信用圧電層２１，２１’に与えられ、受信用圧電層２２，２２’での受信信号は受信部１３に与えられる。一方、前記受信用圧電層２２，２２’の上（被検体側）には、前記被検体（生体）との音響インピーダンスを整合させるための整合層２３，２３’およびさらにその上に音響レンズ２４，２４’などが適宜積層されている。

上述のように構成される超音波探触子２，２’において、先ず注目すべきは、従来の超音波探触子２’では、通常は、無機の送信用圧電層２１’と有機の受信用圧電層２２’との間には、インピーダンス整合のための中間層２５が介在されるのに対して、本実施の形態では、比較的硬い無機の送信用圧電層２１に対して、比較的軟らかい有機の受信用圧電層２２を、受信超音波の波長λの１／４の厚さに形成して、直接密着させていることである。

したがって、前記受信用圧電層２２をλ／４共振させ、従来のλ／２共振の約２倍の感度（Ｓ／Ｎ）を得ることができる。また、前記中間層２５が無くなり、さらに受信用圧電層２２がλ／２の厚さからλ／４の厚さ、すなわち半分の厚さとなるので、超音波探触子２のコストおよび厚さを削減することもできる。

次に注目すべきは、従来の超音波探触子２’では、通常は、送信用圧電層２１’の受信用圧電層２２’とは反対側には、後方へ放射されてしまった送信超音波を吸収して熱に変換するバッキング（ダンパー）層２６が設けられるのに対して、本実施の形態では、前記送信用圧電層２１よりも硬い材料、たとえばタングステンカーバイトから成り、デマッチドレイヤーと呼ばれる共振層２７を設けるとともに、前記送信用圧電層２１も送信超音波の波長λの１／４の厚さに形成して密着させることである。

したがって、前記送信用圧電層２１もλ／４共振させ、従来のλ／２共振の約２倍の感度を得ることができ、前記受信用圧電層２２のλ／４共振と合わせて、感度を約４倍に高めることができる。また、送信超音波の吸収のための厚いバッキング層２６が薄い共振層２７に代わり、さらに送信用圧電層２１がλ／２の厚さからλ／４の厚さ、すなわち半分の厚さとなるので、前記中間層２５の削減および受信用圧電層２２のλ／４分の厚さの削減と合わせて、超音波探触子２の厚さを約半減することができるとともに、コストを削減することができる。

また、前記送信用圧電層２１としては、電気エネルギーを超音波振動エネルギーに変換する変換効率の高いセラミック圧電材料が好ましく、しかも近年は鉛を含まないものが推奨されるので、本実施の形態では、いわゆるＰＺＴを用いる。

さらにまた、前記受信用圧電層２２としては、音響インピーダンスが低いＰＶＤＦが好ましく、そのＰＶＤＦの内、本実施の形態では、トリ弗化エチレンを２５モル％、弗化ビニリデンを７５モル％含有する共重合体を用いる。これによって、有機の圧電層２２として高い圧電特性が得られ、また広帯域化に好適である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の他の形態に係る超音波探触子３０の構造を示す斜視図である。上述の超音波探触子２は、有機無機積層型の超音波探触子であるのに対して、注目すべきは、この超音波探触子３０では、図４（ａ）で示すように、無機圧電層３１と並列に、有機圧電層３２１，３２２が配置されていることである。それらの圧電層３１；３２１，３２２の被検体側には整合層３３および音響レンズ３４が積層される。

無機圧電層３１は、前記のように送信超音波の波長λの１／４の厚さに形成されるとともに、該無機圧電層３１よりも硬い材料から成る共振層３７に密着させられ、図４（ｂ）で示すように、スロット３１ａによって、各圧電素子３１ｂに素子分離されている。各圧電素子３１ｂの裏面（共振層３７側）には図示しない共通電極が形成され、表面（被検体側）には個別電極３１ｃが形成される。圧電素子３１ｂは、一直線上に、たとえば１９６個配列され、前記のように送信部１２から与えられる送信超音波のタイミングおよびパワーが制御されることで、送信超音波を扇状に走査することができる。そして、この無機圧電層３１は送信用に用いられるとともに、基本波の受信用にも共用される。

一方、有機圧電層３２１，３２２は、該有機圧電層３２１，３２２よりも硬い材料から成る共振層３７１，３７２上に、共通に厚膜形成され、表面（被検体側）に個別電極３２ｃが形成されることで素子分離されている。有機圧電層３２１，３２２の裏面（共振層３７１，３７２側）には、図示しない共通電極が形成される。この有機圧電層３２１，３２２も、一直線上に、たとえば１９６個配列され、基本波または高調波の受信に使用される。高調波も、２つの有機圧電層３２１，３２２のそれぞれで、受信周波数が異なるようにしてもよい（たとえば、一方の有機圧電層３２１で３次調波を受信し、他方の有機圧電層３２２で５次調波を受信）。そして、各有機圧電層３２１，３２２の厚さは、最も高感度で受信すべき高調波の前記λ／４に形成される。

このように構成することで、無機圧電層３１と有機圧電層３２１，３２２とが並列に配置される超音波探触子３０においても、それぞれでλ／４共振を行わせることができる。

また、送信用無機圧電層を３２１，３２２の両側とし、中央部の３１を受信用圧電層とすることもできる。両側を送信用とする効果は、中央部垂線上で送信波が集まり、垂線上の超音波強度が強くなり、反射高調波の発生に有利なことであり、超音波診断画像の高精細化に寄与でき、有効な配置である。

１ 超音波診断装置
２，３０ 超音波探触子
３ ケーブル
４ 診断装置本体
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 相関部
１５ 画像処理部
１６ 表示部
１７ 制御部
１８ 参照信号記憶部
１９ タイミング発生部
２１ 送信用圧電層
２２ 受信用圧電層
２３，３３ 整合層
２４，３４ 音響レンズ
２７；３７；３７１，３７２ 共振層
３１ 無機圧電層
３１ａ スロット
３１ｂ 圧電素子
３１ｃ，３２ｃ 個別電極
３２１，３２２ 有機圧電層

Claims (6)

1. 被検体内に超音波を送信し、前記被検体からの超音波を受信する超音波探触子において、
   無機材料から成る送信用圧電層と、
   前記送信用圧電層の前記超音波の放射面側に設けられ、受信超音波の波長の１／４の厚さに形成され、有機材料から成る受信用圧電層とを含むことを特徴とする超音波探触子。
2. 被検体内に超音波を送信し、前記被検体からの超音波を受信する超音波探触子において、
   無機材料から成り、前記超音波を少なくとも送信し、その送信超音波の波長の１／４の厚さに形成される圧電層と、
   前記圧電層の前記超音波の放射面とは反対側に設けられ、前記圧電層よりも硬い材料から成る共振層が設けられることを特徴とする超音波探触子。
3. 前記共振層は、タングステンカーバイトから成ることを特徴とする請求項２記載の超音波探触子。
4. 前記送信用圧電層は、ＰＺＴから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波探触子。
5. 前記受信用圧電層は、ＰＶＤＦから成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波探触子。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波探触子を用いることを特徴とする超音波診断装置。

Images