JP2013077883A

JP2013077883A - 超音波プローブ及び超音波画像表示装置

Info

Publication number: JP2013077883A
Application number: JP2011215098A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Isono; 洋磯野; Masaaki Otsuka; 昌昭大塚
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-25
Also published as: US20130085396A1; CN103027711B; CN103027711A; KR20130035213A

Abstract

【課題】前記超音波振動子で発生する熱を、超音波振動子に対して被検体とは反対側へ逃がすことができる超音波プローブを提供する。
【解決手段】超音波振動子７とバッキング層１０との間に、前記超音波振動子７から送波される超音波を反射する反射層９を有し、前記バッキング層１０は、バッキング材２４の表面にバッキング材２４よりも熱伝導率が高い材質からなる熱伝導層２５が形成されていることを特徴とする。前記熱伝導層２５は、少なくとも前記バッキング材２４における前記反射層９側の面から反射層９とは反対側の面まで形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波振動子において生じる熱に対する対策を施した超音波プローブ及び超音波画像表示装置に関する。

超音波画像表示装置は、被検体に対して超音波のスキャン（ｓｃａｎ）を行なって得られたエコー信号に基づく超音波画像を表示する装置である。このような超音波画像表示装置において、超音波のスキャンは、プローブケーブルを介して装置本体と接続された超音波プローブによって行われる。

前記超音波プローブは、超音波振動子と音響整合層とバッキング材とを有している。より詳細には、前記超音波振動子に対して被検体側に前記音響整合層が設けられ、被検体とは反対側に前記バッキング材が設けられている（例えば、特許文献１参照）。また、前記音響整合層に対して被検体側には被検体と当接する音響レンズが設けられている。前記超音波振動子は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電素子からなり、この超音波振動子に電圧を印可して超音波が送波される。

特開２００９−６１１１２号公報

ところで、超音波の送受信時には、前記超音波振動子において熱が発生する。前記バッキング材は、前記音響整合層よりも熱伝導率が低いので、前記超音波振動子で発生した熱は、前記バッキング材側ではなく前記音響整合層側、すなわち被検体側へ伝わる。このため、超音波プローブを使用し続けると、前記音響レンズ表面の温度が上昇する。従って、超音波の送受信時には、音響レンズ表面の温度が上昇しすぎないように、前記超音波振動子からの超音波の出力が制限されている。以上のことから、前記超音波振動子で発生する熱を、超音波振動子に対して被検体とは反対側へ逃がすことができる超音波プローブが望まれている。

上述の課題を解決するためになされた発明は、超音波振動子とバッキング層との間に、前記超音波振動子から送波される超音波を反射する反射層を有し、前記バッキング層は、バッキング材の表面に該バッキング材よりも熱伝導率が高い材質からなる熱伝導層が形成されていることを特徴とする超音波プローブである。

上記観点の発明によれば、前記バッキング材の表面に前記熱伝導層が形成されているので、前記超音波振動子で発生する熱を被検体とは反対側へ逃がすことができる。また、前記超音波振動子から送波された超音波は、前記熱伝導層ではなく前記反射層で反射するので、被検体側への超音波の送波に音響上の悪影響を及ぼすことを防止することができる。

本発明に係る超音波診断装置の実施の形態の一例を示すブロック図である。超音波プローブの外観を示す斜視図である。図２に示された超音波プローブの機能素子部のみの外観を示す斜視図である。図２に示された超音波プローブの機能素子部の断面図である。バッキング層の他例を示す断面図である。超音波の送波を説明するための図である。熱伝導層とバッキング材のｘ軸方向における幅の比を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１に示す超音波診断装置１００は、本発明における超音波画像表示装置の一例であり、超音波プローブ１とこの超音波プローブ１が接続される装置本体１０１を有している。

前記装置本体１０１は、送受信部１０２、エコーデータ処理部１０３、表示制御部１０４、表示部１０５、操作部１０６、制御部１０７を備える。

前記送受信部１０２は、前記超音波プローブ１から所定のスキャン条件で超音波を送信するための電気信号を、前記制御部１０７からの制御信号に基づいて前記超音波プローブ１に供給する。また、前記送受信部１０２は、前記超音波プローブ１で受信したエコー信号について、Ａ／Ｄ変換、整相加算処理等の信号処理を行なう。

前記エコーデータ処理部１０３は、前記送受信部１０２から出力されたエコーデータに対し、超音波画像を作成するための処理を行なう。例えば、前記エコーデータ処理部１０３は、対数圧縮処理、包絡線検波処理等のＢモード処理を行ってＢモードデータを作成する。

前記表示制御部１０４は、前記エコーデータ処理部１０３から入力されたデータをスキャンコンバータ（ＳｃａｎＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）によって走査変換して超音波画像データを作成し、この超音波画像データに基づく超音波画像を前記表示部１０５に表示させる。前記表示制御部１０４は、例えばＢモードデータに基づいてＢモード画像データを作成し、Ｂモード画像を前記表示部１０５に表示させる。

前記表示部１０５は、例えばＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）やＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）などで構成される。前記操作部１０６は、操作者が指示や情報を入力するためのスイッチ、キーボード及びポインティングデバイス（図示省略）などを含んで構成されている。

前記制御部１０７は、特に図示しないがＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）を有して構成される。この制御部１０７は、図示しない記憶部に記憶された制御プログラムを読み出し、前記超音波診断装置１００における各部の機能を実行させる。

前記超音波プローブ１について、図２、図３及び図４に基づいて説明する。前記超音波プローブ１は、被検体に対して超音波のスキャンを行なう。また、前記超音波プローブ１は、超音波のエコー信号を受信する。

前記超音波プローブ１は、先端部に音響レンズ部２を有している。また、前記超音波プローブ１は、プローブ筐体３、前記装置本体１０１と接続するための接続ケーブル４を備えている。

前記プローブ筐体３内には、機能素子部５が設けられている。この機能素子部５について、図３及び図４に基づいて詳細に説明する。前記機能素子部５は、音響整合層６、超音波振動子７、接着層８、反射層９、バッキング（ｂａｃｋｉｎｇ）層１０、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）基板１１、金属体１２を備えている。ｘ軸方向に長い直方体の形状を有する前記音響整合層６、前記超音波振動子７及び前記反射層９は、超音波の照射方向に沿った方向であるｚ軸方向に積み重ねられて積層体１３を構成する。そして、この積層体１３が、ｙ軸方向に複数配列されている。

前記音響整合層６は、前記超音波振動子７における超音波照射方向側の板面に接着されている（接着層は図示省略）。前記音響整合層６は、前記超音波振動子７と前記音響レンズ部２の中間の音響インピーダンスを有する。また、前記音響整合層６は、透過する超音波の中心周波数の概ね１／４波長の厚さを有し、音響インピーダンスの異なる境界面での反射を抑制する。また、前記音響整合層６は、本例では１層の例が図示されているが、２層或いは多層になっていてもよい。

前記圧電振動子７は、圧電材１４と導電層１５とで構成される。前記圧電材１４は、ＰＺＴ等である。この圧電材１４の表面にスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）等によって前記導電層１５が形成されている。

前記導電層１５は、信号電極１６及び接地電極１７を有している。前記信号電極１６は、前記圧電材１４における後述の掘削孔１８，１８の間の部分１４ａに形成されている。また、前記接地電極１７は、前記圧電体１４の端部１４ｂ，１４ｂにおいて、前記信号電極１６と前記掘削孔１８，１８を隔てて同一面に形成された第一の部分１７ａ，１７ａと、前記圧電体１４において前記第一の部分１７ａ，１７ａが形成された面と反対側の面に形成された第二の部分１７ｂと、直方体の超音波振動子７において前記第一の部分１７ａ，１７ａと前記第二の部分１７ｂの間の側面に形成された第三の部分１７ｃ，１７ｃとからなっている。前記信号電極１６は、前記接地電極１７における第一の部分１７ａ，１７ａに挟まれるようにして形成されており、前記両電極１６，１７は、前記掘削孔１８，１８によって電気的に絶縁されている。

前記超音波振動子７及び前記接着層８を合わせた厚さは、前記超音波振動子７の振動により生じる超音波の中心周波数の概ね１／４である。具体的には、前記超音波振動子７は、数１００μｍ程度の厚さである。

前記反射層９は、前記超音波振動子７における被検体とは反対側（前記音響整合層６とは反対側）の面に、エポキシ樹脂接着剤等からなる前記接着層８によって接着されている。前記反射層９は、前記信号電極１６及び前記第一の部分１７ａ，１７ａと接着されている。

ここで、前記反射層９における前記超音波振動子７側の表面には、鏡面研磨が施されている。また、前記超音波振動子７における前記信号電極１６及び前記第一の部分１７ａ，１７ａの表面にも鏡面研磨が施されている。これにより、前記反射層９における前記超音波振動子７側の表面と、前記超音波振動子７における前記信号電極１６及び前記第一の部分１７ａ，１７ａの表面は、凹凸が数μｍ程度に抑えられている。よって、前記接着層８の厚さを数μｍ程度の厚さとすることができ、できるだけ薄く均一な厚さにすることができる。

このように、前記接着層８の厚さは、前記信号電極１６の表面の凹凸、前記第一の部分１７ａ，１７ａの表面の凹凸、前記反射層９の表面の凹凸と同程度の大きさになっている。従って、前記接着層８は、エポキシ樹脂接着剤を含む絶縁体であるにもかかわらず、前記信号電極１６及び前記第一の部分１７ａ，１７ａと前記反射層９とは、表面の凹凸部分において部分的に接触し導通している。

前記反射層９は、前記超音波振動子７の振動によって前記反射層９側へ生じる超音波を被検体の方向へ反射する固定端として機能する。前記反射層９で反射する超音波により、被検体に入射される超音波パワーが増加する。前記反射層９は、本発明における反射層の実施の形態の一例である。前記反射層９は、前記超音波振動子７からの超音波を反射するという目的から、前記圧電体１４よりも音響インピーダンスが高い材質で形成される。例えば、前記反射層９は、タングステン（ｔｕｎｇｓｔｅｎ）である。

また、前記反射層９を構成するタングステンは導電性を有しているので、前記反射層９は、前記フレキシブル基板１１の後述する第一銅箔層１９及び第二銅箔層２０と、前記超音波振動子７の信号電極１６及び接地電極１７とを電気的に接続する機能を有している。これにより、前記第一銅箔層１９及び前記第二銅箔層２０から供給される電圧が、前記反射層９を介して前記超音波振動子７に印加されるようになっている。

前記反射層９、前記接着層８及び前記超音波振動子７の長さ方向における両端部には、掘削孔１８，１８が形成されている。この掘削孔１８，１８は、例えば前記超音波振動子７及び前記反射層９を前記接着層８によって接着した後、前記反射層９側からダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎｄ）砥石等を用いた切削加工によって形成される。

前記反射層９における前記超音波振動子７との接着面とは反対側の面には、前記バッキング層１０との間に前記フレキシブル基板１１が接着剤を用いて接着されている（接着層は図示省略）。そして、前記フレキシブル基板１１は、前記バッキング層１０の厚み方向側面に沿って引き出され、前記接続ケーブル４と接続されている（接続構造は図示省略）。

前記フレキシブル基板１１の構成について説明すると、このフレキシブル基板１１は、第一銅箔層１９、第二銅箔層２０、第一ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）膜層２１及び第二ポリイミド膜層２２の４層からなる。前記第一銅箔層１９及び前記第二銅箔層２０は、前記第一ポリイミド膜層２１によって互いに絶縁されている。前記第一銅箔層１９は、前記反射層９に接着された状態において、前記掘削孔１８，１８よりも前記反射層９における両端部側に位置するように形成されている。また、前記第二銅箔２０は、前記第一ポリイミド膜層２１及び前記第二ポリイミド膜層２２の間に積層されるとともに、前記掘削孔１８，１８よりも前記反射層９における中央部側においては、スルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈｈｏｌｅ）Ｈを介して、前記第一銅箔層１９と同一面にも存在している。同一面に存在する前記第一銅箔層１９及び前記第二銅箔層２０は、分割溝２３により互いに絶縁されている。この分割溝２３は、前記フレキシブル基板１１が前記反射層９に接着された状態において、前記掘削孔１８，１８の位置になるように形成されている。これにより、前記第一銅箔層１９は、導電性を有する前記反射層９における前記掘削孔１８，１８よりも端部側と電気的に接続され、一方で前記第二銅箔層２０は、前記反射層９における前記掘削孔１８，１８の間の中間部と電気的に接続される。従って、前記第一銅箔層１９は、前記超音波振動子７における接地電極１７の前記第一の部分１７ａ，１７ａと前記反射層９を介して電気的に接続され、また前記第二銅箔層２０は、前記超音波振動子７の信号電極１６と前記反射層９を介して電気的に接続される。

ちなみに、前記接地電極１７と接続される前記第一銅箔層１９は、前記フレキシブル基板１１の表面一面に形成されており、ｙ軸方向に配列された全ての前記超音波振動子７の接地電極１７の導通が共通して図られている。一方、前記第二銅箔層２０は、図示しない銅箔分割溝によってｙ軸方向に複数に分割され、前記フレキシブル基板１１内に形成された図示しない銅箔パターンを複数有している。この銅箔パターンは、ｙ軸方向に複数配列された前記積層体１３ごとに形成されている。

前記バッキング層１０は、前記フレキシブル基板１１と接着され、或いは前記フレキシブル基板１１の背面に直接形成されて、このフレキシブル基板１９を保持する。前記バッキング層１０は、本発明におけるバッキング層の実施の形態の一例である。

前記バッキング層１０は、バッキング材２４と熱伝導層２５とで構成される。前記バッキング材２４は、例えば金属紛体を分散させ固化したエポキシ樹脂である。前記熱伝導層２５は、前記バッキング材２４の表面に形成されている。前記熱伝導層２５は、前記バッキング材よりも熱伝導率が高い材質で形成されており、例えば金属のシートを前記バッキング材２４の表面に被覆して形成される。このように前記バッキング材２４にシートを被覆して前記熱伝導層２５を形成することにより、前記熱伝導層２５を容易に形成することができる。

熱伝導層２５は、前記バッキング材２４と比較して数百倍から数千倍の熱伝導率を有する材質で形成されていればよく金属に限られない。例えば、前記熱伝導層２５はカーボンで形成されていてもよい。

本例では、前記熱伝導層２５は前記バッキング層１０の全面に形成されている。ただし、前記熱伝導層２５は、少なくとも前記バッキング層１０における前記反射層９側の面から、この反射層９とは反対側の前記金属体１２側の面にまで達するように設けられていればよい。例えば、図５に示すように、前記熱伝導層２５は、前記バッキング層１０における前記金属体１２側の面においてｘ軸方向の両端部のみに形成され、全面に形成されていなくてもよい。

前記熱伝導層２５の厚さは、前記超音波振動子７から送波される超音波の中心周波数の波長の１０％以下であることが好ましい。その理由について説明する。前記超音波振動子７から前記反射層９側（被検体とは反対側）へ送波された超音波は、大部分が前記反射層９において被検体側へ反射する。ただし、低周波の超音波については前記反射層９を透過し前記バッキング材２４に達して吸収される。

前記熱伝導層２５の厚さが厚すぎると、前記反射層９を透過した超音波が前記バッキング材２４で吸収される前に前記熱伝導層２５で反射するおそれがある。そこで、前記熱伝導層２５の厚さを上述の厚さとすることにより、前記熱伝導層２５における超音波の反射を抑制することができる。

前記金属体１２は、前記バッキング層１０と接着剤により接着されている（接着層は図示省略）。この金属体１２は、例えば前記プローブ筐体３の一部を構成している。

本例の超音波プローブ１における前記機能素子部５の作用について説明する。前記超音波振動子７は、前記信号電極１６及び前記接地電極１７間に電圧が印加されると共鳴振動を励起する。この共鳴振動は、被検体側が前記音響整合層６からなる低音響インピーダンス、被検体とは反対側の前記バッキング層１０側が前記反射層９からなる高音響インピーダンスとなっているので、図６に示すように、被検体側が自由端、前記反射層９が固定端となる定在波Ｗを形成する。

ちなみに、図６に示されているｚ軸における座標位置は、図６に示されている前記超音波振動子７及び前記反射層９のｚ軸方向の位置と対応している。

図６には、前記超音波振動子７の被検体側の面において振幅が最大となり、前記反射層９の前記超音波振動子側の面において振幅が零となる定在波Ｗが図示されている。また、前記反射層９は固定端として機能する。このように前記超音波振動子７においては、共振状態で超音波振動子７のｚ軸方向の厚さを１／４波長とする定在波Ｗが発生する。

ちなみに、前記接着層８は、上述のように薄く均一になっているので、前記接着層８が前記反射層９の固定端としての機能を損なうことはない。

超音波の送波時に前記超音波振動子７において発生する熱は、前記反射層９及び前記フレキシブル基板１１を伝わって前記バッキング層１０へ達する。このバッキング層１０へ達した熱は前記熱伝導層２５を伝わって前記金属体１２へ達する。

ここで、前記熱伝導層２５は、前記バッキング材２４と比較して数百倍から数千倍の熱伝導率を有している。ただし、図７に示すように、前記熱伝導層２５の幅（厚さ）をＡとし、前記バッキング材２４のｘ軸方向の幅をＢとすると、前記熱伝導層２５のｘ軸方向における幅（２×Ａ）は、前記バッキング材２４のｘ軸方向の幅Ｂと比べて数百分の一である。このように、前記熱伝導層２５の幅が前記バッキング材２４に比べて小さくても、前記熱伝導層２５は前記バッキング材２４と比較して数百倍から数千倍の熱伝導率を有するので、前記熱伝導層２５を有さない場合と比べて、数倍から数百倍の熱伝導性を有することになる。以上より、前記熱伝導層２５を有さずバッキング材２４のみであった従来と比べて、前記超音波振動子７で発生した熱が被検体とは反対側の前記金属体１２へ伝わりやすくなる。これにより、音響出力が前記音響レンズ部２の表面の温度によって制約されることを防止することができる。

一方、前記バッキング層１０の表面に、金属等の材質の前記熱伝導層２５が形成されていても、前記超音波振動子７から被検体とは反対側に送波された超音波は、前記反射層９において反射するので、音響上悪影響を及ぼすことはない。

以上、本発明を前記実施形態によって説明したが、本発明はその主旨を変更しない範囲で種々変更実施可能なことはもちろんである。例えば、前記熱伝導層２５は、金属のシートを被覆して形成されているが、前記熱伝導層２５の形成方法はこれに限られるものではない。例えば、前記熱伝導層２５は、前記バッキング材２４の表面にメッキ処理を施すことによって形成されてもよい。

１超音波プローブ
７超音波振動子
９反射層
１０バッキング層
１２金属体
２４バッキング材
２５熱伝導層
１００超音波診断装置

Claims

超音波振動子とバッキング層との間に、前記超音波振動子から送波される超音波を反射する反射層を有し、前記バッキング層は、バッキング材の表面に該バッキング材よりも熱伝導率が高い材質からなる熱伝導層が形成されていることを特徴とする超音波プローブ。
前記熱伝導層は、少なくとも前記バッキング材における前記反射層側の面から該反射層とは反対側の面まで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
前記熱伝導層の厚さは、前記超音波振動子から送波される超音波の中心周波数の波長の１０％以下の厚さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波プローブ。
前記熱伝導層は、前記バッキング材よりも熱伝導率が高い材質からなるシートを前記バッキング材の表面に被覆して形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記バッキング層における前記反射層とは反対側の面と接触する金属体を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記反射層は、前記超音波振動子よりも音響インピーダンスが大きく、該超音波振動子から送波される超音波を反射する固定端として機能することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記反射層は、金属又はカーボンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の超音波プローブを備えることを特徴とする超音波画像表示装置。