JP2013146564A - 超音波診断装置用プローブ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 超音波診断装置用プローブの感度を高めることができるように、吸音部材の音響インピーダンスを減少させることができる超音波診断装置用プローブ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の超音波診断装置用プローブは、音波を発生させる圧電体と、圧電体の前面に設置される少なくとも一つの音響整合層と、少なくとも一つの音響整合層の前面に設置される音響レンズと、圧電体の後面に設置され、前記圧電体の後面に伝達される音波を減少させ、音響インピーダンスの調節が可能なように空隙が形成された吸音部材とを含むことを特徴とする。本発明の超音波診断装置用プローブの製造方法は、吸音部材を形成する流体を準備するステップと、流体をモールドに注入するステップと、流体を硬化させるステップと、モールドを除去するステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】 本発明の超音波診断装置用プローブは、音波を発生させる圧電体と、圧電体の前面に設置される少なくとも一つの音響整合層と、少なくとも一つの音響整合層の前面に設置される音響レンズと、圧電体の後面に設置され、前記圧電体の後面に伝達される音波を減少させ、音響インピーダンスの調節が可能なように空隙が形成された吸音部材とを含むことを特徴とする。本発明の超音波診断装置用プローブの製造方法は、吸音部材を形成する流体を準備するステップと、流体をモールドに注入するステップと、流体を硬化させるステップと、モールドを除去するステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、超音波診断装置用プローブ及びその製造方法に係り、より詳細には、超音波診断装置用プローブの感度を高めることができる超音波診断装置用プローブ及びその製造方法に関する。
超音波診断装置は、対象体の体表から体内の所望の部位に向かって超音波信号を照射し、反射された超音波信号の情報を用いて軟部組織の断層や血流に関するイメージを無侵襲で得る装置である。この装置は、Ｘ線撮影装置、ＣＴ装置（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｓｃａｎｎｅｒ）、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅ）、核医学診断装置などの他の映像医療機器に比し、小型、安価で、リアルタイムで映像を表示することが可能であり、その上、Ｘ線などの被曝がないため安全性が高いという長所がある。このため、超音波診断装置は、心臓、腹部、泌尿器、産婦人科などの診断のために広く用いられている。
特に、超音波診断装置は、被検査体の超音波映像を得るために、超音波信号を被検査体に送信し、被検査体から反射してくる超音波エコー信号を受信するためのプローブを備える。
超音波診断装置用プローブは、トランスデューサ、上端が開放されたケース、及び開放されたケースの上端に結合されて被検査体の表面と直接接触するカバーなどを備える。
トランスデューサは、圧電物質が振動しながら、電気的な信号と音響信号とを相互に変換する圧電層と、圧電層から発生した超音波が被検査体に最大限に伝達されるように、圧電層と被検査体との間の音響インピーダンス差を減少させる音響整合層と、圧電層の前方に進行する超音波を特定の地点に集束させるレンズ層と、超音波が圧電層の後方に進行することを遮断して、映像が歪むのを防止する吸音部材とを備える。
従来は、吸音部材内における音響伝搬の減衰度を高めるために、エポキシ樹脂にパウダー、ネットワークシート、多孔性シートを注入していた。しかし、このような方法では、パウダーの分散を部材内で規則的に行うことができず、また、一定の大きさのパウダーを生産しにくいという問題があった。また、エポキシの内部で発生する予想できない穴は、量産過程で調整が不可能な因子として作用し、各製品の効率においてばらつきを与えるという問題点があった。
本発明の一側面は、超音波診断装置用プローブの吸音部材内における音響伝搬の減衰度を高めて、プローブの効率を高めることができる超音波診断装置用プローブ及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の一側面は、音波を発生させる圧電体と、前記圧電体の前面に設置される少なくとも一つの音響整合層と、前記少なくとも一つの音響整合層の前面に設置される音響レンズと、前記圧電体の後面に設置され、前記圧電体の前記後面に伝達される前記音波を減少させ、音響インピーダンスの調節が可能なように空隙が形成された吸音部材と、を備えることを特徴とする超音波診断装置用プローブを提供する。
前記空隙は、前記吸音部材を貫通して形成される。
前記空隙は、一定のパターンを有して配列される。
前記空隙は、格子状に配列された長尺状の複数の貫通孔で構成され、前記吸音部材は、前記複数の貫通孔が前記音波の進行方向と直交するように、前記圧電体の前記後面に設置される。
前記吸音部材は、ガラス（ｇｌａｓｓ）の内部が空いている中空粒子（ｅｍｐｔｙ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を含んでもよい。
前記吸音部材は、前記吸音部材の減衰度、硬度及び密度を制御するために、ガラス粒子（ｇｌａｓｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を一定割合以上含んで形成してもよい。
前記圧電体の前記前面と前記後面には、電気的信号を送信または受信するための電極部が設けられ、前記電極部と前記吸音部材との間には、前記圧電体の前記電極部と超音波診断装置本体との間で電気的信号をやり取りするために使われるＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）が設けられる。
前記吸音部材は、前記ＰＣＢの下側に位置する吸音層と、前記吸音層の下側に位置する吸音ブロックとを備える。
本発明の他の一側面は、超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法において、前記吸音部材を形成する流体を準備するステップと、前記吸音部材を形成する前記流体を、前記吸音部材に第１の空隙を形成するためのスティックを備えるモールドベースと、前記吸音部材の外側形状を形成するためのモールドガイドとを含むモールドに注入するステップと、前記モールドに注入された前記流体を硬化させるステップと、前記モールドを除去するステップと、を含むことを特徴とする超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法を提供する。
前記モールドベースに設けられる前記スティックは、規則的に配置される。
前記吸音部材を形成する前記流体は、前記吸音部材に前記第１の空隙とは異なる第２の空隙を形成するための中空粒子（ｅｍｐｔｙ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を含むことができる。
前記吸音部材を形成する前記流体は、ガラス粒子（ｇｌａｓｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ）をさらに含むことができる。
前記モールドに注入された前記流体は、３０℃〜１００℃の温度で硬化される。
本発明によれば、吸音部材に設けられた空隙によって吸音部材の音響伝搬の減衰度を高めることができるので、プローブの性能を高めると共に、空隙によって低密度、低重量の吸音部材を製造することができる。
以下では、本発明に係る好適な実施例を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る超音波診断装置用プローブの分解斜視図で、図２は、本発明の一実施例に係る超音波診断装置用プローブの構成図である。
図１及び図２に示すように、本発明に係る超音波診断装置用プローブ１の構成要素であるトランスデューサは、外観を形成するケース（図示せず）の内側に位置する。超音波診断装置用プローブ１の構成要素であるトランスデューサは、圧電体４、音響整合層２，３、音響レンズ（図示せず）、及び吸音部材１０を備える。
被検査体と接触する前面部（図１及び図２において上部）から音響レンズ（図示せず）、音響整合層２，３、圧電体４、吸音部材１０の順に配列される。
圧電体４は、ケース（図示せず）の内側に位置し、吸音部材１０の前面に接合される。圧電体４は、圧電体４の両側面には電極部（図示せず）が設けられ、電気的信号を音響信号である超音波に変化させて生体中に送り出し、生体中で反射して戻ってくる超音波反射信号を再び電気的信号に変換させて装置に送る役割をする。
また、圧電体４の前面（上面）および後面（下面）に、上記のような役割をする電極部（図示せず）が設けられていてもよい。
圧電体４は、共振現象を用いて超音波を発生させるもので、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミック、亜鉛ニオブ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体で作られるＰＺＮＴ単結晶、マグネシウムニオブ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体で作られるＰＺＭＴ単結晶などで形成することができる。
圧電体４の両側面、前面や後面に形成される電極部（図示せず）は、金、銀、銅のような高伝導性金属または黒鉛で形成することができる。
音響整合層２，３は、圧電体４の前方（図１及び図２における上方）に設置される。音響整合層２，３は、圧電体４の音響インピーダンスと被検査体の音響インピーダンスを整合させて、圧電体４から発生する超音波信号が被検査体に効率的に伝達されるようにする役割をする。そのために、音響整合層の音響インピーダンスは、圧電体４の音響インピーダンスと被検査体の音響インピーダンスとの中間値を有するように設定される。
音響整合層２，３は、ガラスまたは樹脂材質で形成することができる。音響インピーダンスが、圧電体４から被検査体に向かって段階的に変化することができるように、材質が異なる複数の音響整合層で構成することもできる。本発明の場合、第１音響整合層２と第２音響整合層３を含むものとして示しているが、これに制限されるものではない。
吸音部材１０と圧電体４との間にはＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）５を設置する。ＰＣＢ５は、電極部（図示せず）に電気的信号を供給するために使用する部材である。ＰＣＢ５は、吸音部材１０と圧電体４の積層方向に対して垂直方向をなすように配置される。ＰＣＢ５は、印刷回路基板の他に、軟性印刷回路基板（ＦＰＣＢ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のような電気的信号を供給できる部材で構成することもできる。
音響レンズ（図示せず）は、音響整合層２，３の前方に配置される。音響レンズ（図示せず）は、前方に進行する超音波信号を特定の地点に集中させる働きをする。
吸音部材１０は、圧電体４の後方（図１及び図２において下方）に配置される。吸音部材１０は、圧電体４の自由振動を抑制して超音波のパルス幅を減少させ、超音波が不必要に圧電体４の後方に伝播するのを遮断して映像の歪みを防止する。
本発明の吸音部材１０は、吸音部材１０の密度を減少させるための空隙１１を含む。空隙１１は、密度を減少させる役割のみならず、吸音部材１０に伝達された音波を減少させる役割をも担う。空隙１１は、吸音部材１０を貫通して形成される。また、空隙１１は、一定のパターンを有して配列される。
本発明の一実施例によれば、空隙１１は、横、縦方向に一定の間隔を有して配列される。しかし、空隙１１は、これに限定されることなく、図示されたものより狭い間隔で配列されても、広い間隔で配列されてもよい。また、空隙１１は、格子状に、規則正しく配列されてもよい。
本発明の一実施例によれば、空隙１１は、ブロック状の吸音部材１０を貫通する長尺状の複数の貫通孔で構成され、この複数の貫通孔が格子状に規則正しく配列されている。そして、複数の貫通孔が音波の進行方向と直交するように、吸音部材１０が圧電体４の後面側に配置されている。吸音部材１０がこのように配置されることにより、吸音部材１０に伝達された音波をより減少させることができる。
図面では、空隙１１は断面視で四角形の形状を有しているものとして示しているが、これに制限されず、円形のような四角形以外の形状にすることも可能である。
空隙１１の形状及び空隙１１間の間隔は、後述するモールドベース３０の形状に応じて変わる。
吸音部材１０は、空隙１１を含んでいるので、吸音部材１０の密度が低くなり、これが、音響インピーダンス（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）に関係する。音響インピーダンス、音波伝達媒質の音響学的性質を示す指標であり、音響インピーダンスをＺ、媒質の密度をρ、音速をＣとする時、次のような関係式で表現される。
音響インピーダンス（Ｚ）＝媒質の密度（ρ）＊音速（Ｃ）
吸音部材１０は、超音波が不必要に圧電体４の後方に伝達されることを防止しなければならないので、音響インピーダンスを調節する必要がある。したがって、吸音部材１０の音響インピーダンスは、その値が、状況に応じて低く、または高くなるように設計、製作する必要がある。本発明のように、吸音部材１０が空隙１１を含む場合、吸音部材１０の内側の空隙１１の量によって吸音部材１０の密度を調節することができる。このように、吸音部材１０の音響インピーダンスは、設計者の意図に応じて調節することが可能である。さらに、吸音部材１０の空隙１１は、圧電体４から発生する振動を吸収する役割も担う。
吸音部材１０は、エポキシ樹脂を含む素材で形成することができる。
吸音部材１０は、図に示したように吸音ブロックで形成することもできるし、吸音ブロック以外に吸音層を入れて形成することもできる。吸音層は、超音波診断装置用プローブ１の表面が凸状に形成されたコンベックスタイプである時に、圧電体４を支持するために設けられる。吸音層も音響伝搬の減衰度を高めるために、吸音ブロックに設けられたものと同様な空隙１１を含んで形成することができる。
超音波診断装置用プローブ１は、線形の表面形状を有するリニアタイプ（ｌｉｎｅａｒ ｔｙｐｅ）のプローブであっても、凸状の表面形状を有するコンベックスタイプ（Ｃｏｎｖｅｘ ｔｙｐｅ）のプローブであってもよい。
図３は、本発明の一実施例に係る超音波診断装置用プローブを製造するためのモールドと吸音部材を示す図である。
図３に示すように、本発明の吸音部材１０は、モールドベース３０とモールドガイド２０を用いて作成される。即ち、モールドベース３０には、吸音部材１０に空隙１１を形成するための複数個のスティック３１が設けられる。モールドガイド２０は、モールドベース３０の周囲を取り囲む枠であり、モールドガイド２０の形状によって吸音部材１０の外観形状が決定される。
モールドガイド２０は、図３における上側と下側が開放されており、モールドベース３０がモールドガイド２０に結合されて底を形成する。そして、吸音部材１０を形成するため、モールドガイド２０の上側から流体が注入される。
モールドベース３０の上に設置されるスティック３１は、多様な形状と配列を有するように設けることができ、また、吸音部材１０の空隙１１も、モールドベース３０の上に形成されたスティック３１によって多様な形状と配列を有することができる。また、モールドベース３０上のスティック３１によって吸音部材１０に空隙１１が設けられるので、吸音部材１０の空隙１１は規則的に配列される。したがって、モールドガイド２０，モールドベース３０を用いて吸音部材１０の空隙１１を設けるようにすれば、パウダーを使用していた従来の方法とは異なり、空隙１１の配列、パターン、形状を規則的に設けることができる。モールドベース３０の上に形成されるスティック３１の形状、配列、パターンを変更すれば、吸音部材１０の配列、パターン、形状を変更することができるので、吸音部材１０の音響インピーダンス値を用途に応じて調節することが可能になる。
図４は、本発明の他の実施例に係る吸音部材を拡大して示した図である。
図４は、図２の‘Ａ'の部分を拡大して示した斜視図である。図４に示した吸音部材１０も、図１乃至図３に示した実施例と同様に、空隙１１を含んでいるが、モールドガイド２０，モールドベース３０によって設けられた空隙１１の他に空隙１２をさらに含んでいる。
本発明の他の実施例によれば、空隙１２は、ガラスの内部が空いている中空粒子（ｅｍｐｔｙ ｐａｒｔｉｃｌｅ）１２を含んで形成することができる。中空粒子１２は、内部が空いているので、吸音部材１０を通して伝播される音波の減衰効果を高めることができる。
また、中空粒子１２とガラス粒子（ｇｌａｓｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ）１３をある一定の割合で混合すれば、吸音部材１０の減衰度、硬度及び密度を同時に制御することが可能である。すなわち、音響インピーダンスを調節することが可能になる。
中空粒子１２を使用して空隙１２を形成すれば、吸音部材１０の密度が低くなるので、より効率的に超音波の減衰度が大きい吸音部材１０を製造することができる。
図５は、本発明の一実施例に係る超音波診断装置用プローブの吸音部材を製造する工程を示すフローチャートである。
図５に示すように、本発明の吸音部材１０は、流体を準備するステップ（Ｓ１００）、流体をモールドに注入するステップ（Ｓ２００）、流体を硬化させるステップ（Ｓ３００）、及びモールドを除去するステップ（Ｓ４００）を経て製造される。
上記の工程の他に、通常の技術者が行う付加的なステップを含めることもできる。
流体を準備するステップ（Ｓ１００）は、吸音部材１０に使用される材料であるエポキシ樹脂を準備するステップを含む。また、本発明の第２実施例のように、モールドガイド２０，モールドベース３０により形成される空隙１１の他に空隙１２をさらに形成する場合には、その形成工程も含む。また、中空粒子１２の他にガラス粒子１３を付加して、要望する減衰度、硬度及び密度（すなわち、音響インピーダンス）を有する吸音部材１０を作製することができる。
準備された流体をモールドに注入するステップ（Ｓ２００）は、流体を、モールドガイド２０とモールドベース３０からなるモールドに注入するステップを含む。モールドガイド２０とモールドベース３０は互いに結合することが可能であり、モールドベース３０には、吸音部材１０に設けられる空隙１１の形状と対応するスティック３１が形成されている。モールドベース３０上に設けられるスティック３１は規則的に配置される。吸音部材１０に形成される空隙１１は、モールドベース３０の上に設けられるスティック３１の形状を変えることによって種々の形状に形成することができる。
流体を硬化させるステップ（Ｓ３００）で、モールド２０，３０内に注入された流体が空隙１１を含む吸音部材１０の形状に硬化される。流体は、３０℃〜１００℃の温度で硬化される。
その後、モールドを除去するステップ（Ｓ４００）を経て吸音部材１０が作製される。モールドガイド２０とモールドベース３０を除去して、空隙１１が規則的に配列された吸音部材１０を得ることができる。
以上では特定の実施例について図示し、説明した。しかし、上述した実施例に限定されず、発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、以下の特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想の要旨を逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
１ 超音波診断装置用プローブ
２ 第１音響整合層
３ 第２音響整合層
４ 圧電体
５ ＰＣＢ
１０ 吸音部材
１１ 空隙
１２ 中空粒子
１３ ガラス粒子
２０ モールドガイド
３０ モールドベース
３１ スティック
２ 第１音響整合層
３ 第２音響整合層
４ 圧電体
５ ＰＣＢ
１０ 吸音部材
１１ 空隙
１２ 中空粒子
１３ ガラス粒子
２０ モールドガイド
３０ モールドベース
３１ スティック
Claims (13)
- 音波を発生させる圧電体と、
前記圧電体の前面に設置される少なくとも一つの音響整合層と、
前記少なくとも一つの音響整合層の前面に設置される音響レンズと、
前記圧電体の後面に設置され、前記圧電体の前記後面に伝達される前記音波を減少させ、音響インピーダンスの調節が可能なように空隙が形成された吸音部材と、
を含むことを特徴とする、超音波診断装置用プローブ。 - 前記空隙は、前記吸音部材を貫通して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波診断装置用プローブ。
- 前記空隙は、一定のパターンを有して配列されることを特徴とする、請求項１または２に記載の超音波診断装置用プローブ。
- 前記空隙は、格子状に配列された長尺状の複数の貫通孔で構成され、
前記吸音部材は、前記複数の貫通孔が前記音波の進行方向と直交するように、前記圧電体の前記後面に設置されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波診断装置用プローブ。 - 前記吸音部材は、ガラス（ｇｌａｓｓ）の内部が空いている中空粒子（ｅｍｐｔｙ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波診断装置用プローブ。
- 前記吸音部材は、前記吸音部材の減衰度、硬度及び密度を制御するために、ガラス粒子（ｇｌａｓｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を一定割合以上含むことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波診断装置用プローブ。
- 前記圧電体の前記前面および前記後面には、電気的エネルギーを前記圧電体に供給し、また、前記圧電体が発生する電気的信号を受信するための電極部が設けられ、さらに、前記圧電体の前記後面の前記電極部と前記吸音部材との間には、前記電極部と超音波診断装置本体の送受信部とを電気的に連結するためのＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）が設けられていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の超音波診断装置用プローブ。
- 前記吸音部材は、前記ＰＣＢの下側に位置する吸音層と、前記吸音層の下側に位置する吸音ブロックとを含むことを特徴とする、請求項７に記載の超音波診断装置用プローブ。
- 超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法において、
前記吸音部材を形成する流体を準備するステップと、
前記吸音部材を形成する前記流体を、前記吸音部材に第１の空隙を形成するためのスティックを備えているモールドベースと、前記吸音部材の外側形状を形成するためのモールドガイドとを含むモールドに注入するステップと、
前記モールドに注入された前記流体を硬化させるステップと、
前記モールドを除去するステップと、を含むことを特徴とする、超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法。 - 前記モールドベースに設けられる前記スティックは、規則的に配置されることを特徴とする、請求項９に記載の超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法。
- 前記吸音部材を形成する前記流体は、前記吸音部材に前記第１の空隙とは異なる第２の空隙を形成するための中空粒子（ｅｍｐｔｙ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載の超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法。
- 前記吸音部材を形成する前記流体は、ガラス粒子（ｇｌａｓｓ ｐａｒｔｉｃｌｅ）をさらに含むことを特徴とする、請求項９ないし１１のいずれかに記載の超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法。
- 前記モールドに注入された前記流体を硬化させるステップは、３０℃〜１００℃の温度で行われることを特徴とする、請求項９ないし１２のいずれかに記載の超音波診断装置用プローブに使用される吸音部材を製造する方法。
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