JP2017099504A - 超音波プローブ及び超音波画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の削減や超音波プローブの小型化及び軽量化を図りつつ、超音波の送受信時に発生する熱を、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】超音波プローブ１は、超音波を送波する超音波振動子３と、超音波振動子３における被検体側とは反対側の面に設けられ、超音波振動子３から送波される超音波を反射する反射層４と、反射層４における超音波振動子３側とは反対側に設けられ、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である材料からなるバッキング層６と、バッキング層６における反射層４側とは反対側の面の一部分に設けられた熱伝導部材７と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波の送受信時に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層とを有している。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層が設けられている（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加して超音波が送波される。

特開２００９−６１１１２号公報

ところで、バッキング層は、超音波振動子から被検体とは反対側へ伝搬した超音波を吸収する役割を有する。このような役割を有しているバッキング層を、超音波振動子の音響インピーダンスと近い音響インピーダンスの材質によって形成すると、バッキング層側への音響出力が増大し、超音波の送信効率が悪くなる。そこで、バッキング層は、超音波振動子の音響インピーダンスとは異なる音響インピーダンスを有する材質で形成されている。

バッキング層を形成するこのような材質は、熱伝導性が比較的低い材質である。ここで、超音波の送受信時には熱が発生する。バッキング層は、熱伝導率が比較的低いので、超音波の送受信時に発生する熱は、前記バッキング層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を制限する必要があった。以上のことから、超音波の送受信時に発生する熱を、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、超音波を送波する超音波振動子と、この超音波振動子における被検体側とは反対側の面に設けられ、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と、この反射層における前記超音波振動子側とは反対側に設けられ、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である材料からなるバッキング層と、を備えることを特徴とする超音波プローブである。

また、他の観点の発明は、上記観点の発明において、前記バッキング層における前記反射層側とは反対側の面の一部分に設けられた熱伝導部材を備え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、超音波振動子とバッキング層との間に反射層が設けられているので、超音波振動子からバッキング層への音響出力が抑制される。従って、従来よりも音響インピーダンスが高い材質によってバッキング層を形成しても、高い送信効率を維持することができる。これにより、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、従来よりも熱伝導率が高い材質により、バッキング層を形成することができるので、超音波の送受信時に発生する熱を、効率よく被検体とは反対側へ逃がすことができる。

また、他の観点の発明によれば、熱伝導部材が、バッキング層における反射層とは反対側の面の一部分のみと接触した状態であっても、バッキング層の熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるため、超音波の送受信時に発生する熱を、効率よく熱伝導部材を介して被検体とは反対側へ逃がすことができる。このように、熱伝導部材が、バッキング層における反射層とは反対側の面の全面ではなく、一部分のみと接触した構造であるため、部品点数の削減や超音波プローブの小型化及び軽量化を図ることができる。

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。 超音波プローブの要部のエレベーション方向における断面図である。 超音波プローブの要部のアジマス方向における断面図である。 図３に示された超音波プローブを熱伝導部材側から見た平面図である。 熱伝導部材、シールド部材、筐体部材の分解斜視図である。

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、送受信ビームフォーマ１０２、エコーデータ処理部１０３、表示処理部１０４、表示デバイス１０５、操作デバイス１０６、制御部１０７及び記憶デバイス１０８を備える。

送受信ビームフォーマ１０２は、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、制御部１０７からの制御信号に基づいて超音波プローブ１に供給する。また、送受信ビームフォーマ１０２は、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。

エコーデータ処理部１０３は、送受信ビームフォーマ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、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。

表示処理部１０４は、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（Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）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表示デバイス１０５に表示させる。表示処理部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モード画像を表示デバイス１０５に表示させる。

表示デバイス１０５は、例えばＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）やＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）などで構成される。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。

制御部１０７は、特に図示しないがＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有して構成される。この制御部１０７は、記憶デバイス１０８に記憶された制御プログラムを読み出し、超音波診断装置１００における各部の機能を実行させる。

記憶デバイス１０８は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ハードディスクドライブ）や、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の半導体メモリ（Ｍｅｍｏｒｙ）などである。

超音波プローブ１について、図２〜図５に基づいて説明する。図２〜図５は、超音波プローブ１の要部のみを示す。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、超音波プローブ１は、超音波のエコー信号を受信する。

超音波プローブ１は、音響整合層２、超音波振動子３、反射層４、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）基板５、バッキング（ｂａｃｋｉｎｇ）層６、熱伝導部材７を備えている。Ｙ軸方向に長い直方体の形状を有する音響整合層２、超音波振動子３及び反射層４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８を構成する。そして、この積層体８が、Ｘ軸方向に複数配列されている。

ちなみに、Ｘ軸方向は、アジマス（ａｚｉｍｕｔｈ）方向であり、Ｙ軸方向は、エレベーション（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向である。

音響整合層２は、超音波振動子３における超音波照射方向側（被検体側）の板面に接着されている（接着層は図示省略）。音響整合層２の超音波照射方向側には図示しない音響レンズ部が設けられている。音響整合層２は、超音波振動子３と音響レンズ部の中間の音響インピーダンスを有する。また、音響整合層２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、音響整合層２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。

超音波振動子３は、圧電体９と導電層１０とで構成される。圧電体９は、ＰＺＴ等であり、超音波を送波する。この圧電体９の表面にスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）等によって導電層１０が形成されている。超音波振動子３は、本発明における超音波振動子の実施の形態の一例である。

導電層１０は、信号電極１１及び接地電極１２を有している。信号電極１１は、圧電体９における後述の掘削孔１３，１３の間の部分９ａに形成されている。また、接地電極１２は、圧電体９の端部９ｂ，９ｂにおいて、信号電極１１と掘削孔１３，１３を隔てて同一面に形成された第一の部分１２ａ，１２ａと、圧電体９において第一の部分１２ａ，１２ａが形成された面と反対側の面に形成された第二の部分１２ｂと、直方体の超音波振動子３において第一の部分１２ａ，１２ａと第二の部分１２ｂの間の側面に形成された第三の部分１２ｃ，１２ｃとからなっている。信号電極１１は、接地電極１２における第一の部分１２ａ，１２ａに挟まれるようにして形成されており、両電極１１，１２は、掘削孔１３，１３によって電気的に絶縁されている。

超音波振動子３は、図示しない接着層を介して反射層４と接着されている。超音波振動子３及び前記接着層を合わせた厚さは、超音波振動子３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、超音波振動子３及び前記接着層を合わせた厚さは、数１００μｍ程度の厚さである。

反射層４は、超音波振動子３における被検体とは反対側（音響整合層２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によって接着されている。反射層４は、信号電極１１及び第一の部分１２ａ，１２ａと接着されている。

ここで、反射層４における超音波振動子３側の表面には、鏡面研磨が施されている。また、超音波振動子３における信号電極１１及び第一の部分１２ａ，１２ａの表面にも鏡面研磨が施されている。これにより、反射層４における超音波振動子３側の表面と、超音波振動子３における信号電極１１及び第一の部分１２ａ，１２ａ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、前記接着層の厚さは、信号電極１１の表面の凹凸、第一の部分１２ａ，１２ａの表面の凹凸、反射層４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、信号電極１１及び第一の部分１２ａ，１２ａと反射層４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。

反射層４は、超音波振動子３の振動によって反射層４側へ送波され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。反射層４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。反射層４は、本発明における反射層の実施の形態の一例である。反射層４は、超音波振動子３からの超音波を反射するという目的から、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、反射層４は、タングステン（ｔｕｎｇｓｔｅｎ）である。

また、反射層４を構成するタングステンは導電性を有しているので、反射層４は、フレキシブル基板５の後述する第一銅箔層１４及び第二銅箔層１５と、超音波振動子３の信号電極１１及び接地電極１２とを電気的に接続する機能を有している。これにより、第一銅箔層１４及び第二銅箔層１５から供給される電圧が、反射層４を介して超音波振動子３に印加されるようになっている。

反射層４及び超音波振動子３の長さ方向における両端部には、掘削孔１３，１３が形成されている。この掘削孔１３，１３は、例えば超音波振動子３及び反射層４を前記接着層によって接着した後、反射層４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。

反射層４における超音波振動子３との接着面とは反対側の面には、バッキング層６との間にフレキシブル基板５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、フレキシブル基板５は、バッキング層６の厚み方向側面に沿って引き出され、超音波プローブ１と装置本体１０１とを接続する接続ケーブル（図示省略）と接続されている。

フレキシブル基板５の構成について説明すると、このフレキシブル基板５は、第一銅箔層１４、第二銅箔層１５、第一ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）膜層１６及び第二ポリイミド膜層１７の４層からなる。第一銅箔層１４及び第二銅箔層１５は、第一ポリイミド膜層１６によって互いに絶縁されている。第一銅箔層１４は、反射層４に接着された状態において、掘削孔１３，１３よりも反射層４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、第二銅箔層１５は、第一ポリイミド膜層１６及び第二ポリイミド膜層１７の間に積層されるとともに、掘削孔１３，１３よりも反射層４における中央部側においては、スルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｏｌｅ）Ｈを介して、第一銅箔層１４と同一面にも存在している。同一面に存在する第一銅箔層１４及び第二銅箔層１５は、分割溝１８により互いに絶縁されている。この分割溝１８は、フレキシブル基板５が反射層４に接着された状態において、掘削孔１３，１３の位置になるように形成されている。これにより、第一銅箔層１４は、導電性を有する反射層４における掘削孔１３，１３よりも端部側と電気的に接続され、一方で第二銅箔層１５は、反射層４における掘削孔１３，１３の間の中間部と電気的に接続される。従って、第一銅箔層１４は、超音波振動子３における接地電極１２の第一の部分１２ａ，１２ａと反射層４を介して電気的に接続され、また第二銅箔層１５は、超音波振動子３の信号電極１１と反射層４を介して電気的に接続される。

ちなみに、接地電極１２と接続される第一銅箔層１４は、フレキシブル基板５の表面一面に形成されており（第二銅箔層１５が形成された部分を除く）、Ｘ軸方向に配列された全ての超音波振動子３の接地電極１２の導通が共通して図られている。一方、第二銅箔層１５は、図示しない銅箔分割溝によってＸ軸方向に複数に分割され、フレキシブル基板５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、Ｘ軸方向に複数配列された積層体８ごとに形成されている。

バッキング層６は、フレキシブル基板５における反射層４とは反対側の面と接着され、或いはフレキシブル基板５における反射層４とは反対側の面に直接形成されて、このフレキシブル基板５を保持する。従って、バッキング層６は、反射層４に対して超音波振動子３とは反対側に設けられている。バッキング層６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。

バッキング層６は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である材料からなる。例えば、バッキング層６は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である材料からなっていてもよい。ただし、バッキング層６は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であればよく、３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である必要はない。

バッキング層６は、無機材料であり、例えばグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）やアルミニウム（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）からなる。また、バッキング層６は、超音波振動子３からの超音波を散乱可能な不均一の構造を有する。より具体的には、バッキング層６は、超音波振動子３から送波される超音波の波長レベルで不均一の構造を有し、例えば数十μｍから１ｍｍの大きさの不均一の構造を有する。このような不均一の構造を有することにより、吸音性能を確保することができる。

熱伝導部材７は、バッキング層６における反射層４とは反対側の面６ａに設けられている。超音波の送受信時に発生する熱は、反射層４、フレキシブル基板５及びバッキング層６を介して、熱伝導部材７へ伝わる。

熱伝導部材７についてもう少し詳しく述べる。熱伝導部材７は、バッキング層６のアジマス方向における長さよりも小さい幅を有し、図３及び図４に示すように、バッキング層６における面６ａの一部分Ｐに接触した状態で設けられている。一部分Ｐは、面６ａにおけるアジマス方向の一部分である。一部分Ｐの面積は、面６ａの全体の面積の三分の一以下である。

ちなみに、熱伝導部材７は、図４では後述の第二の部分７ｂ、７ｂ（図４では符号省略）が断面で示されている。

熱伝導部材７は、本例では密閉した容器に冷媒を封入したヒートパイプである。熱伝導部材７は、図２及び図５に示すように、略Ｕ字状に形成されている。より具体的には、熱伝導部材７は、第一の部分７ａと第一の部分７ａの両端から立ち上がる第二の部分７ｂ、７ｂを有する。第一の部分７ａと第二の部分７ｂとの間には屈曲部７ｃが形成されている。第一の部分７ａは、バッキング層６に固定される。第一の部分７ａは、バッキング層６に固定された状態において、このバッキング層６における一部分Ｐに沿ってエレベーション方向に延びている。第二の部分７ｂは、熱伝導部材７がバッキング層６に固定された状態において、第一の部分７ａからバッキング層６とは反対側へ延びている。

第二の部分７ｂは、図５に示す一対のシールド部材１９ａ，１９ｂと接触している（接触部分については図示省略）。シールド部材１９ａ，１９ｂは、一対の筐体部材２０ａ，２０ｂ内において筐体部材２０ａ，２０ｂに沿って設けられる。従って、超音波の送受信時に発生する熱は、第二の部分７ｂからシールド部材１９ａ，１９ｂに拡散し、さらに筐体部材２０ａ，２０ｂから外部へ放射される。

ちなみに、一対の筐体部材２０ａ，２０ｂ同士が接合されてプローブ筐体２０が構成される。また、このプローブ筐体２０内において、シールド部材１９ａ，１９ｂ同士が接合されてシールド体１９が構成される。

本例によれば、反射層４によって超音波振動子３からの超音波が被検体側へ反射するので、超音波振動子３からバッキング層６への音響出力が抑制される。従って、バッキング層６が、従来よりも音響インピーダンスが高い材質によって形成されていても、高い送信効率を維持することができる。

ここで、反射層４を有しない超音波プローブにおいては、送信効率を確保するために、超音波振動子からの超音波を十分に吸収することができる材質でバッキング層を形成する必要がある。このような材質は、熱伝導率が例えば０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。一方、本例によれば、上述のように反射層４によって高い送信効率を維持することができるので、従来よりも音響インピーダンスが高く、吸音性が低い材質でバッキング層６を形成することが可能となり、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と、従来よりも熱伝導率が高い材質によってバッキング層６を形成することができる。

このように従来よりも熱伝導率が高い材質によってバッキング層６を形成することができるので、熱伝導部材７が、バッキング層６における面６ａの全体の三分の一以下の面積である一部分Ｐのみと接触した状態であっても、超音波の送受信時に発生する熱を、効率よく熱伝導部材７を介して被検体とは反対側へ逃がすことができる。このように、熱伝導部材７が、バッキング層６における反射層４とは反対側の面の全面ではなく、一部分Ｐのみと接触した構造であるため、部品点数の削減や超音波プローブ１の小型化及び軽量化を図ることができる。

しかも、熱伝導部材７は、ヒートパイプであるので、より高効率で熱を伝達することができる。

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。

１ 超音波プローブ
３ 超音波振動子
４ 反射層
６ バッキング層
７ 熱伝導部材
１００ 超音波診断装置

Claims (8)

1. 超音波を送波する超音波振動子と、
   該超音波振動子における被検体側とは反対側の面に設けられ、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と、
   該反射層における前記超音波振動子側とは反対側に設けられ、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である材料からなるバッキング層と、
   を備えることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記バッキング層における前記反射層側とは反対側の面の一部分に設けられた熱伝導部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記熱伝導部材が設けられた前記バッキング層における前記一部分の面積は、前記バッキング層における前記反射層側とは反対側の面の全体の面積の三分の一以下であることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記熱伝導部材は、前記バッキング層における前記一部分に沿って延びる第一の部分と、該第一の部分から前記バッキング層とは反対側へ延びる第二の部分とからなり、前記第一の部分と前記第二の部分の間に屈曲部を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波プローブ。
5. 熱伝導部材は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
6. 前記バッキング層は、無機材料からな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。
7. 前記バッキング層は、前記超音波振動子からの超音波を散乱可能な不均一の構造を有す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。
8. 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。