JP2020103331A - 超音波プローブの積層構造体、超音波プローブ及び超音波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波画像を取得する部位、超音波画像の観察対象及び観察目的などに応じて、より適切な音響特性を実現することができる超音波プローブの積層構造体を提供する。【解決手段】超音波プローブの積層構造体２は、被検体に対して超音波を放射する圧電層４と、圧電層４における前記被検体側とは反対側の面に設けられた背面層５であって、圧電層４の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％の範囲の差を有する音響インピーダンスを有する背面層５と、を有する。背面層５を構成する材料には、圧電材料又は黄銅が含まれる。背面層５における圧電層４とは反対側の面には、バッキング層６が設けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波プローブの積層構造体、超音波プローブ及び超音波プローブを有する超音波装置に関する。

従来から、圧電層と音響整合層とバッキング層とを有する超音波プローブがある。音響整合層は、圧電層における被検体への超音波の放射面側に設けられ、被検体との音響インピーダンス整合をとる。また、バッキング層は、超音波トランスデューサにおける被検体とは反対側の背面側に設けられて不要な背面エコーを吸収し、被検体方面に効率よく超音波が送信されるようになっている。この構造では、圧電セラミックスなどの圧電材料で構成される圧電層は、圧電材料より低い音響インピーダンスを持つ素材に挟まれるため両面が開放端となる１／２波長共振が励起される。

一方、バッキング層の代わりに、音響インピーダンスが圧電層よりも高いデマッチング（ｄｅｍａｔｃｈｉｎｇ）層を背面側に設けることにより、背面側で熱消費される超音波を排除して超音波の送信効率を高めるデマッチング構造を有する超音波プローブもある（例えば、特許文献１参照）。この構造では圧電層の背面は高音響インピーダンスのデマッチング層により固定端となり１／４波長共振が励起される。

米国特許第６，６８５，６４７号明細書

デマッチング構造においては、バッキング層による熱吸収機構がなくなり、超音波は音響整合の取れた披検体方向のみに放射される。このため、デマッチング層を有しない上述の１／２波長共振のバッキング構造と比較して、送信効率が改善され超音波のパルス送信における感度と比帯域が大幅に改善される。しかし、デマッチング構造においては、比帯域が改善される一方でパルスエコーのループゲインがフラットな周波数応答を示し、上述のバッキング構造と比較して、実時間波形の収束性が悪化する。このように、比帯域の改善と実時間波形の収束性との間にはトレードオフの関係があるので、とくにＢモード画像などでの距離分解能を高めるためには周波数帯域幅とパルス収束性の適切な選択が求められる。

また、上述のバッキング構造においては、１／２波長共振が励起されるために、圧電層の厚さは、送信される超音波の波長の概ね１／２の厚さとなっている。一方、デマッチング構造においては、１／４波長共振が励起されるために、圧電層の厚さは、送信される超音波の波長の概ね１／４の厚さとなっている。従って、同じ周波数の超音波が送信されるとすると、デマッチング構造における圧電層の厚さは、バッキング構造における圧電層の厚さよりも薄くなっている。ここで、圧電層が圧電単結晶材料で構成されている場合、圧電層に印可しても滅極を起こさない最大の電圧（限界電圧）は、圧電層が薄くなるほど低くなる。従って、このように電圧信頼性に制限のある圧電単結晶材料で圧電層が構成されている場合、デマッチング構造における限界電圧は、デマッチング層を有さないバッキング構造における圧電層の限界電圧と比較して半分の電圧になる。このため、デマッチング構造を有する超音波プローブから送信される超音波パルスの音圧は、デマッチング層を有さない構造の超音波プローブから送信される超音波パルスの音圧よりも低下する。

このように、デマッチング構造を有する超音波プローブとデマッチング層を有しない構造の超音波プローブとでは音響特性において一長一短がある。従って、超音波画像を取得する部位、超音波画像の観察対象及び観察目的などに応じて、より適切な音響特性を実現できることが望まれる。

上述の課題を解決するためになされた一の観点の発明は、被検体に対して超音波を放射する圧電層と、前記圧電層における前記被検体側とは反対側の面に設けられた背面層であって、前記圧電層の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％の範囲の差を有する音響インピーダンスを有する背面層と、を有する超音波プローブの積層構造体である。

前記圧電層の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％という範囲の差を有する音響インピーダンスは、公知のバッキング層を構成する材料の音響インピーダンスと、公知のデマッチング構造におけるデマッチング層を構成する材料の音響インピーダンスの間の音響インピーダンスであり、なおかつ圧電層４の音響インピーダンスと比較的近い音響インピーダンスである。比較的近いとは、バッキング層を構成する材料の音響インピーダンス及びデマッチング層を構成する材料の音響インピーダンスよりも、圧電層を構成する材料の音響インピーダンスに近いという意味である。

上記一の観点の発明によれば、前記圧電層の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％の範囲の差を有する音響インピーダンスを有する背面層を有することにより、特に比帯域、パルス収束性及び音圧に関し、超音波画像を取得する部位、超音波画像の観察対象及び観察目的などに応じて、より適切な音響特性を実現することができる。また、前記背面層における前記圧電層とは反対側に、バッキング層を設ける構造とし、従来のデマッチング層を設けない構造とすれば、前記圧電層において１/４波長共振が励起されない。従って、圧電層の厚みを、概ね１／４波長よりも厚くすることができるので、圧電層を圧電単結晶材料で構成した場合の滅極リスクを低減することができる。

実施形態の超音波診断装置の一例を示すブロック図である。 実施形態の超音波プローブにおける積層構造体の一例を示す図である。 実施形態の超音波プローブにおける積層構造体の一例を示す図である。 圧電層と背面層の厚さを説明する図である。 超音波パルスエコーのループゲインの周波数特性を示す図である。 超音波パルスエコーの実時間波形の収束性を示す図である。 圧電単結晶材料で構成された圧電層の滅極が起きない最大の電界で送信された超音波パルスの音圧の周波数特性を示す図である。

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、本発明に係る超音波装置の実施の形態の一例であり、診断等を目的として被検体の超音波画像を表示する。

超音波診断装置１００は、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、送信回路１０２、受信回路１０３、制御回路１０４、表示デバイス１０５、入力デバイス１０６、記憶回路１０７を備える。超音波診断装置１は、コンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ）としての構成を備えている。

送信回路１０２は、超音波プローブ１による超音波の送信を制御する。具体的には、送信回路１０２は、制御回路１０４からの制御信号に基づいて、超音波プローブ１を駆動させて所定の送信パラメータ（ｐａｒａｍｅｔｅｒ）を有する前記各種の超音波パルスを送信させる。

受信回路１０３は、超音波プローブ１から被検体に送信され、被検体内で反射して超音波プローブ１で受信された超音波のエコー信号について、整相加算処理等の信号処理を行なう。受信回路１０３は、制御回路１０４からの制御信号に基づいて信号処理を行なう。

送信回路１０２及び受信回路１０３は、ハードウェアによって構成されてもよい。ただし、超音波診断装置１００は、このようにハードウェアとしての送信回路１０２及び受信回路１０３を備える代わりに、送信回路１０２及び受信回路１０３の機能を、ソフトウェアによって実現するようになっていてもよい。すなわち、制御回路１０４が記憶回路１０７に記憶されたプログラムを読み出して上述した送信回路１０２及び受信回路１０３の機能を実行するようになっていてもよい。

制御回路１０４は、超音波診断装置の各部を制御し、各種の信号処理や画像処理などを行なう。例えば、制御回路１０４は、受信回路１０３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。超音波画像を作成するための処理は、例えば対数圧縮処理、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処理である。また、制御回路１０４は、Ｂモードデータ等のローデータ（ｒａｗ ｄａｔａ）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。

制御回路１０４は、例えば１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。任意選択的に、制御回路１０４は、中央制御器回路（ＣＰＵ）、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、グラフィック制御器回路（ＧＰＵ）、または特定の論理命令に従って入力データを処理することができる他の任意の電子部品を含むことができる。制御回路１０４は、記憶回路１０７に格納されたプログラムを読み出して命令を実行することができる。ここにおける記憶回路１０７は、後述する有形の非一時的なコンピュータ可読媒体である。

表示デバイス１０５は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイなどである。

入力デバイス１０６は、操作者による指示の入力や情報の入力などの操作を受け付けるデバイスである。入力デバイス１０６は、操作者からの指示や情報の入力を受け付けるボタン及びキーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）などを含み、さらにトラックボール（ｔｒａｃｋｂａｌｌ）等のポインティングデバイス（ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）などを含んで構成されている。ちなみに、ボタンには、ハードキーのほか、表示デバイス１０５に表示されるソフトキーも含まれる。また、入力デバイス１０６は、タッチパネルを含んでいてもよい。この場合、ボタンには、タッチパネルに表示されるソフトキーが含まれる。

記憶回路１０７は、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＲＡＭ、ＲＯＭ、および／またはＥＥＰＲＯＭなどの有形の非一時的又は一時的なコンピュータ可読媒体とすることができる。記憶回路１０７は、直ちに表示されるようにスケジュールされていない取得されたＢモードデータ、Ｂモード画像データ及びカラー画像データ、その他表示デバイス１０５に表示される文字や図形及びその他のデータを格納するために使用することができる。

また、記憶回路１０７は、例えば、グラフィカルユーザインターフェース、１つまたは複数のデフォルト画像表示設定、ならびに／もしくは（例えば、制御回路１０４のための）プログラムされた命令などに対応するファームウェアもしくはソフトウェアを格納するために使用することができる。

本例の超音波プローブ１及び超音波プローブ１の積層構造体２について、図２及び図３に基づいて説明する。超音波プローブ１は、被検体に対して超音波を放射して、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３、圧電層４、背面層５及びバッキング層６を含む積層構造体２を備えている。積層構造体２は、超音波プローブ１の筐体（図示省略）内に収容されている。積層構造体２は、音響整合層３、圧電層４、背面層５及びバッキング層６がＹ軸方向に積層されている。また、積層構造体２は、音響整合層３、圧電層４及び背面層５が積層されてなる複数の積層体７を有する。複数の積層体７は、積層方向であるＹ軸方向と直交するＸ軸方向に所要の間隔をあけて配列している。Ｘ軸方向に配列された複数の積層体７は、バッキング層６に設けられている。

音響整合層３は、圧電層４における一方の面に設けられ、背面層５及びバッキング層６は、圧電層４における音響整合層３が設けられた一方の面とは反対側の面に設けられている。圧電層４における音響整合層３が設けられた一方の面側が被検体側である。

音響整合層３における圧電層４とは反対側の面には、音響レンズ（図示省略）が設けられている。音響整合層３は、この音響レンズの音響インピーダンスと、圧電層４の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスを有している。積層構造体２は、音響整合層３として、複数の層を有していてもよい。

なお、超音波プローブ１は、音響レンズ及び積層体７の他にも、超音波プローブとして公知の図示しない構成を有している。

圧電層４は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックス材料で構成され、超音波パルスを放射する。また、圧電層４は、圧電単結晶材料で構成されていてもよい。圧電層４の音響インピーダンスは、例えばＰＺＴの場合、２８〜３３ＭＲａｙｌである。

本例の積層構造体２では、従来のデマッチング構造とは異なり、圧電層４と背面層５を合わせた共振構造体が協同的に１／２波長共振を励起するため、背面層５の厚みを調整することにより、圧電層４の厚さを概ね１/４波長よりも厚くすることができる。圧電層４の厚さをｔ１とし、励起される超音波の波長をλとすると、概して以下の関係となる。
λ／４＜ｔ１＜λ／２

また、背面層５の厚さをｔ２とする。この背面層の厚さｔ２と圧電層４の厚さｔ１とを合わせた厚さは、図４に示すように、概してλ／２となるように設定される。すなわち、
ｔ１＋ｔ２＝λ／２であるので、
ｔ２＝（λ／２）−ｔ１
である。

背面層５は、圧電層４の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％の範囲の差を有する音響インピーダンスを有する材料で構成される。この圧電層４の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％という範囲の差を有する音響インピーダンスは、公知のバッキング層を構成する材料の音響インピーダンスと、公知のデマッチング構造におけるデマッチング層を構成する材料の音響インピーダンスの間の音響インピーダンスであり、なおかつ圧電層４の音響インピーダンスと比較的近い音響インピーダンスである。比較的近いとは、背面層５の上記音響インピーダンスが、バッキング層を構成する材料の音響インピーダンス及びデマッチング層を構成する材料の音響インピーダンスよりも、圧電層４を構成する材料の音響インピーダンスに近いという意味である。

ここで、公知のバッキング層を構成する材料の音響インピーダンスは、１ＭＲａｙｌ〜１０ＭＲａｙｌ程度の間の音響インピーダンスであり、圧電層４の音響インピーダンスに対し、１／３０〜１／３程度の音響インピーダンスである。また、公知のデマッチング層を構成する材料としてタングステンカーバイドがあり、その音響インピーダンスは、９０ＭＲａｙｌ程度であり、圧電層４の音響インピーダンスに対し３倍程度の音響インピーダンスである。

例えば、背面層５の材料としては、圧電材料や黄銅などが挙げられる。

バッキング層６は、公知のバッキング層を構成する材料と同様に、音響インピーダンスが１ＭＲａｙｌ〜１０ＭＲａｙｌ程度である材料で構成される。

本例の積層構造体２の作用効果について、図５〜図７に基づいて説明する。図５は、超音波パルスエコーのループゲインの周波数特性を示す図である。この図５を用いて、圧電層の背面にデマッチング層を有する構造体（「デマッチング構造体」と云うものとする）を備えた超音波プローブと、圧電層の背面に、バッキング層が設けられ、背面層もデマッチング層も有さない構造体（「バッキング構造体」と云うものとする）を備えた超音波プローブとの比較において、圧電層４の背面側に背面層５を有する本例の積層構造体２の比帯域を説明する。

なお、デマッチング構造体は、圧電層において１／４波長共振が励起される公知の構造体であり、バッキング構造体は、圧電層において１／２波長共振が励起される公知の構造体である。図５において、実線Ａは本例の積層構造体２、破線Ｂはデマッチング構造体、一点鎖線Ｃはバッキング構造体を示している。

図５に示すように、デマッチング構造体が最も帯域幅が広く、本例の積層構造体２は、デマッチング構造体の帯域幅とバッキング構造体の帯域幅の間の帯域幅となっている。しかし、デマッチング構造体は、他の構造体よりも周波数応答特性がフラットになっており、実時間波形の収束性が他の構造よりも悪化する。

実時間波形の収束性について、図６に基づいて説明する。図６は、本例の積層構造体２、デマッチング構造体及びバッキング構造体の各々における超音波パルスエコーの実時間波形の収束性を示す図である。各々の構造体と、実線Ａ、破線Ｂ及び一点鎖線Ｃとの対応関係は、図５と同じである。実時間波形の収束性の良し悪しは、図６に示された実線Ａ、破線Ｂ及び一点鎖線Ｃの波形の各々における複数のピークのうち、二つ目のピークのエコー強度Ｉによって判断される。エコー強度Ｉが大きいほど実時間波形の収束性が悪い。図示されるように、本例の積層構造体２のエコー強度Ｉ１、デマッチング構造体のエコー強度Ｉ２、バッキング構造体のエコー強度Ｉ３の大小関係は、Ｉ３＜Ｉ１＜Ｉ２である。従って、上述した通り、デマッチング構造体が最も実時間波形の収束性が悪い。一方で、本例の積層構造体２のエコー強度Ｉ２は、デマッチング構造体のエコー強度Ｉ２及びバッキング構造体のエコー強度Ｉ３の間になっている。

図７は、圧電単結晶材料で構成された圧電層の滅極が起きない最大の電界で送信された超音波パルスの音圧の周波数特性を示す図である。縦軸は、圧電層に前記最大の電界がかかっている状態で送信された超音波パルスの音圧を示している。本例の積層構造体２、デマッチング構造体及びバッキング構造体の各々と、実線Ａ、破線Ｂ及び一点鎖線Ｃとの対応関係は、図５及び図６と同じである。図示されるように、デマッチング構造体の音圧は、他の構造体と比べて最小になっている。一方で、本例の積層構造体２の音圧は、デマッチング構造体の音圧及びバッキング構造体の音圧の間になっている。

背面層５の音響インピーダンスが、デマッチング層及びバッキング層の各々の音響インピーダンスの間であり、圧電層４の音響インピーダンスに比較的近い音響インピーダンス、すなわち圧電層４の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％の範囲の差を有する音響インピーダンスを有することにより、本例の積層構造体２における比帯域、パルス収束性及び音圧の各音響特性が、デマッチング構造体とバッキング構造体の間の特性を有する。すなわち、本例の積層構造体２において、比帯域は従来のバッキング構造体よりも良好であり、パルス収束性及び音圧は従来のデマッチング構造よりも良好である。従って、本例によれば超音波画像を取得する部位、超音波画像の観察対象及び観察目的などに応じて、より適切な音響特性を実現することができる。

例えば、超音波画像を取得する部位、超音波画像の観察対象及び観察目的などによっては、パルス収束性及び音圧が、デマッチング構造体の特性よりも良好であることが要求される一方で、比帯域はデマッチング構造体の特性ほどは要求されない場合もある。このような場合、本例の積層構造体２が用いられることで、要求にあった超音波プローブを提供することができる。

また、圧電層４の厚さを概ね１/４波長よりも厚くすることができるので、圧電層４を圧電単結晶材料で構成した場合の滅極リスクを、デマッチング構造体よりも低減することができる。

また、背面層５を加工性が良好な圧電材料で構成することにより、生産性を向上させることができる。

以上、本発明を上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、積層体７は、Ｙ軸方向と直交し、なおかつ互いに直交するＸ軸方向及びＺ軸方向に配列されて、２Ｄアレイ、１．７５Ｄアレイ及び１．５Ｄアレイを構成していてもよい。

１ 超音波プローブ
２ 積層構造体
３ 音響整合層
４ 圧電層
５ 背面層
６ バッキング層
７ 積層体
１００ 超音波診断装置

Claims (8)

1. 被検体に対して超音波を放射する圧電層と、
   前記圧電層における前記被検体側とは反対側の面に設けられた背面層であって、前記圧電層の音響インピーダンスに対して、−２０％〜＋２０％の範囲の差を有する音響インピーダンスを有する背面層と、を有する超音波プローブの積層構造体。
2. 前記背面層を構成する材料には、圧電材料又は黄銅が含まれる、請求項１に記載の超音波プローブの積層構造体。
3. 前記圧電層を構成する圧電材料には、圧電単結晶材料が含まれる、請求項１又は２に記載の超音波プローブの積層構造体。
4. 前記背面層における前記圧電層とは反対側の面に設けられたバッキング層を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波プローブの積層構造体。
5. 前記圧電層における前記被検体側の面に設けられた音響整合層を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波プローブの積層構造体。
6. 前記音響整合層、前記圧電層及び背面層が積層されて構成される複数の積層体を有し、
   該複数の積層体は、前記バッキング層における前記被検体側の面に設けられ、積層方向と直交する一方向又は積層方向と直交しなおかつ互いに直交する二方向に配列される、請求項５に記載の超音波プローブの積層構造体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波プローブの積層構造体を有する超音波プローブ。
8. 請求項７に記載の超音波プローブを備える、超音波装置。