JP2021087493A - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探触子を広帯域化することである。【解決手段】超音波探触子２は、超音波を放射及び受信する圧電体部２３と、圧電体部２３の被検体への超音波の放射方向と反対側の背面方向に配置され、圧電体部２３から放射された超音波を吸収する音響吸収層２１と、圧電体部２３と音響吸収層２１との間で、かつ超音波が放射されるエレベーション方向の有効開口内の端部に配置され、圧電体部２３に信号を出力し、圧電体部２３から受信信号が入力されるＦＰＣ２２と、圧電体部２３と音響吸収層２１との間で、かつ有効開口内のＦＰＣ２２がない領域に配置され、音響周波数を調整する音響調整層２７と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、超音波探触子及び超音波診断装置に関する。

超音波診断は、超音波探触子を患者の被検体の体表又は体腔内から当てるという簡単な操作で心臓や胎児の様子が超音波画像として得られ、かつ安全性が高いため繰り返して検査を行うことができる。このような超音波診断を行うために用いられる超音波診断装置が知られている。超音波画像データは、圧電体の素子（圧電素子）を有する超音波探触子から超音波が被検体に送信され、反射した超音波を超音波探触子が受信し、その受信した信号に様々な処理を行うことで得られる。

超音波探触子は、複数の層が積層された構造の積層部を有し、アジマス方向（方位方向、ラテラル方向、長軸方向、走査方向）に圧電素子が複数配列される構成を有する。図１１（ａ）は、従来の超音波探触子２Ａの積層部の縦断面の断面図である。図１１（ｂ）は、従来の超音波探触子２Ｂの積層部の縦断面の断面図である。

図１１（ａ）に示す従来の超音波探触子２Ａは、アジマス方向に垂直なエレベーション方向（短軸方向）に平行な面において、下面から上面に、音響吸収層２１Ａ、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）２２Ａ、圧電体部２３Ａ、音響整合層２４Ａが順に積層された積層部を有する。図１１（ｂ）に示す従来の超音波探触子２Ｂは、エレベーション方向に平行な面において、下面から上面に、音響吸収層２１Ａ、ＦＰＣ２２Ａ、背面反射層２８、圧電体部２３Ａ、音響整合層２４Ａが順に積層された積層部を有する。

また、ＦＰＣのアジマス方向に平行な横断面において、上面のＦＰＣ電極のアジマス方向の長さ（エレベーション方向に平行な縦断面の奥行方向の長さ）が、エレベーション方向の端部分よりも中央部分の方が狭い積層部を有する超音波プローブ（超音波探触子）が知られている（特許文献１参照）。この構成の超音波探触子により、エレベーション方向の超音波ビームの均一性を向上し、サイドローブを低減している。

特開２０１３−２４３４４９号公報

しかし、特許文献１の超音波探触子では、ＦＰＣ電極がない部分にＦＰＣの基材（ＦＰＣベース）があるため、当該基材の音響インピーダンスに縛られてしまうため、音響インピーダンスを下げることができず、広帯域化の効果が小さかった。

本発明の課題は、超音波探触子を広帯域化することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の超音波探触子は、
超音波を放射及び受信する圧電体部と、
前記圧電体部の被検体への超音波の放射方向と反対側の背面方向に配置され、当該圧電体部から放射された超音波を吸収する音響吸収層と、
前記圧電体部と前記音響吸収層との間で、かつ超音波が放射されるエレベーション方向の有効開口内の端部に配置され、前記圧電体部に駆動信号を出力し、当該圧電体部から受信信号が入力されるＦＰＣ部と、
前記圧電体部と前記音響吸収層との間で、かつ前記有効開口内の前記ＦＰＣ部がない領域に配置され、音響周波数を調整する音響調整層と、を備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波探触子において、
前記音響調整層は、音響インピーダンスが３［ＭＲａｙｌｓ］未満である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波探触子において、
前記音響調整層は、音響インピーダンスが前記ＦＰＣ部の音響インピーダンス未満である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記音響調整層は、シリコンゴム粒子を含む。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記音響調整層は、中空粒子を含む。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記ＦＰＣ部は、前記音響吸収層の外側を沿うように配置されている。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記ＦＰＣ部は、電極層を有し、
最上部の前記電極層は、音響インピーダンスの高い導電性の材料を有する。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の超音波探触子において、
前記最上部の電極層は、音響インピーダンスが１０［ＭＲａｙｌｓ］以上である。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記ＦＰＣ部は、電極層を有し、
最上部の前記電極層は、厚さが５［μｍ］以上である。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記音響調整層は、前記有効開口の２０［％］以上８０［％］以下の割合の領域に配置されている。

請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記ＦＰＣ部と前記圧電体部との間で、かつ前記有効開口の端部に配置され、前記圧電体部から放射された背面方向の超音波を被検体の方向へ反射する背面反射層を備る。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の超音波探触子において、
前記音響調整層は、前記有効開口内の前記背面反射層がない領域に配置されている。

請求項１３に記載の発明は、請求項１から１２のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記ＦＰＣ部と前記圧電体部との間で、かつ前記有効開口の端部に配置され、前記音響吸収層の音響インピーダンスと前記圧電体部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する背面整合層を備える。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の超音波探触子において、
前記音響調整層は、前記有効開口内の前記背面整合層がない領域に配置されている。

請求項１５に記載の発明の超音波診断装置は、
請求項１から１４のいずれか一項に記載の超音波探触子と、
前記超音波探触子で得られた受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部と、を備える。

本発明によれば、超音波探触子を広帯域化できる。

本発明の実施の形態の超音波診断装置の外観図である。 超音波診断装置の機能構成を示すブロック図である。 超音波探触子の積層部の斜視図である。 超音波探触子の積層部のエレベーション方向に平行な縦断面の断面図である。 ＦＰＣのエレベーション方向に平行な縦断面の断面図である。 超音波探触子の周波数応答を示す図である。 高域１８［ＭＨｚ］における音響調整層の音響インピーダンスに対する超音波探触子の感度を示す図である。 低域３［ＭＨｚ］における電極の音響インピーダンスに対する超音波探触子の感度を示す図である。 超音波探触子の電極厚さに対するＦＬ６を示す図である。 超音波探触子のＦＰＣがある領域の割合に対する感度を示す図である。 （ａ）は、従来の第１の超音波探触子の積層部の縦断面の断面図である。図１１（ｂ）は、従来の第２の超音波探触子の縦断面の断面図である。

添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、図示例に限定されるものではない。

まず、図１及び図２を参照して、本実施の形態の全体の装置構成を説明する。図１は、本実施の形態の超音波診断装置１００の外観図である。図２は、超音波診断装置１００の機能構成を示すブロック図である。

本実施の形態の超音波診断装置１００は、病院、医院などの医療施設に設けられる。図１及び図２に示すように、超音波診断装置１００は、超音波診断装置本体１と、超音波探触子２と、を備える。超音波探触子２は、図示しない患者の生体などの被検体に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、この被検体で反射した超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。超音波診断装置本体１は、ケーブル３を介して、超音波探触子２と接続され、超音波探触子２に電気信号の駆動信号を送信することによって被検体に対して送信超音波を送信させるとともに、超音波探触子２にて受信した被検体内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号である受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。

超音波探触子２は、複数の圧電素子からなる圧電体部２３を備えており、この圧電素子は、例えば、アジマス方向に一次元アレイ状に複数配列されている。本実施の形態では、例えば、１９２個の圧電素子を備えた超音波探触子２を用いている。なお、圧電素子は、二次元アレイ状に配列されたものであってもよい。また、圧電素子の個数は、任意に設定することができる。また、本実施の形態では、超音波探触子２について、リニア走査方式で電子走査方式の探触子を採用するが、リニア走査方式、セクタ走査方式あるいはコンベックス走査方式の何れの方式を採用することもできる。また、超音波探触子２は、電子走査方式あるいは機械操作方式のいずれも原理的には用いることができる。

図２に示すように、超音波診断装置本体１は、例えば、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像生成部１４と、画像処理部１５と、表示制御部１６と、表示部１７と、制御部１８と、記憶部１９と、を備える。

操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報などのデータの入力などを行うための各種スイッチ、各種キー（ハードキー）、トラックボール、マウス、キーボードなどを備え、医師、技師などの操作者からの操作入力に応じた操作信号を制御部１８に出力する。なお、操作入力部１１は、表示部１７の表示画面上に形成されたタッチパネルを含み、操作者からのタッチ操作を受け付け、タッチ操作情報を制御部１８に出力する構成としてもよい。

送信部１２は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２にケーブル３を介して電気信号である駆動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。また、送信部１２は、例えば、クロック発生回路、遅延回路、パルス発生回路、若しくはそれらの機能を持つ演算回路を備える。クロック発生回路は、駆動信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。遅延回路は、駆動信号の送信タイミングを圧電素子毎に対応した個別経路毎に遅延時間を設定し、設定された遅延時間だけ駆動信号の送信を遅延させて送信超音波によって構成される送信ビームの集束を行うための回路である。パルス発生回路は、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。上述のように構成された送信部１２は、例えば、超音波探触子２に配列された圧電体部２３の複数（例えば、１９２個）の圧電素子のうちの連続する一部（例えば、６４個）を駆動して送信超音波を発生させる。

受信部１３は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号である受信信号を受信する回路である。受信部１３は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、受信信号を、圧電素子毎に対応した個別経路毎に、予め設定された増幅率で増幅させるための回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換するための回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、圧電素子毎に対応した個別経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データを生成するための回路である。

画像生成部１４は、制御部１８の制御に従って、受信部１３からの音線データに対して包絡線検波処理やログ圧縮などを実施し、ダイナミックレンジやゲインの調整を行って輝度変換することにより、超音波画像データとしての断層画像データであるＢ（Brightness）モード画像データを生成する。すなわち、Ｂモード画像データは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。２次元断層像を得るために、送受信に用いる開口の位置を少しずつずらす。

なお、画像生成部１４は、ＢモードでのＢモード画像データだけでなく、Ａ（Amplitude）モード、Ｍ（Motion）モード、カラードプラモードなど、他の画像モードの超音波画像データなどが生成できるものであってもよい。

画像処理部１５は、制御部１８の制御に従って、画像生成部１４から出力されたＢモード画像データに対して情報処理を施す。画像処理部１５は、画像メモリー部１５ａを有する。画像メモリー部１５ａは、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体メモリーによって構成され、画像生成部１４から出力されたＢモード画像データをフレーム単位で一時的に記憶する。画像処理部１５は、制御部１８の制御に従って、画像メモリー部１５ａに記憶されたＢモード画像データを表示制御部１６に送信する。

表示制御部１６は、制御部１８の制御に従って、画像処理部１５より受信したＢモード画像データに座標変換などを施して表示部１７用の画像信号に変換して表示部１７に出力する。

表示部１７は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬティスプレイ及びプラズマディスプレイなどの表示装置が適用可能である。表示部１７は、制御部１８からの表示制御情報、又は表示制御部１６から出力された画像信号に従って表示画面上に超音波画像（Ｂモード画像）などの表示情報の表示を行う。

制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備え、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラムなどの各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波診断装置１００の各部の動作を集中制御する。ＲＯＭは、半導体などの不揮発メモリーなどにより構成され、超音波診断装置１００に対応するシステムプログラム及び該システムプログラム上で実行可能な、例えば、後述する超音波画像表示処理を実行するための超音波画像表示プログラムなどの各種処理プログラムや、ガンマテーブルなどの各種データなどを記憶する。これらのプログラムは、コンピューターが読み取り可能なプログラムコードの形態で格納され、ＣＰＵは、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。ＲＡＭは、ＣＰＵにより実行される各種プログラム及びこれらプログラムに係るデータを一時的に記憶するワークエリアを形成する。

記憶部１９は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの大容量記録媒体によって構成されており、超音波画像データなどを記憶する。

超音波診断装置１００が備える各部について、各々の機能ブロックの一部又は全部の機能は、集積回路などのハードウェア回路として実現することができる。集積回路とは、例えばＬＳＩ（Large Scale Integration）であり、ＬＳＩは集積度の違いにより、ＩＣ（Integrated Circuit）、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。また、各々の機能ブロックの一部又は全部の機能をソフトウェアにより実行するようにしてもよい。この場合、このソフトウェアは一つ又はそれ以上のＲＯＭなどの記憶媒体、光ディスク、又はハードディスクなどに記憶されており、このソフトウェアが演算処理器により実行される。

つぎに、図３〜図５を参照して、超音波探触子２の装置構成を説明する。図３は、超音波探触子２の積層部の斜視図である。図４は、超音波探触子２の積層部のエレベーション方向に平行な縦断面の断面図である。図５は、ＦＰＣ２２のエレベーション方向に平行な縦断面の断面図である。

図３、図４に示すように、超音波探触子２の筐体内部は、アジマス方向と、アジマス方向に垂直なエレベーション方向と、の平面上に、複数の部材が積層された積層部を有する。超音波探触子２は、下面（背面）から上面（被検体側）へ、音響吸収層２１と、ＦＰＣ部としてのＦＰＣ２２及び音響調整層２７と、圧電体部２３と、音響整合層２４と、音響レンズ２５と、を順に有し、また充填部２６を有する。これらの各層間は、接着剤を用いて接着されることで、超音波探触子２が形成されている。図４の超音波探触子２の積層部のエレベーション方向の有効開口は、圧電体部２３から被検体へ超音波が放射されるエレベーション方向の開口部分となる。

また、図４に示すように、超音波探触子２は、ＦＰＣ２２に対応する層において、エレベーション方向に平行な縦断面の左右の端部にＦＰＣ２２が配置され、同じく中央部分に音響調整層２７が配置されている。ただし、図３では、積層部分から露出したＦＰＣ２２については、図示を省略している。

音響吸収層２１は、ＦＰＣ２２、圧電体部２３、音響調整層２７、音響整合層２４、音響レンズ２５を支持し、圧電体部２３から出力された不要な超音波を吸収する超音波吸収体である。音響吸収層２１は、圧電体部２３の被検体に超音波を送受信する方向と反対の板面（背面）に装着され、被検体方向の反対側に発生する超音波を吸収する。

音響吸収層２１を構成する材料（音響吸収材）としては、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂や、これらの材料に酸化タングステンや酸化チタン、フェライト等の粉末を入れてプレス成形したゴム系複合材やエポキシ樹脂複合材、塩化ビニル、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡＬ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体などの熱可塑性樹脂などが適用できる。好ましい音響吸収材としては、ゴム系複合材料、及び／又は、エポキシ樹脂複合材からなるものであり、その形状は圧電体部２３やこれを含む超音波探触子２のヘッドの形状に応じて、適宜選択することができる。

ＦＰＣ２２は、圧電体部２３と音響吸収層２１との間に配置され、超音波診断装置本体１から電気信号を圧電体へ伝達するために配置される。ＦＰＣ２２は、下面から上面へ、複数の層を有する積層構造とされ、電極層と基板層とを有する。電極層には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが使われる。基板層には、ポリイミドやポリエステルなどが使われる。また、カバーレイなどで電極がカバーされていてもよい。カバーレイには基材で使われるような材料が使用されており、カバーレイを接着させる接着剤としては、エポキシ樹脂や、アクリル樹脂などの接着剤が使用される。

図５に示すように、例えば、ＦＰＣ２２は、下面から上面へ、基板層２２１と、接着剤層２２２と、（下部）電極層２２３と、基板層２２４と、（上部）電極層２２５と、を順に有する。なお、図５のＦＰＣ２２では、基板層２２１，２２４、電極層２２３，２２５は、それぞれ２層ずつとしたが、これに限定されるものではなく、基板層と電極層とが、各一層ずつや、それぞれ３層以上の複数層としてもよい。

圧電体部２３は、電気信号を印加することで超音波を発生させる層である。圧電体部２３に用いられる材料（圧電材）としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、リラクサ系，ニオブ酸鉛系及びチタン酸鉛系のセラミック等の圧電セラミックや、チタン酸亜鉛酸ニオブ酸鉛（ＰＺＮＴ）、マグネシウム酸ニオブ酸チタン酸（ＰＭＮＴ）などの単結晶が好適である。

圧電体部２３は、被検体へ超音波を放射する方向に対して圧電素子（図３の１素子）に分割するための切込（溝）が入れられ、その隙間には充填材が充填されて充填部２６が形成される。なお、圧電体部２３は、複合圧電体でもよい。複合圧電体は、被検体へ超音波を放射する方向に対して複合圧電体とするための切込（溝）が入れられ、その隙間には充填材が充填されて充填部が形成される。複合圧電体は、当該充填部の充填材を含めて圧電素子として機能する。複合圧電体は、電気機械結合係数が圧電材と概ね同等である一方で、音響インピーダンスを圧電材に比べて下げることができる。これにより、音響整合層との音響インピーダンス差を小さくすることができ、共振周波数特性は、広い周波数帯域を有することができる。

圧電体部２３の超音波を送受する面及びそれに対向する面には、一対の電極層である電極と共通電極とが設けられている。この電極は、信号引き出しのＦＰＣ２２からの電源電圧を圧電体部２３に対して印加する。また、この共通電極は、グランド引き出しのＦＰＣ２２を通じてアース接続される。なお、圧電体部２３の側面に回り込み電極を設け、圧電体下面側で電極と絶縁されるように共通電極を引き出す構成にし、ＦＰＣ２２を通じて電源やアースと接続してもよい。これら電極及び共通電極に用いられる材料としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられる。電極及び共通電極は、まず、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの下地金属をスパッタ法により０．００２〜１．０［μｍ］の厚さに形成した後、上記金属元素を主体とする金属及びそれらの合金からなる金属材料、さらには必要に応じ一部絶縁材料をスパッタ法、蒸着法その他の適当な方法で０．０２〜１０［μｍ］の厚さに形成する。これらの電極形成はスパッタ法以外でも微粉末の金属粉末と低融点ガラスを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法で形成することもできる。

音響整合層２４は、圧電体部２３と被検体の間の音響インピーダンスを整合させ、境界面での超音波の反射を抑制するものである。音響整合層２４は、超音波の送受信が行われる圧電体部２３の送受信方向である被検体側に、圧電体部２３の共通電極を介して装着される。音響整合層２４は、圧電体部２３と被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。

音響整合層２４は、単層でもよいし複数層から構成されてもよいが、好ましくは２層以上、より好ましくは４層以上であるとよい。ここでは、音響整合層２４は、下面から上面へ、音響整合層２４ａ，２４ｂの２層を有するものとした。音響整合層２４ａの音響インピーダンスは、音響整合層２４ｂの音響インピーダンスよりも圧電体部２３の音響インピーダンスに近い。音響整合層２４ａ，２４ｂの層厚は、超音波の波長をλとすると、λ／４となるように定めるのが好ましい。音響整合層の層厚が適切になされないと、本来の共振周波数とは異なる周波数ポイントに複数の不要スプリアスが出現し、基本音響特性が大きく変動してしまう場合がある。結果、残響時間の増加、反射エコーの波形歪みによる感度やＳ／Ｎ（Signal/Noise Ratio）の低下を引き起こす場合がある。このような音響整合層２４ａ，２４ｂの厚さとしては、通常、概ね２０〜５００［μｍ］の範囲のものが用いられる。

音響整合層２４ａ，２４ｂに用いられる材料としては、アルミ、アルミ合金（例えばＡＬ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイト、ＰＥ（ポリエチレン）やＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＣ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン（ＰＡ６、ＰＡ６−６）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド：ガラス繊維入りも可）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＥＴＰ（ポリエチレンテレフタレート）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などを用いることができる。音響整合層２４ａ，２４ｂに用いられる材料としては、好ましくはエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に、充填剤として、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデンなどを入れて成形したものが適用できる。

充填部２６は、圧電体部２３を複数の圧電素子に分割するため、エレベーション方向に平行に上面から下面へ、音響整合層２４、圧電体部２３、ＦＰＣ２２と、音響吸収層２１の途中までと、に切込（溝）が形成され、その切込に充填材が充填されることにより形成される。充填材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂等の有機合成高分子材を用いることができる。なお、天然ゴムなどの有機天然高分子材を適用してもよい。

また、圧電体部２３を複合圧電体にする場合に、アジマス方向に平行に上面から下面へ、圧電体部２３に切込（溝）が形成され、その切込に充填材が充填されることにより形成される。複合圧電体に適用される充填材は、充填部２６と同様の充填材を用いることができる。複合圧電体に適用される充填材の有機高分子材は、切断処理時における圧電材料に対する物理的損傷を防止することができる。複合圧電体に適用される充填材の有機高分子材は、切断処理時の切削加工精度を良好にするため所定の硬度を有する硬質樹脂を適用するのがよく、例えば、ロックウェル硬度が８０以上のものが好適である。また、アレイ化した後の素子特性を良好にするため、高分子材の音速として１［ｋｍ／ｓ］以上が好適である。例えば、音速が２［ｋｍ／ｓ］以上であり、ロックウェル硬度がＭ８０以上であるエポキシ樹脂が適用される。これらの有機高分子材は、上述した圧電材料に比べて比熱が大きく、熱伝導率が小さいので、後述する切断処理において発生する摩擦熱等の熱ダメージを抑制することができる。例えば、エポキシ樹脂は、熱伝導率が約０．２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］であり、比熱及び熱伝導率の点で有利である。なお、有機高分子材に代えて、無機高分子材を適用してもよい。

上述のように構成された圧電体部２３は、上記圧電材や単結晶などの圧電材を所定の大きさにダイヤモンド砥石などを使用して切削し、所定間隔の間隙を設けて複数の圧電素子を形成する。複数の圧電素子をモールドにより成形してもよい。そして、圧電体部２３の複数の圧電素子間における間隙を含む切込（溝）に上記充填材を充填・硬化させて充填部２６を形成する。

音響レンズ２５は、例えば、被検体と音響整合層２４との中間の音響インピーダンスを有する軟質の高分子材料により構成される。当該高分子材料の例には、シリコーン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム、及び、エチレンとプロピレンとを共重合させてなるエチレン−プロピレン共重合体ゴム、が含まれる。中でも、上記高分子材料は、シリコーン系ゴム及びブタジエン系ゴムからなることが好ましい。上記シリコーン系ゴムの例には、シリコーンゴム及びフッ素シリコーンゴムが含まれる。特に、音響レンズ２５の特性の観点からは、シリコーンゴムが好ましい。当該シリコーンゴムとは、Ｓｉ−Ｏ結合からなる分子骨格を有し、そのＳｉ原子に複数の有機基が主結合したオルガノポリシロキサンをいい、通常は、その主成分はメチルポリシロキサンで、その全体の有機基のうち９０％以上がメチル基である。上記シリコーンゴムは、上記メチルポリシロキサンのメチル基の少なくとも一部が、水素原子、フェニル基、ビニル基又はアリル基も置き換わっていてもよい。

上記シリコーンゴムは、例えば、高重合度のオルガノポリシロキサンに過酸化ベンゾイルなどの硬化剤（加硫剤）を混練し、加熱加硫し硬化させることにより得ることができる。音響レンズにおける音速の調整や密度の調整などの目的に応じ、シリカやナイロン粉末などの有機又は無機の充填剤や、硫黄や酸化亜鉛などの加硫助剤などがさらに添加されてもよい。

音響調整層２７は、圧電体部２３と音響吸収層２１との間に配置され、圧電体部２３で発生した超音波を整合、反射する層であり、圧電体部２３の被検体と反対側の面（背面）に配置される。音響調整層２７は、圧電体部２３とＦＰＣ２２と音響吸収層２１とが接着される際に充填されてもよいし、シート状の材料を挟み込んであってもよい。

電圧を印加するために使用されているＦＰＣ２２がある領域とない領域（音響調整層２７がある領域）とを超音波探触子２に設けることで、共振周波数が違う領域を作成することができる。ＦＰＣ２２を設けている領域では、ＦＰＣが付加されているため、共振周波数が下がり周波数が低い周波数応答を有する。一方、ＦＰＣ２２を設けていない領域においては、代わりに音響インピーダンスの小さい音響調整層２７があるため、ＦＰＣが付加されている場合に比べて共振周波数を高くすることができ、高周波な周波数応答となる。

これら二つ以上の領域を設けることにより、広帯域にすることができ、ペネトレーションと分解能との両立を実現することが可能となる。ペネトレーションに寄与する外側部分（端部）には、共振周波数が低くなる構成（ＦＰＣ２２）にし、中央部分においては、共振周波数を高くする構成（音響調整層２７）にすることで、より高分解能な画像にすることができる。

音響調整層２７の材料としては、音響整合層２４、充填剤、接着材に使われているような材料でもよい。例えば、エポキシ樹脂とフィラーを用いて、フィラーの含有量を調整し、音響インピーダンスを連続的に変化させた材料でもよい。フィラーは２種類以上の材料を使用していてもよい。特に音響インピーダンスを低くすることができるシリコンゴム粒子や中空粒子などをフィラーとして用いるのがよい。また、音響調整層２７は、充填ではなく、シート状の材料を挟み込んでもよい。また、超音波探触子２は、使用されるＦＰＣ層を、１層だけではなく、２層以上の複数層を有していてもよい。

つぎに、図６〜図１０を参照して、超音波探触子２の各種シミュレーションの結果を説明する。図６は、超音波探触子２の周波数応答を示す図である。図７は、高域１８［ＭＨｚ］における音響調整層２７の音響インピーダンスに対する超音波探触子２の感度を示す図である。図８は、低域３［ＭＨｚ］における電極層２２５の音響インピーダンスに対する超音波探触子２の感度を示す図である。図９は、超音波探触子２の電極厚さに対するＦＬ６を示す図である。図１０は、超音波探触子２のＦＰＣ２２がある領域の割合に対する感度を示す図である。

まず、図６に示すように、図４、図５の構成の超音波探触子２のエレベーション方向に平行な縦断面において、ＦＰＣ２２がある領域と、音響調整層２７がある領域と、のループゲインをシミュレーションした。ループゲイン［ｄＢ］は、超音波探触子２から放射した超音波が反射板で帰ってきた超音波のゲインを示す物理量であり、感度と同じである。また、シミュレーションの条件として、超音波探触子２のＦＰＣ２２の基板層２２１をポリイミド製で厚さを１３［μｍ］とし、接着剤層２２２の厚さを１６［μｍ］とし、電極層２２３を銅製で厚さを３［μｍ］とし、基板層２２４をポリイミド製で厚さを２５［μｍ］とし、電極層２２５を金メッキの銅製で厚さを１２．５［μｍ］とした。また、音響調整層２７には、音響インピーダンスが１．５［ＭＲａｙｌｓ］の材料を使用した。

図６において、上記条件の超音波探触子２の周波数［ＭＨｚ］に対する、ＦＰＣ２２がある領域のループゲイン［ｄＢ］を実線で示し、同じく音響調整層２７がある領域のループゲイン［ｄＢ］を一点鎖線で示した。ＦＰＣ２２がある領域は、低周波にシフトしており、中央部のＦＰＣ２２が存在せずに音響調整層２７がある領域においては、高周波な周波数成分を持っている。このため、超音波探触子２は、広帯域になっている。

ついで、図７に示すように、図６と同様の条件の超音波探触子２について、音響調整層２７の音響インピーダンス［ＭＲａｙｌｓ］に対する高域（高い周波数帯域）１８［ＭＨｚ］の感度［ｄＢ］をシミュレーションした。ただし、超音波探触子２のＦＰＣ２２の電極層２２５の厚さを５０［μｍ］とし、音響調整層２７の音響インピーダンスを変化させた。また、図７で、ＦＰＣ２２の基板層２２１，２２４の音響インピーダンスを３［ＭＲａｙｌｓ］として破線で示した。

図７において、超音波探触子２は、音響調整層２７の音響インピーダンスが低いほど、高域の感度を上げることができ、広帯域になる。特に、音響調整層２７の音響インピーダンスが、基板層２２１，２２４の音響インピーダンスである３［ＭＲａｙｌｓ］未満であると、高域の感度をより高くすることができ、超音波探触子２は、より広帯域になる。

ついで、図８に示すように、図６と同様の条件の超音波探触子２について、電極層２２５の音響インピーダンス［ＭＲａｙｌｓ］に対する低域（低い周波数帯域）３［ＭＨｚ］の感度［ｄＢ］をシミュレーションした。ただし、超音波探触子２のＦＰＣ２２の電極層２２５の厚さを５０［μｍ］とし、電極層２２５の音響インピーダンスを変化させた。また、図８で、電極層２２５の音響インピーダンスが、音響吸収層２１、音響調整層２７の音響インピーダンスよりも高い１０［ＭＲａｙｌｓ］の場合と、超音波探触子２の低域の感度が−８０［ｄＢ］の場合と、を破線で示した。

図８において、超音波探触子２は、電極層２２５の音響インピーダンスが高いほど、低域の感度が高くなり、広帯域になる。特に、電極層２２５の音響インピーダンスが１０［ＭＲａｙｌｓ］以上であると、低域の感度をより高くすることができ、超音波探触子２は、より広帯域になる。

ついで、図９に示すように、図６と同様の条件の超音波探触子２について、電極層２２５の厚さ［μｍ］に対するＦＬ６［ＭＨｚ］をシミュレーションした。ＦＬ６［ＭＨｚ］は、超音波探触子２の感度のピーク値から−６ｄＢ感度低下したときの低い側の周波数である。ただし、超音波探触子２のＦＰＣ２２の電極層２２５を銅製とし、最上部の電極層２２５の厚さを変化させた。

図９において、超音波探触子２は、電極層２２５の厚さが厚いほど、ＦＬ６が低周波に推移しており、広帯域になる。特に、電極層２２５の厚さが５［μｍ］以上であると、ＦＬ６をより低くすることができ、超音波探触子２は、より広帯域になる。

ついで、図１０に示すように、図６と同様の条件の超音波探触子２について、エレベーション方向に平行な縦断面における有効開口に対するＦＰＣ２２がある領域（のエレベーション方向の長さ）の割合［％］をシミュレーションした。ただし、超音波探触子２のＦＰＣ２２の電極層２２５の厚さを２５［μｍ］とし、ＦＰＣ２２がある領域の割合を変化させた。また、図１０で、超音波探触子２の深部（距離２０［ｍｍ］）での低周波（３［ＭＨｚ］）感度を「△」で示し、同じく浅部（距離１０［ｍｍ］）での高周波（１８［ＭＨｚ］）感度を「●」で示し、同じく当該深部での低周波感度と当該浅部での高周波感度との合計感度を「〇」で示した。さらに、超音波探触子２のエレベーション方向に平行な縦断面における有効開口に対するＦＰＣ２２が全面にない場合が、ＦＰＣ２２がある領域の割合０［％］に対応し、同じく有効開口に対するＦＰＣ２２が全面にある場合が、ＦＰＣ２２がある領域の割合１００［％］に対応する。

図１０において、超音波探触子２は、ＦＰＣ２２がある領域の割合０［％］の合計感度［ｄＢ］と、ＦＰＣ２２がある領域の割合１００［％］の合計感度［ｄＢ］と、のいずれよりも、破線の枠の領域内の合計感度［ｄＢ］が高い。これにより、超音波探触子２の有効開口のうちＦＰＣ２２がある領域の割合が２０〜８０［％］である場合に、超音波探触子２は、広帯域になる。

以上、本実施の形態によれば、超音波探触子２は、超音波を放射及び受信する圧電体部２３と、圧電体部２３の被検体への超音波の放射方向と反対側の背面方向に配置され、圧電体部２３から放射された超音波を吸収する音響吸収層２１と、圧電体部２３と音響吸収層２１との間で、かつ超音波が放射されるエレベーション方向の有効開口内の端部に配置され、圧電体部２３に駆動信号を出力し、圧電体部２３から受信信号が入力されるＦＰＣ２２と、圧電体部２３と音響吸収層２１との間で、かつ有効開口内のＦＰＣ２２がない領域に配置され、音響周波数を調整する音響調整層２７と、を備える。

このため、音響調整層２７により高域の感度を高くすることができるので、超音波探触子２を広帯域化できる。

また、音響調整層２７は、音響インピーダンスが３［ＭＲａｙｌｓ］未満である。このため、高域の感度をより高くすることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、音響調整層２７は、音響インピーダンスがＦＰＣ２２の基板層２２１，２２４の音響インピーダンス未満である。このため、高域の感度をより高くすることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、音響調整層２７は、シリコンゴム粒子を含む。このため、シリコンゴム粒子により音響インピーダンスを低くするので、音響調整層２７に対応する中央部分の高域の感度をより高くすることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、音響調整層２７は、中空粒子を含む。このため、中空粒子により音響インピーダンスを低くするので、音響調整層２７に対応する中央部分の高域の感度をより高くすることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、ＦＰＣ２２は、音響吸収層２１の外側を沿うように配置されている。このため、ＦＰＣ２２の電極引き出しを容易にすることができる。

また、ＦＰＣ２２は、電極層２２３，２２５を有する。最上部の電極層２２５は、音響インピーダンスの高い導電性の材料を有する。このため、感度の低周波側を広げて周波数ずらしの効果を大きくすることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、最上部の電極層２２５は、音響インピーダンスが１０［ＭＲａｙｌｓ］以上である。このため、感度の低周波側を広げることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、最上部の電極層２２５は、厚さが５［μｍ］以上である。このため、感度の低周波側をより広げることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、音響調整層２７は、有効開口の２０［％］以上８０［％］以下の割合の領域に配置されている。このため、深部での低周波感度と浅部での高周波感度との合計感度を高くすることができ、超音波探触子２をより広帯域にできる。

また、超音波診断装置１００は、超音波探触子２と、超音波探触子２から得られた受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部１４と、を備える。このため、超音波探触子２を広帯域化できる。

なお、上記実施の形態における記述は、本発明に係る好適な超音波探触子及び超音波診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。

例えば、超音波探触子２の積層部が、ＦＰＣ２２と圧電体部２３との間（圧電体部２３の放射面と反対の背面側）で、かつエレベーション方向の有効開口の端部に配置された背面反射層を備える構成としてもよい。背面反射層は、圧電体部２３から背面方向に放射された超音波を被検体への方向に反射する層である。このため、背面反射層の材料は、タングステンやタンタルなど、圧電体部２３より大きな音響インピーダンスを有する材料である。背面反射層は、単層でもよいし複数層から構成されてもよい。背面反射層の一方の面は圧電体部２３の裏面と接合され、他方の面はＦＰＣ２２を介して音響吸収層２１と接合される。背面反射層は、複合圧電体のように分割され、分割の切込（溝）には圧電素子間の切込の充填材のような材料、音響調整層のような材料が充填されてもよい。

さらに、音響調整層２７が、有効開口内の背面反射層がない領域にも配置されている構成としてもよい。つまり、ＦＰＣ部２２に合わせて、層の外側（有効開口内の端部）を背面反射層、同層の内側（有効開口内の中央部）を音響調整層という形にしてもよい。この構成により、音響調整層２７により超音波探触子２を広帯域化できるとともに、背面反射層により圧電体部２３から背面方向に放射される超音波を、被検体への方向に反射させ、被検体に入射する超音波のパワーを増加させことができる。

また、超音波探触子２の積層部が、ＦＰＣ２２と圧電体部２３との間（圧電体部２３の放射面と反対の背面側）で、かつエレベーション方向の有効開口の端部に配置された背面整合層（中間層）を備える構成としてもよい。背面整合層は、圧電体部２３と音響吸収層２１との音響インピーダンスを整合する層で、圧電体部２３の音響インピーダンスと音響吸収層２１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する。背面整合層は、単層でもよいし複数層から構成されてもよい。背面整合層に用いられる材料としては、音響整合層２４で使われるような材料が適用できる。また、背面整合層に用いられる材料は、ＦＰＣ２２と圧電体部２３とを電気的に接続するように導電性の材料でもよいし、内部や外側に導電部を有していてもよい。また、背面整合層に用いられる材料は、導電性のフィラーなどを混ぜ込み、導電性を付加した材料でもよい。背面整合層は、複合圧電材のように分割され、分割の切込（溝）には圧電素子間の切込の充填材のような材料、音響調整層のような材料が充填されてもよい。

さらに、音響調整層２７が、エレベーション方向の有効開口内の背面整合層がない領域にも配置されている構成としてもよい。つまり、ＦＰＣ部２２に合わせて、層の外側（有効開口内の端部）を背面整合層、同層の内側（有効開口内の中央部）を音響調整層という形にしてもよい。この構成により、音響調整層２７により超音波探触子２を広帯域化できるとともに、背面方向の超音波が被検体への方向に反射されるのを防ぎ、効率的に音響吸収層７５に吸収させることができる。

また、以上の実施の形態における超音波診断装置１００を構成する各部の細部構成及び細部動作に関して本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１００ 超音波診断装置
１ 超音波診断装置本体
１１ 操作入力部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 画像生成部
１５ 画像処理部
１５ａ 画像メモリー部
１６ 表示制御部
１７ 表示部
１８ 制御部
１９ 記憶部
２，２Ａ，２Ｂ 超音波探触子
２１，２１Ａ 音響吸収層
２２，２２Ａ ＦＰＣ
２２１，２２４ 基板層
２２２ 接着剤層
２２３，２２５ 電極層
２３，２３Ａ 圧電体部
２４，２４ａ，２４ｂ，２４Ａ 音響整合層
２５ 音響レンズ
２６ 充填部
２７ 音響調整層
２８ 背面反射層
３ ケーブル

Claims (15)

1. 超音波を放射及び受信する圧電体部と、
   前記圧電体部の被検体への超音波の放射方向と反対側の背面方向に配置され、当該圧電体部から放射された超音波を吸収する音響吸収層と、
   前記圧電体部と前記音響吸収層との間で、かつ超音波が放射されるエレベーション方向の有効開口内の端部に配置され、前記圧電体部に駆動信号を出力し、当該圧電体部から受信信号が入力されるＦＰＣ部と、
   前記圧電体部と前記音響吸収層との間で、かつ前記有効開口内の前記ＦＰＣ部がない領域に配置され、音響周波数を調整する音響調整層と、を備える超音波探触子。
2. 前記音響調整層は、音響インピーダンスが３［ＭＲａｙｌｓ］未満である請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記音響調整層は、音響インピーダンスが前記ＦＰＣ部の音響インピーダンス未満である請求項１又は２に記載の超音波探触子。
4. 前記音響調整層は、シリコンゴム粒子を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記音響調整層は、中空粒子を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波探触子。
6. 前記ＦＰＣ部は、前記音響吸収層の外側を沿うように配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波探触子。
7. 前記ＦＰＣ部は、電極層を有し、
   最上部の前記電極層は、音響インピーダンスの高い導電性の材料を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波探触子。
8. 前記最上部の電極層は、音響インピーダンスが１０［ＭＲａｙｌｓ］以上である請求項７に記載の超音波探触子。
9. 前記ＦＰＣ部は、電極層を有し、
   最上部の前記電極層は、厚さが５［μｍ］以上である請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波探触子。
10. 前記音響調整層は、前記有効開口の２０［％］以上８０［％］以下の割合の領域に配置されている請求項１から９のいずれか一項に記載の超音波探触子。
11. 前記ＦＰＣ部と前記圧電体部との間で、かつ前記有効開口の端部に配置され、前記圧電体部から放射された背面方向の超音波を被検体の方向へ反射する背面反射層を備る請求項１から１０のいずれか一項に記載の超音波探触子。
12. 前記音響調整層は、前記有効開口内の前記背面反射層がない領域に配置されている請求項１１に記載の超音波探触子。
13. 前記ＦＰＣ部と前記圧電体部との間で、かつ前記有効開口の端部に配置され、前記音響吸収層の音響インピーダンスと前記圧電体部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する背面整合層を備える請求項１から１２のいずれか一項に記載の超音波探触子。
14. 前記音響調整層は、前記有効開口内の前記背面整合層がない領域に配置されている請求項１３に記載の超音波探触子。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の超音波探触子と、
    前記超音波探触子で得られた受信信号に基づいて超音波画像データを生成する画像生成部と、を備える超音波診断装置。

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