JP2022501094A - 超音波画像装置のための音響減衰 - Google Patents

Abstract

超音波撮像装置は、ハウジング内に配置された超音波トランスデューサモジュールと、ハウジングの内部に位置付けられた少なくとも１つの表面に配置された流動性音響減衰材料と、を含む。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、代理人整理番号Ｂ１３４８．７０１０２ＵＳ００の下で２０１８年９月２１日に出願された「ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＤＡＭＰＩＮＧ ＦＯＲ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＩＭＡＧＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題する米国仮特許出願第６２／７３４，４９７号の利点を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に、超音波撮像装置に関し、より具体的には、超音波撮像装置の音響減衰のための構造および技術に関する。

超音波装置は、人に聴こえる周波数よりも高い周波数を有する音波を使用して、画像診断および／または治療を行うために使用することができる。超音波撮像は、内部軟組織の本体構造を見るために、例えば、疾患の発生源を見出すために、または任意の病変を排除するために使用することができる。超音波パルスが（例えば、プローブを使用することによって）組織の中へ送られると、異なる組織が様々な程度の音を反射する状態で、音波が組織から反射される。次いで、これらの反射された音波は、記録して、超音波画像として作業者に表示することができる。音響信号の強度（振幅）、および波が身体を通って進行するのにかかる時間は、超音波画像を生成するために使用される情報を提供する。

いくつかの超音波撮像装置は、微細加工超音波トランスデューサを使用して製作することができ、基板の上に懸架された可撓性膜を含む。基板、キャビティ、および膜の組み合わせが可変コンデンサを形成するように、キャビティが、基板の部品と膜との間に位置付けられている。適切な電気信号によって作動させたとき、膜は、振動によって超音波信号を発生する。超音波信号を受信することに応じて、膜を振動させ、その結果、出力電気信号を発生することができる。

本出願のいくつかの態様は、音響減衰材料を含む超音波装置のパッキングを提供する。いくつかの実施形態では、音響減衰材料は、ゲルであり得る。

一態様では、超音波撮像装置は、ハウジング内に配置された超音波トランスデューサモジュールと、ハウジングの内部に位置付けられた少なくとも１つの表面に配置された流動性音響減衰材料と、を含む。

別の態様では、超音波撮像装置を製作する方法は、ハウジングの内部に位置付けられた少なくとも１つの表面に流動性音響減衰物質を塗布することを含み、ハウジングは、その中に配置された超音波トランスデューサモジュールを備える。

本出願の様々な態様および実施形態は、以下の図を参照して説明する。図は必ずしも縮尺どおりに描かれていないことが理解されるべきである。複数の図に現れている項目は、それらが現れる全ての図において同じ参照番号によって示される。

本開示の実施形態に従って使用することができる例示的な超音波撮像装置の斜視図である。 図１の超音波撮像装置の一部分を備えることができる、超音波トランスデューサモジュールアセンブリの分解斜視図である。 一実施形態による、流動性音響減衰材料の図２Ａの超音波トランスデューサモジュールアセンブリ上の例示的な位置を例示する。 図２の超音波トランスデューサモジュールアセンブリの分解端面図である。 矢印４−４に沿って見た、図３の超音波トランスデューサモジュールアセンブリの分解断面図である。 図２〜図４の超音波トランスデューサモジュールアセンブリの例示的なシュラウドを例示する。 図２〜図４の超音波トランスデューサモジュールアセンブリの例示的なヒートスプレッダ要素を例示する。 図２〜図４の超音波トランスデューサモジュールアセンブリの例示的なヒートスプレッダ要素を例示する。 一実施形態による、部分的に完成した超音波トランスデューサモジュールアセンブリを例示し、流動性音響減衰材料の例示的な配置位置を例示する。 完成した超音波トランスデューサモジュールアセンブリの上面図である。 矢印１０−１０に沿って見た、図９の完成した超音波トランスデューサモジュールアセンブリの断面図である。 矢印１１−１１に沿って見た、図９の完成した超音波トランスデューサモジュールアセンブリの断面図である。

医療用超音波撮像トランスデューサは、１つ以上の音響整合層を通して患者に結合される音響パルスを送信するために使用される。各パルスを送信した後に、次いで、トランスデューサは、着信身体エコーを検出する。エコーは、音響エネルギーの部分的な送信および部分的な反射を可能にする、患者内の異なる組織（または組織タイプ）の音響インピーダンス不整合によって生成される。例示的なタイプの超音波トランスデューサとしては、圧電材料から形成されたもの、より最近では、半導体基板を使用して形成することができる微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が挙げられる。容量型微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）は、可撓性膜が小さい間隙によって導電性電極の上に懸架された、ＭＵＴ装置の１つの具体的な例である。膜と電極との間に電圧が印加されると、クーロン力が可撓性膜を電極に引きつける。印加電圧が経時的に変化し、膜の位置もそのように変化すると、それによって、膜が移動したときにトランスデューサの表面から放射する音響エネルギーを発生させる。しかしながら、身体に向かう順方向に音響エネルギー送信して撮像することに加えて、トランスデューサは、同時に、撮像されている患者から離れる逆方向に音響エネルギーを送信することができる。すなわち、音響エネルギーのある一部はまた、例えばシリコンウエハなどのＣＭＵＴ支持構造（複数可）を通して後方にも伝播される。

入射超音波パルスが、異なる音響インピーダンスを有する２つの体組織の大きく滑らかな界面に遭遇すると、音響エネルギーは、トランスデューサへ逆に反射される。このタイプの反射は、鏡面反射と称され、発生するエコー強度は、２つの媒体の間の音響インピーダンス勾配と比例する。同じことが、半導体チップ／金属ヒートシンクの界面などの、撮像されている患者から離れる方向に位置付けられた構造にも当てはまる。

典型的に、圧電および容量型トランスデューサ装置の場合は、音響バッキング材料が、超音波変換器アレイの後部側に配置されて、可能な限り多くの逆方向に送信されたエネルギーを吸収および／または散乱させ、そのようなエネルギーが、任意の支持構造（複数可）によってトランスデューサに向かって逆方向に反射されること、および干渉を引き起こすことによって患者から取得される音響画像信号の品質を低下させることを防止する。しかしながら、一般に、良好な音響減衰および散乱特性を有する材料はまた、トランスデューサ基板材料に関して、不十分な熱伝導率および／または熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合を有する場合もある。その逆に、良好な熱伝導率を有する材料が、弱い音響減衰能力を有する場合がある。

コンピューティングリソースが超音波プローブの本体内に位置付けられ、おそらくはプローブ本体のトランスデューシング端部に近接して位置付けられる、集積回路上のトランスデューサの超音波装置（例えば、本出願の譲受人によって生成されるもの）の場合、装置の熱放散を支援するために、プローブ本体自体を製作する際に、熱伝導材料（例えば、アルミニウムまたは他の金属）を使用することができる。この場合、そのような熱放散プローブ本体は、より従来のプローブ本体（例えば、プラスチック）よりも構造的に剛性であり得る。したがって、１つ以上の熱伝導性で剛性のハウジング材料を利用した超音波撮像装置のための音響減衰能力を提供することが可能であることが望ましくなり得る。

したがって、本明細書で開示する例示的な実施形態は、音響減衰を提供するために撮像装置の少なくとも１つの内面と接触している、テフロン含有ゲル材料などの流動性音響減衰材料を組み込んだ、超音波撮像装置を導入する。音響減衰のためのテフロン含有ゲル材料として使用することができる１つのそのような好適な物質は、Ｕｌｔｒａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．によってＴｅｆ−Ｇｅｌ（商標）の商標の下で販売されている。製造業者によって説明されているように、テフロン含有ゲルは、４０％のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粉末および０％の揮発性溶剤を含有し、シリコーンまたは石油溶剤を含有しないペーストを含む。ゲルは、金属のかじり、焼き付き、および膨れを防止するために、ならびに異種の金属間の腐食を防止するために、腐食性の海洋環境において使用される、焼き付き防止の耐食潤滑油として市販および開発されている。この材料の市販後の使用にも関わらず、出願人らは、そのようなテフロン含有ゲル材料が、材料が従来使用されている防食および潤滑特性に加えて、音響減衰特性も提供することを好都合に発見した。

以下、図１を参照すると、本開示の実施形態に従って使用することができる例示的な超音波撮像装置１００の斜視図が示されている。最初に、装置１００は、本開示の実施形態によって利用することができる超音波撮像装置の単なる一実施例であり、他のそのような装置も想到されることを認識されたい。例示するように、超音波撮像装置１００は、一体の構成要素であり得るか、または代替的に、破線によって示すように複数のハウジング部品１０４ａ、１０４ｂを備えることができる、プローブ本体１０２を含む。例えば、複数の構成要素１０４ａ、１０４ｂを有するプローブ本体を提供することは、例えば回路基板、電池、ケーブルコネクタなどを含む、撮像装置の様々な内部構成要素のより簡単な組み立てを可能にすることができる。プローブ本体１０２の第１の（トランスデューシング）端部には、超音波トランスデューサモジュールアセンブリ（下でさらに詳細に説明する）を収納する、シュラウド１０６が配置されている。一実施形態では、プローブ本体１０２およびシュラウド１０６は、例えば、陽極酸化アルミニウムまたは陽極酸化アルミニウム合金などの、同じ材料から形成される。上に示したように、プローブ本体１０２およびシュラウド１０６は、熱放散能力を提供することができ、その結果、より従来のプローブ本体（例えば、プラスチック）よりも構造的に剛性であり得る。

図１は、シュラウド１０６のトランスデューシング端部に配置されている音響レンズ１０８をさらに例示し、音響レンズ１０８は、撮像される対象と物理的に接触するように構成されている。音響レンズ１０８は、例えば、シリコーンゴム材料と硬化剤または加硫剤とを混合し、続いて、脱気を行って混合シリコーンおよび触媒からあらゆる同伴空気の気泡を除去して、所望の引張強度を提供することによって、室温加硫（ＲＴＶ）シリコーンゴムから形成することができる。

プローブ本体１０２の第２の端部には、超音波撮像装置１００と、スマートフォン、タブレット、コンピュータ端末、ディスプレイスクリーンなどのホストデバイス（図示せず）との間の通信経路を提供するように構成することができる、ケーブル１１０が配置されている。プローブ本体１０２が内部電力供給を含まない実施形態では、ケーブル１１０が外部電源（図示せず）から超音波撮像装置に動力を提供することができることも想到される。随意に、応力緩和スリーブ１１２を、ケーブル１１０を超音波撮像装置１００の内部構成要素と機械的および電気的に接続する位置に対応する、プローブ本体１０２の第２端部に提供することができる。応力緩和スリーブ１１２は、例えばゴムなどの可撓性材料であってよい。

以下、図２Ａを参照すると、図１の超音波撮像装置１００の一部分を備えることができる超音波トランスデューサモジュールアセンブリ２００の分解斜視図が示されている。外部に配置されたシュラウド１０６および音響レンズ１０８に加えて、図２Ａは、シュラウド１０６の内部領域内に存在するように構成されている、パッケージ化された超音波トランスデューサアセンブリ２０２およびヒートスプレッダ要素２０４をさらに例示する。例示する実施形態では、パッケージ化された超音波トランスデューサアセンブリ２０２は、集積回路上のトランスデューサチップスタック２０６（以下、便宜上「超音波チップ」と称する）と、回路基板／インターポーザ２０８と、熱伝導領域２１０と、を含む。ヒートスプレッダ要素２０４は、例えばアルミニウムなどの熱伝導材料から形成され、シュラウド１０６上の対応するポスト２１４と整列および嵌合する、その外周の開口部２１２を備える。例えばねじ２１６および止めねじ２１８などの追加のハードウェアを使用して、ヒートスプレッダ要素２０４をシュラウド１０６の内側範囲内に固定するのを補助することができる。

超音波撮像装置１００の完全に組み立てた動作状態では、超音波チップ２０６の処理能力によって発生した熱は、パッケージ化された超音波トランスデューサアセンブリ２０２の熱伝導領域２１０を介して、シュラウド１０６へ伝達することができる。例えば、熱伝導領域２１０は、シュラウド１０６のタブ２１９と熱的に接触させることができ、随意に、それらの間にある量の熱接着剤、グリース、またはペースト（図示せず）を伴う。次いで、シュラウド１０６は、ヒートスプレッダ要素２０４を介して、超音波撮像装置１００のトランスデューシング端部から離れた熱をプローブ本体１０２（図１）に指向することができる。

上に示したように、相対的に良好な熱伝導体である構造は、あまり望ましくない音響減衰能力を有する場合があり、したがって、出願人らは、超音波チップ２０６の超音波トランスデューサの動作の結果として生じる音響減衰を提供する際に、超音波トランスデューサモジュールアセンブリ２００内の１つ以上の位置に流動性音響減衰材料２２０を配置することが効果的であると判断した。図２Ｂでは、実線矢印２２２は、シュラウド１０６の内周と接触している、流動性音響減衰材料２２０を配置するための１つの好適な場所を例示する。しかしながら、図２の破線矢印によって示すような、流動性音響減衰材料２２０の代替および／または追加の場所も想到される。材料２２２のそのような他の場所としては、パッケージ化された超音波トランスデューサアセンブリ２０２（チップ２０６、回路基板２０８、熱伝導領域２１０を含む）、およびヒートスプレッダ要素２０４が挙げられるが、これらに限定されない。さらに、所望に応じて、流動性音響減衰材料２２０は、プローブ本体１０２の内面に提供することもできる。テフロン含有ゲルに加えて、例えばＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ（商標）１−４１７３熱伝導性接着剤およびブチルゴムを含む、他の流動性音響減衰材料を利用することができることも想到される。そのような代替的な流動性音響減衰材料に関して、そのような材料を硬化させることを利用することもできる。

図３および図４は、超音波トランスデューサモジュールアセンブリ２００の追加の図を提供する。より具体的には、図３は、図２の超音波トランスデューサモジュールアセンブリの分解端面図であり、図４は、矢印４−４に沿って見た、図３の超音波トランスデューサモジュールアセンブリの分解断面図である。図２に例示し、説明する様々な特徴に加えて、図３および図４はどちらも、１つ以上のバックプレーンコネクタ３０２を組み込むことができる、パッケージ化された超音波トランスデューサアセンブリ２０２の後部側を例示する。コネクタ３０２は、超音波撮像装置１００の一部としてハウジング１０２内に同様に含まれている、対応する回路基板（例えば、電力基板、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、図示せず）に嵌合させることができる。図４に示すように、シュラウド１０６の内面に示す水平線は、流動性音響減衰材料２２０を塗布するための所望の場所に対応する。

一般に図５〜図８を参照すると、上で説明した超音波トランスデューサモジュールアセンブリ２００の組み立てステップのうちのいくつかを例示する様々な図を示す。図５は、タブ２１９を含むシュラウド１０６およびその内面を例示し、一方で、図６および図７は、シュラウド１０６と嵌合するヒートスプレッダ要素２０４を例示する。図６は、図５に示すシュラウドに挿入するための配向であるヒートスプレッダ要素２０４の上面図を示し、図７は、ヒートスプレッダ要素２０４の底面図を示す。ここでも、シュラウド１０６のポスト２１４は、ヒートスプレッダ要素２０４の開口部２１２を受容するように構成されている。

以下、図８を参照すると、シュラウド１０６に挿入された、パッケージ化された超音波トランスデューサアセンブリ２０２が示されている。図８に示す組み立て時点で、単なる例として（例えば、表面を活性化するためのプラズマ洗浄によって）シュラウド１０６の洗浄、シュラウド１０６の内面のプライミング、シュラウド１０６のタブ２１９への熱ペーストの塗布、および音響レンズ１０８の形成を含む、様々なステップを事前に完了することができる。

具体的に図８の画像では、パッケージ化された超音波トランスデューサアセンブリ２０２の回路基板／インターポーザ２０８およびバックプレーンコネクタ３０２を見ることができる。音響レンズ１０８のためのＲＴＶ材料の部分もまた、回路基板／インターポーザ２０８の外周に沿って見ることができる。図８にさらに例示するように、流動性音響減衰材料２２０は、シュラウド１０６の内周に沿って塗布されている。挿入される時点でのヒートスプレッダ要素２０４（図８に示さず）との接触に備えて、熱ペースト８０２（例えば、Ａｒｃｔｉｃ Ｓｉｌｖｅｒ社によって製造されている熱ペーストなど）の層を、随意に、シュラウドの頂縁部に沿って塗布することができる。

図９〜図１１は、実質的に完全に組み立てられた構成の超音波トランスデューサモジュールアセンブリ２００を例示する。流動性音響減衰材料２２０および随意に熱ペースト８０２の塗布に続いて、ヒートスプレッダ要素２０４をシュラウド１０６の中へ挿入する。ねじ２１６および止めねじ２１８は、所望の設定点までトルク付与し、その後に締めることができる。図９〜図１１には具体的に例示していないが、超音波トランスデューサモジュールアセンブリ２００が超音波撮像装置１００のハウジング１０２と完全に一体化される前に、シュラウドガスケットをシュラウドの外周に、ポスト２１４の外方へ提供することもできる。図１０および図１１の矢印は、ヒートスプレッダ要素２０４のシュラウド１０６への挿入に続く、塗布した流動性音響減衰材料２２０の一般的な位置の例を示す。ヒートスプレッダ要素２０４がその中に挿入されるときに、音響減衰材料の一部をシュラウド１０６の内壁に沿ってさらに押し下げることができることが想到される。

本出願の様々な態様は、単独で、組み合わせて、または上で説明した実施形態において具体的に論じられていない様々な配設で使用されてよく、したがって、その適用において、上述の説明に記載された、または図面に例示された構成要素の詳細および配設に限定されない。例えば、一実施形態において説明する特徴は、他の実施形態において説明する特徴と任意の様式で組み合わせることができる。

また、特定の態様は、１つの方法として具現化することができ、そのうちの一実施例を提供した。その方法の一部として行われる動作は、任意の好適な方法で順序付けされ得る。したがって、図示された実施形態で連続した動作として示される場合でも、動作が図示されたものとは異なる順番で実行され、いくつかの動作を同時に実行することを含み得る実施形態が構築され得る。

特許請求項の要素を修飾するための特許請求の範囲での「第１」、「第２」、「第３」などの順序の用語の使用は、それ自体では、いかなる優先性、優先順位、またはある請求項の要素の別のものに対する順序、もしくは方法の動作が行われる時間的順序も意味するものでなく、単に、請求項の要素を区別するために、特定の名前を有するある請求項の要素を（順序の用語の使用がなければ）同じ名前を有する別の要素から区別するためのラベルとして使用される。

また、本明細書で使用される表現および用語は、説明を目的とするものであって、限定とみなされるべきではない。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、およびその変形の使用は、その後に列記された項目およびその均等物、ならびに追加の項目を包含することを意味する。

特許請求の範囲において、ならびに上記の明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「携持する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「〜から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ）」などのような移行句は全て、オープンエンドであること、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味することを理解されたい。「〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」および「〜から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」という移行句だけが、それぞれ、クローズドまたは半クローズドの移行句であるものとする。

Claims (15)

1. 超音波撮像装置であって、
   ハウジング内に配置された超音波トランスデューサモジュールと、
   前記ハウジングの内部に位置付けられた少なくとも１つの表面に配置された流動性音響減衰材料と、を備える、超音波撮像装置。
2. 前記流動性音響減衰材料が、ゲルおよびペーストのうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の超音波撮像装置。
3. 前記流動性音響減衰材料が、テフロン含有ゲルを含む、請求項１に記載の超音波撮像装置。
4. 前記流動性音響減衰材料が、前記ハウジングの内面と接触している、請求項１に記載の超音波撮像装置。
5. 前記超音波トランスデューサモジュールと熱的に接触している熱放散構造をさらに備え、前記流動性音響減衰材料が、前記熱放散構造と接触している、請求項１に記載の超音波撮像装置。
6. 前記ハウジングが、ヒートシンク材料を含む、請求項１に記載の超音波撮像装置。
7. 前記ハウジングが、金属材料を含む、請求項６に記載の超音波撮像装置。
8. 前記ハウジングは、アルミニウムを含む、請求項７に記載の超音波撮像装置。
9. 前記ハウジングが、ユーザが手で持つように構成された外側ハウジングを備える、請求項６に記載の超音波撮像装置。
10. 前記流動性音響減衰材料が、前記超音波トランスデューサモジュールと接触している、請求項１に記載の超音波撮像装置。
11. 前記超音波トランスデューサモジュールが、集積回路に接着された超音波トランスデューサアレイを備える、請求項１０に記載の超音波撮像装置。
12. 前記流動性音響減衰材料が、前記超音波トランスデューサアレイと接触している、請求項１に記載の超音波撮像装置。
13. 前記流動性音響減衰材料が、前記超音波トランスデューサアレイと前記超音波トランスデューサアレイを覆う音響レンズとの間に配置されている、請求項１に記載の超音波撮像装置。
14. 超音波撮像装置を製造する方法であって、
    ハウジングの内部に位置付けられた少なくとも１つの表面に流動性音響減衰材料を塗布することを含み、前記ハウジングが、その中に配置された超音波トランスデューサモジュールを有する、方法。
15. 超音波装置であって、
    超音波プローブハウジングと、
    前記超音波プローブハウジング内に配置された音響減衰ゲルと、を備える、超音波装置。
    

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