JP3776520B2

JP3776520B2 - 超音波探触子

Info

Publication number: JP3776520B2
Application number: JP23408796A
Authority: JP
Inventors: 幸人田淵; 正平佐藤; 秀嗣桂
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: JPH1075953A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、医用超音波診断装置に用いる超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波探触子は、圧電振動子の電気音響変換作用を利用して、電気信号を超音波信号に、あるいはその逆に超音波信号を電気信号に変換する装置である。
【０００３】
この変換において、信号のエネルギーの一部は超音波探触子内で熱エネルギーに変わるので、探触子を稼働させた場合必然的に発熱を生じる。探触子内での発熱箇所としては、圧電振動子、背面材、音響レンズ、送受波のための内蔵電気回路等がある。圧電振動子では誘電損と機械Ｑが低いことによる損失によって発熱が生じ、背面材や音響レンズでは超音波吸収による損失によって発熱を生じる。また、内蔵電気回路では、回路を構成する各素子における損失等によって発熱を生じる。
【０００４】
一方、超音波探触子は生体の体表に当接して使用するため、ＪＩＳ等の安全規格により超音波探触子の体表接触面の温度上昇には厳しい制限が課されており、従来より超音波探触子にはそのような規格を満たすための工夫がなされている。
【０００５】
図９，図１０及び図１１は、それぞれ従来の超音波探触子の内部構造を示している。図９〜図１１の各超音波探触子は、超音波ビームにフォーカス効果を与えるためにそれぞれ異なる方式を採用している。
【０００６】
まず、図９の超音波探触子では、音響レンズ１６を設けることにより超音波ビームにフォーカス効果を与えている。図９において、圧電振動子１０は、探触子ケース２０内において背面支持材１２上に固定されている。圧電振動子１０の背面支持材１２と反対側、すなわち体表接触面側は、生体との音響インピーダンスの整合をはかるための音響整合層１４で覆われている。音響整合層１４の材料としては、音響インピーダンスの値が圧電振動子と生体との中間的な値となるエポキシ樹脂等が用いられる。なお、この例では、圧電振動子１０から生体までの音響インピーダンスを段階的に少しずつ変えるために、音響整合層１４は、音響インピーダンスが互いに異なる材料からなる２つの層１４ａ及び１４ｂによって構成されている。
【０００７】
音響整合層１４の体表接触面側には、超音波ビームをフォーカスさせるための音響レンズ１６が設けられている。そして、背面支持材１２の圧電振動子１０と反対側には、圧電振動子１０と電気的に接続され送受信制御等を行う内蔵電子回路１８が設けられている。この内蔵電子回路１８は、ケーブル２４によって超音波診断装置本体に接続されている。
【０００８】
そして、この超音波探触子においては、圧電振動子１０や内蔵電子回路１８等の発熱体の近傍に熱伝導性の良い伝熱部材２２を配置することにより、発生した熱を伝熱部材２２を介して探触子外部に素早く排熱し、体表接触面側に伝わる熱をできるだけ少なくしている。
【０００９】
また、図１０の超音波探触子は、圧電振動子１０等の形状を凹面状にすることにより、超音波ビームをフォーカスさせている。すなわち、図１０の構成では、音響レンズを用いず、圧電振動子１０及び音響整合層１４を凹面形状とすることによりフォーカス効果を得ている。図１０の他の構成は図９の構成と同様である。図９のように音響レンズを設けた場合、使用する超音波の周波数が高くなると音響レンズによる減衰が無視できないものとなり、感度不足になる可能性も出てくる。このため、高周波の超音波を用いる超音波探触子には、図１０のような音響レンズのない構成が採用されることがある。
【００１０】
また、図１１の超音波探触子では、圧電振動子１０が分離壁２６により複数の振動素子に分割されている。図１１の構成は、送受信時における各振動素子の電気信号の位相を制御することにより超音波ビームをフォーカスさせる。なお、この構成では、音響整合層１４も圧電振動子１０に合わせて複数に分割されている。図１１の構成では、制御機構は複雑になるもののフォーカスを可変にできるため、体表に近いところから遠いところまで良好な分解能が得られる。
【００１１】
図１０及び図１１の構成でも、探触子内で発生した熱が体表に伝わるのを防止する手段としては、伝熱部材２２によって探触子外部に排熱する方法が採られていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の超音波探触子の排熱機構は必ずしも十分なものとは言えなかった。このため、従来は、規格を満たすために超音波探触子内部の発熱量を低減すべく、圧電振動子１０への印加電圧や、圧電振動子１０の材質、内蔵電子回路１８の増幅度や回路規模等に様々な制約を課していた。これらの制約は、従来の超音波診断装置において、高Ｓ／Ｎ比、高品質の画像を得る際の障害となっていた。
【００１３】
特に、図１０や図１１のような構造の超音波探触子では、音響レンズがない分圧電振動子１０と体表面との距離が接近しているため、この圧電振動子１０の発熱は体表面に伝わりやすく、重大な問題となっていた。
【００１４】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、圧電振動子や内部回路での発熱が問題になる場合において、探触子内部の発熱体から体表に伝わる熱の量を低減することができる超音波探触子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために、本発明に係る超音波探触子は、圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層とを含む超音波探触子において、前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を低熱伝導性音響整合層としたことを特徴とする。
【００１６】
この構成では、圧電振動子よりも体表接触面側に設けられる音響整合層を熱伝導性の低い低熱伝導性音響整合層としたことにより、圧電振動子やその他の回路からの熱は体表接触面まで伝わりにくくなる。従って、この構成によれば、超音波探触子の体表接触面の温度上昇を抑制することができる。
【００１７】
また、本発明は、前記低熱伝導性音響整合層が、基材とこの基材に分散された低熱伝導性材質の充填材とを含むこと特徴とする。
【００１８】
この構成では、低熱伝導性音響整合層を、基材に低熱伝導性の充填材を分散させることにより形成する。充填材の形態としては、微粒子、微細繊維、薄板等を採用することができる。充填材を中空の微粒子とすれば、当該微粒子の断熱性により低熱伝導性を達成することができる。
【００１９】
また、本発明は、前記低熱伝導性音響整合層が、多数の微小孔が形成された基材を含むことを特徴とする。この構成では、微小孔の断熱効果を利用して、音響整合層の低熱伝導性化を達成する。
【００２０】
また、本発明は、前記低熱伝導性音響整合層が、発泡性材料からなることを特徴とする。この構成では、発泡性材料からなる基材の内部の気泡の断熱性により、音響整合層の低熱伝導性化を達成する。
【００２１】
また、本発明は、前記充填材又は前記微小孔又は前記発泡性材料中の気泡の超音波の放射方向についての寸法を、散乱による減衰の影響を無視できる程度に小さくしたことを特徴とする。この構成によれば、基材と充填材との複合化による超音波減衰の増加を大幅に抑えることができる。
【００２２】
また、本発明は前記低熱伝導性音響整合層において、前記圧電振動子側ほど前記充填材又は前記微小孔又は前記発泡性材料中の気泡の分布密度を小さくしたことを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、前記充填材又は微小孔又は前記発泡性材料中の気泡の密度が圧電振動子に近い側ほど小さく遠い側ほど大きくなるように構成したことによって、音響整合層の音響インピーダンスは体表接触面側に近づくほど小さくなる。このような構成によれば、超音波探触子の体表接触面への熱の伝搬が抑制されるとともに、圧電振動子と生体との間の音響インピーダンスの整合作用が向上する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波探触子の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る超音波探触子の好適な実施形態の構成を示す断面図である。図１において、図１０に示した従来の構成と同一もしくはそれに相当する構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２６】
図１の構成において特徴的なことは、圧電振動子１０の体表接触面側に、低熱伝導性音響整合層１４０が設けられている点である。すなわち、本実施形態では、圧電振動子１０と生体２００表面との間に設けられる音響整合層のうちの一つを低熱伝導性の良い材料からなる低熱伝導性音響整合層１４０とすることにより、圧電振動子１０や内蔵電子回路１８からの熱が生体２００へ伝わるのを防止している。低熱伝導性音響整合層１４０の材料としては、単一材料で低熱伝導性と音響特性との両方を満足する材料が現在のところ知られていないので、本実施形態では、音響整合層の材料として一般的に用いられるエポキシ樹脂等の樹脂やセラミックス等を基材とし、この基材よりも熱伝導性の低い材料からなる微粒子をその基材に多数分散させて形成したものを低熱伝導性音響整合層１４０として用いている。なお、図１においては、超音波探触子と生体２００との間に空気層ができないようにするために、ゲル２５が用いられている。
【００２７】
図５は、低熱伝導性音響整合層１４０の構造を詳しく示した断面図であり、図５に示すように、低熱伝導性音響整合層１４０は、エポキシ樹脂等からなる基材１４０ａ中に、熱伝導性の低い低熱伝導性微粒子１４２を混入・分散させて形成したものである。低熱伝導性微粒子１４２としては、シリコーン等のゴム材からなる微粒子を用いることが好適である。
【００２８】
また、低熱伝導性音響整合層１４０としては、空気の断熱性を利用することもできる。すなわち、基材１４０ａの中に微小な気泡を多数分散させることにより、断熱効果を高めることができる。このような低熱伝導性音響整合層１４０の具体的な構成としては、例えば基材１４０ａ中に中空ガラス粒子や各種の発泡性樹脂からなる微粒子等を分散させたものが挙げられる。また、このほかに、基材１４０ａ自体を発泡樹脂や発泡セラミック等の発泡性材料とすることによっても、このような微小気泡が多数分散された低熱伝導性音響整合層１４０を形成することができる。また、図６に示すように、樹脂やセラミックスの基材１４０ａに微小孔１４４を多数形成したものを、低熱伝導性音響整合層１４０として採用することもできる。更には、これらの構成において、気泡や微小孔に低熱伝導性の良い樹脂を充填し、構造強度や音響特性を改善することも可能である。
【００２９】
また、低熱伝導性音響整合層１４０として、低熱伝導性微粒子の代わりに低熱伝導性材質からなる微細繊維を基材１４０ａ中に分散させたものを用いることもできる。また、図７に示すように低熱伝導性音響整合層１４０として、低熱伝導性微粒子の代わりに低熱伝導性薄板１４６を基材１４０ａ中に分散して積層させたものを用いることもできる。
【００３０】
このような低熱伝導性音響整合層１４０において、超音波の伝達効率等の音響特性を維持するためには、前述の低熱伝導性微粒子１４２、微小孔１４４、微細繊維又は低熱伝導性薄板１４６（以下、「微粒子等」と略する）の超音波放射方向についての寸法を、散乱による超音波減衰の影響を無視できる程度に小さくする必要がある。
【００３１】
Ｓｔｅｎｚｅｌ（ステンツェル）によれば、剛体球による反射は以下の式で表される。
【００３２】
【数１】
Ｒｐ＝（２ａ／ｘ）・｜ｚ（ｋａ）｜ …（１）
ａ：剛体球の半径（２ａ：剛体球の径）
ｘ：音源から剛体球までの距離
Ｒｐ：反射率（反射音圧の強さを表す）
ｚ：Ｓｔｅｎｚｅｌのｚ関数（ベッセル関数を含む無限級数）
ｋ：波長定数（ｋ＝２π／λ、λは超音波の波長）
上式（１）において、ｚ（ｋａ）は、反射音圧の超音波波長及び剛体球の径に対する依存性を表している。本実施形態において用いる低熱伝導性微粒子等は必ずしも剛体ではないが、剛体の場合が最も反射が強いと考えられるので、前記ｚ関数による評価を、前記微粒子等による散乱（反射と散乱とは物理的に同一である）の上限の目安として用いることができる。
【００３３】
図１２に、Ｓｔｅｎｚｅｌのｚ関数のグラフを示す。これによると、球径が波長の１／πより十分大きいところではｚ関数の値はほぼ一定であり、逆に球径が波長の１／πより十分小さいところでは、ｚ関数の値は球径と波長の比の２乗に比例して小さくなっていることがわかる。
【００３４】
以上によれば、超音波の伝達効率等の音響特性を維持するためには、微粒子等の超音波放射方向についての寸法は次式を満たす必要がある。
【００３５】
【数２】
ｄ＜λ／ｎ …（２）
ｄ：微粒子等の超音波放射方向についての寸法
λ：超音波の波長
ｎ：正数
本実施形態においては、上式（２）のｎを１５程度以上にすることが好適である。図１２のグラフによれば、ｎ＝１５とした場合の反射音圧は、寸法ｄを超音波の波長程度（すなわちｎ＝１程度）にした場合の１／１０以下となる。上式（２）は剛体に関する式であり、剛体は音響インピーダンスが無限大で、超音波の反射が最も強い場合と考えられる。これに対して、実際の微粒子等は音響インピーダンスが剛体よりも小さいので、超音波の反射は剛体の場合より小さい。従って、ｎが１５以上というのはあくまで目安であり、実際の微粒子等ではｎを１５より小さくしても十分な場合もある。
【００３６】
なお、本実施形態において、低熱伝導性微粒子１４２の形状は球に限定されるものではなく、また微小孔１４４の断面形状も円に限定されるものではない。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、所定条件を満たす大きさの低熱伝導性の微粒子等を基材に分散させて形成した低熱伝導性音響整合層１４０を用いたことにより、音響特性の劣化を最低限に抑えつつ低熱伝導性を増すことができるので、圧電振動子１０や内蔵電子回路１８から発生する熱が生体２００側に伝わるのを防ぎ、超音波探触子の体表接触面の温度上昇を抑えることができる。この結果、圧電振動子１０への印加電圧や内蔵電子回路１８の規模等を多少大きくしても、温度に関する規格を満たすことができるので、内蔵電子回路の回路規模、圧電振動子への印加電圧や圧電振動子の材料の選択等、超音波探触子の設計の自由度が増し、より高性能の超音波探触子を得ることができる。
【００３８】
また、基材に低熱伝導性の微粒子等を分散させることは音響整合層全体としての音響インピーダンスに変化をもたらすので、本実施形態の低熱伝導性音響整合層によれば、エポキシ樹脂等の基材だけでは困難であった音響インピーダンスの微調整が可能になる。例えば、２層構造の音響整合層を有する超音波振動子において、圧電振動子側の音響整合層としてガラス材質からなるものを用いた場合、体表接触面側の音響整合層としてエポキシ樹脂単体からなるものを用いると音響インピーダンスが理想値より大きくなってロスが生じるが、このエポキシ樹脂の層にシリコーンや中空ガラス等の微粒子を分散させれば、音響インピーダンスを低下させて理想値に近づけることが可能となる。
【００３９】
以上では、図１のごとく圧電振動子１０を凹面形状にした超音波探触子について説明したが、本発明は、図２のように圧電振動子１０を複数に分割する場合や、図３のように音響レンズ１６を設ける場合にも適用可能である。図２及び図３において、図１の各構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。図２及び図３の構成においても、低熱伝導性音響整合層１４０を設けることにより、超音波探触子内部で発生した熱が生体側に伝わるのを防ぐことができる。
【００４０】
なお、以上の説明においては、２層からなる音響整合層のうちの１層を低熱伝導性音響整合層とする例について説明したが、本発明はこのような構成に限らず、音響整合層が１層しかない超音波探触子や３層以上の音響整合層を持つ超音波探触子にも適用可能である。複数層の音響整合層を持つ超音波探触子では、原理的には複数の層のうちのどの層を低熱伝導性音響整合層としても、本実施形態と同様の効果が得られる。また、複数層の音響整合層をすべて低熱伝導性音響整合層とすることも可能である。
【００４１】
また、図１では内蔵電子回路１８を含む超音波探触子について説明したが、本発明は、図４に示すような内蔵電子回路を含まない超音波探触子にも適用可能である。
【００４２】
次に、本実施形態の変形例について説明する。図８は、本実施形態の変形例に係る超音波探触子の要部断面を示した図である。図１の構成では、低熱伝導性音響整合層１４０内の低熱伝導性微粒子の分布は一様であったが、この変形例では、低熱伝導性微粒子の分布状態に変化を持たせた低熱伝導性音響整合層１５０を用いている。この低熱伝導性音響整合層１５０は、圧電振動子側から体表接触面側に向かって低熱伝導性微粒子の分布密度が次第に濃くなっていくように形成されている。このような構成の低熱伝導性音響整合層１５０によれば、音響インピーダンスが圧電振動子側から体表接触面側に向かって連続的に小さくなっていくので、理想的な音響インピーダンス特性を実現することができる。もちろん、この構成は、低熱伝導性音響整合層１５０は、体表接触面の温度上昇を抑えるという点でも図１の低熱伝導性音響整合層１４０と同様の効果が得られる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、音響整合層を低熱伝導性の部材としたことにより、超音波探触子内部の発熱体から体表接触面に伝わる熱の量を低減して体表接触面の温度上昇を抑えることが可能となる。このため、超音波探触子の温度に関する規格を容易に満たすことができるので、超音波探触子の設計の自由度が増し、より高性能の超音波探触子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探触子の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る超音波探触子の別の例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る超音波探触子の別の例を示す断面図である。
【図４】内蔵電子回路のない超音波探触子に低熱伝導性音響整合層を適用した例の断面図である。
【図５】基材に低熱伝導性微粒子を分散させた低熱伝導性音響整合層の一例を示す断面図である。
【図６】基材に多数の微小孔を設けた低熱伝導性音響整合層の例を示す斜視図である。
【図７】基材に低熱伝導性材質からなる薄板を分散積層した低熱伝導性音響整合層の例を示す斜視図である。
【図８】実施形態の変形例を示す断面図である。
【図９】従来の超音波探触子を示す断面図である。
【図１０】従来の超音波探触子の別の例を示す断面図である。
【図１１】従来の超音波探触子の別の例を示す断面図である。
【図１２】Ｓｔｅｎｚｅｌのｚ関数のグラフを示す図である。
【符号の説明】
１０圧電振動子、１２背面支持材、１４音響整合層、１６音響レンズ、１８内蔵電子回路、２０探触子ケース、２２伝熱部材、２４ケーブル、２５ゲル、２６分離壁、１４０，１５０低熱伝導性音響整合層、１４２
低熱伝導性微粒子、１４４微小孔、１４６低熱伝導性薄板。

Claims

圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層と、を含む超音波探触子において、
前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を低熱伝導性音響整合層とし、
前記低熱伝導性音響整合層として、基材に対し、該基材よりも熱伝導性の低い材質からなる微細繊維を分散させたものを用いたことを特徴とする超音波探触子。
圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層と、を含む超音波探触子において、
前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を低熱伝導性音響整合層とし、
前記低熱伝導性音響整合層として、基材に対し、該基材よりも熱伝導性の低い材質からなる薄板を分散させたものを用いたことを特徴とする超音波探触子。
圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層と、を含む超音波探触子において、
前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を低熱伝導性音響整合層とし、
前記低熱伝導性音響整合層は、基材に対し、該基材よりも熱伝導性の低い材質からなる充填材、又は中空微粒子、又は微小孔、を分散させたものであり、前記充填材又は前記中空微粒子又は前記微小孔の超音波の放射方向についての寸法を、散乱による減衰の影響を無視できる程度に小さくしたことを特徴とする超音波探触子。
圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層と、を含む超音波探触子において、
前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を発泡性の基材からなる低熱伝導性音響整合層とし、
前記発泡性の基材の気泡の超音波の放射方向についての寸法を、散乱による減衰の影響を無視できる程度に小さくしたことを特徴とする超音波探触子。
圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層と、を含む超音波探触子において、
前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を低熱伝導性音響整合層とし、
前記低熱伝導性音響整合層は、基材に対し、該基材よりも熱伝導性の低い材質からなる充填材、又は中空微粒子、又は微小孔、を分散させたものであり、
前記低熱伝導性音響整合層において、前記圧電振動子側ほど前記充填材又は前記中空微粒子又は前記微小孔の分布密度を小さくしたことを特徴とする超音波探触子。
圧電振動子と、この圧電振動子を覆う単層又は複数層の音響整合層と、を含む超音波探触子において、
前記音響整合層の少なくとも１つの層の一方を発泡性の基材からなる低熱伝導性音響整合層とし、
前記低熱伝導性音響整合層において、前記圧電振動子側ほど前記発泡性の基材の気泡の分布密度を小さくしたことを特徴とする超音波探触子。