JP3964508B2 - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して被検体内の診断部位について超音波画像を得る超音波診断技術において、使用周波数帯域を広くして超音波診断の効率を向上することができる超音波探触子及びその超音波探触子を用いた超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波探触子は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層とを備えて成っていた。そして、上記音響整合層は、例えば１層又は２層のシート状に形成されており、上記振動子から発生される超音波の特定の周波数に対して効率的に超音波を診断部位に送受波できるように、音響インピーダンスのマッチングの条件が決められていた。
【０００３】
具体的には、２層のシート状音響整合層として、振動子の中心周波数が2.5ＭHzで音響インピーダンスが２８ＭRaylの場合、第一音響整合層としては音響インピーダンスが８ＭRayl程度で膜厚を上記中心周波数に対して１／４波長の厚さに形成し、第二音響整合層としては音響インピーダンスが２ＭRayl程度で膜厚を同様に１／４波長の厚さに形成することが、“ TRANSACTION ON SONICS AND ULTRASONICS ”ＶＯＬ．ＳＵ−１３，ＮＯ．１（ＭＡＲＣＨ，１９６６）の第２０〜３０頁に掲載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の超音波探触子においては、音響整合層が振動子の中心周波数に対して１／４波長の厚さで１層又は２層のシート状に形成されていたので、特定の周波数に対してのみ効率的に超音波が送受波されるように音響整合層の条件が決められていた。したがって、従来の超音波探触子は、図１９に示すように、使用周波数帯域に対して信号強度分布が狭いものであった。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が限られ、中心周波数から外れた周波数帯域では殆ど通過できないため、超音波探触子としての使用可能な周波数が制限されていた。よって、同一の超音波診断装置で患者の病理診断等を行う場合に、広い視野の断層像を観察する場合には低周波数用の超音波探触子を用い、また分解能の良い断層像を観察する場合には高周波数用の超音波探触子を用い、さらにドップラ計測による血流像を観察する場合には別の周波数の超音波探触子を用いるというように、それぞれの超音波探触子を付け換えて使用しなければならなかった。したがって、超音波診断の効率が悪いと共に、それらの超音波探触子を多種、多数用意しておかなければならなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、使用周波数帯域を広くして超音波診断の効率を向上することができる超音波探触子及びその超音波探触子を用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波探触子は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層と、この音響整合層の前面側に設けられ上記振動子から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させる音響レンズとを有して成る超音波探触子において、上記音響整合層は、音響インピーダンスが上記振動子のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材を用いて振動子側の断面積が大きく形成されると共に被検体側の断面積が小さく形成され且つ振動子側から被検体側に向う一断面が指数関数状又は三角関数状に形成された多数の先細柱状体を、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、これら多数の先細柱状体間の隙間に音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材を充満させて固化して所定の厚さの平板状に仕上げ、音響インピーダンスが厚さ方向に連続的に変化する構造に形成したものである。
【０００８】
さらに、上記第一の音響整合材は、金属、半導体、セラミックス或いは樹脂に、金属又は酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が１０〜３０ＭRaylのものであり、第二の音響整合材は、各種の樹脂、又は樹脂中に金属或いは酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が1.5〜３ＭRaylのものである。
【０００９】
さらにまた、上記第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体は、円錐状或いは角錐状又は母線が指数関数若しくは三角関数で表される錐状に形成されたもの、又は断面が鋸歯状或いは指数関数状若しくは三角関数状に形成された多数の板状のものを超音波の波長よりも短い間隔で切断して形成されたものである。
【００１２】
上記超音波探触子の関連発明としての超音波診断装置は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層と、この音響整合層の前面側に設けられ上記振動子から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させる音響レンズとを有して成る超音波探触子と、この超音波探触子内の振動子を駆動して超音波を発生させると共に反射波を受波する超音波送受波部と、この超音波送受波部からの受波信号を入力して画像化処理を行う画像構成部と、この画像構成部からのデータを一時的に記憶すると共に任意の表示が可能なように変換を行う画像メモリ部と、この画像メモリ部からの画像データを取り込んで画像表示を行う画像表示部と、特定の周波数帯域で上記超音波探触子から超音波を送受波させる周波数選択器と、を有する超音波診断装置において、上記超音波探触子として請求項１記載の超音波探触子を用いたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による超音波探触子の実施の形態を示す分解斜視図である。この超音波探触子は、超音波を利用して被検体内の診断部位について超音波画像を得る超音波診断技術において上記診断部位に向けて実際に超音波を送受信するもので、図１に示すように、振動子１と、ケーブル２ａ，２ｂと、音響整合層３とを有して成る。
【００１４】
上記振動子１は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信するもので、電気エネルギーと超音波エネルギーとの変換を行うＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛系磁器）等の圧電材料から成る。この振動子１は、短冊状に形成された多数の振動子素子を１列状に配列したもので、各振動子素子の上下両面には該振動子素子を駆動するための電極４ａ，４ｂが設けられている。
【００１５】
上記振動子１の電極４ａ，４ｂには、ケーブル２ａ，２ｂが接続されている。このケーブル２ａ，２ｂは、図示外の超音波送受信部から送波信号を供給すると共に、受信した反射エコー信号を取り込むもので、ケーブル２ａがグランド線に対応し、ケーブル２ｂが信号線に対応している。なお、上記信号線側のケーブル２ｂには、上記振動子１の各振動子素子に接続される導線５，５，…が設けられている。
【００１６】
上記振動子１の前面側には、音響整合層３が被覆されている。この音響整合層３は、振動子１と被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとるもので、被検体の生体組織の音響インピーダンスに対して振動子１の音響インピーダンスが桁外れに大きいことから、両者の中間的な値の音響インピーダンスとされると共に、その厚さが超音波の波長の１／４になるように形成されている。
【００１７】
なお、上記振動子１の裏面側には、音響減衰層６が設けられている。この音響減衰層６は、上記振動子１の裏面側から打ち出される超音波が再び該振動子１に戻ってこないようにするもので、超音波の減衰の大きい材料を使用して超音波を減衰させ振動子１の前面側への音響的影響をなくすようになっている。また、上記音響整合層３の前面側には、音響レンズ７が設けられている。この音響レンズ７は、上記振動子１から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させるものである。
【００１８】
ここで、本発明においては、上記音響整合層３は、その音響インピーダンスが上記振動子１側から被検体側（音響レンズ７側）に向けて厚さ方向に連続的に変化する構造に形成されている。すなわち、図１に示すように、上記音響整合層３の構造は、音響インピーダンスが振動子１のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材と、音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材とを用い、上記第一の音響整合材で振動子１側の断面積が大きく且つ被検体側の断面積が小さく形成された多数の先細柱状体８，８，…を超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものとされている。
【００１９】
そして、上記先細柱状体８，８，…を形成する第一の音響整合材は、金属、半導体、セラミックス或いは樹脂に、金属又は酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が１０〜３０ＭRaylのものであり、第二の音響整合材９は、各種の樹脂、又は樹脂中に金属或いは酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が1.5〜３ＭRaylのものとされている。これは、上記振動子１の音響インピーダンスは２０〜３０ＭRaylと考えられ、被検体の生体組織の音響インピーダンスが1.5ＭRayl程度と考えられるから、それらに近づけようとするためである。
【００２０】
上記材料の具体例を挙げると、第一の音響整合材としては、アルミニウム（１７ＭRayl），錫（２４ＭRayl），鉛（２２ＭRayl），マグネシウム（１０ＭRayl），シリコン（２０ＭRayl），ガラス（１３ＭRayl），水晶（１５ＭRayl），複合材でエポキシ樹脂にタングステンを混入したもの（１０ＭRayl）等がある。また、第二の音響整合材９としては、エポキシ，ポリウレタン，ポリスチレン，ポリエチレン，ポリ塩化ビフェニールなどのプラスチック類やゴム類がある。
【００２１】
図２は上記音響整合層３の構造の第一の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を円錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図２（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。図２（ｂ）に示すように、多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させることにより、音響整合層３の音響インピーダンスを、図１に示す振動子１側から被検体側（音響レンズ７側）に向けて厚さ方向に連続的に変化させることができる。
【００２２】
図３は上記音響整合層３の構造の第二の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を角錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図３（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２３】
図４は上記音響整合層３の構造の第三の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を母線が指数関数で表される錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図４（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２４】
図５は上記音響整合層３の構造の第四の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を母線が三角関数で表される錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図５（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２５】
図６は上記音響整合層３の構造の第五の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を、図６（ａ）に示すように断面が鋸歯状に形成された多数の板状の部材１０，１０，…を図６(ｂ）に示すように超音波の波長よりも短い間隔で切断して溝１１，１１，…を入れマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２６】
図７は上記音響整合層３の構造の第六の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を、図７（ａ）に示すように断面が指数関数状に形成された多数の板状の部材１２，１２，…を図７（ｂ）に示すように超音波の波長よりも短い間隔で切断して溝１１，１１，…を入れマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２７】
図８は上記音響整合層３の構造の第七の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を、図８（ａ）に示すように断面が三角関数状に形成された多数の板状の部材１３，１３，…を図８（ｂ）に示すように超音波の波長よりも短い間隔で切断して溝１１，１１，…を入れマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２８】
なお、図２に示す例では、円錐状の先細柱状体８，８，…をその底部において隙間なく隣接して配列したものとしたが、本発明はこれに限らず、図９（ａ）に示すように、上記円錐状の先細柱状体８，８，…の底部を適宜の間隔だけ離して配列してもよい。また、図９（ｂ）に示すように、円錐状の先細柱状体８の先端部を適宜の長さだけ切り取って断面が台形状の先細柱状体８′を形成し、この多数の先細柱状体８′，８′，…を図２（ｂ）に示すと同様に隣接して配列してもよい。さらに、図９（ｃ）に示すように、上記多数の先細柱状体８′，８′，…の底部を適宜の間隔だけ離して配列してもよい。これらの変形例により、音響整合層３の音響インピーダンスを、厚さ方向に連続的に変化させる状態を各種調整することができる。なお、これらの変形例は、図２に示す例に限らず、図３〜図８に示す各種の音響整合層３についても同様のことが言える。
【００２９】
以上の図２〜図８に示す各種の音響整合層３によれば、その音響インピーダンスを、図１に示す振動子１側から被検体側（音響レンズ７側）に向けて厚さ方向に連続的に変化させることができる。また、その音響インピーダンスは、振動子１の値から被検体の生体組織の値まで連続的に変化させることができ、音響インピーダンスのミスマッチによる超音波の反射を少なくすることができる。したがって、図１８に示すように、使用周波数帯域に対して信号強度分布を広くすることができる。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が拡がり、中心周波数から離れた周波数帯域でも通過することができ、超音波探触子としての使用可能な周波数を拡大することができる。
【００３０】
次に、上記のように構成された超音波探触子の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。まず、第一の音響整合材で多数の先細柱状体８，８，…を作製する（図１０のステップＳ１）。上記第一の音響整合材は、前述のように音響インピーダンスが振動子１のそれと同等か或いはそれよりも低い材料から成る。そして、上記先細柱状体８は、図１１（ａ）に示すように、図１に示す振動子１側の断面積が大きく且つ被検体側（音響レンズ７側）の断面積が小さく形成されると共に、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に多数配列されている。図１１（ａ）においては、上記多数の先細柱状体８，８，…は、図４に示すと同様に母線が指数関数で表される錐状に形成されている。なお、この先細柱状体８，８，…の作製は、どのような方法によってもよく、例えばベース部材１４の上面を機械加工により研削してもよい。
【００３１】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間に第二の音響整合材９を充満させて固化する（ステップＳ２）。上記第二の音響整合材９は、音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い材料から成る。これにより、図１１（ｂ）に示すように、第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間が総て第二の音響整合材９で埋められる。
【００３２】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を総て第二の音響整合材９で埋めたものを、所定の厚さに仕上げて音響整合層３を完成させる（ステップＳ３）。これにより、図１１（ｃ）に示すように、例えば図１１（ａ）に示すベース部材１４の下面を削るなどして所定の厚さに仕上げ、第一の音響整合材（８）と第二の音響整合材９との複合材から成る音響整合層３が出来上がる。
【００３３】
その後、上記音響整合層３を振動子１の前面側に被覆して固定する（ステップＳ４）。すなわち、図１において、振動子１側に多数の先細柱状体８，８，…の底部を向けると共にその先端部を音響レンズ７側に向けて、音響整合層３を振動子１の前面側に被覆し、接着剤などを用いて接着固定する。これにより、超音波探触子の基本的な部分が製造される。
【００３４】
次に、同じく超音波探触子の製造方法の他の例について、図１２及び図１３を参照して説明する。まず、図１３（ｃ）に示すように、振動子側の断面積が大きく且つ被検体側の断面積が小さく形成されると共に超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列される多数の先細柱状体８，８，…を作製するための型を作製する（図１２のステップＡ）。
【００３５】
この型の作製の具体例として、放電加工を用いる方法について説明する。図１３（ａ）に示すように、放電加工油１５を注ぎ込んだ放電加工槽１６内に型材１７を配置し、この型材１７の上面に略垂直に放電軸１８を位置させ、上記型材１７と放電軸１８との間に放電加工油１５を介して電源１９から電圧を印加し、上記放電軸１８に倣った所定形状の穴２０を順次加工する。このとき、上記型材１７を矢印Ｐの方向に順次移動させる。このように型材１７を順次移動して、所定数の穴２０，２０，…がマトリクス状に明けられたら穴加工を終了する。そして、この穴加工終了後の型材１７を放電加工槽１６から取り出すことにより、図１３（ｂ）に示すように先細柱状体８，８，…を作製するための型２１が作製される。
【００３６】
次に、上記のように作製された型２１に音響インピーダンスが振動子のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材を流し込んでマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…を作製する（ステップＢ）。このとき、図１３（ｂ）に示すように、上記の型２１の穴２０，２０，…に第一の音響整合材の材料２２を流し込んで固化させ、その後上記の型２１から引き抜くことにより、図１３（ｃ）に示すように多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００３７】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間に音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材９を充満させて固化する（ステップＣ）。これにより、図１３（ｄ）に示すように、第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間が総て第二の音響整合材９で埋められる。
【００３８】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を総て第二の音響整合材９で埋めたものを、所定の厚さに仕上げて音響整合層３を完成させる（ステップＤ）。これにより、図１３（ｅ）に示すように、例えば図１３（ｃ）に示すベース部材１４の下面を削るなどして所定の厚さに仕上げ、第一の音響整合材（８）と第二の音響整合材９との複合材から成る音響整合層３が出来上がる。
【００３９】
その後、上記音響整合層３を振動子１の前面側に被覆して固定する（ステップＥ）。すなわち、図１において、振動子１側に多数の先細柱状体８，８，…の底部を向けると共にその先端部を音響レンズ７側に向けて、音響整合層３を振動子１の前面側に被覆し、接着剤などを用いて接着固定する。これにより、超音波探触子の基本的な部分が製造される。
【００４０】
図１４は、図１２のステップＡ，Ｂの具体例の他の例を示す説明図である。この例は、光造形法を用いて多数の先細柱状体を作製するための型を作製するものである。すなわち、図１４（ａ）に示すように、光硬化性レジン２３を注ぎ込んだレジン槽２４の内部に上下テーブル２５を配置し、この上下テーブル２５の上面に型材２６をセットする。この状態で、上記型材２６の上面に略垂直にレーザ発振器２７を位置させ、対物レンズで集光しながら例えば紫外レーザ２８を発振し、上記レーザ発振器２７を所定の経路２９で水平方向に走査して１層ごとに形状を作りながら上記上下テーブル２５を順次上げて行く。これにより、多数の先細柱状体を作製するためのマスタ３０が作製される。
【００４１】
次に、図１４（ｂ）に示すように、上記作製されたマスタ３０を流し込み容器３１内に入れ、後に使用する鋳込み口３２が確保できるように保持した状態で上記流し込み容器３１内に耐熱材料３３を流し込み、この耐熱材料３３を固化させる。そして、上記耐熱材料３３が固化したところで、内部に封じ込められたマスタ３０を溶かすことによって、多数の先細柱状体を作製するための型が作製される。
【００４２】
その後、図１４（ｃ）に示すように、上記のように作製された型３４を流し込み容器３１内から取り出し、この型３４に形成された鋳込み口３２から第一の音響整合材の材料３５を流し込む。そして、この材料３５が内部で固化することにより、図１３（ｃ）と同様に多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００４３】
図１５は、図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。この例は、光又はＸ線リソグラフィを用いて多数の先細柱状体を作製するための型を作製するものである。すなわち、図１５（ａ）に示すように、光源又はＸ線源３６からの光又はＸ線をマスク３７のパターン３８を介してレジスト３９に露光し、パターニングを行う。次に、図１５（ｂ）に示すように、上記露光後のレジスト３９を現像して、パターン３８以外のレジスト３９を除去する。
【００４４】
次に、図１５（ｃ）に示すように、残留したレジスト３９′が固定されている導電性基板４０をベースにメッキで金属４１を析出させる。そして、図１５（ｄ）に示すように、上記残留したレジスト３９′を除去することにより、多数の先細柱状体を作製するための型４２が作製される。その後、図１５（ｅ）に示すように、上記のように作製された型４２に第一の音響整合材の材料４３を流し込んで固化させ、上記の型４２から引き抜くことにより、図１３（ｃ）と同様に多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００４５】
図１６は、図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。この例も上記と同様に、光又はＸ線リソグラフィを用いて多数の先細柱状体を作製するための型を作製するものである。すなわち、図１６（ａ）に示すように、光源又はＸ線源３６からの光又はＸ線をマスク３７のパターン３８を介してレジスト３９に露光し、パターニングを行う。次に、図１６（ｂ）に示すように、上記露光後のレジスト３９を現像してパターン３８を形成する。次に、図１６（ｃ）に示すように、残留したレジスト３９をさらにマスクにして、基板４４上の酸化膜４５をエッチングにより除去する。
【００４６】
そして、図１６（ｄ）に示すように、上記の基板４４として例えばシリコン単結晶などを用いることにより、アルカリ水溶液による異方性エッチングが可能であり、例えば角錐状の穴４６を形成して多数の先細柱状体を作製するための型４７が作製される。その後、図１６（ｅ）に示すように、上記のように作製された型４７に第一の音響整合材の材料４３を流し込んで固化させ、上記の型４７から引き抜くことにより、図１３（ｃ）と同様に多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００４７】
図１７は前述のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。すなわち、この超音波診断装置は、図１７に示すように、被検体内へ超音波を送受波する超音波探触子５０と、この超音波探触子５０内の振動子を駆動して超音波を発生させると共に反射波を受波する超音波送受波部５１と、この超音波送受波部５１からの受波信号を入力して画像化処理を行う画像構成部５２と、この画像構成部５２からのデータを一時的に記憶すると共に任意の表示が可能なように変換を行う画像メモリ部５３と、この画像メモリ部５３からの画像データを取り込んで画像表示を行う画像表示部５４と、上記各構成要素を制御する制御部５５とを有して成る超音波診断装置において、上記超音波探触子５０として図１〜図９のいずれかに記載の超音波探触子を用いると共に、上記制御部５５へ各種の操作指令を入力するための操作部５６の内部に特定の周波数帯域で超音波を送受波させる周波数選択器５７を設けたものである。
【００４８】
このように構成された超音波診断装置によれば、上記超音波探触子５０として図１〜図９のいずれかに記載の超音波探触子を用いたことにより、図１８に示すように使用周波数帯域に対して信号強度分布を広くすることができる。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が拡がり、中心周波数から離れた周波数帯域でも通過することができ、超音波診断装置としての使用可能な周波数を拡大することができる。また、操作部５６の内部に周波数選択器５７を設けたことにより、この周波数選択器５７を操作して上記超音波探触子５０をどの周波数帯域で使用するかを指定することができる。このことから、従来は使用する周波数帯域の違いにより超音波探触子をいちいち付け換えていたのを、一つの超音波探触子５０で広い周波数範囲についてそのまま使用することができる。したがって、超音波診断の効率を向上することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項１に係る超音波探触子によれば、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層を、音響インピーダンスが上記振動子のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材を用いて振動子側の断面積が大きく形成されると共に被検体側の断面積が小さく形成され且つ振動子側から被検体側に向う一断面が指数関数状又は三角関数状に形成された多数の先細柱状体を、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、これら多数の先細柱状体間の隙間に音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材を充満させて固化して所定の厚さの平板状に仕上げ、音響インピーダンスが厚さ方向に連続的に変化する構造に形成したことにより、従来においては特定の周波数に対してのみ効率的に超音波が送受波されるように音響整合層の条件が決められていたのを、ある拡がりを有する周波数帯域に対して効率的に超音波が送受波でき、使用周波数帯域を広くすることができる。したがって、従来は専用に使用していた低周波数用、高周波数用、ドップラ用などの複数の超音波探触子の機能を１本で実現できるため、超音波探触子の付け換えを要さず、超音波診断の効率を向上することができる。また、それらの超音波探触子を多種、多数用意することなく、取り扱いを容易とすることができる。
【００５１】
また、請求項２に係る超音波診断装置によれば、その超音波探触子として請求項１記載の超音波探触子を用いたことにより、従来においては特定の周波数に対してのみ効率的に超音波が送受波されるように超音波探触子の音響整合層の条件が決められていたのを、ある拡がりを有する周波数帯域に対して効率的に超音波が送受波でき、使用周波数帯域を広くすることができる。例えば、図１８に示すように使用周波数帯域に対して信号強度分布を広くすることができる。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が拡がり、中心周波数から離れた周波数帯域でも通過することができ、超音波診断装置としての使用可能な周波数を拡大することができる。このことから、従来は使用する周波数帯域の違いにより超音波探触子をいちいち付け換えていたのを、一つの超音波探触子で広い周波数範囲についてそのまま使用することができる。したがって、超音波診断の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波探触子の実施の形態を示す分解斜視図である。
【図２】音響整合層の構造の第一の具体例を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】音響整合層の構造の第二の具体例を示す説明図である。
【図４】音響整合層の構造の第三の具体例を示す説明図である。
【図５】音響整合層の構造の第四の具体例を示す説明図である。
【図６】音響整合層の構造の第五の具体例を示す説明図である。
【図７】音響整合層の構造の第六の具体例を示す説明図である。
【図８】音響整合層の構造の第七の具体例を示す説明図である。
【図９】上記音響整合層の先細柱状体の配列の変形例を示す説明図である。
【図１０】 上記超音波探触子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１０の手順を説明するための工程説明図である。
【図１２】上記超音波探触子の製造方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
【図１３】図１２の手順を説明するための工程説明図である。
【図１４】図１２のステップＡ，Ｂの具体例の他の例を示す説明図である。
【図１５】図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。
【図１６】図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。
【図１７】前述のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明による超音波探触子の周波数−信号強度の分布特性を示すグラフである。
【図１９】従来の超音波探触子の周波数−信号強度の分布特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…振動子
２ａ，２ｂ…ケーブル
３…音響整合層
４ａ，４ｂ…電極
６…音響減衰層
７…音響レンズ
８…先細柱状体
９…第二の音響整合材
５０…超音波探触子
５１…超音波送受信部
５２…画像構成部
５３…画像メモリ部
５４…画像表示部
５５…制御部
５６…操作部
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して被検体内の診断部位について超音波画像を得る超音波診断技術において、使用周波数帯域を広くして超音波診断の効率を向上することができる超音波探触子及びその超音波探触子を用いた超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波探触子は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層とを備えて成っていた。そして、上記音響整合層は、例えば１層又は２層のシート状に形成されており、上記振動子から発生される超音波の特定の周波数に対して効率的に超音波を診断部位に送受波できるように、音響インピーダンスのマッチングの条件が決められていた。
【０００３】
具体的には、２層のシート状音響整合層として、振動子の中心周波数が2.5ＭHzで音響インピーダンスが２８ＭRaylの場合、第一音響整合層としては音響インピーダンスが８ＭRayl程度で膜厚を上記中心周波数に対して１／４波長の厚さに形成し、第二音響整合層としては音響インピーダンスが２ＭRayl程度で膜厚を同様に１／４波長の厚さに形成することが、“ TRANSACTION ON SONICS AND ULTRASONICS ”ＶＯＬ．ＳＵ−１３，ＮＯ．１（ＭＡＲＣＨ，１９６６）の第２０〜３０頁に掲載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の超音波探触子においては、音響整合層が振動子の中心周波数に対して１／４波長の厚さで１層又は２層のシート状に形成されていたので、特定の周波数に対してのみ効率的に超音波が送受波されるように音響整合層の条件が決められていた。したがって、従来の超音波探触子は、図１９に示すように、使用周波数帯域に対して信号強度分布が狭いものであった。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が限られ、中心周波数から外れた周波数帯域では殆ど通過できないため、超音波探触子としての使用可能な周波数が制限されていた。よって、同一の超音波診断装置で患者の病理診断等を行う場合に、広い視野の断層像を観察する場合には低周波数用の超音波探触子を用い、また分解能の良い断層像を観察する場合には高周波数用の超音波探触子を用い、さらにドップラ計測による血流像を観察する場合には別の周波数の超音波探触子を用いるというように、それぞれの超音波探触子を付け換えて使用しなければならなかった。したがって、超音波診断の効率が悪いと共に、それらの超音波探触子を多種、多数用意しておかなければならなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、使用周波数帯域を広くして超音波診断の効率を向上することができる超音波探触子及びその超音波探触子を用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波探触子は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層と、この音響整合層の前面側に設けられ上記振動子から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させる音響レンズとを有して成る超音波探触子において、上記音響整合層は、音響インピーダンスが上記振動子のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材を用いて振動子側の断面積が大きく形成されると共に被検体側の断面積が小さく形成され且つ振動子側から被検体側に向う一断面が指数関数状又は三角関数状に形成された多数の先細柱状体を、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、これら多数の先細柱状体間の隙間に音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材を充満させて固化して所定の厚さの平板状に仕上げ、音響インピーダンスが厚さ方向に連続的に変化する構造に形成したものである。
【０００８】
さらに、上記第一の音響整合材は、金属、半導体、セラミックス或いは樹脂に、金属又は酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が１０〜３０ＭRaylのものであり、第二の音響整合材は、各種の樹脂、又は樹脂中に金属或いは酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が1.5〜３ＭRaylのものである。
【０００９】
さらにまた、上記第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体は、円錐状或いは角錐状又は母線が指数関数若しくは三角関数で表される錐状に形成されたもの、又は断面が鋸歯状或いは指数関数状若しくは三角関数状に形成された多数の板状のものを超音波の波長よりも短い間隔で切断して形成されたものである。
【００１２】
上記超音波探触子の関連発明としての超音波診断装置は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層と、この音響整合層の前面側に設けられ上記振動子から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させる音響レンズとを有して成る超音波探触子と、この超音波探触子内の振動子を駆動して超音波を発生させると共に反射波を受波する超音波送受波部と、この超音波送受波部からの受波信号を入力して画像化処理を行う画像構成部と、この画像構成部からのデータを一時的に記憶すると共に任意の表示が可能なように変換を行う画像メモリ部と、この画像メモリ部からの画像データを取り込んで画像表示を行う画像表示部と、特定の周波数帯域で上記超音波探触子から超音波を送受波させる周波数選択器と、を有する超音波診断装置において、上記超音波探触子として請求項１記載の超音波探触子を用いたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による超音波探触子の実施の形態を示す分解斜視図である。この超音波探触子は、超音波を利用して被検体内の診断部位について超音波画像を得る超音波診断技術において上記診断部位に向けて実際に超音波を送受信するもので、図１に示すように、振動子１と、ケーブル２ａ，２ｂと、音響整合層３とを有して成る。
【００１４】
上記振動子１は、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信するもので、電気エネルギーと超音波エネルギーとの変換を行うＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛系磁器）等の圧電材料から成る。この振動子１は、短冊状に形成された多数の振動子素子を１列状に配列したもので、各振動子素子の上下両面には該振動子素子を駆動するための電極４ａ，４ｂが設けられている。
【００１５】
上記振動子１の電極４ａ，４ｂには、ケーブル２ａ，２ｂが接続されている。このケーブル２ａ，２ｂは、図示外の超音波送受信部から送波信号を供給すると共に、受信した反射エコー信号を取り込むもので、ケーブル２ａがグランド線に対応し、ケーブル２ｂが信号線に対応している。なお、上記信号線側のケーブル２ｂには、上記振動子１の各振動子素子に接続される導線５，５，…が設けられている。
【００１６】
上記振動子１の前面側には、音響整合層３が被覆されている。この音響整合層３は、振動子１と被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとるもので、被検体の生体組織の音響インピーダンスに対して振動子１の音響インピーダンスが桁外れに大きいことから、両者の中間的な値の音響インピーダンスとされると共に、その厚さが超音波の波長の１／４になるように形成されている。
【００１７】
なお、上記振動子１の裏面側には、音響減衰層６が設けられている。この音響減衰層６は、上記振動子１の裏面側から打ち出される超音波が再び該振動子１に戻ってこないようにするもので、超音波の減衰の大きい材料を使用して超音波を減衰させ振動子１の前面側への音響的影響をなくすようになっている。また、上記音響整合層３の前面側には、音響レンズ７が設けられている。この音響レンズ７は、上記振動子１から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させるものである。
【００１８】
ここで、本発明においては、上記音響整合層３は、その音響インピーダンスが上記振動子１側から被検体側（音響レンズ７側）に向けて厚さ方向に連続的に変化する構造に形成されている。すなわち、図１に示すように、上記音響整合層３の構造は、音響インピーダンスが振動子１のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材と、音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材とを用い、上記第一の音響整合材で振動子１側の断面積が大きく且つ被検体側の断面積が小さく形成された多数の先細柱状体８，８，…を超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものとされている。
【００１９】
そして、上記先細柱状体８，８，…を形成する第一の音響整合材は、金属、半導体、セラミックス或いは樹脂に、金属又は酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が１０〜３０ＭRaylのものであり、第二の音響整合材９は、各種の樹脂、又は樹脂中に金属或いは酸化物を混入した複合材であって音響インピーダンスの値が1.5〜３ＭRaylのものとされている。これは、上記振動子１の音響インピーダンスは２０〜３０ＭRaylと考えられ、被検体の生体組織の音響インピーダンスが1.5ＭRayl程度と考えられるから、それらに近づけようとするためである。
【００２０】
上記材料の具体例を挙げると、第一の音響整合材としては、アルミニウム（１７ＭRayl），錫（２４ＭRayl），鉛（２２ＭRayl），マグネシウム（１０ＭRayl），シリコン（２０ＭRayl），ガラス（１３ＭRayl），水晶（１５ＭRayl），複合材でエポキシ樹脂にタングステンを混入したもの（１０ＭRayl）等がある。また、第二の音響整合材９としては、エポキシ，ポリウレタン，ポリスチレン，ポリエチレン，ポリ塩化ビフェニールなどのプラスチック類やゴム類がある。
【００２１】
図２は上記音響整合層３の構造の第一の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を円錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図２（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。図２（ｂ）に示すように、多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させることにより、音響整合層３の音響インピーダンスを、図１に示す振動子１側から被検体側（音響レンズ７側）に向けて厚さ方向に連続的に変化させることができる。
【００２２】
図３は上記音響整合層３の構造の第二の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を角錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図３（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２３】
図４は上記音響整合層３の構造の第三の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を母線が指数関数で表される錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図４（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２４】
図５は上記音響整合層３の構造の第四の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を母線が三角関数で表される錐状に形成し、これを超音波の波長よりも短い間隔で図５（ａ）に示すようにマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２５】
図６は上記音響整合層３の構造の第五の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を、図６（ａ）に示すように断面が鋸歯状に形成された多数の板状の部材１０，１０，…を図６(ｂ）に示すように超音波の波長よりも短い間隔で切断して溝１１，１１，…を入れマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２６】
図７は上記音響整合層３の構造の第六の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を、図７（ａ）に示すように断面が指数関数状に形成された多数の板状の部材１２，１２，…を図７（ｂ）に示すように超音波の波長よりも短い間隔で切断して溝１１，１１，…を入れマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２７】
図８は上記音響整合層３の構造の第七の具体例を示す説明図である。この例は、第一の音響整合材で形成された多数の先細柱状体８，８，…を、図８（ａ）に示すように断面が三角関数状に形成された多数の板状の部材１３，１３，…を図８（ｂ）に示すように超音波の波長よりも短い間隔で切断して溝１１，１１，…を入れマトリクス状に配列し、このマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を第二の音響整合材９で充満させたものである。他は、図２と同様である。
【００２８】
なお、図２に示す例では、円錐状の先細柱状体８，８，…をその底部において隙間なく隣接して配列したものとしたが、本発明はこれに限らず、図９（ａ）に示すように、上記円錐状の先細柱状体８，８，…の底部を適宜の間隔だけ離して配列してもよい。また、図９（ｂ）に示すように、円錐状の先細柱状体８の先端部を適宜の長さだけ切り取って断面が台形状の先細柱状体８′を形成し、この多数の先細柱状体８′，８′，…を図２（ｂ）に示すと同様に隣接して配列してもよい。さらに、図９（ｃ）に示すように、上記多数の先細柱状体８′，８′，…の底部を適宜の間隔だけ離して配列してもよい。これらの変形例により、音響整合層３の音響インピーダンスを、厚さ方向に連続的に変化させる状態を各種調整することができる。なお、これらの変形例は、図２に示す例に限らず、図３〜図８に示す各種の音響整合層３についても同様のことが言える。
【００２９】
以上の図２〜図８に示す各種の音響整合層３によれば、その音響インピーダンスを、図１に示す振動子１側から被検体側（音響レンズ７側）に向けて厚さ方向に連続的に変化させることができる。また、その音響インピーダンスは、振動子１の値から被検体の生体組織の値まで連続的に変化させることができ、音響インピーダンスのミスマッチによる超音波の反射を少なくすることができる。したがって、図１８に示すように、使用周波数帯域に対して信号強度分布を広くすることができる。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が拡がり、中心周波数から離れた周波数帯域でも通過することができ、超音波探触子としての使用可能な周波数を拡大することができる。
【００３０】
次に、上記のように構成された超音波探触子の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。まず、第一の音響整合材で多数の先細柱状体８，８，…を作製する（図１０のステップＳ１）。上記第一の音響整合材は、前述のように音響インピーダンスが振動子１のそれと同等か或いはそれよりも低い材料から成る。そして、上記先細柱状体８は、図１１（ａ）に示すように、図１に示す振動子１側の断面積が大きく且つ被検体側（音響レンズ７側）の断面積が小さく形成されると共に、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に多数配列されている。図１１（ａ）においては、上記多数の先細柱状体８，８，…は、図４に示すと同様に母線が指数関数で表される錐状に形成されている。なお、この先細柱状体８，８，…の作製は、どのような方法によってもよく、例えばベース部材１４の上面を機械加工により研削してもよい。
【００３１】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間に第二の音響整合材９を充満させて固化する（ステップＳ２）。上記第二の音響整合材９は、音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い材料から成る。これにより、図１１（ｂ）に示すように、第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間が総て第二の音響整合材９で埋められる。
【００３２】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を総て第二の音響整合材９で埋めたものを、所定の厚さに仕上げて音響整合層３を完成させる（ステップＳ３）。これにより、図１１（ｃ）に示すように、例えば図１１（ａ）に示すベース部材１４の下面を削るなどして所定の厚さに仕上げ、第一の音響整合材（８）と第二の音響整合材９との複合材から成る音響整合層３が出来上がる。
【００３３】
その後、上記音響整合層３を振動子１の前面側に被覆して固定する（ステップＳ４）。すなわち、図１において、振動子１側に多数の先細柱状体８，８，…の底部を向けると共にその先端部を音響レンズ７側に向けて、音響整合層３を振動子１の前面側に被覆し、接着剤などを用いて接着固定する。これにより、超音波探触子の基本的な部分が製造される。
【００３４】
次に、同じく超音波探触子の製造方法の他の例について、図１２及び図１３を参照して説明する。まず、図１３（ｃ）に示すように、振動子側の断面積が大きく且つ被検体側の断面積が小さく形成されると共に超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列される多数の先細柱状体８，８，…を作製するための型を作製する（図１２のステップＡ）。
【００３５】
この型の作製の具体例として、放電加工を用いる方法について説明する。図１３（ａ）に示すように、放電加工油１５を注ぎ込んだ放電加工槽１６内に型材１７を配置し、この型材１７の上面に略垂直に放電軸１８を位置させ、上記型材１７と放電軸１８との間に放電加工油１５を介して電源１９から電圧を印加し、上記放電軸１８に倣った所定形状の穴２０を順次加工する。このとき、上記型材１７を矢印Ｐの方向に順次移動させる。このように型材１７を順次移動して、所定数の穴２０，２０，…がマトリクス状に明けられたら穴加工を終了する。そして、この穴加工終了後の型材１７を放電加工槽１６から取り出すことにより、図１３（ｂ）に示すように先細柱状体８，８，…を作製するための型２１が作製される。
【００３６】
次に、上記のように作製された型２１に音響インピーダンスが振動子のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材を流し込んでマトリクス状に配列された多数の先細柱状体８，８，…を作製する（ステップＢ）。このとき、図１３（ｂ）に示すように、上記の型２１の穴２０，２０，…に第一の音響整合材の材料２２を流し込んで固化させ、その後上記の型２１から引き抜くことにより、図１３（ｃ）に示すように多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００３７】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間に音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材９を充満させて固化する（ステップＣ）。これにより、図１３（ｄ）に示すように、第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間が総て第二の音響整合材９で埋められる。
【００３８】
次に、上記第一の音響整合材で作製された多数の先細柱状体８，８，…間の隙間を総て第二の音響整合材９で埋めたものを、所定の厚さに仕上げて音響整合層３を完成させる（ステップＤ）。これにより、図１３（ｅ）に示すように、例えば図１３（ｃ）に示すベース部材１４の下面を削るなどして所定の厚さに仕上げ、第一の音響整合材（８）と第二の音響整合材９との複合材から成る音響整合層３が出来上がる。
【００３９】
その後、上記音響整合層３を振動子１の前面側に被覆して固定する（ステップＥ）。すなわち、図１において、振動子１側に多数の先細柱状体８，８，…の底部を向けると共にその先端部を音響レンズ７側に向けて、音響整合層３を振動子１の前面側に被覆し、接着剤などを用いて接着固定する。これにより、超音波探触子の基本的な部分が製造される。
【００４０】
図１４は、図１２のステップＡ，Ｂの具体例の他の例を示す説明図である。この例は、光造形法を用いて多数の先細柱状体を作製するための型を作製するものである。すなわち、図１４（ａ）に示すように、光硬化性レジン２３を注ぎ込んだレジン槽２４の内部に上下テーブル２５を配置し、この上下テーブル２５の上面に型材２６をセットする。この状態で、上記型材２６の上面に略垂直にレーザ発振器２７を位置させ、対物レンズで集光しながら例えば紫外レーザ２８を発振し、上記レーザ発振器２７を所定の経路２９で水平方向に走査して１層ごとに形状を作りながら上記上下テーブル２５を順次上げて行く。これにより、多数の先細柱状体を作製するためのマスタ３０が作製される。
【００４１】
次に、図１４（ｂ）に示すように、上記作製されたマスタ３０を流し込み容器３１内に入れ、後に使用する鋳込み口３２が確保できるように保持した状態で上記流し込み容器３１内に耐熱材料３３を流し込み、この耐熱材料３３を固化させる。そして、上記耐熱材料３３が固化したところで、内部に封じ込められたマスタ３０を溶かすことによって、多数の先細柱状体を作製するための型が作製される。
【００４２】
その後、図１４（ｃ）に示すように、上記のように作製された型３４を流し込み容器３１内から取り出し、この型３４に形成された鋳込み口３２から第一の音響整合材の材料３５を流し込む。そして、この材料３５が内部で固化することにより、図１３（ｃ）と同様に多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００４３】
図１５は、図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。この例は、光又はＸ線リソグラフィを用いて多数の先細柱状体を作製するための型を作製するものである。すなわち、図１５（ａ）に示すように、光源又はＸ線源３６からの光又はＸ線をマスク３７のパターン３８を介してレジスト３９に露光し、パターニングを行う。次に、図１５（ｂ）に示すように、上記露光後のレジスト３９を現像して、パターン３８以外のレジスト３９を除去する。
【００４４】
次に、図１５（ｃ）に示すように、残留したレジスト３９′が固定されている導電性基板４０をベースにメッキで金属４１を析出させる。そして、図１５（ｄ）に示すように、上記残留したレジスト３９′を除去することにより、多数の先細柱状体を作製するための型４２が作製される。その後、図１５（ｅ）に示すように、上記のように作製された型４２に第一の音響整合材の材料４３を流し込んで固化させ、上記の型４２から引き抜くことにより、図１３（ｃ）と同様に多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００４５】
図１６は、図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。この例も上記と同様に、光又はＸ線リソグラフィを用いて多数の先細柱状体を作製するための型を作製するものである。すなわち、図１６（ａ）に示すように、光源又はＸ線源３６からの光又はＸ線をマスク３７のパターン３８を介してレジスト３９に露光し、パターニングを行う。次に、図１６（ｂ）に示すように、上記露光後のレジスト３９を現像してパターン３８を形成する。次に、図１６（ｃ）に示すように、残留したレジスト３９をさらにマスクにして、基板４４上の酸化膜４５をエッチングにより除去する。
【００４６】
そして、図１６（ｄ）に示すように、上記の基板４４として例えばシリコン単結晶などを用いることにより、アルカリ水溶液による異方性エッチングが可能であり、例えば角錐状の穴４６を形成して多数の先細柱状体を作製するための型４７が作製される。その後、図１６（ｅ）に示すように、上記のように作製された型４７に第一の音響整合材の材料４３を流し込んで固化させ、上記の型４７から引き抜くことにより、図１３（ｃ）と同様に多数の先細柱状体８，８，…が作製される。
【００４７】
図１７は前述のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。すなわち、この超音波診断装置は、図１７に示すように、被検体内へ超音波を送受波する超音波探触子５０と、この超音波探触子５０内の振動子を駆動して超音波を発生させると共に反射波を受波する超音波送受波部５１と、この超音波送受波部５１からの受波信号を入力して画像化処理を行う画像構成部５２と、この画像構成部５２からのデータを一時的に記憶すると共に任意の表示が可能なように変換を行う画像メモリ部５３と、この画像メモリ部５３からの画像データを取り込んで画像表示を行う画像表示部５４と、上記各構成要素を制御する制御部５５とを有して成る超音波診断装置において、上記超音波探触子５０として図１〜図９のいずれかに記載の超音波探触子を用いると共に、上記制御部５５へ各種の操作指令を入力するための操作部５６の内部に特定の周波数帯域で超音波を送受波させる周波数選択器５７を設けたものである。
【００４８】
このように構成された超音波診断装置によれば、上記超音波探触子５０として図１〜図９のいずれかに記載の超音波探触子を用いたことにより、図１８に示すように使用周波数帯域に対して信号強度分布を広くすることができる。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が拡がり、中心周波数から離れた周波数帯域でも通過することができ、超音波診断装置としての使用可能な周波数を拡大することができる。また、操作部５６の内部に周波数選択器５７を設けたことにより、この周波数選択器５７を操作して上記超音波探触子５０をどの周波数帯域で使用するかを指定することができる。このことから、従来は使用する周波数帯域の違いにより超音波探触子をいちいち付け換えていたのを、一つの超音波探触子５０で広い周波数範囲についてそのまま使用することができる。したがって、超音波診断の効率を向上することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項１に係る超音波探触子によれば、超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層を、音響インピーダンスが上記振動子のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材を用いて振動子側の断面積が大きく形成されると共に被検体側の断面積が小さく形成され且つ振動子側から被検体側に向う一断面が指数関数状又は三角関数状に形成された多数の先細柱状体を、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、これら多数の先細柱状体間の隙間に音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材を充満させて固化して所定の厚さの平板状に仕上げ、音響インピーダンスが厚さ方向に連続的に変化する構造に形成したことにより、従来においては特定の周波数に対してのみ効率的に超音波が送受波されるように音響整合層の条件が決められていたのを、ある拡がりを有する周波数帯域に対して効率的に超音波が送受波でき、使用周波数帯域を広くすることができる。したがって、従来は専用に使用していた低周波数用、高周波数用、ドップラ用などの複数の超音波探触子の機能を１本で実現できるため、超音波探触子の付け換えを要さず、超音波診断の効率を向上することができる。また、それらの超音波探触子を多種、多数用意することなく、取り扱いを容易とすることができる。
【００５１】
また、請求項２に係る超音波診断装置によれば、その超音波探触子として請求項１記載の超音波探触子を用いたことにより、従来においては特定の周波数に対してのみ効率的に超音波が送受波されるように超音波探触子の音響整合層の条件が決められていたのを、ある拡がりを有する周波数帯域に対して効率的に超音波が送受波でき、使用周波数帯域を広くすることができる。例えば、図１８に示すように使用周波数帯域に対して信号強度分布を広くすることができる。このことから、超音波の効率的に通過できる周波数帯域が拡がり、中心周波数から離れた周波数帯域でも通過することができ、超音波診断装置としての使用可能な周波数を拡大することができる。このことから、従来は使用する周波数帯域の違いにより超音波探触子をいちいち付け換えていたのを、一つの超音波探触子で広い周波数範囲についてそのまま使用することができる。したがって、超音波診断の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波探触子の実施の形態を示す分解斜視図である。
【図２】音響整合層の構造の第一の具体例を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】音響整合層の構造の第二の具体例を示す説明図である。
【図４】音響整合層の構造の第三の具体例を示す説明図である。
【図５】音響整合層の構造の第四の具体例を示す説明図である。
【図６】音響整合層の構造の第五の具体例を示す説明図である。
【図７】音響整合層の構造の第六の具体例を示す説明図である。
【図８】音響整合層の構造の第七の具体例を示す説明図である。
【図９】上記音響整合層の先細柱状体の配列の変形例を示す説明図である。
【図１０】 上記超音波探触子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１０の手順を説明するための工程説明図である。
【図１２】上記超音波探触子の製造方法の他の例を説明するためのフローチャートである。
【図１３】図１２の手順を説明するための工程説明図である。
【図１４】図１２のステップＡ，Ｂの具体例の他の例を示す説明図である。
【図１５】図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。
【図１６】図１２のステップＡ，Ｂの具体例のさらに他の例を示す説明図である。
【図１７】前述のように構成された本発明の超音波探触子を用いた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明による超音波探触子の周波数−信号強度の分布特性を示すグラフである。
【図１９】従来の超音波探触子の周波数−信号強度の分布特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…振動子
２ａ，２ｂ…ケーブル
３…音響整合層
４ａ，４ｂ…電極
６…音響減衰層
７…音響レンズ
８…先細柱状体
９…第二の音響整合材
５０…超音波探触子
５１…超音波送受信部
５２…画像構成部
５３…画像メモリ部
５４…画像表示部
５５…制御部
５６…操作部
Claims (2)
- 超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層と、この音響整合層の前面側に設けられ上記振動子から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させる音響レンズとを有して成る超音波探触子において、
上記音響整合層は、音響インピーダンスが上記振動子のそれと同等か或いはそれよりも低い第一の音響整合材を用いて振動子側の断面積が大きく形成されると共に被検体側の断面積が小さく形成され且つ振動子側から被検体側に向う一断面が指数関数状又は三角関数状に形成された多数の先細柱状体を、超音波の波長よりも短い間隔でマトリクス状に配列し、これら多数の先細柱状体間の隙間に音響インピーダンスが被検体の生体組織のそれと同等か或いはそれよりも高い第二の音響整合材を充満させて固化して所定の厚さの平板状に仕上げ、音響インピーダンスが厚さ方向に連続的に変化する構造に形成したことを特徴とする超音波探触子。 - 超音波を打ち出すと共にその反射波を受信する振動子と、この振動子の電極に接続されたケーブルと、上記振動子の前面側に被覆され被検体の生体組織との間の音響インピーダンスのマッチングをとる音響整合層と、この音響整合層の前面側に設けられ上記振動子から前面側に打ち出される超音波ビームを集束させる音響レンズとを有して成る超音波探触子と、
この超音波探触子内の振動子を駆動して超音波を発生させると共に反射波を受波する超音波送受波部と、
この超音波送受波部からの受波信号を入力して画像化処理を行う画像構成部と、
この画像構成部からのデータを一時的に記憶すると共に任意の表示が可能なように変換を行う画像メモリ部と、
この画像メモリ部からの画像データを取り込んで画像表示を行う画像表示部と、
特定の周波数帯域で上記超音波探触子から超音波を送受波させる周波数選択器と、
を有する超音波診断装置において、
上記超音波探触子として請求項１記載の超音波探触子を用いたことを特徴とする超音波診断装置。
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