JP4349651B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

【技術分野】
本発明は超音波診断装置の探触子に係わり、特に電子走査形探触子の振動子に関する
【背景技術】
従来、超音波を送受信する電子走査形超音波診断装置の探触子は、バッキング材の上に配置された圧電振動子と、音響レンズと、圧電振動子と音響レンズとの間に設けられた音響整合層とから成る振動子を複数配列させて成る。
このような探触子において、音響整合層を備えた幅の狭い振動子が振動する際、厚み方向の変形と同時に幅方向の変形を伴うため、厚み方向の変換効率が低下する。また、幅方向の振動が厚み方向振動に干渉するため、振動子表面が一様な振幅での振動することから逸脱し、超音波診断装置の画像の劣化をもたらす。
音響整合層に繊維材を分散した振動子を配列させた探触子が、特開平10−75953号公報に開示されている。しかし、この繊維材は低い熱伝導を実現するために用いたものであり、繊維のヤング率、ポワソン比等を考慮して繊維方向を設定していない。よって、この公知例では上記課題を解決しない。
【発明の開示】
本発明は、圧電振動子と、音響レンズと、前記圧電振動子と前記音響レンズとの間に設けられた音響整合層とから成る振動子をバッキング上で複数配列させた超音波探触子において、前記音響整合層は繊維材を含み、前記繊維材の繊維方向は音波方向に垂直であり、且つ前記振動子の長手方向に対して垂直である。
【図面の簡単な説明】
図1は、本願発明の超音波探触子の内部構造を示す図である。図2は、探触子の音波の伝播モデルを示す図である。図3は、探触子における圧電振動子から人体への音波伝播路の等価回路モデルを示す図である。図4は、本願発明の超音波探触子の内部構造を詳細に示す図である。図5は、本願発明の第1の実施形態を示す図である。図6は、本願発明の繊維材を含む複合材の特性を示す図である。図7は、本願発明の繊維材を含む複合材の特性を示す図である。図8は、本願発明の効果を示す図である。図9は、本願発明の第2の実施形態を示す図である。図10は、本願発明の第3の実施形態を示す図である。図11は、本願発明の第4の実施形態を示す図である。図12は、超音波装置全体を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
図1に示すように、吸音（バッキング）材10の上にPZTなどで作られた幅が狭く細長い棒状の圧電振動子20を多数配列固着し、それらの配列方向と直交する方向で外方向に円弧状に膨出した形状の音響レンズ40と、振動子20と音響レンズ40との間に設けられた音響整合層31と音響整合層32とで覆って構成されている。振動子の電極にはリード線50が接続されている。
超音波探触子の圧電振動子としてPZTが広く用いられていが，PZTと生体あるいは水の音響インピーダンスは，それぞれZ₀＝35×10⁶［kg／m²・s］，Z_M＝1.5×10⁶［kg／m²・s］である。それらの値に大きな差異がある。そのためインピーダンスマッチングの観点から考えると，PZTの振動子を生体に接触させた場合，整合が全く取れない。そこで、音響整合層31、32を振動子20の前面に設け、振動子20の音響インピーダンスと生体の音響インピーダンスとの整合をとる。これにより振動子20の振動が効率よく生体に伝播できるようにする。
音響整合層31、32で用いるエポキシ及びポリウレタンの音響インピーダンスは2〜3［MRayl］である。生体の音響インピーダンスは1.5［MRayl］であることから、2層構成の音響整合層の上面には、エポキシ，またはポリウレタンを用いるのが最適である。音響整合層の下層には、振動子と音響整合層上層の中間の音響インピーダンスを持つ材料を用いる必要がある。そこで、エポキシまたはポリウレタンの樹脂の中に比較的密度の大きい物質の粉末を混入させ、上記した音響整合層下面に合う値を調整する。
PZTと生体との界面での反射係数Rは電気回路の場合と同様に式（1）となる。

電気回路では、λ／4の整合回路を回路の中間に挿入することが行われている。λは伝搬する信号の波長である。探触子で超音波する伝播する整合層を図2に示したモデルを基に考える。これを等価回路で表現すると図3のようになる。Z₀，Z₁，Z₂，Z_Mはそれぞれ圧電振動子，整合層（1），整合層（2），人体の音響インピーダンスである。
Z₀とZ_Mは与えられており，Z₁，Z₂なる特性インピーダンスの同軸ケーブルの端子において反射が最も少なくするために信号源と受信端の中間に入れた同軸ケーブルでそれらの特性インピーダンスZ₁とZ₂の最適値は計算で求めることができる（（社）日本電子機械工業会編「改定医用超音波機器ハンドブック」コロナ社出版、1997年1月20日、P29〜30）。表1に1／4波長の厚さの音響整合層の最適音響インピーダンスを示す。

この等価回路による探触子の最適設計法は音波の伝播が縦方向のみを考える音波の波動方程式に基づいている。整合層において横方向の変形は生じないものとしている。
またバッキング材10は、超音波振動子の背面に設けられその背面から出る超音波が再び振動子面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いる。
探触子の一例の詳細図を図4に示す。バッキング材10の上に圧電振動子20があり、圧電振動子20の上に音響整合層31、32が設置されている。圧電振動子20と音響整合層31、32と、音響レンズとで構成された振動子間は、若干隙間が開いている。
ここで、第1の実施形態として、複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説明する。この探触子の1本の振動子を図5に示す。この振動子は2層の整合層と圧電振動子で構成されている。この2つの整合層には繊維材が挿入されている。繊維材の繊維方向は音波の進行方向に対して垂直になっており、かつ振動子の長手方向に対して垂直になっている。このような構造の振動子を多数隣接してバッキング材10の上に配列した構造でアレー型探触子を構成する。具体的に整合層61は、タングステン粉末を混入したエポキシを母材とする炭素繊維の複合材を用いる。整合層62は、ポリウレタンを母材として超高分子量ポリエチレン繊維の複合材を用いる。いずれの整合層に用いる複合材もその密度と超音波の伝搬方向のヤング率は、母材のそれらと同程度にできるため、音響インピーダンスも同程度の値に調整できる。繊維方向のヤング率は非常に大きな値となり、探触子の特性の改善に大きく寄与する。
次に整合層の内部を詳細に説明する。図6（a）は繊維を同一方向に並べて作った一方向強化板である。この材料はLZ面，TZ面あるいはLT面に面対称である。このときL，T，Z軸を異方性主軸（弾性主軸，principal axis）といい，この図6（a）では主軸が互いに直交している直交異方性（orthotropy）と云う。
図6（b）のL方向に，σ_Lの応力をかけたときのひずみは式（2）となる。

ここで，E_LはL方向に引っ張ったときのヤング率，ν_LTはL方向に引っ張ったときのT方向の縮みの割合を示すポアソン比である。同様に図6（b）のT方向にσ_Tの応力を作用させると式（3）となる。

一方，せん断応力とせん断ひずみの間には式（4）の関係が成り立つ。

したがって、図6（b）のように組み合わせ応力が作用したときの応力とひずみの関係は式（5）のような行列式で表すことができる。

これがLT軸に関する直交異方性薄板のフックの法則である。
等方性材料の独立な弾性定数は2つあるが（5）式ではE_L，E_T，ν_LT，ν_TL，G_LTの5個あらわれている。ところが（ベッチの）相反定理（reciprocal theorem）と呼ばれる式（6）の関係が理論的に証明されているので直交異方性の薄板の独立な弾性定数は4個になる。

これを基本弾性定数と呼ばれている。この弾性定数は，繊維と母材の特性からある程度推定可能であり、次のようなモデルを考えることによりそれら定数は導出される。
繊維の断面はふつう円形をしており，それを母材がとりまいているが，これを図7のように繊維は繊維，母材は母材で集める。この材料をL方向に引っ張る時の伸びは，伸びにくいバネと伸びやすいバネを束ねて引っ張ったときと類似で，簡単な計算により式（7）となるはずである。

ここでE_f，E_mは繊維と母材のヤング率で，V_fは繊維の体積含有率である。繊維と母材はL方向には並列に並んでいるので，並列モデル（parallel model）と呼ばれ図7に示される。
次に、図6のT方向に引っ張ったときにはV_fの長さの強いバネと（1−V_f）の長さの弱いバネをつないだものと類似で式（8）が与えられる。

ポアソン比ν_LTとせん断弾性係数G_LTも上の直列，並列モデルの考え方を使って式（9），式（10）と求まる。

この考え方は微視弾性のなかで，材料力学的手法と呼ばれる。上の式（7）は（弾性率の）複合則と呼ばれている（堂本昌男、山本良一編、「複合材料」東京大学出版、1993年4月15日、P39〜45）。
複合材に用いるカーボンファイバーと超高分子量ポリエチレン繊維の物性を表3と表4に示す（東洋レーヨン株式会社炭素繊維カタログ、資料No.2−17.4.1改、及び東洋紡績株式会社ダイニーマカタログ A1703K）。

また母材として用いられるエポキシ樹脂の物性を表5に示す（旭化成アミダス株式会社／「プラスチック」編集部共編、「プラスチック・データブック」、（株）工業調査会出版、1999年12月1日、P267）。

整合層に用いられているポリウレタンの引張弾性率は0.88［kgf／mm²］である。カーボンファイバーのあるいは超高分子量ポリエチレンの弾性率（ヤング率）は、母材となるエポキシ樹脂とかポリウレタンに比べて少なくとも22倍以上の相違がある。最も弾性率の大きなカーボンファイバーは、エポキシ樹脂の弾性率は比べると200倍近い相違がある。このファイバーの種類は、用途に応じて製造者が任意に選択することができる。
通常の複合材においては繊維の含有率は〜50%である（森本尚夫著、「プラスチック系先端複合材料」、高分子刊行会、1998年10月5日、P133〜134）。
したがって式（7）においてV_f＝0.6の値をとるものと考えると、さきに述べたようにE_f／E_m＞20〜200であるためE_f≫E_mと考えられる。よって複合材においてと近似できる。

そのためE_Lは、繊維の物性にほとんど依存すると考えてよい。一方、式（8）よりE_Tは次式で与えられる。

式（12）においてもV_f＝0.2〜0.4且つE_f≫E_mであるためV_f／E_f≪（1−V_f／E_m）が成立する。したがって、式（13）で与えられる。

そのためE_Tは、ほとんど母材の物性に依存すると考えてよい。
複合材料におてい繊維方向と垂直方向（T方向）に圧縮し繊維方向（L方向）の伸びの割合を示すポアソン比ν_TLは，式（6）より式（14）のようになる。

ここでν_LTは繊維方向に圧縮した場合の複合材のポアソン比であり，代表的な炭素繊維複合材では，表6に示したように，ν_LT＝0.3となる（森本尚之著:先端複合材、高分子刊行会（京都）1998年10月5日、P135）。

また，一方複合材のヤング率E_Lは表3よりE_L≒150〜300［GPa］としてよい。E_Tは母材のエポキシ樹脂のヤング率に近いと考えると表4よりE_T≒6［GPa］としてよい。これによりν_TL＝0.3×（6／150）〜0.3×（6／300）＝0.012〜0.006と非常に小さい値になる。
次に炭素繊維複合材について検討したが，超高分子量ポリエチレン繊維とポリウレタンを母材とする複合材についても同様に表3と表4を参考につぎのようになる。ν_LT＝0.45，E_T≒1［GPa］，E_L≒120［GPa］となり，ν_TL≒0.45×（1／120）≒0.0038なる非常に小さい値となる。
従来の繊維材を用いない整合層では、図8aに示されるように音波の進行方向に対して垂直方向に音波が伝搬していたが、本実施形態では、アレー形探触子の振動子に設けた整合層として音波の進行方向の音波物性に対して、音波の進行方向に垂直な方向の音波物性が大きく異なる直交異方性材料で構成している。よって、図8bに示されるように音波の進行方向に対して音響インピーダンスの整合がとれ、且つ進行方向に垂直な方向に対して伝播する音波と、振動子の横幅方向の振動が結合させないようにすることができる。つまり、音響整合層を主に厚みの方向に変形させることができるため、厚み方向の変換効率を向上させることができる。また、幅方向の振動が厚み方向の振動に干渉するのを防ぎ、振動子表面が一様な振幅で振動させることにより、超音波診断装置の画像の画質を向上させることができる。
次にこの整合層の製造方法を説明する。まず、束状の繊維材をロールプレスして引き伸ばしていく。繊維材を伸ばしていく際、繊維材にエポキシまたはポリウレタン等の樹脂を流し込む。繊維材の間に樹脂が入り込み、空間隙間が無い板状の複合材が図5のように構成される。そして、板状になった複合材を圧電振動子とバッキング材等と重ね合わせて接着させ、積層された複合材を所定の間隔でワイヤー等で切断する。
また、繊維材と樹脂を予め混合させておき、繊維材が通過できる穴が複数開いた板に混合剤を押し込む。押し込まれた混合剤の繊維材は、その穴を棒状になって通過する。通過した繊維材は、板を挟んだ反対側に有る樹脂に埋めこまれて、固められる。そして、板状になった複合材を圧電振動子とバッキング材等と重ね合わせて接着させ、積層された複合材を所定の間隔でワイヤー等で切断する。このような製造方法で図5のような振動子を作成することができる。
次に第2の実施形態として、複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説明する。この探触子の1本の振動子を図9に示す。この2つの整合層には繊維材が挿入されている。第1の実施形態と異なる点は、整合層71、72の繊維材の繊維方向は音波の進行方向に対して垂直になっており、かつ振動子の長手方向に平行になっている点である。このように繊維方向を振動子の長手方向に配置することにより、繊維の長さが長くなる。よって、この実施形態では、長手方向に強度が増す。
次に第3の実施形態として、複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説明する。この探触子の1本の振動子を図10に示す。この2つの整合層には繊維材が挿入されている。第1の実施形態、第2の実施形態と異なる点は、整合層81、82の繊維材の繊維方向は音波の進行方向に対して垂直になっており、かつ振動子の長手方向に斜めになっている点である。この実施形態では、整合層の繊維方向を振動子の長手方向に斜めに配置することにより、短軸及び長手方向共に強度が増す。
次に第4の実施形態として、複合材を整合層に用いた探触子の構造を詳細に説明する。この探触子の1本の振動子を図11に示す。この2つの整合層には繊維材が挿入されている。第1の実施形態、第2の実施形態、第3の実施形態と異なる点は、整合層91と、92の繊維材の繊維方向をお互いに異ならせている点である。この実施形態では、2つの整合層の繊維方向をお互いに異ならせることにより、各層毎に短軸及び長手方向共に強度が増す。
いずれの実施形態も共通する点は、整合層の繊維材の繊維方向は、音波の進行方向に対して垂直である点にある。よって、音波の進行方向に垂直な方向に対して伝播する音波と横幅方向の振動を軽減することができる。
以上、複数の音響整合層が、いずれも繊維材を含むとして説明したが、繊維材を含む音響整合層はどちらか一方としてもよい。また、複数の音響整合層として説明したが、単層の音響整合層の探触子に適用させてもよい。
図12は、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、被検体内に向けて超音波を送受信する超音波探触子100と、この超音波探触子100を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子100で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部101と、この超音波ビーム形成部101からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置102と、この画像処理装置102からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置103とを備えて成る超音波診断装置において、超音波探触子100として図5，図9，図10，図11のいずれかに記載の振動子を設置させた超音波探触子を用いたものである。この場合は、厚み方向の変換効率を向上させ、また幅方向の振動が厚み方向の振動に干渉するのを防いだため、画像の画質を向上させた超音波診断装置を実現することができる。

Claims (6)

1. 圧電振動子と、音響レンズと、前記圧電振動子と前記音響レンズとの間に設けられた音響整合層とから成る振動子をバッキング材上に複数配列させた超音波探触子において、前記音響整合層は繊維材を含み、前記繊維材の繊維方向は音波方向に垂直であり、且つ前記振動子の長手方向に対して垂直であることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記繊維材の繊維方向のヤング率は、前記音響整合層の母材のヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記音響整合層は、前記音響レンズに接合した第１の音響整合層と、前記第１の音響整合層と前記圧電振動子との間に設けられた第２の音響整合層からなることを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
4. 前記第１の音響整合層の音響インピーダンスは、前記第２の音響整合層の音響インピーダンスより低いことを特徴とする請求項３記載の超音波探触子。
5. 前記第１の音響整合層はポリエチレン複合材であり、前記第２の音響整合層は炭素繊維複合材とであることを特徴とする請求項３記載の超音波探触子。
6. 前記請求項１に記載された超音波探触子と、前記超音波探触子を駆動して超音波を送信させると共に該超音波探触子で受信した反射エコー信号を処理して超音波ビームを形成する超音波ビーム形成部と、前記超音波ビーム形成部からの受信信号を入力して超音波画像を構成する画像処理装置と、前記画像処理装置からの画像信号を取り込んで画像表示を行う表示装置とを備えて成る超音波診断装置。

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