JP5006095B2

JP5006095B2 - 超音波探触子

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Publication number: JP5006095B2
Application number: JP2007106926A
Authority: JP
Inventors: 隆司藤井; 正平佐藤
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-04-16
Also published as: JP2008270868A

Description

本発明は超音波探触子に関し、特に、音響インピーダンスマッチングのための整合層の構造に関する。

超音波探触子は、生体に対する超音波診断のために、生体に対して超音波の送受波を行うものである。超音波探触子は、一般に、複数の振動素子からなるアレイ振動子、アレイ振動子の上側（生体側）に設けられた１又は複数の整合層、及び、アレイ振動子の下側（非生体側）に設けられたバッキング、等を有する。整合層は、アレイ振動子と生体との間において音響インピーダンスマッチングを図るための部材である。アレイ振動子と生体との間には、多くの場合に、積層された複数の整合層が設けられる。１Ｄアレイ振動子の場合、最上部の整合層の上にシリコーンゴム等からなる音響レンズが設けられる。整合層は、一般に、エポキシ樹脂、ポリウレタン等の材料を基材として構成された比較的に硬質の部材である。整合層は、通常、アレイ振動子（振動素子アレイ）を構成する複数の振動素子の配列と同じ配列をもった複数の整合素子（整合要素）で構成される。これは素子間における音響的なクロストークを防止又は軽減するためであり、また、指向特性を良好にするためである。そのような素子分離はダイシングソー等の工具を利用して実施される。

特開平１０−２５３６０４号公報特開平９−１４９４９６号公報特開２００１−２４５８８３号公報特開２００３−３３３６９４号公報

各整合層については、そこにおいて、いわゆる１／４波長整合作用が十分に発揮されるように、その材料が選定され、また、その厚みが定められる。ここで、１／４波長整合作用は、整合層の厚みをλ／４（あるいはその奇数倍）とする条件である（但し、λは超音波の波長）。具体的には、整合層内における波の干渉により、進行方向に伝搬する波を増強し且つそれとは逆方向に伝搬する波を減弱する作用を発揮させるものである。

しかしながら、本発明者らの実験によれば、素子ごとに分離された整合層（整合素子アレイ）上に、素子ごとに分離されていない水平方向に一様な軟質媒体（例えば、ゴム系材料からなる音響レンズ、等）が存在するような特定の構造（分離構造と非分離構造の接合部分）が存在すると、それに起因して、当該整合層が期待通りの整合作用を発揮しないという固有の問題が確認されている。つまり、そのような異種形態の接合によって個々の整合素子がそれ本体の役割である１／４波長整合作用を十分に発揮しなくなる現象である。１／４波長整合作用が十分に発揮されないと、送信時の利得及び受信時の感度が低下してしまい、ひいては超音波画像の画質が劣化してしまう。

特許文献１に記載された超音波探触子においては、整合層（音響整合層）と音響レンズとの間にシート状のゲル状材料が設けられている。但し、そのゲル状材料は単に接着作用を発揮するものであり、音響的に特別な働きを有するものではないと認められる。特許文献２に記載された超音波探触子においても、整合層と音響レンズとの間に接着フィルムが設けられているが、かかる接着フィルムも単に接着作用を発揮するものであると認められる。特許文献３の図２に記載された超音波探触子においては、下側の第１音響整合層と上側の第２音響整合層との間に、導体層を有する高分子材料層が設けられている。そして、同特許文献３の第００３０段落には、高分子材料層の音響インピーダンスと第２音響整合層の音響インピーダンスとをほぼ同じにすること、高分子材料層と第２音響整合層の合計の厚みを１／４波長にすること、等が記載されている。ここで、第１音響整合層及び第２音響整合層は硬質層であると認められ、それらがアレイ構造を有しているのか否かについては特許文献３には記載されていないが、硬質層という観点から見て指向特性の劣化防止のために、各音響整合層にはアレイ構造が適用されるものと推認される。しかし、仮にそうであったとしても、そうでないとしても、特許文献３には、同種構造の接合部分しか認められない。よって、異種構造において生じる課題及びその解決方法が特許文献３に記載されているとは認められない。なお、特許文献４の図４には各整合素子の横振動を抑制するため整合素子間に連結部を設けた構成が開示されている。

本発明の目的は、超音波探触子において良好な整合作用を得られるようにすることにある。

本発明の他の目的は、超音波探触子において良好な整合作用及び良好な指向特性を得られるようにすることにある。

本発明の他の目的は、アレイ構造をもった整合層と非アレイ構造をもった媒体との接合部分で生じる問題を解消又は軽減できるようにすることにある。

本発明は、水平方向に配列された複数の振動素子からなる振動素子アレイと、前記振動素子アレイの上側で、且つ、水平方向に一様に連続した媒体の下側に設けられた複合型整合層と、を含み、前記複合型整合層は、前記複数の振動素子に対応した配列を有する複数の整合素子からなる下層と、前記複数の整合素子に跨ってそれらの上面に接合される下面と、前記媒体の下面に接合される上面と、を有し、水平方向に一様に連続した上層と、を含み、前記下層における各整合素子の音響インピーダンスと前記上層の音響インピーダンスが実質的に同一であり、前記複合型整合層の上下方向の厚みが超音波の波長に対する整合条件を満たす、ことを特徴とする超音波探触子に関する。

上記構成においては、水平方向（超音波伝搬方向を上下方向とした場合においてそれに交差する方向）に一様に連続した媒体の下側に、素子分離された複数の整合素子が直接的に接合されているのではなく、それらの整合素子からなる下層と媒体との間に水平方向に一様に連続した上層（カップリング層とも言い得る）が介在配置され、下層と上層とによって複合型整合層が構成されているので、上述した異種構造の接合部分で生じる問題を解消又は軽減できる。具体的には、素子分離された状態における各整合素子が有する実際の音響インピーダンスと、それに接合された水平連続体としての上層の実際の音響インピーダンスとが実質的に同一とされているので、異種構造の境界面であっても当該境界面での超音波の反射が効果的に抑制され、同時に、上層及び下層からなる複合整合層全体としての厚みが超音波の波長に対する整合条件を満たすので、本来的な整合作用を十分に発揮させることができる。上層と媒体との間の境界部分は同種構造の接合部分となるので、構造の違いに起因する問題は生じない。超音波の波長との関係で、上層の厚みを厚くすると、指向特性が劣化する可能性があるので、上層の厚みは超音波の波長に対して十分に薄くするのが望ましい。例えば、超音波の波長の１／２０前後にしてもよい。このような構成によれば指向特性のみならず帯域特性を良好にできるという利点も得られる。

なお、上記の水平方向はアレイ方向に相当し、凹型又は凸型のアレイ構造が採用されていれば、水平方向は凹又は凸に湾曲した方向となる。アレイ構造としては１Ｄアレイ構造、２Ｄアレイ構造、等があげられる。

後述する実施形態において、媒体としては固体、液体等、様々なものを想定でき、いずれにしても軟質体に相当し、上層及び下層は固体である硬質体に相当する。下層を構成する各整合素子の実際の音響インピーダンスに対して上層の実際の音響インピーダンスを合わせるに当たっては、上層の構成材料（例えばエポキシ樹脂等の母材に添加するフィラーの濃度）を異ならせつつそれを用いた超音波振動子による送受信感度特性を逐次的に計測し、最も良好な結果が得られる構成材料を試行錯誤的に見出すようにしてもよいし、コンピュータシミュレーションによって良好な構成材料を見出すようにしてもよい。勿論、下層の構成材料を調整することも可能である。

望ましくは、前記媒体は前記複合型整合層の上側に接合されたゴム系材料からなる軟質層である。軟質層が水平方向に一様に連続した層を構成していても、硬質層とは異なり、指向特性の劣化はあまり生じない。下層及び上層のいずれも硬質層に相当するが、アレイ構造を有する下層の厚みを大きくし、水平連続構造を有する上層の厚みを小さくすれば指向特性の劣化は問題とならない。望ましくは、前記軟質層は音響レンズである。望ましくは、前記軟質層は整合層である。複合整合層が例えば下から２番目の整合層であれば媒体（軟質層）としての整合層は３番目の整合層となる。そのような整合層は従来のような硬質整合層ではなく軟質整合層として構成され（但し、硬質のフィラー等が添加されてもよい）、硬質層としての複合型整合層と水平方向に一様に連続した軟質層としての整合層との組み合わせも、従来にはない新規な構造といえる。複合型整合層の上に更に以上のような整合層を設ければ超音波伝搬経路上における音響的な整合をより良好にして送受信感度を高められ、しかも指向特性の劣化も防止できる。そのような整合層についても超音波の波長に対する整合条件が満たされるように、その厚みが設定されるのが望ましい。望ましくは、前記媒体は人体、液体又はゲル状物質である。液体はメカニカル超音波探触子において可動体としての振動子ユニットの周囲を満たすカップリング液体等である。ゲル状物質は音響ゼリー等である。

望ましくは、前記下層における各整合素子中の超音波の音速と前記上層中の超音波の音速とが実質的に同一である。この構成によれば音速を一致させて、境界面での超音波の屈折を抑制し、複合型整合層の機能をより良好にできる。下層と上層とをまったく同じ材料によって構成しても、個々の構造が異なることに起因して実際の音響インピーダンスが異なることになるが、両層の実際の音響インピーダンスを合わせるに当たり、音速も一致するように構成材料を調整するのが望ましい。

また、本発明は、水平方向に配列された複数の振動素子からなる振動素子アレイと、前記振動素子アレイの上側に設けられ、前記複数の振動素子に対応した配列を有する複数の第１整合素子で構成された第１整合層と、前記第１整合層の上側に設けられた複合型整合層としての第２整合層と、前記第２整合層の上側に設けられ、水平方向に一様に連続した第３整合層と、を含み、前記第２整合層は、前記複数の振動素子に対応した配列を有する複数の第２整合素子からなる下層と、前記複数の第２整合素子に跨ってそれらの上面に接合された下面と、前記第３整合層の下面に接合された上面と、を有し、水平方向に一様に連続した上層と、を含み、前記下層における各第２整合素子の音響インピーダンスと前記上層の音響インピーダンスが実質的に同一であり、前記第２整合層の上下方向の厚みが超音波の波長に対する整合条件を満たす、ことを特徴とする超音波探触子に関する。

各振動素子から生体にかけて、徐々に音響インピーダンスが低下するように、各層の音響インピーダンスを定めるのが望ましい。但し、上層と下層のそれぞれの実際の音響インピーダンスは同一値又は近い値に定められる。振動素子アレイとしては、平板型、凹面型、凸面型等の超音波振動子があげられる。また、振動素子アレイとしては、１Ｄ型、２Ｄ型等の超音波振動子があげられる。下層に対して上層が接着されるので、個々の整合素子あるいは個々の積層要素の倒れ込みを防止できる利点もある。

以上説明したように、本発明によれば、超音波探触子において良好な整合作用を得られる。本発明によれば、超音波探触子において良好な整合作用及び良好な指向特性を得られる。あるいは、本発明によれば、アレイ構造をもった整合層と連続媒体との接合部分で生じる問題を解消又は軽減できる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波探触子の好適な実施形態が示されており、図１は超音波探触子の要部構成を示す断面図である。超音波探触子は、振動層１０、バッキング１２、第１整合層１４、第２整合層（複合型整合層）３６、上部層としての音響レンズ１８、等を有している。なお、Ｘ方向は第１水平方向であり、Ｚ方向は垂直方向である。Ｘ−Ｚ面に直交する方向としてＹ方向としての第２水平方向が定義される。

振動層１０は、図１に示される例において、Ｘ方向に整列した複数の振動素子２０によって構成される。各振動素子２０の下面側には電極層２０Ｂが形成されており、各振動素子２０の上面側には電極層２０Ａが構成されている。電極層２０Ｂは例えばシグナル電極層であり、電極層２０Ａは例えばグランド電極層である。バッキング１２は、振動層１０からその下面側に放射される超音波を吸収、散乱させるものである。

第１整合層１４は、Ｘ方向に整列した複数の整合素子２２によって構成されている。第２整合層３６は、下層３８と上層４０とによって構成され、下層３８は複数の振動素子２２に対応して設けられた複数の整合素子４２によって構成される。上層４０はＸ方向に連続した厚さ一定の層として構成される。第２整合層３６は上述のように複合型整合層であって、それ全体が一つの整合層として機能する。音響レンズ１８はＹ方向において超音波の集束性を高めるための部材である。

上述した構成をより具体的に説明する。図示されるように、各振動素子２０毎に整合素子２２及び整合素子４２が設けられ、それらによって振動素子ユニットが構成される。隣接する振動素子ユニット間には垂直溝２６が形成され、これによって素子分離が図られている。垂直溝２６の内部には目詰材２８が充填されている。垂直溝２６は例えばダイシングソーなどを用いてカッティングを行うことにより形成されるものである。複数の振動素子２０からなる振動素子アレイに対応して、複数の整合素子２２からなる整合素子アレイが構成され、また複数の整合素子４２からなる整合素子アレイが構成されている。第１整合層１４は上述した１／４波長整合機能を発揮するようにその上下方向の厚みが定められている。同様に、第２整合層３６の厚さも、それ全体として上下方向において１／４波長整合作用が発揮されるように設定されている。ちなみに、音響レンズ１８は、例えばシリコーンゴム等の軟質材料によって構成され、それとの対比で見れば、第１整合層１４及び第２整合層３６をそれぞれ硬質層と称することができる。第１整合層１４及び第２整合層３６は、エポキシ樹脂などを母材とし、それに対してフィラーと呼ばれる添加材を混入させたものとして構成されるのが望ましい。

第２整合層３６について詳述すると、上述したように、それは複数の整合素子４２からなる下層（複数の整合素子）３８と、それらの上側において跨って設けられた水平方向に一様な連続体としての上層４０と、で構成される。上層４０は薄い層として構成するのが望ましく、例えば超音波の波長に対して１／２０程度の厚みによって構成するのが望ましい。これによれば指向特性の劣化を軽減あるいは防止することが可能となる。個々の整合素子３８の実際の音響インピーダンスと、上層４０における実際の音響インピーダンスとが実質的に同一となるように第２整合層３６が構成されている。このような構成によれば、個々の整合素子３８と上層４０との境界面４４において超音波の反射を防止あるいは軽減することが可能となる。第２整合層３６それ全体として超音波の波長に対する１／４波長整合条件を満たすため、第２整合層３６全体としての良好な整合作用を発揮させることができる。

上層４０と音響レンズ１８との間の境界面４６においてはそれらの部材の両方ともＸ方向に連続している部材であるため同種構造部分が形成されており、上述のような異種構造部分に起因する問題は生じない。しかも、上述したように第２整合層３６がそれ全体として１／４波長整合条件を満たすものであるため、音響レンズへ進行する超音波を干渉によって強めることが可能である。音響レンズ１８に代えて、あるいは音響レンズ１８と上層４０との間に、整合層（第３整合層）を設けるようにしてもよい。これについては後に説明する。またカップリング層としての上層４０及びその上に設けられる媒体の材料については後に詳述する。

図２には比較例としての従来例が示されている。なお、図２において、図１に示した構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。図２に示す従来例では、２番目の整合層である第２整合層１６が、第１整合層１４と同様のアレイ構造を有している。すなわち、第２整合層１６は素子分離された複数の整合素子２４によって構成される。第２整合層１６それ全体として１／４波長整合条件を満たすものであっても、第２整合層１６がアレイ構造を有し、その上側に接合されている媒体としての音響レンズ１８が水平方向に連続する媒体であるため、それらの間に異種構造部分が生じ、それにより境界３０における超音波の反射が理想的でなくなる。その結果、第２整合層１６が良好な整合作用を発揮できなくなり、送受信感度が低下してしまうという問題が生じる。

これに対し、図１に示した構造によれば、カップリング層としての上層４０を介在させることにより、しかも上層４０を含んで第２整合層３６を構成しているため、異種構造に起因する問題を効果的に抑制することが可能となる。指向特性の劣化を防止するためには、上層４０はできる限り薄い層として構成するのが望ましい。音響レンズ１８は、軟質体として振る舞うため、また、上層４０が薄いことにより音響的なクロストークが防止又は軽減されるため、そこにおいては指向特性の著しい劣化は認められない。

以上のように、図１に示す構造によれば、異種構造に起因する問題を改善して整合層本来の機能を十分に達成させることができ、また指向特性の劣化も防止することができ、また帯域を拡大できるという利点がある。ちなみに、下層３８における音速と上層４０における音速とを実質的に一致させるようにそれらを構成すれば両者間における境界面において超音波の屈折を効果的に防止できるという利点がある。

図１に示される各部材は接着剤などによって接着されるものである。第２整合層３６の形成にあたっては、下層３８に相当するプレート状の整合層を形成した上で、上方からカッティングを行って、上述した複数の振動素子ユニットを形成し、各カッティング溝への充填を行った上で、上層４０を接着するようにすればよい。これによれば、各整合素子４２の上面と上層４０の下面とを接着させることができる。その上で、上層４０の上面と音響レンズ１８の下面とを接着させればよい。上層としては、音響レンズ１８の他に、軟質体としての各種のものを想定でき、例えば、液体、ゲル状物質、ゴムのような固体等を挙げることができる。それが整合層であってもよいし、例えばメカニカルスキャンプローブにおけるカップリング液体等であってもよい。図１に示した構成では、第１整合層１４及び第２整合層３６が設けられていたが、第１整合層１４を省略することもでき、あるいはより多くの整合層を形成するようにしてもよい。いずれにしても、異種接合部分における問題が解消されるように当該部分に複合型整合層を設けるのが望ましい。

図３には他の実施形態に係る超音波探触子の要部が示されている。積層体５０は、振動層１０、バッキング１２、第１整合層１４、第２整合層３６、第３整合層４４及び音響レンズ１８を有している。第２整合層３６は、上述したように下層３８及び上層４０からなるものである。第２整合層３６と音響レンズ１８との間には第３整合層４４が設けられており、この点において図１に示した構成と異なっている。第３整合層４４は、従来のような硬質の整合層ではなく、軟質の整合層である。それを構成する具体的な部材としては後に詳述する。このように、軟質整合層を利用した点においても従来例と大きく異なるといえる。

図４には、更に他の実施形態が示されている。積層体５２は、上述した図３に示した積層体５０において音響レンズ１８を取り除いたものに相当する。図４には１Ｄアレイ振動子ユニットが示されているが、もちろんそれが２Ｄアレイ振動子ユニットであってもよい。図３及び図４に示した超音波探触子においては、上述した図１に示した構成と同様に、上側が水平方向に連続した媒体であることを前提とし、その媒体とアレイ型整合層との間に複合型整合層が設けられているため、異種構造の接合面において生じる固有の問題を効果的に解消し、超音波探触子全体としての機能をより高めることができる。具体的には、整合作用を十分に発揮させることができるので、送受信感度を向上でき、ひいては超音波画像の画質を高められるという利点がある。この効果に関して以下に図５及び図６を用いて詳述する。

図５及び図６には、図４に示した超音波探触子の特性が示されている。図５は、空気負荷時のインピーダンス特性である。横軸は周波数を示し、縦軸は振動素子の電気インピーダンス（絶対値）を示している。実線１００は図４に示した超音波探触子の特性を示し、破線１０２は比較例としての超音波探触子（図４の構成において複合整合層３６が適用されていないもの）の特性を示している。実線１００に示されるように、本実施形態の構成によれば周波数軸方向に綺麗な周期性（一定間隔の共振ピークの並び）が認められるが、破線１０２に示す比較例の構成では特定の周波数において電気インピーダンスの乱れが認められる。図６は、送受信波形である。横軸が時間を示し、縦軸が送受信振幅を示している。実線１０４は図４に示した超音波探触子の特性を示し、破線１０６は上述した比較例としての超音波探触子の特性を示している。２番目の半波長から、実線１０４に比べて破線１０６の上下ピーク（振幅）が小さくなっており、本実施形態において良好な整合作用が発揮されていることを確認できる。つまり、本実施形態においては特に異種構造の接合部分における超音波の反射及びλ／４整合作用の低下を防止又は軽減できるので、感度を高めて、超音波画像の画質を高められる。

上記の上層（カップリング層）４０は、上述したように、その上側の軟質層との対比において硬質層と称することができ、例えばエポキシ樹脂等にフィラーを添加した樹脂層として構成することができる。物性面から表現すれば、上層（カップリング層）４０は、望ましくは、ガラス転移点が常温よりも高く、せん断応力に対する弾性変形が金属に近く、素子カットされた下層３８が弾性変形したときに、下層３８との接合面だけではなく、その周辺も連動して弾性変形する固体によって構成される。ちなみに、下層３８は従来同様のものを利用でき、例えばエポキシ樹脂等にフィラーを添加した樹脂層として構成することができる。ここで、上層４０と下層３８を構成するそれぞれの母材は同一のものであってもよく、異なるものであってもよい。前者の場合には添加材としてのフィラーの材料、密度等を異ならせて、実際の音響インピーダンスを相互に一致あるいは近似させるのが望ましい。音速が互いに一致するように、各層の構成材料を適宜選択するのが望ましい。また、上記の整合層４４は、上述のようにゴム系の材料を主要成分として構成され、それを物性面から表現すれば、それは、望ましくは、架橋工程を経て製造されるもの、あるいは、熱可塑性プラスチックと呼ばれる架橋工程を経ずに製造されるものによって構成され、常温でゴム状弾性を有し、せん断応力に対する変形が液体に近いものである。勿論、ゴム材料に対してフィラーを添加したものを利用することができる。ゴム材料としては、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、天然ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴム、熱可塑性エラストマー、等があげられる。なお、振動素子アレイ１０、素子カット型整合層１４、複合整合層３６、連続整合層４４、音響レンズ１８の順番で段階的に音響インピーダンスが生体の音響インピーダンスに近付けられる。

本発明に係る超音波探触子の要部構成を示す断面図である。比較例としての従来の超音波探触子の構成を示す断面図である。他の実施形態に係る超音波探触子を示す図である。更に他の実施形態に係る超音波探触子を示す図である。図４に示した超音波探触子の特性を説明するための図である。図４に示した超音波探触子の特性を説明するための図である。

符号の説明

１０振動層、１２バッキング、１４第１整合層、１８音響レンズ、２０振動素子、２２整合素子、３６第２整合層、３８下層、４０上層、４２整合素子、４４第３整合層。

Claims

水平方向に配列された複数の振動素子からなる振動素子アレイと、
前記振動素子アレイの上側に設けられ、前記複数の振動素子に対応した配列を有する複数の第１整合素子で構成された素子カット型第１整合層と、
前記第１整合層の上側に設けられた複合型第２整合層と、
前記第２整合層の上側に設けられ、水平方向に一様に連続したゴム系材料からなる軟質層としてのゴム系連続型第３整合層と、
前記第３整合層の上側に設けられ、水平方向に一様に連続した音響レンズと、
を含み、
前記第１整合層、前記第２整合層、前記第３整合層及び前記音響レンズの順で音響インピーダンスが生体の音響インピーダンスに近付けられ、
前記第２整合層は前記第３整合層よりも硬い硬質層であり、
前記第２整合層は、
前記複数の振動素子に対応した配列を有する複数の第２整合素子からなる下層と、
前記下層に接着され前記下層とは異なる材料によって構成された層であって、前記複数の第２整合素子に跨ってそれらの上面に接合される下面と、前記第３整合層の下面に接合される上面と、を有し、水平方向に一様に連続した上層と、
を含み、
前記下層における各第２整合素子の音響インピーダンスと前記上層の音響インピーダンスが実質的に同一であり、前記第２整合層の上下方向の厚みが超音波の波長に対する整合条件を満たし、
それ全体が実質的に同一の音響インピーダンスを有し且つそれ全体が単一の整合層として機能する前記第２整合層の中に異種構造接合面が設けられた、ことを特徴とする超音波探触子。