JP5358078B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、生体に対する超音波診断で用いられる超音波探触子の構造に関する。

超音波探触子には超音波を送受波する超音波振動子が設けられる。超音波振動子としては、複数の振動素子からなるアレイ振動子が周知である。かかるアレイ振動子において、各振動素子間には音響的クロストークを防止するために垂直溝としての分離溝が形成されている。各分離溝は、バッキング部の上面からその表層部にまで達している。バッキング部は、アレイ振動子から背面側へ放射された超音波を散乱、吸収、減衰させるものである。各分離溝がバッキング部の内部まで入り込んでいるのは、バッキング部の表層を媒介とした音響的な回り込みを防止するためである。各分離溝内には通常、目詰め材が充填される。このバッキング部は溝構造区間と非溝構造区間とに大別されるが、従来において、それら全体が単一部材として構成され、つまり同じ材料によって構成されている。

特開平１−２９１８４０号公報 特開昭６３−７３９４２号公報

バッキング部全体として一様の材料で構成されていれば、本来、バッキング部内の各部位において同じ音響インピーダンスとなるはずであるが、実際には、溝構造区間と非溝構造区間との間の水平の境界面上で音響インピーダンスに違いが生じる。つまり、それぞれの区間の構造上の違いから音響インピーダンスが異なり、そこで超音波の反射が生じ、それが多重反射の要因となり、バッキングの機能が低下する。また、超音波探触子の周波数特性を悪化させてしまう。

特許文献１には溝の深さを調整して上記問題に対処する技術が開示されているが、そのような手法では、溝の深さが定まってしまい、それを所望の深さにできないという問題を指摘でき、また、特定の周波数に対しては良好な性能が得られても、超音波探触子の帯域全体として良好な性能を得られず、具体的には周波数特性が劣化してしまうおそれがある。特許文献２には、バッキング部を２層で構成することが記載されているが、切込部分固有の問題を解決する手段は開示されていない。

本発明の目的は、バッキング内での超音波の反射を防止又は軽減することにある。

本発明の他の目的は、良好な周波数特性を得つつバッキング内での超音波の反射を防止又は軽減することにある。

本発明は、複数の振動素子からなるアレイ振動子と、前記アレイ振動子の下面側に設けられた層であって前記複数の振動素子間に存在する複数の分離溝における下端の複数の切込部分を有する溝構造体としての第１バッキング層と、前記第１バッキング層の下面側に設けられた非溝構造体としての第２バッキング層と、で構成されたバッキング部と、を含み、前記第１バッキング層の実際の音響インピーダンスと前記第２バッキング層の実際の音響インピーダンスとが実質的に同一である、ことを特徴とする超音波探触子に関する。

部材中の音響インピーダンスｚは、一般に、ｚ＝ρ・ｃによって表現される。ここで、ρは密度であり、ｃは音速である。よって、ｃが一定の仮定の下では、ｚはρに依存し、そのρが一定であれば、ｚも一定となる。しかし、バッキング部内における構造により、実際の音響インピーダンスｚは変動する。バッキング部においては、複数の切込部分が生じている区間と、そうでない区間とでは構造の相違に起因して音速が異なると考えられる。２つの区間の境界面で音響インピーダンスが異なると、必然に、超音波の反射が生じ、それはバッキング部の機能低下をもたらす。上記構成では、かかる観点に着目し、バッキング部を積層化、具体的には２層化するものである。つまり、バッキング部を、上層且つ溝構造体である第１バッキング層と、下層且つ非溝構造体である第２バッキング層と、で構成し、それらの音響インピーダンスを実質的に整合させることによって、バッキング内での不要な超音波の反射を防止又は軽減するものである。これによれば切込部分の深さに格別な制約が伴わず、良好な周波数特性を得られる。各バッキング層の材料は実験的に選定でき、あるいは、シミュレーション結果から選定することができる。本発明に係る手法は、１Ｄアレイ振動子のみならず２Ｄアレイ振動子に対しても適用できる。

以上説明したように、本発明によれば、バッキング内での超音波の反射を防止又は軽減することができる。あるいは、本発明によれば、良好な周波数特性を得つつバッキング内での超音波の反射を防止又は軽減できる。

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要部構成が示されている。この超音波探触子は、ケーブルを介して超音波診断装置本体に接続されるものであり、生体に当接された状態で超音波の送受波によってエコーデータを取り込む送受波器である。

図１において、アレイ振動子１０は、本実施形態において１Ｄアレイ振動子であって、この例では直線的に並んだ複数の振動素子１０Ａによって構成される。その上側（紙面上方）には整合層１２が設けられている。整合層１２は音響インピーダンスの整合を図る層であって、それは複数の整合素子（整合部分）１２Ａによって構成されている。更に、その上側には、音響レンズ１４が設けられている。この音響レンズ１４の上面が生体表面に当接される。ちなみに、複数の整合層が設けられる場合もあり、また、２Ｄアレイ振動子においては音響レンズ１４が設けられないのが通常である。

アレイ振動子１０の下側にはバッキング部１６が設けられている。このバッキング部１６はアレイ振動子１０から後方へ放射された超音波を散乱、吸収等する部材である。バッキング部１６は、本実施形態において２層化されており、具体的には、第１バッキング層１８と第２バッキング層２０とで構成されている。それらは図示されていない接着材によって接合されている。

第１バッキング層１８は、図示されるように複数の振動素子１０Ａの配列と同じ配列をもった複数のバッキング要素１８Ａによって構成されるものである。ここで、符号２２は複数の振動素子間に設けられる分離溝を表しており、その下端部である切込部分２２Ａが貫通溝として第１バッキング層１８に存在している。切込部分２２Ａの底面は以下の第２バッキング層２０の上面の一部に相当する。

第２バッキング層２０は、第１バッキング層１８の下面側に接合された層であり、第２バッキング層は垂直方向及び水平方向の両方向とも一様性を有している。すなわち、第１バッキング層は溝構造体として構成され、第２バッキング層は非溝構造体として構成されている。それら２つが合わさってバッキング部１６が構成されている。

符号１００はアレイ振動子１０とバッキング部１６との間の界面を表しており、符号１０２は第１バッキング層１８と第２バッキング層２０との間の界面を表している。それらの界面１００，１０２は図示の例において水平面である。

本実施形態においては、第１バッキング層１８における音響インピーダンスと第２バッキング層２０における音響インピーダンスが実質的に同一とされている。このため、それぞれの材料の調整が図られている。例えば、密度を操作することにより両バッキング層１８，２０の音響インピーダンスを揃えるようにしてもよいし、音速に影響を及ぼす弾性定数の異なる材料を用いてすなわち弾性定数の操作により２つのバッキング層の音響インピーダンスを揃えるようにしてもよい。従来においては、後に図２の比較例を用いて説明するように、バッキング部が単に一様性をもった部材として構成されていたが、本実施形態においては、構造上の差異に起因する音響インピーダンスの差異を解消するため、バッキング部１６を積極的に多層化し、すなわち構造上の差異に基づく音響特性の変化を構成材料の調整によって解消するようにしたものである。その結果、特に界面１０２において問題となる超音波の反射は効果的に防止又は軽減され、バッキング部１６の本来の機能を良好に達成させることができる。また溝としての切込部分２２Ａの深さに制約が伴わないため、指向特性及び周波性特性などの観点から所望の深さを決定できるという利点がある。

例えば、バッキング材料の密度の調整によって音響インピーダンスを実質的に揃える場合、後に説明する図２の比較例では溝構造部分の音速が非溝構造部分の音速よりも低くなるため、それを補填するように、溝構成部分に対してより密度の高い材料を選択すればよい。また、先に述べたように弾性定数の高い材料を使って溝構造体についての音響インピーダンスを上げるようにしてもよい。ちなみに、切込部分は振動素子間における音響的なクロストークを防止するために不可欠なものであり、本実施形態においてはそのような不可欠な構造部分を前提としつつも、音響インピーダンスの観点からバッキング部の性能を維持向上させるものである。各素子分離溝には必要に応じて目詰め材が充填される。バッキング材料は例えばゴム系の材料に対して添加材を混入させたものであり、添加材の量又は組成を変えることにより、密度等を操作できる。バッキング部に信号伝送用リードアレイ等が設けられる場合もある。

図２には、比較例が示されている。なお、図１に示した構成と同一の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。この比較例においては、バッキング部２４が一様性をもって構成されており、各分離溝の下端部に相当する切込部分２２Ａはバッキング部２４の上層内に進入している。その結果、界面１０２の上側の溝構造部分と下側の非溝構造部分とが生じているが、それらは同じ材料で構成され、物理的には一体化されたものである。このような構成の場合、必然的に溝構造部分の音響インピーダンスが下がって、バッキング部２４本来の特性を生じさせることはできなくなる。そこで、図１に示したような本発明に係る手法を用いればそのような問題を解消しつつ、しかも周波数特性や指向特性を良好にすることが可能となる。本実施形態に係る手法では、溝の深さを最適化することができるので各種の振動子アセンブリに対してその手法を適用することが可能である。上述した実施形態においては１Ｄアレイ振動子が示されていたが、本実施形態に係る手法を２Ｄアレイ振動子等の他のアレイ振動子に適用することも可能である。ちなみに、目詰め材が充填される場合、目詰め材によって更に音響インピーダンスに若干の違いが生じるのであれば、そのような違いまでを補償して実質的に界面において音響インピーダンスが揃うように各材料の調整を行えばよい。

本実施形態に係る超音波探触子の要部構成を示す断面図である。 比較例としての超音波探触子の要部構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ アレイ振動子、１２ 整合層、１４ 音響レンズ、１６ バッキング部、１８ 第１バッキング層、２０ 第２バッキング層、２２ 分離溝、２２Ａ 切込部分。

Claims (2)

1. 複数の振動素子からなるアレイ振動子と、
   前記アレイ振動子の下面側に設けられた層であって前記複数の振動素子間に存在する複数の分離溝における下端の複数の切込部分を有する溝構造体としての第１バッキング層と、前記第１バッキング層の下面側に設けられた非溝構造体としての第２バッキング層と、で構成されたバッキング部と、
   を含み、
   前記第１バッキング層を構成する材料の密度の方が前記第２バッキング層を構成する材料の密度よりも大きく、これにより前記第１バッキング層の音響インピーダンスと前記第２バッキング層の音響インピーダンスとが実質的に同一である、ことを特徴とする超音波探触子。
2. 複数の振動素子からなるアレイ振動子と、
   前記アレイ振動子の下面側に設けられた層であって前記複数の振動素子間に存在する複数の分離溝における下端の複数の切込部分を有する溝構造体としての第１バッキング層と、前記第１バッキング層の下面側に設けられた非溝構造体としての第２バッキング層と、で構成されたバッキング部と、
   を含み、
   前記第１バッキング層と前記第２バッキング層は異なる材料で構成され、
   前記第１バッキング層を構成する材料の弾性定数の方が前記第２バッキング層を構成する材料の弾性定数よりも高く、これにより前記第１バッキング層の音響インピーダンスと前記第２バッキング層の音響インピーダンスとが実質的に同一である、ことを特徴とする超音波探触子。

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