JP5406374B2 - 超音波探触子およびそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、診断画像を撮像する超音波探触子およびそれを用いた超音波診断装置に関する。

従来の被検体を超音波で検査する分野の超音波探触子としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。この発明は、シリコン基板上に作製したギャップ、絶縁層、電極で構成されており、そのシリコン基板の反対面にシリコン基板と音響インピーダンスがほぼ等しいダンピング材料を導入している。電極とシリコン基板間とにDC電圧を印加してある一定の位置までギャップを縮めておき、更にAC電圧を印加させて、ギャップを縮めたり、広げたりすることで超音波を送信する構造である。また、被検体に当たり反射してくる超音波により、電極とシリコン基板との間の容量変化を検出する超音波を受信する機能も兼ね備えている。ここで、ダンピング材料は、送受信時の超音波の反射を低減する役割を有する。具体的なダンピング材料は、エポキシ樹脂にタングステン微粒子の混合比率を変えて混合し、シリコンとの音響インピーダンスを整合させている。

また、特許文献２には、音響インピーダンスが1.3〜6MRaylsの音響バッキングの上に圧電素子を設けた超音波プローブが開示されており、音響バッキングには酸化亜鉛繊維を混合した複合材であることが記載されている。

また、特許文献３には、CMUT（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）チップとバッキングとを接着し、短パルス、すなわち広帯域の超音波波形が得られ高分解能に適していることが記載されている。

米国特許第6714484B2号明細書 特開2008-118212号公報 特開2008-119318号公報

超音波診断装置に使用する超音波探触子は、超音波を、被検体に送波し、被検体から反射してきた超音波を受波してこれを画像化する。超音波は、音響インピーダンスの異なる物体の界面で反射する性質がある。そのため超音波探触子を構成する超音波送受信デバイスや前面に設置される音響レンズ、背面に設置されるバッキング等の界面での超音波の反射により、画質の低下がみられる。前面に関して、音響レンズと超音波送受信デバイスの間に中間の音響インピーダンスを持つ整合層を設けて反射を低減する方法が主流となっている。背面に関しては、バッキングで、背面に伝達した超音波を減衰するために、バッキングの音響インピーダンスと超音波送受信デバイスの音響インピーダンスを等しくする手法がとられることが多い。しかしながら、背面からの反射は下記に述べるようにＣＭＵＴ固有の原因からきており、従来の音響インピーダンスを等しくする方法では反射を低減することが難しかった。

本発明は、前記の背面反射の原因を追及し、改善する手段を講じて、超音波送受信デバイスから背面に放出される超音波の反射を低減し、高画質な診断画像を得ることを目的とする。

より具体的には、ＣＭＵＴを用いた探触子では、空洞上のメンブレインに加わった振動はメンブレインを支える狭いリムを介してシリコン基板に伝達され、シリコン基板内を円筒状に拡散して広がる過程で反射が発生することが新たにわかった。この背面での音響反射を広帯域で防止する構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波探触子は、基板上に、空洞と、前記空洞を挟む絶縁層と、前記空洞と絶縁層を挟む上層電極と下層電極を設けて超音波振動素子を形成し、前記基板をバッキングに低弾性部材を介して保持し、前記電極間に直流電圧と交流電圧を印加して、前記超音波振動素子を振動させる超音波探触子において、前記バッキングの音響インピーダンスが、前記基板と前記低弾性部材から成る単位面積当たりの機械インピーダンスの±１MRayls(10⁶kg/m²s)以内としたことを特徴とするものである。

本発明の超音波診断装置は、上記の超音波探触子を用いて、被検体からの超音波診断画像を得るものである。

本発明によれば、超音波送受信デバイスから背面に放出される超音波の反射を低減することができる超音波探触子を提供することができ、さらに、本発明の超音波探触子を使用して高画質な診断画像を提示できる超音波診断装置を提供できる。

超音波探触子の概略構成を示す図。 超音波送受信デバイス、バッキング、音響レンズ等の断面図。 超音波送受信デバイス、バックング、フレキ基板を示す斜視図。 超音波送受信デバイスの部分拡大図。 超音波送受信デバイスのセルの部分断面図。 バッキングの長軸方向の断面図。 超音波の反射のモデルを説明する図。 超音波送受信デバイスの基板の厚さと反射率の関係を示す図。 超音波送受信デバイスの背面の反射を解析した、周波数と反射係数の関係を示す図。 超音波送受信デバイスの背面の反射を解析した、周波数と位相との関係を示す図。 有限要素法で解析した結果で、バッキングと低弾性部材の共振周波数ｆ_０の１／４での反射率の等高線図。 有限要素法で解析した結果で、バッキングと低弾性部材の共振周波数ｆ_０の１/２での反射率の等高線図。 有限要素法で解析した結果で、バッキングと低弾性部材の共振周波数ｆ_０の３／４での反射率の等高線図。 有限要素法で解析した結果で、図１１、図１２、図１３の反射率の最大値をまとめて等高線で示した図。

本発明の実施の形態について、図１〜図１４を用いて説明する。

超音波送受信デバイス(超音波振動素子）２を備えた超音波探触子１の概略構造を図１に示す。超音波探触子１は、医療機関における人体検査（心臓、血管などの循環器検査、腹部検査など）に用いられる。超音波探触子１は、バッキング３の先端に超音波送受信デバイス２を備えており、超音波送受信デバイス２には、コネクタ９１につながる配線９２を有するフレキ基板４がワイヤボンディングで接続されている。コネクタ９１は、回路基板９７と接続しており、回路基板９７の接続端子９８は、超音波診断装置と接続する。超音波診断装置は、超音波送受信デバイス２に電気信号を与えて駆動させるとともに、被検体からの受波による信号を画像化させるものである。超音波送受信デバイス２の表面には、超音波送受信デバイス２から発生した超音波を被検体方向にフォーカスするためのシリコン樹脂の音響レンズ９４を備えている。超音波送受信デバイス２は、音響レンズ９４を経て、人体等の被検体９５に超音波を送受信する。

図２は、図１で示した超音波探触子１の音響レンズ９４と超音波送受信デバイス(超音波振動素子）２とバッキング３とその周辺に設置される構成体の断面を示す図である。バッキング３の上に樹脂４５を介して超音波送受信デバイス２が搭載されている。超音波送受信信号を基板（図示せず）に伝達するフレキ基板４も樹脂４６を介してバッキング３に固定されている。超音波送受信デバイス２とフレキ基板４とは、ワイヤボンディング法により、ワイヤ４２で接続されている。ワイヤ４２と接続部周辺は、封止樹脂４７により封止されており、ワイヤ４２の固定と、駆動電圧の印加によるエレクトロマイグレーションの防止効果がある。これらの構造体の上に、音響レンズ９４が樹脂４１で接着固定されている。また、これらの構造体は、ケース４３に収納される構成である。ケース４３と音響レンズ２との隙間は、樹脂４４で充填されている。

図３は、図１で説明した超音波送受信デバイス２とバッキング３およびフレキ基板４を示した図である。超音波送受信デバイス２とバッキング３の長辺方向を長軸方向Ｌ、短辺方向を短軸方向Ｍとして示した。超音波送受信デバイス２は、バッキング３の上に樹脂で接着されている。超音波送受信デバイス２には、電力の供給と信号の伝達のためのフレキ基板４が接続されている。フレキ基板４とバッキング３とは接着されており、超音波送受信デバイス２の電極パッド（図示せず）とフレキ基板４の配線パッド（図示せず）とは、図２で示したようにワイヤボンディングで接続されている（図示せず）。

図４は、超音波送受信デバイス２の部分拡大図である。超音波送受信デバイス２は、複数のセル２１を高密度に配列して構成される。図には、セル２１の長辺方向Ａ、短辺方向Ｂ、セル間隔Ｃ、セルピッチＤを示した。また。図３で示した長軸方向Ｌも示した。セル２１を複数個まとめてチャンネルとし、チャンネルごとに配線９２を接続して超音波の送受信を制御する。

図５は、図４に示した超音波送受信デバイス２のセル２１の２個分のＥ-Ｅ断面図であり、バッキング３も示している。セル２１は、ベース基板となる基板２２、絶縁膜２６ａ〜２６ｅ、平行平板電極を構成する下層電極２３および上層電極２５、電極の隙間の空洞２４から構成される。セルとセルの間の壁の部分はリム２７である。セル２とバッキング３の間には低弾性部材５が設けられている。低弾性部材５は、セル２をバッキング３に接着するための接着樹脂である。すなわち、基板２２上に、空洞２４と、前記空洞を挟む絶縁層２６ｂ，２６ｃと、前記空洞と絶縁層を挟む上層電極２５と下層電極２３を設けて超音波振動素子を形成し、前記基板２２をバッキング３に低弾性部材５を介して保持している。また、図５には、図３、図４で示した長軸方向Ｌも示した。基板２２の材料はシリコンが好ましいが、ガラスやセラミック等の低熱膨張材料も使用可能である。また、低弾性部材５にはエポキシ、ゴム等の材料が好ましい。

下層電極２３と上層電極２５の間に、直流電圧を印加し、さらにパルス電圧(交流電圧）を加えると、クーロン力により空洞２４の上の絶縁膜２６ｃ、２６ｄ、２６e、上層電極２５で構成されるメンブレインは振動して超音波を送波する。被検体９５からの反射波がセルに入射するとメンブレインは振動し、下層電極２３と上層電極２５の距離が変動することにより変位電流が発生して、受信電気信号に変換される。これら送信、受信時にメンブレインに力が加わると、メンブレインを支えるリム２７に力が加わり、超音波が基板２２に伝達される。

図６は、図３に示したバッキング３のＦ-Ｆ断面を示す図であり、樹脂材料の中に炭素繊維３２が配合されている。炭素繊維３２の配合の向きは、バッキング３１の長軸方向Ｌに沿っており、長軸方向Ｌに対して角度で30度以下であることが好ましく、長軸方向Ｌとほぼ平行であっても良い。この場合は短軸方向Ｍとほぼ垂直となる。この炭素繊維３２の配列方向は、セル２の短辺方向Ｂに沿う向きとなる。熱膨張率の小さい炭素繊維３２を、図６に示したような方向でバッキングに配合することにより、短軸方向Ｍの熱膨張係数に比べて、バッキング３の長軸方向Ｌの熱膨張率を大幅に低減することができる。例えば、熱膨張率が１００ｐｐｍ程度の樹脂の熱膨張率を配合率により、１〜２０ｐｐｍまで低減させることができる。炭素繊維３２の配合率は、２０〜５０体積パーセントであることが望ましい。炭素繊維３２の長さは、１０μｍ〜１０ｍｍ程度が好ましい。また、炭素繊維の直径は、２〜１００μｍ程度が好ましい。このように、セル２の短辺Ｂ方向であるバッキングの長軸方向Ｌの熱膨張率を基板２２の熱膨張率に近づけることにより、超音波送受信デバイス２とバッキング３とを接着するときの加熱や、組み立て工程による熱応力を軽減することができる。セル２の短辺方向Ｂは、超音波送受性能、すなわち長軸方向Ｌに配列している各チャンネルのばらつきに及ぼす影響が大きいため、熱応力による変形が極力少ない方が好ましい。そのため、本発明では、セル２の短辺方向Ｂにバッキング３の炭素繊維３２を揃えて、バッキング３の熱膨張率を低減している。さらに、シリカ３３、タングステン３４、等の低熱膨張で密度の異なる粒子を添加することにより、熱膨張率と音響インピーダンスを調整することが好ましい。また、低熱膨張の粒子を添加した場合は、短軸方向Ｍの熱膨張率も低減することが可能となり、熱応力を軽減する効果がある。

次に、セル２１の背面における超音波の反射について説明する。図５に示したセル２１から放出される超音波は、被検体９５のある方向、すなわち前面方向と反対方向となるセル２１の背面方向にもリム２７を介して放出される。この背面方向へ伝達された超音波が反射して前面方向に戻ると、パルスの減衰時間が延びて波形が劣化する。また被検体９５の例えば皮下脂肪等からの反射がセル２１に戻り、背面で反射して前面方向に放出されると、本来の被検体組織にて反射し戻ってきた超音波エコーの他に、前記の背面から反射した超音波が、セル２１にて検出され、診断画像に多重像等の虚像が現れたり、解像度が低下したりするため、背面からの反射を極力低減する必要がある。背面からの反射による診断画像劣化を防止するためには、経験的に背面からの反射率を−１０ｄＢ（３１％）以下とすることが必要である。

セル２１の背面からの反射の原因を調べるために、図７に示す狭いリム２７から、シリコンを用いた基板２２へ、１０ＭＨｚの超音波を入射したときの反射を有限要素法による解析で計算した。この時、基板２２の下面を音響吸収境界としている。図８は、基板２２の厚さと反射率の関係を示している。反射する界面が無いにもかかわらず、基板２２が厚くなると急激に反射が大きくなることがわかった。スピーカー等の音響機器で、波長に比べて振動部分が小さい場合に、波動が球面状に広がって音圧と体積速度の位相がずれて音が伝わらなくなる現象が知られている。リム２７の寸法が数μｍに対して、シリコンを用いた基板２２の波長は１０ＭＨｚで約８５００μｍと大きいために、図７の基板２２内に示した矢印の方向に波線で示した円筒波状に広がる過程で、超音波が反射していることがわかった。従来の一般的な考え方である、基板とバッキングの音響インピーダンスを一致させる方法は、リム２７を必然的に持つＣＭＵＴでは有効でないことがわかった。シリコン基板の厚さは、５０μｍ以下であることが好ましい。

このセル２１の背面からの反射を低減するための検討を実施した。影響因子としては、基板であるシリコンの厚み、ヤング率、密度、バッキングのヤング率、密度、セル２１の幅Ｂ、セルとセルの間の部分であるリム２７の幅Ｃ、低弾性部材５の厚みである。これらの複数の影響因子の好ましい範囲を、有限要素法による解析で計算した。

図９は解析結果の一例であり、受信周波数ｆと背面の反射係数Ｒとの関係を示している。セル幅Ｂを25μｍとし、シリコンを用いた基板２２および低弾性部材５の厚みをそれぞれ50μｍ、10μｍとし、バッキング３の弾性率を変化させている。図中6-1、6-2、6-3、6-4で使用したバッキング３の弾性率は、6-1を基準として、6-2は２倍の値、6-3は0.5倍の値、6-4は0.25倍の値である。バッキングのヤング率を変えると、後で述べるように、バッキングの音響インピーダンスを平方根倍した場合に相当する。反射による損失は-10ｄＢ以内すなわち31％以内である必要があるため、図中に-10ｄＢの線を引くと6-3のケース（図中○印の線）が最も周波数の範囲が広く、この条件下では好ましい。

図１０は、図９の結果の周波数ｆと位相θとの関係を示すものであり、7-1が6-1に、7-2が6-2に、7-3が6-3に、7-4が6-4に、それぞれ対応する。図中7-3が6-3の条件の結果であるが、位相がゼロの範囲が多く、なだらかに変化している（図中○印）。シリコンの基板２２と低弾性部材５の機械的な振動により、リムからの円筒波拡散での位相のずれが緩和され、背面への音が有効にバッキングに伝わったものと考えられる。なお、この時のシリコンの基板２２と低弾性部材５の機械的な振動の共振周波数は約１０ＭＨｚであり、その約１／２の周波数を中心として広い帯域で反射を低減できる。すなわち、基板と低弾性部材の機械的振動の共振周波数の略１／２の周波数を、超音波駆動の中心周波数とすればよい。ＣＭＵＴの特徴である広帯域の短パルスは、狭帯域の反射低減では波形が歪んで劣化する。基板２２と低弾性部材５の機械的な振動と、バッキング３の音響特性を適切に設定すれば、広帯域の反射低減ができるため、短パルスを劣化させることなく反射が低減できることがわかった。

基板２２と低弾性部材５の振動は１自由度振動の機械インピーダンスＺｍで特徴づけられる。機械インピーダンス(単位面積当たり）は、基板２２の単位面積当たりの質量Ｍと低弾性部材５の単位面積当たりのばね定数ｋにより、数１で表わされる。ここで、単位面積あたりの質量Ｍは基板２２の厚さｔ、密度ρより Ｍ＝ｔρ より求められ、また、ばね定数ｋは低弾性部材５のヤング率Ｅ、ポアソン比ν、厚さｄより次の数２で得られる。

なお、基板２２を質量Ｍ、低弾性部材５をばね定数ｋとみなした時の共振周波数ｆ_０は、次の数３で表わされる。

また、バッキング３の音響インピーダンスＺは、バッキングのヤング率Ｅｂ、密度ρ_ｂ、ポアソン比ν_ｂから次の数４で得られる。

図９、図１０の条件での１自由度振動の共振周波数ｆ_０は約１０ＭＨｚであり、共振周波数以上では急激に反射が大きくなり、低い周波数で平坦で広帯域の低反射が得られている。そのため、１自由度共振周波数ｆ_０の１/２を中心周波数とし、帯域１００％の範囲であるｆ_０の１/４〜３／４の範囲で低反射が得られれば良い。

図１１〜１４は、同様に有限要素法で解析した結果で、バッキングの音響インピーダンスＺに対し、基板２２を質量、低弾性樹脂５をバネとした機械インピーダンスＺｍをプロットした反射率の等高線図である。図中一点鎖線で機械インピーダンスと音響インピーダンスが等しい条件を示した。

図１１は、有限要素法で解析した結果で、バッキング３と低弾性部材５の共振周波数ｆ_０の１／４での反射率の等高線を示す。

図１２は、同様に有限要素法で解析した結果で、バッキング３と低弾性部材５の共振周波数ｆ_０の１/２での反射率の等高線を示す。

図１３は、同様に有限要素法で解析した結果で、バッキング３と低弾性部材５の共振周波数ｆ_０の３／４での反射率の等高線を示す。

図１４は、上記の図１１、図１２、図１３の反射率の最大値をまとめて等高線で示した図であり、広帯域で反射率が小さい領域を示しており、背面の反射を低減するのに好ましい領域である。
図中の直線Ａは、機械インピーダンスとバッキングの音響インピーダンスが等しいラインであり、このライン上にもっとも好ましい範囲が含まれている。そして、直線Ａを中心に、音響インピーダンスが±１ＭＲａｙｌｓを示す範囲を直線ＢとＣで示しており、この直線の範囲内であれば、機械インピーダンスとバッキングの音響インピーダンスとがほぼ等しい範囲として規定することができ、背面の反射を低減することができる。すなわち、バッキングの音響インピーダンスを、基板と低弾性部材から成る機械インピーダンスの±１MRayls(10⁶kg/m²s)以内とすればよい。また、基板と低弾性部材から成る機械インピーダンスと、バッキングの音響インピーダンスとを概ね同じ値とすればよい。
また、図１４において、反射率−１０ｄＢ以下が得られる、低弾性部材５および基板２２の機械インピーダンスの範囲は、７．４MRayl以下であり、バッキング３の音響インピーダンスＺは８．３MRayl以下である。反射率−１０ｄＢ以下の領域は、直線Ｄ、Ｅ、Ｆで囲まれる領域で規定される。基板の質量と低弾性部材のばね定数から成る機械インピーダンスの値をＺｘ、バッキングの音響インピーダンスの値をＺｙとすると、この領域は次の数５、数６、数７の式をともに満たす範囲となり、背面の反射を低減することができる。

本実施例によれば、ＣＭＵＴを用いた超音波探触子において、基板の質量と低弾性部材のばね定数から成る機械インピーダンスの値と、バッキングの音響インピーダンスの値の範囲を規定することにより、背面に放出される超音波の反射を低減することができ、高画質な診断画像を得ることができる。

１ 超音波探触子
２ 超音波送受信デバイス
３ バッキング
４ フレキ基板
５ 低弾性部材
２１ セル
２２ 基材
２３ 下層電極
２４ 空洞
２５ 上層電極
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ 絶縁膜
２７ リム
３１ バッキング
３２ 炭素繊維
３３ シリカ
３４ タングステン
４１ 樹脂
４２ ワイヤ
４３ ケース
４４、４５、４６ 樹脂
４７ 封止樹脂
９１ コネクタ
９２ 配線
９４ 音響レンズ
９５ 被検体
９７ 回路基板
９８ 接続端子

Claims (11)

1. 基板上に、空洞と、前記空洞を挟む絶縁層と、前記空洞と絶縁層を挟む上層電極と下層電極を設けて超音波振動素子を形成し、前記基板をバッキングに低弾性部材を介して保持し、前記電極間に直流電圧と交流電圧を印加して、前記超音波振動素子を振動させる超音波探触子において、
   前記バッキングの音響インピーダンスが、前記基板と前記低弾性部材から成る単位面積当たりの機械インピーダンスの±１MRayls(10⁶kg/m²s)以内としたことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１記載の超音波探触子において、前記機械インピーダンスは、前記基板の質量と前記低弾性部材のばね定数から成ることを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項１記載の超音波探触子において、前記基板と前記低弾性部材から成る機械インピーダンスと、前記バッキングの音響インピーダンスとを概ね同じ値としたことを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項1記載の超音波探触子において、
   前記基板の質量と前記低弾性部材のばね定数から成る機械インピーダンスの値をＺｘ、バッキングの音響インピーダンスの値をＺｙとしたとき、前記ＺｘとＺｙが次の３つの式をともに満たす範囲の値としたことを特徴とする超音波探触子。
   Ｚｘ≦７．４ MRayls(10⁶kg/m²s)、
   Ｚｙ≦８．３ MRaylｓ(10 ⁶ kg/m ² s)、
   Ｚｙ≧０．８８３Ｚｘ−０．５３２ MRayls(10⁶kg/m²s)
5. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記基板がシリコン基板であることを特徴とする超音波探触子。
6. 請求項５に記載の超音波探触子において、前記シリコン基板厚さが５０μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記バッキングは長軸側の線膨張係数が短軸側の線膨張係数より小さいことを特徴とする超音波探触子。
8. 請求項１記載の超音波探触子において、前記バッキングは炭素繊維を含有する樹脂であることを特徴とする超音波探触子。
9. 請求項８記載の超音波探触子において、前記樹脂には、シリカ、タングステン等の低熱膨張で密度の異なる粒子を添加したことを特徴とする超音波探触子。
10. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記基板と前記低弾性部材の機械的な振動の共振周波数の略１／２の周波数を、超音波駆動の中心周波数としたことを特徴とする超音波探触子。
11. 請求項１に記載の超音波探触子を用いて、被検体からの超音波診断画像を得る超音波診断装置。

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