JP6261833B2 - 超音波振動子、超音波処置具、および超音波治療装置 - Google Patents

超音波振動子、超音波処置具、および超音波治療装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波振動子に関するものである。
従来、外科治療において、超音波振動子が発生する振動を利用して処置を行う外科用器具が使用されている(例えば、特許文献1参照。)。外科用器具に搭載される超音波振動子は、厚さ方向に積層された複数の圧電素子からなる積層体を備え、該積層体内に縦振動の節が位置するように設計される。
特表2010−535089号公報
超音波振動子は振動に伴って発熱するため、超音波振動子の全体の温度が使用中に徐々に上昇する。超音波振動子の共振周波数は温度に依存するため、温度上昇によって超音波振動子の共振周波数が変化すると、超音波振動子に供給されている駆動電圧の周波数に対する超音波振動子の共振周波数のずれが大きくなり、超音波振動子の出力(振動振幅)が低下する。高出力を維持し続けるためには駆動電圧を増大しなければならず、さらなる発熱を招いたり超音波振動子の駆動が不安定になったりする。特許文献1に記載の超音波振動子は発熱を抑制することが難しいため、超音波振動子を高い出力で安定的に駆動し続けることが難しいという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、発熱を抑制し、高い出力で安定的に駆動し続けることができる超音波振動子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、長手軸に沿って積層され、前記長手軸方向の縦振動を発生する複数の圧電素子を備え、該複数の圧電素子は、前記縦振動の腹側から前記縦振動の節側に向かって順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなる、と共に、前記縦振動の節側の方が前記縦振動の腹側よりヤング率が小さくなるように、配列されている超音波振動子を提供する。
本発明によれば、積層された複数の圧電素子に厚さ方向に電圧を印加して圧電素子を厚さ方向に振動させることによって、複数の圧電素子全体に厚さ方向の縦振動を発生させることができる。
この場合に、複数の圧電素子は、節に近いほど厚くなり、腹に近いほど薄くなるように、配列されている。複数の圧電素子に等しい大きさの電圧が印加されたときに、厚い圧電素子ほど、流れる電流量は少なくなり、薄い圧電素子ほど、流れる電流量は多くなる。超音波振動子のうち、節側の圧電素子は、変位量が小さいため、必要な電流量が少なく、腹側の圧電素子は、変位量が大きいため、必要な電流量が多い。
したがって、節側により厚い圧電素子を配置することによって、過剰な電流の投入を防ぎ、節における発熱を抑制することができる。特に、超音波振動子のうち、節における発熱量が多い。したがって、節における発熱を抑制することで、超音波振動子全体の発熱を効果的に抑制し、高い出力で安定的に駆動し続けることができる。また、腹側により薄い圧電素子を配置することによって、出力を高めることができる。さらに、厚さが異なる圧電素子間において振動速度は異なる。そこで、圧電素子の厚さを順番に薄くまたは厚くすることによって、隣接する圧電素子間における振動速度の違いに伴う振動の伝達効率の低下を防ぎ、出力をさらに高めることができる。
上記発明においては、前記複数の圧電素子は、最も前記腹側に位置する圧電素子から最も前記節側に位置する圧電素子に向かって、順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなるように、配列されていてもよい。
上記発明においては、前記複数の圧電素子は、前記腹側から前記節側に向かって順番に圧電定数が高くなるように配列されていてもよく、最も前記腹側に位置する圧電素子から最も前記節側に位置する圧電素子に向かって圧電定数が順番に高くなるように、配列されていてもよい。
また、上記発明においては、最も前記節側に位置する圧電素子のヤング率が最も前記腹側に位置する圧電素子のヤング率よりも低くなるように配列されていてもよい。
このようにすることで、発熱の高い抑制効果を維持しながら、振動の発生効率および振動の伝達効率をさらに高めることができる。
上記発明においては、前記複数の圧電素子が、該複数の圧電素子の前記長手軸方向の途中位置に腹を有し、前記複数の圧電素子の前記長手軸方向の両側に腹を有する前記縦振動を発生してもよい。
上記発明においては、前記節の前記長手軸方向の一側および他側の各々に配置された前記圧電素子が、互いに異なる前記長手軸方向の厚さを有していてもよい。
このようにすることで、隣接する2つの圧電素子間の厚さの差をより小さく抑え、出力をさらに高めることができる。
上記発明においては、前記複数の圧電素子は、前記節に対して前記長手軸方向の厚さの分布が対称となるように、配列されていてもよい。
このようにすることで、発熱の抑制効果が節の両側において対称的に生じるので、超音波振動子全体の発熱をさらに効果的に抑制することができる。
上記発明においては、前記節の前記長手軸方向の一側および他側の各々に配置された前記圧電素子の数が、3以上であってもよい。
このようにすることで、隣接する2つの圧電素子間の厚さの差をより小さく抑え、出力をさらに高めることができる。
また、本発明の他の態様は、長手軸に沿って積層され、前記長手軸方向の縦振動を発生する複数の圧電素子を備え、該複数の圧電素子は、前記縦振動の腹側から前記縦振動の節側に向かって順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなる、と共に、前記縦振動の節側の方が前記縦振動の腹側よりヤング率が小さくなるように、配列されている超音波振動子と、前記超音波振動子で発生した前記縦振動を伝達するプローブと、を備えた超音波処置具を提供する。
また、本発明の他の態様は、長手軸に沿って積層され、前記長手軸方向の縦振動を発生する複数の圧電素子を備え、該複数の圧電素子は、前記縦振動の腹側から前記縦振動の節側に向かって順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなる、と共に、前記縦振動の節側の方が前記縦振動の腹側よりヤング率が小さくなるように、配列されている超音波振動子と、前記超音波振動子で発生した前記縦振動を伝達するプローブと、を備えた超音波処置具と、前記超音波振動子に供給する駆動電圧を制御する制御ユニットと、を備えた超音波治療装置を提供する。
本発明によれば、発熱を抑制し、高い出力で安定的に駆動し続けることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る超音波治療装置の全体構成を示す外観図である。 図1の超音波治療装置における超音波振動子の全体構成を示す(a)側面図および(b)基端側から長手軸方向に見た背面図である。 図3の超音波振動子の本体の全体構成図である。 図3の超音波振動子における圧電素子のヤング率の一例を示す図表である。
本発明の一実施形態に係る超音波振動子1について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る超音波治療装置101の全体構成を示す外観図である。図1に示されるように、本実施形態に係る超音波振動子1は超音波治療装置101に適用される。
超音波治療装置101は、図1に示されるように、超音波振動子1を内部に有する超音波処置具102と、該処置具102にケーブル109を介して接続され、超音波振動子1に高周波の駆動電圧を供給するとともにこの駆動電圧を制御する制御ユニット103とを備えている。符号105は、基端が超音波振動子1に固定されたプローブである。
処置具102には、制御ユニット103から超音波振動子1への駆動電圧の供給の開始および停止を指示するためのハンドスイッチ102aが設けられている。ユーザによってハンドスイッチ102aがON操作されると、制御ユニット103からケーブル109を介して駆動電圧が供給されることによって超音波振動子1が超音波振動を発生し、その超音波振動がプローブ105を伝わって該プローブ105の先端部が振動する。これにより、プローブ105の先端部と接触している組織に摩擦熱を発生させ、組織を凝固または切開することができるようになっている。なお、処置具102として、超音波振動子1の先端に設けられたホーンを直接組織に接触させる方式のものを採用してもよい。
本実施形態に係る超音波振動子1は、図2(a),(b)に示されるように、ボルト締めランジュバン型(BLT)振動子からなる振動子本体(以下、単に「本体」という。)2と、該本体2を収容する放熱管10とを備えている。符号14は、超音波振動子1の外側を被覆する電気絶縁性の外筒である。
本体2は、先端側から長手軸Aに沿って順に、ホーン3と、第1の金属体4と、複数枚の圧電素子からなる積層体5と、第2の金属体6とを備えている。また、本体2は、第1の金属体4、積層体5および第2の金属体6を一体に締結するための、ボルト7とナット8とを備えている。
ホーン3およびボルト7は、高い超音波伝播効率と高い強度とを有する金属からなる単一の部材であって、好ましくは、64チタン合金(ASTM規格のB348 Grade5)からなる。ホーン3は、先端に向かって先細となる略円錐状である。ボルト7は、ホーン3の基端面から基端側へ向かって長手軸Aに沿って真っ直ぐに延びている。
第1の金属体4、積層体5および第2の金属体6には、長手軸Aに沿って貫通し、ボルト7が挿入されるボルト穴9が形成されている。ナット8は、第2の金属体6の基端面から突出するボルト7の基端部分に締結され、これによって、積層体5が第1の金属体4と第2の金属体6とによって両側から強固に締め付けられている。なお、ナット8を省略し、第2の金属体6が、ボルト7と締結する雌ねじを有することによってナット8を兼ねていてもよい。
制御ユニット103内に搭載される図示しない高周波電源からの高周波の駆動電圧が積層体5に印加されると、積層体5が長手軸A方向の縦振動を発生し、発生された縦振動がボルト7を介してホーン3に伝達され、ホーン3の先端が長手軸A方向に振動する。このときに、縦振動が、ホーン3の基端から先端へ伝達する間に増幅されることによって、ホーン3の先端において大きな振幅の振動が得られる。ここで、駆動電圧の周波数は、本体2の先端、中間位置および基端が縦振動の腹となるように、20kHz以上100kHz以下の範囲内から選択される。
第1の金属体4は、柱状の部材であり、チタン合金やアルミ合金のような高い強度および弾性を有する金属材料から形成されている。
第2の金属体6は、柱状の部材であり、チタン合金やアルミ合金のような金属材料から形成されている。
金属体4,6は、アルミニウムを主成分とするセラミックス(例えば、ジュラルミン)から形成されていてもよい。
積層体5は、図3に示されるように、長手軸A方向に配列された複数の板状の圧電素子51,52,53,54を備えている。圧電素子51,52,53,54は、チタンジルコン酸鉛、チタン酸バリウムまたはニオブ酸カリウムナトリウム等の圧電材料から形成され、厚さ方向に分極している。複数の圧電素子51,52,53,54は、同一種類の圧電材料から形成されていてもよく、異なる種類の圧電材料から形成されていてもよい。あるいは、複数の圧電素子51,52,53,54は、同一種類であるが異なる物性値を有する圧電材料から形成されていてもよい。
積層体5は、各圧電素子51,52,53,54が2枚の電極によって厚さ方向に挟まれるように、圧電素子51,52,53,54と薄板状の電極(図示略)とが厚さ方向に交互に積層された積層構造を有している。また、積層体5において、圧電素子51,52,53,54の分極方向は、交互に逆方向となっている。積層体5と第1の金属体4との間、および、積層体5と第2の金属体6との間には、図示しない絶縁体が挟まれており、積層体5は、第1の金属体4および第2の金属体6と電気的に絶縁されている。
電極は、長手軸A方向に交互に正電極と負電極とを構成している。全ての電極は、電気ケーブル109を介して制御ユニット103内の共通の高周波電源(図示略)に並列に接続され、該高周波電源から共通の交番電圧が駆動電圧として印加されるようになっている。電極に交番電圧が印加されることによって、各圧電素子51,52,53,54が長手軸A方向に伸縮振動して積層体5全体に長手軸Aに沿う方向の縦振動が発生するようになっている。このときに、積層体5の長手軸A方向の中心に縦振動の節Nが現れ、積層体5の先端側および基端側に腹が現れるように、超音波振動子1は設計される。
積層体5において、複数の圧電素子51,52,53,54は、先端側から節Nに向かって順番に厚さが大きくなるように、かつ、基端側から節Nに向かって順番に厚さが大きくなるように、配列されている。また、節Nの先端側に配置された圧電素子51,52,53,54は、互いに異なる厚さを有し、節Nの基端側に配置された圧電素子51,52,53,54は、互いに異なる厚さを有する。さらに、圧電素子51,52,53,54の厚さの分布は節Nに対して対称であり、中央に配置された最も厚い2枚の圧電素子51の間に節Nが位置している。
図3に示される例においては、合計8枚の圧電素子51,52,53,54が積層体5に設けられている。以下、最も厚い圧電素子を第1圧電素子51、2番目に厚い圧電素子を第2圧電素子52、3番目に厚い圧電素子を第3圧電素子53、最も薄い圧電素子を第4圧電素子54という。ここで、図示されるように、複数の圧電素子51,52,53,54は、最も腹側に位置する圧電素子から最も節側に位置する圧電素子に向かって、順番に厚さが大きくなるように、配列されていることが好ましい。
次に、このように構成された超音波振動子1の作用について説明する。
本実施形態に係る超音波振動子1によって超音波振動を発生させるためには、高周波電源から、超音波振動子1の共振周波数または該共振周波数の近傍の周波数を有する交番電圧を電気ケーブル109を介して積層体5の電極に供給する。これにより、各圧電素子51,52,53,54が長手軸A方向に伸縮振動して積層体5に縦振動が発生する。積層体5に発生した縦振動は第1の金属体4およびホーン3を介してプローブ105に伝達され、プローブ105の先端が長手軸A方向に振動する。したがって、振動するプローブ105の先端を生体組織に接触させることによって、生体組織を処置することができる。
ここで、縦振動する積層体5において、変位量の分布は、節Nに近い位置では小さく、腹に近い位置では大きく、節Nの位置ではゼロとなる。図3において、破線は、積層体5の各位置における変位量を表している。このように、各圧電素子51,52,53,54が発生する振動の大きさは、積層体5における位置に応じて異なる。
仮に、圧電素子51,52,53,54の厚さが均一である場合、変位量が異なるにもかかわらず全ての圧電素子51,52,53,54に投入される電力は等しくなる。電力とは、交番電圧と各圧電素子に流れる電流との積であり、各圧電素子に流れる電流は、後述するように圧電素子の厚さに依存する。したがって、節N側の圧電素子51では、電力が過大となって電力の一部が振動ではなく熱に変換されたり、腹側の圧電素子54では電力が足りずに要求される振動速度を得ることができなったりし得る。腹側の圧電素子54の振動速度を高めるために交番電圧を増大すると、節N側の圧電素子51に供給される交番電圧も増大するので、発熱量が増大する。このように、圧電素子の位置に応じて、各圧電素子の、投入された電力に対する仕事(発生する振動の大きさ)の割合は異なるため、全ての圧電素子への電力の投入量が等しい場合、電力の過不足が生じる。
本実施形態においては、変位量が小さく、小さな電力を必要とする節N側に厚い第1圧電素子51が配置され、変位量が大きく、大きな電力を必要とする腹側に薄い第4圧電素子54が配置されている。したがって、各圧電素子51,52,53,54に対してそれぞれが必要とする電力が過不足無く投入される。これにより、発熱を抑制しながら出力(ホーン3の先端の振動速度)を高め、高い出力で安定的に駆動し続けることができるという利点がある。
具体的には、圧電素子51,52,53,54に印加される交番電圧の大きさが等しいときに、厚い圧電素子ほど投入される電力が小さくなる。これは、圧電素子が電極に挟まれた構造はコンデンサと等価であり、各圧電素子が静電容量を有するためである。すなわち、圧電素子が厚い程、静電容量が小さくなり、圧電素子に流れる電流が小さくなる。
したがって、節N側に厚い圧電素子51を配置することによって、投入された電力の機械的振動への変換効率を高めて、節Nにおける発熱を抑制することができる。特に、発熱量は、超音波振動子1の内、節Nにおいて最も多くなる。これは、節Nに近い位置ほど、電力が熱に変換され易く、また、圧電素子に生じる応力が大きくなるためである。節Nにおける発熱を抑制することによって、超音波振動子1全体の発熱を効果的に抑制することができる。
また、医療用の超音波振動子1は、駆動中の温度上昇が所定の閾値(例えば20℃)以下に維持されるように動作が制限される。このような制限下で超音波振動子1を効率良く駆動するためには、超音波振動子1の温度上昇が閾値を超えない範囲で交番電圧の大きさを増大することが重要である。本実施形態によれば、超音波振動子1の温度上昇が効果的に抑制されるので、超音波振動子1の温度上昇を所定の閾値以下に維持しながら、積層体5に印加する交番電圧を増大して、超音波振動子1を効率良く駆動することができる。
また、腹側である積層体5の先端に薄い圧電素子54を配置することによって、積層体5の先端において大きな振動速度が得られる。積層体5の先端は、第1の金属体4に振動を出力する出力端であり、第1の金属体4の先端における振動速度を高めるためには、積層体5の先端における振動速度を高めることが重要となる。したがって、本実施形態によれば、超音波振動子1の出力を効果的に高めることができる。
さらに、厚さが異なる圧電素子間では、振動速度の違いに起因して振動の伝達効率が低下し得る。ただし、節Nから先端側および基端側に向かって圧電素子51,52,53,54を漸次薄くすることによって、隣接する2枚の圧電素子間の厚さの差および振動速度の差が小さく抑制され、振動の伝達効率の低下が防止される。これにより、超音波振動子1の出力をさらに高めることができる。特に、節Nの先端側に3枚以上の圧電素子を設け、節Nの基端側に3枚以上の圧電素子を設けることによって、隣接する2枚の圧電素子間の振動速度の差を十分に小さく抑えることができ、より高い出力を得ることができる。
本実施形態においては、図4に示されるように、先端側から節Nに向かって、また、基端側から節Nに向かって、順番にヤング率が小さくなるように、圧電素子51,52,53,54が配列されていてもよい。ここで、複数の圧電素子51,52,53,54は、最も節側に位置する圧電素子のヤング率が最も腹側に位置する圧電素子のヤング率よりも低くなるように、配列されていることが好ましい。図4において、ヤング率は、第1の金属体4のヤング率に対する各圧電素子51,52,53,54のヤング率の比を表している。
ヤング率が異なる2枚の圧電素子間においては伸縮速度が異なるため、2枚の圧電素子間の振動の伝達効率が低下し得る。したがって、隣接する2枚の圧電素子間のヤング率の差は小さいことが好ましい。同じ理由で、隣接する金属体4または6と圧電素子54との間のヤング率の差も小さいことが好ましい。金属材料のヤング率は一般に圧電材料のヤング率よりも高いので、金属体4,6に隣接する第4圧電素子54の材料には、ヤング率の高いものが使用される。一方、投入される電力が小さい第1圧電素子51は、より大きな振動を発生することができるように、ヤング率の低い材料から形成されることが好ましい。
以上の理由から、先端側および節Nに向かって、また、基端側から節Nに向かって順番にヤング率が低くなるように、複数の圧電素子51,52,53,54を配列することで、振動の発生効率および振動の伝達効率を高めて、さらに高い出力を得ることができる。
本実施形態においては、先端側から節Nに向かって、また、基端側から節Nに向かって、順番に圧電定数が大きくなるように、圧電素子51,52,53,54が配列されていてもよい。ここで、複数の圧電素子51,52,53,54は、最も腹側に位置する圧電素子から最も節側に位置する圧電素子に向かって、順番に厚さが大きくなるように、配列されていることが好ましい。
このようにすることで、特に第1圧電素子51による振動の発生効率を高めて、さらに高い出力を得ることができるという利点がある。
また、超音波振動子1の振動特性に関係する他のパラメータ(例えば比誘電率)を、圧電定数や厚さ等に応じて適宜調整してもよい。
本実施形態においては、節Nの先端側および基端側の各々において圧電素子51,52,53,54の厚さが全て異なることとしたが、これに代えて、節Nの先端側および基端側の各々において等しい厚さを有する2枚以上の圧電素子が設けられていてもよい。
この場合、等しい厚さを有する2枚以上の圧電素子を一体的に接合することで一組の圧電素子として機能するようにし、腹側から節側に向かって各組の接合する圧電素子の枚数を順番に増やすことで、複数組の圧電素子を隣接して配置するようにしてもよい。このように複数組の圧電素子を配置する場合、最も厚みの小さい組は、単一の圧電素子から構成されていてもよい。
本実施形態においては、節Nに対して圧電素子51,52,53,54の厚さの分布が対称であることとしたが、これに代えて、非対称であってもよい。例えば、節Nの先端側に配置された圧電素子と、節Nの基端側に配置された圧電素子とが、互いに異なる厚さを有していてもよい。
このようにしても、節N側に厚い圧電素子を配置し、腹側に薄い圧電素子を配置することによる、発熱の抑制効果を得ることができる。
本実施形態においては、超音波振動子1が、積層体5の長手軸A方向の中央に節Nを有し、積層体5の長手軸A方向の両側に腹を有する縦振動を発生することとしたが、縦振動の節Nおよび腹の位置はこれに限定されるものではなく、適宜変更してもよい。
例えば、積層体5の先端側に節Nを有し、積層体5の基端側に腹を有する縦振動を発生するように、超音波振動子1が設計されてもよい。この場合には、基端側から先端側に向かって順番に圧電素子の厚さが大きくなるように、複数の圧電素子を配列すればよい。
1 超音波振動子
4 第1の金属体
5 積層体
6 第2の金属体
51,52,53,54 圧電素子
N 節

Claims (11)

  1. 長手軸に沿って積層され、前記長手軸方向の縦振動を発生する複数の圧電素子を備え、
    該複数の圧電素子は、前記縦振動の腹側から前記縦振動の節側に向かって順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなる、と共に、前記縦振動の節側の方が前記縦振動の腹側よりヤング率が小さくなるように、配列されている超音波振動子。
  2. 前記複数の圧電素子は、最も前記腹側に位置する圧電素子から最も前記節側に位置する圧電素子に向かって、順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなるように、配列されている請求項1に記載の超音波振動子。
  3. 前記複数の圧電素子は、前記腹側から前記節側に向かって順番に圧電定数が高くなるように、配列されている請求項1に記載の超音波振動子。
  4. 前記複数の圧電素子は、最も前記腹側に位置する圧電素子から最も前記節側に位置する圧電素子に向かって圧電定数が順番に高くなるように、配列されている請求項1に記載の超音波振動子。
  5. 前記複数の圧電素子は、最も前記節側に位置する圧電素子のヤング率が最も前記腹側に位置する圧電素子のヤング率よりも低くなるように、配列されている請求項1に記載の超音波振動子。
  6. 前記複数の圧電素子が、該複数の圧電素子の前記長手軸方向の途中位置に腹を有し、前記複数の圧電素子の前記長手軸方向の両側に腹を有する前記縦振動を発生する請求項1に記載の超音波振動子。
  7. 前記節の前記長手軸方向の一側および他側の各々に配置された前記圧電素子が、互いに異なる前記長手軸方向の厚さを有する請求項に記載の超音波振動子。
  8. 前記複数の圧電素子は、前記節に対して前記長手軸方向の厚さの分布が対称となるように、配列されている請求項に記載の超音波振動子。
  9. 前記節の前記長手軸方向の一側および他側の各々に配置された前記圧電素子の数が、3以上である請求項1に記載の超音波振動子。
  10. 長手軸に沿って積層され、前記長手軸方向の縦振動を発生する複数の圧電素子を備え、
    該複数の圧電素子は、前記縦振動の腹側から前記縦振動の節側に向かって順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなる、と共に、前記縦振動の節側の方が前記縦振動の腹側よりヤング率が小さくなるように、配列されている超音波振動子と、
    前記超音波振動子で発生した前記縦振動を伝達するプローブと、
    を備えた超音波処置具。
  11. 長手軸に沿って積層され、前記長手軸方向の縦振動を発生する複数の圧電素子を備え、
    該複数の圧電素子は、前記縦振動の腹側から前記縦振動の節側に向かって順番に前記長手軸方向の厚さが大きくなる、と共に、前記縦振動の節側の方が前記縦振動の腹側よりヤング率が小さくなるように、配列されている超音波振動子と、前記超音波振動子で発生した前記縦振動を伝達するプローブと、を備えた超音波処置具と、
    前記超音波振動子に供給する駆動電圧を制御する制御ユニットと、
    を備えた超音波治療装置。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018070043A1 (ja) * 2016-10-14 2018-04-19 オリンパス株式会社 超音波トランスデューサ
CN108065964B (zh) * 2018-01-16 2021-04-20 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 一种超声成像方法、装置、设备及超声成像探头
WO2020044513A1 (ja) * 2018-08-30 2020-03-05 オリンパス株式会社 超音波振動子、超音波処置具、及び超音波振動子の製造方法
US11217392B2 (en) 2019-01-17 2022-01-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Composite piezoelectric capacitor
US20220395255A1 (en) * 2021-06-01 2022-12-15 Provisio Medical, Inc. Transducer for ultrasound measuring systems and methods

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5126618A (en) 1990-03-06 1992-06-30 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Longitudinal-effect type laminar piezoelectric/electrostrictive driver, and printing actuator using the driver
JP2890627B2 (ja) * 1990-03-06 1999-05-17 ブラザー工業株式会社 印字エレメント
JP2508575B2 (ja) * 1993-01-28 1996-06-19 日本電気株式会社 圧電磁器トランスとその駆動方法
CN1663534A (zh) * 2005-02-05 2005-09-07 黄晶 介入式超声组织硬度获取法及介入超声硬度检测仪
CN2772441Y (zh) * 2005-04-07 2006-04-19 黄晶 介入超声心肌硬度彩色成像仪
JP2008191007A (ja) 2007-02-05 2008-08-21 Denso Corp センサ装置の取り付け構造
US8430898B2 (en) 2007-07-31 2013-04-30 Ethicon Endo-Surgery, Inc. Ultrasonic surgical instruments
US8319400B2 (en) 2009-06-24 2012-11-27 Ethicon Endo-Surgery, Inc. Ultrasonic surgical instruments
JP2014226318A (ja) 2013-05-22 2014-12-08 オリンパス株式会社 超音波治療装置
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