JP6377396B2 - 超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。

医用分野では、超音波を被検体内部に照射し、被検体からの超音波反射信号を映像化する超音波診断装置が使用される。

超音波診断装置は、超音波プローブと、装置本体と、ケーブルとを有する。なお、超音波プローブを単に「プローブ」という場合がある。プローブは、超音波変換素子群と送信回路部と、エコー信号制御用電子回路部とバッキング部材（音波吸収材）とを有する。なお、超音波変換素子群を「振動子群」または「振動子」という場合がある。

送信回路部は、振動子毎に適切な遅延時間を与えて高電圧パルス駆動し、さらに、振動子毎に適切な送信波形を供給する。振動子は、超音波を被検体に送信し、被検体から反射して戻ってきた超音波を電気信号（エコー信号）に変換する。エコー信号制御用電子回路部は、エコー信号を制御して、これを効率よく引き出す。エコー信号はケーブルを介して装置本体に送られ、装置本体において増幅され、断層画像などに再構築される。

装置本体は電源部を有する。電源部の電源は、ケーブルを介して装置本体からプローブ内の送信回路部及びエコー信号制御用電子回路部に供給される。

一般的に被検体の検査では、プローブを移動させていろいろな方向から被検体内部の画像を得ることが多いため、プローブをできるだけ自在に移動させることにより、検査の容易化が図られる。しかし、プローブと装置本体とがケーブルにより接続されているため、ケーブルがプローブの移動を制限するときがあり、検査の容易化を図る上で支障になる。

近年の大容量高速無線通信技術により、プローブと装置本体との間の信号伝送を無線で行う試みがなされている。さらに、装置本体に電磁誘導により電力を給電する給電手段と、プローブ側に電磁誘導により電力を受電する受電手段とを有し、プローブに内蔵された電源部（二次電池）に蓄電するシステムが提案されている。

なお、被検体の検査時に、振動子は、被検体の方向とは反対の方向（以下、「後方」という）に不要な超音波を放射する。後方に放射された不要な超音波はバッキング部材により吸収され、熱に変換されて、プローブの本体に伝わり、本体の外部に放出される。プローブは、操作者に保持され、さらに、患者に接触されるため、プローブの温度上昇を抑える必要性がある。

国際公開第２０１０／１２２７９１号 特開２０１１−５６１０４号公報 特開２００３−１０１７７号公報

しかし、被検体の検査時において、プローブに内蔵された電源部内の電気エネルギーが消耗すると、外部から充電しなければならず、プローブを検査に使用できない時間が発生するという問題点があった。

この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、被検体の検査時にプローブ内の電源部に蓄電することが可能な超音波プローブ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、実施形態の超音波プローブは、超音波を送信し、受信するための振動子と、振動子から後方に放射される超音波を吸収するバッキング部材と、振動子とバッキング部材との間に設けられ、振動子から後方に放射される超音波の放射方向に直交する方向に平面を有する板状のエレクトレットと、それと平行に配置され、その前面側に後方に対し傾斜する複数の傾斜面を有し、後方に放射される超音波を傾斜面が受けてエレクトレットに対し放射方向に直交する方向に相対的に振動することで、電力を発生する電極板とを備えた発電層と、発電層に設けられ、復元力及び伸縮性を有する弾性部材と、発電層に設けられ、電極板における後方の方向に対し略直交する方向の両端部を弾性部材を介してバッキング部材に支持する支持部とを有する。

第１の実施形態に係る超音波プローブの一部構成を示す概念図。 振動子と支持体との間に配置された発電層を示す部分斜視図。 発電層を示す概念図。 後方に変位されることで、エレクトレットに近づいた電極板を示す概念図。 超音波プローブの構成ブロック図。 超音波プローブに内蔵される構成部品の配置を示す図。 第２の実施形態に係る発電層を示す概念図。 エレクトレットに対しＸ方向に変位した電極板を示す概念図。 変形例に係る発電層を示す概念図。 エレクトレットに対しＸ方向に変位したエレクトレットを示す概念図。

＜第１の実施形態＞
被検体の検査時にプローブ内の電源部に蓄電するための構成は、（１）プローブ内に、電力を発生させる手段を設ける。（２）プローブ内の電源部を、発生させた電力で補充する手段を設ける。（３）さらに、電力を発生させる手段は、振動子から後方に放射された超音波を電力に変換するように構成される。

このように構成されることで、超音波が電力に変換される度合に応じて、バッキング部材に吸収される超音波が減少し、プローブの外部に放出される熱が減少し、プローブの温度上昇が抑えられるという利点が生じる。さらに、バッキング部材に対して高い超音波吸収機能が要求されないため、例えば、バッキング部材を薄くすることが可能で、プローブの小型化を図ることができるという利点も生じる。

次に、第１の実施形態に係る超音波プローブについて各図を参照して説明する。
図１は、超音波プローブの一部構成を示す概念図、図２は、振動子と支持体との間に配置された発電層を示す部分斜視図である。図１及び図２において紙面の上方向がプローブの前方向（Ｚ１方向）、下方向がプローブの後方向（Ｚ２方向）に相当する。

（振動子２等）
図１及び図２に示すように、プローブ１００は、音響整合層１、振動子２、信号電極３、発電層４及び支持体７を有する。支持体７はバッキング部材（音波吸収材）の機能を有する。支持体７が「バッキング部材」の一例である。支持体７上に、発電層４、信号電極３、振動子２、及び、音響整合層１が積層される。なお、図２には、それぞれ３個分の音響整合層１、振動子２、信号電極３及び発電層４が積層された支持体７の一部を示す。

図２に示すように、音響整合層１、振動子２及び信号電極３は、Ｘ方向及びＹ方向の二次元に配列される。図２に、Ｘ方向に配列された振動子２等の一部を示し、Ｙ方向に配列された振動子２等を省略して示す。二次元に配列された振動子２に信号電極３が電気的に接続される。信号電極３からリード線（図示しない）が送信回路部２２及びエコー信号制御用電子回路部２３（図４参照）に接続される。

〔発電層４〕
次に、振動子群のうちの１個の振動子２に対応して設けられた発電層４について図２を参照して説明する。図２に示すように、発電層４は、スペーサー８、音波吸収膜１１、電極板１２、柱状部１３、エレクトレット１４、下部電極１５、及び、基板１６を有する。

図２に示すように、発電層４は、振動子２と支持体７との間に配置される。振動子２の大きさが約２００μｍ角の場合、発電層４は約１００μｍ角以内のエリアに構成される。このような微小な領域に発電層４を形成するために、機械構造と電子回路とを一つの基板上に集積化するメムス（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｅｍｓ：ＭＥＭＳ）技術が用いられる。発電層４を振動子２と支持体７との間に収納するため、振動子２と支持体７との間に２本一組のスペーサー８が設けられる。発電層４の前後方向の長さ（高さ）が約５０μｍであるとき、スペーサー８の前後方向の長さ（高さ）は、約１００μｍ以内でよい。スペーサー８は、発電層４を形成するＭＥＭＳプロセス内で、例えば、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）やエポキシ（ｅｐｏｘｙ）のような樹脂により形成される。なお、図２では、発電層４の内部構成を見せるために、その高さを低くしたスペーサー８を示す。一組のスペーサー８のＹ方向の間隔は振動子２のＹ方向の幅に相当する。

（エレクトレット１４等）
支持体７上に基板１６が配置される。基板１６上には、例えば、チタニウム／金製で、１０００Å／５０００Åの厚さからなる下部電極１５が配置される。下部電極１５の端子は、導電性を有する電極板１２の端子に抵抗Ｒを介して接続される。下部電極１５上には、厚さ約１５μｍのエレクトレット１４が形成される。なお、下部電極１５とエレクトレット１４との間には絶縁層（図示しない）が設けられる。

エレクトレット１４は、Ｚ２方向（後方）に放射される超音波の放射方向に直交する平面を有する。エレクトレット１４は、半永久的な電荷をもつ絶縁体である。図３Ａに、マイナスの電荷をもつエレクトレット１４と、その逆の電荷（誘導電荷）が生じた状態の下部電極とを示す。このとき、電極板１２にはいずれの電荷も生じていない。

（電極板１２）
図３Ａは、Ｚ１方向（前方）に変位されることで、エレクトレット１４から遠ざかったときの電極板１２を示す概念図である。図２及び図３Ａに示すように、基板１６上にＸ方向で所定間隔（振動子２のＸ方向の幅以下）を離れて一対の柱状部１３が配置される。一対の柱状部１３により電極板１２の両端部が支持される。柱状部１３が「支持部」の一例である。

電極板１２は、アルミニウム製で、１μｍの厚さを有する。電極板１２は、エレクトレット１４と平行に配置される。電極板１２と下部電極１５との間には約５０μｍの空気層が設けられる。電極板１２は、Ｚ２方向（後方）に放射される超音波を受けてエレクトレット１４に対し相対的に振動する。電極板１２上には音波吸収膜１１が配置される。音波吸収膜１１は、超音波吸収性に優れ、高分子材料、例えば、ウレタン系の合成ゴムで成形される。電極板１２は、復元力を有する。つまり、電極板１２は、Ｚ２方向（後方）の力を受けたとき復元力に抗してＺ２方向に変位して、エレクトレット１４に接近し、Ｚ２方向（後方）の力を受けないとき復元力によりＺ１方向に変位して、エレクトレット１４から遠ざかる。エレクトレット１４を「固定部」という場合がある。さらに、電極板１２を「可動部」という場合がある。

図３Ｂは、Ｚ２方向（後方）に変位されることで、エレクトレットに近づいたときの電極板を示す概念図である。図３Ｂに示すように、振動子２からＺ２方向（後方）に放射される超音波を電極板１２が受けたとき、電極板１２がＺ２方向に変位して、マイナスの電荷をもつエレクトレット１４に対し接近する。このとき、その逆の電荷（誘導電荷）であるプラスの電荷が電極板１２に生じる。一方で、下部電極１５に帯電されたプラスの電荷の一部が消滅する。それにより、電極板１２の端子の方が下部電極１５の端子より電位が高くなる。

図３Ａに示すように、振動子２からＺ２方向（後方）に放射される超音波を電極板１２が受けないとき、電極板１２がその復元力によりＺ１方向に変位して、エレクトレット１４から遠ざかる。このとき、電極板１２に帯電されたプラスの電荷が消滅する。一方で、下部電極１５に帯電されたプラスの電荷が増加する。それにより、下部電極１５の端子の方が電極板１２の端子より電位が高くなる。

（補充手段２６、電源部２７）
被検体の検査時に、発電層４において、電極板１２が超音波を受ける場合と、受けない場合とが繰り返されることで、電極板１２に往復運動が生じ、それにより、下部電極１５と電極板１２との端子の間に交流が生じる。補充手段２６は、端子間に生じた交流を直流に変換し、電源部（二次電池）２７を蓄電する。

電極板１２に往復運動が生じたときの発電層４の最大発電出力Ｐ_ｍａｘは次の式で表される。
Ｐ_ｍａｘ∝σ^２＊ｎ＊Ａ＊ｆ/ｇ （１）
ここで、σはエレクトレット１４の表面電荷密度、ｎはエレクトレット１４の数、Ａは下部電極１５の面積、ｆは電極板１２の往復運動の周波数、ｇはエレクトレット１４と下部電極１５との距離を示す。

（電子回路部２１等）
図４は超音波プローブの構成ブロック図、図５は超音波プローブに内蔵される構成部品の配置を示す図である。図４及び図５では、振動子２の前方に配置される音響整合層１（図１参照）及び振動子２の後方に配置される支持体７（図１参照）を省略して示す。図５に示すように、プローブ本体１０（以下、単に「本体」という）内の前部に複数の振動子２が配列され、本体１０内の中央部に、電子回路部２１が配置され、本体１０内の後部に蓄電手段２５が配置される。さらに、本体１０内には蓄電手段２５に隣接して通信部２８が配置される。

図４及び図５に示すように、電子回路部２１は、送信回路部２２及びエコー信号制御用電子回路部２３を有する。送信回路部２２が、「振動子を駆動する回路部」の一例である。

送信回路部２２は、振動子２毎に適切な遅延時間を与えて高電圧パルス駆動し、さらに、振動子２毎に適切な送信波形を供給する。それにより、振動子２は超音波を被検体に送信する。振動子２は、被検体から反射して戻ってきた超音波をエコー信号に変換する。エコー信号制御用電子回路部２３は、エコー信号を制御して、これを効率よく引き出す。エコー信号は通信部２８に送られる。通信部２８は、エコー信号を装置本体に無線送信する。装置本体は、送られたエコー信号を増幅し、断層画像などを再構築し、表示部に表示する。また、通信部２８は、装置本体から無線送信された制御信号を受信し、送信回路部２２及びエコー信号制御用電子回路部２３に送る。

（蓄電手段２５）
蓄電手段２５は、補充手段２６及び電源部（二次電池）２７を有する。電源部２７は、送信回路部２２、エコー信号制御用電子回路部２３、及び、通信部２８に電源を供給する。

被検体の検査時に、送信回路部２２等によって電源部２７の電気エネルギーが消耗されるが、発電層４からの電力で電源部２７が補充される。それにより、電源部２７から送信回路部２２、エコー信号制御用電子回路部２３、及び、通信部２８に電源が供給され続ける。つまり、二次電池である電源部２７の充電サイクルが長くなる。

上記の発電層４によれば、振動子２から後方に放射される超音波が電力に変換される度合が高くなるに応じて、支持体７に要求される超音波吸収機能が低くなるため、支持体７を薄くすることが可能となる。なお、超音波が電力に変換される度合いが極めて高くなり、支持体７に超音波吸収機能がほとんど要求されないときであっても、支持体７を「バッキング部材」の一例であるとする。

なお、前記実施形態では、電源部２７から電源が供給される先として、送信回路部２２、エコー信号制御用電子回路部２３、及び、通信部２８のうちの少なくとも１つであってもよい。さらに、電気エネルギーの消耗の度合いに応じて、電源の供給先を変更するように構成してもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る超音波プローブについて図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態の超音波プローブと同じ構成については同一番号を付してその説明を省略し、異なる構成について主に説明する。

第１の実施形態では、Ｚ２方向（後方）に放射される超音波を受けて、エレクトレット１４に対し前後方向に変位する可動部としての電極板１２を示した。これに対し、第２の実施形態では、Ｚ２方向（後方）に放射される超音波を受けて、エレクトレット１４に対し前後方向と直交する方向（Ｘ方向）に変位する可動部としての電極板１２が設けられる。

（電極板１２）
図６Ａは第２の実施形態に係る発電層を示す概念図である。図６Ａに示すように、電極板１２の上面（振動子２の背面と対向する面）には、音波吸収膜１１が配置される。また、電極板１２の上面には、Ｚ２方向（後方）に対してＸ方向に傾斜する傾斜溝１８がＸ方向に連続的に設けられる。傾斜溝１８を連続的に設けるには、感光性の物質を塗布した物質の表面をパターン状に露光することで、露光部分と非露光部分とからなるパターンを生成する技術であるフォトリソグラフィ（Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）が用いられる。例えば、レジスト（感光性物質）の露光時に用いるガラスマスクとして、傾斜をつけたいパターン部分の透過率が徐々に変化するマスクを用いて、深い溝を形成したい方向にレジストの厚さが徐々に薄くなるパターンを形成する。その後、ドライエッチングを用いて可動部となる電極板１２のアルミニウム表面をパターニングすればよい。

電極板１２の両端部は、復元力を有する付勢手段１７を介して一対の柱状部１３に支持される。

図６Ａに、振動子２からＺ２方向（後方）に放射される超音波を受けないときの電極板１２を示す。このとき、電極板１２は、エレクトレット１４に対しＸ方向に変位していない。

図６Ｂは、エレクトレット１４に対しＸ方向に変位した電極板１２を示す概念図である。図６Ｂに示すように、振動子２からＺ２方向（後方）に放射される超音波を電極板１２が受けたとき、付勢手段１７の復元力に抗して、電極板１２がマイナスの電荷をもつエレクトレット１４に対しＸ１方向に変位する。このとき、電極板１２に帯電されたプラスの電荷の一部が消滅する。一方で、下部電極１５に帯電されたプラスの電極が増加する。それにより、下部電極１５の端子の方が電極板１２の端子より電位が高くなる。

図６Ａに示すように、振動子２からＺ２方向（後方）に放射される超音波を電極板１２が受けないとき、電極板１２がその復元力によりエレクトレット１４に対しＸ２方向に変位する。このとき、電極板１２に帯電されたプラスの電荷が増加する。一方で、下部電極１５に帯電されたプラスの電極の一部が消滅する。それにより、電極板１２の端子の方が下部電極１５の端子より電位が高くなる。

つまり、被検体の検査時に、電極板１２が超音波を受ける場合と、受けない場合とが繰り返されることで、電極板１２に往復運動が生じ、それにより、下部電極１５と電極板１２との端子の間に交流が生じる。補充手段２６は、端子間に生じた交流を直流に変換し、電源部２７を蓄電する。

（変形例）
さらに、前記実施形態では、固定部としてのエレクトレット１４、可動部としての電極板１２を示したが、これに限らない。つまり、超音波を受けたとき、電極板１２がエレクトレット１４に対し相対的に変位すればよく、固定部を電極板１２とし、可動部をエレクトレット１４としてもよい。

次に、固定部を電極板１２とし、可動部をエレクトレット１４とした発電層４の変形例について図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。図７Ａは変形例に係る発電層を示す概念図、図７Ｂはエレクトレットに対しＸ方向に変位したエレクトレットを示す概念図である。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、基板１６には電極板１２及び下部電極１５が並ぶように配置される。エレクトレット１４の両端部が付勢手段１７を介して一対の柱状部１３に支持される。エレクトレット１４の上面には、Ｚ２方向に対してＸ方向に傾斜する傾斜溝１８がＸ方向に連続的に設けられる。エレクトレット１４の上面には、音波吸収膜１１が設けられる。

図７Ａに、振動子２からＺ２方向に放射される超音波を受けないときのエレクトレット１４を示す。このとき、エレクトレット１４は、電極板１２に対しＸ方向に変位していない。

図７Ｂに示すように、振動子２からＺ２方向に放射される超音波をエレクトレット１４が受けたとき、付勢手段１７の復元力に抗して、マイナスの電荷をもつエレクトレット１４が電極板１２に対しＸ１方向に変位する。このとき、電極板１２に帯電されたプラスの電荷の一部が消滅する。一方で、下部電極１５に帯電されたプラスの電荷が増加する。それにより、下部電極１５の端子の方が電極板１２の端子より電位が高くなる。

図７Ａに示すように、振動子２からＺ２方向（後方）に放射される超音波をエレクトレット１４が受けないとき、エレクトレット１４がその復元力により電極板１２に対しＸ２方向に変位する。このとき、電極板１２に帯電されたプラスの電荷が増加する。一方で、下部電極１５に帯電されたプラスの電極の一部が消滅する。それにより、電極板１２の端子の方が下部電極１５の端子より電位が高くなる。

つまり、被検体の検査時に、エレクトレット１４が超音波を受ける場合と、受けない場合とが繰り返されることで、エレクトレット１４に往復運動が生じ、それにより、下部電極１５と電極板１２との端子の間に交流が生じる。補充手段２６は、端子間に生じた交流を直流に変換し、電源部２７を蓄電する。

前記実施形態では、発電層４として、電極板１２、エレクトレット１４及び下部電極１５等により電力を発生させるものを示したが、発電層４としてはこれに限定されない。例えば、電磁誘導や圧電素子により電力を発生させるものであってもよい。このとき、圧電素子は、Ｘ２方向（後方）に放射される超音波を受けて振動可能に保持される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ 超音波プローブ
１ 音響整合層
２ 振動子
３ 信号電極
４ 発電層
７ 支持体
８ スペーサー
１０ プローブ本体
１１ 音波吸収膜
１２ 電極板
１３ 柱状部（支持部）
１４ エレクトレット
１５ 下部電極
１６ 基板
１７ 付勢手段
１８ 傾斜溝
２１ 電子回路部
２２ 送信回路部
２３ エコー信号制御用電子回路部
２５ 蓄電手段
２６ 補充手段
２７ 電源部
２８ 通信部

Claims (3)

1. 超音波を送信し、受信するための振動子と、
   前記振動子から後方に放射される超音波を吸収するバッキング部材と、
   前記振動子と前記バッキング部材との間に設けられ、前記振動子から後方に放射される超音波の放射方向に直交する方向に平面を有する板状のエレクトレットと、それと平行に配置され、その前面側に前記後方に対し傾斜する複数の傾斜面を有し、前記後方に放射される超音波を前記傾斜面が受けて前記エレクトレットに対し前記放射方向に直交する方向に相対的に振動することで、電力を発生する電極板とを備えた発電層と、
   前記発電層に設けられ、復元力及び伸縮性を有する弾性部材と、
   前記発電層に設けられ、前記電極板における前記後方の方向に対し略直交する方向の両端部を前記弾性部材を介して前記バッキング部材に支持する支持部と、
   を有することを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記振動子で受信された信号を無線送信する通信部と、
   前記振動子を駆動する回路部と、
   前記通信部及び前記回路部の少なくとも一方に電源を供給する電源部と、
   前記発電層からの電力で前記電源部を補充する補充手段と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記発電層は、前記後方に放射される超音波の放射方向に直交する方向に平面を有する板状の圧電素子であって、前記後方に放射される超音波を受けて振動可能に保持され、前記振動することにより前記電力を発生する構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波プローブ。

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