JP6548234B2

JP6548234B2 - 超音波プローブ及び超音波画像表示装置

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Publication number: JP6548234B2
Application number: JP2017229844A
Authority: JP
Inventors: 昌昭大塚
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: US20190162832A1; US11474219B2; JP2019097722A; CN109846510A

Description

本発明は、超音波振動子と熱的に接続された熱拡散部材を有する超音波プローブ及び超音波画像表示装置に関する。

超音波プローブは、超音波振動子と音響レンズとバッキング層とを有している。より詳細には、前記超音波振動子に対して被検体側に被検体と当接する音響レンズが設けられ、被検体とは反対側に前記バッキング層が設けられている。前記超音波振動子は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電素子からなり、この超音波振動子に電圧を印加して超音波が送波される。

超音波の送受信時には、超音波振動子において熱が発生する。この熱が、音響レンズへ伝わり、レンズ表面が高温とならないようにするため、筐体内に熱伝導性のヒートスプレッダを設けた超音波プローブが、特許文献１に記載されている。

特表２０１４−５１６６８６号公報

上記特許文献１の段落００１０には、「筐体２２は、金属ヒートスプレッダの周りに成形される。この実現において、ハンドル部分２２及び筒先２４は、ヒートスプレッダ２０′の周りに形成される単一の筐体２２′として成形される」との記載がある。これは、インサート成型により、筐体と金属ヒートスプレッダが一体成型されることを意味するが、インサート成型ではアンダーカット等を避けるために、ヒートスプレッダに穴や切欠きを形成する必要がある。このような穴や切欠きが設けられたヒートスプレッダは、穴や切欠きの分だけ熱拡散エリアが減ってしまう。

一方、ヒートスプレッダと筐体とが別体になっている場合には上述の課題は生じないものの、相互の密着性が悪く機械的強度が低下し、また引用文献１に記載されているように、ヒートスプレッダと筐体の間に熱ガスケットを介在させたとしても熱伝達の効率が低下する。

上述の課題を解決するためになされた発明は、超音波を送波する超音波振動子と、この超音波振動子を収容する筐体と、この筐体と別体で構成され、なおかつ前記超音波振動子及び前記筐体と熱的に接続された状態で前記該筐体内に収容される熱拡散部材と、を備え、前記熱拡散部材は、前記筐体の内面と向き合う対向面であって、前記内面と密着状態で固定される対向面を有する、超音波プローブである。

上記観点の発明によれば、筐体と熱拡散部材とが別体で構成され、これらがインサート成型により一体成型されないので、熱拡散部材に穴や切欠きを設ける必要がなく、熱拡散エリアを確保することができる。また、筐体の内面と熱拡散部材の対向面とが、密着状態で固定されるので、機械的強度を向上させ、なおかつ熱拡散部材から筐体へ効率よく熱を伝達することができる。

本発明に係る超音波診断装置の実施の形態の一例を示すブロック図である。超音波プローブの分解斜視図である。超音波プローブの縦断面図である。図３のＡ−Ａ線断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１に示す超音波診断装置１００は、本発明における超音波画像表示装置の一例であり、超音波プローブ１とこの超音波プローブ１が接続される装置本体１０１を有している。

前記装置本体１０１は、送受信ビームフォーマ１０２、エコーデータ処理部１０３、表示処理部１０４、表示デバイス１０５、操作デバイス１０６、制御デバイス１０７及び記憶デバイス１０８を備える。

送受信ビームフォーマ１０２は、超音波プローブ１から所定のスキャン条件で超音波を送信するための電気信号を、制御部１０７からの制御信号に基づいて超音波プローブ１に供給する。また、送受信ビームフォーマ１０２は、超音波プローブ１で受信したエコー信号について、Ａ／Ｄ変換、整相加算処理等の信号処理を行なう。

エコーデータ処理部１０３は、送受信ビームフォーマ１０２から出力されたエコーデータに対し、超音波画像を作成するための処理を行なう。例えば、エコーデータ処理部１０３は、対数圧縮処理、包絡線検波処理等のＢモード処理を行ってＢモードデータを作成する。

表示処理部１０４は、エコーデータ処理部１０３から入力されたデータをスキャンコンバータ（ＳｃａｎＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）によって走査変換して超音波画像データを作成し、この超音波画像データに基づく超音波画像を表示デバイス１０５に表示させる。表示処理部１０４は、例えばＢモードデータに基づいてＢモード画像データを作成し、Ｂモード画像を表示デバイス１０５に表示させる。

表示デバイス１０５は、例えばＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）やＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）などで構成される。操作デバイス１０６は、操作者が指示や情報を入力するためのスイッチ、キーボード及びポインティングデバイス（図示省略）などを含んで構成されている。

制御デバイス１０７は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサーである。この制御デバイス８は、記憶デバイス９に記憶されたプログラムを読み出し、超音波診断装置１００の各部を制御する。

記憶デバイス１０８は、非一過性の記憶媒体及び一過性の記憶媒体を含む。非一過性の記憶媒体は、例えば、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ：ハードディスクドライブ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）などの不揮発性の記憶媒体である。非一過性の記憶媒体は、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋ）やＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）などの可搬性の記憶媒体を含んでいてもよい。

一過性の記憶媒体は、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などの揮発性の記憶媒体である。

超音波プローブ１について、図２〜図４に基づいて説明する。図２〜図４は、超音波プローブ１の要部のみを示す。なお、図３及び図４の断面図は、切断端面のみを示す。

超音波プローブ１は、被検体に対して超音波のスキャンを行なう。また、超音波プローブ１は、超音波のエコー信号を受信する。超音波プローブ１は、筐体２と、筐体２内に収容される超音波振動子３、バッキング（ｂａｃｋｉｎｇ）層４、熱伝導部材５、熱拡散部材６、音響レンズ７（図３にのみ図示）を備えている。超音波プローブ１は、音響レンズ７が被検体の体表面と当接した状態で超音波の送受信を行なう。なお、図２〜図４では、主要な構成のみが示されており、超音波プローブ１は他の構成を備えていてもよい。

筐体２は、一対の第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２で構成されている。第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２は、図４に示すように、筐体２の長手方向と直交する断面において略コの字形状に形成されている。

第二筐体部材２２には係止部材２２Ａが設けられ、第一筐体部材２１には、特に図示しないが係止部材２２Ａが係止する被係止部材が設けられている。係止部材２２Ａが被係止部材に係止した状態で、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２は、それぞれの対向する接合面２１Ｂ、２２Ｂにおいて接合される。筐体２は、本発明における筐体の実施の形態の一例である。また、第一筐体部材２１は、本発明における第一筐体部材の実施の形態の一例であり、第二筐体部材２２は、本発明における第二筐体部材の実施の形態の一例である。また、接合面２１Ｂ、２２Ｂは、本発明における接合面の実施の形態の一例である。

超音波振動子３は、ＰＺＴ等の圧電体を有しており、超音波を送波する。超音波振動子３の詳細な構成は図示省略するが、Ｘ軸方向に複数の超音波振動子３が配列されている。超音波振動子３は、本発明における超音波振動子の実施の形態の一例である。

ちなみに、Ｘ軸方向は、アジマス（ａｚｉｍｕｔｈ）方向である。また、Ｘ軸方向と直交するＺ軸方向は、エレベーション（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）方向である。

バッキング層４は、超音波振動子３における被検体とは反対側（音響レンズ７とは反対側）の面に設けられている。バッキング層４は、超音波振動子３と熱的に接続されている。バッキング層４は、本発明におけるバッキング層の実施の形態の一例である。

バッキング層４は、超音波振動子３から被検体とは反対側に送波された超音波を吸収する公知の材料で形成されていてもよい。また、バッキング層４は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である材料で形成されていてもよい。例えば、バッキング層４は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である材料からなっていてもよい。

バッキング層４は、無機材料であってもよく、例えばグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）やアルミニウム（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）であってもよい。また、バッキング層４は、超音波振動子３からの超音波を散乱可能な不均一の構造を有していてもよい。より具体的には、バッキング層４は、超音波振動子３から送波される超音波の波長レベルで不均一の構造を有し、例えば数十μｍから１ｍｍの大きさの不均一の構造を有する。このような不均一の構造を有することにより、吸音性能を確保することができる。

熱伝導部材５は、バッキング層４における超音波振動子３とは反対側の面４Aに設けられている。熱伝導部材５は、本発明における熱伝導部材の実施の形態の一例である。熱伝導部材５は、超音波振動子３と熱的に接続されており、超音波の送受信時に、超音波振動子３において発生する熱は、バッキング層４を介して熱伝導部材５へ伝わる。

具体的には、熱伝導部材５は、バッキング層４のアジマス方向における長さよりも小さい幅を有し、バッキング層４における面４Ａの一部分Ｐ（図３参照）に接触した状態で設けられている。一部分Ｐは、面４Ａにおけるアジマス方向の一部分である。一部分Ｐの面積は、面４Ａの全体の面積の三分の一以下である。

熱伝導部材５は、本例ではヒートパイプである。具体的には、図３に一部を拡大して示すように、熱伝導部材５は、内部に空洞部５０を有しており、この空洞部５０に冷媒が封入されている。

熱伝導部材５は、略Ｕ字状に形成されている。より具体的には、熱伝導部材５は、基部５１と基部５１の両端から立ち上がる側部５２、５３を有する。基部５１は、バッキング層４における前記面４Ａに固定される。基部５１は、本発明における基部の実施の形態の一例である。また、基部５１が固定されるバッキング層４の面４Ａは、本発明における固定部の実施の形態の一例である。

基部５１は、バッキング層４に固定された状態において、このバッキング層４における一部分Ｐに沿ってエレベーション方向に延びている。側部５２、５３は、熱伝導部材５がバッキング層４に固定された状態において、基部５１からバッキング層４とは反対側へ延びている。言い換えれば、側部５２、５３は、超音波振動子３側から筐体２における超音波振動子３とは反対側の端部に向かって延びる。側部５２、５３は、本発明における第一の部分の実施の形態の一例である。

側部５２、５３は、熱拡散部材６と対向する第一の面５２Ａ、５３Ａを有している。第一の面５２Ａ、５３Ａは、本発明における第一の面の実施の形態の一例である。第一の面５２Ａ、５３Ａは、熱拡散部材６の内面と接触している。より詳細には、第一の面５２は、熱拡散部材６の後述する第一熱拡散部材６１と接触している。第二の面５３は、熱拡散部材６の後述する第二熱拡散部材６２と接触している。これにより、熱伝導部材５は、第一の面５２Ａ、５３Ａにおいて熱拡散部材６と熱的に接続されている。

熱拡散部材６は、熱伝導部材５と熱的に接続されることにより、熱伝導部材５を介して超音波振動子３と熱的に接続されている。熱拡散部材６は、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２で構成される。第一熱拡散部材６１には、熱伝導部材５の側部５２が熱的に接続され、前記第二熱拡散部材には、熱伝導部材５の側部５３が熱的に接続されている。熱拡散部材６は、本発明における熱拡散部材の実施の形態の一例である。また、第一熱拡散部材６１は、本発明における第一熱拡散部材の実施の形態の一例であり、第二熱拡散部材６２は、本発明における第二熱拡散部材の実施の形態の一例である。

第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、筐体２とは別体で構成され、熱伝導性を有する材料で形成されている。例えば、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、アルミニウムや銅などの金属で形成されている。

第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２の内面２１Ｃ、２２Ｃと向き合う対向面６１Ａ、６２Ａをそれぞれ有する。対向面６１Ａ、６２Ａは、本発明における対向面の実施の形態の一例である。対向面６１Ａ、６２Ａは、それぞれ、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２の内面２１Ｃ、２２Ｃに沿った形状に形成され、なおかつかつ略同一の面積を有する。第一熱拡散部材６１は、第一筐体部材２１の内面２１Ｃのほぼ全面を覆い、第二熱拡散部材６２は、第二筐体部材２２の内面２２Ｃのほぼ全面を覆うので、熱拡散部材６は、シールド機能を有している。

第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、対向面６１Ａ、６２Ａが第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２の内面２１Ｃ、２２Ｃに沿った形状に形成されているので、筐体２の長手方向と直交する方向の断面において略コの字形状に形成されている。図４に示すように、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、断面略コの字の開口側の端部が重なるようにして、筐体内に収容されている。

第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、対向面６１Ａ、６２Ａにおいて、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２の内面２１Ｃ、２２Ｃと密着状態で固定される。これにより、熱拡散部材６２は、筐体２と熱的に接続された状態で筐体２内に収容される。

例えば、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、対向面６１Ａ、６２Ａにおいて、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２の内面２１Ｃ、２２Ｃと熱融着によって密着状態で固定される。

熱拡散部材６２が、筐体２と熱融着によって固定される場合、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２が、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２と熱融着可能な状態まで加熱される。その後、加熱された状態の第一筐体部材２１の内面２１Ｃと第一熱拡散部材６１の対向面６１Ａとが熱融着され、加熱された状態の第二筐体部材２２の内面２２Ｃと第二熱拡散部材６２の対向面６２Ａとが熱融着される。

熱拡散部材６２が、筐体２と熱融着によって固定される場合、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２の対向面６１Ａ、６２Ａは、エッチング加工により凹凸が形成されていてもよい。

筐体２の製造においては、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２は、それぞれに第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２が固定された後に、接合面２１Ｂ、２２Ｂにおいて接合されてもよい。

本例の超音波プローブ１において、超音波の送受信時に超音波振動子３において発生する熱は、バッキング層４及び熱伝導部材５を介して熱拡散部材６へ伝達される。そして、熱拡散部材６へ伝達された熱は、熱伝導部材５との接触部分から熱拡散部材６の全体に拡散され、さらに熱拡散部材６から筐体２へ伝達されて外部へ放熱される。

以上説明した本例の超音波プローブ１によれば、筐体２と熱拡散部材６とがインサート成型により一体成型されないので、インサート成型のために必要となる穴や切欠きを熱拡散部材６に設ける必要がない。これにより、熱拡散部材６における熱拡散エリアを確保することができる。また、筐体２の内面２１Ｃ、２２Ｃと熱拡散部材６の対向面６１Ａ、６２Ａとが、密着状態で固定されるので、機械的強度を向上させ、なおかつ熱拡散部材６から筐体２へ効率よく熱を伝達することができる。さらに、内面２１Ｃ、２２Ｃと対向面６１Ａ、６２Ａは、その間に介在物が存在しない熱融着によって密着状態で固定されているので、より一層熱の伝達効率を向上させることができる。

以上、本発明を前記実施形態によって説明したが、本発明はその主旨を変更しない範囲で種々変更実施可能なことはもちろんである。例えば、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２は、対向面６１Ａ、６２Ａにおいて、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２の内面２１Ｃ、２２Ｃと接着されることによって密着状態で固定されてもよい。この場合、第一筐体部材２１の内面２１Ｃ及び第一熱拡散部材６１の対向面６１Ａの少なくとも一方に接着剤が塗布された状態で、内面２１Ｃと対向面６１Ａとが接着される。なおかつ、第二筐体部材２２の内面２２Ｃ及び第二熱拡散部材６２の対向面６２Ａの少なくとも一方に接着剤が塗布された状態で、内面２２Ｃと対向面６２Ａとが接着される。

特に図示しないが、超音波プローブは、超音波振動子とバッキング層との間に設けられ、なおかつ超音波振動子及びバッキング層と熱的に接続され、超音波振動子から送波される超音波を反射する反射層を備えていてもよい。

また、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２の対向面６１Ａ、６２Ａは、第一筐体部材２１及び第二筐体部材２２の内面２１Ｃ、２２Ｃと略同一の面積を有しているが、これよりも小さくてもよい。例えば、第一熱拡散部材６１及び第二熱拡散部材６２の対向面６１Ａ、６２Ａは、全ての超音波振動子３の一方側の面の総面積の少なくとも三分の一以上の面積を有していればよい。

また、第一熱拡散部材６１の対向面６１Ａが、熱伝導部材５の側部５２における第一の面５２Ａの面積の少なくとも三分の一以上の面積を有し、第二熱拡散部材６２の対向面６２Ａが、熱伝導部材５の側部５３における第一の面５３Ａの面積の少なくとも三分の一以上の面積を有していてもよい。

１超音波プローブ
２筐体
３超音波振動子
４バッキング層
５熱伝導部材
６熱拡散部材
２１第一筐体部材
２１Ｂ接合面
２１Ｃ内面
２２第二筐体部材
２２Ｂ接合面
２２Ｃ内面
５１基部
５２、５３側部
５２Ａ，５３Ａ第一の面
６１第一熱拡散部材
６１Ａ対向面
６２第二熱拡散部材
６２Ａ対向面
１００超音波診断装置

Claims

超音波を送波する超音波振動子と、
該超音波振動子を収容する筐体と、
該筐体と別体で構成され、なおかつ前記超音波振動子及び前記筐体と熱的に接続された状態で前記該筐体内に収容される熱拡散部材と、
を備え、
前記熱拡散部材は、前記筐体の内面と向き合う対向面であって、前記内面と密着状態で固定される対向面を有する、超音波プローブ。
前記熱拡散部材は、前記対向面において前記筐体の内面と熱融着によって密着状態で固定される、請求項１に記載の超音波プローブ。
前記熱拡散部材は、前記対向面において前記筐体の内面と接着されることにより密着状態で固定される、請求項１に記載の超音波プローブ。
前記対向面は、前記超音波振動子の表面積の少なくとも三分の一以上の面積を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記対向面は、前記筐体の内面と略同一の面積を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記対向面は、前記筐体の内面に沿った形状に形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記熱拡散部材は、熱伝導性を有する材料で形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記熱拡散部材は、金属で形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記筐体内に収容されて、前記超音波振動子及び前記熱拡散部材と熱的に接続された熱伝導部材を備え、
前記熱拡散部材は、前記熱伝導部材を介して前記超音波振動子と熱的に接続される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記熱伝導部材は、前記超音波振動子側から前記筐体における前記超音波振動子とは反対側の端部に向かって延びる少なくとも一つの第一の部分を有し、該第一の部分は、前記熱拡散部材と対向する第一の面を有しており、
前記熱拡散部材の前記対向面は、前記第一の面の面積の少なくとも三分の一以上の面積を有する、請求項９に記載の超音波プローブ。
前記熱伝導部材は、前記超音波振動子に対して被検体側とは反対側に設けられた固定部に固定される基部をさらに有し、前記第一の部分は、前記基部の両端部から前記被検体とは反対側の方向へ延びるようにして形成される、請求項１０に記載の超音波プローブ。
前記熱伝導部材は、ヒートパイプである、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記超音波振動子における被検体側とは反対側の面に設けられ、前記超音波振動子と熱的に接続されたバッキング層を備え、
前記熱伝導部材は、前記バッキング層における前記超音波振動子とは反対側の面と熱的に接続される、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
前記バッキング層は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である材料からなる、請求項１３に記載の超音波プローブ。
前記熱拡散部材は、第一熱拡散部材及び第二熱拡散部材で構成され、
前記第一熱拡散部材及び前記第二熱拡散部材には、前記熱伝導部材の第一の部分が熱的に接続される、請求項１１に記載の超音波プローブ。
前記筐体は、第一筐体部材及び第二筐体部材で構成され、
前記第一筐体部材及び前記第二筐体部材は、互いに対向する接合面において接合され、
さらに、前記第一筐体部材は、前記第一熱拡散部材と熱的に接続され、前記第二筐体部材は、前記第二熱拡散部材と熱的に接続される、請求項１５に記載の超音波プローブ。
前記熱拡散部材は、シールド機能を有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の超音波プローブを備えることを特徴とする超音波画像表示装置。