JPH05168094A

JPH05168094A - 超音波探触子

Info

Publication number: JPH05168094A
Application number: JP3336603A
Authority: JP
Inventors: Chitose Nakatani; 千歳中谷; Yuichi Miwa; 祐一三和; Hiroshi Kanda; 浩神田; Hiroyuki Takeuchi; 裕之竹内; Yutaka Sato; 佐藤　　裕
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1993-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】それぞれスライス厚み方向に十分なの解像度を
有する交差する２枚の断層像を高い感度で得ることがで
きる同軸バイプレ−ン探触子を提供する。【構成】上面、下面にそれぞれストライプ電極を備え、
それらの向きがが交差するフレキシブルな振動子１０１
を双凹面形状にし、超音波減衰の小さいコ−ティング層
１０３をその凹面部分に埋め込んだ超音波探触子。【効果】上面のストライプ電極により第１の断面を走査
する時も、下面のストライプ電極により第２の断面を走
査する時も、スライス厚み方向の超音波ビームの収束が
それぞれの凹面形状により理想的に実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波診断装置に係り、
特にそのセンサ部に好適な交差型ストライプ状電極を有
する振動子を用いた超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】断層面の中心軸が同一で互いに直交する
２断面（ここでは同軸直交バイプレ−ンと呼ぶ）を得る
撮像方法が知られている。これによれば２つの断層像の
位置関係が明確に捉えやすいなどの利点が有り、今後さ
らに発展していくものと思われる。Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓｏｆｔｈｅ１９８８ＩＥＥＥＵｌｔｒａ−
ｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ６３５−
６３８，１９８８には多数の柱状振動子が有機物中に
埋め込まれた構造を持つ圧電体（１−３型複合圧電体と
呼ばれる）を用いた、同軸直交バイプレ−ン用の探触子
の構成が示されているが、用いられている１−３型複合
圧電体がフレキシブルでないため、チャネル間のクロス
ト−クを低減する必要がある。このため、チャネル間に
深い溝を形成しなければならないなどの問題が有り、高
性能探触子を実現することが難しい。第５０回日本超音
波医学会講演論文集、ｐｐ３１５−３１６、１９８７、
６月にはフレキシブルな１−３型複合圧電体を用いた探
触子の例が示され、特開昭６０−１１４２３９にはフレ
キシブルな１−３型複合圧電体を用いて任意形状の探触
子を構成することが述べられているが、同軸直交バイプ
レ−ン探触子を実現することまでは述べられていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】同軸直交バイプレ−ン
探触子は振動子の両面にそれぞれ一組のストライプ電極
を備え、これらを互いに交差する向きとしたものであ
る。従って、振動子上面のストライプ電極の分割に対応
したアレイ探触子として用いて第１の断層像を撮像し、
振動子下面のストライプ電極の分割に対応したアレイ探
触子として用いて第２の断層像を撮像する。それぞれの
断層像のスライス面内横方向の分解能は従来のアレイ探
触子の電子的走査、電子的フォーカスの技術により一方
向断層像の撮像と同等に保つことができる。しかしなが
ら、それぞれの断層像のスライス厚み方向の分解能を保
つには、２次元的なフォ−カスを実現する音響レンズが
必要となる。従来はシリコンゴムにフィラ−が混入され
たタイプの音響レンズが良く用いられている。このタイ
プの音響レンズは音速が生体より小さく、音響インピ−
ダンス（密度と音速の積）が生体のそれに近く、超音波
減衰が小さいことが望ましいが、その代表的な特性は、
音速１０００ｍ／ｓ、音響インピ−ダンス１．４５×１
０⁶Ｋｇ／ｍ²ｓ、減衰８０ｄＢ／ｃｍ（１０ＭＨｚにお
いて）程度である。これからも即座にレンズ内の減衰が
超音波探触子の感度低下を引き起こすことがうかがえ
る。さらに同軸直交バイプレ−ン探触子においては、２
次元的にフォ−カスするためレンズ中央部が厚くなる。
このため同軸直交バイプレ−ン探触子においては音響レ
ンズによる超音波減衰の影響が非常に大きくなり、大き
な感度低下が生じることになる。

【０００４】また、各チャネルごとのビ−ムは同一であ
ることが良好な電子フォ−カスビ−ムを形成するために
必要である。ここで、一つのチャネルとは同一のストラ
イプ状電極を有する振動子であり、一つの素子として働
く振動子を意味する。これまでの同軸直交バイプレ−ン
探触子においては各チャネルごとのビ−ムまでは十分配
慮されておらず、超音波ビ−ムのコントロ−ルが非常に
難しいという問題も有った。

【０００５】さらに、フレキシブルな振動子を配列する
場合、振動子配列面の形状によっては各チャネルを配置
する部分の面積が一定でなく、このため不均一な応力が
振動子内に生じ電極をいためる要因となることも有っ
た。さらに、直交しない２つの断層面を有する同軸バイ
プレ−ン探触子はこれまでにはなかった。

【０００６】本発明はこれらの点に鑑みてなされるもの
であり、高性能な同軸バイプレ−ン探触子（必ずしも直
交である必要はない）を実現するための具体的な構成を
提示するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】同軸バイプレ−ン探触子
の高感度化のためには、上下電極が互いに交差するスト
ライプ状電極を有するフレキシブル振動子を用い、その
振動子を双凹面状にし同軸バイプレ−ン探触子を構成
し、音響特性が生体に近く超音波減衰の小さい音響媒体
を用いる。良好なビ−ムを得さらに各チャネルの配置部
分を一様にするためには、その双凹面を特殊形状の非球
面とする。同様に、音響レンズを用いる場合でも、その
レンズ形状を特殊形状の非球面とすることで、各チャネ
ルのビ−ムをほぼ同一となるようにすることも可能とな
る。なお、上下電極が互いに直交しないで交差するスト
ライプ状電極を有する振動子を用いて同軸バイプレ−ン
探触子を作成すれば、互いに直交しない断層面を有する
同軸バイプレ−ン撮像が実現される。

【０００８】

【作用】フレキシブルな振動子を双凹面にすることで、
振動子の超音波放射面がそのままレンズ効果を持つとい
う理想的な構成となる。しかも同一のビーム焦点距離を
得るためには、凹面振動子の曲率半径は従来の平面振動
子と音響レンズの組合における音響レンズの曲率半径に
比べて大きくなる。従って被検体の表面への密着をよく
するために振動子の凹面を音響媒体でコ−ティングして
表面を平坦にしたとしても、探触子内の超音波の伝播経
路が音響レンズの場合より短くなり、伝播経路内の超音
波の減衰を小さくできる。また、超音波減衰が小さく音
響特性が生体に近い音響媒体をコ−ティング層として使
用することも可能となり、高感度化を達成できる。さら
に、各チャネルが同一の超音波ビ−ム特性を持ち各チャ
ネルの配置部分を一様にするように、振動子形状を特殊
形状の非球面にする。

【０００９】使用する超音波の周波数が低いと、レンズ
による感度低下が小さくなりレンズ使用が可能となって
くるが、この場合も各チャネルが同一の超音波ビ−ム特
性を持つような非球面レンズを用いることが可能とな
る。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に述べる。

【００１１】図１に本発明の一実施例を示す。例えば１
−３型複合圧電体、あるいはＰＶＤＦなどの有機圧電体
の板からなるフレキシブル振動子１０１の前面、後面に
はそれぞれストライプ状電極が形成されている。それら
のストライプ電極の向きは互いに交差する向きである。
１０２は音響整合層（例えばフィラ−の混入したエポキ
シ樹脂）、１０３は超音波減衰が低くかつ音響特性が生
体に近いコ−ティング層（例えばポリブタジエン）、１
０４はバッキング材と呼ばれる振動子の支持台、１０５
は振動子の電極とハンダ付けなどで接続されたフレキシ
ブルプリント回路（ＦＰＣ）、１０６はコネクタ部であ
る。図１ではＦＰＣとの接続は振動子の側面で行なって
いる。特に、実際のチャネルのピッチの２倍の間隔で接
続できるように、振動子の４つの側面でＦＰＣと接続し
ている。１０１は１０４上に双凹面形状にて固着されて
いる。

【００１２】図２は本発明の振動子の電極構造を示して
いる。（ａ）は振動子の上面側であり、（ｂ）は振動子
の下面側である。２０１はストライプ状電極であり、２
０２のように振動子の側面にまでつながっている。従っ
て２０２でＦＰＣと接続すれば２０１全体ともつながっ
ていることになる。（ａ）には２０１と平行に同様なス
トライプ状電極が複数示されている。２０３は反対側の
ストライプ状電極であり、２０４のように側面にまでつ
ながっている。このように振動子の上面と下面のストラ
イプ状電極は互いに交差していることになる。２０５、
２０６、２０７、２０８・・には電極が無く、上下のス
トライプ状電極がその部分で分離されている。なお、振
動子とＦＰＣの電気的な接続は振動子の側面で倍ピッチ
で行なうことが可能であるが、（ａ）の場合を例にとる
と、２０２側の側面電極に対し倍ピッチにて１チャネル
おきにＦＰＣと接続し、さらに２０２とは反対側のＦＰ
Ｃが接続されていないチャネルの側面電極と新たにＦＰ
Ｃとの接続を倍ピッチにて行なう。

【００１３】図３は本発明の振動子の形状を示してい
る。バッキング材３０２に交差するストライプ状電極を
有する振動子３０１が双凹面形状にて固着されている。
３０３、３０４はそれぞれストライプ状電極、電極がな
く振動子がそのまま露出している部分である。フレキシ
ブルな１−３型複合圧電体やＰＶＤＦなどの有機圧電体
を用いることで、図３の状態にすることが可能である。
前述のように同軸バイプレ−ン探触子ではスライス厚み
方向の分解能を改善するために２方向のスライスのおの
おのの厚み方向に超音波ビ−ムを収束する２次元的な収
束が必要となるが、本発明では振動子を双凹面形状にす
ることでその目的を達成する。

【００１４】図４は従来例を示すが、交差するストライ
プ状電極を有する振動子４０１の上に球面レンズ４０２
を用いた場合である。４０３はバッキング材である。

【００１５】（数１）は、レンズの曲率半径を求めるた
めのよく知られている近似式である。

【００１６】Ｒ＝ｆ（ｖ₂／ｖ₁−１）（数１）ここでＲ、ｆ、ｖ₁、ｖ₂はそれぞれレンズの曲率半径、
焦点距離、レンズの音速、生体中の音速である。一方、
（数２）は、正方形状の振動子に球面状のレンズを形成
した場合におけるレンズ中央部の厚みの計算式である。

【００１７】

【数２】

【００１８】ここで、ｔ、ｄはそれぞれレンズ中央部の
厚み、振動子の一辺の長さである。

【００１９】（数３）はレンズ内の超音波減衰を見積も
るための式である。（レンズ中央部の減衰でおおよその
見積もりが可能である。）ａ＝２ｔα （数３）ここでａ、αはそれぞれ、超音波を送受信したときのレ
ンズ内における超音波の減衰、レンズ材料そのものの超
音波の減衰である。音響レンズとしてはシリコンゴムが
よく用いられているが、前述したようにｖ₁、αはそれ
ぞれ１０００ｍ／ｓ、８０ｄＢ／ｃｍ（１０ＭＨｚにお
いて）程度である。これに対し生体ではｖ₂≒１５００
ｍ／ｓである。代表的な例として、周波数１０ＭＨｚ、
ｆ＝４０ｍｍ、ｄ＝１０ｍｍの場合を考えてみる。数式
１よりＲ＝２０ｍｍ、数式２よりｔ＝１．２９ｍｍ、数
式３よりａ＝２０．６ｄＢ（ただし、１０ＭＨｚでの減
衰）となり、非常に感度が低下する。実際には、生体と
の密着をより良くするなどのためにレンズ厚を厚くして
いるのでレンズによる感度低下はさらに大きくなる。

【００２０】これに対し本発明の場合は、図３に示した
ように振動子が凹面になっているためレンズは不要とな
る。従って、従来例のような大きな感度低下は生じな
い。生体との密着を保つためには、水袋を用いる場合も
考えられるが、本発明では図１のようにコ−ティング層
を設ける。コ−ティング層用の材料としては音響インピ
−ダンスが生体に近く、超音波減衰が小さいことが望ま
しい。このような材料としてはポリブタジエンが知られ
ている（第５１回日本超音波医学会講演論文集、ｐｐ１
６３−１６４、１９８７、１１月）。ポリブタジエンの
超音波減衰は１０ＭＨｚにおいて１５ｄＢ／ｃｍ程度で
あり、仮りに本発明の振動子の曲率半径を前述の従来例
と同じとした時の減衰は約３．９ｄＢとなる。従って従
来例より本発明の方が１６．７ｄＢ感度が高いことにな
る。本発明では、振動子を直接変形してスライス方向の
超音波ビ−ムをフォ−カスするので振動子の曲率半径を
より大きくすることが可能で、このためコ−ティング層
が薄くなり（超音波減衰は小さくなり）さらに高感度化
が達成される。

【００２１】図５はフレキシブルな振動子を変形して双
凹面形状を形成するとき、本発明で用いた非球面５０１
と球面５０５との違いを示している。５０１は図からも
判るように、ｙｚ平面上にある半径ｒ₁の円弧５０２
を、それとは交差するｘ軸方向に、ｘｚ平面上にある半
径ｒ₂の円弧５０３に沿って平行移動させるときに、５
０２によって描かれる曲面である。また逆に、５０３を
ｙ軸方向に５０２に沿って平行移動させるときに、５０
３によって描かれる曲面と言うことも可能である。数式
４は曲面５０１の方程式である。ただし点５０４を原点
とした。

【００２２】

【数４】

【００２３】実際はｘ、ｙ方向とも同一の焦点位置とす
ることが多く、この場合はｒ₁＝ｒ₂＝ｒとなり、曲面５
０１の方程式は数式５のようになる。

【００２４】

【数５】

【００２５】球面５０５は５０６を中心として半径ｒの
円弧を回転させて得られる。

【００２６】図６は、ストライプ状電極を有するフレキ
シブルな振動子を変形させ、図５の５０１と５０５の曲
面にしたときのストライプ状電極の形状６０１、６０２
を示している。これから明らかなように、本発明の曲面
５０１の場合は６０１のように等間隔でストライプ状電
極が配列されているが、球面５０５の場合は６０２のよ
うに一つのチャネル内でストライプ状電極の幅が一定に
なっていない。６０１では一様に変形されているため、
振動子の変形が容易である。次に６０２の場合の問題点
を明らかにする。６０２では、その中央部は電極の幅が
広がり、端部では電極の幅が狭くなる。このように６０
２では、振動子に中央部では伸び端部では縮みというよ
うに不均一な応力となるため、電極がいたみやすいとい
う問題が生じる。フレキシブルとはいえ、元来図２のよ
うな平板状の振動子を球面状にすることは非常に無理な
変形となる。

【００２７】さらに、電子走査方向では、各チャネルの
超音波送受波信号の遅延量をコントロ−ルし、超音波ビ
−ムを例えば扇状に走査して撮像する。このときの遅延
量の設定値は、本発明の６０１の場合では、振動子の中
央部の円弧６０３と振動子の端部の円弧６０４、６０５
が同じ曲率半径を持つことからわかるように、同一チャ
ネル内であれば一定となる。一方、６０２の場合では、
各チャネルの配列されている円弧が振動子の中央部では
最大６０６、振動子の端部では最小６０７、６０８とい
うように一定ではないため、振動子の中央部で設定され
た遅延量が振動子の別の部位では当てはまらないことに
なる。このように、振動子を球面状にすると超音波ビ−
ムのコントロ−ルが非常に難しくなる。本発明の非球面
形状にすることで、電子走査方向における良好な超音波
ビ−ムのコントロ−ルがたやすく実現される。

【００２８】低い周波数例えば３．５ＭＨｚ程度では、
レンズの超音波減衰は３０ｄＢ／ｃｍ程度になり、レン
ズによる感度低下は顕著ではなくなる。このような場
合、音響レンズの適用も可能となって来るが、レンズ形
状がやはり問題となる。前述の振動子形状における議論
のように、球面レンズを用いると電子走査方向の超音波
ビ−ムのゆがみが大きくなり、良好なビ−ムコントロ−
ルの実現が非常に困難となる。従って、レンズ形状を
（数４）もしくは（数５）で表されるような非球面の双
凸面状にすることで、電子走査方向における良好な超音
波ビ−ムのコントロ−ルがたやすく実現される。

【００２９】なお、本発明では得られる同軸バイプレ−
ン像は直交する２断面である必要はないことを明記して
おく。以下１−３型複合圧電体を例に取り、その実現方
法を述べる。図７の７０１は従来から知られている１−
３型複合圧電体で、多数の柱状振動子７０２がポリマ７
０３中に埋め込まれた構造をしている。一方、特開昭６
３−１１４５００には７０４のように柱状振動子７０５
が斜め方向に形成され、柱状振動子の配列方向も斜めに
なっている例が示されている。なお７０６はポリマを示
している。（図７の（ｂ）、（ｃ）は平面図である。）
（ｃ）のような７０４の配列方向に沿って電極７０７を
形成した振動子を用いて、同軸バイプレ−ン探触子を作
ることも可能である。７０８は電極のない部分、（ｃ）
の点線は下面に形成されるストライプ状電極を示してい
る。従って、このような振動子を用いて形成された探触
子を用いて得られる同軸バイプレ−ン像は直交しないこ
とになる。骨などの強い反射体が有り、同軸直交バイプ
レ−ン撮像ではその反射体を避けることができず、反射
体からの散乱波による画質劣化を生ずるような場合が有
るが、直交しない同軸バイプレ−ン探触子を用いれば、
うまく散乱体を避けて同軸バイプレ−ン像を撮ることも
可能となる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、断
層面の中心軸が同一で互いに交差する２断面を得るため
の同軸バイプレ−ン探触子において、有効性の高い交差
ストライプ状電極構造と電極接続法が提示され、振動子
を双凹面形状とし、低減衰のコ−ティング層を用い、振
動子の双凹面形状を非球面とすることで、高感度で、電
極劣化が少なく、良好な超音波ビ−ムが得られる高性能
同軸バイプレ−ン探触子が実現される。さらに音響レン
ズを用いる場合でも、非球面の双凸面形状のレンズにす
ることで容易に良好な超音波ビ−ムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の同軸バイプレ−ン探触子の構造を示す
図

【図２】本発明の振動子の構造を示す図

【図３】本発明のバッキング材に固着された振動子形状
を示す図

【図４】従来の同軸バイプレ−ン探触子の構造を示す図

【図５】本発明の振動子の曲面形状を説明する図

【図６】本発明の振動子配列面を説明する図

【図７】直交しない交差型ストライプ状電極の例を示す
図

フロントページの続き (72)発明者神田浩東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者竹内裕之東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者佐藤裕千葉県柏市新十余二２−１株式会社日立メディコ柏工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波の送受波面側から見て双凹面状に形
成された超音波振動子を有し、前記超音波振動子の両面
にはそれぞれ第１組、第２組のストライプ状電極を備
え、前記第１組、第２組のストライプ状電極は互いに交
差する方向に形成され、前記第１組のストライプ状電極
を信号電極とした第１断面内の超音波ビームの走査、及
び前記第２組のストライプ状電極を信号電極とした前記
第１断面と交差する方向の第２断面内の超音波ビームの
走査を行うことを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】前記振動子の前面の双凹面の部分にうめこ
まれ、被検体との密着性を良くするためのコ−ティング
層を有することを特徴とする請求項１記載の超音波探触
子。
【請求項３】前記振動子と前記コ−ティング層との間
に、超音波の送受信を改善するための音響整合層が設け
られていることを特徴とする請求項１記載の超音波探触
子。
【請求項４】前記振動子の形状が非球面であることを特
徴とする請求項１記載の超音波探触子。
【請求項５】前記振動子の形状が第１の振動子配列曲線
を第２の振動子配列曲線に沿って平行移動したときに得
られる曲面であることを特長とする超音波探触子。
【請求項６】前記振動子の前面にさらに非球面の音響レ
ンズを有することを特徴とする請求項１記載の超音波探
触子。