JPH09510120A - 小断面脈管超音波像形成トランスジューサ - Google Patents
小断面脈管超音波像形成トランスジューサInfo
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Abstract
(57)【要約】
超音波トランスジューサ(10)は、これに結合された支持エレメント(22)を有する。支持エレメント(22)の厚さは、超音波パルスの中心周波数の波長で表された超音波パルスの長さの半分に等しいかこれより短くなるように選択される。これによって、支持エレメント(22)の裏面側(22B)からの第一反射は第一次パルスがリングダウンする前にトランスジューサエレメント(12)によって受信される。気泡の形成を抑えるトランスジューサ(10)を装備する方法は、ピークマウンド(70)を形成する工程と、トランスジューサ(10)を連続的に低くしてトランスジューサ(10)の下側に対してマウンド(70)を平らにする工程とを有する。
Description
【発明の詳細な説明】
小断面脈管超音波像形成トランスジューサ発明の背景
1.発明の分野
本発明は、一般に超音波トランスジューサの設計、特に血管内の狭窄領域の像
形成を行うための血管カテーテルで使用する超音波トランスジューサの設計に関
する。
2.関連技術の説明
360°にわたってリアルタイムの像を提供することができる像形成カテーテ
ルは多くの場合、軸方向の装着される、例えば、超音波パルスが主としてカテー
テルの軸に沿って、発信され、カテーテルの軸に垂直な方向に超音波パルスを反
射させる音響ミラーを使用する超音波トランスジューサを備えている。また、側
方監視トランスジューサ、例えば、カテーテル軸に垂直な方向に超音波パルスが
発信されるように設けられたトランスジューサの場合は、ミラーなしで使用する
ことができる。幾つかのトランスジューサの形態の例は、本発明と同一の譲受人
に譲渡された米国特許第5,000,185に開示されている。
超音波トランスジューサが起動されると、僅かの時間共振周波数で『鳴る』。
この音は、その後機械的に十分に小さく減衰される。このように、マイクロ秒単
位で定義される特性時間と、ミクロン単位で定義される長さを有する超音波パル
スがトランスジューサから発信される。通常、トランスジューサは反対側に配置
された第1、第2主表面を有したトランスジューサエレメントを有しており、こ
の場合、支持エレメントが第2主表面に結合されている。このトランスジューサ
エレメントで発生した超音波エネルギーのほとんどは上記の主表面に垂直な方向
に伝播するパルスとして放出される。支持エレメントは、該支持エレメントに放
出された超音波パルスの反射を減衰させ、多数のパルスが第1主表面に垂直な方
向に放出されるのを防止する。減衰の主なメカニズムは、パルスが通る距離によ
る減衰の量を伴う伝播損失、および上記支持エレメントの境界におけるインピダ
ンスの不整合によって決定される減衰量を伴う、反射損失である。この支持エレ
メントはトランスジューサの機械的減衰にも影響を与えるとともに、、カテーテ
ルへのトランスジューサの取り付け構造の一部をなすものである。
高品質の脈管像を形成するために、トランスジューサエレメントが電気パルス
によって起動されたときに単一の超音波パルスだけが発信され、かつトランスジ
ューサエレメントが超音波パルスによって起動されたときは、単一の電気パルス
のみが放出されることが必要である。したがって、多重パルスの発生を防止する
ためには、支持エレメントを音響減衰材料で作るとともに、支持エレメントのイ
ンターフェースおよび支持充填材料から反射する反響が伝播損失によって問題の
ないレベルまで減衰されるように十分に厚くする。
一般に、カテーテルの直径は、径の小さい血管にも挿入することができるよう
に、最小にすることが望ましい。支持部材の厚さは、この支持部材の厚さがカテ
ーテルの直径に影響を与えるものではないので、軸方向に装着されたトランスジ
ューサについては、通常は、重大ではない。しかし、側方監視トランスジューサ
については、カテーテルの最小直径は、トランスジューサと支持部材の厚さにに
よって決まることがよくある。
幾つかの用途では、軸方向装置のミラーストラットはアーチファクトを引き起
こする原因となるとともに、カテーテルの洗浄液とトランスジューサとの間の音
響結合が改良されているので、側方監視トランスジューサを使用することが望ま
しい。しかし、多重パルスの発生を防止できるような反響減衰に十分な厚さを有
する支持エレメントを備えた側方監視トランスジューサを使用することには、カ
テーテルの直径を低く抑える必要があり、したがって、その活用が制限する可能
性がある。
発明の概要
本発明は支持部材中の反響によって多重パルスが発生することを防止する薄い
断面を有する改良された超音波トランスジューサにかかる。
本発明の1つの特徴によれば、受信された超音波パルスによって起動されたと
きには、tマイクロ秒の短い寿命の電気パルスを発生し、トランスジューサエレ
メントが電子パルスで起動された場合には、tマイクロ秒の短い寿命とLミクロ
ンの空間的な長さを有する超音波パルスを発信する。長さLはまた、誘導超音波
パルスの中心周波数の波長NWに等しい。支持エレメントはトランスジューサエ
レメントに接続されており、中心周波数で約NW/2より小さいか、これと等し
い厚さを有する。
本発明の他の特徴によれば、トランスジューサは、充填材料から作られたベッ
ドを使用したハウジングの中に設けられている。
本発明の別の特徴によれば、そのベッドにおけるトランスジューサの設置は、
充填材料のピークマウンドを形成し、そのピークのポイントがほぼトランスジュ
ーサの主表面の中央に位置するようにトランスジューサを位置決めし、トランス
ジューサを連続的に低下させてトランスジューサの主表面に対するピークマウン
ドを平滑化して、気泡の実質的に生じない結合を形成するステップを有する。
本発明の他の利点および特徴は以下の詳細な説明および添付の図面を照らして
明確となる。
図面の説明
図1Aおよび図1Bは、トランスジューサの概略ダイヤグラムであり、
図2は、ハウジング内に設けられたトランスジューサの概略ダイヤグラムであ
り、
図3は、コントローシステムのブロックダイヤグラム、
図4は、支持エレメント内の誘導パルスと、反射された超音波パルスを示すダ
イヤグラム、
図5は、厚い支持エレメントを使用するシステムにおいて、1次および2次電
気パルスを示すグラフ、
図6は、本発明の好ましい実施例についての1次および2次電気パルスを示す
グラフ、
図7は、ハウジングの孔における充填材のピークマウンドをを示す概略図であ
る。
実施例の説明
図1Aおよび1Bは超音波エネルギーのパルスを放出し、検出するための超音
波トランスジューサシステムを示す概略ダイヤグラムである。図2は、カテーテ
ルの末端ハウジングに設けられたトランスジューサの概略ダイヤグラムである。
そして、図3は、トランスジューサを起動して超音波パルスを放出し、受信され
た超音波パルスを検出するための代表的なシステムの概略ダイヤグラムである。
図1Aおよび図1Bを参照すると、超音波トランスジューサ10は、組立体の
一部である単一のトランスジューサエレメント12を備えている。トランスジュ
ーサエレメントの機能は超音波パルスを電気パルスに変換し、電気パルスを超音
波パルスに変換することであり、該トランスジューサエレメントはPZTセラミ
ック材料から作られている。このトランスジューサエレメント12は、ブロック
のような形状を有しており、クロムあるいは金のような適当な材料から形成され
た金属導電フィルム14および16によって覆われた対面する表面および裏面1
2Fおよび12Bを備えている。上記フィルムの材料はホイルから形成すること
も、トランスジューサエレメント12の対抗ひい表面の上に蒸発あるはスパッタ
リングによるフィルムの形態とすることもできる。フィルム14および16は、
電極として作用し、表面電極14は、ワイヤに接続されるその上に配置された銀
エポキシドット18を有している。このトランスジューサエレメント12は、図
示されていない表面上の1/4波インピーダンスマッチング層を備えていても良
い。
適当な支持材料からなる支持エレメント22はトランスジューサエレメント1
2の裏面に接合されており、トランスジューサエレメント12の裏面12Bによ
って放出された超音波エネルギーを減衰するようになっている。支持エレメント
22はトランスジューサエレメント12の裏面12Bに接合された表面22Fを
備えている。
支持エレメント22の特定の構造について以下に説明する。
図2は、末端ハウジング24に配設されたトランスジューサ10を示す。トラ
ンスジューサ12は、例えば、銀エポキシのような充填材料のベッド26に取り
付けられており、支持エレメント22の裏面22Bはベッド26に接している。
好ましい実施例では、支持エレメント22とベッド26は、電気導電材料から製
造されており、裏面電極16に電気接触させる導電通路として働く。
図3を参照すると、トランスジューサ10を起動して超音波パルスを発生し、
受信されたパルスを検出するための代表的なシステムが図示されている。このシ
ステムは、本発明の一部ではないので簡単に説明する。タイミングおよびコント
ロールブロック30は、トランスミッタ32を制御して所定間隔で所定の長さの
一連の電圧パルスを発生させる。このスイッチ34は、パルスが発生したときト
ランスジューサ10にトランスミッタ32を結合し、パルスのインターバルの間
レシーバ36をトランスジューサに結合する。
受信されたパルスは本発明の一部ではないが像発生システム38によって処理
される。像を発生するのに用いられるおもな情報は、超音波パルスの送信と受信
パルスの受信との間の遅れ時間である。受信パルスの大きさ、位相といった他の
情報も同様に処理される。
周知のように、電圧パルスが電極14および16に印加されるとトランスジュ
ーサエレメント12は、発振してトランスジューサ10の機械的および圧電特性
によって決定された共振周波数を中心とするパルスを発生する。したがって、所
定間隔で分離した一連の超音波パルスが送信される。
これと反対に、超音波パルスがトランスジューサ10によって受信された場合
には、電圧パルスは、電極14および16上に発生して、このパルスはレシーバ
36によって増幅され、像発生装置38に送信される。
図5および図6は反射した超音波パルスが受信されたとき電気パルスを発生し
、電気パルスが受信されたとき超音波パルスを発信するトランスジューサの応答
を示している。図5は、トランスジューサエレメント12、支持部材22、およ
びベッド26の簡略化したブロックダイヤグラムであり、図5は、超音波パルス
が受信されたときのトランスジューサエレメント12の電圧応答のグラフである
。
受信された超音波パルスの検出するためのトランスジューサ10の動作を以下
に説明する。超音波パルスがトランスジューサ10に衝突したとき、トランスジ
ューサ12は電極14および16を横切って1次電圧パルス40を発生する。同
じトランスジューサが発信および受信に使用されるとき、トランスジューサ10
によって受信される超音波パルスのバンド幅はトランスジューサ12の共振周波
数にほぼ等しい中心周波数frに中心が合わせられており、支持エレメント22
を介して伝播する誘導超音波パルス42の幅となる。誘導超音波パルス42は支
持エレメント22の裏面22Bのインターフェースおよび充填材料26で反射し
て第1の反射超音波パルス44を形成し、このパルスは支持材料の厚さと、支持
材料におけるパルスの音速とによって決まる時間の後トランスジューサエレメン
ト12に衝突する。
数学的には、『c』が支持エレメントのパルスの音速であり、『LB』が支持
エレメントの厚さであり、『t』が通過時間であるとすると、
方程式(1)は
t=2LB/c
である。
図5に示すように、第1の反射超音波パルス44がトランスジューサエレメン
ト12に衝突したとき第2の電気パルス46が発生する。血管壁から反射した超
音波パルスがトランスジューサエレメント12に衝突したとき発生する第1次電
気パルスは、血管の像を形成するのに必要な情報を与える。一方、第2次電気パ
ルス46は支持エレメント22からの反射によって生じ、何の情報ももたらさな
い。しかし、この第2電気パルスは、像形成システム38によって処理され、誤
った情報を与えるか、あるいは真の情報を隠してしまう像における『アーティフ
アクト』を形成する可能性がある。
つぎに、トランスミッタ32によって与えられた電気パルスによって起動され
たとき超音波パルスを発信するためのトランスジューサの動作を説明する。再び
図4を参照すると、電圧パルスが電極14および16に与えられたとき、トラン
スジューサエレメント12が鳴って、表面12Fの外に向けて血管媒体の中に伝
播する一次超音波パルス50と、裏面12Bから外にむけて、支持エレメント2
2の中に伝播する誘導超音波パルス42とを発生する。誘導超音波パルス42の
一部は支持エレメント22と支持充填材料26との間のインターフェースから反
して、トランスジューサエレメント12を介して血管媒体に伝播する反射パルス
を形成して、第2次超音波パルス51を形成する。従って、多重超音波パルスは
ら反射パルスが減衰されない限り、発生する。もし、多重超音波パルスがその後
発信されると、一次および二次超音波パルス50および51は血管壁によって反
射され、トランスジューサ12によって検出されるであろう。検出された2次超
音波パルス51は像におけるアーティファクトの原因となる。
従来においては、図4に示すように、反射された超音波パルス44の大きさは
これが支持エレメントを介して伝播するとき伝播損失によって減衰させられてい
た。しかし、側方監視トランスジューサについては、支持材料の厚さが制限され
ているとともに、認められる伝播損失による減衰が不可能であり、多重パルスが
発生する結果となる。
図5を参照すると、トランスジューサ12は30メガヘルツの中心周波数にお
いて共振するように設計されており、約4.5の波長NWを有するパルスを発生
する。空間長さLは数学的関係によって、一時的寿命dtと関連づけられる。
式(2) dt=L/c
そして、はちょう『w』は周波数『f』以下のように関係づけられる。
式(3) w=c/f
周知のように、媒体中の超音波パルスの速度は、その媒体の濃度および弾性特
性に依存する。異なる材料についての速度と濃度との値は、科学文献、たとえば
アレン・R・セルフリッジ著、vol.SU−32、No.3、1985年5月
、IEEEソニックスおよびウルトラソニックスにおけるトランザクションとし
て出版されている『等方性材料の近似的材料特性』から入手することができる。
式(3)を使用すると、30メガヘルツの共振周波数は約63ミクロンであり一
次パルスの一次的寿命は約150ナノ秒である。
本発明の動作の原理は、図4−図6に示されている。支持部材22の厚さは、
第一反射超音波パルス44がトランスジューサ10のリングダウン期間中にトラ
ンスジューサエレメント12に到着し、かつ高い次数の反射超音波パルスが伝播
損失および、支持エレメント22の表面および裏面22Fと22Bからの多重反
射による反射損失によって減衰されるように選択されている。
図6に示すように、トランスジューサ10に衝突する第1の反射超音波パルス
の結果として、第2次電気パルス46が第1次電気パルス40のリングダウンと
重なる。与えられる最も重要な情報は、電気パルス40の受信時間であるので、
第1次電気パルス40の末端部に第2次電気パルスを加えても、この情報を減退
させるものではなく、アーティファクトを生じさせることもない。
したがって、受信超音波パルスを検出したとき、誘導超音波パルス42と支持
エレメントを介しての反射超音波パルス44との合計通過時間は一次電気パルス
40の一時的寿命すなわち150ナノ秒よりも小さくなければならない。
もし、LBが支持エレメント22の厚さであるならば、誘導超音波パルス42
はLBの距離進み、第一反射超音波パルス44はLBの距離進み、支持エレメン
トにおける超音波パルスによって進む全体合計の通過距離は、支持エレメント2
2の厚さの2倍、すなわち2LBであり、つぎに、反射超音波パルス44はトラ
ンスジューサエレメント12に衝突する。式(2)を用いて、距離と時間を関連
づけると、支持エレメント22の厚さはLBに等しいか、これより小さくなけれ
ばならない。
式(4) LB=(dt×c)/2
別の方法で、LBは中心周波数における支持部材の超音波放射線に対する波長
を使って表現することがてきる。NWが中心周波数frにおける波長についての
一次パルスの長さであるとすると、支持エレメントの幅は、
式(5) LB(波長における)=NW/2
より小さいか、等しくなければならない。
式(5)の変形によって、支持エレメント材料の値cが既知であるならば、選
択された共振周波数の対する支持エレメントの厚さの計算を行うことが可能とな
る。
上記したように、支持エレメント22は極めて薄いので、反射損失による減衰
は重要である。超音波パルスが支持エレメント22の表面と裏面との間をいった
り来たりバウンドしてするとき、その表面において音響的インピーダンスが合っ
ていないために、超音波パルスの一部のみが反射して帰ってくる。支持エレメン
トの裏面における公称入射反射係数RBは数学的に、
式(6) RB=(ZF−ZB)/(ZF+ZB)
と表される。
ここでZBは支持材料の音響的インピーダンス、ZFは、支持エレメントの後ろ
側の充填材料の音響的インピーダンスである。たとえば、もしZBおよびZFが1
.5MRayl、そしてRBが、−0.3333、すなわち、超音波パルスの約
33パーセントは、反射係数のマイナスサインで示すように、その位相が反転し
て反射する。同様に、支持エレメントの表面における反射係数RFは数学的に、
式(7) RF=(ZT−ZB)/(ZT+ZB)
と表すことができる。
ここで、ZTはトランスジューサエレメント12の音響的インピーダンスであ
る。通常、ZTは約33であり、ZBが3MRaylであるとすると、RFは約8.
333、すなわち、反射した2次パルスの83パーセントが再び支持エレメント
の中に反射する。
図4に示すように、二次反射64の大きさは、2LBの支持エレメントを介し
て伝播したのちの単一の反射であって、おなじ4LBの長さの伝播を行う場合と
比較して、超音波パルスが支持エレメントの厚さLBの4倍すなわち、4LBを
進んた後の2つの追加的な反射のために、大きく減衰される。数学的には、式(
6)および(7)によって2つの追加の反射による大きさの損失は、
式(8) RB×RF=(ZF−ZB)/(ZF+ZB)×(ZT−ZB)/(ZT+
ZB)と表される。
たとえば、ZB=3、ZF=1.5、およびZT=33MRaylとすると、第
2反射64の大きさは1つの反射で同じ距離を持つ伝播通路のものの28パーセ
ントにまで低下する。
したがって、支持エレメント22の選択された厚さは第1の反射が第一次パル
スに吸収され、第2反射が支持エレメントの境界における追加の反射で生じる反
射損失のために大きく減衰される。図2を参照すると、トランスジューサ10の
支持エレメント22の裏面とベッド26の結合は、気泡のない良好な吸音結合を
保証するものでなければならない。そのような結合を形成する方法を図2および
図7を参照して説明する。
図7において、銀エポキシのような、導電性充填材量のピークマウンド70が
ハウジング24の開口部72に形成されている。トランスジューサ10はつぎに
そのピークマウンド70の尖った頂部が裏面の中心に近いトランスジューサの裏
面に触れるように位置決めされる。トランスジューサはつぎに、該トランスジュ
ーサ10の裏面に対してピークマウンド70の尖った頂部がフラットになるよう
に連続的に低くさせられる。ピークマウンドを用い、裏返しにするような動きを
させないように連続的にトランスジューサ10を低くすることによって、トラン
スジューサ10の裏面とベッド26との間に空気がトラップされることがないと
いうことがわかった。
本発明を好ましい実施例を参照して説明した。代用品、および置換物が当業者
には明らかであろう。たとえば、実施例でしようされているトランスジューサ1
2は、PZTセラミックエレメントであるが、他のトランスジューサエレメント
、たとえば、PVDFのような圧電ポリマーあるいは圧電複合材料を使用するこ
とも可能である。さらに、本発明の原理は多重トランスジューサエレメントから
なるトランスジューサアレーに適用することもできる。さらに、本発明の原理を
非平面主表面を有するトランスジューサエレメント、たとえば、合焦されたある
いはテイパーを有するトランスジューサエレメントに適用することもできる。
したがって、本発明は添付の請求の範囲の記載を除いて限定されることを意図
するものではない。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ソーントン ピーター
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
92627 コスタ メサ シー テラス レ
ーン 1089
(72)発明者 レンツ マーク
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
94087 サニーヴェイル サニーヴェイル
サラトガ ロード 5−1158
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.選択された共振中心周波数frにおいて発振するように選択された第1及び 第2主表面と大きさを有する超音波トランスジューサエレメントと、 該トランスジューサエレメントに機械的に接続されており、前記トランスジ ューサエレメントが受信された超音波パルスによって起動されるとき、約tマイ クロ秒の一時的な寿命を有する電気パルスを発生し、前記トランスジューサエレ メントにLミクロンの空間長さと、tマイクロ秒の一時的な寿命とを有する第一 次超音波パルスを発信させる電気起動パルスを与える手段とを有し、この場合L は前記第一次超音波パルスを形成する超音波の共振中心周波数frにおける波長 の所定倍数にほぼ等しいものであり、 さらに、第1及び第2支持エレメント主表面を有し、支持材料を横切る超音 波パルスを減衰する高損失材料から形成されており、前記第1支持エレメント主 表面は前記トランスジューサエレメントの第2トランスジューサエレメント主表 面に結合されており、前記支持エレメントの第1及び第2主表面との距離は、前 記中心周波数frにおける波長の前記所定数の約半分に等しく、この結果、第2 支持エレメント主表面から反射された超音波パルスが前記トランスジューサエレ メントの起動からtマイクロ秒以内にトランスジューサエレメントの第2主表面 に受信され、かつ前記第2支持エレメント主表面から複数回反射された超音波パ ルスが、伝播及び反射損失によって、大きく減衰されるような支持エレメントと を備えた、超音波パルスを発信及び受信するためのシステム。 2.請求項1において、さらに、 ハウジングと、 充填材料に結合される前記第2支持エレメント表面を有し、機械的に前記第 2支持エレメントを前記ハウジングに結合する充填材料のベッドとを有すること を特徴とするシステム。 3.構造的に硬質であって、脈管カテーテル内の側方監視超音波トランスジュー サを装備する方法であって、第1及び第2のほぼ平面主表面を有するトランスジ ューサであり、該方法が、 前記脈管カテーテルの一部を形成し、小さい血管への挿入に好適の直径を有 するハウジングを与える工程を含み、 前記カテーテル軸が挿入の方向を規定し、前記ハウジングが前記ハウジング の直径に平行に指向した底部支持表面を有する開口部を有しており、 所定量の充填材料を用意し、 前記充填材料を、尖った頂部及びベースを有する、ピークマウンドとなるよ うに形成し、この場合前記ベースは前記開口部の底部支持表面上配置されており 、 前記ピークマウンドの尖った頂部が前記第2主表面の中心近傍の位置で第2 主表面に接触するように前記トランスジューサを位置決めし、 そして、前記ピークマウンドがトランスジューサの第2主表面に対して平ら になるように前記位置決めされたトランスジューサエレメントを連続的に低くし て気泡が発生しないように前記トランスジューサと前記充填剤との結合を形成す ることを特徴とする方法。 4.構造的に硬質であって、脈管カテーテル内の側方監視超音波トランスジュー サを装備する方法であって、第1及び第2のほぼ平面主表面を有するトランスジ ューサであり、該方法が、 前記脈管カテーテルの一部を形成し、小さい血管への挿入に好適の直径を有 するハウジングを与える工程を含み、 前記カテーテル軸が挿入の方向を規定し、前記ハウジングが前記ハウジング の直径に平行に指向した底部支持表面を有する開口部を有しており、 所定量の銀エポキシを用意し、 前記銀エポキシを、尖った頂部及びベースを有する、ピークマウンドとなる ように形成し、この場合前記ベースは前記開口部の底部支持表面上配置されてお り、 前記ピークマウンドの尖った頂部が前記第2主表面の中心近傍の位置で第2 主表面に接触するように前記トランスジューサを位置決めし、 そして、前記ピークマウンドがトランスジューサの第2主表面に対して平ら になるように前記位置決めされたトランスジューサエレメントを連続的に低くし て気泡が発生しないように前記トランスジューサと前記銀エポキシとの結合 を形成することを特徴とする方法。
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