(57)【要約】【課題】高次の高調波を高感度で受信できる超音波探触子、および高次の高調波を高感度で受信できる超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供する。【解決手段】厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された少なくとも一層の超音波を送信する送信素子層と、厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された少なくとも一層の超音波を受信する受信素子層と、少なくとも一層の音響インピーダンスの整合を図る整合層と、が超音波を送信する方向に向けてこの順に積層された超音波探触子であって、送信素子層の超音波を送信する面は、凹面形状を有するとともに、最上層の整合層はポリメチルペンテンから成ることを特徴とする超音波探触子。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された少なくとも一層の超音波を送信する送信素子層と、厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された少なくとも一層の超音波を受信する受信素子層と、少なくとも一層の音響インピーダンスの整合を図る整合層と、が前記超音波を送信する方向に向けてこの順に積層された超音波探触子であって、
前記送信素子層の前記超音波を送信する面は、凹面形状を有するとともに、前記整合層の少なくとも最上層はポリメチルペンテンから成ることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記受信素子層は、
有機樹脂から成り、前記受信素子層と対向する側の凸面または凹面に沿うように湾曲して積層されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
前記受信素子層は、
フッ化ビニリデンの重合体、またはフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを材料として、膜厚８μｍ以上、５５μｍ以下に成膜されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探触子。
【請求項４】
前記整合層は、最前面が凸面形状であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波探触子。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探触子、および超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断装置は超音波パルス反射法により、体表から生体内の軟組織の断層像を低侵襲に得る医療用画像機器である。この超音波診断装置は、他の医療用画像機器に比べ、小型で安価、Ｘ線などの被爆がなく安全性が高い、ドップラー効果を応用して血流イメージングが可能等の特長を有している。そのため、循環器系（心臓の冠動脈）、消化器系（胃腸）、内科系（肝臓、膵臓、脾臓）、泌尿科系（腎臓、膀胱）、及び産婦人科系などで広く利用されている。
【０００３】
このような医療用超音波診断装置に使用される超音波探触子は、高感度、高解像度の超音波の送受信を行うために、ジルコン酸チタン酸鉛を材料とした圧電素子が一般的に使用される。この場合、送信用圧電素子の振動モードとしては、単一型探触子であるシングル型または複数の探触子を２次元配置したアレイ型探触子がよく使用される。アレイ型は精細な画像を得ることができるので、診断検査のための医療用画像として広く普及している。
【０００４】
一方、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断は、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから標準的な診断方法となりつつある。
【０００５】
ハーモニックイメージングは、基本波に比較して下記のような多くの利点を有している。
【０００６】
１．サイドローブレベルが小さいことにより、Ｓ／Ｎ比が良くコントラスト分解能が良くなること。
【０００７】
２．周波数が高くなることによって、ビーム幅が細くなり横方向分解能が良くなること。
【０００８】
３．近距離では音圧が小さく、音圧の変動が少ないため、多重反射が起こらないこと。
【０００９】
４．焦点以遠の減衰は基本波並みであり、高調波の周波数を基本波とする超音波に比べ深速度を大きく取れること。
【００１０】
などである。
【００１１】
ハーモニックイメージングに用いるアレイ型超音波探触子の具体的な構造として、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子が提案されている。
【００１２】
このようなアレイ型超音波探触子に用いられる受信用圧電振動子は、高調波信号を高感度で受信できることが望ましい。しかしながら、ジルコン酸チタン酸鉛等を材料とした圧電素子の送受信周波数は圧電素子の厚さに依存するため、受信する周波数が高周波になるほど圧電素子を小型に加工する必要があり、製造が困難であった。
【００１３】
このような問題を解決するため、シート状の圧電セラミックを単層または積層した構造の送信用圧電素子と受信用のシート状の圧電素子を単層または積層させ、送信と受信を別々の圧電素子に分離するとともに、受信用に高感度有機圧電素子材料を使用することにより高感度な超音波探触子を得る方法が提案されている（特許文献１、２、３参照）。
【００１４】
一方、従来から超音波探触子には、超音波のビームを収束させて分解能を向上させるため音響レンズが用いられている。音響レンズは生体と密着させるので、生体からの超音波の反射を最小にするため生体の音響インピーダンスに近く、使用する周波数において減衰率の小さい材料が求められている。
【００１５】
このような音響レンズの材料として、従来シリコンゴムが主に用いられてきたが、シリコンゴムは超音波の伝搬損失が大きいため、高周波化、もしくは広帯域化に対しては不向きな材料である。
【００１６】
そのため、超音波受信面を凹面状にするとともに、その凹面状の超音波送受信面の上に材質がエチレン−酢酸ビニル共重合樹脂やポリエーテルアミド、またはブタジエンゴムより成り、中央部が凸状の超音波伝搬体を設けることにより、被検体への密着性に優れ、高周波の伝搬損失の少ない、高感度な超音波探触子を提供する方法が開示されている。（例えば、特許文献４、５、６参照）
また、ポリメチルペンテンを用いた凹状の音響レンズの上に、両凸の超音波伝搬体（音響媒体）を固着する方法も開示されている。（例えば、特許文献４、５、７参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００８−１８８４１５号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／１４５０７３号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２００８／０１０５０９号パンフレット
【特許文献４】特許第２７３９１３４号公報
【特許文献５】特許第３２６８９０７号公報
【特許文献６】特許第３２５１３２８号公報
【特許文献７】特開平６−２５４１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
アレイ型超音波探触子を用いて、超音波の高次高調波を高感度で受信するためには、受信用圧電素子より上層の、高次高調波の減衰率をさらに小さくする必要がある。
【００１９】
しかしながら、特許文献４、５、６に開示されている方法は、７．５ＭＨｚ程度の周波数に適用できるものであり、例えば３次高調波として１５ＭＨｚを受信しようとする場合、特許文献４、５に開示されているように超音波伝搬体を設けると、超音波伝搬体での減衰が大きくなり無視できない。また、特許文献７に開示されているように超音波伝搬体にシリコンゴムを用いると、さらに１５ＭＨｚでの減衰量が大きいものになる。
【００２０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、高次高調波を高感度で受信できる超音波探触子、および高次高調波を高感度で受信できる超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。
【００２２】
１．厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された少なくとも一層の超音波を送信する送信素子層と、厚さ方向に対向する両面にそれぞれ電極が形成された少なくとも一層の超音波を受信する受信素子層と、少なくとも一層の音響インピーダンスの整合を図る整合層と、が前記超音波を送信する方向に向けてこの順に積層された超音波探触子であって、
前記送信素子層の前記超音波を送信する面は、凹面形状を有するとともに、前記整合層の少なくとも最上層はポリメチルペンテンから成ることを特徴とする超音波探触子。
【００２３】
２．前記受信素子層は、
有機樹脂から成り、前記受信素子層と対向する側の凸面または凹面に沿うように湾曲して積層されていることを特徴とする前記１に記載の超音波探触子。
【００２４】
３．前記受信素子層は、
フッ化ビニリデンの重合体、またはフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを材料として、膜厚８μｍ以上、５５μｍ以下に成膜されていることを特徴とする前記１または２に記載の超音波探触子。
【００２５】
４．前記整合層は、最前面が凸面形状であることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の超音波探触子。
【００２６】
５．前記１から４の何れか１項に記載の超音波探触子を有することを特徴とする超音波診断装置。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、送信素子層の超音波を送信する面は、エレべーション方向の断面が凹面形状を有するとともに、最上層の整合層を、生体の音響インピーダンスに近く、高周波の減衰の小さいポリメチルペンテンから形成することにより、超音波伝搬体を不要にしている。したがって、超音波伝搬体による高次高調波の減衰が無く、高次高調波を高感度で受信できる超音波探触子、および高次高調波を高感度で受信できる超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態における超音波診断装置１００の外観構成を示す図である。
【図２】実施形態における超音波診断装置１００の電気的な構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態の超音波探触子の整合層６を２層で構成した例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００３０】
（超音波診断装置および超音波探触子の各構成および動作）
図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【００３１】
超音波診断装置１００は、図略の生体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、受信した被検体で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）から被検体内の内部状態を超音波画像として画像化し、表示部４５に表示する。
【００３２】
超音波探触子１は、被検体に対して超音波（超音波信号）を送信し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する。超音波探触子１は、図２に示すように、ケーブル３３を介して超音波診断装置本体３１と接続されており、送信回路４２、受信回路４３と電気的に接続されている。
【００３３】
送信回路４２は、制御部４６の指令により、超音波探触子１へケーブル３３を介して電気信号を送信し、超音波探触子１から被検体に対して超音波を送信させる。
【００３４】
受信回路４３は、制御部４６の指令により、超音波探触子１からケーブル３３を介して、被検体内からの超音波の反射波に応じた電気信号を受信する。
【００３５】
画像処理部４４は、制御部４６の指令により、受信回路４３が受信した電気信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。
【００３６】
表示部４５は、液晶パネルなどから成り、制御部４６の指令により、画像処理部４４が画像化した超音波画像を表示する。
【００３７】
操作入力部４１は、スイッチやキーボードなどから構成され、ユーザが診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータを入力するために設けられている。
【００３８】
制御部４６は、ＣＰＵ、メモリなどから構成され、操作入力部４１の入力に基づいてプログラムされた手順により超音波診断装置１００各部の制御を行う。
【００３９】
図３は、第１の実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図、図４は、第２の実施形態の超音波探触子のヘッド部の構成を示す断面図である。
【００４０】
以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向はエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。また、Ｚ軸方向は積層方向である。以降、積層順に各部を説明する。
【００４１】
図３、図４に示す超音波探触子１は、バッキング材５の上に第４電極１５、送信素子層２、第３電極１４、中間層１３、第２電極１０、受信素子層３、第１電極９、整合層６の順に積層されている。
【００４２】
送信素子層２は、ジルコン酸チタン酸鉛などの無機圧電材料から成る圧電素子であり、互いに厚み方向に対向する両面にそれぞれ第３電極１４、第４電極１５を備えている。
【００４３】
本実施形態では、図３、図４のように送信素子層２の中間層１３と対向する側の面が凹面であり、送信素子層２から送信した超音波を所定の距離に収束させる音響収束機能を有している。
【００４４】
第３電極１４、第４電極１５は、図示せぬコネクタによりケーブル３３と接続され、ケーブル３３を介して送信回路４２と接続する。第３電極１４、第４電極１５に電気信号を入力すると圧電素子が振動し、送信素子層２からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。
【００４５】
第３電極１４、第４電極１５の厚みは、１〜２μｍ程度である。第３電極１４、第４電極１５の厚みは、音響特性上はできるだけ薄い方が良いが、薄すぎると電極にひび割れ等が発生し、信頼性を損なうので０．１〜１０μｍの範囲、好ましくは０．１〜５μｍにすることが望ましい。特に超音波を送信する側の、第３電極１４は音響特性上できるだけ薄くすることが望ましい。
【００４６】
第３電極１４、第４電極１５は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、送信素子層２の両面に蒸着法やフォトリソグラフィー法を用いて成膜する。
【００４７】
中間層１３は、受信素子層３が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動した際に、送信素子層２が共振して振動しないように受信素子層３の振動を吸収するために設けられている。
【００４８】
第１の実施形態では、図３のように中間層１３は送信素子層２と同じように湾曲しており、受信素子層３と対向する側の面も凹面になっている。
【００４９】
第２の実施形態では、図４のように中間層１３の送信素子層２と対向する面は、送信素子層２と同じように湾曲しており、受信素子層３と対向する側の面は平面になっている。
【００５０】
このような中間層１３は、樹脂材料を成型して形成することができる。中間層１３に用いる樹脂材料としては、例えばポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリスルホン、エポキシ、オキセタン、などを用いることができる。
【００５１】
中間層１３の厚みは、求める感度や周波数特性により選択されるが、例えば１８０〜１９０μｍ程度である。
【００５２】
なお、求める感度や周波数特性によっては中間層１３を省略することもできる。
【００５３】
受信素子層３は、有機圧電材料から成る複数の圧電素子から構成されている。
【００５４】
受信素子層３に用いる有機圧電材料として、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、有機圧電材料は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）、テトラフルオロエチレ（ＴｅＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。
【００５５】
一般に、無機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する２倍程度の周波数帯域の超音波しか受信することができないが、有機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する例えば４〜５倍程度の周波数帯域の超音波を受信することができ、受信周波数帯域の広帯域化に適している。このような超音波を広い周波数に亘って受信可能な特性を持つ有機圧電素子２１によって超音波信号が受信されるので、本実施形態における超音波探触子１および超音波診断装置１００は、比較的簡単な構造で周波数帯域を広帯域にすることができる。
【００５６】
受信素子層３の厚さｔは、受信すべき超音波の周波数や有機圧電材料の種類等によって適宜に設定される。受信すべき超音波の波長をλとすると、受信素子層３の厚さｔがｔ＝λ／４のとき最も受信素子層３の受信効率が良い。
【００５７】
超音波の波長λは、超音波の周波数をｆ、受信素子層３中の音速をｖとすると（１）式で求められる。
【００５８】
λ＝ｖ／ｆ・・・・・（１）
例えば、基本波５ＭＨｚの超音波を被検体に送信し、２次高調波である１０ＭＨｚの周波数を受信しようとする場合、受信素子層３の材料としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いると音速ｖは２２００ｍ／ｓであり、（１）式に代入するとλ＝２２００／１０＝２２０μｍになる。
【００５９】
したがって、ｆ＝１０ＭＨｚの超音波を受信する場合、最も受信効率の良い受信素子層３の厚さｔは５５μｍである。
【００６０】
２次以上の高調波を効率良く受信するためには、受信素子層３の厚さｔを５５μｍ以下にすれば良い。例えば３次高調波であるｆ＝１５ＭＨｚを受信する場合、最も受信効率の良い受信素子層３の厚さｔは３７μｍである。
【００６１】
さらに高い周波数を受信する場合も、受信素子層３の厚さｔは、受信すべき超音波の周波数に応じて設定すれば良いが、あまり薄くすると製造が困難になり、また強度も不足するので８μｍ以上、５５μｍ以下にすることが好ましい。
【００６２】
このような受信素子層３は、有機圧電材料の溶液から流延して所定の厚さの膜を作製し、加熱して結晶化を行った後、所定の大きさのシート状に成型して作製する。
【００６３】
受信素子層３の厚み方向（Ｚ軸方向）に互いに対向する両面には、それぞれ第１電極９、第２電極１０が形成されている。
【００６４】
第１電極９、第２電極１０の厚みは、１〜２μｍ程度である。受信素子層３の電極は、音響特性上できるだけ薄い方が良いが、薄すぎると電極にひび割れ等が発生し、信頼性を損なうので０．１〜１０μｍの範囲、好ましくは０．１〜５μｍにすることが望ましい。受信素子層３は、周波数の高い高調波を受信するため、特に第１電極９、第２電極１０ともに音響特性上できるだけ薄くすることが望ましい。
【００６５】
第１電極９、第２電極１０は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、蒸着法やフォトリソグラフィー法により成膜する。受信素子層３に用いる電極、特に第１電極９は、高調波を感度良く受信するため極めて薄く形成する必要がある。そのため、金属材料として導電性の良い金を用いることが望ましい。
【００６６】
受信素子層３は、有機圧電材料から成るので、第１電極９、第２電極１０を形成した後も中間層１３の受信素子層３と対向する側の凹面形状に合わせて容易に湾曲させることができる。したがって、図３に示すように、第１電極９、第２電極１０を形成した受信素子層３を中間層１３の凹面形状に沿って接合し、中間層１３の凸面と受信素子層３との間隔を所定の間隔にして受信素子層３の振動を十分に吸収することができる。
【００６７】
第２の実施形態では、図４のように第１電極９、第２電極１０を形成した受信素子層３を中間層１３の平面に沿って接合している。
【００６８】
第１電極９、第２電極１０は、ケーブル３３を介して受信回路４３と接続する。
【００６９】
受信素子層３が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて圧電素子に第１電極９、第２電極１０の間に電気信号が発生する。第１電極９、第２電極１０の間に発生した電気信号は、ケーブル３３を介して受信回路４３で受信され、画像処理部４４で画像化される。
【００７０】
整合層６は、被検体である人体と受信素子層３の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響インピーダンスの整合を図る。本実施形態では、少なくとも最上層の材料はポリオレフィン樹脂の一種であるポリメチルペンテンを用いる。整合層６の最上層以外の層には各種樹脂材料を用いることができる。
【００７１】
整合層６は、例えば成型により形成する。第１の実施形態では、図３のように整合層６の受信素子層３側の面は、凸面形状に形成され、第２の実施形態では、図４のように整合層６の受信素子層３側の面は、平面に形成されている。何れも、整合層６と中間層１３との間に、第１電極９と第２電極１０とが形成された受信素子層３を所定の間隔で挟み込んでいる。
【００７２】
整合層６の生体等の被検体と接する側の面は、生体と密着しやすくなるよう、第１の実施形態では図３のように平面、第２の実施形態では、図４のように凸面にしている。第２の実施形態のように凸面にすると、整合層６の表面と被検体とを、より密着しやすくすることができる。なお、整合層６は超音波の収束機能を負担していないので、任意の形状にすることができる。
【００７３】
ポリメチルペンテンの音響インピーダンスは、人体の音響インピーダンスである１．５Ｐａ・ｓ・ｍ−１に近い１．８Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度であり、音速が人体に近い２．２ｋｍ／ｓ程度である。このことにより、従来用いられてきた超音波伝搬体を設けなくても、優れた生体等の被検体への密着性を実現できる。
【００７４】
また、ポリメチルペンテンの超音波の減衰率はシリコンなど他の材質と比べて低く、高次高調波の伝搬損失が少ない。例えば、整合層６が厚み１４０μｍの単層のポリメチルペンテンから成る場合、周波数１５ＭＨｚでの減衰は１．０ｄＢ程度である。
【００７５】
さらに、ポリメチルペンテンはガスや液体を透過しにくいので、整合層６の最上層をポリメチルペンテンにすると、超音波探触子１の被検体と接する側の面から消毒用ガス、または液体が侵入して、受信素子層３や送信素子層２の特性が劣化するのを防止することができる。
【００７６】
図５は、第２の実施形態の超音波探触子の整合層６を２層で構成した例である。ポリメチルペンテンで形成された最上層の整合層６ａと、受信素子層３との間に、整合層６ａと受信素子層３との中間の音響インピーダンスを有する材料で形成した整合層６ｂを挟むことにより受信素子層３と整合層６ａとの間の音響インピーダンスを徐々に変化させている。このようにすることにより、受信素子層３と整合層６ａとの間の整合を図り、受信感度を向上させることができる。
【００７７】
例えば、受信素子層３が音響インピーダンス４．１Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成る場合、１．８Ｐａ・ｓ・ｍ−１程度のポリメチルペンテンから成る整合層６ａとの間に挟む整合層６ｂを形成する材料として、エポキシ樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂などを用いることができる。
【００７８】
また、整合層６ｂをさらに複数の層から形成し、各層を形成する樹脂材料を変えたり、各層の樹脂材料に含まれるフィラーの含有量を変えることにより受信素子層３と整合層６ａとの間の音響インピーダンスをさらに緩やかに変化させても良い。フィラーとして例えばタングステン、フェライト、アルミナなどを用いることができる。
【００７９】
図５では、第２の実施形態の整合層６を２層で構成した例を説明したが、第１の実施形態の超音波探触子の整合層６も同様に多層にすることができる。
【００８０】
このように、本実施形態では受信素子層３の上層に超音波伝搬体や音響レンズを設けないので、高次の高調波を超音波伝搬体や音響レンズで減衰することなく受信素子層３で受信することができる。
【００８１】
以上このように、本発明によれば、高次の高調波を高感度で受信できる超音波探触子、および高次の高調波を高感度で受信できる超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１  超音波探触子
２  送信素子
３  受信素子
５  バッキング材
６  整合層
９  第１電極
１０  第２電極
１３  中間層
１４  第３電極
１５  第４電極
２０  基板材
３１  超音波診断装置本体
３３  ケーブル
４１  操作入力部
４２  送信回路
４３  受信回路
４４  画像処理部
４５  表示部
４６  制御部
１００  超音波診断装置
【図１】
2010213766.tif 000003
【図２】
2010213766.tif 000004
【図３】
2010213766.tif 000005
【図４】
2010213766.tif 000006
【図５】
2010213766.tif 000007