(57)【要約】【課題】超音波画像における分解能劣化を防止することが可能な、さらに、高い信頼性を超音波振動子の電極を引き出すことが可能な超音波プローブを提供する。【解決手段】  超音波振動子、第１音響整合層、電極引き出し層、及び第２音響整合層を有する。超音波振動子は素子が所定のピッチで複数配列されている。第１音響整合層は、所定のピッチと同じピッチで超音波振動子上に配列され、所定の音響インピーダンスを有する。電極引き出し層は、第１音響整合層上に設けられ、超音波振動子と電気的に接続されている。第２音響整合層は、第１音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、電極引き出し層上に設けられ、素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が電極引き出し層側の面に形成されたシート状のものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子が所定のピッチで複数配列された超音波振動子と、
前記所定のピッチと同じピッチで前記超音波振動子上に配列され、所定の音響インピーダンスを有する第１音響整合層と、
前記第１音響整合層上に設けられ、前記超音波振動子と電気的に接続された電極引き出し層と、
前記第１音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、前記電極引き出し層上に設けられ、前記素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が前記電極引き出し層側の面に形成されたシート状の第２音響整合層と、
を有する
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記複数の溝は、前記所定のピッチの略１／２以下のピッチで配列されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記超音波振動子及び前記第１音響整合層は、２次元の方向に配列されており、
前記複数の溝は、前記２次元の方向に対し平行な方向に配列されてい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。
【請求項４】
前記複数の溝として、前記所定のピッチの略１／４以下の長さに相当する直径を有する穴が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記第２音響整合層の厚みは超音波の波長の略１／４であり、
前記溝の深さは、前記第２音響整合層の厚みに対し２５％から７５％の値であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記第２音響整合層の厚みは超音波の波長の略１／４であり、
前記穴の深さは、前記第２音響整合層の厚みに対し２５％から７５％の値であることを特徴とする請求項４に記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記溝に充填材が充填されていることを特徴とする請求項１、２、３または５記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記穴に充填材が充填されていることを特徴とする請求項４または請求項６記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記充填材は、前記第２音響整合層と電極引き出し層とを接着するためのエポキシ系接着剤であることを特徴とする請求項７または請求項８記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記第２音響整合層は、０．４３以上のポアソン比を有する材料により形成される請求項１から請求項９のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
前記第２音響整合層は、ポリウレタン、ポリエチレン、及びポリエステルのいずれか一つの材料により形成される請求項１から請求項１０のいずれかに記載の超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体内を超音波で走査し、被検体内からの反射波から生成した受信信号を基に当該被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。
【０００３】
このような超音波診断装置は、超音波プローブから被検体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブで受信して受信信号を生成する。超音波プローブは、送信信号に基づいて振動して超音波を発生し、反射波を受けて受信信号を生成する微小振動子を走査方向に複数個、アレイ状に配設している。なお、微小振動子を素子という場合がある。また、微小振動子をアレイ状に配設したものを超音波振動子という場合がある。
【０００４】
図９を参照して超音波ローブの基本構成について説明する。図９は超音波１Ｄアレイプローブの基本構成図である。図９に示すように、超音波プローブは、超音波を発生する超音波振動子３と、超音波振動子３から生体接触面側に向かって、超音波振動子−生体間の音響インピーダンスの不整合を緩和する高音響インピーダンス整合層（高ＡＩ整合層）４、上面電極引き出し層６、低音響インピーダンス整合層（低ＡＩ整合層）５、超音波を収束させる音響レンズ７を有する。また、超音波振動子３からケーブル側（生体接触面とは反対側）には、信号引き出し用基板２、及び、背面材１がある。ここでは、上面電極をＧＮＤ（ground）電極とする。
【０００５】
高音響ＡＩ整合層４、低音響ＡＩ整合層５は、超音波振動子３から生体にかけて徐々に音響インピーダンスを下げながら、２〜３層設定される。各音響整合層４、５の厚みは、波長λの１／４が広く用いられている。ここで、波長λは、各音響整合層４、５を伝わる超音波の波長である。一般的に高ＡＩ整合層４は硬く、切削性がよいので、隣接素子との音響的カップリングを低減するために、超音波振動子３を分割すると同時に高ＡＩ整合層４も分割される。一方、低ＡＩ整合層５は音速が遅いため形状比（ｗ／ｔ）を十分に小さくできない。それにより、次の２つの方法がとられている。なお、ｗ、ｔは低ＡＩ整合層５の幅、厚さをそれぞれ示す。
【０００６】
第１は、ゴム系材料の低ＡＩ整合層５をシート状に積層する方法である。図１０は第１の方法による超音波プローブの構造図である。図１０に示すように、この構造では、単一の低ＡＩ整合層５を積層するため、形状比（ｗ／ｔ）を考慮せずに積層することができる。単一の音響整合層の場合、超音波振動子３の指向特性が悪化するが、低ＡＩ整合層５の材料として高ポアソン比材料（たとえばポリウレタン材）を採用することにより超音波振動子３の指向性悪化を軽減することができる。一般的に上面電極引き出し層６の音響インピーダンスの値は高ＡＩ整合層４と低ＡＩ整合層５の間の値であるため、上面電極引き出し層６を低ＡＩ整合層５の超音波振動子３側に積層する必要があるが、この構造では、超音波振動子３から高ＡＩ整合層４までを分割し、高ＡＩ整合層４側に上面電極引き出し層６、低ＡＩ整合層５をシート状に積層することができ、上面電極引き出し層６と高ＡＩ整合層４との接触面積を十分に確保することにより、高い信頼性で超音波振動子３の上面電極（ＧＮＤ電極）を引き出すことができる。
【０００７】
第２は、非ゴム系低ＡＩ整合層５を分割し、形成された溝にゴム系材料を充填する方法である。図１１は第２の方法による超音波プローブの構造図である。図１１に示す構造では、低ＡＩ整合層５の形状比（ｗ／ｔ）は十分小さくできないが、発生する横振動を、溝に充填されたゴム系材料で軽減することが可能である。また、低ＡＩ整合層５は完全、又は部分的に分割されているため、素子間クロストークの影響を軽減することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１２は従来技術に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図である。図１０に示す超音波プローブでは、低ＡＩ整合層５が複数素子間に跨って積層されるため、素子間のクロストークの影響により、図１２に矢印で示すように、素子指向特性は周波数ごとに細かく変化してしまい、超音波診断装置で画像描出するときの周波数によっては指向性が狭くなってしまう。このため、超音波ビームの振り角が小さくなり、超音波画像における走査方向の分解能（方位分解能）が著しく劣化する原因となる。
【０００９】
図１１に示す超音波プローブでは、低ＡＩ整合層５も分割するために、超音波振動子３の上面電極引き出し層６を含む構造を採用した場合、上面電極引き出し層６も低ＡＩ整合層５と同様に分割しなければならない。超音波プローブのカッティングピッチは約０．２ｍｍと非常比狭いピッチとなるため、各素子の上面電極（ＧＮＤ電極）引き出しにおける信頼性は著しく低下する。
【００１０】
図１３は従来例に係る超音波プローブの構造図である。図１３に示すように、上面電極１１を引き出す他の方法として、超音波振動子３の端部から引き出す方法がある。しかし、超音波振動子３の厚みは２００μｍから５００μｍと非常に薄いため、接合面積を十分に確保することが困難となり、超音波振動子３の電極引き出しにおける信頼性が低いという問題がある。
【００１１】
この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、超音波画像における方位分解能の劣化を防止することが可能な、さらに、超音波振動子の電極引き出しにおける高い信頼性を得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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、超音波振動子、第１音響整合層、電極引き出し層、及び第２音響整合層を有する。超音波振動子は素子が所定のピッチで複数配列されている。第１音響整合層は、所定のピッチと同じピッチで超音波振動子上に配列され、高い音響インピーダンスを有する。電極引き出し層は、第１音響整合層上に設けられ、超音波振動子と電気的に接続されている。第２音響整合層は、第１音響整合層より低い音響インピーダンスを有し、電極引き出し層上に設けられ、素子の配列方向に対し平行な方向に複数の溝が超音波振動子側の面に形成されたシート状のものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る超音波振動子及び音響整合層等の構成を示す図。
【図２】低ＡＩ整合層の構造図。
【図３】第１実施形態に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図。
【図４】第２実施形態に係る超音波振動子及び音響整合層等の構成を示す図。
【図５】低ＡＩ整合層の構造図。
【図６】一般的な超音波２Ｄアレイプローブの構造図。
【図７】第３実施形態に係る低ＡＩ整合層の構造図。
【図８】超音波診断装置の基本構成ブロック図。
【図９】超音波１Ｄアレイプローブの基本構成図。
【図１０】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【図１１】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【図１２】従来例に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図。
【図１３】従来例に係る超音波プローブの構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る超音波プローブ１２が設けられる超音波診断装置の基本構成について図８を参照して説明する。図８は超音波診断装置の基本構成ブロック図である。
【００１５】
図８に示すように、超音波診断装置は、医療分野において、生体（患者）の疾病を診断するために用いられる。詳細には、超音波診断装置は、超音波振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信する。そして、被検体内部における音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を超音波プローブで受信し、かかる反射波に基づいて被検体の内部状態を画像化する。
【００１６】
超音波診断装置として、複数の素子（微小振動子）がアレイ状に一次元配列された超音波１Ｄアレイプローブ、また複数の素子がアレイ状に二次元配列された超音波２Ｄアレイプローブが用いられる。
【００１７】
超音波診断装置は、超音波プローブ１２、送信遅延加算手段２１、送信処理手段２２、制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８、開口径決定手段４３、受信遅延加算手段４４、受信処理手段４６、信号処理手段４７、表示制御手段２７、モニタ１４を具備する。
【００１８】
超音波プローブ１２は、超音波振動子、整合層、バッキング材等を有する。
【００１９】
超音波プローブ１２は、既知の背面材上に複数の超音波振動子が設けられ、その超音波振動子上には既知の整合層が設けられている。すなわち、背面材、超音波振動子、整合層の順番で積層されている。超音波振動子において、整合層が設けられている面が超音波の放射面側となり、その面の反対側の面（背面材が設けられている面）が背面側となる。超音波振動子の放射面側には共通（ＧＮＤ）電極（図示省略）が接続され、背面側には信号電極（図示省略）が接続されている。
【００２０】
超音波振動子としては、圧電セラミック等の音響／電気可逆的変換素子等が使用され得る。例えば、チタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などのセラミック材料が好ましく用いられる。
【００２１】
超音波振動子は、送信処理手段２２からの駆動信号に基づき超音波を発生する。発生した超音波は、被検体内の音響インピーダンスの不連続面で反射される。各超音波振動子は、この反射波を受信し、信号を発生し、チャンネル毎に受信処理手段４６に取り込まれる。
【００２２】
整合層は、超音波振動子の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。整合層は、１層だけであってもよく、２層以上設けてもよい。
【００２３】
バッキング材は、超音波振動子から後方への超音波の伝播を防止する。
【００２４】
また、背面材は、超音波振動子から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材には、一般的に、合成ゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにタングステン、フェライト、酸化亜鉛などの無機粒子粉末などを混入した材料が用いられる。
【００２５】
送信遅延加算手段２１は、前記焦点距離に応じて遅延加算処理をする。受信遅延加算手段４４は、送信遅延加算手段２１による遅延タイミングと逆のタイミングで遅延加算処理をする。
【００２６】
受信処理手段４６は、アポダイゼーションユニット（図示しない）、周波数変調／復調ユニット（図示しない）、受信バッファユニット（図示しない）、受信ミキサ（図示しない）、ＤＢＰＦ（図示しない）、離散フーリエ変換ユニット（図示しない）、ビームメモリ（図示しない）を有する。そして、遅延が掛けられた受信タイミングで信号を受信し、増幅する。増幅された信号は、信号処理手段４７に出力される。
【００２７】
信号処理手段４７は、Ａ／Ｄ変換回路、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路等を有する。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換回路は、受信処理手段４６によって受信された信号をＡ／Ｄ変換する。
【００２９】
Ｂモード処理回路は、受信処理手段４６から信号を受け取り、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。このデータは、表示制御手段２７に送信され、反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像としてモニター１４に表示される。
【００３０】
ドプラ処理回路は、受信処理手段４６から受け取った信号から速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、平均速度、分散、パワー等の血流情報を多点について求める。特に、ドプラ処理回路は、受信処理手段４６から多位相復調データを逐次読み出し、各レンジで得られたスペクトラムを演算し、これを用いてＣＷスペクトラム画像のデータを演算する。
【００３１】
表示制御手段２７は、信号処理手段４７から受け取ったデータを用いて、超音波画像を生成する。さらに、生成された画像を種々のパラメーターの文字情報や目盛等と共に合成し、ビデオ信号としてモニタ１４に出力する。
【００３２】
制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８は、情報処理装置としての機能を有し、前記した各手段の動作を制御する。すなわち、超音波診断装置本体の動作を制御する。制御プロセッサ２８は、記憶部から画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、所定のスキャンシーケンスを実行するための制御プログラムを読み出して自身が有するメモリ上に展開し、各種処理に関する演算・制御等を実行する。
【００３３】
記憶部は、異なる画角設定により複数のボリュームデータを収集するための所定のスキャンシーケンス、画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、画像生成、表示処理を実行するための制御プログラム、診断情報（患者ＩＤ、医師所見等）、診断プログラム、送受信条件、ボディマーク生成プログラムその他のデータ群を保管する。
【００３４】
以上、超音波プローブ１２が設けられる超音波診断装置の基本構造について説明した。次に、第１実施形態に係る超音波プローブの主な構成について説明する。
【００３５】
超音波プローブの基本構成については、前述したように、音響レンズ７、高ＡＩ整合層４、低ＡＩ整合層５、超音波振動子３、フレキシブルプリント基板２、６、背面材１にて構成され、レンズ７を介して被検体と接触する（図９参照）。超音波振動子３は分割溝８により所定ピッチ（素子ピッチ）で複数の素子が配列された構成になっている。高ＡＩ整合層４も分割溝８により素子ピッチと同じピッチで分割され、分割された整合層が素子と同じ位置に配置された構成になっている（図１０参照）。
【００３６】
第１実施形態に係る超音波プローブが図１０に示す従来の超音波プローブと異なるのは、低ＡＩ整合層５の構成である。
【００３７】
次に、低ＡＩ整合層５の構成の構成について図１を参照して説明する。図１は超音波振動子３及び音響整合層等の構成を示す図である。図１に示すように、低ＡＩ整合層５の超音波振動子３側の面（上面電極引き出し層６に接着する面）には、素子の配列方向（素子エレベーション方向）に対し平行に素子ピッチの１／２以下のピッチで溝５ａが形成されている。形成される溝５ａの深さは低ＡＩ整合層５の２５％から７５％が望ましい。また、溝５ａの幅は素子ピッチの１／４以下の長さであることが望ましい。さらに、溝５ａは充填材で充填するのが望ましい。
【００３８】
なお、超音波プローブの性能を維持するため、低ＡＩ整合層５は、０．４３以上のポアソン比を有する材料により形成されていればよく、例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、及びポリエステルのいずれか一つの材料により形成される。
【００３９】
次に、超音波プローブの製造方法について図２を参照して説明する。図２は低ＡＩ整合層の構造図である。接着前の低ＡＩ整合層５の超音波振動子３側に、素子配列方向に対して平行な方向にアレイ分割溝８の１／２以下のピッチ、厚みの２５％から７５％の深さの溝５ａを形成する（図２参照）。
【００４０】
溝５ａのピッチをアレイ分割溝８の１／２以下のピッチとすることにより方位分解能をより安定させることが可能となる。また、溝５ａの深さを低ＡＩ整合層５の厚みの２５％から７５％とすることにより音響整合機能を維持することが可能となる。
【００４１】
次に、その加工面を従来方法と同様に上面電極引き出し層６に接着する。この際に溝５ａはアレイ分割溝８に対し平行であれば良く、一致させる必要はない。従って、アレイ分割溝８と低ＡＩ整合層５の溝５ａを揃えるようにすれば（角度調整）、比較的容易に接着可能である。溝５ａの充填材の充填方向は、溝５ａの形成時に予め充填材を充填させても良いし、低ＡＩ整合層５を上面電極引き出し層６に接着する際に塗布するエポキシ系接着剤で充填させても良い。なお、充填材及び接着剤は、低ＡＩ整合層５の音響整合機能に影響を与えない材料であればよい。溝５ａに充填材を充填することにより、溝５ａの形状を安定させることが可能となる。
【００４２】
図３は第１実施形態に係る超音波プローブの指向特性シミュレーション結果を示す図である。図３と図１２を比較すればわかるように、素子指向特性は周波数ごとに細かく変化することがなく、また、超音波診断装置で画像描出するときの周波数によって指向性が狭くなることもない。それにより、超音波ビームの振り角が小さくなることもなく、超音波画像における走査方向の分解能（方位分解能）が劣化するのを防止することが可能となる。
【００４３】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る超音波プローブについて図４〜図６を参照して説明する。
図４は、第２実施形態に係る超音波２Ｄアレイプローブの構造図、図５は低ＡＩ整合層の構造図、図６は、比較される一般的な超音波２Ｄアレイプローブの構造図である。なお、超音波プローブを構成する各部品は第１実施形態と同様である。
【００４４】
図４及び図６に示すように、第２実施形態に係る超音波２Ｄアレイプローブは、一般的な超音波２Ｄアレイプローブに対して、低ＡＩ整合層５の構成のみが異なる。
【００４５】
次に、低ＡＩ整合層５の構成について説明する。図４に示すように、超音波２Ｄアレイプローブは素子エレベーション方向、素子アジマス方向に格子状に素子分割されるため、低ＡＩ整合層５に形成する溝５ａも格子状に形成する必要がある。素子エレベーション方向、素子アジマス方向の素子ピッチが異なる場合、低ＡＩ整合層５に形成する溝５ａのピッチはそれぞれの方向の素子ピッチの１／２以下のピッチとする（図５参照）。ここで、素子アジマス方向とは、エレベーション方向及び音響整合層の積層方向にそれぞれ直交する方向をいう。
【００４６】
各方向における溝５ａのピッチを素子ピッチの１／２以下のピッチとしたことにより、３次元画像における方位分解能の劣化を防止することが可能となる。
【００４７】
第１実施形態と同様にアレイ分割溝８と低ＡＩ整合層５の溝５ａの角度調整を行えば、比較的容易に接着可能である。第１実施形態と同様に、形成される溝５ａは充填材で充填するのが望ましい。
【００４８】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る超音波プローブの構造について図７を参照して説明する。なお、超音波プローブの基本的な構成は第１実施形態と同じである。
【００４９】
図７は低ＡＩ整合層の構造図である。図７に示すように、全規定ＡＩ整合層の前記上面電極側に直径が素子ピッチの１／４以下の穴５ｂを素子ピッチの１／２以下のピッチで配置する。それにより、十分な音圧を取得することが可能となる。第３の実施形態では、第１実施形態の溝５ａに代わる穴５ｂが設けられている。
【００５０】
形成する穴５ｂの深さは整合層厚の２５％から７５％が望ましい。又、穴５ｂの部分は充填材で充填するのが望ましい。
【００５１】
本実施形態の加工方法は前記溝５ａが前記穴ｂに変更されたこと以外は第１実施形態と同じである。
【００５２】
以上の通り、本実施形態により、素子間のクロストークの影響が軽減されるため、素子指向性の周波数ごとの変化は緩和される。これにより、超音波診断装置で画像抽出する際に使用する周波数に依らず、超音波ビームの振り角が維持でき、超音波画像における方位分解能の劣化を防止することができる。また、低ＡＩ整合層５をあらかじめ加工し積層する構造のため、上面電圧引き出し層６は分割せずに積層することができ、超音波振動子３の電極引き出しにおける高い信頼性を得ることが可能である。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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、書き換え、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とともに、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。
【符号の説明】
【００５４】
１  背面材
２  下面電極引き出し層（ＦＰＣ：フレキシブルプリント基板）
３  超音波振動子
４  高ＡＩ整合層
５  高ＡＩ整合層
５ａ  溝
５ｂ  穴
６  上面電極引き出し層
７  音響レンズ
８  アレイ分割溝
９  充填材
１０  下面電極
１１  上面電極
【図１】
2012257017.tif 000003
【図２】
2012257017.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012257017.tif 000009
【図８】
2012257017.tif 000010
【図９】
2012257017.tif 000011
【図１０】
2012257017.tif 000012
【図１１】
2012257017.tif 000013
【図１２】
2012257017.tif 000014
【図１３】
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