(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数特性や指向特性に見られる特異的な周波数の感度劣化を改善することが可能な超音波ブローブを提供する。【解決手段】超音波振動子と、超音波振動子から放射される超音波の放射方向に重ねて配置される複数の音響整合層２０とを有し、複数の音響整合層２０はフィルム状に形成され、隣接する縦波音響インピーダンスは略同一で互いに異なるポアソン比を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子と、当該超音波振動子から放射される超音波の放射方向に重ねて配置される複数の音響整合層とを有する超音波プローブであって、
前記複数の音響整合層はフィルム状に形成され、隣接する音響整合層の縦波音響インピーダンスは略同一であり互いに異なるポアソン比を有することを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記複数の音響整合層を間にして前記超音波振動子と反対側に配置される超音波集束部材を有し、
前記複数の音響整合層は前記ポアソン比のより低い方が前記超音波振動子側に配置され、前記ポアソン比のより高い方が前記超音波集束部材側に配置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】
前記複数の音響整合層において、各音響整合層を総計した厚みは波長の略１／４であ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】
前記複数の音響整合層において、隣接する音響整合層の厚み比率は略１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５】
前記複数の音響整合層のポアソン比は０．３５から０．４９の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記複数の音響整合層において、隣接する音響整合層のポアソン比の変化量は３％以上であることを特徴とする請求項５に記載の超音波プローブ。
【請求項７】
前記複数の音響整合層の縦波音響インピーダンスは１５９［ｋｇｍ−２ｓ−１］から５３０［ｋｇｍ−２ｓ−１］の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項８】
前記複数の音響整合層において、隣接する音響整合層の縦波音響インピーダンスの変化量は２０％以内であることを特徴とする請求項７に記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記複数の音響整合層は、ポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂のいずれか二つ以上の材料の組み合わせであることを特徴とする請求項１から請求項８に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、超音波プローブにおいて、素子の指向特性を向上させることができる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超音波振動子を走査方向に複数個、アレイ状に配設している（例えば、特許文献１）。
【０００４】
従来の超音波プローブの主な構成を図１１を参照して説明する。超音波を発生する超音波振動子１０と、超音波振動子１０から生体接触面側に向かって、超音波振動子１０−生体間の音響インピーダンス(ＡＩ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）の不整合を緩和する音響整合層（ＭＬ：Ｍａｔｃｈｉｎｇ  Ｌａｙｅｒ）２０、超音波を収束させる音響レンズ３０がある。また、超音波振動子１０からケーブル側には、信号引き出し用基板（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔ  Ｃｉｒｃｕｔ）４０、及び、背面材５０がある。
【０００５】
音響整合層２０は、超音波振動子１０から生体にかけて徐々に音響インピーダンスＡＩを下げながら、２〜３層設置される。各音響整合層２０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２０を伝わる超音波の波長である。一般的に音響インピーダンスＡＩの高い材料は硬く、切削性が良いので、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１０を分割すると同時に音響整合層２０も分割されるが、音響インピーダンスＡＩの低い材料は切削性が悪いことと、音速が遅いために形状比（ｗ／ｔ）を充分小さくできない。ここで、ｗは幅寸法、ｔは厚さ寸法である。ｗ／ｔが１に近い場合、帯域内で縦波が音響整合層２０内の横振動に変換され、両者の干渉が不要振動となり、超音波の送受信特性に悪影響を生じるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３１９５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超音波の送受信特性に悪影響を生じさせないために、音響インピーダンスＡＩが低く、切削性の悪い材料を素材とする音響整合層２０をフィルム状にして用いることが提案されている（図１２参照）。
【０００８】
アレイ振動子では、一素子の指向特性（ＥＦ：Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｆａｃｔｏｒ）が広く、感度や指向特性（ＥＦ）の周波数による変化が少ないことが求められる。フィルム状の音響整合層２０の場合、超音波の放射方向（フィルム状の音響整合層２０の厚み方向）の縦波はフィルム面方向の横波にも変換され、隣接素子に伝達される（図１３参照）。この時、素子ピッチとフィルムの横波定在波が共振する周波数において不要振動が発生し、感度や指向特性（ＥＦ）が大きく劣化するという問題を引き起こす。
【０００９】
この実施形態は、周波数特性や指向特性に見られるディップを抑制し、特異的な周波数の感度劣化を改善することが可能な超音波ブ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】
【００１０】
上記課題を解決するために、この形態に係る超音波プローブは、超音波振動子と、超音波振動子から放射される超音波の放射方向に重ねて配置される複数の音響整合層とを有し、複数の音響整合層はフィルム状に形成され、隣接する音響整合層の縦波音響インピーダンスは略同一であり互いに異なるポアソン比を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る超音波プローブの音響整合層の図である。
【図２】シミュレーションモデルの図である。
【図３】送信帯域の図である。
【図４Ａ】ポリエチレン／ポリウレタン厚み比率が１００：０のときのエレメントファクタの図である。
【図４Ｂ】ポリエチレン／ポリウレタン厚み比率が０：１００のときのエレメントファクタの図である。
【図４Ｃ】ポリエチレン／ポリウレタン厚み比率が５０：５０のときのエレメントファクタの図である。
【図５】フィルムの順序を検討するための送信帯域の図である。
【図６】フィルムの順序を検討するためのエレメントファクタの図である。
【図７】ポアソン比率を検討するための送信帯域の図である。
【図８Ａ】ポリエチレンに対するポリウレタンのポアソン比の比率が１．０１５のときのエレメントファクタの図である。
【図８Ｂ】ポリエチレンに対するポリウレタンのポアソン比の比率が１．０３のときのエレメントファクタの図である。
【図８Ｃ】ポリエチレンに対するポリウレタンのポアソン比の比率が１．０６のときのエレメントファクタの図である。
【図９】縦波音響インピーダンスの差異を検討するための送信帯域の図である。
【図１０Ａ】ポリエチレン／ポリウレタンの縦波音響インピーダンスＡＩが２．４／１．６のときのエレメントファクタの図である。
【図１０Ｂ】ポリエチレン／ポリウレタンの縦波音響インピーダンスＡＩが２．８／１．２のときのエレメントファクタの図である。
【図１１】従来の超音波プローブの断面図である。
【図１２】提案される超音波プローブの断面図である。
【図１３】提案される超音波プローブの音響整合層の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、この実施形態に係る超音波プローブついて各図を基に説明する。
【００１３】
先ず、超音波プローブの構成について図１及び図２を参照して説明する。図１は実施形態に係る超音波プローブの音響整合層の図、図２はシミュレーションモデルの図である。
【００１４】
超音波プローブは、超音波の送受信を行う超音波振動子１０、音響整合層（ＭＬ）２０、超音波振動子１０から送受信される超音波を集束させる音響レンズ３０、信号引き出し用基板（ＦＰＣ）４０、及び、超音波振動子１０の背面に配置され、後方への超音波の伝搬を吸収して余分な振動を抑制する背面材５０を有している。
【００１５】
前記ＭＬ２０は超音波振動子１０と音響レンズ３０を音響整合させるためのもので、超音波振動子１０から照射される超音波の放射方向に重ねて第一音響整合層２１、第二音響整合層２２、及び、第三音響整合層２３が配置されている。
【００１６】
超音波振動子１０、第一音響整合層２１及び第二音響整合層２２は、共に分割されてアレイ状に配列されている。
【００１７】
第三音響整合層２３は上下二層を有している。下層側の第三音響整合層２３１及び上層側の第三音響整合層２３２はフィルム状にそれぞれ形成されている。以下、第三音響整合層２３、下層側の第三音響整合層２３１及び上層側の第三音響整合層２３２をそれぞれフィルム状ＭＬという場合がある。
【００１８】
フィルム状ＭＬの場合、フィルム状ＭＬを多層として一体に積層接着したものを用いる（図１参照）。具体的には、例えばポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）とポリウレタン（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ）のように、縦波音響インピーダンスＡＩはほぼ一致し、かつポアソン比（σ）が異なる材料を接着積層して構成する。全体としての厚みは、λ／４を維持する。音響整合の役割は保持しつつ隣接素子との干渉が起きる定在波の周波数がずれ、不要振動の原因となる共振が抑制される。なお、超音波振動子１０の表面に直交する方向に超音波の縦波が発生するとともに、その方向に対し直交する方向に横波が発生する。一般的に送受信特性に対する音響インピーダンスの影響において、縦波音響インピーダンスＡＩ及び横波音響インピーダンスＡＩを考慮する必要があるが、フィルム状ＭＬの場合、送受信特性に対する影響は、縦波音響インピーダンスＡＩに比較して横波音響インピーダンスＡＩが小さいため、縦波音響インピーダンスＡＩのみを考慮して、フィルム状ＭＬの材料等を選出することとする。
【００１９】
［シミュレーション］
この超音波プローブの効果を有限要素解析による音響シミュレーションにて確認した。音響シミュレーションに用いたモデルを図２を示す。シミュレーションは、中心周波数５ＭＨｚ、素子ピッチ０．１２ｍｍのセクタアレイ振動子を想定し、超音波振動子１０、音響整合層２０、音響レンズ３０、ＦＰＣ４０、背面材５０のみの単純なモデルとした。
【００２０】
積層されるフィルム状ＭＬとしては、縦波音響インピーダンスＡＩが約２．０のポリエチレン（ポアソン比０．４３５）、及びポリウレタン（ポアソン比０．４８６）とし、超音波振動子１０側にポアソン比が小さいポリエチレン、音響レンズ３０側にポアソン比が大きいポリウレタンを配置した。なお、積層されるフィルム状ＭＬとしては、ポアソン比が０．３５〜０．４９で、縦波音響インピーダンスＡＩが１．５［Ｍｒａｙｌ］〜５．０［Ｍｒａｙｌ］の材料を用いてもよい。ここで、１．０［Ｍｒａｙｌ］は、１０６［ｋｇｍ−２ｓ−１］に相当する。
【００２１】
積層されるフィルム状ＭＬの厚みは、提案されるフィルム状の音響整合層２０の厚み同様に周波数（５ＭＨｚ）で規定される波長λの略１／４とした。このアレイ振動子のモデルにおいて、中央の１素子のみをインパルス波形にて駆動し、超音波伝搬の過程と素子挙動についてシミュレーションを行った。
【００２２】
［シミュレーションの結果］
シミュレーションの結果について図３〜図６を参照して説明する。図３は音響レンズ３０先端での音圧の時間波形から算出される周波数特性を示した図、図４は駆動素子の指向特性（ＥＦ）を示し、受信信号の利得０〜−３０ｄＢをコンター（ｃｏｎｔｏｕｒ）表示した図、図５はフィルムの順序を検討するための送信帯域の図、図６はフィルムの順序を検討するためのエレメントファクタを示し、受信信号の利得０〜−３０ｄＢをコンター表示した図である。
【００２３】
図３では、横軸に周波数帯域１〜１０［ＭＨｚ］、縦軸に受信信号の利得［ｄＢ］をとる。図３において、ｍ１００／ｕ０：フィルム状ＭＬはポリエチレンのみ、ｍ０／ｕ１００：フィルム状ＭＬはポリウレタンのみ、ｍ５０／ｕ５０：フィルム状ＭＬのポリエチレン／ポリウレタン厚み比率が５０：５０を表している。
【００２４】
ｍ１００／ｕ０、ｍ０／ｕ１００、及び、ｍ５０／ｕ５０の各結果を図４Ａ、図４Ｂ、及び、図４Ｃに表している。図４Ａ〜図４Ｃでは、横軸に走査角度−９０°〜９０°［ｄｅｇ］、縦軸に周波数帯域０〜１００００［ｋＨｚ］をとる。
【００２５】
この結果から、フィルム状ＭＬがポリエチレン、またはポリウレタンといった単一材料のみの場合、感度が特異的に低い周波数が存在する（例えば３．８ＭＨｚ、５．５ＭＨｚ付近）（図４Ａ、図４Ｂに→で示す）。言い換えると周波数特性にディップ（ｄｉｐ）が存在することがわかる。
【００２６】
これに対して、フィルム状ＭＬを積層した場合には、この影響が緩和されていることがわかる。例えばｍ５０／ｕ５０では、周波数特性や指向特性（ＥＦ）に見られたディップが抑制されており、特異的な周波数の感度劣化が改善されていることがわかる（図４Ｃ参照）。
【００２７】
なお、積層されるフィルム状ＭＬを逆にした構成、すなわち、超音波振動子１０側にポアソン比が大きいポリウレタンを、音響レンズ３０側にポアソン比が小さいポリエチレンを配置した場合は、周波数特性（図５参照）や指向特性（ＥＦ）（図６参照）のシミュレーション結果から、前記のディップが緩和されず、期待した効果が得られないことがわかる。以上の結果から、積層されるフィルム状ＭＬは、超音波振動子１０側にポアソン比が小さい材料を、音響レンズ３０側にポアソン比が大きい材料を配置する必要がある。
【００２８】
［シミュレーションの実施例］
〔実施例１〕
次に、実施例１について説明する。超音波振動子１０の音響放射面側にはフィルム状ＭＬを含む複数の音響整合層２０、音響レンズ３０、背面側にはＦＰＣ４０、背面材５０が存在する。フィルム状ＭＬとしては縦波音響インピーダンスＡＩが低い材料、具体的にはポリエチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などから選ばれた二種類の樹脂の組み合わせが使用される。
【００２９】
この実施形態を実現するための超音波プローブ製造方法の例を示す。ここでは、セクタアレイプローブを代表的な実施形態とする。
【００３０】
まず、超音波振動子１０とフィルム状ＭＬ以外の音響整合層２０を積層し、ＦＰＣ４０及び背面材５０に接合する。接合には、エポキシ系接着剤などを用いた接着接合が一般的である。上記により、音響放射面側からフィルム状ＭＬ以外の音響整合層２０、超音波振動子１０、ＦＰＣ４０、背面材５０の積層構造を作製する。この積層構造について音響整合層２０側からダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）にて素子アレイ化した後、フィルム状ＭＬを接着積層する。積層されるフィルム状ＭＬは縦波音響インピーダンスＡＩが略同一で、かつポアソン比が異なる材料であり、超音波振動子１０側にポアソン比が小さい材料（例えば前記ポリエチレン）、音響レンズ３０側にポアソン比が小さい材料（例えば前記ポリウレタン）が配置される。
【００３１】
上下二層のフィルム状ＭＬの総厚みは、フィルム状ＭＬに伝搬する超音波の波長λの１／４であり、ポリエチレンとポリウレタンの厚み比率は均一（略１）とする。なお、上下二層のフィルム状ＭＬは予め接着積層した後に素子に接着積層しても良いし、素子に一層ずつ順に接着積層しても良い。最後に音響レンズ３０を接合し超音波プローブとして完成する。
【００３２】
〔実施例２〕
次に実施例２について図７及び図８を参照して説明する。図７はポアソン比率を検討するための送信帯域の図、図８はポアソン比率を検討するためのエレメントファクタの図である。図７に送信特性を示し、横軸に周波数帯域１〜１０［ＭＨｚ］、縦軸に受信信号の利得［ｄＢ］をとる。図８に指向特性（ＥＦ）を示し、受信信号の利得０〜−３０ｄＢをコンター表示し、横軸に走査角度−９０°〜９０°［ｄｅｇ］、縦軸に周波数帯域０〜１００００［ｋＨｚ］をとる。
【００３３】
基本的な構成は実施例１と同様である。実施例１ではフィルム状ＭＬとしてポリエチレン（σ０．４３５）とポリウレタン（σ０．４８６）とを積層して構成したが、ポアソン比の差異がより小さい材料の組み合わせにおいても期待される効果を得ることができる。
【００３４】
ここでは、縦波音響インピーダンスＡＩはいずれも約２．０で、ポリエチレン（σ０．４３５）に対して、ポリウレタンのポアソン比σを変化させて場合にてシミュレーションを行った（ポアソン比の比率として１．０（図４Ａ、図４Ｂで示す実施例１）、１．０１５、１．０３、１．０６、１．１１７（図４Ｃで示す実施例１））（図７参照）。
【００３５】
フィルム状ＭＬが単一材料の場合の結果（図４、図５参照）と比べると、ポアソン比の比率１．０３以上の場合は特性のディップが緩和されている（図８Ｂ、図８Ｃ参照）。しかし、ポアソン比の比率１．０１５の場合は積層されるフィルム状ＭＬのポアソン比の差異が小さいため、定在波抑制の効果は極めて小さいことがわかる（特に５．５ＭＨｚのディップが殆ど変化していない）（図８Ａ参照）。この結果から、積層されるフィルム状ＭＬは、ポアソン比の変化量が３％以上の材料にて構成することが望ましい。
【００３６】
〔実施例３〕
次に、実施例３について図９及び図１０を参照して説明する。図９は縦波音響インピーダンスＡＩの差異を検討するための送信帯域の図、図１０は縦波音響インピーダンスＡＩの差異を検討するためのエレメントファクタの図である。図９に送信特性を示し、横軸に周波数帯域１〜１０［ＭＨｚ］、縦軸に受信信号の利得［ｄＢ］をとる。図１０に指向特性（ＥＦ）を示し、受信信号の利得０〜−３０ｄＢをコンター表示し、横軸に走査角度−９０°〜９０°［ｄｅｇ］、縦軸に周波数帯域０〜１００００［ｋＨｚ］をとる。
【００３７】
基本的な構成は実施例１と同様である。フィルム状ＭＬは、音響整合の目的のため概ね同じ縦波音響インピーダンスＡＩを有することが望ましいが、多少変更した程度では影響は小さいため、期待する効果を得ることができる。ここではポリエチレン／ポリウレタンの縦波音響インピーダンスＡＩを変化させた場合にてシミュレーションを行った（２．０／２．０（実施例１）、２．４／１．６、２．８／１．２）（図９参照）。
【００３８】
２．８／１．２の場合、縦波音響インピーダンスＡＩ２．０［Ｍｒａｙｌ］での結果（実施例１）とは異なった特性になることと、指向特性（ＥＦ）にディップを生じる（例えば３．７ＭＨｚ、４．８ＭＨｚ付近）ためフィルム状ＭＬとして適切に機能していないことがわかる（図１０Ｂに→で示す）。この結果から、積層されるフィルム状ＭＬは、縦波音響インピーダンスＡＩの変化量が２０％以内の材料にて構成することが望ましい（図１０Ａ参照）。この２０％以内は、縦波音響インピーダンスＡＩ２．０に対して２．４／１．６（１．６〜２．４）の範囲内に相当する。なお、積層されるフィルム状ＭＬにおいて、縦波音響インピーダンスＡＩを変化させる必要がないときには、縦波音響インピーダンスＡＩの変化量が０％であることがさらに望ましい。
【００３９】
以上説明したようにこの実施形態によれば、フィルム状ＭＬと隣接素子との干渉が起きる定在波の周波数がずれ、共振が抑制される。そのため、感度や指向特性（ＥＦ）において特異的な周波数の悪化が低減される。縦波に関しては音響インピーダンスＡＩが略同一のため、全体として厚みλ／４のフィルム状ＭＬとして機能する。この結果、音響整合を維持しつつ、超音波プローブの性能を向上させることができる。
【００４０】
上記実施形態ではフィルム状ＭＬを２層構造としたが、３層以上の構造としても良い。この場合も、各フィルム状ＭＬのポアソン比、厚み、及び、縦波インピーダンスを設定し、上記と同様のシミュレーションを実施し、その結果からポアソン比等を決定することが可能である。
【００４１】
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】
【００４２】
１０  超音波振動子    ２０  音響整合層    
２１  第一音響整合層    ２２  第二音響整合層    
２３  第三音響整合層（フィルム状ＭＬ）
２３１  下層側第三音響整合層（フィルム状ＭＬ）
２３２  上層側第三音響整合層（フィルム状ＭＬ）
３０  音響レンズ
４０  信号引き出し用基板（ＦＰＣ）
５０  背面材
６０  水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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