特許 7262161 超音波プローブ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-13

(45)【発行日】2023-04-21

(54)【発明の名称】超音波プローブ

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/14 20060101AFI20230414BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20230414BHJP

【ＦＩ】

A61B8/14

H04R17/00 330H

H04R17/00 330J

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019126499

(22)【出願日】2019-07-05

(65)【公開番号】P2021010611

(43)【公開日】2021-02-04

【審査請求日】2022-02-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003018

【氏名又は名称】弁理士法人プロテクトスタンス

(72)【発明者】

【氏名】亀山 和俊

(72)【発明者】

【氏名】和田 哲哉

(72)【発明者】

【氏名】志村 勇

【審査官】永田 浩司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－２８９５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－０９０１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２６１８９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ８／００

Ｈ０４Ｒ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長方体形状の圧電体を短辺方向に多数配列した、超音波の送受信部用の圧電体群と、
前記圧電体群の第１面に設けた第１電極と、
前記圧電体群の前記第１面とは反対面である第２面に設けた第２電極と、
前記第１電極の上方に設けた整合層と、
前記整合層の上方に設けた音響レンズと、
前記圧電体群の各圧電体の長辺方向の両端領域での前記超音波の送受信を抑制する送受信抑制部と、を備え、
前記送受信抑制部は、前記整合層が前記長辺方向の両端領域で所定幅だけ形成されていない構成であり、前記第１電極の上方で且つ前記長辺方向の両端領域には、前記所定幅で前記超音波を吸音する吸音領域が配置される構成である、超音波プローブ。

【請求項2】

前記吸音領域は、前記圧電体群より音響インビーダンスが小さい材料が配置されている請求項１に記載の超音波プローブ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、超音波の送受信を行う超音波プローブに関し、超音波画像に生じる線状のアーチファクトを低減することが可能な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に基づいて被検体の内部状態を画像化する超音波診断装置が知られている。このような超音波診断装置は、圧電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。

【0003】

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長方体形状の圧電振動子を短辺方向に複数配置している。このような超音波プローブのうち、リニアプローブ（又はアレイプローブとも呼ぶ）では、図４（Ｂ）に示されるように、被検体の表面から浅い水距離に線状のアーチファクトＨＲ（以下、水平反射像という）が生じることがある。

【0004】

【文献】特開２０１２?１０９９４２号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は上記問題を解決するものであり、超音波プローブの高感度を確保した上で、水平反射像を低減す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】

【0006】

本実施形態の超音波プローブは、長方体形状の圧電体を短辺方向に多数配列した、超音波の送受信部用の圧電体群と、圧電体群の第１面に設けた第１電極と、圧電体群の前記第１面とは反対面である第２面に設けた第２電極と、第１電極の上方に設けた整合層と、整合層の上方に設けた音響レンズと、を備える。さらに超音波プローブは、圧電体群の各圧電体の長辺方向の両端領域での超音波の送受信を抑制する送受信抑制部と、を備える。

【0007】

別の実施形態では、送受信抑制部は、第１電極が圧電体の長辺方向の一端領域で所定幅だけ形成されず、長辺方向の他端領域から圧電体の側面を介して第２面に所定幅だけ伸びて形成された構成である。

【0008】

別の実施形態では、送受信抑制部は、圧電体が長辺方向の両端領域で所定幅だけ分極されていない構成である。

【0009】

さらに別の実施形態では、送受信抑制部は、整合層が長辺方向の両端領域で所定幅だけ形成されていない構成であり、第１電極の上方で且つ長辺方向の両端領域には、所定幅で超音波を吸音する吸音領域が配置される構成である。

【発明の効果】

【0010】

本発明の超音波プローブは、水平反射像を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る超音波プローブの概略構成を示す斜視図である。

【図2】（Ａ）は、超音波プローブ１００の概略構成を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、各領域の拡大図である。

【図3】（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の超音波プローブ５００、および超音波プローブ５００で生じる超音波の伝搬状態の概念図である。

【図4】（Ａ）は、超音波プローブ１００を使って撮影したＢモード表示画像である。（Ｂ）は、従来の超音波プローブ５００を使って撮影したＢモード表示画像である。

【図5】（Ａ）は、超音波プローブ１００で送受信させた場合の受信電圧ピーク値である。（Ｂ）は、従来の超音波プローブ５００で送受信させた場合の受信電圧ピーク値である。

【図6】（Ａ）は、第２実施形態の超音波プローブ２００の概略構成を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、各領域の拡大図である。

【図7】（Ａ）は、第３実施形態の超音波プローブ３００の概略構成を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、各領域の拡大図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0012】

この発明の実施形態に係る超音波プローブについて、図面を参照しつつ説明する。なお、説明に用いる各図は発明を理解できる程度に概略的に示してあり、大きさ、角度又は厚み等は誇張して描いている。また説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の符号を付して、その説明を省略している。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。

【0013】

［第１実施形態］
＜第１実施形態の超音波プローブ１００の構成＞
図１は、第１実施形態に係る超音波プローブ１００の概略構成を示す斜視図である。超音波プローブはヘッド側とケーブル側とからなり、図１は超音波プローブのヘッド側の内部構成がわかるように描かれた図である。

【0014】

図１に示すように、超音波プローブ１００は少なくとも、直方体形状のバッキング材１０２と、Ｘ軸方向（短辺方向）に多数配列した長方体形状の圧電体１０６と、直方体形状の第１音響整合層１０８と、直方体形状の第２音響整合層１１０と、半円柱形状の音響レンズ１１２とを有する。

【0015】

バッキング材１０２は、圧電体１０６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。バッキング材１０２には、一般的に、フェライトゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにマイクロバルーンなどを混入した材料が用いられる。

【0016】

圧電体１０６は、超音波の送受信を行う。圧電体１０６は、所定厚さ（Ｚ軸方向）を有し、長方体形状の長辺方向（Ｙ軸方向）に例えば４ｍｍから６ｍｍの長さを有する長方体形状であり、圧電体１０６は短辺方向（Ｘ軸方向）に多数配列されて圧電体群を形成している。一つ一つの圧電体１０６は、圧電振動子を長辺方向にダイシングすることにより作製される。圧電体１０６は、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からなる。複数の圧電体１０６は、前面側（＋Ｚ軸側）と背面側（－Ｚ軸側）とに第１電極１２３及び第２電極１２４（図２を参照）を有する。

【0017】

第１音響整合層１０８は、圧電体１０６の超音波放射面側に設けられる。第２音響整合層１１０は、第１音響整合層１０８の前面側に設けられる。

【0018】

第１音響整合層１０８は、例えばカーボン、酸化物含有エポキシ樹脂の材料から作製されることが好ましい。第２音響整合層１１０は、例えばエポキシシリコンまたはポリエチレン系樹脂材料から作られることが好ましい。なお、図示しないが、音響整合層が３層であってもよい。複数の音響整合層が圧電体１０６の超音波放射面側に設けられている場合、音響整合層各々の音響インピーダンスは、圧電体１０６から音響レンズ１１２に向けて段階的に小さくなっている。

【0019】

音響レンズ１１２は、第２音響整合層１１０の前面側（＋Ｚ軸側）に設けられる。被検体の体表面に接触して超音波の送受信の仲介を行う。この音響レンズ１１２により、体表より所定の深さに長辺方向の音響的な焦点を結ぶ。また、短辺方向の音響的な焦点は、短辺方向に短冊状に配置された複数の圧電振動子部の送信／受信のタイミングを切り替え制御することにより調整される。

【0020】

図２（Ａ）は、第１実施形態に係る超音波プローブ１００の概略構成を示す断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の円で囲ったＢ領域の拡大図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）の円で囲ったＣ領域の拡大図である。

【0021】

図２（Ａ）に示されるように、バッキング材１０２の±Ｙ軸側には、導電路が形成されたフレキシブル基板などの信号箔１２２が配置されている。それぞれの信号箔１２２は、超音波放射面側（＋Ｚ軸側）の第１電極１２３又は背面側（－Ｚ軸側）の第２電極１２４につながっている。これら信号箔１２２を介して信号が送られ圧電体１０６から超音波が＋Ｚ軸方向に放射される。圧電体１０６は、Ｙ軸方向に長さＬ１、例えば４ｍｍから６ｍｍである。また、圧電体１０６の短辺寸法は、長辺寸法Ｌより十分短い寸法であり、圧電体１０６の厚さに対する比で適正化される寸法である。また第１音響整合層１０８及び第２音響整合層１１０もＹ軸方向に長さＬ１を有する。超音波プローブ１００は、バッキング材１０２、信号箔１２２、圧電体１０６、第１音響整合層１０８及び第２音響整合層１１０自体及びそれらの配線等を保護するため、これらを覆う保護層１１６を有する。また保護層１１６の周囲にはケース１１８が設けられている。

【0022】

第１実施形態に係る第１電極１２３及び第２電極１２４について、さらに説明する。
図２（Ｂ）に示されるように、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）の＋Ｙ軸側端部（長辺方向の端部）には、第１電極１２３が距離（Ｙ軸方向）Ｌ２だけ設けられていない。圧電体１０６の背面側（－Ｚ軸側）の＋Ｙ軸側端部には、第２電極１２４が設けられており、第２電極１２４と信号箔１２２とが導通している。第２電極１２４に対向する第１電極１２３が設けられていないため、圧電体１０６の＋Ｙ軸端（長辺方向の端部）は励振されない。特に図示されていないが、第２電極１２４も距離Ｌ２だけ設けられていなくてもよい。この場合には、信号箔１２２が－Ｙ軸方向に伸びて短くなった第２電極１２４と導通することが好ましい。

【0023】

図２（Ｃ）に示されるように、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）の－Ｙ軸側端部（長辺方向の端部）では、第１電極１２３が圧電体１０６の側面を介して圧電体１０６の背面側（－Ｚ軸側）まで伸びている。背面側（－Ｚ軸側）の第１電極１２３は、距離（Ｙ軸方向）Ｌ２よりも短い。圧電体１０６の背面側（－Ｚ軸側）の－Ｙ軸側端部では、第１電極１２３が信号箔１２２と導通している。背面側（－Ｚ軸側）の第２電極１２４は、－Ｙ軸側端部にて、距離（Ｙ軸方向）Ｌ２だけ設けられていない。そのため背面側では、第１電極１２３と第２電極１２４との間には隙間Ｌ３が設けられている。第２電極１２４が、－Ｙ軸側端部にて、距離Ｌ２だけ設けられていないため、然も、－Ｙ軸側端部は、第１電極１２３が回り込んでいて両面が同電位であるため、圧電体１０６の－Ｙ軸端（長辺方向の端部）は励振されない。特に図示されていないが、背面側の第２電極１２４が、－Ｙ軸側端部に－Ｙ軸端まで伸びており、超音波放射面側（＋Ｚ軸側）の第１電極１２３が－Ｙ軸側端部にて、距離Ｌ２だけ設けられていなくてもよい。この場合、信号箔１２２が、超音波放射面側（＋Ｚ軸側）で＋Ｙ軸方向に伸びて第１電極１２３と導通することが好ましい。

【0024】

圧電体１０６のＹ軸方向に長さＬ１に対して、第１電極１２３又は第２電極１２４の設けられていない幅Ｌ２は、５％から１５％である。圧電体１０６の両側に幅Ｌ２が設けられているので、圧電体１０６の超音波振動する領域（Ｌ１-２×Ｌ２）は、幅Ｌ１の中央領域の７０％から９０％である。

【0025】

＜第１実施形態の超音波プローブ１００と従来例の超音波プローブ５００との比較＞
図３は、従来の超音波プローブ５００、および超音波プローブ５００で生じる超音波の伝搬状態の概念図である。図４（Ａ）は、第１実施形態の超音波プローブ１００を使ってあるファントム（検証用モデル）を撮影したＢモード表示画像である。図４（Ｂ）は、従来の超音波プローブ５００を使って同じファントムを撮影したＢモード表示画像である。図５（Ａ）は、第１実施形態の超音波プローブ１００で送受信させた場合を、シミュレーションソフトウエアにより作成した受信電圧ピーク値である。図５（Ｂ）は、従来の超音波プローブ５００で送受信させた場合を、シミュレーションソフトウエアにより作成した受信電圧ピーク値である。

【0026】

図３を参照して、従来例の超音波プローブ５００の構造について説明する。図２と同じ部材には同じ符号が付されている。第１実施形態の超音波プローブ１００と超音波プローブ５００とで異なる部材は、第１電極５２３及び第２電極５２４である。第１電極５２３は、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）で圧電体１０６と同じ幅Ｌ１で設けられている。同様に、第２電極５２４は、圧電体１０６の背面側（－Ｚ軸側）で圧電体１０６と同じ幅Ｌ１で設けられている。なお、片方の信号箔５２２が、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）まで伸びている点も第１実施形態と異なっている。

【0027】

図４（Ａ）及び（Ｂ）で示されるように、第１実施形態の超音波プローブ１００を使ったＢモード表示画像では、水平反射像ＨＲが生じていない。一方、従来例の超音波プローブ５００を使ったＢモード表示画像では、水平反射像ＨＲが生じている。なお図４に示された、符合Ａ０、符合Ａ１及び符合Ａ２は、以下で説明する受信電圧ピーク値に相当する領域を示している。

【0028】

図５（Ａ）及び（Ｂ）で示される図は、縦軸が受信電圧ピーク値（Ｖ）であり、横軸が時間である。超音波プローブ１００の受信電圧ピーク値は、図５（Ａ）に示されるように、時間Ｔ０と時間Ｔ１との時間帯に０．１Ｖの受信電圧ピーク値Ａ０を有し、時間Ｔ１と時間Ｔ２との時間帯に０．０３Ｖの受信電圧ピーク値Ａ１を有している。時間Ｔ２以降には特に大きな受信電圧ピーク値はない。一方、従来の超音波プローブ５００の受信電圧ピーク値は、図５（Ｂ）に示されるように、時間Ｔ０と時間Ｔ１との時間帯に０．１Ｖの受信電圧ピーク値Ａ０を有し、時間Ｔ１と時間Ｔ２との時間帯に０．０３Ｖの受信電圧ピーク値Ａ１を有し、さらに時間Ｔ４と時間Ｔ５との時間帯に０．０１Ｖの受信電圧ピーク値Ａ２を有している。

【0029】

再び図４（Ｂ）に戻ると、図５（Ｂ）に示された受信電圧ピーク値Ａ２が、水平反射像ＨＲを生じさせていることが理解できる。図３を使って水平反射像ＨＲを生じさせる原因を説明する。図３（Ａ）に示されるように、超音波プローブ５００は、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）から矢印ＲＲ１方向に超音波ＡＣ１を送信する。超音波ＡＣ１の送信後に時間的に遅れて、圧電体１０６の長辺方向の両端（±Ｙ軸）から、矢印ＲＲ２方向に超音波ＡＣ２が発生している。

【0030】

すると図３（Ｂ）に示されるように、超音波ＡＣ２は音響レンズ１１２の表面で矢印ＲＲ３方向に反射され、圧電体１０６が反射された超音波ＡＣ３を受信する。この受信した超音波ＡＣ３が、受信電圧ピーク値Ａ２となっていると考えられる。第１実施形態の超音波プローブ１００は、圧電体１０６の長辺方向の両端（±Ｙ軸）から超音波ＡＣ２が送信されないため、受信電圧ピーク値Ａ２を生じさせていない。

【0031】

［第２実施形態］
＜第２実施形態の超音波プローブ２００の構成＞
図６（Ａ）は、第２実施形態に係る超音波プローブ２００の概略構成を示す断面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の円で囲ったＢ領域の拡大図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の円で囲ったＣ領域の拡大図である。

【0032】

第２実施形態の超音波プローブ２００の構造について説明する。図２と同じ部材には同じ符号が付されている。第１実施形態の超音波プローブ１００と第２実施形態の超音波プローブ２００とで異なる部材は、第１電極２２３及び第２電極２２４である。第１電極２２３は、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）で圧電体１０６と同じ幅Ｌ１で設けられている。同様に、第２電極２２４は、圧電体１０６の背面側（－Ｚ軸側）で圧電体１０６と同じ幅Ｌ１で設けられている。なお、片方の信号箔２２２が、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）まで伸びている点も第１実施形態と異なっている。

【0033】

また、圧電体１０６は、長辺方向の両端（±Ｙ軸）に幅Ｌ２の非分極領域２０６が形成されている点でも第１実施形態と異なる。第１電極２２３及び第２電極２２４のＹ軸方向の長さが幅Ｌ１であり信号が入力されても、非分極領域２０６から超音波が送信されない。このため、図３から図５で説明したように、第２実施形態の超音波プローブ２００を使ったＢモード表示画像では、水平反射像ＨＲが生じない。

【0034】

単結晶圧電体１０６に幅Ｌ２の非分極領域２０６を形成する方法として、例えば、圧電体１０６の長手方向の両端の寸法Ｌ２の部分にレーザを照射して、圧電性を喪失させる方法を用いることができる。

【0035】

なお、第２実施形態の第１電極２２３及び第２電極２２４は、幅Ｌ１で設けられていたが、第１実施形態の第１電極１２３及び第２電極１２４と同様に、長辺方向の両端で、距離（Ｙ軸方向）Ｌ２だけ設けられていないものであってもよい。非分極領域２０６を幅Ｌ２だけ正確に、非分極することが困難な場合には有効である。

【0036】

［第３の実施形態］
＜第３実施形態の超音波プローブ３００の構成＞
図７（Ａ）は、第３実施形態に係る超音波プローブ３００の概略構成を示す断面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の円で囲ったＢ領域の拡大図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の円で囲ったＣ領域の拡大図である。

【0037】

第３実施形態の超音波プローブ３００の構造について説明する。図２と同じ部材には同じ符号が付されている。第１実施形態の超音波プローブ１００と第３実施形態の超音波プローブ３００とで異なる部材は、第１電極３２３及び第２電極３２４である。第１電極３２３は、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）で圧電体１０６と同じ幅Ｌ１で設けられている。同様に、第２電極３２４は、圧電体１０６の背面側（－Ｚ軸側）で圧電体１０６と同じ幅Ｌ１で設けられている。なお、片方の信号箔２２２が、圧電体１０６の超音波放射面側（＋Ｚ軸側）まで伸びている点も第１実施形態と異なっている。

【0038】

また、第１音響整合層３０８及び第２音響整合層３１０は、長辺方向の両端（±Ｙ軸）に幅Ｌ２の音響インピーダンス不整合領域３１５又は吸音領域３１５が形成されている点で第１実施形態と異なる。当該領域３１５は、圧電体１０６から発生する超音波を反射もしくは吸音する領域であり、当該領域３１５の音響インピーダンスが圧電体１０６の音響インピーダンスと大きく異なる材料であれば超音波を反射もしくは吸音することができる。当該領域３１５に、音響インピーダンスが小さい材質である例えばゴムが配置されてもよく、空隙にして空気等の気体であってもよい。また吸音領域３１５に、音響インピーダンスが大きい材質である例えば質量が大きな材料（例えば金属）が配置されてもよい。

【0039】

圧電体１０６、第１電極３２３及び第２電極３２４のＹ軸方向の長さが幅Ｌ１であっても、吸音領域３１５から超音波が送信されない。このため、図３から図５で説明したように、第３実施形態の超音波プローブ３００を使ったＢモード表示画像では、水平反射像ＨＲが生じない。

【0040】

なお、圧電体１０６、第３実施形態の第１電極３２３及び第２電極３２４は、幅Ｌ１で設けられていたが、第１実施形態の第１電極１２３及び第２電極１２４と同様に、長辺方向の両端で、距離（Ｙ軸方向）Ｌ２だけ設けられていないものであってもよい。また第３実施形態の超音波プローブ３００にも第２実施形態の非分極領域２０６が設けられていてもよい。

【符号の説明】

【0041】

１００，２００，３００ … 超音波プローブ
１０２ … 背面材
１０６ … 圧電体
１０８、３０８ … 第１音響整合層
１１０、３１０ … 第２音響整合層
１１２ … 音響レンズ
１１６ … 保護層
１１８ … ケース
１２２ … 信号箔
１２３、２２３、３２３ … 第１電極
１２４、２２４、３２４ … 第２電極
２０６ … 非分極領域
３１５ … インピーダンス不整合領域又は吸音領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】