JP2010213766A - Ultrasonic probe and ultrasonic diagnosis apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic probe receiving high-order harmonics with high sensitivity, and an ultrasonic diagnosis apparatus including an ultrasonic probe capable of receiving high-order harmonics with high sensitivity. <P>SOLUTION: In the ultrasonic probe, at least one transmit element layer for transmitting ultrasonic waves where electrodes are formed on both surfaces opposite to each other, respectively, in the thickness direction, at least one receiving element layer for receiving ultrasonic waves where electrodes are formed on both surfaces opposite to each other, respectively, in the thickness direction, and at least one matching layer for attaining matched acoustic impedance are stacked in order to point to the direction of transmitting ultrasonic waves. In the ultrasonic probe, the surface for transmitting ultrasonic waves of the transmit element layer has a recessed shape and the uppermost matching layer is formed of polymethylpentene. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波探触子、および超音波診断装置に関する。   The present invention relates to an ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus.

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。   An ultrasonic diagnostic apparatus is a medical imaging device that obtains a tomographic image of soft tissue in a living body in a minimally invasive manner from the body surface by an ultrasonic pulse reflection method. Compared to other medical imaging equipment, this ultrasound diagnostic device has features such as being smaller and cheaper, without exposure to X-rays, etc., being highly safe, and capable of blood flow imaging by applying the Doppler effect. Yes. Therefore, it is widely used in the circulatory system (cardiac coronary artery), digestive system (gastrointestinal), internal medicine system (liver, pancreas, spleen), urology system (kidney, bladder), and obstetrics and gynecology.

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。   In order to perform transmission and reception of ultrasonic waves with high sensitivity and high resolution, an ultrasonic probe used in such a medical ultrasonic diagnostic apparatus is generally a piezoelectric element made of lead zirconate titanate. used. In this case, as the vibration mode of the transmitting piezoelectric element, a single type probe or an array type probe in which a plurality of probes are two-dimensionally arranged is often used. Since the array type can obtain a fine image, it is widely used as a medical image for a diagnostic examination.

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。   On the other hand, harmonic imaging diagnosis using harmonic signals is becoming a standard diagnosis method because a clear diagnosis image that cannot be obtained by conventional B-mode diagnosis is obtained.

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。   Harmonic imaging has many advantages compared to the fundamental wave as follows.

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。   1. The S / N ratio is good and the contrast resolution is good because the side lobe level is small.

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。   2. The higher the frequency, the narrower the beam width and the better the lateral resolution.

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。   3. Multiple reflections do not occur because the sound pressure is small and the fluctuation in sound pressure is small at short distances.

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。   4). Attenuation beyond the focal point is similar to that of the fundamental wave, and the deep velocity can be increased compared to ultrasonic waves with the harmonic frequency as the fundamental wave.

などである。   Etc.

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。   As a specific structure of an array-type ultrasonic probe used for harmonic imaging, an array-type transducer that separates the operations during transmission and reception of ultrasonic waves, with the transmission and reception piezoelectric transducers separate. An ultrasound probe has been proposed.

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。   It is desirable that the receiving piezoelectric vibrator used in such an array type ultrasonic probe can receive a harmonic signal with high sensitivity. However, since the transmission / reception frequency of a piezoelectric element made of lead zirconate titanate or the like depends on the thickness of the piezoelectric element, it is necessary to process the piezoelectric element in a smaller size as the receiving frequency becomes higher, and it is difficult to manufacture. there were.

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)。   In order to solve such a problem, a piezoelectric element for transmission and a sheet-like piezoelectric element for reception having a single layer or laminated structure of sheet-like piezoelectric ceramics are made into a single layer or laminated, and separate transmission and reception piezoelectric elements And a method of obtaining a highly sensitive ultrasonic probe by using a highly sensitive organic piezoelectric element material for reception (see Patent Documents 1, 2, and 3).

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。   On the other hand, an acoustic lens is conventionally used in an ultrasonic probe to improve resolution by converging an ultrasonic beam. Since the acoustic lens is in close contact with a living body, a material that is close to the acoustic impedance of the living body and has a small attenuation factor at the frequency to be used is required in order to minimize reflection of ultrasonic waves from the living body.

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。   Conventionally, silicon rubber has been mainly used as a material for such an acoustic lens. However, since silicon rubber has a large propagation loss of ultrasonic waves, it is not suitable for high frequency or wide band.

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)
Therefore, the ultrasonic receiving surface is made concave, and the material is made of ethylene-vinyl acetate copolymer resin, polyetheramide, or butadiene rubber on the concave ultrasonic transmitting / receiving surface, and the central portion is convex. There has been disclosed a method for providing a high-sensitivity ultrasonic probe that is excellent in adhesion to a subject and has low high-frequency propagation loss by providing an ultrasonic wave propagation body. (For example, see Patent Documents 4, 5, and 6)
A method of fixing a biconvex ultrasonic wave propagation body (acoustic medium) on a concave acoustic lens using polymethylpentene is also disclosed. (For example, see Patent Documents 4, 5, and 7)

特開2008−188415号公報JP 2008-188415 A 国際公開第2007/145073号パンフレットInternational Publication No. 2007/145073 Pamphlet 国際公開第2008/010509号パンフレットInternational Publication No. 2008/010509 Pamphlet 特許第2739134号公報Japanese Patent No. 2739134 特許第3268907号公報Japanese Patent No. 3268907 特許第3251328号公報Japanese Patent No. 3251328 特開平6−254100号公報JP-A-6-254100

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。   In order to receive high-order harmonics of ultrasonic waves with high sensitivity using an array-type ultrasonic probe, it is necessary to further reduce the attenuation rate of high-order harmonics above the receiving piezoelectric element. .

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。   However, the methods disclosed in Patent Documents 4, 5, and 6 can be applied to frequencies of about 7.5 MHz. For example, when receiving 15 MHz as a third harmonic, Patent Documents 4 and 5 When an ultrasonic wave propagating body is provided as disclosed, attenuation at the ultrasonic wave propagating body becomes large and cannot be ignored. Moreover, when silicon rubber is used for the ultrasonic wave propagation body as disclosed in Patent Document 7, the amount of attenuation at 15 MHz is further increased.

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。   The present invention has been made in view of the above problems, and includes an ultrasonic probe that can receive high-order harmonics with high sensitivity, and an ultrasonic probe that can receive high-order harmonics with high sensitivity. An object of the present invention is to provide an ultrasonic diagnostic apparatus.

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。   In order to solve the above problems, the present invention has the following characteristics.

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。
1. Transmitting element layer for transmitting at least one ultrasonic wave each having electrodes formed on both surfaces facing in the thickness direction, and receiving for receiving at least one ultrasonic wave having electrodes formed on both surfaces facing each other in the thickness direction An ultrasonic probe in which an element layer and a matching layer for matching acoustic impedance of at least one layer are stacked in this order toward a direction in which the ultrasonic wave is transmitted,
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein a surface of the transmitting element layer that transmits the ultrasonic waves has a concave shape, and at least an uppermost layer of the matching layer is made of polymethylpentene.

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。
2. The receiving element layer is
2. The ultrasonic probe according to 1, wherein the ultrasonic probe is made of an organic resin and is curved and laminated along a convex surface or a concave surface on the side facing the receiving element layer.

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。
3. The receiving element layer is
3. The ultrasonic probe according to 1 or 2 above, wherein the film is formed to a film thickness of 8 μm to 55 μm using a vinylidene fluoride polymer or a vinylidene fluoride (VDF) copolymer as a material. .

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。   4). 4. The ultrasonic probe according to any one of 1 to 3, wherein the matching layer has a convex surface on the forefront.

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。   5. An ultrasonic diagnostic apparatus comprising the ultrasonic probe according to any one of 1 to 4 above.

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。   According to the present invention, the ultrasonic wave transmitting surface of the transmitting element layer has a concave cross section in the elevation direction, the uppermost matching layer is close to the acoustic impedance of the living body, and the attenuation of high frequency is small. By forming from polymethylpentene, an ultrasonic wave propagating body is unnecessary. Therefore, an ultrasonic probe that can receive high-order harmonics with high sensitivity without attenuation of high-order harmonics by an ultrasonic propagator and an ultrasonic probe that can receive high-order harmonics with high sensitivity are provided. An ultrasonic diagnostic apparatus can be provided.

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。1 is a diagram illustrating an external configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus 100 according to an embodiment. 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。1 is a block diagram showing an electrical configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus 100 in an embodiment. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the head part of the ultrasonic probe of 1st Embodiment. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the head part of the ultrasonic probe of 2nd Embodiment. 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。It is sectional drawing which shows the example which comprised the matching layer 6 of the ultrasonic probe of 2nd Embodiment by two layers.

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。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiment. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.

(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。
(Each component and operation of ultrasonic diagnostic equipment and ultrasonic probe)
FIG. 1 is a diagram illustrating an external configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment. FIG. 2 is a block diagram illustrating an electrical configuration of the ultrasonic diagnostic apparatus according to the embodiment.

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。   The ultrasonic diagnostic apparatus 100 transmits an ultrasonic wave (ultrasonic signal) to a subject such as a living body (not shown), and receives the ultrasonic wave reflected from the received subject (echo, ultrasonic signal). The internal state in the sample is imaged as an ultrasonic image and displayed on the display unit 45.

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。   The ultrasonic probe 1 transmits an ultrasonic wave (ultrasonic signal) to the subject and receives a reflected wave of the ultrasonic wave reflected by the subject. As shown in FIG. 2, the ultrasonic probe 1 is connected to the ultrasonic diagnostic apparatus main body 31 via a cable 33, and is electrically connected to the transmission circuit 42 and the reception circuit 43.

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。   The transmission circuit 42 transmits an electrical signal to the ultrasonic probe 1 via the cable 33 according to a command from the control unit 46, and transmits ultrasonic waves from the ultrasonic probe 1 to the subject.

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。   The receiving circuit 43 receives an electrical signal corresponding to the reflected wave of the ultrasonic wave from the subject via the cable 33 from the ultrasonic probe 1 in accordance with a command from the control unit 46.

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。   The image processing unit 44 images the internal state in the subject as an ultrasonic image based on the electrical signal received by the receiving circuit 43 according to a command from the control unit 46.

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。   The display unit 45 is composed of a liquid crystal panel or the like, and displays an ultrasonic image imaged by the image processing unit 44 according to a command from the control unit 46.

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。   The operation input unit 41 includes a switch, a keyboard, and the like, and is provided for the user to input data such as a command for instructing the start of diagnosis and personal information of the subject.

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。   The control unit 46 includes a CPU, a memory, and the like, and controls each unit of the ultrasonic diagnostic apparatus 100 according to a programmed procedure based on an input from the operation input unit 41.

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。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the head portion of the ultrasonic probe of the first embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the head portion of the ultrasonic probe of the second embodiment. is there.

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。   In the following description, description will be made based on the coordinate axes indicated by X, Y, and Z in the drawing. The X direction is the elevation direction (the dicing direction), and the Z-axis positive direction is the direction in which ultrasonic waves are transmitted. The Z-axis direction is the stacking direction. Hereinafter, each part will be described in the order of lamination.

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。   The ultrasonic probe 1 shown in FIGS. 3 and 4 includes a fourth electrode 15, a transmitting element layer 2, a third electrode 14, an intermediate layer 13, a second electrode 10, a receiving element layer 3 on a backing material 5. The first electrode 9 and the matching layer 6 are laminated in this order.

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。   The transmitting element layer 2 is a piezoelectric element made of an inorganic piezoelectric material such as lead zirconate titanate, and includes a third electrode 14 and a fourth electrode 15 on both surfaces facing each other in the thickness direction.

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。   In this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the surface of the transmitting element layer 2 facing the intermediate layer 13 is a concave surface, and the acoustic convergence that converges the ultrasonic waves transmitted from the transmitting element layer 2 to a predetermined distance. It has a function.

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。   The third electrode 14 and the fourth electrode 15 are connected to the cable 33 by a connector (not shown), and are connected to the transmission circuit 42 via the cable 33. When an electric signal is input to the third electrode 14 and the fourth electrode 15, the piezoelectric element vibrates and transmits ultrasonic waves from the transmitting element layer 2 in the positive Z-axis direction.

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。   The thickness of the 3rd electrode 14 and the 4th electrode 15 is about 1-2 micrometers. The thicknesses of the third electrode 14 and the fourth electrode 15 are preferably as thin as possible in terms of acoustic characteristics. However, if the thickness is too thin, cracking or the like occurs in the electrode and the reliability is impaired, so the range of 0.1 to 10 μm, preferably It is desirable to be 0.1-5 μm. In particular, it is desirable that the third electrode 14 on the ultrasonic wave transmitting side be as thin as possible in terms of acoustic characteristics.

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。   The third electrode 14 and the fourth electrode 15 are formed by vapor deposition or photolithography on both surfaces of the transmission element layer 2 using a metal material such as gold, silver, or aluminum.

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。   The intermediate layer 13 absorbs the vibration of the receiving element layer 3 so that the transmitting element layer 2 does not resonate and vibrate when the receiving element layer 3 receives and vibrates the reflected ultrasonic wave reflected by the subject. It is provided for.

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。   In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the intermediate layer 13 is curved in the same manner as the transmission element layer 2, and the surface facing the reception element layer 3 is also concave.

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。   In the second embodiment, as shown in FIG. 4, the surface of the intermediate layer 13 facing the transmitting element layer 2 is curved in the same manner as the transmitting element layer 2, and the surface facing the receiving element layer 3 is It is flat.

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。   Such an intermediate layer 13 can be formed by molding a resin material. Examples of the resin material used for the intermediate layer 13 include polyvinyl butyral, polyolefin, polyacrylate, polyimide, polyamide, polyester, polysulfone, epoxy, oxetane, and the like.

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。   The thickness of the intermediate layer 13 is selected depending on the required sensitivity and frequency characteristics, and is about 180 to 190 μm, for example.

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。   The intermediate layer 13 can be omitted depending on the sensitivity and frequency characteristics to be obtained.

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。   The receiving element layer 3 is composed of a plurality of piezoelectric elements made of an organic piezoelectric material.

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。   As the organic piezoelectric material used for the receiving element layer 3, for example, a vinylidene fluoride polymer can be used. Further, for example, a vinylidene fluoride (VDF) copolymer can be used as the organic piezoelectric material. This vinylidene fluoride copolymer is a copolymer (copolymer) of vinylidene fluoride and other monomers. Examples of other monomers include ethylene trifluoride (TrFE) and tetrafluoroethylene (TeFE). Perfluoroalkyl vinyl ether (PFA), perfluoroalkoxyethylene (PAE), perfluorohexaethylene, and the like can be used.

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。   In general, a piezoelectric element made of an inorganic piezoelectric material can receive only an ultrasonic wave having a frequency band of about twice the frequency of the fundamental wave, but a piezoelectric element made of an organic piezoelectric material is, for example, 4 to 5 times the frequency of the fundamental wave. Ultrasonic waves in a certain frequency band can be received, which is suitable for widening the reception frequency band. Since the ultrasonic signal is received by the organic piezoelectric element 21 having a characteristic capable of receiving such ultrasonic waves over a wide frequency range, the ultrasonic probe 1 and the ultrasonic diagnostic apparatus 100 in the present embodiment are compared. The frequency band can be widened with a simple structure.

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。   The thickness t of the receiving element layer 3 is appropriately set depending on the frequency of ultrasonic waves to be received, the type of organic piezoelectric material, and the like. When the wavelength of the ultrasonic wave to be received is λ, the receiving efficiency of the receiving element layer 3 is best when the thickness t of the receiving element layer 3 is t = λ / 4.

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。   The wavelength λ of the ultrasonic wave is obtained by the equation (1) where f is the frequency of the ultrasonic wave and v is the speed of sound in the receiving element layer 3.

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。
λ = v / f (1)
For example, when transmitting an ultrasonic wave having a fundamental frequency of 5 MHz to a subject and receiving a frequency of 10 MHz, which is a second harmonic, if the polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as the material of the receiving element layer 3, the sound velocity v is It is 2200 m / s, and if it is substituted into the equation (1), λ = 2200/10 = 220 μm.

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。   Therefore, when receiving an ultrasonic wave of f = 10 MHz, the thickness t of the receiving element layer 3 having the highest receiving efficiency is 55 μm.

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。   In order to efficiently receive the second and higher harmonics, the thickness t of the receiving element layer 3 may be set to 55 μm or less. For example, when receiving f = 15 MHz which is the third harmonic, the thickness t of the receiving element layer 3 having the highest receiving efficiency is 37 μm.

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。   Even when a higher frequency is received, the thickness t of the receiving element layer 3 may be set according to the frequency of the ultrasonic wave to be received. However, if the thickness is too thin, manufacturing becomes difficult and strength is insufficient. It is preferable to be 8 μm or more and 55 μm or less.

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。   Such a receiving element layer 3 is cast from a solution of an organic piezoelectric material to form a film having a predetermined thickness, heated for crystallization, and then molded into a sheet having a predetermined size. Make it.

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。   A first electrode 9 and a second electrode 10 are formed on both surfaces of the receiving element layer 3 facing each other in the thickness direction (Z-axis direction).

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。   The thickness of the 1st electrode 9 and the 2nd electrode 10 is about 1-2 micrometers. The electrode of the receiving element layer 3 should be as thin as possible in terms of acoustic characteristics. However, if the electrode is too thin, cracks and the like are generated in the electrode, and the reliability is impaired, so the range is 0.1 to 10 μm, preferably 0.1 to 5 μm. It is desirable to do. Since the receiving element layer 3 receives high-frequency harmonics, it is desirable that both the first electrode 9 and the second electrode 10 be as thin as possible in terms of acoustic characteristics.

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。   The first electrode 9 and the second electrode 10 are formed by vapor deposition or photolithography using a metal material such as gold, silver, or aluminum. The electrode used for the receiving element layer 3, particularly the first electrode 9, needs to be formed very thin in order to receive harmonics with high sensitivity. Therefore, it is desirable to use gold having good conductivity as the metal material.

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。   Since the receiving element layer 3 is made of an organic piezoelectric material, even after the first electrode 9 and the second electrode 10 are formed, the receiving element layer 3 can be easily bent according to the concave shape on the side of the intermediate layer 13 facing the receiving element layer 3. Can do. Therefore, as shown in FIG. 3, the receiving element layer 3 on which the first electrode 9 and the second electrode 10 are formed is bonded along the concave shape of the intermediate layer 13, and the convex surface of the intermediate layer 13 and the receiving element layer 3 are joined together. The vibration of the receiving element layer 3 can be sufficiently absorbed by setting the interval to a predetermined interval.

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。   In the second embodiment, the receiving element layer 3 on which the first electrode 9 and the second electrode 10 are formed is joined along the plane of the intermediate layer 13 as shown in FIG.

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。   The first electrode 9 and the second electrode 10 are connected to the receiving circuit 43 via the cable 33.

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。   When the receiving element layer 3 receives and vibrates the reflected wave of the ultrasonic wave reflected by the subject, an electric signal is generated between the first electrode 9 and the second electrode 10 in the piezoelectric element in accordance with the reflected wave. The electrical signal generated between the first electrode 9 and the second electrode 10 is received by the receiving circuit 43 via the cable 33 and imaged by the image processing unit 44.

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。   The matching layer 6 has an acoustic impedance that is intermediate between the acoustic impedances of the human body that is the subject and the receiving element layer 3, and matches the acoustic impedance. In the present embodiment, at least the uppermost layer material is polymethylpentene, which is a kind of polyolefin resin. Various resin materials can be used for layers other than the uppermost layer of the matching layer 6.

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。   The matching layer 6 is formed by molding, for example. In the first embodiment, the receiving element layer 3 side surface of the matching layer 6 is formed in a convex shape as shown in FIG. 3, and in the second embodiment, the receiving element layer of the matching layer 6 is shown in FIG. The surface on the 3 side is formed as a flat surface. In any case, the receiving element layer 3 in which the first electrode 9 and the second electrode 10 are formed is sandwiched between the matching layer 6 and the intermediate layer 13 at a predetermined interval.

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。   The surface of the matching layer 6 on the side in contact with the subject such as a living body is a flat surface in the first embodiment as shown in FIG. 3 and a convex surface in the second embodiment as shown in FIG. I have to. When the surface is convex as in the second embodiment, the surface of the matching layer 6 and the subject can be more easily adhered to each other. In addition, since the matching layer 6 does not bear the convergence function of the ultrasonic wave, it can be formed in an arbitrary shape.

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。 The acoustic impedance of polymethylpentene is about 1.8 Pa · s · m −1, which is close to the acoustic impedance of the human body, 1.5 Pa · s · m −1 , and the sound velocity is about 2.2 km / s, which is close to the human body. is there. This makes it possible to achieve excellent adhesion to a subject such as a living body without providing a conventionally used ultrasonic wave propagation body.

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。   In addition, the ultrasonic attenuation rate of polymethylpentene is low compared to other materials such as silicon, and the propagation loss of high-order harmonics is small. For example, when the matching layer 6 is made of a single-layer polymethylpentene having a thickness of 140 μm, the attenuation at a frequency of 15 MHz is about 1.0 dB.

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。   Furthermore, since polymethylpentene is difficult to transmit gas or liquid, when the uppermost layer of the matching layer 6 is made of polymethylpentene, disinfecting gas or liquid is introduced from the surface of the ultrasonic probe 1 in contact with the subject. It can be prevented that the characteristics of the receiving element layer 3 and the transmitting element layer 2 deteriorate due to intrusion.

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。   FIG. 5 shows an example in which the matching layer 6 of the ultrasonic probe of the second embodiment is composed of two layers. A matching layer 6b formed of a material having an acoustic impedance intermediate between the matching layer 6a and the receiving element layer 3 is sandwiched between the uppermost matching layer 6a formed of polymethylpentene and the receiving element layer 3. Thus, the acoustic impedance between the receiving element layer 3 and the matching layer 6a is gradually changed. By doing so, matching between the receiving element layer 3 and the matching layer 6a can be achieved, and the receiving sensitivity can be improved.

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。 For example, if the receiving element layer 3 is formed of the acoustic impedance 4.1Pa · s · m -1 degree polyvinylidene fluoride (PVDF), a matching layer 6a made of polymethylpentene about 1.8Pa · s · m -1 As a material for forming the matching layer 6b sandwiched between them, an epoxy resin, a polyphenylene oxide resin, a polystyrene resin, a polyvinyl butyral resin, or the like can be used.

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。   Further, the matching layer 6b is further formed from a plurality of layers, and the resin material forming each layer is changed, or the content of the filler contained in the resin material of each layer is changed to change the space between the receiving element layer 3 and the matching layer 6a. The acoustic impedance may be changed more gradually. For example, tungsten, ferrite, alumina, or the like can be used as the filler.

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。   In FIG. 5, the example in which the matching layer 6 of the second embodiment is configured by two layers has been described. However, the matching layer 6 of the ultrasonic probe of the first embodiment can be similarly multilayered.

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。   Thus, in this embodiment, since the ultrasonic wave propagation body and the acoustic lens are not provided on the upper layer of the reception element layer 3, the reception element layer 3 does not attenuate high-order harmonics with the ultrasonic wave propagation body or the acoustic lens. Can be received.

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。   As described above, according to the present invention, an ultrasonic probe that can receive high-order harmonics with high sensitivity, and an ultrasonic wave that includes an ultrasonic probe that can receive high-order harmonics with high sensitivity. A diagnostic device can be provided.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic probe 2 Transmitting element 3 Receiving element 5 Backing material 6 Matching layer 9 1st electrode 10 2nd electrode 13 Intermediate layer 14 3rd electrode 15 4th electrode 20 Board | substrate material 31 Ultrasonic diagnostic apparatus main body 33 Cable 41 Operation Input unit 42 Transmission circuit 43 Reception circuit 44 Image processing unit 45 Display unit 46 Control unit 100 Ultrasonic diagnostic apparatus

Claims (5)

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。
Transmitting element layer for transmitting at least one ultrasonic wave each having electrodes formed on both surfaces facing in the thickness direction, and receiving for receiving at least one ultrasonic wave having electrodes formed on both surfaces facing each other in the thickness direction An ultrasonic probe in which an element layer and a matching layer for matching acoustic impedance of at least one layer are stacked in this order toward a direction in which the ultrasonic wave is transmitted,
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein a surface of the transmitting element layer that transmits the ultrasonic waves has a concave shape, and at least an uppermost layer of the matching layer is made of polymethylpentene.
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。
The receiving element layer is
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the ultrasonic probe is made of an organic resin and is curved and laminated along a convex surface or a concave surface on a side facing the receiving element layer.
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。
The receiving element layer is
3. The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the film is formed to a film thickness of 8 μm to 55 μm using a vinylidene fluoride polymer or a vinylidene fluoride (VDF) copolymer as a material. Child.
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。   The ultrasonic probe according to any one of claims 1 to 3, wherein the matching layer has a convex surface on the forefront. 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。   An ultrasonic diagnostic apparatus comprising the ultrasonic probe according to claim 1.
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