专利名称：超声波诊断装置和超声波探头的制作方法
超声波诊断装置和超声波探头
本发明是2006年11月3日递交的名称为"超声波诊断装置和超声 波探头"的第200610064297.3号专利申请的分案申请。
本申请以下述两个申请为基础，要求该下述两个申请的优先权， 该下述两个申请指申请号为JP2005—320995,申请日为2005年11月 4日的日本发明专利申请以及申请号为JP2005—320995，申请日为 2006年6月5日的日本发明专利申请，在这里引用该两个申请的整体 内容而供参考。
背景技术：
已知有下述的超声波诊断装置，该超声波诊断装置通过超声波对 被检体内部进行扫描，根据由来自被检体内部的反射波形成的接收信 号，对该被检体的内部进行图象化。该超声波诊断装置从超声波探头 向被检体内部发射超声波，通过超声波探头接收在被检体的内部因声 阻的不匹配而产生的反射波，形成接收信号。
但是，在现有的超声波探头中，为了使压电振子的声阻(约 32Mraly)和声透镜的声阻(约1.5Mraly)匹配，具有叠置按照X/4 ( X: 超声波的波长)的厚度规定的多个声音匹配层的技术(以下称为"1/4 匹配技术")。当然，由于2层匹配层的压电振子和声透镜的声音匹配 好于1层匹配层，3层匹配层的压电振子和声透镜的声音匹配好于2 层匹配层，所以有助于超声波的发射接收波形的带宽的加大和超声波
的灵敏度的提高。
对于该情况，已知有使声音匹配层的声阻沿超声波的传播方向(以 下称为"厚度方向，，)慢慢地变化，使声音匹配层具有倾斜特性的技术 (以下称为"倾斜匹配技术，，)。该技术使压电振子的声阻和声透镜的声阻连续地匹配，完全地去除声阻的不匹配部分，由此，提高超声波 的传播效率。
具体来说，包括通过在慢慢地改变声阻不同的至少2种或以上 的材料的比例的同时，对它们进行蒸镀处理，使声阻具有倾斜特性的 方法(例如，参照专利文献1);通过将尖端的多个柱状体并列，用 树脂填充其间隙，使声阻具有倾斜特性的方法(例如，参照专利文献 2)等。
由于这些倾斜匹配技术不同于现有的匹配层技术，在声音匹 配层内不存在声阻的明确的不连续面，所以可以期待反射损失的减小， 超声波的发送接收效率的提高，发射接收波形的带宽的加大等。
但是，在现有的倾斜匹配层中，在声音匹配层和声透镜的边界面、 以及声音匹配层与压电振子的接合面，声阻的变化率不连续。下面， 参照图14对声阻的变化率的不连续进行说明。
图14是表示现有的从压电振子到声透镜的声阻的变化的概要图。
象图14 (a)所示的那样，声阻从压电振子到声透镜连续地变化， 但是，象图14(b)所示的那样，声阻的变化率在声透镜和声音匹配 层的边界、以及压电振子和声音匹配层的边界，是不连续的。
由此，由于声阻的变化率的不连续而产生反射波，造成发射接收 波形的收敛性的变差、超声波的距离分辨率的变差、以及图象诊断性 能的下降。
发明内容
本发明提供一种超声波探头，其特征在于包括发射接收超声波 的压电振子；声透镜，该声透镜使从上述压电振子发射接收的超声波 收敛或扩散；声音匹配层，该声音匹配层设置于上述压电振子和上述 声透镜之间，从上迷压电振子到上述声透镜，声阻变化，减小上述压 电振子的声阻和上述声透镜的声阻之间的差，其中上述声音匹配层由 第1区域、第2区域、第3区域构成，该第1区域位于超声波的发射 接收方向的中途部分，该第2区域位于上述第1区域和上述压电振子之间，该第2区域的声阻的变化率小于上述第1区域，该笫3区域位 于上述第1区域和上述声透镜之间，该第3区域的声阻的变化率小于 上述第1区域。
在参照结合附图的具体描述，更好地理解时，更加容易地获得本 发明的更加全面的理解，附带的许多优点，其中
图1为本发明的第1实施例的超声波诊断装置的斜视图； 图2为本实施例的传感器(transducer)的正视图； 图3为本实施例的传感器的主要部分的斜视图； 图4为本实施例的声音匹配层的结构图5为表示本实施例的从压电振子到声透镜的声阻的变化的概要
图6为表示本实施例的釆用3MHz系的超声波探头时的发射接收 带宽比的模拟结果的曲线图7为表示本实施例的采用6MHz系的超声波探头时的发射接收
带宽比的模拟结果的曲线图8为采用3MHz系的超声波探头时的发射接收波形的曲线图； 图9为采用6MHz系的超声波探头时的发射接收波形的曲线图； 图10为表示采用本实施例的超声波探头时的发射接收波形的模
拟结果的曲线图11为表示采用本实施例的超声波探头时的包络线的模拟结果
的曲线图12为本发明的第2实施例的传感器的正视图13为本发明的第3实施例的声音匹配层的接合步骤的说明图14为现有的从压电振子到声透镜的声阻的变化的概要图。
具体实施例方式
参照附图，其中，在全部的附图中，相同的标号表示相同或相应的部分，下面对本发明的各实施例进行描述。 (第1实施例) 图l为本发明的第1实施例的超声波诊断装置的斜视图。 象图l所示的那样，本实施例的超声波诊断装置采用超声波对被
检体的内部进行图象化，由装置主体10和超声波探头20构成。
装置主体10为了可进行床边的诊断，设置脚轮11，在其内部设 置有发送接收电路12，该发送接收电路12对超声波探头20施加驱 动信号，并且根据由该超声波探头20获得的回波信号，形成接收信号； 图象形成部13，该图象形成部13根据通过发送接收电路12形成的接 收信号，形成与被检体有关的超声波图象。另外，在装置主体10的上 部，设置显示通过图象形成部13形成的超声波图象的监视器14。装 置主体10和超声波探头20通过缆线15连接，通过该缆线15,进行 数据等的通信。
图2为本实施例的超声波探头20的正视图。
象图2所示的那样，超声波探头20包括由操作者持握的外壳 21;传感器22，该传感器22设置于该外壳21的内部，从外壳21的 前端部向被检体进行超声波的发射接收；柔性基板23，该柔性基板23 设置于外壳21的内部，向传感器22发送接收电信号。 (传感器22的结构)
图3为本实施例的传感器22的主要部分的斜视图。另外，在图3 中，省略了声透镜222。
象图3所示的那样，传感器22包括压电振子221，该压电振子 221用于发射接收超声波；声透镜222 (参照图2)，该声透镜222用 于4吏从压电振子221发射接收的超声波收敛或扩散；声音匹配层223， 该声音匹配层223设置于压电振子221和声透镜222之间，用于使压 电振子221的声阻和声透镜222的声阻匹配；村底件224，该衬底件 224用于吸收从压电振子221发射到背面的超声波。
压电振子221构成为相对超声波的扫描方向分成多个部件，各个 部件对被检体执行超声波的发射接收。压电振子221的声阻约为32Mraly。压电振子221的材料并没有特别限定，例如，采用2成分 系或3成分系的压电陶瓷等。另外，在压电振子221的部件和部件之 间的间隙中，填充环氧树脂等的树脂，
声透镜222设置于声音匹配层223的前面，为了在与被检体紧密 贴合的部位使声音收敛，形成曲面。声透镜222的声阻被设定为接近 被检体的声阻的值，即约1.5Mraly，以便防止被检体与声透镜222的 接触面的超声波反射。声透镜222的材料并没有特别限定，例如，采 用硅橡胶等。
声音匹配层223与压电振子221相同，相对超声波的扫描方向分 为多个部件，各个部件构成为使电振子221的声阻和声透镜222的声 阻良好地匹配。另外，在声音匹配层223的部件和部件之间的间隙中， 填充环氧树脂等的树脂。
下面对声音匹配层223的结构进行具体描述。
图4为本实施例的声音匹配层223的结构图。
象图4所示的那样，该声音匹配层223由从压电振子221到声透 镜222依次叠置的第1匹配层223 ( 1 )、第2匹配层223 (2)、…第 n匹配层223 (n)构成。这些第1 ~第n匹配层223 ( 1 ) ~ 223 ( n ) 均为树脂薄膜，各个的厚度被设定为X/40 (X:超声波的波长)以下。 树脂薄膜的材料并没有特别限定，例如，采用聚丙烯树脂、聚乙烯树 脂等。另外，在图3中，示出匹配层223 (1) ~223 (n)的边界面， 但是，实际无法目视到。
分别在第1匹配层223 ( 1) ~第n匹配层223 ( n )中添加填料。 填料的材料并没有特别限定，例如，采用二氧化硅粉末、钨粉末等。
对应于距压电振子221的距离，即，从压电振子221数起，第几 层叠置的情况而确定填料的添加率。由此，本实施例的声音匹配层223 的声阻、以及声阻的变化率按照下述的方式设定。
图5为表示本实施例的从压电振子221到声透镜222的声阻的变 化的外观图。
象图5 (a)所示的那样，声音匹配层223的声阻被调整为从压电
7振子221朝向声透镜222平稳地降低，在与压电振子221的边界附近， 与压电振子221相同，约为32Mraly,在与声透镜222的边界附近， 为与声透镜222相同的约1.5Mraly。即，与压电振子221紧密贴合的 第1匹配层223 ( 1 )的声阻设定为约32Mraly，与声透镜222紧密贴 合的第n匹配层223 (n)的声阻设定为约1.5Mraly。
象图5 (b)所示的那样，声音匹配层223的声阻的变化率被调整 为在声音匹配层223的厚度方向的中心部较大，伴随向压电振子221 和声透镜222的接近而接近于0。由此，声阻的变化率在压电振子221 与声音匹配层223的边界、以及声透镜222与声音匹配层223的边界 连续。即，声音匹配层223的声阻的变化率被调整为从压电振子221 到声透镜222声阻的变化率连续地变化。
换言之，也可理解为声音匹配层223由以下区域构成位于厚度 方向的途中部分的第1区域223a;位于压电振子221和第1区域223a 之间，声阻的变化率位于小于第1区域223a的第2区域223b;位于 声透镜222和第1区域223a之间，声阻的变化率小于第1区域223a 的第3区域223c。
进而换言之，还可理解为传感器22的声阻从压电振子221到声透 镜222按照同一Cn级(ne自然数)的函数曲线变化。
下面对声音匹配层223的厚度d进行具体描述。
声音匹配层223的厚度d被设定为在声音匹配层223中传播的超 声波的平均波长以上。根据声音匹配层223的平均音速、超声波的频 率而计算超声波的平均波长。另外，在本实施例中，声音匹配层223 的平均音速采用与声透镜222的接合面的声音匹配层223的音速和与 压电振子221的接合面的声音匹配层223的音速的算术平均值。
但是，象前述那样，声音匹配层223的音速在与压电振子221的 边界附近，等于压电振子221的音速，在与声透镜222的边界附近， 等于声透镜222的音速。于是，也可以在计算声音匹配层223的厚度 d时，代替与压电振子221的接合面的声音匹配层223的音速而使用 压电振子221的音速，代替与声透镜222的接合面的声音匹配层223的音速而使用声透镜222的音速。
但是，本申请人发现，即使在超声波探头具有倾斜匹配层的情况 下，超声波的发射接收波形的带宽仍变窄。
图8为采用具有倾斜匹配层的3MHz系的超声波探头时的发射接 收波形的曲线图。在图8中，曲线a为倾斜匹配层的厚度为500nm的 场合，曲线b为倾斜匹配层的厚度为lOOOnm的场合，曲线c为倾斜 匹配层的厚度为1500nm的场合，曲线d为倾斜匹配层的厚度为 2000pm的场合，曲线e为二层匹配层的场合。
象图8所示的那样，可知在3MHz系的超声波探头中，即使在具 有倾斜匹配层的情况下，如果倾斜匹配层的厚度变小，则超声波的发 射接收波形的带宽仍变窄。
图9为采用具有倾斜匹配层的6MHz系的超声波探头时的发射接 收波形的曲线图。在图9中，曲线a为倾斜匹配层的厚度为200fim的 场合，曲线b为倾斜匹配层的厚度为400nm的场合，曲线c为倾斜匹 配层的厚度为600nm的场合，曲线d为倾斜匹配层的厚度为800nm 的场合，曲线e为二层匹配层的场合。
象图9所示的那样，可知在6MHz系的超声波探头中，即使在具 有倾斜匹配层的情况下，如果倾斜匹配层的厚度变小，则超声波的发 射接收波形的带宽仍变窄。
在这里，参照图6，针对3MHz系的超声波探头，对声音匹配层 223的厚度d与超声波的发射接收带宽比之间的关系进行分析。
图6为表示采用本实施例的3MHz系的超声波探头时的发射接收 带宽比的模拟结果的曲线图。在图6中，横轴表示声音匹配层223的 厚度d,纵轴表示发射接收带宽比(RBW)。另夕卜，曲线a为带宽(BW) 是-16dB的场合，曲线b为带宽(BW)是-20dB的场合。
另外，在3MHz系的超声波探头中，在压电振子221的音速为 4000m/s，声透镜222的音速为1000m/s时，超声波的平均波长约为 833fim。
象图6所示的那样，可知如果声音匹配层223的厚度d在833nm以上，则超声波的发射接收带宽比提高。反之，可知如果声音匹配层
223的厚度d小于833fim，则超声波的发射接收带宽比急剧地降低。 即，在3MHz系的超声波探头中，在声音匹配层223中传播的超声波 的平均波长为发射接收带宽比是否良好的边界。
下面参照图7，针对6MHz系的超声波探头，对声音匹配层223 的厚度d和超声波的发射接收带宽比的关系进行分析。
图7为表示采用本实施例的6MHz系的超声波探头时的发送接收 带宽比的模拟结果的曲线图。在图7中，横轴表示声音匹配层223的 厚度d，纵轴表示发射接收带宽比(RBW)。另外，曲线a为带宽(BW) 是-6dB的场合，曲线b为带宽(BW)是-20dB的场合。
另外，在6MHz系的超声波探头中，当压电振子221的音速为 400m/s，声透镜222的音速为1000m/s时，超声波的平均波长为417nm。
象图7所示的那样，可知如果声音匹配层223的厚度d在417nm 以上，则超声波的发射接收带宽比增加。反之，可知如果声音匹配层 223的厚度d小于417nm，则超声波的发射接收带宽比急剧地降低。 即，在6MHz系的超声波探头中，在声音匹配层223中传播的超声波 的平均波长为发送接收带宽比是否良好的边界。
根据以上的模拟已经证实，如果不依赖于超声波的波长，将声音 匹配层223的厚度d设定为超声波的平均波长以上，则超声波波形的 带宽加大，如果将声音匹配层223的厚度d设定为小于超声波的平均 波长，则超声波的发射接收波形的带宽变窄。 (传感器22的制造步骤)
首先，在固定设置于模具内的压电振子221的前面上叠置n个树 脂薄膜。另外，事先在树脂薄膜中添加填料。此外，通过加压机械对 模具进行加压，对已叠置的n个树脂薄膜施加较大的压力。由此，在 压电振子221的前面，接合由n个树脂薄膜，即第1~第n匹配层223 (1) ~223 (n)构成的声音匹配层223。另外，在压电振子221的背 面接合衬底件224，相对超声波的扫描方向施加切割。另外，最后， 在树脂匹配层223的前面接合声透镜222，制成传感器22。另外，在本实施例中，采用已添加了填料的树脂薄膜，但是，在
压电振子221的前面上叠置树脂薄膜时，即使在树脂薄膜和树脂薄膜 之间添加填料，仍获得相同的效果。
此外，在本实施例中，假定向树脂薄膜中添加相同种类的填料， 但是，也可对相应的树脂薄膜添加不同种类的填料。 (本实施例的作用)
本实施例的声音匹配层223的声阻从压电振子221到声透镜222 平稳地变化，在与压电振子221的边界附近约为32Mraly，在与声透 镜222的边界附近约为1.5Mraly。由此，由于没有声音匹配层223的 内部的声阻不连续面，所以该声阻的不连续造成的超声波的反射降低。
并且，本实施例的声音匹配层223的声阻的变化率随着接近于压 电振子221、声透镜222而接近于0。由此，由于在压电振子221和声 音匹配层223的边界部分、声透镜222和声音匹配层223的边界部分， 声阻平稳地变化，即由于声阻的变化率连续，所以该声阻的变化率的 不连续造成的超声波的反射降低。
如果象这样，采用本实施例的传感器22，由于超声波的反射急剧 地降低，所以大大改善超声波的传播效率，实现发送接收信号波形的 带宽加大、距离分辨率的提高、以及图象诊断的提高。
图10为采用本实施例的超声波探头20时的发射接收波形的模拟 结果的曲线图，图11为采用本实施例的超声波探头20时的包络线的 模拟结果的曲线图。另外，在图10和图11中，横轴表示频率，纵轴 表示声压，曲线a对应于本实施例的超声波探头20，曲线b对应于具 有倾斜声音匹配层的现有的超声波探头，曲线c对应于具有2层匹配 层的现有的超声波探头。发射频率均为3MHz。
象图10所示的那样，超声波的发送接收信号频带在-6dB的场合， 按照约4%程度扩展，在-20dB的场合，按照约7%程度扩展。因此， 确认了如果采用本实施例的声音匹配层223，则超声波的发射接收频 带力口宽。
象图ll所示的那样，发射接收频带的第2峰值P与具有倾斜匹配层的现有的超声波探头相比较，还降低约15dB。因此，确认了如果采 用本实施例的声音匹配层223，则超声波的收敛性提高。
象这样，根据模拟结果也确认了如果采用本实施例的传感器，则 超声波的传播效率大大改善。
另外，声音匹配层223由被设定为(X:超声波的波长)以下 的第1~第n匹配层223 ( 1 ) ~223 (n)构成。由此，在超声波传播 时，声音匹配层223的声阻连续地变化。
此外，本实施例的声音匹配层223的厚度d设定为在声音匹配层 223中传播的超声波的平均波长以上。由此，超声波的发送接收信号 波形的带宽加大，另外，实现距离分辨率的提高，进而实现图象诊断 能力的提高。
另外，由于声音匹配层223的厚度影响超声波的衰减率，所以并 不限于越厚越好的场合。即，象图10、图11所示的那样，可知如果 声音匹配层223的厚度在1000nm以上，则带宽达到最大值。于是， 声音匹配层223的厚度应当考虑超声波的衰减率和带宽加大而确定。
还有，在本实施例中，声音匹配层223的平均音速采用与声透镜 222的接合面的声音匹配层223的音速、与压电振子221的接合面的 声音匹配层223的音速的算术平均值，但是，本发明并不限于此。即， 如果是在从与声透镜222的接合面的声音匹配层223的音速到与压电 振子221的接合面的声音匹配层223的音速的范围内，则可期待某种 程度的效果。
此外，在本实施例中，采用已添加了填料的树脂薄膜，但是，在 压电振子221的前面上叠置树脂薄膜时，即使在树脂薄膜和树脂薄膜 之间添加填料，仍获得相同的效果。
再有，在本实施例中，假定对于树脂薄膜，添加相同种类的填料， 但也可以对于相应的树脂薄膜，添加不同种类的填料。 (第2实施例)
图12为本发明的第2实施例的传感器22的正^L图。
象图12所示的那样，在本实施例的传感器22中，在压电振子221和声音匹配层223之间，设置副声音匹配层223，。即，本实施例的传 感器22包括所谓的2层匹配层。
副声音匹配层223，的声阻设定为约12Mraly。伴随该情况，声音 匹配层223的声阻在与副声音匹配层223，的边界附近，被设定为与副 声音匹配层223，相等的约12Mraly。
按照这样的方案，与第l实施例相同，由于在声透镜222和声音 匹配层223的边界部分、副声音匹配层223，与声音匹配层223的边界 部分，声阻的变化率平稳地连续，所以该声阻的变化率造成的超声波 的反射降低。
并且，由于声音匹配层223的厚度按照副声音匹配层223，的厚度 量减薄，声音匹配层223的制作所必需的匹配层的接合次数减少，其 结果是传感器22的制造简化。 (第3实施例)
图13为第3实施例的传感器的制造步骤的说明图。
象图13所示的那样，在本实施例的传感器22的制造流程中，首 先，象图13 (a)所示的那样，在压电振子221的前面涂敷液体状的 第1树脂223A (1)。第1树脂223A (1)的声阻事先被调整为与第 1匹配层223 ( 1 )相同。声阻的调整方法采用添加填料的方式。填料 的材料并没有特别限定，例如采用二氧化硅，钨粉末等。另外，如果 第1树脂223A (1)硬化，则象图13 (b)所示的那样，将该第1树 脂223 A (1)研磨到规定的厚度。由此，在压电振子221的前面形成 第1匹配层223 ( 1)。另外，第1匹配层223 ( 1)的厚度与第1实施 例相同，被设定为V40(k超声波的波长)以下。
按照相同的要点，依次形成第2匹配层223(2)、第3匹配层223 (3)…，象图13 (c)所示的那样，在压电振子221的前面，形成由 第1匹配层223 (1) ~第n匹配层223 ( n )构成的声音匹配层223。
另外，在压电振子221的背面接合衬底件224，相对超声波的扫 描方向，实施切割。然后，在最后，在声音匹配层223的前面接合声 透镜222,制成传感器22。
13采用这样的制造流程，也可制作与第1实施例相同的传感器22。 另外，由于不必粘接第1匹配层223 ( 1 ) ~笫n匹配层223 (n)，所 以不必考虑粘接剂的厚度的影响，能够较筒单地获得所需的声阻的倾 斜特性。
本发明不限于前述的实施例，可在实施阶段，在不脱离其实质的 范围内，改变组成部件，具体实施。另外，可通过前迷实施例中公开 的多个组成部件的适合的组合，形成各种的发明。例如，也可从由实 施例中给出的全部组成部件中删除几个组成部件。另外，也可适当地 将不同的实施例的组成部件组合。
权利要求
1. 一种超声波探头，其特征在于包括发射接收超声波的压电振子；声透镜，该声透镜使从上述压电振子发射接收的超声波收敛；以及声音匹配层，该声音匹配层设置于上述压电振子和上述声透镜之间，从上述压电振子到上述声透镜，声阻连续地变化，使上述压电振子和上述声透镜实现声音匹配，上述超声波的发射接收方向的上述声音匹配层的厚度为在上述声音匹配层中传播的超声波的平均波长以上。
2. —种超声波诊断装置，其特征在于包括超声波探头，该超声波探头对被检体发射接收超声波；发送接收单元，该发送接收单元根据由上述超声波探头接收的反 射波，形成与该反射波相对应的接收信号；以及图象形成单元，该图象形成单元根据由上迷发送接收单元形成的 接收信号，形成与上述被检体有关的图象，上述超声波探头包括发射接收超声波的压电振子；声透镜，该声透镜使从上述压电振子发射接收的超声波收敛；以及声音匹配层，该声音匹配层设置于上述压电振子和上述声透镜之 间，从上述压电振子到上述声透镜，声阻连续地变化，使上述压电振 子和上述声透镜实现声音匹配，其中上述超声波的发射接收方向的上述声音匹配层的厚度为在上述声 音匹配层中传播的超声波的平均波长以上。
全文摘要
提供超声波诊断装置和超声波探头。超声波探头包括发射接收超声波的压电振子；声透镜，该声透镜使从上述压电振子发射接收的超声波收敛或扩散；声音匹配层，该声音匹配层设置于上述压电振子和上述声透镜之间，从上述压电振子到上述声透镜，声阻变化，减小上述压电振子的声阻和上述声透镜的声阻之间的差，其中上述声音匹配层由第1区域、第2区域、第3区域构成，该第1区域位于超声波的发射接收方向的中途部分，该第2区域位于上述第1区域和上述压电振子之间，该第2区域的声阻的变化率小于上述第1区域，该第3区域位于上述第1区域和上述声透镜之间，该第3区域的声阻的变化率小于上述第1区域。
文档编号A61B8/00GK101480345SQ20091000251
公开日2009年7月15日 申请日期2006年11月3日 优先权日2005年11月4日
发明者四方浩之, 武内俊, 牧田裕久, 芝本弘一, 青木稔 申请人:株式会社东芝;东芝医疗系统株式会社