JP6697631B2 - 音響レンズ用樹脂材料、音響レンズ、音響波プローブ、音響波測定装置、超音波診断装置、光音響波測定装置および超音波内視鏡 - Google Patents
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Description
例えば、超音波診断装置は、被検対象内部に向けて超音波を送信し、被検対象内部の組織で反射された超音波を受信し、画像として表示する。光音響波測定装置は、光音響効果によって被検対象内部から放射される音響波を受信し、画像として表示する。光音響効果とは、可視光、近赤外光またはマイクロ波等の電磁波パルスを被検対象に照射した際に、被検対象が電磁波を吸収して発熱し熱膨張することにより、音響波(典型的には超音波)が発生する現象である。
音響波測定装置は、被検対象である生体との間で音響波の送受信を行うため、生体(典型的には人体)との音響インピーダンスの整合性および音響波減衰量の低減等の要件を満たすことが求められる。
また、本発明は、上記の音響レンズ用樹脂材料を構成材料として用いた音響レンズ、音響波プローブ、音響波測定装置、超音波診断装置、光音響波測定装置および超音波内視鏡を提供することを課題とする。
<1>
エポキシ基、炭素―炭素二重結合基、メチロール基及びフェノール性水酸基のうちの少なくとも1種を含む樹脂(a)と、ポリシロキサン結合を有する構造単位を含む樹脂(b)とを含有し、樹脂(a)が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂及び不飽和ポリエステルのうちの少なくとも1種である音響レンズ用樹脂材料。
<2>
樹脂(a)の少なくとも一部が、樹脂(b)の少なくとも一部と結合している<1>に記載の音響レンズ用樹脂材料。
<3>
上記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、樹脂(a)が有するエポキシ基と、樹脂(b)が有するアミノ基及びカルボキシ基のうちの少なくとも1種との反応によるエポキシ開環構造を有する<2>に記載の音響レンズ用樹脂材料。
<4>
上記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、樹脂(a)が有する炭素―炭素二重結合基と、樹脂(b)が有する炭素―炭素二重結合基との重合による炭素−炭素結合を有する<2>に記載の音響レンズ用樹脂材料。
<5>
上記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、樹脂(a)が有するメチロール基と、樹脂(b)が有するヒドロキシ基及びアミノ基のうちの少なくとも1種との反応により生じたエーテル結合及びイミノ結合のうちの少なくとも1種を有する<2>に記載の音響レンズ用樹脂材料。
<6>
上記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、上記樹脂(a)が有するフェノール性水酸基と、上記樹脂(b)が有するエポキシ基との反応によるエポキシ開環構造を有する<2>に記載の音響レンズ用樹脂材料。
<7>
上記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、上記樹脂(a)が有する炭素―炭素二重結合基と、上記樹脂(b)が有するSi−H基との反応による炭素−炭素−Si結合を有する<2>に記載の音響レンズ用樹脂材料。
<8>
樹脂(a)と樹脂(b)とのブレンド樹脂を含有する<1>に記載の音響レンズ用樹脂材料。
<9>
樹脂(a)の含有質量maに対する、樹脂(b)の含有質量mbの比が、ma:mb=30:70〜70:30である<1>〜<8>のいずれか1つに記載の音響レンズ用樹脂材料。
<10>
音響インピーダンスが1.7×106kg/m2/sec以下である音響波プローブレンズ用である<1>〜<9>のいずれか1つに記載の音響レンズ用樹脂材料。
<1>〜<10>のいずれか1つに記載の音響レンズ用樹脂材料を含んでなる音響レンズ。
<12>
密度が1.05g/cm3以上である<11>に記載の音響レンズ。
<13>
<11>又は<12>に記載の音響レンズを有する音響波プローブ。
<14>
<13>に記載の音響波プローブを備える音響波測定装置。
<15>
<13>に記載の音響波プローブを備える超音波診断装置。
<16>
<11>又は<12>に記載の音響レンズを備える光音響波測定装置。
<17>
<11>又は<12>に記載の音響レンズを備える超音波内視鏡。
本明細書において、ある基の炭素数を規定する場合、この炭素数は、基全体の炭素数を意味する。つまり、この基がさらに置換基を有する形態である場合、この置換基を含めた全体の炭素数を意味する。
また、各基で特定する基(例えば、アルキル基)はさらに置換基を有していてもよい。また、「Si−H基」はケイ素原子上に−Hの他に3つの結合手を有する基を意味するが、この結合手の記載を省き、表記を簡略化している。
また、本明細書において「〜」とは、その前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
質量平均分子量は、具体的には、GPC装置HLC−8220(商品名、東ソー株式会社製)を用意し、溶離液としてテトラヒドロフラン(和光純薬株式会社製)を用い、カラムとしてTSKgel(登録商標)G3000HXL+TSKgel(登録商標)G2000HXLを用い、温度23℃、流量1mL/minの条件下、RI検出器を用いて測定することができる。
本発明の音響レンズ用樹脂材料は、エポキシ基、炭素―炭素二重結合基、メチロール基及びフェノール性水酸基のうちの少なくとも1種を含む樹脂(a)と、ポリシロキサン結合を有する構造単位を含む樹脂(b)とを含有する。以下、「本発明の音響レンズ用樹脂材料」を単に「樹脂材料」とも称す。また、「エポキシ基、炭素―炭素二重結合基、メチロール基及びフェノール性水酸基のうちの少なくとも1種を含む樹脂(a)」を単に「樹脂(a)」とも称す。また、「ポリシロキサン結合を有する構造単位を含む樹脂(b)」を単に「樹脂(b)」とも称す。
本発明の音響レンズ用樹脂材料は、これらの樹脂からなる形態でもよいし、これらの樹脂に加えて、フィラー、触媒、溶媒、分散剤、顔料、染料、耐電防止剤、難燃剤、熱伝導性向上剤等の、慣用成分ないしは付加的な作用を発現する任意成分を含有する形態であってもよい。この本発明の音響レンズ用樹脂材料が2種以上の成分から構成される場合、通常、各成分が均一に混合された組成物の形態であることが好ましい。
本発明の音響レンズ用樹脂材料自体の形状は特に制限されない。溶媒等と混合されて流動性を有する形態であってもよく、またペレット状であってもよい。
本発明の樹脂材料に用いられる樹脂(a)は、エポキシ基、炭素―炭素二重結合基、メチロール基及びフェノール性水酸基のうちの少なくとも1種を含む樹脂であって、シリコーン系の樹脂でなければ、特に制限されない。
エポキシ樹脂の具体例として、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂及びグリシジルアミン型エポキシ樹脂が挙げられる。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂の具体例として、EPICLON HM−101(商品名、DIC社製)、EPICLON840(商品名、DIC社製)及びJER828(商品名、三菱化学社製)が挙げられる。
ビスフェノールF型エポキシ樹脂の具体例として、EPICLON830(商品名、DIC社製)、4004P(商品名、三菱化学社製)及びJER807(商品名、三菱化学社製)等を用いることができる。
フェノールノボラック型エポキシ樹脂の具体例として、YDPN−638(商品名、新日鉄住金化学社製及びN−770(商品名、DIC社製)が挙げられる。
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂の具体例として、エピクロンN−660(商品名、DIC社製)及びYDCN−700−3(商品名、新日鉄住友化学社製)が挙げられる。
脂環式エポキシ樹脂の具体例として、セロキサイド2012P(商品名、ダイセル社製)及びSyna−Epoxy28(商品名、Synasia社製)が挙げられる。
グリシジルエステル型エポキシ樹脂の具体例として、EPOX−AH R508(商品名、プリンテック社製)及びEPOX−AH R540(商品名、プリンテック社製)が挙げられる。
グリシジルアミン型エポキシ樹脂の具体例として、EP−3950S(商品名、アデカ社製)及びSKE−3(商品名、TECHNOSET社製)が挙げられる。
フェノール樹脂の具体例として、フェノライトTD−2131(商品名、DIC社製)及びCP506F(商品名、旭有機材社製)が挙げられる。
ユリア樹脂の具体例として、フレアミンM(商品名、台和社製)及びCU(商品名、パナソニック社製)が挙げられる。
メラミン樹脂の具体例として、フレアミンZ(商品名、台和社製)及びME−J(商品名、パナソニック社製)が挙げられる。
不飽和ポリエステルとして、ジアリルフタレート樹脂及びビニルエステル樹脂(エポキシアクリレート樹脂)などが挙げられる。ジアリルフタレート樹脂の具体例としては、CD−J−710(商品名、日立化成社製)及びDP−1300(商品名、旭有機材社製)が挙げられる。ビニルエステル樹脂の具体例としては、UE−8410(商品名、DIC社製)及び8026(商品名、日本ユピカ社製)が挙げられる。その他に、ユピカ4015(商品名、日本ユピカ社製)が挙げられる。
なお、不飽和ポリエステルは、後述する混練工程により音響レンズ用樹脂材料を調製する際に、炭素―炭素二重結合基同士による重合反応が進行し、不飽和ポリエステル樹脂となりうる、エステル結合と1分子中に2個以上の炭素―炭素二重結合基とを有するモノマーを含むものとする。このモノマーとしては、例えば、分子中にエステル結合を有する多官能(メタ)アクリレートモノマー(例えば、アロニックスM−400(商品名、東亜合成社製)が挙げられる。
樹脂(b)は、樹脂を構成する構造単位としてポリシロキサン結合を有する構造単位を有する限り特に限定されない。また、このポリシロキサン結合は、構造単位中、主鎖及び/又は側鎖のいずれに導入されていてもよいが、主鎖に導入されていることが好ましい。
ポリシロキサン結合を有するシリコーンは、第1シラン(例えば、第1アルコキシシリル基又は第1ヒドロキシシリル基などの、第1ケイ素含有基)と第2シラン(例えば、第2アルコキシシリル基又は第2ヒドロキシシリル基などの、第2ケイ素含有基)との反応からもたらされ得る。
樹脂(b)の質量平均分子量は特に制限されないが、100〜1,000,000が好ましく、500〜100,000がより好ましく、1,000〜50,000が特に好ましい。
樹脂(b)の官能基当量(すなわち、1官能基あたりの樹脂(b)の質量平均分子量)は特に制限されないが、100〜100,000g/eqが好ましく、5000〜10,000g/eqがより好ましく、1,000〜5,000g/eqが特に好ましい。
置換基を有する基としては、例えば、ハロゲン化アルキル基が挙げられる。
x2は、1〜3000の整数が好ましく、40〜1000の整数がより好ましい。
本発明において、上記一般式(A)中の繰り返し単位「−Si(Ra3)2−O−」と「−Si(Ra2)2−O−」は、それぞれ、ブロック重合した形態で存在していてもよいし、ランダムに存在する形態であってもよい。
本発明に用いることができる分子鎖中に2個以上のSi−H基を有するポリシロキサン(B)(以下、単にポリシロキサン(B)とも称す。)は、分子鎖中に2個以上のSi−H基を有する。ここで、ポリシロキサン(B)が「−SiH2−」構造を有する場合、「−SiH2−」構造中のSi−H基は2個と数えられる。また、ポリシロキサン(B)が「−SiH3」構造を有する場合、「−SiH3」構造中のSi−H基は3個と数えられる。
分子鎖中にSi−H基を2つ以上有することで、炭素−炭素二重結合基を少なくとも2つ有するポリシロキサンを架橋することができる。
ここで、フェニル基の含有量とは、ポリシロキサン(B)を構成する全ユニットを100モル%としたときのフェニル基含有シロキサンユニットのモル%であり、主鎖を構成するSi−O単位および末端のSiの全てのSi原子が少なくとも1つのフェニル基で置換されている場合、100モル%となる。
なお、ポリシロキサンの「ユニット」とは、主鎖を構成するSi−O単位および末端のSiを言う。
Rb3およびRb4は水素原子、アルキル基、アルケニル基、アリール基または−O−Si(Rb8)2(Rb7)が好ましく、水素原子、炭素数1〜4のアルキル基、ビニル基、フェニル基または−O−Si(CH3)2Hがより好ましい。
Rb3は、水素原子、アルキル基、アルケニル基、アリール基または−O−Si(Rb8)2(Rb7)が好ましく、水素原子またはアルキル基がより好ましく、水素原子が特に好ましい。
y1+y2は5〜2000の整数が好ましく、7〜1000の整数がより好ましく、10〜50の整数がさらに好ましく、15〜30の整数がなかでも好ましい。
本発明において、上記一般式(B)中の「−Si(Rb3)(Rb2)−O−」と「−Si(Rb4)(Rb2)−O−」は、それぞれ、ポリシロキサン中にブロック重合した形態で存在していてもよいし、ランダムに存在する形態であってもよい。
比重は、0.9〜0.95が好ましい。
分岐状構造のポリシロキサン(B)は、下記平均組成式(b)で表されるものが好ましい。
aは、好ましくは1である。
a/3で表されるヒドロシリル基の含有率は、0.1を超え0.6未満が好ましく、0.1を超え0.4未満がより好ましい。
なお、MeはCH3である。
樹脂(a)が有するエポキシ基と、樹脂(b)が有するアミノ基及び/又はカルボキシ基との反応によるエポキシ開環構造を有する複合樹脂、
樹脂(a)が有するフェノール性水酸基と、樹脂(b)が有するエポキシ基との反応によるエポキシ開環構造を有する複合樹脂、
樹脂(a)が有する炭素―炭素二重結合基と、樹脂(b)が有する炭素―炭素二重結合基との重合による炭素−炭素結合を有する複合樹脂、並びに、
樹脂(a)が有するメチロール基と、樹脂(b)が有するヒドロキシ基及び/又はアミノ基との反応により生じた生じたエーテル結合及び/又はイミノ結合〔−N(R)−、Rは水素結合又は置換基を示す。〕を有する複合樹脂
これらの複合樹脂は、樹脂(a)と樹脂(b)が高効率で反応するため、相分離低減による音響レンズの感度向上の点から好ましい。中でも、重合が連続し、架橋密度が高くなるという点から、樹脂(a)が有する炭素―炭素二重結合基と、樹脂(b)が有する炭素―炭素二重結合基との重合反応により生じた炭素−炭素結合を有する複合樹脂が好ましい。
その他の構造単位としては、本発明の効果を奏する限り特に制限されることなく導入することができるが、例えば、樹脂(a)と結合可能な化合物を添加することができ、樹脂(a)がエポキシ樹脂の場合は、アミン化合物やチオール化合物などが挙げられる。樹脂(a)が不飽和ポリエステルの場合は、後述のラジカル開始剤などを添加することができる。樹脂(a)がフェノール樹脂の場合は、エポキシ化合物などを添加することができる。
複合樹脂中、その他の構造単位の割合は、0〜30質量%であることが好ましく、0〜20質量%であることがより好ましい。
ラジカル開始剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用することも可能である。
ここで、本発明の樹脂材料中の、樹脂(a)の含有質量ma及びシリコーン樹脂(b)の含有質量mbは、例えば、合成時の仕込み量(質量比)から、算出することができる。
ゲル分率は、実施例の項に記載の方法により算出することができる。
本発明の音響レンズ用樹脂材料は、フィラー、触媒、溶媒、分散剤、顔料、染料、耐電防止剤、難燃剤、熱伝導性向上剤、硬化遅延剤などを適宜配合することができる。
本発明の音響レンズ用樹脂材料は、無機フィラーを含有することなく、優れた特性を有する音響レンズを作製することができるが、フィラーを含有していてもよい。
フィラーとしては、音響レンズ用樹脂材料に使用されるフィラーであれば特に制限されることなく使用することができ、具体的には、無機化合物粒子が挙げられる。
無機化合物粒子における無機化合物としては、酸化ケイ素(シリカ)、炭化ケイ素、窒化ホウ素、アルミナ、硫酸バリウム、酸化セリウム、炭酸カルシウム、窒化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化バナジウム、窒化ケイ素、炭酸バリウム、炭化チタン、窒化チタン、酸化銅、炭化ジルコニウム、炭化タングステン、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化バリウム、酸化スズおよび酸化イッテルビウムが挙げられ、シリカ、炭化ケイ素、窒化ホウ素、アルミナ、硫酸バリウムおよび酸化セリウムからなる群から選択されるいずれかが好ましく、シリカ、アルミナ、硫酸バリウムおよび酸化セリウムからなる群から選択されるいずれかがより好ましく、シリカがさらに好ましい。
ここで、無機化合物粒子の平均一次粒子径は、表面処理された状態での平均一次粒子径を意味する。
無機化合物粒子をシラン化合物で表面処理することで、シロキサン結合を有する本発明に用いられるポリマーとの相互作用が強くなり、また、親和性が高くなるため、平均一次粒子径の小さい無機化合物粒子の微分散が可能になると考えられる。このため、無機化合物微粒子は、機械適応力が加わった際のストッパーとしての機能をより発揮し、音響レンズ用樹脂の硬度および機械強度が向上するものと考えられる。
表面処理の手法は通常の手法であればよい。シラン化合物での表面処理の手法としては、例えば、シランカップリング剤で表面処理する手法およびシリコーン化合物で被覆する手法が挙げられる。
シランカップリング剤は、音響レンズの硬度および/または機械強度の向上の点から、加水分解性基を有するシランカップリング剤が好ましい。シランカップリング剤における加水分解性基は、水により加水分解されて水酸基となり、この水酸基が無機化合物粒子表面の水酸基と脱水縮合反応することで、無機化合物粒子の表面改質が行われ、得られる音響レンズの硬度および/または機械強度が向上される。加水分解性基は、例えば、アルコキシ基、アシルオキシ基およびハロゲン原子が挙げられる。
なお、無機化合物粒子の表面が疎水性に表面改質されていると、無機化合物粒子とビニルシリコーンおよびハイドロシリコーンとの親和性が良好となり、得られる音響レンズの硬度および機械強度が向上するため好ましい。
シラン化合物としては、例えば、上記シランカップリング剤およびシランカップリング剤における官能基がアルキル基で置換されたシランカップリング剤が挙げられる。
また、トリメチルシリル化剤としては、例えば、上記シランカップリング剤に記載のトリメチルクロロシランおよびヘキサメチルジシラザン(HMDS)等ならびに官能基がアルキル基で置換されたシランカップリング剤であるメチルトリメトキシシラン(MTMS)およびトリメチルメトキシシラン等が挙げられる。
無機化合物粒子表面に存在する水酸基は、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、メチルトリメトキシシラン(MTMS)およびトリメチルメトキシシラン等との反応によりトリメチルシリル基で覆われ、無機化合物粒子表面が疎水性に改質される。
なお、本発明においては、シランカップリング剤を1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
無機化合物粒子を被覆するシリコーン化合物は、シロキサン結合で構成されたポリマーであればよい。
シリコーン化合物としては、例えば、ポリシロキサンの側鎖および/または末端の全部または一部がメチル基になっているシリコーン化合物、側鎖の一部が水素原子であるシリコーン化合物、側鎖および/または末端の全部または一部にアミノ基および/またはエポキシ基等の有機基を導入した変性シリコーン化合物ならびに分岐構造を有するシリコーンレジンが挙げられる。なお、シリコーン化合物は直鎖状または環状のいずれの構造でもよい。
また、シリコーン化合物として反応性の変性シリコーンを用いる場合には、有機基が無機化合物粒子表面の水酸基と反応することで、無機化合物粒子の表面改質が行われ、得られる音響レンズの硬度および/または機械強度が向上される。
無機化合物粒子は、以下のメタノール滴定試験により算出されるメタノール疎水化度が40〜80質量%であることが好ましく、50〜80質量%であることがより好ましく、60〜80質量%であることがさらに好ましい。ここで、メタノール疎水化度が大きいほど疎水性が高く、小さいほど親水性が高いことを示す。
イオン交換水50ml、試料となる無機化合物粒子0.2gをビーカーに入れ25℃とし、マグネティックスターラーで攪拌しているところへ、ビュレットからメタノールを滴下し、試料全量が沈むまでに滴下したメタノール量(Xg)を測定する。下記式より、メタノール疎水化度を算出する。
ここで、「ワーデルの球形度」(化学工学便覧、丸善株式会社発行参照)とは、粒子の球形度を、(粒子の投影面積に等しい円の直径)/(粒子の投影像に外接する最小円の直径)で測る指数であり、この指数が1.0に近いほど真球体に近い粒子であることを意味する。
ワーデルの球形度(以下、単に球形度とも称す。)の測定には、例えば、SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)写真を用いることができる。具体的には、SEM写真により、例えば100個程度の一次粒子を観察し、それらの球形度を算出する。算出した球形度の合計を観察した一次粒子の数で除した平均値を、球形度とする。
なお、本明細書において、「真球状」とはワーデルの球形度が0.9〜1の範囲にある若干歪んだ球も含む。
真球状のシリカ粒子の製造方法としては、爆発法およびゾルゲル法が挙げられ、好ましい。
また、シリカ粒子表面の疎水化処理は、親水性の球状シリカ粒子の表面に、R3 3SiO1/2単位(R3は同一または異なり、置換または非置換の炭素原子数1〜20の1価炭化水素基)を導入することにより施すことができる。
具体的には、例えば、特開2007−99582号公報および特開2014−114175号公報記載の方法により行うことができる。
触媒としては、例えば、白金または白金含有化合物(以下、単に白金化合物ともいう。)が挙げられる。白金または白金化合物としては、任意のものを使用することができる。
具体的には、白金黒または白金を無機化合物またはカーボンブラック等に担持させたもの、塩化白金酸または塩化白金酸のアルコール溶液、塩化白金酸とオレフィンの錯塩、塩化白金酸とビニルシロキサンとの錯塩等が挙げられる。触媒は1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
ここで、触媒は本発明の音響レンズ用樹脂材料中に含有させてもよく、また、音響レンズ用樹脂材料に含有させずに、音響レンズ用樹脂材料を用いて成形等する際に音響レンズ用樹脂材料と接触させてもよい。なお、後者の方が好ましい。
本発明において、硬化反応に対する硬化遅延剤を適宜に用いることができる。硬化遅延剤は、上記付加硬化反応を遅らせる用途で使用され、例えば、低分子量のビニルメチルシロキサンホモポリマー(商品名:VMS−005、Gelest社製)が挙げられる。
硬化遅延剤の含有量により、硬化速度、すなわち作業時間を調整することができる。
本発明の音響レンズ用樹脂材料は、通常の方法で調製することが可能である。
例えば、樹脂(a)及び(b)と、含有してもよい上記その他の成分を、ラボプラストミル、ニーダー、加圧ニーダー、バンバリーミキサー(連続ニーダー)又は2本ロールの混練装置を用いて、70〜300℃で0.5〜10時間混練りすることにより得ることができる。各成分の混合順序は特に限定されない。
また、樹脂(b)が、樹脂(a)の有するエポキシ基、炭素―炭素二重結合基、メチロール基及び/又はフェノール性水酸基と反応して結合可能な官能基を有する場合には、上記の混練工程及び/又は熱プレス工程により、熱硬化に加えて、官能基同士の反応により結合が形成され、樹脂(a)の少なくとも一部と樹脂(b)の少なくとも一部が結合してなる複合樹脂を含有してなる、音響レンズ用樹脂材料及び音響レンズ用樹脂シートを得ることができる。
音響レンズ用樹脂シートは、本発明の音響レンズ用樹脂材料を熱プレス等により成形したものである。
以下に、音響レンズ用樹脂シートの引裂強度および音響波特性について詳細に記載する。
ここで、音響波特性は、超音波特性について記載する。ただし、音響波特性は超音波特性に限定されるものではなく、被検対象および測定条件等に応じて選択される、適切な周波数の音響波特性に関するものである。
引裂強度は1N/cm以上が好ましく、5N/cm以上がより好ましく、10N/cm以上がさらに好ましい。引裂強度は実施例の項に記載の方法により測定することができる。
音響インピーダンスは、生体の音響インピーダンスに近いことが好ましく、具体的には、1.10〜1.75×106kg/m2/secが好ましく、1.20〜1.70×106kg/m2/secがより好ましく、1.25〜1.65×106kg/m2/secがさらに好ましく、1.30〜1.60×106kg/m2/secが特に好ましい。
音響インピーダンスは実施例の項に記載の方法により求めることができる。
実施例の項に記載の方法により求めることができる。
本発明における評価系においては、音響波(超音波)感度は−70dB以上が好ましく、−68dB以上がより好ましい。
特に、本発明の音響レンズ用樹脂材料は、超音波診断装置の音響レンズ、光音響波測定装置または超音波内視鏡における音響レンズの材料ならびに超音波トランスデューサアレイとして容量性マイクロマシン超音波振動子(cMUT:Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers)を備える超音波プローブにおける音響レンズの材料等に好適に用いることができる。
本発明の音響レンズ用樹脂材料は、具体的には、例えば、特開2005−253751号公報、特開2003−169802号公報などに記載の超音波診断装置、および、特開2013−202050号公報、特開2013−188465号公報、特開2013−180330号公報、特開2013−158435号公報、特開2013−154139号公報などに記載の光音響波測定装置などの音響波測定装置の音響レンズに好ましく適用される。
本発明の音響波プローブの構成を、図1に記載する、超音波診断装置における超音波プローブの構成に基づき、以下により詳細に説明する。なお、超音波プローブとは、音響波プローブにおける音響波として、特に超音波を使用するプローブである。そのため、超音波プローブの基本的な構造は音響波プローブにそのまま適用することができる。
超音波プローブ10は、超音波診断装置の主要構成部品であって、超音波を発生するとともに、超音波ビームを送受信する機能を有するものである。超音波プローブ10の構成は、図1に示すように、先端(被検対象である生体に接する面)部分から音響レンズ1、音響整合層2、圧電素子層3、バッキング材4の順に設けられている。なお、近年、高次高調波を受信することを目的に、送信用超音波振動子(圧電素子)と、受信用超音波振動子(圧電素子)を異なる材料で構成し、積層構造としたものも提案されている。
圧電素子層3は、超音波を発生する部分であって、圧電素子の両側に電極が貼り付けられており、電圧を加えると圧電素子が伸縮と膨張を繰り返し振動することにより、超音波が発生する。
また、高周波側の受信波を検知する圧電素子には、より広い帯域幅の感度が必要である。このため、高周波、広帯域に適した圧電素子として、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの有機系高分子物質を利用した有機圧電体が使用されている。
さらに、特開2011−071842号公報等には、優れた短パルス特性および広帯域特性を示し、量産性に優れ、特性ばらつきの少ないアレイ構造が得られる、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用したcMUTが記載されている。
本発明においては、いずれの圧電素子材料も好ましく用いることができる。
バッキング材4は、圧電素子層3の背面に設けられており、余分な振動を抑制することにより超音波のパルス幅を短くし、超音波診断画像における距離分解能の向上に寄与する。
音響整合層2は、圧電素子層3と被検対象間での音響インピーダンスの差を小さくし、超音波を効率よく送受信するために設けられる。
音響レンズ1は、屈折を利用して超音波をスライス方向に集束し、分解能を向上させるために設けられる。また、被検対象である生体と密着し、超音波を生体の音響インピーダンス(人体では、1.4〜1.7×106kg/m2/sec)と整合させること、および、音響レンズ1自体の超音波減衰量が小さいことが求められている。
すなわち、音響レンズ1の材料としては、音速が人体の音速よりも十分小さく、超音波の減衰が少なく、また、音響インピーダンスが人体の皮膚の値に近い材料を使用することで、超音波の送受信感度がよくなる。
本発明の音響レンズ用樹脂材料は、音響インピーダンスが1.7×106kg/m2/sec以下である音響レンズに好ましく用いることができる。なお、下限は、1.2×106kg/m2/sec以上であることが好ましい。
音響レンズの音響インピーダンスの詳細は、上記音響レンズ用樹脂シートの項に記載する態様を好ましく適用することができる。
以下、本発明の音響レンズ用樹脂材料から得られる音響レンズが、従来の課題に対し特に機能を発揮する装置について、詳細に記載する。
なお、下記に記載する以外の装置に対しても、本発明の音響レンズ用樹脂材料は優れた効果を示す。
特開2006−157320号公報、特開2011−71842号公報などに記載のcMUTデバイスを超音波診断用トランスデューサアレイに用いる場合、一般的な圧電セラミックス(PZT)を用いたトランスデューサと比較して、一般的には、その感度が低くなる。
しかし、本発明の音響レンズ用樹脂材料から得られる音響レンズを用いることで、cMUTの感度不足を補うことが可能である。これにより、cMUTの感度を、従来のトランスデューサの性能に近づけることができる。
なお、cMUTデバイスはMEMS技術により作製されるため、圧電セラミックスプローブよりも量産性が高く、低コストな超音波プローブを市場に提供することができる。
特開2013−158435号公報などに記載の光超音波イメージング(PAI:Photo Acoustic Imaging)は、人体内部へ光(電磁波)を照射し、照射した光によって人体組織が断熱膨張する際に発生する超音波を画像化したもの、または超音波の信号強度を表示する。
ここで、光照射によって発生する超音波の音圧は微量であるため、人体深部の観察が困難であるという課題がある。
しかし、本発明の音響レンズ用樹脂材料から得られる音響レンズを用いることで、この課題に対して有効な効果を発揮することができる。
特開2008−311700号公報などに記載の超音波内視鏡における超音波は、その構造上、信号線ケーブルが体表用トランスデューサと比較して長いため、ケーブル損失に伴い、トランスデューサの感度向上が課題である。また、この課題に対しては、下記の理由により、効果的な感度向上手段がないと言われている。
第二に、体表用の超音波診断装置におけるトランスデューサで採用されている圧電単結晶は、その物理特性およびプロセス適性上、超音波の送信周波数7〜8MHz以上のトランスデューサへの適用は困難である。しかしながら、内視鏡用超音波は概して超音波の送信周波数7〜8MHz以上のプローブであるため、圧電単結晶材を用いた感度向上も困難である。
また、同一の超音波の送信周波数(例えば10MHz)を使用する場合でも、内視鏡用超音波トランスデューサにおいて本発明の音響レンズ用樹脂材料から得られる音響レンズ用いる場合には、特に有効性が発揮される。
<樹脂シートの作製>
(1)樹脂シートNo.101〜112及びc13〜c17の作製
樹脂(a)として、エポキシ樹脂 4004P(商品名、三菱化学社製)80質量部、樹脂(b)として、KF−96−50cs(商品名、信越シリコーン社製)20質量部をラボプラストミル(東洋精機社製)で150℃、2時間混練した。その後、混練した樹脂材料に熱プレス処理を施し、縦60mm、横60mm、厚み2mmの樹脂シートNo.101を作製した。
ここで、熱プレス処理は、樹脂材料を金型に詰め、東洋精機社製「MINI TEST PRESS MP−WNL」を用いて、プレス温度を200℃に設定して10MPaで5分プレスすることにより、製膜した。
樹脂(a)及び樹脂(b)を、下記表1に記載の種類及び配合比に変更した以外は樹脂シートNo.101の作製と同様にして、樹脂シートNo.102〜112及びc13〜c17を作製した。
ビニル末端ポリジメチルシロキサン DMS−V41(商品名、Gelest社製)96質量部、メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー HMS−301(商品名、Gelest社製)4質量部、白金触媒SIP6830.3(商品名、Gelest社製)0.03質量部を混合して樹脂材料とし、この樹脂材料に上記熱プレス処理の装置を用い、150℃、10MPaで5分熱硬化することにより、縦60mm、横60mm、厚み2mmの樹脂シートNo.c11を作製した。
ビニル末端ポリジメチルシロキサン DMS−V41(商品名、Gelest社製)77質量部、メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー HMS−301(商品名、Gelest社製)3質量部、フュームドシリカ アエロジルR974(商品名、日本アエロジル社製、平均一次粒子径12nm、ジメチルジクロロシラン表面処理)20質量部、白金触媒SIP6830.3(Gelest社製)0.05質量部を混合して樹脂材料とし、この樹脂材料に上記熱プレス処理の装置を用い、150℃、10MPaで5分熱硬化し、縦60mm、横60mm、厚み2mmの樹脂シートNo.c12を作製した。
上記で作製した樹脂シートNo.101〜112及びc11〜c17について、以下の評価を行った。
上記で作製した樹脂シートから100mg切り出して得たサンプルを、テトラヒドロフラン10gに室温で24時間浸漬した後に取り出し、100℃で2時間乾燥した。浸漬前のサンプル質量m0と、浸漬、乾燥後のサンプル質量m24から下記式によりゲル分率を測定した。
ゲル分率(質量%)=(m24/m0)×100
得られた厚み2mmの樹脂シートについて、25℃における密度をJIS K7112(1999)に記載のA法(水中置換法)の密度測定方法に準じて、電子比重計(アルファミラージュ社製、商品名「SD−200L」)を用いて測定した。
ここで、樹脂シート中に樹脂(a)及び樹脂(b)以外の成分を含有しない場合、上記方法により測定した密度が樹脂(a)及び樹脂(b)の密度に相当する。
超音波発振器(岩通計測株式会社製、ファンクション・ジェネレータ、商品名「FG−350」)から出力された10MHzの正弦波信号(1波)を超音波プローブ(ジャパンプローブ株式会社製)に入力し、超音波プローブから中心周波数が10MHzの超音波パルス波を水中に発生させた。発生させた超音波が、得られた厚み2mmの樹脂シートを通過する前と後の振幅の大きさを超音波受信機(松下電器産業株式会社製、オシロスコープ、商品名「VP−5204A」)により、水温25℃の環境で測定し、音響波(超音波)感度を比較することで、各素材の音響波(超音波)減衰量を比較した。
なお、音響波(超音波)感度とは、下記計算式で与えられる数値とする。
下記計算式において、Vinは、超音波発振器が発生させる、半値幅50nsec以下の入力波の電圧ピーク値を表す。Vsは、発生させた音響波(超音波)がシートを通過し、シートの対面から反射してきた音響波(超音波)を超音波発振器が受信したときに得られる電圧値を表す。音響波(超音波)感度が高い程、音響波(超音波)減衰量が小さいことを意味する。
音響波(超音波)感度=20×Log(Vs/Vin)
(評価基準)
AA:−66dB以上
A:−68dB以上−66dB未満
B:−70dB以上−68dB未満
C:−72dB以上−70dB未満
D:−72dB未満
得られた厚み2mmの樹脂シートについて、25℃における密度をJIS K7112(1999)に記載のA法(水中置換法)の密度測定方法に準じて、電子比重計(アルファミラージュ社製、商品名「SD−200L」)を用いて測定した。超音波音速は、JIS Z2353(2003)に従い、シングアラウンド式音速測定装置(超音波工業株式会社製、商品名「UVM−2型」)を用いて25℃において測定し、測定した密度と音速の積から音響インピーダンスを求めた。下記評価基準により音響インピーダンスを評価した。本試験においては、評価「C」以上が合格レベルである。
(評価基準)
AA:1.30×106kg/m2/s以上1.60×106kg/m2/s未満
A:1.25×106kg/m2/s以上1.30×106kg/m2/s未満又は1.60×106kg/m2/s以上1.65×106kg/m2/s未満
B:1.20×106kg/m2/s以上1.25×106kg/m2/s未満又は1.65×106kg/m2/s以上1.70×106kg/m2/s未満
C:1.10×106kg/m2/s以上1.20×106kg/m2/s未満又は1.70×106kg/m2/s以上1.75×106kg/m2/s未満
D:1.10×106kg/m2/s未満又は1.75×106kg/m2/s以上
得られた厚み2mmの樹脂シートについて、JIS K6252(2007)に従い、トラウザー型試験片を作製し、引裂強度を測定し、下記評価基準により評価した。本試験においては、評価「C」以上が合格レベルである。
(評価基準)
AA:15N/cm以上
A:10N/cm以上15N/cm未満
B:5N/cm以上10N/cm未満
C:1N/cm以上5N/cm未満
D:1N/cm未満
(樹脂(a))
4004P:商品名、エポキシ樹脂、三菱化学社製
EPICLON HM−101:商品名、エポキシ樹脂、DIC社製
フレアミンM:商品名、ユリア樹脂、台和社製
フレアミンZ:商品名、メラミン樹脂、台和社製
ユピカ4015:商品名、不飽和ポリエステル、日本ユピカ社製
アロニックスM−400:商品名、アクリレート化合物、東亜合成社製
TD−2131:商品名、フェノール樹脂、DIC社製
(樹脂(b))
KF−96−50cs:商品名、シリコーン、信越シリコーン社製
KF−8012:商品名、アミノ基含有シリコーン、信越シリコーン社製
KF−6003:商品名、ヒドロキシ基含有シリコーン、信越シリコーン社製
KF−2012:商品名、メタクリル基含有シリコーン、信越シリコーン社製
DMS−V41:商品名、ビニル末端ポリジメチルシロキサン、Glest社製
HMS−301:商品名、メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー、Gelest社製
X−22−163A:商品名、エポキシ基含有シリコーン、信越シリコーン社製
(シリカ)
商品名「アエロジルR974」、日本アエロジル社製、平均一次粒子径12nm、ジメチルジクロロシラン表面処理
なお、配合比は質量比で示す。
「−」:その成分を含有しないことを示す。
2 音響整合層
3 圧電素子層
4 バッキング材
7 筐体
9 コード
10 超音波探触子(プローブ)
Claims (17)
- エポキシ基、炭素―炭素二重結合基、メチロール基及びフェノール性水酸基のうちの少なくとも1種を含む樹脂(a)と、ポリシロキサン結合を有する構造単位を含む樹脂(b)とを含有し、前記樹脂(a)が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂及び不飽和ポリエステルのうちの少なくとも1種である音響レンズ用樹脂材料。
- 前記樹脂(a)の少なくとも一部が、前記樹脂(b)の少なくとも一部と結合している請求項1に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 前記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、前記樹脂(a)が有するエポキシ基と、前記樹脂(b)が有するアミノ基及びカルボキシ基のうちの少なくとも1種との反応によるエポキシ開環構造を有する請求項2に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 前記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、前記樹脂(a)が有する炭素―炭素二重結合基と、前記樹脂(b)が有する炭素―炭素二重結合基との重合による炭素−炭素結合を有する請求項2に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 前記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、前記樹脂(a)が有するメチロール基と、前記樹脂(b)が有するヒドロキシ基及びアミノ基のうちの少なくとも1種との反応により生じたエーテル結合及びイミノ結合のうちの少なくとも1種を有する請求項2に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 前記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、前記樹脂(a)が有するフェノール性水酸基と、前記樹脂(b)が有するエポキシ基との反応によるエポキシ開環構造を有する請求項2に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 前記の樹脂(a)と樹脂(b)との結合部が、前記樹脂(a)が有する炭素―炭素二重結合基と、前記樹脂(b)が有するSi−H基との反応による炭素−炭素−Si結合を有する請求項2に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 前記の樹脂(a)と樹脂(b)とのブレンド樹脂を含有する請求項1に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 前記樹脂(a)の含有質量maに対する、前記樹脂(b)の含有質量mbの比が、ma:mb=30:70〜70:30である請求項1〜8のいずれか1項に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 音響インピーダンスが1.7×106kg/m2/sec以下である音響波プローブレンズ用である請求項1〜9のいずれか1項に記載の音響レンズ用樹脂材料。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の音響レンズ用樹脂材料を含んでなる音響レンズ。
- 密度が1.05g/cm3以上である請求項11に記載の音響レンズ。
- 請求項11又は12に記載の音響レンズを有する音響波プローブ。
- 請求項13に記載の音響波プローブを備える音響波測定装置。
- 請求項13に記載の音響波プローブを備える超音波診断装置。
- 請求項11又は12に記載の音響レンズを備える光音響波測定装置。
- 請求項11又は12に記載の音響レンズを備える超音波内視鏡。
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