JPH07328005A

JPH07328005A - 超音波プローブ

Info

Publication number: JPH07328005A
Application number: JP7147681A
Authority: JP
Inventors: Mir S Seyed-Bolorforosh; ミーア・サイド・セイエド−ボローフォロシュ
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1995-12-19
Also published as: EP0687445A2; EP0687445A3; US5423319A

Abstract

(57)【要約】【目的】被検査媒体に対して効率のよい音響結合が得
られる超音波プローブを提供する。【構成】バルク音響共振周波数を有する圧電セラミッ
ク材料に１対の電極を配置した回転式超音波変換器１０
３を流体で包囲してプローブ・ハウジング１０１内に密
閉し、プローブ・ハウジング１０１を血管Ｖ内に挿入
し、１対の電極に電圧を印加して音響信号ビーム１０４
を血管Ｖ内部の組織を走査し、その反射音響信号によっ
て生じる電圧を前記１対の電極で検知し、そのときのプ
ローブ・ハウジング１０１の層１０２に形成したグルー
ブによってプローブ・ハウジング１０１の材料のバルク
音響インピーダンスと血管Ｖの音響インピーダンスとの
整合を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、超音波医用イ
メージング装置に関するものであり、とりわけ、こうし
た超音波医用イメージング装置に関連して用いられる超
音波プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブは、分析を受ける体内に
おいて問題となる各種構造に関する情報を集める便利
で、正確な方法を提供するものである。一般に、問題と
なる各種構造は、この構造を包囲する身体の媒体の音響
インピーダスとは異なる音響インピーダンスを有してい
る。動作時、こうした超音波プローブは、超音波プロー
ブから身体の媒体に音響的に結合される音波信号を発生
し、この音響信号が、体内に伝搬する。音響信号が体内
を伝搬するにつれて、信号の一部は、体内の各種構造に
よって反射され、超音波プローブによって受信される。
プローブが受信した反射音波の相対的時間遅延及び強度
を分析することによって、体内における各種構造の間隔
関係、及び、構造の音響インピーダンスに関連した質を
反射信号から補外することが可能である。

【０００３】例えば、医用超音波プローブは、医師が、
患者の体内における心臓の組織あるいは胎児の組織構造
のような、各種解剖学的部分のイメージング・データを
集めるための便利で、正確な方法を提供する。一般に、
問題となる心臓または胎児の組織は、組織構造を包囲す
る体液の音響インピーダンスとは異なる音響インピーダ
ンスを備えている。動作時、こうした医用超音波プロー
ブは、医用超音波プローブから患者の身体の媒体に音響
的に結合される音波信号を発生し、この信号は、患者の
体内を伝搬する。

【０００４】血管または動脈内のイメージングが可能な
カテーテル・タイプの医用超音波プローブの場合、音響
結合は、医用超音波プローブを患者の身体及び血管また
は動脈に挿入することによって実施される。例えば、医
用超音波プローブには、超音波変換器を納めるプローブ
・ハウジングが含まれている。超音波変換器は、音響信
号ビームを発生し、これがプローブ・ハウジングを通っ
て伝搬する。超音波ビームは、血管内部の走査を行う。

【０００５】膣または経食道プローブのような他のケー
スでは、音響結合は、身体の開口部にプローブを挿入す
ることによって実施される。一方、腹部プローブの場
合、患者の腹部表面にプローブの前部を押しつけるとい
ったような、非観血性手段を利用した、音響結合が実施
される。

【０００６】一般に、こうした超音波プローブは、超音
波プローブ内において、超音波変換器を移動させること
によって、機械的に走査が行われる。例えば、こうした
超音波プローブの前部には、可動超音波変換器を納めた
半球状ハウジングが含まれている。プローブ・ハウジン
グは、超音波プローブの動作時に、患者の組織に押しつ
けられる。超音波変換器によって発生する音響信号ビー
ムは、患者の組織を分析するため、プローブ・ハウジン
グを通って伝搬する。超音波変換器に結合されたモータ
によって、超音波変換器は、機械的に前後に走査を行
い、患者の組織を音響信号ビームで掃引する。

【０００７】一般に、音響信号は、患者の身体を伝搬す
る際、部分的に、体内の各種組織構造によって弱い反射
を生じ、医用超音波プローブによって受信される。弱い
反射音波は、医用超音波プローブを伝搬する際、結合さ
れた電極によって電気的に検知される。医用超音波プロ
ーブによって受信される弱い反射音波の相対的時間遅延
及び強度を分析することによって、電極に電気的に結合
されたイメージング装置のコンポーネントは、弱い反射
音波からイメージを補外し、患者の体内における各種組
織構造の間隔関係、及び、組織構造の音響インピーダン
スに関連した質を明らかにする。医師は、イメージング
装置に結合されたディスプレイ装置によって、補外され
たイメージを検分する。

【０００８】音響信号は、問題となる組織によって弱い
反射を生じるだけであるため、医用超音波プローブと患
者の身体の媒体との間に効率の良い音響結合が得られる
ように試みることが重要である。こうした効率の良い音
響結合によって、医用超音波プローブによって発生する
音響信号が、医用超音波プローブから身体の媒体に送り
込まれる際、この信号の強度が、あまり低下しないで済
むという保証が得られる。さらに、こうした効率の良い
音響結合によって、身体の媒体からの弱い反射信号が医
用超音波プローブによって受信される際、この反射信号
の強度が、あまり低下しないで済むという保証が得られ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】効率の良い音響結合の
障害は、プローブ・ハウジングの材料の音響インピーダ
ンスと、医用超音波プローブによる検査を受ける媒体の
音響インピーダンスとの間における音響インピーダンス
不整合である。例えば、プローブ・ハウジングのための
材料の１つは、音響インピーダンスが約３．２６* １０
⁶キログラム／メートル²秒（ｋｇ／ｍ²ｓ）のアクリ
ル・プラスチックである。アクリル・プラスチックの音
響インピーダンスは、値が１．５* １０⁶ｋｇ／ｍ²ｓ
である、人間の組織の音響インピーダンスとは整合がと
れない。

【００１０】本発明の目的は、向上した動作性能を発揮
し、同時に、超音波プローブによる検査を受ける所望の
媒体に対する効率の良い音響結合が得られる、超音波プ
ローブを提供することにある。

【００１１】本発明の超音波プローブによれば、超音波
プローブによる検査を受ける所望の媒体に対する効率の
良い、制御された音響結合が得られる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】簡潔に、概説すれば、本
発明の超音波プローブは、流体によてほぼ包囲された１
つ以上の超音波変換器を用いる。超音波変換器は、音響
信号ビームを伝搬するための流体に音響的に結合され
る。流体と音響的に結合されたプローブ・ハウジング
は、流体及び超音波変換器をほぼ密閉する。プローブ・
ハウジングは、ある材料の残りのバルク部分と連続した
その材料の層部分から構成される。さらに、インピーダ
ンス整合手段は、プローブ・ハウジングの層部分の音響
インピーダンスを制御するため、プローブ・ハウジング
と一体化されている。

【００１３】超音波プローブによる検査を受ける媒体及
びプローブ・ハウジングの材料は、それぞれが、それぞ
れの異なる音響インピーダンスを有しているので、超音
波プローブは、ハウジング材料の音響インピーダンスと
媒体の音響インピーダンスがほぼ整合するように、層の
音響インピーダンスを制御することによって、超音波プ
ローブと媒体の間で音響信号ビームを効率よく結合す
る。材料の層部分だけに延びる浅いグルーブを利用する
ことによって、プローブ・ハウジングの層部分の音響イ
ンピーダンスを制御するのが望ましい。すなわち、浅い
グルーブは、各要素のそれぞれの面に対して、通常、１
０００ミクロン未満の深さまで刻まれたマイクロ・グル
ーブである。一般に、グルーブの深さは、音響信号のほ
ぼ四分の一波長になるように選択される。

【００１４】層のグルーブ容積の割合は、所望の音響イ
ンピーダンス整合が得られるように、層の音響インピー
ダンスを制御するために選択されている。例示の医用イ
メージング用途の場合、各グルーブのそれぞれの容積
は、層によって、ハウジング材料の音響インピーダンス
と、患者の身体のような所望の媒体の音響インピーダン
スの間において、ほぼ所望の音響インピーダンス整合が
得られるように選択されている。

【００１５】本発明に関する製造上の利点は、広範囲に
わたる材料に対して、制御されたグルーブ形状をなすよ
うに、簡単にグルーブのエッチング、切削、または、成
形を実施することが可能ということである。さらに、イ
ンピーダンス整合をもたらす層は、ハウジングと一体化
されるので、本発明によれば、ハウジングに対する接着
剤による異種材料の結合層に関連した製造上及び信頼性
の問題に悩まされずに、音響インピーダンス整合が得ら
れる。さらに、望ましい実施例の場合、本発明の超音波
プローブの高周波性能は、接着剤の結合ラインによる制
限を受けない。

【００１６】本発明の他の態様及び利点については、本
発明の原理を例示した添付の図面に関連して示された、
以下の詳細な説明から明らかになる。

【００１７】

【実施例】本発明の超音波プローブによれば、超音波プ
ローブと検査を受ける所望の媒体の間において、音響信
号の効率の良い、制御された結合が可能となり、さら
に、製造、信頼性、及び、性能に関する利点が得られ
る。図１は、超音波プローブ１００の好適な実施例を示
す簡略化した切り欠き斜視図である。図示のように、超
音波プローブの望ましい実施例には、プローブ・ハウジ
ング１０１が含まれている。プローブ・ハウジングに
は、回転式超音波変換器１０３（以下、超音波変換器と
いう）、及び、超音波変換器を包囲する流体、できれ
ば、水がほぼ密閉されている。代替案として、適合する
オイルまたは他の液体を流体として用いることも可能で
ある。

【００１８】本発明は、血管または動脈内におけるイメ
ージングのためのカテーテル・プローブとして実施され
るのが望ましい。例えば、図１に示すように、プローブ
・ハウジング１０１の前部が、血管Ｖに挿入される。プ
ローブ・ハウジングは、端部が閉じた、ほぼ中空の円筒
形状が望ましいが、有益な結果が得られる、別様の形状
にすることも可能である。理解すべきは、プローブ・ハ
ウジング１０１は、流体及び超音波変換器が、プローブ
・ハウジング内においてどのように配置されているかを
明らかにするため、図１に切り欠き図で示されていると
いうことである。

【００１９】超音波変換器は、音響信号ビーム１０４を
発生し、この音響信号ビームは、超音波変換器を包囲す
る流体、及び、プローブ・ハウジングを通って伝搬す
る。図１に示すように、超音波変換器を回転させること
によって、音響信号ビーム１０４は、血管Ｖ内部の組織
を走査する。回転式超音波変換器には、音響信号の周波
数を決める、バルク音響共振周波数を有する圧電セラミ
ック材料の本体が含まれている。１対の電極が、圧電セ
ラミック材料内において音響信号を発生する電圧を印加
するため、圧電本体の両側に配置されている。同様に、
電極は、圧電セラミックが受信する反射音響信号によっ
て生じる電圧を検知する。組織が反射する音響信号から
組織のイメージを補外するためのイメージング装置コン
ポーネントには、電極が結合されている。

【００２０】プローブ・ハウジングは、ある材料の残
りのバルク部分と連続したその材料の層１０２の部分か
ら構成される。ハウジング材料は、バルク音響インピー
ダンスＺ_HOUSINGを備えている。層には、全体的に浅い
グルーブが形成されている。好適な実施例の場合、グル
ーブは、プローブ・ハウジングの周囲をほぼ一周してい
る。

【００２１】図２には、図１の超音波プローブの円２び
部分の詳細な切り欠き斜視図が示されている。図２に示
すように、この層の層厚は、層に延びる浅いグルーブの
深さ寸法Ｄによって決まる。図示のように、材料の残り
のバルク部分は、残りのバルク寸法Ｒを備えている。

【００２２】好適な実施例の場合、プローブ・ハウジン
グは、本質的に、アクリル・プラスチック材料製の特殊
な輪郭のエンクロージャによって使用される。理解して
おくべきは、プラスチックが望ましいが、代わりに、本
発明の原理に基づいて、ナイロンのような、当業者にと
って既知の他の材料を用いることによって、有益な結果
を得ることも可能である。

【００２３】プローブ・ハウジングは、射出成形によっ
て製造されるのが望ましい。所望のグルーブ輪郭を備え
た適合する型内に、アクリル・プラスチックが射出され
る。好適な実施例の場合、アクリル・プラスチックは、
グルーブが設けられたシートとして、注型成形される。
型からシートを取り出して、中空の円筒形状をなすよう
に巻き、シートの両端が、円筒の縦方向に沿って延びる
継ぎ目において接するようにする。この継ぎ目は、超音
波溶接を利用して、シーリングが施される。同様に、プ
ローブ・ハウジングを完成するため、必要に応じて、追
加部材が円筒に溶接される。代替案として、プローブ・
ハウジングのアクリル・プラスチックをシートとして注
型成形せずに、グルーブを備えた円筒またはグルーブを
備えた他の形状に注型成形することも可能である。

【００２４】グルーブは、ハウジング材料に成形するの
が望ましいが、代替方法を利用して作ることも可能であ
る。例えば、代替案では、グルーブは、レーザ・ビーム
を利用して、ハウジング材料に切削加工される。別の代
替案では、ハウジング材料に適合するマスキングを施し
ておき、エッチング液を利用して、ハウジング材料に対
するグルーブのエッチングが実施される。

【００２５】グルーブは、ハウジングの周囲をほぼ一周
することが望ましいが、代替実施例の中には、グルーブ
が別様に配置されるものもある。例えば、これらの代替
実施例では、グルーブがほぼ直線で、プローブ・ハウジ
ングの縦方向に沿って延びる。これらの代替実施例の場
合、プローブ・ハウジングは、溶融アクリル・プラスチ
ックをダイ・ノズルによって管形状に押し出し加工し
て、製造するのが望ましい。ダイ・ノズルは、プローブ
・ハウジングの縦方向部分が、ノズルから押し出される
際に、プローブ・ハウジングに直線のグルーブの圧痕を
形成するような形状になっている。

【００２６】図１及び図２に示す好適な実施例の場合、
層１０２によって、ハウジング材料のバルク音響インピ
ーダンスと検査を受ける所望の媒体の音響インピーダン
スとの間において、ほぼ音響インピーダンス整合が得ら
れる。例えば、医用イメージング用途の場合、この層に
よって、ハウジング材料のバルク音響インピーダンス
と、超音波プローブによる検査を受ける患者の身体の組
織のような媒体の音響インピーダンスとの間において、
ほぼ音響インピーダンス整合がとれることになる。図２
の詳細図に示すように、層１０２には、グルーブ１０５
が含まれている。好適な実施例の場合、グルーブは、ほ
ぼ円形であり、プローブ・ハウジングの縦方向に沿っ
て、互いにほぼ平行に配置される。

【００２７】グルーブ内には、コンフォーマル材料、で
きれば、シリコン・ゴムが配置される。シリコン・ゴム
の代わりに、例えば、ポリエチレンのような、適合する
代替コンフォーマル材料を用いることも可能である。選
択されたコンフォーマル材料に付随する音響インピーダ
ンスは、Ｚ_CONFORMALである。

【００２８】音響信号が、患者の身体の組織を通って伝
搬する際、信号の一部は、体内の組織構造によって弱い
反射を生じ、これが、超音波変換器によって受信され、
超音波変換器に結合された電極対によって電気的に検知
される。反射音響信号は、まず、ハウジング材料の層の
部分で受波され、さらに、ハウジング材料の残りの部分
を通って伝搬する。従って、音響信号は、第１の速度
で、層を通って伝搬し、次に、第２の速度でバルク部分
を通って伝搬する。層のグルーブの深さ寸法Ｄは、グル
ーブを備えた層を通って進行する音響信号の四分の一波
長になるように選択するのが望ましい。

【００２９】グルーブの深さ寸法Ｄによって、層の厚さ
が決まる。各グルーブの深さ寸法Ｄ及び各グルーブのピ
ッチＰは、ハウジングの縦方向の共振モードとの望まし
くない相互作用から、層の横方向の共振モード及びせん
断共振モードを切り離すように選択される。さらに、グ
ルーブの深さ及びピッチは、層を通る音響エネルギの効
率の良い伝達が得られるように選択される。さらに、グ
ルーブの深さ及びピッチは、層が音波に対して均質な様
相を示すように選択される。一般に、さらに詳細に後述
することになる本発明のグルーブに関する追加教示によ
れば、約０．４以下のピッチ対深さの比Ｐ／Ｄによっ
て、有益な結果が得られる。

【００３０】層の音響インピーダンスは、ハウジング材
料のバルク音響インピーダンスとプローブによる検査を
受ける媒体の音響インピーダンスとの間において、ほ
ぼ、音響インピーダンス整合が得られるように制御され
る。従って、層によって、超音波プローブと検査を受け
る媒体との間における効率の良い音響結合が可能にな
る。層の音響インピーダンスは、ほぼ、層のグルーブ容
積の割合によって決まる。そのグルーブ容積の割合は、
グルーブ１０５の幅及びピッチに基づいている。

【００３１】層の所望の音響インピーダンスＺ
_layerは、下記の式を利用して、ハウジング材料のバル
ク音響インピーダンスＺ_HOUSINGと所望の媒体の音響イ
ンピーダンスＺ_tissueの間において、ほぼ、インピーダ
ンス整合がとれるように次の（１）式のように計算され
る。

【００３２】Ｚ_layer＝（Ｚ_HOUSING＊Ｚ_tissue）^1/2 ・・・（１）

【００３３】例えば、組織の音響インピーダンスＺ
_tissue、１．５* １０⁶キログラム／メートル²秒（ｋ
ｇ／ｍ²ｓ）であり、プローブ・ハウジングのアクリル
・プラスチック材料のバルク音響インピーダンスＺ
_HOUSINGが、３．２６* １０⁶ｋｇ／ｍ²ｓであると仮
定すれば、層の所望の音響インピーダンスＺ_layerは、
約２．２１* １０⁶ｋｇ／ｍ²ｓになると計算される。

【００３４】層の音響インピーダンスは、層のグルーブ
容積の割合によってほぼ制御される。もう１つの関連す
る要素は、グルーブに配置されたコンフォーマル材料の
音響インピーダンスである。層のグルーブ容積の割合
は、層に延びるグルーブ容積を、グルーブ容積とグルー
ブに隣接する残りの層の容積の和で割ることによって決
まる。所望のグルーブ容積の割合ｖは、層の所望の音響
インピーダンスと、アクリル・プラスチック及びコンフ
ォーマル材料のそれぞれの音響インピーダンスから計算
される。グルーブの所望の割合ｖは、ほぼ下記の（２）
式に等しい。

【００３５】（Ｚ_HOUSING−Ｚ_layer）／（Ｚ_HOUSING−Ｚ_conformal）・・（２）

【００３６】例えば、コンフォーマル材料としてのシリ
コン・ゴムの音響インピーダンスが１．５* １０⁶ｋｇ
／ｍ²ｓで、層の音響インピーダンスＺ_layerの値、及
び、プローブ・ハウジングのアクリル・プラスチック材
料の音響インピーダンスＺ_HO _USINGの値が、本書で既述
のものとすると、層の所望のグルーブ容積の割合Ｖは、
約５９．６％になる。プローブ・ハウジングの層の容積
の割合は、グルーブ容積の割合を補足する。従って、こ
の例の場合、層の容積割合は、約４０．４％になる。

【００３７】グルーブの所望の深さ寸法Ｄは、下記の
（３）式を利用して、層中における音速Ｃ_layer、及
び、音響信号の周波数ｆの四分の一波長から計算され
る。

【００３８】Ｄ＝１／４（Ｃ_layer／ｆ）・・・（３）

【００３９】層の所望のグルーブ容積の割合が、約５
９．６％と仮定すると、グルーブを備えた層における音
速Ｃ_layerは、約１９００メートル／秒であると推定す
ることができる。音響信号の所望の周波数ｆが、２メガ
ヘルツ（ＭＨｚ）であるため、グルーブの深さ寸法Ｄ
は、約２３７．５ミクロンになる。従って、グルーブ
は、層内に１０００ミクロン未満の深さまで延びた、マ
イクロ・グルーブであることが分かる。

【００４０】グルーブのピッチＰは、グルーブの深さの
０．４倍以下になるように次の（４）式に示すように計
算される。

【００４１】Ｐ＜（０．４＊Ｄ）・・・（４）

【００４２】例えば、グルーブの深さ寸法Ｄが約２３
７．５ミクロンであると仮定すると、グルーブのピッチ
は、９５ミクロン以下になる。

【００４３】グルーブの幅Ｗは、下記の（５）式を利用
し、ピッチＰ、グルーブの容積の割合ｖ、及び、補正係
数ｋに基づいて、計算される。

【００４４】Ｗ＝Ｐ＊Ｖ＊Ｋ・・・（５）

【００４５】補正係数ｋの所望の値は、層のアクリル・
プラスチック及びコンフォーマル材料の結合度に基づい
て選択される。グルーブが図１及び図２に示すように配
置された層の場合、層の結合度は２−２であり、補正係
数ｋは、１にすぎない。代替実施例の場合、グルーブに
は、層の結合度が異なり、異なる補正係数を生じること
になるような、代替配置が施される。例えば、代替実施
例の場合、グルーブには、層の結合度が１−３で、１．
２５という異なる補正係数を生じるような配置が施され
る。結合度が２−２で、補正係数ｋが１になり、ピッチ
が９５ミクロン、そして、グルーブ容積の割合が５９．
６％と仮定すると、グルーブの幅Ｗは、約５６．６ミク
ロンになる。

【００４６】材料の残りのバルク部分は、マイクログル
ーブの深さをかなり超える、残りのバルク部分寸法Ｒを
有していることが望ましい。例えば、深さＤが約２３
７．５ミクロンとすると、材料の残りのバルク部分は、
残りのバルク部分寸法Ｒが約２０００ミクロンあること
が望ましい。

【００４７】より高い周波数の共振周波数において動作
するように、スケーリングを施された超音波プローブの
実施例の場合、関連するグルーブの寸法及び残りのバル
ク部分の寸法にも、これに応じてスケーリングが施され
る。例えば、２０ＭＨｚの音響周波数で動作するように
スケーリングを施された超音波プローブの実施例の場
合、前述の２ＭＨｚの超音波プローブ例の関連するグル
ーブの寸法は、１０の係数でスケーリングが施される。
従って、それぞれ、バルク共振周波数が２０ＭＨｚで、
結合度が２−２になるようにグルーブが配置された、そ
れぞれの圧電層を備える、圧電変換器の場合、グルーブ
の関連寸法は、１／１０にスケール・ダウンされるの
で、ピッチが９．５ミクロン、幅が５．７ミクロン、深
さが約２３．７ミクロンになる。従って、グルーブは、
やはり、要素の正面に１０００ミクロン未満の深さまで
刻まれたマイクログルーブであることが分かる。残りの
バルク部分の寸法は、約７００ミクロンになるように調
整される。

【００４８】好適な実施例の場合、プローブ・ハウジン
グの周囲を一周する、プローブ・ハウジングの縦方向に
配置された、グルーブの数は、グルーブのピッチ及びプ
ローブ・ハウジングの縦方向の寸法に関連している。一
般に、プローブ・ハウジングの縦方向に配置される円形
グルーブの数が、約５０〜２００グルーブの範囲であれ
ば、有益なインピーダンス整合結果が得られる。例え
ば、音響信号の波長の１０倍の縦方向寸法を備えるセク
ションの場合、縦方向に沿って配置されるそれぞれのグ
ルーブの望ましい数は、約１００グルーブである。簡略
化のため、図１及び図２には、１００グルーブより少な
いグルーブしか示されていない。

【００４９】図３には、本発明に用いられるプローブ・
ハウジングの層に延びるグルーブの代替実施例が示され
ている。前述の図２のように、図３には、層に延びるグ
ルーブ、及び、ハウジング材料の残りの部分が示されて
いる。前述の図２とは対照的に、図３のグルーブには、
互いに隣接して配置された、第１組のグルーブ、第２組
のグルーブ、及び、第３組のグルーブが含まれている。
図示のように、グルーブは、ピッチＰ及び幅Ｗを備える
ように配置されている。第１組のグルーブの各メンバ
は、音響信号の第１の波長の１／４の整数倍にほぼ等し
い、それぞれの深さ寸法Ｄを備えている。同様に、第２
組のグルーブの各メンバは、音響信号の第２の波長の１
／４の整数倍にほぼ等しい、それぞれの深さ寸法Ｄ１を
備えている。第３組のグルーブの各メンバは、音響信号
の第３の波長の１／４の整数倍にほぼ等しい、それぞれ
の深さ寸法Ｄ２を備えている。第１組、第２組、及び、
第３組のグルーブのそれぞれのメンバは、図３に示すよ
うに、「階段」状のパターンに配置されている。各組を
なすグルーブに、単一のコンフォーマル充填材料を入れ
ることが可能である。代替案として、各組をなすグルー
ブに、異なるコンフォーマル充填材料を入れて、所望の
周波数応答を得ることも可能である。図１及び図２に関
して既述のところと同様に、射出成形を利用して、代替
実施例のプローブ・ハウジングを製造することも可能で
ある。

【００５０】図４には、本発明に用いられるプローブ・
ハウジングの層に延びるグルーブのもう１つの代替実施
例が示されている。広い周波数応答または音響感度の改
善といった、音響性能の向上を層にもたらすため、急激
な「階段」状のパターンの代わりに、平滑なグルーブ輪
郭が形成される。例えば、こうした代替実施例には、そ
れぞれ、平滑な「Ｖ」字形の輪郭を有し、層に延びるグ
ルーブが含まれている。こうした代替実施例は、前述の
ところと同様に形成される。図示のように、グルーブ
は、所望のピッチＰ、幅Ｗ、及び、深さ寸法Ｄを備える
ように形成される。さらにもう１つの代替実施例の場
合、グルーブの深さは、周波数応答特性をいっそう向上
させるため、プローブ・ハウジングの縦方向に沿って変
動する。

【００５１】図５は、超音波プローブのもう１つの好適
な実施例を示す、概略的切り欠き斜視図である。プロー
ブ・ハウジングは、図５に示すように、超音波変換器と
して、回転式超音波変換器及び流体をほぼ包囲してい
る。プローブ・ハウジングは、概ね、端部が閉じた中空
の円筒形状が望ましいが、プローブ・ハウジングを別の
形状にして、有益な結果を得ることも可能である。理解
しておくべきは、図５の場合、流体及び超音波変換器が
ハウジング内でどのように配置されているかを明らかに
するため、ハウジングが切り欠き図で示されているとい
うことである。

【００５２】プローブに隣接した人体組織のような媒体
を分析するため、超音波変換器によって、音響信号ビー
ムが発生し、このビームは、超音波変換器を取り巻く流
体を通り、プローブ・ハウジングを通って伝搬する。プ
ローブ・ハウジングは、ある音響インピーダンスを有す
る材料によって製造される。例えば、超音波プローブ
は、音響インピーダンスが約３．２６* １０⁶キログラ
ム／メートル²秒（ｋｇ／ｍ²ｓ）のアクリル・プラス
チックで製造するのが望ましい。プローブ・ハウジング
内には、ハウジング材料とは音響インピーダンスの異な
る流体が納められている。例えば、プローブ・ハウジン
グ内に納める流体は、人体組織と同様の、約１．５* １
０⁶ｋｇ／ｍ²ｓの音響インピーダンスを有する水が望
ましい。従って、ハウジング材料の音響インピーダンス
は、流体の音響インピーダンスと整合せず、人体組織の
ような、超音波プローブの検査を受ける媒体の音響イン
ピーダンスとも整合がとれない。

【００５３】本発明によれば、プローブ・ハウジングの
音響インピーダンスと流体の音響インピーダンスとのイ
ンピーダンス整合がほぼとれるので、プローブ・ハウジ
ング内における音響信号の残響が減少する。図５の切り
欠き斜視図に示すように、プローブ・ハウジングには、
ハウジング材料の残りのバルク部分と連続した、ハウジ
ング材料の内層部分が設けられている。ハウジング材料
の内層部分に延びる浅いグルーブによって、プローブ・
ハウジングの音響インピーダンスと流体の音響インピー
ダンスの間において、ほぼ所望のインピーダンス整合が
とれるように、内層部分の音響インピーダンスが制御さ
れる。

【００５４】前述のように、本発明によれば、さらに、
ハウジングの音響インピーダンスと、人体組織のよう
な、超音波プローブの検査を受ける媒体の音響インピー
ダンスとの、インピーダンス整合がほぼとれることにな
る。図５の切り欠き図に示すように、プローブ・ハウジ
ングには、さらに、ハウジング材料の残りのバルク部分
と連続した、ハウジング材料の外層部分も設けられてい
る。ハウジング材料の内層部分に延びる浅いグルーブに
よって、プローブ・ハウジングの音響インピーダンス
と、超音波プローブの検査を受ける媒体の音響インピー
ダンスの間において、ほぼ所望のインピーダンス整合が
とれるように、内層部分のインピーダンスが制御され
る。

【００５５】図６には、図５の超音波プローブの円６に
示す部分の詳細な切り欠き透視図が示されている。図６
に示すように、深さ寸法Ｄのグルーブが、プローブ・ハ
ウジングの内層部分に延びている。さらに、プローブ・
ハウジングの外層部分にも、深さ寸法Ｄのグルーブが延
びている。グルーブの深さによって、層の厚さが決ま
る。ハウジング材料の残りの部分は、残りのバルク寸法
Ｒを有している。グルーブの寸法は、図１及び図２に関
連して詳細に既述のところに従って決まる。図５及び図
６に示すプローブ・ハウジングは、図１及び図２に関連
して既述のところと同様のやり方で、所望のグルーブ輪
郭を備えた、適合する型内に、アクリル・プラスチック
のような材料を射出することによって製造される。図６
に示すように、グルーブには、シリコン・ゴムのような
適合するコンフォーマル材料が充填される。

【００５６】図７は、図１に示す超音波プローブと図５
に示す超音波プローブの内部における音の残響の比較を
示すグラフである。このグラフは、デジタル・コンピュ
ータ、及び、Acoustic imaging, Ｎｏ．８（１９７８）
の３９５〜４１６ページにおけるLewis （レウイス）他
による「Matrix Technique for Analyzing the Perform
ance of Multilayered Front Matched and Backed Piez
oelectic Ceramic Transducers（多層フロント整合と後
方圧電セラミック変換器の性能を分析するためのマトリ
ックス技術）」に解説のラプラス変換行列法を利用して
シミュレートされた、各超音波プローブの整流インパル
ス応答を表している。

【００５７】図７のグラフには、図１の超音波プローブ
のインパルス応答に対する、図５の超音波プローブのイ
ンパルス応答における残響の減少が示されている。図１
の超音波プローブのシミュレートされた整流インパルス
応答は、図７のグラフにおけるダッシュ・ライン４１０
によって表されている。図５のプローブのシミュレート
された整流インパルス応答は、図７のグラフにおける実
線４２０によって表されている。従って、グラフにおけ
る比較によって示されるように、図５のプローブ・ハウ
ジングの内層部分の場合には、プローブ・ハウジングの
音響インピーダンスと流体の音響インピーダンスとのイ
ンピーダンス整合がほぼとれるので、プローブ・ハウジ
ング内における音響信号の残響が減少するのが有利であ
る。

【００５８】図８には、本発明の超音波プローブのもう
１つの実施例に関する正面図が示されている。図示のよ
うに、超音波プローブの前部には、全体に半球状のプロ
ーブ・ハウジングが含まれている。プローブ・ハウジン
グは、超音波プローブの動作時に、患者の組織に押しつ
けられる。プローブ・ハウジングの層部分に延びるグル
ーブによって、既に詳述したように、ほぼインピーダン
ス整合がとれることになる。図示のように、グルーブ
は、ほぼ同心となるように配置されている。

【００５９】図９は、プローブ・ハウジングによってほ
ぼ密閉された超音波変換器として、機械走査式超音波変
換器を明示するために切り欠いた、図８に示す超音波プ
ローブの断面図である。流体は、超音波変換器を包囲し
ているので、超音波変換器によって発生する音響信号ビ
ームは、流体及びハウジングを通って伝搬する。図９に
示すように、超音波変換器には、円弧の端から端まで機
械的に走査を行わせるため、モータが結合されている。

【００６０】本書に解説のように、本発明の超音波プロ
ーブによれば、超音波プローブによる検査を受ける所望
の媒体に対する効率がよく、制御された音響結合が得ら
れる。本発明の特定の実施例について解説し、例示して
きたが、本発明は、こうして解説され、例示された特定
の形態または構成の部分に限定されるものではなく、本
発明の範囲及び精神を逸脱せずに、各種修正及び変更を
加えることが可能である。従って、特許請求の範囲内に
おいて、特定の解説及び例示とは別様に、本発明を実施
することが可能である。

【００６１】以上、本発明の各実施例について詳述した
が、ここで各実施例の理解を容易にするために、実施例
ごとに要約して以下に列挙する。

【００６２】１．超音波プローブと音響インピーダン
スを有する媒体の間において音響信号ビームを結合する
ための超音波プローブであって、流体と、流体と音響的
に結合されて、音響信号ビームを伝播する超音波変換器
と、音響インピーダンスを有する材料の、残りのバルク
部分と連続した層部分から構成され、流体と音響的に結
合した、流体及び超音波変換器をほぼ密閉するプローブ
・ハウジングと、プローブ・ハウジングと一体化され
て、プローブ・ハウジングの層部分の音響インピーダン
スを制御するインピーダンス整合手段とを具備した超音
波プローブである。

【００６３】２．前記インピーダンス整合手段が、ハ
ウジング材料の音響インピーダンスを媒体の音響インピ
ーダンスにほぼ整合するように、層の音響インピーダン
スを制御するための手段を含むことを特徴とする上記１
に記載の超音波プローブである。

【００６４】３．前記流体が音響インピーダンスを有
し、前記インピーダンス整合手段が、ハウジング材料の
音響インピーダンスが流体の音響インピーダンスにほぼ
整合するように、層の音響インピーダンスを制御するた
めの手段を含むことを特徴とする上記１に記載の超音波
プローブである。

【００６５】４．前記インピーダンス整合手段が、材
料の層部分だけを通って延びる浅いグルーブを含むこと
を特徴とする上記１に記載の超音波プローブである。

【００６６】５．前記グルーブの数が、約５０〜２０
０グルーブの範囲内であることを特徴とする上記４に記
載の超音波プローブである。

【００６７】６．前記グルーブが、同心のグルーブを
含むことを特徴とする上記４に記載の超音波プローブで
ある。

【００６８】７．前記グルーブが、ほぼ円形であるこ
とを特徴とする上記４に記載の超音波プローブである。

【００６９】８．前記浅いグルーブが、それぞれ音響
信号の四分の一波長にほぼ等しい、それぞれの深さを有
していることを特徴とする上記４に記載の超音波プロー
ブである。

【００７０】９．前記グルーブが、第１と第２の組を
なす浅いグルーブを含み、前記第１の組をなす浅いグル
ーブの各メンバが、それぞれの深さが音響信号の第１の
波長の１／４にほぼ等しく、前記第２の組をなす浅いグ
ルーブの各メンバが、それぞれの深さが音響信号の第２
の波長の１／４にほぼ等しいことを特徴とする上記４に
記載の超音波プローブである。

【００７１】１０．第１のコンフォーマル材料が、前
記第１の組をなすマイクログルーブに配置され、第２の
コンフォーマル材料が、前記第２の組をなすマイクログ
ルーブに配置されることを特徴とする上記９に記載の超
音波プローブである。

【００７２】１１．前記グルーブの各々が、前記材料
の音響インピーダンスが前記媒体の音響インピーダンス
に略整合するように選択された、それぞれの容積を有す
ることを特徴とする上記４に記載の超音波プローブであ
る。

【００７３】１２．前記グルーブが、それぞれ前記材
料の音響インピーダンスが前記流体の音響インピーダン
スに略整合するように選択された、それぞれの容積を有
していることを特徴とする上記４に記載の超音波プロー
ブである。

【００７４】１３．さらに、前記流体内において変換
器を移動させて、音響信号ビームの機械的走査を可能に
する手段が設けられていることを特徴とする上記１に記
載の超音波プローブである。

【００７５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、流体と
音響的に結合した超音波変換器を音響インピーダンスを
有する材料の残りのバルク部分と連続した層から構成さ
れるプローブ・ハウジングによりほぼ密閉し、プローブ
・ハウジングと一体化して構成したインピーダンス整合
手段によりプローブ・ハウジングの層の部分の音響イン
ピーダンスを制御するようにしたので、動作性能が向上
し、超音波プローブによる検査を受ける媒体に対して効
率のよい音響結合が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施例の切り欠き斜視図であ
る。

【図２】図１の円２の部分の詳細な切り欠き透視図であ
る。

【図３】本発明において用いられるプローブ・ハウジン
グの層に延びるグルーブの代替実施例を示す切り欠き斜
視図である。

【図４】本発明において用いられるプローブ・ハウジン
グの層に延びるグルーブのもう１つの代替実施例を示す
切り欠き斜視図である。

【図５】本発明のもう１つの好適な実施例を示す切り欠
き透視図である。

【図６】図５の円の部分のに関する詳細な切り欠き斜視
図である。

【図７】図１に示す実施例及び図５に示す実施例に関す
る内部における音の残響の比較を示すグラフである。

【図８】本発明のさらにもう１つの好適な実施例に関す
る切り正面図である。

【図９】図８に関する断面図である。

【符号の説明】

１００超音波プローブ１０１プローブ・ハウジング１０２層１０３回転式超音波変換器１０４音響信号ビーム１０５グルーブＶ血管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波プローブと音響インピーダンスを
有する媒体の間において音響信号ビームを結合するため
の超音波プローブであって、流体と、流体と音響的に結合されて、音響信号ビームを伝播する
超音波変換器と、音響インピーダンスを有する材料の、残りのバルク部分
と連続した層部分から構成され、流体と音響的に結合し
た、流体及び超音波変換器をほぼ密閉するプローブ・ハ
ウジングと、プローブ・ハウジングと一体化されて、プローブ・ハウ
ジングの層部分の音響インピーダンスを制御するインピ
ーダンス整合手段とを具備したことを特徴とする超音波
プローブ。