JPS597280B2 - インピ−ダンス整合装置及びそれを用いた音響変換器組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音響エネルギー伝播装置に関する。

特に本発明は音響変換器のインピーダンスを被検体のイ
ンピーダンスに整合させるための構体に関する。

典型的には、斯る変換器のアレイは医学的診断像を撮影
しかつ被検体が動物性組織を有している場合に適用され
るものである。

身体内の構造を撮影するに当り、エコー超音波法が普及
している。

この方法は１個またはそれ以上の超音波変換器を利用し
て身体内に超音波エネルギーを放射させ、身体内の器官
の境界その他の構造部分と関連したインピーダンスの不
連続部から反射して戻り、その結果得られたエコーを１
個以上の超音波変換器（尚、この変換器をエネルギーの
送出に使用したと同一の変換器としてもよい）を用いて
検出するものである。

これら検出された信号の処理を周知の方法で行ない身体
構造の像を形成する。

ある方法では、幅狭の超音波ビームで身体を横切る方向
に走査してある身体面の像情報を得るようになしている
。

直線配列させた個々の超音波変換素子を順次に作動させ
ることによって身体を横切る方向に超音波ビームを走査
するようにできる。

このタイプの装置は、例えば、文献「メディカル・ウル
トラサウンド・イメージング（ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕ
ｌｔｒａｓｏｕｎｄＩｍａｇｉｎｇ） ：アン・オーバ
ービュー・オブ・プリンシプル・アンド・インストウル
メンテーション（ Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｐ
ｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａ
ｔｉｏｎ）Ｊ （ Ｊ ，Ｆ ．Ｈａｖｌｉｃｅ
ａｎｄ Ｊ．Ｃ．Ｔａｅｎｚｅｒ，Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．
６７４４ ，Ａｐｒｉ１１９７９、第６２０頁）及び同
じ文献の［メツソード・アンド・ターミノロジイー・フ
ォア・ダイアゴノスティック・ウルトラサウンド・イメ
ージング・システムズ（Ｍｅｔｈｏｄｓａｎｄ Ｔｅｒ
ｍｉｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ＤｉａｇｎｏｓｔｉｃＵ
ｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ
ル（Ｍ．Ｇ，Ｍａｇｉｎｎｅｓｓ，第６４１頁）に開示
されている。

これら論文は本発明の資料としてその記載に留めておく
。

ある１つの変換器或いは変換器アレイからの放射超音波
エネルギーを身体その他の被検体と有効的に結合させる
ためには、変換器の音響インヒーダンスを被検体の音響
インピーダンスと整合させることが必要である。

医療器機に使用されている典型的な超音波変換器は音響
インピーダンスが約３０×１０６ｋｇ／Ｍ２ｓｅｃのセ
ラミックを具えている。

一方人体組織の音響インピーダンスは約１．５Ｘ １
０ ６ｋｇ／Ｍ２ｓｅｃであるので、普通は変換器のセ
ラミックと人体組織との間にインピーダンス整合用構体
（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ） が必要である。

この目的のため一般に使用されている例として例えば米
国特許出願第１０４，５１６号に記載されているような
タイプの四分の一波長窓がある。

医療器機では広帯域の超音波パルスが利用されるのが特
色である。

理想的には、変換器からの広帯域パルスを身体組織へ結
合させるためのインピーダンス整合構体の周波数応答特
性は第１図に示すようなガウス型分布を呈する必要があ
るカ瓢理論的及び実験的研究から、変換器アレイの後側
に空気またはエネルギー消散材料を設けている場合には
、１個の四分の一波長整合窓は第２図に示すようなタイ
プの、二つのピーク値を有する周波数応答特性を呈する
ことが判った。

また従来技術によれば、理想的なガウス型分布に近い周
波数応答特性は、２個以上の四分の一波長整合層をカス
ケードにして（すなわち一方の整合層を他方の整合層上
に重ねる）設けているインピーダンス整合構体でも、得
ることができることが判っている。

こＤタイプのカスケード整合構体の製造に当り、整合層
の厚さを正確に制御することが必要となる。

斯る構体を、精密に研摩された、均一な厚さのセラミッ
ク板から構成された試験的な変換器アレイ上に、作り上
げることができるけれども、このようなことは経済的に
生産される変換器すなわち一般には曲がっていたり厚さ
が変化したりしている鋳造セラミック板を組合わせて得
られる変換器に対しては実際的ではない。

本発明によれば、変換器アレイの各素子の面上に異なる
厚さの整合ストリップを複数個並べて配設する。

典型的には、これらストリップの各々の厚さを伝播超音
波エネルギーのある周波数成分において四分の一波長と
することができる。

斯くして、理想的なガウス型分布に近い単一ピークの周
波数応答を得る。

この構体は個々の整合ストリップの厚みのマイナーな変
化に対しては比較的感応しないので、切シ込み或いはプ
レス技術で安価に製造することができる。

１個以上の音響変換器と本発明による被検体との間で広
帯域の音響エネルギーを結合するためのインピーダンス
整合構体は前記変換器の活性表面上に並べて配設された
ステップ付整合構体の周期的アレイを具え、該整合構体
の各々は、音響伝導（伝播）材料から成る２個以上の平
らな平行ストリップを具え、該平行ストリップは前記活
性表面上に前記整合構体を横切って順次の前記ストリッ
プの厚さが単調に増大するようなステップ付形態で並べ
て配設されていることを特徴とする。

本発明の好適実施例によれば、整合ストリップは変換器
アレイの活性面を横切って配設した階段状構体の周期的
アレイを具える。

さらに本発明の他の好適実施例では、各ステップの面を
アレイの走査軸と直交する方向に配設することができる
。

典型的には構体中のストリップの幅及び高さはあるステ
ップから次のステップまで変化する。

以下、図面につき本発明の実施例につき説明する。

第３ａ図及び第３ｂ図は本発明の好適実施例を示し、こ
の実施例では変換器素子の直線アレイを具えている。

これら変換器素子を、例えばタイプＰＺＴ−５セラミッ
クを有し得る圧電セラミック材料の単一矩形ブロック１
０から形成する。

医療への応用の典型例では、セラミック・ブロック１０
の厚みは約３．５ＭＨｚに共振するようになっている。

このアレイの走査軸すなわち走査方向を矢印Ｓで示す。

セラミック・ブロック１０の正面側の活性表面に電極１
４を備え、このセラミック・ブロック１０の背面は銅電
極１６で被覆されている。

この場合、個々の変換器素子８は、ブロックの背面にセ
ラミック及び銅電極の幅を横切って走査方向に対し直交
する方向に一連の平行スロット１８を切り込みして分離
する。

典型的な変換器アレイは幅１ ６．９ｍｍ及び長さ９７
．５ｍｍのセラミック・ブロックから形成して得られた
棒状体をその厚さの約１０係程度にまで、０．０６ｍｍ
のダイヤモンドのこを使用して一連の切り目を入れて７
２個の変換器素子を製作することができる。

正面側電極１４の表面上に音響伝導材料のステップ付整
合構体２０の周期的アレイを配設する。

第４図に示す好適実施例では、各整合構体は電極１４の
表面から種々の距離のところに配設された正面側表面２
１，２３及び２５をそれぞれ有する３個の平行ストリッ
プから成る階段状構体を具えている。

各ストリップの厚さ（電極の表面から各正面までの距離
）を超音波エネルギーの広帯域パルスのスペクトル内の
周波数において約四分の一波長の一つであるように選ぶ
。

そして各厚さの少なくとも１個のストリップは変換器素
子８の各々上に置く必要がある。

しかしながら、ステップ２２．２４の垂直方向の面はそ
の下側の変換器素子８の境界と整列または一致させる必
要はない。

本発明の好適実施例においては、ステップ２２，２４の
垂直方向の面は切り目すなわちスロット１８と平行に延
在する。

しかしながら、この整合構体を垂直方向の面がスロット
に直交するように構成することもできるし或いはこの面
がスロットに対し中間のある角度となるように構成する
こともできる。

同様に、各構体内の個々のストリップの幅或いは厚みを
均一とする必要はない。

理想的には、整合ストリップの音響インピーダンスは変
換器と被検体（テスト物体）の音響インピーダンスの幾
何平均である。

実際には、整合ストリップのインピーダンスは変換器の
インピーダンスとテスト物体のインピーダンスとの間に
あるはずである。

本発明の好適実施例では、タングステンの粉末を添加し
たエポキシ樹脂の平らな層を鋳造により電極１４の正面
に形成する。

そしてプログラムされたダイヤモンドのこを用いて樹脂
の表面に一連の複数個の溝を切シ込み、周期的な階段状
構体を形成する。

第４図に示すように、３．５ＭＨｚ で動作させるよ
うにした好適実施例においては、表面２１の長さを０．
２２８ｍｍとしてこれを電極１４の正面側表面上約０．
１０２ｍｍのところに配設し、表面２３の長さを０．１
２７ｍｍとしてこれを電極１４の正面側表面上約０．０
６：ｈｕ＋のどころに配設し及び表面２５の長さを０．
１５２ｍｍとしてこれを電極１４の正面側表面上約０．
０２５ｍｓのところに配設する。

典型的な製造環境においては、セラミック・ブロック１
０及び電極１４０表面平坦度の公差を、一番下側の表面
２５を形成するために使用された切り込みが下側に存在
する電極１４を現実に露出するようなものとしてもよい
。

整合構体の特性は、その周波数応答及び他の動作特性が
このアレイに沿う構体中に整合層２０の最も薄い部分が
無い場合でも著しく劣化しないような、特性である。

変換器の後側にはエネルギー消散空気セル４０を備えて
いる。

この空気セルは例えばガラス微粒子（ｇｌａｓｓ ｍ
ｉｃｒｏ−ｂａｌｌｏｏｎｓ）が添加されたエポキシ樹
脂を含むことができる。

そしてこの空気セルは後側の電極１６の表面に接着され
かつ切れ目１８に充填されている。

アレイの幅方向の集束作用を整合構体の正面側に直接鋳
造して形成した円筒音響レンズ３０によって行なうよう
になしてもよい。

典型例では、このレンズはシリコンコムヲ含んでいても
よい。

各変換器の表面に設けられた後側電極１６をアレイの側
部からタブ６０として拡張させてもよい。

同様に、正面側電極１４をアレイの側部からタブ５０と
して拡張させてもよい。

本発明の好適実施例では、このアレイの両端の２つの変
換器素子は作動しない。

正面側の電極からのタブ５０を折り込んでこれら端部素
子の後側電極と接触させてアース接続用板を形成する。

上述においては、整合装置を平坦な変換器アレイと一緒
に使用して好適な実施例につき説明した。

しかしながら、この整合装置は彎曲した変換器アレイ及
び単一素子変換器と一緒に使用しても同様に有益である
こと勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は整合構体に対する理想的な周波数応答特性を示
す線図、第２図は従来の単一層整合窓の周波数応答特性
を示す曲線図、第３ａ図は本発明による整合構体を含む
変換器アレイを示す略線図、第３ｂ図は第３ａ図の変換
器アレイの１つの隅（コーナ一部）を詳細に示す略線図
、第４図は第３ａ図の整合構体の詳細を示す略線的断面
図である。 ８・・・変換器素子、１０・・・セラミック・ブロック
、１４，１６・・・電極、１８・・・スロット、２０・
・・階段状整合構体、２Ｌ２３，２５・・・（ストリッ
プの）表面、２２．２４・・・ステップ、３０・・・円
筒音響レンズ、４０・・・空気セル、５０，６０・・・
タブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １個以上の音響変換器と物体との間で広帯域音響エ
   ネルギーを結合させるためのインピーダンス整合装置に
   おいて、 前記変換器の活性表面上に並べて配設されたステップ付
   整合構体の周期的アレイを具え、該整合構体の各々は、
   音響伝導材料から成る２個以上の平らな平行ストリップ
   を具え、該平行ストリップは前記活性表面上に前記整合
   構体を横切って順次の前記ストリップの厚さが単調に増
   大するようなステップ付形態で並べて配設されているこ
   とを特徴とするインピーダンス整合装置。 ２ 前記平行ストリップの各々の厚さは結合される音響
   エネルギーの帯域幅内のある周波数において一つの四分
   の一波長の長さとすることを特徴とする特許言青求の範
   囲１記載のインピーダンス整合装置。 ３ インピーダンス整合装置の周波数応答特性をほぼガ
   ウス分布型とすることを特徴とする特許請求の範囲１ま
   たぱ２記載のインピーダンス整合装置。 ４ 前記音響変抄器は第１音響インピーダンスを有し、
   前記物体は第２音響インピーダンスを有し、前記音響伝
   導材料は前記第１及び第２音響インピーダンス間の中間
   の音響インピーダンスを有することを特徴とする特許請
   求の範囲１または２記載のインピーダンス整合装置。 ５ 前記音響伝導材料は前記第１及び第２音響インピー
   ダンスの幾何平均的なインピーダンスを有することを特
   徴とする特許請求の範囲４記載のインピーダンス整合装
   置。 ６ 前記音響変換器は圧電セラミックを具え、前記物体
   は動物組織を含み、及び前記音響伝導材料は金属充填プ
   ラスチック樹脂を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   ４記載のインピーダンス整合装置。 ７ 前記音響伝導材料はエポキシ樹脂結合剤中にタング
   ステン粉末を含むことを特徴とする特許請求の範囲６記
   載のインピーダンス整合装置。 ８ 前記音響変換器は平行な変換器素子の直線アレイを
   具えることを特徴とする特許請求の範囲１記載のインピ
   ーダンス整合装置。 ９ 前記音響変換器は変換器素子の平坦な直線アンイを
   具えることを特徴とする特許請求の範囲８記載のインピ
   ーダンス整合装置。 １０前記整合構体の前記ストリップは前記変換器素子に
   対し平行に配設されていることを特徴とする特許請求の
   範囲８または９記載のインピーダンス整合装置。 １１ 隣接する平行な前記ストＩＪツプの幅は等しくな
   いことを特徴とする特許請求の範囲１または２記載のイ
   ンピーダンス整合装置。 １２ステップ付前記整合構体の各々は少なくとも３個の
   平行なストリップを具え、隣接する前記ストリップの厚
   さは前記整合構体の幅を横切る方向に漸次に増大するよ
   うに変化していることを特徴とする特許請求の範囲１ま
   たは２記載のインピーダンス整合装置。 １３＠記周期的アレイの表面に音響レンズを配設して有
   することを特徴とする特許請求の範囲１またぱ２記載の
   インピーダンス整合装置。 １４＃Ｊ記音響レンズを円筒レンズとすることを特徴と
   する特許請求の範囲１３記載のインピーダンス整合装置
   。 １５ 前記音響変換器は圧電材料の平らなシートを具え
   、該シートの一方の表面は正面側の活性表面を画成して
   おり、さらに前記音響変換器は前記シートの、前記活性
   表面に対向する後側表面に配設されたエネルギー消散用
   背面層を具えることを特徴とする特許請求の範囲１，２
   またぱ８のいずれか一つに記載のインピーダンス整合装
   置。 １６ 前記音響変換器は圧電材料の平らなシートを具え
   、該シートの一方の表面は正面側の活性表面を画成して
   おり、さらに前記音響変換器は前記シートの、前記活性
   表面に対向する後側表面に配設されたエネルギー消散用
   背面層を具えることを特徴とする特許請求の範囲１０記
   載めインピーダンス整合装置。 １７ 前記音響変換器は変換器材料の平らなシートを具
   え、該シートの一方の表面は正面側の活性表面を画成し
   ており、さらに前記音響変換器は前記シートの、前記活
   性化表面に対向する後側表面に配設されたエネルギー消
   散用背面層を具えることを特徴とする特許請求の範囲１
   ２記載のインピーダンス整合装置。 １８圧電材料のシートに形成された音響変換器素子の直
   線アレイを具え、前記シートは正面側の活性表面と該活
   性表面に対向した後側表面とを有しており、 さらに前記シートの前記後側表面と隣接して配設したエ
   ネルギー消散用背面層を具えており、さらに前記シート
   の前記活性表面上に並べて配設したステップ付整合構体
   のアレイを含む整合手段を具え、ステップ付の前記整合
   構体の各々は、音響伝導材料から成る２個以上の平らな
   平行ストリップを具え、該平行ストリップは前記活性表
   面上に前記整合構体を横切って順次の前記ス｝ ＩＪツ
   ブの厚さが単調して増大するようなステップ付形態で並
   べて配設されている ことを特徴とする広帯域音響変換器組立体。 １９ 前記シートの後側表面は一連の平行な切り目が設
   けられていて個々の変換器素子を分離するようになして
   あることを特徴とする特許請求の範囲１８記載の広帯域
   音響変換器組立体。 ２０ 前記音響伝導材料の前記平行ストリップは前記切
   り目に対し平行に配設されていることを特徴とする特許
   請求の範囲１８記載の広帯域音響変換器組立体。 ２１ 少なくとも２個のステップ付の前記整合構体ぱ前
   記変換素子の各々上に配設されていることを特徴とする
   特許請求の範囲１９記載の広帯域音響変換器組立体。 η電気エネルギーを前記変換器素子に結合するための電
   極手段を具えることを特徴とする特許請求の範囲１８，
   １９，２０及び２１のいずれか一つに記載の広帯域音響
   変換器組立体。 ２３ 前記電極手段は前記シート及び前記整合手段間に
   配設した第１電極と、複数個の第２電極とを具え、該第
   ２電極は変換器素子の後側表面及び前記背面層間に配設
   したことを特徴とする特許請求の範囲２２記載の広帯域
   音響変換器組立体。 ２４ 前記整合構体ぱ音響インピーダンスが前記シート
   の音響インピーダンス及び人体組織の音響インピーダン
   ス間の中間にある材料を具えていることを特徴とする特
   許請求の範囲１８，１９及び２０のいずれか一つに記載
   の広帯域音響変換器組立働 万 前記整合構体は音響インピーダンスが前記シートの
   音響インピーダンス及び人体組織の音響インピーダンス
   間の中間にある材料を具えていることを特徴とする特許
   請求の範囲２２記載の広帯域音響変換器組立体。 ２６ 前記整合構体は音響インピーダンスが前記シート
   の音響インピーダンス及び人体組織の音響インピーダン
   ス間の中間にある材料を具えていることを特徴とする特
   許請求の範囲２３記載の広帯域音響変換器組立体。 ２７ 前記整合構体は金属粉末及び樹脂結合剤を具えて
   いることを特徴とする特許請求の範囲１８〜２１のいず
   れか一つに記載の広帯域音響変換器組ザγイ＋ ２８前記整合構体ぱ金属粉末及び樹脂結合剤を具えるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲２２記載の広帯域音響変
   換器組立体。 ２９ 前記整合構体はエポキシ樹脂結合剤中にタングス
   テン粉末を具えることを特徴とする特許請求の範囲２８
   記載の広帯域音響変換器組立体。 蜀 前記整合構体上に前記シートに対向させて配設され
   た音響レンズを具えることを特徴とする特許請求の範囲
   ２２記載の広帯域音響変換器組立体。 ３１ 前記音響レンズはシリコンゴムを具えることを
   特徴とする特許請求の範囲３０記載の広帯域音響変換器
   組立体。 ３２ 前記圧電材料はＰＺＴ−５セラミックであること
   を特徴とする特許請求の範囲１８記載の広帯域音響変換
   器組立体。 ３３ 前記背面層は樹脂結合剤中にガラス微粒子を具え
   ることを特徴とする特許請求の範囲２２記載の広帯域音
   響変換器組立体。 調前記背面層は樹脂結合剤中にガラス微粒子を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲２９記載の広帯域音響変
   換器組立体。 お前記平行ストリップの各々の厚さは広帯域音響変換器
   組立体によって発生または受信されるエネルギーの帯域
   幅内のある周波数において四分の一波長であることを特
   徴とする特許請求の範囲１８記載の広帯域音響変換器組
   立体。 ３６ 隣接する前記平行ストリップの幅は互いに等しく
   ないことを特徴とする特許請求の範囲１８記載の広帯域
   音響変換器組立体。 ３７ 前記整合構体の各々は３個のストリップを具える
   ことを特徴とする特許請求の範囲１８記載の広帯域音響
   変換器組立体。 ３８ 前記整合構体中の隣接する前記平行ストリツプ
   の幅は０．２２８ ： ０．１ ２７ ：０．１ ５２
   の比とすることを特徴とする特許請求の範囲３７記載の
   広帯域音響変換器組立１札 ３９前記整合構体中の隣接する前記平行ストリツプの厚
   さは約０．１ ０２ ：０．０６３ ：０．０２５の比
   とすることを特徴とする特許請求の範囲３８記載の広帯
   域音響変換器組立体。 匍約２−！−の整合構体を前記構体素子の上に配設２ したことを特徴とする特許請求の範囲３９記載の広帯域
   音響変換器組立体。 ４１ ステップ付の前記整合構体のアレイを周期的ア
   レイとすることを特徴とする特許請求の範囲１８記載の
   広帯域音響変換器組立体。 ４２第１材料の活性表面と第２材料との間で広帯域音響
   エネルギーを結合させるためのインピーダンス整合装置
   において、前記活性表面上に並べて配設された音響伝導
   材料からなる２個以上の平らな平行ストリップを具え、
   該平行ストリップの各各の厚さは音響エネルギーのある
   周波数成分において一つの四分の一波長とし及び隣接す
   る平行ストリップの厚さは互いに異なっていることを特
   徴とするインピーダンス整合装置。 ４３ 前記材料は超音波変換器を形成することを特徴と
   する特許請求の範囲４２記載のインピーダンス整合装置
   。 ４４ 前記平行ストリップの音響インピーダンスは前記
   第１材料の音響インピーダンス及び前記第２材料の音響
   インピーダンスの中間とすることを特徴とする特許請求
   の範囲４２または４３記載のインピーダンス整合装置。