JP4004396B2

JP4004396B2 - 超音波振動子

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Publication number: JP4004396B2
Application number: JP2002368893A
Authority: JP
Inventors: 正由大村; 徹水口; 光明波田野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: DE60314834D1; US7400079B2; JP2004201138A; EP1430838B1; DE60314834T2; US20040215079A1; EP1430838A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は体腔内等で使用され、超音波診断等に好適な超音波振動子に関する。
【従来の技術】
食道、胃、十二指腸や大腸等の消化管や尿道、膀胱や尿管等の尿路器管に、専用のスコープを挿入し、管腔内表面組織の分光学的診断と周辺臓器や組織の超音波診断に供しうる機械走査式超音波内視鏡は、その先端部に超音波の送受信を司る超音波振動子を実装している。
【０００２】
同振動子は、その周囲を音響媒体で充填し、超音波を透過する樹脂で形成された外装キャップで覆われている。超音波振動子を囲む音響媒体は、振動子によって発生した超音波を生体に効率良く伝播させるもので、流動パラフィンやブタンジオール等、電気的絶縁性の高い炭化水素系のオイルが一般的な材質である。
【０００３】
然し乍ら、これら絶縁オイルでは音響的な減衰値が高く、特に高画質な画像を供し得る高い周波数の超音波内視鏡では、音響媒体での超音波信号の減衰が発生し、良好な画像が得られない。
【０００４】
こうした場合、前記音響媒体として、音響減衰の低い水や水にある種の添加物を加えた水溶液（以下、単に水溶液）を用いることもある。
【０００５】
水溶液の場合、前記振動子と長時間の接触があると、振動子の特性の劣化が徐々に進行することが知られており、臨床適用（超音波内視鏡検査）毎に水溶液を注入し、検査終了後に水溶液を除去する等の工夫が施される。
【０００６】
然し乍ら、前述の通り体腔内に挿入する超音波内視鏡では、こうした検査前後での水溶液の出し入れは、その構造上煩雑となる。
【０００７】
そこで、高周波特性の振動子を実装する超音波内視鏡では、振動子に耐水性の高い樹脂等の薄膜コーティング（以下、防水コーティング）を実施していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記防水コーティングを実施した場合でも、水溶液中に前記振動子を長時間浸漬した場合、振動子の性能劣化を完全に抑制することは出来ない。
【０００９】
本性能劣化の支配的要因は、水溶液が長時間の浸漬により、防水コーティングを通過して振動子内部に侵入、同振動子を構成するバッキング材に到達し、同バッキング材の膨潤や特性の変質にあることが、種々の検討により判明した。
【００１０】
（発明の目的）
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、耐水性の高いバッキング材を備えた超音波振動子及び体腔内用超音波振動子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の体腔内用超音波振動子は、超音波を送受信する圧電素子の背面側にアクリルニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンターポリマ（ＥＰＤＭ）、及び少なくとも無機微粉末を含有する混合物から成り、硬度がＪＩＳＫ６２５３に準拠したＡスケールで８０〜１００度（ＪＩＳ−ＡＨＳ）、周波数に依存する単位距離あたりの音エネルギーの減衰量が５ＭＨｚの周波数において１０［ｄＢ／ｍｍ］以上、吸水率が２．５％以下（ＪＩＳＫ６２５３及びＪＩＳＫ７２０９に準拠）、音響インピーダンスが１×１０ ^６〜７×１０ ^６［ｋｇ／（ｍ ^２・ｓ）］、の特性を有する合成ゴムをバッキング材として設けたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１ないし図３を参照して本発明の実施の形態を具体的に説明する。図１は超音波診断装置の全体構成を示し、図２は超音波内視鏡の先端側に設けた１実施の形態の超音波振動子の構造を示し、図３は図２のＡ−Ａ断面図を示す。
【００１３】
図１に示すように超音波診断装置１は体腔内等に挿入され、被検体に超音波の送受を行う超音波内視鏡２と、この超音波内視鏡２が着脱自在に接続され、超音波内視鏡２の先端部に内装した超音波振動子３を形成する圧電素子４（図２参照）に対する信号処理等を行い、超音波断層像をモニタ５に表示する超音波観測装置６とから構成される。
【００１４】
超音波内視鏡２は体腔内に挿入される可撓性を有する細長の挿入部１１と、この挿入部１１の後端に設けられた操作部１２と、この操作部１２から延出されたケーブル部１３と、このケーブル部１３の端部に設けられたコネクタ１４とを有し、このコネクタ１４は超音波観測装置６に着脱自在で接続される。
【００１５】
この超音波内視鏡２の挿入部１１内には例えばフレキシブルシャフト２１が挿通され、このフレキシブルシャフト２１の先端側には硬質シャフト４１を介して超音波振動子３が取り付けられている。また、このフレキシブルシャフト２１の後端は操作部１２内に設けたモータ２２に接続され、このモータ２２を回転することにより、フレキシブルシャフト２１と共に、超音波振動子３を回転駆動して、超音波振動子３を構成する圧電素子４により放射される超音波を機械的にラジアル走査できるようにしている。
【００１６】
また、超音波振動子３における圧電素子４は図３に示すように同軸ケーブル２３が接続され、この同軸ケーブル２３はフレキシブルシャフト２１の中空部を通して操作部１２内のスリップリング２４と接続され、このスリップリング２４のステータ側接点に接続されたケーブル２５は超音波観測装置６内の送受信を行う送受信部２７に接続される。
【００１７】
また、モータ２２及びこのモータ２２の回転角を検出するロータリエンコーダ２８もケーブル２５を介して超音波観測装置６内のシステムコントローラ２９と接続される。
【００１８】
システムコントローラ２９はモータ２２の回転制御及び送受信などの制御を行う。送受信部２７は超音波振動子３の圧電素子４に送信信号（駆動信号）を印加して、超音波を送信させると共に、被検体側で反射された超音波を圧電素子４により受信して電気信号に変換されたエコー信号を増幅などして図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換してシステムコントローラ２９の制御下で一時フレームメモリ３０に書き込む。
【００１９】
このフレームメモリ３０に書き込まれたエコー信号データはラジアル方向の音線データであり、デジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣと略記）３１により直交座標系のデータに変換された後、Ｄ／Ａ変換器３２を介してモニタ５に出力され、超音波断層像が表示される。
【００２０】
挿入部１１の先端部３５には超音波振動子３を収納した外装キャップ３６が固定されている。そして、この外装キャップ３６内部には超音波を少ない減衰で伝達する水溶液等の音響媒体３７が満たされている。
【００２１】
なお、先端部３５には光学的な照明窓と、光学的な観察窓とが設けてあり、内視鏡検査を行う光学的観察手段が形成されている。
【００２２】
次に図２及び図３を参照して、超音波振動子３の構造を説明する。
【００２３】
ホルダ４２に接続固定された超音波振動子３は、図２及び図３に示すように円板状の圧電素子４と、その一方の面と他方の面とにそれぞれ設けた電極（図３の表示に沿って明確化するため、上部電極及び下部電極ともいう）４４ａ、４４ｂと、この圧電素子４における超音波放射方向（図２で符号Ｏで示す）の面（前面或いは上面や機能的に超音波送受面ともいう）に設けた円板状の音響整合層４５と、この音響整合層４５の上面に設けられ、放射される超音波を収束させるための（例えば光学的な平凹レンズ形状の）音響レンズ４６と、圧電素子４の超音波放射方向Ｏと反対側の背面に設けられ、超音波を減衰させるためのバッキング材４７とからなり、上部電極４４ａと下部電極４４ｂには同軸ケーブル２３のグランド線２３ｂと信号線２３ａとが接続される。
【００２４】
上記音響整合層４５の厚さは圧電素子４で発生する超音波の中心周波数の波長をλとした場合、その１／４、つまりλ／４に設定している。また、この音響整合層４５は、例えば圧電素子４と音響媒体３７との音響インピーダンスの間の値を持つ材質で形成されている。
【００２５】
また、図２及び図３に示すように（外装キャップ３６内部の）超音波振動子３はホルダ４２等も含めてパリレン等による表面保護コーティング膜４８でその表面が保護されている。
【００２６】
なお、外装キャップ３６における少なくとも超音波振動子３と対向する部分は、例えばポリエチレンの樹脂等のように超音波を透過する材質で形成され、超音波を送受する音響窓を形成している。
【００２７】
本実施の形態では、圧電素子４における超音波送受面の反対側の背面に設けられるバッキング材４７として、アクリルニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンターポリマ（ＥＰＤＭ）をベースにして少なくとも無機系の微粉末（金属粉末、ガラス粉末等）の充填剤を混合した合成ゴムにより形成したことが特徴となっている。
【００２８】
このバッキング材４７では、充填剤の量を可変することにより硬度、音響インピーダンス、音波吸収係数を従来のフェライト入りバッキング材（硬度（ＪＩＳ−ＡＨＳ）９４、５ＭＨｚにおける超音波吸収係数１５［ｄＢ／ｍｍ］、音響インピーダンス５．７×１０^６［ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）］）と同等にすることができた。
【００２９】
この場合、アクリルニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンターポリマ（ＥＰＤＭ）をベースにして少なくとも無機系の微粉末（金属粉末、ガラス粉末等）の充填剤を混合した混合物からなり、硬度がＪＩＳＫ６２５３に準拠したＡスケールで８０〜１００度（ＪＩＳ−ＡＨＳ）、超音波吸収係数が例えば５ＭＨｚで１０［ｄＢ／ｍｍ］以上の合成ゴムをバッキング材４７としても従来例よりも機械的な強度を大きくでき、また耐水性を改善等でき、減衰の低い水溶液からなる音響媒体３７中で使用しても感度、周波数帯域等の超音波性能の経時的な劣化を少なくでき、安定した特性の超音波振動子３を実現できる。
【００３０】
前記バッキング材４７として吸水率が２．５％以下（ＪＩＳＫ６２５８及びＪＩＳＫ７２０９に準拠）で音響インピーダンス１×１０^６〜７×１０^６［ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）］の特性にした場合にも感度、周波数帯域等の超音波特性を劣化を低減できる。
充填剤の金属粉末としてはタングステン等を採用しても良い。最近の超音波診断のアプリケーションにオープンガントリーＭＲＩ（核磁気共鳴装置）下での術中超音波検査もあり、それらに供し得る超音波振動子も開発されている。こうした超音波振動子に実装されるバッキング材ではフェライト等、磁性体の粉末を充填すると、ＭＲＩ画像に診断の妨げとなるアーチファクトを生じる可能性が高い。この場合、ＭＲＩ画像に影響を与えないようにするため、超音波振動子３におけるバッキング材４７を構成する充填剤に非磁性かつ非導電性の金属酸化物（タングステン酸化物等）を用いても良い。
【００３１】
充填剤の金属粉末としてはタングステン等を採用しても良い。最近の超音波診断のアプリケーションにオープンガントリーＭＲＩ（核磁気共鳴装置）下での術中超音波検査もあり、それらに供し得る超音波振動子も開発されている。こうした超音波振動子に実装されるバッキング材ではフェライト等、磁性体の粉末を充填すると、ＭＲＩ画像に診断の妨げとなるアーチファクトを生じる可能性が高い。この場合、ＭＲＩ画像に影響を与えないようにするため、超音波振動子３におけるバッキング材４７を構成する充填剤に非磁性かつ非導電性の金属酸化物（タングステン酸化物等）を用いても良い。
【００３２】
次に本実施の形態の作用を説明する。
【００３３】
図１の超音波内視鏡２を生体内に挿入し、先端部３５に設けた観察手段による光学的な検査の他に、音響的な検査を行うことが必要な場合には、検査しようとする部位表面に外装キャップ３６を接触させる。
【００３４】
送受信部２７からパルス状の送信信号が超音波振動子３の圧電素子４に印加され、この圧電素子４により超音波が励振されて音響レンズ４６で集束されて、送信される。
【００３５】
この超音波は音響媒体３７を伝搬し、さらに圧電素子４に対向する（外装キャップ３６における）音響窓部分を透過してこの音響窓部分に接触する生体側に出射される。
【００３６】
この場合、生体の音響インピーダンスは１．５×１０^６［ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）］程度であり、この音響窓部分の音響インピーダンスも生体の値に近いので、その外面と生体との接触面での超音波の反射波を小さくできる。
【００３７】
生体側に送信された超音波は生体側における音響インピーダンスが変化する部分で反射される。
【００３８】
その反射超音波は送信とは逆の経路をたどり、圧電素子４で受信されて電気信号、つまりエコー信号に変換され、送受信部２７で検波及び増幅された後、Ａ／Ｄ変換されてフレームメモリ３０に各音線データ（超音波データ）が順次格納される。
【００３９】
音線データはＤＳＣ３１で直交座標系の音線データに変換され、Ｄ／Ａ変換器３２でアナログの映像信号に変換され、図示しない同期信号と共に、モニタ５に出力され、モニタ５の表示面に超音波断層像が表示される。
【００４０】
本実施の形態では超音波内視鏡２の先端部の外装キャップ３６内部にその周囲が水等の音響媒体３７が充満された状態で超音波振動子３が収納され、この超音波振動子３における超音波を発生する圧電素子４の超音波送受面と反対側の背面には、超音波を減衰させるバッキング材４７として、耐水性が良好で、かつ音波吸収係数が高い材質で形成しているので、経時的な変化が少ない、つまり従来例に比べて超音波特性の経時的劣化を低減できる。
【００４１】
次にＪＩＳ７２０９に準拠した吸水率試験（４８時間、例えば５５°Ｃの蒸留水に浸漬後の質量変化率）を本実施の形態のバッキング材４７及び比較のため従来のフェライト入りバッキング材で実施した結果を以下の表に示す。
【００４２】
【表】

表に示したように本実施の形態の主要部となるバッキング材４７を用いた超音波振動子３は従来のフェライト入りバッキングを用いた超音波振動子に比べ大幅に耐水性が改善され、超音波特性の経時的劣化が少なくなった。
【００４３】
また音響インピーダンスは充填剤を減らすことで１×１０^６［ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）］まで小さくすることができた。
【００４４】
上記音響インピーダンスの小さなバッキング材４７と音響整合層とを最適化することで、高感度の超音波振動子にすることができる。
【００４５】
なお、本発明は音響媒体として、超音波に対する減衰が少ない水溶液の場合に限らず、超音波に対する減衰が少ない油の場合にも適用できる。
【００４６】
［付記］
１．細長のチューブの先端部における減衰の少ない音響媒体中に超音波振動子を浸漬し、該超音波振動子を構成し、超音波を発生する圧電素子における超音波送受面と反対側の背面に超音波を減衰させるバッキング材を設けた超音波探触子において、
前記バッキング材として、アクリルニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンターポリマ（ＥＰＤＭ）、及び少なくとも無機微粉末を含有する混合物から成り、硬度がＪＩＳＫ６２５３に準拠したＡスケールで８０〜１００度（ＪＩＳ−ＡＨＳ）、超音波吸収係数が５ＭＨｚの周波数で１０ｄＢ／ｍｍ以上の合成ゴムで形成したことを特徴とする超音波探触子。
【００４７】
２．付記１において、前記バッキング材は吸水率２．５％以下（ＪＩＳＫ６２５８及びＪＩＳＫ７２０９に準拠）で音響インピーダンスが１×１０^６〜７×１０^６［ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）］の特性を有する。
【００４８】
３．付記１において、前記超音波振動子はメカニカルに回転駆動される。
【００４９】
１．付記１において、前記超音波振動子はコーティング膜で覆われ、前記音響媒体から保護されている。
【００５０】
５．付記１において、前記減衰の少ない音響媒体は、水溶液または超音波減衰の少ない油である。
【００５１】
６．請求項２において、前記体腔内用超音波振動子は、体腔内に挿入可能な細長の挿入部の先端部に形成されている。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば圧電素子の背面側にアクリルニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンターポリマ（ＥＰＤＭ）及び少なくとも無機微粉末を含有する混合物から成り、硬度８０〜１００度（ＪＩＳ−ＡＨＳ）、超音波吸収係数が５ＭＨｚの周波数で１０［ｄＢ／ｍｍ］以上の合成ゴムをバッキング材として用いることで超音波振動子が音響媒体（水）内で用いられても耐水性が改善される為、超音波特性（感度、周波数帯域等）の経時的劣化が少なく、安定した性能を持った超音波振動子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態を備えた超音波診断装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】超音波内視鏡の先端に設けた１実施の形態の超音波振動子の構造を示す斜視図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【符号の説明】
１…超音波診断装置
２…超音波内視鏡
３…超音波振動子
４…圧電素子
５…モニタ
６…超音波観測装置
１１…挿入部
１２…操作部
１３…ケーブル部
１４…コネクタ
２１…フレキシブルシャフト
２２…モータ
２３…同軸ケーブル
２７…送受信部
２９…システムコントローラ
３１…ＤＳＣ
３５…先端部
３６…外装キャップ
３７…音響媒体
４２…ホルダ
４４ａ、４４ｂ…電極
４５…音響整合層
４６…音響レンズ
４７…バッキング材
４８…コーティング膜

Claims

超音波を送受信する圧電素子の背面側にアクリルニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンターポリマ（ＥＰＤＭ）、及び少なくとも無機微粉末を含有する混合物から成り、
硬度がＪＩＳＫ６２５３に準拠したＡスケールで８０〜１００度（ＪＩＳ−ＡＨＳ）、
周波数に依存する単位距離あたりの音エネルギーの減衰量が５ＭＨｚの周波数において１０［ｄＢ／ｍｍ］以上、
吸水率が２．５％以下（ＪＩＳＫ６２５３及びＪＩＳＫ７２０９に準拠）、
音響インピーダンスが１×１０ ^６〜７×１０ ^６［ｋｇ／（ｍ ^２・ｓ）］、
の特性を有する合成ゴムをバッキング材として設けたことを特徴とする体腔内用超音波振動子。