專利名稱：陣列式超聲波探針和超聲波診斷裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及向被檢體等收發(fā)超聲波信號的陣列式超聲波探針和具有該陣列式超聲波探針的超聲波診斷裝置。
背景技術：
醫(yī)療用的超聲波診斷裝置和超聲波圖像檢查裝置是向?qū)ο笪锇l(fā)出超聲波信號后接收來自于該對象物內(nèi)的反射信號(反射波信號)并將對象物內(nèi)部圖像化的裝置。該醫(yī)療用的超聲波診斷裝置和超聲波圖像檢查裝置主要使用具有超聲波信號收發(fā)功能的電子操作式的陣列式超聲波探針。
陣列式超聲波探針的結(jié)構(gòu)具備襯墊、粘接在該襯墊上并空出規(guī)定間隔而排列成陣列狀的多個通道、和粘接在該通道上的聲透鏡。上述的多個通道分別形成于上述襯墊上，具有在含有例如鋯鈦酸鉛(PZT)系壓電陶瓷材料或松弛劑系單晶材料的壓電體的兩面上粘貼有電極的結(jié)構(gòu)的壓電元件、和形成在該壓電元件上的聲匹配層。需要說明的是，上述襯墊上有時也對應著上述各通道的間隔形成槽。
這種陣列式超聲波探針在診斷時通過使上述聲透鏡側(cè)接觸于被檢體，并驅(qū)動各通道的壓電元件，從而從壓電元件前方將超聲波信號送至被檢體內(nèi)、即人體內(nèi)。該超聲波信號通過壓電元件的驅(qū)動定時所產(chǎn)生的電子聚焦和聲透鏡所產(chǎn)生的焦點而集中在被檢體內(nèi)的所需位置。此時，可以通過控制壓電元件的驅(qū)動定時將超聲波信號送至被檢體內(nèi)的所需范圍，通過接收處理來自于被檢體的反射波信號，可以得到上述所需范圍的超聲波圖像(斷層像)。對于上述超聲波探針的壓電元件的驅(qū)動而言，超聲波信號也釋放到該壓電元件的背面?zhèn)?。因此，在各通道的壓電元件的背面配置襯墊，利用該襯墊吸收(衰減)背面?zhèn)鹊某暡ㄐ盘?，從而避免正?guī)的超聲波信號與來自于背面?zhèn)鹊某暡ㄐ盘?反射信號)一同被發(fā)送到被檢體內(nèi)的不良影響。
一直以來，已知上述聲匹配層具有1層結(jié)構(gòu)、2層結(jié)構(gòu)或大于等于3層的多層傾斜結(jié)構(gòu)。特別是，最近為了寬帶域化，優(yōu)選使用大于等于3層的聲匹配層(參照非專利文獻1)。
另一方面，在專利文獻1中公開了超聲波探針的常規(guī)制造方法。即，將在含有PZT之類壓電材料的壓電體的兩面上形成有電極的壓電元件粘貼在作為襯墊的橡膠板上，進而，在上述壓電元件上粘接聲匹配層并制成層疊體。在該粘接工序中，有時實施80～150℃的加熱處理以使粘接劑層固化。因此，上述聲匹配層具有耐熱性是重要的。接著，利用切割器(dicer)從聲匹配層側(cè)將上述層疊體進行陣列截斷，截斷成寬度為50～300μm左右，從而形成多個通道。通過將聲匹配層進行陣列截斷來防止各通道間的相互干擾。因此，對于聲匹配層的陣列截斷而言，重要的是具有高的切割(dicing)加工性。之后，在上述各通道間的切割槽中填充例如低聲阻抗、高衰減性的硅橡膠之類比較柔軟的樹脂來保持機械強度。然后，在多個通道的聲匹配層上粘接聲透鏡，由此制造超聲波探針。
上述聲透鏡由在硅橡膠中填充有無機填充物的混合材料構(gòu)成，使用聲阻抗在室溫25℃下為1.3～1.7MRayls的材料。這些聲透鏡的熱膨脹系數(shù)在室溫～40℃的范圍內(nèi)約為200ppm/℃。聲匹配層和聲透鏡的粘接使用硅橡膠系的粘接劑或改性硅橡膠系的粘接劑。
在這種陣列式超聲波探針的驅(qū)動時，從多個通道的壓電元件放射的超聲波能量被聲匹配層和聲透鏡吸收而衰減。此時，由于超聲波能量的一部分變換為熱，因此在例如循環(huán)器用超聲波探針中，有時其聲匹配層的溫度達到大于等于60℃。而且，超聲波探針在使用中也有相當?shù)膲毫νㄟ^聲透鏡并經(jīng)常地施加在聲匹配層上。由于這些熱影響所導致的聲透鏡和聲匹配層之間的熱膨脹之差和機械壓力的原因，聲透鏡和最上層的聲匹配層之間、最上層的聲匹配層和其下的聲匹配層之間有時發(fā)生剝離。結(jié)果，在超聲波探針內(nèi)產(chǎn)生靈敏度的偏差，從而降低可靠性。在極端的情況下，超聲波探針的功能會停止。這些現(xiàn)象特別是在使用環(huán)氧樹脂作為最上部的聲匹配層材料時還會導致與作為聲透鏡的硅橡膠的熱膨脹系數(shù)之差達到大于等于150ppm/℃，因此成為嚴重的問題。
另外，上述專利文獻1中具體地例示了超聲波探針中使用的聲匹配層的特性等。例如，在多個聲匹配層中，與聲透鏡連接的最上層的聲匹配層的聲阻抗使用接近于人體聲阻抗(1.4～1.6MRayls)的材料。
上述聲匹配層以往使用以聚氨酯橡膠、聚乙烯、硅橡膠、環(huán)氧樹脂為基礎的材料。具體地說，專利文獻2中公開了作為用于降低從超聲波探頭內(nèi)部的放熱體傳遞至體表的熱量的解決方法，設于壓電元件和生物體表面之間的聲匹配層中的至少一個使用低熱傳導性良好的低熱傳導性聲匹配層。記載了該低熱傳導性聲匹配層是在含有環(huán)氧樹脂等的基材中添加并分散含有硅氧烷樹脂之類的熱傳導性低的材料的低熱傳導性微粒而形成。另外，在非專利文獻2、3中公開了在聚氨酯樹脂中填充有聚乙烯纖維或碳纖維的結(jié)構(gòu)的聲匹配層。但是，這些材料并非全部滿足作為聲匹配層所要求的低衰減率、切割加工性、耐熱性、與上下層的粘接性、與聲透鏡的熱膨脹系數(shù)的一致等特性優(yōu)異、且適當?shù)穆曌杩埂?br> 在專利文獻3中公開了高硬度的超聲波探針用聲透鏡材料。該專利文獻3的表II中公開了甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅氧基硅烷(TRIS)的聲速為1650m/s左右。但是，對于該聲透鏡材料能夠適用于聲匹配層并沒有記載和教示。另外，即便使用專利文獻3所記載的甲基丙烯酸甲酯(實施例I)、四丁基苯乙烯(實施例II)的材料，作為聲匹配層所需要的聲速、衰減性、聲阻抗等聲特性也不優(yōu)異，而且作為聲匹配層的加工性、耐熱性、與上下層的粘接性、與聲透鏡的熱膨脹系數(shù)的一致等也不優(yōu)異。
另外，在專利文獻4和5中公開了含有發(fā)光二極管(LED)中使用的高硬度硅氧烷樹脂的材料。但是，并未公開這些LED用硅氧烷材料的聲速、衰減率、聲阻抗等聲特性的信息，也未提到在超聲波探針中的應用等。
專利文獻1日本特開2005-198261號公報專利文獻2日本特開平10-75953號公報專利文獻3美國專利第5,505,205號說明書專利文獻4日本特開2004-339482號公報專利文獻5日本特開2005-272697號公報非專利文獻1T.Inoue et al.，IEEE.UFFC，Vol.34 No.1，1987，pp.8-15非專利文獻2Toshio Kondo and Hiroyuki Fujimoto，Proceedings2003 IEEE Ultrasonic Symposium p.1318-1321.
非專利文獻3Toshio Kondo，Mitsuyoshi Kitatuji and Mikio Izumi，Proceedings，2004 IEEE Ultrasonic Symposium p.1659-1662.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供在大于等于3層的聲匹配層中具備低衰減率、切割加工性、耐熱性、與上下層的粘接性、與聲透鏡的熱膨脹系數(shù)一致性優(yōu)異、且具有適當聲阻抗的最上層的聲匹配層的陣列式超聲波探針。
本發(fā)明的目的在于提供具備上述陣列式超聲波探針的超聲波診斷裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種陣列式超聲波探針，其特征在于，其具備空出間隔而排列、且分別具有壓電元件和形成于該壓電元件上的大于等于3層的聲匹配層的多個通道；設置有上述各通道的各個壓電元件、且在對應于上述通道的間隔的位置上形成有槽的襯墊；以及按照至少覆蓋上述各通道的最上層的聲匹配層的表面的方式形成的聲透鏡；其中，上述最上層的聲匹配層包含含有硅氧烷樹脂的混合物，并具有在25℃下的肖氏硬度D大于等于40、聲阻抗為1.8～2.5MRayls的特性。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種超聲波診斷裝置，其特征在于，其具備上述構(gòu)成的陣列式超聲波探針、和通過電纜與上述超聲波探針連接的超聲波探針控制器。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供在大于等于3層的聲匹配層中具備低衰減率、切割加工性、耐熱性、與上下層的粘接性、熱膨脹系數(shù)一致性優(yōu)異、且具有適當聲阻抗的最上層的聲匹配層，而且交叉耦合小的高性能、高可靠性的陣列式超聲波探針。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供插入有相互干擾小、高性能、高可靠性的陣列式超聲波探針、且實現(xiàn)了斷層像的圖像質(zhì)量提高和靈敏度提高的超聲波診斷裝置。


圖1為本發(fā)明的實施方式的陣列式超聲波探針的要部立體圖。
圖2為圖1的超聲波探針的要部剖面圖。
圖3為組裝在本發(fā)明的實施方式的陣列式超聲波探針中的第3聲匹配層的剖面的示意圖。
圖4為組裝在本發(fā)明的實施方式的陣列式超聲波探針中的其它的第3聲匹配層的剖面的示意圖。
圖5為表示本發(fā)明的實施方式的超聲波診斷裝置的概略圖。
圖6為通過實施例1獲得的含有硅氧烷樹脂的混合物的固化物(第3聲匹配層用材料)的TG/DTA曲線。
圖7為通過實施例1獲得的含有硅氧烷樹脂的混合物的固化物(第3聲匹配層用材料)的FTIR光譜。
圖8為常用硅氧烷樹脂固化物的TG/DTA曲線。
圖9為常用硅氧烷樹脂固化物的FTIR光譜。
圖10為表示實施例1和比較例1～5的第3聲匹配層用材料的聲阻抗和肖氏硬度D的關系的圖。
圖11為表示實施例1和比較例1～5的第3聲匹配層用材料的聲阻抗和衰減率的關系的圖。
符號說明1陣列式超聲波探針、2襯墊、3通道、4間隔、6壓電元件、71第1聲匹配層、72第2聲匹配層、73第3聲匹配層(最上層的聲匹配層)、10聲透鏡、11硅氧烷樹脂基質(zhì)、12有機填充粒子、13氧化硅粒子、14無機纖維、21電纜、22超聲波診斷裝置主體、23顯示器。
具體實施例方式
以下，參照附圖詳細地說明本發(fā)明的實施方式的陣列式超聲波探針和超聲波診斷裝置。
圖1為實施方式的陣列式超聲波探針的要部立體圖、圖2為圖1的陣列式超聲波探針的部分剖面圖。
陣列式超聲波探針1具備襯墊2。多個通道3在上述襯墊2上空出所需間隔4而排列。在上述襯墊2上，對應著上述多個通道3間的間隔4分別形成有槽5。需要說明的是，在上述各通道3間的間隔4中可以填充例如低聲阻抗、高衰減性的硅橡膠之類比較柔軟的樹脂來保持機械強度。該樹脂不僅可以填充到上述間隔3中，還可以填充到其下的襯墊2的槽5中。
上述各通道3具有壓電元件6、和形成在該壓電元件6上的大于等于3層的例如3層的聲匹配層、即第1～第3聲匹配層71～73。上述壓電元件6如圖2所示，具有含有例如鋯鈦酸鉛(PZT)系壓電陶瓷材料或松弛劑系單晶材料的壓電體8、和形成在該壓電體8的兩面上的第1、第2電極91、92。上述壓電元件6的第1電極91例如通過環(huán)氧樹脂系粘接劑層(未圖示)粘接、固定在上述襯墊2上。上述第1聲匹配層71例如通過環(huán)氧樹脂系粘接劑層(未圖示)粘接、固定在上述壓電元件6的第2電極92上。上述第2聲匹配層72例如通過環(huán)氧樹脂系粘接劑層(未圖示)粘接、固定在上述第1聲匹配層71上。上述第3聲匹配層(最上層的聲匹配層)73例如通過環(huán)氧樹脂系粘接劑層(未圖示)粘接、固定在上述第2聲匹配層72上。
聲透鏡10按照覆蓋從上述通道3的最上層的第3聲匹配層73表面至第3、第2、第1聲匹配層73、72、71的側(cè)面、位于壓電元件6側(cè)面和壓電元件6附近的襯墊2的側(cè)面部分的方式而形成。上述聲透鏡10通過橡膠系粘接劑層(未圖示)粘接、固定在上述第3聲匹配層73表面上。該橡膠系粘接劑優(yōu)選為在25℃下具有1.3～1.8MRayls的聲阻抗的改性硅氧烷系粘接劑。
將上述襯墊2、多個通道3和聲透鏡10裝在未圖示的外殼(殼體)內(nèi)。在該外殼內(nèi)裝有含有用于控制上述各通道3的壓電元件6的驅(qū)動定時的控制電路和用于放大壓電元件6所接收到的接收信號的放大電路的信號處理電路(未圖示)。在上述壓電元件6的第1、第2電極91、92上連接有延伸出來的信號線和地線(未圖示)，從與聲透鏡10相反側(cè)的外殼延伸到外部，連接于未圖示的控制電路上。需要說明的是，可以分別將信號線連接在上述壓電元件6的第2電極92上，將地線連接在第2聲匹配層72和第3聲匹配層73之間。
對于這種構(gòu)成的陣列式超聲波探針而言，在各通道3的壓電元件6的第1、第2電極91、92間施加電壓，使壓電體8共振，從而通過各通道3的聲匹配層(第1～第3的聲匹配層71、72、73)和聲透鏡10放射超聲波(發(fā)送)。接收時，利用通過聲透鏡10和各通道3的聲匹配層(第1～第3的聲匹配層71、72、73)接收的超聲波，使各通道3的壓電元件6的壓電體8振動，將該振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而獲得圖像。
上述第3聲匹配層(最上層的聲匹配層)73包含含有硅氧烷樹脂的混合物，并具有在25℃下的肖氏硬度D大于等于40、聲阻抗在25℃下為1.8～2.5MRayls的特性。在此，肖氏硬度D例如根據(jù)JIS K 6253使用Durometer D型求出。該第3聲匹配層(最上層的聲匹配層)73更優(yōu)選在25℃下、5MHz下測定的衰減率小于等于5dB/cmMHz、衰減率和聲速之積即衰減性能指數(shù)小于等于900m/s·dB/mm/MHz。
上述含硅氧烷樹脂的混合物例如含有聚有機硅氧烷和含有用環(huán)氧基進行了末端處理的硅氧烷改性有機樹脂化合物的硅氧烷系混合物的雙組分混合物。
在此，作為上述聚有機硅氧烷，例如可以列舉出在聚有機硅氧烷中含有甲基、乙烯基的材料。另外，上述硅氧烷改性有機樹脂化合物例如為硅氧烷樹脂和有機樹脂的嵌段共聚物，可以通過改性用硅氧烷中間體和具有官能團的有機樹脂的反應獲得。根據(jù)有機樹脂的種類，可以獲得各種硅氧烷改性樹脂，作為代表性材料，可以列舉出醇酸硅氧烷、環(huán)氧硅氧烷。
作為上述含有硅氧烷樹脂的混合物，例如可以使用信越化學工業(yè)株式會社市售的LED用含有硅氧烷樹脂的混合物即SCR1004、SCR1011、SCR1012。作為上述特性的含有硅氧烷樹脂的混合物，還可以使用DowCorning公司市售的DE6665。在這些含有硅氧烷樹脂的混合物中，特別是SCR1011的衰減率低，因此優(yōu)選。
另外，作為上述含有硅氧烷樹脂的混合物，也可以使用例如含有聚有機硅氧烷和包含烷基硅氧烷化合物的硅氧烷系混合物的雙組分混合物。在此，作為烷基硅氧烷化合物，可以列舉出例如Toray Dow Corning公司的SR2107等。
對于上述含有硅氧烷樹脂的混合物，更優(yōu)選在通過傅立葉變換紅外分光光度計的測定所得的光譜中具有苯核的C-H伸縮振動和苯核的C-H面外彎曲振動。
上述第3聲匹配層(最上層的聲匹配層)73可以由上述特性的含有硅氧烷樹脂的混合物單獨地制成，還可以為了提高粘接性、加工性、耐熱性，由在含有硅氧烷樹脂的混合物中添加了填充材料的物質(zhì)制成。
含有在這種含有硅氧烷樹脂的混合物中添加了填充材料的復合材料的最上層的聲匹配層73例如具有圖3、圖4所示的結(jié)構(gòu)。
圖3所示的聲匹配層73具有在含有硅氧烷樹脂的混合物的基質(zhì)11中例如分散有小于等于30體積％的有機物填充粒子12的結(jié)構(gòu)。在含有硅氧烷樹脂的混合物中分散有有機填充粒子的最上層的聲匹配層顯示縱波聲速在25℃下為1750～2200m/s的特性。
作為上述有機填充粒子，例如含有選自硅橡膠粒子、含氟樹脂粒子、聚氨酯橡膠粒子中的至少1種，可以單獨或混合物的形態(tài)使用。上述有機填充粒子具有調(diào)整聲速的效果。該有機填充粒子例如呈球狀。球狀的有機填充粒子優(yōu)選例如平均粒徑為1～10μm。
如果上述有機填充粒子的體積分率超過30體積％，則有衰減率增大的傾向，而且有強度降低、加工性降低的擔憂。更優(yōu)選有機物填充粒子相對于硅氧烷樹脂基質(zhì)的分散量小于等于10體積％。
圖4所示的聲匹配層73具有在含有硅氧烷樹脂的混合物的基質(zhì)11中分散有小于等于10體積％的密度小于等于6g/cm3的無機填充材料(例如球狀的氧化硅粒子13和無機纖維14)的結(jié)構(gòu)。這種聲匹配層能夠容易地控制在25℃、5MHz下測定的衰減率小于等于5dB/cm/MHz、衰減率和聲速之積(衰減性能指數(shù))小于等于900(單位m/s·dB/mm/MHz)的特性。另外，添加有無機填充材料的聲匹配層與未添加的聲匹配層相比，能夠有效地改善加工強度、粘接性、耐熱性。
上述無機填充材料例如具有粉末狀或纖維狀的形態(tài)。這些形態(tài)的無機填充材料可以單獨或者混合物的形式含有在上述含有硅氧烷樹脂的混合物中。
作為上述粉末狀無機填充材料，例如可以列舉出氧化鋅粉末、氧化鋯粉末、氧化鋁粉末、AEROSIL二氧化硅之類的二氧化硅粉末、氧化鈦粉末、碳化硅粉末、氮化鋁粉末、碳粉末或氮化硼粉末等。粉末狀無機填充材料可以單獨或混合物的形態(tài)使用。粉末狀填充材料優(yōu)選具有具有小于等于0.5μm、更優(yōu)選具有小于等于0.1μm的平均粒徑。在含有硅氧烷樹脂的混合物中進一步分散有這種微細的粉末狀無機填充材料的最上層的聲匹配層73能夠在保持很低的衰減率的情況下獲得優(yōu)異的加工性。
作為上述纖維狀無機填充材料，例如可以列舉出碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋅纖維、氧化鋁纖維或玻璃纖維等。纖維狀無機填充材料可以單獨或混合物的形態(tài)使用。
上述纖維狀無機填充材料特別優(yōu)選玻璃纖維。作為玻璃纖維，例如可以使用石英玻璃纖維、鈉玻璃纖維等。另外，還可以使用導電性的碳纖維。作為碳纖維，例如可以使用瀝青系碳纖維、PAN系碳纖維之類的各種等級的碳纖維。碳纖維還可以使用碳納米管。需要說明的是，纖維狀無機填充材料不限于由1種材料制成，還可以例如在碳纖維的表面上覆蓋樹脂。
上述纖維狀無機填充材料優(yōu)選直徑小于等于10μm、長度大于等于直徑的5倍。含有這種尺寸的纖維狀無機填充材料的聲匹配層以很少的混合量即可使得5MHz下測定的衰減率容易地達到小于等于5dB/cm/MHz，能夠在不被聲匹配層劣化的情況下收發(fā)超聲波信號。另外，上述聲匹配層在切割處理時被賦予所必需的充分強度。而且，上述聲匹配層能夠進一步提高耐熱性和切割處理時的加工性。特別是，通過使用直徑小于等于5μm的纖維狀無機填充材料，可以實現(xiàn)其衰減率進一步降低的聲匹配層。通過使用長度大于等于直徑20倍的纖維狀無機填充材料，可以實現(xiàn)耐熱性和加工性進一步提高的聲匹配層。
上述無機填充材料相對于含有硅氧烷樹脂的混合物的基質(zhì)的分散量如果超過10體積％，則超聲波的衰減率急劇變大，結(jié)果聲阻抗的值有可能超過2.5MRayls，無法得到低聲阻抗的聲匹配層。更優(yōu)選無機填充材料相對于含有硅氧烷樹脂的混合物的基質(zhì)的分散量為2～5體積％。
需要說明的是，上述無機填充材料還可以與上述有機填充粒子一起添加到含有硅氧烷樹脂的混合物中。
當上述聲匹配層具有3層層疊結(jié)構(gòu)時，優(yōu)選的是，上述最上層的聲匹配層73以外的聲匹配層、即與上述壓電元件6連接的下層聲匹配層(第1聲匹配層71)的聲阻抗在25℃下為10～15MRayls、中間的聲匹配層(第2聲匹配層72)的聲阻抗在25℃下為2.7～8MRayls。對于這種具有3層層疊結(jié)構(gòu)的聲匹配層而言，這些聲匹配層的厚度隨聲速而改變。最上層的聲匹配層73的厚度以λ/4(λ為超聲波的波長)為標準，其厚度優(yōu)選為30～200μm。
下面，說明這種聲匹配層的制作方法。
首先，以規(guī)定比例稱量例如液狀的雙組分硅氧烷樹脂，充分地混合。接著，將該混合物放入聚乙烯制的容器中進行脫泡，在由室溫～85℃為2小時、125℃下固化2小時，由此制作聲匹配層。
需要說明的是，在制作上述聲匹配層時，還可以混合選自上述有機填充粒子和無機填充材料中的至少一種的填充材料。在該填充材料中，纖維狀無機填充材料優(yōu)選在固化上述混合物之前使其例如真空浸漬。上述混合物的粘性高時，還可以使用正己烷或甲苯等有機溶劑降低粘性。
下面，說明實施方式的超聲波探針的制作方法。
首先，按順序在襯墊上層疊上述壓電元件、第1聲匹配層、第2聲匹配層、第3聲匹配層，例如在這些部件之間分別存在低粘性的環(huán)氧樹脂系粘接劑。接著，在例如120℃下加熱上述層疊物1小時左右，使上述各環(huán)氧樹脂系粘接劑固化，從而分別粘接、固定襯墊和壓電元件、壓電元件和第1聲匹配層、第1聲匹配層和第2聲匹配層、第2聲匹配層和第3聲匹配層。
接著，使用例如切割刀以例如50～200μm的寬度(間距)從上述第3聲匹配層向襯墊進行切割處理，以陣列狀分割為多個，從而形成具有壓電元件、第1、第2和第3聲匹配層的多個通道。此時，在上述襯墊表層上對應著上述多個通道的間隔形成槽。然后，根據(jù)需要在各通道間的間隔中填充例如低聲阻抗、高衰減性的硅橡膠之類比較柔軟的樹脂，保持各通道的機械強度。之后，用硅橡膠系粘接層將聲透鏡粘接固定在各通道的第3聲匹配層上，將襯墊、多個通道和聲透鏡裝在外殼內(nèi)，制造超聲波探針。
參照圖5說明具有實施方式的超聲波探針的超聲波診斷裝置。
向?qū)ο笪锇l(fā)送超聲波信號后接收來自于其對象物的反射信號(反射波信號)并將對象物圖像化的醫(yī)療用超聲波診斷裝置(或者超聲波圖像檢查裝置)具備帶有超聲波信號收發(fā)功能的陣列式超聲波探針。該超聲波探針具有上述圖1～圖2所示的結(jié)構(gòu)。該超聲波探針1通過電纜21連接在超聲波診斷裝置主體22上。在超聲波診斷裝置主體22內(nèi)設置有進行超聲波探針的超聲波信號的發(fā)送、接收處理等的未圖示的超聲波探針控制器以及顯示器23等。
以上說明的實施方式的陣列式超聲波探針具有下述特性具備空出規(guī)定間隔而排列、且分別具有壓電元件和形成在該壓電元件上的大于等于3層的聲匹配層的多個通道；設置有這些通道的各個壓電元件、且在對應于上述通道的間隔的位置上形成有槽的襯墊；按照至少覆蓋上述各通道的最上層的聲匹配層的表面的方式形成的聲透鏡；其中，上述最上層的聲匹配層包含含有硅氧烷樹脂的混合物，在25℃下肖氏硬度D大于等于40、聲阻抗為1.8～2.5MRayls，由此其具有以下效果。
(1)上述最上層的聲匹配層為低衰減率且具有適當?shù)穆曌杩梗虼四軌蛱峁┛梢杂行У厥瞻l(fā)超聲波能量的高性能陣列式超聲波探針。
(2)上述最上層的聲匹配層由于切割加工性優(yōu)異，因此通過利用例如金剛石刀的切割處理能夠精密地形成具有目標寬度的通道。其結(jié)果，能夠降低通道間的相互干擾，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高析像度的陣列式超聲波探針。
(3)上述最上層的聲匹配層的耐熱性優(yōu)異，且相對于介于上下層(聲透鏡和下層的聲匹配層)之間的硅氧烷系粘接劑層、環(huán)氧系粘接劑層具有很高的粘接性，因此即便施加伴隨著超聲波能量的吸收、衰減的聲匹配層的加熱、機械壓力，也能夠防止聲透鏡和最上層的聲匹配層之間、最上層的聲匹配層和其下的聲匹配層之間的剝離。結(jié)果，能夠提供通道間的靈敏度均勻、具有較高的長期可靠性的陣列式超聲波探針。
特別是，在上述硅氧烷樹脂基質(zhì)中分散有小于等于10體積％的二氧化硅粉末之類密度小于等于6g/cm3的粉末狀無機填充材料形態(tài)的最上層的聲匹配層能夠進一步提高與環(huán)氧系粘接劑的粘接性和切割處理時的加工性。
另外，通過使用玻璃纖維之類的纖維狀無機填充材料，可以抑制衰減率的增加，同時能夠進一步提高切割處理時的加工性和機械強度。
進而，與上述聲透鏡的熱膨脹系數(shù)差小于等于50ppm/℃的最上層的聲匹配層即便反復施加驅(qū)動時產(chǎn)生的熱量，也難以發(fā)生剝離，能夠獲得可靠性高的超聲波探針。
實施方式的超聲波診斷裝置由于具備相互干擾小、高性能、高可靠性的陣列式超聲波探針，因此能夠?qū)崿F(xiàn)斷層像的圖像質(zhì)量提高和靈敏度提高。
以下，更加詳細地說明本發(fā)明的實施例。
(實施例1)以100∶100的重量比準確地稱量作為雙組分硅氧烷樹脂的信越化學工業(yè)公司生產(chǎn)的SCR1011樹脂A和SCR1011樹脂B。將該硅氧烷樹脂系混合物放入聚乙烯的容器中，利用旋轉(zhuǎn)式的混合器攪拌3分鐘，均勻地混合。在真空容器中對該液狀樹脂進行脫泡10分鐘，放入具有特氟隆(注冊商標)的容器中。接著，在85℃下預固化1小時后，在125℃下進行2小時的主固化，制作包含含有硅氧烷樹脂的混合物的第3聲匹配層用材料。
對于通過實施例1獲得的含有硅氧烷樹脂混合物的固化物(第3聲匹配層用材料)，在下述條件下使用熱重量分析裝置/差示熱分析裝置(TG/DTA)測定TG/DTA曲線。另外，對于相同硅氧烷樹脂固化物，在下述條件下測定用傅立葉變換紅外分光光度計(FTIR)分析得到的FTIR光譜。TG/DTA曲線示于圖6中，F(xiàn)TIR光譜示于圖7中。
<TG/DTA的條件>
使用裝置SII Nano Technology公司生產(chǎn)的TG/DTA 320U加熱條件以20℃/min由室溫升溫至600℃氛圍氣體空氣的氣流(200mL/min)參照藍寶石9.6mg
試樣采集量10mg<FTIR的分析條件>
使用裝置Varian Technologies Japan公司生產(chǎn)的FTS-6000/UMA500檢測器MCT累計次數(shù)200次測定法全反射測定(ATR)法需要說明的是，為了比較，對于常用硅氧烷樹脂(MomentivePerformance Materials公司[舊名GE東芝硅公司]生產(chǎn)TSE3032)的固化物在相同條件下測定TG/DTA曲線和FTIR光譜。TG/DTA曲線示于圖8中，F(xiàn)TIR光譜示于圖9中。
由圖6、圖8可知，通過實施例1獲得的含有硅氧烷樹脂混合物的固化物與常用硅氧烷樹脂固化物相比，第2階段的分解起始溫度高，即便重量減少，與常用硅氧烷樹脂固化物相比也可見10％左右的差別。
另外，通過實施例1獲得的含有硅氧烷樹脂的混合物的固化物如圖7所示，出現(xiàn)了在常用硅氧烷樹脂固化物(圖9)中未出現(xiàn)的來自于苯核的吸收帶即苯核C-H伸縮振動(箭頭A所示)和苯核的C-H面外彎曲振動(箭頭B所示)。
(實施例2～9)如下述表1所示，作為雙組分的硅氧烷樹脂(硅氧烷樹脂系混合物)，使用信越化學工業(yè)公司生產(chǎn)的SCR1012、SCR1011、SCR1004，通過與實施例1相同的方法分別制作第3聲匹配層用材料。在這些材料中，分散有幾種規(guī)定的填充材料。作為填充材料，使用平均粒徑為3μm的硅橡膠粒子、平均粒徑為10μm的環(huán)氧樹脂粒子、平均粒徑為20nm的粉末狀氧化硅、平均粒徑為30nm的粉末狀氧化鋅、平均粒徑為50nm的粉末狀氧化鈦、平均粒徑為5μm且平均長度為100μm的纖維狀玻璃、平均粒徑為7μm且平均長度為100μm的纖維狀碳。
(實施例10、11、比較例1～6)如下述表2所示，作為雙組分的含有硅氧烷樹脂的混合物(硅氧烷樹脂系混合物)，使用信越化學工業(yè)公司生產(chǎn)的SCR1011、SCR1012、聚氨酯橡膠、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、高硬度硅氧烷樹脂(信越硅氧烷公司生產(chǎn)商品名KER2500)，作為基礎樹脂，使用(MomentivePerformance Materials公司[舊名GE東芝硅公司]生產(chǎn)商品名IVSM4500)，通過與實施例1相同的方法分別制作第3聲匹配層用材料。在這些材料中，分散有幾種規(guī)定的填充材料。作為填充材料，使用平均粒徑為3μm的硅橡膠粒子、平均粒徑為20nm的粉末狀氧化硅、平均粒徑為100nm的粉末狀氧化鋁、平均粒徑為5μm且平均長度為100μm的纖維狀氧化硅。
對于所得的實施例1～10和比較例1～6的第3聲匹配層用材料，通過以下的方法評價密度、聲速、聲阻抗(Z)、衰減率、加工性、耐熱性和粘接性。
1)密度密度是使用對上述第3聲匹配層用材料進行研磨加工而獲得的50mm直徑×3mm厚度的圓盤狀聲特性評價用樣品求得的。密度的測定是測定25℃的樣品在空氣中和水中的重量、利用阿基米德法來進行的。
2)聲速和衰減率使用對上述第3聲匹配層用材料進行研磨加工而獲得的50mm直徑×3mm厚度的圓盤狀聲特性評價用樣品，使用水中25℃下5MHz的測定用探針，測定聲速、衰減率。由超聲波探針向靜置在水中的不銹鋼板和靜置的樣品發(fā)送信號，測定其反射波。
由樣品的有無產(chǎn)生的反射波的時間差和樣品厚度求出聲速。聲速(C)的計算是以各溫度下的水的聲速為基準，利用水和樣品的透過波形的時間差、使用下式計算。
C＝Co/[L-Co(Δt/d)]
在此，Co表示水的聲速，L表示超聲波探針和樣品(被測定物)的距離，d表示試樣的厚度，Δt表示超過水和試樣的透過波形的最初峰后的零交叉點的時間差。
衰減率同樣地由水溫25℃下樣品的有無產(chǎn)生的反射波的強度差和樣品厚度利用規(guī)定方法求出。
3)聲阻抗(Z)Z以測定的密度和聲速之積的形式求得。
4)肖氏硬度根據(jù)JIS K 6253，使用Durometer D型在25℃下求得。
5)加工性在氯丁橡膠中添加有鐵氧體而得到的襯墊上介由環(huán)氧樹脂粘接劑按順序?qū)盈BPZT壓電元件和對上述第3聲匹配層用材料實施研磨加工所得的10mm×10mm、厚度為1.0mm的加工性評價用樣品，使用厚度為50μm的金剛石刀以100μm的間距、襯墊中的深度達到200μm的方式切入該層疊物，旋轉(zhuǎn)90度，再以100μm的間距、襯墊中的深度達到200μm的方式切入。利用顯微鏡觀察切入后的殘存部分(50μm×50μm見方)。在該觀察中，由加工性評價用樣品(第3聲匹配層)的歪斜、線性評價加工性。
加工性的判定設為以下4個階段·殘存的50μm見方的片完全沒有問題的情況A·殘存的50μm見方的片中可見小于等于2％的不良的情況B·殘存的50μm見方的片中可見小于等于10％的不良的情況C·殘存的50μm見方的片中可見超過10％的不良的情況D6)耐熱性對上述第3聲匹配層用材料實施研磨加工，獲得寬度為25mm、長度為100mm、厚度為1.6mm的樣品。根據(jù)JIS-C 64718.1的方法使用環(huán)氧粘接劑將該樣品粘貼在玻璃環(huán)氧基板(FR4)上，在60℃下使其固化24小時、再在125℃下固化1小時后，使用Tensilon型拉伸試驗機以30cm/分鐘的速度拉伸，測定拉伸斷裂強度。需要說明的是，試驗是以10張樣品為對象求其平均值。
耐熱性的判定設為以下5個階段·熱處理后的斷裂強度大于等于2.0N/mm2的情況A·熱處理后的斷裂強度大于等于1.5N/mm2的情況B·熱處理后的斷裂強度大于等于1.0N/mm2的情況C·熱處理后的斷裂強度大于等于0.5N/mm2的情況D·熱處理后的斷裂強度為小于0.5N/mm2的情況E7)粘接性對第3聲匹配層用材料實施研磨加工，獲得寬度為25mm、長度為100mm、厚度為1.6mm的樣品。根據(jù)JIS-C64718.1的方法使用硅橡膠系粘接劑Cemedine super X No.8008クリア(注冊商標)將該樣品粘貼在作為聲透鏡材料的密度為1.5g/cm3、厚度為5mm的硅橡膠板(內(nèi)面粘貼有厚度為5mm的鋁板)上，在60℃下使其固化72小時，之后裝到熱循環(huán)裝置中。進行100次-25℃和+85℃的熱循環(huán)，然后使用Tensilon型拉伸試驗機以30cm/分鐘的速度拉伸，求得剝離強度。需要說明的是，試驗是以10張樣品為對象求其平均值。
粘接性的判定設為以下5個階段·熱處理后的剝離強度大于等于1.0N/mm2的情況A·熱處理后的剝離強度大于等于0.75N/mm2的情況B·熱處理后的剝離強度大于等于0.5N/mm2的情況C·熱處理后的剝離強度大于等于0.3N/mm2的情況D·熱處理后的剝離強度小于0.3/mm2的情況E這些結(jié)果示于下述表3中。需要說明的是，下述表3中還一起記錄了各聲匹配層的肖氏硬度D。
另外，實施例1和比較例1～5的第3聲匹配層用材料的聲阻抗和肖氏硬度D的關系示于圖10中，各第3聲匹配層用材料的聲阻抗和衰減率的關系示于圖11中。
表1

表2

表3

由上述表1～表3和圖10、圖11可知，實施例1～10的第3聲匹配層即便Z為1.8～2.5MRayls的低Z，也是低衰減率，且具有優(yōu)異的加工性和粘接性。
與此相對，比膠例1～6的第3聲匹配層的衰減率大，或者加工性、粘接性的任一個差，不能全部滿足這些特性。
具有這種實施例1～10的第3聲匹配層的陣列式超聲波探針可以有效地收發(fā)超聲波能量，通道間的靈敏度均勻，且能夠降低通道間的相互干擾，具有高析像度、長期可靠性。
即，在聲阻抗(Z)為4MRayls的氯丁橡膠中添加有鐵氧體而得到的襯墊上通過介于各層之間的環(huán)氧樹脂系粘接劑按順序重疊厚度為400μm的壓電元件、厚度為420μm且Z為12MRayls的含有硼硅酸玻璃的第1聲匹配層、厚度為200μm且Z為5.0MRayls的在環(huán)氧樹脂中添加有20體積％的氧化鋅粉末的第2聲匹配層、和厚度為150μm且Z為2.29MRayls的與上述實施例3相同組成的第3聲匹配層，之后在120℃下一邊加壓一邊使其加熱固化1小時左右，從而將這些部件相互粘接。需要說明的是，上述壓電元件使用在含有PZT系壓電陶瓷的壓電體的兩面上形成有含有Ni的第1、第2電極的壓電元件。接著，通過寬度為50μm的金剛石刀按照寬度為200μm、在襯墊中的切入深度達到200μm的方式，由上述第3聲匹配層向襯墊進行切割處理。通過該切割將200μm×2列作為1個通道，共形成200個通道。然后，在各通道間的間隔中填充液狀硅橡膠，在125℃下使其固化1小時。在各通道上利用改性硅橡膠系粘接劑固定含有硅橡膠、Z為1.5MRayls的聲透鏡。最后，將襯墊、多個通道和聲透鏡裝入在外殼(殼體)內(nèi)，在該外殼內(nèi)裝入含有用于控制上述各通道的壓電元件的驅(qū)動定時的控制電路和用于放大壓電元件所接收的接收信號的放大電路的信號處理電路，由此組裝了3.5MHz的陣列式超聲波探針。
另外，在聲阻抗(Z)為4MRayls的氯丁橡膠中添加有鐵氧體而得到的襯墊上通過介于各層之間的環(huán)氧樹脂系粘接劑按順序重疊厚度為400μm的壓電元件、厚度為480μm且Z為19MRayls的含有單晶硅的第1聲匹配層、厚度為400μm且Z為10MRayls的含有硼化硅玻璃的第2聲匹配層、厚度為250μm且Z為4.0MRayls的含有玻璃環(huán)氧樹脂的第3聲匹配層，以及Z為2.11MRayls且與上述實施例8相同組成的第4聲匹配層，之后在120℃下一邊加壓一邊使其加熱固化1小時左右，從而將這些部件相互粘接。需要說明的是，上述壓電元件使用在含有PZT系壓電陶瓷的壓電體的兩面上形成有含有Ni的第1、第2電極的壓電元件。接著，通過寬度為50μm的金剛石刀按照寬度為200μm、在襯墊中的切入深度達到200μm的方式，由上述第4聲匹配層向襯墊進行切割處理。通過該切割，將200μm×2列作為1個通道，共形成200個通道。然后，在各通道間的間隔中填充液狀硅橡膠，在85℃下使其固化1小時。在各通道上利用改性硅橡膠系粘接劑固定含有硅橡膠、Z為1.5MRayls的聲透鏡。最后，將襯墊、多個通道和聲透鏡裝入在外殼(殼體)內(nèi)，在該外殼內(nèi)裝入含有用于控制上述各通道的壓電元件的驅(qū)動定時的控制電路和用于放大壓電元件所接收的接收信號的放大電路的信號處理電路，由此組裝了3.5MHz的陣列式超聲波探針。
將這些陣列式超聲波探針連接在圖像診斷裝置上評價其特性時，與現(xiàn)有品相比，能夠得到良好的圖像。
而且，將該陣列式超聲波探針裝入到-25℃和85℃的熱循環(huán)試驗機中，在100次循環(huán)試驗前后確認圖像，未見通道故障或圖像質(zhì)量降低的減少。
權利要求
1.一種陣列式超聲波探針，其特征在于，其具備空出間隔而排列、且分別具有壓電元件和形成在該壓電元件上的大于等于3層的聲匹配層的多個通道；設置有所述各通道的各個壓電元件、且在對應于所述通道的間隔的位置上形成有槽的襯墊；按照至少覆蓋所述各通道的最上層的聲匹配層的表面的方式形成的聲透鏡；其中，所述最上層的聲匹配層包含含有硅氧烷樹脂的混合物，且具有在25℃下肖氏硬度D大于等于40、聲阻抗為1.8～2.5MRayls的特性。
2.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述含有硅氧烷樹脂的混合物由聚有機硅氧烷和硅氧烷改性有機樹脂化合物的混合物構(gòu)成。
3.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述含有硅氧烷樹脂的混合物是聚有機硅氧烷與硅氧烷系混合物的雙組分混合物，所述硅氧烷系混合物含有用環(huán)氧基進行了末端處理的硅氧烷改性有機樹脂化合物。
4.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述含有硅氧烷樹脂的混合物在通過傅立葉變換紅外分光光度計的測定獲得的光譜中，具有苯核的C-H伸縮振動和苯核的C-H面外彎曲振動。
5.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述最上層的聲匹配層在25℃、5MHz下測定的衰減率小于等于5dB/cm/MHz、衰減率與聲速之積即衰減性能指數(shù)小于等于900m/s·dB/mm/MHz。
6.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述最上層的聲匹配層的縱波聲速在25℃下為1750～2200m/s、密度為1.0～1.35。
7.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述最上層的聲匹配層與所述聲透鏡的熱膨脹系數(shù)之差小于等于50ppm/℃。
8.權利要求1～7任一項所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述最上層的聲匹配層進一步含有小于等于30體積％的選自硅橡膠粒子、含氟樹脂粒子、聚氨酯橡膠粒子中的至少1種有機填充粒子。
9.權利要求1～7任一項所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述最上層的聲匹配層進一步含有小于等于10體積％的選自密度小于等于6g/cm3的粉末狀無機填充材料和纖維狀無機填充材料中的至少1種無機填充材料。
10.權利要求9所述的陣列式超聲波探針，其中，所述粉末狀無機填充材料為選自氧化鋅粉末、氧化鋯粉末、氧化鋁粉末、AEROSIL二氧化硅之類的氧化硅粉末、氧化鈦粉末、碳化硅粉末、氮化鋁粉末、碳粉末和氮化硼粉末中的至少1種。
11.權利要求9所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述纖維狀無機填充材料為選自碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋅纖維、氧化鋁纖維和玻璃纖維中的至少1種，該纖維狀無機填充材料的直徑小于等于10μm、長度大于等于直徑的5倍。
12.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述聲匹配層具有3層的層疊結(jié)構(gòu)，其中，與所述壓電元件連接的下層的聲匹配層的聲阻抗在25℃下為10～15Mrayls；中間的聲匹配層的聲阻抗在25℃下為2.7～8Mrayls；與所述聲透鏡連接的最上層的聲匹配層的肖氏硬度D大于等于40、聲阻抗在25℃下為1.8～2.5MRayls，且包含含有硅氧烷樹脂的混合物。
13.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述聲匹配層具有4層的層疊結(jié)構(gòu)，其中，與所述壓電元件連接的下層的聲匹配層的聲阻抗在25℃下為20～14Mrayls；第2層的聲匹配層的聲阻抗在25℃下為7～12Mrayls；第3層聲匹配層是聲阻抗在25℃下為3～5MRayls的基板；與所述聲透鏡連接的最上層的聲匹配層的肖氏硬度D大于等于40、聲阻抗在25℃下為1.8～2.5MRayls，且包含含有硅氧烷樹脂的混合物。
14.權利要求1所述的陣列式超聲波探針，其特征在于，所述最上層的聲匹配層和所述聲透鏡通過在25℃下具有1.3～1.8MRayls的聲阻抗的橡膠系粘接劑粘接在一起。
15.一種超聲波診斷裝置，其特征在于，其具備權利要求1～7、12～14任一項所述的陣列式超聲波探針、和通過電纜與所述超聲波探針連接的超聲波探針控制器。
全文摘要
本發(fā)明提供在大于等于3層的聲匹配層中具備低衰減率、切割加工性、耐熱性、與上下層的粘接性優(yōu)異、且具有適當聲阻抗的最上層的聲匹配層的陣列式超聲波探針。本發(fā)明的陣列式超聲波探針的特征在于，其具備空出間隔而排列、且分別具有壓電元件和形成在該壓電元件上的大于等于3層的聲匹配層的多個通道；設置有所述各通道的各個壓電元件、且在對應于所述通道的間隔的位置上形成有槽的襯墊；按照至少覆蓋所述各通道的最上層的聲匹配層的表面的方式形成的聲透鏡；其中，所述最上層的聲匹配層包含含有硅氧烷樹脂的混合物，且具有在25℃下肖氏硬度D大于等于40、聲阻抗為1.8～2.5MRayls的特性。
文檔編號G01N29/24GK101081169SQ20071010875
公開日2007年12月5日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權日2006年5月31日
發(fā)明者山下洋八, 細野靖晴 申請人:株式會社東芝