JP2008289599A - 超音波プローブと、超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、多ピン化傾向にも係らず、制御回路基板の大面積化と多層化を抑制して、小型化および軽量化を促進し、操作作業性の向上を得られる超音波プローブと、この超音波プローブを用いてコストの低減化を得る超音波診断装置を提供する。
【解決手段】超音波プローブ１は、被検体に超音波ビームを発振して反射させ、その反射信号を捉える２次元に配列された複数の圧電素子を備えた圧電センサモジュール３と、この圧電センサモジュールとフレキシブル基板５を介して電気的に接続され、圧電センサモジュールと超音波信号を送受信する制御回路基板４とを具備し、上記制御回路基板は、送信専用回路基板４Ａと、受信専用回路基板４Ｂおよび、これら送信専用回路基板と受信専用回路基板とを電気的に接続する中継フレキシブル基板４Ｃとからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波プローブと、この超音波プローブを用いた超音波診断装置に関する。

超音波の医学的な応用として、超音波パルス反射法を用いて生体の軟部組織の断層像を表示する超音波診断装置が多用されている。この超音波診断装置は、Ｘ線診断装置、Ｘ線ＣＴ装置、ＭＲＩ装置および核医学診断装置等の他の診断装置と異なり、リアルタイム表示が可能である。

さらには、装置自体が小型であるとともに、比較的、安価に提供されている。Ｘ線などの被爆がないので安全性が高く、繰り返して検査が行える。超音波プローブを被検体の表面に当てるだけの簡単な操作ですみ、ベッドサイドへ容易に移動できる等の利点があって、心臓、腹部、乳腺、泌尿器、婦人科等で広く用いられる。

［特許文献１］には、回路基板を積層した積層パッケージ構造において、回路基板の側面配線を不要とした、超音波センサを構成する電子部品が開示されている。［特許文献２］には、トランスデューサと駆動回路基板に、２次元アレイ状に設けられた多数の電極を安定して接続する、超音波プローブと超音波診断装置が開示されている。
特開２００１−１１１１９２号公報 特開２００３− ７９６２１号公報

ところで上記超音波プローブは、圧電センサモジュール（「音響素子部」とも呼ばれる）と、制御回路基板と、フレキシブル基板とから構成される。上記圧電センサモジュールは超音波送受信素子を備えていて、これと制御回路基板との超音波信号の送信受信がフレキシブル基板を介して行われるようになっている。

特に、制御回路基板とフレキシブル基板とを電気的に接続するための手段として、異方性導電膜（ＡＣＦ）、異方性導電ペースト、はんだ、導電接着剤、ナノペースト、コネクタ部品のいずれかが用いられる。普通、６００チャンネル以上の多数の信号ラインが２次元に配設されるので、異方性導電膜を用いて接続される。

近年、３次元画像を得るために、さらに多チャンネル化の傾向にあり、接続技術の高精度化が求められるとともに、制御回路基板が大面積および多層化して、超音波プローブの大型化と重量増が避けられない。特に、超音波プローブは操作者が手に持って操作するので、この大型化と重量増は作業性の低下を招き、操作者を早期に疲労させてしまう。

本発明は上記事情にもとづきなされたものであり、その目的とするところは、多チャンネル化傾向にも係らず、制御回路基板の大面積化と多層化を抑制して、小型化および軽量化を促進し、操作作業性の向上を得られる超音波プローブと、この超音波プローブを用いてコストの低減化を得る超音波診断装置を提供しようとするものである。

上記目的を満足するため本発明の超音波プローブは、超音波ビームを発振し、この超音波ビームの被検体からの反射信号を捉える圧電センサモジュールと、この圧電センサモジュールとフレキシブル基板を介して電気的に接続され圧電センサモジュールと超音波信号を送受信する制御回路基板とを具備し、上記制御回路基板は、送信専用回路基板と、受信専用回路基板および、これら送信専用回路基板と受信専用回路基板とを電気的に接続する中継フレキシブル基板とからなる。
さらに、上記目的を満足するため本発明の超音波診断装置は、上記記載の超音波プローブを用いる。

本発明の超音波プローブは、制御回路基板の大面積化と多層化を抑制して、小型化および軽量化を促進し、操作作業性の向上を得られる効果を奏する。

本発明の超音波診断装置は、上記超音波プローブを用いてコストの低減化を得られる効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
図１は超音波プローブ１の概略の横断面図である。
この超音波プローブ１は、ハンドケース２の内部先端に圧電センサモジュール３が収容されている。さらに、ハンドケース２の内部には制御回路基板４が、ハンドケース２内部のほとんど大部分を占める状態で収容されている。これら圧電センサモジュール３と制御回路基板４との間には、互いを電気的に接続するフレキシブル基板５が介設される。

上記ハンドケース２の後端からケーブル６が突出している。上述したように、ハンドケース２内に圧電センサモジュール３とフレキシブル基板５および制御回路基板４とを収容してなる超音波プローブ１は、後述する超音波診断装置と、上記ケーブル６を介して電気的に接続されている。

図２は、超音波診断装置７の概略的な電気回路のブロック図である。
超音波プローブ１と超音波診断装置７との間に接続される上記ケーブル６は、複数の送信専用ケーブル線６ａと、複数の受信専用ケーブル線６ｂおよび送受信兼用ケーブル線６ｃとを束ねて１本化することで構成される。

送信専用ケーブル線６ａは、送信パルスを発振する送信回路８に接続され、受信専用ケーブル線６ｂは、主にディジタルビームフォームにより受信信号を生成する受信回路９に接続される。送受信兼用ケーブル線６ｃは、送受信切換えスイッチ１０を介して、送信時と受信時とで２次元スキャン用と３次元スキャン用の送信回路８と受信回路９とに選択的に接続される。

データ処理部１２は、上記受信回路９に接続されていて、受信回路９からの受信信号の振幅にもとづいて組織の形態情報を表す画像データを生成する。すなわち、超音波ビームを被検体内で走査し、その反射信号をブラウン管上で輝度変調しながら、走査に応じた表示をブラウン管上で行い、被検体の超音波診断像を表示する。

さらにデータ処理部１２は、カラーフローマッピングモード処理をなし、血流等の速度値、パワー値および分散値の分布を表すカラーフローマッピング画像データを生成する。画像処理部１３は、データ処理部１２で得られた画像データに対して所定の処理を行う。モニタ部１４は、画像処理部１３で処理された画像データにもとづいて画像を表示する。

このような電気回路を備えた超音波診断装置７は、上記超音波プローブ１を構成する圧電センサモジュール３が被検体に超音波ビームを発振して反射させ、その反射信号を捉えることにより、被検体からの検出信号にもとづいて超音波画像を得る。

つぎに、超音波プローブ１について詳細に説明する。
図３は、圧電センサモジュール３の構成を概略的に示す図である。
上記圧電センサモジュール３は複数に分割されていて、その分割された圧電センサモジュール３のうちの１分割子３Ａを示している。この圧電センサモジュール分割子３Ａが数ブロック組合わさった状態で圧電センサモジュール３が構成され、超音波プローブ１の先端部に収容される。

圧電センサモジュール分割子３Ａの最先端部には、レンズ部１５が設けられる。このレンズ部１５には音響整合層１６が接続され、さらに音響整合層１６にトランスデューサ（「圧電セラミックス部」とも呼ぶ）１７が接続される。上記トランスデューサ１７にバッキングプレート１８が接着されて、圧電センサモジュール分割子３Ａが構成される。

上記レンズ部１５として音響レンズが用いられていて、直接、被検体に接触して超音波ビームの送受信が行われるようになっている。上記音響整合層１６は、たとえばアルミナ粉末をエポキシ樹脂に分散させた複合材料から形成されていて、トランスデューサ１７に合わせて２次元アレイ加工される。

上記トランスデューサ１７は、２次元に配列された複数の圧電素子（超音波振動子）からなり圧電単結晶を用いて構成される。圧電単結晶として、たとえば、亜鉛ニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶、マグネシウムニオブ酸鉛とチタン酸鉛との固溶体からなる単結晶、ニオブ酸鉛リチウム単結晶等が適宜用いられる。

なお、トランスデューサ１７を構成する圧電単結晶はキュリー点が１８０℃程度と低いため、はんだ付けやアレイ加工の熱で分極劣化を生じ易い。このため、圧電単結晶はアレイ加工後に再分極する処理が施されている。

上記バッキングプレート１８は、トランスデューサ１７下層に接着されていて、厚みが１〜２ｍｍの減衰層を形成する。素材として、ネオプレンゴムにフェライト粉末を混合したもの、ネオプレンゴムにフェライト粉末を混合したもの、クロロプレンゴムとエポキシ樹脂とを混合したもの等のように、ゴム系バッキング材が用いられる。

さらに、上記音響整合層１６には送信用フレキシブル基板５ａが、たとえば異方性導電接着膜を用いるなど所定の手段を介して電気的に接続される。図においては簡略化して、送信用フレキシブル基板５ａが音響整合層１６を貫通した状態として示している。

また、上記トランスデューサ１７の底面には多数の電極が設けられていて、これら電極と複数枚の受信用フレキシブル基板５ｂが電気的に接続される。ここでも同様に簡略化し、受信用フレキシブル基板５ｂがトランスデューサ１７とバッキングプレート１８との間を貫通した状態で示している。

上記圧電センサモジュール分割子３Ａは、図４に示すようにして超音波プローブ１内に収容される。
図４は、超音波プローブ１内の部品構成を概略的に示す図である。
３個の圧電センサモジュール分割子３Ａをまとめた状態にして、１個の圧電センサモジュール３が構成される。図では互いの圧電センサモジュール分割子３Ａを離間して示しているが、実際には互いに密着固定される。

完成した圧電センサモジュール３の両側面から送信用フレキシブル基板５ａと受信用フレキシブル基板５ｂが延出する。また、組合わされた圧電センサモジュール分割子３Ａ相互間からも送信用フレキシブル基板５ａと受信用フレキシブル基板５ｂが延出する。全ての送、受信用フレキシブル基板５ａ，５ｂは、制御回路基板４に電気的に接続される。

上記制御回路基板４は、送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂとから構成されるとともに、これら送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂは中継フレキシブル基板４Ｃを介して電気的に接続される。したがって、中継フレキシブル基板４Ｃも制御回路基板４の構成部品となっている。

図において、上記送信用フレキシブル基板５ａは受信用フレキシブル基板５ｂの上部に位置し、それぞれが下部側に位置する制御回路基板４に接続されるところから、１つの圧電センサモジュール分割子３Ａでは、送信用フレキシブル基板５ａは受信用フレキシブル基板５ｂの外側に位置する。

そして、上記送信用フレキシブル基板５ａは、送信専用回路基板４Ａの上端部一側面に異方性導電膜（ＡＣＦ）を介して電気的に接続される。上記受信用フレキシブル基板５ｂは、受信専用回路基板４Ｂの上端部両側面に異方性導電接着膜を介して電気的に接続される。

単体の圧電センサモジュール分割子３Ａを基準としてみると、この両側面から突出する送信用フレキシブル基板５ａが外側で、受信用フレキシブル基板５ｂが内側になるので、送信用フレキシブル基板５ａに接続される送信専用回路基板４Ａが外側で、受信用フレキシブル基板５ｂに接続される受信専用回路基板４Ｂが内側になる。

３個の圧電センサモジュール分割子３Ａの両側に制御回路基板４を備えているので、制御回路基板４としては６枚であるが、それぞれの制御回路基板４を構成する送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂおよび中継フレキシブル基板４Ｃは、合計１２枚備えることとなる。

上記超音波プローブ１における圧電センサモジュール３は、被検体に超音波ビームを発振して反射させ、その反射信号を捉える２次元に配列された圧電素子（超音波振動子）群を備える。制御回路基板４は、圧電センサモジュールとフレキシブル基板４とを電気的に接続し、圧電センサモジュール３と制御回路基板４と間で超音波信号を送受信する。

図５(Ａ)は本実施の形態での制御回路基板４を拡大した模式図であり、図５（Ｂ）は比較例として示す現行の制御回路基板Ｚを拡大した模式図である。
はじめに、現行の制御回路基板Ｚを備えた超音波プローブについて説明すると、圧電センサモジュールを構成する２次元状に配列した圧電素子群は、一般的に１素子で１チャンネルを構成する。現行では６００チャンネル以上を備えていて、被検体をスキャンする際には圧電素子群をずらせながら駆動する。

１回の送受信ごとに電子スイッチを切換えて行うが、この送受信を１枚の制御回路基板Ｚで対応している。上記制御回路基板Ｚは、信号線を形成する銅箔相互間に絶縁材を介在させて互いに積層してなる。多チャンネルに対応する信号処理のために、信号ラインを形成する銅箔が１０層以上の多層となっている。

最終的には３Ｄ動画像を得ることの実現化を求めていて、当然ながら、これにともないさらに多チャンネル化が進められている。そのため、制御回路基板Ｚの大型化と多層化が促進され、超音波プローブとして操作性の低下を招いてしまう。

目下のところ、現行の１０層以上の厚い制御回路基板Ｚを薄肉化する必要がある。また、制御回路基板Ｚの両面に電子部品ａが実装され、制御回路Ｚと電気的に接続されている。このことから、制御回路基板Ｚの板厚がさらに厚くなっているので、電子部品ａの実装位置にも注意しなければならない。

以上のごとき種々の条件に鑑みて、本発明においては図５(Ａ)に示すように、制御回路基板４を送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂとから構成し、これら送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂを中継フレキシブル基板４Ｃで電気的に接続する構成とした。

上記基本構成をもとにして種々の実験結果から、送信専用回路基板４Ａは４層とし、受信専用回路基板は６層とすることでも、現行の１枚１０層以上の制御回路基板Ｚに代り得る信号処理能力が得られることが判明した。さらに多チャンネル化が進んでも、上記基本構成の制御回路基板４を用いることで充分に対応できる。

なお説明すると、従来から、１枚の制御回路基板Ｚで送信と受信の両方の信号処理をなしている。小チャンネル条件下では内部の信号ラインが単純であり、少ない層数ですんでいた。これに対して、現行のように多チャンネル化が進むにつれて内部の信号ラインが複雑に入り組み、整理を進めていくと、現行のように１０層以上の多層化となる。

これを本発明における制御回路基板４は、送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂに完全分離して信号整理をなす。送信と受信のそれぞれ専用の制御回路基板４Ａ，４Ｂであるから、各回路基板内部の信号ラインが単純となる。すなわち、上述したように送信専用回路基板４Ａは４層ですみ、受信専用回路基板４Ｂは６層ですむ。

上記受信専用回路基板４Ｂの一部に開口部２０が貫通して設けられ、一端部が受信専用回路基板４Ｂの一側面に接続される上記中継フレキシブル基板４Ｃが挿通している。この中継フレキシブル基板４Ｃの他端部には、中継用コネクタ２１を構成する一方の端子（オス）ｄが接続される。

送信専用回路基板４Ａには中継用コネクタ２１を構成する他方の端子（メス）ｅが設けられ、上記中継用コネクタ２１の一方端子ｄが嵌め込まれて、互いに接続される。中継用コネクタ２１の接続は、送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂの組合せ時に同時に行われる。

送信専用回路基板４Ａの一側面には送信用の電子部品ａ１が実装され、受信専用回路基板４Ｂの一側面には受信用の電子部品ａ２が実装される。すなわち、制御回路基板４を送信専用回路基板４Ａと、受信専用回路基板４Ｂとに分離したので、それぞれの回路基板４Ａ，４Ｂは電子部品ａ１，ａ２を片面実装すれば足りる。

また、受信用の電子部品ａ２は受信専用回路基板４ｂの外側面に実装されるが、送信用の電子部品ａ１は送信専用回路基板４Ａと受信専用回路基板４Ｂとの間隙となる、送信専用回路基板４Ａ側面に実装される。すなわち、送信専用回路基板４Ａにおいては、中継用コネクタ２１が取付けられる側と同一側面のみに電子部品ａ１が実装される。

したがって、少なくとも受信専用回路基板４Ａの外側面に電子部品ａ１が実装されていないから、送、受信専用回路基板４Ａ、４Ｂから構成される制御回路基板４の厚みの増大化を、より有効に規制できる。
これに対して、現行の制御回路基板Ｚは上述したように両側面に電子部品ａが実装されているので、制御回路基板Ｚ自体が多層板であるうえに、さらに電子部品ａ２個分の厚さの増大化が避けられない。

図６（Ａ）は本発明の制御回路基板４を備えた超音波プローブ１の模式図であり、図６（Ｂ）は比較例として示す現行の制御回路基板Ｚを備えた超音波プローブＸの模式図である。

上述したように、現行では１枚の制御回路基板Ｚが１０層以上の多層板であり、この両側面に電子部品ａを実装したものを複数枚備えることで、超音波プローブＸは大型化せざるを得ない。当然ながら、重量増をともない、操作性が悪い。より多チャンネル化が進めば、制御回路基板Ｚがより厚くなり、超音波プローブＸはより大型となり重量が増す。

これに対して本発明では、４層の送信専用回路基板４Ａと６層の受信専用回路基板４Ｂとを中継フレキシブル基板４Ｃで接続することで制御回路基板４を構成したから、制御回路基板４として薄肉であり、複数枚揃うことで超音波プローブ１の小型化と重量軽減化を得られる。したがって、操作性が向上し、さらなる多チャンネル化に対応できる。

なお、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。たとえば、送信専用回路基板４Ａの層数と、受信専用回路基板４Ｂの層数は上記に限定されない。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明における実施の形態に係る、超音波プローブの概略の構成図。 同実施の形態に係る、超音波プローブに接続する超音波診断装置の電気回路ブロック図。 同実施の形態に係る、超音波プローブを構成する圧電センサモジュールの概略の構成図。 同実施の形態に係る、超音波プローブの概略の構成図。 同実施の形態に係る、制御回路基板を模式的に示す図と、比較例としての現行の制御回路基板を模式的に示す図。 同実施の形態に係る、超音波プローブを模式的に示す図と、比較例としての現行の超音波プローブを模式的に示す図。

符号の説明

１７…トランスデューサ、３…圧電センサモジュール、４Ａ…送信用フレキシブル基板、４Ｂ…受信用フレキシブル基板、４…制御回路基板、４Ｃ…中継フレキシブル基板、１…超音波プローブ、７…超音波診断装置。

Claims (5)

1. 超音波ビームを発振し、この超音波ビームの被検体からの反射信号を捉える圧電センサモジュールと、
   この圧電センサモジュールとフレキシブル基板を介して電気的に接続され、上記圧電センサモジュールと超音波信号を送受信する制御回路基板とを具備した超音波プローブにおいて、
   上記制御回路基板は、送信専用回路基板と、受信専用回路基板および、これら送信専用回路基板と受信専用回路基板とを電気的に接続する中継フレキシブル基板とからなることを特徴とする超音波プローブ。
2. 上記中継フレキシブル基板は中継用コネクタを備えていて、この中継用コネクタは上記送信専用回路基板と受信専用回路基板との間に介設されることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
3. 上記送信専用回路基板と受信専用回路基板は、それぞれの一側面にのみに電子部品が実装される、片面実装であることを特徴とする請求項１および請求項２のいずれかに記載の超音波プローブ。
4. 上記送信専用回路基板と受信専用回路基板のいずれか一方に実装される電子部品は、上記中継フレキシブル基板に備えられる中継用コネクタとともに送信専用回路基板と受信専用回路基板との間に介在することを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
5. 圧電センサモジュールを備えた超音波プローブを用いて被検体から検出した信号により超音波画像を得る超音波診断装置において、
   上記請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の上記超音波プローブを備えたことを特徴とする超音波診断装置。

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