超音波圧電セラミックス振動子技術の開発

 1.医療用超音波画像技術は、現代の医療画像技術の4つの医療画像技術であり、心臓病学、産科、眼科、肝臓、腎臓、胆嚢および血管系で広く使用されています。他のイメージング技術と比較して、超音波イメージング技術には、優れたリアルタイム性能、損傷なし、低コストという独特の利点があります。超音波有線セラミックディスク は実際の臨床現場で広く使用されています。超音波イメージング技術は、超音波トランスデューサーから発せられた超音波を人体組織に入り、人体のさまざまな組織境界でエコーを反射して画像処理する技術です。超音波トランスデューサは、超音波送信機であると同時にエコー受信機でもあります。これは医療用超音波イメージング システムにおいて最も重要な音響コンポーネントであり、高品質の画像を取得するための保証となります。さまざまな新しいイメージング機能や手法の誕生も、トランスデューサー技術の革新と切り離せません。この論文では、超音波画像トランスデューサ技術の開発と展望について説明します。

2. 圧電複合トランスデューサ

    現在のところ、 圧電セラミックス は、電気機械変換効率が高く、超音波画像診断用トランスデューサに最もよく使われる材料です。回路とのマッチングが容易で、性能が安定し、加工が容易で低コストであるため、広く使用されています。同時に、電気セラミック材料は音響インピーダンスも大きく、人間の軟組織や水の音響インピーダンスと一致させるのは容易ではありません。機械的品質、高い係数、狭い帯域幅、高い脆性、低い引張強度、大面積部品の成形が困難、極薄の高周波変換。デバイスの加工やその他の欠陥が容易ではありません。 1970年代にアメリカのR.ENewnhamとLE.Crossらが卵の治療を始めた 複合材料の研究では、複合材料は圧電セラミックスと高分子材料の間の一定の関係に基づいており、空間の体積比と空間幾何学的分布が組み合わされています。最も広く研究されている圧電複合材料は 1 ～ 3 タイプの圧電複合材料で、高感度、低い音響インピーダンス、低い機械的品質係数、および容易な加工を備えています。複合超音波トランスデューサは、マルチ周波数イメージング、高調波イメージング、その他の非線形イメージングを実現でき、その性能は従来の超音波トランスデューサよりも大幅に優れています。 圧電セラミック材料。現在、圧電複合材料で作られたいくつかの広帯域変換器が使用されている。このエネルギーデバイスは臨床の多周波イメージングや高調波イメージングに応用されています。しかし、複合トランスデューサでのポリマー材料の使用、圧電セラミックの有効面積、音響インピーダンス、および複雑な製造プロセスの影響により、一次元マルチアレイトランスデューサは依然として圧電セラミックを使用して製造されています。

3.圧電単結晶トランスデューサ

日本の野村は圧電結晶材料の研究を開始しました。 1990 年代半ば、圧電結晶材料はその優れた圧電特性により研究者の間で広く注目を集めました。現在、圧電結晶トランスデューサの次に複合トランスデューサが使用されています。その圧電係数と電気機械結合係数は、一般的に使用されている PzT 圧電セラミック材料よりもはるかに高くなります。圧電結晶材料を使用して設計されたトランスデューサ アレイは、他のトランスデューサ アレイよりもはるかに高い感度と帯域幅を備えています。 圧電セラミックトランスデューサ。 1999 年、日本の東芝は 3.5MHz PZNTgl/9 超音波トランスデューサを開発しました。これは高分解能と強力な透過力を実現し、臨床現場で使用されました。 2003 年、米国の南カリフォルニア大学は、スルホン酸塩材料 (LiNbO3) で作られた高周波単素子圧電単結晶トランスデューサーを開発しました。これにより、良好な浸透深さと画像信号対雑音比が得られました。しかし、単結晶の成長プロセスはセラミックの作製プロセスに比べてはるかに複雑であるため、現状では圧電セラミックスと同等の圧電単結晶膜を作製することができず、臨床応用されている圧電単結晶振動子の数は少ない。

4.広帯域トランスデューサー

    2.5、3.5、5、7、10MHz やその他の動作周波数などの超音波プローブの初期のマークは、一般に心臓周波数を指します。この周波数は約 1MHz の帯域幅を持ち、単一中心周波数の狭帯域トランスデューサと呼ぶことができ、依然として大きいです。これは、深部組織エコーに対する高周波信号の損失が大きく、生物組織における超音波の減衰とその超音波マップに基づいて、1980年代半ばの超音波画像度の鮮明さと感度に影響を与えました。画像の影響は、3.5MHzの中心周波数の有効帯域幅が約3MHzのトランスデューサに達することができる、高周波を使用する広帯域トランスデューサの開発です。 圧電ノック センサーは 、表層組織を検出する際の解像度を向上させます。低周波は減衰の少ないエコー信号を形成し、深部組織構造の鮮明な画像表示を実現します。1990 年代には、可変周波数広帯域トランスデューサーと超広帯域トランスデューサーが臨床診断に使用されました。同じトランスデューサーを変換して中心周波数 2.5、3.5、および 6 MHz の超音波を生成できれば、帯域幅を向上させることができます。 5MHz以上に達します。超広帯域トランスデューサは、1.8 ～ 12 MHz の超音波を生成できます。現在 ベッドで広く使用されている高調波イメージング技術も、広帯域トランスデューサに基づいて開発されています。テクノロジーみたいに。広帯域トランスデューサは組織内の音波によって生成される複数の高調波を受信できるため、そのパッケージには大量の人体情報が含まれており、画像の軸方向の解像度を向上させ、超音波イメージングシステムの精神を向上させることができます。