圧電素子
医用超音波における圧電素子の概要
はじめに
圧電素子は医用超音波装置の重要なコンポーネントであり、超音波波の生成と検出において重要な役割を果たします。これらの素子は電気エネルギーを機械エネルギー(超音波波)に変換し、逆に内部構造の画像化を可能にします。
圧電現象の原理
圧電現象とは、特定の材料が機械的応力を受けたときに電荷を生成する特性です。逆に、これらの材料は電場が加えられると機械的に変形します。この二重の能力が超音波トランスデューサに最適です。
使用される材料
一般的な圧電材料には以下が含まれます:
ジルコン酸チタン酸鉛(PZT):高い圧電係数と優れた機械特性により最も広く使用される。
チタン酸バリウム(BaTiO3):特定の専門的な用途で使用されるが、PZTほど一般的ではない。
石英:天然に存在する結晶で、合成材料に比べて圧電効率が低いため、使用頻度は少ない。
圧電トランスデューサの構造
典型的な圧電超音波トランスデューサは以下で構成されます:
圧電素子:エネルギー変換を担当する核心部分。
バック材:圧電素子の振動を減衰させ、解像度を向上させる。
マッチング層:トランスデューサの音響インピーダンスを皮膚と一致させ、超音波波の効率的な伝達を保証する。
音響レンズ:超音波ビームを集束させ、解像度を向上させる。
超音波装置における機能
送信モード:電気信号が圧電素子に加えられ、振動して超音波波を放出します。
受信モード:体内組織からの反射エコーが圧電素子を振動させ、画像形成のために処理される電気信号を生成します。
応用
診断画像:心エコー検査、産科画像、および腹部スキャンで使用される。
治療用途:高強度集束超音波(HIFU)による腫瘍や結石の治療に使用される。
その他の用途:超音波洗浄や非破壊検査に利用される。
利点
非侵襲的:電離放射線を使用しない安全な画像化方法を提供する。
リアルタイム画像:診断手順中に即時の視覚フィードバックを可能にする。
携帯性:多くの超音波装置は携帯可能であり、ベッドサイドでの診断を促進する。
課題
解像度の限界:有用であるものの、超音波画像は通常、MRIやCTなど他の画像化方式に比べて解像度が低い。
材料の限界:圧電材料は脆く、環境条件に敏感であることがある。
まとめ
圧電素子は医用超音波装置の機能において重要です。その特性、構造、および機能性を理解することは、さまざまな医療用途での最適な使用に役立ちます。
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