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：

1. 圧電素子：エネルギー変換を担当する核心部分。

2. 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。

3. 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。

4. 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

1. 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。

2. 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。