Effects of Fine Ceramic Particle Dopant on the Acoustic Attenuation Properties of Silicone Rubber Lens for Medical Echo Probe

医用超音波プローブレンズ用シリコーンゴムの音響減
衰特性に与える酸化物微粉末添加物の効果
Effects of Fine Ceramic Particle Dopant on the Acoustic Attenuation Properties of Silicone
Rubber Lens for Medical Echo Probe

Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol. 27, (2006) pp. 33-34
15-17 November, 2006

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【緒言】
医用超音波診断装置に用いる超音波プローブの特性は能動部品である圧電材料のみならず、受動部品である背面吸収材（バッキング材料）および音響整合層材料(マッチング材料)、音響レンズ材料の性能に大きく左右される。特にプローブの中心周波数が7MHz を越えるような高周波プローブでは音響レンズによる超音波の減衰が10dB以上と大きく、感度低下が大きな問題となっている。音響レンズ材料は生体と直接に接触するために生体適合性に優れたシリコーンゴムがほぼ独占的に用いられている。1-5)ほぼ純粋のシリコーンゴムは音速Cが約1000m/sであり、密度ρが約1.0であるために音響インピーダンスρC（Z33）は約 1.0MRayls である。このために生体のZ33=1.53MRayls と比べてかなり小さい。 これまでにシリコーンゴムの密度を増加させるために各種の酸化物添加物が試みられてきた。1-6) しかしながら、これらの添加物の密度は2.2-4.2と小さいために必
要とされるZ33>1.4MRalysを得るためには44-56wt％、（約16-33vol％）の添加物量が必要とされる。 こ
のためにシリコーンゴムの減衰率が増加する傾向があった。我々は酸化物と比べて密度が高い各種金属粉末である白金（Pt）,金（Au）,タングステン（W）、パラジウム（Pd）,銀（Ag）,ニッケル（Ni）などのサブミクロンレベルの粉末粒子を少量(2.5-7vol%)、シリコーンゴムに添加して、その音響特性を調べた。
その結果、10nm 程度の粒径を持つPtが優れた特性を示すことを報告した。8-7) 今回、100nm 以下の粒
径を持つ各種の酸化物微粉末添加物をシリコーンゴムに添加し、その音響特性を評価した。8)またこれ
らの材料の温度特性を25℃、37℃及び50℃にて測定し、興味ある知見が得られた。

The performance characteristics of ultrasonic probes used in medical ultrasound diagnostic equipment are significantly influenced not only by the piezoelectric materials, which are active components, but also by the performance of passive components such as backing materials, matching layer materials, and acoustic lens materials. For high-frequency probes with a center frequency exceeding 7 MHz, the attenuation of ultrasound by the acoustic lens becomes significant, exceeding 10 dB, and sensitivity degradation poses a major problem. Silicone rubber, which offers excellent biocompatibility as it comes into direct contact with biological tissue, is almost exclusively used as the acoustic lens material.

Pure silicone rubber has a sound velocity (C) of approximately 1000 m/s and a density (ρ) of around 1.0, resulting in an acoustic impedance (ρC, Z33) of about 1.0 MRayls. This value is considerably lower compared to the acoustic impedance of biological tissue, which is Z33 = 1.53 MRayls. Various oxide additives have been explored to increase the density of silicone rubber. However, these additives have relatively low densities (2.2–4.2), requiring 44–56 wt% (approximately 16–33 vol%) of additive content to achieve the desired Z33 > 1.4 MRayls. This high additive content tends to increase the attenuation rate of silicone rubber.

We have previously investigated the acoustic properties of silicone rubber with the addition of submicron-level metallic powders, such as platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), palladium (Pd), silver (Ag), and nickel (Ni), in small amounts (2.5–7 vol%). Among these, Pt particles with a diameter of approximately 10 nm exhibited superior properties.

In this study, various oxide fine powders with particle diameters below 100 nm were added to silicone rubber, and their acoustic properties were evaluated. The temperature characteristics of these materials were also measured at 25°C, 37°C, and 50°C, yielding intriguing findings.

【方法】

RTVのTSE3032を用い、このシリコンゴムに各種酸化物粒子を ほぼ同一重量添加し、混合攪拌、脱気を行い、ガラス板上で成型し、40℃で 24 時間放置して硬化させ30ｘ30ｘ1.0mm の形状のサンプルを作製。密度はアルキメデス法にて求めた。音速、Z33、減衰率を5MHz で測定した。減衰率の測定は温水中（25-50℃）にサンプルを配置し､下部のステンレス板からの反射を５MHｚのプローブで受けて、測定。

Using RTV silicone rubber TSE3032, various oxide particles were added in approximately equal weights to the silicone rubber. The mixture was stirred, degassed, molded on a glass plate, and cured at 40°C for 24 hours to produce samples with dimensions of 30 × 30 × 1.0 mm. The density was determined using the Archimedes method. The sound velocity, acoustic impedance (Z33), and attenuation rate were measured at 5 MHz.

For attenuation rate measurements, the sample was placed in warm water (25–50°C), and the reflection from a stainless steel plate at the bottom was received by a 5 MHz probe for evaluation.

【Conclusion】

(1) 密度の高い酸化物添加物を添加することでシリコーンゴムの音速が 900m/s 以下の低音速のゴム材料が得られる。
(2) 減衰率が大きいのはBaSO4とFe2O3であり、密度や充填量とはさほど強い相関がない。減衰率が大きいこれらの材料は又、音速が速い。
(3) 減衰率が比較的に小さいのはAl2O3,ZrO2及びYb2O3であり、密度や充填量とはさほど強い相関がない。
(4) シリコーンゴムの音響特性には大きな温度依存性があるために厳密な温度管理が必要。
(5)これまでに報告した減衰率が小さな添加物である白金に替わる酸化物添加物としては充填の容易な高密度のYb2O3が有望である。

(1) Adding high-density oxide additives to silicone rubber can produce low-velocity rubber materials with sound velocities below 900 m/s.
(2) BaSO4 and Fe2O3 exhibit high attenuation rates, which do not strongly correlate with density or filler content. These materials with high attenuation rates also have high sound velocities.
(3) Al2O3, ZrO2, and Yb2O3 have relatively low attenuation rates, which also do not strongly correlate with density or filler content.
(4) The acoustic properties of silicone rubber exhibit significant temperature dependence, necessitating precise temperature control.
(5) As a potential oxide additive to replace platinum, previously reported for its low attenuation rate, the high-density Yb2O3, which is easier to fill, shows promise.

技術紹介：超音波画像診断技術 – テクノロジー | コニカミノルタ

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開発の手順

音響インピーダンスの適合

• 音響インピーダンス（Z = ρ × C、密度×音速）は、音波が異なる媒体間を伝播する際の反射と透過を決定する重要なパラメータです。
• 音響レンズのインピーダンスは、生体組織（Z ≈ 1.53 MRayls）と超音波プローブの出力特性に合わせる必要があります。
• 純粋なシリコーンゴムのZ ≈ 1.0 MRaylsを、添加物（酸化物や金属粉末）で調整します。

音波の屈折とフォーカス

• レンズ形状により音波の屈折を制御して、目的の焦点距離に音波を集中させます。
• 凸レンズ形状は集束を、凹レンズ形状は拡散を促進します。レンズ設計にはスネルの法則（屈折角の計算）が適用されます

音響特性の目標値設定

• 目標インピーダンス (Z): 1.4～1.5 MRayls程度
• 目標音速 (C): 800～1200 m/s
• 減衰率: 使用周波数（例: 5 MHz）に対する許容範囲内

Acoustic Impedance Matching

Acoustic impedance (Z = ρ × C, density × sound velocity) is a critical parameter that determines the reflection and transmission of sound waves between different media. The impedance of the acoustic lens must be matched to that of biological tissue (Z ≈ 1.53 MRayls) and the output characteristics of the ultrasound probe. The impedance of pure silicone rubber (Z ≈ 1.0 MRayls) can be adjusted by incorporating additives such as oxides or metal powders.

Refraction and Focusing of Sound Waves

The lens shape controls the refraction of sound waves, focusing them at the desired focal distance. Convex lenses promote convergence, while concave lenses encourage divergence. The lens design follows Snell’s law, which is used to calculate the angles of refraction.

Target Values for Acoustic Properties

• Target Impedance (Z): Approximately 1.4–1.5 MRayls
• Target Sound Velocity (C): 800–1200 m/s
• Attenuation Rate: Within the acceptable range for the operating frequency (e.g., 5 MHz)

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