JP2008142329A - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動力発生部の小型・軽量化を可能とする超音波探触子及び当該超音波探触子を具備する超音波診断装置の提供。
【解決手段】第１の方向に配列された複数の超音波振動子を有する超音波振動子ユニット３１と、超音波振動子ユニット３１を第１の方向と異なる第２の方向に沿って実質的に直線移動可能に支持する支持機構３２と、超音波振動子ユニット３１を移動するための動力を発生する動力発生部３３とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波振動子を機械的に移動させる超音波探触子と、当該超音波振動子を具備する超音波診断装置とに関する。

３次元スキャンのために、動力発生部（モータ）の回転軸の回転によって、１列に配列した複数の超音波振動子を備える超音波振動子ユニットをその配列方向とは異なる方向に沿って機械的に揺動可能に支持する機構を有する超音波探触子及びこの超音波探触子を具備する超音波診断装置がある。当該機構を有する超音波探触子は、動力発生部の回転軸と超音波振動子ユニットとを結ぶ腕を備えることによって、超音波振動子ユニットを揺動可能に支持することができる。

超音波探触子を乳腺等の凸状部位の診断に用いる場合、超音波探触子の接触面と生体との密着性を確保するために、超音波探触子の接触面の曲率半径をできるだけ大きくし、超音波探触子の接触面をできるだけ平面にすることが望ましい。この目的を達成するためには、超音波振動子ユニットを揺動可能に支持する機構を有する超音波探触子においては、腕の長さを長くする必要がある。しかし、腕の長さを長くすると超音波探触子のサイズが増大してしまうという問題がある。

また、精度の良い超音波診断画像を得るためには、超音波振動子ユニットの移動速度はなるべく等速であることが望ましい。しかし、超音波振動子ユニットが揺動範囲の一端付近まで到達すると、動力発生部により超音波振動子ユニットを減速、停止させ、逆方向に加速させる必要がある。動力発生部の回転軸とある距離だけ離れた超音波振動子ユニットを加速させる際、この距離の２乗に依存する慣性モーメントが大きいほど、動力発生部は超音波振動子ユニットを加速させにくい。つまり、超音波振動子ユニットを加速させる際に腕の長さが長いほど動力発生部は大きなトルクが必要であり、その結果、動力発生部は大電流の発生やサイズ拡大が必須となる。

動力発生部に大電流を流すことは超音波探触子を過度に発熱させてしまう。そのため、規制値以内に超音波探触子の温度を抑えるため超音波送信強度を押えることになり、これにより超音波の受信感度の低下につながる。また、動力発生部のサイズを大きくすると、超音波探触子のサイズを拡大せざるをえない。その結果、超音波探触子の重量が増加し、利用者が超音波探触子を操作する際の負荷が増大する。
特開平０３−１８４５３２号公報

本発明の目的は、動力発生部の小型・軽量化を可能とする超音波探触子及び当該超音波探触子を具備する超音波診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、第１局面において、第１の方向に配列された複数の超音波振動子を有する超音波振動子ユニットと、前記超音波振動子ユニットを前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って実質的に直線移動可能に支持する支持機構と、前記超音波振動子ユニットを移動するための動力を発生する動力発生部とを具備する。

本発明の第２局面において、超音波探触子と、前記動力発生部を制御する動力制御部とを具備し、前記超音波探触子は、第１の方向に配列された複数の超音波振動子を有する超音波振動子ユニットと、前記超音波振動子ユニットを前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って実質的に直線移動可能に支持する支持機構と、前記超音波振動子ユニットを移動するための動力を発生する動力発生部とを有する。

本発明によれば、動力発生部の小型・軽量化が可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態における超音波探触子及び超音波診断装置の構成を示す図である。図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波診断装置本体１０と超音波探触子３０とから構成される。

超音波診断装置本体１０は、超音波送信部１１、超音波受信部１２、Ｂモード処理部１３、ドプラ処理部１４、スキャンコンバータ１５、画像合成部１６、モニター１７、記憶部１８、システム制御部１９、入力部２０、動力制御部２１、を備える。

超音波探触子３０は、超音波診断装置本体１０に接続されており、超音波振動子ユニット３１、支持機構３２、動力発生部３３、角度信号発生部３４、基準信号発生部３５を備える。以下、個々の構成要素の機能について説明する。

超音波送信部１１は、図示しないトリガ発生回路、遅延回路およびパルサ回路等を有している。パルサ回路では、所定のレート周波数ｆｒ Ｈｚ（周期；１／ｆｒ秒）で、送信超音波を形成するためのレートパルスが繰り返し発生される。遅延回路では、チャンネル毎に超音波をビーム状に集束し且つ送信指向性を決定するのに必要な遅延時間が、各レートパルスに与えられる。トリガ発生回路は、このレートパルスに基づくタイミングで、超音波振動子３１に超音波駆動パルスを印加し、超音波を発生させる。

超音波受信部１２は、図示していないアンプ回路、Ａ／Ｄ変換器、加算器等を有している。アンプ回路では、被検体からの反射波に基づいて得られる超音波信号（エコー信号）をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、増幅されたエコー信号に対し受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与える。その後、加算器は、遅延時間が与えられたエコー信号を加算処理する。加算処理されたエコー信号は、Ｂモード処理部１３やドプラ処理部１４に供給される。

Ｂモード処理部１３は、超音波受信部１２からのエコー信号の供給を受け、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現される輝度データを生成する。Ｂモード処理部１３は、この輝度データをスキャンコンバータ１５に供給する。供給された輝度データは、エコー信号の強度を輝度で表したＢモード画像としてモニター１８に表示される。

ドプラ処理部１４は、超音波受信部１２からのエコー信号の供給を受け、エコー信号を周波数解析することによって、ドプラ効果による血流等のドプラ信号を算出する。ドプラ処理部１４は、血流等のドプラ信号に基づいて、血流等の平均速度、速度の分散、ドプラ信号のパワー等に代表される血流情報等のデータを多数の点で算出する。ドプラ処理部２４は、算出した血流情報等のデータをスキャンコンバータ１５に送信する。送信された血流情報等のデータは、平均速度画像、分散画像、パワー画像、これらの組み合わせ画像としてモニター１８にカラー表示される。

スキャンコンバータ１５は、受信した輝度データや血流情報等のデータの超音波スキャン走査線信号列をテレビなどの一般的なビデオフォーマットの走査線信号列に変換し、ビデオ信号を生成し、画像合成部１６に送信する。

画像合成部１６は、スキャンコンバータ１５や記憶部１８からビデオ信号を受信し、ビデオ信号と種々のパラメータの文字情報や目盛等とを合成し、モニター１７に出力する。

モニター１７は、画像合成部１６からのビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報や、血流情報を画像として表示する。

入力部２０は、操作者からの指示、例えば走査の停止、を超音波振動装置本体１０にとりこむための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を有している。

記憶部１８は、画像生成、表示処理を実行するための制御プログラムや、各種画像データ群等を記憶する。

システム制御部１９は、情報処理装置（計算機）としての機能を持ち、超音波診断装置本体１０の動作を制御する。システム制御部１９は、記憶部１８から画像生成・表示等を実行するための制御プログラムを読み出して自身が有するメモリ上に展開し、各種処理に関する演算・制御等を実行する。

超音波振動子ユニット３１は、一列に配列され超音波を送受信する複数の超音波振動子と音響レンズと音響整合層とバッキング材とを有する。なお、複数の超音波振動子の配列方向をアレイ方向（ｄ１）とする。

支持機構３２は、超音波振動子ユニット３１をアレイ方向（ｄ１）と交差する方向（直線移動方向（ｄ２））に沿って直線移動可能に支持する。支持機構３２の詳細については後述する。

動力発生部（モータ）３３は、後述する動力制御部２１からの駆動パルス（以下、駆動信号）の供給を受け、駆動信号のパルスの繰り返し周波数に応じた速さや向きで回転し、この回転により支持機構３２を動作させる。

角度信号発生部３４は、光学式あるいは磁気式のエンコーダであり、動力発生部３３の回転軸がエンコーダのスリット板に取り付けられる。角度信号発生部３４は、動力発生部３３の回転軸が一定角度回転する毎に、動力発生部３３の回転軸の回転角度を検出するためのパルス信号（以下、角度信号）を発生する。回転軸の回転角度は、超音波振動子ユニット３１の位置に対応している。発生された角度信号は、信号線を通じて動力制御部２１に送信される。

基準信号発生部３５は、支持機構３２に取り付けられており、超音波振動子ユニット３１が基準位置Ｒを通る毎にパルス信号（以下、基準信号）を発生する。基準位置Ｒは、超音波振動子ユニット３１の直線移動の基準位置である。生成された基準信号は、信号線を通じて超音波診断装置本体１０に送信される。

動力制御部２１は、角度信号発生部３４と基準信号発生部３５とから角度信号と基準信号とを受信する。動力制御部２１は、角度信号、基準信号、あらかじめ決められた超音波振動子ユニット３１の移動範囲、動力発生部３３の回転速度（超音波振動子ユニット３１の移動速度）に基づいて動力発生部３３を適切な回転速度で回転させるための駆動信号を発生し、動力発生部３３に供給する。

以下、図２を参照しながら超音波探触子３０の構造を説明する。まず、Ｚ軸を超音波振動子ユニット３１のアレイ方向（ｄ１）に、Ｘ軸を超音波振動信ユニット３１の直線移動方向（ｄ２）に、Ｙ軸をＸＺ平面に垂直に規定する。

支持機構３２は、超音波振動子ユニット３１を直線移動方向（Ｘ軸）に沿って往復直線移動可能に支持するための機構であり、ボールねじ４３、ガイドレール４４ａ、ガイドレール４４ｂ、可動部材（スライダ）４５、支持部材４６ａ、支持部材４６ｂとから構成される。ボールねじ４３の両端は、支持部材４６ａ及び支持部材４６ｂによって回転可能に支持されており、動力発生部３３の回転軸の回転によって回転される。また、支持部材４６ａ及び支持部材４６ｂには、ボールねじ４３の軸心に平行な位置にガイドレール４４ａとガイドレール４４ｂとが設置されている。ここで、ボールねじ４３とガイドレール４４ａとガイドレール４４ｂとは直線移動方向（ｄ２）に平行に設置されているとする。可動部材４５のねじ穴はボールねじ４３に螺合されており、ボールねじ４３の回転に伴って可動部材４５はガイドレール４４ａとガイドレール４４ｂとに沿ってねじ軸周りを回転することなく直線移動（Ｘ軸）する。

可動部材４５の一端には、図２のように超音波振動子ユニット３１が取り付けられている。具体的に述べると、可動部材４５のＸ軸方向の中心線（ＭＫ）と超音波振動子ユニット３１のＸ軸方向の中心線（ＭＴ）は距離Ｌだけずれている。さらに、超音波振動子ユニット３１の中心線（ＭＫ）の移動範囲をＸ１〜Ｘ２とすると、位置Ｘ１と筐体４７との距離Ｌ１と位置Ｘ２と筐体４７との距離Ｌ２とは、距離Ｌに応じて決定され、距離Ｌ１と距離Ｌ２とは一致させる。超音波振動子ユニット３１には、超音波を送受信するための信号線が接続されており、動力発生部３３の回転軸の回転に伴って可動部材４５と共に直線移動（Ｘ軸）するとともに超音波をＹ軸方向に沿って送受信する。その際、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが一致しているために、所望の位置における検査部位のボリュームデータが得やすい。なお、信号線は、超音波振動子ユニット３１の直線運動を妨げないよう十分可塑性に富んでおり、たわみをもたせてある。

動力発生部３３に設置されている角度信号生成部３４は、発生した角度信号を信号線を通じて超音波診断装置本体１０に送信する。また、可動部材４５とガイドレール４４ａ若しくはガイドレール４４ｂとの図２に示さない部分には、基準信号発生部３５が設置されており、基準信号発生部３５で発生した基準信号は、信号線を通じて超音波診断装置本体１０に送信される。

筐体４７は、超音波振動子ユニット３１、支持機構３２、動力発生部３３、角度信号発生部３４、基準信号発生部３５を覆っている。図３は、図２の超音波探触子３０のＸ方向での断面図であるが、図２と図３とから分かるように、筐体４７の被検体との接触面４７ａは、超音波振動子ユニット３１のアレイ方向（ｄ１）及び直線移動方向（ｄ２）に平行な平面状に形成されている。

超音波探振動子ユニット３１が移動するための空間４８には、超音波探触子３０内での超音波を減衰させないためにオイルで充填されている。

以下、図４を参照しながら基準信号発生部３５の構造を説明する。図４は、図３の４−４断面図である。図４に示すように、基準信号発生部３５は、光源５１と受光素子５２とからなる光学式センサであるとする。光源５１はガイドレール４４ａのボールねじ４３側の側面に、受光素子５２は可動部材４５の光源５１側に設置されている。光源５１が設置される位置Ｏは、超音波振動子ユニット３１が基準位置Ｒに位置しているときに受光素子５２が位置する場所に対応する。基準位置Ｒの位置としては、例えば、図２に示す往復移動の折り返し点（Ｘ１、Ｘ２）や、移動範囲の中間地点（ＸM）などが考えられる。基準位置Ｒは、１つでも２つでも幾つあっても良く、基準位置Ｒの位置と数と基準信号発生部３５の位置と数とは一致する。可動部材４５の受光素子５２が基準位置Ｒにくると、受光素子５２は光源５１からの光を検出し、基準信号を発生する。なお、受光素子５２は、ガイドレール４４ａではなくガイドレール４４ｂに設置されていても良い。また、受光素子５２が可動部材４５に、光源５１がガイドレール４４ａ又はガイドレール４４ｂに設置されていてもよい。また、基準信号発生部３５は、光源５１と受光素子５２とからなる光学式センサではなく、磁気センサであってもよい。

次に、超音波振動子ユニット３１の移動の制御について説明する。超音波振動子ユニット３１の中心線（ＭＫ）の移動範囲に基づいて、動力制御部２１は、動力発生部３３に駆動信号を供給することで動力発生部３３の回転速度、即ち、超音波振動子ユニット３１の移動速度を制御する。超音波振動子ユニット３１の移動範囲は、位置Ｘ１から位置Ｘ２までの範囲であるとする。動力制御部２１は、精度の良い超音波診断画像を得るために超音波振動子ユニット３１の等速移動領域が長くなるように制御する。

図５は、動力制御部２１の制御によって変化する超音波振動子ユニット３１の速度を、縦軸を超音波振動子ユニット３１の速度Ｖ、横軸を超音波振動子ユニット３１の位置Ｘで表わした図である。まずは、超音波振動子ユニット３１を実線Ｆ１のように１次関数的な速度変化で移動させるとして、超音波振動子ユニット３１の往復直線運動を説明する。今、超音波振動子ユニット３１は、移動範囲の一端（Ｘ１）で瞬間的に停止しているとする。次の瞬間、動力制御部２１は、動力発生部３３の回転を制御することで、超音波振動子ユニット３１を逆方向に所定の位置（Ｘi）であらかじめ決められた所定の速度（Ｖc）まで等しい加速度で加速させる。超音波振動子ユニット３１が所定の速度（Ｖc）に達すると、動力制御部２１は、超音波振動子ユニット３１を位置（Ｘi）から移動範囲のもう一端付近の所定の位置（Ｘj）まで等速Ｖcで移動させる。超音波振動子ユニット３１が位置（Ｘj）まで移動すると、動力制御部２１は、超音波振動子ユニット３１を位置（Ｘi）から移動範囲のもう一端付近（Ｘj）まで一定の加速度で減速させ、位置（Ｘ２）で停止させる。停止させると再び、動力制御部２１は超音波振動子ユニット３１を逆方向に加速させる。以後、動力制御部２１は、システム制御部１９からの停止信号の供給を受けるまで、同様の制御を動力発生部３３に対して繰り返し行う。

実線Ｆ１で示す通りに、動力制御部２１が超音波振動子ユニット３１の加速運動を等速運度に切替る際、超音波振動子ユニット３１には速度の急激な変化による振動が伝わる。そこで、実線Ｆ１のように一次関数的に超音波振動子ユニット３１の速度を制御するのではなく、２点鎖線Ｆ２のような２次関数的若しくは一点鎖線Ｆ３のように３次関数的に制御することで、速度の急激な変化を押させることができる。この様に速度の急激な変化を抑えることにより、超音波診断装置１は、さらに精度の良い超音波診断画像を得ることができる。

以上述べた構成によれば、超音波探触子３０が超音波振動子ユニット３１を従来の揺動ではなく直線運動させる支持機構３２を有することによって、超音波探触子３０の接触面の形状を平面にすることができる。その結果、超音波探触子３０の接触面４７ａと被検体との密着性が向上する。また、ボールねじ４３と超音波振動子ユニット３１との慣性モーメントは、従来の長い腕を有する超音波探触子における動力発生部の回転軸と超音波振動子ユニットとの慣性モーメントに比べ非常に小さい。そのため、本実施形態における超音波探触子３０の動力発生部のトルクは、従来のそれに比べて小さい。その結果、動力発生部の小型・軽量化が可能となり、それに応じて超音波探触子３０の小型・軽量化が実現される。また、超音波探触子３０の操作性も向上する。

なお、本発明は上記実施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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の超音波探触子３０及び超音波診断装置１の構成を示す図。 図１の超音波探触子３０の構造を示す図。 図２の超音波探触子３０のＸ軸方向での断面図 図３の４−４断面であり、基準信号生発生部３５の構造を示す図。 図１の動力制御部２１の制御によって変化する超音波振動子ユニット３１の速さを、縦軸を超音波振動子ユニット３１の速さＶ、横軸を超音波振動子ユニット３１の位置Ｘで示した図。

符号の説明

１…超音波診断装置、１０…超音波診断装置本体、１１…超音波送信部、１２…超音波受信部、１３…Ｂモード処理部、１４…ドプラ処理部、１５…スキャンコンバータ、１６…画像合成部、１７…モニター、１８…記憶部、１９…システム制御部、２０…入力部、２１…動力制御部、３０…超音波波探触子、３１…超音波振動子ユニット、３２…支持機構、３３…動力発生部、３４…角度信号発生部、３５…基準信号発生部、４３…ボールねじ、４４ａ及び４４ｂ…ガイドレール、４５…可動部材（スライダ）、４６a及び４６ｂ…支持部材、４７…筐体、４７a…接触面、４８…オイル、５１…光源、５２…受光素子。

Claims (6)

1. 第１の方向に配列された複数の超音波振動子を有する超音波振動子ユニットと、
   前記超音波振動子ユニットを前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って実質的に直線移動可能に支持する支持機構と、
   前記超音波振動子ユニットを移動するための動力を発生する動力発生部とを具備することを特徴とする超音波探触子。
2. 前記動力発生部は、モータであり、
   前記支持機構は、
   前記第２の方向に軸心を沿わせて配置され、前記モータにより回転されるボールねじと、
   前記ボールねじに螺合するねじ穴を有し、前記超音波振動子ユニットが取り付けられた可動部材と、
   前記スライダ及び前記超音波振動子ユニットを前記第２の方向に沿って直線移動可能にガイドするガイドレ−ルと、
   を有することを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
3. 前記動力発生部は、モータであり、
   前記モータの回転軸が一定角度回転する毎にパルス信号を発生する角度信号発生部をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
4. 前記超音波振動子ユニットが基準位置を通る毎にパルス信号を発生する基準信号発生部をさらに具備することを特徴とする請求項１又は３記載の超音波探触子。
5. 前記超音波振動子ユニットと前記支持機構と前記動力発生部とを収容する筐体をさらに備え、
   前記筐体は、略平行な平面形状である被検体との接触面を有することを特徴とする請求項１記載の超音波探触子。
6. 超音波探触子と、
   前記動力発生部を制御する動力制御部とを具備することを特徴とする超音波診断装置であって、
   前記超音波探触子は、
   第１の方向に配列された複数の超音波振動子を有する超音波振動子ユニットと、
   前記超音波振動子ユニットを前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って実質的に直線移動可能に支持する支持機構と、
   前記超音波振動子ユニットを移動するための動力を発生する動力発生部とを有することを特徴とする超音波診断装置。

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