JP2017169865A - Fat diagnostic ultrasound probe - Google Patents
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Abstract
【課題】主プローブからの超音波と副プローブからの超音波とを、駆動機構を用いることなく同軸状に照射することができる脂肪診断用超音波プローブを提供する。【解決手段】プローブホルダ5は、主プローブ2からの超音波信号が伝播体3を直進通過する軸線L上に、軸線Lが斜めに入射するように傾斜配置され、かつ、副プローブ4から出射される超音波エネルギーを反射して軸線Lの延長方向に照射させる平板部材5aが固定され、平板部材5aは、主プローブ2からの超音波信号がラム波A0モードの伝播特性で平板部材5a内を伝播することによって平板部材5aを通過し、さらに軸線Lの延長方向に進行することができるように、超音波信号の周波数および伝播体3の材料に応じて、ラム波A0モードの伝播条件を満たす軸線Lに対する平板部材5aの傾斜角度や材料や厚さが設定されるようにする。【選択図】図1The present invention provides an ultrasonic probe for fat diagnosis capable of irradiating ultrasonic waves from a main probe and ultrasonic waves from a sub-probe in a coaxial manner without using a drive mechanism. A probe holder 5 is inclined so that an ultrasonic wave signal from a main probe 2 is incident obliquely on an axis L through which a propagation body 3 passes straight, and is emitted from a sub-probe 4. The flat plate member 5a for reflecting the irradiated ultrasonic energy and irradiating it in the extending direction of the axis L is fixed. The flat plate member 5a has a propagation characteristic of Lamb wave A0 mode in the flat plate member 5a. The propagation condition of the Lamb wave A0 mode is set in accordance with the frequency of the ultrasonic signal and the material of the propagating body 3 so that it can pass through the flat plate member 5a and propagate in the direction of extension of the axis L. The inclination angle, material, and thickness of the flat plate member 5a with respect to the axis L to be filled are set. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、超音波速度変化による脂肪診断で使用する脂肪診断用超音波プローブに関する。本発明は、例えば脂肪肝の診断、血管内プラークの脂質性の診断等で利用される。 The present invention relates to an ultrasonic probe for fat diagnosis used in fat diagnosis based on an ultrasonic velocity change. The present invention is used, for example, in the diagnosis of fatty liver and the diagnosis of lipidity in intravascular plaque.
新しい脂肪診断手法として、加温前後の超音波速度変化を測定し、超音波速度が温度変化に対して負の変化をする部位を脂肪組織として検出し、脂肪分布を診断する脂肪組織の検出方法および検出装置が提案されている(特許文献1参照)。 As a new fat diagnostic method, the change in ultrasonic velocity before and after heating is measured, the part where the ultrasonic velocity changes negatively with respect to the temperature change is detected as adipose tissue, and the fat tissue detection method diagnoses fat distribution And a detection device is proposed (refer to patent documents 1).
特許文献1に記載された脂肪診断装置(脂肪組織検出装置)について説明する。この装置はBモード断層画像を取得可能な反射型の超音波診断装置を元に、超音波速度変化画像を取得するために必要な制御部を追加搭載した装置本体と、被検体の体表に直接当接させて超音波照射や加温を行うプローブとを備えている。ここで使用されるプローブには、被検体の測定領域に対し画像診断用の超音波照射を行うアレイ型の多チャンネルプローブ(リニアアレイ探触子)と、当該多チャンネルプローブの隣には、被検体の測定領域を加温するために近赤外光の照射を行う赤外線レーザ光源とを並べて配置した専用のプローブが用いられている。 A fat diagnostic apparatus (adipose tissue detection apparatus) described in Patent Document 1 will be described. This device is based on a reflection-type ultrasonic diagnostic device capable of acquiring a B-mode tomographic image, and has a device main body additionally equipped with a control unit necessary for acquiring an ultrasonic velocity change image and a body surface of a subject. And a probe for direct ultrasonic contact and heating. The probe used here includes an array-type multi-channel probe (linear array probe) that irradiates ultrasonic waves for diagnostic imaging to the measurement region of the subject, and the multi-channel probe is adjacent to the subject. In order to heat the measurement region of the specimen, a dedicated probe in which an infrared laser light source that irradiates near infrared light is arranged side by side is used.
多チャンネルプローブは、直線状に配列された圧電素子からなる多数の振動子を有しており、各振動子は、制御部からの駆動信号によりパルス波が励振されて超音波信号を送波し、この超音波信号に対する被検体内からの超音波エコー信号を受波する。そして制御信号により送受波を行う振動子を順に切り替えて走査するようにしてある。また、赤外線レーザ光源は多チャンネルプローブの横から700nm〜1000nmの近赤外光を照射するようにしてある。 The multi-channel probe has a large number of transducers composed of linearly arranged piezoelectric elements, and each transducer transmits an ultrasonic signal with a pulse wave excited by a drive signal from a control unit. The ultrasonic echo signal from the inside of the subject with respect to the ultrasonic signal is received. Then, scanning is performed by sequentially switching transducers that perform transmission and reception according to a control signal. The infrared laser light source emits 700 nm to 1000 nm of near infrared light from the side of the multichannel probe.
次に、この装置で超音波速度変化を測定し脂肪診断を行う動作について説明する。あらかじめ、上記多チャンネルプローブを駆動して取得したBモード画像による画像診断で被検体における測定領域を特定する。そして特定した測定領域に対し、赤外線レーザ光源から近赤外光を照射して加温し、所定の加温時間経過後に、リニアアレイ探触子を駆動し、パルス状の超音波信号を順次走査するようにして送波するとともに、被検体からの受信信号である超音波エコー信号を順次受波する。そして、光照射状態で受波した超音波エコー信号(受信信号)の波形を、光照射後超音波エコー信号として記憶する。
光照射後超音波エコー信号の受信波形の記憶が終わると光照射を停止する。この照射停止から所定時間経過し、被検体の温度が十分に低下したところで、再びリニアアレイ探触子を駆動し、超音波信号を送波するとともに、被検体から超音波エコー信号を受波する。そして、光照射停止状態で受波した超音波エコー信号(受信信号)の波形を非照射時超音波エコー信号として記憶する。なお、記憶された超音波エコー信号はその振幅を輝度表示することでBモード断層画像として表示される。
続いて、光照射後と非照射時の超音波エコー信号に基づいて、以下に示す関係から超音波速度変化を求める。
Next, the operation of measuring the ultrasonic velocity change with this apparatus and performing a fat diagnosis will be described. A measurement region in the subject is specified in advance by image diagnosis using a B-mode image acquired by driving the multi-channel probe. The specified measurement area is heated by irradiating near infrared light from an infrared laser light source, and after a predetermined heating time has elapsed, the linear array probe is driven to sequentially scan pulsed ultrasonic signals. In this manner, the ultrasonic waves are transmitted sequentially, and ultrasonic echo signals that are received signals from the subject are sequentially received. And the waveform of the ultrasonic echo signal (reception signal) received in the light irradiation state is stored as an ultrasonic echo signal after light irradiation.
After storing the received waveform of the ultrasonic echo signal after the light irradiation, the light irradiation is stopped. When a predetermined time elapses after the irradiation is stopped and the temperature of the subject is sufficiently lowered, the linear array probe is driven again to transmit an ultrasonic signal and receive an ultrasonic echo signal from the subject. . And the waveform of the ultrasonic echo signal (reception signal) received in the light irradiation stop state is stored as a non-irradiation ultrasonic echo signal. The stored ultrasonic echo signal is displayed as a B-mode tomographic image by displaying its amplitude in luminance.
Subsequently, the ultrasonic velocity change is obtained from the relationship shown below based on the ultrasonic echo signals after the light irradiation and at the time of non-irradiation.
図9はある部分区間の加温前(平温時)超音波エコー信号と加温後(昇温時)超音波エコー信号とを示す模式図である。加温前の超音波速度をV、加温後の超音波速度をV’とする。また、加温前にある境界間を超音波信号が伝播するときに生じるパルス間隔をτとし、同じ境界間(距離一定)を光照射後に超音波信号が伝播するときに生じるパルス間隔をτ’=τ+Δτとする。すなわち、温度変化によりΔτだけパルス間隔が長くなるようにシフトしたとする。
このとき、
V・τ = V’・(τ+Δτ) ・・・(1)
の関係が成立し、したがって、2つの超音波エコー信号におけるパルス間隔の時間変化から超音波速度変化データが次式(2)で算出できる。
V’/V = τ/(τ+Δτ) ・・・(2)
したがって、測定した2つの超音波エコー信号から関心領域におけるパルス間隔(τ)、波形シフト量(Δτ)を算出し、式(2)に基づいて各部位での超音波速度の変化(超音波速度変化比(V’/V))を算出する。
FIG. 9 is a schematic diagram showing an ultrasonic echo signal before heating (during normal temperature) and an ultrasonic echo signal after heating (during temperature increase) in a certain partial section. The ultrasonic velocity before heating is V, and the ultrasonic velocity after heating is V ′. Also, let τ be the pulse interval that occurs when the ultrasonic signal propagates between the boundaries before heating, and let τ ′ be the pulse interval that occurs when the ultrasonic signal propagates after light irradiation between the same boundaries (constant distance) = Τ + Δτ. In other words, it is assumed that the pulse interval is shifted by Δτ due to a temperature change so as to become longer.
At this time,
V · τ = V '· (τ + Δτ) (1)
Therefore, the ultrasonic velocity change data can be calculated by the following equation (2) from the time change of the pulse interval between the two ultrasonic echo signals.
V ′ / V = τ / (τ + Δτ) (2)
Therefore, the pulse interval (τ) and the waveform shift amount (Δτ) in the region of interest are calculated from the two measured ultrasonic echo signals, and the change in the ultrasonic velocity (ultrasonic velocity) at each part is calculated based on the equation (2). Change ratio (V ′ / V)) is calculated.
続いて、算出された各部位の超音波速度変化比(V’/V)に基づいて、この値が1より小さい部位(加温に対する超音波速度変化が負の領域)を脂肪領域と判定する。
すなわち、水中および脂肪中を伝播する超音波速度は37℃のとき水中音速が1524m/秒、脂肪中音速が1412m/秒であるが、温度変化に対する超音波速度変化を比較すると、以下の通りである。
水: +2 m/秒・℃
脂肪: −4 m/秒・℃
よって、水分が多く含まれる筋肉や内臓(肝臓等)は温度が上がると超音波速度が増加するのに対し、脂肪部分では超音波速度が減少することになり、超音波速度変化の極性が反転する。
そこで、測定領域を温度変化させたときに超音波速度変化が負となる領域を特定すれば脂肪領域の検出を行うことができる。
Subsequently, based on the calculated ultrasonic velocity change ratio (V ′ / V) of each region, a region where this value is smaller than 1 (region where the ultrasonic velocity change with respect to heating is negative) is determined as a fat region. .
That is, the ultrasonic velocity propagating in water and fat is 1524 m / sec in water and 1412 m / sec in fat when the temperature is 37 ° C. When the ultrasonic velocity change with respect to temperature change is compared, it is as follows. is there.
Water: +2 m / sec / ° C
Fat: -4 m / sec / ° C
Therefore, when the temperature rises in muscles and internal organs (liver etc.) that contain a lot of water, the ultrasonic velocity increases in the fat part, and the polarity of the ultrasonic velocity change is reversed. To do.
Therefore, a fat region can be detected by specifying a region where the ultrasonic velocity change is negative when the temperature of the measurement region is changed.
そして、アレイ型探触子を走査して受波した多数本の超音波エコー信号による超音波速度変化の解析結果から、超音波速度変化の二次元分布を画像化して表示装置に表示することにより、脂肪領域が他の部位と明確に分けて画像表示される。 Then, from the analysis result of the ultrasonic velocity change by the multiple ultrasonic echo signals received by scanning the array type probe, the two-dimensional distribution of the ultrasonic velocity change is imaged and displayed on the display device. The fat region is clearly displayed separately from other parts.
また、加温用に超音波エネルギーを利用した脂肪診断装置も提案されている。すなわち、加温用の超音波ビームを発するプローブを加熱源として、これを超音波診断用プローブに隣接して配置し、超音波ビームにより加温を行うようにして加温前後の超音波速度変化を測定することで血管プラークの脂質性組織の画像診断を行う血管プラーク画像診断装置が提案されている(特許文献2参照)。 A fat diagnostic apparatus using ultrasonic energy for heating has also been proposed. That is, a probe that emits an ultrasonic beam for heating is used as a heating source, and this is placed adjacent to the ultrasonic diagnostic probe, and the ultrasonic velocity change before and after heating is performed by heating with the ultrasonic beam. There has been proposed a blood vessel plaque image diagnosis apparatus that performs image diagnosis of lipid tissue of a blood vessel plaque by measuring (see Patent Document 2).
また、画像診断用の主プローブと加温用の副プローブとをプローブホルダに取り付け、主プローブからの超音波(信号)の進行方向と副プローブからの超音波(エネルギー)の進行方向とが同軸方向になるようにした技術が開示されている(特許文献3参照)。
具体的には、図10に示すように、従来の脂肪診断用超音波プローブ100では、超音波が伝播する伝播液(水、オイル等)を充填したプローブホルダ101の上面と側面とに、画像診断用の多チャンネルの主プローブ102と、加温用の副プローブ103とを取り付けてある。そしてプローブホルダ101内に設けた切替ミラー104の位置を切り替えることにより、主プローブ102からの超音波を直進させるか、副プローブ103からの超音波を切替ミラー104で反射させるかにより、いずれか一方からの超音波が選択的に(シリコーンゴムシートが窓材として取り付けられた)出射口105から被検体に照射することができるようにしてある。これにより、主プローブ102による画像診断で特定した測定位置(画像中央の位置)に対し、副プローブ103で正確かつ同軸状に加温できるようにするとともに、共通の出射口105から照射することで、肋骨の間の狭い幅からでも安全に超音波による加温ができることが開示されている。
In addition, the main probe for diagnostic imaging and the auxiliary probe for heating are attached to the probe holder, and the traveling direction of the ultrasonic wave (signal) from the main probe and the traveling direction of the ultrasonic wave (energy) from the secondary probe are coaxial. There is disclosed a technique in which the direction is set (see Patent Document 3).
Specifically, as shown in FIG. 10, in the conventional ultrasonic diagnostic probe 100 for fat diagnosis, images are formed on the upper and side surfaces of a probe holder 101 filled with a propagation liquid (water, oil, etc.) through which ultrasonic waves propagate. A multi-channel main probe 102 for diagnosis and a sub probe 103 for heating are attached. Then, by switching the position of the switching mirror 104 provided in the probe holder 101, either the ultrasonic wave from the main probe 102 goes straight or the ultrasonic wave from the sub probe 103 is reflected by the switching mirror 104, either The object can be selectively irradiated from the emission port 105 (with a silicone rubber sheet attached as a window material). As a result, the measurement position (position in the center of the image) specified by the image diagnosis by the main probe 102 can be heated accurately and coaxially by the sub probe 103 and irradiated from the common exit port 105. It has been disclosed that ultrasonic heating can be safely performed even from a narrow width between ribs.
特許文献3に記載された脂肪診断用超音波プローブを使用すると、プローブの出射口を肋骨間の隙間に当接して超音波による加温を行うことができ、光加温に比べて体表から深い部位でも加温することができるので、例えば肋骨間から生体深部に位置する肝臓の脂肪診断が可能になる。 When the fat diagnostic ultrasonic probe described in Patent Document 3 is used, heating by ultrasonic waves can be performed by bringing the exit of the probe into contact with the gap between the ribs, and compared with light heating, Since even deep parts can be heated, for example, it is possible to diagnose fat in the liver located in the deep part of the living body from between the ribs.
ところで、図10に示した脂肪診断用超音波プローブ100によれば、副プローブ103で加温を行うときには、切替ミラー104を副プローブ103から照射される超音波の軸線上(図10の点線の位置)に配置させる。また、主プローブ102で超音波エコー信号の測定を行うときには、切替ミラー104を退避位置(図10の実線の位置)に移動させる必要があり、これを伝播体中で行う必要があるため、切替ミラー104の駆動機構が必要になるとともに構造が複雑になっていた。 By the way, according to the ultrasonic diagnostic probe 100 for fat diagnosis shown in FIG. 10, when heating is performed by the sub probe 103, the switching mirror 104 is placed on the axis of the ultrasonic wave irradiated from the sub probe 103 (indicated by the dotted line in FIG. 10). Position). Further, when the ultrasonic echo signal is measured by the main probe 102, the switching mirror 104 needs to be moved to the retracted position (the position indicated by the solid line in FIG. 10). A driving mechanism for the mirror 104 is required and the structure is complicated.
そこで、本発明は、主プローブからの超音波と副プローブからの超音波とを、駆動機構を用いることなく同軸状に照射することができる脂肪診断用超音波プローブを提供することを目的とする。
なお、以下の説明では、主プローブから出射される診断用の超音波を「超音波信号」とし、副プローブから照射される加温用の超音波を「超音波エネルギー」とする。前者はパルス波で出射され、後者は連続波で照射される。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic probe for fat diagnosis that can irradiate ultrasonic waves from a main probe and ultrasonic waves from a sub probe in a coaxial manner without using a drive mechanism. .
In the following description, a diagnostic ultrasonic wave emitted from the main probe is referred to as an “ultrasonic signal”, and a heating ultrasonic wave irradiated from the sub probe is referred to as “ultrasonic energy”. The former is emitted as a pulse wave, and the latter is irradiated as a continuous wave.
上記課題を解決するためになされた本発明の脂肪診断用超音波プローブは、プローブホルダに主プローブと副プローブとが装着され、前記主プローブから出射される診断用の超音波信号と前記副プローブから出射される加温用の超音波エネルギーとが前記プローブホルダ内に充填された伝播体内を伝播して被検体に照射される脂肪診断用超音波プローブであって、前記プローブホルダは、前記主プローブからの前記超音波信号が前記伝播体を直進通過する軸線上に、当該軸線が斜めに入射するように傾斜配置され、かつ、前記副プローブから出射される超音波エネルギーを反射して前記軸線の延長方向に照射させる平板部材が固定され、前記平板部材は、前記主プローブからの前記超音波信号がラム波A0モードの伝播特性で前記平板部材内を伝播することによって前記平板部材を通過し、さらに前記軸線の延長方向に進行することができるように、前記超音波信号の周波数および前記伝播体の材料に応じて、ラム波A0モードの伝播条件を満たす前記軸線に対する前記平板部材の傾斜角度、前記平板部材の材料、前記平板部材の厚さが設定されるようにしてある。 The ultrasonic diagnostic probe for fat diagnosis of the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, has a main probe and a sub probe mounted on a probe holder, and a diagnostic ultrasonic signal emitted from the main probe and the sub probe The ultrasonic diagnostic ultrasound probe for heating is irradiated with ultrasonic energy for heating, which is emitted from the body and propagates through the propagation body filled in the probe holder, and the subject is irradiated with the ultrasonic probe. On the axis line through which the ultrasonic signal from the probe passes straight through the propagation body, the axis line is inclined so that the axis line is incident obliquely, and the ultrasonic energy emitted from the sub probe is reflected to the axis line. The flat plate member to be irradiated in the extending direction of the flat plate member is fixed. The flat plate member has a propagation characteristic of Lamb wave A0 mode in the flat plate member. Depending on the frequency of the ultrasonic signal and the material of the propagating body, the propagation condition of the Lamb wave A0 mode is set so that it can pass through the flat plate member by propagating and further travel in the extension direction of the axis. The inclination angle of the flat plate member with respect to the axis to be filled, the material of the flat plate member, and the thickness of the flat plate member are set.
本発明では、板ガラス等の遮音性能で問題になる「コインシデンス効果」を、超音波プローブに利用する。例えば窓ガラス(平板部材)に外部の騒音(音波)が入射したとき、通常の周波数の音波は、窓ガラス(平板部材)により吸収されて減衰(透過損失が生じる)することにより、遮音効果が得られることになる。一方、特定の周波数域の音波が入射し、平板部材に平行な成分が平板部材上を伝播する屈曲波(ラム波)として共振するようになると、音波が窓ガラスを透過(透過損失が低下)するようになり、遮音効果が得られなくなる。この現象がコインシデンス効果として知られている。 In the present invention, the “coincidence effect”, which is a problem in sound insulation performance of a plate glass or the like, is used for an ultrasonic probe. For example, when external noise (sound wave) is incident on the window glass (flat plate member), sound waves having a normal frequency are absorbed by the window glass (flat plate member) and attenuated (transmission loss occurs), so that the sound insulation effect is obtained. Will be obtained. On the other hand, when a sound wave in a specific frequency band enters and a component parallel to the flat plate member resonates as a bending wave (Lamb wave) propagating on the flat plate member, the sound wave passes through the window glass (transmission loss decreases). The sound insulation effect cannot be obtained. This phenomenon is known as the coincidence effect.
本発明は、主プローブから出射される超音波信号の軸線上に傾斜配置された平板部材に対し、コインシデンス効果を積極利用して当該超音波信号を透過させるものである。具体的には、主プローブで発生する超音波信号の周波数およびプローブホルダ内の伝播体の材料に応じて、平板部材の傾斜角度、材料、厚さを選択することで、入射する超音波信号を平板部材で共振させてラム波を伝播させ、平板部材を透過させて軸線の延長方向に超音波信号が直進するようにしている。
一方、副プローブは、照射される超音波エネルギーが平板部材で反射され、主プローブの軸線の延長方向に照射されるように(プローブホルダに取り付ける角度を設定して)プローブホルダに装着する。
これにより、主プローブからの超音波信号は、固定された平板部材を、コインシデンス効果を利用して透過することで軸線の延長方向に直進するようになる。また、副プローブからの超音波エネルギーは、固定された平板部材で反射されて主プローブの軸線の延長方向に進行するようになる。
In the present invention, the ultrasonic signal is transmitted through the positive effect of the coincidence effect with respect to the flat plate member inclined on the axis of the ultrasonic signal emitted from the main probe. Specifically, by selecting the inclination angle, material, and thickness of the flat plate member according to the frequency of the ultrasonic signal generated by the main probe and the material of the propagating body in the probe holder, the incident ultrasonic signal is The Lamb waves are propagated by resonating with the flat plate member, and the ultrasonic wave signal is transmitted straight in the extending direction of the axis through the flat plate member.
On the other hand, the sub-probe is mounted on the probe holder so that the irradiated ultrasonic energy is reflected by the flat plate member and is irradiated in the extension direction of the axis of the main probe (setting the angle attached to the probe holder).
As a result, the ultrasonic signal from the main probe passes through the fixed flat plate member by using the coincidence effect, thereby going straight in the extending direction of the axis. Further, the ultrasonic energy from the sub probe is reflected by the fixed flat plate member and proceeds in the extending direction of the axis of the main probe.
なお、脂肪診断用超音波プローブで使用する2MHz〜15MHzの超音波周波数帯域では、後述する解析計算により「ラム波A0モード」で平板部材を伝播していることになる。 In the ultrasonic frequency band of 2 MHz to 15 MHz used in the fat diagnostic ultrasonic probe, the plate member is propagated in the “Lamb wave A0 mode” by analysis calculation described later.
ここで、主プローブからの超音波信号の周波数が2MHz〜15MHzの範囲内であり、副プローブからの加温用の超音波エネルギーは0.5MHz〜2MHzの範囲内であるのが好ましい。
これにより、0.5MHz〜2MHzの範囲の超音波エネルギーで生体深くまで加温ができるようになり、通常の肝臓の超音波画像診断(Bモード画像診断)で用いられる2MHz〜15MHzの範囲の超音波信号を送波して超音波エコー信号を受波することで、脂肪肝の診断に応用できるようになる。
Here, the frequency of the ultrasonic signal from the main probe is preferably in the range of 2 MHz to 15 MHz, and the ultrasonic energy for heating from the sub probe is preferably in the range of 0.5 MHz to 2 MHz.
As a result, it becomes possible to warm the living body deeply with ultrasonic energy in the range of 0.5 MHz to 2 MHz, and in the range of 2 MHz to 15 MHz that is used in normal ultrasonic image diagnosis (B-mode image diagnosis) of the liver. By transmitting a sound wave signal and receiving an ultrasonic echo signal, it can be applied to the diagnosis of fatty liver.
また、平板部材の板厚は0.02mm〜2mmで設定するのが望ましい。平板部材の板厚がこれよりも薄いと、平板部材が破損しやすく外部振動等のノイズの影響を受けやすくなる。逆に、平板部材の板厚がこれよりも厚いと、平板部材による超音波の吸収が大きくなり、主プローブからの超音波信号が十分な強度で平板部材を通過することが困難になる。 The plate thickness of the flat plate member is desirably set to 0.02 mm to 2 mm. If the thickness of the flat plate member is thinner than this, the flat plate member is likely to be damaged and easily affected by noise such as external vibration. On the contrary, if the plate thickness of the flat plate member is larger than this, the absorption of ultrasonic waves by the flat plate member becomes large, and it becomes difficult for the ultrasonic signal from the main probe to pass through the flat plate member with sufficient strength.
また、上記発明において、軸線に対する平板部材の傾斜角度が略45°であってもよい。
主プローブからの超音波信号の軸線に対する平板部材の傾斜角度を略45°に設定することで、副プローブから出射する超音波エネルギーの方向を、主プローブからの超音波信号の軸線に対して略90°にすることができるので、主プローブの出射方向を鉛直方向、副プローブの出射方向を水平方向にすればよく、プローブホルダの上面と側面へ各プローブを取り付けるときの角度調整が容易になる。
In the above invention, the inclination angle of the flat plate member relative to the axis may be approximately 45 °.
By setting the inclination angle of the flat plate member with respect to the axis of the ultrasonic signal from the main probe to about 45 °, the direction of the ultrasonic energy emitted from the sub-probe is set substantially to the axis of the ultrasonic signal from the main probe. Since the angle can be set to 90 °, the emission direction of the main probe may be set to the vertical direction, and the emission direction of the sub probe may be set to the horizontal direction, and the angle adjustment when attaching each probe to the upper surface and the side surface of the probe holder becomes easy .
また、上記発明において、平板部材の材料が金属板、またはガラス板、またはその他のラム波が伝播可能な固体板であってもよい。
ここで、金属板にはアルミニウム、鉄、ステンレス等が利用できる。ガラス板にはソーダガラス、石英ガラス等が利用できる。また、アクリル板等の樹脂板も利用できる。さらに、その他の材料でも表面が平坦でラム波が伝播可能な材料であれば使用できる。
また、伝播体が水、またはオイル、またはその他の液体材料であってもよい。
ここで、オイルにはシリコーンオイル、潤滑油、スピンドル油、食用油等が利用できる。また、アセトン、アルコール等のその他の液体材料であってもよい。
In the above invention, the material of the flat plate member may be a metal plate, a glass plate, or another solid plate capable of propagating Lamb waves.
Here, aluminum, iron, stainless steel or the like can be used for the metal plate. As the glass plate, soda glass, quartz glass or the like can be used. A resin plate such as an acrylic plate can also be used. Furthermore, other materials can be used as long as the surface is flat and Lamb waves can propagate.
The propagating body may be water, oil, or other liquid material.
Here, silicone oil, lubricating oil, spindle oil, edible oil, and the like can be used as the oil. Moreover, other liquid materials, such as acetone and alcohol, may be sufficient.
また、プローブホルダは、超音波信号の周波数に応じて板厚が異なる平板部材が交換可能に取り付けられるようにしてもよい。
周波数が異なる主プローブを差し替えてプローブホルダに取り付け、これに合わせて平板部材を差し替えることで、異なる周波数での脂肪診断が可能になる。
なお、平板部材や伝播体の材料をそれぞれ1種類に固定しておけば、主プローブの周波数に応じて交換するときの板厚が異なる平板部材の数を少なくすることができ、平板部材や伝播体の選択の種類を増やせば、その分だけ交換用の平板部材の数を増やす必要がある。
Further, the probe holder may be attached such that flat plate members having different plate thicknesses can be replaced according to the frequency of the ultrasonic signal.
By replacing the main probe with a different frequency and attaching it to the probe holder, and replacing the flat plate member accordingly, fat diagnosis at a different frequency becomes possible.
If the material of the flat plate member and the propagating body is fixed to one type, the number of flat plate members having different plate thicknesses when changing according to the frequency of the main probe can be reduced. If the types of body selection are increased, it is necessary to increase the number of plate members for replacement accordingly.
本発明によれば、駆動機構を用いることなく、主プローブからの超音波信号と副プローブからの超音波エネルギーとの軸線を同軸状にして照射することができる脂肪診断用超音波プローブを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an ultrasonic probe for fat diagnosis capable of irradiating with an axis of an ultrasonic signal from a main probe and an ultrasonic energy from a sub probe being coaxial without using a drive mechanism. be able to.
本発明の実施形態について説明する。以下では、まず、本発明に係る脂肪診断用超音波プローブの全体構造、および、これを用いた脂肪診断システムの全体構成を説明する。続いて、コインシデンス効果による透過確認実験の説明を行い、さらに本発明に関係するラム波A0モードの説明とその利用について説明する。 An embodiment of the present invention will be described. In the following, first, an overall structure of an ultrasonic probe for fat diagnosis according to the present invention and an overall configuration of a fat diagnosis system using the same will be described. Subsequently, a transmission confirmation experiment using the coincidence effect will be described, and a description of the Lamb wave A0 mode related to the present invention and its use will be described.
図1は本発明の一実施形態である脂肪診断用超音波プローブの構成を示す断面図である。超音波プローブ1は、診断用の多チャンネルの主プローブ2、および、加温用で1チャンネルの副プローブ4を装着して一体保持するプローブホルダ5を備えている。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic probe for fat diagnosis according to an embodiment of the present invention. The ultrasonic probe 1 includes a multi-channel main probe 2 for diagnosis and a probe holder 5 for attaching and holding a one-channel sub probe 4 for heating.
主プローブ2には、多チャンネル(例えば128個の振動子)のアレイ型プローブ(市販品)が使用され、各チャンネルからパルス波の超音波信号を走査しながら送波し、生体からの超音波エコー信号を受波するようにしてある。そしてチャンネル数と同じ本数の超音波エコー信号が後述する超音波診断装置11(図3)に送られると、Bモード画像等の超音波画像が形成され、超音波診断装置11の表示画面に表示される。
主プローブ2の各チャンネルからは、1本ずつ超音波信号が出射されるので、超音波信号の進行方向となる「軸線」は出射される本数分だけ存在することになる。これらのうち、副プローブ4からの加温用の超音波エネルギーと、平板部材5aを通過後に同軸になる1つの軸線を「軸線L」とする。
本実施形態では、多チャンネルの圧電素子のうちの中央位置の圧電素子から照射される1ラインの超音波信号の軸線を「軸線L」と選定しており、副プローブ4から出射される超音波エネルギーについても、平板部材5aで反射後はこの軸線Lを中心にして同軸状に照射されるようにプローブホルダ5に取り付けるようにしてある。
As the main probe 2, an array type probe (commercially available) of multi-channel (for example, 128 transducers) is used, and a pulse wave ultrasonic signal is transmitted from each channel while scanning, and ultrasonic waves from a living body are transmitted. An echo signal is received. When the same number of ultrasonic echo signals as the number of channels are sent to an ultrasonic diagnostic apparatus 11 (FIG. 3) described later, an ultrasonic image such as a B-mode image is formed and displayed on the display screen of the ultrasonic diagnostic apparatus 11. Is done.
Since one ultrasonic signal is emitted from each channel of the main probe 2, there are as many “axis lines” as the traveling direction of the ultrasonic signal as the number of emitted ultrasonic waves. Among these, the ultrasonic energy for heating from the sub-probe 4 and one axis that becomes coaxial after passing through the flat plate member 5a are referred to as “axis L”.
In the present embodiment, the axis of one line of ultrasonic signal irradiated from the central piezoelectric element among the multi-channel piezoelectric elements is selected as “axis L”, and the ultrasonic wave emitted from the sub probe 4 is selected. The energy is also attached to the probe holder 5 so as to be irradiated coaxially around the axis L after being reflected by the flat plate member 5a.
主プローブ2から照射される超音波の中心周波数は、通常の画像診断と同様に、測定部位の深さ、画像の分解能に応じて、超音波の中心周波数が2MHz〜15MHzの範囲から選択される。ここでは例えば5MHzの超音波を発振する圧電素子(トランスデューサ)が使用されるものとする。 The center frequency of the ultrasound emitted from the main probe 2 is selected from the range of 2 MHz to 15 MHz according to the depth of the measurement site and the resolution of the image, as in normal image diagnosis. . Here, for example, a piezoelectric element (transducer) that oscillates an ultrasonic wave of 5 MHz is used.
副プローブ4には、図2に示すように、1チャンネルの振動子4aからなる円筒状のプローブが用いられる。この振動子4aには加温用の超音波を照射可能なる大出力用の圧電素子が用いられ、また、振動子4aの周囲には放熱部材が設けられ、副プローブ4は主プローブ2に比べるとタフな構造に作られるとともに十分に放熱が行われるようにしてある。
副プローブ4から照射される超音波エネルギーの中心周波数は、生体による吸収が小さく生体の深くまで加温できるように0.5MHz〜2MHzの範囲から選択される。
As the sub probe 4, as shown in FIG. 2, a cylindrical probe composed of a one-channel vibrator 4 a is used. The vibrator 4a uses a high-power piezoelectric element capable of irradiating heating ultrasonic waves, and a heat radiating member is provided around the vibrator 4a. The sub probe 4 is compared with the main probe 2. It has a tough structure and is designed to provide sufficient heat dissipation.
The center frequency of the ultrasonic energy irradiated from the sub probe 4 is selected from the range of 0.5 MHz to 2 MHz so that the absorption by the living body is small and the living body can be heated deeply.
プローブホルダ5は四方が側壁5bで囲まれた方形体からなり、上面は水平断面が方形である主プローブ2が挿入される開口5cにしてある。また、側壁5bの一面には開口5eが形成してあり、ここに副プローブ4が取り付けてある。
下面は主プローブ2からの超音波信号、副プローブ4からの超音波エネルギーを出射するための開口(出射口)5dとしてあり、これらの超音波が通過可能なシリコーンゴム等のシート5fを窓材として開口5dを塞ぐようにしてある。このシート5fは、超音波を伝播させる流動性の伝播体3をプローブホルダ5内に充填するために設けられている。また、超音波の拡散を抑える音響レンズとして用いられるようにしてもよい。
伝播体3は水、オイルのように音速が既知の材料(例えば水の37℃の音速は1524m/s)のものが使用される。
なお、伝播体3とシート5fとは、音響インピーダンスの近いものが望ましい。シート5f(音響レンズ)としてシリコーンゴムを用いた場合、シリコーンゴムの音速は1000m/s程度であるため、インピーダンスマッチングの点からは音速が比較的近いシリコーンオイル(1275m/s)を伝播体3の材料とすることが好ましい。
The probe holder 5 is a rectangular body surrounded on all sides by side walls 5b, and the upper surface is an opening 5c into which the main probe 2 having a horizontal cross section is square. An opening 5e is formed on one surface of the side wall 5b, and the sub probe 4 is attached thereto.
The lower surface has an opening (emission port) 5d for emitting ultrasonic signals from the main probe 2 and ultrasonic energy from the sub-probe 4, and a sheet 5f made of silicone rubber or the like through which these ultrasonic waves can pass is used as a window material. The opening 5d is closed. The sheet 5f is provided to fill the probe holder 5 with a fluid propagating body 3 that propagates ultrasonic waves. Moreover, you may make it use as an acoustic lens which suppresses spreading | diffusion of an ultrasonic wave.
The propagation body 3 is made of a material having a known sound speed such as water or oil (for example, the sound speed of water at 37 ° C. is 1524 m / s).
The propagation body 3 and the sheet 5f are preferably close to acoustic impedance. When silicone rubber is used as the sheet 5f (acoustic lens), the speed of sound of the silicone rubber is about 1000 m / s. Therefore, from the point of impedance matching, silicone oil (1275 m / s) having a relatively close sound speed is used for the propagation body 3. It is preferable to use a material.
プローブホルダ5内には、主プローブ2から出射する超音波信号の軸線L上に、この軸線Lに対し45°傾斜させて平板部材5aが固定してある。なお、主プローブ2の軸線L以外の他のチャンネルから出射される超音波の軸線に対しても平板部材5aは45°傾斜するようにしてある。 In the probe holder 5, a flat plate member 5 a is fixed on the axis L of the ultrasonic signal emitted from the main probe 2 so as to be inclined by 45 ° with respect to the axis L. The flat plate member 5a is also inclined by 45 ° with respect to the axis of the ultrasonic wave emitted from another channel other than the axis L of the main probe 2.
平板部材5aは、主プローブ2からの超音波信号が透過できる板厚のものを取り付けてある。具体的には、あらかじめ、板厚が異なる複数の候補の中から後述する透過確認実験と同様の手法により、主プローブ2の軸線Lに対し、45°に傾斜させた状態で最も透過性能が優れた板厚のもの、すなわちラム波が伝播可能な条件(共振条件)となる最適な板厚のものを実験的に求めて平板部材5aとして採用するようにしてある。
このときの平板部材5aの最適化については、ラム波の伝播特性を表す速度分布曲線(図8)を導出し、これを板厚等の最適化に利用する手法が好ましいので、その方法については後述する。
The flat plate member 5a is attached with a plate thickness that allows the ultrasonic signal from the main probe 2 to pass therethrough. Specifically, the transmission performance is most excellent in a state where it is inclined at 45 ° with respect to the axis L of the main probe 2 in advance by a method similar to the transmission confirmation experiment described later from among a plurality of candidates having different plate thicknesses. In other words, a plate having an optimum plate thickness that satisfies the conditions (resonance conditions) through which Lamb waves can propagate is experimentally determined and adopted as the flat plate member 5a.
Regarding the optimization of the flat plate member 5a at this time, a method of deriving a velocity distribution curve (FIG. 8) representing the propagation characteristic of Lamb waves and utilizing this for optimization of the plate thickness and the like is preferable. It will be described later.
次に、上述した脂肪診断用超音波プローブ1の使用態様について説明する。図3は本発明に係る脂肪診断用超音波プローブ1を用いた脂肪診断システム10を示す外観図であり、図4は脂肪診断システム10の構成を説明するためのブロック図である。 Next, a usage mode of the above-described fat diagnostic ultrasonic probe 1 will be described. FIG. 3 is an external view showing a fat diagnostic system 10 using the fat diagnostic ultrasonic probe 1 according to the present invention, and FIG. 4 is a block diagram for explaining the configuration of the fat diagnostic system 10.
この脂肪診断システム10は、図1で説明した脂肪診断用の超音波プローブ1(主プローブ2、副プローブ4、プローブホルダ5、平板部材5aを含む)と、超音波診断装置11と、制御ボックス12と、外部コンピュータ装置13とで構成される。 The fat diagnostic system 10 includes an ultrasonic probe 1 for fat diagnosis described in FIG. 1 (including a main probe 2, a sub probe 4, a probe holder 5, and a flat plate member 5a), an ultrasonic diagnostic apparatus 11, and a control box. 12 and an external computer device 13.
超音波診断装置11には、主プローブ2を介して受波した生の超音波エコー信号(RF信号)を、外部に取り出すことができる外部出力端子を備えたものが用いられる。なお、市販の超音波診断装置の一部にはそのような外部出力端子を備えていないものがあるので、その場合は外部出力端子増設用の増設カードを取り付ける等の簡単な作業により外部出力端子を増設しておく。
超音波診断装置11は、外部出力端子から信号ケーブル14を介して、制御ボックス12に超音波エコー信号を伝送するようにしてある。
The ultrasonic diagnostic apparatus 11 is provided with an external output terminal through which a raw ultrasonic echo signal (RF signal) received through the main probe 2 can be extracted. In addition, some of the commercially available ultrasonic diagnostic devices do not have such an external output terminal. In that case, the external output terminal can be removed by a simple operation such as installing an expansion card for expanding the external output terminal. Add more.
The ultrasonic diagnostic apparatus 11 transmits an ultrasonic echo signal from the external output terminal to the control box 12 via the signal cable 14.
制御ボックス12は、信号ケーブル14を介して超音波診断装置11の外部出力端子から送られてくる超音波エコー信号を受波するパルサ・レシーバ回路33、受波した超音波エコー信号をデジタル信号化するA/D変換器34、外部コンピュータ装置13へ超音波エコー信号を送り出す伝送速度の調整処理を行うバッファメモリ35を備える。また、信号ケーブル15を介して副プローブ4から照射するための加温用の超音波連続波を発生する高周波電源31を備える。さらに、副プローブ4からの超音波エネルギーの照射の制御、パルサ・レシーバ回路33による超音波エコー信号の受波の開始および停止の制御、バッファメモリ35による超音波エコー信号の伝送制御を行うコントローラ36を備えている。 The control box 12 is a pulser / receiver circuit 33 that receives an ultrasonic echo signal transmitted from the external output terminal of the ultrasonic diagnostic apparatus 11 via the signal cable 14, and converts the received ultrasonic echo signal into a digital signal. And a buffer memory 35 for performing transmission speed adjustment processing for sending out an ultrasonic echo signal to the external computer device 13. In addition, a high-frequency power source 31 that generates a continuous ultrasonic wave for heating for irradiation from the sub probe 4 via the signal cable 15 is provided. Furthermore, a controller 36 that controls the irradiation of ultrasonic energy from the sub-probe 4, controls the start and stop of reception of the ultrasonic echo signal by the pulser / receiver circuit 33, and controls the transmission of the ultrasonic echo signal by the buffer memory 35. It has.
外部コンピュータ装置13は、CPU、メモリ、入力装置(キーボード等)、表示装置(液晶パネル)を備えた汎用のパーソナルコンピュータ装置(例えばノート型パソコン)が用いられる。そして超音波診断装置11と主プローブ2とによって測定され、信号ケーブル14、制御ボックス12を介して伝送される超音波エコー信号を受け取る。超音波エコー信号は、少なくとも副プローブ4で加温可能な領域に含まれる超音波エコー信号の本数分を受け取る。この超音波エコー信号は、主プローブ2を動かさずに加温前と加温後との合計2回測定されるので、それぞれを「加温前超音波エコー信号」と「加温後超音波エコー信号」として、同じ本数の超音波エコー信号のデータが記憶される。 As the external computer device 13, a general-purpose personal computer device (for example, a notebook computer) including a CPU, a memory, an input device (such as a keyboard), and a display device (liquid crystal panel) is used. An ultrasonic echo signal measured by the ultrasonic diagnostic apparatus 11 and the main probe 2 and transmitted via the signal cable 14 and the control box 12 is received. The ultrasonic echo signal receives at least the number of ultrasonic echo signals included in the region that can be heated by the sub probe 4. Since this ultrasonic echo signal is measured twice before and after heating without moving the main probe 2, the ultrasonic echo signal before heating and the ultrasonic echo after heating are respectively measured. As the “signal”, the same number of ultrasonic echo signal data is stored.
そして加温前超音波エコー信号と加温後超音波エコー信号に、既述の(2)式による計算を行い、超音波速度変化(ここでは超音波速度比)を算出し、さらに脂肪診断に必要な演算処理を行う。
すなわち、図9で説明した従来例と同様の原理・方法で、加温後に受波した超音波エコー信号と、加温前に受波した超音波エコー信号とに基づいて、加温前後の超音波エコー信号の波形シフト量(Δτ)の計算を行い、また、測定領域内の組織の境界間のパルス間隔(τ)を算出する処理を行う。そして式(2)に基づいて、各部分区間の超音波速度比(V’/V)を算出する処理を行う。
Then, the pre-heating ultrasonic echo signal and the post-heating ultrasonic echo signal are calculated according to the above-described equation (2) to calculate the ultrasonic velocity change (in this case, the ultrasonic velocity ratio), and for fat diagnosis Perform the necessary arithmetic processing.
That is, based on the ultrasonic echo signal received after heating and the ultrasonic echo signal received before heating, using the same principle and method as the conventional example described in FIG. A waveform shift amount (Δτ) of the acoustic echo signal is calculated, and a process of calculating a pulse interval (τ) between tissue boundaries in the measurement region is performed. And based on Formula (2), the process which calculates the ultrasonic velocity ratio (V '/ V) of each partial area is performed.
外部コンピュータ装置13では、主プローブ2にて受波した複数本の超音波エコー信号データを演算処理するため、算出結果は、副プローブ4で加温された領域について超音波速度変化画像や脂肪分布画像の形成が可能な量のデータとなっている。したがって、伝送される超音波エコー信号データにより、外部コンピュータ装置6の表示画面に、超音波速度変化画像、さらには脂肪分布画像の画像表示を行うことができる。
また、表示した画面上で特定の測定ポイントを指定すれば、当該測定ポイントに対応する超音波エコー信号に基づいて、超音波速度比の値や脂肪情報(脂肪判定、脂肪割合)の演算結果を表示装置に数値表現することもできる。
In the external computer device 13, since a plurality of ultrasonic echo signal data received by the main probe 2 is processed, the calculation result is an ultrasonic velocity change image or fat distribution for the region heated by the sub probe 4. The amount of data is such that an image can be formed. Therefore, an ultrasonic velocity change image and further a fat distribution image can be displayed on the display screen of the external computer device 6 by the transmitted ultrasonic echo signal data.
In addition, if a specific measurement point is specified on the displayed screen, the calculation result of the ultrasonic velocity ratio value and fat information (fat determination, fat ratio) is calculated based on the ultrasonic echo signal corresponding to the measurement point. It can also be expressed numerically on the display device.
(超音波信号の透過確認実験)
超音波信号がコインシデンス効果により平板部材を透過して直進することを確認する実験結果について説明する。図5は、実験に用いた測定系を示す図である。
超音波信号の伝播体としての水が充填された容器内に、平板部材を挟んで上側に送波側トランスデューサ、下側に受波側トランスデューサを直線状に配置する。平板部材は水平方向を0°として傾斜角度θを調整できるようにしてある。
パルサ・レシーバ回路(PANAMETRICS-NDT、Model5077R)は、送波側トランスデューサに5MHzのパルス波の超音波信号を出力するとともに、受波側トランスデューサで受波した透過超音波信号が入力される。この透過超音波信号はオシロスコープで検出されるようにしてある。
平板部材にはアルミニウムの薄板を使用し、板厚と傾斜角度を変化させたときの超音波の透過特性を確認した。
(Ultrasonic signal transmission confirmation experiment)
An experimental result for confirming that the ultrasonic signal travels straight through the flat plate member due to the coincidence effect will be described. FIG. 5 is a diagram showing a measurement system used in the experiment.
In a container filled with water as a propagation body of an ultrasonic signal, a transmitting side transducer is arranged on the upper side and a receiving side transducer is arranged on the lower side with a flat plate member interposed therebetween. The flat plate member is designed so that the inclination angle θ can be adjusted by setting the horizontal direction to 0 °.
The pulsar / receiver circuit (PANAMETRICS-NDT, Model5077R) outputs an ultrasonic signal of a 5 MHz pulse wave to the transmission side transducer and also receives a transmission ultrasonic signal received by the reception side transducer. This transmitted ultrasonic signal is detected by an oscilloscope.
An aluminum thin plate was used as the flat plate member, and ultrasonic transmission characteristics when the plate thickness and the inclination angle were changed were confirmed.
図6は平板部材の板厚tを0.1mm、0.2mm、0.3mmとし、傾斜角度θが0°、45°で透過特性を測定した透過超音波信号の波形を示す図である。比較のために平板部材を設けずに直接受波した透過超音波信号(生信号という)も示してある。
傾斜角度が0°のときは、生信号に比べて透過超音波信号は大きく減衰しており、特に板厚が厚くなるにつれて減衰が大きくなっている。
傾斜角度が45°のときは、板厚が0.3mmのときの透過超音波信号は大きく減衰しているが、板厚が0.2mm、0.1mmではあまり減衰しておらず、特に0.2mmでの生信号に対する透過超音波信号の強度比は90%であり、優れた透過特性を有している。
FIG. 6 is a diagram showing a waveform of a transmission ultrasonic signal in which transmission characteristics are measured at plate thicknesses t of 0.1 mm, 0.2 mm, and 0.3 mm and inclination angles θ of 0 ° and 45 °. For comparison, a transmitted ultrasonic signal (referred to as a raw signal) directly received without providing a flat plate member is also shown.
When the inclination angle is 0 °, the transmitted ultrasonic signal is greatly attenuated compared to the raw signal, and the attenuation is particularly increased as the plate thickness is increased.
When the inclination angle is 45 °, the transmitted ultrasonic signal when the plate thickness is 0.3 mm is greatly attenuated, but when the plate thickness is 0.2 mm and 0.1 mm, it is not so attenuated. The intensity ratio of the transmitted ultrasonic signal to the raw signal at .2 mm is 90% and has excellent transmission characteristics.
図7は平板部材の板厚tを0.2mmとし、傾斜角度を0°〜70°で変化させたときの透過超音波信号の波形を示す図ある。傾斜角度が46°のときに透過小音波信号が最大となっている。 FIG. 7 is a diagram showing a waveform of a transmitted ultrasonic signal when the thickness t of the flat plate member is 0.2 mm and the inclination angle is changed from 0 ° to 70 °. The transmitted sound wave signal is maximum when the inclination angle is 46 °.
以上のことから、伝播体を水とし、平板部材の材料をアルミニウム板とし、超音波周波数を5MHzとしたときに、傾斜角度を約45°に設定すると、板厚を0.2mmに加工することでコインシデンス効果により超音波信号が平板部材を透過できることが確認された。 From the above, when the propagating body is water, the material of the flat plate member is an aluminum plate, and the ultrasonic frequency is 5 MHz, if the inclination angle is set to about 45 °, the plate thickness is processed to 0.2 mm. Thus, it was confirmed that the ultrasonic signal can pass through the flat plate member due to the coincidence effect.
伝播体の材料(水、オイル)、平板部材の材料(ガラス、他の金属)、超音波周波数(2MHz〜15MHz)、傾斜角度、板厚を変更すれば、コインシデンス効果が得られる共振条件が変化するので、これらのいずれかのパラメータを変更して最適条件を実験的に探すようにすれば、他の条件でも本発明を実施できることはいうまでもない。 Changing the propagation material (water, oil), flat plate material (glass, other metals), ultrasonic frequency (2 MHz to 15 MHz), tilt angle, and plate thickness, the resonance conditions for obtaining the coincidence effect change Therefore, it goes without saying that the present invention can be implemented under other conditions by changing any of these parameters to experimentally search for the optimum conditions.
(平板部材中の超音波の伝播解析)
上述したように、コインシデンス効果が得られる条件(共振条件)については、あらかじめ、板厚や超音波信号等のパラメータの初期値を定め、適当な範囲で変化させて最適化していくことで実験的に求めることができるが、最適化のためのパラメータの初期値を設定する際に、波動方程式から理論的に導き出した伝播特性を利用することが好ましい。
平板部材中を伝播する超音波は、波動方程式から導出されるRayleigh-Lamb方程式により表され、この方程式から板波であるラム波(Lamb波)の位相速度の分散曲線を算出する研究がなされているので、これを利用する(例えば下記文献A参照)。
(Analysis of ultrasonic wave propagation in flat plate member)
As described above, the conditions (resonance conditions) for obtaining the coincidence effect are experimentally determined by preliminarily determining initial values of parameters such as plate thickness and ultrasonic signal and changing the parameters within an appropriate range. However, it is preferable to use the propagation characteristics theoretically derived from the wave equation when setting the initial values of the parameters for optimization.
Ultrasonic waves propagating in a flat plate member are represented by the Rayleigh-Lamb equation derived from the wave equation. From this equation, research has been conducted to calculate a dispersion curve of the phase velocity of a lamb wave, which is a plate wave. Therefore, this is utilized (for example, refer to the following document A).
文献A:計測自動制御学会東北支部第251回研究集会(2009.7.15)「平板中のガイド波の伝搬解析」 高村周平、今野和彦 国立大学法人秋田大学 工学資源学部 Reference A: Tohoku Branch of the Society of Instrument and Control Engineers, 251st Meeting (2009.7.15) “Propagation Analysis of Guide Waves in Flat Plates” Shuhei Takamura, Kazuhiko Konno Faculty of Engineering Resources, Akita University
平板部材に超音波が斜め入射すると、ラム波が平板部材中を伝播する。ラム波には平板部材の上下面が対称に伸縮・屈曲するSモード(Symmetric)と非対称に伸縮・屈曲するAモード(Anti−symmetric)の屈曲波が存在する。Sモードは基本モードから高次モードの順にS0、S1、S2・・・モードが存在し、また、Aモードは基本モードから高次モードの順にA0、A1、A2・・・モードが存在する。
Sモード、Aモードの伝播特性は、Sモードが次式(3)、Aモードが次式(4)で表すことができ、Rayleigh-Lamb方程式と呼ばれている。
そして次式(5)により、ラム波(屈曲波)の位相速度cの速度分散曲線を算出することができる。
When ultrasonic waves are obliquely incident on the flat plate member, Lamb waves propagate through the flat plate member. The Lamb wave includes an S mode (Symmetric) in which the upper and lower surfaces of the flat plate member are expanded and contracted symmetrically and an A mode (Anti-symmetric) in which the upper and lower surfaces are asymmetrically expanded and contracted. The S mode has S0, S1, S2... Modes in the order from the basic mode to the higher order mode, and the A mode has A0, A1, A2.
The propagation characteristics of the S mode and the A mode can be represented by the following equation (3) for the S mode and the following equation (4) for the A mode, which is called the Rayleigh-Lamb equation.
Then, the velocity dispersion curve of the phase velocity c of the Lamb wave (bending wave) can be calculated by the following equation (5).
ここで、kは波数、dは板厚、ωは角周波数、cはラム波の位相速度である。cT、cLは平板部材材料で定まる横波音速、縦波音速である。 Here, k is the wave number, d is the plate thickness, ω is the angular frequency, and c is the phase velocity of the Lamb wave. c T, c L the shear wave velocity determined by the flat member material, a longitudinal wave sonic speed.
図8は、平板部材の材料がAl(アルミニウム)板(すなわちcT=6400m/s、cL=3040m/s)であるとして、算出された位相速度分散曲線を示す図である。
この分散曲線上は縦軸が位相速度cであり、横軸が超音波周波数×板厚である。外部伝播体(水)から伝送されてきた超音波が、平板部材に斜めに入射するとき、外部伝播体(水)の音速Vw(例えば1524m/sとする)と、平板部材中の伝播速度V(=c)とは、幾何学的関係から次式(6)を満たすことで、外部伝播体(水)の音圧分布が平板部材上で同期し、超音波が平板部材に伝播されることになる。
Vsinα=Vw ・・・(6)
ここで、αは入射角であり、θ+α=90°の関係をなす。
FIG. 8 is a diagram showing a calculated phase velocity dispersion curve assuming that the material of the flat plate member is an Al (aluminum) plate (that is, c T = 6400 m / s, c L = 3040 m / s).
On this dispersion curve, the vertical axis is the phase velocity c, and the horizontal axis is ultrasonic frequency × plate thickness. When the ultrasonic wave transmitted from the external propagation body (water) is obliquely incident on the flat plate member, the sound velocity V w (for example, 1524 m / s) of the external propagation body (water) and the propagation speed in the flat plate member V (= c) means that the following equation (6) is satisfied from the geometric relationship, so that the sound pressure distribution of the external propagation body (water) is synchronized on the flat plate member, and the ultrasonic wave is propagated to the flat plate member. It will be.
Vsin α = V w (6)
Here, α is an incident angle and has a relationship of θ + α = 90 °.
そして、超音波周波数を5MHz、板厚t(=d)を0.2mmとし、図8の位相速度分散曲線から、伝播可能な伝播モードの位相速度Vを読み取る(横軸「周波数×板厚」が1MHzmmのときの位相速度)と、A0モード(約2200m/s)とS0モード(5400m/s)とが該当するが、
式(6)を満たすことができるαがA0モードに存在することになる。
すなわち、水の音速Vw=1524m/sと、A0モードの位相速度V=2200m/sとから、
sinα=1540/2200
となり、
α=44°で伝播可能となる。
Then, the ultrasonic frequency is 5 MHz, the plate thickness t (= d) is 0.2 mm, and the phase velocity V of the propagation mode in which propagation is possible is read from the phase velocity dispersion curve of FIG. 8 (horizontal axis “frequency × plate thickness” Phase velocity when A is 1 MHz mm), A0 mode (about 2200 m / s) and S0 mode (5400 m / s),
Α that can satisfy Expression (6) exists in the A0 mode.
That is, from the sound velocity V w = 1524 m / s of water and the phase velocity V = 2200 m / s of the A0 mode,
sin α = 1540/2200
And
Propagation is possible at α = 44 °.
図7の実験結果ではθ=46°(すなわちα=44°)のときに最も透過特性が優れているが、これは平板部材内をA0モードで超音波信号が伝播されて透過したことに対応している。 In the experimental results of FIG. 7, the transmission characteristics are the best when θ = 46 ° (that is, α = 44 °). This corresponds to the fact that the ultrasonic signal propagates through the flat plate member in the A0 mode. doing.
なお、S0モード(V=5400m/s)による伝播はθ=73°〜74°(α=16°〜17°)となり、平板部材への入射角が浅すぎるためS0モードでの透過特性を利用することは困難である。 Propagation in the S0 mode (V = 5400 m / s) is θ = 73 ° to 74 ° (α = 16 ° to 17 °), and the incident angle to the flat plate member is too shallow, so the transmission characteristics in the S0 mode are used. It is difficult to do.
また、以上の例では、先に周波数(f)と板厚(t)とを決定し、これらから決定される「周波数×板厚」に対応するA0モードの位相速度(V)と外部音速(Vw)から入射角αを求めるようにした。
これに対し、先に入射角α(例えばα=45°(すなわちθ=45°))と外部伝播体(水)の音速Vw(水では1524m/s)とを決定し、これらの値と式(6)とから一義的に算出される位相速度(V)の値に対応するA0モードの「超音波周波数×板厚」の値を図8から読み取り、使用する超音波周波数に応じて板厚を定めたり、使用する板厚に応じて超音波周波数を定めたりするようにしてもよい。
In the above example, the frequency (f) and the plate thickness (t) are determined first, and the phase velocity (V) and the external sound velocity (V) in the A0 mode corresponding to “frequency × plate thickness” determined from them are determined. The incident angle α is obtained from V w ).
On the other hand, the incident angle α (for example, α = 45 ° (that is, θ = 45 °)) and the sound velocity V w (1524 m / s for water) of the external propagation body (water) are determined first, The value of “ultrasonic frequency × plate thickness” of the A0 mode corresponding to the value of the phase velocity (V) uniquely calculated from the equation (6) is read from FIG. 8, and the plate is selected according to the ultrasonic frequency to be used. The thickness may be determined, or the ultrasonic frequency may be determined according to the plate thickness to be used.
そして、位相速度分散曲線を用いて決定したパラメータを初期値として、平板部材の板厚を微調整することで伝播特性が優れた板厚の平板部材を容易に得ることができるようになる。 Then, by using the parameter determined using the phase velocity dispersion curve as an initial value and finely adjusting the plate thickness of the flat plate member, a flat plate member with excellent propagation characteristics can be easily obtained.
以上は、平板部材5aの傾斜角度θが45°で材料がアルミニウム板のもの、伝播体に水、超音波周波数を5MHzとして説明したが、いずれかのパラメータを変更してもよいことはいうまでもない。
例えば、平板部材5aを取り付ける傾斜角度θを30°〜60°程度の範囲で変更してもよい。なお、その場合は副プローブ4をプローブホルダ5に取り付ける角度を調整し、平板部材5aに反射させた後の副プローブ4の軸線が軸線Lと同軸となるようにする必要がある。
また、平板部材5aをガラス板やステンレス板等に変更してもよい。その場合は式(5)における平板部材5a中の音速(cT、cL)を材料ごとに変更し、それぞれの材料についての速度分散曲線を算出することになる。
また、伝播体3を水からオイルに変更したときは、音速Vwをオイルの音速に変更して計算することになる。
In the above, the inclination angle θ of the flat plate member 5a is 45 °, the material is an aluminum plate, the propagation body is water, and the ultrasonic frequency is 5 MHz. However, it goes without saying that any parameter may be changed. Nor.
For example, the inclination angle θ for attaching the flat plate member 5a may be changed within a range of about 30 ° to 60 °. In this case, it is necessary to adjust the angle at which the sub probe 4 is attached to the probe holder 5 so that the axis of the sub probe 4 after being reflected by the flat plate member 5a is coaxial with the axis L.
Further, the flat plate member 5a may be changed to a glass plate, a stainless plate, or the like. In that case, the speed of sound (c T , c L ) in the flat plate member 5a in the equation (5) is changed for each material, and the velocity dispersion curve for each material is calculated.
Further, when the propagation material 3 is changed from water to oil, comprising a sound velocity V w to be calculated by changing the speed of sound of the oil.
本発明は脂肪診断用超音波プローブとして利用することができる。 The present invention can be used as an ultrasonic probe for fat diagnosis.
1 脂肪診断用超音波プローブ
2 主プローブ(診断用多チャンネル超音波プローブ)
3 伝播体(水)
4 副プローブ(加温用超音波プローブ)
4a 1チャンネルトランスデューサ
5 プローブホルダ
5a 平板部材
11 超音波診断装置
12 制御ボックス
13 外部コンピュータ装置
14、15 信号ケーブル
31 高周波電源
33 パルサ・レシーバ回路
34 A/D変換器
35 バッファメモリ
36 コントローラ
1 Ultrasonic probe for fat diagnosis 2 Main probe (multichannel ultrasonic probe for diagnosis)
3 Propagation body (water)
4 Sub probe (Ultrasonic probe for heating)
4a 1 channel transducer 5 probe holder 5a flat plate member 11 ultrasonic diagnostic device 12 control box 13 external computer device 14, 15 signal cable 31 high frequency power supply 33 pulser / receiver circuit 34 A / D converter 35 buffer memory 36 controller
Claims (7)
前記プローブホルダは、前記主プローブからの前記超音波信号が前記伝播体を直進通過する軸線上に、当該軸線が斜めに入射するように傾斜配置され、かつ、前記副プローブから出射される超音波エネルギーを反射して前記軸線の延長方向に照射させる平板部材が固定され、
前記平板部材は、前記主プローブからの前記超音波信号がラム波A0モードの伝播特性で前記平板部材内を伝播することによって前記平板部材を通過し、さらに前記軸線の延長方向に進行することができるように、前記超音波信号の周波数および前記伝播体の材料に応じて、ラム波A0モードの伝播条件を満たす前記軸線に対する前記平板部材の傾斜角度、前記平板部材の材料、前記平板部材の厚さが設定されていることを特徴とする脂肪診断用超音波プローブ。 A main probe and a sub-probe are mounted on the probe holder, and a diagnostic ultrasonic signal emitted from the main probe and a heating ultrasonic energy emitted from the sub-probe are filled in the probe holder. A diagnostic ultrasound probe for fat diagnosis that propagates through the propagation body and irradiates the subject,
The probe holder is disposed so as to incline so that the ultrasonic signal from the main probe travels straight through the propagating body so that the axis is obliquely incident, and is emitted from the sub probe. A flat plate member that reflects energy and irradiates in the extending direction of the axis is fixed,
The flat plate member passes through the flat plate member as the ultrasonic signal from the main probe propagates in the flat plate member with propagation characteristics of a Lamb wave A0 mode, and further proceeds in the direction of extension of the axis. According to the frequency of the ultrasonic signal and the material of the propagating body, the inclination angle of the flat plate member with respect to the axis satisfying the propagation condition of the Lamb wave A0 mode, the material of the flat plate member, the thickness of the flat plate member An ultrasonic probe for fat diagnosis, characterized in that is set.
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