JP2008142329A - Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an ultrasonic probe that mechanically moves an ultrasonic transducer and an ultrasonic diagnostic apparatus that includes the ultrasonic transducer.
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。 For three-dimensional scanning, an ultrasonic transducer unit including a plurality of ultrasonic transducers arranged in a row by rotating a rotary shaft of a power generation unit (motor) is moved along a direction different from the arrangement direction. There is an ultrasonic probe having a mechanism that supports it so as to be swingable, and an ultrasonic diagnostic apparatus equipped with this ultrasonic probe. The ultrasonic probe having the mechanism can support the ultrasonic transducer unit in a swingable manner by including an arm connecting the rotation shaft of the power generation unit and the ultrasonic transducer unit.
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。 When using an ultrasound probe for diagnosis of convex parts such as the mammary gland, the radius of curvature of the contact surface of the ultrasound probe is set to ensure the adhesion between the contact surface of the ultrasound probe and the living body. It is desirable to make it as large as possible and make the contact surface of the ultrasonic probe as flat as possible. In order to achieve this object, it is necessary to increase the length of the arm in an ultrasonic probe having a mechanism that supports the ultrasonic transducer unit in a swingable manner. However, there is a problem that when the length of the arm is increased, the size of the ultrasonic probe increases.
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。 Further, in order to obtain a highly accurate ultrasonic diagnostic image, it is desirable that the moving speed of the ultrasonic transducer unit be as constant as possible. However, when the ultrasonic transducer unit reaches near one end of the swing range, it is necessary to decelerate and stop the ultrasonic transducer unit by the power generation unit and accelerate it in the reverse direction. When accelerating the ultrasonic transducer unit that is separated from the rotation axis of the power generation unit by a certain distance, the greater the moment of inertia that depends on the square of this distance, the more difficult the power generation unit accelerates the ultrasonic transducer unit. That is, when the ultrasonic transducer unit is accelerated, the longer the arm length, the larger the torque required for the power generation unit. As a result, the power generation unit is required to generate a large current and increase its size.
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。
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。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic probe capable of reducing the size and weight of a power generation unit and an ultrasonic diagnostic apparatus including the ultrasonic probe.
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。 In order to achieve the above object, in the first aspect, the present invention provides an ultrasonic transducer unit having a plurality of ultrasonic transducers arranged in a first direction; A support mechanism that supports the movable body substantially linearly along a second direction different from the direction, and a power generation unit that generates power for moving the ultrasonic transducer unit.
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。 In the second aspect of the present invention, an ultrasonic probe and a power control unit that controls the power generation unit are provided, and the ultrasonic probe includes a plurality of ultrasonic waves arranged in a first direction. An ultrasonic vibrator unit having a vibrator; a support mechanism for supporting the ultrasonic vibrator unit so as to be substantially linearly movable along a second direction different from the first direction; and the ultrasonic vibrator. And a power generation unit that generates power for moving the unit.
本発明によれば、動力発生部の小型・軽量化が可能となる。 According to the present invention, the power generation unit can be reduced in size and weight.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the ultrasonic
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。
The ultrasonic diagnostic apparatus
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The B-
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The power generation unit (motor) 33 is supplied with drive pulses (hereinafter referred to as drive signals) from the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Hereinafter, the structure of the
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。
The
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。
An
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。
The angle
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。
The
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。
A
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。
Hereinafter, the structure of the
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。
Next, the movement control of the
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。
FIG. 5 shows the velocity of the
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。
As indicated by the solid line F <b> 1, when the
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。
According to the configuration described above, the shape of the contact surface of the
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。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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。 An ultrasonic transducer unit having a plurality of ultrasonic transducers arranged in a first direction;
A support mechanism for supporting the ultrasonic transducer unit so as to be substantially linearly movable along a second direction different from the first direction;
An ultrasonic probe comprising: a power generation unit that generates power for moving the ultrasonic transducer unit.
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。 The power generation unit is a motor,
The support mechanism is
A ball screw disposed along the axis in the second direction and rotated by the motor;
A movable member having a screw hole screwed into the ball screw, to which the ultrasonic transducer unit is attached;
A guide rail for guiding the slider and the ultrasonic transducer unit so as to be linearly movable along the second direction;
The ultrasonic probe according to claim 1, comprising:
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。 The power generation unit is a motor,
The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising an angle signal generator that generates a pulse signal each time the rotation shaft of the motor rotates by a certain angle.
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。 A housing that houses the ultrasonic transducer unit, the support mechanism, and the power generation unit;
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the casing has a contact surface with a subject having a substantially parallel planar shape.
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。 An ultrasound probe,
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising a power control unit that controls the power generation unit,
The ultrasonic probe is
An ultrasonic transducer unit having a plurality of ultrasonic transducers arranged in a first direction;
A support mechanism for supporting the ultrasonic transducer unit so as to be substantially linearly movable along a second direction different from the first direction;
An ultrasonic diagnostic apparatus comprising: a power generation unit that generates power for moving the ultrasonic transducer unit.
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