JP2006204617A

JP2006204617A - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP2006204617A
Application number: JP2005021792A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kuniyasu; 利明国安; Toshikazu Tanaka; 俊積田中; Hirotomo Itoi; 啓友糸井
Original assignee: Fujinon Corp; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp; Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】超音波の受信感度を向上させる。
【解決手段】超音波プローブ１１の先端のキャップ３０は、超音波トランスデューサ３１に対向する内側から、生体に対向する外側に亙って、複数の層Ｌ₁〜Ｌ_Nが形成された多層構造となっている。キャップ３０は、最も内側の層Ｌ₁と超音波伝達媒体３４の音響インピーダンスの差、および、隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、最も外側の層Ｌ_Nと超音波伝達媒体３４の音響インピーダンスの差よりも小さくなるように形成されている。超音波伝達媒体３４とキャップ３０との間の音響インピーダンスの差異が低減され、超音波の受信感度を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波トランスデューサを機械的に変位させ、生体に超音波を走査する超音波プローブに関する。

近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから生体の所要部に超音波を照射し、そのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能で、超音波を送受信する超音波トランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブも知られている。このような超音波プローブで生体内の超音波画像を取得する際には、例えば、超音波プローブを内視鏡の鉗子口に挿通して、内視鏡の先端に設けられたカメラで超音波プローブの先端が生体内のどの箇所にあるかを観察しながら行う。

超音波トランスデューサは、圧電素子、電極、および音響整合層からなり、超音波プローブ先端のキャップ内に内蔵されている。メカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブでは、超音波の伝達効率を向上させるとともに、超音波トランスデューサの変位運動が円滑となるように、キャップに超音波伝達媒体が充填されている。

超音波伝達媒体は、揮発性が無く、流動性を有することが必要とされており、例えば、水、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液、生理食塩水、ひまし油、流動パラフィンなどが用いられている。また、１０ＭＨｚ以上の高周波帯域における使用時の超音波減衰を防止するために、脂肪酸グリセライドを主成分とするオイルを超音波伝達媒体として用いた超音波プローブも提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−３４５８１９号公報

ここで、超音波伝達媒体として主に用いられている流動パラフィンの音響インピーダンス（＝１．２Ｍｒａｙｌ）は、ポリエチレンを材質とするキャップの音響インピーダンス（＝２．３Ｍｒａｙｌ）よりも低いため、流動パラフィンとキャップとの間で生体から戻ってくるエコー信号の反射が起こり、感度が低下するという問題があった。

特許文献１に記載の超音波プローブでは、超音波伝達媒体として脂肪酸グリセライドを主成分とするオイルを用いることにより、超音波減衰を防止することはできるが、脂肪酸グリセライドの音響インピーダンスは１．２９Ｍｒａｙｌであるため、流動パラフィンの場合と同様に感度が低下する。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、超音波の受信感度を向上させることができる超音波プローブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、超音波伝達媒体を充填したキャップ内で、圧電素子、電極、および音響整合層からなる超音波トランスデューサを機械的に変位させ、前記キャップを介して生体に超音波を走査する超音波プローブにおいて、前記キャップは、前記超音波トランスデューサに対向する内側から、前記生体に対向する外側に亙って、複数の層が形成された多層構造であることを特徴とする。

なお、前記キャップの最も内側の層と前記超音波伝達媒体の音響インピーダンスの差、および、前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、前記キャップの最も外側の層と前記超音波伝達媒体の音響インピーダンスの差よりも小さいことが好ましい。

前記キャップの最も外側の層の音響インピーダンスが、２．３Ｍｒａｙｌ以下であることが好ましい。また、前記キャップの最も内側の層の音響インピーダンスが、０．２Ｍｒａｙｌ以上であることが好ましい。

また、前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、外側に向かうに連れて小さいことが好ましい。あるいは、前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、外側に向かうに連れて大きいことが好ましい。若しくは、前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、任意の値をとることが好ましい。

前記キャップを構成する層うちの少なくとも１層に、音響インピーダンスを調整する調整剤を添加することが好ましい。なお、前記調整剤は、無機固体材料、有機固体材料、気体、および液体のうちのいずれかであることが好ましい。

さらに、前記キャップと前記超音波トランスデューサとの間に、さらに別のキャップを配置することが好ましい。この場合、前記別のキャップは、前記超音波トランスデューサに対向する内側から、前記生体に対向する外側に亙って、複数の層が形成された多層構造であることが好ましい。また、前記キャップと前記別のキャップとで隔てられる空間に、異なる種類の超音波伝達媒体を充填することが好ましい。

本発明の超音波プローブによれば、超音波トランスデューサに対向する内側から、生体に対向する外側に亙って、複数の層が形成された多層構造を有するキャップを用いるので、超音波伝達媒体とキャップとの間の音響インピーダンスの差異が低減され、超音波の受信感度を向上させることができる。また、キャップを構成する層の全てが破損しない限り、超音波伝達媒体が漏れることがない。

図１において、超音波診断装置２は、内視鏡１０と、超音波プローブ１１と、超音波観測器１２とからなる。内視鏡１０は、軟性部材からなり、生体内に挿入される挿入部１３と、挿入部１３の基端部分に連設された操作部１４と、内視鏡用プロセッサ装置（図示せず）に接続されるコード１５とを備えている。挿入部１３の先端１３ａには、生体内撮影用のカメラ（図示せず）が内蔵されており、このカメラで撮影した画像を、内視鏡用プロセッサ装置を介して内視鏡用モニタ（図示せず）に表示して観察することが可能となっている。

超音波プローブ１１は、内視鏡１０の鉗子口１６に挿通され、挿入部１３と同様に軟性部材からなるシース１７と、後述するモータ４９など（図５参照）が内蔵されたトランスレータ１８と、超音波観測器１２に接続されるコード１９とを備えている。一方、超音波観測器１２は、超音波画像を表示するモニタ２０を備えている。

図２において、シース１７の先端１７ａには、円筒形のキャップ３０が取り付けられており、このキャップ３０内には、超音波トランスデューサ３１が内蔵されている。超音波トランスデューサ３１は、コントロールケーブル３２が連結された台座３３に載置されている。コントロールケーブル３２は、フレキシブルシャフト３２ａと、フレキシブルシャフト３２ａを被覆する可撓チューブ３２ｂとからなる。

フレキシブルシャフト３２ａの先端は台座３３に連結され、その基端はトランスレータ１８内に延長されており、トランスレータ１８に内蔵されたモータ４９により、所定の回転速度（例えば１０〜４０回転／秒）で回転駆動される。これにより、超音波トランスデューサ３１は、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として所定の回転速度で回転される。

キャップ３０により密閉された空間内には、超音波伝達媒体３４が充填されている。超音波伝達媒体３４は、超音波の伝達効率を向上させるとともに、超音波トランスデューサ３１の回転を円滑にする潤滑油として機能する。

図３において、キャップ３０は、超音波トランスデューサ３１に対向する内側（図中下方）から、生体に対向する外側（図中上方）に亙って、複数の層（第１層Ｌ₁〜第Ｎ層Ｌ_N）が形成された多層構造となっている。

図４に示すように、超音波伝達媒体３４の音響インピーダンスをＺ₀、キャップ３０を構成する各層Ｌ₁〜Ｌ_Nの音響インピーダンスをＺ_i（ｉ＝１〜Ｎ）として、キャップ３０は、最も内側の層である第１層Ｌ₁と超音波伝達媒体３４の音響インピーダンスの差Ｚ₁−Ｚ₀＝ΔＺ₁、0、および、キャップ３０の隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差Ｚ_j+1−Ｚ_j＝ΔＺ_j+1、_j（ｊ＝１〜Ｎ−１）が、最も外側の層である第Ｎ層Ｌ_Nと超音波伝達媒体３４の音響インピーダンスの差Ｚ_N−Ｚ₀＝ΔＺ_N、0よりも小さくなるように、つまり、第Ｎ層Ｌ_Nから超音波伝達媒体３４にかけて、音響インピーダンスが緩やかに減少するように形成される。

また、第１層Ｌ₁の音響インピーダンスＺ₁は、０．２Ｍｒａｙｌ以上となっており、第Ｎ層Ｌ_Nの音響インピーダンスＺ_Nは、２．３Ｍｒａｙｌ以下となっている。さらに、キャップ３０は、隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差ΔＺ_j+1、_jが、外側に向かうに連れて小さくなるように形成されている。

ここで、Ｎ＝２とした場合、第１層Ｌ₁、第２層Ｌ₂の材料としては、例えば、第１層Ｌ₁にシリコン樹脂（音響インピーダンス１．６Ｍｒａｙｌ）、第２層Ｌ₂に高密度ポリエチレン（音響インピーダンス２．３Ｍｒａｙｌ）の組み合わせ、あるいは、第１層Ｌ₁にゼラチン（音響インピーダンス１．３Ｍｒａｙｌ）、第２層Ｌ₂にウレタン（音響インピーダンス２．０Ｍｒａｙｌ）の組み合わせが挙げられる。また、超音波伝達媒体３４としては、水（音響インピーダンス１．５Ｍｒａｙｌ）、流動パラフィン（音響インピーダンス１．２Ｍｒａｙｌ）などを用いることができる。

図５において、超音波トランスデューサ３１は、台座３３側から順に、フェライトゴム製のバッキング材４０、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜からなる圧電素子４１、およびエポキシ樹脂製の音響整合層４２からなり、圧電素子４１を電極４３ａ、４３ｂで挟み込んだ構造となっている。両電極４３ａ、４３ｂには、配線４４ａ、４４ｂがそれぞれ接続されている。電極４３ｂ側の配線４４ｂは、アースに接続されている。一方、電極４３ａ側の配線４４ａは、コントロールケーブル３２内を挿通され、トランスレータ１８内の送受信切替回路４５に接続されている。

送受信切替回路４５は、超音波トランスデューサ３１による超音波の送受信切り替えを所定の時間間隔で行う。送受信切替回路４５には、パルス発生回路４６および電圧測定回路４７が接続されている。パルス発生回路４６は、超音波トランスデューサ３１から超音波を発生させる際（超音波の送信時）に、パルス電圧を圧電素子４１に印加する。これにより、超音波トランスデューサ３１は、所定の周波数を有する超音波を発生する。

電圧測定回路４７は、生体からのエコー信号を超音波トランスデューサ３１で受信した際（超音波の受信時）に、圧電素子４１に発生する電圧を測定し、この測定結果をコントローラ４８に送信する。コントローラ４８は、電圧測定回路４７から送信された測定結果を超音波画像に変換し、これを超音波観測器１２に送信する。モータ４９は、コントローラ４８の制御の下に、フレキシブルシャフト３２ａを所定の回転速度で回転させる。

生体内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ１１が鉗子口１６に挿通された内視鏡１０の挿入部１３を生体内に挿入し、内視鏡用モニタにより生体内を観察しながら、生体内の所要部を探索する。そして、生体内の所要部にシース１７の先端１７ａが到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として、超音波トランスデューサ３１が所定の回転速度で回転される。

このとき、送受信切替回路４５により超音波トランスデューサ３１の超音波の送受信が切り替えられながら、パルス発生回路４６からのパルス電圧の印加により、超音波トランスデューサ３１から超音波が発せられ、キャップ３０を介して生体に超音波が走査される。また、生体からのエコー信号が超音波トランスデューサ３１で受信され、電圧測定回路４７により圧電素子４１に発生した電圧が測定される。

生体からのエコー信号は、キャップ３０、超音波伝達媒体３４、および音響整合層４２を介して圧電素子４１に到達するが、第１層Ｌ₁〜第Ｎ層Ｌ_Nを有する多層構造のキャップ３０を用い、第１層Ｌ₁と超音波伝達媒体３４の音響インピーダンスの差ΔＺ1、₀、および、キャップ３０の隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差ΔＺ_j+1、_jが、第Ｎ層Ｌ_Nと超音波伝達媒体３４の音響インピーダンスの差ΔＺ_N、0よりも小さくなるようにしたので、超音波伝達媒体３４とキャップ３０との間の音響インピーダンスの差異が低減される。これにより、超音波伝達媒体３４とキャップ３０との間でエコー信号の反射が起こることが少なくなる。したがって、超音波の受信感度を向上させることができる。

電圧測定回路４７の測定結果はコントローラ４８に送信され、コントローラ４８で超音波画像に変換される。変換された超音波画像は、コード１９を介して超音波観測器１２に送信され、超音波観測器１２のモニタ２０に表示される。

以上説明したように、超音波トランスデューサ３１に対向する内側から、生体に対向する外側に亙って、複数の層Ｌ₁〜Ｌ_Nが形成された多層構造のキャップ３０を用いたので、超音波の受信感度を向上させることができる。また、キャップ３０を構成する層の全てが破損しない限り、超音波伝達媒体３４が漏れることがない。

なお、上記実施形態では、図４に示す如く、キャップ３０の隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差ΔＺ_j+1、_jが、外側に向かうに連れて小さくなるようにキャップ３０を形成したが、図６に示すように、ΔＺ_j+1、_jが、外側に向かうに連れて大きくなるようにしてもよいし、あるいは、図７に示すように、ΔＺ_j+1、_jが、任意の値をとるようにしてもよい。また、上記実施形態では、ΔＺ_j+1、_jが全て正の値となっているが、外側の層よりも内側の層の音響インピーダンスを大きくして、ΔＺ_j+1、_jが負の値となってもよい。

また、図８に示すように、キャップ３０を形成する層うちの少なくとも１層Ｌ_iに、音響インピーダンスを調整する調整剤５０を添加してもよい。調整剤５０は、無機固体材料（シリコン粒子など）、有機固体材料（ポリエチレン微粒子など）、気体（気泡など）、および液体（オイルなど）のうちのいずれかからなる。調整剤５０の種類や添加量などを適宜変化させることにより、既存の材料から、所望の音響インピーダンスを有する材料を容易に作製することができる。

さらに、図９に示すように、キャップ３０と超音波トランスデューサ３１との間に、さらに別のキャップ６０を配置してもよい。この場合、キャップ６０は、キャップ３０と同様に、超音波トランスデューサ３１に対向する内側から、生体に対向する外側に亙って、複数の層が形成された多層構造となっている。また、キャップ３０とキャップ６０とで隔てられる空間Ｓ₁、Ｓ₂には、異なる種類の超音波伝達媒体６１ａ、６１ｂが充填される。

上記の場合、キャップ６０を構成する層、および超音波伝達媒体６１ａ、６１ｂの音響インピーダンスは、超音波伝達媒体３４とキャップ３０、６０との間の音響インピーダンスの差異が低減されるように決定されることは言う迄もない。また、シース１７の先端１７ａのサイズが許す範囲で、キャップをさらに配置して、キャップと超音波伝達媒体とが多重構造をとるようにしてもよい。

上記実施形態では、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として超音波トランスデューサ３１を回転させる超音波プローブ１１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、超音波トランスデューサ３１を揺動、あるいはスライドさせて生体に超音波を走査する超音波プローブについても適用することができる。

また、上記実施形態では、内視鏡１０の鉗子口１６に挿通する超音波プローブ１１を例示して説明したが、挿入部先端に超音波トランスデューサとカメラとが内蔵された、いわゆる超音波内視鏡に適用した場合も、本発明は有効である。

超音波診断装置の構成を示す概略図である。超音波プローブの先端の構造を示す拡大断面図である。キャップの拡大断面図である。超音波伝達媒体からキャップの最も外側の層までの音響インピーダンスの変移を示す説明図である。超音波トランスデューサの構成およびトランスレータの電気的構成を示す説明図である。超音波伝達媒体からキャップの最も外側の層までの音響インピーダンスの変移の別の例を示す説明図である。超音波伝達媒体からキャップの最も外側の層までの音響インピーダンスの変移の別の例を示す説明図である。キャップを構成する層のうちの１層に、調整剤を添加した例を示す拡大断面図である。キャップと超音波トランスデューサとの間に、さらに別のキャップを配置した例を示す断面図である。

符号の説明

２超音波診断装置
１０内視鏡
１１超音波プローブ
１２超音波観測器
３０、６０キャップ
３１超音波トランスデューサ
３４、６１ａ、６１ｂ超音波伝達媒体
４１圧電素子
４２音響整合層
５０調整剤

Claims

超音波伝達媒体を充填したキャップ内で、圧電素子、電極、および音響整合層からなる超音波トランスデューサを機械的に変位させ、前記キャップを介して生体に超音波を走査する超音波プローブにおいて、
前記キャップは、前記超音波トランスデューサに対向する内側から、前記生体に対向する外側に亙って、複数の層が形成された多層構造であることを特徴とする超音波プローブ。
前記キャップの最も内側の層と前記超音波伝達媒体の音響インピーダンスの差、および、前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、前記キャップの最も外側の層と前記超音波伝達媒体の音響インピーダンスの差よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
前記キャップの最も外側の層の音響インピーダンスが、２．３Ｍｒａｙｌ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波プローブ。
前記キャップの最も内側の層の音響インピーダンスが、０．２Ｍｒａｙｌ以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波プローブ。
前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、外側に向かうに連れて小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波プローブ。
前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、外側に向かうに連れて大きいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波プローブ。
前記キャップの隣り合う外側の層と内側の層の音響インピーダンスの差が、任意の値をとることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波プローブ。
前記キャップを構成する層うちの少なくとも１層に、音響インピーダンスを調整する調整剤を添加したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の超音波プローブ。
前記調整剤は、無機固体材料、有機固体材料、気体、および液体のうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の超音波プローブ。
前記キャップと前記超音波トランスデューサとの間に、さらに別のキャップを配置したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の超音波プローブ。
前記別のキャップは、前記超音波トランスデューサに対向する内側から、前記生体に対向する外側に亙って、複数の層が形成された多層構造であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波プローブ。
前記キャップと前記別のキャップとで隔てられる空間に、異なる種類の超音波伝達媒体を充填したことを特徴とする請求項１０または１１に記載の超音波プローブ。