JP2007209700A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】エコー信号の検出精度を低下させることなく、細径化を実現することができる超音波プローブを提供する。
【解決手段】超音波プローブ１０は、パルサ２３から出力される励振パルスおよび被観察部位からのエコー信号を伝送する第１共通伝送路１４と、第１共通伝送路１４からそれぞれ分岐され、励振パルスを伝送する第１分岐伝送路１６およびエコー信号を伝送する第２分岐伝送路１７と、第１共通伝送路１４と第１、第２分岐伝送路１６、１７の分岐点に接続され、第１、第２分岐伝送路１６、１７を切り替える第１スイッチ（ＳＷ₁）１５と、第２分岐伝送路１７に介挿され、エコー信号を増幅するプリアンプ１８とを備える。第１、第２分岐伝送路１６、１７は、第２スイッチ（ＳＷ₂）１９に接続され、第２共通伝送路２０に合流する。ＳＷ₂１９は、ＳＷ₁１５に連動して第１、第２分岐伝送路１６、１７を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体の被観察部位に超音波を照射し、被観察部位からのエコー信号を受信する複数の超音波トランスデューサが先端に配された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被検体の被観察部位に超音波を照射し、被観察部位からのエコー信号をプロセッサ装置で電気的に処理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や、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列し、駆動する超音波トランスデューサを電子スイッチなどで選択的に切り替える電子スキャン走査方式の超音波プローブも知られている。

超音波トランスデューサで検出されるエコー信号は、１０μＶ〜数１００ｍＶ程度の微弱な信号である。このため、従来は、エコー信号の伝送路にプリアンプを設け、このプリアンプでエコー信号を増幅していた。

図３に示すように、従来の超音波診断装置１００には、超音波プローブ１０１側ではなく、プロセッサ装置１０２側にプリアンプ１０３を設けたものがある（特許文献１〜３参照）。超音波プローブ１０１には、複数の超音波トランスデューサ１０４が配列された超音波トランスデューサアレイ１０５と、ケーブル１０６とが設けられている。プロセッサ装置１０２には、ケーブル１０６を介して超音波トランスデューサアレイ１０５に接続するマルチプレクサ（ＭＵＸ）１０７が設けられている。ＭＵＸ１０７には、送受信切替回路１０８が接続されており、送受信切替回路１０８には、前述のプリアンプ１０３と、超音波を発生させるための励振パルスを出力するパルサ１０９とが接続されている。

ここで、超音波プローブのケーブルの長さは、一般的な体外式で１〜２ｍ、撮像装置を内蔵した超音波内視鏡では３．５ｍ程になる。また、ケーブルの太さは、一般的な体外式で７〜１０ｍｍφ程度（使用する同軸ケーブル１本の太さ〜０．５ｍｍφ）であり、超音波内視鏡に至っては、体腔内に挿入するときに患者の負担を減らすために細径化が図られており、通常２ｍｍφ×２（使用する同軸ケーブル１本の太さ〜０．２ｍｍφ）であり、場合によっては、１００μｍφといった極細同軸ケーブルが用いられている。このため、超音波診断装置１００のように、プロセッサ装置１０２側にプリアンプ１０３を設けると、エコー信号がケーブル１０６でプリアンプ１０３に伝送されるまでに、ケーブル１０６への不要な外来ノイズの混入や、ケーブル１０６自体の線抵抗による減衰が発生し、エコー信号の検出精度が著しく低下するという問題があった。

上記のような問題を解決するために、図４に示す超音波診断装置２００のように、超音波プローブ２０１の複数の超音波トランスデューサを超音波の照射用２０３ａ、エコー信号の受信用２０３ｂに分け、受信用の超音波トランスデューサ２０３ｂの直下にプリアンプ２０４を設け、ケーブル２０５を接続したものが提案されている（特許文献４〜６参照）。
特開２００１−１６１６８７号公報 特開２００２−３４９８２号公報 特開２００３−２９９６４８号公報 特開平１−２３８８３６号公報 特開平６−２９６６１０号公報 特開２０００−１２６１７５号公報

超音波トランスデューサは、超音波の照射およびエコー信号の受信を両方行うことが可能な双方向デバイスであるが、図４に示す超音波診断装置２００のように、超音波の照射用、エコー信号の受信用にそれぞれ別の超音波トランスデューサ２０３ａ、２０３ｂを用意した場合、超音波の照射時、エコー信号の受信時には、一方の超音波トランスデューサが全く使用されないので、超音波トランスデューサの特性を無駄にしている。そのうえ、ケーブル２０３の本数が多く、ケーブル２０３が太くなるため、特に細径化が要求されている体腔内挿入用超音波プローブや超音波内視鏡の用途には不適であった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、エコー信号の検出精度を低下させることなく、細径化を実現す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、被検体の被観察部位に超音波を照射し、前記被観察部位からのエコー信号を受信する複数の超音波トランスデューサが配され、前記超音波を発生させるための励振パルスを出力する送信回路、および前記エコー信号を受信する受信回路を備えたプロセッサ装置に接続される超音波プローブにおいて、前記超音波トランスデューサに接続され、前記励振パルスおよび／または前記エコー信号を伝送する第１共通伝送路と、前記第１共通伝送路から、前記励振パルスを伝送する第１分岐伝送路および前記エコー信号を伝送する第２分岐伝送路と、前記第１共通伝送路と前記第１、第２分岐伝送路の間に接続され、前記第１、第２分岐伝送路を切り替える第１切り替え手段と、前記第２分岐伝送路に介挿され、前記エコー信号を増幅する増幅手段とを、前記超音波トランスデューサの近傍に設けたことを特徴とする。

前記増幅手段と前記送信回路および前記受信回路の間に設けられ、前記励振パルスおよび／または前記エコー信号を伝送する第２共通伝送路と、前記第２共通伝送路と前記第１、第２分岐伝送路に接続され、前記第１切り替え手段に連動し、前記第１、第２分岐伝送路を切り替える第２切り替え手段とを備えることが好ましい。

前記第１共通伝送路に介挿され、前記複数の超音波トランスデューサの中から駆動させる超音波トランスデューサを選択的に切り替えるマルチプレクサを備えることが好ましい。

前記増幅手段は、プリアンプであることが好ましい。また、前記第１、第２切り替え手段は、電子スイッチであることが好ましい。

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接続され、励振パルスおよび／またはエコー信号を伝送する第１共通伝送路と、第１共通伝送路から、励振パルスを伝送する第１分岐伝送路およびエコー信号を伝送する第２分岐伝送路と、第１共通伝送路と第１、第２分岐伝送路の間に接続され、第１、第２分岐伝送路を切り替える第１切り替え手段と、第２分岐伝送路に介挿され、エコー信号を増幅する増幅手段とを、超音波トランスデューサの近傍に設けたので、エコー信号の検出精度を低下させることなく、細径化を実現することができる。

図１において、超音波診断装置２は、超音波プローブ１０と、プロセッサ装置１１とからなる。超音波プローブ１０は、電子内視鏡の鉗子口に挿入される細径プローブ、あるいは電子内視鏡と一体化されたいわゆる超音波内視鏡であり、被検体の体腔内に挿入して使用される。

超音波プローブ１０の先端には、超音波トランスデューサアレイ１２が配設されている。超音波トランスデューサアレイ１２には、例えば、凸状に形成された支持体上に、１次元、または１．５、２次元アレイ状に複数（例えば９６〜２５６個）の超音波トランスデューサ１３が配列されたコンベックス電子走査方式、あるいは、円筒状の支持体の周面に、複数（例えば２５６〜３６０個）の超音波トランスデューサ１３が配列されたラジアル電子走査方式が採用されている。

超音波トランスデューサ１３には、第１共通伝送路１４が接続されている。第１共通伝送路１４は、後述するパルサ２３から出力される励振パルス、および超音波トランスデューサ１３で受信される被検体の被観察部位からのエコー信号を伝送する。

第１共通伝送路１４の後段には、第１スイッチ（以下、ＳＷ₁と表記する。）１５の一端が接続されている。ＳＷ₁１５の二股に分岐した他端には、第１、第２分岐伝送路１６、１７がそれぞれ接続されている。ＳＷ₁１５は、第１、第２分岐伝送路１６、１７のうち、第１共通伝送路１４に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。

第１、第２分岐伝送路１６、１７は、それぞれ励振パルスとエコー信号を伝送する。第２分岐伝送路１７には、エコー信号を増幅するプリアンプ１８が介挿されている。プリアンプ１８は、例えば、エミッタフォロア回路を構成するトランジスタからなる。

第１、第２分岐伝送路１６、１７は、プリアンプ１８の後段で第２スイッチ（以下、ＳＷ₂と表記する。）１９の２つの分岐端にそれぞれ接続している。ＳＷ₂１９の他端には、励振パルスおよびエコー信号を伝送する第２共通伝送路２０が接続されている。ＳＷ₂１９は、ＳＷ₁１５に連動して、第１、第２分岐伝送路１６、１７のうち、第２共通伝送路２０に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。

第２共通伝送路２０は、その途中からシールド線となり、複数本が束ねられてケーブル２１となっている。ケーブル２１の後端には、コネクタ部（図示せず）が設けられており、このコネクタ部をプロセッサ装置１１のコネクタ部（図示せず）に差し込むことにより、超音波プローブ１０とプロセッサ装置１１とが電気的に接続される。

ケーブル２１およびコネクタ部を経由した第２共通伝送路２０は、プロセッサ装置１１の第３スイッチ（以下、ＳＷ₃と表記する。）２２の一端に接続されている。ＳＷ₃２２の２つの分岐端には、超音波を発生させるための励振パルスを出力するパルサ２３と、エコー信号を受信するレシーバ２４とがそれぞれ接続されている。ＳＷ₃２２は、ＳＷ₁１５、ＳＷ₂１９に連動して、パルサ２３、レシーバ２４が繋がれた分岐伝送路のうち、第２共通伝送路２０に接続する分岐伝送路を選択的に切り替える。

ＳＷ₁〜ＳＷ₃１５、１９、２２は、切り替え制御信号を外部から入力する必要のない、決まった方向に電力を伝送するサーキュレータなどの電子スイッチからなる。超音波トランスデューサ１３から被観察部位に超音波を照射する際には、図示のようにＳＷ₁〜ＳＷ₃１５、１９、２２が第１分岐伝送路１６、パルサ２３に見かけ上繋がり、被観察部位からのエコー信号を受信する際には、ＳＷ₁〜ＳＷ₃１５、１９、２２が第２分岐伝送路１７、レシーバ２４に見かけ上繋がる。なお、ＳＷ₁〜ＳＷ₃１５、１９、２２は、実際には第１、第２分岐伝送路１６、１７、パルサ２３およびレシーバ２４に繋がる伝送路の両方と接続しており、パルサ２３を起点として、第２共通伝送路２０から第１分岐伝送路１６、第１共通伝送路１４を通って超音波トランスデューサ１３に至る励振パルスを伝送する方向と、超音波トランスデューサ１３を起点として、第１共通伝送路１４から第２分岐伝送路１７、第２共通伝送路２０を通ってレシーバ２４に至るエコー信号を伝送する方向の２つの決まった方向にのみ電力を伝送する。

パルサ２３およびレシーバ２４の後段には、マルチプレクサ（以下、ＭＵＸと表記する。）２５が接続されている。ＭＵＸ２５は、複数の超音波トランスデューサ１３の中から駆動させる超音波トランスデューサ１３を選択的に切り替える。具体的には、例えば、２５６個の超音波トランスデューサ１３を有するラジアル電子走査方式が採用されていた場合、２５６個の超音波トランスデューサ１３のうち、隣り合う４８個の超音波トランスデューサ１３を１つのブロックとして同時に駆動させるように、パルサ２３に接続された伝送路を選択し、励振パルスおよびエコー信号の１回の送受信毎に、駆動させる超音波トランスデューサ１３を１〜数個ずつずらす。

ＭＵＸ２５には、タイミングコントローラ２６およびメモリ２７が接続されている。タイミングコントローラ２６は、ＣＰＵ２８の制御の下に、励振パルスを発生させるための励振信号をパルサ２３に出力する。パルサ２３は、この励振信号に基づいて、超音波トランスデューサ１３に励振パルスを発する。メモリ２７は、レシーバ２４で受信されたエコー信号を一旦格納する。なお、タイミングコントローラ２６およびメモリ２７は１個ずつしか図示されていないが、実際には、ＭＵＸ２５で選択されるブロックのチャネル数の分だけ設けられている。

メモリ２７には、位相整合演算部２９が接続されている。位相整合演算部２９は、ＣＰＵ２８の制御の下に、メモリ２７からの各エコー信号に対して、時間差に応じた遅延を与えた後、各エコー信号を加算する。

位相整合演算部２９から出力された加算されたエコー信号は、表示画像演算部３０に入力される。表示画像演算部３０は、位相整合演算部２９からの信号に各種画像処理を施した後、テレビ信号の走査方式（ＮＴＳＣ方式）に変換する。モニタ３１は、表示画像演算部３０によりＮＴＳＣ方式に変換された信号をアナログ信号に変換し、これを超音波画像として表示する。

被観察部位の超音波画像を取得する際には、まず、超音波プローブ１０を電子内視鏡の鉗子口から被検体の体腔内に挿入し（超音波プローブ１０が超音波内視鏡であった場合は超音波プローブ１０自体を挿入し）、電子内視鏡（超音波プローブ１０が超音波内視鏡であった場合は先端に配された撮像装置）で体腔内を観察しながら、被観察部位を探索する。

そして、被観察部位に超音波プローブ１０の先端が到達し、超音波画像を取得する指示がなされると、ＣＰＵ２８の制御の下に、ＭＵＸ２５により駆動すべき超音波トランスデューサ１３に係るパルサ２３の伝送路が選択され、タイミングコントローラ２６からの励振信号によりパルサ２３から励振パルスが発せられる。

パルサ２３からの励振パルスは、第２共通伝送路２０、第１分岐伝送路１６、第１共通伝送路１４を通って、超音波トランスデューサ１３に伝送される。超音波トランスデューサ１３は、この励振パルスにより励振され、これにより、超音波トランスデューサ１３から被観察部位に向けて超音波が照射される。

超音波の照射後、被観察部位からのエコー信号が超音波トランスデューサ１３で受信される。エコー信号は、第１共通伝送路１４、第２分岐伝送路１７、第２共通伝送路２０を通って、途中の第２分岐伝送路１７でプリアンプ１８により増幅され、レシーバ２４に受信される。励振パルスおよびエコー信号の１回の送受信が終了すると、ＭＵＸ２５により駆動させる超音波トランスデューサ１３が切り替えられて上記同様の処理が施され、被観察部位に超音波が走査される。

レシーバ２４で受信されたエコー信号は、ＭＵＸ２５を介してメモリ２７に入力され、メモリ２７に一旦格納される。メモリ２７に格納されたエコー信号は、ＣＰＵ２８の制御の下に、位相整合演算部２９で時間差に応じた遅延がかけられて加算される。位相整合演算部２９で加算されたエコー信号は、表示画像演算部３０によりＮＴＳＣ方式に変換され、アナログ信号に変換されてモニタ３１に超音波画像として表示される。

以上説明したように、超音波プローブ１０は、超音波トランスデューサ１３の近傍にプリアンプ１８を配し、励振パルスおよびエコー信号を伝送する第１、第２分岐伝送路１６、１７をＳＷ₁、ＳＷ₂１５、１９で切り替えるようにしたので、エコー信号の伝送損失を防ぐことができ、エコー信号の検出精度を高めることができる。また、超音波トランスデューサ１３を超音波の照射およびエコー信号の受信に共用し、第１、第２分岐伝送路１６、１７をＳＷ₂１９で第２共通伝送路２０に合流させたので、ケーブル２１の線数が削減され、ケーブル２１の太さを細くすることができる。

ここで、図２に示す超音波診断装置４０の超音波プローブ４１のように、ＭＵＸ４３を第１共通伝送路１４に介挿してもよい。この場合、第１、第２分岐伝送路１６、１７は、超音波プローブ１０のようにＳＷ₂１９で第２共通伝送路２０に合流されず、そのまま直にパルサ２３およびレシーバ２４に接続される。このように、ＭＵＸ４０を第１共通伝送路１４に介挿することで線数を削減しておき、励振パルスおよびエコー信号の伝送を別々のケーブルで行うようにすれば、ＳＷ₂１９、ＳＷ₃２２を設ける必要がなく、部品コストを削減することができる。なお、第１、第２分岐伝送路１６、１７のシールド線を纏めて１本にしてもよい。また、２段目以降のパルサ２３、およびレシーバ２４は接続先が省略されているが、１段目と同様に、それぞれタイミングコントローラ２６、およびメモリ２７に接続されている。

なお、エコー信号を増幅させる手段としては、上記実施形態のプリアンプ１８に限らない。また、ＳＷ₁〜ＳＷ₃１５、１９、２２は、超音波の照射およびエコー信号の受信サイクルに耐え得るスイッチング性能を有していれば、電子スイッチでなくともよい。

超音波診断装置の構成を示す概略図である。 超音波診断装置の別の実施形態を示す概略図である。 従来の超音波診断装置の構成を示す概略図である。 従来の超音波診断装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

２、４０ 超音波診断装置
１０、４１ 超音波プローブ
１１、４２ プロセッサ装置
１３ 超音波トランスデューサ
１４、２０ 第１、第２共通伝送路
１５、１９、２２ 第１〜第３スイッチ（ＳＷ₁〜ＳＷ₃）
１６、１７ 第１、第２分岐伝送路
１８ プリアンプ
２３ パルサ
２４ レシーバ
２５、４３ マルチプレクサ（ＭＵＸ）
２８ ＣＰＵ

Claims (5)

1. 被検体の被観察部位に超音波を照射し、前記被観察部位からのエコー信号を受信する複数の超音波トランスデューサが配され、前記超音波を発生させるための励振パルスを出力する送信回路、および前記エコー信号を受信する受信回路を備えたプロセッサ装置に接続される超音波プローブにおいて、
   前記超音波トランスデューサに接続され、前記励振パルスおよび／または前記エコー信号を伝送する第１共通伝送路と、
   前記第１共通伝送路から、前記励振パルスを伝送する第１分岐伝送路および前記エコー信号を伝送する第２分岐伝送路と、
   前記第１共通伝送路と前記第１、第２分岐伝送路の間に接続され、前記第１、第２分岐伝送路を切り替える第１切り替え手段と、
   前記第２分岐伝送路に介挿され、前記エコー信号を増幅する増幅手段とを、前記超音波トランスデューサの近傍に設けたことを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記増幅手段と前記送信回路および前記受信回路の間に設けられ、前記励振パルスおよび／または前記エコー信号を伝送する第２共通伝送路と、
   前記第２共通伝送路と前記第１、第２分岐伝送路に接続され、前記第１切り替え手段に連動し、前記第１、第２分岐伝送路を切り替える第２切り替え手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記第１共通伝送路に介挿され、前記複数の超音波トランスデューサの中から駆動させる超音波トランスデューサを選択的に切り替えるマルチプレクサを備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
4. 前記増幅手段は、プリアンプ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。
5. 前記第１、第２切り替え手段は、電子スイッチであ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。
   
   

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