JP2008079700A - 超音波用探触子、超音波内視鏡、及び、超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】医療用の超音波診断装置において用いられる超音波用探触子において、超音波トランスデューサから発生する熱によって超音波用探触子の温度が上昇するのを防止する。
【解決手段】被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子において、複数の超音波トランスデューサが互いに空隙を介して配置されている超音波トランスデューサアレイと、少なくとも超音波トランスデューサアレイを収納する筐体と、複数の超音波トランスデューサ間の空隙に液体の熱伝達物質を循環させるための流路とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波内視鏡に関し、さらには、超音波用探触子や超音波内視鏡が接続される超音波診断装置に関する。

医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。

超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界（例えば、構造物の境界）において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術である。通常、超音波撮像装置（又は、超音波診断装置、超音波観測装置とも呼ばれる）には、被検体に当接して用いられる超音波用探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波用探触子が備えられている。或いは、被検体内を光学的に観察する内視鏡と体腔内用の超音波用探触子とが組み合わせられた超音波内視鏡が備えられている場合もある。このような超音波用探触子や超音波内視鏡（以下において、超音波用探触子等という）から人体等の被検体内に向けて超音波ビームを送信し、超音波用探触子等を用いて被検体内において生じた超音波エコーを受信することにより、超音波画像情報を取得する。この超音波画像情報に基づいて、超音波エコーが生じた反射点や反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物（例えば、内臓や病変組織等）の輪郭が抽出される。

超音波用探触子においては、超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサとして、圧電効果を発現する材料（圧電体）の両面に電極を形成した振動子（圧電振動子）が、一般的に用いられている。圧電体としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電材料等が用いられている。そのような振動子の電極に電圧を印加すると、圧電効果により圧電体が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子を１次元又は２次元状に配列し、それらの振動子を順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、振動子は、伝播する超音波を受信することによって伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。

ところが、このような超音波トランスデューサを動作させると熱が発生するので、超音波用探触子の使用中にその温度が上昇してしまうという問題が生じている。しかしながら、医療用の超音波用探触子は人体等の生体に直接接触させて用いられるので、低温火傷防止等の安全上の理由から、超音波用探触子の表面温度が４３℃を超えることはあってはならない。

関連する技術として、特許文献１には、超音波を送受信する超音波探触子ヘッド部と、該超音波探触子ヘッド部に電気的に接続されたケーブルと、該ケーブルの少なくとも一部に熱的に接続されたケーブル冷却部とを有する超音波探触子が開示されている（第１頁、図１）。
しかしながら、特許文献１においては、超音波探触子ヘッド部のごく一部が、ケーブルを介し、ケーブル冷却によって間接的に冷却されるだけなので、冷却効率はあまり良くない。

特許文献２には、体腔内に挿入して超音波像を撮像する体腔内用超音波探触子において、吸音材の所定位置に、探触子の動作中に超音波変換器により発生する熱を冷却する冷却手段を設けた体腔内用超音波探触子が開示されている（第１頁）。
特許文献２においては、超音波探触子に冷却用パイプを設け、そこに水等の冷却媒体を流すことにより、振動子群を冷却している（第３頁、図３）。そのため、振動子群は、冷却用パイプから吸音材を介して間接的に冷却されることになるので、やはり、冷却効率は良くない。

特許文献３には、波形信号に基づいた超音波を発生すると共に、受波した超音波を受波信号に変換する超音波振動子と、該超音波振動子の背面側に配置され、該超音波振動子から送波された超音波を吸音する吸音部材からなる超音波探触子を有し、該超音波探触子から被検体に送受波した超音波信号に基づいて当該被検体の超音波像を形成する超音波診断装置が開示されている。この超音波診断装置は、吸音部材で発生した熱を吸音部材から離れた位置に導く伝達手段と、吸音部材から離れた位置に配置され、伝達手段が導いた熱を放出する放出手段とを具備しており、吸音部材の超音波振動子が設けられた面と対向する側の面は、超音波振動子から吸音部材へ向けて放射された超音波がその面で反射して集中するような焦点を有した曲面形状に形成されており、伝達手段の吸熱部位は、吸音部材の曲面に囲まれた内部の焦点位置に配置されている。
特許文献３においては、超音波探触子のグリップ部内に設けられた電子冷却手段からヒートポンプを介して、挿入部先端の振動子部の温度を制御している（図３）。このヒートポンプの一端は、バッキング材の内部に配置されているので（図４及び図７）、やはり、振動子部は間接的に冷却されることになり、冷却効率は良くない。

特許文献４には、超音波振動子とこれを収納したケースとを有する超音波探触子において、超音波振動子における被検体当接面側に冷却体を導く手段を有する超音波探触子が開示されている。
しかしながら、特許文献４においては、音響レンズの前面、即ち、超音波探触子の被検体当接面と音響レンズとの間の隔壁に冷却媒体を流したり（図１）、背面音響吸収材の内部（図３）や、音響レンズの内部（図４）や、背面音響結合材とケースとの間（図５）に冷却媒体の流路を設けているので、結局、超音波振動子は間接的に冷却されることになる。

特許文献５には、超音波振動子の外側に被検物と接する冷却用媒体の通路を設けた超音波探触子が開示されている。しかしながら、特許文献５の図１に示されているように、冷却用媒体と超音波振動子とは空間によって隔てられているので、超音波振動子自体の冷却効率は良くない。また、被検体当接面においては、冷却用媒体の通路によって、超音波振動子の周囲が冷却されるだけであり、超音波振動子の発熱による影響を被検体が直接受けることには変わりない。

また、特許文献６には、被検物と接する熱電冷却素子であって、調温可能で電流の流れ方向を変えることにより被検物を加温又は冷却できる熱電冷却素子を超音波振動子の外側に設けた超音波探触子が開示されている。しかしながら、特許文献６においても、熱電冷却素子と超音波振動子とは空間によって隔てられているので、超音波振動子自体の冷却効率は良くない。また、超音波探触子の内部に熱電冷却素子を設けるので、探触子の構成が大きく、且つ、複雑になってしまう。さらに、被検体当接面においては、熱電冷却素子によって超音波振動子の周囲が冷却されるだけであり、やはり、超音波振動子の発熱による影響を、被検体が直接受けることになる。

特許文献７には、超音波の送受波を行う超音波振動子を備えた超音波探触子を含み、該超音波探触子には超音波振動子からの熱が伝達される媒体が流れる流路が形成され、該流路には、媒体を流通させる循環機構が接続されている超音波診断装置が開示されている。
特許文献７においては、冷却媒体としての水が充填される水袋が探触子の生体側（即ち、超音波振動子の前方）に配置される。しかしながら、超音波振動子アレイにおいては、特に中央部に熱がこもり易いにも関わらず、このような構成では超音波振動子の表面しか冷却することができない。特許文献７の段落００１８に記載されているように、この水袋は軟らかい中空の膜部材によって形成されているので、ある程度変形させることはできるが、やはり変形にも限界があるため、アレイ全体として温度分布が生じないように、全ての振動子を満遍なく冷却させることは困難である。
特開２００２−２９１７３７号公報（第１頁、図１） 特開昭６３−２４２２４６号公報（第１、３頁、図３） 特開平１１−２９９７７５号公報（第１頁、図３、４、７） 特開昭６１−５８６４３号公報（第１頁） 実開昭５７−８８０７３号公報 実開昭５７−８８０７４号公報 特開２００３−３８４８５号公報（第２、３頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、医療用の超音波診断装置において用いられる超音波用探触子において、超音波トランスデューサから発生する熱によって超音波用探触子の温度が上昇するのを防止することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波用探触子は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子において、複数の超音波トランスデューサが互いに空隙を介して配置されている超音波トランスデューサアレイと、少なくとも該超音波トランスデューサアレイを収納する筐体と、複数の超音波トランスデューサ間の空隙に液体の熱伝達物質を循環させるための流路とを具備する。

本発明によれば、複数の超音波トランスデューサの間の空隙に液体の熱伝達物質を流すことにより、各超音波トランスデューサを直接冷却するので、冷却効率を向上することができる。また、超音波トランスデューサの配置によらず、全ての超音波トランスデューサがほぼ均等な温度となるように冷却することができるので、超音波トランスデューサアレイにおける温度分布を平均化することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の外観及び内部の一部を示す斜視図である。この超音波用探触子は、被検体に当接して体腔外走査を行う際に用いられる。また、図２は、図１に示す超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体の構成、及び、両者が接続された状態を示す図である。

図１に示すように、超音波用探触子のヘッド部１は、筐体１０、並びに、筐体１０の内部に収納されているバッキング層１１と、複数の超音波トランスデューサを有する超音波トランスデューサアレイ１２と、音響整合層１３と、音響レンズ１４と、フレキシブルプリント基板（flexible printed circuit：ＦＰＣ）１５と、複数の超音波トランスデューサ間の空隙を流路として流れる液体の熱伝達物質（熱伝達媒体）１６とを含んでいる。また、筐体１０には、熱伝達物質１６を循環させる流路としての２本の循環チューブ１７ａ及び１７ｂと、電気ケーブル１８と、それらを保護するケーブルカバー１９とが接続されている。

図２に示すように、ヘッド部１から延びる循環チューブ１７ａ及び１７ｂは、循環媒体用コネクタ２１を介して超音波診断装置本体２に接続されており、ヘッド部１と超音波診断装置本体２との間で熱伝達物質１６を循環させるために設けられている。また、ヘッド部１は、電気ケーブル１８及び電気コネクタ２２を介して超音波診断装置本体２に電気的に接続されている。電気ケーブル１８は、超音波診断装置本体２が生成した駆動信号を超音波トランスデューサに伝達すると共に、各超音波トランスデューサから出力された検出信号を超音波診断装置本体２に伝達する。

超音波診断装置本体２は、超音波用探触子及び超音波診断装置本体２を含むシステム全体の動作を制御する制御部２３と、駆動信号生成部２４と、送受信切換部２５と、受信信号処理部２６と、画像生成部２７と、表示部２８と、循環ポンプ付き冷却器２９とを含んでいる。駆動信号生成部２４は、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動するために用いられる複数の駆動信号を生成する。送受信切換部２５は、超音波用探触子への駆動信号の出力と、超音波用探触子からの受信信号の入力とを切り換える。受信信号処理部２６は、各超音波トランスデューサから出力された受信信号について、増幅、整相加算、検波等の所定の信号処理を施す。画像生成部２７は、所定の信号処理が施された受信信号に基づいて、超音波画像を表す画像データを生成する。表示部２８は、そのようにして生成された画像データに基づいて、超音波画像を表示する。

循環ポンプ付き冷却器２９は、熱伝達物質１６を冷却し、冷却された熱伝達物質を、熱伝達用媒体循環用チューブ１７ａを介してヘッド部１に供給すると共に、ヘッド部１内の流路を通過した熱伝達物質１６を、熱伝達用媒体循環用チューブ１７ｂを介して冷却器２９に回収する。

図３の（ａ）は、図１に示す超音波用探触子のヘッド部１の内部を示す正面図である。また、図３の（ｂ）は、図１に示す超音波探触子の内部を示す平面図である。さらに、図３の（ｃ）は、図３の（ｂ）に示す一点鎖線３Ｃ−３Ｃ'における断面図である。ここで、図３の（ａ）〜（ｃ）に示されている矢印は、熱伝達物質１６の流れの方向を示している。なお、図３の（ａ）においては、図１に示す音響整合層１３及び音響レンズ１４は省略されている。

図３の（ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１２は、１次元的に配置された複数の超音波トランスデューサ３０を含んでいる。
ここで、図４を参照すると、各超音波トランスデューサ３０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電体３１と、圧電体の向かい合う２つの面に形成された電極３２及び３３とを含む振動子である。電極３２及び３３の内の一方は、複数の超音波トランスデューサにおいて共通接続とすることができる。

各超音波トランスデューサ３０は、超音波診断装置本体から供給された駆動信号に基づいて超音波を発生する。また、各超音波トランスデューサ３０は、被検体から伝播した超音波エコーを受信することにより、電気信号を発生する。この電気信号は超音波診断装置本体に出力され、超音波エコーの受信信号として処理される。
図３の（ａ）に示すように、複数の超音波トランスデューサ３０は、バッキング層１１上に、所定の間隔（例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）で配置されている。その結果生じた空隙が、熱伝達物質１６の流路の一部となる。

図３の（ｂ）を参照すると、バッキング層１１は、例えば、フェライト粉や金属粉やＰＺＴ粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように、音響減衰の大きい材料によって、超音波トランスデューサ３０の超音波送受信面（超音波を被検体に向けて送信すると共に、被検体から伝播する超音波を受信する面）の反対側に形成されており、超音波トランスデューサアレイ１２から発生した不要な超音波の減衰を早める。

音響整合層１３は、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって、超音波トランスデューサ３０の超音波送受信面上に形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。なお、図１及び図３には、１層の音響整合層１３が示されているが、必要に応じて複数の音響整合層を配置しても良い。

音響レンズ１４は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１２から送信され、音響整合層１３を伝播した超音波ビームを、被検体内の所定の深度において集束させる。

２枚のＦＰＣ１５の各々には、各超音波トランスデューサ３０に接続される配線が形成されている。各配線の一端は、超音波トランスデューサ３０の電極に接続されており、他端は、電気ケーブル１８に接続されている。なお、図３の（ｂ）及び（ｃ）においては、熱伝達物質１６の流れの様子を判り易くするため、ＦＰＣ１５と電気ケーブル１８との接続形態は省略されている。

熱伝達物質１６は、筐体１０内の流路を通過することにより、超音波トランスデューサ３０から発生した熱を吸収する液体である。熱伝達物質１６としては、良好な熱伝達性と、電気的絶縁性を有する材料が用いられる。電気的絶縁性が必要となるのは、熱伝達物質１６は、筐体１０内において、超音波トランスデューサ３０に直接接触しながら循環するからである。そのような条件を満たす材料として、流動パラフィン、シリコーン系オイル、水、アルコール、水とアルコールとの混合物、及び、フッ素系不活性液体等が挙げられる。それらの内でも、高い流動性と、高い電気絶縁性とを備え、安定性に優れるという点で、流動パラフィンや、シリコーン系オイルや、フッ素系不活性液体（例えば、住友スリーエム株式会社製のフロリナート（ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（登録商標）））が好適であり、本実施形態においては、流動パラフィンが用いられる。

図３の（ｃ）に示すように、超音波診断装置本体から循環チューブ１７ａを介して筐体１０内に導入された熱伝達物質１６は、一方のＦＰＣ１５の外側と、隣接する超音波トランスデューサ３０の間の空隙と、他方のＦＰＣ１５の外側とを順次通過し、筐体１０内から導出され、循環チューブ１７ｂを介して超音波診断装置本体に回収される。なお、筐体１０内において、一方向への流れを形成するために、仕切り１０ａを設けても良い。

このように、本実施形態においては、超音波診断装置本体２において冷却された熱伝達物質１６を、超音波トランスデューサ３０間の空隙に流すので、各超音波トランスデューサ３０から直接吸熱させることができる。従って、複数の超音波トランスデューサ３０を万遍なく冷却することができ、特に熱がこもりやすい超音波トランスデューサアレイ１２の中央部についても十分且つ均一に冷却することが可能となる。また、それにより、複数の超音波トランスデューサアレイ１２における温度分布が平均化されるので、超音波送受信動作に対する温度による影響（感度のバラツキ等）を抑制することが可能になる。また、ＦＰＣ１５の周囲にも熱伝達物質１６を通過させるので、回路の温度上昇を抑制して、超音波用探触子の動作を安定させることが可能になる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子について、図５を参照しながら説明する。図５の（ａ）は、本実施形態に係る超音波用探触子の内部を示す平面図であり、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に示す一点鎖線５Ｂ−５Ｂ'における断面図である。
図５の（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、図３に示す音響整合層１３の替わりに、音響整合層４１を有している。この音響整合層４１は、複数の超音波トランスデューサ３０の上にそれぞれ配置された複数の音響整合部材４０を含んでいる。その他の構成については、第１の実施形態におけるものと同様である。

このように音響整合部材を分離して配置する場合には、各音響整合部材４０における超音波の伝播方向がある程度絞られるので、境界（例えば、音響整合部材４０と音響レンズ１４との境界）における超音波の伝播効率を向上させることができる。また、図５の（ｂ）に示すように、筐体１０内のより広い範囲に熱伝達物質１６が行き渡るようになるので、超音波トランスデューサアレイ１２の温度上昇をより効率的に抑制することが可能になる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子について、図６を参照しながら説明する。
本実施形態に係る超音波用探触子は、複数の超音波トランスデューサが２次元的に配置された超音波トランスデューサアレイを有しており、それに伴い、ヘッド部内に形成される流路の形態も、第１の実施形態におけるものとは異なっている。なお、本実施形態に係る超音波用探触子が接続される超音波診断装置や、超音波用探触子と超音波診断装置本体との接続形態については、図２を参照しながら説明したものと同様である。

図６の（ａ）は、本実施形態に係る超音波用探触子のヘッド部の内部を示す正面図である。また、図６の（ｂ）は、図６の（ａ）に示す一点鎖線６Ｂ−６Ｂ'における断面図である。さらに、図６の（ｃ）は、図６の（ａ）に示す一点鎖線６Ｃ−６Ｃ'における断面図である。なお、図６の（ａ）においては、図６の（ｂ）に示す音響整合層５３及び音響レンズ５４は省略されている。

図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子のヘッド部は、筐体５０、並びに、筐体５０の内部に収納されているバッキング層５１と、超音波トランスデューサアレイ５２と、音響整合層５３と、音響レンズ５４と、超音波トランスデューサアレイ５２の空隙を流れる熱伝達物質５５とを含んでいる。また、このヘッド部は、循環チューブ５６ａ及び５６ｂ並びに電気ケーブル５７を介して超音波診断装置本体に接続されている。なお、バッキング層５１、音響整合層５３、音響レンズ５４、熱伝達物質５５、並びに、循環チューブ５６ａ及び５６ｂを形成する材料及び機能については、第１の実施形態におけるものと同様である。

超音波トランスデューサアレイ５２には、複数の超音波トランスデューサ６０が２次元マトリックス状に配置されている。これらの超音波トランスデューサ６０間の空隙が、熱伝達物質５５の２次元的な流路となる。また、各超音波トランスデューサ６０は、図４に示すものと同様に、圧電体層と、その両面に形成された電極層とを含む構造を有している。

図６の（ａ）に示すように、バッキング層５１の端部には、２つの空孔５１ａ及び５１ｂが形成されている。図６の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、空孔５１ａには、循環チューブ５６ａが接続されており、空孔５１ｂには、循環チューブ５６ｂが接続されている。循環チューブ５６ａを介して筐体５０内に供給された熱伝達物質５５は、空孔５１ａを通って超音波トランスデューサアレイ５２に導入され、超音波トランスデューサ６０間の空隙に２次元的に拡がる。そして、熱伝達物質５５は、バッキング層の正面図における対角線上で空孔５１ａと対向する位置に形成された空孔５１ｂに流れ込み、循環チューブ５６ｂによって回収される。

ここで、このような２次元超音波トランスデューサアレイにおいては、特に内側に配置された超音波トランスデューサから発生した熱が発散し難いので、特に中央付近に熱がこもりがちになる。しかしながら、本実施形態においては、超音波トランスデューサ間の空隙に熱伝達物質を流すので、中央付近の超音波トランスデューサであっても十分に冷却することができる。従って、超音波トランスデューサアレイにおいて温度勾配が生じるのを抑制できるので、温度に起因する影響（例えば、超音波の検出感度の変化）を抑制することが可能になる。

なお、本実施形態においては、バッキング層５１の端部の２箇所に空孔５１ａ及び５１ｂを形成しているが、超音波トランスデューサアレイ５２の空隙に熱伝達物質を万遍なく行き渡らせることができ、且つ、熱伝達物質をスムーズに導出することができれば、それ以外の位置に空孔を形成しても良い。また、２つ以上の空孔を設けても良い。

次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサアレイについて、図６及び図７を参照しながら説明する。
本実施形態においては、図６に示す超音波用探触子において、単層の超音波トランスデューサ（図４参照）の替わりに、図７に示す積層型超音波トランスデューサ７０を適用することを特徴としている。

図７に示す積層型超音波トランスデューサ７０は、ＰＺＴ等によって形成されている複数の圧電体層７１と、下部電極層７２と、内部電極層７３及び７４と、上部電極層７５と、絶縁膜７６と、側面電極７７及び７８とを含んでいる。
下部電極層７２は、図中左側の側面電極７７に接続されていると共に、図中右側の側面電極７８から絶縁されている。また、内部電極層７３及び７４は、複数の圧電体層７１の間に交互に挿入されている。内部電極層７３は、側面電極７８に接続されている共に、絶縁膜７６によって側面電極７７から絶縁されている。一方、内部電極層７４は、側面電極７７に接続されていると共に、絶縁膜７６によって側面電極７８から絶縁されている。さらに、上部電極層７５は、側面電極７８に接続されていると共に、側面電極７７から絶縁されている。超音波トランスデューサの複数の電極をこのように形成することにより、５層の圧電体層７１に電界を印加するための５組の電極が並列に接続される。なお、圧電体層の層数は、図７に示す５層に限られず、２〜３層又は６層以上としても良い。

このような積層型の超音波トランスデューサ（以下、「素子」ともいう）においては、対向する電極の面積が単層の素子よりも増加するので、電気的インピーダンスが低下する。従って、単層の素子と比較して、印加される電圧に対して効率良く動作する。また、圧電体層をＮ層とすると（図７においてはＮ＝５）、圧電体層の数は単層素子のＮ倍となり、各圧電体層の厚さは１／Ｎ倍となるので、素子の電気インピーダンスは１／Ｎ^２倍となる。従って、圧電体層の積層数を増減させることにより、素子の電気的インピーダンスを調整できるので、駆動回路とのマッチングを図りやすくなり、感度を向上させることができる。

一方、素子を積層型とすることにより電気容量が増加するので、各素子からの発熱量は増加する。しかしながら、図６に示すように、複数の素子間に熱伝達物質５５を流すことにより、各素子を直接的に、効率良く冷却することができる。従って、積層型の素子からの発熱量が増加した場合においても、超音波用探触子の温度上昇を抑制することが可能になる。
なお、このような積層型超音波トランスデューサを、図３に示す１次元超音波トランスデューサアレイに適用しても良い。

次に本発明の第５の実施形態に係る超音波用探触子について、図８を参照しながら説明する。図８の（ａ）は、本実施形態に係る超音波用探触子のヘッド部の内部を示す正面図であり、図８の（ｂ）は、図８の（ａ）に示す一点鎖線８Ｂ−８Ｂ'における断面図である。なお、図８の（ａ）においては、図８の（ｂ）に示す音響整合層５３及び音響レンズ５４は省略されている。

図８の（ｂ）に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、図６に示す超音波トランスデューサアレイ５２に対して、樹脂材料によって形成された絶縁膜８１を、超音波トランスデューサ６０間の空隙に満たされる熱伝達物質５５の流路において壁面を覆うように形成したものである。その他の構成については、図３に示すものと同様である。

ここで、先に説明した第１〜第４の実施形態においては、超音波トランスデューサの周囲に熱伝達物質を流しているので、熱伝達物質が、電極部や素子の接合部に直接触れることになる。そのため、熱伝達物質として、流動パラフィン等の絶縁性の高い液体を用いる場合にはあまり問題ないが、水や水とアルコールとの混合物等を用いる場合には、動作の信頼性に懸念が生じることも考えられる。

そこで、本実施形態においては、熱伝達物質の流路を絶縁樹脂材料によって覆うことにより、電気的信頼性を高めている。絶縁膜８１は、流路において、少なくとも超音波トランスデューサ６０の周囲を覆うように形成され、望ましくは、床面（バッキング層５１の上面）及び天井面（音響整合層５３の下面）にも形成される。ここで、樹脂材料を用いるのは、圧電効果によって伸縮する超音波トランスデューサの動作を妨げないようにするためである。樹脂材料としては、具体的には、エポキシ樹脂や、ウレタン樹脂や、シリコーン樹脂や、ポリイミド樹脂や、アクリル樹脂等が用いられる。

このような絶縁膜８１は、例えば、次のようにして形成される。即ち、まず、バッキング層５１上に複数の超音波トランスデューサ２を配置し、さらにその上に音響整合層５３を配置することにより、熱伝達物質５５の流路を形成する。その後で、その流路に液体の絶縁樹脂材料を流し込み、それが硬化する前に余分な絶縁樹脂材料を除去する。そして、流路の壁面に付着している絶縁樹脂材料を硬化させる。

或いは、絶縁膜８１の別の形成方法として、バッキング層５１と複数の超音波トランスデューサ２と音響整合層５３とによって熱伝達物質５５の流路を形成し、そこに絶縁樹脂材料を流し込んで硬化させる。その後で、絶縁樹脂材料を掘削することにより、絶縁膜によって覆われた２次元的な流路が形成される。

なお、本実施形態において、超音波トランスデューサ６０は、絶縁膜８１を介して、熱伝達物質５５により間接的に冷却されることになる。しかしながら、熱伝導率が比較的高い絶縁樹脂材料を選択したり、絶縁膜８１を薄くすることにより、各超音波トランスデューサ２を効率良く冷却することが可能である。
また、図３に示す１次元超音波トランスデューサアレイに対して、樹脂材料によって絶縁膜を形成しても良い。

次に、本発明の第１〜第５の実施形態に係る超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体の変形例について、図９を参照しながら説明する。
図９に示す超音波診断装置本体３は、図２に示す超音波診断装置本体２と比較して、温度センサ９１及び温度制御部９２を更に有している。その他の構成については、図２に示すものと同様である。

温度センサ９１は、具体的には、サーミスタや熱電対等を含んでいる。温度センサ９１は、循環ポンプ付き冷却器２９に取り付けられており、ヘッド部１から循環チューブ１７ｂ又は５６ｂを介して回収された熱伝達物質の温度を感知する。温度制御部９２は、温度センサ９１の感知結果に基づいて熱伝達物質の温度に関する値を求め、その値に基づいて、循環ポンプ付き冷却器２９の動作を制御する。例えば、温度制御部９２は、熱伝達物質の温度に関する値が所定の値を超えた場合に、冷却器の設定温度を下げたり、ヘッド部１内における熱伝達物質の流速を上げるために循環ポンプの圧力を高くする。或いは、熱伝達物質の温度に関する値が所定の値を超えた場合にのみ、循環ポンプ付き冷却器２９を動作させるようにしても良い。

本実施形態によれば、熱伝達物質の温度に基づいて循環ポンプ付き冷却器の動作をフィードバック制御するので、熱伝達物質の温度を一定の範囲に保つことが容易になると共に、循環ポンプ付き冷却器の運転コストを低減することが可能になる。
なお、図９に示す超音波診断装置本体の変形例として、温度制御部９２の替わりに、温度センサ９１の感知結果に基づいて温度を算出する算出部を設け、その算出結果に基づいて、制御部２３が循環ポンプ付き冷却器２９を制御するようにしても良い。

次に、本発明の第６の実施形態に係る超音波用探触子について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態に係る超音波用探触子の内部を示す平面図であり、図１１は、この超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体の構成、及び、両者が接続された状態を示す図である。
図１０に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、図３に示す超音波用探触子に対して、ヘッド部内の温度を感知する温度センサ９３を、ヘッド部にさらに備えたものである。その他の構成については、図６に示すものと同様である。

温度センサ９３は、具体的には、サーミスタや熱電対等を含んでおり、ＦＰＣ１５の表面に取り付けられている。或いは、温度センサ９３を、バッキング層１１の中に埋め込んでも良いし、バッキング層１１の表面（即ち、熱伝達物質の流路）に配置しても良い。いずれにしても、温度センサ９３を、なるべく超音波トランスデューサ３０の近傍に配置することが望ましい。また、温度センサ９３は、リード線９４によって超音波診断装置本体５（図１１）に電気的に接続されている。

図１１に示すように、本実施形態において用いられる超音波診断装置本体５は、温度制御部９５を有している。超音波診断装置本体５のその他の構成については、図２を参照しながら説明したものと同様である。

温度制御部９５は、リード線９４を介して入力された温度センサ９３の感知結果に基づいて熱伝達物質の温度に関する値を求め、その値に基づいて、ヘッド部４内の温度が所望の範囲に入るように、循環ポンプ付き冷却器２９の動作を制御する。例えば、温度制御部９５は、ヘッド部４内の温度に関する値が所定の値を超えた場合に、冷却器の設定温度を下げたり、循環ポンプの圧力を高くする。或いは、ヘッド部４内の温度に関する値が所定の値を超えた場合にのみ、循環ポンプ付き冷却器２９を動作させる。

本実施形態によれば、超音波用探触子のヘッド部内の温度に基づいて、循環ポンプ付き冷却器の動作をフィードバック制御するので、ヘッド部内の温度をより精度良く制御できると共に、循環ポンプ付き冷却器の運転コストを低減することが可能になる。
なお、本実施形態においても、温度制御部９５の替わりに、温度センサ９３の感知結果に基づいてヘッド部内の温度に関する値を算出する算出部を設け、その算出結果に基づいて、制御部２３が循環ポンプ付き冷却器２９を制御するようにしても良い。

次に、本発明の第７の実施形態に係る超音波用探触子について、図１２を参照しながら説明する。なお、本実施形態に係る超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体については、図１１に示すものと同様である。
図１２に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、複数の超音波トランスデューサ６０が配置された２次元超音波トランスデューサアレイにおいて、一部の超音波トランスデューサの替わりに、温度センサ９６を配置したものである。なお、超音波用探触子のその他の構成については、図６に示すものと同様である。

図１２において、温度センサ９６は、超音波トランスデューサアレイの中心部付近に配置されている。その辺りは、熱がこもり易く、最も温度が上昇し易い領域だからである。しかしながら、それ以外の位置に温度センサ９６を配置しても良いし、複数の温度センサ９６を複数の領域にそれぞれ配置しても良い。温度センサ９６の感知結果は、図１１に示す超音波診断装置本体において、循環ポンプ付き冷却器２９を制御するために用いられる。

以上の説明においては、超音波診断装置本体に組み込まれた冷却機構において、超音波用探触子の内部に循環させる熱伝達物質を冷却して超音波探触子のヘッド部に圧送しているが、超音波診断装置本体とは別に、独立した冷却機構（循環ポンプ付き冷却器）を設けても良い。その場合には、図２に示す超音波用探触子の電気ケーブル１８のみを超音波診断装置本体に接続すれば良く、それにより、従来の超音波診断装置において、冷却機構を備えた超音波用探触子を使用することが可能になる。

次に、本発明の一実施形態に係る超音波内視鏡について、図１３及び図１４を参照しながら説明する。ここで、超音波内視鏡とは、被検体の体腔内を光学的に観察する内視鏡検査装置の挿入部の先端に、体腔内用超音波探触子を設けた装置である。

図１３は、超音波内視鏡の外観を示す模式図である。図１３に示すように、超音波内視鏡１００は、挿入部１０１と、操作部１０２と、接続コード１０３と、ユニバーサルコード１０４と、循環媒体用ケーブル１０５及び循環媒体用コネクタ１０６とを含んでいる。
超音波内視鏡１００の挿入部１０１は、被検体の体内に挿入することができるように、可撓性を有する材料によって形成された細長い管となっている。操作部１０２は、挿入部１０１の基端に設けられており、接続コード１０３を介して超音波診断装置本体に接続されていると共に、ユニバーサルコード１０４を介して光源装置に接続されている。

図１４は、図１３に示す挿入部１０１の先端部分を拡大して示す模式図である。図１４の（ａ）は、挿入部１０１の先端部分を側面から見た様子を示しており、図１４の（ｂ）は、それを上面から見た様子を示している。
図１４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、挿入部１０１の先端部分には、観察窓１１１と、照明窓１１２と、処置具挿通口１１３と、ノズル孔１１４と、超音波トランスデューサアレイ１２０が設けられている。処置具挿通口１１３には穿刺針１１５が配置されている。

観察窓１１１には、対物レンズが装着されており、この対物レンズの結像位置には、イメージガイドの入力端又はＣＣＤカメラ等の固体撮像素子が配置されている。これらは、観察光学系を構成する。また、照明窓１１２には、光源装置からライトガイドを介して供給される照明光を出射させるための照明用レンズが装着されている。これらは、照明光学系を構成する。

処置具挿通口１１３は、操作部１０２に設けられた処置具挿入口１０７（図１３）から挿入された処置具等を導出させる孔である。この孔から穿刺針１１５や鉗子等の処置具を突出させ、操作部１０２においてこれを操作することにより、被検体の体腔内において種々の処置が行われる。さらに、ノズル孔１１４は、観察窓１１１及び観察窓１１２を洗浄するための液体（水等）を噴射するために設けられている。

図１４の（ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１２０の背面にはバッキング層１３０が配置されており、超音波トランスデューサアレイ１２０の正面には音響整合層１４０が配置されている。この音響整合層１４０上には、必要に応じて、音響レンズが配置される。

図１４の（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１２０は、コンベックス型の多列アレイであり、湾曲した面上に５列に配置された複数の超音波トランスデューサ１２１〜１２３を含んでいる。これらの超音波トランスデューサ１２１〜１２３の間の空隙は、熱伝達物質１２４の流路となっている。また、この流路には、熱伝達物質を供給する循環チューブ１２５と、熱伝達物質を回収する循環チューブ１２６とが接続されている。循環チューブ１２５及び１２６は、循環媒体用ケーブル１０５（図１３参照）に収納されており、超音波診断装置本体の内部又は外部に設けられた冷却装置に接続される。熱伝達物質は、これらの循環チューブ１２５及び１２６を介して、超音波トランスデューサアレイ１２０の流路と冷却装置との間を循環する。

ここで、図１４には、超音波トランスデューサアレイ１２０として、コンベックス型の多列アレイが示されているが、円筒形の面上に複数の超音波トランスデューサを配置したラジアル型の超音波トランスデューサアレイや、球面の面上に複数の超音波トランスデューサを配置した超音波トランスデューサアレイを、超音波内視鏡に使用しても良い。

このように、超音波トランスデューサアレイ１２０の流路に熱伝達物質を流すことにより、各超音波トランスデューサ１２１〜１２３を直接冷却することができる。それにより、超音波内視鏡の温度上昇が抑制されるので、超音波内視鏡検査における安全性を向上させることが可能になる。

ここで、図１４に示す超音波内視鏡においても、超音波トランスデューサアレイ近傍の温度を測定する温度センサを設け、熱伝達物質の温度の測定値に基づいて、熱伝達物質の冷却装置をフィードバック制御しても良い。また、図１４に示す超音波トランスデューサアレイの流路に、樹脂材料によって絶縁膜を形成することにより、超音波トランスデューサの絶縁性を向上させても良い。

本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波内視鏡において利用することが可能であり、さらには、そのような超音波用探触子や超音波内視鏡が接続される超音波診断装置において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の外観及び内部の一部を示す斜視図である。 図１に示す超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体の構成、及び、両者が接続された状態を示す図である。 図１に示す超音波用探触子の内部の様子を示す図である。 単層型超音波トランスデューサを示す一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子の内部の様子を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子の内部の様子を示す図である。 積層型超音波トランスデューサを示す一部断面斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る超音波用探触子を示す断面図である。 本発明の第１〜第５の実施形態に係る超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体の変形例を説明するための図である。 本発明の第６の実施形態に係る超音波用探触子を示す断面図である。 図１０に示す超音波用探触子が接続される超音波診断装置の構成、及び、両者が接続された状態を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る超音波用探触子の内部を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る超音波内視鏡の構成を示す模式図である。 図１１に示す挿入部の先端部分を拡大して示す図である。

符号の説明

１、４ ヘッド部
２、３、５ 超音波診断装置本体
１０、５０ 筐体
１０ａ 仕切り
１１、５１、１３０ バッキング層
１２、５２、１２０ 超音波トランスデューサアレイ
１３、４１、５３、１４０ 音響整合層
１４、５４ 音響レンズ
１５ フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）
１６、５５、１２４ 熱伝達物質
１７ａ、１７ｂ、５６ａ、５６ｂ、１２５、１２６ 循環チューブ
１８、５７ 電気ケーブル
１９ ケーブルカバー
２１ 循環媒体用コネクタ
２２ 電気コネクタ
２３ 制御部
２４ 駆動信号生成部
２５ 送受信切換部
２６ 受信信号処理部
２７ 画像生成部
２８ 表示部
２９ 循環ポンプ付き冷却器
３０、６０、１２１〜１２３ 超音波トランスデューサ
３１、７１ 圧電体
３２、３３ 電極層
４０ 音響整合部材
７０ 積層型超音波トランスデューサ
７２ 下部電極層
７３、７４ 内部電極層
７５ 上部電極層
７６ 絶縁膜
７７、７８ 側面電極
８１ 絶縁膜
９１、９３、６６ 温度センサ
９２、９５ 温度制御部
９４ リード線
１００ 超音波内視鏡
１０１ 挿入部
１０２ 操作部
１０３ 接続コード
１０４ ユニバーサルコード
１０５ 循環媒体用ケーブル
１０６ 循環媒体用コネクタ
１０７ 処置具挿入口
１１１ 観察窓
１１２ 照明窓
１１３ 処理部挿通口
１１４ ノズル孔
１１５ 穿刺針

Claims (13)

1. 被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子において、
   複数の超音波トランスデューサが互いに空隙を介して配置されている超音波トランスデューサアレイと、
   少なくとも前記超音波トランスデューサアレイを収納する筐体と、
   前記複数の超音波トランスデューサ間の空隙に液体の熱伝達物質を循環させるための流路と、
   を具備する前記超音波用探触子。
2. 前記超音波トランスデューサアレイの超音波送受信面とは反対側に配置されたバッキング層をさらに具備する請求項１記載の超音波用探触子。
3. 前記超音波トランスデューサアレイの超音波送受信面側に配置された少なくとも１つの音響整合層をさらに具備する請求項１又は２記載の超音波用探触子。
4. 前記超音波トランスデューサアレイの超音波送受信面側に直接又は間接的に配置された音響レンズをさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波用探触子。
5. 前記複数の超音波トランスデューサ間の空隙において、前記複数の超音波トランスデューサの表面に形成された絶縁膜をさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波用探触子。
6. 前記複数の超音波トランスデューサの各々が、複数の圧電体層と、前記複数の圧電体層の間に配置されている複数の内部電極層とを有する、請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波用探触子。
7. 前記熱伝達物質が、流動パラフィン、シリコーン系オイル、水、アルコール、水とアルコールとの混合物、及び、フッ素系不活性液体の内のいずれかを含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の超音波用探触子。
8. 前記流路が、
   前記筐体内に前記熱伝達物質を導入する導入路と、
   前記筐体内から前記熱伝達物質を導出する導出路と、
   を含む、請求項１〜７のいずれか１項記載の超音波用探触子。
9. 可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体腔内に挿入して使用される挿入部と、
   前記挿入部の先端部に設けられた、被検体の体腔内を照明する手段と、
   前記挿入部の先端部に設けられた、被検体の体腔内を光学的に撮像する手段と、
   前記挿入部の先端部に設けられた請求項１〜８のいずれか１項記載の超音波用探触子と、
   を具備する超音波内視鏡。
10. 請求項８記載の超音波用探触子と、
    前記複数の超音波トランスデューサに複数の駆動信号をそれぞれ供給する手段と、
    前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力された複数の受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する手段と、
    前記超音波用探触子の前記導出路及び前記導入路に接続されている熱伝達物質循環手段であって、前記導出路を介して前記超音波用探触子から前記熱伝達物質を回収し、回収された前記熱伝達物質を冷却し、冷却された前記熱伝達物質を前記導入路を介して前記超音波用探触子に供給する前記熱伝達物質循環手段と、
    を具備する超音波診断装置。
11. 前記熱伝達物質の温度を感知する温度感知手段と、
    前記温度感知手段の感知結果に基づいて前記熱伝達物質循環手段の動作を制御する温度
    制御手段と、
    をさらに具備する、請求項１０記載の超音波診断装置。
12. 前記超音波用探触子が、前記熱伝達物質の温度を感知する温度感知手段をさらに具備し、
    前記温度感知手段の感知結果に基づいて前記熱伝達物質循環手段の動作を制御する温度制御手段をさらに具備する請求項１０記載の超音波診断装置。
13. 前記超音波用探触子が、前記超音波用探触子のヘッド部内の温度を感知する温度感知手段をさらに具備し、
    前記温度感知手段の感知結果に基づいて前記熱伝達物質循環手段の動作を制御する温度制御手段をさらに具備する請求項１０記載の超音波診断装置。

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