JP2008168129A - 超音波診断用プローブの表面温度予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ある変換素子の駆動による超音波診断用プローブ表面の温度上昇をプローブの熱伝導特性を用いて計算し、これを用いてプローブで超音波信号の生成時にプローブ表面の温度を迅速かつ正確に予測できる超音波診断用プローブの表面温度予測方法を提供する。
【解決手段】複数の変換素子で構成された配列型変換器を備え、超音波診断用プローブの表面温度予測方法は、ａ）前記プローブの熱伝導特性を決定する段階と、ｂ）前記複数の変換素子のうち一つの変換素子を選択する段階と、ｃ）送信パルス信号を前記選択した変換素子に１回印加する段階と、ｄ）前記選択した変換素子を中心に前記プローブ表面の多数の位置で温度上昇を測定する段階と、ｅ）前記熱伝導特性及び前記測定された温度上昇に基づいて前記プローブ表面の温度上昇関数を決定する段階と、ｆ）前記温度上昇関数に基づいて前記プローブの表面温度（温度上昇）を予測する段階とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波映像診断システムに関し、より詳細には、超音波映像診断システムに用いられる超音波診断用プローブの駆動に起因するプローブ表面温度（温度上昇）を予測する方法に関する。

一般に超音波映像診断システムは、対象体に超音波信号を送信した後、対象体から反射された超音波エコー信号を受信して電気的な受信信号に変換し、受信信号に対して所定の映像処理をして超音波映像を提供する。このように超音波映像診断システムで提供される超音波映像の解像度を高めながら速い時間に超音波映像を獲得するための研究が着実に進められている。最近の超音波映像診断システムは、多数の変換素子で構成された配列型変換器を備える超音波診断用プローブを用いて超音波信号を送受信し、解像度の高い超音波映像を獲得している。

図１に示すように、超音波診断用プローブ１００は、複数の変換素子１１０で構成された配列型変換器、整合層１２０、レンズ１３０及び吸音層１４０を備える。変換素子１１０は、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）などのような圧電セラミックを用いて形成され、送信パルス信号に応答して超音波信号を生成し、対象体から反射された超音波信号を受信して電気的信号に変換する。整合層１２０は、変換素子１１０と対象体との間のインピーダンス差によって超音波信号が反射されることを抑制するために用いられ、多数の層で構成され得る。レンズ１３０は、超音波信号を集束させる役割をし、吸音層１４０は、送信パルスの印加による変換素子の振動を最大限速く抑制し、短い超音波信号を生成するために用いられる。

電気的信号である送信パルス信号が変換素子１１０に印加されたとき、変換素子１１０の振動による超音波信号の生成以外にも熱に変換される音響損失が発生する。送信パルス信号に応答して発生する熱によるプローブ表面の温度上昇を正確に予測できない場合、対象体の表面に直接接触して用いるプローブで発生した熱によって対象体に損傷を与える場合が発生し得る。従って、超音波映像診断システムで提供する多様な映像を得るための多様な映像獲得モードに対してプローブの表面温度をリアルタイムで予測及び制御することが必要である。しかし、プローブが複雑に構成されており、各構成要素に関する物性データの不足などのためプローブの熱的解析に困難があり、プローブの表面温度を予測するのに困難がある。

最近は前述した困難により超音波映像診断システムで設定される診断映像モード、駆動電圧、送信パルス信号の周波数などの全ての駆動条件でプローブの表面温度を測定して得られた実験式を用い、プローブの表面温度を予測している。しかし、このような方法は、プローブの表面温度を予測するための実験式を得るまで多くの量を測定しなければならないので、かなりの時間が要される問題がある。また、プローブの表面温度を予測のために実施された測定で考慮されていない駆動条件については、信頼性のある温度予測が不可能である。

従って、本発明は、前述した問題を解決するために、ある変換素子の駆動による超音波診断用プローブ表面の温度上昇をプローブの熱伝導特性を用いて計算し、これを用いてプローブで超音波信号の生成時にプローブ表面の温度を迅速かつ正確に予測できる超音波診断用プローブの表面温度予測方法を提供する。

前述した目的を達成するために、本発明による、複数の変換素子で構成された配列型変換器を備え、超音波信号を送受信する超音波診断用プローブの表面温度予測方法は、ａ）前記プローブの熱伝導特性を決定する段階と、ｂ）前記複数の変換素子のうち一つの変換素子を選択する段階と、ｃ）送信パルス信号を前記選択した変換素子に１回印加する段階と、ｄ）前記選択した変換素子を中心に前記プローブ表面の多数の位置で温度上昇を測定する段階と、ｅ）前記熱伝導特性及び前記測定された温度上昇に基づいて前記プローブ表面の温度上昇関数を決定する段階と、ｆ）前記温度上昇関数に基づいて前記プローブの表面温度（温度上昇）を予測する段階とを含む。

前述したように、本発明によってある変換素子の駆動による超音波診断用プローブ表面の温度上昇をプローブでの熱伝導特性を用いて計算することにより、温度予測が正確であるだけでなく、温度予測を速やかに行うことができる。

図２は、プローブに備えられた配列型変換器である変換素子で発生した熱が放出される方向を概略的に示す図面である。図２に示すように、プローブ２００は、多数の変換素子を備える配列型変換器２１０、整合層２２０、音響レンズ２３０及び吸音層２４０を備える。本発明では、配列型変換器を構成する各変換素子を発熱体とみなし、変換素子で発生した熱の伝導性を用いてプローブ表面の温度を予測する。

図２に示すように、駆動中の任意の変換素子２１０ａで発生した熱は、プローブの表面方向Ａ及び変換素子の配列方向Ｂに伝導される。吸音層２４０の方向に伝導される熱は、一般に吸音層２４０がゴムやエポキシなどで構成されて熱伝導度が低いため、本発明の実施例では吸音層２４０の方向に伝導される熱は考慮しない。図３ａは、プローブ表面の温度を予測するための座標系の例を示している。ここで、変換素子の配列方向をｘ軸に、各変換素子の長手方向をｙ軸に、プローブの表面方向をｚ軸に設定する。任意の変換素子を選択して所定の周波数を有する送信パルス信号を印加して駆動するとき、ｄｘの幅を有する微小検査体積３００に流入する熱と放出される熱の流れは、図３ｂに示すように表示できる。微小検査体積３００で熱平衡を適用すれば、式１が得られる。

式１と式２を合成して整理すれば、次の式３のような熱伝達方程式が得られる。

熱伝達方程式（式３）と断熱境界条件（式４）を満たす解をラプラス変換を用いて求めれば次の通りである。

一方、プローブの変換素子駆動によって熱的に線状であるシステムと仮定するとき、一つの変換素子の駆動によるプローブ表面の温度上昇を求めれば、図６ａ及び図６ｂに示すように、多数の変換素子の駆動時に発生する熱によるプローブ表面の温度上昇を重畳の原理を用いて予測することができる。即ち、各変換素子の駆動頻度による温度上昇を予測することができ、式６で表現される。

図７ａ及び図７ｂは、本発明の実施例によって非走査モードでプローブ表面の温度上昇を予測したグラフと非走査モード時に駆動される変換素子と駆動頻度数を示すグラフをそれぞれ示す。図８ａ及び８ｂは、本発明の実施例によって走査モードでプローブ表面の温度上昇を予測したグラフと走査モードで駆動される変換素子の駆動頻度数を示すグラフをそれぞれ示す。

本発明が望ましい実施例を通じて説明されて例示されたが、当業者であれば、添付した請求の範囲の思想及び範疇を逸脱することなく、様々な変形及び変更がなされ得ることが分かるだろう。

プローブの構成を概略的に示す図面である。 プローブの変換素子で発生した熱の伝達方向を概略的に示す図面である。 図３ａはプローブにｘ、ｙ、ｚ軸を設定した例を示す例示図である。 図３ｂは駆動される変換素子での熱が伝導される例を示す例示図である。 プローブ表面の温度を測定する例を示す例示図である。 図５ａは各変換素子の駆動頻度数を示す図面である。 図５ｂは一つの変換素子の駆動時に獲得した温度分布データ（小さな○で表示）の例を示す例示図である。 図６ａは３つの変換素子の駆動時にプローブ表面の温度上昇を示す例示図である。 図６ｂは図６ａの温度上昇からプローブ表面温度の温度上昇を予測した例示図である。 図７ａは本発明の実施例によって非走査モードでプローブ表面の温度上昇を予測したグラフである。 図７ｂは非走査モード時に駆動される変換素子と駆動頻度数を示すグラフである。 図８ａは本発明の実施例によって走査モードでプローブ表面の温度上昇を予測したグラフである。 図８ｂは走査モードで駆動される変換素子の駆動頻度数を示すグラフである。

Claims (4)

1. 複数の変換素子で構成された配列型変換器を備え、超音波信号を送受信する超音波診断用プローブの表面温度予測方法であって、
   ａ）前記プローブの熱伝導特性を決定する段階と、
   ｂ）前記複数の変換素子のうち一つの変換素子を選択する段階と、
   ｃ）送信パルス信号を前記選択した変換素子に１回印加する段階と、
   ｄ）前記選択した変換素子を中心に前記プローブ表面の多数の位置で温度上昇を測定する段階と、
   ｅ）前記熱伝導特性及び前記測定された温度上昇に基づいて前記プローブ表面の温度上昇関数を決定する段階と、
   ｆ）前記温度上昇関数に基づいて前記プローブの表面温度を予測する段階と
   を備える超音波診断用プローブの表面温度予測方法。
2. 前記熱伝導特性は、前記変換素子の配列方向及び前記プローブ表面への熱伝導、そしてプローブの外部への熱放出によって決定される、請求項１に記載の超音波診断用プローブの表面温度予測方法。
3. 前記ｆ）段階で、前記プローブの表面温度は、前記温度上昇関数から計算された温度上昇に、前記変換素子に印加される前記送信パルス信号の印加回数を乗算して予測される、請求項２に記載の超音波診断用プローブの表面温度予測方法。
4. 前記ｆ）段階で、前記プローブの表面温度は、各変換素子に対する温度上昇を重畳して予測される、請求項３に記載の超音波診断用プローブの表面温度予測方法。

Images