JP2009136416A - 超音波送受波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブにより生体を押圧し加圧前後での組織の変位を計測する場合において、プローブの当接姿勢を調整できるようにする。
【解決手段】プローブ１０の内部ユニット１４は、振動子ユニット１６、上下駆動ユニット１８、Ｚ軸位置決めユニット２０、Ｘ軸位置決めユニット２２、Ｙ軸位置決めユニット２３、等を有する。上下駆動ユニット１８により振動子ユニット１６に対して周期的な前後運動が与えられ、Ｚ軸位置決めユニット２０は上下駆動ユニット１８のＺ軸方向の原点を定める。Ｘ軸位置決めユニット２２及びＹ軸位置決めユニット２３により振動子ユニット１６のＸ軸周り及びＹ軸周りの向きが調整される。
【選択図】図２

Description

本発明は超音波送受波装置に関し、特に、体表からの加圧により組織の変位を計測するための超音波送受波装置に関する。

触診は体表から指先による押圧力を与えて対象臓器の性状（例えば硬さ）を触覚によって判断するものである。この方法では客観的、定量的な診断を行い難い。そこで、対象臓器に対して圧力を加え、その加圧前後における組織変位を超音波計測することにより、組織の性状を評価する診断法が実用化されつつある。この方法ではリアルタイムに且つ高精度に各計測点の変位を観測可能である。しかし、漫然と人為的に加圧を行うと、どうしても再現性が低下してしまう。また、体表に対して適正な方向から（通常、垂直方向から）、適正な圧力をもって加圧を行わないと、計測結果の信頼性が低下してしまう。手振れ、呼吸、体位変化、等によって、計測中に組織と超音波探触子との位置関係が微妙に変化することもある。

特許文献１−３には、加圧式の超音波探触子が記載されているが、それらの文献には超音波探触子における生体接触部分の姿勢（向き）を調整する機構は記載されていない。

特開２００３−２２５２３９号公報 特開２００５− １３２８３号公報 特開２００６−３０５１６０号公報

上記のように、加圧下での組織変位を計測する場合、生体接触部分と生体表面との間の位置関係を適正にし、その状態を維持しつつ加圧を行うことが望まれるが、従来技術においては必ずしもそのような要望に十分に応えられない。

本発明の目的は、生体に対して生体接触部の姿勢あるいは位置を適正にできる超音波送受波装置を提供することにある。

本発明は、超音波を送受波する超音波振動子を備えた生体接触部と、前記生体接触部における接触面の接触状態を検出する状態検出部と、前記検出された接触状態に基づいて、前記生体接触部の当接姿勢を可変する姿勢可変機構と、前記生体接触部を生体側へ前進させて押圧力を与える押圧機構と、を含むことを特徴とする超音波送受波装置に関する。

上記構成において超音波送受波装置は、超音波探触子あるいはそれを含む超音波診断装置に相当する概念である。つまり、後述する電子制御部は超音波探触子内に配置されていてもよいし、超音波診断装置本体内に配置されてもよい。上記構成によれば、生体接触部の接触状態に基づいて姿勢可変機構により生体接触部の当接姿勢を変更することができる。つまり、当接当初の姿勢を適正化でき、あるいは、その後において生体組織との位置関係に変動が生じる要因が発生しても適正な姿勢を維持できる。生体接触部は超音波振動子を備え、超音波振動子によって超音波ビームが形成される。超音波ビームが一次元走査されるならばビーム走査面が形成され、その面上における必要な計測点について加圧前後での組織の変位が計測される。変位計測は各種の手法を利用して行うことができ、例えばエコートラッキング技術を用いてもよい。状態検出部は、複数の圧力センサによって構成されるのが望ましいが、それには限られず、生体接触部と生体との間の位置関係あるいは当接状態を検出できるものであれば利用可能である。姿勢可変機構は後述のように生体接触部の向きを可変できる機構として構成されるのが望ましい。それに加えて、当該向きの方向において生体接触部の原点位置を定める機構を設けてもよい。押圧機構は、望ましくは、周期的に加圧を行う機構である。そのストローク量は固定されていてもよいが、それを可変できるように構成してもよい。

望ましくは、前記姿勢可変機構は、第１軸回りに前記生体接触部の姿勢を変更する第１機構と、前記第１軸に交差する第２軸回りに前記生体接触部の姿勢を変更する第２機構と、を含む。この構成によれば、首振り運動が許容され、生体接触部の向きを自動的に制御可能となる。首振り運動の原点が当接面上あるいはその付近にあってもよい。第１機構の揺動原点と第２機構の揺動原点は一致していなくてもよい。ボールジョイントのような機構を採用することもできる。

望ましくは、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸方向において前記生体接触部の位置決めを行う第３機構を含む。この第３機構は姿勢変更状態において生体接触部を生体に対して前後運動させるものであるが、この第３機構を省略することも可能であり、あるいは、第３機構と押圧機構とを一体化することもできる。それらが別々に設けられる場合、押圧機構により周期的な加圧力が生成され、第３機構により初期位置が設定される。その後の相対的な位置変化を相殺するように第３機構によって押圧機構自体を前後運動させてもよい。

望ましくは、手又はアームによって保持される外ケースから前記生体接触部までの間で、前記第１機構、前記第２機構及び前記押圧機構が所定順序で段階的に連結される。望ましくは、前記第１機構及び前記第２機構の連結体と、前記生体接触部との間に更に前記押圧機構が設けられる。この構成によれば、第１機構及び第２機構によってそれらよりも生体側に存在する機構部分の向きを調整でき、その調整後の向きの方向において生体に対して押圧力が印加される。

望ましくは、前記状態検出部は、前記接触面に設けられた複数の圧力センサを含み、前記複数の圧力センサの検出値に基づいて少なくとも前記姿勢可変機構を制御する制御部が設けられる。この制御部は超音波探触子内にあってもよいし、超音波診断装置本体内にあってもよい。制御部が更に上記第３機構の動作を制御してもよい。押圧部により生体を周期的に加圧する場合、その周期を示す同期信号を生成し、その同期信号を計測や画像処理のトリガとして利用してもよい。なお、周期的な加圧に伴い、各センサで観測される圧力値も変動することになるが、垂直当接状態（均一の圧力分布状態）を形成、維持するのであれば、各センサの検出値が同じになるように各機構に対してフィードバック制御を行えばよい。

以上説明したように、本発明によれば、生体に対して生体接触部の姿勢あるいは位置を適正にすることが可能であり、計測の再現性を良好にできる。

以下、本発明に係る超音波送受波装置の好適な実施形態を説明する。本実施形態の超音波送受波装置は、超音波探触子（プローブ）として構成されている。後述するように、電子的な制御部分が超音波診断装置本体内に設けられてもよい。このプローブは生体表面上に当接され、その状態において周期的な加圧を繰り返すものであり、そのような加圧前後における生体内臓器の変位から組織の性状（例えば硬さ）が計測される。

図１には、本実施形態に係るプローブ１０の外観が示されている。外ケース１２は使用者により握られるものであり、あるいはロボットアームにより捕まれるものである。外ケース１２の内部には内部ユニット１４が設けられている。なお、図１においてＸ方向は電子走査方向であり、Ｙ方向はそれに直交する水平方向である。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する垂直方向であり、そのＺ方向が加圧方向である。

図２には、内部ユニット１４が概略的に透視図として示されている。内部ユニット１４は、生体側から見て、振動子ユニット１６、上下駆動ユニット１８、Ｚ軸位置決めユニット２０、傾斜ユニット２５、基板群２４等によって構成される。図３に示されるように、傾斜ユニット２５は具体的にはＸ軸位置決めユニット２２とＹ軸位置決めユニット２３とで構成される。図２に示される振動子ユニット１６は、本実施形態において複数の振動素子からなるアレイ振動子を有するものである。アレイ振動子の生体側には必要に応じて整合層及び音響レンズが設けられる。アレイ振動子の背面側には必要に応じてバッキングが設けられる。各ユニット間の関係について簡単に説明すると、振動子ユニット１６は上下駆動ユニット１８によってＺ方向に運動可能に保持されている。上下駆動ユニット１８はＺ軸位置決めユニット２０によりＺ軸方向に運動可能に保持されている。Ｚ軸位置決めユニット２０は上下駆動ユニット１８のＺ軸方向の位置決め、換言すればＺ軸方向の原点を定めるものであり、そのように定められた原点の位置を基準として上下駆動ユニット１８によりＺ軸方向に振動子ユニット１６が周期的に駆動される。これにより生体に対しては周期的に押圧力が与えられることになる。

Ｚ軸位置決めユニット２０はＸ軸位置決めユニット２２により保持されており、具体的にはＸ軸周りにおいて揺動運動可能にＺ軸位置決めユニット２０が保持されている。Ｘ軸位置決めユニット２２はＹ軸位置決めユニット２３によって保持されており、具体的にはＹ軸周りにおいてＸ軸位置決めユニット２２が揺動運動可能なように保持されている。Ｙ軸位置決めユニット２３は図１に示した外ケース１２に固定的に連結されている。

図２に示した基板群２４は、後に説明する制御を実行する演算部を含んでおり、さらに必要に応じて信号処理を行う回路が設けられてもよい。

以下に、各ユニットについて具体的に説明する。図４には、上下駆動ユニット１８が示されている。ただし、上下駆動ユニットケースについては図示省略されている。（Ａ）は概略的な斜視図あり、（Ｂ）は模式的な機構説明図である。図４に示されるように、アレイ振動子３２の背面側（非生体側）には振動子ユニットケース３０が設けられており、その２つの側面にはガイドレール３０Ａが形成されている。この２つのガイドレール３０Ａは図示されていない上下駆動ユニットケースの内側に形成された２つのレール溝によってＺ方向に案内される。上下駆動ユニット１８は、モータ３６、ギア部３８、一対の回転板４０、クランクアーム４２等を有している。クランクアーム４２の一方端４２Ａは回転板４０の端部に回転自在に連結されており、クランクアーム４２のもう一方の端部４２Ｂは振動子ユニットケース３０の上端部分に回転自在に連結されている。したがって、モータ３６により回転力を発生させると、その回転力が一対のクランクアーム４２の運動に転換され、その結果、振動子ユニット１６がＺ方向に運動する。すなわち、振動子ユニット１６はＺ方向に前後運動をし、これによって生体組織に対して周期的な押圧力が与えられる。（Ｂ）に示すようにアレイ振動子３２の背面側には必要に応じてバッキング３４が設けらる。アレイ振動子３２の前面側には上記のように整合層や音響レンズが設けられる。

図５には、Ｚ軸位置決めユニット２０が示されている。上述した上下駆動ユニット１８は上下駆動ユニットケース４４を有する。なお、（Ａ）は概略的な斜視図であり、（Ｂ）は模式的な正面図であり、（Ｃ）は模式的な側面図である。Ｚ軸位置決めユニット２０は、４つのシャフト４６、プレート４８、モータ５０等を有している。具体的に説明すると、上下駆動ユニットケース４４にはＺ方向に伸長した４つのシャフト４６が固定されている。それらのシャフト４６によってプレート４８がＺ方向に運動可能である。プレート４８にはモータ５０が固定されており、モータ５０の軸５２の先端が上下駆動ユニットケース４４の上端部４４Ａに形成されたネジ溝５４に係合している。すなわち、モータ５０によって軸５２を回転させると、その軸５２とネジ溝５４との螺合関係によりプレート４８に対して上下駆動ユニット１８が前後動する。

図６には、Ｘ軸位置決めユニット２２が示されている。（Ａ）は概略的な斜視図であり、（Ｂ）は模式的な正面図であり、（Ｃ）は模式的な側面図である。ちなみに、Ｙ軸位置決めユニット２３も基本的にＸ軸位置決めユニット２２と同様の構成を有しており、その説明を省略する。Ｙ軸位置決めユニット２３の配置に関しては図３を参照してほしい。

図６に示されるように、Ｘ軸位置決めユニット２２は、モータ５８、ギア部６０、半月状ギア５６Ａ等を有する。半月状ギア５６Ａは上記のＺ軸位置決めユニット２０のケース５６の一部分として構成されている。モータ５８において回転力を発生させると、それがギア部６０を介して伝達され、駆動ギア６０Ａと半月状のギア５６Ａとの噛み合い関係により、Ｚ軸位置決めユニットを含む前方連結体がＸ軸を中心として揺動運動する。上述した、Ｙ軸位置決めユニット２３においては、図６に示したような機構と同様の機構が設けられ、その場合においてはＹ軸周りの揺動運動が実現されている。ちなみに、Ｙ軸位置決めユニット２３は上記のように図１に示した外ケース１２に固定されている。

従って、外ケース１２を基準として見た場合、Ｙ軸位置決めユニット２３によってＹ軸を回転軸として振動子ユニット１６を揺動運動させることができ、Ｘ軸位置決めユニット２２によってＸ軸を回転軸として振動子ユニット１６を揺動運動させることができ、すなわち、それらの２つの位置決めユニット２２，２３により振動子ユニット１６に対して所望の首振り運動を行わせることができる。これにより手振れや呼吸等によってプローブと生体との位置関係にずれが生じてもそれを解消するように振動子ユニットの姿勢を調整することができる。しかも、Ｚ軸位置決めユニット２０が設けられているためＺ軸方向における初期位置の位置決めを行うことができ、また必要に応じて加圧を行っている最中においても原点補正を行うことができる。そのような位置決め及び姿勢調整が行われつつ上下駆動ユニット１８によって振動子ユニット１６が前後方向に駆動され、これによって周期的な加圧力が生体表面に与えられる。

図７には、上述したプローブの各構成がブロック図として示されている。図８に示されるように、プローブにおける生体接触部の先端面である接触面の四隅には４つの圧力センサ６４Ａ〜６４Ｄが設けられている。図７に示されるように、それらの圧力センサ６４Ａ〜６４Ｄからの検出信号が傾き（ベクトル）計算部６６に入力されている。この傾き計算部６６は４つの圧力センサ６４Ａ〜６４Ｄの検出値に基づいて生体に対してプローブの中心軸がどの方向にどの程度ずれたのかをベクトル情報として演算する機能を有する。そしてそのようなずれ量を解消するようにＸ軸位置決めユニット２２、Ｙ軸位置決めユニット２３及びＺ軸位置決めユニット２０を制御する。さらに、傾き計算部６６は上下駆動ユニット１８の動作制御を行っている。一般的には、各圧力センサ６４Ａ，６４Ｄでの検出値がそれぞれ同一になるように各位置決めユニット２２，２３，２０の動作が制御されている。なお、Ｚ軸位置決めユニット２０については初期状態においてのみ動作を行わせてもよいし、計測中において連続的に動作を行わせてもよい。その場合においてはＺ軸方向の原点のぶれを解消するようにその制御が行われるのが望ましい。

本実施形態においては、図示されていない送受信部からの送信信号がアレイ振動子３２に与えられている。またアレイ振動子３２からの受信信号が図示されていない送受信部に与えられている。また上下駆動ユニット１８には画像更新トリガ信号を生成するモジュールが設けられており、そのような画像更新トリガ信号に基づいて周期的な加圧運動における同期信号が得られている。図７に示す構成では、傾き計算部６６がプローブ内に設けられていたが、そのような傾き計算部６６を超音波診断装置本体内に設けるようにしてもよい。

上記実施形態においては加圧動作中において姿勢調整が連続的になされていたが、少なくとも初期当接時において姿勢や位置の調整が必要な場合において各ユニットを動作させれば一定の利点を得られる。

上述した実施形態においては、外ケースから振動子ユニットまでに存在する複数のユニットが段階的に連結されていたが、例えばＸ軸位置決めユニット及びＹ軸位置決めユニットを単一の位置決めユニットとして構成することも可能である。またＺ軸位置決めユニットを配置しないでプローブを構成することも可能である。上記の実施形態においては、振動子ユニットの向き或いは姿勢が調整された上で、当該方向において振動子ユニットを前後動させることができるという利点がある。すなわち、上下運動を発生させた後その運動方向を傾斜させるような方式を採用する場合、機構が複雑になることが懸念されるが、上記実施形態によれば振動子ユニットの姿勢を定めた上でその軸上において前後運動をさせるものであるので制御がシンプルであり且つ機構全体も簡略化することが可能である。なお、振動子ユニットの上下運動は、ユーザーによる入力に基づいて開始される。その入力を行うためのスイッチをプローブ上に設けるようにしてもよいし、そのスイッチをフットスイッチとして構成することも可能である。本実施形態においては、図７に示した傾き計算部６６がコントローラとして機能しており、各ユニットにおいて生成される移動量の他、移動速度についても制御可能である。いずれにしても、プローブ内に上述した各種のユニットを段階的に設けることにより、再現性・信頼性の高い生体組織計測を行える。また、従来においては操作者がプローブの姿勢を維持しなければならず、その負担が大きかったが、本実施形態によれば自動的に位置ずれの補償が行われるためユーザーの負担を軽減できるという利点がある。さらに、ぶれを解消して画質を高められるという利点もあり、画像観察上の便宜も図れる。

本発明に係るプローブの外観を示す図である。 プローブ内に設けられる内部ユニットを示す透視図である。 内部ユニットについての詳細な構成を示す透視図である。 上下駆動ユニットの構成を示す図である。 Ｚ軸位置決めユニットの構成を示す図である。 Ｘ軸位置決めユニットの構成を示す図である。 プローブが有する機能を説明するためのブロック図である。 センサの配置例を説明するための図である。

符号の説明

１０ プローブ、１２ 外ケース、１４ 内部ユニット、１６ 振動子ユニット、１８ 上下駆動ユニット、２０ Ｚ軸位置決めユニット、２２ Ｘ軸位置決めユニット、２３ Ｙ軸位置決めユニット、２４ 基板群、２５ 傾斜ユニット。

Claims (6)

1. 超音波を送受波する超音波振動子を備えた生体接触部と、
   前記生体接触部における接触面の接触状態を検出する状態検出部と、
   前記検出された接触状態に基づいて、前記生体接触部の当接姿勢を可変する姿勢可変機構と、
   前記生体接触部を生体側へ前進させて押圧力を与える押圧機構と、
   を含むことを特徴とする超音波送受波装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記姿勢可変機構は、
   第１軸回りに前記生体接触部の姿勢を変更する第１機構と、
   前記第１軸に交差する第２軸回りに前記生体接触部の姿勢を変更する第２機構と、
   を含むことを特徴とする超音波送受波装置。
3. 請求項２記載の装置において、
   前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸方向において前記生体接触部の位置決めを行う第３機構を含む、ことを特徴とする超音波送受波装置。
4. 請求項２記載の装置において、
   手又はアームによって保持される外ケースから前記生体接触部までの間で、前記第１機構、前記第２機構及び前記押圧機構が所定順序で段階的に連結された、ことを特徴とする超音波送受波装置。
5. 請求項４記載の装置において、
   前記第１機構及び前記第２機構の連結体と、前記生体接触部との間に更に前記押圧機構が設けられた、ことを特徴とする超音波送受波装置。
6. 請求項１記載の装置において、
   前記状態検出部は、前記接触面に設けられた複数の圧力センサを含み、
   前記複数の圧力センサの検出値に基づいて少なくとも前記姿勢可変機構を制御する制御部が設けられた、ことを特徴とする超音波送受波装置。