JP2010148705A - 超音波プローブ、及び超音波観測システム - Google Patents

Abstract

【課題】超音波走査面が傾斜している超音波プローブにおいて、挿入部が体腔内に挿入されている状態で、超音波走査面の向きが分るようにする。
【解決手段】超音波プローブ３は、挿入部８の先端側に、挿入部８に直交する直交面Ｃに対して傾斜された超音波走査面Ｄを有する振動子アレイ１８が組み込まれている。振動子アレイ１８は、円環状に配列した複数の超音波振動子からなり、超音波走査面Ｄに沿って超音波を電子的にラジアル走査する。超音波プローブ３を把持する把持部９の先端側には、直交面Ｃと超音波走査面Ｄとがなす角度θを表す目盛２２が設けられているので、挿入部８が体腔内に挿入されているときでも、角度θを知ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、体腔内に挿入した挿入部の振動子アレイによって超音波を照射する超音波プローブと、超音波プローブから出力されたエコー信号に基づいて画像を生成する超音波観測装置を備えた超音波診断システムとに関する。

被検体に照射した超音波のエコーを受信して画像化することにより、被検体の内部の状態を非侵襲的に観察する超音波検査が行われている。超音波検査には、体腔内から超音波を照射する体内式検査がある。体内式検査は、被観察部位の近くから空気層を介さずに超音波を照射することができるので、超音波の減衰が少なくなり、鮮明な画像を得ることができる。

体内式検査に使用される超音波観測システムは、超音波プローブと、超音波観測装置とを備えている（例えば、特許文献１参照）。超音波直腸鏡とも呼ばれる超音波プローブは、体腔内に挿入される硬質な挿入部と、挿入部の先端側に挿入方向に沿って配列された複数個の超音波振動子からなる振動子アレイとを備えている。振動子アレイは、各超音波振動子を所定の順序で駆動させることにより、体腔内を超音波で電子的に走査し、反射してきた超音波を受信してエコー信号を出力する。超音波観測装置は、エコー信号から画像を生成してモニタ等に表示させる。

体腔内に挿入された超音波プローブは、体内の被観察部位に超音波を照射するため、挿入部の中心軸回りに回転される。被観察部位に対する超音波の照射を容易に行えるようにするため、挿入部内で超音波振動子をその中心軸回りに回転させ、挿入部の外周を超音波でメカ的にラジアル走査できるようにした超音波プローブが発明されている（例えば、特許文献２参照）。また、挿入部の回転方向と回転角度とを検出して表示する機能を備えた超音波プローブが発明されている（例えば、特許文献３参照）。

また、超音波プローブには、挿入部の外周面に沿って複数の超音波振動子を円環状に配列した振動子アレイを備えているものがある。この超音波プローブによれば、各超音波振動子を所定の順序で駆動することにより、挿入部の外周を超音波で電子的にラジアル走査することができる。

体腔内を光学的に観察することができる内視鏡に振動子アレイを設け、超音波検査も行えるようにした超音波内視鏡が知られている。一般的なラジアル走査タイプの超音波内視鏡は、挿入部の先端面に撮像部や鉗子チャンネル出口等を設け、挿入部の先端近傍の外周面に振動子アレイを配置している。

一般的なラジアル走査タイプの超音波内視鏡では、鉗子チャンネル出口から突き出された処置具が振動子アレイの超音波走査面に交差しないので、超音波画像上で処置具を観察することができない。超音波画像上で処置具を観察できるようにするため、挿入部の先端側に振動子アレイを配置し、この振動子アレイよりも後端側に鉗子チャンネル出口を設け、鉗子チャンネルから突き出された処置具を屈曲させて超音波走査面内に挿入されるようにした超音波内視鏡が発明されている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４記載の超音波内視鏡では、鉗子チャンネル出口から突き出される処置具の屈曲角度を小さくするため、円環状の振動子アレイを挿入部の軸線方向に対して傾けて配置している。
特開昭５７−１２８１２６号公報 特開昭５７−００３６２８号公報 実開平０２−０９１５１２号公報 特開２０００−１８５０４４号公報

超音波直腸鏡において、被観察部位に対し、様々な方向から超音波を照射できるようにすることが望まれている。そこで、本出願人は、特許文献４の超音波内視鏡に用いられている円環状の振動子アレイを挿入部に組み込んだ超音波直腸鏡を発明している。これによれば、振動子アレイの超音波走査面が挿入部の挿入方向に対して傾いているので、挿入部を体腔内で中心軸回りに回転させることにより、被観察部位に対する超音波の入射角度を変化させることができる。

しかし、上記超音波直腸鏡は、挿入部を体腔内に挿入した状態で回転させると、振動子アレイの超音波走査面の向きが分らなくなってしまう。また、挿入部を体腔内で回転させると、挿入部の回転方向と逆方向に同じ回転量で回転した画像がモニタに表示されてしまうため、画像の観察が行ないにくくなるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するため、挿入部が体腔内に挿入されている状態で、超音波走査面の向きが分るようにすることを目的としている。

本発明の超音波プローブは、体腔内に挿入される挿入部と、挿入部の先端側に設けられた振動子アレイ、振動子アレイの後端に取り付けた把持部とを備えている。振動子アレイは、挿入部の挿入方向に直交する直交面に対して傾斜された超音波走査面に沿って、挿入部の先端側外周を超音波でラジアル走査する。把持部には、超音波走査面の向きを表す走査面表示手段が設けられている。

走査面表示手段は、挿入方向に沿った断面上において、超音波走査面と、挿入方向に対して垂直な軸とがなす角度を表す目盛である。また、超音波走査面と同じ傾斜を有する円環状の線を走査面表示手段として用いてもよい。

本発明の超音波プローブには、挿入部の中心軸に対する回転方向、及び回転量を検出する回転検出手段を備えてもよい。

振動子アレイは、挿入部の外周面から突出していることが好ましい。

本発明の超音波観測システムは、超音波プローブと、超音波観測装置とを備えている。超音波プローブは、体腔内に挿入される挿入部と、振動子アレイと、回転検出手段とを備えている。振動子アレイは、挿入部の挿入方向に直交する直交面に対して傾斜された超音波走査面に沿って、挿入部の先端側外周を超音波でラジアル走査する。回転検出手段は、挿入部の中心軸に対する回転方向、及び回転量を検出する。超音波観測装置は、画像処理手段、画像補正手段を備えている。画像処理手段は、振動子アレイが超音波を受信して出力したエコー信号に基づいて画像を生成し、この画像を表示手段に表示する。画像補正手段は、回転検出手段の検出結果に基づいて、表示手段に表示される画像が回転しないように画像を補正する。

超音波観測装置には、画像補正手段のオン／オフを切り換える切換手段を設けてもよい。

本発明の超音波プローブによれば、走査面表示手段により、振動子アレイの超音波走査面の向きを知ることができる。また、走査面表示手段として目盛を用いるので、挿入部の挿入方向に対する超音波走査面の正確な角度を表示することができる。走査面表示手段として円環状の線を用いた場合には、超音波走査面の角度を直感的に捉えられるようにすることができる。

本発明の超音波観測システムは、挿入部の回転を回転検出手段で検出し、その検出結果に基づいて、表示手段に表示される画像が回転しないように画像を補正するので、画像観察がしやすくなる。また、画像補正手段の動作をオン／オフすることができるので、挿入部の回転に応じて回転された画像を表示させることもできる。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１に示す超音波観測システム２は、被検者の体腔内から被観察部位に向けて超音波を照射し、反射した超音波エコーから画像を生成して被観察部位を非侵襲的に観察するために用いられている。超音波観測システム２は、いわゆる超音波直腸鏡と呼ばれる超音波プローブ３と、超音波観測装置４と、モニタ５とを備えている。

超音波プローブ３は、被検者の体腔内から被観察部位に向けて超音波を照射するための装置であり、挿入部８と、把持部９と、プローブケーブル１０とを備えている。挿入部８の拡大図である図２に示すように、体腔内に挿入される挿入部８は、直径が９〜１３ｍｍ程度の円形の断面を有する硬質な棒状部１４と、この棒状部１４の先端側に設けられた膨出部１５とを備えている。膨出部１５は、棒状部１４の外周面から外側に２〜３ｍｍ程度が膨出しているため、体腔内壁に密着させやすくなっている。棒状部１４と膨出部１５との接続部分は、挿入部８の挿入時、及び抜き取り時の抵抗が小さくなるように滑らかに接続されている。

膨出部１５の内部には、被観察部位に向けて超音波を照射し、反射してきた超音波エコーを受信する振動子アレイ１８が組み込まれている。図２のＡ−Ａ断面を表す図３に示すように、振動子アレイ１８は、断面が略扇形をした複数個の超音波振動子１９から構成されており、各超音波振動子１９を接続して円環状に配列している。

超音波振動子１９は、圧電素子であり、超音波観測装置４から入力された励振パルスを圧電変換し、径方向に沿って超音波を照射する。また、超音波振動子１９は、体腔内で反射した超音波エコーを受信して圧電変換し、その受信強度に応じたエコー信号を出力する。複数の超音波振動子１９のうち、挿入部８の半径方向において上方を向いている超音波振動子１９ａが、ラジアル走査時の基準となる基準振動子として設定されている。

図２に示すように、振動子アレイ１８の径方向は、基準振動子１９ａが上方を向くように超音波プローブ３を水平に配置したときに、挿入部８に直交する直交面Ｃに対する角度θが、例えば３０°になるように傾けられている。また、振動子アレイ１８は、その外周が棒状部１４の外側に突出し、膨出部１５と連なっている。

振動子アレイ１８は、円環状に配列された複数の超音波振動子１９が順に駆動することにより、挿入部８の全周において径方向で超音波を送受信する、いわゆるラジアル走査を電子的に行う。ラジアル走査される超音波走査面Ｄは、振動子アレイ１８の傾斜に合せて傾いているので、挿入部８を回転させることにより、被観察部位に対する超音波の入射角度を変化させ、被観察部位を様々な方向から観察することができる。

把持部９は、挿入部８の後端に取り付けられた棒状体であり、超音波プローブ３の把持、挿入部８の体腔内への挿入、体腔内での挿入部８の回転操作等に用いられる。把持部９の先端側には、直交面Ｃに対する超音波走査面Ｄの角度θを表す目盛２２が設けられている。目盛２２は、把持部９の外周に等間隔で記されている線状の指標２３と、所定の指標に近接して記された角度数値２４とからなる。角度数値２４は、θが「０°」、「３０°」、「−３０°」等、きりのよい数値となる指標２３に記されている。

プローブケーブル１０は、把持部９の後端に接続された柔軟性を有するケーブルであり、各超音波振動子１９に接続された複数本の配線と、これらの配線の外周を被覆して１本にまとめた被覆材とを有している。プローブケーブル１０の後端には、超音波観測装置４の前面に設けられた端子に接続されるコネクタ１０ａが設けられている。

図４は、超音波観測システムの電気的構成を示すブロック図である。超音波観測装置４は、超音波プローブ３の振動子アレイ１８を駆動し、超音波プローブ３から送信されたエコー信号から画像を生成する装置であり、送受信回路２７、送受信制御部２８、メモリ２９、画像処理部３０を備えている。

送受信回路２７は、プローブケーブル１０を介して、各超音波振動子１９に励振パルスを入力し、超音波を発生させる。また、送受信回路２７は、各超音波振動子１９から送信されてきたアナログのエコー信号をデジタルエコー信号に変換し、メモリ２９に記憶させる。送受信制御部２８は、送受信回路２７を制御して各超音波振動子１９を順に駆動させ、振動子アレイ１８に超音波をラジアル走査させる。

画像処理部３０は、メモリ２９から読み出したデジタルエコー信号に各種信号処理を施し、挿入部８を中心とする円形の画像を表す画像データを生成する。また、画像処理部３０は、生成した画像の基準振動子１９ａに基づく部位が上方を向くように、モニタ５に画像を表示させる。

次に、上記実施形態の作用について説明する。超音波プローブ３は、把持部９を把持した医師等の術者により、挿入部８が被検者の体腔、例えば直腸内に挿入される。挿入部８は、先端側の膨出部１５の径が棒状部１４よりも大きくなっているが、表面が滑らかに接続されているので、挿入抵抗が極端に大きくなることはない。

挿入部８が体腔内にある程度まで挿入された時点で、超音波観測装置４において、振動子アレイ１８に超音波をラジアル走査させるための操作が行われる。送受信制御部２８は、送受信回路２７を制御して、各超音波振動子１９に順に励振パルスを入力させる。各超音波振動子１９は、励振パルスに基づいて体腔内に超音波を照射し、反射した超音波エコーを受信し、受信強度に応じたエコー信号を出力する。

エコー信号は、プローブケーブル１０及びコネクタ１０ａを介して送受信回路２７に入力される。送受信回路２７は、入力されたアナログエコー信号をデジタルエコー信号に変換して、メモリ２９に記憶させる。画像処理部３０は、メモリ２９からデジタルエコー信号を読み出して各種信号処理を施し、画像データを生成する。また、画像処理部３０は、図５に示すように、画像データにより表される円形の画像３３をモニタ５に表示させる。

体腔内の挿入部８を中心軸回りで回転させると、超音波走査面Ｄも一緒に回転するので、被観察部位に対する超音波の入射角度が変化する。これにより、被観察部位を様々な方向から観察することができる。また、直交面Ｃに対する超音波走査面Ｄの角度θは、目盛２２により正確に知ることができるので、超音波検査の精度が向上する。

以下、本発明の第２〜第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態の超音波観測システム２と同じ構成については、同符号を用いて詳しい説明を省略している。

［第２実施形態］
超音波走査面Ｄの角度を表す目盛２２に代えて、図６に示す第２実施形態の超音波プローブ３５のように、超音波走査面Ｄと同じ角度を有する帯状の指標ライン３６を把持部９の全周にわたって記してもよい。目盛２２の場合、術者によっては、角度数値２４を見ても超音波走査面Ｄの実際の角度をイメージできない場合がある。しかし、指標ライン３６であれば、超音波走査面Ｄの角度を直感的にイメージさせることができる。

［第３実施形態］
上記第１、第２実施形態において、モニタ５に表示される画像は、基準振動子１９ａに基づく部位が常に上方を向くように表示されている。したがって、体腔内で挿入部８を回転させると、モニタ５に表示される画像が反対方向に回転するので観察しにくい。これを解決するため、第３実施形態の超音波観測システムは、超音波プローブの回転方向及び回転量に応じて画像を補正し、モニタ５に表示される画像が回転しないようにしている。

図７に、第３実施形態の超音波観測システムに用いられる超音波プローブ４０を示す。超音波プローブ４０は、挿入部８の後端に、挿入部８の回転方向及び回転量を検出する回転検出部４１が取り付けられている。回転検出部４１は、例えば、アブソリュート型のロータリーエンコーダであり、基準振動子１９ａの回転方向及び回転量の絶対位置を検出して出力する。

図８に示すように、回転検出部４１は、外筒４４、蓋４５、スリット板４６、フォトセンサ４７等から構成されている。外筒４４は、円筒形状をしており、中央に形成された取付孔４８と、その外周に形成された外筒室４９とを備えている。取付孔４８は、挿入部８の外周に嵌合して外筒４４を超音波プローブ４０に固定するための孔である。外筒室４９は、一端側が開放された円環状の空間であり、ベアリング５０を介して回転自在なスリット板４６が取り付けられている。蓋４５は、中央に挿入部８の外周に挿通される挿通孔５１が形成された円環状の板材であり、外筒室４９を塞ぐように外筒４４に取り付けられる。

スリット板４６は、円環状の円板であり、スリット板４６の回転位置を表す多数のスリット５４が形成されている。スリット板４６の外周には、外筒４４の回転に関わらず、スリット板４６を一定の回転位置に維持するための錘５５が取り付けられている。フォトセンサ４７は、例えば、複数の発光部及び受光部を有する透過型フォトインタラプタであり、外筒室４９内に固定されている。そして、外筒４４が挿入部８とともに回転したときに、錘５５によって一定の姿勢が保たれているスリット板４６のスリット５４を検出し、検出したスリット５４に応じた検出信号を出力する。

図９に示すように、第４実施形態の超音波観測システム５８に用いられる超音波観測装置５９は、回転検出部４１から出力された検出信号に基づいて、画像処理部３０で生成された画像を補正する画像補正部６０を備えている。

図１０は、ラジアル走査されている体内と、このラジアル走査時のエコー信号に基づいて画像処理部３０が生成する画像と、画像補正部６０により補正されてモニタ５に表示される画像とを示している。同図（Ａ）に示すように、体内６３で基準振動子１９ａの向きＳが上方を向いているとき、画像処理部３０は、基準振動子１９ａに基づく部位６４ａが上方を向いている画像６４を生成する。画像補正部６０は、挿入部８が回転していないため、画像６４を補正しないので、モニタ５には、体内の状態と同じ向きの画像６４が表示される。

図１０（Ｂ）に示すように、体内６３で挿入部８が時計方向に９０°回転し、基準振動子１９ａの向きＳが右方を向いているとき、画像処理部３０は、基準振動子１９ａに基づく部位６５ａが上方を向いている画像６５を生成する。この画像６５は、体内６３に対して反時計方向に同じ回転量だけ回転された画像となる。画像補正部６０は、モニタ５に表示される画像が回転しないように、画像６５を回転検出部４１で検出された回転方向及び回転量で回転させるので、モニタ５には、同図（Ａ）と同様に、体内と同じ向きの画像６５が表示される。

また、詳しくは説明しないが、図１０（Ｃ）に示すように、体内６３で超音波プローブ４０が反時計方向に９０°回転され、基準振動子１９ａの向きＳが左方を向いたときにも、画像補正部６０により画像処理部３０が生成した画像６６の回転位置が補正される。これにより、モニタ５には、同図（Ａ）、（Ｂ）と同様に、体内の状態と同じ向きの画像６６が表示される。したがって、超音波プローブが回転されても、常に同じ向きの画像をモニタ５に表示することができ、画像観察がしやすくなる。

［第４実施形態］
なお、超音波観測システムを使用する術者によっては、挿入部８の回転に応じて表示画像が回転したほうが観察しやすい場合も考えられる。そこで、図１１に示す第４実施形態の超音波観測システム６８のように、画像補正部６０の動作をオン／オフする切換スイッチ６９を超音波観測装置７０に設けてもよい。

本発明の走査面表示手段として、上記第１実施形態では目盛を用い、第２実施形態円環状の指標ラインを用いた。しかしながら、本発明は、上記実施形態に限定されず、超音波走査面を表す鍔状の部材等、同様の効果を得られるものであれば適用することが可能である。

第３実施形態の回転検出部として、アブソリュート型のロータリーエンコーダを用いたが、インクリメンタル型のロータリーエンコーダを用いてもよいし、３次元加速度センサ等、その他のセンサを用いてもよい。

上記各実施形態では、走査面表示手段と回転検出手段とを別々に超音波プローブに設けたが、両者を１つの超音波プローブに設けてもよい。また、第３実施形態の発明は、振動子アレイが直交面に対して傾斜していない超音波プローブにも適用可能である。さらに、体腔内で挿入部を回転させる際に超音波プローブ全体を回転させていたが、挿入部のみを回転できるように構成してもよい。本発明は、超音波直腸鏡だけでなく、超音波内視鏡、内視鏡の鉗子チャンネルに挿入して使用される超音波プローブ等にも適用可能である。

第１実施形態の超音波観測システムの構成を示す外観斜視図である。 挿入部の構成を示す側面図である。 振動子アレイの構成を示す断面図である。 超音波観測システムの電気的構成を示すブロック図である。 モニタに表示される画像の１例を示す説明図である。 第２実施形態の超音波プローブの構成を示す側面図である。 第３実施形態の超音波プローブの構成を示す側面図である。 回転検出部の構成を示す分解斜視図である。 第３実施形態の超音波観測システムの電気的構成を示すブロック図である。 第３実施形態の超音波観測システムで生成される画像を示す説明図である。 第４実施形態の超音波観測システムの電気的構成を示すブロック図である。

符号の説明

２，５８ 超音波観測システム
３，３５，４０ 超音波プローブ
４，５９ 超音波観測装置
５ モニタ
８ 挿入部
９ 把持部
１５ 膨出部
１８ 振動子アレイ
１９ 超音波振動子
３０ 画像処理部
２２ 目盛
３６ 指標ライン
４１ 回転検出部
６０ 画像補正部
６４〜６６ 画像
６９ 切換スイッチ

Claims (7)

1. 体腔内に挿入される挿入部と、
   前記挿入部の挿入方向に直交する直交面に対して傾斜された超音波走査面に沿って、前記挿入部の先端側外周を超音波でラジアル走査する振動子アレイと、
   前記挿入部の後端に取り付けた把持部に設けられ、前記超音波走査面の向きを表す走査面表示手段とを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記走査面表示手段は、前記挿入方向に沿った断面上において、前記超音波走査面と、前記挿入方向に対して垂直な軸とがなす角度を表す目盛であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
3. 前記走査面表示手段は、前記超音波走査面と同じ傾斜を有する円環状の線であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
4. 前記挿入部の中心軸に対する回転方向、及び回転量を検出する回転検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の超音波プローブ。
5. 前記振動子アレイは、前記挿入部の外周面から突出していることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の超音波プローブ。
6. 体腔内に挿入される挿入部と、前記挿入部の挿入方向に直交する直交面に対して傾斜された超音波走査面に沿って、前記挿入部の先端側外周を超音波でラジアル走査する振動子アレイと、前記挿入部の中心軸に対する回転方向、及び回転量を検出する回転検出手段とを有する超音波プローブと、
   前記振動子アレイが超音波を受信して出力したエコー信号に基づいて画像を生成し、前記画像を表示手段に表示する画像処理手段と、前記回転検出手段の検出結果に基づいて、前記表示手段に表示される前記画像が回転しないように前記画像を補正する画像補正手段とを有する超音波観測装置を備えたことを特徴とする超音波観測システム。
7. 前記超音波観測装置は、前記画像補正手段のオン／オフを切り換える切換手段を備えていることを特徴とする請求項６記載の超音観測システム。

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