JP2011172807A - 超音波探触子および超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より的確に接触部の温度を把握でき得る超音波探触子および超音波診断装置を提供する。
【解決手段】超音波診断装置に設けられた超音波探触子は、１以上の振動素子からなる振動子アレイと、前記振動子アレイとの対向位置に設けられ、超音波診断時に被検体に接触または近接する接触部材として機能する音響レンズと、を備えている。この音響レンズは、温度変化に応じて光学特性が可逆的に変化するサーモクロミック材料が混入されており、その全体が、温度に応じて光学特性が変化する示温部として機能する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波診断像の撮影や超音波ドップラ現象を利用した血流の速度計測などを行う超音波診断装置、および、当該超音波診断装置に用いられる超音波探触子に関する。

超音波診断装置は、超音波ビームを被検体の体内に送波し、その反射波を受波することによって、体内の断層像や血流の速度を表す画像などを得るものである。この超音波ビームの送受波は、超音波探触子により行われる。超音波探触子には、１以上の振動素子を有しており、この振動素子と対向する位置には通常、音響レンズなどが設けられている。実際に被検体に超音波を送受する際には、この音響レンズなどの外表面が被検体に接触または近接する部位（以下「接触部」と呼ぶ）となる。

ここで、こうした超音波探触子においては、超音波の送波に伴い、振動素子やレンズ等が発熱し、結果として、音響レンズのような接触部も温度上昇することが知られている。かかる音響レンズ等の温度上昇は、過度になりすぎると被検体に悪影響を与えるおそれがある。そこで、従来から、接触部の温度については、その許容最大値が規格等により定められている。

この規格を満たすために、従来の超音波探触子では、その種類やモードごとに、送信パワーに制限がかけられている。すなわち、振動素子の発熱量は、超音波探触子に用いられる材料や、素子配列、送信モードなどの違いにより異なっている。従来の超音波探触子では、こうした違いに考慮して、各種類や送信モードごとに、接触部が許容最大温度を超えないように、送信パワーの許容最大値を設定している。

しかし、実際の接触部の温度は、送信パワーにのみ比例するものではなく、超音波探触子の使用継続時間や外気温、被検体の体温、診断対象部位などによっても大きく変化する。そのため、単に送信パワーのみを調整しても、接触部の温度を的確に把握することは困難であった。

特開２００１−３２１３７７号公報 特開平１０−１１８０６９号公報 特開平１０−１２７６３２号公報 特開２００４−２７５５４５号公報

そこで、従来から、温度センサなどを用いて接触部の温度を求めることが提案されている（例えば特許文献１−４など）。しかし、接触部に温度センサを取り付けることは難しく、接触部そのものの温度を計測することは困難であった。そのため、接触部から離れた場所、例えば、超音波探触子のケース内部などに温度センサを設置し、測定した温度から接触部の温度を推定するなどしていた。そのため、かかる構成では、正確さに乏しいという問題があった。また、新たに温度センサという部品を設けることは、部品点数の増加、コストの増加という問題も招いていた。

そこで、本発明では、より的確に接触部の温度を把握でき得る超音波探触子および超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波探触子は、超音波を送受する１以上の振動素子と、前記１以上の振動素子との対向位置に設けられ、超音波診断時に被検体に接触または近接する接触部材と、を備え、前記接触部材は、温度変化に応じて光学特性が可逆的に変化するサーモクロミック材料を含むことで温度に応じて光学特性が変化する示温部を有する、ことを特徴とする。

好適な態様では、接触部材は、超音波の音響特性を調整するべく、１以上の振動素子との対向位置に設けられた音響レンズである。他の好適な態様では、前記示温部は、前記接触部材の材料にサーモクロミック材料を混入、前記接触部材の少なくとも一部にサーモクロミック材料を塗布または付着させることにより形成される。他の好適な態様では、前記サーモクロミック材料の粒子径は、超音波の周波数と被視認部材の音速により決まる波長の１／２０以下である。

他の本発明である超音波診断装置は、被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、当該超音波探触子を介して得られたエコー信号に基づいて超音波画像を形成する本体部と、を備え、前記超音波探触子は、超音波を送受する１以上の振動素子と、前記１以上の振動素子との対向位置に設けられ、超音波診断時に被検体に接触または近接する接触部材と、を備え、前記接触部材は、温度変化に応じて光学特性が可逆的に変化するサーモクロミック材料を含むことで温度に応じて光学特性が変化する示温部を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、被検体に接触または近接する接触部材が、温度変化に応じて光学特性が可逆的に変化するサーモクロミック材料を含むことで温度に応じて光学特性が変化する示温部を有しているため、より正確に当該接触部材の温度を把握することができる。

本発明の実施形態である超音波診断装置のブロック図である。 超音波探触子の概略構成図である。 サーモクロミック材料の組み合わせの一例を示す図である。 他の超音波探触子の概略構成図である。 他の超音波探触子の概略構成図である。 モードによる温度分布の違いを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である超音波診断装置１０の概略構成図である。この超音波診断装置１０は、被検体の体内に超音波を送波して得られるエコー信号に基づいて、体内の超音波断層像（Ｂモード画像）やドプラ画像などを形成し、表示する装置である。医師等の診断者は、この表示された超音波画像（断層像やドプラ画像など）に基づいて、被検体の体内の状態を診断する。

この超音波診断装置１０は、各種演算や画像表示などを行う本体部１２と、当該本体部１２に接続されて超音波を送受する超音波探触子２０と、に大別される。

本体部１２は、ユーザからの指示に応じて、各種演算を行ったり、演算の結果得られる画像を表示したりする部位である。この本体部１２は、公知の周知技術を用いて構成できるため、ここでは、その一例となる構成を簡易に説明する。

本体部１２は、超音波送受信制御部１４や、画像形成部１５、ディスプレイ１８、設定部１６などが設けられている。超音波送受信制御部１４は、超音波探触子２０における超音波の送受信を制御する。すなわち、超音波送受信制御部１４は、超音波の送波を指示する電気信号を超音波探触子２０に送信するとともに、超音波探触子２０により受信された超音波信号を電気信号に変換したエコー信号を受信する。ここで受信されたエコー信号は、ケーブルを介してポテンショメータ（図示せず）から得られる振動子アレイ部の回動角度に関する情報等とともに画像形成部１５に送られる。画像形成部１５は、このエコー信号や回動角度情報などに基づいて、超音波画像を形成する。形成された超音波画像や各種データは、ディスプレイ１８に表示される。医師などの診断者は、このディスプレイ１８に表示された画像に基づいて、被検体を診断する。設定部１６は、超音波の送受信に関する設定（送受信パワーやフォーカス、照射深度等）や画像形成に関する各種設定、例えば、モード設定などに関する操作を受け付ける部位である。

超音波探触子２０は、本体部１２からの制御信号（電気信号）に応じて、超音波を送波し、その際得られる反射波を、エコー信号と呼ばれる電気信号に変換して、本体部１２に送るもので、信号ケーブルを介して本体部１２に接続されている。

図２は、この超音波探触子２０の先端部の概略的構造を示す図である。超音波探触子２０は、多数の短冊状の振動素子２４が配列された振動子アレイ２５を有しており、この振動子アレイ２５の超音波放射側には、整合層（図示せず）および音響レンズ２６が順に配置されている。また、振動子アレイ２５の背面側（超音波放射側とは反対側）にはバッキング材２２が設けられている。これら振動子アレイ２５等は、ケース（図示せず）内に収容され固定される。このケースには、超音波送受波用の開口が形成されており、当該開口を介して、音響レンズ２６の表面が外部に露出するようになっている。そして、振動子アレイ２５から出力された超音波は、整合層、音響レンズ２６を通過して被検体の体内へと放射されることになる。

超音波診断を行う際には、この超音波探触子２０のうち音響レンズ２６の露出面を、被検体の体表に、当接、あるいは、ゼリーや水袋等の音響調整材を介在させた状態で近接させる。また、超音波探触子２０の種類によっては、音響レンズ２６の露出面が診断部位に対向するように、当該超音波探触子２０を体腔内に挿入することもある。いずれにしろ、音響レンズ２６の表面は、被検体に接触あるいは近接する部位であると言える。

この音響レンズ２６は、超音波の送受に伴い温度上昇する部位でもある。すなわち、超音波を送受する振動素子２４は、電気エネルギー（電圧信号）を音響エネルギー（運動エネルギー）に変換することで超音波を発生させるが、この変換効率は、１００％でなく、電気エネルギーの一部は、熱となる。また音響エネルギーは、レンズ・整合層の減衰により熱になる。この熱が、音響レンズ２６にまで伝播され、音響レンズ２６の表面の温度が上昇することがある。

ここで、記述したように、音響レンズ２６の表面は、被検体に接触あるいは近接する部位である。かかる音響レンズ２６の表面温度が過度に上昇すると、被検体に悪影響を与えるおそれがある。そこで、従来から、規格などにより、音響レンズ２６の表面の最高温度が規定されており、当該温度を超えないように超音波の送受制御がなされていた。

この制御方法としては、例えば、予め、送信パワーと音響レンズ２６温度との相関を実験等により求めておき、この実験結果に基づいて送信パワーを制限する方法が知られている。なお、音響レンズ２６の表面の温度およびその分布は、超音波探触子２０に使用される材料の違いや素子配列（リニアやコンベなど）、モード（Ｂモードやドプラモードなど）の違いにより、異なってくる。例えば、図６に示すように、同じ超音波探触子２０であっても、Ｂモード時には、音響レンズ２６の略中央が高温になりがちであるのに対し、ＣＷモード時には略中央よりずれた位置が高温になりやすい。したがって、上述の相関は、超音波探触子２０種類や、モード種類ごとに求める必要がある。このように、超音波探触子２０種類、モード種類ごとに、送信パワーと音響レンズ２６の温度との相関を求めることにより、レンズ温度をある程度は推測することができる。

しかし、実際の音響レンズ２６の温度は、上記条件だけでなく、その使用環境によっても変わってくる。したがって、モード種類や超音波探触子２０種類と送信パワーだけで、音響レンズ２６の温度を正確に推測することは困難であった。なお、使用環境としては、たとえば、外気温や被検体の体温、使用継続時間、ゼリーの有無、超音波探触子２０の位置（体内か体表接触位置か中空位置か）などが挙げられる。

そこで、一部においては、温度センサなどを用いて、実際の温度を測定することも提案されている。しかしながら、超音波診断（被検体への超音波送受）の邪魔にならないように、音響レンズ２６の表面に温度センサを設けることは現実的には困難である。そのため、通常、温度センサは、超音波探触子２０のケース内部、例えば、振動子アレイの近傍などに設けられることが多い。この場合、音響レンズ２６の表面と温度センサとの間に距離が生じることになるため、音響レンズ２６の表面温度を正確に推測することは困難であった。また、上述したように、音響レンズ２６の表面温度は、均一ではなく、場所によって大きく異なる。こうした温度分布を的確に把握するためには、複数箇所に温度センサを設ける必要があり、コストアップ、サイズ増加を招くおそれがある。

こうした事情を鑑みて、本実施形態では、音響レンズ２６、すなわち、被検体に接触・近接する部材に、温度に応じて光学特性が変化する示温部を設けている。以下の図面では、示温部として機能する部位に、砂目のハッチングを施している。

図２において、音響レンズ２６全体に砂目ハッチングを施していることからも明らかなとおり、本実施形態では、音響レンズ２６全体を示温部として機能させている。音響レンズ２６を示温部として機能させるために、本実施形態では、当該音響レンズ２６の材料に、温度変化に応じて光学特性が可逆的に変化するサーモクロミック材料を混入し、当該混入した材料を用いて音響レンズ２６を形成している。ここで、音響レンズ２６に使用する基材としては、シリコーン系ゴムやブタジエン系ゴムなどを用いることができる。

サーモクロミック材料としては、有機系材料、無機系材料、液晶材料等が知られているが、本実施形態では、主に、有機系材料または液晶材料を使用する。有機系材料および液晶材料は、いずれも、生体に対する安全性が高く、また、色種と変色温度の選択自由度が高いなどの利点を有しているからである。

使用するサーモクロミック材料は、特に限定されないが、変色の精度が高く、色種と変色温度の選択自由度が高いことから、有機質可逆性変色材料を用いることが好ましい。有機質可逆性変色材料は、１）電子供与性呈色性有機化合物、電子受容性有機化合物、有極性有機化合物を含むマイクロカプセル（「サーモクロミックカプセル」と呼ぶ）、あるいは、２）液晶が好適に用いることができる。

サーモクロミックカプセルは、電子供与性呈色性有機化合物（色彩成分）、当該電子供与性呈色性有機化合物との統合により別の色を表出させる電子受容性有機化合物（発色剤）、ある温度を境にして色彩成分と発色剤との結合を切って、いずれかの成分を溶解させる能力を有する有極性有機化合物（消色剤）の三成分が封じ込まれたマイクロカプセルである。そのため、低温では、色彩成分と発色剤との結合によって第一の色が表出され、高温では消色剤によって色彩成分と発色剤との結合が切れて、第二の色が表出される。

具体的には、サーモクロミックカプセルに含まれる電子供与性呈色性有機化合物としては、例えば、ジアリールフタリド類、トリアリールメタンフタリド類、ロイコフェノキサジン類、ロイコキサンテン類、ロイコフェノチアジン類、ロイコフェノキサジン類、ロイコオキサジン類、ロイコインジゴイド類、ロイコオーラミン類、アシルオーラミン類、アリールオーラミン類、ジアリールメタン類、ジアリールフタリド類、ポリアリールカルビノール類、インドリン類、インドリルフタリド類、アザフタリド類、フルオラン類、チオフルオラン類、スピロピラン類、ローダミンＢラクタム類、クロメノピラゾール類、メチン類、キナゾリン類、ジアザキサンテン類、ビスラクトン類、フルオレン類などが挙げられる。

電子受容性有機化合物としては、例えば、１，２，３−トリアゾール類、フェノール類、チオ尿素誘導体、オキシ芳香族カルボン酸等が挙げられる。

有極性有機化合物としては、例えば、アルコール類、アルコール・アクリロニトリル付加物、アゾメチン類、エステル類等があげられる。また、上述の成分のほか、必要に応じて、界面活性剤、親水性保護コロイド等が含まれても良い。

マイクロカプセル形成には、通常、熱可塑性樹脂が使用される。このような熱可塑性樹脂としては、従来公知のものを広くしようすることができる。この熱可塑性樹脂膜中には、マトリックス状態で有機フォトクロミック化合物が含まれていてもよい。

一方、液晶としては、たとえば、コレステリック液晶、テルフェニル液晶、ネマチック液晶等をしようすることができる。これらをマイクロカプセルに封じ込めたものを使用することもできる。

サーモクロミック材料の粒子の粒子径は、使用する超音波周波数とレンズ剤の音速により決まる波長の１／２０以下にすることが望ましい。これは、サーモクロミック材料の粒子による超音波の散乱減衰を防止するためである。例えば、周波数１０ＭＨｚ、レンズ剤の音速１０００ｍ／ｓのとき、５μｍ以下とするのが望ましい。また、音響レンズ２６の音響インピーダンス（密度と音速の積）が人体に近い１．５ＭＲａｙｌ（１．３〜１．７ＭＲａｙｌ）、音速が８００〜１２００ｍ／ｓとなるような配合比を調整する。音速や密度を調整するために他の物質、例えばシリカ、アルミナなどをまぜてもよい。この他の物質の粒子径も、超音波の周波数とレンズ材の音速とにより決まる波長の１／２０以下とすることが望ましい。また、粒子とレンズ材との密着性を高め、機械的強度を上げるために、シランカップリング剤などの結合剤を配合してもよい。さらに、レンズの色味の調整のために顔料などを配合してもよい。

例えば、２０〜６０℃の温度で色を変化させる場合、サーモクロミック材料の反応温度域を１０℃刻みとし、４種類の色のサーモクロミック材料の組み合わせで温度を色相で表現できる。図３は、複数のサーモクロミック材料の組み合わせの一例を示す図である。この図示例は、図４上段に示すように、２０℃〜６０℃の間で、黒から赤に変色させる場合の材料の組み合わせ例を示している。

かかる態様で変色をさせる場合、２５℃付近で黄色から無色へと変色するサーモクロミック材料１、３５℃付近で赤色から無色へと変色するサーモクロミック材料２、４５℃付近で青色から無色へと変色するサーモクロミック材料３、５５℃付近で青色から無色へと変色するサーモクロミック材料４、および、ベースカラーとして赤色を表出させるベースカラー材料５を組み合わせればよい。これらベースカラー材料および四種類のサーモクロミック材料を組み合わせることで、２０℃〜６０℃の間で温度変化に応じて黒から赤に変色する材料が得られる。

以上のようなサーモクロミック材料を音響レンズ２６に混入させた場合、音響レンズ２６そのものの温度に応じて音響レンズ２６の色相が変化することになる。したがって、振動素子２４近傍の温度を測定していた従来に比して、より正確に音響レンズ２６の温度を把握することができる。また、温度に応じて色相変化するサーモクロミック材料が、音響レンズ２６の材料に混入されているため、温度センサなどと異なり、超音波の送受作業の邪魔になることもない。さらに、音響レンズ２６全体が温度を示しているため、温度分布なども確実に把握することができる。その結果、超音波探触子２０を実使用中であっても、レンズ表面の温度状態を色相により目視で容易に確認できる。

なお、本実施形態では、音響レンズ２６の材料にサーモクロミック材料を混入させているが、音響レンズ２６の少なくとも一部に、サーモクロミック材料含有物を貼着または塗布するのでもよい。例えば、図４に示すように、サーモクロミック材料を混入した材料から薄い膜３０を製作し、当該膜３０を音響レンズ２６の表面に貼着するようにしてもよい。また、サーモクロミック材料を含有した液体を、音響レンズ２６の表面に塗布するようにしてもよい。このように、サーモクロミック材料含有物を、音響レンズ２６の表面に貼着または塗布することで、既存の超音波探触子２０（すなわち音響レンズ２６にサーモクロミック材料が含まれていない超音波探触子２０）であっても、示温部を容易に形成することができる。

また、上記実施形態では、音響レンズ２６を被検体に接触・近接する部位とし、当該音響レンズ２６に示温部を形成している。しかし、２Ｄアレイのように音響レンズ２６が必要ない場合は、振動子アレイ２５の表面を覆う保護層が、被検体に接触・近接する部位となる。したがって、かかる超音波探触子２０の場合には、図５に示すように、この保護層３２にサーモクロミック材料を混入したり、サーモクロミック材料含有物を塗布したりしてもよい。また、上述したサーモクロミック材料含有物からなるシートを、保護膜として振動子アレイ２５の表面に貼着するようにしてもよい。

１０ 超音波診断装置、１２ 本体部、１４ 超音波送受信制御部、１５ 画像形成部、１６ 設定部、１８ ディスプレイ、２０ 超音波探触子、２２ バッキング材、２４ 振動素子、２５ 振動子アレイ、２６ 音響レンズ、３２ 保護層。

Claims (5)

1. 超音波を送受する１以上の振動素子と、
   前記１以上の振動素子との対向位置に設けられ、超音波診断時に被検体に接触または近接する接触部材と、
   を備え、
   前記接触部材は、温度変化に応じて光学特性が可逆的に変化するサーモクロミック材料を含むことで温度に応じて光学特性が変化する示温部を有する、
   ことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１に記載の超音波探触子であって、
   接触部材は、超音波の音響特性を調整するべく、１以上の振動素子との対向位置に設けられた音響レンズである、ことを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項１または２に記載の超音波探触子であって、
   前記示温部は、前記接触部材の材料にサーモクロミック材料を混入、前記接触部材の少なくとも一部にサーモクロミック材料を塗布または付着させることにより形成される、ことを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波探触子であって、
   前記サーモクロミック材料の粒子の粒子径は、超音波の周波数と被視認部材の音速により決まる波長の１／２０以下である、ことを特徴とする超音波探触子。
5. 被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、
   当該超音波探触子を介して得られたエコー信号に基づいて超音波画像を形成する本体部と、
   を備え、前記超音波探触子は、
   超音波を送受する１以上の振動素子と、
   前記１以上の振動素子との対向位置に設けられ、超音波診断時に被検体に接触または近接する接触部材と、
   を備え、前記接触部材は、温度変化に応じて光学特性が可逆的に変化するサーモクロミック材料を含むことで温度に応じて光学特性が変化する示温部を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。