JP2016016038A - 超音波診断装置及び超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増を抑えながら、小型軽量で位置精度の高い三次元画像を取得可能な超音波探触子を有する超音波診断装置及び超音波探触子を提供する。
【解決手段】超音波の送受信を行う超音波送受信部と、入力される電流位相に応じた角度位置へローターがステップ動作するステッピングモーターを有し、ステップ動作に応じて超音波送受信部の指向方向を変化させる駆動部と、超音波送受信部を指向させる方向に応じて電流位相を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、超音波診断装置及び超音波探触子に関する。

従来、超音波を被検体内部に照射し、その反射波を受信して解析することにより内部構造の検査を行う超音波診断装置がある。超音波診断では、被検体を非破壊、非侵襲で調べることが出来るので、医療目的の検査や建築構造物内部の検査といった種々の用途に広く用いられている。

超音波診断装置では、圧電体などを用いて電圧信号と超音波振動との間で変換を行う変換器（トランスデューサー）が複数個所定の方向（走査方向）に配列されており、駆動電圧を印加して超音波を出射し、また、当該超音波の反射波の入射による電圧変化を検出する変換器を時間的に変化させていく（走査する）ことで、二次元的なデータを略リアルタイムで取得している。

更に、超音波の出入射面内で、これらの変換器の配列を走査方向に垂直に往復移動（揺動）させることで、三次元的な画像を略リアルタイムで取得する技術が用いられた４Ｄプローブ（超音波探触子）がある。このように三次元画像を取得することで、二次元画像では分かりづらかった検査対象の立体形状や位置関係をより容易に操作者が知得可能になっている。

しかしながら、この揺動では、機械的に変換器の位置や向きを変化させるので、機械的な誤差や位置ずれの影響が生じ得る。駆動部の回転角度を検出するエンコーダーと、変換器の実際の角度との間に取り付けずれによる位置のずれが任意に生じる場合、エンコーダーの出力値を駆動部の回転角度に換算するための補正データが必要となる。また、特に、ステッピングモーターなどの駆動部の動作を変換器配列に伝達する構成（伝達部）に余裕（遊び）があると、駆動部を動作させてから変換器配列が移動を開始するまでに差（バックラッシュ）が生じる。従って、変換器配列が駆動部の動作量から想定される位置に無かったり、更には、駆動部による変換器配列の移動方向により想定位置からのずれの向きが異なって、異なる移動方向での取得データを重ねて画像を生成したときに位置ずれが生じたりするという問題がある。
そこで、特許文献１には、モーターの動作量を計測するためのエンコーダーと、当該モーターの動作に係る変換器配列の想定位置と、伝達部の余裕による実際の変換器配列の位置とのずれ量を予めデータとして保持し、エンコーダーの計測データを当該ずれ量分補正して用いる技術について開示されている。

国際公開第２００４／０８２４８２号

しかしながら、エンコーダーを用いて駆動部の動作量を計測する構成を有する場合、余計にスペースを取るので大型化に繋がり、また、コストアップになるという課題がある。

この発明の目的は、コスト増を抑えながら、小型軽量で位置精度の高い三次元画像を取得可能な超音波探触子を有する超音波診断装置及び超音波探触子を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
超音波の送受信を行う超音波送受信部と、
入力される電流位相に応じた角度位置へローターがステップ動作するステッピングモーターを有し、当該ステップ動作に応じて前記超音波送受信部の指向方向を変化させる駆動部と、
前記超音波送受信部を指向させる方向に応じて前記電流位相を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波診断装置において、
前記角度位置の変化方向に応じて、所定の差分を伴って当該角度位置を前記超音波送受信部に伝達して前記指向方向を変化させる動作伝達部を備え、
前記制御部は、前記角度位置の変化方向ごとに、前記指向方向に応じて前記電流位相を制御する
ことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の超音波診断装置において、
前記差分の大きさは、前記ステップ動作の速度に応じて定められることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の超音波診断装置において、
前記指向方向に応じた前記電流位相を、前記角度位置の変化方向ごとに各々記憶する位置補正記憶部を備え、
前記制御部は、前記位置補正記憶部を参照して前記変化方向に応じた前記電流位相を読み出し、前記駆動部を動作させる
ことを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の超音波診断装置において、
前記超音波送受信部による所定の指向方向を検出する指向方向検出部と、
前記変化方向ごとに前記指向方向検出部により前記所定の指向方向が検出されたときの前記電流位相に基づいて前記指向方向に応じた各電流位相を求める第１位相算出部と、
前記各電流位相をそれぞれ前記位置補正記憶部に記憶させる位置補正更新部と、
を備えることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項４記載の超音波診断装置において、
前記変化方向ごとに取得された同一の被写体に対する画像のずれ量を同定するずれ量同定部と、
算出された当該ずれ量に基づいて前記指向方向に応じた各電流位相を算出する第２位相算出部と、
前記各電流位相をそれぞれ前記位置補正記憶部に記憶させる位置補正更新部と、
を備えることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６何れか一項に記載の超音波診断装置において、
前記制御部は、前記指向方向の変化範囲に対応して、前記電流位相の範囲を前記差分の大きさに応じて広げて変化させることを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項１〜７の何れか一項に記載の超音波診断装置において、
前記制御部は、前記超音波送受信部の指向方向を所定の位置で静止させる場合には、前記差分の大きさを反映した前記電流位相で前記駆動部を動作させて当該所定の位置に移動させた後、前記所定の位置における前記差分の大きさを反映しない前記電流位相の電流を前記駆動部に出力する
ことを特徴としている。

請求項９記載の発明は、請求項４〜６の何れか一項に記載の超音波診断装置において、
当該超音波診断装置は、
前記超音波送受信部と、前記駆動部と、前記位置補正記憶部と、を備える超音波探触子と、
前記制御部を備える超音波診断装置本体と
からなり、
前記制御部は、前記位置補正記憶部に記憶された前記電流位相のデータを取得し、当該取得された各電流位相に応じて前記駆動部を動作させる
ことを特徴としている。

請求項１０記載の発明は、請求項４〜６の何れか一項に記載の超音波診断装置において、
当該超音波診断装置は、
前記超音波送受信部と、前記駆動部と、を備える超音波探触子と、
前記制御部と、前記位置補正記憶部と、を備える超音波診断装置本体と
からなり、
前記制御部は、前記超音波診断装置本体に接続される前記超音波探触子に応じた前記電流位相のデータを前記位置補正記憶部から取得し、当該取得された各電流位相に応じて前記駆動部を動作させる
ことを特徴としている。

請求項１１記載の発明は、
超音波の送受信を行う超音波送受信部と、
入力される電流位相に応じた角度位置へローターがステップ動作するステッピングモーターを有し、当該ステップ動作に応じて前記超音波送受信部の指向方向を変化させる駆動部と、
前記超音波送受信部に指向させる方向に応じて前記電流位相を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする超音波探触子である。

本発明に従うと、超音波診断装置及び超音波探触子において、コスト増を抑えながら、小型軽量で位置精度の高い三次元画像を取得することが出来るという効果がある。

第１実施形態の超音波診断装置の機能構成を示すブロック図である。 超音波探触子の内部構造を示す概略図である。 駆動部の回転駆動角度と、振動子体の実際の揺動位置との関係の例を示す図である。 位置補正記憶部に記憶させる補正テーブルの例を示す図表である。 超音波診断装置において実行される補正量更新処理の制御手順を示すフローチャートである。 第２実施形態の超音波診断装置の機能構成を示すブロック図である。 第３実施形態の超音波診断装置の機能構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の超音波診断装置Ｕの機能構成を示すブロック図である。

この超音波診断装置Ｕは、超音波診断装置本体１と、超音波探触子２からなる。
超音波探触子２は、図示略のケーブルを介して超音波診断装置本体１との制御信号やデータの送受信、及び超音波診断装置本体１からの電力供給が可能に接続されている。

超音波診断装置本体１は、制御部１１（第１位相算出部、第２位相算出部、ずれ量同定部、位置補正更新部）と、画像処理部１２と、操作入力部１３と、表示部１４と、信号送受信部１５などを備える。超音波探触子２は、駆動部２１と、伝達部２２（動作伝達部）と、振動子体２３（超音波送受信部）と、揺動中心検出部２４（指向方向検出部）と、方向検出部２５と、位置補正記憶部２６などを備える。

制御部１１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及び入出力制御部を備え、超音波診断装置Ｕの全体動作を制御する。制御部１１は、画像処理部１２に制御信号を出力し、処理対象の画像データの撮像位置などの各種撮影情報を出力して画像の処理を行わせる。また、制御部１１は、揺動中心検出部２４及び方向検出部２５からの検出信号に基づいて振動子体２３及び駆動部２１の位置を取得し、これらの位置関係の調整に利用することが出来る。

制御部１１は、揺動駆動制御部１１１と、駆動位置処理部１１２とを備える。
揺動駆動制御部１１１は、超音波撮像を行う際に、駆動位置処理部１１２から入力される駆動部２１の動作に係るデータに基づいて、振動子体２３を所望の揺動位置に移動させるための駆動信号を適切なタイミングで駆動部２１に出力する。

駆動位置処理部１１２は、位置補正記憶部２６から補正テーブルを読込み、揺動駆動制御部１１１に振動子体２３の揺動位置を変化させるための駆動信号を出力させる際に、予め駆動位置処理部１１２に組み込まれた補正関数を用いて速度に応じた位相シフトを考慮した所望の揺動位置を求め、当該揺動位置に応じて駆動部２１の駆動角度に対応するステッピングモーターの励磁電流の位相を算出して揺動駆動制御部１１１に出力する。

画像処理部１２は、振動子体２３により受信されて信号送受信部１５から取得された超音波受信データに基づいて診断画像データを生成する処理を行う。画像処理部１２は、制御部１１とは別個にＣＰＵやＲＡＭなどを有する制御部を備える。また、画像処理部１２は、これら診断画像データの生成に係る専用の処理回路を有する。画像処理部１２で生成される診断画像データには、表示部１４に略リアルタイムで表示させる画像データやその一連の動画データが含まれ、ここでは、取得された三次元構造に係る画像データが含まれる。画像データの生成には、制御部１１から取得された位置データが利用される。

操作入力部１３は、操作者の入力操作を受け付けて当該入力操作に応じた入力信号を画像処理部１２に出力する。操作入力部１３は、例えば、押しボタンスイッチ、キーボード、マウス、若しくはトラックボール、又はこれらの組み合わせを備える。或いは、操作入力部１３は、上述の構成に加えて又は代えてタッチセンサーを備え、表示部１４の表示画面に対するタッチ動作を検出して動作種別を位置に係る操作信号を出力しても良い。

表示部１４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro-Luminescent）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイといった種々の表示方式のうち、何れかを用いた表示画面とその駆動部を備える。表示部１４は、制御部１１から出力された制御信号や、画像処理部１２で生成された画像データに従って表示画面（各表示画素）の駆動信号を生成し、表示画面上に超音波診断に係るメニュー、ステータスや、受信された超音波に基づく計測データの表示を行う。また、一又は複数のランプ（ＬＥＤランプなど）が設けられて、点灯状態により電源のオンオフなどの表示を行わせることが出来る。

これらの操作入力部１３や表示部１４は、超音波診断装置本体１の筐体に一体となって設けられたものであっても良いし、ＲＧＢケーブル、ＵＳＢケーブルやＨＤＭＩケーブル（登録商標：ＨＤＭＩ）などを介して外部に取り付けられるものであっても良い。また、超音波診断装置本体１には、操作入力端子や表示出力端子のみが設けられ、これらの端子に従来の操作用及び表示用の周辺機器を接続して利用するものであっても良い。

信号送受信部１５は、制御部１１の制御に基づいて振動子体２３における各振動子を走査させ、順次所望の振動子に超音波を発生、出射（送信）させる駆動信号を出力するとともに、当該振動子に入射した（受信）超音波に係る電気信号を取得する。信号送受信部１５は、例えば、駆動信号のパルス幅を調整したり、振動子ごとに超音波を送受信するタイミングを調整、遅延させたりするといった各種処理を行う。また、信号送受信部１５は、受信した信号を増幅して所定のサンプリング周波数でデジタル変換し、また、振動子ごとに所望のタイミングずつ遅延させて整相加算する処理などを行う。

駆動部２１は、ステッピングモーターを備え、制御部１１からの駆動信号によりステップ駆動されて、伝達部２２を介して振動子体２３を揺動させる。伝達部２２は、駆動部２１のステッピングモーターの回転動作を振動子体２３に伝達する。本実施形態の超音波診断装置Ｕで用いられるステッピングモーターは、マイクロステップ駆動が可能なものであり、基本ステップ（例えば、１．８度単位）に応じた角度間隔で設けられたコイルに流す励磁電流の位相（電流位相）に応じた角度位置へ、例えば、基本ステップを更に４０分割した０．０４５度単位のマイクロステップで、ローターを正転方向又は逆転方向（角度位置の変化方向）に回転（ステップ動作）させる。
なお、回転方向を反転する際に、反転前の停止位置と反転後の開始位置をそれぞれ示す励磁電流の位相差が生じる場合には、複数回に分割して、マイクロステップ動作ごとに位相差を補間し、回転動作させることで、高速回転と高加速度に伴う衝撃や振動の発生を抑えることが出来る。

振動子体２３は、複数の振動子が所定の方向に一次元配列されて固定されたものであり、駆動部２１の回転動作に応じて当該配列方向に直交する方向に所定の角度範囲内で揺動に係る回転動作を行い、超音波の出射及び入射に係る揺動位置（指向方向）を変化させる。振動子は、圧電素子と、当該圧電素子の変形方向両端に設けられた電極配線を有する。各振動子は、信号送受信部１５からの駆動信号に応じた電圧が電極間に印加されることで圧電素子が変形して超音波を発生して設定された指向方向に出射し、また、当該指向方向からの超音波の入射に応じて変形して入射強度に応じた電気信号を電極配線に出力する。

揺動中心検出部２４は、振動子体２３の揺動位置が動作可能な角度範囲の中心位置（所定の指向方向）にあることを検出するセンサーである。振動子体２３は、この中心位置を初期位置として、電源投入時、動作リセット時や動作停止時などに、当該位置で停止させて位置検出を行うことが出来る。また、この揺動中心検出部２４は、駆動部２１に流される励磁電流の位相、即ち、駆動部２１の駆動角度と、振動子体２３の揺動位置の差分を計測する場合に用いられる。揺動中心検出部２４には、例えば、磁気センサーが用いられる。或いは、揺動中心検出部２４には、フォトセンサーも利用可能である。

方向検出部２５は、駆動部２１におけるステッピングモーターのローターの回転に伴って回転する駆動プーリー２２１（図２参照）の位置を検出し、振動子体２３が揺動範囲の略中心に対して左右のどちら側にいるかを判別する。この方向検出部２５には、揺動中心検出部２４と同様に小型軽量の磁気センサーが用いられる。

位置補正記憶部２６は、制御部１１による駆動部２１の駆動位置と、当該駆動部２１による伝達部２２を介した動作により定まる振動子体２３の揺動位置との対応関係を予めテーブルデータとして記憶保持する。このテーブルデータの内容については、後述する。この位置補正記憶部２６には、書き換え可能な不揮発性メモリーや、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの補助記憶装置が用いられる。或いは、書き換えを行わない場合には、ＲＯＭのような書き換え更新不可のものであって、製造、検査時に予め計測されて書き込まれても良い。この位置補正記憶部２６は、超音波診断装置本体１と超音波探触子２とがケーブルで接続されている間、制御部１１からアクセス可能に設けられている。

図２は、本実施形態の超音波探触子２の内部構造を示す概略図である。
図２（ａ）に示すように、駆動部２１のステッピングモーターの回転軸２１ａには、駆動プーリー２２１が固定されて取り付けられている。また、振動子体２３の揺動に係る回転軸２３ａには、従動プーリー２２３が固定されて取り付けられている。駆動プーリー２２１と従動プーリー２２３との間には、伝達部材２２２が設けられている。伝達部材２２２は、例えば、環状のベルト構造を有し、駆動プーリー２２１の正転（往路）動作及び逆転（復路）動作の量に応じた回転を従動プーリー２２３に伝え、当該従動プーリー２２３の回転に応じて振動子体２３を回転させる。駆動部２１の回転軸２１ａの回転角度に対する振動子体２３の揺動に係る回転軸２３ａの回転角度の比は、揺動に係る解像度（角度ステップ）に応じて適宜設定されれば良い。磁気センサー２４は、検出部２４ａと被検出部２４ｂとに分けられ、被検出部２４ｂは、回転軸２３ａと連動して回転する。

図２（ｂ）において、振動子体２３を図２（ａ）における断面線Ａで切断した断面模式図で示すように、回転軸２３ａが表示の面内で回転することで、振動子体２３の各振動子は、図内で揺動位置、即ち、指向方向が上向きから左右に振れることになる。振動子体２３の回転面内には、揺動中心検出部２４の被検出部２４ｂが設けられて、振動子体２３の揺動に係る回転動作に応じて回転移動する。一方、振動子体２３の回転部分と駆動部２１に係る構造との間には、取付部材２３ｂが固定され、この取付部材２３ｂには、揺動中心検出部２４の検出部２４ａが固定されて設けられている。検出部２４ａは、回転移動する被検出部２４ｂが固定された検出部２４ａに対向する位置に来たことを検出して、検出信号を制御部１１に出力する。被検出部２４ｂは、検出部２４ａで磁気が検出されるための磁石であり、これは、永久磁石であっても良いし、電磁石であっても良い。或いは、揺動中心検出部２４にフォトセンサーが用いられる場合には、被検出部２４ｂが出射する又は遮る光を検出部２４ａのフォトセンサーが検出する構成であっても良い。

ここで、駆動プーリー２２１と従動プーリー２２３との間には、僅かな余裕（緩み、遊び）、や伝達部材２２２の伸縮（以後、まとめてバックラッシュと記す）が存在する。これにより、駆動部２１を一方向に回転させる際、当該回転の最初に所定の角度に亘り、駆動部２１の回転軸２１ａの回転が振動子体２３の回転軸２３ａに伝わらずに遅延（差分）が生じる。

図３は、駆動部２１の駆動角度と、振動子体２３の実際の揺動位置との関係の例を示す図である。ここでは、駆動部２１の駆動角度は、バックラッシュがない場合に振動子体２３の揺動位置に対応する回転角度に合わせてあるが、上述のように、駆動部２１の駆動角度の１ステップ分単位変化量と振動子体２３の揺動位置の１ステップ分単位変化角度とが等しい必要が無く、また、計測値が同位相である必要が無い。

図３（ａ）に示すように、駆動部２１（ステッピングモーターのローター）を初期角度Ａ０から駆動すると、駆動部２１が正転方向（矢印方向）に回転駆動を開始されてからバックラッシュが解消されるまでの間、ここでは、回転軸２１ａ（ローターの駆動角度）が所定の角度ｄ１回転されるまでの間、振動子体２３の回転軸２３ａが回転しない。そして、その後、回転軸２１ａの回転に応じて回転軸２３ａが回転動作するようになる。従って、揺動位置は、駆動部２１の駆動角度に対して角度ｄ１に対応する位相分遅延して変化し、駆動角度が所望の角度に達した点Ｂ１においても当該角度ｄ１に対応して、本来想定される揺動位置となる点Ｂ０との間で位相のずれ（遅延）が残ることになる。

点Ｂ１から逆転方向（矢印方向）に駆動部２１の回転軸２１ａを回転動作させる場合、回転軸２１ａの回転開始時には、回転軸２３ａの位相は、正転時のずれの角度ｄ１進んだところから始まるが、回転軸２１ａと回転軸２３ａとの間のバックラッシュが解消するまでの角度２×ｄ１の間、揺動位置、即ち、振動子体２３の回転軸２３ａは、回転しない。その後、点Ｂ２から回転軸２１ａの回転に応じて回転軸２３ａが回転動作し、揺動位置は、駆動部２１の駆動角度に対して角度ｄ１に対応する位相分遅延して変化して、駆動角度が所望の角度に達した点Ａ１では、当該角度ｄ１に対応する位相分のずれ（遅延）が残る。

即ち、この振動子体２３は、駆動部２１の駆動角度に対して角度ｄ１分の位相の遅れを伴って移動し、且つ、両端でそれぞれ角度ｄ１分回転がなされないことになる。

そこで、本実施形態の超音波診断装置Ｕでは、図３（ｂ）に示すように、駆動部２１の元の回転角度の範囲の両端で角度ｄ１分ずつ余計に回転軸２１ａを回転させるように、駆動部２１の駆動角度を点Ａ３から点Ｂ３までとする。また、正転方向への回転軸２１ａの回転動作と、逆転方向への回転軸２１ａの回転動作に対応して、それぞれ、所望の揺動位置に対する駆動角度を反対符号で角度ｄ１分を補正した補正テーブルを位置補正記憶部２６に記憶させる。そして、回転軸２１ａの回転方向と所望の揺動位置とに応じた駆動角度が揺動駆動制御部１１１により読み出されて駆動部２１の駆動に係る制御信号に用いられる。

図４は、位置補正記憶部２６に記憶させる補正テーブルの例を示す図表である。
ここで、下側の２行における「−１０」〜「１０」の値は、それぞれ、回転軸２１ａの駆動角度に対応して駆動部２１（ステッピングモーター）に流される励磁電流の位相を示すパラメーターであり、パラメーター値１つ分の差は、複数のマイクロステップ差に対応させることが出来る。即ち、各パラメーターに対応してステッピングモーターの各コイルの励磁に際して流される電流（コイルに印加される電圧、２相であれば、９０度異なるＡ相及びＢ相）が予め定められている。補正テーブルとして記憶される値は、パラメーターではなく位相や電流の値自体であっても良い。

上述のように、駆動部２１に回転軸２１ａを逆転方向（ＣＣＷ）へ回転させる場合と、正転方向（ＣＷ）へ回転させる場合とでは、ずれの方向が異なるので、それぞれについて補正を行ったパラメーターが揺動位置ＰＯＳの値に対応してテーブル記憶されている。即ち、ここでは、正転方向への回転と、逆転方向への回転との間で、パラメーター３つ分の位相差が生じていることになる。制御部１１は、揺動駆動制御部１１１により振動子体２３の揺動動作を行わせる場合に、順次変化する振動子体２３の揺動位置ＰＯＳと回転方向とに応じて逐次パラメーターを読み出し、対応する位相の制御信号を駆動部２１に出力させる。一方、制御部１１は、補正されていない揺動位置ＰＯＳを現在位置データとして画像処理部１２に出力する。

ここで、図４では、補正テーブルとして一種類一往復分の補正データのみを記憶させたが、補正テーブルには、複数種類の補正データを記憶させることが出来る。バックラッシュの大きさは、伝達部材２２２の種別や構成に応じて揺動（ステップ動作）の速度、即ち、駆動部２１による回転動作（ステップ動作）の速度に応じて大きくなり得る。この超音波診断装置Ｕでは、揺動の速度を超音波診断画像の表示モードなどに応じて変化させることが可能であり、当該変化する複数の揺動速度にそれぞれ対応した複数種類の補正データを予め生成して位置補正記憶部２６に記憶させておく。
また、揺動開始前に、揺動させる揺動速度に対応した補正データを再生成して位置補正記憶部２６に記憶させておくことも出来る。
揺動速度とバックラッシュに係る補正量の大きさとの関係は、複雑な場合などでは、各々独立に実測して定めることも可能であるが、ここでは、数式に基づいてそれぞれ定められる。例えば、補正量は、揺動速度の一次関数で表現される。

次に、揺動動作中に揺動を中断して静止画像を取得する場合について説明する。

本実施形態の超音波診断装置Ｕでは、静止画像を取得する場合、振動子体２３が当該静止位置（所定の位置）に到達するまで駆動部２１を回転駆動させた後、当該駆動部２１に入力される位相の値から回転駆動時に付加されていた補正を解除する。即ち、駆動位置処理部１１２は、現在の揺動位置に応じた駆動角度に対して位置補正記憶部２６に基づく前記揺動位置との差分の大きさに係る補正を行わず（反映せずに）にそのままの位相で出力する。

この場合、補正ありの値から補正なしの値に入力される位相が変更されても、この差分は、伝達部２２のバックラッシュの大きさより小さいので、振動子体２３の位置は変化しない。そして、その後、振動子体２３を再度正転方向又は逆転方向に回転移動させる場合に、何れの向きに移動させても空回りの大きさがバックラッシュの大きさの半分になるので、大きな遅滞なく回転動作を再開させることが出来る。

次に、位置補正記憶部２６の補正テーブルの書き換え更新動作について説明する。
本実施形態の超音波診断装置Ｕでは、操作者の入力操作により指定された場合に、駆動部２１の駆動角度と振動子体２３の揺動位置との間のずれ量を同定して補正テーブルの書き換え更新を行うことが出来る。

図５は、本実施形態の超音波診断装置Ｕにおいて実行される補正量更新処理の制御部１１による制御手順を示すフローチャートである。

この補正量更新処理は、超音波撮像の際に操作者の入力による命令操作に基づいて開始される。
補正量更新処理が開始されると、制御部１１は、先ず、駆動部２１を正転方向に回転駆動させる場合と、駆動部２１を逆転方向に回転駆動させる場合とのずれ量の範囲を設定する（ステップＳ３０１）。次いで、制御部１１は、当該設定されたずれ量の範囲内で、順番に駆動部２１を正転方向及び逆転方向に連続駆動させて振動子体２３をステップ移動させながらそれぞれ同一範囲内の撮像を行って画像を生成する（ステップＳ３０２）。制御部１１は、両画像間の相関係数を算出する（ステップＳ３０３）。

制御部１１は、各ずれ量ごとに求められた相関係数の分布に基づいて、ずれ量を特定する（ステップＳ３０４）。制御部１１は、特定されたずれ量に係る正転時及び逆転時の遅延量をそれぞれの補正量として補正テーブルを生成し、位置補正記憶部２６の補正テーブルを上書き更新する（ステップＳ３０５）。

補正量の検出には、撮像された２枚の画像における特徴、例えば、輝度分布の不連続や急な変化のエッジ位置などの抽出処理及びその差分の検出といった画像解析を用いても良い。また、上述のように、揺動に係る撮像の角度ステップが駆動部２１の駆動に係る複数のマイクロステップ差に対応する場合、全てのマイクロステップで撮像及び相関係数の算出を行う代わりに、所定のマイクロステップ数ずつ撮像及び相関係数の算出を行って最適なマイクロステップの範囲を同定してから、更に、当該マイクロステップの範囲でのみ１ステップずつ撮像及び相関係数の算出を行っても良い。また、必要に応じて上述の画像解析を併用して、ずれ範囲内における最適なずれ量を概算し、その近傍でのみ１マイクロステップずつ撮像及び相関係数の算出を行っても良い。

また、ステップＳ３０１におけるずれ範囲の設定では、この補正量更新処理の開始時におけるずれ量を基準として所定範囲を定めることが出来る。

一方、画像データの解析を行わず、揺動中心検出部２４の検出信号に基づいてずれ量を定めても良い。制御部１１は、駆動部２１を動作させる制御信号として位相値を正転方向及び逆転方向に所定の速度で変化させながら随時揺動中心検出部２４の検出信号を取得し、揺動中心検出部２４により振動子体２３の中心位置が検出されたタイミングで出力されていた位相と、本来振動子体２３の中心位置に対応する位相との差分を算出し、当該差分の大きさを補正量とすることが出来る。

以上のように、本実施形態の超音波診断装置Ｕは、超音波の送受信を行う振動子体２３と、入力される電流位相に応じた角度位置へローターがステップ動作するステッピングモーターを有し、ステップ動作に応じて振動子体２３の揺動位置（指向方向）を変化させる駆動部２１と、振動子体２３に指向させる方向に応じて電流位相を制御する揺動駆動制御部１１１と、を備える。従って、コスト増を抑えながら、エンコーダーを用いずに小型軽量、且つ位置ずれやブレなどの生じない位置精度の高い三次元画像を取得することが出来る。

また、ステッピングモーターのローターの角度位置の変化方向が正転か逆転かに応じて、バックラッシュなどによる所定の差分を伴ってこの角度位置を振動子体２３に伝達してその揺動位置を変化させる伝達部２２を備え、揺動駆動制御部１１１は、角度位置の変化方向ごとに、所望の揺動位置に応じて電流位相を制御する。従って、正転及び逆転の何れの方向への振動子体２３の揺動動作に対しても、伝達部２２のバックラッシュの影響をステッピングモーターへの入力信号の側で容易に補正出来る。

また、伝達部２２のバックラッシュによる駆動部２１の駆動角度と振動子体２３の揺動位置との差分の大きさは、揺動の速度に応じて変化し得るので、当該揺動の速度に応じてそれぞれ差分の大きさを定めて電流位相を制御することで、撮像モードなどに応じて柔軟にブレがなく位置精度の高い三次元画像を取得することが出来る。

また、振動子体２３の揺動位置に応じた電流位相を、ステッピングモーターを正転／逆転させる場合について各々記憶する位置補正記憶部２６を備え、揺動駆動制御部１１１は、位置補正記憶部２６を参照して正転／逆転に応じた電流位相を読み出し、駆動部２１を動作させる。従って、毎回容易に適切な補正を行って位置精度の高い三次元画像を取得することが出来る。

特に、超音波探触子２が位置補正記憶部２６を備え、超音波診断装置本体１が揺動駆動制御部１１１を備え、揺動駆動制御部１１１は、位置補正記憶部２６に記憶された電流位相のデータを取得し、この取得された各電流位相に応じて駆動部２１を動作させる。従って、超音波探触子２ごとに設定される補正データをその超音波探触子２が保持することで、超音波探触子２を交換して超音波撮像を行う際に容易に必要な補正データを取得することが出来る。また、超音波診断装置本体１において、揺動駆動制御部１１１は、画像処理などの他の処理に係る制御とタイミングを容易に調整して補正された電流位相による駆動信号を駆動部２１に出力することが出来る。

また、振動子体２３がその揺動可能な角度範囲の中心位置にあることを検出する揺動中心検出部２４を備え、正転／逆転動作時に、それぞれ揺動中心検出部２４により中心位置が検出されたときの励磁電流の位相に基づいて各揺動位置に応じた位相を求めることで、駆動角度と揺動位置との差分の大きさが反映された位相をそれぞれ位置補正記憶部２６に記憶させることが出来る。従って、経年変化によってバックラッシュの大きさが変化した場合などでも容易にその時点での駆動角度と揺動位置との差分に応じたバックラッシュ量に係る適切な補正データを取得し、また、記憶保持することが出来る。

また、正転／逆転の動作時にそれぞれ取得された同一の被写体に対する画像のずれ量を同定し、このずれ量に応じて各揺動位置に応じた位相を求めることで、駆動角度と揺動位置との差分の大きさが反映された位相をそれぞれ位置補正記憶部２６に記憶させることが出来る。
従って、ハードウェア構成の追加なく、容易に駆動角度と揺動位置との差分に応じたバックラッシュ量に係る適切な補正データを取得し、また、記憶保持することが出来る。

また、揺動駆動制御部１１１は、揺動のために変化させる電流位相を、差分の大きさに応じて振動子体２３の揺動位置の変化範囲に対応した範囲から広げたり、ずらしたりすることで、バックラッシュにより振動子体２３が振動しない範囲を生じさせず、所望の揺動の角度範囲について完全な三次元画像を取得することが出来る。

また、揺動駆動制御部１１１は、振動子体２３の揺動位置を所定の位置で停止させる場合には、差分の大きさを反映した電流位相で駆動部２１を動作させて当該所定の位置に移動させた後、この所定の位置における差分の大きさを反映しない電流位相の電流を駆動部２１に出力する。従って、振動子体２３の静止時には、バックラッシュが正転方向及び逆転方向の何れの動作に対しても均等に生じている状態となり、振動子体２３の揺動位置の変化を再開する場合に、正転又は逆転の何れの方向に動作させる場合であっても等しいバックラッシュに係る待機時間が生じて、一方向への回転に対して長い待機時間が生じるのを防ぐことが出来る。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の超音波診断装置について説明する。
図６は、第２実施形態の超音波診断装置Ｕａの機能構成を示すブロック図である。

この超音波診断装置Ｕａは、超音波探触子２ａに位置補正記憶部が設けられず、代わりに、超音波診断装置本体１ａの制御部１１ａが位置補正記憶部１１３を備える。これ以外の構成については、第１実施形態の超音波診断装置Ｕと同一であり、同一の構成については同一の符号を付すこととして説明を省略する。

この実施形態の超音波診断装置Ｕａでは、超音波探触子２ａの補正テーブルを超音波診断装置本体１ａが備える。従って、超音波探触子２ａを用いて超音波の送受信を行う際に、駆動角度の補正に係る処理を超音波診断装置本体１ａの内部処理でのみ決定することが出来る。これにより、超音波開始時における超音波診断装置本体１ａと超音波探触子２ａとの間でのデータ伝送の手間が省かれる。一方で、超音波探触子２ａの補正テーブルを超音波診断装置本体１ａが予め備えていなければならないので、複数の超音波探触子２ａを繋ぎ換えて使い分けたり、新たな超音波探触子２ａを導入したりする場合には、超音波診断装置本体１ａは、それぞれの超音波探触子２ａに係る補正テーブルを所持しなければならない。従って、これらの補正テーブルは、毎回最初に設定されるか、又は、外部記録媒体や通信により外部から取得されなければならない。

その他の動作については、第１実施形態の超音波診断装置Ｕと同一であり、説明を省略する。

以上のように、第２実施形態の超音波診断装置Ｕａは、超音波診断装置本体１ａが位置補正記憶部１１３を備え、超音波探触子２ａでは、揺動駆動制御部１１１からの駆動信号に応じて駆動部２１が動作する。従って、超音波診断装置Ｕａに追加の記憶部などを備える必要が無く、軽量な超音波探触子２ａで正確に所望の揺動位置に超音波を送信し、反射波を受信することが出来る。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態の超音波診断装置について説明する。
図７は、第３実施形態の超音波診断装置Ｕｂの機能構成を示すブロック図である。

本実施形態の超音波診断装置Ｕｂは、超音波診断装置本体１ｂの制御部１１とは別個に超音波探触子２ｂが制御部２０を備える。制御部２０は、揺動駆動制御部２０１と、駆動位置処理部２０２とを備え、また、位置補正記憶部２６がこの制御部２０に含まれる。これら以外の構成については、第１実施形態の超音波診断装置Ｕの構成と同一であり、同一の構成要素については、詳しい説明を省略する。

本実施形態の超音波診断装置Ｕｂでは、振動子体２３の揺動に係る駆動部２１への駆動信号の出力は、制御部１１の代わりにこの制御部２０によって制御される。一方、信号送受信部１５による振動子体２３の各振動子からの超音波送受信及び画像処理部１２への揺動位置を示す信号出力は、超音波診断装置本体１ｂにより駆動制御されるので、超音波送受信及び画像処理と、揺動との相互タイミング制御は、制御部１１を介して行われる。
なお、信号送受信部１５による駆動制御に係る構成も超音波探触子２ｂが備えることとして、振動子体２３の動作に係る動作を全て制御部２０が制御し、また、画像処理に係る揺動位置を示す信号を制御部２０が直接又は制御部１１を介して画像処理部１２に出力することで、超音波診断装置本体１ｂは、画像処理及びその設定や表示に特化した処理を行う、例えば、画像処理装置として用いられることとしても良い。

以上のように、第３実施形態の超音波診断装置Ｕｂでは、超音波探触子２ｂが振動子体２３と、ステッピングモーターを含み、当該ステッピングモーターのステップ動作に応じて振動子体２３を揺動させて揺動位置を変化させる駆動部２１と、振動子体２３の揺動位置に応じてステッピングモーターに入力する電流位相を制御する揺動駆動制御部２０１とを備える。従って、この超音波探触子２ｂ内で伝達部２２のバックラッシュを考慮した補正を全て行い、駆動部２１の出力を計測するエンコーダーを用いたり、超音波診断装置Ｕｂの内部構成を大きく変更したりすること無く、ステッピングモーターへの入力値に基づいた正確な揺動位置の制御を行うことが出来る。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、正転方向への回転動作と逆転方向への回転動作により符号が反転するバックラッシュを補正する点について説明したが、上述の補正により、回転動作の向きによらず存在するオフセット値の補正も行うことが出来る。

また、上記実施の形態では、上記実施の形態では、主走査方向に直交する方向への揺動の補正について説明したが、揺動に係る補正さえ行われれば、主走査方向への走査に係る動作の有無に拘わらず本発明を適用することが出来る。

また、伝達部として歯車列など、駆動角度と揺動位置との差分がステップ動作の速度に応じて変化し難いものであれば、速度ごとに補正データを生成、利用する必要はない。

また、上記実施の形態では、補正された位相と揺動位置との関係を全て位置補正記憶部２６に記憶させたが、揺動位置と駆動角度との関係が一定の場合には、単に補正量のみを記憶して、１ステップずつ計算しながら励磁電流の位相を変更制御しても良い。

また、揺動位置と駆動角度との関係は、一定である必要は無く、複雑な変化をする場合でも、同様に補正された位相と揺動位置との関係を記憶させることで正確な揺動位置に振動子体２３を移動させることが出来る。但し、補正データを更新する場合には、近似を用いずに、ステップ動作の速度、及び当該速度における揺動位置の変化範囲全体での位相の補正量をそれぞれ正確に求める必要がある。

また、上記実施の形態では、操作者が保持して被検体の表面から入出射させる超音波探触子について説明したが、被検体の内部（体腔）に挿入して超音波を送受信する超音波探触子であっても良い。

また、上記実施の形態では、操作者により手動で補正量更新処理が行われたが、所定の間隔で自動的に実行されても良い。この場合、被写体が短時間で移動したり変化したりするものでは正確に補正量が取得出来ないので、複数回連続して撮像を行って同一の方向への回転駆動により取得される画像に差異が生じていないことを確認する、及び／又は、算出された相関係数に最低ラインを設定して、十分な相関が得られない場合には利用しないといった条件を付加して補正量の修正可否を判断することが好ましい。

また、上記実施の形態では、振動子体２３において、振動子が一次元配列されることとして説明したが、当該一次元配列が更に複数列設けられてマトリクス状又は千鳥格子状に配置されていても良い。
また、振動子体２３における走査方向と揺動方向が直交することとしたが、必ずしもこれに限られない。走査方向と揺動方向とが同一方向でなければ三次元画像の取得が可能である。

また、上記実施の形態では、被検体として生体内部の医療診断を例に挙げて説明したが、超音波診断装置Ｕ及び超音波探触子２の用途はこれに限られず、例えば、建築構造物や資材の内部の超音波診断にも同様に用いることが出来る。
その他、上記実施の形態で示した構成、構造、配置、動作処理内容や処理の制御手順といった具体的な細部は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

１ 超音波診断装置本体
１ａ 超音波診断装置本体
１ｂ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
２ａ 超音波探触子
２ｂ 超音波探触子
１１ 制御部
１１ａ 制御部
１１１ 揺動駆動制御部
１１２ 駆動位置処理部
１１３ 位置補正記憶部
１２ 画像処理部
１３ 操作入力部
１４ 表示部
１５ 信号送受信部
２０ 制御部
２０１ 揺動駆動制御部
２０２ 駆動位置処理部
２１ 駆動部
２１ａ 回転軸
２２ 伝達部
２２１ 駆動プーリー
２２２ 伝達部材
２２３ 従動プーリー
２３ 振動子体
２３ａ 回転軸
２３ｂ 取付部材
２４ 素子中心検出部
２４ａ 検出部
２４ｂ 被検出部
２５ 方向検出部
２６ 位置補正記憶部
Ｕ 超音波診断装置
Ｕａ 超音波診断装置
Ｕｂ 超音波診断装置

Claims (11)

1. 超音波の送受信を行う超音波送受信部と、
   入力される電流位相に応じた角度位置へローターがステップ動作するステッピングモーターを有し、当該ステップ動作に応じて前記超音波送受信部の指向方向を変化させる駆動部と、
   前記超音波送受信部を指向させる方向に応じて前記電流位相を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記角度位置の変化方向に応じて、所定の差分を伴って当該角度位置を前記超音波送受信部に伝達して前記指向方向を変化させる動作伝達部を備え、
   前記制御部は、前記角度位置の変化方向ごとに、前記指向方向に応じて前記電流位相を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記差分の大きさは、前記ステップ動作の速度に応じて定められることを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記指向方向に応じた前記電流位相を、前記角度位置の変化方向ごとに各々記憶する位置補正記憶部を備え、
   前記制御部は、前記位置補正記憶部を参照して前記変化方向に応じた前記電流位相を読み出し、前記駆動部を動作させる
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の超音波診断装置。
5. 前記超音波送受信部による所定の指向方向を検出する指向方向検出部と、
   前記変化方向ごとに前記指向方向検出部により前記所定の指向方向が検出されたときの前記電流位相に基づいて前記指向方向に応じた各電流位相を求める第１位相算出部と、
   前記各電流位相をそれぞれ前記位置補正記憶部に記憶させる位置補正更新部と、
   を備えることを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
6. 前記変化方向ごとに取得された同一の被写体に対する画像のずれ量を同定するずれ量同定部と、
   算出された当該ずれ量に基づいて前記指向方向に応じた各電流位相を算出する第２位相算出部と、
   前記各電流位相をそれぞれ前記位置補正記憶部に記憶させる位置補正更新部と、
   を備えることを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
7. 前記制御部は、前記指向方向の変化範囲に対応して、前記電流位相の範囲を前記差分の大きさに応じて広げて変化させることを特徴とする請求項１〜６何れか一項に記載の超音波診断装置。
8. 前記制御部は、前記超音波送受信部の指向方向を所定の位置で静止させる場合には、前記差分の大きさを反映した前記電流位相で前記駆動部を動作させて当該所定の位置に移動させた後、前記所定の位置における前記差分の大きさを反映しない前記電流位相の電流を前記駆動部に出力する
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の超音波診断装置。
9. 当該超音波診断装置は、
   前記超音波送受信部と、前記駆動部と、前記位置補正記憶部と、を備える超音波探触子と、
   前記制御部を備える超音波診断装置本体と
   からなり、
   前記制御部は、前記位置補正記憶部に記憶された前記電流位相のデータを取得し、当該取得された各電流位相に応じて前記駆動部を動作させる
   ことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の超音波診断装置。
10. 当該超音波診断装置は、
    前記超音波送受信部と、前記駆動部と、を備える超音波探触子と、
    前記制御部と、前記位置補正記憶部と、を備える超音波診断装置本体と
    からなり、
    前記制御部は、前記超音波診断装置本体に接続される前記超音波探触子に応じた前記電流位相のデータを前記位置補正記憶部から取得し、当該取得された各電流位相に応じて前記駆動部を動作させる
    ことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の超音波診断装置。
11. 超音波の送受信を行う超音波送受信部と、
    入力される電流位相に応じた角度位置へローターがステップ動作するステッピングモーターを有し、当該ステップ動作に応じて前記超音波送受信部の指向方向を変化させる駆動部と、
    前記超音波送受信部に指向させる方向に応じて前記電流位相を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする超音波探触子。

Images