JP2019122657A - Three-dimensional probe for ultrasonic diagnostic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波診断装置に用いられる超音波プローブに関し、特に3次元超音波画像取得用の超音波プローブに関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe used in an ultrasonic diagnostic apparatus, and more particularly to an ultrasonic probe for acquiring a three-dimensional ultrasonic image.
超音波診断装置は非侵襲で被爆の無い簡便な検査方法として循環器、腹部、産科、乳腺など多くの診療領域で使用されている。通常の超音波画像検査は、Bモードと呼ばれる超音波探触子が被検体の体表と当接する部分の2次元断層画像により行われている。この2次元断層の走査面を連続して移動することにより、被検体内の3次元空間の画像を取得して3次元画像による診断や、3次元画像データから再構築した任意の断層面画像による診断も行われている。 Ultrasonic diagnostic apparatuses are used in many medical care areas such as circulatory organs, abdomen, obstetrics and mammary glands as noninvasive and simple examination methods without exposure. A normal ultrasound imaging examination is performed by a two-dimensional tomographic image of a portion called an “B mode” where an ultrasound probe abuts on a body surface of a subject. By continuously moving the scan plane of this two-dimensional tomographic image, an image of the three-dimensional space in the subject is acquired, diagnosis by the three-dimensional image, or any tomographic image reconstructed from the three-dimensional image data Diagnosis is also being done.
前記3次元画像を取得するための走査方法として、超音波振動子を1次元配列したアレイ振動子を仰角方向に振り子の様に揺動して電子走査と機械走査とを組み合わせたメカニカル3Dプローブによるスキャン方式や、超音波振動子を2次元のマトリックス状に配列した2Dアレイプローブによる電子スキャン方式がある。 As a scanning method for acquiring the three-dimensional image, an array transducer in which ultrasonic transducers are one-dimensionally arrayed is swung like an pendulum in an elevation angle direction by a mechanical 3D probe combining electronic scanning and mechanical scanning There are scanning methods and electronic scanning methods using a 2D array probe in which ultrasonic transducers are arranged in a two-dimensional matrix.
一方、乳癌検診等において行われている乳房超音波検査では、乳房全体の3次元画像データを収集することがある。この場合、メカニカル3Dプローブや2Dアレイプローブによる方法では体表との当接面が乳房全体に対して小さいため、乳房全体の3次元画像を得ることが困難である。そこで、通常のリニアプローブを乳房全体にわたって縦横に順次走査することで3次元画像データを取得する方法や、乳頭を中心軸にして超音波プローブを回転走査させ乳房全体の3次元画像データを取得する方法が実現されている。 On the other hand, in breast ultrasound examination conducted in breast cancer screening and the like, three-dimensional image data of the entire breast may be collected. In this case, it is difficult to obtain a three-dimensional image of the entire breast because the contact surface with the body surface is smaller than the entire breast by a method using a mechanical 3D probe or a 2D array probe. Therefore, a method of acquiring three-dimensional image data by sequentially scanning the normal breast over the entire breast vertically and horizontally, or by rotating the ultrasonic probe centering on the nipple to acquire three-dimensional image data of the entire breast The method is realized.
前記の3次元画像データ取得方法には次のような課題がある。
メカニカル3Dプローブ方式は、超音波振動子アレイ部分の揺動運動を伴うことから、揺動範囲全体を収容するための大型のプローブ外形を必要とする、揺動運動のための機械機構および制御回路を必要とするなどプローブ構造の複雑化を招く、揺動運動に起因した振動により検査者および被検者に不快感を与える、揺動運動の往路復路の方向転換時に機械走査速度が変化するため、画像として扱えない走査領域が発生する等の課題がある。
The above three-dimensional image data acquisition method has the following problems.
Since the mechanical 3D probe method involves the rocking movement of the ultrasonic transducer array part, a mechanical mechanism and control circuit for the rocking movement require a large probe outer shape to accommodate the whole rocking range Requires the probe structure to be complicated, vibration caused by the rocking motion causes discomfort to the examiner and the subject, and mechanical scanning speed changes when the return path of the rocking motion changes direction There are problems such as the generation of scan areas that can not be handled as images.
2Dアレイプローブ方式は、3次元画像の取得領域を広げるためには2次元アレイ振動子の面積を広げなければならないため、超音波振動子数が1000以上と多数になり、送受信回路の増大や、または送受信回路の増大を回避するためのチャンネルリダクション回路の追加など、装置の複雑化や高価格化を招く、等の課題がある。 In the 2D array probe method, the area of the two-dimensional array transducer has to be increased in order to widen the acquisition region of the three-dimensional image, so the number of ultrasonic transducers becomes as large as 1000 or more. Alternatively, there is a problem such as the addition of a channel reduction circuit for avoiding an increase in the number of transmission / reception circuits, the complication of the apparatus, and the cost increase.
プローブの回転走査方式は、メカニカル3Dプローブや2Dアレイプローブを必要としないため従来の超音波診断装置をそのまま利用できるという利点はあるが、プローブと超音波診断装置本体とを接続するケーブルにプローブの回転走査に伴う捻じれが生じる。このため、無制限にプローブを回転させることができず、またこの捻れを開放するための逆回転を行わなければならず、プローブ回転機構の複雑化や3次元画像データ取得のための検査時間を短縮できない、という課題があった。 The rotational scanning method of the probe has an advantage that the conventional ultrasonic diagnostic apparatus can be used as it is because no mechanical 3D probe or 2D array probe is required, but the probe is connected to the cable connecting the probe and the ultrasonic diagnostic apparatus main body Twisting occurs with rotational scanning. For this reason, the probe can not be rotated indefinitely, and reverse rotation must be performed to release the twist, which reduces the complexity of the probe rotation mechanism and the inspection time for acquiring three-dimensional image data. There was a problem that it was impossible.
そこで、本発明は、超音波振動子部分を揺動させることなく、超音波振動子数の増加による送受信回路の複雑化を伴うことなく、プローブ自体を回転走査することなく、短時間で3次元画像データを取得する超音波診断装置用3次元プローブを提供する。 Therefore, according to the present invention, without oscillating the ultrasonic transducer portion and without complication of the transmission / reception circuit due to the increase in the number of ultrasonic transducers, three-dimensional in a short time without rotating and scanning the probe itself. Provided is a three-dimensional probe for an ultrasonic diagnostic apparatus for acquiring image data.
本発明の一態様である超音波診断装置用3次元プローブは、超音波振動子が同心円状に2次元配列された同心状アレイ振動子と、前記同心状アレイ振動子の超音波送受波面と対向して配置された円盤状の超音波遮蔽板と、前記超音波遮蔽板の回転軸は前記同心状アレイ振動子の同心軸と同一であって、前記超音波遮蔽板は同心を原点とした動径方向に沿って開口した音響窓を有し、前記同心状アレイ振動子は同心の動径方向に前記音響窓を介して電子走査を行い、前記超音波遮蔽版を回転させることで前記電子走査面を移動して3次元画像を取得すること、を特徴とする。 A three-dimensional probe for an ultrasonic diagnostic apparatus according to an aspect of the present invention includes a concentric array transducer in which ultrasonic transducers are two-dimensionally arranged concentrically, and an ultrasonic wave transmitting / receiving wavefront of the concentric array transducer. Disk-shaped ultrasonic shielding plate disposed in parallel with each other, and the rotation axis of the ultrasonic shielding plate is the same as the concentric axis of the concentric array transducer, and the ultrasonic shielding plate is moved with concentricity as the origin It has an acoustic window opened along the radial direction, and the concentric array transducer performs an electronic scan through the acoustic window in a concentric radial direction, and the electronic scan by rotating the ultrasonic shielding plate It is characterized by moving a face and acquiring a three-dimensional image.
また、前記同心状アレイ振動子が、同心を原点とする動径で少なくとも2以上に分割されていても良い。 Further, the concentric array vibrator may be divided into at least two or more in a radius of motion having a concentric origin.
また、前記同心状アレイ振動子が、同心を原点とする動径で4以上に分割されたときにできる弧が、弧に対応する弦で近似されたことを特徴とする多角形同心状アレイ振動子であっても良い。 A polygon concentric array vibration characterized in that an arc formed when the concentric array vibrator is divided into four or more with a radius having a concentric origin is approximated by a chord corresponding to the arc. It may be a child.
また、前記同心状アレイ振動子が、2Dアレイ振動子であって、前記2Dアレイ振動子が半径の異なる複数のリング状の電極で接続された同心円状アレイ振動子であっても良い。 Furthermore, the concentric array vibrator may be a 2D array vibrator, and the 2D array vibrator may be a concentric array vibrator connected by a plurality of ring-shaped electrodes having different radii.
本発明によれば、機械走査は超音波遮蔽板の回転運動により行われるため、一般に駆動機構が単純化しやすく、また振動も発生しにくく、無限に回転することができるので機械走査速度の変化が無く、走査不能領域が発生しない、という効果がある。 According to the present invention, since the mechanical scanning is performed by the rotational movement of the ultrasonic shielding plate, in general, the drive mechanism is easy to simplify, vibration is also less likely to occur, and the rotation can be infinite. There is an effect that no unscannable area occurs.
また、動径方向の2次元電子走査は、同心状アレイ振動子を構成する複数のリング振動子内で送受信開口を移動して行うので、通常の超音波診断装置で構成することができ、低価格で実現することができる。 In addition, since the two-dimensional electronic scanning in the radial direction is performed by moving the transmitting and receiving apertures in the plurality of ring transducers constituting the concentric array transducer, it can be configured by a general ultrasonic diagnostic apparatus, It can be realized at a price.
また、同心状アレイ振動子は、リング振動子で構成する態様のほか、2次元配列振動子をリング状の電極で同心円状に相互接続することで構成することもでき、送受信制御回路の増加を伴うことなく動径方向の2次元走査が可能である。 In addition to the aspect in which the concentric array vibrator is configured by a ring vibrator, the concentric array vibrator can also be configured by interconnecting two-dimensional array vibrators concentrically with ring-shaped electrodes. A two-dimensional scan in the radial direction is possible without being accompanied.
さらに回転するのは超音波遮蔽板だけなので、プローブと超音波診断装置を接続するケーブルの捻じれなどによる機械走査への制限が発生しない。 Further, since only the ultrasonic shielding plate is rotated, there is no restriction on mechanical scanning due to twisting of the cable connecting the probe and the ultrasonic diagnostic apparatus.
本発明を実施するための最良の形態を図1及び図2に例示する。尚、実施形態は、図で示された構成および手段に限定されるものではない。 The best mode for carrying out the present invention is illustrated in FIG. 1 and FIG. The embodiments are not limited to the configurations and means shown in the drawings.
実施形態によれば、本発明は水やオイルなどの音響媒体5を満たした密閉容器4と、その内部に固定された同心円状に配置された複数のリング振動子からなる同心状アレイ振動子3と、同心の動径方向に沿って開口した音響レンズからなる音響窓1を有する超音波遮蔽板2から構成される。
According to the embodiment, the present invention provides a
一つの電子走査断面は、図4で示す様に、音響窓により音響的に隠されていない同心状アレイ振動子部分による電子走査(電子スキャン)で取得する。 One electronic scanning cross section is acquired by electronic scanning (electronic scanning) by a portion of the concentric array transducer which is not acoustically hidden by the acoustic window as shown in FIG.
同心状アレイ振動子3により送波された超音波は、音響窓1を介して被検体7に到達し、被検体7で反射し、音響窓1を介して同心状アレイ振動子3で受波される。これを同心状アレイ振動子の開口を移動しながら、つまり音響窓1で構成された1次元アレイ振動子の開口位置を移動しながら繰り返すことで、音響窓1の位置における電子走査画像を取得する。
The ultrasonic waves transmitted by the
そして、超音波遮蔽板2をモーター6により前記密閉容器内において同心を軸として回転させることで音響窓1の位置が移動し、これによって電子走査断面が移動して第2の電子走査断面を得ることが出来る。
Then, the position of the
さらに、超音波遮蔽板2の回転と電子走査を繰り返して行い、超音波遮蔽板2が一回転すると被検体7の3次元画像が取得できる。
続けて超音波遮蔽板2の回転と電子走査を繰り返すことで、連続して被検体7の3次元画像を取得することができる。
Furthermore, the rotation of the
Subsequently, by repeating the rotation of the
音響窓1を有する超音波遮蔽板2を図3に例示する。超音波遮蔽版2は、音響窓1以外の部分では同心状アレイ振動子3から送波された超音波を吸収または反射などすることにより被検体7への到達を遮蔽し、また被検体7から反射された超音波を吸収または反射などすることにより同心状アレイ振動子3で受波されないようにする。
An
音響窓1は、同心状アレイ振動子3から送波された超音波を吸収または反射などすることなく被検体7へ到達させ、また被検体7から反射された超音波を吸収または反射などすることなく同心状アレイ振動子3で受波されるよう、超音波を透過させることが出来る音響窓である。
The
この音響窓は、開口部分が密閉容器4に満たされた水やオイルなどの音響媒体5で満たされた構成としても良いし、音響レンズなどの超音波を透過させることが出来る媒体で構成されても良い。超音波を透過させることが出来る媒体としては、通常用いられるシリコンレンズなどがある。
The acoustic window may have a configuration in which the opening portion is filled with the
図5は、扇状アレイ振動子8を集合させて同心状アレイ振動子を構成する方法を例示したものである。図5は4分割したものを集めているが分割数はいくつでも良い。また、各扇状アレイ振動子の扇の開き角度は均等でなくても良いが、扇の開き角度の和は360度であることが望ましい。
図5の構成はリング状アレイ振動子を加工するよりも容易に製造することが出来る。
FIG. 5 exemplifies a method of assembling the fan-shaped array vibrators 8 to construct a concentric array vibrator. Although FIG. 5 collects the four divisions, the number of divisions may be any number. Further, although the fan opening angle of each fan-shaped array transducer may not be uniform, it is desirable that the sum of the fan opening angles be 360 degrees.
The configuration of FIG. 5 can be manufactured more easily than processing a ring-shaped array vibrator.
図6は、二等辺三角形アレイ振動子9を集合させて多角形状アレイ振動子を構成する方法を例示したものである。図6は16分割したものを集めているが、分割数はいくつでも良い。また、各二等辺三角形アレイ振動子の頂角は均等でなくても良いが、頂角の和は360度であることが望ましい。図6の構成は図5の扇状アレイ振動子を集合させたものよりも容易に製造することが出来る。 FIG. 6 exemplifies a method of assembling the isosceles triangular array transducers 9 to form a polygonal array transducer. Although FIG. 6 collects 16 divisions, the number of divisions may be any number. Also, the apex angles of the respective isosceles triangular array transducers do not have to be uniform, but the sum of the apex angles is desirably 360 degrees. The configuration of FIG. 6 can be more easily manufactured than the assembly of the fan-shaped array vibrator of FIG.
図7は、マトリックス状に細かく分かれている2Dアレイ振動子の圧電素子群11を、リング状の電極10でグループ化することによりリング状振動子とする同心円状アレイ振動子の構成方法を例示したものである。
FIG. 7 exemplifies a method of forming a concentric array transducer in which a ring-shaped transducer is formed by grouping the piezoelectric element group 11 of 2D array transducers finely divided in a matrix shape by the ring-shaped
図8は、超音波遮蔽板2に設けられた音響窓1の回転位置に同期して、送受信回路に接続する扇状又は二等辺三角形状アレイ振動子の一つを選択するための回路構成方法を説明するために例示した図である。
図9の回路は、各素子に接続される送受信回路の特性を音響窓の位置に応じて変更するための回路である。
FIG. 8 shows a circuit configuration method for selecting one of a fan-shaped or isosceles triangle array transducer connected to the transmitting and receiving circuit in synchronization with the rotational position of the
The circuit of FIG. 9 is a circuit for changing the characteristics of the transmission / reception circuit connected to each element according to the position of the acoustic window.
図8は、8個の扇状アレイ振動子で同心状アレイ振動子を構成した例図である。8個の扇状アレイ振動子1から扇状アレイ振動子8を、ARRAY[1]からARRAY[8]と表している。さらに扇状アレイ振動子1から扇状アレイ振動子8のそれぞれの扇状アレイ振動子を構成するN個の振動子の中で、中心から数えてn番目の振動子をARRAY[1][n]、ARRAY[2][n]、ARRAY[3][n]...ARRAY[8][n]と表している。
FIG. 8 is a view showing an example in which a concentric array transducer is configured by eight fan-shaped array transducers. The eight fan-shaped
音響窓1は8個の扇状アレイ振動子の前面を扇のかなめを軸に回転する(図8)。一つの扇状アレイ振動子を構成するN個の振動子の中で中心から数えてn番目の振動子は、それ以外の扇状アレイ振動子を構成する中心から数えてn番目の振動子とアナログスイッチSW1からSW8のいずれかを経由して送受信機「n」に接続される。尚、動径方向を電子スキャンするためにN個の同一回路が存在するが図9では省略されている。
The
図9は、音響窓1の位置に同期させて送受信回路を制御する回路の説明図である。音響窓検出回路Aはポテンショメータ等の位置検出回路からなり、音響窓1の位置を検出して表1の真理値表に従い位置条件番号1から16のいずれかの条件番号を出力する。スイッチ制御回路Bは位置条件番号に応じて表1の真理値表に従いSW1からSW8を制御する。図8の場合は、送受信機「n」に接続される振動子の数は音響窓1の位置により1個又は2個となり、送受信特性が音響窓1の位置に応じて変化する。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a circuit that controls the transmission / reception circuit in synchronization with the position of the
送信条件メモリDは位置条件番号を基に、一つの送信回路に接続される振動子数の変化を補償する条件を決定して送信アンプFの特性を制御する(図9)。 The transmission condition memory D controls the characteristics of the transmission amplifier F by determining the condition for compensating for the change in the number of transducers connected to one transmission circuit based on the position condition number (FIG. 9).
受信条件メモリEは位置条件番号を基に、一つの受信回路に接続される振動子数の変化を補償する条件を決定して受信アンプGの特性を制御する(図9)。 The reception condition memory E determines the conditions for compensating for the change in the number of transducers connected to one reception circuit based on the position condition number, and controls the characteristics of the reception amplifier G (FIG. 9).
1 音響窓
2 超音波遮蔽板
3 同心状アレイ振動子
4 密閉容器
5 音響媒体
6 モーター
7 被検体
8 扇状アレイ振動子
9 二等辺三角形状アレイ振動子
10 リング状の電極
11 細かく分割された圧電素子群
12 音響窓検出回路
13 送信条件メモリ
14 受信条件メモリ
15 スイッチ制御回路
16 送受信回路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記同心状アレイ振動子の超音波送受波面と対向して配置された超音波遮蔽板と、
前記超音波遮蔽板は同心を原点とした動径方向に沿って開口した音響窓を有し、
前記同心状アレイ振動子は前記音響窓を介した電子走査を行い、
前記電子走査による電子走査断面を、前記超音波遮蔽版を回転させることで移動して3次元画像を収集すること、を特徴とする3次元超音波プローブ。 Concentric array transducers in which ultrasonic transducers are two-dimensionally arranged concentrically,
An ultrasonic shielding plate disposed opposite to the ultrasonic wave transmitting and receiving wavefront of the concentric array transducer;
The ultrasonic shielding plate has an acoustic window opened along a radial direction with a concentric origin.
The concentric array transducer performs an electronic scan through the acoustic window,
A three-dimensional ultrasonic probe characterized by moving an electronic scanning section by the electronic scanning by rotating the ultrasonic shielding plate to collect a three-dimensional image.
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WO2021229998A1 (en) | 2020-05-15 | 2021-11-18 | 朝日インテック株式会社 | Catheter |
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- 2018-01-18 JP JP2018006410A patent/JP6788900B2/en active Active
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