JP3490593B2 - ３次元走査用超音波探触子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元超音波診断
装置の３次元走査用超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波探触子は、例えば、特開昭
６１−２２６０２４及び特１５４７２５９（特公平１−
３１３７３）に記載されたもの等が知られている。

【０００３】図７は特開昭６１−２２６０２４に開示さ
れている超音波診断用プローブ（超音波探触子）の構成
を示す図である。図７において、超音波診断用プローブ
に内蔵される振動子ユニット１７（トランスデューサ部
に対応）は、両端がフレーム３０に保持された回転軸２
９を有するドラムからなり、ドラムの表面には一定間隔
Ｄで複数の振動子２０が固定されている。振動子２０は
回転軸２９の伸長方向に伸長する長辺ａ短辺ｂの長方形
状である。ドラムは円筒状である必要はなく、複数の振
動子２０を固定しうる面を有し回転可能であればよい。

【０００４】このような振動子２０によれば、辺がａ＞
ｂの関係にあるとして、超音波の指向性分布は辺ｂの方
向に鋭くなる。振動子ユニット１７をモータ２１で回転
させるため、このプローブは振動子の長さ及び幅に比例
した指向性を有する超音波を回転方向に扇形に放射す
る。振動子２０が４つの場合、１つの振動子２０が超音
波を放射する期間は９０度に対応する期間である。

【０００５】図８は特公平１−３１３７３に開示されて
いる超音波探触子の構成を示す図である。図８におい
て、探触子本体部の中に、パルスモータ２７と、パルス
モータ２７の回転方向を切換えて探触子２５に伝達する
ギヤクラッチ２８とが内蔵され、このパルスモータ２７
とギヤクラッチ２８とでなる回転駆動機構により、信号
ケーブル２２で接続された振動子部２４を備えた探触子
２５はケース９に対し少なくとも１８０度の範囲で自動
またはマニアル操作により往復回転することができ、更
に任意の停止位置を基点として予め定めた角度Δθの範
囲で自動的に往復回転されるものである。すなわち、こ
の超音波探触子は探触子に対する配線にケーブルを用
い、超音波探触子の回転方向の切り替えにギヤクラッチ
を使用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来の超音波探触子においては、素子固定ロータ
（上記従来技術のドラムに対応）はその回転中心の両端
を回転可能に保持する必要があるが、両端を保持した場
合、図２の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、従来のフレ
ーム１０は超音波スキャン領域内に構成せざるを得ず、
フレーム１０が構成された領域内では、超音波によるス
キャンができないため、超音波スキャン領域を３６０度
確保することができないという問題があった。

【０００７】また、上記第２の従来の超音波探触子にお
いては、超音波探触子で得られる画像の分解能を向上さ
せるためには、超音波振動子の個数を増やす必要がある
ため、配線数も増やす必要があるが、ケーブルによる配
線方法では、トランスデューサを回転させることにより
配線が捩れて回転時の負荷となるため、駆動装置により
トランスデューサを回転させる際に必要とするトルクが
増大するという問題があった。

【０００８】更に、第２の従来の超音波探触子において
は、回転方向の制御にギヤクラッチを用いているため、
本体部分が大きく重くなり、操作性が悪いこと及び動作
時に騒音が発生すること等の他、バイオプシを行う等の
場合には、トランスデューサの配列方向に対し直行（直
交）する断面を一秒間あたり１０枚以上の速度で画面に
表示する必要があるが、上記従来の超音波探触子におい
ては高速の切換え動作ができないため、バイオプシにお
ける超音波診断動作を実現することができないという問
題があった。

【０００９】本発明は、上記従来の問題を解決するため
になされたもので、超音波走査領域を３６０度確保する
ことができ、小型且つ軽量で、小さい駆動力により高速
に走査可能な３次元走査用超音波探触子を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による電子−機械
走査式の３次元走査用超音波探触子は、複数個の超音波
振動子を備えた電子走査式超音波トランスデューサを保
持する素子固定ロータと、該素子固定ロータを回転可能
に保持するフレームと、素子固定ロータを回転駆動させ
る駆動装置とを具備し、前記フレーム及び素子固定ロー
タを中空パイプ状とし、前記フレームが素子固定ロータ
の内部に挿入された２重パイプ状に構成するようにした
ものである。

【００１１】本発明は、素子固定ロータをフレームの外
側に被せるように構成したことにより、フレームが超音
波走査領域内に入らないことにより、超音波スキャン
（走査）領域を３６０度確保することができる操作性の
優れた３次元走査用超音波探触子が得られる。

【００１２】本発明による電子−機械走査式の３次元走
査用超音波探触子は、複数個の超音波振動子を備えた電
子走査式超音波トランスデューサを保持する素子固定ロ
ータと、該素子固定ロータを回転可能に保持するフレー
ムと、素子固定ロータを回転駆動させる駆動装置と、超
音波トランスデューサに接続され該超音波トランスデュ
ーサへ入出力する電気信号を伝送するケーブルとを具備
し、前記ケーブルに可撓性基板を用い、前記素子固定ロ
ータにゼンマイ状に巻き付ける構成としたものである。

【００１３】本発明は、ケーブルに可撓性基板を用い、
素子固定ロータにその回転方向にゼンマイ状に巻き付け
るように構成したことにより、小型且つ軽量で、小さい
駆動力により高速に走査可能な操作性の良い電子−機械
走査式の３次元走査用超音波探触子が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、複数個の超音波振動子を備えた電子走査式の超音波
トランスデューサを保持する素子固定ロータと、前記素
子固定ロータを回転可能に保持するフレームと、前記素
子固定ロータを回転駆動させる駆動装置とを具備し、前
記フレーム及び前記素子固定ロータを中空パイプ状と
し、前記フレームが前記素子固定ロータの内部に挿入さ
れた２重パイプ状に構成することを特徴とする電子−機
械走査の３次元走査用超音波探触子であり、素子固定ロ
ータが３６０度のいかなる角度をとっても、フレームが
超音波断層像を得る障害とならず、超音波スキャンがで
きるという作用を有する。

【００１５】 また、請求項２に記載の発明は、前記３
次元走査用超音波探触子が、前記超音波トランスデュー
サに接続され前記超音波トランスデューサへ入出力する
電気信号を伝送するケーブルを具備し、前記ケーブルに
可撓性基板を用い、前記素子固定ロータにゼンマイ状に
巻き付けるようにしたものであり、３６０度超音波スキ
ャンができる上、素子固定ロータが回転した場合、ぜん
まい状の可撓性基板の巻が緩みもしくは締まることによ
り、ケーブルの固定部分と回転部分間の捩れを軽い負荷
で吸収することができるため、小さい駆動力により高速
に走査可能であるという作用を有する。

【００１６】 また、請求項３に記載の発明は、前記駆
動装置を回転数可変且つ任意の角度で停止することがで
きる駆動力を有するサーボモータにより構成するように
したものであり、該駆動装置を、例えば、３ｒｐｍから
６００ｒｐｍの広い範囲で可変速とし、且つ任意の角度
で停止しうるサーボモータで構成することができるた
め、回転方向及び回転数を制御するために特別の機構を
必要としないという作用を有する。

【００１７】 また、請求項４に記載の発明は、前記超
音波振動子をリニアアレイ又はコンベックスアレイで構
成するようにしたものであり、各種多様な角度から見た
超音波断層画像が得られるという作用を有する。

【００１８】

【００１９】以下、添付図面、図１乃至図６に基づき、
本発明の実施の形態を詳細に説明する。 （第１の実施の形態）まず、図１及び図２を参照して、
本発明の第１の実施の形態における３次元走査用超音波
探触子の構成について説明する。図１は素子固定ロータ
及びフレームの一部をカットして内部を見せた本発明の
第１の実施の形態における３次元走査用超音波探触子の
全体の構成を示す斜視図、図２はトランスデューサ及び
素子固定ロータからなる３次元走査用超音波探触子の本
体部（以下、トランスデューサ部ともいう）の構成を示
す図であり、（Ａ）は図１に示す本発明の第１の実施の
形態における３次元走査用超音波探触子のトランスデュ
ーサ部の正面図（（Ｂ）の左方から見た図）、（Ｂ）は
その側面図、（Ｃ）は従来の超音波探触子のトランスデ
ューサ部の正面図、（Ｄ）はその側面図である。

【００２０】図１において、１は電気信号と超音波の変
換を行う超音波振動子を複数個直列に配列したトランス
デューサ、２はトランスデューサ１を保持する素子固定
ロータ、４はボールベアリング、５はボールベアリング
４を介して素子固定ロータ２を回転自在に保持するフレ
ームである。尚、図１では、説明のため、素子固定ロー
タ２及びフレーム５の一部をカットして内部を示すよう
にした。

【００２１】また、６は駆動トルクを発生するモータ１
４により構成され、フレーム５に固定されて素子固定ロ
ータ２を回転駆動する駆動装置、７は素子固定ロータ２
に対し駆動装置６からの駆動力を伝達するドライブシャ
フト、８はトランスデューサ１に電気信号を伝送するケ
ーブルである。

【００２２】図２において、トランスデューサ１、素子
固定ロータ２及びフレーム５は図１に示すものと同様で
あるから、再度の説明は省略する。更に、１０は従来の
トランスデューサ部におけるフレーム、１１は本実施の
形態におけるトランスデューサ１から超音波を送受信し
て得られる超音波振動子配列方向の超音波断層画像（ま
た、超音波断層画像取得領域を示す）、１２Ａは本実施
の形態における素子固定ロータ２を任意に回転した位置
で走査しうる円周方向に対する超音波走査可能領域を示
し、１２Ｂは従来の超音波探触子の素子固定ロータ２を
回転して走査できる円周方向に対する超音波走査可能領
域を示す。

【００２３】次に、図１及び図２を参照して、本発明の
第１の実施の形態における３次元走査用超音波探触子の
動作について説明する。まず、図２の（Ａ）及び（Ｂ）
において、３次元走査用超音波探触子を制御する超音波
診断装置（図示せず）からの指令により、駆動装置６
（図１）が回転し、その回転角度信号が超音波診断装置
に伝送される。超音波診断装置は、回転角度信号によ
り、トランスデューサ１の回転角度を算出し、所望の回
転角度毎に、たとえば１０度毎にトランスデューサ１に
より電子走査を行い、１枚以上の超音波断層像１１を得
る。尚、この所望の角度における電子走査中は、駆動装
置を停止させてもかまわないし、また回転が十分に低速
であれば、停止させずに回転動作を行ったまま電子走査
してもかまわない。

【００２４】この時、フレーム５は素子固定ロータ２の
内部に構成されているため、１２Ａに示すように、３６
０度全周に亘って超音波断層画像１１を得ることができ
る。しかし、図２の（Ｃ）及び（Ｄ）に示す従来の超音
波探触子の構成では、図２の（Ｃ）の１２Ｂに示すよう
に、円周方向に対する超音波走査可能領域の間にフレー
ム１０が存在するよう構成されるため、一部超音波断層
画像を得ることができない円周方向領域ができる。

【００２５】このように、本実施の形態における３次元
走査用超音波探触子によると、３６０度全周に亘って超
音波断層像が得られるという優れた効果が得ることがで
きる。また、３次元走査用超音波探触子を体腔内に挿入
して使用する場合には、挿入部先端にトランスデューサ
１を配置することができるので、より挿入部を小型化す
ることができるという利点を有する。

【００２６】（第２の実施の形態）次に、図３及び図４
を参照して、本発明の第２の実施の形態における３次元
走査用超音波探触子の構成及び動作について説明する。
図３は本発明の第２の実施の形態における３次元走査用
超音波探触子のトランスデューサ部を示す図であり、
（Ａ）は側面図、（Ｂ）は底面図（側面図の右方から見
た図）、図４は図３に示すトランスデューサ部の底面図
であり、（Ａ）はトランスデューサ部の基準位置（初期
位置）を示す図、（Ｂ）は時計方向に９０度回転した状
態を示す図、（Ｃ）は時計方向に１８０度回転した状態
を示す図、（Ｄ）は時計方向に２７０度回転した状態を
示す図である。

【００２７】図３において、トランスデューサ１、素子
固定ロータ２及びフレーム５は図１に示すものと同様で
あるから、再度の説明は省略する。本実施の形態におい
ては、更に図１に示すケーブル８に代わり、一端が素子
固定ロータ２に固定されそこから素子固定ロータ２に巻
き付けるようゼンマイ状に構成され、トランスデューサ
１に対し電気信号を伝送するようにした可撓性基板９
と、可撓性基板９の他の片端を固定する小片１３とによ
り構成される。

【００２８】次に、主に図４を参照して、本発明の第２
の実施の形態における３次元走査用超音波探触子の動作
について説明する。まず、素子固定ロータ２が初期位置
（基準位置）にいる時には、可撓性基板９のゼンマイ状
部は巻がゆるんだ状態である。次に、前記素子固定ロー
タ２が時計方向に回転を始めると、可撓性基板９のぜん
まい状部の巻が回転角度に応じて締まり始める。素子固
定ロータ２が所定の角度、もしくは３６０度回転したと
ころで一旦停止し、逆回転して、初期位置に戻る。その
間で、超音波スキャンを実行する。この場合、複数枚の
可撓性基板９を重ねて使用してもかまわない。

【００２９】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、ケーブルの固定部分と回転部分間の捩れによる負荷
は軽く、また、素子固定ロータ２の回転による可撓性基
板９の撓みによる負荷も少なくなり、小さい駆動力によ
り容易に吸収することができる。

【００３０】（第３の実施の形態）次に、図５及び図６
を参照して、本発明の第３の実施の形態における３次元
走査用超音波探触子について説明する。図５は本発明の
第３の実施の形態における３次元走査用超音波探触子の
構成を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面
図、図６は図５に示す３次元走査用超音波探触子の動作
を説明するためにそのトランスデューサ部を示す図であ
り、（Ａ）は３次元スキャン（走査）動作の説明図、
（Ｂ）は２次元スキャン動作の説明図、（Ｃ）は（Ｂ）
以外の任意角度における２次元スキャン動作の説明図で
ある。

【００３１】図５において、トランスデューサ１、素子
固定ロータ２、フレーム５及びドライブシャフト７は図
１に示すものと同様であるから、再度の説明は省略す
る。本実施の形態においては、更に、図１に示す駆動装
置６として、回転数可変であり且つ任意の角度で停止す
ることができる駆動力を有するサーボモータにより構成
したモータ１４と、モータ１４の回転角度を検出するエ
ンコーダ１５とにより構成される。尚、モータ１４の出
力軸（図示せず）とドライブシャフト７及びエンコーダ
１５の検出軸（図示せず）とは連結されており、モータ
１４の回転角度とドライブシャフト７、素子固定ロータ
２及びエンコーダ１５の検出軸の回転角度とは同一であ
る。

【００３２】次に、図６を参照して、上記のように構成
された本発明の第３の実施の形態における３次元走査用
超音波探触子の動作について説明する。図６の（Ａ）は
３次元走査用超音波探触子による３次元的スキャンの動
作を説明する図であり、素子固定ロータ２の回転にとも
なって、エンコーダ１５から回転角度信号が超音波診断
装置に伝送され、所定の角度毎にトランスデューサ１の
電子走査を行うことにより、複数枚の超音波断層画像１
９を得ることができる。この動作を素子固定ロータ２の
回転の全周に亘って行うことにより、３６０度に対する
複数枚の超音波断層画像１９を得ることができる。得ら
れた複数枚の超音波断層画像１９により３次元超音波断
層画像を得ることができる。

【００３３】図６の（Ｂ）は、モータ１４及びエンコー
ダ１５（図５）からなる駆動装置を３ｒｐｍから６００
ｒｐｍの回転速度により、例えば３６０度往復回転さ
せ、トランスデューサ１の一部分のみを使用して超音波
の送受信を行うことにより２次元的スキャン動作を行う
ことを説明する図であり、それによって、超音波振動子
の配列方向に直交する断面の超音波断層画像１６を、例
えば１秒間に１０枚得ることができる。また、トランス
デューサ１の使用する超音波振動子を電気的に制御して
別の位置にある超音波振動子に変更使用することによ
り、３次元走査用超音波探触子を物理的に移動させなく
とも、超音波振動子の配列方向の広い範囲に亘ってその
配列方向に直交する断面を走査することが可能となる。

【００３４】図６の（Ｃ）は、素子固定ロータ２を所定
の角度で停止させて、トランスデューサ１に電子走査さ
せることにより、３次元走査用超音波探触子を物理的に
移動させることなく、任意の角度における超音波振動子
配列方向の超音波断層画像を得ることができることを示
す。尚、以上の説明では、超音波振動子をトランスデュ
ーサ１の直線方向に配置したリニアアレイで構成した例
について説明したが、超音波振動子を円周方向に円弧状
に配置したコンベックスアレイで構成しても同様に実施
可能であり、多様な超音波断層画像を得ることができ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成し、
特に、フレーム及び素子固定ロータを中空パイプ状と
し、該フレームが素子固定ロータの内部に挿入された２
重パイプ状に構成し、更にトランスデューサに対する電
気信号を伝送するケーブルに可撓性基板を用いて素子固
定ロータにゼンマイ状に巻き付けるように構成するとと
もに、駆動装置に可変速制御可能且つ任意の角度で停止
可能なサーボモータで構成することにより、超音波スキ
ャン領域を３６０度確保することができ、小型且つ軽量
で、小さい駆動力により高速に走査可能であり、回転方
向・回転数を制御するために特別の機構を必要としない
という操作性に優れた３次元走査用超音波探触子を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】素子固定ロータ及びフレームの一部をカットし
て内部を見せた本発明の第１の実施の形態における３次
元走査用超音波探触子の全体の構成を示すその斜視図

【図２】トランスデューサ及び素子固定ロータからなる
３次元走査用超音波探触子のトランスデューサ部の構成
を示す図であり、 （Ａ）は図１に示す本発明の第１の実施の形態における
３次元走査用超音波探触子のトランスデューサ部の正面
図 （Ｂ）はその側面図 （Ｃ）は従来の超音波探触子のトランスデューサ部の正
面図 （Ｄ）はその側面図

【図３】本発明の第２の実施の形態における３次元走査
用超音波探触子のトランスデューサ部を示す図であり、 （Ａ）は側面図 （Ｂ）は底面図

【図４】図３に示す本発明の第２の実施の形態における
可撓性基板の動作を説明するためのトランスデューサ部
の底面図であり、 （Ａ）はトランスデューサ部の基準位置（初期位置）を
示す図 （Ｂ）は時計方向に９０度回転した状態を示す図 （Ｃ）は時計方向に１８０度回転した状態を示す図 （Ｄ）は時計方向に２７０度回転した状態を示す図

【図５】本発明の第３の実施の形態における３次元走査
用超音波探触子の構成を示す図 （Ａ）は正面図 （Ｂ）は側面図

【図６】図５に示す３次元走査用超音波探触子の動作を
説明するためにそのトランスデューサ部を示す図であ
り、 （Ａ）は３次元スキャン動作の説明図 （Ｂ）は２次元スキャン動作の説明図 （Ｃ）は（Ｂ）以外の任意角度における２次元スキャン
動作の説明図

【図７】従来例における超音波診断用プローブ（超音波
探触子）の構成を示す図

【図８】従来例における超音波探触子の構成を示す図

【符号の説明】

１ トランスデューサ ２ 素子固定ロータ ４ ボールベアリング ５ フレーム ６ 駆動装置 ７ ドライブシャフト ８ ケーブル ９ 可撓性基板 １０ 従来例のフレーム １１ 超音波振動子配列方向の超音波断層画像 １２Ａ 本発明における円周方向の超音波走査可能領域 １２Ｂ 従来例における円周方向の超音波走査可能領域 １３ 小片 １４ モータ １５ エンコーダ １６ 超音波振動子配列方向に直交する超音波断層画像 １７ 振動子ユニット １８ ハウジング １９ 超音波断層画像 ２０ 振動子 ２１ モータ ２２ 信号ケーブル ２３ 探触子本体部 ２４ 振動子部 ２５ 探触子 ２６ ケース ２７ パルスモータ ２８ ギヤクラッチ ２９ 回転軸 ３０ フレーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 隆 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番 １号 松下通信工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−106645（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−160443（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−192540（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−226024（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−282141（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−161649（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−30939（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−8496（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−128312（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−19431（ＪＰ，Ａ) 米国特許4543960（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の超音波振動子を備えた電子走査式
   の超音波トランスデューサを保持する素子固定ロータ
   と、前記素子固定ロータを回転可能に保持するフレーム
   と、前記素子固定ロータを回転駆動させる駆動装置とを
   具備し、前記フレーム及び前記素子固定ロータを中空パ
   イプ状とし、前記フレームが前記素子固定ロータの内部
   に挿入された２重パイプ状に構成することを特徴とする
   電子−機械走査の３次元走査用超音波探触子。
2. 【請求項２】前記３次元走査用超音波探触子は、前記超
   音波トランスデューサに接続され前記超音波トランスデ
   ューサへ入出力する電気信号を伝送するケーブルを具備
   し、前記ケーブルに可撓性基板を用い、前記素子固定ロ
   ータにゼンマイ状に巻き付けるようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の３次元走査用超音波探触子。
3. 【請求項３】前記駆動装置を回転数可変且つ任意の角度
   で停止することができる駆動力を有するサーボモータに
   より構成することを特徴とする請求項１または２記載の
   ３次元走査用超音波探触子。
4. 【請求項４】前記超音波振動子をリニアアレイ又はコン
   ベックスアレイで構成することを特徴とする請求項１乃
   至３のいずれかに記載の３次元走査用超音波探触子。