JP4472411B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断に用いる超音波探触子の技術分野に属する。

超音波を送受波する振動子ユニットを体内に挿入して超音波断層像を得る超音波探触子は、体内の腫瘍などの診断に用いられ、図５に示すように、振動子ユニットを内蔵する先端部と、先端部を体内の所定の位置まで挿入するための挿入部と、全体を把持して操作する把持部から構成される。

このような体内を診断する超音波探触子の構造は、先端部に複数の振動子が配列された振動子ユニットを内蔵し、挿入部および把持部には振動子ユニットと超音波診断装置とを電気的に接続する信号線群を有し、走査はモータを用いて振動子ユニットを機械的に走査するものが開発されている。

この機械的に走査する超音波探触子は、先端部に振動子ユニットとともに振動子ユニットを機械的に駆動する駆動機構を内蔵し、挿入部には先端部の駆動機構に駆動力を伝達する駆動伝達機構を内蔵し、把持部には駆動力を発生するモータを内蔵する構造である。

最近では、運動する体内の部位のリアルタイムで精細な超音波断層像を得る超音波探触子として、振動子ユニットを１秒間に数回往復揺動させる機械的走査を行なうものが開発され用いられている。

図５は、高速に揺動走査を行う従来の超音波探触子の構造を示す断面図であり、先端部２１には振動子ユニット８とそれを揺動させる揺動機構３２が内蔵されている。振動子ユニット８からは、図示されていない信号線群が出ており把持部２３の信号線群３６となって外部の超音波診断装置へと接続されている。振動子ユニット８は超音波窓３１を通して超音波の送受波を行なう。

先端部２１の揺動機構３２は、挿入部２２に内蔵されるシャフト１０の先端と連結され、シャフト１０は把持部２３のケース３７の内部のモータ９に連結される。モータ９は、回転方向が繰り返し反転するように電気的に制御されており、その回転力をシャフト１０によって揺動機構３２に伝えて揺動中心３３を中心として振動子ユニット８を矢印のように往復揺動させる（例えば、特許文献１参照）。

このようにモータを反転させると、回転子の慣性により固定子側に反転方向と逆向きの慣性反力がかかり、これを繰り返すことにより固定子側が反転周波数で振動を起すことになる。
この振動は、ケースやシャフトなどを通して超音波探触子の先端部まで伝わって先端部をも振動させることになるために、被検者へ不快感を与え、また、振動子ユニットによって形成される超音波ビームをも振動させて超音波断層像の画質を低下させてしまう。

このようなモータの反転振動の問題を解決する方法として、モータを反転駆動ではなく一方向に連続回転させて、その連続回転を探触子先端部の揺動機構によって揺動運動に変換して振動子ユニットを揺動させるというものが開発されて用いられている。

このモータの連続回転力を利用した一つの方法として、振動子ユニットの背面部に複雑な３次元曲面を有する摺動部と、振動子ユニットの中央部に揺動軸とを設けて、モータの駆動力によって一方向に連続回転する突起状部材を曲面摺動部に押し当てることによって振動子ユニットを揺動軸で揺動させるものがある（例えば、特許文献２及び３参照）。

また、モータの連続回転力を利用した他の方法として、振動子ユニットの背面部にある程度の自由度を有するようにしたロッドを設け、そのロッドの先端をロータの傾斜面に対し、ばねで押し付けるか或いは傾斜面に離脱防止用の溝を設けるなど離脱防止状態で滑り得るように連係し、モータの駆動力によって傾斜面を有するロータを回転させ振動子ユニットを揺動軸で揺動させるものがある（例えば、特許文献４参照）。
特開２００１−３２７４９９（図１、図２、図３） 特開平５−２３７１１３（図１） 特開２０００−２７１１２５（図２、図４） 特開平４−１６６１４０（第１図）

前述のとおりモータの一方向の連続回転駆動力を用いて振動子ユニットを揺動させる従来の超音波探触子は、その揺動機構として、振動子ユニットの背面部に極めて複雑な３次元曲面を形成したり、振動子ユニットの背面部にロッドを連結してその先端をロータの傾斜面に離脱防止状態で、滑り得るように連係させるなど複雑な構造としなければならなかった。

超音波探触子は、体内に挿入するもので、その先端部の直径は約３ｃｍ程度のものであり、先端部の内部の振動子ユニットや揺動機構の大きさは約２ｃｍ程度とする必要がある。
このように小さな振動子ユニットの背面部に複雑な３次元曲面を形成したり、ロッドを連結させて摺動させる溝を設けるためには極めて精細な加工技術が必要となる。

また、振動子ユニットの背面部に形成された３次元曲面の精度が悪い場合やロッドを連結して摺動させる溝にガタがある場合は、振動子ユニットの揺動が正確で円滑に行なうことができなくなり、超音波ビームの走査が不正確となり、鮮明な超音波映像が得ることができなくなってしまう。

さらに、診断する臓器は常に微小な動きをしている場合もあり、このような臓器の精細な超音波映像を取得するためには、振動子ユニットを高速で揺動させて超音波ビームを走査しなければならない。このように高速で揺動させた場合、複雑な３次元曲面や微細な摺動溝は磨耗が大きくなり、振動子ユニットの揺動が不正確となり不鮮明な超音波映像となってしまう。この対策として、高価な部材を頻繁に交換しなければならず、機材の運用維持のための経費が増大してしまう。

本発明が解決しようとする課題は、前述した従来の超音波探触子において、揺動機構として複雑な３次元曲面や微細な摺動溝を必要とする機構であるためにこれらの部材が高価になってしまうという問題と、高速な揺動による磨耗のために３次元曲面や摺動溝を有する高価な部材を頻繁に交換しなければならず、機材の運用維持経費が増大してしまうという問題を解消して、単純な形状で安価に製作できる部材と磨耗しにくい機構を用いた揺動機構を有する超音波探触子を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、下記の各手段を具備することを特徴とする。
（イ）間隔を置いて直線状に配置され、該直線に対して同じ直角方向に軸心を有する複数の回動軸
（ロ）前記各回動軸に中央部を回動可能に軸支されたアーム
（ハ）前記各アームの、回動軸両側において回動軸から同一距離の点同士を各アームが同じ向きになるように節連結する２本のリンク
（ニ）前記回動軸の配列方向を回動軸方向とし、この軸方向に対する平斜面を有し、この斜面を前記２本のリンクの端部に当接させて回動することにより、２本のリンクを互いに逆方向に平行往復運動させる回転斜面体
（ホ）２本のリンクの前記斜面と接する端部とは反対側の位置にあって、２本のリンクの端部と節連結され、２本のリンクの逆方向平行往復運動によって円弧状往復回動する振動子ユニット
（ヘ）一方向に回転するモータ
（ト）前記モータの回転力を回転斜面体へ伝達する回転力伝達手段

以上のように、本発明において、連続回転運動を繰り返し往復運動に変換するメカニズムとして、回転斜面体の平斜面と、回動軸、この回動軸に回動自在に軸支されたアーム、このアームと節連結された２本のリンクからなる対角変化自在の平行四辺形リンク機構とで、リンク機構の２本のリンクの端部を回転斜面体の平斜面に当接させ、斜面体を回転させることにより行っている。その利点は以下の通りである。

まず第１に、従来のものでは往復運動に変換するために摺動体に凹曲面を必要としたり（特許文献２の場合）、振動子ユニットの背面に、回転カム突起に対応する曲線カムを必要としている（特許文献３の場合）のに対し、本発明では単純な平斜面であるため構造が簡単で製造が簡単である。

第２に、特許文献４のものにおいては、ロッドを振動子ユニットの背面にある程度の自由度を有するように結合するとともに、その先端を、ロータ（回転斜面体）の傾斜面に対し、引く方向のとき離脱防止状態で滑り得るように連係させる構造（図示されてはいないが、例えばばねを用いて押し付けるとか、ロッドの先端に抜け止めボールを設け傾斜面に溝を設けてそこへ嵌め込むなどの構造）が必要であるのに対し、本発明では２本のリンクが互いに逆方向に連動して動くものであるから回転体の平斜面に２本のリンクの端部が接するように位置決め配置するだけで、回転中にリンクが平斜面から離れることはないという利点がある。
また、リンク機構の安定確実な動きを活用している利点が大きい。

本発明超音波探触子の揺動機構における、回動軸、アームの数は小型化を考えて２つとするのが最もよい。

また、診断する体内の臓器は、血管の脈流や肺の呼吸動の影響によって常に微小に動いているものであり、臓器の異常の早期発見のためには動いている臓器の精度の高い超音波映像が必要となる。このために、超音波ビームの走査速度、すなわち、振動子ユニットの揺動速度は、臓器の動きに対応した速度が最もよい。

このような揺動による振動を少なくするため、アーム、リンク、節連結部および回転斜面体などは、軽量合金やセラミックなどの材質を用いることが最良である。

さらに、本発明の２本のリンクの端部と回転斜面体の平斜面は、摺動するものであるから、この摺動を滑らか且つ低摩擦で行わせるため、平斜面の平面精度を上げることは勿論であるが、材料としては油含浸金属のような低摩擦金属或いはセラミックを用いるのが最良である。

図１は、本発明超音波探触子の実施例の構造を示す平面図であり、図２は側面図である。なお、図１及び図２は、図５に示す超音波探触子の中の振動子ユニット８と揺動機構３２とシャフト１０とモータ９を示したもので、特に、揺動機構３２のうちリンク機構と振動子ユニット８について詳細を示したものである。

図１に示すように２つの回動軸１ａ、１ｂが中心軸１４の上に設けられ、各回動軸にはそれぞれアーム２ａ、２ｂが取り付けられて、それぞれの回動軸を中心として各アームが自由に回動できるようになっている。なお、２つの回動軸１ａ、１ｂは、図１の平面図では中心軸１４の上であるが、図２の（ａ）の側面図に示すように中心軸１４の鉛直下方で基底部材１１に固定されている。

基底部材１１には、図２の（ａ）に示すように軸受け１２も固定されており、揺動機構３２全体を保持するために図５に示す樹脂ケース３４に取り付けられている。

各回動軸に取り付けられたアーム２ａ、２ｂのそれぞれの一方の端部には、図２の（ａ）に示すように節連結軸５ａ、５ｂが固定されている。なお、アーム２ａ、２ｂの他方のそれぞれの端部にも同様に節連結軸が固定されているが、節連結軸５ａ、５ｂの背部にあるため図示していない。

図２の（ａ）に示すようにアーム２ａ、２ｂのそれぞれに固定された節連結軸５ａ、５ｂの上部は、節連結部４ｃ、４ｄ及び４ａ、４ｂ（節連結部４ａ、４ｂは図１で図示）で２つのリンク３ａ、３ｂと連結している。

節連結部は、節連結軸を中心として軸に直角な平面上で自由に回転できるもので、節連結部及び節連結軸を通して連結されたアームとリンクは、人間の関節と同様に自由に折れ曲がることができるものとなっている。

以上のように、基底部材１１に固定された２つの回動軸１ａ、１ｂに取り付けられたアーム２ａ、２ｂと、各アームの両端に取り付けられた節連結軸および節連結部によって連結されたリンク３ａ、３ｂとからなる機構は、２つのリンク３ａ、３ｂが基底部材１１と平行な平面上で間隔を変えながら逆方向に平行往復運動をする。

図１に示すように、間隔を変えながら逆方向に平行往復運動するアーム２ａ、２ｂのそれぞれに一方の端部（図１では左端）には、上記の節連結部と同様の関節動作を行なうことができる節連結部４ｅ、４ｆが連結されて、これらの節連結部によって振動子ユニット８が保持されている。

以上示した機構によって、間隔を変えながら逆方向に平行往復運動するアーム２ａ、２ｂの動きが、揺動中心３３を中心として振動子ユニット８を円弧状往復回動させるものとなる。

図１および図２の（ａ）に示す回転斜面体６は、図２の（ｂ）に示す形状のもので、その斜面７は平斜面であり、振動子ユニット８と連結するアームの反対側の端部に接するように配置されている。また、この回転斜面体６は、軸受け１２で保持されたシャフト１０によってモータ９と連結されて、モータによって一方向に回転させられる。

図３及び図４は、本発明の超音波探触子の実施例の動作を示したもので、モータによって駆動された回転斜面体の回転動作と振動子ユニットの揺動の関係を図示したものである。
なお、図３及び図４の上段に示す（ａ）、（ｃ）は図１と同様の平面図であり、下段に示す（ｂ）、（ｄ）は図２の（ａ）と同様の側面図である。

図３の（ａ）、（ｂ）は回転斜面体の回転角度が０度、即ち、回転斜面体６の斜面が上向きで、リンク３ａ、３ｂが丁度平行になり、振動子ユニット８が中心軸１４の方を向いた場合、図３の（ｃ）、（ｄ）は回転斜面体の回転角度が９０度の場合、即ち、中心軸１４の向きで見て右回りに９０度回転した場合、図４の（ａ）、（ｂ）は回転斜面体６の回転角度が同じく１８０度の場合、図４の（ｃ）、（ｄ）は回転斜面体の回転角度が２７０度の場合を示したものである。

図３の（ａ）、（ｂ）に示す回転斜面体６の回転角度が０度の場合は、回転斜面体６の斜面に接するリンク３ａ、３ｂの端部は、中心軸１４に直角な平面上で並んだ状態となる。このため、振動子ユニット８の超音波ビーム軸１５は、図３の（ａ）に示すように中心軸と同一方向となる。

次に、図３の（ｃ）、（ｄ）に示す回転斜面体６の回転角度が９０度に回転した場合は、（ｃ）に示すように回転斜面体６の斜面によってリンク３ｂが押されて左方に移動して、振動子ユニット８の超音波ビーム軸１５が中心軸１４の上方向に移動する。

図４の（ａ）、（ｂ）に示す回転斜面体６がさらに９０度回転して回転角度が１８０度となった場合は、図３の（ａ）の回転角度が０度の場合と同様にリンク３ａ、３ｂの端部は、中心軸１４に直角な平面上で並んだ状態となり、超音波ビーム軸１５は図示のように中心軸１４と同一方向となる。

図４の（ｃ）、（ｄ）に示す回転斜面体６がさらに９０度回転して回転角度が２７０度となった場合は、回転斜面体６の斜面によってリンク３ａが押されて左方に移動して、振動子ユニット８の超音波ビーム軸１５は中心軸１４に対して下方向に移動する。

回転斜面体がさらに９０度回転すると、図３の（ａ）、（ｂ）に示す状態に戻り、超音波ビーム軸１５も中心軸１４と同一方向に戻ることになる。回転斜面体６の回転角度と超音波ビーム軸の移動角度との関係は、回転斜面体の１回転によって、超音波ビームが中心軸と同一方向から移動を始めて、上方向、中心軸方向、下方向、中心軸方向と１周期の揺動を行なうことになる。

以上のようにモータの一方向の回転による回転斜面体の回転によって振動子ユニットが揺動を繰り返すことになり、超音波ビーム軸が扇形状に移動して扇形状の走査を行うことになる。

また、図３の（ｃ）に示すように回転斜面体が９０度回転してリンク３ａ、３ｂの端部に接する斜面の角度が最大となった場合、超音波ビーム軸１５の中心軸１４からの角度が、同様に最大で、回転斜面体の斜面の角度と同一となる。従って、本発明の機構の場合は、超音波ビームの走査幅は、常に回転斜面体の斜面の角度の２倍になるという特徴を持つことになる。

このような特徴を有しているために、要求される超音波ビームの走査幅を実現する揺動機構を設計することが極めて容易となり、また、超音波ビームの走査幅の異なるものを設計製作する場合に回転斜面体だけを変更し、振動子ユニット、アーム及びリンクなどは同一ものが使用できるために、部材の共通化が図れるという効果をもたらすことになる。

本発明の超音波探触子の実施例の構造を示す平面図である。 本発明の超音波探触子の実施例の構造を示す側面図と回転斜面体の斜視図である。 本発明の超音波探触子の実施例の動作を示す平面図と側面図である（回転斜面体の回転角度が０度と９０度の場合）。 本発明の超音波探触子の実施例の動作を示す平面図と側面図である（回転斜面体の回転角度が１８０度と２７０度の場合）。 従来の超音波探触子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 回動軸
２ａ、２ｂ アーム
３ａ、３ｂ リンク
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ 節連結部
５ａ、５ｂ 節連結軸
６ 回転斜面体
７ 斜面
８ 振動子ユニット
９ モータ
１０ シャフト（回転力伝達手段）
１１ 基底部材
１２ 軸受け
１４ 中心軸
１５ 超音波ビーム軸
２１ 先端部
２２ 挿入部
２３ 把持部
３１ 超音波窓
３２ 揺動機構
３３ 揺動中心
３４ 樹脂ケース
３５ 軸受け
３６ 信号線群
３７ ケース

Claims (1)

1. 下記の各手段を具備することを特徴とする超音波探触子。
   （イ）間隔を置いて直線状に配置され、該直線に対して同じ直角方向の軸心を有する複数の回動軸
   （ロ）前記各回動軸に中央部を回動可能に軸支されたアーム
   （ハ）前記各アームの、回動軸両側において回動軸から同一距離の点同士を各アームが同じ向きになるように節連結する２本のリンク
   （ニ）前記回動軸の配列方向を回動軸方向とし、この軸方向に対する平斜面を有し、この斜面を前記２本のリンクの端部に当接させて回転することにより、２本のリンクを互いに逆方向に平行往復運動させる回転斜面体
   （ホ）２本のリンクの前記斜面と接する端部とは反対側の位置にあって、２本のリンクの端部と節連結され、２本のリンクの逆方向平行往復運動によって円弧状往復回動する振動子ユニット
   （ヘ）一方向に回転するモータ
   （ト）前記モータの回転力を回転斜面体へ伝達する回転力伝達手段
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images