JP4482285B2

JP4482285B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4482285B2
Application number: JP2003091983A
Authority: JP
Inventors: 博之村松
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004298249A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に係わり、詳細には、生体内の脂肪層の厚みや血管の弾性率のように健康の診断や管理の目安になる情報を超音波を用いて求めるようにした超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波を用いて生体の体内の情報（脂肪の厚み、血管の弾性率、血管の形状など）を求めようとするときには、皮膚での超音波の反射を抑制して超音波が体内に効率よく伝搬されるように、超音波診断装置に使用される超音波センサと皮膚との間にオイル状の液体を介在させるようにしている。すなわち、皮膚にオイル状の液体を塗布して超音波センサを皮膚に密着させているのである。
【０００３】
オイル状の液体を皮膚に塗布する場合、塗布作業が面倒であり、また被診断者にはべた付きなどの不快感が生じるという問題点がある。
【０００４】
そのため、近年、オイル状の液体を皮膚に塗布する必要のない超音波診断装置が提案されている。図１１に従来の超音波診断装置の超音波センサ部の側面図を示す。図１１は従来の超音波診断装置に関わる超音波センサＡＡであり、以下で詳細な説明を行う。
【０００５】
超音波振動子１１１は、金属などのパッケージ２００ｂに納装され、超音波センサＡＡを構成する。パッケージ２００ｂには、超音波振動子１１１の前方に対応する部位に開口窓２００Ｃが形成されている。さらに、開口窓２００Ｃにはキチン質の人工皮膜４００が覆着され、パッケージ２００ｂと人工皮膜４００によって密封された空間内には超音波振動子１１１を浸漬する超音波伝達用液体５００としてシリコンオイルが充填されている。
【０００６】
超音波振動子１１１は、振動エレメント１４ａ、１４ｂによって構成されており、いずれかを送信用として振動させ、開口窓２００Ｃより生体内に超音波を送信し、他方の振動エレメントで生体内より反射してきた超音波を受信する。
【０００７】
このような構成とすることで、皮膚への密着部位には皮膚に類似した成分からなる人工皮膜４００を用いることで、オイル状の液体を用いなくとも皮膚との密着度を高めて超音波に位相のずれが生じないようにすることができる。結果として、オイル状の液体を皮膚に塗布する必要がなくなる（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、図１２は、センサと皮膚の間に生体と密着性を有する樹脂層（密着層）を設けた超音波センサの例である。
【０００９】
超音波センサ３００と皮膚との間に密着層５００を設け、シリコンジェルなどの液体を塗布することなく超音波の送受信を可能としている。この密着層として、ヤング率で１．０×１０^５〜３．０×１０^７[ｄｙｎｅ／ｃｍ^２]という柔らかいシリコンゴムなどを使用していた（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−２８９５５４（第３−４頁、第１図）
【００１１】
【特許文献２】
特開２００２−１３６５１５（第６−７頁、第５−６図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に空気層が超音波振動子と皮膚の間に存在すると、空気層で超音波が減衰し、所望の情報を得ることができなくなる。
【００１３】
上記従来例では、シリコンオイルをパッケージ内に注入し、開口窓に人工皮膜で蓋をした構造とした場合、以下の問題点があった。
【００１４】
１、シリコンオイルをパッケージ内に注入する際に、空気などの泡が混入すると、泡で超音波が減衰するため、泡が入らないようにパッケージを密閉する必要があり、製造が困難であった。
【００１５】
２、皮膚のしわなどに沿って密着させるためには、人工皮膜として、人体の皮膚と同程度、あるいは皮膚よりも柔らかい材質を使用する必要があるが、このような材質でパッケージを密閉すると、使用中に人工皮膜に穴が空きやすく、耐久性に問題があり、長期間使用することが困難であるといった問題点があった。
【００１６】
３，シリコンオイルなどの液体は一般的に熱膨張率が高く、使用中に膨張し、シリコンオイルが漏れる、あるいは超音波の伝搬経路が変化し、生体内部の正確な情報を得ることが困難となる。
【００１７】
４、また、皮膚とセンサの間に皮膚と密着性を有する樹脂層を設けた場合においては、密着層の材質は超音波の減衰を考慮すると極めて柔らかいものとならざるを得ず、取り付け、取り外しなどの際に、密着層を破損してしまうなど、取り扱いが非常に困難であった。
【００１８】
５、取り扱いを容易にするため、超音波センサより大きい密着層を先に生体に密着させる場合、バンドの内側などに超音波センサを設けて皮膚に固定すると、生体の動きによるバンドの振動が直接密着層に伝わってしまい、バンドによってこすれて密着層が破損する原因となっていた。
また、使用時に被測定部位(血管など)にセンサを位置合わせする際、バンドによってこすれて密着層が磨耗する恐れがあった。
【００１９】
６、使用中に汗をかいたり、埃などがついた場合、密着層が皮膚から剥離しやすくなり、ノイズの原因となっていた。
【００２０】
７、密着層の強度を向上させるため、密着層の片面、あるいは両面にフィルムなどの保護膜を設けると、保護膜との界面で超音波の反射が生じ、感度が著しく低下するという問題点があった。
【００２１】
そこで、本発明は、オイル状の液体（ジェル）を密閉あるいは皮膚と超音波センサとの間に介在させることなく、製造が容易で、長期間使用可能であり、皮膚との密着性を向上させ、効率的に超音波を生体内に送信、生体内から受信させることで感度向上を図った超音波診断装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による超音波診断装置は、超音波センサと、超音波センサを駆動する駆動回路と、超音波センサによる出力を検出する検出部を有し、超音波センサと生体の間に超音波を伝播させやすく、また生体および超音波センサに対して密着性を有する部材（以下、密着材）を有する超音波診断装置において、密着材の超音波センサとの接触面側に保護部材を取り付け、保護部材に開口部を設ける構成とした。
【００２３】
このような構成とすることで、密着材の超音波伝播効果を維持しつつ、密着材の機械的強度を補強することができる。それに伴い、密着材の取り付け、取り外しを容易に行うことができる。
【００２４】
また、本発明による超音波診断装置は、保護部材は密着材よりその面積が大きく、さらに密着材との接触面側が粘着性を有し、使用時に保護部材の一部が生体に対して貼り付けられ、密着材を生体に対して保持固定するものである。このような構成にすることによって、密着材の機械的強度を補強しつつ、適切に生体に固定することができ、取り扱い性が容易で、低ノイズ、高感度な超音波診断装置を提供することができる。
【００２５】
また、本発明による超音波診断装置は、保護部材が可撓性を有する部材であってもよい。保護部材が可撓性であることにより、密着材を保護すると同時に駆動回路と生体とを電気的に接地させる（人体アースをとる）ことができるようになり、超音波信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【００２６】
更に、保護部材が、導電性を有するゴム材であっても構わない。例えば、導電性を有するシリコンなどである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１〜図７を参照して本発明の超音波センサを使用した、超音波診断装置の１実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
先ず、図１〜図２を参照して、超音波診断装置１の外観について説明する。図１は、本発明を適用した超音波診断装置１の外観上の構成を示す側面図であり、図２は、図１に示した超音波診断装置１を生体２（腕）に装着した状態を示す図である。
【００２９】
図１に示すように、超音波診断装置１は、処理部３、超音波センサ４、バンド５、及び止め金具６によって概略構成されており、図２に示すように、超音波診断装置１は、生体２に装着することにより常時携帯可能である。ここで、処理部３及び超音波センサ４は、バンド５に取り付けられており、バンド５及び止め金具６によって生体２（図中の破線部）に装着される。この時、超音波センサ４は、生体２の橈骨（とうこつ）動脈あるいは尺骨動脈付近（図示省略）に当接される。また図示しないが、処理部３と超音波センサ４は導線により接続されており、この導線を介して処理部３から駆動用電圧信号が超音波センサ４に入力され、超音波センサ４で測定された電圧信号が処理部３に入力される。
【００３０】
次に、図３を参照して超音波診断装置１の処理部３について説明する。図３は、処理部３の内部構成と、処理部３と超音波センサ４の接続状態を示すブロック図である。図３に示すように、処理部３は、演算処理部３１、駆動回路３２、及び表示部３３によって概略構成されている。
【００３１】
演算処理部３１は、内部に備えた記憶領域（図示省略）に記憶されている処理プログラムを実行することによって、脈の検出に関する各種処理を実行し、その処理結果を表示部３３に表示する。演算処理部３１は、脈測定時に、駆動回路３２から超音波センサ４の送信用圧電素子４１（詳細は後述）に特定の駆動用電圧信号を出力させる。また、演算処理部３１は、送信用圧電素子４１から発せられた超音波の周波数と、受信用圧電素子４２で受信され血流のドップラ効果により変化した超音波の周波数と、を比較して脈波を検出する。
【００３２】
駆動回路３２は、演算処理部３１の指示に従って、特定の駆動用電圧信号を超音波センサ４の送信用圧電素子４１に出力する。表示部３３は、液晶表示画面等によって構成されており、演算処理部３１から入力される脈波検出結果等を表示する。
【００３３】
次に、図４、図５を参照して、超音波診断装置１の超音波センサ４について説明する。図４は、超音波センサ４の構成を示す概要図であり、図５は、密着層５０を側面から見た図である。
【００３４】
図４に示すように、超音波センサ４は、送信用圧電素子４１、受信用圧電素子４２、基板４４、整合層４８によって概略構成されている。ここで、送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２の厚み方向の両面には、図示しない電極が形成されている。図示しない導線により、送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２の厚さ方向に電圧を印加する事が可能である。
【００３５】
また、送信用圧電素子４１は、図示しない両面の電極が処理部３の駆動回路３２と導線によって接続されている。そして、送信用圧電素子４１の両面に設けられた電極に、駆動回路３２から特定の駆動用電圧信号が印加されると、送信用圧電素子４１は、励振して特定周波数の超音波を発生し、生体内（図６の２ａ参照）に送信する。本実施の形態では９．６ＭＨｚで励振させた。
【００３６】
受信用圧電素子４２は、その両面に設けられた電極が処理部３の演算処理部３１と導線によって接続されている。受信用圧電素子４２は、生体から超音波を受信すると、この超音波を電圧信号に変換し、処理部３の演算処理部３１に出力する。
【００３７】
尚、送信用圧電素子４１と受信用圧電素子４２に、同一の圧電素子を使用してもよい。また、これら圧電素子４１，４２の形状については任意であり、送信用と受信用に形状の異なる圧電素子を使用してもよい、さらに送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２は、それぞれ複数個設置することも可能である。
【００３８】
本実施の形態では、送信用圧電素子４１、受信用圧電素子４２として厚さ０．２ｍｍ（共振周波数９．６ＭＨｚ）、外形０．６５×８ｍｍのＰＺＴを、基板４４は厚さ１．０ｍｍ、外形８×１２ｍｍのガラスエポキシ基板を使用した。
【００３９】
次に、図３及び図６、図７を参照して、超音波診断装置１における処理部３及び超音波センサ４の動作について説明する。図６は本実施の形態の超音波診断装置の超音波センサ４と生体２との配置関係を示した図である。図７は超音波センサ４を生体２に押し当てた状態をセンサ断面方向から見た図である。
【００４０】
先ず、生体２に超音波診断装置１を装着すると（図６では超音波センサ４のみ記載）、図７に示すように、密着層５０を介して超音波センサ４が生体２（の橈骨（とうこつ）動脈あるいは尺骨動脈付近）に当接される。そして、脈の検出時に、図３に示す演算処理部３１は、駆動回路３２から送信用圧電素子４１の両面に設けられた電極に特定の駆動用電圧信号を出力させる。
【００４１】
送信用圧電素子４１は、両面に設けられた電極に入力された駆動用電圧信号に基づいて励振し超音波を発生し、該超音波を生体２（図７参照）内に送信する。生体２内に送信された超音波は動脈内の血流２ａにより反射され、超音波センサ４の受信用圧電素子４２により受信される。受信用圧電素子４２は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両面に設けられた電極から演算処理部３１に出力する。
【００４２】
次に、演算処理部３１は、送信用圧電素子４１から送信された超音波の周波数と、受信用圧電素子４２で受信され血流のドップラ効果により変化した超音波の周波数と、を比較して生体の脈波を検出する。そして、演算処理部３１は、脈波の検出結果を表示部３３に表示する。このようにして、超音波診断装置１は、生体の脈波を測定・表示する。
【００４３】
次に本実施の形態の超音波センサ４の製造方法について、図４を用いて説明する。送信用圧電素子４１及び受信用圧電素子４２はアルミ、Ａｕなどの金属を真空蒸着等をすることで両面に電極を形成し、外形をダイシングなどにより切断する。
【００４４】
基板４４と送信用圧電素子４１、受信用圧電素子４２を接着剤などにより固定する。さらに、送信用圧電素子４１に設けられた両面電極は図示しない配線により、図３の処理部３の駆動回路３２に接続され、受信用圧電素子に設けられた両面電極は演算処理部３１に接続される。
【００４５】
次に、送信用圧電素子４１、受信用圧電素子４２の上面に整合層４８を設けて超音波センサ４を形成する。
【００４６】
次に、整合層４８の材質について説明する。整合層４８は、エポキシ系樹脂またはシリコン系樹脂からなり、送信用圧電素子４１、受信用圧電素子４２の保護と、生体２と各圧電素子４１，４２との間で効率良く超音波を伝搬させる効果がある。
【００４７】
生体２と各圧電素子４１，４２との間で効率良く超音波を伝搬させるためには、整合層４８の音響インピーダンスを、生体の音響インピーダンスＺｌと圧電素子の音響インピーダンスＺｃとの間の値にする必要がある。音響インピーダンスとは、音波の伝搬のしやすさを示す値であり、その値は材料のヤング率や密度によって変化する。
【００４８】
そして、図４に示す構成を有する超音波センサ４において、整合層４８の理想的な音響インピーダンスＺｍは、
Ｚｍ＝（Ｚｃ×Ｚｌ）^1/2 ・・・式（１）
によって示すことができる。そして、式（１）に、公知であるＺｌ＝１．５×１０6（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ³ ）、Ｚｃ（ＰＺＴを使用）＝３０×１０6（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ³ ）を代入すると、Ｚｍ＝約６．７×１０6（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ³ ）となる。
【００４９】
また、整合層４８の基板４４の厚さ方向の圧電素子４１，４２の上面からの厚さは、薄いほど良く、本実施の形態のような構成では、１００μｍ以下が適当である。熱あるいは紫外線硬化性の樹脂をスピンコートあるいは、バーコートにより基板４４上に塗布し、熱あるいは紫外線で樹脂を硬化させることにより整合層４８を形成することで、一定の厚さで均一に整合層４８を配置することができる。
【００５０】
以上から、本実施の形態では、整合層４８に、音響インピーダンスが約３×１０6（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ³ ）であるエポキシ系の樹脂を厚さ１００μｍで塗布して使用している。
【００５１】
次に密着層５０の材質について説明する。
【００５２】
生体２と超音波センサ４の間に空隙が存在すると、超音波が空隙で減衰するため、感度が著しく低下する。そのため、密着層５０の材質は、生体２と粘着性を持つ材質が望ましい。さらに、生体２がしわなどの微小な凹凸を持つ場合があるため、微小な凹凸に密着する必要があることから柔らかいことが望ましい。しかし、柔らかすぎると、使用時に破損しやすくなり、耐久性に問題が生じたり、さらに一定の形状に形成することが困難といった問題点が生じる。
【００５３】
皮膚に密着するためには、密着層５０の材質は、皮膚と同程度か皮膚より柔らかい必要があり、本実施の形態では、密着層５０の材質として、シリコンゲルを使用した。密着層５０の厚さとしては、薄いほど良いが、薄すぎると、強度上問題があるため、ある程度の厚さは必要であり、本実施の形態の場合、１．０ｍｍとした。
【００５４】
以上のように、超音波を伝播させやすく、空気層の介在を防ぐため密着性を有する部材（シリコンゲルなど）は、機械的強度が低く、前述の通り１．０ｍｍ程度の厚さであると、密着層の取り付け、取り外し時に密着層５０に亀裂が生じるなどの破損を起こすことがあった。
一方、密着層５０の上下面などの全面にフィルムなどを貼り付けて強度を向上させようとすると、フィルム層によって超音波が反射、減衰され、十分な信号強度が得られなかったり、皮膚との密着性が悪くなるため、運動時などで密着層がずれ、これがノイズとなって超音波のＳ／Ｎ比を著しく低減してしまう恐れがあった。
【００５５】
そこで、図５に示すように密着層５０をシリコンゲルなどの密着材５１と保護部材５２の二体構造とすることでこの問題を解決した。密着材５１はシリコンゲルなどの柔らかく、皮膚と密着性を有する材質であり、保護部材５２はＰＥＴなどの可撓性を有する部材である。保護部材５２に開口部５３を開けて、密着層５０とする。測定時には、開口部５３に合わせて超音波センサ４を押し当てる。（図７参照）
このような構造とすることで、保護部材５２によって密着材５１の強度を補強しつつ、所望の超音波送受信感度を得ることが可能となる。さらに、密着材５１の生体２との接触面には保護部材等が存在しないため、密着材５１は皮膚と全面で密着することができ、運動時などで密着層５０に衝撃が加わっても密着層５０が剥離する恐れがなく、運動ノイズにも強い構造とすることが可能である。また、図１のようなバンド５で超音波センサ４を固定する場合、バンド５の内面で密着層５０がこすれても、バンドと接する部分については保護部材５２が密着材５１を保護しているため、密着材５１の表面を削り取る恐れもない。
【００５６】
なお、本実施の形態の詳細な部分については、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施の形態では圧電素子の励振周波数を９．６ＭＨｚとしたが、共振周波数８ＭＨｚ程度の圧電素子を利用して、励振周波数を８ＭＨｚ程度としても特に問題はない。
【００５７】
本実施の形態では、超音波診断装置１を使用して生体の脈に関する情報を測定したが、送信波と受信波の位相差を検出するなどして、皮下脂肪や内臓の脂肪の厚みなど人体内の脂肪層の厚みを測定したり、血管の形状や弾性率も測定することも可能であり、この場合、処理部３及び、超音波センサ４の保持構造などを適宜変える必要がある。
【００５８】
＜実施の形態２＞
本発明の超音波診断装置に関わる超音波センサの１実施の形態について図８、図９を用いて説明する。本実施例は、密着層５０の構成を若干変更したものであり、その他の構成（バンド、処理部など）については実施の形態１と同じものを使用した。
【００５９】
以下に本実施例で使用した密着層５０の構成について説明する。図８（ａ）は密着層５０の構成を示した説明図であり、実際の使用時には図８（ｂ）のようにして用いられる。
【００６０】
図９はこの密着層５０を生体２に取り付けて使用した場合の説明図である。
【００６１】
図８（ａ）において、密着材５１は密着材５１より小さい開口部５３が形成されたフィルム状の保護部材５２に開口部５３と位置を合わせて固定された構造である。保護部材は密着材５１との接触側の面に粘着材などが塗布されたテープであり、図９のように生体２に取り付ける際、保護部材５２の粘着力によって貼り付けられることになる。このような構成にすることによって、運動などをした場合でも保護部材５２によって密着材５１が強固に生体２に対して固定されることになるため、運動ノイズが重畳しにくく、さらに密着層の強度を向上させることが可能となる。さらに、穴の開いたテープとシリコンゲルなどの密着材を使用するだけなので、非常に安価に密着層を製造することができる。
【００６２】
また、密着層５０の保護部材５２を導電性のシリコンゴムなどにすることにより、処理部と生体２の接地を取ることができ、電気的なノイズを除去することが可能となり、Ｓ／Ｎ比を向上させることができた。また、外乱からの電気的なノイズを除去する効果もあり、さらにＳ／Ｎ比を向上させることができた。
【００６３】
＜実施の形態３＞
本発明の超音波診断装置に関わる超音波センサの１実施の形態について図１０を用いて説明する。
図１０は開口５３を開けた保護部材５２において、さらに密着材５１の側壁を保護するように凹型に改良した実施例である。その他の構成（バンド、処理部など）については実施の形態１と同じものを使用した。
このような構成とすることで、さらに密着層の強度を向上させつつ、所望の超音波送受信強度を確保することが可能となった。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の超音波診断装置によれば、
１、取り付け、取り外し、使用時において密着層の耐久性を向上させ、取り扱いを容易なものとすることができる。
２、生体に対して密着層を強固に取り付けることが可能となるため、耐運動ノイズ性を向上させることができる。
３、保護部材として導電性のゴムを使用することにより、人体アースを取ることが可能となるので、信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
４、密着層を安価に製造することができる。
以上のような効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した超音波診断装置の構成を示す外観図である。
【図２】本発明の超音波診断装置を生体（腕）に装着した状態を示す外観図である。
【図３】処理部の内部構成と、超音波センサとの接続状態を示すブロック図である。
【図４】本発明による超音波診断装置の超音波センサの構成を示す図である。
【図５】密着層の説明図である。
【図６】超音波センサが生体に当接された状態を示す図である。
【図７】超音波センサが生体に当接された状態を示す図である。
【図８】密着層の説明図である。
【図９】超音波センサが生体に当接された状態を示す図である。
【図１０】密着層の説明図である。
【図１１】従来の超音波診断装置の超音波センサを示す説明図である。
【図１２】従来の超音波診断装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１超音波診断装置
２生体
２ａ血流
３処理部
１４ａ振動エレメント
１４ｂ振動エレメント
３１演算処理部
３２駆動回路
３３表示部
３４初期検出時データ記録部
４超音波センサ
４１送信用圧電素子
４２受信用圧電素子
４４基板
４８整合層
５０密着層
５１密着材
５２保護部材
５３開口部
ＡＡ超音波センサ
１１１超音波振動子
２００ｂパッケージ
２００Ｃ開口窓
３００超音波センサ
４００人工皮膜
５００超音波伝達用液体
５バンド
６止め金具

Claims

超音波センサと、前記超音波センサを駆動する駆動回路と、前記超音波センサによる出力を検出する検出部とを有し、前記超音波センサと生体の間に前記生体および前記超音波センサに対して密着性を有する密着材を設けた超音波診断装置において、
前記密着材は、前記生体と密着する第１面と、前記第１面と対向し前記超音波センサと密着する第２面とを有し、
前記第２面には開口部を有するとともに可撓性を有する保護部材を設けて前記密着材の強度を補強し、前記開口部に前記超音波センサを設けて前記超音波センサを前記密着材に押し当てたことを特徴とする超音波診断装置。
前記保護部材の前記第２面との接触面の外周は、前記第２面の外周よりも大きく、前記接触面は粘着性を有し、
前記保護部材の一部は前記粘着性により前記生体に対して貼り付けられることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記保護部材は、導電性を有するゴム材であることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の超音波診断装置。