JP4523700B2 - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波探触子及び超音波診断装置、特に、超音波振動子が液状の音響整合材と共に、ケース内に収納されているタイプの超音波探触子の改良、及びその超音波探触子を接続可能な超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、生体内に超音波を放射して前記生体からの反射してくる超音波を受信することにより、画像情報を取得して生体内部の超音波画像を形成し観察する超音波診断装置が広く普及している。超音波診断装置には、実際に超音波の送受波を行う超音波振動子を含む超音波探触子が接続されるが、この超音波探触子は診断対象部位によって、様々な形態、形状、サイズを有し、適宜使い分けられている。例えば、図３に示す超音波探触子１００は、経食道探触子であり、経口によって食道壁から心臓等の超音波画像を得るための探触子である。図３において、体腔内に挿入される先端部１０２は、複数の超音波振動子を配列した振動子アレイ部１０４の超音波送受面側から見たものである。そして、先端部１０２は体腔外から当該先端部１０２の位置や向きを操作する操作部１０６に、挿入部１０８を介して接続されている。前記挿入部１０８内には、超音波振動子の超音波送受を行うための信号線や振動子アレイ１０４をメカニカルに駆動するためのワイヤ等が挿通されている。この挿入部１０８は柔軟であり、挿入される例えば食道等の体腔に沿って屈曲可能であり、先端部１０２の挿入時の被検者の肉体的、精神的不快感を軽減しつつ、目的とする診断位置に先端部１０２を容易に到達させることができる。例えば挿入部１０８は操作部１０６のダイアル１０６ａ，１０６ｂでの操作により先端部１０２を上下、左右に屈曲可能であり、振動子アレイ１０４の超音波送受面を適切な位置で適切な方向に向けることができる。
【０００３】
ところで、超音波探触子の超音波振動子は駆動時に発熱することが知られている。前述したように超音波探触子は生体に直接接触させるため、接触させた時に生体組織に熱傷を与えないように配慮する必要がある。従来の超音波探触子は、駆動時の探触子表面温度が所定温度（例えば、４１℃）以下になるように温度制御が行われている。この温度制御は、例えば、設計段階で駆動時の表面温度が所定温度を越えないように、超音波振動子を駆動する駆動制御部のチューニングを行ったり、駆動時の超音波振動子や当該超音波振動子の超音波送受面に配置される音響レンズの表面温度を測定し、所定温度を越える場合に、超音波振動子の駆動を停止したりすることにより行い、生体組織の熱傷を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、超音波探触子の表面温度は、使用時の周囲温度や生体温度等、使用状況により変化してしまう。前者のように設計時のチューニングにより表面温度管理を行う場合、チューニングにより設定された温度と実際の温度との間に誤差が生じる。この場合、使用状態が高温側にシフトした場合（周囲温度や生体温度等が想定される平均温度より高い場合）の安全性を考慮して前記チューニングは、より低温側に設定する必要があり、通常状態（周囲温度や生体温度が想定される平均温度以下の場合）においては、超音波振動子の駆動を効率的かつ最適状態で行うことができないという問題が生じる。この場合、形成される超音波画像の品質に制限を与えてしまうという問題も生じる。
【０００５】
また、後者のように、駆動時の超音波振動子の表面温度を測定する場合、超音波画像形成のために超音波振動子がメカニカル走査される場合、超音波振動子や音響レンズが移動するため直接センサを設けることは困難である。さらに、超音波振動子や音響レンズに直接センサを配置すると、配置したセンサが形成される超音波画像に映り込んでしまったり、ノイズの原因になるおそれがあり、形成する超音波画像の品質低下を招くという問題がある。また、単一のセンサで振動子アレイや音響レンズ全体の温度を測定することは、困難であり、信頼性のある温度測定を行うためには、複数のセンサを設ける必要がある。その結果、構造の複雑化、超音波探触子の大型化、コストの増加等を招いてしまうという問題を有する。つまり、シンプルな構成で信頼度の高い温度管理を行うことができないという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、超音波探触子の駆動時の表面温度をシンプルな構造で、高信頼度で検出することのできる超音波探触子を提供することにある。また、高信頼度温度検出が可能な超音波探触子を接続し、最適条件で超音波探触子の駆動を行うことのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明は、食道に挿入される経食道超音波探触子において、生体内に超音波を放射して前記生体から超音波の反射波を受信する複数の振動素子からなるアレイ型超音波振動子と、前記超音波振動子を内包するケースであって、前記超音波振動子の送受波面に対向する内面と前記生体に接する外面とを備えた超音波透過部を有する振動子ケースと、操作部に設けられたダイヤルの操作によるトルクを受けることにより、前記振動子ケース内において前記超音波振動子の送受波面を前記超音波透過部の内面に対向させつつ所定の回転軸の回りで前記超音波振動子を回転させるメカニカル走査機構と、前記振動子ケース内における前記超音波振動子の超音波送受面と前記超音波透過部の内面との間の微小間隙を含むケース内空間に満たされた液状の音響整合材と、前記振動子ケースにおける側壁の内で超音波透過経路である前記微小間隙の側方であって前記操作部側の位置に、温度を検出するセンサ部を音響整合材中に浸けた状態で固定され、前記音響整合材の温度を検出する温度検出センサと、を含むことを特徴とする。
【０００８】
ここで、液状の音響整合材とは、粘度の高いゲル状の物質から粘度の低い油等、流動性を有する物質である。
【０００９】
この構成によれば、超音波振動子の超音波送受面と超音波透過部の内面との間に満たされた液状の音響整合材の温度を測定することにより、超音波送受信に影響を与えることなく、超音波探触子の表面近傍の温度測定が可能になり、信頼度の高い超音波探触子の温度管理を行うことができる。また、音響整合材は流動可能な液状なので、音響整合材の温度の均一化が容易で、音響整合材の任意の位置の温度を音響整合材全体の温度と見なすことが可能になり、シンプルな構成で信頼度の高い温度管理を行うことができる。
【００１０】
上記のような目的を達成するために、上記構成において、前記超音波振動子は、メカニカル走査機構に支持され、前記温度検出センサは、メカニカル走査によって流動した音響整合材の温度を検出することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、超音波振動子のメカニカル走査により液状の音響整合材が流動・攪拌され、音響整合材の温度分布を容易に均一化することができる。その結果、別途音響整合材の流動手段を設けることなく、信頼度の高い温度測定を容易に行うことができる。
【００１２】
上記のような目的を達成するために、上記構成において、前記温度検出センサは、前記超音波振動子の超音波透過経路から外れた位置に配置され、前記音響整合材の温度を検出することを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、超音波振動子の超音波送受信に影響を与えることなく、つまり、温度検出センサの存在が取得する超音波画像のノイズ要因になることなく、音響整合材の温度を検出することができる。
【００１４】
上記のような目的を達成するために、上記構成において、前記温度検出センサは、前記振動子ケースの側方内壁面でセンサ部を音響整合材中に浸けた状態で固定されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、超音波振動子の走査動作を阻害することなく音響整合材の温度を安定的に検出することができる。
【００１６】
上記のような目的を達成するために、上記構成の超音波探触子を接続可能な超音波診断装置であって、前記温度検出センサの検出情報に基づいて、前記超音波振動子の温度制御を行う制御部を有することを特徴とする。
【００１７】
ここで、制御部とは、超音波振動子の駆動パワーを制御し、実質的な超音波振動子の温度制御を行うものであり、超音波振動子の駆動パワーの増減及び停止制御を含む。
【００１８】
この構成によれば、検出温度に基づく効率的かつ最適な状態での超音波探触子の駆動を行うことが可能になり、高品質の超音波画像を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。なお、本実施形態の超音波探触子は、先端部の内部構造が図３に示す従来の超音波探触子１００と異なるのみで、外形形状は、超音波探触子１００と略同一であるため、外形形状や全体構造の説明に関しては、図３を流用し、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
図１は、本実施形態の超音波探触子１０の先端部１２の内部構造の概略断面図であり、複数の超音波振動子（圧電振動素子）を配列した振動子アレイ部１４の超音波送受面１４ａに垂直な面に沿った構造を表す縦断面図である。なお、図１に示す超音波探触子１０は、振動子アレイ部１４が紙面上下方向に延びる回転軸（不図示）の回りを回転し、三次元の超音波画像を形成するものである。
【００２１】
前記振動子アレイ部１４の超音波送受面１４ａの前面には、音響整合層となり音響レンズ等の機能も果たすシリコンレンズ１６が接着される。このシリコンレンズ１６、まず、振動子アレイ部１４に接着し、次に振動子ホルダ１８ａに組込み接着する。さらに振動子ホルダ１８ａがプーリー１８に接着される。そして、プーリー１８をステータ２２に対して回転自在になるように固定配置する。また、前記振動子アレイ部１４を構成する各超音波振動子に接続された信号線２０ａは振動子ホルダ１８ａの中を通して、プーリー１８の他面側、すなわち、超音波送受面１４ａの反対側に引き出されると共に束ねられ、信号ケーブル２０として、図３における挿入部１０８及び操作部１０６を介して後述する超音波診断装置に導かれ電気的に接続される。
【００２２】
前述したように、前記プーリー１８は、後述する探触子ケースに対して固定的に配置されるステータ２２に回動自在に支持されている。本実施形態の場合、プーリー１８は、メカニカル走査機構として、挿入部１０８及び操作部１０６の内部に挿通された駆動用ワイヤ２４の動作に基づくトルクを受けることにより所望の方向に所定量回動する。この時のトルク制御は操作部１０６のダイアル１０６ａ，１０６ｂの操作に基づいて決定され、プーリー１８が振動子アレイ部１４及びシリコンレンズ１６と共に回動する。また、プーリー１８には、駆動用ワイヤ２４とは別に、プーリー１８の回動角度を検出する角度検出用ワイヤ２６が取り付けられている。この角度検出用ワイヤ２６は、駆動用ワイヤ２４と同様に、挿入部１０８を通って操作部１０６まで延びている。なお、駆動用ワイヤ２４及び角度検出用ワイヤ２６ともに、プーリー１８の両方向の回転に対応できるように、それぞれプーリー１８と操作部１０６との間を往復して渡されている。例えば、操作部１０６から駆動用ワイヤ２４の一方端を引くことによりプーリー１８が右回転し、それに応じて角度検出用ワイヤ２６の一方端に先端部１２側への張力が生じ、また駆動用ワイヤ２４の他方端を引くことによりプーリー１８が左回転し、それに応じて角度検出用ワイヤ２６の他方端に先端部１２側への張力が生じる。
【００２３】
プーリー１８、すなわち振動子アレイ部１４の回転に伴う角度検出用ワイヤ２６の動きは、操作部１０６内に設けられたポテンショメータ（図示せず）に伝達され、ポテンショメータはその動きに基づいて、振動子アレイ部１４の回転角に応じて電気信号を発生する。超音波診断装置は、生体で反射して受信された超音波信号と角度を示す電気信号等に基づいて、超音波画像形成のための演算を行う。なお、振動子アレイ部１４の回転と駆動用ワイヤ２４の動きとは連動するので、振動子アレイ部１４の回転角度を駆動用ワイヤ２４の動きに基づいて検出してもよい。
【００２４】
本実施形態の超音波探触子１０の振動子アレイ部１４を含む上述の回転可能部分は、故障防止や超音波探触子１０使用後の洗浄を容易とするといった観点から、上部カバー２８ａ及び下部カバー２８ｂで構成される振動子ケース２８で密閉状態で覆われている。上部カバー２８ａは、所定強度を有する樹脂等で構成されている。一方、下部カバー２８ｂは、底面に向けて配置される振動子アレイ部１４の超音波送受面１４ａ（シリコンレンズ１６）と対向する面に振動子アレイ部１４から発せられた超音波を透過できる超音波透過部３０を有している。図１の場合、下部カバー２８ｂ全体を超音波透過性の材料、例えば、樹脂で構成し、部材の一体化、部品点数の削減、シール性の向上等を行っている。なお、超音波透過部３０は、内面と外面とを備え、例えば、０．５ｍｍ程度の膜で構成され、振動子アレイ部１４を含む可動部分を外界から完全に遮蔽しつつ、良好な超音波の送受信ができるようにしている。
【００２５】
前述したように、振動子アレイ部１４に設けられる超音波振動子は、信号ケーブル２０により操作部１０６側から伝達される駆動パルスで励振され超音波を発生し、その超音波は超音波透過部３０を介して生体の被検部位へ放射される。また被検部位からのエコーは超音波透過部３０を介して超音波振動子に達し受信され、さらに電気信号に変換され、この電気信号が信号ケーブル２０を経由して操作部１０６側に伝達される。このようにして、超音波探触子１０は、被検部位の超音波画像を得るための信号を生成する。ここで、シリコンレンズ１６は振動子アレイ部１４とともに回転する。すなわち、シリコンレンズ１６は超音波透過部３０と相対的に回転するため、それら両者を互いに固着することはできない。一方、前述のように超音波振動子と被検部位との間での超音波の送受信を良好に行うためには、シリコンレンズ１６と超音波透過部３０との間での超音波の伝達損失を低減する必要がある。そこで、シリコンレンズ１６と超音波透過部３０との間の微小間隙には、音響整合材として油３２が充填される。この油３２は、上に述べたこの境界での音響的な損失を低減できると共に、シリコンレンズ１６を含む振動子アレイ部１４の回動の抵抗と成らない低粘度のものが選択されることが好ましい。本実施形態の場合、後述する熱伝達性のことを更に考慮すると、例えば、油が好適である。なお、油３２が振動子ケース２８内のステータ２２側に漏れ出さないようにするため、各所にＯリング３４を配置しシールしている。これにより音響整合材である油３２は、超音波振動子で構成される振動子アレイ部１４の超音波送受面１４ａ（図１では超音波送受面１４ａに固定されたシリコンレンズ１６）と超音波透過部３０の内面との間に満たされ、振動子ケース２８内（ケース内空間）に封入される。
【００２６】
本実施形態の特徴的事項は、超音波探触子１０の使用中に前記音響整合材である油３２の温度を測定することにより、超音波探触子１０の表面温度を管理するところである。本実施形態においては、油３２の温度を測定するために、温度検出センサとして熱電対３６を超音波振動子の超音波透過経路から外れた位置、つまり、振動子ケース２８の下部カバー２８ｂの側方内壁面でセンサ部を油３２中に浸けた状態で固定配置している。もちろん、熱電対３６の配置にあたって、油３２に漏れを防止するために、熱電対３６の装着部は樹脂等でシールしている。
【００２７】
ところで、超音波探触子１０の使用時の温度を正確に管理するためには、実際に生体が接触する超音波透過部３０表面の温度を測定することが望ましいが、生体と接触する超音波透過部３０の表面に熱電対３６を配置することは、実質的に不可能であり、また、極薄い超音波透過部３０の内部に熱電対３６を配置して温度の測定を行うことも困難である。また、比較的広い面積を有する超音波透過部３０全体の温度を測定することも困難である。そこで、本実施形態の場合、微小隙間としての超音波透過経路から外れた側方位置（操作部側の位置）であって超音波透過部３０に最も近い位置で油３２の温度を測定している。この時、油３２が熱伝導性の高い場合、油３２全体の温度が容易に均一化可能であり、単一の熱電対３６で温度測定を行っても、油３２全体の温度と見なすことができる。また、油３２が均一温度であると見なせる場合、油３２内であれば、超音波振動子の超音波透過経路から外れた位置で温度測定を行うことが可能になる。この場合、熱電対３６の存在が超音波の送受信に影響を与えること、つまり、熱電対３６が超音波画像に映り込んでしまうことやノイズの原因に成ることを防止できる。さらに、熱電対３６を超音波振動子の超音波透過経路から外れた位置に配置できることにより、超音波診断装置側（すなわち操作部側）に引き出される信号線３６ａの配置も容易になる。
【００２８】
また、本実施形態の場合、超音波探触子１０の振動子アレイ部１４、シリコンレンズ１６を含むプーリー１８が回動することにより、油３２が攪拌され流動する。その結果、特別な機構を設けることなく、油３２の温度の均一化を容易かつ迅速に行うことが可能になる。もちろん、油３２の攪拌は別途、攪拌手段を設けて行ってもよい。
【００２９】
このように、超音波振動子の超音波送受面１４ａ（シリコンレンズ１６）と超音波透過部３０の内面との間に満たされ、流動可能な液状の音響整合材、つまり油３２の温度を測定することにより、超音波送受信に影響を与えることなく、超音波探触子１０の表面近傍の温度測定が可能になり、信頼度の高い超音波探触子の温度管理を行うことができる。また、温度測定位置も複数設ける必要はなく、１カ所の温度測定で、全体的な温度管理を行うことが可能になる。
【００３０】
図２には、本実施形態の超音波探触子１０を接続した超音波診断装置３８の概略構成図が示されている。超音波診断装置３８は、信号ケーブル２０を介して接続された超音波探触子１０における超音波の送受信を制御する超音波送受信制御部４０、当該超音波送受信制御部４０で受信された超音波やケーブル２６ａを介してポテンショメータから得られる振動子アレイ部１４の回動角度に関する情報等に基づいて、超音波画像を形成する画像形成部４２、形成した超音波画像や各種データの表示を行うディスプレイ４４、超音波の送受信に関する設定（送受信パワーやフォーカス、照射深度等）や画像形成に関する各種設定を行う設定部４６等を含んでいる。
【００３１】
さらに、本実施形態の超音波診断装置３８は、熱電対３６で測定した油３２の温度に基づいて、超音波診断装置３８の制御を行う温度制御部４８を有している。この温度制御部４８は、測定温度に基づいて、例えば、超音波送受信制御部４０に対して超音波の送信パワーの増減を行う制御を行ったり、必要に応じて、超音波振動子の駆動を停止を制御することができる。本実施形態の場合、極薄い超音波透過部３０の内側で流動する油３２の温度を測定しているので、油３２の温度をほぼ超音波探触子１０の生体接触部の温度と見なすことが可能で、その温度に基づいて、超音波の送信パワー等の制御が可能であるが、必要に応じて、超音波透過部３０における温度減衰や油３２における測定誤差等を考慮した温度補正を行った後、超音波の送信パワー等の制御を行ってもよい。
【００３２】
また、前記温度制御部４８には、警報部５０が接続され、温度異常が認められた時にディスプレイ４４に対して、メッセージやランプにより警報表示を出力したり、図示しないスピーカを介して音声メッセージやアラームを出力して、超音波診断装置３８の使用者に注意を促すことを可能にしている。
【００３３】
このように、本実施形態の超音波診断装置３８によれば、超音波探触子１０の生体接触部の温度に基づいて、超音波の送信パワーの制御を容易に行うことが可能に成り、常に最適な状態で超音波探触子１０の駆動を行うことが可能になり、効率よく高品質の超音波画像を得ることができる。
【００３４】
なお、本実施形態においては、経食道用の小型の超音波探触子を例にとり説明したが、超音波振動子の超音波送受面と前記超音波振動子を内包する探触子ケースの内壁面との間に液状の音響整合材が満たされている超音波探触子であれば、他のタイプや他の大きさの超音波探触子でも、本実施形態と同様な構成で温度測定を行うことが可能で、同様な効果を得ることができる。また、図１の構成では、駆動用ワイヤ２６を用いて、プーリー１８の回動を行う構成を説明しているが、モータやギア、その他の機構を利用してプーリー１８を駆動させるタイプの超音波探触子でも、本実施形態と同様な構成で温度測定を行うことが可能で、同様な効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、プーリー１８が回動駆動するタイプを示したが、直線的な駆動や首振り駆動するタイプの超音波探触子でも、本実施形態と同様な構成で温度測定を行うことが可能で、同様な効果を得ることができる。また、超音波振動子がメカニカル走査しないタイプ、すなわち電子走査するタイプでも本実施形態と同様な構成で温度測定を行うことが可能で、同様な効果を得ることができる。なお、この場合、別途、音響整合材を攪拌する攪拌手段を設けることが好ましい。さらに、液状の音響整合材を油を例に取り説明したが、液状であれば、粘度を有するものでも本実施形態と同様な構成で温度測定を行うことが可能で、同様な効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波振動子の超音波送受面と超音波透過部の内面との間に満たされた液状の音響整合材の温度を測定することにより、超音波送受信に影響を与えることなく、超音波探触子の表面近傍の温度測定が可能になり、信頼度の高い超音波探触子の温度管理を行うことができる。
【００３６】
また、超音波診断装置において、液状の音響整合材の温度検出の結果に基づき、超音波探触子の制御を行うことにより、効率的かつ最適な状態で超音波探触子の駆動が可能になり、高品質の超音波画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る超音波探触子の先端部の構造を説明する断面図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を説明する構成ブロック図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る超音波探触子の外形形状を説明する説明図である。
【符号の説明】
１０ 超音波探触子、１２ 先端部、１４ 振動子アレイ部、１４ａ 超音波送受面 １６ シリコンレンズ、１８ プーリー、１８ａ 振動子ホルダ、２０信号ケーブル、２０ａ 信号線、２２ ステータ、２４ 駆動用ワイヤ、２６角度検出用ワイヤ、２８ 振動子ケース、２８ａ 上部カバー、２８ｂ 下部カバー、３０ 超音波透過部、３２ 油（音響整合材）、３６ 熱電対、３８ 超音波診断装置、４０ 超音波送受信制御部、４８ 温度制御部、５０ 警報部。

Claims (2)

1. 食道に挿入される経食道超音波探触子において、
   生体内に超音波を放射して前記生体から超音波の反射波を受信する複数の振動素子からなるアレイ型超音波振動子と、
   前記超音波振動子を内包するケースであって、前記超音波振動子の送受波面に対向する内面と前記生体に接する外面とを備えた超音波透過部を有する振動子ケースと、
   操作部に設けられたダイヤルの操作によるトルクを受けることにより、前記振動子ケース内において前記超音波振動子の送受波面を前記超音波透過部の内面に対向させつつ所定の回転軸の回りで前記超音波振動子を回転させるメカニカル走査機構と、
   前記振動子ケース内における前記超音波振動子の超音波送受面と前記超音波透過部の内面との間の微小間隙を含むケース内空間に満たされた液状の音響整合材と、
   前記振動子ケースにおける側壁の内で超音波透過経路である前記微小間隙の側方であって前記操作部側の位置に、温度を検出するセンサ部を音響整合材中に浸けた状態で固定され、前記音響整合材の温度を検出する温度検出センサと、
   を含むことを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１記載の超音波探触子を接続可能な超音波診断装置であって、
   前記温度検出センサの検出情報に基づいて、前記超音波振動子の温度制御を行う制御部を有することを特徴とする超音波診断装置。

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