JP4611064B2 - ３次元超音波探触子及び３次元超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波信号により２次元の断層面を電気的又は機械的に走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子及び３次元超音波診断装置に関する。

図９、図１０に示すように超音波素子１が送受信する超音波信号により２次元の断層面を電気的又は機械的に走査するとともに、超音波素子１をウインドウ２内で２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を得る３次元超音波探触子では、超音波素子１の揺動方向の中心である原点のデータが必要であるので、エンコーダ３などの原点検出手段が設けられている。エンコーダ３などの原点検出手段は、超音波素子１の部分に設けることは困難であるため、超音波素子１を揺動させる駆動源となるモータ４などに配置し、また、モータ４の駆動をプーリ５、ベルト６などの伝達機構を用いて超音波素子１に伝達して超音波素子１を揺動させている。

また、このような３次元超音波探触子を用いた装置を利用した被検体の検査方法として、図１１に示すように３次元超音波探触子の原点に対応する位置のウインドウ２に穿刺針７を穿刺ガイド８などを介して取り付け、操作者が被検体内部の３次元画像を見ながら所望の位置のサンプルを取り出す方法がある。

しかしながら、エンコーダ３などの原点検出手段を超音波素子１を揺動させる駆動源となるモータ４などに配置し、また、モータ４の駆動をプーリ５、ベルト６などの伝達機構を用いて超音波素子１に伝達して超音波素子１を揺動させる構成では、外的な衝撃で伝達機構（プーリ５、ベルト６）に変形やずれが生じた場合に、超音波素子１の揺動位置と異なる位置を検出する可能性があるという問題点がある。特に図１１に示すように穿刺を行う際に、穿刺針７と異なる位置に超音波素子１が向いて誤った位置に穿刺を行う危険性が有った。

そこで、エンコーダ３などの原点検出手段を設けることなく超音波素子１の揺動角度を検出する従来例として、下記の特許文献１にはウインドウ２の内壁の曲率中心と超音波素子１の揺動軸を異なる位置に配置して超音波素子１からウインドウ２の内壁面までの距離が揺動角度に応じて異なるようにし、超音波素子１から送信した超音波がウインドウ２の内壁面により反射されて超音波素子１により受信されるまでの時間を測定して超音波素子１の揺動角度を検出する技術が記載されている。
特開２００１−１５７６８０号公報（要約書）

ところで、ウインドウ２の材料としては、超音波を透過するように柔らかなものが使用されており、このため、被検体面に押し当てたときに変形するので、上記従来例のように超音波素子１から送信した超音波がウインドウ２の内壁面により反射されて超音波素子１により受信されるまでの時間を測定しても超音波素子１の揺動角度を正確に検出することができないという問題点がある。

本発明は上記従来例の問題点に鑑み、エンコーダなどの原点検出手段を設けることなく、かつウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用しても、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる３次元超音波探触子及び３次元超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の３次元超音波探触子は上記目的を達成するために、
超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、
前記ウインドウの厚みが前記超音波素子の揺動方向に異なるように構成され、
前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記超音波素子の揺動角度を検出するようにした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。

また、本発明の３次元超音波診断装置は上記目的を達成するために、
超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、前記ウインドウの厚みが前記超音波素子の揺動方向に異なるように構成された３次元超音波探触子と、
前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記超音波素子の揺動角度を検出することにより、前記３次元の超音波画像を生成する超音波診断装置本体とを有する構成とした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。

また、本発明の３次元超音波探触子は上記目的を達成するために、
超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、
前記ウインドウの内面には、前記超音波素子の揺動方向に所定のピッチで、かつ前記超音波素子の配列方向に延びるように凹凸部が形成され、
前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記凹凸部を検出し、前記凹凸部の数をカウントして前記超音波素子の揺動角度を検出するようにした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。

また、本発明の３次元超音波診断装置は上記目的を達成するために、
超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、前記ウインドウの内面に、前記超音波素子の揺動方向に所定のピッチで、かつ前記超音波素子の配列方向に延びるように複数の凹凸部が形成された３次元超音波探触子と、
前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記凹凸部を検出し、前記凹凸部の数をカウントして前記超音波素子の揺動角度を検出することにより、前記３次元の超音波画像を生成する超音波診断装置本体とを有する構成とした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。

また、本発明の３次元超音波探触子は、
前記凹凸部は、揺動方向の原点位置における凹凸部のみの寸法が他の位置の凹凸部と異なり、原点位置における凹凸部と他の位置の凹凸部からの反射エコーの時間差により揺動方向の原点位置を検出する構成とした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。

また、本発明の３次元超音波診断装置は、
前記凹凸部は、揺動方向の原点位置における凹凸部のみの寸法が他の位置の凹凸部と異なり、
前記超音波診断装置本体は、原点位置における凹凸部と他の位置の凹凸部からの反射エコーの時間差により揺動方向の原点位置を検出する構成とした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。

また、本発明の３次元超音波探触子は、
前記凹凸部は、前記超音波素子による２次元画像表示領域の外側に形成され、前記超音波素子のうち、２次元画像表示領域の端部の素子を遅延時間補正による位相制御して前記凹凸部を検出する構成とした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。また、凹凸部を２次元断層画像表示領域から外れた位置に設け、電子走査の遅延時間を制御する位相制御による超音波ビームの送受信方向制御を行うことで、２次元断層画像表示領域から外れた位置の凹凸部を検出するので、凹凸部によるウインドウの厚みの違いによる超音波の減衰の差による画像の劣化を防ぐことが可能である。

また、本発明の３次元超音波診断装置は、
前記凹凸部は、前記超音波素子による２次元画像表示領域の外側に形成され、
前記超音波診断装置本体は、前記超音波素子のうち、２次元画像表示領域の端部の素子を遅延時間補正による位相制御して前記凹凸部を検出する構成とした。
この構成により、ウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウの厚みは変化しないため、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。また、凹凸部を２次元断層画像表示領域から外れた位置に設け、電子走査の遅延時間を制御する位相制御による超音波ビームの送受信方向制御を行うことで、２次元断層画像表示領域から外れた位置の凹凸部を検出するので、凹凸部によるウインドウの厚みの違いによる超音波の減衰の差による画像の劣化を防ぐことが可能である。

本発明によれば、エンコーダなどの原点検出手段を設けることなく、かつウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用しても、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる。
また、凹凸部を２次元断層画像表示領域から外れた位置に設け、電子走査の遅延時間を制御する位相制御による超音波ビームの送受信方向制御を行うことで、２次元断層画像表示領域から外れた位置の凹凸部を検出するので、凹凸部によるウインドウの厚みの違いによる超音波の減衰の差による画像の劣化を防ぐことが可能である。

＜第１の実施の形態＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る３次元超音波探触子の第１の実施の形態を示す構成図、図２は図１の３次元超音波探触子（以下、単に超音波探触子とも言う）を用いた３次元超音波診断装置を示すブロック図である。

図１に示す超音波探触子では、超音波素子１が送受信する超音波信号により２次元の断層面を電気的又は機械的に走査するとともに、超音波素子１をウインドウ２内で前記２次元の断層面と直交する方向に機械的に揺動させることで３次元の超音波画像を得る。そして、ウインドウ２の厚み（内面から外面までの距離）は、超音波素子１の揺動方向と同じ方向に場所によって異なるように構成した。つまり、ウインドウ２の内面からと外面からの反射エコーの時間差と揺動角度との関係を一義的に決めるために、図１に示すように揺動中心から見たときのウインドウ２の厚みが徐々に変化するような構成としたことで、この時間差を測定して超音波素子１の揺動角度を検出することができる。このため、図２に示すように従来必要としていた超音波探触子側のエンコーダ３と超音波診断装置本体（以下、単に装置本体とも言う）１０側の位置検出回路１４が不要になる。また、ウインドウ２の材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウ２の厚みは変化しないため、原点、揺動角度を正確に検出することができる。

図１に示す超音波探触子では、超音波素子１が揺動の原点（揺動角度θ＝０）から±方向に揺動する場合、ウインドウ２の厚みｆ（θ）は、−方向に揺動して揺動角度θ＝ａのときにより薄く、揺動角度θ＝０のときに中程度、＋方向に揺動して揺動角度θ＝ｂのときにより厚く構成されている。この場合、揺動角度θ＝０のときには、内面からの反射エコーの時間Ｔ１ｂと外面からの反射エコーの時間Ｔ１ａの差＝Ｔ１ａ−Ｔ１ｂとなり、揺動角度θ＝ａのときには内面からの反射エコーの時間Ｔ２ｂと外面からの反射エコーの時間Ｔ２ａの差＝Ｔ２ａ−Ｔ２ｂとなり、揺動角度θ＝ｂのときには、内面からの反射エコーの時間Ｔ３ｂと外面からの反射エコーの時間Ｔ３ａの差＝Ｔ３ａ−Ｔ３ｂとなり、それぞれウインドウの厚みに対応する。

図２に示す３次元超音波診断装置では、超音波素子１を超音波探触子側のモータ４及び装置本体１０内のモータ制御回路１１により揺動させながら、装置本体１０内の超音波送受信回路１２により超音波素子１から超音波を送信してウインドウ２の内面及び外面からの反射エコーの時間差を検出して揺動の原点、角度として検出することができるので、超音波探触子側のエンコーダ３と装置本体１０側の位置検出回路を省略することができる。そして、揺動の原点に基づいて反射エコーが装置本体１０内の超音波画像処理回路１３により処理されて３次元の超音波画像が生成され、この画像がモニタ１５に表示される。

＜第２の実施の形態＞
図３は第２の実施の形態の超音波探触子を示し、ウインドウ２の内面には、超音波素子１の揺動方向に所定のピッチで、かつ超音波素子１の配列方向に延びるように凹凸部２ａが形成されている。このため、超音波素子１が凸部に位置するときには、内面からの反射エコーの時間Ｔ１ｂと外面からの反射エコーの時間Ｔ１ａの差＝Ｔ１ａ−Ｔ１ｂとなり、凹部に位置するときには、内面からの反射エコーの時間Ｔ２ｂと外面からの反射エコーの時間Ｔ２ａの差＝Ｔ２ａ−Ｔ２ｂとなるので、超音波素子１の揺動時に凹凸部２ａからの反射エコーの時間差の変化より凹か凸を判別し、凹あるいは凸の少なくとも一方の数をカウントすることにより、超音波素子１の揺動角度を検出することができる。この場合にも、ウインドウ２の材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用して被検体面に押し当てたときに変形しても、ウインドウ２の凹凸部２ａの厚みは変化しないため、原点、揺動角度を正確に検出することができる。

凹凸部２ａの寸法的な段差としては、送受信する超音波の深さ方向分解能より大きくなるように形成し、例えば７．５ＭＨｚの超音波の場合には０．５ｍｍ程度が望ましい。また、凹凸部２ａのピッチとしては、送受信する超音波の揺動方向分解能より大きくなるように形成し、例えば７．５ＭＨｚの超音波の場合には１ｍｍ程度が望ましい。なお、凹凸部２ａはウインドウ２の成型時に同時に形成してもよく、また、凹凸部２ａがない状態に形成したウインドウ部材に凸部に相当する小片を取り付けて形成してもよい。

＜第３の実施の形態＞
図４は、原点位置の凸部２ａ１のみの厚みが他の位置の凸部より厚く構成された第３の実施の形態を示している。第３の実施の形態によれば、ウインドウ２の内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して凹凸部２ａを検出し、凸部の数をカウントして超音波素子１の揺動角度を検出し、さらに各凸部によるウインドウ２の内面からの反射エコーの時間差により原点位置の凸部２ａ１を検出して原点位置を検出することができる。

＜第４の実施の形態＞
図５は、原点位置の凸部２ａ１のみの厚みが他の位置の凸部より薄く構成された第４の実施の形態を示している。第４の実施の形態によれば第３の実施の形態と同様に、ウインドウ２の内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して凹凸部２ａを検出し、凸部の数をカウントして超音波素子１の揺動角度を検出し、さらに各凸部によるウインドウ２の内面からの反射エコーの時間差により原点位置の凸部２ａ１を検出して原点位置を検出することができる。第３、第４の実施の形態の変形例として、原点位置には凸部２ａ１ではなく凹部を配置して原点位置を検出するようにしてもよい。

＜第５の実施の形態＞
次に図６、図７、図８を参照して第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態では、凹凸部２ａによるウインドウの厚みの違いによる超音波の減衰の差による画像の劣化を防ぐために、図６に示すように超音波素子１による２次元画像表示領域の外側に凸部２ａ１が形成される。なお、５は音響結合液体である。また、この凸部２ａ１は第２〜第４の実施の形態と同様に、図７に示すように超音波素子１の揺動方向に所定のピッチで形成されている。そして、２次元画像表示領域の外側に形成された凸部２ａ１を検出するために、超音波送受信回路１２は図８に示すように超音波素子１のうち、２次元画像表示領域の端部の素子を遅延時間補正により位相制御する。エコーレベル判定回路１６は超音波送受信回路１２により受信された反射エコー信号のレベルを判定し、位置算出回路１７はエコーレベル判定回路１６により判定された反射エコー信号のレベルに基づいて超音波素子１の揺動角度、原点位置を検出してモータ制御回路１１に出力する。

本発明は、エンコーダなどの原点検出手段を設けることなく、かつウインドウの材料として超音波を透過するように柔らかなものを使用しても、超音波素子の揺動方向の原点、揺動角度を正確に検出することができる効果を有し、各種の３次元超音波機器に利用することができる。

本発明に係る３次元超音波探触子の第１の実施の形態を示す構成図 図１の３次元超音波探触子を用いた３次元超音波診断装置を示すブロック図 本発明の第２の実施の形態の３次元超音波探触子を示す構成図 本発明の第３の実施の形態の３次元超音波探触子を示す構成図 本発明の第４の実施の形態の３次元超音波探触子を示す構成図 本発明の第５の実施の形態の３次元超音波探触子を示す構成図 本発明の第５の実施の形態の３次元超音波探触子を示す構成図 本発明の第５の実施の形態の動作を示す説明図 従来の３次元超音波探触子を示す構成図 図９の３次元超音波探触子を上から見た構成図 従来の３次元超音波探触子の一利用形態を示す説明図

符号の説明

１ 超音波素子
２ ウインドウ
３ エンコーダ
２ａ 凹凸部
４ モータ
１０ 超音波診断装置本体
１１ モータ制御回路
１２ 超音波送受信回路
１３ 超音波画像処理回路
１４ 位置検出回路
１５ モニタ
１７ 位置算出回路

Claims (8)

1. 超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、
   前記ウインドウの厚みが前記超音波素子の揺動方向に異なるように構成され、
   前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記超音波素子の揺動角度を検出するようにした３次元超音波探触子。
2. 超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、前記ウインドウの厚みが前記超音波素子の揺動方向に異なるように構成された３次元超音波探触子と、
   前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記超音波素子の揺動角度を検出することにより、前記３次元の超音波画像を生成する超音波診断装置本体とを、
   有する３次元超音波診断装置。
3. 超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、
   前記ウインドウの内面には、前記超音波素子の揺動方向に所定のピッチで、かつ前記超音波素子の配列方向に延びるように複数の凹凸部が形成され、
   前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記凹凸部を検出し、前記凹凸部の数をカウントして前記超音波素子の揺動角度を検出するようにした３次元超音波探触子。
4. 超音波信号により２次元の断層面を走査する超音波素子をウインドウ内で前記２次元の断層面と直交する方向に揺動させることで３次元の超音波画像を取得する３次元超音波探触子であって、
   前記ウインドウの内面に、前記超音波素子の揺動方向に所定のピッチで、かつ前記超音波素子の配列方向に延びるように複数の凹凸部が形成された３次元超音波探触子と、
   前記ウインドウの内面からの反射エコーの時間と外面からの反射エコーの時間との差を測定して前記凹凸部を検出し、前記凹凸部の数をカウントして前記超音波素子の揺動角度を検出することにより、前記３次元の超音波画像を生成する超音波診断装置本体とを、
   有する３次元超音波診断装置。
5. 前記凹凸部は、揺動方向の原点位置における凹凸部のみの寸法が他の位置の凹凸部と異なり、原点位置における凹凸部と他の位置の凹凸部からの反射エコーの時間差により揺動方向の原点位置を検出することを特徴とする請求項３に記載の３次元超音波探触子。
6. 前記凹凸部は、揺動方向の原点位置における凹凸部のみの寸法が他の位置の凹凸部と異なり、
   前記超音波診断装置本体は、原点位置における凹凸部と他の位置の凹凸部からの反射エコーの時間差により揺動方向の原点位置を検出することを特徴とする請求項４に記載の３次元超音波診断装置。
7. 前記凹凸部は、前記超音波素子による２次元画像表示領域の外側に形成され、前記超音波素子のうち、２次元画像表示領域の端部の素子を遅延時間補正による位相制御して前記凹凸部を検出することを特徴とする請求項３又は５に記載の３次元超音波診断探触子。
8. 前記凹凸部は、前記超音波素子による２次元画像表示領域の外側に形成され、
   前記超音波診断装置本体は、前記超音波素子のうち、２次元画像表示領域の端部の素子を遅延時間補正による位相制御して前記凹凸部を検出することを特徴とする請求項４又は６に記載の３次元超音波診断装置。