JP4674469B2

JP4674469B2 - 超音波内視鏡

Info

Publication number: JP4674469B2
Application number: JP2005003852A
Authority: JP
Inventors: 慎一河野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP2006191959A

Description

本発明は、電子ラジアル走査を行う超音波内視鏡に関するものである。

超音波内視鏡は、挿入部の先端に内視鏡観察手段と複数の超音波振動子が配列された超音波振動子アレイとを有して構成されるものであり、超音波振動子アレイを構成する多数の超音波振動子を順次駆動して電子走査を行うものは従来から知られている。かかる超音波振動子アレイの配置の一態様として、超音波振動子を円環状に配列し、電子ラジアル走査を行うものが例えば特許文献１に開示されている。
特開平１−３１３０４３号公報

ところで、上述した超音波振動子アレイは、高い分解能を得るために多数の超音波振動子を配列して構成される。従って、細板の形状からなる各超音波振動子の幅は非常に狭いものが適用されることになる。かかる超音波振動子アレイを構成する各超音波振動子は接着剤により接着されて円周状に配列されるため、この接着剤により超音波振動子間には一定の隙間が生じることになる。このとき、前記隙間が不均一になると、最後に配列される超音波振動子を組み込むことができなくなるか、大きな隙間が発生し、全体として円周状となすことはできなくなる。従って、隣接する超音波振動子間の隙間は高精度に管理される必要がある。

このため、円周状の超音波振動子アレイを一度に形成するのではなく、規則正しく超音波振動子が配列された半円周状の超音波振動子アレイ（分割超音波振動子アレイ）を２組用意し、これらを接合して１つの超音波振動子アレイを形成する方法が一般に採用されている。このとき、超音波振動子アレイの内部に何らの部材が存しない場合には比較的容易に円周状となすことはできるが、上述した特許文献１のように、内部には何らかの部材、特に内視鏡観察手段が挿通されているものが一般に使用されるため、２組の分割超音波振動子アレイを接合して円周状の超音波振動子アレイを形成することは難しい。

すなわち、上記分割超音波振動子アレイは何らかの部材、例えばＣＣＤ（Charged Coupled Device）等の硬性部材を有する内視鏡観察手段に対して、相互に反対方向から装着されることになるが、一般に内視鏡観察手段の先端部近傍の充填率は非常に高いため、外径が広がる方向に組付け誤差が生じることがあり、従って２組の分割超音波振動子アレイの接合部には離間する力が作用し、その結果接合部において比較的大きな隙間が生じるおそれがある。かかる隙間により、当該部位における超音波の方向制御性が悪くなり、超音波画像に歪みが生じ、分解能が低下することになる。従って、取得される超音波画像の画質が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、半円周状に超音波振動子が配列される２組の分割超音波振動子アレイを接合するときに隙間が生じたとしても、超音波画像の画質低下を抑制することができる超音波内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の超音波内視鏡は、複数の超音波振動子が軸線方向に配列され、全体が円周状となるように設けられた超音波振動子アレイを挿入部先端に有する超音波内視鏡において、前記超音波振動子アレイは、前記超音波振動子が概略半円周状となるように配列された２組の分割超音波振動子アレイを接合したものからなり、前記２組の分割超音波振動子アレイの両端には、他の超音波振動子よりも前記軸線方向における長さが半分となった短寸超音波振動子を配列することにより端部が階段状となし、これら２組の分割超音波振動子アレイは、一方の分割超音波振動子アレイは階段状で、他方の分割超音波振動子アレイは逆の階段状となるようにして端部が相互に接合されており、前記一方の分割超音波振動子アレイと前記他方の分割超音波振動子アレイは、一方の分割超音波振動子アレイは階段状で、他方の分割超音波振動子アレイは逆の階段状となるようにして端部が相互に接合される構成としたことを特徴とする。

本発明の超音波内視鏡は、円周状に配置される超音波振動子の間に生じる隙間を円周方向に分割することにより、分解能が低下することを抑制することができ、高画質の超音波画像を取得することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下、超音波振動子アレイの内部には内視鏡観察手段が挿通されているものを例示して説明するが、勿論これに限定されず、本発明は、他の部材が挿通されているものにも適用することができ、また何らの部材も存しないものについても適用することができる。

図１に示されるように、本発明の超音波内視鏡は、本体操作部１０１、挿入部１０２及びユニバーサルコード１０３を有しており、光源装置と、映像信号処理装置と、超音波観測装置とが超音波内視鏡に接続されてシステムが構成される。ユニバーサルコード１０３は本体操作部１０１から引き出されて、その途中で枝分かれして、光源装置に着脱可能に接続される接続コネクタ１０３ａ、映像信号処理装置に着脱可能に接続される接続コネクタ１０３ｂ及び超音波観測装置に着脱可能に接続される接続コネクタ１０３ｃを備えている。

本体操作部１０１は、術者等が片手で把持できるものであり、アングル操作手段１０４及び処置具挿入部１０５が設けられ、また送気送水ボタン１０６、吸引ボタン１０７等の操作ボタンが装着されており、さらに各種のスイッチ類１０８も備えている。

挿入部１０２は、本体操作部１０１に連結して設けた所定長さを有するコード状の部材であり、被験者の体内等に挿入されるものである。この挿入部１０２は、本体操作部１０１への連結部から大半の長さ分は体腔内等における挿入経路に沿って任意に曲がる軟性部１０２ａとなっており、この軟性部１０２ａの先端にアングル部１０２ｂが連結されており、このアングル部１０２ｂに先端硬質部１０２ｃが連結されている。そして、アングル部１０２ｂは、先端硬質部１０２ｃを所望の方向に向けるために、遠隔操作により上下及び左右に湾曲操作できるようになっている。このために、本体操作部１０１にはアングル操作手段１０４が設けられており、術者の操作でアングル部１０２ｂを湾曲させて、先端硬質部１０２ｃを所望の方向に向くように制御される。

図２は、超音波内視鏡の挿入部先端に設けられる先端硬質部１０２ｃの外周に配置される超音波振動子アレイ１の構成を示す図である。超音波振動子アレイ１は、挿入部先端の側方を全周に渡って電子ラジアル走査を行うために、複数の超音波振動子１２が挿入部の軸線方向に配列され、全体が円周状となるように配列されている。超音波振動子アレイ１を構成する各超音波振動子１２は、夫々接着剤により円周方向に隣接する超音波振動子１２と接合されている。また、各超音波振動子１２の基端側には配線３が接続され、これら配線３はケーブル４にまとめられて、超音波振動子１２が受信した反射エコー信号を超音波画像に変換、処理を行う超音波観測装置（図示せず）に接続される。

そして、円周状に配列される超音波振動子アレイ１の内面にはさらにバッキング層１１が具備され、これらバッキング層１１及び超音波振動子アレイ１が一体となった部材の内部には何らかの部材が挿通されることになる。その一例として、内視鏡観察手段２が挿通されているものが図２に示されている。内視鏡観察手段２の先端面には観察部２０、照明部２１及び処置具導出用開口２２が設けられている。観察部２０は被検体を撮像するためのものであり、主に対物レンズと固体撮像素子とからなり、対物レンズに入射した入射光が固体撮像素子において光電変換され、所定の信号処理がされてモニタ装置（図示せず）に表示される。照明部２１は照明用レンズとライトガイドとからなり、図示しない光源から照明光が供給され、照明用レンズから被検体を照射する。処置具導出用開口２２には、図示しない処置具導入部から鉗子等の処置具が導入される。

超音波振動子アレイ１は、図３に示されるように、複数の超音波振動子１２を概略半円周状となるように配列した２組の分割超音波振動子アレイ（上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌ）を夫々両端が接合されることにより構成される。すなわち、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌは、円周状に超音波振動子１２が配列された超音波振動子アレイ１を分割したものからなる。ここで、２組の分割超音波振動子アレイを便宜上、上部及び下部としたが、勿論、任意の方向から接合することができる。また、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの内面側には夫々対応した形状を採るバッキング層１１Ｕ及び１１Ｌが具備されている。

図３から明らかなように、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの夫々について、両端には他の超音波振動子１２よりも軸線方向において短い超音波振動子（以下、短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄとする）が配列される。上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕの一端には他の超音波振動子１２と基端側の位置が揃えられている短寸超音波振動子１２Ａが配列され、他端には他の超音波振動子１２と先端側の位置が揃えられている短寸超音波振動子１２Ｂが配列されている。また、下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの一端には他の超音波振動子１２と先端側の位置が揃えられている短寸超音波振動子１２Ｃが配列され、他端には他の超音波振動子１２と基端側の位置が揃えられている短寸超音波振動子１２Ｄが配列されている。

図３は、上記の短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄの軸線方向における長さが上記他の超音波振動子１２の長さの半分のものを示している。この場合、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとは、図３及び図４に示される矢印方向に押圧力を作用させながら接合させる。この押圧力は、軸線方向と円周方向との力の成分に分解することができ、従って上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとは軸線方向に相互に、そして円周方向に相互に押圧力が作用することになる。

上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとの間には円周方向に隙間を発生させないことは勿論、軸線方向に隙間を発生させないことも重要である。上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌには夫々短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄが上述したように配列されているため、端部において階段状のパターンが形成され、しかも上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕの端部に形成されている階段状のパターンは下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの端部に形成されている階段状のパターンとは逆のパターンを有している。従って、図４に示されるように軸線方向及び円周方向に対して斜めの力であって相互に密着する力が作用するように接合を行うことにより、軸線方向には当然隙間が発生することなく接合することができる。換言すれば、軸線方向における隙間が発生しないように調整等の作業を行うことなく、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとを円周方向に接合することができ、軸線方向にも円周方向にも生じる隙間を最小限に抑制することができることから、極めて良好に接合することができる。

かかる接合により、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕの短寸超音波振動子１２Ａと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの短寸超音波振動子１２Ｃとが実質的に１つの超音波振動子を形成し、また上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕの短寸超音波振動子１２Ｂと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの短寸超音波振動子１２Ｄとが実質的に１つの超音波振動子を形成することになる。しかも、上述したように隙間を最小限にすることにより超音波振動子の円周方向への配列に規則性を持たせることができ、また全体として真円度を出すこともできる。

図３の例では短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄは、短寸超音波振動子１２Ａと１２Ｃとが一体となって１つの超音波振動子１２を形成し、また短寸超音波振動子１２Ｂと１２Ｄとが一体となって１つの超音波振動子１２を形成するものが適用される。すなわち、軸線方向において短寸超音波振動子１２Ａと１２Ｃとの間に隙間を生じさせないために、短寸超音波振動子１２Ａと１２Ｃとの軸線方向の長さの合計が上記他の超音波振動子１２の軸線方向の長さと等しくなり、同様に短寸超音波振動子１２Ｂと１２Ｄとの軸線方向の長さの合計も上記他の超音波振動子１２の軸線方向の長さと等しくならなくてはならない。

以上の上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとが接合されて１つの超音波振動子アレイ１が構成される。ここで、内視鏡観察手段２の組付け誤差により上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとの間に離間させる力が作用し、接合部近傍において僅かな隙間が生じることがある。このとき、図４に示されるように、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕの接合部には短寸超音波振動子１２Ａが配列され、下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの接合部には短寸超音波振動子１２Ｃが配列されるため、上記隙間は隙間Ｃ１とＣ２とに分割され、相互にオーバーラップしない位置に形成されることになる。従って、隙間Ｃ１が生じている部分については短寸超音波振動子１２Ｃが、隙間Ｃ２が生じている部分については短寸超音波振動子１２Ａが走査を行うため、全周に渡って隙間なく走査することが可能である。なお、隙間Ｃ１及びＣ２について、上記上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとに均等に押圧力を作用させることにより、図４に示されるように、両隙間の幅（ａ及びｂ）を等しくすることができる。

ところで、上記短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃは他の超音波振動子１２の１つに相当する超音波振動子を構成し、また短寸超音波振動子１２Ｂ及び１２Ｄも同様に他の超音波振動子１２の１つに相当する超音波振動子を構成する。そのため、短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃ、また短寸超音波振動子１２Ｂ及び１２Ｄは同時に駆動される必要がある。すなわち、全ての超音波振動子には配線３が接続されて、図示しない超音波観測装置に接続されるが、かかる超音波観測装置からの駆動信号は同時に短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃに出力され、両短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃが受信した反射エコー信号は超音波観測装置内で１つのライン信号として形成されなくてはならない。また、短寸超音波振動子１２Ｂ及び１２Ｄについても同様である。

そこで、短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃと上記超音波観測装置との接続は、単一の配線３を分岐して短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃに接続する。すなわち、他の超音波振動子１２は、夫々個別に配線３が設けられており、超音波振動子１２ごとに駆動信号が出力され、超音波振動子１２ごとに反射エコー信号を超音波観測装置に出力する。一方、短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃに対しては、超音波観測装置から出力された駆動信号が単一の配線３から分岐して同時に出力され、同じタイミングで反射エコー信号が分岐点において合成され、合成された反射エコー信号が超音波観測装置に出力される。なお、短寸超音波振動子１２Ｂ及び１２Ｄについても同様である。

次に、上記超音波振動子アレイ１を使用して電子ラジアル走査を行う一例について説明する。この例においては、超音波振動子アレイを構成する各超音波振動子１２のうち隣接する３つの超音波振動子を１つのグループとなし、うち１つの超音波振動子に遅延を持たせて超音波を送信して走査を行う所謂電子フォーカスによる走査方法によるものについて説明する。なお、超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃについては、両者を合わせて１つの超音波振動子として取り扱うものとする。

図４において、超音波振動子１２１乃至１２６は図２における超音波振動子１２と同一のものに便宜上番号を割り振ったものであり、短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃは上述したものである。これらのうち、最初に、超音波振動子１２１乃至１２３を１つのグループとなし、図示しない超音波観測装置から配線３を介して駆動信号が送信されて駆動される。このとき、電子フォーカスを行うために、超音波振動子１２１及び１２３は同時に駆動され、超音波振動子１２２は若干遅れて駆動される。そして、反射波を受信した各超音波振動子が反射エコー信号に変換した後に、順次配線３を介して超音波観測装置に出力する。

次に、超音波振動子１２２、１２３、そして短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃを１つのグループとなし、各超音波振動子が駆動される。まず、超音波振動子１２２、１２Ａ及び１２Ｃが駆動され、若干の遅延をもって超音波振動子１２３が駆動される。ここで、短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃは実質上１つの超音波振動子を構成するため、これらは同時に駆動される。

このとき、上述したように、短寸超音波振動子１２Ａと超音波振動子１２４との間に隙間Ｃ１が生じ、短寸超音波振動子１２Ｃと超音波振動子１２３との間にも隙間Ｃ２が生じているが、隙間Ｃ１とＣ２とは円周方向においてオーバーラップさせることなく、異なる位置に形成されているため、超音波の方向制御性を良好なものにすることができる。換言すれば、本来なら、円周方向においてオーバーラップしている（すなわち、直線状に形成されている）隙間を隙間Ｃ１とＣ２とに分割し、夫々ずらした位置に形成するようにしたことにより、分解能の低下を抑制することができ、もって超音波画像の画質が低下することを防止することができる。

以下、同様に、超音波振動子１２３、１２Ａ、１２Ｃ及び１２４のグループ、短寸超音波振動子１２Ａ、１２Ｃ、１２４及び１２５のグループ、超音波振動子１２４、１２５及び１２６のグループとして、順次組み合わせを１つずつずらして各超音波振動子の駆動制御が行われて、電子ラジアル走査が行われる。

なお、短寸超音波振動子１２Ｂ、１２Ｄについては説明を省略するが、短寸超音波振動子１２Ａ、１２Ｄと同様に隙間が分割され、夫々ずらした位置に形成されているため、やはり超音波画像の画質が低下するという問題は招来しない。

以上説明したように、半円周状に複数の超音波振動子１２が配列された２組の超音波振動子アレイ（１Ｕ及び１Ｌ）に他の超音波振動子１２よりも軸線方向に短い短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄを配列して、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとの間に生じる隙間が分割され、軸線方向にオーバーラップしない位置に形成されるため、接合部分における分解能が低下することを抑制することができ、生成される超音波画像の画質が低下することを防止することができる。

なお、上述したものは、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの内面側に夫々対応した形状を採るバッキング層１１Ｕ及び１１Ｌが具備されているものを内視鏡観察手段２に接合している。本発明は、これに限定されず、内視鏡観察手段２の外周に予めバッキング層１１を形成しておき、さらにその外周に上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌを接合するようにしてもよい。

次に、上記実施形態の変形例について説明する。この例では、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの両端に配置される短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄの円周方向における幅が他の超音波振動子１２（１２１乃至１２６）よりも広いものを使用する。図５に示す例では、短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄは他の超音波振動子１２よりも倍の幅を有している。この場合、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとの間に生じる隙間Ｃ１及びＣ２は、さらに離れた位置に形成されることになるため、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕと下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌとがある程度離間したとしても、完全に分断されることはないため、画像劣化の問題を抑制することができる。

そして、短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄの幅を広くすると、以下の作用効果も奏する。つまり、図２乃至図４に示した短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄは他の超音波振動子と比較して、軸線方向の長さが半分であり、且つ幅が等しいため、面積も半分となる。面積と静電容量とは比例するため、面積が半分となると、短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄの静電容量も半分となり、送信される超音波の強度も半分となることから、結果として取得される超音波画像が不均一なものとなる。すなわち、本来の信号と比べて当該部位における信号の輝度レベルは低くなるため、短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄが観測する部位とその他の部位とで部分的に明暗が異なることになる。一方、図５に示したように、短寸超音波振動子１２Ａ〜１２Ｄの幅を倍に広げれば、軸線方向の長さが他の超音波振動子１２と比較して半分であったとしても、超音波の送受信面の面積を等しくすることができるため、静電容量を等しくすることができる。これにより、全ての超音波振動子から送信される超音波の強度を等しくすることができるため、生成される超音波画像に上述した明暗が生じることはない。

ここで、図５に示される短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃ（又は１２Ｂ及び１２Ｄ）は形式上１つの超音波振動子を構成することになる。従って、上述したように、短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃ（又は１２Ｂ及び１２Ｄ）が夫々他の超音波振動子と同等の性能を有すると、超音波観測装置において生成される信号が他の信号と比較して倍となり、局部的に輝度レベルが高くなることが考えられる。そこで、短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃ（又は１２Ｂ及び１２Ｄ）には夫々個別の配線３を接続し、個別に超音波観測装置に接続する。そして、別個独立に出力された短寸超音波振動子１２Ａ及び１２Ｃ（又は１２Ｂ及び１２Ｄ）の反射エコー信号を加算して、さらに相加平均処理を行うことにより、他の超音波振動子が生成する信号と同じレベルの信号にすることができる。

以上により、上部側分割超音波振動子アレイ１Ｕ及び下部側分割超音波振動子アレイ１Ｌの両端に配列された超音波振動子を、軸線方向の長さは短くし、且つ円周方向の幅を広げることにより、上述した隙間による超音波画像の画質低下の問題を抑制することができ、同時に接合部付近とその他の部位において超音波画像に輝度レベルに変化を生じることを防止することができる。

超音波内視鏡の全体構成図である。挿入部先端に超音波振動子アレイが装着されたものの外観図である。挿入部先端に上部側分割超音波振動子アレイ及び下部側分割超音波振動子アレイを装着するときの外観図である。上部側分割超音波振動子アレイと下部側分割超音波振動子アレイとの接合部近傍の詳細を示す説明図である。変形例における上部側分割超音波振動子アレイと下部側分割超音波振動子アレイとの接合部近傍の詳細を示す説明図である。

符号の説明

１超音波振動子アレイ２内視鏡観察手段
１１バッキング層１２超音波振動子
１Ｕ上部側分割超音波振動子アレイ１Ｌ下部側分割超音波振動子アレイ
１２Ａ〜１２Ｄ短寸超音波振動子１２１〜１２６超音波振動子

Claims

複数の超音波振動子が軸線方向に配列され、全体が円周状となるように設けられた超音波振動子アレイを挿入部先端に有する超音波内視鏡において、
前記超音波振動子アレイは、前記超音波振動子が概略半円周状となるように配列された２組の分割超音波振動子アレイを接合したものからなり、
前記２組の分割超音波振動子アレイの両端には、他の超音波振動子よりも前記軸線方向における長さが半分となった短寸超音波振動子を配列することにより端部が階段状となし、
これら２組の分割超音波振動子アレイは、一方の分割超音波振動子アレイは階段状で、他方の分割超音波振動子アレイは逆の階段状となるようにして端部が相互に接合される構成とした
ことを特徴とする超音波内視鏡。
前記短寸超音波振動子は、前記他の超音波振動子より円周方向の幅が広いことを特徴とする請求項１記載の超音波内視鏡。
前記短寸超音波振動子は、一方側の端部は他の超音波振動子と基端側の位置が揃えられており、他方側の端部は他の超音波振動子と先端側の位置が揃えられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波内視鏡。