JP4697479B2 - 超音波検査ユニットまたは超音波検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、とくに乳がん検診などに使用する水浸法の超音波検査ユニットまたは超音波検査装置に関する。

現在、超音波検査では技師が超音波プローブ（以下、単にプローブという）を持って、プローブを直接体表に当てながら画像データを収集する。超音波は空気中をほとんど伝播しないので体表にペーストを塗り、プローブを体表に当てると体内の断面像がリアルタイムで表示される。超音波検査を乳房検診に用いる場合は技師がプローブを手動で動かし、乳房の断面像を表示しながら異常があると思われる部分の画像データを記録し、乳房の全断面を検査して、記録された画像をあとで医師が読影し診断を行う。しかし、このような方法では検査結果が技師の技能に大きく依存しかつ時間もかかり、データの再現性も乏しく検診には向かない。そこで、検診用としては短時間で再現性のあるデータを自動的に収集できる自動化された装置が必要である。これまで、乳がん検診のための自動化装置がいくつか提案されている。これらの提案は、乳房の全断面のデータを自動的に収集するために、プローブを体表に当てながらプローブを機械的に回転させる直接接触法（例えば、特許文献１参照）とプローブと体表との間に温水などを介在させてプローブを機械的に移動させる水浸法（例えば、特許文献２参照）とに大別される。

直接接触法はプローブ表面が乳房表面に直接接触するため、プローブと被検体の距離が短くかつ超音波ビームが被検体にほぼ垂直に入射する。超音波装置の特徴として、良好な画質を得るにはプローブと被検体の距離をできるだけ近づけ、超音波ビームを体表にできるだけ垂直に入射させることが好ましいので、直接接触法はこの点で優れている。しかし、乳房は柔らかい組織でありプローブを接触させると乳房が変形するため、単にプローブを機械的に移動させる方法では得られる画像に再現性がなく、また乳房の形状やサイズは個人差が大きいためプローブと体表が接触できない部分が生じやすく、自動化検診装置としては十分とはいえない。

一方、水浸法は乳房表面にプローブを接触させないため、乳房は変形せず常に再現性のよい画像が得られ、この点では検診装置に向いている。しかし、乳房表面は平面ではなく曲面であり、サイズや形状は個人差が大きいので、従来提案されている特定の軌道に沿ってプローブを機械的に移動させる方法、あるいは視野幅の広いプローブを機械的に回転させる方法ではプローブと乳房表面との距離を常に最短にしかつ超音波ビームを体表に垂直に入射させることは困難である。また、視野幅の広いプローブで良好な画質を得るためには振動素子数を多くしなければならない。例えば、現在手動走査で乳房検査に使用しているプローブの振動素子数は１９２程度、視野幅は５５ｍｍ程度である。乳房の周囲が略円形であると仮定すると、その半径は特別な場合を除き日本人では１２ｃｍ以内と考えられ、１２ｃｍの視野幅が必要になる。この幅の画像を画質を落とさずに撮影するには、素子数を約２．２倍の４２０素子にしなければならない。このような多素子で長軸のプローブは製造が極めて難しく、さらに送受信を行うためのケーブル本数、本体回路のチャネル数を全て２．２倍にする必要があり大幅なコスト増になるほか、汎用の超音波診断装置との互換性もなくなる欠点がある。
特願２００２−１１８６４３ 特公昭６２−４９８９

以上述べたように、乳房を変形させずに常に再現性のよいデータを収集できる自動化検診装置としては水浸法が適しているが、サイズや形状に大きな個人差のある被検体に対して、プローブと乳房表面との距離を常に最短にしかつ超音波ビームを体表に垂直に入射させることが困難であり、また、視野幅の広いプローブを使用した場合はコストが大幅に増加し、さらに汎用の超音波診断装置との互換性がなくなるという大きな問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点を解決しようとするもので、乳房を変形させずに常に再現性のよい画像が得られ、個人差の大きな被検体に対してもプローブと乳房表面との距離を常に最短にしかつ超音波ビームを体表に垂直に入射させることができ、かつコストを最低限に抑え、また汎用の超音波診断装置との互換性も備えた超音波乳がん検診装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の解決手段は、振動子がアレイ状に配列されたプローブと、プローブを水平方向に回転させる回転機構と、プローブを上下させる上下移動機構と、プローブを径方向にシフトさせるシフト機構と、プローブの角度を変える角度調節機構と、プローブおよび液体を収納する液体容器とにより装置を構成するものである。

第２の課題解決手段は、上下移動機構および角度調節機構に距離あるいは角度を検出するためのセンサを設け、プローブの上下位置および角度を制御することである。

第３の課題解決手段は、超音波の反射情報を用いて被検体とプローブとの距離ができるだけ近くかつ超音波ビームが被検体にできるだけ垂直に入射するようにプローブの上下位置および角度を制御するものである。

第４の課題解決手段は、シフト機構による径方向のシフト位置を３箇所以上にしたことである。

発明の作用と効果

上記第１の課題解決手段の作用と効果は、乳房を変形させずに、プローブと乳房表面との距離および超音波ビームの入射角度を機械的に自由に変えて最適な制御を行うことができ、またシフト機構により、視野幅の広い特殊なプローブを使用する必要がなく野幅の狭い通常のプローブの使用が可能なため、プローブおよび本体回路のコストが大幅に低減されることである。

第２の課題解決手段の作用と効果は、上下移動機構および角度調節機構に距離あるいは角度を検出するためのセンサを設けたことにより、プローブの上下位置および角度を所定の値に自由に制御しかつその情報を記録できるようになることである。

第３の課題解決手段の作用と効果は、超音波の反射情報を用いて体表とプローブとの距離および角度の関係を求め、フィードバック制御により常に体表とプローブとの距離ができるだけ近くかつ超音波ビームが体表に垂直に入射するようにし、常に良好な画像が得られることである。

第４の課題解決手段の作用と効果は、シフト機構による径方向のシフト位置を３箇所以上にすることにより、通常乳房検査に使用されているものと同等の視野幅の狭いプローブを使用して全乳房の高画質のデータを収集できることである。視野幅の狭いプローブを使用することにより、直線状のプローブでも体表の曲面形状に対して被検体とプローブとの距離を近づけ超音波ビームが被検体に垂直に入射させることが容易になり、さらにプローブおよび本体装置のコスト低減に大きく寄与しかつ汎用の超音波装置と互換性を持たせることができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。

図３は本発明の超音波検査装置全体を示すシステムの構成図である。超音波検査ユニット２１は、液体容器、プローブ、プローブ駆動機構などからなり、被検者に対して超音波パルスの送受信を行うユニットであり、あとで詳細に説明する。
図３の一点鎖線で囲んだ部分Ｂは、超音波送受信回路と、受信した信号から断面像を生成する画像生成手段である。送信回路２６で発生したパルス電圧が超音波検査ユニット２１にあるプローブに送信されて超音波パルスが発生する。超音波パルスは生体中に入射し反射波が同じプローブで検出され受信回路２２に供給される。受信信号処理回路２３は受信回路で受信した複数の振動素子の信号を処理しディジタルスキャンコンバータ（以下、ＤＳＣ）２４に書き込まれる。ＤＳＣ２４は得られた受信信号を用いて２次元断面像を構成するものであり、断面像は画像合成ユニット２５を経由してモニタ３２に表示される。

機構制御回路２８は、超音波検査ユニット２１にあるプローブの回転および上下位置、プローブ角度、シフト位置を制御するための回路であり、プローブ駆動機構にあるセンサにより検出された位置や角度情報が位置・角度検出ユニット２７に供給され、その情報をもとに機構制御回路２８はプローブ駆動機構に制御信号を送る。位置・角度検出ユニット２７の情報は付加情報ユニット２９に送られ、プローブの位置・角度情報などが画像合成ユニット２５で画像と重ね合わされてモニタ３２に表示される。断層像および付加情報はメモリに記録され必要なときに読み出すことができる。これらはすべてＣＰＵ（中央制御装置）３１によりコンピュータ制御される。図３では、信号の流れを実線で、コンピュータによる制御信号は点線で示している。

図３の一点鎖線で囲んだ部分Ｃは、生成された断面像を表示するモニタ３２および撮影条件や表示条件などを設定するための入力手段３３である。

図４に従来一般的に考えられている超音波検査ユニット２１の断面図の例を示す。液体容器は非伸縮性の枠４１で構成され、液体容器内にはプローブ４４があり温水４５が満たされている。非伸縮性の枠４１の上面には伸縮性があり超音波を透過する薄い膜４２がある。プローブ４４は一般にリニアアレイプローブと呼ばれるもので、上面には多数の振動素子４３があり超音波の送受信を行う。検査時には膜４２を介して乳房を温水４５内に挿入し、振動素子４３から膜４２と温水４５を介して乳房組織に超音波パルスが送波され、乳房組織からの反射波が再び温水４５と膜４２を介して振動素子４３で受信される。この多数の振動素子４３によりリニア電子走査が行われ、リアルタイムで断面像が得られる。

一方、プローブ４４は回転軸４７に取り付けられ、回転軸４７はモータ４９により回転し機械走査が行われ３６０度方向の断面像を収集することができる。回転軸は軸受け４８ａ、４８ｂで支えられかつ密閉されている。また、プローブ４４を回転軸４７に結合する部分にも軸４６があり、図には記載されていない駆動機構によりプローブ４４の傾斜角度を変えることができる。液体容器内には給水管５０から約３７℃の温水が給水され排水溝５１から排水管５２を通って排水される。給水、排水を制御するために給水バルブ５３および排水バルブ５４がある。液体容器の枠４１は架台５５に固定されている。

図１は本発明の超音波検査ユニット２１を示す図である。水槽１０に温水が満たされていてその中にプローブ１があり、水槽１０の上から図にはない薄い膜を介して乳房を温水中に挿入して検査を行う。プローブ１は、現在技師が手動走査で乳房の検査に使用しているものと同等のもの例えば周波数８ＭＨｚ、振動素子数１９２本程度のものであり、四角な枠で示した視野５の断面像がリアルタイムで得られるものである。視野幅は約５５ｍｍ、視野深度は６０ｍｍ、視野面積は５５ｍｍ×６０ｍｍ程度である。

プローブ１は回転軸３を介してアーム２に結合され、アーム２は回転軸８にアームの固定端４で固定され回転軸８のセンターＡ−Ａを中心にプローブを水平方向に回転させることができ、また回転軸８を上下させることによりアーム２の角度を一定に保ったままプローブ１を上下に移動させることができる。説明を分かりやすくするために図のアーム２は１本の太い直線で描いているが、実際には幅のある剛体でできている。プローブ１を水平方向に回転させ、また上下に移動させるための回転軸８を水平回転軸、その回転角度を水平回転角度と呼ぶことにする。またプローブ１は、回転軸３を中心に往復回転し角度を変えることができるようになっている。以下、プローブ１の回転軸３のまわりの回転をチルト、回転軸３をチルト軸、その回転角度をチルト角度と呼ぶことにする。チルト軸３はアーム２に沿って移動することができこれをシフトと呼ぶ。

水平回転軸８、チルト軸３には回転角度を検出するための図にはないセンサがあり、センサの角度情報を用いてモータにより水平回転角度、チルト角度を正確に制御することができる。水平回転軸８の回転制御は図４に示した従来の方法でもよく、チルト角度はアーム２に小型モータを直接取り付けるか、細いワイヤーを介して水槽の外部でモータにより制御することができる。チルト軸３あるいはアーム２には、プローブ１のシフト位置を検出するための位置センサがあり、シフト位置情報を検出しながらワイヤーを介してモータ駆動によりアーム２に沿ったシフト位置の制御が可能である。通常シフト位置は３箇所としシフト間隔は３０〜５０ｍｍである。水平回転軸８にも上下位置を検出するためのセンサがあり、上下位置情報を検出しながらモータ駆動により正確に上下位置を制御することができる。水平回転角度、チルト角度、位置の検出にはエンコーダ、回転や移動にはサーボモータあるいはステッピングモータなど、一般の機構制御に使用されているものを用いればよい。

以上に述べた構成により、プローブ１の水平回転角度、上下位置、アームに沿ったシフト位置すなわち回転半径、およびチルト角度の４つの情報が図３の位置・角度検出ユニット２７に伝達され、機構制御回路２８によってこれらを正確に制御することができる。

つぎに、このようなプローブの回転、移動機構を用いて超音波画像データを収集する方法を詳しく説明する。超音波画像データを収集する場合の最初のプローブの位置は、シフト機構により図１の実線で描いたプローブ１であり、水平回転軸１６から最も遠い位置すなわち乳房の外周上に設定され、チルト角度はプローブ１の表面が乳房表面（体表）にできる限り平行にすなわち超音波ビームが体表に垂直に入射するように設定される。また、水平回転軸８の上下移動によりプローブ１と体表ができるだけ近い距離たとえば５ｍｍに設定される。このようなチルト角度および上下位置の設定方法については後で詳しく説明する。

データ収集を開始すると、水平回転軸８が下から見て右に３６０度回転し乳房の外周部分の断面５の画像データを収集し、図３のメモリ３０にプローブ１のシフト位置、水平回転角度、上下位置、チルト角度の情報とともに記録される。プローブ１は水平回転しながら、上下位置とチルト角度はプローブ１の表面と体表の距離ができる限り近くかつ平行になるように時々刻々制御される。図２はその途中の１８０度回転した位置を示す図であり、シフト位置とアーム２の傾斜角度は一定であるが、乳房の断面形状が左右対称ではないのでチルト角度および上下位置は図１とは異なり、プローブ１の表面が体表にできる限り近くかつ平行になるように制御されている。例えば、１断面の画像のデータ収集時間が約１／５０秒であるとし、０．５度回転するごとに１枚の画像を収集するとすれば１回転に要する時間は約１５秒であり７２０枚の画像が収集されメモリ３０に記録される。

水平回転軸８の回転によりプローブ１が１回転すると、プローブ１はシフト機構によりアームの中央部分にシフトする。この状態が図１のシフト位置がチルト軸６にある点線で描いたプローブである。この場合のプローブのシフト距離はおよそ４０ｍｍ程度である。この中間位置にシフトした状態でプローブ１は上下位置とチルト角度を変えながら今度は逆方向に３６０度の水平回転を行う。逆方向に回転する理由はプローブに接続されているケーブルがどんどん巻き込まれるのを避けるためである。このときの１８０度の水平回転位置における状態が図２に示されている。中間位置でプローブ１が１回転すると、プローブ１を水平回転軸８すなわち乳頭に近い位置にシフトさせる。このときのシフト距離はおよそ５０ｍｍであり、この状態が図１のシフト位置がチルト軸７にある点線で描いたプローブである。中間位置と同様な方法で再び中間位置の場合とは逆方向にプローブ１を水平回転させる。このシフト位置で１８０度の水平回転角度における状態が図２に示されている。

このようにして、プローブ１を水平方向に３回転（１．５往復）することにより、常にプローブと体表の距離が十分近くかつ超音波ビームが体表に垂直に入射するようにして乳房の外周部分、中間部分、乳頭に近い部分の全領域にわたって画像データを収集することができる。シフト距離は視野幅より小さく、図１、図２からも分かるように断面はオーバーラップしており撮影できない部分はない。収集した画像データはそのままの形で表示して読影することもできるが、最近のディジタルカメラのソフトを用いて同じ水平回転角度の外周部分、中間部分、乳頭に近い部分をつないで１枚の画像として表示することも容易である。これまでの説明では、データ収集を乳房の外周部分から開始したが、逆に乳頭に近い部分から開始してもよい。また、シフト位置やシフトの回数は乳房のサイズによって変えてもよい。

つぎに、常に超音波プローブと体表の距離が十分近くかつ超音波ビームが体表に垂直に入射するようにプローブの位置とチルト角度を制御する方法について詳しく説明する。

図５には水平方向をｘ軸、水平回転軸８を通る垂直方向をｙ軸としてプローブ１と体表９の位置関係を示している。図５はプローブ１のチルト角度および上下位置を最適にする前の状態であり、その状態を下付ｉで表している。アームの固定端４の高さはｙ_ｉであり、アーム２の角度は一定でθ_０、アーム２に対するチルト角度はθ_ｉ、体表９とプローブ１の表

ーブ１をできるだけ近づけかつ超音波ビームを体表９に垂直に入射させるためには、回帰直線Ｂ−Ｂとプローブ１の表面を平行にし、プローブ１と体表９の距離をプローブが体表

ト角度をθ_ｉ＋１とすれば、図５から容易に分かるようにθ_ｉ＋１は以下のようになる、

数式１

ローブ１は右に回転することになる。

以下のようになる。

数式２

したがって最適制御を行うには、現在のアームの固定端４の高さｙ_ｉとチルト角度θ_ｉをもと

と固定端４の高さをそれぞれθ_ｉ＋１、ｙ_ｉ＋１に設定すればよい。

動する。この様子を図６に示す。図６では実線で描いたプローブ１はチルト回転前の位置を示し、チルト軸３を通りプローブ表面に平行な軸をＸ軸、垂直な方向（超音波ビーム方向）をＹ軸としている。この状態での体表上の点の座標はＰ（Ｘ，Ｙ）で表され、最短距離とな

で、チルト軸３を通り点線で描かれたプローブ表面に平行な軸をＸ_θ軸、垂直な軸をＹ_θ軸とする。この状態では体表の曲線上の点の座標はＱ（Ｘ_θ，Ｙ_θ）で表され、体表とプローブ表面

回転後の座標、Ｘ_θ、Ｙ_θは座標回転の公式から以下のようになる。

数式３

数式４

この式で変換された新たな座標Ｑ（Ｘ_θ，Ｙ_θ）で最短距離の位置座標Ｑ（Ｘ_θｍ，Ｙ_θｍ）を求め、数式２

この値は数式２の値に等しくなる。

２、図５、図６では画像データを収集する視野５は四角な枠で示されているが、この枠内の断面像は多数の走査線によって形成されている。その様子を図７に示す。走査線以外は図６と共通である。プローブ１の左端で超音波の送受信が行われるとその反射波を検出して左端の１本の走査線が得られる。次に僅か右にずらして送受信を行うと次の走査線が得られ、これを右端まで繰り返して多数の走査線１１により断面像を形成する。各走査線の間隔は約０．３ｍｍであり、走査線の位置は図７のＸ座標に相当する。１本の走査線には反射波の強さとプローブ１から反射体までの距離すなわち図７のＹ座標の情報が含まれており、プローブ１に最も近い強い反射が体表９からの反射である。したがって、１枚の画像データが収集された時点で体表９の曲線の座標Ｐ（Ｘ，Ｙ）が得られ、これを用いて、プロー

体表９の曲線の座標Ｐ（Ｘ，Ｙ）は実際には連続ではなく、１９２個の点の座標Ｐ（Ｘ_ｊ，Ｙ_ｊ）であり、これから通常の方法で容易に回帰直線の式を求めることができる。回帰直線の勾配をαと

枚の画像の走査が修了した時点のＹの値がそのままＹ_ｍとなる。また、回帰直線を求めるためには、回帰直線の公式から明らかなように各走査線ごとのＸ_ｊ、Ｙ_ｊの積あるいは２乗をもとめそれを加算してゆき、最後に割り算だけを行えばよいので、この場合も１枚の画像

は例えば１００μｓであり、走査線数を１９２本とすれば１９．２ｍｓで１枚の画像デー

検査を開始する前は、プローブ１は体表９から十分離れたパーク位置にある。検査を開始しするときは、初めはアーム２は水平回転角度が０度の位置に固定されており目標とす

固定端４の上下移動およびチルト角度の制御により、プローブ１は体表９に平行かつ最短距離に設定される。その後、プローブ１は水平方向に回転を始める。プローブ１が回転す

固定端４の上下移動およびチルト角度を制御する。前述のように水平回転角度０．５度ごとに１／５０秒で１フレームの画像が得られるとし、制御の応答速度を例えば０．１秒とすれば、制御は５フレームすなわち２．５度あとの位置に対して実施されるが、体表９の形状の変化は緩やかなのでこの程度の応答速度でもあまり問題にならない。

以上述べた制御の方法は、プローブと体表の距離およびプローブの角度を検出し、目標値との差をゼロとするいわゆるフィードバック制御であり、常に最適で安定な制御が可能になる。

図８にはアームの形状および駆動方式の他の実施例を示す。図１のアーム２は直線状であり、チルト軸３はアーム２に添ってシフトし、アームの固定端４は水平回転軸８に固定されている。それに対して、図８の実施例のアーム１２は曲線状でありその一端にチルト軸３が結合されアーム１２に対するチルト軸３の位置は固定されている。アーム１２の他端は水平回転軸８の上部に固定されたギアボックス１３内に挿入され、図にはないギアによりアーム１２がギアボックス１３の内部を移動する。チルト軸７の位置にある点線で描かれたプローブはアーム１２がギアボックス１３の中を移動し、プローブ１が乳頭に近い位置に来たときの状態を示している。このとき、水平回転軸８は少し下に下がってチルト角度も変化している。チルト軸が中間位置にある状態はも明を分かりやすくするために図８では省略している。このようにすると、水平回転軸８の上下移動およびチルト角度の変化は少なくてすむことになる。

以上、詳しく説明したように本発明によれば、水浸法により乳房を変形させずに常に再現性のよい画像が得られ、視野幅の狭いプローブのシフト、超音波の反射信号を用いた上下移動、チルトのフィードバック制御により個人差の大きな被検体に対してもプローブと乳房表面との距離を常に最短にしかつ超音波ビームを体表に垂直に入射させて良好な画像を得ることができる。また、一般的に使用されているものと同等のプローブを使用できるのでプローブおよび本体装置のコストを最低限に抑え、また汎用の超音波診断装置との互換性も備えた超音波乳がん検診装置を提供することができる。

本発明の超音波プローブ制御機構の説明図 超音波プローブが１８０度水平回転したときの位置関係の説明図 本発明の全体のシステム構成を示す図 従来の超音波プローブ制御機構の説明図 超音波プローブの最適制御の方法を示す説明図 チルト角度が大きな場合の制御方法を示す図 移動距離とチルト角度を超音波反射波データから求める方法の説明図。 アームの形状と移動方式の他の実施例。

符号の説明

１ 超音波プローブ
２ 超音波プローブを固定するアーム
３ 超音波プローブのチルト回転軸
４ アームの水平回転軸への固定端
５ 超音波画像の視野
８ 超音波プローブを水平方向に回転する水平回転軸
９ 乳房表面（体表）
１０ 水槽
１１ 走査線
１２ 曲線状のアーム
１３ ギアボックス

Claims (1)

1. 振動子がアレイ状に配列された１列の超音波アレイからなる超音波プローブと、該超音波プローブを水平方向に回転させる回転機構と、該超音波プローブを上下に移動させる上下移動機構と、該超音波プローブを径方向にシフトさせるシフト機構と、該超音波プローブのチルト角度を変える角度調節機構と、該超音波プローブおよび液体を収納する液体容器とを具備し、該超音波プローブを水平方向に回転させながら、上下移動機構および角度調節機構は、超音波の反射情報を用いて体表と該超音波プローブとの距離ができるだけ近くかつ超音波ビームが体表にできるだけ垂直に入射するように該超音波プローブの上下位置およびチルト角度の両方を人間系を介さずに自動的に制御することを特徴とする超音波検査ユニットまたは超音波検査装置。

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