JP4698355B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探触子を体内に挿入して超音波診断を行う超音波診断装置に関する。

患者の腹部や胸部などに孔を開けて、内視鏡や手術器具を挿入し、体内の外科的治療を行う場合がある。最近では、胎児に対する外科治療も普及しており、例えば、胎児の気管支に細い内視鏡を挿入して行う治療も広まっている。この治療における問題点の一つとしては、例えば、羊水が濁っている場合に、内視鏡が胎児に対してどの位置にあるかわからないことが挙げられる。また、内視鏡の視野範囲が狭いため、胎児の全体位置を把握することが難しく、内視鏡を口等の診断部位に近づけることも困難となる。

そこで、通常は、経腹から診断された超音波画像を観察して、胎児の向き（位置）を把握している。しかし、一般に、超音波診断の検査者は内視鏡の検査者とは異なるため、内視鏡の検査者が超音波画像から胎児の向きと内視鏡の位置とを的確に認識することは難しい。さらに、通常の腹腔鏡手術では腹部に数箇所の孔を開けて手術器具と内視鏡を挿入するが、胎児治療の場合には子宮に開ける孔を少なくしたい（できれば１箇所）という要請があり、治療を困難なものとしている。

なお、下記特許文献１には、体腔部に挿入可能な挿入部の先端に、内視鏡及び超音波探触子を備え、両者の位置決め手段を設けた超音波内視鏡が記載されている。また、下記特許文献２に記載された超音波内視鏡は、超音波走査面が被検体表面に対して垂直になるための角度を算出し、その角度を術者に知らせる手段を備えている。ただし、これら特許文献１，２に記載された技術は、超音波振動子の挿入深さを制御するものではなく、本発明の技術とは異なるものである。

特開平８−１１７２３３号公報 特開平４−３０７０４２号公報

本発明の目的は、体腔に挿入する超音波探触子の深さを制御する技術を確立することにある。

本発明のさらに別の目的は、胎児の気管支内に内視鏡を挿入して行う治療を容易化することにある。

本発明の超音波診断装置は、体腔に挿入される挿入部と、挿入部の挿入方向前方に設けられ、超音波振動子を有する超音波探触子と、超音波探触子を挿入方向に駆動し、挿入部からの伸び量を変更する第１駆動機構と、超音波探触子の超音波振動子を用いて超音波の送受信を行い、挿入方向前方側の対象物との距離を測定する測定手段と、第１駆動機構を制御して、測定された距離に応じて超音波探触子の伸び量を変更する制御手段と、を備える。

挿入部は、腹腔、胸腔、子宮などの体腔に挿入される部位である。その形状は、長形である方が挿入容易となるが、特に限定されるものではない。超音波探触子は、挿入部の挿入方向前方に、直接的又は間接的に設けられる。つまり、挿入部から直接伸びていてもよいし、例えば挿入部から伸びる内視鏡等の診断用器具がある場合にそこから分岐するなどしてもよい。

超音波探触子には超音波振動子が設けられている。超音波振動子は、典型的には超音波探触子先端に設けられるが、取付位置が明確であれば、必ずしも先端である必要はない。また、広範囲な診断を行うため、超音波探触子の側面等に設けられていてもよい。超音波振動子は、測定手段において用いられる他、一般には対象物あるいはその近辺の診断に用いる超音波画像の生成にも利用される。この場合、測定手段で用いる超音波振動子と診断用の超音波画像を得るために用いる超音波振動子は、共通とすることができるが、別々のものとすることも可能である。

第１駆動機構は、モータ回転や空気圧などの動力を利用して超音波探触子を挿入方向に駆動し、挿入部からの伸び量（距離）を変化させる機構である。そして、測定手段は、超音波探触子の超音波振動子を用いて超音波の送受信を行い、挿入方向前方側（典型的には真正面だが、斜め方向でもよい）の対象物との距離を測定する。対象物としては、例えば体腔の壁面や腔内の臓器その他の物体が選ばれる。これらは、診断対象であってもよいし、単なる配置の目印となる対象であってもよい。また、対象物は、設定に従って自動認識してもよいし、表示された画像を参照するなどしてユーザが設定してもよい。

制御手段は、第１駆動機構を制御して、測定された距離に応じて超音波探触子の伸び量を変更する。制御は様々に可能であり、例えば、対象物との距離を設定された距離に保つように行ってもよいし、対象物との距離がある距離よりも近づかない又はある距離よりも遠ざからないように行ってもよい。また、例えば、対象物との距離が近づいた場合に移動速度を低下させるなど各種の速度制御を行うことも可能である。さらに、心拍等による距離変化の影響を避けるため、若干の誤差を許すなど測定距離の微少な変動に追従しないようにすることも有効である。このような複数の制御態様をプログラミングしておき、ユーザ指令や診断態様に応じて実施態様を選択するようにしてもよい。

この構成によれば、体腔に挿入する超音波振動子の深さを、対象物との距離に基づいて自動制御することが可能となる。したがって、手術等を行う操作者は、簡易に所望の位置に超音波振動子を配置することができる。なお、超音波探触子の挿入を手動で行うための切替スイッチを設けることも有効である。

本発明の超音波診断装置の一態様においては、制御手段は、超音波探触子と対象物との距離が設定距離となるように第１駆動機構を制御する。これにより、対象物の超音波画像を生成する場合には、対象物を視野範囲に安定して捉えることができる。また、対象物の超音波画像を生成しない場合にも、対象物を基準とした所定の位置に超音波探触子をセットすることが可能となる。

本発明の超音波診断装置の一態様においては、超音波探触子の超音波振動子を用いて超音波の送受信を行い、対象物の超音波画像を生成する超音波画像生成手段を備える。得られた超音波画像は、一般に表示画面に表示される。表示画面は、本超音波診断装置に内蔵されていてもよいし、別途設けられていてもよい。

本発明の超音波診断装置の一態様においては、超音波探触子は、挿入部を体腔に挿入した状態で超音波振動子の送受信方向を変化させる角度調整機構を備える。角度調整機構とは、超音波振動子の方向を変更する機構をいう。角度調整機構は、電子走査によるものであっても、機械的なものであってもよい。機械的なものである場合には、方向の変更は、モータ等の機械力によって行われてもよいし、手動で行われてもよい。したがって、患部を送受信範囲に含めたり、体腔に挿入された診断用器具等を送受信範囲に含めたりすることが容易となる。

本発明の超音波診断装置の一態様においては、挿入部の挿入方向前方に設けられた診断用器具と、診断用器具を挿入方向に駆動し、挿入部からの伸び量を変更する第２駆動機構と、を備える。診断用器具は、挿入部の前方に直接的又は間接的に設けられる。つまり、挿入部から伸びていてもよいし、挿入部から伸びる超音波探触子等から分岐するなどしてもよい。また、第２駆動機構は、自動制御されてもよいし、ユーザ指示に基づいて動作するようにしてもよい。

本発明の超音波診断装置の一態様においては、診断用器具は内視鏡、又は手術器具である。内視鏡を備えた場合には、本超音波診断装置は、超音波内視鏡として機能する。また、手術器具の例としては、メスや注射針などが挙げられる。これにより、例えば、胎児の気管支内に対し内視鏡を挿入するような操作を一人で行うことが可能となり、治療が容易化される。

本発明の超音波診断装置の一態様においては、制御手段は、さらに第２駆動機構を制御して、診断用器具の伸び量を変更する。また、本発明の超音波診断装置の一態様においては、制御手段は、測定された距離が設定距離よりも浅い場合には、超音波探触子を診断用器具と同時に又は診断用器具よりも先行させて挿入させ、測定された距離が設定距離に到達した場合には、少なくとも超音波探触子をその位置に維持させる。

本発明によれば、体腔に挿入する超音波振動子の深さを、対象物との距離に基づいて制御することができるため、操作者の負担軽減や操作精度向上などの効果が期待できる。

図１は、超音波診断装置１０の構成例を示す機能ブロック図である。超音波診断装置１０は、超音波画像を形成するための構成と、内視鏡画像を形成するための構成を兼ね備えている。

超音波制御部１２は、超音波の送受信や超音波画像の形成を制御するものである。制御は、典型的には、演算機能を備えたハードウエアの動作をソフトウエア（プログラム）で規定することで行われる。送受信部１４は、制御内容に従って、探触子ユニット１６に設けられた超音波振動子１８に対し送信信号を送信するとともに、対応する反射波信号（超音波エコー）を取得する。探触子ユニット１６は、検査者が被検査者の体腔内に挿入して、診断を行う器具であり、内蔵する超音波振動子１８と光学撮像部２０を備えている。超音波振動子１８は複数の圧電素子がアレイ状に配置されたものであり超音波の送受信を行って超音波画像を生成するために用いられる。また、光学撮像部２０は、ファイバースコープなどからなり、内視鏡画像を得るために用いられる。なお、光学撮像部２０の制御は、プログラム制御された光学制御部２２によって行われる。

送受信部１４が取得した反射波信号は画像処理部２４に送られて、検波処理等がなされ、ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）２６に出力される。ＤＳＣ２６は、放射状の診断領域に対応したアナログ信号を表示部の画素配置に対応したデジタル信号に変換する。そして、これにより得られた画像は、液晶ディスプレイなどからなる超音波画像表示部２８に表示される。

画像処理部２４の出力は、距離計測部３０にも出力される。距離計測部３０は、超音波振動子１８と診断対象との距離を超音波エコーに基づいて計測するものである。この計測結果は駆動制御部３２に出力され、駆動制御部３２は設定された距離に超音波振動子を移動させる。なお、駆動制御部３２に対して、振動子移動モード切替入力部３４から動作切替信号を送信した場合には、手動による超音波振動子１８の移動を行うことが可能となる。この振動子移動モード切替入力部３４は、操作者による切替操作が容易となるように、探触子ユニット１６に設けるようにしてもよい。

他方、光学撮像部２０によって撮影された画像は、光学像表示部３６に表示される。光学像表示部３６は、典型的には、超音波画像表示部２８と同じ液晶ディスプレイ等を用いて構成される。そして、光学画像は、画面分割や画面合成の手法により、この光学像表示部３６に超音波画像と対応づけて表示される。

続いて、図２乃至図４を用いて探触子ユニット１６の構造について説明する。

図２は、探触子ユニット１６の斜視図である。探触子ユニット１６は、首振り機構操作部４０が取り付けられた円筒状の保持部４２と、保持部４２から伸びる同心の細長い円筒状の挿入部４６を備える。そして、挿入部４６の前方からは、さらに細長い円筒形状の超音波探触子４８が伸びており、超音波探触子４８の先端には超音波振動子５０が取り付けられている。また、挿入部４６の前方には、やはり細長の円筒形状をなす内視鏡５２が、超音波探触子４８とほぼ平行に伸びている。

図３（ａ）は、図２におけるＡ−Ａ面の断面図、図３（ｂ）は、図２におけるＢ−Ｂ面の断面図である。首振り機構操作部４０には、水平方向首振り用ダイヤル４０ａと、垂直方向首振り用ダイヤル４０ｂの２重のダイヤルが設けられており、各ダイヤルは独立して回転可能である。そして、保持部４２の内部において、水平方向首振り用ダイヤル４０ａには水平方向首振り機構ワイヤ６２が、垂直方向首振り用ダイヤル４０ｂには垂直方向首振り機構ワイヤ６４が接続されている。

超音波探触子４８及び内視鏡５２の根元部分は、挿入部４６内を通って保持部４２にまで達しており、その付近にはギザギザの歯形に形作られた振動子前後移動ラック６６が設けられている。この振動子前後移動ラック６６は、モータ６８に取り付けられた歯車と噛み合わされている。このため、モータを回転させることで、超音波探触子４８や内視鏡５２を前後に移動させることができる。

図４（ａ）は、超音波探触子４８の先端付近を詳細に示した斜視図である。超音波探触子４８は円筒形状をなしており、その最先端には複数の圧電素子が一次元あるいは二次元のアレイ状に配置されてなる超音波振動子５０が設置されている。二次元のアレイ状に配置した場合には、単一の断層像のみならず、Ｂｉ−Ｐｌａｎｅ（直交する面）や任意断面の断層像、さらには三次元画像の取得も可能となる。

超音波探触子４８は、円筒部材７０と、ジョイントによって角度変更可能に接続された複数の円環体７２，７４，７６，．．．によって形成される。そして、円筒部材７０と複数の円環体７２，７４，７６には、図４（ｂ）に示すように、その断面に四つのガイド孔が円周に沿って等角度間隔で設けられており、これらのガイド孔に水平方向首振り機構ワイヤ６２と垂直方向首振り機構ワイヤ６４がそれぞれ通される。すなわち、水平に対向する二つのガイド孔７８ａ，７８ｂには、水平方向首振り機構ワイヤ６２が通され、垂直に対向する残りの二つのガイド孔７８ｃ，７８ｄには、垂直方向首振り機構ワイヤ６４が通され、これにより各目的方向への首振りが的確に行われる。水平方向首振り機構ワイヤ６２の端部と垂直方向首振り機構ワイヤ６４の端部は、超音波振動子５０に最も近接する円環体７２に固定されている。

操作者は首振り機構操作部４０の水平方向首振り用ダイヤル４０ａまたは垂直方向首振り用ダイヤル４０ｂを回転させて対応するワイヤを操作することで、超音波探触子４８の先端付近を水平あるいは垂直方向に曲げ、先端の超音波振動子５０の方向を変更することができる。この首振り操作を行うことにより、複雑な形状をもつ患部の診断が容易となる他、例えば、内視鏡５２を超音波画像内に含むように先端の方向を変更することで、内視鏡５２の位置把握や操作を容易に行うことができる。

図５は、探触子ユニット１６を用いて治療を行う様子を示した模式図である。ここでは、母親の子宮８０の内にいる胎児８２に対し、気管支の治療を行う例を示している。この治療では、子宮に開けられた切開部８６に探触子ユニット１６の挿入部４６が挿入される。そして、操作者（術者）の監視の下、挿入部４６の先端から伸びる超音波探触子４８及び内視鏡５２が駆動制御されて、超音波診断及び内視鏡診断が行われる。

図６は、図５に示した診断により得られた画像を、表示画面９０に表示した例である。表示画面９０には、超音波画像９２と内視鏡画像９４とが並べて表示されている。ここでは、超音波診断は胎児に対し比較的遠方から行われており、胎児８２の頭部から胸部にわたる広範囲な視野をもつ超音波画像９２が得られている。これに対し、内視鏡診断は、胎児のすぐ近くで行われており、内視鏡画像９４には胎児の口８４付近が鮮明に表示されている。このため、操作者は、超音波画像９２により内視鏡の大まかな位置を確認しながら、内視鏡を操作することができる。

続いて、この超音波診断及び内視鏡診断において行う距離制御について、図７乃至図１０を用いて説明する。

図７は、図１に示した超音波診断装置１０の距離計測部３０の動作を詳細に説明する図である。距離計測部３０は、超音波探触子と対象物との距離を測定するものであり、距離算出部１００と平均算出部１０２を備えている。そして、距離算出部１００には、画像処理部２４から入力されるエコー信号１０４、標準設定やユーザ設定等により与えられる計測対象の輝度指定１０６、及び標準設定やユーザ設定等により与えられる計測するビーム位置の指定１０８の各信号が入力される。

距離算出部１００は、これらの情報に基づいて距離を算出し、その計測結果１１０を平均算出部１０２に出力する。また、平均算出部１０２には標準設定やユーザ設定等により与えられる平均数指定１１２が入力される。平均算出部１０２は、これらの情報を基に複数回の測定結果を平均してその結果を出力する。

図８は、距離算出部１００が行う距離計測の原理を模式的に示した図である。図８（ａ）は、エコー信号によって得られる超音波画像１２０を示した図であり、超音波画像１２０には胎児１２２が捉えられている。この超音波画像１２０は、この面内で超音波ビームを走査することで作成された画像であり、画像中の点線１２４は距離計測対象として設定された超音波ビームを表している。

図８（ｂ）は、点線１２４で示された超音波ビームにおけるエコー強度を示した図である。横軸は深さ、縦軸はエコーから算出した輝度値である。エコー強度は、胎児の手前では低く、胎児の表面で高くなっている。胎児１２２の表面は、胎児表面として設定された輝度（Ｅ）１２８に基づいて検出される。すなわち、浅い方から順次輝度を調べていき、初めて設定された輝度（Ｅ）１２８を超えたときの深さから距離（Ｌ）１２６が算出される。

平均算出部１０２は、このようにして得られた複数回の測定結果から、平均の距離を算出する。これにより、距離測定の誤差を減らし、胎児の表面からの距離を精度良く求めることが可能となる。

距離計測が行われると、図１に示した超音波診断装置１０の駆動制御部３２は、その結果に基づいて超音波探触子４８と内視鏡５２の駆動制御を行う。ここで、この駆動制御における一連の流れについて、図９のフローチャートを用いて説明する。

操作者が子宮内に探触子ユニットの挿入部を挿入し（Ｓ１０）、内視鏡及び超音波探触子の移動開始を指令すると、内視鏡及び超音波探触子（振動子）は、先端位置を同じ深さに保ちながらともにゆっくりと挿入方向前方に駆動される（Ｓ１２）。この過程においては、超音波探触子に取り付けられた超音波振動子によって超音波ビームの送受信が行われる。

超音波診断装置においては、あらかじめ操作者によって、胎児表面とみなすべき輝度値（Ｅ）、距離計測を行うビームを標準設定（例えば中央方向）から変更する場合の指定、及び超音波振動子を内視鏡とともに移動させる最深位置での胎児表面からの距離（Ｄ）の各情報が入力される（Ｓ１４）。そして、この設定の下、受信した超音波ビームにおける設定方向の輝度値が設定値（Ｅ）となる位置が検出され、胎児表面までの距離（Ｌ）が算出される。

算出された距離（Ｌ）はその都度設定値（Ｄ）と比較される（Ｓ１６）。そして、Ｌ＞Ｄであるとき、すなわち超音波振動子が設定距離（Ｄ）よりも浅い位置にあるときには、内視鏡と超音波探触子（振動子）の挿入が継続される（Ｓ１８）。図１０（ａ）は、この状況を模式的に示した図である。ここでは、超音波探触子４８の先端と内視鏡５２の先端は、ともに胎児から距離Ｌ（＞Ｄ）の位置にあり、胎児側への駆動が継続されている。

他方、Ｌ＝Ｄであるとき、すなわち超音波振動子が設定距離（Ｄ）に到達したときには、超音波探触子は挿入を止められてその位置に維持される。この場合、内視鏡は、典型的には設定に従って挿入を継続される（Ｓ２０）。図１０（ｂ）は、この状況を模式的に示した図である。超音波探触子４８の先端は、Ｌ＝Ｄの位置に維持されているが、内視鏡５２は挿入動作を継続され、その先端は距離Ｄよりも胎児に接近している。つまり、この状態では、超音波探触子は内視鏡よりも胎児から遠い位置に固定され、広い視野をもつ超音波画像を生成しており、内視鏡はこの視野に含まれる診断対象部位に近づいて詳細な内視鏡画像を生成している。したがって、内視鏡を胎児の口の中に挿入するような細かな操作を容易に行うことができる。

なお、距離Ｄよりも深い位置における内視鏡５２の駆動は、プログラミングやユーザ指示に基づいて行うことができる。また、一旦Ｌ＝Ｄに到達した超音波探触子に対しては、Ｌ＝Ｄに保ち続けるための制御を行うことが有効である。これにより、子宮内で胎児が動くなどして距離が変化した場合にも、超音波探触子の位置を適正化することが可能となる。

以上の説明では、超音波探触子と内視鏡を組み合わせた探触子ユニットを例に挙げて説明した。しかし、この実施の形態は様々に変形可能であり、例えば、内視鏡の代わりにメスなどの手術器具を超音波探触子と組み合わせたり、超音波探触子を単独で用いたりすることも可能である。

超音波診断装置の構成例を示す機能ブロック図である。 探触子ユニットの斜視図である。 探触子ユニットの断面図である。 探触子ユニット先端付近の斜視図（ａ）と断面図（ｂ）である。 探触子ユニットを用いた治療例を示す模式図である。 探触子ユニットで得られた画像の表示例を示す図である。 距離計測部の構成例を示すブロック図である。 距離計測処理を説明する模式図である。 駆動制御の流れを示すフローチャートである。 駆動制御における二つの状態を示す模式図である。

符号の説明

１０ 超音波診断装置、１２ 超音波制御部、１４ 送受信部、１６ 探触子ユニット、１８ 超音波振動子、２０ 光学撮像部、２２ 光学制御部、２４ 画像処理部、２８ 超音波画像表示部、３０ 距離計測部、３２ 駆動制御部、３４ 振動子移動モード切替入力部、３６ 光学像表示部、４０ 首振り機構操作部、４２ 保持部、４６ 挿入部、４８ 超音波探触子、５０ 超音波振動子、５２ 内視鏡、６２ 機構ワイヤ、６４ 機構ワイヤ、６６ 振動子前後移動ラック、６８ モータ、７０ 円筒部材、７２，７４，７６ 円環体、８０ 子宮、８２ 胎児、８４ 口、８６ 切開部、９０ 表示画面、９２ 超音波画像、９４ 内視鏡画像、１００ 距離算出部、１０２ 平均算出部、１０４ エコー信号、１０６ 計測対象の輝度指定、１０８ 計測するビーム位置の指定、１１０ 計測結果、１１２ 平均数指定。

Claims (4)

1. 体腔に挿入される挿入部と、
   挿入部の挿入方向前方に設けられ、超音波振動子を有する超音波探触子と、
   超音波探触子を挿入方向に駆動し、挿入部からの伸び量を変更する第１駆動機構と、
   超音波探触子の超音波振動子を用いて超音波の送受信を行い、挿入方向前方側の対象物との距離を測定する測定手段と、
   挿入部の挿入方向前方に設けられた診断用器具と、
   診断用器具を挿入方向に駆動し、挿入部からの伸び量を変更する第２駆動機構と、
   第１駆動機構を制御して、測定された距離に応じて超音波探触子の伸び量を変更し、さらに第２駆動機構を制御して、測定された距離に応じて診断用器具の伸び量を変更する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、測定された距離が設定距離よりも浅い場合には、超音波探触子を診断用器具と同時に又は診断用器具よりも先行させて挿入させ、測定された距離が設定距離に到達した場合には、少なくとも超音波探触子をその位置に維持させる、ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   超音波探触子の超音波振動子を用いて超音波の送受信を行い、対象物の超音波画像を生成する超音波画像生成手段を備える、ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   超音波探触子は、挿入部を体腔に挿入した状態で超音波振動子の送受信方向を変化させる角度調整機構を備える、ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   診断用器具は内視鏡、又は手術器具である、ことを特徴とする超音波診断装置。

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