JP4834500B2 - 超音波診断装置及び超音波内視鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子を備えて被検体の超音波画像を取得する超音波診断装置、及び、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波内視鏡を備えて被検体の超音波画像を取得する超音波内視鏡装置に関する。

医療分野においては、被検体の内部を観察して診断を行うために、様々な撮像技術が開発されている。特に、超音波を送受信することによって被検体の内部情報を取得する超音波撮像は、リアルタイムで画像観察を行うことができる上に、Ｘ線写真やＲＩ（radio isotope）シンチレーションカメラ等の他の医用画像技術と異なり、放射線による被曝がない。そのため、超音波撮像は、安全性の高い撮像技術として、産科領域における胎児診断の他、婦人科系、循環器系、消化器系等を含む幅広い領域において利用されている。

超音波撮像とは、音響インピーダンスが異なる領域の境界（例えば、構造物の境界）において超音波が反射される性質を利用する画像生成技術である。通常、超音波撮像装置（又は、超音波診断装置、超音波観測装置とも呼ばれる）には、被検体に当接して用いられる超音波用探触子や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波用探触子が備えられている。或いは、被検体内を光学的に観察する内視鏡と体腔内用の超音波用探触子とが組み合わせられた超音波内視鏡が備えられている場合もある。このような超音波用探触子や超音波内視鏡（以下において、超音波用探触子等という）から人体等の被検体内に向けて超音波ビームを送信し、超音波用探触子等を用いて被検体内において生じた超音波エコーを受信することにより、超音波画像情報を取得する。この超音波画像情報に基づいて、超音波エコーが生じた反射点や反射強度を求めることにより、被検体内に存在する構造物（例えば、内臓や病変組織等）の輪郭が抽出される。

図１１は、一般的な超音波用探触子において用いられる、超音波トランスデューサ（電気音響変換素子）の構造を示している。一般に、超音波トランスデューサとしては、圧電体９０１の両面に電極９０２及び９０３を形成した振動子（圧電振動子）９００が用いられている。圧電体９０１としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）に代表される高分子圧電材料等が用いられる。また、通常、このような振動子９００は、超音波送受信面側に音響整合層９０４や音響レンズ９０５が配置され、振動子９００の背面にバッキング層９０６が配置された状態で使用される。

そのような振動子９００に、駆動信号供給源９０７から駆動信号を供給して２つの電極９０２及び９０３の間に電圧を印加すると、圧電効果により圧電体９０１が伸縮して超音波が発生する。そこで、複数の振動子９００を１次元又は２次元状に配列して順次駆動することにより、所望の方向に送信される超音波ビームを形成することができる。また、振動子９００は、伝播する超音波を受信することにより伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、超音波の受信信号として用いられる。

ところで、このような振動子においては、駆動信号が間欠的に供給されることにより、電気的なエネルギーが超音波のエネルギーに変換される。このときの変換効率は、例えば、１０％〜２０％程度であり、変換によるエネルギー損失分は熱エネルギーとなる。そのため、超音波を送信すると振動子が発熱するので、振動子を収納している超音波用探触子自体の温度が上昇してしまう。しかしながら、医療用の超音波用探触子は人体等の生体に直接接触して用いられるので、超音波用探触子の温度が上昇すると、被検体に低温火傷等の害を及ぼすおそれがある。そのため、安全性の観点から、超音波用探触子の動作時における被検体当接面の温度の上限が、法令や業界規格等によって定められている。例えば、日本工業規格ＪＩＳ Ｔ０６０１−２−３７（医用超音波診断装置及びモニタ機器の安全性に関する個別要求事項）において、当該温度の上限は４３℃と規定されている。

このような法令等を遵守して、被検体への安全性を確保するために、従来の超音波用探触子においては、超音波送受信面の温度が、法令等による規定温度を超えないように、超音波の送信が制御されている。具体的には、振動子の近傍に温度センサを配置し、超音波用探触子の表面温度を推測し、この推測温度が所定の温度（法定温度よりも低い設定値）に到達すると、振動子に対する送信電力（送信電圧）の大きさを強制的に低下させたり、電力の送信自体を停止させるといった制御が行われている。しかしながら、このような制御を行う場合には、送信される超音波のパワーが低下することにより超音波画像の画質が著しく低下したり、一旦検査を中断せざるを得ないので、良質の医療診断を効率の良く行うことが困難である。

関連する技術として、特許文献１には、超音波振動子と温度センサとを含み、被検体に接触する部材に温度センサを配置した超音波探触子と、温度センサからの信号を温度情報に変換する温度検出手段と、超音波振動子に送信信号を送ると共に受信信号を診断画像に変換する送受信手段と、診断画像を表示する表示手段と、送受信手段から超音波振動子への超音波振動子駆動用信号を制御する制御手段と、制御手段を操作するための操作パネルとを備える超音波診断装置が開示されている。上記制御手段は、超音波振動子の駆動条件を設定するために送受信手段へ送る送信変数を、温度情報に応じて変化させる。

また、特許文献２には、超音波振動子とこの超音波振動子の超音波振動を被処置部へ伝達する処置用プローブと、このプローブを後端より挿入しそのプローブの先端を被処置部へと導くための処置チャンネル及び処置チャンネルに通じる送水口金を有する内視鏡とを有した超音波治療装置において、超音波振動子部の超音波発振と同期して内視鏡への送水をＯＮ／ＯＦＦする切換機構が設けられた超音波振動子が開示されている。この超音波治療装置においては、超音波振動子の発振時に必要量の冷却水が内視鏡に送り込まれる。

特許文献３には、超音波の送受波を行う超音波振動子を備えた超音波探触子を含み、該超音波探触子には超音波振動子からの熱が伝達される媒体が流れる流路が形成され、該流路には、媒体を流通させる循環機構が接続されている超音波診断装置が開示されている。

ところで、超音波診断装置において画質の良い診断画像（超音波画像）を得るためには、超音波用探触子の感度特性が重要な要素となっている。そのため、超音波用探触子をさらに高感度化するための研究が進められている。そのための１つの手法として、図１２に示す積層型の超音波トランスデューサを用いることが検討されている。

図１２に示すように、積層型超音波トランスデューサ９１０は、複数の圧電体層９１１と、下部電極層９１２と、内部電極層９１３及び９１４と、上部電極層９１５と、側面電極９１６及び９１７とを含んでいる。下部電極層９１２及び内部電極層９１４は、側面電極９１６に接続されていると共に、側面電極９１７から絶縁されている。一方、内部電極層９１３及び上部電極層９１５は、側面電極９１７に接続されていると共に、側面電極９１６から絶縁されている。超音波トランスデューサ９１０の電極をこのように形成することにより、圧電体層９１１及びそれを挟む２つの電極層によって各々が構成される複数の振動部が、電気的に並列に接続される。そのため、駆動信号供給源９０７から側面電極９１６及び９１７を介して、積層型超音波トランスデューサ９１０に駆動信号を供給すると、各圧電体層９１１が圧電効果により伸縮して超音波が発生する。
このような積層型超音波トランスデューサ９１０においては、層数が図１１に示す単層の超音波トランスデューサのＮ倍（図１２においては、Ｎ＝３）になるので、その分感度が向上する。

関連する技術として、非特許文献１には、次のような原理に基づいて、多層構造の超音波トランスデューサの層数を最適化することが述べられている。即ち、単層の超音波トランスデューサのインピーダンスをＺ_Ｔとすると、Ｎ_ＴＸ層の超音波トランスデューサにおいては、Ｚ_Ｔ／Ｎ_ＴＸ ^２が送信回路の出力インピーダンスと等しくなるときに、送信される超音波のエネルギー（音響出力）が最大となる。一方、Ｎ_ＲＸ層の超音波トランスデューサにおいては、Ｚ_Ｔ／Ｎ_ＲＸ ^２が同軸ケーブルのリアクタンスと等しくなるときに、受信信号（電圧）が最大となる。これらの条件より、超音波トランスデューサの層数が幾何平均（Ｎ_ＴＸ・Ｎ_ＲＸ）^１／２を満たすときに、超音波（パルスエコー信号）の送受信感度が最大になる。

また、非特許文献２には、ドップラ法による超音波撮像において、圧電体層を積層構造とすることにより、プローブの外形寸法は現状のままで感度向上を図ることが報告されている。

しかしながら、Ｎ層の積層型超音波トランスデューサにおいては、単層の超音波トランスデューサと比較して、Ｎ^２倍の駆動電流が必要になるので、必然的に消費電力が増大する。そのため、超音波トランスデューサを駆動した際の発熱量も、やはり増加してしまう。即ち、積層型超音波トランスデューサは、高感度であるにもかかわらず、発熱の問題が実用化に対する障害になっている。
特開２００５−２５３７７６号公報（第１頁） 特開平５−９２００７（第１頁） 特開２００３−３８４８５号公報（第１、２頁） ゴールドバーグ（Goldberg）、他、「多層ＰＺＴトランスデューサにおけるＳＮ比の最適化（OPTIMIZATION OF SIGNAL-TO-NOISE RATIO FOR MULTILAYER PZT TRANSDUCERS）」、超音波画像（ULTRASONIC IMAGING）、１９９５年、第１７巻、ｐ．９５−１１３ 斉藤、他、「超音波プローブ用積層圧電体」、ジャーナル・オブ・メディカル・ウルトラソニックス（Jpn J Med Ultrasonics）、社団法人日本超音波医学会、１９８９年、第１６巻、第５号、ｐ．４１９−４２４

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、超音波用探触子における過剰な発熱を抑制しながら、画質の良い超音波画像を効率良く取得することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波診断装置は、複数の圧電体層及び複数の電極層を含み、圧電体層と電極層とが交互に積層された構造を有する超音波トランスデューサと、駆動信号を超音波トランスデューサに供給するための第１の配線と、基準電位に接続される第２の配線と、上記複数の電極層に含まれる第１群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を第１の配線に接続する第１の接続手段と、上記複数の電極層に含まれる第２群の電極層であって第１群の電極層と交互に配置されている第２群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を第２の配線に接続する第２の接続手段とを含み、第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を変更することにより、複数の圧電体層の内で駆動信号に基づいて動作する圧電体層の数が変更される超音波用探触子と、駆動信号を生成して超音波トランスデューサに供給する駆動信号生成手段と、超音波トランスデューサから出力された受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する手段と、超音波用探触子の温度に関する値を求める手段と、超音波用探触子の温度に関する値に基づいて、第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を設定し、超音波用探触子の温度に関する値が予め定められた設定値に至った場合に、積層体の最上層及び最下層に配置された２つの電極層の間のみに電圧が印加されるように第１及び第２の接続手段を制御する制御手段とを具備する。

本発明によれば、積層構造を有する超音波トランスデューサにおいて、第１群の電極層と第１の配線との接続状態、及び、第２群の電極層と第２の配線との接続状態を制御することにより、発熱量は多いが高い感度を得られる積層型の動作モードと、感度は一般的なレベルであるが発熱量を抑えられる単層型の動作モードとを容易に切り換えることができる。従って、例えば、積層型の動作モードで高感度の超音波検査を行っている間に、超音波用探触子の温度が上昇した場合に、単層型の動作モードに切り換えることにより、検査を中断することなく、一般的な感度レベルの超音波検査を継続することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に超音波用探触子の内部を示す図であり、図２は、超音波用探触子の外観及び内部の一部を示す斜視図である。この超音波用探触子は、被検体に当接して体腔外走査を行う際に用いられる。

図１及び２に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子は、バッキング層１１と、１次元的に配列された複数の積層型超音波トランスデューサ１２（以下において、単に「超音波トランスデューサ」ともいう）と、音響整合層１３と、音響レンズ１４とを含んでいる。これらの各層１１〜１４は、筐体１０内に収納されている。また、超音波トランスデューサ１２の近傍には、温度センサ１５が配置されている。このような超音波用探触子は、ケーブル１６を介して超音波診断装置本体に接続されて使用される。

バッキング層１１は、例えば、フェライト粉や金属粉やＰＺＴ粉入りのエポキシ樹脂や、フェライト粉入りのゴムのように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１２から発生した不要な超音波の減衰を早める。

超音波トランスデューサ１２は、超音波診断装置本体から供給された駆動信号に基づいて超音波を発生し、また、被検体から伝播した超音波エコーを受信することにより、電気信号を発生する。この電気信号は、超音波診断装置本体に出力され、超音波エコーの受信信号として処理される。

音響整合層１３は、例えば、超音波を伝播し易いパイレックス（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波が、効率良く被検体中に伝播する。なお、図２には、１層の音響整合層１３が示されているが、必要に応じて複数の音響整合層を配置しても良い。

音響レンズ１４は、例えば、シリコーンゴムによって形成されており、超音波トランスデューサアレイ１２から送信され、音響整合層１３を伝播した超音波ビームを、被検体内の所定の深度において集束させる。

温度センサ１５は、例えば、熱電対やサーミスタを含んでおり、超音波用探触子の内部の温度を感知し、その感知結果（温度検知信号）を超音波診断装置本体に出力する。後述するように、この感知結果は、超音波用探触子の表面（被検体当接面）の温度を推定する際に用いられる。なお、図２において、温度センサ１５は、バッキング層１１の側面に配置されているが、バッキング層１１上（超音波トランスデューサ１２の配置面）や、バッキング層１１の内部や、音響整合層１３付近であっても構わない。

次に、超音波トランスデューサ１２の構造及び動作について、図１を参照しながら説明する。図１の（ａ）及び（ｂ）は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２の状態が互いに異なっている状態を示している。
図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ１２は、複数の圧電体層１と、下部電極層２と、内部電極層３ａ及び３ｂと、上部電極層４とを含む積層体を含んでいる。圧電体層１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料によって形成されている。

内部電極層３ａ及び上部電極層４は、接続部５ａを介して配線５に接続されている。この配線５は、駆動信号供給源７（後述する超音波診断装置本体における駆動信号生成部）に接続される。一方、それらの電極３ａ及び４と交互に配置されている下部電極層２及び内部電極層３ｂは、接続部６ａを介して配線６に接続されている。この配線６は、基準電位（図１においては、接地電位）に接続される。

接続部５ａにおいて配線５は２方向に分岐されており、分岐後の一方の配線は上部電極層４に接続されており、他方の配線は、スイッチＳＷ１を介して内部電極層３ａに接続されている。即ち、スイッチＳＷ１によって内部電極層３ａと配線５との電気的な接続を開閉することにより、内部電極層３ａへの駆動信号の供給のオン／オフが切り換えられる。一方、接続部６ａにおいて配線６は２方向に分岐されており、分岐後の一方の配線は下部電極層２に接続されており、他方の配線は、スイッチＳＷ２を介して内部電極層３ｂに接続されている。即ち、スイッチＳＷ２によって内部電極層３ｂと配線６との電気的な接続を開閉することにより、内部電極層３ｂの接地電位への接続のオン／オフが切り換えられる。これらのスイッチＳＷ１及びＳＷ２は、例えば、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴとＮチャネルＭＯＳＦＥＴとを組み合わせたアナログスイッチによって構成される。

図１の（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオンの状態にあるときに、３つの圧電体層１及びその両面に形成された電極を含む３つの振動部は、電気的に並列に接続される。従って、この状態の超音波トランスデューサ１２に対して駆動信号供給源７から駆動信号を供給すると、超音波トランスデューサ１２は、３段の積層型超音波トランスデューサとして動作するので、超音波の送受信において高い感度を得ることができる。しかしながら、この状態においては、単層の超音波トランスデューサよりも多くの駆動電力が必要になるので、必然的に超音波用探触子における発熱量も多くなる。具体的には、積層数が３層になると共に各層の厚さが単層の１／３倍となるので、超音波トランスデューサ１２には、単層の場合の約３^２倍の駆動電流が流れることになる。

一方、図１の（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフの状態にあるときには、内部電極層３ａ及び３ｂは実質的に機能しない。従って、この状態の超音波トランスデューサ１２に対して駆動信号を供給すると、超音波トランスデューサ１２は、３つの圧電体１が一体となった単層の超音波トランスデューサと同様に動作する。この状態においては、超音波の送受信においてそれほど高い感度を得ることはできないが、駆動電力もそれほど多くは必要とされないので、発熱量は抑制される。
なお、超音波トランスデューサ１２が発生する超音波の周波数は、積層体１〜４全体の厚さによって決定されるので、図１の（ａ）及び（ｂ）のいずれにおいても同じである。

次に、図３を参照しながら、図２に示す超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体の構成及び動作について説明する。
図３に示すように、超音波診断装置本体２００は、システム制御部２０１と、送信ビーム制御部２０２と、駆動信号生成部２０３と、送受信切換部２０４と、プリアンプ（前置増幅器）２０５と、ＡＤＣ（アナログ／ディジタル変換器）２０６と、受信信号演算部２０７と、ビームプロセッサ２０８と、ビデオプロセッサ２０９と、温度推定部２１０とを含んでいる。

システム制御部２０１は、超音波用探触子１００及び超音波診断装置本体２００を含むシステム全体の動作を制御する。また、システム制御部２０１は、温度センサ１５（図２）から出力される温度検知信号に基づいて、超音波トランスデューサ１２に接続されているスイッチＳＷ１及びＳＷ２のオン／オフを制御するためのスイッチ制御信号を出力する。このスイッチ制御方法については、後で説明する。
送信ビーム制御部２０２は、システム制御部２０１の制御の下で、複数の超音波トランスデューサ１２にそれぞれ供給される複数の駆動信号の供給タイミング及び遅延時間を設定する。

駆動信号生成部２０３は、複数の超音波トランスデューサ１２にそれぞれ供給される複数の駆動信号ＤＳを生成する複数のパルサを含んでいる。
送受信切換部２０４は、超音波用探触子１００への複数の駆動信号の出力と、超音波用探触子１００からの受信信号の入力とを切り換える。このような駆動信号／受信信号の受渡しのためには、同軸ケーブルが用いられる。

プリアンプ２０５は、超音波用探触子１００から出力された受信信号を前置増幅する。また、Ａ／Ｄ変換器２０６は、前置増幅されたアナログの受信信号をディジタルの受信信号（受信データ）に変換する。プリアンプ２０５及びＡ／Ｄ変換器２０６は、超音波用探触子１００に配置されている超音波トランスデューサ１２の数だけ設けられている。

受信信号演算部２０７は、システム制御部２０１の制御の下で、取得された受信信号のレベルを調整して整相加算処理を施すことにより、超音波ビームの送信方向に対応する受信データ（音線データ）を生成する。

ビームプロセッサ２０８は、受信データについて、検波、ＳＴＣ（sensitivity time control）、ダイナミックレンジ調整、フィルタ処理等の所定の信号処理を施す。
ビデオプロセッサ２０９は、所定の信号処理を施された受信データについて走査フォーマットを変換し、さらに、ディジタル／アナログ変換処理を行うことにより、ビデオ信号（画像信号）を生成して、表示装置等に出力する。

温度推定部２１０は、温度センサ１５（図２）から出力された温度検知信号に基づいて、超音波用探触子１００の表面（被検体への当接面）の温度又は温度に関する値（例えば、電圧等）を推定する。

このような超音波診断装置において、超音波用探触子の動作は次のような２つのモードで動作する。
（１−１）通常の動作モード
超音波検査の開始時において、システム制御部２０１は、図１の（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオンにする。それにより、超音波トランスデューサ１２は、超音波の送受信において高い感度を得ることができる積層型として動作する。

（１−２）発熱時の動作モード
超音波検査を継続することにより、超音波用探触子の表面温度は徐々に上昇してくる。そして、温度推定部２１０によって算出された推定値が、所定の値（法令等により規定された上限温度よりも低い温度に対応する設定値）に至ると（又は、超えると）、システム制御部２０１は、図１の（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフにする。それにより、内部電極層３ａへの駆動信号の供給と、内部電極層３ｂの接地電位への接続とが遮断され、超音波トランスデューサ１２は、発熱量が少ない単層型として動作する。

以上説明したように、本実施形態によれば、超音波用探触子の表面温度が所定の値より低い場合には、高画質の超音波画像を取得することができ（通常の動作モード）、表面温度が予め設定された温度に近づいてきた場合にも、一般的な単層の超音波トランスデューサにおけるのと同等の画質で超音波診断を継続させることができる（発熱時の動作モード）。それにより、超音波用探触子が当接される被検体の安全を確保しつつ、良質な超音波画像を観察しながら効率良く検査を行うことが可能になる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子について説明する。
図４に示すように、超音波トランスデューサ１２は、下部電極層２及び内部電極層３ｂが接続部６ｂを介して配線６に接続されているという点で、図１におけるものと異なっている。接続部６ｂには、ＳＷ２に加えて、配線６と下部電極層２との間の電気的な接続を開閉するスイッチＳＷ３がさらに設けられている。従って、スイッチＳＷ３を制御するためのスイッチ制御信号が、システム制御部２０１（図３）から供給される。本実施形態に係る超音波用探触子のその他の構成については、図１及び図２に示すものと同様である。

図４の（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の全てをオンにすることにより、超音波トランスデューサ１２は、高い感度が得られる３段の積層型として動作する。また、図４の（ｃ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフにして、スイッチＳＷ３のみをオンにすることにより、超音波トランスデューサ１２は、若干感度を低下させる替わりに発熱を抑える単層型として動作する。

さらに、図４の（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオンにして、スイッチＳＷ３のみをオフにすることができる。このような状態の超音波トランスデューサ１２に対して、駆動信号供給源７から駆動信号を供給すると、上２段の圧電体層１、即ち、内部電極層３ａと内部電極層３ｂとに挟まれた圧電体層１、及び、内部電極層３ｂと上部電極層４とに挟まれた圧電体層１のみが伸縮する。即ち、超音波トランスデューサ１２は、２段の積層型トランスデューサと同様に動作する。この場合には、実質的な駆動面積は単層の場合の２倍となるので、超音波の送受信時における感度が向上する。一方、積層数は、３段の積層型トランスデューサの２／３倍なるので、発熱量もそれに応じて少なくて済む。なお、超音波トランスデューサ１２が発生する超音波の周波数は、積層体１〜４全体の厚さによって決定されるので、図４の（ａ）〜（ｃ）のいずれかにおいても同じである。

次に、図３及び図４を参照しながら、本実施形態における超音波用探触子の動作について説明する。本実施形態においては、次の３段階のモードによって動作する。
（２−１）通常の動作モード
図３に示すシステム制御部２０１は、超音波検査の開始時には、図４の（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をオンにする。それにより、超音波トランスデューサ１２は、高い感度を得ることができる３段の積層型として動作する。

（２−２）中間時の動作モード
超音波検査を継続することにより超音波用探触子の表面温度が上昇し、温度推定部２１０によって算出された推定値が第１の所定の値（例えば、室温と法令等による上限温度との中間の温度に対応する設定値）に達する。すると、図３に示すシステム制御部２０１は、図４の（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ３をオフにする。それにより、超音波トランスデューサ１２は、若干感度は低下するものの、発熱量が少ない２段の積層型として動作する。

（２−３）発熱時の動作モード
さらに、超音波用探触子の表面温度が上昇して、温度推定値が第２の所定の値（法令等による上限温度よりも低い温度に対応する設定値）に達すると、システム制御部２０１は、図４の（ｃ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフにすると共にスイッチＳＷ３をオンにする。それにより、超音波トランスデューサ１２は、感度は若干低下するものの、発熱量がさらに少ない単層型として動作する。

このように、本実施形態によれば、超音波用探触子の動作を３段階で制御するので、超音波トランスデューサにおける感度の取得と、発熱の抑制との両立をより図りやすくなる。
ここで、本実施形態においては、発熱時の動作モードにおいて、下部電極層２と上部電極層４との間に電圧を印加することにより、３つの圧電体層１を一体として動作させている。しかしながら、図４において、スイッチＳＷ１及びＳＷ３をオフにし、スイッチＳＷ２のみをオンにすることにより、最上段の圧電体層１のみを動作させても良い。しかしながら、この場合には圧電体層の容量負荷が増加してしまうので、発熱量の観点からは、３つの圧電体層１を一体として動作させる方が望ましい。

次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子について説明する。
図５に示すように、本実施形態に係る超音波用探触子には、図１に示す超音波用探触子に対して、冷却装置１７がさらに設けられている。また、超音波トランスデューサ１２の内部電極層３ａ及び上部電極層４が、接続部５ｃを介して配線５に接続されている点においても、図１におけるものとは異なっている。なお、本実施形態に係る超音波用探触子のその他の構成については、図１及び図２に示すものと同様である。

冷却装置１７としては、例えば、熱電効果（ペルチェ効果）により吸熱反応を生じる熱電モジュールや、冷却水を循環させる水冷装置等が用いられる。この冷却装置１７の動作は、図３に示すシステム制御部２０１によって制御されている。
また、接続部５ｃには、スイッチＳＷ１に加えて、配線５と上部電極層４との間の電気的な接続を開閉するスイッチＳＷ４が設けられている。従って、スイッチＳＷ４を制御するためのスイッチ制御信号が、システム制御部２０１（図３）から供給される。

本実施形態においては、第２の実施形態と同様に、通常の動作モードにおいて、図５の（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ４の全てをオンにすることにより、超音波トランスデューサ１２を３段の積層型として動作させる。一方、発熱時の動作モードにおいて、図５の（ｃ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフにすると共に、スイッチＳＷ４をオンにすることにより、超音波トランスデューサ１２を単層型として動作させる。

また、中間時の動作モードにおいては、図５の（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオンにすると共に、スイッチＳＷ４をオフにする。このような状態の超音波トランスデューサ１２に対して、駆動信号供給源７から駆動信号を供給すると、下部電極層２、内部電極層３ａ、及び、内部電極層３ｂによって挟まれた下２段の圧電体層が伸縮して超音波を発生する。即ち、超音波トランスデューサ１２は、２段の積層型として動作する。

ここで、本実施形態において、第２の実施形態（図４参照）と異なり、下２段の圧電体層１を動作させるのは、冷却装置１７が超音波トランスデューサ１２の下部に配置されているからである。その理由は、ＰＺＴ等のような圧電体層１の材料は、熱伝導性があまり良くないので、冷却装置１７により近い方の圧電体層１を動作させることにより、そこから発生した熱をより効率的に吸収することができるからである。

本実施形態に係る超音波用探触子の変形例として、超音波トランスデューサ１２の上方に冷却装置を配置しても良い。具体的には、音響整合層の周囲に、熱電モジュールを貼り付けたり、冷却水を循環させるチューブを配置する。この場合には、圧電体層１の熱伝導性を考慮して、図４の（ｂ）に示すように、中間時の動作モードにおいては、上２段の圧電体層を動作させることが望ましい。

次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波用探触子及び超音波診断装置本体を含む超音波診断システムについて説明する。
図６に示すように、本実施形態に係る超音波診断システムは、超音波用探触子１５０と超音波診断装置本体２５０とを含んでいる。

超音波用探触子１５０は、図２に示す超音波用探触子から温度センサ１５を除いたものであり、その他の構成については、図２に示すものと同様である。また、超音波トランスデューサ１２の動作を制御するためのスイッチとしては、図１、図４、図５のいずれに示すものを用いても良い。
一方、超音波診断装置本体２５０は、図３に示す温度推定部２１０の替わりに、駆動電力検出部２２０を有している。その他の構成については、図３に示すものと同様である。

本実施形態においては、超音波用探触子１５０の表面（被検体への当接面）の温度を、駆動信号生成部２０３に接続された駆動電力検出部２５１において推定している。即ち、駆動電力検出部２５１は、各超音波トランスデューサ１２に供給された駆動信号の電力を検出して、その累積値を求める。そして、この累積値が予め記憶されている参照値に至った（又は超えた）場合に、超音波用探触子２５０の表面温度が所定の温度（例えば、法令等による上限温度よりも低い設定温度）を超えたものと判断し、判定信号をシステム制御部２０１に出力する。システム制御部２０１は、この判定信号に基づいて、超音波トランスデューサ１２に設けられたスイッチＳＷ１〜ＳＷ４（図１、図４、図５）の開閉を制御することにより、超音波用探触子２５０の動作モードを変化させる。

駆動パワー検出部２５１に予め記憶されている参照値は、駆動信号のパワーの累積値と、超音波用探触子の表面温度の測定値とを、実験やシミュレーションにより求めて関連付けることにより設定することができる。

以上説明した第１〜第４の実施形態においては、超音波トランスデューサにおける電極の接続状態を変更する接続部（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４）を超音波用探触子側に設けている。この場合には、超音波用探触子と超音波診断装置本体との間における配線数を削減できるという利点がある。一方、変形例として、接続部（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４）を、超音波診断装置本体側に設けても良い。この場合には、超音波用探触子１００と超音波診断装置本体との間の配線数が内部電極層の数だけ増加することになるが、超音波用探触子内にスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を設ける必要がなくなるので、探触子側の回路構成が簡単になると共に、スイッチ制御信号を超音波用探触子に出力するための信号線を設ける必要がなくなるという利点がある。

また、第１〜第４の実施形態においては、３層の積層型超音波トランスデューサについて説明したが、圧電体層の積層数は、２層又は４層以上であっても良い。その場合であっても、下部電極層、内部電極層、及び、上部電極層を、接続部を介して２つの配線５及び６に交互に接続することにより、上記の実施形態と同様に複数の動作モードを利用することができる。

さらに、第１〜第４の実施形態においては、複数の積層型超音波トランスデューサが１次元的に配列されている超音波用探触子について説明した。しかしながら、図１、図４又は図５に示す超音波トランスデューサ１２を２次元状に配置することにより、２次元超音波用探触子を作製しても良い。特に、図７に示すような２次元マトリックス状の超音波トランスデューサアレイにおいては、中心部付近に熱がこもり易いので、超音波用探触子内の温度の推定値に基づいて超音波トランスデューサと配線との接続状態を制御することにより、複数の動作モードを利用する方式は有用である。

次に、本発明の一実施形態に係る超音波内視鏡装置について、図８〜図１０を参照しながら説明する。
図８は、超音波内視鏡の外観を示す模式図であり、図９は、図８に示す超音波内視鏡に接続されることにより医用画像を生成する装置を示す模式図であり、図１０は、図８に示す挿入部３０１の先端部分を拡大して示す模式図である。

図８に示すように、超音波内視鏡３００は、挿入部３０１と、操作部３０２と、接続コード３０３と、ユニバーサルコード３０４とを含んでいる。
挿入部３０１は、被検体の体腔内に挿入することができるように、可撓性を有する材料によって形成された細長い管となっている。操作部３０２は、挿入部３０１の基端に設けられており、接続コード３０３を介して、図９に示す超音波診断装置本体２００に接続されると共に、ユニバーサルコード３０４を介して、図９に示す光源装置３２０に接続される。

図９に示す超音波診断装置本体２００は、図８に示す超音波トランスデューサアレイ３１０に駆動信号を供給することによって超音波ビームを送信させると共に、超音波トランスデューサアレイ３１０が超音波エコーを受信することによって出力した受信信号に基づいて超音波画像信号を生成する。なお、超音波診断装置本体２００の構成は、図３に示すものと同様である。

光源装置３２０は、被検体の体腔内を照射するための光を発生する。また、ビデオプロセッサ３３０は、挿入部の先端部に設けられている撮像素子から出力された検出信号に基づいて、被検体内の様子を表す光学観察画像信号を生成する。

ミキサ３４０は、超音波診断装置２００から出力された超音波画像信号と、ビデオプロセッサ３３０から出力された光学観察画像信号とに基づいて、超音波画像、又は、光学観察画像、又は、それらの両方が１つの画面に表された画像信号を生成して表示装置３５０に出力する。表示装置３５０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示部を備えており、ミキサ３４０から出力された画像信号に基づいて超音波画像や光学観察画像を表示する。

図１０の（ａ）は、挿入部３０１の先端部分の内部を示す側面図であり、図１０の（ｂ）は、その平面図である。図１０に示すように、挿入部３０１の先端部分には、超音波トランスデューサアレイ３１０と、観察窓３１１と、照明窓３１２と、処置具挿通口３１３と、ノズル孔３１４とが設けられている。また、処置具挿通口３１３には、穿刺針３０６が配置されている。

超音波トランスデューサアレイ３１０は、コンベックス型の多列アレイであり、湾曲した面上に５列に配置された複数の超音波トランスデューサ３２１〜３２３を含んでいる。各超音波トランスデューサ３２１〜３２３の構造及び配線方法については、図１、図４又は図５に示すものと同様である。

また、図１０の（ｂ）に示すように、上方から見た場合に、エレベーション方向（電子走査方向に直交する方向）が処置具挿通口３１３に配置される処置具（例えば、穿刺針３０６）の挿通方向と直交するように、超音波トランスデューサアレイ３１０を配置することが望ましい。それにより、処置具のエレベーション方向における先端位置を検出できるようになる。図示されていないが、超音波トランスデューサアレイ３１０の超音波送信面上には音響整合層が配置され、超音波トランスデューサアレイ３１０の超音波送信面とは反対側の面にはバッキング層が配置される。さらに、音響整合層の上層に、必要に応じて音響レンズを配置しても良い。

観察窓３１１には、対物レンズが装着されており、この対物レンズの結像位置には、イメージガイドの入力端又はＣＣＤカメラ等の固体撮像素子が配置されている。これらは、観察光学系を構成しており、固体撮像素子の検出信号は、図９に示すビデオプロセッサ３３０に出力される。また、照明窓３１２には、図９に示す光源装置３２０からライトガイドを介して供給される照明光を出射させるための照明用レンズが装着されている。これらは、照明光学系を構成する。

処置具挿通口３１３は、操作部３０２に設けられた処置具挿入口３０５（図８）から挿入された処置具等を導出させる孔である。この孔から穿刺針３０６や鉗子等の処置具を突出させ、操作部３０２においてこれを操作することにより、被検体の体腔内において種々の処置が行われる。さらに、ノズル孔３１４は、観察窓３１１及び観察窓３１２を洗浄するための液体（水等）を噴射するために設けられている。

このような超音波内視鏡において、各超音波トランスデューサ３２１〜３２３と駆動信号供給線や接地配線との接続状態を、超音波内視鏡の温度に応じて制御して、複数のモード（図１、図４、図５参照）で動作させることにより、超音波内視鏡検査時における超音波内視鏡の温度上昇を抑制することができる。従って、超音波内視鏡が体腔内に挿入される被検体の安全性を確保しつつ、良質な超音波画像を観察しながら効率良く検査を行うことが可能になる。

本発明は、被検体について体腔外走査又は体腔内走査を行う際に用いられる超音波用探触子を備えて被検体の超音波画像を取得する超音波診断装置や、被検体の体腔内に挿入して用いられる超音波内視鏡を備えて被検体の超音波画像を取得する超音波内視鏡装置において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の内部を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波用探触子の外観及び内部の一部を示す斜視図である。 図２に示す超音波用探触子が接続される超音波診断装置本体の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波用探触子の内部を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波用探触子の内部を示す図である。 本発明の第４の実施形態体に係る超音波用探触子及び超音波診断装置本体を示す図である。 ２次元マトリックス状の超音波トランスデューサアレイを示す平面図である。 図１に示す探触子が適用される超音波内視鏡を示す模式図である。 図８に示す超音波内視鏡に接続される医用画像生成装置を示す模式図である。 図８に示す挿入部の先端部分を拡大して示す模式図である。 一般的な超音波トランスデューサの構造を示す図である。 積層型の超音波トランスデューサの構造を示す図である。

符号の説明

１、９０１、９１１ 圧電体層
２、９０２、９１２ 下部電極層
３ａ、３ｂ、９１３、９１４ 内部電極層
４、９０３、９１５ 上部電極層
５、６ 配線
５ａ、５ｃ、６ａ、６ｂ 接続部
７、９０７ 駆動信号供給源
１０ 筐体
１１、９０６ バッキング層
１２、３２１、３２２、３２３、９００、９１０ 超音波トランスデューサ
１３、９０４ 音響整合層
１４、９０５ 音響レンズ
１５ 温度センサ
１６ ケーブル
１７ 冷却装置
１００、１５０ 超音波用探触子
２００、２５０ 超音波診断装置本体
２０１ システム制御部
２０２ 送信ビーム制御部
２０３ 駆動信号生成部
２０４ 送受信切換部
２０５ プリアンプ
２０６ アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）
２０７ 受信信号演算部
２０８ ビームプロセッサ
２０９、３３０ ビデオプロセッサ
２１０ 温度推定部
２５１ 駆動電力検出部
３００ 超音波内視鏡
３０１ 挿入部
３０２ 操作部
３０３ 接続コード
３０４ ユニバーサルコード
３０５ 処置具挿入口
３０６ 穿刺針
３１０ 超音波トランスデューサアレイ
３１１ 観察窓
３１２ 照明窓
３１３ 処置具挿通口
３１４ ノズル孔
３２０ 光源装置
３４０ ミキサ
３５０ 表示装置
９１６、９１７ 側面電極

Claims (7)

1. 複数の圧電体層及び複数の電極層を含み、圧電体層と電極層とが交互に積層された構造を有する超音波トランスデューサと、駆動信号を前記超音波トランスデューサに供給するための第１の配線と、基準電位に接続される第２の配線と、前記複数の電極層に含まれる第１群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第１の配線に接続する第１の接続手段と、前記複数の電極層に含まれる第２群の電極層であって前記第１群の電極層と交互に配置されている前記第２群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第２の配線に接続する第２の接続手段とを含み、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を変更することにより、前記複数の圧電体層の内で前記駆動信号に基づいて動作する圧電体層の数が変更される超音波用探触子と、
   前記駆動信号を生成して前記超音波トランスデューサに供給する駆動信号生成手段と、
   前記超音波トランスデューサから出力された受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値を求める手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値に基づいて、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を設定し、前記超音波用探触子の温度に関する値が予め定められた設定値に至った場合に、前記積層体の最上層及び最下層に配置された２つの電極層の間のみに電圧が印加されるように前記第１及び第２の接続手段を制御する制御手段と、
   を具備する超音波診断装置。
2. 複数の圧電体層及び複数の電極層を含み、圧電体層と電極層とが交互に積層された構造を有する超音波トランスデューサと、駆動信号を前記超音波トランスデューサに供給するための第１の配線と、基準電位に接続される第２の配線と、前記複数の電極層に含まれる第１群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第１の配線に接続する第１の接続手段と、前記複数の電極層に含まれる第２群の電極層であって前記第１群の電極層と交互に配置されている前記第２群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第２の配線に接続する第２の接続手段と、内部の熱を吸収する冷却手段とを含み、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を変更することにより、前記複数の圧電体層の内で前記駆動信号に基づいて動作する圧電体層の数が変更される超音波用探触子と、
   前記駆動信号を生成して前記超音波トランスデューサに供給する駆動信号生成手段と、
   前記超音波トランスデューサから出力された受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値を求める手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値に基づいて、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を設定し、前記複数の圧電体層の内で前記冷却手段により近い側の圧電体層を優先的に動作させるように前記第１及び第２の接続手段を制御する制御手段と、
   を具備する超音波診断装置。
3. 前記超音波用探触子の温度に関する値を求める手段が、
   前記超音波用探触子内に設けられた温度検知手段と、
   前記温度検知手段の検知結果に基づいて、前記超音波用探触子の温度に関する値を算出する手段と、
   を含む、請求項１又は２記載の超音波診断装置。
4. 前記超音波用探触子の温度に関する値を求める手段が、前記駆動信号生成手段において生成された駆動信号の電力を検出し、該電力の検出値に基づいて、前記超音波用探触子の温度に関する値を求める、請求項１又は２記載の超音波診断装置。
5. 前記超音波用探触子の温度に関する値が、前記超音波用探触子の被検体当接面における温度の推定値を含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波診断装置。
6. 可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体腔内に挿入して使用される挿入部と、前記挿入部の先端部に設けられた超音波用探触子であって、複数の圧電体層及び複数の電極層を含み、圧電体層と電極層とが交互に積層された構造を有する超音波トランスデューサと、駆動信号を前記超音波トランスデューサに供給するための第１の配線と、基準電位に接続される第２の配線と、前記複数の電極層に含まれる第１群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第１の配線に接続する第１の接続手段と、前記複数の電極層に含まれる第２群の電極層であって前記第１群の電極層と交互に配置されている前記第２群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第２の配線に接続する第２の接続手段とを含み、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を変更することにより、前記複数の圧電体層の内で前記駆動信号に基づいて動作する圧電体層の数が変更される前記超音波用探触子とを備えた超音波内視鏡と、
   前記駆動信号を生成して前記超音波トランスデューサに供給する駆動信号生成手段と、
   前記超音波トランスデューサから出力された受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値を求める手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値に基づいて、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を設定し、前記超音波用探触子の温度に関する値が予め定められた設定値に至った場合に、前記積層体の最上層及び最下層に配置された２つの電極層の間のみに電圧が印加されるように前記第１及び第２の接続手段を制御する制御手段と、
   を具備する超音波内視鏡装置。
7. 可撓性を有する材料によって形成され、被検体の体腔内に挿入して使用される挿入部と、前記挿入部の先端部に設けられた超音波用探触子であって、複数の圧電体層及び複数の電極層を含み、圧電体層と電極層とが交互に積層された構造を有する超音波トランスデューサと、駆動信号を前記超音波トランスデューサに供給するための第１の配線と、基準電位に接続される第２の配線と、前記複数の電極層に含まれる第１群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第１の配線に接続する第１の接続手段と、前記複数の電極層に含まれる第２群の電極層であって前記第１群の電極層と交互に配置されている前記第２群の電極層の内から選択された少なくとも１つの電極層を前記第２の配線に接続する第２の接続手段と、内部の熱を吸収する冷却手段とを含み、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を変更することにより、前記複数の圧電体層の内で前記駆動信号に基づいて動作する圧電体層の数が変更される前記超音波用探触子とを備えた超音波内視鏡と、
   前記駆動信号を生成して前記超音波トランスデューサに供給する駆動信号生成手段と、
   前記超音波トランスデューサから出力された受信信号を処理することにより、超音波画像を表す画像データを生成する手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値を求める手段と、
   前記超音波用探触子の温度に関する値に基づいて、前記第１及び第２の接続手段の各々において選択される少なくとも１つの電極層を設定し、前記複数の圧電体層の内で前記冷却手段により近い側の圧電体層を優先的に動作させるように前記第１及び第２の接続手段を制御する制御手段と、
   を具備する超音波内視鏡装置。

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