JP5305723B2 - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

この発明は、被検体に対して超音波を送受信する超音波プローブ、及び、超音波プローブによる受信結果に基づいて被検体内の状態を画像化する超音波診断装置に関する。特に、この発明は、二種類以上の熱源を有する超音波プローブ、及び、この超音波プローブを備えた超音波診断装置に関するものである。

超音波診断装置は、被検体に対して超音波を送信し、その体内からの反射波を受信して体内の状態を画像化する装置である。超音波の送受信は、超音波プローブによって行われる。

超音波プローブは、たとえば特許文献１、２に示すように、圧電素子（超音波振動子）、バッキング材、音響整合層、音響レンズなどを含んで構成される。音響整合層や音響レンズは、圧電素子の前方（被検体に当接される側）に設けられる。音響レンズの前面は被検体に当接されている。バッキング材は、後方から圧電素子を支持する。

圧電素子は、前後方向に電圧の印可を受けて前方及び後方に進行する超音波を発生する。前方に進行する超音波は、音響整合層及び音響レンズを介して被検体に入射する。音響整合層は、超音波エネルギーを効率よく伝播させるために、圧電素子と生体との間の音響インピーダンスを整合する。音響レンズは、超音波を集束（或いは拡散）させる。圧電素子は、この超音波の反射波を受信して電気信号を生成する。超音波診断装置は、この電気信号を解析して体内の状態を画像化する。

他方、圧電素子から後方に進行する超音波は、その少なくとも一部がバッキング材によって減衰される。このとき、超音波エネルギーが熱エネルギーに変換される。また、圧電素子から前方に進行する超音波についても、その一部が音響整合層や音響レンズに減衰されて熱エネルギーに変換される。

圧電素子の近傍には、特許文献１に示すように、電気信号処理を行う電気回路が配設される。この電気回路は、各圧電素子の電気容量の小ささを補助するために電気信号を増幅する。また、インピーダンス整合用の電気回路やスイッチ回路などが設けられる場合もある。これらの電気回路は、電力の消費に伴って熱エネルギーを発生する。

ところで、超音波プローブは体表面に接触して使用されるため、体表面に触れる部分が高温になることを防止して被検体の安全を図る必要がある。

一般に、画質（Ｓ／Ｎ比など）は超音波の送信パワー（送信音圧）に依存し、また、超音波プローブによる熱の発生量と送信パワーとは互いにトレードオフの関係にある。すなわち、超音波プローブによる熱の発生量を低く抑えるためには超音波の送信パワーを低く設定する必要があるが、そうすると画像のＳ／Ｎ比などが低下して画質が劣化してしまう。逆に、画質を向上させるために超音波の送信パワーを増大させると、超音波プローブによる熱の発生量が増大してしまう。

特に、特許文献１に示すように二種類以上の熱源（超音波に起因する熱源や電力消費に起因する熱源など）を持つ超音波プローブを用いる場合には、発熱量の増大に伴って温度が高くなりやすいので配慮が必要である。

特許文献１の発明は、圧電素子の部分と電気回路の部分との間の熱抵抗を大きくするとともに、電気回路からケーブル側への熱抵抗を小さくすることにより、圧電素子からの熱と電気回路からの熱とを分離し、これらを別々の経路で放熱させて放熱効率の向上を図っている。それにより、超音波プローブの表面温度の上昇を抑えつつ超音波の出力強度を確保している。

また、特許文献２の発明は、炭素繊維等からなる充填材をバッキング材に混入することにより放熱効果の向上を図っている。特に、充填材は、その一部がバッキング材の厚さ方向に対して角度が３０度以下になるように配列されている。

特開２００６−２５８９２号公報 特開２００６−３３８０１号公報

近年の超音波診断においては、たとえばＴＨＩ（Ｔｉｓｓｕｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ）のようにエネルギーロスの多い検査手法が用いられるようになっている。したがって、安全性と画質の双方を満足するために、超音波プローブの放熱機能の更なる進化が期待されている。

この発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検体に接触する部分の温度上昇を抑えつつ超音波の送信パワーの増大を図ることが可能な超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被検体との間で超音波を送受信する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に電気的に接続されて信号処理を行う回路部と、前記超音波の送信方向である前方に前記超音波送受信部を収納し、前記超音波送受信部の後方に前記回路部を収納するケースと、前記超音波送受信部における前後方向の熱抵抗を側方向の熱抵抗よりも大きくし、前記超音波送受信部の熱を前記ケースの側面に向けて伝導して前記ケースの外部に放出させる第１放熱手段と、前記第１放熱手段と離間して配置された、前記回路部の熱を後方向又は側方向に伝導して前記ケースの外部に放出させる第２放熱手段と、を備えることを特徴とする超音波プローブである。

また、請求項６に記載の発明は、被検体との間で超音波を送受信する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に電気的に接続されて信号処理を行う回路部と、前記超音波の送信方向である前方に前記超音波送受信部を収納し、前記超音波送受信部の後方に前記回路部を収納するケースとを有する超音波プローブを含み、前記超音波プローブによる超音波の受信結果に基づいて前記被検体内の状態を画像化する超音波診断装置であって、前記超音波プローブは、前記超音波送受信部における前後方向の熱抵抗を側方向の熱抵抗よりも大きくし、前記超音波送受信部の熱を前記ケースの側面に向けて伝導して前記ケースの外部に放出させる第１放熱手段と、前記第１放熱手段と離間して配置された、前記回路部の熱を後方向又は側方向に伝導して前記ケースの外部に放出させる第２放熱手段とを備える、ことを特徴とする超音波診断装置である。

この発明に係る超音波プローブは、超音波送受信部の熱を放熱する第１放熱手段と、回路部の熱を放熱する第２放熱手段とを備えている。第１放熱手段は、超音波送受信部における前後方向の熱抵抗を側方向の熱抵抗よりも大きくし、超音波送受信部の熱をケースの側面に向けて伝導してケースの外部に放出させる。第２放熱手段は、回路部の熱を後方向又は側方向、つまり超音波送受信部がある前方以外の方向に伝導して放熱する。

このような超音波プローブによれば、超音波送受信部の放熱と回路部の放熱とを別々の経路で行って放熱の効率化を図ることができる。更に、第１放熱手段により、超音波送受信部の熱を側方向に多く伝導させることができるので、被検体に接触する部分がある前方に伝導される熱量を減少させることが可能である。このように、被検体に接触する部分への熱の伝導を抑制しつつ放熱効率の向上を図ることにより、被検体に接触する部分の温度上昇を抑えつつ超音波の送信パワーの増大を図ることが可能となる。

この発明に係る超音波診断装置は、上記したこの発明に係る超音波プローブを備えている。したがって、この発明に係る超音波診断装置によれば、被検体に接触する部分の温度上昇を抑えつつ超音波の送信パワーの増大を図ることが可能となる。

この発明に係る超音波プローブ及び超音波診断装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この発明に係る超音波診断装置は、この発明に係る超音波プローブを含んで構成され、この超音波プローブによる超音波の受信結果に基づいて被検体内の状態を画像化する。

なお、被検体は、人体であってもよいし、他の動物の体であってもよい。また、熱によって特性や特徴が変化する物質からなる物体であってもよい。

以下の説明において、次のように方向を定義する。超音波プローブが超音波を送信する方向、つまり、被検体に接触される超音波プローブの部位（ヘッド）の方向を前方と呼び、これの逆方向を後方と呼ぶ。一般に、超音波プローブの後方側には、超音波診断装置の本体に向かって延びるケーブルが接続されている。また、前後方向に直交する方向を側方向と呼ぶ。

［超音波診断装置］
この実施形態に係る超音波診断装置の構成例を図１に示す。超音波診断装置１は、超音波プローブ２、送受信部３、信号処理部４、画像記憶部５、画像生成部６、表示制御部７、ユーザインターフェイス（ＵＩ）８、制御部９及び画像処理部１０を備えている。また、心臓の超音波画像を取得する場合などには、超音波診断装置１に心電計が接続される。

超音波プローブ２には、所定のパターンで配列された複数の圧電素子（超音波振動子）が設けられている。複数の圧電素子は、たとえば、所定方向（走査方向）に１列に配列されている（１次元アレイプローブ）。このような超音波プローブ２は、セクタスキャン、ラインスキャン、コンベックススキャンなど、各種の超音波スキャンを行うことができる。

１次元アレイプローブとしての超音波プローブ２は、走査方向に直交する方向に複数の圧電素子を揺動させる機構を備えていてもよい。また、超音波プローブ２は、複数の圧電素子が２次元的に配列された２次元アレイプローブであってもよい。このような構成により、被検体内を３次元的に走査するボリュームスキャンを実行できる。なお、超音波プローブ２の構成の具体例については後述する。

超音波プローブ２は、被検体の体表にあてがわれて使用され、被検体に向けて超音波を送信するとともに、被検体からの反射波をエコー信号として受信する。

送受信部３は、図示しない送信部と受信部とを備え、超音波プローブ２に電気信号を供給して超音波を発生させるとともに、超音波プローブ２が受信したエコー信号を受信する。

送信部は、制御部９の制御の下、超音波プローブ２に電気信号を供給して所定の焦点にビームフォームした超音波を送信させる。

送信部の構成を説明する。送信部は、図示しないクロック発生回路、送信遅延回路、及びパルサ回路を備えている。クロック発生回路は、超音波信号の送信タイミングや送信周波数を決めるクロック信号を発生する。送信遅延回路は、超音波の送信時に遅延を掛けて送信フォーカスを実施する。パルサ回路は、各圧電素子に対応した個別経路（チャンネル）の数分のパルサを内蔵し、遅延が掛けられた送信タイミングで駆動パルスを発生し、超音波プローブ２の各圧電素子に供給する。

受信部は、超音波プローブ２が受信したエコー信号を受信し、そのエコー信号に対して遅延処理を行うことで、アナログの受信信号を整相されたデジタルの受信データに変換する。つまり、受信部は、対象とする反射体から各圧電素子までの距離に応じてそれぞれ時間的に異なって受信されたエコー信号を、その位相（時間）を揃えて加算し、焦点の合った１本の受信データ（１走査線上の画像用信号）を生成する。

受信部の具体的な構成を説明する。受信部は、図示しないプリアンプ回路、Ａ／Ｄ変換回路、及び受信遅延・加算回路を備えている。プリアンプ回路は、超音波プローブ２の各圧電素子から出力されるエコー信号を受信チャンネルごとに増幅する。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅されたエコー信号をＡ／Ｄ変換する。受信遅延・加算回路は、Ａ／Ｄ変換後のエコー信号に対して受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与え、加算する。この加算処理により、受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。

信号処理部４は、Ｂモード処理部やＣＦＭ処理部などを備えている。送受信部３から出力されたデータは、いずれかの処理部にて所定の処理が施される。

Ｂモード処理部は、エコーの振幅情報の映像化を行い、エコー信号からＢモード超音波ラスタデータを生成する。より具体的に説明すると、Ｂモード処理部は、送受信部３から送られる信号に対してバンドパスフィルタ処理を行い、その後、出力信号の包絡線を検波し、検波されたデータに対して対数変換による圧縮処理を施す。

ＣＦＭ（Ｃｏｌｏｒ Ｆｌｏｗ Ｍａｐｐｉｎｇ）処理部は、血流情報の映像化を行い、カラー超音波ラスタデータを生成する。血流情報には、速度、分散、パワーなどの情報がある。これらの情報はたとえば２値化情報として得られる。より具体的には、ＣＦＭ処理部は、位相検波回路、ＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）フィルタ、自己相関器、及び流速・分散演算器を備えている。ＣＦＭ処理部は、組織信号と血流信号とを分離するためのハイパスフィルタ処理（ＭＴＩフィルタ処理）を行い、自己相関処理により血流の移動速度、分散、パワー等の血流情報を多点について求める。その他、ＣＦＭ処理部は、組織信号を低減及び削減するための非線形処理を実行する場合もある。

信号処理部４にはドプラ処理部が設けられていてもよい。ドプラ処理部は、送受信部３から出力される受信信号を直交検波することによりドプラ偏移周波数成分を取り出す。更に、ドプラ処理部は、ドプラ偏移周波数成分に対してＦＦＴ処理を施して、血流速度を表すドプラ周波数分布を生成する。

信号処理部４は、信号処理後の超音波ラスタデータを画像記憶部５に出力する。画像記憶部５は、信号処理部４から超音波ラスタデータを受けて記憶する。

また、超音波プローブ２と送受信部３とによってボリュームスキャンが行なわれた場合、信号処理部４は、このボリュームスキャンにより得られるエコー信号に基づいてボリュームデータを生成する。この処理は、たとえば、複数の断面におけるＢモード画像（断層像）を生成し、これら断層像のスタックデータを生成し、このスタックデータに補間処理等を施してボクセルを生成することにより行う。画像記憶部５は、信号処理部４からボリュームデータを受けて記憶する。

画像生成部６は、画像記憶部５に記憶されている超音波ラスタデータに基づいて画像データを生成する。画像生成部６は、ＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：デジタルスキャンコンバータ）を備えている。ＤＳＣは、走査線信号列で表される信号処理後の超音波ラスタデータを、直交座標で表される画像データに変換する（スキャンコンバージョン処理）。前述のＢモード処理部にて信号処理が施された場合、画像生成部６は、Ｂモード超音波ラスタデータにスキャンコンバージョン処理を施して、被検体の組織形状を表すＢモード画像データを生成する。

また、ボリュームスキャンが行なわれている場合、画像生成部６は、画像記憶部５からからボリュームデータを読み込み、このボリュームデータにボリュームレンダリングを施すことで、被検体の組織形状を立体的に表す３次元画像データを生成する。また、画像生成部６は、ボリュームデータにＭＰＲ処理（Ｍｕｌｔｉ Ｐｌａｎｎａｒ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）を施すことにより、任意断面における画像データ（ＭＰＲ画像データ）を生成する。

画像生成部６は、上記のようにして生成された超音波画像データを表示制御部７に出力する。また、画像生成部６は、これら超音波画像データを画像記憶部５に出力する。画像記憶部５は、これら超音波画像データを記憶する。

前述のように、超音波診断装置１に心電計が接続されている場合、心電計は、被検体の心電波形（ＥＣＧ（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）信号）を取得して制御部９に入力する。制御部９は、ＥＣＧ信号を受け付け、各超音波ラスタデータに各超音波ラスタデータが取得されたタイミングで受け付けた心時相を対応付けて画像記憶部５に記憶させる。たとえば、制御部９は、ＥＣＧ信号からＲ波を検出し、Ｒ波が検出された心時相に取得された超音波ラスタデータに、Ｒ波を示す心時相を対応付けて画像記憶部５に記憶させる。

表示制御部７は、画像生成部６から超音波画像データを受けて、心臓のＢモード画像、ＭＰＲ画像、３次元画像等の超音波画像をユーザインターフェイス（ＵＩ）８の表示部８１に表示させる。たとえば、オペレータが操作部８２を用いて任意の心時相を指定すると、画像生成部６は、指定された心時相に対応付けられた超音波画像データに基づいて表示用の超音波画像を生成し、表示制御部７は、その心時相の超音波画像を表示部８１に表示させる。

制御部９は、超音波診断装置１の各部を制御する。画像処理部１０は、画像記憶部５に記憶された画像データに対して各種の画像処理を施す。この画像処理としては、たとえば、ＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）等の画像領域を抽出する処理、ＲＯＩのサイズを計測する処理などがある。

〔超音波プローブ〕
超音波プローブ２の構成例を図２〜図４に示す。図２は、超音波プローブ２の外観斜視図であり、その切欠部分には超音波プローブ２の内部構成の一部が示されている。

図２及び図３に示すように、超音波プローブ２のケース２ａには、超音波送受信部２０と回路部３０が収納されている。超音波送受信部２０は、超音波の送信方向である前方に収納され、回路部３０は超音波送受信部２０の後方に収納される。超音波送受信部２０の前面はケース２ａから露出している。超音波プローブ２は、超音波送受信部２０の前面を被検体に接触させた状態で検査を行う（被検体の表面には、適宜、超音波ゼリー等の音響カップリング剤が塗布される）。

（超音波送受信部）
超音波送受信部２０は、超音波を送信するとともに、この超音波の被検体内からの反射波を受信する。超音波送受信部２０は、圧電素子２１、音響整合層２２、生体接触材２３及びバッキング材２４を含んで構成される。

これらの部材２１〜２４は前後方向に積層されている（つまり前後方向は積層方向である）。また、回路部３０は、超音波送受信部２０の後方に配置されている。

圧電素子２１は、前後方向に電圧の印可を受けて超音波を発生する。圧電素子２１は、圧電セラミクス等の圧電材料と、この圧電材料の前面及び後面に形成された電極とを含んで構成される。電極は、たとえば、金、銀、ニッケル等の材料を、焼き付け処理、スパッタリング処理、メッキ処理等の手法によって圧電材料に付着させることで形成される。

音響整合層２２は、たとえば絶縁接着剤によって圧電素子２１の前面に接合されている。音響整合層２２は、たとえばエポキシ樹脂を含む材料により形成される。圧電素子２１と被検体との間の音響インピーダンスを整合する。音響整合層２２は、一層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。圧電素子２１と音響整合層２２は、たとえばダイシング加工によりアレイ状に分割されて複数のチャンネルを形成している。

生体接触材２３は、たとえば絶縁接着剤によって音響整合層２２の前面に接合されている。生体接触材２３は、たとえばシリコン系の材料により形成される。生体接触材２３の前面は被検体に接触される。超音波プローブ２が１次元アレイプローブである場合などには、生体接触材２３はたとえば音響レンズにより構成される。また、たとえば２次元アレイプローブのように複数のチャンネルに対して電子的に遅延を掛けて超音波ビームを形成する場合、生体接触材２３はレンズ状に形成されている必要はない（たとえば平面状の前面を有する）。

圧電素子２１は、電圧の印可方向、すなわち前方及び後方に向けてそれぞれ超音波を発信する。前方に発信された超音波は、音響整合層２２と生体接触材２３を通過して被検体に入射する。

一方、圧電素子２１から後方に発信された超音波は、バッキング材２４によって減衰される。バッキング材２４は、たとえば絶縁接着剤によって圧電素子２１の後面に接合されている。

バッキング材２４の構成例を図４に示す。バッキング材２４は、超音波減衰材２４ａと伝熱材２４ｂとを有する。超音波減衰材２４ａは、超音波を減衰させる作用を持つ材料を含んで構成される。超音波減衰材２４ａの材料としては、たとえばクロプレンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、樹脂など、音響バッキング用の任意の材料を使用することができる。

伝熱材２４ｂは、超音波減衰材２４ａに含有されている。伝熱材２４ｂは、たとえば、細線状に形成された複数の繊維（繊維材；ファイバ）により構成され、各繊維材は前後方向に対して略直交する方向に沿うように配列される。

伝熱材２４ｂは、超音波減衰材２４ａの材料よりも高い熱伝導率を持つ材料により形成される。伝熱材２４ｂの材料としては、たとえば、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維などがある（前述の特許文献２を参照）。

伝熱材２４ｂとしては、圧電素子２１が発信する超音波に影響を与えない程度の径を有する繊維材を用いることが望ましい。たとえば、圧電素子２１から後方に進行する超音波の反射を低減させるために、超音波の波長の１０分の１以下程度の平均径を有する繊維材を伝熱材２４ｂとして用いることができる。繊維材としては、たとえば、平均径２０μｍ以下、熱伝導率８０Ｗ／ｍｋ以上のものが用いられる。

なお、平均径とは、複数の繊維材の径の測定結果の平均値のみを意味するものではない。たとえば、或る径（たとえば２０μｍ）を目標として複数の繊維材を作成した場合、径の値にばらつきが出てしまうが、この径の目標値も「平均値」に相当するものとする。また、使用される繊維材のうちの所定数（たとえば８０％）の径が閾値（たとえば２０μｍ）以下であるような場合も「平均値」に相当するものとする。

バッキング材２４は、たとえば、液体状の超音波減衰材２４ａの材料中に伝熱材２４ｂを向きを揃えて投入し、その後に超音波減衰材２４ａの材料を固化させることにより作成できる。また、特許文献２と同様に、シートを積層する手法で作成することも可能である。なお、バッキング材２４を作成する際には、公知の添加剤を添加することもある。

繊維材からなる伝熱材２４ｂの配置について補足する。伝熱材２４ｂは、前後方向に対して直交する方向（側方向）に正確に沿っている必要はない。また、各伝熱材２４ｂが全て同じ方向を向いている必要もない。たとえば上記のような手法でバッキング材２４を作成する場合において、伝熱材２４ｂを所望の方向に向かせるように処理した結果として生じるズレは許容される。

伝熱材２４ｂは、側方向に対する角度が前後方向に対する角度よりも小さくなるように配置されていればよい。ここで、側方向に対する伝熱材２４ｂの角度は、前後方向に直交する任意の方向と伝熱材２４ｂとが成す角度である。更に言うと、当該角度は、前後方向に直交する平面に対する伝熱材２４ｂの角度、つまり、側方向に対する伝熱材２４ｂの最小の角度として定義できる。なお、伝熱材２４ｂが屈曲形状である場合には、たとえば、伝熱材２４ｂの両端を結ぶ直線の方向を伝熱材２４ｂの向きとみなすことができる。また、伝熱材２４ｂの向きとして、他の合理的な向きを定義することも可能である。

また、全ての伝熱材２４ｂが当該方向を向いている必要もない。複数の伝熱材２４ｂが、全体として、側方向に対する角度が前後方向に対する角度よりも小さくなっていれば十分である。つまり、複数の伝熱材２４ｂが統計的に側方向寄りに配設されていれば十分である。更に言うと、大局的には、バッキング材２４の熱が前後方向よりも側方向に向かって多く伝導されるように伝熱材２４ｂが配置されていれば十分である。

伝熱材２４ｂは、繊維材に限定されるものではない。たとえば、粉末の高熱伝導材料を、あたかも線を引くように側方向に沿って並べることにより伝熱材２４ｂを形成することが可能である。また、直方体状や球状の高熱伝導材料を側方向に沿って並べることにより伝熱材２４ｂを形成することも可能である。

バッキング材２４と同様の構成を音響整合層２２や生体接触材２３に適用することが可能である。すなわち、たとえば繊維材からなる伝熱材を音響整合層２２や生体接触材２３に設けることができる。圧電素子２１よりも前方に設けられる伝熱材２４ｂは、特に、圧電素子２１が発信する超音波に対して屈折や回折等の影響を与えない程度の径を有することが望ましい。これは、圧電素子２１による受信結果のノイズを増加させないためである。この実施形態においては、音響整合層２２、生体接触材２３及びバッキング材２４のうちの少なくとも一つの部材に伝熱材が設けられていればよい。

ここで、伝熱材２４ｂによる伝熱効果の実験例を示す。樹脂製の超音波減衰材２４ａの熱伝導率は０．２Ｗ／ｍｋ程度である。炭素繊維からなる伝熱材２４ｂの熱伝導率は９０〜５００Ｗ／ｍｋ程度である。これらの材料を、音響インピーダンスが２〜６Ｍｒａｙｌ程度になるように混合する。この混合物の熱伝導率として、伝熱材２４ｂの混合率に応じて、直交方向に３〜１５倍程度の異方性が認められた。たとえば図４に示す構成においては、伝熱方向の熱伝導率が前後方向の熱伝導率の３〜１５倍程度となる。換言すると、前後方向の熱抵抗が伝熱方向の熱抵抗の３〜１５倍程度となる。具体例として、前後方向の熱伝導率１．８Ｗ／ｍｋ、伝熱方向の熱伝導率１２．５Ｗ／ｍｋとなった。

超音波送受信部２０の側面には伝熱板２５が設けられている。伝熱板２５は、その前端部が超音波送受信部２０の側面に接合され、後方に向かって延設されている。伝熱板２５は、熱伝導率が高い材料（たとえば金属）により形成されている。それにより、伝熱板２５は、超音波送受信部２０の側面の熱を後方に向かって伝導するとともに、その表面から放熱する。放熱されたエネルギーは、ケース２ａに伝わって外部に放出される。また、伝熱板２５に対向するケース２ａの位置に放熱用の孔部を形成してもよい。

ところで、前述のように、バッキング材２４には、側方向に熱を伝導させる伝熱材２４ｂが設けられている。伝熱板２５は、伝熱材２４ｂの長手方向に配設される。たとえば、図４に示す構成においては、伝熱板２５は伝熱方向に配設される。このような構成を適用することにより、バッキング材２４の熱は、伝熱材２４ｂによって側方向に伝導され、バッキング材２４の側面から伝熱板２５に伝わり、伝熱板２５によって放熱される。なお、音響整合層２２や生体接触材２３に伝熱材が設けられている場合においても、音響整合層２２や生体接触材２３の熱は同様の経路で放熱される。

（回路部）
回路部３０は、超音波送受信部２０の後方に配置され、超音波送受信部２０に電気的に接続されて所定の信号処理を行う。

図３に示すように、回路部３０には増幅回路３１やスイッチ回路３２が設けられている。増幅回路３１は、圧電素子２１が超音波を受信したときに出力する受信信号信号を増幅する。スイッチ回路３２は、圧電素子２１による超音波の送信タイミングと受信タイミングとを切り換える。回路部３０には、これらの他にも、インピーダンス整合用の電気回路などが実装されていてもよい。これらの回路は、一般にＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）化されている。

更に、回路部３０には、増幅回路３１やスイッチ回路３２と超音波送受信部２０とを電気的に接続する回路基板３３が設けられている。回路基板３３は、たとえばフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）、セラミック基板、ガラスエポキシ基板などにより構成されている。フレキシブルプリント基板は、薄型で熱抵抗が高いので、回路部３０の熱から超音波送受信部２０への熱伝導の低減に有効である。ただし、電気的に接続されている部位（銅などの導体）を通じて熱が伝わることがある。特に、回路部３０の発熱量が大きい場合には注意が必要である。

回路部３０の側面には伝熱板３４が接合されている。伝熱板３４は、後方に向かって延設されている。伝熱板３４の後端部は、金属部材４２に接合されている。伝熱板３４は、熱伝導率が高い材料からなる部材（たとえば金属部材やヒートパイプ等）により形成されている。それにより、伝熱板３４は、回路部３０の熱を後方に向かって伝導する。更に、回路部３０で発生した熱は、超音波送受信部２０で発生した熱と異なる経路で、すなわちケーブル４０等を介して、超音波プローブ２の外部に放出される。

伝熱板３４は、伝熱板２５と離間して配置される。伝熱板３４と伝熱板２５との間には、たとえば空気や発泡ポリウレタンのように、比較的断熱性の高い媒質が充填されている。それにより、伝熱板３４の熱が伝熱板２５に伝わることを防止している。特に、近年の超音波プローブにおいては回路部での発熱量が増大しているため、このような構成とすることにより、回路部からの熱が伝熱板を介して超音波送受信部に伝わることを防止できる。

回路部３０には、後方からケーブル４０が接続されている。ケーブル４０は、超音波診断装置１の本体（特に送受信部３）と回路部３０との間で電気信号を授受するためのものである。ケーブル４０は多数の信号線４１を有する。これら信号線４１の少なくとも一部は、各チャンネルを個別に制御するためのものである。多数の信号線４１は、束ねられた状態で電磁シールド用の金属部材４２に覆われ、その外側が絶縁体４３で被覆されている。

回路部３０の熱の一部は、信号線４１を伝って後方に伝導される。金属部材４２の側面には、伝熱板３４の後端部が接合されている。伝熱板３４の前方から後方に伝わってきた熱（回路部３０で発生した熱等）は、金属部材４２及びケーブル４０等を介して超音波プローブ２の外部に放出される。

前述のように、伝熱板３４は、伝熱板２５と離間して配置され、その間隙には比較的断熱性の高い媒質が充填されている。それにより、伝熱板３４の熱が伝熱板２５を介して超音波送受信部２０に伝わることを防止している。更に、伝熱板３４の熱がケース２ａを介して超音波送受信部２０に伝わることを防止している。

回路部３０は、複数の回路基板を備えていてもよい（たとえば特許文献１を参照）。また、回路部３０の熱を効果的に後方に伝導するための構成を設けることが可能である。たとえば、ヒートパイプ等の放熱部材を適用してもよいし、特開平９−１４０７０６号公報に記載のように回路部の熱を収集して後方に伝導する構成を適用してもよい。また、回路部３０を積極的に冷却するための構成（水冷機構、空冷機構等）を適用してもよい。

［作用・効果］
この実施形態に係る超音波プローブ２（及び超音波診断装置１）の作用及び効果について説明する。

超音波プローブ２は、被検体との間で超音波を送受信する超音波送受信部２０と、超音波送受信部２０の後方に配置され、超音波送受信部２０に電気的に接続されて信号処理を行う回路部３０とを有する。超音波送受信部２０の前面（生体接触材２３の前面）は、被検体に当接される。

更に、超音波プローブ２は、超音波送受信部２０の熱を放熱するための第１放熱手段と、回路部３０の熱を放熱するための第２放熱手段とを備えている。

第１放熱手段は、バッキング材２４に混入された伝熱材２４ｂを含む。伝熱材２４ｂは、比較的熱伝導率の高い材料により形成され、バッキング材２４の熱を前後方向よりも側方向に向かって多く伝導するように作用する。つまり、伝熱材２４ｂは、バッキング材２４における前後方向の熱抵抗を側方向の熱抵抗よりも大きくし、それにより、バッキング材２４の熱を前後方向よりも側方向に多く伝導するように作用する。なお、前述のように、音響整合層２２や生体接触材２３に同様の伝導材を混入させることも可能である。

また、第１放熱手段は、伝熱板２５を含んでいてもよい。伝熱板２５は、前述のように、超音波送受信部２０の側面に接合されており、超音波送受信部２０の熱を後方に伝導させて放熱するように作用する。

第２放熱手段は、伝熱板３４やケーブル４０を含んで構成される。第２放熱手段は、回路部３０の熱を後方向に伝導して放熱するように作用する。

このような超音波プローブ２によれば、第１放熱手段により、超音波送受信部２０の熱を側方向に効率的に伝導して放熱させることができるので、生体接触材２３の前面（被検体に対する接触面）に向かう熱量が低減される。それにより、生体接触材２３の前面の温度の上昇を抑止することができる。

更に、超音波プローブ２によれば、超音波送受信部２０の熱を積極的に側方に伝導させて放熱できるとともに、回路部３０の熱を放熱するための第２放熱手段を別途に備えているので、超音波送受信部２０の熱と回路部３０の熱とを個別の経路で放熱することができる。このようにして放熱の効率化を図ることにより、超音波の送信パワーを増大させて高画質の超音波画像を取得することが可能となる。

ところで、超音波送受信部２０と回路部３０とに温度差がある場合、温度が高い側から低い側に熱エネルギーが回路基板３３を介して移動する。近年の超音波プローブにおいては、回路部による発熱量が増大し、この熱が超音波送受信部に移動して生体接触剤の前面の温度が上昇するおそれが高まっている。

この実施形態に係る超音波プローブ２によれば、回路部３０から超音波送受信部２０に移動した熱についても、効率的に側方向に伝導させて放熱されるので、生体接触材２３の前面の温度上昇を抑えて安全性を担保しつつ、超音波の送信パワーを増大させて超音波画像の高画質化を図ることが可能である。

逆に、超音波送受信部２０から回路部３０に熱が移動するような状況であっても、超音波プローブ２によれば、この熱を第２放熱手段によって効率的に放熱することが可能である。

以上に詳述した構成は、この発明を実施するための一例に過ぎない。この発明を実施しようとする者は、この発明の要旨の範囲内における任意の変形を適宜に施すことが可能である。

この発明に係る超音波診断装置の実施の形態の全体構成の一例を表す概略ブロック図である。 この発明に係る超音波診断装置の実施の形態における超音波プローブの構成の一例を表す概略斜視図である。 この発明に係る超音波診断装置の実施の形態における超音波プローブの構成の一例を表す概略断面図である。 この発明に係る超音波診断装置の実施の形態における超音波プローブのバッキング材の構成の一例を表す概略斜視図である。

符号の説明

１ 超音波診断装置
２ 超音波プローブ
３ 送受信部
４ 信号処理部
５ 画像記憶部
６ 画像生成部
７ 表示制御部
８ ユーザインターフェイス
９ 制御部
１０ 画像処理部
２０ 超音波送受信部
２１ 圧電素子
２２ 音響整合層
２３ 生体接触材
２４ バッキング材
２４ａ 超音波減衰材
２４ｂ 伝熱材
２５、３４ 伝熱板
３０ 回路部
３１ 増幅回路
３２ スイッチ回路
３３ 回路基板
４０ ケーブル

Claims (10)

1. 被検体との間で超音波を送受信する超音波送受信部と、
   前記超音波送受信部に電気的に接続されて信号処理を行う回路部と、
   前記超音波の送信方向である前方に前記超音波送受信部を収納し、前記超音波送受信部の後方に前記回路部を収納するケースと、
   前記超音波送受信部における前後方向の熱抵抗を側方向の熱抵抗よりも大きくし、前記超音波送受信部の熱を前記ケースの側面に向けて伝導して前記ケースの外部に放出させる第１放熱手段と、
   前記第１放熱手段と離間して配置された、前記回路部の熱を後方向又は側方向に伝導して前記ケースの外部に放出させる第２放熱手段と、
   を備えることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記超音波送受信部は、前後方向に電圧の印加を受けて超音波を発生する圧電素子と、前記圧電素子の前方に設けられ、前記圧電素子と前記被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層と、前記音響整合層の前方に設けられ、前記被検体に接触される接触材と、前記圧電素子の後方に配置され、前記圧電素子により発生された超音波を吸収するバッキング材とを含み、
   前記音響整合層、前記接触材及び前記バッキング材のうちの少なくとも一つの部材は、前記第１放熱手段として、側方向に対する角度が前後方向に対する角度よりも小さくなるように配置された細線状の複数の繊維材を含有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記繊維材は、これを含有する前記音響整合層、前記接触材及び前記バッキング材のうちの少なくとも一つの部材の材料よりも高い熱伝導率を有する材料により形成される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記繊維材は、炭素繊維、炭化ケイ素繊維及びアルミナ繊維のうちのいずれかを含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波プローブ。
5. 前記繊維材の平均径は、前記圧電素子により送信される超音波の波長の１０分の１以下とされる、
   ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
6. 被検体との間で超音波を送受信する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に電気的に接続されて信号処理を行う回路部と、前記超音波の送信方向である前方に前記超音波送受信部を収納し、前記超音波送受信部の後方に前記回路部を収納するケースとを有する超音波プローブを含み、前記超音波プローブによる超音波の受信結果に基づいて前記被検体内の状態を画像化する超音波診断装置であって、
   前記超音波プローブは、前記超音波送受信部における前後方向の熱抵抗を側方向の熱抵抗よりも大きくし、前記超音波送受信部の熱を前記ケースの側面に向けて伝導して前記ケースの外部に放出させる第１放熱手段と、前記第１放熱手段と離間して配置された、前記回路部の熱を後方向又は側方向に伝導して前記ケースの外部に放出させる第２放熱手段とを備える、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
7. 前記超音波送受信部は、前後方向に電圧の印加を受けて超音波を発生する圧電素子と、前記圧電素子の前方に設けられ、前記圧電素子と前記被検体との間の音響インピーダンスを整合する音響整合層と、前記音響整合層の前方に設けられ、前記被検体に接触される接触材と、前記圧電素子の後方に配置され、前記圧電素子により発生された超音波を吸収するバッキング材とを含み、
   前記音響整合層、前記接触材及び前記バッキング材のうちの少なくとも一つの部材は、前記第１放熱手段として、側方向に対する角度が前後方向に対する角度よりも小さくなるように配置された細線状の複数の繊維材を含有する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置。
8. 前記繊維材は、これを含有する前記音響整合層、前記接触材及び前記バッキング材のうちの少なくとも一つの部材の材料よりも高い熱伝導率を有する材料により形成される、
   ことを特徴とする請求項７に記載の超音波診断装置。
9. 前記繊維材は、炭素繊維、炭化ケイ素繊維及びアルミナ繊維のうちのいずれかを含む、
   ことを特徴とする請求項８に記載の超音波診断装置。
10. 前記繊維材の平均径は、前記圧電素子により送信される超音波の波長の１０分の１以下とされる、
    ことを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の超音波診断装置。

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