JP5382685B2 - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波プローブ、超音波診断装置及び超音波診断方法に関する。

臓器に発生した病変を診断する方法として、病変部の生体組織を採取し、この生体組織を鑑別して診断する方法が知られている。しかし、この診断方法では生体組織を体外に摘出し、さらに固定および染色してから検査を行う必要があるので、ただちに診断することができない。また、採取した生体組織が生体内の状態から変化してしまうという問題がある。

そこで、穿刺針に超音波変換器を取り付けて被検組織の病変部に直接刺入し、超音波を照射して被検対象である病変部の音響インピーダンスを計測することによって、組織性状を測定して周囲の生体組織を画像化する針状超音波プローブが提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特許文献１に記載の方法においては、１００ＭＨｚ程度の比較的高い周波数の超音波ビームを用い、直接体内に針状超音波プローブを挿入して診断する。そのため、超音波プローブそのものを針状に加工するため、生体内に挿入するには余りに針が太くなってしまい、超音波の無侵襲性を損ねてしまう。また、超音波を発生させるトランスデューサ（振動子）自身を生体内に挿入することになり、人体に対する厳格な電気的安全性が要求される。

そこで、トランスデューサが体外に配されるようにするとともに、石英やサファイアといったファイバを体内に挿入し、このファイバを介して超音波を体内に伝送する超音波プローブが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１１−２０６７５９号公報 特開２０００−２２１０７８号公報 再表２００６／０２８２４９号公報

しかしながら、上記特許文献３に記載の超音波プローブは、音響窓が針先よりも手元側の外枠側面に配されているので、検査の際、病変部を超えた位置まで針先を被検組織に穿刺しなければならない問題がある。また、ファイバから照射された超音波の進行方向をミラーによって変換させる必要があるので、ファイバと観察窓との間に配された音響媒体やミラーの形状又は構成が複雑になってしまう。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、人体に対する電気的安全性を満たすとともに、患者の負担をより軽減でき、高い走査精度を得ることができる超音波プローブ、超音波診断装置及び超音波診断方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る超音波プローブは、一部が被検組織に挿入されて超音波を照射する超音波プローブであって、先端が針状に形成されて少なくとも先端側の一部が前記被検組織に挿入される第一筒部と、該第一筒部の先端に対して前記第一筒部の中心軸線方向に出没自在に内挿された第二筒部と、電気信号と超音波とを交互に変換可能な超音波変換部と、細長に形成されて前記第二筒部内に挿入され、中心軸線方向に伝達された前記超音波が前記第二筒部の先端近傍に配された先端面から照射される伝送部と、前記第二筒部に対し、前記超音波とは別に少なくとも前記伝送部の中心軸線と直交する一つの軸線方向に前記伝送部を振動させる振動源と、該振動源によって前記伝送部に伝達される波動の節にて、前記伝送部を前記第二筒部に回動自在に支持する支持部と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る超音波診断装置は、本発明に係る超音波プローブを備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る超音波診断方法は、細長に形成され、入射した観察用の超音波が先端面から照射される伝送部の先端側を被検組織又はその近傍に挿入する挿入ステップと、
少なくとも前記伝送部の中心軸線と直交する一つの軸線方向に前記伝送部を振動させた際、波動の節となる位置にて、前記伝送部を前記筒部に対して回動自在に支持した状態で、前記波動を前記伝送部に伝達させる走査ステップと、前記伝送部の基端側から前記超音波を送信して、前記伝送部の先端から前記被検組織に前記超音波を照射する照射ステップと、前記被検組織から反射される超音波を受信する受信ステップと、前記受信した超音波を分離・制御して分析する分析ステップと、を備えていることを特徴とする。

この発明は、振動する伝送部の振幅方向に伝送部の先端面を走査でき、伝送部の中心軸線方向に超音波を照射して伝送部前方の被検組織を観察することができる。この際、振動する伝送部上の波動の節にて伝送部が回動自在に支持されるので、伝送部が支持された位置における振動源による波動の減衰を最小限に抑えて、伝送部の先端まで伝達させることができ、先端面を高精度に走査させることができる。

また、本発明に係る超音波プローブは、前記超音波プローブであって、前記支持部が、前記一つの軸線方向と直交する軸線回りに前記伝送部を回動自在に支持することを特徴とする。
この発明は、第二筒部の中心軸線と直交する面を走査して観察することができる。

また、本発明に係る超音波プローブは、前記超音波プローブであって、前記被検組織と接触するとともに前記超音波が透過する音響窓が前記第二筒部の先端に配され、前記音響窓が、前記第二筒部の外側に凸状に、かつ内側に凹状に形成されていることを特徴とする。

この発明は、伝送部の先端面の走査の際に、先端面が音響窓と接触することを好適に抑えることができる。また、第一筒部に対して第二筒部を被検組織に向けて突出させた際、被検組織からの圧力による音響窓の変形を好適に抑えることができる。

また、本発明に係る超音波プローブは、前記超音波プローブであって、前記音響窓の厚さが、該音響窓を伝播する際における前記超音波の波長のＮ／４倍（Ｎは自然数）であることを特徴とする。

この発明は、音響窓の厚さが、超音波の波長のＮ／４（Ｎは奇数）倍の場合には、計測する音響インピーダンスの大きさを、その逆数の定数倍に変換することができる。また、音響窓の厚さが、超音波の波長のＮ／４（Ｎは偶数）倍の場合には、音響インピーダンスの大きさを変えずに計測することができる。

また、本発明に係る超音波プローブは、前記超音波プローブであって、前記音響窓の音響インピーダンスが、前記伝送部の音響インピーダンスと、前記被検組織の音響インピーダンスと、の積の平方根又はその近傍の値であることを特徴とする。この発明は、伝送部を伝播する超音波の音響インピーダンスと、被検組織で反射して伝播する音響インピーダンスとの整合を好適にとることができる。

また、本発明に係る超音波プローブは、前記超音波プローブであって、前記伝送部の先端面が外部に対して凹状に形成されていることを特徴とする。この発明は、伝送部の先端から照射された超音波を伝送部の先端径よりも小さく収束させることができる。したがって、分解能をより向上させることができる。

また、本発明に係る超音波プローブは、前記超音波プローブであって、前記超音波変換部と前記振動源とが一体となっていることを特徴とする。この発明は、全体の構成をより簡単にすることができる。

また、本発明に係る超音波プローブは、前記超音波プローブであって、前記伝送部の少なくとも一部が石英又はサファイアから構成されていることを特徴とする。この発明は、伝送部における超音波の伝送性を好適に維持することができる。

本発明によれば、人体に対する電気的安全性を満たすとともに、患者の負担をより軽減でき、高い走査精度を得ることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波顕微鏡（超音波診断装置）１は、図１に示すように、生体に穿刺される超音波プローブ２と、プローブ制御部３と、送受波部５と、信号処理部６と、記憶部７と、画像表示部８と、全体制御部１０と、を備えている。

超音波プローブ２は、一部が生体の被検組織Ｍに挿入されて超音波を照射する。この超音波プローブ２は、図２から図４に示すように、電気信号と超音波とを交互に変換可能な、例えば圧電素子からなる超音波変換器（超音波変換部）１１と、中空の針体（第一筒部、筒部）１２と、管部（第二筒部）１３と、超音波が照射されるロッド（伝送部）１５と、ロッド１５を振動させる振動源１６と、ロッド１５を管部１３に回動自在に支持する支持部１７と、を備えている。

超音波変換器１１は、図示しない圧電膜の両面に図示しない電極が接続されて構成されており、高周波信号を超音波に、或いは超音波を高周波信号に変換する。

針体１２は、細長に延びて中心軸線Ｃに対して先端が所定の角度に傾斜して形成されている。なお、針体１２の先端は、図２及び図３に示すものに限らず、最先端部分が尖っていればよい。

管部１３は細長に延びて形成され、針体１２の先端に対して中心軸線Ｃ方向に出没自在に内挿されている。管部１３には、被検組織Ｍと接触するとともに超音波が透過する音響窓１３Ａが先端に配されている。支持部１７よりも先端側の内部には、例えば、水又は音響ゲルといった音響媒体１８が封入されている。支持部１７よりも基端側には、ロッド１５との間に空気が封入されている。

この音響窓１３Ａは、管部１３の外側に凸状に、かつ内側に凹状に形成されている。音響窓１３Ａの厚さは、音響窓１３Ａを伝播する際における超音波の波長のＮ／４倍（Ｎは自然数）となっている。ここで、Ｎは奇数でも偶数でもよい。音響窓１３Ａの材質は、音響窓１３Ａの音響インピーダンスが、ロッド１５の音響インピーダンスと、被検組織Ｍの音響インピーダンスと、の積の平方根又はその近傍の値となるものを選択する。ここでは、例えば、ポリフッ化ビニリデンとなっている。

ロッド１５は石英からなり、管部１３内に挿入されている。管部１３の音響窓１３Ａの近傍に配された先端面１５Ａは、超音波変換器１１とは電気的に絶縁された状態で、ロッド１５の基端側から中心軸線Ｃ方向に伝達された超音波が照射される。この先端面１５Ａは外部に対して凹状に形成されている。支持部１７よりも先端側、すなわち、音響媒質１８と接触する部分の外周には、フッ素等による又は起毛処理等による撥水コーティング層１５ａが配されている。なお、撥水コーティング層１５ａの代わりに、図３（ｂ）に示すように、間に空気が封入されたバルーン１５ｂが配されていてもよい。また、ロッド１５の材質は石英に限らず、電気的絶縁性を有して超音波を伝達させやすいサファイア等でも構わない。

振動源１６は、管部１３に対し、超音波とは別にロッド１５の中心軸線Ｃとそれぞれ直交する二つの軸線方向にロッド１５を振動させるステージで構成されている。なお、振動源１６は、少なくとも中心軸線Ｃと直交する一つの軸線方向にロッド１５を振動させればよい。

支持部１７は、振動源１６によってロッド１５に伝達される波動Ｗの節Ｎとなる位置にてロッド１５を管部１３に対して回動自在に支持する。この支持部１７は、図５（ａ）に示すように、管部１３の中心軸線Ｃと直交するｙ軸回りにロッド１５を回動自在に支持する第一支持部１７Ａと、ｘ軸回りに第一支持部１７Ａを回動自在に支持する第二支持部１７Ｂと、を備えている。

第一支持部１７Ａには、ロッド１５と点接触可能な形状とされた突起部１７ａが、ｙ軸方向に配されている。突起部１７ａは、第二支持部１７Ｂのｘ軸方向にも第一支持部１７Ａと点接触又は線接触可能に配されている。なお、図５（ｂ）に示すように、第一指示部１７Ｃが、ロッド１５とｙ軸方向に線接触可能かつ図示しない第二支持部とｘ軸方向に点接触可能な形状でも構わない。

振動源１６は、このｘ軸及びｙ軸方向にロッド１５を振動させるもので、例えばスピーカーのような構成とされ、所定の剛性を有する振動伝達部１６Ａを介してロッド１５の基端側と接続されている。

プローブ制御部３は、振動源１６が発生する波動Ｗを好適に制御する。送受波部５は、超音波変換器１１から数十〜数百ＭＨｚの超音波を発生させる高周波信号を発生するとともに、超音波変換器１１が受波した超音波に対応して変換された高周波信号を増幅する。

信号処理部６は、送受波部５から得られた高周波信号を公知の方法によって処理して画像化する。記憶部７は、信号処理部６による処理結果を記憶する。画像表示部８は、信号処理部６による処理結果を画像表示する。全体制御部１０は、上記一連の処理を制御する。

次に本実施形態に係る超音波顕微鏡１を使用した場合における超音波診断方法について説明する。
本実施形態に係る方法は、図６に示すように、超音波プローブ２の針体１２を挿入する挿入ステップ（Ｓ０１）と、ロッド１５を走査する走査ステップ（Ｓ０２）と、超音波を照射する照射ステップ（Ｓ０３）と、被検組織Ｍから反射した超音波を受信する受信ステップ（Ｓ０４）と、受信した超音波を分析する分析ステップ（Ｓ０５）と、分析結果を画像表示する表示ステップ（Ｓ０６）と、を備えている。

挿入ステップ（Ｓ０１）では、図７の上段に示す状態から中段に示す状態まで、超音波プローブ２の針体１２の先端側を被検組織Ｍ又はその近傍に挿入する。針体１２の先端を所定の位置まで挿入後、今度は図７の下段に示す状態まで、針体１２の先端から管部１３の先端を突出させて被検対象位置まで移動させる。

音響窓１３Ａを被検対象に対向させた状態で走査ステップ（Ｓ０２）に移行して検査を開始する。ここでは、プローブ制御部３による制御のもと、振動源１６によってロッド１５を所定の周波数で図５に示すｘ軸又はｙ軸方向に振動させる。この際、ロッド１５は支持部１７によって支持された位置では振動しないものの、そこから離間するにつれて振幅が大きくなっていく。しかし、ロッド１５が支持部１７にてｘ軸回り又はｙ軸回りに回動するので、振動源１６からの波動Ｗの減衰が最小限に抑えられた状態で、ロッド１５の先端面１５Ａが音響窓１３Ａに対して移動する。

照射ステップ（Ｓ０３）では、送受波部５から所定の高周波信号が発信され、超音波変換器１１にて超音波に変換される。そして、変換された超音波がロッド１５の基端側からロッド１５に入射してロッド１５内を縦波となって伝達され、ロッド１５の先端面１５Ａから照射される。超音波はさらに音響窓１３Ａを透過して被検対象に到達する。到達した超音波は被検対象に反射して再び音響窓１３Ａを介して先端面１５Ａからロッド１５内に伝達される。

受信ステップ（Ｓ０４）では、被検対象から反射されてロッド１５内を伝達された超音波が超音波変換器１１にて高周波信号に変換される。そして、この信号が増幅されて信号処理部６に伝達される。

分析ステップ（Ｓ０５）では、信号処理部６に伝達された高周波信号を送信した超音波の高周波信号から分離・制御して分析する。表示ステップ（Ｓ０６）では、こうして得られた分析結果を画像表示部８に表示する。また、必要に応じて分析結果を記憶部７にて記憶媒体に記憶させる。

この超音波顕微鏡１、超音波プローブ２、超音波診断方法によれば、超音波変換器１１や振動源１６が体外に配されるので、人体に対する電気的安全性を満たすことができる。また、針体１２の先端側のみを体内に穿刺するだけで検査することができ、患者の負担をより軽減することができる。

さらに、振動源１６によって振動するロッド１５の振幅方向にロッド１５の先端面１５Ａを走査でき、ロッド１５の中心軸線Ｃ方向に超音波を照射してロッド１５前方の被検対象を観察することができる。この際、振動するロッド１５上の波動Ｗの節Ｎにてロッド１５が管部１３に対して回動自在に支持されている。そのため、振動源１６による波動Ｗの支持部１７での減衰を最小限に抑えて、ロッド１５の先端まで好適に伝達させることができ、先端面１５Ａを高精度に走査させることができる。

特に、振動源１６が、中心軸線Ｃに直交する方向にロッド１５を振動させるのに対応して、支持部１７が、振動方向と直交する軸線回りにロッド１５をそれぞれ回動自在に支持している。そのため、管部１３の中心軸線Ｃに直交する面に沿ってロッド１５の先端面１５Ａを走査させることができる。

また、音響窓１３Ａが、管部１３の外側に凸状に、かつ内側に凹状に形成されているので、ロッド１５の先端面１５Ａの走査の際に、先端面１５Ａが音響窓１３Ａと接触することを好適に抑えることができる。さらに、針体１２に対して管部１３を被検組織Ｍに向けて突出させた際、被検組織Ｍからの圧力による音響窓１３Ａの変形を好適に抑えることができる。

そして、音響窓１３Ａの厚さが、超音波の波長のＮ／４倍（Ｎは自然数）であるので、Ｎが奇数の場合には、計測する音響インピーダンスの大きさを、その逆数の定数倍に変換することができる。また、Ｎが偶数の場合には、音響インピーダンスの大きさを変えずに計測することができる。

さらに、音響窓１３Ａの材質を選択することによって、信号処理部６において、ロッド１５を伝播する超音波の音響インピーダンスと、被検組織Ｍで反射して伝播する音響インピーダンスとの整合を好適にとることができる。

また、ロッド１５の先端面１５Ａが外部に対して凹状に形成されているので、ロッド１５の先端面１５Ａから照射された超音波をロッド１５の先端面の外径よりも小さい径に収束させることができる。したがって、分解能を向上させることができる。

また、ロッド１５が石英又はサファイアから構成されているので、電気絶縁性及び超音波の伝送性をともに好適に維持することができる。

次に、第２の実施形態について図８を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る超音波プローブ２０の支持部２１が、中心軸線Ｃを含む任意の軸線回りに回動自在にロッド１５を支持しているとした点である。

支持部２１は、ロッド１５に対して固定された球状表面を有する第一支持部２１Ａと、内側が球面とされて第一支持部２１Ａの外面と、及び互いに対向して配されて第一支持部２１Ａを回動自在に支持する一対の第二支持部２１Ｂ（図面では一方のみ表示）と、を備えている。第一支持部２１Ａ及び第二支持部２１Ｂは面接触している。なお、振動源１６によるロッド１５の振動方向は第１の実施形態と同様である。

この超音波プローブ２０も、第１の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、振動源１６による波動Ｗの周波数によって、図９に示すように、複数の節Ｎがロッド１５の所定箇所に生じる。支持部は、これらのうちの少なくとも一つの節Ｎでロッド１５を支持すればよい。

この際、ロッド１５の先端面１５Ａが振動源１６による波動Ｗの腹の位置となるように調節することによって、先端面１５Ａをより広い範囲に走査することができる。

また、振動源１６は、圧電素子等からなる超音波変換器１１と一体化されたものでも構わない。この場合、全体の構成をより簡単にすることができる。

ロッド１５の直径を０．５ｍｍ、全長を９ｃｍとして、ロッド１５の中心（先端から４５ｍｍ）を支持部１７で支持した状態で、振動源１６としてスピーカー（振動板の直径４５ｍｍ、４Ω、１Ｖを印加）して１２６Ｈｚの周波数でロッド１５を振動させた。このとき、ロッド１５の先端面１５Ａの振幅は、振動伝達部１６Ａにおける振幅よりも大きい４．５ｍｍとなり、大きな走査範囲を得ることができた。なお、同じ周波数でも、支持部１７による支持位置をずらした場合、又は周波数が変動した場合には、先端面１５Ａでの振幅量は小さくなった。

本発明の第１の実施形態に係る超音波顕微鏡を示す概要図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの先端部分を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波プローブを示す一部断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波プローブを示す要部概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波プローブを示す要部断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波診断方法を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波プローブの作用を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波プローブを示す要部概念図である。 本発明の他の実施形態に係る超音波プローブを示す要部概念図である。

符号の説明

１ 超音波顕微鏡（超音波診断装置）
２，２０ 超音波プローブ
１１ 超音波変換器（超音波変換部）
１２ 針体（第一筒部）
１３ 管部（第二筒部）
１３Ａ 音響窓
１５ ロッド（伝送部）
１５Ａ 先端面
１６ 振動源
１７，２１ 支持部
Ｃ 中心軸線

Claims (9)

1. 一部が被検組織に挿入されて超音波を照射する超音波プローブであって、
   先端が針状に形成されて少なくとも先端側の一部が前記被検組織に挿入される第一筒部と、
   該第一筒部の先端に対して前記第一筒部の中心軸線方向に出没自在に内挿された第二筒部と、
   電気信号と超音波とを交互に変換可能な超音波変換部と、
   細長に形成されて前記第二筒部内に挿入され、中心軸線方向に伝達された前記超音波が前記第二筒部の先端近傍に配された先端面から照射される伝送部と、
   前記第二筒部に対し、前記超音波とは別に少なくとも前記伝送部の中心軸線と直交する一つの軸線方向に前記伝送部を振動させる振動源と、
   該振動源によって前記伝送部に伝達される波動の節にて、前記伝送部を前記第二筒部に回動自在に支持する支持部と、
   を備えていることを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記支持部が、前記一つの軸線方向と直交する軸線回りに前記伝送部を回動自在に支持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. 前記被検組織と接触するとともに前記超音波が透過する音響窓が前記第二筒部の先端に配され、
   前記音響窓が、前記第二筒部の外側に凸状に、かつ内側に凹状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波プローブ。
4. 前記音響窓の厚さが、該音響窓を伝播する際における前記超音波の波長のＮ／４倍（Ｎは自然数）であることを特徴とする請求項３に記載の超音波プローブ。
5. 前記音響窓の音響インピーダンスが、前記伝送部の音響インピーダンスと、前記被検組織の音響インピーダンスと、の積の平方根又はその近傍の値であることを特徴とする請求項３又は４に記載の超音波プローブ。
6. 前記伝送部の先端面が外部に対して凹状に形成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載の超音波プローブ。
7. 前記超音波変換部と前記振動源とが一体となっていることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載の超音波プローブ。
8. 前記伝送部の少なくとも一部が石英又はサファイアから構成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか一つに記載の超音波プローブ。
9. 請求項１から８の何れか一つに記載の超音波プローブを備えていることを特徴とする超音波診断装置。
   

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