JP5491778B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探触子及び超音波診断装置に関し、特に超音波プローブを有する超音波診断装置に関する。

３次元画像を走査可能な超音波診断装置などでは、超音波探触子の内部に電子回路を配置することによって２次元アレイの超音波振動子を駆動し、観測したい部分にビームフォーミングすることが可能な装置が実用化されつつある。このような高機能化・高出力化・高密度実装がなされた超音波探触子の放熱は重要な技術課題となる。超音波探触子の筐体表面からの自然空冷では十分な冷却を行うことができないので、超音波出力の制限を余儀なくされる状況が発生している。

この冷却の問題を解決する為にプローブケーブルを介して冷媒を循環させる強制冷却が検討されている。しかし、柔軟で屈曲性の良いチューブなどを使用したケーブルでは、冷媒の漏れや循環用のポンプの故障が発生し易く、そのような場合は冷却能力の低下を生じ、超音波探触子の表面温度を安全な範囲に保てない恐れがある。低温火傷を負わないように、患者に適用する超音波探触子は、表面温度が一定の温度を超えてはならないという法規に基づき、超音波探触子の温度管理は医療事故を未然に防ぐために確実に履行される必要がある。

そのため、超音波探触子に温度センサを内蔵し、この温度センサで温度検出を行い、超音波振動子の温度が基準となる温度以上にならぬよう超音波振動子の駆動電力を調整することができるものがある（特許文献１参照）。

特許第３３２５７１２号公報

特許文献１に開示された技術は、超音波振動子の駆動部位に近い温度を検知し、超音波振動子の駆動電力を調整して温度を制御する方法などである。温度の正確な検出は必須であるが、温度のみを検出した制御では、超音波探触子のどの部分が故障したのかを把握することができず、温度制御可能な故障であるのか、短時間であればフルパワーでの駆動が可能であるのか等、きめ細やかな制御動作をさせることは非常に難しい。温度制御は通常タイムラグを生ずるので、最悪な故障が発生した場合制御が効かず基準となる温度（例えば４０℃）を超えてオーバーシュートすることもあり危険である。

また、冷却機構の故障に対し、無条件に停止措置をとる装置も多い。交換できる超音波探触子が手元にあれば停止しても構わないが、緊急の要請により事故現場に装置を携帯している場合や体腔内プローブのように代替機を待っていられない状況において診断したくても使用できないという問題があった。

そこで本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、代替機が近くにない場合に、一部の運転を停止した運転（縮退運転）をしても継続使用が可能な超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１によれば、超音波振動子が設けられた超音波プローブのケーブル内に冷媒を循環させることによって前記超音波振動子を冷却する冷却機構と、この冷却機構における異常状態を検出する冷却異常検出手段と、この冷却異常検出手段により前記冷却機構の前記異常状態が検出されたとき、この検出された異常状態に応じて前記超音波振動子の送受信条件を変更する縮退運転を行う運転手段と、を備えることを特徴とする超音波診断装置が提供される。

本発明の請求項７によれば、超音波プローブに設けられた超音波振動子の温度を検出する温度検出手段と、前記超音波プローブのケーブル内に冷媒を循環させることによって前記超音波振動子を冷却する冷却機構と、この冷却機構における異常状態を検出する冷却異常検出手段と、この冷却異常検出手段により前記冷却機構の前記異常状態が検出されたとき、この検出された異常状態に応じて前記超音波振動子の送受信条件を変更する縮退運転を行うと共に、前記温度検出手段により前記超音波振動子の温度が所定温度より高いことが検知されたとき運転を停止する運転手段と、を備えることを特徴とする超音波診断装置を提供する。

本発明の超音波診断装置によれば、代替機が近くにない場合に、一部の運転を停止した運転（縮退運転）をしても継続使用を可能とする超音波診断装置が得られる。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の基本構成図である。 第１の実施形態に係る超音波診断装置のプローブの構成例である。 第１の実施形態に係る超音波診断装置の初期動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る超音波診断装置の縮退運転のメニューおよび動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る超音波診断装置の測定中の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置のプローブの構成例である。

本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の基本構成図である。超音波診断装置本体１０は、コネクタ部１１により、プローブケーブル１２と接続された超音波探触子１３を接続して使用される。

超音波診断装置本体１０は、超音波探触子１３から超音波を発生させるための送信回路１４と、被検体内から反射して返ってきた超音波信号を受信する受信走査回路１５と、走査モードに対応して、組織形態画像を生成する振幅検出回路１６と、血流ドプラ画像を生成する血流解析検出器１７と、この組織形態画像と血流ドプラ画像とを合成する表示処理回路１８と、この合成画像を表示する表示部１９とから構成されている。

超音波探触子１３は、超音波プローブに設けられており、被検体の内部を超音波により電子的に高速に走査することができるように、電気信号と音響信号とを相互変換するための複数の振動子が整列されてなるアレイ振動子（図示せず）が採用されている。冷媒を循環させるためのプローブケーブル１２を介してコネクタ部１１で超音波装置本体１０と接続される。

送信回路１４は、図示しないクロック発生器、分周器、送信遅延回路、パルサから構成される。クロック発生器で発生したクロックパルスを分周器で例えば５ＫＨｚ程度のレートパルスに落とし、このレートパルスを送信遅延回路に通した後、パルサに与えることによって高周波の電圧パルスを発生し超音波振動子を駆動する。超音波振動子はこれにより機械的に振動し超音波を発生させる。

こうして発生した超音波は、被検体内の音響インピーダンスの境界では反射し、超音波探触子１３に戻ってきて、超音波振動子を機械的に振動させる。これにより各振動子に電気信号が個別に発生する。この電気信号は、受信走査回路１５で増幅・整相加算される。これにより、指向性を有する信号（エコー信号）が生成される。

振幅検出器１６では、受信走査回路１５からのエコー信号に基づいて、組織の形態的な情報を提供するＢモード像データを生成する。表示処理回路１８は、上述した振幅検出器１６で生成したＢモード像データを組織形態画像の断面像として表示する。

血流解析検出器１７は、いわゆるカラードプライメージング（ＣＤＩ）を実現するユニットであり、まず、受信走査回路１５からのエコー信号を直交位相で検波して周波数偏移を受けたドプラ信号を取り出し、この取り出したドプラ信号からＭＴＩ（Moving Target Indicator）フィルタで特定の周波数成分だけを通し、その通過した信号の周波数を自己相関器により求め、この周波数から演算部で平均速度、分散、パワーを演算するように構成されている。

なお、ＭＴＩフィルタの通過帯域を調整することにより、主に血流を映像化する一般的なドプラモード（このモードによる画像データを血流ドプラ画像データと称する）と、主に心筋等の臓器を映像化する組織ドプラモード（このモードによる画像データを組織ドプラ画像データと称する）とを切り替えることができるようになっている。
また、表示処理回路１８は、上述した血流解析検出器１７で生成した血流ドプラ画像データと組織形態画像データを、合成して表示することができる。この組織形態画像データと機能画像データとの合成画像は、表示部１９に表示される。

図２は、第１の実施形態に係る超音波診断装置のプローブの構成例である。図２は図１において図示した超音波探触子１３、プローブケーブル１２およびコネクタ１１の詳細な内部構成を示している。この図を用いてこの実施例の超音波探触子の構成について説明する。

超音波探触子１３は探触子外装２０１で覆われ、その内部には不要な電磁波を外部に放射しないよう遮蔽するためのシールド材２０２（点線で示す）、電気・音響変換により超音波を送受信する超音波振動子２０３、発生した超音波を効率的に放射し、受波を行う為のバッキング材２０４、音響レンズの役目を果たし、かつ被検者の生体との接触性を良くする為のレンズ材２０５、電気・音響変換用電気信号発生および受信電気信号増幅などの処理を行う電子回路基板２０６、超音波振動子２０３を冷却するための冷媒が循環する冷却機構から構成される。この冷却機構は、発熱する超音波探触子１３および電子回路基板２０６を冷却するためのポンプから送り出された低温冷却系２０７、および発熱した部分の熱を吸収しポンプへと還流する高温冷却系２０８とに分かれる。さらに、超音波振動子２０３の温度を検出するために温度検出部２０９が配置されている。

超音波探触子１３による超音波の送信は、振動子に電気パルスを印加することにより、機械的振動を発生させる。この電気機械変換の際にエネルギーロスが発生する為、超音波振動子２０３から熱が発生する。この発生した振動はレンズ材２０５とバッキング材２０４に伝わり、バッキング材２０４に伝わった音響エネルギーは減衰により熱に変換される。レンズ材２０５に伝わった音響エネルギーはレンズ材２０５を伝わり、被検査者の体内に伝播する。レンズ材２０５には減衰があり一部が熱エネルギーとなる。

探触子外装２０１の直下に配置するシールド材２０２は、放射電波を遮蔽するだけでなく、超音波の放射に伴い超音波振動子２０３、レンズ材２０５、バッキング材２０４から発生する熱を伝達する効果もある。

発熱する部分は、主として超音波振動子２０３と電子回路基板２０６である。低温冷却系２０７では温度の低い冷媒を供給し、まずシールド材２０１を冷却することにより、超音波振動子２０３表面の温度上昇を低減し、その後電子回路基板２０６を冷却することで温度が上昇した冷媒を高温冷却系２０８に戻す循環を行う。

プローブケーブル１２は超音波探触子１３の後部に接続され、さらに超音波装置本体１０にコネクタ部１１で接続される。ケーブル内は制御信号、電源供給線を含む電気信号の伝達及び冷却のための冷媒の循環系、すなわち低温冷却系２０７、高温冷却系２０８が含まれる。プローブケーブル１２は操作性を上げるために柔軟であることが望ましく、それゆえ冷媒を循環させる流路から冷媒が漏れる故障が起きやすい。

コネクタ部１１は、ブローブケーブル１２を通じて低温冷却系２０７に冷却用冷媒を送り出すポンプ２１０、ケーブルから戻ってきた高温冷却系２０８の冷媒を冷却する放熱器２１１、この放熱器２１１に空気を吹き付けるファン２１２からなる。

さらに、冷媒を循環させるプローブケーブル１２から冷媒が漏れる故障、ポンプ２１０の故障、およびファン２１２の故障など冷却系の故障を検出する為にファン２１２の回転監視手段２１３、及びポンプ２１０の動作異常と冷媒の漏れを検出する冷却循環監視手段２１４を設ける。ファン２１２の回転監視はファンの電源電流を監視する回路などにより容易に実現できる。また、ポンプ２１０の故障はポンプの電流を監視する回路により、また冷媒の漏れは低温冷却系２０７または高温冷却系２０８の圧力を監視する回路により異常を検出することができる。

超音波探触子１３のレンズ材２０５表面は被検者の体表に接して検査する為、表面の温度の上昇は安全上の問題となり、レンズ材２０５表面の温度の上昇を低減することは重要である。バッキング材２０４及び超音波振動子２０３周辺から発生する熱の拡散と放射電波対策の目的でシールド材２０２が超音波振動子２０３に接続される。

バッキング材２０４には温度検出部２０９が埋め込まれ、超音波振動子２０３の表面温度を監視して、温度の異常上昇を検出できるようにしている。この温度検出部２０９の信号はプローブケーブル１２を通り、超音波診断装置本体１０に送られて、温度測定がなされる。

コネクタ部１１の放熱器２１１で温度を下げた冷媒は、ポンプ２１０でプローブケーブル１２内を通る低温冷却系２０７に送られ、シールド材２０２を冷却する。シールド材２０２や超音波振動子２０３により温度が少し上げられた冷媒は、さらに電子回路基板２０６に送られ基板及びその実装部品の冷却を行い、高温冷却系２０８を通じてコネクタ部１１の放熱器２１１に戻り、冷却される。

放熱器２１１はファン２１２により十分な風量の室温の空気により冷却される。これらの冷却系が正常に動作していれば、超音波振動子２０３及び電子回路基板２０６は十分に冷却され、探触子のレンズ材２０５の表面温度を安全な範囲に保ちながら、十分な超音波エネルギー送信と最適な受信バイアス電流を使用して最高の性能を発揮できる。

図３は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の初期動作を示すフローチャートである。また図４は、第１の実施形態に係る縮退運転のメニューおよび動作を示すフローチャートである。このフローチャートにより、使用すべき超音波探触子１３が、この実施形態の特徴である縮退運転が可能であるかどうかを測定開始前にチェックできる。

ここで言う縮退運転とは、超音波探触子１３に故障が生じても全く停止措置をするのではなく限定的な条件で動作させることを意味する。

まず操作者が該当するプローブを選択すると温度検出部２０９の出力から振動子表面の温度検出を開始する（Ｓ３０１）。そして検出開始直後に異常温度、すなわち所定温度より高くなっていないかを確認する（Ｓ３０２）。まだ駆動開始していないこの時点で温度異常が出るのは温度検出部の異常と考えられ、動作を継続することができないので動作停止の処理を行う（Ｓ３０３）。

なお、温度異常は通常、所定温度より高いことを意味し、これは検出された温度を所定温度と比較する比較回路により検知することができる。

正常であれば次に冷却系の異常検出を開始する（Ｓ３０４）。冷却系の異常を判断するステップ（Ｓ３０５）で異常が検出された場合、冷却部に異常があることを表示部１９に表示する（Ｓ３０６）。

冷却系の異常は例えば、冷却ファンの回転の停止又は回転数の低下、冷却ポンプのモータの回転の停止又は回転数の低下、冷媒循環の停止又は循環の低下により検知される。

第４図に示すように、表示部１９ではどこに異常があるかを表示する（Ｓ４０１）。次に縮退運転の選択画面を表示し（Ｓ３０７）、使用者に動作を中止させるか、縮退運転をさせて測定を継続させるかどうかを選択させる（Ｓ３０８）。第４図に示すようなメニューの例では、（１）動作を停止して使用をやめる。（２）診断能力を犠牲にするが長時間使用できる低パワーモード（送信電圧を下げ、受信回路のバイアス電流も低減することにより、冷却系が停止あるいは能力低下した状態でも長時間使用できる状態）で使用継続する。（３）時間を限定してフルパワーで動作継続するか、などの１つを選択する（Ｓ４０２）。

図４のステップＳ４０２で（１）を選択した場合、動作を停止する（Ｓ３０９）（Ｓ４０３）。（２）を選択した場合には、画像の解像度の低下等、診断能力が低下するので、誤診にならないよう留意点を表示部１９に表示して使用者の了承を得る（Ｓ４０４）。その後、送信電圧の低減あるいは受信バイアス電流の低減などの措置を行った縮退運転モードを行う（Ｓ４０５）。

（３）を選択した場合には、故障箇所に応じ時間を限定してフルパワーによる動作を行う（Ｓ４０６）。この場合、表示された時間内であっても温度検出部で検出される温度を第一優先にして動作を行い、基準温度より高くなる場合にはその時点で運転の停止措置を行う。

図５は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の測定中の動作を示すフローチャートである。図３で説明した初期動作に異常が無ければ該当プローブの駆動を開始して使用できる状態となる。使用状態においても温度異常と冷却系異常の監視を継続する。

ステップＳ５０１で温度異常が検出された場合は、温度上昇があったことを表示部１９に表示し、一定時間送信を止めて冷却を待つ（Ｓ５０２）。ステップ５０３で一定時間経過しても温度が下がらない場合は異常と判定して動作停止する（Ｓ５０４）。温度が下がった場合は再度駆動を開始し、ステップＳ５０１に戻る。

ステップＳ５０５で冷却系の異常が測定中に初めて検出された場合は、駆動を停止して冷却部に異常があることを表示部１９に表示する（Ｓ５０６）。図４で示した縮退運転の選択画面を表示し、操作者は縮退運転を選択を促す（Ｓ５０７）。

縮退運転選択の種類は故障の態様すなわち冷却異常の状態に応じて変えることが望ましい。例えばすべての冷却系に異常が検出される場合などでは、縮退運転が危険な場合もある。このような場合には駆動停止しか選択できないようにしておくことも可能である。

また、低パワーモードを複数用意することも考えられる。ファン２１２のみが異常の場合、ケーブル１２を通じてコネクタ部１１への熱伝達は行われているので、ある程度の冷却は期待できる。冷却循環監視２１４で異常を検出して冷媒の循環が止まった場合より多くの電力を超音波探触子１３に供給しても、超音波探触子１３の表面温度を許容範囲内に制御できる。

ステップ５０８で停止の選択をした場合には、動作を停止する（Ｓ５０９）。縮退運転を選択した場合にはステップＳ５０１に戻り、温度異常と、さらに別の冷却系異常が起こらないかを監視して縮退運転を続ける。

以上の構成によって、操作者はプローブ選択時および使用時に、超音波探触子の故障の有無を表示によって確認でき、かつ故障がある場合にはその故障の程度に応じて、安全な縮退運転の選択が可能である。これにより診断を継続することが可能となる。

図６は、第２の実施形態に係る超音波診断装置のプローブの構成例である。コネクタ部１１で冷却を行い、ケーブル１２内を冷媒が循環する点は第３図に示した第１の実施形態と同じであるが、この実施形態では超音波探触子１３のプローブグリップ（探触子外装）２０１内に熱交換器６０１が設けられ、ケーブル内を循環する冷媒は、シールド材２０２や電子回路基板２０６まで直接には運ばれず、一旦熱交換器６０１を冷却する為に使われる。

熱交換器６０１には超音波振動子２０３を冷却する為の低温振動子冷却系６０２および高温振動子冷却系６０３が接続され、超音波振動子２０３の熱を熱交換器６０１に伝達する。また、電子回路基板２０６の熱も低温回路冷却系６０４および高温回路冷却系６０５により熱交換器６０１に伝達されるように構成されている。

この実施形態での冷却系の異常検出は、図２におけるファンの回転監視手段２１３及びポンプの動作異常と冷媒の漏れを検出する冷却循環監視手段２１４に加えて振動子冷却系異常検出手段６０６と回路冷却系異常検出６０７を更に有し、それぞれの冷却系の異常の有無を検出する。これらの細分化した故障検出を行うことにより、よりきめ細かく故障・不良状態の程度を正確に把握し、安全で最適の縮退運転を選択することができる。

このように冷却系を分離する構成を採用することにより、故障の可能性が一番高いプローブケーブル１２内の循環系と、プローブハンドル２０１内の冷却系（超音波振動子２０３および電子回路基板２０６の冷却系）とを分離させることによって、ケーブルでの冷媒漏れなどがあってもプローブハンドル２０１内の冷却系は動作を続け、第１の実施形態で示した単一冷却系で故障の場合に比べ、超音波振動子２０３と電子回路基板２０６を冷媒で冷やすことが可能である。

また、超音波振動子２０３の温度は、例えば４０℃以下に制御する必要があるが、電子回路基板２０６は比較的高い温度（例えば８０℃）程度までに制御できればよい。この冷却目標温度の差を利用し冷却効率の改善が可能である。超音波振動子２０３をペルチェ素子などで直接冷却した場合、ペルチェ素子から発生する熱のため高温振動子冷却系６０３の温度は上昇する。このような場合でもまだ高温回路冷却系との温度差があるため同一の熱交換器６０１に接続することが可能である。

なお、本発明の実施形態ではプローブケーブル１２内の冷媒循環手段としてポンプを用いたが、小型のコンプレッサを用いても良い
また、プローブハンドル２０１部内の熱伝達は特に柔軟さを要求されないため、上述した冷媒循環方法以外にも銅板・銅箔・ヒートパイプ・小型のコンプレッサ・熱放射特性を利用した素材を用いても良い。さらにコネクタ部１１の放熱器の冷却にはファン以外にも超音波診断装置本体１０に配置した熱交換器へ直接熱伝達を用いて行っても良い。

本実施形態は電子回路基板を内蔵する探触子での例で説明したが、電子回路基板を内蔵しない探触子における振動子の放熱にも適用可能であることは言うまでもない。

上記実施形態では、冷却系（冷却機構）の異常を検出する前に、超音波振動子の温度を検出しこの検出温度が所定温度より高い場合には、超音波プローブによる診断のための運転を停止した。しかし、事前に検査している場合などでは、超音波振動子の温度検出を省略することも可能である。

以上本発明による超音波診断装置によれば、冷却系に故障があっても、状況に応じた縮退運転により使用継続可能であるという効果を有することができる。しかも故障の程度による細かな縮退運転が可能であり、安全な縮退運転が実現できる。

また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。本発明の技術思想を用いる限りこれらの変形例も本発明に含まれる。

１０…超音波診断装置本体、
１１…コネクタ部、
１２…プローブケーブル、
１３…超音波探触子、
２０１…探触子外装（プローブハンドル）、
２０２…シールド材、
２０３…超音波振動子、
２０４…バッキング材、
２０５…レンズ材、
２０６…電子回路基板、
２０７…低温冷却系、
２０８…高温冷却系、
２０９…温度検出部、
２１０…ポンプ、
２１１、６０１…熱交換器、
２１２…ファン、
２１３…ファン回転監視、
２１４…冷却循環監視、
６０２…低温振動子冷却系、
６０３…高温振動子冷却系、
６０４…低温回路冷却系、
６０５…高温回路冷却系、
６０６…振動子冷却系異常検出、
６０７…回路冷却系異常検出。

Claims (9)

1. 超音波振動子が設けられた超音波プローブのケーブル内に冷媒を循環させることによって前記超音波振動子を冷却する冷却機構と、
   この冷却機構における異常状態を検出する冷却異常検出手段と、
   この冷却異常検出手段により前記冷却機構の前記異常状態が検出されたとき、この検出された異常状態に応じて前記超音波振動子の送受信条件を変更する縮退運転を行う運転手段と、
   を備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記異常状態は、前記超音波プローブのコネクタ部に有する冷却ファンの回転低下又は停止であることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記異常状態は、前記冷媒を循環させるためのポンプの回転低下又は停止であることを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記縮退運転時の送受信条件の変更は、送信電圧の変更であることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
5. 前記縮退運転時の送受信条件の変更は、受信回路の可変バイアス電流の変更であることを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
6. 前記異常状態に対する前記縮退運転の選択肢を、操作者が選択できるように表示画面上に表示することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
7. 超音波プローブに設けられた超音波振動子の温度を検出する温度検出手段と、
   前記超音波プローブのケーブル内に冷媒を循環させることによって前記超音波振動子を冷却する冷却機構と、
   この冷却機構における異常状態を検出する冷却異常検出手段と、
   この冷却異常検出手段により前記冷却機構の前記異常状態が検出されたとき、この検出された異常状態に応じて前記超音波振動子の送受信条件を変更する縮退運転を行うと共に、前記温度検出手段により前記超音波振動子の温度が所定温度より高いことが検知されたとき運転を停止する、運転手段と、
   を備えることを特徴とする超音波診断装置。
8. 前記異常状態は、前記超音波プローブのコネクタ部に有する冷却ファンの回転低下又は停止であること、又は前記冷媒を循環させるためのポンプの回転低下又は停止であることを特徴とする請求項７記載の超音波診断装置。
9. 前記縮退運転時の送受信条件の変更は、送信電圧の変更であること、又は受信回路の可変バイアス電流の変更であることを特徴とする請求項８記載の超音波診断装置。

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