JP5585231B2 - 超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。

従来、プローブと本体とがプローブケーブルで常時接続された超音波診断装置が知られている。プローブは、一般に複数の振動子からなる振動子アレイを備えて構成され、振動子アレイにより超音波を送波又は受波する。また、本体は、振動子アレイを介して超音波を送波又は受波して超音波診断用の画像を生成し、生成された画像を表示する。
ここで、プローブケーブルは、操作上一定の長さが必要となるところ、あまり長いと不使用時に床と接触するため衛生的に好ましくなく、またケーブルがあること自体、診断医にとって作業効率を低下させる。

そこで近年、プローブと本体とがプローブケーブルで接続されないワイヤレスのプローブを備えた超音波診断装置が開発されている。振動子アレイは超音波の送信時に比較的高電圧の電力を必要とするため、プローブには高電圧の電力を安定して供給し得る電力供給機構が必要となる。

特許文献１には、プローブと本体とが無線通信する超音波診断装置が開示されており、プローブには再充電可能なリチウムイオン電池が設けられて構成される。

また、特許文献２には、ゼンマイの復元力を利用して、単一の振動子を回転させるとともに制御部への電力供給を行い得る体腔内用の超音波カプセルが開示されている。

特表２００２−５３０１４２号公報 特開２００５−１３０９４９号公報

しかし、特許文献１に記載のように、リチウムイオン電池により振動子アレイに電力を供給する構成の場合、振動子アレイを連続的に駆動する大開口送信時に超音波ビームの形状が乱れ、アーチファクトが発生する。これは、リチウムイオン電池では振動子アレイに高電圧の電力を短時間内に連続して安定的に供給することができないことに起因する。
また、リチウムイオン電池は、バッテリ切れになった場合に急速充電できないため、例えば手術中にバッテリ切れとなった場合に問題となる。バッテリ交換することで急速充電できない問題は解消され得るが、衛生上及び安全上の問題から好ましくない。

また、特許文献２には、単一の振動子を用いた構成について開示されているだけであり、特許文献２に記載の技術を用いて複数の振動子からなる振動子アレイに高電圧の電力を短時間内に連続して安定的に供給することはできない。

本発明の課題は、携帯性及び操作性を維持しながら、大開口送信時に超音波ビームを乱さず、アーチファクトの少ない高品位の画像を取得することができ、バッテリ切れの際にも急速充電により速やかに再使用し得る超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することである。

本発明によれば、超音波を送受信し、受信した超音波を電気信号であるエコー信号に変換して無線送信する超音波プローブであって、
アレイ状に配置された複数の振動子を備える振動子アレイと、
複数の前記振動子に対し、所定のタイミングで駆動信号を出力する送波タイミング回路と、
非対称性電極構造のキャパシタを有する第１の蓄電ユニットと、
化学二次電池を有する第２の蓄電ユニットと、を備え、
前記第１の蓄電ユニットは、前記振動子アレイに電力を供給し、
前記第２の蓄電ユニットは、前記超音波プローブの構成部品のうち、前記振動子アレイ以外の構成部品であって駆動電力が必要な構成部品に電力を供給することを特徴とする超音波プローブが提供される。

また、本発明によれば、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波プローブと、
前記超音波プローブによって無線送信された前記エコー信号を受信し、該エコー信号に基づいて診断情報を生成する本体と、
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。

本発明によれば、携帯性及び操作性を維持しながら、大開口送信時に超音波ビームを乱さず、アーチファクトの少ない高品位の画像を取得することができる。また、バッテリ切れの際にも急速充電により速やかに再使用することができる。

超音波診断装置の機能ブロック図である。 超音波診断用評価ファントムの構成を示す図である。 超音波ビーム断面プロファイルを示す図である。 ファントム画像描出性に関する判断基準及び評価工程を示す図である。

本実施形態におけるプローブ及び超音波診断装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に、超音波診断装置１００の機能ブロック図を示す。
超音波診断装置１００は、プローブ１０及び本体２０により構成される。

プローブ１０は、振動子アレイ１、送受信部２、送波タイミング回路２ａ、無線機３、昇圧回路４、第１の蓄電ユニット５、第２の蓄電ユニット６を備えて構成される。

振動子アレイ１は、アレイ状に配置された複数の振動子を備えて構成される。また、振動子アレイ１は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックス等の圧電材料により構成される。
振動子アレイ１は、送波タイミング回路２ａからの駆動信号に基づいて被写体に超音波を送波する。また、振動子アレイ１は、送波した超音波が被写体で反射して戻ってきたエコー波を受波する。振動子アレイ１は、受波したエコー波を電気信号に変換し、変換した電気信号（エコー信号）を送受信部２に出力する。

送受信部２は、振動子アレイ１を介して、超音波を送波又はエコー波を受波する。また、送受信部２は、送波タイミング回路２ａを備えて構成される。

送波タイミング回路２ａは、制御部２１からの制御信号を無線機３を介して入力し、入力した制御信号に基づいて、適切なタイミングにて振動子アレイ１に駆動信号を出力する。駆動信号は、２値又は３値の矩形波であることが望ましい。
また、送波タイミング回路２ａは、振動子アレイ１のうち、開口サイズに応じて必要な振動子に駆動信号を出力する。
送受信部２は、振動子アレイ１からのエコー信号を入力し、入力したエコー信号を無線機３に出力する。

無線機３は、本体２０からの制御信号を無線通信により受信し、受信した制御信号を送受信部２又はプローブ１０の各部に出力する。また、無線機３は、送受信部２からのエコー信号を入力し、入力したエコー信号を無線機２２に送信する。

昇圧回路４は、第１の蓄電ユニット５から供給される電圧値を昇圧する回路である。昇圧回路４は、無線機３を介して入力した制御部２１からの制御信号に基づいて、昇圧のＯＮ／ＯＦＦを行う。

第１の蓄電ユニット５は、非対称性電極構造のキャパシタにより構成され、プローブ１０の各部に電力を供給する。「非対称性電極構造のキャパシタ」とは、例えばリチウムイオンキャパシタである。
なお、図１において、電力の供給線は図示簡略のため省略している。

第２の蓄電ユニット６は、対称性電極構造のキャパシタ又は化学二次電池により構成され、第１の蓄電ユニット５の充電を行う。「対称性電極構造のキャパシタ」とは、例えば電気二重層キャパシタである。また、「化学二次電池」とは、例えばリチウムイオン電池である。

なお、上記説明した構成では、非対称性電極構造のキャパシタにリチウムイオンキャパシタを用いたがこれに限らず、正極を二酸化鉛、負極を多孔質カーボンとする非対称性電極構造のキャパシタ等を用いるとしてもよい。
また、第１の蓄電ユニット５は超音波診断装置１００の各部に電力を供給するとしたが、これに限らず、第１の蓄電ユニット５は振動子アレイ１に電力を供給し、第２の蓄電ユニット６は本体２０の各部に電力を供給する構成としてもよい。

本体２０は、制御部２１、無線機２２、診断情報生成部２３、表示部２４を備えて構成される。また、本体２０は商用交流電源ＡＣにより電力が供給される。

制御部２１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えて構成される。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている各種プログラムをＲＡＭに展開し、展開した各種プログラムとの協働により超音波診断装置１００の動作を統括的に制御する。

無線機２２は、制御部２１からの制御信号を入力し、入力した制御信号をプローブ１０の無線機３に無線通信により送信する。
また、無線機２２は、送受信部２から出力されたエコー信号をプローブ１０の無線機３を介して入力し、入力したエコー信号を診断情報生成部２３に出力する。

診断情報生成部２３は、送受信部２から出力されたエコー信号を無線機２２を介して入力し、入力したエコー信号に基づいて診断情報を生成する。診断情報としては、例えばＢモード画像、カラードップラ画像、ドップラスペクトラム画像等がある。Ｂモード画像は、被写体の内部状態を表す。また、カラードップラ画像は、被写体の血流等の速度分布像を表す。また、ドップラスペクトラム画像は、ドップラ信号のスペクトラムを表す。
診断情報生成部２３は、生成した診断情報を表示部２４に出力する。

表示部２４は、ＬＣＤ又は有機ＥＬディスプレイ等を備えて構成される。表示部２４は、診断情報生成部２３からの診断情報を入力し、入力した診断情報を画面上に表示する。

電源ＡＣは、本体２０の各部に電力を供給する商用交流電源である。

なお、上記構成の他、本体２０は操作部、記憶部、印刷部等（図示省略）を備えて構成されるとしてもよい。

〔実験〕
表１に、実験条件及び実験結果を示す。

実施例１は、本実施形態に係る構成のうち、第２の蓄電ユニット６を備えない構成である。すなわち、第１の蓄電ユニット５のみでプローブ１０の各部に電力を供給する構成である。第１の蓄電ユニット５は、リチウムイオンキャパシタにより構成される。

実施例２は、本実施形態に係る構成のうち、第１の蓄電ユニット５にリチウムイオンキャパシタを用い、第２の蓄電ユニット６にリチウムイオン電池を用いた構成である。第１の蓄電ユニット５は、振動子アレイ１及びプローブ１０の各部に電力を供給し、第２の蓄電ユニット６は第１の蓄電ユニット５を充電する。

比較例１は、第１の蓄電ユニット５及び第２の蓄電ユニット６に代えて、リチウムイオン電池を用いた構成である。その他の構成は実施例１、２と同様である。

比較例２は、第１の蓄電ユニット５及び第２の蓄電ユニット６に代えて、電気二重層キャパシタを用いた構成である。その他の構成は実施例１、２と同様である。

なお、本実験では、実施例１、２及び比較例１、２の構成の何れの構成においても振動子アレイ１の一音線の送信に用いる駆動振動子数は０．２ｍｍピッチの振動子５０個、アジマス方向の幾何焦点位置はいずれも３５ｍｍ、駆動周期波の周波数は８ＭＨｚ、送信の繰り返し周期は３ｋＨｚ、とした。

以上のような実施例及び比較例の構成により、超音波診断装置評価用のファントムに超音波を送波して、ファントム画像描出性評価を行った。

図２に、ファントムの簡略図を示す。
ファントムＰは、各深度に配置された複数のターゲットを備えて構成される。なお、ファントムＰには、Ｇａｍｍｅｘ社製のファントム（４０４ＧＳ−ＬＥ）を用いた。
本実験では、深度３５ｍｍに水平配置された５連のターゲットＴ１１〜Ｔ１５、及び深度６０ｍｍに配置された３連無エコーターゲットＴ２１〜Ｔ２３に対して超音波ビームの送受信を行った。なお、５連のターゲットＴ１１〜Ｔ１５は、水平上において２ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．２５ｍｍの間隔を空けて配置されており、３連無エコーターゲットは各々、４ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ径の円形無エコー領域があるターゲットとなっている。

図３に、実施例１、２及び比較例１、２の超音波ビーム断面プロファイルを示す。
図３は、深度３５ｍｍの位置に音波が収束するよう各素子に時間遅延をかけて超音波ビームを送波した場合の３５ｍｍ位置における超音波ビーム断面プロファイルである。
縦軸は音響強度（ｄＢ）、横軸はターゲットＴ１の位置を中心としたファントムＰ内の距離（ｍｍ）を示す。超音波ビーム断面プロファイルは、ターゲットＴ１の位置を頂点としたメインローブを形成し、メインローブの両サイドにサイドローブを形成する。

Ａ１は、実施例１及び２の構成の超音波診断装置１００を使用したときに得られた超音波ビーム断面プロファイルである。
また、Ａ２は、比較例１の構成の超音波診断装置を使用したときに得られた超音波ビーム断面プロファイルである。
また、Ａ３は、比較例２の構成の超音波診断装置を使用したときに得られた超音波ビーム断面プロファイルである。

図３によれば、Ａ１はメインローブの音響強度が最も高く、かつ、サイドローブの音波強度が最も低い。一方、Ａ２はメインローブの音響強度は比較的高いが、サイドローブの音波強度が最も高い。また、Ａ３はメインローブの音響強度は比較的低く、サイドローブの音響強度は比較的高い。
メインローブの音響強度が高く半値幅が小さいほど分解能が良好であり、ターゲットＴ１を画像で把握し易い。また、サイドローブの音響強度が低いほど偽像が画像化されない。このことから、実施例１、２の構成は、高品位の画像取得に適しているといえる。一方、比較例１、２の構成は、高品位の画像取得に適さないといえる。

図４に、表１に示したファントム画像描出性に関する判断基準及び評価工程を示す。
ファントム画像描出性については、方位分解能のスコア及びアーチファクトのスコアを加算した総合スコアにより評価した。

方位分解能のスコアについては、ファントムＰ内の深度３５ｍｍに水平配置された５連のターゲットＴ１１〜Ｔ１５（図２参照）に向けて超音波ビームを送波し、得られた画像において分離描出されたターゲット数により判断した。
例えば、得られた画像において分離して描出されたターゲット数が５点の場合、分解能は良好と判断でき、スコアを３とした。一方、得られた画像において分離して描出されたターゲット数が２点以下の場合、分解能は悪く、スコアを０とした。

アーチファクトのスコアについては、ファントムＰ内の深度６０ｍｍに配置された３連無エコーターゲットＴ２１〜Ｔ２３（図２参照）に対して超音波ビームを送波し、得られた画像により判断した。具体的には、無エコーターゲット周辺バックグラウンド部の平均画像輝度を８０（８ｂｉｔ）としたとき、周辺散乱体による偽像により、本来輝度が低いはずの無エコー部分に相当する位置の輝度が上昇してしまう程度により判断した。径１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍの何れのターゲット内においても輝度２０（８ｂｉｔ）以下の面積比が７０％以上であるときにスコア３、１ｍｍターゲットのみ輝度２０以下の面積比が７０％未満である場合にスコア２、１ｍｍおよび２ｍｍターゲットで輝度２０以下の面積比が７０％未満である場合にスコア１、何れのターゲットにおいても輝度２０以下の面積比が７０％未満の場合をスコア０とした。

ファントム画像描出性については、方位分解能のスコア及びアーチファクトのスコアを加算して、５点以上の場合を〇、４点の場合を〇△、３点の場合を△、２点の場合を△×、１点以下の場合を×と評価した。

ファントム画像描出性は、表１で示したとおりである。すなわち、実施例１、２の構成の場合、評価は〇であった。
一方、比較例１、２の構成の場合、評価は△であった。

また、実施例１、２及び比較例１、２の構成において、満充電から使用不可となるまでの連続使用可能時間を記録した。更に、使用不可となってから１分間充電した後の連続使用可能時間を記録した（表１参照）。

実施例１の構成の超音波診断装置１００では、連続使用可能時間は１５分であり、１分間充電した後の使用可能時間も１５分であった。
実施例２の構成の超音波診断装置１００では、連続使用可能時間は３０分であり、１分間充電した後の使用可能時間は１０分であった。
一方、比較例１の構成の超音波診断装置では、連続使用可能時間は３０分であり、１分間充電した後の使用可能時間は２０秒であった。
また、比較例２の構成の超音波診断装置では、連続使用可能時間は３分であり、１分間充電した後の使用可能時間も３分であった。

実施例１、２では、連続使用可能時間を一定時間確保することができ、急速充電が可能であることが確認された。
一方、比較例１では、リチウムイオン電池を満充電した場合、連続使用可能時間は一定時間確保できたものの、急速充電することができなかった。
また、比較例２では、連続使用可能時間を一定時間確保することも、急速充電することもできなかった。

以上のように、本実施形態によれば、非対称性電極構造のキャパシタを有する第１の蓄電ユニット５により、振動子アレイ１に電力を供給することができる。第１の蓄電ユニット５によれば、連続して高電圧の電力を安定して供給することができるため、大開口送信時に超音波ビームを乱さず、アーチファクトの少ない高品位の画像を取得することができる。

また、昇圧回路４によって、第１の蓄電ユニット５の蓄電残容量が低下した場合であっても駆動電圧を一定に保つことができ、長時間高電圧の電力を安定して供給することができる。

また、第１の蓄電ユニット５及び化学二次電池を有する第２の蓄電ユニット６を備えた構成にして、第１の蓄電ユニット５は振動子アレイ１に電力を供給し、第２の蓄電ユニット６は振動子アレイ１以外の各部に電力を供給する構成としてもよい。第１の蓄電ユニット５は、振動子アレイ１以外に電力を供給する必要がないため、振動子アレイ１に長時間高電圧の電力を安定して供給することができる。

また、第１の蓄電ユニット５及び化学二次電池を有する第２の蓄電ユニット６を備えた構成にして、第１の蓄電ユニット５の蓄電残容量が低下した場合、第２の蓄電ユニット６が第１の蓄電ユニット５を充電する構成としてもよい。第１の蓄電ユニット５は、蓄電残容量が低下した場合であっても逐次充電されるため、振動子アレイ１に長時間高電圧の電力を安定して供給することができる。

また、送波タイミング回路２ａは、制御部２１からの制御信号に基づいて、振動子アレイ１に出力する駆動信号を２値又は３値の矩形波に切り替えることができる。２値又は３値に切り替えて駆動信号を出力することにより、高品位の画像を取得することができる。

また、第１の蓄電ユニット５の「非対称性電極構造のキャパシタ」は、例えばリチウムイオンキャパシタとすることができる。なお、リチウムイオンキャパシタ以外にも、例えば正極を二酸化鉛、負極を多孔質カーボンとする非対称性電極構造のキャパシタを用いることで、本実施形態に係る超音波診断装置１００と同様の効果を得ることができる。

１００ 超音波診断装置
１０ プローブ
１ 振動子アレイ
２ 送受信部
２ａ 送波タイミング回路
３ 無線機
４ 昇圧回路
５ 第１の蓄電ユニット
６ 第２の蓄電ユニット
２０ 本体
２１ 制御部
２２ 無線機
２３ 診断情報生成部
２４ 表示部
ＡＣ 商用交流電源

Claims (5)

1. 超音波を送受信し、受信した超音波を電気信号であるエコー信号に変換して無線送信する超音波プローブであって、
   アレイ状に配置された複数の振動子を備える振動子アレイと、
   複数の前記振動子に対し、所定のタイミングで駆動信号を出力する送波タイミング回路と、
   非対称性電極構造のキャパシタを有する第１の蓄電ユニットと、
   化学二次電池を有する第２の蓄電ユニットと、を備え、
   前記第１の蓄電ユニットは、前記振動子アレイに電力を供給し、
   前記第２の蓄電ユニットは、前記超音波プローブの構成部品のうち、前記振動子アレイ以外の構成部品であって駆動電力が必要な構成部品に電力を供給することを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記第１の蓄電ユニットから供給される電圧を昇圧する昇圧回路を備え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. 前記送波タイミング回路から出力される駆動信号は、２値又は３値の矩形波であ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. 前記非対称性電極構造のキャパシタは、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波プローブ。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波プローブと、
   前記超音波プローブによって無線送信された前記エコー信号を受信し、該エコー信号に基づいて診断情報を生成する本体と、
   を備えることを特徴とする超音波診断装置。

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