JP5771095B2

JP5771095B2 - 多焦点超音波のシステムおよび方法

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Publication number: JP5771095B2
Application number: JP2011186663A
Authority: JP
Inventors: ウェストン・ブレーイン・グリフィン; ダグラス・グレン・ウィルデス; デイビッド・マーティン・ミルズ; ムルトゥザ・ロカンドワラ; クリストファー・ロバート・ハザード; ウォーレン・リー; レインホルド・ブルエスッル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: CA2749465A1; US8409102B2; US20120053468A1; JP2012050824A; EP2422708B1; EP2422708A1

Description

本明細書で開示される主題は、診断目的および／または治療目的に利用できる超音波プローブに関する。より具体的には、本実施形態は、音響結合を維持しながら複数の位置の間で超音波プローブの焦点深度を調整するのを容易にするシステムおよび方法を対象とする。

超音波という用語は、一般に、人間の聴覚の上限より高い範囲の周波数を有する周期的音圧を指す。通常の超音波周波数は、１〜２０メガヘルツを含むものとすることができる。超音波は、撮像目的に頻繁に使用される。たとえば、超音波は、超音波検査法に使用され、この超音波検査法は、高周波音波を患者の体内に放ち、音波のエコーを検出して、患者の体の内部の特徴の像（たとえば、血流像および子宮内像）を作り出す医療撮像技法である。しかし、超音波を使用し、機能を実施することもできる。たとえば、超音波を使用し、異物の蓄積したものを表面から除去する助けにすることも、治療（たとえば、損傷を受けた筋肉を刺激する）目的で超音波を使用することもできる。

超音波には多数の用途があるが、代表的な例は、医療撮像応用例を含むことができる。通常の超音波撮像応用例では、音波は、プローブから患者の体内に放たれ、境界に当たると反射されてプローブに戻る。たとえば、波の中には、体液と組織との間の境界に達した時に反射してプローブに戻るものもあれば、組織と骨との間の境界に達した時に反射してプローブに戻るものもある。プローブは、反射された波を検出し、これらをモニタに中継し、このモニタは、超音波の速度と、放出の時刻に対する反射波の検出に要する時間とを利用して、プローブから反射面までの距離を計算する。次に、検出された波の距離および強度を表示して、観察された組織の像を提供することができる。相対的に密な組織を、強度の差に基づいて、より疎な組織から区別することができる。というのは、より密な組織が、より疎な組織より多くの超音波を反射する可能性があるからである。

米国特許第７７７５９８２号公報

多くの超音波プローブは、トランスデューサから特定の固定された距離で超音波エネルギーの焦点を合わせるエレベーショナルレンズ（ｅｌｅｖａｔｉｏｎａｌｌｅｎｓ）を含む。しかし、通常の超音波像は、ある範囲の深度を示し、現在、トランスデューサが合焦する深度が所望の像と一貫しない場合があるので、トランスデューサが合焦する深度を調整することが望ましい可能性があることが認められている。

一実施形態では、多焦点プローブは、親ねじに連絡結合され、親ねじの縦軸周りに親ねじを回転させるように構成されたモータを含み、親ねじは、ねじ山を有する長さを含む。プローブは、親ねじ周りに位置決めされた親ねじナットであって、親ねじナットはねじ山と係合し、親ねじナットおよび親ねじはねじ山を介して互いに対して移動できるようになっている親ねじナットと、親ねじに垂直に移動するように構成されたトランスデューサと、トランスデューサを囲むエンクロージャとをも含み、エンクロージャは、流体を保持し、トランスデューサからの波がターゲットに入れるように波放出ターゲットと係合するように構成されたプローブ面を含む。さらに、プローブは、親ねじナットと係合できる捕捉特徴部を含み、親ねじナットはプローブ面に関して垂直に固定されるようになっており、親ねじナットが捕捉特徴部によって係合されている間に、親ねじは、親ねじナット内で第１方向に回転する時にプローブ面から離れて移動し、親ねじナット内で第１方向と反対の第２方向に回転する時にプローブ面に向かって移動するようになっている。

一実施形態では、方法は、モータを用いて親ねじを回転させることであって、親ねじはプローブ面を含むプローブハウジング内に少なくとも部分的に位置決めされる、回転させることと、親ねじナットを、親ねじの回転に基づいて親ねじのねじ山に沿って移動させることであって、親ねじナットはプローブ面に関して垂直に移動する、移動させることと、親ねじナットを捕捉特徴部に係合させることであって、親ねじナットはプローブ面に関して固定位置にある、係合させることと、親ねじを回転させ続けることであって、親ねじはプローブ面に関して垂直に異なる位置に移動し、したがって親ねじと共に移動するアセンブリに結合されたトランスデューサを再位置決めする、回転させ続けることとを含む。

一実施形態では、多焦点プローブは、蝶番結合部を介して第１端でハウジングに結合された被駆動リンクであって、被駆動リンクは蝶番結合部周りで回転できる、被駆動リンクと、トランスデューサリンクの第１端内の溝および被駆動リンクの第２端内のピンを介して被駆動リンクに結合されたトランスデューサリンクと、トランスデューサリンクの第１端と反対のトランスデューサリンクの第２端でトランスデューサリンクに結合されたトランスデューサと、蝶番結合部周りで被駆動リンクを回転するように構成されたモータとを含む。

本発明の上記および他の特徴、態様、および利益は、次の詳細な説明が添付図面を参照して読まれる時によりよく理解されるようになり、添付図面では、同様の符号が、複数の図面を通じて同様の部分を表す。

一実施形態によるプローブハウジング内の２つの異なる位置でトランスデューサから超音波ビームを放つ超音波プローブを示す投影図である。一実施形態による調整可能なプローブシステムをさまざまな異なる位置で示す側面図である。一実施形態による、ナット捕捉特徴部が利用される、調整可能なプローブシステムをさまざまな異なる位置で示す側面図である。一実施形態による、二重親ねじ特徴が利用される、調整可能なプローブシステムをさまざまな異なる位置で示す側面図である。一実施形態による、二重親ねじを用いて図４のシステムを浅焦点動作位置から深焦点動作位置に移動するステップを示す図である。一実施形態による、エレベータサブシステムが追加の垂直移動をもたらすのに利用される、調整可能なプローブシステムをさまざまな異なる位置で示す側面図である。一実施形態による、クランク−ロッカー溝付きシステムを使用して４Ｄ運動と焦点変更機能との両方を提供できる調整可能なプローブアセンブリを示す図である。一実施形態による、クランク−ロッカー溝付きシステムを使用して４Ｄ運動と焦点変更機能との両方を提供できる調整可能なプローブアセンブリを示す図である。

以下、本発明の１つまたは複数の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態について簡潔に説明するために、実際の実施態様のいくつかの特徴が本明細書で説明されない可能性がある。すべてのそのような実際の実施態様の開発において、すべての工学プロジェクトまたは設計プロジェクトと同様に、実施態様ごとに異なる可能性があるシステム関連の制約およびビジネス関連の制約の遵守など、開発者の固有の目標を達成するために、多数の実施態様固有の判断が行われなければならないことを理解されたい。さらに、そのような開発の努力が、複雑であり時間のかかるものである可能性があるが、それでも、本開示の利益を有する当業者の設計、製作、および製造の日常的な仕事であることを理解されたい。

本発明のさまざまな実施形態の要素を紹介する時に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ（前記）」は、その要素が１つまたは複数あることを意味することが意図されている。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は、包括的であり、リストされた要素以外の追加要素がありえることを意味することが意図されている。

本発明の技術的効果は、音響結合を維持しながらプローブを異なる位置に垂直に調整することを可能にすることによって、単一のユニット内で複数の超音波プローブの機能性を提供することを含む。プローブの垂直位置を変更することは、ターゲット（たとえば、組織）全体にわたるプローブの焦点深度の移動を容易にし、複数の異なるプローブの機能性を達成できるようになる。従来の単一プローブ解決策に対して、本実施形態は、多焦点プローブを提供することによって、表面の特徴と深い特徴との両方について改善された像品質または治療有効性を提供することができる。診断（たとえば、撮像）機能および治療（たとえば、筋肉刺激）機能に関して、本実施形態は、プローブを利用できる患者母集団における柔軟性を提供することができる。というのは、多焦点プローブを、異なる患者タイプに対応する異なる焦点深度に関して調整できるからである。さらに、そのような多焦点機能性は、有効性を改善できる、患者の調整された治療（ｔａｉｌｏｒｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を容易にすることができる。たとえば、調整可能な焦点深度を可能にすることによって、本実施形態は、カテーテルガイダンス手順などの撮像応用例での成功率の向上を容易にすることができる。

本実施形態は、全般的に、ターゲット内の異なる深度で超音波プローブの焦点を調整可能に合わせるシステムおよび方法を対象とする。より具体的に言うと、本開示は、これによって、プローブハウジング内でトランスデューサの位置を機械的にシフトすることによって超音波トランスデューサの焦点の位置を深度において変更できるシステムおよび方法を提供する。本実施形態では、トランスデューサは、固定焦点を有することができ、これは、放たれる超音波の焦点が、プローブハウジングではなくトランスデューサ自体に関して固定された位置にあることを意味する。したがって、本実施形態では、トランスデューサとプローブハウジングの接触面（すなわち、プローブのうちで、プローブとターゲットとの間の音響結合を実現する部分）との間の距離を、自動的にまたはユーザによってのいずれかで変更して、トランスデューサの焦点を特定の領域に置くことができる。たとえば、患者の組織内の焦点深度を、接触面に関してトランスデューサを移動することによって変更して、超音波の焦点を診断または治療関心領域内に置くことができる。

図１は、本実施形態によるプローブハウジング１０６内の２つの異なる位置でトランスデューサ１０４から超音波ビーム１０２を放つ超音波プローブ１００の投影図を示す。超音波プローブ１００は、プローブ１００の表面１１８が組織１０８に近接するように位置決めされ、組織１０８は、さまざまな関心項目１１０、１１２、および１１４を含む。プローブハウジング１０６に関するトランスデューサ１０４の第１位置１２０では、トランスデューサ１０４は、プローブ１００の表面１１８と組織１０８との間の接触面１１６から離れて位置決めされる。しかし、プローブハウジング１０６は、音響結合がトランスデューサ１０４と組織との間で第１位置１２０で維持されるように、流体で充たされる。というのは、流体が、トランスデューサ１０４が第２位置１２２から第１位置１２０に移動される時にもたらされる空隙を充たすからである。この流体は、表面１１８とトランスデューサ１０４との間での超音波の伝達を可能にする。第２位置１２２では、トランスデューサ１０４は、表面１１８の近くにまたはこれに近接して位置決めされ、この表面１１８は、プローブハウジング１０６が組織１０８と接触する部分である。

第１位置１２０および第２位置１２２は、それぞれ、組織１０８内の異なる焦点をもたらす。したがって、各位置１２０および１２２は、組織１０８内の異なる最適撮像範囲をもたらす。たとえば、第１位置１２０の最適撮像範囲は、符号１２６によって示され、第２位置１２２の最適撮像範囲は、符号１３０によって示される。異なる最適撮像範囲を考慮すると、各位置１２０および１２２は、さまざまな関心項目１１０、１１２、および１１４の好ましい撮像シナリオを実現することができる。実際に、トランスデューサ１０４の固定焦点が、関心領域と一致しない場合には、結果の像品質が悪くなる可能性がある。しかし、焦点深度が関心領域の中に含まれる場合には、その領域について、より多くのよりよい情報を提供することができる。たとえば、第１位置１２０は、項目１１２および１１４より明瞭なおよび／またはよりよく画定された項目１１０の像を提供することができる。同様に、第２位置１２２は、項目１１０および１１４より明瞭なおよび／またはよりよく画定された項目１１２の像を提供することができる。

図２は、本実施形態による、さまざまな異なる位置にある調整可能なプローブシステム２００の側面図を示す。具体的には、調整可能なプローブシステム２００は、位置２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、２１６、および２１８を通って移動して示されている位置決め機構を含む。位置２０２、２０４、および２０６は、深焦点動作２３０中のシステム２００の位置決めを表す。位置２０８は、深い動作から浅い動作への遷移２３２を表す。位置２１０、２１２、および２１４は、浅焦点動作２３４中のシステム２００の位置決めを表す。位置２１６および２１８は、深い動作に戻る遷移２３６を表す。これらの位置は、システム２００およびその構成部品の機能に関連するので、これらの位置を下でさらに詳細に述べる。

とりわけ、システム２００は、モータまたは駆動機構２５０、流体シャフトシール２５２、親ねじ２５４、親ねじナット２５６、カプラリンク２５８、トランスデューサ２６０（たとえば、トランスデューサアレイ）、プローブ面２６２、ピボットジョイント２６４、上端止め２６６、および下端止め２６８を含む。教育のために、プローブシステム２００によって放たれる超音波ビーム２７０を、システム２００のさまざまな位置にも図示する。システム２００は、本体（図示せず）をも含む。たとえば、本体は、モータ２５０を含み、かつ／またはトランスデューサ２６０周りに流体を含むために流体シャフトシール２５２と協力する特徴を含むことができる。図２に示された実施形態および他の実施形態では、流体は、プローブハンドルの内側部分内に含まれ、その結果、流体は、トランスデューサ２６０とプローブ面２６２との間の結合をもたらせるようになる。すべてのケースで明示的に図示されてはいないが、流体を、プローブの内部のバルクヘッドを使用してプローブの下側部分に保持することができる。シャフトシールは、親ねじシャフト周りで利用される。さらに、モータ２５０からピボットジョイント２６４に延びるモータキャリッジ／アレイアセンブリフレーム部材も、シャフト封止法（接触シール）または柔軟なメンブランシール（バッグシール）のいずれかを介する、なんらかの形のシールを含む。

本開示によれば、さまざまな異なる機械的特徴を含む位置決め機構を利用して、トランスデューサ２６０の超音波ビーム２７０によって提供される超音波エネルギーの視野および焦点深度を調整することができる。位置２０２〜２０６の間および位置２１０〜２１４の間の移動によって示されるように、ピボットジョイント２６４周りでトランスデューサ２６０を振動させることによって、トランスデューサ２６０の視野またはカバレージを改善することができる。撮像応用例について、トランスデューサを振動させることは、システム２００自体を移動する必要なしに、大きい３次元視野を獲得することを可能にする。トランスデューサ２６０の振動が十分に速い（たとえば、約７Ｈｚを超える）場合には、リアルタイムの容積測定像（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｉｍａｇｅ）（４Ｄ）を獲得し、レンダリングすることができる。療法応用について、トランスデューサを振動させることは、システム２００全体を再位置決めせずに超音波療法をより大きい組織に適用することを可能にする。

コンパクトなプローブハンドル内でトランスデューサ２６０の振動運動を達成する１つの方法は、スライダ−クランクベースの駆動システムを使用することである。トランスデューサ２６０は、スライダに結合された被駆動リンクと同等である。スライダまたは駆動リンクは、親ねじナット２５６である。親ねじナット２５６は、直線的に移動し、この運動の方向は、モータ２５０（たとえば、サーボモータまたはステッパ）によって駆動される親ねじ２５４の回転の方向に基づく。所与の時間の間だけまたは所与の回転位置まで特定の方向でモータ２５０を駆動することによって、親ねじ２５４が同一の形で回転される。親ねじ２５４の回転は、親ねじナット２５６がモータ２５０に関して回転できない限り、親ねじナット２５６を直線的に親ねじ２５４に沿って前進させる。親ねじナット２５６は、本体（たとえば、モータフレーム／キャリッジハウジング）にピン接続されたトランスデューサ２６０にピン接続されたカプラリンク２５８を有するピンジョイント２８０を介して、モータ２５０に関して回転を妨げられる。ピンジョイントが、符号２８０によって示され、ピンジョイント２８０が、図示の実施形態では平行の軸を有することに留意されたい。ピンジョイント２８０は、ピボットジョイント２６４に平行でもある。ピンジョイント２８０は、示された特徴を蝶番結合部するように、蝶番として機能する。親ねじナット２５６の直線運動は、カプラリンク２５８を介してトランスデューサ２６０に伝達され、カプラリンク２５８は、トランスデューサの回転軸ではない位置でトランスデューサ２６０に結合される。したがって、親ねじナット２５６の直線運動は、トランスデューサ２６０の回転軸周りでのトランスデューサ２６０の回転運動を与える。したがって、モータ出力の振動運動は、たとえば位置２０２、２０４、および２０６によって表されるように、トランスデューサ２６０の回転振動運動をも引き起こす。

システム２００は、４Ｄ運動と焦点を変更する能力との両方を、この両方のアクションを達成するのに１つのアクチュエータだけを使用して提供する。実際に、本実施形態によれば、システム２００は、上で述べたように、トランスデューサ２６０の４Ｄ運動振動を作成するのにスライダ−クランク機構を利用することができる。さらに、このシステムは、プローブ面２６２に関してトランスデューサ２６０を再位置決めする（たとえば、プローブ面２６２に関してピボットジョイント２６４を直線的に移動する）ことによって、焦点変更を達成することができる。これは、下端止め２６８に当たるように親ねじナット２５６を駆動することによって達成でき、下端止め２６８は、プローブに関して固定された（たとえば、ピボットジョイントを介してハウジングに結合された）捕捉特徴部である。親ねじナット２５６が下端止め２６８に接触した状態で、モータ２５０は、親ねじ２５４を同一の回転方向に駆動し続ける。トランスデューサ２６０に取り付けられたモータキャリッジおよびフレーム部材は、たとえば位置２０６と２０８との間に示されたモータ２５０の移動によって表されるように、プローブハウジングに関して滑ることができる。次に、親ねじ２５４の駆動するアクションは、モータキャリッジ（たとえば、モータ２５０）およびトランスデューサ２６０を、プローブ面２６２から離れて移動させ、（位置２０８によって表されるように）深焦点動作２３０から浅焦点動作２３４に遷移させる。この遷移中に、トランスデューサは、端の位置まで回転する。キャリッジがプローブ面２６２に関するその新しい位置にある状態で、モータ２５０は、位置２１０〜２１４によって表されるように、親ねじ２５４を駆動して、トランスデューサ２６０を振動させ、４Ｄ運動を達成することができる。開始位置２０２に戻るために、親ねじ２５４は、上端止め２６６に当たるように親ねじナット２５６を増速駆動（ｏｖｅｒ−ｄｒｉｖｅ）し、同様の形で、モータキャリッジ（たとえば、モータ２５０）に、プローブ面２６２のより近くに移動させ、トランスデューサ２６０が深焦点動作２３０に戻るようにする。本実施形態によれば、単一のモータ２５０（またはステッパ）以外の追加の作動は、この４Ｄ運動および焦点変更機能を達成するために必要ではないものとすることができる。増速駆動可動域（すなわち、深焦点動作位置２３０と浅焦点動作位置２３４との間の距離）を最大にするために、湾曲したまたは曲げられたカプラリンク２５８を使用することができる。また、モータ−キャリッジ／アレイアセンブリを定位置に保持するために、端の位置で摩擦戻り止め（または磁石）を利用することが有益である可能性があることに留意されたい。

図３は、本実施形態による、ナット捕捉特徴部３０２が利用される、さまざまな異なる位置での調整可能なプローブシステム３００の側面図である。具体的には、プローブシステム２００の特徴に似た特徴を含む調整可能なプローブシステム３００は、位置３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、および３２０を通って移動して示されている。位置３０４、３０６、および３０８は、深焦点動作３２２中のシステム３００の位置決めを表す。位置３１０、３１２、および３１４は、中深度焦点動作３２４中のシステム３００の位置決めを表す。位置３１６、３１８、および３２０は、浅焦点動作３２６中のシステム３００の位置決めを表す。動作深度の間の遷移は、ナット捕捉機構３０２によって容易にされる。いくつかの実施形態では、ナット捕捉機構３０２は、異なる位置３３０および３３２に位置決めされた２つの別々のアクチュエータを含む。他の実施形態では、ナット捕捉機構３０２は、両方の位置３３０および３３２で抵抗をもたらすために協力する単一のアクチュエータを含むことができる。たとえば、同一の作動が、親ねじナット２５６の位置に応じて、異なるペグ構成部品を親ねじナット２５６内の穴またはレセプタクルに係合させることができる。

システム３００は、４Ｄ運動と焦点変更機能との両方を、両方のアクションを達成するのにモータ２５０および２つのアクチュエータだけを使用して提供する。トランスデューサの４Ｄ運動振動は、図２に関して上で述べたスライダ−クランク機構を介して達成することができる。焦点変更は、親ねじナット２５６を特定の位置まで駆動することと、親ねじナット２５６を捕捉し、これをプローブハウジングに関して固定された状態で保持するナット捕捉特徴部３０２を係合させることとによって達成される。親ねじナット２５６が捕捉された状態で、モータ２５０は、親ねじ２５４を同一の回転方向に駆動し続ける。したがって、トランスデューサ２６０に取り付けられたモータキャリッジおよびフレーム部材は、プローブハウジングに関して滑る。次に、親ねじ２５４の駆動するアクションは、モータキャリッジおよびトランスデューサ２６０を、プローブ面２６２から離れて移動させ、深焦点動作３２２からより浅い焦点動作すなわち中深度焦点動作３２４に遷移させる。この遷移運動中に、トランスデューサは、通常の可動域内で回転する。この点で、ナット捕捉機構３０２は、親ねじナット２５６を解放して、通常の４Ｄ動作を可能にする。ナット捕捉機構３０２は、同時に、モータ−キャリッジ／アレイアセンブリと係合して、プローブハウジングに関するすべての相対運動をも防ぐことができる。図３に示されているように、ナット捕捉システム３０２が位置３３０および位置３３２などの複数の位置にある状態で、深焦点３２２と浅焦点３２６との間の距離を増やし、中深度焦点動作点３２４などの中間動作点を有することが可能である。トランスデューサがプローブ面２６２に関して最も近い動作点になるように、深焦点動作位置３２２に戻るためには、システム３００に関して上で述べた手順を逆にすることができる。やはり、モータ−キャリッジ／アレイアセンブリを定位置に保持するために、端の位置および中間位置で摩擦戻り止め（または磁石）を利用することが有益である可能性がある。その代わりに、一方の状態でナットと係合する同一のアクチュエータを利用して、他方の状態でモータ−キャリッジ／アレイアセンブリと係合することが可能である場合がある。そのような実施形態では、アクチュエータは、プローブハウジングおよびプローブ面２６２に関して固定されるはずである。

図４は、本実施形態による、二重親ねじ特徴が利用される、さまざまな異なる位置での調整可能なプローブシステム４００の側面図を示す。具体的には、プローブシステム２００の特徴に似た特徴を含む調整可能なプローブシステム４００は、位置４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、および４１６を通って移動して示されている。位置４０２、４０４、４０６、４０８、および４１０は、深焦点動作４２０中のシステム４００の位置決めを表す。位置４１２、４１４、および４１６は、遷移動作４２２を表す。

図４によって示される実施形態では、モータ２５０は、上側親ねじ４３０と呼ぶことができる、追加の親ねじを有する。上側親ねじ４３０は、親ねじ２５４より小さいリードを有する、バックシャフトまたは上側シャフト４３２上で位置決めされる。上側親ねじ４３０は、親ねじナットをも有し、この親ねじナットを、上側親ねじナット４３４と呼ぶことができる。通常の４Ｄ運動中には、上側親ねじナット４３４は、上側親ねじ４３０について自由に回転する。上側親ねじナット４３４が、親ねじ４３０の慣性駆動を避けるためにある摩擦トルクを有することに留意されたい。トランスデューサ２６０に取り付けられたモータキャリッジおよびフレーム部材は、プローブハウジングに関して滑ることができる。焦点変更は、まず主スライダ−クランク（下側）親ねじナット２５４をモータ２５０に最も近い位置まで駆動することによって達成され、これによって、トランスデューサ２６０の端の回転位置がもたらされる。次に、ナット係合機構４３６が、上側親ねじナット４３４に係合し、これを固定して、これが回転するのを止める。これは、プローブハウジングおよび／またはプローブ面２６２に関して親ねじナット４３４を固定もする。モータ２５０が反対方向で駆動する時には、親ねじ４３０と２５４との両方が回転する。上側親ねじ４３０が、上側親ねじナット４３４が固定された状態で回転するので、モータ２５０は、効果的に、モータ−キャリッジおよびトランスデューサ２６０をプローブ面２６２から離すように引っ張り、トランスデューサ２６０を深焦点動作位置４２０から浅焦点動作位置４１６に移動する。同時に、下側親ねじ２５４も回転しつつあり、したがって、下側親ねじナット２５６に、ある回転点に向かって直線的に移動させ、したがって、トランスデューサ２６０を、位置４１２内のその位置から位置４１６内のその位置に回転させる。トランスデューサ２６０の最終的な方位および焦点変更高さは、親ねじピッチの比に依存する。たとえば、３．１８ｍｍの下側リードおよび１２．７ｍｍの上側リード（４の親ねじ比）を用いると、トランスデューサ２６０は、１０ｍｍ焦点変更について３０度の運動を介して移動する。いくつかの実施形態では、より多くの垂直運動を、度のより大きい範囲（たとえば、６０度の運動）を介して移動することによって達成することができる。

図５は、二重親ねじ４３０および２５４を用いて図４のシステム４００を浅焦点動作位置４１６から深焦点動作位置４２０に移動して戻すステップを示す。このプロセスは、図４に関して上で説明したプロセスに似ているが、モータ２５０は、反対方向に回転する。具体的には、位置４５２によって示されているように、トランスデューサ２６０は、駆動ナット４３４の最も低い相対位置に近い以前の最終位置に位置決めされる。次に、位置４５４によって示されているように、上側ナット係合機構４３６が、上側ナット４３４が回転するのを防ぐために係合される。モータ２５０および親ねじナット２５６が親ねじ２５４に関して上に移動する（矢印４５６によって示される）時に、トランスデューサ２６０は、位置４５８によって表されるように、反時計回りに回転する傾向がある。トランスデューサ２６０の最終的な方位ならびにモータ２５０およびトランスデューサ２６０の最終的な垂直位置は、位置４６０によって示されるように、図４に示された前の変更シーケンスの最初の位置と一致しなければならない。

図６は、エレベータサブシステム５０２が追加の垂直移動をもたらすのに利用される、さまざまな異なる位置での調整可能なプローブシステム５００の側面図を示す。具体的には、図６は、位置５０４、５０６、５０８、５１０、５１２、５１４、５１６、および５１８でのプローブシステム５００を示す。

システム５００は、同様の符号を用いて指定される、前に説明した実施形態の構成部品に似た構成部品を含む。システム５００は、さまざまな追加構成部品をも含む。たとえば、システム５００は、エレベータサブシステム５０２を含み、このエレベータサブシステム５０２は、スラスト軸受５２４、流体バルクヘッド５２８内に位置決めされた流体シール５２６、エレベータ親ねじ５３０、およびエレベータナットアセンブリ５３２を含む。エレベータサブシステム５０２は、平歯車５３４の間の相互作用に基づいて主親ねじ２５４と比較して反対方向でエレベータ親ねじ５３０を回転するように機能し、平歯車５３４は、エレベータ親ねじ５３０および主親ねじ２５４に機械的に係合され、それぞれ結合される。モータ２５０は、スプラインドライブ（ｓｐｌｉｎｅｄｒｉｖｅ）５３６を介して主親ねじ２５４に結合され、スプラインドライブ５３６は、スプラインハウジング５３８およびスプライン５４０を含む。スプラインドライブ５３６は、スプラインハウジング５３８に出入りするスプライン５４０の移動を容易にすることによって、本体に関する親ねじ２５４の垂直移動を可能にする。

動作中に、エレベータナットアセンブリ５３２は、親ねじナット２５６と比較して反対方向に回転する。エレベータナットアセンブリ５３２は、通常は、ドラッグトルクに起因して自由に回転しており、したがって、エレベータ親ねじ５３０の回転に伴って直線位置を変化させない。しかし、親ねじナット２５６が、エレベータナットアセンブリ５３２の下側エレベータナット５５０内に駆動される時に、異なる方向に移動する逆回転するねじおよびナットは、親ねじナット２５６および下側エレベータナット５５０を互いに押し付けられた状態に保つ。したがって、エレベータナットアセンブリ５３２は、自由に回転することができず、位置５１０によって表されるように、エレベータ親ねじ５３０の回転に基づいて垂直に移動する。エレベータナットアセンブリ５３２の運動は、深焦点動作点５７０から浅焦点動作点５７２へおよびその逆にトランスデューサアセンブリを再位置決めするのに使用される。この遷移中に、トランスデューサ２６０は、端の位置まで回転する。上で示したように、スプライン５４０は、そのような垂直位置変化に対処するために、スプラインハウジング５３８内へおよびそれから外へ移動することができる。実際に、図６の図示の実施形態では、スプラインドライブ５３６がモータ２５０の出力シャフトを主親ねじ２５４に結合するのに使用されるので、モータ２５０は移動しない。やはり、モータ−キャリッジ／アレイアセンブリを定位置に保持するために、端の位置および中間位置で摩擦戻り止め（または磁石）を利用することが望ましい可能性がある。この方法は、増速駆動法のみと比較して、より大きい焦点位置変更を可能にする。

このシステムを深焦点位置５７０に戻すために、親ねじナット２５６が、エレベータナットアセンブリ５３２の上側エレベータナット５８０に当たるように駆動される。下側エレベータナット５５０が親ねじナット２５６に押し付けられた時と同様に、エレベータアセンブリ５３２は、もはや自由に回転することができず、したがって、エレベータ親ねじ５３０の回転に基づいて垂直に移動し、エレベータ親ねじ５３０は、位置５１８に関して全体的に示されているように、現在は異なる方向で回転している。その結果、エレベータナットアセンブリ５３２は、トランスデューサ２６０を浅焦点動作点５７２から深焦点動作点５７０に戻すように遷移させ始める。

図７は、本実施形態による、クランク−ロッカー溝付きシステムを使用して４Ｄ運動と焦点変更機能との両方を提供できる調整可能なプローブアセンブリ６００を示す。この実施形態では、入力リンク６０２は、下死点６０６の前後で（たとえば、±４５°）振動しているようになるように、モータ６０４によって振動運動で駆動される。この運動は、入力リンク６０２からピン６１０および溝６１２を介してトランスデューサリンク６０８に伝えられる。したがって、トランスデューサリンク６０８は、下軸６１４周りで振動し、トランスデューサリンク６０８に固定されたトランスデューサ６１６は、同様に振動する。トランスデューサリンク６０８は、ブロック６２０を介して下軸６１４で定位置に分離可能に保持され、ブロック６２０は、システムの固定部分（たとえば、壁）に取り付けられ、ブロック６２０内の開口６２４を通過するばね戻り止め６２２を用いて定位置に保持される。

トランスデューサ６１６の焦点位置は、図８によって示されるように、入力リンク６０２を上死点位置６６０に向かって増速駆動することによって、深焦点動作６５０から浅焦点動作６５２に変更することができる。十分なトルク余裕を仮定すると、駆動するピン６１０は、トランスデューサリンク６０８の溝６１２の上端に達し、トランスデューサリンク６０８を駆動し続ける。これが、ブロック６２０を、ばね戻り止め６２２から分離させる。被駆動リンク６０２が上死点６６０に向かって継続する時に、ブロック６２０は、垂直溝６６４に沿って上軸点６６８に向かって垂直に案内され、上軸点６６８は、第２のばね戻り止め６７０を有する。ばね戻り止め６７０は、軸点を新しい高さで固定するためにブロック６２０と協力する。溝６６４ならびに戻り止め６２２および６７０は、プローブハウジングおよびプローブ面６８０に関して固定されている。次に、駆動するリンク６０２は、トランスデューサ６１６の通常の４Ｄ運動のために上死点位置６６０の前後で振動することができ、トランスデューサ６１６は、浅焦点位置６５２にある。位置を深焦点位置６５０に戻すように変更するために、被駆動リンク６０２は、反対の方向で下死点６０６に向かって増速駆動される。

前に説明した実施形態と同様に、流体を使用して、トランスデューサからのプローブ面６８０を介する波の伝達を容易にすることができることに留意されたい。図示の実施形態では、封止バッグ（ｓｅａｌｉｎｇｂａｇ）６８２が、溝付きリンク６０８に取り付けられる。封止バッグ６８２は、プローブ面６８０へのトランスデューサ６１６の正しい流体結合のために、図７および８によって示される２つの位置でトランスデューサ６１６を囲む。封止バッグ６８２を、音響結合用の可変流体スタンドオフ（ｖａｒｉａｂｌｅｆｌｕｉｄｓｔａｎｄｏｆｆ）を可能にするためにプローブ面６８０および溝付きリンク６０８に固定することができる。

本書は、例を使用して、最良の態様を含めて本発明を開示し、また、任意のデバイスまたはシステムを作製し、使用することおよびすべての組み込まれた方法を実行することを含めて当業者が本発明を実践することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い浮かべる他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字どおりの表現と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字どおりの表現とほとんど異ならない同等の構造要素を有する場合に、特許請求の範囲の範囲に含まれることが意図されている。

１００超音波プローブ
１０２超音波ビーム
１０４トランスデューサ
１０６プローブハウジング
１０８組織
１１０関心項目
１１２関心項目
１１４関心項目
１１６接触面
１１８表面
１２０第１位置
１２２第２位置
１２６符号
１３０符号
２００プローブシステム
２０２開始位置
２０４位置
２０６位置
２０８位置
２１０位置
２１２位置
２１４位置
２１６位置
２１８位置
２３０深焦点動作
２３２遷移
２３４浅焦点動作
２３６遷移
２５０モータまたは駆動機構
２５２流体シャフトシール
２５４親ねじ
２５６親ねじナット
２５８カプラリンク
２６０トランスデューサ
２６２プローブ面
２６４ピボットジョイント
２６６上端止め
２６８下端止め
２７０超音波ビーム
２８０ピンジョイント
３００調整可能なプローブシステム
３０２ナット捕捉特徴部
３０４位置
３０６位置
３０８位置
３１０位置
３１２位置
３１４位置
３１６位置
３１８位置
３２０位置
３２２深焦点動作
３２４中深度焦点動作
３２６浅焦点動作
３３０位置
３３２位置
４００調整可能なプローブシステム
４０２位置
４０４位置
４０６位置
４０８位置
４１０位置
４１２位置
４１４位置
４１６位置
４２０深焦点動作
４２２遷移動作
４３０上側親ねじ
４３２バックシャフトまたは上側シャフト
４３４親ねじナット
４３６ナット係合機構
４５２位置
４５４位置
４５６矢印
４５８位置
４６０位置
５００プローブシステム
５０２エレベータサブシステム
５０４位置
５０６位置
５０８位置
５１０位置
５１２位置
５１４位置
５１６位置
５１８位置
５２４スラスト軸受
５２６流体シール
５２８流体バルクヘッド
５３０エレベータ親ねじ
５３２エレベータナットアセンブリ
５３４平歯車
５３６スプラインドライブ
５３８スプラインハウジング
５４０スプライン
５５０下側エレベータナット
５７０深焦点動作点
５７２浅焦点動作点
５８０上側エレベータナット
６００調整可能なプローブアセンブリ
６０２入力リンク
６０４モータ
６０６下死点
６０８トランスデューサリンク
６１０ピン
６１２溝
６１４下軸
６１６トランスデューサ
６２０ブロック
６２２ばね戻り止め
６２４開口
６５０深焦点動作
６５２浅焦点動作
６６０上死点位置
６６４垂直溝
６６８上軸点
６７０ばね戻り止め
６８０プローブ面
６８２封止バッグ

Claims

トランスデューサ（１０４）を囲むエンクロージャ（１０６）であって、前記トランスデューサ（１０４）からの波がプローブ面（１１８）を介して波放出ターゲットに入ることができるように前記ターゲットに係合するように構成された前記プローブ面（１１８）を含むエンクロージャ（１０６）と、
軸周りで前記トランスデューサ（１０４）を振動させるように構成され、前記プローブ面（１１８）に向かってまたは離れるように前記トランスデューサ（１０４）を移動することによって前記トランスデューサ（１０４）の焦点動作深度を調整するように構成された位置決め機構（２００）と、
前記エンクロージャ（１０６）内に含まれ、前記トランスデューサ（１０４）と前記プローブ面（１１８）との間の空間を充たす流体と
前記プローブ面（１１８）に向かってまたは離れるように前記トランスデューサ（１０４）を駆動するために前記位置決め機構（２００）に連絡結合される、駆動機構（２５０）であって、前記スライダ（２５６）が、親ねじ（２５４）に結合された親ねじナット（２５６）であり、前記親ねじナット（２５６）が前記親ねじ（２５４）のねじ山に係合し、前記親ねじナット（２５６）が回転していない時の前記親ねじ（２５４）の回転が前記ねじ山を介して前記親ねじ（２５４）の長さに沿って前記親ねじナット（２５６）を移動するようになっている、前記駆動機構（２５０）と、
捕捉特徴部（２６８）であって、前記親ねじナット（２５６）が前記プローブ面（１１８）に関して垂直に固定されるように、また前記親ねじナット（２５６）が前記捕捉特徴部（２６８）によって係合される間に、前記軸が、前記親ねじ（２５４）が第１方向に回転しつつある時には前記プローブ面（１１８）から離れ、前記親ねじ（２５４）が前記第１方向と反対の第２方向に回転しつつある時には前記プローブ面（１１８）に向かって移動するように前記捕捉特徴部（２６８）が前記親ねじナット（２５６）と係合可能である、前記捕捉特徴部（２６８）と、
を含み、
前記位置決め機構（２００）が、
被駆動リンク（６０２）の第１端にて蝶番結合部周りで回転可能である被駆動リンク（６０２）と、
トランスデューサリンク（６０８）の第１端内の溝および前記被駆動リンク（６０２）の第２端内のピン（６１０）を介して前記被駆動リンクに結合されたトランスデューサリンク（６０８）であって、トランスデューサリンク（６０８）の第２端がトランスデューサ（６１６）に結合される、トランスデューサリンク（６０８）と、
前記蝶番結合部周りで前記被駆動リンク（６０２）を回転するように構成されたモータ（２５０）と
を含む、多焦点超音波プローブ（１００）。
前記位置決め機構（２００）が、前記エンクロージャ（１０６）に向かってまたは離れるように直線的に前記軸を移動するように構成される、請求項１記載の多焦点超音波プローブ（１００）。
駆動機構（２５０）が、前記プローブ面（１１８）に向かってまたは離れるように前記トランスデューサ（１０４）を駆動するために前記位置決め機構（２００）に連絡結合される、請求項１記載の多焦点超音波プローブ（１００）。
前記駆動機構（２５０）が、前記軸周りで前記トランスデューサ（１０４）を振動させるために前記位置決め機構（２００）を駆動するように構成される、請求項３記載の多焦点超音波プローブ（１００）。
前記親ねじナット（２５６）がレセプタクルを含み、前記捕捉特徴部（２６８）が、前記レセプタクルと係合するように構成されたアクチュエータを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の多焦点超音波プローブ（１００）。
前記捕捉特徴部（２６８）が、前記親ねじ（２５４）の長さに沿って異なる位置に配置された１対のペグを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の多焦点超音波プローブ（１００）。