JP6059432B2 - ３次元撮像超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明は、体を撮像する医療診断超音波プローブに関し、特に、３次元（３Ｄ）スキャンを実行する超音波プローブに関する。

一般的な超音波撮像プローブは、スキャンを行い、体の平面領域からのエコー情報を提供し、２次元（２Ｄ）画像を生成する。近年、３Ｄプローブが、体のボリュメトリック領域をスキャン及び撮像するために開発された。３次元撮像プローブは、例えば心臓の全部のチャンバが、リアルタイムに３次元的に表示されることを可能にする。これらの用途のための３Ｄプローブは、一般に電子的又は機械的のいずれかである。電子３Ｄプローブは、例えば米国特許第５、９９７、４７９号（Savordその他）に示されるように、２次元アレイトランスデューサを用いて３次元において送信ビームを電子的に操縦する。２次元において延在するトランスジューサエレメントを用いて、送信及び受信ビームは、ビームのフェーズドステアリングにより、３次元において操縦されることができる。機械的な３Ｄプローブは、標準的な２Ｄ撮像に使用されるタイプの１次元（１Ｄ）アレイトランスデューサを用いて、前後にそれを振動させる。これは、１Ｄアレイの画像平面がボリュメトリック領域を通りスイープされる（be swept）ことをもたらす。１Ｄアレイをスイープするための機械的な構成が使用されなければならないという制限を持つ以外、機械的な３Ｄプローブの利点は、それが従来の１Ｄアレイ技術を用いる点にある。

１Ｄアレイをスイープするための複数の方法が存在する。１つの方法は、米国特許第５，１５９，９３１号（Pini）に示されるように、その中央付近で１Ｄアレイを回転させることである。１Ｄアレイの回転は、円筒状又は円錐ボリュメトリック領域をスキャンすることになる。別の手法は、画像平面がくさび形のボリュメトリック領域を通りスイープすることになるよう、前後にアレイを揺動させることである。このスイープ技術の例は、米国特許第５，１５２，２９４号（Mochizukiその他）、第５，４６０，１７９号（Okunukiその他）及び第６，５７２，５４８号（Cerofolini）に示される。くさびは、プローブ開口において狭く、体のより深部において広がる。１７９特許の機械的なプローブは、くさびの上端部で鋭い軸を持つよう特にデザインされる。その結果、プローブは、肋骨の間から撮像することができる。

これらの３Ｄ機械的なスキャン技術はすべて、プローブの前ですぐに非常に狭くなるボリュメトリック画像を提供する。しかしながら、プローブの前ですぐに広い撮像野を持つことが望ましい診断用途が存在する。近視野における広い撮像野は、例えば、胎児が腹部壁の近くにいる場合があるような胎児スキャンに特に有益である可能性がある。従って、プローブの前ですぐに広い撮像野をスキャンする機械的な３Ｄプローブを持つことが望ましい。

本発明の原理によれば、プローブ開口の前で広い撮像野をスキャンする３Ｄ超音波プローブが示される。１Ｄアレイトランスデューサは、プローブにおけるレールの湾曲したセットとして好ましくは形成される一体的な回転表面にわたり前後に移動するよう、プローブに取り付けられる。トランスデューサアレイは、モーターにより引かれるベルト又はケーブルにより、レールの上を前後に引かれるキャリッジ上に取り付けられる。本発明の図示された例において、キャリッジが円弧状の移動経路において移動するとき、トランスデューサキャリッジを動かすケーブルは、ケーブル上で適切な緊張を維持するカムの周りを包む。構築された実施形態において、ケーブルを引き、ボリュメトリックスキャンの経路を通り１Ｄトランスデューサアレイを動かすため、モーターはカムを振動させる。

本発明の機械的な３Ｄプローブの外観を説明する図である。 トランスデューサアレイを上から見たときの、本発明の３Ｄプローブの機械アセンブリの斜視図である。 横から見たときの、図２の機械アセンブリの斜視図である。 図２の機械アセンブリのキャリッジの端でのベアリング構造の詳細な斜視図である。 図２の機械アセンブリのケーブル及び従動プーリを示す切欠斜視図である。 図２の機械アセンブリの駆動カムの斜視図である。

最初に図１を参照すると、本発明の原理に基づき構築される３Ｄ超音波プローブ１０が、外観図において示される。このプローブは、移動するトランスデューサアレイの画像平面がレンズ又はエンドキャップ１４から延在するよう、トランスデューサアセンブリ２０（図２を参照）が取り付けられる遠位端部１２を持つ外側ケースを含む。トランスデューサアレイは、トランスデューサアレイとエンドキャップ１４との間の超音波エネルギーを音響的に結合させる例えば鉱油といった流体を含む遠位端部１２内部の流体コンパートメントにおいて配置される。トランスデューサアレイが前後に移動するとき、その画像平面は、ボリュメトリック領域において物質の３Ｄスキャンを実行するため、エンドキャップ１４の前でボリュメトリック領域を通りスイープされる。トランスデューサアレイとエンドキャップ１４の外部表面との間の距離において、画像平面が末広がりとなり、その結果、ちょうどエンドキャップの前の近視野において比較的広い開口がスキャンされることができる。プローブ１０は、遠位端部の下に、ハンドル部分１６を持つ。この遠位端部において、トランスデューサアレイの要素に付けられるフレックス回路導体からケーブルの終端導体への電気接続が作られる。ケーブル（図示省略）は、プローブケースから、プローブケースの近位端部１８に配置される張力逃し部（strain relief）を通り延在する。使用の際、検査技師は、ハンドル部分によりプローブを保持し、エンドキャップの前で患者の体のボリュメトリック領域を撮像するため、患者の皮膚に対してエンドキャップ１４を押圧する。

図２は、トランスデューサアレイ２４を上から見たときのトランスデューサアセンブリ２０の表示である。トランスデューサアレイ２４は、レール３０、３２のペアに沿って前後に引かれる（図２における左から右に、及び再度戻る）キャリッジアセンブリ２６上に取り付けられる。キャリッジアセンブリの各エンドには、レール３０、３２に乗るボールベアリングローラー３４、３６のセットがある。キャリッジアセンブリ２６は、図５においてより詳細に示されるようにキャリッジアセンブリの下側に付けられるケーブル４０により前後に引かれる。キャリッジアセンブリへの取付けの点から、ケーブル４０は、従動プーリ４２、４４のペアの周りを、そして、部分的にカム４６の円周方向の溝の周りを進む。ケーブル４０のエンドは、カム４６の中央でネジにより付けられる。カムは、モーターが配置されるハンドル部分へとカムの一番下から延在するカムシャフト４８に付けられるブラシレス直流モーター８０により、前後に回転される。図３を参照されたい。

トランスデューサアセンブリ２０の上述した要素は、隔壁２２上に取り付けられる。隔壁は、Ｏリングシールを設置するためその周辺部の周りに溝を持ち、このシールが、キャリッジアセンブリ２６が配置される流体コンパートメントを、モーター及びトランスデューサ／ケーブル電気接続が配置されるプローブのハンドル部分１６の内部から封止する。トランスデューサアレイ２６からのフレックス回路は、隔壁におけるシールを通りハンドル部分の内部まで進み、カムのカムシャフト４８は、隔壁２２における動的な流体シールを通る通過により封止される。流体通路は、国際公開第ＷＯ２００５／０９４６９０号（Wicklineその他）にて説明されるように、ハンドル部分における非エラストメリックバルーンへの取り付けのため隔壁を通り延在する。これにより、液量における変化に対する補償が圧力及び温度に提供する。キャリッジアセンブリ２６の端にあるボールベアリングローラーは、３つのローラーのセットであり、このうちの２つは、レール３０、３２の上部にあり、このうちの１つは、各レールのサイドにある逃げ溝３８に乗る。図２の表示では、キャリッジアセンブリの一端でのローラー３４ａ及び３４ｂ、並びにキャリッジアセンブリの他端でのローラー３６ａ及び３６ｂは、レール３０及び３２の上部表面に乗るローラーである。レール３０、３２は、この例では、弧状にわずかに湾曲する。レールのこのわずかに円筒状のプロファイルは、キャリッジアセンブリ運動の経路を規定し、トランスデューサアレイの平面が、単に正方形又は矩形のボリュームというのではなく、台形のボリュームを通りスイープされることをもたらす。これにより、平坦で線形なレールを用いることにより生じるより広い撮像野が提供される。従って、トランスデューサアレイが前後に移動するとき、このトランスデューサアレイによりスキャンされる連続した画像平面は、トランスデューサが移動するにつれ、平面のエレベーション方向において末広がりとなる。

図３は、横から見られるときの、図２のトランスデューサアセンブリ２０の表示である。この表示から、ローラー３６ａ及び３６ｂは、レール３２の上に乗るように見られることができ、ローラー３４ａは、レール３０の上に乗るように見られる。レール３０の逃げ溝３８に乗るローラー３４ｃは、キャリッジアセンブリ２６の左側に部分的に見える。レール３０、３２の円筒状の弧は、この図面においてもはっきりと示される。ローラーは、キャリッジアセンブリの底部に付けられるベアリングマウント５０に取り付けられる。キャリッジアセンブリの下側に対するケーブル４０のピボット接続が、この表示において見られる。カムシャフト４８は、隔壁２２の底部からの投影として見られる。

図４は、キャリッジアセンブリ２６へのローラー取り付けの別の実施形態である。この図において、ベアリングマウント５０は、キャリッジアセンブリ２６の底部に一体的に形成される。上部ローラー３４ａ及び３４ｂは、キャリッジアセンブリのサイドに取り付けられ、逃げ溝３８に乗る下部ベアリング３４ｃが付けられるベアリングクリップ５２は、隔壁２２に対するキャリッジアセンブリのプレロードを提供する。

図５は、従動プーリ４２及び４４の中央を通る切欠図である。この表示は、キャリッジアセンブリの下側にピボットのように付けられるケーブル部品６２、６４に対するケーブル端部の接続を示す。ケーブルの端でのスウェイジボールは、ケーブルが、レール３０及び３２に沿ってキャリッジアセンブリ２６を前後に引くとき、ケーブルに連続的に張力をかけることを提供するケーブル部品内部のばねに対抗して耐える。

図６は、カム４６を斜視図で説明する。従動プーリ４２及び４４からのケーブルは、カムの周縁上の溝８２及び８４において、カム４６の周りを包み、ケーブルの端は、カムの内部７６に進み、ネジ穴７２及び７４で固定されるネジによりカムに付けられる。中央ネジ穴７０は、カムの裏でカムシャフト４８に対して軸方向となるカムの取付けを提供する。この例において、カムは、完全に円形でなくて、わずかに楕円形である。円弧レール３０及び３２にわたり前後に進行するとき、カムのこの偏心的な形状は、キャリッジアセンブリが線形運動を伴い移動することをもたらす。このアレイが、スキャンされるボリュメトリック画像に対して一貫して前後に移動するとき、この線形運動は、このトランスデューサアレイにより生成される超音波ビーム及び画像平面の一様な間隔を提供する。構築された実施形態において、レールの１つの端部から他の端部へと及びその逆へとキャリッジアセンブリを動かすため、カムは、最初ある方向（例えば時計回り）に回転し、次に他の方向（反時計回り）に回転するとき、カムは、およそ１８０°進行する。

当業者であれば、他の変形例を容易に思いつくであろう。例えば、キャリッジアセンブリにモーターを結合させるために、ケーブル４０の代わりに、ボールスクリュー、ベルト又はチェーンが使用されることができる。レールは、円弧形に湾曲される必要はなく、より矩形のボリュメトリックスキャンが得られることになる場合、線形とすることができる。上述されるケーブル駆動レール機構は、従来技術のスイングアーム機構と比較して、重さを約４０％削減することができる。この効率的な、コンパクト機構は、この機構のためのモーターだけが、ハンドルに配置されることを必要とし、これにより、従来技術の他の３Ｄ機械プローブの場合より、よりスリムなハンドル胴回り又はグリップサイズを持つプローブが設計されることができる。

Claims (13)

1. アレイトランスデューサの運動によりボリュメトリック領域をスキャンする超音波プローブであって、
   遠位端部において流体コンパートメントを持ち、エンドキャップを備えるプローブケースと、
   前記流体コンパートメントにおいてキャリッジアセンブリに取り付けられるアレイトランスデューサと、
   前記キャリッジアセンブリが前記流体コンパートメントにおいて移動するためのレールのペアと、
   前記キャリッジアセンブリの各端部に配置されるローラーのペアであって、前記ローラーのペアが、前記レールの上部に乗るローラーと、前記レールの下部に当たるローラーとを含む、ローラーのペアと、
   前記キャリッジアセンブリに接続されるドライブケーブルと、
   前記ドライブケーブルが巻かれる回転可能なカムと、
   前記レール上で前記キャリッジアセンブリ及びアレイトランスデューサを動かすために動作可能に結合されるモーターとを有し、
   前記回転可能なカムが、前記カムの回転軸の方向が前記エンドキャップに向かって延在するよう、方向付けられ、
   前記回転可能なカムのカム面に、前記ドライブケーブルが巻かれ、前記モーターにより前記カムが回転されることによって、前記カム面に巻かれた前記ドライブケーブルにより前記キャリッジアセンブリが前後に引かれる、超音波プローブ。
2. 前記ローラーが、前記レールに乗る前記キャリッジアセンブリに付けられる、請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記複数のローラーが更に、前記キャリッジアセンブリの１つのサイドに配置され、前記レールにおける第１のレールに乗る第１のボールベアリングローラーと、前記キャリッジアセンブリの他のサイドに配置され、前記レールにおける第２のレールに乗る第２のボールベアリングローラーとを有する、請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記レールが、逃げ溝領域を更に有し、
   前記レールの下部に当たる前記ローラーが前記逃げ溝領域に乗るよう構成される、請求項３に記載の超音波プローブ。
5. 前記ドライブケーブルが、前記キャリッジアセンブリに対する相対的な線形運動を提供するよう、少なくとも前記カム面の部分に巻かれている、請求項１に記載の超音波プローブ。
6. 前記モーターが、交番する回転方向において前記カムを駆動するため前記カムに結合され、
   前記ドライブケーブルの端は、前記カムに付けられる、請求項５に記載の超音波プローブ。
7. 前記カムのカム面が、前記レールの端の間で相対的に線形運動するよう前記キャリッジアセンブリを駆動する楕円形である、請求項５に記載の超音波プローブ。
8. 従動プーリを更に有し、前記従動プーリの周りで、前記ドライブケーブルが前記キャリッジアセンブリと前記カムとの間を進む、請求項５に記載の超音波プローブ。
9. 前記ドライブケーブルが、前記ドライブケーブルに張力をかけるためのバネ部品により、前記キャリッジアセンブリに結合される、請求項１に記載の超音波プローブ。
10. 前記プローブケースの前記エンドキャップを介して、超音波エネルギーが、前記アレイトランスデューサへ及び前記アレイトランスデューサから進み、
    結合流体が、前記アレイトランスデューサと前記エンドキャップの内側表面との間に配置される、請求項１に記載の超音波プローブ。
11. 前記レールが、前記アレイトランスデューサに関する円弧状の移動経路を提供するため湾曲される、請求項１に記載の超音波プローブ。
12. 前記アレイトランスデューサが移動されるとき、前記円弧状の移動経路により、前記アレイトランスデューサの画像平面がエレベーション方向において末広がりとなる、請求項１１に記載の超音波プローブ。
13. 前記レールが、前記アレイトランスデューサに関する線形の移動経路を提供するよう平坦である、請求項１に記載の超音波プローブ。

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