JPH11155864A - 超音波プローブ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 体内において超音波を出射し、この超音波が
臓器にあたって反射したものを受信して、この受信信号
から臓器の画像を生成する超音波プローブのトランスデ
ューサの回動角を制御可能にする方法を提供する。 【解決手段】 プローブの先端部８に設けられるトラン
スデューサ１２を駆動する従動プーリ１１に設けたパタ
ーン帯１７に対し、同じくプローブの先端部８内に設け
られるＩＯＵ１６からレーザ光を照射する。レーザ光の
反射光をＩＯＵ１６のフォトダイオード２１で受光し、
その際の電気信号を電気配線１８によって位置情報とし
て送信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を発信する
トランスデューサを回転駆動し、診察対象部位の断層画
像を得る超音波プローブ装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】口腔からプローブを挿入し、このプロー
ブから出射する超音波が臓器により反射したものを受信
することにより臓器の状態を映像化する装置として、経
食道心エコー方式(TEE:trans-esophagel echcardiograp
hy) の超音波プローブ装置がある。この方式の超音波プ
ローブは、口腔から挿入され食堂深部に到達したところ
で心臓に対して超音波のビームを出射する。

【０００３】図６に、このような超音波プローブの超音
波発生部の模式図を示す。超音波は複数枚の圧電材料か
ら構成されるトランスデューサａから出射され、その波
面Ｍは前記圧電素子相互の継ぎ目に対して略平行な状態
で形成される。

【０００４】このような波面Ｍによる超音波によって得
られる画像情報は２次元であり、臓器の一断面しか得る
ことが出来ない。そこで近年、立体的な画像情報を得る
ためにトランスデューサａを回動させることにより波面
Ｍの状態を変え、得られた画像情報を統合して３次元表
示させる超音波プローブ装置が開発されてきている。

【０００５】図７に、トランスデューサを回動させる機
構の模式図を示す。同図７( Ａ) では、トランスデュー
サａにプーリｂが連接され、ここにワイヤｃが係止され
る。プーリｂは軸承されて回動自在に設けられる。ワイ
ヤｃは超音波プローブの体外側に設けられた図示しない
駆動プーリにも係止される。この駆動プーリを人力、あ
るいは駆動モータ等を用いて回動駆動させることによ
り、トランスデューサａが回動駆動する。

【０００６】また、図７( Ｂ) では、フレキシブルシャ
フトｄの先端にウォームｅが連接され、これをトランス
デューサa に連接されるウォームギアｆに噛合する。こ
のウォームギアf は軸承されて回動自在に設けられる。
フレキシブルシャフトd の図示しない他端側は超音波プ
ローブの体外側に設けられた図示しない駆動モータに係
止される。この駆動モータを回動駆動させることによ
り、トランスデューサａが回動駆動する。 その他、トランスデューサを回動させる機構は様々に存
在する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、近年の超
音波プローブにおいては、臓器を様々な断面で画像表示
させる必要があり、上記トランスデューサａを回動する
要求がある。３次元画像表示の場合には、必須の機構と
なる。特に３次元画像表示を行う場合では、トランスデ
ューサの回動角度は１度単位で精度よく行うことが要求
される。従来の超音波プローブにおいてはトランスデュ
ーサの回動角を制御するために、超音波プローブの体外
側に設けた駆動モータなどにポテンショメータなどを取
付け、これによって、回動角を算出していた。

【０００８】しかしながら、超音波プローブは通常自由
形状に折れ曲がった状態で使用されており、前記した駆
動力伝達手段であるワイヤｃやフレキシブルシャフトｄ
などの運動は制約を受ける。このため、駆動モータ側で
回動させた量だけトランスデューサが回動するというこ
とにはならず、回動量に誤差が発生する。

【０００９】本発明は上記した課題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、トランスデューサの回
動を精度よく制御できる超音波プローブとその回動量検
出装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
本発明の構成は、一部または全部が体内に挿入される挿
入管部と、この挿入管部の体外側に設けられる操作部
と、前記挿入管部の体内側に設けられ音波を体内に出射
してこの出射による反射波を受けるトランスデューサ
と、前記トランスデューサを回動駆動する回動手段と、
この回動手段の回動を検知して前記回動手段の回動量を
制御する回転量検出制御部とを具備することを特徴とす
る超音波プローブ装置である。

【００１１】また、トランスデューサに離散的に設けら
れた位置指示手段と、前記トランスデューサの少なくと
も前記位置指示手段が通過する部位に光を照射する発光
部と、前記トランスデューサから反射してきた前記光を
受光して電気信号に変換する受光部と、前記受光部から
の前記電気信号に基づいて、前記トランスデューサの回
動を検知する検知部と、前記検知部の検知結果に基づい
て前記トランスデューサの回動を制御する制御部と、を
具備することを特徴とする請求項1 記載の超音波プロー
ブ装置である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図４を参酌しながら説明する。図１に、本発明の超
音波プローブ装置である超音波診断装置の構成の模式図
を示す。この超音波プローブ装置は、フレキシブルチュ
ーブからなる挿入管部１の一端側である手元側に操作部
２が設けられる。この操作部２には電源コード３の一端
が接続されており、電源コード３の他端部に設けられる
コネクタ部４は超音波診断装置本体５に電気的に接続さ
れる。挿入管部１の他端側には挿入端部６が設けられ
る。挿入端部６は、挿入管部１に連接される湾曲部７
と、音波と電気とを可逆的に変換するトランスデューサ
８とを備えた先端部８とから構成される。

【００１３】このような構成の超音波診断装置は、以下
の通り使用する。先端部８を被診察者の口腔から食道内
に投入して先端部８を食道内所定位置におき、先端部８
に設けられたトランスデューサから超音波を出射させ
る。この超音波が被診察者の臓器によって反射した反射
波を前記トランスデューサによって受信する。トランス
デューサにおいて前記反射波は電気信号に変換される。
この電気信号は挿入管部１を通りコネクタ部４を通過し
て超音波診断装置本体５に送出される。超音波診断装置
本体５は、この電気信号を解析して画像情報に変換し、
モニタに画像を映写する。診察者はこの画像を見て、実
際の診断を行う。

【００１４】図２(a) に、先端部８の断面図を示す。樹
脂モールド成形による筐体部１３の内面に向けて突接さ
れた回動軸に軸承されて設けられるプーリ１１の一端面
に圧電材料で構成されるトランスデューサ１２を配設す
る。トランスデューサ１２には図示せぬ電気配線が設け
られており、体外に電気信号が送信されるよう構成され
ている。電気配線を通じて印加される電圧に応じて圧電
材料が伸縮する。したがって、印加電圧を振動させるこ
とにより、トランスデューサ１２はその振幅に応じた振
動をし、この振動が音波を生じさせる。

【００１５】プーリ１１には、図示せぬ操作部と機械的
に連結されたワイヤ１４の一端が係止されており、操作
部においてワイヤ１４が掃引されることで、プーリ１１
が従動し、トランスデューサから出射する超音波の波面
プロファイルが回動するように構成されている。筐体部
１３のトランスデューサ１２に対向する部位は開口状態
に成形されている。トランスデューサ１２上面にシリコ
ンゴムなどを非球面状に成形した音響レンズ１０を貼付
する。筐体部１３の前記開口には、前記音響レンズ１０
が密閉されるよう、音響窓９が被せられる。音響窓９は
音響レンズ１０により収斂された超音波を減衰・ 発散す
ることがない様に適宜設計され、外部の異物が筐体部１
３内に進入しないように保護をする。プーリ１１には等
間隔に複数のパターンが印刷されてパターン帯１７が形
成されている。また、筐体部１３内面にはレーザ発光・
受光ユニット１６(Integrated Optical Unit:IOU) が固
着され、このＩＯＵ１６に接続される電気配線１８によ
りパターン帯１７の移動に応じた電気信号が体外へ送出
されている。

【００１６】図２(b) に示すＩＯＵ１６は、プーリ１１
に設けられたパターン帯１７に対してパターン１個の幅
ほどの大きさのスポットを形成するレーザ光Ｌを出射す
るレーザダイオード１９と、パターン帯１７から反射す
るレーザ光Ｌを受光して回折する回折格子２０と、この
回折格子２０で回折された光Ｌを検出するフォトダイオ
ード２１とで構成されており、フォトダイオード２１で
検知した光の情報はＩＯＵ１６内部に設けられるプリア
ンプ２２で増幅された後、電気配線１８を通じて、後述
するモータドライバに送出されるようになっている。フ
ォトダイオード２１に近い位置に配置するプリアンプ２
２で増幅しておくことで、配線途中で混入する電気雑音
の量を軽減し、体外に伸びる電気配線の中途で混入する
電気雑音の影響を軽減することが出来る。

【００１７】図３に、操作部２の模式図を示し、マニュ
アル操作における回動制御機構の説明をする。診察者が
トランスデューサ１２を回動させるための指示装置であ
る回転式のノブ３１には、その回動量を検知し電気信号
Ｘ１に変換して送出するノブ回動量検出器３２が設けら
れている。電気信号Ｘ１はモータドライバ３３に入力さ
れ、回動量に応じた電力Ｚを出力する。電力Ｚはモータ
３４に供給され、このモータ３４のスピンドルに軸支さ
れる駆動プーリ３５を回動させて、ワイヤ１４を駆動す
る。

【００１８】一方、モータドライバ３３にはＩＯＵ１６
から送出される電気信号Ｙを受信するための電気配線１
８が接続され、フォトダイオード２１で検出した反射光
の強度変化の回数からプーリ１１の回動角を解析する。
反射光はプーリ１１に設けられたパターン帯１７の各パ
ターンにより強弱がつけられるので、パターン同士の配
設の間隔とパターン帯１７の回動半径さえ把握しておけ
ば、反射光の強度変化の回数を用いて簡単にプーリ１１
の回動角が算出できる。電気信号Ｘ１による回動角度と
電気信号Ｙによる回動角度との差の分の駆動電力Ｚをモ
ータ３４に送出することで、回動量の制御を行ってい
る。

【００１９】このように、ノブ３１の入力を目標値と
し、ＩＯＵ１６からの入力を位置決め制御のための信号
として利用することにより、トランスデューサ１２の回
動量を精密にコントロールしている。モータドライバ３
３は、操作部２の小型化の観点から、超音波診断装置本
体５の内部に配設しても良い。

【００２０】図４に、操作部２および超音波診断装置本
体の模式図を示し、自動制御における回動制御機構の説
明をする。操作部２には診察者がトランスデューサ１２
を回動させるための指示装置である回転式のノブ３１
と、このノブ３１の回動量を検知し電気信号Ｘ１に変換
して送出するノブ回動量検出器３２が設けられている
が、自動制御の際には利用しない。

【００２１】診察者により自動制御が設定されると、超
音波診断装置本体５内に設けられた回動角制御装置３６
が、トランスデューサ１２の回動角を制御するための電
気信号Ｘ２を送出する。この電気信号Ｘ２はモータドラ
イバ３３に入力され、回動量に応じた電力Ｚを出力す
る。電力Ｚはモータ３４に供給され、このモータ３４の
スピンドルに軸支される駆動プーリ３５を回動させて、
ワイヤ１４を駆動する。

【００２２】一方、モータドライバ３３にはＩＯＵ１６
から送出される電気信号Ｙを受信するための電気配線１
８が接続され、フォトダイオード２１で検出した反射光
の強度変化の回数からプーリ１１の回動角を解析し、電
気信号Ｘ２による回動角度と電気信号Ｙによる回動角度
との差の分の駆動電力Ｚをモータ３４に送出すること
で、回動量の制御を行っている。

【００２３】具体的な駆動制御について、図２(a) と図
４、および図５に示す制御フロー図を用いて説明する。
診察者により超音波診断装置本体５に対して自動制御が
設定されると、まずトランスデューサ１２を走査開始位
置まで回動させる。続いて本体５内に設けられた回動角
制御装置３６が、ステップＳ１において回動角度を示す
目標値Ａを設定し、これを受けてステップＳ２におい
て、時間のパラメータｔがt=0 にリセットされる。目標
値Ａは電気信号Ｘ２としてモータドライバ３３に送出さ
れる。一方、ステップ３においてトランスデューサの回
動角を示す電気信号Ｙがモータドライバ３３に送出さ
れ、検出値Ｂとして入力される。

【００２４】ステップＳ４において、目標値A と検出値
Ｂとの差ｈの絶対値を演算し、この値と、予め設定して
ある許容誤差δとを比較する。差ｈの絶対値がδよりも
大きければステップＳ５に移行して時間t をt=0 にリセ
ットする。

【００２５】ステップＳ６において差ｈの正負の判断を
行う。差ｈが正のときはステップＳ７に移行し、モータ
３４を正転動作させる。一方、差ｈが負のときはステッ
プＳ８に移行し、モータ３４を逆転動作させる。モータ
ドライバ３３は再び電気信号Ｙを検出するために、ステ
ップＳ３へ回帰する。

【００２６】ステップＳ４において差ｈが許容誤差δよ
りも小さい場合にはステップＳ９に移行し、モータドラ
イバ３３からの電力Ｚの送出を停止し、モータを停止さ
せる。制御に要する時間を判定時間T と設定していると
き、判定時間Ｔの間は制御動作を続行していなくてはな
らない場合もある。このような場合にはタイムウェイト
をかけるため、ステップＳ１０に移行し、時間ｔと判定
時間Ｔとの比較を行う。時間ｔが判定時間T よりも短い
ときは、ステップＳ３の制御に戻る。再びステップＳ１
０に戻ったとき、時間ｔが判定時間T よりも大きいとき
は、位置決め動作を終了する。このとき、モータドライ
バ３３から位置決め動作が終了したことを示す電気信号
Ｘ３が回転角制御装置３６に送出されることで、一回分
の位置決め動作が終了する。

【００２７】位置決め動作が終了したことを受け、回転
角制御装置３６が本体５に画像情報を取り込む準備が終
わったことを示すトリガ信号を発信し、これを受けてト
ランスデューサ１２から超音波が出射される。トランス
デューサ１２から信号が戻ったことを受けて本体５がこ
の信号を画像情報化する。これと同時に回転角制御装置
に位置決めを開始することを示すトリガ信号を送信し、
次の位置決め動作を開始する。

【００２８】このようにして、各回動位置における画像
情報を取得した本体５は、各画像情報を統合して３次元
画像情報を生成して、これをモニタに表示する。本発明
では、希望によりパターン帯１７を構成するパターンの
幅を狭くしたり、密度を上げたりすることで回動角検出
の精度が向上する。これに伴い、ＩＯＵ１６から出射す
るレーザ光のスポットも小さくしていく必要がある場合
もある。この時は、ＩＯＵ１６から出射する光を集光す
るレンズを設けることが好ましい。

【００２９】また、上記実施の形態ではパターンとし
て、プーリと印刷物との反射率の違いを利用したが、凹
凸形状のパターンを形成して、反射光の位相差を検出す
る方法もある。位相差が変化した回数を検出して回動角
の算出に利用する。

【００３０】また、上記実施の形態ではＩＯＵ１６にホ
ログラムを実装した例を示したが、レーザダイオードか
ら出射させた光を第１の結像レンズを通してパターン帯
１７に相当する部位の接線方向に対して斜めに入射さ
せ、これによる反射光を第２の結像レンズを通して光検
出器に結像させてＩＯＵ１６と同様の効果を得ることに
より、回動角算出に利用することも可能である。回折格
子が省略できるので、構成を簡素にすることが出来る。
ビームの拡がり角が検出の可否の問題にならない場合
は、第１・第２の結像レンズを適宜省略することも可能
であり、さらに構成を簡素にすることが出来る。

【００３１】本発明の超音波プローブにおいては、回動
角検出系に磁気による検出機構でなく、光による検出機
構を用いたので、ＭＲＩ( 磁気共鳴イメージング装置)
などに代表される高磁場を発生する医療装置内において
も、さほど磁気の影響を受けることもなく使用すること
が可能になる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の超音波プ
ローブ装置及びその回転量制御装置を用いることによ
り、所望位置の正確な断面画像が得られるとともに、臓
器の正確な３次元画像を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波診断装置の模式図。

【図２】本発明の超音波診断装置の先端部の断面図。

【図３】本発明のマニュアル操作時の回動制御機構の模
式図。

【図４】本発明の自動制御時の回動制御機構の模式図。

【図５】本発明の自動制御時の回動制御フロー図。

【図６】一般的な超音波診断装置の先端部の模式図。

【図７】一般的なトランスデューサの回動機構の模式
図。

【符号の説明】

１…挿入管部、２…操作部、３…電源コード、４…コネ
クタ部、５…超音波診断装置本体( 本体) 、６…挿入端
部、７…湾曲部、８…先端部、９…音響窓、１０…音響
レンズ、１１…プーリ( 従動プーリ) 、１２…トランス
デューサ、１３…筐体部、１４…ワイヤ、１６…ＩＯ
Ｕ、１７…パターン帯、１８…電気配線、１９…レーザ
ダイオード、２０…回折格子、２１…光検出器( フォト
ダイオード)、２２…プリアンプ、３１…ノブ、３２…
回転角検出器、３３…モータドライバ、３４…モータ、
３５…駆動プーリ、３６…回動角制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一部または全部が体内に挿入される挿入
   管部と、この挿入管部の体外側に設けられる操作部と、
   前記挿入管部の体内側に設けられ音波を体内に出射して
   この出射による反射波を受けるトランスデューサと、前
   記トランスデューサを回動駆動する回動手段と、この回
   動手段の回動を検知して前記回動手段の回動量を制御す
   る回転量検出制御部とを具備することを特徴とする超音
   波プローブ装置。
2. 【請求項２】 トランスデューサに離散的に設けられた
   位置指示手段と、前記トランスデューサの少なくとも前
   記位置指示手段が通過する部位に光を照射する発光部
   と、前記トランスデューサから反射してきた前記光を受
   光して電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの
   前記電気信号に基づいて、前記トランスデューサの回動
   を検知する検知部と、前記検知部の検知結果に基づいて
   前記トランスデューサの回動を制御する制御部と、を具
   備することを特徴とする請求項1 記載の超音波プローブ
   装置。