JPS58118740A - 超音波探触子のスキヤナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波診断装置における探触子のスキャナ、特
に探触子を被検体に接触させつつ走査するコンタクト・
コンパウンド・スキャン方式のスキャナを改良し自動化
したものに関する。

近年超音波を利用して診断を行う超音波診断装置が広く
用いられている。この超音波診断装置は、体内の組織や
臓器が異なる音響的特性を有することを利用して層る。

すなわち、超音波をごく短時間だけ体内に放射させると
、超音波が人体組織の中を伝搬する途中で異なった組織
の境界から一部分が反射して返ってくる。超音波が体内
を伝搬するのに時間が掛かるから、超音波の発射点に近
い所からの反射波は早く、遠い所からの反射波は遅れて
返ってくる。超音波パルスの放射は一定周期でくシ返さ
れるが、超音波は波長が短いので、一方向へ集中して放
射することができ、このように、超音波パルスが体内を
伝搬する途中で次々と発生する反射エコーを検出し、ブ
ラウン管などに表示させれば、体内組織の音響的特性の
分布を表示させることができる。その際、健全々組織と
腫瘍組織等は音響的特性が異々るので、ブラウン管上に
表示されたパターンから、組織内に存在する異常の有無
およびその位置を知ることができる。

このような超音波診断装置において、超音波ビームの送
受波は超音波探触子により行われており、このよう々探
触子を被検体の被検部位に沿って接触移動させつつ被検
部位の診断像を得ようとする場合、探触子を機械的に移
動走査するスキャナが必要となる。

第１図には、探触子を被検部位に接触させつつ移動走査
するコンタクト・コンパウンド・スキャン方式の従来の
スキャナが示されている。このスキャナは、一端が関節
１０によシ回動自在に固定された第１のアーム１２の他
端に第２のアーム］４の一端を関節１６により回動自在
に取り付け、更にこの第２のアーム１４の他端に超音波
探触子１８を関節］９により回動自在に取シ付けたもの
である。

しかし、このような従来のスキャナは、操作者が探触子
１８をつかみ探触子を被検体の被検部位に接触させつつ
移動走査するマニュアル型のものであったため、第１に
、検査時間が長くなると操作者に大きな疲労を与えるこ
と、第２に、操作者のスキャンテクニックにより得られ
る診断像の質に大きな差が生ずること、等の問題があシ
、その改良が望まれて因だ。

本発明はこのような従来の課題に鑑みなされたもので、
その目的は探触子を被検体の被検部位に接触させつつ移
動走査する探触子のコンタクト・コンパウンド・スキャ
ンを自動化して、操作渚の疲労を少なくするとともに、
操作渚のスキャンテクニックにかかわりなく、常に一定
画質の診断像を得ることができる超音波診断装置におけ
る超音波探触子のスキャナを提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は超音波ビームの送受
波により被検体の断層面の診断画像を得る超音波診断装
置において、被検体に向は超音波ビームを送受波する超
音波探触子と、この超音波探触子を被検体の所望被検部
位に一定の接触圧力で接触させつつ所定の走査速度で走
査する走査機構と、を含み、この走査機構は被検体に対
向して設けられ前記超音波探触子が回動自在に取シ付け
られた移動アームと、この移動アームを被検体の所望被
検部位に沿って移動する第１の駆動部と、この移動アー
ムを被検体の体表面方向に移動する第２の駆動部と、超
音波探触子の移動アームに対する回転角を制御する第３
の駆動部と、超音波探触子に設けられ超音波探触子の被
検体表面への接触圧力を検出する圧力センサと、超音波
探触子に設けられ超音波探触子の被検体表面に対する傾
きを検出する角度センサと、を有し、前記各駆動部から
得られる超音波探触子の走査位１ｆ？ｉテータ、超音波
探触子の回転角速度および前記各センサの検出データに
基づき前記第１な（ｆ１シ第３の駆動部を制御して超音
波探触子の被検体表面に対する傾きおよび接触圧力を制
御しつつ超音波探触子を被検体表面に沿（／−１一定の
走査速度で自動的に走査することを特徴とする。

次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。

第２図には、本発明の好適な実施例が示されて（／−す
る。

実施例において、被検体２０と対向する位置には、固定
アーム２２が水平に固定されている。この固定アーム２
２は通常その位置が固定されているが、診断を開始する
前に被検体２０の体形や被検部位の位置に応じてその位
置が調整される。

この固定アーム２２には、固定アーム２２の軸方向すな
わち水平方向（以後Ｘ軸方向と記す）と、被検体２０の
体表面方向、すなわち垂直方向（以後Ｙ軸方向と記す）
に移動自在な移動アーム２４が取りイー１けら１１でい
る。そして、この移動アーｌ、２４　ｉＪ図示しない十
−夕等により形成された第１の駆動部によりＸ軸方向に
移動さノ１、第２の駆動部によりＹ輔り向に移動さｉ′
＋る。

そ１−７で、この移動アー１−２４の先端にｄ１１検体
に向け、にイ音波ビームを送受波する超音波探触子２６
が回動自在に固定き才１てお炒、その移動アーＡ　２　
／Ｉに交１する回転角１図示しな因モ・−夕により形成
され／杜第３の駆動部により制御される。

超）イ彼診断装買はこの超音波探触子２６による被検体
に向けた超音波ヒーｌ、の送受波により被検体の被検部
イＮ’Ｈにおける断層像を得るが、この断層像を得るた
めには、探触子２Ｇの先端イ〜ン買の情報が必璧となる
０、このため、前述した各、駆動部にｄ移動量を検出す
る光学的エンコーダが組み込１れており、各エンコーダ
の検出する移動量をＸ方向とＹ方向の２力向成分に分け
、これらを加ｐして探触子２Ｇの先端位置を求めて（、
−する。

ところで、良好な超音波断層画像を得るために回、探触
子２６を体表面に対しで垂面に保ちつつ走査する必要が
ある。これは探触子２６の超音波送受波面２６ａが体表
面と良好に接触し被検体に向けた超音波ビームの送受波
が良好に行われるからである。

探触子２６の体表面に対する傾きを垂直に保てなくなる
原因としては、次の２つの原因が挙げられる。

第１に、探触子２６が体表面上を走査される際、体表面
との間に生ずる摩擦力によシ引っ張られて傾く。

第２に、体表面の傾斜が変化することにょシ、探触子２
６の体表面に対する傾きが変化する。

本実施例において、前記第１の原因による傾きは、探触
子２６の傾きをウオームギヤを介して制御することによ
り防止して層る。すなわち、第３図に示すように、探触
子２６の傾きを制御する第３の駆動部としてのモータ３
０の回転をウオームギヤ３２を介して探触子２６に伝達
し、探触子２６の傾きを制御することによシ、探触子２
６の傾きは体表面との間に生ずる摩擦力にかかわシなく
、常にモータ３０によシ設定された角度に制御されるこ
とになる。

また前記第２の原因による傾きの変化に対しては、探触
子２６の体表面に対する傾き変化を角度センサで検出し
、この検出データを基にして探触子２６の体表面に対す
る傾きをサーボコントロールしている。

実施例にお因ては、探触子２６の傾き制御を容易に行う
ため、第４図に示すように、超音波送受波面が凸型円弧
状に形成されたセクタスキャン用探触子を用いている。

このような探触子２６では、送受波面２６ａが体表面と
接している場合に常に送受波面２６ａの法線が体表面に
対し垂直になるため、その接点を介して良好な超音波ビ
ームの送受波が行える。従って、送受波面２６ａが常に
体表面に接するよう探触子２６の傾きを制御すれば足シ
るので、傾きのサーボコントロールを余裕をもって行う
ことができる。

また実施例においては、探触子２６の体表面に対する傾
きを検出する角度センサとして探触子２６の送受波面２
６ａ両端に、第４図に示すように、・一対のマイクロス
イッチ３ｚｌａ、、３／Ｉｂを設けている。これらマイ
クロスイッチ３７Ｉａ、３４ｂｉ、を送受波面２６．ｌ
が体表面から餌１れる角度捷で探触子２６が傾いた場合
に体表面に接し、オンされる。

そして、これらマイクロス・ｆノチ：３４ａ、３４ｂの
いずれか一方がオンされると、その検出信号ｄ第５図に
示すように、探触子回転制御回路３６に入力され、ザー
ボアンゾ３８を介して第３の、駆動部としてのモータ３
０を駆動し、探触子２６の傾きＣ２探触子２６の中心１
０１が体表面に垂面になる角度址で修１１−１される。

ここにおいて、探触子回転制御回路３６ｕ、回転信号発
生器；３６ａと、カウンタ３６１）とから成り、回転伯
号発牛器３６ａはマイクロスイッチ３４ａ。

３４１）のいずれか一方から１頃きの検出信号が入力さ
れると同時に、モータ３０に探触子２６の傾き修正動作
を開始させ、カウンタ３６１）は探触子２６の回転中心
に取り刊けられ／ζロータリエンコーダ４０の出力する
パノｔスをカウントシ、カウントアツブした時点でモー
タ停止信号を出力し、前述した傾き修正動作を終了させ
る。探触子２６の傾き修正動作を開始してから探触子２
６の中心軸が体表面に垂直になるように制御するまでの
修正角度は常にほぼ一定であるため、カウンタ３６ｂは
この修正角度に対応したパルスをカウントした時点でカ
ウントアツプするよう設定されている。

また本実施例においては、探触子２６と体表面との摩擦
等により発生する負荷の変動にかかわシなくモータ３０
の回転数を常に設定値に制御するため、モータ３０の回
転数をタコジェネレータ４２で検出し、サーボアンプ３
８でモータ３０の回転数を設定値にサーボコントロール
している。

ところで、良好々超音波診断画像を得るだめには、前述
した探触子２６の傾き制御のほかに探触子２６の体表面
に対する走査速度を所定の設定速度に制御する必要があ
る。

ここにおいて、探触子２６０体表面に対する走査速度は
、第５図に示すように、探触子２６の回１ｌｊｌ、角を
ｉｌｉ制御する第３の駆動部としてのモータ３０、移動
アーム２４をＸ方向に移動する第］の１駆動部としての
モータ５０．移動アーム２４をＹ方向に移動する第２の
、駆動部としてのモータ５２により制御することができ
る。ところが、本実施例においては、探触子回転用のモ
ータ３０は探触子２６の傾き制御のために走査速度制御
に優先して行われるので、とのモータ３０は単に走査速
度を変動させる要因として測定対象になるに過ぎない。

従って、本実施例において、探触子２６の走査速度はモ
ータ５０，５２により制御される。

ところで、第６図に示すように、探触子２６の回転軸座
標位置を（Ｘ、Ｙ）、探触子２６の先端座標位置を（”
、ｙ）、探触子２６のＸ軸方向に対する傾き角をθ、探
触子２６の長さをＲとすると、これらの間には、次式で
表わされる関係がある。

ｘ　＝　Ｘ　＋　Ｒｃｏｓθ　　　　　　　　　　　　
　　・（１）ｙ　＝　Ｙ　＋　Ｒ５１ｎθ　　　　　　
　　　　　　　　−（２）そして、探触子２６の体表面
に対する走査速度の目標値を第７図に示すように、■に
設定すると、この目標値ＶのＸ、Ｙ方向成分（ＶＺ　、
　Ｖｙ　）は、ｖｘ　＝Ｖｃｏｓ（θ−）　−Ｖｓｉｎ
θ　　　　　　　　・（３）Ｖｙ二ｖｓｉｎ　（ト２　
）＝−咄θ ・・・（４） で表わされる。

また探触子２６の体表面に対する走査速度Ｖχ。

■、は前記第（ＩＬ（２）式を微分しても求めることか
できる。すなわち、 Ｘ で表わすことができる。ここにおいて、ｖＸ＝−２ｔ そして、前記第（３）　、　（４）　、　（５）　、　
（６）式から、■よ、Ｖｙを消去して探触子回転軸にお
けるＸ、Ｙ方向への移動速度ＶＸ　、　Ｖｙを求めると
、 ＶＸ＝　（ｖ　＋　Ｒω）　ｓｍθ　　　　　　　　　
、（７）Ｖｙ　＝−（ｖ　＋　Ｒω）房θ　　　　　　
　　・（８）となる。従って、探触子２６の体表面に対
する走査速度を目標値Ｖに制御するためには、モータ５
０を動作させ移動アーム２４をＸ方向にＶＸの速度で移
動させ、これと同時にモータ５２を動作させ移動アーム
２４をＹ方向にＶｙの速度で移動させればよい。

しかし、この走査速度Ｖは探触子２６の体表面に対する
圧力変化の影響を考慮していない。良好な超音波断層画
像を得るためには、前述した傾き制御および走査速度制
御と同時に探触子２６の体表面に対する圧力を所定の設
定値に制御する必要がある。

探触子２６の体表面に対する圧力Ｐは、フックの法則か
ら探触子２６によシ押されて生ずる体表面の変位に比例
する関数として表現できる。この体表面における変位は
探触子２６を体表面に沿って走査することにより生ずる
ものである。このため、前述した第（７）、（８）式で
与えられる各モータ５０゜５２の走査速度の目標値ＶＸ
、　Ｖｙにその時の圧力Ｐに応じた補正速度を加えてや
る必要があり、このようにすることにしム探触子２６０
体表面に対する圧力Ｐを任意にコントロールすることが
できる。

ここにお因で、圧力Ｐをコントロールするために加えら
れる補正速度をΔＶとすると、この補正速度Δ■のベク
トル方向は、第８図に示すように、体表面に垂直々方向
すなわち探触子２６の軸方向となる。補正速度ΔＶは圧
力Ｐを変化させる方向に加えるものであるからである。

そして、良好な超音波断層画像を得るために必要な圧力
の標準値をＰ。とすると、圧力Ｐが標準値■もより小さ
い場合には、第８図のΔＶベクトル方向に向けた補正速
度ΔＶが加えられ、圧力Ｐが標準値Ｐｏより大きい場合
には、第８図のΔ■ベク）・段方向と反対方向に向けた
補正速度が加えられる。

ここにおいて、探触子２６の体表面に対する圧力がＰで
あるとき、この圧力Ｐを一定時間Δを秒後に標準値札に
補正するために加えられる補正速度をΔｖ１弾性係数を
Ｋとすると、圧力Ｐと補正速度ΔＶとの間に（ハ、フッ
クの法則によシ、几　−Ｐ　：＝　Ｋ　（ΔＶ　、　Δ
ｔ）　　　　　　　　　　・・・（９）の関係がある。

従って２、補正速度Δ■は、 Δｖ＝−（Ｐ、−Ｐ）−Ａ（Ｐｏ−Ｐ）　　　＝・Ｑｏ
）Ｋ、Δｔ となる。ただし、八−え。７□　。

そして、この第００）式から得られる補正速度ΔＶをＸ
、Ｙの方向成分ΔＶＺ　、Δ■、に分解すると、ΔＶＺ
−Δｖ　ｃｏｓθ−Ａ（Ｐｏ−Ｐ）ｃｏＳθ　　　　　
＝−（１１）ΔＶｙ＝ΔＶ　ｓｉｎθ−Ａ　（Ｐｏ−Ｐ
　）ｓｉｎθ　　　　　−＝　０２となる。

従って、前記第（７）　、　（８）式で与えられる移動
アーム２４の走査速度ＶＸ、ＶＹに前述した圧力変化の
影響を考慮した前記第α０，０り式で与えられる補正値
を加算した移動アーム２４の走査速度は次式で与えられ
る。

ｖＸ−（■十Ｒω）ｓｉｎＯ十八（へｏ”　）　ｃｏｓ
θ　　　・・０３Ｖｙ　−（ｖ＋Ｒω）ｃｏｓθ＋Ａ（
Ｐｏ−Ｐ）ｓｉｎθ　　　・・α→尚、この補正を行っ
た場合にお込でも、補正は単にプローブの軸方向にのみ
関係し、体表面の接線方向の速度には変化がないので、
速度補正による画質の低下はない。

ところで、前述した第α■、α４）式において、探触子
２６の体表面に対する目標走査速度■、探触子２６の長
さＲ１定数Ａ１圧力の標準値Ｐ。は既知であるが、探触
子２６の回転角θ、回転角速度ω、体表面に対する圧力
は随時変化する変数である。

従って、これら第α■、０４）式に示す速度にモータ５
０゜５２を制御するためには、これら変数θ、ω、Ｐを
検出する必要がある。

本実施例においては、探触子２６の回転角θの検出を探
触子２６の回転中心に取シ付けられて−るロータリエン
コーダ４０を用いて行め、回転角速度ωの検出をモータ
３０に取シ付けられてめるタコジェネレータ４２を用−
て行っている。更ニ探触子２６の体表面に対する圧力Ｐ
の検出は、探触子２６に設けた圧力センサ５４を用−て
行っている。

第９図には、本実施例の圧力センサ５４が示されておシ
、探触子２６の先端にオイルを封入した薄膜の袋５４ａ
を取り付け、この袋５４．　ａ内の圧力検出を探触子２
６の側面に設けた圧力センサ５４で検出する構造と々っ
ている。ここにおいて、オイルを封入した薄膜の袋５４
ａは超音波ビームをよく透過するので、送受波面２６ａ
からの超音波ビームの送受波には悪影響はな−。なお圧
力Ｐを検出する方法として、他に圧力センサ５４を移動
アーム２４の支持部に取り付ける方法も考えられるが、
摩擦や探触子２６、移動アーム２４の質量の影響を打ち
消すのが難し−ため好丑しくな−。

このようにして、ロータリエンコーダ４０、タコジェネ
レータ４２、圧力センサ５４で検出された各検出データ
は、第５図に示すように、速度目標値計算回路５６に入
力される。そして、この速度目標値計算回路５６は、入
力される各検出データを基にして前記第０３　、　（１
４）式に示す演算を行い、移動アーム２４のＸ方向への
移動速度が第００式に基づく演算値ＶＸと々るようサー
ボアンプ５８を介してモータ５０を駆動し、これと同時
に、移動ア−ム２４のＹ方向への移動速度が第０４）式
に基づく演算値Ｖｙとなるようにサーボアンプ６０を介
してモータ５２を駆動する。

なお負荷の変動にかかわシなく、各モータ５０゜５２の
回転数を常に設定値に制御するため、モータ５０，５２
の回転数をタコジェネレータ６２゜６４で検出し、サー
ボアンプ５８．６０でモータ５０．５２の回転数を設定
値にサーボコントロールしている。

第１０図には、前述した速度目標値計算回路５６の詳細
な回路が示されている。この回路は加算器と掛算器とを
用い、前記第α■、α４）式をそのまま電気回路におき
かえたものである。なおｓｉｎθと弼θの値はロータリ
エンコーダ４０の出力から直接得ることができない。こ
のため、ｓｔｎθ、μｓθに関しては、Ｒ，０Ｍ内に予
め廁θ、ｃｏｓθの値を書き込んでおき、この書き込ま
れた値をロータリエンコーダ４０の出力パルスをカウン
トして作ったアドレス信号で読み出し、Ｄ−Ａ変換する
方法が採られている。

以上説明したように、本発明に係る探触子のスキャナは
、探触子を被検体の体表面に対し所定の傾きに制御しか
つ探触子の被検体表面に対する接触圧力を所定設定値に
制御しつつ、探触子を被検体表面に沿って所定設定速度
で自動的に走査できるため、探触子を被検体の被検部位
に接触させつつ移動走査する探触子のコンタクト・コン
パウンド・スキャンを一定のスキャンテクニックを維持
しつつ自動的に行うことができる。その結果、被検体の
診断時間が長くなっても操作者の疲労を少なくすること
ができ、しかも、操作者のスキャンテクニックにかかわ
シなく常に一定画質の診断画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波探触子のスキャナの説明図、 第２図は本発明に係る超音波探触子のスキャナの好適な
実施例を示す説明図、 第３図は探触子の体表面に対する傾きを修正する回路ブ
ロックの説明図、 第４図は第２図に示す実施例に用いられている探触子の
説明図、 第５図は第２図に示す実施例の回路ブロック全体の説明
図、 第６図ないし第８図は探触子の座標、速度ベクトルおよ
び圧力に関する補正を示す説明図、第９図は探触子の圧
力センサの説明図、第１０図は第５図に示す速度目標値
計算回路の詳細なブロック図である。 ２０・・被検体 ２４・・移動アーム ２６・・超音波探触子 ３０・第３の駆動部としてのモータ ３４ａ、３４ｂ・・・角度センサとしてのマイクロスイ
ッチ ５０・・・第１の駆動部としてのモータ５２・・・第２
の駆動部としてのモータ５４・・・圧力センサ。 特許出願人　　アロカ株式会社 第１図 ６ 第５図 −２４１− 第６図 ■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波ビームの送受波によシ被検体の断層面の診
   断画像を得る超音波診断装置において、被検体に向は超
   音波ビームを送受波する超音波探触子と、この超音波探
   触子を被検体の所望被検部位に一定の接触圧力で接触さ
   せつつ所定の走査速度で走査する走査機構と、を含み、
   この走査機構は被検体に対向して設けられ前記超音波探
   触子が回動自在に取シ付けられた移動アームと、この移
   動アームを被検体の所望被検部位に沿って移動する第１
   の駆動部と、この移動アームを被検体の体表面方向に移
   動する第２の駆動部と、超音波探触子の移動アームに対
   する回転角を制御する第３の駆動部と、超音波探触子に
   設けられ超音波探触子の被検体表面への接触圧力を検出
   する圧力センサと、超音波探触子に設けられ超音波探触
   子の被検体表面に対する傾きを検出する角度センサと、
   を有し、前記各駆動部から得られる超音波探触子の走査
   位置データ、超音波探触子の回転角速度および前記各セ
   ンサの検出データに基づき前記第１ないし第３の駆動部
   を制御して超音波探触子の被検体表面に対する傾きおよ
   び感触圧力を制御しつつ超音波探触子を被検体表面に沿
   い一定の走査速度で自動的に走査することを特徴とする
   超音波探触子のスキャナ。