WO2018037607A1

WO2018037607A1 - 超音波診断装置

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Publication number: WO2018037607A1
Application number: PCT/JP2017/011495
Authority: WO
Inventors: 航澤田; 和也元木; 渡辺　徹
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US20190183459A1; JP6203919B1; JP2018029747A

Abstract

プローブ１２は、保護層５０、音響整合層５２、振動子アレイ２０、バッキング材５４、中継基板５６、及びＩＣ２２が積層された積層ブロック２４を含む。積層ブロック２４の側面に温度センサユニット２６が設けられる。温度センサユニット２６は、積層ブロック２４の側面の前側（送受波面側）縁近傍において、当該前側縁に沿って伸長するように設けられる金属膜６０、及び金属膜６０の温度を検出するサーミスタ６２が設けられる。金属膜６０は、プローブ１２の送受波面において温度勾配が生じる方向にサーミスタ６２の温度検出領域を拡大する検出領域拡大機能を発揮する。また、金属膜６０は、プローブ１２の送受波面の熱を拡散させる熱拡散機能も発揮する。

Description

超音波診断装置

　本発明は、超音波診断装置及び超音波プローブに関し、特に、超音波送受波面の表面の温度を管理するための技術に関する。

　超音波診断装置は、被検体に対して超音波を送受波し、これにより得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する装置である。超音波診断装置は、超音波を送受波する超音波プローブを備えている。超音波プローブには、複数の振動素子から構成され超音波を送受波する振動子アレイ、及び振動子アレイへ送信信号を供給あるいは振動子アレイからの受信信号を処理するための電子回路などが設けられる。電子回路は、超音波プローブと装置本体とを接続するケーブルに含まれる配線の本数を低減させるためのチャンネルリダクション処理などのために設けられる。振動子アレイ及び電子回路が動作することでこれらにおいて発熱が生じる。

　超音波プローブは被検体に当接されて用いられるものであるため、超音波プローブから発生する熱により被検体が侵襲を受けないよう、超音波が送受波され被検体と接触される面（以下「送受波面」と記載する）の温度を適切に管理する必要がある。送受波面の温度については規定が設けられており、例えば、ＩＥＣ（International　Electrotechnical　Commission）においては、送受波面の温度が正常使用状態で４３℃を超えてはならない、と規定されている。

　従来から、超音波プローブに温度センサを設けることで、送受波面の温度を管理することが行われている。

　例えば、特許文献１には、振動子アレイ、主熱源である電子回路、振動子アレイと電子回路の間に設けられる中継基板を含む超音波プローブにおいて、主熱源である電子回路近傍である中継基板に温度センサを配置し、当該温度センサの検出温度と、超音波の送受波条件とに基づいて、送受波面の温度を推定する超音波診断装置が開示されている。また、特許文献２には、振動子アレイの後側（被検体との接触面とは反対側）に設けられたバッキング材に２つの温度センサを埋め込み、当該２つの温度センサの検出温度に基づいて送受波面の温度を算出する超音波診断装置が開示されている。

特許第５７７１２９４号公報特許第５０９９６８１号公報

　送受波面における各位置の温度が一定とならない場合、つまり送受波面において温度勾配が生じる場合がある。例えば、送受波面の中央部の方がその端部に比して放熱性が低くなっている場合があり、このような場合は、中央部の方が端部よりも温度が高くなる。あるいは、ドプラ検査を行う場合など、超音波プローブに設けられた振動子アレイのうち一部の振動素子から超音波が送波される場合があり、このような場合、送受波面のうち送信のために用いられた振動素子近傍の温度が特に上昇する。送受波面において温度勾配が生じた場合、送受波面のうちの最大温度が規定の温度を超えないようにする必要がある。

　従来のように、送受波面から比較的離れた位置に温度センサを設け、当該温度センサの検出温度により送受波面の温度を推定する方法では、送受波面において温度勾配が生じた場合、送受波面における最大温度を推定することが難しかった。

　なお、送受波面の温度を検出するには、送受波面に温度センサを設けることが考えられる。特に、送受波面に複数の温度センサを設ければ、送受波面において温度勾配があったとしても送受波面における最大温度も検出し得る。しかし、送受波面に温度センサを配置すると超音波の送受波性能に影響するおそれがあるため、送受波面に温度センサを設けるのは適切ではない。

　本発明の目的は、超音波プローブの送受波面において温度勾配が生じる場合であっても、送受波面における最大温度を高精度に推定することにある。

　本発明に係る超音波診断装置は、超音波を送受波する振動子アレイ、前記超音波の送受波面と前記振動子アレイとの間に設けられる音響整合層、及びバッキング層を含む積層体と、前記積層体の少なくとも１つの側面に設けられた温度検出ユニットと、を有する超音波プローブと、前記温度検出ユニットが検出した検出温度に基づいて、前記送受波面の表面温度を推定する温度推定部と、を備え、前記温度検出ユニットは、前記積層体からの熱を受ける熱伝導部材であって、前記側面の前記送受波面側の縁近傍に配置され、前記縁に沿って伸長する形状を有する熱伝導部材と、前記熱伝導部材の温度を検出する温度センサと、を含む。望ましくは、前記熱伝導部材は、前記温度センサの温度検出領域を拡大する検出領域拡大機能、及び、前記送受波面の熱を拡散させる熱拡散機能を発揮する。

　上記構成によれば、熱伝導部材は、積層体の側面の送受波面側の縁近傍に配置される。つまり、送受波面近傍に配置される。これにより、送受波面の熱が積層体を介して熱伝導部材に伝わり、伝わった熱が温度センサにより検出される。熱伝導部材は、積層体の側面における送受波面側の縁に沿って伸長しているから、送受波面において温度勾配があったとしても、送受波面における最大温度位置から熱伝導部材に熱が伝わり、その熱を温度センサが検出することができる。これにより、送受波面において最大温度位置が変化したとしても、温度センサは送受波面における最大温度を好適に検出することができる。このように、熱伝導部材は、温度センサの温度検出領域を拡大する検出領域拡大機能を有する。また、熱伝導部材は、送受波面の熱を拡散する熱拡散機能も発揮する。熱拡散機能により、送受波面の温度を低下させることができる。

　望ましくは、前記熱伝導部材は、前記縁に沿った方向に帯状に伸長する。

　熱拡散機能の観点からは、熱伝導部材の面積を広げた方が有利だと考えられるが、そのようにすると、送受波面から離れた位置に設置された熱源からの熱を熱伝導部材が送受波面側に伝えてしまうことにもなりかねない。したがって、熱伝導部材の形状を積層体の側面の送受波面側の縁に沿った帯形状とする、つまり熱源から熱伝導部材までの距離を比較的大きく保つことで、熱源からの熱が送受波面側に伝わることを抑制しつつ、熱伝導部材に検出領域拡大機能を発揮させることができる。なお、熱伝導部材が帯形状であったとしても、積層体の側面の送受波面側の縁に沿った方向に熱を拡散させる熱拡散機能も発揮し得る。

　望ましくは、前記側面の前記送受波面側の縁は湾曲しており、前記熱伝導部材の少なくとも前記送受波面側の端部は、前記側面の前記送受波面側の縁に沿った湾曲形状を有している。

　超音波プローブがコンベックス型である場合、積層体の側面の送受波面側の縁が湾曲している。それに応じて熱伝導部材の送受波面側の端部が湾曲形状を有することにより、全体として送受波面と熱伝導部材との間の距離をより低減でき、これにより熱伝導部材が送受波面からの熱を積層体を介してより好適に受けることができる。

　望ましくは、前記熱伝導部材は金属膜で形成される。また、望ましくは、前記温度検出ユニットは、前記熱伝導部材に接続された基板であって、前記熱伝導部材からの熱を前記温度センサに伝導させるための熱伝導経路を含む基板、をさらに備え、前記温度センサは前記基板に設けられる。

　また、本発明に係る超音波プローブは、超音波を送受波する振動子アレイ、前記超音波の送受波面と前記振動子アレイとの間に設けられる音響整合層、及びバッキング層を含む積層体と、前記積層体の少なくとも１つの側面に設けられた温度検出ユニットと、を備え、前記温度検出ユニットは、前記積層体からの熱を受ける熱伝導部材であって、前記側面の前記送受波面側の縁近傍に配置され、前記縁に沿って伸長する形状を有する熱伝導部材と、前記熱伝導部材の温度を検出する温度センサと、を含む。

　本発明によれば、超音波プローブの送受波面において温度勾配が生じる場合であっても、送受波面における最大温度を高精度に推定することができる。

本実施形態に係る超音波診断装置の構成概略図である。熱回路網を示す図である。第１実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの斜視図である。第１実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの分解斜視図である。第１実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの側面図である。第１実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの断面図である。本実施形態に係る積層ブロック２４の側面図である。第１実施形態における、各最大温度位置におけるサーミスタの検出温度を示す図である。本実施形態と同じ位置にサーミスタ６２を設けたが、金属膜６０を設けなかった場合における積層ブロック２４の側面図である。金属膜を用いなかった場合における、各最大温度位置におけるサーミスタの検出温度を示す図である。金属膜６０を設けずに、サーミスタ６２を中継基板５６に設けた場合における積層ブロック２４の側面図である。中継基板にサーミスタを設けた場合における、各最大温度位置におけるサーミスタの検出温度を示す図である。第２実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの斜視図である。第２実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの分解斜視図である。第２実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの側面図である。第２実施形態における積層ブロック及び温度センサユニットの断面図である。

　以下、本発明に係る超音波診断装置の実施形態について説明する。

　＜第１実施形態＞
　図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１０の構成概略図である。超音波診断装置１０は、一般に、病院などの医療機関に設置され、生体に対して超音波診断を実行する医療上の機器である。超音波診断装置１０は、超音波を送受波する超音波プローブとしてのプローブ１２と装置本体１４とを含んで構成される。

　プローブ１２は、被検体表面に当接され超音波の送受波を行う超音波プローブである。プローブ１２は、ケーブルあるいは無線により装置本体１４と通信可能に接続される。本実施形態においては、プローブ１２はコンベックス型のプローブであるが、プローブ１２はその他のタイプのプローブであってもよい。

　振動子アレイ２０は、１次元又は２次元に配列された複数の振動素子から構成される。各振動素子は、例えばＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）などのセラミックスやＰＭＴ－ＰＴ（マグネシウムニオブ酸鉛・チタン酸鉛固溶体）などの単結晶からなる。それぞれの振動素子に装置本体１４からＩＣ２２を介して駆動信号が供給されると、各振動素子が振動して超音波ビームが送信される。また、各振動素子は被検体から反射してくる反射エコーを受信する。振動子アレイ２０は、受信した反射エコーに基づいて、ＩＣ２２を介して受信信号を装置本体１４へ出力する。振動子アレイ２０は電力が供給されることで動作し、発熱する。振動子アレイ２０における消費電力及び発熱量は、超音波の送受波条件、例えば診断モード、送信電圧、波数、パルス間隔の時間（ＰＲＴ）、及び周波数などに応じて変動する。

　ＩＣ２２は電子回路であり、例えば複数機能の回路を１つにまとめたＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）である。本実施形態におけるＩＣ２２は、送信サブビームフォーマ及び受信サブビームフォーマとして機能するものである。振動子アレイ２０を構成する振動素子は、複数のグループにグルーピングされている。送信サブビームフォーマは、グループ毎に、グループ送信信号に基づいて、遅延関係をもった複数の送信信号を生成する。受信サブビームフォーマは、グループ毎に複数の受信信号に対して整相加算処理を行い、グループ受信信号を生成する。複数のグループ受信信号は、装置本体１４内の送受信部４２（後述）によって処理され、１つのビームデータとなる。上記処理により、プローブ１２と装置本体１４との間の信号線の本数を低減させている。ＩＣ２２は電力が供給されることで動作し、発熱する。振動子アレイ２０同様、ＩＣ２２における消費電力及び発熱量も超音波の送受波条件に応じて変動する。なお、ＩＣ２２の発熱量は振動子アレイ２０の発熱量の約１０倍程度であり、プローブ１２における主な発熱源はＩＣ２２となる。

　プローブ１２内において、振動子アレイ２０、ＩＣ２２、及び後述するその他の部材が積層されており、これが積層体としての積層ブロック２４を構成する。積層ブロック２４の詳細については後述する。

　プローブ１２には、温度検出ユニットとしての温度センサユニット２６が設けられる。温度センサユニット２６には、プローブ１２の送受波面の温度を演算するための温度センサが設けられる。上述の通り、プローブ１２の送受波面に温度センサを設けることができないため、温度センサユニット２６は、積層ブロック２４の側面に設置される。温度センサユニット２６が有する温度センサの検出温度を示す温度情報は装置本体１４に送信され、装置本体１４において、温度情報に基づいてプローブ１２の送受波面の温度を推定する演算が行われる。温度センサユニット２６の詳細については後述する。

　次に、装置本体１４の各部について説明する。

　制御部３０は、例えばマイクロコントローラあるいはＣＰＵ（Central Processing Unit）などを含んで構成され、装置本体１４が有する記憶部（不図示）に記憶されたプログラムに従って、超音波診断装置１０の各部を制御するものである。制御部３０は、当該プログラムによって、送受波条件設定部３２、送受波制御部３４、消費電力算出部３６、温度推定部としての送受波面温度推定部３８、及び警告制御部４０としても機能する。

　送受波条件設定部３２は、振動子アレイ２０における超音波の送受波条件を設定する。送受波条件は、操作者の指示に基づいて設定される。例えば、操作者は後述の操作パネル４８を用いて、予め用意される複数の発熱モードから所望の発熱モードを選択する。本実施形態では、発熱モードとして「Ｌｏｗ」、「Ｍｉｄ」、及び「Ｈｉｇｈ」の３つが用意されている。発熱モード「Ｈｉｇｈ」は、超音波診断装置の性能を最大限に活かしたモードであり、高い解像度、高い応答性を有する超音波画像が得られる一方、振動子アレイ２０及びＩＣ２２における発熱量が３モードのうち最大となるモードである。発熱モード「Ｌｏｗ」は、例えば超音波の送信電圧や波数を低減させ、あるいは、ＰＲＴを大きくすることにより超音波画像の画質が劣る一方、振動子アレイ２０及びＩＣ２２における発熱量が３モードのうち最小となるモードである。発熱モード「Ｍｉｄ」はこれらの中間のモードである。送受波条件設定部３２は、入力された発熱モードに応じた送受波条件を設定する。送受波条件には、振動素子の駆動電圧、周波数、波数、パルス間隔の時間（ＰＲＴ）、診断モードなどが含まれる。

　送受波制御部３４は、送受波条件設定部３２により設定された送受波条件に基づいて送受信部４２を制御し、当該送受波条件において振動子アレイ２０及びＩＣ２２を動作させる。また、送受波制御部３４は、後述の送受波面温度推定部３８からの信号に基づいて送受信部４２を制御し、プローブ１２における超音波の送受波を停止させる制御も行う。例えば、送受波面温度推定部３８から、プローブ１２の送受波面の温度が所定温度であることを示す情報を受けた場合には、送受波制御部３４は、送受信部４２を制御し、直ちに超音波の送受波を停止させる。

　消費電力算出部３６は、送受波条件設定部３２において設定された送受波条件に基づいて、振動子アレイ２０及びＩＣ２２における消費電力を算出する。消費電力の算出は、送受波条件と消費電力との関係を示す関数を用いて算出してもよいし、送受波条件と消費電力との対応関係をテーブルの形で予め保存しておき、送受波条件と当該テーブルに基づいて消費電力を特定するようにしてもよい。

　送受波面温度推定部３８は、消費電力算出部３６が算出した消費電力、及び、プローブ１２から送られてくる温度情報に基づいて、プローブ１２の送受波面の温度を推定する。以下、図２を参照して送受波面温度推定部３８の処理の詳細について説明する。

　図２は、熱回路網を示す図である。物体間の温度差、熱流、熱抵抗の関係は電気回路における電圧、電流、抵抗と類似の関係にあるため、物体間の温度差、熱流、熱抵抗を電気回路に類似の熱回路網として表現することができる。図２に示された熱回路網は、電気回路のＧＮＤと同記号である基準温度ＴＲ、電気回路の直流電源と同記号である熱源Ｈ、及び電気回路の抵抗と同記号である熱抵抗Ｒを含んでいる。簡単のため、図２の熱回路網では熱源を１つとしている。

　図２の熱回路網においては、基準温度ＴＲを外気の温度としている。熱源Ｈは、例えば振動子アレイ２０やＩＣ２２である。熱抵抗Ｒは、各物体の温度の伝わりにくさを表す値であり、単位は（℃／Ｗ）である。例えば、熱源ＨがＩＣ２２である場合、熱源Ｈと送受波面ノードとの間に配置された熱抵抗Ｒａ１は、ＩＣ２２と送受波面との間の複数の物体の熱抵抗の合成抵抗を示す。各物体の熱抵抗は、実験などにより予め求めておく。

　以下の式に基づいて送受波面ノードの温度Ｔ２を推定できる。

　Ｔ２＝Ｔ１＋Ｔｄｉｆ＋Ｄ　・・・　（式１）

　式１において、Ｔ１は温度センサの検出温度（温度センサノードの温度）を示し、Ｔｄｉｆは温度センサノードの温度と送受波面ノードとの間の温度差を示し、Ｄは熱源Ｈから送受波面ノードまでに熱が到達するまでの時間差を示す１次遅れ要素である。

　Ｔｄｉｆは以下の式２で算出される。

　Ｔｄｉｆ＝α×Ｗ　・・・　（式２）

　式２において、αは、熱源Ｈから温度センサノードまでの熱抵抗の値から、熱源Ｈから送受波面ノードまでの熱抵抗の値を引いた値である。例えば、図２に示す熱回路網において、熱源Ｈから温度センサノードまでの熱抵抗であるＲｃ１が２（℃／Ｗ）であり、熱源Ｈから送受波面ノードまでの熱抵抗であるＲａ１が６（℃／Ｗ）である場合、αは２－６＝－４となる。また、式２において、消費電力Ｗとは、熱源Ｈの消費電力（Ｗ）である。したがって、例えば、熱源ＨであるＩＣ２２の消費電力が１Ｗである場合、Ｔｄｉｆは、－４×１＝－４（℃）と算出される。

　１時遅れ要素Ｄは以下の式３で算出される。

　Ｄ＝β×ｅｘｐ（－Δｔ／Ｋ）　・・・　（式３）

　式３において、βは、熱源Ｈの消費電力に応じて変動する変数である。また、Δｔは超音波送受波開始からの経過時間（ｓｅｃ）であり、Ｋは時定数である。

　熱回路網において複数の熱源Ｈが存在する場合は、熱源Ｈ毎に温度センサノードの温度と送受波面ノードとの間の温度差を算出し、式１におけるＴｄｉｆとして、各熱源についての値を合計した値を用いればよい。例えば、第１の熱源から温度センサノードまでの熱抵抗の値から、第１の熱源から送受波面ノードまでの熱抵抗の値を引いた値を求めこれをα１とし、α１と第１の熱源の消費電力Ｗ１を乗じた値α１Ｗ１を算出する。次に、第２の熱源から温度センサノードまでの熱抵抗の値から、第２の熱源から送受波面ノードまでの熱抵抗の値を引いた値を求めこれをα２とし、α２と第２の熱源の消費電力Ｗ２を乗じた値α２Ｗ２を算出する。そして、式１におけるＴｄｉｆとしてα１Ｗ１＋α２Ｗ２の値を用いればよい。

　プローブ１２における熱の伝達を示す熱回路網に相当する情報が装置本体１４の記憶部に記憶される。送受波面温度推定部は、当該熱回路網に相当する情報と、プローブ１２から送られてくる温度情報（温度センサの検出温度）、及び消費電力算出部３６が算出した熱源（振動子アレイ２０及びＩＣ２２）の消費電力に基づいて、プローブ１２の送受波面の温度を推定する。

　熱回路網における送受波面ノードは、プローブ１２の送受波面の所定位置を示すものとしている。例えば、送受波面ノードがプローブ１２の送受波面の中心位置を示すものであるならば、熱抵抗Ｒａ１は、熱源Ｈからプローブ１２の送受波面の中心位置までの熱抵抗を示すものとなる。熱源Ｈについても同様であり、熱回路網における熱源Ｈは、熱源の所定位置を示すものとしている。したがって、例えば、熱源Ｈが振動子アレイ２０であるとすると、ドプラ検査を行う場合のように振動子アレイ２０の一部の振動素子が実質的に熱源Ｈとなる場合であっても、熱回路網における熱源Ｈとしては、振動子アレイ２０の所定位置（例えば中心位置）を示すものとなる。プローブ１２の送受波面の各位置あるいは熱源の各位置毎に図２に示すような熱回路網を構築することも考えられ、そのようにすればプローブ１２の送受波面の温度勾配があったとしてもプローブ１２の送受波面の各位置の温度を好適に推定し得ると考えられる。しかしながら、それを実現するためには、装置本体１４に記憶させる膨大な情報量、あるいは送受波面温度推定部３８における膨大な演算量が必要となり、実質的に実現不可能である。本実施形態によれば、温度センサユニット２６（詳細は後述）を設けることで、膨大な情報量あるいは膨大な演算量を必要とせずに、プローブ１２の送受波面に温度勾配が生じる場合であっても、好適にプローブ１２の送受波面における最大温度を検出することができる。

　警告制御部４０は、送受波面温度推定部３８が推定した送受波面の温度に基づいて、超音波診断装置１０の操作者（ユーザ）に送受波面の温度を低下させることを促す警告を出力する制御を行う。警告制御部４０は、推定された送受波面の温度が、予め定められた第１閾値以上であり、且つ、予め定められた第２閾値未満である場合に、警告を出力する。本実施形態では、第１閾値として４１℃、第２閾値として４３℃が定められている。つまり、本実施形態では、推定された送受波面の温度が４１℃以上４３℃未満である場合に警告を出力する。警告は、表示部４６に警告メッセージとして表示されるようにしてもよく、音、光などにより発せられるようにしてもよい。もちろんこれらの手段を組み合わせた警告としてもよい。

　なお、推定された送受波面の温度が第２閾値以上である場合は、送受波面温度推定部３８は、直ちに超音波の送受波を停止させる制御を行う。推定された送受波面の温度が第１閾値未満である場合は、送受波面温度推定部３８及び警告制御部４０は超音波の送受波停止処理あるいは警告処理は行わない。

　送受信部４２は、メイン送受信ビームフォーマとして機能する。送受信部４２は、送受波制御部３４からの信号を受け取り、振動子アレイ２０が有する複数の振動素子を駆動するための複数の信号をＩＣ２２に供給する。また、ＩＣ２２を介して振動子アレイ２０からの複数の受信信号を受信する。複数の受信信号は装置本体１４に設けられる超音波画像形成部（不図示）に送られ、当該超音波画像形成部において、受信信号に基づいた超音波画像が形成される。

　表示処理部４４は、送受波面温度推定部３８が推定したプローブ１２の送受波面の温度を表示部４６に表示する制御を行う。表面温度の表示はリアルタイムに行うのが好適である。また、警告制御部４０から指示を受けた場合には、警告メッセージを表示部４６に表示する制御を行う。なお、表示処理部４４は、超音波画像形成部において形成された超音波画像を表示部４６に表示させる制御も行う。

　超音波診断装置１０の構成概略については以上の通りである。以下、プローブ１２に含まれる積層ブロック２４及び温度センサユニット２６の詳細について説明する。

　図３には積層ブロック２４及び第１実施形態における温度センサユニット２６ａの斜視図が示されており、図４には積層ブロック２４及び温度センサユニット２６ａの分解斜視図が示されており、図５には積層ブロック２４及び温度センサユニット２６ａの側面図が示されており、図６には図５におけるＡ－Ａ’断面図が示されている。図３～図６に示す通り、積層ブロック２４の積層方向をｚ軸とし、ｚ軸と直交する方向であって、積層ブロック２４の長手方向をｘ軸、短手方向をｙ軸としている。また、以下の説明においては、ｚ軸の負方向側を「前側」、ｚ軸の正方向側を「後側」と記載する。なお、前側とは送受波面側である。

　図３～図６に示す通り、積層ブロック２４は平面視において、ｘ軸方向が長手方向でありｙ軸方向が短手方向の略直方体となっている。また、図５に示す通り、プローブ１２がコンベックス型であるため、積層ブロック２４は側面視において前側端が湾曲している。

　積層ブロック２４は、前側から、保護層５０、音響整合層５２、振動子アレイ２０、バッキング層を構成するバッキング材５４、中継基板５６、及びＩＣ２２が積層されて構成される。なお、本実施形態では、積層ブロック２４は上述の各層を含んでいるが、積層体としては、少なくとも、音響整合層５２、振動子アレイ２０、及びバッキング材５４を含んで構成されればよい。

　保護層５０は、音響整合層５２以後の層を保護するものである。保護層５０は、例えばシリコーンゴムなどで形成される。本実施形態に係るプローブ１２はコンベックス型であるため、振動子アレイ２０は湾曲形状（かまぼこ形状）を有している。それに応じ、保護層５０も湾曲している。保護層５０の前側面（図３及び図４の例だと下側面）が被検体と当接する面であり、すなわち送受波面である。

　音響整合層５２は、保護層５０と振動子アレイ２０との間に設けられ、振動子アレイ２０と被検体との間の音響インピーダンスの整合を取ることで超音波の反射を抑えるためのものである。音響整合層５２は、例えば、樹脂、炭素、あるいはカーボンなどで形成される。音響整合層５２は、１又は複数の層から構成されてよい。

　バッキング材５４は、振動子アレイ２０の不要な振動を抑えるものである。バッキング材５４は、音響インピーダンスの高い材質、例えば樹脂などで形成される。また、本実施形態に係るバッキング材５４は、振動子アレイ２０に含まれる各振動素子と、ＩＣ２２との電気的に接続するための複数の導線（リード）を有している。複数のリードはｚ軸に沿って設けられている。複数のリードの前側端と各振動素子の後側面とが接触され、それにより各振動素子と複数のリードとの電気的導通が図られている。なお、上述の通り、振動子アレイ２０が湾曲形状を有していることから、バッキング材５４の前側面もかまぼこ状の湾曲形状を有している。

　中継基板５６は、振動子アレイ２０とＩＣ２２との間の電気的接続を中継する基板である。中継基板５６の前側面には複数のパッドが設けられ、当該複数のパッドとバッキング材５４が有する複数のリードの後側端とが接触することで両者の電気的導通が図られている。中継基板５６の後側面には、ＩＣ２２が実装される。これにより、ＩＣ２２と各振動素子との間において、中継基板５６及びバッキング材５４が有する複数のリードを介して電気的に導通する。また、図３～図６には図示されていないが、中継基板５６には、ＩＣ２２と装置本体１４とを電気的に接続するためのＦＰＣ（Flexible　Printed　Circuits）が接続される。

　上述の積層ブロック２４の少なくとも１つの側面に温度センサユニット２６ａが設けられる。本実施形態においては、積層ブロック２４の長手方向に伸長する２つの側面（長側面）に温度センサユニット２６ａが設けられる。両長側面に設けられる２つの温度センサユニット２６ａの構成は同様であるため、ここでは１つの温度センサユニット２６ａに着目して説明する。温度センサユニット２６ａは、熱伝導部材としての金属膜６０及び温度センサとしてのサーミスタ６２を含んで構成される。

　金属膜６０は、金属で形成された薄膜あるいは板状の部材であり、プローブ１２の送受波面の熱を積層ブロック２４を介して受け、サーミスタ６２へ伝導させるものである。金属膜６０は熱伝導率の高い材質で形成されるのが好ましく、金属膜６０の各位置における温度が均一となるのが理想的である。少なくとも、金属膜６０は、積層ブロック２４を構成する各部材よりも高い熱伝導率の材質で形成される。本実施形態では金属膜６０は金で形成されている。

　金属膜６０は積層ブロック２４の側面において、できるだけ送受波面に近い位置に設けられる。つまり、積層ブロック２４の側面の前側（送受波面側）縁近傍に設けられる。また、金属膜６０は、積層ブロック２４の側面の前側縁に沿って伸長するように設けられる。上述の通り、積層ブロック２４の側面の前側縁は湾曲形状を有しているため、それに応じて、金属膜６０の少なくとも前側端部は湾曲形状となっている。

　本実施形態では、図３、図５及び図６に示す通り、金属膜６０は、バッキング材５４の前側縁に沿って設けられる。もちろん、プローブ１２内において金属膜６０を好適に配置できるならば、振動子アレイ２０、音響整合層５２、あるいは保護層５０の側方に金属膜６０が配置されるようにしてもよい。また、図３及び図５に示す通り、金属膜６０は、バッキング材５４の長手方向の一端から、長側面の前側縁に沿って、長手方向の他端まで伸長している。なお、本実施形態では金属膜６０はバッキング材５４の長側面にのみ設けられているが、金属膜６０がバッキング材５４の短側面まで延伸してもよい。さらに、金属膜６０が積層ブロック２４の側面を取り囲む形状であってもよい。

　サーミスタ６２は、温度変化に応じてその抵抗値が変動するものである。したがって、サーミスタ６２の抵抗値がサーミスタ６２の設置位置近傍の温度を示すものとなる。サーミスタ６２は、金属膜６０の温度を検出すべく金属膜６０に取り付けられる。本実施形態では、サーミスタ６２は金属膜６０上のｘ軸方向（長手方向）中央に設けられる。ただし、サーミスタ６２が設けられる位置はそれに限られず、金属膜６０の熱伝導率が高く金属膜６０上における熱均一性が実質的に担保されるのであれば、サーミスタ６２は金属膜６０上のいずれの位置に配置されてもよい。金属膜６０はグラウンド電位であってよく、サーミスタ６２の一方側端子は金属膜６０に電気的に接続されてよい。サーミスタ６２の他方側端子は、線材、中継基板５６、あるいはＦＰＣなどを介して装置本体１４に電気的に接続され、これによりサーミスタ６２の抵抗値が装置本体１４（送受波面温度推定部３８）に検出される。

　本実施形態ではサーミスタ６２は１つしか設けられていないが、金属膜６０において温度勾配が生じる場合に備え、複数のサーミスタ６２が設けられてもよい。複数のサーミスタ６２は、金属膜６０の複数の位置に配置され、これにより金属膜６０の複数の位置の温度が検出される。後述のように、プローブ１２の送受波面において最大温度位置が変動しうる場合に、送受波面における最大温度を常に好適に推定するためには、当該最大温度とサーミスタ６２の検出温度との差が常に一定であることが必要となる。サーミスタ６２が複数設けられた場合、送受波面の最大温度との差が一定となるような、複数のサーミスタ６２の複数の検出温度の代表検出温度値が用いられる。そのような代表検出温度値としては、複数の検出温度のうち最も高い検出温度、最も低い温度、あるいは複数の検出温度の平均値などが用いられ得る。また、サーミスタ６２が複数設けられた場合、各サーミスタ６２の検出温度を比較することで、サーミスタ６２の故障を検出することができるという効果も奏し得る。

　温度センサユニット２６ａにより、プローブ１２の送受波面において温度勾配が生じる場合であっても、送受波面温度推定部３８がプローブ１２の送受波面における最大温度を好適に推定することができる。そのメカニズムは以下の通りである。なお、送受波面の温度勾配は、ｘ軸方向（長手方向）において生じ、ｙ軸方向（短手方向）においては生じないのが一般的である。

　まず、バッキング材５４の長側面の前側縁に沿って、つまり送受波面の温度勾配が生じ得る方向に沿って設けられた金属膜６０により、サーミスタ６２の温度検出領域が温度勾配が生じる方向に拡げられる。例えば、本実施形態のように、サーミスタ６２が金属膜６０上のｘ軸方向中央に設けられている場合を考える。ドプラ検査を行う場合など、振動子アレイ２０のうち一部の振動素子が駆動され（以下駆動される振動素子の領域を「送信開口」と記載する）た場合、送受波面における最大温度を示す位置（以下「最大温度位置」と記載する）は、送信開口近傍の位置となる。したがって、送信開口がｘ軸方向に偏移している場合、最大温度位置もｘ軸方向に偏移することになる。このような場合、ｘ軸方向に偏移した最大温度位置の熱は、金属膜６０を通ってサーミスタ６２近傍まで伝導する。つまり、サーミスタ６２は、ｘ軸方向中央に配置されていても、ｘ軸方向に偏移した最大温度位置の温度を検出することができる。このように、金属膜６０には、サーミスタ６２の温度検出領域を拡大する検出領域拡大機能を発揮する。

　それと共に、金属膜６０は送受波面の熱を積層ブロック２４を介して受け、受けた熱を金属膜６０の伸長方向に拡散する。これにより、送受波面の熱が低減され、あるいは送受波面における温度勾配が緩和される。つまり、金属膜６０は送受波面の熱を拡散させる熱拡散機能も発揮する。

　熱拡散機能の観点からは、金属膜６０の面積をできるだけ広くすることが考えられ、つまり積層ブロック２４の側面を全て覆うように金属膜６０を設けることが考えられる。しかしながら、上述の通りプローブ１２における主熱源はＩＣ２２であるところ、金属膜６０をＩＣ２２の近傍まで広げると、金属膜６０がＩＣ２２からの熱を受け易くなってしまい、ＩＣ２２からの熱が前側（送受波面側）に伝わり易くなるおそれがある。したがって、本実施形態では、金属膜６０は、バッキング材５４の前側縁に沿った方向に帯状に伸長する形状となっている。これにより、金属膜６０とＩＣ２２との間の距離が比較的大きくなり、ＩＣ２２からの熱の金属膜６０への伝導が抑制される。

　図７Ａ及び図７Ｂに、本実施形態において、送受波面における最大温度位置を変更させた場合のサーミスタ６２の検出温度が示されている。

　図７Ａは本実施形態に係る積層ブロック２４の側面図である。ここでは、送信開口の位置を変更することで送受波面における最大温度位置が変更されている。具体的には、送信開口の中心位置をｘ軸方向中央とした場合（条件１）の送受波面の最大温度位置がＳで示される。送信開口に含まれる振動素子において発熱が生じるため、送受波面のうち送信開口の中心位置に対応する位置（最も近い位置）が最大温度位置Ｓとなっている。同様に、送信開口をｘ軸方向に１０ｍｍ偏移させた場合（条件２）の送受波面における最大温度位置がＴで示され、送信開口をｘ軸方向に２０ｍｍ偏移させた場合（条件３）の送受波面における最大温度位置がＵで示されている。なお、上記条件１～３においては、送信開口の位置が異なるだけで、その他の超音波送受波条件は同一となっている。

　図７Ｂには、各条件１～３における、送受波面における最大温度、サーミスタ６２の検出温度、及び送受波面における最大温度とサーミスタ６２の検出温度との温度差が示されている。まず、条件１、つまり最大温度位置がＳである場合、送受波面における最大温度は４１．４℃であり、サーミスタ６２の検出温度は３８．９℃であり、それらの温度差は２．５℃となっている。また、条件２、つまり最大温度位置がＴである場合、送受波面における最大温度は４１．１℃であり、サーミスタ６２の検出温度は３８．７℃であり、それらの温度差は２．４℃となっている。条件２においては、最大温度位置とサーミスタ６２との距離が条件１に比して大きくなっているが、最大温度位置Ｔからの熱が金属膜６０を通ってサーミスタ６２近傍まで伝導するため、条件１と条件２において、送受波面最大温度とサーミスタ検出温度との温度差は同等となっている。さらに、条件３、つまり最大温度位置がＵである場合、送受波面における最大温度は４０．９℃であり、サーミスタ６２の検出温度は３８．４℃であり、それらの温度差は２．５℃となっている。条件３においても、最大温度位置Ｕからの熱が金属膜６０を通ってサーミスタ６２近傍まで伝導するため、条件１と条件３とを比較しても、送受波面における最大温度とサーミスタ検出温度との温度差は同等となっている。

　以上のように、本実施形態によれば、プローブ１２の送受波面のいずれの位置が最大温度位置となっても、送受波面における最大温度とサーミスタ６２との温度差がほぼ一定となる。これにより、上述の式２によってＴｄｉｆとして２．５℃が算出できれば、送受波面においていずれの位置が最大温度位置となったとしても、上述の式１により、送受波面における最大温度を算出することができる。

　図８Ａ及び図８Ｂには、本実施形態と同じ位置にサーミスタ６２を設けたが、金属膜６０を設けなかった場合において、送受波面における最大温度位置を変更させた場合のサーミスタ６２の検出温度が示されている。図７Ａ及び図７Ｂと図８Ａ及び図８Ｂを比較することで、金属膜６０の効果をよく把握することができる。

　図８Ａ及び図８Ｂの例においては、条件１、つまり最大温度位置がＳである場合、送受波面における最大温度は４１．７℃であり、サーミスタ６２の検出温度は４０．４℃であり、それらの温度差は１．３℃となっている。また、条件２、つまり最大温度位置がＴである場合、送受波面における最大温度は４１．４℃であり、サーミスタ６２の検出温度は３８．８℃であり、それらの温度差は２．６℃となっている。このように、条件１と条件２とにおいて、送受波面における最大温度の差は０．３℃であるにも関わらず、サーミスタ６２の検出温度の差が１．６℃となっており、温度差において１℃以上の差が出てしまっている。これは、条件１の場合は、最大温度位置Ｓとサーミスタ６２が比較的近いためにサーミスタ６２が最大温度に近い温度を検出したが、条件２の場合は、最大温度位置Ｔとサーミスタ６２との距離が条件１に比して大きくなっているために、サーミスタ６２が最大温度位置Ｔの温度を適切に検出できなかったためである。条件３の場合に至っては、送受波面における最大温度とサーミスタの検出温度がさらに大きくなっている。このような場合において、上述の式２においてＴｄｉｆを算出しようとすれば、安全性を考慮して、Ｔｄｉｆがより大きい値（例えば条件３における３．４℃、あるいはそれ以上の値）となるようにαを調整する必要がある。その結果、送信開口をｘ軸方向中央部とした場合であっても、最大温度位置Ｓの温度が３９℃程度であっても超音波の送受波が停止されてしまうといった事態が予想され、つまり超音波診断装置の性能を十分に発揮することができなくなってしまう。

　また、図７Ａ及び図７Ｂと図８Ａ及び図８Ｂを比較すると、各条件における送受波面の最大温度は図７Ａ及び図７Ｂ、つまり金属膜６０を設けた場合の方が低くなっている。これは、金属膜６０の熱拡散機能により、送受波面の温度が低下していることを示している。

　図９Ａ及び図９Ｂには、金属膜６０を設けずに、サーミスタ６２を中継基板５６に設けた場合のサーミスタ６２の検出温度が示されている。上述の通り、プローブ１２における主熱源はＩＣ２２である。したがって、サーミスタ６２をＩＣ２２近傍である中継基板５６に設けると、サーミスタ６２における検出温度はＩＣ２２からの熱が支配的になってしまい、送受波面における最大温度位置の変化を全く捉えられなくなっている。このような場合であっても、図８Ａ及び図８Ｂの例同様、上述の式２においてＴｄｉｆを算出しようとすれば、安全性を考慮して、Ｔｄｉｆがより大きい値となるようにαを調整する必要があり、超音波診断装置の性能を十分に発揮することができなくなってしまう。

　＜第２実施形態＞
　以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、上述した第１実施形態に比して、温度センサユニット２６の構造が異なるのみである。したがって、第１実施形態と同様の部分について、その説明は省略する。

　図１０には積層ブロック２４及び第２実施形態における温度センサユニット２６ｂの斜視図が示されており、図１１には積層ブロック２４及び温度センサユニット２６ｂの分解斜視図が示されており、図１２には積層ブロック２４及び温度センサユニット２６ｂの側面図が示されており、図１３には図１２におけるＡ－Ａ’断面図が示されている。

　第２実施形態においても、積層ブロック２４の両長側面に温度センサユニット２６ｂが設けられる。両長側面に設けられる２つの温度センサユニット２６ｂの構成は同様であるため、ここでも１つの温度センサユニット２６ｂに着目して説明する。温度センサユニット２６ｂは、サーミスタ６２、熱伝導部材としての金属板８０、及び側方基板８２を含んで構成される。なお、図１０～１３においては複数のサーミスタ６２が示されているが、第２実施形態においてもサーミスタ６２は１つであってもよい。

　金属板８０は、金属で形成される板状の部材であり、第１実施形態における金属膜６０同様、送受波面からの熱を積層ブロック２４を介して受け、サーミスタ６２へ伝導させるものである。金属板８０も、熱伝導率の高い材質で形成されるのが好ましく、少なくとも積層ブロック２４を構成する各部材よりも高い熱伝導率の材質で形成される。本実施形態では、金属板８０は銅板あるいはグラファイトシートで形成されている。また、金属板８０も第１実施形態における金属膜６０同様、積層ブロック２４の側面の前側（送受波面側）縁近傍に設けられる。また、金属板８０の少なくとも前側端部は、バッキング材５４の前側縁に応じた湾曲形状となっている。

　側方基板８２には、半田付けなどの方法によりサーミスタ６２が設けられる。側方基板８２は、金属板８０を覆うように金属板８０に積層されて設けられる。側方基板８２は接着その他の方法により金属板８０に接続される。側方基板８２には、金属板８０が積層ブロック２４から受けた熱をサーミスタ６２に伝導させるための熱伝導経路としてのスルーホールが設けられる。スルーホールは、側方基板８２を貫通する孔であって、当該孔の内側が金属コーティングされたものである。スルーホールの金属板側端部が金属板８０と接触しており、これにより金属板８０からの熱がスルーホールに伝導される。スルーホールの他端がサーミスタ６２近傍に配置され、これにより金属板８０の熱がサーミスタ６２に伝導される。

　金属板８０は、第１実施形態における金属膜６０と同等の機能を奏する。つまり、金属板８０は、サーミスタ６２の温度検出領域を拡大する検出領域拡大機能、及び、プローブ１２の送受波面の熱を拡散させる熱拡散機能を発揮する。また、金属板８０の後側端部は主熱源であるＩＣ２２まで延伸させず、バッキング材５４の側面の前側半分程度を覆うように設けられている。これにより、金属板８０は、主熱源であるＩＣ２２からの熱の送受波面側への伝導を抑えつつ、検出領域拡大機能及び熱拡散機能を発揮している。

　以上、本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

　１０　超音波診断装置、１２　プローブ、１４　装置本体、２０　振動子アレイ、２２　ＩＣ、２４　積層ブロック、２６　温度センサユニット、３０　制御部、３２　送受波条件設定部、３４　送受波制御部、３６　消費電力算出部、３８　送受波面温度推定部、４０　警告制御部、４２　送受信部、４４　表示処理部、４６　表示部、４８　操作パネル、５０　保護層、５２　音響整合層、５４　バッキング材、５６　中継基板、６０　金属膜、６２　サーミスタ、８０　金属板、８２　側方基板。

Claims

　超音波を送受波する振動子アレイ、前記超音波の送受波面と前記振動子アレイとの間に設けられる音響整合層、及びバッキング層を含む積層体と、前記積層体の少なくとも１つの側面に設けられた温度検出ユニットと、を有する超音波プローブと、
　前記温度検出ユニットが検出した検出温度に基づいて、前記送受波面の表面温度を推定する温度推定部と、
　を備え、
　前記温度検出ユニットは、
　前記積層体からの熱を受ける熱伝導部材であって、前記側面の前記送受波面側の縁近傍に配置され、前記縁に沿って伸長する形状を有する熱伝導部材と、
　前記熱伝導部材の温度を検出する温度センサと、
　を含む、
　ことを特徴とする超音波診断装置。
　前記熱伝導部材は、前記温度センサの温度検出領域を拡大する検出領域拡大機能、及び、前記送受波面の熱を拡散させる熱拡散機能を発揮する、
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
　前記熱伝導部材は、前記縁に沿った方向に帯状に伸長する、
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
　前記側面の前記送受波面側の縁は湾曲しており、
　前記熱伝導部材の少なくとも前記送受波面側の端部は、前記側面の前記送受波面側の縁に沿った湾曲形状を有している、
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
　前記熱伝導部材は金属膜で形成される、
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
　前記温度検出ユニットは、前記熱伝導部材に接続された基板であって、前記熱伝導部材からの熱を前記温度センサに伝導させるための熱伝導経路を含む基板、
　をさらに備え、
　前記温度センサは前記基板に設けられる、
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
　超音波を送受波する振動子アレイ、前記超音波の送受波面と前記振動子アレイとの間に設けられる音響整合層、及びバッキング層を含む積層体と、
　前記積層体の少なくとも１つの側面に設けられた温度検出ユニットと、
　を備え、
　前記温度検出ユニットは、
　前記積層体からの熱を受ける熱伝導部材であって、前記側面の前記送受波面側の縁近傍に配置され、前記縁に沿って伸長する形状を有する熱伝導部材と、
　前記熱伝導部材の温度を検出する温度センサと、
　を含む、
　ことを特徴とする超音波プローブ。