JP2006198240A - 体腔内超音波診断システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 超音波を送受信する静電容量型超音波振動子が設けられた超音波内視鏡スコープと、前記静電容量型超音波振動子の状態を判別する振動子状態判別手段と、前記静電容量型超音波振動子によって感知された感知情報を記憶する記憶手段と、前記振動子状態判別手段による判別結果に基づいて、該判別結果に対応する前記記憶手段に、前記感知情報を記憶させる記憶制御手段と、前記記憶手段に記憶された前記感知情報のうちの少なくとも1つの該感知情報を用いて演算処理を行う演算手段と、演算結果から超音波診断画像を構築する画像構築手段とを備える。
【選択図】 図1
Description
特許文献1では、上記のエレメント500を用いて、シリコン基板のLamb波(A0モード)及び固相−液相界面を伝達するStoneley波(境界波)がエレメント間のクロストークに重大な影響を与えることを見出している。
Xuecheng Jin,外3名、「Characterization of One−Dimensional Capacitive Micromachined Ultrasonic Immersion Transducer Arrays」,"IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS,AND FREQUENCY CONTROL",VOL.48,NO.3,P750−760,MAY 2001 A.G.Bashford,外2名、「Micromachined Ultrasonic Capacitance Transducers for Immersion Applications」,"IEEE Transaction ON Ultrasonics,Ferroelectrics,AND Frequency Control",Vol.45,No.2,March(1996),P367−P375
しかしながら、超音波振動子が体腔内壁に非接触の状態で超音波の送受信が可能(以下、空中超音波という)となる超音波振動子を用いた場合、超音波振動子が体腔内壁に接触しているのか否かという超音波振動子の状態に関する情報を検知する必要性が生じる。
上記の課題に鑑み、本発明では、体腔内壁に接触しているか否かにかかわらず、1種類の静電容量型超音波振動子を搭載した超音波内視鏡スコープを体腔内に挿入しながら体腔内壁の輪郭に関する超音波診断画像を構築し、かつ、診断部位に至り、そこで接触固定することによって、断層に関する超音波診断画像を構築し、そしてこれらの構築された超音波診断画像にはノイズ成分が除去されている、体腔内超音波診断システムを提供する。
本実施形態では、ラジアル走査タイプの静電容量型超音波振動子を用いて、従来のような接触固定して断層像を得ることが出来るのに加え、非接触診断が可能になる体腔内超音波診断システムについて説明する。
誘電体膜57は、キャビティを挟んだ上部電極41と下部電極63間の静電容量を増加させるためのものである。空乏層60は、電子あるいは正孔がほとんど存在しない状態になっている層であり、逆バイアス電圧を印加し、空乏層が有する静電容量、すなわち寄生容量を低減させる場合もある。
振動子セル50の動作について説明すると、上部電極41と下部電極63の一対の電極に電圧をかけることで電極間が引っ張りあい、電圧を0にすると元に戻る。この振動動作によってメンブレンが振動した結果、超音波が発生し、上部電極41の上方向に超音波が照射される。
図8は、本実施形態における超音波無響セル70を示す。図8に示すように、超音波無響セル70の内部には空洞が形成されており、その開口部から超音波振動子6を挿入する。超音波振動子6を挿入後、超音波を放射する。このとき、超音波無響セル70は、超音波を吸収する部材(例えば、ウレタン繊維や発泡シリコーン樹脂等)で構成されているため、超音波が反射しない。したがって、超音波無響セル70内で超音波振動子により超音波を放射しても反射波を受信しない。そのため、受信時においては、本来メンブレンが振動することがないため、上部電極の電荷が変化することがない。だが、定在波等の不要振動が発生する場合には、その影響を受けてメンブレン上の電荷が変化するので、ここでは、その電荷の変化を検出する。すなわち、送信時のメンブレンの振動に伴って、送信超音波に変換されない不要振動が定在波となって残存し、この振動が実際のエコー信号受信時にもノイズ信号として重畳し、S/N低下につながる。
超音波内視鏡観測装置300は、光センサー信号処理回路105、スイッチ回路106(選択端子SW1(107)、選択端子SW2(108)、選択端子SW3(109)、)、AD変換器110,111,112、記憶装置113,114,115、演算処理回路116,117,118、スイッチ回路119(選択端子Q1(120)、選択端子Q2(121)、選択端子Q3(122))、操作部123、画像変換器(デジタルスキャンコンバータ)124、モニタ4−1から構成される。
チャージアンプ103では、インピーダンス変換を行う機能(高インピーダンス→低インピーダンスへ変換する)、静電容量型超音波振動子101の電極表面の電荷の検出を行う機能、及びアンプとしての機能を備えている。電荷の検出を行う機能とは、静電容量型超音波振動子101は反射波の受信を受信すると、反射波の受信強度に応じてメンブレンが振動し、その振動に応じた上部電極上の電荷の変動が起こるので、その電荷を検出する機能をいう。なお、本実施形態では、反射波の受信に起因する電荷のみならず、定在波等の不要振動に起因する電荷も検出してしまう場合を想定している。以下では、これら両者を含めて受信信号という。
光センサー信号処理回路105は、光センサ102から出力された信号に基づいて、明暗を判別するものである。すなわち、光センサで検知した光量に基づく信号を解析して、超音波振動子101周辺の明るさの違いを判別することができる。
相互相関関数Rxyを利用することで、2信号間の類似度を求めることができる。もし、2信号が完全に異なっているならば、τに関わらず相互相関関数Rxyは0に近づく。これにより定在波等の不要振動の成分を検出することができるので、この成分を除去することができる。なお、相互相関関数Rxyは、クロススペクトルの逆フーリエ変換により求めることができる。
また、光センサ等の検知手段を用いることにより、超音波振動子が体腔内壁に接触しているか否かの検知を行うことができるため、超音波振動子の状態を検知することができる。
第1の実施形態では、光センサを用いて超音波振動子が体腔内壁に接触しているか否かを検知したが、本実施形態では、受信した超音波の周波数の相違により音波振動子が体腔内壁に接触しているか否かを検知する場合について説明する。
本実施形態では、各状態で得られた超音波受信信号に基づく信号処理のバリエーションについて説明する。
(ケース1)選択端子161aがONになった場合、分配器151から出力された信号S1が演算処理信号146として出力される。
(ケース3)選択端子161iがONになった場合、分配器153から出力された信号S3が演算処理信号146として出力される。
以上より、操作者の選択により、各状態で得られた超音波受信信号に基づいて様々なパターンの信号処理を行うことができる。これにより、生成される超音波診断画像もその信号処理に対応した特徴を備えることができるので、多面的に診断を行うことができる。
2 超音波内視鏡スコープ
2−1 静電容量型超音波振動子
3 信号処理部
3−1 記憶制御手段
3−2 記憶手段
3−3 演算手段
200 画像処理部
200−1 画像構築手段
3−5 振動子状態判別手段
3−5a 状態検知手段
3−5b 検知情報判別手段
4 表示手段
4−1 モニタ
5 挿入部
6 静電容量型ラジアルセクタ走査アレイ超音波振動子
7 湾曲部
8 可撓管部
9 操作部
10 ユニバーサルコード
11 スコープコネクタ
20 2次元アレイ振動子
21 送受信回路
22 同軸ケーブルバンドル
31 配線用FPC
32 振動子ユニット
33 振動子エレメント
34 制御回路ユニット
40,48,49 振動子セル電極間インターコネクト電極
41 上部電極
42 キャビティ周縁部
43 犠牲層剤除去孔
44 下部電極スルーホール電極部
45 ダイシングライン
46 振動子エレメント間溝
47 振動子ユニット配列方向溝
50 セル
51 キャビティ
52 メンブレン下層
54 メンブレン上層
55 接地電極パッド
56 信号入出力端子電極パッド
57 誘電体膜
58 メンブレン支持部
59 インターコネクト配線
60 空乏層
61 シリコン基板
62 シリコン酸化膜
63 下部電極
70 超音波無響セル
300 超音波内視鏡観測装置
101 静電容量型超音波振動子
102 光センサ
103 チャージアンプ
104 パルサー(パルス発生回路)
105 光センサー信号処理回路
106 スイッチ回路
110,111,112 AD変換器
113,114,115 記憶装置
116,117,118 演算処理回路
119 スイッチ回路
123 操作部
124 画像変換器
125 ローパスフィルタ
126 検波器
150 演算制御回路
151,152,153 分配器
154,155,156,157,158,159 演算処理回路
161 スイッチ回路
Claims (25)
- 超音波を送受信する静電容量型超音波振動子が設けられた超音波内視鏡スコープと、
前記静電容量型超音波振動子の状態を判別する振動子状態判別手段と、
前記静電容量型超音波振動子によって感知された感知情報を記憶する記憶手段と、
前記振動子状態判別手段による判別結果に基づいて、該判別結果に対応する前記記憶手段に、前記感知情報を記憶させる記憶制御手段と、
前記記憶手段に記憶された前記感知情報のうちの少なくとも1つの該感知情報を用いて、演算処理を行う演算手段と、
前記演算手段により演算処理された演算結果から、超音波診断画像を構築する画像構築手段と、
を備えることを特徴とする体腔内超音波診断システム。 - 前記静電容量型超音波振動子は、複数の静電容量型超音波振動子エレメントから構成され、円筒外周面に該複数の静電容量型超音波振動子エレメントを配列した1次元または2次元アレイ型静電容量型超音波振動子であることを特徴とする請求項1に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記隣接する前記振動子エレメント間には、溝部が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記溝部に導電膜が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記体腔内超音波診断システムは、さらに、
前記静電容量型超音波振動子から放射される合成超音波ビームに、前記円筒の周方向に沿ってラジアル走査させるラジアル走査制御手段
を備えることを特徴とする請求項2に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記ラジアル走査制御手段は、さらに、前記合成超音波ビームに前記円筒長軸方向にセクタ走査をさせることを特徴とする請求項5に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された前記感知情報のうちの少なくとも2つの該感知情報の和、差、または相互相関を算出する演算を行うことを特徴とする請求項1に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記演算手段は、前記感知情報の1つから自己相関を算出する演算を行うことを特徴とする請求項1に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記振動子状態判別手段は、
前記静電容量型超音波振動子が、体外、及び体腔内の内壁に到達しているか否かのうちいずれかの状態であることを検知する状態検知手段と、
前記状態検知手段から得られた検知情報に基づいて、前記状態を判別する検知情報判別手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記状態検知手段は、前記静電容量型超音波振動子の略近傍に設けた光センサであり、
前記検知情報判別手段は、前記光センサの出力に基づいて、前記静電容量型超音波振動子が体外、体腔内であるが体腔内壁に非接触、及び体腔内壁非接触のうちいずれかの状態であるかを判別する
ことを特徴とする請求項9に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記状態検知手段は、前記静電容量型超音波振動子の略近傍に設けた圧力センサであり、
前記検知情報判別手段は、前記圧力センサの出力に基づいて、前記静電容量型超音波振動子が体腔内であるが体腔内壁に非接触、及び体腔内壁非接触のうちいずれかの状態であるかを判別する
ことを特徴とする請求項9に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記状態検知手段は、前記感知情報を表している電気信号の周波数に対応した前記状態検知情報を生成し、
前記検知情報判別手段は、前記状態検知情報に基づいて、前記静電容量型超音波振動子が体外、体腔内であるが体腔内壁に非接触、及び体腔内壁非接触のうちいずれかの状態であるかを判別する
ことを特徴とする請求項9に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記状態検知手段は、前記電気信号の周波数が所定の閾値以下の場合には、該電気信号を通過させるフィルタ回路であることを特徴とする請求項12に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記記憶制御手段は、前記静電容量型超音波振動子が体外、体腔内であるが体腔内壁に非接触、及び体腔内壁に接触の状態で感知した前記感知情報のうち少なくともいずれか1つ記憶させることを特徴とする請求項1に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記記憶手段のうちの第1の記憶手段に記憶される前記感知情報は、前記超音波の反射しない条件下で、前記静電容量型超音波振動子に超音波を放射させることにより感知された第1の感知情報であることを特徴とする請求項1に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記記憶手段のうちの第2の記憶手段に記憶される前記感知情報は、前記静電容量型超音波振動子が体腔内であるが体腔内壁に非接触の状態で前記超音波を送受して感知した第2の感知情報であり、
前記演算手段は、前記第2の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出することを特徴とする請求項15に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記記憶手段のうちの第3の記憶手段に記憶される前記感知情報は、前記静電容量型超音波振動子が体腔内壁に接触した状態で前記超音波を送受して感知した第3の感知情報であり、
前記演算手段は、前記第3の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出することを特徴とする請求項15に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記記憶手段のうちの第2の記憶手段に記憶される前記感知情報は、前記静電容量型超音波振動子が体腔内であるが体腔内壁に非接触の状態で前記超音波を送受して感知した第2の感知情報であり、
前記記憶手段のうちの第3の記憶手段に記憶される前記感知情報は、前記静電容量型超音波振動子が体腔内壁に接触した状態で前記超音波を送受して感知した第3の感知情報であり、
前記演算手段は、前記第2の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出する第1の演算処理を行い、前記第3の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出する第2の演算を行い、第1の演算処理の結果と第2の演算処理の結果を加算することを特徴とする請求項15に記載の体腔内超音波診断システム。 - 前記超音波診断画像は、体腔内壁表面の輪郭を表す画像であることを特徴とする請求項16に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記超音波診断画像は、体腔内組織の断層を表す画像であることを特徴とする請求項17に記載の体腔内超音波診断システム。
- 前記超音波診断画像は、体腔内壁表面の輪郭を表す画像と体腔内組織の断層を表す画像とであることを特徴とする請求項18に記載の体腔内超音波診断システム。
- 超音波を送受信する静電容量型超音波振動子が設けられた超音波内視鏡スコープを備えた体腔内超音波診断システムに用いられる前記静電容量型超音波振動子が感知した感知情報からノイズ成分を除去するノイズ除去装置であって、
前記超音波の反射しない条件下で、前記静電容量型超音波振動子に超音波を放射させることにより感知された第1の前記感知情報を記憶する第1の記憶手段と、
前記静電容量型超音波振動子が、体腔内であるが体腔内壁に非接触の状態で、前記超音波を送受して感知した第2の前記感知情報を記憶する第2の記憶手段と、
前記第2の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出する演算手段とを備えることを特徴とするノイズ除去装置。 - 超音波を送受信する静電容量型超音波振動子が設けられた超音波内視鏡スコープを備えた体腔内超音波診断システムに用いられる前記静電容量型超音波振動子が感知した感知情報からノイズ成分を除去するノイズ除去装置であって、
前記超音波の反射しない条件下で、前記静電容量型超音波振動子に超音波を放射させることにより感知された第1の前記感知情報を記憶する第1の記憶手段と、
前記静電容量型超音波振動子が体腔内壁に接触した状態で前記超音波を送受して感知した第3の前記感知情報を記憶する第3の記憶手段と、
前記第3の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出する演算手段とを備えることを特徴とするノイズ除去装置。 - 超音波を送受信する静電容量型超音波振動子が設けられた超音波内視鏡スコープを備えた体腔内超音波診断システムにおける前記静電容量型超音波振動子が感知した感知情報からノイズ成分を除去するノイズ除去方法であって、
前記超音波の反射しない条件下で、前記静電容量型超音波振動子に超音波を放射させることにより感知された第1の前記感知情報を取得し、
前記静電容量型超音波振動子が、体腔内であるが体腔内壁に非接触の状態で、前記超音波を送受して感知した第2の前記感知情報を取得し、
前記第2の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出する
ことを特徴とするノイズ除去方法。 - 超音波を送受信する静電容量型超音波振動子が設けられた超音波内視鏡スコープを備えた体腔内超音波診断システムにおける前記静電容量型超音波振動子が感知した感知情報からノイズ成分を除去するノイズ除去方法であって、
前記超音波の反射しない条件下で、前記静電容量型超音波振動子に超音波を放射させることにより感知された第1の前記感知情報を取得し、
前記静電容量型超音波振動子が体腔内壁に接触した状態で前記超音波を送受して感知した第3の前記感知情報を取得し、
前記第2の感知情報と前記第1の感知情報との相関または差分を算出する
ことを特徴とするノイズ除去方法。
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