JP2015181767A

JP2015181767A - 超音波測定装置

Info

Publication number: JP2015181767A
Application number: JP2014061552A
Authority: JP
Inventors: 呂比奈厚地; Rohina Atsuji
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-22
Also published as: EP2924428A1; US20150272545A1; CN104939868A

Abstract

【課題】正確に平面に沿ってパノラマ画像を形成することができる超音波測定装置を提供する。【解決手段】超音波測定装置１１は、被検体への装着手段１５と、装着手段１５に固定された支持部１４と、支持部１４に支持され連結された複数の超音波素子アレイユニット１７と、個々に超音波素子アレイユニット１７を支持部に対して変位させるアクチュエーター１９と、超音波素子アレイユニット１７の送受信およびアクチュエーター１９を制御する制御部２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は超音波測定装置等に関する。

特許文献１は超音波プローブを備える動脈硬化評価装置を開示する。この動脈硬化評価装置の超音波プローブはバンドで被験者の手首に取り付けられるとともに空気ポンプからの空気圧を調整して被験者の皮膚に押し当てられ、動脈の超音波画像が検出される。

特開２００４−１８７８８５号公報

一般に１つの超音波素子アレイが組み込まれた超音波プローブでは、超音波素子アレイから出力される超音波のスキャン範囲は限られることから、比較的に狭い範囲でしか被検体の超音波画像は得られない。その一方で、検査・診断においては被検体の広い範囲の超音波断面画像を取得することが望まれている。そこで、測定者は超音波プローブの姿勢を被検体に対して適切に保って移動させるといった熟練した測定作業が必要とされた。特許文献１の超音波プローブはモーター駆動による測定位置の変更が可能であるが、その移動可能範囲は狭く、いわゆる被検体の広い範囲の超音波断面画像を複数の超音波断面画像の情報に基づいて形成したパノラマ画像の取得は難しかった。

こうした実情に鑑み、できるだけ広い範囲のパノラマ画像を形成することができる撮像の実現に貢献する超音波測定装置が望まれる。

（１）本発明の一態様は、被検体への装着手段と、前記装着手段に固定された支持部と、前記支持部に支持され連結された複数の超音波素子アレイユニットと、個々に前記超音波素子アレイユニットを前記支持部に対して変位させるアクチュエーターと、前記超音波素子アレイユニットの送受信および前記アクチュエーターを制御する制御部とを備える超音波測定装置に関する。

被検体には複数の超音波素子アレイユニットが固定されることができる。アクチュエーターは複数の超音波素子アレイユニットの間で相互の相対的な位置関係を制御することができる。こうして個々の超音波素子アレイユニットで撮像される超音波画像は１平面（断面）に合わせ込まれることができる。こうした超音波測定装置は、できるだけ正確に平面に沿って広い範囲のパノラマ画像を形成することができる撮像の実現に大いに貢献することができる。

（２）前記アクチュエーターは、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に対して直交する方向に前記超音波素子アレイユニットに対して駆動力を生成することができる。超音波アレイユニットはアレイ状に配置された超音波トランスデューサー素子を備え、その超音波トランスデューサー素子の超音波出射面である素子表面が所定の平面であるアレイ面に位置するように配置されている。超音波素子アレイユニットはアクチュエーターの駆動力に応じて超音波素子アレイユニットのアレイ面に直交する方向に変位することができる。その結果、超音波素子アレイユニットは適切な圧力で被検体に押し当てられることができる。

（３）前記アクチュエーターは、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｘ軸回りに前記超音波素子アレイユニットに対して駆動力を生成することができる。超音波素子アレイユニットの姿勢はアクチュエーターの駆動力に応じて超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行なｘ軸回りで変化することができる。その結果、超音波素子アレイユニットは適切な姿勢で被検体に押し当てられることができる。

（４）前記アクチュエーターは、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｙ軸回りに前記超音波素子アレイユニットに対して駆動力を生成することができる。超音波素子アレイユニットの姿勢はアクチュエーターの駆動力に応じて超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行なｙ軸回りで変化することができる。その結果、超音波素子アレイユニットは適切な姿勢で被検体に押し当てられることができる。

（５）前記制御部は、前記アクチュエーターを制御して被検体に対して前記超音波素子アレイユニットの押し当て圧力を変化させ、第１圧力値で前記超音波素子アレイユニットの送受信を実施し、前記第１圧力値と異なる第２圧力値で前記超音波素子アレイユニットの送受信を実施することができる。第１圧力値の受信超音波および第２圧力値の受信超音波に基づき超音波エラストグラフィは実現されることができる。

（６）前記制御部は、隣り合う前記超音波素子アレイユニットの間で表面弾性波の送受信を制御することができる。被検体の表面を伝播する表面弾性波に基づき制御部は隣り合う超音波素子アレイユニットの距離を測定することができる。測定された距離に基づき隣り合う超音波素子アレイユニットで距離は調整されることができる。

（７）前記制御部は、前記被検体に対して前記超音波素子アレイユニットを押し当てる際に、前記表面弾性波の送受信で測定される距離に基づき前記支持部に対して前記超音波素子アレイユニットの姿勢を変化させることができる。こうした超音波素子アレイユニットの姿勢変化に応じて隣り合う超音波素子アレイユニットの間で最小距離は維持される。その結果、隣り合う超音波素子アレイユニットの間に例えば被験者の部位は挟まれることから保護されることができる。

（８）前記制御部は、前記被検体に対して前記超音波素子アレイユニットの押し当て圧力を解放し、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｘ軸回りに前記超音波素子アレイユニットの姿勢を変化させることができる。こうした超音波素子アレイユニットの姿勢変化に応じて隣り合う超音波素子アレイユニットの間で最小距離は維持される。その結果、隣り合う超音波素子アレイユニットの間に例えば被験者の部位は挟まれることから保護されることができる。

（９）前記制御部は、前記被検体に対して前記超音波素子アレイユニットの押し当て圧力を解放し、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｙ軸回りに前記超音波素子アレイユニットの姿勢を変化させることができる。こうした超音波素子アレイユニットの姿勢変化に応じて隣り合う超音波素子アレイユニットの間で最小距離は維持される。その結果、隣り合う超音波素子アレイユニットの間に例えば被験者の部位は挟まれることから保護されることができる。

一実施形態に係る電子機器としての超音波診断装置の構成を概略的に示すブロック図である。超音波診断装置の動作を概略的に示すフローチャートである。パノラマ画像の概念を概略的に示す模式図である。超音波エラストグラフィの実施にあたって押し当て圧力の変化を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）超音波診断装置の構成
図１は一実施形態に係る電子機器としての超音波診断装置（超音波測定装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は複数の超音波アセンブリ１２を備える。超音波アセンブリ１２は音響レンズ１３を有する。音響レンズ１３を通じて超音波は送受信される。超音波アセンブリ１２は支持部１４に連結される。支持部１４は例えば板材などから形成される。支持部１４は装着手段としてのベルト１５に固定される。ベルト１５は被検体に装着されることができる。超音波アセンブリ１２は音響レンズ１３で被検体（被験者）に接触する。音響レンズ１３は中心軸に平行な母線で形成される部分円筒面を有する。部分円筒面は超音波の焦点位置を決定する。超音波アセンブリ１２は、音響レンズ１３の母線が直列に並ぶように一列に配列される。支持部１４は、被検体への装着にあたって変形しない程度の剛性を有してもよく被検体の表面に倣う程度の軟性を有してもよい。

個々の超音波アセンブリ１２は超音波素子アレイユニット１７、センサーユニット（センサー）１８およびアクチュエーターユニット（アクチュエーター）１９で形成される。超音波素子アレイユニット１７は超音波デバイス２１を備える。超音波デバイス２１は基板上にアレイ状に配置された超音波トランスデューサー素子を有する。個々の超音波トランスデューサー素子ごとに超音波は送信され受信される。超音波トランスデューサー素子のアレイに音響レンズ１３は被さる。ここでは、超音波素子アレイユニット１７のアレイ面に三次元座標系が固定される。超音波素子アレイユニット１７のアレイ面に三次元座標系のｘｙ平面が重ねられる。ｘ軸は音響レンズ１３の中心軸からｘｙ平面に下ろした垂直面とｘｙ平面との交差線に相当する。ｙ軸は音響レンズ１３の母線に直交し音響レンズ１３の円筒面を二等分する平面とｘｙ平面との交差線に相当する。ｚ軸は超音波素子アレイユニット１７のアレイ面に対して直交する方向に規定される。超音波素子アレイユニット１７のアレイ面は超音波デバイス２１の基板面に一致する。

センサーユニット１８は例えば圧力センサーおよび姿勢検出センサーを備える。超音波素子アレイユニット１７のアレイ面に対して直交する方向（ｚ軸方向）に支持部１４から超音波素子アレイユニット１７に作用する圧力を検出する。姿勢検出センサーは、超音波素子アレイユニット１７のアレイ面に平行な二次元座標系でｘ軸回りおよびｙ軸回りに超音波素子アレイユニット１７の回転角を検出する。これら回転角に基づき超音波素子アレイユニット１７の姿勢は特定される。ここでは、姿勢検出センサーにジャイロセンサーが用いられることができる。

アクチュエーターユニット１９は支持部１４に対して超音波素子アレイユニット１７を連結する。アクチュエーターユニット１９は例えば押圧駆動部、ｘ軸回り駆動部およびｙ軸回り駆動部を備える。押圧駆動部はｚ軸方向に超音波素子アレイユニット１７に対して駆動力を生成する。超音波素子アレイユニット１７は押圧駆動部で生成される駆動力に応じてｚ軸方向に変位する。ｚ軸方向の変位に応じて被検体に対して超音波素子アレイユニット１７の押し当て圧力は制御されることができる。ｘ軸回り駆動部は超音波素子アレイユニット１７のアレイ面に平行な二次元座標系でｘ軸回りに超音波素子アレイユニット１７に対して駆動力を生成する。ｙ軸回り駆動部は超音波素子アレイユニット１７のアレイ面に平行な二次元座標系でｙ軸回りに超音波素子アレイユニット１７に対して駆動力を生成する。超音波素子アレイユニット１７の姿勢はｘ軸回り駆動部やｙ軸回り駆動部で生成される駆動力に応じてｘ軸回りやｙ軸回りに変化する。押圧駆動部、ｘ軸回り駆動部およびｙ軸回り駆動部には例えば高い保持力を有する超音波モーターが用いられればよい。ただし、超音波モーターに代えて電動モーターを含む他の駆動機構が用いられてもよい。

超音波アセンブリ１２には制御部２２が接続される。ここでは、複数の超音波アセンブリ１２に共通に１つの制御部２２が組み込まれる。制御部２２は画像生成部２３および駆動処理部２４を備える。画像生成部２３は個々の超音波アセンブリ１２ごとに超音波素子アレイユニット１７に接続される。画像生成部２３は超音波の送受信を制御する。駆動処理部２４は個々の超音波アセンブリ１２ごとにセンサーユニット１８およびアクチュエーターユニット１９に接続される。駆動処理部２４は個々の超音波アセンブリ１２ごとにセンサーユニット１８の出力に応じてアクチュエーターユニット１９の動作を制御する。

画像生成部２３は送信処理部２５および受信処理部２６を備える。送信処理部２５および受信処理部２６はスイッチ２７を介して個々の超音波アセンブリ１２に接続される。スイッチ２７は個々の超音波アセンブリ１２に対して送信処理部２５との接続および受信処理部２６との接続を切り替える。送信処理部２５から個々の超音波素子アレイユニット１７に発振信号が供給される。発振信号の供給に応じて個々の超音波素子アレイユニット１７から超音波が発せられる。反射してくる超音波によって超音波素子アレイユニット１７で超音波の受信信号が生成される。受信信号は受信処理部２６に送られる。受信処理部２６には画像処理部２８が接続される。画像処理部２８は受信信号に応じて超音波画像を生成する。画像処理部２８は超音波アセンブリ１２ごとに取得される複数の画像に基づきいわゆるパノラマ画像を生成することができる。パノラマ画像では複数の断層画像が組み合わせられて広い範囲にわたって１つの超音波画像が描かれる。

駆動処理部２４は、センサーユニット１８で検出されるｚ軸方向の圧力値に基づきアクチュエーターユニット１９の押圧駆動部の動作を制御する。同様に、駆動処理部２４は、センサーユニット１８で検出されるｘ軸回りの回転角に基づきアクチュエーターユニット１９のｘ軸回り駆動部の動作を制御する。駆動処理部２４は、センサーユニット１８で検出されるｙ軸回りの回転角に基づきアクチュエーターユニット１９のｙ軸回り駆動部の動作を制御する。

制御部２２にはユーザーインターフェース２９およびディスプレイパネル３１が接続される。ユーザーインターフェース２９は例えばタッチスクリーンパネルやキーボード、音声認識装置などであればよい。超音波診断装置１１の使用者はユーザーインターフェース２９を通じて制御部２２に指示を入力することができる。使用者は制御部２２に対して指示を入力することで超音波診断装置１１を操作する。ディスプレイパネル３１は例えば液晶パネルや有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルといった平面ディスプレイが用いられればよい。ディスプレイパネル３１には画像処理部２８から供給される画像信号に基づき超音波画像が映し出される。ディスプレイパネル３１にはその他のテキスト情報やアイコンが表示されることができる。

（２）超音波診断装置の動作
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。超音波アセンブリ１２は被験者に装着される。ベルト１５は腕や腹などに巻かれる。個々の超音波アセンブリ１２では音響レンズ１３は例えば被験者の皮膚に押し付けられる。装着に先立って全体の空間座標系内で個々の超音波アセンブリ１２の位置および姿勢が特定される。例えば音響レンズ１３の母線は等間隔で直列に並べられる。この初期位置および初期姿勢は基準位置および基準姿勢として記憶される。

図２に示されるように、装着された時点で駆動処理部２４は個別に超音波素子アレイユニット１７の位置および姿勢を検出する。基準位置および基準姿勢に対して変位および変化が特定される。ステップＳ１で個々の超音波アセンブリ１２の断層面が１平面に重なるか否かが判断される。重なっていれば、駆動処理部２４の動作は圧力制御に移行する。重なっていなければ、ステップＳ２で駆動処理部２４は姿勢制御を実施する。センサーユニット１８で特定されるｘ軸回り回転角およびｙ軸回り回転角に基づき駆動処理部２４はアクチュエーターユニット１９のｘ軸回り駆動部およびｙ軸回り駆動部に向けて駆動信号を出力する。ｘ軸回り駆動部およびｙ軸回り駆動部は供給される駆動信号に応じてｘ軸回りおよびｙ軸回りで駆動力を生成する。

姿勢制御の実施にあたって、ステップＳ３で、駆動処理部２４は隣り合う超音波素子アレイユニット１７同士で相互接近か否かを判定する。相互接近でなければ、駆動処理部２４の動作は圧力制御に移行する。相互接近が認められると、ステップＳ４で、隣り合う超音波素子アレイユニット１７同士の間隔が閾値以上か否かが判断される。閾値以上であれば、駆動処理部２４の動作は圧力制御に移行する。閾値未満であると、駆動処理部２４は、ステップＳ５で、圧力駆動部の駆動力（または保持力）を解放する。こうして超音波素子アレイユニット１７は被検体から遠ざかることができる。その結果、隣り合う超音波素子アレイユニット１７では最小距離は維持される。隣り合う超音波素子アレイユニット１７同士の間に被験者の皮膚は挟まれることから保護されることができる。姿勢制御が完了すると、駆動処理部２４の動作は圧力制御に移行する。

圧力制御では、駆動処理部２４は個別に超音波素子アレイユニット１７の押し当て圧力を検出する。ステップＳ６で押し当て圧力が設定値か否かが判断される。設定値であれば駆動処理部２４の動作は終了する。その後、画像生成部２３の働きで超音波画像が生成される。

押し当て圧力が設定値でなければ、ステップＳ７で、検出された圧力値が設定値より高いか否かが判断される。高ければ、ステップＳ８で減圧処理が実施される。駆動処理部２４はアクチュエーターユニット１９の圧力駆動部の駆動力を弱める。超音波素子アレイユニット１７の押し当て圧力は低下する。その後、駆動処理部２４の動作はステップＳ１に戻る。そして、前述と同様な処理が繰り返される。

検出された圧力値が設定値以下であると、ステップＳ９で駆動処理部２４はアクチュエーターユニット１９の圧力駆動部の駆動力を強める。超音波素子アレイユニット１７の押し当て圧力は増大する。加圧制御の実施にあたって、ステップＳ１０で、駆動処理部２４は隣り合う超音波素子アレイユニット１７同士で相互接近か否かを判定する。相互接近でなければ、駆動処理部２４の動作は再びステップＳ１に戻る。前述の処理が繰り返される。相互接近が認められると、ステップＳ１１で、隣り合う超音波素子アレイユニット１７同士の間隔が閾値以上か否かが判断される。閾値以上であれば、駆動処理部２４の動作は同様にステップＳ１に戻る。閾値未満であると、駆動処理部２４は、ステップＳ１２で、圧力の増加を停止する。こうしてそれ以上の相互接近は阻止される。その結果、隣り合う超音波素子アレイユニット１７では最小距離は維持される。隣り合う超音波素子アレイユニット１７同士の間に被験者の皮膚は挟まれることから保護されることができる。その後、ステップＳ１３で超音波素子アレイユニット１７の姿勢制御が実施される。駆動処理部２４はｙ軸回りで超音波素子アレイユニット１７を回転駆動する。その結果、そこから隣り合う超音波素子アレイユニット１７が被検体に向かって前進しても、それ以上の相互接近は回避されることができる。こうした姿勢制御の完了後、駆動処理部２４の動作はステップＳ１に戻る。

図３に示されるように、パノラマ画像の生成にあたって全ての超音波素子アレイユニット１７の断層面は１平面に合わせ込まれることが望まれる。本実施形態に係る超音波診断装置１１は被検体に複数の超音波素子アレイユニット１７を固定することができる。アクチュエーターユニット１９は複数の超音波素子アレイユニット１７の間で相互の相対的な位置関係を制御することができる。こうして個々の超音波素子アレイユニット１７で撮像される超音波画像は１平面に合わせ込まれることができる。こうした超音波診断装置１１は、できるだけ正確に１平面に沿ってパノラマ画像を形成することができる撮像の実現に大いに貢献することができる。

超音波診断装置１１は超音波エラストグラフィの実施にあたって利用されることができる。このとき、駆動処理部２４はアクチュエーターユニット１９の圧力駆動部を清書して被検体に対して超音波素子アレイユニット１７の押し当て圧力を変化させる。例えば図４に示されるように、一定の上昇レートおよび下降レートで圧力の変動は一定周期で繰り返されればよい。画像生成部２３は圧力Ｐ１および圧力Ｐ２で超音波画像を取得する。画像生成部２３は圧力Ｐ１の画像と圧力Ｐ２の画像とを比較し差分を検出する。比較結果はディスプレイパネル３１に表示される。

前述の相互接近の検出にあたって超音波の表面弾性波が利用されてもよい。被検体の表面を伝播する表面弾性波に基づき制御部２２の駆動処理部２４は隣り合う超音波素子アレイユニット１７の距離を測定することができる。前述のように閾値以上か否かが判定される。こうして測定された距離に基づき隣り合う超音波素子アレイユニット１７で距離は調整されることができる。制御部２２の駆動処理部２４は、被検体に対して超音波素子アレイユニット１７を押し当てる際に、表面弾性波の送受信で測定される距離に基づき支持部１４に対して超音波素子アレイユニット１７の姿勢を変化させる。こうした超音波素子アレイユニット１７の姿勢変化に応じて隣り合う超音波素子アレイユニット１７の間で最小距離は維持される。その結果、隣り合う超音波素子アレイユニット１７の間に例えば被験者の皮膚は挟まれることから保護されることができる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、超音波アセンブリ１２や支持部１４、超音波素子アレイユニット１７、センサーユニット１８、アクチュエーターユニット１９等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１１超音波測定装置（超音波診断装置）、１４支持部、１５装着手段（ベルト）、１７超音波素子アレイユニット、１８センサー（センサーユニット）、１９アクチュエーター（アクチュエーターユニット）、２２制御部。

Claims

被検体への装着手段と、
前記装着手段に固定された支持部と、
前記支持部に支持され連結された複数の超音波素子アレイユニットと、
個々に前記超音波素子アレイユニットを前記支持部に対して変位させるアクチュエーターと、
前記超音波素子アレイユニットの送受信および前記アクチュエーターを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする超音波測定装置。
請求項１に記載の超音波測定装置において、前記アクチュエーターは、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に対して直交する方向に前記超音波素子アレイユニットに対して駆動力を生成することを特徴とする超音波測定装置。
請求項１または２に記載の超音波測定装置において、前記アクチュエーターは、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｘ軸回りに前記超音波素子アレイユニットに対して駆動力を生成することを特徴とする超音波測定装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、前記アクチュエーターは、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｙ軸回りに前記超音波素子アレイユニットに対して駆動力を生成することを特徴とする超音波測定装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、前記制御部は、前記アクチュエーターを制御して被検体に対して前記超音波素子アレイユニットの押し当て圧力を変化させ、第１圧力値で前記超音波素子アレイユニットの送受信を実施し、前記第１圧力値と異なる第２圧力値で前記超音波素子アレイユニットの送受信を実施することを特徴とする超音波測定装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、前記制御部は、隣り合う前記超音波素子アレイユニットの間で表面弾性波の送受信を制御することを特徴とする超音波測定装置。
請求項６に記載の超音波測定装置において、前記制御部は、前記被検体に対して前記超音波素子アレイユニットを押し当てる際に、前記表面弾性波の送受信で測定される距離に基づき前記支持部に対して前記超音波素子アレイユニットの姿勢を変化させることを特徴とする超音波測定装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、前記制御部は、前記被検体に対して前記超音波素子アレイユニットの押し当て圧力を解放し、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｘ軸回りに前記超音波素子アレイユニットの姿勢を変化させることを特徴とする超音波測定装置。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波測定装置において、前記制御部は、前記被検体に対して前記超音波素子アレイユニットの押し当て圧力を解放し、前記超音波素子アレイユニットのアレイ面に平行な二次元座標系でｙ軸回りに前記超音波素子アレイユニットの姿勢を変化させることを特徴とする超音波測定装置。