JP3578685B2 - 超音波診断装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置に用いられ、超音波探触子を動かすことなく超音波走査面を傾けることの可能な揺動機構を有する超音波探触子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
超音波探触子を動かすことなく、揺動手段である揺動機構により超音波走査面を傾けて3次元画像を抽出可能な超音波探触子の一般的な構成は、図5に示されるように1個以上の超音波素子501がローター502に固定され、このロータ502は回転軸503および回転支持部材504により回転可能に支持されている。走査モータ505の駆動力は駆動プーリ506、タイミングベルト507、従動プーリ508などの伝達系を経て回転軸503に伝達され、ロータ502を回転または揺動運動させてセクタ状に超音波走査を行う。これらの走査機構は揺動軸509および揺動フレーム510に揺動可能に支持され、揺動モータ511の駆動力は、ピニオンギヤ512、揺動ギヤ513を介して走査手段である走査機構を揺動させる。つまり、走査機構を回転または揺動させることによって超音波走査面を形成し、揺動機構を用いて走査機構を揺動させることによって超音波走査面を傾け、超音波の送受信方向を2次元的に決定する。
【0003】
前記走査機構およびそれを揺動させる揺動機構は音響窓514により封入された音響結合液515の中で動作する。また揺動機構の揺動角度は揺動モータ511に取り付けられたエンコーダ516により得られるパルスデータをもとに図示しない超音波診断装置本体の制御回路が角度制御を行い、3次元画像などを構築する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術による3次元画像を抽出可能な超音波探触子の構成において、揺動角度を検出するためには揺動モータにエンコーダなどの位置検出機構を設けなければならず、製作する際の材料費の上昇と組立て調整時間の増加により、安価な探触子の提供の妨げとなっていた。
【0005】
また、前記超音波探触子を用いて穿刺検査を行う場合、揺動可能な走査面は穿刺針の反射像を表示させ、検査部位に穿刺針が正確に到達するように穿刺針の動きと同一面に合わせなくてはならない。しかしながら、揺動駆動力伝達系における機械的がたつき、揺動ギヤの歯欠けやピニオンギヤの空回り、エンコーダの故障などの不具合が生じた場合、前記探触子は正確に揺動角度を検出して位置情報を超音波診断装置に送ることができず、走査面が穿刺針の移動する面と一致しない場合が発生し、最悪の場合は被験体に被害を与えることもある。
【0006】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、走査面の揺動角度を検出するエンコーダを不要とした安価な超音波探触子を備える超音波診断装置を提供することを目的とする。また、本発明は、揺動駆動力伝達系の機械的な不安定さによる揺動角度の検出誤差を抑え、エンコーダの不具合による揺動角度の検出不能が発生しない安全性の高い超音波探触子を備える超音波診断装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波診断装置は、超音波素子を回転または揺動可能な走査手段と、前記走査手段を揺動可能な揺動手段と、音響結合液が封入され、前記超音波素子と被験体との間の超音波の伝播が可能な音響窓とを有し、前記音響窓の内壁曲率中心と前記揺動手段の揺動中心とを異なる位置に設定した超音波探触子を備えており、前記超音波素子から放射された超音波が前記音響窓で反射して前記超音波素子に戻るまでの時間を測定して、前記走査手段を揺動する前記揺動手段の揺動角度を検出し、画像処理回路で3次元画像を構築できるように前記走査手段を所定の範囲において揺動させる。この超音波探触子は、超音波の送信から音響窓内壁による反射波の受信までの時間を測定することで、エンコーダなどを必要とすることなく揺動手段の揺動角度を検出することができる。
【0008】
また、本発明の超音波診断装置では、穿刺検査を行うための穿刺針案内スリットを前記超音波探触子の外側壁に設けるか、または取付可能にした。この構成により、超音波の走査面を穿刺針の移動面と正確に合わせることができるため、より安全性の高い超音波診断装置を提供することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施の形態の超音波探触子の構成を示す一部破断正面である。図1に示すように、超音波を送受信する超音波素子1がロータ2に固定され、このロータ2は回転軸3および回転支持部材4により回転可能に支持されている。走査モータ5の駆動力は駆動プーリ6、タイミングベルト7、従動プーリ8などの駆動力伝達系を経て回転軸3に伝達され、ロータ2を回転または揺動させて超音波素子1によりセクタ状に超音波走査を行う。これらの走査機構は揺動軸9および揺動フレーム10により揺動可能に支持され、揺動モータ11の駆動力は、ピニオンギヤ12と揺動ギヤ13を介して揺動軸9を揺動の中心として揺動させる。つまり、走査機構を回転または揺動させることによって超音波走査面を形成し、揺動機構を用いて走査機構を揺動させることによって超音波走査面を傾け、超音波の送受信方向を2次元的に決定する。
【0010】
前記の走査機構およびそれを揺動させる揺動機構は、揺動軸9とは異なる位置に内壁の曲率中心14をもつ音響窓15と、図示しない収納ケースとにより封入された音響結合液16の中で動作する。音響窓15の材料としては内部機構の保護と音響結合液の封入という目的から例えばポリスチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどの音響インピーダンスが1.5〜2.0[MRayl]程度の樹脂材料を用いる。また、音響結合液16としては流動性に優れた液体が適しており、例えばアルコールや流動パラフィンなどを用い、これらの音響インピーダンスは0.9〜1.2[MRayl]程度で一般的には音響窓16に用いる材料のそれよりも小さい。
【0011】
次に上記実施の形態の動作について説明する。図1の構成において走査モータ5が超音波素子1の固定されたロータ2を回転または揺動させる。図示しない超音波診断装置本体はロータ2を回転または揺動させながら超音波素子1に図示しない信号伝達経路を経由して超音波素子1に電気信号を与え、超音波を放射させる。超音波素子1から放射された超音波は音響結合液16と音響窓15を通過して生体などの被験体内部に放射され、被験体内の組織境界面で反射した超音波は再び音響窓15と音響結合液16を通過し、超音波素子1は受信した超音波を電気信号に変換する。超音波素子1が受信した電気信号をもとに図示しない超音波診断装置が被験体の断層画像を表示する。
【0012】
この走査を行いながら超音波素子1、ロータ2、回転軸3、回転支持部材4、走査モータ5、駆動プーリ6、タイミングベルト7、および従動プーリ8により構成される走査機構を、揺動モータ11の駆動力がピニオンギヤ12と揺動ギヤ13を介して揺動軸9を中心に所定の範囲(例えば−45°から+45°)において揺動させ、図示しない超音波診断装置の画像処理回路が3次元画像を構築する。
【0013】
この3次元画像を構築するためには、超音波診断装置は走査機構の揺動角度を知ることが必要である。以下、その方法について具体例の一つを挙げて説明する。超音波素子1から放射した超音波は縦波音速が1400[m/s]の音響結合液16中を伝播し、音響窓15に入射する。音響結合液16の音響インピーダンスをZc(例えば1.0[MRayl])、音響窓の音響インピーダンスをZw(例えば2.0[MRayl])として音響結合液16から音響窓15に超音波が入射するとき、超音波はR=(Zc−Zw)/(Zc+Zw)の反射率で反射する。
【0014】
走査面の揺動中心である揺動軸9から超音波素子1の音波放射面までの距離を例えば23.5[mm]、音響窓15の内壁曲率半径を30.5[mm]、その曲率中心14を図1における揺動軸9の鉛直方向の10[mm]上の位置におき、超音波素子1の音波放射面から音響窓内壁までの距離をDとすると、超音波の放射から音響窓内壁で反射し、再び超音波素子1に戻ってくるまでに要する時間Tは次式で求められる。
【0015】
T=2×D/v(vは音響結合液16の縦波音速)
走査面の揺動角度0°を図1の鉛直方向上向きとするとき、揺動角度が増すに従って超音波素子1から音響窓内壁までの距離が近くなるため、走査面の揺動角度を0°から45°まで揺動させて、超音波の放射から音響窓内壁で反射し、再び超音波素子1に戻ってくるまでの時間Tは、揺動角が0°、15°、30°、45°の場合、それぞれ
T0=24.3×10−6[s]
T15=23.6×10−6[s]
T30=21.9×10−6[s]
T45=18.9×10−6[s]
となり、揺動角度が増すに従い音響窓内壁からの反射波の到達時間が短くなる。
【0016】
したがって、超音波素子1から放射された超音波の第一番目の反射波である音響窓内壁における反射波の到達時間を図示しない超音波診断装置の画像処理回路で測定することで、超音波診断装置本体は、揺動モータなどに取り付けられたエンコーダなどの位置検出機構による揺動角度の位置情報を必要とせずに、走査面が傾いた揺動角度を検出することができ、この音響窓内壁による第一番目の反射波の到達時間を揺動角度の位置情報として3次元画像の構築が可能となる。
【0017】
このように、本発明の第1の実施の形態によれば、超音波走査面の揺動中心となる揺動軸9に対し、音響窓内壁の曲率中心14を鉛直方向の上方に配置し、超音波の送信から音響窓内壁による反射波の受信までの時間が揺動角度が大きくなるに従って短くなることを利用してその揺動角度を検出することができる。
【0018】
図2は、本発明の第2の実施の形態の超音波探触子の構成を示す図である。この超音波探触子は、走査面の揺動中心となる揺動軸に対し、音響窓内壁の曲率中心を鉛直方向の下の位置に配置した場合の構成例である。
【0019】
図2において、超音波を送受信する超音波素子21がロータ22に固定されている。このロータ22は図1の超音波探触子と同様、回転軸および回転支持部材により回転可能に支持されている。そして、走査モータの駆動力は駆動プーリ、タイミングベルト、従動プーリなどの駆動力伝達系を経て前記回転軸に伝達され、ロータ22を回転または揺動させて超音波素子21によりセクタ状に超音波走査を行う。これらの走査機構は揺動軸23および揺動フレームにより揺動可能に支持され、揺動モータの駆動力は、ピニオンギヤと揺動ギヤを介して揺動軸23を揺動の中心として揺動させる。
【0020】
ここで、本実施の形態では、揺動軸23に対し、音響窓内壁の曲率中心24が鉛直方向の下の位置に配置されている。このため、第1の実施の形態とは逆に、揺動角度が増すに従って超音波素子21から音響窓内壁までの距離が遠くなるため、音響窓内壁による第一番目の反射波の到達時間が長くなる。
【0021】
したがって、超音波素子21から放射された超音波の第一番目の反射波である音響窓内壁における反射波の到達時間を図示しない超音波診断装置の画像処理回路で測定することで、第1の実施の形態と同様、超音波診断装置本体は、揺動モータなどに取り付けられたエンコーダなどの位置検出機構による揺動角度の位置情報を必要とせずに、走査面が傾いた揺動角度を検出することができ、この音響窓内壁による第一番目の反射波の到達時間を揺動角度の位置情報として3次元画像の構築が可能となる。
【0022】
このように、本発明の第2の実施の形態によれば、超音波走査面の揺動中心となる揺動軸23に対し、音響窓内壁の曲率中心24を鉛直方向の下の位置に配置し、超音波の送信から音響窓内壁による反射波の受信までの時間が揺動角度が大きくなるに従って長くなることを利用してその揺動角度を検出することができる。
【0023】
図3は、本発明の第3の実施の形態の超音波探触子の構成を示す図である。本発明の第3の実施の形態の超音波探触子は、第1の実施の形態または第2の実施の形態の超音波探触子に対して、穿刺検査を目的とした穿刺針案内スリットを設けたものである。
【0024】
図3に示す超音波探触子の基本構成は、図1に示した超音波探触子と同一であり、穿刺検査を行うための穿刺針案内スリット32を外側壁に設けたことが相違点である。
【0025】
以上のように構成された超音波探触子において穿刺検査を行う場合、図示しない超音波診断装置に穿刺針31の反射像を表示させ、検査部位に穿刺針31を正確に到達させるために、揺動可能な走査面を穿刺針案内スリット32により定められた穿刺針31の移動面と同一面に合わせる必要がある。そこで、本実施の形態では、超音波走査面の揺動角度に応じて変化する音響窓33の内壁による反射波の到達時間を図示しない超音波診断装置が測定を行うことによって超音波走査面の揺動角度を検出し、穿刺針31の移動面と超音波走査面とが同一面になるよう所定の揺動角度(例えば揺動角度0°)に超音波診断装置が超音波探触子内に設けられた揺動モータ34を制御する。
【0026】
このように、本発明の第3の実施の形態によれば、穿刺針案内スリット32により定められた穿刺針31の移動面と超音波走査面とを正確に合わせることができる。
【0027】
図4は、本発明の第4の実施の形態の超音波探触子の構成を示す図である。本発明の第4の実施の形態の超音波探触子は、第1の実施の形態または第2の実施の形態の超音波探触子に対して、穿刺検査を行うための穿刺針案内スリットを外側壁に取付可能に構成したものである。
【0028】
図4に示す超音波探触子の基本構成は、図1に示した超音波探触子と同一であり、穿刺検査を行うための穿刺針案内スリット42を外側壁に取付可能したことが相違点である。
【0029】
以上のように構成された超音波探触子において穿刺検査を行う場合、図示しない超音波診断装置に穿刺針41の反射像を表示させ、検査部位に穿刺針41を正確に到達させるために、揺動可能な超音波走査面を穿刺針案内スリット42により定められた穿刺針41の移動面と同一面に合わせる必要がある。そこで、本実施の形態では、超音波走査面の揺動角度に応じて変化する音響窓43の内壁による反射波の到達時間を図示しない超音波診断装置が測定を行うことによって超音波走査面の揺動角度を検出し、穿刺針41の移動面と超音波走査面とが同一面になるよう所定の揺動角度(例えば、揺動角度0°)に超音波診断装置が超音波探触子内に設けられた揺動モータ44を制御する。
【0030】
このように、本発明の第4の実施の形態によれば、穿刺針案内スリット42により定められた穿刺針41の移動面と超音波走査面とを正確に合わせることができる。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、超音波走査面が揺動されるに従って変化する音響窓内壁からの反射波の到達時間を超音波診断装置本体で測定することにより、超音波走査面の揺動角度を検出することができるので、エンコーダなどの位置検出機構を必要としない安価な超音波探触子を備える超音波診断装置を提供することができるという効果が得られる。
【0032】
また、外側壁に穿刺検査用の穿刺針案内スリットを有する、または取付可能な超音波探触子を備える超音波診断装置においては、超音波走査面の揺動角度を穿刺針の移動面と正確に合わせることができるため、より安全性の高い超音波診断装置を提供することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の超音波探触子を示す一部破断正面図、
【図2】本発明の第2の実施の形態の超音波探触子を示す一部破断正面図、
【図3】本発明の第3の実施の形態の超音波探触子を示す一部破断正面図、
【図4】本発明の第4の実施の形態の超音波探触子を示す一部破断正面図、
【図5】従来の超音波探触子を示す一部破断正面図である。
【符号の説明】
1 超音波素子
2 ロータ
3 回転軸
4 回転支持部材
5 走査モータ
6 駆動プーリ
7 タイミングベルト
8 従動プーリ
9 揺動軸
10 揺動フレーム
11 揺動モータ
12 ピニオンギヤ
13 揺動ギヤ
14 音響窓内壁曲率中心
15 音響窓
16 音響結合液
Claims (3)
- 超音波素子を回転または揺動可能な走査手段と、前記走査手段を揺動可能な揺動手段と、音響結合液が封入され、前記超音波素子と被験体との間の超音波の伝播が可能な音響窓とを有し、前記音響窓の内壁曲率中心と前記揺動手段の揺動中心とを異なる位置に設定した超音波探触子を備え、前記超音波素子から放射された超音波が前記音響窓で反射して前記超音波素子に戻るまでの時間を測定して、前記走査手段を揺動する前記揺動手段の揺動角度を検出し、画像処理回路で3次元画像を構築できるように前記走査手段を所定の範囲において揺動させることを特徴とする超音波診断装置。
- 穿刺検査を行うための穿刺針案内スリットを前記超音波探触子の外側壁に有することを特徴とする請求項1記載の超音波診断装置。
- 穿刺検査を行うための穿刺針案内スリットが前記超音波探触子の外側壁に取付可能であることを特徴とする請求項1記載の超音波診断装置。
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