JP3645048B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置、特に３次元的な超音波走査を行う超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、体腔内に挿入して体内の断層像を得られるようにした超音波プローブが種々考案されている。このような体腔内挿入式の超音波プローブが開発されたことにより、体外式の超音波プローブでは診断が困難であった深部臓器の微細な観察が可能となった。特に食道や胃といった消化管にできる腫瘍の診断においては、腫瘍が消化管壁に対してどの程度の深さまで浸潤しているかといったことまで診断が可能なため、その有用性が認められている。
【０００３】
このような超音波プローブを用いた従来の超音波診断装置では、リニア走査、あるいはラジアル走査といった単独の走査方式によって得られた画像を表示するものが主であった。しかし、腫瘍の深さ方向への浸潤度合いと共に、面方向への広がりも同時に観察して、腫瘍の３次元的な大きさを把握したいという要望がでてきている。
【０００４】
そこで、このような要望に応えるため、従来より図６の（Ａ）に示すように、一側部に超音波振動子１０２を有する超音波プローブ１０１を一回転させると同時に進退させることにより、ラジアル像とリニア像を同時に得るようにしたものが考案されている。このようにラジアル像とリニア像を同時に得ることの可能な装置としては、例えば特開昭５７−９４３９号公報とか、実開昭６３−７４１０８号公報において、超音波プローブをラジアル走査可能で、かつ軸方向に移動可能にした装置が開示されている。
【０００５】
また、ラジアル像とリニア像の同時表示を行うための走査方式として、図６の（Ｂ）に示すように、超音波プローブ１０１の進退を随時行いながら、それに伴い超音波プローブを回転させていくスパイラル方式の走査を行う装置が提案されている。
【０００６】
本出願人も、特開平２−２６５５３６号公報において、図７及び図８に示すような、超音波プローブの回転駆動と進退駆動を同期させて制御するようにした装置を提案している。この従来例の構成を以下に説明する。
【０００７】
図７に示すように、超音波プローブ１１０は、超音波送受信部となる超音波振動子１１１が、軸状の駆動伝達部１１２に接続され、これらは、先端部が球面状に閉塞された外筒１１３内に収納されている。前記外筒１１３の内部の先端側には、シール材１１４及びＯリング１１５が設けられ、これによって、前記駆動伝達部１１２を保持している。また、前記外筒１１３及びシール材１１４、Ｏリング１１５によって密閉された外筒１１３の先端部内の空間には、音響媒体１１６が充填されている。
【０００８】
前記駆動伝達部１１２の後端部は、前記外筒１１３の後端部から延出され、接続部１１７を介して、ステッピングモータ１１８に接続されている。このステッピングモータ１１８は、該ステッピングモータ１１８の回転位置を検出するエンコーダ１１９と組み合わせて構成され、これらは、回転運動部外装１２０内に収納、保持されている。前記回転運動部外装１２０は、進退運動伝達部１２１に取り付けられ、この進退運動伝達部１２１は、ボールネジからなる進退機構部１２２に螺合している。前記進退機構部１２２は、ステッピングモータ１２３の駆動部に接続され、このステッピングモータ１２３によって回転されるようになっている。また、前記ステッピングモータ１２３は、該ステッピングモータ１２３の回転位置を検出するエンコーダ１２４と組み合わせて構成されている。
【０００９】
前記接続部１１７、ステッピングモータ１１８、エンコーダ１１９、回転運動部外装１２０、進退運動伝達部１２１、進退機構部１２２、ステッピングモータ１２３及びエンコーダ１２４は、外装１２５によって囲まれ、前記外筒１１３の後端部はこの外装１２５に固定されている。また、前記ステッピングモータ１２３は、前記外装１２５に固定されている。
【００１０】
超音波プローブの制御系は、図８に示すように、超音波振動子１１１の回転と進退とを制御する制御回路１３０と、この制御回路１３０からのスタート信号ｓｔｒを入力し、クロックｃｌｋを出力するクロック発振器１３１と、前記クロック発振器１３１からのクロックｃｌｋを入力し、このクロックｃｌｋと周期Ｔの１／４だけ遅らせた信号ＤＬＹを出力する遅延回路１３２とを備えている。
【００１１】
前記クロックｃｌｋと信号ＤＬＹは、切り換えスイッチ１３３を介してステッピングモータ１１８，１２３に、それぞれ、２相の駆動信号として入力されるようになっている。前記切り換えスイッチ１３３は、前記制御回路１３０からの制御信号Ｊによって制御され、クロックｃｌｋをＡ相とし信号ＤＬＹをＢ相とする状態と、クロックｃｌｋをＢ相とし信号ＤＬＫをＡ相とする状態とに切り換えるようになっている。
【００１２】
前記ステッピングモータ１１８に連結されたエンコーダ１１９のＡ相出力Ｃ及び一回転毎に出力されるＺ相出力Ｚは、前記制御回路１３０に入力されるようになっている。同様に、前記ステッピングモータ１２３に連結されたエンコーダ１２４のＡ相出力Ｇ及びＺ相出力Ｈは、前記制御回路１３０に入力されるようになっている。
【００１３】
このような構成において、超音波プローブの回転駆動と進退駆動を同期させて制御を行うことにより、ラジアル走査、リニア走査、及びスパイラル走査が可能であり、これらの走査によってラジアル像及びリニア像を得ることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような３次元的な超音波走査を行う超音波診断装置では、ラジアル走査とリニア走査を組み合わせたスパイラル走査が可能であると共に、従来通りのラジアル走査のみ、あるいはリニア走査のみといった使い方に切り替えることも可能である。
【００１５】
このような超音波診断装置においてスパイラル走査を行って３次元データを得る場合には、一回の走査で数十枚ものラジアル像を取り込まなければならないため、走査に時間がかかってしまう。ところが走査に多くの時間をかけると、走査している間に患者の体が動いてしまって、取り込んだデータが不連続になり、走査に失敗する等の不具合が生じることがあった。
【００１６】
このため、走査にかかる時間を極力短くできるよう、前記ステッピングモータ１１８および前記ステッピングモータ１２３の回転数を上げて走査する必要があった。しかしながら、モータを高速で回転させるとモータ自身の寿命が短くなるばかりでなく、シャフトや軸受けといった機構部品の消耗が早くなり、装置寿命が短くなるという問題点がある。
【００１７】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたもので、３次元的な超音波走査を行う場合に走査時間を短縮することができ、かつ機構部品の消耗を抑えて装置寿命を長く保つことが可能な超音波診断装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明による超音波診断装置は、超音波を送受信する超音波振動子と、前記超音波振動子を機械的にラジアル走査する第１の走査手段と、前記超音波振動子を機械的にリニア走査する第２の走査手段と、前記超音波振動子を第１の速度でラジアル走査駆動する第１のモードと、前記ラジアル走査を前記第１の速度より速い第２の速度で駆動しながら前記リニア走査駆動する第２のモードとの切り替えを指示する駆動指示手段と、前記駆動指示手段の指示に応じて、前記超音波振動子の走査を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１及び図２は本発明の一実施形態に係り、図１は超音波診断装置における超音波プローブの駆動部の構成を示す断面図、図２は超音波診断装置の駆動制御部の構成を示すブロック図である。
【００２０】
まず、図１を用いて、本実施形態の超音波診断装置における駆動系の構成について説明する。
【００２１】
超音波プローブ１には、超音波送受信部となる超音波振動子２が軸状の駆動伝達部３の先端に固定され、これらは先端部が球面状に閉塞された外筒４内に収納されている。前記外筒４の内部の先端側には、シール材５ａ及びＯリング５ｂが設けられ、これらによって前記駆動伝達部３を保持している。また、前記外筒４及びシール材５ａ，Ｏリング５ｂによって密閉された外筒４の先端部内の空間は音響媒体６で満たされている。なお、前記駆動伝達部３，外筒４は、経口的な体腔内挿入に適するよう可撓性を有する部材で構成されている。
【００２２】
前記駆動伝達部３の後端部は、前記外筒４の後端部から延出され、接続部７を介して、ＤＣモータ８に接続されている。このＤＣモータ８は、該ＤＣモータ８の回転位置を検出するエンコーダ９と機械的に連結されていて、これらは回転運動部外装１０内に収納、保持されている。超音波振動子２は、駆動伝達部３を介してＤＣモータ８によって回転駆動されると同時に、ＤＣモータ８の回転運動がエンコーダ９に伝達できるようになっている。
【００２３】
前記回転運動部外装１０は、進退運動伝達部１１に取り付けられ、この進退運動伝達部１１はボールネジからなる進退機構部１２に螺合している。前記進退機構部１２は、ステッピングモータ１３に機械的に連結され、ステッピングモータ１３の回転によって前後に進退するようになっている。
【００２４】
前記接続部７，ＤＣモータ８，エンコーダ９，回転運動部外装１０，進退運動伝達部１１，進退機構部１２，ステッピングモータ１３は、外装１５によって囲まれ、前記外筒４の後端部はこの外装１５に固定されている。また、前記外装１５にはステッピングモータ１３が固定されている。
【００２５】
次に、図２を参照して本実施形態の超音波診断装置における制御系の構成について説明する。図２は超音波診断装置の駆動制御部の構成を示したものである。
【００２６】
本実施形態の駆動制御部は、超音波振動子２を進退させるステッピングモータ１３を制御する制御回路２２と、ＤＣモータ８に直流電力を供給するＤＣ電源１９と、前記ＤＣ電源１９の電圧を制御することによりＤＣモータ８の回転を制御するＤＣモータ制御回路２０と、走査モードの切り替え操作を行う操作卓１６とを備えて構成されている。
【００２７】
このＤＣモータ制御回路２０には、前記エンコーダ９から出力されるＡ相信号Ａが入力されている。このＡ相信号ＡはＤＣモータ８の回転速度に応じて周期が変化するので、Ａ相信号Ａの周期変化に応じてモータ駆動電圧を制御することにより、ＤＣモータ８の回転数を常に一定に保つようにしてある。
【００２８】
また、前記エンコーダ９の出力するＡ相信号Ａは、同時に前記制御回路２２にも入力されていて、この制御回路２２はＡ相信号Ａを分周してステッピングモータ１３の回転制御信号Ｂ、Ｃを生成するようになっいる。
【００２９】
操作卓１６には切り替えスイッチ１７が設けられていて、操作卓１６から出力されるリニア走査ＯＮ／ＯＦＦ信号は、制御回路２２とＤＣモータ制御回路２０とに入力されるようになっている。前記切り替えスイッチ１７をＯＮにすると、前記リニア走査ＯＮ／ＯＦＦ信号はローレベルになる。また、切り替えスイッチ１７をＯＦＦにすると、前記リニア走査ＯＮ／ＯＦＦ信号はハイレベルになる。
【００３０】
前記リニア走査ＯＮ／ＯＦＦ信号がローレベルのときは、制御回路２２はステッピングモータ１３を回転させる。また、ＤＣモータ制御回路２０はＤＣモータ８を回転させる。ステッピングモータ１３は進退機構部１２に機械的に連結されているので、前記リニア走査ＯＮ／ＯＦＦ信号がローレベルのときには超音波振動子２は進退運動しながら回転し、スパイラル走査を行うことになる。なおこのとき、ＤＣモータ制御回路２０はＤＣモータ８を高速回転させるようになっている。
【００３１】
前記リニア走査ＯＮ／ＯＦＦ信号がハイレベルのときは、制御回路２２はステッピングモータ１３の回転を停止させ、ＤＣモータ制御回路２０はＤＣモータ８を回転させる。したがって、前記リニア走査ＯＮ／ＯＦＦ信号がハイレベルのときには超音波振動子２は進退運動しなくなり、ラジアル走査のみを行うことになる。なおこのとき、ＤＣモータ制御回路２０はＤＣモータ８を低速回転させるようになっている。
【００３２】
前述したように、ＤＣモータ８に連結されたロータリエンコーダ９の出力するＡ相信号Ａを元にステッピングモータ１３の回転制御信号Ｂ、Ｃが生成されるようになっているため、ＤＣモータ８を高速回転させると、これに伴ってステッピングモータ１３も高速回転するようになっている。
【００３３】
スパイラル走査を行う場合には、例えば取り込む画像毎の間隔を１ｍｍ程度とし、４０枚程度の画像を連続して取り込むようにして、超音波振動子２を４ｃｍ前後進退させて走査するのが適当である。走査する範囲をこれより短くすると、腫瘍等の全貌をとらえきれなくなる確率が高くなる。走査する範囲をこれより長くすると、体腔内で超音波プローブ１の外筒４を直線に保つことが困難になり、正確な３次元画像の構築ができなくなる。４０枚の画像を取り込む場合には、超音波振動子２の回転数を毎秒２０回転以上とし、４０枚の画像を２秒以内に取り込みを終えるようにすれば、患者の体の動きによる影響を受けにくくすることができる。
【００３４】
このように構成された本実施形態の超音波診断装置では、操作卓１６に設けられた切り替えスイッチ１７の操作に応じて、ラジアル走査のみを行うか、またはラジアル走査とリニア走査を組み合わせたスパイラル走査を行うかが切り替わるようになっている。また、切り替えスイッチ１７の操作に応じて、超音波振動子２を回転運動させるためのＤＣモータ８の回転速度が切り替わるようになっている。このとき、ラジアル走査のみを行う場合は、ＤＣモータ８の回転を遅くして走査し、ラジアル走査とリニア走査を組み合わせたスパイラル走査を行う場合は、ＤＣモータ８の回転を高速にして走査する。
【００３５】
これにより、スパイラル走査等の３次元的な超音波走査を行う場合には、ＤＣモータ８及びステッピングモータ１３が高速回転し、ラジアル方向の走査速度が高速となるので、走査が短時間で終了するようになる。従って、３次元的な超音波走査を行う場合の走査時間を短縮でき、患者の体の動きなどに起因する画像の不連続が起きにくくなり、走査時の不具合を防止できる。
【００３６】
また、ラジアル走査のみを行う場合には、ＤＣモータ８が低速回転し、超音波振動子２の回転速度が低速となるので、モータ，駆動伝達部等のシャフト，軸受けなどといった機構部品の消耗度を低く抑えることができ、寿命を長く保つことが可能である。
【００３７】
本実施形態のような体腔内走査式の超音波診断装置では、超音波画像と内視鏡画像を１台のモニタ上に同時に表示して観察したり、記録に残したいという要望がかねてよりあり、このために超音波画像と内視鏡画像とを親子画面表示して同時に表示する親子画面表示ユニットなどが用いられている。このような親子画面表示ユニットは、通常、超音波診断装置内に設けられるか、あるいは超音波診断装置の外付けユニットとして用意される。
【００３８】
超音波診断装置等において設けられる超音波画像と内視鏡画像とを同時に表示する親子画面表示ユニットの構成例を図３ないし図５に示す。図３は親子画面表示ユニットの構成を示すブロック図、図４は従来の親子画面表示を示す説明図、図５は本構成例における親子画面表示を示す説明図である。
【００３９】
親子画面表示ユニットは、図３に示すように、子画面画像入力端子３１，バッファアンプ３２，同期分離回路３３，ＰＬＬ回路３４，Ａ／Ｄ変換器３５，フィールドメモリ３６，マスキング回路３７，Ｄ／Ａ変換器３８からなる子画面画像処理系と、親画面画像入力端子４０，バッファアンプ４１とからなる親画面画像処理系と、子画面画像信号と親画面画像信号とを合成する混合回路３９と、親子画面出力端子４２とを有して構成されている。
【００４０】
子画面画像入力端子３１から入力された映像信号は、バッファアンプ３２を通り、Ａ／Ｄ変換器３５と同期分離回路３３とにそれぞれ入力される。同期分離回路３３では、入力された映像信号から同期信号を分離し、ＰＬＬ回路３４では、前記同期分離回路３３で分離された同期信号に位相同期したクロック信号を発生する。Ａ／Ｄ変換器３５では、入力された映像信号を前記ＰＬＬ回路３４からのクロック信号でサンプリングして、ディジタル信号に変換する。
【００４１】
Ａ／Ｄ変換器３５でディジタル信号に変換された映像信号は、フィールドメモリ３６に一旦書き込まれてから読み出される。その際、フィールドメモリ３６からの読み出し時にデータを間引きして読み出すことにより、前記ディジタル化された映像信号は縮小処理される。そして、マスキング回路３７では、前記縮小処理された映像信号の文字情報表示エリアをマスキング処理し、画像表示エリアのみを切り出す。この画像表示エリアのみを切り出された映像信号は、Ｄ／Ａ変換器３８でアナログ信号に変換された後、混合回路３９の一方の入力端子に入力される。
【００４２】
一方、親画面画像入力端子４０から入力された映像信号は、バッファアンプ４１を通り、前記混合回路３９の他方の入力端子に入力される。混合回路３９では、前記縮小されてマスキング処理された子画面の映像信号と、親画面画像入力端子４０からの親画面の映像信号とを合成する。その後、前記混合回路３９で合成された親子画面の映像信号は、親子画面出力端子４２から外部に出力される。この親子画面の映像信号は、超音波診断装置の図示しないモニタに送られ、モニタ上に例えば超音波画像と内視鏡画像とを親子画面にした観察画像が表示される。
【００４３】
従来の親子画面表示ユニットでは、図４に示すように、超音波画像を親画面、内視鏡画像を子画面として親子画面表示した場合、子画面とする画像（この場合内視鏡画像）の画像表示エリアの観察画像と共に文字情報表示エリアの文字情報についても一緒に縮小して表示するようになっていた。文字情報は、縮小されると判別できなくなり、画面上で不要なゴミとなってしまい、画面を見苦しくする要因となっていた。
【００４４】
そこで、本構成例の親子画面表示ユニットでは、前述のように子画面画像として縮小処理した画像においてマスキング回路３７で画像表示エリアのみを切り出すマスキング処理を施した後、親画面画像と合成して出力することにより、図５に示すように、親子画面表示の画面内の子画面画像は、画像のみが縮小表示される。
【００４５】
このように、本構成例では縮小された子画面画像の画像表示エリアのみを切り出して親子画面表示することにより、親子画面表示したときの子画面上に縮小された文字情報が不要なゴミとして残らないようにすることができ、これにより、親子画面表示を行う場合においても良好な観察画像を得ることができる。
【００４６】
なお、本構成例において、親画面となる超音波画像や内視鏡画像の中に、あらかじめ文字情報も画像も表示されないブランキング領域を設けて、このブランキング領域に子画面画像を表示するようにしておけば、親子画面表示したときに情報の欠落が生じなくなるので、より良好かつ有用な観察画像が得られる。
【００４７】
［付記］
（１） 超音波を送受信する超音波振動子と、
前記超音波振動子を第１の方向に機械的に走査する第１の走査手段と、
前記超音波振動子を前記第１の方向とは異なる第２の方向に機械的に走査する第２の走査手段と、
前記第１の走査手段および前記第２の走査手段の駆動を指示する駆動指示手段と、
前記第１の走査手段および前記第２の走査手段と接続され、前記駆動指示手段の入力に応じて、前記超音波振動子の走査方向を変更すると共に超音波の走査速度を変更制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする超音波診断装置。
【００４８】
（２） 前記制御手段は、前記駆動指示手段の入力に応じて、前記第１の方向と前記第２の方向のいずれか一方の方向の走査と、前記第１の方向の走査と前記第２の方向の走査とを組み合わせた走査とを切り替えることを特徴とする付記１に記載の超音波診断装置。
【００４９】
（３） 前記第１の方向及び前記第２の方向は、一方が前記超音波振動子を中心として周回状に少なくとも一部を走査するラジアル方向の走査であり、他方が前記ラジアル方向とは略垂直に線形状に走査するリニア方向の走査であることを特徴とする付記１に記載の超音波診断装置。
【００５０】
（４） 超音波を送受信する超音波振動子と、
前記超音波振動子をラジアル方向に機械的に走査する第１の走査手段と、
前記超音波振動子をリニア方向に機械的に走査する第２の走査手段と、
前記第１の走査手段および前記第２の走査手段の駆動を指示する駆動指示手段と、
前記第１の走査手段および前記第２の走査手段と接続され、前記駆動指示手段の入力に応じて、前記超音波振動子の走査方向を変更すると共に超音波の走査速度を変更制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする超音波診断装置。
【００５１】
（５） 前記制御手段は、前記駆動指示手段の入力に応じて、前記ラジアル方向のみの走査と、前記ラジアル方向の走査とリニア方向の走査とを組み合わせた走査とを切り替え、前記ラジアル方向とリニア方向とを組み合わせた走査を行う場合にラジアル方向とリニア方向のいずれか一方の走査速度を変更することを特徴とする付記３に記載の超音波診断装置。
【００５２】
（６） 超音波を送受信する超音波送受信部を有する超音波プローブと、
前記超音波送受信部を回転させてラジアル方向に機械的に走査する第１の走査手段と、
前記超音波送受信部を進退させてリニア方向に機械的に走査する第２の走査手段と、
前記第１の走査手段および前記第２の走査手段の駆動を指示する駆動指示手段と、
前記第１の走査手段および前記第２の走査手段と接続され、前記駆動指示手段の入力に応じて、前記第１の走査手段を単独で駆動してラジアル方向のみの走査を行う態様と、前記第１の走査手段と第２の走査手段の両者を同時に駆動してラジアル方向の走査とリニア方向の走査とを組み合わせた走査を行う態様とを切り替えると共に、前記走査態様を切り替える際に前記第１の走査手段によるラジアル方向の走査速度を変化させる制御手段と、
を具備することを特徴とする超音波診断装置。
【００５３】
（７） 前記制御手段は、前記第１の走査手段を単独で駆動した場合に比べ、前記第１の走査手段と第２の走査手段の両者を同時に駆動する場合に、前記第１の走査手段によるラジアル方向の走査速度を高速にすることを特徴とする付記６に記載の超音波診断装置。
【００５４】
（８） 前記制御手段は、前記第１の走査手段と第２の走査手段の両者を同時に駆動する場合に、前記第１の走査手段による前記超音波送受信部の回転速度を毎秒２０回転以上としたことを特徴とする付記６に記載の超音波診断装置。
【００５５】
（９） 前記制御手段は、前記第１の走査手段と第２の走査手段の両者を同時に駆動する場合に、前記第２の走査手段によって前記超音波送受信部を進退させる範囲を４ｃｍ程度とすることを特徴とする付記６に記載の超音波診断装置。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、３次元的な超音波走査を行う場合に走査時間を短縮することができ、かつ機構部品の消耗を抑えて装置寿命を長く保つことが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波診断装置における超音波プローブの駆動部の構成を示す断面図
【図２】本実施形態に係る超音波診断装置の駆動制御部の構成を示すブロック図
【図３】親子画面表示ユニットの構成例を示すブロック図
【図４】従来の親子画面表示を示す説明図
【図５】本構成例における親子画面表示を示す説明図
【図６】ラジアル像とリニア像を得るための走査方式を示す説明図
【図７】従来の超音波診断装置における超音波プローブの駆動系の構成を示す断面図
【図８】従来の超音波診断装置における制御系の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１…超音波プローブ
２…超音波振動子
３…駆動伝達部
８…ＤＣモータ
１１…進退運動伝達部
１３…ステッピングモータ
１６…操作卓
１７…切り替えスイッチ
２０…ＤＣモータ制御回路
２２…制御回路

Claims (1)

1. 超音波を送受信する超音波振動子と、
   前記超音波振動子を機械的にラジアル走査する第１の走査手段と、
   前記超音波振動子を機械的にリニア走査する第２の走査手段と、
   前記超音波振動子を第１の速度でラジアル走査駆動する第１のモードと、前記ラジアル走査を前記第１の速度より速い第２の速度で駆動しながら前記リニア走査駆動する第２のモードとの切り替えを指示する駆動指示手段と、
   前記駆動指示手段の指示に応じて、前記超音波振動子の走査を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。

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