JP6980051B2 - 超音波プローブ及び超音波装置 - Google Patents

Description

本発明は、筐体の少なくとも端部の強度を確保しながらも被検体との接触面の大きさを抑制し、なおかつ筐体の内部と外部の間の電気絶縁性を確保する超音波プローブ及び超音波プローブを有する超音波装置に関する。

超音波プローブは、トランスデューサ素子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）のアレイ（ａｒｒａｙ）を収容する筐体を有する。筐体は、例えば熱可塑性樹脂で構成されている。筐体の端部には音響レンズが設けられる（例えば、特許文献１、図３及び図４参照）。この音響レンズのレンズ面が被検体と接触した状態で、超音波スキャンが行なわれる。

特開２０１９−１７０６０３号公報

人体の肋間など限られたスペースにおいて超音波を送受信する場合、被検体との接触面の大きさを抑制した超音波プローブが用いられる。接触面の大きさには、音響レンズのレンズ面が寄与するだけでなく、音響レンズが設けられた筐体の端部の厚さも寄与する。従って、接触面の大きさを抑制するため、筐体の端部の厚さをできるだけ薄くすることが試みられる。

しかし、熱可塑性樹脂で構成される筐体の厚さを薄くするほど、外部からの衝撃により筐体が歪みやすくなる。このことは、内部に衝撃が伝わりトランスデューサ素子のアレイなど内部構造を壊すことになる可能性がある。

また、超音波トランスデューサのアレイ等を収容する筐体の内部と外部の間は、電気的に絶縁されている必要がある。

一の観点の発明は、トランスデューサ素子のアレイを収容する筐体と、筐体の端部に設けられる音響レンズと、を備える超音波プローブである。筐体は、少なくとも端部が、ヤング率が４０ＧＰａ以上でありなおかつ電気絶縁性を有する第１の材料によって構成される部分を含む。

上記観点の発明によれば、前記筐体の少なくとも端部が前記第１の材料で構成される部分を含むので、厚さをより薄くしても筐体の強度を確保することができ、なおかつ電気絶縁性を確保することもできる。

実施形態による超音波プローブの一部分を示す断面図である。 図１の超音波プローブに含まれる第１の筐体を示す斜視図である。 第１の筐体の厚さを説明する図である。 実施形態による超音波診断装置の一例を示すブロック図である。 実施形態の変形例による超音波プローブの一部分を示す断面図である。 実施形態の変形例による第１の筐体に含まれる第１の部分と第２の部分を示す斜視図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。実施形態の超音波プローブは、リニアプローブ、セクタプローブ、コンベックスプローブのいずれであってもよい。以下の実施形態では、セクタプローブを一例にして説明する。

図１は、実施形態による超音波プローブ１の一部分を示す断面図である。超音波プローブ１は、被検体に対して超音波スキャンを実行してエコー信号を受信する。超音波プローブ１は、筐体２、音響レンズ３及び音響素子モジュール４を有する。筐体２の端部５は開口部６を有し、この開口部６に音響レンズ３が設けられている。また、音響素子モジュール４は、音響レンズ３と接触した状態で筐体２内に収容されている。筐体２内には、他の公知の部品も収容されるが、図１では図示省略されている。

音響素子モジュール４は、公知の構成であり、詳細な構成を図示省略するが、トランスデューサ素子のアレイ７（図４参照）、音響整合層及びバッキング等を含んでいる。トランスデューサ素子のアレイ７は、パルス超音波を被検体（図示せず）に放射する。より詳細には、パルス超音波は、トランスデューサ素子のアレイ７から音響レンズ３を通過して被検体に入射する。また、被検体に入射したパルス超音波は、被検体内で反射してエコーを生成する。エコーは、被検体から音響レンズを通過してトランスデューサ素子のアレイ７に到達する。トランスデューサ素子のアレイ７は、パルス超音波のエコーを電気信号に変換する。

筐体２は、図２にも示されるように、端部５を構成する第１の筐体２Ａを含んでおり、さらに第２の筐体２Ｂを含んでいる。第１の筐体２Ａは、音響素子モジュール４の少なくとも一部を覆っており、音響素子モジュール４に含まれるトランスデューサ素子のアレイ７を覆う。

第１の筐体２Ａ及び第２の筐体２Ｂは、公知の手法で互いに結合されている。結合構造については図示省略する。筐体は、第１の筐体２Ａ及び第２の筐体２Ｂの間から筐体２内へ液体が浸入することを防止するよう構成される。

第１の筐体２Ａは、第１の材料によって構成される。第１の材料は、弾性率（ヤング率）が４０ＧＰａ以上でありなおかつ電気絶縁性を有する。一例では、この電気絶縁性は、７．５ｋｖ／ｍｍ以上の電気絶縁性を意味する。例えば、第１の材料はセラミックスである。セラミックスは、ファインセラミックスであってもよい。また、第１の材料は、ヤング率が４０ＧＰａ以上でありなおかつ電気絶縁性を有する金属であってもよい。

第２の筐体２Ｂは、超音波プローブの筐体の材料として公知の材料によって構成され、例えば熱可塑性樹脂で構成される。

上述のように、第１の材料のヤング率が４０ＧＰａ以上であるので、第１の筐体２Ａは、従来の熱可塑性樹脂の筐体の硬さよりも硬く、強度を確保することができる。このことは、熱可塑性樹脂の筐体よりも、第１の筐体２Ａを薄くすることを可能とする。これについて図３に基づいて説明する。図３において、二点鎖線Ｌは熱可塑性樹脂で構成される仮想的な筐体の外部表面の一部を示す。Ｔ１は、この仮想的な筐体の厚さを示し、Ｔ２は、仮想的な筐体の厚さＴ１と比較される第１の筐体２Ａの厚さを示す。第１の筐体２Ａは、熱可塑性樹脂よりも硬い第１の材料で構成されるので強度を確保しつつ、厚さＴ２を仮想的な筐体の厚さＴ１よりも薄くすることができる。このことは、被検体との接触面を抑制することができることを意味する。

また、このように強度を確保しつつも、筐体２の内部と外部との間の電気絶縁性も確保することができる。

次に、超音波プローブ１を有する超音波装置について説明する。超音波装置は、超音波プローブ１で得られた超音波のエコーに基づいて作成された超音波画像を表示する。図４に基づいて、超音波装置の一例である超音波診断装置１００について説明する。

図４に示す超音波診断装置１００は、超音波プローブ１、送信ビームフォーマ１０１及び送信機１０２を含む。送信ビームフォーマ１０１および送信機１０２は、トランスデューサ素子のアレイ７をドライブしてパルス超音波を放射させる。

超音波診断装置１００は、さらに受信機１０３及び受信ビームフォーマ１０４を含む。トランスデューサ素子のアレイ７から放射されたパルス超音波のエコーは、トランスデューサ素子のアレイ７によって電気信号に変換されてエコー信号となり、受信機１０３に入力される。エコー信号は、受信機１０３において所要のゲインによる増幅等が行なわれた後に受信ビームフォーマ１０４に入力され、この受信ビームフォーマ１０４において受信ビームフォーミングが行われる。受信ビームフォーマ１０４は、受信ビームフォーミング後の超音波データを出力する。

受信ビームフォーマ１０４は、ハードウェアビームフォーマであってもソフトウェアビームフォーマであってもよい。受信ビームフォーマ１０４がソフトウェアビームフォーマである場合、受信ビームフォーマ１０４は、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、マイクロプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、または論理演算を実行することができる他の種類のプロセッサのうちの任意の１つまたは複数を含む１つまたは複数のプロセッサを備えることができる。受信ビームフォーマ１０４を構成するプロセッサは、後述のプロセッサ１０５とは別のプロセッサで構成されていてもよいし、プロセッサ１０５で構成されていてもよい。

超音波プローブ１は、送信ビームフォーミングおよび／または受信ビームフォーミングの全部または一部を行うための電気回路を含むことができる。例えば、送信ビームフォーマ１０１、送信機１０２、受信機１０３、および受信ビームフォーマ１０４の全部または一部は、超音波プローブ１内に設けられていてもよい。

超音波診断装置１００は、送信ビームフォーマ１０１、送信機１０２、受信機１０３、および受信ビームフォーマ１０４を制御するプロセッサ１０５も含む。さらに、超音波診断装置１００は、ディスプレイ１０６、メモリ１０７及びユーザインタフェース１０８を含む。

プロセッサ１０５は、超音波プローブ１と電子通信している。プロセッサ１０５は、超音波プローブ１を制御して超音波データを取得することができる。プロセッサ１０５は、トランスデューサ素子のどれがアクティブであるか、および超音波プローブ１から送信される超音波ビームの形状を制御する。プロセッサ１０５はまた、ディスプレイ１０６とも電子通信しており、プロセッサ１０５は、超音波データを処理してディスプレイ１０６上に表示するための超音波画像にすることができる。「電子通信」という用語は、有線通信と無線通信の両方を含むように定義することができる。プロセッサ１０５は、一実施形態によれば中央処理装置（ＣＰＵ）を含むことができる。他の実施形態によれば、プロセッサ１０５は、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、グラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）、または他のタイプのプロセッサなど、処理機能を実行することができる他の電子構成要素を含むことができる。他の実施形態によれば、プロセッサ１０５は、処理機能を実行することができる複数の電子構成要素を含むことができる。例えばプロセッサ１０５は、中央処理装置、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、およびグラフィックスプロセッシングユニットを含む電子構成要素のリストから選択された２つ以上の電子構成要素を含むことができる。

プロセッサ１０５は、ＲＦデータを復調する複合復調器（図示せず）を含むこともできる。別の実施形態では、処理チェーンの早いうちに復調を実行することができる。

プロセッサ１０５は、複数の選択可能な超音波モダリティに従った１つまたは複数の処理動作をデータに行うように構成されている。エコー信号が受信されるとき、データは走査セッション中にリアルタイムで処理することができる。この開示のために、「リアルタイム」という用語は、いかなる意図的な遅延もなく行われる手順を含むように定義される。

また、データは、超音波の走査中に一時的にバッファ（図示せず）に格納し、ライブ操作またはオフライン操作でリアルタイムではなく処理することができる。この開示において、「データ」という用語は、本開示においては、超音波診断装置を用いて取得される１つまたは複数のデータセットを指すように使用することができる。

超音波データは、プロセッサ１０５によって他のまたは異なるモード関連モジュール（例えば、Ｂモード、カラードップラ、Ｍモード、カラーＭモード、スペクトルドップラ、エラストグラフィ、ＴＶＩ、歪み、歪み速度、など）で処理して超音波画像のデータを作ることができる。例えば、１つまたは複数のモジュールが、Ｂモード、カラードップラ、Ｍモード、カラーＭモード、スペクトルドップラ、エラストグラフィ、ＴＶＩ、歪み、歪み速度、およびそれらの組合せ、などの超音波画像を生成することができる。画像ビームおよび／または画像フレームは保存され、データがメモリに取得された時を示すタイミング情報を記録することができる。前記モジュールは、例えば、画像フレームを座標ビーム空間から表示空間座標に変換するために走査変換演算を実行する走査変換モジュールを含むことができる。被検体に処置が実施されている間にメモリから画像フレームを読み取り、その画像フレームをリアルタイムで表示する映像プロセッサモジュールが設けられてもよい。映像プロセッサモジュールは画像フレームを画像メモリに保存することができ、超音波画像は画像メモリから読み取られディスプレイ１０６に表示される。

なお、走査変換演算前の超音波データをローデータ（ｒａｗ ｄａｔａ）というものとする。また、走査変換演算後のデータを画像データというものとする。

プロセッサ１０５が複数のプロセッサを含む場合、プロセッサ１０５が担当する上述の処理タスクを、複数のプロセッサが担当してもよい。例えば、第１のプロセッサを使用して、ＲＦ信号を復調および間引きすることができ、第２のプロセッサを使用して、データをさらに処理した後、画像を表示することができる。

また、例えば受信ビームフォーマ１０４がソフトウェアビームフォーマである場合、その処理機能は、単一のプロセッサで実行されてもよいし、複数のプロセッサで実行されてもよい。

ディスプレイ１０６は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）ディスプレイ、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイなどである。

メモリ１０７は、任意の既知のデータ記憶媒体であり、非一過性の記憶媒体及び一過性の記憶媒体を含む。非一過性の記憶媒体は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ハードディスクドライブ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性の記憶媒体である。非一過性の記憶媒体は、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）などの可搬性の記憶媒体を含んでいてもよい。プロセッサ７によって実行されるプログラムは、非一過性の記憶媒体に記憶されている。

一過性の記憶媒体は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性の記憶媒体である。

ユーザインタフェース１０８は、操作者の入力を受け付ける。例えば、ユーザインタフェース１０８は、ユーザーからの指示や情報などの入力を受け付ける。ユーザインタフェース１０８は、キーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）、ハードキー（ｈａｒｄ ｋｅｙ）、トラックボール（ｔｒａｃｋｂａｌｌ）、ロータリーコントロール（ｒｏｔａｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ）及びソフトキー等を含んで構成されている。ユーザインタフェース１０８は、ソフトキー等を表示するタッチスクリーンを含んでいてもよい。

次に、実施形態の変形例について説明する。図５は、実施形態の変形例による超音波プローブ１０の一部分を示す断面図である。第１の筐体２Ａは、第１の部分１１と第２の部分１２を有する。第２の部分１２は、第１の部分１１の外部表面に設けられる。一例では、図６に示すように、第１の部分１１と第２の部分１２が、接着工程やオーバーモールド工程によって一体になり、第１の筐体２Ａが作成される。第２の部分１２の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下である。

第１の部分１１は、上述した第１の材料で構成される。第２の部分１２は、第１の材料の伸び率よりも高い伸び率を有する第２の材料で構成される。例えば、第２の材料は、伸び率が２％以上である。第２の材料は、例えば熱可塑性樹脂、シリコンゴムである。シリコンゴムは、シリコンＲＴＶ（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎ）を含む。

第１の部分１１の外部表面に設けられた第２の部分１２は、第１の部分１１の伸び率よりも高い伸び率を有するので、筐体２の外部表面のひび割れをより確実に防ぐことができる。また、外部表面である第２の部分１２が、熱可塑性樹脂やシリコンゴムで構成されれば、生体適合性や、薬液及び薬品に対する耐性を確保することができる。

第２の部分１２が、従来の筐体と同様に熱可塑性樹脂で構成されていても、第１の筐体２Ａは、第１の部分１１を有するので、従来の筐体より厚さを薄くしても強度を確保することができる。

本発明についてある特定の実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を施してもよく、均等物に置換してもよい。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、本発明が添付の特許請求の範囲内に属するすべての実施形態を含むことになることを意図している。

１、１０ 超音波プローブ
２ 筐体
２Ａ 第１の筐体
２Ｂ 第２の筐体
３ 音響レンズ
５ 端部
６ 開口部
７ トランスデューサ素子のアレイ
１１ 第１の部分
１２ 第２の部分
１００ 超音波診断装置

Claims (9)

1. トランスデューサ素子のアレイを収容する筐体と、
   該筐体の端部に設けられる音響レンズと、
   を備え、
   前記筐体は、少なくとも前記端部が、ヤング率が４０ＧＰａ以上でありなおかつ電気絶縁性を有する第１の材料によって構成される部分を含み、
   前記端部は、前記第１の材料で構成される第１の部分と、該第１の部分の外部表面に設けられ、前記第１の材料の伸び率よりも高い伸び率を有する第２の材料で構成される第２の部分を含む、超音波プローブ。
2. 前記第１の材料は、ヤング率が４０ＧＰａ以上でありなおかつ電気絶縁性を有するセラミックス又は金属である、請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記第１の材料は、７．５ｋｖ／ｍｍ以上の電気絶縁性を有する、請求項１又は２に記載の超音波プローブ。
4. 前記第２の材料は、伸び率が２％以上である、請求項１に記載の超音波プローブ。
5. 前記第２の材料は、熱可塑性樹脂、シリコンゴムである、請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記筐体は、前記端部を構成する第１の筐体と、該第１の筐体と結合される第２の筐体を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
7. 前記端部は開口部を有し、該開口部に前記音響レンズが設けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
8. 前記端部は、前記トランスデューサ素子のアレイを覆う部分である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の超音波プローブを有する超音波装置。

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