JPH08173432A - 電子走査型超音波プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、電子走査型超音波プローブにおいて
超音波放射面の被検体への当接角度の調整を容易に行う
ことができ、所望の超音波画像が短時間に得られるよう
にした電子走査型超音波プローブを提供することを目的
とする。 【構成】一軸上に配列された複数の振動エレメント
（２）を有し前記軸に直交する方向に超音波を放射する
アレイ型超音波振動子（１，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）
を、上記軸が互いに平行になる状態で複数配設し、前記
複数のアレイ型超音波振動子から放射された超音波の伝
播方向を互いに相違させるようにしたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、体腔内に挿入して医療
診断に用いる超音波断層像を得るための電子走査型超音
波プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、腹部に小さな孔を開け、そこから
腹腔鏡や鉗子などの処置具を挿入して、外科手術を行う
腹腔鏡下手術が飛躍的に普及してきた。さらに最近で
は、腹腔鏡下手術において、電子走査型超音波プローブ
を体腔内に挿入し、結石の有無の確認や生検針のガイド
などに用いられるようになってきた。

【０００３】電子走査型超音波プローブは体内組織の超
音波断層像をリアルタイムで得ることができることか
ら、腫瘍の浸潤の具合など種々の診断に用いられてい
る。

【０００４】従来用いられてきた電子走査型超音波プロ
ーブを、リニア走査型のものを例にとって、図５及び図
６を参照しながら説明する。図５は、電子走査型超音波
プローブに設けられるアレイ型超音波振動子の動作原理
を示す概念図であり、図６は実際の電子走査型超音波プ
ローブの構成を示す断面図である。

【０００５】電子走査型超音波プローブは図５に示すよ
うに、圧電体からなる多数の短冊型の振動エレメント２
─１乃至２─ｎがＸ−Ｘ’で示す一軸上に配列されたア
レイ型超音波振動子１を有している。振動エレメント２
は切換スイッチ３によって、隣合う複数個が１ブロック
として同時に選択される。このブロックに属する各振動
エレメント２が電気的な遅延駆動を行われて上記軸方向
への集束効果等が付与され、超音波断層像の一走査線に
対応する超音波ビームとなり被検体に放射される。そし
て、このブロックに属する各振動エレメント２により受
波された被検体からの反射信号は、上と同様な遅延処理
を受けて超音波断層像の一走査線に合成される。

【０００６】ブロックを上記軸方向に順次移動しなが
ら、上述の送受信手順を行うことにより、被検体の断層
像が得られる。

【０００７】図６のように、電子走査型超音波プローブ
４は多層構造を有し、超音波放射面５から超音波が放射
される。上述のように、アレイ型超音波振動子１は電気
的な遅延駆動を行うことにより、そのエレメント配列軸
と超音波の放射方向を含む面内では集束超音波を形成す
ることができる。一方、エレメント配列軸に垂直な面内
では電気的な処理によってビームを集束することができ
ないので、珪素系の高分子樹脂など、被検体と異なる音
速を有する材料を用いて例えば軸に平行に切り出された
円筒形状に加工してなる音響レンズ６をアレイ型超音波
振動子１の放射振動面７に対向させて設け、集束効果を
付与することが行われる。

【０００８】そして、ＰＺＴ等の圧電セラミクスからな
るアレイ型超音波振動子１と樹脂製の音響レンズ６は、
著しく音響インピーダンスが異なるので、この間にはエ
ポキシ樹脂等の音響整合層８が設けられる。

【０００９】アレイ型超音波振動子１の放射振動面７の
反対側の制動振動面９には、例えばタングステンを混合
したエポキシ樹脂等でできたバッキング材１０が設けら
れる。そして制動振動面９の不所望な振動を吸収して、
アレイ型超音波振動子のダンピング特性を向上させ、鋭
いインパルス状の超音波ビームが得られるようにしてい
る。

【００１０】アレイ型超音波振動子１、音響レンズ６、
音響整合層８及びバッキング材１０はケース１１に収納
固定される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記の電子走査型超音
波プローブ４によれば、被検体の表面にこのプローブを
当てるだけで、超音波断層像が得られる。この場合組織
の層構造や病変部を正確に描出するためには、電子走査
型超音波プローブ４の超音波放射面５を組織面に対して
できるだけ平行に当てなければならない。これは、断層
像における距離方向（すなわち電子走査型超音波プロー
ブの放射する超音波ビームの伝播方向）の分解能が描出
する対象物への超音波ビームの入射角に依存し、対象物
へ垂直に入射するときに最も高い距離方向分解能が得ら
れることによるものである。

【００１２】ところが、前記の腹腔鏡下手術に電子走査
型超音波プローブ４を用いる場合、直視下ではなく、手
探りで超音波断層像を得ることが多い。そして、所望の
画像が得られるまで何度も電子走査型超音波プローブ４
を当てる角度を変えなければならなかった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の電子走査型超音
波プローブは、一軸上に配列された複数の振動エレメン
トを有し前記軸に直交する方向に超音波を放射するアレ
イ型超音波振動子を、上記軸が互いに平行になる状態で
複数配設し、前記複数のアレイ型超音波振動子から放射
された超音波の伝播方向を互いに相違させるようにした
ことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の構成では、放射される超音波の伝播方
向が異なる複数のアレイ型超音波振動子からの受波信号
により、プローブの角度を変えなくても一度に異なる方
向についての超音波断層像が得られる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて述べる。なお、図５および図６に示した電子走査
型超音波プローブと同一の部材については、同一の符号
を付して説明を省略する。

【００１６】図１ないし図３は本発明の第１実施例に係
り、図１は電子走査型超音波プローブの構成を示す一部
破断した斜視図、図２は電子走査型超音波プローブの構
成を示す断面図、図３は電子走査型超音波プローブの作
用を説明する説明図である。

【００１７】図１に示すように、電子走査型超音波プロ
ーブ１２は３つのアレイ型超音波振動子１３ａ、１３
ｂ、１３ｃが各々のエレメント配列軸Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３
を平行にして設けられている。

【００１８】そして、アレイ型超音波振動子１３ａ、１
３ｂ、１３ｃはそれぞれの超音波の放射方向のなす角が
αとなるように、超音波放射面がエレメント配列軸の周
りに角度αだけ傾斜して電子走査型超音波プローブ１２
に固定されている。これにより、アレイ型超音波振動子
１３ａ、１３ｂ、１３ｃから放射された超音波は角度α
ずつ傾いた伝播方向に向けて伝播していく。

【００１９】電子走査型超音波プローブ１２は、図２に
示すような断面構造を有する。ケース１４には紙面に垂
直な方向に沿って略直方体の溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃ
が形成されている。そして、この溝１５ａ、１５ｂ、１
５ｃはそれぞれの底面の法線が角度αにて交わるように
傾斜している。

【００２０】各アレイ型超音波振動子１３ａ、１３ｂ、
１３ｃは、それぞれのエレメント配列軸が紙面に垂直な
方向になるようにして溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃに挿入
固定されている。このとき、各アレイ型超音波振動子１
３ａ、１３ｂ、１３ｃの放射振動面７ａ、７ｂ、７ｃと
バッキング材１０ａ、１０ｂ、１０ｃの底面はそれぞれ
平行に作られており、該バッキング材の底面は上記溝の
底面に当接して固定される。

【００２１】このように、溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃは
複数のアレイ型振動子を互いに平行に支持すると同時
に、各アレイ型超音波振動子１３ａ、１３ｂ、１３ｃの
放射振動面７ａ、７ｂ、７ｃは互いに角度αだけ傾け、
超音波の放射方向を偏向させるものである。

【００２２】また各アレイ型超音波振動子１３ａ、１３
ｂ、１３ｃに設けられた音響レンズ６の間は補填部材１
６により隙間を埋めて、被検体を損傷するのを防止して
いる。

【００２３】次に、上記構成を有する実施例における作
用を説明する。本実施例による電子走査型超音波プロー
ブ１２が接続される図示しない超音波観測装置は、各ア
レイ型超音波振動子１３ａ、１３ｂ、１３ｃを順次選択
しながら駆動走査を行い、各々についての超音波断層像
を取得する。

【００２４】つまり、アレイ型超音波振動子１３ａを選
択して駆動走査することにより、図３の１７ａに示す走
査面についての超音波断層像を取得し、次にアレイ型超
音波振動子１３ｂを選択して、上記走査面１７ａから角
度αだけ傾いた１７ｂに示す走査面についての超音波断
層像を取得し、そしてアレイ型超音波振動子１３ｃを選
択して、上記走査面１７ｂから角度αだけ傾いた１７ｃ
に示す走査面について超音波断層像を取得する。

【００２５】この動作を繰り返すことにより、３つの異
なる角度の走査面についての超音波断層像がリアルタイ
ムで得られる。

【００２６】超音波観測装置は、上記３つの異なる角度
の走査面についての超音波断層像を同一モニタ上の別の
位置に表示する。そして、３つのアレイ型超音波振動子
１３ａ、１３ｂ、１３ｃのうち所望の画像が得られるア
レイ型超音波振動子が判別された時点で、操作者の入力
動作により該アレイ型超音波振動子のうちの一つを駆動
走査するように構成されている。

【００２７】このように、本実施例による電子走査型超
音波プローブを用いれば、１度に３つの異なる角度の走
査面についての超音波断層像が得られるので、従来の単
一のアレイ型超音波振動子しか設けられていない電子走
査型超音波プローブに比べ早く所望の画像が得られる。

【００２８】また、所望の画像を得るために電子走査型
超音波プローブを被検体に当接しながら回転させる必要
が少ないので、被検体を損傷する危険性を著しく減ずる
ことができる。

【００２９】次に、図４に示された本発明の第２実施例
について説明する。なお、第１実施例と同様の部材につ
いては、同一符号を付して説明を省略する。

【００３０】図４には第２実施例に係る電子走査型超音
波プローブの断面が示されている。第１実施例と同様
に、電子走査型超音波プローブ１８は３つのアレイ型超
音波振動子１３ａ、１３ｂ、１３ｃが各々のエレメント
配列軸を平行にして設けられている。

【００３１】アレイ型超音波振動子１３ａの放射振動面
７ａに対向して、音響プリズム部材１９ａが設けられて
いる。

【００３２】音響プリズム部材１９ａは、例えば音波の
伝播媒質の音速とは異なる音速を有する材料を楔型に形
成した部材からなり、音波の伝播経路中に挿入されると
スネルの法則に従って音波を屈折させる作用効果を奏す
るものである。

【００３３】本実施例においては、音響プリズム部材１
９ａは珪素樹脂（例えば信越シリコーン社製の商品名シ
リコーンが使用できる。）で形成されており、放射振動
面７ａから垂直に放射された超音波の伝播方向を、エレ
メント配列軸について反時計回りに角度αだけ偏向させ
るように略楔形状に形成されている。

【００３４】さらに、音響プリズム部材１９ａには、エ
レメント配列軸に垂直な面内にて上記屈折した超音波の
伝播方向に沿って超音波を集束するために、単なる楔形
状ではなく円筒状の表面が形成されており、音響レンズ
効果が付与されている。

【００３５】また、アレイ型超音波振動子１３ａの放射
振動面７ａには、エポキシ樹脂による音響整合層２０ａ
が設けられている。

【００３６】音響整合層２０ａと音響プリズム部材１９
ａの間は、流体の音響整合層２１ａが設けられており、
音響的には良好に結合されているが、機械的な局所歪な
ど両者の相対的な微小変位は吸収可能に構成されてい
る。

【００３７】流体音響整合層２１ａの材料を選定するた
めには、光学における多層膜の反射コートの理論が適用
できる（例えば、エル・エム・ブレコフスキー著、ロバ
ート・ティー・ベイヤー訳の「ウェイブズインレイヤー
ドミーディア、セカンドエディション」（アカデミック
プレス、１９８０）の第１３４頁ないし第１３８頁の記
載参照）。

【００３８】そして、上記音響整合層２０ａと流体音響
整合層２１ａの厚さを共に、４分の１波長に選んだと
き、各層の音響インピーダンスを

【００３９】

【数１】Ｚ₂ ²＝Ｚ₁ Ｚ₃ ²

【００４０】とすればよい。ここで、Ｚ₁ 、Ｚ₂ 、Ｚ₃
は順に音響プリズム部材１９ａの音響インピーダンスを
１とした場合の、アレイ型超音波振動子１３ａ、音響整
合層２０ａ、流体音響整合層２１ａの音響インピーダン
スである。アレイ型超音波振動子１３ａをＰＺＴ、音響
整合層２０ａを珪素樹脂で形成した場合、上式により計
算すれば分かるように、流体音響整合層２１ａとしては
例えばグリセリン、ポリエチレングリコールまたは高重
量パーセント（好適には６０パーセント程度の重量比の
もの）ショ糖液などが使用可能である。

【００４１】アレイ型超音波振動子１３ｂ上には、音響
整合層２０ｂと音響レンズ６ｂの間に上記２１ａと同様
な流体音響整合層２１ｂが設けられ、その放射振動面に
垂直な方向に集束超音波が放射され伝播してしていく。
アレイ型超音波振動子１３ｃ上には、アレイ型超音波振
動子１３ａと同様に音響プリズム部材１９ｃ、音響整合
層２０ｃおよび流体整合層２１ｃが設けられている。

【００４２】音響プリズム部材１９ｃは、上記の音響プ
リズム部材１９ａと対称な形状に作られており、振動放
射面７ｃから垂直に放射された超音波の伝播方向を、エ
レメント配列軸について時計回りに角度αだけ偏向させ
る。

【００４３】ケース２２には紙面に垂直な方向に沿って
略直方体の溝２３ａ、２３ｂ、２３ｃが形成されてい
る。そして、この溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃは深さを同
一にしてそれぞれの底面が同一平面上にあるように形成
される。

【００４４】各アレイ型超音波振動子１３ａ、１３ｂ、
１３ｃは、それぞれのエレメント配列軸が紙面に垂直な
方向になるようにして溝１５ａ、１５ｂ、１５ｃに挿入
固定されている。このとき、各アレイ型超音波振動子１
３ａ、１３ｂ、１３ｃの放射振動面７ａ、７ｂ、７ｃと
バッキング材１０ａ、１０ｂ、１０ｃの底面はそれぞれ
平行に作られており、また両面間の距離は同一に形成さ
れている。そして、該バッキング材の底面は上記溝の底
面に当接して固定される。

【００４５】この結果、各アレイ型超音波振動子１３
ａ、１３ｂ、１３ｃの放射振動面７ａ、７ｂ、７ｃさら
には超音波放射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃは略同一平面
上に並ぶことになる。

【００４６】本実施例による電子走査型超音波プローブ
１８は、第１実施例と同様な作用効果を奏する。

【００４７】さらに、ほぼ同一平面上に超音波放射面２
４ａ、２４ｂ、２４ｃを並べることができるので、第１
実施例の電子走査型超音波プローブ１２に比べて、生体
への密着性を向上することができる。

【００４８】なお、音響プリズム部材１９ａ、１９ｃは
略楔型の断面形状を有し対称性が悪いために、熱等が加
わると局所的に不均一な歪みを発生することがあるが、
この場合でも流体整合層２１ａ、２１ｃが緩衝効果を有
するので、環境変化による音響プリズム部材１９ａ、１
９ｃの音響整合層２０ａ、２１ｃからの剥離を防止する
ことができる。

【００４９】また、流体整合層は音響プリズム部材ばか
りでなく、形状的に対称性のある音響レンズ６ｂとアレ
イ型超音波振動子１３ｂ（もしくはその上に形成された
音響整合層２０ｂ）の間に設けても、剥離防止効果を奏
する。

【００５０】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではなく種々の変形が可能である。すなわち、アレ
イ型超音波振動子の上の音響整合層を省き、流体整合層
のみで単層の整合層を形成してもよい。

【００５１】さらに、音響レンズの代わりにアレイ型超
音波振動子の振動放射面を凹面に加工して、集束超音波
ビームを得るようにしてもよい。

【００５２】なお、本発明の実施態様を包摂する技術思
想は以下の如く要約され得る。 （１）一軸上に配列された複数の振動エレメントを有し
前記軸に直交する方向に超音波を放射するアレイ型超音
波振動子を、上記軸が互いに平行になる状態で複数配設
し、前記複数のアレイ型超音波振動子から放射された超
音波の伝播方向を互いに相違させるようにしたことを特
徴とする電子走査型超音波プローブ。 （２）隣接するアレイ型超音波振動子から放射された上
記超音波の伝播方向のなす角は鋭角とされていることを
特徴とする（１）に記載の電子走査型超音波プローブ。 （３）前記電子走査型超音波プローブは、前記振動エレ
メントを配列する軸が前記複数のアレイ型超音波振動子
について平行になるように前記複数のアレイ型超音波振
動子を支持する支持手段を有し、該支持手段は前記複数
のアレイ型超音波振動子をそれぞれの前記振動エレメン
トを配列する軸の周りに前記超音波の伝播方向のなす角
だけ傾斜支持することを特徴とする（１）に記載の電子
走査型超音波プローブ。 （４）前記電子走査型超音波プローブは、前記振動エレ
メントを配列する軸を前記複数のアレイ型超音波振動子
について平行としかつ前記複数のアレイ型超音波振動子
の超音波を放射する放射振動面を同一平面上に並べて前
記複数のアレイ型超音波振動子を支持する支持手段と、
前記複数のアレイ型超音波振動子から放射された超音波
の伝播方向を互いに相違させる放射方向偏向手段とをゆ
うすることを特徴とする（１）に記載の電子走査型超音
波プローブ。 （５）前記放射方向偏向手段は、前記複数のアレイ型超
音波振動子の放射振動面に対向して設けられ、前記超音
波の伝播方向のなす角だけ超音波を偏向させる音響プリ
ズム部材であることを特徴とする（４）に記載の電子走
査型超音波プローブ。 （６）前記音響プリズム部材に、前記アレイ型超音波振
動子の振動エレメントを配列する軸に垂直な面内にて、
前記アレイ型超音波振動子の放射する超音波を集束させ
る音響レンズ効果を付与したことを特徴とする（５）に
記載の電子走査型超音波プローブ。 （７）前記複数のアレイ型超音波振動子の放射振動面に
対向して設けられ前記アレイ型超音波振動子の振動エレ
メントを配列する軸に垂直な面内にて、前記アレイ型超
音波振動子の放射する超音波を集束させる音響レンズ部
材と、前記音響レンズ部材と前記アレイ型超音波振動子
の間に、流体の音響整合層を設けたことを特徴とする
（１）に記載の電子走査型超音波プローブ。 （８）前記音響プリズム部材と前記アレイ型超音波振動
子の間に、流体の音響整合層を設けたことを特徴とする
（６）に記載の電子走査型超音波プローブ。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数のアレイ型超音波振動子がそれぞれ異なる角度を走査
面に沿って被検体を走査するように構成したので、一度
に異なる角度の超音波断層像を複数取得することがで
き、所望の画像を短時間でえることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電子走査型超音波プローブの第１
実施例の概略の構成を示す斜視図

【図２】図１の電子走査型超音波プローブの詳細な構成
を示す断面図

【図３】本発明による電子走査型超音波プローブの第１
実施例の作用を示す斜視図

【図４】本発明による電子走査型超音波プローブの第２
実施例の詳細な構成を示す断面図

【図５】従来の電子走査型超音波プローブの動作を説明
するための概念図

【図６】従来の電子走査型超音波プローブの構成を示す
断面図

【符号の説明】

１ アレイ型超音波振動子 ２ 振動エレメント ４ 電子走査型超音波プローブ １２ 電子走査型超音波プローブ １３ａ、１３ｂ、１３ｃ アレイ型超音波振動子 １５ａ、１５ｂ、１５ｃ 溝 １８ 電子走査型超音波プローブ １９ａ、１９ｃ 音響プリズム部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一軸上に配列された複数の振動エレメント
   を有し前記軸に直交する方向に超音波を放射するアレイ
   型超音波振動子を、上記軸が互いに平行になる状態で複
   数配設し、前記複数のアレイ型超音波振動子から放射さ
   れた超音波の伝播方向を互いに相違させるようにしたこ
   とを特徴とする電子走査型超音波プローブ。