(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に対して超音波を送受波を行なう超音波探触子と、前記被検体内での超音波の送波焦点位置を制御する送波ビームフォーマと、前記送波ビームフォーマのデジタル出力信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器と、前記送波ビームフォーマと前記デジタルアナログ変換器の間の信号伝達を行なう第１の光伝達部と、受波信号の受信時刻に応じてゲインをコントロールする増幅器と前記デジタルアナログ変換器からの電気信号を前記超音波探触子に接続するか、前記超音波探触子からの受波信号を前記増幅器に接続するかを切り替える送受切り替えスイッチと、前記増幅器の出力をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、受波焦点位置を制御する受波ビームフォーマと、前記アナログデジタル変換器と前記受波ビームフォーマとの間の信号伝達を行う第２の光伝達部と、前記送波ビームフォーマと前記受波ビームフォーマと前記送受波切替スイッチと前記増幅器及び前記アナログデジタル変換器を制御する制御系と、前記制御系と前記送受波切替スイッチとの間の信号伝達、前記制御系と前記増幅器との信号伝達、及び、前記制御系と前記アナログデジタル変換器との間の信号伝達を行う第３の光伝達部とを有し、前記第１の光伝達部、前記第２の光伝達部、及び、前記第３の光伝達部は、デジタルの電気信号を光信号に変換して信号伝達を行いデジタルの電気信号に変換することを特徴とする超音波撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波診断装置において、前記第１の光伝達部、前記第２の光伝達部、及び、前記第３の光伝達部は、半導体レーザ、光ファイバ、フォトダイオードから構成されることを特徴とする超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いて被検体の画像を撮像する超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低侵襲手術は大きな切開を伴わずに手術する術式であり、それゆえに術後のＱＯＬ（quality of life）の向上や、手術による感染症のリスク低減、入院期間の短縮など患者にとって多くのメリットがある。しかし、もし充分に術野の状況を術者が把握出来ていなければ低侵襲の前提が大きく崩れてしまう。それ故に低侵襲治療と画像支援は不可分なものであるといえる。特に循環器系を対象とする手術の場合、術式によって対象臓器の時間的な形状変化が著しいので、局所的な視野を与える内視鏡等の撮像画像に加え対象臓器とその近傍を含めた全体的な構造を提示する撮像画像による支援が必要である。ＭＲＩ（核磁気共鳴撮像装置）は外からガントリ内への術者のアクセスが可能な開放型ＭＲＩが実用化され（例えば、特許文献１を参照）、ＭＲＩは前記の画像支援手段として相応しいものといえる。
【０００３】
また超音波撮像装置は近年、そのインタラクティブ性に加え、高速、高精細、高機能化により、術者の目として光学的内視鏡を補い、かつ術野の局所的像に関してリアルタイム性でＭＲＩを補うことが出来る。撮像領域に関しても、ＭＲＩは体全体であるのに対し、超音波は局所領域のみである。よって低侵襲治療のための画像支援として、ＭＲＩと超音波の二つの撮像手段を備えることは、これらが互いに相補的な関係にあるため、極めて有用である。
【０００４】
超音波プローブの材質そのものが周囲の静磁場に与える影響についての検討がなされている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００５】
図２は、従来技術の超音波撮像装置の構成を示す図である。超音波撮像装置の信号処理は、アナログ信号処理部１００、デジタル信号処理部１０１により行われる。制御系２７の制御の下で、送波メモリ２１に格納された送波波形で、所定の送波焦点に合わせた遅延時間のもとで、送波ビームフォーマ２２が駆動される。この送波ビームフォーマ２２からの電気信号が、Ｄ／Ａコンバータ２８、送受切り替えスイッチ２３を介して超音波探触子１０に送られ、電気から超音波に変換され、ここには図示しない被検体に超音波パルスが送波される。被検体内の散乱体で反射され超音波探触子に到達した超音波信号は超音波探触子１０で電気信号に変換され、探触子切り替えスイッチ２３、タイムゲインコントロールアンプ（ＴＧＣＡＭＰ）２４、Ａ／Ｄコンバータ２９を介して受波ビームフォーマ２６に送られ、制御系２７の制御下で、ダイナミックにフォーカスされ整相出力をここには図示しない検波回路、スキャンコンバータ、画像表示部に送られる、断層像が出力される。送受切替スイッチ２３、ＴＧＣＡＭＰ２４は、制御系２７の下でアナログ信号により制御される。
【０００６】
従来公知ののフリーズモードは、図２の送波ビームフォーマ２２の出力信号をＯＦＦにするなどの方法で、超音波の送波をＯＦＦにしている。この場合、超音波撮像装置のシステムクロックなどにより生じる電気信号が超音波探触子１０が超音波撮像装置と電気的につながっている限り、漏洩電磁波として、超音波探触子１０を介してＭＲＩの受波コイル内に電磁波が入るため、ＭＲＩの画像劣化の原因となっていた。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４-３１２４４６号公報
【特許文献２】
特開２００２-１３６５１４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
超音波プローブに送られる電気信号によって生じる漏洩電磁波がＭＲＩの画像に与える影響を抑える必要がある。超音波探触子が超音波撮像装置に接続されているため、超音波探触子からの漏洩電磁波がＭＲＩの画像に影響を与える。超音波探触子から被検体への超音波の送波中に、探触子からの漏洩電磁波が強く、超音波撮像とＭＲＩの撮像を同時に行うことは困難である。そこで、超音波撮像のタイミングとＭＲＩの撮像のタイミングをずらしてこれら二つの撮像を行う（以下、準同時撮像という）という対策が必要となる。しかしこのような準同時撮像を行う場合でも、ＭＲＩの画像に影響を与えない材料を使用した超音波探触子を使用するという対策だけでは不充分である。
【０００９】
ＭＲＩガントリは導波管と同等の構造をしているため、その寸法によって定まるカットオフ周波数以下の外来電磁波はＭＲＩの受信系（即ち、ＲＦコイル）で受信されないが、ＭＲＩガントリ内に超音波探触子を持ちこんだ場合は状況が異なる。超音波探触子はケーブルを介して超音波診断装置に繋がっている場合は、超音波探触子、ケーブル、び、超音波撮像装置が、ＭＲＩにとって雑音を拾うアンテナの役割を果たしてしまう。
【００１０】
超音波撮像装置の電源をＯＦＦとすることで、探触子とケーブルだけがアンテナとなり、その長さがＭＲＩのＲＦパルスの波長より短ければ、問題とならない。例えば、オープンＭＲＩの静磁場強度が０．３Ｔの場合、ＲＦパルスの波長は２５ｍになるので、通常の超音波診断装置のケーブルはこれより充分に短かく、問題とはならない。しかし現状の超音波撮像装置はコンピュータで制御しており、電源のＯＮ、ＯＦＦに時間が掛かるので、準同時撮像において、ＭＲＩの撮像毎に、超音波撮像装置の電源をＯＦＦにするには現実的でない。
【００１１】
本発明の目的は、ＭＲＩの撮像中に超音波探触子を介して漏洩電磁場がＭＲＩの測定系に入らない超音波撮像装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波撮像装置は、装置の各部を制御する制御系、送波ビームフォーマ、受波ビームフォーマ、受波ビームフォーマ出力後の画像化プロセスを含むデジタル信号処理部と、送波ビームフォーマの出力を受けるデジタルアナログ変換器、超音波探触子に接続する送波受波切替スイッチ、送波受波切替スイッチの出力に接続される増幅器、この増幅器の出力に接続されるアナログデジタル変換器から構成されるアナログ信号処理部から構成され、前記デジタル信号処理部と前記アナログ信号処理部の間の信号伝達が全て光伝達部を介して行なわれる。二つの信号処理部間が光でアイソレーションされるので、超音波撮像装置の本体部の電源がＯＮであってもＭＲＩにとっての外来信号が、超音波探触子に接続されたケーブルと超音波探触子を介して、ＭＲＩガントリ内に入ることを防ぐ事が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施例の超音波撮像装置を用いてＭＲＩガントリ内に置かれた被検体の超音波撮像を行う例を説明する図である。超音波探触子１０を手にして操作する操作者１４は、ＭＲＩ装置１１のガントリ内に置かれた被検体１２の内部を超音波撮像装置１３の画面及びＭＲＩの画面を見て被検体１２の観察を行い、これらの画像を参照にして術者は手術を行う。本発明の実施例の超音波撮像装置１３は、本体部１５と、超音波探触子１０と、超音波撮像装置の本体部１５と超音波探触子１０の間を結ぶケーブル１６から構成されている。
【００１５】
図３は、本発明の実施例の超音波撮像装置の構成例を説明する図である。本発明の実施例の超音波撮像装置の構成は以下の通りである。超音波探触子１０は、被検体に対して超音波の送受波を行う。送波ビームフォーマ２２は被検体内での超音波の送波焦点位置を制御する。送波ビームフォーマ２２のデジタル出力信号はデジタルアナログ変換器２８によりアナログ信号に変換される。送波ビームフォーマ２２とデジタルアナログ変換器２８の間の信号伝達は第１の光伝達部３３−１を介して行われる。
【００１６】
増幅部２４は、受波信号の受信時間に応じてゲインをコントロールする。送受切り替えスイッチ２３は、デジタルアナログ変換器２８からの電気信号を超音波探触子１０に接続するか、超音波探触子１０からの受波信号を増幅器２４に接続するか、を切り替える。アナログデジタル変換器２９は増幅器２４の出力をデジタル信号に変換する。受波ビームフォーマ２６は受波焦点位置を制御する。アナログデジタル変換器２９と受波ビームフォーマ２６との間の信号伝達は第２の光伝達部３３−２により行われる。
【００１７】
制御系２７は、送波ビームフォーマ２２、受波ビームフォーマ２６、送受切り替えスイッチ２３、増幅器２４、及び、アナログデジタル変換器２９を制御する。制御系２７と送受波切り替えスイッチ２３との間、制御系２７と増幅器２４との間、及び、制御系２７とアナログデジタル変換器２９との間の信号伝達は、第３の光伝達部３３−３により行われる。第１、第２、及び第３の光伝達部は、デジタルの電気信号を一度光信号に変換して信号伝達を行い、再びデジタルの電気信号に変換する。受波ビームフォーマ２６の出力を用いて、検波、画像化、表示を行う。
【００１８】
以下、図２に示す従来技術の超音波撮像装置の構成との相違点を中心に説明する。デジタル信号処理部１０１（制御系２７、送波波形を記憶する送波波形メモリ２１、送波ビームフォーマ２２、受波ビームフォーマ２６、その他図示しない検波回路、スキャンコンバータ、画像表示部を含む）と、アナログ信号処理部１００（Ｄ／Ａコンバータ２８、送受切り替えスイッチ２３、タイムゲインコントロールアンプ２４、Ａ／Ｄコンバータ２９とを含む）の間に、電気信号→光信号→電気信号と変換を行ない、光信号により信号伝達を行なう光伝達部３３−１、３３−２、３３−３を配置する。
【００１９】
この結果、デジタル信号処理部１０１とアナログ信号処理部１００とを光によりアイソレーションでき、デジタル信号処理部１０１をアナログ信号処理部１００と電気的に遮断でき、超音波探触子１０はケーブル１６を介して超音波撮像装置１３の本体部１５に繋がっていない状態となる。従って、超音波撮像装置１３の本体部１５の電源をＯＦＦにすることなく、超音波探触子１０、ケーブル１６、及び、超音波撮像装置１３の本体部１５が、ＭＲＩに対して雑音を拾うアンテナを形成するという影響が大幅に軽減される。超音波探触子１０とデジタル信号処理部１０１との間の電磁波の伝達効率を、導体による伝達から光ファイバなどの絶縁体の伝達効率まで下げることが可能となる。
【００２０】
勿論誘電体も導波管としての機能をするので、光ファイバを介してクロック信号がノイズとして伝わる可能性がある。誘電体導波管のカットオフ周波数は、ファイバの半径をａ、誘電率をε１、空気の誘電率をε０、光速をｃと表記すると、２．４０５ｃ／（（ε１−ε０）０．５ａ）と表される。ファイバの材料の比誘電率は３から６程度であり、半径を１ｍｍ程度とすると、上記の遮断周波数から、１０１０Ｈｚオーダー以下の電磁波は伝播しないので、超音波診断装置のデジタル制御部のクロック周波数が３０から６０ＭＨｚ程度であることを考えると、光フィアバを通してデジタル処理部１０１からアナログ処理部１００に伝わるクロック信号の影響はほぼ無視しうる事が確認出来る。
【００２１】
送波ビームフォーマ２２とＤ／Ａコンバータ２８の間は、光伝達部３３−１により信号接続され、ＴＧＣアンプ２４の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２９と受波ビームフォーマ２６との間は光伝達部３３−２により信号接続される。制御系２７とＡ／Ｄコンバータ２９との間、制御系２７とタイムゲインコントロールアンプ２４との間、制御系２７と送受切り替えスイッチ２３との間はそれぞれ、光伝達部３３−３により信号接続される。送受切り替えスイッチ２３、ＴＧＣＡＭＰ２４、Ａ／Ｄコンバータ２９は、光伝達部３３−３を介して伝達される制御系２７からのデジタル信号を受けて制御される。
【００２２】
図４は、本発明の実施例の光伝達部の構成例を説明する図であり、光信号を光ファイバを介して伝達している。図５は、本発明の実施例の光伝達部の他の構成例を説明する図であり、光信号を空気中の伝播を介して伝達している。光伝達部３３−１、３３−２、３３−３は送波ビームフォーマ２２、制御系２７、Ａ／Ｄコンバータ２９からのデジタルの電気信号５１をデジタルの光信号５３に変換する半導体レーザ４１と、光伝達媒体といしての空気又は光ファイバ５４と、デジタルの光信号５３をデジタルの電気信号５２に変換するフォトダイオード４０から構成される。半導体レーザ４１は、例えば、ガラスエポキシ基板４４の、フォトダイオード４０は、例えばガラスエポキシ基板４５に形成されている。ガラスエポキシ基板４４のグランドプレーン５５とガラスエポキシ基板４５のグランドプレーン５６はそれぞれ独立とする。
【００２３】
図４、図５に示す構成では、電気入力信号を数１０ＭＨｚの信号に追随可能な半導体レーザ４１によって電気から光に変換し、光ファイバもしくは空気中を通って、数１０ＭＨｚの信号に追随可能なフォトダイオード４０によって再び電気信号に変換される。
【００２４】
例えば、図４、図５が光伝達部３３−１や３３−１を示す場合は、ガラスエポキシ基板４４上に、制御系２７を構成するＩＣが実装され、ガラスエポキシ基板４５上にはＤ／Ａコンバータ２８や送受切り替えスイッチ２３、ＴＧＣアンプ２４、Ａ／Ｄコンバータ２９を配置して、超音波探触子１０に繋がるアナログ回路が実装されている。
【００２５】
図４、図５が光伝達部３３−２を説明する場合は、ガラスエポキシ基板４４上に、Ｄ／Ａコンバータ２８や送受切り替えスイッチ２３、ＴＧＣアンプ２４、Ａ／Ｄコンバータ２９を配置して、超音波探触子１０に繋がるアナログ回路が実装され、ガラスエポキシ基板４５上に、制御系２７、受波ビームフォーマ２６や検波回路、画像処理回路を構成するＩＣが実装されている。勿論、これらのデバイスのグランド線、基板同士のカップリングを切断しておかないと本発明の目的に適さない。特にアナログ処理部やデジタル処理部がそれぞれ複数の基板で構成される場合、アナログ処理部、デジタル処理部それぞれの共通のバックプレーンをアナログ処理部とデジタル処理部の間で分割し、電源部も別々とする必要がある。
【００２６】
図４、図５ではアナログ処理部とデジタル処理部を構成する基板を並べる構成で説明したが、上記のカップリングの問題に注意を払ってあれば、絶縁体を介してアナログ処理部とデジタル処理部がスタックする構成でも構わない。勿論その場合、回路中の閉ループ同士で信号のカップリングが起きることは避ける構成であることが必要である。
【００２７】
図４では、一つの半導体レーザとフォトダイオードの組み合わせを図示してあるが、光伝達部がＤ／Ａに繋がる部分もしくはＡ／Ｄに繋がる場合のように複数チャンネルの間を伝送するものである場合、波長多重技術を用いて、複数の信号を一つの光フィアバにまとめる事もコンパクトに実装する上では有用な方法である。
【００２８】
更に超音波探触子１０と超音波診断装置の間にＭＲＩのＲＦ信号の帯域の部分を除去する帯域除去フィルタを入れ、万全を期すことも有効である。
【００２９】
以上の説明のような構成によれば、超音波探触子を介して漏洩電磁波を発生しない超音波撮像装置を提供することが出来、超音波探触子がＭＲＩガントリ内にあっても、漏洩電磁波がノイズを生み出す効果を通してＭＲＩの画像に歪等の影響を与えることがない。その結果、ＭＲＩと超音波撮像装置という、撮像速度、撮像領域の異なる二つの撮像手段によって、これらが互いに相手の画像を劣化させることなく、治療の画像支援を行なうことが可能となる。
【００３０】
本発明は、上記にある特定の実施の形態に限定されるものでなく、その技術思想の範囲を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によると、ＭＲＩの撮像中に超音波探触子を介して漏洩電磁波がＭＲＩの測定系に入らないという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の超音波撮像装置を用いてＭＲＩ装置のガントリ内に置かれた被検体の超音波撮像を行なう例を説明する図。
【図２】従来技術の超音波撮像装置の構成を示す図。
【図３】本発明の実施例の超音波撮像装置の構成例を説明する図。
【図４】本発明の実施例の光伝達部の構成例を説明する図。
【図５】本発明の実施例の光伝達部の他の構成例を説明する図。
【符号の説明】
１０…超音波探触子、１１…ＭＲＩ装置、１２…非検体、１３…超音波撮像装置、１４…操作者、１５…超音波撮像装置の本体部、１６…ケーブル、２１…送波波形メモリ、２２…送波ビームフォーマ、２３…送受切り替えスイッチ、２４…タイムゲインコントロールアンプ、２６…受波ビームフォーマ、２７…制御系、２８…Ｄ／Ａコンバータ、２９…Ａ／Ｄコンバータ、３３−１、３３−２、３３−３…光伝達部、４０…フォトダイオード、４１…半導体レーザ、４４、４５…ガラスエポキシ基板、５１、５２…電気信号、５３…光信号、５４…光ファイバ、５５、５６…グランドプレーン、１００…アナログ処理部、１０１…デジタル処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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