(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【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
【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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