(57)【要約】【課題】高温環境下でも連続使用が可能な小型で操作性の良い超音波プローブ、及び該超音波プローブを有する超音波診断装置を提供する。【解決手段】超音波を被検体の内部に送波し反射波を受信する振動子部と、振動子部の送波に係る信号または受信に係る信号を無線で外部と通信する無線通信部と、少なくとも振動子部と無線通信部とを収納する筐体と、を備えた超音波プローブであって、筐体に着脱可能なカートリッジとして構成された筐体の内部を冷却する冷却手段を有することを特徴とする超音波プローブ。【選択図】図２
2011083363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を被検体の内部に送波し反射波を受信する振動子部と、前記振動子部の送波に係る信号または受信に係る信号を無線で外部と通信する無線通信部と、少なくとも前記振動子部と前記無線通信部とを収納する筐体と、を備えた超音波プローブであって、
前記筐体に着脱可能なカートリッジとして構成された前記筐体の内部を冷却する冷却手段を有することを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記筐体の内部に設けられた部品が発生する熱を前記冷却手段に伝達する熱伝達手段を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。
【請求項３】
前記カートリッジは、
前記超音波プローブに電力を供給するバッテリーと一体に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波プローブ。
【請求項４】
前記カートリッジは、
蓄冷剤を内部に保持し、
前記蓄冷剤を予め冷却してから前記カートリッジを前記筐体に装着することにより前記筐体の内部を冷却するように構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記カートリッジは、
吸熱反応をおこす冷却剤を内部に保持し、
前記筐体に装着した前記カートリッジの内部でおこる吸熱反応により前記筐体の内部を冷却するように構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
超音波を被検体の内部に送波し、反射波を受信して前記被検体の内部を映像化するように構成された超音波診断装置において、
請求項４に記載の超音波プローブと、
前記カートリッジを冷却するカートリッジ冷却部と、
前記無線通信部と無線で通信する第２の無線通信部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
前記カートリッジは、充電可能な２次電池を前記バッテリーとして一体に構成されたカートリッジであって、
前記２次電池を充電する充電部を有することを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置。
【請求項８】
前記カートリッジ冷却部は、
ペルチェ素子を備え、
前記ペルチェ素子に通電して前記カートリッジを冷却するように構成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波プローブ、及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断では、被検体内へ超音波を送波し、被検体内で反射した反射波に基づいて被検体内の断層像等の診断画像を生成する。被検体に対する超音波の送受波は、超音波プローブを通じて行われる。
【０００３】
超音波プローブは、電流と音波とを可逆的に変換する圧電効果を有する複数の圧電素子を備え、複数の圧電素子にそれぞれ駆動信号を印加して超音波を発生させ、被検体の内部で反射した反射波を受波させて受信信号を生成させる。
【０００４】
従来の超音波プローブでは、駆動信号や受信信号を超音波診断装置と伝送するために信号線を束ねたケーブルを用いていた。超音波プローブの圧電素子の数に応じて駆動信号や受信信号を伝送する必要があるため、多くの信号線を束ねた太いケーブルが必要である。そのため、ケーブルの操作性が悪く診断の障害となったり、信号線の断線による故障の確率が高まるおそれがあった。
【０００５】
このような課題を解決するため、超音波プローブにバッテリと無線通信部を備え、バッテリにより給電し、無線通信部により超音波診断装置本体と信号の送受信を行って、ケーブルを不要にする技術が開示されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００６】
一方、このような圧電素子を動作させると熱が発生するので、超音波プローブの使用中にその温度が上昇してしまうという問題が生じる。
【０００７】
このような課題を解決するため、超音波トランスデューサ（圧電素子）を冷却する方法が各種提案されている（例えば、特許文献４、５、６参照）。
【０００８】
また、従来より超音波診断装置では、超音波の非線形な伝播により生じる高調波成分を取りだし、この高調波成分に基づいて超音波画像を生成し、表示するハーモニックイメージング（ＨＩ）法と呼ばれている手法が用いられてきた（例えば、特許文献７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１０１７７号公報
【特許文献２】特開２００２−８５４０５号公報
【特許文献３】特開２００９−９５５７８号公報
【特許文献４】特開２００６−１９８４１３号公報
【特許文献５】特開２００８−８６３６２号公報
【特許文献６】特開２００８−７９７００号公報
【特許文献７】特許４１１６１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１、２、３に開示されているワイヤレスの超音波プローブは、バッテリや回路の発熱により超音波プローブの内部温度が上昇するため、使用する環境温度が高くなると回路や部品の動作温度範囲を超え、使用不可になるという問題がある。
【００１１】
また、近年、ハーモニックイメージング（ＨＩ）法で用いる高調波成分を効率良く取得するため、送信用圧電素子と受信用圧電素子とを別体とし、超音波の送信時と受信時における動作を分離したアレイ型超音波探触子を備えた超音波プローブが用いられている。このようなアレイ型超音波探触子は、非常に発熱量が大きい。
【００１２】
そのため、特許文献１、２、３に開示されているワイヤレスの超音波プローブに、アレイ型超音波探触子を用いると内部温度の上昇がさらに大きくなり、超音波プローブを使用する環境温度が常温でも、超音波プローブの冷却が必要になる。
【００１３】
しかしながら、特許文献４、５、６に開示されている方法は、超音波トランスデューサ（圧電素子）で発生した熱を冷媒で吸熱し、超音波診断装置本体に設けられた冷却装置により放熱するものである。そのため、吸熱した冷媒を、超音波プローブと超音波診断装置本体との間を結ぶケーブル内を循環させて超音波診断装置本体の冷却装置、または超音波診断装置本体に設けられた熱交換用のコネクタまで移動させる必要があり、太いケーブルが必要になる。このような太いケーブルは、操作性が悪く診断の障害となったり、信号線の断線による故障の確率が高まるおそれがある。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、高温環境下でも連続使用が可能な小型で操作性の良い超音波プローブ、及び該超音波プローブを有する超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。
【００１６】
１．超音波を被検体の内部に送波し反射波を受信する振動子部と、前記振動子部の送波に係る信号または受信に係る信号を無線で外部と通信する無線通信部と、少なくとも前記振動子部と前記無線通信部とを収納する筐体と、を備えた超音波プローブであって、
前記筐体に着脱可能なカートリッジとして構成された前記筐体の内部を冷却する冷却手段を有することを特徴とする超音波プローブ。
【００１７】
２．前記筐体の内部に設けられた部品が発生する熱を前記冷却手段に伝達する熱伝達手段を有することを特徴とする前記１に記載の超音波プローブ。
【００１８】
３．前記カートリッジは、
前記超音波プローブに電力を供給するバッテリーと一体に構成されていることを特徴とする前記１または２に記載の超音波プローブ。
【００１９】
４．前記カートリッジは、
蓄冷剤を内部に保持し、
前記蓄冷剤を予め冷却してから前記カートリッジを前記筐体に装着することにより前記筐体の内部を冷却するように構成されていることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【００２０】
５．前記カートリッジは、
吸熱反応をおこす冷却剤を内部に保持し、
前記筐体に装着した前記カートリッジの内部でおこる吸熱反応により前記筐体の内部を冷却するように構成されていることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の超音波プローブ。
【００２１】
６．超音波を被検体の内部に送波し、反射波を受信して前記被検体の内部を映像化するように構成された超音波診断装置において、
前記４に記載の超音波プローブと、
前記カートリッジを冷却するカートリッジ冷却部と、
前記無線通信部と無線で通信する第２の無線通信部と、
を有することを特徴とする超音波診断装置。
【００２２】
７．前記カートリッジは、充電可能な２次電池を前記バッテリーとして一体に構成されたカートリッジであって、
前記２次電池を充電する充電部を有することを特徴とする前記６に記載の超音波診断装置。
【００２３】
８．前記カートリッジ冷却部は、
ペルチェ素子を備え、
前記ペルチェ素子に通電して前記カートリッジを冷却するように構成されていることを特徴とする前記６または７に記載の超音波診断装置。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の超音波プローブは、超音波の送受信を行う振動子部と、無線で外部と通信する無線通信部と、少なくとも前記振動子部と前記無線通信部とを収納する筐体と、を備えるとともに、筐体に着脱可能なカートリッジとして構成された筐体の内部を冷却する冷却手段を有する。
【００２５】
したがって、高温環境下でも連続使用が可能な小型で操作性の良い超音波プローブ、及び該超音波プローブを有する超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１の実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図２】実施形態における超音波プローブの外観構成を示す図である。
【図３】カートリッジを超音波プローブに着脱する構成を示す説明図である。
【図４】超音波探触子の構成例を示す断面図である。
【図５】超音波探触子を冷却するヒートパイプの断面図である。
【図６】第１の実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図７】超音波プローブの詳細な回路ブロック図である。
【図８】第２の実施形態におけるカートリッジの断面図である。
【図９】第２の実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【図１０】第２の実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【図１１】超音波診断装置１００の内部に設けられた冷却機構の一例を説明する説明図である。
【図１２】基板を冷却するヒートパイプの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００２８】
図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。
【００２９】
超音波診断装置１００は、図略の生体等の被検体に対して超音波（超音波信号）を送波し、受信した被検体で反射した超音波の反射波（エコー、超音波信号）から被検体内の内部状態を超音波画像として画像化し、モニタ１０に表示する。
【００３０】
超音波プローブ２は、音響レンズ６７から被検体に対して超音波（超音波信号）を送波し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する。超音波プローブ２は、図１に矢印で示すように、送波に係る信号または受信に係る信号を、超音波診断装置本体１４と無線で通信している。
【００３１】
入力部１３は、スイッチやキーボードなどから構成され、ユーザが診断開始を指示するコマンドの入力や、診断モードの設定、被検体の個人情報等のデータの入力をするために設けられている。
【００３２】
モニタ１０は、液晶パネルなどからなる表示装置であって、画像化した超音波画像を表示する。
【００３３】
図２は、実施形態における超音波プローブ２の外観構成を示す図、図３は、超音波プローブ２の蓋８５ｂを外した内部構成を示す外観図、図４は、超音波プローブ２に用いる超音波探触子１の構成例を示す断面図、図５は、超音波探触子１を冷却するヒートパイプ８７の断面図、である。
【００３４】
最初に図２、図３、図４、図５を用いて超音波プローブ２の構成の一例を説明する。
【００３５】
図２、図３に示すように超音波プローブ２の外観は、筐体８５と音響レンズ６７、図示せぬ操作スイッチ等からなる。音響レンズ６７は、被検体に対して超音波（超音波信号）を送波し、被検体で反射した超音波の反射波を受信する超音波探触子１の一部である。
【００３６】
超音波プローブ２の筐体８５は、蓋８５ｂと筐体部８５ａからなり、蓋８５ｂは図３のように着脱可能に構成されている。
【００３７】
図３のように蓋８５ｂを外すと、筐体部８５ａの内部にはカートリッジ８６を収容する空間が設けられており、カートリッジ８６を筐体部８５ａに着脱することができる。
【００３８】
カートリッジ８６は、本発明の冷却手段である。カートリッジ８６は、筐体部８５ａに着脱可能に構成されているので、カートリッジ８６の冷却能力が劣化した場合は、容易に交換することができる。
【００３９】
カートリッジ８６は、比熱が高く、温度上昇するために多くの熱量を要する蓄冷剤、または吸熱反応をおこす冷却剤を内部に保持している。
【００４０】
蓄冷剤としては、例えばポリアクリル酸ナトリウムと水の混合物を用いることができる。蓄冷剤を予め冷却してから筐体部８５ａに装着することにより、超音波プローブ２の筐体８５の内部を冷却し、温度の上昇を抑えることができる。
【００４１】
蓄冷剤の予め冷却する温度は、筐体８５内部の回路部品が結露しないように、０℃程度にすることが望ましい。
【００４２】
吸熱反応としては、エリスリトールと水の水和や、塩化カルシウムや硝酸ナトリウムと水との水和を用いることができる。例えば、エリスリトールを充填した袋と、水を充填した袋をカートリッジ８６の内部に配置し、筐体８５にカートリッジ８６を装着すると筐体８５の内部に設けられたピンにより２つの袋が破れて、エリスリトールと水とが混合されるように構成すると良い。このようにすると、カートリッジ８６を筐体８５に装着後、吸熱反応が開始され所定の時間、筐体８５の内部を冷却することができる。
【００４３】
蓋８５ｂに取り付けられている基板８８には、増幅器や無線通信用のＩＣなど発熱の多い回路部品が搭載されている。基板８８上の回路部品は、蓋８５ｂを筐体部８５ａに取り付けると対向する位置にあるカートリッジ８６によって主に放射により冷却される。
【００４４】
または、蓋８５ｂを筐体部８５ａに取り付けると、基板８８上の回路部品に取り付けたヒートシンクとカートリッジ８６とが接するように構成して熱伝導により回路部品を冷却するようにしても良い。
【００４５】
このようにすると、簡単な構成で超音波プローブの各回路部品の動作温度範囲を超えないように冷却できるので、高温環境下でも連続使用を可能にすることができる。
【００４６】
ヒートパイプ８７は、銅、アルミニウムなどの金属、またはその他の熱伝導性の良い材料からなる管の中に冷媒１０４が封入されている。ヒートパイプ８７を、筐体８５内の発熱部とカートリッジ８６の近傍との間に閉ループ状に配設し、ヒートパイプ８７の中の冷媒１０４を循環させて熱をカートリッジ８６に伝達し、発熱部の温度を低下させるように構成されている。
【００４７】
冷媒１０４としては、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、アルコール、代替フロン（ハイドロクロロフルオロカーボン類、ハイドロフルオロカーボン類）など比熱が高く粘度の低い揮発性の液体を用いることができる。
【００４８】
閉ループ状のヒートパイプ８７の一端は、図３のように筐体８５に装着したカートリッジ８６に隣接する位置に配置され、他端は図４、図５のように超音波プローブの超音波探触子１を囲むように配設されている。
【００４９】
図４は、超音波プローブ２に用いる超音波探触子１の構成例を示す断面図、図５は、超音波探触子１を冷却するヒートパイプ８７の断面図、である。
【００５０】
以降の説明では図中のＸ、Ｙ、Ｚで示す座標軸に基づいて説明する。Ｘ方向はエレベーション方向（ダイシングを行う方向）であり、Ｚ軸正方向は超音波を送信する方向である。また、Ｚ軸方向は積層方向である。
【００５１】
図４に示す超音波探触子１は、バッキング材６５の上に第４電極７５、無機圧電膜６２、第３電極７４、中間層７３、第２電極７０、有機圧電膜６３、第１電極６９、整合層６６、音響レンズ６７の順に積層されている。
【００５２】
整合層６６から第４電極７５まではＸ方向に向かってダイシングされ、図４には図示せぬアレイ状に配列された複数の無機圧電素子５０とアレイ状に配列された複数の有機圧電素子５１とが形成されている。無機圧電素子５０は、無機材料からなる圧電素子、有機圧電素子５１は、有機材料からなる圧電素子である。
【００５３】
無機圧電素子５０と有機圧電素子５１は、電気信号と音響信号とを相互変換するために設けられ、本実施形態では無機圧電膜６２に形成された無機圧電素子５０は主に超音波の送波に、有機圧電膜６３に形成された有機圧電素子５１は主に超音波の受信に用いられている。
【００５４】
超音波を送波する際に、無機圧電素子５０を振動させるため、図４に示す構成の超音波探触子１では、無機圧電素子５０（無機圧電膜６２）とバッキング材６５との間が振動と摩擦によって最も多く発熱する。
【００５５】
超音波探触子１の発熱量は非常に大きく、圧電素子が所定の温度を超えると脱分極をおこし使用できなくなってしまう。ジルコン酸チタン酸鉛などを用いた無機圧電素子５０が脱分極をおこす温度は２００℃前後、フッ化ビニリデンの重合体などを用いた有機圧電素子５１が脱分極をおこす温度は１５０℃前後であり、保証する使用条件では有機圧電素子５１の温度が１５０℃より低い温度になるようにする必要がある。
【００５６】
また、音響レンズ６７は、被検体である人体に接触させるので、安全性を確保するため所定の温度以下にする必要がある。
【００５７】
本実施形態では、図５のようにヒートパイプ８７を流入部８７ａから分岐させてバッキング材６５の周囲を囲むように配設し、流出部８７ｂで合流するように構成している。ヒートパイプ８７は、本発明の熱伝達手段である。
【００５８】
流入部８７ａから流入した冷媒１０４は分岐し、バッキング材６５の２つの面に沿ってバッキング材６５と熱結合するように配設されたヒートパイプ８７の中を移動し、積層されている各部の温度を下げながら流出部８７ｂに移動する。ヒートパイプ８７は、最も発熱の大きい無機圧電素子５０（無機圧電膜６２）とバッキング材６５との間に配設することが望ましい。あるいは、ヒートパイプ８７をバッキング材６５の内部を貫通するように配設すると、より冷却効率が高まるので望ましい。
【００５９】
高温のバッキング材６５の熱は、伝導または放射によりバッキング材６５に近づいた低温の冷媒１０４の温度を上昇させ、沸点に達すると冷媒１０４は気化する。ヒートパイプ８７は毛細管構造であり、気化した冷媒１０４は、温度の低いカートリッジ８６の近くまで管内を移動して液化する。このように、冷媒１０４は、温度の高い方から低い方へヒートパイプ８７の内部を循環し、バッキング材６５を冷却する。
【００６０】
このように、超音波探触子１など超音波プローブ２の各部を所定の温度以下に冷却して高温環境下でも連続使用を可能にできる。
【００６１】
またこのように、ヒートパイプ８７を分岐するとヒートパイプ８７に沿ったバッキング材６５の２つの面を均等に冷却することができる。このことによって、バッキング材６５に積層されている複数の無機圧電素子５０、および複数の有機圧電素子５１の素子間の温度バラツキを抑え、温度バラツキによるノイズの発生を抑制することができる。
【００６２】
なお、ポンプなどの駆動手段を用いて冷媒１０４を移動させ、ヒートパイプ８７の内部を循環するようにしても良い。また、ヒートパイプ８７を用いて冷却する部材はバッキング材６５に限らず、無機圧電素子５０や有機圧電素子５１、あるいは他の電子部品でも良い。
【００６３】
また、バッキング材６５とカートリッジ８６とを熱伝導率の良い金属などで接続することによりバッキング材６５の熱をカートリッジ８６まで伝達するようにしても良い。
【００６４】
次に、図１２を用いて基板上の素子を冷却する例を説明する。
【００６５】
図１２は、基板を冷却するヒートパイプの構成例を示す図である。
【００６６】
図１２（ａ）は、４つの素子１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄが搭載された基板８８ａの平面図であり、ヒートパイプ８７が素子１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄに重なるように配設されている。
【００６７】
図中の８７ａは模式的に示す流入部、図中の８７ｂは模式的に示す流出部である。冷媒１０４は流入部８７ａから流入し、分岐部１３１で分岐してヒートパイプ８７Ａ１、ヒートパイプ８７Ａ２の内部を移動し、分岐部１３２で合流し流出部８７ｂから流出するように構成されている。ヒートパイプ８７Ａ１は素子１３０ａ、１３０ｂと、ヒートパイプ８７Ａ２は１３０ｃ、１３０ｄと密接し、熱結合している。
【００６８】
このため、流入部８７ａから流入した冷媒１０４は、ほぼ同じ温度でヒートパイプ８７Ａ１、ヒートパイプ８７Ａ２に流入し、下流側に配置された素子１３０ａ、１３０ｂと素子１３０ｃ、１３０ｄからそれぞれ熱量を受けて温度上昇する。ヒートパイプ８７Ａ１側の冷媒１０４と、ヒートパイプ８７Ａ２側の冷媒１０４の受ける熱量が同量になるように素子１３０ａ〜１３０ｄを配置することが望ましい。
【００６９】
このようにすると、基板上の素子１３０の温度バラツキを抑えることができるので、各素子の温度バラツキによるノイズの発生が少ない信号を得ることができる。
【００７０】
なお、素子１３０は半導体素子に限定されるものではなく、ＯＰアンプ、ＡＳＩＣなどのＩＣ、フィルタ回路、圧電素子など各種電子部品に適用できる。
【００７１】
次に、基板８８ａの上側に基板８８ｂ、下側に基板８８ｃを配設した場合において、各基板上の素子を均一に冷却する構成例を説明する。
【００７２】
図１２（ｂ）は、基板８８ａの上側に同形状の基板８８ｂを、下側に同形状の基板８８ｃを重ねて配設した場合の図１２（ａ）にＡ、Ａ’で示す部分の断面図である。
【００７３】
ヒートパイプ８７は、図１２（ｂ）のように分岐部１３１で基板８８ａ、基板８８ｂ、基板８８ｃの３方向に分岐している。基板８８ｂと基板８８ｃ上の素子１３０の配置は、図１２（ａ）で説明した基板８８ａと同様であり、分岐した２つのヒートパイプ８７でそれぞれ２つの素子１３０を冷却するように構成されている。
【００７４】
例えば、基板８８ｂの方向に分岐したヒートパイプ８７は、図１２（ａ）と同様にヒートパイプ８７Ａ４とヒートパイプ８７Ａ３（図示せず）の２方向に分岐する。図１２（ｂ）のようにヒートパイプ８７Ａ４と素子１３０ｅ、１３０ｆは密接し熱結合している。図示せぬヒートパイプ８７Ａ３も同様であり説明を省略する。また、基板８８ｂの方向に分岐したヒートパイプ８７も同様であり説明を省略する。
【００７５】
このように、ヒートパイプ８７を分岐させることにより複数の基板を重ねて実装した場合でも各基板上の素子を均一に冷却することができる。
【００７６】
次に、図４を用いて積層された順に超音波探触子１の各構成要素を説明する。
【００７７】
なお、本実施形態では、１つの圧電素子が１チャンネルを構成するものとして説明する。また、無機圧電素子５０、有機圧電素子５１の素子数はそれぞれ２１とし、ａ〜ｕで区別する例を説明するが、素子数は特に限定されるものではなく、２０〜２００程度の素子数が用いられる。
【００７８】
（無機圧電素子アレイ）
図４には図示せぬ無機圧電素子アレイ５０は、ジルコン酸チタン酸鉛などの無機材料から成る無機圧電膜６２の互いに厚み方向に対向する両面に、それぞれ第３電極７４ａ〜７４ｕ、第４電極７５ａ〜７５ｕを備えた無機圧電素子５０ａ〜５０ｕから構成されている。無機圧電膜６２の厚みは３２０μｍ程度である。
【００７９】
無機圧電素子５０ａ〜５０ｕの第３電極７４ａ〜７４ｕは、図示せぬコネクタを介してスイッチ５３ａ〜５３ｕの端子とそれぞれ接続され、第４電極７５ａ〜７５ｕは接地されている。
【００８０】
第３電極７４ａ〜７４ｕに駆動信号を印加すると無機圧電素子５０ａ〜５０ｕが振動し、無機圧電素子アレイ５０からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。
【００８１】
また、無機圧電素子アレイ５０が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて第３電極７４ａ〜７４ｕに電気信号（以下、受信信号と呼ぶ）が発生する。
【００８２】
第３電極７４、第４電極７５は、金、銀、アルミなどの金属材料を用いて、無機圧電素子アレイ５０の両面に蒸着法やフォトリソグラフィー法を用いて成膜されている。
【００８３】
（中間層）
中間層７３は、有機圧電素子アレイ５１が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動した際に、無機圧電素子アレイ５０が共振して振動しないように有機圧電素子アレイ５１の振動を吸収するために設けられている。
【００８４】
このような中間層７３は、樹脂材料を成型して形成することができる。中間層７３に用いる樹脂材料としては、例えばポリビニルブチラール、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリスルホン、エポキシ、オキセタン、などを用いることができる。
【００８５】
中間層７３の厚みは、求める感度や周波数特性により選択されるが、例えば１８０〜１９０μｍ程度である。
【００８６】
なお、求める感度や周波数特性によっては中間層７３を省略することもできる。
【００８７】
（有機圧電素子アレイ）
図４には図示せぬ有機圧電素子アレイ５１は、有機材料から成る有機圧電膜６３の互いに厚み方向に対向する両面に、それぞれ第１電極６９ａ〜６９ｕ、第２電極７０ａ〜７０ｕを備えた複数の有機圧電素子５１ａ〜５１ｕから構成されている。
【００８８】
有機圧電膜６３に用いる有機材料として、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、有機圧電膜６３には、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）、テトラフルオロエチレ（ＴｅＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。
【００８９】
一般に、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電材料から成る圧電素子は、基本波の周波数に対する２倍程度の周波数帯域の超音波しか受信することができないが、有機圧電材料の圧電素子は、基本波の周波数に対する例えば３〜５倍程度の周波数帯域の超音波を送受信することができ、受信周波数帯域の広帯域化に適している。
【００９０】
有機圧電膜６３の厚さｔは、受信すべき超音波の周波数や有機圧電材料の種類等によって適宜に設定される。
【００９１】
このような有機圧電膜６３は、有機圧電材料の溶液から流延して所定の厚さの膜を作製し、加熱して結晶化を行った後、所定の大きさのシート状に成型して作製する。
【００９２】
有機圧電膜６３の厚み方向（Ｚ軸方向）に互いに対向する両面には、それぞれ第１電極６９、第２電極７０を形成する。
【００９３】
有機圧電素子５１ａ〜５１ｕの第１電極６９ａ〜６９ｕは、図示せぬコネクタを介してスイッチ５３ａ〜５３ｕの端子とそれぞれ接続され、第２電極７０ａ〜７０ｕは接地されている。
【００９４】
第１電極６９ａ〜６９ｕに駆動信号を印加すると有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが振動し、有機圧電素子アレイ５１からＺ軸正方向に超音波を送信するように構成されている。
【００９５】
また、有機圧電素子アレイ５１が被検体で反射した超音波の反射波を受信して振動すると、反射波に応じて第１電極６９ａ〜６９ｕに電気信号が発生する。
【００９６】
（整合層）
整合層６６は、被検体の一つである人体と有機圧電素子アレイ５１の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、音響インピーダンスの整合を図る。整合層６６は、例えば、樹脂材料を成型して形成することができる。
【００９７】
（音響レンズ）
音響レンズ６７は、無機圧電素子アレイ５０が送信する超音波を所定の距離に収束させる。
【００９８】
このように、無機圧電素子アレイ５０と有機圧電素子アレイ５１とが積層されているので、超音波プローブ２を小型化することができる。
【００９９】
超音波探触子１の説明は以上である。
【０１００】
次に、図６、図７を用いて第１の実施形態における超音波診断装置１００の電気的な構成を説明する。図６は、超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図、図７は、超音波プローブの詳細な回路ブロック図である。
【０１０１】
図６では、複数の無機圧電素子５０ａ〜５０ｕから成る無機圧電素子アレイ５０、複数の有機圧電素子５１ａ〜５１ｕから成る有機圧電素子アレイ５１を、それぞれ一つのブロックで図示している。
【０１０２】
振動子部５８は、無機圧電素子アレイ５０、有機圧電素子アレイ５１、増幅器５２、切換手段５３から成り、超音波を被検体の内部に送波し反射波を受信する本発明の振動子部である。
【０１０３】
有機圧電素子５１ａ〜５１ｕはインピーダンスが数ｋΩと非常に高いため、ノイズの影響を受けやすい。そのため、有機圧電素子５１ａ〜５１ｕは、それぞれ増幅器５２ａ〜５２ｕと接続されており、増幅器５２ａ〜５２ｕは、それぞれ超音波を受信した有機圧電素子５１ａ〜５１ｕが発生する電気信号（以下、受信信号と呼ぶ）を増幅する。増幅器５２ａ〜５２ｕによって受信信号を増幅し、低インピーダンスで出力することにより受信信号を、無線通信部５９を介して高Ｓ／Ｎで超音波診断装置本体１４に伝送することができる。
【０１０４】
増幅器５２ａ〜５２ｕには、初段にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いたオペアンプなど入力インピーダンスの高い汎用の増幅器を用いることができる。
【０１０５】
切換手段５３のスイッチ５３ａ〜５３ｕは、無線通信部５９からの切換制御信号５７に応じて、信号線５６ａ〜５６ｕを、対応する無機圧電素子５０ａ〜５０ｕ、または有機圧電素子５１ａ〜５１ｕ、または増幅器５２ａ〜５２ｕの出力端子の何れか一つに接続する。図７に示す単極双投のスイッチ５３ａ〜５３ｕは、単極単投のアナログスイッチ等を組み合わせ、切換制御信号により適宜オンまたはオフにすることにより等価的に同機能のスイッチを構成することができる。
【０１０６】
無線通信部５９は、振動子部５８の送波に係る信号および受信に係る信号を無線で外部と通信する。また、無線通信部５９は、超音波診断装置本体１４に設けられた無線通信部２０と双方向に通信する機能を有する。無線通信部２０は、本発明の第２の無線通信部である。
【０１０７】
無線通信部５９には、無機圧電素子アレイ５０を駆動するバッファアンプや、デジタル信号に変換して送受信する場合は、Ａ／Ｄ変換器やＤ／Ａ変換器などを備えている。
【０１０８】
無線通信部５９と無線通信部２０には、ＩＥＥＥ８０２．１１規格などに準拠した無線ＬＡＮや、ＦＤＭＡ（周波数分割多重接続）方式などの無線通信、ＩｒＤＡ規格などに準拠した赤外線通信などを用いることができる。また、転送データ量に応じて、複数のデータ転送チャネルを設けても良い。
【０１０９】
無線通信部５９は、無機圧電素子アレイ５０を駆動する駆動信号を無線通信部２０から受信し、増幅器５２ａ〜５２ｕで増幅された受信信号を無線通信部２０に送信する。また、無線通信部５９は、切換制御信号を無線通信部２０から受信し、切換手段５３に伝送する。
【０１１０】
バッテリー８４は、超音波プローブ２の振動子部５８と無線通信部５９などに電力を供給する。
【０１１１】
電源部２２は、超音波診断装置本体１４に設けられ、ＡＣジャック２１から入力された交流電圧を直流電圧に変換し、超音波診断装置本体１４の各部に電力を供給する。
【０１１２】
制御部９９は、ＣＰＵ９８（中央処理装置）と記憶部９６等から構成され、記憶部９６に記憶されているプログラムをＲＡＭに読み出し、当該プログラムに従って超音波診断装置１００の各部を制御する。記憶部９６は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成される。
【０１１３】
次に、超音波画像を表示するまでの手順の一例を説明する。
【０１１４】
ＣＰＵ９８は、超音波を送波する前に、スイッチ５３ａ〜５３ｕを信号線５６ａ〜５６ｕが、それぞれ無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに接続されるように無線通信部２０から切換制御信号を送信する。これを受信した超音波プローブ２の無線通信部５９は、切換手段５３に切換制御信号を送信し、スイッチ５３ａ〜５３ｕは信号線５６ａ〜５６ｕが、それぞれ無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに接続される位置に切り換えられる。
【０１１５】
次に、送信処理部７は、制御部９９により設定されたタイミングで、超音波をビーム状に形成し、また任意の深さで収束させて焦点を形成するように遅延処理をかけた駆動信号を無線通信部２０から送信する。無線通信部５９は、駆動信号を受信し信号線５６ａ〜５６ｕを介して無機圧電素子５０ａ〜５０ｕに印加する。
【０１１６】
超音波プローブ２で発生した超音波は、被検体に送波され、被検体内部を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で反射し、エコーとして超音波プローブ２に返ってくる。
【０１１７】
超音波を被検体に向けて送波した後、超音波プローブ２に返ってきたエコーは、超音波プローブ２に配列された有機圧電素子５１ａ〜５１ｕを機械的に振動させ、微弱な受信信号を発生させる。
【０１１８】
超音波を受信する時、ＣＰＵ９８は、スイッチ５３ａ〜５３ｕを切り換えて信号線５６ａ〜５６ｕが増幅器５２ａ〜５２ｕに接続されるようにする。無線通信部５９は、増幅器５２ａ〜５２ｕから受信信号を受信し、無線通信部２０に送信する。
【０１１９】
無線通信部２０で受信した受信信号は、受信処理部３に取り込まれ、プリ増幅器で増幅された後、送波時と同じ遅延処理を受信ビームフォーマーで受けた後、加算ユニットで加算される。
【０１２０】
この受信信号は、基本波モードでは、受信信号から基本波成分を主に抽出するために通過帯域が基本周波数ｆ０を中心とした所定の帯域に設定されている基本波用帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）４を通ってＢモード処理部６に送られる。
【０１２１】
また、高調波モードでは、通過帯域が基本周波数ｆ０の例えば３倍の周波数を中心とした所定の帯域に設定されている高調波用帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）５を通って、Ｂモード処理部６に送られる。
【０１２２】
ハーモニックイメージング（ＨＩ）法を用いる高調波モードでは、エコーに含まれる超音波が被検体（生体）の内部を歪みながら‘伝播’する、いわゆる伝播の非線形性により発生した基本周波数ｆ０以外の非基本波成分を利用する。非基本波成分のなかでも、基本周波数ｆ０の２倍の２次高調波成分、３倍の３次高調波成分などを診断のための画像形成に利用することができるが、本実施形態では３倍の周波数３ｆ０の３次高調波成分を利用するものとして説明する。
【０１２３】
Ｂモード処理部６は、基本波モード時には基本波用帯域通過型フィルタ４からの基本周波数ｆ０の成分に基づいて通常のＢモード像を生成し、また高調波モード時には高調波用帯域通過型フィルタ５からの基本周波数の３倍の３ｆ０の成分に基づいて画像を生成する。これらの画像はデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）９によって再構成された後、ビデオ信号に変換され、モニタ１０に表示される。
【０１２４】
なお、本実施形態では、無機圧電素子アレイ５０から超音波を送波し、切換手段５３を切り換えて有機圧電素子アレイ５１で受信した受信信号を超音波診断装置本体１４に無線で送信する高調波モードの例を説明したが、特にこの例に限定されるものではない。例えば、送受波ともに切換手段５３を無機圧電素子アレイ５０にする基本波モードや、または送受波ともに切換手段５３を有機圧電素子アレイ５１にして高調波モードを行う場合にも本発明を適用できる。また、切換手段５３を設けず無機または有機の圧電素子アレイから送受波する場合にも本発明を適用できる。
【０１２５】
次に、第２の実施形態を説明する。図８は、第２の実施形態のカートリッジ８６の断面図、図９は、第２の実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図、図１０は、第２の実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。また、図１１は、超音波診断装置１００の内部に設けられた冷却機構の一例を説明する説明図である。
【０１２６】
第２の実施形態のカートリッジ８６は、超音波プローブ２に電力を供給するバッテリー８４と一体に構成されている。
【０１２７】
図８の例では、ケース１０６の中にバッテリー８４を囲むように蓄冷剤１０５、または冷却剤が設けられている。ケース１０６の外装にはバッテリーの電極端子が設けられ、カートリッジ８６を筐体部８５ａに装着すると電極端子が筐体部８５ａに設けられた接点と導通し、超音波プローブ２に電力を供給できるように構成されている。
【０１２８】
このようにすると、発熱の大きいバッテリーを効率的に冷却することができる。また、カートリッジ８６の交換とバッテリー８４の交換を同時に行うことができるので、使い勝手が良い。
【０１２９】
バッテリー８４は、アルカリ電池などの１次電池や、リチウムイオン電池、ニッケル・水素蓄電池などの充電可能な２次電池を用いることができる。
【０１３０】
図９に示す第２の実施形態の超音波診断装置１００は、超音波診断装置本体１４にカートリッジ８６を挿入する開口１８が設けられている。
【０１３１】
ペルチェ素子１２１の冷却面は、図１１のように開口１８に挿入されたカートリッジ８６のケース１０６の蓄冷材１０５側の面と接し、蓄冷材１０５を冷却できるように配置されている。ペルチェ素子１２１の排熱側の面には放熱フィン１２７が取り付けられ、冷却ファン１２２によって空気冷却されるように構成されている。図中の１２６はモータ、１２５はファンである。
【０１３２】
ペルチェ素子１２１は、本発明のカートリッジ冷却部である。ペルチェ素子１２１を用いると簡単な機構で蓄冷材を保持するカートリッジ８６を冷却することができる。
【０１３３】
カートリッジ８６を開口１８に挿入すると、制御部９９は図示せぬ検知手段でカートリッジ８６を検知し、ペルチェ素子１２１を作動させてカートリッジ８６を冷却する。複数のカートリッジ８６を用意しておくと、開口１８に挿入し所定の温度に冷却されたカートリッジ８６を順次超音波プローブ２に装着されているカートリッジ８６と交換することができるので、使い勝手が良い。開口１８を複数設けるとさらに効率が良い。
【０１３４】
充電部１２０は、制御部９９の指令により２次電池からなるバッテリー８４を充電する。
【０１３５】
図８に示すような２次電池を用いたバッテリー８４と一体に構成されたカートリッジ８６を用いる場合は、開口１８に挿入するとカートリッジ８６の蓄冷材の冷却とともにバッテリー８４を充電することができるようにしても良い。
【０１３６】
例えば、２次電池を用いたバッテリー８４と一体に構成されたカートリッジ８６を開口１８に挿入すると、図１０に示す充電部１２０に接続された超音波診断装置本体１４の内部に設けられた接点１２４と導通するように構成する。カートリッジ８６を検知した制御部９９は、充電部１２０にバッテリー８４を充電するよう指令する。
【０１３７】
このようにすると、カートリッジ８６を開口１８に挿入するだけで、バッテリー８４の充電とカートリッジ８６の冷却とを行うことができるので使い勝手が良い。
【０１３８】
なお、本実施形態では超音波診断装置本体１４に電源部２２、充電部１２０、ペルチェ素子１２１、放熱フィン１２７、冷却ファン１２２を内蔵しているが、これらを超音波診断装置本体１４とは別体に構成しても良い。
【０１３９】
また、超音波プローブ２と超音波診断装置本体１４にそれぞれコイルを設けて非接触方式で給電するように構成しても良い。
【０１４０】
超音波プローブは、患者の体表に押し当てる為、１日に１回程度の頻度で消毒を行ったりする。そのため、バッテリー８４交換時にバッテリー８４の接点１２４と接触する端子が消毒液等に触れて劣化するおそれがある。カートリッジ８６とバッテリー８４を別体に構成する場合は、非接触方式で給電することにより、充電時にバッテリー８４を超音波プローブ２から取り出す必要が無くなるので、このようなおそれを無くすことができる。
【０１４１】
以上このように、本発明によれば、高温環境下でも連続使用が可能な小型で操作性の良い超音波プローブ、及び該超音波プローブを有する超音波診断装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１４２】
１  超音波振動子
２  超音波プローブ
３  受信処理部
４  基本波用帯域通過型フィルタ
５  高調波用帯域通過型フィルタ
６  Ｂモード処理部
７  送信処理部
９  デジタルスキャンコンバータ
１０  表示部
１３  入力部
１４  超音波診断装置本体
１５  ケーブル
２０  無線通信部
２２  電源部
５０  無機圧電素子アレイ
５０ａ〜５０ｕ  無機圧電素子
５１  有機圧電素子アレイ
５１ａ〜５１ｕ  有機圧電素子
５２  増幅器
５３  切換手段
５３ａ〜５３ｕ  スイッチ
５９  無線通信部
６５  バッキング材
６７  音響レンズ
６９  第１電極
７０  第２電極
７４  第３電極
７５  第４電極
８４  バッテリー
８５  筐体
８５ａ  筐体部
８５ｂ  蓋
８６  カートリッジ
８７  ヒートパイプ
９６  記憶部
９８  ＣＰＵ
９９  制御部
１００  超音波診断装置
１０４  冷媒
１０６  ケース
１２１  ペルチェ素子
１２２  ファン
【図１】
2011083363.tif 000003
【図２】
2011083363.tif 000004
【図３】
2011083363.tif 000005
【図４】
2011083363.tif 000006
【図５】
2011083363.tif 000007
【図６】
2011083363.tif 000008
【図７】
2011083363.tif 000009
【図８】
2011083363.tif 000010
【図９】
2011083363.tif 000011
【図１０】
2011083363.tif 000012
【図１１】
2011083363.tif 000013
【図１２】
2011083363.tif 000014