(57)【要約】      （修正有）【課題】血管径を精度よく且つ再現性よく測定することができ、ウェアラブル性に優れた超音波プローブを有する血管径測定システムを提供する。【解決手段】パルスエコー法により生体の血管径を測定する血管径測定システムは、アレイ状の圧電素子２２にパルス電圧を印加して超音波を発振し、反射波を受信する送受信部２を有する超音波プローブＡＰと、血管径を測定する測定器本体とを備え、プローブと本体とが通信自在に接続される。プローブの装着方向を下とし、上下方向に貫通するシリコン貫通電極３１を形成したシリコン基板３を更に備え、駆動回路４１と、電源と、増幅回路４３と、Ａ／Ｄ変換回路とが搭載され、各圧電素子の下面が接触する第１電極２１と上面が接触する第２電極２５とに電極を介して夫々接続され、本体に駆動回路を制御し血管径を測定する制御手段と、血管径を報知する報知手段とを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスエコー法により生体の血管径を測定する血管径測定システムであって、
同一平面内にアレイ状に配置される複数の圧電素子を有して各圧電素子にパルス電圧を印加して血管に向けて超音波を発振し、血管に衝突して反射する反射波を受信する送受信部を有する超音波プローブと、受信した反射波を解析して血管径を測定する測定器本体とを備え、超音波プローブと測定器本体とが通信自在に接続されるものにおいて、
超音波プローブが、生体に対する装着方向を下とし、上下方向に貫通するシリコン貫通電極を形成したシリコン基板を更に備え、
シリコン基板上に、各圧電素子に対して選択的にパルス電圧を印加する駆動回路と、駆動回路に電力供給する電源と、受信した反射波を増幅する増幅回路と、この増幅された反射波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路とが搭載されて、各圧電素子の下面が接触する第１電極とそれらの上面が接触する第２電極とにシリコン貫通電極を介して夫々接続され、
測定器本体に、駆動回路を制御すると共にデジタル信号を演算処理して血管径を測定する制御手段と、この測定される血管径を報知する報知手段とを設けることを特徴とする血管径測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスエコー法により生体の血管径を測定する血管径測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の血管径測定システムは、例えば特許文献１で知られている。このものは、有線または無線により通信自在に接続される超音波プローブと測定器本体とを備える。生体に着脱自在に装着される超音波プローブは、同一平面内にアレイ状に配置される複数の圧電素子を有して各圧電素子にパルス電圧を印加して血管に向けて超音波を発振し、血管に衝突して反射する反射波を受信する送受信部（超音波トランデューサユニット）と、生体に対する装着方向を下とし、送受信部の上側に設けられる駆動回路及び通信回路と、これら駆動回路及び通信回路に電力供給するフィルムバッテリーとを備える。一方、測定器本体には、超音波プローブから送信される反射波を受信する反射波受信部と、反射波受信部で受信した反射波を増幅する増幅回路と、増幅された反射波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、デジタル信号を演算処理して血管径を測定する制御手段と、この測定される血管径を表示する表示手段とが設けられている。このような構成を採用した場合、超音波プローブの送受信部で受信した反射波を測定器本体の増幅回路で増幅してデジタル信号に変換するまでの伝送経路が長く、ノイズの影響を受け易いという問題があり、これでは、血管径の測定精度の低下を招く。
【０００３】
また、上記従来例には、送受信部の上側に、測定器本体側の回路も含む上記各回路を専用のＩＣで作成し、これらのＩＣをベアチップ実装してなるシステム部を搭載し、生体に装着される超音波プローブに、表示機能を除く測定器本体の機能を超音波プローブ側に一体に組み込み、測定結果のみを表示素子に送信して表示させることも提案されている（特許文献１、図９〜図１１参照）。ここで、各圧電素子から発振され超音波が血管に衝突して反射するとき、この反射波の周波数は、通常、２０ＭＨｚ程度である。このため、超音波プローブ側で超音波の発振から血管径を測定までの一連の処理を行うのでは、制御負荷が大きく、しかも、消費電力も多大となる。このため、バッテリーとして大容量のものが必要となるばかりか、測定中の発熱量も多くなるという問題がある。
【０００４】
ところで、この種の血管径測定システムを利用する者には高齢者も含まれることから、高齢者にとって超音波プローブを装着したときの快適性を考慮すると、超音波プローブは軽量であることが好ましく、しかも、測定中に不快感を与えるものであってはならない。上記従来例のように、測定器本体の機能を超音波プローブ側に一体に組み込むと共に大容量のバッテリーを用いるのでは、軽量化を図ることができず、また、測定中の発熱量が多くなると、使用者に不快感を与えてしまう虞もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−５１１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、血管径を精度よく且つ再現性よく測定することができ、ウェアラブル性に優れた超音波プローブを有する血管径測定システムを提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、パルスエコー法により生体の血管径を測定する本発明の血管径測定システムは、同一平面内にアレイ状に配置される複数の圧電素子を有して各圧電素子にパルス電圧を印加して血管に向けて超音波を発振し、血管に衝突して反射する反射波を受信する送受信部を有する超音波プローブと、受信した反射波を解析して血管径を測定する測定器本体とを備え、超音波プローブと測定器本体とが通信自在に接続され、超音波プローブが、生体に対する装着方向を下とし、上下方向に貫通するシリコン貫通電極を形成したシリコン基板を更に備え、シリコン基板上に、各圧電素子に対して選択的にパルス電圧を印加する駆動回路と、駆動回路に電力供給する電源と、受信した反射波を増幅する増幅回路と、この増幅された反射波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路とが搭載されて、各圧電素子の下面が接触する第１電極とそれらの上面が接触する第２電極とにシリコン貫通電極を介して夫々接続され、測定器本体に、駆動回路を制御すると共にデジタル信号を演算処理して血管径を測定する制御手段と、この測定される血管径を報知する報知手段とを設けることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、送受信部で受信した反射波を増幅するまでの伝送経路が可及的に短くなることで、ノイズの影響を受け難くなって血管径を精度よく且つ再現性よく測定することができる。また、超音波プローブ側では、超音波の発振と、受信した反射波を増幅してデジタル信号に変換するまでの機能のみに限定しているため、消費電力は少なくて済み、その上、発熱量も然程多くない。その結果、超音波プローブは、軽量で、且つ、測定中に使用者に不快感を与えるといった不具合もなく、ウエアラブル性に優れたものとなる。
【０００９】
また、本発明によれば、アレイ状に配置される複数の圧電素子を高速信号切り替え駆動する際にノイズの影響を受け難くすることができ、超音波ビーム収束による分解能の向上、反射波（反射エコー）受信時の計測点感度向上が期待され、さらにアレイ状に配置される複数の圧電素子をフェーズドアレイ駆動することよる深く広い範囲の計測及びイメージングが可能になると期待される。前述の目的で高速信号切り換えを行う回路も同様にシリコン基板上に搭載することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の血管径測定システムを構成する超音波プローブの部分断面図。
【図２】超音波プローブと測定器本体の機能を説明する概略ブロック図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す超音波プローブの製作工程を夫々示す断面図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す超音波プローブの製作工程を夫々示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、パルスエコー法により生体の血管径を測定する場合を例に、本発明の実施形態に係る血管径測定システムを説明する。
【００１２】
図１及び図２を参照して、ＭＳは、血管径測定システムである。血管径測定システムＭＳは、有線または無線により通信自在に接続されるアレイ型の超音波プローブＡＰと測定器本体ＭＢとを備える。
【００１３】
超音波プローブＡＰは、音響整合層１と、送受信部２と、シリコン基板３とを備える。超音波プローブＡＰは、測定対象としての手首橈骨動脈の血管Ｂの径を測定する手首Ｗの所定位置に装着される。以下において、上、下等の方向を示す用語は、図１に示す超音波プローブＡＰの測定対象に対する装着姿勢を基準とする。
【００１４】
音響整合層１は、生体の音響インピーダンスと後述する超音波素子たる圧電素子２２の音響インピーダンスとを整合させるものであり、例えば、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、パリレン、ポリ尿素から選択される１種の材料で形成され、その厚さは１０μｍ〜５０μｍの範囲に設定される。
【００１５】
送受信部２は、上記音響整合層１上に形成される、後述する各圧電素子２２の下面（一方の主面）２２ａが接触する第１電極膜２１と、駆動電圧（パルス電圧）が印加されて血管Ｂに向けて超音波を発振し、血管Ｂに衝突して反射する反射波を受信する複数の圧電素子２２と、音響整合層１及び第１電極膜２１上に積層され、圧電素子２２と同等の厚さを持つと共に圧電素子２２を夫々囲繞する第１開口２３ａが開設された第１ドライフィルムレジスト２３と、第１ドライフィルムレジスト２３上に積層され、圧電素子２２の上面２２ｂを部分的に露出させる第２開口２４ａが開設されて当該第２開口２４ａの周縁部と第１電極膜２１との間で圧電素子２２を夫々挟持する第２ドライフィルムレジスト２４と、各圧電素子２２の上面（他方の主面）２２ｂが接触する第２電極膜２５とで構成されている。
【００１６】
圧電素子２２の各々は、ＰＺＴやチタン酸バリウムなどの圧電セラミックスや、ＰＭＮ−ＰＴなどの圧電単結晶で構成され、両主面２２ａ，２２ｂの面積が０．５ｍｍ２で、８０μｍ〜１２０μｍの範囲の所定厚さ（好ましくは、９０μｍ）を持つ直方体形状に加工されている。第１及び第２のドライフィルムレジスト２３，２４は、厚さのみが異なる同一形態のもので構成され、このような第１及び第２の各ドライフィルムレジスト２３，２４としては、例えば光硬化性や熱溶融性といった機能を持つものであり、樹脂製のシート状支持体表面に感光性樹脂組成物が形成された公知のものが利用できる（例えば、ＴＭＭＦ−Ｓ２０シリーズ（東京応化工業社製））。この場合、第１及び第２のドライフィルムレジスト２３，２４としては、２０μｍ〜４５μｍの範囲の所定厚さのものが選択される。そして、第１及び第２の各ドライフィルムレジスト２３，２４に対し、図外のフォトマスクを配置して第１及び第２の各ドライフィルムレジスト２３，２４を夫々露光し、フォトマスクを除去した後に現像することで、第１及び第２の各開口２３ａ，２４ａがアレイ状にパターニングされて開設される。第１及び第２の各開口２３ａ，２４ａは、矩形の輪郭を持つように形成されるが、例えば圧電素子２２の主面２２ａ，２２ｂの輪郭に応じて適宜変更することもできる。
【００１７】
シリコン基板３には、上下方向に貫通するシリコン貫通電極（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａ）３１が形成されている。シリコン基板３の上面側及び下面側には、配線層３２ａ，３２ｂ及びバンプ電極３３ａ，３３ｂが夫々形成されている。尚、３４ａ，３４ｂは、バンプ電極３３ａ，３３ｂを相互に絶縁するためのエポキシ樹脂を示す。シリコン基板３の下面側のバンプ電極３３ａが第２電極膜２５に接触するように、送受信部２上にシリコン基板３が設置される。
【００１８】
シリコン基板３上には、通信回路４０と、駆動回路４１と、電源４２と、増幅回路４３と、Ａ／Ｄ変換回路４４と、信号圧縮回路４５とが搭載されている。駆動回路４１及び増幅回路４３は、第１及び第２の電極膜２１，２５にシリコン貫通電極３１を介して夫々接続されるため、送受信部２で受信した反射波を増幅するまでの伝送経路を可及的に短くなる。通信回路４０は、後述する測定器本体ＭＢの通信部５０との間で無線通信を行うものである。駆動回路４１は、各圧電素子２２に対して選択的にパルス電圧を印加する集積回路である。尚、駆動回路４１は、パルス電圧を印加する圧電素子２２を切り替える切替手段（図示省略）を有する。電源４２は、制御負荷が小さく消費電力の少ない駆動回路４１にのみ電力供給を行えば足りるため、家庭用の一般電源のような大容量のものではなく、薄型で小容量のバッテリで十分である。増幅回路４３は、シリコン貫通電極３１を介して受信した反射波（アナログ信号）を増幅する集積回路であり、Ａ／Ｄ変換回路４４は、増幅回路４３で増幅した反射波をデジタル信号に変換する集積回路である。Ａ／Ｄ変換回路４４で変換されたデジタル信号は、信号圧縮回路４５で圧縮された後、通信回路４０から測定器本体ＭＢに無線送信される。
【００１９】
測定器本体ＭＢは、通信部５０と、信号展開手段５１と、制御手段（ＣＰＵ）５２と、報知手段５３と、電源５４とを備える。通信部５０は、超音波プローブＡＰの通信回路４０との間で無線通信を行うものである。信号展開手段５１は、超音波プローブＡＰから受信した、圧縮されたデジタル信号を展開し、展開したデジタル信号を制御手段５２に出力するものであり、例えば、集積回路で構成される。制御手段５２は、超音波プローブＡＰの駆動回路４１を制御すると共に、信号展開手段５１から入力されたデジタル信号を演算処理して血管径を測定するものである。報知手段５３は、測定した血管径を使用者に報知するものであり、例えば、測定した血管径を表示するディスプレイ等の表示部を有する。電源５４としては、制御手段５２の制御負荷が大きく、消費電力が大きいことを考慮して、家庭用の一般電源を用いることが望ましい。
【００２０】
ここで、デジタル信号の通信には、現在汎用的に利用されているＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）や無線ＬＡＮ等の通信規格を用いることが考えられる。この場合、２０ＭＨｚの反射波の生データはデータ量が多いため、この生データを十分なサンプリング周波数で２値化（デジタル化）して送信することは難しく、送信できない虞がある。そこで、本実施形態では、デジタル信号の圧縮／展開を行う信号圧縮回路４５及び信号展開手段５１を備えている。圧縮／展開のアルゴリズムとしては、既知の音声圧縮／展開アルゴリズム又は専用のアルゴリズムを用いることが望ましい。その理由は、普通の圧縮方法では、制御手段５２による解析に必要な情報の欠落が発生してしまい、一旦欠落した情報は復元できないためである。但し、当然ではあるが、圧電素子２２が利用する周波数帯域に合わせると共に可逆圧縮が可能な帯域を１ｄｅｃａｒｄ以上とすることが必要である。
【００２１】
次に、図３及び図４を参照して、上記超音波プローブＡＰの製造方法を説明する。先ず、同等の厚さを有する（即ち、発振周波数の揃った）圧電素子２２の複数を準備する。併せて、シリコン等の剛性を持つ支持体６の上面全面に亘って熱剥離性又は紫外線硬化性の剥離シート７を貼付したものを準備する。支持体６が準備されると、剥離シート７の上面に音響整合層１を形成する（図３（ａ）参照）。ここで、音響整合層１の形成方法としては、接着剤や溶剤を用いて貼り付ける方法、蒸着重合法等により形成する方法などを用いることができる。音響整合層１をポリイミド、パリレン、ポリ尿素で形成する場合、蒸着重合法を用いて形成することが好ましい。また、本実施形態では、シリコン貫通電極３１を介した配線接続を行うための配線層形成用の開口１ａを音響整合層１に形成している。
【００２２】
次に、音響整合層１の上面に第１電極膜２１を形成する（図３（ｂ）参照）。第１電極膜２１としては、例えば、金、銅やクロム等の導電性の金属材料が用いられ、公知のスパッタリング装置や真空蒸着装置等を用いて形成される。次に、音響整合層１及び第１電極膜２１上に圧電素子２２と同等の厚さを有する第１ドライフィルムレジスト２３を貼付する。この場合、音響整合層１及び第１電極膜２１上面の全面に亘って密着性良く第１ドライフィルムレジスト２３を貼付するために、加熱しながらロールで圧着するロール式や、減圧下の真空チャンバ内で加熱圧着する真空式のラミネート装置を利用することができる。次に、図外のフォトマスクを配置して第１ドライフィルムレジスト２３を露光し、フォトマスクを除去した後に現像して圧電素子２２を囲繞する複数の第１開口２３ａをアレイ状に開設する（図３（ｃ）参照）。この場合、第１開口２３ａは、圧電素子２２の輪郭より僅かに大きくなるように設定される。本実施形態では、第１開口２３ａの開設と同時に、開口１ａの直上に、フレキシブル配線基板４との配線接続を行うための配線層形成用の開口２３ｂを第１ドライフィルムレジスト２３に形成している。なお、露光、現像、露光部分または未露光部分の除去については公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２３】
そして、第１電極膜２１で支持されるように、第１開口２３ａの内側に、下面２２ａ側から圧電素子２２を夫々配置する（図３（ｄ）参照）。各圧電素子２２が配置されると、上記第１ドライフィルムレジスト２３と同様にして、圧電素子２２の上面２２ｂを含む第１ドライフィルムレジスト２３上に第２ドライフィルムレジスト２４を貼付し、露光現像して第２開口２４ａを形成し、第２開口２４ａの周縁部と第１電極膜２１とで圧電素子２２が挟持されるようにする（図３（ｅ）参照）。本実施形態では、第２開口２４ａの開設と同時に、開口２３ｂの直上に開口２４ｂを第２ドライフィルムレジスト２４に形成している。次に、第２開口２４ａが開設されると、各圧電素子２２の上面２２ｂに、第２ドライフィルムレジスト２４の上面までのびるように第２電極膜２５を夫々形成する（図４（ａ）参照）。これにより、送受信部２が形成される。第２電極膜２５としては、第１電極膜２１と同様に、例えば、金、銅やクロム等の導電性の金属材料が用いられ、スパッタリング装置や真空蒸着装置等を用いて形成される。
【００２４】
そして、シリコン貫通電極３１、配線層３２ａ，３２ｂ及びバンプ電極３３ａ，３３ｂが予め形成されたシリコン基板３を準備し、シリコン基板３の下面側のバンプ電極３３ａが第２電極膜２５に接続されるように、送受信部２上にシリコン基板３を設置する。なお、シリコン基板３の設置に先立って、配線層形成用の開口１ａ，２３ｂ，２４ｂで画成される空間には、例えば、銀ペースト８が充填され、配線を強化するようにしている（図４（ａ）参照）。次に、バンプ電極３３ｂと電気的に接続されるように、シリコン基板３上に駆動回路４１、増幅回路４３、Ａ／Ｄ変換回路４４及び信号圧縮回路４５を実装する（図４（ｂ）参照）。これと共に、シリコン基板３上に通信回路４０及び電源４２を実装する。最後に、特に図示しないが、支持体６を加熱して音響整合層１と剥離シート７との間の界面で剥離することで、アレイ型の超音波プローブＡＰが製作される。
【００２５】
次に、上記血管径測定システムＭＳを用いた血管径の測定定方法について説明する。使用者の手首に超音波プローブＡＰを装着した状態で、測定器本体ＭＢの制御手段５２により駆動回路４１を駆動し、シリコン貫通電極３１を介して各圧電素子２２に４０〜１００Ｖの範囲のパルス電圧を選択的に印加すると、各圧電素子２２は約２０ＭＨｚの超音波を発振し、音響整合層１を介して生体に送信される。血管Ｂで反射した超音波（反射波）を各圧電素子２２が受信すると、反射波（アナログ信号）がシリコン貫通電極３１を介して増幅回路４３に入力され、増幅される。増幅された反射波（アナログ信号）はＡ／Ｄ変換回路４４でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換回路４４で変換されたデジタル信号は、信号圧縮回路４５で圧縮された後、通信回路４０から測定器本体ＭＢに無線送信される。測定器本体ＭＢの通信部５０で受信したデジタル信号は、信号展開手段５１で展開された後、制御手段５２に送られ、制御手段５２はデジタル信号を演算処理して血管径を測定する。尚、デジタル信号から血管径を測定する方法については公知のものが利用できるため、これ以上の詳細な説明を省略する。制御手段５２により測定された血管径は、報知手段５３により使用者に報知される。例えば、ディスプレイ等の表示部に血管径が表示される。
【００２６】
以上の実施形態によれば、送受信部２で受信した反射波を増幅回路４３で増幅するまでの伝送経路が可及的に短くなることで、ノイズの影響を受け難くなって血管径を精度よく且つ再現性よく測定することができる。また、超音波プローブＡＰ側では、超音波の発振と、受信した反射波を増幅してデジタル信号に変換するまでの機能のみに限定しているため、消費電力は少なくて済み、その上、発熱量も然程多くない。その結果、超音波プローブＡＰは、軽量で、且つ、測定中に使用者に不快感を与えるといった不具合もなく、ウェアラブル性に優れたものとなる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、アレイ状に配置される複数の圧電素子２２を高速信号切り替え駆動する際にノイズの影響を受け難くすることができ、超音波ビーム収束による分解能の向上、反射波（反射エコー）受信時の計測点感度向上が期待され、さらにアレイ状に配置される複数の圧電素子２２をフェーズドアレイ駆動することよる深く広い範囲の計測及びイメージングが可能になると期待される。前述の目的で高速信号切り換えを行う回路も同様にシリコン基板３上に搭載することができる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形することが可能である。例えば、上記実施形態では、報知手段５３が測定した血管径を画像で報知するディスプレイ等の表示部を有する場合を例に説明したが、血管径を音声で報知するスピーカを有するものであってもよい。
【００２９】
また、送受信部２上に設けられるシリコン基板としては、図１に示すものに限定されず、圧電素子２２と増幅回路４３とを接続するシリコン貫通電極３１が形成されているものであれば用いることができる。
【００３０】
また、上記実施形態では、超音波プローブＡＰと測定器本体ＭＢとの間で無線通信する場合を例に説明したが、両者の間で有線通信する場合にも本発明を適用することができる。
【００３１】
また、上記実施形態では、信号圧縮回路４５により圧縮したデジタル信号を測定器本体ＭＢに送信すると共に、信号展開手段５１により展開したデジタル信号を制御手段５２に送る構成を採用したが、制御手段５２による演算処理に対して要求される精度が高い場合には、これら信号圧縮回路４５及び信号展開回路５１を設けなくてもよい。この場合、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号が通信回路４０に送られ、通信回路４０から測定器本体ＭＢにデジタル信号が無線送信され、通信部５０により受信されたデジタル信号は制御手段５２に対して出力される。これによれば、超音波プローブＡＰの消費電力をより低減できると共により軽量化を図ることができ、よりウエアラブル性が向上する。
【符号の説明】
【００３２】
ＡＰ…超音波プローブ、ＭＢ…測定器本体、ＭＳ…血管径測定システム、２…送受信部、２１…第１電極膜（第１電極）、２２…圧電素子、２５…第２電極膜（第２電極）、３…シリコン基板、３１…シリコン貫通電極、４１…駆動回路、４２…電源、４３…増幅回路、４４…Ａ／Ｄ変換回路、５２…制御手段、５３…報知手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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