(57)【要約】【課題】超音波探触子の搖動停止時の原点位置での位置ずれの検出を容易にする。【解決手段】本発明の超音波探触子の原点位置ずれ検出システムでは、前記基準位置検出センサの出力を検出して、前記基準位置検出センサの出力電圧の変化範囲を２個の電圧Ｖ１と電圧Ｖ２で分割し、それらの範囲設定を以下のようにし、    Ｚ１：電圧Ｖ１未満    Ｚ２：電圧Ｖ１以上〜電圧Ｖ２以下    Ｚ３：電圧Ｖ２より大〜電源電圧Ｖｃｃ  前記センサ出力電圧が前記Ｚ２の範囲にあれば、前記圧電素子群は基準位置にあり、また、前記センサ出力電圧が前記Ｚ１の範囲にあれば、基準位置に対して前記光学回転円板の回転角θがマイナスとなる方向にずれており、さらに、前記センサ出力電圧がＺ３の範囲にあれば、基準位置に対して前記回転角θがプラスとなる方向にずれていると判定する。【選択図】図３
2017023589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電素子を長軸方向に並べて前記圧電素子と電気的に接続する部材が短軸方向の少なくとも一端側から延出してなる圧電素子群と、長軸方向を中心にして前記圧電素子群を短軸方向に搖動または往復動させる回転機構部と、前記圧電素子群の短軸方向の基準位置を検出する基準位置検出センサと連動して前記回転機構部を駆動する制御シャフトとモータと、からなる超音波探触子において、前記制御シャフトもしくは前記制御シャフトから減速分岐した回転シャフトに光遮蔽部または光反射部、光透過部及び両者の境界領域を有する光学回転円板を結合し、前記光遮蔽部と前記光透過部が前記境界領域を基準にして前記光学回転円板の中心から互いに反対方向に所定の角度で連続して形成され、前記光学回転円板は前記境界領域を基準として前記所定の角度以内で回転し、前記境界領域は前記光遮蔽部または前記光反射部と前記光透過部での光の遮蔽または反射と透過によって検出され、さらに、前記圧電素子群の基準位置への搖動または移動を制御するモータ制御部を備え、もって前記境界領域に基いて前記圧電素子群の基準位置が設定されることを特徴とする超音波探触子の原点位置ずれ検出システム。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探触子の原点位置ずれ検出システムであって、前記基準位置検出センサの出力を検出して、前記基準位置検出センサの出力電圧の変化範囲を電圧Ｖ１と電圧Ｖ２で分割し、それらの範囲設定を以下のようにし、
Ｚ１：電圧Ｖ１未満
Ｚ２：電圧Ｖ１以上〜電圧Ｖ２以下
Ｚ３：電圧Ｖ２より大〜電源電圧Ｖｃｃ
前記センサ出力電圧が前記Ｚ２の範囲にあれば、前記圧電素子群は基準位置にあり、また、前記センサ出力電圧が前記Ｚ１の範囲にあれば、基準位置に対して前記光学回転円板の一方向または他方向への回転角がマイナスとなる方向にずれており、さらに、前記センサ出力電圧がＺ３の範囲にあれば、基準位置に対して前記回転角がプラスとなる方向にずれていると判定される、ことを特徴とする超音波探触子の原点位置ずれ検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体（生体）に対して、超音波送受信部である圧電素子群から超音波の送受信を行い、被検体の超音波診断のための三次元（３Ｄ）データの取り込みを行う機械式搖動型超音波探触子（メカニカル３Ｄプローブ）に係り、とくに、超音波探触子の搖動停止時の原点位置ずれ検出を容易にした超音波探触子の原点位置ずれ検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体の超音波診断のための三次元データの取り込みを行うセクタ搖動(円弧状スキャン)方式及びリニア搖動（リニアスキャン）方式の機械式搖動型超音波探触子を用いる超音波診断装置では、通常、圧電素子群の搖動に用いる駆動モータの駆動信号もしくはモータ駆動機構に設けられたエンコーダの出力信号に基いて三次元画像を構築している。
【０００３】
例えば、セクタ搖動(円弧状スキャン)方式の超音波探触子では、図７に示すように、ハウジング３０内にケース３１を設け、ケース３１の両側壁に保持板３３を中心軸３２により搖動自在に設けるとともに、保持板３３の上面部に圧電素子群からなる超音波送受信部３４を設けてある。
【０００４】
そして、ケース３１の下面部に枠体３６を固着し、駆動モータ３５を枠体３６の下面に設けるとともに、歯車機構を介して制御シャフト３９を、ケース３１内に設けた傘歯車機構３７に連結し、駆動モータ３５により、保持板３３の一側壁に固着した別の傘歯車と噛み合わせて回転させ、超音波送受信部３４を短軸方向に搖動させるようになっている。
【０００５】
ここで、図７に示した制御シャフト３９には、図８に、その詳細を示すように、平面視で半円状の光学回転板３８が連結され、光遮蔽部３８ａと光透過部３８ｂとが、境界領域Ｐを基準として、光学回転板３８の回転中心から互いに反対方向に、１８０°間隔を置いて形成されて基準位置検出センサを構成している。
【０００６】
そして、図７に示した制御シャフト３９で、半円状の光学回転板３８を時計方向（θ方向）に回転させて、枠体３６の内側面に設けた透過型フォトセンサ４０で光学回転板３８に形成した境界領域Ｐを検出して、短軸方向に搖動する超音波送受信部３４の原点位置の正確な位置を決めて、被検体の生体情報を得ることができるようになっている（特許文献１参照）。
【０００７】
また、図９に示すようなリニア搖動（リニアスキャン）方式の機械式搖動型超音波探触子でも、セクタ搖動（円弧状スキャン）方式の超音波探触子と同様な光学回転円板と透過型フォトセンサを用いた基準位置検出センサにより、長軸方向に往復動する超音波送受信部の原点位置を検出して被検体(生体)の正確な位置を決めている。
【０００８】
すなわち、図９に示すように、リニア搖動（リニアスキャン）方式の機械式搖動型超音波探触子では、超音波送受信部５０の短軸方向への搖動（往復動）機構は、駆動モータ５１と、この回転駆動力を超音波送受信部５０へ伝達する駆動軸５３を回転させる減速機構５２とから構成されている。そして、駆動軸５３の左右両端部の中間位置に、駆動歯車５６を設け、この駆動歯車５６を被駆動歯車５７と噛み合わせて、被駆動歯車５７と一体に設けられ光学回転円板５９を回転させて、図８に示した光学回転円板と同様に、光遮蔽部と光透過部の機能により、それらの境界部を透過型フォトセンサ５８で検出して、Ｌ端とＲ端の間を往復動する超音波送受信部５０の原点位置Ｏを透過型フォトセンサで検出できるようにしてある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３４６１２５号公報
【特許文献２】特許第４５８４３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述したように、超音波探触子の基準位置検出センサは、光源からの光の透過または遮蔽によって、光学回転円板に形成した境界領域を検出し、超音波送受信部の基準位置が設定される構成としている。
【００１１】
このことにより、超音波探触子が、光が透過する側、あるいは遮光される側のいずれかに位置して場合であっても、その状態に応じて、所定の回転方向に光学回転円板を搖動させれば、いずれの場合でも、基準位置検出センサの出力が変化するので、その位置を超音波探触子の超音波送受信部の基準位置と判定することができる。
【００１２】
しかしながら、一方で、超音波探触子の超音波送受信部の搖動が停止して超音波送受信部が原点基準位置にあるとき、プローブ（探触子）等を他の部材にぶつけてしまう等の原因により超音波探触子の超音波送受信部が設定した基準位置からずれてしまうことがある。このような場合には、基準位置検出センサのセンサ出力が変化するので、基準位置がずれたことを検出することが可能である。しかし、前に基準位置を設定した方向（例えば、時計方向）と逆方向（例えば、反時計方向）にプローブの基準位置がずれた場合には、基準位置検出センサのセンサ出力が変化しないため、基準位置がずれたことを検出できない。
【００１３】
とくに、超音波探触子を搖動させていない状態で被検体の超音波診断をしている際に、このような障害が生じた場合には、その際、超音波診断により得られた被検体の超音波画像は、医師等が診断を行なおうとしている被検体の部位とは異なった部位の画像となってしまい、誤診を招く恐れがあった。
【００１４】
また、このようにして得られた超音波画像によって、穿刺針を被検体内にガイドする場合には、意図しない被検体の部位に穿刺を行ってしまい、患者に不要なダメージを与えてしまうおそれがあった。
【００１５】
このような問題点の解決策として、時計方向または半時計方向のいずれかの方向に超音波探触子の超音波送受信部の基準位置がずれた場合でも、そのずれを検出できるようにするため、別の基準位置検出センサを追加して設けて回転円板の他方の境界領域を検出できるようにすることも考えられる。しかし、このように別の基準位置検出センサを追加して設けると、超音波探触子自体の部品点数が増加し、超音波探触子のコストアップや大型化の要因となってしまう。さらに、例えば、２個の基準位置検出センサを設けた場合には、それらの相互位置関係に、通常、誤差を伴うため、極めて精度よく基準位置の位置ずれの検出を行うことができなくなる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記した課題を解決するため、本発明の超音波探触子の原点位置ずれ検出システムは、複数の圧電素子を長軸方向に並べて前記圧電素子と電気的に接続する部材が短軸方向の少なくとも一端側から延出してなる圧電素子群と、長軸方向を中心にして前記圧電素子群を短軸方向に搖動または往復動させる回転機構部と、前記圧電素子群の短軸方向の基準位置を検出する基準位置検出センサと連動して前記回転機構部を駆動する制御シャフトとモータと、からなる超音波探触子において、前記制御シャフトもしくは前記制御シャフトから減速分岐した回転シャフトに光遮蔽部または光反射部、光透過部及び両者の境界領域を有する光学回転円板を結合し、前記光遮蔽部と前記光透過部が前記境界領域を基準にして前記光学回転円板の中心から互いに反対方向に所定の角度で連続して形成され、前記光学回転円板は前記境界領域を基準として前記所定の角度以内で回転し、前記境界領域は前記光遮蔽部または前記光反射部と前記光透過部での光の遮蔽または反射と透過によって検出され、さらに、前記圧電素子群の基準位置への搖動または移動を制御するモータ制御部を備え、もって前記境界領域に基いて前記圧電素子群の原点基準位置が設定されることを特徴とする。
【００１７】
また本発明の超音波探触子の原点位置ずれ検出システムは、前記基準位置検出センサの出力を検出して、前記基準位置検出センサの出力電圧の変化範囲を電圧Ｖ１と電圧Ｖ２で分割し、それらの範囲設定を以下のようにし、
Ｚ１：電圧Ｖ１未満
Ｚ２：電圧Ｖ１以上〜電圧Ｖ２以下
Ｚ３：電圧Ｖ２より大〜電源電圧Ｖｃｃ
前記センサ出力電圧が前記Ｚ２の範囲にあれば、前記圧電素子群は基準位置にあり、また、前記センサ出力電圧が前記Ｚ１の範囲にあれば、基準位置に対して前記光学回転円板の一方向または他方向への回転角がマイナスとなる方向（時計方向）にずれており、さらに、前記センサ出力電圧がＺ３の範囲にあれば、基準位置に対して前記回転角がプラスとなる方向（半時計方向）にずれていると判定する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
超音波探触子の搖動停止時の原点基準位置からの位置ずれの方向の検出が基準位置検出センサの数を増加せずに容易にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の３Ｄメカニカル超音波探触子の透過型フォトセンサを用いた原点位置検出システムの概念構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した透過型フォトセンサ内部でＬＥＤから放射された光線を対向するフォトトランジスタで受光する部分の斜視断面図及びフォトセンサ周辺の回路図である。
【図３】本発明の３Ｄメカニカル超音波探触子の原点位置検出システムに用いる光学回転円板の回転角θと透過型フォトセンサの出力電圧Ｖｏｕｔの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の３Ｄメカニカル超音波探触子の原点位置検出機構のフォトセンサに反射型フォトセンサを用いた原点位置検出システムの概念構成を示す斜視図である。
【図５】図４に示した反射型フォトセンサが光学回転円板と対向しているとき、ＬＥＤから放射された光線が光学回転円板の表面で反射してフォトトランスジスタで受光する状態を示す斜視図である。
【図６】超音波探触子と超音波診断装置が別体に構成された場合、モータ制御部が超音波診断装置側に設けられた実施例を示す概念図である。
【図７】従来の光学回転円板と透過型フォトセンサを用いた基準位置検出センサを備えたセクタ搖動型超音波探触子の縦断面図である。
【図８】従来の回転円板と透過型フォトセンサを用いた基準位置検出センサによる超音波送受信部の原点位置の検出法を示す斜視図である。
【図９】従来の回転円板と透過型フォトセンサを用いた基準位置検出センサを備えたリニア搖動型超音波探触子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の超音波探触子の原点位置ずれ検出システムの実施例を添付した図面に基いて説明する。
【００２１】
まず、本発明の超音波探触子の原点位置ずれ検出システムは、図７と図９に示したように、複数の圧電素子を長軸方向に並べて前記圧電素子と電気的に接続する部材が短軸方向の少なくとも一端側から延出してなる圧電素子群（超音波送受信部）と、長軸方向を中心にして前記圧電素子群を短軸方向に搖動または往復動させる回転機構部と、前記圧電素子群の短軸方向の基準位置を検出する基準位置検出センサと連動して前記回転機構部を駆動する制御シャフトとモータと、からなる超音波探触子を構成する。
【００２２】
そして、前記制御シャフトに光遮蔽部、光透過部及び両者の境界領域を有する平面視で半円状の光学回転円板を結合し、前記光遮蔽部と前記光透過部が前記境界領域を基準にして前記光学回転円板の中心から互いに反対方向に所定の角度で連続して形成され、前記光学回転円板が前記境界領域を基準として前記所定の角度以内で回転し、前記境界領域は前記光遮蔽部と前記光透過部での光の遮蔽と透過によって検出され、さらに、前記圧電素子群の基準位置への搖動または移動を制御するモータ制御部を備え、もって前記境界領域に基いて前記圧電素子群の基準位置が設定されるようになっている。
【００２３】
特に、本発明の超音波探触子の原点位置ずれ検出システムでは、図１に示すように、超音波探触子の原点位置ずれ検出に用いる基準位置検出センサ１は、従来の基準位置検出センサ（基準位置検出機構）と同様に、制御シャフト３に半円状の光学回転板２が結合され、光遮蔽部２ａと矢印で示す範囲の光透過部２ｂとが、境界領域Ｐを基準として、光学回転円板２の回転中心Ｏから互いに反対方向に、それぞれ約１８０°の間隔を置いて回転自在に形成されている。
【００２４】
さらに、図２に示された透過型フォトセンサ４の発光部（ＬＥＤ）４ａから発光されたＬＥＤからの光線（ビーム）は、透過型フォトセンサ４の受光部（フォトトランジスタ）４ｂで受光されて光電流ＩＬとしてトランジスタのコレクタからエミッタに向けて流れる。
【００２５】
図２の右側に記載された回路Ｑでは、フォトトランジスタ（ＴＲ）４ｂのコレクタ端子は出力電圧ＶＯＵＴ（図６に示す超音波診断装置１１に出力される）となるとともに光電流を電圧に変換するための抵抗ＲＬを経て電源電圧Ｖｃｃに、エミッタ端子はＧＮＤ端子に、接続される。さらに電源電圧ＶｃｃとＬＥＤの間には発光ダイオード（ＬＥＤ）４ａを保護するための抵抗Ｒｄが配置されている。
【００２６】
そして、本発明の超音波探触子の原点位置ずれ検出には、図１に示した光学回転円板２の境界領域Ｐが所定の位置を回転しつつ発光ダイオード（ＬＥＤ）４ａとフォトトランジスタ（ＴＲ）４ｂの間を通過することを検出する際に、当該所定の位置近傍では、境界領域Ｐの回転時の変位に対する基準位置検出センサの出力電圧ＶＯＵＴが連続的変化する現象を利用している。
【００２７】
まず、上記したような回路Ｑの透過型フォトセンサ４の特性は、次のようになる。
【００２８】
すなわち、図３に示すように、その縦軸に示した透過型フォトセンサ４の出力電圧ＶＯＵＴは、受光光量に対応した光電流ＩＬに基づいて、オームの法則により、出力電圧ＶＯＵＴ＝Ｖｃｃ―ＩＬ×ＲＬと決定される（ここで、ＲＬはトランジスタ回路Ｑに配設した抵抗である）。ここで、この出力電圧ＶＯＵＴは、図６に示す超音波診断装置に送信され、そのモータ制御部１１ａに入力されて、その電圧値に基いて所望の原点位置ずれの検出・修正を行う。
【００２９】
図１に示した光学回転円板２に形成された境界領域Ｐが透過型フォトセンサ４の切欠き部４ｃに入り込む前は、発光部４ａからの光線（ビーム）は光学回転円板２の半円部により遮蔽されないので、光が完全に透過しているから、フォトトランジスタＴＲに光電流が流れてＯＮ状態となり、図３に示すように、出力電圧ＶＯＵＴ＝ＶＭＩＮとなる。
【００３０】
光学回転円板２が、図１に示す矢印方向（ある位置を基準とした時の回転角θが増加する方向）に回転（図１に示すθがθ１からθ２増加する）することによって、光学回転円板２の境界領域Ｐが透過型フォトセンサ４からの光線（ビーム）を徐々に遮蔽し始めると、フォトトランジスタＴＲの受光光量が徐々に減少し、出力電圧ＶＯＵＴが、図３に示すように、上昇する。そして、透過型フォトセンサ４からの光線が光学回転円板２の遮光部２ａにより完全に遮光されると、図２に示した光電流ＩＬの値は零となり、出力電圧ＶＯＵＴ＝ＶＭＡＸ（≒Ｖｃｃ）となる。
【００３１】
また、透過型フォトセンサ４の出力値に基づいて、超音波探触子の超音波送受信部（圧電素子群）の原点位置ずれを判定するには、次の手法による。
【００３２】
ここで、光学回転円板２の回転に伴って、センサ出力電圧ＶＯＵＴが変化していく過程の電圧を、図３に示すように、Ｖ２とし、それぞれの電圧Ｖ１，Ｖ２に対応する光学回転円板２の回転角をθ１、θ２とし、これらの回転角θ１、θ２差分をΔθとする。また、センサ出力電圧ＶＯＵＴの変化範囲を２個の電圧Ｖ１，Ｖ２（閾値）で分割して、以下に示すように、Ｚ１、Ｚ２及びＺ３の範囲設定をする。
Ｚ１：電圧Ｖ１未満
Ｚ２：電圧Ｖ１以上〜電圧Ｖ２以下
Ｚ３：電圧Ｖ２より大〜電源電圧Ｖｃｃ
そして、センサ出力電圧ＶＯＵＴがＺ２の範囲にあれば、超音波探触子の超音波送受信部が基準位置にあり、また、出力電圧ＶＯＵＴがＺ１の範囲にあれば、基準位置に対して回転角θがマイナスとなる方向にずれており、さらに、出力電圧ＶＯＵＴがＺ３の範囲にあれば、基準位置に対してプローブの回転角θがプラスとなる方向にずれていると判定される。
【００３３】
なお、従来の基準位置検出システムでは、図３に示すセンサ出力電圧ＶＯＵＴの内、ＶＭＩＮ、電圧Ｖ１及びＶＭＡＸしか検出していなかったので、光学回転円板２の片側方向への回転による、超音波探触子の搖動停止時の原点位置ずれを検出することができなかった。
【００３４】
さらに、光学回転円板２の回転角θの差分Δθを決めるための電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２の設定に当たっては、以下の要因を考慮して適宜設定すればよい。
【００３５】
（ｉ）差分Δθの値が小さい方が基準位置での超音波探触子の停止精度を高くできる。
【００３６】
（ｉｉ）一方、超音波探触子の搖動に用いるステッピングモータの回転位置の誤差やステッピングモータから制御シャフトへの動力伝達経路で生じる歯車列でのバックラッシュによって、制御シャフトの回転位置に一定量のバラツキが生じる。ここで、差分Δθの値が、このバラツキよりも小さい場合には、超音波探触子へ付与される僅かな外力に対してもセンサ出力電圧ＶＯＵＴが変化して、超音波探触子が基準位置に対して位置ずれがあると判定されてしまうおそれがある。そのため、頻繁にこれらの異常状態に対する超音波診断装置の制御部への表示や超音波探触子の搖動に用いる駆動モータの駆動を行うことになるため、その都度、超音波診断装置による診断を中断することになり、超音波診断装置
の使い勝手極めて低下する恐れがある。
【００３７】
また、上述した電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２の設定に先立って、以下のような手法で、図３に示す差分Δθに対する出力電圧ＶＯＵＴの変化の傾斜度合を調整することもできる。
【００３８】
（ｉ）図２に示す、基準位置検出センサ１の光路中にマスク（絞り）を設けると出力電圧ＶＯＵＴの変化の傾斜が急峻になる。
【００３９】
（ｉｉ）フォトセンサ４を光学回転円板２の中心軸から遠くに設けると出力電圧ＶＯＵＴの変化の傾斜が急峻になる。
【００４０】
さらに、上述した手法により超音波探触子に基準位置に対して位置ずれがあると判定した場合には、以下に示す手法の何れか一つ、あるいは複数の処置を行う。
【００４１】
（ｉ）形成した診断画像に位置ずれあると異常を表示する。
【００４２】
（ｉｉ）異常を知らす警告音を発する。
【００４３】
（ｉｉｉ）基準位置に超音波探触子が復帰するようモータ制御を行う。
【００４４】
また、図４と図５に示すように、超音波探触子の原点位置検出システムに、図１に示した透過型フォトセンサに代えて反射型フォトセンサを用いることができる。この場合には、図５に示すように、フォトセンサ４が光学回転円板２に対向している時に、ＬＥＤから放射された光線（ビーム）が光学回転円板２の表面で反射され、フォトセンサ４がこの光線を受光する。そして、図３に示した出力電圧ＶＯＵＴの値が減少して電圧ＶＭＩＮとなり、透過型フォトセンサの場合と比較して電圧の変化の仕方が、透過型フォトセンサと逆になるだけである。
【００４５】
なお、図６に示すように、超音波探触子（プローブ）１０と超音波診断装置１１とが、別体に構成されて、モータ制御部１１aを超音波診断装置１１側に設けることもできるが、超音波探触子（プローブ）１０にモータ制御部１１ａを内蔵してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１       基準位置検出センサ
２       光学回転円板
２ａ     光遮蔽部
２ｂ     光透過部
３       制御シャフト
４       フォトセンサ
５       リード線
１０     プローブ（探触子）
１１     超音波診断装置
１１ａ   モータ制御部
１２     操作ユニット
１３     駆動モータ
Ｏ       光学回転板の回転中心
Ｐ       境界領域
Ｑ       トランジスタ回路
ＶＯＵＴ  センサ出力電圧
Ｖｃｃ 電源電圧
θ        光学回転円板の回転角
Δθ 回転角θの差分
【図１】
2017023589.tif 000003
【図２】
2017023589.tif 000004
【図３】
2017023589.tif 000005
【図４】
2017023589.tif 000006
【図５】
2017023589.tif 000007
【図６】
2017023589.tif 000008
【図７】
2017023589.tif 000009
【図８】
2017023589.tif 000010
【図９】
2017023589.tif 000011