JP2006239240A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 キャップに使用する材料を変更することなく、受信感度を向上させる。
【解決手段】 超音波プローブは、超音波を送受信する超音波トランスデューサ３１と、この周りを囲うキャップ３０とを備え、キャップ３０を介して生体に超音波を走査する。キャップ３０の超音波が通過する部分に、複数の孔３０ａを設けてメッシュ状部分を形成し、このメッシュ状部分の疎密間隔（孔３０ａの配列ピッチ）を上記超音波の波長より小さくすることで、メッシュ状部分の音響インピーダンスが低下して受信感度が向上する。また、キャップ３０の内部には、シース１７から水が流入し、孔３０ａを介して外部へ流出するようになっている。また、孔３０ａに代えて凹部を設けるようにしても、音響インピーダンスの低下を図ることができる。さらに、孔３０ａまたは凹部の配列ピッチを変化させて、音響レンズ効果を持たせることもできる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波トランスデューサによって生体内に超音波を走査する超音波プローブに関するものである。

近年、医療分野において、超音波画像を利用した医療診断が実用化されている。超音波画像は、超音波プローブから生体の所要部に超音波を照射し、そのエコー信号を電気的に検出することによって得られる。また、超音波を走査しながら照射することにより、超音波断層画像を得ることも可能で、超音波を送受信する超音波トランスデューサを機械的に回転あるいは揺動、もしくはスライドさせるメカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブも知られている。このような超音波プローブで生体内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブを内視鏡の鉗子口に挿通して、内視鏡の先端に設けられたカメラで超音波プローブの先端が生体内のどの箇所にあるかを観察しながら行う。

超音波トランスデューサは、圧電素子、電極、および音響整合層からなり、超音波プローブ先端のシール用のキャップ内に内蔵されている。メカニカルスキャン機構を備えた超音波プローブでは、超音波の伝達効率を向上させるとともに、超音波トランスデューサの回転運動が円滑となるように、キャップには適宜の液体が充填されている（例えば、特許文献１参照）。このキャップは、回転する超音波トランスデューサを保護するためにも必須の部材である。
特開２００２−３４５８１９号公報

ところで、上記キャップは通常ポリエチレンなどの樹脂材料で形成されるが、これは超音波の送受信特性に対しては劣化要因となる。これは、キャップに使用される樹脂材料の音響インピーダンスが高く、生体との間で音響インピーダンスの整合が取れないためであり、超音波の受信感度の低下を招くこととなる。そこで、キャップと生体との間の音響インピーダンスの整合が取れるように、キャップに使用する樹脂材料を変更することが考えられるが、変更後の樹脂材料の生体適合性を確保するためには、調査や検証に莫大な費用や労力が要されるため、現状の樹脂材料から変更することは現実的ではない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、キャップに使用する材料を変更することなく、受信感度を向上させることができる超音波プローブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、超音波を送信、受信、または送受信する超音波トランスデューサと、その周りを囲うキャップとを備え、前記キャップを介して生体に超音波を走査する超音波プローブにおいて、前記キャップの超音波が通過する部分に、物質密度が疎の部分および密の部分が繰り返し形成されてなる疎密領域を設け、この疎密領域の疎密間隔を前記超音波の波長より小さくしたことを特徴とする。

なお、前記疎の部分は、空隙であることが好ましい。また、前記キャップ内に液体が流入され、前記キャップ内に流入した液体は前記空隙を介して外部へ流出することが好ましい。

また、前記空隙を覆うように前記キャップの周囲にバルーンを設け、このバルーンに、前記キャップから前記空隙を介して外部へ流出した液体を注入することが好ましい。

また、前記疎密領域は、フレームにワイヤーを巻き付けて形成されたものであることが好ましい。

また、前記疎の部分は、凹部であることも好ましい。

また、前記疎密間隔が一様であることが好ましい。

また、前記疎密間隔が一様ではなく、前記疎密領域内の場所によって音響インピーダンスが異なるようにすることも好ましい。

なお、前記キャップは、円筒形状であるとともに、前記疎密間隔が軸方向および／または円周方向に段階的に変化していることが好ましい。また、前記キャップは、軸方向の中央部から外側へ向かうに従って音響インピーダンスが増加するように前記疎密間隔が変化しており、軸方向に関して音響レンズ効果を備えることが好ましい。

本発明の超音波プローブによれば、キャップの超音波が通過する部分に、物質密度が疎の部分および密の部分が繰り返し形成されてなる疎密領域を設け、この疎密領域の疎密間隔を上記超音波の波長より小さくしたので、疎密領域の音響インピーダンスが超音波に対して一様とみなされ、キャップの音響インピーダンスが低下する。これにより、キャップと生体との間の音響インピーダンスの整合性が向上し、超音波の受信感度を向上させることができる。また、このようなキャップは、従来の樹脂材料を用いて容易に低コストで作成することができる。

また、本発明の超音波プローブは、疎の部分を空隙とし、空隙を覆うようにキャップの周囲にバルーンを設け、このバルーンに、キャップから空隙を介して外部へ流出した液体を注入することで、バルーンに水を注入するための注水ラインを別に設ける必要がなくなり、コンパクト化される。

図１において、超音波診断装置２は、内視鏡１０と、超音波プローブ１１と、超音波観測器１２とからなる。内視鏡１０は、軟性部材からなり、生体内に挿入される挿入部１３と、挿入部１３の基端部分に連設された操作部１４と、内視鏡用プロセッサ装置（図示せず）に接続されるコード１５とを備えている。挿入部１３の先端１３ａには、生体内撮影用のカメラ（図示せず）が内蔵されており、このカメラで撮影した画像を内視鏡用プロセッサ装置を介して内視鏡用モニタ（図示せず）に表示して観察することが可能となっている。

超音波プローブ１１は、内視鏡１０の鉗子口１６に挿通され、挿入部１３と同様に軟性部材からなるシース１７と、後述するモータ４９など（図３参照）が内蔵されたトランスレータ１８と、超音波観測器１２に接続されるコード１９とを備えている。また、超音波観測器１２は、超音波画像を表示するモニタ２０を備えている。

図２において、シース１７の先端１７ａには、ポリエチレンなどの樹脂材料からなり、超音波の通過部分に複数の孔（空隙）３０ａを有する円筒形状のキャップ３０が取り付けられており、キャップ３０は、超音波トランスデューサ３１の周りを囲っている。また、シース１７の基端には、水の注水口（図示せず）が設けられており、この注水口からシース１７内に水が注入される。シース１７内に注入された水はキャップ３０内に流入し、孔３０ａから外部へ流出する。この水流によって、生体内を水で満たすことができる。

超音波トランスデューサ３１は、コントロールケーブル３２が連結された台座３３に載置されている。コントロールケーブル３２は、フレキシブルシャフト３２ａと、フレキシブルシャフト３２ａを被覆する可撓チューブ３２ｂとからなる。フレキシブルシャフト３２ａの先端は台座３３に連結され、その基端はトランスレータ１８内に延長されており、トランスレータ１８に内蔵されたモータ４９（図３参照）により、所定の回転速度（例えば１０〜４０回転／秒）で回転駆動される。これにより、超音波トランスデューサ３１は、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として所定の回転速度で回転する。なお、キャップ３０内の水は流動するため、超音波トランスデューサ３１の回転による気泡の発生（キャビテーション）が抑えられる。

図３に示すように、超音波トランスデューサ３１は、台座３３側から順に、フェライトゴム製のバッキング材４０、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜からなる圧電素子４１、およびエポキシ樹脂製の音響整合層４２からなり、圧電素子４１を電極４３ａ、４３ｂで挟み込んだ構成となっている。両電極４３ａ、４３ｂには、配線４４ａ、４４ｂがそれぞれ接続されている。電極４３ｂ側の配線４４ｂは、アースに接続されている。一方、電極４３ａ側の配線４４ａは、コントロールケーブル３２内に挿通され、トランスレータ１８内の送受信切替回路４５に接続されている。

送受信切替回路４５は、超音波トランスデューサ３１による超音波の送受信切り替えを所定の時間間隔で行う。この送受信切替回路４５には、パルス発生回路４６および電圧測定回路４７が接続されている。パルス発生回路４６は、超音波トランスデューサ３１から超音波を発生させる際（超音波の送信時）に、パルス電圧を圧電素子４１に印加する。これにより、超音波トランスデューサ３１は、所定の周波数の超音波を発生する。

電圧測定回路４７は、生体からのエコー信号を超音波トランスデューサ３１で受信した際（超音波の受信時）に、圧電素子４１に発生する電圧を測定する。電圧測定回路４７は、この測定結果をコントローラ４８に送信する。コントローラ４８は、電圧測定回路４７から送信された測定結果を超音波画像に変換し、これを超音波観測器１２に送信する。

生体内の超音波画像を取得する際には、超音波プローブ１１が鉗子口１６に挿通された内視鏡１０の挿入部１３が生体内に挿入され、内視鏡用モニタにより生体内が観測されながら生体内の所要部が探索される。生体内の所要部にシース１７の先端１７ａが到達すると、シース１７内に水を注水し、キャップ３０の孔３０ａから外部に流出する水によって該所要部を水で満たす。

この状態で、超音波画像を取得する指示がなされると、超音波トランスデューサ３１が所定の回転速度で回転する。これと同時に、送受信切替回路４５により超音波トランスデューサ３１の超音波の送受信が切り替えられながら、パルス発生回路４６からのパルス電圧の印加により超音波トランスデューサ３１から超音波が発せられ、キャップ３０を介して生体に超音波が走査される。また、生体からのエコー信号が超音波トランスデューサ３１で受信され、電圧測定回路４７により圧電素子４１に発生した電圧が測定される。

図４は、孔３０ａを矩形とし、孔３０ａを管状のキャップ３０に等しいピッチで一様に配設した例を示す。このように、孔３０ａが設けられたメッシュ状部分は、物質密度が疎の部分（孔３０ａ）および密の部分（隣接する孔３０ａと孔３０ａの間）が繰り返し形成されてなる疎密領域であり、超音波トランスデューサ３１によって送受信される超音波はこの疎密領域を通過する。疎密間隔ｄ（孔３０ａの配列ピッチ）は、超音波の波長λより十分に小さく、最短波長λの５％未満（ｄ＜λ×０．０５）であることが好ましく、波長λの１％未満（ｄ＜λ×０．０１）であることがより好ましい。

具体的に、超音波の中心周波数を７．５ＭＨｚ、帯域をその９０％と想定すると、帯域幅は４〜１１ＭＨｚとなり、また、水中での音速ｖは１５００ｍ／ｓ程度であるので、この超音波の最短波長は、（１５００ｍ／ｓ）÷（１１ＭＨｚ）≒１３６μｍと算出される。この場合には、疎密間隔ｄは、およそ６．８μｍ未満であることが好ましく、およそ１．４μｍ未満であることがより好ましい。なお、孔３０ａの１辺の長さは、配列ピッチと同程度としている。

このように疎密間隔ｄが超音波の波長λより十分に小さければ、該超音波の振幅、位相、速度に影響が生じず、疎密領域は該超音波に対して一様とみなすことができ、キャップ３０の音響インピーダンスは、孔３０ａが設けられていない場合（疎密領域が形成されていない場合）より低下する。これにより、キャップ３０と生体との間の音響インピーダンスの整合性が向上し、キャップ３０での超音波の反射率が低減され、超音波トランスデューサ３１の受信感度が向上する。

さらに、キャップ３０のメッシュ状部分の音響インピーダンスは、メッシュ状部分の密度（密の部分の割合）を下げることで低下する。例えば、音響インピーダンスが２．３Ｍｒａｙｌ程度のポリエチレンでキャップ３０を形成し、孔３０ａ（疎の部分）に音響インピーダンスが１．５Ｍｒａｙｌ程度の水が充填され、メッシュ状部分の密度を２０〜３０％とすると、キャップ３０のメッシュ状部分の音響インピーダンスは、１．７Ｍｒａｙｌ程度となる。図５は、メッシュ状部分の音響インピーダンスに対して、超音波トランスデューサ３１の受信感度の向上量をプロットしたグラフの一例であり、この場合には、密度１００％の場合（孔３０ａが設けられていない場合）に比べて、６〜７ｄＢ程度の感度向上が期待できる。

このようなキャップ３０のメッシュ状部分は、例えば図６に示すように、ポリエチレンなどの樹脂材料で形成された厚さ１００μｍ程度の井桁状の骨格（フレーム）５０を用意し、この周囲にナノファイバー（例えば、東レ株式会社製ｄｔｘ４４）などのワイヤー５１を巻き付けることで作成することができる。なお、骨格５０の矩形開口部の大きさは、回折に伴うサイドローブ発生を抑制するために十分に大きくする必要があり、一辺が数ｍｍ程度（２〜３ｍｍ程度）以上であることが好ましい。

このように、キャップ３０は、従来の樹脂材料を用いて容易に低コストで作成でき、生体との間の音響インピーダンスの整合性を向上させることができる。これにより、超音波トランスデューサ３１の受信感度が向上し、超音波観測器１２における取得画像のペネトレーションが向上するので、超音波診断装置２の診断性能が高まる。

図７は、孔３０ａが形成されたメッシュ状部分を覆うように、伸縮性を有するバルーン５２をキャップ３０の周囲に取り付けた例を示す。バルーン５２には、シース１７の注水口からシース１７内およびキャップ３０内を通って水が注入される。バルーン５２は、水が注入されていない状態では縮み、注入される水の量に応じて膨張する性質を有し、生体内の所要部までシース１７の先端１７ａを挿通させた状態で、該所要部を押し広げるために用いられるものである。この例では、シース１７およびキャップ３０がバルーン５２に水を供給するための送水ラインとなるので、従来のようにバルーン５２への送水ラインを別に設ける必要がないという利点がある。

なお、上記実施形態では、キャップ３０の孔３０ａの形状を矩形としたが、本発明はこれに限定されず、孔３０ａを円形、スリット形状など適宜の形状の空隙としてよい。さらに、図８に示すように、孔３０ａに代えて、凹部３０ｂを形成するようにしてもよい。凹部３０ｂは、疎密領域内における疎の部分となり、この疎密間隔（凹部３０ｂの配列ピッチ）が前述のように超音波の波長より十分に小さければ、超音波に対して一様とみなされる。この場合においても、キャップ３０の音響インピーダンスは、凹部３０ｂが設けられていない場合より低下し、上記と同様な効果を奏することができる。この場合には、シース１７から流入する水は、キャップ３０外へは流出せず、キャップ３０内にとどまる。

また、上記実施形態では、キャップ３０に設けられた疎密領域の疎の部分（孔３０ａや凹部３０ｂ）を等しいピッチで配設し、疎密間隔を一様にしたので、疎密領域の音響インピーダンスが均一になっているが、本発明はこれに限定されず、疎密間隔を一様にせず不均一にすることによって、疎密領域内の場所によって音響インピーダンスが異なるようにしてもよい。

図９および図１０は、回転軸方向に関する中央部から外側へ向けて疎密間隔を段階的に変化させた例である。図９では、疎の部分（孔３０ａ）の間隔を中央部から外側へ向けて段階的に大きくしている。図１０では、孔３０ａの大きさを変え、孔３０ａの幅（密の部分の間隔）を中央部から外側へ向けて段階的に小さくしている。両者いずれの場合にも、キャップ３０は、超音波トランスデューサ３１の中央部が位置する中央部から外側へ向かうに従って段階的に音響インピーダンスが増加するため、キャップ３０自体に音響レンズ効果が備わり、超音波トランスデューサ３１から発せられた超音波を回転軸方向に関して収束させることができる。

また、キャップ３０の円周方向に沿って、孔３０ａの間隔または幅を段階的に変化させることで、円周方向に関する音響レンズ効果をキャップ３０に持たせることも可能である。この場合には、超音波トランスデューサ３１の回転方向に関して超音波を収束させることができ、方位分解能を向上させることができる。

また、上記実施形態では、キャップ３０の超音波が通過する領域付近にのみ疎密領域を形成するようにしたが、本発明はこれに限定されず、キャップ３０の全体に疎密領域を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、キャップ３０内へ水を流入させるようにしたが、本発明はこれに限定されず、水の代わりに、生理食塩水などの他の液体を用いてもよい。

また、上記実施形態では、フレキシブルシャフト３２ａを回転軸として超音波トランスデューサ３１を回転させる超音波プローブ１１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、超音波トランスデューサ３１を揺動、あるいはスライドさせて生体に超音波を走査する超音波プローブについても本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、超音波の送受信を行う超音波トランスデューサ３１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、超音波の送信または受信のみを行う超音波トランスデューサについても本発明を適用することができる。

超音波診断装置の構成を示す概略図である。 超音波プローブの先端部分の構造を示す断面図である。 超音波トランスデューサの構成およびトランスレータの電気的構成を示す説明図である。 キャップの外観を示す側面図である。 メッシュ状部分の音響インピーダンスに対する受信感度の向上量を示すグラフである。 キャップのメッシュ状部分の作成方法を示す説明図である。 キャップの周囲にバルーンを取り付けた例を示す超音波プローブの先端部分の断面図である。 キャップに凹部を配設した例を示す超音波プローブの先端部分の断面図である。 キャップの孔の間隔を回転軸方向に段階的に変化させた例を示す超音波プローブの先端部分の断面図である。 キャップの孔の幅を回転軸方向に段階的に変化させた例を示す超音波プローブの先端部分の断面図である。

符号の説明

２ 超音波診断装置
１０ 内視鏡
１１ 超音波プローブ
１２ 超音波観測器
３０ キャップ
３０ａ 孔
３０ｂ 凹部
３１ 超音波トランスデューサ
３２ コントロールケーブル
３３ 台座
４１ 圧電素子
４２ 音響整合層
４３ａ、４３ｂ 電極
５０ 骨格
５１ ワイヤー
５２ バルーン

Claims (10)

1. 超音波を送信、受信、または送受信する超音波トランスデューサと、その周りを囲うキャップとを備え、前記キャップを介して生体に超音波を走査する超音波プローブにおいて、
   前記キャップの超音波が通過する部分に、物質密度が疎の部分および密の部分が繰り返し形成されてなる疎密領域を設け、この疎密領域の疎密間隔を前記超音波の波長より小さくしたことを特徴とする超音波プローブ。
2. 前記疎の部分は、空隙であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
3. 前記キャップ内に液体が流入され、前記キャップ内に流入した液体は前記空隙を介して外部へ流出することを特徴とする請求項２記載の超音波プローブ。
4. 前記空隙を覆うように前記キャップの周囲にバルーンを設け、このバルーンに、前記キャップから前記空隙を介して外部へ流出した液体を注入することを特徴とする請求項３記載の超音波プローブ。
5. 前記疎密領域は、フレームにワイヤーを巻き付けて形成されたものであることを特徴とする請求項２ないし４いずれか記載の超音波プローブ。
6. 前記疎の部分は、凹部であることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。
7. 前記疎密間隔が一様であることを特徴する請求項１ないし６いずれか記載の超音波プローブ。
8. 前記疎密間隔が一様ではなく、前記疎密領域内の場所によって音響インピーダンスが異なることを特徴とする請求項１ないし６いずれか記載の超音波プローブ。
9. 前記キャップは、円筒形状であるとともに、前記疎密間隔が軸方向および／または円周方向に段階的に変化していることを特徴とする請求項８記載の超音波プローブ。
10. 前記キャップは、軸方向の中央部から外側へ向かうに従って音響インピーダンスが増加するように前記疎密間隔が変化しており、軸方向に関して音響レンズ効果を備えることを特徴とする請求項９記載の超音波プローブ。
    

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