JP2014516686A - 受動的な熱放散を用いるマトリクス超音波プローブ - Google Patents

Abstract

マトリクスアレイ超音波プローブが、プローブの遠位端部から離れて、マトリクスアレイトランスデューサ及びビーム形成器ＡＳＩＣにより生み出される熱を受動的に発散させる。トランスデューサスタックにおいて生み出される熱は、プローブのハンドル内部で金属フレームに結合される。金属ヒートスプレッダは、フレームから離れて熱を搬送するため、プローブフレームに熱的に結合される。ヒートスプレッダは、プローブハンドルの内部を囲み、プローブ筐体の内側表面に熱的に結合される外側表面を持つ。これにより、検査技師の手にとって不快でありえた筐体におけるホットスポットを生み出すことなく、ヒートスプレッダから筐体へと熱が均一に結合される。

Description

本発明は、医療診断システムに関し、より詳細には受動的な熱放散を持つマトリクスアレイ・トランスデューサプローブに関する。

２次元（２Ｄ）撮像に関する従来の１次元（１Ｄ）アレイトランスデューサ・プローブは、システムメインフレームに配置される送信駆動回路により作動される。プローブケーブルが、システムメインフレームにつながれ、プローブ表面にあるアレイのトランスデューサ要素は、メインフレームシステムにおける駆動回路により送信のために駆動される。トランスデューサ要素の圧電性の作動により生成される熱が、プローブにより発散させられなければならない一方、システムメインフレームにおける高電圧駆動回路により生成される熱は、システムにより比較的容易に発散させられることができる。しかしながら、ソリッドステート３Ｄ撮像プローブは、数において数千に及ぶトランスデューサ要素の２次元マトリクスを持ち、何千もの同軸駆動信号導体を持つケーブルは非実用的である。結果的に、ビーム形成器ＡＳＩＣ（マイクロビーム形成器）が、プローブにおいて使用され、トランスデューサ要素に関する駆動回路及び受信回路がプローブ自身に一体化される。ビーム形成器ＡＳＩＣは、送信及び受信ビーム形成の少なくとも部分を制御及び実行する。その結果、比較的少ない信号経路導体だけがケーブルにおいて必要とされ、これは、３Ｄ撮像プローブに関する実用的で薄いケーブルの使用を可能にする。

プローブにおける送信ビーム形成ＡＳＩＣ及び駆動回路を用いると、この回路により生成される熱は、システムメインフレームではなくプローブから発散させられなければならない。ビーム形成ＡＳＩＣがトランスデューサアレイの後に直接取り付けられるので、トランスデューサスタック及びＡＳＩＣの熱は、プローブの前面にあり、これはちょうど患者と接触するレンズの後にある。超音波プローブの前面から熱を発散させるための様々な手法が過去においてとられた。米国特許第５，２１３，１０３号（Martinその他）に示される１つの手法は、プローブの前面のトランスデューサから背部のケーブル組紐まで延在する放熱板を用いることある。熱は、放熱板によりトランスデューサから離れてケーブル組紐へと伝導される。この組紐から、熱はケーブル及びプローブ筐体を通り発散する。Martinその他は、駆動回路なしに圧電トランスデューサからの熱を運ぶのみである。なぜなら、Martinその他のプローブに関する駆動回路は、おそらくシステムメインフレームにあるからである。冷却に関するより積極的な手法は、米国特許第５，５６０，３６２号（Sliwa, Jr.その他）に記載されるようアクティブクーリングを用いるか、又は、米国特許出願公開第２００８／０１８８７５５号（Hart）に記載される熱電冷却器を用いることである。冷却剤を用いるアクティブクーリングは、冷却剤を循環させるのに必要な空間及び装置を必要とし、冷却液漏れの危険性もある。両方の手法は、プローブ内部における要素複雑さ及び空間利用の問題を複雑にする。必要とされるのは、Martinその他による手法より効果的でアクティブクーリング手法に伴う問題の起きない受動的なクーリング技術である。斯かる受動的なクーリング技術が、プローブケースの特定のポイント、及び従ってプローブユーザの手に熱が集中するプローブにおけるホットスポットの生成を回避することが、更に望ましい。

本発明の原理によれば、マトリクスアレイトランスデューサ及びＡＳＩＣにより生成される熱を発散させるため、受動的な熱放散を用いるマトリクスアレイ超音波プローブが説明される。これらの要素により生成される熱は、プローブ筐体の下の表面領域を通り熱を分散させるヒートスプレッダに伝導される。ヒートスプレッダによる熱の分散は、プローブ筐体のハンドル部分の特定のポイントでのホットスポットの構築を防止する。分散された熱は、プローブ筐体及びプローブケーブルを通り発散される。

本発明の原理に基づき構築されるマトリクスアレイ超音波プローブの第１の断面図を示す図である。 本発明の原理に基づき構築されるマトリクスアレイプローブの図１に対して直交する第２の断面図を示す。 図１及び図２のマトリクスアレイプローブのクォーターセクション断面図である。 熱伝導プローブフレームに取り付けられるマトリクスアレイトランスデューサ・スタック、ＡＳＩＣ及び支持ブロックを示す図である。 マトリクスアレイプローブに関するヒートスプレッダの１／２の透視図である。 以前の図面のマトリクスアレイプローブをプローブ筐体の半分が除去された状態で示す図である。 ヒートスプレッダの半分の周囲で成形されるプローブ筐体を示す図である。 図１〜図６のマトリクスアレイプローブの主要な要素部分の分解アセンブリ図面である。

最初に図１を参照すると、本発明の原理に基づき構築されるマトリクスアレイ超音波プローブ１０が、断面において示される。プローブ１０は、プローブを用いるとき検査技師により保持されるプローブのハンドル部分を形成する外側ケース２２を持つ。プローブの遠位端部は、筒先筐体２４により囲まれる。遠位端部を覆うレンズ３６の後に、ＡＳＩＣが背面配置されるマトリクスアレイトランスデューサが存在する。この両方は、符号１２で示される。ＡＳＩＣの集積回路は、トランスデューサ要素による送信を制御し、アレイにより送信及び受信される信号の送信及び受信ビーム形成を実行する。トランスデューサアレイの要素をＡＳＩＣの回路に結合させるため、必要に応じて介入部が使用されることができる。そのような介入部は、例えば国際公開第ＷＯ２００９／０８３８９６号（Weekampその他）に記載される。マトリクスアレイトランスデューサ及びＡＳＩＣの後ろに、マトリクスアレイの背部からの音響反響を減衰させ、及びプローブの遠位端部から離れてマトリクスアレイ及びＡＳＩＣにおいて生成された熱を伝導する黒鉛（graphic）支持ブロック１４がある。黒鉛支持ブロックの更なる詳細は、２０１１年３月１７日に出願された同時係属中の米国特許出願第６１／４５３，６９０号において見つけ出されることができる。アルミニウム又はマグネシウムのプローブフレーム１６は、プローブの遠位端部から更に離れて熱を伝導するため、黒鉛支持ブロックの背部に熱伝導接触する。フレーム１６は、プローブの電気要素も装備する。この電気要素自身は、２つのプリント回路基板に取り付けられ、符号１８により示されるプローブ内部の空間を占有する。プローブの後ろには、プローブケーブル２８がプローブの近位端部から延在する。ケーブル２８は、クランプ２６によりフレームの後部に固定される。

プローブのハンドル部分においてフレーム１６を囲むのはヒートスプレッダ２０である。ヒートスプレッダは、図２に示されるようにフレーム１６の２つの側面と熱伝導接触する。この熱接触は、例えば熱伝導テープ又は熱複合物（パテ）で形成されるような熱ガスケットにより促進される。ここで、ヒートスプレッダ２０は、符号３０でフレーム１６の側面と接触する。ヒートスプレッダ２０は、符号３２でネジによりフレーム１６及びその熱結合に対して適所に保持される。図３は、フレーム１６の上部にあるプリント回路基板３４と、プローブのハンドル部分においてフレーム１６及びプリント回路基板を囲むヒートスプレッダ２０とを示す図１及び図２のプローブの１／４断面図である。

図４は、フレームの上部に取り付けられ、フレームと熱伝導接触する黒鉛支持ブロック１４、マトリクスアレイトランスデューサ及びＡＳＩＣ１２を持つフレーム１６のある実施形態の透視図である。本実施形態において、フランジ３８が、フレーム１６の側面にある。この側面に、フレームからヒートスプレッダへの効率的な熱伝導のため、ヒートスプレッダが取り付けられる。

図５は、ヒートスプレッダ２０の１つの実現を示す。この実現において、ヒートスプレッダは、対角線的に配置されたエッジで一緒にフィットする２つのクラムシェルハーフとして形成される。図５に示されるハーフは、背部及び上部で筐体２２のハンドル部分の内部を囲み、その嵌合するハーフは、ハンドル内部の前面及び底部を囲む。この図で見えるのは、２つの穴である。この穴を通して、ネジがフレーム１６の１つの側面に対してヒートスプレッダを固定するために挿入される。

図７は、ヒートスプレッダの別の実現を示す。ここで、筐体２２は、金属ヒートスプレッダの周りに成形される。この実現において、ハンドル部分２２及び筒先２４は、ヒートスプレッダ２０'の周りに形成される単一の筐体２２'として成形される。その結果、ヒートスプレッダ２０'は、ハンドル内部のボリュームだけを囲むのではなく、筐体の遠位端部におけるトランスデューサスタックを囲むよう前方に延在する。ヒートスプレッダ２０'は、マトリクスアレイ及びＡＳＩＣ１２から離れて熱を搬送する黒鉛支持ブロックと直接的な熱伝導接触をする。プローブの遠位端部における熱は、従って、プローブの後部に搬送され、プローブフレーム１６及びヒートスプレッダ２０'の両方により発散される。

図６は、本発明の組立てられたプローブ１０の平面図であり、ここで、筒先及び筐体２２のハーフが除去されている。この図は、筐体２２のハンドル部分内部でフレーム１６及びプリント回路基板を完全に囲むヒートスプレッダ２０を示す。ヒートスプレッダ２０は、その全体の領域にわたり熱を伝導する。これにより、筐体内部の特定のポイントでのホットスポットの構築が回避される。斯かるホットスポットの生成は、プローブを用いる検査技師の手によって感知されることができる。ホットスポットは、危険をもたらすものではないが、検査技師は不快なプローブを使用することになる。本発明の利点は、熱が筐体内部でヒートスプレッダにわたり分散され、個別のホットスポットが発生しない点にある。ヒートスプレッダにより伝導される熱は、ヒートスプレッダ２０の外側表面から筐体２２の内側表面へと伝導される。この内側表面から、熱が筐体を通り空気へと発散する。ヒートスプレッダ２０から筐体２２への熱の転送を促進するため、熱パテの層が、ヒートスプレッダ及び筐体の間に広げられることができる。これは、その全体の内側表面領域にわたり筐体へと熱を搬送し、筐体におけるホットスポットの構築を更に防止する。

図８は、上記の要素の多くを含む本発明のプローブ１０のアセンブリを示す分解図である。マトリクスアレイトランスデューサ、ビーム形成器ＡＳＩＣ１２及び黒鉛支持ブロック１４（図示省略）を含むトランスデューサスタックが、以前の図面に示されるようプローブフレーム１６の上部に固定される。プリント回路基板１８ａ及び１８ｂが、フレーム１６の対向する側面に固定される。ケーブル２８からのワイヤが、プリント回路基板上のコネクタに接続され、クランプ２６ａ及び２６ｂは、ケーブル２８の圧力解放部及び組紐の周りにクランプされ、クランプは、フレーム１６の近位端部から延在する２つのレール１７ａ及び１７ｂにもクランプされる。フレーム１６の近位端部のケーブル組紐に対するこの結合は、プローブから離れた、フレームからケーブル組紐への熱の転送を促進する。熱ガスケット又は熱パテは、フレーム１６のフランジ３８の表面を覆い、ヒートスプレッダの２つのハーフ２０ａ及び２０ｂは、フレーム１６のフランジ側面にネジで固定される。筒先２４及びレンズ３６は、トランスデューサスタックにわたりアセンブリの遠位端部に配置される。組立てられたヒートスプレッダの外側表面（又は、筐体ハーフの内側表面）が、熱パテで覆われ、筐体は、ヒートスプレッダ及び熱パテの周りの適所に配置され、これらと接触する。ここで、筐体及び筒先の縫い目は、流体進入を防止するために封止される。組立てられたプローブは、最終的な検査及びユーザへの供給のため準備ができている。

Claims (14)

1. 超音波トランスデューサアレイプローブであって、
   トランスデューサアレイに関するＡＳＩＣに結合されるトランスデューサ要素のアレイを持つトランスデューサスタックと、
   前記トランスデューサスタックに熱的に結合される熱伝導フレームと、
   プローブハンドルを形成し、少なくともフレームの部分を囲む筐体と、
   前記フレームに対して熱的に結合される熱伝導性のヒートスプレッダであって、前記筐体におけるホットスポットの生成を防止するため、前記筐体の内側表面領域と揃い、これに熱的に結合される外側表面領域を示す、熱伝導性のヒートスプレッダとを有する、超音波トランスデューサアレイプローブ。
2. 前記トランスデューサ要素のアレイが更に、トランスデューサ要素の２次元マトリクスアレイを有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
3. 前記ＡＳＩＣが更に、前記マトリクスアレイからの送信ビーム及び前記マトリクスアレイの要素により受信されるエコー信号を少なくとも部分的にビーム形成するビーム形成器ＡＳＩＣを有する、請求項２に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
4. 前記トランスデューサスタックが更に、前記ＡＳＩＣ及び前記フレームの間に配置される熱伝導支持ブロックを有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
5. 前記フレーム及び前記ヒートスプレッダの間の熱結合を提供する熱ガスケット又は熱パテを更に有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
6. 前記フレームが、側面フランジを持ち、前記ヒートスプレッダは、前記フレームの側面フランジと熱伝導接触するよう固定される、請求項５に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
7. 前記ヒートスプレッダが、前記フレームの側面フランジに対してねじ止め又はボルト締めにされる、請求項６に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
8. 前記ヒートスプレッダ及び前記筐体の間の熱結合を提供する熱ガスケット又は熱パテを更に有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
9. 前記トランスデューサスタックが更に、前記ＡＳＩＣ及び前記フレームの間に配置される熱伝導支持ブロックを有し、
   前記ヒートスプレッダは、前記支持ブロックに対して直接熱的に結合される、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
10. 前記フレームに固定されるプリント回路基板を更に有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
11. 金属組紐を持つプローブケーブルを更に有し、
    前記フレームが更に、前記ケーブルの金属組紐に熱的に結合される、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
12. 前記ヒートスプレッダが、アルミニウム又はマグネシウムでできている、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
13. 前記フレームが、アルミニウム又はマグネシウムでできている、請求項１２に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。
14. 前記筐体の少なくとも部分が、一体成形ユニットを形成するため、前記ヒートスプレッダの少なくとも部分の周りに成形される、請求項１に記載の超音波トランスデューサアレイプローブ。

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