JP4785102B2 - Ultrasonic probe for body cavity, manufacturing method thereof, and ultrasonic diagnostic system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体腔内(経食道、経直腸等)に挿入して超音波検査並びに生検を行うための超音波内視鏡に好適な体腔内用超音波探触子(以下 超音波探触子)とその製造方法及び超音波診断システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
食道等の中の腫瘍を超音波検査並びに生検を行う超音波内視鏡が広く普及している。超音波内視鏡は、内視鏡のチューブの先端に超音波プローブを設けたもので、患部の位置、大きさ、色、態様を臓器の内部表面から調べるための内視鏡検査と、超音波プローブによってもたらされる患部の断面画像検査との双方が可能となっている他に、内視鏡に併設された鉗子により患部を切除することが可能となっている。
【0003】
超音波内視鏡に設けられる超音波プローブには、大きく分類して機械走査式と電子走査式とがある。機械走査式は、例えば内視鏡の操作部内にモータを配置し、内視鏡のチューブの先端にベアリングを介して回転可能に設けられた超音波振動子をモータの駆動力で回転または揺動させるようになっている。また電子走査式は内視鏡チューブの先端に配列振動子が設けられている。
この電子走査式の超音波プローブの配列振動子のタイプには、リニアアレイタイプ、コンベックスアレイタイプ等が用いられている。
【0004】
超音波振動子は、圧電振動子の前面に複数層のマッチング層と、配列振動子の短軸方向への超音波専用音響レンズを有するとともに、圧電振動子の背面には振動子の背面方向へ放射された超音波を吸収、減衰させるバッキング材を有している。
【0005】
ところで、超音波内視鏡は前述のように超音波プローブの他に、内視鏡としての機能及び生検のための組織切除・採取機能を必要とされる。このため、内視鏡のチューブ内にレンズ、ミラー、光ファイバーやライトガイドや鉗子及びその操作ワイヤ等が配置される。
【0006】
したがって、それらを配置するスペースを確保する必要があるが、従来の振動子の構造では振動子の厚みが障害となって、超音波内視鏡に用いられる振動子のタイプが前述のようなタイプに限定されていた。
【0007】
本発明は、超音波振動子を機械的に回転させて超音波を全周方向へ走査する、いわゆるラジアルスキャンを電子スキャンで可能な超音波内視鏡用探触子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、配列した短冊形の圧電振動子と、前記圧電振動子からの超音波送波面の反対側に配置する所定の硬さのバッキング材と、処置具を挿入するために設ける中空スペースと、を備えた電子走査式の体腔内用超音波探触子であって、前記圧電振動子とバッキング材の間に前記バッキング材よりも硬い材質であって前記中空スペースを拡げるための介在層を設けたことを特徴としている。
【0009】
また、前記中空スペースは、曲率半径が15mm以下の前記電子走査式の超音波探触子において前記圧電振動子の配列面曲率半径の50%以上設けた構造であることを特徴としている。
【0010】
また、前記体腔内用超音波探触子内に、円形状に配置した短冊形圧電振動子列を挿抜方向に移動させるための手段が設けられていることを特徴としている。
【0011】
また、前記体腔内用超音波探触子内挿抜方向の軸中心の中空スペースに、前記体腔内用超音波探触子の位置を検出するための手段を備える体腔内用超音波探触子と、前記位置検出情報をもとに各位置で撮像した超音波画像を合成して3次元立体画像を描出する手段を備えたことを特徴としている。
【0012】
また、シート状の第1バッキング材(6)に当該第1バッキング材(6)よりも硬い介在層(5)を接着する工程と、前記介在層(5)に圧電振動子(1)、第1音響整合層(2),第2音響整合層(3)を接着し、圧電振動子(1)、第1音響整合層(2),第2音響整合層(3)及び介在層(5)を短冊状に切断すると共に、前記第1バッキング材(6)に切込みを入れ、配列振動子を形成する工程と、前記配列振動子を中空状のバッキング材(7)の外周に接着する工程と、前記第1音響整合層(2)の外周に音響レンズ(4)を接着する工程と、を含む体腔内用超音波探触子の製造方法を備えたことを特徴としている。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一の実施形態を図面により詳細に説明する。
図1は、超音波内視鏡の全体図である。図1において、100は本発明の特徴部分である先端部、28は湾曲操作ノブ32によって湾曲操作される湾曲部、29は軟らかに曲がる軟性部、30は軟性部29の基端に順次連設された副操作部、31は先端部1の制御等を行う主操作部、32は湾曲部28の湾曲操作を行う湾曲操作ノブ、33は内視鏡の観察を行う操作者の接眼部位である接眼部、34はニッブル(図示せず)を連結してニッブルに吸引装置を連結させて手元操作により被検体内に溜まった不要な液体を吸引する吸引操作部、35は切換操作により空気又は水を噴射するための送気送水切換操作部、38は光を伝播させる長尺な管状のライトガイドケーブル部、39は電気ケーブル、40は光源装置(図示せず)に接続するためのコネクタ、41は電源装置(図示せず)に接続するためのコネクタ、42は接続口である。
【0014】
図2に先端部1の断面を示す。図2において、8は体腔内を撮影するためのCCD素子、9はCCDケーブル、10は光ファイバーまたはライトガイド、11は鉗子等の処置具の挿入用スペースである。そして、先端部1にはこれらの収納及び保持と、位置決めのための保持部材12が設けられ、その外側に圧電振動子素子が配列されている。本発明の特徴部分であるその配列振動子の構造を次に説明する。
【0015】
図3は配列振動子の構造を拡大して示した図である。図3において、4は超音波ビームを振動子の配列方向と直交する方向へできるだけ細くするために振動子面から所定距離の所へ焦点を形成するための音響レンズ、2と3は圧電振動子1と被検体との間の音響インピーダンスを整合させるための第1音響整合層および第2音響整合層、1は圧電現象を利用して超音波を発生させる圧電振動子、5は後に説明するが本発明の特徴部分である介在層、6と7は圧電振動子4が背面に放射する超音波の強度を小さくするための第1バッキング材および第2バッキング材である。
【0016】
圧電振動子4とバッキング内6の間に設けられた介在層5の材質としては、例えばエポキシ系やウレタン系の樹脂等のバッキング材よりも硬い部材から成る材質等を用いる。このことにより、やわらかいバッキング材の厚さが薄くでき、その硬い性質によって振動子をダイシングする際の安定性が増し素子の倒れ込み及びそれに伴う圧電振動子のピッチのずれを防止することができる。この結果、従来安定性を増すために必要だったバッキング材の厚さを薄くできる。具体的には曲率半径が15mm以下の小型コンベックス走査の超音波探触子において、圧電振動子配列面曲率半径の50%以上を中空径のスペースとして確保できるようになる。
【0017】
また、介在層5の音響インピーダンスをバッキング材より更に小さくした。そのことによって、圧電振動子との境界面での超音波の反射する割合が更に大きくなるという利点がある。
【0018】
また、介在層5の厚さを探触子中心周波数の約1/4波長のn倍(nは整数)で形成した。そのことによって、振動子の背面すなわち振動子のバッキング材側から発生する超音波が介在層とバッキング材との境界部で反射された後、超音波の波長の約1/2波長の整数倍の位相差が生じた反射波として振動子に戻ってくることとなる。すなわち、例えば前記nの値を2とすれば送波時においては、振動子自体が発生した超音波と介在層で反射された反射波とは同期がとれることとなる。
【0019】
同様に受波時においても、被検体で反射された超音波は圧電振動子で電気信号に変換されると共に介在層に伝播される。ここで介在層に伝播された超音波の大部分はバッキング材へ伝播されるが、一部の超音波が振動子へ伝播され(反射され)電気信号に変換される。従って、圧電振動子に直接伝播された超音波に反射波を加えた分だけ減衰が小さく、且つ反射波に生じた位相差分だけ時間の長い超音波波形すなわち持続の時間が長い超音波波形が電気信号に変換されることとなる。
【0020】
すなわち、送波時においても受波時においても、振動子自体の発生するあるいは振動子で電気信号に変換される超音波以外に介在層とバッキング材との間で反射する超音波が加わるので、超音波の減衰が小さくあるいは超音波波形の持続が長くなる。波の持続時間の長い方が周波数スペクトルに直した時のピーク幅が狭くなり、ドプラー計測を行う際の血流の速さによって生じる周波数の偏移がわかりやすくなり、従来より正確な血流像が得られるようになる。その結果、バッキング材の機能低下に伴う超音波像の画質低下を防止しつつ、血流速度を計測し、この血流速度に基づいて血流速像を得るのに好適な超音波装置を提供することができるようになる。
【0021】
更に前記中空スペースを50%以上確保できれば、その特徴を利用した種々の探触子が可能となる。次にこれを利用した第二,三の実施例を図4,図5を用い例示する。図4は超音波探触子に位置検出用センサーを搭載した実施例の説明図である。図4において、13は小型の位置検出用のセンサー、14は位置検出用のセンサーケーブルである。位置検出用のセンサーとしては、磁界の変位を電気信号に変換する磁気センサーや慣性力の変化量を電気信号に変換する慣性センサー(加速度センサー、ジャイロセンサー等)が考えられる。これにより探触子の位置を検出できるので、各位置での画像と位置情報をもとに3次元の超音波画像を得ることができる。
【0022】
図5は探触子の超音波送受信部を挿入方向に移動させる機構の説明図である。図5において、15は中空スペースにあけられた超音波送受信部を探触子挿抜方向に機械的に移動させるためのシャフト、16はシャフト15の根元の部分に形成されたラック、17はラック16と組み合わせて超音波送受信部を移動させるためのピニオン、18はピニオン17を回転させるためのモーター(例えばステッピングモーター等)、19は音響の伝達を良くするための音響伝播媒体、20は前記音響伝播媒体19が外部に漏れないように、また音波が効率良く前方へ出す役目を果たしている音響窓、21は体腔内探触子のハウジング先端、22はバルーン(図示せず)内に水を充填するためのノズル、23はバルーン内に水を充填するためのチューブ、24は水を注水するための注水口、25は超音波信号ケーブル、26はモーター駆動用電源ケーブルである。これにより超音波送受信とステッピングモータによる配列振動子の移動とを交互に行うことで図3の場合と同様に、各位置での断層像をもとに3次元画像を作成することができる。
【0023】
このような超音波(内視鏡)システムの構成例としては、図6が提案されている。50は表示モニター、51は超音波画像処理装置、52は超音波観測装置、53は3次元走査駆動ユニット、54は3次元用超音波探触子である。
【0024】
以上、本発明の三つの実施形態を図面に基づいて説明したが、本発明の要旨は圧電振動子とバッキング材の間にバッキング材より硬い介在層を設け、そのことによってバッキング材と介在層の合わせた厚さを薄くできるので、探触子軸中心に中空のスペースを設け、そこに内視鏡等を設けるというものであるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【0025】
最後に、上記実施例の超音波探触子について、製造方法を詳述する。圧電振動子を短冊状に切断し、曲率半径15mm以下の圧電振動子の湾曲面をもつ、コンベックス走査形電子走査式超音波探触子を実現するには、
(1)シート状の第1バッキング材6に介在層5を接着する。第1バッキング材6は圧電振動子を湾曲させるため、例えば、ゴム状やフィルム状の物質で構成されている。介在層5は、例えば、エポキシ系やウレタン系の樹脂で、硬度が第1バッキング材6より高い材料を用いる。本実施例で介在層5はエポキシ系やウレタン系の樹脂またはポリメチルペンテン等の材質等で形成すると良いが、これに限定されることはなく、第1バッキング材6よりも硬度が高い材料ならば他の材料でも良いことはいうまでもない。
(2)(1)の介在層5に、圧電振動子1及び第1,第2音響整合層2,3を接着し、圧電振動子1、第1,第2音響整合層2,3及び介在層5を短冊状に切断する。バッキング材6には、必要に応じて切込みを入れる。
(3)(2)で製作した配列振動子を中空状のバッキング材7の外周へ接着する。
(4)最後に音響レンズ4を接着する。尚、本実施例では、圧電振動子に電気信号を印加するための、信号伝達手段の説明は省略する。
【0026】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、体腔内(経食道、経直腸等)に挿入して超音波検査並びに生検を行うための超音波内視鏡用探触子に関し、超音波振動子を機械的に回転させて超音波を全周方向へ走査する、いわゆるラジアルスキャンを電子スキャンで可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】超音波内視鏡の全体図。
【図2】本発明の超音波探触子の先端部を示す図。
【図3】圧電振動子配列の構造を拡大して示した図。
【図4】位置検出用センサを搭載した本発明の第二実施例の探触子先端部を示す図。
【図5】超音波送受信部を挿入方向に移動させる機構を備えた本発明の第三実施例の探触子断面図。
【図6】超音波(内視鏡)システムの一構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
1…圧電振動子
5…介在層
6,7…バッキング材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention, in-vivo (transesophageal, rectal, etc.) is inserted into ultrasonic inspection and a suitable body cavity ultrasonic probe in the ultrasonic endoscope for performing a biopsy (hereinafter ultrasonic feeler And the manufacturing method thereof and an ultrasonic diagnostic system .
[0002]
[Prior art]
Ultrasound endoscopes that perform ultrasound examination and biopsy of tumors in the esophagus and the like are widely used. Ultrasound endoscopes are provided with an ultrasound probe at the tip of an endoscope tube. Endoscopy for examining the position, size, color, and aspect of an affected area from the internal surface of an organ, In addition to being able to perform both cross-sectional image inspection of the affected area brought about by the acoustic probe, it is possible to excise the affected area with forceps attached to the endoscope.
[0003]
Ultrasonic probes provided in an ultrasonic endoscope are roughly classified into a mechanical scanning type and an electronic scanning type. In the mechanical scanning type, for example, a motor is arranged in the operation section of the endoscope, and an ultrasonic transducer rotatably provided via a bearing at the distal end of the tube of the endoscope is rotated or oscillated by the driving force of the motor. It is supposed to let you. In the electronic scanning type, an array transducer is provided at the tip of the endoscope tube.
As an array transducer type of the electronic scanning ultrasonic probe, a linear array type, a convex array type, or the like is used.
[0004]
The ultrasonic vibrator has a plurality of matching layers on the front face of the piezoelectric vibrator and an acoustic lens dedicated to ultrasonic waves in the minor axis direction of the array vibrator, and the back face of the piezoelectric vibrator toward the back face of the vibrator. absorbing the emitted ultrasound, it has a back key ring material for attenuating.
[0005]
By the way, as described above, the ultrasonic endoscope is required to have a function as an endoscope and a tissue excision / collection function for biopsy in addition to the ultrasonic probe. For this reason, a lens, a mirror, an optical fiber, a light guide, forceps, an operation wire thereof, and the like are arranged in the tube of the endoscope.
[0006]
Therefore, it is necessary to secure a space for arranging them. However, in the structure of the conventional vibrator, the thickness of the vibrator becomes an obstacle, and the type of vibrator used in the ultrasonic endoscope is the type described above. It was limited to.
[0007]
An object of the present invention is to provide an ultrasonic endoscope probe capable of electronically scanning a so-called radial scan in which an ultrasonic transducer is mechanically rotated to scan an ultrasonic wave in the entire circumferential direction. To do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention inserts a strip-shaped piezoelectric vibrator arranged, a backing material having a predetermined hardness placed on the opposite side of the ultrasonic wave transmission surface from the piezoelectric vibrator, and a treatment instrument. An electronic scanning ultrasonic probe for body cavities, the material being harder than the backing material between the piezoelectric vibrator and the backing material, the hollow space It is characterized by the provision of an intervening layer for expanding the width .
[0009]
The hollow space has a structure in which 50% or more of the array surface curvature radius of the piezoelectric vibrator is provided in the electronic scanning ultrasonic probe having a curvature radius of 15 mm or less .
[0010]
Further, the ultrasonic probe for body cavity is provided with means for moving the strip-shaped piezoelectric transducer array arranged in a circular shape in the insertion / extraction direction .
[0011]
A body cavity ultrasound probe comprising means for detecting the position of the body cavity ultrasound probe in a hollow space in the axial center of the body cavity ultrasound probe insertion / extraction direction; The image processing apparatus includes means for synthesizing ultrasonic images picked up at each position based on the position detection information and rendering a three-dimensional stereoscopic image .
[0012]
A step of adhering an intermediate layer (5) harder than the first backing material (6) to the sheet-like first backing material (6); a piezoelectric vibrator (1); 1 acoustic matching layer (2) and 2nd acoustic matching layer (3) are adhere | attached, a piezoelectric vibrator (1), 1st acoustic matching layer (2), 2nd acoustic matching layer (3), and intervening layer (5) And cutting the first backing material (6) to form an array vibrator, and bonding the array vibrator to the outer periphery of the hollow backing material (7). And a method of manufacturing an intracavity ultrasonic probe, comprising: adhering an acoustic lens (4) to the outer periphery of the first acoustic matching layer (2) .
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall view of an ultrasonic endoscope. In FIG. 1,
[0014]
FIG. 2 shows a cross section of the tip 1. In FIG. 2, 8 is a CCD element for imaging the inside of a body cavity, 9 is a CCD cable, 10 is an optical fiber or a light guide, and 11 is a space for inserting a treatment instrument such as forceps. The distal end portion 1 is provided with a holding member 12 for storing, holding, and positioning the piezoelectric vibrator elements. Next, the structure of the arrayed vibrator, which is a characteristic part of the present invention, will be described.
[0015]
FIG. 3 is an enlarged view showing the structure of the array transducer. In FIG. 3, 4 is an acoustic lens for forming a focal point at a predetermined distance from the transducer surface in order to make the ultrasonic beam as thin as possible in the direction orthogonal to the direction of arrangement of the transducers, and 2 and 3 are piezoelectric transducers. A first acoustic matching layer and a second acoustic matching layer for matching the acoustic impedance between 1 and the subject, 1 is a piezoelectric vibrator that generates an ultrasonic wave using a piezoelectric phenomenon, and 5 is described later. The intervening layers 6 and 7 which are characteristic portions of the present invention are a first backing material and a second backing material for reducing the intensity of ultrasonic waves radiated from the piezoelectric vibrator 4 to the back surface.
[0016]
As a material of the intervening
[0017]
Further, the acoustic impedance of the intervening
[0018]
In addition, the thickness of the intervening
[0019]
Similarly, at the time of wave reception, the ultrasonic wave reflected by the subject is converted into an electric signal by the piezoelectric vibrator and propagated to the intervening layer. Here, most of the ultrasonic wave propagated to the intervening layer is propagated to the backing material, but a part of the ultrasonic wave is propagated (reflected) to the vibrator and converted into an electric signal. Therefore, an ultrasonic waveform that has a small attenuation corresponding to the addition of the reflected wave to the ultrasonic wave directly propagated to the piezoelectric vibrator and that has a long duration by the phase difference generated in the reflected wave, that is, an ultrasonic waveform that has a long duration is electrically generated. It will be converted into a signal.
[0020]
That is, at the time of wave transmission and wave reception, in addition to the ultrasonic wave generated by the vibrator itself or converted into an electrical signal by the vibrator, an ultrasonic wave reflected between the intervening layer and the backing material is added. The attenuation of the ultrasonic wave is small or the duration of the ultrasonic waveform is long. The longer the wave duration, the narrower the peak width when converted to the frequency spectrum, making it easier to see the frequency shift caused by the blood flow speed when performing Doppler measurement, and the blood flow image is more accurate than before. Can be obtained. As a result, an ultrasonic device suitable for measuring a blood flow velocity and obtaining a blood flow velocity image based on the blood flow velocity while preventing deterioration of the image quality of the ultrasonic image due to a deterioration in the function of the backing material is provided. Will be able to.
[0021]
Further, if 50% or more of the hollow space can be secured, various probes utilizing the characteristics can be obtained. Next, second and third embodiments using this will be illustrated with reference to FIGS. FIG. 4 is an explanatory diagram of an embodiment in which a position detection sensor is mounted on an ultrasonic probe. In FIG. 4, 13 is a small position detection sensor, and 14 is a position detection sensor cable. As a sensor for position detection, a magnetic sensor that converts a displacement of a magnetic field into an electric signal and an inertial sensor (an acceleration sensor, a gyro sensor, etc.) that converts an amount of change in inertial force into an electric signal can be considered. As a result, the position of the probe can be detected, so that a three-dimensional ultrasonic image can be obtained based on the image and position information at each position.
[0022]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a mechanism for moving the ultrasonic transmission / reception unit of the probe in the insertion direction. In FIG. 5, 15 is a shaft for mechanically moving an ultrasonic transmission / reception unit opened in a hollow space in the probe insertion / removal direction, 16 is a rack formed at the base of the
[0023]
As an example of the configuration of such an ultrasonic (endoscope) system, FIG. 6 has been proposed. Reference numeral 50 denotes a display monitor, 51 denotes an ultrasonic image processing apparatus, 52 denotes an ultrasonic observation apparatus, 53 denotes a three-dimensional scanning drive unit, and 54 denotes a three-dimensional ultrasonic probe.
[0024]
Although the three embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the gist of the present invention is that an intervening layer harder than the backing material is provided between the piezoelectric vibrator and the backing material, whereby the backing material and the intervening layer are separated. Since the combined thickness can be reduced, a hollow space is provided at the center of the probe axis, and an endoscope or the like is provided there. However, the present invention is not limited to the above embodiment.
[0025]
Finally, a manufacturing method is explained in full detail about the ultrasonic probe of the said Example. In order to realize a convex scanning electronic scanning ultrasonic probe having a curved surface of a piezoelectric vibrator having a curvature radius of 15 mm or less by cutting the piezoelectric vibrator into a strip shape,
(1) The
(2) The piezoelectric vibrator 1 and the first and second acoustic matching layers 2 and 3 are adhered to the
(3) The arrayed vibrator manufactured in (2) is bonded to the outer periphery of the hollow backing material 7.
(4) Finally, the acoustic lens 4 is bonded. In the present embodiment, description of the signal transmission means for applying an electric signal to the piezoelectric vibrator is omitted.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an ultrasonic transducer for an ultrasonic endoscope for inserting into a body cavity (transesophageal, transrectal, etc.) and performing ultrasonic examination and biopsy is provided. The so-called radial scan, in which the ultrasonic wave is scanned in the entire circumferential direction by mechanically rotating the lens, can be electronically scanned.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an ultrasonic endoscope.
FIG. 2 is a view showing the tip of the ultrasonic probe of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view showing the structure of a piezoelectric vibrator array.
FIG. 4 is a diagram showing a probe tip portion of a second embodiment of the present invention on which a position detection sensor is mounted.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a probe according to a third embodiment of the present invention provided with a mechanism for moving an ultrasonic transmission / reception unit in the insertion direction.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of an ultrasound (endoscope) system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
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