JPH0125576B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波診断装置における探触子のスキ
ヤナ、特に探触子を被検体に接触させつつ走査す
るコンタクト・コンパウンド・スキヤン方式のス
キヤナを改良し自動化したものに関する。

近年超音波を利用して診断を行う超音波診断装
置が広く用いられている。この超音波診断装置
は、体内の組織や臓器が異なる音響的特性を有す
ることを利用している。すなわち、超音波をごく
短時間だけ体内に放射させると、超音波が人体組
織の中を伝搬する途中で異なつた組織の境界から
一部分が反射して返つてくる。超音波が体内を伝
搬するのに時間が掛かるから、超音波の発射点に
近い所からの反射波は早く、遠い所からの反射波
は遅れて返つてくる。超音波パルスの放射は一定
周期でくり返されるが、超音波は波長が短いの
で、一方向へ集中して放射することができ、この
ように、超音波パルスが体内を伝搬する途中で
次々と発生する反射エコーを検出し、ブラウン管
などに表示させれば、体内組織の音響的特性の分
布を表示させることができる。その際、健全な組
織と腫瘍組織等は音響的特性が異なるので、ブラ
ウン管上に表示されたパターンから、組織内に存
在する異常の有無およびその位置を知ることがで
きる。

このような超音波診断装置において、超音波ビ
ームの送受波は超音波探触子により行われてお
り、このような探触子を所望被検部位の体表面に
沿つて接触移動させつつ被検部位の診断像を得よ
うとする場合、探触子を機械的に移動走査するス
キヤナが必要となる。

第１図には、探触子を被検部位に接触させつつ
移動走査するコンタクト・コンパウンド・スキヤ
ン方式の従来のスキヤナが示されている。このス
キヤナは、一端が関節１０により回動自在に固定
された第１のアーム１２の他端に第２のアーム１
４の一端を関節１６により回動自在に取り付け、
更にこの第２のアーム１４の他端に超音波探触子
１８を関節１９により回動自在に取り付けたもの
である。

しかし、このような従来のスキヤナは、操作者
が探触子１８をつかみ探触子を被検体の被検部位
に接触させつつ移動走査するマニユアル型のもの
であつたため、第１に、操作者が探触子を手で持
ち、探触子の先端部位置を体表面に対して常に垂
直に保つて走査する必要があるので、検査時間が
長くなると操作者に大きな疲労を与えること、第
２に、探触子を被検体の所定位置に当接して走査
を行う場合、操作者により探触子の移動走査の仕
方に個人差が生じ、このため、移動走査の操作技
術によりのスキヤンテクニツクにより得られる診
断像の質に大きな差が生ずること、等の問題があ
り、その改良が望まれていた。

本発明はこのような従来の課題に鑑みなされた
もので、その目的は探触子を被検体の被検部位に
接触させつつ移動走査する探触子のコンタクト・
コンパウンド・スキヤンを自動化して、操作者の
疲労を少なくするとともに、探触子の先端部の移
動走査における操作技術であるスキヤンテクニツ
クにかかわりなく、常に最適な探触子の移動走査
が行え、一定画質の診断像を得ることができる超
音波診断装置における超音波探触子のスキヤナを
提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は被検体内に
向け超音波ビームを送受波する超音波探触子を有
し、この超音波探触子の駆動情報に基づいて、超
音波探触子先端部の位置及び角度を特定しなが
ら、被検体の断層面の診断画像を得る超音波診断
装置において、被検体に、対向して設けられ前記
超音波探触子が回動自在に取り付けられた移動ア
ームと、この移動アームを所望被検体部位の体表
面に沿つて移動する第１の駆動部と、この移動ア
ームを被検体の体表面に対し、垂直方向に移動す
る第２の駆動部と、超音波探触子の移動アームに
対する回転角を制御する第３の駆動部と、超音波
探触子に設けられ超音波探触子の被検体表面への
接触圧力を検出する圧力センサと、超音波探触子
に設けられ超音波探触子の被検体表面に対する傾
きを検出する角度センサと、前記各駆動部から得
られる超音波探触子の走査位置データ、超音波探
触子の回転角速度および前記各センサの検出デー
タに基づき前記第１ないし第３の駆動部を制御し
て超音波探触子の被検体表面に対する傾きおよび
接触圧力を一定値に維持するように制御し、超音
波探触子を前記第１駆動部により、被検体表面に
沿い所定の領域を一定の走査速度で自動的に走査
する走査機構とを有することを特徴とする。

次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明
する。

第２図には、本発明の好適な実施例が示されて
いる。

この超音波診断装置は、被検体に向けて超音波
ビームを送受波する超音波探触子を有し、この超
音波探触子の駆動情報に基づいて、超音波探触子
先端部の位置及び角度を特定し、被検体の断層面
の診断画像を得るものである。被検体２０と対向
する位置には、固定アーム２２が水平に固定され
ている。この固定アーム２２は通常その位置が固
定されているが、診断を開始する前に被検体２０
の体形や被検部位の位置に応じてその位置が調整
される。

この固定アーム２２には、固定アーム２２の軸
方向すなわち水平方向（以後Ｘ軸方向と記す）
と、被検体２０の体表面方向、すなわち垂直方向
（以後Ｙ軸方向と記す）に移動自在な移動アーム
２４が取り付けられている。そして、この移動ア
ーム２４は図示しないモータ等により形成された
第１の駆動部によりＸ軸方向に移動され、第２の
駆動部によりＹ軸方向に移動される。

そして、この移動アーム２４の先端には、被検
体に向け超音波ビームを送受波する超音波探触子
２６が回動自在に固定されており、その移動アー
ム２４に対する回転角は図示しないモータにより
形成された第３の駆動部により制御される。

超音波診断装置はこの超音波探触子２６による
被検体に向けた超音波ビームの送受波により被検
体の所望被検部位の体表面における断層像を得る
が、この断層像を得るためには、探触子２６の先
端位置の情報が必要となる。このため、前述した
各駆動部には移動量を検出する光学的エンコーダ
が組み込まれており、各エンコーダの検出する移
動量をＸ方向とＹ方向の２方向成分に分け、これ
らを加算して探触子２６の先端位置を求めてい
る。

ところで、良好な超音波断層画像を得るために
は、探触子２６を体表面に対して垂直に保ちつつ
走査する必要がある。これは探触子２６の超音波
送受波面２６ａが体表面と良好に接触し被検体に
向けた超音波ビームの送受波が良好に行われるか
らである。

探触子２６の体表面に対する傾きを垂直に保て
なくなる原因としては、次の２つの原因が挙げら
れる。

第１に、探触子２６が体表面上を走査される
際、体表面との間に生ずる摩擦力により引つ張ら
れて傾く。

第２に、体表面の傾斜が変化することにより、
探触子２６の体表面に対する傾きが変化する。

本実施例において、前記第１の原因による傾き
は、探触子２６の傾きをウオームギヤを介して制
御することにより防止している。すなわち、第３
図に示すように、探触子２６の傾きを制御する第
３の駆動部としてのモータ３０の回転をウオーム
ギヤ３２を介して探触子２６に伝達し、探触子２
６の傾きを制御することにより、探触子２６の傾
きは体表面との間に生ずる摩擦力にかかわりな
く、常にモータ３０により設定された角度に制御
されることになる。

また前記第２の原因による傾きの変化に対して
は、探触子２６の体表面に対する傾き変化を角度
センサで検出し、この検出データを基にして探触
子２６の体表面に対する傾きをサーボコントロー
ルしている。

実施例においては、探触子２６の傾き制御を容
易に行うため、第４図に示すように、超音波送受
波面が凸型円弧状に形成されたセクタスキヤン用
探触子を用いている。このような探触子２６で
は、送受波面２６ａが体表面と接している場合に
常に送受波面２６ａの法線が体表面に対し垂直に
なるため、その接点を介して良好な超音波ビーム
の送受波が行える。従つて、送受波面２６ａが常
に体表面に接するよう探触子２６の傾きを制御す
れば足りるので、傾きのサーボコントロールを余
裕をもつて行うことができる。

また実施例においては、探触子２６の体表面に
対する傾きを検出する角度センサとして探触子２
６の送受波面２６ａ両端に、第４図に示すよう
に、一対のマイクロスイツチ３４ａ，３４ｂを設
けている。これらマイクロスイツチ３４ａ，３４
ｂは送受波面２６ａが体表面から離れる角度まで
探触子２６が傾いた場合に体表面に接し、オンさ
れる。そして、これらマイクロスイツチ３４ａ，
３４ｂのいずれか一方がオンされると、その検出
信号は第５図に示すように、探触子回転制御回路
３６に入力され、サーボアンプ３８を介して第３
の駆動部としてのモータ３０を駆動し、探触子２
６の傾きは探触子２６の中心軸が体表面に垂直に
なる角度まで修正される。

ここにおいて、探触子回転制御回路３６は回転
信号発生器３６ａと、カウンタ３６ｂとから成
り、回転信号発生器３６ａはマイクロスイツチ３
４ａ，３４ｂのいずれか一方から傾きの検出信号
が入力されると同時に、モータ３０に探触子２６
の傾き修正動作を開始させ、カウンタ３６ｂは探
触子２６の回転中心に取り付けられたロータリエ
ンコーダ４０の出力するパルスをカウントし、カ
ウントアツプした時点でモータ停止信号を出力
し、前述した傾き修正動作を終了させる。探触子
２６の傾き修正動作を開始してから探触子２６の
中心軸が体表面に垂直になるように制御するまで
の修正角度は常にほぼ一定であるため、カウンタ
３６ｂはこの修正角度に対応したパルスをカウン
トした時点でカウントアツプするよう設定されて
いる。

また本実施例においては、探触子２６と体表面
との摩擦等により発生する負荷の変動にかかわり
なくモータ３０の回転数を常に設定値に制御する
ため、モータ３０の回転数をタコジエネレータ４
２で検出し、サーボアンプ３８でモータ３０の回
転数を設定値にサーボコントロールしている。

ところで、良好な超音波診断画像を得るために
は、前述した探触子２６の傾き制御のほかに探触
子２６の体表面に対する走査速度を所定の設定速
度に制御する必要がある。

ここにおいて、探触子２６の体表面に対する走
査速度は、第５図に示すように、探触子２６の回
転角を制御する第３の駆動部としてのモータ３
０、移動アーム２４をＸ方向に移動する第１の駆
動部としてのモータ５０、移動アーム２４をＹ方
向に移動する第２の駆動部としてのモータ５２に
より制御することができる。ところが、本実施例
においては、探触子回転用のモータ３０は探触子
２６の傾き制御のために走査速度制御に優先して
行われるので、このモータ３０は単に走査速度を
変動させる要因として測定対象になるに過ぎな
い。従つて、本実施例において、探触子２６の走
査速度はモータ５０，５２により制御される。

ところで、第６図に示すように、探触子２６の
回転軸座標位置を（Ｘ，Ｙ）、探触子２６の先端
座標位置を（ｘ，ｙ）、探触子２６のＸ軸方向に
対する傾き角をθ、探触子２６の長さをＲとする
と、これらの間には、次式で表わされる関係があ
る。

ｘ＝Ｘ＋Rcosθ ……(1) ｙ＝Ｙ＋Rsinθ ……(2) そして、探触子２６の体表面に対する走査速度
の目標値を第７図に示すように、ｖに設定する
と、この目標値ｖのＸ，Ｙ方向成分（v_x，v_y）
は、 v_x＝vcos（θ−π／２）＝vsinθ ……(3) v_y＝vsin（θ−π／２）＝−vcosθ ……(4) で表わされる。

また探触子２６の体表面に対する走査速度v_x，
v_yは前記第(1)，(2)式を微分しても求めることがで
きる。すなわち、 v_x＝dx／dt＝dX／dt−Rsinθdθ／dt ＝v_X−Rωsinθ ……(5) v_y＝dy／dt＝dY／dt＋Rcosθdθ／dt ＝v_Y＋Rωcosθ ……(6) で表わすことができる。ここにおいて、v_X＝
dX／dt，v_Y＝dY／dt，ω＝dθ／dtである。

そして、前記第(3)，(4)，(5)，(6)式から、v_x，v_y
を消去して探触子回転軸におけるＸ，Ｙ方向への
移動速度v_X，v_Yを求めると、 v_X＝（ｖ＋Rω）sinθ ……(7) v_Y＝−（ｖ＋Rω）cosθ ……(8) となる。従つて、探触子２６の体表面に対する走
査速度を目標値ｖに制御するためには、モータ５
０を動作させ移動アーム２４をＸ方向にv_Xの速度
で移動させ、これと同時にモータ５２を動作させ
移動アーム２４をＹ方向にv_Yの速度で移動させれ
ばよい。

しかし、この走査速度ｖは探触子２６の体表面
に対する圧力変化の影響を考慮していない。良好
な超音波断層画像を得るためには、前述した傾き
制御および走査速度制御と同時に探触子２６の体
表面に対する圧力を所定の設定値に制御する必要
がある。

探触子２６の体表面に対する圧力Ｐは、フツク
の法則から探触子２６により押されて生ずる体表
面の変位に比例する関数として表現できる。この
体表面における変位は探触子２６を体表面に沿つ
て走査することにより生ずるものである。このた
め、前述した第(7)，(8)式で与えられる各モータ５
０，５２の走査速度の目標値v_X，v_Yにその時の圧
力Ｐに応じた補正速度を加えてやる必要があり、
このようにすることにより、探触子２６の体表面
に対する圧力Ｐを任意にコントロールすることが
できる。

ここにおいて、圧力Ｐをコントロールするため
に加えられる補正速度をΔvとすると、この補正
速度Δvのベクトル方向は、第８図に示すように、
体表面に垂直な方向すなわち探触子２６の軸方向
となる。補正速度Δvは圧力Ｐを変化させる方向
に加えるものであるからである。

そして、良好な超音波断層画像を得るために必
要な圧力の標準値をP₀とすると、圧力Ｐが標準
値P₀より小さい場合には、第８図のΔvベクトル
方向に向けた補正速度Δvが加えられ、圧力Ｐが
標準値P₀より大きい場合には、第８図のΔvベク
トル方向と反対方向に向けた補正速度が加えられ
る。

ここにおいて、探触子２６の体表面に対する圧
力がＰであるとき、この圧力Ｐを一定時間Δt秒
後に標準値P₀に補正するために加えられる補正
速度をΔv、弾性係数をＫとすると、圧力Ｐと補
正速度Δvとの間には、フツクの法則により、 P₀−Ｐ＝Ｋ（Δv・Δt） ……(9) の関係がある。

従つて、補正速度Δvは、 Δv＝１／Ｋ・Δt（P₀−Ｐ）＝Ａ（P₀−Ｐ）……(10) となる。ただし、Ａ＝１／Ｋ・Δt。

そして、この第(10)式から得られる補正速度Δv
をＸ，Ｙの方向成分Δv_x，Δv_yに分解すると、 Δv_x＝Δvcosθ＝Ａ（P₀−Ｐ）cosθ ……(11) Δv_y＝Δvsinθ＝Ａ（P₀−Ｐ）sinθ ……(12) となる。

従つて、前記第(7)，(8)式で与えられる移動アー
ム２４の走査速度v_X，v_Yに前述した圧力変化の影
響を考慮した前記第(11)，(12)式で与えられる補正値
を加算した移動アーム２４の走査速度は次式で与
えられる。

v_X＝（ｖ＋Rω）sinθ＋Ａ（P₀−Ｐ）cusθ
……（13） v_Y＝−（ｖ＋Rω）cosθ＋Ａ（P₀−Ｐ）sinθ
……（14） 尚、この補正を行つた場合においても、補正は
単にプローブの軸方向にのみ関係し、体表面の接
線方向の速度には変化がないので、速度補正によ
る画質の低下はない。

ところで、前述した第(3)，(4)式において、探触
子２６の体表面に対する目標走査速度ｖ、探触子
２６の長さＲ、定数Ａ、圧力の標準値P₀は既知
であるが、探触子２６の回転角θ、回転角速度
ω、体表面に対する圧力は随時変化する変数であ
る。従つて、これら第(3)，(4)式に示す速度にモー
タ５０，５２を制御するためには、これら変数
θ，ω，Ｐを検出する必要がある。

本実施例においては、探触子２６の回転角θの
検出を探触子２６の回転中心に取り付けられてい
るロータリエンコーダ４０を用いて行い、回転角
速度ωの検出をモータ３０に取り付けられている
タコジエネレータ４２を用いて行つている。更に
探触子２６の体表面に対する圧力Ｐの検出は、探
触子２６に設けた圧力センサ５４を用いて行つて
いる。

第９図には、本実施例の圧力センサ５４が示さ
れており、探触子２６の先端にオイルを封入した
薄膜の袋５４ａを取り付け、この袋５４ａ内の圧
力検出を探触子２６の側面に設けた圧力センサ５
４で検出する構造となつている。ここにおいて、
オイルを封入した薄膜の袋５４ａは超音波ビーム
をよく透過するので、送受波面２６ａからの超音
波ビームの送受波には悪影響はない。なお圧力Ｐ
を検出する方法として、他に圧力センサ５４を移
動アーム２４の支持部に取り付ける方法も考えら
れるが、摩擦や探触子２６、移動アーム２４の質
量の影響を打ち消すのが難しいため好ましくな
い。

このようにして、ロータリエンコーダ４０、タ
コジエネレータ４２、圧力センサ５４で検出され
た各検出データは、第５図に示すように、速度目
標値計算回路５６に入力される。そして、この速
度目標値計算回路５６は、入力される各検出デー
タを基にして前記第(3)，(4)式に示す演算を行い、
移動アーム２４のＸ方向への移動速度が第(3)式に
基づく演算値v_Xとなるようサーボアンプ５８を介
してモータ５０を駆動し、これと同時に、移動ア
ーム２４のＹ方向への移動速度が第(4)式に基づく
演算値v_Yとなるようにサーボアンプ６０を介して
モータ５２を駆動する。

なお負荷の変動にかかわりなく、各モータ５
０，５２の回転数を常に設定値に制御するため、
モータ５０，５２の回転数をタコジエネレータ６
２，６４で検出し、サーボアンプ５８，６０でモ
ータ５０，５２の回転数を設定値にサーボコント
ロールしている。

第１０図には、前述した速度目標値計算回路５
６の詳細な回路が示されている。この回路は加算
器と掛算器とを用い、前記第(3)，(4)式をそのまま
電気回路におきかえたものである。なおsinθと
cosθの値はロータリエンコーダ４０の出力から直
接得ることができない。このため、sinθ，cosθに
関しては、ROM内に予めsinθ，cosθの値を書き
込んでおき、この書き込まれた値をロータリエン
コーダ４０の出力パルスをカウントして作つたア
ドレス信号で読み出し、Ｄ−Ａ変換する方法が採
られている。

以上説明したように、本発明に係る探触子のス
キヤナは、探触子を被検体の体表面に対し所定の
傾きに制御しかつ探触子の被検体表面に対する接
触圧力を所定設定値に制御しつつ、探触子を被検
体表面に沿つて所定設定速度で走査できる。この
ため、被検体の体表面を走査する動作が操作者の
人力によらず、探触子を被検体の被検部位に接触
させつつ移動走査する探触子のコンタクト・コン
パウンド・スキヤンを操作者における移動速度の
操作技術である一定のスキヤンテクニツクを維持
し、自動的に走査を行うことができる。

その結果、操作者は、走査部位の設定及び自動
走査動作中の監視のみを行うだけで良いことか
ら、被検体の診断時間が長くなつても操作者の疲
労を少なくすることができ、しかも、操作者のス
キヤンテクニツクにかかわりなく常に一定画質の
診断画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波探触子のスキヤナの説明
図、第２図は本発明に係る超音波探触子のスキヤ
ナの好適な実施例を示す説明図、第３図は探触子
の体表面に対する傾きを修正する回路ブロツクの
説明図、第４図は第２図に示す実施例に用いられ
ている探触子の説明図、第５図は第２図に示す実
施例の回路ブロツク全体の説明図、第６図ないし
第８図は探触子の座標、速度ベクトルおよび圧力
に関する補正を示す説明図、第９図は探触子の圧
力センサの説明図、第１０図は第５図に示す速度
目標値計算回路の詳細なブロツク図である。 ２０……被検体、２４……移動アーム、２６…
…超音波探触子、３０……第３の駆動部としての
モータ、３４ａ，３４ｂ……角度センサとしての
マイクロスイツチ、５０……第１の駆動部として
のモータ、５２……第２の駆動部としてのモー
タ、５４……圧力センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体内に向け超音波ビームを送受波する超
   音波探触子を有し、 この超音波探触子の駆動情報に基づいて、超音
   波探触子先端部の位置及び角度を特定しながら、
   被検体の断層面の診断画像を得る超音波診断装置
   において、被検体に対向して設けられ前記超音波
   探触子が回動自在に取り付けられた移動アーム
   と、この移動アームを所望被検部位の体表面に沿
   つて所定量を移動する第１の駆動部と、この移動
   アームを被検体の体表面に対し垂直方向に移動す
   る第２の駆動部と、超音波探触子の移動アームに
   対する回転角を制御する第３の駆動部と、超音波
   探触子に設けられ超音波探触子の被検体表面への
   接触圧力を検出する圧力センサと、超音波探触子
   に設けられ超音波探触子の被検体表面に対する傾
   きを検出する角度センサと、 前記各駆動部から得られる超音波探触子の走査
   位置データ、超音波探触子の回転角速度及び前記
   各センサの検出データに基づき前記第１ないし第
   ３駆動部を制御して超音波探触子の被検体表面に
   対する傾き及び接触圧力を一定値に維持するよう
   に制御し、超音波探触子を前記第１駆動部によ
   り、被検体表面に沿い所定の領域を一定の走査速
   度で自動的に走査する走査機構と、を有すること
   を特徴とする超音波探触子のスキヤナ。