JPH042337A

JPH042337A - 超音波プローブ

Info

Publication number: JPH042337A
Application number: JP2101643A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Taniguchi; 芳久谷口; Shuichi Takayama; 修一高山; Takashi Tsukatani; 塚谷　隆志; Takeaki Nakamura; 剛明中村; Kuniaki Kami; 邦彰上; Yoshito Horikawa; 堀川　義人; Takahiro Echizenya; 孝博越前谷; Masanori Hamazaki; 昌典濱崎; Takenao Fujimura; 毅直藤村; Yukihiko Sawada; 之彦沢田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1992-01-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、極細径の超音波プローブに関するもので、特
に、メカニカルラジアル走査方式の医用極細径の超音波
プローブにおいて、画像抽出用超音波トランスジューサ
の回転角変位をプローブの先端部で直接検出できるよう
にしたものである。

（従来の技術〕近年、極細径の医用超音波プローブが研究されている。

これは、外径φ１ｍｍ〜φ３ｍｍ程度の極細径の柔軟な
カテーテルの先端に超音波探触子を組み込み、これを人
体の目的の部位に挿入して超音波ビームを走査し、人体
内部の超音波断層像を直接得ようとするものである。

極細径の超音波プローブの医学的な有用性は、下記のご
とくである。

（１）消化管系においては、狭窄等により従来の内視鏡
や超音波内視鏡を挿入できなくなった病変部でも該プロ
ーブを容易に挿入し、該病変部の超音波断層像を得て、
正確な診断を行うことができる。

（２）胆道系において、総胆管や主膵管なと、従来の内
視鏡や超音波内視鏡では挿入できなかった部位に該プロ
ーブを直接挿入し、病変部の超音波断層像を抽出して、
診断を行うことができる。

（３）循環器系に関しては、血管に該プローブを直接挿
入し、血管壁、特に冠状動脈の病変を超音波断層像によ
り直接監視し２、診断できるようになる。

なお、超音波ビームの走査方式には、電子スキャン方式
と、メカニカル方式があり、また、走査の態様には、リ
ニア型とラジアル型がある。医学的な様々な要求事項か
ら、今後メカニカルラジアル方式が主流になると考えら
れる。

従来研究されてきた、メカニカルラジアル方式の超音波
プローブの一例を、第１１図を用いて説明する。カテー
テル部分４１の先端部４２の内部には、ハウジング４３
が設置され、その内側に画像抽出用の超音波トランスジ
ューサとして、ＰＺＴ等の圧電素子４４が固設しである
。ハウジング４３は、シース４５内を延在し７ているフ
レキシブルシャフト４７を介して、手元駆動部４８内の
モータ４９により回転し、これに伴い圧電素子４４は超
音波伝播材４６を介して超音波のラジアルスキャンを行
うことができる。

さらに手元駆動部４８内にはロータリエンコーダ４９が
設けであるが、これは、回転機構部分で不可避的に生し
る回転ムラを電気的に補償するため、前記ハウジング４
３、圧電素子４４、フレキシブルシャフト４７、モータ
４９を有する回転系の回転角変位に対応したパルス信号
を生成するものであって、超音波断層像を構築する際に
該パルス信号に同期して超音波断層像の画素を抽出して
ゆくためのものである。もしこの補償を行わなければ、
構築された断層像には、回転ムラの生じた部分に放射状
の画素のヌケや、画素配列の圧縮が起こり、正確な画素
が得られないことになる。すると超音波断層像を用いて
正確な診断を下すことも難しくなり、前記の医学的な有
用性を著しく損なう原因になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、従来のロータリエンコーダの外径寸法は、最
小のものでもφ１０ｍｍ〜φ２０ｍｍ程度と大きく、必
然的に手元駆動部４８内にしか設置できない。

そこで、従来研究されてきた超音波プローブでは、やむ
を得ず手元駆動部４８内において、モータ４９の主軸の
回転を歯イ］きプーリ５１．５２と歯付きヘルド５３に
よってロータリエンコーダ５０に導き、モータ４９の主
軸の回転角変位を検出していた。従って、ハウジング４
３、フレキシブルシャフト４７で発生する回転ムラば、
補償していなかった。

しかし、通常、カテーテル部分４１の長さは１ｍ以上に
も及び、これが体内に挿入されるときには、複雑な形状
に屈曲されているフレキシブルシャフト４７がシース４
５の全長にわたって押圧され、摩擦力を生していた。こ
の摩擦力によってフレキシブルシャフト４７にはねしれ
方向のたわみが発生し、仮にモータ４９に回転ムラがほ
とんどなくてもハウジング４３０回転には、甚大な回転
ムラが重畳されるという不具合があった。

従って、従来のように大きいロータリエンコーダを手元
駆動部４８に設けてモータ４９の回転ムラのみを補償し
ても、その効果はほとんどなかったのである。

本発明は、上記のごとき不具合を解決すべく擾案される
もので、超音波プローブの先端部に圧電振動子の回転角
変位を直接検出できるような超小型のロータリエンコー
ダを設けた超音波プローブを提供することを目的とした
ものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、被検出回転体と一
体的に回転しながら超音波ビームを送受波し走査する超
音波トランスジューサと、前記超音波ビームの走査範囲
を横切るように配設され、かつ該超音波ビームの走査方
向に沿って周期的な音響的構造変化を形成する基準壁と
、前記超音波トランスジューサの受波する前記基準壁か
らの反射波に含まれる、前記の音響的構造変化に対応す
る第１の情報を生成する手段と、該第１の情報から前記
音響的構造変化の周期性に対応する第２の情報を生成す
る手段と、を挿入部先端に設けた超音波プローブとした
ものである。

以上のようにして、被検出回転体と一体で回転する超音
波トランスジューサの超音波ビームの送受波方向の回転
角変位を、基準壁の音響的構造変位の周期性を反映する
パルス列として検出するロークリエンコーダを設けたの
で挿入部先端で超音波トランスジューサの回転角変位を
検出できる。

そして超音波ビームは基準壁と超音波Ｆ・ランスジュー
サとの間を往復するだけでよいから、該超音波トランス
ジューサは超小型でよく、機構部品も特に必要ないため
、超音波プローブの先端部が大型化することもない。

（実施例］第１図は、本発明の一実施例に係る超音波プローブの先
端部を説明するため、回転軸に垂直な平面で切断した断
面図、第２図は、ロータリエンコーダから回転角検出信
号を取り出すための電気回路の概念図であり、第３図は
、体内式の超音波プローブの先端部を示す部分切欠き斜
視図である。

第１図に示すように、超音波プローブの先端部の内部に
超音波送受波体１が設けてあり、これを取り囲むように
シース２が設けである。超音波送受波体１は、ハウジン
グ３に超音波トランスジューサとし、て圧電素子４が収
容してあり、圧電素子４の超音波ビーム放射面側に音響
整合層５を設けている。なお、圧電素子４より放射され
る超音波ビームを、シース２の内壁付近に集束させるた
め、音響整合Ｎ５は音響レンズの作用を兼備しているが
、独立した音響レンズを設けてもよいことはもちろんで
ある。

一方、シース２の内壁の所要範囲には、平底の溝６が、
円周方向に周期的に設けて規則的な凹凸を形成している
。

このように超音波送受波体１とシース２の内壁とでロー
タリエンコーダを形成することとなるが、第２図でロー
タリエンコーダを動作させるための手元駆動部に設ける
電気回路の概要を示す。該電気回路において、パルサ回
路７は圧電素子４に超音波ビームをを放射させるための
電気パルスを、一定間隔をおいて繰り返し発生し、圧電
素子４に送る。また、個々のパルスを発生する度毎に、
これに同期してＩ〜リガ信号を時間測定器８に送る。

プリアンプ９は、シース２の内壁からの反射波を受けた
圧電素子４に生しる微弱な電位変化を増幅し、時間測定
器８に送る。

なお、プリアンプの入力端には、パルサ回路７からの高
電圧のパルスが流入しないように、ダイオードを設けて
いる。時間測定器８は、パルサ回路７がパルスを発する
度毎にトリガ信号から反射波による電位変化の発生迄の
時間を測定する。つまり該時間測定器８は、個々の超音
波パルスが圧電素子４とシース２との間を往復する時間
を測定するのと等価になる。変換器１０は、前記時間測
定器８の測定結果をもとに、上記の時間の長さに対応し
た電位を発生して微分器１１に送る。この微分器１１は
、電位を微分してパルスを作る。反転器１２は、微分し
たパルスの極性を、単一方向に揃える。

このように構成している本実施例の動作を説明すると、
超音波送受波体１が回転し、パルサ回路７からの信号に
より超音波パルスをシース２の内壁へ放射すると、該超
音波パルスはシース２の内壁で反射し超音波受波器に戻
り、圧電素子４が電位変化を生しる。圧電素子４とシー
ス２の内壁との間を往復する時間が、時間測定器８で測
られ、その時間に対応した電位が変換器１２で作られる
。

超音波パルスは一定の間隔をおいて繰り返し放射され、
シース２の内壁には平底の溝６が周期的に設けられてい
るから、上記の電位は回転の変位に対応して第４図に示
すように周期的に変化する。

これを微分器１１に通すと、第５図に示すように溝６の
壁を通過する時にパルスを生じる。該パルスは同図にみ
られるように→−／−の両方向に生じるので、反転器１
２を通して第６図のようにパルスの向きを揃える。第６
図のパルスは、超音波受波体工の回転角変位に対応して
生しるから、これをロータリエンコーダの出力として用
いることができる。

第３図は、極細径の超音波プローブの先端部の内部を示
す。手元側のモータ（図示せず）によりコイルシャフト
１３が回転させられ、その先端に固定された一体のハウ
ジング３を回転させる。一体のハウジング３の中に２組
の超音波送受波体１及び１４が、回転軸方向に沿って配
設されている。手元側の超音波送受波体１４は、超音波
断層像を抽出するためのものである。先端側の超音波送
受波体Ｉは、前記超音波送受波体１４の圧電素子の回転
角変位を検出するために、該超音波送受波体１４と一体
的に回転する。シース２の超音波送受波体ｌに対向する
部分には、内壁に溝６を周期的に形成しており、超音波
送受波体１とでロークリエンコーダを形成している。

本発明は、以上の実施例に限定されるものではなく、幾
多の変更、変形が可能である。例えば、シース２の溝６
の形状は、様々な変形が可能である。通常、シース２の
材質は、テフロンのように音響的に半透明な材料である
から、第７図へのように溝を、加工の容易な外壁に設け
てもよい。また、形状を平底の溝に限らなくてもよく、
第６図に示すようなパルス列が出力できれば、例えば同
図Ｂのような断面鋸歯状でもよい。また、同図Ｃに示す
ように、溝に限らず円形の陥凹３４を設けても同一の機
能が得られる。同図りに別の変形例を示す。同図では、
シースの壁の構造変化の周期性を、一箇所で故意に壊し
である。これにより、該箇所から回転角変位原点を示す
トリガ信号を容易に取り出すことができるようになる。

よって常に回転角の絶対変位を検出できることとなって
、ロータリエンコーダとしての機能が更に向上するもの
である。

また、回転角検出信号を取り出すための電気回路におけ
る時間測定器８と変換器１０に代えて、反射波の時間遅
れでなく強度変化を検出することにすると、シース２に
設ける周期的構造は、壁の凹凸でなくともよい。

例えば第８図Ａに示すように、テフロン等のシースの壁
内部に、針金等、音響インピーダンスの異なる線材１５
を埋め込んだもので、該線材１５の部分で反射波の強度
が変化する。また、該線材は回転軸に変更に埋設せずと
もよく、同図Ｂに示すように外側より半径方向に線材１
６を突き刺し、外表面で切り揃えるようにすれば、製作
がより容易である。更に、同図Ｃに示すように、シース
２の外壁の金属等の薄膜１７を蒸着等により周期的に配
列してもよい。この場合、シース２の外壁に金属等の薄
膜を形成することは困難である。また、金属等の薄膜は
シース２の内壁に形成するのが望ましい。そこで、同図
りに示すように平板なフィルム１８上に金属箔１９を縞
状に蒸着したものを円筒状に丸め、シース２の内側に挿
入して接着固定するようにすれば生産性の向上を図れる
。

また、超音波送受波体を超音波断層像を抽出するための
ものと、ロータリエンコーダを形成するためのものとを
独立して回転軸方向に沿って設けることは、生産上の困
難性を生じるとともに超音波プローブの先端部が長くな
ってしまう。そこで、第９図に示すように一つの超音波
送受波体で上記二つのものを兼用するように形成すれば
よい。Ａ図は、整合層２０、圧電振動子２１、バッキン
グ材２２を一体に貼着し、ロータリエンコーダの機能を
持たせたい部分は、整合層２０の上にスリット２３を形
成するように吸音材２４を設けたものである。二のよう
に形成することにより、ロータリエンコーダとして超音
波ビームを絞りたい圧電振動子部分を一体に形成できる
こととなる。同様の効果を得るためにＢ図では、整合層
２０の上に音響レンズ２５を設けている。この場合の音
響レンズ２５は凹状に形成することはいうまでもない。

０図では整合層２０と圧電振動子２１とを超音波ビーム
を絞り込むための部分を残して切除している。Ｄ図では
、バッキング材２２にスリット２３を形成（音響透過材
の板でもよい）したものを示している。超音波ビームは
超音波断層像を抽出するビーム２４については、絞り込
まれていないためにシース２内壁の溝６に影響されるこ
となく放射されるが、スリット２３により絞り込まれた
超音波ビームはスリット２３を往復し、シース２内壁の
溝６の有無を検知する。このようにしてロータリエンコ
ーダの機能を果たすのであるが、前記Ａ図〜Ｃ図に示し
たものについても同様である。なお、超音波ビームの絞
り込みの幅はシース２内壁の溝６幅より狭く形成するこ
とはいうまでもない。

次にハウジングとともに圧電振動子を回転させる手段で
あるが、前記実施例では手元側のモータによりコイルシ
ャフトを回転させるようにしている。しかし、極細径の
超音波プローブの場合、コイルシャフトも細くなってし
まい先端の圧電振動子はコイルシャフトの回転に追従し
なくなってしまうことが多い。このため、第１０図では
圧電振動子を確実に回転させるだめの実施例を示してい
る。

Ａ図では超音波送受波体１をワイヤ２５に連結し、手元
側の駆動部でモータ２６と周知のリンク部２７とでワイ
ヤ２５に往復運動を与え、先端でこれを回転運動に変換
するようにしている。この場合の先端での往復運動を回
転運動に変換する変換部２８としては、周知のリンク機
構等を用いればよい。Ｂ図は、Ａ図の場合の変形例でコ
イルシャフト１３とワイヤ２５とを変換部２８で連結し
、コイルシャフト１３で回転力を伝達できる最大長の位
置に変換部２８を設けた構成としている。このようにす
ることで超音波プローブの先端硬質部を短くすることが
できる。０図は、Ｂ図の場合の変形例で先端に小型モー
タ２９を設け、コイルシャフト１３、ワイヤ２５のそれ
ぞれが充分に動力を伝達できないような長尺のものであ
っても、小型モータ２９により圧電振動子を回転させる
ことができる。Ｄ図は、他の実施例を示したものでコイ
ルシャフト等による超音波送受波体１の回転は、回転ム
ラを生しさせ易いためシース２内に流体の往復流路３０
を設け、先端にタービン３１と動力伝達部３２を設け、
手元側に流体の加圧（あるいは減圧）部であるポンプ３
３を設けている。この場合の流体は水であるが、回転数
の制御に困難性を伴うものの高速回転が可能な圧搾空気
を用いてもよい。また、管路系を開路系とし加圧ではな
く真空吸収によって行ってもよい。このようにすること
により、管路系が破損しても血管等の被検体内に空気が
浴出してしまうという事態を防止できる。

〔発明の効果〕

以上のごとく本発明によれば、回転角変位検出のための
超音波ビームは、シース内壁と圧電素子の間を往復する
だけの微弱なものでよいから、超音波トランスジューサ
は超小型でよい。また、ロークリエンコーダのための特
別な機構部品は必要なく、シース内に信号線を配設する
必要もない。

従って、ロータリエンコーダを極細径の超音波プローブ
の先端部に設けても、先端部の大きさはほとんど大きく
ならず、設置のための特別な構成も必要ない。よって、
超音波プローブ先端部での回転角変位の検出が、容易に
実現できることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る超音波プローブ先端の継断面図
、第２図は、回転角検出信号を取り出すための電気回路図
、第３図は、超音波プローブ先端の一部切欠斜視図、第４図〜第６図は、圧電素子の出力電位、微分回路の出
力電位、反転回路の出力電位を示す説明図、第７図〜第９図は、シース内壁の基準壁を示した実施例
図、回転機構部の実施例図、従来例に係る超音波プローブの断面第１０図は、第１１図は、図である。１・・・超音波送受波体２・・・シース３・・・ハウジング４・・・圧電素子５・・・音響整合層６・・・溝第１図＠３図第７図第４図第５図第６図回転用第９図第１Ｏ図第１１図ｊ５θ ０発０発東京都渋谷区幡ケ谷２丁目４３番２号株式会社内東京都渋谷区幡ケ谷２丁目４３番２号株式会社内オリンパス光学工業オリンパス光学工業手続補正書

Claims

【特許請求の範囲】

１．被検出回転体と一体的に回転しながら超音波ビーム
を送受波し走査する超音波トランスジューサと、前記超音波ビームの走査範囲を横切るように配設され、かつ該超音波ビームの走査方向に沿って周
期的な音響的構造変化を形成する基準壁と、前記超音波トランスジューサの受波する前記基準壁からの反射波に含まれる、前記の音響的構造変
化に対応する第１の情報を生成する手段と、該第１の情報から前記音響的構造変化の周期性に対応する第２の情報を生成する手段とを挿入部先
端に設けたこと特徴とする超音波プローブ。