【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、針先に設けた超音波変換器を被検体内の生体組織へ直接刺入して超音波の２次元走査により上記生体組織の超音波画像を収集する針状超音波探触子に関し、特に生体組織へ直接刺入する針状部分を着脱可能として被検体に対する安全性を向上すると共に、収集した超音波画像信号のＳ／Ｎを向上することができ、かつ表示装置に被検体内部の超音波断層像と刺入部の超音波画像とを同時に表示することができる針状超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
体腔内各部に発生した病変部を診断する方法として、生体検査（バイオプシ）が一般的に行われている。これは、超音波診断装置で体腔内病変部を描出しながら穿刺針を所定箇所まで刺入し、針先端内部に病変部の生体組織の一部を捕獲・採取した後に観察試料を作成して、光学顕微鏡下に鑑別して病名の診断を行うものである。しかし、この方法では生体組織を体外に摘出した後に各種の処理を行って試料を作成する必要があることから診断に長時間を要し、また試料に各種の加工を加えることから組織が生体内の状態から変化する恐れがあるという問題があった。このような事情に対処して、近年、穿刺針に超音波変換器を取り付けて直接病変部に刺入し、病変部の組織性状を調べたり、周囲の生体組織を画像化する針状超音波探触子が例えば特公平４−７８２９９号公報、特公平５−９０９７号公報などで提案されている。
【０００３】
従来のこのような針状超音波探触子は、剛性材料で細径の中空パイプ状に形成された外針の内側に、剛性材料で細径の丸棒状に形成されると共に先端部が円錐状に形成された内針をその軸周りに回転可能及びその軸方向に並進可能に挿入し、上記内針の先端部近傍の外側面には超音波を送受波する超音波変換器を設けて成り、上記内針及び外針を被検体内に刺入して上記超音波変換器から超音波を送受波すると共に上記内針を回転及び並進の２次元走査を行って生体組織の超音波画像を収集するようになっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の針状超音波探触子においては、被検体内に刺入する内針及び外針を有する針状部分が着脱可能とされてはおらず、異なる被検体毎にその針状部分のみを容易に交換することはできないものであった、従って、再使用に際しては上記針状部分を十分に消毒しなければならず、取り扱いが容易ではないと共に、安全性について細心の注意を払わなければならないものであった。
【０００５】
また、針状超音波探触子による病変部の組織性状診断には、その病変部の超音波画像から直接行う方法が有効であり、このためには細胞レベルの微細構造を画像化するために、少なくとも数μｍから数１０μｍ程度の高い分解能が必要である。従って、超音波変換器の送受波の中心周波数は数１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚの高周波となることが不可欠であり、振動子の薄膜化が必要である。また、生体に対する侵襲性を少なくするためには針状部分を直径１ｍｍ程度に抑える必要があることから、超音波変換器を多数搭載するのは実装上困難である。このため、薄膜振動子を用いた超音波変換器を走査することが有効と考えられるが、その振動子が薄膜のために絶縁耐圧の制約から大きな電圧を印加することができず超音波パワーを大きくできないこと、及び生体内部の細胞レベルでの音響的インピーダンスの違いによる反射率が生体の平均的な反射率に対して非常に小さいと予想されることなどから、超音波受波信号が小さくて画像化に必要なＳ／Ｎが得られないことがあった。
【０００６】
さらに、上記のような針状超音波探触子を用いた超音波診断装置においては、通常の探触子で被検体内部の診断部位について得た超音波断層像（Ｂモード像）と針状超音波探触子で刺入部について得た超音波画像（針先像）或いは被検体内部の超音波断層像と刺入部の正常組織及び異常組織の超音波画像とを表示装置の画面に同時に表示することはしていなかった。従って、被検体内部の診断部位と刺入部との位置関係が直ちには分からないと共に、刺入部の異常組織が正常組織とどのように違うかがわからないので、診断及び治療が正確かつスムーズにできないことがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、生体組織へ直接刺入する針状部分を着脱可能として被検体に対する安全性を向上すると共に、収集した超音波画像信号のＳ／Ｎを向上することができ、かつ表示装置に被検体内部の超音波断層像と刺入部の超音波画像とを同時に表示することができる針状超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置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、本発明による針状超音波探触子は、中空パイプ状に形成された外針の内側に、丸棒状に形成されると共に先端部が円錐状に形成された内針をその軸周りに回転可能及びその軸方向に並進可能に挿入し、上記内針の先端部近傍の外側面には超音波を送受波する超音波変換器を設けて成り、上記内針及び外針を被検体内に刺入して上記超音波変換器から超音波を送受波すると共に上記内針を回転及び並進の２次元走査を行って生体組織の超音波画像信号を収集する針状超音波探触子において、上記内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる駆動機構を内蔵した本体部分と、被検体内に刺入する内針及び外針を有する針状部分とを着脱する着脱手段を備えたものである。
【０００９】
また、関連発明としての超音波診断装置は、被検体表面に当接して操作し被検体内に向けて超音波を送受波する探触子と、この探触子を駆動して超音波を送受波させると共に収集した超音波画像信号を処理して被検体内部の超音波断層像を作成する超音波装置と、この超音波装置からの画像信号を取り込んで超音波断層像を表示する表示装置と、先端部が穿刺針状で外側面に超音波変換器を有し被検体内に刺入して超音波の送受波を行うと共に走査を行って生体組織の超音波画像信号を収集する針状超音波探触子と、この針状超音波探触子で収集した超音波画像信号を処理して刺入部の超音波画像を作成する画像処理部とを備えて成る超音波診断装置において、上記針状超音波探触子として請求項１記載の針状超音波探触子を用い、針状超音波探触子の内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる駆動機構の駆動手段と、上記内針の駆動と同期させて収集した超音波画像信号を演算する演算手段と、上記駆動手段及び演算手段の動作を制御する制御手段とを備え、上記表示装置に被検体内部の超音波断層像と刺入部の超音波画像とを同時に表示するようにしたものである。
【００１０】
なお、上記駆動手段及び演算手段の動作を制御する制御手段は、針状超音波探触子の内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を間歇的に行いながら、その停止期間内に上記針状超音波探触子による所定回数の超音波の送受波を繰り返すと共に受波信号を演算処理するようにしてもよい。
【００１１】
また、上記駆動手段及び演算手段の動作を制御する制御手段は、針状超音波探触子の内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を連続的に行いながら、上記針状超音波探触子による超音波の送受波を繰り返すと共に所定回数の受波信号を演算処理するようにしてもよい。
【００１２】
さらに、上記駆動手段及び演算手段の動作を制御する制御手段は、針状超音波探触子の内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を間歇的に行う走査速度と超音波受波信号の演算密度、又は針状超音波探触子の内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を連続的に行う走査速度と超音波受波信号の演算密度をそれぞれ可変にしてもよい。
【００１３】
また、上記演算手段は、入力した超音波受波信号について演算する第一の演算器と、この第一の演算器からの出力信号を記憶するメモリ部と、このメモリ部からの出力信号について演算する第二の演算器との三段構成としてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による針状超音波探触子の実施の形態を示す中央縦断面図である。この針状超音波探触子は、針先に設けた超音波変換器を被検体内の生体組織へ直接刺入して超音波の２次元走査により上記生体組織の超音波画像を収集するもので、図１に示すように、外針１及び内針２を有する針状部分２１と、本体部分４とを備えている。
【００１５】
上記外針１は、内針２を内側に保持して被検体の生体組織へ刺入する際のガイドをする部材となるもので、金属などの剛性材料で外径が１〜２ｍｍ程度の細径の中空パイプ状に形成されている。上記外針１の内側には、内針２が挿入されている。この内針２は、後述の超音波変換器３を外側面に保持して被検体の生体組織へ直接刺入するもので、金属などの剛性材料で外径が１〜２ｍｍ程度の細径の丸棒状に形成されると共に先端部５が円錐状に形成されており、上記外針１の内側に小さなクリアランスをあけて同軸状に挿入されて、図２に示すようにその軸周りに矢印Ｂのように回転可能及びその軸方向に矢印Ｃのように並進可能に設けられている。
【００１６】
上記内針２の先端部５近傍の外側面には、超音波変換器３が設けられている。この超音波変換器３は、被検体内に超音波を打ち出すと共に生体組織から反射してきたエコー信号を受波するもので、図３に示すように、内針２の外側面の一部に溝６が形成されており、この溝６内に嵌め込んで固定されている。上記超音波変換器３は、サファイアやシリコンなどの音響レンズ材７をベースにして、この音響レンズ材７の一方の面８に下部電極９と圧電素子１０と上部電極１１とを設け、他方の面１２には凹球面状に形成したレンズ面１３を設けて成る。そして、上記下部電極９と圧電素子１０と上部電極１１とを駆動することにより、超音波１４が発生され、この超音波１４は上記レンズ面１３で屈折して曲げられ、その屈折後の超音波１４′は焦点１５に収束するようになっている。なお、符号１６は被検体を示し、符号１７は図２に示すように内針２を矢印Ｂのように回転することにより上記焦点１５によって得られる画像化領域を示している。また、図１に示すように、上記音響レンズ材７の一部に中間ベース１８を搭載し、この中間ベース１８と上記下部電極９、上部電極１１とをそれぞれ信号線１９でボンディングし、さらに上記中間ベース１８にケーブル２０を接続して図示外の制御装置に接続されている。
【００１７】
そして、上記外針１の内側に内針２を挿入した全体で針状部分２１を構成している。このような状態で、上記針状部分２１を被検体１６内に刺入し、超音波変換器３から超音波を被検体１６内に送受波すると共に上記内針２を矢印Ｂのように回転及び矢印Ｃのように並進して２次元走査を行い、上記被検体１６の生体組織の超音波画像を収集するようになっている。
【００１８】
ここで、本発明においては、図１に示すように、上記本体部分４の内部に内針２の駆動機構２２が設けられると共に、この本体部分４に上記針状部分２１を着脱可能に組み合わせる着脱手段を備えている。まず、上記駆動機構２２は、内針２を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させるもので、回転アクチュエータ２３と、第一可動ブロック２４と、並進アクチュエータ２５と、第二可動ブロック２６とから成る。回転アクチュエータ２３は、図２に示すように内針２をその軸周りに矢印Ｂ方向に回転させるもので、例えば小型の電気モータ等から成り、本体部分４の筒状体２７の基端部に固定されている。上記回転アクチュエータ２３の回転軸２８には、第一可動ブロック２４が取り付けられている。この第一可動ブロック２４は、後述の第二可動ブロック２６に対して上記回転アクチュエータ２３の回転力をそのまま伝達するもので、先端部に噛み合い突部２９を有している。
【００１９】
また、上記回転アクチュエータ２３の回転軸２８には、並進アクチュエータ２５が連結されている。この並進アクチュエータ２５は、図２に示すように内針２をその軸方向に矢印Ｃのように並進させるもので、例えば前後方向の駆動力を発生する積層圧電体やモータの回転運動を直進運動に変更するリニアアクチュエータ等から成る。さらに、上記並進アクチュエータ２５の先端部には、第二可動ブロック２６が取り付けられている。この第二可動ブロック２６は、前記内針２に回転アクチュエータ２３の回転力と並進アクチュエータ２５の直進運動とを共に伝達するもので、基端部に上記第一可動ブロック２４の噛み合い突部２９と係合する噛み合い凹部３０を有している。そして、この噛み合い凹部３０と上記噛み合い突部２９とを噛み合わせると共に互いにスライド可能に係合するようになっている。このとき、上記噛み合い突部２９と噛み合い凹部３０との係合長さは、並進アクチュエータ２５の直進運動の距離を吸収しうる長さとされている。
【００２０】
次に、上記本体部分４に対する針状部分２１の着脱可能の構造は、上記第二可動ブロック２６の先端に、内針挟持片３１が突設されると共にその内側面には接続端子３２が設けられている。また、上記本体部分４の筒状体２７の先端部には、外針挟持部３３が延長して設けられると共に、その外針挟持部３３の根元部には回転操作することにより該外針挟持部３３の先端を開閉することができる固定用ノブ３４が設けられている。一方、針状部分２１の内針２の基端部には、上記内針挟持片３１の接続端子３２と接触する電極３５が設けられている。そして、上記針状部分２１の内針２の基端部を本体部分４の先端部に挿入し電極３５を内針挟持片３１の接続端子３２に接触させると共に、外針１の基端部を外針挟持部３３の内側に挿入し、固定用ノブ３４を締め付けることにより該外針挟持部３３の先端を閉めて、針状部分２１を固定状態に装着する。また、この状態から、上記固定用ノブ３４を緩めることにより該外針挟持部３３の先端を拡げて、針状部分２１を解放して外す。そして、上記内針挟持片３１及び外針挟持部３３並びに固定用ノブ３４により、本体部分４に対して針状部分２１を着脱可能とする着脱手段が構成されている。
【００２１】
図４は図１に示す針状超音波探触子の関連発明としての超音波診断装置の実施の形態を示すブロック図である。この超音波診断装置は、超音波を利用して被検体の診断部位及び刺入部について超音波画像を得るもので、図４に示すように、探触子３６と、超音波装置３７と、モニタ３８と、針状超音波探触子３９と、画像処理部４０とを備えて成る。
【００２２】
上記探触子３６は、被検体１６表面に当接して操作し被検体１６内に向けて超音波を送受波するもので、その内部には超音波を打ち出すと共に反射エコーを受信する超音波振動子が設けられている。超音波装置３７は、上記探触子３６を駆動して超音波を送受波させると共に収集した超音波画像信号を処理して被検体１６内部の診断部位４１の超音波断層像を作成するもので、その内部には送波回路、受波回路、対数圧縮回路、検波回路などが設けられている。モニタ３８は、上記超音波装置３７からの画像信号を取り込んで超音波断層像を表示する表示装置となるものである。また、針状超音波探触子３９は、先端部が穿刺針状で外側面に超音波変換器を有し被検体１６内に刺入して超音波の送受波を行うと共に走査を行って生体組織の超音波画像信号を収集するものである。
【００２３】
さらに、画像処理部４０は、上記針状超音波探触子３９で収集した超音波画像信号を処理して診断部位４１内の刺入部の超音波画像を作成するもので、図６に示すように、コネクタ４２を介して針状超音波探触子３９に送波駆動信号を供給する送波回路４３と、上記針状超音波探触子３９で受信し受波回路４４で取り出した超音波受波信号をコネクタ４５を介して入力し増幅するプリアンプ４６と、このプリアンプ４６からの超音波受波信号の信号レベルを最適化するゲイン調整部４７と、カウンタ４８の設定値に従って同期回路４９により送波回路４３を制御して超音波の送受波を繰り返すと共に上記ゲイン調整部４７からの受波信号の演算を行う演算手段となる演算回路５０と、コネクタ５１を介して針状超音波探触子３９の駆動機構２２に駆動信号を送る駆動手段となる駆動回路５２と、バスライン５３を介して上記演算回路５０及び駆動回路５２を一括制御する制御手段となるパーソナルコンピュータなどの制御回路部５４と、上記演算回路５０からの超音波画像信号について対数圧縮及び検波処理などを行う信号処理回路５５とから成る。なお、この信号処理回路５５からの出力信号は、コネクタ５６を介してモニタ３８に送られる。
【００２４】
ここで、本発明の超音波診断装置においては、上記針状超音波探触子３９として、図１に示すように本体部分４に駆動機構２２が内蔵されると共にその本体部分４に対し針状部分２１が着脱可能に組み合わされた針状超音波探触子が用いられている。また、上記画像処理部４０の内部には、針状超音波探触子３９の内針２を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる駆動機構２２の駆動回路５２を設けると共に、上記内針２の駆動と同期させて収集した超音波画像信号を演算する演算回路５０を設け、かつ上記駆動回路５２及び演算回路５０の動作を制御する制御回路部５４を設けたことが特徴である。
【００２５】
そして、上記演算回路５０の内部構成は、図７に示すように、入力した超音波受波信号について演算する第一の演算器５７と、この第一の演算器５７からの出力信号を記憶するメモリ部５８と、このメモリ部５８からの出力信号について演算する第二の演算器５９との三段構成とされている。なお、図７において、第一のラッチ６０は、上記第一の演算器５７の演算結果を一時保存すると共に、メモリ部５８へ送るものである。また、アドレス回路６１は、上記メモリ部５８への記録に先立って所定のアドレスデータを発生させるものである。さらに、第二のラッチ６２は、上記メモリ部５８から読み出されたデータを一時保存すると共に、第一の演算器５７の別の入力部へ転送するものである。そして、制御回路６３は、上記各構成要素の動作を制御するものである。
【００２６】
次に、このような演算回路５０の動作について、図８に示すタイムチャートを参照しながら説明する。まず、図７において、画像化処理された超音波受波信号は、所定ビットでＡ／Ｄ変換された後に第一の演算器５７へ入力データＤ１，Ｄ２，…として入力する（図８（ａ））。次に、上記第一の演算器５７で演算処理されたデータは、第一のラッチ６０に一時保存されると共に、メモリ部５８に送られて順次記録される。このとき、上記メモリ部５８への記録に先立って、アドレス回路６１は所定のアドレスデータＡ１，Ａ２，…を発生させ（図８（ｃ））、アドレスが確定すると既に記録済みのデータをメモリ部５８から読み出すと共に、新しいデータを記録する。すなわち、制御回路６３は、メモリ部５８に対し図８（ｂ）に示すようにリード、ライトを切り換え、該メモリ部５８をいわゆるリードモディファイライトサイクルにて使用するように制御する。このリードモディファイライトサイクルは、同じアドレスＡ１，Ａ２，…に対してアドレス保持時間の半分をデータ出力（リード）に、残り半分をデータ入力（ライト）にそれぞれ使用するものである。
【００２７】
次に、上記アドレス確定後の前半の時間で、メモリ部５８は予め記録されていたデータを図８（ｄ）に示すＤ１０１，Ｄ１０２，…のように出力し、第二のラッチ６２へ送る。第二のラッチ６２はこれを一時保存してから図８（ｅ）に示すＤ１０１ ，Ｄ１０２，…のように出力し、第一の演算器５７の別の入力部へ転送する。すると、第一の演算器５７は、入力したデータＤ１０１，Ｄ１０２，…について所定の演算を行い、その演算結果を第一のラッチ６０に送る。以後、上述と同様にして処理が進み、第一の演算器５７及びメモリ部５８で演算されたデータが第二のラッチ６２を介して第二の演算器５９へ送られる。次に、第二の演算器５９は、第二のラッチ６２から出力されたデータを入力し、第一の演算器５７による演算結果をその演算回数で除して規格化し、原データと同じビット長となるように処理する。その結果、第二の演算器５９からは、図８（ｆ）に示すように演算処理後のデータＤ２０１，Ｄ２０２，…が出力される。なお、上記第二の演算器５９は、具体的には除算器などを用いれば実現可能であり、制御回路６３で必要データを設定すればよい。
【００２８】
以上のように、本発明では、演算回路５０を第一の演算器５７とメモリ部５８と第二の演算器５９との三段構成としたことにより、演算処理のための繰り返し演算回数を自由に設定でき、演算結果の規格化などと共にリアルタイムの演算処理を実現することができる。
【００２９】
次に、このように構成された超音波診断装置の動作について説明する。まず、図４において、探触子３６と超音波装置３７とモニタ３８とを用いて、被検体１６内の診断部位４１を観察しながら針状超音波探触子３９の内針２を所望の刺入部まで誘導する。次に、上記刺入した針状超音波探触子３９において、図３に示す上部電極１１に超音波の送波電圧を印加して圧電素子１０から所定周波数の超音波１４を発生させ、音響レンズ材７のレンズ面１３で超音波１４′を屈折、収束させて焦点１５を形成する。これと共に、上記焦点位置に対応する被検体１６の生体組織からの反射エコーを上記と逆経路で圧電素子１０に導いて受波信号を発生させ、この受波信号を図４に示す画像処理部４０へ送って信号処理を行い、モニタ３８上に刺入部の超音波画像を表示する。
【００３０】
このとき、図５に示すように、上記モニタ３８の画面には、被検体１６内部の診断部位４１の超音波断層像６４と上記診断部位４１の刺入部の超音波画像（針先像）６５とが同時に表示される。このような状態で、図４において探触子３６及び針状超音波探触子３９で超音波の送受波を行いながら、図１に示す駆動機構２２を操作して図２に示すように内針２を画像化領域１７に沿って矢印Ｂ，Ｃのように回転及び並進操作することにより、リアルタイムに生体組織の細胞レベルでの超音波画像を得ることができる。この場合、図６に示す制御回路部５４は、針状超音波探触子３９の内針２を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を間歇的に行いながら、その停止期間内に上記針状超音波探触子３９による所定回数の超音波の送受波を繰り返すと共に受波信号を演算処理するように制御する。
【００３１】
図９は、上記制御回路部５４による針状超音波探触子３９の移動操作と超音波信号の送受波の演算との関係を示す動作タイミングの説明図である。図１に示す駆動機構２２による回転及び並進操作により、使用している超音波の周波数から得られる分解能と同等かそれより小さいステップ間隔で内針２を移動するときの画像化領域１７（図２参照）上での超音波の焦点１５の軌跡は、図９（ａ）に示すようになる。この図９（ａ）において、符号６６はステップ的に回転するときの間隔を示し、符号６７は上記ステップ的に回転した後の停止状態を示し、符号６８はいくつかステップ的に回転（６６）した後にステップ的に並進するときの間隔を示している。
【００３２】
また、上記駆動機構２２によりステップ的に移動を行った際に、その停止状態６７で所定回数の超音波の送受波と演算処理を行う動作は、図９（ｂ）に示すようになる。図９（ｂ）の動作タイミングにおいて、領域ａは上記ステップ的に回転する移動時（６６）を示し、領域ｂは上記ステップ的に回転した後の停止時（６７）を示し、符号６９は上記領域ｂにおいて間隔ｃで超音波の送波・受波並びに受波信号の演算を行うタイミングを示している。さらに、領域ｄは上記ステップ的に回転（６６）した後にステップ的に並進する移動時（６８）を示している。この場合、超音波の送波・受波並びに受波信号の演算を上記の動作タイミングで領域ｂの停止時に所定の回数だけ実行することにより、反射率が小さい場合でも効率よく信号強度の大きい受波信号を得ることができる。従って、Ｓ／Ｎの高い信号を得ることができ、受波信号が小さい場合でも高画質の超音波画像が得られる。
【００３３】
図１０は、上記針状超音波探触子３９の移動操作と超音波信号の送受波の演算との関係の他の例を示す動作タイミングの説明図である。この場合、図６に示す制御回路部５４は、針状超音波探触子３９の内針２を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を連続的に行いながら、上記針状超音波探触子３９による超音波の送受波を繰り返すと共に所定回数の受波信号を演算処理するように制御する。図１に示す駆動機構２２による回転及び並進操作により、連続して内針２を移動するときの画像化領域１７（図２参照）上での超音波の焦点１５の軌跡は、図１０（ａ）に示すようになる。この図１０（ａ）において、符号７０は例えば鋸刃状に連続して往復移動する軌跡を示している。
【００３４】
また、上記駆動機構２２により連続して移動を行った際に、その移動状態７０で所定回数の超音波の送受波と演算処理を行う動作は、図１０（ｂ）に示すようになる。図１０（ｂ）の動作タイミングにおいて、符号７１は間隔ｃで超音波の送波・受波並びに受波信号の演算を行うタイミングを示している。このとき、図１０（ｃ）に示すように、超音波の周波数と音速と超音波レンズのＦ数とから得られる焦点位置でのスポット径をｄとし、駆動機構２２の動作速度をｖとすると、ｔ＝ｄ／ｖの時間内にできるだけ多くの送波・受波並びに受波信号の演算を実行して、上記スポット径ｄのオーバーラップを多くするようにすればよい。このように、超音波の送波・受波並びに受波信号の演算を上記の動作タイミングで所定の回数だけ実行することにより、反射率が小さい場合でも効率よく信号強度の大きい受波信号を得ることができる。従って、Ｓ／Ｎの高い信号を得ることができ、受波信号が小さい場合でも高画質の超音波画像が得られる。
【００３５】
なお、図示はしていないが、上記制御回路部５４の制御において、針状超音波探触子３９の内針２を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を間歇的に行う走査速度と超音波受波信号の演算密度、又は針状超音波探触子３９の内針２を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる動作を連続的に行う走査速度と超音波受波信号の演算密度をそれぞれ可変にしてもよい。この場合は、試料組織の密度及び反射信号強度の程度に合わせて走査速度と超音波受波信号の演算密度を選択することにより、画像化時間或いは解像度の制御を行うことが可能である。すなわち、試料組織の密度がラフな場合や反射信号強度が大きい場合或いは解像度を必要としない場合には、図９においてステップ間隔を大きくしたり演算回数を減らし、また図１０において移動速度を早くしたり超音波の送波・受波並びに受波信号の演算のタイミングを長くすればよい。
【００３６】
なお、以上において、図５に示すモニタ３８の画面に表示する針先像６５としては、刺入部の正常組織の画像６５ａと、異常組織の画像６５ｂとを並べて表示してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明による針状超音波探触子（図１参照）は以上のように構成されたので、内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる駆動機構を内蔵した本体部分に対し、被検体内に刺入する内針及び外針を有する針状部分を着脱手段で着脱可能に組み合わせたことにより、生体組織へ直接刺入する針状部分を被検体毎に容易に交換することができる。従って、従来のように針状部分を十分に消毒して再使用する必要はなく、取り扱いが容易であると共に、被検体に対する安全性を向上することができる。
【００３８】
また、関連発明としての超音波診断装置（図４参照）は以上のように構成されたので、被検体表面に当接して操作し被検体内に向けて超音波を送受波すると共に走査を行って診断部位の断層像信号を収集する探触子と、先端部が穿刺針状で外側面に超音波変換器を有し被検体内に刺入して超音波の送受波を行うと共に走査を行って生体組織の超音波画像信号を収集する針状超音波探触子とを有して成る超音波診断装置において、上記針状超音波探触子として前記特定発明の針状超音波探触子を用い、該針状超音波探触子の内針を軸周りに回転させ或いはその軸方向に並進させる駆動機構の駆動手段と、上記内針の駆動と同期させて収集した超音波画像信号を演算する演算手段と、上記駆動手段及び演算手段の動作を制御する制御手段とを備えたことにより、超音波の送波・受波並びに受波信号の演算を所定の回数だけ実行することにより、反射率が小さい場合でも効率よく信号強度の大きい受波信号を得ることができる。従って、Ｓ／Ｎの高い信号を得ることができ、受波信号が小さい場合でも高画質の超音波画像が得られる。また、上記表示装置には被検体内部の超音波断層像と刺入部の超音波画像とを同時に表示することができるので、瞬時に病変を確定することができる。これにより、被検体内部の診断部位と刺入部との位置関係が直ちに分かり、診断及び治療が正確かつスムーズにできる。Detailed Description of the Invention
[0001]
[Technical Field to which the Invention Belongs]
The present invention relates to a needle-shaped ultrasonic probe that directly inserts an ultrasonic transducer attached to the needle tip into biological tissue inside a subject and collects ultrasonic images of the biological tissue by two-dimensional ultrasonic scanning. In particular, the present invention relates to a needle-shaped ultrasonic probe that has a detachable needle-shaped part that is directly inserted into biological tissue, thereby improving safety for the subject and improving the S/N ratio of collected ultrasonic image signals, and that can simultaneously display ultrasonic tomographic images of the inside of the subject and ultrasonic images of the insertion site on a display device, and an ultrasonic diagnostic device using the same.
[0002]
2. Description of the Related Art
Biopsies are commonly used to diagnose lesions in various parts of the body cavity. While imaging the lesion with an ultrasound diagnostic device, a puncture needle is inserted to a predetermined location, a portion of the tissue from the lesion is captured and collected at the tip of the needle, and an observation sample is then prepared. The tissue is then examined under an optical microscope for diagnosis. However, this method requires the tissue to be extracted from the body and then various processes are performed to prepare the sample, resulting in a lengthy diagnosis time. Furthermore, various processing steps on the sample can potentially alter the tissue from its in vivo state. To address these issues, needle-shaped ultrasound probes have been proposed in recent years, such as in Japanese Patent Publication Nos. 4-78299 and 5-9097, in which an ultrasound transducer is attached to a puncture needle and inserted directly into the lesion to examine the tissue characteristics of the lesion or to image the surrounding tissue.
[0003]
In conventional needle-shaped ultrasonic probes, an inner needle made of a rigid material and formed in the shape of a small-diameter round rod with a conical tip is inserted inside an outer needle made of a rigid material and formed in the shape of a small-diameter hollow pipe, so that it can rotate around its axis and move in the axial direction, and an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves is provided on the outer surface near the tip of the inner needle.The inner and outer needles are inserted into the subject, and ultrasonic waves are transmitted and received from the ultrasonic transducer, and two-dimensional scanning of the inner needle by rotation and translation is performed to collect ultrasonic images of the biological tissue.
[0004]
[Problem to be solved by the invention]
However, in such conventional needle-shaped ultrasonic probes, the needle-shaped part having the inner needle and outer needle that are inserted into the subject is not detachable, and it is not possible to easily replace just the needle-shaped part for each different subject. Therefore, when reusing the probe, the needle-shaped part must be thoroughly disinfected, making it difficult to handle and requiring careful attention to safety.
[0005]
Furthermore, for tissue characterization diagnosis of lesions using needle-shaped ultrasonic probes, a method of directly analyzing the ultrasound image of the lesion is effective. To achieve this, a high resolution of at least several micrometers to several tens of micrometers is required to image the microstructure at the cellular level. Therefore, the center frequency of the ultrasonic transducer's transmission and reception waves must be a high frequency of several tens to several hundreds of megahertz, which requires a thin-film transducer. Furthermore, to minimize invasiveness to the living body, the diameter of the needle-shaped portion must be kept to approximately 1 mm, making it difficult to install multiple ultrasonic transducers. For this reason, scanning with an ultrasonic transducer using a thin-film transducer is considered effective. However, due to the thin-film transducer's dielectric strength, a large voltage cannot be applied, making it impossible to increase the ultrasonic power. Furthermore, the reflectance at the cellular level within the living body due to differences in acoustic impedance is expected to be very small compared to the average reflectance of the living body. Therefore, the received ultrasonic signal is often too small to achieve the S/N ratio required for imaging.
[0006]
Furthermore, in the ultrasound diagnostic device using the needle-shaped ultrasound probe described above, the ultrasound tomographic image (B-mode image) of the diagnostic region inside the subject obtained with a normal probe and the ultrasound image (needle tip image) of the insertion site obtained with the needle-shaped ultrasound probe, or the ultrasound tomographic image inside the subject and the ultrasound images of the normal and abnormal tissues at the insertion site, are not displayed simultaneously on the screen of the display device. Therefore, the positional relationship between the diagnostic region inside the subject and the insertion site is not immediately clear, and it is not clear how the abnormal tissue at the insertion site differs from normal tissue, which sometimes makes it difficult to perform accurate and smooth diagnosis and treatment.
[0007]
Therefore, the present invention addresses these problems by providing a needle-shaped ultrasonic probe and an ultrasonic diagnostic device using the same, which has a detachable needle-shaped part that is inserted directly into biological tissue, thereby improving safety for the subject, and which can improve the S/N ratio of collected ultrasonic image signals and simultaneously display an ultrasonic tomographic image of the interior of the subject and an ultrasonic image of the insertion site on a display device.
[0008]
[Means for solving the problem]
In order to achieve the above object, the needle-shaped ultrasonic probe of the present invention comprises an inner needle formed in the shape of a hollow pipe, which is inserted inside the outer needle , and which is formed in the shape of a round rod with a conical tip so that the inner needle can rotate around its axis and move in a translating manner in the axial direction, and an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves is provided on the outer surface near the tip of the inner needle, and the inner and outer needles are inserted into a subject to transmit and receive ultrasonic waves from the ultrasonic transducer and perform two-dimensional scanning of the inner needle by rotation and translation to collect ultrasonic image signals of biological tissue.The needle-shaped ultrasonic probe comprises a main body portion incorporating a drive mechanism for rotating the inner needle around its axis or moving it in a translating manner, and an attachment/detachment means for attaching and detaching the needle-shaped portion having the inner needle and outer needle to be inserted into the subject.
[0009]
The ultrasonic diagnostic device as a related invention comprises a probe that is operated by contacting the surface of a subject to transmit and receive ultrasonic waves into the subject, an ultrasonic device that drives the probe to transmit and receive ultrasonic waves and processes the collected ultrasonic image signals to create an ultrasonic tomographic image of the inside of the subject, a display device that takes in the image signals from the ultrasonic device and displays the ultrasonic tomographic image , a needle-shaped ultrasonic probe with a needle-shaped tip that has an ultrasonic transducer on its outer surface and is inserted into the subject to transmit and receive ultrasonic waves and scan to collect ultrasonic image signals of biological tissue, and a needle-shaped ultrasonic probe. an image processing unit that processes the collected ultrasound image signals to create an ultrasound image of the insertion site, in which the needle-shaped ultrasound probe of claim 1 is used as the needle-shaped ultrasound probe , and the device is equipped with a driving means of a driving mechanism that rotates the inner needle of the needle-shaped ultrasound probe around its axis or translates it in the axial direction, a calculation means that calculates the collected ultrasound image signals in synchronization with the drive of the inner needle, and a control means that controls the operation of the driving means and the calculation means , and the display device is configured to simultaneously display an ultrasound tomographic image of the interior of the subject and an ultrasound image of the insertion site.
[0010]
In addition, the control means that controls the operation of the driving means and the calculation means may intermittently rotate the inner needle of the needle-shaped ultrasonic probe around its axis or translate it in its axial direction, and during the stop period, repeat the transmission and reception of ultrasonic waves by the needle-shaped ultrasonic probe a predetermined number of times and perform calculation processing on the received signal.
[0011]
Furthermore, the control means for controlling the operation of the driving means and the calculation means may be configured to repeatedly transmit and receive ultrasonic waves by the needle-shaped ultrasonic probe while continuously rotating the inner needle of the needle-shaped ultrasonic probe around its axis or translating it in the axial direction, and to perform calculation processing on the received signals a predetermined number of times.
[0012]
Furthermore, the control means for controlling the operation of the driving means and the calculation means may vary the scanning speed and calculation density of the ultrasonic reception signal when the inner needle of the needle-shaped ultrasonic probe is rotated around its axis or translated in its axial direction intermittently, or the scanning speed and calculation density of the ultrasonic reception signal when the inner needle of the needle-shaped ultrasonic probe is rotated around its axis or translated in its axial direction continuously.
[0013]
In addition, the calculation means may have a three-stage configuration including a first calculator that performs calculations on the input ultrasonic reception signal, a memory unit that stores the output signal from the first calculator, and a second calculator that performs calculations on the output signal from the memory unit.
[0014]
[Embodiments of the Invention]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1 is a central longitudinal cross-sectional view showing an embodiment of a needle-shaped ultrasonic probe according to the present invention. This needle-shaped ultrasonic probe has an ultrasonic transducer attached to the needle tip that is inserted directly into biological tissue within a subject, and collects ultrasonic images of the biological tissue by two-dimensional ultrasonic scanning. As shown in FIG. 1, the needle-shaped probe comprises a needle-shaped portion 21 having an outer needle 1 and an inner needle 2, and a main body portion 4 .
[0015]
The outer needle 1 serves as a member for holding the inner needle 2 inside and guiding it when it is inserted into the biological tissue of a subject, and is formed as a small-diameter hollow pipe made of a rigid material such as metal and having an outer diameter of about 1 to 2 mm. The inner needle 2 is inserted inside the outer needle 1. This inner needle 2 holds an ultrasonic transducer 3 (described below) on its outer surface and is inserted directly into the biological tissue of a subject, and is formed as a small-diameter round rod made of a rigid material such as metal and having an outer diameter of about 1 to 2 mm, with a conical tip 5. The inner needle 2 is inserted coaxially inside the outer needle 1 with a small clearance, and is provided so as to be rotatable about its axis as indicated by arrow B and so as to be able to translate along its axial direction as indicated by arrow C, as shown in Figure 2.
[0016]
An ultrasonic transducer 3 is provided on the outer surface of the inner needle 2 near the tip 5. This ultrasonic transducer 3 emits ultrasonic waves into the subject and receives echo signals reflected from biological tissue. As shown in FIG. 3, a groove 6 is formed in a portion of the outer surface of the inner needle 2, and the ultrasonic transducer 3 is fitted and fixed into this groove 6. The ultrasonic transducer 3 is based on an acoustic lens material 7 such as sapphire or silicon. One surface 8 of the acoustic lens material 7 is provided with a lower electrode 9, a piezoelectric element 10, and an upper electrode 11, and the other surface 12 is provided with a lens surface 13 formed in a concave spherical shape. By driving the lower electrode 9, piezoelectric element 10, and upper electrode 11, ultrasonic waves 14 are generated. The ultrasonic waves 14 are refracted and bent by the lens surface 13, and the refracted ultrasonic waves 14' are focused at a focal point 15. Reference numeral 16 denotes the subject, and reference numeral 17 denotes the imaging area obtained by rotating the inner needle 2 in the direction of arrow B as shown in FIG. 2 at the focal point 15. As shown in FIG. 1, an intermediate base 18 is mounted on a part of the acoustic lens material 7, and this intermediate base 18 is bonded to the lower electrode 9 and the upper electrode 11 with signal lines 19, and furthermore, a cable 20 is connected to the intermediate base 18 and connected to a control device not shown.
[0017]
The needle-like portion 21 is formed by inserting the inner needle 2 into the outer needle 1. In this state, the needle-like portion 21 is inserted into the subject 16, and ultrasonic waves are transmitted and received from the ultrasonic transducer 3 to the subject 16, while the inner needle 2 is rotated as shown by arrow B and translated as shown by arrow C to perform two-dimensional scanning, thereby collecting ultrasonic images of the biological tissue of the subject 16.
[0018]
In the present invention, as shown in Fig. 1, a drive mechanism 22 for the inner needle 2 is provided inside the main body portion 4, and an attachment/detachment means is provided for detachably combining the needle-like portion 21 with the main body portion 4. First, the drive mechanism 22 rotates the inner needle 2 about its axis or translates it in its axial direction, and is composed of a rotation actuator 23, a first movable block 24, a translation actuator 25, and a second movable block 26. As shown in Fig. 2, the rotation actuator 23 rotates the inner needle 2 about its axis in the direction of arrow B, and is composed of, for example, a small electric motor or the like, and is fixed to the proximal end of the tubular body 27 of the main body portion 4. A first movable block 24 is attached to a rotation shaft 28 of the rotation actuator 23. This first movable block 24 transmits the rotational force of the rotation actuator 23 directly to the second movable block 26, which will be described later, and has an engagement protrusion 29 at its tip.
[0019]
A translational actuator 25 is connected to the rotational shaft 28 of the rotational actuator 23. As shown in FIG. 2 , this translational actuator 25 translates the inner needle 2 in its axial direction as indicated by arrow C, and is composed of, for example, a laminated piezoelectric element that generates a driving force in the front-to-rear direction or a linear actuator that converts the rotational motion of a motor into linear motion. Furthermore, a second movable block 26 is attached to the distal end of the translational actuator 25. This second movable block 26 transmits both the rotational force of the rotational actuator 23 and the linear motion of the translational actuator 25 to the inner needle 2, and has, at its proximal end, an interlocking recess 30 that engages with the interlocking protrusion 29 of the first movable block 24. The interlocking recess 30 and the interlocking protrusion 29 are interlocked and slidably engaged with each other. The engagement length between the interlocking protrusion 29 and the interlocking recess 30 is set to a length that can accommodate the distance of the linear motion of the translational actuator 25.
[0020]
Next, the structure for attaching and detaching the needle-like portion 21 to the main body portion 4 comprises an inner needle clamping piece 31 protruding from the tip of the second movable block 26, and a connection terminal 32 provided on its inner surface. An outer needle clamping portion 33 is provided extending from the tip of the tubular body 27 of the main body portion 4, and a fixing knob 34 is provided at the base of the outer needle clamping portion 33, which can be rotated to open and close the tip of the outer needle clamping portion 33. Meanwhile, an electrode 35 that comes into contact with the connection terminal 32 of the inner needle clamping piece 31 is provided at the base end of the inner needle 2 of the needle-like portion 21. The base end of the inner needle 2 of the needle-like portion 21 is then inserted into the tip end of the main body portion 4, the electrode 35 is brought into contact with the connection terminal 32 of the inner needle clamping piece 31, the base end of the outer needle 1 is inserted inside the outer needle clamping portion 33, and the fixing knob 34 is tightened to close the tip of the outer needle clamping portion 33 and attach the needle-like portion 21 in a fixed state. From this state, the fixing knob 34 is loosened to spread the tip of the outer needle clamping portion 33 and release and remove the needle-like portion 21. The inner needle clamping piece 31, the outer needle clamping portion 33, and the fixing knob 34 constitute an attachment/detachment means that allows the needle-like portion 21 to be attached and detached to the main body portion 4.
[0021]
Figure 4 is a block diagram showing an embodiment of an ultrasonic diagnostic apparatus as an invention related to the needle-shaped ultrasonic probe shown in Figure 1. This ultrasonic diagnostic apparatus uses ultrasonic waves to obtain ultrasonic images of the diagnostic region and insertion site of the subject, and as shown in Figure 4, comprises a probe 36, an ultrasonic device 37, a monitor 38, a needle-shaped ultrasonic probe 39, and an image processing unit 40.
[0022]
The probe 36 is operated by contacting it with the surface of the subject 16 to transmit and receive ultrasonic waves into the subject 16, and is equipped with an ultrasonic vibrator inside that emits ultrasonic waves and receives reflected echoes. The ultrasound device 37 drives the probe 36 to transmit and receive ultrasonic waves and processes the collected ultrasonic image signals to create an ultrasonic tomographic image of a diagnostic region 41 inside the subject 16, and is equipped with a transmitting circuit, a receiving circuit, a logarithmic compression circuit, a detecting circuit, etc. The monitor 38 serves as a display device that receives the image signal from the ultrasound device 37 and displays the ultrasonic tomographic image . The needle-shaped ultrasound probe 39 has a puncture needle-shaped tip and an ultrasonic transducer on its outer surface, and is inserted into the subject 16 to transmit and receive ultrasonic waves and scan to collect ultrasonic image signals of biological tissue.
[0023]
Furthermore, the image processing unit 40 processes the ultrasonic image signals collected by the needle-shaped ultrasonic probe 39 to create an ultrasonic image of the insertion point in the diagnostic region 41. As shown in FIG. 6, the image processing unit 40 comprises a transmitting circuit 43 that supplies a transmitting drive signal to the needle-shaped ultrasonic probe 39 via a connector 42, a preamplifier 46 that inputs and amplifies the ultrasonic reception signal received by the needle-shaped ultrasonic probe 39 and extracted by a receiving circuit 44 via a connector 45, a gain adjustment unit 47 that optimizes the signal level of the ultrasonic reception signal from the preamplifier 46, and a counter 48 that synchronizes the signal level according to the set value of the counter 48. The ultrasonic probe 39 includes an arithmetic circuit 50 which controls the transmitting circuit 43 by a circuit 49 to repeatedly transmit and receive ultrasonic waves and which functions as arithmetic means for calculating the received signal from the gain adjustment unit 47, a drive circuit 52 which functions as drive means for sending drive signals to the drive mechanism 22 of the needle-shaped ultrasonic probe 39 via a connector 51, a control circuit unit 54 such as a personal computer which functions as control means for collectively controlling the arithmetic circuit 50 and drive circuit 52 via a bus line 53, and a signal processing circuit 55 which performs logarithmic compression, detection processing, etc. on the ultrasonic image signal from the arithmetic circuit 50. The output signal from the signal processing circuit 55 is sent to the monitor 38 via a connector 56.
[0024]
1, the needle-shaped ultrasonic probe 39 used in the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention is a needle-shaped ultrasonic probe in which a drive mechanism 22 is built into the main body 4 and a needle-shaped portion 21 is detachably combined with the main body 4. The image processing unit 40 is characterized by having a drive circuit 52 for the drive mechanism 22 that rotates the inner needle 2 of the needle-shaped ultrasonic probe 39 about its axis or translates it in its axial direction, an arithmetic circuit 50 that calculates ultrasonic image signals collected in synchronization with the drive of the inner needle 2, and a control circuit unit 54 that controls the operation of the drive circuit 52 and the arithmetic circuit 50.
[0025]
As shown in Fig. 7, the internal configuration of the arithmetic circuit 50 is a three-stage configuration including a first arithmetic unit 57 that performs an arithmetic operation on the input ultrasonic reception signal, a memory unit 58 that stores the output signal from the first arithmetic unit 57, and a second arithmetic unit 59 that performs an arithmetic operation on the output signal from the memory unit 58. In Fig. 7, a first latch 60 temporarily stores the arithmetic result of the first arithmetic unit 57 and sends it to the memory unit 58. An address circuit 61 generates predetermined address data prior to recording in the memory unit 58. A second latch 62 temporarily stores data read from the memory unit 58 and transfers it to another input unit of the first arithmetic unit 57. A control circuit 63 controls the operation of each of the above components.
[0026]
Next, the operation of the arithmetic circuit 50 will be described with reference to the time chart shown in FIG. 7. First, in FIG. 7, the ultrasonic wave reception signal that has been image-processed is A/D converted at a predetermined bit rate and then input to the first arithmetic unit 57 as input data D1 , D2 , ... (FIG. 8(a)). Next, the data processed by the first arithmetic unit 57 is temporarily stored in the first latch 60 and sent to the memory unit 58 for sequential recording. At this time, prior to recording in the memory unit 58, the address circuit 61 generates predetermined address data A1 , A2 , ... (FIG. 8(c)). Once the address is determined, the previously recorded data is read from the memory unit 58 and new data is recorded. That is, the control circuit 63 switches between read and write for the memory unit 58 as shown in FIG. 8(b), and controls the memory unit 58 to be used in a so-called read-modify-write cycle. In this read-modify-write cycle, for the same addresses A 1 , A 2 , . . ., half of the address holding time is used for data output (read) and the other half is used for data input (write).
[0027]
Next, in the first half of the time after the address is determined, the memory unit 58 outputs the pre-recorded data as D101 , D102 , ... shown in Figure 8(d) and sends it to the second latch 62. The second latch 62 temporarily stores this data and then outputs it as D101 , D102 , ... shown in Figure 8(e), transferring it to another input section of the first arithmetic unit 57. The first arithmetic unit 57 then performs a predetermined operation on the input data D101 , D102 , ... and sends the operation result to the first latch 60. Thereafter, the processing proceeds in the same manner as described above, and the data operated by the first arithmetic unit 57 and the memory unit 58 is sent to the second arithmetic unit 59 via the second latch 62. Next, the second arithmetic unit 59 receives the data output from the second latch 62, divides the operation result by the first arithmetic unit 57 by the number of operations, normalizes it, and processes it so that it has the same bit length as the original data. As a result, the second computing unit 59 outputs processed data D201 , D202 , ... as shown in Fig. 8(f). The second computing unit 59 can be realized by using a divider or the like, and the necessary data can be set in the control circuit 63.
[0028]
As described above, in the present invention, the arithmetic circuit 50 has a three-stage configuration consisting of the first arithmetic unit 57, the memory unit 58, and the second arithmetic unit 59, so that the number of repeated calculations for the calculation process can be freely set, and real-time calculation process can be realized together with standardization of the calculation results.
[0029]
Next, the operation of the thus configured ultrasound diagnostic apparatus will be described. First, referring to FIG. 4, the inner needle 2 of the needle-shaped ultrasound probe 39 is guided to the desired insertion site while observing a diagnostic region 41 in the subject 16 using the probe 36, ultrasound device 37, and monitor 38. Next, in the inserted needle-shaped ultrasound probe 39, an ultrasound transmission voltage is applied to the upper electrode 11 shown in FIG. 3 to generate ultrasound waves 14 of a predetermined frequency from the piezoelectric element 10. The ultrasound waves 14' are refracted and focused by the lens surface 13 of the acoustic lens material 7 to form a focal point 15. At the same time, a reflected echo from the biological tissue of the subject 16 corresponding to the focal point is guided to the piezoelectric element 10 via the reverse path to generate a received signal. This received signal is then sent to the image processing unit 40 shown in FIG. 4 for signal processing, and an ultrasound image of the insertion site is displayed on the monitor 38.
[0030]
At this time, as shown in Fig. 5, an ultrasonic tomographic image 64 of the diagnostic region 41 inside the subject 16 and an ultrasonic image (needle tip image) 65 of the insertion site of the diagnostic region 41 are simultaneously displayed on the screen of the monitor 38. In this state, while transmitting and receiving ultrasonic waves with the probe 36 and the needle-shaped ultrasonic probe 39 in Fig. 4, ultrasonic images at the cellular level of biological tissue can be obtained in real time by operating the drive mechanism 22 shown in Fig. 1 to rotate and translate the inner needle 2 along the imaging region 17 as indicated by arrows B and C as shown in Fig. 2. In this case, the control circuit unit 54 shown in Fig. 6 intermittently rotates the inner needle 2 of the needle-shaped ultrasonic probe 39 about its axis or translates it in its axial direction, and controls the needle-shaped ultrasonic probe 39 to repeatedly transmit and receive ultrasonic waves a predetermined number of times during the stop periods and to perform arithmetic processing of the received signals.
[0031]
Figure 9 is an explanatory diagram of operational timing showing the relationship between the movement operation of the needle-shaped ultrasonic probe 39 by the control circuit unit 54 and the calculation of the transmission and reception of ultrasonic signals. When the inner needle 2 is moved by rotation and translation operation by the drive mechanism 22 shown in Figure 1 at step intervals equal to or smaller than the resolution obtained from the ultrasonic frequency being used, the trajectory of the ultrasonic focus 15 on the imaging region 17 (see Figure 2) is as shown in Figure 9(a). In Figure 9(a), reference numeral 66 indicates the interval when rotating in steps, reference numeral 67 indicates the stopped state after the above-mentioned rotation in steps, and reference numeral 68 indicates the interval when translating in steps after several rotations in steps (66).
[0032]
Furthermore, when the drive mechanism 22 performs stepwise movement, the operation of transmitting and receiving ultrasonic waves a predetermined number of times and performing calculations while the drive mechanism 22 is stopped (67) is as shown in Figure 9(b). In the operation timing of Figure 9(b), region a indicates the time of the stepwise rotation (66), region b indicates the time when the drive mechanism 22 is stopped (67) after the stepwise rotation, and reference numeral 69 indicates the timing of transmitting and receiving ultrasonic waves and calculating the received signal at intervals c in region b. Furthermore, region d indicates the time when the drive mechanism 22 performs stepwise translation (68) after the stepwise rotation (66). In this case, by performing the transmission and reception of ultrasonic waves and calculating the received signal a predetermined number of times while the drive mechanism 22 is stopped in region b according to the operation timing, a received signal with high signal strength can be efficiently obtained even when the reflectivity is low. Therefore, a signal with a high S/N ratio can be obtained, and a high-quality ultrasound image can be obtained even when the received signal is small.
[0033]
Figure 10 is an explanatory diagram of operational timing showing another example of the relationship between the movement operation of the needle-shaped ultrasonic probe 39 and the calculation of the transmission and reception of ultrasonic signals. In this case, the control circuit unit 54 shown in Figure 6 controls the needle-shaped ultrasonic probe 39 to repeatedly transmit and receive ultrasonic waves and to perform calculation processing on a predetermined number of received signals while continuously rotating the inner needle 2 of the needle-shaped ultrasonic probe 39 about its axis or translating it in its axial direction. When the inner needle 2 is continuously moved by the rotation and translation operation using the drive mechanism 22 shown in Figure 1, the trajectory of the ultrasonic focus 15 on the imaging area 17 (see Figure 2) becomes as shown in Figure 10(a). In Figure 10(a), reference numeral 70 indicates the trajectory of continuous reciprocating movement, for example, in the shape of a sawtooth blade.
[0034]
Furthermore, when the driving mechanism 22 continuously moves, the operation of transmitting and receiving ultrasonic waves and performing calculation processing a predetermined number of times in the moving state 70 is as shown in FIG. 10( b). In the operation timing of FIG. 10( b), reference numeral 71 indicates the timing of transmitting and receiving ultrasonic waves and calculating the received signals at intervals c. As shown in FIG. 10( c), if the spot diameter at the focal position obtained from the ultrasonic frequency, sound velocity, and F-number of the ultrasonic lens is d, and the operating speed of the driving mechanism 22 is v, as shown in FIG. 10( c), it is sufficient to perform as many transmissions and receptions and calculations of the received signals as possible within the time t = d/v to increase the overlap of the spot diameter d. In this way, by transmitting and receiving ultrasonic waves and calculating the received signals a predetermined number of times at the above operation timing, it is possible to efficiently obtain received signals with high signal strength even when the reflectivity is low. Therefore, a signal with a high S/N ratio can be obtained, and a high-quality ultrasound image can be obtained even when the received signal is small.
[0035]
Although not shown, the control circuit unit 54 may control the scanning speed and the calculation density of the ultrasonic reception signal when the inner needle 2 of the needle-shaped ultrasonic probe 39 is rotated about its axis or translated in its axial direction intermittently, or the scanning speed and the calculation density of the ultrasonic reception signal when the inner needle 2 of the needle-shaped ultrasonic probe 39 is rotated about its axis or translated in its axial direction continuously. In this case, the imaging time or resolution can be controlled by selecting the scanning speed and the calculation density of the ultrasonic reception signal according to the density of the sample tissue and the intensity of the reflected signal. That is, when the density of the sample tissue is low, the reflected signal intensity is high, or resolution is not required, the step interval may be increased or the number of calculations may be reduced in Figure 9, or the moving speed may be increased or the timing of transmitting and receiving ultrasonic waves and calculating the received signal may be lengthened in Figure 10.
[0036]
In the above, the needle tip image 65 displayed on the screen of the monitor 38 shown in FIG. 5 may be an image 65a of normal tissue at the insertion site and an image 65b of abnormal tissue displayed side by side.
[0037]
[Effects of the Invention]
The needle-shaped ultrasonic probe according to the present invention (see FIG. 1) is configured as described above, and by combining the needle-shaped part having the inner and outer needles for insertion into the body of the probe with the main body incorporating a drive mechanism for rotating the inner needle around its axis or translating it in the axial direction, the needle-shaped part can be easily replaced for each subject. This eliminates the need to thoroughly disinfect and reuse the needle-shaped part as in the past, making it easier to handle and improving safety for the subject.
[0038]
The ultrasonic diagnostic apparatus (see FIG. 4) of the related invention is configured as described above and includes a probe that is operated by contacting the surface of a subject to transmit and receive ultrasonic waves into the subject and scans to collect tomographic image signals of the diagnostic area, and a needle-shaped ultrasonic probe with a puncture needle-shaped tip and an ultrasonic transducer on its outer surface that is inserted into the subject to transmit and receive ultrasonic waves and scans to collect ultrasonic image signals of biological tissue. The needle-shaped ultrasonic probe of the specific invention is used as the needle-shaped ultrasonic probe, and the apparatus includes a drive means for rotating the inner needle of the needle- shaped ultrasonic probe about its axis or translating it in the axial direction, a calculation means for calculating the collected ultrasonic image signals in synchronization with the drive of the inner needle, and a control means for controlling the operation of the drive means and the calculation means . By transmitting and receiving ultrasonic waves and calculating the received signals a predetermined number of times, a received signal with a high signal strength can be efficiently obtained even when the reflectivity is low. Therefore, a signal with a high S/N ratio can be obtained, and a high-quality ultrasonic image can be obtained even when the received signal is low. Furthermore, the display device can simultaneously display an ultrasonic tomographic image of the inside of the subject and an ultrasonic image of the insertion site, allowing the location of the lesion to be identified instantly, which immediately reveals the positional relationship between the diagnostic site inside the subject and the insertion site, enabling accurate and smooth diagnosis and treatment.
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による針状超音波探触子の実施の形態を示す中央縦断面図である。
【図２】針状部分の内針の回転及び並進の２次元走査を示す説明図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図４】図１に示す針状超音波探触子の関連発明としての超音波診断装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】モニタにおける超音波画像の表示例を示す説明図である。
【図６】上記超音波診断装置における画像処理部の内部構成を示すブロック図である。
【図７】上記画像処理部における演算回路の内部構成を示すブロック図である。
【図８】上記演算回路の動作を示すタイムチャートである。
【図９】制御回路部による針状超音波探触子の移動操作と超音波信号の送受波の演算との関係を示す動作タイミングの説明図である。
【図１０】上記針状超音波探触子の移動操作と超音波信号の送受波の演算との関係の他の例を示す動作タイミングの説明図である。
【符号の説明】
１…外針
２…内針
３…超音波変換器
４…本体部分
５…先端部
１６…被検体
２１…針状部分
２２…駆動機構
２３…回転アクチュエータ
２４…第一可動ブロック
２５…並進アクチュエータ
２６…第二可動ブロック
３１…内針挟持片
３３…外針挟持部
３６…探触子
３７…超音波装置
３８…モニタ
３９…針状超音波探触子
４０…画像処理部
４１…診断部位
５０…演算回路
５２…駆動回路
５４…制御回路部[Brief explanation of the drawings]
FIG. 1 is a central longitudinal cross-sectional view showing an embodiment of a needle-shaped ultrasonic probe according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing two-dimensional rotational and translational scanning of an inner needle of a needle-shaped portion.
3 is an enlarged cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1;
4 is a block diagram showing an embodiment of an ultrasonic diagnostic apparatus as an invention related to the needle-shaped ultrasonic probe shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of an ultrasound image displayed on a monitor.
FIG. 6 is a block diagram showing the internal configuration of an image processing unit in the ultrasonic diagnostic apparatus.
FIG. 7 is a block diagram showing the internal configuration of an arithmetic circuit in the image processing unit.
FIG. 8 is a time chart showing the operation of the arithmetic circuit .
9 is an explanatory diagram of operation timing showing the relationship between the movement operation of the needle-shaped ultrasonic probe by the control circuit unit and the calculation of the transmission and reception of ultrasonic signals. FIG.
10 is an explanatory diagram of operation timing showing another example of the relationship between the movement operation of the needle-shaped ultrasonic probe and the calculation of the transmission and reception of ultrasonic signals. FIG.
[Explanation of symbols]
1...outer needle 2...inner needle 3...ultrasonic converter 4...main body portion 5...tip portion 16...subject 21...needle-shaped portion 22...driving mechanism 23...rotational actuator 24...first movable block 25...translational actuator 26...second movable block 31...inner needle clamping piece 33...outer needle clamping portion 36...probe 37...ultrasonic device 38...monitor 39...needle-shaped ultrasonic probe 40...image processing portion 41...diagnosis portion 50... arithmetic circuit 52...drive circuit 54...control circuit portion