特許 6608532 超音波プローブ、及び超音波内視鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6608532

(24)【登録日】2019年11月1日

(45)【発行日】2019年11月20日

(54)【発明の名称】超音波プローブ、及び超音波内視鏡

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/14 20060101AFI20191111BHJP

   A61B 8/12 20060101ALI20191111BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20191111BHJP

【ＦＩ】

   A61B8/14

   A61B8/12

   H04R17/00 330J

   H04R17/00 332A

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-528400(P2018-528400)

(86)(22)【出願日】2017年3月23日

(86)【国際出願番号】JP2017011836

(87)【国際公開番号】WO2018016128

(87)【国際公開日】20180125

【審査請求日】2019年1月7日

(31)【優先権主張番号】特願2016-141615(P2016-141615)

(32)【優先日】2016年7月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000376

【氏名又は名称】オリンパス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 直

【審査官】 井上 香緒梨

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１４５６１１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−３２７４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−７９７００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ８／００−８／１５

Ｈ０４Ｒ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ケーシングと、
前記ケーシングの内側に配置されている複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子の超音波放射面に接合されている音響整合層と、
前記音響整合層の前記圧電素子と接する側の面において、少なくとも一部が前記圧電素子と接触して配置されている共通グランドと、
前記音響整合層の前記圧電素子と接する側の前記面と接触して配置されており、前記圧電素子の外周を囲むように前記圧電素子と離間して配置されている変形防止部材と、
複数の前記圧電素子の各々に信号を伝達する同軸線と、
前記圧電素子の前記超音波放射面と反対側に配置されており、前記圧電素子と前記同軸線とを電気的に接続する基板と、
を備えることを特徴とする超音波プローブ。

【請求項2】

前記変形防止部材は、導電性を有する材料からなり、前記共通グランドと接触して配置されており、
前記同軸線は、前記圧電素子の各々に前記信号を伝達する信号線と、前記信号線の外周に配置されている外部導体と、を有し、
前記変形防止部材と前記外部導体とを接続することにより、前記変形防止部材の熱を前記外部導体に伝達する熱伝導路を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波プローブ。

【請求項3】

前記変形防止部材は、形状記憶合金からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波プローブ。

【請求項4】

前記音響整合層と前記変形防止部材とは、同一の曲率で湾曲していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波プローブ。

【請求項5】

被検体の撮像を行う撮像光学系と、
ケーシングと、
前記ケーシングの内側に配置されている複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子の超音波放射面に接合されている音響整合層と、
前記音響整合層の前記圧電素子と接する側の面において、少なくとも一部が前記圧電素子と接触して配置されている共通グランドと、
前記音響整合層の前記圧電素子と接する側の前記面と接触して配置されており、前記圧電素子の外周を囲むように前記圧電素子と離間して配置されている変形防止部材と、
複数の前記圧電素子の各々に信号を伝達する同軸線と、
前記圧電素子の前記超音波放射面と反対側に配置されており、前記圧電素子と前記同軸線とを電気的に接続する基板と、
を備えることを特徴とする超音波内視鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波プローブに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波を観測対象へ送信するとともに、観測対象で反射された超音波エコーを受信して電気信号に変換し、所定の信号処理を施すことにより、観測対象の特性に関する情報を取得する超音波プローブが知られている。

【0003】

超音波プローブは、電気的なパルス信号を超音波パルス（音響パルス）に変換して観測対象へ照射するとともに、観測対象で反射された超音波エコーを電気的なエコー信号に変換して出力する複数の圧電素子を備える。例えば、複数の圧電素子を所定の方向に沿って並べて、送受信にかかわる素子を電子的に切り替えることで、観測対象から超音波エコーを取得する。

【0004】

また、超音波プローブは、圧電素子の超音波放射面に接合されている音響整合層、超音波プローブの外表面をなす音響レンズ、圧電素子の音響整合層と反対側の面に配置されているバッキング材等を備える。

【0005】

ここで、超音波プローブの駆動時に、圧電素子が発熱する場合がある。また、圧電素子から送信された超音波の一部が、音響整合層、バッキング材、音響レンズ等で熱に変わり、超音波プローブの内部が発熱する場合がある。

【0006】

特許文献１には、超音波プローブの生体接触部分の温度が規制値以下となるように、超音波プローブの内部の熱を放熱する放熱部材を備える超音波プローブが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１−２２９９７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、超音波プローブの内部の熱を放熱したとしても、超音波プローブの内部で発生した全ての熱を放熱することはできないため、残留した熱によって音響整合層が徐々に変形する場合があった。音響整合層が変形すると、音響整合層に接合されている圧電素子の位置ずれが起こり、超音波プローブの性能（例えば、超音波画像の表示精度や分解能）が低下するという課題があった。特に、近年の超音波プローブでは、解像度を高くするために圧電素子の位置にも高い精度が求められ、熱による性能の低下が顕著に表れる。

【0009】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱による超音波プローブの性能の低下を防止した超音波プローブを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る超音波プローブは、複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の超音波放射面に接合されている音響整合層と、前記音響整合層の前記圧電素子と接する側の面において、少なくとも一部が前記圧電素子と接触して配置されている共通グランドと、前記音響整合層の前記圧電素子と接する側の前記面と接触して配置されている変形防止部材と、複数の前記圧電素子の各々に信号を伝達する同軸線と、前記圧電素子の前記超音波放射面と反対側に配置されており、前記圧電素子と前記同軸線とを電気的に接続する基板と、を備えることを特徴とする。

【0011】

また、本発明の一態様に係る超音波プローブは、前記変形防止部材は、導電性を有する材料からなり、前記共通グランドと接触して配置されており、前記同軸線は、前記圧電素子の各々に前記信号を伝達する信号線と、前記信号線の外周に配置されている外部導体と、を有し、前記変形防止部材の熱を前記外部導体に伝達する熱伝導路を備えることを特徴とする。

【0012】

また、本発明の一態様に係る超音波プローブは、前記変形防止部材は、形状記憶合金からなることを特徴とする。

【0013】

また、本発明の一態様に係る超音波プローブは、前記音響整合層と前記変形防止部材とは、同一の曲率で湾曲していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、熱による超音波プローブの性能の低下を防止した超音波プローブを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波プローブの断面図である。

【図2】図２は、図１に示す超音波プローブの一部を表す斜視図である。

【図3】図３は、実施の形態１の変形例１に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。

【図4】図４は、実施の形態１の変形例２に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。

【図5】図５は、実施の形態１の変形例３に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。

【図6】図６は、実施の形態１の変形例４に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。

【図7】図７は、実施の形態２に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。

【図8】図８は、実施の形態３に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に、図面を参照して本発明に係る超音波プローブの実施の形態を説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。以下の実施の形態においては、コンベックス型の超音波プローブを例示して説明するが、本発明は、リニア型、ラジアル型等の超音波プローブを含む超音波プローブ一般に適用することができる。

【0017】

また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

【0018】

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波プローブの断面図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る超音波プローブ１は、複数の圧電素子２と、複数の圧電素子２の超音波放射面（圧電素子２の図１の紙面に沿って下方の面）に接合されている音響整合層３と、音響整合層３の圧電素子２と接する側の面（音響整合層３の図１の紙面に沿って上方の面）において、圧電素子２と接触して配置されている共通グランド４と、音響整合層３の圧電素子２と接する側の面と接触して配置されている変形防止部材としての放熱板５と、複数の圧電素子２の各々に信号を伝達する複数の同軸線６と、圧電素子２の超音波放射面と反対側に配置されており、圧電素子２と同軸線６とを電気的に接続する基板７と、圧電素子２と基板７とを電気的に接続するワイヤ８と、放熱板５の熱を同軸線６に伝達する熱伝導路９と、音響整合層３の圧電素子２と接する側の面と反対側に設けられる音響レンズ１０と、音響整合層３の圧電素子２と接する側の面に立設されているケーシング１１と、圧電素子２の超音波放射面と反対側に設けられるバッキング材１２と、を備える。

【0019】

図２は、図１に示す超音波プローブの一部を表す斜視図である。図２のＡ−Ａ線に対応する断面図が図１である。図２に示すように、複数の圧電素子２が互いに離間するように並設されている。各圧電素子２には、それぞれ図１に示すワイヤ８（図２では不図示）が接続されている。各圧電素子２は、電気的なパルス信号を音響パルスに変換して被検体へ照射するとともに、被検体で反射された超音波エコーを電圧変化で表現する電気的なエコー信号に変換して出力する。

【0020】

音響整合層３は、それぞれが圧電素子２と接して並設されている第１音響整合層３１と、各第１音響整合層３１と接する板状の第２音響整合層３２と、を有する。第１音響整合層３１及び第２音響整合層３２は、圧電素子２と観測対象との間で音（超音波）を効率よく透過させるために、圧電素子２の音響インピーダンスと観測対象の音響インピーダンスとをマッチングさせる。第１音響整合層３１及び第２音響整合層３２は、エポキシ樹脂等の各種合成樹脂等からなり、互いに異なる材料からなる。なお、本実施の形態１では、２つの音響整合層（第１音響整合層３１及び第２音響整合層３２）を有するものとして説明するが、圧電素子２と観測対象との特性により一層としてもよいし、三層以上としてもよい。

【0021】

共通グランド４は、導電性の樹脂からなり、圧電素子２の配列方向に沿って一連の形状をなし、圧電素子２、第１音響整合層３１、及び放熱板５と接している。なお、一連の形状をなす共通グランド４は、積層された第２音響整合層３２、第１音響整合層３１、共通グランド４、及び圧電素子２のうち、第１音響整合層３１、共通グランド４及び圧電素子２の層を切断して、圧電素子２の配列方向において離間させ、所定の形状に湾曲させた後、共通グランド４のみを一連の形状となるように樹脂で埋め戻すことにより実現することができる。ただし、積層された第２音響整合層３２、第１音響整合層３１、及び圧電素子２のうち、第１音響整合層３１及び圧電素子２の層を切断後に、共通グランド４を樹脂で埋め、その後、所定の形状に湾曲させてもよい。また、共通グランド４は、放熱板５、熱伝導路９、及び同軸線６を介して外部に接地されている。

【0022】

放熱板５は、圧電素子２の外周を囲むように、圧電素子２と離間して配置されている。また、放熱板５は、導電性を有する材料からなる。具体的には、放熱板５は、導電性、熱伝導性及び剛性に優れた金属からなり、共通グランド４及び第１音響整合層３１と接触して配置されている。さらに、音響整合層３と放熱板５とは、同一の曲率で湾曲している。また、放熱板５には、図１に示すように、熱伝導路９が接続されている。

【0023】

同軸線６は、圧電素子２の各々に信号を伝達する信号線６１と、信号線６１の外周に配置されている外部導体６２と、を有する。換言すると、圧電素子２と同数の同軸線６が、それぞれ圧電素子２に接続されている。なお、信号線６１と外部導体６２とは、電気的に絶縁されている。

【0024】

基板７は、図１の紙面に沿って左右方向の両面に電気配線を有するプリント基板であり、一方の端部（図１の上端）に各信号線６１が半田付けされるとともに、他方の端部（図１の下端）にワイヤ８が半田付けされる。その結果、各圧電素子２と、各信号線６１とを電気的に接続する。

【0025】

熱伝導路９は、放熱板５及び外部導体６２に接続され、放熱板５の熱を外部導体６２に伝達する。熱伝導路９の本数は特に限定されないが、例えば、各外部導体６２に対して、２本ずつの熱伝導路９が接続されている。

【0026】

音響レンズ１０は、第１音響整合層３１、第２音響整合層３２、及びケーシング１１を被覆する。音響レンズ１０は、超音波プローブ１の外表面をなしている。音響レンズ１０は、シリコーン、ポリメチルペンテン、エポキシ樹脂、ポリエーテルイミドなどを用いて形成され、一方の面が凸状又は凹状をなして超音波を絞る機能を有し、第２音響整合層３２を通過した超音波を外部に出射する、又は外部からの超音波エコーを取り込む。音響レンズ１０については、任意に設けることができ、当該音響レンズ１０を有しない構成であってもよい。

【0027】

バッキング材１２は、硬質性の樹脂を用いて形成され、ケーシング１１に囲われた空間に充填される。

【0028】

以上の構成を有する超音波プローブ１は、パルス信号の入力によって圧電素子２が振動することで、第１音響整合層３１、第２音響整合層３２、及び音響レンズ１０を介して観測対象に超音波を照射する。この際、圧電素子２において、第１音響整合層３１、第２音響整合層３２、及び音響レンズ１０の配設側と反対側は、バッキング材１２により、圧電素子２からの不要な超音波振動を減衰させている。また、観測対象から反射された超音波エコーは、音響レンズ１０、第２音響整合層３２、及び第１音響整合層３１を介して圧電素子２に伝えられる。伝達された超音波エコーにより圧電素子２が振動し、圧電素子２が該振動を電気的なエコー信号に変換して、エコー信号として信号線６１を介して不図示の超音波観測装置に出力する。

【0029】

ここで、超音波プローブ１においては、金属からなる放熱板５により、超音波プローブ１の内部の熱が、圧電素子２、共通グランド４、放熱板５、熱伝導路９、外部導体６２の順に伝わり外部に放熱される。さらに、超音波プローブ１においては、放熱板５を第１音響整合層３１と接して配置したことにより、第１音響整合層３１の変形を防止している。さらに、放熱板５は、第１音響整合層３１を介して第２音響整合層３２の変形も防止している。従って、実施の形態１に係る超音波プローブ１は、熱による超音波プローブの性能の低下を防止した超音波プローブである。

【0030】

（変形例１）
図３は、実施の形態１の変形例１に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。図３に示すように、実施の形態１の変形例１に係る超音波プローブ１は、圧電素子２の配列方向に沿って延伸する２本の放熱板５Ａを備える。放熱板５Ａには、それぞれ不図示の熱伝導路９が接続されている。このように、放熱板の形状は特に限定されない。

【0031】

（変形例２）
図４は、実施の形態１の変形例２に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。図４に示すように、実施の形態１の変形例２に係る超音波プローブ１は、各第１音響整合層３１に１つずつ接するように配置されており、互いに離間している複数の放熱板５Ｂを備える。各放熱板５Ｂには、不図示の熱伝導路９が接続されている。変形例２においては、放熱板５Ｂにより、超音波プローブ１の内部の熱が十分に放熱される。その結果、変形例２においては、放熱板５Ｂにより超音波プローブ１の内部の温度の上昇を抑制することによって第１音響整合層３１の変形を防止している。

【0032】

（変形例３）
図５は、実施の形態１の変形例３に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。図５に示すように、実施の形態１の変形例３に係る超音波プローブ１は、各第１音響整合層３１に１つずつ接するように配置されており、互いに離間している複数の放熱板５Ｃａと、圧電素子２の配列方向に沿って一連の形状をなす剛性部材５Ｃｂと、を備える。なお、図５において、剛性部材５Ｃｂは、放熱板５Ｃａを見やすくするために破線で図示した。各放熱板５Ｃａには、不図示の熱伝導路９が接続されている。変形例３においては、放熱板５Ｃａにより、超音波プローブ１の内部の熱が放熱される。さらに、変形例３においては、剛性部材５Ｃｂが放熱板５Ｃａを介して、第１音響整合層３１及び第２音響整合層３２の変形を防止している。

【0033】

（変形例４）
図６は、実施の形態１の変形例４に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。図６に示すように、実施の形態１の変形例４に係る超音波プローブ１は、中央部に配置された一連の形状をなす２つの放熱板５Ｄを備える。各放熱板５Ｄには、不図示の熱伝導路９が接続されている。変形例４においては、放熱板５Ｄにより、超音波プローブ１の内部の熱が放熱されるとともに、第１音響整合層３１及び第２音響整合層３２の変形を防止している。その結果、変形例４によれば、観察時に重要となる第１音響整合層３１の中央部の変形を防止するとともに、実施の形態１より簡易な構成であることにより製造コストを削減することができる。このように、中央部に選択的に放熱板を配置する構成は、リニア型の超音波プローブにおいても適用することができる。

【0034】

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。図７に示すように、実施の形態２に係る超音波プローブ１は、実施の形態１と同様に、音響整合層３（第１音響整合層３１）の圧電素子２と接する側の面に音響整合層３（第１音響整合層３１）と接触して配置されている変形防止部材としての放熱板１０５を備える。それ以外の構成は実施の形態１と同様であってよいので適宜説明を省略する。

【0035】

放熱板１０５は、導電性を有するＮｉ−Ｔｉ等の形状記憶合金からなる。ここで、形状記憶合金が元の形状に戻る温度（変態温度）は、Ｎｉの含有率を調整することにより所望の温度にすることができる。放熱板１０５は、例えば変態温度が４０℃〜５０℃にされており、内視鏡の使用又は熱処理、洗浄等の後処理時に想定される温度領域に変態温度が含まれる。放熱板１０５は、変態温度以上の温度になると、変形していない状態の音響整合層３と同一の曲率で湾曲した形状（元の形状）になる。

【0036】

実施の形態２によれば、超音波プローブ１の内部の温度が変態温度以上の高温になった場合に、第１音響整合層３１と接する放熱板１０５が元の形状に戻るため、第１音響整合層３１及び第２音響整合層３２の変形を防止している。

【0037】

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に係る超音波プローブの一部を表す斜視図である。図８に示すように、実施の形態３に係る超音波プローブ１は、実施の形態１と同様に、音響整合層３（第１音響整合層３１）の圧電素子２と接する側の面に音響整合層３（第１音響整合層３１）と接触して配置されている変形防止部材としての剛性部材２０５を備える。それ以外の構成は実施の形態１と同様であってよいので適宜説明を省略する。

【0038】

剛性部材２０５は、剛性が高く、かつ４０℃〜５０℃程度の高温においても軟化しない軟化点の高い材料からなる。具体的には、剛性部材２０５は、セラミックやポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のスーパーエンジニアリングプラスチック等からなる。

【0039】

実施の形態３によれば、第１音響整合層３１と接する剛性部材２０５が、第１音響整合層３１及び第２音響整合層３２の変形を防止している。

【0040】

なお、超音波プローブとして、その先端部に超音波振動子を有する超音波内視鏡に適用してもよい。超音波振動子は、超音波観測装置から受信した電気的なパルス信号を超音波パルス（音響パルス）に変換して被検体へ照射するとともに、被検体で反射された超音波エコーを電圧変化で表現する電気的なエコー信号に変換して出力する。超音波内視鏡は、通常は撮像光学系及び撮像素子を有しており、被検体の消化管（食道、胃、十二指腸、大腸）、又は呼吸器（気管、気管支）へ挿入され、消化管や、呼吸器の撮像を行うことが可能である。

【0041】

また、超音波プローブとして、光学系のない細径の超音波ミニチュアプローブを適用してもよい。超音波ミニチュアプローブは、通常、胆道、胆管、膵管、気管、気管支、尿道、尿管へ挿入され、その周囲臓器（膵臓、肺、前立腺、膀胱、リンパ節等）を観察する際に用いられる。

【0042】

また、超音波プローブとして、被検体の体表から超音波を照射する体外式超音波プローブを適用してもよい。体外式超音波プローブは、通常、腹部臓器（肝臓、胆嚢、膀胱）、乳房（特に乳腺）、甲状腺を観察する際に用いられる。

【0043】

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表わしかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施形態に限定されるものではない。従って、添付のクレーム及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0044】

１ 超音波プローブ
２ 圧電素子
３ 音響整合層
４ 共通グランド
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃａ、５Ｄ、１０５ 放熱板
５Ｃｂ、２０５ 剛性部材
６ 同軸線
７ 基板
８ ワイヤ
９ 熱伝導路
１０ 音響レンズ
１１ ケーシング
１２ バッキング材
３１ 第１音響整合層
３２ 第２音響整合層
６１ 信号線
６２ 外部導体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】