JP7680894B2 - 超音波プローブおよび無線超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明は、超音波プローブおよび無線超音波プローブに関し、特に、超音波プローブが生成する信号の伝送技術に関する。

超音波診断システムが広く用いられている。超音波診断システムは、一般に超音波プローブと本体装置とを備えている。超音波プローブは、被検体に対し超音波を送信し、被検体で反射した超音波を受信する。本体装置は、超音波プローブから取得した受信信号によって、被検体の超音波画像データを生成し、超音波画像データに基づく画像を表示する。

近年では、超音波画像データを生成するための機能を超音波プローブに集約した画像処理超音波プローブを構成し、画像処理超音波プローブとは別に設けられた画像表示装置に超音波画像を表示する超音波診断システムが開発されている。画像処理超音波プローブは、受信した超音波に基づき超音波画像データを生成し、画像表示装置に無線送信する。画像表示装置は、受信した超音波画像データに基づく画像を表示する。画像表示装置には、例えば、スマートフォン、タブレット、パーソナルコンピュータ等が用いられる。

以下の特許文献１には、無線超音波プローブを備えた超音波システムが記載されている。この超音波システムでは、無線超音波プローブが超音波の送受信によって超音波画像走査ラインデータを生成し、プロセッサドングルに無線送信する。プロセッサドングルは、画像ラインデータ信号を受信し、受信された画像ラインデータ信号の画像処理を実行して表示のための超音波画像を発生する。

特許文献２には、超音波プローブ装置、信号処理装置、および画像表示装置を備える超音波診断システムが記載されている。超音波プローブ装置は、超音波の送受信によって得られた信号を信号処理装置に無線送信する。信号処理装置は、超音波プローブ装置から送信された信号に基づいて、超音波画像データを含む画像データ信号を生成し、画像表示装置に無線送信する。画像表示装置は、画像データ信号に基づく画像を表示する。

特開２０１８－５１９９６４号公報 特開２０２１－６５５８４号公報

上記の画像処理超音波プローブにはバッテリが搭載され、画像処理超音波プローブはバッテリが出力する電力によって動作する。従来の画像処理超音波プローブでは消費電力が大きく、一定の診断可能時間を確保するためには容量が大きいバッテリを搭載する必要があった。そのため、画像処理超音波プローブが大きくなってしまうことがあった。

また、画像処理超音波プローブには、複数の超音波振動子の他、信号処理回路や無線回路、さらには、バッテリからこれらの回路に電源電力を供給する電源回路が搭載されている。そのため、画像処理超音波プローブは、ケーブルによって本体装置に接続される通常の超音波プローブよりも高価である。超音波の走査方法に応じた複数種の画像処理超音波プローブ（例えば、リニア式、コンベックス式、マイクロコンベックス式、セクタ式等）を予め用意する場合、超音波診断システムを維持するための費用が増加してしまう。そのため、簡単で安価な構成を有する画像処理超音波プローブの開発が望まれている。

本発明の目的は、画像処理超音波プローブを小型化し、または画像処理超音波プローブの構成を単純化することである。

本発明に係る超音波プローブは、超音波振動子と、前記超音波振動子に対する送信信号を生成し、前記超音波振動子で受信された超音波に基づく受信信号に対する処理を実行し、前記受信信号に基づいて画像データ信号を生成するプローブ制御部と、を備え、前記超音波プローブには、少なくとも前記プローブ制御部に電源電力を供給するバッテリを備えた無線ユニット、または画像表示装置が着脱自在に有線接続可能であり、前記無線ユニットがケーブルを介して前記超音波プローブに有線接続された場合には、前記無線ユニットは、前記バッテリから前記プローブ制御部に電源電力を供給すると共に、前記プローブ制御部から前記画像データ信号を取得し、前記画像データ信号を画像表示装置に無線送信し、前記画像表示装置が前記超音波プローブに有線接続された場合には、前記画像表示装置は、前記プローブ制御部に有線接続によって電源電力を供給すると共に、前記プローブ制御部から前記画像データ信号を取得することを特徴とする。

望ましくは、前記無線ユニットは、ケーブルを介して前記超音波プローブに有線接続され、前記ケーブルは、前記無線ユニットに前記画像データ信号を送信するシリアルデータ通信線を含む。

望ましくは、前記無線ユニットは、ケーブルを介して前記超音波プローブに有線接続され、前記ケーブルは、少なくとも前記プローブ制御部に電源電力を供給する電源供給線を含む。

望ましくは、前記ケーブルは、ＵＳＢケーブルである。

本発明に係る無線超音波プローブは、望ましくは、前記超音波プローブと、前記無線ユニットと、を備える。

本発明によれば、画像処理超音波プローブを小型化し、または画像処理超音波プローブの構成を単純化することができる。

超音波診断システムの構成を示す図である。 無線超音波プローブの構成を示す図である。 無線超音波プローブの構成を示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示されている同一の事項については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１には、本発明の実施形態に係る超音波診断システム１００の構成が示されている。超音波診断システム１００は、画像処理超音波プローブ１２（以下、画像処理プローブ１２という）、無線ユニット１４および画像表示装置１６を備えている。画像処理プローブ１２は、超音波画像データを生成するための機能を超音波プローブに集約したものである。超音波診断が行われるときは、画像処理プローブ１２の送受信面が被検体に当接するように画像処理プローブ１２が支持される。

画像処理プローブ１２および無線ユニット１４は無線超音波プローブを構成する。画像処理プローブ１２は、被検体に超音波を送信し、被検体で反射した超音波を受信する。画像処理プローブ１２は受信した超音波に基づく受信信号を生成し、その受信信号に基づいて超音波画像の情報を含む画像データ信号を生成する。画像処理プローブ１２は、ケーブルによって無線ユニット１４に接続されており、画像データ信号を無線ユニット１４に出力する。無線ユニット１４は、画像表示装置１６に画像データ信号を無線送信する。画像表示装置１６は、スマートフォン、タブレット、パーソナルコンピュータ等であってよい。画像表示装置１６は、無線ユニット１４から無線送信された画像データ信号を受信し、画像データ信号に基づいて、ディスプレイに超音波画像を表示する。

図２には、無線超音波プローブ１０２の構成が示されている。無線超音波プローブ１０２は、着脱自在に有線接続された画像処理プローブ１２および無線ユニット１４を備えている。画像処理プローブ１２は、送信部２０、振動子アレイ２２、受信部２６、プローブ制御部１８、プローブ側電源回路３２およびシリアル通信部３０ａを備えている。プローブ側電源回路３２は、無線ユニット１４が備えるバッテリ５０に電源供給線５４を介して接続されている。プローブ側電源回路３２は、無線ユニット１４から供給される電源電力を、送信部２０、受信部２６、プローブ制御部１８、およびシリアル通信部３０ａに供給する。プローブ側電源回路３２は、画像処理プローブ１２が備えるその他の構成要素のうち、電源電力を要するものがある場合には、その構成要素に電源電力を供給してもよい。なお、電源供給線５４は、プローブ側電源回路３２およびバッテリ５０の少なくとも一方に対して着脱自在であってよい。

プローブ制御部１８は、プログラムに従う処理を実行するプロセッサを含んでよい。プローブ制御部１８は、プログラムを自ら記憶し、または外部のメモリからプログラムを読み込み、そのプログラムを実行する。

振動子アレイ２２は、送受信面に沿って配列された複数の超音波振動子２４を備えている。複数の超音波振動子２４は、直交する２方向に配列されてよい。プローブ制御部１８は送信信号を生成し、送信部２０に出力する。送信部２０は、振動子アレイ２２が備える各超音波振動子２４に、遅延時間を調整した送信信号を出力する。すなわち、送信部２０は、各超音波振動子２４に出力する送信信号のそれぞれについて遅延時間を調整する。各超音波振動子２４は、送信部２０から出力された送信信号を超音波に変換し、被検体に向けて送信する。各超音波振動子２４に対して送信信号の遅延時間が調整されることで、振動子アレイ２２からは被検体内の特定方向に向けて超音波のビームが形成される。また、遅延時間の調整によって、振動子アレイ２２から平面波に近似された超音波が送信されてもよい。

振動子アレイ２２が備える各超音波振動子２４は被検体で反射した超音波を受信し、受信した超音波を電気信号に変換して受信部２６に出力する。受信部２６は、各超音波振動子２４から出力された電気信号を整相加算して受信信号を生成する。ここで、整相加算とは、特定の方向から到来する超音波に基づく複数の電気信号が強め合うように、各電気信号の遅延時間を調整して加算合計することをいう。送信する超音波がビームを形成する場合、そのビームの方向から到来する超音波に基づく電気信号が強め合うように、各電気信号の遅延時間が調整されてよい。

受信部２６は、整相加算によって得られた受信信号をプローブ制御部１８に出力する。プローブ制御部１８は、超音波画像データを生成するための画像処理等を受信信号に対して施し、超音波画像の情報を含む画像データ信号を生成し、画像データ信号をシリアル通信部３０ａに出力する。ここで、画像データ信号は、最終的な超音波画像データでなくてもよく、超音波画像を表示するための情報を含む信号であればよい。

プローブ制御部１８とシリアル通信部３０ａとの間の信号伝送は、パラレルデータの形式で行われてもよいし、シリアルデータの形式で行われてもよい。パラレルデータは、複数ビットのディジタルデータを複数本の信号伝送線で伝送する形式のデータである。シリアルデータは、複数ビットのディジタルデータを時間軸上に配列することで、１本あるいはディジタルデータのビット数よりも少ない本数の信号伝送線でディジタルデータを伝送する形式のデータである。

シリアル通信部３０ａには、シリアルデータ通信線４２の一端が接続されている。シリアルデータ通信線４２の他端は、無線ユニット１４が備えるシリアル通信部３０ｂに接続されている。シリアルデータ通信線４２は、シリアル通信部３０ａおよび３０ｂのうち少なくとも一方に対して着脱自在なものであってよい。シリアル通信部３０ａは、画像データ信号を、シリアルデータの形式で無線ユニット１４に送信する。

無線ユニット１４は、シリアル通信部３０ｂ、無線制御部４４、無線部４６、アンテナ４８、バッテリ５０および無線側電源回路５２を備えている。バッテリ５０は使い切りのバッテリであってもよいし、繰り返し充放電が可能なバッテリ（二次電池）であってもよい。バッテリ５０は、電源供給線５４を介して画像処理プローブ１２に電源電力を供給する。また、バッテリ５０は無線側電源回路５２に電源電力を供給する。無線側電源回路５２は、無線制御部４４、無線部４６およびシリアル通信部３０ｂに電源電力を供給する。バッテリ５０が二次電池である場合、無線ユニット１４は、外部の電源装置からバッテリ５０を充電するための充電回路を備えてもよい。充電回路は、ＵＳＢケーブル（Universal Serial Bus）によって外部の電源装置に接続される回路であってもよいし、非接触電力伝送によって外部の電源装置から電力が供給される回路であってもよい。

シリアル通信部３０ｂは、画像処理プローブ１２から送信された画像データ信号を受信し、画像データ信号を無線制御部４４に出力する。シリアル通信部３０ｂと無線制御部４４との間の信号伝送は、シリアルデータの形式で行われてもよいし、パラレルデータの形式で行われてもよい。無線制御部４４は、プログラムに従う処理を実行するプロセッサを含んでよい。無線制御部４４は、プログラムを自ら記憶し、または外部のメモリからプログラムを読み込み、そのプログラムを実行する。無線制御部４４は、画像データ信号を無線部４６に出力する。

無線部４６は、アンテナ４８を介して画像表示装置１６（図１）との間で無線通信を行う。すなわち、無線部４６は画像データ信号を無線送信する。画像表示装置１６は、無線部４６から無線送信された画像データ信号を受信し、その画像データ信号に基づいて被検体内の超音波画像をディスプレイに表示する。

無線部４６は、画像表示装置１６から無線送信された制御信号を受信し、無線制御部４４に出力してもよい。無線制御部４４は、無線部４６から出力された制御信号をシリアル通信部３０ｂに出力する。シリアル通信部３０ｂは、シリアルデータ通信線４２を介して、シリアル通信部３０ａに制御信号を送信し、シリアル通信部３０ａは、制御信号をプローブ制御部１８に出力する。プローブ制御部１８は、制御信号に従う動作を実行する。

図３には、本発明の応用実施形態に係る無線超音波プローブ１０４が示されている。無線超音波プローブ１０４は、画像処理プローブ１２と、無線ユニット１４とをＵＳＢケーブル６２で着脱自在に接続するものである。画像処理プローブ１２はＵＳＢコネクタ６０ａを備えている。シリアル通信部３０ａおよびプローブ側電源回路３２は、ＵＳＢコネクタ６０ａに接続されている。

無線ユニット１４はＵＳＢコネクタ６０ｂを備えている。シリアル通信部３０ｂおよびバッテリ５０は、ＵＳＢコネクタ６０ｂに接続されている。ＵＳＢケーブル６２は、シリアルデータ通信線４２および電源供給線５４を含んでいる。ＵＳＢケーブル６２の両端にはＵＳＢプラグが接続されており、一端のＵＳＢプラグがＵＳＢコネクタ６０ａに接続され、他端のＵＳＢプラグがＵＳＢコネクタ６０ｂに接続される。

シリアル通信部３０ａは、ＵＳＢコネクタ６０ａ、ＵＳＢケーブル６２およびＵＳＢコネクタ６０ｂを介して、画像データ信号をシリアル通信部３０ｂに送信する。シリアル通信部３０ｂは、ＵＳＢコネクタ６０ｂ、ＵＳＢケーブル６２およびＵＳＢコネクタ６０ａを介して、制御信号をシリアル通信部３０ａに送信する。バッテリ５０は、ＵＳＢコネクタ６０ｂ、ＵＳＢケーブル６２およびＵＳＢコネクタ６０ａを介して、プローブ側電源回路３２に電源電力を伝送する。

このように、図３に示される構成では、ＵＳＢケーブル６２の両端にＵＳＢプラグが接続され、ＵＳＢケーブル６２の一端が画像処理プローブ１２に着脱自在であり、他端もまた、無線ユニット１４に着脱自在である。ＵＳＢケーブル６２は、画像処理プローブ１２に一端が固定接続され、無線ユニット１４におけるＵＳＢコネクタ６０ｂに着脱自在なＵＳＢプラグが他端に設けられたケーブルであってもよい。あるいは、ＵＳＢケーブル６２は、無線ユニット１４に一端が固定接続され、画像処理プローブ１２におけるＵＳＢコネクタ６０ａに着脱自在なＵＳＢプラグが他端に設けられたケーブルであってもよい。また、ＵＳＢコネクタ６０ａおよび６０ｂのうちの一方をＵＳＢプラグに置き換え、ＵＳＢコネクタ（６０ａもしくは６０ｂ）およびＵＳＢプラグが直接接続されてもよい。この場合、画像処理プローブ１２の筐体と、無線ユニット１４の筐体を着脱自在とし、画像処理プローブ１２の筐体が、無線ユニット１４の筐体に装着されたときに、ＵＳＢコネクタおよびＵＳＢプラグが接続される構成が用いられてもよい。

このように、各実施形態に係る画像処理プローブ１２は、超音波振動子２４とプローブ制御部１８とを備える。プローブ制御部１８は、超音波振動子２４に対する送信信号を生成し、超音波振動子２４で受信された超音波に基づく受信信号に対する処理を実行し、受信信号に基づいて画像データ信号を生成する。画像処理プローブ１２には、無線ユニット１４が着脱自在に有線接続される。無線ユニット１４は、プローブ制御部１８から画像データ信号を取得し、画像データ信号を画像表示装置１６に無線送信する。有線接続のためのケーブルは、ＵＳＢケーブルであってよい。無線ユニット１４は、少なくともプローブ制御部１８に電源電力を供給する。無線ユニット１４は、少なくともプローブ制御部１８に電源電力を供給するバッテリ５０を備える。

このような構成によれば、画像処理プローブ１２の筐体に、バッテリ５０、無線制御部４４および無線部４６を備えなくてもよい。これによって、画像処理プローブ１２の構成が単純化され、あるいは画像処理プローブ１２が小型化または軽量化される。また、バッテリ５０から被検体に熱が伝達することが回避されるため、被検体としての患者に対して与えられる肉体的または精神的な負担が軽減される。さらに、バッテリ５０の発熱を回避するための過放電および過充電保護回路が、画像処理プローブ１２に設けられなくてもよい。

無線ユニット１４は、画像処理プローブ１２の筐体とは別の筐体内に構成される。これによって、医師、看護師等のユーザの着衣のポケットに無線ユニット１４を収容するといった使用形態が可能であり、可搬性および操作性が向上する。例えば、ユーザは、無線ユニット１４をポケットに収容して、無線ユニット１４と画像処理プローブ１２とを接続するケーブルを首に掛けながら画像処理プローブ１２を患者に当接して、画像表示装置１６の表示を参照してもよい。これによって、画像処理プローブ１２の落下が防止される。また、画像表示装置１６は、机上やベッドサイドに固定設置されてもよいし、ユーザが手で搬送してもよい。

また、画像処理プローブ１２が小型化または軽量化され、画像処理プローブ１２の価格が抑えられる。これによって、超音波の走査方法に応じた複数種の画像処理プローブ１２を用意するためのコストが軽減され得る。

なお、上記では、画像処理プローブ１２に無線ユニット１４が着脱自在に有線接続される超音波診断システム１００が示された。画像処理プローブ１２は、無線ユニット１４が有線接続されないときには、画像表示装置１６が有線接続されるように構成されてもよい。この場合、プローブ制御部１８は、画像表示装置１６の処理に適した画像データ信号を生成し、シリアル通信部３０ａおよびシリアルデータ通信線４２を介して画像データを画像表示装置１６に有線送信する。また、電源供給線５４が画像表示装置１６に接続され、画像表示装置１６からプローブ側電源回路３２に電源電力が供給されてもよい。

図３に示された無線超音波プローブ１０４では、画像処理プローブ１２に設けられたＵＳＢコネクタ６０ａにＵＳＢケーブル６２の一端のＵＳＢプラグが接続され、ＵＳＢケーブル６２の他端のＵＳＢプラグが画像表示装置１６に接続されてもよい。この場合、画像処理プローブ１２は、ＵＳＢケーブル６２を介して画像表示装置１６に画像データ信号を送信する。また、画像表示装置１６は、ＵＳＢケーブル６２を介して、画像処理プローブ１２に電源電力を供給する。

このように、画像処理プローブ１２に無線ユニット１４が有線接続されていないときは、画像処理プローブ１２には、画像表示装置１６が着脱自在に有線接続されてよい。画像表示装置１６は、画像データ信号を取得し、ケーブルを介して少なくともプローブ制御部１８に電源電力を供給する。

１２ 画像処理超音波プローブ、１４ 無線ユニット、１６ 画像表示装置、１８ プローブ制御部、２０ 送信部、２２ 振動子アレイ、２４ 超音波振動子、２６ 受信部、３０ａ，３０ｂ シリアル通信部、３２ プローブ側電源回路、４２ シリアルデータ通信線、４４ 無線制御部、４６ 無線部、４８ アンテナ、５０ バッテリ、５２ 無線側電源回路、５４ 電源供給線、６０ａ，６０ｂ ＵＳＢコネクタ、６２ ＵＳＢケーブル、１００ 超音波診断システム、１０２，１０４ 無線超音波プローブ。

Claims (5)

1. 超音波プローブであって、
   超音波振動子と、
   前記超音波振動子に対する送信信号を生成し、前記超音波振動子で受信された超音波に基づく受信信号に対する処理を実行し、前記受信信号に基づいて画像データ信号を生成するプローブ制御部と、を備え、
   前記超音波プローブには、少なくとも前記プローブ制御部に電源電力を供給するバッテリを備えた無線ユニット、または画像表示装置が着脱自在に有線接続可能であり、
   前記無線ユニットがケーブルを介して前記超音波プローブに有線接続された場合には、前記無線ユニットは、前記バッテリから前記プローブ制御部に電源電力を供給すると共に、前記プローブ制御部から前記画像データ信号を取得し、前記画像データ信号を画像表示装置に無線送信し、
   前記画像表示装置が前記超音波プローブに有線接続された場合には、前記画像表示装置は、前記プローブ制御部に有線接続によって電源電力を供給すると共に、前記プローブ制御部から前記画像データ信号を取得することを特徴とする超音波プローブ。
2. 請求項１に記載の超音波プローブにおいて、
   前記ケーブルは、前記無線ユニットに前記画像データ信号を送信するシリアルデータ通信線を含むことを特徴とする超音波プローブ。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波プローブにおいて、
   前記ケーブルは、少なくとも前記プローブ制御部に電源電力を供給する電源供給線を含むことを特徴とする超音波プローブ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波プローブにおいて、
   前記ケーブルは、ＵＳＢケーブルであることを特徴とする超音波プローブ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波プローブと、
   前記無線ユニットと、
   を備えることを特徴とする無線超音波プローブ。

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