超音波プローブ及び超音波診断装置
【課題】性能を低下させず、超音波プローブの表面温度を安全な範囲に保つことが可能な超音波プローブ及び超音波診断装置を提供する。
【解決手段】実施形態の超音波プローブは、ケースと、振動子と、電子回路と、伝熱構造と、を有し、振動子は、ケースの一端部に配列され、遅延時間に基づく超音波を送信する。電子回路は、ケースに収容され、前記遅延時間を設定する遅延回路、及び前記遅延時間に基づき生成したパルスを振動子に出力するパルサを有する。伝熱構造は、電子回路が通電されているとき、少なくとも前記電子回路及び前記ケースの両者間、又は、前記電子回路及前記振動子の両者間の一つで熱伝導を制限し、電子回路からの熱をケースの他端部に伝導する。
【解決手段】実施形態の超音波プローブは、ケースと、振動子と、電子回路と、伝熱構造と、を有し、振動子は、ケースの一端部に配列され、遅延時間に基づく超音波を送信する。電子回路は、ケースに収容され、前記遅延時間を設定する遅延回路、及び前記遅延時間に基づき生成したパルスを振動子に出力するパルサを有する。伝熱構造は、電子回路が通電されているとき、少なくとも前記電子回路及び前記ケースの両者間、又は、前記電子回路及前記振動子の両者間の一つで熱伝導を制限し、電子回路からの熱をケースの他端部に伝導する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元又は２次元の画像を取得するための超音波診断装置において、超音波プローブのケースの一端部側のヘッド部には超音波を送受信する振動子が２次元又は１次元に配列されている。ケース内には振動子を駆動するためのビームフォーミングなどを行う電子回路基板群が設けられている。電子回路基板群を単に電子回路という場合がある。
【０００３】
より高精細な画像を取得するために、電子回路をより機能化・高出力・高密度実装することが図られている。電子回路から発生する熱により、ヘッド部及びケースの表面温度が上昇するため、超音波プローブの放熱が重要となる。
【０００４】
しかし、ヘッド部の表面やケースの表面からの自然空冷によっては、温度上昇を十分に抑えることができず、超音波プローブの使用時間に応じて、表面温度が上昇する。
【０００５】
ヘッド部の表面は被検体に触れる部位であり、また、ケースの表面は操作者に保持される部位（ハンドル部）となっている。そのため、ヘッド部及びハンドル部の表面温度を安全な範囲に保つ必要がある。
【０００６】
そこで、ケースの他端部からケースの外に延ばされているプローブケーブルを用い、表面温度が許容される温度を超えないように、プローブケーブルを介してケース内に冷媒を循環させる強制冷却が検討される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−４２２４４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、プローブケーブルから冷媒が漏れたり、循環用のポンプが故障したりして、冷却能力が低下して、表面温度を安全な範囲に保てないおそれがあるという問題点がある。
【０００９】
なお、冷媒循環を用いずに、超音波プローブの表面からの自然冷却では、長時間の継続使用ができないか、電力を制限するために、性能を低下させるという問題点がある。
【００１０】
この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、性能を低下させず、超音波プローブの表面温度を安全な範囲に保つことが可能な超音波プローブ及び超音波診断装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、実施形態の超音波プローブは、ケースと、振動子と、電子回路と、伝熱構造と、を有し、振動子は、ケースの一端部に配列され、遅延時間に基づく超音波を送信する。電子回路は、ケースに収容され、前記遅延時間を設定する遅延回路、及び前記遅延時間に基づき生成したパルスを振動子に出力するパルサを有する。伝熱構造は、電子回路が通電されているとき、少なくとも前記電子回路及び前記ケースの両者間、又は、前記電子回路及前記振動子の両者間の一つで熱伝導を制限し、電子回路からの熱をケースの他端部に伝導する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る超音波診断装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】超音波プローブの内部構成を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る超音波プローブの内部構成を示す図。
【図４】熱伝導率変更手段の構成を示す図。
【図５】比較例に係る超音波プローブの内部構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１の実施形態］
以下、第１の実施形態に係る超音波プローブ及びそれを用いた超音波診断装置について図１及び図２を参照して説明する。図１は、超音波診断装置の基本構成を示すブロック図、図２は超音波プローブの内部構成を示す図である。
【００１４】
〈超音波診断装置の基本構成〉
図１及び図３に示すように、超音波プローブ１は、プローブケーブル１２と接続手段２により装置本体１０に接続される。超音波プローブ１は、被検体の内部を超音波により電子的に高速で走査することができるように、電気信号と音響信号とを相互変換するための複数の振動子１０４が配列されてなるアレイ振動子が採用されている。
【００１５】
超音波プローブ１は、送信回路３の一部（送信遅延回路（図示省略）、パルサ（図示省略））、及び、振動子１０４等を有している。超音波プローブ１内に設けられる送信回路３の一部を、電子回路という場合がある。
【００１６】
装置本体１０は、送信回路３の一部（クロック発生器（図示省略）、分周器（図示省略））、受信走査回路４、血流解析検出器５、振幅検出器６、表示処理器７、表示器８を有している。
【００１７】
（送信回路）
送信回路３は、クロック発生器で発生されたクロックパルスを分周器で例えば５ＫＨｚ程度のレートパルスに落とし、このレートパルスを送信遅延回路を通してパルサに与えて高周波の電圧パルスを発生し、振動子１０４を駆動する、つまり機械的に振動させるようになっている。こうして発生された超音波は、被検体内の音響インピーダンスの境界で反射して、超音波プローブ１に戻ってきて、振動子１０４を機械的に振動する。これにより各振動子１０４に電気信号が個別に発生する。この電気信号は、受信走査回路４で増幅・整相加算される。これにより、指向性を有する信号（エコー信号）が生成される。
【００１８】
（振幅検出器）
振幅検出器６では、受信走査回路４からのエコー信号に基づいて、組織の形態的な情報を提供するＢモード像データを生成する。表示処理器７は、上述した振幅検出器６で生成したＢモード像データに基づいて組織形態画像断面表示を行う。
【００１９】
（血流解析検出器）
血流解析検出器５は、いわゆるカラードプライメージング（ＣＤＩ）を実現するユニットであり、まず、受信走査回路４からのエコー信号を直交位相で検波して周波数偏移を受けたドプラ信号を取り出し、この取り出したドプラ信号からＭＴＩフィルタで特定の周波数成分だけを通し、その通過した信号の周波数を自己相関器により求め、この周波数から演算部で平均速度、分散、パワーを演算するように構成されている。
【００２０】
なお、ＭＴＩフィルタの通過帯域を調整することにより、主に血流を映像化する一般的なドプラモード（このモードによる画像データを血流ドプラ画像データと称する）と、主に心筋等の臓器を映像化する組織ドプラモード（このモードによる画像データを組織ドプラ画像データと称する）とを切り替えることができるようになっている。
【００２１】
（表示処理器、表示器）
また、表示処理器７は、上述した血流解析検出器５で生成した血流ドプラ画像データと組織形態画像データを、合成して表示する。この組織形態画像データと機能画像データとの合成画像は、表示器８に表示される。
【００２２】
〈超音波プローブの構成〉
次に、第１の実施形態に係る超音波プローブの構成について図２を参照して説明する。
【００２３】
図２に示すように、超音波プローブ１は、ケース１０１、シールド部材１０２、音響部１０３ａ、電子回路１０６、及び伝熱構造１０７ａとを有している。図２では、電子回路１０６の一部を示す。
【００２４】
（ケース）
ケース１０１は、断熱性を有する樹脂により形成されている。ケース１０１の表面を、操作者により把持されるハンドル部という場合がある。
【００２５】
（シールド部材）
シールド部材１０２はケース１０１の内面に配置されている。放射電波を低減するため、シールド部材１０２にはメッシュ又はスリットが形成されている。
【００２６】
〔音響部〕
音響部１０３ａは、ケース１０１の一端部であるヘッド部に設けられている。音響部１０３ａは、レンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５を有している。音響部１０３ａは熱発生源となる。
【００２７】
（振動子）
振動子１０４は、電気・音響変換により超音波を送受信する振動子１０４は一般的には圧電材料をアレイ状に加工したものである。
【００２８】
（バッキング部材）
バッキング部材１０５は、効率的な音響放射・受波を行うために振動子１０４の背面に配置されている。
【００２９】
（レンズ部材）
レンズ部材１０３は、音響レンズの役目をはたし、また生体への接触性を良くするために振動子１０４の正面（バッキング部材１０５とは反対側の面）に配置されている。なお、レンズ部材１０３の表面が、被検体の体表に接触するヘッド部の表面となる。
【００３０】
（電子回路）
超音波プローブ１のケース１０１内部には、送信回路３の一部（送信遅延回路、パルサ）を含む電子回路１０６が設けられている。電子回路１０６は、基板１０８及び基板実装部品１０９を有する。基板１０８、基板実装部品１０９が熱発生源となる。
【００３１】
〔伝熱構造〕
伝熱構造１０７ａは、熱拡散部材１０７、回路部熱伝導部材１１１、熱輻射部材１１９を有している。
【００３２】
（熱拡散部材）
熱拡散部材１０７は、シールド部材１０２に沿って配置され、ケース１０１の一端部（超音波プローブ１のヘッド部）からケース１０１の他端部（超音波プローブ１の尾部）に延ばされ、超音波放射に伴い音響部（レンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５）１０３ａから発生する熱を超音波プローブ１の尾部に伝達する役目をはたす。
【００３３】
なお、熱拡散部材１０７にメッシュ又はスリットを設けても良いし、接地することにより、シールド部材１０２としての役目を持たせてもよい。
【００３４】
（回路部熱伝導部材）
回路部熱伝導部材１１１は、電子回路１０６を包むように配置され、電子回路１０６から生じた熱を熱拡散部材１０７の方（超音波プローブ１の尾部の方）に伝導する。
【００３５】
（熱輻射部材）
次に伝熱構造１０７ａについて説明する。なお、以下の説明では、電子回路１０６及びケース１０１の両者間での熱伝導をする伝熱構造１０７ａを代表して示し、電子回路１０６及び振動子１０４の両者間での熱伝導をする伝熱構造１０７ａを省略する。
【００３６】
伝熱構造１０７ａでは、温度により自律的に熱伝導率が変化する構造を採用し、赤外線による輻射の温度特性を有する熱輻射部材１１９が用いられている。
【００３７】
熱輻射部材１１９は、電子回路１０６からの熱をケース１０１の他端部に伝導する熱伝導部材に相当している。熱輻射部材１１９としては、熱を縦方向のみでなく、横方向にも伝える異方性の熱伝導率を有する部材が好ましく、例えば、黒鉛をシート状に加工したグラファイトシートがさらに好ましい。熱輻射部材１１９にメッシュ又はスリットを設けても良いし、接地することにより、シールド部材１０２としての役目を持たせてもよく、熱拡散部材１０７としての役目をもたせてもよい。
【００３８】
図２に示すように、熱輻射部材１１９は、回路部熱伝導部材１１１上に敷設され、回路部熱伝導部材１１１の熱により赤外線を受熱部材１１６に向けて放射する。受熱部材１１６は、ケース１０１の他端部の方（超音波プローブ１の尾部の方）に延ばされている。
【００３９】
また、熱輻射部材１１９は、熱拡散部材１０７に沿って配設され、熱拡散部材１０７の熱により赤外線を受熱部材１１６に向けて放射する。
【００４０】
輻射の温度特性では、電子回路１０６及び回路部熱伝導部材１１１の温度が上昇すると赤外線放射率の高い熱輻射部材１１９からの輻射エネルギーはその表面温度Ｔの４乗に比例して増加する。一般の伝導熱では温度差に比例してエネルギーが増加するのに比べて、輻射エネルギーでは高温時には熱伝播が増加し、熱伝導率が上昇したのと等価の熱伝播を行うことが可能となる。
【００４１】
例えば、３５℃（２７３＋３５＝３０８°Ｋ)と６０℃(２７３＋６０＝３３３°Ｋ)では、一般の熱伝導では、８（≒（３３３−３０８）／３０８＊１００）％のエネルギー上昇に比べて、輻射エネルギーでは、３６（≒（１．０８４ −１）＊１００）％の上昇となる。異常に温度が上昇した場合にも輻射熱のこの性質により自律的に熱伝導率を上げる効果がある。
【００４２】
図２に示すように、さらに第１の実施形態では操作者が保持する部分など超音波プローブ１のケース１０１の温度上昇を特に避けたい部分には、熱輻射部材１１９の表面に赤外線屈折プリズム２００が配置されている。赤外線屈折プリズム２００は、熱輻射部材１１９の表面に対抗する正面にある温度を上げたくない部分（ケース１０１の表面）への輻射を図２上右の超音波プローブ１の尾部（ケース１０１の他端部の方向）に放射するように屈折させる。同様に温度を上げたくない付近の受熱部材１１６の表面にも赤外線を斜め（ケース１０１の他端部の方向）へ反射させる赤外線反射体２０１が並設されている。赤外線屈折プリズム２００及び赤外線反射体２０１により、この場所での輻射熱吸収が低減される。
【００４３】
（コネクタ部、プローブケーブル）
プローブケーブル１２の一端側が超音波プローブ１の尾部(ケース１０１の他端部：振動子１０４とは反対の端部)に接続され、プローブケーブル１２の他端側が装置本体１０にコネクタ部（図示省略）で接続されている。プローブケーブル１２は電気信号を伝達する信号線と電源を供給する電源線とを含む複合ケーブルである。
【００４４】
以上説明した第１の実施形態によれば、電子回路１０６の温度により自律的に熱伝導率が変化する構造を採用したので、異常に温度が上昇した場合にも自律的に熱伝導率を上げることが可能となる。
【００４５】
すなわち、この第１の実施形態では能動的な温度制御はできないが、比較的簡単な構造で温度上昇時の熱伝達効率向上を実現させるとともに、電子回路１０６から発生する熱の熱伝導の制限を実現させている。
【００４６】
［第２の実施形態］
次に第２の実施形態に係る超音波プローブについて図３及び図４を参照して説明する。図３は超音波プローブの内部構成を示す図、図４は熱伝導率変更手段の構成を示す図である。
【００４７】
第１の実施形態の伝熱構造１０７ａでは熱輻射部材１１９が用いられていたが、第２の実施形態の伝熱構造１０７ａでは、熱輻射部材１１９に代えて、熱伝導率変更手段１１４、１１５が用いられている。
【００４８】
以下の第２の実施形態の構成を説明するに際して、第１の実施形態の構成と重複する部分については、第１の実施形態の構成と同じ番号を付し、その説明を省略する。
【００４９】
〔伝熱構造〕
伝熱構造１０７ａは、熱拡散部材１０７、回路部熱伝導部材１１１、熱伝導率変更手段１１４、１１５を有している。
【００５０】
（熱伝導率変更手段）
図３に示すように、熱伝導率変更手段１１４は、音響部１０３ａ（バッキング部材１０５）と電子回路１０６の間に配置され、電子回路１０６で発生した熱の音響部１０３ａへの伝播を低減している。熱伝導率変更手段１１４により、電子回路１０６からの熱でレンズ部材１０３の表面（ヘッド部の表面)の温度上昇を低減している。
【００５１】
熱伝導率変更手段１１５は、回路部熱伝導部材１１１と、熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２との間に設けられ、回路部熱伝導部材１１１から熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２への直接的熱伝達を防ぐように構成されている。この熱伝導率変更手段１１５により超音波プローブ１のケース１０１の回路部付近の局部的温度上昇を防ぐことが可能となる。
【００５２】
ケース１０１内部の温度は従来よりも高くなる傾向になるので、電子回路１０６が高い温度でも動作する設計になっている必要がある。特に、長時間連続的に多くの消費電力を使用する動作状態を行うと内部の温度は限界近くまで上昇することとなる。画面を止めてスキャンが停止した場合や他の超音波プローブ１を選択してケース１０１内部の電子回路１０６の電力消費が減少した場合でも断熱部材の効果で通常の熱伝播をしている場合、電子回路１０６の温度低下の速度は遅く、次に多くの電力消費を必要とする動作状態になる時点でも電子回路１０６の温度は十分低下しておらず、温度の高い状態から温度上昇を開始することになる。
【００５３】
そこで、電子回路１０６の電力消費が減少したときに、熱伝導率変更手段１１５の熱伝導率を高めるように変更することにより、電子回路１０６の温度低下を加速させることが可能となる。
【００５４】
これにより多くの電力消費を必要とする動作状態になる時点での温度を抑えて、内部の温度は限界近くまで上昇するまでの時間を長くしたり、より多くの電力を使用できるようにしたりすることができる。
【００５５】
次に、熱伝導率変更手段の詳細について図４を参照して説明する。図４は熱伝導率変更手段の構成を示す図である。
【００５６】
熱伝導率変更手段１１４、１１５は同じ構成をしており、以下、熱伝導率変更手段１１４を代表して説明し、熱伝導率変更手段１１５の説明を省略する。
【００５７】
図４に示すように、熱伝導率変更手段１１４は、赤外線放射率の高い熱輻射部材１１９と、赤外線を透過・遮断する赤外線透過／遮断手段１１８と、赤外線を透過し、最低レベルの熱伝導率を有する透明断熱部材１１７と、赤外線放射率の高い受熱部材１１６と、を有している。
【００５８】
（熱輻射部材）
熱輻射部材１１９は回路部熱伝導部材１１１と低い熱抵抗で接続される。熱輻射部材１１９は銅箔などの熱伝導率の高い材料の表面にセラミック塗装を行うことで放射率を高くした(０．９５以上)もので、セラミック塗装面を対抗して配置する。熱輻射部材１１９は回路部熱伝導部材１１１からの熱伝播を受けて、温度が上昇しこのエネルギーで遠赤外線をセラミック塗装面から受熱部材１１６の方向へ放射し、エネルギーを移動させる。なお、熱輻射部材１１９及び受熱部材１１６により、赤外線を伝播する赤外線伝播手段が構成されている。
【００５９】
（受熱部材）
受熱部材１１６はバッキング部材１０５と低い熱抵抗で接続されている。受熱部材１１６は銅箔などの熱伝導率の高い材料の表面にセラミック塗装を行うことで放射率を高くした(０．９５以上)もので、セラミック塗装面を対抗して配置する。
【００６０】
（透明断熱部材）
透明断熱部材１１７は、遠赤外線を透過し、最低レベルの熱伝導率を有する材料により形成されている。透明断熱部材１１７は、赤外線透過／遮断手段１１８と受熱部材１１６との間に配置されている。
【００６１】
透明断熱部材１１７には対流を抑圧した空気を含む材料が断熱性・重量の点で適切で、梱包緩衝材に用いられるポリエチレン薄膜で作られた気泡緩衝材や薄い複層ガラス(二枚のガラスで空気を挟み込んだ形のもの)などが適している。ポリエチレンやガラスは赤外線の透過率は高くないが薄膜であれば、十分(９０％以上)透過する。障子紙のような紙も空気の対流を妨げるのに効果があるが、反射が多く薄膜化が困難なため５０％程度しか透過しないのであまり適さない。
【００６２】
（赤外線透過／遮断手段）
赤外線透過／遮断手段１１８には、例えば、液晶シャッターが用いられる。液晶シャッターは、赤外線の透過率が低い例えば可視光線用のものより、赤外線の透過率が高いものが好ましい。液晶シャッターの一例として、特願平５−１２９７１４に記載されている赤外線透過板にはシリコン板を使用し、金の平行配列格子状電極による偏光板としての機能をもたせ、さらに金の電極に配向膜としての機能を持たせて、液晶を満たし、偏光方向を直交させることにより赤外線の遮断を行うものがある。
【００６３】
制御手段（図示省略）は、電子回路１０６に電源が供給されていないと判断したとき、また、電子回路１０６の温度が所定値を超えたと判断したとき、赤外線透過／遮断手段１１８へ電源を供給させ、赤外線が透過するように赤外線透過／遮断手段１１８を開かせる。これに対し、電子回路１０６に電源が供給されていて、かつ、電子回路１０６の温度が所定値以下であると判断したとき、赤外線透過／遮断手段１１８への電源の供給を停止させ、赤外線が遮断されるように赤外線透過／遮断手段１１８を閉じさせる。
【００６４】
赤外線透過／遮断手段１１８は、電源が供給されている状態では赤外線が遮断され、電源が供給されていない状態では赤外線が透過されるように液晶・偏向板の偏向の方向が調整される。伝熱構造は、赤外線透過／遮断手段１１８が赤外線を透過することで、回路部熱伝導部材１１１と音響部１０３ａとの間の熱伝導率が高くなり、赤外線透過／遮断手段１１８が赤外線を遮断することで、その間の熱伝導率が低くなる。
【００６５】
電子回路１０６が通電されていないとき、赤外線透過／遮断手段１１８が開いている。それにより、熱輻射部材１１９から放射された遠赤外線は赤外線透過／遮断手段１１８、透明断熱部材１１７を透過して受熱部材１１６に照射され、受熱部材１１６は入射した遠赤外線を吸収し熱に変換する。この遠赤外線の伝播により、回路部熱伝導部材１１１の熱がバッキング部材１０５に伝播し、この熱は振動子１０４、レンズ部材１０３を通じて外部の空気に伝播していく。
【００６６】
電子回路１０６が通電されているとき、赤外線透過／遮断手段１１８が閉じている。それにより、熱輻射部材１１９から放射された遠赤外線は赤外線透過／遮断手段１１８で吸収・反射されて音響部(レンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５)１０３ａには伝播しなくなる。反射された遠赤外線は熱輻射部材１１９に入射され、熱エネルギーに戻る。赤外線透過／遮断手段１１８で吸収された熱は赤外線透過／遮断手段１１８の温度を上昇させるが、この熱も透明断熱部材１１７により音響部１０３ａへ伝播しない。
【００６７】
〔動作〕
次に、第２の実施形態に係る超音波プローブの動作について説明する。
【００６８】
超音波プローブ１による超音波の送信は振動子１０４に電気パルスを印加することにより、機械的振動を発生させる。この電気機械変換の際にエネルギーロスが発生するため、振動子１０４から熱が発生する。更にこの発生した振動はレンズ部材１０３とバッキング部材１０５に伝わり、バッキング部材１０５に伝わった音響エネルギーは減衰により熱に変換される。レンズ部材１０３に伝わった音響エネルギーはレンズ部材１０３を伝わり、被検体内に伝播する。レンズ部材１０３には減衰があり一部が熱エネルギーとなる。
【００６９】
図３に示す超音波プローブ１のレンズ部材１０３の表面（ヘッド部の表面）は被検体の体表に接して検査するため、表面の温度の上昇は安全上の問題となり、レンズ部材１０３の表面温度の上昇を低減することが重要となる。バッキング部材１０５及び振動子１０４周辺の熱の拡散と放射電波対策の目的でシールド部材１０２が振動子１０４に接続される。バッキング部材１０５には温度センサ（図示省略）が埋め込まれ、このセンサの信号は温度検出用ライン（図示省略）を通じて装置本体１０に接続される。装置本体１０は、センサの信号に基づいて、レンズ部材１０３の表面温度の異常上昇を検出できるように構成されている。
【００７０】
超音波プローブ１をシステムに装着した状態で該当超音波プローブ１を診断画像収集に使用していない非通電状態では超音波プローブ１の内部の回路の電力消費は殆ど行われず、また、振動子１０４にも電力供給されず、レンズ部材１０３の表面（ヘッドの表面）及びケース１０１の表面（ハンドル部の表面）ともに温度は上昇していない。また、この非通電状態では赤外線透過／遮断手段１１８が赤外線を透過させる状態であるが、内部の温度は周囲の空気と同じであり、熱輻射部材１１９及び回路部熱伝導部材１１１の温度は受熱部材１１６及びバッキング部材１０５の温度と等しく、輻射による熱伝播は発生していない。
【００７１】
該当超音波プローブ１を選択して診断画像収集を開始する際には赤外線透過／遮断手段１１８を遮断状態に変更してから送受信のための電力供給を開始する。この通電状態での電力は超音波プローブ１の種類・対象範囲・画像モードにより異なるがおよそ１Ｗ〜３Ｗ程度であり、電子回路１０６の表面温度の上昇が始まる。この温度上昇は回路部熱伝導部材１１１に伝わり、更には熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２を通じて、超音波プローブ１のケース１０１に伝わり、その温度を上昇させる。超音波プローブ１のケース１０１の温度は周囲の空気により冷やされながら、徐々に上昇を続ける。レンズ部材１０３の表面は電子回路１０６からの熱に対しては断熱状態であるため、超音波エネルギー送信に伴う振動子１０４本来の発熱による温度上昇のみが発生して、電子回路１０６を内蔵しない超音波プローブ１の温度上昇とほぼ同等の温度上昇となり、各種断層像を得るために十分な超音波エネルギーを供給することができる。
【００７２】
操作者は診断に必要な画像を得ると画像収集を一旦停止(フリーズ)してシステム内部に保存された画像情報を分析したり、記録したりする。
【００７３】
この画像収集が停止になると赤外線透過／遮断手段１１８は透過状態になり、すでに電力消費が低減され発熱しなくなった電子回路１０６の上昇した温度を効率よく低下させる。この状態では超音波エネルギー送信に伴う振動子１０４本来の発熱は発生しておらず、熱伝導率変更手段１１５を通じた熱伝達があってもレンズ部材１０３の表面の温度上昇による安全上の危険は発生しない。
【００７４】
回路温度センサ１１０により電子回路１０６付近の温度を観察する機能を持たせることも可能で、この場合は電子回路１０６付近の温度が所定値を超えたとき、例えば、基板実装部品１０９の動作可能範囲を超えたり、長期信頼性も含めて非可逆的破壊に至る温度範囲に近づいたりしたとき、保護処置として電子回路１０６の消費電力低減・又は停止と共に熱伝導率変更手段１１４、１１５により熱伝導率を高く制御して、電子回路１０６の温度低下を促進して実用性・信頼性を高めることが可能である。
【００７５】
（変形例）
なお、実施形態では、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００７６】
赤外線透過／遮断手段１１８には液晶シャッターだけでなく、遮光板を機械的に回転させる方式でもよい。この場合でもばねによる初期状態を持つ機構として電源が遮断された時でも赤外線が透過する状態に戻すことが可能である。
【００７７】
熱伝導率変更手段１１４、１１５には赤外線を透過・遮断するシャッターだけでなく、停止可能な流体循環を用いてもよいし、温度で固体から対流可能な液体に相変化して、熱伝導率を変化させる断熱機構でもよいし、温度で変形する形状記憶金属を用いた機構による断熱機構を用いてもよい。
【００７８】
ケース１０１部内のプローブケーブル１２までの熱伝達には銅板・銅箔・カーボンシート・ヒートパイプ・小型のコンプレッサを利用した素材を用いてもよい。
【００７９】
プローブケーブル１２内に冷媒を循環させない冷却方式の超音波プローブ１での例で説明したが、プローブケーブル１２内に冷媒を循環させる超音波プローブ１にも実施可能である。
【００８０】
〔比較例〕
比較例に係る超音波プローブの内部構成について図５を参照して説明する。図５は、超音波プローブの内部構成を示す図である。
【００８１】
比較例の構成において、第１の実施形態の構成と重複する部分については、第１の実施形態の構成と同じ番号を付し、その説明を省略する。
【００８２】
比較例の構成では、実施形態の構成のように、電子回路１０６及び振動子１０４の両者間の断熱を行う伝熱構造を有しておらず、また、電子回路１０６及びケース１０１の両者間での熱伝導を行う構造も、赤外線による輻射の温度特性を利用するものでもない。
【００８３】
図５に示すように、超音波プローブ１の内部には回路部熱伝導部材１１１が設けられている。回路部熱伝導部材１１１は電子回路１０６から発生する熱を外部へ伝導させるために電子回路１０６を覆う。回路部熱伝導部材１１１は外部への熱伝達をするための熱拡散部材１０７に接続され、プローブケーブル１２からの熱放射及びシールド部材１０２に熱を伝達し、さらにケース１０１に熱を伝達し、自然空冷により冷却を行っている。
【００８４】
比較例の構成では、回路部熱伝導部材１１１と熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２の間の熱伝達を良好にするための熱伝達部材１１３が置かれている。また、電子回路１０６と振動子１０４とは信号接続フレキシブル基板１１２又はプローブケーブル１２により送受信のための電気的接続を行っているが、この電気接続のための導体及びその周囲の空隙にある空気により電子回路１０６で発生した熱をレンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５に伝播させている。
【００８５】
電子回路１０６近傍に回路温度センサ１１０が設けられ、装置本体１０に接続され、装置本体１０に設けられた制御部（図示省略）により、電子回路１０６近傍の温度が監視される。振動子１０４近傍にも温度センサ（図示書略）が埋め込まれ、振動子１０４の近傍の温度が観測される。
【００８６】
前述したように、レンズ部材１０３の表面は検査の対象患者の体表に接触させるため、その表面温度が過度に上昇することは安全上重大な問題となるため、温度管理が重要である。また、超音波プローブ１のケース１０１も検査を行う操作者が手で保持する部分であり、その表面の過度の温度上昇は検査者のやけど・不快感を発生させるため、この領域の温度管理も重要である。このため電子回路１０６で使用する電力を制限しており、送信エネルギーの制限や受信回路のバイアス電流を制限して結果的に飽和や雑音の増大を許容する状態で使用している。比較例の構成ではシールド部材１０２の熱抵抗の低減による最適化設計を試みているが、限られた空間での熱抵抗の低減には限界があり、ケース１０１の表面温度の均一化による冷却能力最適化が十分に行うことが困難な状況で、循環器用超音波プローブ１の場合で２Ｗ弱の消費電力でも表面温度が安全の限界温度に達する場合が生じている。
【００８７】
これに対し、実施形態では、電子回路１０６の温度により自律的に熱伝導率を変化させることにより、また、熱伝導を制限して、熱伝導率を変化させることにより、超音波プローブ１の表面温度を安全な範囲に保つことが可能となる。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるととともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８９】
１ 超音波プローブ ２ 接続手段 ３ 送信回路 ４ 受信走査回路
５ 血流解析検出器 ６ 振幅検出器 ７ 表示処理器 ８ 表示器
１２ プローブケーブル
１０１ ケース １０２ シールド部材 １０３ レンズ部材
１０３ａ 音響部 １０４ 振動子 １０５ バッキング部材 １０６ 電子回路
１０７ａ 伝熱構造 １０７ 熱拡散部材 １０８ 基板
１０９ 基板実装部品
１１０ 回路温度センサ １１１ 回路部熱伝導部材
１１２ 信号接続フレキシブル基板 １１３ 熱伝達部材
１１４ 熱伝導率変更手段 １１５ 熱伝導率変更手段
１１６ 受熱部材 １１７ 透明断熱部材 １１８ 赤外線透過／遮断手段
１１９ 熱輻射部材
２００ 赤外線屈折プリズム ２０１ 赤外線反射体
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元又は２次元の画像を取得するための超音波診断装置において、超音波プローブのケースの一端部側のヘッド部には超音波を送受信する振動子が２次元又は１次元に配列されている。ケース内には振動子を駆動するためのビームフォーミングなどを行う電子回路基板群が設けられている。電子回路基板群を単に電子回路という場合がある。
【０００３】
より高精細な画像を取得するために、電子回路をより機能化・高出力・高密度実装することが図られている。電子回路から発生する熱により、ヘッド部及びケースの表面温度が上昇するため、超音波プローブの放熱が重要となる。
【０００４】
しかし、ヘッド部の表面やケースの表面からの自然空冷によっては、温度上昇を十分に抑えることができず、超音波プローブの使用時間に応じて、表面温度が上昇する。
【０００５】
ヘッド部の表面は被検体に触れる部位であり、また、ケースの表面は操作者に保持される部位（ハンドル部）となっている。そのため、ヘッド部及びハンドル部の表面温度を安全な範囲に保つ必要がある。
【０００６】
そこで、ケースの他端部からケースの外に延ばされているプローブケーブルを用い、表面温度が許容される温度を超えないように、プローブケーブルを介してケース内に冷媒を循環させる強制冷却が検討される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−４２２４４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、プローブケーブルから冷媒が漏れたり、循環用のポンプが故障したりして、冷却能力が低下して、表面温度を安全な範囲に保てないおそれがあるという問題点がある。
【０００９】
なお、冷媒循環を用いずに、超音波プローブの表面からの自然冷却では、長時間の継続使用ができないか、電力を制限するために、性能を低下させるという問題点がある。
【００１０】
この実施形態は、上記の問題を解決するものであり、性能を低下させず、超音波プローブの表面温度を安全な範囲に保つことが可能な超音波プローブ及び超音波診断装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、実施形態の超音波プローブは、ケースと、振動子と、電子回路と、伝熱構造と、を有し、振動子は、ケースの一端部に配列され、遅延時間に基づく超音波を送信する。電子回路は、ケースに収容され、前記遅延時間を設定する遅延回路、及び前記遅延時間に基づき生成したパルスを振動子に出力するパルサを有する。伝熱構造は、電子回路が通電されているとき、少なくとも前記電子回路及び前記ケースの両者間、又は、前記電子回路及前記振動子の両者間の一つで熱伝導を制限し、電子回路からの熱をケースの他端部に伝導する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る超音波診断装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】超音波プローブの内部構成を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る超音波プローブの内部構成を示す図。
【図４】熱伝導率変更手段の構成を示す図。
【図５】比較例に係る超音波プローブの内部構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１の実施形態］
以下、第１の実施形態に係る超音波プローブ及びそれを用いた超音波診断装置について図１及び図２を参照して説明する。図１は、超音波診断装置の基本構成を示すブロック図、図２は超音波プローブの内部構成を示す図である。
【００１４】
〈超音波診断装置の基本構成〉
図１及び図３に示すように、超音波プローブ１は、プローブケーブル１２と接続手段２により装置本体１０に接続される。超音波プローブ１は、被検体の内部を超音波により電子的に高速で走査することができるように、電気信号と音響信号とを相互変換するための複数の振動子１０４が配列されてなるアレイ振動子が採用されている。
【００１５】
超音波プローブ１は、送信回路３の一部（送信遅延回路（図示省略）、パルサ（図示省略））、及び、振動子１０４等を有している。超音波プローブ１内に設けられる送信回路３の一部を、電子回路という場合がある。
【００１６】
装置本体１０は、送信回路３の一部（クロック発生器（図示省略）、分周器（図示省略））、受信走査回路４、血流解析検出器５、振幅検出器６、表示処理器７、表示器８を有している。
【００１７】
（送信回路）
送信回路３は、クロック発生器で発生されたクロックパルスを分周器で例えば５ＫＨｚ程度のレートパルスに落とし、このレートパルスを送信遅延回路を通してパルサに与えて高周波の電圧パルスを発生し、振動子１０４を駆動する、つまり機械的に振動させるようになっている。こうして発生された超音波は、被検体内の音響インピーダンスの境界で反射して、超音波プローブ１に戻ってきて、振動子１０４を機械的に振動する。これにより各振動子１０４に電気信号が個別に発生する。この電気信号は、受信走査回路４で増幅・整相加算される。これにより、指向性を有する信号（エコー信号）が生成される。
【００１８】
（振幅検出器）
振幅検出器６では、受信走査回路４からのエコー信号に基づいて、組織の形態的な情報を提供するＢモード像データを生成する。表示処理器７は、上述した振幅検出器６で生成したＢモード像データに基づいて組織形態画像断面表示を行う。
【００１９】
（血流解析検出器）
血流解析検出器５は、いわゆるカラードプライメージング（ＣＤＩ）を実現するユニットであり、まず、受信走査回路４からのエコー信号を直交位相で検波して周波数偏移を受けたドプラ信号を取り出し、この取り出したドプラ信号からＭＴＩフィルタで特定の周波数成分だけを通し、その通過した信号の周波数を自己相関器により求め、この周波数から演算部で平均速度、分散、パワーを演算するように構成されている。
【００２０】
なお、ＭＴＩフィルタの通過帯域を調整することにより、主に血流を映像化する一般的なドプラモード（このモードによる画像データを血流ドプラ画像データと称する）と、主に心筋等の臓器を映像化する組織ドプラモード（このモードによる画像データを組織ドプラ画像データと称する）とを切り替えることができるようになっている。
【００２１】
（表示処理器、表示器）
また、表示処理器７は、上述した血流解析検出器５で生成した血流ドプラ画像データと組織形態画像データを、合成して表示する。この組織形態画像データと機能画像データとの合成画像は、表示器８に表示される。
【００２２】
〈超音波プローブの構成〉
次に、第１の実施形態に係る超音波プローブの構成について図２を参照して説明する。
【００２３】
図２に示すように、超音波プローブ１は、ケース１０１、シールド部材１０２、音響部１０３ａ、電子回路１０６、及び伝熱構造１０７ａとを有している。図２では、電子回路１０６の一部を示す。
【００２４】
（ケース）
ケース１０１は、断熱性を有する樹脂により形成されている。ケース１０１の表面を、操作者により把持されるハンドル部という場合がある。
【００２５】
（シールド部材）
シールド部材１０２はケース１０１の内面に配置されている。放射電波を低減するため、シールド部材１０２にはメッシュ又はスリットが形成されている。
【００２６】
〔音響部〕
音響部１０３ａは、ケース１０１の一端部であるヘッド部に設けられている。音響部１０３ａは、レンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５を有している。音響部１０３ａは熱発生源となる。
【００２７】
（振動子）
振動子１０４は、電気・音響変換により超音波を送受信する振動子１０４は一般的には圧電材料をアレイ状に加工したものである。
【００２８】
（バッキング部材）
バッキング部材１０５は、効率的な音響放射・受波を行うために振動子１０４の背面に配置されている。
【００２９】
（レンズ部材）
レンズ部材１０３は、音響レンズの役目をはたし、また生体への接触性を良くするために振動子１０４の正面（バッキング部材１０５とは反対側の面）に配置されている。なお、レンズ部材１０３の表面が、被検体の体表に接触するヘッド部の表面となる。
【００３０】
（電子回路）
超音波プローブ１のケース１０１内部には、送信回路３の一部（送信遅延回路、パルサ）を含む電子回路１０６が設けられている。電子回路１０６は、基板１０８及び基板実装部品１０９を有する。基板１０８、基板実装部品１０９が熱発生源となる。
【００３１】
〔伝熱構造〕
伝熱構造１０７ａは、熱拡散部材１０７、回路部熱伝導部材１１１、熱輻射部材１１９を有している。
【００３２】
（熱拡散部材）
熱拡散部材１０７は、シールド部材１０２に沿って配置され、ケース１０１の一端部（超音波プローブ１のヘッド部）からケース１０１の他端部（超音波プローブ１の尾部）に延ばされ、超音波放射に伴い音響部（レンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５）１０３ａから発生する熱を超音波プローブ１の尾部に伝達する役目をはたす。
【００３３】
なお、熱拡散部材１０７にメッシュ又はスリットを設けても良いし、接地することにより、シールド部材１０２としての役目を持たせてもよい。
【００３４】
（回路部熱伝導部材）
回路部熱伝導部材１１１は、電子回路１０６を包むように配置され、電子回路１０６から生じた熱を熱拡散部材１０７の方（超音波プローブ１の尾部の方）に伝導する。
【００３５】
（熱輻射部材）
次に伝熱構造１０７ａについて説明する。なお、以下の説明では、電子回路１０６及びケース１０１の両者間での熱伝導をする伝熱構造１０７ａを代表して示し、電子回路１０６及び振動子１０４の両者間での熱伝導をする伝熱構造１０７ａを省略する。
【００３６】
伝熱構造１０７ａでは、温度により自律的に熱伝導率が変化する構造を採用し、赤外線による輻射の温度特性を有する熱輻射部材１１９が用いられている。
【００３７】
熱輻射部材１１９は、電子回路１０６からの熱をケース１０１の他端部に伝導する熱伝導部材に相当している。熱輻射部材１１９としては、熱を縦方向のみでなく、横方向にも伝える異方性の熱伝導率を有する部材が好ましく、例えば、黒鉛をシート状に加工したグラファイトシートがさらに好ましい。熱輻射部材１１９にメッシュ又はスリットを設けても良いし、接地することにより、シールド部材１０２としての役目を持たせてもよく、熱拡散部材１０７としての役目をもたせてもよい。
【００３８】
図２に示すように、熱輻射部材１１９は、回路部熱伝導部材１１１上に敷設され、回路部熱伝導部材１１１の熱により赤外線を受熱部材１１６に向けて放射する。受熱部材１１６は、ケース１０１の他端部の方（超音波プローブ１の尾部の方）に延ばされている。
【００３９】
また、熱輻射部材１１９は、熱拡散部材１０７に沿って配設され、熱拡散部材１０７の熱により赤外線を受熱部材１１６に向けて放射する。
【００４０】
輻射の温度特性では、電子回路１０６及び回路部熱伝導部材１１１の温度が上昇すると赤外線放射率の高い熱輻射部材１１９からの輻射エネルギーはその表面温度Ｔの４乗に比例して増加する。一般の伝導熱では温度差に比例してエネルギーが増加するのに比べて、輻射エネルギーでは高温時には熱伝播が増加し、熱伝導率が上昇したのと等価の熱伝播を行うことが可能となる。
【００４１】
例えば、３５℃（２７３＋３５＝３０８°Ｋ)と６０℃(２７３＋６０＝３３３°Ｋ)では、一般の熱伝導では、８（≒（３３３−３０８）／３０８＊１００）％のエネルギー上昇に比べて、輻射エネルギーでは、３６（≒（１．０８４ −１）＊１００）％の上昇となる。異常に温度が上昇した場合にも輻射熱のこの性質により自律的に熱伝導率を上げる効果がある。
【００４２】
図２に示すように、さらに第１の実施形態では操作者が保持する部分など超音波プローブ１のケース１０１の温度上昇を特に避けたい部分には、熱輻射部材１１９の表面に赤外線屈折プリズム２００が配置されている。赤外線屈折プリズム２００は、熱輻射部材１１９の表面に対抗する正面にある温度を上げたくない部分（ケース１０１の表面）への輻射を図２上右の超音波プローブ１の尾部（ケース１０１の他端部の方向）に放射するように屈折させる。同様に温度を上げたくない付近の受熱部材１１６の表面にも赤外線を斜め（ケース１０１の他端部の方向）へ反射させる赤外線反射体２０１が並設されている。赤外線屈折プリズム２００及び赤外線反射体２０１により、この場所での輻射熱吸収が低減される。
【００４３】
（コネクタ部、プローブケーブル）
プローブケーブル１２の一端側が超音波プローブ１の尾部(ケース１０１の他端部：振動子１０４とは反対の端部)に接続され、プローブケーブル１２の他端側が装置本体１０にコネクタ部（図示省略）で接続されている。プローブケーブル１２は電気信号を伝達する信号線と電源を供給する電源線とを含む複合ケーブルである。
【００４４】
以上説明した第１の実施形態によれば、電子回路１０６の温度により自律的に熱伝導率が変化する構造を採用したので、異常に温度が上昇した場合にも自律的に熱伝導率を上げることが可能となる。
【００４５】
すなわち、この第１の実施形態では能動的な温度制御はできないが、比較的簡単な構造で温度上昇時の熱伝達効率向上を実現させるとともに、電子回路１０６から発生する熱の熱伝導の制限を実現させている。
【００４６】
［第２の実施形態］
次に第２の実施形態に係る超音波プローブについて図３及び図４を参照して説明する。図３は超音波プローブの内部構成を示す図、図４は熱伝導率変更手段の構成を示す図である。
【００４７】
第１の実施形態の伝熱構造１０７ａでは熱輻射部材１１９が用いられていたが、第２の実施形態の伝熱構造１０７ａでは、熱輻射部材１１９に代えて、熱伝導率変更手段１１４、１１５が用いられている。
【００４８】
以下の第２の実施形態の構成を説明するに際して、第１の実施形態の構成と重複する部分については、第１の実施形態の構成と同じ番号を付し、その説明を省略する。
【００４９】
〔伝熱構造〕
伝熱構造１０７ａは、熱拡散部材１０７、回路部熱伝導部材１１１、熱伝導率変更手段１１４、１１５を有している。
【００５０】
（熱伝導率変更手段）
図３に示すように、熱伝導率変更手段１１４は、音響部１０３ａ（バッキング部材１０５）と電子回路１０６の間に配置され、電子回路１０６で発生した熱の音響部１０３ａへの伝播を低減している。熱伝導率変更手段１１４により、電子回路１０６からの熱でレンズ部材１０３の表面（ヘッド部の表面)の温度上昇を低減している。
【００５１】
熱伝導率変更手段１１５は、回路部熱伝導部材１１１と、熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２との間に設けられ、回路部熱伝導部材１１１から熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２への直接的熱伝達を防ぐように構成されている。この熱伝導率変更手段１１５により超音波プローブ１のケース１０１の回路部付近の局部的温度上昇を防ぐことが可能となる。
【００５２】
ケース１０１内部の温度は従来よりも高くなる傾向になるので、電子回路１０６が高い温度でも動作する設計になっている必要がある。特に、長時間連続的に多くの消費電力を使用する動作状態を行うと内部の温度は限界近くまで上昇することとなる。画面を止めてスキャンが停止した場合や他の超音波プローブ１を選択してケース１０１内部の電子回路１０６の電力消費が減少した場合でも断熱部材の効果で通常の熱伝播をしている場合、電子回路１０６の温度低下の速度は遅く、次に多くの電力消費を必要とする動作状態になる時点でも電子回路１０６の温度は十分低下しておらず、温度の高い状態から温度上昇を開始することになる。
【００５３】
そこで、電子回路１０６の電力消費が減少したときに、熱伝導率変更手段１１５の熱伝導率を高めるように変更することにより、電子回路１０６の温度低下を加速させることが可能となる。
【００５４】
これにより多くの電力消費を必要とする動作状態になる時点での温度を抑えて、内部の温度は限界近くまで上昇するまでの時間を長くしたり、より多くの電力を使用できるようにしたりすることができる。
【００５５】
次に、熱伝導率変更手段の詳細について図４を参照して説明する。図４は熱伝導率変更手段の構成を示す図である。
【００５６】
熱伝導率変更手段１１４、１１５は同じ構成をしており、以下、熱伝導率変更手段１１４を代表して説明し、熱伝導率変更手段１１５の説明を省略する。
【００５７】
図４に示すように、熱伝導率変更手段１１４は、赤外線放射率の高い熱輻射部材１１９と、赤外線を透過・遮断する赤外線透過／遮断手段１１８と、赤外線を透過し、最低レベルの熱伝導率を有する透明断熱部材１１７と、赤外線放射率の高い受熱部材１１６と、を有している。
【００５８】
（熱輻射部材）
熱輻射部材１１９は回路部熱伝導部材１１１と低い熱抵抗で接続される。熱輻射部材１１９は銅箔などの熱伝導率の高い材料の表面にセラミック塗装を行うことで放射率を高くした(０．９５以上)もので、セラミック塗装面を対抗して配置する。熱輻射部材１１９は回路部熱伝導部材１１１からの熱伝播を受けて、温度が上昇しこのエネルギーで遠赤外線をセラミック塗装面から受熱部材１１６の方向へ放射し、エネルギーを移動させる。なお、熱輻射部材１１９及び受熱部材１１６により、赤外線を伝播する赤外線伝播手段が構成されている。
【００５９】
（受熱部材）
受熱部材１１６はバッキング部材１０５と低い熱抵抗で接続されている。受熱部材１１６は銅箔などの熱伝導率の高い材料の表面にセラミック塗装を行うことで放射率を高くした(０．９５以上)もので、セラミック塗装面を対抗して配置する。
【００６０】
（透明断熱部材）
透明断熱部材１１７は、遠赤外線を透過し、最低レベルの熱伝導率を有する材料により形成されている。透明断熱部材１１７は、赤外線透過／遮断手段１１８と受熱部材１１６との間に配置されている。
【００６１】
透明断熱部材１１７には対流を抑圧した空気を含む材料が断熱性・重量の点で適切で、梱包緩衝材に用いられるポリエチレン薄膜で作られた気泡緩衝材や薄い複層ガラス(二枚のガラスで空気を挟み込んだ形のもの)などが適している。ポリエチレンやガラスは赤外線の透過率は高くないが薄膜であれば、十分(９０％以上)透過する。障子紙のような紙も空気の対流を妨げるのに効果があるが、反射が多く薄膜化が困難なため５０％程度しか透過しないのであまり適さない。
【００６２】
（赤外線透過／遮断手段）
赤外線透過／遮断手段１１８には、例えば、液晶シャッターが用いられる。液晶シャッターは、赤外線の透過率が低い例えば可視光線用のものより、赤外線の透過率が高いものが好ましい。液晶シャッターの一例として、特願平５−１２９７１４に記載されている赤外線透過板にはシリコン板を使用し、金の平行配列格子状電極による偏光板としての機能をもたせ、さらに金の電極に配向膜としての機能を持たせて、液晶を満たし、偏光方向を直交させることにより赤外線の遮断を行うものがある。
【００６３】
制御手段（図示省略）は、電子回路１０６に電源が供給されていないと判断したとき、また、電子回路１０６の温度が所定値を超えたと判断したとき、赤外線透過／遮断手段１１８へ電源を供給させ、赤外線が透過するように赤外線透過／遮断手段１１８を開かせる。これに対し、電子回路１０６に電源が供給されていて、かつ、電子回路１０６の温度が所定値以下であると判断したとき、赤外線透過／遮断手段１１８への電源の供給を停止させ、赤外線が遮断されるように赤外線透過／遮断手段１１８を閉じさせる。
【００６４】
赤外線透過／遮断手段１１８は、電源が供給されている状態では赤外線が遮断され、電源が供給されていない状態では赤外線が透過されるように液晶・偏向板の偏向の方向が調整される。伝熱構造は、赤外線透過／遮断手段１１８が赤外線を透過することで、回路部熱伝導部材１１１と音響部１０３ａとの間の熱伝導率が高くなり、赤外線透過／遮断手段１１８が赤外線を遮断することで、その間の熱伝導率が低くなる。
【００６５】
電子回路１０６が通電されていないとき、赤外線透過／遮断手段１１８が開いている。それにより、熱輻射部材１１９から放射された遠赤外線は赤外線透過／遮断手段１１８、透明断熱部材１１７を透過して受熱部材１１６に照射され、受熱部材１１６は入射した遠赤外線を吸収し熱に変換する。この遠赤外線の伝播により、回路部熱伝導部材１１１の熱がバッキング部材１０５に伝播し、この熱は振動子１０４、レンズ部材１０３を通じて外部の空気に伝播していく。
【００６６】
電子回路１０６が通電されているとき、赤外線透過／遮断手段１１８が閉じている。それにより、熱輻射部材１１９から放射された遠赤外線は赤外線透過／遮断手段１１８で吸収・反射されて音響部(レンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５)１０３ａには伝播しなくなる。反射された遠赤外線は熱輻射部材１１９に入射され、熱エネルギーに戻る。赤外線透過／遮断手段１１８で吸収された熱は赤外線透過／遮断手段１１８の温度を上昇させるが、この熱も透明断熱部材１１７により音響部１０３ａへ伝播しない。
【００６７】
〔動作〕
次に、第２の実施形態に係る超音波プローブの動作について説明する。
【００６８】
超音波プローブ１による超音波の送信は振動子１０４に電気パルスを印加することにより、機械的振動を発生させる。この電気機械変換の際にエネルギーロスが発生するため、振動子１０４から熱が発生する。更にこの発生した振動はレンズ部材１０３とバッキング部材１０５に伝わり、バッキング部材１０５に伝わった音響エネルギーは減衰により熱に変換される。レンズ部材１０３に伝わった音響エネルギーはレンズ部材１０３を伝わり、被検体内に伝播する。レンズ部材１０３には減衰があり一部が熱エネルギーとなる。
【００６９】
図３に示す超音波プローブ１のレンズ部材１０３の表面（ヘッド部の表面）は被検体の体表に接して検査するため、表面の温度の上昇は安全上の問題となり、レンズ部材１０３の表面温度の上昇を低減することが重要となる。バッキング部材１０５及び振動子１０４周辺の熱の拡散と放射電波対策の目的でシールド部材１０２が振動子１０４に接続される。バッキング部材１０５には温度センサ（図示省略）が埋め込まれ、このセンサの信号は温度検出用ライン（図示省略）を通じて装置本体１０に接続される。装置本体１０は、センサの信号に基づいて、レンズ部材１０３の表面温度の異常上昇を検出できるように構成されている。
【００７０】
超音波プローブ１をシステムに装着した状態で該当超音波プローブ１を診断画像収集に使用していない非通電状態では超音波プローブ１の内部の回路の電力消費は殆ど行われず、また、振動子１０４にも電力供給されず、レンズ部材１０３の表面（ヘッドの表面）及びケース１０１の表面（ハンドル部の表面）ともに温度は上昇していない。また、この非通電状態では赤外線透過／遮断手段１１８が赤外線を透過させる状態であるが、内部の温度は周囲の空気と同じであり、熱輻射部材１１９及び回路部熱伝導部材１１１の温度は受熱部材１１６及びバッキング部材１０５の温度と等しく、輻射による熱伝播は発生していない。
【００７１】
該当超音波プローブ１を選択して診断画像収集を開始する際には赤外線透過／遮断手段１１８を遮断状態に変更してから送受信のための電力供給を開始する。この通電状態での電力は超音波プローブ１の種類・対象範囲・画像モードにより異なるがおよそ１Ｗ〜３Ｗ程度であり、電子回路１０６の表面温度の上昇が始まる。この温度上昇は回路部熱伝導部材１１１に伝わり、更には熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２を通じて、超音波プローブ１のケース１０１に伝わり、その温度を上昇させる。超音波プローブ１のケース１０１の温度は周囲の空気により冷やされながら、徐々に上昇を続ける。レンズ部材１０３の表面は電子回路１０６からの熱に対しては断熱状態であるため、超音波エネルギー送信に伴う振動子１０４本来の発熱による温度上昇のみが発生して、電子回路１０６を内蔵しない超音波プローブ１の温度上昇とほぼ同等の温度上昇となり、各種断層像を得るために十分な超音波エネルギーを供給することができる。
【００７２】
操作者は診断に必要な画像を得ると画像収集を一旦停止(フリーズ)してシステム内部に保存された画像情報を分析したり、記録したりする。
【００７３】
この画像収集が停止になると赤外線透過／遮断手段１１８は透過状態になり、すでに電力消費が低減され発熱しなくなった電子回路１０６の上昇した温度を効率よく低下させる。この状態では超音波エネルギー送信に伴う振動子１０４本来の発熱は発生しておらず、熱伝導率変更手段１１５を通じた熱伝達があってもレンズ部材１０３の表面の温度上昇による安全上の危険は発生しない。
【００７４】
回路温度センサ１１０により電子回路１０６付近の温度を観察する機能を持たせることも可能で、この場合は電子回路１０６付近の温度が所定値を超えたとき、例えば、基板実装部品１０９の動作可能範囲を超えたり、長期信頼性も含めて非可逆的破壊に至る温度範囲に近づいたりしたとき、保護処置として電子回路１０６の消費電力低減・又は停止と共に熱伝導率変更手段１１４、１１５により熱伝導率を高く制御して、電子回路１０６の温度低下を促進して実用性・信頼性を高めることが可能である。
【００７５】
（変形例）
なお、実施形態では、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００７６】
赤外線透過／遮断手段１１８には液晶シャッターだけでなく、遮光板を機械的に回転させる方式でもよい。この場合でもばねによる初期状態を持つ機構として電源が遮断された時でも赤外線が透過する状態に戻すことが可能である。
【００７７】
熱伝導率変更手段１１４、１１５には赤外線を透過・遮断するシャッターだけでなく、停止可能な流体循環を用いてもよいし、温度で固体から対流可能な液体に相変化して、熱伝導率を変化させる断熱機構でもよいし、温度で変形する形状記憶金属を用いた機構による断熱機構を用いてもよい。
【００７８】
ケース１０１部内のプローブケーブル１２までの熱伝達には銅板・銅箔・カーボンシート・ヒートパイプ・小型のコンプレッサを利用した素材を用いてもよい。
【００７９】
プローブケーブル１２内に冷媒を循環させない冷却方式の超音波プローブ１での例で説明したが、プローブケーブル１２内に冷媒を循環させる超音波プローブ１にも実施可能である。
【００８０】
〔比較例〕
比較例に係る超音波プローブの内部構成について図５を参照して説明する。図５は、超音波プローブの内部構成を示す図である。
【００８１】
比較例の構成において、第１の実施形態の構成と重複する部分については、第１の実施形態の構成と同じ番号を付し、その説明を省略する。
【００８２】
比較例の構成では、実施形態の構成のように、電子回路１０６及び振動子１０４の両者間の断熱を行う伝熱構造を有しておらず、また、電子回路１０６及びケース１０１の両者間での熱伝導を行う構造も、赤外線による輻射の温度特性を利用するものでもない。
【００８３】
図５に示すように、超音波プローブ１の内部には回路部熱伝導部材１１１が設けられている。回路部熱伝導部材１１１は電子回路１０６から発生する熱を外部へ伝導させるために電子回路１０６を覆う。回路部熱伝導部材１１１は外部への熱伝達をするための熱拡散部材１０７に接続され、プローブケーブル１２からの熱放射及びシールド部材１０２に熱を伝達し、さらにケース１０１に熱を伝達し、自然空冷により冷却を行っている。
【００８４】
比較例の構成では、回路部熱伝導部材１１１と熱拡散部材１０７又はシールド部材１０２の間の熱伝達を良好にするための熱伝達部材１１３が置かれている。また、電子回路１０６と振動子１０４とは信号接続フレキシブル基板１１２又はプローブケーブル１２により送受信のための電気的接続を行っているが、この電気接続のための導体及びその周囲の空隙にある空気により電子回路１０６で発生した熱をレンズ部材１０３、振動子１０４、バッキング部材１０５に伝播させている。
【００８５】
電子回路１０６近傍に回路温度センサ１１０が設けられ、装置本体１０に接続され、装置本体１０に設けられた制御部（図示省略）により、電子回路１０６近傍の温度が監視される。振動子１０４近傍にも温度センサ（図示書略）が埋め込まれ、振動子１０４の近傍の温度が観測される。
【００８６】
前述したように、レンズ部材１０３の表面は検査の対象患者の体表に接触させるため、その表面温度が過度に上昇することは安全上重大な問題となるため、温度管理が重要である。また、超音波プローブ１のケース１０１も検査を行う操作者が手で保持する部分であり、その表面の過度の温度上昇は検査者のやけど・不快感を発生させるため、この領域の温度管理も重要である。このため電子回路１０６で使用する電力を制限しており、送信エネルギーの制限や受信回路のバイアス電流を制限して結果的に飽和や雑音の増大を許容する状態で使用している。比較例の構成ではシールド部材１０２の熱抵抗の低減による最適化設計を試みているが、限られた空間での熱抵抗の低減には限界があり、ケース１０１の表面温度の均一化による冷却能力最適化が十分に行うことが困難な状況で、循環器用超音波プローブ１の場合で２Ｗ弱の消費電力でも表面温度が安全の限界温度に達する場合が生じている。
【００８７】
これに対し、実施形態では、電子回路１０６の温度により自律的に熱伝導率を変化させることにより、また、熱伝導を制限して、熱伝導率を変化させることにより、超音波プローブ１の表面温度を安全な範囲に保つことが可能となる。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるととともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８９】
１ 超音波プローブ ２ 接続手段 ３ 送信回路 ４ 受信走査回路
５ 血流解析検出器 ６ 振幅検出器 ７ 表示処理器 ８ 表示器
１２ プローブケーブル
１０１ ケース １０２ シールド部材 １０３ レンズ部材
１０３ａ 音響部 １０４ 振動子 １０５ バッキング部材 １０６ 電子回路
１０７ａ 伝熱構造 １０７ 熱拡散部材 １０８ 基板
１０９ 基板実装部品
１１０ 回路温度センサ １１１ 回路部熱伝導部材
１１２ 信号接続フレキシブル基板 １１３ 熱伝達部材
１１４ 熱伝導率変更手段 １１５ 熱伝導率変更手段
１１６ 受熱部材 １１７ 透明断熱部材 １１８ 赤外線透過／遮断手段
１１９ 熱輻射部材
２００ 赤外線屈折プリズム ２０１ 赤外線反射体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信する超音波プローブにおいて、
ケースと、
前記ケースの一端部に配列され、遅延時間に基づく超音波を送信する振動子と、
前記ケースに収容され、前記遅延時間を設定する遅延回路、及び前記遅延時間に基づき生成したパルスを振動子に出力するパルサを有する電子回路と、
前記電子回路が通電されているとき、少なくとも前記電子回路及び前記ケースの両者間、又は、前記電子回路及前記振動子の両者間の一つで熱伝導を制限し、前記電子回路からの熱を前記ケースの他端部に伝導する伝熱構造と、
を有する
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記伝熱構造は、前記電子回路からの熱をケースの他端部に伝導する熱伝導部材を有す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】
前記熱伝導部材は、前記電子回路の温度により熱伝導率が変化す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】
前記熱伝導部材は、メッシュ状に形成されることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記熱伝導部材は、異方性の熱伝導率を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記伝熱構造は、前記電子回路からの熱を赤外線に変換し、前記ケースの他端部の方向へ反射／屈折させる光学手段を有す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７】
前記伝熱構造は、
前記電子回路からの熱を前記ケースの他端部に伝導する熱伝導部材と、
前記電子回路が通電されているとき、いずれかの両者間の熱伝導率を低くし、前記電子回路が通電されていないとき、その両者間の熱伝導率を高くする熱伝導率変更手段と、
を有す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８】
前記熱伝導率変更手段は、前記電子回路に電源が供給されないとき、熱伝導率を高くさせる制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記熱伝導率変更手段は、前記電子回路の温度が所定値を超えたとき、熱伝導率を高くさせる制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記熱伝導率変更手段は、両者間で赤外線を伝播する赤外線伝播手段と、前記制御手段の制御を受けて、両者間で赤外線を透過する状態と赤外線を遮断する状態とに切り替えられる赤外線透過／遮断手段を有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
前記赤外線伝播手段は、
前記電子回路の熱を赤外線として放射する熱輻射部材と、
前記放射された赤外線を受ける受熱部材と、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の超音波プローブ。
【請求項１２】
前記赤外線透過／遮断手段と前記受熱部材との間に、赤外線を透過する性質を有する断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波プローブ。
【請求項１３】
前記赤外線透過／遮断手段は、液晶素子であることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項１４】
前記請求項１から請求項１３のいずれかに記載の超音波プローブを有し、
前記超音波プローブにより受信された信号に基づいて画像を作成することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１】
超音波を送受信する超音波プローブにおいて、
ケースと、
前記ケースの一端部に配列され、遅延時間に基づく超音波を送信する振動子と、
前記ケースに収容され、前記遅延時間を設定する遅延回路、及び前記遅延時間に基づき生成したパルスを振動子に出力するパルサを有する電子回路と、
前記電子回路が通電されているとき、少なくとも前記電子回路及び前記ケースの両者間、又は、前記電子回路及前記振動子の両者間の一つで熱伝導を制限し、前記電子回路からの熱を前記ケースの他端部に伝導する伝熱構造と、
を有する
ことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２】
前記伝熱構造は、前記電子回路からの熱をケースの他端部に伝導する熱伝導部材を有す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】
前記熱伝導部材は、前記電子回路の温度により熱伝導率が変化す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】
前記熱伝導部材は、メッシュ状に形成されることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項５】
前記熱伝導部材は、異方性の熱伝導率を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波プローブ。
【請求項６】
前記伝熱構造は、前記電子回路からの熱を赤外線に変換し、前記ケースの他端部の方向へ反射／屈折させる光学手段を有す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７】
前記伝熱構造は、
前記電子回路からの熱を前記ケースの他端部に伝導する熱伝導部材と、
前記電子回路が通電されているとき、いずれかの両者間の熱伝導率を低くし、前記電子回路が通電されていないとき、その両者間の熱伝導率を高くする熱伝導率変更手段と、
を有す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８】
前記熱伝導率変更手段は、前記電子回路に電源が供給されないとき、熱伝導率を高くさせる制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の超音波プローブ。
【請求項９】
前記熱伝導率変更手段は、前記電子回路の温度が所定値を超えたとき、熱伝導率を高くさせる制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の超音波プローブ。
【請求項１０】
前記熱伝導率変更手段は、両者間で赤外線を伝播する赤外線伝播手段と、前記制御手段の制御を受けて、両者間で赤外線を透過する状態と赤外線を遮断する状態とに切り替えられる赤外線透過／遮断手段を有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の超音波プローブ。
【請求項１１】
前記赤外線伝播手段は、
前記電子回路の熱を赤外線として放射する熱輻射部材と、
前記放射された赤外線を受ける受熱部材と、
を有することを特徴とする請求項１０に記載の超音波プローブ。
【請求項１２】
前記赤外線透過／遮断手段と前記受熱部材との間に、赤外線を透過する性質を有する断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波プローブ。
【請求項１３】
前記赤外線透過／遮断手段は、液晶素子であることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の超音波プローブ。
【請求項１４】
前記請求項１から請求項１３のいずれかに記載の超音波プローブを有し、
前記超音波プローブにより受信された信号に基づいて画像を作成することを特徴とする超音波診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−５２０２３（Ｐ２０１３−５２０２３Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９０６６６（Ｐ２０１１−１９０６６６）
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９４１６４５４２）東芝メディカルシステムズ株式会社 (4,066)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]