超音波内視鏡システム
【課題】フレームレートを低下させることなく穿刺針の視認性を向上することができる超音波内視鏡システムを提供する。
【解決手段】超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用の超音波の中心周波数Ｆｒを、当該穿刺針検出用超音波のエコー波が超音波セル５０ａ，５０ｂから送信される生態観察用の超音波のエコー波との干渉を回避可能な十分に低い値に設定する。その上で、穿刺針３９上に螺旋状の凹溝３９を設け、この凹溝３９間のエッジ間の距離ａの最適化によって、穿刺針３８の固有振動数と穿刺針検出用超音波の中心周波数とを合致させる。
【解決手段】超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用の超音波の中心周波数Ｆｒを、当該穿刺針検出用超音波のエコー波が超音波セル５０ａ，５０ｂから送信される生態観察用の超音波のエコー波との干渉を回避可能な十分に低い値に設定する。その上で、穿刺針３９上に螺旋状の凹溝３９を設け、この凹溝３９間のエッジ間の距離ａの最適化によって、穿刺針３８の固有振動数と穿刺針検出用超音波の中心周波数とを合致させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体組織と穿刺針とを同時に観察可能な超音波内視鏡システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、体内に挿入される挿入部の先端に超音波振動子を設け、この超音波振動子によって超音波画像を得る超音波内視鏡が普及している。一般に、この種の超音波内視鏡では、処置具挿通用チャンネルを通じて体内に導入した穿刺針を、超音波画像による観察下において病変部等に刺入することで、組織の採取や局所的な薬剤の投与、焼灼等の処置を行うことが可能となっている。
【０００３】
このような処置を行うに際し、超音波画像による生体組織の視認性を確保しつつ、生体組織に刺入した穿刺針の視認性を向上するための技術として、例えば、特許文献１には、送受信部に対して、１フレーム分のスキャンが終了するたびに、超音波の送信周波数について、高い送信周波数と低い送信周波数とを交互に切り替え、両スキャンにより得られたボリュームデータを合成することにより一枚の超音波画像を生成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術のように、複数の走査によって一枚の超音波画像を生成することは、超音波画像を動画として表示する際のフレームレートの低下を招き、特に、穿刺針の操作状況等を観察するには不向きであった。
【０００６】
一方で、生体観察用と穿刺針観察用の異なる周波数の超音波を同時に送受信する場合、フレームレートは向上するが、一方の超音波のノイズ波を他方の超音波の正反射波として受信してしまう可能性があり、１フレーム毎に周波数を切り替えて送信する場合とは異なり、ノイズ波と正反射波との区別がつきにくくノイズ除去の処理が困難である。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、フレームレートを低下させることなく穿刺針の視認性を向上することができる超音波内視鏡システム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】
【０００８】
本発明の一態様による超音波内視鏡システムは、第１超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（１）を満たすものである。
Ｘ＝Ｙ＋α＝（（Ｃ／ａ）×（ｎ／２））＋α …（１）
但し、
Ｘ：第１超音波送受信部の送信用中心周波数
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：凹部を形成した部分の穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
である。
【０００９】
また、本発明の他の態様による超音波内視鏡システムは、第１超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、前記第２超音波送受信部の受信用中心周波数は式（２）を満たし、前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（３）を満たすものである。
Ｙ＝（Ｃ／ａ）×（ｎ／２） …（２）
但し、
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：凹部を形成した部分の穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
であり、
Ｙ２ｆ＜Ｘｆ１２ …（３）
但し、
Ｙ２ｆ：第２超音波送受信部からの送信波に対する受信波の二次高調波成分の中心周波数
Ｘｆ１２：第１超音波送受信部の送信用周波数帯域のうち画像生成に有効な強度帯域の低周波側の閾値
である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超音波内視鏡システムによれば、フレームレートを低下させることなく穿刺針の視認性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】超音波内視鏡システムの概略構成図
【図２】超音波内視鏡の先端部の斜視図
【図３】超音波アレイの斜視図
【図４】超音波振動子エレメントの平面図
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う要部断面図
【図６】超音波観測装置の概略構成を示す機能ブロック図
【図７】超音波用処置具の平面図
【図８】穿刺針の斜視図
【図９】穿刺針の断面図
【図１０】穿刺針の断面図
【図１１】超音波の高周波数成分と低周波成分との関係を示す周波数特性図
【図１２】超音波画像を模式的に示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は超音波内視鏡システムの概略構成図、図２は超音波内視鏡の先端部の斜視図、図３は超音波アレイの斜視図、図４は超音波振動子エレメントの平面図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う要部断面図、図６は超音波観測装置の概略構成を示す機能ブロック図、図７は超音波用処置具の平面図、図８は穿刺針の斜視図、図９，１０は穿刺針の断面図、図１１は超音波の高周波数成分と低周波成分との関係を示す周波数特性図、図１２は超音波画像を模式的に示す説明図である。
【００１３】
図１に示す超音波内視鏡システム１は、超音波内視鏡２と、超音波観測装置３と、モニタ４と、を具備して構成されている。また、超音波内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部１０と、挿入部１０の基端に連設された操作部２０と、操作部２０の側部から延出したユニバーサルコード３０と、を具備して構成されている。
【００１４】
ここで、ユニバーサルコード３０の基端部には、光源装置（図示せず）に接続されるコネクタ３１が配設されている。コネクタ３１からは、カメラコントロールユニット（図示せず）にコネクタ３２ａを介して接続されるケーブル３２と、超音波観測装置３にコネクタ３３ａを介して着脱自在に接続されるケーブル３３と、が延出されている。そして、超音波内視鏡２には、コネクタ３３ａを介して超音波観測装置３が接続され、さらに、超音波観測装置３を介してモニタ４が接続されている。
【００１５】
挿入部１０は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）１１と、先端部１１の後端に位置する湾曲部１２と、湾曲部１２の後端に位置して操作部２０に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部１３と、が連設されて要部が構成されている。
【００１６】
図２に示すように、先端部１１の先端側には、超音波ユニット１５が配設されている。さらに、超音波ユニット１５よりも基部側において、先端部１１には、照明光学系を構成する照明用レンズ１６と、観察光学系の観察用レンズ１７と、吸引口を兼用する先端開口である鉗子口１８と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
鉗子口１８は、処置具挿通路の導出口である。鉗子口１８部には処置具起上台（図示せず）が配設されている。処置具起上台には図示しない操作ワイヤが接続され、図示しない鉗子起上ノブを操作することよって、操作ワイヤが牽引されて、処置具挿通路から導出される穿刺針の導出角度の調整を行えるようになっている。
【００１７】
操作部２０には、湾曲部１２を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２１と、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２と、吸引操作を行う吸引ボタン２３と、体内に導入する処置具の入口となる処置具挿入口２４と、が配設されている。
【００１８】
ここで、処置具挿入口２４は、挿入部１０の内部に設けられた処置具挿通チャンネル（図示せず）を介して鉗子口１８に連通されている。この処置具挿入口２４には、後述する超音波用処置具３５（図６参照）のシース３６を挿入することが可能となっている。そして、シース３６内に挿通された穿刺針３８の先端側を鉗子口１８から突出させることにより、超音波ユニット１５の観察視野内に穿刺針３８を進退可能に配置させることが可能となっている。
【００１９】
図３に示すように、超音波ユニット１５の超音波アレイ４５は、例えば、平面視矩形状をなす複数の超音波振動子エレメント４６を有し、これら超音波振動子エレメント４６の長辺が互いに連結されて円弧形状に湾曲配置されたコンベックス型振動子群によって構成されている。すなわち、超音波アレイ４５では、例えば、半径５［ｍｍ］の円弧の側面に、短辺が０．１［ｍｍ］以下の超音波振動子エレメント４６が１００個、１８０度方向に配設されている。なお、図３に示す超音波アレイ４５はコンベックス型を採用しているが、例えば、2次元配列を施したラジアルタイプや湾曲していないリニア型振動子群を採用することも可能である。
【００２０】
円弧状の超音波アレイ４５の一端部には各超音波振動子エレメント４６の一端部に設けられた下部電極端子５１が配列されており、これら下部電極端子５１は、同軸ケーブル束４７から分岐された各信号線４８とフレキシブル基板（FPC基板）を介してそれぞれ接続されている。一方、超音波アレイ４５の他端部には各超音波振動子エレメント４６の他端部に設けられた上部電極端子５２が配列されており、これら上部電極端子５２は、同軸ケーブル束４７から分岐されたグランド線４９とそれぞれ接続されている。
【００２１】
同軸ケーブル束４７は、先端部１１から、湾曲部１２、可撓管部１３、操作部２０、ユニバーサルコード２３、及び、超音波ケーブル２６の各内部に挿通され、超音波コネクタ２６ａを介して超音波観測装置３と接続されている。
【００２２】
次に、図４，５を参照して超音波振動子エレメント４６の構成について説明する。なお、図は何れも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、及び、大きさの比率等は実際とは異なる。
【００２３】
図４に示すように、超音波振動子エレメント４６には、例えば、複数種類の超音波セル５０（例えば、３種類の超音波セル５０ａ〜５０ｃ）がそれぞれマトリクス状に複数個配置されている。ここで、各超音波セル５０ａ〜５０ｃは、例えば、（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造されるものであり、平面視円形をなす静電容量型の超音波セル（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer：C−ＭＵＴ）によって構成されている。各超音波セル５０ａ〜５０ｃは、例えば、メンブレンの有効半径や膜厚等を適宜調整することにより、互いに共振周波数が異なるよう設定されている。これにより、各超音波セル５０ａ〜５０ｃは、所定の駆動信号（電気信号）が印加された際に、同一視野方向に対してそれぞれ異なる帯域特性の超音波を送受信することが可能となっている。
【００２４】
これらのうち、例えば、超音波セル５０ａ及び５０ｂは、主として生体観察に好適な高周波数帯域の超音波を送受信する第１超音波送受信部として機能するものである。具体的には、超音波セル５０ａは、例えば、メンブレンの共振周波数が５［ＭＨｚ］に設定されたセルで構成されている。これにより、超音波セル５０ａは、所定の駆動信号が印加された際に中心周波数（強度がピークとなる周波数）が５［ＭＨｚ］となる所定帯域幅の超音波を送信するとともに、そのエコー波等（例えば、送信波と略同等の正反射波、及び、その高調波等）を受信することが可能となっている。
【００２５】
また、超音波セル５０ｂは、例えば、メンブレンの共振周波数が７．５［ＭＨｚ］に設定されたセルで構成されている。これにより、超音波セル５０ｂは、所定の駆動信号が印加された際に中心周波数が７．５［ＭＨｚ］となる所定帯域幅の超音波を送信するとともに、そのエコー波等を受信することが可能となっている。
【００２６】
なお、一般に、生体観察には、５［ＭＨｚ］〜２０［ＭＨｚ］程度の範囲内にある超音波が有効であることが知られており、上述のように例示した超音波セルの他に、例えば、共振周波数が１０［ＭＨｚ］、１２［ＭＨｚ］、２０［ＭＨｚ］等に設定された各超音波セルを、超音波振動子エレメント４６上に適宜配置することも可能である。
【００２７】
一方、超音波セル５０ｃは、主として穿刺針観察に好適な低周波数帯域の超音波を送受信する第２超音波送受信部として機能するものである。具体的には、超音波セル５０ｃは、例えば、メンブレンの共振周波数が２［ＭＨｚ］に設定されたセルで構成されている。これにより、超音波セル５０ｃは、所定の駆動信号が印加された際に中心周波数が２［ＭＨｚ］となる所定帯域幅の超音波を送信するとともに、そのエコー波等を受信することが可能となっている。
【００２８】
ここで、各超音波セル５０は、例えば、図５に示すような断面構造をなす積層体で構成されている。すなわち、超音波セル５０は、下部電極端子５１と接続された下部電極層５４と、下部絶縁層（第１絶縁層）５５と、円板状のキャビティ５６が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）５７と、上部電極端子５２と接続された上部電極層５８と、保護層（第３絶縁層）５９と、を備え、これらが基体であるシリコン基板５３上に順次積層されて要部が構成されている。なお、シリコン基板５３は、シリコン５３ａの表面にシリコン酸化膜５３ｂ，５３ｃを形成した基板である。
【００２９】
下部電極層５４は、各キャビティ５６の下層側にそれぞれ配置された平面視略円形の下部電極部５４ａと、各下部電極部５４ａの縁辺部から２方向に延設された複数の下部配線部５４ｂと、を有する。そして、これらの下部配線部５４ｂにより、同一超音波振動子エレメント４６上で隣接する下部電極部５４ａが相互に接続され、さらに、下部電極端子５１と接続されている。
【００３０】
上部電極層５８は、各キャビティ５６の上層側にそれぞれ配置された平面視略円形の上部電極部５８ａと、各上部電極部５８ａの縁辺部から２方向に延設された複数の上部配線部（図示せず）と、を有する。そして、これらの上部配線部により、同一超音波振動子エレメント４６上で隣接する上部電極部５８ａが相互に接続され、さらに、上部電極端子５２と接続されている。
【００３１】
このように、それぞれの超音波セル５０は、キャビティ５６を介して対向配置している下部電極部５４ａと上部電極部５８ａとを有する。
【００３２】
また、図４に示す超音波セル５０では、キャビティ５６の直上領域の上部絶縁層５７と、上部電極層５８と、保護層５９とが、振動部であるメンブレン６０を構成している。
【００３３】
次に、超音波観測装置３の主たる構成の概略を機能的に示すと、例えば、図６に示すように、超音波観測装置３は、駆動部としての駆動信号生成部３ａと、エコー波検出部３ｂと、生体画像生成部３ｃと、針画像生成部３ｄと、重畳画像生成部３ｅとを有する。
【００３４】
駆動信号生成部３ａは、生態観察（すなわち、Ｂ−Ｍｏｄｅ画像の生成）に好適な高周波帯域（例えば、中心周波数が５〜１２［ＭＨｚ］の範囲内となる所定帯域）の超音波信号を発生するための駆動信号（駆動パルス）を生成する。具体的には、駆動信号生成部３ａは、例えば、予め設定された超音波観察用のレンジ等に応じて、超音波セル５０ａの共振周波数に適合した駆動パルス、或いは、超音波セル５０ｂの共振周波数に適合した駆動パルスを、選択的に、或いは、同時に生成する。
【００３５】
また、駆動信号生成部３ａは、穿刺針３８の観察に好適な低周波数帯域（例えば、中心周波数が２〜３［ＭＨｚ］の範囲内となる所定帯域）の超音波信号を発生するための駆動信号（駆動パルス）を生成する。具体的には、駆動信号生成部３ａは、例えば、超音波セル５０ｃの共振周波数に適合した駆動パルスを生成する。
【００３６】
そして、駆動信号生成部３ａは、これら高周波数帯域の超音波信号発生用の駆動信号、及び、低周波数帯域の超音波信号発生用の駆動信号を合成し、超音波ユニット１５（超音波アレイ４５）に対して出力する。
【００３７】
これにより、超音波振動子エレメント４６毎にそれぞれ所定のタイミングにおいて、超音波振動子エレメント４６上の各超音波セル５０ａ〜５０ｃの下部電極部５４ａには、駆動信号が同時に印加される。駆動信号による電圧が下部電極部５４ａに印加されると、上部電極部５８ａは静電力により下部電極部５４ａ側に引き寄せられ、上部電極部５８ａを含むメンブレン６０は変形する。そして、下部電極部５４ａへの電圧印加が解除されると、メンブレン６０は弾性力により元の形状に回復する。このメンブレン６０の変形／回復により超音波が発生する。このように、超音波振動子エレメント４６上の超音波セル５０ａ〜５０ｃは同時に駆動され、超音波振動子エレメント４６からは、高周波帯域の超音波信号と低周波帯域の超音波信号とが同時に出力される。
【００３８】
一方、超音波受信時には、受信した超音波エネルギーにより上部電極部５８ａを含むメンブレン６０が変形する。この変形により上部電極部５８ａと下部電極部５４ａとの距離が変化すると、これらの間の静電容量が変化する。
【００３９】
エコー波検出部３ｂは、各メンブレン６０の変形に伴う容量変化を電極間にDCバイアスを印加することにより電圧信号に変換し、エコー信号として受信する。さらに、エコー波検出部３ｂは、例えば、受信したエコー信号に対して周知のＦＦＴ処理及びバンドパスフィルタ処理等を行うことで、エコー信号を高周波成分のエコー信号と低周波成分のエコー信号とに分離する。そして、エコー波検出部３ｂは、分離した高周波成分のエコー信号を生体画像生成部３ｃに出力し、低周波成分のエコー信号を針画像生成部３ｄに出力する。
【００４０】
生体画像生成部３ｃは、例えば、高周波成分のエコー信号から生体組織由来の正反射波成分を抽出し、抽出した正反射波成分に基づいて通常の生体画像（Ｂ−Ｍｏｄｅ画像）を生成する。或いは、生体画像生成部３ｃは、例えば、高周波成分のエコー信号から生体組織由来の高調波成分（例えば、二次高調波成分）を抽出し、当該高調波成分に基づく生体画像（ハーモニック画像）を生成する。
【００４１】
針画像生成部３ｄは、低周波成分のエコー信号から針由来の正反射波成分を抽出し、抽出した正反射波成分に基づいて穿刺針３８を示す画像（針画像）を生成する。或いは、針画像生成部３ｄは、例えば、低周波成分のエコー信号から針由来の高調波成分（例えば、二次高調波成分）を抽出し、当該高調波成分に基づく針画像を生成する。
【００４２】
重畳画像生成部３ｅは、生体画像生成部３ｃから入力された生体画像上に、針画像生成部３ｄから入力された針画像を重畳した合成画像を生成し、モニタ４に出力する。これにより、例えば、図１２に示すように、モニタ４上には、生体画像上に穿刺針３８の像が表示される。
【００４３】
図７に示すように、超音波用処置具３５は、例えば、超音波内視鏡２の処置具挿通チャンネルに挿入されるシース３６と、このシース３６の基端部に配置された把持部を兼ねる操作部３７と、この操作部３７を介してシース３６内に進退自在に挿通配置される先端部が鋭利な形状に形成された細長な針管からなる穿刺針３８と、を有して構成されている。
【００４４】
また、例えば、図８，９に示すように、穿刺針３８の先端部には、凹部としての凹溝３９が設けられている。この凹溝３９は、例えば、断面略円弧状をなし、穿刺針３８の外周面に沿って螺旋状をなして刻設されている。なお、例えば、図１０に示すように、凹溝３９は、断面略矩形状をなすものであってもよい。
【００４５】
ここで、凹溝３９を螺旋状に刻設する際のピッチ（凹溝３９間のエッジ間距離ａ）は、超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用超音波の中心周波数Ｆｒに対応付けて設定されるものである。
【００４６】
具体的に説明すると、凹部を設けた部分の穿刺針３８を伝達する超音波の音速がＣ［ｍ／ｓ］である場合、以下の（４）式の関係を満たす距離ａを設定することにより、穿刺針３８の固有振動数Ｆｒを穿刺針検出用超音波の中心周波数と合致させることができる。
Ｃ／ａ＝Ｆｒ …（４）
【００４７】
そして、このような関係を満たす距離ａを設定して穿刺針３８の固有振動数Ｆｒを穿刺針検出用超音波の中心周波数と合致させると、穿刺針３８を中心周波数Ｆｒと共振する周波数にて効率よく励振させることができる。この穿刺針３８の振動は、穿刺針３８が刺入された人体にも伝達され、超音波セル５０ｃにおいて、見かけ上、穿刺針由来の低周波のエコー波（正反射波、及び、その高調波）として的確に受信される。これにより、上述の針画像生成部３ｄでは、良好な針画像を生成することが可能となる。
【００４８】
このような現象は、例えば、中心周波数Ｆｒの「λモード」のみならず、「λ／２モード」、「３λ／２モード」、「４λ／２モード」、…、に対しても実現可能である。この点を考慮し、自然数ｎを用いて（４）式を一般化すると、以下の（５）式の関係を得ることができる。
Ｃ／（２×ｎ×ａ）＝Ｆｒ …（５）
【００４９】
そして、（５）式に基づいて距離ａを設定すれば、超音波セル５０ｃにおいて、針由来の低周波のエコー波を的確に受信可能となる。
【００５０】
以上を考慮すると、穿刺針検出用超音波の中心周波数を任意な値に設定した場合にも、穿刺針３８上の凹溝３９間の距離ａを最適化することにより、針由来の低周波のエコー波を的確に受信して、針画像生成部３ｄにおいて良好な針画像を生成可能であることが分かる。
【００５１】
そして、穿刺針検出用超音波の中心周波数を生体診断用の超音波の周波数帯域との干渉を回避可能な値に設定すれば、生体観察用の超音波と穿刺針検出用の超音波とを同時に出力した場合にも、受信したエコー波を互いに干渉させることなく、容易に分離することが可能となる。
【００５２】
この場合、超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用超音波の中心周波数は、例えば、その二次高調波の影響まで排除することを考慮し、生体検出用の超音波の中心周波数に対して最低限３［ＭＨｚ］のマージンを確保することを念頭に設定されている（図１１参照）。
【００５３】
すなわち、中心周波数Ｆｒ及び距離ａは、以下の（１）式を満たす値に設定されている。
Ｘ＝Ｙ＋α＝（（Ｃ／ａ）×（ｎ／２））＋α …（１）
但し、
Ｘ：第１超音波送受信部の送信用中心周波数
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
である。
【００５４】
或いは、第２超音波送受信部の送信用中心周波数及び距離ａは、以下の（２）式及び（３）式を満たす値に設定されている。
Ｙ＝（Ｃ／ａ）×（ｎ／２） …（２）
但し、
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
であり、
Ｙ２ｆ＜Ｘｆ１２ …（３）
但し、
Ｙ２ｆ：第２超音波送受信部からの送信波に対する受信波の二次高調波成分の中心周波数
Ｘｆ１２：第１超音波送受信部の送信用周波数帯域のうち画像生成に有効な強度帯域の低周波側の閾値（例えば、第１超音波送受信部の送信用周波数のうち信号強度を１／４に落とした部分（所謂１２ｄＢ落ちの部分）の値であって、且つ低周波側の値）
である。
【００５５】
以上に基づき、本実施形態において、超音波セル５０ｃから送信される超音波の中心周波数Ｆｒは、超音波セル５０ａ，５０ｂから送信される超音波との関係に基づき、上述した通り、２［ＭＨｚ］に設定されている。
【００５６】
また、例えば、穿刺針３８がＳＵＳ３０４によって形成されている場合においては、穿刺針３８上を伝達する超音波の音速Ｃは、５８００ｍ／ｓであることから、例えば、超音波セル５０ｃから送信される超音波の中心周波数が２［ＭＨｚ］に設定されている場合、凹溝３９間の距離ａは、１．４５［ｍｍ］（λ／２モード）、２．９［ｍｍ］（λモード）、４．３５［ｍｍ］（３λ／２モード）、…、の何れかに設定されている。
【００５７】
このような実施形態によれば、超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用の超音波の中心周波数を、当該穿刺針検出用超音波のエコー波が超音波セル５０ａ，５０ｂから送信される生態観察用の超音波のエコー波との干渉を回避可能な十分に低い値に設定することにより、穿刺針検出用の超音波を生態観察用の超音波と同時に送信した場合にも各エコー波の受信信号を的確に分離することができる。その上で、穿刺針３８上に螺旋状の凹溝３９を設け、この凹溝３９間のエッジ間の距離ａの最適化によって、穿刺針３８の固有振動数と穿刺針検出用超音波の中心周波数とを合致させることにより、穿刺針検出用超音波によって穿刺針３８を効率よく励振して穿刺針３８の振動を、見かけ上、穿刺針由来の低周波のエコー波として的確に受信させることができる。これにより、フレームレートを低下させることなく穿刺針の視認性を向上することができる。
なお、針の凹部間の共振を利用すると、周期的な針由来のエコー波が検出され、針の深さ方向の分解能が低下することがある。生体画像生成部３ｃおいては、一つの音線上では針からのエコー波のもっとも強度が高い部分を表示させる機能を持たせることにより、より鮮明に針を描出可能となる。
【００５８】
なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。
【００５９】
例えば、上述の実施形態においては、穿刺針３８の外周面上に凹溝３９を設け、この凹溝３９の間隔ａによって穿刺針３８の固有振動数を調整する一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、穿刺針の外表面上に複数のディンプルを配列し、このディンプルの間隔によって穿刺針の固有振動数を調整することも可能である。
そして、上述の実施形態においては、穿刺針について記述したが、穿刺針に限定したものではなく内視鏡用として公知の各種処置具の外周面に凹部を設けて、上述の超音波内視鏡と併用することで同様の効果を得ることができる。処置具としては、例えば、鉗子、鋭匙、ブラシ、クリップ、鋏、ナイフ、ネットなどが挙げられる。
【００６０】
また、穿刺針の材質としては、上述の実施形態で示したＳＵＳ３０４の他に、例えば、ＳＵＳ３１６、ＮｉＴｉ、ＣｏＣｒ等を好適に適用することが可能である。
【００６１】
また、上述の実施形態においては、静電容量型の超音波セルを用いて超音波ユニットを構成した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、特開２００２−２４８１００号公報に開示されているような圧電素子を用いて超音波ユニットを構成してもよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００６２】
１ … 超音波内視鏡システム
２ … 超音波内視鏡
３ … 超音波観測装置
３ａ … 駆動信号生成部
３ｂ … エコー波検出部
３ｃ … 生体画像生成部
３ｄ … 針画像生成部
３ｅ … 重畳画像生成部
４ … モニタ
１０ … 挿入部
１１ … 先端部
１２ … 湾曲部
１３ … 可撓管部
１５ … 超音波ユニット
１６ … 照明用レンズ
１７ … 観察用レンズ
１８ … 鉗子口
２０ … 操作部
２１ … アングルノブ
２２ … 送気送水ボタン
２３ … 吸引ボタン
２３ … ユニバーサルコード
２４ … 処置具挿入口
２６ … 超音波ケーブル
２６ａ … 超音波コネクタ
３０ … ユニバーサルコード
３１ … コネクタ
３２ … ケーブル
３２ａ … コネクタ
３３ … ケーブル
３３ａ … コネクタ
３５ … 超音波用処置具
３６ … シース
３７ … 操作部
３８ … 穿刺針
３９ … 凹溝
４５ … 超音波アレイ
４６ … 超音波振動子エレメント
４７ … 同軸ケーブル束
４８ … 信号線
４９ … 容量検出線
５０ … 超音波セル
５０ａ … 超音波セル（第１超音波送受信部）
５０ｂ … 超音波セル（第１超音波送受信部）
５０ｃ … 超音波セル（第２超音波送受信部）
５１ … 下部電極端子
５２ … 上部電極端子
５３ … シリコン基板
５３ａ … シリコン
５３ｂ，５３ｃ … シリコン酸化膜
５４ … 下部電極層
５４ａ … 下部電極部
５４ｂ … 下部配線部
５６ … キャビティ
５７ … 上部絶縁層
５８ … 上部電極層
５８ａ … 上部電極部
５９ … 保護層
６０ … メンブレン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体組織と穿刺針とを同時に観察可能な超音波内視鏡システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、体内に挿入される挿入部の先端に超音波振動子を設け、この超音波振動子によって超音波画像を得る超音波内視鏡が普及している。一般に、この種の超音波内視鏡では、処置具挿通用チャンネルを通じて体内に導入した穿刺針を、超音波画像による観察下において病変部等に刺入することで、組織の採取や局所的な薬剤の投与、焼灼等の処置を行うことが可能となっている。
【０００３】
このような処置を行うに際し、超音波画像による生体組織の視認性を確保しつつ、生体組織に刺入した穿刺針の視認性を向上するための技術として、例えば、特許文献１には、送受信部に対して、１フレーム分のスキャンが終了するたびに、超音波の送信周波数について、高い送信周波数と低い送信周波数とを交互に切り替え、両スキャンにより得られたボリュームデータを合成することにより一枚の超音波画像を生成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術のように、複数の走査によって一枚の超音波画像を生成することは、超音波画像を動画として表示する際のフレームレートの低下を招き、特に、穿刺針の操作状況等を観察するには不向きであった。
【０００６】
一方で、生体観察用と穿刺針観察用の異なる周波数の超音波を同時に送受信する場合、フレームレートは向上するが、一方の超音波のノイズ波を他方の超音波の正反射波として受信してしまう可能性があり、１フレーム毎に周波数を切り替えて送信する場合とは異なり、ノイズ波と正反射波との区別がつきにくくノイズ除去の処理が困難である。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、フレームレートを低下させることなく穿刺針の視認性を向上することができる超音波内視鏡システム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】
【０００８】
本発明の一態様による超音波内視鏡システムは、第１超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（１）を満たすものである。
Ｘ＝Ｙ＋α＝（（Ｃ／ａ）×（ｎ／２））＋α …（１）
但し、
Ｘ：第１超音波送受信部の送信用中心周波数
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：凹部を形成した部分の穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
である。
【０００９】
また、本発明の他の態様による超音波内視鏡システムは、第１超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、前記第２超音波送受信部の受信用中心周波数は式（２）を満たし、前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（３）を満たすものである。
Ｙ＝（Ｃ／ａ）×（ｎ／２） …（２）
但し、
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：凹部を形成した部分の穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
であり、
Ｙ２ｆ＜Ｘｆ１２ …（３）
但し、
Ｙ２ｆ：第２超音波送受信部からの送信波に対する受信波の二次高調波成分の中心周波数
Ｘｆ１２：第１超音波送受信部の送信用周波数帯域のうち画像生成に有効な強度帯域の低周波側の閾値
である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超音波内視鏡システムによれば、フレームレートを低下させることなく穿刺針の視認性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】超音波内視鏡システムの概略構成図
【図２】超音波内視鏡の先端部の斜視図
【図３】超音波アレイの斜視図
【図４】超音波振動子エレメントの平面図
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う要部断面図
【図６】超音波観測装置の概略構成を示す機能ブロック図
【図７】超音波用処置具の平面図
【図８】穿刺針の斜視図
【図９】穿刺針の断面図
【図１０】穿刺針の断面図
【図１１】超音波の高周波数成分と低周波成分との関係を示す周波数特性図
【図１２】超音波画像を模式的に示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は超音波内視鏡システムの概略構成図、図２は超音波内視鏡の先端部の斜視図、図３は超音波アレイの斜視図、図４は超音波振動子エレメントの平面図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う要部断面図、図６は超音波観測装置の概略構成を示す機能ブロック図、図７は超音波用処置具の平面図、図８は穿刺針の斜視図、図９，１０は穿刺針の断面図、図１１は超音波の高周波数成分と低周波成分との関係を示す周波数特性図、図１２は超音波画像を模式的に示す説明図である。
【００１３】
図１に示す超音波内視鏡システム１は、超音波内視鏡２と、超音波観測装置３と、モニタ４と、を具備して構成されている。また、超音波内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部１０と、挿入部１０の基端に連設された操作部２０と、操作部２０の側部から延出したユニバーサルコード３０と、を具備して構成されている。
【００１４】
ここで、ユニバーサルコード３０の基端部には、光源装置（図示せず）に接続されるコネクタ３１が配設されている。コネクタ３１からは、カメラコントロールユニット（図示せず）にコネクタ３２ａを介して接続されるケーブル３２と、超音波観測装置３にコネクタ３３ａを介して着脱自在に接続されるケーブル３３と、が延出されている。そして、超音波内視鏡２には、コネクタ３３ａを介して超音波観測装置３が接続され、さらに、超音波観測装置３を介してモニタ４が接続されている。
【００１５】
挿入部１０は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）１１と、先端部１１の後端に位置する湾曲部１２と、湾曲部１２の後端に位置して操作部２０に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部１３と、が連設されて要部が構成されている。
【００１６】
図２に示すように、先端部１１の先端側には、超音波ユニット１５が配設されている。さらに、超音波ユニット１５よりも基部側において、先端部１１には、照明光学系を構成する照明用レンズ１６と、観察光学系の観察用レンズ１７と、吸引口を兼用する先端開口である鉗子口１８と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
鉗子口１８は、処置具挿通路の導出口である。鉗子口１８部には処置具起上台（図示せず）が配設されている。処置具起上台には図示しない操作ワイヤが接続され、図示しない鉗子起上ノブを操作することよって、操作ワイヤが牽引されて、処置具挿通路から導出される穿刺針の導出角度の調整を行えるようになっている。
【００１７】
操作部２０には、湾曲部１２を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２１と、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２と、吸引操作を行う吸引ボタン２３と、体内に導入する処置具の入口となる処置具挿入口２４と、が配設されている。
【００１８】
ここで、処置具挿入口２４は、挿入部１０の内部に設けられた処置具挿通チャンネル（図示せず）を介して鉗子口１８に連通されている。この処置具挿入口２４には、後述する超音波用処置具３５（図６参照）のシース３６を挿入することが可能となっている。そして、シース３６内に挿通された穿刺針３８の先端側を鉗子口１８から突出させることにより、超音波ユニット１５の観察視野内に穿刺針３８を進退可能に配置させることが可能となっている。
【００１９】
図３に示すように、超音波ユニット１５の超音波アレイ４５は、例えば、平面視矩形状をなす複数の超音波振動子エレメント４６を有し、これら超音波振動子エレメント４６の長辺が互いに連結されて円弧形状に湾曲配置されたコンベックス型振動子群によって構成されている。すなわち、超音波アレイ４５では、例えば、半径５［ｍｍ］の円弧の側面に、短辺が０．１［ｍｍ］以下の超音波振動子エレメント４６が１００個、１８０度方向に配設されている。なお、図３に示す超音波アレイ４５はコンベックス型を採用しているが、例えば、2次元配列を施したラジアルタイプや湾曲していないリニア型振動子群を採用することも可能である。
【００２０】
円弧状の超音波アレイ４５の一端部には各超音波振動子エレメント４６の一端部に設けられた下部電極端子５１が配列されており、これら下部電極端子５１は、同軸ケーブル束４７から分岐された各信号線４８とフレキシブル基板（FPC基板）を介してそれぞれ接続されている。一方、超音波アレイ４５の他端部には各超音波振動子エレメント４６の他端部に設けられた上部電極端子５２が配列されており、これら上部電極端子５２は、同軸ケーブル束４７から分岐されたグランド線４９とそれぞれ接続されている。
【００２１】
同軸ケーブル束４７は、先端部１１から、湾曲部１２、可撓管部１３、操作部２０、ユニバーサルコード２３、及び、超音波ケーブル２６の各内部に挿通され、超音波コネクタ２６ａを介して超音波観測装置３と接続されている。
【００２２】
次に、図４，５を参照して超音波振動子エレメント４６の構成について説明する。なお、図は何れも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、及び、大きさの比率等は実際とは異なる。
【００２３】
図４に示すように、超音波振動子エレメント４６には、例えば、複数種類の超音波セル５０（例えば、３種類の超音波セル５０ａ〜５０ｃ）がそれぞれマトリクス状に複数個配置されている。ここで、各超音波セル５０ａ〜５０ｃは、例えば、（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造されるものであり、平面視円形をなす静電容量型の超音波セル（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer：C−ＭＵＴ）によって構成されている。各超音波セル５０ａ〜５０ｃは、例えば、メンブレンの有効半径や膜厚等を適宜調整することにより、互いに共振周波数が異なるよう設定されている。これにより、各超音波セル５０ａ〜５０ｃは、所定の駆動信号（電気信号）が印加された際に、同一視野方向に対してそれぞれ異なる帯域特性の超音波を送受信することが可能となっている。
【００２４】
これらのうち、例えば、超音波セル５０ａ及び５０ｂは、主として生体観察に好適な高周波数帯域の超音波を送受信する第１超音波送受信部として機能するものである。具体的には、超音波セル５０ａは、例えば、メンブレンの共振周波数が５［ＭＨｚ］に設定されたセルで構成されている。これにより、超音波セル５０ａは、所定の駆動信号が印加された際に中心周波数（強度がピークとなる周波数）が５［ＭＨｚ］となる所定帯域幅の超音波を送信するとともに、そのエコー波等（例えば、送信波と略同等の正反射波、及び、その高調波等）を受信することが可能となっている。
【００２５】
また、超音波セル５０ｂは、例えば、メンブレンの共振周波数が７．５［ＭＨｚ］に設定されたセルで構成されている。これにより、超音波セル５０ｂは、所定の駆動信号が印加された際に中心周波数が７．５［ＭＨｚ］となる所定帯域幅の超音波を送信するとともに、そのエコー波等を受信することが可能となっている。
【００２６】
なお、一般に、生体観察には、５［ＭＨｚ］〜２０［ＭＨｚ］程度の範囲内にある超音波が有効であることが知られており、上述のように例示した超音波セルの他に、例えば、共振周波数が１０［ＭＨｚ］、１２［ＭＨｚ］、２０［ＭＨｚ］等に設定された各超音波セルを、超音波振動子エレメント４６上に適宜配置することも可能である。
【００２７】
一方、超音波セル５０ｃは、主として穿刺針観察に好適な低周波数帯域の超音波を送受信する第２超音波送受信部として機能するものである。具体的には、超音波セル５０ｃは、例えば、メンブレンの共振周波数が２［ＭＨｚ］に設定されたセルで構成されている。これにより、超音波セル５０ｃは、所定の駆動信号が印加された際に中心周波数が２［ＭＨｚ］となる所定帯域幅の超音波を送信するとともに、そのエコー波等を受信することが可能となっている。
【００２８】
ここで、各超音波セル５０は、例えば、図５に示すような断面構造をなす積層体で構成されている。すなわち、超音波セル５０は、下部電極端子５１と接続された下部電極層５４と、下部絶縁層（第１絶縁層）５５と、円板状のキャビティ５６が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）５７と、上部電極端子５２と接続された上部電極層５８と、保護層（第３絶縁層）５９と、を備え、これらが基体であるシリコン基板５３上に順次積層されて要部が構成されている。なお、シリコン基板５３は、シリコン５３ａの表面にシリコン酸化膜５３ｂ，５３ｃを形成した基板である。
【００２９】
下部電極層５４は、各キャビティ５６の下層側にそれぞれ配置された平面視略円形の下部電極部５４ａと、各下部電極部５４ａの縁辺部から２方向に延設された複数の下部配線部５４ｂと、を有する。そして、これらの下部配線部５４ｂにより、同一超音波振動子エレメント４６上で隣接する下部電極部５４ａが相互に接続され、さらに、下部電極端子５１と接続されている。
【００３０】
上部電極層５８は、各キャビティ５６の上層側にそれぞれ配置された平面視略円形の上部電極部５８ａと、各上部電極部５８ａの縁辺部から２方向に延設された複数の上部配線部（図示せず）と、を有する。そして、これらの上部配線部により、同一超音波振動子エレメント４６上で隣接する上部電極部５８ａが相互に接続され、さらに、上部電極端子５２と接続されている。
【００３１】
このように、それぞれの超音波セル５０は、キャビティ５６を介して対向配置している下部電極部５４ａと上部電極部５８ａとを有する。
【００３２】
また、図４に示す超音波セル５０では、キャビティ５６の直上領域の上部絶縁層５７と、上部電極層５８と、保護層５９とが、振動部であるメンブレン６０を構成している。
【００３３】
次に、超音波観測装置３の主たる構成の概略を機能的に示すと、例えば、図６に示すように、超音波観測装置３は、駆動部としての駆動信号生成部３ａと、エコー波検出部３ｂと、生体画像生成部３ｃと、針画像生成部３ｄと、重畳画像生成部３ｅとを有する。
【００３４】
駆動信号生成部３ａは、生態観察（すなわち、Ｂ−Ｍｏｄｅ画像の生成）に好適な高周波帯域（例えば、中心周波数が５〜１２［ＭＨｚ］の範囲内となる所定帯域）の超音波信号を発生するための駆動信号（駆動パルス）を生成する。具体的には、駆動信号生成部３ａは、例えば、予め設定された超音波観察用のレンジ等に応じて、超音波セル５０ａの共振周波数に適合した駆動パルス、或いは、超音波セル５０ｂの共振周波数に適合した駆動パルスを、選択的に、或いは、同時に生成する。
【００３５】
また、駆動信号生成部３ａは、穿刺針３８の観察に好適な低周波数帯域（例えば、中心周波数が２〜３［ＭＨｚ］の範囲内となる所定帯域）の超音波信号を発生するための駆動信号（駆動パルス）を生成する。具体的には、駆動信号生成部３ａは、例えば、超音波セル５０ｃの共振周波数に適合した駆動パルスを生成する。
【００３６】
そして、駆動信号生成部３ａは、これら高周波数帯域の超音波信号発生用の駆動信号、及び、低周波数帯域の超音波信号発生用の駆動信号を合成し、超音波ユニット１５（超音波アレイ４５）に対して出力する。
【００３７】
これにより、超音波振動子エレメント４６毎にそれぞれ所定のタイミングにおいて、超音波振動子エレメント４６上の各超音波セル５０ａ〜５０ｃの下部電極部５４ａには、駆動信号が同時に印加される。駆動信号による電圧が下部電極部５４ａに印加されると、上部電極部５８ａは静電力により下部電極部５４ａ側に引き寄せられ、上部電極部５８ａを含むメンブレン６０は変形する。そして、下部電極部５４ａへの電圧印加が解除されると、メンブレン６０は弾性力により元の形状に回復する。このメンブレン６０の変形／回復により超音波が発生する。このように、超音波振動子エレメント４６上の超音波セル５０ａ〜５０ｃは同時に駆動され、超音波振動子エレメント４６からは、高周波帯域の超音波信号と低周波帯域の超音波信号とが同時に出力される。
【００３８】
一方、超音波受信時には、受信した超音波エネルギーにより上部電極部５８ａを含むメンブレン６０が変形する。この変形により上部電極部５８ａと下部電極部５４ａとの距離が変化すると、これらの間の静電容量が変化する。
【００３９】
エコー波検出部３ｂは、各メンブレン６０の変形に伴う容量変化を電極間にDCバイアスを印加することにより電圧信号に変換し、エコー信号として受信する。さらに、エコー波検出部３ｂは、例えば、受信したエコー信号に対して周知のＦＦＴ処理及びバンドパスフィルタ処理等を行うことで、エコー信号を高周波成分のエコー信号と低周波成分のエコー信号とに分離する。そして、エコー波検出部３ｂは、分離した高周波成分のエコー信号を生体画像生成部３ｃに出力し、低周波成分のエコー信号を針画像生成部３ｄに出力する。
【００４０】
生体画像生成部３ｃは、例えば、高周波成分のエコー信号から生体組織由来の正反射波成分を抽出し、抽出した正反射波成分に基づいて通常の生体画像（Ｂ−Ｍｏｄｅ画像）を生成する。或いは、生体画像生成部３ｃは、例えば、高周波成分のエコー信号から生体組織由来の高調波成分（例えば、二次高調波成分）を抽出し、当該高調波成分に基づく生体画像（ハーモニック画像）を生成する。
【００４１】
針画像生成部３ｄは、低周波成分のエコー信号から針由来の正反射波成分を抽出し、抽出した正反射波成分に基づいて穿刺針３８を示す画像（針画像）を生成する。或いは、針画像生成部３ｄは、例えば、低周波成分のエコー信号から針由来の高調波成分（例えば、二次高調波成分）を抽出し、当該高調波成分に基づく針画像を生成する。
【００４２】
重畳画像生成部３ｅは、生体画像生成部３ｃから入力された生体画像上に、針画像生成部３ｄから入力された針画像を重畳した合成画像を生成し、モニタ４に出力する。これにより、例えば、図１２に示すように、モニタ４上には、生体画像上に穿刺針３８の像が表示される。
【００４３】
図７に示すように、超音波用処置具３５は、例えば、超音波内視鏡２の処置具挿通チャンネルに挿入されるシース３６と、このシース３６の基端部に配置された把持部を兼ねる操作部３７と、この操作部３７を介してシース３６内に進退自在に挿通配置される先端部が鋭利な形状に形成された細長な針管からなる穿刺針３８と、を有して構成されている。
【００４４】
また、例えば、図８，９に示すように、穿刺針３８の先端部には、凹部としての凹溝３９が設けられている。この凹溝３９は、例えば、断面略円弧状をなし、穿刺針３８の外周面に沿って螺旋状をなして刻設されている。なお、例えば、図１０に示すように、凹溝３９は、断面略矩形状をなすものであってもよい。
【００４５】
ここで、凹溝３９を螺旋状に刻設する際のピッチ（凹溝３９間のエッジ間距離ａ）は、超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用超音波の中心周波数Ｆｒに対応付けて設定されるものである。
【００４６】
具体的に説明すると、凹部を設けた部分の穿刺針３８を伝達する超音波の音速がＣ［ｍ／ｓ］である場合、以下の（４）式の関係を満たす距離ａを設定することにより、穿刺針３８の固有振動数Ｆｒを穿刺針検出用超音波の中心周波数と合致させることができる。
Ｃ／ａ＝Ｆｒ …（４）
【００４７】
そして、このような関係を満たす距離ａを設定して穿刺針３８の固有振動数Ｆｒを穿刺針検出用超音波の中心周波数と合致させると、穿刺針３８を中心周波数Ｆｒと共振する周波数にて効率よく励振させることができる。この穿刺針３８の振動は、穿刺針３８が刺入された人体にも伝達され、超音波セル５０ｃにおいて、見かけ上、穿刺針由来の低周波のエコー波（正反射波、及び、その高調波）として的確に受信される。これにより、上述の針画像生成部３ｄでは、良好な針画像を生成することが可能となる。
【００４８】
このような現象は、例えば、中心周波数Ｆｒの「λモード」のみならず、「λ／２モード」、「３λ／２モード」、「４λ／２モード」、…、に対しても実現可能である。この点を考慮し、自然数ｎを用いて（４）式を一般化すると、以下の（５）式の関係を得ることができる。
Ｃ／（２×ｎ×ａ）＝Ｆｒ …（５）
【００４９】
そして、（５）式に基づいて距離ａを設定すれば、超音波セル５０ｃにおいて、針由来の低周波のエコー波を的確に受信可能となる。
【００５０】
以上を考慮すると、穿刺針検出用超音波の中心周波数を任意な値に設定した場合にも、穿刺針３８上の凹溝３９間の距離ａを最適化することにより、針由来の低周波のエコー波を的確に受信して、針画像生成部３ｄにおいて良好な針画像を生成可能であることが分かる。
【００５１】
そして、穿刺針検出用超音波の中心周波数を生体診断用の超音波の周波数帯域との干渉を回避可能な値に設定すれば、生体観察用の超音波と穿刺針検出用の超音波とを同時に出力した場合にも、受信したエコー波を互いに干渉させることなく、容易に分離することが可能となる。
【００５２】
この場合、超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用超音波の中心周波数は、例えば、その二次高調波の影響まで排除することを考慮し、生体検出用の超音波の中心周波数に対して最低限３［ＭＨｚ］のマージンを確保することを念頭に設定されている（図１１参照）。
【００５３】
すなわち、中心周波数Ｆｒ及び距離ａは、以下の（１）式を満たす値に設定されている。
Ｘ＝Ｙ＋α＝（（Ｃ／ａ）×（ｎ／２））＋α …（１）
但し、
Ｘ：第１超音波送受信部の送信用中心周波数
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
である。
【００５４】
或いは、第２超音波送受信部の送信用中心周波数及び距離ａは、以下の（２）式及び（３）式を満たす値に設定されている。
Ｙ＝（Ｃ／ａ）×（ｎ／２） …（２）
但し、
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
であり、
Ｙ２ｆ＜Ｘｆ１２ …（３）
但し、
Ｙ２ｆ：第２超音波送受信部からの送信波に対する受信波の二次高調波成分の中心周波数
Ｘｆ１２：第１超音波送受信部の送信用周波数帯域のうち画像生成に有効な強度帯域の低周波側の閾値（例えば、第１超音波送受信部の送信用周波数のうち信号強度を１／４に落とした部分（所謂１２ｄＢ落ちの部分）の値であって、且つ低周波側の値）
である。
【００５５】
以上に基づき、本実施形態において、超音波セル５０ｃから送信される超音波の中心周波数Ｆｒは、超音波セル５０ａ，５０ｂから送信される超音波との関係に基づき、上述した通り、２［ＭＨｚ］に設定されている。
【００５６】
また、例えば、穿刺針３８がＳＵＳ３０４によって形成されている場合においては、穿刺針３８上を伝達する超音波の音速Ｃは、５８００ｍ／ｓであることから、例えば、超音波セル５０ｃから送信される超音波の中心周波数が２［ＭＨｚ］に設定されている場合、凹溝３９間の距離ａは、１．４５［ｍｍ］（λ／２モード）、２．９［ｍｍ］（λモード）、４．３５［ｍｍ］（３λ／２モード）、…、の何れかに設定されている。
【００５７】
このような実施形態によれば、超音波セル５０ｃから送信される穿刺針検出用の超音波の中心周波数を、当該穿刺針検出用超音波のエコー波が超音波セル５０ａ，５０ｂから送信される生態観察用の超音波のエコー波との干渉を回避可能な十分に低い値に設定することにより、穿刺針検出用の超音波を生態観察用の超音波と同時に送信した場合にも各エコー波の受信信号を的確に分離することができる。その上で、穿刺針３８上に螺旋状の凹溝３９を設け、この凹溝３９間のエッジ間の距離ａの最適化によって、穿刺針３８の固有振動数と穿刺針検出用超音波の中心周波数とを合致させることにより、穿刺針検出用超音波によって穿刺針３８を効率よく励振して穿刺針３８の振動を、見かけ上、穿刺針由来の低周波のエコー波として的確に受信させることができる。これにより、フレームレートを低下させることなく穿刺針の視認性を向上することができる。
なお、針の凹部間の共振を利用すると、周期的な針由来のエコー波が検出され、針の深さ方向の分解能が低下することがある。生体画像生成部３ｃおいては、一つの音線上では針からのエコー波のもっとも強度が高い部分を表示させる機能を持たせることにより、より鮮明に針を描出可能となる。
【００５８】
なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。
【００５９】
例えば、上述の実施形態においては、穿刺針３８の外周面上に凹溝３９を設け、この凹溝３９の間隔ａによって穿刺針３８の固有振動数を調整する一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、穿刺針の外表面上に複数のディンプルを配列し、このディンプルの間隔によって穿刺針の固有振動数を調整することも可能である。
そして、上述の実施形態においては、穿刺針について記述したが、穿刺針に限定したものではなく内視鏡用として公知の各種処置具の外周面に凹部を設けて、上述の超音波内視鏡と併用することで同様の効果を得ることができる。処置具としては、例えば、鉗子、鋭匙、ブラシ、クリップ、鋏、ナイフ、ネットなどが挙げられる。
【００６０】
また、穿刺針の材質としては、上述の実施形態で示したＳＵＳ３０４の他に、例えば、ＳＵＳ３１６、ＮｉＴｉ、ＣｏＣｒ等を好適に適用することが可能である。
【００６１】
また、上述の実施形態においては、静電容量型の超音波セルを用いて超音波ユニットを構成した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、特開２００２−２４８１００号公報に開示されているような圧電素子を用いて超音波ユニットを構成してもよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００６２】
１ … 超音波内視鏡システム
２ … 超音波内視鏡
３ … 超音波観測装置
３ａ … 駆動信号生成部
３ｂ … エコー波検出部
３ｃ … 生体画像生成部
３ｄ … 針画像生成部
３ｅ … 重畳画像生成部
４ … モニタ
１０ … 挿入部
１１ … 先端部
１２ … 湾曲部
１３ … 可撓管部
１５ … 超音波ユニット
１６ … 照明用レンズ
１７ … 観察用レンズ
１８ … 鉗子口
２０ … 操作部
２１ … アングルノブ
２２ … 送気送水ボタン
２３ … 吸引ボタン
２３ … ユニバーサルコード
２４ … 処置具挿入口
２６ … 超音波ケーブル
２６ａ … 超音波コネクタ
３０ … ユニバーサルコード
３１ … コネクタ
３２ … ケーブル
３２ａ … コネクタ
３３ … ケーブル
３３ａ … コネクタ
３５ … 超音波用処置具
３６ … シース
３７ … 操作部
３８ … 穿刺針
３９ … 凹溝
４５ … 超音波アレイ
４６ … 超音波振動子エレメント
４７ … 同軸ケーブル束
４８ … 信号線
４９ … 容量検出線
５０ … 超音波セル
５０ａ … 超音波セル（第１超音波送受信部）
５０ｂ … 超音波セル（第１超音波送受信部）
５０ｃ … 超音波セル（第２超音波送受信部）
５１ … 下部電極端子
５２ … 上部電極端子
５３ … シリコン基板
５３ａ … シリコン
５３ｂ，５３ｃ … シリコン酸化膜
５４ … 下部電極層
５４ａ … 下部電極部
５４ｂ … 下部配線部
５６ … キャビティ
５７ … 上部絶縁層
５８ … 上部電極層
５８ａ … 上部電極部
５９ … 保護層
６０ … メンブレン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、
所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、
前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、
前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（１）を満たすことを特徴とする超音波内視鏡システム。
Ｘ＝Ｙ＋α＝（（Ｃ／ａ）×（ｎ／２））＋α …（１）
但し、Ｘ：第１超音波送受信部の送信用中心周波数
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
である。
【請求項２】
第１超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、
所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、
前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、
前記第２超音波送受信部の受信用中心周波数は式（２）を満たし、
前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（３）を満たすことを特徴とする超音波内視鏡システム。
Ｙ＝（Ｃ／ａ）×（ｎ／２） …（２）
但し、Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
であり、
Ｙ２ｆ＜Ｘｆ１２ …（３）
但し、Ｙ２ｆ：第２超音波送受信部からの送信波に対する受信波の二次高調波成分の中心周波数
Ｘｆ１２：第１超音波送受信部の送信用周波数帯域のうち画像生成に有効な強度帯域の低周波側の閾値
である。
【請求項１】
第１超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、
所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、
前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、
前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（１）を満たすことを特徴とする超音波内視鏡システム。
Ｘ＝Ｙ＋α＝（（Ｃ／ａ）×（ｎ／２））＋α …（１）
但し、Ｘ：第１超音波送受信部の送信用中心周波数
Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
である。
【請求項２】
第１超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部の観察視野に向けて超音波を送受信可能な第２超音波送受信部と、
前記第１超音波送受信部及び前記第２超音波送受信部を同時に駆動して異なる周波数の超音波を同時に送信する駆動部と、
所定の音速を有し、前記第２超音波送受信部の観察視野に進退可能に配置された穿刺針と、
前記穿刺針の少なくとも一部に配置された複数の凹部と、を備え、
前記第２超音波送受信部の受信用中心周波数は式（２）を満たし、
前記第１超音波送受信部の送信用中心周波数は式（３）を満たすことを特徴とする超音波内視鏡システム。
Ｙ＝（Ｃ／ａ）×（ｎ／２） …（２）
但し、Ｙ：第２超音波送受信部の送信用中心周波数
α：３［ＭＨｚ］以上
Ｃ：穿刺針上での音速
ａ：凹部と凹部との距離
ｎ：自然数
であり、
Ｙ２ｆ＜Ｘｆ１２ …（３）
但し、Ｙ２ｆ：第２超音波送受信部からの送信波に対する受信波の二次高調波成分の中心周波数
Ｘｆ１２：第１超音波送受信部の送信用周波数帯域のうち画像生成に有効な強度帯域の低周波側の閾値
である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−９０７４６（Ｐ２０１３−９０７４６Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４１９０（Ｐ２０１１−２３４１９０）
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【出願人】（３０４０５０９２３）オリンパスメディカルシステムズ株式会社 (1,905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【出願人】（３０４０５０９２３）オリンパスメディカルシステムズ株式会社 (1,905)
【Ｆターム（参考）】
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