JP2597360B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波パルスを被検体に照射し、その反射
波を受波して被検体の断層像を撮像する超音波診断装置
に関し、特に超音波パルスの送受波方式の改良に関す
る。

〔従来の技術〕

一般にこの種の超音波診断装置としては、例えば「超
音波技術便覧（日刊工業）P810〜813」や「超音波医学
（医学書院）P81〜84」に開示されているような、Ｂモ
ード用超音波診断装置が主流をなしている。Ｂモード用
超音波診断装置は、深さ方向（振動子面に対して法線方
向）に対してほぼ一定の収束度（分位分解能）を得るよ
うに、小開口の振動子にて超音波の送受波を行なうもの
となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記したＢモード用超音波診断装置では、収束度を弱
めることによって、フォーカス範囲を広くとる如く構成
されているので、分位分解能が悪いという欠点がある。

そこで本発明は、従来の超音波診断装置に比べて解像
度が飛躍的に向上した超音波診断装置を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、
本発明の超音波診断装置は次のように構成されている。

（１）本発明の超音波診断装置は、検知すべき被検体の
断層面に対して超音波パルスを斜めに照射する如く配置
された送波器と、この送波器により前記断層面上の一つ
の検出ラインに対し時系列に照射された超音波パルスの
前記断層面からの反射波を集束して断層像を結像する如
く配置された超音波レンズと、前記検出ラインからの反
射波が前記超音波レンズにより結像される位置に配置さ
れ、且つ、前記検出ラインからの反射波が前記超音波レ
ズにより時系列に結像するタイミングに同期して、前記
反射波を電気信号として出力する複数のエレメントから
なる超音波撮像素子と、前記断層像を得るために前記検
出ラインを前記検出ラインに対して略直交する方向に走
査させるように前記送波器での送波位置を移動制御する
制御手段とを具備したものとなっている。

（２）本発明の超音波診断装置は、上記（１）に記載の
装置であって、前記送波器は、前記断層面内の検出ライ
ンに対して略直交する方向に配列された複数のリニアア
レイ振動子と、この複数のリニアアレイ振動子のうち励
振する振動子を選択するマルチプレクサとを有し、前記
マルチプレクサは、一つの検出ラインに対して前記複数
のリニアアレイ振動子のうち一部の振動子群を選択し、
且つ、この振動子群の励振により生成された超音波パル
スが略同時刻に前記検出ライン上の任意の点に到達する
ように前記振動子群の各振動子を順次選択するものとな
っている。

（３）本発明の超音波診断装置は、上記（１）に記載の
装置であって、前記超音波撮像素子により変換された電
気信号を、前記超音波パルス及びその反射波の到達距離
によって感度に差が生じないよう補正する補正手段をさ
らに有するものとなっている。

〔作用〕

このような手段を講じたことにより、次のような作用
を呈する。断層面に対して超音波パルスが斜めに照射さ
れるため、断層面上には超音波パルスが時系列に照射さ
れることになる。その結果、超音波撮像素子の受波面に
結像する断層像も時系列に結像することになる。そこで
この時系列に結像する断層像を、結像のタイミングに同
期して撮像素子から電気信号として取出せば、被検体中
の一断層像が検出されることになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の全体的な構成を示す図
である。第図において、Ａは探触子であり、Ｂは装置本
体であり、Ｃは被検体である。

探触子Ａの被検体Ｃに対向する対向端面は、この対向
端面を囲む形で被検体Ｃの表面に安定に接触するペロー
ズ形容器１が装着されている。この容器１の内壁には超
音波の乱反射を防ぐための吸音材が装着されている。容
器１の内部には音響媒体２が封入されている。この音響
媒体２としては例えば水を使用する。なお水は温度によ
って音速が異なるものとなるので、図示はしてないが、
上記水を一定温度に保つための温度制御機構や泡を取除
くための脱泡機構が容器１に付設されている。

探触子Ａの前記対向端面には送波器３が取付けられて
いる。断層面４内の検出ラインに対して略直交する方向
に配列されたリニアアレイ振動子からなり、検知すべき
被検体Ｃの断層面４に対して超音波パルスを斜めに照射
するように配置されている。

また探触子Ａの前記対向端面の中央部位には、大開口
の超音波レンズ５が断層面４に対してほぼ平行に取付け
られている。この超音波レンズ５は断層面４からの反射
波を集束し、探触子Ａの内部に設置されている超音波撮
像素子６の受波面に断層像を結像させるものである。超
音波レンズ５は、その音響インピーダンスが音響媒体２
に近く、かつ音速が音響媒体２とは異なる物質により形
成されている。その物質としては、音響媒体２が水であ
るときはアクリル樹脂等のプラスチック材料がよい。プ
ラスチック材料であれば、成型によって非球面レンズも
容易につくれる。超音波レンズ５の両面には、音響整合
層5a,5bがコーティングされている。なお超音波レンズ
５は、単レンズであってもよいし、組合わせレンズであ
ってもよく、さらに収差の除去や拡大，縮小のためのズ
ーム機構や、ピント調整機構が付設されたものであって
もよい。

超音波撮像素子６は、超音波受波面に受波された超音
波の音圧分布を時系列な電気信号（映像信号）に変換す
る機能を有している。

探触子Ａの内部には、前記送波器３のリニアアレイ振
動子を選択するためのマルチプレクサ７、超音波撮像素
子６から電気信号を取出すためのマルチプレクサ8,9、
取出した電気信号を増幅するプリアンプ10、このプリア
ンプ10の増幅度すなわち利得を時間の経過にしたがって
上昇させるためのタイム・ゲイン・コントロール信号発
生回路11などが収容されている。

装置本体Ｂには、パルス発生器12,ディレイライン13
からなるパルス供給源15と、対数アンプ16,検波回路17,
加算回路18,ブラック・クリップ回路19,積分回路20,比
較回路21,切換え回路22,乗算器23,フレームメモリ24な
どからなる信号処理回路25と、映像信号を表示するため
のTVモニタ26とが、収容されている。

第２図は、前記送波器３の構成および上記送波器３と
断層面４との位置関係を示す斜視図である。図示のごと
く送波器１は、その送波面に第２図の断層面上の矢印Ｙ
方向に、均一に超音波ビームが照射されるように、拡散
用の音響レンズ31と、音響整合層32と、電気音響変換素
子33とが、ダンパー材34上に積層固定されている。かく
して上記送波器３の一群の振動子3aを、第１図に示した
マルチプレクサ７によって選択し、この選択した一群の
振動子3aに対して、パルス発生器12からの出力パルスに
ディレイライン13によって所定時間の遅延を与えた励振
パルスを印加して上記一群の振動子を励振すると、断層
面４上の一つのライン4a上に時間差をもって超音波パル
スが重畳的に照射される。なおディレイライン13の遅延
量は、送波された超音波が断層面４上の矢印Ｘ方向に集
束するように設定されている。そしてライン4a上に超音
波パルスがM,N,L,の順番に照射されていったとき、その
反射エコーは、第１図に示すように超音波レンズ５によ
り超音波撮像素子６上にm,n,lの順に時間差をもって結
像されることになる。

第３図な超音波撮像素子６の構成を示す斜視図であ
る。第３図に示すように超音波撮像素子６は、音響ダン
ピングを兼ねた素子取付け台61上に、信号電極62,電気
音響変換素子63,アース電極64,音響整合層65を積層固定
したものとなっている。なお信号電極64およびアース電
極64は、後述するように互いに異なる方向にそれぞれ複
数個に分割されている。電気音響変換素子63はPVDF,PVF
₂のように、横方向の音響結合が少ない材料の方が電極
の分割だけでよいので有利である。PZTのような電気音
響変換材料使用する場合には、機械的にカッティングす
る必要がある。

第４図は超音波撮像素子６から電気信号を取出す手段
を示す図である。第４図に示すように、超音波撮像素子
６の信号電極62は、第２図の矢印Ｘ方向と平行な方向に
複数個に分割されている。また裏側のアース電極64は、
上記とは直交する方向、つまり第２図の矢印Ｙの方向と
平行な方向にやはり複数個に分割されている。そして各
電極62,64には前記したマルチプレクサ9,8がそれぞれ接
続されている。マルチプレクサ８の共通電極8aはアース
に接続されている。またもう一方のマルチプレクサ９の
共通電極9aは、前記した第１図のプリアンプ10へ接続さ
れている。かくしてマルチプレクサ8,9を切換え動作さ
せることにより、超音波撮像素子６の各エレメントを順
次選択することができ、超音波撮像素子６の上にm,n,l
の順に結像された超音波断層像を、時系列な電気信号と
してリアルタイムで取出すことができる。

このように、超音波パルスを被検体Ｃ中に斜めに照射
することにより、被検体Ｃの断層面４上の１ラインの反
射エコーのみを時系列信号として取出すことができる。
そして送波器３のリニアアレイ振動子を切換えて送波位
置を移動（走査）させると同時に、超音波撮像素子６の
検出ラインをマルチプレクサ８により切換え、なおかつ
マルチプレクサ９により超音波パルスの到達（結像）時
間に合わせて、エレメントを高速度（200nsec程度）に
切換えれば、被検体Ｃ中の撮像目的である断層像のみを
電気信号としてリアルタイムで外部に取出すことができ
る。

前記超音波撮像素子６の分解能は、断層面４上におい
て、ほぼ超音波レンズ５の開口角と超音波パルスの周波
数で決まる。式で表わすと、 2.44F/Dλ となる。ただしＦはレンズの焦点距離、Ｄはレンズの直
径、λは超音波の波長である。断層面４と垂直な方向の
分解能は、超音波のパルス幅に1/sinθを乗じたものと
なる。θは送波された超音波と撮像断面とのなす角度で
ある。

正確には、撮像断面上の矢印Ｘ方向の分解能は、超音
波レンズ５の方位方向の集束分布に送波ビームの指向性
を乗じたものとなり、矢印Ｙ方向の分解能は、超音波レ
ンズ５の方位方向の集束分布に超音波パルスのエンベロ
ープ波形と1/cosθを乗じたものとなる。また断層面４
と垂直な方向の分解能は、超音波パルスのエンベロープ
波形に1/sinθと超音波レンズ５の軸方向の集束分布を
乗じたものとなる。かくして本実施例における分解能
は、従来装置の約７倍程度まで向上した。

次に受波された信号の処理について説明する。マルチ
プレクサ９の共通電極9aから取出された電気信号は、プ
リアンプ10にて増幅される。このプリアンプ10は雑音指
数の良好なアンプであり、受信信号を後の回路でのS/N
比の悪化を防ぐために十分に増幅される。なお第２図の
断層面４上のＭ部分とＬ部分とでは、超音波パルスの到
達距離が違うため、プリアンプ10の利得が一定である
と、被検体Ｃ中の減衰により感度に差が生じてしまう。
しかるにプリアンプ10はタイム・ゲイン・コントロール
信号発生回路11からの信号により、時間の経過にしたが
って利得が上昇する如く作動する。したがって上記感度
差は生じないものとなる。

プリアンプ10の出力は、装置本体Ｂ内の対数アンプ16
に入力する。ここで超音波エコー信号のダイナミックレ
ンジ（約60dB）に合わせた対数増幅が行なわれる。次に
検波回路17によって検波されて映像信号に変換される。
この映像信号は加算回路18に入力する。ここで利得調整
用の電圧V1を加算されたのち、ブラック・クリップ回路
19にて0Vより下の電圧がクリップされる。

上記電圧V1は次のようにして得られる。ブラック・ク
リップ回路19の出力信号は積分回路20に入力し、ここで
１フレーム分の映像信号の平均値が求められる。この１
フレーム分の映像信号の平均値と、自動利得設定電圧V2
とが比較回路21にて比較され、かつその差分が増幅され
る。この増幅された自動利得調整（AGC）電圧V3と手動
利得調整電圧V4とが切換え回路22にて切換えられ、前記
利得調整用の電圧V1として出力される。

上記の如く利得の調整を受けた映像信号は乗算器23に
入力し、ここで表示範囲の調整つまりダイナミックレン
ジの調整を行なうために、ダイナミックレンジコントロ
ール電圧V5が乗じられる。しかるのち上記映像信号は、
フレームメモリ24に入力し、ここでTV走査に見合った時
間変換と同期信号の加算がなされ、TVモニタ26に供給さ
れる。かくして断層像がTVモニタ26にて表示される。

ところで超音波撮像素子６からの電気信号の読出し方
式として、第５図および第６図に示すような複線読出し
方式（本例では二線読出し方式）を用いることもでき
る。

第５図の方式によれば、完像時間の短縮をはかれる利
点がある。特願昭61−245777号にて示されるようなチャ
ープ波を応用したパルス圧縮機能を、この撮像方式に取
入れる場合は、送信チャープ波の継続時間が比較的長い
ため、上記のような複線読出し方式によって切換え時間
を長く取る必要がある。ところで第５図のような複線読
出しを行なう場合には、送波器３のリニアアレイ振動子
における第２図の矢印Ｘ方向の集束度を、２ライン分に
またがるように緩和する必要がある。因みに送波用の超
音波ビームが斜めに照射されていれば、断層面４上に一
様に照射されていてもよいのであるが、乱反射や多重反
射によるゴーストエコーを抑制することと、前述したよ
うに第２図の矢印Ｘ方向の分解能は超音波レンズ５の集
束分布と送波ビームの指向性を乗じたものとなるため、
本実施例においては解像度の向上を狙って送波ビームを
検出ライン上に集束させている。

第６図の方式によれば、マルチプレクサ91,92の切換
えスピードを低減できる利点がある。

次に本発明の第２実施例について説明する。超音波は
コヒーレントの波動であるため、スペックルパターンが
生じ易い。送波をパルスとすることで上記スペックルパ
ターンはかなり軽減されるが、完全には除去できない。

第７図は上記欠点を除去すると共に、解像度をさらに
向上させるための第２実施例を示す図である。73は第１
実施例の超音波送波器３と同様の超音波送波器である。
また74は結像用レンズ、75は超音波撮像素子である。

一画面の撮像が完了するごとに、結像用レンズ74と撮
像素子75とを矢印の方向に移動させながら撮像を行な
う。このとき撮像素子75の撮像面は結像される位置へそ
の都度位置設定される。このようにして得られた複数枚
の画像は、アンプ76にて増幅され、エンハンス回路77を
介して累積加算器78にて加算平均される。エンハンス回
路77は累積加算により生じる「ボケ」を修正するための
ものである。

本実施例によれば、スペックルパターンの除去が行な
われると共に、解像度が向上し、かつS/N比が良くな
る。なお結像用レンズ74と撮像素子75の移動による走査
は、撮像回数を増すために二次元走査としてもよい。ま
た結像用レンズ74と撮像素子75を移動走査する代わり
に、第８図のように結像用レンズ74と撮像素子75とを予
め複数組み用意しておき、これらを切換え使用するよう
にしてもよい。

なお本発明は前記各実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能
であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、断層面から時間差をもって到来する
超音波パルスが、超音波レンズによって超音波撮像素子
上に所定タイミングで結像され、結像された断層像が結
像のタイミングに同期して電気信号に変換されて順次取
り出されるので、解像度が従来の装置に比べて飛躍的に
向上した断層像を、簡単な回路構成の装置で的確に得る
ことができる。

なお撮像断面上の矢印Ｘ方向の分解能は送波ビームの
指向性に関連するので、リニアアレイ振動子の選択手段
を備えた実施態様に従えば、さらに解像度を上げること
ができる。

また超音波パルス及びその反射波の到達距離が、断層
面の各部分で異なることから、被検体中の減衰により感
度に差が生じる事が懸念されるが、感度補正手段を備え
た実施態様に従えば、その不具合を回避する事ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の第１実施例を示す図で、第１
図は全体的な構成を示す図、第２図は送波器と断層面と
の関係を示す斜視図、第３図は超音波撮像素子の構成を
示す斜視図、第４図は超音波撮像素子から電気信号を取
出す手段を示す図である。第５図および第６図は第１実
施例における超音波撮像素子から電気信号を取出す手段
の変形例をそれぞれ示す図である。第７図は本発明の第
２実施例における主要部の構成を示す図、第８図は第２
実施例の変形例を示す図である。 Ａ……探触子、Ｂ……装置本体、Ｃ……被検体、３……
送波器、４……断層面、５……超音波レンズ、６……超
音波撮像素子。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検知すべき被検体の断層面に対して超音波
   パルスを斜めに照射する如く配置された送波器と、 この送波器により前記断層面上の一つの検出ラインに対
   し時系列に照射された超音波パルスの前記断層面からの
   反射波を集束して断層像を結像する如く配置された超音
   波レンズと、 前記検出ラインからの反射波が前記超音波レンズにより
   結像される位置に配置され、且つ、前記検出ラインから
   の反射波が前記超音波レズにより時系列に結像するタイ
   ミングに同期して、前記反射波を電気信号として出力す
   る複数のエレメントからなる超音波撮像素子と、 前記断層像を得るために前記検出ラインを前記検出ライ
   ンに対して略直交する方向に走査させるように前記送波
   器での送波位置を移動制御する制御手段とを具備したこ
   とを特徴とする超音波診断装置。
2. 【請求項２】前記送波器は、前記断層面内の検出ライン
   に対して略直交する方向に配列された複数のリニアアレ
   イ振動子と、この複数のリニアアレイ振動子のうち励振
   する振動子を選択するマルチプレクサとを有し、 前記マルチプレクサは、一つの検出ラインに対して前記
   複数のリニアアレイ振動子のうち一部の振動子群を選択
   し、且つ、この振動子群の励振により生成された超音波
   パルスが略同時刻に前記検出ライン上の任意の点に到達
   するように前記振動子群の各振動子を順次選択すること
   を特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 【請求項３】前記超音波撮像素子により変換された電気
   信号を、前記超音波パルス及びその反射波の到達距離に
   よって感度に差が生じないよう補正する補正手段をさら
   に有することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装
   置。