JPS63249548A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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）の反射像を、探触子を被検体表面に沿って
走査することにより得るものである。しかるに超音波ビ
ームは、探触子から遠ざかるに従って次第に広がりをも
つものであり、一般には探触子の寸法より小さくはなら
ない。このため方位分解能が悪い。探触子の先端を凹面
状にすれば、超音波ビームは一旦焦点近傍で収束してか
ら拡散するので、焦点近傍では探触子径より細い超音波
ビームが得られることになる。しかし、このようにする
と、深さ方向のフォーカス範囲が狭いものとなり、実用
上支障をきたすことになる。そこで通常は、深さ方向に
対してほぼ一定の収束度が得られ、かつフォーカス範囲
が比較的広くなるように、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、方位分解能が悪く、解像度のよい断層
像を得難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Ｗ的に向上した被検体の断層像を得ることのできる
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〕

本発明は前記問題点を解決し目的を達成するために次の
ような手段を講じた。すなわち、マトリクス状に分割配
置された複数のエレメントからなり超音波パルスを送信
および受信する超音波撮像素子を設け、この超音波撮像
素子より送信された）。

超音波パルスを収束して、検知すべき被検体の所定深さ
位置において前記超音波撮像素子に対して平行に設定さ
れた断層面に照射し、かつ上記断層面からの反射波を収
束して、」二記超音波撮像素子で受信するように大開口
の超音波レンズを配置すると共に、前記超音波撮像素子
の段数のエレメントのうちの一つを順次選択する選択手
段を設ける。

かくして超音波パルスを送信する際には、上記選択手段
により前記エレメントのうちの一つを所定の時間間隔で
順次選択して超音波パルスを送信し、超音波パルスを受
信する際には、送信した超音波パルスが前記断層面から
反射してくる時間に応じて、前記選択手段により再び前
記エレメントを順次選択して反射波を受信することによ
り、断層像を検出、するようにした。

〔作用〕

このような手段をｊｌ、Ｓじたことにより、次のような
作用を呈する。二次元に配列されている超音波撮像素子
の各エレメントが順次選択されて励振される結果、送信
される超音波パルスがある時間配列を持って被検体の断
層面上に収束照射される。

つまり、撮像素子の各エレメントに対応する断層面上の
画素に、超音波パルスがある時間配列を持って順次収束
照射される。そして、その画素からの反射パルスが撮像
素子面上に結像する時間と結像位置に合せて、再び各エ
レメントが順次選択されるので、断層像が時系列な電気
信号（映像信号）として取り出される。かくして単一の
超音波撮像素子にて送受信を行なうことにより、被検体
中の御所層像かリアルタイムで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１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のケース１における被検体Ｃに対向する対向端
面前方には、この対向端面を囲む形でベローズ形容器２
が装着されている。このベローズ形容器２は、ベローズ
の伸縮作用により探触子Ａを被検体Ｃの表面に安定に接
触させると共に、後述する超音波レンズ５と被検体４と
の位置関係（離間距離）を調整して異なる位置の断層像
を検出可能とするものである。このベローズ容器２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。上記容器２の内部には音響媒体３が封入されてい
る。この音響媒体３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のケース１における前記対向端面には、被検体
Ｃの断層面４に対してほぼ平行に大開口の超音波レンズ
５が取付けられている。この超音波レンズ５は超音波撮
像素子６の各エレメント７から送波された超音波パルス
を収束し、断層面４の上に照射すると共に、断層面４か
らの反射波を収束し、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および超音波撮像素子６との間の
ケース１内部にも、前記したものと同様の音響媒体３が
封入され、かつ必要に応じて前記同様にＱＨ度副制御機
構脱泡機構が付設されている。超音波レンズ５は、その
８ｆ響インピーダンスが音響媒体３に近く、かつ音速が
音響媒体３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３が水であるときはアクリル樹
脂やポリスチレン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、Ｒ”Ｊ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い。つまり収差の除去のため
の組合わせレンズであってもよいし、また断層像の拡大
、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。

ところで、前記断層面４が設定される位置は、超音波レ
ンズ５の焦点距離により一義的に決定される。したがっ
て超音波パルスを発信してからその超音波パルスが断層
面４で反射して受信されるまでの時間も、超音波撮像素
子６と超音波レンズ５との距離および超音波レンズ５と
断層面４との距離（レンズ焦点距離）により定まる所定
値となる。ここで断層面４の深さ位置を変えるには、超
音波レンズ５と被検体Ｃとの距離を、前記したベローズ
形容器２のベローズによる伸縮作用を利用して変化させ
ることにより行なう。なおここで、音響媒体である水と
被検体Ｃの音速は、はぼ等しいと考えられるので、水と
被検体Ａとの界面での反射はない。

このように反射波が戻ってくるまでの時間は、探触子Ａ
により一定値に定まるので、発信および受信のタイミン
グは、その時間に合わせて制御すればよい。なお上記時
間を変化させることにより、断層面４の位置を変えるこ
ともできる。ただしこの場合は分解能が低下することに
なるので、絞り機構等を設けることが望ましい。

超音波撮像素子６は、超音波パルスを断層面４に向けて
時系列に送波する機能と、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
する機能を宵している。

探触子Ａのケース１における後方内部には、送信回路１
０．マルチプレクサ１１，１２、プリアンプ１３などが
収容されている。

装置本体Ｂには、二次元利得補正信号発生回路１４、加
算回路１５．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１つ、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図は前記二次元利得補正信号発生回路１４の具体的
構成を示すブロック図である。Ｒ１−Ｒ９は装置本体Ｂ
のパネル上に、二次元に配列された抵抗器であり、３１
はマルチプレクサ、３２はＡ／Ｄ変換器、３３は二次元
データ補間回路、３４はフレームメモリ、３５はＤ／Ａ
変換器である。なお可変抵抗器Ｒ１〜Ｒ９の位置および
設定値は、画面上の位置と利得に対応している。

第３図は超音波撮像素子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は台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６２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、ＰＶＦ２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を使用する場合に
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から超音波パルスを送信す
る手段と、受信した反射波から電気信号を取出す送受信
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４図の矢印Ｙの方向と平行
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４図の矢印
Ｘ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１
１．１２がそれぞれ接続されている。マルチプレクサ１
１の共通電極１１ａ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１２の共通電極１２ａは、前記
した第１図の送信回路１０およびプリアンプ１３と接続
されている。かくしてマルチプレクサ１１．１２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７を、例えば第１図のｍ、ｎ、ｌのように順次選択
することができる。この選択したエレメント７を、送信
回路１０からの電気パルスにより励振すれば、超音波パ
ルスが発信され、これが各エレメント７に対応した断層
面４上の位置に、第１図のＭ、Ｎ、Ｌの順に収束照射す
ることができる。

また、上記のＭ、Ｎ、Ｌから順次反射した超音波パルス
は、超音波撮像素子６の受波面上にｍ、ｎ。

ｌの順に結像される。そこで上記結像の時間的タイミン
グに合わせて、再びエレメント７を順次選択していけば
、上記のようにｍ、ｎ、ノ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、リアルタイムで二次元
に取出すことができる。

第５図は各エレメント７の送信と受信のタイミングを示
す図である。なお第５図では、第４図に示した超音波撮
像素子６のＸ方向の１ライン分のエレメントの送受信の
タイミングを表わしている。

つまり断層面上の１ライン分の反射信号を検出する期間
Ｔｏを１サイクルとして送信期間Ｔ１と受信期間Ｔ２と
に分けて示しである。そして第５図における方形波パル
スのハイレベル期間は、各エレメント７がマルチプレク
サ１２によって選択される期間を示している。

１ライン上の最後のエレメントの送信が終了した後、最
初のエレメントｍから送波した超音波パルスが、検出す
べき断層面４上の所定の位置がら反射してくる時間Ｔ３
に合わせて、再び各エレメントをｍ、ｎ、ｌ！の順に選
択して受信を行なう。

こうすることにより断層面４上の１ライン分の反射信号
を電気信号として取り出すことができる。

次にマルチプレクサ１１により超音波撮像素子６の検出
ラインを切換えて同様のサイクルを繰返すことにより、
二次元の走査が可能となり、断層面４の反射信号を時系
列な電気信号として取り出すことができる。

本装置の分解能は、超音波レンズ５の開口角と超音波パ
ルスの周波数で決る。送受における収束度の積を考慮す
ると、 １．６Ｆ／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となる。

次に第１図に説明を戻し、受波された信号の処理につい
て説明する。探触子Ａ内のマルチプレクサ１２の共通電
極１２ａから取出された電気信号は、プリアンプ１３に
て増幅される。このプリアンプ１３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。

プリアンプ１３の出力は、装置本体Ｂ内の対数アンプ１
６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６０ａＢ）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ｉｌｌ；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Ｏｖ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フレ一ム分の映像信号の平均値が求められる。こ
の１フレ一ム分の映像信号の平均値と、自動利得設定電
圧Ｖ２とか比較回路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■３と手動
利得調整電圧Ｖ４とが切換え回路２２にて切換えられる
。この切換えられた信号と、二次元利得補正回路１４に
て発生させられた二次元利得補正信号とは、加算回路１
５により加算され、前記利得調整用の電圧ｖ１として出
力される。

二次元利得補正信号は、被検体Ｃの表面から断層面４ま
での到達距離の違いによる減衰の違いに、　　よって、
感度に二次元的な差が生じることを防ぐために、利得を
補正する信号である。この信号は次のようにして得られ
る。第２図に示す可変抵抗器Ｒ１〜Ｒ９で設定された値
は、マルチプレクサ３１で切換えられることにより、時
系列な信号に変換された後、Ａ／Ｄ変換器３２にてディ
ジタル化され、二次元データ補間回路３３にて二次元的
なデータ補間、つまりスムージングが行なわれて、フレ
ームメモリ３４に記憶される。フレームメモリ３４に記
憶されるデータは、各フレームごとに更新される。この
フレームメモリ１３に記憶されたデータは、Ｄ／Ａ変換
器３５によりアナログ化され、前記加算器１５へ供給さ
れる。上記データを利用して、利得を画素ごとに補正す
ることにより、減衰による感度ムラを防ぐことができる
。

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の切換え方式としては、第６
図あるいは第７図に示すような複線切換え方式（本例で
は２線切換方式）を用いることもできる。

これらの方式によれば、完像時間の短縮あるいはマルチ
プレクサＩＩＡ、ＩＩＢおよびマルチプレクサ１２Ａ、
１２Ｂの切換え時間の延長をはかれるという利点がある
。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同長い
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。

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８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。８５は結像
用レンズ、８６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８５と撮
像素子８６とを矢印の方向に移動させなから撮像を行な
う。このとき撮像素子８６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８７に
て増幅され、二次元ブリエンハンス回路８８を介して累
積加算器８９にて加算平均される。

二次元ブリエンハンス回路８８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ＳＺＮ比が良くなる
。なお結像用レンズ８５と撮像素子８６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８５と撮像素子８６を移動走査する代
わりに、第８図のように結像用レンズ９５と撮像素子９
６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、二次元に配列されている超音波撮像素
子の各エレメントが順次選択されて励振される結果、送
信される超音波パルスがある時間配列を持って被検体の
断層面上に収束照射されると共に、その反射パルスが撮
像素子面上に結像する時間と結像位置に合せて、再び各
エレメントが順次選択されるので、断層像が時系列な電
気信号（映像信号）として取り出される。つまり単一の
超音波撮像素子にて送受信が行なわれることにより、被
検体中の御所層像がリアルタイムで検出されることにな
る。かくして本発明によれば、大開口の超音波レンズを
使用でき、従来の超音波診断装置に比べて解像度が飛Ｈ
的に向上した被検体の断層像をｉ！Ｉることのできる超
音波診断装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５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図は二次元利得補正信
号発生回路の具体的ｈ’４成を示すブロック図、第３図
は超音波撮１象素子の１１・１成を示す斜ｍ図、第４図
は超音波撮像素子から超音波パルスを送信し受信した反
射波から電気信号を取出す送受信手段を示す図、第５図
は各エレメントの送信と受信のタイミングを示す図であ
る。第６図および第７図は第１実施例における送受信手
段の変形例をそれぞれ示す図である。第８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９図は上
記第２実施例の変形例を示す図である。 Ａ・・・接触子、Ｂ・・・装置本体、Ｃ・・・被検体、
１・・・ケース、２・・・容器、３・・・音響媒体、４
・・・断層面、５・・・超音波レンズ、６・・・超音波
撮像素子。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 第３図 第４図 第６図 ″′　　　第７図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マトリクス状に分割配置された複数のエレメントからな
   り超音波パルスを送信および受信する超音波撮像素子と
   、この超音波撮像素子より送信された超音波パルスを収
   束して検知すべき被検体の所定深さ位置において前記超
   音波撮像素子に対して平行に設定された断層面に照射し
   、かつ上記断層面からの反射波を収束して上記超音波撮
   像素子で受信するように配置された大開口の超音波レン
   ズと、前記超音波撮像素子の複数のエレメントのうちの
   一つを順次選択する手段とを備え、超音波送信時におい
   ては前記エレメントのうちの一つを所定の時間間隔で順
   次選択して超音波パルスを送信し、超音波受信時におい
   ては上記送信した超音波パルスが前記断層面から反射し
   てくる時間に応じて再び前記エレメントを順次選択して
   反射波を受信することにより、断層像を検出するように
   したことを特徴とする超音波診断装置。