JP2983073B2 - 反射型超音波画像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検体からの反射超音
波により被検体の表面または近表面下の画像を形成する
反射型超音波画像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学的に不透明な被検体の表面下を超音
波により観察する装置として、超音波顕微鏡、超音波探
傷装置が公知である。これらでは、ＭHZ〜ＧHZ帯域の高
周波超音波を被検体に収束させ、その被検体からの反射
波または透過波を受信する。

【０００３】この受信波の強度の強弱または位相の変化
を、超音波の収束位置を被検体表面に沿って走査しなが
ら表示することにより、被検体の表面下の画像が得られ
る。

【０００４】また、位相共役波を用いた透過型超音波画
像装置も公知である。このものでは、超音波送受波器
と、位相共役波を発生する位相共役鏡とが被検体を挟ん
で対向して配置されている。位相共役波は波面の歪みを
補償する能力を有するため、この装置では被検体の表面
の凹凸の影響を受けずに被検体の表面下の画像が得られ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】超音波顕微鏡、超音波
探傷装置においては、内部像と表面像との重畳という問
題がある。即ち、表面に凹凸のある被検体を観察する場
合、超音波の被検体表面での屈折角が照射位置により異
なり、これが反射波の波面形状を変化させる。その影響
が表面像となって、観察すべき内部像に重畳してしま
う。

【０００６】従って、表面に凹凸のある被検体の画像に
おいては、そのコントラストが被検体の内部の状態によ
るものか、或いは表面の凹凸によるものかを判断するの
は困難である。更に、被検体の内部のより詳細な情報、
例えば材料中の欠陥が空隙であるか錆であるか等を判断
することは一層に困難である。

【０００７】位相共役波を用いた透過型超音波画像装置
によれば上記の困難は解消されるものの、被検体を透過
した超音波を用いて像形成するために、音響インピーダ
ンスの高い固体からなる被検体や、比較的に厚い被検体
に対しては適用できない。

【０００８】本発明は係る問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、被検体表面の凹凸の
影響を受けずに被検体表面下の画像が得られ、しかも音
響インピーダンスの高い被検体や、比較的に厚い被検体
にも適用可能な反射型超音波画像装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の反射型超音波画像装置は、
被検体からの反射超音波に基づいて、被検体の表面また
は近表面下の音響インピーダンス分布に対応する画像を
形成するものであって、被検体の測定点に超音波を送波
する送波手段と、上記測定点からの反射超音波を受波
し、この反射超音波の位相共役波を発生する位相共役波
発生手段と、上記位相共役波の上記測定点からの反射波
を受波し、この反射波の強度に対応する電気的信号を出
力する受波手段と、上記測定点を被検体表面に沿って２
次元的に走査させる走査手段と、この走査手段により走
査される各測定点における上記受波手段の反射波出力に
基づいて、被検体の表面または近表面下の音響インピー
ダンス分布に応じた画像を表示する画像表示手段と、を
備えることを特徴とする。

【００１０】また、本発明の請求項２記載の反射型超音
波画像装置は、被検体からの反射超音波に基づいて、被
検体の表面形状に対応する画像と被検体の表面または近
表面下の音響インピーダンスに対応する画像とを選択的
に形成するものであって、被検体の測定点に超音波を送
波する送波手段と、上記測定点からの反射超音波を受波
し、この反射超音波の位相共役波を発生する位相共役波
発生手段と、この位相共役波発生手段からの位相共役波
の上記測定点における第１の反射波と上記送波手段から
の入射超音波の上記測定点における第２の反射波との何
れかを受波し、これら反射波の強度に対応する電気的信
号を出力する受波手段と、この受波手段により受波され
る反射波が、上記第１の反射波と第２の反射波との何れ
かに選択的に切り替わるように、被検体表面に対して上
記送波手段及び受波手段を一体的に傾動させる傾動手段
と、上記測定点を被検体表面に沿って２次元的に走査さ
せる走査手段と、この走査手段により走査される各測定
点における上記受波手段の出力に基づいて、被検体の表
面または近表面下の音響インピーダンス分布に応じた画
像と、被検体の表面形状に応じた画像とを表示する画像
表示手段と、を備えることを特徴とする

【００１１】

【作用】上記の構成によれば、送波手段、受波手段及び
位相共役波発生手段は、反射型の配置とされている。こ
のうち請求項１記載の反射型超音波画像装置において
は、送波手段から送波された超音波は、被検体で反射し
て位相共役波発生手段に受波される。この位相共役波発
生手段は、受波した反射波に対する位相共役波を被検体
へ送波し、その被検体からの反射波が受波手段に受波さ
れる。即ち超音波は、送波手段〜被検体〜位相共役波発
生手段〜被検体〜受波手段の経路（以下、第１経路と称
す）をたどる。

【００１２】ここで、第１経路における被検体から位相
共役波送波手段への反射波の経路を往路、位相共役波送
波手段から被検体への位相共役波の経路を戻り路とし
て、位相共役波送波手段と被検体との間の超音波の送受
を考える。

【００１３】この場合、戻り路における位相共役波は、
往路における波に対して時間反転性を有している。従っ
て、送波手段から位相共役波発生手段への経路において
反射波が何等かの波面歪を受けたとしても、その波面歪
は位相共役波送波手段から受波手段への位相共役波の経
路において相殺される。

【００１４】このため、受波手段で受波される反射波
（位相共役波についての反射波）の波面は、被検体の形
状に拘らず常に同一である。従って、被検体の表面の凹
凸の影響は画像に現れない。しかし、その反射波の強度
は被検体上の測定点における音響インピーダンスにより
異なる。そこで、被検体に対する超音波の入射位置を被
検体表面に沿って二次元的に走査させることにより、反
射波の強度に応じて被検体の表面または近表面下の音響
インピーダンス分布を示す画像コントラストが生成され
る。

【００１５】また、請求項２記載の反射型超音波画像装
置によれば、被検体表面に対して送波手段と受波手段と
を一体的に傾動させることにより、受波手段で受波され
る反射波が、位相共役波についての反射波と、位相共役
波発生手段を経ていない被検体からの直接の反射波とに
選択的に切り換わる。このうち、前者の場合の超音波の
経路は上記第１経路と同一である。一方、後者の場合
は、送波手段から送波された超音波は、被検体で反射し
て受波手段に受波される。即ち超音波は、送波手段〜被
検体〜受波手段の経路（以下、第２経路と称す）をたど
る。

【００１６】超音波の経路として第１経路が選択された
ときは、上記請求項１記載の反射型超音波画像装置と同
様な画像が形成される。

【００１７】また、第２経路が選択されたときは、受波
手段の受波する反射波は被検体の表面の凹凸の影響を受
けることになる。即ち、受波手段の反射波出力が被検体
の表面の凹凸の情報を含んでいるので、この反射波出力
に基づいて被検体の表面形状の画像を形成できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面を参
照して説明する。

【００１９】図１に示される反射型超音波画像装置にお
いて、水槽２には超音波伝播媒体としての水４が収容さ
れ、その水中には被検体６が浸漬されている。

【００２０】この被検体６の上方に配置された超音波送
受波器（送波手段、受波手段）８は、圧電トランスジュ
ーサ８ａに例えばサファイアガラス等の音響レンズ８ｂ
が貼着されてなり、その音響レンズ８ｂの下端面には、
凹面８ｃが形成されている。このような超音波送受波器
８は、その凹面８ｃが水４に浸漬された状態で、この凹
面８ｃの曲率中心方向が、測定点Ｐにおける被検体６の
表面の法線方向に対して所定の鋭角をなすように配置さ
れている。

【００２１】また、この超音波送受波器８の圧電トラン
スジューサ８ａには、このトランスジューサ８ａの入力
信号と出力信号との分離のためのサーキュレータ１０が
接続されている。このサーキュレータ１０の入力信号側
には、圧電トランスジューサ８ａに超音波を発生させる
ための高周波電圧パルスを発振する高周波発振器１２が
接続されている。また、サーキュレータ１０の出力信号
側には、圧電トランスジューサ８ａの出力信号から画像
を形成するための公知の信号処理回路１４、及び画像を
表示するためのディスプレィ１６が順に接続されてい
る。これら信号処理回路１４及びディスプレィ１６は、
本発明における画像表示手段を構成している。

【００２２】被検体６の上方には、測定点Ｐにおける被
検体６から反射される反射波を水４を通して受波するよ
うに、位相共役鏡（位相共役波発生手段）１８が配置さ
れている。この位相共役鏡１８は、受波した反射波に対
し、位相共役な超音波を水４を通して測定点Ｐに送波す
る。

【００２３】被検体６は、ＸＹスキャナー（走査手段）
２０により二次元ＸＹ方向に駆動可能な保持アーム２２
に保持されている。この保持アーム２２により被検体６
をＸＹ方向に移動させることにより、被検体６表面上の
超音波測定点Ｐが被検体６の表面に沿って走査される。

【００２４】上記高周波発振器１２、信号処理回路１４
及びＸＹスキャナー２０は、コントローラ２４により制
御される。

【００２５】次に、上記のような反射型超音波画像装置
の動作について説明する。

【００２６】コントローラ２４の指令により高周波発振
器１２が発振する高周波電圧パルスは、サーキュレータ
１０を介して超音波送受波器８の圧電トランスジューサ
８ａに印加される。これにより圧電トランスジューサ８
ａから音響レンズ８ｂ中へ超音波が放射される。この超
音波は、凹面８ｃのレンズ作用により収束波とされ、水
４を通じて被検体６表面上の測定点Ｐに斜めに入射さ
れ、測定点Ｐに収束される。

【００２７】この入射波に対し、測定点Ｐで反射した反
射波は、被検体６の表面の凹凸により波面に歪みを受け
ている。この波面が歪んだ反射波は位相共役鏡１８に受
波される。位相共役鏡１８は、受波した反射波に対する
位相共役波を発生し、これを被検体６に送波する。この
位相共役波は、反射波と逆の経路をたどって被検体６の
測定点Ｐに再入射される。

【００２８】ここで位相共役波は、位相共役鏡１８に受
波された反射波の空間部分を表す関数を、その複素共役
関数に置換させた波である。即ち反射波が、

【００２９】

【数１】

【００３０】と表されるとすと、これに対する位相共役
波は、

【００３１】

【数２】

【００３２】と表される。ここで複素共役関数の数学的
性質により、上記（２）式の右辺は、

【００３３】

【数３】

【００３４】と表される。この（３）式の右辺は上記
（１）式の時間反転であるから、位相共役波は反射波に
対して、

【００３５】

【数４】

【００３６】と表される。従って、位相共役波は反射波
の時間反転波としてふるまう。このため、反射波の波面
の歪みは位相共役波により相殺される。即ち、超音波が
超音波送受波器８から位相共役鏡１８に向かう経路で何
等かの波面歪を受けても、それは位相共役波が位相共役
鏡１８から超音波送受波器８へ向かう経路で相殺され
る。この場合、上記の位相共役波の時間反転性のため、
凹面８ｃで受波される反射波の波面は被検体６の表面の
凹凸に拘らず常に同一である。従って、被検体６の凹凸
の影響は後述の画像には現れない。

【００３７】この位相共役波に対する被検体６の測定点
Ｐからの反射波は超音波送受波器８の凹面８ｃで受波さ
れる。

【００３８】この受波された反射波は圧電トランスジュ
ーサ８ａにて反射波出力としての電気信号に変換され、
出力される。

【００３９】また、コントローラ２４はＸＹスキャナー
２０に駆動指令を与え、保持アーム２２を介して被検体
６をＸＹ方向に駆動させる。これにより測定点Ｐが被検
体６の表面に沿って走査される。

【００４０】その各走査点について、上記の超音波送受
波器８〜被検体６〜位相共役鏡１８〜被検体６〜超音波
送受波器８の経路の超音波の送受を実行することによ
り、各走査点の反射波出力が得られる。この反射波出力
の強度は、測定点Ｐにおける被検体６の音響インピーダ
ンスにより異なる。

【００４１】これら反射波出力はサーキュレータ１０を
介して信号処理回路１４に与えられる。信号処理回路１
４は、ＸＹスキャナー２０からコントローラ２４を介し
て与えられる測定点ＰのＸＹ座標に応じて、その座標位
置に対応する反射波出力をディスプレィ１６の画面上に
プロットする。これにより被検体６の表面下の画像が形
成される。この際、上記の音響インピーダンスの差異に
より画像のコントラストが生成される。

【００４２】図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）は、表面に同一
の凸部（盛り上がり形状）６ａを有し、近表面下の内部
状態のみが異なる被検体６の例を示す。図２（Ａ）は内
部状態が均質な場合、図２（Ｂ）は表面下に空隙Ｇが存
在する場合、図２（Ｃ）は表面下に錆Ｒが発生している
場合である。従来の超音波画像装置でこれらの被検体６
を観察すると、表面の凸部６ａが画像に強いコントラス
トを付けるため、図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）に示す内部
状態の相違を画像で判別するのは困難であった。しか
し、本発明の超音波画像装置によれば、表面の凸部６ａ
によるコントラストは消失し、被検体６の内部状態の相
違による音響インピーダンスの差異が正確に画像化され
る。即ち、図２（Ａ）の場合には画像にコントラストが
付かず、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）の場合には、空隙Ｇ
と錆Ｒとのコントラストの差異により、空隙Ｇが錆Ｒよ
りも強いコントラストが付く。従って、図２（Ａ）乃至
図２（Ｃ）の三つの内部状態をディスプレィ１６上の画
像で区別することができる。尚、本発明の超音波画像装
置は、被検体６の近表面下の内部状態のみならず、被検
体６の表面の音響インピーダンスの差異に対しても有効
である。例えば図３に示すように、被検体６が表面に凸
部６ａと凹部６ｂを有し、且つその表面自体には、結晶
粒界、応力、熱処理の影響等により異なる組成が２次元
方向に分布しているとする（図示では組成の相違が異な
るハッチングで示されている）。この図３のような被検
体６を従来の装置で画像化する場合には、凸部６ａ及び
凹部６ｂの影響を除去するために、被検体６の表面を平
坦に研磨する必要がある。しかし本発明の装置によれ
ば、被検体６の表面の凹凸形状の影響を受ないために、
表面を研磨することなく、被検体６の表面の組成の分布
を音響インピーダンスの差異により画像化することがで
きる。

【００４３】また、本発明の超音波画像装置は、図４及
び図５に示すように、被検体６の近表面下の画像のみな
らず、被検体６の表面の画像を形成する機能を付加させ
ることができる。図４及び図５において、超音波送受波
器８には、被検体６の表面に対する角度を調整するため
の角度調整装置（傾動手段）２６により傾動可能に支持
されている。この角度調整装置２６を除く構成について
は図１と同様である。この角度調整装置２６による超音
波送受波器８の傾動により、超音波送受波器８から被検
体６への入射波に対する反射波を、図１と同様に位相共
役鏡１８に受波させるか、或いは位相共役鏡１８を経る
ことなく、直接に超音波送受波器８に受波させるかを選
択的に切り換えることができる。

【００４４】ここで図４に示すように、超音波送受波器
８の凹面８ｃの曲率中心方向と被検体６の表面の法線方
向とが一致された状態にあるとする。この状態で受波器
８からの入射波を被検体６の表面またはその近傍に合焦
させると、その反射波は受波器８に受波されて反射波出
力に変換される。この反射波出力は被検体６の表面の凹
凸形状の影響を受けているから、図１の場合と同様な走
査を実行することにより、被検体６の表面の凹凸形状に
敏感に対応した画像をディスプレィ１６上に形成するこ
とができる。

【００４５】次に、図５に示すように、合焦位置を図４
の状態に保ちつつ、反射波が位相共役鏡１８に受波され
るように、角度調整装置２６により受波器８を傾動させ
たとする。この場合は、図１乃至図３を参照した説明と
同様に、被検体６の表面の凹凸形状に依存せず、表面ま
たは近表面下の音響インピーダンスの差異によって形成
される画像が得られる。

【００４６】これら図４と図５の各々の状態で得られた
画像を比較することにより、被検体６の表面形状と音響
インピーダンス分布との対応関係を得ることができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の反射型超音
波画像装置によれば、被検体の表面に凹凸が存在する場
合でも、その凹凸形状の影響を受けることなく、音響イ
ンピーダンス分布に対応した被検体の表面または近表面
下の画像を形成することができる。また、反射型の配置
を採用し、しかも音響インピーダンスによる反射波強度
の差異を検出するようにしたので、音響インピーダンス
の高い被検体や比較的に厚い被検体にも適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る反射型超音波画像装
置を概略的に示す構成図。

【図２】表面形状が同一で、内部状態が異なる被検体の
断面を示す図であって、（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を含
み、（Ａ）は表面に凸部を有し、内部が均質な被検体を
示す断面図、（Ｂ）は内部に空間を有する被検体を示す
断面図、（Ｃ）は内部に錆が発生した被検体を示す断面
図である。

【図３】表面に凹凸を有し、且つ表面に沿って複数の異
なる組成が分布した被検体を示す断面図である。

【図４】本発明の第２実施例に係る反射型超音波画像装
置を概略的に示す構成図であって、位相共役鏡を経ない
経路で超音波送受波器に超音波を送受させる状態を示す
図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る反射型超音波画像装
置を概略的に示す構成図であって、位相共役鏡を経る経
路で超音波送受波器に超音波を送受させる状態を示す図
である。

【符号の説明】

６…被検体、８…超音波送受波器（送波手段、受波手
段）、１４…信号処理回路（画像表示手段）、１６…デ
ィスプレィ（画像表示手段）、１８…位相共役鏡（位相
共役波発生手段）、２０…ＸＹスキャナー（走査手
段）、２６…角度調整装置（傾動手段）。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体からの反射超音波に基づいて、被
   検体の表面または近表面下の音響インピーダンス分布に
   対応する画像を形成するものであって、被検体の測定点
   に超音波を送波する送波手段と、上記測定点からの反射
   超音波を受波し、この反射超音波の位相共役波を発生す
   る位相共役波発生手段と、上記位相共役波の上記測定点
   からの反射波を受波し、この反射波の強度に対応する電
   気的信号を出力する受波手段と、上記測定点を被検体表
   面に沿って２次元的に走査させる走査手段と、この走査
   手段により走査される各測定点における上記受波手段の
   反射波出力に基づいて、被検体の表面または近表面下の
   音響インピーダンス分布に応じた画像を表示する画像表
   示手段と、を備えることを特徴とする反射型超音波画像
   装置。
2. 【請求項２】 被検体からの反射超音波に基づいて、被
   検体の表面形状に対応する画像と被検体の表面または近
   表面下の音響インピーダンスに対応する画像とを選択的
   に形成するものであって、被検体の測定点に超音波を送
   波する送波手段と、上記測定点からの反射超音波を受波
   し、この反射超音波の位相共役波を発生する位相共役波
   発生手段と、この位相共役波発生手段からの位相共役波
   の上記測定点における第１の反射波と上記送波手段から
   の入射超音波の上記測定点における第２の反射波との何
   れかを受波し、これら反射波の強度に対応する電気的信
   号を出力する受波手段と、この受波手段により受波され
   る反射波が、上記第１の反射波と第２の反射波との何れ
   かに選択的に切り替わるように、被検体表面に対して上
   記送波手段及び受波手段を一体的に傾動させる傾動手段
   と、上記測定点を被検体表面に沿って２次元的に走査さ
   せる走査手段と、この走査手段により走査される各測定
   点における上記受波手段の出力に基づいて、被検体の表
   面または近表面下の音響インピーダンス分布に応じた画
   像と、被検体の表面形状に応じた画像とを表示する画像
   表示手段と、を備えることを特徴とする反射型超音波画
   像装置。