JP3596344B2

JP3596344B2 - 超音波トランスデューサの特性試験装置

Info

Publication number: JP3596344B2
Application number: JP8818899A
Authority: JP
Inventors: 正敏吉原
Original assignee: 富士写真光機株式会社
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000287300A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被験者の体内組織状態を検査するための超音波プローブ等に装着される超音波トランスデューサの送信特性等を検査・測定するための超音波トランスデューサの特性試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波トランスデューサは、圧電素子等の電気エネルギを機械的な振動エネルギに変換する、または逆に機械的なエネルギを電気信号に変換する素子としての超音波振動子を有し、この超音波振動子の送受信面には音響整合層を設け、また反対側にはバッキング材を装着することにより概略構成される。超音波トランスデューサは、例えば医療分野等において広く使用されている。この種医療用としての超音波トランスデューサは走査手段等と共に超音波プローブとして組み込まれ、被験者の体表皮、または体腔内に挿入して体腔内壁から、体内に向けて超音波パルスを送信し、体内組織の断層部分からの反射エコーをこの超音波トランスデューサで受信させるようにして駆動される。そして、この受信信号を超音波観測装置で画像化処理を行うことにより、体内の組織状態に関する情報が超音波画像としてモニタに表示される。この超音波画像に基づいて腫瘍その他の病変部を検出する診断等を行うことができる。
【０００３】
超音波トランスデューサは、少なくともバッキング材，超音波振動子，音響整合層からなる多層体で構成され、また音響整合層上には超音波ビームを所定の位置にフォーカスさせる音響レンズを装着したものもある。このように構成される超音波トランスデューサの特性を評価・検証するために、超音波の特性に関する試験・測定が行われる。この特性試験は、例えば脱気水等の均質な超音波伝達媒体を入れた試験槽の所定の位置に反射板を配置しておき、超音波トランスデューサをこの反射板に対向配設して、この超音波トランスデューサから超音波ビームを送信して、この反射板で反射させて、その反射エコーを超音波トランスデューサで受信させることにより行われる。そして、この超音波トランスデューサの受信信号を信号処理回路で所定の処理を行うことによって、超音波トランスデューサの送受信特性に関するデータが得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来技術の試験装置にあっては、超音波トランスデューサと反射板とは別々の支持部材に装着されていることから、その間を正確にアラインメントするのは困難であり、複数の超音波トランスデューサの測定を行う際には、取り付け誤差等に起因して、すべて同じ条件で測定することができないといった不都合がある。また、超音波トランスデューサの支持部材及び反射板の支持部材は固定的に保持されているので、測定ポイントは１箇所であり、超音波トランスデューサと反射板との相対位置を変えて試験を行う、例えば音場の全体像を測定する等の試験を行えるようにはなっておらず、超音波トランスデューサの特性に関する検査・測定装置としては必ずしも満足なものではない。
【０００５】
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、超音波トランスデューサの特性試験を行うに当って、超音波トランスデューサと、この超音波トランスデューサから送信される超音波ビームのターゲット部材との相対位置関係を容易に、しかも正確に調整できるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明は、超音波トランスデューサの特性試験を行うために、超音波伝達媒体を入れた試験槽内に超音波を受信または反射するターゲット部材を設置し、前記超音波トランスデューサから超音波ビームをこのターゲット部材に向けて照射して、この超音波ビームの音軸と直交する平面上での音圧分布を検出するものにおいて、前記超音波トランスデューサを着脱可能に支持する支持部材と、前記ターゲット部材側に前記超音波トランスデューサからの超音波ビームの受信または反射の中心位置を含む直交２軸を有する平面を設定し、前記超音波トランスデューサの送信面の中心位置が前記ターゲット部材側に設定した平面直交２軸の中心に対して位置ずれすることなく角度調整を行うために、前記支持部材に角度調整手段を連結して設け、この角度調整手段は、前記支持部材を、前記送信面の中心が延長線となる回転中心軸の軸回りに回動させることにより直交２軸上の一方の軸方向に角度調整するθステージと、前記超音波トランスデューサの送信面の中心位置を中心として、前記支持部材を円弧運動させることによって、他方の軸方向に角度調整するチルトステージとで構成したことをその特徴とするものである。
【０００７】
具体的な構成としては、例えば、角度調整手段に設けた支持部材には超音波トランスデューサを組み込んだ超音波プローブを着脱可能に装着し、またターゲット部材は、超音波トランスデューサからの超音波信号を受信するハイドロフォンで構成して、このハイドロフォンを概略鉛直平面上で走査させる走査手段に取り付け、またこの走査手段にはハイドロフォンを超音波プローブに近接・離間させる間隔調整手段に装着するように構成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。まず、図１において、１は超音波トランスデューサを示し、この超音波トランスデューサ１は、超音波振動子２の表面側に音響整合層３が、また音響整合層３には音響レンズ４が接合して設けられており、超音波振動子２の裏面側の面にはバッキング材５が設けられている。超音波振動子２に所定の電圧を印加すると、超音波ビームが送信される。超音波ビームは、超音波トランスデューサ１から距離ＤＳまでは近距離音場ＮＳと呼ばれるものであり、この近距離音場ＮＳではほぼ平面波からなり、その音圧分布は複雑な縞状となる。そして、距離ＤＳを過ぎた遠距離音場ＦＳになると、超音波ビームは球面波となって拡散が開始する。この遠距離音場ＦＳでは、音軸ＳＡを中心とした球面的な広がりを有する音場が形成されることになる。そして、超音波トランスデューサ１に音響レンズ４を装着することによって、図１に仮想線で示したように、遠距離音場ＦＳは超音波トランスデューサ１から所定の距離だけ離れた位置でビーム断面が最小となるようにフォーカスされる。ここで、超音波ビームを絞るための音響レンズ４はレンズとレンズ以外の媒質との音速の差に基づいて、レンズの音速の方が速い場合には凹レンズが、レンズの音速の方が遅い場合には凸レンズが用いられる。
【０００９】
以上の構成を有する超音波トランスデューサ１は、例えば、図２に示したように、細径の中空軸５の先端に音響特性の良好なキャップ６を装着し、このキャップ６内に装着されて、リニア方向またはラジアル方向に超音波走査を行う超音波プローブ７として構成される。そして、この中空軸５を細径で可撓性のあるチューブ材で構成すれば、内視鏡に設けられている処置具挿通チャンネル等をガイド手段として体腔内に導いて、体腔内壁から超音波の送受信を行うことにより体内組織の断層情報を取得する、所謂体腔内挿入型の超音波プローブ７として構成される。また、超音波トランスデューサを組み込んだ超音波プローブは様々な形態のものがあり、しかも超音波トランスデューサの作動形態や、走査方式等については様々なものがある。本発明においては、図２に示した超音波プローブ７だけでなく、様々なタイプの超音波プローブに組み込まれた超音波トランスデューサや、超音波トランスデューサ単体での特性試験を行うことができる。
【００１０】
以上のように、超音波プローブ７に組み込まれた超音波トランスデューサ１から送信される超音波ビームの特性、例えば音軸上の深達距離、有効ビーム径、焦点距離と焦点位置でのビーム径及びその音圧、さらにはサイドローブの状態及びその程度等に関するデータを取得できるようにしている。このための特性試験装置の具体的な構成を図３乃至図５に示す。
【００１１】
而して、超音波トランスデューサ１の送受信面１ａから出射された超音波ビームは空間的な広がりをもって進行するが、その空間パターン形状、つまり音場は、この送受信面１ａや、装着されている音響レンズ４等により異なる。今、送受信面１ａが円形のものであり、その表面に超音波ビームを収束する音響レンズ４が配置されていると、均質な超音波伝達媒体内で超音波トランスデューサ１から出射された超音波ビームは、遠距離音場ＦＳではその断面形状は概略円形となり、この円形パターンを保ちながら音軸ＳＡ方向に進行し、音響レンズ４の焦点位置までは連続的に収束し、それ以後は連続的に拡開する形状となる。そこで、音軸ＳＡ上のある位置で、この音軸ＳＡと直交する平面上における音圧分布を検出すると、当該位置での音場断面の音圧分布、つまり音場パターンが得られる。また、音軸ＳＡに沿って所定のピッチ間隔毎に順次音場パターンを取得することによって、超音波ビームの音場の全体像が得られる。従って、音軸と直交する方向における音圧分布に関する情報である音場パターンから、超音波ビームの特性、つまり超音波の深達距離、有効ビーム径、焦点距離と焦点位置でのビーム径及びその音圧に関するデータが得られ、さらにはサイドローブの状態等の測定も可能になる。
【００１２】
そこで、まず図３に試験装置の概略構成を示す。同図において、１０は内部に脱気水等のように均質で、超音波の減衰率の低い超音波伝達媒体を貯留した試験槽であり、この試験槽１０内で超音波プローブ７に設けた超音波トランスデューサ１を超音波伝達媒体に浸漬させた状態で超音波ビームを送信するように構成している。そして、この超音波ビームのターゲット部材としてのハイドロフォン１１を超音波伝達媒体内で、この超音波プローブ７に対向配置して、このハイドロフォン１１に超音波を受信させて、その受信音圧レベルを検出する。ここで、ハイドロフォン１１は針状部１１ａの先端に受信部１２を設けたものであり、従って実質的に点で超音波を受信することになる。このために、ハイドロフォン１１で超音波ビームの所定位置での断面における音場パターンを取得するために、このハイドロフォン１１を平面的な広がりをもって走査させる走査手段に装着する。また、超音波ビームの音軸ＳＡに沿って複数の位置でハイドロフォン１１の走査を行わせるために、音軸ＳＡ方向に変位させる間隔調整手段を設ける。
【００１３】
而して、試験槽１０の上部位置には、走査手段１３が設けられている。この走査手段１３は、間隔調整手段としてのＺ軸ロボット１４に装着されており、このＺ軸ロボット１４に上下方向に移動可能に連結して設けたＹ軸走査部１３Ｙと、このＹ軸走査部１３Ｙに水平方向に移動可能に装着したＸ軸走査部１３Ｘとから構成される。ハイドロフォン１１は、その軸部１１ｂが支持アーム１５の下端部に着脱可能に連結されており、この支持アーム１５の上端部はＸ軸走査部１３Ｘに固定されている。従って、ハイドロフォン１１は、Ｘ軸走査部１３Ｘにより一方向（Ｘ軸方向）に走査され、またＹ軸走査部１３ＹによりＸ軸と直交する方向（Ｙ軸方向）に走査される。なお、Ｘ軸，Ｙ軸の各走査部１３Ｘ，１３Ｙの駆動は、周知のボールねじ送り手段等により行える。
【００１４】
ハイドロフォン１１の受信部１２は、前述した走査手段１３により所定の走査面上を走査しながら超音波プローブ７における超音波トランスデューサ１の送受信面１ａから出射される超音波ビームを受信する。ここで、図４に示したように、ハイドロフォン１１の走査面をＲＰとし、また超音波トランスデューサ１の送受信面１ａの送信面をＥＰとした時に、少なくとも走査面ＲＰは送信面ＥＰと平行になっていなければならない。つまり、送信面ＥＰの中心位置Ｏを含み、この中心位置Ｏから送信面ＥＰと直交する方向の音軸ＳＡが存在するから、走査面ＲＰはこの音軸ＳＡに対して正確に直交する面となっていなければならない。このためには、走査面ＲＰまたは送信面ＥＰのいずれか一方の角度を調整する必要がある。本実施の形態においては、送信面ＥＰ側に角度調整機構を設けて、この角度調整機構により音軸ＳＡを上下方向及び水平方向に振らせるように調整することによって、音軸ＳＡが走査面ＲＰと直交する方向に向くようにアラインメントする。このために、送信面ＥＰには、その送信中心位置Ｏを中心としたｘ，ｙ直交２軸を設定して、これらｘ軸及びｙ軸回りに回動させるようにして角度調整を行う。
【００１５】
このために、超音波トランスデューサ１は、超音波プローブ７に組み込まれた状態で２軸の角度調整手段２０の支持部材２１に着脱可能に取り付けられる。ここで、角度調整手段２０は、試験槽１０の外部に立設したポスト２２にスイング軸２３を中心として上下方向に回動可能に連結した取付部材２４に装着されている。従って、取付部材２４を水平状態となった図３の実線位置に配置すると、支持部材２１に装着した超音波プローブ７は試験槽１０の超音波伝達媒体の内部に浸漬して、超音波トランスデューサ１の特性試験を行える試験位置となり、またスイング軸２３を中心として上方に回動させて、仮想線の位置に変位させると、超音波プローブ７を支持部材２１に着脱できる着脱位置となる。
【００１６】
支持部材２１は基部２５と、この基部２５に交換可能に連結される位置決めアーム２６とから構成される。位置決めアーム２６にはその軸線方向に向けた位置決め溝２６ａ（図５参照）が形成されており、超音波プローブ７は、この位置決め溝２６ａ内に収容させて、位置決めアーム２６の先端に設けたストッパ部２６ｂに当接する位置に配置される。これによって、超音波プローブ７は、その外形基準で位置決めアーム２６に装着される。また、超音波プローブ７をこの装着状態で固定的に保持するために、位置決めアーム２６には少なくとも２箇所にリング状の弾性部材からなる締め付けバンド２７が装着される。
【００１７】
２軸の角度調整手段２０は超音波プローブ７に設けた超音波トランスデューサ１のアラインメントを行うためのものである。この角度調整手段２０としては、取付部材２４に連結したθステージ２８を有し、このθステージ２８は取付部材２４に連結した固定台２９に回転テーブル３０を水平方向に回転可能に装着したものからなり、この回転テーブル３０は送りねじ３１により所望の角度回転駆動させることができ、かつストッパねじ３２により所望の角度位置に固定できるようになっている。また、回転テーブル３０にはチルトステージ３３を構成する固定台３４が取り付けられており、この固定台３４には円弧状のガイド面３４ａが形成されている。そして、固定台３４には、ガイド面３４ａに沿って傾動する傾動テーブル３５が連結されており、この傾動テーブル３５はガイド面３４ａに沿って摺動する円弧状のスライド面３５ａを備えている。さらに、固定台３４側には送りねじ３６が設けられており、この送りねじ３６を回動させると、傾動テーブル３５は、そのスライド面３５ａがガイド面３４ａに沿って摺動変位して、その傾き角が調整される。この傾き調整を行った状態で傾動テーブル３５を固定するためにストッパねじ３７が傾動テーブル３５の側面に設けられている。
【００１８】
ここで、支持部材２１における基部２５は、傾動テーブル３５に固定して設けられている。そして、支持部材２１における位置決めアーム２６の所定の位置に超音波プローブ７を装着して、取付部材２４を試験位置とした時に、この超音波プローブ７に設けた超音波トランスデューサ１における送受信面１ａの中心が回転テーブル３０の回転中心の延長線上に位置し、この回転中心の延長線が図４に示した送信面ＥＰ上に設定したｙ軸と一致している。また、傾動テーブル３５におけるスライド面３５ａの円弧の中心を超音波トランスデューサ１の送受信面１ａの中心、つまり図４における送信面ＥＰの送信中心位置Ｏと一致するように設定している。これによって、θステージ２８による角度調整時の調整軸は送信中心位置Ｏにおけるｙ軸と一致し、またチルトステージ３３による角度調整時の調整軸は送信中心位置Ｏのｘ軸と一致するようになっている。
【００１９】
従って、回転テーブル３０を回転させると、送信面ＥＰはｙ軸の軸回りに角度調整され、音軸ＳＡは左右方向に振れるように変位する。また、傾動テーブル３５を傾けると、送信面ＥＰがｘ軸の軸回りに角度調整されることになる結果、音軸ＳＡは上下方向に振れるようになる。この結果、これらθステージ２８とチルトステージ３３とを適宜操作することによって、音軸ＳＡをハイドロフォン１１の走査面ＲＰに対して正確に直交する方向に向くようにアラインメントできる。しかも、超音波トランスデューサ１の送受信面１ａの中心位置はアラインメント時にもみだりに位置ずれすることなく、固定的に保持される。
【００２０】
このように構成することによって、超音波プローブ７を２軸角度調整手段２０に設けた支持部材２１の所定の位置に装着して、取付部材２４を試験位置に配置した状態で、超音波プローブ７の超音波トランスデューサ１から超音波を送信させる間に、この超音波トランスデューサ１に対して所定の距離だけ離間した位置に配置したハイドロフォン１１を走査面ＲＰとして設定した範囲で走査させることによって、当該の位置での超音波ビームの断面における音圧分布からなる音場の全体像を取得出来る。
【００２１】
測定を行うに当っては、まず超音波プローブ７を位置決めアーム２６に装着した時に、超音波トランスデューサ１の音軸ＳＡがハイドロフォン１１の走査面ＲＰに対して正確に直交させるように角度調整を行う必要がある。このためには、Ｚ軸ロボット１４を作動させて、ハイドロフォン１１を超音波プローブ７に対して所定の距離となる位置に配置する。この状態で、超音波トランスデューサ１から超音波ビームを出射させて、ハイドロフォン１１で受信させると共に走査手段１３を構成するＹ軸走査部１３Ｙ及びＸ軸走査部１３Ｘを作動させて、このハイドロフォン１１を所定の平面に沿って走査させる。この結果、当該の平面（第１の走査面）における超音波の音圧分布が得られる。次いで、Ｚ軸ロボット１４を作動させて、ハイドロフォン１１の超音波トランスデューサ１に対する距離を変化させて、同様にこのハイドロフォン１１を走査させながら超音波トランスデューサ１からの超音波を受信することによって、第２の走査面における超音波の音圧分布が得られる。
【００２２】
以上のようにして得た第１の走査面と第２の走査面との音圧分布から、それぞれの音圧ピークの位置を検出する。この音圧ピークの位置はそれぞれの断面における音軸ＳＡ上の位置であると推定できるので、これら第２の走査面と第２の走査面との音圧ピークの位置のずれがあると、走査面が音軸ＳＡに対して正確に直交する状態となっていないことが判明する。しかも、これら第１，第２の走査面での音圧ピークの位置と、その間の距離とによって、音軸ＳＡのｘ軸方向及びｙ軸方向の傾き角度が求められる。従って、この演算の結果から、θステージ２８の送りねじ３１及びチルトステージ３３の送りねじ３６を適宜調整することによって、超音波トランスデューサ１とハイドロフォン１１とのアラインメントを行うことができる。そして、アラインメントが行われると、それぞれストッパねじ３２，３７を締め付けることによって、回転テーブル３０及び傾動テーブル３５が固定される。
【００２３】
而して、超音波トランスデューサ１に対してハイドロフォン１１を所定距離だけ離した位置に配置する。この超音波トランスデューサ１とハイドロフォン１１との位置関係は、少なくとも遠距離音場ＦＳの位置とする。この状態で超音波トランスデューサ１から超音波パルスを送信すると共にハイドロフォン１１を走査させることによって、当該位置での音場断面とこの音場断面における音圧分布とからなる音場パターンに関する情報を取得する。この音場パターンに基づいて、超音波トランスデューサ１の特性、つまり焦点距離、焦点位置でのビーム径と音圧ピーク等を測定することができる。その結果、これらが適正な範囲内のものとなっているか否かを評価することによって、超音波トランスデューサ１の品質を確認することができる。
【００２４】
特に、Ｚ軸ロボット１４を駆動して、ハイドロフォン１１を超音波トランスデューサ１に近接した位置から所定ピッチ間隔毎に遠ざけながら、それぞれの位置での音場パターンを順次取得し、これらの音場パターンを三次元化処理を行うようにすれば、超音波トランスデューサ１の音場の全体像を把握できる。この音場の全体像からは、超音波ビームのあらゆる特性、つまり超音波の深達距離、有効ビーム径、焦点距離と焦点位置でのビーム径及びその音圧に関するデータ、さらにはサイドローブの状態等を正確に測定できる。従って、超音波トランスデューサ１の特性を確認し、かつ評価するために極めて有用なデータが得られる。
【００２５】
なお、前述した実施の形態においては、超音波トランスデューサを医療用の超音波プローブに組み込んだ状態で特性試験を行うようにしたが、これ以外の超音波プローブに組み込んだ超音波トランスデューサや、また超音波トランスデューサ単体での特性試験等も行えるのは言うまでもない。また、ターゲット部材としてハイドロフォンを用いるようにしたが、これ以外にも受信音圧信号を電気信号その他の信号に変換する素子等を用いることができる。また、超音波を反射させる鏡面仕上げされた反射部材をターゲット部材とすることもでき、この場合には、超音波トランスデューサから送信させた超音波が反射部材で反射し、この反射エコーを超音波トランスデューサで受信させることになる。さらにまた、超音波プローブが支持される支持部材をチルトステージに設け、取付部材側にはθステージを設けたが、これら両ステージを逆に設けるようにすることもできる。さらに、これらθステージ及びチルトステージは超音波トランスデューサ側，ターゲット部材側のいずれに設けても良く、また一方側にθステージ、他方側にチルトステージを設けるようにすることも可能である。さらにまた、超音波トランスデューサとターゲット部材とのアラインメントを行うに当っての位置ずれ検出は、必ずしも前述したものに限らず、例えば超音波ビームの断面が円形である場合等にあっては、ある位置での音場パターンの形状等からずれの方向及びずれ量を検出することも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成したので、超音波トランスデューサの特性試験を行うに当って、超音波トランスデューサと、この超音波トランスデューサから送信される超音波ビームのターゲット部材との相対位置関係を容易に、しかも正確に調整できる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波トランスデューサと、この超音波トランスデューサから出射される超音波ビームを示す説明図である。
【図２】超音波トランスデューサが装着される超音波プローブの一例を示す要部外観図である。
【図３】本発明の実施の一形態を示す超音波トランスデューサの特性試験装置の概略構成図である。
【図４】超音波トランスデューサとターゲット部材との間のアラインメントに関する原理説明図である。
【図５】超音波トランスデューサの角度調整手段の構成説明図である。
【符号の説明】
１超音波トランスデューサ１ａ送受信面
７超音波プローブ１０試験槽
１１ハイドロフォン１２受信部
１３走査手段１４Ｚ軸ロボット
１５支持アーム２０角度調整手段
２１支持部材２４取付部材
２６位置決めアーム２８ θステージ
２９固定台３０回転テーブル
３１送りねじ３３チルトステージ
３４固定台３５傾動テーブル
３６送りねじ

Claims

超音波トランスデューサの特性試験を行うために、超音波伝達媒体を入れた試験槽内に超音波を受信または反射するターゲット部材を設置し、前記超音波トランスデューサから超音波ビームをこのターゲット部材に向けて照射して、この超音波ビームの音軸と直交する平面上での音圧分布を検出するものにおいて、
前記超音波トランスデューサを着脱可能に支持する支持部材と、
前記ターゲット部材側に前記超音波トランスデューサからの超音波ビームの受信または反射の中心位置を含む直交２軸を有する平面を設定し、前記超音波トランスデューサの送信面の中心位置が前記ターゲット部材側に設定した平面直交２軸の中心に対して位置ずれすることなく角度調整を行うために、前記支持部材に角度調整手段を連結して設け、
この角度調整手段は、前記支持部材を、前記送信面の中心が延長線となる回転中心軸の軸回りに回動させることにより直交２軸上の一方の軸方向に角度調整するθステージと、前記超音波トランスデューサの送信面の中心位置を中心として、前記支持部材を円弧運動させることによって、他方の軸方向に角度調整するチルトステージとで構成したことを特徴とする超音波トランスデューサの特性試験装置。
前記超音波トランスデューサは超音波プローブに組み込まれて前記支持部材に着脱可能に装着され、また前記ターゲット部材は、前記超音波トランスデューサからの超音波信号を受信するハイドロフォンで構成して、このハイドロフォンを概略鉛直平面上で走査させる走査手段に取り付け、またこの走査手段には前記ハイドロフォンを前記超音波プローブに近接・離間させる間隔調整手段に装着する構成としたことを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサの特性試験装置。