JP4638622B2

JP4638622B2 - リアルタイム３次元超音波映像装置および探触子

Info

Publication number: JP4638622B2
Application number: JP2001191629A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村; 恭二土井; 孝佳弓井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-06-25
Also published as: JP2003000599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いて映像化を行なう超音波映像装置および探触子に係り、特に探触子において、信号の切替回路を各圧電素子毎に配置しなくてすむ極めてシンプルな構成で３次元映像化を図ることができるようにしたリアルタイム３次元超音波映像装置とそれに用いられる探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中探査や非破壊検査、医療用診断に用いられている一般的な超音波映像分野では、圧電素子を１ｍｍ以下のピッチでアレイ状に並べた探触子そのものの製作、その個々の素子に高圧パルスを給電、また素子の受信信号を受け取る回路の製作などの困難から、現状で実用化している２次元アレイ探触子を用いた３次元映像装置は少なく、アレイ規模が小さいものが多い。従来、ｎ個の圧電素子を直線状に配置した１次元アレイで採用されていた方法を、そのまま２次元へ持ち込むと、素子数がｎ→ｎ²となるため技術的な困難性が急激に増大する。
【０００３】
従来の典型的な超音波診断装置のブロック図を図７に示す。アレイ型探触子１から検査対象１３に向けて高圧パルスを送信する送信回路２が設けられ、物標（目標物）９からの反射波１１を探触子１が受信した信号は高周波受信回路３を経てメモリ４に入力され、走査変換回路５によりＣＲＴ６にて表示される。各回路を統合制御するＣＰＵ/制御回路７が設けられている。この図の中で本質的な部分は、アレイ型探触子１とＣＰＵ/制御回路７の部分である。ＣＰＵ／制御回路７は、探触子１のアレイの構造に応じて設計を行なう必要がある。
【０００４】
超音波ビームの空間走査・収束は、アレイ型探触子１の各素子への送信・受信信号への電子的な遅れによって実現される。図８に電子収束の基本原理を示す。焦点（物標９）から返ってきた反射波１１の波面は、アレイ型探触子１を構成している圧電素子（素子）１２で受信後、遅延素子８で遅延制御され、等時加算されて強信号となるが、焦点以外からの波面は等時加算されない。
【０００５】
以上の方法で得られる映像はＢモードと呼ばれ、扇型ビームの通る断面の映像である。Ｃモードと呼ばれるビームに垂直な断面画像や、３次元のソリッドな画像を得るためには、１次元のアレイ（リニアアレイ）からなる探触子を、アレイの方向に垂直な方向へ移動させることが必要である。
【０００６】
上述のような超音波装置の適用例として超音波ソナー装置があるが、この超音波ソナー装置において３次元画像を得ようとする場合の、２つの具体的な方法としては次のような方法がある。
【０００７】
第１の方法は、探触子を回転軸に固定し機械的に回転する。この場合、回転軸周りの移動量はロータリエンコーダを用いて測定できる。しかし、この方法では、機械的走査を行なうので、映像化の速度に限界があり、さらに水中で動くセンサの機械的な構造にはシールの問題などの多くの課題を発生させている。
【０００８】
第２の方法は、フリーハンドで探触子を移動させ、探触子の位置決めには特殊な磁気センサを用いる。このような３軸の平行移動と、その周りの回転を検出できる磁気を用いたセンサが実用化され、販売されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記２つの方法では、共に機械的な操作や複雑なソフトウェアによる３次元画像の合成が必要となる。リアルタイム性が要求される検査装置などでは、処理に要する時間が長いことは大きなネックとなっている。
【００１０】
そこで、探触子そのものを２次元アレイとし、各圧電素子毎に信号の遅延回路を取り付け、計算された遅延量を与えて空間の任意の点へ収束させることにより、一気に３次元画像を得ることが考えられる。これは、図８に示すように、遅延素子を制御して水中のある焦点のデータが合成されるようにするものである。しかし、これを３次元空間内の全ての点について可能にするには、非常に複雑な制御が必要であり、価格も高価なものとなる。更に、ピッチの小さい２次元アレイ周りの給電線や信号線の配置の設計・製作などにおいて技術的課題が多く、現状では比較的規模の小さい（１６×１６素子程度の）アレイなどを目標に開発が進められている。この探触子が開発されても、次には各圧電素子の遅延量を制御する電子レンズの開発が必要になる。将来的には１２８×１２８素子のアレイが要求されると思われるが、この場合、１６３８２個の遅延素子が必要であって、これを制御する回路も非常に複雑となる。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、機械的に動く部分がなく、また複雑な遅延制御を行なうこと無く、安価に高速にて３次元の映像化が実現できる超音波映像装置およびその探触子を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るリアルタイム３次元超音波映像装置は、平面格子状に配列した圧電素子の、各行と各列とに対応した圧電素子のそれぞれを結合し、行もしくは列の一方を送信用とするとともに他方を受信用としてなる２次元リニアアレイを構成し、送信素子群と受信素子群とそれぞれ行単位、列単位に切り替える切替手段を備えることによって行列交差部の前方を映像化領域とする探触子を形成し、前記切替手段による切替処理毎に前記受信素子群によって得られる計測データから映像化対象物の３元画像を再生する処理手段を備えた構成としたものである。
【００１３】
また、本発明に係る超音波映像装置の探触子は、平面格子状に複数の圧電素子を配列し、各行列方向に送信素子を構成する圧電素子と受信素子を構成する圧電素子を交互に配置させ、各列（若しくは各行）に配列している送信素子群を単位として送信切替作動させる送信切替器と、各行（若しくは各列）に配列している受信素子群を単位として受信切替作動させる受信切替器と、を備えた構成としたものである。
【００１４】
平面格子状に並んだ圧電素子の各行と各列とに対応した圧電素子のそれぞれを結合し、例えば行を送信、列を受信とする。こうして送信用と受信用の合計２ｎ個の圧電素子のリニアアレイを構成することができる。このときの信号の給電は１列すなわちｎ個の点、受信は１行すなわちｎ個の点となる。こうして２ｎ個の配線点のみが必要になり、回路構成は著しくシンプルとなる。こうして得られた計測データは独自のアルゴリズムによりコンピュータ処理されて３次元映像化される。したがって、本発明の方法では、機械的に動く部分がなく、それでいて複雑な遅延制御も必要がなく、安価に高速３次元超音波映像装置を実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る３次元リアルタイム超音波映像装置の具体的実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は実施の形態に係る超音波映像装置のシステムブロック図であり、図２は超音波映像装置の探触子の構造を示す図である。
【００１６】
図２に示すように、この実施形態の探触子１０は、平面格子状に複数の圧電素子を配列し、各行列方向に送信素子１２Ｔを構成する圧電素子と受信素子１４Ｒを構成する圧電素子を交互に配置させ、各列に配列している送信素子群１２を単位として送信切替作動させる送信切替器１６と、各行に配列している受信素子群１４を単位として受信切替作動させる受信切替器１８とを備えている。図では白い素子を送信素子１２Ｔとし、ハッチング素子を受信素子１４Ｒとして用い、それぞれ列および行ごとにまとめて送信、受信するようにしている。各列に対応した複数の送信用圧電素子１２Ｔ、または各行に対応した複数の圧電素子１４Ｒは、図４に示したように、それぞれが並列に接続されていて、一つのかたまりとして動作するように前記切替器１６、１８が作動させる。このように配置したことにより、２次元アレイの場合に各素子が小さくなるので必然的に大きくなる各素子のインピーダンスを、束ねた結果、適切な値に保ち、単体の素子から放射する場合に指向性と信号強度を同時に失う問題を解決できる。並列接続によるインピーダンスの低下、信号強度の増大、１次元アレイによる指向性の回復は装置の実現の上で重要である。
【００１７】
このように、送信と受信の１次元アレイが互いに直交することにより、交差点でのデータが採れ、送信用の列と受信用の行をスキャニングすることにより、アレイ平面上の全ての点でデータを採取することができる。ただし、これは探触子の直上でのことであり、１次元アレイからの放射波は横方向に扇形に広がり、円筒面状の波面を形成する。受信も同様で、結果的に図３に示すように、２つの部分円筒が交差する領域O-p1-p2-p3-p4が検知域となる。圧電素子が平面的に正方形状で半波長程度のサイズの時には、１次元アレイ軸に対して横方向の指向性は殆どないから、このままではまともな映像は期待できない。したがって、上記探触子１０を用いて得られたデータを収束させる必要が生じる。
【００１８】
今、上述したような、Ｘ、Ｙ軸にそれぞれ平行な一次元アレイ素子群の一方を送信用に、他方を受信用に用いた探触子１０にて映像用データを得たとする。この時に像をフォーカスさせる方法の原理は以下のようになる。
【００１９】
図５に示す例えば水中の点Ｑ（ξ，η，ζ）は、超音波の反射体（物標）上の点である。この点ＱとＸ軸までの距離をρ₁、Ｙ軸までの距離をρ₂とする。
Ｘ軸上に等間隔に配置された圧電素子列から同位相で放射される超音波は、Ｘ軸を回転軸とする円筒座標系を用いて以下のように表すことができる。
【００２０】
超音波の振幅をΦ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）とし、［数１］のように時間でフーリエ変換する。
【数１】

【００２１】
ここでωは角振動数であって、ω＝ckである。ｃは音速であり、ｋは波数である。
【数２】

【００２２】
この式は、圧電素子の結合された軸方向をｚ₀とし、その軸からの距離をr、回転方向をθとする円筒座標系では、次のようになる。
【数３】

【００２３】
この式の解をｚ₀に依存しない次のような形に仮定する。
【数４】

このとき、Ｑ（ｒ）は、次の式を満たす。
【数５】

【００２４】
この式はハンケル関数を用いて次のように表すことができる。
【数６】

【００２５】
ここで、ハンケル関数は次のように漸次展開できる。
【数７】

【数８】

【００２６】
Ｘ軸から放射し、物体で反射し、Ｙ軸で受信される超音波の信号はε（ξ，η，ζ）を物体中での単位体積当たりの反射率とするとき、次のように表せる。
【数９】

【００２７】
漸次展開の式を上式へ適用すれば、
【数１０】

【００２８】
この式を波数ｋについてフーリエ逆変換すると、
【数１１】

【００２９】
［数１１］において位相因子eｘｐ｛ｉｋ（ρ₁＋ρ₂−ｃｔ）｝が映像を再構築するために重要であることが分かる。これを踏まえ映像化のアルゴリズムとして次のような手順を用いる。探触子１０の表面（ＸＹ平面）の１軸上（Ｘ軸に平行）に送信用圧電素子アレイ、他の１軸上（Ｙ軸に平行）に受信用圧電素子アレイがあると仮定する。
【００３０】
送信用圧電素子が設定された超音波送信点Ｐ₁（ξ，ｙ，ｚ）から放射し、受信用圧電素子が設定された受信点Ｐ₂（ｘ，η，ｚ）で受信した場合、物体内部の反射点Ｑ（ξ，η，ζ）からの反射波は、超音波の減衰がなければ次のように書ける。
【数１２】

【００３１】
ここでｒ_i、ｔ_i、ｗ（ｔ）はそれぞれ反射係数、超音波の反射点までの往復時間及び超音波パルス波形である。物体中の各反射点までの距離に対応して時間の遅延ｔ_iがある。ここで反射係数は、図５のξ、η、ζに依存している。このような時系列データがｘ、ｙの自由度に対応した数だけ計測される。
【００３２】
像を再構成するためには図５において、先ずＰ₁（Ｘ軸に平行な軸上の点）、Ｐ₂（Ｙ軸に平行な軸上の点）と点Ｑを選択する、この選択には５つの独立変数（ｘ，ｙ，ξ，η，ζ）に対応した自由度がある。そして、これらの５つの独立変数について特定の値を選択したときの組一つにつき、反射波として測定される超音波の時系列データψ（ｔ）が対応している。そこで、超音波の伝播パス（Ｐ₁→Ｑ→Ｐ₂）対応した計測時系列波形ψ（ｔ）からＱ点での反射振幅を、この伝播に要する所要時間を計算して求め、点Ｑに割当てる。上記の５つの独立変数につきこの操作を実施すると、検査対象が存在しない反射点Ｑについては反射振幅が得られず、検査対象が存在する反射点Ｑについては反射振幅が得られる。従って、各点へ割当てられた反射振幅の数値を像空間（映像化対象）の各点ごとに加算すると像が再構成できる。具体的には次の式が用いられる。
【００３３】
送信用圧電素子の位置を（ξ，ｙ，ｚ）、受信用圧電素子の位置を（ｘ，η，ｚ）、媒体中の点Ｑを（ξ，η，ζ）とすると、
【数１３】

を求めればよい
【００３４】
このような処理を行なうための実施形態に係る３次元超音波映像装置は次のように構成される。図２に示したように、探触子１０のセンサヘッドを平面的な構造の多重クロスリニアアレイ圧電素子配置とする。このとき、３次元映像が、以下に示すようにセンサヘッドが動かなくても得られるのが特徴である。
【００３５】
図１に装置全体のブロック図を示したように、実施形態に係る超音波映像装置は図２に示した回路構成の多重クロスリニアレイ構造となっている探触子１０を有している。この探触子１０は平面格子状に複数の圧電素子を配列し、各行列方向に送電素子１２Ｔを構成する圧電素子と、受信素子１４Ｒを構成する圧電素子を交互に配置させている。このように多数の圧電素子が配列された探触子１０で、各列（若しくは各行）に配列している送信素子群１２を単位として送信切替作動させる送信切替器（パルス切替回路）１６が設けられ、また、各行（若しくは各列）に配列している受信素子群１４を単位として受信切替作動させる受信切替器（受信切替回路）１８が設けられている。また、送信素子群１２を列単位に切り替える送信切替器１６と、受信素子群１４を行単位に切り替える受信切替器１８とは、制御回路２６によってそれぞれ各列単位、各行単位に順次切り替えられるように制御され、選択された送信列と受信列との交差部分がその選択時の検知対象領域となるようにしている。このような探触子１０の信号線は２次元アレイ（Ｎ×Ｎ）であるにもかかわらず、送信用Ｎ本、受信用Ｎ本の合計２Ｎ本であり、これらの端子はアレイの外周部にある。制御回路２６の信号制御回路部分は、上記の列あるいは行を順次選択する信号をＳＰＮＴ（ＳｉｎｇｌｅＰｏｒｔＮＴｒａｎｓｆｅｒ）切替器からなる送信切替器１６と受信切替器１８とに送られる。このＳＰＮＴ切替器は、送信用の切替器１６の場合、高圧パルス送信回路３８からの信号の電力が大きいので例えばパワーＦＥＴで構成され、受信用の切替器１８の場合、信号の電力が微弱なので通常のＦＥＴスイッチなどで構成できる。受信切替器１８により切替えられた受信信号は、高感度の増幅器である高周波受信回路２８により増幅されＡ／Ｄ変換器３０へ送られる。制御回路１６の役割は、当該スイッチ制御、信号をＡ/Ｄ変換するタイミングの制御を主とするものである。図６は実際の探触子１０における配線パターンの一例で、３層構造の基板２０に送信信号線パターン２２、受信信号線パターン２４、アースパターン（図示せず）を設け、各圧電素子（１２Ｔ、１４Ｒ）のアース側は共通アースとする。
【００３６】
前記送信切替器（パルス切替回路）１６には高圧パルス発生回路３８が接続され、選択された列の送信素子群１２から超音波をパルスとして放射させるようにしている。この高圧パルス発生回路３８には、産業用の高速・高電圧のＦＥＴを用いればよく、そのゲートコントロールを行なうことで５０Ｖ、１０ＭＨｚ程度までのパルス電圧を発生させることができる。また、前記受信切替器（受信切替回路）１８によって選択されている行の受信素子群１４によって検出された反射信号は、高周波受信回路２８からＡ／Ｄ変換器３０を経由して制御回路２６に入力されるようになっている。
【００３７】
実施形態における３次元超音波映像装置は、制御回路２６が送信切替回路（パルス切替回路）１６と受信切替回路１８とに切替制御信号を出力するとともに、高圧パルス送信回路３８に制御信号を出力して送信パルスを発生させる。すなわち、送信切替回路１６は、制御回路２６からの切替制御信号に基づいて、探触子１０の例えば第１列目の送信用圧電素子群１２を高圧パルス送信回路３８に接続する。そして、制御回路２６は、この送信用圧電素子群１２の切り替えに同期して高圧パルス送信回路３８に制御信号を与え、高圧パルスを発生させる。これにより、第１列目の送信用圧電素子群１２は、高圧パルス送信回路３８の出力するパルスが入力し、所定周波数の超音波パルスを空中や水中、あるいは検査対象となる物体中に放射する。また、制御回路２６は、第１列目の送信用圧電素子群１２に超音波パルスを出力させると、受信切替回路１８を介して探触子１０の受信用圧電素子１４Ｒを順次切り替えて高周波受信回路２８に接続する。この受信用圧電素子１４Ｒの切り替えは、探触子１０の行ごとに行なわれる。
【００３８】
つまり、制御回路２６は、第１列目の送信用圧電素子群１２が超音波パルスを放射すると、第１行目の受信用圧電素子群１４、第２行目の受信用圧電素子群１４、………、第Ｎ行目の受信用圧電素子群１４と順次切り替えて高周波受信回路２８に接続し、第１列目の送信用圧電素子群１２が放射した超音波の反射波による受信信号を高周波受信回路２８に入力する。そして、制御回路２６は、受信用圧電素子群１４を第１行目から第Ｎ行目までの切り替えを終了すると、送信切替回路１６に切替信号を与え、第１行目の送信用圧電素子群１２をオフして第２行目の送信用圧電素子群１２を高圧パルス送信回路３８に接続し、第２行目の送信用圧電素子群１２から超音波パルスを放射させるとともに、受信切替回路１８を介して受信用圧電素子群１４を第１行目から第Ｎ行目まで順次切り替えて高周波受信回路２８に接続する。
【００３９】
このようにして、制御回路２６は、送信用圧電素子群１２を第１列目から第Ｎ列目までを順次切り替えて高圧パルス送信回路３８に接続して駆動するとともに、受信用圧電素子群１４を第１行目から第Ｎ行目まで順次切り替えて高周波受信回路に接続する。なお、探触子１０の切替動作は、送信用圧電素子群１２と受信用圧電素子群１４とで、上記と逆であってもよい。
【００４０】
このようにして受信用圧電素子群１４によって受信された信号は、受信切替回路を介してセンサ画像処理回路３２に出力され、ここで３次元映像化処理を行なうようにしている。そして、センサ画像処理回路３２が求めた画像データは、制御回路２６を介して表示装置３４に出力され、３次元画像として表示される。
【００４１】
センサ画像処理回路３２での具体的処理は、次のようになる。探触子１０は多重クロスリニアアレイ構造とされ、図３に示すように、一列のアレイの場合には、アレイの軸方向と直角方向には超音波が広がり、指向性が低下し、これが互いに直交する送受双方について言えるので、同図のＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４で示すようにな扇形柱の交点領域が同時検知領域となっている。図から判るように、このままではビームの広がりのために検知領域が大きくなり、像がぼける結果となる。そこで、この像のぼけを直し、正しい収束した像に再生するための処理方法はすでに述べた通りである。
【００４２】
このように、本実施形態では、多重クロスリニアアレイの構造の探触子と、これを駆動する回路を内蔵したシステムと、これらを用いて得られる超音波受信信号からセンサ画像処理回路に搭載された像再生のアルゴリズムにより画像のぼけを収束させて対象物の３次元映像を求めることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、平面格子状に配列した圧電素子の各行と各列をそれぞれ結合することにより行もしくは列の一方を送信用とするとともに他方を受信用としてなる２次元クロスリニアアレイを構成し、送信素子群と受信素子群とをそれぞれ行単位、列単位に切り替える切替手段を備え、当該切替手段による切替処理毎に前記受信素子群によって得られた超音波受信信号から像の再生計算式に基づいて３次元画像を再生する処理手段を備えた構成としたので、第１に機械走査のいらないリアルタイム３次元映像装置が実現でき、また、電子回路の配線などが激減するので、非常に安価に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るリアルタイム３次元映像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態に係る超音波映像装置用探触子のレイアウト図である。
【図３】実施形態に係る探触子のビーム形状と検知領域の説明図である。
【図４】実施の形態に係る探触子の行または列を形成する圧電素子の接続方法の説明図である。
【図５】３次元映像表示の原理説明図である。
【図６】探触子の配線パターンの説明図である。
【図７】一般的な超音波映像装置の基本構成図である。
【図８】圧電素子を用いた探触子の電子収束の原理図である。
【符号の説明】
１０………探触子、１２Ｔ………送信用圧電素子、
１４Ｒ………受信用圧電素子、１６………送信切替器、１８………受信切替器、
２６………制御回路、２８………高周波受信回路、
３２………センサ画像処理回路、３４………表示装置、
３８………高圧パルス発生回路。

Claims

平面格子状に配列した圧電素子の、各行と各列とに対応した圧電素子のそれぞれを結合し、行もしくは列の一方を送信用とするとともに他方を受信用としてなる２次元リニアアレイを構成し、送信素子群と受信素子群とそれぞれ行単位、列単位に切り替える切替手段を備えることによって行列交差部前方を映像領域とする探触子を形成し、前記切替手段による切替処理毎に前記受信素子群によって得られる計測データから映像化対象物の３次元画像を再生する処理手段を備えたことを特徴とするリアルタイム３次元超音波映像装置。
平面格子状に複数の圧電素子を配列し、各行列方向に送信素子を構成する圧電素子と受信素子を構成する圧電素子を交互に配置させ、各列（若しくは各行）に配列している送信素子群を単位として送信切替作動させる送信切替器と、各行（若しくは各列）に配列している受信素子群を単位として受信切替作動させる受信切替器と、を備えたことを特徴とする超音波映像装置用探触子。