JPH0113546B2

JPH0113546B2 -

Info

Publication number: JPH0113546B2
Application number: JP57138957A
Authority: JP
Inventors: Tooru Shimazaki
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1982-08-10
Filing date: 1982-08-10
Publication date: 1989-03-07
Also published as: JPS5928682A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、フエイズドアレイ（Phased array）
受信装置に関するものである。更に詳述すれば、
いわゆる超音波診断装置などに使用されるもので
あつて超音波を受波した各振動子からの受信電圧
の位相をそれぞれ適当に変化させて合成すること
により超音波ビームの方向性などを変化させるよ
うにした受信装置に関するものである。

まず始めに、本発明の背景となる技術を説明す
る。電子走査方式の超音波診断装置は、動作原理
を基にして分類するとリニア走査方式とセクタ走
査方式の２つに分けることができる。この２つの
走査方式の一般的な動作を極く簡単に述べると、 (イ) リニア走査方式は、振動子のアレイからほぼ
直角方向へ超音波ビームを送受波し、この超音
波ビームを次々と平行にずらす如く振動子の選
択をシフトさせて走査を行なうものである。従
つて、この走査方式で得られる被検体の断層面
像は、平行な走査線による画像となる。

(ロ) セクタ走査方式は、振動子アレイのほぼ全振
動子をそれぞれ異なつたタイミングで駆動する
ことにより送受波超音波ビームの放射方向を電
子的に制御して扇形の走査を行なうものであ
る。

このような両方式の動作原理の違いに基づき、
リニア走査方向の超音波診断装置は概して腹部の
診察に用いられ、セクタ走査方式のものは助骨の
間から体内をのぞくようにして心臓の診察などに
用いられている。

以上のように、従来はリニア走査方式の超音波
診断装置とセクタ走査方式のそれとは、全く別の
装置として製造されていたしかし、近年に至り、上述したリニア走査方式
とセクタ走査方式の中間的な、或いは、どちらに
も属さないような動作の走査が行なわれるように
なつてきた。また、超音波診断装置もリニア走査
用又はセクタ走査用の単能機でなく、１台でその
どちらの方式にも対応できるような機能が要求さ
れるようになつてきた。

第１図は、以上のような要求を実現するための
一般的なブロツク図を示したものである。第１図
において、１は遅延線を表わし、その構成例を第
３図に示す。すなわち、コイルＬとコンデンサＣ
とからなる単位LC回路を各タツプa_l〜a_o間に設
けて、入力した電気信号を或る単位時間づつ遅ら
せるようにしたものである。なお、本明細書にお
いて、遅延線と言えば、第３図に示す如く複数の
タツプが付いた遅延線を意味するものとする。３
はクロスポイントスイツチ（以下単にCPSWと略
す）であり、第１図で示す縦線（出線）と横線
（入線）の各交点位置にスイツチ機能が設けられ
ており後述するコントローラにより、各交点にお
けるスイツチの開閉が制御される。４はコントロ
ーラである。Aiは振動子アレイを構成する振動
子群を表わす。この振動子は、電気・音響変換素
子であり、例えばPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）
のようなもので構成される。第１図においては、
わかり易く説明するために振動子群の数を４個描
いただけであるが、実施例ではもつと多数の振動
子で構成され、例えば32個位の場合がある。Ｂは
コネクタ、Uiは増幅器群である。各増幅器Uiの
出力はCPSW３の各横線ラインに接続される。Ｇ
は遅延線１からの信号を増幅する増幅器である。

なお、第１図の回路は、振動子群Aiで受波し
た信号を処理する回路として描いたが、増幅器群
UiとＧの向きを双方向性としてとらえれば、振
動子群Aiから超音波ビームを発射できる送信回
路でもある。このように、本明細書で示す回路
は、どれも送受信の可逆機能を有した回路である
が、受信回路を基にして以下の詳明を行なう。

第１図の装置において、遅延線１が十分細かな
デイレイタイム（Delay time）の分解能とステ
ツプ数を持ちリニア走査からセクタ走査まで応ず
ることができるものとすれば、そしてCPSW３が
十分なスイツチ数を有しているものとすれば、第
１図の装置は、リニア走査もセクタ走査も或いは
その中間的な走査も行なうことができる全機能的
な受信装置であると言うことができる。その理由
は、映像を得るに必要な振動子の総て（第１図で
は４個）をCPSW３へ接続することができ、一方
遅延線１は、リニア走査からセクタ走査できるま
での十分なデイレイタイムの分解能とステツプ数
を有しており、コントローラ４によりCPSW３の
任意のクロス点をオン又はオフに動作させること
ができるからである。

第１図は、セクタ走査用の振動子群Aiを接続
した例であり、セクタ走査をする場合の動作を簡
単に記す。第６図はセクタ走査における反射超音
波（以下単にエコーと記す）の状態を示す図であ
る。例えばP₁点からのエコーは第６図に示すよ
うな波面として振動子群Aiへ戻つてくるため、
各振動子へのエコーの到達時刻は、エコーの入射
角度により異なつてくる。そのため、例えばP₁
点からのエコーを正確にとらえるために、各振動
子で受波したエコー信号（音波のエコーと区別す
るため、この音波エコーを電気的信号に変換した
ものを以下エコー信号と記す）に適切な時間遅れ
を果して、等価的に受波したエコーの位相を同一
にしている。第１図の装置においては、理想的な
遅延線１とCPSW３を備えているので、上述のよ
うな位相合成を確実に行なうことができる。

一方、第１図の装置において、リニア走査を行
なおうとする場合は、セクタ走査用の探触子に代
えて第２図に示すような振動子群Aiなどからな
る探触子をコネクタＢを介して接続する。リニア
走査用の探触子は、一般にセクタ走査用のものよ
り多数の振動子数で構成されるが、１本の走査超
音波ビーム用として選択される振動子の数はセク
タ走査の場合と同数又はそれ以下なもの（第２図
では同数の４個）である。そして、この選択され
る振動子は、第２図に示す如く探触子内の選択回
路６により、１本の走査超音波ビームごとに次々
とシフトして選択される。従つて、第１図に示す
よ受信装置から見れば、コネクタＢを介してリニ
ア走査でも、セクタ走査でも、ほぼ同数の入力信
号を導入することとなり、受信装置の共通化が図
られることになる。

このようなリニア走査においては、振動子群
Aiに入射するエコーの入射角度は、セクタ走査
の場合と比較して小さいので、第１図の遅延線１
とCPSW３で十分対処できることは明らかであ
る。

以上のように、第１図の装置は、リニア走査か
らセクタ走査まで総てに対応できる反面、以下に
示す問題点を有している。

(i) 第１図の装置をセクタ走査用として使用する
場合は、遅延線１やCPSW３をフルに活用する
ので無駄はないが、リニア走査用として使用す
る場合は、遅延線１とCPSW３の極く１部しか
利用しないので、如何にも冗長すぎる構成であ
る。

(ii) 遅延線１の出力としては、１出力なので、同
時に複数の方位角若しくは音響位置のエコー信
号を得ることができない。

(iii) CPSW３の同一横線ライン上のスイツチは、
同じ時刻において、１個のみしかオンとするこ
とができないので（この理由は、第３図に示す
遅延線の構成から明らかである）、遅延線１の
時間的稼動率が低いものとなる。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたも
ので、リニア走査やセクタ走査或いはその中間的
な走査に対応でき、遅延線の稼動率が高いフエイ
ズドアレイ受信装置を提供しようとするものであ
る。

本出願に係る第１の発明を要約すれば、複数個
の遅延線と、この各遅延線にそれぞれ接続した
CPSWと、振動子群からの信号を前記各CPSWに
導入する入力回路とを備え、遅延線とCPSWとで
構成される各ブロツクから信号を独立して取り出
すようにしたフエイズドアレイ受信装置である。

本出願に係る第２の発明を要約すれば、上述し
た第１の発明と同じ構成素子を備え、各遅延線を
直列接続するようにしたフエイズドアレイ受信装
置である。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

第４図は、本発明に係るフエイズドアレイ受信
装置の１構成例とその周辺部を描いた図である。
第４図において、１０，１１，１２は遅延線であ
り、その構成は第１図のところで説明したものと
同様なものである。ただし、第１図の遅延線が膨
大なステツプ数（タツプ数）を必要としているの
に対し、第４図の遅延線１０，１１，１２は第１
図の遅延線に複数個に分割した程度（すなわち、
各遅延線１０，１１，１２は第１図の遅延線１よ
り少ないステツプ数）のものであれば足りる。ま
た各遅延線１０，１１，１２のタツプ数や１タツ
プあたりの遅延時間は必ずしも３個同一である必
要はない。３０，３１，３２はクロスポイントス
イツチ（CPSW）であり、それぞれ各遅延線１
０，１１，１２へ接続されている。CPSW３０，
３１，３２は第１図のところで説明したものと同
様な機能を有するものであり、横線と縦線の交点
位置におけるマトリツクス状の各スイツチの開閉
は、コントローラにより制御されるが、図面を簡
潔にするため、第４図ではコントローラを省略し
て描いた。本発明においては、このように遅延線
とCPSWとからなるブロツクを複数個備えるよう
にしている点が１つの特徴であり、この構成に基
づいて以下に示す多くの効果を得ることができ
る。なお、第４図では、遅延線とCPSWとからな
るブロツクを３個備えた例で示したが、この数に
限定するものではない。Ai振動子群を表わし第
１図で説明したものと同様なものである。Ｂはコ
ネクタであり、リニア走査用又はセクタ走査用の
探触子プローブ等を任意に接続交換できるように
したものである。U₁〜U₁₂は増幅器であり、第４
図では、４個が１組となるように構成されてい
る。すなわち、第４図では、第１図と同様に、振
動子群Aiを４個として描いたので、この４個に
対応したチヤンネル数の増幅器群（４個）を各ブ
ロツクに接続しているのである。そして、第４図
で示すように、コネクタＢにおける４チヤンネル
分の信号（振動子群Aiからの信号）は、各増幅
器群U₁〜U₄，U₅〜U₈，U₉〜U₁₂へ並列に接続さ
れ、各ブロツクのCPSWへ導入される。このよう
に振動子群Aiからの信号を各CPSWへ並列に導
入するまでの回路を本明細書では入力回路と称す
る。一方、各遅延線１０，１１，１２の出力端子
b₁〜b₃は、それぞれ増幅器G₁〜G₃に接続される。
SW１〜SW３は、スイツチであり、SW１とSW
２は２つの接点Ｖ，Ｗを有し、SW３は３接点
Ｘ，Ｙ，Ｚを有している。増幅器G₁の出力は、
SW１のＷ接点を介してSW３のＸ接点に接続さ
れるとともに、SW１のＶ接点を介して遅延線１
１の左端端子へ接続される。増幅器G₂の出力は、
SW２のＷ接点を介してSW３のＹ接点に接続さ
れるとともにSW２のＶ接点を介して遅延線１２
の左端端子へ接続される。増幅器G₃の出力はSW
３のＺ接点に接続される。

以上のように構成された第４図装置の動作は次
の如くである。

まず、第４図の受信装置にセクタ走査用の探触
子が接続された場合の動作から説明する。セクタ
走査は扇形の走査であり、その原理は第６図等を
用いて既に説明したので、ここでは第４図の装置
によりセクタ走査が行なえる点を主として説明す
る。この場合、SW１とSW２の接点はＶ側に接
続されておりSW３はＺ接点に接続される。今、
第６図のP₁点から反射して来たエコーを受信す
るとすれば、振動子A₁に１番早くエコーが到達
し、振動子A₄に到達するエコー１番遅い。そこ
で、各振動子群Aiに到達するエコーの位相をそ
ろえるため第４図では、以下のように動作してい
る。すなわち、振動子A₁からのエコー信号は、
増幅器U₁を通り、CPSW３０の黒丸で示したス
イツチから遅延線１０に導入される。更に、この
信号は、増幅器G₁→SW１の接点Ｖ→遅延線１１
→増幅器G₂→SW２の接点Ｖ→遅延線１２→増幅
器G₃のルートを通つてSW３のＺ接点に到達す
る。次に振動子A₂からのエコー信号は、増幅器
U₆を通り、CPSW３１の黒丸で示したスイツチ
から遅延線１１に導入される。そして、この信号
は遅延線１１と１２を経てSW３のＺ接点に到達
する。以下、振動子A₃からのエコー信号は、増
幅器U₁₁を通り、CPSW３２の黒丸で示したスイ
ツチから遅延線１２へ導入される。振動子A₄か
らのエコー信号は、増幅器U₁₂を通り、CPSW３
２の黒丸で示したスイツチから遅延線１２を経由
（この場合、遅延線１２の最終段のタツプである
ため時間遅れは生じない）してSW３のＺ接点に
到達する。以上の動作により、各振動子A₁〜A₄
からのエコー信号は、第５図に示すような時間遅
れをそれぞれ果せられ、最終的には、同一位相と
なつてSW３のＺ接点から取り出される。すなわ
ち、第５図で示したT₁〜T₃は各信号に果した時
間遅れを表わしている。

このように、各CPSW３０〜３２のスイツチを
適宜切り換えることにより、第６図に示したよう
な扇形の走査を自由に行なうことができる。

次に、第４図の受信装置にリニア走査用の探触
子が接続された場合の動作を説明する。リニア走
査用の探触子の構成は第１図及び第２図で説明し
たので、ここではその詳細な説明を省略する。

一般的なリニア走査は、セクタ走査における走
査角度が極く小さい場合（振動子群に対してほぼ
直角の入射エコー）と見ることができるので、第
４図の装置でリニア走査を行なうことができるの
は当然なことである。

ここでは、単なるリニア走査でなく、１本の走
査線に対して複数の焦点を得るようにした場合
（ダイナミツクフオーカス）の例を説明する。

第７図はダイナミツクフオーカスの動作を説明
するための図である。第７図において走査ビーム
をｌで表わすと、この走査ビーム上の深度位置
F₁〜F₃の各点からのエコーは、第７図のような
波面で振動子群Aiに到達する。すなわち各振動
子へ到達するエコーの位相は、わずかづつ異なつ
ており、しかも、その位相関係は、反射深度の位
置（例えば、F₁，F₂，F₃）が変わるごとに異な
つてくる。従つて、走査ビームｌ上の反射源を明
確に把握するには、複数の焦点を有した受信装置
が必要である。そして振動子群Aiから照射した
超音波ビームは、まず近距離のF₁点から最初に
エコーとして戻つてきて、次に、F₂点、F₃点と
順にエコーとして戻つて来るので、F₁，F₂，F₃
までの距離（反射してくるまでの時間）に合わせ
て、受信装置の位相特性を切り換える必要があ
る。

このように深度領域を順次切り換えるダイナミ
ツクフオーカスの走査を第４図の装置では、以下
のようにして行なうことができる。この場合、
SW１とSW２は接点Ｗ側に接続しておく。そし
て、各CPSW３０，３１，３２のスイツチを第４
図の白丸の如くオンとすれば、遅延線１０と
CPSW３０のブロツクから得られる信号S₁は、位
相差の大きい近距離点F₁に焦点を合わせたもの
であり、遅延線１１とCPSW３１のブロツクから
得られる信号S₂は、第７図のF₂点に焦点を合わ
せたものであり、遅延線１２とCPSW３２のブロ
ツクから得られる信号S₃は、第７図のF₃点に焦
点を合わせたものとすることができる。そして、
エコーが戻つてくる時刻に合わせてSW３を接点
ＸからＺまで順に切り換えることにより、３つの
焦点を有した合成エコー信号をSW３にて得るこ
とができる。もちろん、本発明における焦点数を
上述の３個に限定するものではない。

第８図は本発明に係る受信装置を用いて補間走
査を行なう場合の構成を示す図である。第８図の
構成が第４図と異なる点は、SW３を除去した点
のみであり、第４図と同じ構成素子番号を付し
て、これらの説明は省略する。

補間走査の動作を第９図及び第１０図を用いて
説明する。超音波診断装置において得られる断層
画像の画質を高めるために走査ビーム（音線）の
数を増加させることは極めて効果的である。しか
し、リアルタイムで断層画像を得る必要上、かつ
ブラウン管のフレームレートや音波の速度などに
より、音線の数を増加させることには一定の限界
がある。そこで考えられた手段が補間走査であ
る。第９図は、セクタ走査的な補間走査を示し、
第１０図は、リニア走査的な補間走査を示す図で
ある。第９図及び第１０図においては、どちらも
主音線E₁を実線で示し、補間音線E′₁，E″₁を点線
で表わした。すなわち、主音線E₁に対し、走査
角を左右へ微小角だけシフトさせて受信すること
により補間音線E′₁，E″₁を得るようにしている。
その結果、振動子群Aiから実際に発射する超音
波ビームは、実線で示す方向を中心とする或る幅
のビームであるが、受信するエコーとしては、点
線で示す補間音線をも得ることができるので画像
情報が増大し、超音波診断装置の画質を向上させ
ることができる。

第８図において、SW１とSW２をＷ接点へ接
続しCPSW３０，３１，３２のスイツチを同図の
白丸の如くオンさせれば、遅延線１０とCPSW３
０のブロツクからは補間音線E′₁が得られ、遅延
線１１とCPSW３１のブロツクからは主音線E₁
が得られ、遅延線１２とCPSW３２のブロツクか
らは補間音線E″₁が得られる。そして、この各ブ
ロツクで得られた信号をそれぞれ独立に映像化処
理すれば、第９図や第１０図のような補間走査画
像を得ることができる。

なお、第８図において、SW１とSW２の接点
をＶ側にした場合は、第４図の動作において既に
説明したので、ここでは省略する。

以上の説明の他に、本発明の受信装置によれ
ば、CPSW適宜制御することにより第１１図のよ
うな補間走査や第１２図に示すような斜め走査を
も行なうことができる。

なお、第１３図は遅延加算の別の接続手段を示
す図である。第１３図においては、振動子群や入
力回路及びCPSWなどは省略して描いてある。第
４図や第８図においては、第１３図の実線のみ配
線で示したが、第１３図の点線に示すような配線
を増設することもできる。この点線の配線ルート
によれば、走査角を反対の向きにできる効果があ
る。

以上述べるように、本発明によれば、１台の受
信装置で、リニア走査からセクタ走査まで総てに
対応できると同時に、遅延線とCPSWをブロツク
に分けて使用することにより、構成素子を効率良
く活用できるとともに、同一時刻で複数の各種エ
コー信号を得ることができ極めて大きな効果を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的なリニア、セクタ共用受信装置
を示す図、第２図はリニア走査用の探触子の構成
図、第３図は遅延線の構成例を示す図、第４図と
第８図は本発明に係るフエイズドアレイ受信装置
の構成例とその周辺部を描いた図、第５図は
CPSWと遅延線による時間遅れの状態を示す図、
第６図はセクタ走査の動作を説明するための図、
第７図はダイナミツクフオーカスの動作を説明す
るための図、第９図及び第１０図は補間走査を説
明するための図、第１１図及び第１２図は他の走
査例を示す図、第１３図は遅延加算の別の接続手
段を示す図である。１，１０，１１，１２……遅延線、３，３０，
３１，３２……CPSW（クロスポイントスイツ
チ）、Ai……振動子群、Ｂ……コネクタ、U₁〜
U₁₂……増幅器、Ｇ，G₁〜G₃……増幅器、SW１
〜SW３……スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】１超音波診断装置に使用する受信装置におい
て、複数のタツプを有し、タツプに導入した信号
を或る時間単位で遅らせて終端タツプから取出す
ことができる複数個の遅延線１０，１１，１２
と、振動子群からの信号を後述する各クロスポイン
トスイツチに導入する入力回路と、前記各遅延線１０，１１，１２とペアで設けら
れ、複数ラインからなる出線と複数ラインからな
る入線とこの各交点位置にスイツチが設けられた
ものであり、出線・入線の一方が前記遅延線の各
タツプに接続され、出線・入線の他方が前記各入
力回路に接続されたクロスポイントスイツチ３
０，３１，３２と、を備え、前記遅延線とクロスポイントスイツチと
で構成される各ブロツクのそれぞれから、反射し
て戻つてきた音線ｌ，E₁，E′₁，E″₁を形成する信
号S₁，S₂，S₃を取出すようにしたフエイズドアレ
イ受信装置。２前記各ブロツクごとにエコー（反射して戻つ
てきた音線）の各深度位置F₁，F₂，F₃に位相を
合せた信号S₁，S₂，S₃を取出すようにした特許請
求の範囲第１項記載のフエイズドアレイ受信装
置。３前記各ブロツクの出力信号S₁，S₂，S₃を次々
と時間的にシフトしながら取出すようにした特許
請求の範囲第２項記載のフエイズドアレイ受信装
置。４前記各ブロツクごとにそれぞれ異なる方向性
を有した信号E₁，E′₁，E″₁を取出すようにした特
許請求の範囲第１項記載のフエイズドアレイ受信
装置。５超音波診断装置に使用する受信装置におい
て、複数のタツプを有し、タツプに導入した信号
を或る時間単位で遅らせて終端タツプから取出す
ことができる複数個の遅延線１０，１１，１２
と、振動子群からの信号を後述する各クロスポイン
トスイツチに導入する入力回路と、前記各遅延線１０，１１，１２とペアで設けら
れ、複数ラインからなる出線と複数ラインからな
る入線とこの各交点位置にスイツチが設けられた
ものであり、出線・入線の一方が前記遅延線の各
タツプに接続され、出線・入線の他方が前記各入
力回路に接続されたクロスポイントスイツチ３
０，３１，３２と、を備え、遅延加算する如く前記各遅延線を直列に
接続したフエイズドアレイ受信装置。