JPH02262053A - 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、電気的に制御することにより超音波を収束し
、走査し、人体を含む被検体内部での超音波の反射を利
用して被検体の断層面を可視化する超音波診断装置、特
にその改良に関する。

〔従来の技術〕

この種の超音波診断装置の一般的な回路構成を第５図に
示す。この図において、ＩＡは超音波診断装置の全体を
制御するディジタルスキャンコンバータ（以下、略して
り、Ｓ、Ｃと称する）であり、超音波画像を得るには、
まずり、Ｓ、ＣＩＡから送信タイミングパルス３０１を
送付し、送信フォーカス回路２に導く。送信フォーカス
回路２では内部の遅延線を利用して送信タイミングパル
ス３０１に遅延をかけ、数ナノ秒から数１００ナノ秒の
遅延時間を有する遅延送信タイミングパルス群３０２を
作成する。この遅延時間は超音波を収束して焦点を結ば
せる被検体の深度方向の焦点位置に応じてり、Ｓ、ＣＩ
Ａの制御信号３０１Ａにより制、ｍされる。遅延送信タ
イミングパルス群３０２におけるパルス数は、超音波探
触子５において超音波を収束させるために同時に励振す
る素子数の２分の１ないしは端数を切り上げた整数にな
る。

例として超音波探触子５において１３個の素子を励振す
る場合には、７個の遅延送信タイミングパルスを必要と
する。

この遅延送信タイミングパルス群３０２は、前段の選択
器３に導かれる。この選択器３では７個の遅延パルスか
らなる遅延送信タイミングパルス群３０２を超音波探触
子５　の８０個の素子をブロック中のどのブロックに加
えるかについて、Ｄ。

Ｓ、ＣＩ　Ａからの制御信号３０１Ｂに基づいて決定す
る。以上のようにり、Ｓ、ＣＩＡ、送信フォーカス回路
２、及び選択器３で超音波を特定の点に収束し、走査す
る。

選択器３から送出される１３個の遅延送信タイミングパ
ルスを含み、その他はパルスを発信しない８０個の選択
・遅延済の送信タイミングパルス３０３は、送信器４に
導かれる。この送信器４において、８０個の駆動素子の
内の遅延送信タイミングパルス３０３の入力がある駆動
素子１３個だけが超音波振動子を励振し、超音波を出射
するのに充分な超音波送信タイミングパルス電圧信号３
０４を発生する。この超音波送信パルス電圧信号３０４
により超音波探触子５内の超音波振動子を励振し、超音
波を発信する。

この超音波は被検体に打ち込まれてその被検体内の異物
などで反射される。この反射波が再び超音波探触子５で
受信されて、前置増幅器６に導かれ、８０個の前置増幅
器で増幅される。増幅された８０個の増幅済の超音波受
信信号３０５は後段の選択器７に送出される。

後段の選択器７で８０個の増幅済の超音波受信信号３０
５から特定の受信信号だけを選択するについては、走査
方式によって異なるが、ここでは送信時に８０個のブロ
ック中で送信を行ったブロックと同一のブロックの受信
信号を選択する場合について述べる。８０個の増幅済の
超音波受信信号３０５中で、前段選択器３で選択された
１３個のブロックと同一の１３個のブロックの受信信号
をり、Ｓ、ＣＩＡの制御信号３０１Ｃにより選択し、後
段の受信フォーカス回路８で左右同一遅延時間をかける
ので７個の信号となる。この７個の選択増幅済の超音波
受信信号３０６は受信フォーカス回路８に導かれる。受
信フォーカス回路８では、通常は送信時の焦点の近傍に
選ばれる特定の点からの受信信号のみを強調するように
、前記の特定の点から反射されて１３個のブロックで受
信された上述の受信信号３０６に対して、前述の電子フ
ォーカス・送信と同様に内部の遅延線を用いて最適な遅
延時間を与えて位相合わせを行うという電子フォーカス
をかける。その遅延時間はり、Ｓ、ＣＩＡの制御信号３
０１Ｄにより制御される。電子フォーカスをかけられた
選択・増幅済の受信信号３０６は加算されて１個の超音
波受信信号３０７になり、受信フォーカス回路８からバ
ンドパスフィルタ９に入力される。

被検体内での超音波は周波数と伝播距離に比例した減衰
をするので、１個の超音波受信信号３０７の周波数成分
の中心は超音波の反射位置が深くなればなるほど低周波
帯に移行するので、Ｓ／Ｎ比が高く中心周波数が可変な
バンドパスフィルタが必要とされる。このようなバンド
パスフィルタ９によって不要な周波数領域の成分を削除
することによりＳ／Ｎ比が高められ、最適周波数成分が
取り出された周波数弁別法の超音波受信信号３０８は、
タイムゲインコントロール（以下Ｔ、Ｇ、Ｃと略称する
）回路１０へ導かれ、超音波の被検体内での減衰率が超
音波の反射位置の深度と周波数に比例するという関係を
利用して、反射位置の深度に応じた増幅率で増幅するこ
とにより反射深度に対する受信信号の減衰を補正する。

このようなＴ、Ｇ、Ｃと称される補正を行った後の電気
信号３０９は信号強度の最大と最小との比率であるダイ
ナミックレンジが広いので、対数演算回路１１によりそ
のダイナミックレンジを圧縮して圧縮済の電気信号３１
０として出力する。次に、この電気信号３１０は輪郭強
調回路１２において断面画像の輪郭が強調されるように
変換される。輪郭強調回路１２の出力信号としての電気
信号３１１は所定の時間間隔でサンプリングされてＡ／
Ｄ変換器１３でディジタル値に変換され、図示しないり
、Ｓ、ＣＩＡ内のイメージメモリーに一旦記憶されると
ともにり、Ｓ、ＣＩＡで必要な画像処理をした後、画像
表示手段としてのモニターテレビ１４に送られ、断面画
像が表示される。

更に、超音波診断装置の走査方式の一つである電子リニ
ア式の場合について詳しく説明する。

第６図に上述の超音波探触子５の超音波アレイ探触子を
示す。超音波探触子５からの超音波の発信は数１０個の
超音波振動子ブロック１５のブロックから行われる。こ
の例では超音波の一走査ラインを得るのに１３個の超音
波振動子ブロック１５を使用するものとし、その超音波
の焦点をＸ点とすると、１３個の超音波振動子ブロック
１５の■〜■、■′〜■′から出射された超音波が焦点
Ｘ点で位相が合致し、干渉により互いに強め合うように
超音波振動子ブロック１５の■〜■、■′〜■′の送信
タイミングを制御する。すなわち、焦点のＸ点から超音
波振動子ブロック１５の■までの距離と、そのＸ点から
左右の超音波振動子ブロック１５の■、■′までの距離
には相違があるので、この距離の差を超音波が伝播する
時間に相当する時間だけ超音波振動子ブロック１５の■
の超音波発信を超音波振動子ブロック１５の■、■′の
超音波出射よりも遅らせて行うという発信タイミング制
御を行う。その他の素、子■〜■、■′〜■についても
同様に遅延時間を与えて発信する。

走査方式として前述のような超音波を平行に放射するリ
ニア方式の他に、扇状に放射するコンベックス方式など
数種の方式があり、これらは断層像を得る位置に応じて
最適の方式を採用できるよう選択できるようになってお
り、超音波探触子もそれぞれの走査方式ごとに異なった
ものを使用する。

第７図に第５図のバンドパスフィルタ９の中心周波数と
深度との関係を示す。超音波振動子５は機械的Ｑ値が一
般に５と小さいので、超音波探触子５の超音波振動子ブ
ロック１５から発信される超音波は高帯域に及ぶが、被
検体内での超音波の減衰率ηはη＝　０．５　ｄＢ／　
Ｍ　Ｈｚ　／　ｃｍで表されるので、高周波成分の方が
減衰が大きい。したがって、超音波探触子５で受信され
た超音波受信信号の中心周波数は浅いところでは高く深
い所では低くなり、そのため第７図に示す中心周波数移
動カーブ１６のように、バンドパスフィルタ９の中心周
波数は深度が深くなるに比例して低周波側に移行し、受
信超音波の周波数成分の特定の低周波に達し、それ以上
の深度ではその特定の低周波数が中心周波数となる。

断層像の位置が被検体の表面に近いときには解像度の高
い画像を得るために高い周波数を使用するのがよく、深
い位置の断層像を得るときには超音波の被検体内での減
衰を考慮して低い周波数の超音波が適当であり、このよ
うに断層像の位置によって異なった周波数の超音波を使
用するので、このような場合にも周波数特性の異なる超
音波探触子を用意しておいて最適のものを選択して使用
する。

第８図は第５図のＴ、Ｇ、Ｃ回路１０におけるＴ。

Ｇ、Ｃカーブの特性を示す。被検体での減衰は前述の通
り周波数に比例するので、Ｔ、Ｃ；、Ｃ回路ＩＯではバ
ンドパスフィルタ９の中心周波数の深さに対する移動に
合わせて、増幅率を変化させていく必要がある。通常被
検体の表面の近傍は反射波レベルが大きいので、特に強
度を抑える必要がある。そのため、被検体の表面近傍で
は意識的に減衰をかけ、変曲点１８以降の深い深度でゲ
インをゆるやかに補正して、第８図に示すような中折れ
状のゲインカーブ１７になる。

超音波診断装置では低級機か高級機かにより違いはある
が、走査方式によりリニア、コンベックス、セクタ、フ
ェーズアレイのそれぞれの超音波探触子の一部または全
部を使用することのできる機能を持っている。

機械走査形セクタ式探触子の例として、第９図の如きア
ニユラ−アレイ探触子がある。これは、支持枠２０の中
に第１振動子２１．第２振動子２２、第３振動子２３．
第４振動子２４．第５振動子２５．第６振動子２６およ
び第７振動子２７を同じ円上に配列し、しかもその表面
が同図（ロ）のように一定の曲率（Ｒ９０ｍｍ）を持ち
、定められた深度に音波が収束されるようになっている
。

焦点深度を自由に移動するには、円環状の各振動子に印
加される波形を位相制御することにより成し得る。複数
個の振動子は機械的に走査され、走査画像を得る。

第１０図に機械走査型プローブの構造を参考として示す
。ニーでは、複数の振動子２１〜２７からなる探触子が
その軸２８の回りで回転可能となっていることがわかる
程度で充分である。

ところで、アニユラ−アレイ探触子の第５〜７振動子２
５〜２７は第９図（イ）に示されるように、各々の端部
がカットされている。これは、第１振動子〜第７振動子
の電気インピーダンスをなるべく等しくさせることを目
的としている。すなわち、第１振動子〜第７振動子の径
方向の幅が同じならば、内径が大きくなる程その面積は
広くなる。従って、両端部をカットすることにより、面
積の差を少なくしている。第１１図に第９図のアニユラ
−アレイ振動子の各振動子の特性と寸法例を示す。

つまり、各振動子の表面積が第１１図（イ）の如く異な
るので、その結果として各々の容量（インピーダンス）
が第１１図（ロ）の如く異なっている。

一方、第１２図のように、各振動子と送信器４及び前置
増幅器６との間には、伝送線路として多芯同軸ケーブル
４３が使用されている。振動子。

多芯同軸ケーブル、送信器及び前置増幅器の系を考慮す
ると、各点でのインピーダンスが同一であればそれらの
結合部での波形の反射は少ない。なお、反射率Ｒは次式
で与えられる。

Ｚ、；振動子のインピーダンス Ｚ２　：多芯同軸ケーブルのインピーダンス従って、系
のインピーダンスを５０Ω系とすると、多芯同軸ケーブ
ル、送信器前置増幅器のインピーダンスを５０Ωとし、
各振動子のインピーダンスについては第１３図に示すよ
うに、トランス３１〜３７を使用して各振動子のインピ
ーダンスを変換し、５０Ωとなるようにする。第９図の
アニユラ−アレイ振動子に用いるトランスの巻数比を、
第１１図（ハ）に示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の装置において、トランスによってインピーダンス
整合を取るため、トランスの１．２次側の電圧、電流は
下式のようになる。

”ｚ　　　　ｎｚ　　＋　　　Ｉ　ｚ　　　　ｎＩ＋　
　　Ｚ２　　　　ｎｚ”■１　：振動子の励振電圧 ■２　：多芯同軸ケーブルでの励振電圧■１　：振動子
の励振電流 ■２　：多芯同軸ケーブルでの励振電流Ｚ、＝振動子の
インピーダンス Ｚ２　：多芯同軸ケーブルのインピーダンス従って、送
信器の送信電流を■８１．とすると、第１振動子端での
励振電圧は０．６３（１／１．５８）Ｉ　ＸＰＰ−Ｚｒ
ｉｎｇｌ　、第２励振電圧は０．６３１Ｘ−Ｆ・Ｚｒｉ
ｎｇ２　、以下同様に０．７４　Ｉ　ＸＰＰ　・Ｚｒｉ
ｎｇ３．０．８８１ｘｐｒ′Ｚｒｉｎｇ４　、　　Ｉ　
ＸＰＰ　′Ｚｒｉｎｇ５　。

Ｉ　ＸＰＰ−Ｚｒｉｎｇ６、Ｉ　ＸＰＰ−Ｚｒｉｎｇ７
　、となる。

たゾし、Ｚ　ｒｉｎｇｌ〜Ｚ　ｒｉｎｇ７は振動子２１
〜２７のインピーダンスを示す。このように、第７リン
グにむかうに従って励振電圧が高（なる。これは、収束
音波の指向性を示す第１４図の如き音場プロファイルに
おいて、メインビーム３８の零放射角θを小さ（する、
すなわちビームの収束度は良くなるが、アーチファクト
（虚像）を生じるサイドローブ３９が大きくなる。また
、探触子で体内からの反射超音波を受信する時には、 Ｖ、　　　　　ｎ。

Ｖ　Ｉ　　　　ｎ　＋ の如くなり、各々の振動子で反射超音波を受信して発生
する受信電圧を■８１．とすると、各々のトランスの２
次側での電圧は第１トランスの２次側で０．６３　Ｖｉ
ｒｒ　、第２トランスの２次側で０．６３■１２．以下
同様ニ０．７４　ＶＲＰＰ　、　０．８８　ＶＩＩＰＦ
　。

１、　ＯＶＩＰＦ　、　　１．　ＯＶＲＰＦ　、　　１
．　ＯＶＲＦＦ　となる。すなわち、第７リングに向う
に従って励振電圧が高くなる。これは、音場プロファイ
ルにおいてメインビーム３８の零放射角θを小さくする
が、アーチファクトを生じるサイドローブが増加し、虚
像を発生させることになる。

一般に、メインビームの指向性をシャープにすればサイ
ドローブが増加する方向にあり、したがって指向性をシ
ャープにすることとサイドローブを低減することは互い
に矛盾する。また、両者を折り合わせるには、一定の値
を送受共に取らなければ最適なビームプロファイルとな
らない。このため、第１２図に示す従来の送信器は一定
の励振パルス電流振幅で励振し、受信波用の前置増幅器
は一定の増加率しか有していないので、送受共にビーム
プロファイルが最適値に成り得ない。

以上、メインビームの零放射角を若干悪くし、アーチフ
ァクトを生ずるサイドローブを低減するには、外側のリ
ングはどその送受振幅を抑えた方が望ましく、このよう
な手法を送受の重み付けによるサイドローブの改善とい
う。

〔課題を解決するための手段〕

超音波探触子を構成する個々の超音波振動子とその各々
に接続される伝送線路とのインピーダンス整合をとるた
めに、個々のトランスを用いて各超音波振動子のインピ
ーダンス変換を個別に行うことにより、インピーダンス
不整合にもとづく反射を抑制して被検体の断層像を得る
超音波診断装置において、前記各伝送線路およびトラン
スを介して各超音波振動子を励振する送信器の各々には
励振パルス電圧振幅の可変設定機能を付与する一方、伝
送線路を介して被検体からの超音波信号を受信する前置
増幅器には増幅率の可変設定機能を付与し、前記励振パ
ルス電圧振幅および増幅率を各超音波振動子に応じて選
定する。

〔作用〕

送信器に励振パルス電圧振幅の設定機能を付与し、超音
波を送信する際に各振動子に印加される励振電圧を最適
にセットすることにより、送信ビームプロファイルにお
けるメインビームの零放射角とサイドローブとを妥協値
に設定できるようにする一方、前置増幅器に増幅率の可
変設定機能を持たせるか、または前置増幅器とその前段
または後段の少なくとも一方にゲイン減衰率が可能の減
衰器とを設けること等により、受信ビームプロファイル
におけるメインビームの零放射角とサイドローブとを妥
協値に設定できるようにする。

〔実施例〕

第１図に本発明の実施例を示す。

励振パルス電圧振幅可変回路４０に対して、Ｄ。

Ｓ、ＣＩ　Ａから送信電圧設定信号３１１で送信電圧Ｖ
ＸＰＰを設定する。励振パルス電圧振幅可変回路４０の
入力に遅延送信タイミングパルス３０２を入力し、その
出力はＶ　ＸＰＦに相当するパルス高を設定する。この
励振パルス振幅可変回路の構成を第２図に示す。これは
、信号３１１に相当するｖｃｃ！を０〜２４Ｖに設定す
ることにより、■６，２に相当するパルス高ｖＰが図に
示すようにｏｕｔより得られるもので、この回路自体は
公知のものである。

その出力ｖＰを送信器４に入力すると、エミツわち、ト
ランスＴ、の２次側にｉ　ｃ（ｉｃさｉ。）ｎ２ が流れ、Ｔ＋の１次側には１ｔ＝＝＋＋　　　　ｌｃな
るＩ 電流が流れ、これにより超音波探触子５を励振する。超
音波探触子から出射される音波の音圧強度は、超音波探
触子の両端電圧■８に比例する。つ第　　１　　表 となることから、■、を制御することによりｖＸを可変
にすることが出来る。従って、アニユラ−アレイのビー
ムプロファイルの指向性改善のための重み付は数値に基
づいて■、を設定する。振動子の両端の電圧■８の重み
付は送信電圧値と、それに対応するＶＰの例を第１表に
示す。

一方１、受信の場合には、体内から反射された超音波を
超音波振動子で受信した時の発生電圧を■、とすれば、
トランスＴ１の２次側に生ずる電圧は、ｚ Ｖ、＝　　　　Ｖ、となる。これを前置増幅器で増幅し
、後段の処理回路（第１３図の符号３０参照）に必要な
電圧レベルとする。この前置増幅器は利得可変形前置増
幅器４１であり、Ｄ、Ｓ、ＣＩＡからの利得設定信号３
１２によって利得が設定される。この利得の設定値と、
重み付は関数との関係を第２表に示す。このようにして
、送信時では振動子の両端に励起される電圧が設定重み
付けが出来、受信時には前置増幅器の出力に設定重み付
けが可能となる。

第２表 第３図は他の実施例を示すもので、第１図の利得可変形
前置増幅器の代りに固定増幅率の前置増幅器６とり、Ｓ
、ＣＩＡによって制御される可変減衰器４２を適用した
ものである。減衰器は前置増幅器６の前段に設けても良
く、前段と後段の双方に設けても良い。

第４図はさらに他の実施例を示すもので、第３図の可変
減衰器の代りにトランスＴ２で置き換えたものである。

なお、この場合Ｔ２の巻き数比は変更出来ないので、ア
ニユラ−アレイプローブの容量の変更などに対応出来な
い。従って、固定のプローブにしか適用出来ないことに
なる。このトランスも前置増幅器６の前段に設けても良
く、前段と後段の双方に設けても良いが、図示の如く後
段に設けるのが望ましい。

〔発明の効果］ 本発明によれば、送信器に励振パルスを電圧振幅設定機
能を付与することにより、超音波を送信する際に各振動
子に印加される励振電圧を最適値にセットすることが可
能となり、送信の場合の送信ビームプロファイルにおい
てメインビームの零敗射角とサイドローブとを妥協値に
設定することが出来る一方、前置増幅率設定機能または
減衰量設定機能を設けることにより、受信ビームプロフ
ァイルにおいてメインビームの零敗射角とサイドローブ
とを妥協値に設定できるので、従来に比べで−１２ｄＢ
それぞれ改善することが出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す回路図、第２図は励
振パルス電圧振幅可変回路の具体例を示す回路図、第３
図は本発明の第２実施例を示す回路図、第４図は本発明
の第３実施例を示す回路図、第５図は超音波診断装置の
従来例を示すブロック図、第６図は超音波アレイ探触子
を示す概要図、第７図は第５図に示すバンドパスフィル
タの中心周波数と深度との関係を示すグラフ、第８図は
第５図のＴ、Ｇ、Ｃ回路の特性を示すグラフ、第９図は
アニユラ−アレイ探触子の各振動子の構成を示す概要図
、第１０図は機械走査形プローブの構造を示す斜視図、
第１１図はアニユラ−アレイ探触子の電気的特性および
寸法例を説明するための説明図、第１２図は送受信回路
の従来例を示す回路図、第１３図はアニユラ−アレイ探
触子のトランスを用いたインピーダンス整合回路例を示
す回路図、第１４図は超音波探触子の一般的な指向性を
説明するための説明図である。 符号説明 ＩＡ・・・ディジタルスキャンコンパ−９（Ｄ、Ｓ。 Ｃ）、２・・・送信フォーカス回路、３．７・・・選択
器、４・・・送信器、５・・・超音波探触子、６・・・
前置増幅器、８・・・受信フォーカス回路、９・・・バ
ンドパスフィルタ、１０・・・タイムゲインコントロー
ル回路（Ｔ。 Ｇ、Ｃ）、１１・・・対数演算回路、１２・・・輪郭強
調回路、１３・・・Ａ／Ｄ変換器、１４・・・モニター
テレビ、１５・・・超音波振動子ブロック、２０・・・
支持枠、２１〜２７・・・超音波振動子、２８・・・軸
、３０・・・後段処理回路、３１〜３７．ＴＩ　、Ｔ２
・・・トランス、３８・・・メインビーム、３９・・・
サイドローブ、４０・・・励振パルス電圧振幅可変回路
、４１・・・利得可変形前置増幅器、４２・・・可変減
衰器、４３・・・伝送線路。 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　清 第１図 １Δ 第３図 第２図 Ｈｖ 第 図 １に１０ 図 第 図 第 図 第 図 第 図 （ニ） 第１２ 図 第１４ 図 プイトローフ 第１３ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）超音波探触子を構成する個々の超音波振動子とその
   各々に接続される伝送線路とのインピーダンス整合をと
   るために、個々のトランスを用いて各超音波振動子のイ
   ンピーダンス変換を個別に行うことにより、インピーダ
   ンス不整合にもとづく反射を抑制して被検体の断層像を
   得る超音波診断装置において、 前記各伝送線路およびトランスを介して各超音波振動子
   を励振する送信器の各々には励振パルス電圧振幅の可変
   設定機能を付与する一方、前記伝送線路を介して被検体
   からの超音波信号を受信する前置増幅器には増幅率の可
   変設定機能を付与し、前記励振パルス電圧振幅および増
   幅率を各超音波振動子に応じて選定することを特徴とす
   る超音波診断装置。 ２）超音波探触子を構成する個々の超音波振動子とその
   各々に接続される伝送線路とのインピーダンス整合をと
   るために、個々のトランスを用いて各超音波振動子のイ
   ンピーダンス変換を個別に行うことにより、インピーダ
   ンス不整合にもとづく反射を抑制して被検体の断層像を
   得る超音波診断装置において、 前記各伝送線路およびトランスを解して各超音波振動子
   を励振する送信器の各々には励振パルス電圧振幅の可変
   設定機能を付与する一方、前記伝送線路を介して被検体
   からの超音波信号を受信する前置増幅器の前段または後
   段の少なくとも一方にはゲイン減衰率が可変の減衰器を
   接続し、前記励振パルス電圧振幅および減衰率を各超音
   波振動子に応じて選定することを特徴とする超音波診断
   装置。 ３）請求項２）に記載の超音波診断装置において、前記
   減衰器のかわりにトランスを用いることを特徴とする超
   音波診断装置。