JPH0235389A - フェイズド・アレイ超音波プローブの較正方式 - Google Patents

フェイズド・アレイ超音波プローブの較正方式

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JPH0235389A
JPH0235389A JP1131722A JP13172289A JPH0235389A JP H0235389 A JPH0235389 A JP H0235389A JP 1131722 A JP1131722 A JP 1131722A JP 13172289 A JP13172289 A JP 13172289A JP H0235389 A JPH0235389 A JP H0235389A
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memory
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マーク・ジョージ・マグレーン
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General Electric Co
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

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】 発明の背景 本発明は一般にフェイズド・アレイ（ｐｌｅａｓｅｄ　
ａｒｒａｙ）超音波イメージング（ｉｍａｇｉｎｇ　）
に関するものであり、更に詳しくはダイナミック・レン
ジを大きくしたフェイズド・アレイ超音波プローブに関
するものである。
超音波イメージング装置は像を形成しようとする容積へ
超音波を送り込み、そこから超音波を受ける。反射され
た超音波は電気信号に変換された後、処理されて、ビデ
オ・デイスプレィの制御に使用される。電子走査式セク
タ・スキャナでは、プローブ」二に配列されて別々に励
振される複数の変換器素子により超音波か送受される。
電子走査式プローブにはリニア（線形）アレイ、二次元
アレイ、曲面フエイスド・アレイおよび環状フエイスト
・アレイか含まれるが、これらは包括的にフエイスド・
アレイと呼ばれている。
フェイスド・アレイ型スキャナは１つの線（ずなわちベ
クトル角）に沿って超音波エネルギを送出して鎖線から
エコーを受けるようにする電子集束を使って像を形成す
る。集束はフェイズド・アレイ内の各変換素子によって
送信および受信する信号を選択的に遅延させることによ
って行なわれる。したがって、ベクトル角に沿った位置
からの信号は建設的な干渉を行い、他の位置からの信号
は相殺的な干渉を行う。
各変換素子とビーム線」二の種々の点との間の径路の距
離の差に応じて信号を選択的に遅延させることによって
、種々のベクトル角に沿って超音波ビームは走査される
。各変換器素子は通常、それぞれの被制御遅延素子に接
続されている。受信のときには、遅延素子からの出力信
号はコヒーレントに加算されて、エコー信号を作る。
各遅延素子によって導入する時間遅延は制御器、典型的
にはコンピュータまたはマイクロプロセ・ソサによって
決定される。信号の所要の遅延を実現するための多数の
異なる方式が使用されてきた。
例えば米国特許第４，２８５，０１１号には、多数の遅
延線のタップに接続されたアナログ・スイッチをＣＰＵ
で制御する方式が示されている。
物理的な製造上の制約により、フェイズド・アレイの各
変換素子にはそれぞれ固有の時間遅延かあり、これは素
子ごとに異なる。これらの遅延はフェイズド・アレイの
チャネルに加えられる相対的な物理的な遅延を変えるの
で、実際の遅延は理論的な遅延から異なるようになる。
したかつて、遅延された信号から再構成される像はダイ
ナミック・レンジが小さくなる。
変換器材料の性質により、特定の電気的または機械的な
パラメータに対する遅延誤差の原因を分離することは実
際的でない。したがって、製造技術を改良することによ
って遅延誤差をなくすことはできなかった。
したがって、本発明の主要な目的はフェイズド・アレイ
超音波装置のダイナミック・レンジを改良することであ
る。
本発明のもう１つの目的は変換器特性によって生じる信
号遅延誤差を除くための方法および装置を提供すること
である。
発明の要約 上記の目的および他の目的は所定の配列に配置された複
数の変換器を含むフェイズド・アレイ変換器プローブ組
立体で達成される。組立て手段が変換器およびメモリ手
段を担持する。導体手段か変換器およびメモリ手段に結
合され、且つ組立て手段によって担持され、これにより
変換器およびメモリ手段を超音波装置に接続することか
できる。
メモリ手段に記憶される値は１つの所定の変換器、たと
えば誤差が最も負である変換器の遅延誤差に対する相対
的な各変換器のそれぞれの時間遅延誤差を表わすことか
好ましい。
本発明の新規性のある特徴は特許請求の範囲に特定しで
あるか、本発明自体の構成と動作方法、ならびに本発明
の他の目的および利点は添付の図面を参照した以下の説
明により最も良く理解できよつ。
好適実施例の詳しい説明 第１図は本発明の改良を含むフェイズド・アレイ超音波
装置を示す。この装置はハウジング１７の中に変換器ア
レイ１１を含んでいる。変換器アレイ１１は図面を簡略
化するため５個だけしか示していない変換器を直線状に
配列したリニア・アレイとして構成されている。対応し
て配列された被制御遅延素子のアレイ１２、受信制御器
１３、および加算回路１４を含む受信回路か変換器アレ
イ１１に接続されている。加算回路１４はイメジ発生器
およびデイスプレィ回路１５に接続される。通常、ハウ
ジング１７には取外し可能なプロブの一部を構成するが
、受信回路は装置の操作台内に収容されている。
変換器アレイ１１には個別の変換器２１−２５か含まれ
ており、これらの個別の変換器は遅延素子アレイ１２の
個別の遅延素子３１−３５にそれぞれ接続されている。
特定のベクトル角に対応する遅延時間を受けるため各遅
延素子３ｍ−３５は制御器１３に個別に接続されている
。
送信回路１８も装置の操作台に含まれている。
送信回路１８には送信制御器、送信遅延素子、およびア
レイ１１の各変換器２１−２５に接続される個別のパル
ス発生器が含まれていることが好ましい。代案として、
受信回路と遅延素子３１−３５を共有するように送信回
路１８を接続することもできる。送信中、各素子は所定
の時間関係で対応するパルス発生器によって励振され、
特定のベクトル角に沿って送信を行なう。
これまで述べた装置の動作を明らかにするため、点源１
０からの超音波エネルギの受信について説明する。点１
０から放射された信号のピークの相対的な到達時間は個
別の変換器素子２１−２５と点１０との間のそれぞれの
径路距離に応して変る。
異なる到達時間が第２図に示されている。遅延素子３＞
３５は経路長の差を補償し、その結果、理論的には第３
図に示すように加算回路１４の全てのチャネル信号入力
の時間がそろうことになる。
そこで全ての別々のチャネル信号を加算すると、全ての
チャネルからの信号が同相加算されるので振幅か最大で
且つパルス長が最小の第４図に示すような信号か得られ
る。
個別の変換器２１−２５に固有の時間遅延誤差に起因し
て、加算回路１４への信号の実際の相対的到達時間は第
５図に示すようになる。このため加算後に得られる信号
は第６図に示すように波形が大幅に劣化する。このよう
に劣化した信号から作られる最終画像はダイナミック・
レンジが劣化する。したがって従来技術の装置では、建
設的な干渉か充分に行なわれず、ベクトルからすれたタ
ゲットからの相殺的な干渉（信号の阻止）が最適になら
ず、その結果、最適な信号対雑音比か得られない。
本発明によれば、各個別のチャネルに対する遅延誤差を
決定し、次いで走査装置の時間遅延のプログラミングの
際にその誤差を補償することにより、受信時に第３図お
よび第４図に示すような波形が得られるように（そして
送信時に所望のビムが得られるように）変換器アレイの
個別の変換器の固有の時間遅延誤差を補正することかで
きる。
したかって第１図において、変換器に固有の時間遅延誤
差に対応する値を記憶するメモリ１６かハウジング１７
の中に設けられる。メモリ１６は受信制御器１３および
送信回路１′８に接続される。
制御器１３または送信回路１８は受信時または送信時に
各変換器に対する理論的遅延を決定した後、メモリ１６
から所定の遅延誤差補正値を求めて、その補正値を理論
的遅延に加算する。代案として、メモリ１６からのずべ
ての値を、後の計算で使うために受信制御器１３または
送信回路１８の内部メモリに最初に転送することかでき
る。メモリ１６に記憶される値は特定の変換器、たとえ
は変換器アレイの中心にある変換器（すなわち変換器２
３）または遅延誤差か最も負または最小の変換器の固有
の遅延誤差に対して正規化しておくことが好ましい。
本発明による変換器プローブの一実施例が第７図に示さ
れている。プローブは変換器アレイ４１を担持するハン
ドル４０を有する。遅延誤差メモリは４２Ａで示すよう
にハンドル４０の中に収容することができる。この代り
にメモリはたとえばプローブ・コネクタ端部４４上に４
２Ｂで示すようにハンドルから離れたプローブ組立体の
別の部分内に担持してもよい。−組の導体４３により変
換器アレイ４１およびメモリ４２Ａまたは４２Ｂは、操
作台およびモニタを含む超音波装置４５に接続される。
通常、多数の異なるプローブが１１１−の超音波装置に
使用され、各プローブにはそれ自身の遅延誤差かある。
第７図に示す構成では、特定のプローブ組立体をイメー
ジング装置に接続した後、制御器（すなわち装置のコン
ピュータ）かメモリから値を読取って、各個別の変換器
についてそれぞれの遅延誤差補正値でそれぞれの理論的
時間遅延を修正する。最も好ましい実施例では、メモリ
４２はプログラマフル読取専用メモリ（ＰＲＯＭ）で構
成される。
変換器アレイの相対時間遅延誤差を決定するだめの好ま
しい方法を第８図を参照して説明する。
この方法は本出願人による特願昭６３−２３５１５４号
および特願昭６３−３１０２７１号に述べられている方
法に類似している。
変換器アレイ４１は水を入れたタンク５ｏの中に置かれ
、その面は光学的に平らなターゲラｌ−５１に平行に配
置されている。ターゲット５１もタンク５０の中に、ア
レイ４１の公称焦点深度にほぼ等しい距離を置いて配置
される。次に以下の手順を使って、選定された変換器素
子、この場合には中心の素子の時間遅延誤差に対する各
素子の相対時間遅延誤差を決定する。
第８図に示すようにプローブ・コネクタ４４がマルチプ
レクサ５２に接続される。データ取得ＣＰＵ５３の制御
下でパルス発生器５４および受信器５５に接続するよう
に各素子が選択される。特定の基準時点Ｔｏに、パルス
発生器が点弧されて、変換器素子ｎから音波を発生させ
る。音波は固定時間２　Ｒ／　ｖて平らなターゲットま
で進みそしてそこから戻って来る。ここでＲはアレイ４
１の面からターゲット５１までの距離であり、■はタン
ク媒質（たとえば水）の中での音速である。この固定時
間はアレイのすべての素子に対して一定である。しかし
製造偏差のため、各変換器素子は付加的な時間遅延ε。
を有し、これは素子ごとに変る。
次に、相互相関を用いて考慮している各素子のエコー波
形と特定の素子（たとえば中心の素子）のエコー波形と
を比較することにより、特定の素子（中心の素子）に対
する各素子の相対的な時間遅延誤差が決定される。この
ようにして、中心素子の波形を時間軸上で、考慮してい
る変換器素子の波形に対してシフトして、各シフト点で
相互相関係数か計算される。特定の素子に対する遅延誤
差は最大相関係数の点に於いて中心素子波形がシフトさ
れる量である。たとえば、時間シフト量が正の値である
と、これは特定の素子のエコーか中心素子のエコーより
後に到達したことを示し、負の値である場合は特定の素
子のエコーが中心チャネルのエコーより前に到達したこ
とを示す。
理論的遅延と補正値の和が負となる条件くずなイっち時
間軸」−で後退しようとすること）を避けるため、すべ
ての補正値がゼロ以」二となるようにブタ取得ＣＰＵ５
３ですべての時間遅延値ε。を正規化することが好まし
い。最も負の遅延誤差（どれも負でなけれは最小の正の
遅延誤差）をゼロに設定し、他のすべての値はそれと対
比して与えることか好ましい。次にＣＰＵ５３から遅延
補正マツプをＰＲＯＭバーナ（ｂｕｒｎｅｒ）　５６に
送り、ＰＲＯＭの中に格納させる。ＦＲＯＭはたとえば
プローブのハンドル１７またはコネクタ４４の中に取り
イ」けられる。
上記のように決定された時間遅延誤差補正値を使って、
より大きなダイナミック・レンジと信号対雑音比で超音
波ビームを送受することができる。
本発明の実施例を図示し説明してきたか、本発明はその
実施例に限定されるものではない。当業者には本発明の
趣旨を逸脱することなく多数の変形、変更および置換を
行うことかできよう。したがって、本発明の趣旨と範囲
内にあるこのような変更をすべて包含するように請求の
範囲は記述しである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のリニア・フェイズド・アレイ超音波装
置を示すフロック図である。第２図乃至第６図は第１図
の装置に関連した種々の波形を示す時間線図である。第
７図は超音波装置に接続された本発明の完成したプロー
ブ組立体を示ず概略構成図である。第８図は変換器アレ
イの固有の時間遅延誤差を決定するための装置を示すブ
ロック図である。 ［主な符号の説明］ １１・・・変換器アレイ、１６・・・メモリ、２１−２
５・・変換器、３１−３５・・・遅延素子、４０　ハン
ドル、４１・・変換器アレイ、４２・・・遅延誤差メモ
リ、４３・・導体、４４・・プローブ・コネクタ、４５
・・・超音波装置、５３・・・データ取得ＣＰＵ０

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、変換器プローブ組立体に於いて、 所定のアレイを構成するように配列された複数の超音波
    変換器、 上記変換器に固有の時間遅延誤差に対応する値を記憶す
    るメモリ手段、 上記変換器および上記メモリ手段を担持する組立て手段
    、ならびに 上記変換器および上記メモリ手段に結合され且つ上記組
    立て手段によって担持された、上記変換器および上記メ
    モリ手段を超音波装置に電気的に接続するための導体手
    段、 を含むことを特徴とする変換器プローブ組立体。 ２、上記メモリ手段がプログラマブルＲＯＭで構成され
    ている請求項１記載の変換器プローブ組立体。 ３、上記値が特定の１つの変換器遅延誤差に対する相対
    的な時間遅延誤差を表わしている請求項１記載の変換器
    プローブ組立体。 ４、上記アレイがリニア・フェイズド・アレイである請
    求項１記載の変換器プローブ組立体。 ５、超音波装置に於いて、 所定のアレイを構成するように配列された複数の変換器
    、 上記変換器に固有の時間遅延誤差を補正するための値を
    記憶するメモリ手段、 上記変換器による送信および受信を制御するコンピュー
    タ手段、ならびに 上記変換器および上記メモリ手段を上記コンピュータ手
    段に接続し且つ電気信号を通過させるためのコネクタ手
    段、 を含むことを特徴とする超音波装置。 ６、上記変換器、上記メモリ手段および上記コネクタ手
    段がプローブ組立て手段に組み込まれている請求項５記
    載の超音波装置。 ７、変換器アレイを構成する複数の変換器素子および該
    素子にそれぞれ対応する遅延素子を含むフェイズド・ア
    レイ超音波装置を動作させる方法に於いて、 上記アレイに対する超音波ビームの所望の走査ベクトル
    角に応じて各変換器素子に対する理論的遅延を決定する
    ステップ、 上記各変換器素子に対応する所定の遅延誤差補正値を求
    めるステップ、ならびに 上記理論的遅延に上記補正値を加算することにより補正
    された遅延を求めるステップ、を含むことを特徴とする
    フェイズド・アレイ超音波装置の動作方法。 ８、上記補正値が特定の１つの変換器素子の固有の時間
    遅延誤差に対する相対的な上記各変換器の固有の時間遅
    延誤差を表わしている請求項７記載のフェイズド・アレ
    イ超音波装置の動作方法。 ９、上記アレイから音波を送信する際、その音波が上記
    の補正された遅延に応じて形成され、上記アレイに到達
    する音波を受信する際、その音波が上記の補正された遅
    延に応じて検出される請求項７記載のフェイズド・アレ
    イ超音波装置の動作方法。
JP1131722A 1988-05-27 1989-05-26 フェイズド・アレイ超音波プローブの較正方式 Pending JPH0235389A (ja)

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