JPH024345A - 超音波変換装置 - 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、超音波を利用して生体組織の性状、温度など
の状態を測定する超音波診断装置に用いられる超音波変
換装置に関するものである。

従来の技術 最近、超音波を使用した超音波診断装置が医療診断など
の分野で盛んに利用されている。特に、超音波診断装置
の高度化に伴って組織の性状や組織の温度など、組織の
状態を測定する超音波組織性状診断が研究されている（
例えば、「３周波超音波法による組織周波数依存性減衰
特性の推定」島津敬、村上敬−他、日本超音波医学会第
４８回研究発表会講演論文集　４８−Ｄ−６５、Ｐ６６
１　ｉ昭和６１年５月）。

以下、上記従来例の組織性状診断用の超音波診断装置の
概略について説明する。ピエゾ圧電振動子より被検体で
ある生体に送波された超音波は、生体の組織により散乱
される。散乱波は通常、送波に使用したピエゾ圧電振動
子により受波され、電気信号に変換される。一般に生体
組織に超音波Ｉｏ（ｆ）を入射した際の後方散乱超音波
Ｉ（ｆ）は下記（１）式で表わされる。

Ｉげ１＝Ｉｏ（ｆ）ｂ（ｆ、Ｚ）ｆｎ（ｆ、Ｚ）ｅ−’
／β（ｆ、Ｚ）ｄｚ　　−・−（１）式ここで、β（ｆ
、Ｚ）は周波数依存性減衰係数、ｎ（ｆ、Ｚ）は周波数
依存性散乱係数であり、ｂ（ｆ、Ｚ）は超音波ビームの
幾何学的形状因子である。周波数依存性減衰係数β（ｆ
、Ｚ）や周波数依存性散乱係数ｎ（ｆ、Ｚ）は生体組織
の状態に依存して変化する被測定数値であるが、ビーム
の幾何学的形状因子ｂ（ｆ、Ｚ）はピエゾ圧電振動子の
形状などにより決まる診断装置に起因している係数であ
る。測定される後方散乱超音波Ｉ（ｆ）と入射した超音
波Ｉｏ（ｆ）の肱を多くの周波数ｆで測定することによ
り、上記（１）式の周波数依存性散乱係数ｎ（ｆ、Ｚ）
と周波数依存性減衰係数β（ｆ、Ｚ）の被測定数値を算
出し、これらの被測定数値から組織の状態を診断する。

発明が解決しようとする課題 しかし、上記従来例では、超音波ビームの幾何学的形状
因子ｂ（ｆ、Ｚ）が未定係数として存在し、これを適当
な筐に仮定して被測定数値を算出しているため、被測定
直に大きな誤差を生じるという課題があった。

本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するもの
であり、超音波ビームの幾何学的形状因子をほぼ一定に
し、被測定数値の誤差の発生を防止することができるよ
うにした超音波変換装置を提供することを目的とするも
のである。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するための本発明の技術的手段は、超音
波の送波と受波を兼用する超音波変換器と、この超音波
変換器の実効径を周波数および測定位置に対応して変化
させる手段とを備えたものである。

また、上記超音波変換器を送波用と受波用に割判に設け
たものである。

作　　　　用 本発明は、上記構成により次のような作用を有する。

すなわち、超音波変換器の実効径を周波数および測定位
置に対応して変化させ、超音波ビームの径を測定位置お
よび周波数に依存せずにほぼ一定にすることにより、超
音波ビームの幾何学的形状因子をはぼ一定にする。

実施例 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

まず、本発明の第１の実施例について説明する。

第１図（ａ）、わ）は本発明の第１の実施例における超
音波変換装置を示し、同図（ａｌは一部を破断した構成
図、同図（ｂ）はその超音波変換器の左側面図である。

第１図ｆａ）　、　（ｂｌにおいて、１は電気信号と超
音波を相互に変換する超音波変換器であり、円板状の第
１の圧電振動子２の外周に順次径が大きくなるリング状
の第２．第３の圧電振動子３，４がアニユラ型に配置さ
れ、これら第１．第２．第３の圧電振動子２，３．４の
前面に音響整合層５が設けられ、音響整合層５の前面に
音響レンズ６が設けられている。７，８．９は第１．第
２．第３の圧電振動子２，３．４に接続された可変周波
数特性の第１．第２．第３のフィルタ、　１０は信号発
生機、１１は受信機、１２は信号発生機１０と受信機１
１を切換えて第１．第２．第３のフィルタ７゜８．９に
接続するスイッチである。また、１３は被検体、１４は
被検体１３中を伝播する超音波ビームである。

以上の構成において、以下、その動作について説明する
。

信号発生機１０で作られた電気信号はスイッチ１２を経
て第１．第２．第３のフィルタ７．８．９を通り、超音
波変換器１の第１．第２．第３の圧電振動子２，３．４
にそれぞれ異なる周波数特性の電気信号として印加され
、超音波変換器１から超音波ビーム１４として被検体１
３に送波される。

被検体１３の組織より反射された反射超音波は逆に超音
波変換器１の第１．第２．第３の圧電振動子２，３．４
により受波されて電気信号となり、各圧電振動子２，３
．４の信号は各フィルタ７゜８．９を逆に通り、スイッ
チ１２を経て受信機１１により受信される。上記超音波
ビーム１４の径は測定立置Ｚおよび周波数により異なる
。すなわち、超音波変換器１が同一径であれば周波数が
高いほど超音波ビーム１４の径は細くなり、　また、測
定位置Ｚに対しては焦点位置が最も超音波ビーム１４の
径が細くなる。

第２図は上述の超音波ビーム１４の径と超音波変換器の
関係を示す説明図である。第２図ｆａ）において、　２
１は単一の圧電振動子より構成された超音波変換器であ
り、その有効径をＤとする。１４は超音波ビーム形状で
ある。超音波ビーム１４の径ｄは焦点位置Ｚ−Ｚｆで最
も細くなる。第２図（ｂｌに焦点ｕｎｉ（Ｚ＝Ｚ　ｆ　
）での超音波強度分布を示す。超音波ビーム１４の径ｄ
はビーム強度の半値幅で低い周波数（ｆ小）では広く、
高い周波数（ｆ大）では狭い。また、焦点位置より外れ
たＺ＝Ｚ１では第２図（ｃｌに示すように焦点位置の場
合の第２図（ｂｌに比較して超音波ビーム１４の径ｄが
増加している。また、一般に同一の位置、同一の周波数
では第２図（ｄｌに示すように超音波変換器２１の有効
径りを大きくするほど超音波ビーム１４の径ｄは狭くな
る。

以上より分かるように、超音波ビーム１４の径ｄを測定
領域の…１１定立置Ｚや周波数ｆに依存せずに一定値に
するためには、超音波変換器１の有効径りを測定立置Ｚ
と周波数ｆの関数として変化させ、超音波ビーム１４径
ｄの変化を補償すれば良い。すなわち、超音波ビーム１
４の径ｄの小さい所では、超音波変換器１の有効径りを
大きく、超音波ビーム１４の径ｄの大きい所では、超音
波変換器１の有効径りを小さくすれば良い。しかし、単
一の圧電振動子からなる超音波変換器２１の有効径りを
変化させることは困難であるため、本実施例では、第１
図に示すアニユラ型の圧電振動子２．３．４を有する超
音波変換器１を使用する。

第１．第２．第３のフィルタ７．８．９は上記のように
可変周波数特性を有するので、測定度＃Ｚや周波数ｆに
対応して特性を変化させることが可能である。そこで、
あろ測定位置のある周波数の超音波ビーム１４の径ｄが
狭い時には、第１のフィルタ７０通過量を増大させ、第
３のフィルタ９０通過量を減少させることにより、有効
径の小さい第１の圧電振動子２が主体となるため、超音
波変換器１の全体の有効径りを小さくして超音波ビーム
１４の径ｄを広げる。一方、超音波ビーム１４の径が広
い時には、上記とは逆に第１のフィルタ７０通過量を減
少させ、第３のフィルタ９の通過量を増大させることに
より、超音波変換器１の全体の有効径りを大きくして超
音波ビーム１４の径ｄを狭くする。したがって、超音波
ビームＩ４の径を一定にすることができる。

、また、同一測定位置では高い周波数はど超音波ビーム
１４の径ｄは狭くなるので、高い周波数は第１のフィル
タフの通過を増大（高域通過特性）させ、第３のフィル
タ９の通過を減少（低域通過特性）させることにより、
超音波変換器ｌの実効の有効径りを高周波で小さく、低
周波で大きくすることにより、最終的な超音波ビーム１
４の径ｄを周波数ｆに依存せず、一定にすることができ
る。

以上述べたように第１．第２．第３のフィルタ７．８．
９の特性を測定度＃Ｚと周波数ｆに応じて変化させ、超
音波変換器１の有効径りを変化させることにより、実質
的に測定位置での超音波ビーム１４の径ｄを一定にする
ことができる。したがって、超音波ビーム１４の幾何学
的形状因子ｂ（ｆ、Ｚ）を一定にして、測定の誤差を減
少させることができる。

なお、第１．第２．第３のフィルタ７．８．９の具体的
な特性については、超音波変換器１が作る超音波ビーム
の形状をシミュレーション計算などで計算し、超音波ビ
ーム１４の径ｄの変化が少ない特性を算出することによ
り設定することができる。また、超音波ビーム１４の径
ｄを完全に一定にしなくても、測定誤差が必要な精度を
満たす範囲でほぼ一定化すれば良い。また、上記実施例
ではアニユラ型の圧電振動子２，３．４の３個を用いて
いるが、一般には２個以上であれば良く、多いほど複雑
になるが、超音波ビーム１４０強度分布の形状をより良
くすることができる。また、上記実施例では１つの超音
波変換器１で送波用と受波用に兼用するようにしている
が、別々の超音波変換器を使用してもよい。この時には
、切換スイッチ１２は不要となるが、第１．第２．第３
のフィルタ７．８．９は送波用と受波用の２組を必要と
する。ただし、この場合には、送波用と受波用の超音波
変換器を対向させることにより、通過波の測定が可能と
なる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第３図は本発明の第２の実施例における超音波変換装置
を示し、一部を破断した構成図である。第３図において
、１は超音波変換器であり、円板状の第１の圧電振動子
２の外周に順次径が大きくなるリング状の第２．第３の
圧電振動子３，４がアニユラ型に配置され、これら第１
．第２．第３の圧電振動子２，３．４の前面に音響整合
層５が設けられ、音響整合層５の前面に音響レンズ６が
設けられている。３１　、３２　、３３は第１．第２．
第３のデジタル信号発生機、３４　、３５　、３６は第
１．第２、第３のアンプ、３７は第１．第２．第３の信
号発生機３１　、３２　、３３と第１．第２．第３のア
ンプ３４　、３５　、３６を切換えて第１．第２．第３
の圧電振動子２，３．４に接続するスイッチ、　３８゜
３９　、４０は第１．第２．第３のアンプ３４　、３５
　。

３６に接続された第１．第２．第３のアナログ−デジタ
ル（Ａ／Ｄ）変換器、４１は第１．第２．第３のＡ／Ｄ
変換器３８　、３９　、４０が接続されたデジタル信号
処理装置である。

μ上の構成において、μ下、その動作について説明する
。

本実施例はデジタル化に対応させたものであり、原理的
な動作は上記第１の実施例と同じである。

すなわち、第１．第２．第３のデジタル信号発生機３１
　、３２　、３３は任意波形を容易に発生することがで
きるので、上記第１の実施例における第１゜第２．第３
のフィルタ７．８．９を通過した波形と同じ波形を直接
作り出し、スイッチ３７を経て第１．第２．第３の圧電
振動子２，３．４に印加し、超音波変換器１から超音波
ビームとして被検体に送波する。被検体の組織より反射
された反射超音波は逆に超音波変換器１の第１．第２．
第３の圧電振動子２，３．４により受波されて電気信号
となり、スイッチ３７、第１．第２．第３のアンプ３４
　、３５　、３６を介して第１．第２．第３のＡ／Ｄ変
換器３８　、３９　、４０に入力されてアナログ−デジ
タルに変換される。このデジタル信号はデジタル信号処
理装置４１により容易に任意のフィルタ特性を演算する
ことができるので、上記第１の実施例におけるフィルタ
７．８．９と同じフィルタの信号処理演算後に加算して
受信信号データを得ることができる。

また、上記のようにデジタル化することにより、測定位
置Ｚの変化でフィルタ特性な容易に、かつ正確に変化さ
せることができる利点がある。

なお、本実施例においても上記第１の実施例で述べたと
同様の変形例を用いることもできる。

次に上記第１．第２の実施例の超音波変換装置を用゛い
た超音波診断装置について第４図の概略ブロック図を参
照しながら説明する。

第４図において、１は超音波変換器、５１は超音波送受
装置であり、上記第１．第２の実施例で説明した超音波
変換装置における超音波変換器１を除いた部分を含んで
いる。５２はデータ処理装置、５３は表示装置、５４は
制御装置である。

超音波送受装置５１は上記のように超音波ビームの幾何
形状因子ｂ（ｆ、Ｚ）を含まない測定が可能であり、被
検体の周波数依存減衰係数β（ｆ、Ｚ）や周波数依存性
散乱係数ｎ（ｆ、Ｚ）の情報を含む測定データがデータ
処理装置５２に送られ、診断に必要なデータの形にデー
タ処理される。処理されたデータは表示装置５３に表示
される。制御装置５４は全体の動作の制御と超音波送受
装置５１のフィルタ特性等を制御する。

このように、被検体の組織性状や状態を診断情報として
利用する超音波診断装置を実現することができる。

発明の効果 μ上述べたように本発明によれば、超音波変換器の実効
径を周波数および測定位置に対応して変化させ、超音波
ビームの径を測定位置および周波数に依存せずにほぼ一
定にすることにより、超音波ビームの幾何学的形状因子
をほぼ一定圧することができるので、超音波ビームの幾
何学的形状因子の影響なく測定することが可能となり、
被測定数値の誤差が発生しないようにすることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ　、　（ｂｌは本発明の第１の実施例にお
ける超音波変換装置を示し、同図（ａｌは一部を破断し
た構成図、同図（１））はその超音波変換器の左側面図
、第２図（ａｌ〜ｆｄ）は上記第１の実施例における超
音波ビーム径と超音波変換器の関係の説明図、第３図は
本発明の第２の実施例における超音波変換装置を示し、
一部を破断した構成図、第４図は上記第１、第２の実施
例における超音波変換装置を超音波診断装置に実施した
例を示す概略ブロック図である。 １・・・超音波変換器、２・・・第１の振動子、３・・
第２の振動子、４・・・第３の振動子、７・・・第１の
フィルタ、８・・・第２のフィルタ、９・・・第３のフ
ィルタ、１０１．信号発生機、１１・・受信機、１２・
・スイッチ、３１、３２．３３・・・信号発生機、３４
．３５．３６　・アンプ、３７・スイッチ、３８．３９
．４０・・・Ａ／Ｄ変換器、４１・・・デジタル信号処
理装置、５１・・・超音波送受装置、５２・・・データ
処理装置、５３・・表示装置、　５４．制御装置。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はか１名第２
図 第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波の送波と受波を兼用する超音波変換器と、
   この超音波変換器の実効径を周波数および測定位置に対
   応して変化させる手段とを備えたことを特徴とする超音
   波変換装置。
2. （２）超音波変換器を送波用と受波用に別々に設けた請
   求項１記載の超音波変換装置。
3. （３）超音波変換器がアニュラ型の複数個の圧電振動子
   を有し、各圧電振動子を周波数特性の異なる電気信号で
   駆動することにより超音波変換器の送信の実効径を周波
   数により変化させるように構成した請求項１または２記
   載の超音波変換装置。
4. （４）超音波変換器がアニュラ型の複数個の振動子を有
   し、各圧電振動子の受波信号を周波数特性の異なるフィ
   ルタを通して合成することにより超音波変換器の受信の
   実効径を周波数により変化させるように構成した請求項
   １または２記載の超音波変換装置。
5. （５）超音波変換器がアニュラ型の複数個の振動子を有
   し、各圧電振動子の受波信号をデジタル信号に変換し、
   このデジタル信号をデジタル信号処理により等価的に周
   波数特性を変化させた後に各圧電振動子の信号を合成す
   ることにより超音波変換器の受信の実効径を周波数によ
   り変化させるように構成した請求項１または２記載の超
   音波変換装置。