JPH0254093B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 Ａ 技術分野 本発明は、超音波を物体に送信し、物体の内部
からの反射超音波を受信して、物体内部の音響特
性を定量的に測定する超音波探触子の改良に係
り、特に超音波探触子において送信時に形成され
る近距離音場に起因した受信波への悪影響がない
送信音場を被測定物体中に提供する超音波探触子
に関する。 Ｂ 先行技術とその問題点 超音波測定技術は現在、金属探傷、魚群探知、
医療診断分野等、広範囲にわたつて利用されてい
る。中でも医療用の超音波断層装置の最近の発展
は目をみはるものがある。超音波断層装置は原理
的にはパルスエコー法を用いており、生体内へ送
信された超音波パルスが生体内部の音響インピー
ダンスの異なる境界で反射する現象を利用して、
この反射波（エコー）を受信して、いわゆるＢモ
ード法による断層像を表示するものである。 従つてこのエコーには生体内部での超音波の減
衰情報、音響インピーダンス、音速等の情報が含
まれているにもかかわらず、現在、利用している
情報はエコーの振幅のみである。 具体的には、生体内の音速を一定と仮定し、生
体内の超音波伝播による減衰はいわゆるSTC回
路（Sensitivity Time Control）あるいはTGC
回路（Time Gain Control）と呼ばれる回路に
よつて任意的に補正をしたエコー振幅値で輝度変
調を行ない、ブラウン管に断層像として表示して
いるのみである。従つて得られた断層像は、生体
内部の音響インピーダンスの不連続面の２次元的
分布を定性的に画像化しているにすぎず、必然的
に生体組織の位置や形に関する形態情報が、その
利用の中心となつている。しかし生体組織の特性
である超音波の減衰情報等の測定はなされていな
いのが現状である。 生体組織の減衰情報を得ようとする試みがいく
つか報告されている（特公昭56−57820，特開昭
57−179745，特開昭57−550）。 しかしながら、これらの方法を実用化する場合
には、測定に使用する超音波探触子の送信音場の
影響を考慮に入れなければならない。すなわち、
探触子から送波形成された音場はその伝播距離と
共に変化し、例えば平面円形振動子の送信音場は
第１図Ａのように近似的に作図出来ることがよく
知られている。すなわち、平面円形探触子の開口
Ｄ（直径）と超音波の波長λとの関連によつて近
距離音場（フレネルゾーン）と遠距離音場（フラ
ウンホーフアゾーン）を形成する。第１図の音場
の中心軸上の相対強度（最大強度I₀で規格化した
相対強度Ｉ／I₀）は、第１図Ｂのように変化する
こともよく知られている（米国Academic Press
社発行のPhysical Principles of
ULTRASONIC DIAGNOSISの第54頁に記載さ
れている）。また送信音場の伝播距離による強度
パターンは第１図Ｃのように複雑に変化してい
る。従つて被測定物体からの受信信号をそのまま
使用すれば、（たとえどのような信号処理の方法
を駆使したとしても）前記した送信音場の影響を
免れないことは明らかであろう。 このような送信音場の影響を除くために超音波
探触子と被測定物体の測定領域との距離を常に一
定に保つようにして測定する方法が報告されてい
る（特開昭58−24824）。しかしこの方法は探触子
と被測定物体の間に水等の媒質を必要するいわゆ
る水浸法と呼ばれるものであり、また前記距離を
一定にするために探触子を測定領域を変える毎に
機械的に移動させる必要がある。従つて実用的観
点からは、水浸法による操作の繁雑さ、探触子移
動のための機械装置の必要性、および不必要に長
い検査時間という欠点を有している。 一方、送信音場の変化を較正（補正）するため
に基準媒体からの各伝播距離（深度）の反射受信
波を補正のための情報として予めメモリに記憶さ
せ、被測定物体からの反射受信波をその深度（距
離）に対応する前記補正情報で補正するという方
法が報告されている（特開昭58−55850）。その場
合、問題は基準媒体として何が適切かということ
である。この報告では水又は生理食塩水を基準媒
質とし、基準反射体としては球体あるいはアルミ
ニウム、プラスチツク等の略平面体でその表面が
凹凸を有するもの等を用いると便利であると記載
されているが、実際問題として具体的に何が理想
的な基準媒質であり、また基準反射体であるか明
確な答を得ることは、今のところ難かしいと思わ
れる。又実験での確認も不明確である。 基準媒質による音場の補正については、他にも
報告がある（IEEE TRANSACTIONS ON
SONICS AND ULTRASONICS第30巻第１号
（1983年１月）の第26〜36頁のMatthew
O′Donnellの「Quantitative Volume
Backscatter Imaging」）。この報告では水中の平
面板を基準媒質として使用し、各深度の後方散乱
波（受信波）のエネルギー変化と生体に近いゼラ
チンフアントムの表面付近からの受信波のエネル
ギ変化を比較し、両者が良く合致しているとして
いる。しかし正確に比較すると両者の間には違い
があり、確かに補正を施さない場合に比べて音場
の影響は少なくなるが、定量性という面ではまだ
問題を含んでいる。 以上のように探触子の送信音場の影響を除くた
めいくつかの報告があるが、実用面あるいは定量
性という面では未だ満足すべき方法は提示されて
いないのが現状である。 発明の目的 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、
探触子の送信音場に起因する受信波への影響、と
くに、近距離音場による影響を極力小さくするよ
うな超音波探触子を提供することを目的とする。 本発明によれば、超音波パルスを被測定物体に
送信し、被測定物体から反射された超音波エコー
信号を受信する超音波探触子は、電気信号と超音
波信号との相互変換を行なう電気音響変換材料を
含む第１の層と、第１の層の被測定物体に対向す
る面の側に設けられ、被測定物体の平均音速より
速い音速を有する媒質を含む第２の層とを有す
る。 第２の層は、超音波探触子から送信された超音
波の近距離音場を少なくとも含むような厚さを有
する。 前記媒質の音響インピーダンスは、第１の層の
音響インピーダンスと被測定物体の音響インピー
ダンスとの中間の値である。 第２の層は、被測定物体の側およびこれと反対
の側にそれぞれ1/4波長の音響整合層を有する。 第２の層は、被測定物体の側およびこれと反対
の側にそれぞれ音響インピーダンスがほぼ連続的
に変化する音響整合層を有する。 前記媒質は、アルミニウム、ガラス、およびジ
ユラムミンからなる群から選択された少なくとも
１つを含む。 発明の具体的説明および作用 以下本発明を実施例によつて詳細に説明する。 第２図は、本発明の原理を示す図である。よく
知られているように近距離音場限界距離は、円形
平板探触子１０の開口（直径）をＤ、被測定物体
の波長をλとすれば、近似的にD²/4λで求められ
る。その様子を第２図Ａに示す。一例としていま
Ｄ＝10mmで共振周波数＝3MHzの探触子で人体
１を被測定物体とする場合を考える。人体の平均
音速をC₀＝1500m／ｓとすれば、波長はλ＝C₀／
＝0.5mmとなり、従つてD²／4λ₀＝50mmとなる。
つまり人体１の表面から50mm程度までは近距離音
場となり、50mm以降は遠距離音場となる。開口Ｄ
が大きい程、近距離音場の範囲は拡大する。また
周波数が高い程、すなわち波長λが短い程、同
じく近距離音場の範囲は拡大し、人体１のより深
い距離ｘまで近距離音場が形成されることにな
る。この関係を詳しく解析したのが第３図のグラ
フである。 現在、人体に対して使用されている超音波診断
装置の探触子の開口は10〜20mm、周波数は２〜
5MHzがその中心である。腹部を対象として考え
ると、生体表面からの診断距離は160〜200mmの深
度まで必要となつている。従つてこの条件では殆
ど近距離音場しか使用していないことが第３図よ
り明らかである。 複雑な音場パターンを有する近距離音場の範囲
を生体中で縮少するためには、D²／4λを小さく
することが必要である。例えば、D²／4λを20mm
以下とするためには、第３図より開口Ｄを６mm以
下とすればよい。しかし第４図からわかるよう
に、開口が小さくなると、遠距離音場での近似的
なビーム幅2xλ／Ｄが大きくなり、方位分解能が
劣化するという問題が生じてくる。 つまり、近距離音場限界距離D²／4λを小さく
するためには、開口Ｄを小さくしλを長くすれば
よいが、一方遠距離音場でのビーム幅２・（λ／
Ｄ）・Ｘを小さくするためには開口Ｄを大きくし
λを短くすればよいことが理解出来る。結局この
２つの要件は互いに矛盾した関係となつている。 この矛盾を解決するための方法を第２図Ｂを参
照して説明する。生体１と探触子１０の間に生体
の平均音速C₀より速い音速Ｃを有する媒質２０
を設定する。仮にＣ＝ｍ・C₀（ｍ＞１）の関係に
あるとする。いまｍ＝２を例として考えると、近
距離音場限界距離D²／4λは、λ＝Ｃ／＝２・
λ₀となるので、生体１に比べてこの距離は1/2に
短縮される。前記の例で50mmが25mmになるという
わけである。従つて媒質２０の厚さをこの距離よ
り少し長くしておけば、生体１の表面近傍から遠
距離音場を形成することができる。 従つて生体の平均音速C₀に比べて速い音速Ｃ
を有する媒質２０を探触子１０と生体１との中間
に音響的に接続することで、近距離音場限界距離
を短縮することが出来、遠距離音場を実質的に被
測定物体である生体１の中に形成することが出来
るわけである。 次に第５図の実施例について詳細な説明を行
う。第５図は、既に説明した原理に基づいて構成
された超音波探触子３０を示す断面図である。超
音波振動子１０は、よく知られたセラミツク系の
PZT等の圧電材料であり、その後方に音響バツ
キング材２が固着されている。またその前方に
は、生体１よりも音速の速い近距離音場圧縮用の
媒質２０が設けられ、その両主面には各各媒質２
０および生体１に対する音響整合層４および６が
形成されている。 介挿媒質２０に必要な条件は、(1)音速Ｃが被測
定物体１の平均音速C₀よりも充分に速いこと、
(2)超音波の減衰が小さいこと、(3)音響インピーダ
ンスが振動子１０と被測定物体１のほぼ中間であ
ること、(4)なるべく密度が小さいこと、等であ
る。これらの条件を満足する材質としては、アル
ミニウム、ガラス、ジユラルミン等があり、それ
らの特性を下記の表に示す。

【表】 これらの材料のうちアルミニウムは好ましい例
である。アルミニウムの音速は6420m／ｓで生体
の平均音速1500m／ｓに比べて約4.3倍である。
振動子１０が全体として円形平板である場合、そ
の直径（開口）Ｄ＝13mm，周波数＝3MHzとす
ると、従来の探触子では近距離音場限界距離は
84.5mmであるが、本発明の原理に従つて構成した
探触子３０の場合、媒質２０の厚みをこの値の
4.3分の１以上、すなわち約20mm以上にすれば、
生体１の表面より深部には、実質的に遠距離音場
が形成されることになる。 さて音響整合層４および６は探触子３０全体の
感度向上、応答性の改良のために用いられる、い
わゆる1/4波長整合層である。 振動子１０の音響インピーダンスを約30×10⁵
（ｇ／cm²・ｓ）とすると、媒質２０がアルミニウ
ムの場合、その音響インピーダンスは17.3×10⁵
であるので、音響整合層４の音響インピーダンス
は19〜22が好ましい。又、音響整合層６の音響イ
ンピーダンスは生体１のそれを1.5×10⁵とすると
４〜６にすることが好ましい。 これらの音響インピーダンスの値は、日本超音
波医学会第41回講演論文集第89頁の41−PC−９
「２重整合層型超音波プローブ特性の検討」に記
載されている方法で、容易に算出することが可能
である。更に、好ましくは、媒質２０の２つの境
界４５および５６での多重反射を極力少なくする
ために、音響整合層４および６を各々音響インピ
ーダンスが30〜17.3および17.3〜1.5までｘ方向に
ほぼ連続的に変化するように形成する。整合層４
および６は特開始54−21082にも記載してあるよ
うな方法、すなわち、エポキシにタングステン粉
を混入する方法で、製作することが可能である。
振動子が高分子系（PVDF・ポリフツ化ビニルデ
ン等）あるいは高分子系と無機物の複合物のよう
に音響インピーダンスの低い場合にも、このよう
に連続的に音響インピーダンスの変化する整合層
が有効である。 次に第６Ａ図および第６Ｂ図の実施例について
詳細な説明を行う。第６Ｂ図は第５図に示した超
音波探触子３０を使用した場合の超音波測定装置
の実施例を示す。点線枠内２００（データ補正
部）を除いては従来のパルスエコー法によるＢモ
ード装置の構成と同様である。第６Ａ図は、従来
のパルスエコー法によるＢモード装置の構成であ
り、概略の動作は以下の通りである。 被検体１に設定する探触子３０は、走査部４０
によつてその表面上を方位方向に垂直に走査され
る。探触子３０には、図示のように送信回路２２
および受信回路５０が接続され、前者はコントロ
ール回路１４０の制御の下に探触子３０を介して
超音波を送信し、後者は被検体１の内部から反射
したエコーを受信する。 受信したエコー信号は、対数増幅器６０によつ
て対数増幅され、STC回路７０によつて、いわ
ゆるSTC補正を受ける。これは、検波回路８０
によつて検波され、デイジタル信号に変換されて
メモリ９０に蓄積される。メモリ９０に蓄積され
たエコーデータは、たとえばCRTなどを有する
表示部１３０に、いわゆるＢモードエコー像とし
て表示される。 第６Ｂ図ではデータ補正部２００は、補正演算
を行なう補正回路１００と、補正データをあらか
じめ格納しておく補正データ用メモリ１１０と、
被検体１の音響特性を算出する演算を行なう演算
回路１２０とからなる。このデータ補正部２００
は、介挿媒質２０の境界４５および５６によつて
超音波が多重反射することによる受信信号への影
響を除去する補正を行なう。以下、これについて
詳述する。 既に、第５図の探触子３０の実施例で説明した
ように、近距離音場圧縮用の媒質２０の境界４５
および５６での反射波を極力小さくするために、
音響整合層４および６を設けた。しかしながら、
境界４５および５６での反射波がわずかでも残つ
ていると、被測定物体１からの測定すべきエコー
信号に不要な多重反射波として混入する恐れがあ
る。第７図にはこの境界での多重反射の様子を概
念的に示している。参照符号１０００，２００
０，３０００および４０００がこれらの多重反射
波の例である。これらエコー信号と多重反射波と
の関係を第８図に示す。 第８図Ａの５００は送信回路２２から探触子３
０に印加される駆動波形である。第８図Ｂには前
記の理由で発生した多重反射波１０００，２００
０，３０００および４０００が示されている。多
重反射の性格上、各々の波の間隔はすべて等間隔
となつている。第８図Ｃは被測定物体１からのエ
コー信号列を示したもので、振動子１０と被測定
物体１の間の媒質２０および音響整合層４，６を
往復伝播する時間だけ、駆動時刻５１０に対して
遅れた時刻５２０よりエコー信号列が振動子１０
に受波され始める。従つて測定対象のエコー信号
に不要な多重反射波として混入するものは、第２
反射波２０００以降の反射波となるわけである。 これらの反射波は、第９図に示した方法で予め
測定しておくことが出来る。すなわち第９図Ａに
示したような無響槽４００に第６Ａ図または第６
Ｂ図の装置の探触子３０を音響的に接続する。こ
の場合媒質３００は被測定物体１と音響インピー
ダンスの実質的に同じ物質、例えば被測定物体１
が人体の場合脱気水あるいは生理食塩水が適切で
ある。この槽４００へ送信された超音波は再び探
触子３０へ戻つてこないよう、槽４００の内面に
はすべて凹凸の吸収体４０２が設けてある。 また、第９図Ｂのように人体と同じ音響インピ
ーダンスをもつシリコーン・ゴム等の減衰媒質６
００に探触子３０を音響的に接続し、シリコー
ン・ゴム６００の底面６１０からの反射波が再び
探触子３０へ戻つて来ないようにシリコーン・ゴ
ム６００の厚さを充分に厚くし、この底面反射波
を充分に減衰するか、あるいは底面６１０を第９
図Ａの吸収体４０２のような形状にしておいても
よい。このような条件の元で前記反射波を測定
し、これらの信号をすべて第６Ｂ図の補正データ
用メモリ１１０に記憶させる。 第６Ｂ図の補正回路１００では、受信回路５０
の出力信号からメモリ１１０に予め記憶させられ
ている不要な反射波信号を差し引き対数増巾回路
６０へ入力することで、多重反射波１０００など
の混入を除去することが出来る。 以上のように、近距離音場を圧縮した探触子３
０を使用することで、被測定物体１に実質的に遠
距離音場を形成することが出来る。遠距離音場は
よく知られているように球面波を形成し、近距離
音場のように複雑な干渉による音場を形成するこ
とがない。よつて特開昭58−55850で報告されて
いるような基準媒体により送信音場を補正（較
正）する方法等を使用した場合にも、較正の精度
は従来に比べて向上されるものと推測される。こ
の較正は、第６Ｂ図の較正データ用メモリ１１０
からの入力によつて補正回路１００で実行され
る。演算回路１２０では、被測定物体１の音響特
性（例えば減衰係数）を測定するための演算が行
われる。なおエコー信号が境界４５または５６で
多重反射することもありうるが、これは無視出来
る程小さなものと考える。 発明の具体的効果 以上のように、本発明によれば超音波探触子か
ら送信される近距離音場を圧縮し、被測定物体中
に方位分解能を劣化させることなく、実質的に遠
距離音場を形成させることが出来る。従つて探触
子の送信音場、とくに複雑な音場特性を有する近
距離音場による受信波への悪影響を除去すること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、本発明の原理を説明す
るための説明図、第５図は本発明の原理に従つて
実現された超音波探触子の実施例を示す断面図、
第６Ａ図および第６Ｂ図は、第５図に示す超音波
探触子を使用した超音波測定装置の実施例を示す
ブロツク図、第７図ないし第９図は、第５図に示
す超音波探触子において生ずる多重反射の影響の
除去を説明するための説明である。 主要部分の符号の説明 ４，６……音響整合
層、１０……超音波振動子、２０……介挿媒質、
３０……超音波探触子、９０……メモリ、１００
……補正回路、１１０……補正データ用メモリ、
１２０……演算回路、１３０……表示部、１４０
……コントロール回路、２００……データ補正
部、４００……無響槽、６００……減衰媒質。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波パルスを被測定物体に送信し、該被測
   定物体から反射された超音波エコー信号を受信す
   る超音波探触子において、該超音波探触子は、 電気信号と超音波信号との相互変換を行なう電
   気音響変換材料を含む第１の層と、 第１の層の前記被測定物体に対向する面の側に
   設けられ、該被測定物体の平均音速より速い音速
   を有する媒質を含む第２の層とを有し、 該第２の層は、該超音波探触子から送信された
   超音波の近距離音場を少なくとも含むような厚さ
   を有すると共に、該第２の層には、前記被測定物
   体の側およびこれと反対の側にそれぞれ1/4波長
   の音響整合層が形成されていることを特徴とする
   超音波探触子。 ２ 前記第２の層は、前記被測定物体の側および
   これと反対の側にそれぞれ音響インピーダンスが
   ほぼ連続的に変化する音響整合層を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波探
   触子。 ３ 前記媒質がアルミニウム、ガラス、およびジ
   ユラルミンからなる群から選択された少なくとも
   １つを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の超音波探触子。