JPH03176039A - 超音波診断装置の超音波探触子 - 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〕 この発明は、電気的にｍｓすることにより超音波を収束
し、走査し、被検体としての人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論断ｖｔ
直の超音波探触子に関する。

〔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７図に
示す、この図において、ＩＡは超音波診断装置の全体を
ｖｌｉ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１ングパルス３
０１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逅ングバルス群３
０２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、Ｃ１＾のｇＩｌ
ｌＩＩ信号３０１＾により制御される。遅延送信タイ逅
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Ｉ！＋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個の素子のブロック中のどのブロックに加え
るかについて、Ｄ、Ｓ、ＣＩＡ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、および選択器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１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、Ｃ１＾の制御
信号３０１０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、ＳＮ比が高く中心周波数が可変なバ
ンドパスフィルタ９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ＳＮ比ガ高められ、最適周波数成分が取
り出された周波数弁別済の超音波受信信号３０８は、タ
イムゲインコントロール（以下？、Ｇ、Ｃと略称する）
回路ＩＯ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０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０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。

さらに、超音波診断装置の走査方式の一つである電子リ
ニア弐の場合について詳しく説明する。

第８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Ｏ〜■、■″〜■
“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Ｉに応じて
最適の方式が採用できるように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９図に第７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、超音波探触子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−０，５ｄＢ／ＭＨｚ
／ａｍ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９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
深くなるの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
音波探触子を容易しておいて最適のものを選択して使用
する。

第１０図は第７図のＴ、Ｇ、Ｃ回路１０ニおける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、Ｇ、Ｃ回路１ｏ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０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以降の深い深度ではゲイ
ンをゆるやかに補正して、第１０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。

ところで、超音波探触子の公称周波数が高くなるにつれ
、超音波振動子の面積が小さくなり、探触子としての感
度が低下する。また、被検体の減衰量は周波数が高いほ
ど大きいので、高周波の超音波探触子では表示深度が浅
くなってしまうという欠点がある。

このような欠点を解消するために、第１１図に示すよう
に、同調用のインダクタ２ｏを超音波振動子１５に並列
に接続することによって、超音波振動子１５と同調用の
インダクタ２０とで共振回路を形威し、超音波探触子と
しての感度を向上させる方法がとられる。しかし、この
方法では共振回路のＱが非常に大きくなり、感度は向上
するが分解能は低下するという欠点が生じる。この問題
を解決するために、第１２図に示すように、ダンピング
抵抗２１を同調用のインダクタ２０に直列に接続するこ
とによって、共振回路のＱを下げ、感度はある程度しか
向上しない替わりに分解能の低下を極力抑制することが
できる。

第１３図は共振回路を付加された超音波探触子の周波数
特性を示すグラフである。この図において、−点鎖線は
超音波振動子だけ、鎖線は第１１図、実線は第１２図の
それぞれの場合の周波数特性を示す。

第１４図はそれぞれの場合の受信波の実時間波形である
。この図において、（ａｔは第１１図の固定抵抗が無い
超音波探触子５の場合、（ｂｌは第１２図の固定抵抗２
１のある超音波探触子５１の場合、（Ｃ１は超音波振動
子だけの場合である。これらの図に示す波形の中で、波
数が最も少ない波形が分解能が最も良い、要す・るにＱ
が低い程感度が低くなるが、尾引き波数の少ない受信波
が得られるので分解能は良い、第１２図は感度向上と尾
引きの低減との折中的な共振系となっているのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、高周波の超音波探触子において、超音波
振動子のキャパシタンスに共振するインダクタを並列に
設けて共振回路を形成する方法は、感度は向上するが分
解能が低下するという相反する事項があるために、感度
を充分に上げることができないという問題がある。さら
に、深度の浅い領域では受信波の強度が大きいので超音
波振動子の周波数帯域および感度で充分であり、深度の
深いところでは被検体内での減衰のために受信波の強度
が小さいことから分解能を若干犠牲にし又も感度を向上
させる必要があるが、このような表示深度に応じた感度
の制御は不可能である。そのため、表示深度の深い領域
の感度を向上させるために、浅い深度での分解能が低下
してしまうという問題がある。

この発明は、表示深度が深い領域では分解能をある程度
犠牲にしても超音波探触子の感度を向上させ、浅い領域
では超音波探触子の感度を制御して高い分解能を維持す
ることにより全深度領域で最適の特性を得ることのでき
る超音波診断装置の超音波探触子を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するためにこの発明によれば、超音波の
反射を利用して被検体の断層像を可視化する超音波診断
装置であって、被検体に接触させて超音波を被検体内に
送信するとともに、被検体から反射した超音波を受信す
る超音波振動子とこの超音波振動子に並列に接続されて
超音波振動子のキャパシタンスと並列共振回路を形成す
るインダクタンスを有するインダクタとを備えた超音波
探触子において、電圧または電流のバイアス値に。

よって抵抗値が変わる可変減衰素子と、この可変減衰素
子のバイアス値を前記超音波診断装置からの制御信号に
よって１ｉｌＩｍし出力するバイアス値制御回路とを備
え、前記可変減衰素子を前記インダクタに直列接続また
は並列接続してなるものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、電圧または電流のバイアス値
によって抵抗値が変わる可変減衰素子をインダクタに直
列または並列に接続すると、超音波振動子のキャパシタ
ンスとインダクタのインダクタンスとからなる並列共振
回路の共振のせん鋭度Ｑを可変にすることができる。Ｑ
を大きくすると超音波振動子の感度は上がる代わりに分
解能は低下し、逆にＱを小さくすると感度は低くなる代
わりに分解能が高くなるという特性がある。したがって
、受信波の強度が大きくて超音波振動子の感度を上げる
必要のない浅い領域の反射波を受信するときにはＱを小
さく、受信波の強度が小さい深いｊｌ域の反射波を受信
するときにはＱを大きくして分解能を犠牲にしても感度
を上げるというように、深度に応じてＱを変えることに
よって全深度範囲に対して最適の画像品質を得ることが
できる。深度に応じて可変減衰素子の抵抗値を変えるた
めに超音波診断装置本体からの制御信号によって可変減
衰素子のバイアス値を制御することによ、−２で行うこ
とができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例を示す回路図である。この図において、
超音波振動子】５にインダクタ２０とＰＩＮダイオード
２３および高周波通過用のコンデンサ３０とが直列に接
続されこれにバイアスを流割御回路３を結合する。この
ＰＩＮダイオード２３は通過電流値によって抵抗値が変
化する特性を有するもので、その特性を第２図に示す。

第２図では、パラメータがｆ・〜０゜２〜Ｉ　ＧＨｚと
なっているが、超音波診断装置での使用周波数は１〜１
０ＭＨｚなので、第２図の直線性はさらに向上される。

さらに、第３図のバイアス抵抗２２およびバイアス電流
制御回路３でＰＩＮダイオード２３に流入する直流電流
をｍｓする、また、コンデンサ３０のキャパシタンスＣ
３は超音波振動子１５のクランプ容量Ｃ４と比べて充分
に大きい４ｆ１．　（Ｃｚ　＞　Ｃ，ｉ　＞とし、実質
的に高周波で低抵抗としている。したがって、Ｃｔと０
４の直列容量Ｃ７はＣ４に等しいとしてよい。

以上のことから、超音波振動子１５からの高周波電流は
インダクタ２０、ＰＩＮダイオード２３および高周波通
過用コンデンサ３０を通過する共振回路が構成される。

また、直流電流が＋１２Ｖの電源よりバイアス抵抗２２
、インダクタンス２０、トランジスタ３３、電流検出抵
抗３４を通過して一５Ｖの電源に流れ込む、Ｉ’ｌＮダ
イオード２３には高周波電流ＩＡＣと直流電流Ｉｎｃと
が流れるが、ＩＡＣ＜Ｉ。、の条件で使用すると、ＰＩ
Ｎダイオード２３の抵抗値は直流電流１１１Ｃによって
主体的に決定される。したがって、直流電流１１Ｃの値
によって共振系のせん脱皮Ｑおよび帯域を可変にできる
。せん脱皮Ｑは次式で与えられる。

Ｑ調ｔ、／（Ｒｃａ）　　・・・−・・　　　（１）こ
こで、 Ｌ、インダクタ２０のインダクタンス Ｃａｔ超音波振動子１５のクランプ容量Ｒ，ＰＩＮダイ
オードの抵抗値 第３図は、この共振系の周波数帯域の様子を示すもので
、深度の浅い領域では、！９、を１０μＡとしてＲを１
１０以上にして一点饋線のカーブのようにせん脱皮Ｑを
低くし、中間領域では、ＩＤＣを８００　μＡとして、
Ｒを３０Ω程度としてｔｌ線カーブのようにＱを若干高
くし、深部領域では、■。。を１０＋＊＾としてＲを３
Ω程度として実線カーブのようにＱを高くする。したが
って、深い領域はど感度が向上し周波数帯域が狭くなる
。これは第１５図に示す各深度からの受信波のスペクト
ラム特性に良く合致している。要するに、浅部からの受
信エコーは広帯域であるが、深部では被検体内での音波
の減衰（０，５ｄＢ／Ｍ＋Ｉｚ／ｃｍ　）の影響を受け
、周波数の高い領域が減衰し、低い周波数帯のみになり
周波数帯域が狭くなる。したがって、この発明による同
調回路は各深度からの受信エコーの周波数特性にほぼ合
致させた周波数特性を有し、ＳＮ比良く受信波を後段の
前置増幅器に伝送することができる。

一方、バイアス電流制御回路３は、Ｄ、Ｓ、Ｃ１からの
バイアス電流制ｍ信号をＤ−Ａ変換器２８が変換したバ
イアス電圧ｖＤＣをＲ８の両端で常に保つフィードバッ
ク回路である。すなわち、Ｄ−Ａ変換器２８よりＶ、。

が設定されると、可変抵抗器への直流電流１ｏｃ＝Ｖｏ
ｃ／Ｒｘを常に流す回路である。

Ｄ、Ｓ、Ｃ１は、音波の出射からの時間に対応して、Ｖ
ＩＩＣの値を連続的に変化させる。

第４図はこの発明の他の実施例を示す回路図でり２０と
超音波振動子１５とに並列接続され、並列共振回路が構
成される。このときの共振のせん脱皮Ｑは次式で与えら
れる。

Ｑ＝ＲＣａ／Ｌ　　　　　　（２１ 次に、バイアス電圧によって抵抗値が可変の可変減衰素
子としてＦＥ７３６を用いた実施例についによって第６
図に示すようなりＤい　■。の関係を表したカーブの直
線領域の傾斜度が変化するのを利用する９例えば、ＶＧ
ｓ”２０ＶのときＲＤｓ　”　０．２Ω、Ｖｃｓ−８Ｖ
（７）ときＲｎ５−０．６Ω、Ｖ＊５＝４ＶのときＲｏ
ｓ−２００Ωとなる。このＦＥＴ３６からなる可変減衰
素子とインダクタ２０、超音波振動子１５の並列共振回
路を形成している。ＦＥＴ３６を使用する場合でもＦＥ
Ｔ３６インダクタ２０に並列に接続する構成としてもよ
い。

前述のように、バイアス電流または電圧によって抵抗値
が変化するＰＩＮダイオード２３やＦＥＴ３６などの可
変減衰素子の抵抗値を数Ω〜数にΩに変化させることに
よって、共振系のせん脱皮Ｑを２ないし４０に変化させ
ることができる。表示領域の浅い深度では共振系のＱを
２〜４に、中程度の深度ではＱを５〜１０に、深い深度
ではＱを１１〜４０に設定することによって、表示深度
の浅い部位では解像度を優先し、中程度の部位では解像
度と感度との折り合いをつけ、深い部位では感度を優先
させることによって、従来の超音波診断装置では３．５
ＭＨｚの超音波探触子で表示深度は２２０ｆｉであった
が、この発明によって２８０〜３００　ｗｓ程度まで表
示深度の浅い部位の分解能を損なわずに表示深度を拡大
することができる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、バイアス電流によって抵抗値
の変わるＰＩＮダイオード、またはバイアス電圧によっ
て抵抗値の変わるＦＥＴなどのバイアス値によって抵抗
値の制御が可能な可変減衰素子をインダクタに直列また
は並列に接続すると、超音波振動子とインダクタとから
なる並列共振回路の共振のせん脱皮Ｑを２〜４０の範囲
に変化させることができる。超音波振動子の感度を上げ
る必要のない浅い領域の反射波を受信するときにはＱを
小さくして高分解能を維持し、受信波の強度が小さい深
い領域の反射波を受信するときにはＱを大きくして分解
能を犠牲にしても感度を上げるというように、深度に応
じてＱを変えることによって全深度範囲に対して最適の
画像品質を得ることができる。

従来の超音波振動子では、３．５ＭＨｚの超音波探触子
での表示深度は２２０鶴が限度であったのに対して、こ
の発明を適用してＱの値を浅い深度では２〜４に、中程
度の深度では５〜ｌＯに、深い深度では１１〜４０にそ
れぞれ設定されるように制御することによって、表示深
度の浅い部位の分解能を損なわずに、２８０〜３００ｆ
ｉまで表示深度を拡大することができるという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１ＴｙＪはこの発明の実施例を示す超音波診断装置の
超音波探触子の回路図、第２図はＰＩＮダイオードの特
性を示すグラフ、第３図は第１図における超音波探触子
の感度の周波数特性を示すグラフ、第４図はこの発明の
別の実施例を示す超音波診断装置の超音波探触子の回路
図、第５図はこの発明のもう一つ別の実施例を示す超音
波診断装置の超音波探触子の回路図、第６図はＦＥＴの
電圧・電流特性を示すグラフ、第７図は超音波診断装置
の一般的なブロック図、第８図は超音波アレイ探触子の
動作説明のための説明図、第９図は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１０図は
Ｔ、Ｇ、Ｃカーブの特性を示すグラフ、第１１図は従来
の超音波探触子の回路図、第１２図は従来の超音波探触
子の別の例の回路図、第１３図は従来の共振回路を付加
された超音波探触子の感度の周波数特性を示すグラフ、
第１４図は受信波の波形図、第１５図は受信波強度の周
波数特性を示すグラフである。 １、ＩＡ：　Ｄ、Ｓ、Ｃ１４：送信機、６：前置増幅器
、２８＋Ｄ−Ａ変換器、１５：超音波振動子、２０フイ
ンダクタ、２２：バイアス抵抗、２３：ＰＩＮダイオー
ド　（可変減衰素子）　、３．３Ａ、　３Ｂ：バイアス
値制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）超音波の反射を利用して被検体の断層像を可視化す
   る超音波診断装置であって、被検体に接触させて超音波
   を被検体内に送信するとともに、被検体から反射した超
   音波を受信する超音波振動子とこの超音波振動子に並列
   に接続されて超音波振動子のキャパシタンスと並列共振
   回路を形成するインダクタンスを有するインダクタとを
   備えた超音波探触子において、 電圧または電流のバイアス値によって抵抗値が変わる可
   変減衰素子と、この可変減衰素子のバイアス値を前記超
   音波診断装置からの制御信号によって制御し出力するバ
   イアス値制御回路とを備え、前記可変減衰素子を前記イ
   ンダクタに直列接続または並列接続してなることを特徴
   とする超音波診断装置の超音波探触子。