JPH0365719B2 - - Google Patents

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JPH0365719B2
JPH0365719B2 JP58173318A JP17331883A JPH0365719B2 JP H0365719 B2 JPH0365719 B2 JP H0365719B2 JP 58173318 A JP58173318 A JP 58173318A JP 17331883 A JP17331883 A JP 17331883A JP H0365719 B2 JPH0365719 B2 JP H0365719B2
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0648—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of rectangular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電材料製の本体を具え、該本体が
その表面にほぼ垂直な方向に分極され、この分極
の度合が前記表面上の中心線、又は中心点からの
距離の関数として減少するアポダイズした超音波
トランスジユーサに関するものである。
超音波エコーは、人体内の組織を映像化するの
によく知られた一般的なものである。超音波エネ
ルギーを体内に発射させるために１つ以上の超音
波トランスジユーサが利用される。このエネルギ
ーは、体内の器管の境界及び他の組織に関連する
インピーダンスの不連続部分により反射される。
この反射によるエコーは、１つ以上の超音波トラ
ンスジユーサで検出され、この場合のトランスジ
ユーサはエネルギーを伝送するために用いたトラ
ンスジユーサと同じものとすることができる。検
出されたエコー信号は、周知の技法を用いて人体
組織の映像をつくるべく処理される。
放出超音波ビームのビーム圧は、得られる映像
のグレーレベル分布に関連する。トランスジユー
サにより放出される超音波ビームの横断面は、そ
のビームの放射指向関数により規定され、この関
数はトランスジユーサからのいずれの距離であつ
ても、ビーム軸に対する横方向の距離の関数と同
様にピーク圧の変化量として決定される。トラン
スジユーサの指向関数は、人為構造（アーチフア
クト）に対するトランスジユーサの解像度並びに
その感度を特徴付けるのに用いられる。ビームの
主ローブの幅は、トランスジユーサの空間解像度
の目安となり、しかもこれは指向関数の半値幅
（FWHM）により特徴付けられる。軸外れ（off
−axis）放射ビームの強度は、人為構造に対する
トランスジユーサの感度の目安となる。−25dBで
の放射指向関数の幅（FW25として示す）は、医
学用超音波結像装置におけるトランスジユーサの
軸外れビーム強度特性のよい目安となる。それ
は、単一の散乱映像の幅を示す。
トランスジユーサの指向関数は、そのアパーチ
ユア関数（これは、トランスジユーサのアパーチ
ユアを横切るエネルギーの幾何学的な分布であ
る）に関するものである。従来、狭帯域の装置で
は、遠視界の指向関数がアパーチユア関数をフー
リエ変換したものに相当すると認められている。
この関数は、レーダやソナー装置におけるビーム
整形用に適用されている。しかしこの関数は、短
いパルス、従つて幅広い周波数スペクトルを利用
すると共に通常トランスジユーサの近視界で作動
する医学用超音波装置においては成立しない。こ
れがため、医学用超音波の用途には、トランスジ
ユーサの指向関数をトランスジユーサの幾何学的
構造及びアパーチユア関数の各組合せに対して厳
密に計算し、測定しなければならない。トランス
ジユーサの指向関数は、例えばオーバーヘツテイ
ンゲル（Cberhettinger）によるOn Transient
Solutions of the “Beffled Piston”Problem
（J.of Res.Nat.Bur.Standards−Ｂ 65 Ｂ（1961）
１−６）及びスパニツシエン（Stepanishen）に
よるTransient Radiation from Pistons in an
Infinite Planar Baffle（J.Acoust.Soc.Am.49
（1971）1629−1638）に発表された方法を用いて
デイジタルコンピユータで計算することができ
る。これにはトランスジユーサの速度インパルス
応答に電気的励振とトランスジユーサの放射イン
パルス応答との畳込み（コンボルーシヨン）を適
用する。
トランスジユーサはアポダイズすることができ
る。すなわちその軸外れ放射の強度特性は、トラ
ンスジユーサに供給されるエネルギー分布を所望
なアパーチユア関数に整形することにより改善す
ることができる。単一のデイスク状圧電トランス
ジユーサの場合、このような改善は例えばマーチ
ン（Martin）及びブリージール（Breazeale）に
よるＡ simple Way to Eliminate Difraction
Lobes Emitted by Ultrasonic Transducers（J.
Acoust.Soc.Am.49ナンバー５（1971）1668，
1669）に記載されているように、デイスクの両側
に種々の形状の電極を用いて印加電界を整形する
ことによるか、又は隣接するトランスジユーサ素
子のアレイへの電気的励振レベルを種々に変える
ことにより達成している。しかし、マーチンとブ
リージールの方法はアパーチユア関数の数に限度
があり、別々の表面電極を用いることによりトラ
ンスジユーサの構造及びスイツチング回路が複雑
となる。
他の方法によれば、圧電超音波トランスジユー
サは、圧電物質の分極をトランスジユーサの活性
面上の位置の関数として変化させることによりア
ポダイズすることができる。トランスジユーサ素
子は、例えば、トランスジユーサの活性面の中心
線か、中心点からの距離の関数として分極度を減
少させることによりアポダイズすることができ
る。このようなトランスジユーサは、例えば米国
特許明細書第2928068号に開示されているように、
トランスジユーサの表面に一時的な電極パターン
を設けて、多数の下側領域の分極電圧を種々の値
とすることにより製造することができる。下側領
域の分極は、電極に一定電圧をその印加時間を変
えて供給することにより変えることができる。米
国特許第2956184号明細書によると、トランスジ
ユーサの或る個所における分極分布を滑らかにす
るために、適当な電気特性を呈する特定形状の物
体を適用してトランスジユーサの表面に分極電圧
を直列に印加することもできる。
本発明の目的は特定形状の物体や、一時的な電
極を使用しないで、アポダイゼイシヨンを達成す
る前述した種類のトランスジユーサを提供するこ
とにある。
本発明によるトランスジユーサは、前記本体が
圧電セラミツク製のほぼ平行な棒から成るマトリ
ツクスを具え、これらの棒を電気的に不活性なバ
インダ内に埋込むと共に、該バインダにより互い
に隔離させ、且つ長さ方向に対し平行な方向に分
極するようにしたことを特徴とする。
本発明によるトランスジユーサでは個々の圧電
セラミツク棒に異なる電圧、又は印加時間を相違
させて別々に接触させ、分極することにより分極
分布を達成することができる。圧電セラミツク棒
の組成は、分極分布を達成するために、トランス
ジユーサ内でそれらの棒の位置の関数として変え
ることができる。同様に、個々の圧電棒の直径
は、正味の分極分布を達成するために、トランス
ジユーサ素子の位置の関数として変えることもで
きる。圧電体を複合構造とすることによつて、ト
ランスジユーサの表面上の隣接領域間の結合が減
少し、アポダイズしたトランスジユーサの剪断波
の形成傾向が減少する。
本発明の好適例では、均一の電気的励振に対す
るトランスジユーサの活性面の音響応答が中心
点、又は中心線からの距離の増加に伴つてガウス
関数として減少し、且つ圧電体の活性面の縁部に
おける応答が中心点又は中心線での応答の約30％
となる（これは30％ガウスアポダイゼーシヨンと
称される）ようにする。
以下図面を参照して本発明を実施例につき説明
する。
医学用に超音波を応用したトランスジユーサ
は、圧電セラミツク材料製のプレートで構成する
のが一般的である。このプレートには単一のトラ
ンスジユーサ素子を設けるか、又は個々のトラン
スジユーサ素子及びトランスジユーサ素子の複数
グループに別々の電気信号を与えることのできる
電極構造と一緒に、基本的な複数トランスジユー
サのアレイを設けることもできる。音響エネルギ
ーは主としてトランスジユーサにより前記プレー
トの活性面から音響軸に沿つて放射され、かつこ
のトランスジユーサで受け取られる。単一のトラ
ンスジユーサ素子の音響軸は通常活性面の中心を
通り、しかもその面に対してほぼ垂直である。ト
ランスジユーサ素子アレイの音響軸をプレートの
活性面に対して種々の角度とし、しかもその音響
軸を電気的に操れるようにする信号整相技術は既
知である。音響軸と活性面との交点の位置は、ア
レイのトランスジユーサ素子を切換え自在に接続
したり、切つたりすることにより変位させること
もできる。
本明細書にて用いる「位相調整アレイ」
（phased array）トランスジユーサとは、音響軸
とプレート面との角度を約90゜以外の値とすると
ができるも、音響軸とプレート面との交点を一定
に維持するように構成され、作動するトランスジ
ユーサのことであり、「ステツプド・アレイ」
（stepped array）トランスジユーサとは、音響
軸と活性面との交点を変位させることのできるよ
うに構成され、作動するトランスジユーサのこと
であり、また「リニヤ・ステツプド・アレイ」
（linear stepped array）トランスジユーサとは、
音響軸との交点を活性面上にて中心線に沿つての
み変位させるように構成され、作動するトランス
ジユーサのことである。
圧電物質はプレートの活性面に対してほぼ垂直
な方向に分極される。プレートを弯曲させて、活
性面から音響軸に沿う選定距離の個所にビームを
機械的に集束させることができる。活性面の各素
子領域は、適当な信号遅延で別々に励振させて、
放射ビームが音響軸上の選択焦点距離の所で積極
的に干渉するようにする。しかし、トランスジユ
ーサは、主としてトランスジユーサのアパーチユ
ア関数によつて決まる幾何学上の軸外れの放射も
発生する。
トランスジユーサのアパーチユアをアポダイズ
すれば、トランスジユーサの軸外れ放射を低減さ
せることができ、即ちトランスジユーサの励振が
音響軸からの距離の関数として低減されることは
既知である。アポダイゼイシヨンは、軸外れ放射
の指向性を改善するも、空間分解能を低下させる
ことにもなる。従つて、適当にアポダイズしたト
ランスジユーサは、アポダイズしないトランスジ
ユーサより小さいFW25を呈するも、FMHMは
大きくなる。従来、狭帯域の持続波モードで作動
するトランスジユーサの遠視界（フアーフイール
ド）は、ケビシエフ（Chebyshev）の多項式関数
で最適にアポダイズし得ることが認められてい
る。しかし、医療用の結像目的に用いられる超音
波トランスジユーサは、一般に短いが広帯域のパ
ルス（例えば、トランスジユーサの共振周波数に
おける単一サイクル）で励振される。
アポダイゼイシヨンにより空間分解能と軸外れ
（放射の）指向性との間にかね合を最良とするこ
とのできるトランスジユーサは医療用の超音波結
像に対して最適なアパーチユアを有するトランス
ジユーサであると定義することができる。第１図
は、種々のアパーチユア関数でアポダイズしたト
ランスジユーサ素子の線形アレイに対する空間分
解能と軸外れ指向性の特性をプロツトしたもので
ある。トランスジユーサの空間分解能を横軸に
FWHMによつて表わし、また軸外れ放射の指向
性を縦軸にFW25によつて表わしている。原点に
近い特性をもつトランスジユーサは、原点からか
け離れた特性をもつトランスジユーサよりも医学
用の超音波用途に適している。点１は長方形の
（アポダイズしてない）アパーチユア関数の特性
を示している。このトランスジユーサは、狭い空
間分解能を呈するも、軸外れ放射の指向性が多少
劣る。点２〜１１は、それぞれ既知のアポダイゼ
イシヨンの特性を示し、これらは余弦（cosine）
アポダイゼイシヨン２、50％ガウス−アポダイゼ
イシヨン３、ハミング（Hamming）−アポダイ
ゼイシヨン４、ハニング（Hanning）−アポダイ
ゼイシヨン５、半円形アポダイゼイシヨン９及び
10％ガウス−アポダイゼイシヨン１０を表わして
いる。
本発明者は医学用の超音波用途にとつては、従
来既知のどのアパーチユア関数よりも、30％ガウ
ス−アポダイゼイシヨンが空間分解能特性及び軸
外れ指向特性の組合わせが実質上すぐれていると
云うことを確認した。第１図に点１１で示すよう
に、30％ガウス−アポダイゼイシヨンのトランス
ジユーサの特性は、他のどのトランスジユーサの
特性よりも原点に実質上近い個所にある。
アポダイズした圧電トランスジユーサは、圧電
セラミツクプレートの分極をトランスジユーサの
中心軸からの距離の関数として変化させることに
より製造することができる。既知の方法によれ
ば、セラミツクの両端間に比較的高い直流電圧を
予定した時間かけることにより製造中にトランス
ジユーサを分極する。セラミツク物質の分極は、
それにかける電界の強度と、その電界をかけてい
る時間とで直接変化する。第２図は、トランスジ
ユーサの音響軸と整列し、不活性バインダ（これ
は例えばエポキシとすることができる）８２内に
埋め込まれて、離間される圧電セラミツク製の平
行棒８０を具えている複合物質により製造したト
ランスジユーサを示す。
電気的に不活性な樹脂バインダの中に圧電セラ
ミツクのマスリクスを具えているアポダイズして
ないトランスジユーサは、たとえば次の文献から
既知である。
（ニユーマン、ボーエン、クリツカーとグロス
著“Composite Piezoelectric Transducers
（Review）”複合圧電トランスジユーサ（レビユ
ー）」−International Engineer.Applic 11＃２，
93−106，1980）、本発明者はこの種の複合圧電体
は、アポダイズしたトランスジユーサに特に適し
ていることを確認した。樹脂バインダは、個々の
圧電セラミツク棒に関連するトランスジユーサの
局所領域間の機械的結合度を相対的に低くし、し
かもトランスジユーサの隣接領域への励振レベル
を変える際に形成されることがある剪断波の形成
を阻止する。
この種の複合トランスジユーサには、個々の棒
８０を樹脂バインダ内に埋設させる前に、これら
の棒を種々の電圧で、しかも種々の時間にわたり
分極することにより分極分布を形成することがで
きる。圧電セラミツクの個々の棒又はグループを
成す棒の組成をトランスジユーサの位置の関数と
して変化させて、均一電圧の印加後にプレート間
に分極分布を発生させることもできる。
同様に、個々の圧電棒の断面または、各棒間の
間隔は（第２図に示したように）トランスジユー
サのアパーチユアを横切る正味の分極分布を発生
させるために、トランスジユーサ上の位置の関数
として変化させることができる。
第３図は、圧電棒の相対的の分極分布を、中心
Ｃからの距離Ｘの関数として示したものである。
この分極分布は、ほぼガウス関数として変化し、
トランスジユーサの端部における値は中心の値の
約30％である。
【図面の簡単な説明】
第１図は様々なアパーチユア関数を有するトラ
ンスジユーサの指向関数を特徴付ける点をプロツ
トした図、第２図は不活性バインダーの中に圧電
棒のマトリクスを具えているアポダイズしたトラ
ンスジユーサの概略説明図、第３図は第２図のト
ランスジユーサにおける種々の位置での相関的な
分極を示す特性図である。 ８０…圧電セラミツク棒、８２…不活性バイン
ダー、Ｃ…中心、Ｘ…中心からの距離。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電材料製の本体を具え、該本体がその表面
    にほぼ垂直な方向に分極され、この分極の度合が
    前記表面上の中心線、又は中心点からの距離の関
    数として減少するアポダイズした超音波トランス
    ジユーサにおいて、前記本体が圧電セラミツク製
    のほぼ平行な棒から成るマトリツクスを具え、こ
    れらの棒を電気的に不活性なバインダ内に埋込む
    と共に、該バインダにより互いに隔離させ、且つ
    長さ方向に対し平行な方向に分極するようにした
    ことを特徴とする超音波トランスジユーサ。 ２ 前記圧電棒間の間隔が、前記中心線又は中心
    点からの距離の関数として増加するようにしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音
    波トランスジユーサ。３ 前記圧電棒の組成が、
    中心線又は中心点からの距離の関数として変化す
    るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載の超音波トランスジユーサ。 ４ 個々の圧電棒の断面が、中心線又は中心点か
    らの距離の関数として変化するようにしたことを
    特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波ト
    ランスジユーサ。 ５ 特許請求の範囲第１項から第４項のいずれか
    １つに記載のトランスジユーサにおいて、均一の
    電気的励振に対するトランスジユーサの活性面の
    音響応答が中心点、又は中心線からの距離の増加
    に伴つてガウス関数として減少し、且つ圧電体の
    活性面の縁部における応答が中心点またはは中心
    線での応答の約30％となるように圧電体の分極度
    が減少するようにしたことを特徴とする超音波ト
    ランスジユーサ。
JP58173318A 1982-09-22 1983-09-21 超音波トランスデユ−サ Granted JPS5977799A (ja)

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US06/421,558 US4518889A (en) 1982-09-22 1982-09-22 Piezoelectric apodized ultrasound transducers
US421558 1982-09-22

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JPS5977799A JPS5977799A (ja) 1984-05-04
JPH0365719B2 true JPH0365719B2 (ja) 1991-10-14

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