JPH04314435A - 超音波診断装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各振動素子からの受信
信号を合成開口法を用いて信号処理し、被検体内の三次
元画像を形成することのできる超音波診断装置に関する
。

【０００２】

【従来の技術】超音波を用いて、生体内の断層像などを
得る超音波診断装置が医療の分野において用いられてい
る。

【０００３】図６には、超音波探触子（以下探触子とい
う）と超音波診断装置本体（以下本体という）との間の
信号伝送が模式的に示されている。

【０００４】図６において、探触子に設けられたアレイ
振動子１０は、複数の振動素子１０ａから構成されてい
る。この各振動素子１０ａをそれぞれ駆動することによ
り超音波が送波され、生体内からの反射波が受波される
ことになる。図に示されるように、焦点Ｆからの反射波
は、各振動素子１０ａにて受波され、各受信信号はそれ
ぞれ独立して探触子ケーブル１１を介して、本体に伝送
される。そして、伝送された各受信信号は、遅延線１４
により、それぞれ独立して遅延がかけられ、それぞれの
信号が加算器１６にて合成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の超
音波診断装置においては、探触子と本体との間で多数の
伝送ライン１２を要し、このため、探触子ケーブルの径
が太くなると共に重量が増すという問題があった。

【０００６】一方、従来の超音波診断装置において被検
体内の三次元画像情報を得る場合は、探触子を被検体に
当接した状態で移動させたり傾けたりすることが必要で
あるが、このような探触子の人為的な走査は煩雑であり
、探触子を移動等させることなく被検体内の三次元画像
情報を得ることのできる超音波診断装置が要望されてい
た。

【０００７】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、探触子と本体との間の伝送を
単一の伝送手段によって行うことができ、かつ、各振動
素子からの受信信号を精度良く合成して被検体内の三次
元画像を形成することのできる超音波診断装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、複数の振動素子が二次元的に広がって配
列されたアレイ振動子の各振動素子を１個ずつ順次また
は交互に駆動し送受波を行わせる走査手段と、前記各振
動素子に供給される送信駆動信号から分岐した送信波形
信号を段階的に遅延させて作成された検波参照信号を前
記各振動素子からの受信信号に混合して、両者の位相差
及び振幅積に従う正負符号をもった信号として出力する
検波手段と、前記検波された受信信号を前記各振動子毎
に記憶素子に時系列的に格納する記憶手段と、前記格納
された各受信信号を受け入れ、各振動素子のうち振動素
子の位置と信号合成の対象点との距離が±１／８波長以
内の条件に合致する振動素子の受信信号をそれぞれ各信
号合成の対象点毎に合成して、被検体内の三次元的な画
像を構成する合成制御手段と、を含み、各振動素子の受
信信号を合成して被検体内の三次元的な画像を得ること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、複数の振動素子が二次元的
に広がって配列されているので、各振動素子を１個ずつ
順次または交互に駆動することにより、何ら探触子を移
動させることなく、被検体内の三次元領域のエコーデー
タを取り込むことが可能となる。

【００１０】そして、各振動素子からの受信信号は所定
の検波参照信号と混合され検波され、この後、記憶手段
に各振動子毎に格納されることになる。格納された各受
信信号は、合成制御手段によって所定の合成条件に基づ
いて各信号合成の対象点毎に合成され、被検体内の三次
元的な画像が形成されることになる。

【００１１】従って、各振動素子についての受信信号を
一旦記憶した後に三次元的な画像に形成できるので、本
体と探触子との間で受信信号などのシリアル伝送が実現
される。ここで、そのシリアル伝送を行わせるために、
例えば、シリアル伝送手段及び信号分離手段を設けるこ
とが好適である。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。

【００１３】図１には、本発明に係る超音波診断装置の
具体的な構成が示されている。まず、超音波探触子２０
に設けられた各構成について説明する。

【００１４】トリガ発振回路２２は、基本となる送信パ
ルスを発生するものであり、本実施例において、５ｋＨ
ｚの繰返し周波数でトリガパルスを発生している。

【００１５】トリガ発振回路２２で発生されたパルスは
、パルス発生回路２４に入力されている。このパルス発
生回路２４は、入力されたパルスに同期して、すなわち
トリガ発振回路２２にて発生されたパルスの繰返し周波
数で、３ＭＨｚで１００Ｖ程度の送信パルスを発生させ
ている。具体的には、１周期が３３３．３ｎＳである矩
形状のパルスの半周期の正の部分である１６７ｎＳ程度
の幅のパルスの送信駆動信号を発生している。そして、
この送信駆動信号は、切換器２５を介して、順次アレイ
振動子２６に、そして一部は時分割多重器２８に送信波
形信号として供給されている。ここで、切換器２５は、
送信駆動信号を、送受波に係る各振動素子に１つずつ切
り換えて供給するものである。

【００１６】ここで、アレイ振動子２６は、本実施例に
おいて図２（Ａ）に示す十字形のアレイ振動子として構
成されている。ここにおいて、縦方向の振動素子の数は
２５６個であり、横方向の振動素子の数は中央部分が共
通なため２５５個である。従って、総計では２５５＋２
５６＝５１１個の振動素子から構成されている。各振動
素子の間隔は、０．３ｍｍのピッチであり、アレイ振動
子自体は縦横共約０．３×２５６＝７．７ｃｍの大きさ
で形成されている。

【００１７】図２（Ｂ）〜（Ｄ）には、アレイ振動子の
他の例が示されている。（Ｂ）には、斜交形のアレイ振
動子が示され、（Ｃ）には、円環状のアレイ振動子が示
され、（Ｄ）には、体表面に沿うように円環状のアレイ
振動子を偏平かつ曲面状に曲げて構成されたものが示さ
れている。いずれにおいても、このようなアレイ振動子
により、探触子を人為的に移動させることなく、被検体
内の三次元領域のエコーデータを取り込むことが可能と
なる。勿論、アレイ振動子の形状は、図２に示されるも
のには限られず、二次元平面内に広がるものであれば他
のものを適用しても好適である。

【００１８】本発明において、各振動素子は１つずつ駆
動されるため、前記送信駆動信号が供給されると、図３
に示すように、ｋ番目の振動素子から放射された超音波
は幅広に生体内へ球面状に伝搬し、その球面上にある各
組織からの反射波が同一振動素子つまりｋ番目の振動素
子にて受波される。

【００１９】ここで、本実施例において、パルス繰返し
周波数で順次送波が行われるため、その送波と送波の間
が受波の時間に供され、この結果、５ｋＨｚの繰返し周
波数であるので周期は０．２ｍｓとなり、従って振動素
子からの距離が約１５ｃｍ程度の範囲でデータの取り込
みが行える。

【００２０】切替器２５は各振動素子を順次切り換えて
駆動させるためのものである。本実施例において、まず
最初に横配列１番目の振動素子が駆動され、次に縦配列
１番目の振動子、さらに横配列２番目の振動素子という
ように、順次横方向縦方向に振動素子が駆動されている
。勿論、横方向に１個ずつ振動素子を駆動した後、縦方
向の振動素子を１個ずつ駆動しても良く、あるいは端か
ら順次駆動しても良い。つまり、後述するように本発明
においては開口合成法によって被検体内の三次元画像が
構成されるため、振動素子の駆動順序によらず、精度の
良い三次元画像を得ることが可能である。

【００２１】探触子２０に設けられた時分割多重器２８
には、トリガ発振回路２２から振動素子の走査に係る走
査始端信号ａが供給され、またパルス発生回路２４から
の送信駆動信号から分岐した小振幅の送信駆動信号であ
る送信波形信号ｂが供給されている。更に、切換器２５
からは、アレイ振動子２６のうち送信を行った振動素子
が受波した受信信号ｃが順次供給されている。

【００２２】そして、この時分割多重器２８は、送られ
てきた３つの信号ａ，ｂ，ｃを順次、変調器３０に送出
する。具体的には、ａ，ｂ，ｃ，ｂ，ｃ，ｂ，ｃ，…，
ｂ，ｃのように送出され、更に１走査が完結した後に、
また最初からａ，ｂ，ｃ，ｂ，ｃ，…のように送出する
。この場合、受信信号ｃは、各振動素子の順番毎に送ら
れることになる。

【００２３】そして、変調器３０では、送られて来た時
分割多重信号を、例えば振幅変調あるいは周波数変調し
て、伝送用送波器３２に送出している。ここで、伝送用
送波器３２は、本実施例においてライン伝送を行わずに
、探触子２０をコードレス化するため、超音波により伝
送を行う方式が採用されている。もちろん、電波あるい
は光などを用いてもよい。

【００２４】ここで、本実施例においては、図示されて
はいないが探触子２０の内部に設けられた電池により各
構成が駆動されている。実際上は、相当の電力を必要と
するため、探触子とは別体に設けられた電源部を配置し
ても好適である。

【００２５】そして、上述した伝送用送波器３２も探触
子２０とは別体に構成し、前記電源部と一体化すること
も好適であり、確実かつ安定した各信号の伝送を行うこ
とが可能となる。ここで、電源部と探触子２０との間の
電力供給線と、別体に設けられた伝送用送波器との間の
通信ケーブルと、を一体的に構成することにより、探触
子の操作性を向上させることが可能である。また、変調
器３０などを探触子外部に設けても前述の理由により好
適である。

【００２６】次に、超音波診断装置の本体について説明
する。図において、３４は、伝送用受波器であり、上述
した伝送用送波器３２から送波された信号を受波するも
のである。本実施例において、超音波を受波する受波器
が設けられている。

【００２７】そして、伝送用受波器３４にて受信された
伝送受信信号は、検波増幅器３６に送出されている。こ
の検波増幅器３６は、受信された信号を復調し、更に増
幅された受信信号が信号分離回路３８に送出されている
。

【００２８】この信号分離回路３８は、上記時分割多重
器２８で時分割多重化された信号を分離するものである
。すなわち、上述した走査始端信号ａ，送信波形信号ｂ
及び各振動素子の受信信号ｃを分離するものである。

【００２９】この分離された３つの信号のうち、送信波
形信号ｂは遅延回路４０に入力されている。この遅延回
路４０は、入力された送信波形信号ｂを入力して、１段
から１０２４段まで段階的に遅延をかけて、その遅延さ
れた信号を順次出力するものである。ここで、１段当り
の遅延時間は、１例として送信波形の幅、すなわち１６
７ｎｓ幅であり、１段から１０２４段までのデジタル遅
延されたパルス波形は、遅延回路４０から１５０ｎｓの
間出力され、残りの１７ｎＳの間は次段の遅延の切換時
間として用いられている。これによって、遅延回路４０
から送信波形が次々と遅延された形で出力されることに
なる。

【００３０】なお、本実施例において、遅延の段階数Ｎ
の最大を１０２４とすれば、超音波診断距離は、伝搬速
度（１５４０ｍ／Ｓ）×所要時間（１６７ｎＳ×１０２
４）／２となり、最大で１３．２ｃｍである。遅延回路
４０にて１段から１０２４段までの連続した遅延がかけ
られた信号は、次に検波参照信号としてホモダイン検波
器４２に入力されている。

【００３１】一方、ホモダイン検波器４２の他の入力端
子には信号分離回路３８から分離された受信信号ｃが供
給されている。そして、このホモダイン検波器４２で、
この受信信号ｃに対して入力された１０２４段の検波参
照信号に基づいて時系列的にホモダイン検波が行われる
ことになる。

【００３２】ホモダイン検波器４２からは、遅延された
信号ｂと今到来した信号ｃとの位相差と、その信号ｂと
信号ｃの相互の振幅の積と、に比例して正負の符号をも
つ信号が順次出力される。なお、この検波された信号は
、各振動素子を中心とした球面上の生体組織から同時に
反射して合成された受信信号を、遅延された送信波形に
対して、位相と振幅の相対的な情報としてあらわしたも
のである。検波された信号は、それぞれ時系列的に記憶
素子群４４に入力されている。

【００３３】この記憶素子群４４は、２５６（行）×１
０２４（列）＝２６２１４４の記憶領域に区分されてお
り、その行方向は各振動素子の個数に対応し、列方向は
遅延回路４０で行われる段階的な遅延の数に対応してい
る。

【００３４】従って、この記憶素子群４４には、ホモダ
イン検波器４２から出力された１０２４段階遅延された
信号が、それぞれ時系列的に各振動素子の受信信号毎に
格納されることになる。

【００３５】ここで、その記憶素子群４４への書込みは
、信号分離回路３８から出力された走査始端信号ａ，送
信波形信号ｂを入力した記憶制御回路４６にて制御され
、順序よく行われている。

【００３６】このようにして、記憶素子群４４に格納さ
れた各受信信号は、それぞれ後述する合成加算演算に基
づいて合成制御回路４８により読み出されて三次元画像
情報となって合成フレームメモリ５０に送出される。

【００３７】ここで、合成制御回路４８には、前述同様
に、走査始端信号ａ及び送信波形信号ｂが供給されてお
り、合成制御回路４８はこれらの信号に基づいてその制
御を行っている。

【００３８】そして、合成フレームメモリ５０に格納さ
れた各受信信号は、それぞれ順次読み出されて表示器５
２に表示され、三次元的に断層画像が形成されることに
なる。　　本発明に係る超音波診断装置は、以上の構成
から成り、以下に開口合成の手法について更に詳述する
。

【００３９】図４には、表の形で記憶素子群４４におけ
る検波された後の受信信号の格納概念が示されている。 ここにおいて、表の縦方向にはｍ行としてアレイ振動子
２６の各振動素子のアドレスが示されており、また横方
向にはｎ列として記憶素子群４４の素子の個数すなわち
１０２４のアドレスが示されている。

【００４０】つまり、ホモダイン検波器４２から出力さ
れた検波された後の各受信信号は、このようなアドレス
のマトリックス構成で格納される。具体的に説明すると
、図３で示したｋ番目の振動素子については、まず振動
素子の最も近傍で反射された受信情報がｎｋ，１　に格
納され、その振動素子から次々と送信波の伝搬に伴って
拡大する球面波において、その球面上の等距離にある生
体組織からの反射波が順次例えばｎｋ，２　…に格納さ
れる。 つまり振動素子からの同一距離の球面上の各組織情報が
集合してマトリックスにおける１つの座標の１個の記憶
素子に格納される。図３にはこれを断面の円で示してい
る。

【００４１】次に、このように格納された記憶素子群４
４からの信号の読出しは次のように行う。いま１番から
Ｋ−１番までの送受波が以上のようにして行われて、１
番からＫ−１番までの記憶素子に記憶されていて、Ｋ番
から２５６番の記憶素子には前回の走査時の信号が保持
されているとする。

【００４２】図５で、１番からＫ−１番までの縦配列に
示してあるそれぞれの振動素子からの伝搬に伴う距離の
球面について、例えば振動素子Ｋの送受波において、記
憶素子ｎｋｈに記憶されるべきＮｋｈの信号がＮｋｈＮ
　点の存在する距離Ｃｋｈを半径とする球面のところの
生体組織からの信号であるのに対して、このＣｋｈ半径
の円周上のＮｋｈＮ　が、こんどは振動素子Ｇの表面か
ら見てＡｇｉの距離に相当するならば、記憶素子ｎｇｉ
の記憶信号Ｎｇｉを、さきほどのＮｋｈの信号に加算す
る。

【００４３】その結果は振動素子Ｋから半径Ｃｋｈの球
面と、振動素子Ｇから半径Ａｇｉの球面との交わった曲
線上の生体組織からの信号が浮かび上がる。

【００４４】次に図５で横配列のなかの振動素子Ｊから
ＮｋｈＮ　点の存在する距離ＢｆＪを半径とする球面か
らの信号ＮｆＪを前記の加算値、すなわち前記の曲線上
の信号値に更に加算すると、こんどはＮｋｈＮ　点から
の信号が浮かび上がることになる。

【００４５】従って、このようなＮｋｈＮ　点について
、図５のように探触子の縦のＧとＫ間の配列素子間の間
隔をＢｇｋ、波長をλとしたとき、距離Ｃｋｈの半径の
球面上にあるＮｋｈＮ　点に対応する記憶素子ｎｋｈに
加算されるべき距離半径Ａｇｉの球面上の生体組織（そ
の１代表点をＮｇｉとする）からの反射信号の記憶素子
ｎｇｉの信号は、次の式 　　Ｒｇｉ＝（Ｂｇｋ２　＋Ｃｋｈ２　−２Ｂｇｋ×Ｃ
ｋｈ×ｃｏｓ　αｇｉ）１／２　の関係で決まる距離Ｒ
ｇｉに距離Ａｇｉが丁度合致する点からの信号であれば
よい。けれども、Ｋからの距離Ｃｋｈがディジタル的距
離の１０２４段階の距離としてあり、上式での算出値で
あるＲｇｉはＧからの１０２４段階のＡｇｉの距離の何
れかの値と一致するとは限らない。そこで位相差が往復
距離で４５度、片道で２２．５度以内の条件のＡｇｉの
距離について、往復距離にしてλ／８の位相範囲で、予
めこの片道の距離範囲内にある条件Ｒｇｉ＋λ／１６＞
Ａｇｉ＞Ｒｇｉ−λ／１６を満たす距離Ａｇｉからの信
号のＮｇｉのみ、その対応記憶素子ｎｇｉの信号値を合
成の加算に組み入れる。

【００４６】図５に示す探触子の送受波器の配列素子間
の間隔Ｂは既知であり、次に検体に対する観測の深さ、
斜距離の範囲について１０２４段階の遅延量から最大の
距離限界が決まるので、各段階における対応距離Ｒｇｉ
からＡｋｈが既知となる。

【００４７】従って、以上のような前提に基づいて、記
憶素子群４４に格納された各振動素子についての受信信
号の合成に係る組み合せにより、被検体内のエコーデー
タの合成が実現される。つまり、この組み合せは、予め
判明しているので１個の素子の送受波毎に、それ以前に
記憶されている記憶を呼び出して合成するわけである。 本発明においては、二次元平面内に存在する各振動素子
について受信信号を順次取り込み、その後に取り込まれ
た受信信号を合成開口法に基づいて合成加算することに
より、被検体内の三次元画像を形成するものである。こ
こで、上述したように、探触子自体は何ら移動させるこ
となく、三次元領域のエコーデータが取り込めるという
利点があり、また、受信信号を順次シリアルに伝送する
ことができるので、探触子のコードレス化が図れるとい
う利点がある。

【００４８】なお、以上の説明においては、表示器５２
に被検体内の三次元画像を表示したが、当然の如く、通
常の断層画像を表示し、あるいは複数の断層画像を連続
的に切り換えて表示しても良い。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
探触子を何ら移動させることなく被検体内の三次元領域
におけるエコーデータを取り込むことが可能である。そ
して、そのエコーデータである受信信号は、シリアルに
伝送できるので、探触子と本体とを接続する探触子ケー
ブルを軽量化できると共に、さらにコードレス化するこ
とも可能である。また、各受信信号は合成制御手段によ
って開口合成法に基づいて合成処理され、被検体内の三
次元画像を構築できるので、医療における診断に有益な
情報を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波診断装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図２】アレイ振動子の形状を示す概念図である。

【図３】特定の振動素子からの超音波伝搬を示す説明図
である。

【図４】記憶素子群４４の受信信号の格納の概念を示す
概念図である。

【図５】合成開口を説明するための説明図である。

【図６】従来装置の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

２０　　超音波探触子 ２８　　時分割多重器 ３８　　信号分離回路 ４０　　遅延回路 ４２　　ホモダイン検波器 ４４　　記憶素子群 ４８　　合成制御回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数の振動素子が二次元的に広がって
   配列されたアレイ振動子の各振動素子を１個ずつ順次ま
   たは交互に駆動し送受波を行わせる走査手段と、前記各
   振動素子に供給される送信駆動信号から分岐した送信波
   形信号を段階的に遅延させて作成された検波参照信号を
   前記各振動素子からの受信信号に混合して、両者の位相
   差及び振幅積に従う正負符号をもった信号として出力す
   る検波手段と、前記検波された受信信号を前記各振動子
   毎に記憶素子に時系列的に格納する記憶手段と、前記格
   納された各受信信号を受け入れ、各振動素子のうち振動
   素子の位置と信号合成の対象点との距離が±１／８波長
   以内の条件に合致する振動素子の受信信号をそれぞれ各
   点毎に合成して、被検体内の三次元的な画像を構成する
   合成制御手段と、を含み、各振動素子の受信信号を合成
   して被検体内の三次元的な画像を得ることを特徴とする
   超音波診断装置。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の超音波診断装置におい
   て、前記走査手段の繰返し走査に係る走査始端信号と、
   前記各振動素子に供給される送信駆動信号を分岐させた
   送信波形信号と、前記各振動素子からの受信信号と、を
   予め定められた順序で順次シリアルに伝送するシリアル
   伝送手段と、前記伝送された３つの信号を分離する信号
   分離手段と、を含むことを特徴とする超音波診断装置。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の超音波診断装置におい
   て、前記アレイ振動子は、十字形あるいは斜交形である
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 【請求項４】　　請求項１記載の超音波診断装置におい
   て、前記アレイ振動子は、円環状または体表に沿うよう
   に湾曲した円環状に構成されていることを特徴とする超
   音波診断装置。