JPH05285134A

JPH05285134A - 超音波送受波器

Info

Publication number: JPH05285134A
Application number: JP4088570A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Shinomura; 隆一篠村; Kageyoshi Katakura; 景義片倉; Chitose Nakatani; 千歳中谷; Sangubi Narendora; ナレンドラ・サングビ
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1993-11-02

Abstract

(57)【要約】【目的】信号周波数により送信及び受信する方向が変化
する超音波送波器において、音響レンズが関与する多重
反射を軽減し、さらに球面収差を軽減する。【構成】振動子アレー１の超音波の放射面に、音響レン
ズ３を設け、目的とする撮像の方向が音響レンズ３の軸
上となるようにし、超音波ビームの走査面７の上で、音
響レンズ３がその送受波器法線軸に関し非対称な形状と
する。また、超音波ビームの入放射方向に対する信号周
波数を中心にしてその前後の周波数で掃引する。さら
に、音響レンズを用いずに振動子アレー自体を曲面形状
にする。さらに、音響レンズあるいは振動子面を非球面
形状とする。【効果】超音波送受波器のビームを改善でき良好な画質
を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波により対象物の
計測あるいは撮像を行なう超音波送受波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】信号周波数により超音波の送信および受
波の方向が変化する超音波送波器は、日本超音波医学会
講演論文集（昭和４９年１１月）に掲載された「高速２
次元撮像装置」と題する論文に報告されている。このよ
うな超音波送受波器の動作原理を図２により説明する。
図２に示すように超音波送受波器は、反転分極（交互に
方向の異なる矢印で分極の方向を示す）した振動子アレ
ー１と、その両面にそれぞれ設けられたグランド電極８
とホット電極９からなる。その電極間にバ−スト波を印
加すると、その信号周波数に応じて異なる方向θ（θは
超音波の放射あるいは入射面、即ち振動子アレー面の法
線方向と超音波の放射あるいは入射方向とのなす角度）
に超音波ビームを放射及び入射できるものである。図２
に示す円弧の線が波面を示し、実線と破線で位相が１８
０度異なる。同時刻の隣あった波面の位相が反転してい
るため法線方向では相殺され、超音波ビームの入放射は
超音波の放射面の法線方向に対し対称な２つの方向（図
２に示す実線と点線の方向）になされる。この入放射角
度θは、振動子ピッチｄと駆動周波数ｆ、その波長λと
して、数１で与えられる。 θ＝ｓｉｎ^-1（λ／（２ｄ））（数１）また、この時の遠距離音場指向特性Ｒ（θ）は、数２で
与えられる。Ｒ（θ）＝ｓｉｎ（０．５ｎ（φ−γ））／ｓｉｎ（０．５（φ−γ）） φ＝π、γ＝２πｄｓｉｎ（θ）／λ …（数２）これらの関係を利用して超音波ビームを走査するもので
あり、１本の信号線で周波数掃引することにより超音波
ビームをセクタ走査できる。

【０００３】このような方式の超音波送受波器におい
て、図３（ａ）に示すように送受波器１の前面に音響整
合層５を設け、その前方に音響レンズ３を設ける構成も
上記の文献に記載されている。また、一般に医用超音波
診断装置の電子走査型探触子には、超音波ビームの走査
方向と直交する方向に超音波ビームを収束するための音
響レンズが前面に設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の前方に音響
レンズを置く構成では、音響レンズの音響インピダンス
が音響レンズ周囲の構成材料の音響インピダンスと異な
る場合、多重反射が発生する問題があった。また、音響
レンズを送受波器面に装着すると、音響レンズの軸が超
音波のビーム走査範囲から外れ球面収差が大きくなる問
題があった。本発明の目的は、信号周波数により、超音
波を送信及び受信する方向が変化する超音波送受波器に
おいて、音響レンズが関与する多重反射及び球面収差を
軽減することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、信号周波数
により、超音波を送信及び受信する方向が変化する超音
波送受波器において、超音波の入放射面に音響レンズを
設け、超音波送受波器を交互に反転し分極する振動子配
列により構成する。超音波の入放射方向に対する信号周
波数を中心にして、この信号周波数の前後の周波数で掃
引して超音波ビームを形成する。音響レンズを超音波ビ
ームを走査する面上で音響レンズの軸に対し非対称な形
状とする。また音響レンズを超音波ビームを走査する面
と直交する面での収束効果を有する形状とする。また、
信号周波数により、超音波を送信及び受信する方向が変
化する超音波送受波器において、超音波の入放射面を曲
面状にして、超音波送受波器を交互に反転し分極する振
動子配列により構成し、超音波の入放射方向に対する信
号周波数を中心にして、この信号周波数の前後の周波数
で掃引して超音波ビームを形成する。さらに、超音波ビ
ームの走査方向と直交する方向に振動子アレーを複数個
に分割して、複数の超音波ビームの走査方向に超音波ビ
ームを形成する。

【０００６】また信号周波数により、超音波を送信及び
受信する方向が変化する超音波送受波器において、超音
波ビームの走査方向、及びこの方向に直交する方向を曲
面とし、超音波送受波器を交互に反転し分極する振動子
配列により構成し、超音波ビームの入放射方向に対する
信号周波数を中心にして、この信号周波数の前後の周波
数で掃引して超音波ビームを形成する。

【０００７】

【作用】音響レンズが関与する多重反射は、送受波器面
に音響レンズを形成し、送受波器面と音響レンズの間に
音響整合層を設け音響インピダンスの整合をとることに
より、界面での多重反射を軽減できる。また、音響レン
ズを用いず送受波器を曲面の形状にすることにより多重
反射を無くすことができる。送受波器の前面に球面音響
レンズを装着すると、この音響レンズの軸外では球面収
差を生じる。超音波レンズの形状を、目的とする超音波
ビーム走査の方向に対して、超音波ビームを収束する形
状にする、即ち超音波ビーム走査の方向と音響レンズの
軸を近接させることにより、超音波ビームの走査範囲の
球面収差を軽減することができる。また、音響レンズを
超音波ビームを走査する面上で球面音響レンズではな
く、送受波器の法線、あるいは、超音波入放射方向に対
し非対称な形状とするこよにより、収束効果をゆるめ収
差を軽減できる。また、超音波ビームの入放射方向に対
する信号周波数を中心にして、この信号周波数の前後の
周波数で掃引することにより、位相のそろう波面を曲面
にできるため超音波を収束することができ、球面収差を
軽減できる。また、超音波ビームの走査方向と直交する
方向に振動子アレーを複数個に分割することにより、口
径を変化できるので、前記方向の超音波ビ−ムを改善で
きる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１、及び図４から
図８を用いて詳細に説明する。図１に、超音波の放射面
に音響レンズを装着した、信号周波数により、超音波を
送信及び受信する方向が変化する超音波送受波器の第１
の実施例の断面を示す。図１では、カテーテル２の先端
部に超音波送受波器を固定し配置している。振動子アレ
ー１を音響制動材６（振動子アレーを保持する機能を含
むが図示せず）に、カテーテル２の中心軸に対し傾斜し
て保持し、カテーテル２の進行方向、即ちカテーテル２
の先端部の前方に、超音波ビームを走査し、超音波ビ−
ムの走査面７のようにセクタ走査する超音波送受波器で
あり、前方視が可能である。音響制動材６はカテーテル
２の先端部の内壁に固定されている。振動子アレー１と
しては、交互に反転する分極した振動子アレーを使用す
る。目的とする超音波ビームの放射方向と対称（振動子
アレー面、即ち超音波の放射面の法線に対して）な方向
への超音波ビームは、音響吸収体４により吸収、除去す
る。カテーテル２の進行方向は、振動子アレー１の面の
法線方向に対し傾斜した方向であり、この進行方向に音
響レンズ３の軸を一致させている。目的とする撮像の方
向が音響レンズ３の軸上となっている。したがって、送
受波器の法線方向にたいし非対称な音響レンズ形状であ
る。図３に従来例の、音響レンズを装着した超音波送受
波器の構成を示す。図３（ｂ）に示す従来例の音響レン
ズでは、超音波の走査面７すべてが音響レンズの軸外に
あり球面収差が大きいが、本発明による図１に示す実施
例では、超音波ビームの走査面７の各方向は音響レンズ
３の軸の近傍にあり球面収差が軽減できる。音響レンズ
が関連する多重反射については、図３（ａ）に示す従来
例の音響レンズ３では、音響レンズ３の端の平面に垂直
に入射する走査角度において非常に大きな多重が生じる
が、図１に示す本発明の実施例では、音響レンズ３の装
着面に垂直な方向では、超音波ビームが相殺されるため
多重は小さくなる。また、図１に示すように、振動子ア
レー１と音響レンズ３との間に音響整合層５を設けるこ
とによりさらに多重反射を軽減することができる。

【０００９】超音波の放射面に２つの方向で曲率が変化
する形状を有する音響レンズを装着した送受波器の第２
の実施例を図６に示す。音響制動材６の面に保持された
振動子アレー１に、超音波ビームの走査面と直交する方
向の収束を行なう２つの方向で曲率が変化する形状を有
する音響レンズ３を装着することにより、より球面収差
の少ない良好な超音波ビームを得ることができる。図１
に示す実施例と同様に、振動子アレー１と音響レンズ３
との間に音響整合層を設け多重反射を軽減することがで
きることはいうまでもない。

【００１０】図４に、振動子アレー１を周波数掃引して
超音波ビームを電子的にフォーカスする原理を示す。矢
印は各振動子の分極の向きを示し、各振動子は隣同志の
振動子の分極が反転するよう配列されている。円弧状の
線は各素子からの波面を示し、実線と、破線は、１８０
度位相が異なる。例えば、図４に示す例のように素子数
を４とするとき、４／２波（２波）で振動子アレー１を
駆動し、超音波ビームの放射角度θ₀に対応する駆動周
波数ｆ₀の前後で周波数掃引する。この例では２波で振
動子アレー１を駆動するが、点Ｐの方向へ放射するため
の駆動周波数をｆ₀とすると、最初の１波目をｆ₀より低
い周波数で、次の２波目をｆ₀より高い方にシフトさせ
て駆動することにより、図４に示すように、駆動周波数
ｆ₀の前後で周波数掃引され放射され強め合う波面（図
中太線で示す）は凹面を形成し、点Ｐに焦点を結ぶこと
になる。

【００１１】具体的な周波数掃引により超音波ビームを
フォーカスする周波数駆動のシーケンスを図５により説
明する。最初の送波つまりラスタ１のデータを得るため
の送波では、送波の駆動周波数がｆ₀₁で所望の超音波ビ
ームの放射角になるとすると、周波数ｆ₀₁に対し低い周
波数から高い周波数へ掃引し振動子アレーを駆動するこ
とを意味する。これにより前述の説明からフォーカスビ
ームが送波される。また、図５に示す低い周波数から高
い周波数へ掃引の勾配が焦点距離を変えるものである。
超音波入放射角度を変えたラスタ−２、３についても同
様である。従って図３（ｂ）に示す従来の音響レンズを
有する送受波器の構成に本手法を適用することにより、
収束効果が相乗されるのでので、球面収差を軽減でき
る。もちろん本発明の実施例である図１に示した送受波
器の場合にも同様のことがいえる。音響レンズを用いず
振動子アレーを曲面の形状にして多重反射を無くすこと
ができる超音波送受波器の第３の実施例を図７に示す。
図７では半径Ｒの円弧上に振動子が配列されている。こ
の円弧状の振動子アレーは音響制動材（図示せず）に保
持されている。この場合、超音波ビームの走査方向で球
面収差が生じるが、前述したように駆動周波数を掃引す
ることにより、球面収差を軽減することができる。例え
ば、放射角度θ、目的とするフォーカス点Ｐまでの分極
方向が同一の素子からの距離をｒ_iとすると、数３、数
４から駆動周波数が与えられる。

【００１２】 λ_i＝│ｒ_i−ｒ_i+1│ …（数３）ｆ_i＝ｖ／λ_i…（数４）例えば、フォーカス（焦点）距離１０．０ｍｍ、素子ピ
ッチ１００μｍ、１０素子で超音波ビームの放射角度が
４５度の時、１０．５９ＭＨｚから１０．３５ＭＨｚま
でを５波に分け駆動周波数を掃引することにより、音響
レンズを使用することなく、超音波ビームをフォーカス
することができる。また、この角度４５度の方向を超音
波ビームの走査の中心方向とするとき、その信号周波数
をｆ一定とするとフォ−カス点と素子との距離の隣どう
しの差がｖ／ｆとなるように配置することで振動素子間
の目的とするフォーカス点Ｐまでの距離の差を１波長お
きに補正でき収束効果を生じさせることができる。この
作用は、送受波器面を単に球面としたものに比べ球面収
差を軽減できる。さらにその形状で他の目的とする位置
にフォーカスする場合に、同様に数３により振動素子間
の距離差を求め、数４により周波数に変換して、駆動周
波数を掃引することで収差を軽減できる。同様の操作
は、音響レンズ形状においても行える。その場合音響レ
ンズは超音波ビ−ム走査面の中心軸にたいし非対称形状
となる。また、振動子アレーの形状において超音波ビー
ムの走査方向と直交する方向（短軸方向）を、固定され
た距離にフォーカスするために円弧形状あるいは鞍型等
としてもよい。図８に、超音波ビームの走査方向と直交
する方向にホット電極、及び振動子アレーを複数個に分
割した第４の実施例である超音波送受波器を示す。図８
に示すように、超音波ビームの走査方向と直交する方向
にホット電極９、及び振動子アレー１を複数個に分割
し、それぞれホット電極９から信号線（なお、図１、図
３、図４、図６、図７では信号線は省略して図示してい
ない）を引出して送受波回路１０と接続し、短軸可変口
径走査、短軸可変フォーカス走査、短軸方向ビーム走査
するように送受波器を構成してもよい（超音波走査面と
直交する方向を短軸と称す）。

【００１３】以上超音波送受波器において超音波ビーム
を改善する構成について説明したが、本発明による送受
波器を、カテーテルに組み込む他に、レーザ治療との組
み合わせて使用すること、バルーンパンピング用カテー
テルに組み込むこと等が可能である。さらに、本送受波
器を組み込んだカテ−テルに血圧測定用圧電振動子、血
流速度測定用圧電振動子等を組み込んでも良い。また、
振動子アレーとして振動素子が等間隔に配列した等間隔
アレーについて説明したが、この他にもＭ系列、バーカ
ー系列等の不等間隔に配列した不規則配列振動子アレー
を有する送受波器への適用、あるいは、反転分極でなく
電極ピッチを変えた配列振動子を用いることも可能であ
る。以上説明した超音波送受波器をカテーテルに備える
ことにより、カテーテルの進行方向の視野を良好に撮像
することができる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明した如く本発明によれば、少な
い信号線で電気的に超音波を走査し、断層像を得ること
ができる送受波器において、超音波ビームの音響レンズ
における球面収差及び多重反射を軽減することができる
ため、超音波ビームを改善でき良好な画質を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である超音波の放射面に
音響レンズを装着した超音波送受波器を示す断面図。

【図２】駆動周波数により送信方向が変化する超音波送
波器の動作原理の説明図。

【図３】従来例の音響レンズを装着した超音波送受波器
の構成を示す断面図。

【図４】振動子アレーを周波数掃引して超音波ビームを
電子的にフォーカスする原理を示す断面図。

【図５】超音波ビームをフォーカスする周波数駆動のシ
ーケンスを説明する図。

【図６】本発明の第２の実施例である超音波の放射面に
２つの方向で曲率が変化する形状を有する音響レンズを
装着した超音波送受波器を示す斜視図。

【図７】本発明の第３の実施例である音響レンズを用い
ず振動子アレーを曲面の形状とする超音波送受波器を示
す断面図。

【図８】本発明の第４の実施例である超音波ビームの走
査方向と直交する方向に振動子アレーを複数個に分割し
た超音波送受波器を示す斜視図。

【符号の説明】

１…振動子アレー、２…カテーテル、３…音響レンズ、
４…音響吸収体、５…音響整合層、６…音響制動材、７
…超音波ビームの走査面、８…グランド電極、９…ホッ
ト電極、１０…送受波回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ナレンドラ・サングビ東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】信号周波数により、超音波を送信及び受信
する方向が変化する超音波送受波器において、超音波の
放射面に音響レンズを設けたことを特徴とする超音波送
受波器。
【請求項２】前記超音波送受波器が、交互に反転し分極
する振動子配列により構成されていることを特徴とする
請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】超音波ビームの放射方向に対する駆動周波
数を中心にして、この駆動周波数の前後の周波数で掃引
して超音波ビームを形成することを特徴とする請求項１
あるいは請求項２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】前記音響レンズが、超音波ビームを走査す
る面上で前記音響レンズの軸に対し非対称な形状である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項５】前記音響レンズが、超音波ビームを走査す
る面と直交する面での収束効果を有する形状であること
を特徴とする請求項１、請求項２、請求項４のいずれか
に記載の超音波送受波器。
【請求項６】信号周波数により、超音波を送信及び受信
する方向が変化する超音波送受波器において、超音波の
放射面が曲面をなすことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項７】前記超音波送受波器が、交互に反転し分極
する振動子配列により構成されていることを特徴とする
請求項６に記載の超音波送受波器。
【請求項８】超音波ビームの放射方向に対する駆動周波
数を中心にして、この駆動周波数の前後の周波数で掃引
して超音波ビームを形成することを特徴とする請求項６
あるいは請求項７に記載の超音波送受波器。
【請求項９】超音波ビームの走査方向と直交する方向に
振動子アレーを複数個に分割したことを特徴とする請求
項６から請求項８のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項１０】信号周波数により、超音波を送信及び受
信する方向が変化する超音波送受波器において、超音波
ビームの走査方向、及びこの方向に直交する方向を曲面
としたことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項１１】前記超音波送受波器が、交互に反転し分
極する振動子配列により構成されていることを特徴とす
る請求項１０に記載の超音波送受波器。
【請求項１２】超音波ビームの放射方向に対する駆動周
波数を中心にして、この駆動周波数の前後の周波数で掃
引して超音波ビームを形成することを特徴とする請求項
１０あるいは請求項１１に記載の超音波送受波器。
【請求項１３】カテーテルの進行方向を視野とすること
を特徴とする、請求項１から請求項１２に記載のいずれ
かの超音波送受波器を備えたカテーテル。