JPH0696004B2 - 超音波診断撮像装置 - Google Patents

超音波診断撮像装置

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JPH0696004B2
JPH0696004B2 JP58177156A JP17715683A JPH0696004B2 JP H0696004 B2 JPH0696004 B2 JP H0696004B2 JP 58177156 A JP58177156 A JP 58177156A JP 17715683 A JP17715683 A JP 17715683A JP H0696004 B2 JPH0696004 B2 JP H0696004B2
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テクニケア・コーポレイシヨン
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、柔かい組織や身体の器官の非破壊検査、特に
身体のいろいろな深さもしくは深度で組織を撮像するた
めの医療用超音波パルスエコー装置に関する。
超音波診断装置は、パルスエコーかまたはドツプラ原理
に基づいて動作する。パルスエコー原理は主として、柔
かい身体組織の撮像に用いられており、超音波エネルギ
の短いバーストを組織内に伝送して組織界面から反射さ
れるエコーを測定している。このエコーの測定結果が記
録されて、エコーを反射した組織の像を発生するのに用
いられる。
撮像に用いられる超音波エネルギは、電気信号を、被撮
像組織に伝送される音響エネルギに変換するトランスジ
ューサによつて発生される。このトランスジューサはま
た、反射エコーを受信するという第２の機能にも用いる
ことができる。トランスジューサは典型的には、パルス
駆動されて音響エネルギを送出し、そして受信エコーに
応答し電気信号を発生することによつて該受信エコーを
検出するピエゾ電気セラミツク材料から構成されている
のが普通である。このセラミツク材料は単結晶であつて
もよくまたいろいろな形状例えば線形配列や環状配列の
ような素子の配列に分割することもできる。
高分解能の鮮明な組織像を発生しいろいろな視野の深度
で組織を検査することを可能にするためには、組織に向
けられる超音波ビームを可変的に集束し且つ組織から反
射されるエコーエネルギを可変的に集束することができ
るのが望ましい。環状配列型のトランスジューサにおい
ては、この事は、いろいろな素子から時間的に調和され
たエネルギバーストを送出して、受信信号を加算する前
に、異なつた長さの時間遅延路に異なつた素子からの受
信エコーを通すことにより達成されている。典型例にお
いては、伝送ビームは組織深度の特定の範囲に指向けら
れるが、しかしながらエコーはこの範囲内のいろいろな
深度もしくは深部から受信し得る。したがつてトランス
ジューサは、このようなエコーが戻る時にも動的に集束
動作し得るようにするのが望ましい。
伝送される音響エネルギおよび反射エコーは、超音波が
組織を通過する際に減衰を受ける。視野の深度が増加
し、トランスジューサからのエネルギの往復路が大きく
なれば、受信エコーの減衰も大きくなる。したがつて、
この減衰は一般に、受信されるエコーの距離の増大に伴
い受信器電子系の利得を増加することによつて補償され
る。このように動際に利得を増加する技術は、時間利得
制御（TGC）と称されている。
超音波検査中、人体の組織はさらに他の現象に関与す
る。即ち、低周波信号の方が高周波信号よりも小さい減
衰度で組織を伝搬する傾向があることである。したがつ
て本発明の原理によれば、この現象は、近視野の場合に
あつては高周波数の音響エネルギのビームを集束するこ
とにより有利に利用される。また近視野集束から遠視野
集束へとオペレータの制御下で焦点深度が増大せしめら
れると、伝送される超音波エネルギの周波数は相応に自
動的に減少される。このようにして、超音波ビームは所
望の組織深度もしくは深部に集束されるばかりではな
く、ビームにはまた選択された深度に対し適当な周波数
が与えられ、それにより高い分解能と、受信エコーおよ
びそれから得られる組織像における良好なSN比との間に
有利な妥協が行われるのである。
以下添付図面を参照して説明する。
第１図を参照するに、環状配列のトランスジューサ１が
図示のように関連の送／受信回路に接続されている。ト
ランスジューサ１は横断面図で示されておつて、支持体
11上に取付けられたピエゾ電気材料からなる半球状の表
面を有している。このピエゾ材料は、３つのリング12,1
4および16によつて囲繞された中心円板10に分割されて
いる。各ピエゾ電気リングはそれぞれの送信回路（以下
パルサとも称する）P1ないしP4に接続されると共に、そ
れぞれの受信回路Amp1ないしAmp4に接続されている。パ
ルサP1および受信回路Amp1は詳細な回路図で示されてい
る。パルサP2ないしP4および受信回路Amp2ないしAmp4は
ブロツクダイアグラムで示してあるが、パルサP1および
受信回路Amp1と同じ仕方で構成されているものと理解さ
れたい。
パルサP1は、記号TRIG1で示す励起信号を受ける。信号T
RIG1は比較器50の１つの入力端に印加される。この比較
器50は、該TRIG1信号の電圧レベルを基準電圧Vrefと比
較する。信号TRIG1が電圧Vrefを越えると、比較器50は
出力信号を発生する。この比較器50はまた、パルサの地
気レベルの基準電圧を先行の回路の地気レベルの基準電
圧から電気的に分離する働きをなす。比較器の出力端は
RC回路52を介してトランジスタ54のベースに結合されて
いる。トランジスタ54のエミツタは接地されており、そ
してそのコレクタは電流源抵抗56に接続されている。ト
ランジスタ54のコレクタ出力端は、電力ドライバ62の入
力端に接続されている。この電力ドライバ62に印加され
た信号を15ボルト信号に変換し、そしてこの15ボルト信
号は電力FET64のゲートに印加される。FET64のソースは
接地されており、そしてそのドレインは、電圧保護ツエ
ナーダイオード58および60ならびに抵抗66を介して蓄積
コンデンサ68に接続されている。FET64が不導通である
時には高電圧源HVから抵抗66を経て流れる電流がコンデ
ンサ68を充電する。電圧源HVは、典型的には、100ない
し320ボルトDCの範囲の出力電圧を有する。該FETが信号
TRIGによつてパルス駆動されると、該FETはオンに切換
わつてコンデンサ68を、並列接続の隔離ダイオード72を
介してトランスジューサ１の中心リング10に放電せしめ
る。なお、トランスジューサリングへの接続線は、特定
のトランスジューサに対してそれぞれ適当な整合用直列
または並列チヨークを備えることができる。
トランスジューサ１の中心リング10によつて受信された
エコー（反射）情報信号は結合コンデンサ80および分路
チヨーク82を介して受信回路Amp1に印加される。コンデ
ンサ80とチヨーク82との接続点は、受信回路をパルサP1
によつて発生される電圧パルスから保護する働きをなす
直列阻止ダイオード84および86に接続されている。直列
接続の抵抗90および92を含むバイアス回路が、ダイオー
ド84および86の接続し合わされたアノードと＋12ボルト
の電源との間に接続されている。コンデンサ94が、抵抗
90および92の接続点とアースとの間に接続されている。
ダイオード86のカソードは、１対３逓昇変圧器100の入
力巻線に接続されており、そして分路クランプダイオー
ド96がダイオード86のカソードとアースとの間に接続さ
れている。該変圧器100の２次巻線は結合コンデンサ102
を介して利得制御増幅器GCA1の入力に接続されている。
増幅器GCA1の出力端は第２の利得制御増幅器GCA2の入力
端に接続されている。これら利得制御増幅器の各々は、
時間利得制御信号TGCによつて制御される−15dBないし
＋15dBの範囲を有している。したがつて、これら２つの
増幅器の利得は、送出される超音波パルスに応答して減
少した強さのエコー信号が受信される際に、−30dBから
＋30dBに変化し得る。増幅器GCA2の出力端は増幅器A3の
入力端に接続されており、この増幅器A3は30dBの付加的
な利得を与える。増幅器A3はRF1で表わした出力信号を
発生する。
同様にして、励起信号TRIG2、TRIG3およびTRIG4がパル
サP2、P3およびP4を付活して、環状配列のトランスジュ
ーサ１のそれぞれのリング12,14および16から超音波エ
ネルギを送出せしめる。これらリングによつて受信され
たエコー信号はそれぞれの増幅器Amp2、Amp3およびAmp4
に印加されて、それぞれの出力信号RF2、RF3およびRF4
を発生する。
受信エコー信号RF1ないしRF4を動的に集束するためのシ
ステムが第２図に示されている。受信したエコー信号は
アナログマルチプレクサ20に印加される。このマルチプ
レクサはエコー信号を、遅延線τ１ないしτｎを含む複
数の信号路または遅延要素を含まない信号路τ０に選択
的に振り分ける。エコー信号が連続して受信されている
間に該エコー信号を適当に遅延することにより、撮像中
の組織内の特定点からのエコーが同時に加算回路30に到
達する。この加算回路30において、信号は結合されて、
その出力に集束合成エコー信号を発生する。加算された
信号はそこでログ圧縮およびビデオ変換に用いることが
でき次いでデイジタル化および像表示に用いることがで
きる。
アナログマルチプレクサス20は、受信集束遅延制御シス
テム40で発生されて制御線42を介しマルチプレクサ20に
印加される制御信号によつて制御される。一方、受信集
束遅延制御システム40は、追つて第３図と関連して延べ
るように、データ母線210およびアドレス母線212を介し
て供給される情報によつて制御される。
第３図は、本発明の原理に従つて超音波伝送および受信
を制御するための装置の一部を示す図である。第１図の
トランスジューサ１を扇形走査器もしくはセクタスキヤ
ナとして用いる場合には、組織の１つの平面を通して、
伝送される超音波ビームを振動するのが望ましい。この
機械的な振動もしくは発振は、トランスジューサまたは
ミラーのようなビーム反射器を機械的に振動する装置を
制御するサーボ制御系202の制御下で行なわれる。この
サーボ制御系202は、振動装置に信号を送つてビームの
運動を制御し、そして該装置からビーム位置を表わす帰
還信号を受ける。
トランスジューサまたはミラーを、ビームを適切に指向
させるように配位する時には、サーボ制御系はSTARTパ
ルスを発生し、このパルスはＤ型フリツプフロツプ126
のクロツク入力端Ｃに印加される。このフリツプフロツ
プ126のデータ入力端Ｄは、理論“1"の電圧供給源に結
合される。フリツプフロツプ126はSTART信号によつてセ
ツトされて、そのＱ出力は高レベルになり、それにより
高レベル信号が第２のＤ型フリツプフロツプ128のＤ入
力端に印加される。36MHzの発振器120は、連続した36MH
zのクロツク信号を発生し、この信号は別のＤ型フリツ
プフロツプ122のＣ入力端に印加される。フリツプフロ
ツプ122は、36MHzのクロツク信号を２で除して18MHzのX
MTクロツク信号をＱ出力端に発生する。これは出力が
Ｄ入力端に結合されるためである。フリツプフロツプ12
2の出力はフリツプフロツプ128のＣ入力端に供給され
て、該フリツプフロツプ128を18MHzのXMTクロツク信号
と同期してセツトする。フリツプフロツプ128のＱ出力
端からは１サイクル計数信号COUNTが発生される。フリ
ツプフロツプ128の出力端はフリツプフロツプ126のリ
セツト入力端Ｒに接続されておつて、計数信号COUNTが
発生される時に該フリツプフロツプ126をリセツトす
る。その結果フリツプフロツプ128のＤ入力端の高レベ
ル信号は取払われて計数信号COUNTは次のクロツクサイ
クルで終末する。
走査装置に先ず電力を投入すると、CPUおよび記憶装置2
00はデータおよびアドレス情報を受信集束遅延制御部40
のためのデータ母線210およびアドレス母線212に発生す
る。これら情報は、装置において用いられる特定のトラ
ンスジューサに対して特別に作成されている。オペレー
タにより制御されるジヨイステイツク制御部201からの
集束深さもしくは焦点深度信号に応答して、CPUおよび
記憶装置200はまたアドレスおよびデータ母線上に送信
制御情報を発生する。この情報は、オペレータか相当に
異なつた集束深さ（焦点深度）に対してジヨイステイツ
ク制御を調節する時に、常に変更される。伝送制御の目
的で、データ母線210はデータレジスタ206に接続されて
いる。アドレス母線212はアドレスデコーダ204に接続さ
れており、後者はアドレス情報に応答して出力に書込み
信号WRITEを発生する。このWRITE信号のクロツク下でデ
ータはデータレジスタ206に置数される。このレジスタ2
06はそこで６つの波形制御ビツトWFA1−WFA6を保持す
る。
第３図の装置で発生されたデータおよび制御信号は、第
４図に示す送信制御装置に印加される。18MHzのXMTクロ
ツク信号は計数器130および132、ラツチ144および146の
クロツク入力端ならびにマルチプレクサ150および152の
選択入力端に印加される。36MHzのクロツク信号はラツ
チ160のクロツク入力端に印加される。波形アドレスビ
ツトWFA1ないしWFA6は、プロクラマブルな読出し専用メ
モリ（PROM）140および142のアドレス入力端に印加され
て、該PROM内の記憶場所の選択されたブロツクをアドレ
ス指定する。６つの波形アドレスビツトを用いて、64の
異なつた記憶場所ブロツクにアクセスでき、したがつて
また64の異なつた送信シーケンスにアクセスすることが
できる。
PROMメモリの選択されたブロツクをアドレシングする波
形アドレスビツトWFA1ないしWFA6で、計数信号COUNTは
計数器130および132の可能化入力端に印加される。計数
信号COUNTは実効的に、計数器に零計数をロードし、そ
こでこれら計数器は18MHzのクロツク信号XMTに応答して
計数を開始する。計数器130および132は、計数器130の
桁上げ出力信号を計数器132の桁上げ入力端に印加する
ように縦続接続されておつて、それによりこれら計数器
は１から32まで計数することができる。33の計数で、論
理「高」状態信号が計数器30の出力端QAならびに計数器
132の出力端QBに現われ、これら信号はナンドゲート134
の入力端に印加される。33の計数で、ナンドゲート134
は可能化されて、低レベル信号を発生し、この低レベル
信号は計数器130および132の不能化入力端に印加され
る。したがつてこの時点で計数器130および132は不能化
される。これら計数器が計数動作をしている間これら計
数器のPROM140および142の別のアドレス入力端に結合さ
れているＱ出力で、遂次、記憶位置の選択されたブロツ
ク内の32の記憶位置がアドレス指定される。このように
して、PROMの出力からは、18MHzの速度で32の記憶場所
からワードが発生されることになる。
各PROM出力ワードは、18MHzクロツクXMTによりラツチ14
4および146によつてラツチされる。ラツチ144および146
の出力端は、マルチプレクサ150および152の入力端に結
合されており、後者は交互に、ラツチ144および146から
の出力ワード、したがつてまたPROMからのデータを選択
する。例えば18MHzのクロツクXMTの２分の１サイクル
中、マルチプレクサ150および152はラツチ144からの出
力ワードをそれらの出力端に結合する。18MHzクロツクX
MTの次の半サイクル中に、ラツチ146に記憶されていた
出力ワードはマルチプレクサ150および152の出力に結合
される。このようにして、PROMデータの18MHz速度は36M
Hzに増大される。マルチプレクサ150および152の６つの
出力は、トランスジューサの６つの要素もしくはリング
に対して別々の出力信号を発生する。これら６つの信号
は、30MHzのクロツクによりラツチ160に入力されて、そ
れにより、それぞれ36MHzの速度で変化し得る６つの出
力信号が発生される。これら６つの出力信号はバツフア
162に印加される。該バツフアはまた、信号のレベル変
換を行ない、第１図のパルサに対して６つの信号TRIG1
ないしTRIG6を発生するように構成することができる。
第１図には４つのリングからなるトランスジューサ１だ
けしか示されていないので、第１図の実施例の場合には
信号TRIG1ないしTRIG4だけしか必要とされない。
第１図の環状配列トランスジューサ１の半球状の面で、
トランスジューサ１は所与の幾何学的集束能を付与され
る。即ち、トランスジューサ１の全てのリングを同時に
励起すると、超音波はトランスジューサリングから伝搬
して同時に幾何学的焦点に達する。例えば19mmの環状配
列トランスジューサ１は、中心リング10からほぼ10cm離
れた個所に幾何学的焦点もしくは集束点を有し得る。
第４図の装置によつて発生され第１図のパルサP1ないし
P4に印加される信号TRIGは、伝送される超音波をして、
励起信号のタイミングに従がい幾何学的焦点を越えた点
またはその前の点に集束せしめる。典型的な動作シーケ
ンスにおいては、伝送される信号は先ず短かい焦点距離
で集束され、そしてこの焦点は次いで、超音波エネルギ
が撮像中の組織の増大した深度に集束するように変えら
れる。エネルギを例えば4cmのような短かい深度に集束
したい場合には、第４図装置は、同じ水平の時間軸に対
して第５図に示すような信号TRIGを発生する。幾何学的
焦点より短かい焦点までのトランスジューサ１の外側リ
ングの距離12、中心リングから該短かい焦点までの距離
よりも大きいので、中心リング10よりも前に外側リング
16,14,12が励起される。
第１図に示した各パルサは第５図に示すような２パルス
信号TRIGシーケンスによつて付活される。信号TRIG
4は、パルサP4を付活して先ず外側のリング16を励起す
る（第5d図）。約80ナノ秒後に、信号TRIG3がパルサP3
を付活し、それによりリング14が励起される（第5c
図）。約45ナノ秒後に信号TRIG2がパルサP2を付活して
リング12を励起する（第5b図）。最後に、約75ナノ秒後
に、信号TRIG1がパルサP1を付活して中心リングを励起
する（第5a図）。このようにして、第５図に示した信号
TRIGは伝送される超音波を中心リング10から約4cmの個
所に集束せしめる。
本発明の原理に従がえば、信号TRIGはまた、伝送される
超音波をも制御する。第５図において、各パルスは約50
ナノ秒の持続幅を有しており、一対のパルス間の期間
（tpで示す）は約200ナノ秒である。パルス間のこの200
ナノ秒の期間で、伝送される超音波エネルギは比較的高
い周波数である。約5MHzの中心周波数を有するようにな
る。このように比較的高い周波数は、近視野集束にとつ
て望ましいことである。なぜならば、短かい距離におけ
る5MHz信号の減衰は比較的小さく、したがつて高周波信
号から比較的高い分解能の像が得られるからである。
トランスジューサの焦点距離をオペレータが変えると、
対応の異なつた集束深度（焦点深度）における改善され
た減衰特性を得るために、伝送される信号の周波数も相
応に変えられる。第６図を参照するに、この図には、約
12cmで撮像するための信号TRIGの波形が表示されてい
る。この12cmの距離は、トランスジューサの幾何学的焦
点を越えているので、12cmの焦点までのトランスジュー
サの外側リングの距離は、12cmの焦点までの中心リング
の距離よりも短かい。したがつて中心リング10は、伝搬
される波が同時に12cmの焦点に到達するように外側リン
グの励起に先立つて励起される。第6a図において、信号
TRIG1はパルサP1を付活して中心トランスジューサリン
グ10を励起する。その後約20ナノ秒後に、信号TRIG2が
パルサP2を付活し、それにより外側リング12が励起され
る（第6b図）。信号TRIG3は20ナノ秒にパルサP3を付活
し（第6c図）、そして信号TRIG4は約30ナノ秒後にパル
サP4を付活し（第6d図）、それぞれこし時点で外側リン
グ14および16を励起する。伝送される信号は、12cmの比
較的大きい深度に集束されるので減衰作用を減少するた
めには、伝送される超音波の周波数は低いことが望まれ
る。このように低い周波数の伝送信号は、第６図のパル
ス対の周期を第５図のパルス対と比較して増大すること
により達成される。第６図を参照するに、各パルス対に
おけるパルス間の周期tpは約420ナノ秒であり、それに
より、伝送される超音波エネルギは約2.4MHzの中心周波
数を有することになる。
離散的な焦点および対応の動作周波数範囲は表Ｉに、3.
5MHzおよび5MHzのトランスジューサに関して示してあ
る。これら焦点の各々に対する信号TRIGは、第４図のPR
OM140および142の別々の記憶ブロック場所に格納され
る。公称3.5MHzのトランスジューサは（プローブの出口
の膜から基準にして）、2.0cmから12.5cmの範囲内の距
離に集束することができる、その周波数スペクトルは相
応の仕方で5MHzから2.4MHzに変化する。同様にして、公
称5MHzのトランスジューサは２ないし12cmの範囲内の距
離に集束することができ、その周波数スペクトルは5MHz
から約3.3MHzに遷移する。5MHzのトランスジューサのた
めのトリガ信号は、良好な分解能を達成するために広帯
域周波数スペクトルを可能にする目的で近視野焦点領域
に対し単一のパルスである。焦点距離および周波数のこ
れら16の異なつた組合わせに関するデータ値は、容易の
PROM140および142に格納することができる。これらPROM
は、既述のように、６個までの素子を有するトランスジ
ューサのこのような64の組合わせまで記憶が可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、一部ブロツクダイアグラム形態でそして一部
略図で、送信および受信回路を備えた環状配列トランス
ジューサを図解する図、第２図は、第１図の装置によつ
て受信した超音波エコー情報を動的に集束するための構
成を示すブロツクダイアグラム、第３図は、本発明の原
理に従がつて構成された送信制御信号を発生するための
装置を示すブロツクダイアグラム、第４図は本発明の原
理に従がつて第１図の装置でトランスジューサの励起信
号を発生するための構成を示すブロツクダイアグラム、
そして第５図および第６図は、第１図、第３図および第
４図の装置の動作を説明するための信号波形図である。 １…トランスジューサ、10…中心リング、11…支持体、
12,14,16…外側リング、20,150,152…マルチプレクサ、
30…加算回路、40…受信集束遅延制御装置、50…比較
器、54…トランジスタ、58,60…ツエナーダイオード、6
2…ドライバ、64…FET、66,90,92…抵抗、68,80,94,102
…コンデンサ、72,84,86,96…ダイオード、82…チヨー
ク、100…変圧器、122,126,128…フリツプフロツプ、13
0,132…計数器、134…ナンドゲート、140,142…PROM、1
44,146,160…ラツチ、162…バツフア、200…CPU、201…
ジヨイステイツチ制御部、202…サーボ制御系、204…ア
ドレスデコーダ、206…データレジスタ、210…データ母
線、212…アドレス母線、Ｐ…パルサ、Amp…受信回路。
フロントページの続き (72)発明者 デニス・ア−ル・デイ−ツ アメリカ合衆国コロラド・リトルトン・サ タ−ン・ドライヴ13296 (56)参考文献 特開 昭55−17417（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−166307（ＪＰ，Ｕ) 実願昭52−175671号（実開 昭54− 101888号）の願書に添付した明細書及び図 面の内容を撮影したマイクロフィルム（Ｊ Ｐ，Ｕ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】撮像しようとする組織に超音波エネルギを
    伝送して該組織からのエコーを受信するための多素子ト
    ランスジューサ（１）を備えた超音波診断撮像装置にお
    いて、 複数個のトランスジューサパルサ（P1〜P4）が設けられ
    ており、該トランスジューサパルサは各々、素子（10,1
    2,14,16）を励起するために前記トランスジューサの各
    素子に結合された出力端と個々の入力端とを有してお
    り、 さらに前記パルサ（P1〜P4）の入力端に結合されて、種
    々の組織焦点深度に応じて複数の時間シーケンスのうち
    の１つの時間シーケンスで前記パルサ（P1〜P4）を作動
    しかつ前記素子を種々の伝送中心周波数のうちの１つの
    中心周波数で励起する手段（200,204,206,130,132,140,
    142,144,146,150,152,160,162）と、 前記作動励起手段に結合されて、前記時間シーケンスの
    うちの１つと相応の伝送中心周波数とを選択するための
    選択手段（201）とを有しており、 いかなるトランスジューサ素子（10,12,14,16）も、選
    択された励起用パルサ（P1〜P4）の範囲内のあらゆる周
    波数で駆動可能であり、さらに最大組織焦点深度におけ
    る伝送中心周波数は、最小組織焦点深度における伝送中
    心周波数より低いことを特徴とする超音波診断撮像装
    置。
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