JPH0886777A - 超音波探針器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波画像システムの移動アパーチャ探針にお
けるスイッチング機構が簡略化された超音波探針器を提
供する。 【解決手段】本発明の一実施例によれば、電歪変換器要
素を用いた探針器が提供される。探針内の電歪変換器要
素の直線的配列には、該要素の列にバイアスをオン、オ
フすることにより探針上を移動させることのできるアパ
ーチャが設けられる。これらの一連の変換器要素は隣接
するいくつかの列にグループ化される。各列は同じ数ｎ
の変換器要素を有し、ある列内のｎ個の変換器要素のそ
れぞれはバイアス端子と、グランド端子と、被駆動端子
を有する。全てのグランド端子は共通にグランドに接続
される。ある列内のそれぞれの変換器の被駆動端子は他
の列内の対応する変換器要素と並列に接続されている。
各列内では、全てのバイアス端子は並列に接続される
が、各列は個別のバイアスを有する。ある任意の時間に
は１列のみがオン状態にバイアスされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に超音波探針器に
関し、特に、相互接続された電歪変換器要素列を有する
超音波探針器に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波画像化は人体内の構造を超音波を
用いて非侵襲的に調べる方法である。入射超音波の発生
とその反射の受信は、通常圧電材料である超音波変換器
を用いて行なわれる。かかる変換器は適当な電圧パルス
（たとえば画像化の場合50−200ボルト、ドップラーの
場合5−50ボルト）によって励振されると超音波を発生
する。画像化のアプリケーションの性質上、探針には中
程度から多数の変換器が含まれることが多い。かかるア
プリケーションでは画像化の対象である物体すなわち構
造についてある範囲の空間的透視図を得るために数百の
変換器要素が用いられる。このような場合、任意の時点
で使用される変換器要素は一部だけであり、かかる一部
の変換器要素はその位置が画像化の過程で探針に沿って
規則的に移動されるアパーチャを形成する。かかるアパ
ーチャの位置は従来一列の高電圧スイッチを用いて形成
されていた。高電圧スイッチはアパーチャになるべき変
換器要素をスキャナと呼ばれる装置内の送信回路と受信
回路に接続する。したがって、数百の変換器要素を有す
る探針に移動アパーチャを形成するにはスキャナと連動
する大規模な高電圧切り換え構成が必要である。かかる
スイッチング構成は複雑・大型でしかも高価である。切
り換え構成のサイズ、複雑性およびコストを低減するよ
うに切り換えの方法を簡単にすることが望ましい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、超音波画像
化システムの移動アパーチャ探針におけるスイッチング
機構が簡略化された超音波探針器を提供することを目的
とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】超音波画像化システムの
移動アパーチャ探針の複雑性とコストは、電歪変換器要
素を用いて低減することができる。電歪材料はバイアス
されていない状態では圧電性をほとんど有せず、バイア
スが加えられると圧電性を示す材料である。探針内の多
数の変換器要素の直線的配列に電歪変換器要素を用いて
探針上を移動させることのできるアパーチャが設けられ
る。探針の一端から他端への変換器要素の連鎖は連続す
る変換器要素のいくつかの隣接する列に分割あるいはグ
ループ化される。それぞれの列は同じ数nの変換器要素
を有する。ある列内のn個の変換器要素のそれぞれはバ
イアス端子と被駆動端子を有する。ある列内のそれぞれ
の変換器の被駆動端子は他の列内の対応する変換器要素
と並列に接続されている。ある列内のバイアス端子はす
べて共通であり、かかるポイントはそれぞれの適当なバ
イアス電圧に接続されており、このバイアス電圧は変換
器要素の励振のための信号リターンパスとして機能する
良好な交流グラウンドでもある。同様に、スキャナ内の
回路はバイアスの印加のための適当なリターンパスを提
供する。ある任意の時間には現在のアパーチャ位置を含
む隣接する列のみがオン状態にバイアスされる。したが
って、探針上でアパーチャを１変換器要素ずつ周期的に
前進させながらアパーチャ内のかかる変換器要素だけを
励振することができる。

【０００５】

【実施例】まず電歪材料の使用について説明する。この
種の材料の組成と性質については、たとえばJapanese J
ournal of Applied Physics, Vol.28（1989年）の補遺2
8−2、101−104ページの“Electrostrictive Materials
for Ultrasonic Probesin the Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃−PbT
iO₃ System”と題する論文に説明されている。

【０００６】電歪材料を用いることによって超音波探針
用のスキャナの複雑性を小さくする動作原理を、図１か
ら図３に示す簡単な例を参照して説明する。これらの図
はある特定の構造の異なる動作段階を示しており、図中
同じ機構には同じ参照符号を用いている。

【０００７】図１には超音波探針構造１を示し、その探
針２は６列に配列された24の電歪圧電変換器要素からな
り、それぞれの列は次に説明するように他の列の電歪変
換器要素と相互接続された４つの電歪変換器要素からな
る。これら６つの列はAからFで示され、それぞれの列内
の変換器要素（たとえば９−16）は列名とそれに続く１
から４のうちの１つの数字によって表わされる。探針２
はケーブル３によってスキャナ４に接続され、スキャナ
４は信号路５によって超音波画像化装置（図示せず）に
接続されている。

【０００８】この例では、スキャナ４は８つのチャンネ
ル（チャンネル１からチャンネル８）すなわち１グルー
プ内の変換器の２倍の数のチャンネルを有する。それぞ
れのチャンネルは、たとえばチャンネル１、２および８
の駆動増幅器すなわちスイッチ30、32および34とこれら
のチャンネルのための受信増幅器31、33および35を含む
送信回路と受信回路を有する。

【０００９】それぞれのチャンネルは導体によって探針
２内の変換器に接続されている。この例では、導体６は
チャンネル１を、導体７はチャンネル２を、導体８はチ
ャンネル８を表わす。それぞれのチャンネルは探針２内
の７つおきの変換器要素の駆動側に接続されている。し
たがって、チャンネル１は変換器要素A1、C1、E1に、チ
ャンネル２は変換器要素A2、C2、E2に接続されている。
同様に、チャンネル８は変換器要素B4、D4、F4に接続さ
れている。しかし、後述するように、変換器要素の電歪
特性によって、ある時間に活動状態にある変換器要素は
１チャンネルにつき１つだけである。

【００１０】これを理解するには、変換器要素の他方の
側はそれらが属する列に応じて共通に接続されているこ
とに注目のこと。これらを電歪変換器要素の共通側すな
わちバイアス側と呼ぶことにする。列Aは共通結線17を
列Bは共通結線18を有し、以下同様であり、列Fは共通結
線22を有する。この例では、一度にオン状態にバイアス
されるのは２つの隣接する電歪変換器要素列だけであ
り、他の要素はオフ状態にバイアスされる。このような
バイアスによって活動状態の変換器要素の数が１チャン
ネルあたり１つに低減される。そのためには、それぞれ
の列に単極双投形の切り換え要素を設けなければならな
い。スイッチ23は列Aに対して、スイッチ24は列Bに対し
て設けられ、以下同様に続き、列Fに対してスイッチ28
が設けられる。それぞれの切り換え要素は対応するグル
ープの共通結線を、そのグループ内の電歪変換器をオフ
（たとえばグラウンド）にする電圧とオンにする電圧
（たとえば直流150ボルト）の間で切り換える。しか
し、この直流バイアス電圧は変換器要素を励振する駆動
パルスに対して適切なリターンパスを提供し続けるよう
な良好な直流グラウンドとなる。同様に、スキャナ内の
回路はバイアス電圧に対して適切なリターンパスすなわ
ち適切なインピーダンスの基準電圧を提供する。

【００１１】図１に示す構成は最大で５つの変換器要素
を用いた移動アパーチャフェイズドアレー動作を可能に
する。フェイズドアレー動作では、多数の隣接する変換
器要素が時間差をおいて励振され、これによって発せら
れる超音波はそれ自体の各部分を空間的に増強し、また
打ち消して１本のビームに結合されて、このビームが所
望の方向に向けられ、選択された場所に当てられる。受
信動作においても、反射信号をそれらが１つの信号に組
み合わせられる前に適切に遅延することによって同様の
方向付けと焦点合わせが行なわれる。アパーチャのサイ
ズはかかる方向付けと焦点合わせを受ける変換器要素の
数である。スキャナが２つの列をカバーする図１に示す
構成では、アパーチャはある列内の変換器要素の数に１
を加えた大きさになる。後述するように、図１に示すよ
うな構成に対する一般的な規則としては、アパーチャの
大きさはスキャナ内のチャンネルの数とある列内の変換
器要素の数の差に１を加えたものとすることができる。

【００１２】図１においてスイッチ23とスイッチ24は列
AおよびBを直流150ボルトのバイアス電圧に接続するよ
うにセットされていることに注意しなければならない。
これによって列AおよびBがバイアスされる、すなわちオ
ン状態にバイアスされる。列Cから列Fのスイッチ25−28
はこれらの列をゼロのバイアス電圧（グラウンド）に接
続するようにセットされる。これによってこれらの列は
オフになる。その結果チャンネル１からチャンネル５ま
でが周知の適当な時間差をおいた順序で点弧され（電歪
変換器要素に対する高電圧パルスの印加によって励振さ
れ）所望の超音波ビーム（“すなわち超音波“線”）が
得られ、これによって電歪変換器要素A1、A2、A3、A4お
よびB1が励振される（最も可能性が高いのは、変換器要
素A3を“中心とする”線が“点弧される”）。変換器要
素C1−F4の属する列の電歪変換器要素はバイアスすなわ
ちオンされないため、これらの変換器要素は励振されな
い。反射エネルギーを受けるためのある適当な期間（こ
の期間中列選択スイッチ23−28とスキャナ４内のチャン
ネル選択は変化しない）をおいて、ドップラーシフトを
測定するためにA3を中心とする他の線が必要とならない
限りスキャナ内のチャンネル選択がチャンネル２−チャ
ンネル６になる。チャンネル２−チャンネル６が選択さ
れることにより、次の線は変換器要素A4に向けられる。

【００１３】以上の過程がチャンネル２からチャンネル
６までに対して繰り返され、その後チャンネル３からチ
ャンネル７までに対して（B1を中心とする線を点弧する
ために）繰り返され、さらに（B2を中心とする線を点呼
するために）チャンネル４からチャンネル８までに対し
て繰り返される。しかし、その後列スイッチ23は列Aを
グラウンドに接続するようにセットされ、列スイッチ25
は列Cをバイアス電圧29も接続するようにセットされ
る。列スイッチがこのように変化した後、スキャナ内で
チャンネル５からチャンネル１が再び選択される。その
結果図２に示す状態が発生し、B3を中心とする線の点呼
が可能になる。

【００１４】B3を中心とする線を点呼するためには、変
換器要素B1およびC1を、次にB2およびB4を、さらにB3を
励振しなければならない。そのためにはまずチャンネル
５および１、次にチャンネル６および８、最後にチャン
ネル７を使用しなければならない。前述したように、列
スイッチ23−28の設定のために、列Bと列Cだけが圧電性
を示す。この方法が続けられ、探針２から発せられる超
音波線が連続する変換器要素のそれぞれ（F3およびF4を
除く）を中心としながら当てられる。上記の例に対する
この点弧法を次のように表にまとめることができる。

【００１５】

【表１】

【００１６】ここで、探針内の変換器要素の数、アパー
チャ、列の大きさ、およびスキャナ内のチャンネルの数
の関係を説明することが有益であると考えられる。最も
明らかな関係は、図１から図３に示す例からわかるよう
に、使用されるチャンネルの数は少なくとも１つの列内
の変換器要素の数の二倍に等しくなければならない（す
なわち、少なくとも列の大きさの二倍でなければならな
い）。これは、列K+2が列Kに取って代わり、次に列K+1
をK、列K+2を列K+1とすることを可能にするためであ
る。スキャナに対応させて３つ、４つ、あるいは８つの
列を用いることも充分可能である。一般に、スキャナに
対応する列は多いほどよい。これは、アパーチャをより
大きくすることができるためである。これは、１つの列
の大きさのスペースを用いて個々の変換器を１列分の距
離だけ進めることを可能にすることからわかる。したが
って、アパーチャの最大サイズはスキャナのサイズ以内
の他の残りの列の大きさに変換器１つを加えたものとす
ることができる。アパーチャはこれより小さい場合があ
る。さまざまな列の変換器要素を相互接続する導体の数
はアパーチャのサイズより１だけ小さい。列の数は単純
に探針内に必要な変換器要素の数を提供するのに要する
数である。一般に、列の数は他のパラメータに影響を与
えることなく増やすことができる。

【００１７】実際の探針の例としては、それぞれが８つ
の変換器要素からなる36の列にグループ化された288の
変換器要素を有する腹部探針を挙げることができる。か
かる探針はたとえば128のチャンネルを有するスキャナ
とともに用いることができる。128割る８は16であるか
ら、最大アパーチャは８×15＋１すなわち121である。

【００１８】さらに、使用する電歪変換器要素の列を選
択する列スイッチは探針２に設けてもスキャナ４に設け
てもよいことがわかる。これらのスイッチを探針内に設
ける場合、列制御信号はケーブル３でスキャナ４から探
針２に送られる。列制御スイッチがスキャナ４内に設け
られる場合、様々な実際の列バイアス電圧自体がケーブ
ル３を介して送られる。

【００１９】図４は相互接続された電歪変換器要素の列
を有する超音波探針、特に図１に示すような探針１の製
造方法を示す概略分解図である。図４には、変換器要素
のアレー47を示し、その上には変換器要素アレー47の上
に重ねて設けられるフレキシブルプリント回路アッセン
ブリー39の一部を示し、またこのアッセンブリー39の上
には音響レンズアッセンブリー48が設けられる。変換器
要素アレー47の下にはフレキシブルプリント回路アッセ
ンブリー49があり、その下には音響整合層37（省略する
こともできる）と基部36が設けられる。実際の組み立て
られた探針では、これらの構成要素は互いに固着され、
図に示すように分離した状態ではない。

【００２０】基部36は周知の基材であり、タングステ
ン、ビニールおよびフェノールの合成物を含むエポキシ
とすることができる。基部36の機能は構成要素を支持
し、またレンズ48と反対の方向に（不可避的に）発せら
れる音響エネルギーを反射することなく吸収することで
ある。音響インピーダンス整合材料の層37の真上にフレ
キシブルプリント基板アッセンブリー49の上面に設けら
れた小さな間隔をおいた平行な導電性パターン41−46の
配列が配設される。これらのパターンは変換器要素のア
レー47に位置合わせされており、その下面と電気的に接
触する。このように形成された接続部が変換器要素の被
駆動側となる。パターン41、42、43および44はそれぞれ
チャンネル１、２、３および４の導体に対応する。たと
えば、導体41はA1,9で示す位置で電歪変換器要素の被駆
動側に押圧され導電接着される。図示するように、変換
器要素はさまざまな列（A1/9、A2/10、A3/11、A4/12、B
1/13、B2/14）内の要素に対応する。

【００２１】変換器要素アレー47の上にはU字状のフレ
キシブルプリント回路アッセンブリー39が示されてお
り、このアッセンブリーはUの（変換器要素アレーの端
部と接触する）内側と外側の両方にパターンを有する。
外側には、それと一体をなして、グラウンドに接続され
た導電性フォイルの層40が設けらる。この層の目的は、
探針の内側の電圧を外部から遮断して探針の１つあるい
はそれ以上の部分の不良による感電を防止するための安
全シールドとして作用することである。導電性フォイル
40の外側のシールドはアッセンブリー39の全面に設けた
均一な層であるため、その全部をわかりやすく図示する
ことができないため、その表面の一部だけを示す。

【００２２】フレキシブルプリント回路アッセンブリー
39の内側にはさまざまなパターンが設けられる。フレキ
シブルプリント回路アッセンブリー39の内側の表面には
各列のバイアス端子であるパターンとパッドが設けられ
ており、これらは隠れていて見えないため点線で示す。
たとえば、パッド55は変換器要素A1、A2、A3およびA4を
相互接続する結線17に対応し、パターン50は列スイッチ
23からの導体に対応する。パターン51−54は同様にそれ
ぞれスイッチ24−27に電気的に接続されている。

【００２３】最後に、音響インピーダンス整合層38と音
響レンズ48はフレキシブルプリント回路アッセンブリー
39の上表面に接着される。音響インピーダンス整合層38
は適当な音響インピーダンスを有する材料からなる１つ
あるいはそれ以上の層とすることができ、かかる材料は
図示するようにスラブ状とすることもでき、また各変換
器要素に対応しそれらに位置合わせされた個々の断片に
切断することもできる。

【００２４】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施例毎に列挙する。 [例１]それぞれが第１および第２の端子を有するn個の
隣接する電歪材料製の変換器要素からなる第１の列、前
記第１の列の変換器要素のそれぞれの第１の端子が電気
的に接続された第１の共通結線、前記電歪材料をバイア
スするのに適した電圧を有する第１の電圧源、前記電歪
材料のバイアスを解除するのに適した電圧を有する第２
の電圧源、単極双投構成を有し、その極は前記第１の共
通結線に電気的に接続され、第１の位置では前記極が前
記第１の電圧源に接続され、第２の位置では前記極が前
記第２の電圧源に接続される第１の切り換え機構、それ
ぞれが第１および第２の端子を有するn個の隣接する電
歪材料製の変換器要素からなる第２の列、前記第２の列
の変換器要素のそれぞれの第１の端子が電気的に接続さ
れた第２の共通結線、単極双投構成を有し、その極は前
記第２の共通結線に電気的に接続され、第１の位置では
前記極が前記第１の電圧源に接続され、第２の位置では
前記極が前記第２の電圧源に接続される第２の切り換え
機構からなり、前記第１の列の変換器要素の第１の端子
は、前記第２の列の変換器要素の第１の端子から電気的
に絶縁されている超音波探針。 [例２]それぞれが第１および第２の端子を有するn個の
隣接する電歪材料製の変換器要素からなる第３の列、前
記第３の列の変換器要素のそれぞれの第１の端子が電気
的に接続された第３の共通結線、単極双投構成を有し、
その極は前記第３の共通結線に電気的に接続され、第１
の位置では前記極が前記第１の電圧源に接続され、第２
の位置では前記極が前記第２の電圧源に接続される第３
の切り換え機構、それぞれが第１および第２の端子を有
するn個の隣接する電歪材料製の変換器要素からなる第
４の列、前記第４の列の変換器要素のそれぞれの第１の
端子が電気的に接続された第４の共通結線、単極双投構
成を有し、その極は前記第４の共通結線に電気的に接続
され、第１の位置では前記極が前記第１の電圧源に接続
され、第２の位置では前記極が前記第２の電圧源に接続
される第４の切り換え機構からなり、前記第１および第
３の変換器要素の列の第１の端子はn個の対応する対と
して電気的に接続され、前記第２および第４の変換器要
素の列の第１の端子はn個の対応する対として電気的に
接続されている例１に記載の超音波探針。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、超音波画像化システムの移動アパーチャ探針
におけるスイッチング機構のサイズ、複雑性、およびコ
ストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】相互接続された電歪変換器要素の列を有する超
音波探針の概略ブロック図であり、探針の一端にアパー
チャを配置するように選択された列を示す図である。

【図２】図１と同様のブロック図であり、隣のアパーチ
ャ位置に移動するための次の列の選択を示す図である。

【図３】図１と同様のブロック図であり、探針の反対側
の端部にアパーチャを配置する列選択を示す図である。

【図４】相互接続された電歪変換器要素の列を有する超
音波探針の各部を製作する方法を示す概略分解図であ
る。

【符号の説明】

１：超音波探針構造 ２：探針 ３：ケーブル ４：スキャナ ５：信号路 ６−８：導体 17−22：共通結線 23−28：スイッチ 29：バイアス電圧 30、32、34：スイッチ 36：基部 37：音響整合層 38：音響インピーダンス整合層 39：フレキシブルプリント回路アッセンブリー 40：導電性フォイルの層 41−46：導電性パターン 47：変換器要素のアレー 48：音響レンズアッセンブリー 49：フレキシブルプリント回路アッセンブリー 50：パターン 51−54：パターン 55：パッド A−F：電歪圧電変換器要素の列 A1−A4、B1−B4、C1−C4、D1−D4、E1−E4、F1−F4：変
換器要素 A1/9、A2/10、A3/11、A4/12、B1/13、B2/14：列

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれが第１および第２の端子を有する
   n個の隣接する電歪材料製の変換器要素からなる第１の
   列と、 前記第１の列の変換器要素のそれぞれの第１の端子が電
   気的に接続された第１の共通結線と、 前記電歪材料をバイアスするのに適した電圧を有する第
   １の電圧源と、 前記電歪材料のバイアスを解除するのに適した電圧を有
   する第２の電圧源と、 単極双投構成を有し、その極は前記第１の共通結線に電
   気的に接続され、第１の位置では前記極が前記第１の電
   圧源に接続され、第２の位置では前記極が前記第２の電
   圧源に接続される第１の切り換え機構と、 それぞれが第１および第２の端子を有するn個の隣接す
   る電歪材料製の変換器要素からなる第２の列と、 前記第２の列の変換器要素のそれぞれの第１の端子が電
   気的に接続された第２の共通結線と、 単極双投構成を有し、その極は前記第２の共通結線に電
   気的に接続され、第１の位置では前記極が前記第１の電
   圧源に接続され、第２の位置では前記極が前記第２の電
   圧源に接続される第２の切り換え機構と、 を備えて成り、 前記第１の列の変換器要素の第１の端子は、前記第２の
   列の変換器要素の第１の端子から電気的に絶縁されてい
   ることを特徴とする超音波探針。