JPH11299780A

JPH11299780A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JPH11299780A
Application number: JP10113055A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Shimazaki; 和弘島崎; Takemi Aso; 剛己麻生
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】音響レンズ層を有したプローブを用いる超音
波診断装置の画質の向上を図る。【解決手段】各振動子Ａiから発せられた超音波が音
響レンズ層８を通過する時間と、その外側の生体を伝播
してフォーカス点Ｆに至る時間との合計が最小となるよ
うに、音響レンズ層表面２２上での超音波経路の通過点
Ｐiを求め、超音波経路を決定する。決定された経路は
一般に音響レンズ層表面２２において屈折する。この経
路に基づいて、電子フォーカスの各振動子間でのディレ
イ量を求めることにより、音響レンズ層８での屈折が補
正され、フォーカスの精度が向上する。受信において
も、同様にして求めたディレイ量によりフォーカス精度
が向上する。これらにより良好な鮮明度を有した生体断
面画像が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子走査を行う超
音波診断装置に関し、特に画質の向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来の超音波診断装置において
用いられているコンベックスプローブの概略の断面図で
ある。コンベックスプローブ２は短冊形の多数の振動子
４が配列された振動子アレイを有する。同図（ａ）はこ
の振動子アレイの配列方向（アレイ方向）に関する断面
図であり、同図（ｂ）は、アレイ方向と垂直な方向（ス
ライス方向）に関する断面図である。

【０００３】各振動子４は、例えば、上下面に電極層を
形成された振動子板をバッキング材６の上に貼り付け、
それをスライス方向にスライスすることにより、相互に
分離された構造に形成される。コンベックスプローブ２
においては、振動子４の配列はアレイ方向に関して弧形
状を形成する。

【０００４】振動子４のおもて面側には、音響レンズ層
８が設けられる。この音響レンズ層８は、図３（ｂ）に
示すようにスライス方向に厚みを変え、例えば、生体内
より音響レンズ層８内での音速が小さい場合には図示す
るようにスライス方向に関して凸レンズ形状を有する。
音響レンズ層８は、各振動子４から放射される超音波ビ
ームをスライス方向について集束させるために設けられ
ているものである。

【０００５】ここで述べる超音波診断装置は、被検体で
ある例えば生体を、コンベックスプローブ２から放射す
る超音波ビームでアレイ方向に走査することにより、被
検体のアレイ方向断面の画像を取得することができる。
ここで超音波ビームが観察対象領域の周辺に拡がると分
解能が低下する。すなわち当該周辺領域からの反射波が
ノイズとなることにより観察対象領域の画像が不鮮明と
なり画質が劣化する。上述の音響レンズ層８は、スライ
ス方向の超音波ビームの集束を図ることにより、このよ
うな画質劣化を防止するものである。

【０００６】同様に、画質の向上のためには、アレイ方
向にも超音波ビームを集束させることが必要であるが、
このアレイ方向の超音波ビームの集束は電子フォーカス
により実現されるので、当該アレイ方向には別段、音響
レンズによる超音波の集束は必要とされない。

【０００７】図４は、電子フォーカスによる従来のアレ
イ方向の超音波ビームの集束の原理を説明する模式図で
ある。図において、コンベックスプローブ２の構造のう
ち振動子４の表面２０と、また音響レンズ層８の表面２
２とが抽出され表されている。ここでは、振動子表面２
０はアレイ方向に曲がった半径Ｒ₁の円筒面であると
し、その中心Ｏとフォーカス点Ｆとを結ぶ線上にある振
動子Ａ₀とする。フォーカス距離Ｄfは、フォーカス点Ｆ
から最短距離にある振動子Ａ₀までの距離として定義さ
れる。振動子Ａ₀と中心角θiだけずれた位置にある任意
の振動子Ａiとフォーカス点Ｆとの距離をＤiとする。送
信時の電子フォーカスにおいては、各振動子４は、互い
に異なる距離Ｄiにあるフォーカス点Ｆにおいてそれら
の波面が一致するように、駆動タイミングの遅延時間
（ディレイ）を調整されて駆動され、超音波をそれぞれ
放射する。また、受信においても、各振動子４の受信信
号を、所望のフォーカス点と各振動子４との距離に応じ
たディレイを与えて整相加算することにより当該フォー
カス点への電子フォーカスを行うことができる。

【０００８】振動子Ａiに対する振動子Ａ₀のディレイ量
τiは、従来、次の式（１）で計算されていた。

【０００９】

【数１】 τi＝〔｛（Ｄf＋δ）²＋ｈ²｝^1/2−Ｄf〕／Ｖ₁ ………（１）なお、ここで、Ｖ₁は生体内での音速であり、ｈ＝Ｒ₁sinθi δ＝Ｒ₁（１−cosθi）である。

【００１０】また、音源の曲率半径であるＲ₁が大きい
従来の探触子においては、δを無視して、

【数２】 τi＝｛（Ｄf²＋ｈ²）^1/2−Ｄf｝／Ｖ₁ ………（１’）という近似式が用いられることも多かった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の超
音波診断装置においては、スライス方向とアレイ方向の
超音波ビームの集束は互いに独立の手段により行われ、
アレイ方向の超音波ビームの電子フォーカスに際して
は、音響レンズ層８の存在は考慮されていなかった。つ
まり、音響レンズ層８と生体とでの超音波の音速が相違
することによる影響は考慮されていなかった。すなわ
ち、あるフォーカス点Ｆに対して互いに異なる超音波経
路を有し、音響レンズ層８中の経路距離が異なる振動子
４間では、両音速が異なることにより、ディレイ量τが
（１）式で与えられるものとは相違する。この相違は、
リニア型アレイや、曲率半径Ｒ₁の大きなコンベックス
型アレイでは比較的小さく、他のより重要な要因との関
係などから従来は見過ごされてきた。しかし、より広範
な生体部位の診断を可能とするといった目的で、探触子
の小型化が図られており、そのためコンベックス型アレ
イでは曲率半径Ｒ₁が小さいものが開発されている。こ
のような小型のコンベックス型アレイでは、例えば、振
動子Ａ₀と例えばアレイ端部の振動子４とに対する音響
レンズ層８中の経路差が顕著となり、従来のような
（１）式又は（１’）式を用いた電子フォーカス法で
は、解像度が低下し、画質の劣化を招くという問題があ
った。

【００１２】また、この画質の劣化は、上述のように曲
率半径の小さいコンベックス型アレイにおいて特に顕著
となるものであるが、リニア型アレイや曲率半径の大き
なコンベックス型アレイにおいても潜在的に起こってい
た問題である。

【００１３】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、振動子アレイプローブを用いる超音波診断
装置において、音響レンズ層８の存在を適切に考慮した
ディレイ量を求め、それに応じた電子フォーカスを行う
ことによって画質が改善される超音波診断装置を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波診断
装置は、振動子アレイにより送波又は受波される超音波
ビームの電子走査を行う走査制御手段が、音響レンズ層
での超音波の屈折を考慮した各振動子とフォーカス点と
の間の超音波経路に基づいて、前記電子走査における各
振動子間の遅延時間を定めることを特徴とする。

【００１５】振動子アレイの表面には、スライス方向に
ついて超音波の集束を行う狭義の音響レンズとの間に、
音響整合層が設けられることがある。本発明の音響レン
ズ層とは、これらを含むもので、振動子アレイの表面に
あって生体と異なる音速を有する層である。

【００１６】本発明に係る超音波診断装置においては、
前記走査制御手段は、前記音響レンズ層での超音波の伝
播時間と当該音響レンズ層の外側での超音波の伝播時間
との合計が最小となることに基づいて、前記振動子と前
記フォーカス点との間の超音波経路を決定することを特
徴とする。

【００１７】本発明の好適な態様は、前記振動子アレイ
がコンベックス型アレイであるものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る超音波診断装
置の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
なお、本装置の特徴は、探触子の走査制御にあり、本装
置に用いられるコンベックスプローブの構造は、図３に
示す従来のものと同様であるので、これを引用して以下
説明する。

【００１９】まず本装置における制御の原理を、図１を
用いて説明する。図１は、本装置における電子フォーカ
スによるアレイ方向の超音波ビームの集束の原理を説明
する模式図である。図において、図４と同一の符号は同
じものを指す。よって、ここではそれらの説明は省略
し、ここで新たに現れる記号についてのみ、まず説明す
る。Ｌtは音響レンズ層８の厚さ、Ｒ₂を音響レンズ層８
の表面２２の曲率半径とすると、Ｒ₂＝Ｒ₁＋Ｌt という関係が成り立つ。

【００２０】また、音響レンズ層表面２２に取られる点
Ｐiは振動子Ａiとフォーカス点Ｆとを結ぶ超音波経路が
音響レンズ層表面２２と交差する点である。一般に、超
音波経路はこの点Ｐiにおいて、すなわち音響レンズ層
表面２２において屈折する。振動子Ａiとフォーカス点
Ｆとを結ぶ超音波経路のうち、音響レンズ層８内の経路
（Ａi−Ｐi）の距離をξi、一方、生体内の経路（Ｐi−
Ｆ）の距離をηiとする。また∠ＦＯＰiをσi、音響レ
ンズ層８内での音速をＶ₂で表す。

【００２１】さて、送信時の振動子Ａiからフォーカス
点Ｆに至る超音波、または逆に受信時のフォーカス点Ｆ
から振動子Ａiに至る超音波は、ともに伝播時間が最短
となる経路にて発信点から着信点に到達する。すなわ
ち、超音波は、音響レンズ層８内での経路（Ａi−Ｐi）
での伝播時間ｔinと、生体内の経路（Ｐi−Ｆ）での伝
播時間ｔoutとの合計時間Ｔが最小となるような点Ｐiを
経由する。よって、合計時間ＴをＰiの位置の関数とし
て表し、合計時間Ｔが最小となるようにＰiを定めるこ
とにより、超音波経路（Ａi−Ｐi−Ｆ）が決定され、そ
れに応じてＡ₀とＡiとの間のディレイ量τiも決定され
る。なお、ここでは、Ｐiの位置をσiをパラメータに用
いて表す。これらの表記により次の３つの関係式
（２）、（３）、（４）が得られ、これらに基づいて合
計時間Ｔを最小とするσiが求められる。

【００２２】

【数３】Ｔ(σi)＝ξi(σi)／Ｖ₂＋ηi(σi)／Ｖ₁ ………（２）

【数４】 ξi(σi)＝｛（Ｒ₂cosσi−Ｒ₁cosθi）²＋（Ｒ₂sinσi−Ｒ₁sinθi）²｝^1/2 ………（３）

【数５】 ηi(σi)＝｛（Ｄf＋Ｒ₁−Ｒ₂cosσi）²＋（Ｒ₂sinσi）²｝^1/2 …（４）Ｔ(σi)を最小とするσiは、次の条件式（５）から求め
ることができる。

【００２３】

【数６】 ∂Ｔ／∂σi＝０ ………（５）このようにして超音波経路（Ａi−Ｐi−Ｆ）が決定され
ると、その経路でのξi、ηiを用いて、ディレイ量τi
が次の（６）式により決定される。

【００２４】

【数７】 τi＝（ηi/Ｖ₁＋ξi/Ｖ₂）−｛（Ｄf−Ｌt）/Ｖ₁＋Ｌt/Ｖ₂｝………（６）なお、上述の伝播時間Ｔを最小にするように超音波経路
が決定され、音響レンズ層表面２２での屈折も定まると
いう条件は、音響レンズ層表面２２が平面である場合に
は、よく知られたスネルの法則と等価である。

【００２５】図２は、本装置の概略のブロック図であ
る。装置はコンベックスプローブ２に含まれる多数の振
動子４に対応して、複数の送信駆動回路３０を備える。
これら送信駆動回路３０は送信遅延コントロール回路３
２からの指示により、それぞれが分担する振動子４から
超音波を放射させる。送信遅延コントロール回路３２
は、振動子４間の超音波の送信タイミングのディレイ量
を調整し、生体内の所望の位置に超音波をフォーカスさ
せる。

【００２６】一方、受信時にはコンベックスプローブ２
の各振動子４からの受信信号はそれぞれプリアンプ３４
にて増幅された後、受信遅延回路３６に入力される。受
信遅延回路３６は、プリアンプ３４それぞれに対応した
各チャネルごとに、受信信号に対するディレイ量を可変
に設定することができる。そのディレイ量は受信遅延コ
ントロール回路３８により制御され、各チャネルの受信
信号はそれぞれ遅延された後、互いに加算される。受信
遅延コントロール回路３８は、一つの受信方向に対して
深さ方向に多段階にフォーカス点を変えるようにディレ
イ量を調整し、これによりダイナミックフォーカスが実
現される。深さ方向にフォーカス点を変えるこの走査
と、受信方向を変える走査とによって得られる画像によ
り、アレイ方向の生体断面の二次元的な様子を観察する
ことができる。

【００２７】加算された受信信号はｌｏｇ圧縮回路４０
に入力される。生体からの反射エコーの信号レベルは８
０ｄＢ以上の広範囲にわたる。一方、表示装置のダイナ
ミックレンジはそれほど大きくないため、生体からの信
号をそのまま表示装置の輝度変調に用いると、階調性を
欠いた画像となる。ｌｏｇ圧縮回路４０はこれを防止す
るためのものであり、対数増幅器を用いて入力信号をそ
の対数に比例した信号に圧縮して出力する。

【００２８】なお、ｌｏｇ圧縮回路４０での増幅率はＳ
ＴＣ（sensitive time control）回路４２によりフォー
カス位置の深さに応じて調整される。つまり、ＳＴＣ回
路４２は、生体からの反射エコーのレベルが生体の深い
位置からのものほど低くなることを補正するように、深
さ方向の走査に同期してｌｏｇ圧縮回路４０のゲインを
調整する。

【００２９】検波回路４４は、ｌｏｇ圧縮回路４０から
出力される高周波信号のエンベロープを取り出し、次に
ＡＤＣ（analog-to-digital converter）回路４６によ
ってデジタル信号へ変換された信号がＤＳＣ（digital
scan converter）４８に格納されていく。ＤＳＣ４８
は、例えば、コンベックスプローブ２の電子走査によっ
て得られる１画面分の受信データを蓄積し、これを表示
装置５０の走査方式に応じた順序で出力するものであ
る。つまり、コンベックスプローブ２による生体断面の
各点の電子走査の走査順序と表示装置５０の走査順序と
は一般に異なるため、ＤＳＣ４８を用いてそれら両走査
方式間の変換が行われる。ＤＡＣ（digital-to-analog
converter）５２はＤＳＣ４８から表示装置５０の走査
方式に応じて順次読み出されたデジタル値をアナログの
画像信号に変換し、表示装置５０はそれを画像表示す
る。

【００３０】システムコントロール回路５４は送信遅延
コントロール回路３２、受信遅延コントロール回路３
８、ＤＳＣ４８を制御する回路である。

【００３１】さて、本装置の特徴は、走査制御手段であ
る送信遅延コントロール回路３２及び受信遅延コントロ
ール回路３８が有している。送信遅延コントロール回路
３２と受信遅延コントロール回路３８とはそれぞれ、又
は共通のＣＰＵ（central processing unit）を有す
る。このＣＰＵは電子走査の制御やそれに必要となる演
算を行う。本装置ではこのＣＰＵにより、電子走査によ
り移動する各フォーカス点Ｆに対応して、上記（２）〜
（６）式に基づく計算が行われ、送信時には送信遅延コ
ントロール回路３２が送信駆動回路３０を駆動するため
に必要なディレイ量が各振動子４について決定され、一
方、受信時には受信遅延コントロール回路３８が受信遅
延回路３６における整相加算の制御に用いるディレイ量
が各振動子について決定される。

【００３２】すなわち、本装置では、上述した原理に基
づいて、音響レンズ層８と生体との境界で起こる超音波
のアレイ方向に関わる屈折が考慮され、これにより電子
走査のフォーカスの精度が向上し、画像の鮮明さが向上
する。

【００３３】なお、（２）〜（６）式の計算は、音響レ
ンズ層８の厚さＬtや、コンベックスの曲率といったコ
ンベックスプローブ２のパラメータを必要とする。本装
置においてはプローブは被検部位等に応じて交換可能で
ある。本装置は、使用される可能性がある各プローブの
パラメータをあらかじめＲＯＭ等のメモリに保持し、操
作者がプローブの種類をスイッチ切り替えで設定する
と、対応するパラメータを読み出し、それに基づいて上
記計算を行う。また、例えばプローブが出力する識別信
号などによって、取り付けられたプローブを自動的に認
識するように構成することも可能である。

【００３４】他の実施形態では、プローブに対するフォ
ーカス点Ｆの相対位置に応じて、あらかじめ計算された
各振動子のディレイ量のテーブルをＲＯＭ等の記憶手段
に格納しておき、送信遅延コントロール回路３２、受信
遅延コントロール回路３８は、目的とするフォーカス点
に対応したディレイ量を当該記憶手段から読み出して、
電子フォーカスを行う構成も可能である。

【００３５】なお、送信時と受信時とではフォーカス点
の設定の仕方が異なることがある。例えば、送信時に
は、ビーム深さ方向に対して細かくフォーカス点を変え
るような走査を行い、受信時のダイナミックフォーカス
では、フォーカス点のビーム深さ方向の位置が比較的粗
い複数段階に設定されることが行われる。このような送
信時と受信時とでの走査の違いに対応して、ディレイ量
のテーブルを送信時用と受信時用とで別個に用意しても
よい。

【００３６】本装置は特にコンベックスプローブを用い
て断層画像撮影を行う場合に有効である。本装置には、
例えばＲ₁がおよそ２０ｍｍ程度以下のコンベックスプ
ローブ２がよく用いられ、小さいものではＲ₁が９ｍｍ
程度のコンベックスプローブ２も用いられる。また、開
口は例えば−４５°≦θi≦４５°である。音響レンズ
層８は、スライス方向の長さ１〜１．５ｃｍの振動子４
に対して例えば最も厚い部分で１〜２ｍｍの厚さとな
る。音響レンズ層８の厚さは、スライス方向に変化する
ものであるが、上述の計算におけるＬtとして、近似的
にスライス方向の平均厚さや最大厚さを用いても良好に
改善された測定結果が得られた。このような近似的な厚
さを用いることによりＣＰＵの演算負荷を大幅に軽減す
ることができる。ちなみに、水中音速Ｖ₁は例えば、お
よそ１５３０ｍ／秒程度、レンズ内音速はおよそ１００
０ｍ／秒程度である。

【００３７】上述したように、本装置の特徴は走査制御
手段における処理にあり、その処理を行う走査制御手段
が送信遅延コントロール回路３２及び受信遅延コントロ
ール回路３８であるか、システムコントロール回路５４
であるかは任意である。また、図２に示す装置の構成は
一例であり、走査制御において上述の音響レンズ層８に
おけるアレイ方向の屈折を考慮する補正が行われるもの
であれば、図２示したブロック構成に限られない。

【００３８】また、上記実施形態は、本発明をコンベッ
クスプローブ２に適用した場合を説明した。これは、振
動子アレイがコンベックス型アレイの場合、あるフォー
カス点Ｆと最短距離にある振動子Ａ₀と当該振動子から
離れた他の振動子Ａiとで超音波に対する経路の差が顕
著となる、つまり振動子Ａiに対する音響レンズ層８内
の経路長と振動子Ａ₀に対する音響レンズ層８内の経路
長との比が大きくなるからである。特にこの差異はコン
ベックス型アレイの曲率半径が小さいほど顕著となる。
この音響レンズ層８内での経路長の違いが大きいほど、
その補正の必要性が高くなり、本発明が効力を発揮す
る。しかし、この経路長の違いは、コンベックス型アレ
イほどではないが、リニア型アレイを用いた電子フォー
カスにおいても同様の原理で生じている。よって、本発
明は、コンベックス型アレイだけでなく、リニア型アレ
イを用いたプローブを超音波診断装置に使用する場合に
も有効である。本発明に係る超音波診断装置は、例え
ば、プローブがリニア型アレイであることを自動認識し
たり、操作者の設定により認識すると、ＣＰＵがリニア
型アレイに応じた演算を行ったり、またはあらかじめ計
算されたリニア型アレイに対応したディレイ量をＲＯＭ
から読み出して、振動子間での遅延量の補正を行う。

【００３９】ちなみに、リニア型アレイに対応するξ
i、ηiは、振動子Ａiの位置を角度θiに代えて、振動子
Ａ₀から振動子Ａiまでの距離ｄiで表し、また点Ｐiの位
置を上述のパラメータσiに代えて点Ｐiから線分Ｆ−Ａ
₀までの距離ｘiをパラメータとして用いて、次式
（３’）、（４’）式で表される。

【００４０】

【数８】 ξi(ｘi)＝｛Ｌt²＋（ｘi−ｄi）²｝^1/2 ………（３’）

【数９】 ηi(ｘi)＝｛（Ｄf−Ｌt）²＋ｘi²｝^1/2 ………（４’）これらξi、ηiを（２）式に代入して得られるＴ(ｘi)
を用いて、それを最小とするｘiが次の条件式（５’）
から求められる。

【００４１】

【数１０】 ∂Ｔ／∂ｘi＝０ ………（５’）このようにして超音波経路（Ａi−Ｐi−Ｆ）が決定され
ると、その経路でのξi、ηiを用いて、ディレイ量τi
がコンベックス型アレイの場合と同様の（６）式により
決定される。

【００４２】

【発明の効果】本発明の超音波診断装置によれば、振動
子アレイ表面に設けられ振動子のスライス方向の超音波
の集束を図る音響レンズ層による、アレイ方向の屈折に
よる効果が補正され、画質の向上が図られるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における電子フォーカスによるアレイ
方向の超音波ビームの集束の原理を説明する模式図であ
る。

【図２】本発明の実施形態である超音波診断装置の概
略のブロック図である。

【図３】従来の超音波診断装置において用いられてい
るコンベックスプローブの概略の断面図である。

【図４】電子フォーカスによる従来のアレイ方向の超
音波ビームの集束の原理を説明する模式図である。

【符号の説明】

２コンベックスプローブ、４振動子、８音響レン
ズ層、３０送信駆動回路、３２送信遅延コントロー
ル回路、３６受信遅延回路、３８受信遅延コントロ
ール回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の振動子が配列された振動子アレイ
と前記振動子アレイの表面に設けられ前記各振動子から
放射される超音波をアレイ方向に対し垂直な方向につい
て集束させる音響レンズ層とを含んだプローブと、前記
振動子アレイにより送波又は受波される超音波ビームの
電子走査を行う走査制御手段とを有する超音波診断装置
において、前記走査制御手段は、前記音響レンズ層での超音波の屈
折を考慮した前記各振動子とフォーカス点との間の超音
波経路に基づいて、前記電子走査における各振動子間の
遅延時間を定めることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】請求項１記載の超音波診断装置におい
て、前記走査制御手段は、前記音響レンズ層での超音波の伝
播時間と当該音響レンズ層の外側での超音波の伝播時間
との合計が最小となることに基づいて、前記振動子と前
記フォーカス点との間の超音波経路を決定することを特
徴とする超音波診断装置。
【請求項３】請求項１または請求項２のいずれかに記
載の超音波診断装置において、前記振動子アレイはコンベックス型アレイであることを
特徴とする超音波診断装置。