JPS5830050B2 - 超音波映像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波映像装置に係り、特に超音波ビームの音
場パターンを測定する機能を持った超音波映像装置に関
する。

被検体中に超音波ビームを放射し、その反射波を検出し
て断層像等を表示する超音波映像装置は、近年特に医用
の分野で超音波診断装置として普及し始めている。

このような超音波映像装置では、分解能（距離分解能お
よび方位分解能）の向上が常に望まれているが、未だ十
分とはいえず、特に方位分解能が悪いのが現状である。

したがって、方位分解能を測定することは装置の性能を
評価する上で重要である。

この方位分解能は音場パターンを測定することによって
知ることができるが、この音場パターンの測定は非常に
困難とされており、一般にはほとんど行なわれておらず
、ましてや各装置について音場パターンを個々に測定し
、定量的なデータを得ることは従来全く行なわれていな
い。

一般に、超音波映像装置における超音波ビームの音場パ
ターンは超音波の送受波を行なうトランスジューサ（振
動子）の形状、寸法および超音波の周波数、パルス幅で
決定される。

ところが、最近では複数個の振動子を一列に配列したト
ランスジューサアレイを用い、超音波ビームの送受波方
向を電子的にコントロールする電子走査形超音波診断装
置と呼ばれるものが開路され、このような装置ではトラ
ンスジューサのみならず、装置に含まれるコントロール
回路等の電子回路等も方位分解能に影響を与え、音場パ
ターンもトランスジューサに固有のものとは異なってく
る。

したがって、トランスジューサのみならず、装置全体の
特性に基づく音場パターンを個々の装置について容易に
測定できることが望まれる。

本発明の目的は簡単な手段により超音波ビームの音場パ
ターンを測定し表示する機能を備えた超音波映像装置を
提供するにある。

本発明はこの目的を達成するため、振動子より放射され
る超音波ビームを一点にて反射する反射体を設け、この
反射体からの反射波を振動子列の受波信号から取出し、
その振幅を超音波ビームの走査方向に対応させてその表
示位置を移動させつつ、この移動方向と直交する方向に
線表示することによって、超音波ビームの音場パターン
を表示するようにし、さらにこの表示に際して振動子列
はもちろん、振動子列の駆動制御や反射波の振幅検出を
行なう電子回路として、被検体の状態表示時に用いる超
音波映像装置に本来含まれている回路をそのまま利用す
るようにしたものである。

以下実施例により本発明を具体的に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す装置全体の概略的構成
図で、いわゆるリニア電子走査方式の超音波映像装置に
適用した場合の例である。

Ｔ１〜Ｔｎは超音波トランスジューサとしての細長く形
成された振動子で、−列に配列されてプローブ１１を形
成している。

以下、Ｔ、〜Ｔｎを全体として振動子列という。

この振動子列Ｔ１〜Ｔ、の各々には、リード線１２（第
２図参照）を介してスイッチＳ、〜Ｓｏが接続され、こ
れらのスイッチ８１〜Ｓｎの反対側は共通に接続されて
パルサ１４および受信回路１５に接続されている。

なお、プローブ１１は通常第２図に示すようにケーブル
１３によって装置本体と電気的に接続され、自由に動か
せるようになっている。

パルサ１４はクロックパルス発生回路１６からの例えば
１〜４ＫＨｚのクロックパルスを加えられる毎に駆動さ
れてパルス信号を発生する回路で、このパルス信号はス
イッチ８１〜Ｓｎのうちオン状態にあるもののみを介し
て、対応する振動子に加えられる。

これにより、その振動子は付勢されて超音波パルスを発
生する。

この超音波パルスは被検体（例えば生体内組織）または
後述する反射体によって反射され、この反射波は同じ振
動子列Ｔ、〜Ｔｎで受波されて電気信号とされた後、ス
イッチ８１〜Ｓｎのうちオン状態にあるスイッチを介し
て受信回路１５に加えられ、さらに信号処理回路１１を
通って切換スイッチ２８ｂにより表示装置であるブラウ
ン管オシロスコープ１８の輝度変調信号入力端子Ｚまた
は垂直軸端子Ｖに入力される。

一方、クロックパルス発生回路１６よりのクロックパル
スはアドレス制御回路１９にも加えられ、この制御回路
１９によって制御されるスイッチ制御回路２０がスイッ
チ８１〜Ｓｎを制御する。

また、アドレス制御回路１９の出力であるアドレス信号
はＤ／Ａ変換器２１によってアナログ信号に変換されて
ブラウン管オシロスコープ１８の水平軸端子Ｈに入力さ
れる。

スイッチ制御回路２０は次のような動作を行なう。

すなわち、アドレス制御回路１９がアドレス“１″′を
指定したとすると、スイッチ制御回路２０は例えばスイ
ッチ８１〜Ｓ４のみをオン動作させる。

このとき、超音波パルスは振動子Ｔ１〜Ｔ４より超音波
ビームとして放射され、かつ反射波が受波される。

したがって、この場合Ｔ１〜Ｔ４の中心軸Ｃ１の方向か
らの反射波が検出され、これはスイッチ８１〜Ｓ４、受
信回路１５および信号処理回路１７を通り、その振幅に
比例した信号となってブラウン管オシロスコープ１８の
垂直軸端子Ｖに入力される。

次にクロックパルスの次の１個で、アドレス制御回路１
９がアドレス“２″を指定すると、スイッチ制御回路２
０はスイッチ８２〜Ｓ５のみをオン動作させる。

この場合は、振動子Ｔ２〜Ｔ、より超音波ビームが放射
され、かつ反射波が受波されるので、Ｔ２〜Ｔ、の中心
軸Ｃ２方向からの反射波が検出され、その振幅に比例し
た信号がブラウン管オシロスコープ１８の垂直軸端子Ｖ
に入力されることになる。

このように、スイッチＳ、〜Ｓｎを１個ずつ位置を進ま
せながら、例えば連続する４個ずつ同時にオン動作させ
ることにより、超音波ビームを振動子列Ｔ１〜Ｔｎの配
列方向に走査（リニア走査）し、アドレス制御回路１９
の指定アドレスが（ｎ＋４−１）＝“ｎ−３”に達した
ら、アドレスを“ｌ”に戻し、再び超音波ビームの走査
を行なう。

したがって、ブラウン管オシロスコープ１８上には、各
方向Ｃ１〜Ｃｎ−３からの反射波の振幅に応じた長さの
輝線が垂直軸方向に表示されることになる。

一方、ブラウン管オシロスコープ１８の水平軸端子Ｈに
は、前述したようにアドレス制御回路１９が発生するア
ドレス信号をＤ／Ａ変換器２１によりアナログ信号にし
たものが加えら゛れているので、ブラウン管オシロスコ
ープ１８上の電子ビームはアドレス、すなわち超音波ビ
ームの方向に対応して左から右に走査される。

すなわち、上記輝線の表示位置は超音波ビームの走査に
伴いビーム方向に対応して水平軸方向に移動するので、
水平軸方向における輝線の位置は、超音波ビームの送受
波方向Ｃ１〜Ｃｎ−３に対応することになる。

なお、２γは掃引回路、２８ａはこの掃引回路２８の出
力をオン・オフするための切換スイッチで、前記切換ス
イッチ２８ｂと連動している。

本装置において、被検体の状態をブラウン管オシロスコ
ープ１８で表示する場合には、切換スイッチ２８ａをオ
ン状態とするとともに、切換スイッチ２８ｂをブラウン
管オシロスコープ１８の輝度変調信号入力端子Ｚ側に切
換えることによって、クロックパルス発生回路１６に同
期して掃引回路２１より出力される鋸歯状波ＳＴを垂直
軸端子Ｖに加えるとともに、信号処理回路１７の出力Ｓ
Ｇである被検体からの超音波ビームの反射波の振幅に対
応した信号を端子Ｚに輝度変調信号として加える。

このようにすると、被検体、例えば生体内の断層像がブ
ラウン管オシロスコープ１８上に表示される。

一方、本装置による超音波ビームの音場パターンの測定
は次のようにして行なう。

すなわち、この測定に際しては切換スイッチ２８ａをオ
フ状態として、代りに例えば一定レベルの輝度変調信号
を端子Ｚに加えるとともに、切換スイッチ２８ｂを端子
Ｖ側に切換える。

そして、さらに第２図に示すようにプローブ１１の超音
波送受波面３１を液体、例えば水中３２に浸し、かつプ
ローブ１１の中心軸Ｏ上で超音波送受波面３１から距離
Ｉだけ離れた点Ｐに小球あるいは細い線からなる反射体
３３を置く。

なお、この反射体３３とプローブ１１との相対位置は調
整可能であることが望ましい。

超音波ビームの送受波はプローブ１１の一端から振動子
配列方向に沿って走査されるが、振動子配列方向におけ
る超音波ビーム送受波位置をプローブ１１の中心軸Ｏか
らの距離Ｘで表わすものとする。

いま、例えば超音波ビームの送受波が中心軸Ｏ上、つま
りｘ−＝０の位置で行なわれたとすると、プラウ／管片
シロスコープ１８上の水平軸方向の表示位置は画面の中
央にあり、垂直軸端子Ｖにはこのときの信号処理回路１
１の出力ＳＧである反射体３３からの反射波、すなわち
超音波ビームの放射方向のちょうど正面（中心軸Ｏ上）
からの反射波の振幅に比例した信号が切換スイッチ２８
ｂを介して加わる。

したがって、この場合ブラウン管オシロスコープ１８上
では、画面の中心位置（Ｘ＝０に対応する）に、作動し
ている複数の振動子の中心軸方向である点Ｐに位置した
反射体３３からの反射波の振幅に比例した長さの輝線が
表示されることになる。

そして超音波ビームが振動子配列方向に順次移動し任意
の位置Ｘで超音波ビームの送受波が行なわれたときには
、垂直軸端子Ｖには作動している複数の振動子の中心軸
から角度θだけ傾いた方向にある点Ｐに位置した反射体
３３からの反射波の振幅に比例した信号が入力され、ブ
ラウン管オシロスコープ１８上にはＸに対応した位置に
その反射波の振幅に比例した長さの輝線が表示されるこ
とになる。

ＸはＣ１，Ｃ２，・・・ｃｏ−３に対応して細かく変化
するから、このときブラウン管オシロスコープ１８上に
表示される図形は、実際には第３図のようになる。

なお、第３図では音場パターンの上半分のみ表示されて
いるが、これは信号処理回路１７の出力が整流後の波形
であるためで、もちろん高周波そのものの波形を用いて
表示してもよく、その場合はほぼ上下対称の音場パター
ンが表示される。

また、必ずしも振幅に比例したものだけでなく、例えば
対数増幅器を通して振幅の対数に比例した値を垂直軸方
向に線表示すれば、デシベル目盛で音場パターンが鋼測
できる。

さらに、第３図の包絡線のみを表示するなど種々の方法
が考えられる。

方位方向における音波の強さの分布を表わす式を指向性
関数と呼び、音場パターンあるいは方位分解能を求める
ことは、この指向性関数を求めることに他ならない。

今、指向性関数をＲ（θ）で表わすと、プローブ１１の
中心軸Ｏ上で超音波の送受波を行なった場合、反射体３
３の位置するＰ点での超音波強度はθ＝０の方向の指向
性関数Ｒ−に比例し、その反射波を受けるときの指向性
関数もまたＲ−であるから、このときのプローブ１１の
受波信号である反射体３３からの反射波の振幅、すなわ
ち第３図の表示図形における中心の輝線の長さはＲ２（
０）に比例する。

Ｘの位置における送受波の場合は、同様にしてＰ点の超
音波強度はＲ（θ）に比例するから、プローブ１１の受
波信号である反射波の振幅、すなわち第３図の表示図形
の水平細土Ｘの位置における輝線の長さはＲ２（Ｍに比
例する。

したがって、第３図の表示図形は超音波ビームの音場パ
ターンそのもの、あるいはその２乗を与えることになる
。

このようにして、第１図の装置により超音波ビームの音
場パターンの測定を行なうことができる。

なお、第３図の表示図形は毎秒３０枚程度のコマ数で得
られるから、通常のブラウン管上で直視することができ
、勿論写真撮影により記録しておくことも可能である。

ところで、プローブ１１の超音波送受波面３１から放射
された超音波ビームが反射体３３で反射されて受信され
るまでには、超音波が反射体３３との間を往復するに要
する時間が必要である。

例えばプローブ１１の中心軸Ｏ上（ｘ＝０の位置）で超
音波ビームの送受波を行なう場合は、音速をＣとすれば
その時間ｔｄは ｔｄ＝２１１／Ｃ・・・（１） で表わされる。

水中ではｃ”＝１５００ ｍ／ ｓであり、例えば、１
２＝７．５ｃｎとすればｔｄ＝１００Ｐｓとなる。

第４図はプローブ１１の送波超音波パルスＡと受波超音
波パルス（反射体３３からの反射波）Ｂとの時間関係を
示したものである。

反射波Ｂのパルス幅は１〜２Ｐｓで、送波超音波パルス
Ａの繰返し時間は数１００Ｐｓであるから、図のように
プローブ１１の受波レベルはほとんど零レベルで、極く
僅かな時間だけ反射波Ｂが出現する。

したがって、前述のように単純に第３図の表示を行なう
と、送波超音波パルスＡも表示され、さらに零レベルの
輝度が強くなりすぎて、ハレーションを起こすおそれが
ある。

これを防ぐために、第１図ではブランキング制御回路２
９をさらに設け、切換スイッチ２８ｃにより音場パター
ン表示時のみこの回路２９の出力を輝度変調信号入力端
子Ｚに加えるようにする。

第５図は上記ブランキング制御回路２９の具体的構成例
を示したものである。

すなわち、クロックパルス発生回路１６に同期して超音
波パルスが発射された後、カウンタ２２によって上記の
時間【ｄだけ時間を置いてモノマルチ２３により反射波
の受信期間だけブラウン管オシロスコープ１８の輝度変
調信号入力端子Ｚにアンブランキング信号を供給し、他
の期間はブランキング信号を端子Ｚに供給する。

反射体３３との間を超音波パルスが往復するに要する時
間ｔｄは、（１）式からプローブ１１の超音波ビーム送
受波位置と反射体３３との間の距離によって定まるので
、この距離に対応して超音波ビームが発射されてから端
子Ｚにアンブランキング信号が供給されるまでの時間が
ｔｄに一致するように、マニュアル入力装置２４を操作
して距離セット回路２５によりカウンタ２２をプリセッ
トすればよい。

なお、前記実施例で説明したようなリニア電子走査方式
の場合は、第２図からも分るように、超音波ビーム送受
波位置と反射体３３との間の距離は、プローブ１１の中
心軸０（ｘ＝０の位置）から超音波ビーム送受波位置ま
での距離Ｘにより異なる。

この距離Ｘは前記アドレス制御回路１７の指定アドレス
と対応するので、第５図に示すようにアドレス制御回路
１１からのアドレス信号をマニュアル入力装置２４から
の信号と距離セット回路２５で合成し、その合成値に応
じてカウンタ２２のプリセットを行なうようにすれば、
超音波ハルスが発射されてから端子Ｚにアンブランキン
グ信号が供給されるまでの時間をＸの値によらず常にｔ
ｄを一致するように補正することができる。

この場合のｔｄの値は となり、Ｘの値は前記アドレスと１：１で対応するから
、この関係をＲＯＭ（読出し専用メモリ）に記憶してお
けば、容易に上記補正が可能である。

また、マイクロコンピュータとＲＡＭ（ランダムアクセ
スメモリ）を用いて補正を、行なってもよい。

また、Ｘに対してｔｄの変化はゆるやかであるから、反
射波を自動的に検出して逐次適切なアンブランキング信
号を端子Ｚに与えることも可能であり、その場合にはマ
ニュアル入力装置２４は必らずしも必要ではない。

以上のように、ブラウン管オシロスコープ１８に対し反
射波の振幅を表示する期間のみアンプランキングをかけ
輝度変調を行なうことにより、送波超音波パルスを描写
することがなく、かつハレーションの発生がなくなるの
で、見易い表示図形が得られる。

なお、第５図においてマニュアル入力装置２４に距離表
示器２６を接続しておけばマニュアル入力装置２４の調
整操作が容易となり、逆に反射波振幅がブラウン管オシ
ロスコープ１８で表示すしるときの距離表示器２６の表
示から、前記の距離１を読取ることもできる。

また、前記と同一のブラウン管上に距離を表示すれば、
データの保存には非常に便利である。

以上の説明ではリニア電子走査方式の超音波映像装置に
本発明を適用した場合について述べたが、本発明はセク
タ電子走査方式の超音波映像装置にも同様に適用できる
。

第６図はセクタ電子走査方式における超音波ビームの走
査の様子を示す図で、プローブ１１の振動子列Ｔ１〜Ｔ
ｎを位相差を持たせて駆動することによって、送受波面
３１で送受波される超音波ビームの方向をセクタ（扇）
状にコントロールする。

この場合、第２図と同様にプローブ１１の中心軸Ｏ上の
点Ｐに反射体３３を置くと、超音波パルスの送受波方向
が中心軸Ｏ方向の場合（θ＝０）のプローブ１１の受波
信号である反射体３３からの反射波の振幅は（Ｒ（０）
） ２に比例し、ブラウン管オシロスコープ１８４で
は水平軸上の中心位置にそれに比例した長さの輝線が表
示される。

中心軸Ｏから角度θの方向で超音波パルスの送受波を行
なうと、反射体３３からの反射波の振幅は（Ｒ（θ）Ｊ
２に比例し、ブラウン管オシロスコープ１８上では角度
θに対応した水平軸上の位置にそれに比例した長さの輝
線が表示される。

このように、セクタ電子走査方式に本発明を適用した場
合は、表示図形の水平軸がリニア電子走査では超音波ビ
ームの横方向における送受波位置に対応するのに対し、
セクタ電子走査では超音波ビームの角度θあるいはｓｉ
ｎθに対応する点が異なっているか、各輝線の長さが反
射体３３からの反射波の振幅に比例する点は同じである
。

また、セクタ電子走査では角度θによらずプローブ１１
の超音波送受波面３１と反射体３３との間の超音波ビー
ムの往復時間は一定である。

以上説明したように、本発明によれば振動子列より送波
される超音波ビームを一点にて反射する反射体を設け、
その反射体からの反射波を振動子列の受波信号から取出
し、その反射波の振幅を検出して超音波ビームの走査方
向に対応させてその表示位置を移動させつつこの移動方
向と直交する方向にその反射波の振幅又は相関ｌζ比例
した長ささの線として表示するという簡単な手段により
、超音波ビームの音場パターンを測定表示できる。

し力）も、本発明装置では音場パターンの測定・表示時
に、被検体の状態表示時と同一の電子回路を用いて振動
子列の駆動制御や反射波の振幅の検出を行なっているた
め、測定・表示された音場パターンから振動子列のみな
らずこれらの電子回路を含めた超音波装置全体としての
方位分解能を測定でき、装置の性能の評価を適確に行な
うことができる。

また、反射体と振動子列との間の距離を種々変えて音場
パターンを測定することにより、超音波ビームの２次元
分布を求めることもできる。

あるいは適当な間隔で水中に糸を張っておきアンブラン
キングの位置を変えて各距離における音場パターンを測
定できる。

本発明によれば、単に超音波映像装置の性能評価のみな
らず、超音波ビームを電子的に集束したり、さらにその
集束位置を９変する機能などを有する超音波映像装置に
通用した場合は、その集束効果や集束位置を表示された
音場パターン７５）ら一目瞭然に把握でき、最も適切な
音場パターンを確認した上で装置を使用でき、実際の使
用上極めて有効である。

また、超音波映像装置ではプローブのみを交換する場合
も多く、本発明によればその交換の都度簡単に音場パタ
ーンを測定でき、同時にプローブ装置本体とのマツチン
グ状態が良好か否かを判定することもできる。

さらに電子回路部分に異常があれば、それを容易に検出
できる利点をもつ。

また、前記実施例によれば反射体を液体中に設け、かつ
振動子列の超音波送受波面をこの液体中に浸すか薄い膜
などを通して接触するようにしてあり、反射体以外の空
気層等からの不要な反射が少なく、音場パターンの表示
が明確となり、より正確な測定が可能である。

さらに、前記実施例では反射体からの反射波の受波期間
のみ表示装置であるブラウン管オシロスコープを反射波
の振幅に応じて輝度変調するようにしたことによって、
送波超音波パルスの影響およびハレーションのない見易
い表示を行なうことができる。

しかも、第２図の実施例によれば振動子列と反射体との
間の距離を表示できるようにしたため、調整が容易とな
り、また表示された音場パターンがどの位置におけるも
のかを容易に判別し得る。

さらに、前記実施例では表示装置（ブラウン管オシロス
コープ）への信号の入力の仕方を変えることにより、被
検体の断層像を表示する表示装置と同一の表示装置を用
いて音場パターンの表示を行なうようにしたため、構成
が簡単であり、コスト的に極めて有利である。

すなわち、既存の電子走査形超音波映像装置に第２図中
に示したごとき簡単な切換スイッチを付加し、さらに反
射体を含む装置をセットするだけで簡単に音場パターン
の測定機能を持たせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す装置全体の概略的構成
図、第２図はリニア電子走査方式における超音波ビーム
の送受波方向と反射体からの反射波の振幅との関係を説
明するための図、第３図は本発明により得られた音場パ
ターン表示の一例を示す図、第４図は送波超音波パルス
と反射波との時間関係を示す図、第５図は第１図におけ
るブラウン管オシロスコープに対するブランキング制御
回路の構成図、第６図は本発明をセクタ電子走査方式に
適用した場合の超音波ビーム送受波方向と反射体からの
反射波の振幅との関係を説明するための図である。 Ｔ１〜Ｔｎ・・・・・・振動子列、１１・・・・・・プ
ローブ、１４・・・・・・パルサ、１５・・・・・・受
信回路、１６・・・・・・クロックパルス発生回路、１
１・・・・・・信号処理回路、１８・・・・・・ブラウ
ン管オシロスコープ（表示装置）、２０・・・・・・ス
イッチ制御回路、２１・・・・・・Ｄ／Ａ変換器、２２
・・・・・・カウンタ、２３・・・・・・モノマルチ、
２４・・・・・・マニュアル入力装置、２５・・・・・
・距離セット回路、２６・・・・・・距離表示器、２７
・・・・・・掃引回路、２８ａ 、２８ｂ 、２８ｃ＝
−・切換スイッチ、２９・・・・・・ブランキング制御
回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波ビームの送受波を行なう振動子列と、この振
   動子列による超音波ビーム送受波方向を電子的に走査す
   る手段と、上記振動子列より送波される超音波ビームの
   被検体からの反射波または一点に設けられた反射体から
   の反射波を上記振動子列の受波信号から取出しその反射
   波の振幅を検出する検出手段と、この手段により検出さ
   れた前記被検体からの反射波の振幅に基づいて前記被検
   体の状態を映像表示する手段と、前記検出手段により検
   出された前記反射体からの反射波の振幅を前記超音波ビ
   ームの走査に対応させてその表示位置を移動させつつこ
   の移動方向と直交する方向に線表示して前記超音波ビー
   ムの音場パターンを表示する手段とを備えた超音波映像
   装置。 ２ 前記反射体と前記振動子列との相対的位置または角
   度あるいはその両方が調整可能である特許請求の範囲１
   に記載の超音波映像装置。 ３ 前記反射体は液体中に設けられ、さらに前記振動子
   列は少なくとも超音波送受波面がこ、の液体と音響的に
   カップリングされている特許請求の範囲１に記載の超音
   波映像装置。 ４ 前記被検体の状態表示と前記音場パターンの表示と
   を同一の表示装置で選択的に行なうようにした特許請求
   の範囲１に記載の超音波映像装置。 ５ 前記音場パターンを表示する表示装置は前記反射波
   の振幅を輝線表示するものであり、かつ前記反射波の受
   波期間のみ輝度変調を受けて前記反射波の振幅を表示す
   るように構成されている特許請求の範囲１または４に記
   載の超音波映像装置。