JPS59115027A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は超音波診断装置と組み合わせて使用するアレイ
状に配列された超音波振動子に関するものである。

Ｃ技術的背景〕 電子走査方式の超音波診断装置には、その目的に応じて
超音波ビームを平行に移動させる方式（リニア走査方式
）とビームを扇形に偏向させる方式（セクタ走査方式）
とがある。このうち、リニア走査方式は、多数の振動子
を平面上に配列して電子スイッチによって駆動する振動
子を１個ずつ切換えて行くことによって超音波探触子（
グローブともいう）を１個所に固定したまま超音波ビー
ムを平行に走査するよ５になっている。この場合、走査
線間隔は隣接する振動子の中心距離に等しいから、振動
子が小さい程走査線間隔も狭くすることができるが、振
動子直径が小さくなると遠距離での指向性が鈍くなり方
位分解能が低下することになる。つまり、鋭い指向性を
得るためにはある程度大きなアパーチャ（駆動されてい
るときの振動子の直径又は面積）が必要となる。

そこで、従来は第１図に示すように多数個差べられた振
動子１−１〜１−ｎを選択スイッチ２によって、例えば
８個１組として選択し、送信部乙によって選択振動子を
同時駆動することによって超音波ビームαを送波し、ま
た同時に受信部４では１組の振動子から超音波エコーを
受信しながら振動子を選択スイッチ２で１個ずつずらし
て選択して送受信を行なう方式を採用している。この様
な方式によると振動子間隔に対して８倍のアパーチャを
得ることができるので指向性が向上する。ところで一般
にはさらに、分解能を向上させるために遅延線を使って
送受信時にフォーカスをかける電子フォーカスが行なわ
れている。例えば送信フォーカスを考えると、第２図に
示すように送信部３からの信号を円弧面すに対応した時
間差を与えて振動子群１のそれぞれの振動子１−１〜１
−８に高圧の電気パルスを加える。それによって振動子
から発射される超音波を凹面状の合成波面とすることが
でき、よって送波超音波ビームをＣ点で集束させるよう
にしたものである。また、受信フォーカスは次のように
して行なわれる。すなわち生体内の１点Ｆから伝搬して
くる反射波面はまず振動子１−４又は１−５に到達し、
順次時間的に遅れて最後に振動子１−１又は１−８に到
達する。

これによって各振動子からは順次時間的に遅延した電気
信号ｋが発生するが、これらの信号をそのまま加算した
だゆでは位相角（距離的）に整合が得られない。そこで
、受信部４では振動子群１で受信したエコー信号を前置
増幅器群４Ａに入力して増幅を行ない、次段の遅延素子
群４Ｂへ出方する。遅延素子群４Ｂはそれぞれ異なった
遅延時間タップを持っており、そのタップは次段のアナ
ログスイッチ群４Ｃで選択される。このアナログスイッ
チ群４Ｃは基準信号発振回路５からの信号ｆ。

！を入力するアナログスイッチコントローラ６によって
発生される制御信号りによってそれぞれの受信エコーの
位相が合う様に遅延タッグを選択する。このようにして
、選択された信号ｉを加算器４Ｄによって加算して、超
音波像信号ノを得るものである。この様にして得られる
リニア電子スキャンの超音波ビームを第６図に示す。こ
こで、７は超音波探触子の朴ルダで、８は図示しない本
体装置と接続するための信号ケーブルを示している。

超音波ビニムはＬｌ　ｐ　Ｌｌ　＃　Ｌｌｌ・・・と超
音波繰返し周波数ごとに順次スキャンされる。この様に
して表示される視野幅は同時駆動振動子数Ｎと振動子の
総ａＨ及び振動子ピッチｄで決まる。すなわち、視野幅
Ｌｄは、 Ｌｄ　＝　（Ｍ−＃＋１）・ｄ となる。

実際の超音波診断装置では、Ｍ＝６４　、Ａ’＝１２゜
ｄ　＝　１．５　Ｗ前後が使われている。よってこの場
合、Ｌｄ中８０簡となる。

しかし臨床的応用において、腹部臓器の相対的位置を調
べるためには、この視野幅では十分でない。よって、視
野幅を広げる方法として、Ｈの数を増す方法、又はＮの
数を減らす方法等がある。しかしながら、Ｍの数を増す
と探触子が大きくなって使いずらくなる。又、Ｎの数を
減らすと前述した様に超音波ビーム幅が広がり、分解能
の低下をきたす。そこで、これを改善する手段としてリ
ニアスキャンとセクタスキャン方式を組み合せる方法が
容易に推測できる０第４図にそのスキャン方法を示す。

この動作方法はまずリニアアレイ振動子の左端の振動子
を数個−組として、ビーム方向がＬｈになる様に送受信
遅延回路で遅延時間を各振動子の信号に与える。次に、
Ｌｔｚという様に順次セクタスキャンを行ない、ラスタ
が振動子面に対して垂直になった所（Ｌｔｌｓに相当）
から通常のリニアスキャンを行なっている。

〔背景技術の問題点〕

しかし、この方式を実際に採用する場合の問題点として
、ビーム偏向用の送信受信遅延回路を要することと、最
大遅延時間が大きくなることとがある。

以下、上記問題点について説明する。

第５図、第６図は台形スキャンに必要な遅延１時間を説
明したものであり、最大遅延時間は、超音波ビームの最
大偏向角を調べれば良い０第５図では最大偏向角をθと
し、同時駆動振動子によるフォーカス点Ｆまでの距離を
ｔ５振動子ピッチをｄとすると、フォーカス点Ｆから各
振動子１−１〜１−８に到達する距離ｔ＜ｉ）は次の様
になる。

ここで、到達距離ｔ＜ｉ＞を伝播するために要する時間
７’（Ｌ）は、生体内の音速’　（１５３０ｍ／ｓｅｃ
　）で到達距離ｔ＜ｉ）を割ることにより算出できる。

ｒ＜１）＝ｔ＜す／Ｃ・・・・・・　　（２）ここで、
各振動子に到達したエコー信号の位相を合わせるための
必要な最大遅延時間Ｔｄｍａｘは、Ｔｄｍａｘ　＝　（
ｔ（／ｖ）−７（１）　）　／　ｃ　　−・・（３１と
おける。

第６図は、各振動子に到達するエコー信号の時間差を示
したものである。ここで一般的に使用されている値、例
えばＡ’＝１２　、　ｔ＝５Ｑ１ｍｌ’、　ｃｔ＝１．
５■、θ＝１５°を、前記式（１）〜（３）に代入する
と、Ｔｄｍａｘ　＝　２々−７Ｘ　ｉ　Ｑ−６ｓｅｃＴ
ｄ　ｙｎａｘの中でフォーカス用遅延時間は、θ−０°
でＴｄ’ｍａｘ　：０，２９　ｘ　１Ｑ−’　ｓｅｃと
なる。すなわち、最大遅延時間は偏向角に支配される。

又、この遅延素子は互いの振動子から得られたエコー信
号の位相を合せることを目的としているため、エコー信
号の痔っている周波数の波長の１／８〜１／１６以上の
精度が必要である。よって、一般に用いられる５ＭＨ前
後の周波数を持ったエコー信号を扱うには、Ｔｄｍ嬉＝
　２０７Ｌεｅｃのタップ切換えが必要となり、そのた
めＴｄｍａｘの遅延回路は、 Ｔｄ　ｍａｘ／Ｔｄ　ｍｉｎ中１′５８のタッグ切換え
が必要となる。この様な遅延回路を構成するには、ＣＣ
Ｄ　（電荷結合素子）表面弾性波等の応用もあるが、グ
イナミツクンンジ周波数特性に問題があり現段階ではＬ
Ｃ遅延線が用いられている。

しかしながら、ｌｃ遅延線は周知の様にコイルＬと容量
Ｃとを直列に多段盤べて構成しているため、遅延時間が
大きくなると高域の周波数を扱′うことが技術的に難か
しくなると共に、コスト。

大きさの点からも不利益が太きい。

〔発明の目的〕

本発明は前記視野幅を拡大するための台形スキャニング
方式において、台形スキャンを行なうための必要な最大
遅延時間を小さくすることにより、遅延回路部の回路規
模及びコストの低減と周波数特性の改善及び遅延時間の
誤差の低減を図ることを目的とするものである。

〔発明の概要〕

前記目的を達成するための本発明に係る超音波診断装置
の概要はアレイ状に複数の超音波振動子を配列した超音
波振動子面の端部近傍における振動子配列面を、超音波
振動子の中央部配列面の延長線に対して鋭角をなす傾斜
面とした超音波探触子と、複数の超音波振動子群の隣接
する任意の個数を選択駆動すると共に超音波ビームに送
信フォーカスをかける手段を備えた送信部と、その反射
波に受信フォーカスをかける手段を備えた受信部と、前
記送信部、受信部に対して送信フォーカス。

受信フォーカスのための遅延時間を設定する遅延時間設
定手段とを有することを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下第７図〜第９図を参照して本発明を具体的に説明す
る。

第７図は本発明の一実施例である超音波診断装置のブロ
ック図である。同図において前記第２図に示したものと
同一の機能を有するものには同一符号を付し、その説明
を省略する。第２図の構成と異なる点は、基準信号発振
回路５と送信部６との間に第２のコントローラ１０によ
り制御される遅延回路９を設けたことと、送信部６と受
信部４とに対し同時駆動振動子の遅延差時間を設定する
設定手段たる第１のコントローラ６′を設けたことであ
る。又、前記遅延回路９と第２のコントロー２１０とで
補正用遅延回路１４を構成し、この補正用遅延回路１４
と第１のコントローラ６′とで遅延時間設定回路１６を
構成している。又、探触子１２は第８図に示す様に振動
子面においてＡ部がＢ部に対して鋭角θ１となる傾斜面
で構成されているＯ 以上のように構成された超音波診断装置の作用について
説明する。

先ず、第２のコントローラ１０で制御された遅延回路９
により、基準信号発振回路５のクロック信号ｅを遅延さ
せ、この遅延させた信号Ｏを送信部乙に送る。ここで、
第２のコントローラ１０と遅延回路９とで構成される補
正用遅延回路１４を説明する。第２のコントローラ１０
により、後述する第６図における遅延時間を決定し、そ
れを遅延回路９によりクロック信号ｅに与えるものが補
正用遅延回路１４である。

送信部６では、同一に駆動する振動子数に相当する送信
回路を有しており、前述した様に□、ある生体内の位置
にフォーカスする遅延時間を、信号Ｏを基準にして、さ
らに第１のコントローラ６′によって加えられた遅延時
間を発生させる。その信号を振動子選択スイッチ群２で
超音波探触子１２の駆動振動子を選択し、それに加える
。これにより超音波が振動子から送波される。次に生体
内から反射されたエコー信号は、振動子で受波され、電
気信号に変換される。ここで、駆動振動子で受　　　ｉ
波したエコー信号のみをスイッチ群２で選択し、受信部
４に伝える。受信部４では、いくつかの入力されたエコ
ー信号を、フォーカス点からのエコー信号の位相が一致
する様に、第１のコントロー２６′によりそれぞれ遅延
時間をあたえて加算する。

その出力信号がノである。

ここで、本構成の一つである超音波探触子１２について
説明する。第８図は探触子１２の外形図で、超音波ビー
ムのスキャン法について説明している。この探触子１２
はリニアアレイ状振動子の両端部の最大同時駆動振動十
数相当の振動子を同図Ａの部分の様に、振動子表面を鋭
角θ１に設定することにより装置内の遅延回路の最大遅
延時間を減らそうとしたものである。これについて第９
図、第１０図において、具体的に説明をする○台形スキ
ャンの最大偏向角θのビームをＬｔｌとおき、偏向時の
同時駆動振動子′ｆｆ：１−１〜１−Ｎ素子と考える。

リーニア振動子部Ｂ部とＡ部との成す角度θｌは、θｌ
＝ヲθと設定されていることについて考えて見ると、こ
の時第９図の台形スキャンをする場合必要な最大遅延時
間を考える場合には、ラスタＬｔ１又はＬｔ　１５を考
えれば良い。よって、ここではラスタＬｔｌについて考
えて見る。ここでフォーカス点をＦと置き振動子の中心
からフォーカス点Ｆまでの距離をｔとする。振動子１−
１からフォーカス点Ｆまでの距離’ｔ−７（１）、振動
子１−Ｎからフォーカス点Ｆまでの距離をＬ（ト）とす
る。そこで各振動子１−１〜１−Ｎからフォーカス点Ｆ
にフォーカスさせ、その時にフォーカス点Ｆから反射エ
コーが各振動子に到達する時間差が遅延回路で必要な最
大遅延時間になる。ここで前述した様に、実際の場合台
形スキャン偏向用遅延時間に対して、フォーカス用遅延
時間は非常に小さい。よって、すでに明らかな様に振動
子群Ａ面に対するラスタＬｔｌの偏向角は、フォーカス
のための遅延時間を考えない場合には、台形スキャンの
偏向角ばθ−θ１牢１ フθとなり、最大遅延時間も約フで良い。ここで、第９
図及び第１０図図示の各振動子に受信されるエコー信号
の時間差（位相差）について考えると、最大遅延時間は
ＴｄｍαＸに相当する。

次に、第７図の超音波探触子１２に与える信号＼ の遅延時間の設定手段及び受波信号の遅延時間の与え方
について第１１図、第１２図を参照して説明する。

第１１図、第１２図は同時駆動振動子Ｎ′ｆｃ８素子に
ついて説明している。第１１図において、縦軸は遅延時
間Ｔｄ　、横軸は振動子のＮｏ、ｉを示す０又、セクタ
スキャンの超音波ビーム数を１５本としており、最初の
超音波ビームはＬｔｌであり、この時の振動子１−１の
遅延時間は最大になりＴｄｍαＸに設定される。またＬ
ｉ２では、振動子１−１の遅延時間は最小に設定される
。ここでは、フォーカス用の遅延時間は考えていなくて
、偏向用の遅延時間のみである。フォーカス用の遅延時
間は、偏向用の遅延時間に加えてやれば良い。次に８番
目の超音波ビームは１−１〜１−８の振動千金てに同じ
遅延時間を設定する。又、１５番目のビームは振動子１
−８の遅延時間が最大で振動子１−１を最小に設定する
。ここでは超音波ビーム６本について説明したが、遅延
時間をある割合ずつ変化させれば、多数の超音波ビーム
でセクタスキャンを行なうことができる。このセクタス
キャンに与える遅延時間は送信部６及び受信部４につい
て同じである。

第１２図はリニアスキャンにおける各振動子に対する遅
延時間の与え方について説明したものである０第１１図
と同様に縦軸が遅延時間Ｔｄで、横軸が振動子ＮＱ　ｉ
を示す。ここで、ｘ印は超音波の基準信号と同じタイミ
ングである信号ｅに対する遅延時間で、・印は受信部の
各振動子に対する遅延時間を示している。ここで、送受
の遅延時間を同一にする方法として、第１２図Ｌｔ１５
の遅延時間を設定して、同時送受信振動子を順次移動さ
せることによって行なうことは可能であるが、振動子面
からのある一定深さのエコー信号がシステムの基準信号
相当である信号ｅに対して常に一定にするためには、リ
ニアスキャンの時、第１２図の図示○印の遅延時間に設
定しなければならない。なぜなら、システムの断層像を
表示する基準のタイミングは基準信号で行なっているか
らである。しかし、遅延時間を設定する遅延素子は遅延
時間に対して、数パーセントの誤差を持っている。ゆえ
に、遅延時間が太き（なると、各振動子間の遅延誤差が
無視出来なくなる。よって、ここでは送信部６及び受信
部４の遅延時間の設定方法を同時送受振動子の最小遅延
時間を零（実際は零は実現不可能で、十分小さい値を指
す）に設定して、その点を基準にして各振動子の遅延差
時間を設定する。

その遅延差時間を第１のコントローラ６′により送信部
６及び受信部４に伝える。以上が設定手段になる。

次に、前述した補正手段たる補正用遅延回路１４は、基
準信号ｅに対しである一定深さのエコー信号を常に一定
にする必要があることから、送信部６の設定時間に対し
て、各振動子の信号に一律に遅延時間を加えて補正して
いる。ここで、超音波ビームＬｔ１６に注目すると、受
信遅延時間Ｌｔｓ１６に対して、送信遅延時間はＬｔｔ
ｘ６でＴｃｈの遅延時間を一律に各振動子遅延時間に加
えている。よってこの送受遅延時間の平均はＪ、ｔｓ５
と一致する。

ここで、補正用遅延回路１４の補正について説明する。

第１６図は、そのタイミングチャートを示したものであ
る。（α）は超音波探触子１２のＡ部にある超音波ビー
ムＬｔ１〜Ｌｔ　ｔｓに対する補正時間のタイミングチ
ャートで、基準信号ｅに対する出力信号Ｏの時間差は零
に設定される。（６）は超音波ビームＬｔ１６に対する
補正時間のタイミングチャートで、第１２図でも説明し
た様に遅延時間７ｄｌに股、定された出力信号Ｏとなる
。（Ｃ）は超音波ビームＬｔｚｚに対する補正時間のタ
イミングチャートで、遅延時間は２　（Ｔｄ　ｍａｒ＋
α）に設定された出力信号０となる。ここでαは次式で
設定される。

又、超音波ビームＬｔ１７〜Ｌｔｚｔに対してはＡ部と
Ｂ部との振動子を同時に駆動するため、それらの遅延時
間はＴｒｈと２（ＴｄｍａＸ＋α）との間を除々に増や
す様に設定される。Ｊ、ｔ２３以降の超音波ビームはリ
ニアスキャンとなるため遅延時間は２（ＴｄｍαＸ＋α
）と一定に設定される。

以上、第１６図の（α）〜（Ｃ）によって設定された遅
延時間を第２のコントロー２１０で設定し、遅延回路９
により基準信号ｅを遅延させる０ここで、補正用遅延回
路１４は、上記遅延回路９及び、第２のコントローラ１
０とで構成されている。又、前述した第１２図の説明に
おける遅延時間を送受信部に伝える第１のコントローラ
６′と上記補正用遅延回路１４とで、遅延時間設定回路
１３を構成している。

以上により、探触子の超音波振動子面の端部を傾斜面と
し、前記遅延時間設定回路を設けたことにより、送受信
遅延回路の最大遅延時間を小さくすることができる。

本発明は前記実施例に限定されず種々の変形が可能であ
る。例えば前記実施例では、補正用遅延回路１４により
、送信用の信号に時間的補正を加える構成を採用してい
るが、送信用の代わりに受信用に対して行なっても同等
の効果が得られる。

又、超音波探触子１２における超音波振動子面の端部の
傾斜面は、必ずしも同時駆動振動子の数と同一数の振動
子で構成するものに−限らない。ただし、同時駆動振動
子の数と同一数の振動子で前記傾斜面を構成すれば、遅
延時間の設定は最も容易である。

さらに、前記最大偏向角θは、必ずしも前記傾斜面のな
す角度０１に対して２θ１となるように設定するものに
限らず、種々の最大偏向角に設定することが可能である
。ただし、得られる視野幅と、この視野幅を得るために
要する最大遅延時間との関係において、最大偏向角θを
２θｌとすることが最も効率的である。

〔発明の効果〕

以上詳述した本発明によれば台形スキャニング方式によ
り視野幅を拡大する方法において、探触子の超音波振動
子面の端部を傾斜面としたことにより送受信遅延回路の
最大遅延時間を小さくすることができ、よって超音波診
断装置のコストの低減と回路規模の削減とを図ることが
できる。又、性能的にも遅延時間、の誤差が改善され、
かつより　　　　ｉ高周波帯域のエコー信号が扱えるこ
とのできる超音波診断装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はリニア電子走査方式の超音波診断装置における
走査方法を示す説明図、第２図は第１図の装置にお（・
て送受信時に電子フォーカスをかける部分の構成を示す
ブロック図、第６図は第１図のリニア電子走置方式での
視野幅の説明図、第４図はりニアスギャン方式とセクタ
スキャン方式を糸ユみ合せた台形スキャンによる視野幅
の説明図、第５図は第４図の台形スキャン方式のビーム
偏向法を説明したもので第６図は第５図の各振動子に受
信されるエコー信号の時間差を示したものである。第７
図は本発明の実施例であるブロック図であり、第８図は
本発明の探触子の外形図とその視野幅を示したもので第
９図は第８図のビーム偏向法を説明したもので第１０図
は第９図の各振動子に受信されるエコー信号の時間差を
示したものである。第１１図は第８図のセクタスキャン
の遅延時間の設定法を説明したもので、第１２図は第８
図のリニアスキャンの遅延時間の設定法を説明したもの
である。第１６図は第７図の補正用遅延回路のタイミン
グチャートを示す。 ２・・・振動子選択スイッチ群、　　６・・・送信音β
、４・・・受信部、　　５−基準イｇ号発信回路、　　
６・・・第１のコントローラ、　　９・・・遅延回路、
　　　１０・・・第２のコントローラ、　　１２・・・
探触子、　１６・・・遅延時間設定回路、　　１４・・
・補正用遅延１回路。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑　（ｋま力・１名）
弔　　４　図 一寥！。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）アレイ状に複数の超音波振動子を配列した超音波
   振動子面の端部近傍における振動子配列面を、超音波振
   動子の中央部配列面の延長線に対して鋭角をなす傾斜面
   とした超音波探触子と、複数の超音波振動子群の隣接す
   る任意の個数を選択駆動すると共に超音波ビームに送信
   フォーカスをかける手段を備えだ送信部と、その反射波
   に受信フォーカスをかける手段を備えた受信部−と、前
   記送信部、受信部に対して送信フォーカス２受信フオー
   カスのだめの遅延時間を設定する遅延時間設定手段とを
   有することを特徴とする超音波診断装置。
2. （２）前記傾斜面における超音波振動子配列数を、同時
   駆動振動子の数と同一としたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の超音波診断装置。
3. （３）前記鋭角は、超音波ビームの最大偏向角の１／２
   に設定したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の超音波診断装置〇
4. （４）前記遅延時間設定手段は、送受信の同時駆動振動
   子の遅延差時間を設定すると共に、その遅延差時間の最
   小値を十分小さい遅延時間に設定する設定手段と、送受
   信のうち、いずれが一方の前記遅延差時間に一律に遅延
   時間を与える補正手段とを備えたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の超音波診断装置。