JPS59119258A - 超音波顕微鏡 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、音波エネルギを用いる撮像装置、特に超音波
顕微鏡の画像表示手段に関する。

〔従来技術〕

近年、医学界において人体の内部構造を綾察するのＰｌ
ｌ［効な波動として応用されている超音波は、光や電子
線には不可能な光学的に不透明な物体をも透過する性質
を持っており、その周波数が高ければ高い程より微細な
対象物まで描き出す事が可能である。その上、超音波が
取り出す゛情報は対象物の弾性、密度、粘性等の力学的
性質を反映している為、光や電子線では得られない内部
の構造までみる事が出来る。

音波周波数ＩＧＨｚ、従って水中での音波長として約１
μｍに及ぶ超高周波音波を利用して、上記の超音波の特
徴を生かしｆＣ＠音波顕微鏡が検討されている（　Ｒ，
Ａ、レモン氏とＣ，Ｆ、　　クワエーツ氏のＡ　　Ｓｃ
ａｎｎｉｎｇ　　Ａｃｏｕｓ　ｔ　ｉｃ　　Ｍ　１ｃｒ
ｏｓｃｏｐｅと題するＩＥＥＥ　Ｃａｔ、Ａ７３　ＣＨ
１４８２９ＳＵＰＰ４２３−４２６に掲載の文献）。

この超音波顕微鏡の原理は、約１μｍ位まで細く絞った
超音波ビームによって試料面を機械的に２次元走査しな
がら、試料によって惹起された散乱１反射、透過減衰と
いったしよう乱音波を集音して電気信号に変換し、この
電気信号をブラウン元 管上に、上記機械走査と同期して２へ表示する事によシ
顕微画像を得るものである。

本発明は、主として試料からの反射超音波を検出描画す
る反射型超音波顕微鏡に関するので、第１図を用いてそ
の従来の基本構成を説明する。

超音波を発生検出するトランスデユーサは、主として圧
電薄膜２０、音響レンズ４０から構成される。即ち、レ
ンズ結晶４０（例えば、サファイア、石英ガラス等の円
柱状結晶）は、その一端面４１は光学研磨された平面で
あり、他端面には微小な曲率半径（例えば０．１〜１馴
）の半球穴４２が形成されている。端面４１に蒸着等に
よって設けられた上部電極１０、圧電薄膜２０及び下部
電極１１からなる層構造の上下電極間に、ＲＦパルス発
振器１００の出力電気信号を印加すれば、上記圧電薄膜
の圧電効果により、レンズ結晶４ｏ内に平面波のＲＦパ
ルス超音波８０が放射される。

この平面超音波は上記半球穴４２と媒質５０（一般に純
水が用いられる）との界面で形成される正の音響球面レ
ンズにより所定焦点面におかれた試料６０上に集束され
る。

試料６０によって反射された超音波は、上記音響レンズ
により集束され、平面超音波に変換されてレンズ結晶４
０内を伝播し、最終的に圧電薄膜２０の逆圧電効果によ
、ＱＲＦパルス電気信号に変換される。このＲＦパルス
電気信号はＲＦ受信器１１０で増巾検波後、ビデオ信号
（１〜１０　ＭＨｚ　）に変換されブラウン管１３０の
輝度信号（Ｚ人カ）として用いられる。

かかる構成において、試料ステージ７ｏ上に貼付された
試料６０をｘ　−７面内の２次元＋＆誠走査系１２０に
よって、２次元模様振動を行なわせながら、上記ビデオ
信号をこの走査と同期してブラウン管１３０上に表示す
れば、ｗ１微画像が得られる事になる。

ところで、この様な撮像装置において試料の機械的な走
査方法及びこれに同期した表示方法が画像を作成するの
に必要となる。ます、従来の走査及び表示方法につき説
明し、その問題点を指摘する。

Ａ、ペンティイン氏とＭ、ルヵラ氏にょるＡ掲載の文献
の第１図よシ反射法に関連した部分のみを描いたものを
第２図に示す。即ち、ＲＦ発振器２００の出力を超音波
の繰シ返し周期を決めるパルス発振器２１０の出力によ
り０Ｎ−ＯＦＦされるアナログスイッチ２２０でゲート
しＲＦパルス信号を発生させ、これをパワーアンプ２３
０で増巾後、方向性結合器２４０を介して前述の如きト
ランスデユーサ２５０に印加する。前記した如く、トラ
ンスデユーサ２５０は反射エコーを発生するから、これ
を方向性結合器２４０を介してＲ，Ｆ発信器３５０で増
巾検波後、サンプルホールド回路３１０で標本化ブラウ
ン管３３０の輝度入力（Ｚ入力）用回路３２０の入力信
号とする。標本化の時刻は、前記パルス発掘器２１０よ
り遅延器３００を介して作成される。

機械走査系は、試料ホールダ２６０に連結せるＸ走査部
２７０とＹ走査部２８０とからなる。Ｘ走査部２７０ば
、ムーピイングコイルの並進運動を利用しておシ、容量
変位出力を具備している。

三角波発生回路３９０の出力は、誤差増巾器３７０の一
端に印加され、容量変位出力と三角波との大いさの差が
パワーアンプ３６０を介してムービイングコイルに印加
されている。即ち、この系はサーホアンプを構成してお
り、ムービイングコイルが直線走査する事を保証してい
る。上記三角波は、所定の値とコンパレータ３８０で比
較され、Ｘ走査が１回行なわれる毎に、ｙ走査系へのク
ロックを発生する。ヌ、ブラウン管の輝度入力回路３２
０のブランキング信号ともなる。このクロックは、アッ
プダウンカウンタ４１０で加算され、カウンタ出力けＤ
Ａコンバータ４２０でアナログ信号に変換された後ブラ
ウン管３３０のｙ入力として用いられる。他方、上記ク
ロックは、パルスモータドライバ４３０を介してパルス
モータで駆′＃Ｊこれる）ｒステージ２８０に供給され
る。上記クロックがある値読みとられると、アップダウ
ンカウンタ４１０は、モータの回転方向を逆にし、元の
位置に戻るようにしている。

即ち、従来例は試料をＸ方向に駆動走査する第１の、駆
動部（例えばボイスコイル）と、該試料をＹ方向に駆動
走査する為の第２の駆動部（例えばステップモータ）と
、該第２の駆動部の走査を制御する為の制御器（コンパ
レータ）と、前記第１の駆動部の走査位置を検出する為
の検出器（容量変位計）とを具備し、第１の駆動部の走
査を前記検出器からの信号により制御しているのでるる
。

かかる構成を用いた従来例を検討した結果、本発明者等
は、次の３つの欠点を見出した。第１に、従来例でけＸ
走査系はカウンタを用いてディジタル化されているが、
Ｘ走査系はディジタル化されていないという点である。

近年のディジタル化のすう勢やマイクロコンピュータに
よる制御を考えた場合、Ｘ走査系のみならずＸ走査系も
ディジタル化する事が出来れは走査系として極めて有用
なものとなる。第２に、従来例では超音波を送受信する
行シ返し周期ｔＲを与えるパルス発振器２１０の出力パ
ルスと、機械走査系が全く同期していない点である。こ
れでは機械走査系のＸ、Ｙ走査に同期して表示されるブ
ラウン管上のラスクパターンによって形成される各画素
と、１回の超音波の送受信によって得られる反射強度と
の間に１対１の対応をつける事が出来ないのである。こ
の事は、映像をディジタル・イメージ・メモリに記録す
る際、メモリアドレスと書き込むべきデータとの対応が
不確定になる事を章味している。勿論、１画素形成時間
より、はるかに短時間に超音波反射信号を標本化すれば
、各画素は何回かの送受信による反射強度の平均値が対
応するから、非同期でも実効的に画像は得られる。しか
しながら、一画面を出来るだけ短時間で完像するには、
この方式は不適である。又、超音波送受信の繰り返し周
期を変化させた場合、非同期機械走査系では一画面を構
成する画素数が変化する事になる。この事は、映像をデ
ィジタル・イメージ・メモリへ記録シようとする際に、
必要なメモリ容量の算出に困難をきたす事になる。従っ
て、超音波の送受信の繰り返しパルスと同期した機械走
査系の制御手段が提供されるなら、かかる難点を合理的
に解消する事が期待される。

第３に、従来例ではブラウン管上に形成される画面の画
素数は、超音波の繰り返し信号と機械走査系のクロック
が同期していない為、不確定になっている。とりわけ、
倍率をかえた時の機械走査系の動作と画素数の間には、
一定の関係がないのである。近年のディジタル化のすう
勢やマイクロコンピュータの利用、ディジタルメモリの
応用を考える時、ブラウン管上に形成きれる画素数は倍
率によらず一定である事が不可欠の条件である。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、第１にムー
ピイングコイルを用いたＸ走査系をディジタル制御する
手段を提供する事、第２に超音波の送信パルス列と同期
した特誠走査系の制御方法を提供する事、第３に表示す
る画素数が一定なる様な倍率可変手段を提供する事を目
的とする。

〔発明の概要〕

本発明では、第１の目的を満す手段として、アップ・ダ
ウンカウンタ回路と、あらかじめ三角波のデータの書き
込まれたＲＯＭ　（読み出し専用メモリ）と、上記ＲＯ
Ｍの出力を入力とするＤＡ変換器を用い、上記カウンタ
へパルス列を入力する構成を提供し、第２の目的を満す
手段として、超音波を送受信する繰り返し周期を与える
パルス発振器の出力を、上記カウンタの入力パルス列と
して用いる構成を提供する。かかる構成をとれば、超音
波の送受信と同期して、上記ＤＡ変換器で駆動されるボ
イスコイルが移動し、本発明の目的を実現出来るのであ
る。又、第３の目的を実現する為に、画面の画素数を固
定し、画面上のＸ走査毎にパルスモータを１屯動するパ
ルス数を可変にする構成を提供するのである。以下、図
面により本発明を説明する。

〔発明の実施例〕

第３図は、本発明の一実施例を示す図で全体のブロック
図を示している。即ち、ＲＦパルス送信部４４０、方向
性結合器５２０、トランスデユーサ５３０、試料台５４
０、ＲＦ増巾及び検波部４４５及び標本化回路４５０か
らなる超音波送受信部と、Ｘ軸走査回路４６０、Ｘ軸デ
ィスプレイ信号回路４６５、Ｘ軸ドライバ回路４６７、
Ｙ軸走査回路４７０、Ｙ軸ディスプレイ信号回路４７５
、Ｙ軸ドライバ回路４７７からなる走査制御回路部と、
ムーヴイングコイル２７０及びステップモータとボール
ネジ２８０からなる機械走査部と、Ｘ　Ｙ　フラウン’
１１３３０、タイミングコントロール回路４３５及び倍
軍制御部４８０からなる。

第４図及び第５図は、本実施例の超音波送受信部をより
詳しく示す図であり、第６図は、それらの動作説明用波
形図である。Ｒ，Ｆ連続波発振器５００で発生したＲＦ
連続波信号（例えばＩＧＨｚ）をアナログ・スイッチ５
１０で継続時間１ｄ（例えば１００ｎＳ　）のＲＦパル
ス信号にかえ（第６図（ａ）の波形）、方向性結合器５
２０を介してトランスデユーサ５３０に印刀目する。試
料５４０からの反射エコー信号は、再び方向性結合器５
２０を介して、Ｒ，Ｆｕａ巾器５６０で増巾される（第
６図（ｂ）の波形）。ここで、Ａは打ち出し信号を、Ｂ
はレンズと媒質たる水の界面からのエコーを、Ｃは試料
からの反射エコーを表わしている。ＲＦ増巾器の出力は
ダイオード検波器５６５によってビデオ信号（例えば帯
域１０　ＭＨｚ　）に変換され（第６図（Ｃ１の波形）
、サンプルホールド回路等の標本化回路５７０で標本化
され、ブラウン管のＺ信号として用いられる（ディジタ
ルメモリを用いる場合は、この信号をＡＤ変換後、メモ
リの書き込みデータとすればよい）。同期制御回路５５
０は、その一実施例は第５図の如くで、超音波送受信の
繰り返し周期ｔＲの矩形波パルス発振器５５１の出力（
第６図（ｆ）の波形）を、ワン・ショット５５２により
パルス巾ｔｄのパルス列（第６図（ｄｌの波形）に変換
し、これをコントロール信号１として上記アナログ・ス
イッチのＯＮ、ＯＦＦに用いている。

又、パルス発振器５５１の出方は、可変遅延器５５３で
遅延後、ワン・ショット５５４により、パルス巾ｔ　ｓ
のパルス列に変換され（第６図（ｅ）のコントロール信
号２）、上記標本化回路のタイムゲート信号として用い
ている。本実施例では、このゲート信号又はアナログ・
スイッチのＯＮ。

ＯＦＦ信号そのものを以下に述べる機械走査制御回路の
クロックとして用いるのである。

第７図は本発明の機種走査部を示す図である。

上記コントロール信号２のパルス列は、カウンタ６００
に入力され、カウンタ６００の計数値出方をアドレス信
号とするＲＯＭ６１０の出力データはＤＡ変換器６２０
によってアナログ信号に変換される。Ｒ，ＯＭＫ、Ｓら
かしめ１周期の正弦波のデータを書き込んでおくと、か
かる構成でＤＡ変換器の出力として正弦波が得られる事
になる。この信号は、増巾器６５０で振巾を調整後直接
ブラウン管３３０のＸ軸入力信号として用いられると共
に、マルチプライングＤＡ変換器６３０のレファレンス
入力に加えられ、ＤＡ変換器のディジタル入力に応じて
振巾が定った正弦波として、位相シフタ６３５及びパワ
アンプ６４０を介してムーヴイングコイルに印加される
のである。位相シフタ６３！１１．、パワアンプに加え
た正弦波とムーヴイングコイルの現実の動作との間の位
相遅れを補正するのに用いている。ここで、カウンタ６
００の出力はアドレス１０２４のＲＯＭ６１０Ｖｃ接続
されているが、カウンタ６００が１０２４回計数する毎
に（第８図（ｂ）の波形）、−周期の正弦波（第８図（
ａ）の波形）が発生する様ＲＯＭのデータを書きこんで
おけば、超音波を１０２４回送受信すると必ず１往復の
Ｘ軸走査が行なわれる事になるのである。

正弦波のうち、直線領域に近い領域（本実施例では、ア
ドレス３７よシアドレス４７６まで）を、ブラウン管３
３０に表示する為、ＲＯＭ６１０にはこの間ブラウン管
を輝らせるようなアンブランキング信号が同時に■きこ
まれており、この信号はブラウン管３３０のブランキン
グ入力に接続されている（第８図（ＣＩＪの波形）。か
くして１回のＸ軸走査は必ず４４０点の超音波データを
画素として発生し、ＲＯＭ６１０　のアドレスを介して
、超音波の送受信データとＸ軸走査に伴なう試料の位置
との対応が１対１に確定するのである。

上記ＲＯＭには、更に１回のＸ軸走査の終了に対応して
Ｙ軸走査制御系への入力パルス（第８図（ｄｌの波形）
を発生する。このＸ軸系からのキャリ信号は、アッグダ
ウンカ９ンタ６６０を駆ｆｉシ、その計数出力はＤＡ変
換器６７０でアナログ信号に変換されブラウン管のＹ入
力信号となる。本実施例では、カウンタ６６０の最大計
数値を５１２として、そのキャリ又はボロウ信号によっ
てカクントアップとカクントダヮンを繰シ返す様になっ
ている。かかる構成の場合、ブラウン管３３０上では、
上から下へ又下から上へと走査を繰り返す事になるので
ある。上記Ｘ、！ＩＩ系からのキャリ信号は又Ｎパルス
発生器６８０に印加され、該キャリ信号に続いて次のＸ
軸走をが始まるまでにＮヶのパルス列を発生するのであ
る（第８図（ｅ’Ｈの波形）。

このパルス列は上記カウンタ６６０のアップ・ダウ／の
状態に応じてマルチブレキサロ９０によって正回転又は
逆回転パルスに振りわけられ、ステップモータドライバ
４７７を介して、Ｙ軸走査用ステップモータに供給され
る。

以上述べた構成によれば、超音波の送受信パルスと同期
してＸ、Ｙ両軸ともディジタル制御される事になる。し
かも、１画面を構成する画素はｔＲなる超音波送受繰り
返し時間によらず、いつも一定（本例では４４０Ｘ５］
、２）となるのである。

しかも、Ｘ、Ｙ軸の表示とは独立にＸ、Ｙ軸の機構走査
系の振巾を可変にする事が出来るから、倍率を簡単に設
定出来るのである。

第９図は、Ｌ記構成のうち倍率設定いいかえればＸ、Ｙ
軸の機械走査系の振巾を可変にする部分のみをぬきだし
たもので、Ｙ軸ではマルチプライングＤＡ変換器６３０
のリファレンス入力に表示に用いた正弦波が印加される
から、ＤＡ変換器のディジタル入力に比例した振巾の正
弦波信号を得る事が出来る。又、ＹｉｌＩｉＩｌに、Ｙ
軸倍率データに対応したＮヶのパルス列を発生させるこ
とにより、Ｙ軸の表示系が５１２計数する間に、パルス
モータへ５１２ＸＮケパルスを供給する。１パルスによ
るパルスモータの回転角は１定であるから、同様にＹｌ
ｌｌ（倍率データに対応した機構走査中を実現する事が
出来る。本発明者等は、ピッチ０．５簡のボールイ・ジ
を用いたステージをギア比５：１のギアと１回転１００
０パルスのステップモータト組み合せて、１パルス０．
１μｍのＹ軸走査系を構成した。かかる構成にて、Ｎパ
ルス発生器よシ発生するパルス列として、４ケの時２０
４８μｍ、８ヶの時４０９６．４μｍ、・・・・・・、
８０ケの時４．０９６鰭の走査中を得、９インチのプラ
ワン管上にて、それぞれ７２０，３６０．・・・・・・
、３６倍率を実現した。

ここで倍率データ発生器４８０は、操作者による押釦で
そのアドレスが選択されるＲＯＭに書いている。

なお、上記実施例では、ムーピイングコイルを正弦波的
に駆動する為、Ｒ，０Ｍデータとして正弦波を用いたが
、従来例の如＜、ＲＯＭデータとして三角波を用い、サ
ーボアンプを介してムービングコイルを駆動してもよい
。又、超音波の送受信１回が一画素に対応する構成につ
いて述べたが、２回以上の送受信の平均値を反射データ
として、これを−画素に対応させてもよい。この平均操
作は、機械走査系のクロックとして、超音波送受信の繰
り返し信号そのものを用いる事によって始めて妥当な操
作となるのである。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によれば、超音波の送受信の繰
シ返し周期に同期した機械走査制御回路及び表示方法、
倍率切り換え法を提供する事が、出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の超音波送受繰の概略構成を示す図、第
２図はその走査方法及び像の表示方法を説明する為のブ
ロック図、第３図は本発明の実施例の全体のブロック図
を示す図、第４図及び第５図は実施例の超音波送受信部
を示すブロック図、第６図はその動作説明用波形図、第
７図は本発明の機械走査部を示す図、第８図はその動作
説明図、第９図は倍率可変手段を示す図である。 ４８０・・・倍率データ発生器、６３０・・・マルチプ
ラ第　４　図 第　５　ロ 第　に　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、機械走査形超音波顕微鐘の機械走査装置において、
   超音波を送受信する繰り返しパルス信号を、基本クロッ
   クとして駆動走査され、倍率を可変にする手段を具俯せ
   る事を特徴とする機械走査形超音波顕微鏡。