JPS5912988B2 - 音響結像用レンズ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の技術分野 本発明は音響結像に関し、その具体的な用途は解部学上
の器官の結像にある。

従来技術の説明 これまで、人体の解剖学上の器官の音響結像は一般的に
、圧縮波を人体に向けて発射するための音響変換器を励
振する電気パルスを用いるパルス・エコー技術によつて
行われて来た。

圧縮波が人体の一部位から、異なつたインピーダンスを
有する他の部位に移るとき、波動エネルギーの一部が２
つの部位の境界で反射されて変換器に戻される。波動エ
ネルギーの残りは、別の音響インピーダンスの不連続箇
所に達するまで人体組織のより深部に伝達される。この
不連続箇所でまた波動エネルギーの部分的反射と部分的
伝達が起る。反射された音響信号は変換器によつて電気
信号に変換され、更に必要に応じて増幅される。これら
電気信号を、検査されている器官の像を生ずるために処
理することができる。人体の様々な組織における圧縮波
の速度が知られているため、パルス・エコー技術を利用
して、人体内で生ずる様々な反射の深さを反射信号の変
換器への到達時間と最初に発射されたパルスの時間とか
ら測定することができる。パルス・エコー技術の特定の
用途である接触走査装置（コンタクト・スキヤナ一・シ
ステム）においては、人体に超音波パルスの平行ビーム
を発射してインピーダンス不連続箇所から反射されるす
べての音波を受信するために１個の変換器が使用される
。走査される特定の器官についての超音波ビーム変換器
の位置と方向は、蓄積オシロスコープに接続されている
位置決め変換器への適当な接続によつて決定される。作
動においては、超音波ビーム変換器が人体の表面の上方
で移動され、次に人体内部で反射される表面の像がオシ
ロスコープのスクリーン上に形成される。典型的には、
表示と分析のための適当な像を形成するために人門体表
面の上方で変換器が移動されるのにおよそ２０秒かかる
。接触走査装置の重大な欠点は、像を形成するのに必要
な時間が比較的長いということである。そのような長い
時間は患者の移動あるいは結像されている人体器官の不
随意の移動（例フえば心臓の鼓動）によつて解像度の低
下を招きがちである。また従来技術においては、音響変
換器の線状配列を使用することも知られていた。

そのような構造においては、各変換器は自動的に時間多
重化されるため一度にただ１個の変換器がパルスを発射
するのみである。多重方式は前述のような接触走査装置
のあらゆる対応する機械移動よりはるかに速く行われる
ため像は３０個の変換器の配列から全部でおよそ３０ミ
リ秒で形成され得る。そのような短時間によつて例えば
鼓動している心臓のような内臓の動きを観察することが
可能となる。しかしながらそのような線状配列装置の主
要な欠点は、配列の長さが検査される対象の直線寸法に
等しくなければならないということである。従つて変換
器の線状配列を用いた場合、内臓を結像させるためには
体内に大きな超音波のギヤツプが必要とされる。不幸な
ことに、骨組織による超音波吸収は軟組織よりはるかに
大きい。従つて骨組織はその背後にある軟組織全部を陰
でおおつてしまう。結像されるべき内臓が胸郭の内部に
ある場合（例えば心臓）、内臓の上の胸郭は変換器の線
状配列による内臓の結像に障害となる。更に、変換器の
線状配列から生ずる超音波ビームの本質的な拡散によつ
て、体内奥深いところにある対象物についての解像度は
制限される。変換器の線状配列に固有な解像度の制限を
突破するために、そのような変換器の解像度配列と共に
音響レンズを使用することも公知であつた。

音響レンズは配列の各変換器からの超音波ビームを体内
の焦点面上の特定の点に集束させる働きをする。そのよ
うな従来の結像装置における音響レンズは典型的には、
間にはいり込む水槽によつて変換器配列から物理的に分
離されていた。介在する水槽によつてそのような結像装
置は重く、機械的に複雑にされ、゛それ故便利なポータ
ブルのレンズ装置を設計することは事実上不可能であつ
た。従来技術において知られていた音響結像装置は共心
レンズを使用しなかつたため軸外れ収差に悩まされた。
更に、従来技術において知られていた音響結像装置は変
換器とレンズ焦点の間にある様様な媒体内部の超音波の
反射にも悩まされていた〇変換器の配列と超音波レンズ
との間の水槽はそのような反射の１つの発生源であつた
。本発明の概要 本発明の音響結像装置は音響レンズの外側表面に固定さ
れた超音波変換器の配列を有する。

本発明の一実施態様においては、レンズは球面共心レン
ズである。レンズの内側表面は、例えば人体の軟組織部
分の上の皮膚のように水とほぼ等しい音響屈折率を有す
る物体との接触が維持される。空気によるギヤツプを避
ける必要があるならば、例えば水のような液体の適当な
形状の容器がレンズの内側表面と皮膚の接触表面の間に
配置される。レンズは水よりも小さな屈折率を有する材
料より成るため、変換器によつて発射された超音波は皮
膚の下の組織内部の焦点面に収束する。各変換器からの
超音波は、レンズ表面の共通の曲率中心に配置された共
通の音響開口を通過して検査されるべき人体の部位に達
する。この開口を例えば肋間隙のような人体の部位に配
置させることによつて、開口の反対側に比較的大きな立
体角で分布された物点（例えば胸郭内部の解剖学上の器
官）が支障なく結像され得る。従つて本発明の目的は、
比較的小さな音響開口を通して大きな物体を結像するこ
とができるように超音波を集束させるための音響レンズ
装置を提供するところにある。

本発明の特定の目的は、簡単な機械構造と複雑でない電
気回路とを有し、人体の内臓の超音波反響図形を提供す
るための小型のポータブルな装置を提供するところにあ
る。本発明の特定の用途は、肋骨の間に取られた音響開
口を通して人間の心臓を音響的に結像するところにある
。本発明の他の目的は、超音波変換器の配列とこれら変
換器によつて発生された超音波を集束させるためのレン
ズより成り、変換器はレンズと変換器の間の反射を阻止
するためレンズの表面に固定される音響レンズ装置を提
供するところにある。

本発明の更に他の目的は、レンズが収束共心レンズより
成り、超音波結像を行うための音響レンズ装置を提供す
るところにある。他の実施態様においては、レンズは収
束レンズより成り、その各表面は２つの互いに直角な方
向で異なつた曲率半径を有する。この実施態様の一例に
おいては、レンズの形状は単純な円筒の一部である。本
発明の更に他の目的は、異なつた音響インピーダンスの
媒体の中に浸された動く物体の高解像度像を提供するこ
とができる超音波結像装置を作ることである。

具体的には、本発明の１目的は鼓動する心臓の連続的な
音響像を提供することができる装置を作ることである。
本発明の更に他の目的は、収束音響レンズに固定された
超音波変換器の線状配列と、反射された超音波信号を電
気信号に変換するための手段と、そのような超音波信号
の反射を引起す組織の像を表示するため前記の電気信号
に応答する手段とを一体となつて有する超音波レンズ装
置を提供するところにある。

本発明の他の特徴と利点とは添付図面に関連して次の説
明を精査することによつて明らかとなるであろう。

実施例の説明 本発明の音響結像装置は人体内部の本来の位置にある内
臓の視覚表示を提供するのに特に適している。

第１図には心臓１０の像を球欠面に投影するように配置
されたレンズ４０を有する音響結像装置が示されている
。心臓の上には皮膚２０の層がある。皮膚の下には厚さ
の変化する乳房組織（女性の場合）の皮下脂肪の層と、
胸大筋をおおう結合組織の層と、筋肉の中では非常に厚
い胸大筋それ自体と、胸小筋の幾つかの細片とそれに付
随する結合組織と、肋骨２１を含む胸郭とがある。心臓
の様々な組織から反射される超音波圧縮波を処理するこ
とによつて心臓の視覚表示を提供することができるのは
望ましいことである。そのような心臓の表示は超音波診
断図（ＥｃｈＯｃａｒｄｉＯｇｒａｍ）と呼称されてい
る。超音波は皮膚の外部に配列されている変換器３１に
よつて生成される。

この配列の形状については後に説明することとする。変
換器３１は例えばチタン酸鉛ジルコニウムのような圧電
材料より成る。超音波は例えば１００ボルトのような電
圧パルスを変換器材料の両端に直接印加することによつ
て発射される。本発明の実施に適当な変換器は米国オハ
イオ州ベツドフオード（ＢｅｄｆＯｒｄ）のＣｌｅｖｉ
ｔｅＣＯｒｐＯｒａｔｉＯｎよりＰＺＴ５Ａという番号
で市販されている。骨組織の高い音響吸収のため骨を通
過する超音波は非常にわずかである。

従つて変換器３１より生成された圧縮波を、肋骨の間の
音響窓口を通つて、心臓のある縦隔洞にはいるように集
束する必要がある。最も超音波結像の行いやすい胸郭内
部の部位は、前面を胸骨で、背面を背部心嚢（のう）壁
で、下方を横隔膜で、上方を心臓と連絡する大血管で、
側面両側を肺のへりで境を接したかたまりより成る。肺
を通過せずに圧縮波を発射して心ノ臓の診断図を得るた
めには、集束レンズ４０によつて左胸骨とこれの左側３
ないし４ｃｒ１Ｌの線の間の第２、第３、第４あるいは
第５の肋間隙に位置された音響窓口に超音波を集束する
ことが有利である。

これら超音波は胸郭内部に配置された焦点面４４に集束
される。現在、人体の各種の組織を通過する超音波ビー
ムのエネルギー減衰の精密な割合については何ら異議を
唱える文献はない。

しかしながら、２．５メガヘルツの周波数の場合１ＣＴ
ｎの深さにつきおよそ４。４デシベルが皮膚、脂肪、筋
肉及び血管組織を連続的に通過する超音波の減衰量の適
当な値である。

この近似に従えば、１３ｃＴｎの深さの心臓の背後の壁
から反射された信号は５７デシベルの減衰をするはずで
ある。液体と筋肉の間の境界から反射される信号は、完
全な反射体から予期されるものより相対強度がおよそ２
３デシベル降下するから、心臓の背後の壁から反射され
た超音波信号の全減衰量はおよそ８０デシベルである。
そのようなエネルギー減衰を考慮することによつて、１
平方センチメートルにつき１００ミリワツトの電力密度
が医学的検査に全く適当であり、しかも検査される患者
にも生理的に悪影響を及ぼさないと判断される。この電
力レベルでは、減衰された反射信号の強度を容易に検出
することができる。第１図において、変換器３１全部は
例えばエポキシ・セメントによつて球面共心レンズ４０
の外側表面４１に２次元配列となるように固定されてい
る。共心レンズとはレンズの音響軸（光学レンズ系の光
学軸に類似している）を横切るレンズ表面の両方が同一
の曲率中心を有するものであると定義される。従つてレ
ンズ４０の外側表面４１と内側表面４２は共通の曲率中
心４３を有する。レンズ４０は金属であれプラスチツク
であれ、がつしりした材料、例えばアルミニウムやポリ
スチレン、で水より小さな音響屈折率を有するものより
成る。レンズ材料を選択するにあたつて、各種の係数は
重要である。

第１に、材料の音響屈折率（即ち、水中での音速の材料
中での音速に対する比）は重要である。なぜならこの屈
折率はレンズの屈折力を左右するからである。材料の音
響インピーダンスもまた重要である。なぜなら、これは
レンズ表面における反射力の伝達力に対する比率を決定
するからである。材料の密度もまた、ポータブルな装置
のレンズについての材料の有用性を決定するにあたつて
重要な要因である。上に記載したレンズ材料について水
の屈折率を１とした場合、超音波圧縮波に対するアルミ
ニウムの屈折率は０．２４、ポリスチレンの屈折率は０
．６５である。従つてアルミニウムはポリスチレンより
大きな屈折率を有し、それ故アルミニウムを用いた場合
ポリスチレンより小さなレンズを作ることができる。全
体の大きさを第１に考慮しなければならない場合には、
このことは重要である。しかしながら圧延アルミニウム
の密度は２．７、一方ポリスチレンの密度はわずかに１
．０６である。従つて重量を第１に考慮しなければなら
ないときにはポリスチレンの方がアルミニウムより好ま
しい。レンズ４０はたわみ支持構造物によつて支持され
るか、ポータブルな装置に取付けられる。

作動においては、レンズの内側表面４２は曲率中心４３
が胸郭の所望の音響窓口、例えば第４肋間隙、に位置す
るように置かれる。レンズ４０は皮膚２０に密着するよ
うに押されて内側表面４２と皮、膚の接触表面の間に空
気のすきまが残らないようにするか、さもなければ適当
な大きさの水あるいは他の液体の容器を内側表面４２と
皮膚の接触表面の間に挿入することもできる。第１図に
は伝播された波面の前方運動の方向を示すビームが２つ
の変換器について図示されている。

最初に波面は変換器３１から発散するように進行してレ
ンズ４０を通過する。内側表面４２にて、波面は音響窓
口の反対側の胸郭内部に位置された焦点面４４に収束す
るようにされる。第１図に破線で指示されている焦点面
４４は共心レンズ４０の外側表面４１及び内側表面４２
と同じ曲率中心４３を有する球面の一部である。配列さ
れている各変換器３１は焦点面４４の上にただ１個の焦
点４５を有する。変換器３１は全体としてレンズ４０の
外側表面４１の大きな全面積をカバーし、焦点面４４は
胸腔内部の大きな面積にわたつてのびているけれども、
音響窓口を通過する全ビームは曲率中心４３の周囲に中
心が置かれ隣接する肋骨が境を接している小さな肋間隙
に収束させられる。焦点面４４は最も鋭い焦点が得られ
る体内の深さを定める。成人の心臓の最大の大きさが１
２α程度である場合の診断図のために、ここに記載され
た技術によつて適当な被写界深度を得ることができる。
焦点距離と、音響共心レンズ系についての球面収差の影
響とを見積るための相似音響装置用に、ＤＯｖｅｒＰｕ
ｂＩｉｃａｔｉＯｎｓ，Ｉｎｃ．より発行されだＡｐｐ
ｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓａｎｄＯｐｔｉｃａｌＤｅｓｉｇ
ｎ′２（著者、Ａ．Ｅ．ＣＯｎｒａｄｙ），ＰａｒｔＩ
（１９５７）及びＰａｒｔｌｌ（１９６０）に記載され
た式を用いることができる。焦点距離は超音波の波長と
、焦点面４４上の一点から見て音響開口の張つている角
度とによつて決定される。音響結像系においては、光学
結像系の場合と同様に、深さの解像度は焦点深度によつ
ては決定されない。その代わり、音響深度解像度は伝播
された音波のパルス幅、及び装置の受信部品の増幅器と
検出器の時間解像度によつて決定される。音響窓口を通
過した後、超音波波面は一連の異なつた型の組織（例え
ば脂肪、筋肉及び血液）を通過するが、これら組織は波
面が心臓の前方の壁１１に達するまで音波の伝播速度に
ほとんど影響を及ぼさない。

女性とふとつた男性の場合心臓の前方の壁は皮膚の下お
よそ５ないし６０ｍであろう。共心レンズ結像装置を使
用する重要な利点は、レンズの中実軸との間の超音波伝
播角度に関係なく心臓の壁の全部の点について均一な解
像度を得ることができるということである。レンズ４０
の外側表面４１に変換器３１が配列されたことによつて
、比較的大きな立体角で像を得ることが可能である。

本発明の好適な実施態様において、レンズ４０の外側表
面４１の上に縦３２、横３２の格子状のパターンで１０
２４個の変換器が配列固定される。レンズ４０はそれに
関連する変換器と共に、例えば検査構造体ハウジング３
９に取付けられる。第１図にプロツクとして示されてい
る信号処理装置４８の幾つかの部品を検査構造体ハウジ
ング３９内部に取付けることも恐らく可能であろう。ア
ルミニウム・レンズの場合、外側表面４１の曲率半径は
およそ１０ｃｒｆＬ１内側表面４２の曲率半径はおよそ
６．２ｃＴｎであろう。この好ましい大きさの装置の場
合、およそ９０度の開口角度を通る扇形の像が可能とな
るであろう。典型的な成人の心臓の全体の寸法は、長さ
がおよそ１２ｃｍ１幅が最大で８ないし９ＣＷＬ１深さ
が６ＣＴｎである。従つて２つあるいは３つの異なつた
肋間隙を通して取られた診断図によつて心臓全体の合成
像を得ることができる。どの特定の変換器３１からの波
面でもその波面に直交するように引かれた直線によつて
表示することができる。

第１図には本発明に従うレンズの集束特性を説明するた
め２つの特定の変換器からの超音波が破線で示されてい
る。全体のノイズレベルを減らすため超音波結像装置か
ら内部の屈折と反射の原因をできる限り除去することが
望ましい。

どのような形にせよ、Ｓ／Ｎを改善すれば、不明瞭な反
射情報を含む信号を生ずるのに必要な伝播電力レベルを
それだけ減らすことができる。一般的に、どのような種
類でも患者に診断のために放射する電磁波（超音波を含
む）の電力のレベルを最小にすることは望ましいことで
ある。本発明においては、変換器３１はレンズ４０の外
側表面４１に直接取付けられ、変換器３１によつておお
われていない外側表面４１の残りの部分は音響吸収材に
よつておおわれる。音響吸収材４９はレンズ４０に非常
に近い音響インピーダンスを有し、しかも比較的高い音
響減衰を有するべきである。音響吸収材４９の使用に適
する材料は、軟いゴムのような材料及び金属粒子の入れ
られたプラスチツクより成る合成材料を含む。タングス
テン・ビニル合成材料は音響吸収材４９として特に適し
ている。タングステン・ビニル合成材料の特性と製造技
術は１９７３年１月に発行された″ＩＥＥＥＴｒａｎｓ
ａｃｔｉＯｎｓＯｎＳＯｎｉｃｓａｎｄＵｌｔｒａｓＯ
ｎｉｃｓ″，ＳＵ−２０の１ないし２ページに掲載され
た″ＡｃＯｕｓｔｉｃＰｒＯｐｅｒｔｉｅｓＯｆＴｕｎ
ｇｓｔｅｎ−ＶｉｎｙｌＣＯｍｐＯｓｉｔｅｓ′２とい
う表題の記事中にＬｅｅ．ＧｉｌｍＯｒｅ及びＫｒａｎ
ｚによつて検討されている。変換器３１をレンズ４０の
外側表面４１に直接固定し、外側表面４１の残りの部分
を音響吸収材４９に接触させることによつて外側表面４
１からの反射を防ぎ、外側表面４１と変換器３１との間
の反射を避けることができる。

なぜなら内側表面４２から反射されたエネルギーのほと
んど全部が変換器３１のいずれか１個あるいは音響吸収
材４９によつて吸収されるからである。従来技術におい
ては、変換器はレンズから物理的に分離していたために
、音響吸収材はレンズ装置内部の反射を減衰させるため
に使用することができなかつた。内部反射発生源の除去
、それに付随して情報を含フむ反射信号のＳ／Ｎの改善
、内部反射表面の数の減少、及びそれに伴なう像コント
ラストの向上は本発明に特有の重要な利点である。

第１図を参照するに、変換器３１から発生された圧縮波
がレンズ４０から異なつた音響インピーダンスの媒体、
例えば皮膚２０の外側にある大量の水、あるいは皮膚の
すぐ下の血液、脂肪及び筋肉組織、に達するとき、内側
表面４２で最初の部分反射と部分通過が起こる。

波動エネルギーの通過した部分は次の音響インピーダン
ス不連続箇所に出会うまで体内深く進行し、その音響イ
ンピーダンス不連続箇所で波動エネルギーの第２の部分
反射と部分通過が起る。第１図では第２の部分反射と部
分通過は心臓１０の前方の壁１１で生ずる。引続いて、
心臓内部の種々の内部組織と心臓の後方の壁１２とで更
に部分反射と部分通過が起る。通過した波動エネルギー
は結局、心臓の後方の人体組織内で完全に減衰させられ
る。第１の反射面である内側表面４２から反射された信
号は、患者の体内にあるもつと遠い反射面から反射され
た次の反響信号が到着するより先に変換器３１に戻る。

従つて、内側表面４２からの反射は容易に識別できるた
め、それを表示装置８２上に形成される画像に現われな
いように信号処理装置４８で除くことは可能である。そ
のような画像を形成するための電気回路は第２図に関連
して以下に記載する。前方の壁１１からの様々な波面か
らの反射の一時的なパターンは前方の壁１１の動きの像
を形成し、それは表示装置８２の上に電気的に表示され
る。

同様にして心臓内部の内部組織からの反射の、あるいは
後方の壁１２からの反射の一時的なパターンもこれら組
織の動きの像を形成することができる。一定の患者の超
音波診断が特に心臓の特定の内部組織１３、例えば心筋
の一部あるいは大動脈弁、に関することもあろう。この
場合、変換器３１への反射信号の到着時間が、検査され
ている内部組織１３のおおよその位置に対応する体内の
一定の深さから生じたものであることのみを表示するよ
うに信号処理装置４８のプログラムを作ることができる
。そのようなプログラムの場合、選択された深さにある
全反射組織は表示装置８２の上にあられれ、心臓の左端
と右端の像５２，５２′は夫々表示スクリーンの左側と
右側に、心臓の上部と下部は夫々表示スクリーンの上端
と下端に結像される。この種の表示は一般にＣ走査表示
モード（Ｃ−ＳｃａｎｄｉｓｐｌａｙｍＯｄｅ）と呼ば
れている。もし変換器３１がレンズ４０の外側表面４１
の上に２次元的に格子状に配列されているときにはＣ走
査信号を得ることができ、それによつて伝送された超音
波の伝播方向に垂直な人体の部位を表示装置８２の上に
結像し、視覚的に表示することができる。

そのようなＣ走査結像は、体内の一定のあらかじめ決め
られた深さにある反射面（即ちインピーダンス不連続面
）から生じた反射信号のみを選択するように信号処理装
置４８のプログラムを組むことによつて行なうことがで
きる。Ｃ走査結像は特定の深さで、体内の平らなあるい
は湾曲した反射面で生ずる反射をあられす２次元の像を
形成する。Ｃ走査表示モードにおいては、各変換器３１
は全部の表示にづいてただ１個の画素８９の情報を提供
するだけである。各画素８９の表示画像における位置は
、画素を発生する特定の変換器３１のレンズ上での位置
に依存する。各画素８９は、特定の変換器３１からレン
ズの曲率中心４３を通つて結像される体内の点を通過す
る線上にある患者の体内の一点に対応する。そのような
線に沿う画素８９の位置は信号処理装置４８内部のタイ
ミング電子装置に左右される。配列される変換器３１の
数が多くなればなるほど、画像の解像度が向上し、表示
装置８２に表示される画像の細部がより細かくなる。第
２図のように、レンズ４０の外側表面４１の上に変換器
３１を曲線状に配列すると検査されている器官のＢ走査
結像が得られる。

Ｂ走査結像用の変換器の線状配列はＣ走査結像用の２次
元的に配列された変換器群の選択された１組であること
に注意する必要がある。換言すれば、１個のレンズと変
換器配列を組合せることによつてＣ走査モードとＢ走査
モードのいずれでも選択的に作動することができるよ．
うにすることが可能である。第２図に示しているように
、線状配列の変換器を頭を切り取つた球面レンズの上に
取付け、２次元変換器配列の場合よりコンパクトで電気
回路的に簡単な音響レンズ装置を作ることも可能である
。Ｂ走査結像の場合、レンズ４０の外側表面４１には単
に変換器３１を一列設けるのに十分な幅を有する必要が
あるのみである。かくして外側表面４１は、軸線が円筒
の円形断面の曲率中心４３を通過する円筒の一部分であ
り得る。外側表面４１はまた４３に中心を有する球の一
部分でもあり得る。Ｂ走査結像は、変換器３１の線状配
列と曲率中心４３とを含む平面内にあるインピーダンス
不連続箇所からの反射に対応する２次元表示を与える。
変換器３１の線状配列からＢ走査像を生ずるための電子
回路は第２図にプロツクダイヤグラムで示されている。
マスタプログラム装置８３は、変換器配列から１個の特
定の変換器を選択してその選択された変換器を送信機５
０と増幅器７０とに電気的に接続するように送受信マル
チプレクサ６０のプログラムを組む。次にマスタプログ
ラム装置８３は送信機５０を作動して電圧パルスを生じ
させ、このパルスは選択された変換器に送られる。この
パルスに応答して選択された変換器は超音波パルスを発
生し、これはレンズ４０を通過して患者の体内に進行し
てゆく。体内の様々な音響インピーダンス不連続箇所か
ら反射された圧縮波は同一の変換器に戻り、この変換器
に各反射ごと別個の電圧パルスを生じさせる。この変換
器に発生される様々な電圧パルスは体内の様々な反射面
の各深さに応じて時間がずれる。各電圧パルスは増幅器
７０によつて増幅され、検出器７５によつて検出される
。この信号は更に画像増幅？８１によつて増幅される。
画像増幅器の出力は表示装置８２に表示される画像の輝
度を変調するために用いられる。マスタプログラム装置
８３はまた掃引発振器８４を作動させて表示装置８２に
放射線８６を発生させる。放射線８６に沿つたどの所定
の点８９の輝度も、一定の音響インピーダンス不連続箇
所によつて発生された反射信号の強度に対応する。第２
図において、表示装置の全放射線が発生される点８７は
曲率中心４３に対応する。上述の結像過程はパルス伝送
の静止状態の間生ずる。最初に伝送されたパルスからの
全反射波が最初に選択された変換器に戻ることを可能と
するのに十分な時間の経過の後、マスタプログラム装置
８３は更に送受信マルチプレクサ６０のプログラムを変
えて変換器配列の中から第２の変換器を選択し、これを
送信機５０と増幅器７０とに電気的に接続する。新しい
伝送パルスが伝送される前に変換器配列に全反射信号が
戻ることができるには、連続するパルスの間に１ミリ秒
の間隔があれば十分であろう。次に送信機５０は電圧パ
ルスを発生し、これは第２の選択された変換器に印加さ
れる。次に第２の伝送パルスからの反射は点８７から発
する別の放射線８８に沿つた点として表示装置８２に表
示される。配列されている各変換器は順次に作動される
。従つて輝点としての画素８９は表示装置の画面上の放
射掃引として現われる一連の線に沿つて形成される。マ
スタプログラム装置８３によつて全変換器が順次に作動
された後は、結像されている解剖学上の器官の完全なフ
レームが表示装置８２の上に表示されることとなる。３
２個の変換器の線状配列の場合、プログラム化された引
続くパルスの間が１ミリ秒であるときはおよそ３２ミリ
秒ごとに完全なフレームが作られ得ることとなる。

１秒間におよそ３０の完全なフレームが表示され得、そ
れは検査されている器官の動き、例えば人間の心臓の鼓
動、の動きの視覚的に連続的な動画を得るには十分な速
さである。

本発明の他の実施例が第３図に示され、ここでは反射の
影響を最小にするため２組の変換器群が使用される。

送信と受信に夫々別々のマルチプレクサ６１，６２が使
用されるのを除いて第３図の回路は第２図の回路と同一
である。一組の変換器群３１が最初の超音波信号の送信
に使用され、別の変換器群３１′が反射信号を使用する
のに使用される。これら２組の変換器群は共心レンズの
外側表面に２つの平行な列となるように固定することが
できる。代わりに、レンズを２つに分割し、間に吸音材
を入れることも可能である。この実施例の主要な利点は
、パルス送信機によつて引起された残響が直接には反射
波受信装置８０につながらないということである。第１
図のレンズ４０はこれまで外側表面４１と内側表面４２
が共通の中心を有する球の一部である球面共心レンズと
して述べられて来た。

外側表面４１の曲率半径はその全部の部分について一定
であり、内側表面４２の曲率半径も同様にその全部の部
分について一定である。レンズ４０の他の例が第４図に
参照数字９０で示されている。この場合レンズ表面９１
及び９２は球の一部ではなく楕円体の一部である。第１
図のレンズ４０の場合と同じように、外側表面９１に固
定されている変換器３１によつて発生される超音波エネ
ルギーを集束させるためにレンズ９０の外側表面９１は
凸面とされ、内側表面９２は凹面とされている。レンズ
の内側表面９２は変換器配列の方向に垂直な横方向に曲
率半径ｒ１と、変換器配列の方向に平行な方向に異なつ
た曲率半径Ｒ２とを有している。同様にレンズの外側表
面９１はその表面の２つの互いに直角な方向の夫々に異
なつた曲率半径を有している。Ｂ走査表示モードに使用
される変換器３１の線状配列の場合、音響レンズには球
形より楕円体形が有利である。

なぜなら、曲線状の変換器配列の方向に平行な方向より
曲線状の変換器配列に垂直な方向の方が広いことが超音
波ビームにとつて望ましいからである。外側表面２１に
固定された曲線状の変換器配列の方向に垂直な方向の曲
率半径ｒ１を大きくすることによつて、楕円体形のある
いは矩形の変換器を外側表面９１に容易に取付けること
ができる。所望の集束特性を得るように内側表面９２の
対応する曲率半径を選択することができる。この実施例
においては、狭いレンズ９０に広い開口角度が必要ない
ため共心からの狂いはさほど重大なことではない。楕円
体形状の場合のレンズ９０の楕円体外側表面９１上の楕
円体のあるいは矩形の変換器３１は球形形状の場合より
大きくなり得る。結晶の表面積を増大すれ′ずそれに伴
なつてその電気的インピーダンスは減少し、今日のソリ
ツド・ステート・エレクトロニクスに更に望ましいこと
に、より低い電圧でその結晶を作動させることができる
。前述の楕円体形状の特別の場合として、変換器配列の
方向に垂直な横方向のレンズ９０の外側表面９１の曲率
を無限大にすることができる。

これは事実上レンズが、軸線がレンズの音響軸に垂直な
円筒形となることである。この円筒形状はそのようなレ
ンズの製造を容易とし、しかも横方向の解像度を幾分犠
牲にして感度を向上させる。横方向の解像度を問題にし
ないＢ走査結像の場合にはレンズの形状は円筒形である
のが望ましい。レンズの外側表面９１が円筒形である通
常の場合、内側表面９２を円筒形に作ることも有利であ
る。しかしながら特別の目的に対しては、外側表面９１
を円筒形とし、内側表面９２を楕円体形、あるいは球形
とすることも望ましい。Ｒ，とＲ２の値を適当に選択す
ることによつて楕円体形のあるいは球形の内側表面９２
は超音波の所望の集束を可能とし、一方円筒形の外側表
面９１は変換器形状を簡単にし、それによつて楕円体形
のあるいは球形の表面の場合可能なものより低いインピ
ーダンスの変換器の使用を可能とする。従つて外側表面
が円筒形であり内側表面が楕円体形あるいは球形である
音響レンズは変換器の面積が大きいため製造が容易、変
換器の電気インピーダンスが低い、感度が高いという利
点を有する。第５図はレンズの内側表面４２の曲率中心
４３に置かれた開口絞り９４を示すものである。

開口絞り９４はレンズ４０からはいる軸外れ反射ビーム
を制限し、それによつてこの開口絞りを使用しない場合
起る球面収差を防ぐ。開口絞り９４は開口が特に小さく
ない腹部のあるいは人体の他の部位を走査するときに特
に有益である。再び第１を参照するに、各変換器３１は
一連の比較的飛び飛びの反射信号を受け、各信号は心臓
１０内部の特定の超音波反射組織の皮膚の下の深さを指
示する。

全部の送信変換器が受信モードで作動することができる
ようにする必要はないことに注意すべきである。事実第
３図に関連して述べたように、２組の異なつた変換器群
によつて送信と受信の両作動を別々に行なうことも可能
である。配列されている受信変換器の数が多ければ多い
ほど、反射信号から作られる全体の画像はより克明にな
るということは明白である。この明細書に記載された本
発明は本来の位置にある解剖学上の器官の音響像を提供
するものであるが、本発明の基づいている原理は音響結
像に関して広い適用性があり、しかも非破壊検査に適用
できるものである。

従つて前述の実施例は本発明を説明するために記載され
たものであり、本発明の範囲は特許請求の範囲によつて
のみ限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本来の位置にある解剖学上の器官、即ち人間の
心臓、の視覚表示を行なうためレンズをその所定の位置
に置いた本発明に従う音響レンズの断面図、第２図は解
剖学上の器官の視覚表示を行なうための音響レンズと電
気回路プロツク図を示す図、第３図は一方は送信用で他
方は受信用である２組の変換器群を有する本発明の他の
実施例の音響レンズ装置を示す図、第４図は各表面が２
つの互いに直角な各方向に異なつた曲率半径を有し本発
明に従う音響レンズの他の実施例を示す図、第５図は本
発明の音響レンズと共に使用される開口絞りを示す図で
ある。 １０・・・・・・心臓、１１・・・・・・心臓の前方の
壁、１２・・・・・・心臓の後方の壁、２０・・・・・
・皮膚、２１・・・・・・肋骨、３１，３Ｖ・・・・・
・変換器、３９・・・・・・検査構造体ハウジング、４
０・・・・・・レンズ、４１・・・・・ルンズの外側表
面、４２・・・・・・レンズの内側表面、４３・・・・
・・曲率中心、４４・・・・・・焦点面、４５・・・・
・・焦点、４８・・・・・・信号処理装置、４９・・・
・・・音響吸収材、５０・・・・・・送信器、６０・・
・・・・送受信マルチプレクサ、６１・・・・・・送信
マルチプレクサ、６２・・・・・・受信マルチプレクサ
、７０・・・・・・増幅器、７５・・・・・・検出器、
８０・・・・・・受信器、８１・・・・・・画像増幅器
、８２・・・・・・表示装置、８３・・・・・・マスタ
プログラム装置、８４・・・・・・掃引発生器、８９・
・・・・・画素、９０・・・・・ルンズ、９１・・・・
・ルンズの外側表面、９２・・・・・・レンズの内側表
面、９４・・・・・・開口絞り。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の変換器と、該変換器が超音波を伝送するよう
   にせしめる手段と、小さな音響開口を通して大きな物体
   の結像をおこなうために前記変換器より伝送された超音
   波を集束するレンズとから成り、前記変換器は超音波を
   前記レンズに直接伝送させるように前記レンズの一表面
   に固定されていることを特徴とする音響レンズ装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、前記変換器が前記レンズの前記一表面の上に２次元
   配列に配置されているところの音響レンズ装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、前記変換器が前記レンズの前記一表面の上に１次元
   配列に配置されているところの音響レンズ装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、前記変換器が固定されている前記レンズの前記一表
   面は凸面であり、前記レンズの他の表面は凹面であり、
   前記レンズの前記表面の各々は、前記表面の両方を通る
   少なくとも１つの断面内に前記表面の両方に共通な曲率
   中心があるように形成されていることを特徴とする音響
   レンズ装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、前記レンズが水の音響屈折率より小さな音響屈折率
   を有するところの音響レンズ装置。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、前記レンズがアルミニウムより成るもの。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、前記レンズがポリスチレンより成るところの音響レ
   ンズ装置。 ８ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、前記変換器の少なくとも一部にはいる反射された超
   音波に応答し、前記反射された超音波を表示するための
   手段をも有するところの音響レンズ装置。 ９ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であつ
   て、第２のレンズ、該第２のレンズの表面に固定されて
   いる複数の受信用変換器、及び該受信用変換器にはいる
   反射された超音波をあらわす電気信号を生ずるため前記
   反射された超音波に応答する手段を有し、前記の２種類
   のレンズは音響エネルギー吸収材によつて互いに分離さ
   れていることを特徴とするところの音響レンズ装置。 １０ 特許請求の範囲第１項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記レンズの前記一表面に接触し、前記レンズに
   固定されている音響エネルギー吸収材をも有するところ
   の音響レンズ装置。 １１ 特許請求の範囲第２項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記２次元配列内の１組の変換器群が選択的に作
   動可能であり、超音波を前記レンズに伝送するための変
   換器の１次元配列が所望の方向に設けられるところの音
   響レンズ装置。 １２ 特許請求の範囲第４項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記変換器が固定されている前記レンズの前記一
   表面が球面の一部であるところの音響レンズ装置。 １３ 特許請求の範囲第４項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記変換器が固定されている前記レンズの前記一
   表面が楕円体の表面の一部であるところの音響レンズ装
   置。 １４ 特許請求の範囲第４項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記変換器が固定されている前記レンズの前記一
   表面が円筒の表面の一部であるところの音響レンズ装置
   。 １５ 特許請求の範囲第４項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記レンズの前記表面の両方が球面形状であると
   ころの音響レンズ装置。 １６ 特許請求の範囲第４項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記変換器が固定されている前記レンズの前記一
   表面が円筒形状であり、前記レンズの前記他の表面が球
   面形状であるところの音響レンズ装置。 １７ 特許請求の範囲第４項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記曲率中心に配置された開口絞りをも有すると
   ころの音響レンズ装置。 １８ 特許請求の範囲第９項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記の２種類のレンズが幾何学的に同一の形状を
   有するところの音響レンズ装置。 １９ 特許請求の範囲第９項記載の音響レンズ装置であ
   つて、前記レンズの前記一表面に接触し、前記レンズに
   固定されている音響エネルギー吸収材をも有するところ
   の音響レンズ装置。 ２０ 特許請求の範囲第１５項記載の音響レンズ装置で
   あつて、前記レンズの前記表面の両方の曲率中心が一致
   するところの装置。 ２１ 複数の変換器と、該変換器が超音波を伝送するよ
   うにせしめる手段と、小さな音響開口を通して大きな物
   体の結像をおこなうために前記変換器より伝送された超
   音波を集束するレンズと、前記変換器の少なくとも一部
   にはいる反射された超音波に応答し前記反射された超音
   波をあらわすアナログ電気信号を生ずる手段と、前記変
   換器にはいる超音波の受信の際に生ずる遅延を調整する
   ための遅延手段と、前記反射された超音波を生じせしめ
   ている構造を視覚的に表示するため前記アナログ電気信
   号に応答する手段とから成り、前記変換器は前記レンズ
   の凸面に固定されていることを特徴とする超音波結像装
   置。 ２２ 複数の変換器と、該変換器が超音波を伝送するよ
   うにせしめる手段と、小さな音響開口を通して大きな物
   体の結像をおこなうために前記変換器より伝送された超
   音波を集束するレンズとから成り、該レンズの２つの表
   面はこれら表面の両方を通る少なくとも１つの断面内に
   共通の曲率中心を有するような形状にされていることを
   特徴とする音響レンズ装置。 ２３ 特許請求の範囲第２２項記載の音響レンズ装置で
   あつて、前記レンズの２つの表面が球面であるところの
   音響レンズ装置。 ２４ 特許請求の範囲第２２項記載の音響レンズ装置で
   あつて、前記変換器が超音波を直接前記レンズに伝送す
   るように前記レンズの２つの表面の一方に固定されてい
   るところの音響レンズ。 ２５ 特許請求の範囲第２４項記載の音響レンズ装置で
   あつて、前記変換器が固定されている前記レンズの一方
   が凸面であるところの音響レンズ。 ２６ 複数の変換器と、該変換器が超音波を伝送するよ
   うにせしめる手段と、小さな音響開口を通して大きな物
   体の結像をおこなうために前記変換器より伝送された超
   音波を集束するレンズと、前記変換器の少なくとも一部
   にはいる反射された超音波に応答し前記反射された超音
   波をあらわすアナログ電気信号を生ずる手段と、前記変
   換器にはいる超音波の受信の際に生ずる遅延を調整する
   ための遅延手段と、前記反射された超音波を生じせしめ
   ている構造を視覚的に表示するための前記アナログ電気
   信号に応答する手段とから成り、前記レンズの２つの表
   面はこれら表面の両方を通る少なくとも１つの断面内に
   共通の曲率中心を有するような形状にされたことを特徴
   とする超音波結像装置。 ２７ 特許請求の範囲第２６項記載の結像装置であつて
   、前記変換器が前記レンズの一表面に固定されていると
   ころの結像装置。 ２８ 特許請求の範囲第２６項記載の結像装置であつて
   、前記レンズの２つの表面が球面であるところの結像装
   置。 ２９ 特許請求の範囲第２７項記載の結像装置であつて
   、前記変換器が前記レンズの前記一表面に２次元配列に
   配置されているところの結像装置。 ３０ 特許請求の範囲第２７項記載の結像装置であつて
   、前記変換器が前記レンズの前記一表面に１次元配列に
   配置されているところの結像装置。 ３１ 特許請求の範囲第２７項記載の結像装置であつて
   、前記変換器が固定されている前記レンズの前記一表面
   が凸面であるところの結像装置。 ３２ 特許請求の範囲第２９項記載の結像装置であって
   、前記２次元配列内の１組の変換器群が選択的に作動可
   能であり、超音波を前記レンズに伝送するための変換器
   の１次元配列が所望の方向に設けられるところの結像装
   置。