JPS592342B2 - 超音波像形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、検査対象の走査、とくにライン状走査のため
の超音波変換器と、超音波反響信号を反響像として表示
するための像表示装置とを備えた．パルス一反響式動作
形超音波像形成装置に関する。

この種の装置には一般的にはいわゆる複合スキヤナ、扇
形スキヤナあるいは回転およびアレイＢスキヤナ、さら
には任意のＡスキヤナおよびドブラスキヤナも属するが
、この種の装置になおも要・望されているのは、生ぜし
められる超音波反響像の質の向上である。とくに改善さ
れた水平解像度が望まれており、また接線方向に反響さ
れる反響発生組織ももつと良く明示できるようにすべき
である。現在では音場物理学から、上述の両特性は音波
周波数の上昇にともなつて改善されるということが知ら
れている。しかし従来の通常の値を越える周波数上昇は
、公知の装置では超音波の検査区域への最大可能な侵入
深さの減少を招く。本発明の目的は超音波像形成装置を
次のように構成すること、すなわち水平解像度および最
大可能な侵入深さに関してそれにもかかわらず最適な値
が得られるように構成することにある。この目的は本発
明によれば、超音波走行区間内における減衰作用をする
検査対象に及ぼされる周波数応答に対してほぼ逆の周波
数応答を呈する電気的な周波数フイルタ装置を超音波変
換器に付設することによつて達成される。

従来の周波数に依存せずに走行時間に依存した深さ平衡
増幅（例えば西独特許第２０６２１７７号）に対して、
本発明の場合にはこの深さ平衡増幅は周波数依存性でも
つて実施される。

これにより゛超音波パルスが検出対象を通る行程で周波
数依存性の検査対象減衰率によりこうむる損失が補償さ
れ、あるいは過補償すらされる。したがつて、しかし部
分的に像情報の余分の振幅ダイナミックスが解像度改善
にふり向けることができる。試験の結果、周波数依存性
の超音波一検査対象減衰によつて生じる水平解像度に関
する損失は、発射される超音波の周波数を従来の通常の
値以上に上昇させること（このことはよく知られている
ように侵入深さの減少を招くもととなる）なしに、１．
２〜２倍の改善が達せられるまで低減させられ得る。し
かしながら、本発明により最適な侵入深さにおいて改善
された水平解像度が得られるだけではない。すなわち、
周波数フイルタ装置における高い周波数成分のもちあげ
によつて、よく知られているように分散が周波数ととも
に増すために、接線方向に生ぜしめられる構造の表示も
改善される。本発明は、冒頭に述べた如き種類のすべて
の超音波映像装置に非常に効果的に適用することができ
る。しかしながら、この周波数に依存した走行時間増幅
の方法は超音波によるコンピユータ・トモグラフイにお
いてさらに別の意義も有する。超音波の検査対象通過時
間が後続処理段にもたらされるようないわゆる飛行時間
方式の場合には、組織により生じるパルス波形のひずみ
が正確な時間測定に問題をもたらす（可変の急峻度のパ
ルス側縁でのトリガ点）。しかしながら本発明は、減衰
を例えば振幅測定によつて求めてその測定結果に応じて
、すなわち測定された振幅に応じてその逆のフイルタ構
成を設定することによつて、パルス波形を修復すること
を許す。したがつて本発明によれば、超音波走行区間の
範囲内にある検査対象は［組織（周波数）フイルタ」と
して取り扱われ、これに「逆の組織フイルタ］が後置接
続されるのである。しかしながら、カスケード接続回路
は周波数応答の掛算に相当する。したがつて、超音波パ
ルスのための周波数に依存しない伝達区間が生じ、これ
は投入された超音波パルスの波形を忠実に伝達する。「
逆の組織フイルタ」を形成する電気フイルタ装置は、も
ちろん検査対象における反射場所での音響波形には影響
を及ぼさない。さらにその波形は弱められた形ではある
が高い周波数成分を含む。「逆フイルタ」は弱められた
周波数成分を高めるだけであり、もしくはこれらの成分
を全体として低い周波数成分よりも強くもちあげる。と
くに受信側における「逆の組織フイルタ」の配置は絶対
的に必要というわけではない。その修正フイルタは同様
に２つの部分に分割してもよい。この場合に、一方のフ
イルタ部分は送信側にあつて送出信号をひずませ、それ
が走行後に検査対象における反射対象にひずまないで到
着するように作用する。他方のフイルタ部分は受信側に
あつて反射場所から送・受信器までの復路の影響を等化
する。ここで対象になるのは線形のひずみであるため、
フイルタ部分の順番の取り換えは影響がないので、単一
の逆の周波数フイルタにおける両フイルタ部分を選択的
に受信側または送信側に集中してよい（被乗数の交換）
。同じ意味で、そのフイルタの代わりにすべての個別信
号が合成後に一度だけフイルタされるようにしてもよい
（すべての被加数の共通因数分解）。しかしながら、分
解された因数がすべての被加数にも共通であるように走
行行程もしくは減衰の相異をパーセンテージとして小さ
く保つためには開き口を制限することが前提条件である
。後者によつて本方式は細分されない送受信振動子にも
適用可能となる。この場合に変換素子を直接に並列接続
して一つの大きな振動子とすることによつてすべての部
分信号の加算が行われる。本発明の第１の好ましい実施
態様では、周波数フイルタ装置に付属させて次の如き自
動同調装置が設けられる。

すなわち、この自動調整装置は検査対象における反響発
生組織のその都度の深さ位置に合わせて、これらの深さ
位置から反響パルスが受信可態な状態で起きた際にフイ
ルタ装置の周波数応答特性を動的に調整するものである
。この調整のためには、とくに電子的に調整可態な周波
数フイルタを備えた装置の場合、固定的に予め与えた逆
の周波数応答特性を自動同調装置によつて動的に高い周
波数から低い周波数へずらすことができるようにすれば
よい。これに対して、本発明の第２の好ましい実施態様
は、調整のために、周波数応答区分に分けて段階をつけ
て前もつて種々の深さ範囲に同調させた多数の個別フイ
ルタを選択スイッチによつて時間的に段々に呼び出せる
ように構成したことを特徴としている。この場合に個別
フイルタはとくに鎖状構成に接続し、しかも選択スイッ
チによつて時間的に順々に１番目の個別フイルタから始
めて先行するフイルタをしや断しながら次々と鎖状フイ
ルタを関与させ得るようにする。従来の周波数に依存し
ないで動作する走行時間に依存した増幅度制御（例えば
西独特許第２０６２１７７号）に比べて、逆のフイルタ
をかけるやり方は（定格周波数または送信周波数以上の
）高い周波数成分を非常に強く高め、そして低い周波数
成分を低下させる。高い周波数の過比例の増強は信号電
圧と妨害電圧とに同じように作用する。高い周波数の信
号電圧成分のＳ／Ｎ比は低い周波数の信号電圧成分のＳ
／Ｎ比よりも小さいために、全体としてＳ／Ｎ比が減少
し、したがつて逆フイルタを用いた場合最大侵入深さも
減少する。しかしながらこれは、本発明の別の有利な実
施態様において逆フイルタのための周波数フイルタ装置
が深さに依存して追従するカントオ７周波数の上方に制
限されている周波数応答特性を有するようにすることに
よつて簡単に避けることができる。以下、図面に示す実
施例を参照しながら本発明を更に詳細に説明する。

第１図において、１は超音波変換器（例えばピエゾセラ
ミツク振動子）である。

超音波変換器１は超音波信号の送信器として用いられる
と同時に受信器として用いることもできる。高周波発振
器２の高周波パルスにより給電される超音波変換器１は
複合スキヤナまたは扇形スキヤナであつてよい。超音波
変換器１は放物線反射体を備えた回転スキヤナの回転変
換器であつてもよい。また、変換器１は多数の相応せる
変換器を備えた超音波配列体の部分であつてもよい。変
換器１はＡスキヤナあるいはドプラスキヤナの送受信へ
ツドであつてもよい。第１図の超音波変換器１は高周波
発振器２の高周波パルスに同期して超音波送信パルスを
破線で示された身体組織３へ発射する。被検査組織３の
種々の深さ範囲からくる反響信号は変換器１によつて再
び受け取られ、受信増幅器４へ導かれる。受信増幅器４
は自動同調装置６を備えた周波数フイルタ装置５を介し
て像表示装置７（電子ビーム管）に達する。周波数フイ
ルタ装置５の周波数応答は超音波走行区間における減衰
作用をする検査対象３から変換器１の超音波パルスに及
ぼされる周波数応答のそれぞれに対してほぼ逆である。
つまり検査対象３が「組織フイルタ」を形成する場合に
周波数フイルタ装置５は「逆の組織フイルタ」となつて
いる。試験結果から組織フイルタの周波数応答特性は上
昇する極数および角周波数のバターワースフイルタ（Ｂ
ｕｔｔｅｒｗＯｒｔｈＦｉｌｔｅｒ）のカスケード接続
によつて簡単に近似される。その場合、「逆の組織フイ
ルタ」５は相応した鎖状回路であるが、しかし極および
零位置：が「組織フイルタ」の周波数応答特性における
極および零位置に対して交換されている。「組織フイル
タ」のための正しい良好な電気的組織模型は、例えば全
部で６つの減衰極と例えば深さ５，１０，１５，２０ｃ
！ｎの如き種々の組織深さのための相応（して上昇する
減衰数とを有する多数の低域通過の鎖状回路である。極
および零位置の交換の最も簡単な様式は帰還回路にＲＣ
，ＲＬまたはＲＬＣ要素を備えた演算増幅器を使用した
場合に得られる。このように外部接続を施された演算増
幅器により ５本当の零位置または２つの複合の零位置
も実現される。３つ以上の零位置を有するフイルタは１
つおよび２つの零位置を有する上述の種類のフイルタの
直列回路が形成される。

自動同調装置６の出力信号によるかかるフイルタ構成の
下方の限界周ｑ波数の変化は、主としてインダクタンス
Ｌあるいは容量Ｃの変化または両者の値の同時変化によ
つて行われる。しかしながら上述のフイルタは固有振動
に対する安定性に関して問題がある。これは１０〜２０
ＭＨｚの周波数まで僅かの固有位相ずれを有する演算増
幅器を作ることは不可能であることに起因する。しかし
ながら、このことは安定性の理由から要求される。なぜ
ならば実際の値では帰還回路網が既に１５００まで位相
が回転しているからである。しかしながら１８０がの位
相回転の場合には既に振動条件が満たされている。しか
し、少なくとも３０条の位相限界は望ましくない共振を
避けるために残すべきである。より好ましい実現を保証
する逆フイルタ５のフイルタ構成のための単位要素が第
２図および第３図に示されている。高い周波数に帯域制
限を加える場合には周波数フイルタを形成するのに純受
動素子で間に合う。簡単な真の極位置もしくは零位置の
場合に第２図の回路網は次の条件を満たす。下限周波数
ω。

および上限周波数ω。（ωｕ／ω。＝一定）の範囲にお
ける周波数応答曲線の平行移動は容量Ｃの変化によつて
簡単に行われる。容量Ｃの変化は例えば容量ダイオード
を使用すれば容易に行える。複合の極対、零位置対は第
３図による能動２極高域通過フイルタの変化を次のよう
に与える。

周波数応答曲線の平行移動は両容量Ｃ１およびＣ２の変
化によつて行われる。３極フイルタは、既に述べたよう
に、単極フイルタと２極フイルタとの直列回路によつて
形成すろことができる。

しかしこのためには２極成分の←極位置および零位置の
位置移動が行われなければならない。次の伝達関数、す
なわちから、次の条件、すなわち が見い出される。

但し、第１図ないし第３図の実施例はカツトオフ周波数
の変化のための電子的に同調可能な構成素子を備えたフ
イルタを示している。

別の解決法はフイルタ内の構成素子は変化せずに（固定
的に）動作させられ、周波数応答特性の変化はデイジタ
ル的にアナログスイッチで行われるようにすることであ
る。これを実現するための基本要素が第４図に示されて
いる。ＲＣ低域通過作用は能動減結合要素としてのそれ
ぞれ１つのトランジスタＴｒによつて異なる周波数応答
特性に変化させられる。１／ｓ〈ＲＥ（但し、ＲＥはエ
ミソタ抵抗、ｓはトランジスタの急峻度）の条件下で、
次の伝達関数が生じる。

但し、 第５図および第６図によれば、とくに１２個のかかるト
ランジスタ回路が鎖状要素８としてカスケード接続され
ている。

増幅係数ｖ。は全般が２ ０ ０ ＭＨｚにおいてゲイ
ン１を有すろように選ばれている。これにより、増幅係
数のあまりにも粗い段階は避けられる。通常の低域平衡
増幅器４をともなう直列回路は無段階のゲイン調整を与
える。受信信号は、深さにのみ依存して周波数応答曲線
の適度の急峻度を有する鎖状回路個所で取り出される。
急峻度段階のステソプ幅は十分細かく選ばれている。選
択は、タップ線１０と電子スイソテ１１と出力線１２を
有するアナログマルテプレクサ９を介して行われる。こ
の場合の重要な要素は、それ以上では周波数応答上昇が
衰えてゆくところの可変の上方カソトオフ周波数にある
。第５図および第６図は２つの解決方法を示す。第５図
の実施例において、異なるカソトオフ周波数０）ｅｌ〜
ωｅ １２および極数３Ｐ，４Ｐ・・・１４Ｐを有する
ＬＣ低域通過フイルタ１３〜２４がトランジスタ回路８
とマルチプレクサ９のタソプ線１０との間の分岐線中に
置かれている。極数はその前にある微分鎖状要素８にお
ける零位置の和よりも少なくとも２だけ大きい。さらに
極は最大の平担な振幅−周波数応答特性が生じるように
ある。カソトオフ周波数は最小の代表的なダイナミツク
範囲が保持されるように置かれている。第５図のブロソ
ク図に書き込んである深さ範囲Ｔ（ｃｍ）は微分なしの
補償の場合に適用される。低域通過フイルタ１３〜２４
のカソトオフ周波数は５，１０，１５および２ Ｏｃｍ
の侵入深さについてとくに３．４ ６ ＭＨｚ，３．０
０ ＭＨｚ．２．０ ０ ＭＨｚおよび１．４ ２
ＭＨｚの大きさである。上述の値は超音波像の即座表示
に適用される。像が十分に多数の像ラインに分割され、
多数の像（例えば１００の像）の情報が個々の像ライン
のそれぞれのために分離されてーつの像メモリ中に蓄積
されるような像記憶式で動作する場合には、Ｓ／Ｎ比の
増大が生じ、これは同じ深さにおいてより高いカソトオ
フ周波数を許容する。上述の選ばれた深さ範囲に関して
５．１０，１５および２ Ｏｃｍの侵入深さは、約２．
０ ０ ＭＨｚの変化しない送信周波数において、３．
６ ０，３．２ ８，および２．０ ０ ＭＨｚという
高められたカソトオフ周波数を生じる。微分の場合につ
いては最初の７つの低域通過フイルタは必要でない。こ
の場合、皮膚に近い組織からの反響は８番目の微分要素
の後で取り出される。反響を発生する組織の１５ｃｍの
深さ位置からは受信信号が最後の微分要素の後から取り
出され、種々のカットオフ周波数の低域通過フイルタを
通過せしめられる（例えば１５ｃｍの深さ位置において
２．００ＭＨｚの限界周波数を、そして２０ｃｍの深さ
位置において１．４ＭＨｚの限界周波数を有する４０極
の低域通過フイルタ）。第５図の実施例は固定の構成素
子により動作し、これはとくに多極の低域通過フイルタ
に関してかなりの回路費用をもたらす。しかしながら、
もちろん電子的に調整可能なキヤパシタンスおよびイン
ダクタンスを前提とする第６図の実施例は過度の費用を
避けることができる。第５図の実施例とは異なり、第６
図の実施例では微分回路８の間にＬＣ低域通過フイルタ
２５，２６．２７，２８，・・・が接続されている。進
行するタップ１０にともなつて極制御装置２９（例えば
マイクロプロセツサ）に関連して１番目の位置における
３極のバターワースフイルタから２番目の位置における
５極のバターワースフイルタへ並びに最も近くのより高
いタツプの相応せるより高い極のバターワースフイルタ
への順次切換えが行われる。極制御装置２９を介する極
点の移動により、各々の多極のバターワースフイルタに
対してカットオフ周波数も移動する。電子的に変化させ
得るコイルおよびコンデンサは約１：４の比で変化可能
である。それ故、この比においてインピーダンスレベル
変化なしに限界周波数をずらすことができる。実際の限
界周波数の変化はせいぜい３．５ＭＨｚ／１．４ＭＨｚ
＝２．５の係数で行われるために、この関係においては
実現上の問題点は何ら存在しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子的に調整可能な逆周波数フイルタを有する
本発明実施例の原理回路を示すブロック図、第２図およ
び第３図は全体として逆の周波数応答を定める電子的に
調整可能な周波数フイルタの鎖状回路のための基本要素
を示す回路図、第４図は分離されて周波数応答部分に段
階をつけられて前もつて種々の深さ位置範囲に合わせら
れた個別フイルタを有する鎖状構成の逆フイルタ装置の
基本要素を示す回路図、第５図は第４図による基本要素
および固定要素構成を基本とした鎖状逆フイルタ装置の
実施例の原理回路を示すブロック図、第６図は第４図に
よる基本要素を基本とはしているが固定ではなくて可変
の低域通過フイルタにより動作するようにした鎖状逆フ
イルタ装置の別の実施例の原理回路を示すブロック図で
ある。 １・・・・・・超音波変換器、２・・・・・・高周波発
振器、３・・・・・・身体組織（検査対象）、４・・・
・・・受信増幅器、５・・・・・・周波数フイルタ装置
、６・・・・・泪動同調装置、７・・・・・・像表示装
置、８・・・・・・個別フイルタ、９・・・・・・アナ
ログマルチプレクサ、１１・・・・・・スイッチ、１３
〜２８・・・・・・ＬＣ低域通過フイルタ、２９・・・
・・・極制御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 検査対象の走査のための超音波変換器と、超音波反
   響信号を反響像として表示するための像表示装置とを備
   えたパルス−反響式動作形超音波像形成装置において、
   超音波走行区間における減衰作用をする検査対象によつ
   て超音波パルスに及ぼされる周波数応答とはほぼ逆の周
   波数応答を有する電気的な周波数フィルタ装置を前記超
   音波変換器に設けたことを特徴とする超音波像形成装置
   。 ２ 検査対象における反響発生組織のその都度の深さ位
   置に合わせて、これらの深さ位置から反響パルスが受信
   可能な状態で発生した際に周波数フィルタ装置の周波数
   応答の動的な調整を行う自動同調装置を周波数フィルタ
   装置に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ３ 好適には電子的に調整可能な周波数フィルタ装置に
   おいて周波数応答の調整のために、自動同調装置によつ
   て固定的に予め与えられた逆の周波数応答を動的に高い
   周波数から低い周波数へずらすことができるようにした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の装置。 ４ 前記調整のために、分離されかつ周波数応答区分に
   段階づけられて前もつて種々の深さ位置範囲に同調され
   ている多数の個別フィルタが選択スイッチにより時間的
   に段々と高められるように順次呼び出せるようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の装置。 ５ 個別フィルタは鎖状構成に接続し、選択スイッチに
   より時間的に順次一番目の個別フィルタから始めて先行
   する個別フィルタをしや断しながら後続の個別フィルタ
   を呼び出せるようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第４項記載の装置。 ６ 既存の周波数無依存性振幅深さ平衡要素を備え、所
   定の定格周波数においてすべての個別フィルタタップと
   入力端との間の振幅伝達係数が等しい大きさであり、定
   格周波数における急峻度だけがタップ位置によつて変化
   できることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装
   置。 ７ 周波数フィルタ装置は深さに依存して追従するカッ
   トオフ周波数の上方側で切り落とされた周波数応答を有
   する特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記
   載の装置。 ８ 電気的な検査対象フィルタの近似的模擬装置に相当
   する逆の周波数応答のための周波数フィルタ装置は極数
   およびカットオフ周波数が増大していくパターワースフ
   イルタの鎖状回路であり、しかし極数および零位置は検
   査対象フィルタの周波数応答における極および零位置に
   対して取り換えられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の装置。 ９ 前記鎖状回路は、帰還回路に電気的に調整可能なＲ
   Ｃ要素、ＲＬ要素またはＲＬＣ要素を有する演算増幅器
   を備えた電気的な周波数フィルタからなることを特徴と
   する特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０ 周波数フィルタ装置はＲＣ要素および形成要素か
   らなる微分動作するＲＣフィルタエレメントの鎖状回路
   からなり、その形成要素はＲＣ要素の極／零位置を伝達
   関数の零位置／極に変化させることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項ないし第７項のいずれかに記載の装置。 １１ 各ＲＣフィルタエレメントはトランジスタのエミ
   ッタ回路中のＲＣ要素からなり、そのトランジスタは形
   成要素であると同時に減結合要素であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１０項記載の装置。 １２ 鎖状回路において微分ＲＣ要素に、低域通過フィ
   ルタ、とくにＬＣ回路を基礎とする低域通過フィルタが
   設けられ、低域通過フィルタは固定要素構成にて種々の
   検査対象深さのために固定物に予め選ばれた極点および
   カットオフ周波数を有するか、または可変要素構成にて
   種々の検査対象深さに応じて可変であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１０項または第１１項記載の装置。 １３ 微分ＲＣ要素からなる鎖状回路は選択スイッチの
   ための中間タップを備え、タップ線中には低域通過フィ
   ルタが挿入され、これらの低域通過フ イルタは鎖状回
   路に沿つて極数およびカットオフ周波数の増加にともな
   つて段階をつけられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１２項記載の装置。 １４ 微分ＲＣ要素が低域通過フィルタと共に鎖状回路
   内に直列接続されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１２項記載の装置。 １５ 個別フィルタにおける取り出しがアナログ時間マ
   ルチプレクサによつて行われることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項ないし第１４項のいずれかに記載の装置
   。