JPS595298B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 １）発明の利用分野 本発明は、超音波により生体内の断層像を得て診断に用
いる医用超音波撮像装置において、特に画質を改善する
ための超音波撮像装置に関するも２０のである。

（２）従来技術 医用の超音波診断方法において得られる断層像の分解能
は、探触子の性能に依存する。

まず初めに従来から用いられている探触子の特性と問題
点■５ について述べる。第１図に機械走査方式の超音
波撮像装置に用いられている円形平板形探触子の振触子
の断面とその超音波ビームの模式図を示す。この探触子
では、円板の直径Ｄ）超音波の波長をλとするとＤ゛／
λで決まる近距離音場限界（ＸＮ）３０まで超音波ビー
ムの巾はほぼ振動子と同じ巾となり、これより遠距離で
はλ１０の開き角で超音波ビームは広がる。このような
特性の円形平板形探触子に対し、凹面状の振動子を用い
て近距離の超音波ビームを細くすることを計つた凹面収
束形探３５触子が提案されている。第２図は、凹面収束
形探触子の振動子の断面と超音波ビームを模式的に示し
たものである。このように凹面状の振動子を用いること
により特定領域で細い超音波ビームを形成することがで
きる。このような特性は超音波を受波する場合において
も得られる。すなわち上記の細い超音波ビームが形成さ
れる特定領域では反射エコーの受波感度は方位方向に対
して鋭くなる。このような凹面収束形探触子を用い超音
波診断装置の方位分解能を上げることはすでに多くの装
置で実用化されている。上記の形式の探触子を用いた装
置では、特定の領域では分解能が向上するが、その領域
からはずれると分解能が急激に低下する欠点がある。し
たがつて観察領域が広い場合都合が悪い。このような欠
点を改善するための平面円板振動子をリング状に分割し
、これら分割した振動子からの受波信号に遅延を与えた
後加算することにより凹面振動子と同様に収束作用を持
たせ、なおかつこの収束点を上記の遅延量を時間の経過
に従つて変化させることにより移動させ、観察領域全域
にわたり高分解能を得る試みがなされている。（上田、
佐藤、前田、山本：電子通信学会論文誌、ＶＯｌｌ５８
−Ａ（１９７５）Ｐ７２９参照）。これと同じことが巾
のせまい振動子を多数配列した探触子においてもなされ
ている。このような収束点が移動できる探触子の原理に
ついて説明する。等間隙で同一平面上に配列された巾が
せまいｎ個の矩形振動子１，２，・・・・・・・・・ｎ
を考える。第３図はその配列状態と収束点Ｐ１、，Ｐ２
，Ｐ３の関係を示したものである。振動子列の中心を通
り振動子列に直角な直線上に収束点Ｐ，，Ｐ２，Ｐ３を
おく。これらの点を中心として振動子列の両端に位置す
る振動子の中心を通る円弧を描く。各振動子の中心とＰ
，，とを結ぶ直線がこの円弧と交わる点からの各振動子
１，２，・・・・・・ｎの中心までの距離１，，，′２
，，・・・・・・２。，に相当する時間τ１，，τ２，
，・・・・・・τ。１の遅延時間を各振動子の受波信号
に与えた後加算すればこの振動子列は点Ｐ１からの反射
エコーに対し収束することになる。

ここにτ。，−１０１／Ｃ，．Ｃは媒質中の音波とする
。この振動子列において、収束点をＰ２にするためには
、各振動子１，２，・・・・・・ｎに上記と同様τ，２
−１１２／Ｃ，τ２２＝１２２／Ｃ，・・・・・・τ。
２？Ｎ２／Ｃなる遅延を与えた後加算すればよい。

点Ｐ２がＰ３になつたときも同様である。ここに１１２
，１２２，・・・・・・１ｎ２はＰ，における１，，，
１２，，・・・・・・１０，を求めたのと同様の作図法
により与えられる線分の長さである。上記の原理に基づ
く探触子に収束作用を持たせた受波回路例を第４図に示
す。

ここで１はさきに説明した細長い振動子からなる振動子
列、２は増幅器、３は振動子からの超音波の受波信号に
遅延を与える回路、４は加算器である。ここで遅延回路
にそれぞれτ１，，τ２１，・・・・・・τ。１なる遅
延を与えるとこの振動子列はＰ１からの反射エコーに集
束されるのは先の説明より自明である。

振動子１，２，・・・・・・ｎにつながる遅延回路の遅
延時間を時間の経過に従い、それぞれτ１，→τ１２→
τ，３，τ２１→τ２２従τ２３ヲ゛゜゛゜゜゜佑１→
τＮ２→τＮｎと変わるように構成すると受波の収束点
はＰ１→Ｐ２→Ｐ３と時間と共に移動する。振動子列１
から超皆波を生体内に発射し、この超音波が上記生体内
で反射工コ一の生ずる領域が超音波の入射深度が深くな
るに従い、振動子列の収束点を上記の原理に従つて電子
的に移動させて、生体内の観察領域全体にわたり分解能
を向上させることができる。このような考え方は上記の
文献よりも以前からあつた。（飯沼、橋口：第２２回日
本超音波医学会講演論文集、Ｐ９ｌ、昭和４８−５、お
よび特公昭５０１２７４２号）。上記の移動焦点を実現
するため可変遅延回路の１例を第５図に示す。ここに５
はタツプ付遅延線のタツプを切換えるための電子スイツ
チである。収束点の移動はこの電子スイツチで遅延線の
タツプを切換えて、遅延時間を変えることにより行なう
。この電子スイツチの切換時雑音が発生すると超音波像
に不要な信号が現われる。実用化するためには上記の雑
音を少なくすることが最大の課題である。電子スイツチ
の切換速度が速く且つ雑音を少なくすることは難かしい
ため、現存する電子ス，イツチの性能では移動焦点法の
実用化は困難である。（３）発明の目的 本発明は、巾のせまい振動子を多数配列した探触子を用
いた超音汲撮像方法において、探触子の近くの方位分解
能を向上させることにより良好な画像の得られる観察領
域を広くすることを目的とする。

（４）発明の総括説明 本発明について説明するにあたり、巾のせまい振動子を
多数配列した探触子において、それぞれの素子への駆動
信号電圧あるいは各素子からの受波信号へ遅延を与える
ことにより収束作用を与える前記の方法における収束性
について延べる。

第６図は上記の方法により収束した探触子のビームパタ
ーンを示す。ここで探触子の焦点は振動子の前方Ａに定
める。ビームの細くなつている焦域Ｌは焦点の位置と超
音波の波長λと探触子の巾Ｄかききまる値λ／Ｄできま
る。この探触子において焦域Ｌを広くして広い範囲にわ
たり方位分解能を高くするため焦点距離Ａを第７図に示
すようにさらに遠方にとり、探触子の巾Ｄを大きくすれ
ばよいが、このようにすると探触子近傍のビーム巾の広
い領域Ｂが拡大するという欠点がある。このことは第６
図と第７図の特性を比較すれば自明である。このような
問題を解決する方法として先に述べた移動焦点法が提案
されているが、現在実用化が困難なことはすでに述べた
通りである。本発明に依る方法について説明する。

本発明による探触子の受波特性を示すパターンを第８図
に示す。ここで探触子の振動子の数を時間と共に増加さ
せることにより探触子の実効巾を増加させている。収束
点Ａは探触子の前方に十分離れた点におく。次に以上の
ごとき探触子を用いて反射エコーを受ける場合を考える
。探触子から発射した超音波が、振動子前方Ｂ１の距離
まで進行するときの反射エコーは、探触子の巾がＤ／４
となるように受波に寄与する振動子の数を選び受けるよ
うにする。このようにすると受波特性のパターンにおけ
る開き角α３は、探触子の巾Ｄ／４できまる図示のごと
く大きくなるか、探触子近傍のパターンの巾はほぼＤ／
４となる。これは探触子の巾をＤにした場合に比べ大巾
にせまくなつている。さらに発射した超音波が、前方Ｂ
，からＢ２まで進行する時、探触子の巾をＤ／２にして
反射エコーを受けるようにする。このようにすると探触
子の受波特性のパターンは、図示のごとく開き、α２は
前記の場合に比べさらに小さくなる。さらに発射した超
音波が前方Ｂ２より以遠を進行する際の反射エコーを受
ける場合は探触子の巾をＤとして、開き角α１をα２よ
りさらに小さくして遠距離での方位分解能を上げる。こ
のように探触子の収束点を遠方におくと共に発射した超
音波が進行するに従い、それにより生じた反射エコーを
受けることに寄与する振動子数を増加させて探触子の実
効巾を次第に広くするようにすれば、一定の巾の広い探
フ触子を用いた場合の方位特性（第７図）に比べ探触子
近辺の性能が大巾に向上することがわかる。

上記の説明は、探触子の巾をＤ／４，Ｄ／２，Ｄと３回
変化させる一例をとりあげたが、この外収束点の位置、
探触子の巾の変化のさせ方にも各種の設計数値がとりう
る。この問題点は実際の装置構成上の複雑さと得られる
性能との調和を考えて決定すればよい。（５）実施例 以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明する。

第９図に本発明の実施する装置の一例を示す。１は巾の
せまい棒状振動子を配列した探触子、６は利得が電圧で
制御できる増幅器、３は遅延回路、４は加算器、７は増
幅器の利得を時間関数として変化させるための関数発生
器である。

ここで用いる探触子は巾のせまい棒状振動子を多数配列
しているため、口径は十分広くとることができる。遅延
回路３と加算器４は、探触子の各振動子からの受波信号
に適切な遅延を与え加算することにより探触子より遠方
からの反射エコーに対し凹面収束するようになつている
。多数の増幅器は、関数発生器からの制御電圧によりそ
れらの利得が時間と共に変化するようになつている。増
幅器の利得は、第１０図に示すように時間と共に変化す
るため、探触子の中央部に近い振動子から時間の経過と
共に次第に端部の振動子が受波に寄与するようになつて
いる。すなわち時間の経過と共に探触子の実効巾が広く
なり第８図に示したような受波特性が得られる。この実
施例に示した方法によると探触子の受波特性をその実効
巾を変える境界（第８図ではＢ１とＢ２に当る）におい
て受波信号系の雑音が発生しないようにできる。すなわ
ち探触子の実効巾を広げる動作を行なうための増幅器の
利得を零より所定の大きさまで急激に上げなくてもよい
。このような特性の増幅器はデユアルゲート電界効果ト
ランジスタを用いるなどにより容易に実現できる。本実
施例では受波信号のゲート作用を振動子に接続された高
利得の増幅器の利得を制御する方法について説明したが
、これをスイツチング時間を遅くして雑音発生を少くし
た電子スイツチを増幅器の出力端子以後に設けて同じ効
果を得るなど種々の変形も考えられる。上記の説明は反
射エコーの受波に適用する場合をとりあげたが、撮像速
度が遅くなることを認めると当然送波にも適用できる。

また上記の説明は電子集束をほどこした例について行な
つたが、電子集束をほどこしていない場合においても達
成する性能が多少劣るが本発明の効果は大きい。（６）
まとめ以上説明したように本発明の超音波受波方式を超
音波撮像方法にとり入れることにより探触子の近傍から
遠方まで高い方位分解能で且つ雑音の混入しない超音波
像が容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は円形平板形探触子の振動子の断面とその超音波
ビームの模式図、第２図は、円形凹面振動子の断面とそ
の超音波ビームの模式図、第３図は巾のせまい棒状振動
子を配列した探触子に収束作用を与えるための原理説明
図、第４図は巾のせまい棒状振動子を配列した探触子で
反射エコーを受ける場合、収束作用を与えるための受波
回路の原理図、第５図は第４図の受波回路において収束
点を時間と共に移動させる動作を行なうため要する可変
遅延回路例を示す図、第６図は、巾のせまい棒状振動子
を多数配列した巾の広い探触子において比較的探触子近
傍に収束点をおいた場合のビームパターンを示す図、第
７図は第６図に示した探触子において収束点をさらに遠
方にもつていた場合のビームパターンを示す図、第８図
は、原理説明のための本発明の方式による受波特性のパ
ターン、第９図は本発明の実施例を示す図、第１０図は
本発明の実施例に用いている増幅器の特性を示す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 振動子をアレー状に配列した探触子から超音波を発
   生させる発生手段と、発射された超音波による反射波を
   受波する受波手段と、その受波手段の出力を整相する整
   相手段と、上記探触子より発射した超音波による反射波
   を受波するに際し、該受波に寄与する振動子の数を時間
   と共に増加させて探触子の実効幅を時間の経過と共に次
   第に拡げるように制御する制御手段を備えた超音波撮像
   装置において、上記制御手段が、振動子の各々に接続さ
   れ時間と共に利得が変化する可変利得増幅器と、該可変
   利得増幅器のうち所定の振動子に対応する可変利得増幅
   器の利得を、前記反射波を受波するに際し、急激に増大
   させ、その後は時間と共に所定値で変化させた後、残余
   の振動子に対応する可変利得増幅器の利得を、上記動作
   と同様の動作で順次時間と共に変化させるスイッチング
   機能を有する可変利得増幅器の利得制御手段とからなる
   ことを特徴とする超音波撮像装置。