JPS5980098A - 焦点選択式環状配列超音波変換器 - 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】 本発明は、超音波診断装置に用いる環状配列変換器に関
し、特に、所望の焦点距離に対して最適な素子を有し、
連続する焦点領域間で円滑な遷移を示す環状配列変換器
に関する。

超音波診断装置に多素子変換器を用いると、変換器の特
性を電子的に変化させることができて有利である。種々
の素子の組合せで、使用中、口径と焦点深度との特性が
、制御可能に変換でき、広範囲な組織深度の領域にわた
る高解像度の情報の収集が可能である。米国特許第４，
１３８，８９５号（Ｍｅｚｒｉｃｈ　）に開示されてい
るように直線配列と環状配列の二種の多素子変換器があ
る。このＭｅ　ｚ　ｒ　ｉ　ｃ　ｈの環状配列は、ディ
スク形中央素子と同心リング形外側素子とを有する平板
の構成となっている。近距離場結像に対して中央素子の
み用いられ、遠距離場結像に対して、二つの素子が一諸
に用いられる。これらの素子は、その平板設計ゆえに、
共に又は単独で、無限遠方で機械的に焦点整合される。

一つあるいは二つの素子を用いることによりサイズの変
更がなされ、すなわち変換器によって伝達され、収集し
うるエネルギー量を変化させる。これはちょうどまぶた
を細めたり目を見開いたりして、目に入る光の量を調節
するのと同じである。

塊状配列の別型式のものとして、曲面環状配列のものが
ある。これでは、素子は、球面の一部となされる。球凹
面の極にある中央ディスク素子と、これを取巻く同心リ
ング素子とを有する構成により、この球面環状配列は、
球の幾何学中心に、機械的に焦点整合される。これは、
幾何学焦点附近で高解像度の情報が集収可能であり有利
であるが、変換器をその固有の焦点以外の所に焦点整合
させようとする場合に複雑な技巧を要する。

環状配列の釉々の変形構成が開発されている。

その一つの典型が、米国特許第４，１５５，２５９号（
Ｅｎｇｅｌｅｒ　）に開示されている。これは圧電面を
、半径は増大するが幅は一定なリングに分割させた構成
となっている。この配列はリングの幅が全て等しいので
非常に製造しやすい。しかしながら電子的インタフェー
スが複雑である。各リングのインピーダンスは、その面
積の関数であり、各リングの面積は、各リングの半径の
二乗に比例する７アクタだけ、その他のものの面積と異
なる。従って、送受電子工学インピーダンスが、リング
の全てにつき異なっている。

凹面環状配列の別種のものとして、フレネル板配列のも
のがある。どれでは、リングは全て同じ面積となってい
る。典型的フレネル板変換器が、上述のＥｎｇｅｌｅｒ
の特許の第７ｂ図に示されている。

リングが同一面積であるために、フレネル板変換器は、
インピーダンスの種々の問題を緩オロさせてはいるもの
の、これも又製造は容易でない。リング面積が等しいと
言うことは、変換器の中心からの半径方向距離が増大し
たリングは、これに対応してリング幅を小さく　Ｌなけ
ればならないことを意味している。変換器のリングが外
側になればなる程、薄くなり、従ってこわれやすく、製
作困難となり、導体に結合するのが困難となる。

その他色々な考察、例えば変換器の面を介する位相誤差
などの考察を、変換器の全ての設計に加えなければなら
ない。幾何学焦点以外の点では、変換器軸から変換器表
面のそれぞれの点までの距離が異なる。この相違、なら
びにこのだめの信号位相への作用は、変換器性能に影響
することにもなる。ビーム幅、すなわち口径は、第２の
考察すべき問題となる。超音波ビームは、変換器からの
距離が増大するに従って自然に広がるものでおるが、変
換器に近接する所では、ビームサイズは、励起される変
換器素子の物理的サイズに支配される。必要な超音波エ
ネルギの送受の目的では、強力な変換器を備えることが
望ましい。他方で、像の解析を良好となす目的では、口
径を７１％さく保つことが好ましい。そこで、異なるリ
ングを励起および除動した際に、口径を段階的に変化さ
せることを考慮することになる。もし口径変化が、あま
り円滑でないと、異なる焦点深度でリングのスイッチを
切換えた場合に、遷移歪が超音波像に生じる。変換器感
度が異なる焦点領域の間で段階的変化を受けるため、像
に縞が生じることで、これら歪は、それ自身明白でおる
。

本発明の原理に従って、種々の焦点深度で作動するよう
にされた異なる半径の圧電リングを有する凹面環状配列
変換器が提供される。変換器の全口径は、連続する複数
の焦点深度に分割される。

近距離場において、送受超音波を焦点整合するためには
、内側素子のみ用いられる。これら素子の幅は、これら
を介し位相誤差を許容範囲内に保つように選定される。

場深度が増大した時に、半径が増大する圧電リングは、
より短距離の深さですでに励起されたリングと組合され
て励起される。

これらリングの幅は、位相基準に応じて決定される。そ
して、リング幅が許容製造公差範囲内になるように、口
径変化を与える遷移深度が選定される、焦点深度および
リング半径に応じて口径が選定され、従って口径遷移が
、超音波像に縞が生じる増加変化のレベル以下に保たれ
る。

ここで第１図と第２図を参照するに、本発明の原理に従
って構成された環状配列変換器が図示されている。該変
換器は、シルコツ酸塩チタン酸塩鉛などの圧電材料製の
曲面を含み、変換器の表面を図示する第２図の如く、リ
ング１〜４に分割されている。

第１図の横断面図において、変換器には、音響吸収裏当
材料で構成される裏当１ｏが設けられており、この裏当
１０に、振動を減衰させる充填材を変換器の後方より設
けてもよい。配線１１，１２゜１３．１４は、各リング
１〜４に接続され、電気信号ヲリングに対して送受する
。

リングの寸法およびその数は、その目的とする変換器の
作動周波数、変換器の作動が予想される範囲の場深さ、
および最大許容位相誤差によって決定される。又、セラ
ミック変換器材料の製造方法も考慮しなければならない
。これらのファクタを考慮するならば、配列および各リ
ング素子の寸法は、種々の焦点深度領域にわたり、特定
リングの組合せによる作動に対して最適化されうる。

許容位相誤差が意味するものは、第３図を参照すると理
解しうる。第３図は、第１図の変換器における中央ディ
スク１と外側リング素子６を強調して図示したものであ
る。中心線Ｃは、配列の中心から発し、２方向の作動場
内に達している。

理想的には、診断領域の一点からもどってくる超音波エ
コー信号は、同時に変換器面上のいずれの点についても
達しなければならない。もし一つのエコー信号が、ある
時間において変換器素子上の一点に達し、次いでその後
の時間において素子上の異なる点に達した場合は、受信
信号は、二つの受信点で異なる二つの位相を有する。こ
れによって生じる位相誤差は、各種素子からの信号が像
形成のため組合わされ、位相消去が行われる際に、超音
波像に不精確さをもたらすことになる。

第３図の中心線Ｃ上の二点に関して、位相誤差の解析を
行なうことにする。位相誤差は、信号伝達時間の関数で
あり、かつまた信号経路長によって表示しうる。

例えば、近距離揚魚ｚ１から中央ディスク１の外縁２０
　、２０“までの経路長は、中央ディスクの対称性のた
め等長となる。従って、点ｚ１から中央ディスク１へ伝
わる信号は、同時にディスクの縁に達する。しかしなが
ら、点Ｚ１からの信号は、ディスクが曲率を有するため
、短い経路を伝わり、ディスクの中心に達する。従って
、点Ｚ１からディスクが受ける信号については、ディス
ク１の中心からディスクの縁までの半径方向に位相誤差
が生じる。

外側リング６の場合、異なる状況とガる。近距離揚魚ｚ
１から素子６の内縁３ｉｔでの距離゛２２は、点ｚ１か
ら該リングの外縁３０までの距離２４より短い。従って
、リング６を介して受信信号に位相差を生じる。位相誤
差は、リング幅をゼロとすれば、なくすことができる。

そこでどの程度の位相誤差であれば、許容しうるかと言
うことと、適応するセラミック製造技術でどの程度リン
グ幅の狭いものが生産しうるかと言うことを考慮する必
要がある。

しかＬ７て、遠距離揚魚ｚ２においては、異なる位相誤
差条件となる。点Ｚ２が、配列面の曲率の幾何学焦点距
離より小さければ、外縁６ｏまでの経路長２８は、内縁
６１までの経路長よりわずかに大きくなるだけである。

正確な幾何学焦点において、これら距離は、等しくなり
、幾何学焦点を越えれば、この長さの関係は、逆になる
。遠距離揚魚ｚ２での比較的小さな経路長差は、その点
からの信号が、近距離視野点からの場合に比べて、リン
グ幅を介して位相誤差が小さくされて受信されることを
意味する。この関係の意味することは、こうむる位相誤
差が許容範囲内であるという理由で、遠距離場信号検出
時のみ半径が増大されるリングを使用することが望址し
いということである。第２の点は、製造容易で、かつ比
較的大きな幅の外側リングを遠距離場結像に使用しうろ
ことである。

変換器の外側リングの幅が、フレネル板変換器の場合の
ごとく、リング幅の減少を示すものでおるならば、リン
グは薄く、かなりこわれやすく、その超音波特性は変化
しうろことになる。第１ａ図は、薄いリング１５を図示
し、このため、リング幅Ｗは、リング厚さＴに近くなる
。リング１５は、圧電材料の溝１６．１７により画成さ
れる。

超音波発信時、素子が共鳴し、変換器の最大寸法表面か
ら超音波が発射される。この最大寸法表面は、外側曲面
でなければならない。しかし、幅Ｗが厚さの寸法Ｔに近
づけば、共鳴現象で、リングの側縁から溝１６．１７そ
してこれを囲むリングへとエネルギを伝達する状態をリ
ングがとるようになる。従って、薄リングの変化した伝
達特性は、変換器を低効率とする。

本発明の環状配列変換器の寸法は、変換器の目的とする
作動範囲の場深度を最初に定めることによって決まる。

第１図と第３図の実施例の場深度は１３０ｕに固定され
たが、第３図のＺ軸に沿う最小深さの４０　朋（７，ｍ
１ｙｒ　）から最大深さの１７０ｍｍ　（Ｚｗｃ　）の
範囲にある。

変換器の曲率は、Ｚ軸に沿う幾何学焦点を選定すること
により決定した。最大許容位相誤差はπ／’１．１　（
１６３度）に決定した。次いで幾何学焦点を決定し、以
下の関係よｆ）、７．ｍｉｎとＺ［における最小変換−
器口径を介して位相誤差を、同量で逆符号のものとした
。すなわち ここで、ｒけＺｍｉｎで作動中の変換器の半径であり、
Ｇは幾何学焦点、λ・は超音波周波数の波長、ＺはＺ　
ｍｉｎにかＺｌ道のいずれかである。Ｚｍｍで作動中の
変換器の半径ｒは、その点での所望の解像度を与える、
Ｚ７ｎｌｎにおける口径値を決定することにより選定す
る。解像度は、Ｆ番の関数であり、変換器直径２ｒで焦
点距離Ｚを割算することにより計算する。所望のＺｒｒ
ｕｎの値４０Ｕと選定されたＦ番を用いてこの式でｒに
ついて解く。このｒ値を上記式に代入し、これとともに
同量ψｅ逆符号のＺ　ｍｍおよびＺ［’ｅ用いてこの式
を解く。これらの式から、ｚ　ｎ＋ｕ＋における所望の
解像度ＣＦ番）の半径ｒを用いて、幾何学焦点Ｇを決定
する。作動周波数５ＭＮｚにおいて、直径１９１１７１
１の変換器のル〒望場深度に対しての幾例焦点は、９３
すであることが判った。

９３關という値は、球面変換器面の曲率半径であ最小許
容リング幅は、変換器リングを形成するのに用いる製造
工程に鑑みて決定した。変換器リングは、Ｑ、　Ｑ　ｒ
ｎｘ幅より大きく、最小幅として１．４罰を選定するこ
とが決まった。

次いで中央素子の幅を決定する。ここで、所望のビーム
幅を検討する必要がある。なぜならビーム幅が変換器の
焦点特性または口径を決定するからである。第４図は、
場距離すなわち場深さの関数としてのビーム幅の関係図
を示す。破線４２は、理論回折限界基準線４０に関係づ
けた固定焦点（単一素子）球面変換器のビーム幅を示す
。短距離では、ビーム幅は大きくなる。なぜ々ら、ビー
ム幅は、基本的には、変換器直径の関数であるからであ
る。距離が増大すると、ビームは球面の幾何学焦点Ｇに
接近するにつれて収斂する。ビームは幾何学焦点Ｇ直前
で理論基準線に接線方向から接近するにつれて、充分に
収斂し、その後に広がる。

良好な焦点特性を得るために、所望の領域にわたって、
可能なかぎりビームを狭く保つことが望ましい。第４図
は、近距離場における小径変換器を利用して、近距離場
を実質的に改良できることを示す。焦点深度が増大した
時、環状配列変換器は、順次外側リングを励起せしめて
、種々の焦点性ＩＷ領域に対して変換器口径を最適化す
る。しかして、焦点距離が増大し、多数の環状リングが
作動変換器に付加されると、新たにリングが加わるごと
に、口径は、段階的に変化する。これは、口径のＦ番で
表示され、ここでＦ番は、次式で計算される。すなわち Ｆ番ステップは、最小とし、一つのリングの組合せから
次の組合せへと遷移する時点で超音波像に縞が生じるの
が防止される。中心ディスクを小さく保ち狭い近距離場
ビームを得ることが望ましい。

一方において、円滑な遷移特性を保つため励起変換器に
多数の薄リングを加える必要なく、リングを次々に励起
せしめた際に、Ｆ番の増加を縞が生じるレベル以下に保
つように配慮しなければならない。

近距離場を焦点整合するために中央ディスク１のみが動
作しうるが、近距離場で中央ディスク１と次の環状リン
グ２の双方を用いると良好な解像度が得られることが判
った。そこで中央ディクス１と第１リング２の幅を計算
し、ディスクとリングの双方を介する位相誤差が所望の
位相基準、π／１．１を越えないようにした。使用され
た式は次の通りである。すなわち この計算は、２に対して７．ｍｉｎの距離、ψｅに対し
てπ／１．１の所望の位相基準を用いて行った。これに
より第１リング２の外側半径ｒ６は、５．６Ｍとなった
。１．５　Ｍのリング幅を、リング２について選定し、
用いた製造技術から、素子相互間間隔０．３７ＩＪｆｆ
を用いた。これから、中央ディスク１については３．８
顛の半径になった。

７、ｙｎｉｎから、Ｚ軸に沿った離れた距離で、像中に
可視的口径遷移（Ｆ番変化のための縞）が生じることな
しに少なくとも１，４朋の追加リングを加えることがで
きる点までの領域にわたり、中央ディスク１とリング２
が動作する。５０％のＦ番変化が回避され、縞の発生を
防げたので、以上の考察により４８關のＺ領域で次のリ
ング６を加えることに々つた。リング６の幅を、下記式
を用い、位相基準π／１，１より引算した。すなわちこ
こでｒ。は、リング乙の外側半径であり、ｒｉは、その
内側半径である。Ｚは、ディスク１とリング２．３が共
に用いられる最小距離４８朗にセットする。ｒｉは、リ
ング２の外側半径であり、５．６ｒａに素子間隔０．３
　ｕをプラスした値となり、ｒｉは結局５９藺となる。

よって上記式を、ｒＯについて解いて、リング乙の幅、
１４Ｍを得る。

次いで、リング１．２．３の組合せについてのＦ番をプ
ロットし、少なくとも１．４ｕの別のリングを、Ｆ番の
遷移が５０％を越えない範囲でどこかに加えるべきかを
決定する。これらの考察で、第２の焦点領域が６０ｍｊ
ｌ＋で終ることが決定された。

リング６について用いた位相誤差の式を、次のリング４
の幅を決定するために使用した。６０ｍにおけるリング
４の内縁から外縁までの位相誤差が、１．９關のリング
４の幅で所望の位相基準、π／１．１を満たすことが判
った。幾何学焦点附近に用いられる理由で、リング４は
、前の二つのリングの幅より、その幅を有利に大きくで
き、よって外側リングは破損しにくいものとなる。こわ
れやすいセラミック材料を用いる場合には、外側リング
をできるだけ幅広とすることが望ましい。

上述の寸法を有する環状配列変換器のビーム特性音、第
５図と第６図に図示する。

第５図は、適度に小さな近距離場ビーム幅を示す。第５
図において、二点Ａ、Ｂ間で中央ディスク１とリング２
により、二点Ｂ、Ｃ間で、中央ディスク１とリング２，
６により、点Ｃを越える両領では、中央ディスクと全三
個のリングにより、口径が構成される。

第６図は、ＺｌｒｕＲから２［までの場深度にわたるド
査ロ径特性を示す。近距離場全体にわたりかつ遠距離場
に入る領域で、最小Ｆ番は、３．５と４．５の間に保た
れる。６０ｕの点を越えると、Ｆ番は、連続的に増加す
る。なぜなら全リングが励起され、口径がその最大サイ
ズで固定されるからである。

口径の変化する近距離場領域で、Ｆ番が６に増大するか
、あるいは２に降下するようにさせたならば、口径変化
は、故しくなり、５０％以上で変動することとなる。環
状配列変換器感度にかなりの段階上の変化が生じた時に
表示像中に縞が生じることは明らかである。この問題は
、本発明の環状変換器では生じないものである。保守的
な設計方法では、Ｆ番の遷移を、Ｆ番の絶対値の２０％
から３０％を越え々いようにおさえている。異なる幅の
リングにより、これらリングに接続した電子回路に同一
インピーダンスが与えられないが、これらリングのイン
ピーダンスは、全て許容インピーダンス領域内のＬのと
なっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理に従って構成した凹面環状配列
変換器の横断面を示す。 第１ａ図は、フレネル式環状変換器の外側リングの横断
面図を示す。 第２図は、本発明の原理に従って構成した環状配列変換
器面の正面図を示す。 第４図および第５図は、環状変換器の口径特性を示す。 第６図は、本発明の原理に従って構成した多素子環状配
列変換器の作動時の口径変化を示す。 １・・・中央ディスク、２，３．４・・・リング、１０
・・・裏当、１１，１２，１６，１ｊ、・・・配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）焦点選択式環状配列超音波変換器であって、圧電
   材料の凹面を有し、該圧電材料の表面は、複数の同心の
   リングに分割されており、該変換器を、増大した場（フ
   ィールド）深度で焦点整合（フォーカス）させた時に、
   短い場領域で励起させたリングと組合せて、半径を増大
   したリングを励起させることにより連続する所定場深度
   の領域にわたり選択的に焦点整合しうるものであり、各
   リングは、リン（幅を介しての、受信信号の位相誤差が
   、リングを最初に励起した最近接揚魚からの受信信号に
   ついての所定信号位相変化よりも小さくなるような幅を
   示し、しかして比較的大きな半径の少なくとも一つのリ
   ングは、比較的小半径の少なくとも一つのリングよシも
   大きな幅を示すようになっている焦点選択式環状配列超
   音波変換器。 （２、特許請求の範囲第１項に記載の超音波変換器にお
   いて、前記各領域に用いられている各リングの組合せに
   より、異なる口径の超音波エネルギのビームが生じせし
   められ、該口径は、隣接領域の境界におけるサイズの遷
   移を示し、該サイズの遷移は、該隣接領域の近距離場口
   径の口径寸法の５０＄ｅ越えないものとなっている超音
   波変換器。 （３）特許請求の範囲第１項に記載の超音波変換器にお
   いて、前記最近接揚魚が、該変換器の中央に垂直に延在
   する軸上に位置づけられ、かつ前記所定信号位相変化は
   、約π／１．１である超音波変換器。 （４）特許請求の範囲第２項に記載の超音波変換器にお
   いて、前記口径は、近距離場領域で、かつ少なぐとも該
   変換器から最も遠い領域の部分で３から４の間のＦナン
   バを示すようになっている超音波変換器。 （５）特許請求の範囲第１項に記載の超音波変換器にお
   いて、前記凹面の曲率は、同量で逆符号の、前記場深度
   の両極端で最小変換器口径を介しての位相変化を前記変
   換器に与える前記所定場深度に位置づけられる幾何焦点
   距離を該変換器に与えるようになっている超音波変換器
   。 （６）％許請求の範囲第５項に記載の超音波変換器にお
   いて、前記幾何学焦点は、変換器から最も離れた領域に
   位置づけられるようになっている超音波変換器。 （力特許請求の範囲第１項に記載の超音波変換器におい
   て、前記複数のリングの中央リングは、ディスク形の素
   子を有し、最大径のリングの幅は、該ディスク形素子と
   該最大径の該リングとの径の中間の半径を有するリング
   幅よりも大きくなっている超音波変換器。 （３）特許請求の範囲第７項に記載の超音波変換器にお
   いて、前記ディスク形素子と、該ディスク形素子を囲み
   かつこれと隣接するリングが、前記所定場深度の最近接
   領域で励起されるようになっている超音波変換器。 （９）焦点選択式環状配列超音波変換器において、圧電
   材料の凹面を有し、該凹面は、中央ディスク領域とこれ
   を囲む複数の同心リングとに分割されており、場深度を
   増大する領域で増大半径の異なるリングの組合せを励起
   させることにより所定場深度の連続する領域にわたり選
   択的に焦点整合可能であり、前記リングは、これらが励
   起される最近接領域から受ける信号についての所定信号
   位相変化以内の位相変化ｅ　ＩＪング幅を介して与える
   幅を示し、前記ディスクから半径方向に遠く離れた前記
   リングの少なくとも一つは、該ディスクから半径方向に
   あまり離れていない前記リングの少なくとも一つより大
   きな幅を示すようになっている超音波変換器。 叫焦点選択式環状配列超音波変換器において、・圧電材
   料の凹面を有し、該凹面は、中央ディスク領域と、該中
   央ディスクを囲む複数の同心リングに分割され、場深度
   を増大させる領域で増大半径の異なるリングの組合せに
   より所定場深度の連続する７領域にわたり選択的に焦点
   整合可能であり、前記凹面は、前記変換器口径を介して
   の受信信号についての位相誤差が前記場深度のほぼ最小
   限又は最大限でほぼ同量であるが逆符号と々るような幾
   何学焦点を与える曲率を示し、前記リングは、励起され
   た際リング幅を介しての位相誤差が、受信超音波信号に
   つきπ／１．１度を越えないような幅をそれぞれ示すよ
   うになっている超音波変換器。