JPS62102154A - 超音波検査装置 - 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、超音波で物体を検査するため、それぞれ幅Ｗ
の圧電トランスジューサ素子のリニアアレイを具え、リ
ニアアレイを圧電トランスジューサ素子を励振するため
の超音波信号反復送信段と、送信された超音波信号がそ
の伝播方向において遭遇した障害物に対応する超音波エ
コーの受信及び処理段と関連させた超音波検査装置に関
する。かかる検査装置は主に、生体組織のいわゆるエコ
ーグラフィック検査のため医療分野で使用されるが、材
料の非破壊検査の分野でも使用される。

現在、いわゆるウルトラソノグラフィ （ｕｌｔｒａｓｏｎｏｇｒａｐｈｙ）の分野では、特に
診断に対する補助としての生物組織の超音波検査に当り
、超音波減衰の差分係数β又は音響非線形の係数Ｂ／Ａ
の如きｌ又は２以上のパラメータの局部的評価によって
達成される、被検査器官又は組織に関する定量的情報を
収集することと、被検査物体におけるこれらパラメータ
の変化を観察することとを改善することへの指向が増大
してきている。実際上かかる評価及び変化から、被検査
物体（以下、単に物体とも称す）の性質及びその病理上
の状態の明確般指示が与えられる。

物体の非線形及び特に生物組織の非線形は次の如く示さ
れる。特定周波数において送信された超音波列は、物体
を通過する際、各点において同一方向において、送信周
波数の２倍の周波数の超音波を発生し、その振幅は係数
Ｂ／Ａの値に関連する（なおＡ及びＢは、被検査物体の
圧力変化及び密度変化の間の関係を示す式における線形
係数及び２次係数をそれぞれ表わしている）。

従ってこの場合エコーグラフィック検査装置には少なく
とも１オクターブをカバーする広帯域トランスジューサ
構造を適用する必要がある。狭帯域励振の場合には、数
個の干渉適応層（又は４分の１波長層）を有する形式の
普通の広帯域構造は、都合の悪いことに感度が低く、受
信される周波数信号の振幅が比較的小さい用途への使用
には不適当である。

そこで本発明の目的は、互にほぼｌオクターブ離間され
た少なくとも２つの周波数において良好な感度を呈する
トランスジューサ構造を有することにより、被検査物体
の非線形の係数Ｂ／Ａの正しい定量的評価を可能ならし
める超音波検査装置を提供するにある。

かかる目的を達成するため本発明の超音波検査装置は、
圧電トランスジューサ素子の厚さＴを第１周波数Ｆに対
応する波長の半分に等しくし、第１周波数Ｆに対しては
共振周波数の分布を示す複数の曲線Ｆ　−Ｔ＝　ｆ　　
（Ｗ／Ｔ）の２次元表示図上において第１周波数におけ
る第１振動モードと、２Ｆに等しいか又はこれに近い第
２周波数における第２振動モードが存在し、前記送信段
が第１周波数における励振信号の発生器を具え、励振信
号のスペクトルから少なくとも第２周波数が除外される
よう構成したことを特徴とする。

米国特許第４１０１７９５号明細書には干渉振動モード
との不所望な結合を伴なうことなく純粋に厚さモードに
おいて振動できる圧電素子を有するトランスジューサ構
造が記載されている。本発明によるトランスジューサ構
造の場合において、送信に当り単一振動モードを有する
ようにすることも所望されるが、特定の幾何学的構造を
選定して、受信に当り、一般に所望される如く、送信時
に所望されるもの以外のすべての振動モードを除去する
代りに、これら振動モードの一つ、即ち送信周波数の２
倍の周波数における共振を伴なうモードを優先的に保持
するようにする。

医療イメージング用に使用される超音波トランスジュー
サに対しては通常、良好な分解能を得るためトランスジ
ューサのレスポンスを短くすることが所望される。本発
明では、トランスジューサのレスポンスをこのように短
くすることは犠牲にするが、その代り、受信に当り、送
信周波数の２倍の周波数、即ち観察することを所望する
非線形効果が発生する周波数における圧電材料の共振（
即ち良好な感度のトランスジューサ構造）が得られる。

前記周波数においてかかる良好な感度を有するというこ
とは実際上数個の点で有利であり、その理由は、この２
倍の周波数における検出すべき信号が振幅小となり、か
つその半分の周波数における送信信号に比べ被検査物体
により特に減衰されるからである（減衰の度合は周波数
と共に増大する）。

以下図面につき本発明の詳細な説明する。

第１図は、圧電材料がＰＺＴタイプ圧電セラミック（例
えば、ＰＸＥ−５”）である場合この圧電材料の共振周
波数の分布を表わす曲線群を示すファビアンーサトー（
Ｆａｂｉａｎ　−５ａｔｏ）　　・ダイアグラムの一例
を示し、このダイアグラムに示した各モードは実際上２
つの曲線からなる曲線績によって特定され、曲線績の一
方の曲線は圧電共振周波数に対応しく曲線績の下側曲線
）、かつ曲線績の他方曲線は反共振周波数、又は補強弾
性共振周波数に対応する。

圧電トランスジューサ素子の振動モードの知識は理論的
には圧電材料をモデル化することにより又は経験的もし
くは実験的には注型材料を特定することにより具体化す
ることができ、後者の場合これは、この圧電材料で構成
されたトランスジューサ構体が依存する種々のパラメー
タ間の関係を確立することによって行われる。これらの
関係は特に、当該圧電材料の共振周波数の分布を表わす
曲線を示すファビアンーサトー・ダイアグラム（第１図
参照）の形態において視覚化できる（かかるダイアグラ
ムの例は前記米国特許の第４及び８図における曲線群で
構成される）。圧電材料の基本波及び高調波を含む種々
の振動モードに対しこれら曲線はトランスジューサ素子
の厚さモード共振又は反共振周波数につき比Ｗ／Ｔ及び
積Ｆ・Ｔの間の関係を示す。これらにより、実現が所望
される１つのモードの関数としてトランスジューサ素子
の幾何学的特性を決定できる。

かかる曲線群を検討することにより特に、普通に所望さ
れる動作モードであるトランスジューサ構体の単一モー
ド動作を得るために使用すべき比Ｗ／Ｔを選定するため
の指針が得られる。例えば、前記米国特許の場合この結
果は比Ｗ／Ｔにつき０．８程度の上限を課することによ
って得られる。後述する検査装置の好適例の場合にはト
ランスジューサ素子の特性の選択は普通の動作モードか
らずらせるといういわゆる逆説的な態様で行なわれる。

第２図に示した如く、いわゆるエコーグラフィによる物
体検査装置の好適例は普通の形式の超音波トランスジュ
ーサ素子１０（１）、　１０（２）、　−−−−−。

１０　（ｎ）のアレイ１０を具え、各トランスジューサ
素子は圧電材料の矩形板から成り、その前面及び後面に
電極（図示せず）を設けである。これらトランスジュー
サ素子は幅Ｗを有しかつ等距離ｄにて平行に配設する。

これらトランスジューサ素子１０（１）、−−−−−、
１０（ｎ）は厚さＴ及び長さしを有し、Ｌ／Ｗは大きい
。このトランスジューサ素子アレイはトランスジューサ
を励振する超音波信号の反復送信段に関連する。励振は
一般に、パルス列を所定周波数において規則的反復速度
にて送出することにより行なわれる。またトランスジュ
ーサ素子アレイ１０は、検査すべき物体において送信さ
れた信号がその伝播方向において遭遇した障害物に対応
する超音波エコーの受信及び処理段にも関連する。トラ
ンスジューサ素子アレイ１０と、送信及び受信段との間
に分岐回路を挿入して、これら送信段及び受信段の一方
又は他方をトランスジューサ素子アレイに選択的に接続
し、従って特に、送信段により受信段が妨害されるいわ
ゆる“ブラインディング（ｂｌｉｎｄｉｎｇ）　”を防
止するようにする。

また受信段の保護はこの受信段への入力端にダイオード
リミッタ回路を挿入することより１に簡単に達成できる
。

全体の構成はこのようにして規定され、関連する圧電材
料に関するファビアンーサトー・ダイヤグラムを使用す
ることにより、本発明によるトランスジューサ素子アレ
イの幾何学的特性を決定できる。実際上、関連する圧電
材料の共振周波数の分布を示す曲線Ｆ−Ｔ＝ｆ　　（Ｗ
／Ｔ）の（２次元）図はトランスジューサ素子の所定の
第１作動周波数Ｆ及び対応する厚さＴに対する振動モー
ドにつき検討され（この厚さＴはλ／２モードと呼ばれ
る厚さモードにおいて振動させる必要がある材料の場合
にはこの周波数Ｆと関連する波長の半分に等しくなけれ
ばならない）、また同じ材料に対し、周波数２Ｆに等し
いか又はこれに近い第２の周波数における他の振動モー
ドも存在する。

一方の周波数が他方の２倍となる２つのモードのかかる
組合せに対応する比Ｗ／Ｔの値により、トランスジュー
サ素子の幅Ｗの値を決定することができ、従って本発明
によるトランスジューサ素子アレイの幾何学的特性の決
定が完結することとなる。かかる決定を行なうため、本
発明においては、送信段に前記第１周波数Ｆにおける励
振信号を発生する励振信号発生器を設け、送信信号のス
ペクトルには第２周波数２Ｆが含まれないようにする必
要がある。この特性を以下に説明する。受信に当り周波
数２Ｆにおける弱い小振幅信号を検出できるようにする
ためには、その大きい振幅に起因して、非線形現象の存
在に対応する信号を隠蔽（マスク）する同じ周波数の送
信信号を除去することが必要である。従って励振信号発
生器の出力端子に、第１周波数Ｆを中心周波数とする帯
域通過フィルタ、又は第２周波数２Ｆを中心周波数とす
る帯域狙止（帯域除去）フィルタを接続する。

本発明によるトランスジューサの構成の選択の例を第１
図について示すと、先に参照したＰＸＥ−５材料から成
る圧電素子で第１周波数Ｆが２　ＭＨｚ、トランスジュ
ーサ素子の厚さが０．５ｍｍ、幅が０．７５鶴に対し、
第１図において数字３を付してランク３として示した振
動モードが実際上４　ＭＢ２の第２共振周波数を発生し
、係数Ｂ／Ａが関連する非線形現象の受信中に測定を行
なうことが可能となる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく本発明の
範囲内で種々の変形が可能であること勿論である。特に
、超音波トランスジューサ装置が平行六面体状トランス
ジューサ素子のアレイを有する２次元アレイである場合
、本発明は極めて類似した態様に−おいて３次元振動状
態の場合に適用できることに注意する必要がある。この
目的のためにはファビアンーサトー・ダイヤグラムの３
次元での一般化を考察すれば十分であり、この場合積Ｆ
−Ｔは比Ｗ／Ｔだけの関数ではなく、２つの幾何学的構
成比Ｗ／Ｔ及びＬ／Ｔの関数となる。

いずれの場合においても、２次元ファビアンーサトー・
ダイヤグラムは、かかる３次元ファピアンーサトー・ダ
イヤグラムにおいて、Ｌ従ってＬ／Ｔが大きくなった場
合の限界であることは明らかである。

更に、先に述べた如く本発明は特に、医療分野において
組織のエコーグラフ検査用に適用可能であり、特に、エ
コーグラフ検査された組織の音響的非線形の係数Ｂ／Ａ
の評価及びかかる組織の内部におけるかかるパラメータ
の変化の観察に適用できる。この用途においては本発明
によるトランスジューサ構成に関連する回路については
種々の実施例が可能であり、上述したトランスジューサ
構成を使用できる物体検査装置の２つの実施例を第３及
び４図につき以下に説明する。

第３図は物体の超音波検査装置の第１実施例を示し、本
例は、検査すべき物体の方向にトランスジューサにより
超音波を反復（ここでは周期的に）送信可能ならしめる
ための送信段２０と、受信及び処理段３０と関連する送
信及び受信超音波トランスジューサアレイ１０を具える
。送信段２０は超音波の送信を行ない、送信信号のスペ
クトルは周波数２Ｆを含まないようにする必要がある。

受信及び処理段３０はまず、アレイ１０が受信した超音
波エコーに対応する電気信号をアレイ１０から供給され
る増幅器５０を具え、この増幅器には自動利得制御回路
６０を接続して、この増幅器の利得を時間の関数として
増大させることにより伝播路上における超音波の減衰効
果の増大を補正するようにする。アレイ１０及び送信段
２０及び受信段３０の間にインタフェース回路４０を挿
入して送信段及び受信段６一方を選択的にアレイに接続
し、特に、送信段による受信段の“プラインディングを
防止する。

また受信及び処理段３０は、増幅器５０の出力端子にお
いて２個の並列な処理チャンネル１００及び２００を具
え、その第１処理チヤンネル（普通の処理チャンネル）
には第１整流器１２０及び第１低域通過フィルタ３０か
ら成る第１包絡線検波器と、第１表示装置１６０とを順
次設け、かつ第２処理チャンネルには第２周波数２Ｆを
中心周波数とする帯域通過フィルタ２１０、第２整流器
２２０、第２低域通過フィルタ２３０、低域通過フィル
タ１３０及び２３０の出力端子に接続した比較器２４０
．微分回路２５０、並びに第２表示装置２６０を設ける
（このように２つ設けた表示装置はあらゆる場合におい
て独立に又は同時に作動させ得る２つのスクリーンを有
する単一表示装置によって置換できること勿論である）
。

この第２処理チヤンネル２００はＢ／Ａとして参照した
２次音響非線形パラメータの動向を表示する画像へのア
クセスを可能ならしめるためのものである。

実際上、送信波列は、検査物体を通過する際、各点にお
いて、この点における係数Ｂ／Ａの値の関数として同一
方向において２倍の周波数の超音波を発生する。生物組
織は非分散性であると仮定すると、２倍周波数の送信波
の伝播速度は最初の送信波列の伝播速度と同じである。

従って２倍周波数の超音波から得られるエコグラフ信号
を、比較器２４０によって最初のエコグラフ信号と比較
することができる。従ってこの比較の結果はパラメータ
Ｂ／Ａの動向を反映し、この比較結果に対しては局部パ
ラメータの確立を可能ならしめる微分を微分回路２５０
によって行なう。普通のチャンネルである第１処理チヤ
ンネル１００及び第２処理チヤンネル２００によって発
生する画像は本例の場合Ａタイプ・エコーグラフ（横軸
にとった時間の関数として縦軸に振幅を示す）であるが
、本例はＢタイプ・エコーグラフを得るよう構成するこ
ともできる。

第４図に示した第２実施例において第３図の第１実施例
におけると同じ要素は同一参照記号で示し、本例では送
信段が送信信号選択回路２５を具え、その入力端子には
トランスジューサ素子アレイ１０に対する普通の励振信
号発生器２１（軸方向分解能を改善するためできるだけ
短く）と、Ｂ／Ａを測定するための特殊な励振信号発生
器、即ち周波数Ｆの正弦波数個から成る励振信号を供給
する特殊な励振信号発生器２２とを並列に接続する。こ
れに対し受信段は、増幅及び利得制御回路（５０，６０
）と、処理チャンネル１００及び２００との間に処理選
択回路９５を具え、その出力端子に２つの処理チャンネ
ル１００及び２００を並列に接続する。これら選択回路
２５及び９５はクロック回路３００により同時に制御し
て、励振信号発生器２１及び第１処理チヤンネル１００
の選択又は励振信号発生器２２及び第２処理チヤンネル
２００の選択を同期させるようにする。

【図面の簡単な説明】

第１図はいわゆるファビアンーサトー・ダイヤグラムの
一例を示す図、 第２図は圧電トランスジューサ素子のリニアアレイを示
す斜視図、 第３図は本発明の実施例のブロック図、第４図は本発明
の他の実施例のブロック図である。 １０−・−超音波トランスジューサ素子アレイ１０（１
）〜１０（ｎ）・−超音波トランスジューサ素子２０−
・送信段 ２１−・−普通の励振信号発生器 ２２−・特殊な励振信号発生器 ２５・−・送信信号選択回路　３０−・受信及び処理段
４０−・・インタフェース回路 ５０−・増幅器　　　　　　６０・−自動利得制御回路
９５−処理選択回路 １００−一一第１処理チャンネル １２０・・−第１整流器 １３０−第１低域通過フィルタ １６０−・−第１表示装置 ２００−・・第２処理チヤンネル ２１０・−帯域通過フィルタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波で物体を検査するため、それぞれ幅Ｗの圧電
   トランスジューサ素子のリニアアレイを具え、リニアア
   レイを圧電トランスジューサ素子を励振するための超音
   波信号反復送信段と、送信された超音波信号がその伝播
   方向において遭遇した障害物に対応する超音波エコーの
   受信及び処理段と関連させた超音波検査装置において、
   圧電トランスジューサ素子の厚さＴを第１周波数Ｆに対
   応する波長の半分に等しくし、第１周波数Ｆに対しては
   共振周波数の分布を示す複数の曲線Ｆ・Ｔ＝ ｆ（Ｗ／Ｔ）の２次元表示図上において第１周波数にお
   ける第１振動モードと、２Ｆに等しいか又はこれに近い
   第２周波数における第２振動モードが存在し、前記送信
   段が第１周波数における励振信号の発生器を具え、励振
   信号のスペクトルから少なくとも第２周波数が除外され
   るよう構成したことを特徴とする超音波検査装置。 ２、超音波で物体を検査するため、それぞれ長さＬ及び
   幅Ｗの平行六面体状圧電トランスジューサ素子の２次元
   アレイを具え、リニアアレイを圧電トランスジューサ素
   子を励振するための超音波信号反復送信段と、送信され
   た超音波信号がその伝播方向において遭遇した障害物に
   対応する超音波エコーの受信及び処理段と関連させた超
   音波検査装置において、圧電トランスジューサ素子の厚
   さＴを第１周波数Ｆに対応する波長の半分に等しくし、
   第１周波数Ｆに対しては共振周波数の分布を示す複数の
   曲線Ｆ・Ｔ＝ｆ（Ｗ／Ｔ、Ｌ／Ｔ）の３次元表示図上に
   おいて第１周波数における第１振動モードと、２Ｆに等
   しいか又はこれに近い第２周波数における第２振動モー
   ドが存在し、前記送信段が第１周波数における励振信号
   の発生器を具え、励振信号のスペクトルから少なくとも
   第２周波数が除外されるよう構成したことを特徴とする
   超音波検査装置。