JPS6218168B2

JPS6218168B2 -

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Publication number: JPS6218168B2
Application number: JP54063329A
Authority: JP
Inventors: Aanesuto Engeraa Uiriamu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1979-05-24
Publication date: 1987-04-21
Also published as: DE2920826C2; JPS555688A; FR2426912A1; DE2920826A1; NL7904072A; GB2030297A; US4155259A; FR2426912B1; GB2030297B

Description

【発明の詳細な説明】この発明は超音波作像装置、更に具体的に云え
ば、環状変換器の配列を用いて、Ｂ走査形の超音
波プローブにした装置に関する。

人体の軟らかい組織の特徴の様な物点を作像す
る従来のＢ走査形超音波プローブ作像装置は、一
般的に送信及び受信の両方の変換器として作用す
る１個の円板形変換器で構成されている。この円
板形変換器の放射面は平坦である場合が多いが、
球の一部分の内面を構成していてもよく、その中
心が変換器の焦点である。この変換器が電気パル
スによつて励振され、変換器の共振周波数で数振
動サイクルから成る超音波バーストを発生する。
このバーストがビームとして、変換器を取巻く空
間又は物体領域へ出て行く。超音波バーストは、
組織又は物点に入射するとエコーを発生し、この
エコーが反射され、変換器によつて受信され、変
換器の中では典型的には数サイクルの持続時間を
持つエコー信号を発生する。このエコー信号を適
当な時間軸に対して表示し、こうしてエコーを反
射した物点が距離の関数として表示される。変換
器を身体の表面に沿つて、線に沿つて動かし、実
質的にビーム及び線の平面内にある身体の異なる
部分を走査することが出来る。

表示装置を身体に沿つた変換器の移動と適当に
同期させると、Ｂ走査形表示が得られる。

ｚ軸分解能、即ち、円板形変換器の放射面に対
する法線方向の分解能は、変換器に印加される励
振パルスの持続時間の関数である。云い換えれ
ば、送信バースト中に含まれる振動のサイクル数
の関数である。変換器の横方向分解能、即ち変換
器に対する法線に対して垂直な方向の分解能は、
エコーを受取る距離に於けるビームの幅に関係す
る。直径の大きいビームでは、或る値の横方向分
解能になるが、所定の距離の所で直径の小さいビ
ームでは、横方向分解能は別の値になるが、これ
は一層よい分解能である。横方向分解能とは、変
換器の中心軸線即ちｚ軸に対して垂直な平面内
で、２つの標的又は物点を識別し得る最小距離で
ある。特定の距離の所で良好な分解能が得られる
様にすることが重要であるだけでなく、変換器に
近い距離から、変換器よりもかなりの距離の所ま
で連続的に、即ち近視野でも遠視野でも、良好な
横方向分解能が得られる様にすることが非常に望
ましい。典型的には、この様な変換器を人体のＢ
走差に使う場合、５乃至20センチの距離範囲が非
常に望ましい。変換器の放射面に若干の彎曲をつ
けることにより、近視野でｚ軸に対して垂直方向
に略一様な断面を持つビームを作ることが出来
る。この変換器では、横方向分解能は近視野では
略一様であるが、ビームの断面が比較的大きいの
で、近視野での横方向分解能はどちらかと云えば
よくない。更に高い周波数の変換器を使えば、ビ
ームの断面積を減少し、従つて横方向分解能を改
善することが出来るが、身体の組織に対する進入
深さを犠牲にしなければならない。円板形変換器
の直径を大きくし、選ばれた距離範囲に集束され
る様な半径を放射面に持たせることによつて、特
定の距離に於ける横方向分解能を改善することが
出来る。この距離に於けるビームの断面積は小さ
い。ビームの断面積がこの距離よりも遠い距離で
は漸進的に増加すると共に、この距離より短い距
離でも漸進的に増加する。この為、所望の距離の
所では横方向分解能が改善されるが、横方向分解
能が改善される距離範囲が限られている。

横方向分解能を更に改善する為、配列の中心軸
線の周りに同心に配置されていて、半径が順次大
きくなる環状変換器の配列で構成されたプローブ
を設けることが提案されている。環状変換器の配
列の放射面が球の一部分の内面を構成していてよ
く、その中心が配列の焦点になる。配列の変換器
は電気パルスによつて同時に励振され、変換器の
共振周波数で数振動サイクルから成る超音波バー
ストを発生する。配列の焦点より短い距離の所
で、中心軸線上で相隔たる物点がエコーを発生
し、これらのエコーが、これらの物点から環状変
換器までのエコーの伝播時間の為、相異なる時刻
に種々の環状変換器に到着する。この物点の距離
の所では、この点からのエコーによつて発生され
たエコー信号を適当に遅延させて、それらが同時
に発生し、その為コヒーレントに加算することが
出来る様にすることにより、高い分解能が得られ
る。遅延時間を可変にすれば、配列の中心に近い
物点から、配列の中心よりかなりの距離の所にあ
る物点までに対し、単に変換器で発生された信号
に対する遅延時間を、時間又は距離の関数として
適当に変えることによつて、コヒーレントな加算
を行うことが出来る。電荷結合遅延線を使うこと
が提案されており、この場合、遅延時間を周波数
の関数として、可変の遅延時間を持たせることが
出来る。然し、この遅延線をこういう形で使う
と、特にアーチフアクト（artifact）が発生し
て、それがコヒーレントに加算された信号を著し
く劣化させる点で難点がある。

本願発明は従来のＢ走査形超音波プローブ作像
装置に於けるような遅延線を用いずにコヒーレン
トな加算を行う新規な超音波作像装置を提供する
ことを目的とする。

本発明によれば、予定の周波数の超音波バース
トを発生して物体領域に向ける手段と、配列の中
心軸線の周りに同心に配置されていて、半径が次
第に大きい複数個の環状変換器を持つ変換器列と
を含み、この配列は、その中心軸線上にある物点
に入射した超音波バーストによつて発生された超
音波エコーを受取つて、夫々の物点からの各々の
エコーによつて変換器で夫々一組のエコー信号を
発生して、各々の変換器で１つずつエコー信号が
発生し、各々のエコー信号の発生時点が夫々の変
換器と夫々の物点との間の距離に関係する超音波
作像装置に於いて、前述の予定の周波数と略同じ
周波数であるが、相対的な位相が異なる複数個の
第１の復調用信号であつて、夫々のエコー信号の
位相に対する各々の第１の復調用信号の位相が略
同じ値になる様に定められた複数個の第１の復調
用信号を発生する手段と、変換器から得られたエ
コー信号を復調するため、各々のエコー信号を
夫々１つの第１の復調用信号と混合して、夫々の
第１の復調用信号を求める手段と、第１の復調用
信号に重みをつけて加算し、第１の和信号を求め
る手段を設ける。本発明では更に、第１の復調用
信号に対して直角位相の複数個の第２の復調用信
号を用いて第２の復調信号を求め、第２の復調信
号に重みをつけて加算して第２の和信号を求める
手段を設け、また第１の和信号の自乗と第２の和
信号の自乗との和の実質的な単調関数である合成
信号を形成する手段を設ける。配列の中心軸線の
周りに同心に配置されていて、半径が次第に大き
い複数個の環状変換器を含む変換器配列を設け
て、配列の中心軸線上にある物点に入射した超音
波バーストによつて発生された超音波エコーを受
取る。夫々の物点からの各々のエコーが変換器で
夫々一組のエコー信号を発生する。各々の変換器
で１つのエコー信号が発生される。各々のエコー
信号の発生時点は、夫々の変換器と夫々の物点と
の間の距離に関係する。前述の予定の周波数と略
同じ周波数であるが、相対的な位相が異なる複数
個の第１の復調用信号を使う。夫々のエコー信号
の位相に対する各々の第１の復調用信号の位相は
略同じ値になる様に定める。変換器から得られた
エコー信号を復調する手段を設ける。この手段
は、各々のエコー信号を夫々１つの第１の復調用
信号と混合して、夫々の第１の復調信号を求め
る。第１の復調信号に重みをつけて加算し、第１
の和信号を求める手段を設ける。

この発明に特有と考えられる新規な特徴は、特
許請求の範囲に具体的に記載してあるが、この発
明の構成、作用及びその他の目的並びに利点は、
以下図面について説明する所から、最もよく理解
されよう。

第１Ａ図はこの発明の１実施例による超音波作
像装置１０の全体的な構成を示すブロツク図であ
る。超音波作像装置１０が変換器配列１１、ダイ
プレクサ回路１２、送信機１３及び受信機１４を
含む。この発明のこの実施例では、第１Ｂ図に更
によく示されている様に、変換器配列１１は、配
列の中心軸線１６の周りに同心に配置されてい
て、半径が順次大きくなる環状変換器１５の配列
である。配列の各々の変換器の共振周波数は略同
じである。変換器の放射面が球面の一部分の内面
を構成し、その中心が焦点１７である。変換器配
列は送信配列及び受信配列の両方として作用す
る。送信機１３が電気パルス１８を発生し、これ
がダイプレクサ回路１２を介して変換器１５に同
時に印加され、超音波バーストを発生させる。変
換器の共振周波数で数振動サイクルから成る超音
波バーストが、配列の近辺の物体領域へ出て行
く。配列の中点の周囲に於ける超音波バーストの
強度又は振幅の変化を配列のビームと呼ぶ。配列
１１のビーム１９が、配列１１の中心軸線１６と
一致する軸線を持つことが示されている。超音波
バーストが焦点１７に入射したことによつて発生
されたエコーが、変換器１５によつて同時に感知
される。焦点１７からのエコーによつて変換器１
５で発生されたエコー信号が、ダイプレクサ回路
１２を介して受信機１４に送られ、そこで加算さ
れて鮮明に焦点が合された和信号を発生する。受
信機の出力で発生された信号をオツシロスコープ
で適当に表示し、例えば人体の一部分という様な
物体領域の表示をする。中心軸線１６上にあつ
て、焦点から隔たつている標的、例えば物点２０
に入射した超音波バーストによつて発生されたエ
コーは、物点２０から変換器までの伝播通路に差
がある為、異なる時刻に変換器１５によつて感知
される。物点２０の焦点１７からの隔たりが大き
ければ大きい程、伝播通路の差も大きく、従つて
遅延時間も大きい。こういうエコー信号を加算す
ると、焦点がそれ程鮮明に合されていない和信号
が発生される。例えば、中心の変換器と外側の変
換器との間の伝播通路の差が、超音波バーストの
半波長に対応する場合、これらの変換器のエコー
信号が相殺する。他の変換器からのエコー信号も
部分的に相殺し、この為得られる和信号はかなり
小さくなる。この為、中心の変換器から縁の変換
器までの距離の差が超音波の半波長より大きい物
点に対しては、得られる出力は著しく減少し、焦
点の近辺の領域に対する装置の有用性が制限され
る。各々の変換器に対する相対的な遅延時間は次
の式で表わされる。

Ｔ_k＝ａ^２／２ｃ〔１／Ｒ−１／Ｒ_ｆ〕〔１−（ｘ_ｋ
／ａ）^２〕(1) こゝでＴ_kは、焦点１７からのエコーによつて
発生されたエコー信号に対して、物点２０からの
エコーによつてｋ番目の変換器で発生されたエコ
ー信号に伴う遅延時間、ａは配列の半開口距離、
Ｒは物点２０までの距離、Ｒ_fは焦点１７までの
距離、ｃは物体領域内での超音波の速度、ｘ_kは
配列の中心からｋ番目の変換器までの距離であ
る。

第２図には、この発明の実施例に従つて、エコ
ー信号を処理する超音波作像装置が機能的なブロ
ツク図で示されている。この装置は、配列の中心
軸線１６の周りに同心に配置されていて、半径が
順次大きくなる環状変換器１５の配列１１を含
む。配列の各変換器の共振周波数は略同じであ
る。変換器の放射面が球面の一部分の内面を構成
し、その中心が焦点１７である。点２０は配列の
中心軸線１６上の物点を表わす。配列によつて発
生された超音波の数サイクルから成るバーストが
物点２０に入射し、エコーを発生する。配列の複
数個の変換器によつて発生されたバーストは、配
列の中心から出たものとみなすことが出来る。物
点２０と配列の変換器との間の距離に応じて、相
異なる時刻にエコーが配列の種々の変換器で受信
される。このエコーが、各々の変換器で１つず
つ、一組のエコー信号を発生する。変換器１５―
１及び１５―２で発生されたエコー信号の処理を
具体的に説明する。他の変換器で発生されたエコ
ー信号が同様に処理されることは云う迄もない。
変換器１５―１は配列の中心にあり、変換器１５
―２は配列の中心の周りにある。線２１は物点２
０から反射されたエコーの変換器１５―１の中心
までの伝播通路を表わす。線２２は、物点２０か
ら反射されたエコーの変換器１５―２までの伝播
通路を表わす。

変換器１５―１で発生されたエコー信号をエコ
ー信号No.１と呼び、変換器１５―２で発生された
エコー信号をエコー信号No.２と呼ぶ。配列の他の
各々の変換器で発生されたエコー信号も、チヤ
ンネルと呼ぶ夫々の信号処理チヤンネルで処理さ
れる。各々のチヤンネルで、復調並びに重みづ
けの作用が行われる。エコー信号No.１及びNo.２並
びに配列の他の変換器で発生された他のエコー信
号は、夫々のＱ信号処理チヤンネルでも処理され
る。Ｑチヤンネルでも復調及び重みづけの作用が
行われる。各々のＱチヤンネルで使われる復調用
信号は、夫々のチヤンネルの復調過程で使われ
る復調用信号に対して直角位相になる様に定めら
れている。チヤンネルの信号を加算して第１の
和信号を求め、Ｑチヤンネルの信号を加算して第
２の和信号を求める。第１の和信号及び第２の和
信号を波する。波された第１の和信号及び
波された第２の和信号から、物点２０からの反射
を表わす合成信号を発生する。

次に第３Ａ図乃至第３Ｇ図をも参照する。第３
Ａ図乃至第３Ｇ図に示した信号が第２図のブロツ
ク図で現われる点を、第２図では、その信号を示
した第３図の英文字で示してある。変換器１５―
１で発生されるエコー信号No.１が第３Ａ図に示さ
れている。エコー信号No.１のピークは、配列から
発射された超音波バーストのピークの発生時点t₀
より後の時刻t₁に発生する。エコー信号No.１のピ
ークの発生時点t₁は、物点２０と変換器１５―１
との間の距離２１に関係する。エコー信号No.１が
第１の復調器２５に印加される。この復調器に
は、第１の復調用信号源２６から第３Ｂ図に示す
第１の復調用信号No.１も印加される。第１の復調
用信号No.１、並びにこの明細書で呼称する他の第
１の復調用信号は、変換器の共振周波数と略等し
い基本周波数を持つている。第１の復調用信号の
波形を正弦状のものとして示してあるが、矩形波
形の様な他の波形を使つてもよい。第１の復調用
信号No.１がエコー信号No.１に対して位相変位αだ
け遅相であることが示されている。第１の復調器
２５が、エコー信号No.１と第１の復調用信号No.１
との積を表わす第１の復調信号No.１（第３Ｅ図に
示す）をその出力に発生する。第１の復調信号No.
１が重みづけ回路２７に印加され、この回路は第
１の復調信号No.１に対して予定の利得又は減衰係
数を乗じ、それが配列の他の変換器からの同様に
処理されたチヤンネル信号と加算増幅器３５で
適当に加算出来る様にする。

変換器１５―２で発生されるエコー信号No.２が
第３Ｃ図に示されている。エコー信号No.２のピー
クは、配列から発射された超音波バーストのピー
クの発生時点t₀より後の時刻t₂に発生することが
示されている。エコー信号No.２のピークの発生時
点t₂は物点２０と変換器１５―２との間の距離２
２に関係する。エコー信号No.２が第１の復調器３
１に印加され、この復調器には第１の復調用信号
源３２から第３Ｄ図に示す第１の復調用信号No.２
が印加される。第１の復調用信号No.２は、エコー
信号No.１と第１の復調用信号No.１との間の位相変
位と同じ位相変位αだけ、エコー信号No.２に対し
て遅相になる様に定められている。この条件に合
う様に、第１の復調用信号No.２の位相を、伝播距
離２１，２２の差に応じた分だけ、第１の復調用
信号No.１の位相に対して変える。第３Ｆ図に示す
第１の復調信号No.２が第１の復調器３１の出力に
現われるが、これはエコー信号No.２と第１の復調
用信号No.２との積を表わす。重みづけ回路３３で
重みがつけられた後、第１の復調信号No.２が加算
増幅器３５に印加される。

第１の復調信号No.１及び第１の復調信号No.２が
加算増幅器３５で加算され、低域波器３７で
波され、第３Ｇ図に示す第１の和信号となる。配
列の他の各々の変換器で発生されたエコー信号が
同様に処理され、矢印３６で示す様に包括的に加
算されて、加算増幅器３５の出力には、低域波
器３７で波された後、配列の変換器で発生され
た全てのエコー信号の第１の和信号に対する寄与
を表わす振幅の大きい信号ΣＩが発生される。

次に第４Ａ図乃至第４Ｈ図をも参照する。第４
Ａ図乃至第４Ｈ図に示す信号が第２図のブロツク
図に現われる点が、第２図では、その信号を示し
た第４図の英文字にダツシユを付した文字によつ
て示されている。変換器１５―１で発生されたエ
コー信号No.１が第４Ａ図に示されている。第３Ａ
図について説明した様に、エコー信号No.１のピー
クは、配列から発射された超音波バーストのピー
クの発生時点t₀より後の時刻t₁に発生する。エコ
ー信号No.１のピークの発生時点t₁は、物点２０と
変換器１５―１との間の距離２１に関係する。エ
コー信号No.１が第２の復調器４１に印加され、こ
の復調器には第２の復調用信号源４２から、第４
Ｂ図に示す第２の復調用信号No.１も印加される。
第２の復調用信号No.１並びにこの明細書で呼称す
る他の第２の復調用信号は、変換器の共振周波数
と略等しい基本周波数を持つている。第２の復調
用信号の波形を正弦状として示してあるが、矩形
波の様な他の波形を使つてもよい。第２の復調用
信号No.１は第１の復調用信号No.１の位相に対して
90゜遅れる様に、或いはエコー信号No.１の位相に
対して（α＋90）度だけ遅相になる様に定められ
ている。第２の復調器４１が、エコー信号No.１と
第２の復調用信号No.１との積を表わす第２の復調
信号No.１（第４Ｅ図に示す）をその出力に発生す
る。第２の復調信号No.１が重みづけ回路４３に印
加され、これが第２の復調信号No.１に対して予定
の利得又は減衰係数を乗じ、配列の他の変換器か
らの同様に処理されたＱチヤンネル信号と共に加
算増幅器４９で適当に加算することが出来る様に
する。

変換器１５―２で発生されたエコー信号No.２が
第４Ｃ図に示されている。第３Ｃ図について説明
した様に、エコー信号No.２のピークは、配列から
発射された超音波バーストのピークの発生時点t₀
より後の時刻t₂に発生することが示されている。
エコー信号No.２のピークの発生時点t₂は物点２０
と変換器１５―２との間の距離２２に関係する。
エコー信号No.２が第２の復調器４５に印加され、
この復調器には第２の復調用信号源４６から第
4Dに示す第２の復調用信号No.２も印加される。
第２の復調用信号No.２は第１の復調用信号No.２の
位相に対して90゜遅れる様に、或いはエコー信号
No.２の位相に対して（α＋90）度遅相になる様に
定められる。第４Ｆ図に示す第２の復調信号No.２
が第２の復調器４５の出力に現われるが、これは
エコー信号No.２と第２の復調用信号No.２との積を
表わす。第２の復調信号No.２が重みづけ回路４７
に印加され、これが第２の復調信号No.２に対して
予定の利得又は減衰係数を乗じて、それが配列の
他の変換器からの同様に処理されたＱチヤンネル
信号と共に加算増幅器４９で適当に加算出来る様
にする。

第２の復調信号No.１及び第２の復調信号No.２が
加算増幅器４９で加算され、低域波器５２で
波されて、第４Ｇ図に示す第２の和信号になる。
配列の他の各々の変換器で発生されたエコー信号
も同様に処理され、矢印５０で包括的に示す様
に、加算されて、加算増幅器４９の出力に、低域
波器５２で波された後、配列の変換器で発生
された全てのエコー信号の第２の和信号に対する
寄与を表わす振幅の大きい信号ΣＱを発生する。

低域波器３７の出力に得られた第１の和信号
及び低域波器５２の出力に得られた第２の和信
号が回路５１に印加される。この回路は、第１の
和信号の自乗及び第２の和信号の自乗の和の単調
関数である合成信号を取出す。更に具体的に云う
と、この回路は、第１の和信号の自乗と第２の和
信号の自乗との和の平方根に比例する合成信号を
発生する。回路５１が発生する合成信号の振幅
は、夫々１つのエコー信号に対する各々の第１の
復調用信号の位相の設定に無関係であり、更に
各々の第２の復調用信号が第１の復調用信号の
夫々に対して直角位相になる様に定められている
ので、夫々１つのエコー信号に対する第２の復調
用信号の位相の設定にも無関係である。この結果
は次の例を考えれば、容易に理解される。第３Ｂ
図の第１の復調用信号No.１が第３Ａ図のエコー信
号No.１のの位相に対してα度だけ遅れているか
ら、第３Ｅ図の第１の復調信号No.１のピーク振幅
は、第３Ｂ図の第１の復調用信号No.１が第３Ａ図
のエコー信号No.１と同相である場合の第１の復調
信号No.１の最大値のcosα倍に等しい。第４Ｂ図
の第２の復調用信号No.１がエコー信号No.１の位相
よりも（α＋90）度だけ遅れているから、第４Ｅ
図の第２の復調信号No.１の振幅は、第２の復調用
信号No.１がエコー信号No.１と同相である場合の第
２の復調信号No.１がとり得る最大振幅のcos（α
＋90）倍と云うことが出来る。第１の復調信号No.
１の最大値を求めるには、第１の復調信号No.１の
自乗と第２の復調信号No.１の自乗の和の平方根を
求めればよい。√²＋²（＋90）がαに
無関係で１に等しいから、第１の復調信号の最大
値がエコー信号No.１のピークに比例することは明
らかである。他の各々のエコー信号が同様に処理
されるから、上の例で示した結果は、第１の和信
号ΣＩ及び第２の和信号ΣＱについても成立する
ことは明瞭である。第３Ａ図乃至第３Ｄ図では、
位相変位即ち角度αを60゜として示してある。第
４Ａ図乃至第４Ｄ図でも、角度αは60゜である。
この為、各々のエコー信号を処理する為に１対の
Ｉ及びＱチヤンネルを使うことにより、角度αに
無関係な合成信号が得られる。然し、和信号が形
成される場合の相殺作用を防止する為、各々の第
１の復調用信号及び夫々のエコー信号に対する角
度αは実質的に同じでなければならない。この結
果を得る為には、各々の第１の復調用信号の相互
の位相を、夫々１つのエコー信号に対する第１の
復調用信号の関係が実質的に同じになる様に定め
ればよい。第１の復調用信号の位相の設定は、物
点２０から夫々の変換器までの伝播距離に関係す
る。各々の第２の復調用信号が夫々の第１の復調
用信号に対して遅相で直角関係になる様に定めら
れているから、各々の第２の復調用信号に対する
適正な位相関係が自動的に得られる。

第２図の装置が正しく動作する為には、夫々の
エコー信号の位相に対する各々の第１の復調用信
号の位相は、全ての対の信号に対して略同じにな
る様にすべきである。勿論、第２の復調用信号の
位相は、第１の復調用信号の位相を定めたことに
よつて定められる。異なる距離の所にある物点で
は、加算増幅器３５，４９の出力に理想的な応答
を求める為に、第１の復調用信号の相対的な位
相、並びに当然に第２の復調用信号の相対的な位
相を別のものにする必要がある。物点２０の距離
から小さな距離増分に対しては、第１の復調用信
号及び第２の復調用信号の相対的な位相条件は、
理想的な相対的な位相を用いた場合の性能に較べ
て、性能に目立つたずれが生ずる程変化しない。
然し、物点２０からかなり距離が異なる点では、
変換器までの伝播時間の関係が変化する為に、性
能は限界的になり、大体理想的な性能を得る為に
は、第１及び第２の復調用信号に対して新しい一
組の相対的な位相関係を定めることが必要であ
る。この新しい一組の相対的な位相関係は或る距
離範囲にわたつて有効であるが、その距離範囲を
越えると、別の一組の位相関係を使う。一般に、
超音波バーストが物体領域の中に深く入り込むの
につれて、変調用信号の位相関係を個別の段階に
分けて又は連続的に、逐次的に調節することによ
り、焦点を合せる物点がバーストを追跡する様に
する。第１及び第２の復調用信号の位相を設定し
直して、距離と共に相対的な位相を別のものに設
定するやり方を次に第５図の機能的なブロツク図
について説明する。

配列から順次一層遠くにある、即ち一層大きな
距離の所にある相次ぐ物点から受信した相次ぐエ
コーが、配列１１の変換器で相次ぐ組の電気信号
を発生する。相次ぐ組の第１の復調用信号及び第
２の復調用信号を前に説明した適正な相対的な位
相関係を持つ様にして用意する。この結果、回路
５１の出力に現われる合成信号は、相次ぐ物点か
ら受信したエコー信号に対応する要素を含む。複
数個の超音波バーストを配列に印加して、複数個
のエコー信号及び回路５１の出力に於ける複数個
の合成信号を発生することが出来る。次にこの合
成信号を種々の走査様式で表示装置で表示し、視
野内の身体の組織構造を可視的に表示することが
出来る。第１の復調用信号及び第２の復調用信号
の相対的な位相を物体領域からのエコーの受信期
間中に予め設定するやり方、並びに第１の復調用
信号及び第２の復調用信号の相対的な位相を距離
と共に変えて、コヒーレントな復調が出来る様に
するやり方を第５図について説明する。

第５図は第２図について説明したこの発明の１
実施例を用いた超音波作像装置６０の機能的なブ
ロツク図である。第５図に示す素子の内、第２の
素子と同一の素子には同じ符号を用いている。送
信機６１が適正な持続時間を持つ同時的なパルス
を線形配列１１の変換器に加え、配列の中心軸線
に沿つて向けられる送信ビームを形成する。送信
機６１を動作させる周波数が、主発振器６５に接
続された周波数合成器６３から供給される。

複数個の前置増幅器６６を夫々の変換器と夫々
１対のＩ及びＱ信号処理チヤンネルとの間に接続
して、処理に適した振幅を持つエコー信号を作
る。時間利得制御回路６７が各々の前置増幅器６
６に対して出力信号を印加し、配列１１の種々の
変換器で発生されるエコー信号の振幅を距離の関
数として等しくし、その処理がし易くなる様にす
る。時間利得制御回路６７は、各々の送信超音波
バーストの後に、ビーム開始回路６８から入り且
つ送信機６１からのパルスと同期しているビーム
開始信号によつて作動される。ビーム開始信号
は、除数８の計数器７７，７８を初期設定する為
にも用いられる。送信機６１からのパルスと同期
したプリセツト開始回路が位相プリセツトROM
（読取専用記憶装置）７２に対してプリセツト開
始信号を供給する。このROMには、後で詳しく
説明する様に、装置のＩ及びＱ波形発生器の位相
のプリセツトを開始する為の位相プリセツト・デ
ータが貯蔵されている。Ｉ及びＱ波形発生器７５
が、第２図の第１の復調用信号発生器２６及び第
２の復調用信号発生器４２によつて発生された出
力を発生する。Ｉ及びＱ波形発生器７６が、第１
の復調用信号発生器３２及び第２の復調用信号発
生器４６によつて発生された出力を発生する。受
信開始回路６９が送信機６１によつて供給された
パルスと同期していて、ビーム開始信号が発生し
た後に受信開始信号を発生する。この受信開始信
号を用いて、以下詳しく説明する様に、配列の
種々の変換器に関連する信号処理チヤンネルの位
相滑り（phase slip）順序を制御する。

次に上に述べた作用を実現する方法を説明す
る。最初に、種々のチヤンネルに於ける第１及び
第２の復調用信号をプリセツトして、特定の番号
を持つ受信ビームに対するコヒーレントな復調が
出来る様にする態様を考える。変換器１５―１か
らのエコー信号に対する第１及び第２の復調用信
号がＩ及びＱ波形発生器７５によつて発生され
る。変換器１５―２からのエコー信号に対する第
１及び第２の復調用信号はＩ及びＱ波形発生器７
６によつて発生される。各チヤンネルに於ける第
１及び第２の復調用信号の夫々は、互いに45゜ず
れた８つの位置の内の任意の１つにプリセツトす
ることが出来る。発生器７５は除数８の２進計数
器７７によつて制御される。発生器７６は除数８
の２進計数器７８によつて制御される。除数８の
各計数器がとり得る８つの位相位置の任意の１つ
が、夫々の３ビツト・ワードによつて除数８の計
数器をプリセツトすることによつて得られる。こ
の３ビツト・ワードは位相プリセツトROM７１
から得られる。ROM７１には複数個の３ビツ
ト・ワードが貯蔵されており、各ワードは夫々の
Ｉ及びＱ波形発生器の位相設定を表わす。即ち、
各々の超音波バーストが送信された後に送信機６
１によつて作動されるプリセツト開始回路７０か
らプリセツト開始信号が現われた時、ROM７１
がアクセスされ、全てのチヤンネルの除数８の２
進計数器を正しくプリセツトする。ビーム開始回
路６８からビーム開始信号が現われると、除数８
の２進計数器７７，７８が作動される。変換器で
発生されるエコー信号の周波数の８倍の周波数で
発生するパルスが、主発振器６５から入力を受取
る周波数合成器８３から、夫々の禁止ゲート８
１，８２を介して、各々の除数８の２進計数器７
７，７８に印加される。この為、超音波バースト
が送信された後、位相プリセツトROM７１か
ら、夫々の信号処理チヤンネルに付設された各々
の８ビツト２進計数器に対して情報が供給され、
他のチヤンネルの第１及び第２の復調用信号に対
して適正な位相関係を持つ第１及び第２の復調用
信号を発生し、物体領域の初期距離範囲内のエコ
ー信号をコヒーレントに復調することが出来る様
にする。全てのチヤンネルが同じクロツク・パル
スを受取るから、走査の始めに位置プリセツト・
カウントに差があれば、それは走査全体にわたつ
て保たれる。

前に述べた様に、種々の信号処理チヤンネルの
第１及び第２の復調用信号が相互に適正な相対的
な位相を持つ様にする為には、第１及び第２の復
調用信号の夫々の位相を距離と共に変えて、この
適正な相対的な位相関係を保つことが必要であ
る。各チヤンネルの第１及び第２の復調用信号の
位相の距離に対する変化の形は変換器配列の中心
に対する各変換器の位置に関係する。エコー信号
のコヒーレントな復調が出来る状態に保つ為に、
或るチヤンネルの第１及び第２の復調用信号の位
相を距離と共に変えなければならない量は、式(1)
を見れば容易に理解されよう。遅延時間Ｔ_kは距
離Ｒと、考えている特定の変換器素子ｘ_kの関数
である。相対的な遅延時間Ｔ_kを変換器の共振周
波数で見た１サイクルの周期で除すことにより、
変換器の共振周波数での位相変数に変換すること
が出来る。即ち、所定の変換器素子ｘ_kに必要な
位相変化は、距離Ｒ又は時間と共に反比例の関係
で変化する。次にこの関係を利用して各々の信号
処理チヤンネルに対し、距離に対して位相の滑り
作用を行わせる態様を説明する。信号処理チヤン
ネルの第１及び第２の復調用信号の位相の滑り
が、周波数合成器８３から禁止ゲート８１，８２
の様な禁止ゲートを介して、計数器７７，７８の
様な除数８の２進計数器に供給される一連のパル
スから、１つのパルスを削除し又は禁止すること
によつて行われる。各々の禁止ゲートには位相滑
りROM７２から一連のビツトが供給される。或
るビツトからその補数へ又はその逆の変化がある
時には、何時でも禁止ゲートはパルスが除数８の
２進計数器へ通過するのを禁止し、こうして２進
計数器の45゜の位相滑りを起させる。位相滑り
ROM７２は逐次的なアドレスに一連のワードを
持つている。各ワードにあるビツト数は装置内の
チヤンネル数に等しい。相次ぐワードの同じ番号
のビツトが、アドレス計数器８６の順次計数動作
に従つて、対応する禁止ゲートに順次供給され
る。アドレス計数器８６がゲート８７を介して、
主発振器６５によつて制御される周波数合成器８
８に接続される。周波数合成器８８は、物体領域
に対するビームの進入速度に対応する特定の周波
数の出力信号を発生する。ゲート８７は、受信開
始回路６９から受信開始信号が発生する前は、周
波数合成器８８の出力信号がアドレス計数器８６
へ通過するのを阻止する。ゲート８７に受信開始
信号が現われると、周波数合成器８８の出力がア
ドレス計数器８６に印加される。アドレス計数器
８６が各アドレスに進む速度は、周波数合成器８
８から供給される周波数に関係する。

次に或るパルス・エコー・サイクル又はその動
作周期について、第５図の装置の動作を説明す
る。送信機６１から配列１１の変換器に対して励
振パルスが同時に印加される直前に、プリセツト
開始回路７０からのプリセツト開始信号が位相プ
リセツトROM７１に印加され、こうしてアドレ
スされたデータをアクセスする。このデータが
各々の信号処理チヤンネルに付設された除数８の
２進計数器７７，７８に送られ、除数８の２進計
数器を、配列の形状に適切な位相関係に対応する
初期カウントにプリセツトする。これによつて、
配列１１の近視野から配列の変換器が受信したエ
コー信号をコヒーレントに復調出来る様に、Ｉ及
びＱ波形発生器７５，７６が互いに正しい位相関
係になることが保証される。

送信機６１からの励振パルスが超音波バースト
を発生して、それが配列１１から出て行つた直
後、ビーム開始回路がビーム開始回路６８によつ
て発生されて、距離の関数として前置増幅器６６
の利得を制御する時間利得制御回路６７に印加さ
れ、配列の変換器で発生された受信エコー信号の
振幅を等しくする。ビーム開始回路は計数器７
７，７８の様な除数８の２進計数器をも作動し、
その計数を開始させ、こうして発生器７５，７６
の様なＩ及びＱ波形発生器が装置の種々のチヤン
ネルに対するＩ及びＱ波形を発生して、これらの
チヤンネルに現われる種々のエコー信号をコヒー
レントに復調することが出来る様にする。エコー
信号は最初は、配列の近視野にある物点からのエ
コーによつて発生される。

ビーム開始信号の直後、受信開始信号が受信開
始回路６９によつて発生されて、ゲート８７に印
加される。このゲートが開き、周波数合成器８８
の出力に現われる信号をアドレス計数器８６に印
加し、この計数器が、周波数合成器８８からの信
号の周波数によつて決定される速度で計数する様
にする。アドレス計数器は特定の速度で位相滑り
ROM７２のアドレスを進め、この為ゲート８
１，８２の様な禁止ゲートによつて、周波数合成
器８３からのパルスを脱落させ、こうして除数８
の２進計数器の位相関係を変える。除数８の２進
計数器の位相を滑らせることにより、全ての信号
処理チヤンネルのＩ及びＱ波形の位相を、配列か
ら更に遠い物点によつて反射されたエコーによつ
て発生されるエコー信号のコヒーレントな復調が
出来る様な相対的な値に保つことが出来る。処理
されたエコー信号は、重みづけの後、加算増幅器
３５，４９で加算される。加算増幅器３５，４９
からの信号は、低域波器３７，５２で夫々波
された後、回路５１に印加される。回路５１は、
和信号ΣＩの自乗と和信号ΣＱの自乗の和の平方
根に比例する出力を発生する。回路５１の出力を
ビデオ信号と呼ぶが、これは時間の関数として、
種々の距離に於けるエコー強度に対応する振幅変
化を持つている。この信号をオツシロスコープの
様な種々の表示装置に印加して、時間の関数とし
て信号の振幅を表示し、時間又は距離の関数とし
て身体組織の様な物点を可視的に見ることが出来
る様にする。配列を身体の表面に沿つて線に沿つ
て動かし、ビーム及び線の平面内に略ある身体の
線の異なる部分を走査することが出来る。表示装
置を身体に沿つた変換器の移動と適当に同期させ
られゝば、TM即ち時間―運動表示が得られる。
このような動作様式では、Ｉチヤンネル又はＱチ
ヤンネルの信号処理回路を単独で使つても有用な
表示が得られる。

配列１１の変換器１５は任意の共振周波数を持
つていてよい。典型的には、変換器１５の共振周
波数は2.0乃至5.0メガヘルツであつてよい。Ｉ及
びＱ波形発生器７５，７６の周波数、従つて除数
８の２進計数器７７，７８の周波数は変換器１５
の共振周波数と略同じである。周波数合成器８３
の出力の周波数は除数８の２進計数器の基本周波
数の８倍にし、従つて、共振周波数が2.25メガヘ
ルツの変換器に対しては、18メガヘルツにする。
変換器によつて発生されたパルスが約２マイクロ
秒の持続時間を持つ様にすることが出来る。こう
すると、このパルスによつて励振された時、変換
器に数サイクルの振動が発生する。送信パルスの
繰返し速度は３キロヘルツ程度にするのが便利で
ある。この周波数は配列から超音波を送込む物体
領域内への超音波の進入深さ並びに、物体領域内
の物点からの超音波の反射に関係する。周波数合
成器６３が、送信機６１によつて、この様な持続
時間及び繰返し速度を持つパルスを発生する為の
適正な周波数情報を供給する。位相滑り動作に使
われる周波数合成器８８の出力の周波数は、周波
数合成器８３の周波数範囲内にある。この範囲が
ビデオ周波数帯又は変換器の共振周波数に近い周
波数領域のいずれをも含まないことが好まし。主
発振器６５は、装置内で使われる最高周波数より
も何倍か高い周波数を発生して、種々の周波数合
成器によつて発生された周波数が適当な値を持つ
様にすることが出来る。

配列１１は、夫々幅0.95ミリメートルで、夫々
の中心半径が１ミリメートルづつ隔たつた約10個
の変換器素子で構成することが出来る。第６Ａ図
及び第６Ｂ図には、第１Ａ図、第２図及び第５図
の装置に於ける配列１１の変換器の代りに使うこ
とが出来る、固定焦点を持つ別の環状変換器配列
集成体９１が示されている。環状変換器配列集成
体９１が、中心軸線９３の周りに同心に配置され
ていて、半径が順次大きくなる環状変換器９２を
有する。環状変換器９２の放射面は、中心軸線９
３に対して垂直な平面内にある。音響レンズ９４
が環状変換器９２の前に取付けられていて、変換
器を使おうとする物体領域、例えば身体組織に於
けるよりも音速が一層速い、適当なプラスチツク
の様な材料で作られる。環状変換器９２の放射面
に隣接したレンズ９４の面は平面状であり、反対
側の面は彎曲していて、中心軸線９３上にある焦
点から配列の全ての素子９２までの音波の通路の
遅延時間が等しくなる様になつている。

第７Ａ図及び第７Ｂ図には、変換器配例１１の
代りに、第１Ａ図、第２図及び第５図の装置に使
うのに適した更に別の変換器配列集成体１０１が
示されている。変換器配列集成体１０１は、集成
体の中心軸線１０３の周りに同心に配置されてい
て、半径が順次大きくなる環状変換器１０２の配
列で構成される。変換器１０２の放射面は中心軸
線１０３に対して垂直な平面内にある。変換器１
０２の形状並びに間隔は、各々の変換器の放射面
が略同じになる様になつている。この構成によ
り、変換器と共に使う信号処理チヤンネルを効率
よく利用することが出来る。中心軸線１０３上に
は、各々の変換器に時間遅延回路１０５を接続す
ることによつて、固定焦点が設けられる。各々の
時間遅延回路１０５に於ける遅延時間は、焦点か
らのエコーに応答して、時間遅延回路の出力に現
われる信号が同時に発生する様になつている。

この発明を医療診断用に、人体内部の組織構造
を作像する場合について説明したが、この装置を
鋳物の欠陥の検出の様な他の目的にも使うことが
出来ることは云う迄もない。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は超音波作像装置の動作を例示したブ
ロツク図、第１Ｂ図は第１Ａ図の装置の環状変換
器の配列の平面図、第２図はこの発明の原理を説
明する為の超音波作像装置の一部分の機能的なブ
ロツク図、第３Ａ図乃至第３Ｇ図は第２図に示し
た部分のＩチヤンネルの種々の点に現われる電圧
信号の振幅対時間線図であり、第３Ａ図乃至第３
Ｇ図の信号が第２図のブロツク図で現われる点
を、第２図ではこの信号を示す第３図の英文字に
よつて示してある。第４Ａ図乃至第４Ｈ図は第２
図に示した部分のＱチヤンネルの種々の点に現わ
れる電圧信号の振幅対時間線図であり、第４Ｈ図
は第３Ｇ図及び第４Ｇ図の信号から形成された合
成信号の線図である。第４Ａ図乃至第４Ｈ図の信
号が第２図のブロツク図で現われる点は、第２図
では、この信号を示す第４図の英文字にダツシを
付して示してある。第５図はこの発明を実施した
超音波作像装置の機能的なブロツク図、第６Ａ図
は固定焦点を持つ環状変換器の配列の平面図、第
６Ｂ図は第６Ａ図の配列を切断線６Ｂ―６Ｂで切
つた断面図、第７Ａ図は固定焦点を持つ環状変換
器の別の配列の平面図、第７Ｂ図は第７Ａ図の配
列を切断線７Ｂ―７Ｂで切つた断面図である。主な符号の説明、１１：配列、１５：環状変換
器、１７：焦点、２０：物点、２５，３１：第１
の復調器、２６，３２：第１の復調用信号源、２
７，３３：重みづけ回路、３５，４９：加算回
路、３７，５２：低域波器、４１，４５：第２
の復調器、４２，４６：第２の復調用信号源、５
１：回路。

Claims

【特許請求の範囲】１予定の周波数の超音波バーストを発生して物
体領域に向ける手段と、中心軸線の周りに同心に
配置された複数個の環状変換器を持つ配列とを含
み、前記配列は前記物体領域内で前記配列の前記
中心軸線上にある物点に入射した超音波バースト
によつて発生された超音波エコーを受取つて、前
記物点からの前記エコーによつて前記変換器で一
組のエコー信号を発生し、各々のエコー信号の発
生時点が夫々の前記変換器と前記物点との間の距
離に関係する超音波作像装置に於て、前記予定の周波数と略同じ周波数を持ち且つ相
対的な位相が相異なる複数個の第１の復調用信号
であつて、夫々の対応する前記エコー信号の位相
に対する各々の当該第１の復調用信号の位相が略
同じ値になる様定められた複数個の第１の復調用
信号を発生する第１の復調用信号発生手段と、各々の前記エコー信号を夫々対応する１つの前
記第１の復調用信号と混合して夫々の第１の復調
用信号を求める手段を含む、前記変換器から得ら
れたエコー信号を復調する第１の復調手段と、前記第１の復調信号に重みをつけて加算して、
第１の和信号を求める手段と、前記予定の周波数と略同じ周波数を持ち、且つ
それぞれ対応する１つの前記第１の復調用信号に
対して直角位相である複数個の第２の復調用信号
を発生する第２の復調用信号発生手段と、各々の前記エコー信号を夫々対応する１つの前
記第２の復調用信号と混合して夫々の第２の復調
用信号を求める手段を含む、前記変換器から得ら
れたエコー信号を復調する第２の復調手段と、前記第２の復調信号に重みをつけて加算して、
第２の和信号を求める手段と、前記第１及び第２の和信号を波する低域波
器と、前記第１の和信号の自乗と前記第２の和信号の
自乗との和の実質的な単調関数である合成信号を
形成する手段とを有することを特徴とする超音波
作像装置。２特許請求の範囲第１項に記載した超音波作像
装置に於て、前記物体領域内で前記中心軸線上に
ある相次ぐ物点から相次ぐエコーを受取つて、前
記変換器が相次ぐ組のエコー信号を発生する様に
なつており、前記第１の復調用信号発生手段が、
前記予定の周波数と同じ周波数を持ち且つ相対的
な位相が相異なる相次ぐ組の複数個の第１の復調
用信号を発生し、各組の複数個の第１の復調用信
号は夫々一組の相次ぐエコー信号に対応し、一組
の夫々のエコー信号の位相に対する対応する組の
複数個の各々の第１の復調用信号の位相関係は略
同じ値になる様に定められており、更に、前記第
２の復調用信号発生手段が、前記予定の周波数と
同じ周波数を持つ相次ぐ組の複数個の第２の復調
用信号を発生し、各組の複数個の第２の復調用信
号は夫々一組の複数個の第１の復調用信号に対応
し、一組の複数個の各々の第２の復調用信号は対
応する組の複数個の夫々の第１の復調用信号に対
して直角位相である超音波作像装置。３特許請求の範囲第２項に記載した超音波作像
装置に於て、前記相次ぐ組の複数個の第１の復調
用信号の内の対応する第１の復調用信号の位相
が、前記相次ぐ組のエコー信号の内の対応するエ
コー信号に対して前記同じ値の位相関係を持つよ
うに連続的に変えられ、前記相次ぐ組の複数個の
第２の復調用信号の内の対応する第２の復調用信
号の位相が、前記相次ぐ組の複数個の第１の復調
用信号の内の対応する第１の復調用信号に対して
前記の直角位相関係を持つように連続的に変えら
れる超音波作像装置。