JPS626812B2

JPS626812B2 -

Info

Publication number: JPS626812B2
Application number: JP5552579A
Authority: JP
Inventors: Keiki Yamaguchi; Yasuto Takeuchi
Original assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Current assignee: YOKOKAWA DENKI KK
Priority date: 1979-05-07
Filing date: 1979-05-07
Publication date: 1987-02-13
Also published as: JPS55148544A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、超音波を例えば生体のような被測定
媒体に投射し、その媒体内の状況を調査する超音
波診断装置に関する。更に詳しくは、本発明は被
測定媒体の断面像を超音波信号の伝播速度に影響
されないで短時間で得ることのできる超音波診断
装置に関する。

第１図は従来公知のこの種の装置の一例を示す
原理図である。この装置は、被測定媒体１に接触
した振動子アレイ２からパルス状の細い超音波ビ
ームを一本づつ順次、被測定媒体内部に投射し、
その反射波を同じ振動子アレイ２で受信し、この
反射波の強弱をブラウン管３の輝度変化とするも
のであつて、少なくとも数十本の超音波ビームに
よつて一枚の断面像が得られるようになつてい
る。

このような従来装置においては、一枚の断面像
が得られる時間は、超音波ビームの総数と超音波
信号の被測定媒体中における音速とによつて支配
される。超音波ビームの総数は得られる断面像の
分解能と密接な関係があつて、これを余り少なく
することはできない。それ故に、一枚の断面像が
得られる時間は、最終的に超音波信号の被測定媒
体中における音速に支配されることとなつて、短
時間ではないという欠点がある。

このような欠点をなくすることを目的とし第２
図に示すような装置も提案されている。この装置
は、1977年Ultrasonic Symposum Proceedings
IEEE、Cat.＃77CH−1264−1SU、P1002〜1005
に発表されているものであつて、被測定媒体１に
対応してこれより大きな水槽４を設け、第１の振
動子アレイ２からの信号をそれぞれ増幅器５１，
５２，……を介して第２の振動子アレイ６に加え
るようにしている。水槽４内には、振動子アレイ
６の中心からＲ（被測定媒体１側において振動子
アレイ２からの超音波信号の伝播深さをR/2とす
れば、丁度２倍）の位置に円筒状の反射鏡７が配
置されており、振動子アレイ２から出射した超音
波信号は、この反射体７で反射し、振動子アレイ
２の中心に再び戻るようになつている。

いま、被測定媒体１において、８と９の位置に
反射物体が存在するものとし、また、振動子アレ
イ２の中央位置から無指向性にパルスを送波する
ものとすれば、反射物体８と９の位置で反射波が
生じ、これらが振動子アレイ２によつて再び受信
される。これらの受信信号は各増幅器５１，５
２，……を介して第２の振動子アレイから水槽４
内の媒体１０に向けて、再放出される。ここで再
放出される信号の順序は、反射物体９からの反射
波９_１がはじめに放出され、続いて反射物体８か
らの反射波８_１が放出される。これらの媒体１０
に再放出された信号は、やがて反射鏡７で反射
し、これが再び振動子アレイ６の中心に向けて戻
つてくる。そして、これらの信号が振動子アレイ
６に向けて戻る途中のある時刻において、振動子
アレイ６から見た位置関係において、反射物体
８，９の存在位置とこれらの反射物体からの反射
波８_１，９_１の存在位置とが一致する瞬間が存在
する。このような瞬間を例えば光学的手法によつ
てとらえ、媒体１０中であつて、被測定媒体１内
の反射物体８，９に対応する位置に結像する音響
的像を観察するものである。

この装置は、振動子２から被測定媒体１に向け
て全面一様に送波パルスを出射すれば、極めて短
かい時間に、媒体１０内に音響的断層像を結像す
ることができ、これを今度は光学的手法等を用い
て直ちに可視化できるという点で画期的といえ
る。しかしながら、この装置においては、媒体１
０において反射鏡７からの反射信号によつて結像
を得るものであるために、被測定媒体１の２倍の
長さをもつ水槽４が必要であること、反射鏡７か
ら見て振動子アレイ６は点状であることが原理的
に必要であるが、実際には振動子アレイ６を点状
に構成することはできず、このため得られる像が
鮮明でないことなどの欠点がある。

ここにおいて、本発明はこのような欠点のない
超音波診断装置を実現しようとするものである。

第３図は本発明の一実施例を示す構成ブロツク
図である。図において、１は例えば生体のような
被測定媒体、２はこの被測定媒体に接触する第１
の振動子アレイ、１２は振動子アレイ２のほぼ中
央にあるエレメントに周波数f₀の連続励振信号
（CW）を印加する信号源、５１，５２，……は
振動子アレイ２で受信した受信信号を増幅する増
幅器である。これらの各増幅器は、振動子アレイ
２から遠方にある物体の反射信号はゲインを大き
くし、逆に近くにある物体からの反射信号はゲイ
ン低くするようなゲインコントロール（TGC）
がなされている。２０は各増幅器５１，５２，…
…からの信号を入力とし、これら入力信号の位相
推移に関してその同相成分（実数成分ｉ）と直交
成分（虚数成分ｑ）のいずれかを反転し、同相成
分と直交成分との成すベクトルの回転方向を逆転
する反転手段である。すなわち、この反転手段２
０は、入力信号を複素数表現してｉ＋jqの如く表
わすものとすれば、ｉ−jqないしは−ｉ＋iqで表
わされる信号を導出するためのものである。この
反転手段２０の具体的手法及び手段、構成は後述
するように、公知技術の組合せを含め、種々のも
のがある。６１，６２，……は反転手段２０から
の出力信号群を増幅する増幅器、６は第１の振動
子アレイ２とほぼ同一構成又は相似の構成の第２
の振動子アレイで、再結像媒体１０に接触してお
り、各増幅器６１，６２，……からの信号が印加
される。再結像媒体１０は、超音波信号が伝播可
能な材料で構成され、また、ここでは光が透過す
る例えばシリコンゴム、アクリル、ガラス等の透
明材料が用いられている。

第４図は反転手段２０の一例を示す構成ブロツ
ク図である。この反転手段は、無反射終端３２を
もち、増幅器５１からの信号が印加され、この信
号が走行するデレイライン２１、スイツチとコン
デンサとで構成されたサンプルホルド回路２２，
２３，２４，２５、各サンプルホールド回路の出
力を入力とするフイルタ回路２６，２７，２８，
２９およびフイルタ回路２６〜２９の出力信号を
順次取り出すロータリスイツチ３０で構成されて
いる。デレイライン２１は、ここに印加される振
動子アレイ２からの信号の周波数がf₀（信号源１
２のCWの周波数に対応）とすれば、その3/4λ
の波形が走行するようになつており、各サンプル
ホールド回路２２〜２５はデレイライン２１内を
走行している信号波形から、その０゜、270゜、
180゜、90゜に相当する成分をサンプルホールド
する。サンプリング周期Tsは、１／ｆｏ又はＮ／ｆｏ（
Ｎは自然数）とし、各サンプルホールド回路２２，２
３，２４，２５は、この周期でもつて一斉にサン
プリング動作を行なう。その結果は、第５図Ａに
示す如くなり、時間軸ｔが各ホールド値の空間分
布として固定されたことになる。各サンプルホー
ルド回路２２〜２５の出力は、それぞれフイルタ
回路２６〜２９によつてノイズが除去され、ロー
タリースイツチ３０によつて、第５図Ｂに示すよ
うに位相ないし局所の時間軸が反転するように順
次取り出される。ここで、ロータリースイツチ３
０が一回転する周期は、ここから出力される信号
波形の周期に対応する。

このようにして、１サイクル内で時間順に逆読
みされた信号は、360゜の位相推移はもとと同じ
ものを意味する点と、90゜と270゜の点のサンプ
ル値は、お互いに等大逆極性である点を考える
と、同相（０゜、180゜）成分はもとのままで、
直交成分（90゜、270゜）は逆極性となつてい
る。すなわち、反転手段２０からの出力信号は、
入力信号（ｉ＋jq）に対して、（ｉ−jq）で表わ
される信号となつている。

第６図は反転手段２０の他の例を示す構成ブロ
ツク図で、第４図のものを改良したものである。
第４図のものにおいて、０゜と180゜、270゜と90
゜の点の信号は極性が異なるだけで絶対値が等し
いことから、第６図のものでは、1/4λの波形が
走行するデイレイライン２１を設け、このデイレ
イライン２１の両端信号をサンプルホールド回路
２２，２３、フイルタ回路２６，２７を介して両
極性信号を出力する増幅器３３，３４に印加し、
ここからの出力信号をロータリスイツチ３０を介
して出力するようにしている。動作は第４図のも
のと全く同様である。

反転手段２０は、第４図あるいは第６図に示す
ような回路が、各増幅器５１，５２，……に対応
して複数個設けてあり、反転手段２０から出力さ
れる実数成分又は虚数成分のいずれかが反転した
信号が、各増幅器６１，６２，……を介して第２
の振動子６に印加される。

このように構成した装置の動作を次に第７図を
参照しながら説明する。まず、第７図左側被測定
媒体１の反射物Ｐにおいて反射したCW波は、Ｐ
点から球面波（又は円筒面波）が出発したと考え
ることができ、この球面波は図示するような波面
で第１振動子アレイ２に到達する。いま、仮に振
動子アレイ２で受信している信号群をそのまま第
２の振動子アレイ６のそれぞれ対応する部分に印
加し、再結像媒体１０に再放出するものとすれ
ば、第１振動子アレイ２を通過していくはずであ
つた波面が、破線に示すように再結像媒体１０内
に発生する。この波面は、第２の振動子アレイ６
に対して再結像媒体１０の外側P₁に球面波の出発
点があるのと等価である。本発明装置において
は、第１の振動子アレイ２で受信している信号群
の各信号について、その実数成分又は虚数成分の
いずれかを反転し、この反転信号の連続波を第２
の振動子アレイ６のそれぞれ対応する部分に印加
するようにしているので、破線に示すように発散
すべき波面は、反対に実線で示すように収束する
波面に変る。そして、その収束する点P₀は、第２
の振動子アレイ６に対して、点P₁と対称位置（点
P₁と点P₀とは共役性の関係）となる。この説明で
は、被測定媒体１内の一点Ｐからの反射波面につ
いて説明したが、反射する点が複数個存在して
も、各点について上記の説明はあてはまり、再結
像媒体１０内に被測定媒体１内の内部組織と同一
又は相似な音響的像が連続的に出現する。

このようにして、再結像媒体１０に出現する音
響的像は例えば光学的手法によつて可視化され
る。

第８図は再結像媒体１０内に出現した音響的像
を光学的手法によつて可視化する手段を含めた本
発明装置の構成例の斜視図、第９図は第８図にお
ける可視化手段の断面図である。例えばレーザ管
のような光源７１から出た光はレンズ系７２，１
０１を介して再結像媒体１０に垂直光として一様
に照射される。再結像媒体は、第９図に示すよう
に、ここでは四角柱状であつて透明のシリコンゴ
ム材料１００で構成されており、その側面周囲に
は超音波を吸収するための吸音材１０３が取付け
られている。そして、この側面のひとつに、第２
の振動子アレイ６が接触している。再結像媒体材
料１００は、コリメーターレンズ１０１，１０２
によつてはさまれており、これらは再結像媒体材
料１００に垂直光線を入射し、また、ここから出
る光がアパツチヤ７３に焦点を結ぶような役目を
している。再結像媒体材料１００に入射した光
は、その途中に音響的像が存在する場合、そこで
像の強度に対応した光の回折が生ずる。再結像媒
体１０から出射した回折光は、アパツチヤ７３を
通過し、レンズ７４を介してイメージセンサ管７
５に入射する。イメージセンサ管７５は、アパツ
チヤ７３を通過して来た回折光を入力光とし、再
結像媒体材料１００中に連続して出現する超音波
像の強さに対応した電気信号（ビデオ信号）を得
る。この電気信号は、テレビジヨン等に印加さ
れ、再結像媒体１０内の音響的像を観察すること
ができる。この場合、レンズ７４を利用して像の
一部拡大、縮少を行なうようにしてもよい。

なお、ここではアパツチヤ７３を通過した回折
光を直視するようにしてもよい。

第８図の例では、再結像媒体１０内の音響像を
可視化する手段として光学的手法を用いたもので
あるが、表面弾性波を利用したソコロフ管を用い
れば、電子的手法によつてビデオ信号を得ること
ができ、テレビジヨンを介して可視化することも
でき、本発明装置はこのような手法をも採用する
こともできる。

第１０図〜第１３図は本発明装置に用いられる
反転手段２０の他の例を示す構成ブロツク図であ
る。

第１０図の実施例は、ヘテロダイン変換を行う
方式であつて、第１の振動子アレイから入力端子
INに印加される入力信号を、混合器Mxにおいて
励振信号の２倍の周波数信号2f₀と混合し、出力
端OUTから入力信号のサイドバンドの上下を逆
転した周波数f₀の逆転信号を得るようにしたもの
である。出力端子OUTからの出力信号は、f₀近
傍のバンドパス増幅器（図示せず）を介して第２
の振動子アレイ６に印加される。

ここで、信号のサイドバンドの構造の周波数軸
上での上下逆転と、信号の同相成分又は直交成分
のどちらか一方のみの極性反転とが全く同じこと
を意味することは、そのベクトルの回転方向とい
う点に注目すれば自明である。

第１１図の実施例は、入力端子INに印加され
るｉ＋jqで表わされる入力信号を、復調器DM₁で
周波数f₀の０゜成分で復調して同相成分ｉを得、
また、復調器DM₂で周波数f₀の90゜成分で復調し
て直交成分ｑを得、これらの信号をそれぞれバン
ドパスフイルタBPF₁，BPF₂を介して、同相成分
信号ｉは周波数f₂の０゜で変調し、また、直交成
分ｑはf₂の−90゜（＝270゜）で変調し、これら
の変調信号を混合器CBで混合して、出力端子
OUTからｉ−jqで表わされる逆転信号を得るよ
うにしている。この実施例では、f₀とf₂とは必ず
しも１：２の関係にある必要はない。

第１２図の実施例は、入力端子INに印加され
る周波数f₀の入力信号を、1/2λのデイレイライ
ン２１に印加し、このデレイライン２１の入口と
出口の信号を１／４Ｔ（Ｔ＝１／ｆ_０）の周期で切換え
られるスイツチ３０を介して出力端子OUTから取り
出すようにしたものである。出力端子OUTから
の出力信号は、f₀近傍のバンドパス増幅器（図示
せず）を介して第２の振動子アレイ６に印加され
る。

第１３図の実施例は、入力端子INと出力端子
OUTの間に増幅器A₁と、1/4λのデレイライン２
１１、増幅器A₂，1/4λのデレイライン２１２の
直列回路とを並列接続して構成したもので、各増
幅器A₁，A₂は１／２ｆ_０の周期のストローブ信号で制御される。

第１２図および第１３図の実施例では、いずれ
も出力端子から1/2λデレイした逆転信号が得ら
れる。

なお、上記に説明した各逆転手段は、いずれも
出力端子OUTからの信号を第２の振動子６に印
加すると、再結像媒体中に収束波面だけが生じ、
収束する点で像が出現するようにしたものである
が、出現する像に多少のカブリが生じても問題な
いような場合には、例えば第１１図実施例におい
てDM₁，BPF₁，RM₁の系統を省略してもよい。
この場合、再結像媒体には収束波面の他に拡散波
面が生ずることとなる。

なお、上記の説明では第１の振動子アレイ２の
ほぼ中央にあるエレメントから励振超音波を照射
するようにしたが、励振超音波はどこから照射す
るようにしてもよい。また、この励振超音波は、
CW波の他、FM波、あるいは異なる周波数のCW
波を併用するようにしてもよい。また、第９図の
実施例においては、再結像媒体１０に一様な強さ
の光を照射するようにしたものであるが、第２の
振動子アレイ６から遠方ほど強い光を照射するよ
うにすることによつて、出現する像の明るさを補
正するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明装置は被測定媒体
内に連続的に超音波励振波を照射し、反射物体か
らの反射波を第１の振動子アレイで受信し、これ
らの受信波の実数成分又は虚数成分のいずれかを
反転し、この反転信号を再結像媒体中に第２の振
動子アレイによつて再放出するもので、鮮明な断
層像を簡単な構成で短時間で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来公知の超音波診断装
置の原理図、第３図は本発明の一実施例を示す構
成ブロツク図、第４図は本発明に用いられる反転
手段の一例を示す構成ブロツク図、第５図は第４
図の動作説明図、第６図は反転手段の他の例を示
す構成ブロツク図、第７図は本発明装置の動作を
説明する動作説明図、第８図は本発明装置の一構
成例の斜視図、第９図は第８図装置における可視
化手段の断面図、第１０図〜第１３図は本発明に
用いられる反転手段の一例を示す構成ブロツク図
である。１……被測定媒体、２……第１の振動子アレ
イ、１２……CW信号源、２０……実数成分又は
虚数成分反転手段、６……第２の振動子アレイ、
１０……再結像媒体。

Claims

【特許請求の範囲】１被測定媒体に結合しこの被測定媒体内に連続
的に照射された励振超音波の内部組織からの反射
波を受信する第１の振動子アレイ、この第１の振
動子アレイから得られた反射信号の実数成分又は
虚数成分のいずれかを反転する反転手段、超音波
信号が伝播可能な材料で構成された再結像媒体、
この再結像媒体に結合し前記反転手段からの信号
が印加される第２の振動子アレイ、前記再結像媒
体に得られる音響的像を可視化する手段を具備し
た超音波診断装置。２再結像媒体に得られる音響的像に光を照射し
そこからの回折光を検出して前記音響的像を可視
化する手段を用いるとともに、第２の振動子から
遠方にある音響的像に強い光を照射するようにし
た特許請求の範囲第１項記載の超音波診断装置。