JPS6279046A - 電子走査式超音波断層検査装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、超音波を人体などの被検物体中に放射し、被
検物体内部からの反射波の強度、進行方向、発生時間な
どより、被検物体内部の構造、構成などに関する断層像
情報をリアルタイムで得る、電子走査式超音波断層検査
装置（以下ＥＳＮＤＴ装置と略す）に関するものである
。

従来の技術 ＥＳＮＤＴ装置には現在の所、大きく分けて２通シの方
式が存在する。一つは、位相合成アンテナの原理による
セクター走査形ＥＳＮＤＴ装置（以下セクター装置と略
す）である。これは複数個の超音波発生素子、例えば圧
電振動子で発生する超音波の位相を制御することにより
、所定の方向に超音波を発生させるもので、この位相制
御量を変化させることにより超音波束を扇形に偏向走査
させゝ＼°４ で、例えば、心臓の観測のように、肋間から超音＼波を
放射しなければならない場合などに主に用いられている
。

もう一方は、ＩＪ　ニア装置である。これは直線上に配
置された多数枚の圧電振動子を次々に電子的にスイッチ
ング駆動し、超音波ビームを圧電振動子の配列面と垂直
方向に放射、平行走査するものである。

発明が解決しようとする問題点 リニア装置は、セクター装置に比べ、超音波ビームの走
査が容易なため、安価にしかも比較的分解能が高いもの
が実現できる。しかし、広い被検領域を得ようとすると
、必然的に探触子の長さを長くしなければならず、曲率
あるいは凹凸のある被検体表面に、探触子を広い範囲に
わたって密着させることが困難となる。

第６図ａはこの模様を示したもので、探触子１００が、
例えば生体表面１ｏ１に密着できるのは、図中斜線領域
しか有効被検領域がない。嘔らに、被検領域中に、骨あ
るいは含気量の多い臓器等が存在すると、音波伝搬方向
に関して、上記臓器の裏（深さ方向）側にある臓器が観
測できないつ探触子を移動することにより、この欠点を
除去できる場合もあるが、生体構造上の制約から、それ
が不可能な場合も多い。上記欠点を避ける方法の一つに
、第６図すに示した如く、探触子１００を傾斜させて入
射させることにより、骨１０２でさまたげられた目的物
１０３を観測できるが、この場合す図中の斜線部分しか
観測できない。これらの欠点を除去する目的で開発され
たのがセクター装置である。

セクター装置の探触子１０４の寸法は２〜ｓｃｍであり
、生体表面あるいは内部構造に起因して観測不可能とな
ったり、被検領域が狭くなる等の欠点が緩和される。し
かし、原理上生体表面付近での被検範囲が、第６図Ｃに
示した如く、狭くなシ、かつ超音波ビームを広い角度に
渡って指向性よく偏向させるために必要な位相遅延素子
に難点があり、装置も複雑高価となるなどの欠点がある
。

一方、両方の装置に共通する問題として、ＥＳＮＤＴ用
超音波探触子（以下探触子部と略す）があり、長さ６０
〜２００ｆｆ程度のところに６０〜２ｏＯ個程度配列し
なければならず、超音波周波数を数百に〜数ＭＨ２とす
ると、−個の圧電振動子の幅Ｗ附属さｔ　（ｗ　／　ｔ
　）が３以下になってしまい、従来の単一振動子を用い
た場合（ｗ　／　ｔ≧１０）の探触子部と異った動作を
行う可能性がある。この異った動作とは例えば、圧電振
動子の振動面が単純なピストン運動を行わず、高次の振
動モードが重畳したような複雑な振動を行うこと、ある
いは、データ表に表示てれている例えば結合係数などの
各種データが異ってくる事などを意味する。圧電振動子
が単純なピストン運動を行わなければ、この圧電振動子
から送受波された超音波の音場は、開口形状のフーリエ
変換した形にはならず、異常なもノニなる。第７図は、
ｗ　／　ｔ　カ２　、５０ＰＣＭ−ｓ圧電セラミックを
用いた素子を二つ集めた探触子部の音場パターンで、実
線はピストン音源による理論値、０印はこの素子で得ら
れた実験値である。

第７図から逆算するとＰＣＭ−５セラミツクの素子表面
における速度分布は第８図のように、歪んだものである
ことがわかり、決してピストン運動をしていないことが
証明される。これらは、種々の振動モードの結合の結果
生じるものと考えられる。

以上述べてきたように、ｗ／を比に特別な配慮を行わな
ければ、振動子面は、単純なピストン運動を行わず、こ
の結果音場パターンに乱れを生じサイドロープのレベル
ならびに形状を理論的なものより異常に大きくしかも異
なる形状にする。この結果、検出情報の精度を著しく低
下させ、ひいては、断層像の画像品位（分解能１階調性
など）を劣化させる。さらに、よシ高い分解能、操作性
、機能の向上、拡大を図るための各種信号処理方式例え
ば、サイドロープレベルを低くおさえるタメの重み付は
駆動１分解能を向上させるための超音波ビームの集束、
操作機能を拡大するための超音波ビームの偏向などを行
う場合振動子が、理想的なビス）ｙ運動を行っていない
状態ではこれらを実現することは不可能である。それ故
、従来の考え方による探触子部を用いたＥＳＮＤＴ装置
では、高品位の診断情報を得る事、あるいは機能を拡大
する事などは事実上不可能に近いと言える。

本発明は、以上述べてきた従来の探触子部の欠点を解決
するとともに、リニア装置の利点である装置構成が簡単
でしかも広い被検範囲にわたって良好な断層像が得られ
ることを保持したまま、セクター装置の利点である、生
体構造的制限による被検範囲狭小化の緩和を図ったＥＳ
ＮＤＴ装置の提供を目的とするものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記目的を達成するもので、その技術的手段
は、理想的なピストン振動を行う探触子部と、超音波ビ
ームを所定の方向に偏向させ送受信する偏向送受信信号
処理部と、所定のピッチで超音波ビームを走査させる選
択駆動制御部と、断層像の表示部と、全体の動作を制御
する基準信号発生部を備えたものである。

作　　用 本発明はかかる構成において、音波の進行方向と、振動
子の配列方向で規定される面内で、任意、あるいはある
設定角度方向に、音波を偏向させた！ま、直線的に走査
を行うことによシ、被検対象物が、物体表面あるいは、
体内構造により検出できない欠点を解決し、かつ上記障
害がない場合には、探触子の長さで規定された被検範囲
を拡張し、等制約に視野を実現するとともに、セクター
走査を行いながら直線的に走査を行う事など、所謂複合
走査が可能となる。

実施例 以下本発明の実施例について述べる。

最初に、今回使用したＣＥＳＮＤＴ装置用探触装置用探
触釣部成例について述べる。第１図は、この探触子部の
一構成例である。

第１図ａは断面図、第１図すは平面図である。

第１図ａにおいて、４０１は圧電振動子であって例えば
ＰＺＴ、ＰＣＭ　　など二、三成分系セラミック、もし
くはＬＴＴなどの一成分系セラミックあるいは水晶、Ｌ
ｉＮｂＯ３などの結晶材料を利用する。４０２゜４０３
は金属電極であってＡｇ　、　ＡＩ　、　Ａｕ、　Ｃｕ
　、　Ｉｎなどの蒸着、焼付は塗布などによって作られ
る。

４０４．４０５はそれぞれ整合層および背面負荷である
。背面負荷４０５は、使用する場合と使用しない場合が
ある。

整合層４０４は単層のものと、二重層、三重層などの多
層のものがある。４０６は音響絶縁スペースであって、
各圧電振動子間の音響的な結合を除去するためのもので
ある。第１図すは第１図ａの探触子部を裏面より見た図
である。簡単なため背面負荷は省略しである。整合層４
０４側の電極４０２は共通電極として使用するため、電
極間接続線４０７が施されている。４０８は共通電極用
リード線、４０９は各圧電振動子からのリード線である
。

各部の寸法は、発生超音波周波数、ｗ　／　を比、挿入
利得、微分位相特性、被検範囲などを考慮して設定され
る。（設定のための基本的考え方、基礎計算資料につい
ては同一出願人の昭和６１年１０月２５日付の出願に係
る特公昭５６−１７０２６号公報参照） 発生超音波周波数２．５ＭＨ２の場合を例として、具体
的寸法、材料を以下に示す。なお、本実施例の場合、２
個の圧電振動子を電気的に並列接続し、１単位振動子と
している。

圧電振動子　材料　ＰＣＭ−５ “　　　寸法　ＨＯ，４ｘ（ｔ）ｏ、ｅ　ａｘ“　　　
枚数　１２８ 単位振動子　枚数　６４ 音響的絶縁層　材料　空気 ”　　　寸法　幅　０．１　ｆｆｌ＋ 整　合　層　材料　第１層溶融石英ガラス第２層エポキ
シ樹脂 背面負荷　　使用せず 第２図は上記仕様で製作１７た探触子部を幅のび振動さ
せたときの音場パターンで、１６個の圧電振動子（８個
の単位振動子）を同時に動作させた場合を示す。図にお
いて縦軸は正規化されたエコー信号、横軸は角度を示す
。実線は、音源がピストン運動をしている場合の理論値
で、○印が実験値である。第２図より、この探触子部は
、理想的な振動をしていることがわかる。

具体的な装置説明に入る前に、超音波ビーム偏向を行う
ため基本原理を示す。第３図は、その説明図である。直
線上に、距離ｄだけ離して配置されたｎ個の単位振動子
６ｏＯ（以下振動子と略す）を用いて、超音波ビームを
振動子が配列されている面の法線方向からθだけ偏向さ
せたい場合、それぞれの振動子を（ｉ−１）ｄｓｉｎθ
／　ｖ　（ｉ　：振動子番号、ｄ：振動子間隔、θ：偏
向角度、Ｖ：音波伝搬速度）の時間差を持たせて駆動す
れば、それぞれの振動子より発生された超音波の合成波
面５０１は、ホイヘンスの原理より、振動子配列面５０
２よりθだけずれた方向に生じる。例えば超音波ビーム
をθ＝３００偏向させたい場合、振動子数ｎ＝８．振動
子間隔１　ｍｌ　、水中伝搬速度ｖ＝１．５Ｘ１０羽／
玄　　と仮定すると、１番目の振動子を駆動する時間を
０秒とすると、振動子番号８番目の振動子は２．３３μ
気だけ遅らせて駆動すればよい。振動子番号７番、６番
の振動子の駆動タイミングは、それぞれ２．０μ宴、１
．６７μ玄である。

以上の説明を基本原理として、本発明の一実施例におけ
るＣＥＳＮＤＴ装置の具体例について説明する。第４図
は、具体例の装置ブロック図を、第５図には、各部信号
波形図をそれぞれ示す。

このＣＥＳＮＤＴ装置を機能別に大別すると第４図に示
したように、超音波の送・受波を司るＵＰ部２ｏ○と、
ＵＰ部を構成する多数枚の圧電振動子を所定の順序に従
って選択駆動できるように制御する選択駆動制御部２０
１．超音波の偏向、送受信信号処理を行う偏向送受信信
号処理部２０２゜断層像を表示する表示部２ｏ３．各部
の動作を全体的に制御する基準信号発生部２０４の５部
よりなる。ＵＰ部２００と選択駆動制御部２０１は同一
の探触子筐体に装填されており、他の３部は本体部筐体
に装填されている。

探触子部２００は、第１図に示した構成をもつ単位振動
子３００で構成されている。ただこの場合、単位振動数
は６部単位振動子（振動子数−６４Ｘ２＝１２８枚）で
ちる１、超音波ビーム偏向は８枚の単位振動子を用いて
行うとするものとする。

８単位振動子をそれぞれ所定の時間遅延量を持たせて駆
動するために、インパルス、あるいはＲＦパルスを発生
する、駆動信号発生回路３０１を８個有する。この駆動
信号発生回路３０１は、外部からの駆動タイミング信号
３０２に同期して、駆動信号全発生するものである。超
音波ビーム偏向のための駆動時間遅延量は、駆動タイミ
ング信号３０２の印加タイミングによって制御する。こ
の駆動タイミング信号は、基準クロック信号発生器３０
３の基準クロック信号３０４（第５図ａ）を基準として
、駆動タイミング制御部３０５で作られる。この駆動タ
イミング制御部３０５は、基準クロｙり信号に同期して
動作する８ビツトのシフトレジスタ（今の場合、ＴＩ社
製５Ｎ７４１６４を使用）で構成され、ビーム偏向角度
に対応した時間差をもつ駆動タイミング信号を８個発生
する。

偏向角度指定信号発生器３０６から発生された遅延タイ
ミング信号３ｏ了（第５図ｂ）でシフトレの遅延タイミ
ング信号周波数は、３ＭＨｚである。

遅延タイミング信号は、所定の偏向角度に応じて、例え
ばＣＲ発振器の発振周波数を変化させることによって、
任意の偏向角度に応じた遅延タイミング時間が得られる
。なお、該遅延タイミング信号は、今の場合８単位素子
で偏向を行うようにしているため、基準クロック信号１
パルスに対して８個だけ発生させる。

この遅延タイミング信号に対応して駆動タイミング制御
部３０６で発生された駆動タイミング信号３０２によっ
て、８個の同一構成の駆動回路３０１で発生された駆動
信号３０８は探触子筐体内に装填された８個の８チヤン
ネルのマルチプレクサ（ＭＰＸ）３０９（７）そレソれ
のＩＮＰＵＴ　１０ＵＴＰＵＴ　端子に印加される。今
の場合、このＭＰＸ３０９にはシリコニクス社製ＤＧｓ
ｏｓを使用している。この駆動信号は、それぞれのＭＰ
Ｘに対応して設置された、３ビツトのＭＰＸアドレスカ
ウンタ３１０で選択されたチャンネルを通って、所定の
振動子を駆動する。このアドレスカウンタのクロック端
子３１１には、基準クロック信号３０４に同期動作する
８ピツトシ゛フトレジスタ３１２の出力３１３がそれぞ
れ接続されている。この結果、基準クロック信号３０４
が１個送られるたびに、８ビツトシフトレジスタが１ビ
ツトずつシフトし、ビットの変ッたＭＰＸアドレスカウ
ンタ３１０を１番地ずつ増加させる。なお、基準クロッ
ク信号の周波数は、所定の被検深さと、一画面を構成す
るための時間などを勘案して設定され、今の場合例えば
被検深さ２０ｃｍ程度を得るために約３〜４ＫＨｚであ
る。

ＭＰＸ　の各チャンネルと探触子部の接続方法は、第４
図に示したようにＰｌをＡＩＭＰＸの第１チヤンネル（
以下１　ａｈと略す）に、Ｐ２をＡ２ＭＰＸの１　ｃｈ
、Ｐ　３　ｆ／１６３　ＭＰＸの１　ａｈに−・−Ｐ　
ｓを腐８ＭＰＸ（Ｄｌ　ａｈ　１Ｃ１Ｐ　９　ヲ／１６
１　ＭＰＸ　（７）　２　ｃｈｉｃ、Ｐ　１０　ｔ−／
Ｉ６２　ＭＰＸ＋７）　２　ｃｈｔｌｃ−・−Ｐ　６３
をＡ７ＭＰＸの８ｃｈｌＣ１Ｐ　６４　ヲＡ　８　ＭＰ
　Ｘノ８　ａｈニとい　う具合に接続されている。この
結果、各ＭＰＸのチャンネルは８チヤンネルのうちどれ
か１つが常にオンとなり、互いに隣接し合う１群（８個
）の単位振動子が送受波可能となるとともに、８ビツト
シフトレジスタ３１２の出力が変るたびに、この１群の
単位振動子の組合せが変り、即ち走査できることになる
。

以上の回路動作によって、所定の偏向角度θの方向に発
生された超音波ビーム３１４は、体内の異種構造物で反
射され、その反射音波は、送波を司った振動子群を励振
させ、その結果生じた反射電気信号３１５を８チヤンネ
ルのＭＰＸ１個よりなる受信信号選択器３１６に導く。

ここで、例えば常に発射音波の左端を司るチャンネルの
みを選択し、受信器３１７に印加する。この受信信号選
択器のチャンネル制御は、基準クロック信号３０４をク
ロック入力信号とする３ピツトカウンタ３１８で発生さ
れたチャンネル選択信号３１９で行う。

本実施例では、１チヤンネルのみを受信信号とする方式
を採用したが、各受信信号に対し、アナｄグ、あるいは
ディジタルメモリを用いて、送波時と同じ遅延量をもた
せて加え合せる方式も可能である。

受信器３１７は、受信信号３２０に対し、検波・増幅を
行い、断層像表示装置３２１の輝度変調部に印加する。

一方、この表示装置３２１の高速偏向は、基準クロック
信号に同期して、鋸歯状波偏向信号３２３（第５図ｄ）
を発生する高速偏向信号発生器３２２によって行われる
。また低速偏向は、基準クロック信号を、走査線数分だ
け分周する分周器３２４で分周された低速クロック信号
３２６に同期して、偏向信号発生器３２６で発生された
低速偏向信号３２７（第６図ｅ）によって行う。

以上の装置動作により、超音波ビームを３０度偏向させ
ながら、リニア走査と同様に走査をすることにより、い
わゆるひし形の断層像が得られることになる。

なお以上の説明は、８単位振動子を一群にして駆動しつ
つ、１単位振動子の横幅分だけずらしながら超音波ビー
ムの走査を行う場合を例に説明したが、一群として駆動
する単位振動子枚数は８に限らず、７枚でも、９〜１０
枚でもよく、一般にこの枚数は、単位振動子の整数倍は
全て可能である。さらに、横ずらしピッチ量は１単位振
動子幅分に限らず、例えば、一群の駆動振動子幅以上ず
らして駆動し、伝搬時間の制限によるパルス反射法の限
界クロック周波数を越えたクロック周波数で超音波パル
スを発射し、完像時間を早める事も可能となる。走査の
方向も、カウンタ３１ｏを加算・減算カウンタを使用す
ることにより、正逆両方向に行える。

発明の効果 以上要するに本発明は、理想的なピストン振動を行う探
触子部と、超音波ビームを所定の方向に偏向させ送受信
する偏向送受信信号処理部と、所定のピッチで超音波ビ
ームを走査させる選択駆動制御部と、断層像の表示部と
、全体の動作を制御する基準信号発生部を備えたもので
あシ、以下の効果を有する。

（１）診断のための障害物をさけて、しかも広い被検範
囲の断層像が得られる。

（２）　　（１）の結果、生体構造にとられれることな
く診断が可能となシ、診断精度、効率が向上する。

（３）直線電子走査（本発明で用いた駆動クロック信号
の時間遅延がない場合）と、本発明の走査モードを併用
すると、該直線電子走査の場合に較べて広視野化が図れ
る。

（４）偏向角度の極性を、１枚の断層像が完像するごと
に変化させることによシ、台形状の断層像が得られ、直
線電子走査に比べ広視野化が図れる。

（５）偏向角度が任意に設定可能であるため、例えば、
セクタ走査しながら、これで得られた扇形の断層像を重
ね合せるように走査して断層像を得ることも可能となり
、臓器に対して超音波ビームの入射角度が固定していた
ために発生した臓器形態の不完全映像化（スベキュラ効
果）の問題が解決できる。なおこの効果は、上記（３）
。

（４）においても得られる。

（６）探触子部が、理想のピストン運動を行い、しかも
高感度化するような構成にした事により、上記１〜５に
係る超音波ビームの偏向が理想的に、しかも高感度で行
え、高品位の断層像が得られる。

（７）選択駆動制御部と探触子部を同一筐体内に装填し
たことにより、本体部との接続線数全大幅に低減させる
ことができ、探触子の操作性が向上する。

【図面の簡単な説明】

２００・・・・・・探触子部、２０１・・・・・・選択
駆動制御部、２０２・・・・・・偏向送受信信号処理部
、２０３・・・・・・表示部、２０４・・・・・・基準
信号発生部、Ｐ１〜Ｐｓ４・・・・・探触子部、３０１
・・・・・・駆動信号発生回路、３０３・・・・・・基
準クロック発号発生器、３０９・・・・・・アナログマ
ルチプレクサ、３１０・・・・・・カウンタ、３１２・
・・・・・８ビツトシフトレジスタ、３０５・・・・・
・駆動タイミング制御部、３０６・・・・・・偏向角度
指定信号発生器、３１７・・・・・・受信器、３２１・
・・・・・断層像表示装置。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名４Ｕ
’／ 第２図 ハｎ＞２已 第５図 第６図 （α）（ｂ） （ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）横幅ｗと厚さｔの比ｗ／ｔが０．８以下の値を持
   つ圧電振動子をＮ個（Ｎは複数）配列しこの圧電振動子
   の厚み方向の上下面に電極を施し、この電極の一方の面
   に密接して整合層を設けた探触子部と、この探触子部を
   電気機械結合係数がＫ′＿３＿３に係る幅伸び振動で励
   振させ、所定の方向に超音波ビームを偏向させるための
   駆動信号を発生し、かつ受信電気信号の受信信号処理を
   行う偏向送受信信号処理部と、前記探触子部を構成する
   Ｎ個の圧電振動子の内、ｎ個（Ｎ＞ｎ）を一群とし、こ
   のｎ個の圧電振動子を、圧電振動子間隔あるいはこの間
   隔の整数倍ずつずらしながら、所定の方向に、同一駆動
   信号レベルで駆動しながら超音波ビームを偏向、走査を
   行うように制御する、前記探触子部と同一筐体内に装填
   した選択駆動制御部と、前記送受信信号処理部で得られ
   た受信信号を前記走査順序に従って断層像表示を行う表
   示部と、以上の各部の動作を全体的に制御する基準信号
   発生部とを備えたことを特徴とする電子走査式超音波断
   層検査装置。
2. （２）選択駆動制御部が単一または複数個のアナログマ
   ルチプレクサと、基準信号をもとにしてアナログマルチ
   プレクサの開閉を制御するカウンタとを備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子走査式超音波
   断層検査装置。