JPS63147443A - 超音波ビ−ム走査装置 - 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、超音波ビーム走査装置、更に詳しくは、複数
の超音波振動子を円環状に配設し、電子スキャナスイッ
チで超音波ビームをラジアルスキャンする超音波ビーム
走査装置に関する。

［従来の技術］ 従来、超音波ビームをラジアル方向にスキャンする方式
には、メカニカルスキャンタイプと電子スキャンタイプ
とがある。

上記メカニカルスキャンタイプの超音波ビーム走査装置
は、特開昭５７−１３４１４７号公報記載の体腔内用超
音波診断装置に、その−例が示されている。この超音波
診断装置は第１０図〜第１２図に示すように構成されて
いる。即ち、超音波内視鏡７１は、手元操作部７２に可
撓性の体腔内挿入部７３を連設してなり、該手元操作部
７２には照明光源接続用ケーブル７４が連結されている
。

そして、挿入部７３の先端構成部７５には、先端側に超
音波ビーム走査部７６、後端側に照明窓７８と観察窓７
９とからなる観察部７７が設けられていて、照明窓７８
から照明光を出射し、体腔内を照明するとともに、観察
窓７９から入射した観察像をイメージガイドを通じて手
元操作部７２の接眼部８０で観察するようになっている
。

上記超音波ビーム走査部７６は、第１１図および第１２
図に示すように、先端構成部７５の本体８３内に、軸受
８４，８４によって中空の回転軸８５を支持するととも
に、同回転輔８５の先端に上記本体８３の先端面から突
出する振動子支持枠８６を設けてなるもので、上記回転
軸８５は挿入部７３内に挿入配置したフレキシブルシャ
フト８７（第１０図参照）を介して手元操作部７２内の
モータ８８に連結されている。そして、該モータ８８を
作動させることにより、フレキシブルシャフト８７を介
し回転軸８５が振動子支持枠８６を回転させるようにな
っている。この振動子支持枠８６には超音波振動子８１
が取り付は固定されはでおり、超音波振動子８１の裏側
にはダンパ材８２が設けられている。

このように構成された超音波診断装置においては、手元
操作部７２のモータ８８を作動させるこにより、フレキ
シブルシャフト８７を介して回転軸８５および振動子支
持枠８６を回転させ、これによって超音波振動子８１を
体腔内抑大部の中心軸の周りに回動させてラジアル方向
にスキャンする。

一方、電子スキャンタイプの超音波ビーム走査手段は特
開昭５５−１４６０６５号公報記載の超音波ビーム走査
方向に開示されている。この走査手段は、第１３図およ
び第１４図に示す如く、円配列トランスデユーサ９０の
構成要素である超音波振動子９０−１〜９０−８を等間
隔で円環状に配設する。

そして、送信信号発生器９９からの送信信号が、送信ビ
ームフォーマ切換スイッチ９５および９３で送信ビーム
フォーマ９４ａ、９４ｂの何れかを選択して所望のビー
ムに形成されＴ／Ｒスイッチ９２に印加される。上記送
信ビームフォーマ９４ａ。

９４ｂおよび受信ビームフｔ−７９７ａ、９７ｂは、入
力信号を遅延時間の異なった数本の遅延線に時分割して
印加することにより、超音波振動子９０−１〜９０−８
から放射されるビームを、よりブロードなビーム、ある
いは、よりシャープなビームに形成するものである。今
、Ｔ／Ｒスイッチ９２がＴ側にあると、送信信号は、マ
ルチプレクサ回路等からなる電子スキャナスイッチ９１
でスキャンされ、超音波振動子９０−１〜９０−８に順
次印加されるので、該トランスデユーサ９０より体腔内
被検部位に超音波ビームが照射される。そして、人体組
織の構造の差異に応じて反射し、この反射波は、再び円
配列トランスデユーサ９０で受信され、電子スキャナス
イッチ９１、Ｔ／Ｒスイッチ９２のＲ側、受信ビームフ
ォーマ切換スイッチ９６゜９８および受信ビームフォー
マ９７ａあるいは９７ｂを経て出力される。

［発明が解決しようとする問題点コ ところで、上記従来のラジアルスキャン方式においては
次のような欠点があった。

即ち、機械的に超音波ビームをラジアルスキャンするメ
カニカルタイプのものでは、体腔内に挿入された内視鏡
等の挿入部先端構成部に配設された振動子を機械的に回
転させるため、可動部における信頼性が低く、形状も大
きくなるので、体腔内に挿入する際の患者に与える苦痛
も大きかった。

また、フレームレートが低いので、心臓のように動きの
早い臓器の断層像描出が困難であった。さらにまた、ド
ツプラーをとるときの振子位置決めが手動操作のため煩
しかった。

また、電子的に超音波ビームをラジアルスキャンする電
子スキャンタイプのものでは、円環状に配設された超音
波発生素子アレイの外周方向に超音波ビームを放射する
ので、該アレイの近傍に超音波ビームを集束させること
が困難であり、超音波内視鏡等の走査部にこの方式を適
用すると、管壁の観察像の分解能が悪く、鮮明な超音波
断層像が得られなかった。

従って、本発明の目的は、上述のように従来の走査装置
が有していた不具合を除去し、フレームレートが高く、
ドツプラーの容易に実現できる電子式ラジアルスキャン
走査方式を採用しながら、円環状アレイの外周近傍に焦
点を結ぶことが可能で、分解能のよい超音波ビーム走査
装置を提供するにある。

［開閉点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を除去するために、複数の超音波
振動子を円環状に配設してなる超音波発生素子アレイと
、この超音波発生素子アレイの内側に充填されていて、
上記超音波振動子と音響適合性の良いマツチング部材と
、上記複数の超音波振動子の一部を順次選択し、選択し
た振動子にディレィラインを通じて超音波送・受信回路
を接続する電子スキャナスイッチと、をｆ４備したこと
を特徴とする。

［作　用］ 上記電子スキャナスイッチで選択された振動子から発生
する超音波ビームを、上記マツチング部材を通じて、円
環状のアレイの中心線を通る反対側の振動子を透過して
外部に集束するように放射させる。

［実　施　例コ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

本発明の一実施例を示す第１図〜第４図において、超音
波発生素子アレイ１は、その断面を第１図に、その斜視
図を第２図にそれぞれ示すように、超音波発生素子とし
ての圧電素子２（１）〜２（１６）が円環状に等間隔で
配設されたもので、その内周全域にリング状の共通電極
３を、外周には各圧電素子に対応する素子別電極４（１
）〜４（１Ｇ）が取り付けられている。超音波発生素子
アレイ１の内部には、上記圧電素子と電気音響的にマツ
チングのよい部材として、例えばＬｉＮｂＯ２のような
マツチング部材５が充填され、また最外周は、超音波を
良好に透過する、例えばポリエチレンなどの合成樹脂か
らなる絶縁層６で素子別電極４（１）〜４（１Ｂ）を被
覆している。そして、このように構成された超音波発生
素子アレイ１は、第３図に示すように超音波駆動回路お
よび表示部に接続されて使用される。

即ち、超音波発生素子アレイ１の圧電素子２（１）〜２
（１Ｇ）の各個別電極４（１）〜４（１Ｂ）は電子スキ
ャナスイッチを形成するマルチプレクサ１１の出力端子
Ｑ１〜Ｑ１６にそれぞれ接続され、同電子スキャナスイ
ッチ１１の入力端子Ａ、ＢおよびＣに結線されたディレ
ィライン１２．．１３および１４を、上記マルチプレク
サ１１の図示しない４ビツトの制御入力の重みづけを変
えて、上記圧電素子２（１）〜２（１Ｂ）のうちの連続
した３個に順次接続する。

上記ディレィライン１２．１３および１４は、３個のア
ナログスイッチからなるＴ／Ｒスイッチ１５゜１６およ
び１７のトランスファ接点に結線され、送信回路１８．
１９および２０と受信回路２１゜２２および２３の何れ
を選択するかを、ビームコントローラ２４で制御する。

受信回路２１〜２３の出力は、Ａ／Ｄコンバータ２５に
入力され、その出力はＤＳＣ２６に入力されて、ビーム
コントローラ２４からの人力に応動して座標変換された
後、ＣＲＴ２７に印加される。

このように構成された本発明による超音波ビーム走査装
置の動作を説明する。先ず、超音波ビームのラジアルス
キャンを第４図を用いて説明する。

図において、超音波発生素子アレイ１の各圧電素子２（
１）〜２（１Ｇ）は、時計方向に同時に４個の圧電素子
が駆動されるものとする。そして、超音波ビームを時計
の文字板の３時方向に放射するには、圧電素子２（１１
）〜２（１４）を、６時方向へは圧電素子２（１５）　
、　２（１Ｂ）　、　２（１）および２（２）を、９時
方向へは圧電素子２（３）〜２（６）を、そして１２時
方向へは圧電素子２（７）〜２（ＩＱ）をそれぞれ駆動
すればよいようになっている。駆動された圧電素子は円
環状アレイに対して外部と内部に超音波ビームを放射す
るが、円環内は前記したように電気音響的に良好なマツ
チング部材５で充填されているのに反し、円環の外部に
はこのようなマツチング部材が接していないので電気音
響的にミスマツチであり、また円環外への超音波ビーム
は、信号処理によりキャンセルされるので、円環内に投
射される超音波ビームに比し無視できる。従って、超音
波ビームは、第４図に示すように、内部のマツチング部
材５を通じ、駆動圧電素子と対向する圧′ｔｕ素子を透
過して外部に照射される。

さて、第３図に戻って、超音波発生素子アレイ上のうち
連続した３個の圧電素子２（１）〜２（３）が選択され
ていると仮定すると、照射ビームは図において左斜め下
の方向に放射される。この際、ビームコントローラ２４
の制御信号により送信回路１８〜２０から送信パルスが
発生され、Ｔ／Ｒ切換スイッチ１５〜１７が図に示す送
信側に切り換っているので、ディレィライン１２〜１４
を介し、マルチプレクサ１１の図示しない４ビット制御
信号で選択された圧電素子２（１）〜２（３）が駆動さ
れて、図示の方向に超音波ビームが照射される。このと
き、連続した３個の圧電素子２（１）〜２（３）のうち
中央の圧電素子２（２）に接続されるディレィライン１
３の遅延時間を両端のそれより大きくしであるので、圧
電素子２（２〉と超音波発生素子アレイ上の中心点とを
結ぶ軸上に超音波ビームをフォーカスさせることができ
る。このようにして発生した超音波ビームは、マツチン
グ部材５に引き込まれ対向する圧電素子２（１０）を透
過して、被検体に照射され、そのエコーが再び圧電素子
２（１）〜２（３）に戻って、マルチプレクサ１１、デ
ィレィライン１２〜１４、Ｔ／Ｒ切換スイッチ１５〜１
７を介し受信回路２１〜２３に入力される。なお、Ｔ／
Ｒ切換スイッチ１５〜１７は、送信パルス送出時のみ図
に示す送信側に切り換わり、それ以外のタイミングでは
、ビームコントローラ２４の制御信号によって受信側に
、即ちディレィライン１２〜１４と受信回路２１〜２３
を接続するように切換えられる。そして受信回路２１〜
２３で増幅された超音波反射信号は、Ａ／Ｄ変換器２５
で加算されたのち、ディジタル値に変換され、ＤＳＣ２
６に印加される。このＤＳＣ２６では、ビームコントロ
ーラ２４の制御信号に基づき、超音波反射信号がディス
プレー上にてＭモード表示からＢモード表示になるよう
に座標変換し、ラジアルスキャン表示の画像をＣＲＴ２
７のディスプレー上に表示する。

次に、マルチプレクサ１１の図示しない４ビット制御信
号を１ビツトずつ増加することによって、圧電素子を２
（１）〜２（ａ）−２（２）〜２（４）−２（３）〜２
（５）・・・・・・２（１４）〜２（１Ｂ）→２（１５
）〜２（１）→２（１Ｂ）〜２（２）→２（■）〜２（
３）と右回りでリング状に順次３個ずつ選択し、同様の
手順を繰り返すことによりラジアルスキャンが実現でき
る。また、圧電素子の選択数は３個に限定されるもので
なく、何個でも同様の動作が行なえるのは勿論である。

第５図〜第９図は、本発明による超音波ビーム走査装置
を医療用の超音波内視鏡に適用した例で、第３図におけ
る超音波発生素子アレイ１は、超音波内視鏡の先端構成
部に配設され、マルチプレクサ１１からＣＲＴ２７まで
の各電気回路は、手元操作部の近傍に配置された制御装
置内に格納され、この制御装置から内視鏡の鉗子チャン
ネル内に挿通される電気リード線によって両者は接続さ
れる。

ところで、前記したように、超音波発生素子アレイ１に
電気音響的にマツチングの良好な部材としてＬｉ　Ｎｂ
　Ｏ３があげられるが、これは無色透明で化学的にも安
定しており、人体に対しても無害である。

第５図は、ＣＯＤイメージヤ−５１を併設した超音波内
視鏡の一例で、マツチング部材５として、このＬｉＮｂ
Ｏ２を内視鏡の先端構成部５７にとりつけ、このマツチ
ング部材５の背面にＣＯＤ素子５１を配設する。そして
、ＬｉＮｂＯ２からなるマツチング部材５の前面をレン
ズ状に成形し、研磨しておけば、そのまま対物レンズと
して使える。なお符号５２は、圧電素子用リード線、符
号５３はＣＣＤ用リード線である。

第６図は側視型の超音波内視鏡の一例で、先端構成部５
７の側面に配設された対物レンズ５４および挿入部内に
挿通されたイメージガイド５５からなる側視タイプの内
視鏡に本発明を適用したものである。なお、ライトガイ
ドは省略されている。

円環状の超音波振動子アレイエのリード線５２を、挿入
部内に設けられた鉗子チャンネル５６に挿通して手元操
作部に導き、これから外部に導出し、外部に配置された
ＣＲＴにて超音波断層像をｖＪ、測できる。

また、円環状に配置された超音波振動子アレイ１は、内
視鏡挿入部の先端＋Ｍ構成部７の先端に装着しなくても
よく、第７図に示すように、挿入部のどこに配置しても
よいこと勿論である。

第８図は、本発明による超音波ビーム走査装置における
超音波振動子およびマツチング部材を、内視鏡挿入部の
先端構成部５７の先端金枠を波型しているスコープ先端
フードと一体化した一例である。図において、超音波発
生素子アレイ１の外周ヲ、シリコン系の樹脂で形成され
たスコープ先端フード５９で覆ったもので、該シリコン
系樹脂フード５９は、その後端が先端構成部５７の外装
部材６０に螺着され、中央が音響レンズ５９ａとして形
成され、研磨されている。超音波発生素子アレイ１の内
面には、中空のダンパ一部材６１が密着して取り付けら
れる。内視鏡先端構成部５７内に照明光学系を形成する
ライトガイド６２とその先端に取着された照明窓６３、
および観察光学系を形成するイメージガイド６４とその
先端に取着された対物レンズ６５が配置される。

このように構成された本適用例では、超音波発生素子ア
レイエからの送波エネルギーのうち、内部へ放射される
超音波ビームは、ダンパ一部材６１で吸収されるので、
大部分が音響レンズ５９ａで集束され外部の一点Ｐ１に
照射される。一方、照明光が照明窓６３から出射され、
対物レンズ６５にて体腔内を観察できるから、この超音
波内視鏡を体腔内に挿入するときのファインダの役割を
果たすことができる。

第９図は、超音波発生素子アレイ１の内部に向は超音波
ビームを照射する本発明を、第８図の内視鏡に適用した
例であって、第８図と同一の構成部材については同一符
号を付すに止め、その説明は重複を避けて省略する。超
音波発生素子アレイ１の内部は、超音波エネルギーに対
し音響的にマツチングの良好な、且つ、透明で光を透過
させるＬｉＮｂＯ２からなるマツチング部材５で充填さ
れる。該マツチング部材５の先端面には、照明窓６３と
対物レンズ６５とが配設され、先端構成部５７内の、対
物レンズ６５に対応する位置にＣＣＤイメージヤ−５１
が配設され、リード線５３によりＣＣＤイメージヤ−出
力を手元操作部より外部に取り出すようになっている。

このように構成された本適用例は、ライトガイド６２か
らの光が透明のマツチング部材５を透過して照明窓５３
より外部へ投光され、反射光が対物レンズ６５で集束さ
れマツチング部材５を経てＣＣＤイメージヤ−５１に入
力される。従って、本適用例に係る超音波内視鏡を体腔
内に導入するに際し、ＣＣＤイメージヤ−５１から引き
出されたリード線５３を外部に設置したディスプレー装
置に接続しておけば、ディスプレーの画像を見ながら挿
入することができる。体腔内の所定位置に達したら、超
音波ビームを超音波発生素子アレイ１の内部にあるマツ
チング部材５を経て、対向する超音波振動子を透過し、
被検体Ｐ２に向けて超音波ビームを照射することができ
る。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、 （１）超音波発生素子アレイ上の各圧電素子は、電子的
に駆動されるので、フレームレートを如何様にも上げる
ことができ、心臓等のように動きの早い臓器を検診でき
ると同時に、ドツプラー信号をとりこむ超音波ビームの
位置を容易に選択できる。

（ｉｉ　）圧電素子２（１）〜２（１Ｂ）は、円環状に
配設され、且つ対向する圧電素子を透過して超音波ビー
ムを送受波するので、内視鏡挿入部の先端構成部近傍の
被検部位をフォーカスしやすく、より分解能の高い像が
得られる。

等の顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す超音波ビーム走査
装置における超音波発生素子アレイの横断面図、 第２図は、上記第１図に示す超音波発生素子アレイの斜
視図、 第３図は、本発明の超音波ビーム走査装置の電気回路の
構成を示すブロック図、 第４図は、上記第１図に示す超音波発生素子アレイから
照射される超音波ビームの説明図、第５図は、本発明を
ＣＣＤイメージヤ−が併設された超音波内視鏡に適用し
た先端構成部の断面図、 第６図は、本発明を側視タイプの内視鏡に適用した場合
の先端構成部の断面図、 第７図は、本発明を内視鏡の先端構成部の中間に配設し
た場合の適用例を示す断面図、第８図は、スコープ先端
フードで超音波発生素子アレイを被覆した内視鏡の先端
構成部の断面図、第９図は、本発明をＣＯＤイメージヤ
−併設の内視鏡に適用し、スコープ先端フードで超音波
発生素子アレイを被覆した内視鏡の先端構成部の断面図
、 第１０図は、超音波診断装置の外観図、第１１図および
第１２図は、上記第１Ｏ図の超音波診断装置の先端構成
部の要部拡大横断面図と要部拡大縦断面図、 第１３図は、従来の電子ラジアルスキャン方式の超音波
ビーム走査装置のブロック図、第１４図は、上記第１３
図に使用されるトランスデユーサの斜視図である。 ｌ・・・・・・・・・超音波発生素子アレイ２（１）〜
２（１Ｂ）・・・・・・圧電素子３・・・・・・・・・
共通電極 ４・・・・・・・・・素子別電極 ５・・・・・・・・・マツチング部材 １１・・・・・・・・・電子スキャナスイッチ（マルチ
プレクサ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　複数の超音波振動子を円環状に配設してなる超音波発
   生素子アレイと、 この超音波発生素子アレイの内側に充填された、上記超
   音波振動子と音響適合性の良いマッチング部材と、 上記複数の超音波振動子の一部を順次選択し、選択した
   振動子にディレィラインを通じて超音波送・受信回路を
   接続する電子スキャナスイッチと、を具備し、上記電子
   スキャナスイッチで選択された振動子から発生する超音
   波ビームを、上記マッチング部材を通じて中心線を通る
   反対側の振動子を透過して外部に集束するように放射さ
   せるようにしたことを特徴とする超音波ビーム走査装置
   。