JPH0142208B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波光学装置および超音波診断す
べき被検体が液槽の中に配置され、被検体が平面
的に写し出され、被検体の超音波診断が非干渉性
の超音波で行なわれ、集束レンズ、結像レンズ系
および検出装置が設けられているような超音波診
断装置に関する。

たとえば医学診断用の一般的な超音波診断装置
はエコー方式の原理に基づいて作動する。その場
合その中にある圧電セラミツクにより発信および
受信ができる超音波ヘツドは、できるだけ短かく
深さ全体にわたつて狭く集束された超音波パルス
を発生する。人体における種々の音響インピーダ
ンスをもつた境界面でエコーが作られ、このエコ
ーはたいていは同じ超音波ヘツドで検出される。
遅延時間から深さに関する情報が求められ、電子
式あるいは機械式に走査することによつて二次元
的な深部断面像を得ることができる。

この種の超音波診断装置は米国特許第3886430
号明細書、同第3913061号明細書、同第3982223号
明細書および同第3971962号明細書に記載されて
いる。

それは周知の光学的な結像原理にもとづいてお
り、その際結像のために超音波レンズが用いられ
ている。しかしこの構造は２枚のポリスチロール
製レンズの間に特殊液（フツ化炭化水素）が封入
されていなければならないので、特殊液内におい
て大きな吸収損失を生じ、また特殊液とポリスチ
ロールとの境界面において大きな反射損失を生ず
る。更にこの結像レンズ系の中にはプリズム系が
設けられるが、それは結像ビームを走査するため
に可動的に設置する必要がある。結像にとつて重
要な非干渉性の超音波域の発生は、たとえば干渉
性の超音波を発生する30個の超音波源によつて行
なわれ、これらの超音波源はそれぞれ散乱され、
大きな強度のパルスを発生する。検出装置自体は
球面に配置しなければならない固定検出器から構
成されている。

本発明の目的は、超音波レンズによつて鮮明な
超音波結像が得られるような超音波診断装置を提
供すること、およびその際向上された超音波の非
干渉性およびそれに伴なつて単純化された超音波
発生器−結像レンズ系が良好な画質を得ることに
ある。

この目的は本発明によれば特許請求の範囲第１
項の特徴部分に記載の手段によつて達成される。

本発明の有利な実施態様は特許請求の範囲の実
施態様項それぞれ挙げられている。

本発明において超音波診断をするために、たと
えば特開昭57−96643号公報に記載されている散
乱チヤンバにより作られる高度に非干渉性の散乱
超音波が用いられ、それによつて鮮明な面の外側
の範囲における不鮮明な結像によるアート像の発
生は避けられる。結像は普通は透過法で行なわれ
るが、反射法でも行なわれ、その場合患者の内部
で散乱される超音波が結像のために用いられる。
従つて送波器と受波器は別々の構成要素であり、
超音波レンズはＸ線撮影装置におけるのと視覚的
には同様な方式で結像を伝達する。その場合骨お
よび関節のそばにおいて軟組織、筋肉、血管、腱
等も撮影される。材料試験に対しても応用ができ
る。

医療用にできるだけ多様に使用できるようにす
るには、装置はたとえば大きな水槽から成り、そ
の水槽の中に検出装置が固定して設けられ、送波
ユニツトがクレーンを介して患者に良好に入射で
きるように調整されると良い。結像レンズ系は検
出器の前に距離を合わせて移動できるように設け
られている。

患者の身体の一部を水中に漬けることを避けた
コンパクトな装置を得るには、たとえば今日では
一般的であるように、患者に超音波を入射するた
めに可撓性の合成樹脂フイルムを用い、この合成
樹脂フイルムは適当な液体の中に設けられた送波
および受波ユニツトを患者側で密閉するようにす
ると良い。

以下第１図ないし第７図に示す実施例に基づい
て本発明を詳細に詳明する。

第１図は超音波診断装置を概略的に示してい
る。たとえば水が満たされている大きな容器１の
中において、超音波送波装置および結像装置全体
は水中に浸漬されている。検出装置２も水面に触
れている。患者ないし超音波診断すべき被検体８
は集束レンズ３と結像レンズ系４との間に配置さ
れている。２個の超音波ヘツド５，６は空間的に
干渉性の超音波を散乱チヤンバ７に入射する。こ
のチヤンバ７の中には非干渉性の出発波を発生す
る多数の粒子がある。この出発波によつて被検体
８は透過（あるいは反射）される。被検体８から
出てくる超音波は結像レンズ系４を通り、この結
像レンズ系４に対して角度を成して配置された超
音波反射板９を介して検出装置２に向う。この検
出装置２は移動テーブル１０に配置され、モータ
１１によつて直線方向に往復移動できるようにさ
れる。

第２図は第１図に基づく超音波診断装置が平面
図で示され、同一符号が付けられている。空間的
に干渉性の一次超音波１２，１３が示されてお
り、これらの一次超音波は両超音波ヘツド５，６
から散乱チヤンバ７に向けられている。散乱チヤ
ンバ７内の粒子によつて散乱された非干渉性の超
音波域１４は、集束レンズ３によつて被検体８に
向けられている。被検体８を透過するかないしは
そこで散乱した超音波１５が結像レンズ系４を通
つて検査装置２に達する経路も同様に示されてい
る。

第３図は、第１図および第２図に示す本発明に
基づく超音波診断装置で形成される人間の手（被
検体８）の写真である。

非干渉性の超音波送波器（第１図および第２図
参照）は、干渉性の超音波１２，１３が散乱チヤ
ンバ７内にある小さな粒子で散絡されるもので、
たとえば特開昭57−96643号公報に記載されてい
る。

本発明の超音波診断装置においては、散乱チヤ
ンバを直光方式の原理に基づいて作動することが
最適であることが判明した。そのためにチヤンバ
７にはポリスチロール製の窓１６が設けられ（第
１図参照）、一つあるいは復数の干渉性の一次超
音波１２，１３が入射される。無秩序に運動する
散乱粒子（図示せず）によつて散乱された超音波
域１４は同じ窓１６を通つて出射することができ
る。超音波域１１は拡散し、非干渉性であり、患
者（被検体８）の超音波診断に用いられる。

散乱粒子として（ポリスチロール粒子の代り
に）空気が詰められているかあるいは中実のガラ
ス球が用いられる。というのは一次超音波１２，
１３の散乱が水に対する大きな音響インピーダン
ス差によつて著しく増大されるからである。散乱
された超音波域１４の干渉時間を短縮するため
に、一次超音波１２，１３の周波数は常に送波器
５，６の帯域幅にわたつて平均周波数だけ変化さ
れる。散乱された二次波域は一次波が固定周波数
の場合にはつきりした粒状パターンを有し、これ
は散乱された多数の素波の干渉に依存している。
チヤンバ７内における散乱粒子の無秩序な運動は
この粒状パターンに同様に無秩序な運動を生じさ
せ、検出装置２における積分が十分である場合
に、この望ましくない干渉障害を防止および抑制
することができる。粒状パターンは周波数も固有
なので、圧電式超音波振動子（送波器５，６）の
共振曲線範囲において周波数を更に変更すること
によつて、粒状パターンの抑制が改善されるか、
あるいは検出装置２に対して短かい積分時間が得
られる。

結像レンズ系４は超音波レンズ１７，１８から
構成され、この超音波レンズ１７，１８によつて
被検体８の被検査範囲の波像が形成される。この
結像方式によつて、数センチメートルの比較的小
さな深度で常に集点を合わせることができる。集
点深度のすぐ外側の組織はすでに不鮮明に結像さ
れ、遠ざかるにつれてコントラストが減少し、従
つて意味をなさなくなる。

良好に焦点が合わされた超音波像を得るため
に、ここで示されている結像レンズ系４におい
て、画像歪および口径誤差のような重要な結像欠
陥が校正される。２枚の同じ形をした単様のポリ
スチロール平面凹レンズ１７，１８で十分である
（第４図および第５図参照）。それによつて特殊液
内における大きな吸収損失および特殊液とポリス
チロールとの境界面における大きな反射損失が防
止できる。更に境界面における屈折率が小さいの
で、レンズ面における精度に対する要求はさほど
高くない。

回径誤差を校正するために、ポリスチロールレ
ンズ１７，１８の凹面１９，２０（第４図および
第５図参照）は、特別に合わされた非球面度４に
相応して形成されている。像の歪の校正は一方で
はこの非球面の形状によつて、他方では両方のポ
リスチロールレンズ１７，１８間の距離ｄによつ
て生ずる。被検体面２３と画像面２４との間の距
離は5dである。

最適な構成を達成するためには、レンズの被検
体２３ないし画像２４の側を平らな面２１，２２
とし、両方の非球面１９，２０を互に向き合わせ
ることが重要である。この配置構造の場合、口径
誤差を校正する非球面１９，２０は双曲線に似て
おり、平らな面２１，２２を向い合わせた場合の
ように惰円形ではない。双曲線に類似した面によ
つて、軸心（回転軸心２５）近くにある対物点２
６から出てくる超音波は非球面１９，２０の大き
く湾曲された領域を通り（第４図参照）、一方軸
心から離れた対物点２７（第５図参照）から出て
くる超音波は、非球面の一方１９あるいは２０を
小さく湾曲された範囲で通過し（第５図参照）、
それによつて軸間隔の大きな結像を形成する。な
おこのことは幾何学的理由から必要なことであ
る。

被検体８，２３ないし画像２４側の平らな面２
１，２２にもとづき非球面１９，２０が双曲線状
に形成できない場合、平らな面２１，２２によつ
て生ずる口径誤差を補償するために幾分変更され
ねばならない。従つて非球面１９，２０を計算す
るために２つの媒体の境界面の理想的な非球面は
結像点と回転軸心２５における点の正確な点に対
して決められる。この計算方式の場合、一方の境
界は小さな超音波速度をもつ媒体内における平面
波で双曲線を形成し、他方の境界は無限に離れた
点（大きな超音波速度の側における平面波）で楕
円形を形成する。小さな超音波速度をもつた媒体
内において遠く離れた点に対して、必要な双曲線
状の非球面１９，２０が生ずる。

そのように行なわれるレンズの校正は、診断用
液槽１内の温度が変えられる（これは周知のよう
に屈折率の変更を惹起する）場合にも有効である
という利点を有している。良質の画像を得るため
に、被検体８と平面２１との間の距離ないしは平
面２２と画像面２４との間の距離が屈折率の変更
に相応して変更されねばならず、また非球面１
９，２０の相互間隔が相応して調整されねばなら
ない。またこの逆に行なうこともでき、温度変更
によつて所望の結像距離が得られ、あるいはポリ
スチロールの種類および母材に対する製作方法に
応じて変わる超音波速度は既に計算された非球面
に合わせられる。

非球面１９，２０を作るためには、まず非球面
を通る子午線断面の座標を計算し、グラフで示す
と良い。図面に基づいて粗く形成された鋼製盤が
切り取られ、続いて座標に応じてフライス盤で再
加工される。この特殊鋼によればポリスチロール
母材が直接加工されるか、あるいは鋳型マスクが
作られる。

検査装置２には直線的な圧電アレーおよび予備
処理電子装置があり、この電子装置によりアレー
装置の波圧レベルが測定され、マイクロコンピユ
ータ３０における再処理のために加工される（第
７図参照）。二次元的な超音波像を表示できるよ
うにするためには、この一次元的アレー２は行毎
に超音波域の上を機械的に動かされ（移動テーブ
ル１０、モータ１１）、その都度の行情報が記憶
されねばならない。

応答速度を高めるために、２列あるいはそれ以
上のアレー２が互に並べて配置され、それによつ
て像を表示するために画像面２４の半分の上だけ
を動かされるか、ないしは３列以上のアレーの場
合、画像面２４の上を相応して狭い部分だけ走査
されれば良い。

一次元的なアレー２の運動は、テレビジヨン技
術におけるように行毎の画像構成が得られるよう
に直線的に行なわれるか、あるいは別の実施形態
においてはアレーがその中心点あるいは端点を中
心に回転されるように円環的に行なわれる。

後者の場合にレーダのように半径方向の画線か
ら成る画像が形成される。

アレーの回転運動は（転換点なしに）連続的な
運動経過となるために一層大きな走査速度を生じ
る。回転運動の場合においても種々の角度に配置
された複数のアレーを使用することによつて、同
じ回転速度の場合に画像が一層早く形成される。

第６図には210個の要素１〜210をもつた直線ア
レー２の予備処理電子装置のブロツク線図が、第
７図には検出装置全体のブロツク線図がそれぞれ
示されている。

第６図において検出装置２の210個のアレー要
素は15のグループで14本の信号線に分割されてい
る。15個の各グループから出る信号線１〜１４は
それぞれ互に唯一のマルチプレクサ２６を介して
チヤンネル３１に導かれている。すなわち14個の
同形のマルチプレクサ２６と14個の同形のチヤン
ネル３１が生じる。これらの各チヤンネル３１に
おいてHF信号は予備増幅され、整流され、積分
される。それぞれ積分された最終値は、14個全部
のチヤンネル３１に対して共通の別のマルチプレ
クサ３２および整合増幅器３３を介して電圧信号
Ｚとしてマイクロコンピユータ３０のアナログ−
デイジタル変換器２８に送られる（第７図参照）。
マルチプレクサ２６と３２の接続および14個のチ
ヤンネル３１における積分器のリセツトは制御ユ
ニツト３４によつて行なわれる。

第７図に基づくブロツク線図は、第６図に基づ
いて予備処理されたHF信号のマイクロコンピユ
ータ３０およびモニタ３５におけるデイスプレイ
との接続を示している。マイクロコンピユータ３
０はＡ／Ｄ変換器２８のほかに作動記憶器２９、
マルチプレツクス制御ユニツト３４用のシンクロ
ナイザ３６、モータ１１の制御器３７および中央
処理ユニツト３８を有している。マイクロコンピ
ユータ３０で得られた画像値は、出力インターフ
エース３９および画線像再生記憶器４０を介して
モニタ３５に導かれる。

圧電検出器アレー２の要素における超音波レベ
ルを測定するために、圧電効果で発せられた弱い
HF交流電圧はまず高感度の前置増幅器３１で増
幅され、整流され、超音波の干渉時間に比べ長い
時間帯にわたつてアナログ的に加算される。それ
によつて各画像要素の音圧レベルの時間的平均値
が求められ、続いて要素毎にアナログ−デジタル
変換器２８を介してマイクロコンピユータ３０の
記憶器２９に集められる。波源の干渉時間のため
に１ｍsecのオーダの積分時間が必要であり、他
方では200×200の画像点の画像を容認できる時間
内で作ることが望まれるので、予備増幅、整流お
よび加算が14個のパラレルチヤンネル３１内で行
なわれ、それによつて比較的大きな速度でチヤン
ネル毎の平均値が求められる。

第６図に示された電子回路はパラレル電子装置
とマルチプレツクス電子装置との複合体であり、
これは14個のパラレルチヤンネル３１にもとづき
一つのパラレルチヤンネルに対し残りの13個のパ
ラレルチヤンネルの応答時間に相応した加算的時
間を有する。図の回路は210個の要素の応答に対
して規定され、単一チヤンネルの純粋なマルチプ
レクス電子装置に比べて、画像点当り同一の平均
時間において、13倍の応答速度となる。210個の
パラレルチヤンネルをもつた純粋なパラレル電子
装置に比べて、図に示された回路はゆつくりでは
あるが、経済的に、コンパクトにかつ単純に調整
可能である。

経済的に作られた電子装置付きのアレー２の場
合、各要素の感度特性が互に幾分ずれることは避
けられない。

この欠点は、検出信号を選別するためのデイジ
タル電子技術を採用し、デイジタルビデオ画像再
生記憶器４０によつて防止できる。

はじめ被検体８がない状態で超音波域における
すべての検出要素の感度特性は全自動的に測定さ
れ、一覧表として記憶される。

被検体８の画像撮影中に常にすべての検出信号
は記憶された一覧表を介して校正され、それによ
つて（前置増幅器、整流器および積分器３１を含
む）各検出要素の種々の解答状態が補償される。
同時にこの技述によつて回転検出器の場合も、半
径だけに左右される超音波診断の不均一性は自動
的に調整される。

検出器特性の自動的な作製は、診断装置を測定
に対して調整しかつ超音波経路が自由な状態、す
なわち被検体８が存在しない状態で、インテリジ
エント制御器３０の校正のもとで行なわれる。

特性の測定のために、送波器５，６を駆動する
信号発生器の増幅率が段階的に高められ、その各
段階において検出器アレー２が読み取られ、各値
が記憶される。

その際各段階において検出器アレー２を何回も
読み取り、各検出器要素の信号を平均化すると好
適であることが判明している。このようにすれば
使用される超音波ヘツド５，６の非干渉性表示特
性が完全に利用され、測定された感度特性の大き
な精度が達せられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波診断装置の概略斜視図、第２図
は第１図の超音波診断装置の平面図、第３図は人
間の手の超音波像、第４図および第５図は結像レ
ンズ系の拡大詳細図、第６図は210個の要素をも
つた直線アレーの予備処理用電子装置のブロツク
線図、第７図は検出装置全体のブロツク線図であ
る。 １……液槽、２……検出装置、３……集束レン
ズ、４……結像レンズ系、５，６……超音波ヘツ
ド、７……散乱チヤンバ、８……被検体（患者の
手）、１４……非干渉性の超音波域、１７，１８
……超音波レンズ、１９，２０……レンズの非球
面、２１，２２……レンズの平らな面、２４……
画像面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波光学装置および超音波診断すべき被検
   体が液槽の中に配置され、被検体が平面的に写し
   出され、被検体の超音波診断が非干渉性の超音波
   で行なわれ、集束レンズ、結像レンズ系および検
   出装置が設けられているような超音波診断装置に
   おいて、非干渉性の超音波域１４が互に無秩序に
   自由に動く多数の粒子をもつた散乱チヤンバ７に
   おいて作られ、この散乱チヤンバ７内の粒子に少
   くとも一つの超音波送波器５，６から連続的に干
   渉性の超音波１２，１３が入射され、結像レンズ
   系４が均質材料製の少くとも２枚の超音波レンズ
   １７，１８を有し、これらのレンズ１７，１８が
   互に対称に配置され、互いに向き合うレンズ面１
   ９，２０が非球面状に形成され、形成された被検
   体８の超音波画像が画像面２４の上を周期的に直
   線運動あるいは円環運動する少くとも一列の検出
   器装置２によつて電気信号に変換されることを特
   徴とする超音波診断装置。 ２ 超音波ヘツド５，６から発せられる超音波１
   ２，１３が、周波数ないし振幅変調によつて時間
   的に変化できるようにされることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 散乱チヤンバ７内の粒子が、空気が詰められ
   たガラス球あるいは中実のガラス玉であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の装置。 ４ 被検体８が透過あるいは反射により超音波診
   断されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれか１項に記載の装置。 ５ 結像レンズ系４の互いに向き合わされたレン
   ズ面１９，２０が非球面度４で形成され、相対頂
   点距離ｄが被検体８と画像面２４との間隔の約1/
   ５であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第４項のいずれか１項に記載の装置。 ６ 超音波レンズ１７，１８がポリスチロールで
   作られていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第５項のいずれか１項に記載の装置。 ７ 各超音波レンズ１７，１８において、第２の
   レンズ面２１，２２が平らであるか、あるいは頂
   点における非球面１９，２０の曲率半径よりも著
   しく大きな曲率半径を有していることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか
   １項に記載の装置。 ８ 検出器アレー２が互に直線的に並べられた圧
   電式の単位検出器から構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第７項のいず
   れ１項に記載の装置。 ９ 単位検出器から発信されるHF信号が、非干
   渉性の超音波画像を撮影するために画点毎に必要
   な平均時間が大きな応答速度に拘らず保持される
   ように、２つあるいはそれ以上のパラレルチヤン
   ネル内において予備増幅され、整流され、積分さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第８項のいずれか１項に記載の装置。 １０ 超音波送波器の強度が相異しかつ各検出器
   信号が同時に検知されることによつて、各検出器
   チヤンネルの感度特性が記憶できるようにされる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ９項のいずれか１項に記載の装置。 １１ 撮影中において各アレー要素の応答特性お
   よびその超音波強度の相異が、測定された感度特
   性で即座に電子的校正手段で調整されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１０項の
   いずれか１項に記載の装置。