JPH03181877A - 超音波システム - 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、超音波システム、特に２次元フェイズド・ア
レイからなるトランスジューサを備えた超音波イメージ
ング・システムに関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

超音波イメージング・システムは、医学的用途における
診断だけでなく、いくつかの非医学的用途における分析
についても価値のあるツールであることか証明されてい
る。超音波システムの最も顕著な利用の一つとし、妊娠
時における胎児の監視である。人体へ送られる超音波エ
ネルギによる妨害は、無視することができ、また、組織
境界で反射する超音波を検出することによって、内部身
体構造の特徴を明らかにすることが可能である。

典型的な超音波イメージング・システムは、ベース・ユ
ニット、プローブ、相互接続ケーブルから構成される。

電子モジュールは電気的パルスを発生し、それはケーブ
ルを介してプローブに送られ、プローブのトランスジュ
ーサによって超音波パルスに変換される。プローブが身
体に対して押圧されると、超音波パルスが体内に送られ
、体内の組織境界でさまざまな程度に反射する。各組織
境界からの反射は、プローブとの距離によってトランス
ジューサに到達する時間が異なる。一般に、トランスジ
ューサはこの反射波を時変（ｔ　ｌａｃｅ−ｖａｒｙｉ
ｎｇ）電気信号に変換する。電気信号は、ベース・ユニ
ット内で処理され、イメージングされる身体のビデオ表
現が形成される。

球状（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ＞　　ｈランスジューサまた
は放物面（ｐａｒａｂｏｌｌｃ）　　トランスジューサ
を用いて、超音波信号の送受信を行う比較的単純な超音
波システムが知られている。一般に、これらのトランス
ジューサは、焦点が固定されているので、その焦点範囲
はトランスジューサの焦点深度によって制限される。被
写界深度（ｄｅｐｔｈ−ｏｆ−ｆ　Ｉｅｌｄ）を深くす
るには、小さなアパーチャが必要となり、これでは、比
較的低い信号収集能力に制限されるので、感度も低下す
る。トランスジューサを機械的にステアリングする（ｓ
ｔｅｅｒｉｎｇ）ことによって、ある角度範囲にわたっ
てイメージ情報を得るための対策が典型的になされてい
る。機械的ステアリングは、プローブにかさばる（ｂｕ
ｌｋｙ）モータを取りつける必要があり、信頼性に関す
る問題を生じる可能性がある。

理論的には、トランスジューサをデフオームさせ（ｄｅ
ｆｏｒｓｌｎｇ）　、その焦点距離を変え、数多い焦点
深度のそれぞれについて解像度の高いイメージを得るこ
とによって、範囲の拡大と高解像度の両方を達成するこ
とができる。明らかに、トランスジューサの機械的デフ
オ−ム可能によって、所望の焦点距離の制御を行うのは
実用的ではなかった。他方、レーダ技術であるフェイズ
ド・アレイ・トランスジューサの「電子的デフオ−ム可
能」は、被写界深度をあまり制限しなくても、高解像度
のイメージングが可能であることがわかった。

フエイズド・アレイ・トランスジューサは、環状、リニ
ア、または平面アレイを構成する複数個のトランスジュ
ーサ素子から成る。例えば、アレイをなす素子間に時間
遅延を導入して、位相を変化させることによって、焦点
深度を動的に可変させることができる。したがって、ア
パーチャの大きいアレイ・トランスジューサを用いて、
高解像度のイメージングを行えるようにし、焦点を移動
させて浅い被写界深度の制限を克服することができる。

環状アレイは、機械的にデフオーム可能な単一の素子か
らなる球状トランスジューサをシミューレーションした
ものに最も近い。環状アレイは、同軸の複数の環状トラ
ンスジューサ素子から構成される。各環状素子が反射を
受信するので、各環状素子からは対応する電気信号を発
生する。これらの電気信号に導入される相対的遅延を制
御することによって、環状アレイ・トランスジューサの
焦点距離について制御することが可能となる。球状単一
素子トランスジューサに関して、環状アレイに機械的ス
テアリングを施し、２次元の超音波イメージング・シス
テムが得られるようにしなければならない。機械的ステ
アリングを必要とするので、イメージング・システムの
速度及び信頼性は制限される。加えて、プローブ内にモ
ータ及び駆動系（ｄｒｉｖｅ　ｔｒａｉｎ）を設けなけ
ればならないので、プローブの質量及びかさが増すこと
になる。

よって、これらは小形で、軽量であることが望ましい。

１次元フェイズド・アレイ、例えば、リニア・フエイズ
ド・アレイは、一連の幅の狭いトランスジューサ素子よ
り構成する。素子間におけるフェイジング（ｐｈａｓ　
ｉｎｇ）及び相対遅延を制御することにより、このよう
なアレイは、例えば、リニア素子が垂直方向に延びる方
位平面等のステアリング平面において電子的にステアリ
ング及びフォーカシングすることができる。この平面内
において超音波ビームのステアリング及びフォーカシン
グを行い、所望の目標を隣接する物体から識別する。

１次元アレイの素子は、せいぜい超音波信号の１７２波
長はどの間隔をあけて配置し、イメージの品質を低下さ
せるグレーティング・サイドローブ応答（ｇｒａ目ｎｇ
　５ｉｄｅｌｏｂｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を回避するこ
とが望ましい。

１次元アレイの主な問題は、ステアリング平面に直交す
る、例えば、立面方向における電子的フォーカシングは
行われず、解像度は固定焦点を備える音響レンズのアパ
ーチャ・サイズによって設定される。解像及び信号収集
能力が制限される。

立面はアレイに対して垂直にしか得ない。

２次元アレイ・トランスジューサ、例えば、平面のアレ
イ・トランスジューサは、２次元アレイをなすように配
列された多数の小さいアパーチャを備える素子から構成
される。リニア・アレイ・トランスジューサでは、焦点
深度及びステアリングの両方とも電子的に処理すること
ができる。１次元アレイとは対照的にステアリング及び
フォーカシングはアレイ前方の円錐状空間（ｖｏｌｕａ
＋ｅ）内のどこでも実施することができる。これより、
立面方向における解像度を得ることができる。解像度及
び信号収集能力は１次元アレイに比べて大幅に向上する
。

しかしながら、平面アレイ・トランスジューサは、各ト
ランスジューサ毎に１つずつ、処理しなければならない
多数の独立した信号チャネルがあるため、広範囲には実
現されていない。例えば、５ＭＨｚの超音波信号を仮定
すると、約１°の解像度が得られるようにする１５ｍｍ
　Ｘ　１５ａｕａのアパーチャを備えたλ／２だけ間隔
をあけたアレイには、１００Ｘ　１００＝１０．０００
のトランスジューサが必要になる。

従来の方法で構成される場合、１０．０００の電子的送
信器、受信器、相互接続ケーブルが必要となる。

プローブとベース・ユニットの間のケーブルは、１０、
０００本を超えるラインを備えていなければならないが
、これは、実行不可能である。さらに、こうした高価な
構成素子で構成するシステムのコストは極めて高くなる
。

プローブ自体で信号処理が可能な場合には、プローブか
らベース・ユニットへの単一の信号ラインしか必要とし
ない。電源、接地、制御ラインも必要になるが、ケーブ
ルで保持しなければならないラインの数は、大幅に減少
する。しかし、この信号処理には、例えば、各１０．０
００チヤネルに可変遅延を導入するための多くのスイッ
チが必要となる。約５００万スイツチが要求され、それ
ぞれ約５０μＷの熱を損失するものと仮定すれば、プロ
ーブによって２５０Ｗを損失することになる。これは、
さらに、プローブのかさ（ｂｕｌｋ）と電力条件に付加
する冷却システムのない場合さらに大きくなる。

以上説明したように、リニア・アレイを特徴づける立面
解像度の制限を受けず、２次元フエイズド・アレイから
成る大型超音波イメージング・システムが直面するケー
ブル構成（ｃａｂｌｉｎｇ）及び熱損失（ｈｅａｔ　ｄ
ｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）等の問題のない、２次元におけ
るフォーカシングとステアリングの両方に電子的に制御
することができる超音波イメージング・システムが要求
されている。

〔発明の目的〕

本願発明の目的は、上述の問題を解消し、より有益なス
テアリングとフォーカシング制御を可能とする２次元フ
ェイズド・アレイを備える超音波システムを提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本願発明では、ステアリング及びフォーカシングの実施
に用いられるフェイジング（ｐｈａｓｉｎｇ）の導入を
超音波イメージング・システムのプローブとベース・ユ
ニットの間に設ける。プローブには、２次元フエイズド
・アレイ・トランスジューサを含む。素子はグループに
分けられ、プローブ内にイントラグループ遅延（グルー
プ内遅延）　（ｆｎｔｒａｇｒｏｕｐ　ｄｅｌａｙ）を
導入する。遅延信号（ｄｅｌａｙｅｄ　ｓｌｇｎａｌｓ
）のグループを加算し、通信リンクを介してベース・ユ
ニットに送られる。インターグループ遅延（グループ間
遅延）　（Ｉｎｔｅｒｇｒｏｕｐ　ｄｅｌａｙ）をベー
ス・ユニットに導入する。イントラグループ・フェイジ
ングは、インターグループ・フェイジングよりも正確に
量子化することができる。

本発明の動作については、機械的な比喰によって明確に
説明することができる。従来の超音波システムと本願発
明に係る超音波システムの両方において、フェイジング
は球状（または放物面）トランスジューサのステアリン
グ及びデフォメーションをシミュレーションして制御し
、その結果焦点距離を所望の値に変えることができる。

従来の２次元フェイズト・アレイの場合、即ち、分布フ
ェイジング制御を伴わない場合、デフォメーションとス
テアリングは同時に実施される。分布フェイジング制御
を伴う場合、全体としてトランスジューサ・アレイの形
を変えることなく、イントラグループ処理によって、各
グループを所望の方向にステアリングすることができる
。このステップは、２次元ベネチャン・ブラインド（ｖ
ｅｎｅｔｉａｎ　ｂｌｉｎｄ）の調整に例えることがで
きる。ベネチャン・ブラインドが調整されると、その基
本形状は一定であるが、そのスラット（グループ）の配
向が行われる。グループは共通の目標に指向されるが、
焦点距離は異なる。インターグループ処理では、所望の
球状表面に沿ってグループの相対アライ、ンメントをシ
ミュレーションし、それらが共通の焦点を共用する。従
って、第１の近似処理としては、イントラグループ処理
でステアリングが行われ、インターグループ処理でフォ
ーカシングが行われる。

フェイズド・スタガ基準信号（ｐｈａｓｅｄ−ｓｔａｇ
ｇｅｒｅｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｉｇｎａｌｓ）を
データ信号と混合させて位相オフセットを得るが、遅延
の形態にフェイジングが導入されることが望ましい。遅
延は電気、音響またはそれら１両方による遅延が可能と
なる。

例えば、イントラグループ遅延は、トランスジューサ素
子によって実施することができ、イントラグループ遅延
は総遅延ラインを用いて実施することができる。

信号線を備えたケーブルを含む通信リンクの帯域幅は、
トランスジューサ素子及びそれによって得られる信号の
グループ分けによって大幅に狭くなる。イントラグルー
プ遅延を行うのに必要な処理を選択してプローブ内の熱
損失を許容可能なレベルに維持することが可能である。

かさと電力損失は、ベース・ユニットにおいてそれほど
クリティカルではないので、遅延制御回路素子のほどん
とを収容することが望まれる。この場合、通信リンクは
ベース・ユニットからプローブへの制御信号の伝送も行
わなければならない。

通信リンクで伝送させる、必要なラインの数をプローブ
内でデコーダへの制御データのシリアル伝送を実現する
ことによって減少させることができる。この伝送は、制
御データをデコードし、デコードされた制御データをス
イッチへ配分する。これらスイッチは遅延素子上の適切
な位置へ様々なトランスジューサ信号を振り分ける。

制御ラインの数は、トランスジューサ素子のグループを
クラスタ構成することにより、さらに減少させることか
できる。これによりクラスタ内のグループを個別に制御
する必要がなくなる。精密なフォーカシング能力がある
程度損なわれるが、精密なフを一力シングがクリティカ
ルではなく、隣接トランスジューサ素子グループを備え
るようにクラスタの選択が行われる場合には、このよう
な損失は無視することができる。

遅延は、逆の構成をなすタップ付遅延ラインを使用して
実施することが好ましい。タップ付遅延ラインは、典型
的には、直列入力及び並列出力と共に用いられ、後者は
それぞれの遅延量に対応している。本願発明では並列タ
ップを入力として用いる。トランスジューサ信号を所望
の遅延に対応するタップに指向される。タップ付遅延の
シリアル・ボートは総和の出力として働く。

本発明は、広範囲のポテンシャルのあるグループを考慮
に入れたものである。実際には、グループは正方形また
は他の矩形アレイをなすように配置された隣接する素子
から構成することが好ましい。グループのサイズは、ア
レイ全体のサイズに対応することが好ましいが、実際の
範囲には、２寞〜１０１個の素子からなるグループ・サ
イズが用いられる。好適なグループの範囲は、４！〜７
８個の素子からなるものである。約１００”のアレイの
場合、グループ・サイズは５８〜６！であることが好ま
しい。

本発明は、プローブの電力消費と通信リンクの帯域幅の
間における広範囲のトレード・オフを考慮に入れたもの
である。実施例では、１００　Ｘ１００トランスジユー
サ・アレイを５ｘ５のグループまたはサブアレイにグル
ープ分けされる。プローブ内において同じグループに属
するトランスジューサ素子信号を組み合わせることによ
って通信リンクは取り扱わなければならない受信チャネ
ル数はｉｏ、　ｏｏｏから４００に減少する。同時に、
プローブにおける熱損失は許容可能なレベルに維持され
る。

したがって、本発明によって超音波イメージング・シス
テムは、２次元電子的ステアリングだけでなく、熱損失
とケーブル・ライン・カウント・レベルが実用的になる
。特定のイメージング・システムの仕様に合致するよう
に、かなりのフレキシビリティが与えられている。本発
明の、上述の及びその他の特徴、利点については以下の
図面に基づく説明によってさらに明らかになる。

〔発明の実施例〕

超音波システム１００は、プローブ１０２．ベース・ユ
ニット１０４、陰極線管（ＣＲＴ）モニタ１０８から構
成される。図に示されるように、プローブ１０２は身体
９１と接触する。ベース・ユニット１０４により電気送
信パルスが発生し、増幅され、ケーブル１０８を介して
プローブ１０２に送信される。送信パルスは、プローブ
１０２内の、２次元フェイズト・アレイ（ｔｗｏ−ｄｉ
ｍｅｎｔｉｏｎａｌ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ）１１
０の個別のトランスジューサ素子に分配される。トラン
スジューサ素子は、パルスを超音波ビーム９３に変換し
、プローブ・ウィンドウ１１２を通って身体９１へ送ら
れる。超音波ビーム９３の一部のエネルギは、生体組織
境界（ｔｉｓｓｕｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ）で反射し、超
音波の反射波９７が生成される。

超音波の反射波９７は、アレイ１１０の各トランスジュ
ーサ素子によって複数の電気信号に変換される。ステア
リング及びフォーカシングは、これら複数の信号に相対
遅延を与えることにより達成され、それらの相対的な位
相を制御することができる。フエイズド電気信号の結合
、処理によってビデオ信号を生成し、モニタ１０６上に
イメージを形成させる。

本発明によれば、それぞれの電気信号経路に導入される
遅延は、第２図に示すように、プローブ１０２とベース
・ユニット１０４の間で配布される。

アレイ１１０は、４個の２×２グループ２２１〜２２４
に配列された１６個のトランスジューサ素子２０１〜２
１６を含む４×４のアレイである。アレイ１１０は実際
のほとんどのアプリケーションに対して小さすぎるが、
本願発明で行われる信号処理について説明するために示
すものである。反射波９７を受信すると、アレイ１１０
は各トランスジューサ素子２゜ｌ〜２１６に対して１つ
ずづ、１６の電気信号を発生する。これらの電気信は１
６−チャネル・バス２２６に沿って並列にイントラグル
ープ・プロセッサ０ｎｔｒａｒｒｏｕｐ　ｐｒｏｃｅｓ
ｓｏｒ）２２８に送られる。イントラグループ・プロセ
ッサ２２８は、ゼロ時間の遅延（２ｅｒｏ−ｔｉｍｅ　
ｄｅｌａｙｓ）を含むことのできるイントラグループ遅
延を１６−チャネルの夫々に導入し、そしてグループ毎
にチャネルの加算が行われて、４個のグループ信号が生
成される。この４個のグループ信号は、ケーブル１０８
を通る４−ライン・バス２３０を介してベース・ユニッ
ト１０４に送られる。

インターグループ・プロセッサ（ｉｎｔｅｒｇｒｏｕｐ
　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）２３２は、ゼロ時間の遅延を含
むことが可能なインターグループ遅延を４個のグループ
信号のそれぞれに対する信号路に導入し、遅延グループ
信号（ａｓ−ｄｅｌａｙｅｄ　ｇｒｏｕｐ　ｓｉｇｎａ
ｌｓ）を加算することによって、マスター信号を生成す
ることが可能になる。適切な遅延ラインの加算について
は、例えば、米国特許第４．１１６．２２９号に開示さ
れている。

次に、マスター信号が表示に適した形に変換され、高周
波数ライン２３４に沿ってモニタ１０６に送られ、その
結果、観測するためのイメージを得ることができる。

プローブ１０２内に導入されるイントラグループ遅延及
びベース・ユニット１０４内に導入されるインターグル
ープ遅延は、ベース・ユニット１０４内のコントローラ
２３６で制御される。コントローラ２３６は、４−ライ
ン・バス２３８を介してインターグループ・プロセッサ
２３２との通信を行い、４個のグループ信号を４つの可
能な遅延量に経路指定（ｔｏ　ｂｅ　ｒｏｕｔｅｄ）１
６の遅延組合せを与える。より精密な遅延の順序づけを
行うことにより、精度の向上をはかることが可能になる
。そして、この場合、多くの経路指定（ｒｏｕｔｉｎｇ
ｓ）に適応するために、より大きな幅のバス２３８を用
いる。コントローラ２３６は、第３図に基づいて説明す
るようにバス２４０を介したイントラグループ遅延の選
択を可能にする。

第３図に示すように、グループ２２１は、グループ２２
１のための信号ライン・バスを構成する４本の信号ライ
ン３０１．３０２．３０３．３０４を介してイントラグ
ループ・プロセッサ２２８と連結する。すなわち、トラ
ンスジューサ素子２０１は、ライン３０１を介して４×
４マルチプレクサ３１２の第１の入力端子に接続し、同
様にトランスジューサ素子２０２〜２０４は、信号ライ
ン３０２０〜３０４の夫々を介してマルチプレクサ３１
２の第２、第３、第４の入力端子に接続する。同様にグ
ループ２２２〜２２４は、各４−ライン・バス３０６．
３０８．３１０を介して、マルチプレクサ３１４、３１
６．３１８と夫々に接続する。マルチプレクサ３１２、
３１４．３１６．３１８は一緒になって、４Ｘ４Ｘ４マ
ルチプレクサ・バンク３２０を構成する。

マルチプレクサ・バンク３２０の目的は、各トランスジ
ューサ素子２０１〜２１６から遅延の異なる経路への信
号ラインの経路指定（ｒｏｕｔｅ）を選択的に行うこと
にある。例えば、マルチプレクサ３１２がタップ付遅延
ライン３４０の４個のタップに接続された４本の出力ラ
イン３２１．３２２．３２３．３２４を備えている。タ
ップ付遅延ライン３４０は、それぞれ１つの遅延単位を
構成する３つの遅延セグメント３４１゜３４２、３４３
と４個のタップ３５０．３５１．３５２．３５３を有し
、これらはゼロ遅延、１単位遅延、２単位遅延、３単位
遅延に相当する。従って、イントラグループ制御バス２
４０の４本のラインに沿って受信する値によって決定さ
れる、ライン３０１〜３０４とライン３２１〜３２４と
の適切な経路指定を行うことによってトランスジューサ
素子２０１〜２０４からの信号間に０〜３単位の相対遅
延を導入することができる。

マルチプレクサ３１４．３１６．３１８がそれぞれの４
−ライン出力バス３２６．３２８．３３０に沿って各タ
ップ付遅延ライン３４４．３４６．３４８に対する可変
経路指定を行うので、トランスジューサ素子２０５〜２
１６についても同様に遅延制御を行うことが可能である
。バス２４０の４本の制御ラインは全てグループ２２１
の経路指定において完全なフレキシビリティ−が得られ
るようにしなければならないので、４個のマルチプレク
サ３１２．３１４．３１６．３１８は全て同時に（ｕｎ
　ｉｓ。

ｎ）に切り換えられる。このように同時に切り換えるの
で、超音波システム１００の精密なフォーカシングの能
力に制限が加えられる。他の実施例として、１６の制御
ラインを用いることによって、グループ２２１〜２２４
毎に独立した経路指定がなされ、精密なフォーカシング
能力を向上させることが可能である。他の実施例では、
単一のデータ・ラインを利用して１６ビツトのシリアル
・ワードをプローブ１０２へ伝達させる。プローブ１０
２において、この１６ビツト・ワードがデコートされ、
トランスジューサの４つのグループに対する独立した制
御が可能になる。

本発明の他の実施例では、マルチプレクサ・バンクによ
って、長さの異なる遅延ラインに経路指定が行われる。

信号にそれぞれの遅延が施されると、グループ別に加算
され、４つのグループ信号を得る。好適な実施例では、
タップ付遅延ラインを用いることによって、グループか
らの遅延信号の加算を行うための別の手段の必要がない
。

本実施例では、遅延ライン３４０．３４４．３４６．３
４８から出力されるグループ信号は、グループ信号バス
２３０を構成するそれぞれのライン３５２．３５４．３
５６．３５８に沿って、インターグループ・プロセッサ
２３２へ伝達される。詳細には、グループ信号は４×４
マルチプレクサ３７０に対する４つの入力として送られ
、出力ライン３７１．３７２．３７３．３７４を介した
タップ付遅延ライン３８０への経路指定が可能となる。

遅延ライン３８０は、３つの遅延セグメント３８２．３
８４、３８６と４個のタップ３９０．３９１．３９２．
３９３を備えているという点で、遅延ライン３４０と類
似している。

ただし、遅延ライン３８０の巨的は、インターグループ
遅延の導入にあるので、その遅延セグメントの夫々は単
位長が３倍になる。従って、タップ３９３に導入される
信号の全遅延は９倍の単位長となる。遅延ライン３８０
によって、遅延グループ信号が有効に加算され、加算信
号が「ｆライン２３４に沿って出力される。

インターグループ遅延ライン３８０の遅延長は、所望の
ステアリング及びフォーカシング範囲が得られるように
、アレイ１１０の両端のトランスジューサ素子、例えば
、２０１と２１６の間における位相変化に対応する。イ
ントラグループ遅延ライン３４０、３４４．３４６．３
４８の遅延長は、グループの両端部の素子、例えば、２
０１と２０３の間における位相変化に基づいて選択され
る。一般に、インターグループの最大遅延とイントラグ
ループ・プロセッサの最大遅延の比は、全アレイと個別
グループの線形サイズの比に対応する。インターグルー
プ遅延セグメント３８２．３８４．３８６は長さがイン
トラグループ遅延ライン３４０．３４４．３４６．３４
８で得られる全遅延と同等とする。イントラグループ遅
延セグメント、例えば、遅延セグメント３４１は、それ
によって導入される遅延が超音波システム１００に要求
されるステアリング分解能に対応する。これらの関係に
ついては、実施例の説明においてさらに詳細に述べる。

本願発明の他の実施例を第４図に示す。より精巧な超音
波システム４００は、プローブ４ｏ２、ベース・セクシ
ョン４０４、モニタ４０６を含む。プローブ４０２には
、図示するように、それぞれ１６の５×５グループ４１
２のトランスジューサ素子４１４を含む、２５のサブ・
アレイまたはクラスタ４１０に分割される、１００　Ｘ
１００アレイ４０８を備えている。アレイ４０８ニハ、
全部テ４００ノグループ４１２と１０，０００個のトラ
ンスジューサ素子が存在する。アレイ４０８は、約１８
１１１１で、２次元において約１０の解像度を得る。こ
れは、約１８０μｍまたは約０．６　λのトランスジュ
ーサ素子のピッチに相当し、サンプリングには少し不十
分である。アレイ４０８は凹面を備え、曲率半径が約５
０−一で、観測対象の領域内にアレイを予めフォーカシ
ングすることにより必要な能動素子の数を最小化する。

アレイ４０８に入射する超音波の反射波は、ｉｏ、。

００の電気信号に変換され、信号バス４１６によって４
００の２５×６マルチブレクサから成る４００のマルチ
プレクサによるイントラグループ・マルチプレクサ・バ
ンク４１８に対して経路指定される。２５の電気信号か
らなる各グループはバス４２０を介して５つのセグメン
ト遅延ラインからなる遅延バンク４２２のそれぞれの遅
延ラインに経路指定される。

各遅延によって、それぞれ２５の信号に対して順序づけ
で加算させることが可能な６つの置換可能な相対遅延、
即ち、０、！、２．３．４．５単位の遅延を得る。各遅
延は、最大で２５０ｎｓのため、単位遅延、即ち、遅延
量子化（ｄｅｌａｙ　ｑｕａｎｔｌｚａｔｉｏｎ）は５
０ｎｓになる。各グループの遅延信号を加算することに
より、グループ信号が生じ、４００のグループ信号はケ
ーブル４２６が備えるバス４２４を介してベース・ユニ
ット４０４に送られる。

ベース・ユニット４０４が受信する４００のグループ信
号はバス４３０を介してグループ信号を５０セグメント
からなる遅延ライン４３２に経路指定する４００：１マ
ルチプレクサ４２８において受信される。遅延ラインに
よって、６ルベルのある相対遅延の１つが各グループ信
号に導入され、加算信号が生じ、ビデオ信号に変換され
る。遅延ライン４３２の各セグメントは２５０　ｎｓの
遅延を与え、遅延ライン４３２によって得られる最大遅
延は、１２．５００ｎＳになる。

ビデオ信号は、ビデオ・バス４３４に沿ってモニタ４０
６に送られ、結果として、イメージが表示される。

ビデオ・イメージとアレイ４０８が受ける超音波ビーム
のフォーカシング及びステアリングとの調整は、ベース
・ユニット４０４内のコントローラ４３６によって行わ
れる。コントローラ４３６は、制御バス４３８を介して
マルチプレクサ４２８を制御し、ケーブル４２６を備え
る制御バス４４０を介してマルチプレクサ・バンク４２
２を制御する。

マルチプレクサ・バンク４１Ｂによって指定される経路
指定に関する完全な仕様には、６０．０００ビツトの情
報が必要になる。近接グループに対応する素子間に導入
される相対遅延は、せいぜい、わずかな量しか異ならな
いので、第２レベルのグループ分けを用いて、コントロ
ーラ４３６がマルチプレクサ・バンク４１８を制御する
のに必要な情報量を減少させることが可能である。特に
、コントローラ４３６は、バス４４０に沿って共通の制
御信号を送り、クラスタ４１０内のグループを調節する
。この結果、バス４４０によって伝送されなければなら
ないビット数が１６分の１に減少し、マルチプレクサ・
バンク４１８の制御には３．７５０ビツトが必要になる
。これら３．７５０　ビットは、２３４ラインで伝送さ
れ、それぞれが各フォーカシング位置及びステアリング
位置を選択する１６ビツトをシリアルで備えている。こ
れら２３４のデータ・ラインは、また、４００のグルー
プ信号ラインだけでなく、電源及び接地等のラインを備
えているケーブル４２６のかさを不当に増すものではな
い。

バス４４０によって運搬される情報は、データ・ライン
毎にマイクロプロセッサを構成する゛ことが可能なデコ
ーダ４４２によってデコートされる。デコードされた情
報は、ビット・ライン・バス４４４にそってマルチプレ
クサ・バンク４１８に伝送される。

グループ４１２毎に、２５のトランスジューサ素子４１
４に対して６レベルの遅延を与えるため、１５０のスイ
ッチが必要となる。したがって、４００のグループ全て
を取り扱うプローブ４０２の場合、６０，０００のスイ
ッチが必要になる。加えて、４００の遅延セグメントの
それぞれについて、６個の入力バッファと１個の出力バ
ッファが必要となり、従って、プローブ４０２は遅延に
備えて２．８００のバッファを必要とする。これら構成
素子は、５ボルトで約１５ワツトの電力損失（ｐｏｗｅ
ｒ　ｄｆｓｓｉｐａｔｉｏｎ）を生じるが、これはプロ
ーブ１０２で簡単に取り扱うことができる。６０ｄＢの
ダイナミック・レンジを得ることができる。方位（ａｚ
ｉａｕｔｈａｌ）ステアリングは±４５０で、１５０の
ラインに解像される。立面ステアリング（ｅｌｅｖａｔ
ｉｏｎａｌ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ）は±４５°で、１００
の立面に解像される。３０ｍ５から１５０ａ−のフォー
カス範囲が得られる。

チャネル間のフェイジング（ｐｈａｓｉｎｇｓ）は、超
音波システム１００に遅延ラインを用いて実現されるが
、ステガ基準信号とそれぞれのイメージ信号を混合する
ことによって、フェイジングを実現することも可能であ
る。ミクサは信号スイッチと簡単に一体化させることが
できる。超音波システムにおいて相対位相を実現するた
めの技術については、例えば、米国特許第４．１４０．
０２２号に開示される。

他の実施例である超音波システム５００を第５図に示す
。超音波システム５００は、電気形態に変換する前に音
響イメージ信号に遅延を導入する。プローブ５０２には
、共通のバックプレーン５１２に取りつけられた複数の
トランスジューサ素子５０６．５０８、５１０が含まれ
ている。各トランスジューサ素子は、側部が電極をなし
、縦方向にポーリングが施された、バー厚さにモード（
ｂａｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｍｏｄｅ）のトランスジ
ューサである。各素子には、基板５１６と音響イメージ
信号を受信するマツチング相５１８が含まれている。ト
ランスジューサ素子５０６の一方の側には、接地面５２
０が形成され、素子５０６のもう一方の側には、４つの
電極５２２．５２４．５２６．５２８が形成される。各
電極は、伸長されたトランスジューサ素子５０６から離
れたタップとしての働きをする。各タップによって、イ
メージ信号にそれぞれの遅延が導入される。４×１マル
チプレクサ・バンク５３０を利用して、各トランスジュ
ーサ素子の所望の遅延が選択される。グループをなす素
子の選択された信号がノード５３２において加算される
。次に、ノード５３２からの加算信号がケーブル５３４
を介してベース・ユニット５３６に送られ、インターグ
ループ処理が行われる。他の点については、超音波シス
テム５００は超音波システム１００及び４００と同様で
ある。

従って、本願発明は、プローブからベース・ユニットへ
のケーブル内における扱いやすい数のラインと共に、プ
ローブ内における適度な電力損失レベルを可能にする。

サイズの異なるアレイを設けることも可能である。各ア
レイは、例えば、非正方形の矩形等の異なる形状で、か
つ、数の異なる素子からなるグループ及びサブ・アレイ
に分割することができる。例えば、５×５のグループに
ついて述べたが、アレイ・サイズがグループ・サイズで
通約できる場合（ｃｏｓｓｅｎｓｕｒａｂｌｅ）には、
比較し得るアレイとし６Ｘ６のグループが適している。

例えば、９６　Ｘ　９６は、便宜上、６×６のグループ
に分割することができる。小さいアレイには、４×４の
グループが組み込まれ、一方、大きいアレイにうは、７
×７のグループが組み込まれる。

広範囲のアレイ寸法に対して超音波システムを最適化す
る数式化について、以下に説明する。

一般に、プローブ内のスイッチ数及びプローブとベース
・ユニット間のケーブル数を最小化することが望まれる
。製造コストだけではなく、システムの性能や便宜も含
める最終的な判断基準は、全て間単に数量化できるわけ
ではない。従って、以下の数式化は性能及び便宜のさら
に精密な数量化が行えるので、修正可能なガイド・ライ
ンである。

数式化は、プローブ及びベース・ユニット内のスイッチ
の総数を最小化するものである。ベース・ユニット内の
スイッチ数は、プローブに対するケーブル数と相関関係
があるので、この目的はプローブのスイッチとプローブ
からのケーブルの両方を最小化する目標に関連している
。数式化では、下記の定義が適用される。

Ｎ２は、アレイ内における素子の総数である。

Ｋ２は、アレイのグループ内における素子の数である。

Ｑｌは、ある素子における遅延の量子である。

Ａは、ある素子における遅延レベルの数である。

Ｂは、遅延の総ステツプ数である。

Ｔｏは、全遅延範囲（フォーカス＋ステアリング）であ
る。

ＮＴは、スイッチの総数である。

下記の数量は計算によって求められる。

Ｂ　＝　　Ｔ　、　／　ＡＱＩ Ｎ！／　Ｋ２は、スキャナに対するグループとワイヤの
数である。

（Ａ　＋１）Ｋ”は、１グループにおけるクロスポイン
ト・スイッチ（ｃｒｏｓｓｐｏｉｎｔ　５ｗ１ｔｃｈｅ
ｓ）の数である〇（Ａ　＋１）Ｎ”は、−グループにお
けるクロスポイント・スイッチの数である。

（Ｎ”／Ｋ”）（ＴＯ／　Ａ　Ｑｌ）は、総遅延ライン
のタップ・セレクタ・スイッチの数である。

この目的は、 Ｎｔ　＝　（Ｎ”）［（Ａ＋１）＋　（Ｔ　、　／　Ｑ
ｌ）／（ＡＫ”）］を最小化することにある。

Ｋ　：　（０，８３）　Ａのステアリング制限を加える
ことにより（後続の説明を参照）、式（１）が得られる
。

Ａ　ｓｌｍ　”　　［４，３２Ｔ　ｏ　／　Ｑｌ］”’
　、、、（１）例えば、Ｔｏの全遅延が１５．０００ｎ
ｓで、Ｑｌの量子化が５０ｎｓの場合、遅延レベルの総
数はＡ　ｓｌｍ・６となる。

Ａ１．に基づいて所望のグループ・サイズを計算するた
め、ステアリング制限について考慮しなければならない
。入力超音波は、アレイに対する軸から離れるようにス
テアリングが施される。距離ｄだけ間隔をあけた隣接素
子間の時間遅延Δτを設定して、指定のステアリング角
度Ｑ、ＩＦからの入力波によって各素子に生じる示差時
間遅延を補償しなければならない。この場合、 Δｒ＝　（ｄ　ｓｉｎθｓｉｎ　ＩＦ）／ｖ　、、、　
　（２）となる。

グループにおける総遅延時間は、最大遅延の量子化より
小さくなることが望ましい。

ＡＱ≦にΔτ　　　　、、、、、、　　（３）従って、 Ｋ：　（Ａ　Ｑｌ／Δτ）傷０，８３＾　　、、、　（
４）となる。

上の例では、Ａ、１．・６であり、Ｋ　ｍｉｍは５にな
る。この場合、グループ毎に約７０．０００のスイッチ
と２０．１６０のタップ・セレクタ・スイッチとなり、
スイッチの合計は、９０，１６０になる。グループの数
、即ち、ベース・ユニットに対するバッファ増幅器とワ
イヤの数は４００となる。各素子には、７個のスイッチ
が接続される。素子の容量が６．５ｐＦで、漏れ容量が
１．Ｅ〜３９Ｆと仮定すると、電気的交差結合は約−６
１ｄＢになる。

プローブとベース・ユニットの間で必要とされるワイヤ
の数には、プローブからベース・ユニットへの信号線と
ベース・ユニットからプローブへの制御ラインも含まれ
る。グループが、それぞれＭのグループからなる超グル
ープ（ｓｕｐｅｒｒｒｏｕｐｓ）にグループ分けされる
と、選択可能な遅延素子の対はＭＡＫ”となる。制御ラ
イン毎のビット数は次のように求めることができる。

ビット数＝　１＋ｇＭＡＫ”／ｌｏｇ（２）　　　、、
、、、、　　（５）制御ライン数・（１／Ｍ）（Ｎ”／
Ｋ”）　　、、、、、、　（６）例えば、Ｍ＝２で、超
グループ毎の制御ライン数が１、Ａｗｌｓ　＝　６＋　
　Ｋｓｌｍ・５の場合、遅延素子の対には３００の選択
があり、２００の９ビツト制御ラインが必要となる。一
方、Ｍ＝１６で、超グループ毎の制御ライン数が２、Ａ
１゜・６　、　　Ｋｓｌｍ・５の場合、遅延素子の対に
は２．４００の選択があり、２５の１２ビツト制御ライ
ンが必要となる。信号ライン数は、４００である。Ｍ＝
２の場合、ケーブルのライン数は、約６００　、Ｍ＝１
６の場合、ケーブルのワイヤ数は約４２５となる。

他の実施例では、Ｍ＝１６で、超グループ毎の制御ライ
ン数が２、Ａ、、、　＝　７．　　Ｌｌ、　＝　６の場
合、遅延素子の対には４．０３２の選択があり、Ｉ８の
１２ビツト制御ラインと２７８の信号線が必要とされる
。

実際には、広範囲にわたって利用可能な１６ビツト・プ
ロセッサとの適合製のため、１８の１６ビツト制御ライ
ンが用いられている。約７０．０００の遅延選択スイッ
チを制御するため、プローブに１８の１６ビツト・プロ
セッサが設けられている。約２７８のバッファ増幅器を
利用して、スキャナ・ベース・ユニットへのアナログ・
リード線が駆動される。また、他の実施例では、プロー
ブ内における階層的スイッチングが用いられることによ
って、必要なスイッチの数がさらに減少し、従って、プ
ローブ内における電力損失も減少する。プローブ内とベ
ース・ユニットの両方において、異なるタイプの遅延を
利用し、異なる数の遅延量子を利用することが可能であ
る。本発明では、以上述べた実施例に対して様々な変更
及び修正が加えられることは当業者にとって自明のこと
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本願発明によりステアリング及びフ
ォーカシングを容易に実現できる２次元フェイズド・ア
レイを備えた超音波システムを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である超音波システムの概
略図。 第２図は、第１図の超音波システムのブロック図。 第３図は、第１図の超音波システムの部分詳細図。 第４図は、本発明の他の一実施例である超音波システム
の概略図。 第５図は、本発明に用いられる音響イントラグループ遅
延構成の詳細図。 １００．４００：超音波システム、 １０２、４０２．５０２ニブローブ、１０６．４０６：
モニタ、１１０：フエイズド・アレイ、 １１２ニブローブ・ウインドウ １０４、４０４．５３６：ベース・ユニット、２０１〜
２１６．５０６．５０８．５１０：　トランスジューサ
素子、２２８：イントラグループ・プロセッサ、２３２
：インターグループ・プロセッサ、２３６、４３６　：
コントローラ、 ３１２、３１４．３１６．３１８．３７０．４２８．４
１８．５３０：マルチプレクサ、 ３４０．３８０：タップ付遅延ライン、４４２：デコー
ダ、　５２０：マツチング層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）プローブとベース部と前記プローブと前記ベース
   部を連結する通信リンクから成る超音波システムにおい
   て、 前記プローブは２次元アレイに配置された複数個のトラ
   ンスジューサ素子からなる複数のグループを有する超音
   波トランスジューサを含み、前記各トランスジューサ素
   子は、イメージ信号を音響電気変換し、 前記プローブは、前記グループの前記トランスジューサ
   素子に対応する前記各イメージ信号間の相対的なグルー
   プ内フェイジングを制御して、前記イメージ信号を結合
   し、グループ信号のフェイジングを行うイントラグルー
   プ処理手段を含み、よって、前記複数のグループの各々
   に対応する複数のグループ信号を生成し、 前記イントラグループ処理手段は、前記グループ信号を
   前記通信リンクを介して前記ベース部に送り、 前記ベース部は、前記グループ信号間のフェイジングを
   制御し、前記ビデオ信号を生成するため遅延を与えて前
   記グループ信号を結合するインターグループ処理手段を
   含み、 前記イントラグループ処理手段と前記インターグループ
   処理手段から与えられる遅延の導入により前記超音波シ
   ステムのステアリングとフォーカシングをおこなること
   を特徴とする超音波システム。