JPH0339265B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0339265B2 JPH0339265B2 JP57223827A JP22382782A JPH0339265B2 JP H0339265 B2 JPH0339265 B2 JP H0339265B2 JP 57223827 A JP57223827 A JP 57223827A JP 22382782 A JP22382782 A JP 22382782A JP H0339265 B2 JPH0339265 B2 JP H0339265B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sample
- reflected
- signal
- interface
- ultrasonic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、超高周波音波エネルギーを用いる装
置、特に超音波顕微鏡に関する。
置、特に超音波顕微鏡に関する。
近年、医学界において人体の内部構造を観察す
るのに有効な波動として応用されている超音波
は、光や電子線には不可能な光学的に不透明な物
体をも透過する性質を持つており、その周波数が
高ければ高い程より微細な対象物まで描き出す事
が可能である。その上、超音波が取り出す情報は
対象物の弾性、密度、粘性等の力学的性質を反映
している為、光や電子線では得られない内部の構
造までみる事が出来る。
るのに有効な波動として応用されている超音波
は、光や電子線には不可能な光学的に不透明な物
体をも透過する性質を持つており、その周波数が
高ければ高い程より微細な対象物まで描き出す事
が可能である。その上、超音波が取り出す情報は
対象物の弾性、密度、粘性等の力学的性質を反映
している為、光や電子線では得られない内部の構
造までみる事が出来る。
音波周波数IGHz、従つて水中での音波長とし
て約1μmに及ぶ超高周波音波を利用して、上記の
超音波の特徴を生かした超音波顕微鏡が検討され
ている(R.A.レモン氏とC.F.クウエーツ氏のA
Scanning Acoustic Microscopeと題するIEEE
Cat.No.73 CH14829SUPP 423−426に掲載の文
献)。
て約1μmに及ぶ超高周波音波を利用して、上記の
超音波の特徴を生かした超音波顕微鏡が検討され
ている(R.A.レモン氏とC.F.クウエーツ氏のA
Scanning Acoustic Microscopeと題するIEEE
Cat.No.73 CH14829SUPP 423−426に掲載の文
献)。
この超音波顕微鏡の原理は、約1μm位まで細く
絞つた超音波ビームによつて試料面を機械的に2
次元走査しながら、試料によつて惹起された散
乱、反射、透過減衰といつたじよう乱音波を集音
して電気信号に変換し、この電気信号をブラウン
管上に、上記機械走査と同期して2次元表示する
事により顕微画像を得るものである。第1図を用
いてその従来の基本構成を説明する。
絞つた超音波ビームによつて試料面を機械的に2
次元走査しながら、試料によつて惹起された散
乱、反射、透過減衰といつたじよう乱音波を集音
して電気信号に変換し、この電気信号をブラウン
管上に、上記機械走査と同期して2次元表示する
事により顕微画像を得るものである。第1図を用
いてその従来の基本構成を説明する。
超音波を発生検出するトランスデユーサは、主
として圧電薄膜20、音響レンズ40から構成さ
れる。即ち、音響レンズ40(例えば、サフアイ
ア、石英ガラス等の円柱状結晶)は、その一端面
41は光学研磨された平面であり、他端面には微
小な曲率半径(例えば0.1〜1mm)の半球穴42
が形成されている。端面41に蒸着等のよつて設
けられた上部電極10、電圧薄膜20及び下部電
極11からなる層構造の上下電極間に、RFパル
ス発振器100の出力電気信号を印加すれば、上
記圧電薄膜の圧電効果により、音響レンズ40内
に平面波のRFパルス超音波80が放射される。
この平面超音波は上記半球穴42と媒質50(一
般に純水が用いられる)との界面で形成される正
の音響球面レンズにより所定焦点面におかれた試
料60上に集速束される。
として圧電薄膜20、音響レンズ40から構成さ
れる。即ち、音響レンズ40(例えば、サフアイ
ア、石英ガラス等の円柱状結晶)は、その一端面
41は光学研磨された平面であり、他端面には微
小な曲率半径(例えば0.1〜1mm)の半球穴42
が形成されている。端面41に蒸着等のよつて設
けられた上部電極10、電圧薄膜20及び下部電
極11からなる層構造の上下電極間に、RFパル
ス発振器100の出力電気信号を印加すれば、上
記圧電薄膜の圧電効果により、音響レンズ40内
に平面波のRFパルス超音波80が放射される。
この平面超音波は上記半球穴42と媒質50(一
般に純水が用いられる)との界面で形成される正
の音響球面レンズにより所定焦点面におかれた試
料60上に集速束される。
試料60によつて反射された超音波は、上記音
響レンズ40により集音され、平面超音波に変換
されて音響レンズ40内を伝播し、最終的に圧電
薄膜20の逆圧電効果によりRFパルス電気信号
に変換される。このRFパルス電気信号はRF受信
器110で増巾検波後、ビデオ信号(1−10M
Hz)に変換されたブラウン管130の輝度信号
(Z入力)として用いられる。
響レンズ40により集音され、平面超音波に変換
されて音響レンズ40内を伝播し、最終的に圧電
薄膜20の逆圧電効果によりRFパルス電気信号
に変換される。このRFパルス電気信号はRF受信
器110で増巾検波後、ビデオ信号(1−10M
Hz)に変換されたブラウン管130の輝度信号
(Z入力)として用いられる。
かかる構成において、資料ステージ70上に貼
付された試料60をx−y面内の2次元機械走査
系120によつて、2次元機械振動を行なわせな
がら、上記ビデオ信号をこの走査と同期してブラ
ウン管130上に表示すれば、顕微画像が得られ
る事になる。
付された試料60をx−y面内の2次元機械走査
系120によつて、2次元機械振動を行なわせな
がら、上記ビデオ信号をこの走査と同期してブラ
ウン管130上に表示すれば、顕微画像が得られ
る事になる。
ところで、かかる装置で生物組織切片等の生物
試料を観察する場合、生物試料の音響インピーダ
ンスは媒質である水の音響インピーダンスと良く
似ている為、充分な反射信号が得られないという
事情がある。かかる事情は第1図において、資料
60を支える試料ステージ70の材質として、そ
の音響インピーダンスが生物試料の音響インピー
ダンスより充分大きな材料(例えば、ガラスやス
テンレス等の金属材料)を選べば、上記反射型の
構成でも透過信号が得られる事により改善され
る。
試料を観察する場合、生物試料の音響インピーダ
ンスは媒質である水の音響インピーダンスと良く
似ている為、充分な反射信号が得られないという
事情がある。かかる事情は第1図において、資料
60を支える試料ステージ70の材質として、そ
の音響インピーダンスが生物試料の音響インピー
ダンスより充分大きな材料(例えば、ガラスやス
テンレス等の金属材料)を選べば、上記反射型の
構成でも透過信号が得られる事により改善され
る。
まず、第2図を用いて、何故、かかる材質のス
テージで試料を裏打ちすれば、反射構造にもかか
わらず透過信号が得られるかを説明する。第2図
において、ある厚みdの生物試料50の上の界面
をl1、下の界面をl2として下の界面l2には生物試
料に対して充分音響インピーダンスの大きな、音
響反射体である試料台70が裏打されている。試
料上方より入射した超音波ビーム170はまず界
面l1で一部反射し、大部分は試料60中へ透過す
る。界面l1での反射波は上述の如く、生物試料で
は極めて弱い、させ、試料60中を伝播した音波
は、試料固有の減衰率で減衰しつつ界面l2に到達
し、こに界面l2で反射され、試料中を図中上方へ
伝播し、界面l1を介して水180中へ放射し、界
面l2から反射音波として探触子40によつて受音
検出される。ここで上記の様な材質の裏打ち材を
用いれば界面l2での反射は殆んど完全反射であつ
て、この構成の検出反射信号は界面l1からの微弱
な反射波と界面l2からの比較的大きな反射波とか
らなり、反射信号の大きさは、界面l2からの反射
音波で決まると云えるのである。この反射信号は
試料中を2回透過したのと同じ、じよう乱を受け
ていると考えられる。
テージで試料を裏打ちすれば、反射構造にもかか
わらず透過信号が得られるかを説明する。第2図
において、ある厚みdの生物試料50の上の界面
をl1、下の界面をl2として下の界面l2には生物試
料に対して充分音響インピーダンスの大きな、音
響反射体である試料台70が裏打されている。試
料上方より入射した超音波ビーム170はまず界
面l1で一部反射し、大部分は試料60中へ透過す
る。界面l1での反射波は上述の如く、生物試料で
は極めて弱い、させ、試料60中を伝播した音波
は、試料固有の減衰率で減衰しつつ界面l2に到達
し、こに界面l2で反射され、試料中を図中上方へ
伝播し、界面l1を介して水180中へ放射し、界
面l2から反射音波として探触子40によつて受音
検出される。ここで上記の様な材質の裏打ち材を
用いれば界面l2での反射は殆んど完全反射であつ
て、この構成の検出反射信号は界面l1からの微弱
な反射波と界面l2からの比較的大きな反射波とか
らなり、反射信号の大きさは、界面l2からの反射
音波で決まると云えるのである。この反射信号は
試料中を2回透過したのと同じ、じよう乱を受け
ていると考えられる。
即ち、第2図の構造は、第3図のようにミラー
面200により共焦点に対向した探触子系21
0,220とその間にそう入された等価的に厚み
が倍の試料230が水240中にある、いわゆる
透過型構造と等価であるからである。
面200により共焦点に対向した探触子系21
0,220とその間にそう入された等価的に厚み
が倍の試料230が水240中にある、いわゆる
透過型構造と等価であるからである。
実際、生物試料の厚みをd、減衰率をαsとし、
生物試料、水、裏打ち材の音響インピーダンスを
それぞれZS,ZW,ZBとすると、実効的な反射率
γは、次の(1)式で与えられる γ=(ZW−ZS)(ZS+ZB)+(ZW+ZS)(ZS−ZB)e-j
〓/(ZW+ZS)(ZS+ZB)+(ZW−ZS)(ZS−ZB)e-j
〓(1) ここで θ=2(k−j〓s) kは波数 更に、ZB≫ZS、ZB≫ZWなる鏡体裏打ち条件下
では、 γ=ZS−ZW/ZS+ZW+4ZSZW/(ZS+ZW)2e-2〓Sd/1
+ZS−ZW/ZS+ZWe-2〓Sd(2) となる。右辺第1項が、界面l1からの反射信号で
あり、第2項が界面l2からの反射信号である。
生物試料、水、裏打ち材の音響インピーダンスを
それぞれZS,ZW,ZBとすると、実効的な反射率
γは、次の(1)式で与えられる γ=(ZW−ZS)(ZS+ZB)+(ZW+ZS)(ZS−ZB)e-j
〓/(ZW+ZS)(ZS+ZB)+(ZW−ZS)(ZS−ZB)e-j
〓(1) ここで θ=2(k−j〓s) kは波数 更に、ZB≫ZS、ZB≫ZWなる鏡体裏打ち条件下
では、 γ=ZS−ZW/ZS+ZW+4ZSZW/(ZS+ZW)2e-2〓Sd/1
+ZS−ZW/ZS+ZWe-2〓Sd(2) となる。右辺第1項が、界面l1からの反射信号で
あり、第2項が界面l2からの反射信号である。
特に、生物試料の如く、ZSZW、ZS=ZW+△
Z、△Z/ZW≪1なる条件では、式(2)は γ=△Z/2ZW+e-2〓sd (3) となる。
Z、△Z/ZW≪1なる条件では、式(2)は γ=△Z/2ZW+e-2〓sd (3) となる。
従つて、完全反射体とみなせる材料で裏打ちさ
れた生物試料からの反射信号は、従来のようにマ
イラーの如き軟かい材料で裏打ちされた生物試料
の透過信号と等価である。
れた生物試料からの反射信号は、従来のようにマ
イラーの如き軟かい材料で裏打ちされた生物試料
の透過信号と等価である。
さて、この様な構成で、界面l1からの反射音波
と界面l2からの反射音波の弁別は、時間弁別によ
つている。しかしながら、試料の厚みが薄くなつ
たり、送受信する超音波パルス巾が広かつたりす
ると、この両者の信号は重なりあい時間弁別が極
めて困難になる。式(3)からわかる如く、界面l1か
らの反射音波は試料の音響インピーダンスの2次
元分布を反映し、界面l2からの反射音波は試料の
減衰率の2次元分布を反映しているから、この両
者を弁別する事が出来るなら、生物試料の力学的
特性を決める2つのパラメータ、音響インピーダ
ンスと減衰率を独立に定める事が出来、ひいては
超音波超音波に計測機能を付け加える事が可能と
なる。
と界面l2からの反射音波の弁別は、時間弁別によ
つている。しかしながら、試料の厚みが薄くなつ
たり、送受信する超音波パルス巾が広かつたりす
ると、この両者の信号は重なりあい時間弁別が極
めて困難になる。式(3)からわかる如く、界面l1か
らの反射音波は試料の音響インピーダンスの2次
元分布を反映し、界面l2からの反射音波は試料の
減衰率の2次元分布を反映しているから、この両
者を弁別する事が出来るなら、生物試料の力学的
特性を決める2つのパラメータ、音響インピーダ
ンスと減衰率を独立に定める事が出来、ひいては
超音波超音波に計測機能を付け加える事が可能と
なる。
本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、上
記構成における2つの反射波を分離抽出する手段
を提供するものである。
記構成における2つの反射波を分離抽出する手段
を提供するものである。
本発明は、上記2つの反射波の周波数依存性に
着目し、異なる複数個の周波数での検出反射信号
の差分値を用いて上記課題を解決するものであ
る。
着目し、異なる複数個の周波数での検出反射信号
の差分値を用いて上記課題を解決するものであ
る。
即ち、界面l1からの反射波は、試料の音響イン
ピーダンスでのみ定まり、しかも100MHz〜1GHz
という超音波顕微鏡の使用周波数範囲では速度分
散も小さく、従つて周波数によらず一定と見なす
事ができる。他方、界面l2からの反射波は試料の
減衰率αsで定まり、周知の如く著しい周波数依
存性を示すからである。或る周波数fにおける反
射音波の量γは次の(4)式で表わされる。
ピーダンスでのみ定まり、しかも100MHz〜1GHz
という超音波顕微鏡の使用周波数範囲では速度分
散も小さく、従つて周波数によらず一定と見なす
事ができる。他方、界面l2からの反射波は試料の
減衰率αsで定まり、周知の如く著しい周波数依
存性を示すからである。或る周波数fにおける反
射音波の量γは次の(4)式で表わされる。
γ=a+b(f) (4)
ここでaは周波数fによらない定数で第(3)式第
1項に対応し、b(f)は周波数fの関数で式(3)の第
2項に対応するものである。従つて、2つの周波
数f1、f2で生物試料の顕微画像を撮影記憶し、そ
の差分の画面を表示するなら、この画像は試料の
減衰率の2次元分布の周波数差分に対応してお
り、音響インピーダンスの2次元分布を反映する
画像は消去される事になるのである。
1項に対応し、b(f)は周波数fの関数で式(3)の第
2項に対応するものである。従つて、2つの周波
数f1、f2で生物試料の顕微画像を撮影記憶し、そ
の差分の画面を表示するなら、この画像は試料の
減衰率の2次元分布の周波数差分に対応してお
り、音響インピーダンスの2次元分布を反映する
画像は消去される事になるのである。
かかる差分は、多数個の周波数の場合(f0<f1
<f2<……<fo)の時、隣接間の差分をとつても
よいし、いつもf0を基準として差分をとつてもよ
い。
<f2<……<fo)の時、隣接間の差分をとつても
よいし、いつもf0を基準として差分をとつてもよ
い。
本発明者等は、300、400、500、600MHzの4種
類の周波数について上記差分作業を行ない、良好
な結果を得た。
類の周波数について上記差分作業を行ない、良好
な結果を得た。
以下、説明の為2つの異なる周波数の場合につ
いて図面を用いて実施例を説明する。
いて図面を用いて実施例を説明する。
第4図及び第5図は、本発明の一実施例の構成
を示す図である。第6図は、それらの動作説明用
波形図である。まず、第1のRF連続発振器50
0で発生したRF連続波信号(例えば500MHz)を
アナログ・スイツチ510で継続時間td(例えば
100ns)のRFパルス信号にかえ(第6図a)、方
向性結合器520を介してトランスデユーサ53
0に印加する。試料540からの反射エコー信号
は、再び方向性結合器520を介して、RF増巾
器560で増巾される(第6図b)。ここで、A
は打ち出し信号を、Bはレンズと媒質である水の
界面からのエコーを、Cは試料からの反射エコー
を表わしている。RF増巾器の出力はダイオード
検波器565によつてビデオ信号(例えば帯域
10MHz)に変換され(第6図c)、サンプルホー
ルド回路等標本化回路570で標本化され、この
標本化出力はAD変換器580でデイジタル値に
変換後、まず第1のラツチ回路585に著積す
る。次に、第2のRF連続波発振器505(周波
数400MHz)で発生したRF連続波信号を用いて、
上記と同様反射信号を検出し、標本化回路570
で標本化し、AD変換後、第2のラツチ回路59
5に蓄積する。ラツチ回路585,595の出力
は減算器600によつて差分され、その差出力は
DA変換器610によりアナログ信号に変換さ
れ、ブラウン管のZ入力信号として用いられる。
第5図は第4図における同期制御回路550の一
実施例を示すもので、超音波送受信の繰り返し周
期tRの短形波パルス発振器551の出力(第6図
f)を、ワン、シヨツト552によりパルス巾td
のパルス列(第6図d)に変換し、これをコント
ロール1信号として上記アナログ・スイツチ51
0のON,OFFに用いている。又、パルス発振器
551の出力は、可変遅延器553で遅延後、ワ
ン・シヨツト554により、パルス巾tsのパルス
列に変換され(第6図eのコントロール2信号)、
上記標本化回路のタイトゲート信号として用いて
いる。
を示す図である。第6図は、それらの動作説明用
波形図である。まず、第1のRF連続発振器50
0で発生したRF連続波信号(例えば500MHz)を
アナログ・スイツチ510で継続時間td(例えば
100ns)のRFパルス信号にかえ(第6図a)、方
向性結合器520を介してトランスデユーサ53
0に印加する。試料540からの反射エコー信号
は、再び方向性結合器520を介して、RF増巾
器560で増巾される(第6図b)。ここで、A
は打ち出し信号を、Bはレンズと媒質である水の
界面からのエコーを、Cは試料からの反射エコー
を表わしている。RF増巾器の出力はダイオード
検波器565によつてビデオ信号(例えば帯域
10MHz)に変換され(第6図c)、サンプルホー
ルド回路等標本化回路570で標本化され、この
標本化出力はAD変換器580でデイジタル値に
変換後、まず第1のラツチ回路585に著積す
る。次に、第2のRF連続波発振器505(周波
数400MHz)で発生したRF連続波信号を用いて、
上記と同様反射信号を検出し、標本化回路570
で標本化し、AD変換後、第2のラツチ回路59
5に蓄積する。ラツチ回路585,595の出力
は減算器600によつて差分され、その差出力は
DA変換器610によりアナログ信号に変換さ
れ、ブラウン管のZ入力信号として用いられる。
第5図は第4図における同期制御回路550の一
実施例を示すもので、超音波送受信の繰り返し周
期tRの短形波パルス発振器551の出力(第6図
f)を、ワン、シヨツト552によりパルス巾td
のパルス列(第6図d)に変換し、これをコント
ロール1信号として上記アナログ・スイツチ51
0のON,OFFに用いている。又、パルス発振器
551の出力は、可変遅延器553で遅延後、ワ
ン・シヨツト554により、パルス巾tsのパルス
列に変換され(第6図eのコントロール2信号)、
上記標本化回路のタイトゲート信号として用いて
いる。
かかる構造において、500MHzでの反射超音波
の検出と600MHzでの反射音波の検出を交互に繰
り返し、その検出出力の差分値をもつて画素情報
とすれば、本発明の目的たる反射超音波信号の周
波数差に依存する減衰率に対応する出力が得られ
るのである。
の検出と600MHzでの反射音波の検出を交互に繰
り返し、その検出出力の差分値をもつて画素情報
とすれば、本発明の目的たる反射超音波信号の周
波数差に依存する減衰率に対応する出力が得られ
るのである。
以上述べた如く、本発明によれば超音波反射信
号のうち、周波数に依存しない音響インピーダン
スの寄与を消去し、減衰率に依存した成分のみの
差分値を求める手段を提供できるのである。
号のうち、周波数に依存しない音響インピーダン
スの寄与を消去し、減衰率に依存した成分のみの
差分値を求める手段を提供できるのである。
第1図は従来の超音波顕微鏡の概略構成を示す
図、第2図及び第3図は本発明の原理を説明する
図、第4図及び第5図は本発明の一実施例の構成
を示すブロツク図、第6図は、その動作波形の説
明図である。
図、第2図及び第3図は本発明の原理を説明する
図、第4図及び第5図は本発明の一実施例の構成
を示すブロツク図、第6図は、その動作波形の説
明図である。
Claims (1)
- 1 超音波集束ビームを送受信するトランスヂユ
ーサと、下面を反射体に接している試料と、上記
ビームの焦点領域内を機械的に2次元に相対的に
前記試料を走査する手段とを有する超音波顕微鏡
において、異なる周波数の超音波ビームを試料の
同一点に発射し、受信したそれらの反射エコーを
比較して差分値を得る手段と、この差分値を試料
上の走査位置に対応するブラウン管の画面上の位
置に輝度表示する手段とを具備することを特徴と
する超音波顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57223827A JPS59114458A (ja) | 1982-12-22 | 1982-12-22 | 超音波顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57223827A JPS59114458A (ja) | 1982-12-22 | 1982-12-22 | 超音波顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59114458A JPS59114458A (ja) | 1984-07-02 |
| JPH0339265B2 true JPH0339265B2 (ja) | 1991-06-13 |
Family
ID=16804336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57223827A Granted JPS59114458A (ja) | 1982-12-22 | 1982-12-22 | 超音波顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59114458A (ja) |
-
1982
- 1982-12-22 JP JP57223827A patent/JPS59114458A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59114458A (ja) | 1984-07-02 |
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