JPH0515120B2 - - Google Patents

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JPH0515120B2
JPH0515120B2 JP58177842A JP17784283A JPH0515120B2 JP H0515120 B2 JPH0515120 B2 JP H0515120B2 JP 58177842 A JP58177842 A JP 58177842A JP 17784283 A JP17784283 A JP 17784283A JP H0515120 B2 JPH0515120 B2 JP H0515120B2
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Aaru Deiitsu Denisu
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    • G01S15/8909—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
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    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
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    • G10K11/345—Circuits therefor using energy switching from one active element to another

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  • Multimedia (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波診断装置に用いる環状配列変
換器に関し、特に、所望の焦点距離に対して最適
な素子を有し、連続する焦点領域間で円滑な遷移
を示す環状配列変換器に関する。
超音波診断装置に多素子変換器を用いると、変
換器の特性を電子的に変化させることができて有
利である。種々の素子の組合せで、使用中、口径
と焦点深度との特性が、制御可能に変換でき、広
範囲な組織深度の領域にわたる高解像度の情報の
収集が可能である。米国特許第4138895号
（Mezrich）に開示されているように直線配列と
環状配列の二種の多素子変換器がある。この
Mezrichの環状配列は、デイスク形中央素子と同
心リング形外側素子とを有する平板の構成となつ
ている。近距離場結像に対して中央素子のみ用い
られ、遠距離場結像に対して、二つの素子が一緒
に用いられる。これらの素子は、その平板設計ゆ
えに、共に又は単独で、無限遠方で機械的に焦点
整合させる。一つあるいは二つの素子を用いるこ
とによりサイズの変更がなされ、すなわち変換器
によつて伝達され、収集しうるエネルギー量を変
化させる。これはちようどまぶたを細めたり目を
見開いたりして、目に入る光の量を調節するのと
同じである。
環状配列の別型式のものとして、曲面環状配列
のものがある。これでは、素子は、球面の一部と
なされる。球凹面の極にある中央デイスク素子
と、これを取巻く同心リング素子とを有する構成
により、この球面環状配列は、球の幾何学中心
に、機械的に焦点整合される。これは、幾何学焦
点附近で高解像度の情報が集収可能であり有利で
あるが、変換器をその固有の焦点以外の所に焦点
整合させようとする場合に複雑な技巧を要する。
環状配列の種々の変形構成が開発されている。
その一つの典型が、米国特許第4155259号
（Engeler）に開示されている。これは圧電面を、
半径は増大するが幅は一定なリングに分割させた
構成となつている。この配列はリングの幅が全て
等しいので非常に製造しやすい。しかしながら電
子的インタフエースが複雑である。各リングのイ
ンピーダンスは、その面積の関数であり、各リン
グの面積は、各リングの半径の二乗に比例するフ
アクタだけ、その他のものの面積と異なる。従つ
て、送受電子工学インピーダンスが、リングの全
てにつき異なつている。
凹面環状配列の別種のものとしては、フレネル
板配列のものがある。これでは、リングは全て同
じ面積となつている。典型的フレネル板変換器
が、上述のEngelerの特許の第７ｂ図に示されて
いる。リングが同一面積であるために、フレネル
板変換器は、インピーダンスの種々の問題を緩和
させてはいるものの、これも又製造は容易でな
い。リング面積が等しいと言うことは、変換器の
中心からの半径方向距離が増大したリングは、こ
れに対応してリング幅を小さくしなければならな
いことを意味している。変換器のリングが外側に
なればなる程、薄くなり、従つてこわれやすく、
製作困難となり、導体に結合するのが困難とな
る。
その他色々な考察、例えば変換器の面を介する
位相誤差などの考察を、変換器の全ての設計に加
えなければならない。幾何学焦点以外の点では、
変換器軸から変換器表面のそれぞれの点までの距
離が異なる。この相違、ならびにこのための信号
位相への作用は、変換器性能に影響することにも
なる。ビーム幅、すなわち口径は、第２の考察す
べき問題となる。超音波ビームは、変換器からの
距離が増大するに従つて自然に広がるものである
が、変換器に近接する所では、ビームサイズは、
励起される変換器素子の物理的サイズに支配され
る。必要な超音波エネルギの送受の目的では、強
力な変換器を備えることが望ましい。他方では、
像の解析を良好となす目的では、口径を小さく保
つことが好ましい。そこで、異なるリングを励起
および除励した際に、口径を段階的に変化させる
ことを考慮することになる。もし口径変化が、あ
まり円滑でないと、異なる焦点深度でリングのス
イツチを切換えた場合に、遷移歪が超音波像に生
じる。変換器感度が異なる焦点領域の間で段階的
変化を受けるため、像に縞が生じることで、これ
ら歪は、それ自身明白である。
本発明の原理に従つて、種々の焦点深度で作動
するようにされた異なる半径の圧電リングを有す
る凹面環状配列変換器が提供される。変換器の余
口径は、連続する複数の焦点深度に分割される。
近距離場において、送受超音波を焦点整合するた
めには、内側素子のみ用いられる。これら素子の
幅は、これらを介し位相誤差を許容範囲内に保つ
ように選定される。場深度が増大した時に、半径
が増大する圧電リングは、より短距離の深さです
でに励起されたリングと組合されて励起される。
これらリングの幅は、位相基準に応じて決定され
る。そして、リング幅が許容製造交差範囲内にな
るように、口径変化を与える遷移深度が選定され
る。焦点深度およびリング半径に応じて口径が選
定され、従つて口径遷移が、超音波像に縞が生じ
る増加変化のレベル以下に保たれる。
ここで第１図と第２図を参照するに、本発明の
原理に従つて構成された環状配列変換器が図示さ
れている。該変換器は、ジルコン酸塩チタン酸塩
鉛などの圧電材料製の曲面を含み、変換器の表面
を図示する第２図の如く、リング１〜４に分割さ
れている。
第１図の横断面図において、変換器には、音響
吸収裏当材料で構成される裏当１０が設けられて
おり、この裏当１０に、振動を減衰させる充填材
を変換器の後方より設けてもよい。配線１１，１
２，１３，１４は、各リング１〜４に接続され、
電気信号をリングに対して送受する。
リングの寸法およびその数は、その目的とする
変換器の作動周波数、変換器の作動が予想される
範囲の場深さ、および最大許容位相誤差によつて
決定される。又、セラミツクス変換器材料の製造
方法も考慮しなければならない。これらのフアク
タを考慮するならば、配列および各リング素子の
寸法は、種々の焦点深度領域にわたり、特定リン
グの組合せによる作動に対して最適化されうる。
許容位相誤差が意味するものは、第３図を参照
すると理解しうる。第３図は、第１図の変換器に
おける中央デイスク１と外側リング素子３を強調
して図示したものである。中心線Ｃは、配列の中
心から発し、Ｚ方向の作動場内に達している。
理想的には、診断領域の一点からもどつてくる
超音波エコー信号は、同時に変換器面上のいずれ
の点についても達しなければならない。もし一つ
のエコー信号が、ある時間において変換器素子上
の一点に達し、次いでその後の時間において素子
上の異なる点に達した場合は、受信信号は、二つ
の受信点で異なる二つの位相を有する。これによ
つて生じる位相誤差は、各種素子からの信号が像
形成のため組合わされ、位相消去が行われる際
に、超音波像に不精確さをもたらすことになる。
第３図の中心線Ｃ上の二点に関して、位相誤差
の解析を行なうことにする。位相誤差は、信号伝
達時間の関数であり、かつまた信号経路長によつ
て表示しうる。
例えば、近距離場点Ｚ１から中央デイスク１の
外縁２０，２０′までの経路長は、中央デイスク
の対称性のため等長となる。従つて、点Ｚ１から
中央デイスク１へ伝わる信号は、同時にデイスク
の縁に達する。しかしながら、点Ｚ１からの信号
は、デイスクが曲率を有するため、短い経路を伝
わり、デイスクの中心に達する。従つて、点Ｚ１
からデイスクが受ける信号については、デイスク
１の中心からデイスクの縁までの半径方向に位相
誤差が生じる。
外側リング３の場合、異なる状況となる。近距
離場点Ｚ１から素子３の内縁３ｉまでの距離２２
は、点Ｚ１から該リングの外縁３ｏまでの距離２
４より短い。従つて、リング３を介して受信信号
に位相差を生じる。位相誤差は、リング幅をゼロ
とすれば、なくすことができる。そこでどの程度
の位相誤差であれば、許容しうるかと言うこと
と、適応するセラミツクス製造技術でどの程度リ
ング幅の狭いものが生産しうるかと言うことを考
慮する必要がある。
しかして、遠距離場点Ｚ２においては、異なる
位相誤差条件となる。点Ｚ２が、配列面の曲率の
幾何学焦点距離より小さければ、外縁３ｏまでの
経路長２８は、内縁３ｉまでの経路長よりわずか
に大きくなるだけである。正確な幾何学焦点にお
いて、これら距離は、等しくなり、幾何学焦点を
越えれば、この長さの関係は、逆になる。遠距離
場点Ｚ２での比較的小さな経路長差は、その点か
らの信号が、近距離視野点からの場合に比べて、
リング幅を介して位相誤差が小さくされて受信さ
れることを意味する。この関係の意味すること
は、こうむる位相誤差が許容範囲内であるという
理由で、遠距離場信号検出時のみ半径が増大され
るリングを使用することが望ましいということで
ある。第２の点は、製造容易で、かつ比較的大き
な幅の外側リングを遠距離場結像に使用しうるこ
とである。
変換器の外側リングの幅が、フレネル板変換器
の場合のごとく、リング幅の減少を示すものであ
るならば、リングは薄く、かなりこわれやすく、
その超音波特性は変化しうることになる。第１ａ
図は、薄いリング１５を図示し、このため、リン
グ幅Ｗは、リング厚さＴに近くなる。リング１５
は、圧電材料の溝１６，１７により画成される。
超音波発信時、素子が共鳴し、変換器の最大寸法
表面から超音波が発射される。この最大寸法表面
は、外側曲面でなければならない。しかし、幅Ｗ
が厚さの寸法Ｔに近づけば、共鳴現象で、リング
の側縁から溝１６，１７そしてこれを囲むリング
へとエネルギを伝達する状態をリングがとるよう
になる。従つて、薄リングの変化した伝達特性
は、変換器を低効率とする。
本発明の環状配列変換器の寸法は、変換器の目
的とする作動範囲の場深度を最初に定めることに
よつて決まる。第１図と第３図の実施例の場深度
は130mmに固定されたが、第３図のＺ軸に沿う最
小深さの40mm（Zmin）から最大深さの170mm
（Zmax）の範囲にある。
変換器の曲率は、Ｚ軸に沿う幾何学焦点を選定
することにより決定した。最大許容位相誤差は
π／1.1（163度）に決定した。次いで幾何学焦点
を決定し、以下の関係により、ZminとZmaxに
おける最小変換器口径を介して位相誤差を、同量
で逆符号のものとした。すなわち φe＝π／λ r2／２（１／Ｚ−１／Ｇ） ここで、ｒはZminで作動中の変換器の半径で
あり、Ｇは幾何学焦点、λは超音波周波数の波
長、ＺはZminにかZmaxのいずれかである。
Zminで作動中の変換器の半径ｒは、その点での
所望の解像度を与える、Zminにおける口径値を
決定することにより選定する。解像度は、Ｆ番の
関数であり、変換器直径2rで焦点距離Ｚを割算す
ることにより計算する。所望のZminの値40mmと
選定されたＦ番を用いてこの式でｒについて解
く。このｒ値を上記式に代入し、これとともに同
量φe逆符号のZminおよびZmaxを用いてこの式
を解く。これらの式から、Zminにおける所望の
解像度（Ｆ番）の半径ｒを用いて、幾何学焦点Ｇ
を決定する。作動周波数5MNzにおいて、直径19
mmの変換器の所望場深度に対しての幾何焦点は、
93mmであることが判つた。93mmという値は、球面
変換器面の曲率半径である。
最小許容リング幅は、変換器リングを形成する
のに用いる製造工程に鑑みて決定した。変換器リ
ングは、0.9mm幅より大きく、最小幅として1.4mm
を選定することが決まつた。
次いで中央素子の幅を決定する。ここで、所望
のビーム幅を検討する必要がある。なぜならビー
ム幅が変換器の焦点特性または口径を決定するか
らである。第４図は、場距離すなわち場深さの関
数としてのビーム幅の関係図を示す。破線４２
は、理論回析限界基準線４０に関係づけた固定焦
点（単一素子）球面変換器のビーム幅を示す。短
距離では、ビーム幅は大きくなる。なぜなら、ビ
ーム幅は、基本的には、変換器直径の関数である
からである。距離が増大すると、ビームは球面の
幾何学焦点Ｇに接近するにつれて収斂する。ビー
ムは幾何学焦点Ｇ直前で理論基準線に接線方向か
ら接近するにつれて、充分に収斂し、その後に広
がる。
良好な焦点特性を得るために、所望の領域にわ
たつて、可能なかぎりビームを狭く保つことが望
ましい。第４図は、近距離場における小径変換器
を利用して、近距離場を実質的に改良できること
を示す。焦点深度が増大した時、環状配列変換器
は、順次外側リングを励起せしめて、種々の焦点
深度領域に対して変換器口径を最適化する。しか
して、焦点距離が増大し、多数の環状リングが作
動変換器に付加されると、新たにリングが加わる
ごとに、口径は、段階的に変化する。これは、口
径のＦ番で表示され、ここでＦ番は、次式で計算
される。すなわち Ｆ＃ ＝焦点距離／半径＝Ｚ／Ｄ Ｆ番ステツプは、最小とし、一つのリングの組
合せから次の組合せへと遷移する時点で超音波像
に縞が生じるのが防止される。中央デイスクを小
さく保ち狭い近距離場ビームを得ることが望まし
い。一方において、円滑な遷移特性を保つため励
起変換器に多数の薄リングを加える必要なく、リ
ングを次々に励起せしめた際に、Ｆ番の増加を縞
が生じるレベル以下に保つように配慮しなければ
ならない。
近距離場を焦点整合するために中央デイスク１
のみが動作しうるが、近距離場で中央デイスク１
と次の環状リング２の双方を用いると良好な解像
度が得られることが判つた。そこで中央デイスク
１と第１リング２の幅を計算し、デイスクとリン
グの双方を介する位相誤差が所望の位相基準、
π／1.1を越えないようにした。使用された式は
次の通りである。すなわち φe＝π／λ r2／p／ （１／Ｚ−１／Ｇ） この計算は、Ｚに対してZminの距離、φeに対
してπ／1.1の所望の位相基準を用いて行つた。
これにより第１リング２の外側半径rpは、5.6mm
となつた。1.5mmのリング幅を、リング２につい
て選定し、用いた製造技術から、素子相互間間隔
0.3mmを用いた。これから、中央デイスク１につ
いては3.8mmの半径になつた。
Zminから、Ｚ軸に沿つた離れた距離で、像中
に可視的口径遷移（Ｆ番変化のための縞）が生じ
ることなしに少なくとも1.4mmの追加リングを加
えることができる点までの領域にわたり、中央デ
イスク１とリング２が動作する。50％のＦ番変化
が回避され、縞の発生を妨げたので、以上の考察
により48mmのＺ領域で次のリング３を加えること
になつた。リング３の幅を、下記式を用い、位相
基準π／1.1より計算した。すなわち φe＝π／λ （r2／p−r2／i）／２（１／Ｚ−１
／Ｇ） ここでrpは、リング３の外側半径であり、riは
その内側半径である。Ｚは、デイスク１とリング
２，３が共に用いられる最小距離48mmにセツトす
る。riは、リング２の外側半径であり、5.6mmに
素子間隔0.3mmをプラスした値となり、riは結局
5.9mmとなる。よつて上記式を、rpについて解い
て、リング３の幅、1.4mmを得る。
次いで、リング１，２，３の組合せについての
Ｆ番をプロツトし、少なくとも1.4mmの別のリン
グを、Ｆ番の遷移が50％を越えない範囲でどこか
に加えるべきかを決定する。これらの考察で、第
２の焦点領域が60mmで終ることが決定された。リ
ング３について用いた位相誤差の式を、次のリン
グ４の幅を決定するために使用した。60mmにおけ
るリング４の内縁から外縁までの位相誤差が、
1.9mmのリング４の幅で所望の位相基準、π／1.1
を満たすことが判つた。幾何学焦点附近に用いら
れる理由で、リング４は、前の二つのリングの幅
より、その幅を有利に大きくでき、よつて外側リ
ングは破損しにくいものとなる。こわれやすいセ
ラミツクス材料を用いる場合には、外側リングを
できるだけ幅広とすることが望ましい。
上述の寸法を有する環状配列変換器のビーム特
性を、第５図と第６図に図示する。
第５図は、適度に小さな近距離場ビーム幅を示
す。第５図において、二点Ａ，Ｂ間で中央デイス
ク１とリング２により、二点Ｂ，Ｃ間で、中央デ
イスク１とリング２，３により、点Ｃを越える両
領では、中央デイスクと全三個のリングにより、
口径が構成される。
第６図は、ZminからZmaxまでの場深度にわ
たるＦ番口径特性を示す。近距離場全体にわたり
かつ遠距離場に入る領域で、最小Ｆ番は、3.5と
4.5の間に保たれる。60mmの点を越えると、Ｆ番
は、連続的に増加する。なぜなら全リングが励起
され、口径がその最大サイズで固定されるからで
ある。口径の変化する近距離場領域で、Ｆ番が６
に増大するか、あるいは２に降下するようにさせ
たならば、口径変化は、激しくなり。50％以上で
変動することとなる。環状配列変換器感度にかな
りの段階上の変化が生じた時に表示像中に縞が生
じることは明らかである。この問題は、本発明の
環状変換器では生じないものである。保守的な設
計方法では、Ｆ番の遷移を、Ｆ番の絶対値の20％
から30％を越えないようにおさえている。異なる
幅のリングにより、これらリングに接続した電子
回路に同一インピーダンスが与えられないが、こ
れらリングのインピーダンスは、全て許容インピ
ーダンス領域内のものとなつている。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の原理に従つて構成した凹面
環状配列変換器の横断面を示す。第１ａ図は、フ
レネル式環状変換器の外側リングの横断面図を示
す。第２図は、本発明の原理に従つて構成した環
状配列変換器面の正面図を示す。第３図は、第１
図の変換器における中央デイスクと外側リング素
子の説明図を示す。第４図および第５図は、環状
変換器の口径特性を示す。第６図は、本発明の原
理に従つて構成した多素子環状配列変換器の作動
時の口径変化を示す。 １……中央デイスク、２，３，４……リング、
１０……裏当、１１，１２，１３，１４……配
線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 焦点選択式環状配列超音波変換器であつて、 凹面を有する圧電素子を備え、 この圧電素子は複数の同心リングに分割されて
    所与の深度の連続領域において選択的に焦点合わ
    せが可能であり、深い深度で焦点合わせをする際
    は、これより浅い深度の領域において励振に用い
    られた同心リングと組合せながら、この同心リン
    グより半径の大きい同心リングを励振させる焦点
    選択式環状配列超音波変換器であり、 各同心リングのリング幅は、受信信号のそのリ
    ング幅に係る位相誤差が、その同心リングが最初
    に励振される最近接点からの信号について所定の
    信号位相変化量を超えないようなものであり、前
    記同心リングのうち相対的に大きな半径を有する
    少なくとも１個のリングは、相対的に小さな半径
    を有する少なくとも１個のリングよりも大きなリ
    ング幅を有する焦点選択式環状配列超音波変換
    器。 ２ 前記同心リングの組合せは、前記各深度の領
    域で異なるビーム幅の超音波ビームを発生させ、
    前記ビーム幅は隣接する領域の境界で、圧電素子
    に近い領域におけるビーム幅と比べ50％を超えな
    い範囲で遷移を示す特許請求の範囲第１項記載の
    焦点選択式環状配列超音波変換器。 ３ 前記最近接点は、前記圧電素子の中心から法
    線方向に延びる軸上にあり、また前記所定の信号
    位相変化量は約π／1.1である特許請求の範囲第
    １項記載の焦点選択式環状配列超音波変換器。 ４ 前記ビーム幅は、前記圧電素子に近い領域お
    よびこの圧電素子から最も離れた領域の一部にお
    いて３ないし５のＦ数を示す特許請求の範囲第２
    項記載の焦点選択式環状配列超音波変換器。 ５ 前記圧電素子凹面の曲率は、この圧電素子に
    対し、所定の深度領域において同じ大きさで符号
    が互いに反対となる位相誤差の両極端で、最小の
    圧電素子幅に係る位相変化量を与える幾何学的焦
    点を与える特許請求の範囲第１項記載の焦点選択
    式環状配列超音波変換器。 ６ 前記幾何学的焦点は圧電素子から最も離れた
    領域に位置する特許請求の範囲第５項記載の焦点
    選択式環状配列超音波変換器。 ７ 前記複数の同心リングの中心にあるリングは
    デイスク形の素子であり、また半径が最大の同心
    リングのリング幅は、前記デイスク形素子の半径
    と最大リング半径の間の大きさの半径を有する同
    心リングのリング幅よりも大きい特許請求の範囲
    第１項記載の焦点選択式環状配列超音波変換器。 ８ 前記デイスク形素子とこれに隣接する同心リ
    ングは圧電素子に最も近い領域において励振され
    る特許請求の範囲第７項記載の焦点選択式環状配
    列超音波変換器。 ９ 焦点選択式環状配列超音波変換器であつて、 凹面を有する圧電素子を備え、 この圧電素子は中央のデイスク形素子とこれを
    取り囲む複数の同心リングに分割されて所与の深
    度の連続領域において選択的に焦点合わせが可能
    であり、深度が順次深くなる領域で焦点合わせを
    する際は、半径が順次大きくなる異なる同心リン
    グの組合わせを励振させる焦点選択式環状配列超
    音波変換器であり、 各同心リングのリング幅は、受信信号のそのリ
    ング幅に係る位相誤差が、その同心リングが最初
    に励振される最近接点からの信号について所定の
    信号位相変化量を超えないようなものであり、前
    記同心リングのうちデイスク形素子から径方向に
    離れた位置にある少なくとも１個のリングは、デ
    イスク形素子により近い位置にある少なくとも１
    個のリングよりも大きなリング幅を有する焦点選
    択式環状配列超音波変換器。 １０ 焦点選択式環状配列超音波変換器であつ
    て、 凹面を有する圧電素子を備え、 この圧電素子は中央のデイスク形素子とこれを
    取り囲む複数の同心リングに分割されて所与の深
    度の連続領域において選択的に焦点合わせが可能
    であり、深度が順次深くなる領域で焦点合わせを
    する際は、半径が順次大きくなる異なる同心リン
    グの組合せを励振させる焦点選択式環状配列超音
    波変換器であり、 前記圧電素子凹面の曲率は、受信信号の圧電素
    子幅に係る位相誤差が、前記深度領域におけるほ
    ぼ最大の限界域と最小の限界域においてそれぞれ
    実質的に同じ大きさで、かつ符号が互いに反対と
    なるような幾何学的焦点を与えるものであり、前
    記同心リングのリング幅は、受信超音波信号のそ
    のリング幅に係る位相誤差がπ／1.1を超えない
    ようなものである焦点選択式環状配列超音波変換
    器。
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