JPH05285132A

JPH05285132A - 超音波送受波器

Info

Publication number: JPH05285132A
Application number: JP8857392A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Shinomura; 隆一篠村; Kageyoshi Katakura; 景義片倉; Chitose Nakatani; 千歳中谷; Sangubi Narendora; ナレンドラ・サングビ
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1993-11-02

Abstract

(57)【要約】【目的】放射角度による方位分解能の差を軽減するこ
と、超音波ビームの走査面と直交する方向（短軸方向）
も方位分解能の差を軽減すること、さらに、距離分解能
を改善すること目的とする。【構成】信号周波数により、超音波ビームを送信あるい
は受信する方向が変化する超音波送受波器において口径
を変更する手段を有する構成、また、超音波送受波器の
駆動周波数あるいは放射方向により、口径を変化させる
構成とする。また、口径を変更する手段を、超音波送受
波器の放射面において、２次元的に変更する構成とす
る。さらに、口径により超音波送受波器の駆動信号の波
数を変える構成とする。【効果】少ない信号線で電気的に超音波ビームを走査
し、超音波ビームを改善でき良好な画質を得ることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波送受波器に係
り、特に少ない信号線で超音波ビームを電気的にセクタ
走査する超音波送受波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】信号周波数により超音波の送信および受
波の方向が変化する超音波送波器は、日本超音波医学会
講演論文集（昭和４９年１１月）に掲載された「高速２
次元撮像装置」と題する論文に報告されている。このよ
うな超音波送受波器の動作原理を図２により説明する。
図２に示すように超音波送受波器は、反転分極（交互に
方向の異なる矢印で分極の方向を示す）した振動子アレ
ー１と、その両面にそれぞれ設けられたグランド電極３
とホット電極２からなる。その電極間にバースト波（素
子数の１／２波、本例は４素子なので２波）を印加する
と、その信号周波数に応じて異なる方向θ（θは超音波
の放射あるいは入射面、即ち振動子アレー面の法線方向
と超音波の放射あるいは入射方向とのなす角度）に超音
波ビームを放射及び入射できるものである。図２に示す
円弧の線が波面を示し、実線と破線で位相が１８０度異
なる。同時刻の隣あった波面の位相が反転しているため
法線方向では相殺され、超音波ビームの入放射は超音波
の放射面の法線方向に対し対称な２つの方向（図２に示
す実線と点線の方向）になされる。この入放射角度θ
は、振動子ピッチｄと駆動周波数ｆ、その波長λとし
て、数１で与えられる。 θ＝ｓｉｎ^-1（λ／（２ｄ））（１）また、この時の遠距離音場指向特性Ｒ（θ）は、数２で
与えられる。Ｒ（θ）＝ｓｉｎ（０．５ｎ（φ−γ））／ｓｉｎ（０．５（φ−γ）） φ＝π、γ＝２πｄｓｉｎ（θ）／λ （２）これらの関係を利用して超音波ビームを走査するもので
あり、１本の信号線で周波数掃引することにより超音波
ビームをセクタ走査できる。また、可変口径走査に関し
ては、特公昭５４−１８９３２号に超音波ビーム幅を振
動子の選択により制御することが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術では、信
号周波数により超音波ビームの指向性が変化し、いわゆ
る方位分解能が、放射角度θの小さい高周波信号による
超音波ビームと放射角度θの大きい低周波信号で異なる
という問題があった。本発明は、放射角度θによる方位
分解能の差を軽減することを目的とする。また、他の目
的は、超音波ビームの走査面と直交する方向（短軸方
向）においても同様に方位分解能の差を軽減することを
目的とする。さらに、距離分解能を改善すること目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、信号周波数
により超音波ビームを送信あるいは受信する方向が変化
する超音波送受波器において口径を変更する手段を有す
ること、また、超音波送受波器の信号周波数あるいは放
射方向により、口径を変更することにより達成される。
また、口径を変更する手段を超音波送受波器の超音波の
放射面において２次元的に変更することにより達成され
る。また、他の目的は口径により超音波送受波器を駆動
する信号の波数を変えることにより達成される。

【０００５】

【作用】一般に口径ｄの矩形振動子の回折によるビーム
のゼロ点は、数３で与えられる。

【０００６】Ｒ（θ）＝ｓｉｎ（ｚ）／ｚ（３）ｚ＝（πｄ／λ）ｓｉｎ（θ）図２の反転分極アレーを斜めに配置し、θ＝３０度から
６０度ビームを掃引すると、３０度にたいしてはｄ・ｃ
ｏｓ（３０°)のように超音波ビームの実質口径を近似
できる。数３から明らかなように、口径ｄを変えること
で、ゼロ点の角度が変化する。つまり方位分解能を制御
できる。超音波ビームの走査方向と直交する方向、即ち
短軸方向に関しても同じことがいえる。同一方向で複数
回送受波し口径を変えることで深度方向に良好な超音波
ビームが得られる。また、掃引角度によって口径を変え
ることによりで良好な超音波ビームを得て、掃引角によ
る方位分解能の差を軽減できる。また、基本的に口径を
形成する素子数の１／２のバースト波で超音波ビームを
形成できることから、口径を変えたときにその口径に含
まれる素子数の１／２のバースト波で駆動することで距
離分解能を改善できる。つまり、全口径が２０素子で構
成されると、１０波で駆動することにより超音波ビーム
を形成できるが、可変口径で１０素子と小さくすると５
波の駆動波数で超音波ビームを形成できる。したがっ
て、距離分解能は波長と波数にほぼ反比例することか
ら、距離分解能を改善できる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１及び図４から図
６を用いて説明する。超音波送受波器が交互に反転し分
極した振動子配列１を使用して、信号周波数により超音
波を送信あるいは受信する方向を変更することが可能で
ある。信号周波数により、超音波を送信あるいは受信す
る方向が変化する超音波送受波器において口径を変更し
方位分解能を改善し、良好な超音波ビームが得る方法に
ついて説明する。図１にホット電極を分割して振動子配
列１を駆動する第１の実施例を示す。図１では、振動子
配列１の口径Ｄを口径Ｄ₁、口径Ｄ₂、口径Ｄ₃に分割
し、ホット電極２ａ、２ｂ、２ｃによって駆動する（グ
ランド電極は図示せず）。駆動口径Ｄ₁はホット電極２
ａによってその口径を変更し、可変口径走査することが
できる。駆動周波数ｆ₁による方向θ₁の超音波ビームは
ホット電極２ａにより、駆動周波数ｆ₂による方向θ₂の
超音波ビームはホット電極２ａ、２ｂ、２ｃの３者によ
って駆動する。図１では超音波送受波器１を傾斜して保
持し、駆動周波数ｆ₁による方向θ₁の超音波ビームと駆
動周波数ｆ₂による方向θ₂の超音波ビームパターンとを
比較して示している。超音波ビームの実質口径は近似的
に、方向θ₁ではｄ₁＝Ｄ₁・ｃｏｓ（θ₁）、方向θ₂で
はｄ₂＝Ｄ・ｃｏｓ（θ₂）となる。

【０００８】これに対して、超音波送受波器１の口径Ｄ
を分割せず、ホット電極２ｄにより駆動する（グランド
電極は図示せず）、従来の駆動方法による超音波ビーム
パターンを図３に示す。図３では、図１と同じく駆動周
波数ｆ₁による方向θ₁と駆動周波数ｆ₂による方向θ₂に
それぞれ超音波ビームを駆動しているが、超音波ビーム
の実質口径は近似的に、方向θ₁ではｄ₁＝Ｄ・ｃｏｓ
（θ₁）、方向θ₂ではｄ₂＝Ｄ・ｃｏｓ（θ₂）となる。
図３の従来の駆動方法では方向θ₁とθ₂では実質口径に
大きな差があり、方位分解能に大きな差が生じる。図
１、図２、図３、図６で矢印は波面の伝播方向を示し、
図１、図３で方向θ₂の超音波ビームを太線で示してあ
る。回折効果が表れるのは遠距離音場からでありその距
離は、数４で表される。ｘ＝Ｄ²／λ （４）Ｄ：口径、λ：波長、ｘ：近距離音場の距離図１に示すように、方向θ₂の実質口径ｄ₂と同じくなる
ように、方向θ₁の実質口径をホット電極２ａによって
変更することにより、方向θ₁と方向θ₂とで超音波ビー
ムの実質口径の差を解消することができる。この結果、
方向θ₁と方向θ₂とでは方位分解能にほとんど差が生じ
ない。もちろん回折角がきく領域では周波数の影響が生
じる。また、音響レンズを使用すること、あるいは超音
波送受波器自体の形状を曲面状にすることにより、超音
波ビームを収束する場合においても同様にして方位分解
能を改善することが可能である。但し、この場合には球
面収差による影響を考慮する必要がある。

【０００９】口径により超音波送受波器を駆動する信号
の波数を変え距離分解能を改善する方法及び、超音波ビ
ームの走査面と直交する方向（短軸方向）についても可
変口径走査する方法について説明する。図４に短軸方向
も含む可変口径走査が可能な第２の実施例の超音波送受
波器の構成を示す（上下の矢印は分極の方向を示す）。
本実施例では、口径を変更する手段は超音波送受波器の
超音波の放射面において２次元的に口径を変更する。グ
ランド電極３に対向する面の中央部に矩形のホット電極
２ｅを設け、この周りに電気的に絶縁隔離されたホット
電極２ｆを設け、さらにホット電極２ｆの周りに電気的
に絶縁隔離されたホット電極２ｇを設ける。このように
電気的に絶縁隔離されたホット電極を、所望の数だけ同
心状に配置する例である。図４は３分割した例である。
各ホット電極間は、非導通処理がなされている。例え
ば、ホット電極間に隙間を設けるか、絶縁体を設けるか
によって各ホット電極を分離する。もちろん振動子配列
１自身に溝を設けるか、分離してもよい。このようにし
て、超音波ビームの走査面と直交する方向（短軸方向）
についても可変口径が可能となる。

【００１０】図５に本発明の第２の実施例による超音波
ビームの例を示す。図５は図４に示す第２の実施例にお
いて、ホット電極２ｅ、２ｆにより割分された超音波送
受波器の部分を収束手段を介した場合の同一方向での多
段送受波の超音波ビーム形状を示す。ホット電極２ｅに
よる小口径の駆動で近距離、ホット電極２ｅと２ｆによ
る大口径の駆動で遠距離の送受波を行ない、全深度にわ
たり良好な超音波ビームが得られる。また、図２に示す
従来の方法では、口径を構成する素子数の１／２の数の
波で駆動するため距離分解能が悪い。そこで、可変口径
走査に加えて、口径を構成する素子数に応じて、図４に
示すように例えば４素子の時は２波でホット電極２ｅに
より、８素子の時は４波でホット電極２ｅと２ｆによ
り、１２素子の時は６波でホット電極２ｅと２ｆと２ｇ
により、それぞれ駆動して距離分解能を向上させること
ができる。図６に他の可変口径走査の第３の実施例を示
す（上下の矢印は分極の方向を示す）。８素子からなる
配列振動子１のホット電極を例えば２ｉと２ｈの２分割
した送受波器とする。８素子なので４波の駆動波数が必
要であるが、大口径も小口径も２波で駆動する。小口径
の時はスイッチをオフする。従ってホット電極２ｈにの
み信号が印加される、４素子の口径で送受波される。大
口径の時はスイッチを閉じて、ホット電極２ｈとホット
電極２ｉを動作させる。この時ホット電極２ｈには遅延
時間τが挿入されているため、送波において、ホット電
極２ｈから２波が放射されるときにホット電極２ｉから
放射された２波が終わり、両者の初めから終わりまでの
波数が４波になる。よって口径は大口径の８素子であり
ながらその駆動を小口径の４素子の２波で行なうことが
でき、この結果、大口径の場合の方位分解能を有しなが
らかつ小口径の場合の距離分解能を実現することができ
る。受波に関しても同様な遅延制御手段を設けることで
実現できる。

【００１１】このように超音波送受波器を駆動する周波
数あるいは超音波の放射方向により口径を変更させて複
数回送波あるいは受波することにより、少ない信号線で
電気的に超音波ビームを走査し、超音波ビームを改善で
き良好な画質を得ることができる。以上超音波送受波器
の超音波ビームを改善する構成について述べたが、本超
音波送受波器をカテーテルに組み込むこと、レーザ治療
と組み合わせること、バルーンパンピング用カテーテル
に適用すること等が可能である。さらに、前記カテーテ
ルに血圧測定用圧電振動子、血流速度測定用圧電振動子
等を組み合わせてもよい。また、等間隔振動子アレーを
有する超音波送受波器について説明したが、この他にも
Ｍ系列、バーカー系列等の不規則間隔の振動子配列を有
する超音波送受波器にも適用が可能である。また、分極
の向きを同一として電極ピッチ、電極幅を変えて配列し
た構成でも良い。また、信号処理の方法としては、相関
法など、時間圧縮可能な他の方法に変更可能である。ま
た、２次元、３次元あるいはドップラー計測への応用も
当然可能である。さらに、曲面配列、音響レンズ付加な
どのような、通常の反転分極配列音源に関する公知技術
との併用もすべて可能である。

【００１２】

【発明の効果】以上説明した如く本発明によれば、少な
い信号線で電気的に超音波ビームを走査し、断層像を得
ることができる超音波送受波器の超音波ビームを改善で
き良好な画質を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による、ホット電極を分割して駆動する
第１の実施例の超音波送受波器を示す断面図。

【図２】交互に反転する分極した振動子アレーを周波数
掃引により駆動する原理を説明する図。

【図３】従来の駆動方法による超音波ビームパターンを
示す図。

【図４】本発明による、短軸方向も含む可変口径走査が
可能な第２の実施例の超音波送受波器の構成を示す斜視
図。

【図５】本発明の第２の実施例による超音波ビームの例
を示す斜視図。

【図６】本発明による、他の可変口径走査の第３の実施
例を示す断面図。

【符号の説明】

１…配列振動子、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，
２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉ…ホット電極、３…グランド電
極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ナレンドラ・サングビ東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】信号周波数により、超音波を送信あるいは
受信する方向が変化する超音波送受波器において口径を
変更する手段を有することを特徴とする超音波送受波
器。
【請求項２】前記口径を変更する手段は、前記超音波送
受波器の放射面において２次元的に変更できることを特
徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】口径により前記超音波送受波器の駆動信号
の波数を変えることを特徴とする請求項１あるいは請求
項２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】前記超音波送受波器の駆動周波数あるいは
超音波の放射方向により、口径を変更することを特徴と
する請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波送
受波器。
【請求項５】前記超音波送受波器の駆動周波数あるいは
超音波の放射方向において、口径を変更させて複数回送
波あるいは受波することを特徴とする請求項１から請求
項４のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項６】前記超音波送受波器が交互に反転し分極し
た振動子配列からなることを特徴とする請求項１から請
求項５のいずれかに記載の超音波送受波器。
【請求項７】カテーテルの進行方向を視野とする、請求
項１から請求項７のいずれかに記載の超音波送受波器を
組み込んだことを特徴とするカテーテル。