JPH1062396A

JPH1062396A - 超音波走査装置、超音波診断装置、非破壊検査装置および超音波振動子アレイ

Info

Publication number: JPH1062396A
Application number: JP8219768A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Iino; 博司飯野
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波振動子エレメントが一方向に配列された
１次元アレイ構造を用いて、２次元画像や３次元画像を
リアルタイムで得ることが可能な超音波振動子アレイを
提供するとともに、このアレイを用いた超音波走査装
置、超音波診断装置及び非破壊検査装置を提供する。【解決手段】超音波振動子エレメント２ａをラテラル方
向に対して傾斜して配置した超音波振動子アレイを用い
送受波ビームをステアする。各エレメントは複数のグル
ープに分割され、各エレメントグループごとにステアが
連続的に行われることにより３次元の画像情報を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２次元画像を得る
ことのできる超音波２次元走査装置や、３次元画像を得
ることのできる超音波３次元走査装置等を含む超音波走
査装置、並びに同装置を臨床分野に応用した超音波診断
装置や検査分野に応用した非破壊検査装置に関し、さら
に、これらの装置に使用される超音波振動子アレイに関
する。

【０００２】

【従来の技術】医療の臨床分野においては、リアルタイ
ム２次元又は３次元画像を得ることが要求されている。

【０００３】３次元画像を得る方法の１つに、超音波振
動子エレメントを横方向であるラテラル方向に一列に配
列した１次元アレイを機械的にエレベーション方向（ラ
テラル方向に垂直な方向）に走査させる方法がある。こ
の１次元アレイの機械走査による３次元画像生成方法
は、方式そのものが簡単であり、安価に構成できる利点
があるが、機械走査のために走査速度に限界があり、ま
た、リアルタイムで実用に耐えうる超音波画像を得るの
に困難が伴い、しかも機械的磨耗等の為に信頼性の点で
問題がある。

【０００４】そこで、ラテラル方向及びエレベーション
方向に送受波ビームを振る（ステアする）ことができる
ように、エレメントを、ラテラル方向、エレベーション
方向に各々ｎ×ｍのマトリックス状に分割して形成した
２次元アレイが提案されている。図２１は、この２次元
アレイのエレメント構造を示している。図示のように、
超音波振動子エレメントは、Ｘ（ラテラル）方向にｎ、
Ｙ（エレベーション）方向にｍに分割され、合計ｎ×ｍ
個のエレメントに分割されている。各エレメントからは
リード線が引かれ、リード端子に集められて、１本のケ
ーブルで制御部に接続される。なお、各エレメント間の
間隔は、サイドビームの影響を少なくするために１／２
λ〜１λの幅に設定される。

【０００５】上記のようにマトリックス状に分断された
超音波振動子アレイを用いて、Ｘ及びＹ両方向の送受波
ビームの走査を電子的に行い、３次元画像描画のための
画像データをリアルタイムで得るようにする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図２１に示す
ような従来の超音波振動子アレイでは、たとえばＸ方向
のエレメント数ｎが６４、Ｙ方向のエレメント数ｍが６
４とすると、合計６４×６４＝４０９６個のエレメント
数となり、現実的にこのような構造のアレイ構造にする
のは極めて困難となる。また、各エレメントからリード
線を引き出すことも極めて困難であり、しかもこれらの
リード線を集めて１本のケーブルで制御部に配線すると
なると、全体の形状、重量が実用に耐えることのできな
いほど大型のものとなる。さらに、制御部においては、
各振動子エレメントの送受波回路が必要となり、高コス
ト化、大型化を避けることができない。

【０００７】それ故に、本発明の目的は、超音波振動子
エレメントが一方向に配列された１次元アレイ構造を用
いて、２次元画像や３次元画像をリアルタイムで得るこ
とが可能な超音波走査装置を提供するとともに、この装
置を用い医療分野に応用した超音波診断装置、検査分野
に応用した非破壊検査装置、並びに、これらの装置に用
いられる超音波振動子アレイを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
超音波走査装置は、矩形又は長片形状を有しラテラル方
向に傾斜して配列される複数の超音波振動子エレメント
と、これらの各超音波振動子エレメントにそれぞれ接続
され、各超音波振動子エレメントによって捕捉された受
波信号を所定時間遅延させる受信遅延手段と、該受信遅
延手段の出力信号を合成し、受波ビームを形成する合成
手段と、前記受信遅延手段の遅延時間を制御し、前記合
成手段で形成される受波ビームをステアする受信遅延制
御手段と、を具備することを特徴とする図１は、本発明
の請求項１に係る超音波走査装置に用いられる超音波振
動子アレイの外観図である。

【０００９】矩形形状の基体（パッキング材等）１の一
方の面に圧電セラミクス等からなる超音波振動子２が取
り付けられ、この超音波振動子２は、横方向であるラテ
ラル方向に一定の幅で複数に分割されたアレイ構造にさ
れ、且つ、分割された各超音波振動子エレメント２ａ
は、ラテラル方向に傾斜して配置されている。傾斜角
は、ラテラル方向に垂直なエレベーション方向を基準と
してΦである。また、各エレメントからリード線３が引
き出され、遅延回路τ（τ₁・・・・）を介してトリガ
パルスを発生する送信制御回路に接続される。また図示
はしていないが、受信時には受信信号がリード線３を介
して遅延回路に供給される。遅延回路τは、送信時にお
いて複数のエレメントの駆動タイミングをそれぞれ異に
することにより各エレメントからの超音波パルスを一点
に集束させて焦点を形成して（フォーカスする）超音波
送波ビームを形成するとともに、そのビームを振る（ス
テアする）。また、このようにしてビーム形成を行うエ
レメントの組をラテラル方向に順次移動させていき、送
波ビームをラテラル方向にスキャンする。また、受信時
においても、同様にビームのステアを行いつつ、さら
に、エレメントの組をラテラル方向に順次移動させてい
くことにより受波ビームをラテラル方向にスキャンす
る。なお、受信時には、ビームの開口の大きさを適当に
可変しながら（近くからのエコー受波時にはそのとき指
定されている組の中央部分の一部のエレメントを使用
し、遠くからのエコー受波時にはそのとき指定されてい
る組の全部のエレメントを使用する）ビーム方向のエコ
ー受波を連続的に行う。このような送受波ビーム形成の
ための遅延回路の作用については、多数の文献、刊行物
に記載されているためにここでは述べない。

【００１０】以上の構成の超音波振動子アレイが、公知
の１次元配列に係る超音波振動子アレイと相違している
のは、各エレメント２ａが、ラテラル方向に対して傾斜
して配置されている点である。

【００１１】次に、図１の構成の超音波振動子アレイを
用いて上記のステアを行ったときの作用について図２以
下を参照して説明する。

【００１２】まず、各エレメントがエレベーション方向
に角度を持たずに配置された公知の１次元超音波振動子
アレイを用いた場合について説明し、続いて、本発明に
係る超音波振動子アレイを用いた場合の作用について説
明する。

【００１３】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、公知の超音波振動
子アレイを用いた場合の作用を超音波空間分布領域で表
現している。すなわち、超音波振動子エレメント２ａが
ラテラル方向Ｌに複数個配列して構成された超音波振動
子アレイの超音波空間分布ｈ（同図（Ａ））は、１つの
エレメント２ａによる空間分布ｇに、各エレメントの音
響中心配列パターンｆ（同図（Ｂ））を畳み込み演算し
た結果として表現される。数式は、ｈ＝ｆ＊ｇとして表
される。なお、送受波ビームのステアが行われる時に
は、図２（Ｂ）に示すように各エレメントの音響中心配
列パターンの位相が変化する。この位相の変化は、送波
ビーム形成時においては送波ビームの角度に応じて定ま
る所定時間だけ信号を遅延させて各超音波振動子エレメ
ントに供給することで実現される。また、受波ビーム形
成時においては各超音波振動子エレメントから受信した
エコー信号を受波ビーム角度に応じて定まる所定時間だ
け遅延させて加算することで実現される。

【００１４】一方、上記のように空間分布領域での表現
は、フーリエ変換することにより空間周波数領域で表現
することも出来る。図２（Ｄ）〜（Ｆ）はラテラル方向
及びエレベーション方向の２次元の空間周波数領域で表
現した場合を示す。同図（Ｅ）は同図（Ｂ）に対応する
もので、各エレメントの音響中心の点状の配列パターン
は、ラテラル方向の幅がごく狭く反対にエレベーション
方向の長さが非常に長い、細く長円または矩形状の指向
特性として表される。この指向特性は、エレベーション
方向に無指向性であることを示している。なお、送受波
ビームのステアにより音響中心配列パターンの位相が変
化する場合には、指向特性は図の矢印で示すようにラテ
ラル方向に平行に移動する。

【００１５】図２（Ｆ）の特性は図２（Ｃ）に対応して
いる。すなわち、１つのエレメント２ａの超音波空間分
布は、指向特性で表すとエレベーション方向に対して幅
がごく狭く、ラテラル方向に対して長さが極めて長い、
細く長円または矩形状の指向特性として表される。この
指向特性は、ラテラル方向に対して無指向性であること
を示している。

【００１６】図２（Ｅ）及び（Ｆ）は、それぞれ図２
（Ｂ）及び（Ｃ）をフーリエ変換して空間周波数領域で
表したものであり、これは図２（Ｂ）及び（Ｃ）の指向
特性を示したものであるため、フーリエ変換の結果、図
２（Ａ）に示すアレイ全体の超音波空間分布は、同図
（Ｅ）の指向特性と同図（Ｆ）の指向特性を乗ずること
によって、同図（Ｄ）のような指向特性で表現すること
が出来る。数式で表現すると、アレイ全体の指向特性Ｈ
は、Ｈ＝Ｆ×Ｇで表される。この図２（Ｄ）から明らか
なように、送受波ビームのスポット（フォーカス位置）
は、ステアによりラテラル方向にのみ移動する。よっ
て、このアレイでは、送受波ビームのステアにより、ラ
テラル方向のビームを含む２次元縦断面の画像情報のみ
得ることができ、３次元の画像情報を得るためには、こ
のアレイをエレベーション方向に機械的に走査する必要
があることがわかる。

【００１７】次に、本発明に係る超音波振動子アレイを
用いた場合の作用について図３を参照して説明する。

【００１８】図３の（Ａ）〜（Ｃ）は図２の（Ａ）〜
（Ｃ）に対応するものであり、それぞれ、アレイの空間
分布、各エレメントの音響中心配列パターン（ｆ）、１
つのエレメントの空間分布（ｇ）を示している。アレイ
の空間上の分布（ｈ）は、ｈ＝ｆ＊ｇの畳み込み演算で
表すことができる。

【００１９】また、図３（Ｄ）〜（Ｆ）は図２（Ｄ）〜
（Ｆ）に対応するもので、それぞれアレイ全体の指向特
性、各エレメントの音響中心配列パターンの指向特性、
１つのエレメントの指向特性を示している。アレイ全体
の指向特性は、アレイ全体の超音波空間分布をフーリエ
変換した結果として表現されることから、Ｈ＝Ｆ×Ｇの
乗算式で表される。すなわち、図３の（Ｅ）の指向特性
と（Ｆ）の指向特性を掛け合わせることで得られる。図
２及び図３から明らかなように、図３の（Ｅ）に示す指
向特性は図２の（Ｅ）に示す指向特性と同じであるが、
図３の（Ｆ）に示す指向特性は、図２に示す（Ｆ）の指
向特性と異なり、エレベーション方向に傾斜する。この
ため、ステアによって図３（Ｅ）に示すように指向特性
をラテラル方向にθだけ移動させると送受波ビームを表
すスポット位置は図３（Ｄ）の点線で示すように、ラテ
ラル−エレベーション２次元平面上の“ｘ”に移動す
る。すなわち、ステアによってビームが角度θだけ振ら
れると、その時のビームはエレベーション方向に角度α
だけシフトした位置となる。したがって、ステアによっ
て角度θをラテラル方向に連続的に移動させれば、ビー
ムは、図３（Ｆ）の指向特性に沿って移動する。

【００２０】したがって、図４に示すようにエレメント
２ａのグループＧ１、Ｇ２、Ｇ３・・・をそれぞれ予め
設定しておき、各グループごとにステアを行っていくよ
うにすれば、各グループＧ１、Ｇ２、Ｇ３・・・の指向
特性は同図に示すようにラテラル方向に順に並ぶから、
送受波ビームの軌跡は図５の点線で示すようになる。こ
れにより、図５の各軌跡毎の２次元の画像情報を得るこ
とが出来る。すなわち、図６に示すように平行四辺形を
１面とする３次元の画像情報を得ることができる。よっ
て、エレメントをラテラル方向にのみ１次元配置したア
レイをラテラル方向に対し斜め方向にステアするだけ
で、２次元の画像情報を得ることができ、また、これに
加えて、受波ビームのラテラル方向へのスキャンを行う
ことにより、３次元の画像情報を得られるようになる。

【００２１】このように超音波振動子エレメント２ａの
ラテラル方向の１次元配列をエレベーション方向を基準
にしてΦ傾斜させるだけで３次元の画像情報を簡単に得
られる。この場合、機械的な走査は不用であり、ステア
及びスキャンの各操作は電子的に行われる。したがっ
て、リアルタイムで３次元の画像情報を得ることができ
る。

【００２２】以上の構成の超音波走査装置、理解を容易
にするために、送受波ビームを共にステア及びスキャン
するシステムとしたが、送波ビームを広域に照射し、受
波ビームだけをステア及びスキャンするものであって
も、２次元画像及び３次元画像を得ることが出来る。

【００２３】また、上記の超音波走査装置は、医療の臨
床分野において使用される超音波診断装置や、超音波を
用いて探傷を行う非破壊検査装置に応用出来る。

【００２４】また、以上の構成の超音波走査装置では、
送波ビームまたは受波ビームをステアしつつスキャンし
て３次元画像データを得るようにしたが、送波ビームま
たは受波ビームをスキャンしつつステアして３次元画像
データを得ることも可能である。

【００２５】さらに、送波ビームまたは受波ビームのス
テアを、メモリ上に記憶される受波信号をシフト制御し
ながら加算合成することで実現することも出来る。すな
わち、各超音波振動子エレメントによって捕捉された受
波信号を各エレメントへの超音波信号出力毎に順次記憶
し、該記憶手段に記憶されている受波信号をその読み出
し位置（アドレス）のシフト制御を行いながら加算合成
することにより上記ステアを行うようにしてもよい。

【００２６】

【発明の実施の形態】図７は、本発明の実施の形態であ
る超音波診断装置の構成図である。また、図８は、同超
音波診断装置に使用される超音波診断用センサの外観図
である。

【００２７】超音波診断用センサは、図１に示す超音波
振動子アレイと同様に、形状が矩形または長片状である
基体１の一方の側面にチタン酸バリウムからなる超音波
振動子を取り付け、この超音波振動子をエレベーション
方向を基準に角度Φを持つようにラテラル方向に傾斜し
た複数の超音波振動子エレメントに分割し、超音波振動
子アレイ２としている。また、この超音波振動子アレイ
２のアレイ表面には、エレベーション方向に対して超音
波ビームのフォーカスを行う音響レンズ４を設けてい
る。各超音波振動子エレメント２ａの上面及び下面に設
けられる電極（図示せず）からはリード線５が引き出さ
れ、それぞれがケーブル６に集合されて超音波診断装置
の送受回路に導かれている。なお、各エレメント２ａの
エレベーション方向を基準とする傾斜角度Φは、例えば
２０度〜４０度の範囲に設定される。

【００２８】超音波診断装置本体は、図７に示すよう
に、全体の制御を行うコントローラ１０と、各種のデー
タ入力やコマンド入力等を行う入力装置１１と、超音波
ビームの送受回路１２と、受波信号を画像情報に変換し
てモニター上に表示する表示回路１３とで構成されてい
る。

【００２９】送受回路１２は、超音波振動子エレメント
２ａに接続される送受切り換えスイッチ１２ａと、送信
アンプ１２ｂと、受信アンプ１２ｃと、送信用遅延回路
１２ｄと、受信用遅延回路１２ｅと、さらに送信用スイ
ッチ１２ｆ及び受信用スイッチ１２ｇとを含み、１２ａ
〜１２ｇは、各エレメント２ａごとに設けられている。
さらに、送受回路１２は上記遅延回路１２ｄ及び１２ｅ
に対して遅延時間を設定するための送信遅延制御回路１
２ｈ及び受信遅延制御回路１２ｉを備えている。各送信
遅延制御回路１２ｈと受信遅延制御回路１２ｉは、各々
送信用スイッチ１２ｆと受信用スイッチ１２ｇを切り換
え制御するスイッチ切り換え部を備えている。

【００３０】表示回路１３は、受信信号を加算して受波
ビームを形成する加算器１３ａと、その出力信号を検波
し且つ対数増幅する検波／対数増幅器１３ｂと、その出
力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１３ｃと、ディジタル
化したデータを３次元的に記憶する３次元画像メモリ１
３ｄと、この３次元画像メモリ１３ｄに記憶されている
画像データの中から、必要に応じて任意の断面の２次元
画像データを抽出して２次元的に記憶する２次元画像メ
モリ１３ｅと、各メモリに記憶されるデータを表示する
モニタ１３ｆとで構成されている。

【００３１】本実施の形態の超音波診断装置では、３次
元座標形態を持つ３次元画像メモリ１３ｄまたは２次元
座標形態を持つ２次元画像メモリのいずれかまたは両方
を選択出来、モニタ１３ｆは、選択された３次元または
２次元の画像情報を単独でまたは同時に、立体的または
平面的に表示することができるようになっている。

【００３２】エレメント２ａは、予めグループＧ１、グ
ループＧ２、グループＧ３のように複数のグループに分
割されていて、１つのグループで送受波ビームのステア
と受波ビームの可変開口制御が終了すると、続いて次の
グループに対する同じ処理が行われる。グループの切り
換えは、送信用のスイッチ１２ｆおよび受信用のスイッ
チ１２ｇによって行われる。すなわち、送信用スイッチ
１２ｆ及び受信用スイッチ１２ｇは、図７の矢印の方向
のスキャン操作によって、グループＧの切り換えが順次
行われていく。各スイッチのスキャン操作は送信遅延制
御回路１２ｈと受信遅延制御回路１２ｉ内のスイッチ切
り換え部により行われる。各グループでのステアでは、
送受信の遅延時間を制御することにより、図１に示すよ
うにステア角θを連続的に変化させる。受波ビームの可
変開口制御は、各ステア角θごとに行われ、Ｚ軸方向
（深さ方向）の受波信号が連続的に取り出されていく。
したがって、送信遅延制御回路１２ｈと受信遅延制御回
路１２ｉではエレメントのグループＧごとにステアを行
うための遅延時間が行われ、これに、受波ビームにおい
ての可変開口制御がスイッチ１２ｇの制御によって行わ
れる。前述のように、可変開口制御は、エレメントに近
いエコー受波時にはグループの中央部分の一部のエレメ
ントを用い、遠いエコー受波時にはグループ全部のエレ
メントを用いる制御である。なお、スイッチ１２ｇは遅
延回時１２ｅの前に配置することも可能である。

【００３３】表示回路１３は、そのときどきの受信信号
を加算することによって形成される受波ビームの位置で
の画像データを得る。加算器１３ａで加算された信号
は、検波／対数増幅器１３ｂで検波されるとともに、適
当なダイナミックレンジを得るために対数的に増幅さ
れ、さらに、Ａ／Ｄ変換器１３ｃでディジタルデータに
変換されて３次元画像メモリ１３ｄに画像データとして
記憶される。また、２次元画像メモリ１３ｅは、入力装
置１１からのコマンド入力に基づいて、３次元画像メモ
リ１３ｄに記憶されている３次元の画像データの中か
ら、任意の断面の２次元画像データを抽出して記憶す
る。モニタ１３ｆは、立体的な表示を行うときには３次
元画像メモリ１３ｄの記憶データを表示し、平面的な表
示を行うときには２次元画像メモリの記憶データを表示
する。

【００３４】図９は、以上の制御を行うコントローラ１
０の要部の制御動作を示すフローチャートである。

【００３５】ステップＳＴ１は、エレメントグループの
更新を行うステップである。各グループはｎ個のエレメ
ントからなり、図８に示すように、ラテラル方向に対し
て１つづつシフトするようにグループが順次更新選択さ
れていく。エレメントグループが選択されると、送受波
ビームを形成し且つステアするたの遅延時間が設定され
（ＳＴ２）、まず、送波ビームが形成される（ＳＴ
３）。最初の送波ビームの方向は、図４のＳ点となるよ
うに遅延時間が設定される。次に、同じようにして受波
ビームが形成される（ＳＴ４）。最初の受波ビームの方
向は、ラテラル−エレベーションの２次元座標面でＳ点
となるように受信用の遅延時間が設定される。そして、
Ｓ点の深さ方向の画像データが連続的に取り込まれ、Ｓ
Ｔ５において３次元画像メモリ１３ｄに記憶されてい
く。

【００３６】以上の動作を終えると、ＳＴ３に戻り、遅
延時間の再設定により、図４のＳ点を同図の矢印方向に
所定角度だけ移動させて、上記と同じ動作を繰り返す。
図４のＳ点がＥ点に達すると、１セクタ分のステアが終
了し、続いて、次のエレメントグループに対する同じ操
作を行う。全てのエレメントグループに対する処理を終
えると最初に戻り、再び同じ動作を繰り返していく。

【００３７】モニタ１３ｆは、３次元モードでは、３次
元画像メモリ１３ｄに記憶されている画像データを表示
するが、同画像メモリ１３ｄは図１０に示すように、ラ
テラル方向（Ｘ軸方向）、エレベーション方向（Ｙ軸方
向）及びＺ軸方向の３次元での座標データを記憶できる
３次元座標メモリを構成しているために、モニタ１３ｆ
では、画面上に立体画像が表示される。２次元モードに
おいては、２次元画像メモリ１３ｅに記憶されている画
像データが画面上に表示される。

【００３８】以上の説明では、理解を容易にするため
に、送受波ビームがラテラル−エレベーション面の２次
元座標面でステアされるように説明したが、実際にはエ
レメントがラテラル方向に傾斜している分だけビームも
ラテラル−エレベーション面からずれた面をステアされ
る。図１１以下は３次元座標面でのビームのステアにつ
いて説明するものである。

【００３９】まず、エレメントがラテラル方向に傾斜し
てない通常の１次元超音波振動子アレイについて図１１
〜図１３を参照して説明する。図１１（Ｂ）に示すよう
に、各エレメントの音響中心配列パターンの指向特性
は、それぞれのエレメントの遅延時間に差を設けないこ
とによって、すなわちそれぞれのエレメントの出力を同
相合成することにより、Ｚ軸に垂直な円板状の指向特性
となる。一方、１つのエレメント２ａの指向特性は、図
１１（Ｃ）に示すようにＹ方向（エレベーション方向）
に薄くＸ方向（ラテラル方向）に広い紙のようなビーム
となる。図２に示した場合と同様にアレイ全体の指向特
性については、図１１（Ｂ）の指向特性と図１１（Ｃ）
の指向特性を乗じた結果として表すことができるから、
図１１（Ａ）に示すようにＺ軸方向のビームとなる。こ
こで、各エレメントに時間遅延を与えると、すなわち、
ステア角θを設定するのに、各エレメントにＸｓｉｎθ
／Ｃ（Ｃは音速）なる時間遅延を与えると、各エレメン
トの音響中心配列パターンによる指向特性のビームは、
図１２（Ｂ）に示すようなカサ型のビームとなる。そこ
で、このカサ型ビームと図１２（Ｃ）に示すビームとを
乗じると、図１２（Ａ）に示すようにアレイの指向特性
ビームは、ＸＺ平面上でθ方向にステアしたビームが形
成される。したがって、ステア角θを変化していくこと
により、ビームはＸＺ平面上で移動していく。図１３
（Ａ）は図１１（Ａ）に示す状態、図１３（Ｂ）は図１
２（Ａ）に示す状態を、それぞれ立体的に示す図であ
る。

【００４０】次に、本発明に係る超音波振動子アレイの
ように、エレメント２ａをラテラル方向に傾斜させた場
合のビームのステアについて図１４以下を参照して説明
する。

【００４１】図１４（Ａ）〜（Ｃ）はステアする前の指
向特性を示すもので、同図（Ｂ）は各エレメント２ａの
音響中心配列パターンの指向特性を示し、同図（Ｃ）は
１つのエレメント２ａの指向特性を示している。同図
（Ｃ）に示すように、傾斜されたエレメント２ａの指向
特性は、エレメントの長手方向に薄く短手方向に広いビ
ームが形成され、このビームと同図（Ｂ）に示す指向特
性が乗じられて、図１４（Ａ）に示すようなビームが形
成される。ステアする前は、図１１（Ａ）に示す場合と
同様に、ビームはＺ軸方向を向くものとなる。一方、ス
テア角θが形成されると、図１５（Ｂ）に示すようにカ
サ型ビームが形成される。このビームは図１２（Ｂ）に
示すカサ型ビームと同じである。よって、このカサ型ビ
ームと図１５（Ｃ）に示すビームとが乗じられて、図１
５（Ａ）に示すようなビームが形成される。このビーム
は、エレメント２ａの長手方向に直交する（短手方向）
面上に存在し、ステア角θが操作された時に、この面上
を移動することになる。図１６（Ａ）、（Ｂ）は、それ
ぞれ図１４（Ａ）、図１５（Ａ）のビーム方向を立体的
に示す図である。

【００４２】なお、すでに述べたように、ステアはエレ
メントグループごとに行われる。エレメントグループが
切り換え選択されると、ビームがラテラル方向に移動
し、同様にしてエレメント長手方向に直交する面上でビ
ームがステアされる。そして、このステアが行われると
きに、受波ビームの可変開口制御を行うことにより、高
分解能の２次元画像データを得ることが出来る。３次元
の画像情報は、上記の動作の繰り返しにより得ることが
できる。

【００４３】なお、図１７（Ａ）は、図３（Ｄ）〜
（Ｅ）の指向特性を立体的に示したものであり、さらに
図１７（Ｂ）は同図（Ａ）を平面から見た場合のビーム
の強度を示している。この図１７からよく分かるよう
に、ビームを上面から見た場合の形状が菱形になってい
る。ビームが菱形であることは、分解能を悪くする可能
性がないとはいえないが、電子的なフォーカスを適切に
行うことにより、ビーム幅を絞ることも可能である。

【００４４】次に本発明の他の実施の形態について図１
８を参照して説明する。図１８は、遅延回路を用いずに
送受波ビームのステアとスキャンを行う超音波診断装置
のブロック図である。

【００４５】構成において、超音波診断用センサは図７
の装置と同じものを使用し、また、送信アンプ１２ｂ、
受信アンプ１２ｃ、送受切り換えスイッチ１２ａの構成
も図７の装置と同一である。受信アンプ１２ｃのアナロ
グ出力はＡ／Ｄ変換器１４でディジタルデータに変換さ
れ、受信用のマルチプレクサ１５に入力される。マルチ
プレクサ１５は、コントローラ２５からの信号ＲＸＣに
より、受信データを順次切り換えて後段の書込制御回路
１６に導く。書込制御回路１６は、コントローラ２５か
らの書込制御信号ＷＣに基づいて受信データをメモリ１
７に順次書き込んでいく。メモリ１７は送信パルスＴＸ
毎のメモリ面に区分けされていて、図１９に示すよう
に、各送信パルスＴＸ１、ＴＸ２、・・毎に受信される
受信データを、右方向を時間軸とする各メモリ面に図の
矢印方向（右方向）に順次記憶していく。また、各送信
パルスＴＸは、各エレメント２ａのＲ１から順に一発ず
つ送信される。したがって、エレメント２ａのＲ１に送
信パルスが供給されたときの受信データは、メモリ面Ｔ
Ｘ１に、ＲＸ１、ＲＸ２、・・・と順次記憶されてい
き、同様にＲ２に送信パルスが供給されたときにの受信
データは、メモリ面ＴＸ２に、ＲＸ１、ＲＸ２、・・・
と順次記憶されていく。なお、送信パルスは、送信用の
マルチプレクサ１８を介していずれかの送信アンプ１２
ｂに導かれ、マルチプレクサ１８の制御はコントローラ
２５からの信号ＴＸＣにより行われる。

【００４６】メモリ１７に上記のようにして記憶された
受信データは、読出制御回路１９で読み出される。この
回路の制御はコントローラ２５からの読出制御信号ＲＣ
で行われる。読出制御回路１９は、メモリ上の読出位置
（アドレス）をシフト制御して受信データを読み出す。
すなわち、メモリ面ＴＸ１においては、受信データＲＸ
１に対し、ＲＸ２を時間軸方向に所定量シフトさせ、さ
らに、同様にしてＲＸｎまで時間軸の右又は左方向に所
定量ずつシフトさせながら読み出す。その結果例えば図
のＰで示すライン上に位置する受信データが読み出され
る。同様にメモリ面ＴＸ２においても同じ読出動作を行
う。このようにして読み出した受信データを次段の加算
器２０に出力することにより、各受信データが加算合成
されるが、このとき、ＲＸ１〜ＲＸｎの各受信データは
シフト制御されて読み出されているため、等価的に時間
遅延が行われたこととなるから、ここで受波ビームが形
成され、該受波ビームの位置の受信データが形成され
る。

【００４７】また、読出制御回路１９では、上記のよう
にして１つの受波ビームによる受信データが形成された
後、さらに各受信データのシフト量を変えて読出制御を
行う動作を繰り返す。それにより、受波ビームがステア
され、各ビーム位置での受信データが読み出される。

【００４８】このように、メモリ１７の受信データの読
出位置をシフト制御しながら加算合成することで、遅延
回路を具備する図７に示す装置の動作と同じように、受
波ビームの形成とともにそのステアを行うことが出来
る。また、同様に、ＴＸ１〜ＴＸＮ間のシフト量を制御
することで各エレメントに出力する超音波パルスに等価
的な遅延を与えることができるから、送波ビームの形成
とそのステアを行うことも出来る。これらの動作は、い
ずれも読出制御回路１９による受信データのシフト制
御、具体的には読出アドレスのシフト制御に基づいて行
われる。また、送受波ビームのスキャン（エレメントグ
ループの順次選択）も、読出制御を行うメモリ面のグル
ープを、（ＴＸ１〜ＴＸｉ）、（ＴＸ２〜ＴＸｉ＋
１）、（ＴＸ３〜ＴＸｉ＋２）、・・・のように順次選
択していくことにより、図７の装置と同様に行うことが
出来る。

【００４９】加算器２０で加算合成された受信データは
画像データとして３次元画像メモリ２１に記憶され、ま
た、同３次元画像メモリの任意の断面の２次元画像デー
タが２次元画像メモリ２２に記憶され、それらの画像デ
ータがモニタ２３上に表示される。なお、入力装置２６
は、各種コマンドの入力やデータ入力のために用いられ
る。

【００５０】以上説明した超音波振動装置では、各超音
波振動子エレメント２ａがラテラル方向に対して直線的
に配列された、１次元配列のリニアアレイを示したが、
図２０に示すように、凸型のコンベックスアレイにも、
本発明を適用することが出来る。すなわち、図２０の場
合でも、超音波振動子エレメントを傾斜して配置するだ
けで２次元や３次元の画像情報を得ることができる。

【００５１】また、図８に示す超音波診断用センサは、
超音波により物体内の探傷を行う非破壊検査装置のセン
サとしても使用可能であり、その他の回路構成も同検査
装置にそのまま使用可能である。したがって、図７及び
図１９の装置は非破壊検査装置としても使用することが
出来る。

【００５２】

【発明の効果】本発明に係る超音波走査装置、超音波診
断装置及び非破壊検査装置によれば、受波ビームや送波
ビームのステア及びスキャンを電子的に行うことが出
来、従来のような機械的な走査を必要せず、しかも超音
波振動子エレメントは１次元配列のものでよいため、非
常に簡単な構成で２次元の画像情報または３次元の画像
情報をリアルタイムで得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波振動子アレイの構成図

【図２】（Ａ）〜（Ｆ）従来の１次元超音波振動子アレ
イでのビーム形成を説明する図

【図３】（Ａ）〜（Ｆ）本発明に係る超音波振動子アレ
イでのビーム形成を説明する図

【図４】〜

【図６】本発明に係る超音波振動子アレイを用いて２次
元画像を得る方法について説明する図

【図７】本発明の実施形態である超音波診断装置の概略
ブロック図

【図８】上記超音波診断装置に使用される超音波診断用
センサの構成図

【図９】上記超音波診断装置のコントローラの動作手順
を示すフローチャート

【図１０】画像メモリの構成を示す図

【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）従来の１次元超音波振動子ア
レイのビーム形成を３次元座標で説明する図

【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）上記図１１において、ステア
した場合のビーム形成について説明する図

【図１３】（Ａ）〜（Ｂ）ステアしない場合のビームと
ステアした場合のビームを３次元的に示す図

【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）本発明に係る超音波振動子ア
レイのビーム形成を３次元座標で説明する図

【図１５】（Ａ）〜（Ｃ）上記図１４において、ステア
した場合のビーム形成について説明する図

【図１６】（Ａ）〜（Ｂ）ステアしない場合のビームと
ステアした場合のビームを３次元的に示す図

【図１７】（Ａ）〜（Ｂ）本発明に係る超音波振動子ア
レイで形成されるビームを３次元的に示す図と、そのビ
ーム強度を平面的に示す図

【図１８】本発明に係る他の実施形態である超音波診断
装置のブロック図

【図１９】送信パルスと受信信号の受信期間を示す図

【図２０】本発明に係る超音波振動子アレイの他の実施
の形態を示す図

【図２１】公知の２次元超音波振動子アレイの構成図

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形又は長片形状を有しラテラル方向に傾
斜して配列される複数の超音波振動子エレメントと、これらの各超音波振動子エレメントにそれぞれ接続さ
れ、各超音波振動子エレメントによって捕捉された受波
信号を所定時間遅延させる受信遅延手段と、該受信遅延手段の出力信号を合成し、受波ビームを形成
する合成手段と、前記受信遅延手段の遅延時間を制御し、前記合成手段で
形成される受波ビームをステアする受信遅延制御手段
と、を具備することを特徴とする超音波走査装置。
【請求項２】矩形又は長片形状を有しラテラル方向に傾
斜して配列される複数（ｍ個）の超音波振動子エレメン
トと、上記ｍ個の超音波振動子エレメントの中からｎ個（ｎ＜
ｍ）の超音波振動子エレメントを順次選択する受信超音
波振動子エレメント選択手段と、該選択手段により選択されたｎ個の超音波振動子エレメ
ントに接続され、各超音波振動子エレメントによって捕
捉された受波信号を所定時間遅延させる受信遅延手段
と、該受信遅延手段の出力信号を合成し、受波ビームを形成
する合成手段と、前記受信遅延手段の遅延時間を制御し、前記合成手段で
形成される受波ビームをステアする受信遅延制御手段
と、を具備することを特徴とする超音波走査装置。
【請求項３】前記受信遅延制御手段による受波ビームの
ステアを行いつつ、前記受信超音波振動子エレメント選
択手段により選択される超音波振動子エレメントを変え
て受波ビームのラテラル方向へのスキャンを行うことを
特徴とする、請求項２記載の超音波走査装置。
【請求項４】前記受信超音波振動子エレメント選択手段
により選択される超音波振動子エレメントを変えて受波
ビームのラテラル方向へのスキャンを行いつつ、前記受
信遅延制御手段による受波ビームのステアを行うことを
特徴とする、請求項２記載の超音波走査装置。
【請求項５】所定の超音波信号を生成し、前記超音波振
動子エレメントに超音波信号を出力する超音波信号生成
手段と、該超音波信号生成手段に接続され、前記超音波振動子エ
レメントに出力される超音波信号を所定時間遅延させる
送信遅延手段と、該送信遅延手段の遅延時間を制御し、送波ビームをステ
アする送信遅延制御手段と、を具備することを特徴とする、請求項１記載の超音波走
査装置。
【請求項６】所定の超音波信号を生成し、前記超音波振
動子エレメントに超音波信号を出力する超音波信号生成
手段と、上記ｍ個の超音波振動子エレメントの中からｎ個（ｎ＜
ｍ）の超音波振動子エレメントを順次選択する送信超音
波振動子エレメント選択手段と、前記超音波信号生成手段に接続され、前記送信超音波振
動子エレメント選択手段で選択された各超音波振動子エ
レメントに出力される超音波信号を所定時間遅延させる
送信遅延手段と、該送信遅延手段の遅延時間を制御し、送波ビームをステ
アする送信遅延制御手段と、を具備することを特徴とする、請求項２記載の超音波走
査装置。
【請求項７】前記送信遅延制御手段による送波ビームの
ステアを行いつつ、前記送信超音波振動子エレメント選
択手段により選択される超音波振動子エレメントを変え
て送波ビームのラテラル方向へのスキャンを行うことを
特徴とする、請求項６記載の超音波走査装置。
【請求項８】前記送信超音波振動子エレメント選択手段
により選択される超音波振動子エレメントを変えて受波
ビームのラテラル方向へのスキャンを行いつつ、前記送
信遅延制御手段による送波ビームのステアを行うことを
特徴とする、請求項７記載の超音波走査装置。
【請求項９】矩形又は長片形状を有しラテラル方向に傾
斜して配列される複数の超音波振動子エレメントと、所定の超音波信号を生成し、各超音波振動子エレメント
に対し該超音波信号を順次出力する超音波信号生成手段
と、各超音波振動子エレメントにそれぞれ接続され、各超音
波振動子エレメントによって捕捉された受波信号を各エ
レメントへの超音波信号出力毎に順次記憶する記憶手段
と、該記憶手段に記憶されている受波信号の読み出し位置の
シフト制御を行いながら加算合成することにより受波ビ
ームおよび／または送波ビームをステアする加算合成手
段と、を具備することを特徴とする超音波走査装置。
【請求項１０】前記加算合成した信号を２次元画像デー
タまたは３次元画像データとして記憶する手段を備える
ことを特徴とする、請求項９記載の超音波走査装置。
【請求項１１】請求項１〜９のいずれかの超音波走査装
置と、前記合成した信号を２次元画像データまたは３次
元画像データとして記憶する手段と、該２次元画像デー
タまたは３次元画像データを表示画面上に表示する表示
装置と、を具備することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項１２】請求項１〜９のいずれかの超音波走査装
置と、前記合成した信号を２次元画像データまたは３次
元画像データとして記憶する手段と、該２次元画像デー
タまたは３次元画像データを表示画面上に表示する表示
装置と、を具備することを特徴とする非破壊検査装置。
【請求項１３】矩形又は長片形状を有する複数の超音波
振動子エレメントをラテラル方向に配列してアレイ構造
とした超音波振動子アレイにおいて、各エレメントを前記ラテラル方向に対して傾斜配置した
ことを特徴とする超音波振動子アレイ。
【請求項１４】エレベーション方向に超音波ビームのフ
ォーカスを行う音響レンズをアレイ表面に配置したこと
を特徴とする、請求項１３記載の超音波振動子アレイ。