JPS5850945A - 超音波診断装置 - 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】 本発明は、超音波光学装置および超音波診断すべき被検
体が液槽の中に配置され、被検体が平面的に写し出され
、被検体の超音波診断が非干渉性の超音波で行なわれ、
集束レンズ、結像レンズ系および検中装置が設けられて
いるような超音波診断装置に関する。

たとえば医学診断用の一般的な超音波診断装置はエコ一
方式の原理に基づいて作動する。その場合その中にある
圧電セラミックによシ発信および受信ができる超音波ヘ
ッドは、てきるだけ短かくかつ深さ全体にわたって狭く
集束された超音波パルスを発生する。人体における種々
の音響インピーダンスをもった境界面でエコーが作られ
、・このエコーはたいていは同じ超音波ヘッドで検出さ
れる。遅延時間から深さに関する情報が求められ。

電子式あるいは機械式に走査することによって二次元的
な深部断面像を得ることができる。

この種の超音波診断装置は米国特許第３８８６４３０号
明細書、同第３９１３０６１号明細書。

同第３９．８２２２８号明細書および同第３９７１９６
２号明細書に記載されている。

それは周知の光学的な結像原理にもとづｂており、その
際結像のために超音波レンズが用いられテイル。しかシ
コの構造は２枚のポリスチロール製レンズの間に特殊液
（フッ化炭化水素）が封入されていなければならないの
で、特殊液内において大きな吸収損失を生じ％また特殊
液とポリスチロールとの境界面において大きな反射損失
を生ずる。更にこの結像レンズ系の中にはプリズム系が
設けられるが、それは結像ビームを走査するために可動
的に設置する必要がある。結像にとって重要な非干渉性
の超音波域の発生は、たとえば干渉性の超音波を発生す
る３０個の超音波源によって行なわれ、これらの超音波
源はそれぞれ散乱され、大きな強度のパルスを発生する
。検出装置自体は球面に配置し表ければならない固定検
出器から構成されている。

本発明の目的は、超音波レンズによって鮮明な超音波結
像が得られるような超音波診断装置を提供すること、お
よびその際向上された超音波の非干渉性およびそれに伴
なって単純化された超音波発生器−結像レンズ系が良好
な画質を得ることにある。

この目的は本発明によれば特許請求の範囲第１項の特徴
部分に記載の手段によって達成される。

本発明の有利な実施態様は特許請求の範囲の実施態様項
にそれぞれ挙げられている。

本発明において超音波診断をするために、たとえば特開
昭５７−９６ｆｔ１９号公報に記載されている散乱チャ
ンバによシ作られる高度に非干渉性の散乱超音波が用い
られ、それによって鮮明な面の外側の範囲における不鮮
明な結像によるアート像の発生は避けられる。結像は普
通は透過法で行なわれるが１反射法でも行なおれ、その
場合患者の内部で散乱される超音波が結像のために用い
られる。従って送波器と受波器は別々の構成要素であり
、超音波レンズはＸ線画像の方式で結像を伝達する。そ
の場合骨および関節のそばにおいて軟組織、筋肉、崩管
、Ｊ１１等も撮影される。材料試験に対しても応用がで
きる。

医療用にできるだけ多様に使用できるようにするには、
装置はたとえば大きな水槽がら成シ、その水槽の中に検
出装置が固定して設けられ、送波ユニットがクレーンを
介して患者に良好に入射できるように調整されると食込
。結像レンズ系は検出器の前に距離を合わせて移動でき
るように設けられている。

患者の身体の一部を水中に漬けることを避けたコンパク
トな製電を得るＫは、たとえば今日では一般的であるよ
うに、患者に超音波を入射するために可撓性の合成樹脂
フィルムを用い、この合成樹脂フィルムは適当な液体の
中に設けられた送波および受波ユニットを患者側で密閉
するようにすると良い。

以下第１図ないし第７図に示す実施例に基づいて本発明
の詳細な説明する。

第１図は超音波診断装置を概略的に示している。

たとえば水が満たされている大きな容器ｌの中において
、超音波送波装置および結像装置全体は水中に浸漬され
ている。検出装置２も水面に触れている。患者ないし超
音波診断すべき被検体８は集束レンズ３と結像レンズ系
４との間に配置されている。２個の超音波ヘッド５，６
は空間的に干渉性の超音波を散乱チャンバ７に入射する
。このチャ／バフの中には非干渉性の出発波を発生する
多数の粒子がある。この出発波によって被検体８は透過
（あるいは反射）される。被検体８から出てくる超音波
は結像レンズ系４を通り、この結像レンズ系４に対１−
で角度を成して配置された超音波反射板９を介して検出
装置２に向う。この検出装置Ｉｔ２は移動テーブル１０
に配置され、モータ１１によって直線方向に往復移動で
きるようにされる。

第２図には第１図に基づく超音波診断装置が平面図で示
され、同一符号が付けられている。空間的に干渉性の一
次超音波１２．１３が示されており、これらの−決起音
波は両超音波ヘッド５．６から散乱チャンバ７に向けら
れている。散乱チャンバ７内の粒子によって散乱された
非干渉性の超音波域１４は、集束レンズ３によって被検
体８に向けられている。被検体８を透過するかないしは
そこで散乱した超音波１５が結像レンズ系４を通って検
査装＃２に達する経路も同様に示されている。

第３図は、第１図および第２図に示す本発明に基づく超
音波診断装置で形成される人間の手（被検体８）の写真
である。

非干渉性の超音波送波器（第１図および第２図参照）は
、干渉性の超音波１２．１８が散乱チャンバ７内にある
小さな粒子で散乱されるもので。

たとえば特開昭５７−９６６４３号公報に記載されてい
る。

本発明の超音波診断装置にお馳では、散乱チャンバを直
光方式の原理に基づいて作動することが最適であるこ七
が判明した。そのためにチャンバ７にはポリスチロール
製の窓１６が設けられ（第１図参照）、一つあるいは複
数の干渉性の一次超音波１２．１３が入射される。無秩
序に運動する散乱粒子（図示せず）によって散乱された
超音波域１４は同じ窓１６を通って出射することができ
る。超音波域１４は拡散し、非干渉性であシ、患者（被
検体８）の超音波診断に用いられる。

散乱粒子として（ポリスチロール粒子の代りに）空気が
詰められているかあるいは中実のガラス球が用いられる
。とｈうのは一次超音波１２．１３の散乱が水に対する
大きな音響インピーダンス差によって著しく増大される
からである。散乱された超音波域１４の干渉時間を短縮
するために、−決起音波１２．１３の周波数は常に送波
器５，６の帯域幅にわたって平均周波数だけ変化される
。

散乱された二次波竺は・−次波が固定周波数の場合には
つきりした粒状パターンを有し、これは散乱された多数
の素波の干渉に依存している。チャンバ７内における散
乱粒子の無秩序な運動はこの粒状パターンに同様に無秩
序な運動を生じさせ、検出装置２における積分が十分で
ある場合に、この望ましくない干渉障害を防止および抑
制することができる。粒状パターンは周波数も固有なの
で、圧電式超音波振動子（送波器５，６）の共振曲線範
囲において周波数を更に変更することによって、粒状パ
ターンの抑制が改善されるが、あるｈは検出装置２に対
して短かい積分時間が得られる。

結像レンズ系４は超音波レンズ１７．１８から構成され
、この超音波レンズ１７．１８によって被検体８の被検
査範囲の波像が形成される。この結像方式によって、数
センチメートルの比較的小さな深度で常に焦点を合わせ
ることができる。焦点深度のすぐ外側の組織はすでに不
鮮明に結像され、遠ざかるにつれてコントラストが減少
し、従って意味をなさなくなる。

良好に焦点が合わされた超音波像を得るために、ここで
示されている超音波レンズ系４において。

画像歪および口径誤差のような重要な結像欠陥が校正さ
れる。２枚の同じ形をした単機のポリスチロール平面凹
レンズ１７．１８で十分である（第４図および第５図参
照）。それによって特殊液内における大きな吸収損失お
よび特殊液とポリスチロールとの境界面における大きな
反射損失が防止できる。更に境界面における屈折率が小
さいので。

レンズ面における精度に対する要求はさほど高くない。

口径誤差を校正するために、ポリスチロールレンズ１７
．１８の凹面１９．２０（第４図および第５図参照）は
、特別に合わされた非球面度４に相応して形成されてい
る。像の歪の校正は一方ではこの非球面の形状によって
、他方では両方のポリスチロールレンズ１７．１８間の
＆ｌ［ｄＫ！つて一生ずる。被検体面２３と画像面２４
との間の距離は５ｄである。

最適な構成を達成するためには、レンズの被検体２３な
いし画像２４の側を平らな面２１．２２とし１両方の非
球面１９．２０を互に向き合わせることが重要である。

この配置構造の場合、口径誤差を校正する非球面１９，
２．０は双曲線に似ており、平らな面２１．２２を向い
合わせた場合のように楕円形ではない。双曲線に類似し
た面によって、軸心（回転軸心２５）近くにある対物点
２６から出てくる超音波は非球面１９．２０の大きく湾
曲された領域を通シ（第４図参照）、一方軸心から離れ
た対物点２７（第５図参照）から出てくる超音波は、非
球面の一方１９あるｈは２０を小さく湾曲された範囲で
通過しく第５図参照）、それによって軸間隔の大きな結
像を形成する。なお仁のことは幾何学的理由から必要な
ことである。

被検体８（２３）ないし画像２４側の平らな面２１．２
２にもとづき非球面１９．２０が双曲線状に形成できな
い場合、平らな面２１．２２によって生ずる口径誤差を
補償するために幾分変更されねばならない。従って非球
面１９．２０を計算するために、２つの媒体の境界面の
理想的な非球面は結像点と回転軸心２５における点の正
確な点に対して決められる。この計算方式の場合、一方
の境界は小さな超音波速度をもつ媒体内における平面波
で双曲線を形成し、他方の境界は無限に離れた点（大き
な超音波速度の側における平面波）で楕円形を形成する
。小さな超音波速度をもった媒体内にお−て遠く離れた
点に対して、必要な双曲線状の非球面１９．２０が生ず
る。

そのように行なわれるレンズの校正は、診断用液槽ｌ内
の温度が変えられる（これは周知のように屈折率の変更
を惹起する）場合にも有効であるという利点を有してい
る。良質の画像を得るために、被検体８と平面２１との
間の距離ないし祉千面２２と画像面２４との間の距離が
屈折率の変更に相応して変更されねばならず、また非球
面１９゜２０の相互間隔が相応して調整されねばならな
い。

またこの逆に行なう仁とシアき、温度変更によって所望
の結像距離が得られ、あるいはポリスチロールの種類お
よび母材に対する製作方法て応じて変わる超音波速度は
既に計算された非球面に合わせられる。

非球面１９．２０を作るためには、まず非球面を通る子
午線断面の座標を計算し、グラフで示すと良い。図面に
基づｈて粗く形成された鋼製盤が切ｌ）取られ、続いて
座標に応じてフライス盤で再加工される。この特殊鋼に
よればポリスチロール母材が直接加工されるが、あるい
は鋳型マスクが作られる。

検査装６ｔ２には直線的な圧電アレーおよび予備処理用
電子装置があり、この電子装置によりアレー装ｆｌ　（
Ｄ　波圧ｖ　ヘルが測定され、マイクロコンピュータ３
ｏにおける再処理のために加工される（第７図参照几二
次元的な超音波像を表示できるよ５にする走めＫは、こ
の−次元的アレ−２は行毎に超音波域の上を機械的に動
がされ（移動テーブル１０．モー／１１．）、その都度
の行情報が記憶されねばならなｈｏ 応答速度を高めるために％　２列あるいはそれ以上のア
レー２が互に並べて配置され、それにょって像を表示す
るために画像面２４０半分の上だけを動かされるか、な
いしは３列以りのアレーの場合、Ｓ像面２４の上を相応
して狭い部分だけ走査されれば良い。

一次元的なアレー２の運動は、テレビジョン技術におけ
るように行毎の画像構成が得られるように直線的に行な
われるか、あるいは別の実施形態においてはアレーがそ
の中心点あるいは端点を中心に回転されるように円環的
に行なわれる。

後者の場合にレーダのように半径方向の画線から成る画
像が形成される。

アレーの回転運動は（転換点なしに）連続的な運動経過
と、なるために一層大きな走査速度を生じる。回転運動
の場合においても種々の角度に配置された複数のアレー
を使用することによって、同じ回転速度の場合に画像力
Ｓ一層早く形成される。

第６図には２１０個の要素１〜２１０をもった直線アレ
ー２の予備処理電子装置のブロック線図が、第７図には
検出装置全体のブロック線図がそ。

れそれ示されている。

第６図において検出装置２０２１０個のアレー要素は１
５のグループで１４本の信号線に分割されている。１５
個の各グループから出る信号線１゜〜１４．はそれぞれ
互に唯一のマルチプレクサ２６を介してチャンネル３１
に導かれている。すなわち１４個の同形のマルチプレク
サ２６と１４個の同形のチャンネル３１が生じる。これ
らの各チャ／ネル３１においてＨＦ信号は予備増幅され
、整流され、積分される。それぞれ積分された最終値ａ
、１４個全部のチャンネル３１に対して共通ノ別のマル
チプレクサ３２および整合増幅器３３を介して電圧信号
２としてマイクロコンピュータ３゜のアナログ−ディジ
タル変換器２８に送られる（第７図参照）。ｉルナプレ
クサ２６と３２の接続および１．４個のチャンネル３１
における積分器のリセットは制御ユニット３４によって
行なわれる。

第７図に基づくブロック線図は、第６図に基づいて予備
処理されたＨＦ信号のマイクロコンビュ−夕３０および
モニタ３５におけるディスプレイとの接続を示している
。マイクロコンピュータ３０はＡ／Ｄ変換器２８のほか
に作動記憶器２９゜マルチプレックス制御ユニット８４
用のシンクロナイザ３６．モータ１１の制御器３７およ
び中央処理ユニット３８を有している。マイクロコンピ
ュータ３０で得られた画像値は、出力インターフェース
３９および画像再生記憶器４０を介してモニタ３５に導
かれる。

圧電検出器アレー２の要素における超音波レベルを測定
するために、圧電効果で発せられた弱いＨＦ交流電圧は
まず高感度の前置増幅器３１で増幅され、整流され、超
音波の干渉時間に比べて長い時間帯にわたってアナログ
的に加算される。それによって各画像要素の音圧レベル
の時間的平均値が求められ、続いて要□素毎にアナログ
−デジタル変換器２８を介してマイクロコンピュータ３
０の記憶器２９に集められる。波源の干渉時間のために
Ｌ　ｍ５ｅｃのオーダの積分時間が必要であり、他方で
は２００Ｘ２００の画像点の画像を容認できる時間内で
作ることが望１れるので、予備増幅、整流および加算が
１４個のパラレルチャンネル３１内で行なわれ、それに
よって比較的大きな速度でチャンネル毎の平均値が求め
られる。

第６図に示された電子回路はパラレル電子装置とマルチ
プレックス電子装置との複合体であり、これは１４個の
パラレルチャンネル３１にもとづき一つのパラレルチャ
ンネルに対し残りの１３個のパラレルチャンネルの応答
時間に相応した加算的時間を有する。図の回路は２１０
個の要素の応答に対して規定され、単一チャンネルの純
粋なマルチプレクス電子装置に比べて、画像点当シ同一
の平均時間において、１３倍の応答速度となる。

２１０個のパラレルチャンネルをもった純粋なパラレル
電子装置に比べて１図に示された回路はゆっくりではあ
るがン経済的に、コンパクトにかつ単純に調整可能であ
る。

経済的に作られた電子装置付きのアレー２０場合、各要
素の感度特性が互に幾分ずれることは避けられない。

この欠点は、検出信号を選別するためのディジタル電子
技術を採用し、ディジタルビデオ画家再生記憶器４０に
よって防止できる。

はじめ被検体８がない状態で超音波域におけるすべての
検出要素の感度特性は全自動的に測定され、一覧表とし
て記憶される。

被検体８の画像撮影中に常にすべての検出信号は記憶さ
れた一覧表を介して校正され、それによって（前置増幅
器、整流器および積分器３１を含む）各検出要素の種々
の解答状態が補償される。

同時にこの技術によって回転検出器の場合も、半径だけ
に左右される超音波診断の不均一性は自動的に調整され
る。

検出器特性の自動的な作製は、診断装置を測定に対して
調整しかつ超音波経路が自由な状態、すなわち被検体８
が存在しない状態で、インテリジェント制御器３００校
正のもとで行なわれる。

特性の測定のために、送波器５．６を駆動する信号発生
器の増幅率が段階的に高められ、その各段階において検
出器アレー２が読み取られ、各位が記憶される。

その際各段階において検出器アレー２を何回も読み取シ
、各検出器要素の信号を平均化すると好適であることが
判明している。このようにすれば使用される超音波ヘッ
ド５，６の非干渉性表示特性が完全に利用され、測定さ
れた感度特性の大きな精度が達せられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波診断装置の概略斜視図、第２図は第１図
の超音波診断装置の平面図、第３図は人間の手の超音波
偉、第４図および第６図は結偉レンズ系の拡大詳細図、
第６図は２１０個の要素をもった直線アレーめ予備処理
用電子装置のブロック線図、第７図は検出装置全体のブ
ロック線図である。 １・・・液槽、２・・・検出装置、３・・・集束レンズ
、４・・・結像レンズ系、５．６・・・超音波ヘッド、
７・・・散乱チャンバ、訃・・被検体（患者の手）、１
４・・・非干渉性の超音波域、１７．１８・・・単位レ
ンズ、１９．２０・・・レンズの非球面、２１．２２・
・・レンズの平らな面、２４・・・画像°面。 第１頁の続き の発　明　者　ウィルヘルム・ワイデリッヒドイツ連邦
共和国ミュンヘン７１ ベツカーグンダールシュトラー セ３２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）超音波光学装置および超音波診断すべき被検体が液
   槽の中に配置・され、被検体が平面的に写し出され、被
   検体の超音波診断が非干渉性の超音波で行なわれ、集束
   レンズ、結像レンズ系および検出装置が設けられている
   ような超音波診断装置において、非干渉性の超音波域（
   １４）が互に無秩序に自由に動く多数の粒子をもった散
   乱チャンバ（７）におｈて作られ、この散乱チャンバ（
   ７）内の粒子に少くとも一つの超音波送波器（５，６）
   、から連続的に干渉性の超音波（１２，１３）が入射す
   れ、結像レンズ系（４）が均質材料製の少くとも２枚の
   単位レンズ（１７，１８）をもった超音波νンズを有し
   、これらの単位レンズ（１７，１８）が互に対称に配置
   され。 互に向き合うレンズ面（１９，２０）が非球面状に形成
   され、形成された被検体（８）の超音波画像が画儂面（
   ２４）の上を周期的に直線運動あるいは円環運動する少
   くとも一列の検出器装置（２）によって電気信号に変換
   されることを特徴とする超音波診断装置。 ２）超音波ヘッド（５，６，）から発せられる超音波（
   １２，１３）が１周波数ないし振幅変調によって時間的
   に変化できるようにされることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の装置。 ３）散乱チャンバ（７）内の粒子が、空気が詰められた
   ガラス球あるいは中実のガラス玉であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。 ４）被検体（８）が透導あるいは反射によｐ超音波診断
   されること１特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいずれかに記載の装置。 ５）結像レンズ系（４）の互に向き合わされたレンズ面
   （１９，２”Ｏ’　）が非球面度４で形成され、相対頂
   点距離（ｄ）が被検体（８）と画像面（２４）との間隔
   の約偽であることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第４項のいずれかに記載の装置。 ６）　単位レンズ（１７，１８）がポリスチロールで作
   られていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第５項のいずれかに記載の装置。 ７）各単位レンズ（１７，１８）において、第２のレン
   ズ面（２１，２２）が平らであるか。 あるいは頂点における非球面（１９，２０）の曲率半径
   よりも著しズ大きな曲率半径を有していることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記
   載の装置。 ８）検出器アレー（２５が互に直線的に並べられた圧電
   式の単位検出器から構成されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の装
   置。 ９）単位検出器から発信されるＨＰ倍信号、非干渉性の
   超音波画像を撮影するために画点毎に必要な平均時間が
   大きな応答速度に拘らず保持されるように、２つあるい
   はそれ以上のパラレルチャンネル内において予備増幅さ
   れ、整流され、積分されることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の装置。 ｌＯ）超音波送波器の強度が相異しかつ各検出器信号が
   同時に検知されることによって、各検出器チャンネルの
   感度特性が記憶できるようにされることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第９項のめずれかに記載の装
   置゛。 １１）撮像中において各アレー要素の応答特性およびそ
   の超音波強度の相異が、測定された感度特性で即座に電
   子的校正手段で調整され°る′ｊ ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１Ｏ項
   のいずれかて記載の装置。