JPS59500332A - 超音波トランスデュ−サおよびその応用 - 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】 超音波トランスデユーサおよびその応用技術分野 この発明は超音波トランスデユーサに関し、特に、血流容量および同様の夕１１ 定ならびに像形成用トランスデユーサに関するものである。

背景技術 血流の非侵入測定にドプラ超音波が望識されてきたが、既存のドプラ超音波測定 は血流容量を血液の速度および血管の横断面積の積として評価しているのでこの 方法は量的な臨床道具ではなかった。この方法は、超音波ビームの３次元方向の 速度ベクトルの正確な画定およびルーメンの断面積の？Ｉ］１１定を必要として いた。上記変数の正確な１＋１定が困難を伴なっていたので、ドプラ流量計を各 種非侵入の量的；ｊ１１定に応用することは従来限定されていた。

非侵入のドプラ超音波による血流容量辿１定の新規な概念がホツティレが（Ｈｏ ｔｔ　ｉｎｇｅｒ　）およびＪインドノリＭｅｉ　−ｎｄｌ）　により超音波像 形成第１巻第１号（７９７９年発行）「減衰補正流量計を使用している血流１ｆ ｌｌｊ定」の標題で発表されており、米国特許第３．ｇｇ　ｇ、２３ｇ号「血流 両足装置」に開示されている。この概念は、流速および断面伊の測定でなく直接 流速を評価しており、上記・モラメータの正確な知識に基いていない。この方法 は、血管の断面に均一に超音波を照射することおよび血管内に小さい第λのサン プリングビームを配置する必要がある。ので、血管全体の断面に均一に照射し、 照射範囲およびサンプリングビーム幅を同時に集束制御するため超音ｉ％ｉトラ ンスデユーサが必要である。

従来、超音波ビーム・ぐターンを発生する超音波トランスデユーサは、小型トラ ンスデユーサの遠雷界にビームを発散して均一な電界を形失する遠雷界法を利用 していた。近電界法は、小型中央素子およＯ・大型周辺素子を有する２面素子を 備え゛たトランスデユーサを利用しており、上記！素子が同時に等しく駆動され て単一のトランスデユーサとして作用し均一な照射ができる。この受信モードで 、小型素子は、基金サンプル容置の信号を受信し、画素子で受信した信号が加算 され、血慎の全断面からの信号を収集している。レンズ法では、発散レンズかト ランスデユーサの小型中央素子上（・て配もされ、特定の角度に均一な発散ビー ムを゛覧発生し、収集レンズが周辺素子に配置され、わずかに収束するビームを 発生している。

上記した公知の各方法は、いずれも１、ビーム・Ｐターンかトランスデユーサの ル何学的形状１・Ｃより決まるので血流速量の通用には限度がある。また、上記 各方法自体ｉ、Ｃも欠点または限度がある。例１えば、遠雷界、去では、均一な ビーム・ξターンを得ろことが困ｘ−である。円形トランスデユーサの場合、持 緒波回折理論１ま駆動圧油が連続空間分布を必要とし、実際上田許であった。レ ンズ法では、回折により均一なビーム・ぐターフ’ｒ発生ずることが非常に「將 である。また、レンズの忰成（て高精度を必要とす３ る。近電界法は簡単で実用的であるが、コ素子の信号を加算するため、トランス デユーサの画素子の特性および制御回路を一致させる必要がある。

発明の開示 したがって、この発明の坑／の目的は、超音波流量測定に使用するトランスデユ ーサを改良することである。

この発明の第λの目的は、近電界およＯ・遠雷界に使用するトランスデユーサを 数層することである。

この発明の第３の目的は、調節自在ビーム幅を有する円形トランスデユーサ配列 を使用した超音波送信法を改良することである。

この発明の第９の目的は、電子的に調節自在のビーム幅および均一なｔｉｔｍを 有し、ビーム断面内の小型基憔領域を選択的に受信する位相配列トランスデユー サを提供することである。

この発明の第Ｓの目的は、走夏トランスデユーサおよび流量」１］定トランスデ ユーサの組合せを提供することである。

図面の簡単な説明 第１図はこの発明によるトランスデユーサを使用しているドプラ流量計の機能日 ラブロック図、。第Ω図は、この発明：（よるトランスデユーサの超音波ビーム の区。第３叩は、この発明によるλ素子トランスデユーサの平面図。

第４図は第３図のクーｌｌ−組に沿ったλ素子トランスデユーサの断面図。演５ 図は、この発明てよる同上・トラン・スデューサ配列の動作を示す機能的グロッ ク図。第乙スは同心配列のトランスデユーサから発生した信号パターンのグラフ 。第７ａ図およＯ−第７ｂ図は、この発明とよる同心配列のトランスデユーサを 使用しているサイドローブ抑制法を示す図。第８図はこの発明罠よろ直列配置の トランスデユーサて基仁すンフ０ル容量を設定した斜？ｆｔ　ｉｌ　０第９図は 仮衰補償流量計の第８図によるトランスデユーサの配列を適用した図。第１Ｏａ 図ないし第１Ｏｃ図はこの発明による像形成および流量少１１定用トランスデ゛ ユーサの組合せの図。

発明を実施するための最良の形態 第１図は、ホッティンガ（Ｈｏ　ｔ　ｔ　ｉ　ｎｇｅｒ　）およびマインドル（ ｉｖｌｅ　ｉ　ｎｄ　ｌ　）　ｌｃより提起された漱衰補償流量計の扮能的ブロ ック図である。この流量計：＋−１血管を均一に煎り〕す１５る二重ビームドプ ラパルストランスデユーサを採用している。このトランスデユーサ配列が、繰返 し短縮バーストの超音波を発生し、血管を横切る超音波を示す第２図に示すよう に、トランスデユーサに戻る信号：↓、範囲ケ゛−トおよび範囲処理により同時 に、２つの薄見・サンプル容量を発生する。第２図に示すように、容量１は、血 貿のルーメツの全断面を珍つ均一で大型前１．Ｔサンプル面を形成している。容 量２は大型照射サンフ０ル面り一部であり全体がルーメン以内にある小型円板を 形昨している。

ホノティンガ（Ｈｏｔｔｉｎｑｅｒ）およびマインドル（ｈ、４ｅｉｎｄｌ　） が述べているように、第７図の送信機才。よび受信俯回路から一個の音声信号が 発生する。受ｆ言信号；ま、フィルタを介して第１モーメント検出器および邑力 険出器へ送信される。フィルタは、波形の・ぐルス特性で生ずるサンプリング効 果を補償し、その出力がドプラビーム１および２のスパクトルになる。範囲目盛 係数（に）が出力され、汐（１宇可能なノラメータとして出力に流量（０）が与 えられ、ビーム１にドプラ電力の第１モーメントのスイクトルが形改され、ビー ム２にドプラ電力の正規化ス被りトルが形成されろ。

第３図は、第１図の流量計に有用なこの発明によろユ素子トランスデユーサの平 面図、第夕図は第３図のグー＋！將に沿ったトランスデユーサの断面図である。

このトランスデユーサは、第１中央円形素子２２およびその円形素子の周囲に一 辺素子２４を１点えている。これら、２素子は、デルリン（ｄｅｌｒｉｎ）　の ような絶Ｐ一体２６により互（・に絵像されて（・ろ。第り図に示すように、凹 面レンズ２８が周辺素子２４に付着されている。超音波のみが円形素子２２から 発生し、周辺素子２４か受１、−イモ−１゛のス人に使用されると、その軸にあ るサンプル容量から信号が得られる。レンズは、軸上て特定の焦点の周囲の限定 された範囲て収束され、範囲ケ゛−トを使用してサンプル容量の深さか変ｆヒで きる。

これらの素子は、嫡宜ｊ玉霜セラミックより形成され、動作周波数の波長の１′ ２台の厚さを有ずろ。例えば、乙１１４日２の切音波の・θ長の場合、その厚さ は、０．３ブｍｍ台である。レンズは、ルーサイト（Ｌｕｃｉｔｅ）　またはナ イロンのような適宜音響屈折率を有する材料製である。レンズの形状は、特定の 軸上住膚から発生ずる音響虐が同時に同辺素子面のすべての点に達する基浬に基 いて決められる。第９図でレンズ面の屈折が無視されると、この基鵬は次の式て 決められる。

ｒ（ｘ’）　＝　ｚ？　＋　（ａ、”、ｘ）”　’１４、焦点距離ｚ　（）焦点 Ｆおよび周辺素子上の、＋、（ｘ）間の距離、ｌ−ランスデューサの内１１８ｉ Ｉ縁でＸ二重と設定した場合、１（×）はレンズの経路長であり、■は全進行時 間で、Ｃ１およ乙゛Ｃ２は組音内オＪよひレンズの材料の音速である。この式で 、とずろと、レンズの屈折率は １（×）は式（１）より １　＝］（０）とずろと （（なるので、次の式が成り立つ。

二の流量計を簡単化するため、■を同じ範囲から円形素子への進行時間に等しい とすると、次の式が得られる式ｆ３１および（５）より、次の式が得られるこの 式に０、式（２）を代入して、ｎの値で与えられるレンズの形状が決められる。

狭い周辺素子の場合、上記屈折を無視する仮定が通常成り立つ、例えばとすると 、上記したレンズ面の入射角・＠／３０ＪＪ下になる。

第に回は、中央円形素子および複数の同心環状回込素子よりなる同じトランスデ ユーテ配列を使用している減衰補償流量計の機能的ブロック図である。この配列 は、上置ｉ″超音波像形成（７９７９年発行）り乙〜７に頁にτ８　７８表昭５ ９−５（１０３３２（４）イエツ（Ｄｉｅｔｚ）および他の作者による「拡大開 口譲状配列」に発表されている。この発明によると、この配列は、振幅およびタ イミングを別々に制御して均一な扁形パターンを発生する。具体的には、この配 列を使用するビーム・ぞターンの合成は、所望のビーム・ぐターンに近勿のフー Ｉト工・ベッセル近似式に匹いている。

ｒ１＋ｒ２＋・・＋ｒＮ　（Ｎは素子全部の数）を各素子の外径としく第３図） 、ａ１＋ａ２・・・・ａＮ　を各駆動信号の振幅とすると、この配列の遠雷界回 折・ぐターンは次の式但しθは、上記配列の軸に対する電界の方向の角度であり 、λは信号の波長である。また、半径がＪ、（×）の正零α１．α２・・・、α 、に比ｆ９＋１　Ｌ、かつ、「ｎ：ｂａｎ と仮定すると、式（７）は、次の式に変換される。

フーリエ・ベッセル級数展開理論によれば、任意の関数７（×）が、区間（０， １）で次のように展開でき、係数（ｓｏ）　は次の式で与えられる。

式（８）と（９）間に同様にして、次の手順でビーム・にターン合成法が設計で きる。

（１）所望の円形に対称のビームパターンｆ０（ｕ）が次の新しい関数２゜（１ ）を与え、 但し、０≦ｂｕ≦１げ。（ｕ）の範囲外で）（２）次の計算をし、 （３）　次の貫係により（ａｏ）　をくり返し計算するＳｎ：ｂａｎ（”ｎ−ａ ｎ＋１　） および ８Ｎ＋１　：０ したがって、７組の振幅の重み付けが得られ、環状配列に適用すると、所望のビ ームパターンの近匂値を発生する。素子の数Ｎが増大すると、近イυ値がより正 什になる。

均一なビーム・やターンを形成するの冗この技ボを利用すると、所与の配列形状 で各種ビーム幅の・マターンが得られる。これを分析すると、Ｎ個の異なるパタ ーンが得られ、各々が均一な扇形パターンに近ａ１．Ｌ、Ｎ個の素子の環状配列 より得られる。この配列の各素子の信号り）振幅の重み付けを補正して多重環状 配列の遠雷界に、狭い収束ビームおよびより広く均一な電界が得られる。超音波 トランスデユーサ配列を収束できるので、これらの特徴が近電界にも適用できる 。ｑ素子配列によるこの方法のビーム・やターンが第４図１（示されている。

この発明による環状配列の流量計において、血管は、同配列からの汰℃・ビーム および狭いビニム（Ｃより交互に検出して、異なる２個の血管の通路の信号を発 生ずる。

所与の範囲が流速のぼけを避けるために高速・ｅルス掃返し率が必要なら、小型 サンプル容量に含まれる情ｔ７が他の血背の通路はど速くサンプルする必要、ま ないので均一な数個のビーム毎／本の狭（・ビームを発生すｈばよ（・。

広いビームて血管の断面を照射す１１ば、有効サンプリング率をλ倍にした。２ 佃・の重み付げコヒレン）　ヲ同Ｉｔ−にＩｌ［＋貧して面嘗の通路から信号を 受信てきる。

１１ この方法の利点は、ビームの幅が、血管の寸法に一致して変化することと、動作 範囲を容易に制徊１するので、この方法が表面および内部の位置する血管に適用 可能であるということである。

この発明のこの実施例の他の特徴は、泊：ｉ定ずべき血管の外側（例えば、近く の曲の血管）の望ましくない領域を照９寸する、均一な電界の・領域外のサイド ローブの値を制御できることである。第７ａ図および第７ｂ図に示すようにこの 問題は、送信モードの第１のビーム幅を有する第１ビームおよび受信モードの異 なる幅の２個のビームを使用して解決できる。２個の受信ビームが送信ビームに 対して振幅重み付けされて、ビーム１（送信用）およびビーム２（受信用）の第 ７ｂ図に示すようサイドローブが抑制される。この方法は、例えば、各環状素子 が飼々に重み付けされろ第５図の回路により達吹できろ。

サイドローブがビーム１のサイドローブに重ならなし・よう各環状素子からの２ 組の各重み付は信号成分を加算して第２および第３ビームが得られてサイドロー ブの効果を最小限にする。

第３図はこの発明の他の実施例による直列位相配列のトランスデユーサの斜視図 である。この配列は、複数の平面に並置された長く狭し・素子５０および複数の 部分５３を有する中央配置素子５２を備えている。各素子および部分は、各素子 を付勢し各部分から信号を受信する雷気接痔を有している。第ｇ図て示すように １．直列の素子５０が走査面にまたがり電子的（ｃ付勢され、素し子５２の部分 ５３が、図示のように基準サンプル容量に収束するよう付勢されるので、直列の 素子配列は、動的収集に加えて横方向（にビームを電子的に付勢できる。ビーム を付勢する範囲は、操作員により制御され、回答寸法面を合成でき、各特定の適 用が必要な寸法を訓節できるが、他の横方向の範囲は配列の寸法（Ｃより同定さ れ、蛍−の直列１着により制御できない。厨」ち、この配列は、平面で血管の断 面全体を、ｐ４５のに十分な幅を有する必要がある０ 第９図は、ビームがＸ方向に収束され、血管の断面を覆うのに十分なＹ方向の幅 を有している流量計を示して℃・る。送信モード（Ｃおいて、長方形全体の配列 または中央の放飼の素子のみ付勢して広い照射がされる。受信モードにおいて、 適宜組の遅９工線によりすべての方向の信号が同時に抽出される。素子５２の部 分５２により走倉面の中央領域で必要なＹ方向の収束をして２本の収集ビームが 重なる基準サンプル容量を発生する。

この発明による他の実施例のトランスデユーサは上述のごとく定歪トランスデユ ーサおよび流量測定トランスデユーサの組合せを有している。例えば、第１Ｏａ 図は、均一ビーム用分割円板５ｏ、収束環５２および像形成直列５４を有してお り、算１０ｂ図およびＮ　／　Ｏｃ図は、環状配列５６に、ビーム幅Ｎ１　個１ およＯ−像形成直列５８を備えている。

３ 複数の実施例について説明したが、いずれも、血管を均一に照射でき、前側ｉし た血管内より完全に小型基準容素から信号を得ることができた。この発明は特定 の実施イξＩＩについて述べたが、例示に過ぎず、この発明を限定するものでは ない。この発明の概念および請求範囲で限定された範囲内で各種変形および応用 ができることは当業者に理解されよう。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、−８ ＦＩＧ、−９ 昭和　年　月　日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示　ＰＣＴ／ＵＳ８−３１００２０５３、補正をする者 事件との関係　出願人 ５、補正命令の、日付　昭和５８年１１月８巨７、補正の内容　別紙の通り 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、均一な第１超音波ビームを発生し受信する平面状円形第１トランスデユーサ 紫子、上記第１トランスデユーサ累了の周囲の環状筒λトランスデユーサ素子、 および上記第」トランスデユーサ素子の７表面上にあり、上記第１ビーム内で収 束される第２超音波ビームを受信するレンズ装置を備えた超音波流量測定用トラ ンスデユーサの構造。 ２、更に、上記第１および第Ωトランスデユーサ間に、１邑禰財料を１′えた請 求の元間第１項記載のトランスデユーサの画情。 ３、上記筒／トランスデユーサ素子の厚さが暇音波動作周波敗の波長の島台であ る請求の−」第１項または第２項記載のトランスデユーサの構造。 夕　表面を慮択的に定歪する復故の＃！、ｉされた第１トラフ　、Ｘ　テ、：Ｌ −サ紫子、」＝２第１のトランスデユーサ禰子の中火に」ｄされたｉ、２トラン スデユーサ禁子を１え、上記第Ｕ）ランスデューサ素子が１戻敗の部分を有して 上記部分が上記第１トランスデユーサ県子の足丘方向Ｖ＝角の方向に付勢されて 上記第１トランスデユーサの走歪面内に基準容量な形成する超音波流ａ測定用前 列１ｖ不目Ｓ己列トランステ゛ユ−サの１付通。 ３　ＸＭ故の同心トランスデユーザ；ｆ子、上記同心トランスデユーサ素子の中 火にある円形中央素子、およＯ・上記同心トう／スデューザ素子を介して中火に 一道へされた直列配置の素子を備え、」−記同心の素子が均一な第１ビームおよ び狭い第」ビームを発生し、上記直列配置の素子が漁形成用走盆ビームを発生す る超音波流量測定および同様の装置で均一かつ収束されたビームを必要とするト ランスデユーサの一１ｔｌｊ　ｉｌ。 乙　上記復改のトランスデユーサ素子の夕′Ｆ測紫子が、上記第ユ収束ビームを 形成するレンズを備えた精ポ範囲第Ｓ項記載のトランスデユーサの１倚造。 ７　上記−Ｎ故のトランスデユーサ素子が、」只的に付勢されて収束ビームを形 成する請氷、ＡｆｆＵ第Ｓ項記載のトランスデユーサの４造。 ｇ　各同心トランスデユーサ素子が次の式によりｆＦａ　３重ａ１．　ａ２、、 −、、−、　ａ、１は、Ｖ動ｊＭ号ノ七−扁テｅ：＋　リ、ｒｌ、　ｒ２．、、 、、　、、、、、　ｒＮは中央外測から素子の内イであり、 Ｎは素子の敗であり、 α１．α２、−＝＝　、αＮはベッセル関数Ｊ＋（ｘ）の正零でλ １μし、 ｔは漬分変改であり、 ｆｏ（ｕｌは、所望のビーム・ぐターンであり、Ｕは（２ｒｒ、／λ）ｓ　ｉｎ θであり、θは電界の方向である 請求の範囲第に項、第乙項または第７項記載のトランスデユーサの構造。 ９　ｔｄ故の同心填状トランスデユーサ素子を、諮えたトランスデユーサの構造 において、次の式により各トランスデユーサ素子の振１；畠を重み付けするＳ、 　＝　ｂ２ｃ＜ｎ（ａｎ−ａｎＨ）１旦し、 ８１・ａ２．・・・−ａｎはＬｉ動倍信号振岳であり、ｒｌ、　ｒ２．、、、　 、、、ｒＮは中央外側から素子の千径であり、Ｎは素子の赦であり、 α１．α２．、＝　ｌｌ＋αＮ　はベッセル関数Ｊｉ、（Ｎ）の正零であり、 ｔは涜分変故であり、 ｆｏ（ｕ）は、所望のビーム・々ターンであり、Ｕは（訓７′λ）ｓｉｎθであ り θは・電界の方向である フーリエ・ベッセル近似値を得るため振襦およびタイミングを別々に流量測定用 上記トランスデユーサ素子を付勢する方法。 ／θ　更に、第１の幅を有する第１ビームを送１言および受１言し、上記第１ビ ームを受信し、上記第１幅より狭し・第、２幅を有し、上記第２幅が第１幅以内 にある第１ビームを受信する請求の範囲第９頂記載の方法。 ／／　復教の同心埴状トランスデユーサ素子を有するトランスデユーサの構造に おし・て、第１幅を有する第１ビームを送信し、第２・、雷を有する同ｒ＋！＋ 　ＭΩビームを受信し、上記第１および輿、２１題より狭〜・第３１を有する同 軸４３ビームを受信し、上記第１ビームに対して上記第Ωおよび第３ビームを振 ’ｌ１ｉｉ重み付けしてサイドローブを抑ＭＪする送受信・ぐターンのサイドロ ーブを抑制する方法。 うつ２二（ゴこ佑二ヌＣ更た。シ）