JPS599859B2 - 可変周波数超音波探触子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は可変周波数超音波探触子、特に広帯域５ 周波
数特性を有する電気音響変換素子を用いた可変周波数超
音波探触子に関するものである。

超音波パルスを音場媒質中に送波して音場媒質からの反
射エコーを受波することにより、超音波探傷あるいは超
音波診断等を行う超音波探触子が１０周知であり、音場
媒質として金属溶接部あるいは診断対象となる被検体等
が知られている。従来の超音波探触子はその送波周波数
が探触子に設けられている電気音響変換素子の共振周波
数に設定され、単一周波数の超音波パルスを送受波する
構成１５から成るので、探触子の利用範囲が制約される
という欠点があつた。例えば超音波パルスを用いて被検
体の断層像をブラウン管等に表示する超音波診断装置に
おいては、超音波パルスの周波数を高くするほど表示画
２０像の分解能が向上し、被検体の微細個所の観察を詳
細に行うことが可能となる。

しかしながら、超音波パルスの周波数が高くなるに従い
、生体組織による超音波の伝搬減衰が急激に増加し、遠
距離における感度が低下するという問題が生じ、比較２
５的深度幅の大きい被検体を均一に、かつ良好な分解能
で画像表示することが困難となり、必ずしも高周波数の
超音波パルスのみでは良好な診断結果を得ることができ
ず広範囲に周波数を変化できる探触子が望まれていた。
また生体組織内での超音３０波の伝搬減衰は各組織によ
り異なり、このことからも各診断部位毎に超音波パルス
の周波数を変更することが要望される。従来の探触子は
前述したように、その送波周波数が単一値に固定されて
いるので、従来の超音波３５診断装置においては、送波
周波数の異なる複数個の探触子を各診断部位あるいは診
断深さに適合させて交換するという方式が取られている
。

したが、ハ【−つて、従来装置においては、煩雑な探触
子交換作業を必要とし、また診断時間が長くなり、実時
間で断層像を観察できるという超音波診断装置の利点を
著しく阻害するという欠点があつた。

特に近年の組織特性学（ＴｉｓｓｕｅＣｈａｒａｃｔｅ
ｒｉｚａｔｉＯｎ）の研究等においては、同一診断部位
を異なる周波数で画像表示し、この複数の画像変化から
組織の特性を判定することが行われ、複数個の探触子を
交換しながら画像信号を得なければならず、探触子の交
換中に被検体の動き、例えば被検者の呼吸その他により
診断部位が移動する等の問題があり、実質上従来装置に
おいては、同一診断部位の組織特性の判定が不可能であ
つた。本発明は上記従来の課題に鑑みなされたもので、
その目的は単一の探触子を用いて広範囲に変化する送波
周波数の超音波パルスを得ることのできる改良された可
変周波数探触子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は音場媒質中に超音
波パルスを送波するとともに音場媒質からの反射エコー
を受波する電気音響変換素子と、電気音響変換素子の送
受波面に貼着された整合層であつて電気音響変換素子の
応答周波数特性を広帯域化するためにその層厚が電気音
響変換素子の共振周波数のほぼ１／４波長に設定されて
いる整合層と、電気音響変換素子から送波される超音波
パルスの送波同波数を切り替えるための複数の共振回路
と、複数の共振回路を選択的に電気音響変換素子に接続
する選択器と、を含むことを特徴とする。

以下図面により本発明の好適な実施例を説明する。

本発明は電気音響変換素子と音場媒質との間に電気音響
変換素子の共振周波数のほぼ１／４波長の層厚を有する
整合層を挿入することにより、電気音響変換素子の応答
周波数特性が広帯域化できるという点に着目し、この広
帯域化された周波数範囲内で任意の送波周波数が選択で
きる探触子を形成したことを特徴とする。

このような電気音響変換素子の応答周波数特性の広帯域
化は、その原理が本発明者らにより解析され、例えば電
子通信ラ学会論文誌 ７３／４Ｖ０１．５６−Ａ腐４の
第２４２〜２４９ページに１／４波長の中間媒質層を圧
電変換器と音場媒質との間に挿入した圧ｊ電変換器とし
て記載されている。

従来においては、このような電気音響変換素子の広帯域
化は単に超音波パルス幅の短縮化として利用されている
が、本発明においては、この広帯域電気音響変換素子を
利用して可変周波数超音波探触子が得られることに着目
したものである。第１図には本発明に係る可変周波数超
音波探触子の好適な実施例が示され、被検体等の音場媒
質中に超音波パルスを送波するとともに、音場媒質から
の反射エコーを受波する電気音響変換素子１０と、この
電気音響変換素子１０の送受波面に貼着された２個の整
合層１２，１４を含む。

電気音響変換素子１０は実施例において、ジルコンチタ
ン酸鉛から成り、入力端子１６，１８から励振信号が供
給され、圧電効果により超音波パルスが送受波面から両
整合層１２，１４を通過して図示しない被検体等の音場
媒質中に送波される。整合層１２，１４はそれぞれその
層厚が電気音響変換素子１０の共振周波数のほぼ１／４
波長に設定され、実施例において、整合層１２は洛融石
英から成り、また整合層１４はエポキシ樹脂から形成さ
れる。前述した整合層１２，１４の貼着により、電気音
響変換素子１０はその応答周波数特性が広帯域化され、
第２図には横軸の周波数ｆに対して縦軸に送受信総合応
答特性（受信電圧／送信電圧）がとられ、整合層１２，
１４のない電気音響変換素子１０による特性が１００に
て、そして本実施例における２個の整合層１２，１４が
貼着された場合の特性が２００にて示されている。

第２図から明らかなように、従来特性１００における比
帯域幅は１／５〜１／１０程度であるのに対し、実施例
特性２００における比帯域幅は１程度に拡大され、帯域
幅が著しく広くなつていることが理解され、また同時に
縦軸に示される感度が増大していることが明らかとなる
。電気音響変換子１０の共振周波数はその厚さから固有
に決定され、この結果、整合層１２，１４の層厚も電気
音響変換素子１０に対応して設定され、例えば、２ＭＨ
ｚの共振周波数においては、各整合層１２，１４の層厚
をそれぞれほぼ０３７５１１１０．３３１１程度に設定
することにより、良好な広帯域化を図ることが可能とな
る。第１図の実施例から明らかなように、電気音響変換
素子１０の背面には音響バツキング作用を有する吸音材
２０が設けられ、電気音響変換素子１０の機械的自由振
動の持続を効果的に制動することができ、この結果、振
動系のＱを低下させ、第２図の特性２００を更に広帯域
化することができるが、吸音材２０による広帯域化は反
面において送受信感度の低下を生じるという短所があり
、実施例においては、自由振動の制動と感度低下とを調
整しながら、吸音材２０の音響バツキング作用が所定量
に設定されている。以上のように、整合層１２，１４に
より応答周波数特性が広帯域化された電気音響変換素子
１０には素子１０から送波される超音波パルスの送波周
波数を切り替えるための複数の共振回路が接続され、第
１図において、共振回路は入力端子１６，１８に並列接
続された２個の共振回路２２，２４から成り、両共振回
路２２，２４はそれぞれ抵抗とインダクタンスとの並列
回路から形成されている。

そして両共振回路には第１図のスイツチで示される選択
器２６，２８が接続され、選択器２６，２８の切替によ
り両共振回路２２，２４のいずれかが電気音響変換素子
１０に選択的に接続される。本発明において、共振回路
２２，２４を選択的に電気音響変換素子１０に接続する
ことにより、電気音響変換素子１０から送波される超音
波パルスの周波数は２個の異なる周波数となり、選択器
２６，２８の切替により所望の周波数を選択することが
できる。前記両周波数は第２図に示される広帯域化され
た特性２００の平担な周波数領域内に設定することによ
り、異なる周波数の超音波パルスを用いて均一な感度で
送受作用を行うことが可能となる。以上のように、本発
明によれば、広帯域化された周波数領域内の任意に選択
された周波数の超音波パルスを送受波することができ、
被検体の診断部位あるいは診断深さ等に適合した最適条
件での断層像を単一の探触子により得ることができ、ま
た探触子の交換を必要とすることなく、連続的に異なる
周波数の超音波パルスを被検体中に放射して組織特性学
的な生体組織の観察を行うことが可能となる。

実施例においては、２個の共振回路が用いられているが
、任意の回路数を設定することができ、また連続的に共
振周波数を変化させる可変周波数共振回路とすることも
可能であり、更に選択器はつ［０ 単なるスイツチのみでなく電子的に共振特性を選択する
選択器とすることも可能である。

また実施例においては、単一の電気音響変換素子を用い
た構成のみが示されているが、本発明において、複数の
電気音響変換素子を平面的に配列したアレー形の探触子
の各素子に、それぞれ複数の共振回路と、複数の共振回
路を選択的に電気音響変換素子に接続する選択器とを接
続することにより、可変周波数超音波探触子を得ること
も可能である。

第３図には本発明に係る可変周波数超音波探触子を用い
た超音波診断装置の好適な第１実施例が示されている。

第３図において、可変周波数超音波探触子３０は第１図
の構成から成り、送信器３２から供給される超音波パル
ス励振信号により電気音響変換素子１０から整合層１２
，１４を通過した超音波パルスが被検体中に送波される
。

被検体から反射した反射エコーは探触子３０により受波
され、受信器３４により受信検波され、反射エコー信号
が輝度変調信号としてブラウン管等の表示器３６へ供給
される。前述した送信器３２、受信器３４および表示器
３６には同期制御回路３８から制御信号が供給され、送
受信制御および表示器３６の掃引制御が行われている。
可変周波数超音波探触子３０の送波周波数を選択的に切
替制御するために、同期制御回路３８の匍磨信号が切替
回路４０を介して探触子３０に供給され、所望の送波周
波数が選択される。第４図には切替回路４０の好適な実
施例が示され、同期Ｔｌｉｌ卿回路３８の制御信号が入
力端子４２からトリガ信号発生器４４に供給され、この
トリガ信号がフリツプフロツプ４６に印加され、フリツ
プフロツプ４６のＱ出力端子４８を第１の選択器２６へ
、そしてＱ出力端子５０を第２の選択器２８へ接続する
ことにより、リードリレー等のあるいは半導体を用いた
アナログスイツチ等から成る両選択器２６，２８を選択
的にオンオフ制御することができる。

したがつて、第３図および第４図に示した超音波診断装
置によれば、同期制御回路３８により探触子３０の送波
周波数が切替制御され、実施例において、２個の異なる
送波周波数により、被検体中の深度の異なる診断部位に
好適な２種類の超音波パルスを送波することが可能とな
る。第３図および第４図に示された超音波診断装置の第
１実施例においては、異なる深度の診断部位に対して別
個の周波数の超音波パルスが送波されるため、表示器３
６上において両超音波パルスから得られる断層像を別個
に表示することが必要となり、このために、実施例にお
ける切替回路４０からは両周波数に対応して表示画面を
分割するための分割Ｘ軸偏向信号が出力される。

すなわち、通常の単一画面用Ｘ軸偏向信号は端子５２に
供給され、この偏向信号は加算器５４においてフリツプ
フロツプ４６のＱ出力と加算され、分割Ｘ軸偏向信号と
して出力端子５６から表示器３６のＸ軸偏向入力端子に
供給される。第５図には表示器３６の表示画面において
周波数の異なる２種類の超音波パルスにより得られた２
枚の断層画像の一例が示され、画像Ａは超音波パルスの
送波周波数が低い場合であり、分解能は若干劣るが比較
的深い深度まで鮮明な画像を得ることができる。

これに対し、画像Ｂは高い周波数の超音波パルスにより
得られた画像であり、探触子３０に近い浅い深度領域で
は極めて良好な分解能の画像となるが、探触子３０から
遠い領域においては低い感度で表示が行われていること
が理解される。超音波診断装置の第１実施例では、第５
図から明らかなように、周波数の異なる超音波パルス毎
に別個の画像表示を行うので、診断装置自体の感度制御
は均一に行うことが可能となる。第６図には本発明に係
る可変周波数超音波探触子３０を用いた超音波診断装置
の第２実施例が示され、第３図の実施例と同一部材には
同一符号を付して説明を省略する。第２実施例において
は、表示器３６の表示画面に単一の画像を表示すること
を特徴とし、このために、超音波パルスの送波周波数を
変更しながら、各周波数において得られた反射エコー信
号を輝度変調信号として表示器３６の同一画面上に重ね
合わせ表示し、各周波数に対応して超音波診断装置の感
度特性を変化させ、選択された送波周波数に対応する深
度領域の感度のみを最適値に設定して、複数回の画像重
ね合わせより、近距離から遠距離までの広範囲にわたつ
て分解能の良好な画像を得ることができる。

第６図において、受信器３４へは可変感度制御回路５８
を介して同期制御回路３８の匍脚信号が供給され、送波
周波数の切替と同期して感度特性が切替制御される。

すなわち、高い周波数の超音波パルスを用いる場合には
、遠距離の反射エコーに対して受信器３４の増幅利得を
下げ、この結果、近距離反射エコーのみを強調した画像
を表示器３６へ供給し、また低い周波数の超音波パルス
を用いる場合には、逆に近距離反射エコーに対して増幅
利得を下げ、遠距離反射エコーのみが表示器３６に強調
して供給されるように可変感度制御回路の感度特性を選
択する。このような感度特性の選択により、全深度範囲
にわたつて良好な品質の画像を得ることができ、正確な
診断情報を得ることが可能となる。通常の場合、トリガ
信号発生器４４のトリガ信号の繰返し周波数は１Ｖｋ，
であり、周波数切替により表示器３６の画像にチラツキ
が生じることはなく、また感度特性の選択も増幅利得の
切替を時間に対してその変化率を適当に設定することに
より、重ね合わせ画像間の繋ぎ部の不連続を除去するこ
とが可能となる。以上説明したように、本発明に係る可
変周波数超音波探触子によれば、単一の探触子により複
数周波数の超音波パルスを送受波することができる。

したがつて、診断時間を著しく短縮して実時間で詳細な
画像情報を得ることができ、また同一診断部位から異な
る周波数による画像を得ることができる。更に周波数の
相違による反射エコー強度から生体組織の特性を観察す
ることも可能となり、広範囲の超音波診断装置に用いる
ことが可能となる。本発明に係る探触子は超音波診断装
置のみでなく、他の広範囲の超音波を利用した装置に適
用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る可変周波数超音波探触子の好適な
実施例を示す概略構成図、第２図は従来の探触子と本発
明に係る可変周波数超音波探触子の応答周波数特性図、
第３図は本発明に係る可変周波数超音波探触子を用いた
超音波診断装置の好な第１実施例を示すプロツク回路図
、第４図は第３図における切替回路の好適な実施例を示
すプロツク図、第５図は超音波診断装置の第１実施例に
おける表示画像の一例を示す説明図、第６図は本発明に
係る可変周波数超音波探触子を用いた超音波診断装置の
好適な第２実施例を示すプロツク図である。 １０・・・・・・電気音響変換素子、１２，１４・・・
・・・整合層、２０・・・・・・吸音材、２２，２４・
・・・・・共振回路、２６，２８・・・・・・選択回路
、音波探触子。 ３０・・・・・・可変周波数超

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音場媒質中に超音波パルスを送波するとともに音場
   媒質からの反射エコーを受波する電気音響変換素子と、
   電気音響交換素子の送受波面に貼着された整合層であつ
   て電気音響変換素子の応答周波数特性を広帯域化するた
   めにその層厚が電気音響変換素子の共振周波数のほぼ１
   ／４波長に設定されている整合層と、電気音響変換素子
   から送波される超音波パルスの送波周波数を切り替える
   ための複数の共振回路と、複数の共振回路を選択的に電
   気音響変換素子に接続する選択器と、を含む可変周波数
   超音波探触子。 ２ 特許請求の範囲１記載の探触子において、整合層は
   複数の積層された整合層から成り、各整合層はその層厚
   が電気音響変換素子の共振周波数のほぼ１／４波長に設
   定されていることを特徴とする可変周波数超音波探触子
   。 ３ 特許請求の範囲１、２のいずれかに記載の探触子に
   おいて、電気音響変換素子の背面に吸音材が設けられて
   いることを特徴とする可変周波数超音波探触子。