JPS61228845A - 回転型超音波走査装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波ビームを走査して被検査物の断層像
を得る超音波走査装置に関し、特に、超音波ビームをラ
ジアル方向に指向させて該ビームを回転させ、所定の回
転範囲において被検査物に対する走査ビームを得るよう
にした回転型超音波走査装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の回転型超音波走査装置は、所定数の超音波送受器
を回転可能な保持手段において回転方向に所定の間隔で
配し、この保持手段にモータの回転運動を伝達し、これ
により超音波送受器を回転させるようにしている。モー
タは所定の速度で等速回転され、これに伴ない超音波送
受器も等速回転される。従って超音波ビームは等速で走
査されることになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような従来の装置は、等速走査であるため、例え
ば走査ストロークの中心付近で走査速度を遅らせてその
場合の走査を密にし、得られる断層像の画質を向上させ
ようとしても、その要求を満たすことはできなかった。

一方、等速走査の速度を全体的に遅らせれば画質の向上
は計れるが、それでは走査に要する時間がかかり過ぎる
、という欠点がある。特に、この種の走査装置では、走
査ストロークの中心付近が重要であるので、重要な部分
でのみ画質向上に寄与するような比較的遅い速度で走査
し、その他の部分では高速走査とするのが、効率の面で
も好ましい。

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、全体的な
走査時間の短縮と主要な部分での走査速度の低速化によ
る画質の向上という相反する２つの要求を満足させるこ
とのできる回転型超音波走査装置を提供しようとするも
のである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の回転型超音波走査装置は、超音波送受器を回
転させるためのモータに関連して、このモータの速度を
その回転位置に対応して周期的に増減変調する速度制御
手段を具え、こうして速度制御されたモータの回転に応
じて超音波送受器の回転速度が周期的に変調されるよう
にしたことを特徴とするものである。

〔作用〕

超音波送受器の回転駆動用のモータそのものの回転速度
をその回転位置に対応して周期的に増減変調するように
したことにより、これに伴ない超音波送受器がその回転
位置に従って周期的に速度変調される。従って、走査ス
トロークに対応する所定の回転位置範囲において、スト
ローク中心付近では走査速度（回転速度）を遅くし、ス
トロークの外側寄りでは走査速度を速くするようにする
ことができる。こうして、重要な走査ストローク中心付
近では走査速度を遅らせることにより、得られる断層像
の画質を向上させ、一方、あまり重要でない部分では走
査速度を相対的に速めて、全体的な走査時間を短縮し得
るようにすることができるＯ 〔実施例〕 以下この発明の実施例につき添付図面を参照して詳細に
説明しよう。

第１図において、モータ１の回転軸は伝達手段２を介し
て超音波送受器ホルダー３の回転軸に結合される。ホル
ダー３は、回転可能であり、所定数（この実施例では３
）の超音波送受器４ａ〜４Ｃを回転方向に等間隔で（こ
の実施例では各送受器４ａ〜４Ｃの中心間間隔が１２０
度となる）配して成るものである。モータ１の回転運動
が伝達手段２における所定の伝達比でホルダー３に伝達
され、ホルダー３に配された超音波送受器４ａ〜４Ｃは
相互の間隔を維持したまま一方向に回転される。

超音波送受器４ａ〜４Ｃから発せられる超音波ビームは
、図中に点線矢印で示すように、回転に対してラジアル
方向を指向する。被検査物体に対する走査に使用される
回転範囲は全回転範囲ではなく、３６０度を送受器４ａ
〜４Ｃの数（３）で除した範囲すなわち所定の１２０度
の範囲である。すなわち、第１の送受器４ａが１ストロ
一ク分の走査範囲である所定の１２０度分の回転角度範
囲を通過する間この送受器４ａカ）らの超音波ビームが
走査ビームとして使用される。この送受器４ａがこの走
査範囲から離脱すると、これに対して１２０度の間隔で
°配された第２の送受器４ｂが走査範囲に入り、この１
２０度分の走査範囲を通過する間、この送受器４ｂから
の超音波ビームが走査ビームとして使用される。第２の
送受器４ｂが走査範囲から離脱すると、今度は第３の送
受器４Ｃが走査範囲に入り、その超音波ビームが走査ビ
ームとして使用される。このような回転型の超音波送受
器の構造それ自体は公知であるため、これ以上の詳細説
明は省略する。

この発明においては、ホルダー６の回転を等速運動とせ
ずに、１ストロ一ク分の走査範囲において１周期分の周
期的な速度変調がなされるようしている。例えば、走査
ストロークの始端で最高速度とし、ストローク中心に近
づくにつれて速度を減じ、ストローク中心で最低速度と
し、ストローク終端に近づくにつれて速度を増し、スト
ローク終端で最高速度に戻る、というような速度変調が
実現されるようにしている。あるいは、更に理想的には
、実質的に有効な走査範囲としては走査ストローク全体
が使用されるのではなくストローク中心付近の所定の範
囲が使用されることに鑑みて、ストローク始端からこの
有効範囲の始まりまで速度を漸減し、この有効範囲では
最低速度を維持しく若しくはできるだけ維持するように
し）、この有効範囲の終りからストローク終端まで速度
を漸増する、というような速度変調が実現されるように
している。

このような速度変調制御を実行するために速度制御手段
５が設けられており、この制御手段５によりモータ１の
速度を周期的に可変制御し、これに応じてホルダー３の
回転速度が上述のようにその回転位置に従って変調され
るようにしている。

速度制御手段５は、モータ１の回転位置を検出するため
の回転位置検出器６と、この回転位置検出器６で検出さ
れた回転位置データに応じて所定の特性でモータ１の速
度を可変制御するモータ制御回路７とを含んでいる。

超音波送受器４ａ〜４Ｃは、周知のように、所定の走査
タイミングパルスに従って超音波ビームを発信し、被検
査物体（例えば被診断対象たる患者の体内）で反射した
超音波ビームを受信し、その受信信号を画像処理装置８
に与える。画像処理装置８は、この受信信号を周知の手
段により信号処理する。この信号処理された受信信号は
回転位置検出器６から与えられる位置検出データにより
、その走査線に対応して可視表示される。また、この画
像処理装置８はしばしば、信号処理された受信信号を走
査線に対応させて、メモリｌに一旦蓄積し、テレビジョ
ンフォーマットで読み出すデジタルスキャンコンバータ
を備えている。

モータ１の周期的速度変調特性は、ホルダー３において
実現されるべき周期的速度変調特性及び伝達手段２の伝
達比によって定まる。この実施例の場合、ホルダー３に
おいては、１２０度の回転範囲を１サイクルとして周期
的速度変調が実現されればよい。すなわち、ホルダー３
の１回転（３６０度）につき第２図（ａ）に示すように
３周期（サイクル）の速度変調特性が得られるようにす
る必要がある。同図（ａ）は、ホルダー３の速度変調特
性の一例を示すもので、たて軸は速度、横軸は回転位置
であり、前述のようにストローク中心ＳＣの近傍の所定
の有効走査範囲において最低速度ができるだけ維持され
るようにした典型例を示している。

伝達手段２ではｎ：ｍの伝達比でモータ１の回転を減速
（又は増速）してホルダー３に伝達するものとする。こ
こで、−例として、モータ１の回転数ｎ＝＝３に対して
、ホルダー３の回転数ｍがｍ＝２となるように伝達手段
２の伝達比を設定するものとする。この場合、ホルダー
３において１回転につき３サイクルの周期的速度変調特
性が実現されるようにするには、モータ１において第２
図＜ｂ）に示すように１回転につき２サイクルの周期的
速度変調を行うようにすればよい。同図（ｂ）はモータ
１の速度変調特性の一例を示すもので、たて軸は速度、
横軸は回転位置である。

モータ１が１回転につき２サイクルの周期的速度変調特
性で回転する場合、その回転角度θは例えば次式のよう
に表わすことができる。ここでωｍは任意の定常角速度
であり、次式はその２倍の角速度成分２ωｍで変調度に
で変調することを示している。

θ＝ωｍｔ−Ｋｓｉｆ１２ωｍｔ　　　　　　　・・・
（１）モータ制御回路７は、上記式（１）を満足するよ
うな特性でモータ１の速度をその回転位置に応じて可変
制御するようにすればよい。そのためのモー、りの速度
制御方法には種々の方法が考えられる。

好ましい一例として、回転位置検出器６の検出特性（モ
ータ１の実際の回転位置対回転位置検出出力の特性）を
前記（１）式を満すようにノンリニアとする方法を次に
提案する。

回転位置検出器６は第３図に示すような可変磁気抵抗型
のセンサ部２０と位相ずれ検出のためのデータ変換部２
１とを具えるものを用いる。このような回転位置検出器
は特開昭５７−７０４０６号で公知であるが、以下簡単
に説明する。

第３図に示された位置検出器６は、ロータ１９の回転位
置θに応じて基準交流信号ｓｉｎωｔまたはｃｏｓωｔ
を位相シフトした出力信号Ｙ　＝　ｓｉｎ　（ωを一θ
）を生じる回転型のセンサ部２０と、この出力信号Ｙと
基準交流信号ｓｉｎωｔとの位相ずれ量θを測定してこ
のθに対応するディジタルのアブソリニート回転位置デ
ータＤθを求める変換部２１とを含んでいる。センサ部
２０は、複数の極Ａ−Ｄが円周方向に所定間隔（−例と
して９０度）で設けられたステータ２２と、各種Ａ−Ｄ
によって囲まれたステータ空間内に挿入されたロータ（
可動鉄心）１９とを具えている。ロータ１９は、回転角
度に応じて各種Ａ−Ｄのリラクタンスを変化させる形状
を成しており、−例として偏心円筒形である。

ステータ２２の各種Ａ−Ｄには１次コイル１Ａ〜１Ｄ及
び２次コイル２Ａ〜２Ｄが夫々巻回されている。半径方
向で対向する２つの極ＡとＣは差動的に動作するように
コイルが巻かれ、かつ差動的なリラクタンス変化が生じ
るようになっている。

もう一方の極Ｂ、Ｄの対も同様である。一方の極付Ａ、
Ｃの１次コイル１人、１Ｃは正弦信号ｓｉｎ　（ｃｌ　
ｔで励磁され、他方の極対Ｂ、Ｄの１次コイルｌＢ。

１Ｄは余弦信号によって励磁される。その結果、２次コ
イル２Ａ〜２Ｄの合成出力Ｙとして、基準信号ｓｉｎω
ｔ（またはｃｏｓωｔ）をロータ１９の回転角度θに応
じた角度だけ位相シフトした信号Ｙ＝ｓｉｎ　（ωｔ−
θ）が得られるようにすることができる。尚、ロータ１
９が成る速度で回転している場合はθはθ（１）によっ
て表現されうる。つまり、θが時々刻々と変化する。

変換部２１においては、所定の高速クロックパルスＣＰ
をカウンタ２３でカウントし、このカウンタ２３の出力
にもとづきサイン・コサイン発生回路２４で正弦信号ｓ
ｉｎωｔと余弦信号ｃｏｓωｔを夫々発生し、これを前
述の通り、１次コイルＩＡ。

１Ｃ，１Ｂ、１０に夫々印加する。２次コイル２Ａ〜２
Ｄの出力信号Ｙ＝ｓｉｎ（ωを一θ）はゼロクロス検出
回路２５に与えられ、この信号Ｙの電気位相角ゼロのタ
イミングに同期してパルスＬが出力される。この回路２
５の出力パルスＬはラッチ回路２６のラッチパルスとし
て使用される。ラッチ回路２６は回路２５から与えられ
たパルスＬの立上りに応じてカウンタ２３のカウント出
力をラッチする。カウンタ２６のカウント値が１巡する
期間と正弦信号ｓｉｎωｔの１周期とを同期させること
ができ、そうすると、ラッチ回路２６には基準交流信号
ｓｉＩ］ωｔとセンサ部出力信号Ｙ＝ｓｉｎ（ωを一θ
）との位相差θに対応するカウント値がラッチされるこ
とになり、これが位置データＤθとして出力される。尚
、ラッチパルスＬは走査タイミングパルスとして超音波
送受器４ａ〜４Ｃで利用することもできる。

上述のような位相シフト型の回転位置検出器６において
、通常は、１次側の２つの基準交流信号ｓｉｎωｔ、ｃ
ｏｓωｔの振幅を等しくすることにより機械的回転位置
θに対してリニアな特性の電気的位相ずれθを生ぜしめ
るようにしているが、１次交流信号ｓｉｎωｔ、ωＳω
ｔの振幅を異ならせるだけで容易に機械的回転位置θに
対してノンリニアな特性の電気的位相ずれθを生ぜしめ
ることができることが判明している。すなわち、１次交
流信号ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔの振幅が異なれば、真の
機械的回転位置θに対してΔθなる誤差をもつ電気的位
相ずれが出力信号Ｙに生じ、この誤差△θは△θ＝　Ｋ
　５ｉｎ２θなる特性を持つことが判明している。係数
にの絶対値は１次交流信号ｓｉｎωｔ　、　ｃｏｓωｔ
の振幅差異が大きくなるほど大きくなり、例えば振幅差
量の比率が１チの場合的０．３度、２％の場合的０．５
度、３ｑＩＪの場合的０．９度程度の角度に相当する。

このように、１次交流信号ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔの振
幅を異ならせることにより、結局、次のような関係で、
実際のモータ１の回転角度θに対してノンリニアな特性
を示すアブソリュート回転位置検出データＤθが得られ
る。

Ｄθｏｅθ＋Ｋ　ｓｉｎ　２θ　　　　　　　　−−−
（２）この特性を図示すると第４図の実線のようになる
。

このようにノンリニアな検出特性を示す回転位置検出器
６を用いてモータ制御回路７を第５図のように構成する
。２７は速度検出回路であり、回転位置検出器６からの
位置検出データＤθの所定単位時間当りの変化分（微分
値）を演算することにより速度検出データωｆを求める
。２８はサーボアンプであり、所望の定常回転速度ωｍ
を指示するアナログ速度設定信号Ｖ（ωｍ）と速度検出
データωｆをＤ／Ａ変換器２９でアナログ変換した速度
検出信号Ｖ（ωｆ）との偏差を偏差入力部３０で求め、
この偏差に応じた駆動信号をモータ１に与える。

サーボループではＶ（ωｍ）＝ｖ（ωｆ）となるようモ
ータ１の回転運動を制御する。しかし、ωｆはＤθ■θ
＋Ｋ　ｓｉｎ　２θなる関係によって定まる偽の速度検
出データであるため、サーボループが安定しているとき
モータ１は設定速度ω□で等速運動しているわけではな
く、実際は上記関係によって規定される不等速運動をし
ている。つまり、回転位置検出データＤθはωｍ＝ωｆ
が成立するとき第６図に示すようにＤθ公ωｍｔなる関
係で見かけ上等速変化しているが、真の回転位置θは第
７図のように「θ＝ωｍｔ−Ｋｓｉｎ２ωｍｔＪに概ね
相当する不等速運動を行う。この不等速運動は前記（１
ン式に相当し、（２ン式のようなノンリニアな検出特性
を持つ回転位置検出器６を用いて第５図のように構成す
れば所期の目的が達成できることが判かる。尚、回転位
置検出器６の検出特性をノンリニアζこするには、１次
交流信号ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔの振幅を異ならせるこ
とのみならず、両信号の位相差を９０度より幾分偏倚さ
せることによっても可能である。

上述と同様のノンリニア検出特性のアブソリュート回転
位置検出器６は、第３図のような可変磁気抵抗型のセン
サ部２０の代わりにレゾルバのような可変磁気結合型の
位相シフト型センサを用いても構成できる。

また、回転位置検出器６としてインクリメンタルパルス
を発生するタイプのものを用いてもよい。

すなわち、第８図のように、所定のノンＩＪ　ニア特性
（不等間隔ピッチ）でパルス発生パターンを構成したイ
ンクリメンタルロータリエンコーダを回転位置検出器６
として使用し、この出力パルスＩＮＣＰを周波数電圧変
換器３１に入力してアナログ速度検出信号Ｖ（ωｆ）を
求め、これを第５図のように偏差入力部３０に与える。

一方、出力パルスＩＮＣＰは走査タイミングパルスとし
て超音波送受器４ａ〜４Ｃに与えることができ、更にこ
のパルスＩＮＣＰをカウンタ３２でカウントすることに
より回転位置データを求め、これを画像処理装置８に与
えることができる。この場合、モータ１が望みの不等速
運動を行っているときインクリメンタルパルスＩＮＣＰ
の発生時間間隔が等間隔になるように、実際の回転角度
θに対するパルス発生パターンをノンリニア化する。そ
うすれば、出力インクリメンタルパルスＩＮＣＰを等時
間間隔のクロックパルスとして使うことができる。

勿論、この発明は、上述のようなノンリニア検出特性の
回転位置検出器に限らず、リニア検出特性の回転位置検
出器を用いても実施可能である。

その場合は、回転位置検出値に応じて所定のモータネ等
速関数をテーブルから読み出すようにし、これに従って
モータの速度制御を行えばよい。しかし、ノンリニア検
出特性の検出器を用いればそのようなテーブルを必要と
しないので有利である。

第９図は、モータの回転角度θに対してリニアな特性を
示す回転位置検出データＤθ′を出力する回転位置検出
器６ａを使用した場合の夾施例を示すもので、ノンリニ
ア変換テーブル３７が設けられている点が第５図と異な
っている。メンリニア変換テーブル３７は所望のノンリ
ニア検出特性を記憶したメモリから成るもので、検出器
６ａから出力されたリニア検出特性の位置検出データＤ
θ′をノンリニア検出特性のデータＤθに変換して出力
する。ノンリニア検出特性に変換された位置検出データ
Ｄθは第５図と同様に速度検出回路２７に与えられ、偽
の速度検出データωｆが求められる。

また、モータ制御回路７は上述のような速度サーボ方式
を採らずに、モータ１の回転位置検出データＤθ又はＤ
θ′に応じて速度変調指令信号を発生し、これに応じて
オープンループで速度指令を与えるようにすることも可
能である。

伝達手段２の伝達比ｎ：ｍは任意であり、これを１＝１
にすることもできる。ｎ：ｍ＝１：１の場合は、モータ
１の速度変調特性をホルダー３において実現しようとす
る速度変調特性と同じものとすればよい。また、ホルダ
ー３における超音波送受器４ａ〜４Ｃの数は３に限らず
、１又は複数であってよい。

〔発明の効果〕

以上の通りこの発明によれば、超音波送受器を回転させ
るためのモータの回転速度をその回転位置に対応して周
期的に増減変調するようにしたので、超音波ビームの走
査ストローク中心付近の有効走査範囲に対応する回転範
囲で走査速度を遅らせ、その前後では走査速度を早める
ようにすることができ、得られる断層像の画質向上と走
査時間の短縮化という要求を同時に満たすことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る回転型超音波走査装置の一実施
例の全体像を略示するブロック図、第２図（ａ）は第１
図の超音波送受器ホルダーにおいて実現されるべき速度
変調特性の一例を示すグラフ、同のンは（ａ）を実現す
るためのモータの速度変調特性の一例を示すグラフ、第
３図は第１図における回転位置検出器の一例を示す機械
的構造の平面図及び電気的ブロック図、第４図は第３図
の検出器における入力回転角度対出力検出データのノン
リニア特性の一例を示すグラフ、第５図は第３図及び第
４図に示すようなノンリニア特性のアブソリュート回転
位置検出器を用いた場合の第１図のモータ制御回路の一
例を示す電気的ブロック図、第６図は第５図のサーボル
ープ安定時における見かけ上の回転位置検出データの変
化を示すグラフ、第７図は第６図のような見かけ上の検
出データの変化に対応する実際のモータ回転位置の変化
すなわち不等速運動を示すグラフ、第８図は入力回転角
度に対してノンリニア特性を示すインクリメンタルパル
スを発生するものを回転位置検出器として用いた一例を
第５図の変更箇所に関して抽出して示すブロック図、第
９図はリニア検出特性の回転位置検出器を用いた場合に
おける第５図の変更例を示すブロック図、である。 １・・・モータ、２・・・伝達手段、３・・・超音波送
受器ホルダー、４ａ〜４ｃ・・・超音波送受器、５・・
・速度制御手段、６・・・回転位置検出器、７・・・モ
ータ制御回路、８・・・画像処理装置。 第４図 第５図 −一−４ 第６図 一−４ 第７図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転方向に所定の間隔で所定数の超音波送受器を配
   した回転可能な超音波送受器保持手段と、モータと、 このモータの回転運動を前記超音波送受器保持手段に伝
   達する伝達手段と、 前記モータの速度をその回転位置に対応して周期的に増
   減変調する速度制御手段と、 を具え、速度制御されたモータの回転に応じて前記超音
   波送受器保持手段の回転速度がその回転位置に従って周
   期的に変調されるようにしたことを特徴とする回転型超
   音波走査装置。 ２、前記伝達手段は、前記モータの１回転当りの速度変
   調周期数ｎに対して前記保持手段の１回転当りの速度変
   調周期数がｍとなるように、前記モータの回転運動を所
   定の変速比で変速して前記保持手段に伝達するものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の回転型超音波走査装置。 ３、前記保持手段は、３個の超音波送受器を回転方向に
   等間隔で配して成るものであり、前記ｎは２、前記ｍは
   ３である特許請求の範囲第２項記載の回転型超音波走査
   装置。 ４、前記伝達手段は、前記モータの回転運動を等速比で
   前記保持手段に伝達するものである特許請求の範囲第１
   項記載の回転型超音波走査装置。 ５、前記速度制御手段は、前記モータの回転位置を検出
   するための回転位置検出手段と、検出した回転位置デー
   タに応じて所定の特性に従って前記モータの速度を変調
   制御するモータ制御手段とを具えるものである特許請求
   の範囲第１項乃至第４項の何れかに記載の回転型超音波
   走査装置。 ６、前記回転位置検出手段は、モータの実際の回転位置
   に対して所定の特性でノンリニアな回転位置データをア
   ブソリュート値で出力するものであり、前記モータ制御
   手段は、この回転位置データの時間的変化分にもとづき
   偽の速度検出データを求める手段と、この偽の速度検出
   データと所定の速度設定データとの偏差に応じて前記モ
   ータを制御する手段とを含むものである特許請求の範囲
   第５項記載の回転型超音波走査装置。 ７、前記回転位置検出手段は、複数の１次コイルとそれ
   に対応する２次コイルとを含み、１次コイルを互に位相
   のずれた交流信号によって励磁し、回転に伴なう磁気抵
   抗又は磁気結合の変化に応じて２次コイル側に前記交流
   信号を回転位置に応じた電気角だけ位相シフトした出力
   信号を生ぜしめ、この位相シフト量を測定することによ
   りアブソリュート回転位置データを得るようにした検出
   手段であり、前記励磁用交流信号間の振幅レベルを所定
   の比率で異らせることにより実際の回転位置に対してノ
   ンリニアな特性の位置データを得るようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第６項記載の回転型超音波走査
   装置。 ８、前記回転位置検出手段は、モータの実際の回転変位
   に対して所定の特性でノンリニアな間隔でインクリメン
   タルパルスを発生するものであり、前記モータ制御手段
   は、このインクリメンタルパルスの周波数にもとづき偽
   の速度検出データを求める手段と、この偽の速度検出デ
   ータと所定の速度設定データとの偏差に応じて前記モー
   タを制御する手段とを含むものである特許請求の範囲第
   ５項記載の回転型超音波走査装置。