JPS6224092B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ 本発明は、水中あるいは生体中の物体形状を超
音波により抽出する超音波撮像装置に関する。

［従来技術］ 本発明者は音波を送受波する複数個の素子を有
し、個々の素子を使用する送受波により得られた
受信信号の振幅を円周上に配置し、全素子の受信
信号を重ね合せることによる撮像方式を出願して
いる（特開昭50−68015号公報参照）。

しかしこの方式による撮像には多数の送受波素
子が必要である。また、この種の方式の場合には
音波の往復時間と素子数の積が撮像時間となり、
その時間内における物体移動が像質を低下させる
ことになる。

［発明の目的］ そこで本発明の目的は少ない素子数により等価
的に多数の送受波素子を用いたと同様な良好な像
が得られる撮像装置を提供するにある。

またさらに、撮像時間を短縮し、物体運動の許
容速度も上昇させることを目的としている。

［発明の総括説明］ 本発明は、受波素子を送波に用いた素子および
それに隣接する素子とし、仮想的素子位置をその
中間点とすることにより見かけ上素子数を２倍と
し、同時に撮像速度を大巾に向上させるものであ
る。

［実施例］ 実施例の説明に先立ち、本発明の基本となる構
成（上記した特開昭50−115817号に記載された構
成）の原理を第１図ａ〜ｃを用いて説明する。第
１図ａのa₁……ａ_Nは配列する送受波素子を示
し、超音波の送波、及びこれにより生じる反射波
の受波はa₁からａ_Nまでをひとつずつ順次選択し
て行なう。いま、ａ_nが選択され、その位置から
距離ｌ_Qの位置に物体Ｑがあつたとする。ａ_nで検
出される受信信号の波形は第１図ｂのようにな
り、物体Ｑからの反射波は送波の時点からｔ＝
2t_n＝２ｌ_Ｑ／ｃ（ｔ_nはａ_n，Ｑ間の音波伝播時間、ｃ
は 音速）だけ遅延した時点で現れる。逆に言えば、
送波の時刻からｔだけ遅延して現れる反射波はａ
_nから距離ｌ＝ｃｔ／２だけ離れた位置にある物体から の反射波である。ただしその物体の方位は不明で
ある。そこで、ａ_nで得る反射波は表示画面上で
ａ_nの位置に対応する点を原点とする半径ct／２
の円周上に配置する。第１図ｃは第１図ｂの受信
信号が表示画面上に配置された様子を示す。具体
的には残光性の表示面を用い、画面上のａ_nの位
置を中心とし、半径が送波時刻からの時間経過ｔ
とともにｃｔ／２に従がつて大きくなる円孤状のラスタ を発生し、素子ａ_nから得る受信信号の強度によ
りラスタの輝度を変調することにより反射波表示
の配置を行なう、この動作はa₁……ａ_Nの各素子
の選択ごとに繰り返えされ、その結果表示画面上
で物体Ｑに対応する位置には、各繰り返しごとに
中心点、及び半径の異なる円孤状の反射波表示が
重ね合わされ、他より高い輝度レベルとなる。し
たがつて超音波ビームの指向性の広がりにもかか
わらず、点状の反射物体をほぼ点として表示する
ことができる。

このような手法による物体位置の表示強度はＮ
回の重ね合せのためＮとなり物体の存在しない位
置に円孤状の強度１の不要表示が出現する。この
ため良好な像を得るためには素子総数Ｎを大きく
する必要がある。

本発明の実施例においては、上記の如き同一の
素子による送受波を行なつてその受波信号を表示
面上に重ね合わせるだけでなく、さらに送波に用
いた素子ａ_nの隣りの素子ａ_n+1で受波した反射波
の受信信号をも同じ表示面上に重ね合せる。この
相隣接する素子ａ_n，ａ_n+1を用いた送受波による
反射波の受信信号は、ａ_nとａ_n+1の中間点に仮想
的に送受波素子があつたものとして配置する。す
なわちこの中間点を中心とし、半径がct／２なる
円周上に配置する。この配置は上記の中間点に実
際に送受波素子があつた場合の配置に比べて多少
の受信信号配置の誤差を有する。以下この誤差に
ついて第２図を用いて検討する。

第２図において、送波に用いる素子ａ_n、及び
受波に用いる素子ａ_n+1から物体Ｑまでの距離を
それぞれl₁，l₂、送受波素子間隔を２ｄ、素子中
間点Ｏから物体までの距離をｌ、物体ＱのＯから
の方向をθとすると、 l₁＝√²＋²＋2 …(1) l₂＝√²＋²−2 …(2) であるため、位置誤差Δは Δ＝ｌ_１＋ｌ_２／２−ｌ …(3) である。このΔのθに対する変化の極値は ｄΔ／ｄθ＝０ に対応するθに対して生じ、簡単な計算により、
θ＝０においてΔの最大、θ＝λ／２においてΔの最 小（Δ＝０）を生ずることが求まる。このことか
ら加算時の位置誤差が最大となるθ＝０（正面）
方向についてΔを求めてみる。この最大誤差Δ_０
は(1)，(2)，(3)式より求まり Δ_０＝√²＋²−ｌ≒ｄ^２／２ｌ となる。

ここで使用信号波形の波長をλ（通常PCWで
あり、中心周波数の波長）とすると位置誤差Δが
λ／４になると加算される信号の位相が相互に反
転するために像の再生が不可能となる。そこで位
置誤差の最大値Δ_０について Δ_０≪λ／４ …(4) が必要となる。しかし、第２図のように送波素子
に隣接する素子を受波素子として使用し、その中
間点を中心とする円周上に受信信号を配置する場
合には Δ_０≒ｄ^２／２ｌ であり、ｄ＝１mm、λ≒１mmなる通常の構成の場
合にはｌ＝10mmなる近距離においても Δ_０≒ｄ^２／２ｌ＝１／２０≪λ／４＝１／４ が成立する。したがつて相隣接する素子により送
受波を行ない、その受信信号を円周上に配置する
ことの位置誤差はほとんど問題とならない。した
がつて、同一素子ａ_nによる送受波、隣接する素
子ａ_nとａ_n+1による送 波を素子a₁……ａ_Nにつ
いて繰り返し、それぞれ円周上に配置することに
よりＮ個の素子の配列で2N−１個の素子配列と
等価な撮像が可能になる。

以下に第３図の実施例につき動作を説明する。
第３図１が基準クロツク発生器であり音波が充分
遠方まで往復可能な時間間隔（通前は200μsec程
度）のパルス列を発生する。この信号により送波
パルス発生器２は500V程度の素子駆動パルスを
発生する。高耐圧アナログスイツチにより構成さ
れる素子選択用スイツチ３は１のクロツクにより
制御され、スイツチの出力端子Ａ，Ｂと素子との
接続を行なう。この接続は第１回目のクロツクに
より素子a₁をAB両端子に接続し、第２回目のク
ロツクにより素子a₁とＡ、素子a₂とＢを接続す
る。さらに第３回目によりa₂をAB、４回目によ
りa₂をＡ、a₃をＢと順次素子の選択を行なう。こ
のようなスイツチ３の端子Ａにパルス発生器２の
出力が接続され、一方端子Ｂから受信信号が取り
出される。したがつて、上記のスイツチ３の順次
接続により、同一素子による送受波、及び相隣接
する素子による送波、受波が順次行なわれる。

このようにして得られた受信信号を増幅器４に
より増幅し、第３図５に示すブラウン管の面上に
表示する。すなわち、掃引信号発生器６では、毎
回のクロツクごとに半径がクロツクからの経過時
間ｔによりct／２に従がつて増大する円周を順次
えがくラスタ（輝線）を掃引する。このラスタの
輝度が上記受信信号の強度により輝度変調され
る。

この場合に掃引の原点（円周の中心点）は第１
回目のクロツクによる受信信号の場合にはa₁位
置、第２回目はa₁とa₂の中間、第３回目はa₂位置
と順次移動させるように６は構成されている。こ
のような動作によりブラウン管５の管面には毎回
の送受波のくり返しによる多数の円孤状の反射信
号表示が重畳され、2N−１回のくり返しにより
一表示画面が完成する。すなわち、管面の残光性
により2N−１回の表示が加え合わされ、物体像
が再成される。その後は同様なくり返しが行なわ
れ、ほぼリアルタイムの像を撮像する。

以上述べた第３図の実施例では、同一素子によ
る送受波、隣接する素子による送受波を交互にく
り返し、2N−１回の送受波のくり返しにより、
ひとつの画面を完成させるものであつたが、２つ
の信号を同時にそれぞれ掃引可能な装置（２電子
銃ブラウン管）を用いれば、ａ_nでの送受波、及
びａ_nからの送波によるａ_n+1での受波を同時に行
ない、Ｎ回の送波くり返しによりひとつの画像を
完成できる。第４回はこのような実施例を示す。

第４図において、素子選択用スイツチ９は第１
回目のクロツクパルスによりa₁とＡ、a₂とＢを接
続し、第２回目のクロツクによりa₂とＡ、a₃とＢ
を接続する。このように順次選択された端子Ａに
は素子ａ_nから音波を送波しａ_nにて受波した受信
信号が現われ、端子Ｂには同じａ_nからの送波に
よるａ_n+1における受信信号が同時に得られる。
このような両受信号を増幅器４，７により同時に
増幅し、２個の掃引信号発生器６，８により電子
ビームが偏向される２電子銃ブラウン管面１０に
それぞれａ_n位置およびａ_nとａ_n+1の中間位置を
原点とする円周上に輝度変調形式にて表示する。
このように構成した場合には2N−１回の送受波
に相当する撮像がＮ回の送受波に要する時間内に
完成され物体の運動による画質の低下がおさえら
れることになる。具体的にはＮ＝100とし、生体
中の観察深度を15cmとすると１のクロツク間隔は
200μsecとなり撮像時間は20msecとなる。この
ことからλ＝１mmの音波を使用すると20msec内
にλ／４＝0.25mmを移動する物体速度まで撮像可
能でありこの場合には0.25mm／20msec＝1.25cm／
secとなり、単純に構成される場合の２倍の速度
まで撮像が可能となる。

また第５図のようにａ_n，ａ_n+2を送受波素子と
し、ａ_n+1を受波専用素子とする撮像方式も考え
られる。このような配置により以下S₁〜S₄の受信
信号がａ_nからの一回の音波送波により得られ
る。

S₁：ａ_nによる受波 S₂：ａ_n+1による受波 S₃：ａ_n+2による受波 S₄：ａ_n-1による受波 これらは前述の説明から理解されるように、そ
れぞれの送受波に使用された素子の中間点に配置
された仮想素子を使用して送受波した受信波形と
見なすことが可能であり、第６図に示すようなそ
れぞれの仮想的素子位置を原点とする半径ct／２
なる円周上に反射信号振幅（位相を含む場合が多
い）を配置することにより2N−１個の素子によ
る撮像と同様の撮像がＮ個の素子にて可能とな
る。さらに、この構成によると送波回数がＮ／２
にできるため、基本構成の1/4の時間における撮
像が可能となる。Ｎ＝100なる前出の構成例の場
合には2.5cm／secまでの物体速度が許容されるこ
とになる。このように配列素子の一部を受信専用
に使用する構成は第５図のような交互配置に限定
する必要はなく、第７図に示すように送受波兼用
素子の間隔が(4)式の条件を満足する範囲内で任意
に増加することが可能であり、このように中間に
配置された受波素子の個数に反比例して撮像時間
が短縮され、物体の許容速度が向上する。

以上述べたような撮像時間の短縮を目的とする
手法は第４図に示すように受信信号の並列処理が
必要となる。第６図、第７図の方式を実施する場
合には第４図の構成の変形として２電子銃ブラウ
ン管を複数用意し、ハーフミラーによる複数の受
信信号の光学的重ね合せにより物体像を再生でき
ることになる。また、像質に影響する物体の運動
は撮像時間内の位置変化であるため、第８図に示
すようにａ_nの送波時には受信信号S₁〜S₄を同時
に４接点スイツチ１１により選択しそれぞれＡ／
Ｄ変換してメモリー１２に記憶させＮ／２回の送
波が終了後に計算器１３を利用して同様の重ね合
せを行ない表示部１４に物体像を再生する構成も
像質の低下なしで可能となる。ここで計算機によ
る像再生のプログラムは第１図に示すように特定
時間の振幅値を円周上に配置するための座標計算
のプログラムであり、座標変換することにより双
曲線配置等によるプログラムも可能である。ま
た、各送受信信号が重ね合わされるまでは線形の
加算が必要であるが、最終結果の表示には絶対値
表示あるいは対数圧縮表示等任意の非線形処理が
許されることは自明である。

以上の説明は全て素子を点状に図示して行なつ
ているが、波長よりも充分小さな素子であればど
のような形状のものも使用可能であり、また等価
的に小さな音源を形成する凹面形状の送波素子も
自由に利用できることは明白である。また素子配
列も直線上に限られるものでなく任意の曲線ある
いは曲面上の配置にも本発明の手法は適用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方式の動作説明図、第２図は本発
明の配置を説明するための図、第３図は本発明の
一実施例を示す図、第４図はその変形例を示す
図、第５図は受波専用素子の配置例を示す図、第
６図はその等価的素子位置の説明図、第７図は他
の配置例を示す図、第８図は計算機による実施例
を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 配列する複数個の超音波送受波素子を選択的
   に順次用いて物体像を得る超音波撮像装置におい
   て、前記素子の１を送波素子として選択し、これ
   と同一の素子、及びこれに隣接する素子をそれぞ
   れ受波素子としてそれぞれ第１、第２の受信信号
   を選択し、かつ順次選択を切換える選択手段と、
   選択された素子位置を原点とし半径を送波時刻か
   らの時間の関数とする円周上に前記第１の受信信
   号強度を表示し、かつ選択された送波素子位置と
   受波素子位置の中間点を原点とし半径を送波時刻
   からの時間の関数とする円周上に前記第２の受信
   信号強度を表示し、前記選択手段の順次選択によ
   り順次得る上記第１、第２の受信信号の表示を重
   ね合せて表示する像再生手段とを有することを特
   徴とする超音波撮像装置。 ２ 前記選択手段は、前記第１、第２の受信信号
   を同時に選択することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の超音波撮像装置。