JPH0542144A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、簡単な構成、良好なコストパフォー
マンスの下に３次元情報を短時間で収集できる超音波探
触子を提供することを目的とする。 【構成】本発明の超音波探触子は、トランスデューサ
と、それぞれ超音波送信回路と超音波受信回路に信号線
を介して接続し、このトランスデューサの相対向する面
にそれぞれ配列される複数個の短冊状送信用電極と受信
用電極を備え、これら送信用電極と受信用電極は互いに
ほぼ直交するように配列される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数個の電気−音響変
換素子（圧電素子、トランスデューサ）を配列して構成
され、様々な分野での超音波診断に使用される超音波探
触子に係り、特に３次元デ−タの取得ができる超音波探
触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波パルスを生体内に放射し、各組織
からの反射波により生体情報を得る超音波診断法は、Ｘ
線のような照射障害がなく、しかも造影剤なしで軟部組
織の診断ができるという利点を有する。そして、近年に
おける超音波診断法は、特に電子走査型の診断装置の実
用化によって飛躍的な普及をみるに至った。

【０００３】この電子走査型の超音波診断装置に用いら
れる超音波探触子は、超音波プローブ内で一般には複数
個のトランスデューサを一次元に配列した配列形（アレ
イ型）であり、それぞれのトランスデューサに掛かる駆
動信号および受信信号に所定の遅延時間を与えることに
よって超音波ビームを偏向させたり、所望の位置に集束
させて方位分解能を高め、解像度の優れた断層像を得て
いる。

【０００４】図６は、このような超音波探触子を備える
セクタ電子走査型超音波診断装置のブロック図である。

【０００５】装置本体側に装備される基準信号発生器１
は、バスＢを介してＮ個の送信用遅延回路2-1 〜2-N と
接続し、各送信用遅延回路はまたパルサ（送信回路）3-
1 〜3-N と接続する。そして、各パルサはプローブ内で
超音波探触子を構成する一次元に配列されたＮ個のトラ
ンスデューサ4-1 〜4-N とそれぞれ接続する。

【０００６】トランスデューサ4-1 〜4-N は、さらに装
置本体側のプリアンプ5-1 〜5-N とも接続する。そして
各プリアンプは受信用遅延回路6-1 〜6-N と接続し、各
受信回路は加算器７と接続する。そして、加算器７から
は順次、対数増幅器８、検波回路９、Ａ／Ｄ変換器１
０、画像メモリ１１およびＣＲＴ１２が接続していく。

【０００７】さて、セクタ電子走査においては、まず超
音波の送波に当たり、基準信号発生器１が生体内に放射
される超音波パルスの間隔を決定し、その決定したパル
ス間隔の下に、繰返しパルスが送信用遅延回路2-1 〜2-
N に送られる。そして、各送信用遅延回路2-1 〜2-N で
は、セクタスキャンに伴う送信超音波の放射方向と集束
点から決定される所定の遅延時間が与えられる。超音波
ビームを集束させるのは、超音波画像の解像度を高める
ためである。

【０００８】遅延時間が与えられた繰返しパルスはつい
でパルサ3-1 〜3-N に送られ、駆動パルスが形成され
る。そして、この駆動パルスによってＮ個のトランスデ
ューサ4-1 〜4-N が駆動され、生体内に超音波が放射さ
れる。

【０００９】一方、生体各組織からの超音波の反射波
は、同じくＮ個のトランスデューサ4-1 〜4-N で受波さ
れ、受信信号に変換された後、装置本体側のプリアンプ
5-1 〜5-N に入力する。そして、受信信号は各プリアン
プで増幅されてから、受信用遅延回路6-1 〜6-N に入力
する。

【００１０】受信信号は、各受信回路で送信時とほぼ同
様の遅延時間が与えられた後、加算器７に送られ、すべ
ての受信信号が加算される。ところで、加算器７の出力
信号は、実際には先に説明したブロックを含む断層像表
示用処理回路と血流情報算出用処理回路の二手に別れる
のであるが、ここでは断層像表示用処理回路での信号処
理のみを述べる。

【００１１】加算器７の出力信号は、まず対数増幅器８
で信号振幅が対数変換により増幅された後、検波回路９
で包絡線検波が行われる。その後はＡ／Ｄ変換器１０で
Ａ／Ｄ変換が行われた後、一旦画像メモリ１１に入力さ
れる。そして必要なデータがＣＲＴ１２に送られて超音
波断層像が表示される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、医療診断に
おいて必要なのは体内の３次元的情報であるが、今まで
実用化されている超音波診断装置で得られる画像はあく
までも生体のある断面の表示（２次元的情報）にすぎな
い。このため、検者（医師、検査士）は、超音波画像を
複数枚得て、これを基に脳裏で生体の３次元構造を構築
している。

【００１３】ところが、複数枚の２次元画像を得るには
時間がかかるし、また３次元画像を脳裏で構築するに
は、それなりの経験を積まねばならない。さらに、２次
元表示では、臓器の形状に疾患に伴う微妙な変化があっ
ても、見逃す危険性がある。

【００１４】そこで、このような背景から３次元の超音
波画像が直接得られる診断装置の実用化が期待されてい
るが、これまでそのニーズに応える技術として、（１）
機械的な３次元走査方式、（２）１次元アレイを回転な
いしこれと直交する方向に移動する方式、（３）２次元
アレイによる電子走査方式などが提案され、すでに研究
開発の段階にある。

【００１５】しかし、（１）、（２）の機械走査による
ものは超音波探触子が大型で重くなり、操作性に難点が
ある。また複数方向の並列同時受信が不可能であるた
め、３次元情報の収集に多くの時間がかかり、３次元画
像をリアルタイムで表示することができないという欠点
がある。

【００１６】他方、（３）の２次元アレイによるもの
は、トランスデューサの数が多くなって、信号線を極め
て狭い間隔で引き出さなければならなくなるなど、超音
波探触子の製造が困難になる。またトランスデューサ数
と同じ数の送受信回路が必要になりコストパフォーマン
スが低下する。

【００１７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、簡単な構成、良好なコストパフォーマンスの下に
３次元情報を短時間で収集できる超音波探触子を提供す
ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、トランスデューサと、それぞれ超音波送信
回路と超音波受信回路に信号線を介して接続し、このト
ランスデューサの相対向する面にそれぞれ配列される複
数個の短冊状送信用電極と受信用電極を備え、これら送
信用電極と受信用電極は互いにほぼ直交するように配列
される超音波探触子を提供する。

【００１９】

【作用】本発明の超音波探触子は、電極を設置するのに
トランスデューサの相対向する２つの面を用い、一方の
面には送信用電極を、そしてもう一方の面には受信用電
極を互いにほぼ直交するように配列する。したがって、
この超音波探触子は、送信超音波ビームと受信超音波ビ
ームが電極の配列に応じてほぼ直交することになり、少
ない数の電極でも、両者の一致する方向において３次元
情報を取得できる。

【００２０】本発明によれば、各電極と送信回路および
受信回路を結ぶ信号線は、電極を配置した２つの面にお
いて従来の１次元アレイ超音波探触子と同じ間隔で設置
でき、また送受信用チャネルも電極数に応じて少なくす
ませることができる。

【００２１】

【実施例】以下図１ないし図５を参照して本発明の実施
例を説明する。

【００２２】図１は、本発明の第１実施例に係る超音波
探触子２０の斜視図である。平板状のトランスデューサ
２１は、表面２１ａ側（生体側あるいはイメージングし
ようとする媒質側）と裏面２１ｂ側（生体と反対側）
に、それぞれアレイ形の４個の短冊状送信用電極22-1〜
22-4と受信用電極23-1〜23-4が４個づつ取り付けられ
る。ここで４個の送信用電極22-1〜22-4は長手方向を縦
方向に合わせて横方向に配列され、また４個の受信用電
極23-1〜23-4は長手方向を横方向に合わせて縦方向に、
すなわち送信用電極22-1〜22-4と直交して、配列され
る。

【００２３】そして、送信用電極22-1〜22-4と受信用電
極23-1〜23-4のトランスデューサ２１の反対側には、そ
れぞれ生体とトランスデューサの音響インピーダンスを
整合させるマッチング層２４、および生体の反対方向に
放射される不要な超音波を吸収するバッキング材２５が
張り合わされる。また、送信用電極22-1〜22-4と受信用
電極23-1〜23-4からは、それぞれ信号線２６ａ，２６ｂ
が引き出され、各信号線２６ａは送信回路（パルサ）27
-1〜27-4に、信号線２６ｂは受信回路（プリアンプ）28
-1〜28-4に接続する。

【００２４】本実施例においてはトランスデューサを分
離せず、電極のみを分離するが、この際トランスデュー
サの各電極の間の部位に溝を切り込んだり、あるいはト
ランスデューサとして既に実用化されている複合圧電体
を用いれば、隣接信号間での音響カップリングによるク
ロストーク（cross talk) を抑えることができる。

【００２５】一方、図２は、本実施例の超音波探触子２
０を用いて電子セクタ走査を行う３次元イメージング装
置のブロック図である。

【００２６】装置本体側に装備される基準信号発生器３
１は、バスＢを介して４個の送信用遅延回路32-1〜32-4
と接続し、各送信用遅延回路はまたパルサ（送信回路）
27-1〜27-4と接続する。そして、各パルサはプローブ内
で超音波探触子を構成する一次元に配列された４個のト
ランスデューサ（すなわち４個の送信用電極22-1〜22-
4）とそれぞれ接続する。

【００２７】４個のトランスデューサ（すなわち４個の
受信用電極23-1〜23-4）は、さらに装置本体側のプリア
ンプ28-1〜28-4とも接続する。そして各プリアンプは受
信用遅延回路39-1〜39-4と接続し、各受信回路は加算器
４０と接続する。そして、加算器４０からは順次、対数
増幅器４１、検波回路４２、Ａ／Ｄ変換器４３、画像メ
モリ４４およびＴＶモニタ４５が接続していく。

【００２８】さて、セクタ電子走査においては、まず超
音波の送波に当たり、基準信号発生器３１が生体（ある
いは一般的に媒質）内に放射される超音波パルスの間隔
を決定し、その決定したパルス間隔の下に、繰返しパル
スが送信用遅延回路32-1〜32-4に送られる。そして、各
送信用遅延回路32-1〜32-4では、セクタスキャンに伴う
送信超音波の放射方向と集束点から決定される所定の遅
延時間が与えられる。超音波ビームを集束させるのは、
超音波画像の解像度を高めるためである。

【００２９】遅延時間が与えられた繰返しパルスは、つ
いでパルサ27-1〜27-4に送られ、駆動パルスが形成され
る。そして、この駆動パルスによって４個のトランスデ
ューサが駆動され、生体内に超音波が放射される。

【００３０】一方、生体各組織からの超音波の反射波
は、同じく４個のトランスデューサで受波され、トラン
スデューサを透過して生体と反対側の受信用電極23-1〜
23-4で受信信号に変換された後、装置本体側のプリアン
プ28-1〜28-4に入力する。そして、受信信号は各プリア
ンプで増幅されてから、受信用遅延回路39-1〜39-4に入
力する。

【００３１】受信信号は、各受信回路で送信時とほぼ同
様の遅延時間が与えられた後、加算器４０に送られ、す
べての受信信号が加算される。加算器４０の出力信号
は、まず対数増幅器４１で信号圧縮された後、検波回路
４２で包絡線検波が行われる。その後はＡ／Ｄ変換器４
３でＡ／Ｄ変換が行われた後、一旦画像メモリ４４に入
力される。そして必要なデータがＴＶモニタ４５に送ら
れて超音波断層像が表示される。

【００３２】この場合、図３に示すように、ｚ方向に進
む送信超音波ビーム５０は、ｘ方向に偏向および集束が
可能であるが、ｙ方向には強い指向性は有しない。特に
トランスデューサ２１の近傍では、トランスデューサ２
１の素子幅にほぼ等しいビーム幅になる。

【００３３】これに対してｚ方向から得られる受信超音
波ビーム５１は、送信超音波ビーム５０とは逆に、ｙ方
向に偏向および集束が可能であるが、ｘ方向には強い指
向性は有しない。そしてトランスデューサ２１の近傍で
は、同じくトランスデューサ２１の素子幅にほぼ等しい
ビーム幅になる。

【００３４】よって、送受信超音波ビーム５２により得
られる媒質内の反射情報は、送信超音波ビーム５０と受
信超音波ビーム５１が交わった方向から得られ、３次元
情報となる。そして、この交わった方向は、送信ビーム
のｘ方向ビーム偏向角と受信ビームのｙ方向ビーム偏向
角によって決定され、任意の方向にとることができる。

【００３５】このように、本実施例によれば、トランス
デューサの裏表で送信用の電極と受信用の電極を交差し
て配置するという交差電極型の超音波探触子を採用する
ことにより、簡単な構成で３次元走査が可能になる。す
なわち、この超音波探触子は、それぞれＮチャネル（本
実施例では４チャネル）の送信回路と受信回路（すなわ
ちチャネル総数はＮ＋Ｎ個）があればよいため、これま
で２次元アレイ超音波探触子で考えられていたようなＮ
×Ｎ個のトランスデューサと電極および信号線は不要
で、従来の超音波（２次元）断層装置とほぼ同程度です
み、コストパーフォーマンスに優れた超音波３次元装置
が実現できる。そして、この場合、信号線の間隔も従来
の１次元アレイ超音波探触子と同じにできる。

【００３６】図４は、先の超音波探触子２０を用いて電
子セクタ走査を行う他の３次元イメージング装置５０の
ブロック図である。送信に係る系統は第１実施例と同じ
であるため省き、また第１実施例と対応する箇所には同
一の符号を付して詳しい説明は省略する。

【００３７】媒質中からの反射波は、トランスデューサ
でとらえられた後、４個の受信用電極23-1〜23-4で電気
信号（受信信号）に変換されてプリアンプ28-1〜28-4に
送られる。受信信号は、つづいて各プリアンプに接続す
るＡ／Ｄ変換器43-1〜43-4でそれぞれディジタル化され
た後一旦記憶回路51-1〜51-2に格納される。

【００３８】そして、受信超音波ビームに掛かる４つの
受信信号は、整相加算器５２でｙ方向において所定の偏
向角で偏向されるように遅延時間が与えられて合成（加
算）される。本実施例においては、整相加算器５２に入
力した受信信号はすでにディジタル化されているため、
整相加算器５２が例えばｍチャネルあれば、ｍ個の方向
の信号を同時に受信することができる（これを「並列同
時受信」という）。

【００３９】したがって、いまｘ方向にｎ個の走査、ま
たｙ方向にｍ個の走査をして３次元画像を構成する場合
は、この整相加算器５２をｍチャネル分設けて並列信号
処理をするならば、３次元走査はＸ方向のｎ回の超音波
送信で完了することになる。この送信回数は、従来３次
元走査で考えられていた、（ｘ方向のｎ回の送信）×
（ｙ方向のｍ回の送信）に比べて大幅な減少であり、従
来の２次元断層法における送信回数とほぼ同じである。

【００４０】よって、本実施例においては、整相加算器
５２の出力は一旦画像メモリ４４に蓄積された後、必要
なデ−タが画像処理回路５３で所定のフォーマットに従
って画像処理され、ＴＶモニタ４５に３次元のイメージ
が表示されるが、この３次元イメージング装置５０のシ
ステム構成によれば、３次元情報をリアルタイムで表示
することが可能になる。

【００４１】なお、消費電力、装置サイズ等ハードウェ
アの観点から、整相加算器をｙ方向の走査分のｍチャネ
ル設置して並列信号処理を行うことが困難なときは、チ
ャネル数を減らし記憶回路からの出力をそのチャネル分
だけ順次整相加算していってもよい。

【００４２】図５は、本発明の第２実施例に係る超音波
探触子６０の斜視図である。ｘ方向に凸の湾曲板形状の
トランスデューサ６１には、表面６１ａ側に５個の送信
用電極62-1〜62-5が、また裏面６１ｂ側に４個の受信用
電極63-1〜63-4が取り付けられる。５個の送信用電極62
-1〜62-5は長手方向を縦方向に合わせて横方向に配列さ
れ、４個の受信用電極63-1〜63-4は長手方向を横方向に
合わせて縦方向に配列される。そして、送信用電極62-1
〜62-5と受信用電極63-1〜63-4からは、それぞれ信号線
６４ａ，６４ｂが引き出され、各信号線６４ａは送信回
路65-1〜65-5に、信号線６４ｂは受信回路66-1〜66-4に
接続する。

【００４３】先に図３に示したように、平面形状のトラ
ンスデューサにおいては、トランスデューサ近傍でのｘ
方向あるいはｙ方向のビーム幅はトランスデューサの素
子幅に等しく、これがまたそのｘあるいはｙ方向の３次
元表示幅を決定する。

【００４４】ところが、本実施例においては、トランス
デューサはｘ方向に凸であるため、ｘ方向のビーム幅は
トランスデューサの素子幅よりも広くなり、より多くの
３次元情報を取得することができる。トランスデューサ
をｙ方向にも凸となるようにすれば、ｙ方向のビーム幅
もトランスデューサの素子幅より広がり、さらに多くの
３次元情報を収集できる。

【００４５】なお、上記実施例においてはセクタ電子走
査による３次元情報の収集について述べたが、本発明の
超音波探触子は、リニア走査、コンベックス走査、ある
いはこれらを組合せた走査方法（例えば送信時はコンベ
ックスル走査、受信時はセクタ走査など）も行うことが
できる。

【００４６】また、本発明の超音波探触子は医用診断だ
けでなく、海洋開発、非破壊検査等にも用いることがで
きる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波探
触子は、電極数と送受信のチャネル数が少ない簡単な構
成、良好なコストパーフォーマンスで３次元情報を取得
できる。また電子走査であるため、並列同時受信も可能
でリアルタイムの３次元表示も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る超音波探触子の斜視
図。

【図２】上記超音波探触子を用いる電子セクタ走査型３
次元イメージング装置のブロック図。

【図３】上記超音波探触子による送受信超音波ビームの
模式図。

【図４】上記超音波探触子を用いる他の電子セクタ走査
型３次元イメージング装置のブロック図。

【図５】本発明の第２実施例に係る超音波探触子の斜視
図。

【図６】従来の超音波探触子を備えるセクタ電子走査型
超音波診断装置のブロック図。

【符号の説明】

２１ トランスデューサ 22-1〜22-4 送信用電極 23-1〜23-4 受信用電極 ２４ マッチング層 ２５ バッキング材 ２６ａ，２６ｂ 信号線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トランスデューサと、それぞれ超音波送
   信回路と超音波受信回路に信号線を介して接続し、この
   トランスデューサの相対向する面にそれぞれ配列される
   複数個の短冊状送信用電極と受信用電極を備え、これら
   送信用電極と受信用電極は互いにほぼ直交するように配
   列される超音波探触子。