(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受波するものであって配列の一方向(Ｘ)とその方向に直交する他方向(Y)とが超音波の送波方向に対してコンベックス形状に並ぶように形成される複数の振動子素子(1)を備えた超音波探触子において、
前記複数の振動子素子(1)は、円弧状の一方向(X)の整列軌跡に沿って超音波の送波方向に対して前記コンベックス形状に形成された板状部材を有し、前記板状部材を前記他方向(Y)に円弧状の他方向(Y)の整列軌跡に沿って超音波の送波方向に対して前記コンベックス形状に配置され、
前記超音波の送波面の反対方向に配置され、超音波の送受信を行う振動子素子を選択するために設けられ、与えられる制御信号により、前記複数の振動子素子(1)のうちの超音波を送受信するためのフレネルリングの口径を形成するために作動させる振動子素子(1)を選択し、超音波送受信サイクル毎に動作させる前記振動子素子(1)を切り替える素子選択スイッチ回路(14)を備え、
前記素子選択スイッチ回路(14)に接続可能な信号線数は、前記所定の口径の形成に対応する振動子素子(1)を駆動させる本数であって、
前記複数の振動子素子の端部には1/2の円のフレネルリングを形成することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
超音波を送受波するものであって配列の一方向(X)とその方向に直交する他方向(Y)とが超音波の送波方向に対してコンベックス形状に並ぶように形成される複数の振動子素子(1)を備えた超音波探触子において、
前記複数の振動子素子(1)は、前記他方向(Y)の整列軌跡の法線方向に向けられるように形成された板状部材を有し、前記一方向(X)に対して前記板状部材を放射状に配置され、
前記超音波の送波面の反対方向に配置され、超音波の送受信を行う振動子素子を選択するために設けられ、与えられる制御信号により、前記複数の振動子素子(1)のうちの超音波を送受信するためのフレネルリングの口径を形成するために作動させる振動子素子(1)を選択し、超音波送受信サイクル毎に動作させる前記振動子素子(1)を切り替える素子選択スイッチ回路(14)を備え、
前記素子選択スイッチ回路(14)に接続可能な信号線数は、前記所定の口径の形成に対応する振動子素子(1)を駆動させる本数であって、
前記複数の振動子素子の端部には1/2の円のフレネルリングを形成することを特徴とする超音波探触子。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の超音波探触子(22)と、前記超音波探触子(22)の前記素子選択スイッチ回路(14)に同心円状に前記複数の振動子素子(１)を選択する制御信号を入力し、同一円内の前記複数の振動子素子(1)によりフレネルリングの口径を形成するための束ねデータを供給する素子選択データ部(15)と、前記束ねデータが供給された各振動子素子(1)へ所定の送波遅延時間を与えて超音波を被検体内へ送波する送波部(25)と、前記振動子素子(1)の各々の前記被検体からの受波信号を受波する受波部(26)と、受波部(26)の出力信号を信号処理する信号処理部(28)と、信号処理部(28)の出力を走査変換して超音波画像を生成するスキャンコンバータ(29)と、前記超音波画像を画像表示するモニタ(30)とからなる診断装置本体(24)と、診断装置本体(24)の構成要素を制御する制御部(31)と、を備えた超音波診断装置であって、
前記超音波探触子(22)の素子選択スイッチ回路(14)と診断装置本体(24)とを接続する信号線数は、前記フレネルリングの口径の形成に対応する振動子素子(1)を駆動させる本数であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項3に記載の超音波診断装置であって、前記制御部(31)は、前記振動子素子(1)が受信期間中に、前記フレネルリングの形状を変更せずに、フレネルリングの中心線上を受波フォーカス点が移動するように各リングの受信信号に対し前記整相回路を制御することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項3に記載の超音波診断装置であって、前記制御部(31)は、前記フレネルリングの形状を受波フォーカス点の深度に応じて変更することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項3に記載の超音波診断装置であって、前記制御部(31)は、前記フレネルリングの形状毎に被検体内の所定深度領域を超音波走査し、得られた深度領域毎の受信信号により画像を合成することを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、被検体内を超音波ビームで３次元走査する技術に関するもので、特に、電子的な制御により被検体内を超音波ビームにより３次元走査が可能な２次元アレイ超音波探触子とそれを用いた超音波診断装置に関する。
背景技術
近年、超音波探触子で超音波ビームを送受信して被検体内を３次元走査し、被検体内から３次元画像データを収集し、それによって３次元画像を作成し診断に供する超音波診断装置が開発されつつある。そのような装置の第１の例として、複数の振動子素子が１次元方向に配列された超音波探触子を被検体の体表面に対して機械的に平行移動したり、その探触子を被検体との接触位置を変えずに被検体に対する探触子の当接角度を一方側から他方側へ順次傾けて扇状に走査したりして、３次元画像データを収集するものがあった。
また、第２の例として、例えば６４×６４個の振動子素子を２次元方向に配列して２次元アレイ超音波探触子を形成し、その２次元配列内に固定的に選択された特定素子を用いて超音波ビームを被検体内へ錘状に送受信し、被検体内から３次元画像データを収集する技術が提案されている。なお、２次元探触子は素子配列が１方向から２方向へ拡張された探触子であり、例えば、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ  １４，２１３−２３３（１９９２）；ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ＵＦＦＣ  ３８，１００−１０８（１９９１）に開示されている。
しかし、このような従来の超音波診断装置において、第１の例では、探触子を機械的に移動して超音波ビームを走査するための駆動系を必要とするために、超音波探触子又は超音波診断装置が大型で且つ重くなるものであった。したがって、操作者からは操作性の点で小型でかつ軽量の２次元アレイ探触子が要望されている。また、上記駆動系の構成により走査範囲が一義的に決まってしまい、任意の範囲を走査できないことがあった。さらに、機械的に走査する機構が磨耗するなどして、寿命が短いことがあった。
第２の例では、２次元配列の振動子素子のうち固定的に選択された特定素子だけを送波及び／又は受波に用いて被検体内を錘状に超音波ビームを電子走査するため、３次元データを収集できる領域が狭くなってしまうものであった。また、送受信に使用される素子数は６４×６４のうちの特定素子であるといっても２５６個程度の素子となり、各素子毎に接続するケーブルの本数が多くなるものであった。そして、超音波の送波及び／又は受波に用いる振動子素子の増大に対応して、診断装置本体の整相回路の数を多数必要とするものであった。
そこで、本発明の第１の目的は、このような問題点に鑑み、超音波ビームを被検体内へ送受信して３次元走査を可能とする小型で軽量の超音波探触子を提供することを目的とする。
本発明の第２の目的は、被検体の体表に密着しやすい２次元探触子を提供することを目的とする。
本発明の第３の目的は、前述の如き機械的な走査機構を必要としない、被検体内を超音波ビームによって３次元走査することができる超音波探触子を提供することを目的とする。
本発明の第４の目的は、被検体内の広い領域から３次元画像データを収集することができる超音波探触子を提供することを目的とする。
本発明の第５の目的は、超音波探触子と診断装置本体とを接続するケーブルの本数を少なくし、探触子の操作時にケーブルの重量や硬さの影響を受けない超音波診断装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明の第６の目的は、少ない整相回路でも２次元アレイ探触子による送受信が可能な超音波診断装置を提供することを目的とする。
そして、本発明の第７の目的は２次元探触子を用いてダイナミックフォーカシングを可能として画質の良い超音波診断装置を提供することを目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するために、第一の発明による超音波探触子は、超音波を送受信する複数の振動子素子を２次元方向に配列して成り超音波信号を収集する超音波探触子であって、上記複数の振動子素子が、２次元配列の一方向とこれに直交する他の方向との少なくとも一方向または両方向へ超音波の送波方向に対して凸形の円弧状に配列されているものである。そして、二方向へ凸形に配列するものにおいては、この二方向への振動子の配列は各方向への探触子断面にて、二方向ともに放射状の配列に、または一方向へは放射状とし他の方向へは平行状の配列にしても良い。
また、本発明の超音波探触子は、上記２次元配列振動子素子の近傍に超音波の送受信を行う振動子素子を任意に選択切換する素子選択スイッチ回路が設けられ、この素子選択スイッチ回路の出力ラインは配列振動子の各素子へ接続され、また入力ラインは配列振動子の数より少なくされているものである。
そして、本発明の探触子は、上記素子選択スイッチ回路への制御信号により、任意の振動子素子を選択することが可能とされ、これにより任意形状の口径を形成することが可能である。また、この口径は素子選択スイッチ回路への制御信号により移動が可能となっており、この口径移動により被検体内を超音波ビームで３次元走査することが可能としたものである。
また、上記目的を達成するために、本発明は特定発明としての上記超音波探触子の関連発明を開示する。関連発明としての超音波診断装置は、微細な超音波振動子素子を２次元配列してなる超音波探触子と、前記超音波探触子の配列振動子から超音波の送受信を行う素子を選択するデータを供給する素子選択手段と、前記選択された振動子素子を複数のグループに束ね接続する束ねデータを供給する手段と、前記束ね接続された各振動子素子群へ所定の送波遅延時間を与えて超音波を被検体内へ送信する手段と、前記束ね接続された振動子群の各々の受信信号を整相する整相手段と、この整相手段の出力信号を画像処理する手段と、画像表示手段とを備えたものである。
そして、この関連発明においては、上記複数のグループに束ね接続された振動子素子が同心円状のフレネルリングを形成されることを特徴とし、また、前記フレネルリングを形成する各リング内の振動子素子と超音波フォーカス点との間の距離の最大値と最小値との差が超音波の１／８波長以下となるようにリングが決定されていることを特徴としている。
また、前記超音波診断装置においては、前記フレネルリングの形状はエコー信号を受信期間中は変更されず、フレネルリングの中心線上を受波フォーカス点が連続的に移動するように各リングの受信信号に対し前記整相回路を制御する手段が備えられている。さらに、前記フレネルリングの形状を受波フォーカス点の深度に応じて変更する手段や、前記フレネルリングの形状毎に被検体内の所定深度領域を超音波走査し、得られた深度領域毎のエコー信号により画像を合成する手段を必要に応じて設けても良い。
さらに、関連発明の超音波診断装置は、被検体内に超音波を送受信する２次元配列探触子と、この２次元配列探触子で収集した超音波信号を用いて被検体内部の診断部位の超音波画像を得て表示する診断装置本体と、前記２次元配列超音波探触子と上記診断装置本体との間に振動子素子の選択データ及び前記収集された超音波信号を一方から他方へ入出力するデータ伝達部を設けて構成しても良い。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。最初に本発明の超音波探触子の実施形態を説明する。
図１は本発明による超音波探触子の実施の形態を示す斜視説明図であり、内部構造が見えるようにした概略図である。この超音波探触子は、被検体内に超音波を送受信する複数の振動子素子を２次元方向に配列して成る。そして、この超音波探触子は、複数の振動子素子１、例えば１２，４８８個の振動子素子が探触子の長軸方向（Ｘ方向）と短軸方向（Ｙ方向）との２次元方向に１９６個×６４個，または６，２４４個の振動子素子が探触子の長軸方向と短軸方向に１２８個×４８個配列され、その２次元配列の一方向（長軸方向）とこれに直交する他の方向（短軸方向）のそれぞれについて超音波の送波方向に対して凸形の円弧状に並ぶ配列とされている。
長軸方向Ｘの例えば１９６個または１２８個の振動子素子によって形成される円弧の円弧角は６８度程度で、振動子素子の超音波送受信面を形成している円弧の半径が６０ｍｍとされ、また短軸方向Ｙの例えば６４個叉は４８個の振動子素子によって形成される円弧の円弧角は４８度程度で、超音波送受信面の円弧の半径が３２ｍｍとされている。そして、この６８度×４８度の視野内が超音波ビームによって３次元走査され得るようになっている。
上記振動子素子１は、超音波を被検体内へ送信すると共に被検体内からの反射波を受信するもので、電気信号と機械的振動とを相互に変換する圧電材料からなる。この振動子素子１の長軸方向Ｘに対する一列分の構造は、図２に示すように、圧電材料２の上部にはグランド電極３が固定され、下部には信号電極４が固定されている。さらに、上記グランド電極３の上部には２層のマッチング層（音響整合層）５ａ，５ｂが固定され、信号電極４の下部には音響減衰材（バッキング材）６が固定されている。
このように上下部にマッチング層５ａ，５ｂ及びバッキング材６が固定された圧電材料２は予め薄い板状に切断され、側面に露出したグランド電極３及び信号電極４にパターン基板７が半田付け固定されている。このパターン基板７には、グランド電極パターン９及び信号電極パターン１０が形成されており、それらは上記半田パッド８を介して前記グランド電極３又は信号電極４に接続されている。そして、上記のようにパターン基板７が固定された状態で、圧電材料２等の全体を２点鎖線で示した切断線１１に沿ってダイシングソーで切断分離することにより、１個１個の振動子素子１が形成される。なお、圧電材料２等の全体を切断線１１に沿って切断分離するのは、パターン基板７の半田付け固定の前に行い、個々の振動子素子１をパターン基板７のグランド電極パターン９及び信号電極パターン１０に合わせて配列しても良い。
図１において長軸方向Ｘに対して配列された複数の振動子素子１の並びは、図３に示すようになっている。すなわち、長軸方向Ｘには，上記のように例えば１９２個の振動子素子１が配列されており、円弧状の長軸整列軌跡１２ａに沿うように先端面が位置決めされて、振動子素子１は全体として超音波の送波方向に対して凸形の円弧状に、かつ放射状に並ぶ配列、いわゆる当分野においてコンベックス型と称されている形状に配置されている。この実施形態では、各振動子素子１の中心軸が外方に向けて放射状に配向されており、各々の振動子素子１の超音波送受信面が長軸整列軌跡１２ａの法線方向に向いて並べられている。したがって、各振動子素子１の超音波送受信の高感度方向が長軸整列軌跡１２ａの法線方向に向くこととなり、特に振動子素子列の両側部分の受信感度が向上する。
また、図１において短軸方向Ｙに対して配列された複数の振動子素子１の並びは、図４に示すようになっている。すなわち、短軸方向Ｙには、これも上記のように例えば６４個の振動子素子１が配列されており、円弧状の短軸整列軌跡１２ｂに沿うように先端面が階段状に位置決めされて、超音波の送波方向に対して凸形の円弧状に並ぶ配列、いわゆる前記コンベックス型に配置されている。この実施形態では、各振動子素子１の中心軸が平行状態に配向されており、両側部分の振動子素子１が短軸整列軌跡１２ｂの法線方向に対してある角度で傾斜することとなる。したがって、振動子素子列の両側部分においては受信感度がやや低下することがある。
以上述べたように，本発明の２次元探触子は，長軸方向と短軸方向との二方向へコンベックス型の形状を採用したことで、探触子の被検体体表面への密着性を良くしている。
次に、図１において、各振動子素子は、パターン基板７を介してスイッチ搭載基板１３上の素子選択スイッチ回路１４に接続されている。この素子選択スイッチ回路１４は、超音波の送受信を行う振動子素子を任意に選択するもので、上記２次元配列の複数の振動子素子各々に接続されている。すなわち、図５において、振動子素子が長軸方向Ｘにｎ個配列され、短軸方向Ｙにはｍ個配列されており、総ての素子には例えばクロスポイントスイッチから成る素子選択スイッチ１４ａが接続されている。そしてこのように構成された２次元探触子は、外部の素子選択データ部１５から入力する選択データにより、振動子列内のシフトレジスタ１６とパラレルラッチ１７とデコーダ１８とを介して上記素子選択スイッチ１４ａを制御して、実際に超音波の送受信を行う振動子素子を任意に選択できるようになっている。
そして、上記素子選択スイッチ回路１４の制御により任意の振動子素子を選択して超音波送受信の任意形状の口径を形成する一例を挙げると、図５の下方に示すように、素子選択スイッチ回路１４の制御により、長軸方向（Ｘ方向）にｎ個、短軸方向（Ｙ方向）にｍ個配列された２次元配列振動子素子から振動子素子を複数個選択し、例えば同心円状に素子を選択し、同一リング内の素子を束ね接続してフレネルリングから成る口径１９を形成することができる。いわゆるフレネルリング分割アニュラアレイによる収束ビームの形成をすることができる。なお、上記の他に等分割アニュラアレイやその他の任意形状のアレイを形成することも可能である。なお、この同心円状に素子が束ねられたフレネルリングは米国特許第４，２１９，８４６号に開示されている。
さらに、本発明の２次元探触子は、上記素子選択スイッチ回路１４の切り換えによりフレネルリングから成る口径１９を、探触子面上で図５に示すように矢印Ｃ，Ｄの二方向へ超音波送受信の繰り返し毎に、連続的に移動するように制御して超音波ビームを送受信し、所定範囲内を超音波ビームで３次元に走査し、３次元画像データを取り込むことができる。なお、上記口径１９の形状は、同心円状に素子束ねされたフレネルリングに限らず、素子選択スイッチ回路１４の切換えにより例えば楕円、矩形、その他の任意形状とすることも可能である。この場合、その口径１９からは任意形状に収束した超音波ビームが送受信されることとなる。
再度、図１を参照する。符号２１は２次元探触子を図示外の超音波診断装置本体に接続するためのケーブルを示し、符号２０は２次元探触子の振動子素子群とこのケーブル２１との接続用コネクタを示す。このケーブル２１とコネクタ２０を介して診断装置本体に設けられた制御装置から上記素子選択スイッチ回路１４を制御することにより、任意の振動子素子を選択して超音波送受信の任意形状の口径を形成し、この口径から任意形状に収束した超音波ビームを送受信して３次元に走査することができる。したがって、本発明の超音波探触子においては、上記ケーブル２１としては最低限、超音波送受信の任意形状の口径を形成する振動子素子数の本数と素子選択データを供給する信号線の本数があれば良く、探触子の小型、軽量化を図ることができる。
図６は、図１に示す超音波探触子の変形例を示す斜視説明図であり、内部構造が見えるようにした概略図である。この変形例は、長軸方向Ｘに複数の振動子素子１を図３に示すものと同様に超音波の送波方向に対して凸形の円弧状、かつ放射状に並ぶ配列としたコンベックス型に配置し、短軸方向Ｙにも複数の振動子素子１を、図３に示すものと同様にコンベックス型に配置したものである。
この変形例の探触子は、長軸方向Ｘにおいて各振動子素子１の超音波送受信の高感度方向が長軸整列軌跡１２ａの法線方向に向けられると共に、短軸方向Ｙにおいても各振動子素子１の超音波送受信の高感度方向が短軸整列軌跡１２ｂの法線方向に向けられることとなり、超音波ビームを長軸方向Ｘ及び短軸方向Ｙに走査するための振動子素子の並びとして理想的となり、特に振動子素子列の両側部分の受信感度を向上することができる。
本発明の２次元探触子は以上のように構成されたので、複数の振動子素子が２次元配列の一方向とこれに直交する他の方向のそれぞれについて超音波の送波方向に対して凸形の円弧状に並んでいるので、被検体の体表面への密着性が良い２次元探触子が実現される。なお、探触子の被検体への密着性は２次元配列の二方向のうち、少なくとも一方向に対し振動子素子を凸形に配列することでも改善されるので、振動子素子の配列をそのようにしても良い。
そして、上記２次元配列振動子素子の近傍に、超音波の送受信を行う振動子素子を任意に選択する素子選択スイッチ回路を設け、この素子選択スイッチ回路のオン／オフ制御により任意の振動子素子を選択することができるようにしているとともに、複数の振動子素子を共通接続（束ね接続）できるようにしているので、超音波診断装置本体と探触子とを接続するケーブルの本数を少なくすることができる。したがって、探触子を走査する検査者の負担を軽減することができる。
図７は上記第一発明の関連発明としての超音波診断装置の実施形態を示すブロック図である。この超音波診断装置は、被検体内に対して超音波を送受信して収集した超音波信号を用いて被検体内部の診断部位の超音波画像を得て表示するもので、図７に示すように、探触子２２と、データ伝達部２３と、診断装置本体２４とを有して成る。
上記探触子２２は、被検体内に超音波を送受信するもので、本発明においては、探触子２２として前述の図１又は図６に示す第一の発明による超音波探触子、または超音波振動子が平面上に２次元配列された探触子が用いられる。
また、診断装置本体２４は、上記探触子２２によって収集された超音波信号を用いて被検体内部の診断部位の超音波画像を得て表示するもので、従来からの一般的な超音波診断装置における診断装置本体とほぼ同様に構成されている。すなわち、診断装置本体２４は、上記探触子２２から被検体内へ送信される超音波が所望の焦点に収束するように送波遅延回路叉はタイミング制御によって超音波打ち出しの送波信号へ遅延時間を与えてその送波信号を振動子へ供給する送波部２５と、上記探触子２２で受信したエコー信号について整相処理をして受信ビーム信号を形成する受波部２６と、超音波の送信と受信とで探触子２２に対する上記送波部２５と受波部２６との接続を切り換える送受分離回路２７と、上記受波部２６からの受信信号を入力して検波、対数圧縮、エッジ強調などの処理をする信号処理部２８と、この信号処理部２８からのデータを入力して画像データを形成するとともに、画像表示のための走査変換及び補間処理等を行うディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）２９と、このＤＳＣ２９からのデータを入力してそれを超音波画像として表示するモニタ３０と、上記各構成要素の動作を制御する、ＣＰＵを含む制御部３１とを有して構成されている。
さらに本実施形態では、データ伝達部２３が上記探触子２２と診断装置本体２４との間に設けられている。このデータ伝達部２３は振動子素子の選択データ及び上記収集した超音波信号を入出力するために本体２４と探触子２２との間に接続されるもので、図１又は図６に示す超音波探触子の振動子の近傍に設けられた素子選択スイッチ回路１４（図５参照）を制御し超音波送受信の口径（後述）を形成するための素子選択データを格納した素子選択データ部１５と、探触子２２と診断装置本体２４とを接続して超音波の送受信を行う入出力インターフェース３２と、選択された振動子素子での超音波の送受信が可能なように該素子選択データ部１５及び入出力インターフェース３２を制御する制御部３３とを有して成る。
上記制御部３３は診断装置本体２４内の制御部３１とも接続されている。そして、上記素子選択データ部１５は超音波送受信の口径を形成するための素子選択データを記憶した例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ  ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）から成る。素子選択データ部１５から読み出されたデータは図５に示すシフトレジスタ１６に送られ、該シフトレジスタ１６及びパラレルラッチ１７、デコーダ１８を介して超音波送受信の口径を形成すべく素子選択スイッチ回路１４のスイッチのオン、オフが制御される。
図８は、図７に示す構成の超音波診断装置の使用状態を示す概略説明図である。すなわち、図１又は図６に示す超音波探触子から成る探触子２２より伸びるケーブル２１がデータ伝達部２３に接続され、このデータ伝達部２３から伸びるケーブル３４が診断装置本体２４のコネクタ３５に接続される。探触子２２は被検体３６へ当接される。以上の構成を採用することにより、探触子２２と診断装置本体２４との間にデータ伝達部２３を介在させることにより、２次元配列探触子専用の超音波診断装置を用いることなく、従来からの一般的な超音波診断装置にそのまま２次元配列探触子を接続することができる。
次に、上記超音波診断装置において超音波送受信の一実施形態を説明する。図９は被検体を３次元走査する概念を示している。図９において、２次元配列振動子１は直行するＸ，Ｙ方向へｎ個及びｍ個の素子の合計ｍ×ｎ個、例えば前述１２，４８８個又は６，２４４個が配列されている。その配列内に送受信のために駆動される振動子群（口径）１９が形成される。口径１９は、複数の同心円状リング（フレネルリング）から成る。フレネルリングとしては、例えば３２個の同心円リングで、各リングを６４個の振動子素子から構成する例、または１６個の同心円リングで、各リングを５８個の振動子素子で構成する例等を挙げることができるが、リングの数とひとつのリングを形成する振動子数とはシステム構成に応じて決定することができる。各リングを同数の振動子素子で形成するため及び他の理由で、リングの幅は外側へ行くほど狭くなる。これの理由は後に説明する。
この口径１９は超音波送受信を１サイクルとして１サイクル毎にＸ方向、Ｙ方向、または振動子の配列面上に沿ったＣ方向、Ｄ方向へ所定の順序で移動され、その移動過程における口径の各位置において口径１９から超音波を被検体内へ送信し、その反射波を受信することで、被検体内が超音波ビームで３次元走査される。
図１０は、本発明の２次元配列探触子において送信及び受信を行う振動子素子と遅延回路との接続状態を示している。図１０において、４１〜４９は振動子素子を、５１〜５３は遅延回路を、そして４０は超音波の収束点（フォーカス点）を示している。振動子素子４４，４５，４６は第１のリングを、それらの外側に位置する振動子素子４２、４３及び４７，４８は次に径が大きな第２のリングを、さらにそれらの外側に位置する振動子素子４１，４９は最も径の大きな第３のリングを形成している。前にも説明したように、第１のリング、第２のリング、第３のリングの順にそれらのリング幅が外側へ行くにしたがって狭くさせられている。なお実際の装置では、リングの数は前述のように３２個とか１６個であるが、図１０に示すような思想の下に素子分割がなされる。
そして、第１のリングを形成する振動子素子４４，４５，４６は遅延回路５１へ共通接続（束ね接続）され、第２のリングを形成する振動子素子４２，４３，４７，４８は遅延回路５２へ束ね接続され、第３のリングを形成する振動子素子４１，４９は遅延回路５３へ束ね接続される。この束ね接続法を用いる理由は、遅延回路の数を少なし、装置をコンパクトにするためである。この束ね接続を用いない場合には、フレネルリングを構成する振動子素子１個毎に遅延回路と遅延データを備えることとなるが、先に述べたようにフレネルリングを２，０４８個とか９２８個の振動子素子で形成する場合、その数だけ遅延回路と遅延データを備えると、装置が非常に大きくなり、コストもそれにつれて上昇する。
なお、図１０では各リングに１個の遅延回路を設けているが、図１０の意味するところは１個のリングを形成する振動子素子は同一の遅延時間で送受信制御されることが主目的であり、一つのリングを複数の領域に分割し領域毎に同一遅延時間を信号へ付与する遅延回路を設けても良い。ただしその場合にも当然に、遅延回路の数はリングを形成する素子数よりも少なくすることは明白である。また、図１０のリング数と遅延回路の数並びに接続とを、送信時と受信時とで変更しても良い。なぜならば、フレネルリング状の振動子から送信された超音波の音場は狭い特性を有しているので、送波時には粗く分割されたリングに対して遅延制御を行い、受信の際は細かく分割されたリングに対して遅延制御を行うようにしても良い。
上記リング形成と遅延回路の接続の制御は、制御部３１及び制御部３３によってなされる。制御部３１は超音波診断装置全体の超音波送受信及び画像形成・表示を制御し、制御部３３は制御部３１の超音波送受信指令と走査指令を受け、超音波送受信に寄与する振動子素子の選択、及び振動子素子と遅延回路の接続切換を制御する。制御部３３は超音波送受信サイクル毎に制御部３１から指令を受け、それに対応して素子選択データ部１５へ次に超音波の送受信を行わせる振動子素子選択指令を送る。この振動子素子選択指令に対応して素子選択データ部１５から素子選択スイッチ回路１４へフレネルリング形成のための信号と、フレネルリングと遅延回路との接続切換を行わせる信号を出力する。
選択スイッチ回路１４は、２次元探触子２２が有している振動子数がｍ×ｎ個で、選択スイッチ回路１４の入出力線がｓの場合、ｍ×ｎ×ｓ個のスイッチング素子を有し、フレネルリング全体を形成する振動子数がＦ個であり、各リングが同数の振動子素子から成り、リング数がＮ個であれば、選択スイッチ回路１４への入出力線数はＮ本となり、その１本はＦ／Ｎ個の振動子素子から成る一つのリングへ束ね接続される。なお、選択スイッチ回路１４の入出力線の接続先は、送波部２６内の送波遅延回路、または受波部２５内の整相回路であり、その本数は独立に制御できる装置本体の送受信チャンネル数と同じであり、一般に２のベキ乗で１６以上とされる。
送波遅延回路は送信時における被検体内の超音波フォーカス深度を設定するもので、整相回路は受信時におけるフォーカス深度をダイナミックに移動する（これを、ダイナミックフォーカシングという）とともに各チャンネルから出力される信号の位相を揃えて加算するものである。例えば、送波遅延回路に与える遅延時間データは操作者が入力した被検体内の関心領域（ＲＯＩ）内の所定深度に対応するように装置によって設定され、整相回路内の遅延回路には信号を計測しようとする全深度にわたってフォーカス移動を行う遅延時間データが装置によって自動的に与えられる。
これらの遅延時間データは、振動子素子の幾何学的な配置とフォーカス点との距離の設定値に基いて計算により算出されるか、または予め計算により求められて制御部３１のＲＯＭに格納されている。
以下、図７に示す超音波診断装置の動作を説明する。操作者が探触子２２を被検体の検査部位へ当て、装置本体２４に対し超音波走査指令を入力すると、制御部３１は各ユニットに対し超音波走査開始指令を発する。この指令を受けた制御部３３は素子選択データ部１５へ第１回目の超音波送受信を行うための素子選択指令を出力する。この指令に応じて素子選択データ部１５から素子選択スイッチ回路１４の各スイッチのオン／オフ指令が出力される。素子選択スイッチ回路１４の各スイッチのオン／オフ動作により探触子２２の振動子素子に第１回目の送受信に寄与する振動子素子が選択される。選択された振動子素子は前述のフレネルリングを形成し、このフレネルリングの各リングを形成する振動子素子が束ね接続される。この接続が完了した時点で、送波部２５から送波パルス信号が出力され、各フレネルリングに対してそれぞれ遅延制御された送波パルスが与えられる。送波パルスは送受分離回路２７によって入出力インターフェース３２のラインへ導かれ、２次元探触子２２の各リングへ供給される。これによって、探触子２２から被検体内の所定深度に対し送波フォーカスされた超音波が照射される。
ここで、送波フォーカス時のフレネルリングの形成方法を、図１１を用いて説明する。図中、７０はフレネルリングの中心、７１，７２，７３，７４は複数の振動子素子によって形成されたフレネルリングである。フレネルリング７４の外側の円が口径１９と成る。そして、リングの径とフォーカス点の関係について説明すると、ここに全てのフレネルリングにおいて、送波フォーカス点４０が被検体内において５０ｍｍを超える深さ領域にあるときに、送波フォーカス点４０と各リング内の素子との間の距離の最大値と最小値の差ｄｔを探触子から打ち出される超音波の１／２波長より小さな一定値、好ましくはその探触子の超音波の１／８波長以下とすることが望ましい。その理由は、例えば、ｄｔの値が１／２波長の場合、超音波同志の位相が１８０度ずれていることを意味し、超音波同志で打ち消し合いが生じてしまう。この打ち消し合いの影響を許容できる最良の範囲として１／８波長以下が選択されている。なお、送波フォーカス点４０の深度を５０ｍｍより浅く設定することが必要な場合、例えば頚動脈の検査のような場合には、口径を変えないとｄｔの値が１／８波長以上となることもあり得る。この場合には、送波のフレネルリングのリング数は変えずに各リングの幅を変えて口径を小さくするか、または全リング数を駆動せずに、中心部の上記条件を満たすリングのみを駆動して実質的に口径を狭めると良い。さらに、ｄｔの値が１／８波長以上となる深度までは上記小さな口径で受信し、それ以上の深度においては元の大きな口径で受信するようにしても良い。本発明においては、各リングに対して同一の遅延時間制御が成されるので超音波ビームは超音波送信面に対して垂線方向へ形成されるので、前記ｄｔの値の設定法からもフレネルリング７１は口径の中心を中心とする同心円となり、同心円の幅は外側ほど小さくなる。
ここで、各リング内の振動子素子とフォーカス点との間の距離の最大値と最小値の差を１／８波長以下とすることの有効性について図１３を用いて説明する。図１３は、超音波周波数３．５ＭＨｚ、長軸方向の曲率半径を４０ｍｍ、短軸方向の曲率半径を２５ｍｍ、素子ピッチ０．３８×０．３８ｍｍの両軸方向に超音波送受信面を円弧状に形成された２次元コンベックス型探触子を用いて、口径の前方５０ｍｍをフォーカス点としたとき、深さ５０ｍｍでの２次元超音波ビームのビーム振幅（音圧）をシミュレーションによって求めたものを示している。なお、このシミュレーションに用いた口径は長軸方向に６４素子、短軸方向に３２素子から成る。
図１３（ａ）は口径の素子数２，０４８個の全ての素子へ遅延制御を行った場合の理想的なビームを示し、図１３（ｂ）は口径を３２個のフレネルリングに分割し、かつフレネル束ねによる遅延制御を行った場合のビームの振幅分布図である。後者のフレネル束ねはリング内の素子とフォーカス点との間の距離の最大値と最小値との差が超音波の１／８波長以下となるようにしてある。この二つの図を比較すると、後者の主ビーム幅は前者の理想的なビームとほぼ同じであり、不要応答もマイナス４０ｄＢ以下を示しており、実用上問題となる点はないと考えられる。
次に，受信動作の説明をする。超音波探触子２２から被検体内へ超音波を送信し終えると、制御部３１は受信動作の指令を発する。そして、超音波探触子２２から被検体内へ送信された超音波は、被検体内の音響インピーダンスの異なる境界で反射され、その反射信号が同じ２次元探触子２２により受信される。この時、素子素子選択データ部１５は送信時のデータを維持し、送信時と同じフレネルリングが探触子２２に形成されている。なお，前述のように，受信時には，フレネルリングの形状（リング数、１リングを形成する振動子素子数及び口径）を変更しても良い。
ここで、受信時にフレネルリングの形状を送信時に対して変更する例を説明する。本発明は、受信時にダイナミックフォーカスを行うが、その時のフレネルリングを図１２のように形成しても良い。図１２（ａ）において、８０は受信時のフレネルリングの中心、８１，８２，８３，８４，８５，８６はフレネルリング，５０は受波フォーカス点である。フレネルリング８６の外側の円が受信口径となる。そして、図１２（ｂ）に示すように受波のフレネルリングにおいても、受波フォーカス点５０と一つのリング内の素子との間の距離の最大値と最小値の差ｄｒを送波の場合と同様に一定値以下、好ましくは、超音波の１／８波長以下とすることが望ましい。
本発明においては、受波時にもリング毎に同一遅延時間制御が行われるので超音波ビームがフレネルリング中心８０を通る垂線上に形成される。したがって、フォーカス点５０が近距離から遠距離に変化する場合も、フレネルリングは超音波受信口径の中心を中心とする同心円のままであり、フォーカス点が超音波受信面に近いほど、素子とフォーカス点との距離の変化が大きいので、これへの対処方法として、フォーカス点５０が近距離の場合のフレネルリングは、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、比較的幅が狭い同心円状のリングで構成し、フォーカス点が遠距離の５０ａにある場合は、図１２（ｃ）、（ｄ）に示すように、８１ａ，８２ａ，８３ａから成る比較的幅が広く、数の少ない同心円状のリングで構成しても良い。さらには，フォーカス点５０が近距離の場合には、中央部のリングのみで受信し、フォーカス点５０が遠距離になるにしたがってリングの数を増やして口径を大きくする、いわゆる可変口径法を実施しても良い。さらに、フォーカス点の近距離領域と遠距離領域とでフレネルリングの形状を変更して、各々の領域を分割して走査し、それらの別個に取得したエコー信号を合成して画像化しても良い。
さらに他の実施形態として、受波ダイナミックフォーカシングの間、フレネルリングを、図１２（ａ）、（ｂ）に示す近距離用パターンで固定しても良い。フレネルリングを近距離用のパターンで固定すると、遠距離においては各フレネルリング内で、フォーカス点と素子との最大距離、最小距離の差が近距離に比べ小さくなる。例えば、あるフレネルリング内で、近距離においてフォーカス点と素子との間の距離の最大距値と最小値の差ｄｒが超音波の１／８波長ならば、遠距離においてはｄｒが超音波の例えば１／１６波長となり、近距離に比べ信号の遅延精度が向上する。つまり、遠距離フォーカスにおいても超音波ビームに劣化が生じない。
なお、受波部２６に設けられた整相回路のチャンネル数が少ない場合、フレネルリングを近距離用のパターンで固定すると、フレネルリングの幅が狭く口径が小さくなる場合がある。このときは、各フレネルリング内でのフォーカス点と素子との間の距離の最大値と最小値の差ｄｒ、ならびに口径の両者を考慮し、フレネルリングの固定パターンを適宜定める必要が生じる。
以下、さらに受信動作の説明を続ける。超音波受信動作に入ると、制御部３１は受波部２６内の整相回路の全てに対し、ダイナミックフォーカシングを行うために受波フォーカス点を被検体内の浅い方から深い方へ連続的に移動させるようにフォーカシングデータを順次供給する。これによってフレネルリングによって受信されたエコー群は整相回路において位相が揃えられ、そして加算回路によって超音波ビーム信号（エコー信号）とされて出力される。そして，受波部２６から出力されたエコー信号に対し信号処理部２８は、検波処理、対数圧縮、フィルタリング処理、エッジ強調処理等を施し、処理後の信号をＤＳＣ２９へ出力する。ＤＳＣ２９は入力した信号をディジタル信号へ変換した後、内臓しているメモリへそれを書き込む。以上の動作によって、第１回目の超音波送受信動作が完了する。
次に、制御部３１は第２回目の超音波送受信指令を各ユニットへ送る。この第２回目の送受信は、第１回目の送受信が図９に示す位置で行われるのに対し、図９に示すＸ方向叉はＹ方向への所定方向へ所定距離だけ移動した位置へフレネルリングが形成されて、行われる。そして、受信したエコー信号は前記ＤＳＣ２９の内蔵メモリへ第１回目の送受信時と同様に書き込まれる。以後同様にフレネルリングの探触子上での位置を前記所定方向へ順次移動して、被検体内を超音波ビームにて２次元走査がなされる。そして、この２次元走査が完了すると、ＤＳＣ２９のメモリには被検体の一断面の断層画像が形成される。制御部３３はＤＳＣ２９のメモリ内の断層画像データをモニタにおける表示のための水平走査に同期して読み出し、モニタ３０の表示画面にその断層像が表示される。制御部３１は上記２次元走査の完了後、探触子上のフレネルリングを前記２次元走査とは異なる位置へ形成させながら、再度２次元走査を実行させる。これを繰り返すと、図９に示す被検体内のビーム走査領域Ｅが超音波ビームによって３次元走査される。この３次元走査によって複数の断層像データが取得され、ＤＳＣ２９のメモリ内へ格納される。そして、それらの断層像データは制御部３３によってサーフェスレンダリング法やボリュームレンダリング法等の３次元画像再構成法を用いて３次元画像処理され、モニタ３０の表示画面へ３次元画像として表示される。この超音波３次元画像による診断としては、産科における出生前胎児の奇形診断等が挙げられる。以上の実施形態は変形例が可能で、３次元画像形成のための画像処理を超音波診断装置本体とは別に設けた画像処理装置で行っても良い。
さらに、図９に示す口径の設定方法では、移動される全てのフレネルリングは超音波探触子の端部においても完全な円を描くように設定するようにしているが、この方法では最も端の超音波ビームはフレネルリングの半径分だけ探触子の振動子配列面外形より内側となり、超音波ビームの走査領域が小さくなる。この問題を解決するために本探触子による３次元走査の最も端の超音波ビームを送受信するときには、不完全なフレネルリング、例えば円の１／２のフレネルリングを形成して超音波ビームを振動子配列の端に位置させるようにすると良い。
以上述べた本発明の第二発明としての超音波診断装置によれば、探触子と診断装置本体との間にデータ伝達部を介在させることにより、２次元配列探触子専用の超音波診断装置を用いることなく、従来からの一般的な超音波診断装置にそのまま上記第一の発明の超音波探触子を接続して被検体内を超音波ビームにより３次元走査することができる。
また、本発明の超音波診断装置によれば、常に超音波ビームが超音波送受信面に垂直で、かつフレネルリングの中心に形成されるため、受波ダイナミックフォーカスにおいてフォーカス点が近距離から遠距離に変化した場合も、フレネルリングの形状を一定にできるという特徴がある。これにより受信処理中の素子束ね切り換えが不要とすることができ、２次元探触子においてフレネル束ねと受波ダイナミックフォーカスが両立できるとともに、受波ダイナミックフォーカスが容易に可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の特定発明としての超音波探触子の実施の形態を内部構造が見えるように示した斜視図、図２は振動子素子の、例えば長軸方向の一列分の構造を示す斜視説明図、図３は図１において長軸方向に配列された複数の振動子素子の並びを示す説明図、図４は図１において短軸方向に配列された複数の振動子素子の並びを示す説明図、図５は図１に示す２次元探触子に設けられた素子選択スイッチ回路の概要を示す図、図６は本発明の２次元超音波探触子の変形例を内部構造が見えるように示したす斜視図、図７は本発明の関連発明である超音波診断装置の実施の形態を示すブロック図、図８は図７に示す超音波診断装置の使用態様を示す図、図９は選択された口径によって被検体を超音波ビームで３次元走査する動作説明図、図１０は探触子と遅延回路のフレネル束ね接続を示す図、図１１はフレネル束ねによる送波の説明図、図１２はフレネル束ねによる受波の説明図、図１３は本発明のフレネル束ねの有効性を検証するビームシミュレーション図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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