超音波プローブ装置及び超音波画像化装置
【課題】 開口長の大きさを制御可能とし、画像分解能及び観測対象距離を限定することなく、超音波による良好な画像化を実現することができる超音波プローブ装置等を提供すること。
【解決手段】 近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくするように、開口長を伸張、収縮させる。また、開口長を伸張、収縮に連動して、画像化領域が各超音波プローブからの超音波指向角幅に含まれるように、各超音波プローブの姿勢を制御する。
【解決手段】 近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくするように、開口長を伸張、収縮させる。また、開口長を伸張、収縮に連動して、画像化領域が各超音波プローブからの超音波指向角幅に含まれるように、各超音波プローブの姿勢を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた媒質中物体の画像化技術分野に係り、特に、開口の大きさを制御可能な超音波プローブ装置及び超音波画像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いた媒質中物体の可視化技術として、例えば海水中においては、遠方の魚群を探知する魚群探知機（超音波ソナー）に代表される超音波画像化装置が知られている。これらは、プラットフォームとしての船舶船底部に単数あるいは列状に配された複数の超音波プローブより超音波を海底へ向けて発信し、プラットフォームの移動に伴ってその受信波形を表示することで海底までの断面を作成し、魚群の画像を合成する手法をとっている。一般の超音波ソナーを用いた合成開口ソナーでも同様にプラットフォームの移動に伴って画像を生成するものであり、これらの手法では、プラットフォームの移動を行う必要があるとともに、プラットフォームの移動位置を正しく管理する必要がある。
【０００３】
これらの手法に対して、マトリクス状に超音波プローブを配置し、プラットフォームを移動することなく一度に画像を生成することができる装置等が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この様な装置では、マトリクス状に超音波プローブを配置することでいわゆる平面状のアンテナを有することになる。これらの装置においては、マトリクス状に配置されるプローブの相対的な位置関係は固定しており、プローブ密度は不変のものである。
【特許文献１】特願平４−２０６５８８号公報
【特許文献２】特願平３−１７４０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の超音波プローブ装置、超音波画像化装置には、次のような問題がある。
【０００５】
すなわち、超音波プローブがマトリクス状に配置された超音波プローブ装置（マトリクス状超音波プローブ装置）を用いた合成開口形式の超音波画像化装置では、画像分解能ΔＸは、プローブから画像化領域までの距離Ｈと、マトリクス状の超音波プローブによって形成される超音波照射面（開口）の径（開口長）Ｌとの間で、ΔＸはＬ／Ｈと比例の関係にある。従って、遠くを分解能良く画像化するには、大きなマトリクス超音波プローブが必要になる。
【０００６】
大きなマトリクス状超音波プローブ装置、すなわち開口長の大きなマトリクス状超音波プローブ装置で近距離を画像化すると、特定の超音波プローブの反射が強くなりすぎ、画質が低下する恐れがある。これは、マトリクス状超音波プローブ装置の超音波プローブ密度が近距離を画像化する場合には粗すぎるためとも言い換えられる。また、小さなマトリクス状超音波プローブ装置、すなわち開口長の小さなマトリクス状超音波プローブ装置で遠距離を画像化すると、画像分解能が足りなくなる恐れがある。これは、遠距離の分解能を挙げるためには受信面積を大きく取る必要があるという合成開口の原理によるものである。
【０００７】
すなわち、マトリクス状超音波プローブ装置の開口長が固定されていることで、画像分解能と観測対象距離が限定されるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、開口長の大きさを制御可能とし、画像分解能及び観測対象距離を限定することなく、超音波による良好な画像化を実現することができる超音波プローブ装置及び超音波画像化装置を提供することを目的としている。
【０００９】
なお、本願に関連する公知文献としては、例えば次のようなものがある。
【特許文献１】特開平４−２０６５８８号公報
【特許文献２】特開平３−１７４０９８号公報
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。
【００１１】
本発明の第１の視点は、それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、前記複数の超音波プローブが発生する各電気信号を用いて、超音波画像を生成する画像生成手段と、を具備することを特徴とする超音波画像化装置である。
【００１２】
本発明の第２の視点は、それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、を具備することを特徴とする超音波画プローブ装置である。
【発明の効果】
【００１３】
以上本発明によれば、開口長の大きさを制御可能とし、画像分解能及び観測対象距離を限定することなく、超音波による良好な画像化を実現することができる超音波プローブ装置及び超音波画像化装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施形態乃至第３実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る超音波画像処理装置１のブロック構成図を示している。同図に示すように、本超音波画像処理装置１は、超音波プローブ装置１０、増幅器１２、Ａ／Ｄ変換器１４、距離信号演算回路１６、画像生成回路１８、発信器２０、切替回路２２、発信制御部２４、表示制御部２６、表示部２８、開口長制御部３０、プローブ姿勢制御部３２、操作部３４を具備している。
【００１６】
超音波プローブ装置１０は、二次元状に配列された複数の超音波プローブ１０１、開口長変更装置１０３、プローブ姿勢変更部１０４を有している。複数の超音波プローブ１０１は、プローブ姿勢変更部１０４を介して開口長変更装置１０３に固定されている。各超音波プローブ１０１は、圧電素子から形成されており、供給される駆動信号に基づき超音波を発生し、また超音波を受信して所定の波形を有する電気信号を発生する。開口長変更装置１０３は、開口長制御部３０からの制御信号に従って開口長を変更するための機構を有している。プローブ姿勢変更部１０４は、プローブ姿勢制御部３２からの制御信号に従って画像化対象領域Ｓに対する各超音波プローブ１０１の姿勢を変更するための機構を有している。なお、超音波プローブ装置１０の詳しい構成については、後述する。
【００１７】
増幅器１２は、各超音波プローブ１０１が発生した受信超音波形を増幅し、Ａ／Ｄ変換器１４に送り出す。
【００１８】
Ａ／Ｄ変換器１４は、増幅器１２から受け取った増幅後の受信信号をＡ／Ｄ変換（アナログ／ディジタル変換）する。
【００１９】
距離信号演算回路１６は、Ａ／Ｄ変換後の受信信号に基づいて、画像化の対象物と各超音波プローブ１０１との間の距離を計算する。
【００２０】
画像生成回路１８は、各超音波プローブ１０１の位置情報と計算された画像化の対象物と各超音波プローブ１０１との距離とに基づいて、対象物に関する超音波画像を各超音波プローブ１０１毎（各チャネル毎）に生成する。ここで、チャネルとは、超音波プローブ１０１毎に設けられている増幅器１２、Ａ／Ｄ変換器１４、距離信号演算回路１６、画像生成回路１８からなる受信系統を意味する。
【００２１】
発信器２０は、所定のレート周波数ｆｒ Ｈｚ（周期；１／ｆｒ秒）で、発信超音波を形成するための駆動信号を繰り返し発生する。
【００２２】
切替回路２２は、発信制御部２４からの制御信号に従ってスイッチを切り替え、発信器２０からの駆動信号を所定の超音波プローブ１０１に所定のタイミングで供給する。
【００２３】
発信制御部２４は、発信器２０からの駆動信号を供給する超音波プローブ１０１の選択、供給タイミング（供給間隔）に関する制御、及び各超音波プローブ１０１による反射超音波の受信タイミング制御を行う。特に、発信制御部２４は、後述する最大／最小距離を用いた開口合成機能に従って、各超音波プローブ１０１への駆動信号の供給（すなわち、各超音波プローブ１０１からの超音波発信）、及び各超音波プローブ１０１による反射超音波の受信のタイミングを制御する。
【００２４】
表示制御部２６は、画像生成回路１８において生成されたチャネル毎の超音波画像を合成し、画像化対象物の形状、内部構造等を示す超音波画像を生成する。
【００２５】
表示部２８は、表示制御部２６において生成された超音波画像等を所定の形態で表示する。
【００２６】
開口長制御部３０は、発受信制御部２４の制御のもと、開口長変更装置１０３の機構を展開（伸張）又は収縮させることで、超音波プローブ装置１０の開口長を制御する。例えば、開口長制御部３０は、画像化対象領域Ｓと超音波プローブ装置１０との間の距離をＬとし、超音波プローブ装置１０の開口長をＨとした場合、Ｌ／Ｈ＝一定となるように開口長変更装置１０３の機構を展開又は収縮させる。
【００２７】
プローブ姿勢制御部３２は、発受信制御部２４の制御のもと、プローブ姿勢変更部１０４の機構を駆動することで、各超音波プローブ１０１の姿勢を制御する。例えば、画像化対象領域Ｓが超音波プローブ装置１０から距離Ｌの位置にある径Ｌ１の円盤状のものとしたとき、プローブ姿勢制御部３２は、開口長Ｈの長さを有する超音波プローブ装置１０の先端位置０．５Ｈにおいて指向角θcの超音波を送受信する超音波プローブ１０１が次の式（１）、（２）、（３）で定めるθoの向きになるように、プローブ姿勢変更部１０４の機構を制御する。
【数１】
【００２８】
この開口長制御部３０とプローブ姿勢制御部３２の制御によって、例えば近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくすることによって画像の分解能が一定に保たれる。
【００２９】
操作部３４は、操作者からの各種指示、条件の設定指示、種々の画質条件設定指示等を装置本体１にとりこむための各種スイッチ、ボタン、トラックボール１３ｓ、マウス１３ｃ、キーボード１３ｄ等を有している。
【００３０】
（開口長制御機能）
次に、本超音波画像化装置１が有する開口長制御機能について説明する。この機能は、近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくするように、開口長を伸張、収縮させるものである。また、画像化領域が各超音波プローブからの超音波指向角幅に含まれるように、各超音波プローブの姿勢を開口長の伸張、収縮に連動して制御する。これらの機能により、画像化対象までの距離に関係なく画像の分解能が一定に保つことができる。
【００３１】
図２（ａ）は、超音波プローブ装置１０の展開状態を正面から見た図であり、図２（ｂ）は、超音波プローブ装置１０の収縮展開状態を正面から見た図である。各図に示すように、超音波プローブ１０１は伸縮ロッド１０５上に設置され、伸縮ロッド１０５は隣接するロッド同士を結合部材１０７によって結合されている。各伸縮ロッド１０５が伸び縮みすることで、開口面及び開口長を展開および収縮することができる。
【００３２】
超音波プローブ１０１のそれぞれは数ｃｍから数１０ｃｍ程度の径を有するため、開口長を収縮した状態では超音波プローブ１０１同士が重なりあう場合があり、係る場合、図２（ｂ）に示すように収縮した状態で超音波プローブ１０１同士が重ならないようにする必要がある。従って、超音波プローブ１０１は図２（ａ）に示すように各伸縮ロッド１０５に対して同じ数設置されるわけではなく、図２（ｂ）に示すように収縮した状態において重ならないように配置される。
【００３３】
なお、図２（ａ）、（ｂ）の例においては、超音波プローブ１０１は合計６４個が配置され、伸縮ロッド１０５は３２本配置されている。また、伸縮ロッド１０５は３本が１セットとなり、この伸縮ロッド１０５の１セットには、それぞれ超音波プローブ素子が４個、１個、２個のパターン（図２（ａ）の領域ｒ１参照）、或いは３個、１個、２個のパターン（図２（ａ）の領域ｒ２参照）で設置されている。しかしながら、当該例に拘泥されず、超音波プローブ１０１の個数、伸縮ロッド１０５の本数、各伸縮ロッド１０５に配置される超音波プローブ１０１の個数は、任意に設定することができる。
【００３４】
図３（ａ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の展開状態を示した図であり、図３（ｂ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の収縮状態を示した図である。各図に示すように、伸縮ロッド１０５は、送り出しのためのワイヤ１１１と結合部１１３によって結合されており、その送り出しワイヤ１１１は駆動機構１１５の回転によって送り出される。
【００３５】
また、伸縮ロッド１０５は、伸縮に伴って各超音波プローブ１０１の姿勢角を変更するリンク機構１０９を有している。リンク機構１０９は、所定の条件を満たすよう展開・収縮の大きさに応じて所定の条件を満たすよう各超音波プローブ１０１の姿勢角を制御する。このリンク機構１０９の典型例としては、伸縮ロッド１０５の伸縮長に同期して超音波プローブ１０１の角度を変更するようなラックピニオン機構などが挙げられる。しかしながら、当該例に拘泥されず、伸縮ロッド１０５の伸縮・収縮運動を回転運動に変換するものであれば、どの様な機構であっってもよい。
【００３６】
超音波を用いた媒質中物体の画像化における分解能について、図４、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。超音波プローブ１０１が例えば図２（ａ）に示す形態にて配置された場合の開口長をＨとし、画像化対象領域Ｓと超音波プローブ装置１０の開口面との距離をＬとする。この場合、画像分解能ΔＸは、超音波プローブ１０１から画像化領域Ｓまでの距離Ｈと超音波プローブ装置１０の大きさＬとの間においては、ΔＸとＬ／Ｈとは比例の関係にある。従って、近距離の画像化を行う場合には、図５（ａ）に示すように超音波プローブ１０１の配置密度を上げた状態にする必要がある。また、遠距離の画像化を行う場合には、図５（ｂ）に示すように超音波プローブ１０１の配置密度を下げた状態にする必要がある。
【００３７】
一方、超音波プローブ１０１の配置密度については制限がある。これは、超音波プローブ１０１の指向性に起因するものである。また、発信された超音波が遠方の反射体に反射され、反射波として超音波プローブ１０１に検出されるためには、発信超音波の強度を上げる必要がある。発信超音波の強度を上げるためには、超音波プローブ１０１自体を大きくする方法がある。ただし、発信超音波の波形の半波長より超音波プローブ１０１の径が大きくなっていくと、超音波プローブ１０１が発信する超音波は当該プローブ１０１の前面に強く放射される指向性を持った波形となり、放射される波形の放射範囲(指向角内)に観測領域が無いと反射信号は弱すぎて受信できなくなる。つまり、ある画像化範囲に有効な反射波を発信できる超音波プローブ１０１の設置範囲には限界があり、それ以外に配置された残りの超音波プローブ１０１は開口合成による反射体の形状把握に寄与できなくなる。
【００３８】
すなわち、画像化領域Ｓを定めると、超音波プローブ１０１から発信される超音波の指向性により、画像化領域Ｓ内に超音波を発信可能な超音波プローブ１０１が制限される。図６に示す例では、超音波プローブ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄのそれぞれから発信された超音波の各指向角θａ、θｂ、θｃ、θｄ内に画像化領域Ｓが入っている。一方、一番下の超音波プローブ１０１ｅから発信された超音波の各指向角θｅ内には、画像化領域Ｓの一部しか存在しない。このように指向性がある超音波プローブ１０１を用いると、超音波プローブ装置１０の開口長をどれだけ大きくしても、実際の開口合成に寄与する超音波プローブ１０１は全プローブの一部に限られてしまうことになる。以上のように、個々の超音波プローブ１０１が指向性を有することによって、開口合成に関与する超音波プローブ１０１の配置範囲に制限が生まれる。
【００３９】
そこで、本実施形態に係る超音波プローブ装置１０、及びこれを具備する超音波画像化装置１では、この制限を回避するために、各超音波プローブ１０１の姿勢を制御する。すなわち、図７に示すように個々の超音波プローブ１０１の各指向角内に画像化領域Ｓが入るように、各超音波プローブ１０１の向き（姿勢）を制御する。例えば、超音波プローブ１０１ａについては、プローブ姿勢制御部２１は、例えば鉛直方向に対して調整角θＡだけ下側に傾けることで超音波プローブ１０１の各指向角内に画像化領域Ｓが入るように、プローブ姿勢変更部１０４を制御する。この様な各超音波プローブ１０１の姿勢制御により、全ての超音波プローブ１０１から発信される超音波を画像化領域Ｓに到達させることができる。その結果、全超音波プローブ１０１を開口合成に寄与させることができ、開口長の大きさを大きくしただけ分解能を高くすることができる。
【００４０】
なお、超音波プローブ１０１の姿勢制御は、上記例に拘泥されない。超音波プローブ１０１が固定された伸縮ロッド１０５を変形させることで、鉛直方向に対する超音波プローブ１０１の角度を調整するようにしてもよい。図８には、画像化領域Ｓを中心として所定の曲率により円弧の一部分となるように変形ロッド１２１を変形する例を示してある。この様な手法によっても、鉛直方向に対する超音波プローブ１０１の角度を調整することができ、超音波プローブ１０１が常に画像化領域Ｓの方向を向くようにすることができる。特に、この様な超音波プローブ１０１の姿勢制御の利点は、超音波プローブ１０１毎に制御する必要がなく、統一的な駆動機構で調整可能であり、また個々の超音波プローブ１０１の位置精度も維持しやすいことである。
【００４１】
図８に示した例において球面の曲率を最小にするためには、一回の超音波発受信で画像化することを予定した画像化領域Ｓが各超音波プローブ１０１の指向角幅に入ればよい。図９に示すように、画像化領域Ｓを指向角幅内に存在させるための超音波プローブ１０１ａの最小の調整角θＡ（＝θｏ）は、式（１）の関係式によって求めることができる。ここで、Ｌ１は式（２）で、Ｈは式（３）で書き表される。すなわち、超音波プローブ装置１０からＬだけ離れた位置にある半径Ｈ１の円盤状の画像化領域Ｓに、開口面一番端の位置０．５Ｈで指向角θcの超音波プローブ１０１からの音波を照射するためには、超音波プローブ１０１の向きをθoとすればよい。
【００４２】
なお、超音波プローブ１０１の向きのみを調整する場合には、距離Ｌ１を考慮しない式（３）、及び次に示す式（４）を満たすような超音波プローブ１０１の向きθoを選択すれば十分である。
【数２】
【００４３】
（効果）
以上述べた構成によれば、近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくするように、開口長を伸張、収縮させることができる。特に、超音波プローブ装置の開口長をＨ、当該超音波プローブ装置と画像化対象領域との間の距離をＬとした場合に、Ｌ／Ｈが一定となるように、画像化対象領域までの距離Ｌに応じて開口長Ｈを制御する。従って、画像対象領域までの距離に関わらず、一定の画質による超音波画像化を実現することができる。特に、開口長を伸張、収縮に連動して、画像化領域が各超音波プローブからの超音波指向角幅に含まれるように、各超音波プローブの姿勢を制御する。これにより、全ての超音波プローブを画像化に寄与させることができ、画像化対象までの距離に関係なく画像の分解能が一定に保つことができる。
【００４４】
また、本超音波プローブ装置では、伸縮ロッド等を利用した開口長変更装置によって、展開・収縮を任意回数実行できる強固な構造となっている。従って、例えば海中の様な抵抗の大きい媒質中においても、自在に開口長を制御することが可能である。
【００４５】
なお、超音波を用いた開口合成手法によく似た観測手段として、電波を用いた合成開口レーダにおいて、展開機能を有するアンテナがよく用いられている。例えば、宇宙空間の人工衛星において、地上との通信や各種観測に用いるための展開アンテナとして様々なものが知られている。これらの人工衛星用アンテナは、打ち上げ時収納のために収縮しているものの、展開を一度きり行えばよいものであり、展開収縮を複数回行うことはない。また、障害物のない宇宙空間に展開されるため、構造が脆弱でも問題はないと言える。さらに、アンテナとして電波を用いるために電波の波長を送受信する素子は面状に配置されており、その素子の配置密度を操作する必要もない。また、プラットフォームとしての人工衛星そのものが移動することによって開口合成を行うために、アンテナ素子の向きを変更する必要もない。従って、本超音波プローブ装置は、これらのアンテナに比して、展開・収縮を任意のタイミングで所望する回数だけ実行できるものとなっており、また、格段の強度を有するものとなっている。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る超音波画像化装置１０は、超音波プローブ装置１０の超音波照射面（すなわち、開口面）を画像対象領域Ｓに対して傾斜させることで、開口長及び姿勢を制御する例である。
【００４７】
図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る超音波プローブ装置１０の側面図を示した図である。同図に示すように、本超音波プローブ装置１０は、平面板１２１に対しプローブ姿勢変更部１０４を介して超音波プローブ１０１がマトリックス状に配列されている。なお、超音波プローブ１０１を配列する土台は、平面板１２１に拘泥されず、例えば波等からの影響を低減させるために格子状の強固なフレームであってもよい。
【００４８】
本超音波プローブ装置１０において開口長を長くする場合には、図１０（ａ）に示すように平面板１２１をＳに対して直面するように配置し、且つ各超音波プローブ１０１と平面板１２１とが垂直になるように（すなわち、各超音波プローブ１０１が画像化領域と直面するように）プローブ姿勢変更部１０４を制御する。一方、開口長を短くする場合には、図１０（ｂ）に示すように例えば水平方向と角度θｅをなすように平面板１２１を傾斜させる。また、このとき、全ての超音波プローブ１０１を画像化に寄与させるために、各超音波プローブ１０１の姿勢を制御する。この制御は、例えば図１１に示すように、当該超音波プローブ装置１０から径Ｈ１の円盤状の画像化領域までの距離をＬとした場合に、当該超音波プローブ装置１０の開口面一番端の位置０．５Ｈで指向角θcの超音波を画像照射領域Ｓに対して照射するために、次の式（５）で与えられる角度θoだけ超音波プローブ１０１を傾ける。
【数３】
【００４９】
なお、式（５）中のＬ１、Ｈは、それぞれ次の式（６）、（７）によって与えられる。
【数４】
【００５０】
以上述べた構成によっても、第１の実施形態と同様の効果を実現することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る超音波画像化装置１０は、複数の超音波プローブ１０１が配列された、大きさの異なる同心円上の円形フレームの円弧長（又は半径）を制御することで、当該超音波プローブ装置１０の開口長を制御する例である。
【００５２】
図１２（ａ）は、本実施形態に係る超音波プローブ装置１０の展開状態を正面から見た図であり、図１２（ｂ）は収縮展開状態を正面から見た図である。各図に示すように、超音波プローブ装置１０は、同心円状に配置され複数の超音波プローブ１０１が設置された複数の円環フレーム１２３を有している。また、各円環フレーム１２３は、中心位置を固定したままで伸縮自在な機構（詳細は後述）を有している。従って、各円環フレーム１２３の動径方向に沿って拡大、縮小させることで、本超音波プローブ装置１０の開口長を展開（拡大）、収縮させることができる。
【００５３】
なお、図１２（ａ）、（ｂ）に示した例では、内側から順番に、６個、６個、６個、１２個の超音波プローブ１０１が各円環フレーム１２３に設置された超音波プローブ装置１０を示している。しかしながら、当該例に拘泥されず、図１２（ｂ）に示す収縮状態のときに超音波プローブ１０１同士が接触しない範囲であれば、どのような設置構成であってもよい。また、円環支持部材１２５の数についても、特に限定はない。
【００５４】
図１３は、円環フレーム１２３の伸縮機構を説明するための図である。説明のために図１３を１２５で切って展開したものを図１４（ａ）、（ｂ）に示す。図１３、１４（ａ）、（ｂ）に示すように、円環フレーム１２３は、連結部位１２３ｃにおいて連結されたフレーム部材１２３ａ、１２３ｂ、フレーム部材１２３ａ、１２３ｂのなす角度θを開口長制御部３０からの信号に従って制御する開閉装置１２３ｄを有するパンタグラフである。例えば、開閉装置１２３ｄが開口長制御部３０からの信号に従って角度θを増大させた場合には、図１４（ｂ）に示すように連結されたフレーム部材１２３ａ、１２３ｂが伸張することで円環フレーム１２３の円弧長さ（又は半径）が増大し、その結果本超音波プローブ装置１０の開口長が大きくなる。一方、開閉装置１２３ｄが開口長制御部３０からの信号に従って角度θを減少させた場合には、図１４（ａ）に示すように連結されたフレーム部材１２３ａ、１２３ｂが収縮することで円環フレーム１２３円弧長さ（又は半径）が減少し、その結果、本超音波プローブ装置１０の開口長が小さくなる。
【００５５】
なお、連結部材１２３ｃは、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、パンタグラフ円弧長さと同期して長さが変わるものである（すなわち、開閉装置１２３ｄが角度θを増大させた場合には長くなり、角度θを減少させた場合には短くなる。）。本実施形態に係る超音波プローブ装置１０は、この連結部材１２３ｃの性質を利用して、パンタグラフ機構による開口長制御と連動した各超音波プローブ１０１の姿勢制御を実行する。
【００５６】
図１５（ａ）、（ｂ）は、パンタグラフ機構による開口長制御と連動した各超音波プローブ１０１の姿勢制御を説明するための図である。図１５（ａ）に示すように、連結部材１２３ｃは、ピニオン機構を有するハッチング部１２３ｅ、当該ハッチング部１２３ｅに結合され且つ超音波プローブ１０１を設置するめのラック１２３ｆを具備している。開閉装置１２３ｄによって角度θが増大され円環フレーム１２３が展開すると、当該展開と連動して、設置された超音波プローブ１０１の姿勢は例えば図１５（ｂ）に示すように下方に変化する。また、開閉装置１２３ｄによって角度θが減少され円環フレーム１２３が収縮すると、当該展開と収縮と連動して、設置された超音波プローブ１０１の姿勢は例えば図１５（ｂ）から図１５（ａ）へと変化する。
【００５７】
なお、ラック１２３ｆとピニオン機構の歯数と半径の関係は、既述の式（１）、（２）、（３）を満たすように向きを変更するために十分な条件を有する必要があることはいうまでもない。さらに、第１の実施形態で示した様に、超音波プローブ１０１の向きは、距離Ｌ１を考慮しない場合には、既述の式（３）、（４）を満たすような超音波プローブ１０１の向きθoを選択すれば十分である。この場合、超音波プローブ１０１の向きは、開口の大きさ長Ｈよって決まる角度となる。
【００５８】
また、図１５（ａ）、（ｂ）に示した超音波プローブ装置１０１の姿勢制御機構は、あくまでも一例である。従って、その姿勢を制御するために、例えば各超音波プローブ１０１毎に（すなわち個別に）姿勢駆動機構を有する構成であってもよい。
【００５９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上本発明によれば、開口長の大きさを制御可能とし、画像分解能及び観測対象距離を限定することなく、超音波による良好な画像化を実現することができる超音波プローブ装置及び超音波画像化装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る超音波画像処理装置１のブロック構成図を示している。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、超音波プローブ装置１０の展開状態と収縮状態を正面から図示したものである。
【図３】図３（ａ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の展開状態を示した図であり、図３（ｂ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の収縮状態を示した図である。
【図４】図４は、超音波を用いた媒質中物体の画像化における分解能について説明するための図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、超音波を用いた媒質中物体の画像化における分解能について説明するための図である。
【図６】図６は、超音波プローブの指向角と画像化領域Ｓとの位置関係を説明するための図である。
【図７】図７は、超音波プローブの姿勢制御の一例を説明するための図である。
【図８】図８は、超音波プローブの姿勢制御の他の例を説明するための図である。
【図９】図９は、画像化領域Ｓを超音波プローブの指向角幅内に存在させるための調整角θcを説明するための図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態に係る超音波プローブ装置１０の側面図を示した図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る超音波プローブ装置１０の超音波プローブ１０１の姿勢制御を説明するための図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）は、第３の実施形態に係る超音波プローブ装置１０の正面図である。
【図１３】図１３は、円環フレーム１２３の伸縮機構を説明するための図である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）は、円環フレーム１２３の伸縮機構を説明するための図である。
【図１５】図１５は、パンタグラフ機構による開口長制御と連動した各超音波プローブ１０１の姿勢制御を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…超音波画像化装置、１０…超音波プローブ装置、１２…増幅器、１４…Ａ／Ｄ変換器、１６…距離信号演算回路、１８…画像生成回路、２０…発信器、２２…切替回路、２４…発信制御部、２６…表示制御部、２８…表示部、３０…開口長制御部、３２…プローブ姿勢制御部、３４…操作部、１０１…超音波プローブ、１０３…開口長変更装置、１０４…プローブ姿勢変更部、１０５…伸縮ロッド、１０７…結合部材、１０９…リンク機構、１１１…ワイヤ、１１３…結合部、１１５…駆動機構、１２１…変形ロッド、１２３…円環フレーム、１２５…円環支持部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた媒質中物体の画像化技術分野に係り、特に、開口の大きさを制御可能な超音波プローブ装置及び超音波画像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用いた媒質中物体の可視化技術として、例えば海水中においては、遠方の魚群を探知する魚群探知機（超音波ソナー）に代表される超音波画像化装置が知られている。これらは、プラットフォームとしての船舶船底部に単数あるいは列状に配された複数の超音波プローブより超音波を海底へ向けて発信し、プラットフォームの移動に伴ってその受信波形を表示することで海底までの断面を作成し、魚群の画像を合成する手法をとっている。一般の超音波ソナーを用いた合成開口ソナーでも同様にプラットフォームの移動に伴って画像を生成するものであり、これらの手法では、プラットフォームの移動を行う必要があるとともに、プラットフォームの移動位置を正しく管理する必要がある。
【０００３】
これらの手法に対して、マトリクス状に超音波プローブを配置し、プラットフォームを移動することなく一度に画像を生成することができる装置等が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この様な装置では、マトリクス状に超音波プローブを配置することでいわゆる平面状のアンテナを有することになる。これらの装置においては、マトリクス状に配置されるプローブの相対的な位置関係は固定しており、プローブ密度は不変のものである。
【特許文献１】特願平４−２０６５８８号公報
【特許文献２】特願平３−１７４０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の超音波プローブ装置、超音波画像化装置には、次のような問題がある。
【０００５】
すなわち、超音波プローブがマトリクス状に配置された超音波プローブ装置（マトリクス状超音波プローブ装置）を用いた合成開口形式の超音波画像化装置では、画像分解能ΔＸは、プローブから画像化領域までの距離Ｈと、マトリクス状の超音波プローブによって形成される超音波照射面（開口）の径（開口長）Ｌとの間で、ΔＸはＬ／Ｈと比例の関係にある。従って、遠くを分解能良く画像化するには、大きなマトリクス超音波プローブが必要になる。
【０００６】
大きなマトリクス状超音波プローブ装置、すなわち開口長の大きなマトリクス状超音波プローブ装置で近距離を画像化すると、特定の超音波プローブの反射が強くなりすぎ、画質が低下する恐れがある。これは、マトリクス状超音波プローブ装置の超音波プローブ密度が近距離を画像化する場合には粗すぎるためとも言い換えられる。また、小さなマトリクス状超音波プローブ装置、すなわち開口長の小さなマトリクス状超音波プローブ装置で遠距離を画像化すると、画像分解能が足りなくなる恐れがある。これは、遠距離の分解能を挙げるためには受信面積を大きく取る必要があるという合成開口の原理によるものである。
【０００７】
すなわち、マトリクス状超音波プローブ装置の開口長が固定されていることで、画像分解能と観測対象距離が限定されるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、開口長の大きさを制御可能とし、画像分解能及び観測対象距離を限定することなく、超音波による良好な画像化を実現することができる超音波プローブ装置及び超音波画像化装置を提供することを目的としている。
【０００９】
なお、本願に関連する公知文献としては、例えば次のようなものがある。
【特許文献１】特開平４−２０６５８８号公報
【特許文献２】特開平３−１７４０９８号公報
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。
【００１１】
本発明の第１の視点は、それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、前記複数の超音波プローブが発生する各電気信号を用いて、超音波画像を生成する画像生成手段と、を具備することを特徴とする超音波画像化装置である。
【００１２】
本発明の第２の視点は、それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、を具備することを特徴とする超音波画プローブ装置である。
【発明の効果】
【００１３】
以上本発明によれば、開口長の大きさを制御可能とし、画像分解能及び観測対象距離を限定することなく、超音波による良好な画像化を実現することができる超音波プローブ装置及び超音波画像化装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施形態乃至第３実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る超音波画像処理装置１のブロック構成図を示している。同図に示すように、本超音波画像処理装置１は、超音波プローブ装置１０、増幅器１２、Ａ／Ｄ変換器１４、距離信号演算回路１６、画像生成回路１８、発信器２０、切替回路２２、発信制御部２４、表示制御部２６、表示部２８、開口長制御部３０、プローブ姿勢制御部３２、操作部３４を具備している。
【００１６】
超音波プローブ装置１０は、二次元状に配列された複数の超音波プローブ１０１、開口長変更装置１０３、プローブ姿勢変更部１０４を有している。複数の超音波プローブ１０１は、プローブ姿勢変更部１０４を介して開口長変更装置１０３に固定されている。各超音波プローブ１０１は、圧電素子から形成されており、供給される駆動信号に基づき超音波を発生し、また超音波を受信して所定の波形を有する電気信号を発生する。開口長変更装置１０３は、開口長制御部３０からの制御信号に従って開口長を変更するための機構を有している。プローブ姿勢変更部１０４は、プローブ姿勢制御部３２からの制御信号に従って画像化対象領域Ｓに対する各超音波プローブ１０１の姿勢を変更するための機構を有している。なお、超音波プローブ装置１０の詳しい構成については、後述する。
【００１７】
増幅器１２は、各超音波プローブ１０１が発生した受信超音波形を増幅し、Ａ／Ｄ変換器１４に送り出す。
【００１８】
Ａ／Ｄ変換器１４は、増幅器１２から受け取った増幅後の受信信号をＡ／Ｄ変換（アナログ／ディジタル変換）する。
【００１９】
距離信号演算回路１６は、Ａ／Ｄ変換後の受信信号に基づいて、画像化の対象物と各超音波プローブ１０１との間の距離を計算する。
【００２０】
画像生成回路１８は、各超音波プローブ１０１の位置情報と計算された画像化の対象物と各超音波プローブ１０１との距離とに基づいて、対象物に関する超音波画像を各超音波プローブ１０１毎（各チャネル毎）に生成する。ここで、チャネルとは、超音波プローブ１０１毎に設けられている増幅器１２、Ａ／Ｄ変換器１４、距離信号演算回路１６、画像生成回路１８からなる受信系統を意味する。
【００２１】
発信器２０は、所定のレート周波数ｆｒ Ｈｚ（周期；１／ｆｒ秒）で、発信超音波を形成するための駆動信号を繰り返し発生する。
【００２２】
切替回路２２は、発信制御部２４からの制御信号に従ってスイッチを切り替え、発信器２０からの駆動信号を所定の超音波プローブ１０１に所定のタイミングで供給する。
【００２３】
発信制御部２４は、発信器２０からの駆動信号を供給する超音波プローブ１０１の選択、供給タイミング（供給間隔）に関する制御、及び各超音波プローブ１０１による反射超音波の受信タイミング制御を行う。特に、発信制御部２４は、後述する最大／最小距離を用いた開口合成機能に従って、各超音波プローブ１０１への駆動信号の供給（すなわち、各超音波プローブ１０１からの超音波発信）、及び各超音波プローブ１０１による反射超音波の受信のタイミングを制御する。
【００２４】
表示制御部２６は、画像生成回路１８において生成されたチャネル毎の超音波画像を合成し、画像化対象物の形状、内部構造等を示す超音波画像を生成する。
【００２５】
表示部２８は、表示制御部２６において生成された超音波画像等を所定の形態で表示する。
【００２６】
開口長制御部３０は、発受信制御部２４の制御のもと、開口長変更装置１０３の機構を展開（伸張）又は収縮させることで、超音波プローブ装置１０の開口長を制御する。例えば、開口長制御部３０は、画像化対象領域Ｓと超音波プローブ装置１０との間の距離をＬとし、超音波プローブ装置１０の開口長をＨとした場合、Ｌ／Ｈ＝一定となるように開口長変更装置１０３の機構を展開又は収縮させる。
【００２７】
プローブ姿勢制御部３２は、発受信制御部２４の制御のもと、プローブ姿勢変更部１０４の機構を駆動することで、各超音波プローブ１０１の姿勢を制御する。例えば、画像化対象領域Ｓが超音波プローブ装置１０から距離Ｌの位置にある径Ｌ１の円盤状のものとしたとき、プローブ姿勢制御部３２は、開口長Ｈの長さを有する超音波プローブ装置１０の先端位置０．５Ｈにおいて指向角θcの超音波を送受信する超音波プローブ１０１が次の式（１）、（２）、（３）で定めるθoの向きになるように、プローブ姿勢変更部１０４の機構を制御する。
【数１】
【００２８】
この開口長制御部３０とプローブ姿勢制御部３２の制御によって、例えば近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくすることによって画像の分解能が一定に保たれる。
【００２９】
操作部３４は、操作者からの各種指示、条件の設定指示、種々の画質条件設定指示等を装置本体１にとりこむための各種スイッチ、ボタン、トラックボール１３ｓ、マウス１３ｃ、キーボード１３ｄ等を有している。
【００３０】
（開口長制御機能）
次に、本超音波画像化装置１が有する開口長制御機能について説明する。この機能は、近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくするように、開口長を伸張、収縮させるものである。また、画像化領域が各超音波プローブからの超音波指向角幅に含まれるように、各超音波プローブの姿勢を開口長の伸張、収縮に連動して制御する。これらの機能により、画像化対象までの距離に関係なく画像の分解能が一定に保つことができる。
【００３１】
図２（ａ）は、超音波プローブ装置１０の展開状態を正面から見た図であり、図２（ｂ）は、超音波プローブ装置１０の収縮展開状態を正面から見た図である。各図に示すように、超音波プローブ１０１は伸縮ロッド１０５上に設置され、伸縮ロッド１０５は隣接するロッド同士を結合部材１０７によって結合されている。各伸縮ロッド１０５が伸び縮みすることで、開口面及び開口長を展開および収縮することができる。
【００３２】
超音波プローブ１０１のそれぞれは数ｃｍから数１０ｃｍ程度の径を有するため、開口長を収縮した状態では超音波プローブ１０１同士が重なりあう場合があり、係る場合、図２（ｂ）に示すように収縮した状態で超音波プローブ１０１同士が重ならないようにする必要がある。従って、超音波プローブ１０１は図２（ａ）に示すように各伸縮ロッド１０５に対して同じ数設置されるわけではなく、図２（ｂ）に示すように収縮した状態において重ならないように配置される。
【００３３】
なお、図２（ａ）、（ｂ）の例においては、超音波プローブ１０１は合計６４個が配置され、伸縮ロッド１０５は３２本配置されている。また、伸縮ロッド１０５は３本が１セットとなり、この伸縮ロッド１０５の１セットには、それぞれ超音波プローブ素子が４個、１個、２個のパターン（図２（ａ）の領域ｒ１参照）、或いは３個、１個、２個のパターン（図２（ａ）の領域ｒ２参照）で設置されている。しかしながら、当該例に拘泥されず、超音波プローブ１０１の個数、伸縮ロッド１０５の本数、各伸縮ロッド１０５に配置される超音波プローブ１０１の個数は、任意に設定することができる。
【００３４】
図３（ａ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の展開状態を示した図であり、図３（ｂ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の収縮状態を示した図である。各図に示すように、伸縮ロッド１０５は、送り出しのためのワイヤ１１１と結合部１１３によって結合されており、その送り出しワイヤ１１１は駆動機構１１５の回転によって送り出される。
【００３５】
また、伸縮ロッド１０５は、伸縮に伴って各超音波プローブ１０１の姿勢角を変更するリンク機構１０９を有している。リンク機構１０９は、所定の条件を満たすよう展開・収縮の大きさに応じて所定の条件を満たすよう各超音波プローブ１０１の姿勢角を制御する。このリンク機構１０９の典型例としては、伸縮ロッド１０５の伸縮長に同期して超音波プローブ１０１の角度を変更するようなラックピニオン機構などが挙げられる。しかしながら、当該例に拘泥されず、伸縮ロッド１０５の伸縮・収縮運動を回転運動に変換するものであれば、どの様な機構であっってもよい。
【００３６】
超音波を用いた媒質中物体の画像化における分解能について、図４、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。超音波プローブ１０１が例えば図２（ａ）に示す形態にて配置された場合の開口長をＨとし、画像化対象領域Ｓと超音波プローブ装置１０の開口面との距離をＬとする。この場合、画像分解能ΔＸは、超音波プローブ１０１から画像化領域Ｓまでの距離Ｈと超音波プローブ装置１０の大きさＬとの間においては、ΔＸとＬ／Ｈとは比例の関係にある。従って、近距離の画像化を行う場合には、図５（ａ）に示すように超音波プローブ１０１の配置密度を上げた状態にする必要がある。また、遠距離の画像化を行う場合には、図５（ｂ）に示すように超音波プローブ１０１の配置密度を下げた状態にする必要がある。
【００３７】
一方、超音波プローブ１０１の配置密度については制限がある。これは、超音波プローブ１０１の指向性に起因するものである。また、発信された超音波が遠方の反射体に反射され、反射波として超音波プローブ１０１に検出されるためには、発信超音波の強度を上げる必要がある。発信超音波の強度を上げるためには、超音波プローブ１０１自体を大きくする方法がある。ただし、発信超音波の波形の半波長より超音波プローブ１０１の径が大きくなっていくと、超音波プローブ１０１が発信する超音波は当該プローブ１０１の前面に強く放射される指向性を持った波形となり、放射される波形の放射範囲(指向角内)に観測領域が無いと反射信号は弱すぎて受信できなくなる。つまり、ある画像化範囲に有効な反射波を発信できる超音波プローブ１０１の設置範囲には限界があり、それ以外に配置された残りの超音波プローブ１０１は開口合成による反射体の形状把握に寄与できなくなる。
【００３８】
すなわち、画像化領域Ｓを定めると、超音波プローブ１０１から発信される超音波の指向性により、画像化領域Ｓ内に超音波を発信可能な超音波プローブ１０１が制限される。図６に示す例では、超音波プローブ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄのそれぞれから発信された超音波の各指向角θａ、θｂ、θｃ、θｄ内に画像化領域Ｓが入っている。一方、一番下の超音波プローブ１０１ｅから発信された超音波の各指向角θｅ内には、画像化領域Ｓの一部しか存在しない。このように指向性がある超音波プローブ１０１を用いると、超音波プローブ装置１０の開口長をどれだけ大きくしても、実際の開口合成に寄与する超音波プローブ１０１は全プローブの一部に限られてしまうことになる。以上のように、個々の超音波プローブ１０１が指向性を有することによって、開口合成に関与する超音波プローブ１０１の配置範囲に制限が生まれる。
【００３９】
そこで、本実施形態に係る超音波プローブ装置１０、及びこれを具備する超音波画像化装置１では、この制限を回避するために、各超音波プローブ１０１の姿勢を制御する。すなわち、図７に示すように個々の超音波プローブ１０１の各指向角内に画像化領域Ｓが入るように、各超音波プローブ１０１の向き（姿勢）を制御する。例えば、超音波プローブ１０１ａについては、プローブ姿勢制御部２１は、例えば鉛直方向に対して調整角θＡだけ下側に傾けることで超音波プローブ１０１の各指向角内に画像化領域Ｓが入るように、プローブ姿勢変更部１０４を制御する。この様な各超音波プローブ１０１の姿勢制御により、全ての超音波プローブ１０１から発信される超音波を画像化領域Ｓに到達させることができる。その結果、全超音波プローブ１０１を開口合成に寄与させることができ、開口長の大きさを大きくしただけ分解能を高くすることができる。
【００４０】
なお、超音波プローブ１０１の姿勢制御は、上記例に拘泥されない。超音波プローブ１０１が固定された伸縮ロッド１０５を変形させることで、鉛直方向に対する超音波プローブ１０１の角度を調整するようにしてもよい。図８には、画像化領域Ｓを中心として所定の曲率により円弧の一部分となるように変形ロッド１２１を変形する例を示してある。この様な手法によっても、鉛直方向に対する超音波プローブ１０１の角度を調整することができ、超音波プローブ１０１が常に画像化領域Ｓの方向を向くようにすることができる。特に、この様な超音波プローブ１０１の姿勢制御の利点は、超音波プローブ１０１毎に制御する必要がなく、統一的な駆動機構で調整可能であり、また個々の超音波プローブ１０１の位置精度も維持しやすいことである。
【００４１】
図８に示した例において球面の曲率を最小にするためには、一回の超音波発受信で画像化することを予定した画像化領域Ｓが各超音波プローブ１０１の指向角幅に入ればよい。図９に示すように、画像化領域Ｓを指向角幅内に存在させるための超音波プローブ１０１ａの最小の調整角θＡ（＝θｏ）は、式（１）の関係式によって求めることができる。ここで、Ｌ１は式（２）で、Ｈは式（３）で書き表される。すなわち、超音波プローブ装置１０からＬだけ離れた位置にある半径Ｈ１の円盤状の画像化領域Ｓに、開口面一番端の位置０．５Ｈで指向角θcの超音波プローブ１０１からの音波を照射するためには、超音波プローブ１０１の向きをθoとすればよい。
【００４２】
なお、超音波プローブ１０１の向きのみを調整する場合には、距離Ｌ１を考慮しない式（３）、及び次に示す式（４）を満たすような超音波プローブ１０１の向きθoを選択すれば十分である。
【数２】
【００４３】
（効果）
以上述べた構成によれば、近距離を画像化する場合には開口長Ｈを小さくとり、遠距離を画像化する場合には開口長Ｈを大きくするように、開口長を伸張、収縮させることができる。特に、超音波プローブ装置の開口長をＨ、当該超音波プローブ装置と画像化対象領域との間の距離をＬとした場合に、Ｌ／Ｈが一定となるように、画像化対象領域までの距離Ｌに応じて開口長Ｈを制御する。従って、画像対象領域までの距離に関わらず、一定の画質による超音波画像化を実現することができる。特に、開口長を伸張、収縮に連動して、画像化領域が各超音波プローブからの超音波指向角幅に含まれるように、各超音波プローブの姿勢を制御する。これにより、全ての超音波プローブを画像化に寄与させることができ、画像化対象までの距離に関係なく画像の分解能が一定に保つことができる。
【００４４】
また、本超音波プローブ装置では、伸縮ロッド等を利用した開口長変更装置によって、展開・収縮を任意回数実行できる強固な構造となっている。従って、例えば海中の様な抵抗の大きい媒質中においても、自在に開口長を制御することが可能である。
【００４５】
なお、超音波を用いた開口合成手法によく似た観測手段として、電波を用いた合成開口レーダにおいて、展開機能を有するアンテナがよく用いられている。例えば、宇宙空間の人工衛星において、地上との通信や各種観測に用いるための展開アンテナとして様々なものが知られている。これらの人工衛星用アンテナは、打ち上げ時収納のために収縮しているものの、展開を一度きり行えばよいものであり、展開収縮を複数回行うことはない。また、障害物のない宇宙空間に展開されるため、構造が脆弱でも問題はないと言える。さらに、アンテナとして電波を用いるために電波の波長を送受信する素子は面状に配置されており、その素子の配置密度を操作する必要もない。また、プラットフォームとしての人工衛星そのものが移動することによって開口合成を行うために、アンテナ素子の向きを変更する必要もない。従って、本超音波プローブ装置は、これらのアンテナに比して、展開・収縮を任意のタイミングで所望する回数だけ実行できるものとなっており、また、格段の強度を有するものとなっている。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る超音波画像化装置１０は、超音波プローブ装置１０の超音波照射面（すなわち、開口面）を画像対象領域Ｓに対して傾斜させることで、開口長及び姿勢を制御する例である。
【００４７】
図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る超音波プローブ装置１０の側面図を示した図である。同図に示すように、本超音波プローブ装置１０は、平面板１２１に対しプローブ姿勢変更部１０４を介して超音波プローブ１０１がマトリックス状に配列されている。なお、超音波プローブ１０１を配列する土台は、平面板１２１に拘泥されず、例えば波等からの影響を低減させるために格子状の強固なフレームであってもよい。
【００４８】
本超音波プローブ装置１０において開口長を長くする場合には、図１０（ａ）に示すように平面板１２１をＳに対して直面するように配置し、且つ各超音波プローブ１０１と平面板１２１とが垂直になるように（すなわち、各超音波プローブ１０１が画像化領域と直面するように）プローブ姿勢変更部１０４を制御する。一方、開口長を短くする場合には、図１０（ｂ）に示すように例えば水平方向と角度θｅをなすように平面板１２１を傾斜させる。また、このとき、全ての超音波プローブ１０１を画像化に寄与させるために、各超音波プローブ１０１の姿勢を制御する。この制御は、例えば図１１に示すように、当該超音波プローブ装置１０から径Ｈ１の円盤状の画像化領域までの距離をＬとした場合に、当該超音波プローブ装置１０の開口面一番端の位置０．５Ｈで指向角θcの超音波を画像照射領域Ｓに対して照射するために、次の式（５）で与えられる角度θoだけ超音波プローブ１０１を傾ける。
【数３】
【００４９】
なお、式（５）中のＬ１、Ｈは、それぞれ次の式（６）、（７）によって与えられる。
【数４】
【００５０】
以上述べた構成によっても、第１の実施形態と同様の効果を実現することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る超音波画像化装置１０は、複数の超音波プローブ１０１が配列された、大きさの異なる同心円上の円形フレームの円弧長（又は半径）を制御することで、当該超音波プローブ装置１０の開口長を制御する例である。
【００５２】
図１２（ａ）は、本実施形態に係る超音波プローブ装置１０の展開状態を正面から見た図であり、図１２（ｂ）は収縮展開状態を正面から見た図である。各図に示すように、超音波プローブ装置１０は、同心円状に配置され複数の超音波プローブ１０１が設置された複数の円環フレーム１２３を有している。また、各円環フレーム１２３は、中心位置を固定したままで伸縮自在な機構（詳細は後述）を有している。従って、各円環フレーム１２３の動径方向に沿って拡大、縮小させることで、本超音波プローブ装置１０の開口長を展開（拡大）、収縮させることができる。
【００５３】
なお、図１２（ａ）、（ｂ）に示した例では、内側から順番に、６個、６個、６個、１２個の超音波プローブ１０１が各円環フレーム１２３に設置された超音波プローブ装置１０を示している。しかしながら、当該例に拘泥されず、図１２（ｂ）に示す収縮状態のときに超音波プローブ１０１同士が接触しない範囲であれば、どのような設置構成であってもよい。また、円環支持部材１２５の数についても、特に限定はない。
【００５４】
図１３は、円環フレーム１２３の伸縮機構を説明するための図である。説明のために図１３を１２５で切って展開したものを図１４（ａ）、（ｂ）に示す。図１３、１４（ａ）、（ｂ）に示すように、円環フレーム１２３は、連結部位１２３ｃにおいて連結されたフレーム部材１２３ａ、１２３ｂ、フレーム部材１２３ａ、１２３ｂのなす角度θを開口長制御部３０からの信号に従って制御する開閉装置１２３ｄを有するパンタグラフである。例えば、開閉装置１２３ｄが開口長制御部３０からの信号に従って角度θを増大させた場合には、図１４（ｂ）に示すように連結されたフレーム部材１２３ａ、１２３ｂが伸張することで円環フレーム１２３の円弧長さ（又は半径）が増大し、その結果本超音波プローブ装置１０の開口長が大きくなる。一方、開閉装置１２３ｄが開口長制御部３０からの信号に従って角度θを減少させた場合には、図１４（ａ）に示すように連結されたフレーム部材１２３ａ、１２３ｂが収縮することで円環フレーム１２３円弧長さ（又は半径）が減少し、その結果、本超音波プローブ装置１０の開口長が小さくなる。
【００５５】
なお、連結部材１２３ｃは、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、パンタグラフ円弧長さと同期して長さが変わるものである（すなわち、開閉装置１２３ｄが角度θを増大させた場合には長くなり、角度θを減少させた場合には短くなる。）。本実施形態に係る超音波プローブ装置１０は、この連結部材１２３ｃの性質を利用して、パンタグラフ機構による開口長制御と連動した各超音波プローブ１０１の姿勢制御を実行する。
【００５６】
図１５（ａ）、（ｂ）は、パンタグラフ機構による開口長制御と連動した各超音波プローブ１０１の姿勢制御を説明するための図である。図１５（ａ）に示すように、連結部材１２３ｃは、ピニオン機構を有するハッチング部１２３ｅ、当該ハッチング部１２３ｅに結合され且つ超音波プローブ１０１を設置するめのラック１２３ｆを具備している。開閉装置１２３ｄによって角度θが増大され円環フレーム１２３が展開すると、当該展開と連動して、設置された超音波プローブ１０１の姿勢は例えば図１５（ｂ）に示すように下方に変化する。また、開閉装置１２３ｄによって角度θが減少され円環フレーム１２３が収縮すると、当該展開と収縮と連動して、設置された超音波プローブ１０１の姿勢は例えば図１５（ｂ）から図１５（ａ）へと変化する。
【００５７】
なお、ラック１２３ｆとピニオン機構の歯数と半径の関係は、既述の式（１）、（２）、（３）を満たすように向きを変更するために十分な条件を有する必要があることはいうまでもない。さらに、第１の実施形態で示した様に、超音波プローブ１０１の向きは、距離Ｌ１を考慮しない場合には、既述の式（３）、（４）を満たすような超音波プローブ１０１の向きθoを選択すれば十分である。この場合、超音波プローブ１０１の向きは、開口の大きさ長Ｈよって決まる角度となる。
【００５８】
また、図１５（ａ）、（ｂ）に示した超音波プローブ装置１０１の姿勢制御機構は、あくまでも一例である。従って、その姿勢を制御するために、例えば各超音波プローブ１０１毎に（すなわち個別に）姿勢駆動機構を有する構成であってもよい。
【００５９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上本発明によれば、開口長の大きさを制御可能とし、画像分解能及び観測対象距離を限定することなく、超音波による良好な画像化を実現することができる超音波プローブ装置及び超音波画像化装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る超音波画像処理装置１のブロック構成図を示している。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、超音波プローブ装置１０の展開状態と収縮状態を正面から図示したものである。
【図３】図３（ａ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の展開状態を示した図であり、図３（ｂ）は、図２（ａ）の領域ｒ１の収縮状態を示した図である。
【図４】図４は、超音波を用いた媒質中物体の画像化における分解能について説明するための図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、超音波を用いた媒質中物体の画像化における分解能について説明するための図である。
【図６】図６は、超音波プローブの指向角と画像化領域Ｓとの位置関係を説明するための図である。
【図７】図７は、超音波プローブの姿勢制御の一例を説明するための図である。
【図８】図８は、超音波プローブの姿勢制御の他の例を説明するための図である。
【図９】図９は、画像化領域Ｓを超音波プローブの指向角幅内に存在させるための調整角θcを説明するための図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態に係る超音波プローブ装置１０の側面図を示した図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る超音波プローブ装置１０の超音波プローブ１０１の姿勢制御を説明するための図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）は、第３の実施形態に係る超音波プローブ装置１０の正面図である。
【図１３】図１３は、円環フレーム１２３の伸縮機構を説明するための図である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）は、円環フレーム１２３の伸縮機構を説明するための図である。
【図１５】図１５は、パンタグラフ機構による開口長制御と連動した各超音波プローブ１０１の姿勢制御を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…超音波画像化装置、１０…超音波プローブ装置、１２…増幅器、１４…Ａ／Ｄ変換器、１６…距離信号演算回路、１８…画像生成回路、２０…発信器、２２…切替回路、２４…発信制御部、２６…表示制御部、２８…表示部、３０…開口長制御部、３２…プローブ姿勢制御部、３４…操作部、１０１…超音波プローブ、１０３…開口長変更装置、１０４…プローブ姿勢変更部、１０５…伸縮ロッド、１０７…結合部材、１０９…リンク機構、１１１…ワイヤ、１１３…結合部、１１５…駆動機構、１２１…変形ロッド、１２３…円環フレーム、１２５…円環支持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、
前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、
前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、
前記複数の超音波プローブが発生する各電気信号を用いて、超音波画像を生成する画像生成手段と、
を具備することを特徴とする超音波画像化装置。
【請求項２】
前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が近くなるに従って前記設置手段を収縮させ、前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が遠くなるに従って前記設置手段を伸張させるように、前記伸張収縮機構を制御する制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波画像化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記超音波照射面の径をＨとし、前記超音波照射面から画像化対象領域までの距離をＬとした場合に、Ｌ／Ｈが一定となるように、前記距離Ｌに従って前記伸張収縮機構を制御することを特徴とする請求項２記載の超音波画像化装置。
【請求項４】
前記複数の超音波プローブのそれぞれが発信する超音波の指向角幅に画像化対象領域が含まれるように、前記設置手段を伸張又は収縮に連動して、少なくとも一つの前記超音波プローブの前記設置手段に対する姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波画像化装置。
【請求項５】
それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、
前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、
前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、
を具備することを特徴とする超音波プローブ装置。
【請求項６】
前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が近くなるに従って前記設置手段を収縮させ、前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が遠くなるに従って前記設置手段を伸張させるように、前記伸張収縮機構を制御する制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の超音波プローブ装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記超音波照射面の径をＨとし、前記超音波照射面から画像化対象領域までの距離をＬとした場合に、Ｌ／Ｈが一定となるように、前記距離Ｌに従って前記伸張収縮機構を制御することを特徴とする請求項６記載の超音波プローブ装置。
【請求項８】
前記複数の超音波プローブのそれぞれが発信する超音波の指向角幅に画像化対象領域が含まれるように、前記設置手段を伸張又は収縮に連動して、少なくとも一つの前記超音波プローブの前記設置手段に対する姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項５又は６記載の超音波プローブ装置。
【請求項１】
それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、
前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、
前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、
前記複数の超音波プローブが発生する各電気信号を用いて、超音波画像を生成する画像生成手段と、
を具備することを特徴とする超音波画像化装置。
【請求項２】
前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が近くなるに従って前記設置手段を収縮させ、前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が遠くなるに従って前記設置手段を伸張させるように、前記伸張収縮機構を制御する制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の超音波画像化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記超音波照射面の径をＨとし、前記超音波照射面から画像化対象領域までの距離をＬとした場合に、Ｌ／Ｈが一定となるように、前記距離Ｌに従って前記伸張収縮機構を制御することを特徴とする請求項２記載の超音波画像化装置。
【請求項４】
前記複数の超音波プローブのそれぞれが発信する超音波の指向角幅に画像化対象領域が含まれるように、前記設置手段を伸張又は収縮に連動して、少なくとも一つの前記超音波プローブの前記設置手段に対する姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波画像化装置。
【請求項５】
それぞれが、供給される駆動信号に応答して超音波を発信し、超音波を受信して電気信号を発生する複数の超音波プローブと、
前記複数の超音波プローブを二次元状に配列し設置するための設置手段と、
前記設置手段を伸張及び収縮させることで、前記複数の超音波プローブが配列されることによって形成される超音波照射面の径を変更する伸張収縮機構と、
を具備することを特徴とする超音波プローブ装置。
【請求項６】
前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が近くなるに従って前記設置手段を収縮させ、前記超音波照射面と画像化対象領域との距離が遠くなるに従って前記設置手段を伸張させるように、前記伸張収縮機構を制御する制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の超音波プローブ装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記超音波照射面の径をＨとし、前記超音波照射面から画像化対象領域までの距離をＬとした場合に、Ｌ／Ｈが一定となるように、前記距離Ｌに従って前記伸張収縮機構を制御することを特徴とする請求項６記載の超音波プローブ装置。
【請求項８】
前記複数の超音波プローブのそれぞれが発信する超音波の指向角幅に画像化対象領域が含まれるように、前記設置手段を伸張又は収縮に連動して、少なくとも一つの前記超音波プローブの前記設置手段に対する姿勢を制御する姿勢制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項５又は６記載の超音波プローブ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２６５０３７（Ｐ２００９−２６５０３７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１７７８７（Ｐ２００８−１１７７８７）
【出願日】平成２０年４月２８日（２００８．４．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２８日（２００８．４．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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