專利名稱：超聲波成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用超聲波將檢查對象物成像的超聲波成像裝置。
背景技術(shù)：
例如，在醫(yī)療領(lǐng)域等所使用的超聲波成像裝置中，通過對微小壓電元件進(jìn)行二維 或三維掃描，來生成筆形波束(pencil beam)(狹指向角的超聲波束)，從而形成圖像。這 里，為了生成三維的圖像，需要在三維空間中例如進(jìn)行幾百至幾千次的非差多次數(shù)的掃描。另一方面，正在開發(fā)一種通過從配置成矩陣狀的壓電元件發(fā)出寬指向角的超聲 波，對接收回波信號進(jìn)行孔徑合成(開口合成)處理，從而生成圖像的方式。將一個壓電元 件作為發(fā)送點來發(fā)送超聲波，并由其他的壓電元件進(jìn)行接收。通過變更發(fā)送點、進(jìn)行幾十次 左右的收發(fā)，可以生成立體圖像。這里，在從壓電元件發(fā)送寬指向角的超聲波的情況下，超聲波圖像的分辨率提高 存在界限。在孔徑合成處理中，超聲波的收發(fā)指向角越寬廣，分辨率越提高。為了使指向角 更加寬廣，需要實現(xiàn)壓電元件的小型化。但是，如果使壓電元件小型化，則靈敏度降低，反而 有可能使超聲波圖像的分辨率降低。因此，提出了 一種通過對來自多個壓電元件的超聲波的發(fā)送定時進(jìn)行控制，從一 個虛擬點音源發(fā)送超聲波的超聲波成像裝置(參照專利文獻(xiàn)1)。由于即使壓電元件小型 化，靈敏度也不會降低，所以可實現(xiàn)分辨率的提高。但是，難以使用該超聲波成像裝置生成狹指向角的超聲波束。專利文獻(xiàn)1 日本特開2000-28589號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種無論對于寬指向角還是狹指向角的發(fā)送超聲波都能 夠生成有效的圖像的超聲波成像裝置。本發(fā)明的一個方式涉及的超聲波成像裝置具備具有多個壓電元件的超聲波換能 器；發(fā)送控制部，對從所述多個壓電元件中選擇的多個第一壓電元件各自的發(fā)送定時進(jìn)行 控制，以使從所述多個第一壓電元件發(fā)送的超聲波的合成波與從規(guī)定的虛擬發(fā)送點發(fā)送的 超聲波對應(yīng)；信號檢測電路，檢測電信號，該電信號是與從所述多個第一壓電元件發(fā)送并被 檢查對象物反射、然后由從所述多個壓電元件中選擇的多個第二壓電元件接收的超聲波回 波對應(yīng)的信號；第一存儲部，對表示發(fā)送傳播時間的發(fā)送時間表進(jìn)行存儲，所述發(fā)送傳播時 間是超聲波從所述規(guī)定的虛擬發(fā)送點開始、到對包含所述檢查對象物的空間進(jìn)行劃分的多 個空間網(wǎng)目中的每一個為止所傳播的時間；第二存儲部，對表示接收傳播時間的接收時間 表進(jìn)行存儲，所述接收傳播時間是超聲波從所述多個空間網(wǎng)目的每一個開始到所述多個第 二壓電元件為止所傳播的時間；第三存儲部，對補償時間進(jìn)行存儲，所述補償時間是超聲波 從所述多個第一壓電元件傳播到所述虛擬發(fā)送點的時間；計算部，將所述發(fā)送傳播時間、所 述接收傳播時間和所述補償時間相加，計算出超聲波的總傳播時間；以及生成部，根據(jù)所述電信號和所述總傳播時間，生成與所述檢查對象物對應(yīng)的圖像。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種無論對于寬指向角還是狹指向角的發(fā)送超聲波都能夠 生成有效的圖像的超聲波成像裝置。


圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式涉及的超聲波成像裝置100的構(gòu)成圖。圖2A是表示會聚點(收束點)PFi的示意圖。圖2B是表示虛擬點音源PYi的示意圖。圖3是表示多個虛擬發(fā)送點Pi的例子的示意圖。圖4是表示圖像合成處理的步驟的示意圖。圖5是表示檢查對象物20a的示意圖。圖6是表示異常區(qū)域的檢測步驟的一例的示意圖。圖7是表示X方向上的底面深度分布D(x)、判定表Th(x)、強度分布P(x)、判定圖 像數(shù)據(jù)J(x)的一例的圖。附圖標(biāo)記說明100-超聲波成像裝置，110-超聲波換能器，111-壓電元件，112-發(fā)送壓電元件組， 113-接收壓電元件組，121-發(fā)送切換電路，122-發(fā)送部，123-發(fā)送控制部，131-接收切換 電路，132-放大器，133-A/D轉(zhuǎn)換器，140-信號處理部，150-顯示部，160-判定部，20-檢查 對象物，21-缺陷，30-成像范圍，31-成像網(wǎng)目(mesh)，40_聲音傳播介質(zhì)，Pi-虛擬發(fā)送點， PFi-會聚點，PYi-虛擬點音源。
具體實施例方式下面參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1是表示本發(fā)明的一個實 施方式涉及的超聲波成像裝置100的構(gòu)成圖。超聲波成像裝置100具有超聲波換能器110、發(fā)送切換電路121、發(fā)送部122、發(fā) 送控制部123、接收切換電路131、放大器132、A/D轉(zhuǎn)換器133、信號處理部140、顯示部150 和判定部160。超聲波成像裝置100通過對檢查對象物20發(fā)送超聲波，并接收被檢查對象 物20的表面22及內(nèi)部反射的超聲波，來使成像范圍30內(nèi)(檢查對象物20的表面22及內(nèi) 部(缺陷21等))可視化。具體而言，成像范圍30以成像網(wǎng)目31為單位被可視化。結(jié)果， 可檢測出檢查對象物20內(nèi)部的缺陷21。檢查對象物20被配置在聲音傳播介質(zhì)40中。聲音傳播介質(zhì)40為了在超聲波換 能器110與檢查對象物20之間有效地傳播超聲波，被配置在它們之間。作為聲音傳播介質(zhì) 40，可以使用液體介質(zhì)(水、油等)、固體介質(zhì)(樹脂等)。成像范圍30用于表示通過超聲波成像裝置100而被可視化的空間的范圍。成像 網(wǎng)目31(ix，iy，iz)例如具有立方體狀、長方體狀的形狀，是將成像范圍30在不同的方向 上(例如X、Y、Z方向)分別劃分的多個區(qū)域。成像網(wǎng)目31(ix，iy，iz)可以通過與它們的 方向分別對應(yīng)的后綴ix、iy、iz來相互識別。這里，ix = 1 Nx，iy = 1 Ny，iz = 1 Nz，數(shù)Nx、Ny、Nz分別是X、Y、Z方向上的成像范圍30的劃分?jǐn)?shù)。成像網(wǎng)目31與對包含檢查對象物20的空間進(jìn)行劃分的多個空間網(wǎng)目對應(yīng)。在超聲波換能器110中多個壓電元件111配置成矩陣狀，或者多個壓電元件1配 置成1列。在該實例中，壓電元件111在X-Y方向以矩陣狀配置。不過，壓電元件111的配 置方向也可以不是X-Y方向。壓電元件111對檢查對象物20發(fā)送超聲波，并且接收被檢查對象物20內(nèi)的缺陷 21等反射的超聲波回波(反射波)。壓電元件111具有壓電材料，通過將電信號轉(zhuǎn)換成超 聲波而發(fā)出超聲波。另外，壓電元件111通過將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號，來接收超聲波?？梢?在發(fā)送、接收雙方中使用相同的壓電元件111。發(fā)送切換電路121用于選擇發(fā)送中使用的壓電元件111。這里，16個壓電元件111 被選擇為發(fā)送壓電元件組112。發(fā)送切換電路121作為“與多個不同的虛擬發(fā)送點分別對 應(yīng)，選擇第一壓電元件的發(fā)送選擇部”而發(fā)揮功能。發(fā)送部122使屬于由發(fā)送切換電路121選擇的發(fā)送壓電元件組112的壓電元件 111發(fā)送超聲波。發(fā)送部122通過對壓電元件111施加單脈沖信號、連續(xù)脈沖信號等，使其 發(fā)出超聲波。發(fā)送控制部123對從發(fā)送部122輸出的電信號的相位(超聲波的發(fā)送定時)進(jìn)行 控制。即，控制由發(fā)送切換電路121選擇出的規(guī)定個數(shù)的發(fā)送壓電元件組112內(nèi)的壓電元 件111的發(fā)送定時。結(jié)果，從超聲波換能器110發(fā)出的超聲波的合成波，與從一個虛擬發(fā)送 點Pi(會聚點PFi、虛擬點音源PYi)發(fā)送的超聲波對應(yīng)。即，發(fā)送控制部123對應(yīng)于“發(fā)送 控制部，其對從多個壓電元件中選擇的多個第一壓電元件各自的發(fā)送定時進(jìn)行控制，以使 從所述多個第一壓電元件發(fā)送的超聲波的合成波與從規(guī)定的虛擬發(fā)送點發(fā)送的超聲波對 應(yīng)”。對于該詳細(xì)內(nèi)容將在后面敘述。接收切換電路131選擇在接收時所使用的壓電元件111。這里，選擇了 16個壓電 元件111作為接收壓電元件組113。接收切換電路131作為“與多個不同的虛擬發(fā)送點中 的每一個相對應(yīng)地選擇所述第二壓電元件的接收選擇部”發(fā)揮功能。從發(fā)送壓電元件組112內(nèi)的壓電元件111發(fā)送的超聲波，在經(jīng)由聲音傳播介質(zhì)40 被檢查對象物20的表面22折射之后，在檢查對象物20內(nèi)傳播，被缺陷21反射。被缺陷21 反射的超聲波回波在檢查對象物20的表面22再次發(fā)生折射，經(jīng)由聲音傳播介質(zhì)40，被接收 壓電元件組113內(nèi)的壓電元件111接收。接收壓電元件組113內(nèi)的壓電元件111輸出與接 收到的超聲波回波對應(yīng)的電信號(超聲波回波信號)。放大器132對來自屬于接收壓電元件組113的壓電元件111的超聲波回波信號進(jìn) 行放大。A/D轉(zhuǎn)換器133對被放大器132放大后的超聲波回波信號進(jìn)行A/D (模擬-數(shù)字) 轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器133通過對超聲波回波信號進(jìn)行采樣，生成后述的采樣數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器 133對應(yīng)于“信號檢測電路，其檢測與從多個第一壓電元件發(fā)送并被檢查對象物反射、然后 由從所述多個壓電元件選擇的多個第二壓電元件接收的超聲波回波對應(yīng)的電信號”。信號處理部140通過對A/D變換后的超聲波回波信號進(jìn)行孔徑合成處理，生成包 含檢查對象物20的表面22、缺陷21的圖像的圖像數(shù)據(jù)I。生成的圖像數(shù)據(jù)I被發(fā)送給顯 示部150及判定部160。關(guān)于孔徑合成處理的詳細(xì)內(nèi)容將在后面敘述。信號處理部140作為下述部件發(fā)揮功能。
第一存儲部，存儲對從所述規(guī)定的虛擬發(fā)送點到劃分包含所述檢查對象物的空 間的多個空間網(wǎng)目的每一個為止進(jìn)行傳播的超聲波的發(fā)送傳播時間進(jìn)行表示的發(fā)送時間 表；第二存儲部，存儲對從所述多個空間網(wǎng)目的每一個到所述多個第二壓電元件為止 進(jìn)行傳播的超聲波的接收傳播時間進(jìn)行表示的接收時間表；第三存儲部，存儲從多個第一壓電元件向所述虛擬發(fā)送點傳播的超聲波的補償 (offset)時間；計算部，將所述發(fā)送傳播時間、所述接收傳播時間和所述補償時間相加，計算出超 聲波的總傳播時間；生成部，根據(jù)電信號和所述總傳播時間，生成與所述檢查對象物對應(yīng)的圖像。另外，該生成部作為下述部件發(fā)揮功能。時間差檢測部，對從多個第一壓電元件的發(fā)送到超聲波回波的采樣數(shù)據(jù)的檢測為 止的時間差進(jìn)行檢測；判定部，根據(jù)時間差和所述總傳播時間，判定與所述超聲波回波的采樣數(shù)據(jù)對應(yīng) 的空間網(wǎng)目；分配部，對所述被判定的空間網(wǎng)目分配與采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的值；圖像生成部，將對空間網(wǎng)目分配的值相加，生成圖像數(shù)據(jù)。顯示部150是使用圖像數(shù)據(jù)I顯示圖像的裝置，例如是CRT、液晶顯示器。判定部160使用從信號處理部140輸出的圖像數(shù)據(jù)I，對檢查對象物20內(nèi)的異常 區(qū)域進(jìn)行檢測。判定部160作為下述的部件發(fā)揮功能。深度計測部，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)的深度方向的強度分布，對檢查對象的底面或交界面 的深度分布進(jìn)行計測；第四存儲部，對表示深度與超聲波的衰減特性的關(guān)系的衰減表進(jìn)行存儲；生成部，根據(jù)衰減表和深度的分布，生成具有用于對圖像數(shù)據(jù)的強度(超聲波的 強度)進(jìn)行判定的閾值的判定表；導(dǎo)出部，導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)的強度分布；檢測部，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)的強度分布、和所述判定表，檢測出所述圖像數(shù)據(jù)的強度比 判定值大的區(qū)域。關(guān)于該詳細(xì)內(nèi)容將在后面敘述。(虛擬發(fā)送點Pi的詳細(xì)情況)下面，對虛擬發(fā)送點Pi(會聚點PFi、虛擬點音源PYi)的詳細(xì)情況進(jìn)行說明。在從 發(fā)送壓電元件組112的壓電元件111發(fā)送的超聲波的合成波，與從1個點Pi發(fā)送的超聲波 對應(yīng)時，將該點Pi稱作虛擬發(fā)送點Pi?？梢哉J(rèn)為虛擬發(fā)送點Pi有會聚點PFi、虛擬點音源 PYi這兩種。圖2A、圖2B分別是表示會聚點PFi、虛擬點音源PYi的示意圖。會聚點PFi被配置在超聲波換能器110的前方(檢查對象物20 —側(cè))，是從屬于 發(fā)送壓電元件組112的壓電元件111發(fā)送的超聲波的合成波會聚的點。即，合成波是會聚 于一個會聚點的會聚波，該會聚點對應(yīng)于虛擬發(fā)送點Pi。通過了會聚點PFi的超聲波直接 在聲音傳播介質(zhì)40內(nèi)傳播。此時，從超聲波換能器110發(fā)送的超聲波的合成波，能夠作為 與從會聚點PFi發(fā)送的超聲波實質(zhì)相同的波來進(jìn)行處理。
虛擬點音源PYi被配置在超聲波換能器110的后方(檢查對象物20的相反側(cè))。 當(dāng)從屬于發(fā)送壓電元件組112的壓電元件111發(fā)送的超聲波的合成波，與從一點PYi發(fā)送 的超聲波對應(yīng)時，該點PYi成為虛擬點音源PYi。即，合成波是從虛擬的一個發(fā)散點(虛擬點 音源PYi)發(fā)散的發(fā)散波，該發(fā)散點對應(yīng)于虛擬發(fā)送點Pi。此時，從超聲波換能器110發(fā)送 的超聲波的合成波，能夠作為與從虛擬點音源PYi發(fā)送的超聲波實質(zhì)相同的波進(jìn)行處理。這樣，可以使從超聲波換能器110發(fā)送的超聲波的合成波，與來自虛擬發(fā)送點 Pi (會聚點PFi、虛擬點音源PYi)的超聲波對應(yīng)。由此，能夠控制屬于發(fā)送壓電元件組112 的壓電元件111各自的發(fā)送定時。這里，作為壓電元件lll(k)，通過索引(添A字)k來識 別每一個壓電元件111。為了在會聚點PFi處在時刻t0發(fā)送超聲波，在比時刻t0靠前的時刻 (tO-Atl(k))由每一個壓電元件lll(k)發(fā)送超聲波。此時，可以根據(jù)從每個壓電元 件lll(k)到會聚點PFi的距離Li (k)，來控制每個壓電元件lll(k)的發(fā)送的超前時間 Atl(k)。Atl(k) = Li(k)/v ......式(1)v 超聲波在聲音傳播介質(zhì)40內(nèi)的傳播速度另一方面，為了在虛擬點音源PYi處在時刻t0發(fā)送超聲波，在比時刻t0靠后的時 刻(tO+At2(k))由每一個壓電元件111 (k)發(fā)送超聲波。此時，可根據(jù)從每一個壓電元件 111 (k)到虛擬點音源PYi的距離Li (k)，來控制每個壓電元件lll(k)的發(fā)送的延遲時間 At2(k)。A t2 (k) = Li (k) /v ......式(2)v 超聲波在聲音傳播介質(zhì)40內(nèi)的傳播速度如上所述，通過錯開每個壓電元件111 (k)的超聲波的發(fā)送定時，可以生成與從虛 擬發(fā)送點Pi發(fā)送的超聲波對應(yīng)的合成波。該情況下，理想的狀況是該合成波成為以虛擬發(fā) 送點Pi為中心的球面波的一部分。不過，該合成波也可以不是完整的球面波。如上所述，檢 查對象物20的圖像以成像網(wǎng)目31為單位生成(成像網(wǎng)目31程度的分辨能力(分解能))。 因此，容許成像網(wǎng)目31程度的波陣面偏差。虛擬發(fā)送點Pi自身也不需要是完整的點，容許 某種程度(例如成像網(wǎng)目31程度)的擴展(區(qū)域)。這里，優(yōu)選使用多個虛擬發(fā)送點Pi來生成檢查對象物20的圖像。由此，可提高圖 像的分辨能力。圖3是表示多個虛擬發(fā)送點Pi的例子的示意圖。虛擬發(fā)送點Pi (虛擬點音源PYi) 被配置在與超聲波換能器110平行的平面S(X-Y平面)上。這里，配置虛擬發(fā)送點Pi的面 S位于超聲波換能器110的后方(檢查對象物20的相反側(cè))。也可以與之相對地，使配置 虛擬發(fā)送點Pi的面S位于超聲波換能器110的前方(檢查對象物20—側(cè))。另外，可以使 配置虛擬發(fā)送點Pi的面S成為曲面。這里，考慮使虛擬發(fā)送點Pi與超聲波換能器110的距離發(fā)生變化的情況。當(dāng)如圖 2A、圖2B所示那樣，減小虛擬發(fā)送點Pi與超聲波換能器110的距離時，可以向檢查對象物 20照射寬指向角的超聲波。尤其在將虛擬發(fā)送點Pi設(shè)為虛擬點音源PYi時，虛擬發(fā)送點 Pi與檢查對象物20的距離增大，可向檢查對象物20的更寬廣范圍照射超聲波，使得可視化 變?nèi)菀住?br> 另一方面，若增大虛擬發(fā)送點Pi與超聲波換能器110的距離，則可以向檢查對象 物照射狹指向角的超聲波。尤其通過將虛擬發(fā)送點Pi設(shè)為會聚點PFi，將會聚點PFi設(shè)置 到檢查對象物20的附近或其內(nèi)部，容易以高分辨能力使特定的部位可視化。如上所述，通過適當(dāng)改變虛擬發(fā)送點Pi與超聲波換能器110的距離，可以調(diào)節(jié)向 檢查對象物20照射的超聲波的指向性的寬狹。結(jié)果，能夠有效地使檢查對象物20整體或 其一部分可視化。這里，考慮到存在這樣的情況，S卩，對應(yīng)于虛擬發(fā)送點Pi，使由發(fā)送切換電路121 選擇的壓電元件111 (發(fā)送壓電元件組112)發(fā)生變化的情況。例如存在對應(yīng)于圖3中的虛 擬發(fā)送點Pi來選擇接近虛擬發(fā)送點Pi的發(fā)送壓電元件組112 (i)的情況。這樣，通過選擇 接近虛擬發(fā)送點Pi的發(fā)送壓電元件組112 (i)，能夠有效地使用比較少的壓電元件111，生 成虛擬發(fā)送點Pi。在該例子中，發(fā)送壓電元件組112(i)的一部分會發(fā)生重疊。發(fā)送壓電元 件組112(i)也可以不發(fā)生重疊。這里，還能夠不對應(yīng)于虛擬發(fā)送點Pi變更發(fā)送壓電元件組112。例如，可以使用所 有的壓電元件111，生成不同的虛擬發(fā)送點Pi，來改變發(fā)送超聲波的方向。通過使用多個壓 電元件111，能夠?qū)崿F(xiàn)來自虛擬發(fā)送點Pi的高精度且強力的超聲波發(fā)送。該情況下，不需要 發(fā)送切換電路121。與以上的發(fā)送壓電元件組112相關(guān)的討論，在某種程度上還適用于接收壓電元件 組113。即，可以考慮對應(yīng)于虛擬發(fā)送點Pi，來改變由接收切換電路131選擇的壓電元件 111 (發(fā)送壓電元件組113)。通過對應(yīng)于虛擬發(fā)送點Pi，選擇接收壓電元件組113 (i)，能夠 有效地利用比較少的壓電元件111來接收超聲波。另一方面，還能夠不對應(yīng)于虛擬發(fā)送點 Pi來變更接收壓電元件組113。例如，可以使用所有的壓電元件111來接收超聲波回波。通 過使用多個壓電元件111，能夠從檢查對象物20接收高精度的超聲波。該情況下，不需要接 收切換電路131。如上所述，在圖1中，利用發(fā)送切換電路121選擇了發(fā)送壓電元件組112的共計16 個壓電元件111。該情況下，從發(fā)送部122輸出16個脈沖狀或連續(xù)波的電壓信號。這里， 從發(fā)送部122發(fā)送的電壓信號的發(fā)送定時由發(fā)送控制部123控制。結(jié)果，發(fā)送壓電元件組 112的各個發(fā)送超聲波的合成波，與從虛擬發(fā)送點Pi發(fā)送的超聲波的波陣面對應(yīng)。這里，從發(fā)送部122輸出的脈沖狀或連續(xù)波的電壓信號可以全都是同一形狀(同 一電壓)。為了使從發(fā)送點P發(fā)送的超聲波的波陣面接近于球面波(減小方向依賴性)，優(yōu) 選根據(jù)虛擬發(fā)送點Pi與壓電元件111 (k)的距離L(k)，使壓電元件lll(k)的超聲波的發(fā)送 強度不同。但是，由于即便使壓電元件111 (k)的發(fā)送強度不同，方向依賴性也不會大幅改 變，所以，可以使來自各個壓電元件lll(k)的超聲波的發(fā)送強度相同。這樣發(fā)送的超聲波，作為從虛擬發(fā)送點Pi發(fā)送的擴散波Wi進(jìn)行傳播，在檢查對象 物20的表面22上發(fā)生了折射之后，在檢查對象物20內(nèi)傳播。進(jìn)而，該超聲波被缺陷21反 射，由超聲波換能器110內(nèi)的壓電元件111接收。即，通過由接收切換電路131選擇的接收 壓電元件組113內(nèi)的壓電元件111接收到的超聲波回波，被16個電路的放大器132同時放 大，進(jìn)而在由16個電路的A/D轉(zhuǎn)換器133同時轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，被讀入到信號處理部 140。反復(fù)進(jìn)行以上的處理步驟。即，每當(dāng)利用發(fā)送切換電路121進(jìn)行了選擇切換時，便反復(fù)執(zhí)行通過變更發(fā)送部122的輸出電壓信號的發(fā)送定時而實現(xiàn)的虛擬發(fā)送點Pi的位置 變更。由此，從多個虛擬發(fā)送點Pi發(fā)送超聲波Wi，并被缺陷21反射，由信號處理部140收 集該被反射的超聲波回波的數(shù)字信號。(孔徑合成處理的詳細(xì)內(nèi)容)下面，對信號處理部140執(zhí)行的孔徑合成處理的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行說明。在信號處理部140中，通過對以數(shù)字方式收集到的超聲波回波進(jìn)行孔徑合成，從 而生成成像范圍30內(nèi)的超聲波圖像。即，對成像范圍30內(nèi)的成像網(wǎng)目31分配了以數(shù)字方 式收集到的超聲波回波的數(shù)據(jù)。這里，考慮從虛擬發(fā)送點Pi虛擬發(fā)送的超聲波Wi被缺陷21反射，作為超聲波回 波Wj，由接收壓電元件組113內(nèi)的壓電元件111 (j)接收的情況。圖4是表示圖像合成處理的步驟的示意圖。信號處理部140存儲發(fā)送時間表組T 及接收時間表組R。發(fā)送時間表組T包含對與虛擬發(fā)送點Pi及所有的成像網(wǎng)目31 (ix，iy，iz)對應(yīng)的 發(fā)送超聲波傳播時間ti(ix，iy，iz)進(jìn)行表示的發(fā)送時間表Ti。接收時間表組R包含對被 所有的成像網(wǎng)目31 (ix，iy，iz)反射、并由壓電元件111 (j)接收為止的接收超聲波傳播時 間rj (ix, iy, iz)進(jìn)行表示的接收時間表Rj。發(fā)送超聲波傳播時間ti (ix, iy, iz)表示從虛擬發(fā)送點Pi向成像范圍30內(nèi)的成 像網(wǎng)目31(ix，iy, iz)傳播的超聲波傳播時間。接收超聲波傳播時間rj(ix，iy, iz)表示 從成像范圍30內(nèi)的成像網(wǎng)目31 (ix，iy, iz)到壓電元件111 (j)為止的超聲波傳播時間。大致而言，發(fā)送超聲波傳播時間ti、接收超聲波傳播時間rj分別由從虛擬發(fā)送點 Pi到成像網(wǎng)目31 (ix, iy, iz)的距離LI (ix, iy, iz)、從成像網(wǎng)目31 (ix, iy, iz)到壓電元 件lll(j)的距離L2(ix，iy，iz)規(guī)定。通過將這些距離L1、L2除以超聲波的速度，可以近 似計算出發(fā)送超聲波傳播時間ti、接收超聲波傳播時間rj。如上所述，超聲波在檢查對象物20的表面22發(fā)生折射。因此，為了準(zhǔn)確地求出發(fā) 送超聲波傳播時間ti、接收超聲波傳播時間rj，需要預(yù)先求出檢查對象物20的外形。若判 斷檢查對象物20的外形，則可以考慮斯涅耳定律來計算出發(fā)送超聲波傳播時間ti、接收超 聲波傳播時間rj。在該計算中可以利用各種數(shù)值模擬(simulation)。另外，在不判定檢查對象物20的外形的情況下，也可以使用超聲波成像裝置100 對檢查對象物20的外形的成像結(jié)果，來求出檢查對象物20的外形。圖4中的圖像合成的處理步驟表示了對來自虛擬發(fā)送點Pi的超聲波被壓電元件 111 (j)接收后的接收波形數(shù)據(jù)Dij(t)進(jìn)行處理的情況。(1)總傳播時間tij的計算計算出從超聲波換能器110發(fā)送的超聲波被壓電元件111 (j)接收到的時間(總 傳播時間)tij。通過將發(fā)送超聲波傳播時間ti、接收超聲波傳播時間rj和補償時間TOi相加，計 算出總傳播時間tij。tij = ti+rj+T0i ......式(3)補償時間TOi是從超聲波換能器110(發(fā)送壓電元件組112)發(fā)送的超聲波到達(dá) 虛擬發(fā)送點Pi為止的超聲波傳播時間。如上所述，屬于發(fā)送壓電元件組112的壓電元件lll(k)的發(fā)送定時一般不一致。只要從屬于發(fā)送壓電元件組112的壓電元件111 (k)中確 定代表點(代表電壓元件)，并以該代表的壓電元件111 (k)為基準(zhǔn)，規(guī)定補償時間TOi即 可。確定代表點(代表壓電元件)使其與接收波形數(shù)據(jù)Dij(t)的時刻的基準(zhǔn)點0對應(yīng)。補償時間TOi的絕對值與上述的超前時間A tl (k)、延遲時間A t2 (k)對應(yīng)。在虛 擬發(fā)送點Pi是會聚點PFi的情況下，補償時間TOi具有正的值。與之相對，在虛擬發(fā)送點 Pi是虛擬點音源PYi的情況下，補償時間TOi具有負(fù)的值?？梢匀缟纤瞿菢?，針對所有的成像網(wǎng)目31(ix，iy，iz)計算出總傳播時間tij。這里，可以對計算出總傳播時間tij的成像網(wǎng)目31 (ix, iy，iz)的范圍進(jìn)行限制。在圖4中的發(fā)送時間表Ti、接收時間表Rj中，作為成像(孔徑合成)的有效區(qū)域， 設(shè)定了發(fā)送區(qū)域Lti、接收區(qū)域Lrj。在該有效區(qū)域中限制了總傳播時間tij的計算范圍 (孔徑合成處理的范圍)。通過限制計算范圍，可實現(xiàn)處理的高速化及高精度化。發(fā)送區(qū)域Lti根據(jù)虛擬發(fā)送點Pi的位置、及從虛擬發(fā)送點Pi發(fā)送的超聲波的輪 廓(指向性)而設(shè)定。由于從虛擬發(fā)送點Pi發(fā)送的超聲波具有某種程度的指向性，所以， 可以根據(jù)虛擬發(fā)送點Pi，規(guī)定成像范圍30中的超聲波的強度分布。事實上可以忽視來自虛 擬發(fā)送點Pi的超聲波的強度弱的、來在成像網(wǎng)目31的超聲波回波Wj。在忽視的情況下，后 述的接收波形數(shù)據(jù)Dij(t)分配的精度會提高。接收區(qū)域Lrj根據(jù)接收用壓電元件111 (j)的位置及接收輪廓(指向性)而設(shè)定。 壓電元件lll(j)具有來自正面方向的超聲波的接收靈敏度高、來自斜向的超聲波的接收 靈敏度低的傾向。因此，根據(jù)與接收用壓電元件111 (j)的關(guān)系，事實上可以忽視來自位于 靈敏度低的方向的成像網(wǎng)目31的超聲波回波Wj。在忽視的情況下，后述的接收波形數(shù)據(jù) Dij(t)分配的精度會提高。另外，接收的指向性的寬窄與壓電元件111的尺寸對應(yīng)。壓電 元件111的尺寸越大，越成為寬指向性，尺寸越小，越成為狹指向性。通過上述處理，在圖像合成的處理步驟中，可以將圖像合成處理只限制在發(fā)送區(qū) 域Lti和接收區(qū)域Lrj的重復(fù)部Oij，而回避限制區(qū)域以外的圖像合成步驟。結(jié)果，不僅可 以降低圖像合成處理的負(fù)擔(dān)、實現(xiàn)高速化，而且通過降低多余的圖像合成噪聲，能夠?qū)崿F(xiàn)高 精度化。(2)接收波形數(shù)據(jù)Di j (t)的采樣數(shù)據(jù)的延遲時間的檢測檢測接收波形數(shù)據(jù)Dij(t)上的采樣數(shù)據(jù)A1……An。并且，檢測出從超聲波的發(fā) 送到這些采樣數(shù)據(jù)An的延遲時間tn。這些采樣數(shù)據(jù)An與從成像網(wǎng)目31 (ix, iy, iz)的任 意一個反射的超聲波回波Wj對應(yīng)。如上所述，采樣數(shù)據(jù)An由A/D轉(zhuǎn)換器133生成，通過例 如以規(guī)定時間間隔對接收波形數(shù)據(jù)Di j (t)(超聲波回波)進(jìn)行采樣而獲得。(3)數(shù)據(jù)向成像網(wǎng)目31的分配可以根據(jù)總傳播時間tij，對成像網(wǎng)目31(ix，iy，iz)分配接收波形數(shù)據(jù)Dij(t)。S卩，通過求出與延遲時間tn對應(yīng)的總傳播時間tij，可以檢測出該采樣數(shù)據(jù)An與 哪個成像網(wǎng)目31 (ix，iy, iz)對應(yīng)。并對檢測出的成像網(wǎng)目31 (ix，iy, iz)分配值。例如， 按照下述公式那樣賦予采樣數(shù)據(jù)的值A(chǔ)n。I(ix, iy, iz) = I(ix, iy, iz)+An ......式(4)這里，圖像數(shù)據(jù)I (ix，iy, iz)表示來自成像網(wǎng)目31 (ix，iy, iz)的超聲波回波Wj 的強度的累計值(稹算值)。即，圖像數(shù)據(jù)I表示三維下的超聲波回波Wj的強度分布。
這里，與延遲時間tn對應(yīng)的總傳播時間tij (成像網(wǎng)目31 (ix，iy，iz)) 一般存在 多個。該情況下，將與一個采樣數(shù)據(jù)An對應(yīng)的值分配給多個成像網(wǎng)目31 (ix，iy, iz)。例 如，將除以了所述多個成像網(wǎng)目31的個數(shù)m而得到的量An/m，分配給各個成像網(wǎng)目31 (I = I+An/m)。該分配成為噪聲的原因。但是，通過疊加多個數(shù)據(jù)，事實上能夠消除噪聲成分。如上所述，可以將計算出總傳播時間tij的成像網(wǎng)目31限制在范圍Oij中。由此， 限制了向多個成像網(wǎng)目31分配無用的值，可降低多余的圖像合成噪聲。通過對虛擬發(fā)送點Pi和壓電元件111 (j)反復(fù)進(jìn)行該(2)、(3)的步驟，可以生成 檢查對象物20整體的三維圖像(孔徑合成處理)。(4)圖像的顯示通過對應(yīng)于該圖像數(shù)據(jù)I來改變顯示部150上的亮度，可以在顯示部150上顯示 檢查對象物20的表面22、缺陷21的圖像。(異常區(qū)域的檢測)下面，說明判定部160對異常區(qū)域的檢測。這里，說明對具有厚度為D的分布的檢查對象物20a中的異常區(qū)域Hp進(jìn)行檢測的 步驟。圖5是表示檢查對象物20a的示意圖。成像范圍30a被設(shè)定成包括檢查對象物20a 的底面部或邊界部。圖6是表示異常區(qū)域的檢測步驟的一個例子的示意圖。該示意圖包括底面深度 分布D(ix，土又)、深度衰減特性6(0)、判定表111(^，iy)、強度分布(ix, iy)、判定圖像數(shù)據(jù) J(ix, iy)。圖7是表示與底面深度分布D(ix，iy)、深度衰減特性G(D)、判定表Th(ix，iy)、 強度分布P(ix，iy)、判定圖像數(shù)據(jù)J(ix，iy)各自對應(yīng)的曲線圖D(x)、Th(x)、P(x)、J(x)的 圖。這些曲線表示底面深度分布D(ix，iy)等在x軸方向(圖6的xl_x2)的變化。(1)檢查對象物20a的底面部或邊界部的深度d的計測通過在成像范圍30中，檢測出深度方向的圖像數(shù)據(jù)I的峰值位置，可以計測檢查 對象物20的底面部或邊界部的深度D (參照圖6 (A)及圖7 (A))。具體而言，使圖像數(shù)據(jù) I(ix, iy, iz)中的索引ix，iy—定，讓索引iz變化，來求出圖像數(shù)據(jù)I為極大的iz。在圖5中，成像范圍30a中只包含檢查對象物20a的底面(不包含上面)。該情況 下，可認(rèn)為圖像數(shù)據(jù)I(ix，iy, iz)在深度方向的最大峰值與檢查對象物20a的底面對應(yīng)。與之相對，在成像范圍30a中包含檢查對象物20a的上面和底面雙方的情況下，出 現(xiàn)與上面和底面分別對應(yīng)的峰值(圖像數(shù)據(jù)I的極大點iz存在多個)。該情況下，可以根 據(jù)圖像數(shù)據(jù)I的峰值及此時的iz (深度)，檢測出與底面部對應(yīng)的峰值。由于來自檢查對象 物20a的表面及底面的超聲波回波一般很大，所以，大的兩個峰值中的較深的是與底面部 對應(yīng)的峰值。這樣，針對(ix，iy)，可以計測檢查對象物20的底面部的深度D、即深度分布 D(D(ix，iy)，D(x))。(2)判定表Th的生成根據(jù)底面深度分布D(ix，iy)和通常化后的深度衰減特性G(D)(圖6(B))，對應(yīng)深 度生成判定表Th (ix, iy)(圖6 (C)、圖7 (B))。判定表Th(ix，iy)表示用于對異常區(qū)域的有無進(jìn)行判定的基準(zhǔn)強度Th的分布。 如后所述，如果強度分布P(ix，iy)中的強度P比判定表Th(ix，iy)中的基準(zhǔn)強度Th大，則
12被判定為異常區(qū)域。深度衰減特性G(D)表示深度D與超聲波的衰減量G的關(guān)系。深度D越大，超聲波 的衰減量G(D)越大，超聲波回波的強度越小。因此，通過將深度衰減特性F(D)代入到底面 深度分布D(ix，iy)中，可以求出衰減量分布G(ix，iy)?？筛鶕?jù)該衰減量分布G(ix，iy)， 生成判定表Th(ix, iy)。(3)強度分布P(ix，iy)的計測通過在成像范圍30a中檢測深度方向的數(shù)據(jù)的峰值電平，來計測底面部或邊界部 處的反射強度，并根據(jù)其結(jié)果生成強度分布P (ix, iy)(圖6 (D)、圖7 (B))。強度分布P(ix，iy)可以采用在深度D (與D對應(yīng)的iz)中對成像網(wǎng)目31 (ix，iy， iz)分配的值 I(ix，iy, iz)。(4)異常區(qū)域Hp的檢測通過將該強度分布P(ix，iy)與判定表Th(ix，iy)比較，來顯示判定圖像J(ix， iy)，可以根據(jù)其結(jié)果檢測出異常區(qū)域Hp。如圖7所示，由于在X3、X4的范圍中，強度P(ix， iy)比判定值Th(ix，iy)大，所以，可判定為該范圍是異常區(qū)域Hp。當(dāng)在檢查對象物20a內(nèi)存在超聲波的衰減少的區(qū)域時，在該區(qū)域通過的超聲波經(jīng) 過檢查對象物20a的底面部或邊界部時的反射強度增大。即，該超聲波的衰減少的區(qū)域?qū)?應(yīng)于異常區(qū)域Hp。如果在該異常區(qū)域Hp的邊界超聲波被反射，則與該邊界對應(yīng)會出現(xiàn)接收波形數(shù) 據(jù)Dij(t)的峰值，從而檢測出異常區(qū)域Hp。但是，如果異常區(qū)域Hp的邊界處的超聲波的反 射強度小，則難以使用接收波形數(shù)據(jù)Dij(t)的峰值檢測出異常區(qū)域Hp。對此，通過本實施方式，即使在來自異常區(qū)域Hp的邊界的反射弱的情況(或不具 有明確的邊界的情況)下，也能夠根據(jù)來自檢查對象物20a的底面等的反射強度，檢測出異 常區(qū)域Hp (超聲波的衰減少的區(qū)域)。判定圖像J(ix，iy)可以利用在強度分布P(ix，iy)中將強度P小于判定值Th的 范圍設(shè)為“0”的強度分布。如上所述，根據(jù)本實施方式，通過對超聲波換能器110內(nèi)的多個壓電元件111的發(fā) 送定時進(jìn)行控制，能夠在以電子方式控制發(fā)送超聲波的擴散與會聚的同時，掃描發(fā)送波束。 作為掃描的結(jié)果，為了根據(jù)接收到的多個超聲波回波數(shù)據(jù)進(jìn)行三維成像，使用事先計算出 的發(fā)送時間表T和接收時間表R中存儲的超聲波傳播時間。另外，通過將超聲波的收發(fā)指 向性反映到發(fā)送時間表T、接收時間表R中，可以實現(xiàn)高速、高精度地合成、顯示三維圖像的 三維超聲波圖像。(其他的實施方式)本發(fā)明的實施方式不限于上述的實施方式，可以進(jìn)行擴展、變更，擴展、變更得到 的實施方式也包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。在上述實施方式中，將壓電元件111配置成矩陣狀。對此，也能夠?qū)弘娫渲?成線狀(一列)。例如，在檢查對象物20在縱深方向(Y方向)較薄的情況可以考慮這種方 式。這樣的情況下，只要將壓電元件111在X方向配置成線狀，能夠生成X-Z方向的平面圖 像即可。此時，通過將虛擬發(fā)送點Pi在X方向配置成線狀，并進(jìn)行孔徑合成，能夠生成X-Z 方向的平面圖像。
權(quán)利要求
一種超聲波成像裝置，其特征在于，具備具有多個壓電元件的超聲波換能器；發(fā)送控制部，對從所述多個壓電元件中選擇的多個第一壓電元件各自的發(fā)送定時進(jìn)行控制，以使從所述多個第一壓電元件發(fā)送的超聲波的合成波與從規(guī)定的虛擬發(fā)送點發(fā)送的超聲波對應(yīng)；信號檢測電路，檢測電信號，該電信號是與從所述多個第一壓電元件發(fā)送并被檢查對象物反射、然后由從所述多個壓電元件中選擇的多個第二壓電元件接收的超聲波回波對應(yīng)的電信號；第一存儲部，對表示發(fā)送傳播時間的發(fā)送時間表進(jìn)行存儲，所述發(fā)送傳播時間是超聲波從所述規(guī)定的虛擬發(fā)送點開始、到對包含所述檢查對象物的空間進(jìn)行劃分的多個空間網(wǎng)目中的每一個為止所傳播的時間；第二存儲部，對表示接收傳播時間的接收時間表進(jìn)行存儲，所述接收傳播時間是超聲波從所述多個空間網(wǎng)目的每一個開始傳播到所述多個第二壓電元件為止的時間；第三存儲部，對補償時間進(jìn)行存儲，所述補償時間是超聲波從所述多個第一壓電元件到所述虛擬發(fā)送點之間所傳播的時間；計算部，將所述發(fā)送傳播時間、所述接收傳播時間和所述補償時間相加，計算出超聲波的總傳播時間；以及生成部，根據(jù)所述電信號和所述總傳播時間，生成與所述檢查對象物對應(yīng)的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，所述合成波是會聚于一個會聚點的會聚波，該會聚點與所述虛擬發(fā)送點相對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，所述合成波是從虛擬的一個發(fā)散點發(fā)散的發(fā)散波，該發(fā)散點與所述虛擬發(fā)送點相對應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，所述發(fā)送控制部對所述多個第一壓電元件各自的發(fā)送定時進(jìn)行多次控制，以使所述合 成波與從多個不同的虛擬發(fā)送點發(fā)送的超聲波相對應(yīng)，所述信號檢測部檢測出與所述多個不同的虛擬發(fā)送點分別對應(yīng)的多個電信號，所述生成部根據(jù)所述多個電信號，生成與所述檢查對象物對應(yīng)的圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波成像裝置，其特征在于，所述多個不同的虛擬發(fā)送點在規(guī)定的虛擬面上被配置成矩陣狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，還具備發(fā)送選擇部，該發(fā)送選擇部對應(yīng)于所述多個不同的虛擬發(fā)送點中的每一個來選 擇所述第一壓電元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，還具備接收選擇部，該接收選擇部對應(yīng)于所述多個不同的虛擬發(fā)送點中的每一個來選 擇所述第二壓電元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，所述計算部計算出僅與所述多個空間網(wǎng)目的一部分對應(yīng)的發(fā)送傳播時間所對應(yīng)的總 傳播時間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，所述計算部計算出僅與所述多個空間網(wǎng)目的一部分對應(yīng)的接收傳播時間所對應(yīng)的總 傳播時間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波成像裝置，其特征在于，由所述信號檢測電路檢測出的電信號是所述超聲波回波的采樣數(shù)據(jù)， 所述生成部具有時間差檢測部，檢測出從所述多個第一壓電元件的發(fā)送開始到所述采樣數(shù)據(jù)的檢測為 止的時間差；判定部，根據(jù)所述時間差和所述總傳播時間，判定與所述采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的空間網(wǎng)目； 分配部，對所述被判定的空間網(wǎng)目分配與采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的值；以及 圖像生成部，將分配給所述空間網(wǎng)目的值相加，生成圖像數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 10中任一項所述的超聲波成像裝置，其特征在于，還具備深度計測部，根據(jù)所述圖像數(shù)據(jù)的深度方向的強度分布，計測所述檢查對象的底面或 邊界面的深度分布；第四存儲部，對表示所述深度與超聲波的衰減特性的關(guān)系的衰減表進(jìn)行存儲； 生成部，根據(jù)所述衰減表和所述深度分布，生成判定表，該判定表具有用于判定所述圖 像數(shù)據(jù)的強度的閾值；導(dǎo)出部，導(dǎo)出所述圖像數(shù)據(jù)的強度分布；以及檢測部，根據(jù)所述圖像數(shù)據(jù)的強度分布和所述判定表，對所述圖像數(shù)據(jù)的強度大于判 定值的區(qū)域進(jìn)行檢測。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無論對于寬指向角還是狹指向角的發(fā)送超聲波都能夠生成有效的圖像的超聲波成像裝置。該超聲波成像裝置具備發(fā)送控制部，對所述多個第一壓電元件各自的發(fā)送定時進(jìn)行控制，以使從多個第一壓電元件發(fā)送的超聲波的合成波與從規(guī)定的虛擬發(fā)送點發(fā)送的超聲波對應(yīng)；信號檢測電路，檢測與從所述多個第一壓電元件發(fā)送并被檢查對象物反射、然后由多個第二壓電元件接收的超聲波回波對應(yīng)的電信號；以及生成部，根據(jù)所述電信號，生成與所述檢查對象物對應(yīng)的圖像。
文檔編號G01N29/07GK101852773SQ201010154828
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者唐澤博一 申請人:株式會社東芝