CN101039626A - 超声波诊断装置 - Google Patents
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Abstract
提供改善接收系统的信噪比且高灵敏度的超声波诊断装置。该超声波诊断装置具备：超声波探头(10)，与被检体之间收发超声波；发送部(20)，向超声波探头供给驱动信号；和接收部(60)，处理从超声波探头(10)输出的信号，计算与被检体相关的诊断信息。超声波探头(10)具有接收灵敏度根据被施加的偏压的大小而变化的接收用探头(振动器)(10B)。接收部(60)具备将振幅被调制后的偏压信号施加给接收用探头(振动器)(10B)的调制偏压放大部(24)。由此，在接收用振动器的接收工序中，可以对超声波反射信号实施一定的解调处理(例如调相处理或多普勒解调)。
Description
技术领域
本发明涉及获取与被检体有关的诊断信息的超声波诊断装置。
背景技术
超声波诊断装置是通过超声波探头发送超声波，并利用同一探头接收该超声波在生物体内反射而形成的超声波，根据该反射回声信号提供生物体内的断层图像。另外，超声波诊断装置基于反射超声波信号所产生的多普勒效应，也可以提供血球等生物体内的反射源移动的速度或速度分布。
在超声波诊断装置中通过多普勒效应获取速度信息等时，接收系统对反射超声波信号的处理流程是下述的顺序：由超声波探头进行接收→由前置放大器放大至信号处理部的输入电平→在信号处理部中进行聚束(beamforcing)或多普勒解调→形成图像并进行显示。由于为了防止生物体内的热效应等的危险而限制发送信号的大小，所以所述的装置的性能完全受接收系统的信噪比的支配。在现有的超声波诊断装置中，由于继探头之后的前置放大器的噪声电平较大，所以事实上检测多普勒效应的解调器的性能也被前置放大器的性能限定。并存在下述实情：超声波诊断装置处理的相对频带很大，为60％～90％，难以改善前置放大器的信噪比，所以血流等的信息即生物体内的热噪声或探头的热噪声被埋入前置放大器产生的噪声中。
以往采用利用了压电陶瓷的元件作为超声波诊断装置的探头。另外，在专利文献1中，提出了可通过薄膜制造技术制造的电容型探头。
专利文献1：USP6,246,158B1
如上所述，由于事实上现有的超声波诊断装置的接收系统的信噪比受信号处理部的前置放大器的热噪声支配，所以希望改善该情况来提高灵敏度。若可以提高信噪比，则可以不使由探头接收的超声波反射信号中包含的生物体内信息埋入前置放大器的热噪声中来对其进行检测，与现有技术相比，可实现通过微弱的信号进行图像显示、可以检测更微弱的造影剂、并可以检测更低速的例如末梢血管的血流速度。另外，若可以检测由生物体内的各脏器的运动或血流的流动状态等调制的生物体内的热噪声本身，则可大幅改善超声波诊断装置的信噪比，可使超声波诊断装置接近于称为“超声波听诊器”的超声波诊断装置。
以往，试图使前置放大器浸润到液态氮等的冷却介质中来降低其噪声等级，但由于难以冷却与生物体接触的探头部，所以没有起到预期的效果。如果难以降低前置放大器的热噪声，则需要改变现有超声波诊断装置的探头→前置放大器→解调处理的所谓的信号流程本身。
另外，专利文献1中记载了在超声波诊断装置中可以使用电容型探头，但只不过提出了仅将以往的压电陶瓷的振动器置换成电容型振动器，没有公开改善接收系统的信噪比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善了接收系统的信噪比且高灵敏度的超声波诊断装置。
为了解决上述课题，本发明的第一方式的超声波诊断装置包括：超声波探头，与被检体之间收发超声波；发送单元，向超声波探头供给驱动信号；接收单元，处理从超声波探头输出的信号；和显示单元，对基于从该接收单元输出的接收信号而构成的与被检体相关的诊断信息(例如血流速度、组织断层像)进行显示。超声波探头具有超声波收发灵敏度根据叠加驱动信号而施加的偏压的大小变化的振动器。进而，该超声波诊断装置设有直流偏压单元和调制偏压单元，直流偏压单元向振动器施加直流偏压，调制偏压单元向振动器施加基于驱动信号的被调制后的偏压信号。
另外，本发明的第二方式的超声波诊断装置，包括：超声波探头，与被检体之间收发超声波；发送部，向超声波探头供给驱动信号；和接收部，处理从超声波探头输出的信号，计算与被检体相关的诊断信息。超声波探头包括接收灵敏度根据施加的偏压的大小而变化的多个振动器。接收部包括调制偏压供给部，其向振动器施加振幅被调制后的偏压信号。
在第一以及第二方式的超声波诊断装置中，在通过振动器接收由被检体反射的超声波时，向振动器施加调制后的偏压信号，调制其灵敏度。由此，在接收用振动器的接收工序中，可以对超声波反射信号实施一定的解调处理(例如调相处理或多普勒解调)。由此，与在探头上搭载解调处理用电子电路无关，等效于在探头上安装了复杂的解调用电子电路的所谓混合型探头。另外，本发明的探头中的解调处理由于不受由其后的接收部的信号处理电路引起的例如热噪声带来的影响，所以即使是微弱的信号也可以构成为诊断信息，从而可以提供高灵敏度的超声波诊断装置。
被调制后的偏压信号的频率例如设定在由发送部供给到超声波探头的驱动信号的频带内，或设定成与驱动信号的频带相同。由此，可得到等效于在振动器的接收工序中实施多普勒解调处理的效果，并可得到包括除去了驱动信号的频率成分的多普勒频率成分的输出信号。
另外，调制偏压供给部也可以构成为：根据接收时的焦点位置，按多个振动器的每一个使调制后的偏压信号的相位仅错开预定的相位量。由此，得到与在振动器的接收工序中实施调相处理等效的效果，还可以使多个振动器的输出信号的相位一致。
另外，本发明的第三实施方式的超声波诊断装置包括：超声波探头，与被检体之间收发超声波；发送部，向超声波探头供给驱动信号；和接收部，处理从超声波探头输出的信号，计算与被检体相关的诊断信息。超声波探头具备振动器。该振动器具有隔着空隙配置的一对电极，该一对电极的至少一方是可位移的结构，是输出端子和用于向该一对电极间施加偏压的偏压端子与该一对电极连接的结构。接收部具备调制偏压供给部，其向振动器施加振幅被调制后的偏压信号作为偏压。
另外，本发明的第四实施方式的超声波诊断装置包括：超声波探头，与被检体之间收发超声波；发送部，向超声波探头供给驱动信号；和接收部，处理从超声波探头输出的信号，计算与被检体相关的诊断信息。超声波探头具有接收超声波的振动器，振动器在接收时进行多普勒解调处理。例如，振动器随着时间而调制接收灵敏度，在将超声波信号变换为电信号的过程中进行多普勒解调处理。
另外，本发明的第五实施方式的超声波诊断装置包括：超声波探头，与被检体之间收发超声波；发送部，向超声波探头供给驱动信号；和接收部，处理从超声波探头输出的信号，计算与被检体相关的诊断信息。超声波探头具有多个接收超声波的振动器，该多个振动器在接收时进行调相处理。例如，多个振动器随着时间而分别以规定的相位调制接收灵敏度，在将超声波信号变换为电信号的过程中进行调相处理。
在第四以及第五方式的超声波诊断装置中，作为接收用振动器，例如可以使用具有接收灵敏度根据被施加的偏压的大小而变化的特性的振动器。接收部可采用具备调制偏压供给部的结构，该调制偏压供给部向接收用振动器施加振幅被调制后的偏压信号作为偏压。
(发明效果)
在本发明的超声波诊断装置中，由于可以在振动器的接收时对超声波信号进行解调，所以可以提供检测不会埋入放大器的热噪声的微弱的超声波反射信号并且与以往相比灵敏度得到大幅改善的超声波诊断装置。另外，通过将以往在信号处理部中基于电子电路的解调工序移至振动器的接收工序中，从而可以有助于超声波诊断装置的大幅度的小型化。
附图说明
图1是表示本实施方式的超声波诊断装置的超声波探头10的一部分构成的部分切除立体图。
图2是表示图1的超声波探头的振动器11-1～11m的俯视图。
图3是构成图1的振动器11-1等的鼓18的剖面图。
图4是表示从图3的鼓发送以及接收超声波所需的电路的电路图。
图5(a)是表示发送用振动器的构成的框图。(b)是表示接收用探头的构成的框图。(c)是表示收发兼用振动器的构成的框图。
图6是表示一实施方式的超声波诊断装置的构成的框图。
图7(a)是表示图6的超声波诊断装置的超声波的发送处理的示意图。(b)是表示图6的超声波诊断装置的超声波的接收处理的流程的示意图。
图8是表示比较例的超声波诊断装置的构成的框图。
图中：10-超声波探头；10A-发送用探头；10B-接收用探头；10a-发送用振动器；10b-接收用振动器；10c-收发用振动器；11-1～11-m-振动器；12-衬里层；13-匹配层；14-声透镜；18-鼓；18a-上部电极；18b-下部电极；18c-基板；18d-绝缘体膜；18e-空穴；18f-半导体薄膜；18g-布线；20-连续波发送部；21-发送用相位旋转部；22-接收用相位旋转部；23-DC偏压供给部；24-调制偏压放大部；31-放大部；41-低通滤波部；51-加法部；60-接收部；80-诊断信息计算部；90-显示部；101-电容器；102、102a、102b-电阻；103-加法器；104-偏压产生源；105-驱动信号产生源；111-阻抗；300-系统控制部。
具体实施方式
对本发明的超声波诊断装置的一实施方式进行说明。
首先对本发明的原理进行说明。本发明不像以往的超声波诊断装置的接收系统那样采用探头→前置放大器→信号处理部的所谓的信号流程，而是具有信号处理功能的探头→放大器→信号处理部的构成。由此，提供一种改善了接收系统的信噪比并且高灵敏度的超声波诊断装置。这里，作为探头所担负的信号处理功能，是聚束或多普勒解调处理。由此，继放大器之后的信号处理部的主要的处理被限定在AD转换等的典型化工序。
该构成通过下述而实现：采用具有接收灵敏度根据偏压的大小而变化的振动器的超声波探头，在探头本身的功能中对通过调制该偏压而由探头接收的超声波反射信号进行解调。若以进行连续波多普勒法的情况为例，则当对生物体内例如照射2MHz的超声波时，从血流等移动物体反射的超声波信号根据其移动速度而通过多普勒效应进行频率偏移，例如成为2.001MHz后，若以2MHz调制施加到探头的偏压，则探头的输出成为两者相乘，即0.001MHz＝1KHz和4.001MHz。其中可以通过后段的滤波器容易地将低频成分的1KHz的信号提取出，实质上在探头中可以进行多普勒解调处理。该探头中的解调工序由于在放大器的前段进行，所以与放大器的热噪声无关，能以被大幅度改善了的信噪比提取出在现有技术中可能被埋入放大器的热噪声中的微弱的信号。
可是在采用了一直以来使用的压电陶瓷型振动器的探头中，具有根据其电气机械结合系数以及几何学形状而确定的一种的固定的接收灵敏度，无法提供在所述的探头的接收工序中解调接收信号的单元。本发明者着眼于能以偏压的大小控制接收时的灵敏度的超声波振动器。在具有这样的振动器的探头中，若调制偏压的大小本身，则在接收工序中由探头解调接收信号成为可能。作为所述的超声波振动器，可以使用不采用压电陶瓷而采用电致伸缩材料的装置。在使用了电致伸缩材料的振动器中，通过施加的DC偏压而产生的电致伸缩效果呈电气—机械变换，电致伸缩效果的大小可以通过DC偏压的大小来控制。作为可以控制灵敏度的进一步优选的超声波振动器，也可以采用由DC偏压确定其灵敏度的cMUT(CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducer：电容型微机超声波转换器)。
另外，现有技术没有公开：采用了电致伸缩材料的振动器或采用了cMUT的振动器历来以施加规定的恒定偏压的方式被使用，调制偏压本身。实际上，在使用了这样探头的专利文献1等中，记载为“DC偏压”等。在本发明中，调制确定探头灵敏度的偏压的大小本身，使探头产生解调功能，在探头的接收工序中解调超声波反射信号是重要的，探头并不限定于具备上述电致伸缩材料的振动器或cMUT的装置。
接着，对本实施方式的超声波诊断装置进行具体的说明。首先，对本发明的要点、即可通过偏压的大小控制其灵敏度的排列型探头10的构造进行说明。这里，排列型探头10作为一个例子使用cMUT。图1是说明排列型探头10的示意构造的图。探头10具有排列了短栅状的m个振动器11-1～11-m(m例如是64或192等自然数)的一维阵列的构造，在振动器11-1～11-m的背面配置有衬里层(backing layer)12。另外，在振动器11-1～11-m的超声波送出侧(图1的上方)配置匹配层13，进一步在其上方配置声透镜14。振动器11-1～11-m将送波电信号变换为超声波并将超声波送出到生物体内，并且接收在生物体内反射的超声波将其变换为电信号，形成反射信号。衬里层12被配置成用于吸收被送出到振动器11-1～11-m的背面侧的不要的超声波，并且抑制振动器11-1～11-m的不要的振动。匹配层13用于通过使振动器11-1～11-m和生物体之间的声阻抗匹配来提高超声波向生物体内的传播效率。在图1中，作为经常使用的构造，表示了层叠两层匹配层13的结构。声透镜14在与振动器11-1～11-m的排列方向正交的所谓短轴方向上汇聚超声波束。
这里，如图2所示，振动器11-1～11-m各自通过多个例如六角形的微小的鼓(drum)18构成。(另外，在图2中，为了方便图示仅记载了振动器11-3～11-5三个元件。)如使用图3在后面说明的那样，各个鼓18从电学上来看可以看作是电容器，但分别构成振动器11-1～11-m的鼓18的组，其上部电极18a通过布线18g相互连接，下部电极18b成为公共电极，所以，从电学上来看与多个并联电容器发挥同样的功能。
使用图3对1个鼓18的构造进行说明。鼓18是通过半导体工艺的微细加工技术形成的，包括：硅等半导体基板的基板18c；在其上形成的下部电极18b；作为支撑部的绝缘体膜18d；配置于绝缘体膜18d上部的半导体薄膜18f；进一步在其上配置的上部电极18a。在半导体薄膜18f和下部电极18b之间设有真空(或规定的气压)的空穴18e，其通过对绝缘体膜18d进行蚀刻而形成。由化合物半导体等构成的半导体薄膜18f通过绝缘体膜18d支撑边缘，恰好像乐器中的鼓一样成为在空间上浮起伸展的形状。在上部和下部电极18a、18b之间若施加DC偏压，则产生库伦力，在半导体薄膜18f中产生适度的张力。在发送超声波时，若与DC偏压叠加地在上部和下部电极18a、18b之间施加驱动交流信号，则与连击乐器中鼓而产生声音的情况同样，从鼓18产生超声波。另外，在接收超声波时，若超声波入射到该鼓18，则电极18a、18b间的距离与超声波的大小和波形成比例地变化，所以两电极18a、18b构成的电容器的静电电容相应地变化。通过根据两电极18a、18b的电信号来检测静电电容的变化可以接收超声波。如图2所示，振动器11-1～11-m分别是并列排列多个鼓18的构成，所以可从多个鼓18同时产生超声波信号并发送到生物体内，或者同时由多个鼓18进行接收而形成反射信号。
众所周知：在这样的cMUT构造的探头10中，对一定振幅的驱动交流信号送出的超声波的大小(即，表示从电信号向声信号的变换效率的发送灵敏度)，以及对一定振幅的超声波而得到的电信号的大小(即，表示从声信号向电信号的变换效率的接收灵敏度)，在偏压为直流的情况下，都与偏压的大小的2倍成比例(参照IEEE Transactions On Ultrasonics，Ferroelectric，And Frequency Control，Vol45 pp.678-690 May 1998中的p682的右侧栏)。由此，若将发送时的DC偏压的大小设为dc，将与其重叠的以时间t变化的驱动信号波形设为f(t)，则用下式(1)表示从探头10发送的超声波信号的大小。另外，若将接收时的DC偏压的大小设为dc，将接收的超声波信号设为g(t)，则用下式(2)表示探头10的输出电压R(t)。
T(t)＝2·Kt·dc·f(t) …(1)
R(t)＝2·Kr·dc·g(t) …(2)
其中，Kt、Kr是取决于构成振动器的材料和几何尺寸的常数。
通过(1)式和(2)式可知，在发送时可以发送与DC偏压的大小dc成比例且与发送信号f(t)相似的超声波信号T(t)，在接收时可以输出与DC偏压的大小dc成比例且与接收超声波信号g(t)相似的电压信号R(t)。
本发明者们通过实验，确认了即使在随着时间t而使偏压的大小变化的情况下(2)式的关系也成立。即，以时间t使偏压的大小变化的F(t)的情况下的接收超声波信号所引起的电压信号R(t)可以用下式(3)表示。由此，通过施加调制了偏压大小本身的F(t)，从而能以F(t)调制探头10的接收工序中的电压信号R(t)，所以在用探头对接收信号进行接收的工序中可以通过探头10进行解调。
R(t)＝2·Kr·F(t)·g(t) …(3)
接着，利用图4说明在探头10中，在振动器11-1～11-m的发送时以及接收时施加偏压，实现发送以及接收动作用的电路构成。在图4中，示意性表示了图3的鼓18中作为主要部分的上部电极18a、下部电极18b以及半导体薄膜18f。在发送时，使用加法器103和电阻102，通过加法器103叠加来自偏压产生源104的DC偏压和来自驱动信号产生源105的驱动信号波形，经电阻102施加到上部电极18a。
另一方面，在接收时，使用电阻102、电容检测器(例如放大部31)，从偏压产生源104经电阻102向上部电机18a施加和驱动信号同频带的调制偏压波形，并且通过放大部31检测上下电极18a、18b之间的电容。若反射超声波信号入射到鼓18，则上部电极18a和下部电极18b之间的电容通过入射超声波的大小和波形来调制，同时也通过偏压来调制，所以通过具有透明的阻抗111的放大部31来检测电容，从而可以同时进行超声波信号的接收和解调。另外，在放大部31的阻抗111和上部电极18a之间插入电容器101，以使施加到上部电极18a的偏压不会成为放大部31的过大输入。另外，下部电极18b可以为接地电位。
因此，具体如图5(a)、(b)、(c)所示，排列型探头10中的一个振动器可以为3端子或4端子的元件构成。即，在将排列型探头10分成发送用的探头和接收用的探头来使用的情况，构成发送用探头的振动器10a如图5(a)所示，成为具备偏压输入端子B、输入驱动信号的发送端子T和接地端子G的3端子元件。发送用振动器10a包括与振动器11-L(L＝1～m中的任意一个)的上部电极18a连接的加法器103以及电阻102a，加法器103的结构是经电阻102a向上部电极18a施加叠加的驱动信号和偏压。下部电极18b与接地端子G连接。另一方面，构成接收用探头的振动器10b成为具备偏压输入端子B、输出变换后的电压信号的接收端子R和接地端子G的3端子元件。接收用振动器10b包括与振动器11-M(M＝1～m中的任意一个)连接的电阻102b以及电容器101，经电阻102b向上部电极18a施加调制偏压。另外，经电容器101从接收端子R输出上部电极18a的电位。下部电极18b与接地端子G连接。
当排列型探头10是收发兼用的探头时，如图5(c)所示1个振动器10c成为包括偏压输入端子B、发送端子T、接收端子R和接地端子G的4端子元件。各振动器10c采用的结构是包括：使得向振动器11-N(N＝1～m中的任意一个)施加的偏压和驱动信号叠加的加法器103、电阻102和电容器101。
接着，利用图6说明使用了上述本发明的排列型探头10的超声波诊断装置1的整体构成和动作。本实施方式的超声波诊断装置1是通过连续波多普勒法获得与被检体相关的诊断信息(例如血流速度)的装置。
如图6所示，超声波诊断装置1具有：排列型探头10、连续波发送部20、发送用相位旋转部21、DC偏压供给部23、接收部60、接收用相位旋转部22、调制偏压放大部24、系统控制部300和显示部90。接收部60具备放大部31、低通滤波部41、加法部51和诊断信息计算部80。
这里排列型探头10具有N个振动器，它们被分为多个(N/2个)发送用振动器10a和多个(N/2个)接收用振动器10b，以分别将它们排列的情况为例进行说明。例如，与将扇形排列探头的右侧一半(1～N/2)的排列振动器用作发送用探头10A，将左侧一半(N/2+1～N)用作接收用探头10B的情况相同。发送用振动器10a和接收用振动器10b的构造与已叙述的相同。另外，在图6中为了图示方便，仅用1个发送用振动器和1个接收用振动器表示发送用探头10A和接收用探头10B。
连续波发送部20生成连续正弦波(频率ω0、例如2MHz)。发送用相位旋转部21为了接收时的聚焦，按照各发送用振动器10使连续波发送部20的连续正弦波以规定的相位量旋转，并将此作为驱动信号供给到发送排列振动器10a的发送端子T。另一方面，DC偏压供给部23为了限定发送用振动器10a的灵敏度而将规定大小的直流偏压供给到发送用振动器10a的偏压端子B。由此，从排列的发送用振动器10a对生物体内的规定焦点位置辐射连续波超声波。
由生物体内的血流等的移动物体反射的超声波根据移动物体的移动速度而众所周知地进行频率偏移，成为ω1(＝ω0t+Δω0，例如2MHz+1KHz)，入射到排列的接收用振动器10b。入射的超声波信号在接收用振动器10b中变换为电信号，而在本实施方式中，如上述那样与向电信号的变换同时地实施解调处理。
接收用相位旋转部22为了接收时的聚焦，按照各接收用振动器10b使连续波发送部20输出的连续正弦波信号的相位以规定量旋转并供给到调制偏压放大部24。调制偏压放大部24通过将进行了相位旋转的连续正弦波信号的振幅放大到预定的振幅(例如100V)，由此以与驱动信号相同的频率生成规定振幅的连续波电压信号，并将此作为调制偏压信号供给到接收用振动器10b的偏压端子B。
使用数学式具体说明排列的接收用振动器10b中的第k个振动器10b的接收工序。在生物体内反射并由第k个振动器接收的超声波使用由生物体内的焦点位置和第k个振动器10b之间的距离确定的相位θ(k)来表示。
g(t，k)＝G·cos(ω1t+θ(k)) …(4)
通过接收用相位旋转部22使相位仅旋转θ(k)，从而供给到第k个接收用振动器10b的偏压端子B的调制偏压信号表示为
F(t，k)＝F·cos(ω0t-θ(k)) …(5)
此时，从第k个接收用振动器10b的接收端子R输出的电压信号R(t)根据上述的式(3)与F(t，k)·g(t，k)成比例，但除去其高次谐波成分(例如4.001MHz)，成为
R(t，k)＝2·Kr·F·G·cos(Δω0t) …(6)
仅提取频率Δω0(例如1KHz)，实现多普勒解调。而且，不包含θ(k)项，不依赖于元件号码k而成为相同相位，这表示也同时实现了电子聚焦的调相处理。
即，在本实施方式中，接收用振动器10b的接收端子R的输出波形成为与实施了多普勒解调以及调相的信号同等的信号。由此，在接收部60中，仅通过低通滤波部41除去由振动器10b进行接收时产生的高次谐波成分(4.001MHz)，可以求得多普勒频率Δω0(1KHz)。另外，放大部31放大至在低通滤波部41的前段信号处理所需的规定电平。加法部51在低通滤波部41的后段对来自排列的各接收用振动器的信号进行加法运算，但由于来自各接收用振动器的输出信号如式(6)那样与编号k无关，所以在加法部51中不需要如以往那样的调相处理，只进行加法运算。由此，加法部51的输出成为多普勒频率，这里为1KHz的音频频带，并被输入到诊断信息计算部80。诊断信息计算部80通过进行自相关处理等公知的运算，进行产生被检体的诊断信息(例如移动物体的移动速度或其二维分布图像)所需的运算。诊断信息被显示于显示部90。另外，即使在高次谐波成分不引起放大部31的饱和或加法部51的饱和的范围内变换低通滤波部41和放大部31的顺序，也不会损害本发明的功能。
系统控制部300向连续波发送部20、发送用相位旋转部21、接收用相位旋转部22、DC偏压供给部23、调制偏压放大部24等各部输出控制指令。系统控制部300例如由DSP(Digital Signal Processor)构成。具体而言，系统控制部300具有对相位旋转或诊断信息的运算等所需的数据进行运算并供给的功能、偏压的控制功能。另外，为了避免附图中的繁杂，在图6中省略了表示来自系统控制部300的指令的流程的图示。显示部90显示接收部60根据多普勒频率求得的与被检体有关的诊断信息。
本发明者使用由上述偏压确定灵敏度的探头10做成超声波诊断装置1，并确认了性能。构成探头10的振动器1个被构成为：鼓18的空穴18e的高度为0.3微米，1个鼓18的大小为50μm(直径)，鼓18的排列为图2所示的构成横4列、纵200列；探头10的构造如图1所示为排列了振动器11-1～11m。设施加到发送用排列振动器的DC偏压的大小为100伏特，施加到接收用振动器的调制偏压的振幅为100伏特(峰值差)。通过该构造以及条件，能以超声波频率2-5MHz得到良好的多普勒解调灵敏度。
接着，作为比较例利用图8说明提供以往的连续波多普勒功能的超声波诊断装置的构成。图8的超声波诊断装置中，具有N个排列振动器的探头被分成分别由N/2个振动器构成的发送用探头170A和接收用振动器170B。探头170A和170B使用一般的压电元件型振动器构成。在信号处理部，配有具备调相功能和多普勒解调功能的解调部140。在比较例的图8的装置中，向解调部140输入接收用相位旋转部22的输出信号。此外，对与本实施方式的超声波诊断装置相同的构成部分标记相同的符号，并省略说明。从发送用探头170A向生物体内发送的连续波超声波被生物体内的血流等的移动物体反射，成为频率ω1(＝ω0t+Δω0、例如2MHz+1KHz)，并入射到接收用探头170B。由于在接收用探头170B中没有本实施方式那样的解调功能，所以其输出电压波形为频率ω1。解调部140将接收信号的频率成分ω1和接收用相位旋转部22的输出ω0相乘，形成Δω0和2ω0t+Δω0。同时，对接收信号中包含的θ(k)进行调相。低通滤波部41仅提取出Δω0和2ω0t+Δω0之中的Δω0成分(例如1KHz)，即多普勒频率。系统控制部1300控制这些处理。
在图8的比较例的构成中，由于通过前置放大部131将超声波探头170B的接收信号放大至解调部140能处理的电平，所以事实上通过热噪声大的前置放大部131的性能限制解调部140的性能。其结果，在图8的比较例的超声波诊断装置中，存在成为诊断信息的生物体内的热噪声埋入前置放大部131的噪声中的情况。
与此相对，本发明的超声波诊断装置1使用由偏压确定灵敏度的超声波探头10，通过调制偏压，在探头10中可与接收同时进行解调，所以解调处理不受放大部31的热噪声的影响。因此，即使是如果在放大部31的后段解调则可能会埋入热噪声中的微弱的信号，也能以大幅改善了的信噪比进行检测。另外，由于用探头10进行解调处理，所以在进行信号处理的接收部60中不需要以往的电子电路的解调部140，从而实现装置的大幅小型化和低价化。
另外，以往由于排列的探头的相邻探头间的串扰而产生前置放大部131的饱和现象，但在本发明的超声波诊断装置中，由于不产生放大部的饱和现象，所以不需要在排列的发送探头10A和排列的接收排列探头10B之间配置所谓的间隙元件。由此，除了可以在多普勒检测中使用排列探头的全部元件之外，还可以形成交替排列发送用振动器和接收用振动器的所谓交错方式的多普勒诊断装置。由此，还可一并使用比左右分割配置发送用探头以及接收用探头的情况优异的光束。另外，若发送用探头10A以及接收用探头10B如图5(c)所示采用兼具收发的排列振动器10c的构成，则除了连续波多普勒外，也可应对B模式摄像、M模式、脉冲多普勒或多普勒断层摄像(CFM)。这里，作为连续波多普勒，对已知的模式进行了说明，但即使在超声波诊断装置的其他模式、B模式摄像、M模式、脉冲多普勒、多普勒断层摄像(CFM)中也无损于本发明的要点。实际上，在B模式摄像中，例如将中频3MHz的脉冲波形用于超声波的收发，但接收的中频3MHz的脉冲通过以3MHz调制的偏压来解调其载波频率3MHz，成为包络线信号。众所周知，在B模式摄像中，通过检波电路等提取包络线信号并使其强度信息与亮度信息对应来进行图像显示，而这里也可以在探头的接收工序中进行包络线信号的提取，可在不埋入后续的放大器的噪声的状态下使微弱的信号图像化。
接着，使用图7(a)、(b)对上述的图6的超声波诊断装置1的超声波发送以及接收时的动作进行补充说明。图7(a)是表示超声波的发送处理的示意图，图7(b)是表示超声波的接收处理的流程的示意图。
首先，使用图7(a)对送波处理进行说明。
<直流偏压的施加(S700)>
操作者使超声波探头10与被检体的体表接触。在系统控制部300的控制下，通过DC偏压供给部23，将规定大小的直流偏压dc供给到发送用探头10A的振动器的每一个。
<驱动信号的生成(S702)>
在系统控制部300的控制下，通过连续波发送部20向发送用相位旋转部21供给驱动信号f(t)。驱动信号f(t)是连续正弦波(例如频率ω0＝2MHz)，如式(7)所示。另外，式(7)的F0是常数。
f(t)＝F0·cos(ω0t) …(7)
<驱动信号的相位旋转(S704)>
在系统控制部300的控制下，发送用相位旋转部21仅使驱动信号f(t)的相位旋转规定的相位量θ’，并使其转移到发送用探头10A的各个振动器。相位旋转量θ’是为了实现发送时进行聚焦而根据焦点位置按照各振动器预先确定的。具体而言，从排列探头10A内的基准振动器供给到第k(k＝自然数)个振动器的驱动信号f (t，k)仅被旋转θ(k)。驱动信号f(t，k)与直流偏压dc叠加，并被供给到发送用振动器。供给到发送用探头10A的驱动信号f(t，k)如式(8)所示。
f(t，k)＝Fo·cos(ω0t-θ’(k)) …(8)
<超声波送波信号的发射(S706)>
发送用探头10A向被检体(例如血球等的移动物体)发射与驱动信号f(t，k)对应的超声波送波信号T(t，k)。具体而言，朝向被检体发射的超声波送波信号T(t，k)如式(9)所示。式(9)的Kt是根据构成发送用振动器的材料和几何尺寸而确定的常数。
T(t，k)＝(2·Kt·dc·f(t，k))+(高次谐波成分) …(9)
超声波信号T(t，k)由被检体反射，并通过接收用探头10B接收(S806)。关于在接收时的各部的动作使用图7(b)进行说明。
<驱动信号的供给(S800)>
在系统控制部300的控制下，由连续波发送部20生成的驱动信号f(t)被供给到接收用相位旋转部22。根据该信号f(t)，生成与驱动信号相同频率ω0的偏压信号。以下，在接收处理中，将驱动信号f(t)称为调制信号f(t)。
<调制偏压信号的相位旋转(S802)>
接收用相位旋转部22为了实现接收时进行聚焦，而使调制信号f(t)的相位仅旋转规定的相位量θ。旋转相位量θ是根据接收时焦点位置预先确定的。从接收用探头10B的基准振动器供给到第k(k＝自然数)个振动器的调制信号f(t，k)仅被旋转θ(k)。被相位旋转后的调制信号f’(t，k)如式(10)所示。调制信号f’(t，k)被供给到调制偏压放大部24。
f’(t，k)＝Fo·cos(ω0t-θ(k)) …(10)
<调制偏压信号的施加(S804)>
调制偏压放大部24通过放大调制信号f’(t，k)，生成频率与驱动信号相同的频率ω0的调制偏压信号F(t，k)，并供给到接收用探头10B。例如在调制信号f’(t，k)的振幅为10V的情况下，按照调制偏压信号F(t，k)的振幅成为100V左右的方式进行放大。放大后的调制偏压信号F(t，k)如式(11)所示。其中，F是常数。另外如式(11)所示，调制偏压信号F(t，k)的频率虽然为与驱动信号f(t)同一频率ω0，但在驱动信号的频率具有频带的情况下，只要是频带内的频率便可设定为所述那样的频率。
F(t，k)＝F·cos(ω0t-θ(k)) …(11)
调制偏压信号F(t，k)经接收用电路13被施加到构成探头10B的cMut18的上部电极18a。
<超声波反射信号的接收和解调(S806)>
在上述S706的工序中发送的超声波送波信号由被检体发射，成为超声波反射信号g(t，k)，到达各接收用振动器。超声波反射信号g(t，k)的频率ω1包括与被检体的血球等的反射源的移动速度对应的多普勒移动频率Δω0(ω1＝ω0+Δω0)，如式(12)所示。
g(t，k)＝G·cos(ω1t+θ(k)) …(12)
超声波反射信号g(t，k)由通过调制偏压信号F(t，k)调制了灵敏度的接收用探头10B接收。由此，从接收用探头10B输出的解调信号R(t，k)如式(13)所示成为被实施了多普勒解调处理的信号。另外，由式(13)可知，多普勒成分不依赖于编号k的值而为相同相位，还被实施了调相处理(聚束)。
R(t，k)＝(Kr·F·G·cos(Δω0t))+(高次谐波成分)…(13)
<解调信号的处理>
从接收用探头10B输出的解调信号R(t，k)被转移到接收部60，并由放大部31放大，之后由低通滤波部28除去高次谐波成分。由此，提取出多普勒频率成分。作为多普勒频率成分提取出的信号通过加法部51被加到与接收口径对应的接收用振动器。从加法部51输出的信号在诊断信息计算部80中被实施自相关处理等，由此求得被检体的诊断信息(例如血流速度或二维速度分布图像)。并在显示部90显示所求得的诊断信息。
接着，对先前所述的式(3)进行补充说明。式(3)是表示接收时的探头的输出电压与调制偏压成比例的式子。众所周知如式(2)所示cMUT的接收时输出电压与直流偏压成比例，发明者通过实验已经确认了即使在对偏压进行调制的情况下，cMUT的接收时输出电压与直流偏压成比例也成立，得到式(3)，用于本实施方式的说明。但是，在接收用探头中与接收同时进行解调的本发明中，只要是接收灵敏度根据偏压的大小而变化的超声波探头，则即使未必是式(3)的特性也可以使用。由此，可以使用关于超声波反射信号或调制偏压信号的具有2次以上的项的特性的超声波探头来实现。
另外，本发明者通过实验确认了式(3)成立，但在数学式上也可以如下述考虑。cMUT探头的接收时的输出电压信号R(t)可以使用公知的平方模型如式(14)表示。
R(t)＝Kr·(dc+g(t))2
＝Kr·(dc2+2dc·g(t)+g(t)2) …(14)
其中，Kr是常数，dc是直流偏压，g(t)是超声波反射信号。
在式(14)中若以F(t)偏压调制，则可以如式(15)表示。
R(t)＝Kr·(F(t)2+2F(t)·g(t)+g(t)2)…(15)
如式(15)所示，输出信号R(t)包括超声波反射信号g(t)的一次项和二次项。为了不对生物体造成损害，而微弱地设定超声波发送信号，所以超声波反射信号g(t)也微弱(例如1V)，通过将调制偏压信号F(t)的振幅设置得比超声波反射信号g(t)(例如1V左右)大，例如为100V，从而可以忽略g(t)的二次项。另外，F(t)的二次项由于是ω0的2倍频率的高次谐波成分，所以可以通过低通滤波部41容易地除去。由此可以如式(3)表示。
R(t)＝2·Kr·F(t)·g(t) …(3)
使用频率ω0、多普勒频率Δω0如下进行表示。
若设调制信号为F(t)＝F·cos(ω0t)，设由多普勒效应进行了频率偏移的超声波接收信号为g(t)＝G·cos(ω1t+θ)(ω1＝ω0t+Δω0，θ：由反射体和接收用振动器之间的距离确定的相位旋转量)，则式(15)表示为以下的式(16)。
R(t)＝Kr·(F2·cos2(ω0t)+FG(cos(Δω0t+θ)
+cos(2ω0t+Δω0t+θ))+G2·cos2(ω1t+θ)) …(16)
在式(16)中，若直流成分也同样通过滤波器除去频率ω0的2倍的高次谐波成分，则如式(17)所示，作为探头的输出电压R(t)，可以仅提取出多普勒成分。
R(t)＝Kr·F·G·cos(Δω0t) …(17)
由此，在本实施方式中，在用式(15)表示接收用探头10b的输出时，希望调制偏压信号F(t)的振幅设定得比超声波反射信号g(t)大，例如为2倍以上。进一步优选设定在10倍以上。
由于cMUT探头的输出特性根据构成鼓的材料或形状、鼓的排列、以及使用条件而变化，所以当然可以通过对其进行设计或设定来控制输出特性，在接收灵敏度根据偏压的大小而变化的范围内使用。
另外，只要接收用探头是接收灵敏度根据偏压的大小而变化的探头，则不限定于cMUT探头，可以使用其他结构的探头。例如可以使用由电致伸缩材料(例如Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3系固溶体陶瓷)形成的探头。
另外，在本实施方式中，对独立配置发送用探头和接收用探头的例子进行了说明，但也可以采用排列图5(c)所示构造的收发兼用振动器1Oc并通过同一振动器收发超声波信号的方式。另外，在本实施方式中，虽然将发送用振动器的个数(N/2个)和接收用振动器的个数(N/2个)设为相同，但也可以为不同的个数。
这里对构成探头10的振动器11-1～11-m的鼓18的形状为六角形的情况进行了说明，但也可以为多角形或圆形等其他的形状。
上述的超声波诊断装置是利用连续波多普勒法的装置，但也可以通用脉冲多普勒法或组织断层像法。此时，在诊断信息计算部32或加法部30的后段配置图像处理部，该图像处理部基于接收信号构成超声波图像(例如彩色多普勒断层像或组织浓淡断层像)。
(工业上的可利用性)
本发明可以适用如下的超声波诊断装置：经超声波探头与被检体之间收发超声波，基于从超声波探头输出的信号取得被检体的诊断信息(例如血球等的反射源的移动速度和速度分布、或组织断层像)，并且本发明提供接收系统的信噪比高、高灵敏度的超声波诊断装置。
Claims (19)
1.一种超声波诊断装置，其中包括：
超声波探头，与被检体之间收发超声波；
发送单元，向所述超声波探头供给驱动信号；
接收单元，处理从所述超声波探头输出的信号；和
显示单元，对基于从该接收单元输出的接收信号而构成的与所述被检体相关的诊断信息进行显示，
所述超声波探头具有超声波收发灵敏度根据叠加所述驱动信号而施加的偏压的大小变化的振动器，
该超声波诊断装置设有直流偏压单元和调制偏压单元，所述直流偏压单元向所述振动器施加直流偏压，所述调制偏压单元向所述振动器施加基于所述驱动信号的被调制后的偏压信号。
2.一种超声波诊断装置，其中包括：
超声波探头，与被检体之间收发超声波；
发送部，向所述超声波探头供给驱动信号；和
接收部，处理从所述超声波探头输出的信号，计算与所述被检体相关的诊断信息，
所述超声波探头包括接收灵敏度根据施加的偏压的大小而变化的多个振动器，
所述接收部包括调制偏压供给部，其向所述振动器施加振幅被调制后的偏压信号。
3.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述被调制后的偏压信号的频带在由所述发送部供给到超声波探头的所述驱动信号的频带内。
4.根据权利要求2所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述被调制后的偏压信号的频带在由所述发送部供给到超声波探头的所述驱动信号的频带内。
5.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述被调制后的偏压信号的频带与由所述发送部供给到超声波探头的所述驱动信号的频带相同。
6.根据权利要求2所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述被调制后的偏压信号的频带与由所述发送部供给到超声波探头的所述驱动信号的频带相同。
7.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述振动器在接收超声波时进行多普勒解调处理。
8.根据权利要求2所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述振动器在接收超声波时进行多普勒解调处理。
9.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述调制偏压供给部根据接收时的焦点位置，按每个所述振动器使所述被调制后的偏压信号的相位仅错开预定的相位量。
10.根据权利要求2所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述调制偏压供给部根据接收时的焦点位置，按每个所述振动器使所述被调制后的偏压信号的相位仅错开预定的相位量。
11.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述多个振动器在接收超声波时进行调相处理。
12.根据权利要求2所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述多个振动器在接收超声波时进行调相处理。
13.一种超声波诊断装置，其中包括：
超声波探头，与被检体之间收发超声波；
发送部，向所述超声波探头供给驱动信号；和
接收部，处理从所述超声波探头输出的信号，计算与所述被检体相关的诊断信息，
所述超声波探头具备振动器，该振动器具有隔着空隙配置的一对电极，该一对电极的至少一方是可位移的结构，输出端子和用于向该一对电极间施加偏压的偏压端子与该一对电极连接，
所述接收部具备调制偏压供给部，其向所述振动器施加振幅被调制后的偏压信号作为所述偏压。
14.一种超声波诊断装置，其中包括：
超声波探头，与被检体之间收发超声波；
发送部，向所述超声波探头供给驱动信号；和
接收部，处理从所述超声波探头输出的信号，计算与所述被检体相关的诊断信息，
所述超声波探头具有接收超声波的振动器，该振动器在接收时进行多普勒解调处理。
15.根据权利要求14所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述振动器随着时间而调制接收灵敏度，在将超声波信号变换为电信号的过程中进行所述多普勒解调处理。
16.根据权利要求14所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述振动器具有接收灵敏度根据被施加的偏压的大小而变化的特性，
所述接收部具备调制偏压供给部，其向所述接收用振动器施加振幅被调制后的偏压信号作为所述偏压。
17.一种超声波诊断装置，其中包括：
超声波探头，与被检体之间收发超声波；
发送部，向所述超声波探头供给驱动信号；和
接收部，处理从所述超声波探头输出的信号，计算与所述被检体相关的诊断信息，
所述超声波探头具有多个接收超声波的振动器，该多个振动器在接收时进行调相处理。
18.根据权利要求17所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述多个振动器随着时间而分别以规定的相位调制接收灵敏度，在将超声波信号变换为电信号的过程中进行所述调相处理。
19.根据权利要求17所述的超声波诊断装置，其特征在于，
所述振动器具有接收灵敏度根据被施加的偏压的大小而变化的特性，
所述接收部具备调制偏压供给部，其向所述接收用振动器施加振幅被调制后的偏压信号作为所述偏压。
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