JP2000296128A - 超音波発生装置制御方法、超音波発生装置および超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速化と小型化が両立する超音波発生装置制
御方法、超音波発生装置および超音波撮像装置を実現す
る。 【解決手段】 電流駆動型の超音波発生装置において、
入力パルスの供給回路に電圧リミッタ３１６を設け、リ
ミット電圧をディジタル・アナログ変換器３１８の出力
電圧で規定してアポダイズを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波発生装置制
御方法、超音波発生装置および超音波撮像装置に関し、
特に、電流駆動型の超音波発生装置の制御方法、電流駆
動型の超音波発生装置、および、そのような超音波発生
装置を用いる超音波撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波トランスデューサ（ｔｒａｎｓｄ
ｕｃｅｒ）を電気的に駆動して超音波を発生する超音波
発生装置の１つに、いわゆる電流駆動型の超音波発生装
置がある。この型の超音波発生装置の超音波トランスデ
ューサ１個当たりの電気的構成を図１６に示す。

【０００３】同図に示すように、超音波トランスデュー
サ１０２とキャパシタ（ｃａｐａｃｃｉｔｏｒ）１０４
の直列回路が、トランジスタ（ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
１０６のコレクタ（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）とコモン（ｃ
ｏｍｍｏｎ）の間に接続されている。トランジスタ１０
６のコレクタは抵抗１０８を介して図示しない直流電源
に接続され、エミッタは抵抗１１０を介してコモンに接
続されている。

【０００４】トランジスタ１０６のベース（ｂａｓｅ）
には増幅器１１２を通じてディジタル・アナログ変換器
（ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒ
ｔｅｒ）１１４の出力信号が与えられる。以下、ディジ
タル・アナログ変換器をＤＡＣという。

【０００５】ＤＡＣ１１４には図示しない制御信号発生
部からディジタル制御信号が入力される。ＤＡＣ１１４
はディジタル入力信号をアナログ信号に変換して増幅器
１１２に入力する。増幅器１１２は入力信号を増幅して
トランジスタ１０６のベースに入力する。

【０００６】ベースの入力電圧が０のときトランジスタ
１０６はオフ（ｏｆｆ）になっており、コレクタ電圧は
直流電源電圧Ｖｈと同じになっている。これによりキャ
パシタ１０４には直流電源電圧Ｖｈが充電され、超音波
トランスデューサの両端電圧は０となっている。

【０００７】トランジスタ１０６のベースに、トランジ
スタ１０６の不飽和動作範囲のパルス（ｐｕｌｓｅ）電
圧を入力すると、トランジスタ１０６がそれに対応した
パルス出力電流を生じる。トランジスタ１０６のパルス
出力電流による電圧降下によってコレクタ電圧がパルス
的に低下し、それによって超音波トランスデューサ１０
２が駆動される。

【０００８】トランジスタ１０６のベースに入力される
パルス電圧の振幅Ｖｔｘとトランジスタ１０６のパルス
出力電流Ｉｔｘの関係は次式で与えられる。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで、 Ｖｂｅ：トランジスタ１０６のベース・エミッタ間電圧 Ｒｅ：抵抗１１０の抵抗値 このようなパルス電流に基づく超音波トランスデューサ
１０２の駆動電圧Ｖｔｄは次式で与えられる。ただし、
キャパシタ１０４のインピーダンス（ｉｍｐｅｄａｎｃ
ｅ）は無視するものとする。

【００１１】

【数２】

【００１２】ここで、 Ｒｃ：抵抗１０８の抵抗値 Ｚｔｄ：超音波トランスデューサ１０２のインピーダン
ス （２）式に示すように、超音波トランスデューサ１０２
の駆動電圧Ｖｔｄは、トランジスタ１０６のベースに入
力されるパルス電圧の振幅Ｖｔｘに応じて変化する。し
たがって、ＤＡＣ１１４に入力するディジタル信号によ
ってパルス電圧の振幅Ｖｔｘを定めることにより、所望
の電圧Ｖｔｄで超音波トランスデューサ１０２を駆動す
ることができる。

【００１３】超音波トランスデューサ１０２を複数個用
いたアレイ（ａｒｒａｙ）によって超音波送信のアパー
チャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）を構成したときは、個々の超
音波トランスデューサの駆動電圧に重み付けし、超音波
ビーム（ｂｅａｍ）適正化のためのアポダイゼーション
（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ）を行う。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の超音波発生装置
で超音波撮像用の超音波を発生させる場合、トランジス
タ１０６のベースに入力するパルス電圧は、ライズ／フ
ォール・タイム（ｒｉｓｅ／ｆａｌｌ ｔｉｍｅ）が少
なくとも２０ｎｓ程度のものでなければならない。この
ため、ＤＡＣとしては動作速度が極めて高速なものを用
いる必要がある。

【００１５】高速ＤＡＣは回路構成が複雑なため、それ
をＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）化に
当たりデュアル／クワッド（ｄｕａｌ／ｑｕａｄ）等の
複数チャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）化することが難しい
ので、１チャンネル当たり１個のＤＡＣＩＣを必要とす
る。このため、超音波トランスデューサを例えば１２８
個用いたマルチエレメントアレイ（ｍｕｌｔｉ−ｅｌｅ
ｍｅｎｔ ａｒｒａｙ）用の駆動回路では、ＤＡＣ部分
が異様に大型化するという問題があった。

【００１６】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、高速化と小型化が両立する
超音波発生装置制御方法、超音波発生装置および超音波
撮像装置を実現することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】（１）上記の課題を解決
する第１の観点での発明は、制御信号によって出力電流
が制御される可変電流回路とその出力電流に基づいて駆
動される超音波トランスデューサとを有する超音波発生
装置を制御するに当たり、前記制御信号の振幅を制限し
て前記可変電流回路に与えることを特徴とする超音波発
生装置制御方法である。

【００１８】（２）上記の課題を解決する第２の観点で
の発明は、制御信号によって出力電流が制御される可変
電流回路とその出力電流に基づいて駆動される超音波ト
ランスデューサとを有する超音波発生装置であって、前
記制御信号の振幅を制限して前記可変電流回路に与える
制御手段を具備することを特徴とする超音波発生装置で
ある。

【００１９】（３）上記の課題を解決する第３の観点で
の発明は、制御信号によって出力電流がそれぞれ制御さ
れる複数の可変電流回路と、前記複数の可変電流回路の
出力電流に基づいて駆動される超音波トランスデューサ
と、前記複数の可変電流回路を選択的に動作させる制御
手段と具備する超音波発生装置である。

【００２０】（４）上記の課題を解決する第４の観点で
の発明は、前記超音波トランスデューサを複数個用いて
超音波トランスデューサアレイを構成し、前記可変電流
回路を前記超音波トランスデューサアレイにおける個々
の超音波トランスデューサごとに設け、前記制御手段を
前記可変電流回路ごとに設けたことを特徴とする（２）
または（３）に記載の超音波発生装置である。

【００２１】（５）上記の課題を解決する第５の観点で
の発明は、超音波を送信する超音波送信手段と、前記送
信した超音波に関する受信信号を形成する受信信号形成
手段と、前記形成した受信信号に基づいて画像を生成す
る画像生成手段とを有する超音波撮像装置であって、前
記超音波送信手段として、（２）ないし（４）のうちの
いずれか１つに記載の超音波発生装置を用いることを特
徴とする超音波撮像装置である。

【００２２】（６）上記の課題を解決する他の観点での
発明は、超音波を送信し、前記送信した超音波に関する
受信信号を形成し、前記形成した受信信号に基づいて画
像を生成する超音波撮像方法であって、前記超音波の送
信を（１）に記載の方法で制御することを特徴とする超
音波撮像方法である。

【００２３】（７）上記の課題を解決する他の観点での
発明は、第１の抵抗を介して直流電圧が与えられる一方
の出力端子、第２の抵抗を介してコモンに接続された他
方の出力端子および制御信号が与えられる制御端子を有
する第１の電流制御素子と、第３の抵抗を介して直流電
圧が与えられる一方の出力端子、第４の抵抗を介してコ
モンに接続された他方の出力端子および制御信号が与え
られる制御端子を有する第２の電流制御素子と、前記第
１の電流制御素子の制御端子および前記第２の電流制御
素子の制御端子にそれぞれ制御信号を与える制御手段
と、一端が第１のキャパシタを介して前記第１の電流制
御素子の一方の出力端子に接続され、他端が第２のキャ
パシタを介して前記第２の電流制御素子の一方の出力端
子に接続され、センタータップがコモンに接続された１
次コイルおよび超音波トランスデューサが直列に接続さ
れた２次コイルを有するトランスとを備えた超音波発生
装置であって、前記制御手段はパルス信号の振幅をディ
ジタル・アナログ変換器の出力信号で制限した制御信号
を生じることを特徴とする超音波発生装置である。

【００２４】（８）上記の課題を解決する他の観点での
発明は、共通の第１の抵抗を介して直流電圧が与えられ
る一方の出力端子、個別の抵抗を介してコモンに接続さ
れた他方の出力端子および個別の制御信号が与えられる
制御端子を有する第１の複数の電流制御素子と、共通の
第２の抵抗を介して直流電圧が与えられる一方の出力端
子、個別の抵抗を介してコモンに接続された他方の出力
端子および個別の制御信号が与えられる制御端子を有す
る第２の複数の電流制御素子と、一端が第１のキャパシ
タを介して前記第１の複数の電流制御素子の一方の出力
端子に接続され、他端が第２のキャパシタを介して前記
第２の複数の電流制御素子の一方の出力端子に接続さ
れ、センタータップがコモンに接続された１次コイルお
よび超音波トランスデューサが直列に接続された２次コ
イルを有するトランスと、前記第１の複数の電流制御素
子の制御端子および前記第２の複数の電流制御素子の制
御端子にそれぞれ選択的に制御パルスを与える制御手段
とを有する超音波発生装置である。

【００２５】（９）上記の課題を解決する他の観点での
発明は、前記超音波トランスデューサを複数個用いて超
音波トランスデューサアレイを構成し、前記電流制御素
子を前記超音波トランスデューサアレイにおける個々の
超音波トランスデューサごとに設け、前記制御手段を前
記電流制御素子ごとに設けたことを特徴とする（７）ま
たは（８）に記載の超音波発生装置である。

【００２６】（１０）上記の課題を解決する他の観点で
の発明は、前記制御手段は前記パルス信号が一端に与え
られ前記ディジタル・アナログ変換器の出力信号が他端
に与えられるダイオードを有することを特徴とする
（７）または（９）に記載の超音波発生装置である。

【００２７】（１１）上記の課題を解決する他の観点で
の発明は、前記制御手段はコレクタがコモンに接続され
エミッタに前記パルス信号が与えられベースに前記ディ
ジタル・アナログ変換器の出力信号が与えられるトラン
ジスタを有することを特徴とする（７）または（９）に
記載の超音波発生装置である。

【００２８】（１２）上記の課題を解決する他の観点で
の発明は、前記制御手段は前記パルス信号が入力される
ダイオードブリッジと、このダイオードブリッジの１対
の制御信号入力点に定電流を互いに逆極性で入力する１
対の定電流源と、これら１対の定電流源の出力電流値を
規定するディジタル・アナログ変換器とを有することを
特徴とする（７）または（９）に記載の超音波発生装置
である。

【００２９】（１３）上記の課題を解決する他の観点で
の発明は、前記制御手段は前記パルス信号が入力される
出力電圧クランプ機能付きのＯＰアンプと、このＯＰア
ンプの出力電圧のクランプ値を規定するディジタル・ア
ナログ変換器とを有することを特徴とする（７）または
（９）に記載の超音波発生装置である。

【００３０】（１４）上記の課題を解決する他の観点で
の発明は、超音波を送信する超音波送信手段と、前記送
信した超音波に関する受信信号を形成する受信信号形成
手段と、前記形成した受信信号に基づいて画像を生成す
る画像生成手段とを有する超音波撮像装置であって、前
記超音波送信手段として、（７）ないし（１３）のうち
のいずれか１つに記載の超音波発生装置を用いることを
特徴とする超音波撮像装置である。

【００３１】（作用）本発明では、制御手段は別に発生
する高速な制御信号の振幅を制限するのに用いるので、
それ自身は動作速度が特に高速である必要はない。その
ような制御手段は複数チャンネル分を１個のＩＣで構成
することができ小型化可能である。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置の
ブロック（ｂｌｏｃｋ）図を示す。本装置は本発明の超
音波撮像装置の実施の形態の一例である。本装置の構成
によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示
される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する
実施の形態の一例が示される。

【００３３】本装置の構成を説明する。同図に示すよう
に、本装置は超音波プローブ（ｐｒｏｂｅ）２を有す
る。超音波プローブ２は、被検体１００に当接されて超
音波の送受波に使用される。超音波プローブ２は、図示
しない超音波トランスデューサアレイを有する。超音波
トランスデューサアレイは複数の超音波トランスデュー
サで構成される。個々の超音波トランスデューサは、例
えばＰＺＴ（チタン（Ｔｉ）酸ジルコン（Ｚｒ）酸鉛
（Ｐｂ））セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の圧電
材料で構成される。

【００３４】超音波プローブ２は送受信部６に接続され
ている。送受信部６は、超音波プローブ２の超音波トラ
ンスデューサアレイを駆動して超音波ビームを送信し、
また、超音波トランスデューサアレイが受波したエコー
（ｅｃｈｏ）を受信するものである。送受信部６のブロ
ック図を図２に示す。同図に示すように、送受信部６は
信号発生回路６０２を有する。信号発生回路６０２は、
パルス（ｐｕｌｓｅ）信号を所定の周期で繰り返し発生
して送波ビームフォーマ６０４に入力する。送波ビーム
フォーマ６０４は入力信号に基づいて送波ビームフォー
ミング信号を生成する。送波ビームフォーミング信号
は、超音波トランスデューサアレイにおいて送信アパー
チャを構成する複数の超音波トランスデューサに与える
複数のパルス信号であり、個々のパルス信号には超音波
ビームの方位および焦点に対応した遅延時間が付与され
る。以下、送信アパーチャを送波アパーチャという。

【００３５】送波ビームフォーマ６０４の出力信号はア
ポダイズ回路６０６に入力される。アポダイズ回路６０
６は入力された複数のパルスの振幅を個々に調節してア
ポダイズを行う。アポダイズ回路６０６については後に
あらためて説明する。アポダイズ回路６０６の出力信号
は、送受切換回路６０８を通じて送波アパーチャを構成
する複数の超音波トランスデューサに駆動信号として与
えられる。

【００３６】駆動信号が与えられた複数の超音波トラン
スデューサはそれぞれ超音波を発生し、それら超音波の
波面合成により所定の方位への送波超音波ビームが形成
される。送波超音波ビームは所定の距離に設定された焦
点に収束する。信号発生回路６０２、送波ビームフォー
マ６０４、アポダイズ回路６０６、送受切換回路６０８
および超音波プローブ２からなる部分は、本発明におけ
る超音波送信手段の実施の形態の一例である。

【００３７】送波超音波のエコーが、超音波プローブ２
の受信アパーチャを構成する複数の超音波トランスデュ
ーサでそれぞれ受波される。以下、受信アパーチャを受
波アパーチャという。複数の超音波トランスデューサが
受波した複数のエコー受波信号は、送受切換回路６０８
を通じて受波ビームフォーマ６１０に入力される。受波
ビームフォーマ６１０は、エコー受信音線の方位および
エコー受信の焦点に対応した遅延を個々のエコー受波信
号に付与して加算し、所定の音線および焦点に合致した
エコー受信信号を形成する。超音波プローブ２、送受切
換回路６０８および受波ビームフォーマ６１０からなる
部分は、本発明における受信信号形成手段の実施の形態
の一例である。

【００３８】送波ビームフォーマ６０４は、送波超音波
ビームの方位を順次切り換えることにより音線順次の走
査を行う。受波ビームフォーマ６１０は、受波音線の方
位を順次切り換えることにより音線順次の受波の走査を
行う。これにより、送受信部６は例えば図３に示すよう
な走査を行う。すなわち、放射点２００からｚ方向に延
びる超音波ビーム２０２が扇状の２次元領域２０６をθ
方向に走査し、いわゆるセクタスキャン（ｓｅｃｔｏｒ
ｓｃａｎ）を行う。

【００３９】送波および受波のアパーチャを超音波トラ
ンスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、こ
のアパーチャをアレイに沿って順次移動させることによ
り、例えば図４に示すような走査を行うことができる。
すなわち、放射点２００からｚ方向に発する超音波ビー
ム２０２が直線的な軌跡２０４上を移動することによ
り、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、い
わゆるリニアスキャン（ｌｉｎｅａｒ ｓｃａｎ）が行
われる。

【００４０】なお、超音波トランスデューサアレイが、
超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたい
わゆるコンベックスアレイ（ｃｏｎｖｅｘ ａｒｒａ
ｙ）である場合は、リニアスキャンと同様な信号操作に
より、例えば図５に示すように、超音波ビーム２０２の
放射点２００が円弧状の軌跡２０４上を移動して扇面状
の２次元領域２０６がθ方向に走査され、いわゆるコン
ベックススキャンが行えるのはいうまでもない。

【００４１】送受信部６はデータ（ｄａｔａ）処理部８
に接続されている。データ処理部８には、送受信部６か
ら、エコー受信信号がディジタルデータ（ｄｉｇｉｔａ
ｌｄａｔａ）として入力される。データ処理部８は、入
力されたエコーデータを処理して画像生成を行う。デー
タ処理部８は、本発明における画像生成手段の実施の形
態の一例である。

【００４２】データ処理部８は、図６に示すように、デ
ータ処理プロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）８０、エコ
ーメモリ（ｅｃｈｏ ｍｅｍｏｒｙ）８２、データメモ
リ８４および画像メモリ８６を備えている。これらはバ
ス（ｂｕｓ）８８によって接続されている。送受信部６
から入力されたエコーデータは、エコーメモリ８２に記
憶される。データ処理プロセッサ８０は、エコーデータ
に基づいて画像を生成する。

【００４３】データ処理部８には表示部１０が接続され
ている。表示部１０は、例えばグラフィックディスプレ
ー（ｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ）等で構成され、
データ処理部８の画像メモリ８６から入力された画像デ
ータに基づいて可視像を表示する。

【００４４】以上の送受信部６、データ処理部８および
表示部１０は制御部１２に接続されている。制御部１２
は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御す
る。また、被制御の各部から制御部１２に状態報知信号
や応答信号等が伝えられる。制御部１２による制御の下
で超音波撮像が実行される。

【００４５】制御部１２には操作部１４が接続されてい
る。操作部１４は操作者によって操作され、制御部１２
に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作
部１４は、例えばキーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）やそ
の他の操作具を備えた操作パネル（ｐａｎｅｌ）で構成
される。

【００４６】図７に、アポダイズ回路６０６から超音波
プローブ２までの超音波発生装置の電気的構成の一例
を、超音波プローブ２の１チャンネル分すなわち超音波
トランスデューサ１個分について示す。ただし、送受切
換回路６０８については図示を省略してある。本超音波
発生装置は、図１６に示した装置と共通する構成を有す
る。

【００４７】本超音波発生装置は、本発明の超音波発生
装置の実施の形態の一例である。本超音波発生装置の構
成により、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示
される。本超音波発生装置の動作により、本発明の方法
に関する実施の形態の一例が示される。

【００４８】同図に示すように、本超音波発生装置では
超音波トランスデューサ３０２とキャパシタ３０４の直
列回路が、トランジスタ３０６のコレクタとコモンの間
に接続されている。超音波トランスデューサ３０２は、
本発明における超音波トランスデューサの実施の形態の
一例である。また、本発明における負荷の実施の形態の
一例である。キャパシタ３０４は、本発明におけるキャ
パシタの実施の形態の一例である。トランジスタ３０６
は、本発明における可変電流回路の実施の形態の一例で
ある。また、本発明における電流制御素子の実施の形態
の一例である。

【００４９】トランジスタ３０６のコレクタは抵抗３０
８を介して図示しない直流電源に接続され、エミッタは
抵抗３１０を介してコモンに接続されている。コレクタ
は、本発明における一方の出力端子の実施の形態の一例
である。抵抗３０８は、本発明における第１の抵抗の実
施の形態の一例である。エミッタは、本発明における他
方の出力端子の実施の形態の一例である。抵抗３１０
は、本発明における第２の抵抗の実施の形態の一例であ
る。

【００５０】トランジスタ３０６のベースには増幅器３
１２の出力信号が与えられる。ベースは、本発明におけ
る制御端子の実施の形態の一例である。増幅器３１２に
は抵抗３１４を通じて送波ビームフォーマ６０４の出力
パルスが入力される。送波ビームフォーマ６０４から見
て抵抗３１４の下流には、ダイオード（ｄｉｏｄｅ）３
１６を介してディジタル・アナログ変換器３１８の出力
回路が接続されている。増幅器３１２、抵抗３１４、ダ
イオード３１６およびディジタル・アナログ変換器３１
８からなる部分は、本発明における制御手段の実施の形
態の一例である。

【００５１】ダイオード３１６は、アノード（ａｎｏｄ
ｅ）が抵抗３１４側、カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）がデ
ィジタル・アナログ変換器３１８側となる。ディジタル
・アナログ変換器３１８は、本発明におけるディジタル
・アナログ変換器の実施の形態の一例である。以下、デ
ィジタル・アナログ変換器をＤＡＣという。

【００５２】ＤＡＣ３１８には制御部１２からディジタ
ル制御信号が入力される。ＤＡＣ３１８はディジタル入
力信号をアナログ信号に変換してダイオード３１６のカ
ソード側に印加する。ダイオード３１６のアノード側に
印加される送波ビームフォーマ６０４の出力パルスの振
幅は、ダイオード３１６のカソード側に印加されるＤＡ
Ｃ３１８の出力電圧より大きくなるように設定されてい
る。このため、送波ビームフォーマ６０４の出力パルス
が与えられたときダイオード３１６が導通し、増幅器３
１２入力電圧をＤＡＣ３１８の出力電圧によって定まる
値に制限する。

【００５３】ＤＡＣ３１８の出力電圧をＶｄａｃ、ダイ
オード３１６の順方向電圧をＶｆとしたとき、増幅器３
１２の入力電圧はＶｄａｃ＋Ｖｆとなる。このような電
圧が増幅器３１２で増幅されてトランジスタ３０６のベ
ースに入力される。トランジスタ３０６のベースの入力
電圧Ｖｄａｃ＋Ｖｆは、トランジスタ３０６の不飽和動
作範囲の入力電圧になるようにしてある。

【００５４】送波ビームフォーマ６０４の出力パルスが
与えられないときは、ＤＡＣ３１８の出力信号はダイオ
ード３１６で阻止されるので、増幅器３１２の入力電圧
は０であり、したがってトランジスタ３０６のベースの
入力電圧も０である。ベースの入力電圧が０のときトラ
ンジスタ３０６はオフになっており、コレクタ電圧は直
流電源電圧Ｖｈと同じになっている。これによりキャパ
シタ３０４には直流電源電圧Ｖｈが充電され、超音波ト
ラスデューサの両端電圧は０となっている。

【００５５】送波ビームフォーマ６０４の出力パルスが
与えられると、トランジスタ３０６のベースにその振幅
を制限したパルス電圧が入力され、トランジスタ３０６
がそれに対応したパルス出力電流を生じる。トランジス
タ３０６のパルス出力電流による電圧降下によってコレ
クタ電圧がパルス的に低下し、それによって超音波トラ
ンスデューサ３０２が駆動される。

【００５６】増幅器３１２のゲイン（ｇａｉｎ）を１と
したとき、トランジスタ３０６のベースに入力されるパ
ルス電圧の振幅Ｖｄａｃ＋Ｖｆとトランジスタ３０６の
パルス出力電流Ｉｔｘの関係は次式で与えられる。

【００５７】

【数３】

【００５８】ここで、 Ｖｂｅ：トランジスタ３０６のベース・エミッタ間電圧 Ｒｅ：抵抗３１０の抵抗値 このようなパルス電流に基づく超音波トランスデューサ
３０２の駆動電圧Ｖｔｄは次式で与えられる。ただし、
キャパシタ３０４のインピーダンスは無視するものとす
る。

【００５９】

【数４】

【００６０】ここで、 Ｒｃ：抵抗３０８の抵抗値 Ｚｔｄ：超音波トランスデューサ３０２のインピーダン
ス （４）式に示すように、超音波トランスデューサ３０２
の駆動電圧Ｖｔｄは、トランジスタ３０６のベースに入
力されるパルス電圧の振幅Ｖｄａｃ＋Ｖｆに応じて変化
する。したがって、ＤＡＣ３１８に入力するディジタル
信号によって電圧値Ｖｄａｃを調節することにより、所
望の電圧Ｖｔｄで超音波トランスデューサ３０２を駆動
することができる。そこで、電圧値Ｖｄａｃをアパーチ
ャを構成する個々の超音波トランスデューサ３０２ごと
に設定することによりアポダイズを行う。

【００６１】トランジスタ３０６のベースに入力される
パルスのライズ／フォール・タイムは送波ビームフォー
マ６０４の出力パルスのライズ／フォール・タイムで定
まり、ＤＡＣ３１８の動作速度の影響を受けない。この
ため、ＤＡＣ３１８は図１６に示したＤＡＣ１１４より
はるかに低速なのもので良い。そのようなＤＡＣは回路
構成を簡素化することができ、ＩＣ化した場合は例えば
デュアル／クワッド等による複数チャンネル化が可能で
ある。したがって、送波アパーチャを構成する例えば１
２８チャンネルの超音波トランスデューサアレイ用のＤ
ＡＣ群を全体として小型化することができる。

【００６２】また、送波ビームフォーマ６０４の出力パ
ルスは、振幅がＤＡＣ３１８の出力電圧以上ならば振幅
の精度を必要としないので、例えば２０ｎｓ程度あるい
はそれより短いライズ／フォール・タイムを持つものを
容易に得ることができる。したがって、本超音波発生装
置では高速化と小型化を両立させることができる。

【００６３】図８に、本発明の超音波発生装置の実施の
形態の他の例を示す。この装置は図７に示した装置にお
けるトランジスタ３０６をＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−
ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ
Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３０６’で置き
換えたものに相当する。本超音波発生装置の構成によ
り、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示され
る。本超音波発生装置の動作により、本発明の方法に関
する実施の形態の一例が示される。

【００６４】図８において図７と同様な部分は同一の符
号を付して説明を省略する。ＭＯＳＦＥＴ３０６’は、
本発明における可変電流回路の実施の形態の一例であ
る。また、本発明における電流制御素子の実施の形態の
一例である。ＭＯＳＦＥＴ３０６’のドレイン（ｄｒａ
ｉｎ）は、本発明における一方の出力端子の実施の形態
の一例であり、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）は、本発明にお
ける他方の出力端子の実施の形態の一例であり、ゲート
（ｇａｔｅ）は、本発明における制御端子の実施の形態
の一例である。

【００６５】ＭＯＳＦＥＴ３０６’のゲートに入力電圧
を与える増幅器３１２’としてＯＰアンプ（ｏｐｅｒａ
ｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が用いられ、その
非反転入力端子にＤＡＣ３１８の出力電圧で振幅制限さ
れた送波ビームフォーマ６０４の出力パルスが入力さ
れ、反転入力端子に抵抗３１０の電圧降下がフィードバ
ック（ｆｅｅｄｂａｃｋ）信号として入力される。

【００６６】このようなフィードバックにより、ＭＯＳ
ＦＥＴ３０６’の出力電流はゲート入力電圧に比例した
ものとなり、図７に示した装置と同様な超音波トランス
デューサ３０２の駆動を行うことができる。ＭＯＳＦＥ
Ｔ３０６’はゲートに流れる電流が極めて小さいので、
ゲート駆動回路の消費電力を小さくできる利点がある。

【００６７】図９に、本発明の超音波発生装置の実施の
形態の他の例を示す。本超音波発生装置の構成により、
本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本
超音波発生装置の動作により、本発明の方法に関する実
施の形態の一例が示される。

【００６８】図９において図７と同様な部分は同一の符
号を付して説明を省略する。本超音波発生装置は、超音
波トランスデューサ３０２を駆動する回路を２系統有
し、それらの出力信号をトランス（ｔｒａｎｓｆｏｒｍ
ｅｒ）３２０を通じて超音波トランスデューサ３０２に
１パルスごとに交互に与えるようにしたものである。ト
ランス３２０および超音波トランスデューサ３０２から
なる部分は、本発明における負荷の実施の形態の一例で
ある。

【００６９】Ａドライバ（ｄｒｉｖｅｒ）５０２は、図
７に示した回路から超音波トランスデューサ３０２を除
いたものに相当する。Ｂドライバ５０４の構成もＡドラ
イバと同様になっている。Ａドライバ５０２のキャパシ
タ３０４はトランス３２０の１次コイルの一端に接続さ
れ、Ｂドライバ５０４のキャパシタ４０４は同１次コイ
ルの他端に接続されている。トランス３２０の１次コイ
ルはセンタータップ（ｃｅｎｔｅｒ ｔａｐ）を有し、
このセンタータップがコモンに接続されている。トラン
ス３２０の２次コイルには超音波トランスデューサ３０
２が直列に接続されている。

【００７０】両ドライバにはＤＡＣ３１４の出力信号が
共通のパルス振幅制限値として与えられる。両ドライバ
には送波ビームフォーマ６０４の出力パルス列が１パル
スごとに交互に入力される。これにより、Ａドライバ５
０２におけるａ点の電圧すなわちトランジスタ３０６の
ベース入力電圧は図１０の（ａ）に示すようになり、Ｂ
ドライバ５０４におけるｂ点の電圧すなわちトランジス
タ４０６のベース入力電圧は図１０の（ｂ）に示すよう
になる。

【００７１】先ず、入力電圧（ａ）を増幅したトランジ
スタ３０６の出力電圧がキャパシタ３０４を通じてトラ
ンス３２０の１次コイルの一端とセンタータップ間に印
加されることにより、それに比例した電圧が２次コイル
に誘起し、この誘起電圧が超音波トランスデューサ３０
２に印加される。

【００７２】次に、入力電圧（ｂ）を増幅したトランジ
スタ４０６の出力電圧がキャパシタ４０４を通じてトラ
ンス３２０の１次コイルの他端とセンタータップ間に印
加されることにより、それに比例した電圧が２次コイル
に誘起し、この誘起電圧が超音波トランスデューサ３０
２に印加される。

【００７３】２次コイルにおけるＡドライバ５０２の誘
起電圧とＢドライバ５０４の誘起電圧は互いに逆極性と
なり、超音波トランスデューサ３０２は（ｃ）に示すよ
うにバイポーラ（ｂｉｐｏｌａｒ）信号によって駆動さ
れる。バイポーラ駆動は送波超音波の音圧に画像の品質
を低下させる直流成分を含まない点で好ましい。なお、
両ドライバにおいて、トランジスタ３０６と増幅器３１
２からなる回路およびトランジスタ４０６と増幅器４１
２からなる回路は、図８に示したようなＭＯＳＦＥＴ３
０６’とＯＰアンプ３１２’からなる回路でそれぞれ置
き換えても良い。

【００７４】以上の超音波発生装置において、増幅器３
１２，４１２、またはＯＰアンプ３１２’の入力パルス
の振幅を制限する回路として、例えば図１１に示すよう
な回路を用いるようにしても良い。同図では、トランジ
スタ５１２のエミッタを抵抗３１４の下流側に接続し、
コレクタをコモンに接続し、ベースにＤＡＣ３１８の出
力電圧を入力するようにしている。なお、トランジスタ
５１２はＰＮＰ型のものである。

【００７５】この回路では、トランジスタ５１２のエミ
ッタの電圧すなわち増幅器３１２，４１２、またはＯＰ
アンプ３１２’への入力電圧の振幅が、ＤＡＣ３１８の
出力電圧Ｖｄａｃとトランジスタ５１２のベース・エミ
ッタ間電圧Ｖｂｅの和の値に制限される。

【００７６】増幅器３１２，４１２、またはＯＰアンプ
３１２’のための入力電圧制限回路は、例えば図１２に
示すようにダイオードブリッジ（ｄｉｏｄｅ ｂｒｉｄ
ｇｅ）を用いて構成しても良い。同図に示すように、ダ
イオード５２２，５２２’，５２４，５２４’がダイオ
ードブリッジを構成している。すなわち、ダイオード５
２２，５２２’は極性をそろえて直列接続され、ダイオ
ード５２４，５２４’も極性をそろえて直列接続され、
かつ、ダイオード５２２，５２２’の直列回路とダイオ
ード５２４，５２４’の直列回路が極性をそろえて並列
に接続されている。

【００７７】ダイオード５２２とダイオード５２４の接
続点に直流定電流源５３２の出力電流が供給される。直
流定電流源５３２の出力電流の方向はダイオード５２
２，５２４の順方向に一致している。直流定電流源５３
２の出力電流の値はＤＡＣ３１８の出力電圧によって規
定される。ダイオード５２２’とダイオード５２４’の
接続点に直流定電流源５３２’の出力電流が供給され
る。直流定電流源５３２’の出力電流の方向はダイオー
ド５２２’，５２４’の順方向に一致している。直流定
電流源５３２’の出力電流の値はＤＡＣ３１８’の出力
電圧によって規定される。直流定電流源５３２，５３
２’の出力電流値は同一となるように設定されている。
なお、ＤＡＣ３１８，３１８’は１つのＤＡＣを共用す
るようにしても良い。

【００７８】ダイオード５２２とダイオード５２２’の
接続点は抵抗５３４を介してコモンに接続されている。
抵抗５３４の両端に生じる電圧が増幅器３１２への入力
信号となる。あるいは、ＯＰアンプ３１２’または増幅
器４１２への入力信号となる。ダイオード５２４とダイ
オード５２４’の接続点はキャパシタ５３６を介して送
波ビームフォーマ６０４に接続され、ここに送波ビーム
フォーマ６０４の出力パルスが与えられる。

【００７９】送波ビームフォーマ６０４が出力パルスを
発生しない間は、直流定電流源５３２からダイオード５
２２を通じて抵抗５３４に流れる電流と、直流定電流源
５３２’からダイオード５２２’を通じて抵抗５３４に
逆方向に流れる電流が平衡しており、抵抗５３４の両端
には電圧が生じない。

【００８０】送波ビームフォーマ６０４が正極性の出力
パルスを発生すると、ダイオード５２４とダイオード５
２４’の接続点の電圧がダイオード５２４，５２２’を
逆バイアス（ｂｉａｓ）する。逆バイアスされたダイオ
ード５２２’のオフによって、直流定電流源５３２’か
ら抵抗５３４に流れる電流が遮断され、抵抗５３４には
直流定電流源５３２の電流だけが流れる状態になる。こ
れによって抵抗５３４の両端に電圧が生じ、この電圧が
増幅器３１２への入力電圧となる。入力電圧の振幅は直
流定電流源５３２の電流によって定まる一定値となる。

【００８１】送波ビームフォーマ６０４が負極性の出力
パルスを発生した場合は、ダイオード５２４とダイオー
ド５２４’の接続点の電圧がダイオード５２４’，５２
２を逆バイアスする。逆バイアスされたダイオード５２
２のオフによって、直流定電流源５３２から抵抗５３４
に流れる電流が遮断され、抵抗５３４には直流定電流源
５３２’の電流だけが流れる状態になる。これによって
抵抗５３４の両端に上記とは逆な極性の電圧が生じ、こ
の電圧が増幅器３１２への入力電圧となる。入力電圧の
振幅は直流定電流源５３２’の電流によって定まる一定
値となる。

【００８２】図７または図９に示した回路において、増
幅器３１２，４１２の代わりに出力電圧クランプ（ｃｌ
ａｍｐ）機能を持つＯＰアンプを用いて、トランジスタ
３０６のベース入力電圧の振幅を制限するようにしても
良い。あるいは、図８に示した回路においてＯＰアンプ
３１２’の前段部をそのような振幅制限回路で置き換え
ても良い。

【００８３】出力クランプ機能を持つＯＰアンプを用い
た振幅制限回路の一例を図１３に示す。同図において、
ＯＰアンプ５４２が出力クランプ機能を持つＯＰアンプ
である。ＯＰアンプ５４２の反転入力端子は、抵抗５４
４を介して送波ビームフォーマ６０４に接続され、ま
た、抵抗５４６を介して出力端子に接続される。ＯＰア
ンプ５４２の非反転入力端子はコモンに接続される。

【００８４】ＯＰアンプ５４２の１対のクランプ端子に
は増幅器５４８の正負１対の出力電圧がそれぞれ与えら
れる。正負１対の出力電圧の絶対値は同一になってい
る。あるいは適宜の相違を持たせるようにしても良い。
増幅器５４８の出力電圧の絶対値はＤＡＣ３１８の出力
電圧によって規定される。

【００８５】送波ビームフォーマ６０４の出力パルスを
増幅したＯＰアンプ５４２の出力電圧は、クランプ端子
の電圧によってクランプされる。クランプ端子の電圧は
ＤＡＣ３１８の出力電圧で規定するので、ＯＰアンプ５
４２の出力電圧はＤＡＣ３１８の出力電圧にクランプさ
れる。

【００８６】図１４に、本発明の超音波発生装置の実施
の形態の他の例を示す。本超音波発生装置の構成によ
り、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示され
る。図１４において図７と同様な部分は同一の符号を付
して説明を省略する。

【００８７】同図に示すように、本超音波発生装置は、
超音波トランスデューサ３０２を駆動するトランジスタ
を複数個有する。すなわち、例えば３個のトランジスタ
７０２，７０４，７０６を有しそれらのコレクタが抵抗
３０８に共通に接続されている。なお、トランジスタの
和は３個に限らず適宜の個数として良い。トランジスタ
７０２，７０４，７０６のエミッタはそれぞれ抵抗７１
２，７１４，７１６を介してコモンに接続されている。
抵抗７１２，７１４，７１６の抵抗値の比は例えば１：
０．５：０．２５となっている。

【００８８】トランジスタ７０２，７０４，７０６のベ
ースにはそれぞれゲート（ｇａｔｅ）回路７２２，７２
４，７２６を介して送波ビームフォーマ６０４の出力パ
ルスが与えられる。ゲート回路７２２，７２４，７２６
の開閉はコントローラ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）７３０
によって制御される。コントローラ７３０には制御部１
２から制御信号が与えられる。ゲート回路７２２，７２
４，７２６およびコントローラ７３０からなる部分は、
本発明における制御手段の実施の形態の一例である。

【００８９】ゲート回路７２２，７２４，７２６により
トランジスタ７０２，７０４，７０６のいずれか１つま
たは２つあるいは全部のベースに送波ビームフォーマ６
０４の出力パルスを入力すると、各トランジスタは
（１）式で示したように入力電圧Ｖｔｘ、ベース・エミ
ッタ間電圧Ｖｂｅおよびエミッタに直列な抵抗（エミッ
タ抵抗）Ｒｅによって定まる出力電流をそれぞれ生じ、
それらの和の電流に基づくコレクタ電圧の変化が超音波
トランスデューサ３０２の駆動電圧となる。

【００９０】ここで、エミッタ抵抗Ｒｅの値が個々のト
ランジスタごとに異なるので、出力電流はトランジスタ
ごとに異なる。すなわち、抵抗７１２，７１４，７１６
の抵抗値の比は１：０．５：０．２５であるから、トラ
ンジスタ７０２，７０４，７０６の出力電流の比は１：
２：４となり、超音波トランスデューサ３０２の駆動電
圧の振幅比もこの通りになる。

【００９１】したがって、パルス信号を入力するトラン
ジスタの組み合わせをゲート回路７２２，７２４，７２
６によって制御することにより、超音波トランスデュー
サ３０２の駆動電圧の振幅を調節することができる。３
個のゲート回路の開閉の組み合わせは８通りあるので、
超音波トランスデューサ３０２の駆動電圧は８段階に調
節することができる。ゲート回路７２２，７２４，７２
６の制御パターン（ｐａｔｔｅｒｎ）と超音波トランス
デューサ３０２の駆動電圧の倍率との関係を図１５に示
す。トランジスタの数を増やしエミッタ直列抵抗の抵抗
値のステップ（ｓｔｅｐ）を適宜に設定することによ
り、駆動電圧をさらに多段階に調節することが可能であ
る。

【００９２】本回路では、値の異なるエミッタ抵抗を有
する複数のトランジスタの並列回路が実質的にディジタ
ル・アナログ変換器として機能するので、あらためてＤ
ＡＣを必要とせず構成を簡素化することができる。ま
た、トランジスタおよびゲート回路として動作速度が高
速なものを得ることは容易である。また、アナログＡＳ
ＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉ
ｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｕｃｕｉｔ）化することによ
り小型化が可能である。

【００９３】本回路も、図９に示した回路と同様に、ド
ライバを２系統化し、トランスを介して超音波トランス
デューサをバイポーラ駆動するようにしても良いのはも
ちろんである。

【００９４】本超音波撮像装置の動作を説明する。操作
者は超音波プローブ２を被検体１００の所望の部位に当
接し、操作部１４を操作して超音波撮像を行う。撮像は
操作者の指令に基づき制御部１２による制御の下で行わ
れる。

【００９５】これにより、送受信部６は例えば図３に示
したセクタスキャンを行う。データ処理部８は受信した
エコーデータに基づき例えばＢモード（Ｂ ｍｏｄｅ）
画像等を生成する。生成された画像は表示部１０に表示
される。

【００９６】以上、本超音波発生装置を超音波撮像用超
音波を送信するときのアポダイズに用いる例について説
明したが、本超音波発生装置はアポダイズに限らず所望
の強度の超音波を発生する用途に広く適用することがで
きる。

【００９７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、高速化と小型化が両立する超音波発生装置制御方
法、超音波発生装置および超音波撮像装置を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】図１に示した装置における送受信部のブロック
図である。

【図３】図２に示した送受信部による音線走査の概念図
である。

【図４】図２に示した送受信部による音線走査の概念図
である。

【図５】図２に示した送受信部による音線走査の概念図
である。

【図６】図１に示した装置におけるデータ処理部のブロ
ック図である。

【図７】図１に示した装置における超音波発生装置の一
例の電気的構成を示す図である。

【図８】図１に示した装置における超音波発生装置の一
例の電気的構成を示す図である。

【図９】図１に示した装置における超音波発生装置の一
例の電気的構成を示す図である。

【図１０】図９に示した装置の動作を示すタイムチャー
トである。

【図１１】入力電圧制限回路の一例の電気的構成を示す
図である。

【図１２】入力電圧制限回路の一例の電気的構成を示す
図である。

【図１３】入力電圧制限回路の一例の電気的構成を示す
図である。

【図１４】図１に示した装置における超音波発生装置の
一例の電気的構成を示す図である。

【図１５】図１４示した装置制御パターンを示す図であ
る。

【図１６】超音波発生装置の従来例の電気的構成を示す
図である。

【符号の説明】

１００ 被検体 ２ 超音波プローブ ６ 送受信部 ８ データ処理部 １０ 表示部 １２ 制御部 １４ 操作部 ６０２ 信号発生回路 ６０４ 送波ビームフォーマ ６０６ アポダイズ回路 ６１０ 受波ビームフォーマ ３０２ 超音波トランスデューサ ３０４ キャパシタ ３０６ トランジスタ ３０８，３１０ 抵抗 ３１２ 増幅器 ３１４ 抵抗 ３１６ ダイオード ３１８ ディジタル・アナログ変換器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御信号によって出力電流が制御される
   可変電流回路とその出力電流に基づいて駆動される超音
   波トランスデューサとを有する超音波発生装置を制御す
   るに当たり、 前記制御信号の振幅を制限して前記可変電流回路に与え
   る、ことを特徴とする超音波発生装置制御方法。
2. 【請求項２】 制御信号によって出力電流が制御される
   可変電流回路とその出力電流に基づいて駆動される超音
   波トランスデューサとを有する超音波発生装置であっ
   て、 前記制御信号の振幅を制限して前記可変電流回路に与え
   る制御手段、を具備することを特徴とする超音波発生装
   置。
3. 【請求項３】 制御信号によって出力電流がそれぞれ制
   御される複数の可変電流回路と、 前記複数の可変電流回路の出力電流に基づいて駆動され
   る超音波トランスデューサと、 前記複数の可変電流回路を選択的に動作させる制御手段
   と、を具備する超音波発生装置。
4. 【請求項４】 前記超音波トランスデューサを複数個用
   いて超音波トランスデューサアレイを構成し、 前記可変電流回路を前記超音波トランスデューサアレイ
   における個々の超音波トランスデューサごとに設け、 前記制御手段を前記可変電流回路ごとに設けた、ことを
   特徴とする請求項２または請求項３に記載の超音波発生
   装置。
5. 【請求項５】 超音波を送信する超音波送信手段と、 前記送信した超音波に関する受信信号を形成する受信信
   号形成手段と、 前記形成した受信信号に基づいて画像を生成する画像生
   成手段とを有する超音波撮像装置であって、 前記超音波送信手段として、請求項２ないし請求項４の
   うちのいずれか１つに記載の超音波発生装置を用いるこ
   とを特徴とする超音波撮像装置。