JP2001245881A - 超音波診断装置用送信回路 - Google Patents

超音波診断装置用送信回路

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JP2001245881A
JP2001245881A JP2000056716A JP2000056716A JP2001245881A JP 2001245881 A JP2001245881 A JP 2001245881A JP 2000056716 A JP2000056716 A JP 2000056716A JP 2000056716 A JP2000056716 A JP 2000056716A JP 2001245881 A JP2001245881 A JP 2001245881A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波診断装置の振動子へ正負対称な駆動パ
ルスを供給する送信回路の構成が複雑である。 【解決手段】 1つの電圧制御部80の出力電圧“+H
V”と接地電位(0V)との間に、それらのいずれかを
選択して出力するスイッチ部を2つ設ける。第1のスイ
ッチ部84は、その出力を出力端82に直接接続され、
トリガパルスに応じてFETスイッチQ1,Q2を制御
されて、“+HV”の正電圧パルスを生成する。一方、
第2のスイッチ部86は、その出力がコンデンサC2を
介して出力端82に接続される。第2のスイッチ部86
は他のトリガパルスに応じてFETスイッチQ3,Q4
を制御されて、第2のスイッチ部86の出力に“+H
V”から0Vに変化するパルスを生じさせる。この電圧
変化は、コンデンサC2により容量結合された出力端8
2に0Vから“−HV”に変化する負電圧パルスを発生
させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波診断装置に
用いられ、その超音波振動子に駆動パルスを供給する送
信回路に関する。
【0002】
【従来の技術】超音波診断装置は、圧電材料を用いて構
成された振動子に電圧を印加し、それにより発生する超
音波を被検体に送信し、その反射波に基づいて被検体内
の情報を得る。近年、超音波診断装置の中には、送信し
た超音波によって被検体中に非線形振動が発生すること
を利用するものが開発されている。このような非線形振
動を利用する装置では、送信した超音波のスペクトラム
と、非線形振動で発生する送信周波数の高調波成分を含
んだ受信スペクトラムとの相違を、被検体の測定に利用
する。
【0003】非線形振動により生じる高調波成分は一般
には微弱である。そのため受信波中の高調波成分を検知
し利用する超音波診断装置においてS/N比が良好な測
定を行うためには、送信波自体に含まれる高調波成分を
抑制する必要がある。この要請に対しては、正電圧側と
負電圧側とに対称に電圧変化する駆動パルスを用いて振
動子を励振することが有効である。従来は、正負対称の
駆動パルスを得るために、特開平9−234202号公
報に記載されるように、正電圧と負電圧との2つの電源
を用い、それら正電圧と負電圧とをスイッチにより交互
に切り換えて出力する構成が採られていた。
【0004】図5は正負対称の駆動パルスを生成する従
来の超音波診断装置用送信回路の概略の回路図である。
従来の回路は、正電圧を供給する駆動電源である電圧制
御部2と負電圧を供給する駆動電圧である電圧制御部4
とを備えている。電圧制御部2はそれぞれ外部から電圧
“+HV0”を供給され、+HV制御信号により出力電
圧が調整される。同様に、電圧制御部4はそれぞれ外部
から電圧“−HV0”を供給され、−HV制御信号によ
り出力電圧を調整される。電圧制御部2,4はこれら制
御信号により、出力電圧の絶対値が等しくなるように調
整され、それにより正負両方向に等振幅の駆動パルスを
得る。振動子への出力端8と電圧制御部2との間にはM
OSFET(Q8)で構成されるスイッチ10が、また
振動子6への出力端8と電圧制御部4との間にはMOS
FET(Q7)で構成されるスイッチ12がそれぞれ設
けられる。また出力端8はMOSFET(Q9)で構成
されるスイッチ14によって接地可能に構成されてい
る。
【0005】送信時には、スイッチ14はオフされ、ス
イッチ10,12が交互に切り換えられる。これによ
り、出力端8からは電圧制御部2,4の出力電圧に応じ
て正負に変動する駆動パルスが出力される。ちなみに、
受信時にはスイッチ14はオン状態とされ、出力端8は
接地される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】正負対称の駆動パルス
を生成する従来の送信回路は、駆動電源を2つ必要とし
ていた。そのため、送信回路の構成が複雑化、大規模化
し、また製造コストが高くなるという問題があった。ま
た、非線形振動を利用しない従来の超音波診断装置にお
いては一方極性の駆動パルスを出力する送信回路が使用
されているのが一般的であるが、これを改造して非線形
振動用の超音波診断装置とする場合に、新たな電源を必
要とするため、その改造が難しいという問題があった。
さらに、正側の振幅と負側の振幅とが正負それぞれの電
源の出力電圧に依存するため、それら電源の出力電圧の
変動によって、駆動パルスの正負対称性が必ずしも安定
でないという問題があった。また、正負対称な駆動パル
スを得ようとした場合、正負それぞれの電源の出力電圧
を調整する作業が必要であり煩雑であった。
【0007】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、より簡単な構成で安定した正負対称の駆動
パルスが得られる送信回路を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波診断
装置用送信回路は、出力端に接続された超音波振動子に
駆動パルスを供給する送信回路であって、所定極性の駆
動電源と、前記出力端と前記駆動電源とが接続される第
1オン状態と、前記出力端と基準電位とが接続される第
1オフ状態とを切り換える第1スイッチ部と、コンデン
サを介して前記出力端に接続され、前記コンデンサと前
記駆動電源とが接続される第2オン状態と前記コンデン
サと前記基準電位とが接続される第2オフ状態とを切り
換える第2スイッチ部と、前記第1スイッチ部及び前記
第2スイッチ部を制御して、前記第1スイッチ部を前記
第1オフ状態から前記第1オン状態に切り換え、再び前
記第1オフ状態に切り換える第1スイッチ切り換え動作
と、前記第2スイッチ部を前記第2オン状態から前記第
2オフ状態に切り換え、再び前記第2オン状態に切り換
える第2スイッチ切り換え動作とを交互に行うスイッチ
制御部とを有するものである。
【0009】本発明によれば、単一の駆動電源を用いて
正負両極性の駆動パルスが生成される。スイッチ制御部
が第1スイッチ部をそのオフ状態からそのオン状態に切
り換え、さらに再びオフ状態に切り換えることにより、
送信回路の出力端は第1スイッチ部を介して、順次、基
準電位、駆動電源、そして再び基準電位に接続される。
これに対応して、出力端の電圧は順に基準電位、駆動電
源の出力電圧、そして再び基準電位と変化し、駆動電源
と同一極性のパルスが出力される。一方、スイッチ制御
部が第2スイッチ部をそのオン状態からそのオフ状態に
切り換え、さらに再びオン状態に切り換えることによ
り、送信回路の出力端はコンデンサ及び第2スイッチ部
を介して、順次、駆動電源、基準電位、そして再び駆動
電源に接続される。第2スイッチ部と出力端との間には
コンデンサが介在し、両者間は容量結合される。そのた
め、第2スイッチ部の入力が接続される駆動電源、基準
電源の電圧は直接には出力端に現れない。具体的には、
この第2スイッチ部の一連の動作の開始時においては、
第1スイッチ部はオフ状態にある。つまり、開始時にお
いて、第2スイッチ部の入力は駆動電源に接続され、コ
ンデンサの第2スイッチ部側の電位が駆動電源の出力電
圧にセットされる一方で、コンデンサの送信回路出力端
側の電位は第1スイッチ部を介して基準電位にセットさ
れている。この状態で、第2スイッチ部をオフ状態とす
ると、コンデンサの第2スイッチ部側の電位が基準電位
に変動するのに伴って、容量結合された出力端には第2
スイッチ部側と同一極性であって、基本的に同じ幅だけ
の電位変動が現れる。また再び第2スイッチ部をオン状
態に戻した場合も、コンデンサの第2スイッチ部側の電
位が駆動電源の出力電圧に復元するのに伴って、出力端
には第2スイッチ部側と同一極性であって、基本的に同
じ幅だけの電位変動が現れる。このように、第2スイッ
チ切り換え動作に応じて、出力端の電位は順に基準電
位、−駆動電源の出力電圧、そして基準電位と変化し、
第1スイッチ切り換え動作により発生したパルスとは反
対極性かつ振幅の絶対値が等しいパルスが出力される。
本発明によれば、第1スイッチ切り換え動作と第2スイ
ッチ切り換え動作とが交互に行われることにより、基準
電位を中心として正側に振れるパルスと、それと同じ振
幅で負側に振れるパルスとが交互に出力端から振動子へ
出力される。
【0010】他の本発明に係る超音波診断装置用送信回
路においては、前記スイッチ制御部が、前記第1スイッ
チ切り換え動作と前記第2スイッチ切り換え動作とを同
数回ずつ行うことを特徴とする。
【0011】本発明によれば、正側に振れるパルスと負
側に振れるパルスとが交互にかつ同数ずつ出力され、正
負対称な駆動パルスが得られる。
【0012】別の本発明に係る超音波診断装置用送信回
路においては、前記スイッチ制御部が、前記第1スイッ
チ切り換え動作の期間と前記第2スイッチ切り換え動作
の期間とを等しくすることを特徴とする。
【0013】本発明によれば、正側に振れるパルスの幅
と負側に振れるパルスの幅とが等しくなり、パルス幅に
関しても正負対称な駆動パルスが得られる。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る送信回路の好
適な実施形態について図面を参照して説明する。図1
は、本発明に係る送信回路を用いた超音波診断装置の概
略のブロック構成図である。装置はプローブ50に含ま
れる多数の振動子を駆動する送信回路52を有してい
る。送信回路52は、各振動子に対応して複数の送信駆
動回路54と、それらに共通の送信制御回路56とを備
える。各送信駆動回路54はそれぞれ送信制御回路56
からの指示によりそれぞれが分担する振動子から超音波
を送信させる。送信制御回路56は、送信駆動回路54
に含まれるFETスイッチの開閉を制御し、これにより
送信駆動回路54は振動子を駆動するパルスを生成す
る。また送信制御回路56は、各送信駆動回路54間で
の駆動パルスの生成タイミングを調整することによっ
て、振動子間での超音波の送信ディレイ量を制御し、生
体内の所望の位置に超音波をフォーカスさせる働きも有
している。
【0015】一方、受信時にはプローブ50の各振動子
からの受信信号はそれぞれプリアンプ60にて増幅され
た後、受信遅延回路62に入力される。受信遅延回路6
2は、プリアンプ60それぞれに対応した各チャネルご
とに、受信信号に対するディレイ量を可変に設定するこ
とができる。そのディレイ量は受信遅延制御回路64に
より制御され、各チャネルの受信信号はそれぞれ遅延さ
れた後、互いに加算される。受信遅延制御回路64は、
一つの受信方向に対して深さ方向に多段階にフォーカス
点を変えるようにディレイ量を調整し、これによりダイ
ナミックフォーカスが実現される。深さ方向にフォーカ
ス点を変えるこの走査と、受信方向を変える走査とによ
って得られる画像により、アレイ方向の生体断面の二次
元的な様子を観察することができる。
【0016】加算された受信信号は受信処理回路66に
入力される。受信処理回路66は例えば、被検体での非
線形振動による高調波成分の検出等の処理を行う。受信
処理回路66にて、受信信号から抽出された受信データ
は、ADC(analog-to-digital converter)回路68
によってデジタル信号へ変換され、DSC(digital sc
an converter)70に格納される。DSC70は、例え
ば、電子走査によって得られる1画面分の受信データを
蓄積し、これを表示装置72の走査方式に応じた順序で
出力するものである。つまり、プローブ50による生体
断面の各点の電子走査の走査順序と表示装置72の走査
順序とは一般に異なるため、DSC70を用いてそれら
両走査方式間の変換が行われる。DAC(digital-to-a
nalog converter)74はDSC70から表示装置72
の走査方式に応じて順次読み出されたデジタル値をアナ
ログの画像信号に変換し、表示装置72はそれを画像表
示する。
【0017】システムコントロール回路76は送信制御
回路56、受信遅延制御回路64、DSC70を制御す
る回路である。
【0018】さて、本装置の特徴は送信回路52にあ
る。図2は、送信回路52の概略の構成を示す回路図で
ある。この図は、簡単のため送信制御回路56と一つの
送信駆動回路54の構成を示している。駆動電源として
電圧制御部80が設けられている。電圧制御部80は、
外部電源から電圧“+HV0”を供給され、+HV制御
信号に応じた電圧“+HV”を生成して出力する。電圧
制御部80と送信駆動回路54の出力端82とは、2つ
のスイッチ部84,86によって並列に接続される。
【0019】第1のスイッチ部84は、基準電位である
アースと出力端82との間をオン/オフするFETスイ
ッチ(Q1)と、電圧制御部80と出力端82との間を
オン/オフするFETスイッチ(Q2)とを含む。後述
するように出力端82に正電圧のパルスを生じさせるた
めに、スイッチ部84のFETスイッチQ1,Q2の切
り換え操作が行われる。この切り換え動作は送信制御回
路56から入力される制御信号に基づいて行われる。こ
の制御信号はアンプIC1にて振幅を調節され、Q1,
Q2のゲート電位を制御してQ1、Q2のオン/オフを
切り換える。
【0020】ここでは、Q1はnチャネルMOSFET
で構成され、そのゲートはIC1の出力に直接接続され
る。またQ1と出力端82との間には、Q1に負電圧パ
ルスが印加されないようにするためのダイオードD1が
配置される。一方、Q2はpチャネルMOSFETで構
成され、そのゲートはコンデンサC1を介してIC1の
出力に接続されると共に、抵抗R1を介して、電圧制御
部80の出力に接続される。Q2は、そのゲート電圧が
電圧制御部80の出力電圧“+HV”であるときにオフ
状態であるように構成される。
【0021】送信制御回路56から各スイッチ部84,
86への制御信号は“High”レベル(以下、Hレベ
ル)、と“Low”レベル(以下、Lレベル)とに2値化
された電圧レベルを有する。例えばTTL(Transistor
Transistor Logic)ではLレベルは0V、Hレベルは
5Vに設定される。上記スイッチ部84の構成に対応し
て、出力端82に正電圧パルスを発生させない期間にお
いては、送信制御回路56からIC1へHレベルが入力
され、出力端82に正電圧パルスを発生させるタイミン
グにおいては、Lレベルが入力される。
【0022】次に第2のスイッチ部86の出力は、コン
デンサC2によって出力端82に容量結合される。スイ
ッチ部86は、基準電位であるアースとコンデンサC2
との間をオン/オフするFETスイッチ(Q3)と、電
圧制御部80とコンデンサC2との間をオン/オフする
FETスイッチ(Q4)とを含む。後述するように出力
端82に負電圧のパルスを生じさせるために、スイッチ
部86のFETスイッチQ3,Q4の切り換え操作が行
われる。この切り換え動作はスイッチ部84と同様、送
信制御回路56から入力される制御信号に基づいて行わ
れる。この制御信号はアンプIC2にて振幅を調節さ
れ、Q3,Q4のゲート電位を制御してQ3、Q4のオ
ン/オフを切り換える。
【0023】ここでは、Q3はnチャネルMOSFET
で構成され、そのゲートはIC2の出力に直接接続され
る。一方、Q4はpチャネルMOSFETで構成され、
そのゲートはコンデンサC3を介してIC2の出力に接
続されると共に、抵抗R2を介して、Q4をオン状態に
する所定の電位“VG”を印加される。またQ4とコン
デンサC2との間には、Q4に正電圧パルスが印加され
ないようにするためのダイオードD2が配置される。
【0024】上記スイッチ部86の構成に対応して、出
力端82に負電圧パルスを発生させない期間において
は、送信制御回路56からIC2へLレベルが入力さ
れ、出力端82に負電圧パルスを発生させるタイミング
においては、Hレベルが入力される。
【0025】なお、出力端82には、互いに逆向きに並
列接続された一対のダイオードD3,D4が設けられ
る。これは、Q1を介してアースと短絡している出力端
82から受信信号を保護するための構成である。受信信
号は小信号であるため、ダイオードの接合電位差によっ
てQ1から隔絶することができる。
【0026】続いて、本送信回路52の動作を説明す
る。図3は、この送信制御回路56から出力される制御
信号、及び出力端82に発生する駆動パルスの電圧変化
を説明するためのタイムチャートである。図3(a)
は、送信制御回路56からアンプIC1に入力される制
御信号SG1、同図(b)は、送信制御回路56からア
ンプIC2に入力される制御信号SG2、また同図
(c)は出力端82に現れる駆動パルスをそれぞれ示
す。以下、この図に基づき時系列に従って説明する。
【0027】駆動パルスが発生される前(時刻t<t
1)においては、制御信号SG1はHレベル、制御信号
SG2はLレベルとされる。SG1をHレベルとするこ
とにより、Q1はオン状態、Q2はオフ状態に制御され
る。すなわち、第1のスイッチ部84は、出力端82と
基準電位であるアースとが接続される状態(第1オフ状
態)となる。その結果、出力端82の電位は接地電位で
ある0Vとなる。ちなみにSG2をLレベルとすること
により、Q3はオフ状態、Q4はオン状態に制御され
る。すなわち、第2のスイッチ部86は、コンデンサC
2と電圧制御部80の出力とが接続される状態(第2オ
ン状態)となる。
【0028】時刻t1にて制御信号SG2をHレベルに
変化させると、Q3がオン状態に変化する。またIC2
に容量結合されたQ4のゲートの電位がIC2の出力電
圧の変動に応じて、“ΔV2”だけ上昇する。電位“V
G”は、電位“VG+ΔV2”にてpチャネルFETで
あるQ4がオフするように設定することができる。その
ように設定しておくことにより、時刻t1にてQ4はオ
フ状態に変化する。すなわち、第2のスイッチ部86
は、コンデンサC2とアースとが接続される状態(第2
オフ状態)へ変化する。
【0029】第2のスイッチ部86が第2オン状態から
第2オフ状態へ遷移することにより、コンデンサC2の
スイッチ部86側の電位は“+HV”から0Vへ変化す
る。その結果、コンデンサC2の反対側の電位は、0V
から“−HV”に変化する。なお、このとき、ダイオー
ドD1は逆バイアス状態となるので、コンデンサC2の
反対側の電位の変化はQ1を介してアースに吸収される
ことがない。すなわち、時刻t1にて、出力端82の電
位は“−HV”へ変化する。
【0030】時刻t2にて制御信号SG2を再びLレベ
ルに戻すと、出力端82の電位も0Vに復元する。この
ように、SG2のパルス100に応じて、出力端82に
は負電圧パルス102が発生する。
【0031】時刻t3にて制御信号SG1をLレベルに
変化させると、Q1がオフ状態に変化する。またIC1
に容量結合されたQ2のゲートの電位がIC1の出力電
圧の変動に応じて、“ΔV1”だけ低下する。電位“Δ
V1”は、電位“HV−ΔV1”にてpチャネルFET
であるQ2がオンするように設定することができる。そ
のように設定しておくことにより、時刻t3にてQ2は
オン状態に変化する。すなわち、第1のスイッチ部84
は、出力端82と電圧制御部80とが接続される状態
(第1オン状態)へ変化する。
【0032】第1のスイッチ部84が第1オフ状態から
第1オン状態へ遷移することにより、出力端82の電位
は0Vから“+HV”へ変化する。なお、このとき、ダ
イオードD2は逆バイアス状態となることにより、Q4
に正のパルスが印加されることが防止される。
【0033】時刻t4にて制御信号SG1を再びHレベ
ルに戻すと、出力端82の電位も0Vに復元する。この
ように、SG1のパルス104に応じて、出力端82に
は正電圧パルス106が発生する。
【0034】図3には、上述のt=t1〜t4の動作を
t=t5〜t8にて繰り返し、正負の電圧パルスを2組
発生させる場合が示されているが、正負電圧パルスの組
数は1組とすることもできるし、また3組以上とするこ
ともできる。この正負電圧パルスは出力端82に接続さ
れた振動子へ出力され、超音波が発生、送波される。
【0035】なお、実際には、SG1のパルスとSG2
のパルスとは実質的に同時に切り替えることができる。
つまり、例えばSG2のパルス100の終了タイミング
t2及びSG1のパルス104の開始タイミングt3に
関してt2≒t3とされ、またSG1のパルス104の
終了タイミングt4及びSG2のパルス108の開始タ
イミングt5に関してt4≒t5とされる。その結果、
送信回路52から出力される振動子への駆動パルスとし
て、図4に示すように正電圧“+HV”と負電圧“−H
V”との間を滑らかに変動する信号波形を得ることがで
きる。
【0036】本送信回路52によれば上述のように、正
側、負側の振幅が等しく、また正側、負側に同数回ずつ
振れる対称性の良い駆動パルスが得られ、それに含まれ
る高調波成分が抑制される。さらに、正電圧パルスの幅
と負電圧パルスの幅とを等しくすることにより、駆動パ
ルスの対称性が一層向上し、さらなる高調波成分抑制の
効果が得られる。これはSG1のパルス幅とSG2のパ
ルス幅と等しくすることにより実現することができる。
【0037】
【発明の効果】本発明の超音波診断装置用送信回路によ
れば、正負対称に振れる駆動パルスを1つの駆動電源に
より生成することができ、回路構成の簡素化が図られる
という効果がある。さらに、正側の振幅と負側の振幅と
が1つの駆動電源により決定されるため、振幅の対称性
が安定であり、それらを等しくする調整作業が不要であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る送信回路を用いた超音波診断装
置の概略のブロック構成図である。
【図2】 本発明に係る送信回路の概略の構成を示す回
路図である。
【図3】 送信制御回路から出力される制御信号、及び
送信回路の出力端に発生する駆動パルスの電圧変化を説
明するためのタイムチャートである。
【図4】 送信回路の出力端に発生する駆動パルスの信
号波形を示す模式図である。
【図5】 正負対称の駆動パルスを生成する従来の超音
波診断装置用送信回路の概略の回路図である。
【符号の説明】
50 プローブ、52 送信回路、54 送信駆動回
路、56 送信制御回路、62 受信遅延回路、64
受信遅延制御回路、66 受信処理回路、80電圧制御
部、82 出力端、84,86 スイッチ部。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 出力端に接続された超音波振動子に駆動
    パルスを供給する送信回路であって、 所定極性の駆動電源と、 前記出力端と前記駆動電源とが接続される第1オン状態
    と、前記出力端と基準電位とが接続される第1オフ状態
    とを切り換える第1スイッチ部と、 コンデンサを介して前記出力端に接続され、前記コンデ
    ンサと前記駆動電源とが接続される第2オン状態と前記
    コンデンサと前記基準電位とが接続される第2オフ状態
    とを切り換える第2スイッチ部と、 前記第1スイッチ部及び前記第2スイッチ部を制御し
    て、前記第1スイッチ部を前記第1オフ状態から前記第
    1オン状態に切り換え、再び前記第1オフ状態に切り換
    える第1スイッチ切り換え動作と、前記第2スイッチ部
    を前記第2オン状態から前記第2オフ状態に切り換え、
    再び前記第2オン状態に切り換える第2スイッチ切り換
    え動作とを交互に行うスイッチ制御部と、 を有することを特徴とする超音波診断装置用送信回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の超音波診断装置用送信回
    路において、 前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチ切り換え動作
    と前記第2スイッチ切り換え動作とを同数回ずつ行うこ
    とを特徴とする超音波診断装置用送信回路。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の超音波診
    断装置用送信回路において、 前記スイッチ制御部は、前記第1スイッチ切り換え動作
    の期間と前記第2スイッチ切り換え動作の期間とを等し
    くすることを特徴とする超音波診断装置用送信回路。
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