JP2002136513A

JP2002136513A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2002136513A
Application number: JP2000331898A
Authority: JP
Inventors: Hideki Takeuchi; 竹内　　秀樹
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2002-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波診断装置の受信信号をケーブルで探触
子から装置本体へ伝送する際に受信信号の減衰が生じ
る。【解決手段】探触子は、振動子３０がベースに接続さ
れ、コレクタが同軸ケーブル５０の信号線５２に接続さ
れたエミッタ接地回路３２を有し、振動子３０で生じた
受信信号を増幅した電流信号を生成する。装置本体側で
は信号線５２は、オペアンプＡを用いた反転増幅器から
なる電流−電圧変換器４０の入力に接続される。電流−
電圧変換器４０は実質的に０Ωの入力インピーダンスを
有するので、探触子側の信号線５２端に入力された受信
信号は、電流信号として同軸ケーブル５０を伝送され、
電流−電圧変換器４０に入力される。電流−電圧変換器
４０はその電流量を電圧に変換して出力する。

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
関し、特に振動子からのケーブルを介した受信信号伝送
に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置に用いられる振動子アレ
イは、より高精細な診断画像の要求に伴い、振動子アレ
イを構成する各振動子の面積が微細化する傾向にある。
振動子面積の微細化は、２次元振動子アレイにおいて顕
著である。振動子面積が微細化すると一振動子当たりの
電気的インピーダンスが面積にほぼ反比例して増加す
る。そのため、超音波を受信した振動子から出力される
受信信号を探触子から超音波診断装置本体に伝送すると
き、その間のケーブルによって受信信号が減衰する。す
なわち、振動子の電気的インピーダンスをＺ_Xとし、同
軸ケーブルの電気的インピーダンスをＺ_Cとすると、振
動子が生成した受信信号は、ケーブルの反対側ではＺ_C
／（Ｚ_C＋Ｚ_X）の電圧に減衰する。

【０００３】この振動子微細化に伴う減衰は、振動子の
インピーダンスを下げるか、同軸ケーブルのインピーダ
ンスを上げることによって軽減することができる。しか
し、振動子に対しては、分解能の良い画像を得るため、
電気的特性以外にも振動の周波数帯域を広げる、不要振
動を抑える、電気機械結合係数を高める、音響的インピ
ーダンスを下げるといった各種の要求がある。そのた
め、電気的インピーダンスのみを好適に設計することが
できない。

【０００４】一方、同軸ケーブルのインピーダンスを増
加するためには、信号線（芯線）とシールド線（接地用
外部導体）との間隔を広げる（すなわち同軸ケーブルを
太くする）か、両者の間の絶縁体の誘電率を下げるかに
よって、同軸ケーブルの静電容量を小さくする必要があ
る。しかし、多数の振動子ごとに設けられる同軸ケーブ
ルが太くなるとプローブを軽快に取り扱うことができな
くなる。また、同軸ケーブルの太さを許容上限以下とし
ながら静電容量を低減できる絶縁材料は未だ得られてい
ないのが現状である。

【０００５】そこで、従来は、振動子の直後にエミッタ
フォロワやソースフォロワなどのインピーダンス変換回
路を組み込んで、振動子の出力インピーダンスを見かけ
上、低減させてから、同軸ケーブルへ受信信号を伝送す
ることが行われている。その第１の方法は、低インピー
ダンスに変換した信号を同軸ケーブルに入力し、同軸ケ
ーブルの出力側では高インピーダンスで受ける方法であ
り、同軸ケーブルの静電容量を通して接地導体側に逃げ
る信号分をインピーダンス変換回路から補うことによ
り、信号電圧の損失を少なくするものである。

【０００６】第２の方法は、同軸ケーブルの特性インピ
ーダンスを考慮し、インピーダンス変換回路の出力イン
ピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスと同じ
にし、また同軸ケーブルの出力端も当該特性インピーダ
ンスと同じインピーダンスで終端する方法である。この
方法では、同軸ケーブルの両端がその特性インピーダン
スで終端されているので、理論的にはフラットな周波数
特性が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の第１の方法
は、逃げた信号に見合う信号電流をインピーダンス変換
回路から供給しなければならないので、回路の消費電力
が増加するという問題があった。また、接地側導体に流
れる電流を介して、隣接する振動子間の受信信号にクロ
ストークが生じるおそれがある。特にこれらの問題は同
軸ケーブルが長くなるほど顕著になる。

【０００８】また従来の第２の方法は、同軸ケーブルを
伝送された受信信号の電圧振幅が１／２に減衰するとい
う問題がある。また同軸ケーブルの特性インピーダンス
は一般に低く、これで終端することにより回路全体の消
費電力が増加するという問題があった。

【０００９】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、振動子からの受信信号が同軸ケーブルを伝
送される際の受信信号の減衰が低減される超音波診断装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波診断
装置は、探触子が受信信号に応じた電流信号を生成して
ケーブルへ出力し、本体が前記ケーブルから入力された
前記電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器を
有する。

【００１１】本発明によれば、受信信号は電圧信号では
なく、電流信号の形でケーブルを伝送され、ケーブルか
ら出力された段階で電流信号から電圧信号に変換され
る。ケーブル内では基本的に電流量は保存されるので、
電圧信号では生じる受信信号の減衰が回避される。また
ケーブルには基本的に信号電流のみを供給すればよいこ
と、及びインピーダンス調整のための終端回路を廃する
ことができることによって、動作に要する電流が少なく
消費電力が低減される。

【００１２】また他の本発明に係る超音波診断装置にお
いては、前記電流−電圧変換器が実質的に入力インピー
ダンスが０であることを特徴とする。

【００１３】本発明によれば、ケーブルの出力端を０Ω
でショートしたことになり、ケーブルには受信信号に応
じた電圧成分は発生せず、振動子で発生した受信信号の
劣化が好適に回避される。

【００１４】本発明の好適な態様は、前記電流−電圧変
換器が演算増幅器、すなわち、いわゆるオペアンプを用
いて構成されることを特徴とする超音波診断装置であ
る。

【００１５】本発明に係る超音波診断装置においては、
前記探触子が、前記ケーブルへ出力される前記電流信号
を前記受信信号に応じて増幅する電流増幅器を有する。

【００１６】本発明によれば、受信信号である電流信号
が探触子側において電流増幅された上でケーブルに入力
され、これによりＳ／Ｎ比が向上する。

【００１７】本発明に係る超音波診断装置は、前記電流
−電圧変換器の入力バイアス電圧が前記電流増幅器の電
源として利用されることを特徴とする。

【００１８】電流−電圧変換器の入力端にはケーブルが
接続される。本発明によれば、この入力端に与えられる
入力バイアス電圧は、受信信号を探触子から本体に伝達
するケーブルを介して、受信信号と反対に本体から探触
子側に印加される。電流増幅器はこの電圧を電源として
利用して動作する。すなわちケーブルが受信信号の伝達
と電源供給とに共用され、別途、電源供給用のケーブル
を設ける必要がなく、探触子と本体とを接続するケーブ
ル束を細く構成することが容易となり、曲げやすいケー
ブル束が得られ探触子の取り扱いが容易となる。また、
振動素子（振動子）ごとに電源を供給することができ、
複数の振動素子に共通に電源を供給する場合に問題とな
る振動素子間での受信信号のクロストークが回避され
る。

【００１９】本発明の好適な態様は、前記電流増幅器
が、超音波を受波する振動子にベースが接続され、前記
ケーブルの信号線にコレクタが接続され、前記ケーブル
のシールド線にエミッタが接続されたエミッタ接地増幅
回路であることを特徴とする超音波診断装置である。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２１】［実施の形態１］図１は本発明の第１の実
施形態に係る超音波診断装置の概略のブロック構成図で
ある。本超音波診断装置は、探触子２、装置本体４、及
びプローブケーブル６で構成される。

【００２２】探触子２は、送信用振動子部１０と受信用
振動子部１２とを内蔵する。また装置本体４は、送信部
２０、受信部２２、及び制御部２４を含んで構成され
る。送信用振動子部１０は送信用振動子アレイを有し、
送信部２０により駆動されて超音波を被検体へ送信す
る。受信用振動子部１２は受信用振動子アレイを有し、
被検体からの超音波を受信して受信信号を生成し、受信
部２２へ伝達する。ここでは探触子２が内蔵する受信用
振動子アレイは、２次元振動子アレイとするが、本装置
を１次元振動子アレイに適用することもできる。受信部
２２は受信信号を処理し、例えば断層画像等を形成して
表示する。送信部２０及び受信部２２の動作は、制御部
２４によって制御される。なお、プローブケーブル６は
送信用振動子部１０と送信部２０とを接続するケーブル
と、受信用振動子部１２と受信部２２とを接続するケー
ブルとをそれぞれ含んでいる。

【００２３】本発明の特徴は、受信系の構成にある。図
２は、本装置の受信系の構成を示す回路構成図である。
受信用振動子部１２は振動子３０及びエミッタ接地回路
３２を含んで構成される。受信部２２は、電流−電圧変
換器４０及び受信信号処理部４２を含んで構成される。
なお、受信用振動子部１２、同軸ケーブル５０、及び電
流−電圧変換器４０は、各受信チャネルごと、すなわち
振動子アレイを構成する振動子ごとに設けられるが、図
２では便宜上、１チャネルについての構成を示してい
る。受信信号処理部４２は各チャネルの受信信号を各電
流−電圧変換器４０から入力され、整相加算処理や上述
した断層画像形成等の処理を行う。

【００２４】振動子３０はエミッタ接地回路３２を構成
するトランジスタＴｒのベース−エミッタ間に接続され
る。振動子３０は圧電材を用いて構成され、超音波受信
による歪みに応じて端子間に起電力ｖ_Sを生じ、この振
動子３０が生じる電圧信号ｖ_SがトランジスタＴｒのベ
ース・バイアス電圧に重畳され、コレクタ電流Ｉ_Cが変
調される。すなわち、エミッタ接地回路３２によって、
振動子３０から発生する受信信号は、増幅された電流信
号に変換される。

【００２５】このコレクタ電流Ｉ_Cを変調した電流信号
Ｉ_Sが同軸ケーブル５０を介して電流−電圧変換器４０
の入力端に伝達される。電流−電圧変換器４０は、オペ
アンプＡを用いた反転増幅器の構成を有している。入力
端にインピーダンス要素を有さない反転増幅器は、理想
電流検出器として用いることができ、入力される電流に
応じた電圧が出力端に現れることが知られている。電流
−電圧変換器４０のオペアンプＡも入力端子には抵抗は
設けられず、電流−電圧変換器４０は実質的に理想電流
検出器として動作し、帰還抵抗をＲ_fとすると、オペア
ンプＡの出力端には、受信信号処理部４２への出力電圧
としてＩ_SＲ_fが得られる。

【００２６】ここで、反転増幅器に構成されたオペアン
プＡの正反２つの入力端子間はイマジナリ・ショート
（バーチャル・ショート）と呼ばれる状態であり、同軸
ケーブル５０端を０Ωでショートしたことになるので、
同軸ケーブル５０には基本的に信号電圧が発生しない。
つまり、受信信号は信号電圧としてではなく上述したよ
うに信号電流として同軸ケーブル５０を伝達されるの
で、電圧信号の劣化という従来の問題が回避される。

【００２７】また、イマジナリ・ショートにより、オペ
アンプＡの反転入力端子（−端子）は非反転入力端子
（＋端子）に印加されるバイアス電圧Ｖ_Bと等しく保た
れる。このバイアス電圧Ｖ_Bは同軸ケーブル５０の信号
線５２を介して、受信用振動子部１２に供給され、トラ
ンジスタＴｒのコレクタに印加される。一方、エミッタ
は同軸ケーブル５０のシールド線５４に接続され、本体
側で接地される。このように、エミッタ接地回路３２
は、同軸ケーブル５０を介して接続された装置本体４側
から電源の供給を受けて動作する。すなわち、本装置で
は、探触子２側に電源を有する必要がなく、また装置本
体４から探触子２へ別途、電源ケーブルを設ける必要が
ない。また、この電源供給は、各チャネルごとに個別に
行われ、これにより電源ラインを介したチャネル間のク
ロストークが防止される。

【００２８】［実施の形態２］図３は本発明の第２の実
施形態に係る超音波診断装置の受信系の構成を示す概略
の回路構成図である。図３において、上記実施の形態と
同一の構成要素には、同一の符号を付して説明の簡略化
を図る。受信用振動子部１２は、エミッタ接地回路３２
を有さない点で、上記第１の実施形態と相違し、振動子
３０が直接、同軸ケーブル５０の信号線５２とシールド
線５４との間に接続される。また、エミッタ接地回路３
２への電源供給が不要であるので、オペアンプＡの非反
転入力端子はシールド線５４と共に接地することができ
る。

【００２９】超音波を受波したときの振動子３０の基本
的な等価回路は、受波によって起電圧を発生する信号発
生源と、振動子自体のインピーダンスに相当する内部抵
抗との直列接続で表される。つまり、振動子３０は受波
時には、起電圧を内部抵抗で除した値で表される電流を
生じる。この電流は一般には小さいので、上記第１の実
施形態ではエミッタ接地回路３２を用いて、電流増幅を
行った。しかし、この電流信号を本実施の形態のよう
に、そのまま同軸ケーブル５０を介して装置本体４に伝
達することもできる。

【００３０】この場合も、装置本体４側では、実質的に
入力インピーダンスが０Ωとなるように構成された反転
増幅器が同軸ケーブル５０に接続され、これにより、受
信信号が探触子２から装置本体４へ電流信号の形で伝送
される。

【００３１】なお、上記各実施の形態では、電流−電圧
変換器４０をオペアンプを用いて構成したが、電流−電
圧変換器４０はディスクリート部品で構成してもよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明の超音波診断装置によれば、探触
子から装置本体への受信信号の伝送が、電流信号の形で
行われる。そのため振動子アレイの２次元化等に起因し
て振動子のインピーダンスが増加しても、電圧信号で伝
送した場合と相違して、ケーブル伝送の際に受信信号の
劣化が生じない。

【００３３】また、電圧信号で伝送する場合には、イン
ピーダンス不整合による信号劣化を防止しようとすると
消費電力が増加するという問題があったが、本発明によ
ればこの問題が回避される。すなわち、各チャネルが低
消費電力に構成され、２次元アレイ化などによってチャ
ネル数が増加しても、探触子の発熱等が緩和される。

【００３４】また受信信号を探触子から装置本体へ伝送
するケーブルを介して、探触子の電流増幅器の電源を供
給することにより、探触子の小型化や探触子と装置本体
とを接続するケーブル径の抑制が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波診断装置の概略のブロッ
ク構成図である。

【図２】第１の実施形態の受信系の構成を示す回路構
成図である。

【図３】第２の実施形態の受信系の構成を示す回路構
成図である。

【符号の説明】

２探触子、４装置本体、６ケーブル、１０送信
用振動子部、１２受信用振動子部、２０送信部、２
２受信部、２４制御部、３０振動子、３２エミ
ッタ接地回路、４０電流−電圧変換器、４２受信信
号処理部、５０同軸ケーブル、５２信号線、５４シ
ールド線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子で超音波を受波し受信信号を出力
する探触子と、前記受信信号を入力される本体と、前記
受信信号を前記探触子から前記本体へ伝送するケーブル
とを備える超音波診断装置において、前記探触子は、前記受信信号に応じた電流信号を生成し
て前記ケーブルへ出力し、前記本体は、前記ケーブルから入力された前記電流信号
を電圧信号に変換する電流−電圧変換器を有すること、を特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】請求項１記載の超音波診断装置におい
て、前記電流−電圧変換器は、実質的に入力インピーダンス
が０であることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】請求項２記載の超音波診断装置におい
て、前記電流−電圧変換器は、演算増幅器を用いて構成され
ることを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】請求項１から請求項３のいずれかに記載
の超音波診断装置において、前記探触子は、前記ケーブルへ出力される前記電流信号
を前記受信信号に応じて増幅する電流増幅器を有するこ
とを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】請求項４記載の超音波診断装置におい
て、前記電流−電圧変換器の入力バイアス電圧が前記電流増
幅器の電源として利用されることを特徴とする超音波診
断装置。
【請求項６】請求項４又は請求項５に記載の超音波診
断装置において、前記電流増幅器は、超音波を受波する振動子にベースが
接続され、前記ケーブルの信号線にコレクタが接続さ
れ、前記ケーブルのシールド線にエミッタが接続された
エミッタ接地増幅回路であることを特徴とする超音波診
断装置。