JP2004089512A

JP2004089512A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2004089512A
Application number: JP2002256475A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Oshiki; 押木　光博
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】高電圧スイッチを省略できる送信回路を提供する。
【解決手段】各振動子に駆動信号を供給する送信回路を、入力される超音波信号を増幅する第１段増幅回路１と、この第１段増幅回路から出力される前記超音波信号を増幅する半導体素子を有し、該半導体素子の出力を前記振動子に供給する第２段増幅回路とを備え、第１段増幅回路は予め定められた送受波口径に対応させて複数設けられ、第２段増幅回路は前記各振動子に対応させて複数設けられ、前記各第１段増幅回路の出力は予め定められた複数の第２段増幅回路に入力されてなり、前記各第２段増幅回路は、入力される振動子選択信号Ｔｃｎｔに基づいて前記半導体素子をオンオフ制御する制御回路を有して構成し、第２段増幅回路の増幅素子である半導体素子をオンオフして振動子を選択するようにして、高電圧スイッチを省略する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に係り、特に超音波探触子の各振動子に駆動信号を供給する送信回路の技術に属する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、圧電材料などにより形成された複数の振動子からなる超音波探触子を、被検体に直接又は間接に接触させ、各振動子に電圧信号を印加して被検体に超音波を送波し、その反射波を各振動子で受波して再び電気信号に変換し、その受信信号に基づいて被検体内の断層像などの種々の情報を得るものである。
【０００３】
このような超音波診断装置に用いられる超音波探触子は、複数の振動子を直線状、曲線状、又は面状に配列して形成されている。そして、例えば、超音波ビームを被検体内に放射する場合は、任意の送受波口径に対応する複数の振動子群を選択し、それらの振動子に対して遅延時間を適宜制御しながら駆動信号を順に送信するとともに、その反射波を受信するようにしている。したがって、送受信回路は、送波処理回路等から供給される超音波信号を増幅して駆動信号を生成し、その駆動信号を複数の振動子に対してそれぞれ個別に供給すると共に、反射信号を個別に受信可能に形成する必要がある。
【０００４】
しかし、全ての振動子に対応させて送受信回路をそれぞれ形成すると、電気部品や配線ケーブルが膨大な数になる。そこで、通常は、図６に示すように、第１段増幅回路５１と第２段増幅回路５２からなる送信回路５３を、送受波口径の数に対応させて複数設け、第２段増幅回路５２の出力を高電圧スイッチ５４により切り替えて複数の振動子に供給することにより、電気部品や配線ケーブル量の低減を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波診断装置においては、所望の観測部位について十分な深度まで観測するため、振動子に例えば約１００Ｖ位の駆動信号を印加する必要がある。一般に、超音波信号を発生する送波処理回路は、回路規模及びコストなどの面から数Ｖレベルの送波信号を発生するのが実用的である。そのため、数Ｖレベルの超音波信号を約１００Ｖ位まで増幅する送信回路５３が要求されることになる。
【０００６】
したがって、従来の技術によれば、高電圧の第２段増幅回路５２と高電圧スイッチ５４の２種類の高圧回路を、別々の回路部品（例えば、ＩＣ等）として製造しなければならないという問題がある。特に、高電圧スイッチ５４は、一般に高価であり、かつ振動子の数だけ必要になるから、回路面積的にも大きくなるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、高電圧スイッチを省略できる送信回路を実現し、その送信回路を備えた超音波診断装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の送信回路は、上記課題を解決するため、入力される超音波信号を増幅する第１段増幅回路と、該第１段増幅回路から出力される前記超音波信号を増幅して前記振動子に供給する第２段増幅回路とを備え、第１段増幅回路は予め定められた送受波口径に対応させて複数設けられ、第２段増幅回路は前記各振動子に対応させて複数設けられ、前記各第１段増幅回路の出力は予め定められた複数の第２段増幅回路に入力されてなり、入力される振動子選択信号に基づいて前記各第２段増幅回路の増幅機能をオンオフする構成とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、送信回路の第２段増幅回路の増幅機能をオンオフすることにより、高電圧スイッチとして兼用したことを特徴とする。これにより、高価な高電圧スイッチを省略でき、耐電圧の高い回路部品を１種類に低減できる。なお、本発明によれば、高電圧スイッチを用いる場合に比べて、第２段増幅回路の数が振動子の数だけ必要になるから、送受波口径に対応させて設ける場合に比較して数が多くなる。しかし、高電圧スイッチに比べて、第２段増幅回路の回路面積は小さいから、全体としては送信回路の回路規模を小さくすることができる。
【００１０】
この場合において、前記第２段増幅回路は、一方の主電極が高電圧電源に接続され他方の主電極が出力に接続され、制御電極に前記第１段増幅回路から出力される超音波信号が入力されてなる半導体素子と、前記半導体素子の前記制御電極と前記他方の主電極との間にドレイン電流を供給するバイアス回路と、該バイアス回路を前記振動子選択信号に基づいて制御して前記半導体素子をオンオフするスイッチング回路とを有して構成することができる。
【００１１】
また、半導体素子としては、例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）等のトランジスタを用いることができる。そして、増幅回路は、交流の超音波信号を増幅するものであるから、例えば、導電型の異なるＰ型ＦＥＴとＮ型ＦＥＴをプッシュプル接続して増幅回路を形成することが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る送信回路の概要構成図を示し、図２に本発明の特徴に係る第２段増幅回路の回路図を示し、図３に本発明の送信回路を適用した一実施形態の超音波診断装置のブロック構成図を示す。
【００１３】
まず、図３に示すように、送波処理回路１５から超音波信号が発生され、この超音波信号を送信回路１６により増幅して駆動信号を生成し、その駆動信号を超音波の探触子１４を構成する複数の振動子に供給するようになっている。各振動子から出力される受信信号は、受波アンプ回路１７に導かれ、さらに整相処理回路１８、信号処理回路１９、及び画像処理回路２０の順に導かれて超音波画像が構成される。構成された超音波画像は、表示モニタ２１に表示されるようになっている。
【００１４】
探触子１４は、多数の振動子を直線状、曲線状、平面状又は曲面状等に配列して形成されている。各振動子は、一般に、入力される超音波のパルス波又は連続波の駆動信号を超音波に変換して被検体に発射する機能と、被検体の内部から反射等により発生する超音波を受波して電気信号の受信信号に変換して出力するようになっている。
【００１５】
本発明の特徴に係る送信回路１６は、図１に示すように、第１段増幅回路１と、この第１段増幅回路１の出力に接続された複数の第２段増幅回路２を備えて構成されている。第１段増幅回路１には、図３の送信処理回路１５から、入力端子３を介して例えばパルス状の超音波信号が入力される。第２段増幅回路２は、制御端子４に入力される振動子の選択信号Ｔｃｎｔによってオンオフ制御されるようになっている。第２段増幅回路２の出力である駆動信号は、出力端子５からそれぞれ対応する振動子に供給されるようになている。
【００１６】
第２段増幅回路２は、全て図２の詳細回路図に示すように、同一の回路構成になっていおり、導電型の異なるＰ型ＦＥＴ３１とＮ型ＦＥＴ３２をプッシュプル接続して形成されている。すなわち、Ｐ型ＦＥＴ３１とＮ型ＦＥＴ３２のドレン電極を共通に出力端子５に接続し、それらのソース電極をそれぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ１を介して電源＋ＨＶと−ＨＶに接続している。また、Ｐ型ＦＥＴ３１とＮ型ＦＥＴ３２のゲート電極は、それぞれコンデンサＣ１，Ｃ１を介して共通接続され、さらに抵抗Ｒ２を介して第１段増幅回路１の出力が入力される入力端７に接続されている。
【００１７】
また、Ｐ型ＦＥＴ３１とＮ型ＦＥＴ３２のソース・ゲート間には、ツエナーダイオードＺＤと抵抗Ｒ３の直列回路からなるバイアス回路が接続されている。このバイアス回路には、それぞれＰ型トランジスタ３３又はＮ型トランジスタ３４の主回路が並列に接続されている。これらのＰ型トランジスタ３３又はＮ型トランジスタ３４のベース・エミッタ間には抵抗Ｒ４が挿入され、また、ベースは抵抗Ｒ５を介して振動子選択信号Ｔｃｎｔが入力される制御端子４に接続されている。
【００１８】
次に、このように構成される第２段増幅回路２の動作について説明する。ところで、Ｐ型ＦＥＴ３１とＮ型ＦＥＴ３２の動作は、正・負の違いがあるだけで、対称的に動作することから、Ｐ型ＦＥＴ３１に係る動作について説明し、Ｎ型ＦＥＴ３２の動作についての説明は省略する。
【００１９】
一般に、ＦＥＴの動作は、ゲート・ソース間電圧ＶＧＳとドレン電流ＩＤにより規定される。図２のプッシュプル回路では、ドレン回路に直流バイアスをかけないと、入力信号レベルが小さすぎるときにＦＥＴが動作しない場合があり、出力波形に歪が生ずることがある。そこで、小さな入力信号に対してもＦＥＴがオンするように、僅かなドレン電流を流しておくことが必要である。ただし、ドレン電流を多くしすぎると発熱の影響が大きくなるから、波形歪を無視できる程度のバイアス電流を流すようにする。
【００２０】
本実施形態では、ツエナーダイオードＺＤと抵抗Ｒ３からなるバイアス回路により、ＦＥＴ３１にバイアス電流を流すようにしている。つまり、電源＋ＨＶとＦＥＴ３１のゲート間に、ツエナー電圧Ｖｚ（Ｖ）のツエナーダイオードＺＤが挿入されているから、ＦＥＴ３１のゲート電位は、ツエナー電流をＩｚとすると、
＋ＨＶ−（Ｖｚ＋Ｉｚ・Ｒ３）
に固定される。ここで、消費電流による発熱と、出力波形の歪を勘案して、ドレン電流Ｉｄを決定する。ソースに接続されている抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒｓは、ドレン電流Ｉｄを制限するものであり、最適な値を選定することにより、ＦＥＴ３１のソース電位が、
＋ＨＶ−Ｒｓ・Ｉｄ（Ｖ）
に決定される。そうすると、ＦＥＴ３１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳは、
−（Ｖｚ＋Ｉｚ・Ｒ３）＋Ｒｓ・Ｉｄ（Ｖ）
となる。Ｎ型ＦＥＴ３２についても同様である。このようなバイアス回路を設けることにより、小さな入力信号に対しても出力波形の歪を生ずること無く動作し、かつ消費電流による発熱を最小限にすることができる。
【００２１】
次に、バイアス回路の動作を制御して、Ｐ型ＦＥＴ３１をオンオフさせる制御回路について説明する。この制御回路は、Ｐ型トランジスタ３３と抵抗Ｒ４、Ｒ５により構成される。制御端子４に入力される振動子選択信号Ｔｃｎｔは、Ｈ（Ｈｉｇｈ）とＬ（Ｌｏｗ）の２値信号であり、例えば、ＨのときにＰ型ＦＥＴ３１をオンさせ、
ＬのときにＰ型ＦＥＴ３１をオフさせるものと設定する。そして、ＴｃｎｔがＨのときにＰ型トランジスタ３３のベースに＋ＨＶの電圧がかかるようにする。このとき、Ｐ型トランジスタ３３のベース・エミッタ間電圧は＋ＨＶであるから、Ｐ型トランジスタ３３はオフの状態である。したがって、Ｐ型ＦＥＴ３１は、Ｐ型トランジスタ３３が無いときと同じであるから、バイアス回路からドレン電流Ｉｄが供給されてオンする。
【００２２】
これに対して、ＴｃｎｔがＬのときは、Ｐ型トランジスタ３３のベースに＋ＨＶ−αの電圧がかかるようにする。ここで、αは、Ｐ型トランジスタ３３が十分オンするような値とする。したがって、ＴｃｎｔがＬのとき、Ｐ型トランジスタ３３のベース・エミッタ間電圧はαだけあることになるからＰ型トランジスタ３３はオンする。その結果、Ｐ型トランジスタ３３にエミッタ電流が流れ、Ｐ型ＦＥＴ３１のゲート電位が＋ＨＶとほぼ同電位になり、Ｐ型ＦＥＴ３１には十分なゲート・ソース間電圧がかからないのでオフする。
【００２３】
このようにして、振動子選択信号ＴｃｎｔによってＰ型ＦＥＴ３１をオンオフ制御することができるようになっている。このような制御回路を用いることにより、動作（オン）していないＰ型ＦＥＴ３１又はＮ型ＦＥＴ３２のゲート電位は、第１段増幅回路１からどのような超音波信号が入力されても、Ｐ型トランジスタ３３のオン・オフによって、Ｐ型ＦＥＴ３１ではソース電位より低くなることはなく、Ｎ型ＦＥＴ３２ではソース電位より高くなることはない。したがって、動作（オン）していないＦＥＴは、完全にオフ状態になることから、超音波診断装置の送信回路のスイッチ回路として、十分なオフアイソレーションを確保できる。
【００２４】
次に、図４及び図５を参照して、送波口径が５０ｃｈ（チャネル）、振動子が１５０ｃｈ（チャネル）の場合を例にして、図１、２の送信回路を適用してなる実施形態の構成と動作を説明する。図４に示すように、第１段増幅回路１は送波口径の数に対応させて５０ｃｈ設けられ、第２段増幅回路２は振動子４１の数に対応させて１５０ｃｈ設けられている。各第１段増幅回路１は、それぞれ５０ｃｈ間隔ごとに第２段増幅回路２に接続されている。例えば、第１ｃｈの第１段増幅回路１の出力は、第２段増幅回路２の第１ｃｈ、第５１ｃｈ、第１０１ｃｈに共通に接続されている。同用に、第２ｃｈの第１段増幅回路１の出力は、第２段増幅回路２の第２ｃｈ、第５２ｃｈ、第１０２ｃｈに共通に接続されている。そして、第１ｃｈ〜第１５０ｃｈの第２段増幅回路２は、それぞれ振動子選択信号Ｔｃｎｔによって個別にオンオフされるようになっている。
【００２５】
例えば、図４では、振動子選択信号Ｔｃｎｔによって第１ｃｈ〜第５０ｃｈまでの振動子４１から構成される口径が選択され、第１ｃｈ〜第５０ｃｈまでの第２段増幅回路２がオンされる。これによって、送波処理回路から超音波ビームを形成するように制御された送波口径に対応する超音波信号が、第１ｃｈ〜第５０ｃｈ第１段増幅回路１に入力される。第１段増幅回路１により増幅された超音波信号は、それぞれ対応する第２段増幅回路２に入力されるが、振動子選択信号Ｔｃｎｔによってオンされている第２段増幅回路２によってのみ所定の高圧に増幅され、各振動子４１から超音波パルス４２が被検体に放射される。これによって、第１ｃｈ〜第５０ｃｈを口径とする超音波ビームが被検体内に形成される。
【００２６】
また、送波口径の移動は、振動子選択信号Ｔｃｎｔを制御することにより行なわれる。つまり、図５に示すように、振動子選択信号Ｔｃｎｔによって、第２ｃｈ〜第５１ｃｈを口径とする超音波ビームを選択することにより、それらのチャネルに対応した第２ｃｈ〜第５１ｃｈの第２段増幅回路２が選択的にオンされ、第２ｃｈ〜第５１ｃｈの振動子４１が駆動される。
【００２７】
上述したように、本実施形態によれば、送信回路１６の第２段増幅回路２の増幅素子であるＰ型ＦＥＴ３１及びＮ型ＦＥＴ３２子を、振動子選択用の高電圧スイッチとして兼用したことから、高価な高電圧スイッチを省略できる。その結果、耐電圧の高い回路部品を第２段増幅回路２の１種類に低減できる。
【００２８】
なお、本実施形態によれば、高電圧スイッチを用いる場合に比べて、第２段増幅回路２の数が振動子の数だけ必要になるが、高電圧スイッチに比べて、第２段増幅回路２の回路面積は小さいから、全体としては送信回路の回路規模を小さくできる。
【００２９】
また、第２段増幅回路２を、Ｐ型ＦＥＴとＮ型ＦＥＴをプッシュプル接続して形成したことから、電気的インピーダンスが小さい振動子駆動するのに好適である。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、探触子を駆動する送波系統における高電圧スイッチを省略た送信回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の送信回路の概要構成図である。
【図２】本発明の特徴部に係る第２段増幅回路の一実施形態の回路図である。
【図３】本発明の送信回路を適用してなる一実施形態の超音波診断装置である。
【図４】本発明の一実施形態の送信回路の動作を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態の送信回路の動作を説明する図である。
【図６】送信回路の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１　第１段増幅回路
２　第２段増幅回路
３　入力端子
４　制御端子
５　出力端子
３１　Ｐ型ＦＥＴ
３２　Ｎ型ＦＥＴ
３３　Ｐ型トランジスタ
３４　Ｎ型トランジスタ
ＺＤ　ツエナーダイオード
Ｒ１〜Ｒ５　抵抗
Ｃ　コンデンサ
Ｔｃｎｔ　振動子選択信号

Claims

複数の振動子からなる超音波探触子と、前記各振動子に駆動信号を供給する送信回路とを備えてなる超音波診断装置において、
前記送信回路は、入力される超音波信号を増幅する第１段増幅回路と、該第１段増幅回路から出力される前記超音波信号を増幅して前記振動子に供給する第２段増幅回路とを備え、
第１段増幅回路は予め定められた送受波口径に対応させて複数設けられ、第２段増幅回路は前記各振動子に対応させて複数設けられ、前記各第１段増幅回路の出力は予め定められた複数の第２段増幅回路に入力されてなり、入力される振動子選択信号に基づいて前記各第２段増幅回路の増幅機能をオンオフする構成とすることを特徴とする超音波診断装置。
前記第２段増幅回路は、一方の主電極が高電圧電源に接続され他方の主電極が出力に接続され、制御電極に前記第１段増幅回路から出力される超音波信号が入力されてなる半導体素子と、
前記半導体素子の前記制御電極と前記他方の主電極との間にドレイン電流を供給するバイアス回路と、該バイアス回路を前記振動子選択信号に基づいて制御して前記半導体素子をオンオフするスイッチング回路とを有してなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。