JP2005278665A

JP2005278665A - 超音波診断装置及び超音波プローブ

Info

Publication number: JP2005278665A
Application number: JP2004092854A
Authority: JP
Inventors: Toshio Shirasaka; 俊夫白坂
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP4557579B2

Abstract

【課題】本発明の課題は、増幅器の前段にトランスのインダクタンスを利用した周波数低域減衰フィルタを設けることにより、基本波成分を減衰させて信号歪みを改善できる超音波診断装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は、超音波振動子群３５より基本波帯域幅で音波を被検体に送波し、前記被検体で発生するハーモニック成分を超音波振動子群３５で受信し、受信したハーモニック成分をトランス部群３７で昇圧し増幅器群４０で増幅して超音波断層像を表示する超音波診断装置において、前記トランス部群３７に容量素子部群３９を接続して周波数低域減衰フィルタを構成することを特徴するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動子群より基本波帯域幅で音波を被検体に送波し、前記被検体で発生するハーモニック成分を超音波振動子群で受信し、受信したハーモニック成分をトランス部群で昇圧し増幅器群で増幅して超音波断層像を表示する超音波診断装置及び超音波プローブに関する。

近年、振動子を多チャネル備えた電子スキャン型超音波診断装置において、超音波ハーモニックイメージング法の有効性が確認されており、この方式は基本波帯域幅で音波を生体に送波し、生体からの受信信号からデジタルフィルタで基本波信号を減衰させ、生体内部で発生するハーモニック成分を取り出し超音波診断像を表示するものである。

図５は従来の超音波診断装置を示す構成説明図である。複数の超音波振動子をアレイ状又はマトリクス状に配列した超音波振動子群を備えた超音波診断装置において、超音波のビーム形状を形成するには多チャネルの超音波振動子を１組として送受信する必要がある。ここでは１組のチャネル数をＮ個備えた例について説明する。

すなわち、超音波診断システムの動作タイミングを決める基準クロック発生器１１から発生された信号と、操作パネル等で設定された条件でシステムを制御するシステム制御部１２からの信号は送信遅延回路群１３に出力される。前記送信遅延回路群１３では基準クロック発生器１１から入力された信号とシステム制御部１２から入力された信号から、送信部群により超音波の送信ビーム形状を形成する為に基本波信号帯域を有した信号にそれぞれ異なった遅延時間を与えたＮ個の信号を発生して送信部群１４に出力される。前記送信部群１４では送信遅延回路群１３から入力された信号を、超音波振動子から音波を送波するのに必要な振幅に通常数十ボルトのパルス波形に増幅した送信用の電気信号として超音波振動子群１５に出力される。前記超音波振動子群１５では送信部群１４から入力された送信用の電気信号を圧電振動子で超音波に変換したパルス状の音波を被検体に送波する。前記被検体内部の音響インピーダンスの異なる境界面から反射される音波を前記超音波振動子群１５で受波し電気信号に変換して電圧制限回路群１６に出力される。前記超音波振動子群１５で変換された電気信号には基本波成分とハーモニック成分が含まれている。そこで、前記電圧制限回路群１６では送信信号により送られた基本波成分による過大振幅が加わることによる受信部の回路保護のため加わる基本波成分の振幅を制限して受信信号を取り出してトランス部群１７に出力される。前記トランス部群１７では電圧制限回路群１６から入力された受信信号を昇圧しＳＮ比（信号・雑音比）を改善して前置増幅器群１８に出力される。前記前置増幅器群１８ではトランス部群１７から入力された信号を後段のＡＤＣ（アナログ・デジタル変換回路）・遅延回路群の入力ダイナミックレンジに合うレベルに増幅してＡＤＣ・遅延回路群１９に出力される。前記ＡＤＣ・遅延回路群１９では前置増幅器群１８から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し各入力信号に遅延時間を与えて加算器２０に出力される。前記加算器２０ではＡＤＣ・遅延回路群１９から入力されたそれぞれ遅延時間を与えた信号を加算して信号処理部２１に出力される。前記信号処理部２１では加算器２０から入力された信号から基本波成分をデジタルフィルタで減衰させてハーモニック成分を取り出しモニタ部２２に出力される。前記モニタ部２２では信号処理部２１から入力されたハーモニック成分により超音波断層像を表示する。
特開平１１−１８８０３７号公報特開２００１−２５８８８２号公報特開２００３−１６４４５６号公報

従来の超音波診断装置においては、超音波振動子群で受波されるハーモニック成分レベルは基本波成分エネルギーに対して数十ｄＢ以下と小さく、ＳＮ比の改善が非常に重要であり、このＳＮ比を改善するにはトランスの昇圧比を大きくする必要がある。しかしながら、トランスの昇圧比を大きくすることによって小信号のＳＮ比は改善されるが、昇圧によって被検体内からの強い反射エコー信号がトランス以降の受信回路で歪みを引き起こし、この歪みによるハーモニック成分が発生し、画像上でアーチファクトとして表示され診断上大きな問題となっていた。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、増幅器の前段にトランスのインダクタンスを利用した周波数低域減衰フィルタを設けることにより、基本波成分を減衰させて信号歪みを改善できる超音波診断装置及び超音波プローブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の超音波診断装置は、超音波振動子群より基本波帯域幅で音波を被検体に送波し、前記被検体で発生するハーモニック成分を超音波振動子群で受信し、受信したハーモニック成分をトランス部群で昇圧し増幅器群で増幅して超音波断層像を表示する超音波診断装置において、前記トランス部群に容量素子部群を接続して周波数低域減衰フィルタを構成することを特徴とするものである。

また本発明の超音波プローブは、超音波振動子群より基本波帯域幅で音波を被検体に送波し、前記被検体で発生するハーモニック成分を超音波振動子群で受信し、受信したハーモニック成分をトランス部群で昇圧し増幅器群で増幅する超音波プローブにおいて、前記トランス部群に容量素子部群を接続して周波数低域減衰フィルタを構成することを特徴とするものである。

本発明の超音波診断装置及び超音波プローブは、増幅器の前段にトランスのインダクタンスを利用した周波数低域減衰フィルタを設けることにより、周波数低域減衰フィルタの信号通過帯域で小さいハーモニック成分を昇圧してＳＮ比を改善し、遮断周波数帯域で大きい基本波成分を減衰させて増幅器での飽和を防いで信号歪みを改善することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態例に係る超音波診断装置を示す構成説明図である。複数の超音波振動子をアレイ状又はマトリクス状に配列した超音波振動子群を備えた超音波診断装置において、超音波のビーム形状を形成するには多チャネルの超音波振動子を１組として送受信する必要がある。ここでは１組のチャネル数をＮ個備えた例について説明する。

すなわち、超音波診断システムの動作タイミングを決める基準クロック発生器３１から発生された信号と、操作パネル等で設定された条件でシステムを制御するシステム制御部３２からの信号は送信遅延回路群３３に出力される。前記送信遅延回路群３３では基準クロック発生器３１から入力された信号とシステム制御部３２から入力された信号から、送信部群により超音波の送信ビーム形状を形成する為に基本波信号帯域を有した信号にそれぞれ異なった遅延時間を与えたＮ個の信号を発生して送信部群３４に出力される。前記送信部群３４では送信遅延回路群３３から入力された信号を、超音波振動子から音波を送波するのに必要な振幅に通常数十ボルトのパルス波形に増幅した送信用の電気信号として超音波振動子群３５に出力される。前記超音波振動子群３５では送信部群３４から入力された送信用の電気信号を圧電振動子で超音波に変換したパルス状の音波を被検体に送波する。前記被検体内部の音響インピーダンスの異なる境界面から反射される音波を前記超音波振動子群３５で受波し電気信号に変換して電圧制限回路群３６に出力される。前記超音波振動子群３５で変換された電気信号には基本波成分とハーモニック成分が含まれている。そこで、前記電圧制限回路群３６では送信信号により送られた過大振幅が加わることによる受信部の回路保護のため加わる送信信号の振幅を制限して受信信号を取り出してトランス部群３７に出力される。前記トランス部群３７はトランス群３８と容量素子部群３９より構成される。すなわち、トランス群３８のトランスの一次側コイルと二次側コイルの信号入出力端子とは異なる端子間（アース側端子間）を接続し、その接続点に容量素子部群３９の容量素子を接続することにより、一次側コイルと二次側コイルの自己インダクタンスと容量素子の容量で周波数低域減衰フィルタであるハイパスフィルタを構成する。所望するハイパスフィルタのカットオフ周波数は一次側コイルと二次側コイルの自己インダクタンス値と容量素子の容量値で決める。これによりハイパスフィルタの信号通過帯域では本来目的とするトランス巻き数比で昇圧し、遮断周波数帯域ではトランスでの昇圧を抑えることができる。前記トランス部群３７では電圧制限回路群３６から入力された受信信号のうちハイパスフィルタの信号通過帯域の信号を昇圧しＳＮ比（信号・雑音比）を改善して前置増幅器群４０に出力される。前記前置増幅器群４０ではトランス部群３７から入力された信号を後段のＡＤＣ・遅延回路群の入力ダイナミックレンジに合うレベルに増幅してＡＤＣ・遅延回路群４１に出力される。前記ＡＤＣ・遅延回路群４１では前置増幅器群４０から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し各入力信号に遅延時間を与えて加算器４２に出力される。前記加算器４２ではＡＤＣ・遅延回路群４１から入力されたそれぞれ遅延時間を与えた信号を加算して信号処理部４３に出力される。前記信号処理部４３では加算器４２から入力された信号から基本波成分をデジタルフィルタで減衰させてハーモニック成分を取り出しモニタ部４４に出力される。前記モニタ部４４では信号処理部４３から入力されたハーモニック成分により超音波断層像を表示する。

なお、前記送信遅延回路群３３、送信部群３４、超音波振動子群３５、電圧制限回路群３６、トランス部群３７、トランス群３８、容量素子部群３９、前置増幅器群４０及びＡＤＣ・遅延回路群４１は超音波プローブとして構成される。

図２は本発明の実施形態例に係る周波数低域減衰フィルタのフィルタ特性を示す特性図である。図２ではトランス群３８の昇圧比１：４で、送信信号の基本波周波数２ＭＨｚに適用するフィルタ特性を示す。横軸が周波数の単位でＭＨｚ、縦軸がパワー（Ｐｏｗｅｒ）で単位はｄＢであり、トランス群３８の０ｄＢで正規化した入力信号（ａ）に対して、トランス群３８の出力点で信号（ｂ）が得られる。このトランス群３８での昇圧は、低域の遮断周波数領域ではトランスの１：１、高域の通過周波数帯域では巻き数比となる（デシベル換算で１２ｄＢ相当）。この周波数低域減衰フィルタであるハイパスフィルタは基本波周波数帯域が遮断周波数領域、また超音波信号のハーモニック周波数帯域が通過周波数領域になることにより、前置増幅器群４０及びＡＤＣ・遅延回路群４１が信号振幅飽和を起こすことなく超音波のハーモニック成分を取り出すことができる。

図３は本発明の実施形態例に係る周波数低域減衰フィルタの具体例を示す回路図である。図３中、図１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。すなわち、超音波診断装置は被検体の診断部位によりその診断に適したプローブが用いられている。これらに用いられるプローブの中心周波数は通常１ＭＨｚ〜１５ＭＨｚと多様である。よって、この使用プローブ周波数によって、周波数低域減衰フィルタのフィルタ遮断周波数を切り替える必要性が生じる。ここでは周波数低域減衰フィルタのフィルタ遮断周波数を切り替える手段を備えた構成を示す。

トランス群３８のトランスの一次側コイルと二次側コイルの信号入出力端子とは異なる端子間（アース側端子間）を接続し、その接続点に容量素子部群３９の１個以上のコンデンサ４５を並列に接続し、前記各コンデンサ４５にはそれぞれ対応してコンデンサ４５を選択するアナログスイッチ４６が接続される。前記アナログスイッチ４６はシステム制御部４７により１個あるいは複数個が選択されて切り替えられる。前記システム制御部４７はプローブ情報あるいは操作パネル情報を元に遮断周波数を切り替える信号を発生する機能を備え、システム制御部４７からの信号でアナログスイッチ４６を切り替えてコンデンサ４５を１個あるいは複数個選択することにより、トランス群３８のトランスの一次側コイル、二次側コイルのインダクタンスとコンデンサ４５の容量によって構成される周波数低域減衰フィルタの遮断周波数を選択する。

図４は本発明の実施形態例に係る周波数低域減衰フィルタの他の具体例を示す回路図である。図４中、図１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。ここでは、使用プローブ周波数によって周波数低域減衰フィルタのフィルタ遮断周波数を切り替える手段を備えた構成を示す。

トランス群３８のトランスの一次側コイルと二次側コイルの信号入出力端子とは異なる端子間（アース側端子間）を接続し、その接続点に容量素子部群３９の電圧可変容量素子４８を接続し、前記電圧可変容量素子４８のトランス群３８との接続点には抵抗素子４９を介してＤＡ（デジタル・アナログ）変換部５０の出力端が接続され、前記ＤＡ変換部５０の入力端にはシステム制御部５１が接続される。前記システム制御部５１はプローブ情報あるいは超音波診断装置の操作パネルを元に遮断周波数を切り替えるデジタル信号を発生する機能を備えており、前記システム制御部５１から発生するデジタル信号をＤＡ変換部５０でアナログ信号に変換し、ＤＡ変換部５０の出力インピーダンスを上げる為の抵抗素子４９を通して電圧可変容量素子４８に所定の設定電圧を印加する。電圧可変容量素子４８は印加される電圧値によって両端の容量値が変化する特性を示す例えばバリアブルキャパシタダイオード等であり、トランス群３８のトランスの一次側コイル、二次側コイルのインダクタンスと電圧可変容量素子４８の容量によって構成される周波数低域減衰フィルタのフィルタ遮断周波数を電圧可変容量素子４８の両端の容量値によって設定する。

なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の実施形態例に係る超音波診断装置を示す構成説明図である。本発明の実施形態例に係る周波数低域減衰フィルタのフィルタ特性を示す特性図である。本発明の実施形態例に係る周波数低域減衰フィルタの具体例を示す回路図である。本発明の実施形態例に係る周波数低域減衰フィルタの他の具体例を示す回路図である。従来の超音波診断装置を示す構成説明図である。

符号の説明

３１…基準クロック発生器、３２…システム制御部、３３…送信遅延回路群、３４…送信部群、３５…超音波振動子群、３６…電圧制限回路群、３７…トランス部群、３８…トランス群、３９…容量素子部群。

Claims

超音波振動子群より所定の周波数で音波を被検体に送波し、前記被検体で発生する反射音波を前記超音波振動子群で受信して受信信号を生成し、前記受信信号をトランス部群で昇圧し増幅器群で増幅し、前記受信信号に含まれるハーモニックに対応する信号成分を基に超音波画像を生成する超音波診断装置において、
前記トランス部群に容量素子部群を接続することにより、前記ハーモニックより低域の周波数に対応する信号成分のうち少なくとも一部を減衰させるためのフィルタを構成することを特徴とする超音波診断装置。
容量素子部群として、１個以上のコンデンサと、前記コンデンサを選択するアナログスイッチと、前記アナログスイッチを制御するシステム制御部とよりなる容量素子部群を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
容量素子部群として、電圧により容量が変化する電圧可変容量素子と、前記電圧可変容量素子に抵抗素子を介して接続されデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換部と、前記デジタル・アナログ変換部に与えるデジタル信号を設定するシステム制御部よりなる容量素子部群を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
超音波振動子群より所定の周波数で音波を被検体に送波し、前記被検体で発生する反射音波を前記超音波振動子群で受信して受信信号を生成し、前記受信信号をトランス部群で昇圧し増幅器群で増幅する超音波プローブにおいて、
前記トランス部群に容量素子部群を接続することにより、前記ハーモニックより低域の周波数に対応する信号成分のうち少なくとも一部を減衰させるためのフィルタを構成することを特徴とする超音波プローブ。
容量素子部群として、１個以上のコンデンサと、前記コンデンサを選択するアナログスイッチと、前記アナログスイッチを制御するシステム制御部とよりなる容量素子部群を用いることを特徴とする請求項４に記載の超音波プローブ。
容量素子部群として、電圧により容量が変化する電圧可変容量素子と、前記電圧可変容量素子に抵抗素子を介して接続されデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換部と、前記デジタル・アナログ変換部に与えるデジタル信号を設定するシステム制御部よりなる容量素子部群を用いることを特徴とする請求項４に記載の超音波プローブ。