JP2006223384A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リニアアンプを用いずに所望の周波数スペクトラムを持つ波形を持った駆動信号を生成する。
【解決手段】 複数のチャネルのそれぞれに対応する送信回路21-1〜21-nにおいて、波形データ出力部２１ａは、いずれの送信回路21-1〜21-nでも同一の波形の基本信号を示した波形データを出力する。ランダムノイズ発生部２１ｃは、基本信号の最大振幅値よりも小さいとともに複数の超音波振動子の相対的な位置に応じた相関の無いランダムノイズ（ランダム係数）を発生する。ランダムノイズは、アポダイゼーション係数出力部２１ｂが出力するアポダイゼーション係数とともに乗算器２１ｅにて波形データに乗算され、これにより波形データはランダムノイズに応じた重み付けがなされる。重み付け後の波形データはＤ／Ａ変換部２１ｆでアナログ化した上で駆動信号として出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の超音波振動子を配列した超音波プローブを使用する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波プローブに超音波を出射させるための駆動信号を生成する機能を持つ。

任意波形の駆動信号を生成するためには、細かい量子化分解能を持ったディジタル／アナログ変換部の出力を、リニアアンプにより電力増幅すれば良い。しかし、このような構成は、コスト、電力、回路サイズが大きくなる欠点がある。

このため、リニアアンプを用いずに、大電力スイッチングによる粗い量子化分解能のディジタル／アナログ変換部（High Power DAC）を構成し、ＰＷＭ等により高い波形精度を実現する技術が提案されている。
特開２００１−８９３４ 特開２００４−７３８８３

ただし前述の後者方式では、送信振幅の遷移ごとに起きるグリッチ等の非線形応答が大きい傾向がある。このため、振幅遷移頻度の高い波形を生成する場合には、上記非線形応答による誤差エネルギーが量子化誤差に対して無視できないレベルになり、所望の周波数スペクトラムを持つ波形が生成できない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、リニアアンプを用いずに所望の周波数スペクトラムを持つ波形を持った駆動信号を生成することができる超音波診断装置を提供することにある。

以上の目的を達成するために本発明は、複数の超音波振動子を配列した超音波プローブを使用する超音波診断装置において、同一の波形の基本信号に、前記基本信号の最大振幅値よりも小さいとともに前記複数の超音波振動子の相対的な位置に応じた相関の無い複数のランダム係数を用いてそれぞれ重み付けした複数の信号を、前記複数の超音波振動子のそれぞれの駆動信号として前記超音波プローブへ送信する送信手段を備えた。

本発明によれば、リニアアンプを用いずに所望の周波数スペクトラムを持つ波形を持った駆動信号を生成することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように超音波診断装置は、超音波プローブ１、送信ユニット２、受信ユニット３、Ｂモード処理回路４、ＣＦＭモード処理回路５、ＴＤＩモード処理回路６、ＰＷＤモード処理回路７、ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）８、イメージメモリ９、モニタ１０およびコントローラ１１を備える。

超音波プローブ１は、その先端に配置されたアレイ型圧電振動子を備える。アレイ型振動子は複数（ｎ個）の超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nを直線状に配列し、その配列方向を走査方向としたもので、複数の超音波振動子それぞれが送受信の各チャネルを形成する。そして超音波プローブ１は、超音波信号と電気信号の間で双方向に信号変換することが可能である。超音波プローブ１は、送信ユニット２および受信ユニット３に接続される。なお、超音波プローブ１は、超音波診断装置の本体から分離して独立したユニットとして構成され、コネクタなどにより必要に応じて送信ユニット２および受信ユニット３に接続されるようにしても良い。この場合、超音波診断装置の本体と超音波プローブ１とは、セットとして流通されても良いし、個別に流通されても良い。

送信ユニット２は、複数（ｎ個）の送信回路21-1，21-2…，21-nを備える。これらの送信回路21-1，21-2…，21-nは、超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nにそれぞれ接続される。そして送信回路21-1，21-2…，21-nは、超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nより超音波を出射させるための駆動信号をそれぞれ生成する。

送信回路21-1，21-2…，21-nが生成した駆動信号に応じて超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nが出射した超音波は、互いに合成されて送信ビームを形成する。送信ビームは、音響インピーダンスの異なる境界面でその一部が反射され、エコーになる。

超音波プローブ１に戻ってきたエコーは、超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nのうちの１つまたは複数により受信され、対応する電気信号（以下、エコー信号と称する）に変換される。

受信ユニット３は、図示していないが、プリアンプ、遅延回路および加算部を備える。プリアンプは、超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nのそれぞれに対応して設けられる。プリアンプは、対応する超音波振動子により受信されたエコー信号を増幅する。遅延回路は、プリアンプのそれぞれに接続される。遅延回路は、プリアンプから出力されるエコー信号を受信フォーカスのために遅延制御する。加算部は、それぞれ遅延制御された後のエコー信号を互いに加算する。これにより、受信遅延時間の制御に応じて決まるフォーカス点を有する受信ビームが演算上で形成され、所望の指向性が得られる。

受信ユニット３の出力端は、Ｂモード処理回路４、ＣＦＭモード処理回路５、ＴＤＩモード処理回路６およびＰＷＤモード処理回路７にそれぞれ接続されている。Ｂモード処理回路４は、Ｂモードの白黒の断層像データの作成を担う。Ｂモード処理回路４は、Ｂモード画像を得る従来周知の回路で構成される。Ｂモード処理回路４は、受信ユニット３の出力に基づいてＢモード画像データを生成し、出力する。ＣＦＭモード処理回路５は、カラーフローマッピング（ＣＦＭ：カラードプラ断層法の一種）のモードにより２次元的に血流情報の検出を行う従来周知の回路で構成される。ＣＦＭモード処理回路５は、受信ユニット３の出力に基づいてカラードプラ情報を生成し、出力する。ＴＤＩモード処理回路６は、組織ドプライメージング（ＴＤＩ：カラードプラ断層法の一種）により２次元的に組織の運動情報の検出を行う従来周知の回路で構成される。受信ユニット３の出力に基づいてカラードプラ情報を生成し、出力する。ＰＷＤモード処理回路７は、パルスドプラ（ＰＷＤ）法に基づいてドプラスペクトラムデータを生成する機能を担う従来周知の回路で構成される。ＰＷＤモード処理回路７は、受信ユニット３の出力に基づいてドプラスペクトラムデータを生成し、出力する。

ＤＳＣ８は、各処理回路４〜７から出力されるデータから画像を再構成する。またＤＳＣ８は、イメージメモリ９を利用して、複数のモードでそれぞれ取得された情報を同時表示するための画像を生成する機能も持つ。モニタ１０は、ＤＳＣ８により生成された画像を表示する。

コントローラ１１は、ＣＰＵを備える。コントローラ１１は、パルス送信のシーケンスの変更やモードの変更を実現するための制御を行なう。

図２は送信回路21-1，21-2…，21-nの具体的な構成を示すブロック図である。
送信回路21-1，21-2…，21-nは、図２に示す共通の構成をなす。すなわち送信回路21-1，21-2…，21-nは、波形データ出力部２１ａ、アポダイゼーション係数出力部２１ｂ、ランダムノイズ発生部２１ｃ、加算部２１ｄ、乗算部２１ｅおよびディジタル／アナログ変換部（以下、Ｄ／Ａ変換部と称する）２１ｆを備える。

波形データ出力部２１ａは、駆動信号の基本波形に応じた波形データを出力する。すなわち波形データ出力部２１ａは、基本波形をサンプリングして得られる離散的なレベル値をサンプリング周期で順次出力する。波形データ出力部２１ａが出力する波形データの位相は、コントローラ１１の制御の下に送信回路21-1，21-2…，21-nのそれぞれで個別に変更される。

アポダイゼーション係数出力部２１ｂは、従来より行われている送信アポダイゼーションのために定められたアポダイゼーション係数を出力する。アポダイゼーション係数は超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nのそれぞれに対し、それらの相対的な位置、すなわち超音波プローブの送信開口内での各超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nの位置に応じた相関を持つ値が固定的に割り当てられる。アポダイゼーション係数出力部２１ｂは、対応する超音波振動子に割り当てられたアポダイゼーション係数を出力する。

ランダムノイズ発生部２１ｃは、駆動信号に、チャネル毎にランダムな微量の変化（以下、ディザと称する）を加えるためのランダムノイズを出力する。ランダムノイズは超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nのそれぞれに対し、それらの相対的な位置、すなわち超音波プローブの送信開口内での各超音波振動子1a-1，1a-2…，1a-nの位置に応じた相関を持たない値が固定的に割り当てられる。ランダムノイズ発生部２１ｃは、対応する超音波振動子に割り当てられたランダムノイズを出力する。

加算部２１ｄは、上記のアポダイゼーション係数とランダムノイズとを加算する。加算部２１ｄは、加算結果を重み付け係数として出力する。乗算器２１ｅは、上記の波形データに対し、上記の重み付け係数により重み付けする。

Ｄ／Ａ変換部２１ｆは、重み付け後の波形データをアナログ化する。このＤ／Ａ変換部２１ｆの出力が駆動信号となる。Ｄ／Ａ変換部２１ｆとしては、High Power DACが適用される。すなわちＤ／Ａ変換部２１ｆは、大電力スイッチングにより、粗い量子化分解能で出力レベル（駆動信号の波形振幅）を変化させる。

次に以上のように構成された超音波診断装置の動作について説明する。なお、超音波を利用して被検体の情報を取得する動作や、取得した情報から画像を再構成する動作などは従来よりある超音波診断装置と同様であるので、ここではその説明は省略する。本実施形態の特徴は、送信ユニット２における駆動信号の生成にあるので、以下においてはこの動作について詳細に説明する。なお以下の説明では、ランダムノイズ発生部２１ｃの出力が符号付き２ビット、アポダイゼーション係数出力部２１ｂおよび加算部２１ｄの出力が符号無し６ビット、Ｄ／Ａ変換部２１ｆの入力が符号付き５ビットのそれぞれのビット幅を持つハードウェア構成を例とする。

図３は量子化前のランダムノイズを示す図である。図４はランダムノイズ発生部２１ｃが出力するランダムノイズを示す図である。

図３に示すように、ランダムノイズの値は、チャネル毎の相関がなく、ランダムである。図３に示すランダムノイズの値をそれぞれ２ビットに量子化することで、図４に示すランダムノイズを得ている。従って、ランダムノイズ発生部２１ｃが出力するランダムノイズは、２ビットで表され図４に示すように「１」「０」「−１」のいずれかの値を持つ。波形データ出力部２１ａが出力する波形データは、例えば８ビットである。従ってランダムノイズの値は、波形データが示す波形の最大振幅よりも十分に小さい。

図５はアポダイゼーション係数を示す図である。図５の例では、開口中心付近のチャネルが最も大きく、かつ端部に向かうに従って小さくなるHammingをアポダイゼーション係数として用いている。アポダイゼーション係数は、６ビットで表され図５に示すように「１」〜「６４」のいずれかの値を持つ。

送信回路21-1，21-1…，21-nでは、対応するチャネルに対して上述のように定められた値のアポダイゼーション係数およびランダムノイズをアポダイゼーション係数出力部２１ｂおよびランダムノイズ発生部２１ｃが出力する。これらアポダイゼーション係数およびランダムノイズは、加算部２１ｄによって互いに加算される。この結果として得られる各チャネルの重み付け係数が、例えば図６に示すような値となる。

さて、波形データ出力部２１ａが出力する波形データにアポダイゼーション係数のみで重み付けしたとする。このときに、重み付け後の波形データをＤ／Ａ変換部２１ｆでディジタル化して得られる駆動信号は、例えば図７に示すような波形となる。なおここでは、Ｄ／Ａ変換部２１ｆの分解能が５ビットであることとする。

図８は図７に示す波形における波形ピーク付近を拡大して示す図である。図８はランダムノイズ発生部２１ｃが無い場合の４チャネル分のＤ／Ａ変換部２１ｆの入力の波形を、送信遅延による時間方向のずれは無いものとして重ねて示している。４つのチャネルは、開口中心に相当するチャネルchcと、このチャネルchcから２，４，６チャネルそれぞれ離れたチャネルchc-2，chc-4，chc-6である。チャネルchc，chc-2，chc-4，chc-6の波形は、×，＋，○，□で示している。

波形データ出力部２１ａが出力する波形データは、各送信回路21-1，21-2…，21-nで同一である。また、アポダイゼーション係数は、開口中心付近のチャネルについてはその値がほぼ等しい。このため図８に示すように、チャネルchc，chc-2，chc-4，chc-6の波形は一致する。

ところで本実施形態では、波形データ出力部２１ａが出力する波形データは乗算部２１ｅにて、加算部２１ｄが出力する重み付け係数によって重み付けされる。重み付け係数には、アポダイゼーション係数にランダムノイズが加えられている。従って、このランダムノイズによって、駆動信号の波形にディザが加えられることになる。このディザを加えたことによる効果により、実際のチャネルchc，chc-2，chc-4，chc-6の波形は、図９に示すように一部でばらつく。図９では、チャネルchcとチャネルchc-4とは常に波形が等しく、チャネルchc-2とチャネルchc-6とは常に波形が等しい。しかし、チャネルchc，chc-4とチャネルchc-2，chc-6とでは、一部のサンプルにて振幅レベルが異なっている。

このようにして２種類の波形で波形ピーク付近に生じる振幅遷移エッジ位置にばらつきが生じることにより、振幅遷移エッジで生じるグリッチ等による非線形応答が時間方向に分散される。この結果、送信焦点で各チャネルの波形が加算された結果の誤差エネルギーの周波数スペクトラムはホワイトに近づくとともに、相関のないものの加算効果によって全体の誤差エネルギーが低減する。

従って本実施形態によれば、Ｄ／Ａ変換部２１ｆが大電力スイッチングにより、粗い量子化分解能で出力レベルを変化させていても、所望の周波数スペクトラムを持つ駆動信号を生成することができる。この結果として、パルスインバージョン（Pulse Inversion）での正負送信時対称性劣化を緩和し、フィルタハーモニックイメージング（Filter Harmonic Imaging）やパルスインバージョンハーモニックイメージング（Pulse Inversion Harmonic Imaging）などでの画質劣化を抑えることが可能となる。

この実施形態は、次のような種々の変形実施が可能である。
アポダイゼーション係数出力部２１ｂ、ランダムノイズ発生部２１ｃおよび加算部２１ｄに代えて、アポダイゼーション係数とランダムノイズとを加算した値を持つ重み付け係数を直接的に出力する出力部を備えても良い。
なお、本発明は上記実施形態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、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態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。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図。 図１中の送信回路21-1，21-2…，21-nの具体的な構成を示すブロック図。 量子化前のランダムノイズを示す図。 図２中のランダムノイズ発生部２１ｃが出力するランダムノイズを示す図。 図２中のアポダイゼーション係数出力部２１ｂが出力するアポダイゼーション係数を示す図。 図２中の加算部２１ｄが出力する重み付け係数を示す図。 図２中の波形データ出力部２１ａが出力する波形データにアポダイゼーション係数のみで重み付けした後のＤ／Ａ変換部２１ｆの入力の波形の一例を示す図。 図７に示す波形における波形ピーク付近を拡大して示す図。 図２中のＤ／Ａ変換部２１ｆの入力の波形における波形ピーク付近を拡大して示す図。

符号の説明

１…超音波プローブ、1a-1〜1a-n…超音波振動子、２…送信ユニット、３…受信ユニット、21-1〜21-n…送信回路、２１ａ…波形データ出力部、２１ｂ…アポダイゼーション係数出力部、２１ｃ…ランダムノイズ発生部、２１ｄ…加算部、２１ｅ…乗算部、２１ｆ…変換部。

Claims (5)

1. 複数の超音波振動子を配列した超音波プローブを使用する超音波診断装置において、
   同一の波形の基本信号に、前記基本信号の最大振幅値よりも小さいとともに前記複数の超音波振動子の相対的な位置に応じた相関の無い複数のランダム係数を用いてそれぞれ重み付けした複数の信号を、前記複数の超音波振動子のそれぞれの駆動信号として前記超音波プローブへ送信する送信手段を備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記送信手段は、前記基本信号に、前記複数の超音波振動子の相対的な位置に応じた相関を持った複数のアポダイゼーション係数を前記ランダム係数とともに用いてそれぞれ重み付けした複数の信号を、前記駆動信号として送信することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記信号生成手段は、前記複数の超音波振動子のそれぞれに対応付けて、
   前記基本信号をサンプリングした波形データを出力する手段と、
   前記ランダム係数および対応付けられた前記超音波振動子の位置に応じたアポダイゼーション係数との加算値を重み付け係数として出力する係数出力手段と、
   前記波形データを、前記重み付け係数を用いて重み付けして駆動信号データを生成する手段と、
   前記駆動信号データをアナログ変換して前記駆動信号を生成する変換手段とを具備したことを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記係数出力手段は、
   前記ランダム係数を出力する手段と、
   前記アポダイゼーション係数を出力する手段と、
   前記ランダム係数および前記アポダイゼーション係数を加算する手段とを具備することを特徴とする請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記変換手段は、電力スイッチングにより前記前記駆動信号のレベルを変更することを特徴とする請求項３に記載の超音波診断装置。

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