JP2007185529A

JP2007185529A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2007185529A
Application number: JP2007069766A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Amamiya; 慎一雨宮
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】多数の振動子を持つ２次元アレイ超音波探触子を駆動するためのハードウエアの負担を軽減する。
【解決手段】２次元アレイ超音波探触子の振動子からの信号電圧ｅ00〜ｅ99を増幅するプログラマブル・ゲイン・アンプａ00〜ａ99と、電圧を電流信号ｉ00〜ｉ99に変換する電圧電流変換器ｈ00〜ｈ99と、電流信号ｉ00〜ｉ99をグループに分けて各グループ内の電流信号を加算しそれぞれ加算電流信号Ｉ０〜Ｉ９を出力するマトリクス・スイッチＭと、電流を電圧信号に変換する電流電圧変換器Ｈ０〜Ｈ９と、プログラマブル・ゲイン・アンプＡ０〜Ａ９と、ＡＤ変換器Ｃ０〜Ｃ９と、デジタル信号Ｄ０〜Ｄ９を用いて受信ビームフォーミングを行い音線信号Ｗを出力するデジタル・ビームフォーマ・ユニットＢとを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、さらに詳しくは、２次元アレイ超音波探触子を駆動するためのハードウエアの負担を軽減することが出来る超音波診断装置に関する。

従来、振動子が１次元に並ぶ超音波探触子では、振動子数が例えば１２８個程度であった。従って、超音波探触子を駆動するためのハードウエアは、１２８個程度の振動子を駆動できる規模であった。

近年、振動子が２次元に並ぶ２次元アレイ超音波探触子が開発されているが、例えば振動子を３２×３２に配列した場合の振動子数は１０２４個となる。従って、２次元アレイ超音波探触子を駆動するためのハードウエアは、１０２４個程度の振動子を駆動できる規模が必要になる。

しかし、１０２４個程度の振動子を駆動できる規模ともなると、ハードウエアの負担が非常に重くなる問題点があった。

そこで、本発明の目的は、２次元アレイ超音波探触子を駆動するためのハードウエアの負担を軽減することが出来る超音波診断装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、２次元アレイ超音波探触子の振動子からの信号電圧を増幅するＮ個の電圧増幅器と、前記電圧増幅器の出力電圧を電流信号に変換するＮ個のｋ（≧２）倍の電圧電流変換器と、前記電流信号が入力されるＮ個の入力を有すると共にＮ個の入力をＭ（＜Ｎ）個のグループに分けて各グループ内の電流信号を加算しそれぞれ加算電流信号を出力するＭ（＜Ｎ）個の出力を有するｋ個の電流加算回路と、前記加算電流信号を電圧信号に変換するＭ個のｋ倍の電流電圧変換器と、前記電圧信号を用いて受信ビームフォーミングを行うｋ個のビームフォーマとを具備したことを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第１の観点による超音波診断装置では、ｋ方向の受信ビームにそれぞれ対応して電圧電流変換器等を具備するため、焦点位置の制限なく、ビームフォーマでｋ方向の受信ビームを形成することが出来る。

第２の観点では、本発明は、上記構成の超音波診断装置において、前記電流加算回路が、マトリクス・スイッチであることを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第２の観点による超音波診断装置では、マトリクス・スイッチを用いるため、焦点の変更に合わせて動的にグループ分けを変更できる。

第３の観点では、本発明は、上記構成の超音波診断装置において、前記ｋ個のビームフォーマは、それぞれが深さの異なる焦点を有し且つ同一方向の受信ビームを形成し、前記ｋ個の電流加算回路は、それぞれが対応する焦点から等距離または略等距離にある振動子に対応する入力を同一グループとし、さらに前記ｋ個のビームフォーマの出力を合成する合成回路を具備したことを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第３の観点による超音波診断装置では、一方向の受信ビームにｋ個までの深さが異なる焦点を設定することが出来る。

第４の観点では、本発明は、上記構成の超音波診断装置において、前記合成回路は、ｋ個のビームフォーマの出力に深さに応じた重みを付けて加算する回路であることを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第４の観点による超音波診断装置では、深さが異なる焦点に対応する受信ビームから得た出力を滑らかに合成することが出来る。

第５の観点では、本発明は、上記構成の超音波診断装置において、前記ｋ個のビームフォーマは、それぞれが深さの異なる焦点を有し且つ方向が異なる受信ビームを形成し、前記電流加算回路は、それぞれが対応する焦点から等距離または略等距離にある振動子に対応する入力を同一グループとすることを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第５の観点による超音波診断装置では、独立したｋ方向の受信ビームで走査することが出来る。

第６の観点では、本発明は、上記構成の超音波診断装置において、前記電圧増幅器が、プログラマブル・ゲイン・アンプであることを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第６の観点による超音波診断装置では、２次元アレイ超音波探触子の振動子からの信号電圧を最初に増幅する時にＴＧＣ（Time Gain Control）を行うことが出来る。

第７の観点では、本発明は、上記構成の超音波診断装置において、前記電流電圧変換器と前記ビームフォーマの間に、プログラマブル・ゲイン・アンプを介設したことを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第７の観点による超音波診断装置では、少ない数のプログラマブル・ゲイン・アンプでＴＧＣを行うことが出来る。

第８の観点では、本発明は、上記構成の超音波診断装置において、４０９６≧Ｎ≧２５６であることを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第８の観点による超音波診断装置では、２次元アレイ超音波探触子の振動子数Ｎを４０９６≧Ｎ≧２５６とするため、６４×６４〜１６×１６あるいは３２×１２８〜８×３２といった２次元配列に対応可能となる。

第９の観点では、本発明は、請求項５から請求項１６のいずれか上記構成の超音波診断装置において、１２８≧Ｍ≧３２であることを特徴とする超音波診断装置を提供する。

上記第９の観点による超音波診断装置では、グループ数Ｍを１２８≧Ｍ≧３２とするため、２次元アレイ超音波探触子を駆動するためのハードウエアの負担を軽減する。

本発明の超音波診断装置によれば、多数の振動子を持つ２次元アレイ超音波探触子を駆動するためのハードウエアの負担を軽減することが出来る。

以下、図に示す実施形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
−第１の実施形態−

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１００の構成図である。

この超音波診断装置１００は、２次元アレイ超音波探触子１と、２次元アレイ超音波探触子１の振動子を励起して所望の送信ビーム方向に超音波パルスを送波する送信部２と、２次元アレイ超音波探触子１で所望の受信ビーム方向からの超音波エコーを受信し音線信号Ｗを出力する受信部３−１と、音線信号Ｗを処理してＢモードデータなどを出力する信号処理部４と、Ｂモードデータなどから画像データを生成するＤＳＣ５と、画像データを基にした画像表示などを行うＣＲＴ６と、全体の制御を行うスキャンコントローラ７とを具備している。

２次元アレイ超音波探触子１は、図４に示すように、１０×１０個の振動子の配列を有するものとする。１０×１０個としたのは図示の都合上であり、実際には６４×６４〜１６×１６あるいは３２×１２８〜８×３２といった２次元配列である。

図２は、受信部３−１の構成ブロック図である。

受信部３−１は、２次元アレイ超音波探触子１の振動子からの信号電圧ｅ00〜ｅ99を増幅する１００個のプログラマブル・ゲイン・アンプａ00〜ａ99と、プログラマブル・ゲイン・アンプａ00〜ａ99の出力電圧を電流信号ｉ00〜ｉ99に変換する１００個の電圧電流変換器ｈ00〜ｈ99と、電流信号ｉ00〜ｉ99が入力される１００個の入力を有すると共に１００個の入力を１０個のグループに分けて各グループ内の電流信号を加算しそれぞれ加算電流信号Ｉ０〜Ｉ９を出力する１０個の出力を有するマトリクス・スイッチＭと、加算電流信号Ｉ０〜Ｉ９を電圧信号に変換する１０個の電流電圧変換器Ｈ０〜Ｈ９と、電圧信号を増幅する１０個のプログラマブル・ゲイン・アンプＡ０〜Ａ９と、増幅された電圧信号をデジタル信号Ｄ０〜Ｄ９に変換する１０個のＡＤ変換器Ｃ０〜Ｃ９と、デジタル信号Ｄ０〜Ｄ９を用いて受信ビームフォーミングを行い音線信号Ｗを出力するデジタル・ビームフォーマ・ユニットＢとを具備している。

プログラマブル・ゲイン・アンプａ00〜ａ99またはプログラマブル・ゲイン・アンプＡ０〜Ａ９の一方でＴＧＣを行い他方ではＴＧＣを行わない場合、他方は固定ゲインのアンプでもよい。

１０個の出力を有するマトリクス・スイッチＭとしたのは図示の都合上であり、実際には１２８〜３２といった出力数にするのが現実的である。

さて、図３に示すように、焦点ｆを有し且つ受信ビーム中心線ｗの方向の受信ビームを、ビームフォーマ・ユニットＢが形成したものとする。そして、振動子アレイ１０の受信面１０ａを含む仮想平面１０ｂに焦点ｆを投影した点を仮想焦点Ｆとする。

図４に示すように、スキャンコントローラ７は、仮想焦点Ｆから等距離または略等距離にある振動子を同一グループとして振動子アレイ１０の振動子を１０個のグループに分ける。具体的には、仮想焦点Ｆを中心とする円弧Ｒ０〜Ｒ９を基準として振動子を１０個のグループに分ける。このグループ分けは、焦点ｆから等距離または略等距離にある振動子を同一グループとして振動子をグループ分けすることと等価である。

図４では、振動子アレイ１０の外側に振動子の配列番号を示し、振動子アレイ１０の各振動子の位置にグループ番号「０」〜「９」を示している。

すなわち、振動子01〜08はグループ番号「０」とし、振動子00,09,10〜19はグループ番号「１」とし、振動子20〜29はグループ番号「２」とし、振動子30〜39はグループ番号「３」とし、振動子40〜49はグループ番号「４」とし、振動子50〜59はグループ番号「５」とし、振動子60〜69はグループ番号「６」とし、振動子70〜79はグループ番号「７」とし、振動子80〜89はグループ番号「８」とし、振動子90〜99はグループ番号「９」としている。

次に、スキャンコントローラ７は、それら振動子のグループ分けに対応するように信号電圧ｅ00〜ｅ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分け、それに応じて電流信号ｉ00〜ｉ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。そして、各グループ内の電流信号を加算し、加算電流信号Ｉ０〜Ｉ９を出力するように、マトリクス・スイッチＭを設定する。

図５は、設定されたマトリクス・スイッチＭの一部を示している。

加算電流信号Ｉ０はグループ番号「０」の電流信号ｉ01〜ｉ08を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ１はグループ番号「１」の電流信号ｉ00,ｉ09,ｉ10〜ｉ19を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ２はグループ番号「２」の電流信号ｉ20〜ｉ29を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ３はグループ番号「３」の電流信号ｉ30〜ｉ39を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ４はグループ番号「４」の電流信号ｉ40〜ｉ49を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ５はグループ番号「５」の電流信号ｉ50〜ｉ59を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ６はグループ番号「６」の電流信号ｉ60〜ｉ69を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ７はグループ番号「７」の電流信号ｉ70〜ｉ79を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ８はグループ番号「８」の電流信号ｉ80〜ｉ89を加算した信号となり、加算電流信号Ｉ９はグループ番号「９」の電流信号ｉ90〜ｉ99を加算した信号となる。

図６および図７は、図３および図４と異なる受信ビームの例である。このとき、図７に示すように、振動子はグループ分けされる。また、図８に示すように、マトリクス・スイッチＭは設定される。

第１の実施形態の超音波診断装置１００によれば、多数の振動子を持つ２次元アレイ超音波探触子１を駆動するためのハードウエアの負担を軽減することが出来る。また、電流加算するため、配線長が多少長くても、周波数特性は劣化しない。
−第２の実施形態−

第２の実施形態の超音波診断装置は、図２の受信部３−１の代わりに、図９の受信部３−２を具備している。

この受信部３−２は、図２のデジタル・ビームフォーマ・ユニットＢの代わりに、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢ'を具備している。

図１０および図１１に示すように、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢ'は、それぞれの焦点ｆ，ｆ'を仮想平面１０ｂに投影した仮想焦点Ｆ，Ｆが同一位置に重なるような２方向の受信ビーム（ｗ，ｗ'）を形成する。

図１１に示すように、仮想焦点Ｆ，Ｆが同一位置に重なっている場合、異なる受信ビーム（ｗ，ｗ'）でも、振動子のグループ分けは同一になる。

よって、マトリクス・スイッチＭは、一つの設定で異なる受信ビーム（ｗ，ｗ'）に対応できる。

第２の実施形態の超音波診断装置によれば、複数の超音波ビームを並行して形成することが出来る。
−第３の実施形態−

第３の実施形態の超音波診断装置は、図２の受信部３−１の代わりに、図１２の受信部３−３を具備している。

この受信部３−３は、図２の受信部３−１の構成に、もう一組の電圧電流変換器ｈ00ｄ〜ｈ99ｄと、マトリクス・スイッチＭｄと、電流電圧変換器Ｈ０ｄ〜Ｈ９ｄと、プログラマブル・ゲイン・アンプＡ０ｄ〜Ａ９ｄと、ＡＤ変換器Ｃ０ｄ〜Ｃ９ｄと、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢｄを追加すると共に、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢの出力Ｗｓとデジタル・ビームフォーマ・ユニットＢｄの出力Ｗｄを合成する合成回路Ｇを追加したものである。

図１３に示すように、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢとデジタル・ビームフォーマ・ユニットＢｄとは同一方向の受信ビーム（ｗ）を形成する。但し、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢが形成する受信ビーム（ｗ）の浅焦点ｆｓは、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢｄが形成する受信ビーム（ｗ）の深焦点ｆｄより、浅くなっている。

合成回路Ｇは、図１４に示す重みＬｓ，Ｌｄを用いて出力Ｗｓ，Ｗｄを荷重加算する。すなわち、

Ｗ＝Ｌｓ・Ｗｓ＋Ｌｄ・Ｗｄ
とする。

図１５は、浅焦点ｆｓを仮想平面１０ｂに投影した浅仮想焦点Ｆｓおよび深焦点ｆｄを仮想平面１０ｂに投影した深仮想焦点Ｆｄを示している。

図１６の（ａ）に示すように、スキャンコントローラ７は、浅仮想焦点Ｆｓから等距離または略等距離にある振動子を同一グループとして振動子アレイ１０の振動子をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。次に、それら振動子のグループ分けに対応するように信号電圧ｅ00〜ｅ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分け、それに応じて電流信号ｉ00〜ｉ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。そして、各グループ内の電流信号を加算し、加算電流信号Ｉ０〜Ｉ９を出力するように、マトリクス・スイッチＭを設定する。

また、図１６の（ｂ）に示すように、スキャンコントローラ７は、深仮想焦点Ｆｄから等距離または略等距離にある振動子を同一グループとして振動子アレイ１０の振動子をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。次に、それら振動子のグループ分けに対応するように信号電圧ｅ00〜ｅ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分け、それに応じて電流信号ｉ00ｄ〜ｉ99ｄをグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。そして、各グループ内の電流信号を加算し、加算電流信号Ｉ０ｄ〜Ｉ９ｄを出力するように、マトリクス・スイッチＭｄを設定する。

第３の実施形態の超音波診断装置によれば、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢの出力Ｗｓで走査面Ｐの浅領域Ｐｓのイメージングを行い、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢｄの出力Ｗｄで深領域Ｐｄのイメージングを行い、両領域Ｐｓ，Ｐｄのイメージを滑らかに合成することが出来る。
−第４の実施形態−

第４の実施形態の超音波診断装置は、図２の受信部３−１の代わりに、図１７の受信部３−４を具備している。

この受信部３−４は、図２の受信部３−１の構成に、もう一組の電圧電流変換器ｈ00'〜ｈ99'と、マトリクス・スイッチＭ'と、電流電圧変換器Ｈ０'〜Ｈ９'と、プログラマブル・ゲイン・アンプＡ０'〜Ａ９'と、ＡＤ変換器Ｃ０'〜Ｃ９'と、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢ'を追加したものである。

図１８に示すように、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢとデジタル・ビームフォーマ・ユニットＢ'とは異なる方向の受信ビーム（ｗ，ｗ'）を形成する。また、デジタル・ビームフォーマ・ユニットＢが形成する第１受信ビーム（ｗ）の第１焦点ｆとデジタル・ビームフォーマ・ユニットＢ'が形成する第２受信ビーム（ｗ'）の焦点ｆ'とは独立になっており、それらを仮想平面１０ｂに投影した第１仮想焦点Ｆおよび第２仮想焦点Ｆ'は重なっていない。

図１９の（ａ）に示すように、スキャンコントローラ７は、第１仮想焦点Ｆから等距離または略等距離にある振動子を同一グループとして振動子アレイ１０の振動子をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。次に、それら振動子のグループ分けに対応するように信号電圧ｅ00〜ｅ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分け、それに応じて電流信号ｉ00〜ｉ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。そして、各グループ内の電流信号を加算し、加算電流信号Ｉ０〜Ｉ９を出力するように、マトリクス・スイッチＭを設定する。

また、図１９の（ｂ）に示すように、スキャンコントローラ７は、第２仮想焦点Ｆ'から等距離または略等距離にある振動子を同一グループとして振動子アレイ１０の振動子をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。次に、それら振動子のグループ分けに対応するように信号電圧ｅ00〜ｅ99をグループ番号「０」〜「９」のグループに分け、それに応じて電流信号ｉ00'〜ｉ99'をグループ番号「０」〜「９」のグループに分ける。そして、各グループ内の電流信号を加算し、加算電流信号Ｉ０'〜Ｉ９'を出力するように、マトリクス・スイッチＭ'を設定する。

第４の実施形態の超音波診断装置によれば、複数の独立した受信ビームを並行して形成することが出来る。

第１の実施形態に係る超音波診断装置を示す構成図である。第１の実施形態に係る受信部の詳細構成図である。第１の実施形態に係る受信ビーム，焦点および仮想焦点を示す説明図である。第１の実施形態に係る振動子のグループ分けを示す説明図である。第１の実施形態に係るマトリクス・スイッチの設定例を示す説明図である。第１の実施形態に係る別の受信ビーム，焦点および仮想焦点を示す説明図である。第１の実施形態に係る振動子の別のグループ分けを示す説明図である。第１の実施形態に係るマトリクス・スイッチの別の設定例を示す説明図である。第２の実施形態に係る受信部の詳細構成図である。第２の実施形態に係る受信ビーム，焦点および仮想焦点を示す説明図である。第２の実施形態に係る振動子のグループ分けを示す説明図である。第３の実施形態に係る受信部の詳細構成図である。第３の実施形態に係る受信ビーム，焦点および走査面を示す説明図である。第３の実施形態に係る加算の重みを示す説明図である。第３の実施形態に係る受信ビーム，焦点および仮想焦点を示す説明図である。第３の実施形態に係る振動子のグループ分けを示す説明図である。第４の実施形態に係る受信部の詳細構成図である。第４の実施形態に係る受信ビーム，焦点および仮想焦点を示す説明図である。第４の実施形態に係る振動子のグループ分けを示す説明図である。

符号の説明

１００超音波診断装置
１超音波探触子
２送信部
３，３−１〜３−４受信部
４信号処理回路
５ＤＳＣ
６ＣＲＴ
７スキャンコントローラ
ａ00〜ａ99，Ａ０〜Ａ９プログラマブル・ゲイン・アンプ
ｈ00〜ｈ99 電圧電流変換器
Ｍ，Ｍｄ，Ｍ' マトリクス・スイッチ
Ｈ０〜Ｈ９電流電圧変換器
Ｃ０〜Ｃ９ＡＤ変換器
Ｂ，Ｂｄ，Ｂ' デジタル・ビームフォーマ・ユニット
ｆ，ｆｓ，ｆｄ，ｆ' 焦点
Ｆ，Ｆｓ，Ｆｄ，Ｆ' 仮想焦点

Claims

２次元アレイ超音波探触子の振動子からの信号電圧を増幅するＮ個の電圧増幅器と、前記電圧増幅器の出力電圧を電流信号に変換するＮ個のｋ（≧２）倍の電圧電流変換器と、前記電流信号が入力されるＮ個の入力を有すると共にＮ個の入力をＭ（＜Ｎ）個のグループに分けて各グループ内の電流信号を加算しそれぞれ加算電流信号を出力するＭ（＜Ｎ）個の出力を有するｋ個の電流加算回路と、前記加算電流信号を電圧信号に変換するＭ個のｋ倍の電流電圧変換器と、前記電圧信号を用いて受信ビームフォーミングを行うｋ個のビームフォーマとを具備したことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、前記電流加算回路が、マトリクス・スイッチであることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置において、前記ｋ個のビームフォーマは、それぞれが深さの異なる焦点を有し且つ同一方向の受信ビームを形成し、前記ｋ個の電流加算回路は、それぞれが対応する焦点から等距離または略等距離にある振動子に対応する入力を同一グループとし、さらに前記ｋ個のビームフォーマの出力を合成する合成回路を具備したことを特徴とする超音波診断装置。
請求項３に記載の超音波診断装置において、前記合成回路は、ｋ個のビームフォーマの出力に深さに応じた重みを付けて加算する回路であることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置において、前記ｋ個のビームフォーマは、それぞれが深さの異なる焦点を有し且つ方向が異なる受信ビームを形成し、前記電流加算回路は、それぞれが対応する焦点から等距離または略等距離にある振動子に対応する入力を同一グループとすることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波診断装置において、前記電圧増幅器が、プログラマブル・ゲイン・アンプであることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波診断装置において、前記電流電圧変換器と前記ビームフォーマの間に、プログラマブル・ゲイン・アンプを介設したことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から請求項７のいずれかに記載の超音波診断装置において、４０９６≧Ｎ≧２５６であることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１から請求項８のいずれかに記載の超音波診断装置において、１２８≧Ｍ≧３２であることを特徴とする超音波診断装置。