JP2010158470A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品レイアウトの制約が少なく、より高密度化した部品実装が可能な超音波診断装置を提供する。
【解決手段】超音波を送受信する超音波プローブ２と、
超音波プローブを駆動する駆動信号を発生するドライバ２１と超音波プローブが受信したエコー信号を増幅する受信アンプ２２とを有し、超音波プローブとの間で駆動信号およびエコー信号を送受信するフロントエンド部とを備える。超音波プローブの信号線および第１グランド２６に接続された第１巻線２５ａとフロントエンド部の信号線および第２グランド２７に接続された第２巻線２５ｂとを有するトランス２５とを備え、第１グランドと第２グランドとは、トランスを境界として分離されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療分野に用いられる超音波診断装置に関する。

従来から、図４に示すような構成を有する超音波診断装置１０１が提案されている（例えば、特許文献１参照）。超音波診断装置１０１は、本体装置１０３にケーブル１０４を介して、超音波プローブ１０２が接続されて構成されている。

超音波プローブ１０２は、超音波を送受信する超音波振動子１１１を１素子以上有し、超音波振動子１１１にドライバ１２１から供給された駆動信号が印加されることで超音波を生体内へ送信する。超音波プローブ１０２が生体内で反射された超音波を受信して得られたエコー信号は、受信アンプ１２２で増幅される。

超音波診断装置１０１ではＢモード、ドプラモード、カラーモード、ＣＷモードなどのモードがあり、受信アンプ１２２以降の信号処理方式や構成はこれらのモードによって異なるため構成の図示を省略する。超音波プローブ１０２と、駆動信号およびエコー信号の送受信を行う本体装置１０３側のフロントエンド部は、概略上記のように構成されている。

また、ドライバ１２１の近傍には、ドライバ１２１に接続された第１デジタル制御回路１２３が配置されている。第１デジタル制御回路１２３には、駆動信号を生成するための送信信号を生成し、各超音波振動子１１１に対応する送信信号それぞれを遅延させることにより、音響的な超音波ビームの収束、変更を行う送信ビームフォーマが含まれる。

また、受信アンプ１２２の近傍には、受信アンプ１２２に接続された第２デジタル制御回路１２４が配置されている。第２デジタル制御回路１２４には、受信信号をデジタルデータに変換するためのＡＤコンバータ、および受信信号を遅延し、加算する受信ビームフォーマが含まれる。

微小なエコー信号を受信しなければならない超音波診断装置においては、超音波プローブ１０２の信号線やグランド線にノイズが混入することは性能面で非常に深刻な問題である。特に診断装置内部の第１、第２デジタル制御回路１２３、１２４が発するノイズは影響が大きいため、第１、第２デジタル制御回路１２３、１２４は超音波プローブ１０２、ドライバ１２１、受信アンプ１２２の信号線やグランド線などから離れて配置されることが望ましいというレイアウト上の制約があり、このため高密度な部品実装が困難である。

一方、超音波プローブ１０２に含まれる超音波振動子は数百チャンネルある場合があり、それに相応の数のドライバ１２１、受信アンプ１２２が必要である。当然、送受各チャンネルを制御するためのデジタル制御線の本数もチャンネル数の数倍以上となるため、制御線は可能な限り短く抑えなければ配線しきれなくなる。このため、ドライバ１２１、受信アンプ１２２の近傍に第１、第２デジタル制御回路１２３、１２４を配置する必要が生じ、上記に加え、これもレイアウト上の制約となる。

次に、第１、第２デジタル制御回路１２３、１２４から受信信号へのデジタルノイズの混入経路を説明する。ドライバ１２１、受信アンプ１２２および第１、第２デジタル制御回路１２３、１２４は同一グランド１２５に接続され、そのグランド１２５はさらに超音波プローブ１０２のグランド線にも接続されている。また、グランド１２５は、シャーシなどフレームグランド１２６にも接続されている。

グランド１２５には、第１、第２デジタル制御回路１２３、１２４の動作によるノイズ電流Ｉｎが流れるが、その電流の一部は受信アンプ１２２付近や、ケーブル１０４のグランド線にも混入する。このノイズ電流が流れる経路のグランドインピーダンスは、理想的なゼロΩではなく、ΔＲｇｎｄで示されるインピーダンスが存在する。ΔＲｇｎｄにノイズ電流Ｉｎが流れることによってグランド上に電位差ΔＥｎが生ずる（ここで、ΔＥｎ ＝ Ｉｎ × ΔＲｇｎｄ）。

これら各部分で生じたΔＥｎの総合的な電圧（ノイズ）Ｅｎがケーブル１０４のグランド線に現れて受信信号に重畳される。電圧Ｅｎが受信信号に重畳されることを防ぐために、部品の配置の工夫や、グランドの低インピーダンス化などの手法が用いられている。
特開２００６−６１６９５号公報

近年、超音波診断装置の小型化、ポータブル化が進み、システム全体の軽量化が求められている。このため、グランドの低インピーダンス化のためにプリント基板の銅箔を厚くすることや、強度を上げるために金属部品を用いるといった手法は、この流れに逆行することになる。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、部品レイアウトの制約が少なく、より高密度に部品実装が可能な超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の超音波診断装置は、超音波を送受信する超音波プローブと、前記超音波プローブを駆動する駆動信号を発生するドライバと超音波プローブが受信したエコー信号を増幅する受信アンプとを有し前記超音波プローブとの間で前記駆動信号および前記エコー信号を送受信するフロントエンド部と、を備える。上記課題を解決するために、前記超音波プローブの信号線および第１グランドに接続された第１巻線と前記フロントエンド部の信号線および第２グランドに接続された第２巻線とを有するトランスとを備え、前記第１グランドと前記第２グランドとは、前記トランスを境界として分離されていることを特徴とする。

本発明の第２の超音波診断装置は、超音波を送受信する超音波プローブと、前記超音波プローブを駆動する駆動信号を発生するドライバと超音波プローブが受信したエコー信号を増幅する受信アンプとを有し、前記超音波プローブとの間で前記駆動信号および前記エコー信号を送受信するフロントエンド部と、を備える。上記課題を解決するために、前記超音波プローブの信号線および第１グランドに接続された第１巻線と前記ドライバの信号線および第２グランドに接続された第２巻線とを有する第１トランスと、前記超音波プローブの信号線および第１グランドに接続された第３巻線と前記受信アンプの信号線および第２グランドに接続された第４巻線とを有する第２トランスとを備え、前記第１グランドと前記第２グランドとは、前記トランスを境界として分離されていることを特徴とする。

本発明は、デジタル回路から発せられるデジタルノイズが超音波プローブのグランドに混入することを防ぐことにより、部品レイアウトの制約が少なく高密度に部品実装が可能になり、より小型で軽量な超音波診断装置を提供することができる。

本発明の超音波診断装置は、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。すなわち、本発明の第１および第２の超音波診断装置において、前記第１グランドおよび前記第２グランドと接続されたフレームグランドを有する構成にすることができる。

以下、本発明の実施形態に係る超音波診断装置ついて図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
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構成を示すブロック図である。超音波診断装置１は、生体に超音波を送信し、生体から反射された超音波を受信する超音波プローブ２が、信号処理を行う本体装置３にケーブル４を介して接続されている。

超音波プローブ２には、超音波振動子１１が配置されている。超音波振動子１１の信号線１２およびグランド線１３は、ケーブル４にそれぞれ接続されている。超音波振動子１１は、駆動信号が印加されると超音波を送信し、生体で反射された超音波を受信して超音波エコー信号を生成する。信号線１２には、駆動信号および超音波エコー信号が伝送される。ケーブル４は、信号線１２に接続された信号線１４と、グランド線１３に接続されたグランド線１５とを有する。

本体装置３には、ドライバ２１と、受信アンプ２２と、第１デジタル制御回路２３と、第２デジタル制御回路２４とが配置され、ドライバ２１および受信アンプ２２はトランス２５を介してケーブル４に接続されている。

トランス２５は、第１巻線２５ａと第２巻線２５ｂとを有する。第１巻線２５ａの一端は信号線３０に接続され、他端は第１グランド２６に接地されている。信号線３０は、ケーブル４の信号線１４に接続されている。第２巻線２５ｂの一端はドライバ２１および受信アンプ２２に接続され、他端は第２グランド２７に接地されている。トランス２５は、特殊なものでなく、トランス２５の巻線間容量が数ｐＦ〜数十ｐＦと低いものが用いられる。

ドライバ２１は、超音波振動子１１を駆動させる駆動信号を生成する。第１デジタル制御回路２３は、ドライバ２１に接続されている。第１デジタル制御回路２３は、送信ビームフォーマなどの制御回路を有し、ドライバ２１を制御する。送信ビームフォーマは、駆動信号を生成するための送信信号を生成し、各超音波振動子１１に対応する送信信号それぞれを遅延させることにより、音響的な超音波ビームの収束、変更を行う。

受信アンプ２２は、超音波振動子１１で受信されたエコー信号を増幅する。第２デジタル制御回路２４は、受信アンプ２２に接続されている。第２デジタル制御回路２４は、ＡＤコンバータおよび受信ビームフォーマなどの制御回路を有し、受信アンプ２２を制御する。ＡＤコンバータは、受信信号をデジタルデータに変換する。受信ビームフォーマは、受信信号を遅延し、加算する。

なお、本体装置３には、信号を表示装置に超音波画像として表示するための変換を行う変換部などを有するが、図１では、フロントエンド部分のみを表記し、他の構成要素の図示を省略する。

第１巻線２５ａは、グランドとして第１グランド２６に接続されている。第１グランド２６には、ケーブル４のグランド線１５に接続されたグランド線３１が接続されている。グランド線３１は、ΔＲｇｎｄのインピーダンスを有する。第２巻線２５ｂ、ドランバ２１、受信アンプ２２、第１デジタル制御回路２３、第２デジタル制御回路２４は、グランドとして第２グランド２７に接続されている。第１グランド２６と第２グランド２７は、直接には接続されていない。

フレームグランド２８は、導電体で形成されたフレームであり、比較的導体の面積が大きい。また、フレームグランド２８は、配線２９を介して第２グランド２７に接続されている。また、フレームグランド２８は、ケーブル４のグランド線１５とインピーダンスΔＲｇｎｄを有する配線３２を介して接続されている。

図２は、本体装置３における多層のプリント基板３３と、このプリント基板３３に実装されたドライバ２１、受信アンプ２２、第１デジタル制御回路２３、第２デジタル制御回路２４およびトランス２５の接地関係を示す図である。

ドライバ２１、受信アンプ２２、第１デジタル制御回路２３および第２デジタル制御回路２４は、プリント基板３３の内層に配置された第２グランド２７に接地されている。トランス２５は、第１巻線２５ａ（図１参照）が第１グランド２６に接地され、第２巻線２５ｂ（図１参照）が第２グランド２７に接地されている。

以上のように、本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブ２側の第１グランド２６と、フロントエンド部の第２グランド２７がトランス２５を介して分離された構成である。トランス２５は、数ｐＦ〜数十ｐＦの低容量であるため、巻線間のインピーダンスは非常に高い。

そのため、第１デジタル制御回路２３および第２デジタル制御回路２４から第２グランド２７に流れるノイズ電流Ｉｎが第１グランド２６に流れることが低減される。第２グランド２７に流れたノイズ電流Ｉｎの一部は、配線２９を介してフレームグランド２８に流れる。フレームグランド２８は、面積が大きいので、ノイズ電流が流れても電位がほとんど変化せず、フレームグランド２８から配線３２には電流がほとんど流れない。このため、ケーブル４のグランド線１５の電位および超音波プローブ２のグランド線１３の電位は、フレームグランド２８の電位に等しい。すなわち、ケーブル４を流れる受信信号は、ノイズ電流Ｉｎの影響をほとんど受けない。

また、この構成は、グランドをトランス２５を介して、超音波プローブ側とフロントエンド部側の２つに分ける構成であり、デジタル制御回路からのノイズがケーブル４のグランド線１５に流れ込まない。

このことから、部品レイアウトの制約を少なくでき、デジタル制御回路とフロントエンド部を近接してより高密度に配置することが可能となる。高密度実装可能であるため、小型で軽量の超音波診断装置が実現できる。

なお、必ずしも第１グランド２６と、第２グランド２７とがフレームグランド２８を介して接続されている必要はない。少なくとも、グランド線３１と第１巻線２５ａの接地された側とが等電位であり、ドライバ２１の接地された側と受信アンプ２２の接地された側と第２巻線２５ｂの接地された側とが等電位であればよい。

（第２の実施形態）
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構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波診断装置は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成とトランスが２つに分かれた点が異なるだけである。本実施形態に係る超音波診断装置において、第１の実施形態に係る超音波診断装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第１トランス４１は、一端が信号線３０に接続され、他端が第１グランド２６に接続された第１巻線４１ａと、一端がドライバ２１に接続され、他端が第２グランド２７に接続された第２巻線４１ｂとを有する。第２トランス４２は、一端が信号線３０に接続され、他端が第１グランド２６に接続された第３巻線４２ａと、一端が受信アンプ２２に接続され、他端が第２グランド２７に接続された第４巻線４２ｂとを有する。

第１トランス４１および第２トランス４２として、巻線間容量が数ｐＦ〜数十ｐＦと低いトランスが用いられる。このため、巻線間のインピーダンスは非常に高い。

以上の構成においても、第１の実施形態同様、ケーブル４のグランド線１５に第１デジタル制御回路２３、第２デジタル制御回路２４からのノイズ電流の影響を低減することができる。すなわち、ケーブル４を流れる受信信号に対するノイズ電流の影響を低減することができる。また、ノイズ電流の影響が小さいので、高密度実装可能であり、小型で軽量の超音波診断装置が実現できる。

さらに、第１トランス４１、第２トランス４２の仕様を異ならせる要求に対応することができる。例えば、第１トランス４１、第２トランス４２の巻線比を異ならせることにより、超音波プローブ２とドライバ２１の出力との電気的整合および超音波プローブ２と受信アンプ２２の入力との電気的整合をそれぞれマッチングさせることができる。また、ドライバ２１からの駆動信号は電力が大きいため、それを伝達するために必要であれば、第１トランス４１を第２トランス４２に比べて大電力タイプのトランスを用いることもできる。

また、第１トランス４１、および第２トランス４２をプリント基板３３のドライバ２１および受信アンプ２２が配置された側の裏面に配置することでさらに実装密度を高めることができる。

以上のようにして、部品レイアウトの制約が少なく、より高密度に部品実装が可能な超音波診断装置を提供することができる。

本発明に係る超音波診断装は、受信信号へのノイズ混入を効果的に抑制でき、デジタル制御回路とフロントエンド部を近接して高密度に配置することが可能であり、小型化および軽量化を実現できるという効果を有し、医用分野に用いられる超音波診断装置等として有用である。

本発明の第１の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。 第１の実施形態に係る超音波診断装置の接地関係を示す図 本発明の第２の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。 従来の超音波診断装置の構成を示すブロック図

１ 超音波診断装置
２ 超音波プローブ
３ 本体装置
４ ケーブル
１１ 超音波振動子
１２、１４、３０ 信号線
１３、１５、３１ グランド線
２１ ドライバ
２２ 受信アンプ
２３ 第１デジタル制御回路
２４ 第２デジタル制御回路
２５ トランス
２５ａ、４１ａ 第１巻線
２５ｂ、４１ｂ 第２巻線
４２ａ 第３巻線
４２ｂ 第４巻線
２６ 第１グランド
２７ 第２グランド
２８ フレームグランド
２９、３２ 配線
３３ プリント基板
４１ 第１トランス
４２ 第２トランス

Claims (3)

1. 超音波を送受信する超音波プローブと、
   前記超音波プローブを駆動する駆動信号を発生するドライバと超音波プローブが受信したエコー信号を増幅する受信アンプとを有し前記超音波プローブとの間で前記駆動信号および前記エコー信号を送受信するフロントエンド部と、
   を備えた超音波診断装置において、
   前記超音波プローブの信号線および第１グランドに接続された第１巻線と前記フロントエンド部の信号線および第２グランドに接続された第２巻線とを有するトランスとを備え、
   前記第１グランドと前記第２グランドとは、前記トランスを境界として分離されていることを特徴とする超音波診断装置。
2. 超音波を送受信する超音波プローブと、
   前記超音波プローブを駆動する駆動信号を発生するドライバと超音波プローブが受信したエコー信号を増幅する受信アンプとを有し前記超音波プローブとの間で前記駆動信号および前記エコー信号を送受信するフロントエンド部と、
   を備えた超音波診断装置において、
   前記超音波プローブの信号線および第１グランドに接続された第１巻線と前記ドライバの信号線および第２グランドに接続された第２巻線とを有する第１トランスと、
   前記超音波プローブの信号線および第１グランドに接続された第３巻線と前記受信アンプの信号線および第２グランドに接続された第４巻線とを有する第２トランスとを備え、
   前記第１グランドと前記第２グランドとは、前記トランスを境界として分離されていることを特徴とする超音波診断装置。
3. 前記第１グランドおよび前記第２グランドと接続されたフレームグランドを有する請求項１または２に記載の超音波診断装置。

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