JP2012505696A - 高電圧トランスデューサを備える低電圧超音波システム - Google Patents

Abstract

超音波診断撮像システムは、低電圧送信機を用いてプローブ信号導体を駆動し、入力がこの信号導体に結合される低電圧受信機又はプリアンプを持つフロントエンド回路を含む低電圧超音波信号経路を持つ。送信高電圧が、システムメインフレームにおいて生み出され、プローブにおける高電圧送信機にプローブケーブルにより結合される。このプローブは、この信号導体に結合される低電圧入力と、トランスデューサアレイの要素に結合される出力とを持つ。送信／受信スイッチは、プローブに配置され、高電圧送信機と並列に結合される。

Description

本発明は、医療診断用超音波システムに関し、より詳細には、一体化された高圧電子機器を持つトランスデューサと共に作動する低電圧信号経路を持つ超音波システムに関する。

医療診断用超音波システムは、圧電トランスデューサ要素を用いて超音波を送信及び受信するプローブを使用する。圧電トランスデューサ要素は、このトランスデューサ要素により検出されることができる戻りエコー信号を生じさせるのに充分なエネルギーを持つ組織を貫く送信信号レベルを実現するため、高電圧送信機回路を必要とする。より低い送信電圧は、超音波が組織をあまり貫通しないこと、不明瞭な画像を生じさせる貧弱な信号対ノイズレベル、又はより大きな深さからの検出可能なエコー信号が全くない状況を生じさせる。従って、今日の高性能超音波システムは通常、８０ボルト以上のオーダーといった比較的高電圧の駆動信号を用いてトランスデューサ要素を駆動する。他方、受信機電子機器は、非常にデリケートな低電圧回路から成る。更に、受信機電子機器は、送信機回路と同じトランスデューサ要素に接続されなければならない。これらの異なる要件の結果、送信／受信スイッチが必要になる。しばしばダイオードで形成される送信／受信スイッチは通常、エコー信号が受信されるとき閉じられ、高電圧回路から受信機を分離するため、送信機が作動するとき開かれる。

過去において、超音波システムの送信機及び受信機回路は、プリント回路基板上の別々の半導体要素で形成されてきた。しかし、半導体プロセスが進化したため、超音波システムの送信機及び受信機電子機器を一体化することができるようになった。今日超音波システムは、高圧送信機回路、低電圧受信機回路及び送信／受信スイッチを伴い構築されることができ、これらは全てが同じ集積回路に一体化される。しかしながら、この一体化は制限なしに行われるものではない。同じＩＣに高電圧及び低電圧の電子機器が組み合わされることは、使用されることができるＩＣ処理オプションを制限する。更に、送信機がプローブケーブルを介してプローブのトランスデューサ要素を駆動しなければならないので、単にケーブルを駆動するために、充分な出力が消費されなければならない。多くの超音波システムにおいて、ケーブルにおいて失われる出力を単に提供するために、送信出力のほぼ２／３が用いられる。このかなりの高出力の駆動能力は、集積回路が相当なサイズ及びコストとなることを必要とする。従って、超音波システムにおいて高電圧回路のサイズ及びコストを減らすことが望ましい。

本発明の原理によれば、システムメインフレームの超音波信号経路において低電圧回路だけを使用する診断用超音波システムが提供される。高圧送信機回路は、プローブに配置される。従って、信号経路に関してシステムメインフレームにおける唯一の高電圧回路は、プローブにおける送信回路に高電圧を供給する高圧電源である。これは、全体システム出力消費を減らす。なぜなら、システムメインフレームにおける高電圧送信機は、プローブケーブルにおける信号導体をもはや駆動しないからである。使用される出力が少なく、要求される冷却要件も低いため、システムパッケージが小さくされることができる。

典型的な超音波診断撮像システムの信号経路をブロックダイアグラム形式で示す図である。 典型的な超音波システムのビーム形成器フロントエンド回路、ケーブル及び１Ｄアレイプローブトランスデューサをブロックダイアグラム形式で示す図である。 典型的な超音波システムのビーム形成器フロントエンド回路、ケーブル及び２Ｄアレイプローブトランスデューサをブロックダイアグラム形式で示す図である。 本発明の原理により構築される超音波システムのビーム形成器フロントエンド回路、ケーブル及び１Ｄアレイプローブトランスデューサをブロックダイアグラム形式で示す図である。 本発明の原理により構築される別の超音波システムのビーム形成器フロントエンド回路、ケーブル及び１Ｄアレイプローブトランスデューサをブロックダイアグラム形式で示す図である。 本発明の原理により構築される超音波システムのビーム形成器フロントエンド回路、ケーブル及び２Ｄアレイプローブトランスデューサをブロックダイアグラム形式で示す図である。 本発明の超音波システムに関するプローブでの使用に適した高電圧ＦＥＴ送信機回路を示す図である。 本発明の超音波システムに関するプローブでの使用に適した高電圧演算増幅器送信機回路を示す図である。

図１を最初に参照すると、典型的な超音波システム信号経路がブロック図形式で示される。プローブ１０は、超音波エネルギーを送信及び受信するトランスデューサアレイ１２を含む。トランスデューサアレイ１２は、画像平面からのエネルギーを送信及び受信するトランスデューサ要素の１次元（１Ｄ）アレイ又は２Ｄ又は３Ｄ撮像のためボリュメトリック領域からの超音波を送信及び受信する２次元（２Ｄ）アレイとすることができる。１Ｄアレイプローブは、特定のときにプローブケーブル１４の導体に特定のアレイ要素を接続するための受動的なマッチング要素及びマルチプレクサを含むことができる。このプローブは、受信エコー信号のレベルを押し上げるためのプリアンプを有することもできる。２Ｄアレイプローブは通常、プローブにおけるビーム形成の一部を実行するためのマイクロビーム形成回路を含み、システムメインフレームにおけるビーム形成器２０に３Ｄ画像信号を結合するのに他の態様で必要とされるケーブル導体の数を減らす。

ハンドヘルド又は携帯ユニットからラップトップ状の構成又はカートベースのシステムまで、システムメインフレームは、複数の構成を取ることができる。システムメインフレームは、プローブケーブル１４が接続されるビーム形成器２０を含む。ビーム形成器２０は、２つの機能、即ち送信及び受信を実行する。送信ビーム形成器は、所望の組織に浸透する超音波を提供するのに必要とされる高エネルギー信号を用いてトランスデューサアレイの要素を駆動することになる。この目的のため、送信ビーム形成器は、高圧電源２２から高電圧を供給される。プローブにおけるトランスデューサ要素は、ケーブル１４の導体を介して駆動される。送信ビーム形成器は、この要素だけでなくケーブルを駆動するためのエネルギーを供給しなければならない。送信機では対応する出力消費が存在する。ビーム形成器２０は、アレイの要素により受信され、ケーブル１４の導体を介してビーム形成器２０に結合されるエコー信号をビーム形成する受信ビーム形成器も含む。コヒーレント・ビーム形成されたエコー信号は、例えばフィルタリング、検出、信号複合及びドップラー処理といった信号処理機能を実行する信号プロセッサ３０に結合される。処理されたエコー信号は、表示のため所望の画像フォーマットへと信号を処理する画像プロセッサ４０に結合される。結果として生じる画像信号は、画像ディスプレイ５０に表示される。こうして、システムメインフレームにおける超音波信号経路は、メインフレームに対するプローブケーブル１４の接続で始まり、ディスプレイ５０での超音波画像の表示で終わる。メインフレームにおいて、信号がプローブ１０及びケーブル１４に送られて、これらから受信される。

図２は、システムメインフレームのフロントエンド２４を示す図である。ここで、プローブケーブル１４及びトランスデューサアレイ１２への接続がより詳細に説明される。図２は、１Ｄアレイトランスデューサを持つプローブ１０を示す図である。このプローブの唯一の要素１２'が、フロントエンド電子回路２４によりビーム形成器２０のそのチャネルに接続されて示される。フロントエンド電子回路は、図面に示される３つの要素、即ち送信機２６、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ及びプリアンプ２８を含む。通信のため、送信機２６は、トランスデューサ要素１２'に対する適切な送信信号を用いてケーブル１４の導体を駆動するため高圧電源２２により電力を供給される。通信の間、Ｔ／Ｒスイッチは、高電圧の送信信号からプリアンプを保護するために開かれる。通信の後、アレイ要素１２'がエコー信号を受信しているとき、送信機は活動しておらず、アレイ要素１２'からの低レベル・エコー信号をプリアンプ２８に適用するため、Ｔ／Ｒスイッチが閉じられる。増幅されたエコー信号は、ビーム形成器２０の受信ビーム形成器のチャネルにより処理される。この実施形態において、ケーブル１４の導体に対する信号接続が、要素１２'の高電圧の駆動要求を満たす高電圧の接続であるということが分かる。この電圧は、送信機２６により供給される。送信機２６、Ｔ／Ｒスイッチ及びプリアンプ２８は、別々の要素から形成されるか、単一のモノリシック高電圧ＩＣ上に形成されるか、又は別々の要素及びＩＣの組合せで形成されることができる。

図３は、３Ｄ撮像のため２Ｄアレイプローブに結合されるときの図２のシステムメインフレームを示す図である。この場合、プローブ１０は、２Ｄアレイトランスデューサに関するプローブ内で少なくとも何らかのビーム形成を提供するマイクロビーム形成器１１を含む。アレイトランスデューサの２つの要素１２'が、マイクロビーム形成器１１に接続されて示される。通信のため、メインフレーム送信機２６により生み出される高電圧の駆動信号は、ケーブル１４を介して減衰器１７に結合される。減衰器は、マイクロビーム形成器にとって適切なレベルへと駆動部電圧レベルを減衰させる。送信信号は、個別のトランスデューサ要素１２'にとって適切であるよう、遅延

により遅延される。マイクロビーム形成器における送信スイッチＴ１...Ｔｎは、通信の間閉じられ、マイクロビーム形成器における受信スイッチＲ１...Ｒｎ及びＴ／Ｒスイッチは、このとき開かれる。これは、システムメインフレームにおけるＴ／Ｒスイッチと同じである。トランスデューサ要素１２'はその後、マイクロビーム形成器の送信機１６による必要な高電圧の送信信号により駆動される。この送信機は、高圧電源２２によりエネルギーを与えられる。エコー受信の間、送信スイッチＴ１...Ｔｎは開かれ、受信スイッチＲ１...Ｒｎ及びＴ／Ｒスイッチは閉じられる。受信されるエコーは、マイクロビーム形成器におけるプリアンプ１８により増幅され、マイクロビーム形成器遅延

により遅延され、少なくとも部分的にビーム形成されたエコー信号を形成するため遅延の出力に結合される。ケーブル１４の導体によりシステムメインフレームに結合される減衰要素及びビーム形成された信号を迂回するため、減衰器スイッチは受信の間閉じられる。ここで、これらはプリアンプ２８に対して、及びビーム形成の完了のため受信ビーム形成器に対して、閉じられたＴ／Ｒスイッチにより結合される。この構成において、高電圧の要素が、システムメインフレーム送信機２６に関して、更に、マイクロビーム形成器１１における送信信号経路に関して必要とされる。図の例では、マイクロビーム形成器の遅延段及びプリアンプ１８、並びにメインフレーム・プリアンプ２８だけは、高電圧の要素である必要はない。この例における残りのマイクロビーム形成器要素の全ては高電圧の要素であるので、高電圧の処理が通常、マイクロビーム形成器ＩＣの要素の全てに対して使用される。

１Ｄアレイトランスデューサを持つ超音波システムに関する本発明の実施形態が、図４に示される。本発明は、高電圧の回路機能の全てをトランスデューサプローブに再配置することにより、超音波フロントエンドの回路を新規に分割することを提供する。単にトランスデューサにこれらを移すことなく、これは、システムメインフレームの空間、コスト、及び電力要件を減らすことになる。メインフレームにおける高電圧の回路は、電源に制限される。メインフレーム信号経路を低電圧回路に制限することは、メインフレーム機能に関するより高度な（低電圧の）ＩＣ技術の使用を可能にする。これは、更なる一体化及びコスト／パワー節減に関する機会を提供する。比較的大きい及び高価な高電圧のIC技術の使用は、これを必要とする回路だけへと制限される。それは、１Ｄトランスデューサに関する送信機及びＴ／Ｒスイッチと、２Ｄトランスデューサに関するマイクロビーム形成器とである。トランスデューサに送信機を配置することは、ケーブルの駆動に関連付けられる出力消費を削減し、全体の出力消費を所与のレベルのパフォーマンスに減らす。図４の例において、ビーム形成器２０の各チャネルに対するシステムメインフレームフロントエンド回路２４は、低電圧送信機２６'と低電圧プリアンプ２８とを有する。メインフレームにおけるＴ／Ｒスイッチは除去される。なぜなら、送信機からの高電圧からプリアンプ２８を保護する必要がないからである。フロントエンドの要素に関して使用される低電圧は、システムデザイナーにより使用される半導体技術に依存するが、通常３．５〜５ボルトの範囲であろう。高圧電源が、システムメインフレームにおいてまだ存在するが、システムメインフレームにおける高電圧の信号要素に電力を供給するために用いられるのではなく、プローブケーブル１４の電源導体６０を用いてプローブ１０に高電圧を供給するために使用される。従って、もはやいかなる高電圧の要素もシステムメインフレームの信号経路にないことが分かる。

図４のプローブ１０において、高電圧の電源導体６０は、送信機１６に供給電圧を与えるために用いられる。プローブ１０内部の実線のボックスで輪郭が示される要素は、１つのプローブチャネルにおける要素である。これは、システムメインフレームからの信号導体と同じ数のプローブチャネルが存在するものとして理解されたい。送信スイッチＴ１は、送信機１６の入力に低電圧駆動信号を適用するため、プローブ送信の間閉じられる。この送信機は、高電圧の送信信号を用いてトランスデューサ要素１２'を駆動することにより反応する。高電圧の送信信号が低電圧信号経路に適用されることを回避するため、プローブにおけるＴ／Ｒスイッチは、送信の間開かれる。超音波送信の後、トランスデューサ要素１２'がエコー信号を受信しているとき、送信スイッチＴ１は開かれ、Ｔ／Ｒスイッチは閉じられる。後者は、送信機を迂回し、ケーブル１４の信号導体にエコー信号を送る。プリアンプは、必要に応じてＴ／Ｒスイッチ及びケーブル導体の間に設けられることができる。受信されるエコー信号は、増幅及び後続の受信ビーム形成のため受信機プリアンプ２８へとケーブル１４により伝導される。低電圧ＩＣが、システムメインフレームのフロントエンドの回路２４に関して使用されることができる。これは、システムメインフレームのＴ／Ｒスイッチがもはや必要でないので簡略化される。もちろん、ケーブル１４の信号導体を駆動することに関連付けられるいかなる高電圧の出力消散ももはや存在しない。

図５は、強化された開口制御を備える本発明のシステムメインフレームの例である。プローブにおけるスイッチの制御は、方位角、高度又はその両方において、プローブの開口を変換する能力を提供する。この制御は、深さの増加と共に開口を動的に拡大する能力も与える。知られているように、開口（又は光線）中心のいずれかの側の要素は、等しく遅延されることができる。即ち、中心のいずれかの側の遅延は、互いに鏡像の関係にある。従って、図５において、送信機２６'により生み出される低電圧送信信号は、ケーブル１４の信号導体を介して、送信スイッチＴ１及びＴｎを通り、高電圧送信機１６の入力へと結合される。送信機１６は、電源導体６０にわたり高圧電源２２からの供給電圧により電力を供給される。送信信号が、トランスデューサ要素１２'及び１２''を駆動するために同時に与えられる。受信の際、受信される信号が送信機１６を駆動するのを防止するため、送信スイッチＴ１及びＴｎは開かれ、送信機１６を迂回し、ケーブル１４の信号導体に受信されるエコー信号を与えるため、Ｔ／Ｒスイッチは閉じられる。ビーム形成において等しく遅延される２つの受信信号は、同じケーブル導体上で結合されることができる。受信されるエコー信号は、受信機プリアンプ２８へとケーブル１４により結合される。ここで、これらはビーム形成器２０による後続のビーム形成のため増幅される。

代替的に、トランスデューサに関する能動的な開口変換を制御するのに、図５における回路が使用されることができる。ここで、アレイ要素１２の数は、ビーム形成チャネル２４の数より大きい。要素１２'がビーム形成チャネルに接続されるとき、スイッチＴ１は送信のために閉じられ、対応するＴ／Ｒスイッチは受信のために閉じられることになる。要素１２''に関連付けられる両スイッチは、開かれたままにされる。逆にいえば、要素１２''が同じビーム形成チャネルに接続されることになるとき、スイッチＴｎは送信のため閉じられ、対応するＴ／Ｒスイッチは受信のため閉じられることになる。要素１２'に関連付けられる両スイッチは、開かれたままにされる。従って、４つの独立スイッチの適切な制御により、各マイクロビーム形成器チャネル及び関連付けられるアレイ要素が、起動されることができ、能動的な開口が、トランスデューサアレイにわたり段階的に制御されることができる。

図６は、３Ｄ撮像のため２Ｄアレイトランスデューサと共に作動する本発明のシステムメインフレームの例である。この図において、各プローブチャネルは、複数のトランスデューサ要素と共に作動する複数のマイクロビーム形成器チャネルを含む。この例において、低電圧システムメインフレームフロントエンド２４の送信機２６'は、ケーブル１４及びマイクロビーム形成器チャネルの遅延

を、図３に示される高電圧の減衰器を必要とすることなく直接駆動する。これは、減衰させる高電圧の駆動信号が存在しないためである。減衰器及びその制御スイッチは、除去される。送信の間、高電圧送信機１６の入力に遅延された駆動信号を適用するため、送信スイッチＴ１...Ｔｎは閉じられ、プリアンプ１８を送信信号から分離するため、受信スイッチＲ１...Ｒｎ及びＴ／Ｒスイッチは開かれる。送信機１６はその後、高電圧の送信信号を用いてトランスデューサ要素１２'を駆動する。受信の際、送信スイッチＴ１...Ｔｎは開かれ、受信スイッチＲ１...Ｒｎ及びＴ／Ｒスイッチは閉じられる。トランスデューサ要素１２'により受信されるエコー信号は、プリアンプ１８により増幅され、遅延

により適切に遅延され、少なくとも部分的にビーム形成されたエコー信号を形成するよう結合される。これらの信号は、増幅及びビーム形成処理の完了のため、ケーブル１４の信号導体により受信機プリアンプ２８に結合される。図６のマイクロビーム形成器１１の送信機１６及びＴ／Ｒスイッチだけが、高電圧の要素として作られる必要があることが分かる。

図４、５及び６の送信機１６に関する適切な高電圧出力回路が、図７及び８に示される。図７は、ＦＥＴ半導体７２及び７４を有する、相補型駆動ＦＥＴ回路を示す図である。補完的な高電圧ＨＶ＋及びＨＶ−は、ＦＥＴのソースドレイン電極にわたり結合される。補完的なアップ及びダウンの駆動信号が、所望のパルス波形を用いて半導体を駆動するために、ＦＥＴのゲート電極に適用される。ＦＥＴの中心接続は、接地にバイアスされるトランスデューサ要素１２'を駆動するために結合される。図８は、所望の波形形状を作るためのリニア増幅器として作動するよう、補完的なＨＶ＋及びＨＶ−供給電圧により電力を供給される演算増幅器８０を示す。入力駆動信号は、演算増幅器８０の「＋」入力に適用され、出力からのフィードバック経路は、演算増幅器の「−」入力にレジスタ８２を用いて結合される。バイアスレジスタ８４は、フィードバック経路から接地に結合される。演算増幅器８０の出力は、接地にバイアスされるトランスデューサ要素１２'を駆動する。補完的な高電圧が使用されるとき、供給される各々の高電圧に関する電源導体をケーブル１４が持つことになることを理解されたい。

Claims (15)

1. 低電圧システムメインフレーム信号経路を持つ超音波診断撮像システムであって、
   各々がプローブ信号導体に結合される複数の低電圧送信機出力と低電圧受信機入力とを持つ超音波システムメインフレームと、
   プローブ高圧電源導体に結合される高圧電源と、
   超音波プローブとを有し、該プローブが、トランスデューサ要素のアレイと、各々が前記高圧電源導体に結合され、入力がプローブ信号導体に結合され、出力がトランスデューサ要素に結合される高電圧送信機と、各々がトランスデューサ要素及びプローブ信号導体の間で結合される複数の送信／受信スイッチとを持つ、超音波診断撮像システム。
2. 前記超音波プローブが更に、各々がトランスデューサ要素及びプローブ信号導体の間で結合される複数のプリアンプを有する、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
3. 前記超音波プローブが更に、各々がトランスデューサ要素及びプローブ信号導体の間で結合される複数の遅延部を有する、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
4. 前記超音波システムメインフレームが、各々がプローブ信号導体に結合するよう構成される複数のビーム形成チャネルを伴い構成され、
   各ビーム形成チャネルは、前記チャネルに関する前記プローブ信号導体に結合される出力を持つ低電圧送信機と、前記チャネルに関する前記プローブ信号導体に結合される入力を持つ低電圧受信機とを含む、請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
5. 前記プローブ信号導体及び前記高圧電源導体が、前記超音波プローブのケーブルに含まれる、請求項４に記載の超音波診断撮像システム。
6. 前記超音波プローブが、各々がトランスデューサ要素を持ち、個別のプローブ信号導体に結合される複数のプローブチャネルを伴い構成され、
   プローブチャネルが更に、プローブ信号導体及びトランスデューサ要素の間で直列に結合される送信スイッチ及び高電圧送信機と、前記高電圧送信機と並列に結合される送信／受信スイッチとを有する、請求項５に記載の超音波診断撮像システム。
7. 前記高圧電源導体が、前記高電圧送信機の各々に結合される、請求項６に記載の超音波診断撮像システム。
8. 各プローブチャネルが更に、第２のトランスデューサ要素を有し、
   各プローブチャネルが更に、前記チャネルに関する前記プローブ信号導体と前記チャネルに関する前記第２のトランスデューサ要素との間で直列に結合される第２の送信機及び第２の高電圧送信機と、前記第２の高電圧送信機と並列に結合される第２の送信／受信スイッチとを有する、請求項７に記載の超音波診断撮像システム。
9. 各プローブチャネルが、複数のトランスデューサ要素を含み、
   プローブチャネルは更に、複数のマイクロビーム形成器チャネルを有し、各マイクロビーム形成器チャネルが、前記プローブチャネルに関する前記プローブ信号導体に結合される遅延要素と、前記遅延要素及びトランスデューサ要素の間で直列に結合される送信スイッチ及び高電圧送信機と、互いに直列に結合され、前記高電圧送信機と並列に結合されるプリアンプ及び送信／受信スイッチとを有する、請求項７に記載の超音波診断撮像システム。
10. 超音波診断撮像システムであって、
    超音波システムメインフレームと、
    超音波プローブとを有し、
    前記超音波システムメインフレームが、
    高圧電源と、
    各々が低電圧送信機の出力及びプリアンプ又は受信機の入力に結合される複数のフロントエンドの入力／出力と、
    前記フロントエンドの入力／出力に結合されるビーム形成器と、信号プロセッサと、
    ディスプレイとを含み、
    前記超音波プローブが、
    前記高圧電源に結合される電源導体と前記フロントエンドの入力／出力に結合される複数の信号導体とを持つプローブケーブルと、
    複数のトランスデューサ要素と、
    各々が前記電源導体に結合され、各々が信号導体に結合される入力とトランスデューサ要素に結合される出力とを持つ、複数の高電圧送信機と、
    各々が高電圧送信機と並列に結合される複数の送信／受信スイッチとを含む、超音波診断撮像システム。
11. 前記超音波システムメインフレームフロントエンドの前記低電圧送信機及びプリアンプ又は受信機が、低電圧集積回路として作られる、請求項１０に記載の超音波診断撮像システム。
12. 前記超音波プローブの前記高電圧送信機及び前記送信／受信スイッチが、高電圧の集積回路として作られる、請求項１０に記載の超音波診断撮像システム。
13. 前記電源が、２つの補完的な高電圧を供給し、
    プローブケーブルは更に、前記２つの補完的な電圧に関する第１及び第２の電源導体を含む、請求項１０に記載の超音波診断撮像システム。
14. 前記高電圧送信機がそれぞれ、パルス化された出力段を含む、請求項１０に記載の超音波診断撮像システム。
15. 前記高電圧送信機がそれぞれ、入力と出力とを持つリニア増幅器を有し、補完的な高電圧により電力を供給される出力段を含む、請求項１０に記載の超音波診断撮像システム。

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