JP2014083142A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信電源として高周波動作するスイッチング電源を使用する超音波診断装置において、送信パルスに混入しているスイッチングノイズ等の周期的ノイズを容易に除去する超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】複数の超音波振動素子を有する超音波プローブと、供給される駆動信号に応答して前記超音波振動素子毎の送信パルス信号を発生し、前記各超音波振動素子に供給する送信ユニットと、所定周波数のスイッチングクロックを生成するスイッチングクロック生成回路と、前記スイッチングクロックに従って所定電圧の前記駆動信号を発生するスイッチング電源ユニットと、前記スイッチングクロックの前記スイッチング電源ユニットへの供給を所定のタイミングで停止する制御ユニットと、を有する電源制御ユニットと、を具備することを特徴とする超音波診断装置である。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、超音波パルスにより生体の画像診断をおこなう超音波診断装置の電源装置を有する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波プローブに内蔵された振動素子から発生する超音波パルス（送信超音波）を被検体内に放射し、被検体組織の音響インピーダンスの差異によって生ずる反射波（受信超音波）を上記振動素子により電気信号に変換してモニタ上に表示するものである。この診断方法は、超音波プローブを体表に接触させるだけの簡単な操作で２次元画像データや３次元画像データがリアルタイムで観察できるため、各種臓器の機能診断や形態診断に広く用いられている。生体内の組織あるいは血球からの反射波により生体情報を得る超音波診断法は、超音波パルス反射法と超音波ドプラ法の２つの大きな技術開発により急速な進歩を遂げ、上記技術を用いて得られるＢモード画像とカラードプラ画像は、今日の超音波画像診断において不可欠なものとなっている。

一方、超音波画像診断において、被検体の関心部位における血流速度を定量的に計測する方法として、パルスドプラスペクトラム法がある。パルスドプラスペクトラム法では、関心部位の方向に対し超音波パルスの送受信を所定時間間隔で複数回行なう。このときに得られる受信信号に対しサンプルゲートを設定して前記関心部位に存在している生体組織からの反射波に基づく受信信号成分（以下、クラッタ成分と呼ぶ。）及び血球からの反射波に基づく受信信号成分（以下、血流ドプラ成分と呼ぶ。）を抽出する。そして、これらの受信信号成分をフィルタリング処理して検出した血流ドプラ成分をＦＦＴ分析することにより周波数スペクトラムデータを生成し、更に、前記関心部位から所定時間間隔で得られる受信信号成分に対し同様の処理を行なって得られた複数の周波数スペクトラムデータを時系列的に配列することによりスペクトラム画像データを生成する。

ところで、上述のような血流計測に使用される超音波診断装置の直流電源部は、高効率化、小型化、低価格化が可能なスイッチング電源が通常用いられる。このスイッチング電源に起因するスイッチングノイズ（即ち、スイッチング駆動信号の高調波成分）は、当該被検体から収集される微小な受信信号に混入することにより周波数スペクトラムデータやスペクトラム画像データの観測を困難にする場合がある。

このような問題点に対し、パルスドプラスペクトラム法では、超音波送受信の繰り返し周波数（レート周波数）の整数倍の位置にクラッタ成分の線スペクトラムが位置することに着目し、スイッチングノイズの線スペクトラムがレート周波数の整数倍になるようにスイッチング駆動信号の周波数を設定することによりクラッタ成分とスイッチングノイズとを同一のフィルタリング処理で除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

特開平０５−１３０９９２号公報 特開２０１０−２１３７８７号公報

上述の特許文献１およびに特許文献２記載された方法によれば、パルスドプラスペクトラム法の送信パルスに混入したスイッチングノイズの影響を除去することができる。しかしながら、Ｂモード画像の送信パルスに混入するスイッチングノイズの影響を同様の方法によって除去することは不可能である。また、スイッチングノイズは、スイッチング電源の出力部や電源ラインに対するフィルタ回路の挿入、スイッチング電源や電源ラインに対するシールド、更には、装置本体及び電源部に対するグラウンド強化等の対策によって低減させることは可能である。しかしながら、このようなスイッチングノイズへの対処は、装置の小型化を進めるうえで障害となる。

このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信電源として高周波動作するスイッチング電源を使用する超音波診断装置において、送信パルスに混入しているスイッチングノイズ等の周期的ノイズを容易に除去する超音波診断装置を提供することにある。

本実施形態に係る超音波診断装置は、複数の超音波振動素子を有する超音波プローブと、供給される駆動信号に応答して前記超音波振動素子毎の送信パルス信号を発生し、前記各超音波振動素子に供給する送信ユニットと、所定周波数のスイッチングクロックを生成するスイッチングクロック生成回路と、前記スイッチングクロックに従って所定電圧の前記駆動信号を発生するスイッチング電源ユニットと、前記スイッチングクロックの前記スイッチング電源ユニットへの供給を所定のタイミングで停止する制御ユニットと、を有する電源制御ユニットと、を具備するものである。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１のブロック構成図を示している。 図２は、送信電源制御ユニット２０の構成図である。 図３は、送信電源制御ユニット２０及び各送信回路２１−１〜２１−Ｎの動作タイミングと送信回路用電源ノイズの発生タイミングとの関係を説明するための図である。 図４は、送信電源制御ユニット２０の変形例を示した図である。 図５は、本変形例の効果を説明するための図である。 図６は、従来の送信電源制御ユニット７０の構成を示した図である。 図７は、従来の送信電源制御ユニット７０の動作を説明するための図である。 図８は、スイッチングノイズの線スペクトラムが血流ドプラ成分Ｄｖｘに混入したスペクトラム画像データの具体例を示したものである。 図９は、スイッチング駆動信号の高調波であるスイッチングノイズの線スペクトラムがＢモード画像に混入した具体例を示したものである。

以下、実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１のブロック構成図を示している。同図に示すように、本超音波診断装置１は、超音波プローブ１２、入力装置１３、モニター１４、超音波送信ユニット２１、超音波受信ユニット２２、Ｂモード処理ユニット２３、ドプラ・血流検出ユニット２４、画像生成ユニット２５、画像メモリ２６、表示処理ユニット２７、制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８、記憶ユニット２９、インタフェースユニット３０を具備している。以下、個々の構成要素の機能について説明する。

超音波プローブ１２は、被検体に対して超音波を送信し、当該送信した超音波に基づく被検体からの反射波を受信するデバイス（探触子）であり、その先端に複数の超音波振動子、整合層、バッキング材等を有している。超音波振動子は、超音波送信ユニット２１からの駆動信号に基づきスキャン領域内の所望の方向に超音波を送信し、当該被検体からの反射波を電気信号に変換する。整合層は、当該超音波振動子に設けられ、超音波エネルギーを効率良く伝播させるための中間層である。バッキング材は、当該超音波振動子から後方への超音波の伝播を防止する。当該超音波プローブ１２から被検体Ｐに超音波が送信されると、当該送信超音波は、体内組織の音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、エコー信号として超音波プローブ１２に受信される。このエコー信号の振幅は、反射することになった不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。また、送信された超音波パルスが、移動している血流で反射された場合のエコーは、ドプラ効果により移動体の超音波送受信方向の速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。

なお、本超音波プローブ１２は、複数の超音波振動子が一次元に配列された一次元アレイプローブ、複数の超音波振動子が二次元に配列された二次元アレイプローブのいずれであってもよい。

入力装置１３は、装置本体１１に接続され、オペレータからの各種指示、条件、関心領域（ＲＯＩ）の設定指示、種々の画質条件設定指示等を装置本体１１にとりこむための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を有している。

モニター１４は、表示処理ユニット２７からのビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報や、血流情報、各方位方向毎のドプラ波形等を表示する。

送信電源制御ユニット２０は、超音波送信ユニット２１に供給する送信用電力を制御する。この送信電源制御ユニット２０の構成、機能については、後で詳しく説明する。

超音波送信ユニット２１は、各超音波振動素子に対応して設けられたＮ個の送信回路２１−１〜２１−Ｎを有する（図２等参照）。各送信回路２１−１〜２１−Ｎは、送信電源制御ユニット２０から所定のタイミングで供給される駆動電力に基づくパルス波形を、所定の遅延時間をもって各超音波振動子に供給する。

超音波受信ユニット２２は、図示しないアンプ回路、Ａ／Ｄ変換器、受信遅延部、加算器を有している。アンプ回路では、プローブ１２を介して取り込まれたエコー信号をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器では、増幅されたアナログのエコー信号をデジタルエコー信号に変換する。遅延回路では、デジタル変換されたたエコー信号に対し受信指向性を決定し、受信ダイナミックフォーカスを行うのに必要な遅延時間を与え、その後加算器において加算処理を行う。この加算により、エコー信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調され、受信指向性と送信指向性とにより超音波送受信の総合的なビームが形成される。

Ｂモード処理ユニット２３は、受信ユニット２２からエコー信号を受け取り、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。

ドプラ・血流検出ユニット２４は、受信ユニット２２から受け取ったエコー信号から血流信号を抽出・解析し、ドプラ波形、血流データとしての平均速度、分散、パワー等の血流情報を求める。また、ドプラ・血流検出ユニット２４は、後述する同時多方向ＣＷＤ機能に従って各方位方向毎のドプラ偏移周波数を検出し、各方位方向毎のドプラ波形、血流データとしての平均速度、分散、パワー等の血流情報を求める。

画像生成ユニット２５は、Ｂモード処理ユニット２３、画像メモリ２６から受け取った二次元的或いは三次元的なＲＡＷデータをＲＡＷ−ピクセル変換（或いはボクセル変換）を実行することにより、二次元或いは三次元画像データを生成する。また、画像生成ユニット２５は、生成した画像データに対して、ボリュームレンダリング、多断面変換表示（ＭＰＲ：multi planar reconstruction）、最大値投影表示（ＭＩＰ：maximum intensity projection）等の所定の画像処理を行う。なお、ノイズ低減や画像の繋がりを良くすることを目的として、画像生成ユニット２５の後に二次元的なフィルタを挿入し、空間的なスムージングを行うようにしてもよい。

画像メモリ２６は、例えばＢモード処理ユニット２３から受け取った複数のＢモードデータを用いて、二次元的或いは三次元的なＢモードＲＡＷデータを生成する。

表示処理ユニット２７は、画像生成ユニット２５において生成・処理された各種画像データに対し、ダイナミックレンジ、輝度（ブライトネス）、コントラスト、γカーブ補正、ＲＧＢ変換等の各種を実行する。

制御プロセッサ２８は、情報処理装置（計算機）としての機能を持ち、本超音波診断装置本体の動作を制御する。また、制御プロセッサ２８は、送信電源制御ユニット２０によるスイッチングに関する統括的な制御を実行する。

記憶ユニット２９は、送信電源制御ユニット２０によるスイッチングに関する制御プログラムや、診断情報（患者ＩＤ、医師の所見等）、診断プロトコル、送受信条件、スペックル除去機能を実現するためのプログラム、ボディマーク生成プログラム、映像化に用いるカラーデータの範囲を診断部位毎に予め設定する変換テーブル、その他のデータ群が保管されている。また、必要に応じて、図示しない画像メモリ中の画像の保管などにも使用される。記憶ユニット２９のデータは、インタフェースユニット３０を経由して外部周辺装置へ転送することも可能となっている。

インタフェースユニット３０は、入力装置１３、ネットワーク、新たな外部記憶装置（図示せず）に関するインタフェースである。当該装置によって得られた超音波画像等のデータや解析結果等は、インタフェースユニット３０よって、ネットワークを介して他の装置に転送可能である。

（送信電源制御ユニット）
次に、本超音波診断装置１が具備する送信電源制御ユニット２０の構成、機能について説明する。

図２は、送信電源制御ユニット２０の構成図である。同図に示す様に、送信電源制御ユニット２０は、ＤＣＤＣコンバータ２０１、リニアレギュレータ部２０２、Ｄ／Ａコンバータ２０３、スイッチングクロック生成回路２０４、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号生成回路２０５、抵抗負荷Ｒｄを具備している。

ＤＣＤＣコンバータ２０１は、Ｄ／Ａコンバータ２０３からＤＣＤＣコンバータ指示電圧を受信し、当該指示電圧に従った電圧を生成する。ＤＣＤＣコンバータ２０１は、スイッチングクロック生成回路２０４から生成されるスイッチングクロックＡと、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号生成回路２０５により生成されたスイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号のＡＮＤ処理されたスイッチングクロックＢにより、その駆動タイミングが制御され、スイッチング電源として機能する。

リニアレギュレータ部２０２は、ＤＣＤＣコンバータ２０１より低く設定された所定のリニアレギュレータ指示電圧をＤ／Ａコンバータから受信し、当該指示電圧に従った電圧を生成する。

Ｄ／Ａコンバータ２０３は、ＤＣＤＣコンバータ指示電圧、ＤＣＤＣコンバータ指示電圧より低く設定されたリニアレギュレータ指示電圧を生成し、それぞれＤＣＤＣコンバータ２０１とリニアレギュレータ部２０２とに送り出す。

スイッチングクロック生成回路２０４は、設定された周波数に従うスイッチングクロック信号Ａを発生する。

スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号生成回路２０５は、ＤＣＤＣコンバータ２０１のＯｎ／Ｏｆｆタイミング（或いは、スイッチングクロック信号のＤＣＤＣコンバータ２０１への供給タイミング）を制御するためのスイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号を発生する。なお、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号生成回路２０５の出力とスイッチングクロック生成回路２０４の出力とはＡＮＤ処理され、双方の出力がＯｎ信号である場合に、スイッチングクロック信号ＢがＤＣＤＣコンバータ２０１に供給されることになる。

抵抗負荷Ｒｄは、動作安定性を維持するためにＤＣＤＣコンバータ２０１に接続される抵抗である。

図３は、送信電源制御ユニット２０及び各送信回路２１−１〜２１−Ｎの動作タイミングと送信回路用電源ノイズの発生タイミングとの関係を説明するための図である。同図に示す様に、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号は、各送信回路２１−１〜２１−Ｎにおいて送信パルス１〜Ｎが生成される期間ではＬｏｗレベルに設定される。スイッチングクロックＢは、スイッチングクロックＡとスイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号とのＡＮＤ処理によって発生する。

このため、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号のＬｏｗレベル期間（すなわち、各送信回路２１−１〜２１−Ｎにおいて送信パルス１〜Ｎが生成される期間）においては、スイッチングクロックＢはＤＣＤＣコンバータ２０１に供給されず、ＤＣＤＣコンバータ２０１のスイッチングノイズが発生することもない。

一方、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号は、各送信回路２１−１〜２１−Ｎにおいて送信パルス１〜Ｎが生成されていない期間ではＨｉｇｈレベルに設定され、当該期間においてのみ、スイッチングクロックＢはＤＣＤＣコンバータ２０１に供給されることになる。ＤＣＤＣコンバータ２０１は、供給されたスイッチングクロックＢに従うスイッチング電源として機能し、スイッチングノイズ（送信回路用電源ノイズ）を発生する。しかしながら、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号のＨｉｇｈレベル期間においては、各送信回路２１−１〜２１−Ｎにおいて送信パルス１〜Ｎは生成されていないため、ＤＣＤＣコンバータ２０１のスイッチングノイズが送信パルス１〜Ｎに混入することはない（送信パルス１〜Ｎはスイッチングノイズによる変調を受けない）。

図４は、送信電源制御ユニット２０の変形例を示した図である。同図と図２とを比較した場合、抵抗負荷２６の接続状態を制御するためのトランジスタＱ１をさらに具備する点が異なる。

トランジスタＱ１は、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号生成部２５により生成されたスイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号に基づいて、抵抗負荷ＲｄとＤＣＤＣコンバータ２０１との電気的接続を切断する。送信回路用電源の出力を維持する為には、ＤＣＤＣコンバータ２０１の出力がリニアレギュレータ部２０２の出力、すなわち送信回路用電源出力より高く維持されていることが必要である。本変形例では、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号に基づいて、抵抗負荷ＲｄとＤＣＤＣコンバータ２０１との電気的接続をスイッチングＯｆｆ時に切断することにより、抵抗負荷Ｒｄによる電荷の放電を防ぐ。これにより、送信パルス１〜Ｎが生成される期間の放電電流、及びＤＣＤＣコンバータ２０１出力とリニアレギュレータ部２０２出力との間の電位差を最小化することができる。

図５は、本変形例の効果を説明するための図である。同図において、リニアレギュレータ部２０２の出力の負荷に流れる電流が図２の構成と図４の構成とで同じである場合、ＤＣＤＣコンバータ２０１出力とリニアレギュレータ部２０２出力との間の電位差がリニアレギュレータ部２０２の損失となる。従って、抵抗負荷Ｒｄによる放電が図４の構成の方が、上記電位差を小さく、損失を低減することが可能である。また、超音波パルス送信中における放電損失を少なくすることで例えばコンデンサＣ３における電荷消失を低減させることができ、超音波パルス送信停止後、再び超音波パルス送信するまでの応答時間を短くすることができる。

（効果）
本実施形態に係る超音波診断装置の効果を、従来の構成と比較しながら説明する。

図６は、従来の送信電源制御ユニット７０の構成を示した図である。同図の構成と例えば図２の構成とを比較してわかる通り、従来の構成では、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号生成回路２０５、スイッチングＯｎ／ＯｆｆとスイッチングクロックＡとのＡＮＤ処理機構（すなわち、ＤＣＤＣコンバータ２０１のＯｎ／Ｏｆｆタイミングを制御するためのスイッチングクロックＢの発生機構）等が存在しない。従って、ＤＣＤＣコンバータ２０１によるスイッチング動作は、図７に示す様に、各送信回路２１−１〜２１−Ｎにおいて送信パルス１〜Ｎが生成されている期間においても実行される。このため、当該動作に伴う送信回路用電源ノイズが発生し送信パルス１〜Ｎに混入すると、送信パルス１〜Ｎは変調されて生成されることとなる。当該変調による影響は、虚像となって診断画像に現れる。

図８は、スイッチングノイズの線スペクトラムが血流ドプラ成分Ｄｖｘに混入したスペクトラム画像データの具体例を示したものである。同図に示す様に、上記変調による影響として、スイッチングノイズの線スペクトラムが、血流ドプラ成分のスペクトラムＤｖｘに隣接した虚像Ｉ１として診断画像に出現することになる。

図９は、スイッチング駆動信号の高調波であるスイッチングノイズの線スペクトラムがＢモード画像に混入した具体例を示したものである。同図に示す様に、上記変調による影響として、Ｂモード画像の一部に虚像Ｉ２が出現することになる。

これに対し、本実施形態に係る超音波診断装置では、スイッチング電源として、各送信回路において送信パルス１〜Ｎが生成される期間においてはＤＣＤＣコンバータを動作させず、各送信回路において送信パルス１〜Ｎが生成されない期間においてのみＤＣＤＣコンバータを動作させる。このため、ＤＣＤＣコンバータ２０１のスイッチングノイズが送信パルス１〜Ｎに混入することはない。従って、本実施形態に係る超音波診断装置によれば、高周波動作するスイッチング電源を用いた場合においても、送信パルスに混入するスイッチングノイズの影響を極限まで除去することが可能となり、超音波診断画像による診断精度を向上させることができる。

また、スイッチング電源としてのＤＣＤＣコンバータの動作安定のために付加されている抵抗負荷を、スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号に基づいて切断制御する。これにより、スイッチング電源の駆動信号の停止可能な時間を長くすることができ、電源の性能を損なうこと無く、向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…超音波診断装置、１２…超音波プローブ、１３…入力装置、１４…モニター、２０…送信電源制御ユニット、２１…超音波送信ユニット、２２…超音波受信ユニット、２３…Ｂモード処理ユニット、２４…ドプラ・血流検出ユニット、２５…画像生成ユニット、２６…画像メモリ、２７…表示処理ユニット、２８…制御プロセッサ、２９…記憶ユニット、３０…インタフェースユニット、２０１…ＤＣＤＣコンバータ、２０２…リニアレギュレータ部、２０３…Ｄ／Ａコンバータ、２０４…スイッチングクロック生成回路、２０５…スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号生成回路、Ｒｄ…抵抗負荷、Ｑ１…トランジスタ

Claims (4)

1. 複数の超音波振動素子を有する超音波プローブと、
   供給される駆動信号に応答して前記超音波振動素子毎の送信パルス信号を発生し、前記各超音波振動素子に供給する送信ユニットと、
   所定周波数のスイッチングクロックを生成するスイッチングクロック生成回路と、前記スイッチングクロックに従って所定電圧の前記駆動信号を発生するスイッチング電源ユニットと、前記スイッチングクロックの前記スイッチング電源ユニットへの供給を所定のタイミングで停止する制御ユニットと、を有する電源制御ユニットと、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記制御ユニットは、前記送信ユニットが前記超音波振動素子毎の送信パルス信号を発生する期間において、前記スイッチングクロックの前記スイッチング電源ユニットへの供給を停止することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記スイッチング電源ユニットに電気的に接続された抵抗負荷と、
   前記スイッチングクロックに従って、前記スイッチング電源ユニットと前記抵抗負荷との電気的接続を切断する切断ユニットと、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波診断装置。
4. 前記制御ユニットは、
   スイッチングＯｎ／Ｏｆｆ信号を発生するＯｎ／Ｏｆｆ信号生成回路と、
   前記スイッチングクロックと前記Ｏｎ／Ｏｆｆ信号とをＡＮＤ接続するＡＮＤ回路と、をさらに有し、
   前記ＡＮＤ回路の出力に基づいて、前記スイッチングクロックの前記スイッチング電源ユニットへの供給を所定のタイミングで停止すること、
   を特徴とする請求項２又は３記載の超音波診断装置。

Images