JP2014083155A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスイッチング電源を有する超音波診断装置において、スイッチング周波数の重畳に起因するノイズを低減すること。
【解決手段】複数のスイッチング電源（ＳＷ電源）２７１はそれぞれ、装置本体１０に含まれる複数のデバイスに電力を供給する。制御回路２９は、複数のＳＷ電源２７１を互いに異なるスイッチング周波数で動作するように複数のＳＷ電源２７１を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、スイッチング電源を装備している。スイッチング電源のスイッチング周波数の高調波成分が送信周波数帯域に含まれる場合、線状のノイズ（以下、レールノイズと呼ぶ）が表示される。レールノイズは、特にＰＷＤ（pulse wave doppler）モードにおいて顕著になる。一般的には、超音波診断装置には複数のスイッチング電源が設けられている。複数のスイッチング電源は同一のスイッチング周波数で動作している。従って、複数のスイッチング電源のスイッチング周波数の高調波成分が重なり合いレールノイズの強度が増してしまう。

特開平０５−１３０９９２号公報 特開２０１０−２１３７８７号公報

図３は、従来例に係る送信周波数帯域と画像表示帯域とにおけるスイッチング周波数の高調波成分の分布を示す図である。図３において３つのＳＷ電源のスイッチング周波数は、全て２７８ｋＨｚに設定されているものとし、画像表示帯域は、送信周波数を０Ｈｚとして±ＰＲＦの範囲に設定されているものとする。

図３の（ａ）に示すように、送信超音波に由来する周波数成分は、送信周波数Ｆｃを頂点として、送信周波数ＦｃからＰＲＦだけシフトする毎に強度を弱めて離散的に立ち上がる。上述の周波数設定条件の場合、スイッチング周波数の９次の高調波成分ｆｈが送信周波数帯域に混入する。すなわち、図３の（ｂ）に示すように、画像表示帯域において、スイッチング周波数２７８ｋＨｚの９次の高調波成分ｆｈが２ｋＨｚに現れる。この際、３つのスイッチング周波数が同一であるので、３つのスイッチング周波数の９次の高調波成分ｆｈが重なり合い、レールノイズとして強い強度で超音波画像に表示されてしまう。

実施形態の目的は、複数のスイッチング電源を有する超音波診断装置において、スイッチング周波数の重畳に起因するノイズを低減することを可能とすることにある。

本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波を送受波する超音波プローブと前記超音波プローブとの間で信号を送受信する装置本体とを具備する超音波診断装置であって、前記装置本体は、前記超音波プローブ及び前記装置本体の少なくとも一方に含まれる複数のデバイスに電力を供給する複数のスイッチング電源と、前記複数のスイッチング電源を互いに異なるスイッチング周波数で動作するように前記複数のスイッチング電源を制御する制御回路と、を具備する。

本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す図。 本実施形態に係る送信周波数帯域と画像表示帯域とにおけるスイッチング周波数の高調波成分の分布を示す図。 従来例に係る送信周波数帯域と画像表示帯域とにおけるスイッチング周波数の高調波成分の分布を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる超音波診断装置を説明する。本実施形態に係る超音波は、連続波とパルス波との何れにも対応可能である。しかしながら、本実施形態に係る動作を具体的に説明するため、超音波はパルス波であるものとする。

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と装置本体１０とを有している。超音波プローブ１は、超音波を送受信する。装置本体１０は、超音波プローブ１との間で種々の電気信号を送受信する。

図１に示すように、超音波プローブ１は、超音波振動子アレイ３を有している。超音波振動子アレイ３は、一次元状または２次元状に配列された複数の振動子を有している。超音波振動子アレイ３は、送信回路１３からの送信駆動信号を受け、超音波を発生する。超音波振動子アレイ３は、パルス繰り返し周波数（pulse repetition frequency：以下ＰＲＦと呼ぶことにする）に対応する時間間隔で繰り返し発生される。超音波は、被検体の体内組織の音響インピーダンスの不連続点（エコー源）で次々と反射される。超音波が被検体内の血流により反射されると、超音波は、ドプラ偏移を受ける。反射された超音波は、超音波振動子アレイ３により受波される。超音波振動子アレイ３は、超音波を受波すると、受波された超音波に由来するエコー信号（電気信号）に変換し、このエコー信号を出力する。エコー信号は、装置本体１０に供給される。

図１に示すように、装置本体１０は、ＰＲＦ設定部１１、送信回路１３、受信回路１５、Ｂモード処理回路１７、ドプラモード処理回路１９、画像発生回路２１、表示回路２３、表示機器２５、スイッチング電源部２７、及び制御回路２９を有する。

ＰＲＦ設定部１１は、図示しない入力機器を介したユーザからの指示に従って、ＰＲＦを設定する。入力機器としては、キーボードやマウス、各種のスイッチ等が挙げられる。ＰＲＦのデータは、送信回路１３、受信回路１５、及びドプラモード処理回路１９に供給される。

送信回路１３は、スイッチング電源部２７からの電力の供給を受けて作動する。送信回路１３は、ＰＲＦ設定部１１により設定されたＰＲＦに従って、超音波振動子アレイ３に送信駆動信号を繰り返し送信する。送信回路１３の詳細な動作を説明する。まず、送信回路１３は、ＰＲＦに従ってレートパルスをチャンネル毎に繰り返し発生する。送信回路１３は、発生された各レートパルスに対して、既定の送信方向と送信フォーカスとに関する超音波ビームを形成するのに必要な遅延時間を与える。この遅延時間は、例えば、送信方向と送信フォーカス位置とに応じて超音波振動子毎に決定される。そして送信回路１３は、各遅延されたレートパルスに基づくタイミングで送信駆動信号を発生し、発生された送信駆動信号を各超音波振動子に供給する。送信駆動信号の供給を受けた各超音波振動子は、超音波を即時的に発生する。これにより超音波振動子アレイ３は、既定の送信方向に向けて、送信フォーカス位置に焦点を有するビーム状の超音波を発生する。送信された超音波の周波数帯域は、送信周波数帯域と呼ばれ、送信周波数帯域の中心は送信周波数と呼ばれている。

受信回路１５は、スイッチング電源部２７からの電力の供給を受けて作動する。受信回路１５は、ＰＲＦ設定部１１により設定されたＰＲＦに従って、被検体により反射された超音波に由来するエコー信号を超音波振動子アレイ３を介して繰り返し受信する。エコー信号が受信されると受信回路１５は、超音波ビームに関する受信信号を生成する。より詳細には受信回路１５は、超音波振動子アレイ３からエコー信号を受信し、受信されたエコー信号を増幅し、増幅されたエコー信号をアナログからデジタルに変換する。次に受信回路１５は、デジタルに変換されたエコー信号をデジタルメモリに記憶する。デジタルメモリは、超音波振動子毎に設けられている。エコー信号は、当該エコー信号を受信した超音波振動子に対応するデジタルメモリ上の、当該エコー信号の受信時刻に応じたアドレスに記憶される。受信回路１５は、既定の受信フォーカス位置に対応するアドレスからエコー信号を読み出して加算する。受信フォーカス位置を超音波送信ビーム上に沿って変更しながらこの加算処理を繰り返すことにより受信回路１５は、既定の受信方向に沿う超音波受信ビームに対応する電気信号（以下、受信信号と呼ぶことにする）を生成する。生成された受信信号は、Ｂモード処理回路１７とドプラモード処理回路１９とに供給される。受信信号処理対象の超音波（換言すれば、エコー信号）の周波数帯域は、受信周波数帯域と呼ばれている。

Ｂモード処理回路１７は、スイッチング電源部２７からの電力の供給を受けて作動する。Ｂモード処理回路１７は、受信回路１５からの受信信号にＢモード処理を施す。具体的には、Ｂモード処理回路１７は、受信信号に対数圧縮や包絡線検波処理を施す。対数圧縮や包絡線検波処理が施された受信信号は、Ｂモード信号と呼ばれている。Ｂモード信号は、画像発生回路２１に供給される。

ドプラモード処理回路１９は、スイッチング電源部２７からの電力の供給を受けて作動する。ドプラモード処理回路１９は、受信回路１５からの受信信号にドプラモード処理を施し、血流情報に関する電気信号（以下、ドプラ信号と呼ぶ）を発生する。ドプラ信号は、受信信号に含まれるドプラ偏移に由来する信号成分である。血流情報としては、血流の速度、分散、パワー等が計算される。血流情報は、ＰＲＦ設定部１１により設定されたＰＲＦに応じた画像表示帯域に制限して計算される。画像表示帯域は、表示対象の周波数帯域である。例えば、画像表示帯域は、送信周波数を中心とした±ＰＲＦの範囲に設定される。ドプラ信号は、画像発生回路２１に供給される。

画像発生回路２１は、スイッチング電源部２７からの電力の供給を受けて作動する。画像発生回路２１は、Ｂモード処理回路１７からのＢモード信号に基づいてＢモード画像を発生する。また、画像発生回路２１は、ドプラモード処理回路１９からのドプラ信号に基づいてドプラ画像を発生する。Ｂモード画像とドプラ画像とは表示回路２３に供給される。

表示回路２３は、スイッチング電源部２７からの電力の供給を受けて作動する。表示回路２３は、Ｂモード画像やドプラ画像等の超音波画像を表示機器２５に表示する。表示機器２５としては、例えば、例えばＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等が挙げられる。

スイッチング電源部２７は、複数のスイッチング電源（以下、ＳＷ電源と呼ぶ）２７１を搭載している。各ＳＷ電源２７１は、制御回路２９からの指示に従って、装置本体１０内の当該ＳＷ電源２７１の接続先のデバイスに電力を発生する。発生された電力は、当該接続先のデバイスに供給される。装置本体１０内のデバイスとしては、例えば、送信回路１３、受信回路１５、Ｂモード処理回路１７、ドプラモード処理回路１９、画像発生回路２１、及び表示回路２３等の装置本体１０内に搭載可能な全てのデバイスが該当する。典型的には、一つのデバイスに一つのＳＷ電源２７１が接続されている。すなわち、図面の簡便化のため図示を省略しているが、本実施形態の場合、スイッチング電源部２７は、送信回路１３のためのＳＷ電源２７１、受信回路１５のためのＳＷ電源２７１、Ｂモード処理回路１７のためのＳＷ電源２７１、ドプラモード処理回路１９のためのＳＷ電源２７１、画像発生回路２１のためのＳＷ電源２７１、及び表示回路２３のためのＳＷ電源２７１を有している。なお、本実施形態においてＳＷ電源２７１の個数は、２個以上であれば何個でも良い。すなわち、スイッチング電源部２７は、送信回路１３のためのＳＷ電源２７１、受信回路１５のためのＳＷ電源２７１、Ｂモード処理回路１７のためのＳＷ電源２７１、ドプラモード処理回路１９のためのＳＷ電源２７１、画像発生回路２１のためのＳＷ電源２７１、及び表示回路２３のためのＳＷ電源２７１のうちの少なくとも２つを含めばよい。なお、ＳＷ電源２７１により発生された電力の供給先のデバイスは、装置本体１０内のデバイスに限定されず、超音波プローブ１内のデバイスであっても良い。

制御回路２９は、スイッチング電源部２７に含まれる複数のＳＷ電源２７１のスイッチング動作を制御する。また、制御回路２９は、超音波診断装置内の各デバイスを統括的に制御する。

上記の説明において送信回路１３と受信回路１５とは装置本体１０に装備されるものとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、送信回路１３と受信回路１５とは超音波プローブ１に内蔵されていても良い。

次に、本実施形態に係る超音波診断装置の動作例について説明する。本実施形態は、Ｂモードやドプラモード等の何れの超音波走査方式にも適用可能であるが、本実施形態に係るスイッチング周波数制御が特に有効なＰＷＤモードを例に挙げて説明する。

なお以下の説明において送信周波数は２．５ＭＨｚであり、ＰＲＦは３０ｋＨｚであるとする。また、スイッチング電源部２７は、説明の簡便のため、３つのＳＷ電源２７１を有するものとする。

各ＳＷ電源２７１は、トランジスタ等により実現されるスイッチング素子を有している。各ＳＷ電源２７１は、制御回路２９からの制御信号に従うタイミングで、スイッチング素子のＯＮとＯＦＦとを切り替えることにより、供給先のデバイスを作動するための電力を発生する。ＯＮ状態の周期の逆数はスイッチング周波数と呼ばれている。

スイッチング周波数の基本波成分及び高調波成分は、超音波診断装置内を流れるエコー信号、受信信号、Ｂモード信号、ドプラ信号、Ｂモード画像、ドプラ画像等の電気信号に混入する。複数のＳＷ電源２７１のスイッチング周波数が全て同一の場合、当該スイッチング周波数の基本波成分及び高調波成分がＳＷ電源２７１の個数分だけ増強される。これらＳＷ電源２７１のスイッチング周波数が画像表示帯域に含まれる場合、超音波画像に激しいレールノイズを発生させてしまう。

本実施形態に係る制御回路２９は、スイッチング周波数の重畳に起因するレールノイズを低減するため、複数のＳＷ電源２７１を互いに異なるスイッチング周波数で動作するように複数のＳＷ電源２７１を制御する。具体的には、複数のＳＷ電源２７１に複数のスイッチング周波数を設定する。制御回路２９は、各スイッチング周波数と同一周期の制御信号をクロック信号に基づいて発生する。発生された制御信号は、当該スイッチング周波数の設定対象のＳＷ電源２７１に供給される。ＳＷ電源２７１は、供給された制御信号のスイッチング周波数に従ってスイッチング素子のＯＮとＯＦＦとを切り替えて電力を発生する。発生された電力は、接続先のデバイスに供給される。

次に、スイッチング周波数の分散に伴うレールノイズの低減について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態に係る周波数条件は以下の通りとする。すなわち、送信周波数Ｆｃは２．５ＭＨｚであり、ＰＲＦは３０ｋＨｚであるとする。また、スイッチング電源部２７は、３つのＳＷ電源２７１を有し、第１のＳＷ電源２７１にはスイッチング周波数２７８ｋＨｚが設定され、第２のＳＷ電源２７１にはスイッチング周波数２８２ｋＨｚが設定され、第３のＳＷ電源２７１にはスイッチング周波数２８６ｋＨｚが設定されているものとする。なお、スイッチング周波数は、図示しない入力機器を介してユーザにより任意に設定可能である。また、制御回路２９は、送信周波数とＰＲＦとに基づいて、複数のＳＷ電源２７１のための複数のスイッチング周波数を算出し、算出された複数のスイッチング周波数を複数のＳＷ電源２７１に自動的に設定しても良い。

図２は、本実施形態に係る送信周波数帯域と画像表示帯域とにおけるスイッチング周波数の高調波成分の分布を示す図である。図２の（ａ）は送信周波数帯域を示し、図２の（ｂ）は画像表示帯域を示している。図２の（ａ）及び（ｂ）の横軸は周波数に規定され、縦軸は周波数成分の強度に規定されている。送信周波数帯域は、送信周波数Ｆｃを中心とした所定範囲内に設定される。上述の周波数設定条件のもとにおいて送信周波数帯域は、スイッチング周波数の高調波成分の周波数帯域に属する。画像表示帯域は、超音波画像に関する表示対象の周波数帯域である。例えば、画像表示帯域は、送信周波数を０Ｈｚとして±ＰＲＦの範囲に設定される。送信周波数からＰＲＦよりも離れている周波数成分は、折り返して表示される。画像表示帯域は、受信周波数帯域に応じて設定される。受信周波数帯域は、送信周波数帯域の内部に含まれる。なお受信周波数帯域は、受信回路１５に設けられたフィルタ等により十分に狭められているものとする。

図２の（ａ）に示すように、送信超音波に由来する周波数成分は、送信周波数Ｆｃを頂点として、送信周波数ＦｃからＰＲＦだけシフトする毎に強度を弱めて離散的に現れる。この送信周波数帯域には、上述の周波数設定条件の場合、各スイッチング周波数の９次の高調波成分が混入する。しかしながら、本実施形態においては、３つのＳＷ電源２７１のスイッチング周波数が分散されているので、当該３つのＳＷ電源２７１のスイッチング周波数の高調波も送信周波数帯域において分散する。具体的には、スイッチング周波数２７８ｋＨｚの９次の高調波成分ｆｈ１が、２．５０２ＭＨｚに現れ、スイッチング周波数２８２ｋＨｚの９次の高調波成分ｆｈ２が、２．５３８ＭＨｚに現れ、スイッチング周波数２８６ｋＨｚの９次の高調波成分ｆｈ３が、２．５７４ＭＨｚに現れる。

上述の周波数設定条件のもとではスイッチング周波数の９次の高調波成分が超音波画像に含まれる。具体的には、スイッチング周波数２７８ｋＨｚの９次の高調波成分ｆｈ１が、２ｋＨｚに現れ、スイッチング周波数２８２ｋＨｚの９次の高調波成分ｆｈ２が、折り返し現象により８ｋＨｚに現れ、スイッチング周波数２８６ｋＨｚの９次の高調波成分ｆｈ３が、折り返し現象により１４ｋＨｚに現れる。このように、本実施形態においては、図２の（ｂ）に示すように、３つのＳＷ電源２７１のスイッチング周波数が分散されているので、画像表示帯域においても３つのスイッチング周波数に由来するノイズ成分（スプリアス）が分散する。従って、図３に示すような３つのスイッチング周波数が同一値を有する場合に比して、３つのスイッチング周波数が異なる値を有する本実施形態の方が各ノイズ成分の強度が小さくなる。

上記の説明において本実施形態に係る超音波走査方式は、ＰＷＤモードであるとした。しかしながら、本実施形態に係る超音波走査方式は、既存の如何なるものにも適用可能である。例えば、本実施形態に好適な他の超音波走査方式としては、ＴＨＩ（tissue harmonic imaging）モード等の狭帯域モードが挙げられる。狭帯域モードにおいて、Ｂモード処理回路１７は、受信信号から高調波成分を抽出し、抽出された高調波成分にＢモード処理を実行してＢモード信号を発生する。画像発生回路２１は、高調波成分に関するＢモード信号に基づいて高調波成分に関するＢモード画像を発生する。表示回路２３は、発生された高調波成分に関するＢモードを表示機器２５に表示する。本実施形態においては、複数のＳＷ電源２７１のスイッチング周波数が分散されているので、上述のように、高調波成分に関するＢモード画像に含まれるノイズが低減されている。

以上で本実施形態に係る具体例の説明を終了する。なお、上記の説明においては、スイッチング周波数の高調波成分が送信周波数帯域に含まれるものとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、送信周波数帯域にはスイッチング周波数の基本波成分が含まれても良い。

また、さらにレールノイズを低減するため、制御回路２９は、複数のスイッチング周波数の基本波成分及び高調波成分が受信周波数帯域及び画像表示帯域外に現れるように、複数のスイッチング周波数を設定しても良い。この場合、複数のスイッチング周波数の基本波成分及び高調波成分が画像表示帯域に含まれなくなるので、スイッチング周波数に起因するレールノイズをさらに低減することができる。

上記の説明の通り、本実施形態に係る超音波診断装置は、複数のＳＷ電源２７１と制御回路２９とを有している。複数のスイッチング電源２７１は、超音波プローブ１及び装置本体１０の少なくとも一方に含まれる複数のデバイスに電力を供給する。制御回路２９は、複数のＳＷ電源２７１を互いに異なるスイッチング周波数で動作するように複数のＳＷ電源２７１を制御する。

上記の構成により、複数のＳＷ電源２７１のスイッチング周波数の基本波成分及び高調波成分が送信周波数帯域において重ならずに分散されるので、全て同一のスイッチング周波数でＳＷ電源を動作する場合に比して、レールノイズを低減することができる。

かくして本実施形態によれば、複数のスイッチング電源２７１を有する超音波診断装置において、スイッチング周波数の重畳に起因するノイズを低減することが可能となる。

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…超音波プローブ、３…超音波振動子アレイ、１０…装置本体、１１…ＰＲＦ設定部、１３…送信回路、１５…受信回路、１７…Ｂモード処理回路、１９…ドプラモード処理回路、２１…画像発生回路、２３…表示回路、２５…表示機器、２７…スイッチング電源部、２９…制御回路、２７１…ＳＷ電源（スイッチング電源）

Claims (4)

1. 超音波を送受波する超音波プローブと前記超音波プローブとの間で信号を送受信する装置本体とを具備する超音波診断装置であって、
   前記装置本体は、
   前記超音波プローブ及び前記装置本体の少なくとも一方に含まれる複数のデバイスに電力を供給する複数のスイッチング電源と、
   前記複数のスイッチング電源を互いに異なるスイッチング周波数で動作するように前記複数のスイッチング電源を制御する制御回路と、
   を具備する超音波診断装置。
2. 前記制御回路は、前記複数のスイッチング電源に複数のスイッチング周波数をそれぞれ設定し、
   前記複数のスイッチング周波数は、前記複数のスイッチング周波数の基本波成分及び高調波成分を超音波の送信周波数帯域において異ならせるように設定される、
   請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記超音波振動子への送信駆動信号を発生する送信回路と、
   前記超音波振動子からのエコー信号を信号処理して受信信号を発生する受信回路と、
   前記受信信号に基づいて超音波画像を発生する画像発生回路と、
   前記超音波画像を表示機器に表示する表示回路と、をさらに備え、
   前記複数のデバイスは、前記送信回路、前記受信回路、前記画像発生回路、及び前記表示回路のうちの少なくとも２つを含む、
   請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記受信信号にドプラ処理を施してパルス繰り返し周波数に応じた画像表示帯域に属するドプラ信号を発生するドプラ処理回路をさらに備え、
   前記複数のデバイスは、前記送信回路、前記受信回路、前記画像発生回路、前記表示回路、及び前記ドプラ処理回路のうちの少なくとも２つを含む、
   前記複数のスイッチング周波数は、前記複数のスイッチング周波数の基本波成分及び高調波成分が前記画像表示帯域において互いに重畳しないように設定される、
   請求項２記載の超音波診断装置。

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