JP2021097945A - 超音波診断装置及び超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 受信フロントエンドの回路のインピーダンスと、センサデバイスのインピーダンスとの整合をとること。【解決手段】 実施形態に係る超音波診断装置は、センサデバイスと、受信手段とを備える。センサデバイスは、駆動信号に基づいて超音波を発生し、前記超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも１つの超音波振動子を有する。受信手段は、前記センサデバイスが有する超音波振動子に対応する超音波振動子を、前記センサデバイスとのインピーダンスを整合させるための整合素子として有し、前記電気信号を受信する。【選択図】図２

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、超音波診断装置及び超音波プローブに関する。

超音波診断装置は、例えば、超音波振動子等のセンサデバイスが設けられた超音波プローブにより被検体に対して超音波を放射し、放射した超音波の反射波を超音波プローブにより受信することで、超音波画像を生成する。

センサデバイスが反射波を受信することで発生する電気信号を受信回路フロントエンドで受信する場合、センサデバイスからの受信信号感度を最効率化および最良感度化するために、受信回路フロントエンドのインピーダンスが、センサデバイスのインピーダンスの複素共役となることが望ましい。しかしながら、センサデバイスの周波数特性を汎用の電気素子（例えば、抵抗、インダクタ、キャパシタ等）を用いて忠実に実現しようとすると、回路構成が複雑になり、また、回路規模が膨大になる。そのため、受信フロントエンドの回路構成は、センサデバイスとインピーダンス整合を取る構成とは厳密にはなっておらず、受信性能を損なわせる要因となるおそれがある。

特開２０１８−１７５４９２号公報

本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、受信フロントエンドの回路のインピーダンスと、センサデバイスのインピーダンスとの整合をとることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

実施形態に係る超音波診断装置は、センサデバイスと、受信手段とを備える。センサデバイスは、駆動信号に基づいて超音波を発生し、前記超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも１つの超音波振動子を有する。受信手段は、前記センサデバイスが有する超音波振動子に対応する超音波振動子を、前記センサデバイスとのインピーダンスを整合させるための整合素子として有し、前記電気信号を受信する。

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の機能構成を表すブロック図である。 図２は、図１に示される超音波受信回路のフロントエンド構成を表す図である。 図３は、従来の超音波受信回路のフロントエンド構成を表す図である。 図４は、第１の実施形態の変形例に係る超音波診断装置の機能構成を表すブロック図である。 図５は、図４に示される受信回路のフロントエンド構成を表す図である。 図６は、第２の実施形態に係る超音波プローブにおけるセンサデバイス、直流電圧源、及び送信駆動回路・受信検出回路の構成を表す図である。 図７は、従来の送信駆動回路・受信検出回路のフロントエンド構成を表す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（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１の機能構成の一例を表すブロック図である。図１に示される超音波診断装置１は、装置本体１０と、超音波プローブ２０とを有している。装置本体１０と超音波プローブ２０とは、例えば、ケーブルを介して接続されている。装置本体１０は、入力装置３０及び表示装置４０と接続されている。また、装置本体１０は、ネットワークＮＷを介して外部装置５０と接続されている。

超音波プローブ２０は、例えば、装置本体１０からの制御に従い、被検体である生体Ｐ内のスキャン領域について超音波スキャンを実行する。超音波プローブ２０は、例えば、センサデバイス２１としての複数の超音波振動子、超音波振動子に設けられる整合層、及び超音波振動子から後方への超音波の伝搬を防止するバッキング材等を有する。超音波振動子は、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する。超音波振動子は、例えば、圧電振動子であり、一例として圧電セラミックにより作成される。超音波プローブ２０は、装置本体１０と着脱自在に接続される。超音波プローブ２０には、オフセット処理、及び超音波画像のフリーズ等の際に押下されるボタンが配置されてもよい。

超音波プローブ２０は、例えば、複数の超音波振動子が所定の方向に沿って配列された１Ｄアレイリニアプローブ、複数の超音波振動子がマトリックス状に配列された２Ｄアレイプローブ、又は超音波振動子列をその配列方向と直交する方向に機械的に煽りながら超音波走査を実行可能なメカニカル４Ｄプローブ等である。

複数の超音波振動子は、装置本体１０が有する後述の超音波送信回路１１から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生する。これにより、超音波プローブ２０から生体Ｐへ超音波が送信される。超音波プローブ２０から生体Ｐへ超音波が送信されると、送信された超音波は、生体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波信号として複数の超音波振動子にて受信される。受信される反射波信号の振幅は、超音波が反射される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、移動している血流又は心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向の速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。超音波振動子は、生体Ｐからの反射波信号を受信して電気信号に変換する。

なお、図１には、超音波スキャンに用いられる超音波プローブ２０と装置本体１０との接続関係のみを例示している。しかしながら、装置本体１０には、複数の超音波プローブを接続することが可能である。接続された複数の超音波プローブのうちいずれを超音波スキャンに使用するかは、切り替え操作によって任意に選択することができる。

装置本体１０は、超音波プローブ２０により受信された反射波信号に基づいて超音波画像を生成する装置である。装置本体１０は、超音波送信回路１１、超音波受信回路１２、内部記憶回路１３、画像メモリ１４、入力インタフェース１５、出力インタフェース１６、通信インタフェース１７、及び処理回路１８を有している。

超音波送信回路１１は、超音波プローブ２０に駆動信号を供給するプロセッサである。超音波送信回路１１は、例えば、パルス発生器１１１、送信遅延回路１１２、及びパルサ回路１１３により実現される。パルス発生器１１１は、所定の繰り返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）で、送信超音波を形成するための駆動トリガパルスを繰り返し発生する。送信遅延回路１１２は、超音波プローブ２０から発生される超音波をビーム状に集束して送信指向性を決定するために必要な超音波振動子毎の遅延時間を、パルス発生器１１１が発生する各駆動トリガパルスに対し与える。送信方向又は送信方向を決定する送信遅延時間は、内部記憶回路１３に記憶されており、送信時に参照される。パルサ回路１１３は、駆動トリガパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ２０に設けられる複数の超音波振動子へ駆動信号（駆動パルス）を印加する。送信遅延回路１１２により各駆動トリガパルスに対して与える遅延時間を変化させることで、超音波振動子面からの送信方向が任意に調整可能となる。

超音波受信回路１２は、超音波プローブ２０が受信した反射波信号に対して各種処理を施し、受信信号を生成するプロセッサである。超音波受信回路１２は、例えば、プリアンプ１２１、Ａ／Ｄ変換器１２２、復調器１２３、及びビームフォーマ１２４により実現される。プリアンプ１２１は、超音波プローブ２０が受信した反射波信号をチャネル毎に増幅してゲイン補正処理を行う。本実施形態において、プリアンプ１２１が超音波受信回路１２のフロントエンドを担う例を説明するが、超音波受信回路１２のフロントエンドを担うのはプリアンプ１２１に限定されない。Ａ／Ｄ変換器１２２は、ゲイン補正された反射波信号をデジタル信号に変換する。復調器１２３は、デジタル信号を復調することで、デジタル信号をベースバンド帯域の同相信号（Ｉ信号、Ｉ：In-phase）と直交信号（Ｑ信号、Ｑ：Quadrature-phase）とに変換する。ビームフォーマ１２４は、Ｉ信号及びＱ信号（以下では、ＩＱ信号と称する）に受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与える。ビームフォーマ１２４は、遅延時間を与えたＩＱ信号を加算する。ビームフォーマ１２４の処理により、受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調された受信信号が発生する。

内部記憶回路１３は、例えば、磁気的若しくは光学的記憶媒体、又は半導体メモリ等のプロセッサにより読み取り可能な記憶媒体等を有する。内部記憶回路１３は、例えば、超音波送受信を実現するためのプログラムを記憶している。また、内部記憶回路１３は、診断情報、スキャンシーケンス、診断プロトコル、超音波送受信条件、信号処理条件、画像生成条件、画像処理条件、ボディマーク生成プログラム、表示条件、及び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等の各種データを記憶している。プログラム、及び各種データは、例えば、内部記憶回路１３に予め記憶されていてもよい。また、例えば、非一過性の記憶媒体に記憶されて配布され、非一過性の記憶媒体から読み出されて内部記憶回路１３にインストールされてもよい。

また、内部記憶回路１３は、入力インタフェース１５を介して入力される操作に従い、超音波受信回路１２で生成される受信信号、及び処理回路１８で生成される各種超音波画像データ等を記憶する。内部記憶回路１３は、記憶しているデータを、通信インタフェース１７を介して外部装置５０等に転送することも可能である。

内部記憶回路１３は、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、及びフラッシュメモリ等の可搬性記憶媒体との間で種々の情報を読み書きする駆動装置等であってもよい。内部記憶回路１３は、記憶しているデータを可搬性記憶媒体へ書き込み、可搬性記憶媒体を介してデータを外部装置５０に記憶させることも可能である。

画像メモリ１４は、例えば、磁気的記憶媒体、光学的記憶媒体、又は半導体メモリ等のプロセッサにより読み取り可能な記憶媒体等を有する。画像メモリ１４は、入力インタフェース１５を介して入力されるフリーズ操作直前の複数フレームに対応する画像データを保存する。画像メモリ１４に記憶されている画像データは、例えば、連続表示（シネ表示）される。

内部記憶回路１３、及び画像メモリ１４は、必ずしもそれぞれが独立した記憶装置により実現されなくてもよい。内部記憶回路１３、及び画像メモリ１４が単一の記憶装置により実現されてもよい。また、内部記憶回路１３、及び画像メモリ１４のそれぞれが複数の記憶装置により実現されてもよい。

入力インタフェース１５は、入力装置３０を介し、操作者からの各種指示を受け付ける。入力装置３０は、例えば、マウス、キーボード、パネルスイッチ、スライダースイッチ、トラックボール、ロータリーエンコーダ、操作パネル、及びタッチコマンドスクリーン（ＴＣＳ：Touch Command Screen）である。入力インタフェース１５は、例えばバスを介して処理回路１８に接続され、操作者から入力される操作指示を電気信号へ変換し、電気信号を処理回路１８へ出力する。なお、入力インタフェース１５は、マウス及びキーボード等の物理的な操作部品と接続するものだけに限られない。例えば、超音波診断装置１とは別体に設けられた外部の入力機器から入力される操作指示に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を処理回路１８へ出力する回路も入力インタフェースの例に含まれる。

出力インタフェース１６は、例えば処理回路１８からの電気信号を表示装置４０へ出力するためのインタフェースである。表示装置４０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ等の任意のディスプレイである。出力インタフェース１６は、例えばバスを介して処理回路１８に接続され、処理回路１８からの電気信号を表示装置に出力する。

通信インタフェース１７は、例えばネットワークＮＷを介して外部装置５０と接続され、外部装置５０との間でデータ通信を行う。

処理回路１８は、例えば、超音波診断装置１の中枢として機能するプロセッサである。処理回路１８は、内部記憶回路１３に記憶されているプログラムを実行することで、当該プログラムに対応する機能を実現する。処理回路１８は、例えば、Ｂモード処理機能１８１、ドプラ処理機能１８２、画像生成機能１８３、表示制御機能１８４、及びシステム制御機能１８５を有している。なお、本実施形態では、単一のプロセッサによってＢモード処理機能１８１、ドプラ処理機能１８２、画像生成機能１８３、表示制御機能１８４、及びシステム制御機能１８５が実現される場合を説明するが、これに限定されない。例えば、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することによりＢモード処理機能１８１、ドプラ処理機能１８２、画像生成機能１８３、表示制御機能１８４、及びシステム制御機能１８５を実現しても構わない。また、各機能を実行可能な専用のハードウェア回路が組み込まれていてもよい。

Ｂモード処理機能１８１は、超音波受信回路１２から受け取った受信信号に基づき、Ｂモードデータを生成する機能である。具体的には、Ｂモード処理機能１８１において処理回路１８は、例えば、超音波受信回路１２から受け取った受信信号に対して包絡線検波処理、及び対数圧縮処理等を施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。生成されたＢモードデータは、２次元的な超音波走査線（ラスタ）上のＢモードＲＡＷデータとして不図示のＲＡＷデータメモリに記憶される。

ドプラ処理機能１８２は、超音波受信回路１２から受け取った受信信号を周波数解析することで、スキャン領域に設定されるイメージングＲＯＩ（Region Of Interest：関心領域）内にある移動体のドプラ効果に基づく血流情報に関するデータ（ドプラデータ）を生成する機能である。血流情報は、被検体における血流の平均速度、分散、パワー、又はこれらの組み合わせを含む。生成されたドプラデータは、２次元的な超音波走査線上のドプラＲＡＷデータとして不図示のＲＡＷデータメモリに記憶される。

画像生成機能１８３は、Ｂモード処理機能１８１、及び／又はドプラ処理機能１８２により生成されたデータに基づき、各種超音波画像データを生成する機能である。具体的には、画像生成機能１８３において処理回路１８は、例えば、ＲＡＷデータメモリに記憶されているＢモードＲＡＷデータに対してＲＡＷ−ピクセル変換、例えば、超音波プローブ２０による超音波の走査形態に応じた座標変換を実行することで、ピクセルから構成されるＢモード画像データを生成する。

また、処理回路１８は、例えば、ＲＡＷデータメモリに記憶されているドプラＲＡＷデータに対してＲＡＷ−ピクセル変換を実行することで、血流情報が映像化されたドプラ画像データを生成する。ドプラ画像データは、平均速度画像データ、分散画像データ、パワー画像データ、又はこれらを組み合わせた画像データである。

表示制御機能１８４は、画像生成機能１８３により生成された各種超音波画像データに基づく画像を表示装置４０に表示させる機能である。具体的には、例えば、表示制御機能１８４において処理回路１８は、画像生成機能１８３により生成されたＢモード画像データ、ドプラ画像データ、又はこれらの両方を含む画像データに基づく画像の表示装置４０における表示を制御する。

表示制御機能１８４において処理回路１８は、例えば、超音波走査の走査線信号列を、テレビ等に代表されるビデオフォーマットの走査線信号列に変換（スキャンコンバート）し、表示用画像データを生成する。また、処理回路１８は、表示用画像データに対し、ダイナミックレンジ、輝度（ブライトネス）、コントラスト、及びγカーブ補正、並びにＲＧＢ変換等の各種処理を実行してもよい。また、処理回路１８は、表示用画像データに、種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディマーク等の付帯情報を付加してもよい。また、処理回路１８は、操作者が入力装置により各種指示を入力するためのユーザインタフェース（ＧＵＩ：Graphical User Interface）を生成し、ＧＵＩを表示装置４０に表示させてもよい。

システム制御機能１８５は、超音波診断装置１の入出力、及び超音波送受信等の基本動作を制御する機能である。

次に、図１に示される超音波受信回路１２のフロントエンドの構成について詳細に説明する。
図２は、図１に示される超音波受信回路１２のフロントエンドの構成例を表す模式図である。図２において、超音波プローブ２０は、例えば、２つの超音波振動子２１１−１，２１１−２が並列接続されてなるセンサデバイス２１を複数有する。図２に示される例では、センサデバイス２１が、超音波受信回路１２に設けられる第１コンデンサー１２５を介してプリアンプ１２１の一部と接続されている。なお、センサデバイス２１を構成する超音波振動子の数は、２つに限定されず、１つ、又は、３つ以上であっても構わない。

図２に示されるプリアンプ１２１は、例えば、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier、低雑音増幅器）１２１１、及び帰還素子１２１２を有する。なお、ＬＮＡ１２１１の後段には、同じくプリアンプ１２１の一部として、例えば、図示されていないさらなる増幅器が設けられる。図２では示されていないが、ＬＮＡ１２１１、帰還素子１２１２、及び第１乃至第３コンデンサー１２５〜１２７は、例えば、センサデバイス２１毎に設けられている。

ＬＮＡ１２１１は、カップリングコンデンサーである第１コンデンサー１２５を介してセンサデバイス２１と接続されている。また、ＬＮＡ１２１１は、バイパスコンデンサーである第２コンデンサー１２６を介して接地されている。ＬＮＡ１２１１は、第１コンデンサー１２５を介して供給される入力信号の振幅を増幅する。ＬＮＡ１２１１は、振幅を増幅させた第１信号と、第１信号を反転させた第２信号とを後段へ出力する。第２信号の一部は、帰還ルートに設けられる帰還素子１２１２と、第３コンデンサー１２７とを介して第１コンデンサー１２５へ供給される。

帰還素子１２１２は、超音波振動子２１１−１，２１１−２と同一の素子である。つまり、帰還素子１２１２のインピーダンスは、超音波振動子２１１−１，２１１−２のインピーダンスと等しい。図２では、ＬＮＡ１２１１により入力信号の振幅が２倍に増幅されるように、センサデバイス２１を構成する超音波振動子２１１−１，２１１−２に対して帰還素子１２１２が１つ設けられている。なお、帰還ルートに設けられる帰還素子１２１２の数は、１つに限定されない。帰還素子１２１２の数は、ＬＮＡ１２１１による増幅の程度、及びセンサデバイス２１を構成する超音波振動子の数に応じて調整されても構わない。

続いて、ＬＮＡ１２１１による受信信号の増幅について説明する。
図２に示されるセンサデバイス２１のインピーダンスＺ_ｘｄｃｒは、
Ｚ_ｘｄｃｒ＝Ｚ_ｘ／Ｎ_ｔ （１）
と表される。Ｚ_ｘは、センサデバイス２１を構成する１つの超音波振動子のインピーダンスを表し、Ｎ_ｔは、センサデバイス２１を構成する超音波振動子の並列数を表す。

図２に示されるＬＮＡ１２１１の入力インピーダンスＺ_ｒは、
Ｚ_ｒ＝Ｚ_ｘ／（１＋Ａ_ＶＬＮＡ／２） （２）
と表される。Ｚ_ｘは、帰還素子１２１２のインピーダンスを表し、Ａ_ＶＬＮＡは、ＬＮＡ１２１１の増幅率を表す。

ＬＮＡ１２１１の出力電圧Ｅ_ｏｕｔは、ＬＮＡ１２１１の入力インピーダンスＺ_ｒと、センサデバイス２１のインピーダンスＺ_xdcrとから、例えば、以下のように求められる。

Ｅ_ｏｕｔ＝（Ｚ_ｒ／Ｚ_xdcr）×Ｅ_ｉｎ （３）
（３）式に（１）式及び（２）式を代入すると、
Ｅ_ｏｕｔ＝（（Ｚ_ｘ／（１＋Ａ_ＶＬＮＡ／２））／（Ｚ_ｘ／Ｎ_ｔ））×Ｅ_ｉｎ
＝（Ｎ_ｔ／（１＋Ａ_ＶＬＮＡ／２））×Ｅ_ｉｎ （４）
となり、ＬＮＡ部の系の電圧増幅率：Ｎ_ｔ／（１＋Ａ_ＶＬＮＡ／２）に超音波振動子のインピーダンスＺ_ｘが含まれなくなる。すなわち、（４）式によれば、ＬＮＡ１２１１から出力される信号は、超音波振動子のインピーダンスＺ_ｘによる影響を受けなくなる。

次に、第１の実施形態に係る超音波受信回路１２のフロントエンドと比較するため、従来の超音波受信回路のフロントエンドについて説明する。図３は、従来の超音波受信回路のフロントエンドの構成例を表す模式図である。図３で示されるプリアンプでは、ＬＮＡが能動終端（Active Termination）する構成となっている。つまり、ＬＮＡに帰還ルートが形成され、形成された帰還ルートに可変抵抗が設けられている。

可変抵抗のインピーダンスをＲ_ｆとすると、図３に示されるＬＮＡのインピーダンスＺ_ｒは、
Ｚ_ｒ＝Ｒ_ｆ／（１＋Ａ_ＶＬＮＡ／２） （５）
と表される。そうすると、図３に示されるＬＮＡの出力電圧は、（１）式、（３）式、（５）式から、以下のように求められる。

Ｅ_ｏｕｔ＝（（Ｒ_ｆ×Ｎ_ｔ）／（Ｚ_ｘ×（１＋Ａ_ＶＬＮＡ／２）））×Ｅ_ｉｎ （６）
このように、系の電圧増幅率：（Ｒ_ｆ×Ｎ_ｔ）／（Ｚ_ｘ×（１＋Ａ_ＶＬＮＡ／２））に超音波振動子のインピーダンスＺ_ｘが残ることになる。すなわち、（６）式によれば、図３に示されるＬＮＡから出力される信号は、超音波振動子のインピーダンスＺ_ｘによる影響を受ける。したがって、受信信号の周波数帯域に制限を受けるおそれがある。

以上のように、第１の実施形態では、センサデバイス２１は、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも１つの超音波振動子２１１を有する。超音波受信回路１２は、フロントエンドとしてのＮＬＡ１２１１で電気信号を増幅し、増幅した信号の一部を超音波振動子２１１と同じ構成の整合素子（帰還素子）１２１２を配したループで帰還させるようにしている。これにより、受信手段としての超音波受信回路１２のフロントエンドの構成が、センサデバイス２１の電気的特性と対応することになる。

（変形例）
第１の実施形態では、フロントエンドとしての超音波受信回路１２に帰還素子１２１２が設けられる場合を例に説明した。しかしながら、帰還素子１２１２が設けられる部位は、装置本体１０の超音波受信回路１２に限定されない。受信ＬＮＡ回路が超音波プローブに設けられる場合、超音波プローブ内の受信ＬＮＡ回路に帰還素子が設けられても構わない。

図４は、第１の実施形態の変形例に係る超音波診断装置１ａの機能構成の一例を表すブロック図である。図４に示される超音波診断装置１ａは、装置本体１０ａと、超音波プローブ２０ａとを有している。装置本体１０ａと超音波プローブ２０ａとは、例えば、ケーブルを介して接続されている。

装置本体１０ａは、超音波プローブ２０ａにより受信された反射波信号に基づいて超音波画像を生成する装置である。装置本体１０ａは、超音波送信回路１１ａ、超音波受信回路１２ａ、内部記憶回路１３、画像メモリ１４、入力インタフェース１５、出力インタフェース１６、通信インタフェース１７、及び処理回路１８を有している。

超音波プローブ２０ａは、例えば、装置本体１０ａからの制御に従い、被検体である生体Ｐ内のスキャン領域について超音波スキャンを実行する。超音波プローブ２０ａは、例えば、センサデバイス２１としての複数の超音波振動子、超音波振動子に設けられる整合層、及び超音波振動子から後方への超音波の伝搬を防止するバッキング材等を有する。また、超音波プローブ２０ａは、センサデバイス２１に駆動信号を供給するプロセッサとしての送信回路２２ａと、センサデバイス２１が受信した反射波信号に対して各種処理を施すプロセッサとしての受信回路２３ａとを有する。送信回路２２ａ、及び受信回路２３ａは、例えば、センサデバイス２１と対応する数だけ設けられている。

図５は、図４に示される超音波プローブ内の受信回路２３ａのフロントエンドの構成例を表す模式図である。図５において、超音波プローブ２０ａは、例えば、２つの超音波振動子２１１−１，２１１−２が並列接続されてなるセンサデバイス２１を複数有する。図５に示される例では、センサデバイス２１が、受信回路２３ａに設けられるプリアンプ２３１の一部と、第１コンデンサー２３２を介して接続されている。なお、センサデバイス２１を構成する超音波振動子の数は、２つに限定されず、１つ、又は、３つ以上であっても構わない。

図５に示されるプリアンプ２３１は、例えば、ＬＮＡ２３１１、及び帰還素子２３１２を有する。なお、ＬＮＡ２３１１の後段には、同じくプリアンプ２３１の一部として、例えば、図示されていないさらなる増幅器が設けられる。

ＬＮＡ２３１１、及び帰還素子２３１２は、図２で説明されるＬＮＡ１２１１、及び帰還素子１２１２と同様である。ＬＮＡ２３１１の帰還ルートに帰還素子２３１２が設けられることで、ＬＮＡ２３１１から出力される信号は、超音波振動子のインピーダンスＺ_ｘによる影響を受けなくなる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、センサデバイス２１が超音波振動子により構成される場合を例に説明した。第２の実施形態では、センサデバイスが静電容量型超音波トランスデューサであるＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer）により構成される場合を説明する。ＣＭＵＴは、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する超音波振動子の一例である。なお、ＣＭＵＴではなくＰＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers）を用いることとしてもよい。

第２の実施形態に係る超音波プローブ２０ｂは、例えば、装置本体からの制御に従い、被検体である生体Ｐ内のスキャン領域について超音波スキャンを実行する。超音波プローブ２０ｂは、例えば、センサデバイス２１ｂ、直流電圧源２４ｂ、及び送信駆動回路・受信検出回路２５ｂを備える。

図６は、第２の実施形態に係る超音波プローブ２０ｂにおけるセンサデバイス２１ｂ、直流電圧源２４ｂ、及び送信駆動回路・受信検出回路２５ｂの構成例を表す模式図である。図６に示されるセンサデバイス２１ｂは、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスにより形成されたＣＭＵＴを用いて構成されている。

図６の左図は、センサデバイス２１ｂの模式的な断面図を表す。図６では、例えば、シリコン等で構成される基板２１２上に、第１絶縁膜２１３が配され、第１絶縁膜２１３上に第１電極２１４が形成されている。なお、基板２１２がガラス基板等の絶縁性基板である場合、第１絶縁膜２１３は不要である。第１電極２１４上には第２絶縁膜２１５が配され、第２絶縁膜２１５上には間隙を有する複数の振動膜部２１６が形成されている。振動膜部２１６には、第２電極２１７が形成されている。本実施形態において、基板２１２、第１絶縁膜２１３、第１電極２１４、第２絶縁膜２１５、振動膜部２１６、及び第２電極２１７を１組としてセルと称する。超音波プローブ２０ｂは、複数のセンサデバイス２１ｂを有し、各センサデバイス２１ｂは、図６に示されるように、例えば、５つのセルにより構成されている。直流電圧源２４ｂ及び送信駆動回路・受信検出回路２５ｂは、センサデバイス２１ｂと接続し、センサデバイス２１ｂ毎に超音波を送信させ、センサデバイス２１ｂ毎に超音波の反射波信号を受信する。

センサデバイス２１ｂの第１電極２１４には、直流電圧源２４ｂが接続され、第２電極２１７には、送信駆動回路・受信検出回路２５ｂが接続される。直流電圧源２４ｂにより、第１電極２１４と、第２電極２１７との間に所定の電位差が発生する。

送信駆動回路・受信検出回路２５ｂは、電流電圧変換回路２５１、保護スイッチ２５２，２５３、及びダイオード２５４を備える。電流電圧変換回路２５１は、演算増幅器２５１１、及び帰還素子２５１２を備える。帰還素子２５１２は、演算増幅器２５１１の帰還ルートに設けられ、センサデバイス２１ｂに設けられるセルと同様のセルを２つ有する。なお、帰還素子２５１２のセルの数は、２つに限定されない。帰還素子２５１２のセルの数は、演算増幅器２５１１による増幅の程度、及びセンサデバイス２１ｂを構成するセルの数に応じて調整されても構わない。帰還素子２５１２は、例えば、センサデバイス２１ｂを構成するセルに対して立体的に設けられる。つまり、帰還素子２５１２は、例えば、センサデバイス２１ｂを構成するセルの下層、すなわち裏側に設けられる。例えば、基板２１２をセンサデバイス２１ｂと帰還素子２５１２とで共有し、基板２１２の裏面側にセンサデバイス２１ｂと同様に第１絶縁膜２１３、第１電極２１４、第２絶縁膜２１５、振動膜部２１６、及び第２電極２１７を設ける。なお、センサデバイス２１ｂと帰還素子２５１２とが独立していてもよい。

保護スイッチ２５２，２５３は、演算増幅器２５１１の入力端子と出力端子とにそれぞれ接続されている。保護スイッチ２５２，２５３は、所定の電圧より高い電圧が印加されると、配線を切断する。

ダイオード２５４は、電流電圧変換回路２５１と並列して設けられている。ダイオード２５４は、端子間の電圧値が所定の値を超える場合に信号を通す。

センサデバイス２１ｂから超音波を送信する際、後段から交流の駆動電圧が供給される。送信駆動回路・受信検出回路２５ｂは、ダイオード２５４を介し、交流の駆動電圧を第２電極２１７へ印加する。このとき、保護スイッチ２５２，２５３は、所定の電圧値よりも高い電圧が供給されることになるため、配線を切断する。これにより、第１電極２１４と、第２電極２１７との間に静電引力が発生し、振動膜部２１６が所定周期で振動することで、センサデバイス２１ｂで超音波が発生される。

センサデバイス２１ｂで超音波の反射波信号を受信すると、振動膜部２１６が振動し、静電誘導により第２電極２１７に微小電流が発生する。このとき、高電圧が印加されていないため、ダイオード２５４は配線を切断し、保護スイッチ２５２，２５３は、配線を接続する。電流電圧変換回路２５１の演算増幅器２５１１は、カップリングコンデンサーを介して微小電流を受信し、受信した微小電流を電圧に変換し、変換後の信号を後段へ出力する。入力された電流は、帰還ルートに設けられる帰還素子２５１２を介して帰還される。

続いて、演算増幅器２５１１による増幅について説明する。本説明では、帰還素子２５１２が２つのセルを有する場合を例とする。

図６に示されるセンサデバイス２１ｂのインピーダンスＺ_{ｘｄｃｒ２}は、
Ｚ_{ｘｄｃｒ２}＝Ｚ_ｘ２／Ｎ_ｔ２ （７）
と表される。Ｚ_ｘ２は、センサデバイス２１ｂを構成する１つのセルのインピーダンスを表し、Ｎ_ｔ２は、センサデバイス２１ｂを構成するセルの数を表す。

図６に示される帰還素子２５１２のインピーダンスＺｆは、
Ｚ_ｆ＝Ｚ_ｘ２／Ｎ_ｆ （８）
と表される。Ｚ_ｘ２は、帰還素子２５１２を構成する１つのセルのインピーダンスを表し、Ｎ_ｆは、帰還素子２５１２を構成するセルの数を表す。

演算増幅器２５１１のＩ−Ｖ変換増幅率Ｇ_ＩＶは、帰還素子２５１２のインピーダンスＺ_ｆと、センサデバイス２１ｂのインピーダンスＺ_{ｘｄｃｒ２}とから、例えば、以下のように求められる。
Ｇ_ＩＶ＝Ｚ_ｆ／Ｚ_{ｘｄｃｒ２} （９）
（９）式に（７）式及び（８）式を代入すると、
Ｇ_ＩＶ＝（Ｚ_ｘ２／Ｎ_ｆ）／（Ｚ_ｘ２／Ｎ_ｔ２）
＝Ｎ_ｔ２／Ｎ_ｆ （１０）
となり、Ｉ−Ｖ変換増幅率Ｇ_ＩＶにセルのインピーダンスＺ_ｘ２が含まれなくなる。すなわち、（１０）式によれば、演算増幅器２５１１で変換される信号は、セルのインピーダンスＺ_ｘ２による影響を受けなくなる。

次に、第２の実施形態に係る送信駆動回路・受信検出回路２５ｂのフロントエンドと比較するため、従来の駆動検出回路のフロントエンドについて説明する。図７は、従来の駆動検出回路のフロントエンドの構成例を表す模式図である。図７で示される駆動検出回路では、演算増幅器の帰還ルートに、帰還抵抗と帰還容量とが設けられている。

帰還抵抗のインピーダンスをＲ_ｆ２とし、帰還容量のインピーダンスをＣ_ｆ２とすると、図７に示される帰還ルートのインピーダンスＺ_ｆは、
Ｚ_ｆ＝Ｒ_ｆ２//Ｃ_ｆ２ （１１）
(ただし、 Ｚ₁//Ｚ₂ は、 Ｚ₁ と Ｚ₂ との並列接続を表す。)
と表される。そうすると、図７に示される演算増幅器のＩ−Ｖ変換増幅率Ｇ_ＩＶは、（７）式、（９）式、（１１）式から、以下のように求められる。

Ｇ_ＩＶ＝（Ｒ_ｆ２//Ｃ_ｆ２）／（Ｚ_ｘ２／Ｎ_ｔ２）
＝（Ｒ_ｆ２//Ｃ_ｆ２）×Ｎ_ｔ２／Ｚ_ｘ２ （１２）
このように、Ｉ−Ｖ変換増幅率Ｇ_ＩＶにセルのインピーダンスＺ_ｘ２が残ることになる。すなわち、（１２）式によれば、図７に示される演算増幅器で変換される信号は、セルのインピーダンスＺ_ｘ２による影響を受ける。したがって、受信信号の周波数帯域に制限を受けるおそれがある。

以上のように、第２の実施形態では、センサデバイス２１ｂは、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも１セルのＣＭＵＴを有する。送信駆動回路・受信検出回路２５ｂは、フロントエンドとしての演算増幅器２５１１で微小電流を電圧に変換し、入力された微小電流をＣＭＵＴを用いてなる整合素子（帰還素子）２５１２を配したループで帰還させるようにしている。これにより、受信手段としての送信駆動回路・受信検出回路２５ｂのフロントエンドの構成が、センサデバイス２１ｂの電気的特性と対応することになる。

また、第２の実施形態に係るフロントエンド構成によれば、超音波振動子としてのＣＭＵＴ、帰還素子２５１２としてのＣＭＵＴ、及び演算増幅器２５１１を一体集積することが可能となる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、受信フロントエンドの回路のインピーダンスと、センサデバイスのインピーダンスとの整合をとることができる。このため、センサデバイスからの信号を高効率に伝送できる。

実施形態の説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）、ＧＰＵ(Graphics Processing Unit)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ））、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶回路に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、記憶回路にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、上記各実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。さらに、上記各実施形態における複数の構成要素を１つのプロセッサへ統合してその機能を実現するようにしてもよい。

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、実施形態同士の組み合わせ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同様に、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。

１，１ａ…超音波診断装置
１０，１０ａ…装置本体
１１，１１ａ…超音波送信回路
１１１…パルス発生器
１１２…送信遅延回路
１１３…パルサ回路
１２，１２ａ…超音波受信回路
１２１…プリアンプ
１２１１…ＬＮＡ
１２１２…帰還素子
１２２…Ａ／Ｄ変換器
１２３…復調器
１２４…ビームフォーマ
１２５…第１コンデンサー
１２６…第２コンデンサー
１２７…第３コンデンサー
１３…内部記憶回路
１４…画像メモリ
１５…入力インタフェース
１６…出力インタフェース
１７…通信インタフェース
１８…処理回路
１８１…Ｂモード処理機能
１８２…ドプラ処理機能
１８３…画像生成機能
１８４…表示制御機能
１８５…システム制御機能
２０，２０ａ，２０ｂ…超音波プローブ
２１，２１ｂ…センサデバイス
２１１，２１１−１，２１１−２…超音波振動子
２１２…基板
２１３…第１絶縁膜
２１４…第１電極
２１５…第２絶縁膜
２１６…振動膜部
２１７…第２電極
２２ａ…送信回路
２３ａ…受信回路
２３１…プリアンプ
２３１１…ＬＮＡ
２３１２…帰還素子
２３２…第１コンデンサー
２４ｂ…直流電圧源
２５ｂ…送信駆動回路・受信検出回路
２５１…電流電圧変換回路
２５１１…演算増幅器
２５１２…帰還素子
２５２，２５３…保護スイッチ
２５４…ダイオード
３０…入力装置
４０…表示装置
５０…外部装置

Claims (11)

1. 駆動信号に基づいて超音波を発生し、前記超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも１つの超音波振動子を有するセンサデバイスと、
   前記センサデバイスが有する超音波振動子に対応する超音波振動子を、前記センサデバイスとのインピーダンスを整合させるための整合素子として有し、前記電気信号を受信する受信手段と
   を具備する超音波診断装置。
2. 前記受信手段は、前記電気信号を増幅し、前記増幅した電気信号の一部を前記整合素子が配されたループで帰還させる増幅回路を有する請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記受信手段は、装置本体に設けられる超音波受信回路である請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記受信手段は、超音波プローブに設けられる受信回路である請求項２記載の超音波診断装置。
5. 前記超音波振動子は、圧電振動子である請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
6. 前記超音波振動子は、ＭＵＴ（Micromachined Ultrasound Transducer）である請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
7. 前記センサデバイスが有するＭＵＴと前記受信手段が有するＭＵＴとは共通の基板に設けられる請求項６記載の超音波診断装置。
8. 駆動信号に基づいて超音波を発生し、前記超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも１つの超音波振動子を有するセンサデバイスと、
   前記センサデバイスが有する前記超音波振動子に対応する超音波振動子を、前記センサデバイスとのインピーダンスを整合させるための整合素子として有し、前記電気信号を受信する受信手段と
   を具備する超音波プローブ。
9. 前記超音波振動子は、ＭＵＴ（Micromachined Ultrasound Transducer）である請求項８に記載の超音波プローブ。
10. 前記センサデバイスが有するＭＵＴと前記受信手段が有するＭＵＴとは共通の基板に設けられる請求項９記載の超音波プローブ。
11. 駆動信号に基づいて超音波を発生し、前記超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも１つの超音波振動子を有するセンサデバイスと、
    前記センサデバイスから出力された電気信号を増幅する回路であって、出力と入力とを結ぶ帰還経路に前記センサデバイスが有する前記超音波振動子に対応する超音波振動子を有する増幅回路と、を具備する超音波診断装置。

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