JP2022068431A - 超音波探触子 - Google Patents
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Abstract
Description
課題等について補足説明する。超音波診断装置は、超音波探触子を対象(例えば生体)の表面に当てるだけの簡便な操作によって、例えば心臓の脈動や胎児の動きといった対象部位の様子をリアルタイムで観測し表示可能である。超音波診断装置は、例えば、探触子と本体装置とがケーブル等で接続される構成を有する。本体装置は、制御や診断や表示等を行う。超音波診断装置は、探触子の複数の超音波振動子のそれぞれに高電圧駆動信号を供給することで、超音波を対象内に送信し、対象内の音響インピーダンスの差異によって生じる超音波の反射波を、複数の振動子のそれぞれで受信する。探触子は、複数の振動子チャネルの複数の受信信号を、ケーブル等を通じて本体装置へ送信する。本体装置は、受信信号に基づいて処理を行い、観察のための画像等を生成し表示する。
図1~図5を用いて、本発明の実施の形態1の2次元アレイ超音波探触子について説明する。実施の形態1の2次元アレイ超音波探触子は、少なくとも2種類のモードの受信動作が可能な機能として、ビームフォーミングを伴う連続波ドプラモード(Cモード)での受信動作を行う機能と、連続波ドプラモード以外のモードである撮像モード(Bモード)での受信動作を行う機能とを備える。連続波ドプラモードを第1モード、撮像モードを第2モードとも記載する。
図1は、実施の形態1の2次元アレイ超音波探触子である探触子2を含む、超音波診断装置1の構成例を示す。超音波診断装置1は、2次元アレイ超音波探触子である探触子2と、本体装置5とを有し、それらがケーブル4等の媒体を通じて相互に接続されている。探触子2は、2次元アレイ状に配置された複数(Mとする)の振動子3を有する。超音波診断装置1は、少なくとも2種類のモードとして、第1モードである連続波ドプラモード(Cモード)と、第2モードである撮像モード(Bモード)とを有し、それらを適宜に切り替える。Bモードは、Cモード以外のモードの例であるが、Bモードに限定されず適用可能である。
図2は、探触子2と本体装置5との接続の構成例を示す。図2では特に、撮像モード(Bモード)での整相加算単位に対応するサブアレイ200の構成例も示す。探触子2における複数(M)の振動子3は、Bモード時には、整相加算単位のグルーピングとして、複数のサブアレイ200に分けられる。1つのサブアレイ200は、複数(例えばiとする)の振動子3および送受信回路30の振動子チャネル201から成るグループである。
図3は、1つの振動子チャネル201の送受信回路30の基本構成を示す。振動子3毎の送受信回路30は、送信回路33、送受分離スイッチ34、受信低雑音増幅器35(Low Noise Amplifier:LNA)、および微小遅延回路36を有する。超音波送信動作の場合、微小遅延回路36および送信回路33が使用される。超音波受信動作の場合、送受分離スイッチ34、受信低雑音増幅器35、および微小遅延回路36が使用される。振動子3からの配線は、送信回路33と送受分離スイッチ34とに分岐して接続されている。送受分離スイッチ34からの配線は、受信低雑音増幅器35に接続されている。微小遅延回路36には送信回路33と受信低雑音増幅器35とが接続されている。
図4は、実施の形態1の2次元アレイ超音波探触子2の回路構成等を示し、連続波ドプラモード(Cモード)時の回路状態例を示す。図4では、連続波ドプラにおける受信信号の位相弁別の例を示す。図4のような回路は、探触子2内のICに実装される。探触子2は、大別して、アレイ部分220と外側部分230とを有する。探触子2のアレイ部分220では、複数(M)の振動子チャネル201における受信回路101、複数の第1マルチプレクサ102、および複数の第1配線103等が2次元アレイ状に実装されている。アレイ部分220の外側部分230では、第2配線104、複数のスイッチ105、複数の第2マルチプレクサ108、複数の第1出力ポート107、および複数の第2出力ポート106が実装されている。
図5は、前の図4と同じ探触子2の回路構成において、Bモード時の回路状態例を示す。図5では、Bモード時の受信信号の整相加算の例を示す。Bモードの受信動作時に、複数の第1配線103は、整相加算単位として複数のサブアレイ200に分けられる。本例では、縦横で2×2=4個の振動子チャネル201を1つのサブアレイ200としている。縦横で例えば8×2個の振動子チャネル201は、Y方向に4個のサブアレイ200(例えばA1~A4)に分けられ、第2配線104のスイッチ105間の部分に接続されている。同様に、そのようなY方向の4個のサブアレイ200が、X方向に複数構成されている。
上記のように、実施の形態1の2次元アレイ超音波探触子によれば、連続波ドプラモード(Cモード)とそれ以外の撮像モード(Bモード)等のモードとの少なくとも2種類のモードでの受信動作が可能である高度な機能を備える装置を実現でき、かつ、回路規模および消費電力を低減できる。実施の形態1によれば、2次元アレイ超音波探触子の回路において、先行技術例(例えば特許文献1のマトリックススイッチ)よりも、少数のスイッチや配線等での回路構成が実現できる。また、この回路構成では、アレイの振動子チャネル201と本体装置5のチャネルとの間では、主にスイッチやマルチプレクサのようなパッシブ回路のみを介して接続でき、増幅器や遅延回路等のアクティブ回路の使用を最小限にできる。これにより、この回路構成では、Cモード時に、低消費電力で低雑音での受信動作を実現できる。さらに、この回路構成では、Cモード時に、アレイの出力ポート毎に接続される振動子チャネル数を均等にすることができる。これにより、ビームフォーミングを行う場合のフォーカス点への依存による明るさの無用なばらつきが少ない好適な連続波ドプラ画像を得ることができる。
図6~図7を用いて、本発明の実施の形態2の2次元アレイ超音波探触子について説明する。実施の形態2等の基本構成は実施の形態1と同様であり、以下では、実施の形態2等における実施の形態1とは異なる構成部分について主に説明する。実施の形態2は、実施の形態1に対し、探触子2の回路構成の変形例に相当する。いずれの形態も、先行技術例に比べて回路規模および消費電力を低減できる効果は共通である。
図6は、実施の形態2での探触子2の回路構成におけるCモード時の回路状態例として、位相弁別の例を示す。実施の形態2の探触子2で、アレイ部分220において、各振動子チャネル201の受信回路101が第1マルチプレクサ102を介して第1配線103に接続される構成、および外側部分230において第2配線104に接続される構成は、実施の形態1と同様である。第1マルチプレクサ102に接続される第1レジスタ109には、制御用の情報として、選択位相情報が格納される。
図7は、実施の形態2での探触子2の回路構成における、Bモード時の回路状態例として、サブアレイ200等の例を示す。Bモードでは、外側部分230における第2配線104は、整相加算単位毎に分離する必要があるため、すべてのスイッチ105はオフ状態に接続される。整相加算単位であるサブアレイ200は、実施の形態1の例(図5)と同様であり、縦横での2×2=4個の振動子チャネル201の集まりである。
上記のように、実施の形態2の2次元アレイ超音波探触子によれば、実施の形態1と同様の効果の他に、探触子2に備える出力ポート数をより少数に低減でき、対応してケーブル4の数も低減できる。
図8~図9を用いて、本発明の実施の形態3の2次元アレイ超音波探触子について説明する。実施の形態3は、実施の形態2の変形例である。図8等に示す実施の形態3の探触子2における回路構成では、実施の形態2と同様に共用出力ポートである出力ポート307を備え、また、前述の第2配線104に関して、CモードとBモードとで、使用する配線を一部分離する。これにより、連続波ドプラ受信信号のパスの直列抵抗を低減する。
図8は、実施の形態3での探触子2の回路構成における、Cモード時の回路状態例として、位相弁別の例を示す。この探触子2は、アレイ部分220の外側部分230において、Cモード用の配線305と、Bモード用の配線304と、スイッチ306と、スイッチ309とが配置されている。第1配線103は、外側部分230で、Bモード用の配線304に接続され、また、スイッチ306を介して、Cモード用の配線305に接続されている。図示しないが、各スイッチは、制御論理回路9からの制御信号に応じて切り替えが制御される。
図9は、実施の形態3での回路構成における撮像モード時の回路状態例として、サブアレイ200の例を示す。Bモードでは、Cモード用の配線305を使用しないので、スイッチ306がオフ状態に制御される。Bモード用の配線304に接続されるスイッチ309はオン状態に制御される。出力ポート307毎のマルチプレクサ308もすべてオフ状態に制御される。
上記のように、実施の形態3の2次元アレイ超音波探触子によれば、実施の形態1,2と同様の効果に加え、以下の効果を有する。実施の形態3では、Cモード用の配線305上に、前述(図6等)の第2配線104に挿入されている複数のスイッチ105は無い。実施の形態3の探触子2における回路構成では、振動子3から出力ポート307までの受信信号のパスにおいて、スイッチ306によるオン抵抗は付いてしまうものの、複数のスイッチ105が直列接続された状態にはならない。これにより、この回路構成では、Cモードにおける受信信号のパスの直列抵抗を低くすることができる。したがって、実施の形態3によれば、受信信号の出力に関して、前述の信号振幅減少、ばらつき、熱雑音増加等への影響の懸念を解消できる。
図10~図11を用いて、本発明の実施の形態4の2次元アレイ超音波探触子について説明する。実施の形態4は、実施の形態3の変形例である。実施の形態4では、余る配線を活用して、連続波ドプラ受信時の配線抵抗を実効的に下げる回路構成を示す。前述の実施の形態1~3では、Cモード時の連続波ドプラ受信信号の位相の数(位相数Iとする)と、探触子2の2次元アレイの振動子3列毎の第1配線103の信号線の本数(配線数Jとする)との関係において、位相数Iと配線数Jとが同じである場合(I=J)を想定していた。また、Bモードでは、第1方向において整相加算単位であるサブアレイ200が並ぶ数(単位数Kとする)が4である場合を想定していた。そのため、配線数Jは4でよかった。これらの数(I,J,K)は、勿論、前述の例に限定されない。実際の実装では、Cモードでの位相数Iと、Bモードでの単位数Kとが異なっていてもよい。それらが異なる場合には、それらのうち大きい方の数に合わせて配線数Jを決めればよい。
図10は、実施の形態4での探触子2の回路構成におけるCモード時の回路状態例として、位相弁別の例を示す。図10および図11の探触子2の回路構成では、実施の形態3での回路構成に対し、アレイの外側部分230において、マルチプレクサ412およびレジスタ413が追加されている。また、Cモード用の配線405は、4本ではなく位相数に対応した3本の信号線を有する。出力ポート307毎のマルチプレクサ408は、n:1接続として、4:1接続ではなく、3:1接続のマルチプレクサである。スイッチ406は、第1配線103のうちの3本の信号線に接続される3個のスイッチで構成されている。Bモード用の配線304は、前述と同様に4本の信号線を有し、そのうちの1本である第4信号線には、マルチプレクサ412が接続されている。マルチプレクサ412は、1:n接続として1:3接続のマルチプレクサである。マルチプレクサ412の3本の出力は、Cモード用の配線405の3本の信号線に接続されている。各マルチプレクサ408は、3本の入力が、配線405の3本の信号線に一対一で接続されている。
図11は、実施の形態4での探触子2の回路構成におけるBモード時の回路状態例として、サブアレイ200の例を示す。Bモードでは、マルチプレクサ412は、オフ状態に制御され、使用されない。よって、この状態では、図11の回路は、図9の回路の状態と等価となる。余り配線103dの部分は、図11では、サブアレイA4,A8で使用されている。サブアレイA4,A8の受信信号は、余り配線103d、およびオン状態のスイッチ309を通じて、出力ポート307から出力される。
Claims (14)
- 複数の振動子が2次元アレイとして配置されている超音波探触子であって、
連続波ドプラモードである第1モードと、前記連続波ドプラモード以外のモードである第2モードとの少なくとも2種類のモードで超音波受信動作が可能であり、
前記2次元アレイの一方の次元の方向を第1方向とし、他方の次元の方向を第2方向とし、
前記複数の振動子の振動子毎に配置されている受信回路と、
前記受信回路毎に接続されるように配置されている第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサと接続されて前記第1方向に延在するように配置されている複数の第1配線と、
前記2次元アレイの外側において、前記複数の第1配線と接続されて前記第2方向に延在するように配置されている第2配線と、
前記第2配線上に配置され、前記複数の振動子の受信信号についての整相加算の単位に対応させて切断可能であるスイッチと、
前記第2配線に接続されている、複数の第2マルチプレクサと、
前記複数の第2マルチプレクサに接続されている、前記第1モードで使用される複数の第1出力ポートと、
前記第2配線上の前記スイッチ間の部分毎に接続されている、前記第2モードで使用される複数の第2出力ポートと、
を備える、超音波探触子。 - 請求項1記載の超音波探触子において、
前記2次元アレイの前記複数の振動子の複数の受信信号について、
前記第1モードでは、複数の位相の位相弁別に対応させて複数のグループに分けるように、前記第1マルチプレクサ、前記スイッチ、および前記第2マルチプレクサを制御し、
前記第2モードでは、前記複数の整相加算単位に分けるように、前記第1マルチプレクサ、前記スイッチ、および前記第2マルチプレクサを制御する、
超音波探触子。 - 請求項2記載の超音波探触子において、
前記第1マルチプレクサを制御するための第1レジスタを備え、前記第1レジスタに、制御用の情報として、前記第1モードでは前記位相弁別のグループを割り当てるための情報が格納され、前記第2モードでは前記整相加算単位を割り当てるための情報が格納され、
前記第2マルチプレクサを制御するための第2レジスタを備え、前記第2レジスタに、制御用の情報として、前記第1モードでは前記第1出力ポートが出力する位相を割り当てるための情報が格納される、
超音波探触子。 - 請求項1記載の超音波探触子において、
前記第1モードでは、前記第1出力ポートあたりに接続される前記振動子の数が均等になるように制御する、
超音波探触子。 - 複数の振動子が2次元アレイとして配置されている超音波探触子であって、
連続波ドプラモードである第1モードと、前記連続波ドプラモード以外のモードである第2モードとの少なくとも2種類のモードで超音波受信動作が可能であり、
前記2次元アレイの一方の次元の方向を第1方向とし、他方の次元の方向を第2方向とし、
前記複数の振動子の振動子毎に配置されている受信回路と、
前記受信回路毎に接続されるように配置されている第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサと接続されて前記第1方向に延在するように配置されている複数の第1配線と、
前記2次元アレイの外側において、前記複数の第1配線と接続されて前記第2方向に延在するように配置されている第2配線と、
前記第2配線上に配置され、前記複数の振動子の受信信号についての整相加算の単位に対応させて切断可能であるスイッチと、
前記第2配線上の前記スイッチ間の部分毎に接続されている、複数のマルチプレクサと、
前記複数のマルチプレクサに接続されている、前記第1モードと前記第2モードとで使用される複数の出力ポートと、
を備える、超音波探触子。 - 請求項5記載の超音波探触子において、
前記2次元アレイの前記複数の振動子の複数の受信信号について、
前記第1モードでは、複数の位相の位相弁別に対応させて複数のグループに分けるように、前記第1マルチプレクサ、前記スイッチ、および前記マルチプレクサを制御し、
前記第2モードでは、前記複数の整相加算単位に分けるように、前記第1マルチプレクサ、前記スイッチ、および前記マルチプレクサを制御する、
超音波探触子。 - 請求項6記載の超音波探触子において、
前記第1マルチプレクサを制御するための第1レジスタを備え、前記第1レジスタに、制御用の情報として、前記第1モードでは前記位相弁別のグループを割り当てるための情報が格納され、前記第2モードでは前記整相加算単位を割り当てるための情報が格納され、
前記第2マルチプレクサを制御するための第2レジスタを備え、前記第2レジスタに、制御用の情報として、前記第1モードでは前記出力ポートが出力する位相を割り当てるための情報が格納され、前記第2モードでは前記出力ポートが出力する前記整相加算単位の受信信号を割り当てるための情報が格納される、
超音波探触子。 - 請求項5記載の超音波探触子において、
前記第1モードでは、前記出力ポートあたりに接続される前記振動子の数が均等になるように制御する、
超音波探触子。 - 複数の振動子が2次元アレイとして配置されている超音波探触子であって、
連続波ドプラモードである第1モードと、前記連続波ドプラモード以外のモードである第2モードとの少なくとも2種類のモードで超音波受信動作が可能であり、
前記2次元アレイの一方の次元の方向を第1方向とし、他方の次元の方向を第2方向とし、
前記複数の振動子の振動子毎に配置されている受信回路と、
前記受信回路毎に接続されるように配置されている第1マルチプレクサと、
前記第1マルチプレクサと接続されて前記第1方向に延在するように配置されている複数の第1配線と、
前記2次元アレイの外側において、前記複数の第1配線と接続されて前記第2方向に延在するように配置されている前記第1モード用の配線と、
前記2次元アレイの外側において、前記複数の第1配線と接続されて前記第2方向に延在するように配置され、前記複数の振動子の受信信号についての整相加算の単位に対応させて配置されている前記第2モード用の配線と、
前記第1モード用の配線と前記第2モード用の配線との間に配置され、前記第1モードでオン状態、前記第2モードでオフ状態にされる第1スイッチと、
前記第1モード用の配線に接続されている、複数の第2マルチプレクサと、
前記複数の第2マルチプレクサに接続されている、前記第1モードと前記第2モードとで使用される複数の出力ポートと、
前記第2モード用の配線と前記複数の出力ポートとの間に配置され、前記第1モードでオフ状態、前記第2モードでオン状態にされる第2スイッチと、
を備える、超音波探触子。 - 請求項9記載の超音波探触子において、
前記2次元アレイの前記複数の振動子の複数の受信信号について、
前記第1モードでは、複数の位相の位相弁別に対応させて複数のグループに分けるように、前記第1マルチプレクサ、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、および前記第2マルチプレクサを制御し、
前記第2モードでは、前記複数の整相加算単位に分けるように、前記第1マルチプレクサ、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、および前記第2マルチプレクサを制御する、
超音波探触子。 - 請求項10記載の超音波探触子において、
前記第1マルチプレクサを制御するための第1レジスタを備え、前記第1レジスタに、制御用の情報として、前記第1モードでは前記位相弁別のグループを割り当てるための情報が格納され、前記第2モードでは前記整相加算単位を割り当てるための情報が格納され、
前記第2マルチプレクサを制御するための第2レジスタを備え、前記第2レジスタに、制御用の情報として、前記第1モードでは前記出力ポートが出力する位相を割り当てるための情報が格納され、前記第2モードでは前記出力ポートが出力する前記整相加算単位の受信信号を割り当てるための情報が格納される、
超音波探触子。 - 請求項9記載の超音波探触子において、
前記第1モードでは、前記出力ポートあたりに接続される前記振動子の数が均等になるように制御する、
超音波探触子。 - 請求項2,6,10のいずれか一項に記載の超音波探触子において、
前記第1モードでは、超音波ビームフォーミングが可能であり、
前記第1モードの場合に、前記複数の位相として、超音波ビームのフォーカス点に基づいて計算された前記振動子毎の前記受信回路の受信信号の位相を設定可能である、
超音波探触子。 - 請求項9記載の超音波探触子において、
前記第1配線の一部の信号線は、前記第2モード用の配線の一部の信号線に接続され、
前記第2モード用の配線の一部の信号線と前記第1モード用の配線の複数の信号線とを接続する第3マルチプレクサを備え、
前記第3マルチプレクサの状態に応じて、前記第2モード用の配線の一部の信号線が、前記第1モード用の配線のうちの選択された信号線に接続される、
超音波探触子。
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