JP3476308B2 - 超音波振動子駆動方法および装置並びに超音波撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動子駆動
方法および装置並びに超音波撮像装置に関し、特に、リ
ニア(linear)性と電力効率を両立させた超音波振動子駆
動方法および装置並びに超音波撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波撮像装置は、被検体に超音波パル
スを送波してその反射波（エコー(echo)）を受信し、エ
コーデータ(echo data) に基づいて被検体の内部を画像
化するようになっている。超音波の送受信は指向性のあ
るビーム(beam)（音線）によって行われる。被検体の内
部の所望の領域（撮像範囲）が超音波探触子（超音波プ
ローブ(probe) ）により例えば音線順次の超音波送受信
によって走査され、画像を生成するに足るエコーデータ
が収集される。

【０００３】超音波パルスの送波は、電力増幅器（パワ
ーアンプ(power amplifier) ）の出力信号で超音波振動
子を駆動することによって行われる。パワーアンプとし
てはスイッチングアンプ(switching amplifier) または
リニアアンプ(linear amplifier)が用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】スイッチングアンプは
スイッチング動作により電源電圧をオンオフ（スイッチ
ング）するので電力効率が良いが、その反面、出力電圧
の振幅が電源電圧によって固定されるため、入力信号の
振幅との比例関係（リニア性）が成立しない。

【０００５】これに対して、リニアアンプによれば入力
信号に比例して連続的に変化する（リニアな）出力電圧
が得られるが、アンプ内での消費電力が大きいため電力
効率が悪く、また発熱も大きくなる。

【０００６】なお、スイッチング増幅器の電源電圧を入
力信号に応じてリニアに変化させればリニア出力を得る
ことができるが、電源電圧をリニアに制御するのにリニ
ア増幅器が必要になり、全体としての電力効率はリニア
増幅器と同様になる。

【０００７】すなわち、従来の超音波振動子駆動手段に
よってはリニア性と電力効率を両立させることができな
いという問題点がある。本発明は上記の問題点を解決す
るためになされたもので、その目的は、リニア性と電力
効率を両立させた超音波振動子駆動方法および装置並び
に超音波撮像装置を実現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

〔１〕課題を解決するための第１の発明は、駆動基準信
号をΔ−Σ変換し、Δ−Σ変換後の信号をスイッチング
増幅し、スイッチング増幅後の信号を低域濾波し、低域
濾波後の信号で超音波振動子を駆動することを特徴とす
る超音波振動子駆動方法である。

【０００９】課題を解決するための第１の発明によれ
ば、駆動基準信号をΔ−Σ変換してスイッチング増幅
し、それを低域濾波した信号で超音波振動子を駆動する
ようにしたので、リニア性と電力効率を両立させた超音
波振動子駆動方法を実現することができる。

【００１０】課題を解決するための第１の発明におい
て、駆動基準信号をΔ−Σ変換して複数の信号を並列的
に形成し、Δ−Σ変換後の複数の信号を個々に遅延し、
遅延後の複数の信号を個々にスイッチング増幅し、スイ
ッチング増幅後の複数の信号を個々に低域濾波し、低域
濾波後の複数の信号で複数の超音波振動子をぞれぞれ駆
動することが超音波のビームフォーミング(beam formin
g)を行う点で好ましい。 〔２〕課題を解決するための第２の発明は、駆動基準信
号をΔ−Σ変換するΔ−Σ変換手段と、Δ−Σ変換後の
信号をスイッチング増幅するスイッチング増幅手段と、
スイッチング増幅後の信号を低域濾波して超音波振動子
に印加する低域濾波手段とを具備することを特徴とする
超音波振動子駆動装置である。

【００１１】課題を解決するための第２の発明によれ
ば、駆動基準信号をΔ−Σ変換してスイッチング増幅
し、それを低域濾波した信号で超音波振動子を駆動する
ようにしたので、リニア性と電力効率を両立させた超音
波振動子駆動装置を実現することができる。

【００１２】課題を解決するための第２の発明におい
て、前記Δ−Σ変換手段により駆動基準信号をΔ−Σ変
換して複数の信号を並列的に形成し、遅延手段を設けて
Δ−Σ変換後の複数の信号を個々に遅延し、前記スイッ
チング増幅手段により遅延後の複数の信号を個々にスイ
ッチング増幅し、前記低域濾波手段によりスイッチング
増幅後の複数の信号を個々に低域濾波するように構成す
ることが超音波のビームフォーミングを行う点で好まし
い。

【００１３】この場合、低域濾波手段をインダクタンス
素子とすることが構成の簡素化の点で好ましい。 〔３〕課題を解決するための第３の発明は、超音波送受
波の開口を形成する複数の超音波振動子を有する超音波
探触子と、前記超音波探触子を駆動して被検音場に超音
波ビームを送波させる駆動手段と、前記超音波探触子が
受波した超音波エコーに基づいて画像を生成する画像生
成手段とを備えた超音波撮像装置であって、前記駆動手
段は、駆動基準信号をΔ−Σ変換して複数の信号を並列
的に形成するΔ−Σ変換手段と、Δ−Σ変換後の複数の
信号を個々に遅延する遅延手段と、遅延後の複数の信号
を個々にスイッチング増幅するスイッチング増幅手段
と、スイッチング増幅後の複数の信号を個々に低域濾波
して前記複数の超音波振動子にそれぞれ印加する低域濾
波手段とを具備することを特徴とする超音波撮像装置で
ある。

【００１４】課題を解決するための第３の発明によれ
ば、駆動基準信号をΔ−Σ変換して複数のΔ−Σ変換信
号を並列的に形成し、それらの信号を個々に遅延および
スイッチング増幅しかつ低域濾波した信号で複数の超音
波振動子をぞれぞれ駆動するようにしたので、超音波振
動子駆動のリニア性と電力効率を両立させた超音波撮像
装置を実現することができる。また、個々の遅延量を調
節することによって超音波送波のビームフォーミングが
行える。

【００１５】課題を解決するための第３の発明におい
て、前記低域濾波手段をインダクタンス素子とすること
が構成の簡素化の点で好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。 〔全体構成〕図１に超音波撮像装置のブロック(block)
図を示す。本装置は本発明の実施の形態の一例である。
なお、本装置の構成によって本発明の装置に関する実施
の形態の一例が示される。また、本装置の動作によって
本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。

【００１７】図１に示すように、超音波プローブ１１は
複数の超音波振動子１２を支持部材１１１上に配列した
ものとなっている。複数の超音波振動子１２は本発明に
おける複数の超音波振動子の実施の形態の一例である。
複数の超音波振動子１２は１次元ないし２次元のアレイ
(array) を形成している。支持部材１１１は超音波振動
子１２の背面放射超音波を吸収するバッキング(backin
g) 材となっている。超音波プローブ１１は本発明にお
ける超音波探触子の実施の形態の一例である。

【００１８】送信部１３は複数の超音波振動子１２を駆
動する信号を出力するものである。送信部１３は本発明
における駆動手段の実施の形態の一例である。送信部１
３の詳細な構成については後に改めて説明する。送信部
１３の出力信号は送受切換部１５を通じて駆動信号２０
として複数の超音波振動子１２に供給される。

【００１９】複数の超音波振動子１２は駆動信号２０に
よってそれぞれ駆動されて超音波を発生する。各超音波
振動子１２が発生する超音波によって合成された超音波
ビームＲが被検音場に照射される。

【００２０】アレイの正面方向２１からの超音波ビーム
Ｒの振れ（ビームステアリング(beam steering) ）角θ
は複数の駆動信号２０に与える遅延時間の階差Ｔｋによ
って調節される。遅延時間の階差Ｔｋは超音波ビームＲ
の収束点（フォーカス(focus) ）までの距離に応じて修
飾される。ビームステアリングとフォーカシングを総称
してビームフォーミングと呼ぶ。

【００２１】すなわち、本装置はフェイズドアレイ(pha
sed array)方式によってビームフォーミングを行うもの
である。複数の超音波振動子１２は送波の開口（アパー
チャ(aperture)）を形成する。

【００２２】送波超音波ビームに対する被検音場からの
エコーは複数の超音波振動子１２によって受波され、そ
れらの受波信号が送受切換部１５を通じて受信部１４に
入力される。このときの複数の超音波振動子１２は受波
の開口を形成する。

【００２３】受信部１４は入力信号を処理してエコーデ
ータを形成するようになっている。エコーデータの形成
は、例えば送波の超音波ビームＲの音線に一致した受波
音線に沿って行われ、これによっていわゆるＡスコープ
(scope) データが形成される。

【００２４】制御部１６による制御の下で、超音波ビー
ムＲの送波とその音線上のエコーデータの収集が超音波
ビームＲの方向を逐次変更して繰返され、被検音場が音
線順次で走査される。

【００２５】画像生成部１７は受信部１４が収集したエ
コーデータに基づいて例えば被検音場のＢモード(mode)
像等の画像を生成するようになっている。画像生成部１
７は本発明における画像生成手段の実施の形態の一例で
ある。生成された画像は表示部１８によって表示される
ようになっている。 〔送信部〕図２に送信部１３のブロック図を示す。送信
部１３は本発明の実施の形態の一例である。なお、本装
置の構成によって本発明の装置に関する実施の形態の一
例が示される。また、本装置の動作によって本発明の方
法に関する実施の形態の一例が示される。

【００２６】図２において、駆動信号メモリ(memory)１
３１に駆動基準信号が記憶されるようになっている。駆
動基準信号としては例えば図３に示すような波形を持つ
ＲＦ(radio frequecy)信号が設定され、それがディジタ
ルデータとして記憶される。このＲＦ信号の周波数は超
音波振動子１２の中心周波数に相当し、例えば２〜１０
ＭＨｚである。振幅および波数は超音波振動子１２を駆
動する電圧の振幅および波数を決めるものである。この
ＲＦ信号は本発明における駆動基準信号の実施の形態の
一例である。

【００２７】駆動基準信号は制御部１６によって書き込
まれる。制御部１６はメモリを書き替えることによって
駆動基準信号を変更できるようになっている。これによ
って、駆動基準信号の周波数、振幅および波数が撮像条
件に合わせて調節される。このように駆動信号メモリ１
３１にディジタルデータで駆動基準信号を記憶する方法
は多様な撮像条件に適応する点で好ましい。駆動基準信
号データは送波のタイミング(timing)に従って制御部１
６により駆動信号メモリ１３１から読み出される。

【００２８】読み出された駆動基準信号はΔ−Σ（デル
タ・シグマ）変換器１３２によってパルス密度信号に変
換されるようになっている。Δ−Σ変換器１３２は本発
明におけるΔ−Σ変換手段の実施の形態の一例である。
Δ−Σ変換器は例えばＣＤプレーヤー(compact disc pl
ayer) のようなオーディオ(audio) 機器においてオーデ
ィオ信号の変換に多用されている。本発明におけるΔ−
Σ変換もそれに準じている。

【００２９】Δ−Σ変換によって、例えば図４に示すよ
うに、駆動基準信号の各瞬時値が１と−１のパルスの出
現頻度（パルス密度）に変換される。パルス間隔は一定
である。両パルスの密度の差が駆動基準信号の瞬時値に
相当する。正の値に対しては１のパルスの密度が−１の
パルスの密度よりも高くなる。負の値に対しては−１の
パルスの密度が１のパルスの密度よりも高くなる。駆動
基準信号が０のときは両パルスの密度が等しくなる。

【００３０】このようにして、駆動基準信号はシリアル
(serial)なパルス列信号に変換される。Δ−Σ変換のサ
ンプリングレート(sampling rate) を決めるクロック(c
lock) は被変換信号の数十倍の周波数となるように設定
されており、駆動基準信号の周波数が２〜１０ＭＨｚで
ある場合は、例えば１６０ＭＨｚのクロックが使用され
る。

【００３１】これによって、オーバーサンプリング(ove
r sampling) でΔ−Σ変換が行われ、駆動基準信号の各
瞬時値を表すディジタルデータがそれぞれ数十個のシリ
アルパルスに展開された形で表現される。クロック周波
数の設定を含みΔ−Σ変換器１３２の動作は制御部１６
によって制御される。

【００３２】なお、駆動信号メモリ１３１に代えてアナ
ログ(analog)型の信号発生器を用いるようにしても良
い。アナログ信号発生器の使用は機能を限定して構成を
簡素化する点で好ましい。その場合、Δ−Σ変換器１３
２はアナログ入力対応のものが使用される。

【００３３】Δ−Σ変換器１３２の出力信号は遅延回路
１３３に入力されるようになっている。遅延回路１３３
は本発明における遅延手段の実施の形態の一例である。
遅延回路１３３は複数の単位遅延回路ＤＬ１〜ＤＬｎで
構成されている。単位遅延回路ＤＬ１〜ＤＬｎの個数は
送波開口を形成する超音波振動子１２１〜１２ｎの個数
に対応する。

【００３４】単位遅延回路ＤＬ１〜ＤＬｎの遅延時間は
制御部１６によって個々に調節できるようになってい
る。遅延時間の調節は送波のビームフォーミングに合わ
せて行われる。単位遅延回路ＤＬ１〜ＤＬｎは例えば可
変長のシフトレジスタ(shift register)によって実現す
るのが遅延時間を精密に調節する点で好ましい。

【００３５】ここで、この可変長シフトレジスタのシフ
トクロックの周波数は当然、前記のパルス列信号の周波
数に合わせる必要上、一例として１６０ＭＨｚを必要と
し、従って１クロック分の時間調整で得られる時間分解
能は６．２５ｎＳとなる。

【００３６】このため、従来のフェイズドアレイ装置に
おいて送信信号を単純なバイナリー表現で扱う場合にお
いて汎用される３０〜４０ＭＨｚ（２５〜３３ｎＳ）程
度のシフトクロックの単位では出せない微細な時間分解
能が実現できる。

【００３７】これにより従来のフェイズドアレイ装置に
おいて遅延時間のさらなる微調整のために必要とされた
補間器が、本発明の実施により不要となるという副次効
果を発揮する。

【００３８】単位遅延回路ＤＬ１〜ＤＬｎのパルス列出
力信号はスイッチングアンプ１３４における単位アンプ
Ａ１〜Ａｎに入力されるようになっている。スイッチン
グアンプ１３４は本発明におけるスイッチング増幅手段
の実施の形態の一例である。

【００３９】単位アンプＡｉ（ｉ：１〜ｎ）は、例えば
図５に示すように、ＦＥＴ(field-effect transistor)
スイッチＱ１，Ｑ２を用いて構成される。ＦＥＴスイッ
チＱ１としてはＮチャンネル(channel) のＦＥＴが用い
られる。ＦＥＴスイッチＱ２としてはＰチャンネルのＦ
ＥＴが用いられる。

【００４０】ＦＥＴスイッチＱ１，Ｑ２のゲート(gate)
Ｇが共通に接続されて入力端子ＩＮを生成している。Ｆ
ＥＴスイッチＱ１，Ｑ２のソース(source)Ｓが共通に接
続されて出力端子ＯＵＴを形成している。ＦＥＴスイッ
チＱ１のドレイン(drain) Ｄには正の電源案圧Ｖｃｃが
与えられている。ＦＥＴスイッチＱ２のドレインＤには
負の電源案圧−Ｖｃｃが与えられている。

【００４１】この回路は、入力パルスが１のときＦＥＴ
スイッチＱ１がオン(on)、ＦＥＴスイッチＱ２がオフ(o
ff) となって出力端子ＯＵＴから正の電源電圧＋Ｖｃｃ
を出力する。また、入力パルスが−１のときはＦＥＴス
イッチＱ１がオフ、ＦＥＴスイッチＱ２がオンとなって
出力端子ＯＵＴから負の電源電圧−Ｖｃｃを出力する。
すなわち、入力パルスの極性に応じて正負の電源電圧を
スイッチング出力するスイッチングアンプとなる。

【００４２】したがって、単位アンプＡ１〜Ａｎは入力
パルス列信号に従ってそれぞれスイッチング動作を行
い、入力パルスの１および−１に対応してそれぞれ正お
よび負の電源電圧を出力する。すなわち、単位アンプＡ
１〜Ａｎはおのおの入力パルス列信号を電力増幅したパ
ルス列信号を出力する。出力パルス列信号の周波数は例
えば１６０ＭＨｚである。

【００４３】これらのパルス列信号がフィルタ１３５の
単位フィルタＦ１〜Ｆｎを通じてそれぞれ超音波振動子
１２１〜１２ｎに駆動信号として印加される。フィルタ
１３５は本発明における低域濾波手段の実施の形態の一
例である。単位フィルタＦ１〜ＦｎはΔ−Σ変換器１３
２のクロック周波数（例えば１６０ＭＨｚ）に関して低
域濾波器（ローパスフィルタ(low-pass filter) ）とし
て機能するものである。

【００４４】そのようなフィルタとして例えばコイル等
のインダクタンス(inductance)素子が用いられる。イン
ダクタンス素子を用いるのは、簡易な構成のコイルでロ
ーパスフィルタを実現できる点で好ましい。クロックの
周波数が極めて高いことにより、簡単なコイルで十分に
所望のローパス効果を達成することができる。

【００４５】このような単位フィルタＦ１〜Ｆｎを通過
したとき、単位アンプＡ１〜Ａｎのパルス列出力信号
は、ローパスフィルタの平均化作用により例えば図６に
示すようにパルス密度に比例した瞬時値を有するアナロ
グ電圧となる。

【００４６】パルス密度はΔ−Σ変換により駆動基準信
号の瞬時値を表しているから、それを平均してアナログ
化することにより駆動基準信号がアナログ電圧として再
生される。すなわち、駆動基準信号を電力増幅したアナ
ログ電圧が得られる。

【００４７】超音波振動子１２１〜１２ｎはこのような
駆動信号で駆動されてそれぞれ超音波を送波する。駆動
信号間に遅延回路１３３による時間差が付されているこ
とにより超音波送波はビームフォーミングを伴って行わ
れる。

【００４８】このようにして、超音波振動子１２１〜１
２ｎの駆動は、駆動基準信号をリニア増幅したアナログ
駆動信号によって行われる。しかも、リニア増幅は、Δ
−Σ変換によってパルス密度信号化された信号をスイッ
チングにより電力増幅し、それを低域濾波することによ
って行うので、電力効率の良い増幅が行える。

【００４９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、課題を解決
するための第１の発明によれば、駆動基準信号をΔ−Σ
変換してスイッチング増幅し、それを低域濾波した信号
で超音波振動子を駆動するようにしたので、リニア性と
電力効率を両立させた超音波振動子駆動方法を実現する
ことができる。

【００５０】また、課題を解決するための第２の発明に
よれば、駆動基準信号をΔ−Σ変換してスイッチング増
幅し、それを低域濾波した信号で超音波振動子を駆動す
るようにしたので、リニア性と電力効率を両立させた超
音波振動子駆動装置を実現することができる。

【００５１】また、課題を解決するための第３の発明に
よれば、駆動基準信号をΔ−Σ変換して複数のΔ−Σ変
換信号を並列的に形成し、それらの信号を個々に遅延お
よびスイッチング増幅しかつ低域濾波した信号で複数の
超音波振動子をぞれぞれ駆動するようにしたので、超音
波振動子駆動のリニア性と電力効率を両立させた超音波
撮像装置を実現することができる。また、個々の遅延量
を調節することによって超音波送波のビームフォーミン
グが行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置における駆動
基準信号の一例の波形図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置におけるΔ−
Σ変換の説明図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の装置におけるスイ
ッチングアンプの回路図である。

【図６】本発明の実施の形態の一例の装置における低域
濾波の説明図である。

【符号の説明】

１１ 超音波プローブ １１１ 支持部材 １２，１２１〜１２ｎ 超音波振動子 １３ 送信部 １４ 受信部 １５ 送受切換部 １６ 制御部 １７ 画像生成部 １８ 表示部 ２０ 駆動信号 ２１ 正面方向 Ｒ 超音波ビーム １３１ 駆動信号メモリ １３２ Δ−Σ変換器 １３３ 遅延回路 １３４ スイッチングアンプ １３５ フィルタ ＤＬ１〜ＤＬｎ 単位遅延回路 Ａ１〜Ａｎ 単位アンプ Ｆ１〜Ｆｎ 単位フィルタ Ｑ１，Ｑ２ ＦＥＴ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−185457（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−63457（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−14928（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−273654（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−227034（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 8/00 - 8/15

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動基準信号をΔ−Σ変換し、Δ−Σ変
   換後の信号をスイッチング増幅し、スイッチング増幅後
   の信号を低域濾波し、低域濾波後の信号で超音波振動子
   を駆動することを特徴とする超音波振動子駆動方法。
2. 【請求項２】 駆動基準信号をΔ−Σ変換するΔ−Σ変
   換手段と、Δ−Σ変換後の信号をスイッチング増幅する
   スイッチング増幅手段と、スイッチング増幅後の信号を
   低域濾波して超音波振動子に印加する低域濾波手段とを
   具備することを特徴とする超音波振動子駆動装置。
3. 【請求項３】 超音波送受波の開口を形成する複数の超
   音波振動子を有する超音波探触子と、前記超音波探触子
   を駆動して被検音場に超音波ビームを送波させる駆動手
   段と、前記超音波探触子が受波した超音波エコーに基づ
   いて画像を生成する画像生成手段とを備えた超音波撮像
   装置であって、前記駆動手段は、駆動基準信号をΔ−Σ
   変換して複数の信号を並列的に形成するΔ−Σ変換手段
   と、Δ−Σ変換後の複数の信号を個々に遅延する遅延手
   段と、遅延後の複数の信号を個々にスイッチング増幅す
   るスイッチング増幅手段と、スイッチング増幅後の複数
   の信号を個々に低域濾波して前記複数の超音波振動子に
   それぞれ印加する低域濾波手段とを具備することを特徴
   とする超音波撮像装置。