JP3573879B2

JP3573879B2 - 分散型デルタ−シグマ・アナログ−ディジタル変換装置

Info

Publication number: JP3573879B2
Application number: JP21179796A
Authority: JP
Inventors: ジェラム・ジョンソン・ティエマン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2016-08-12
Also published as: EP0762657A2; EP0762657B1; JPH09133768A; DE69615973D1; US5565867A; EP0762657A3; DE69615973T2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、イメージング・システム用のデルタ−シグマ・アナログ−ディジタル変換装置に関し、更に詳しくは、超音波イメージング・システムのアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換装置をセンサまたはトランスデューサ・プローブ内に配置される部分と信号処理装置またはイメージング・コンソール内に配置される他の部分とに区分けす装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波イメージング・システムは、超音波ビームのステァリング（方向決め）およびフォーカシング（焦点合わせ）を行うために手持ち式プローブ内に配置された大きな超音波トランスデューサ・アレイ（配列体）を必要とする。手持ち式プローブは患者の肌に接触して置かれ、オペレータによって自由に操作できなければならない。各トランスデューサは被検体から高周波信号を受信して、この高周波信号を信号処理のためにホスト電子システムまたはイメージング・コンソールに伝送しなければならない。
【０００３】
プローブの制約、すなわち多数のトランスデューサを有することに伴う操縦性の容易さのために、プローブをコンソールに接続するケーブルが小さくて柔軟であり、更にプローブ内で消費される全電力ができる限り小さく維持されることが必要である。
同時に、センサの出力信号をその処理前にディジタル形式に変換することが有利である。このためには、センサ位置における消費電力を最低とするアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換装置のアーキテクチャが必要になる。
【０００４】
更に、正確なビーム形成を達成し得るためのトランスデューサ要素の各々からの信号のダイナミック・レンジおよび正確さの保存について制約がある。しかしながら、レーダ、ソーナーおよび超音波システムのような能動イメージング・システムは非常に大きなダイナミック・レンジを必要とする。これは、近くの対象物からの反射が遠くの対象物からの反射よりも一般に振幅が非常に大きいからである。上述した種々の制約は、プローブが１００個以上のトランスデューサを有している場合には、適合できない。
【０００５】
上述したことに鑑みて、プローブ・ヘッドにおける消費電力を小さくし、小さく柔軟なケーブル内を近接して伝達される多数の信号の正確さおよびダイナミック・レンジを保持するようなＡ／Ｄ変換装置の構成が要望されている。
また、比較的低いダイナミック・レンジを有する光学的リンクを使用して、消費電力のほとんどすべてが光学的リンクの遠端部で生じるようにしながら、きわどい構成部品の整合を必要としないようなＡ／Ｄ変換装置の構成も要望されている。
【０００６】
更に、信号源のダイナミック・レンジがセンサに通じる信号伝達リンクのダイナミック・レンジよりも実質的に大きくなるようなＡ／Ｄ変換装置の構成も要望されている。
【０００７】
【発明の概要】
要約すると、本発明に従った好適な超音波イメージング・システムは、センサまたはトランスデューサ・プローブと、信号処理装置またはイメージング・コンソールとを含む。また、公知のデルタ−シグマＡ／Ｄ変換装置のようなＡ／Ｄ変換装置が設けられて、従来の上述した問題を克服するためにプローブ・ヘッドと信号処理装置との間に選択的に区分けされる。更に、本発明のＡ／Ｄ変換装置の構成は、イメージング・システムの２つの部分の間を通過させるアナログ信号を高精度にすることを必要とせず、２つの部分を比較的低いダイナミック・レンジの光ファイバのリンクで互いに容易に連結することができる。
【０００８】
本発明の超音波イメージング・システムは、超音波プローブと、イメージング・コンソールと、プローブをコンソールに連結する一対の光ファイバ・ケーブルとを有する。プローブは、アナログ入力信号を受信して積分アナログ出力信号を発生する積分器と、積分アナログ出力信号に応答して、積分アナログ出力信号を第１の光ビームに変換する第１の光源と、積分器の入力への基準電圧を制御して印加する回路とを有する。コンソールは、第１の光ビームを第１の光ファイバ・ケーブルを介して受信して、第１の光ビームをアナログ電気信号に変換する第１の光検出器と、第１の光検出器に結合されて、第１の光検出器から供給されるアナログ電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、ディジタル信号に応答する第２および第３の光源を含む帰還ループとを有する。第２および第３の光源は、積分器に供給される基準電圧を制御するために対応する第２および第３の光ファィバ・ケーブルに光学的に結合される。
【０００９】
積分器の入力への基準電圧を制御して印加する回路は、本発明の一実施態様においては、正および負の電源にそれぞれ接続された第１および第２の光導電スイッチを含み、また他の実施態様では、正および負の電源にそれぞれ接続された光導電スイッチおよび抵抗を含む。
本発明の新規な特徴は特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明はその他の目的および利点とともに添付図面を参照した以下の説明からより良く理解することができよう。
【００１０】
【発明の詳しい説明】
図１は、本発明による分散型Ａ／Ｄ変換装置１０を示している。本発明が公知のデルタ−シグマＡ／Ｄ変換装置の構成を利用できることは当業者に理解されよう。更に、従来の任意のノイズ整形ループを利用することもできるが、図および説明の簡単化のために一次（単一積分器）デルタ−シグマＡ／Ｄ変換装置の構成を図示している。しかしながら、本発明の実施においては任意の次数のデルタ−シグマ変換装置の構成を使用することができる。
【００１１】
図１は、システムの基本的構成を示しており、プローブ・ヘッド４内の構成要素は積分器２０、変調可能な光源（３０）すなわち適度な正確さの電気光学的変調器、正確な基準電圧±Ｖ_Ｒ、および光導電スイッチ９０，９２のような１つ以上の光作動スイッチである。図１に示されている残りの構成要素、すなわちＡ／Ｄ変換器、別の光発生手段（８２，８６）、ディジタル・フィルタ６０およびデシメータ（ｄｅｃｉｍａｔｏｒ）７０は、すべてイメージング・コンソール６内に設けられている。
【００１２】
図１に示すように、プローブ・ヘッド４は、コンデンサ２４が並列に結合された演算増幅器２２からなるアナログ積分器２０を有する。アナログ積分器は、入力信号の平均と、以下に説明する帰還ループから受信したディジタル・ビット信号の平均とを平衡させる。
積分器からの積分アナログ出力信号は、発光ダイオード（ＬＥＤ）３０のような光源に供給される。ＬＥＤ３０は積分アナログ出力信号を光ビームに変換し、この光ビームは光ファイバ・リンク３２を通ってイメージング・コンソール６内の光応答検出器４０に供給される。検出器４０は光ビームを元のアナログ電気信号に変換する。適当な光応答検出器４０は例えばフォトダイオードまたは他の同等な光検知素子である。
【００１３】
比較器５０のようなＡ／Ｄ変換器が、光応答検出器４０からのアナログ電気信号を受信し、該アナログ電気信号をディジタル信号に変換する。オーバーサンプル補間（すなわち、デルタ−シグマ）変調を使用し、それに続いてディジタル・ローパス・フィルタ処理およびデシメーション処理を使用することにより、低分解能の部品で高分解能のアナログからディジタルへの信号変換を達成することができる。「オーバーサンプリング」はナイキスト・レート（Ｎｙｑｕｉｓｔｒａｔｅ）よりも何倍も大きいレートでの変調器の動作を意味し、「デシメーション」はサンプルの周期的な削除によるクロック・レートの低減を意味する。
【００１４】
ディジタル・フィルタ６０は、信号の帯域幅以上の高い周波数の量子化ノイズを濾波するようにＡ／Ｄ変換器（５０）のディジタル出力信号を受けて濾波する。デシメータ７０はディジタル・フィルタ６０の濾波されたディジタル出力信号を受けて、この濾波されたディジタル出力信号を圧縮されたレートでサンプリングする。
【００１５】
デルタ−シグマＡ／Ｄ変換装置は、典型的には適度の分解能の内部Ａ／Ｄ変換器および相補型ディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器を帰還ループで使用する。帰還ループは内部Ａ／Ｄ変換器によって得られる高速動作に調和してデルタ−シグマＡ／Ｄ変換装置の精度を増大する。理論的には、Ｄ／Ａ変換器によって生じる直線性または分解能のエラーが入力信号に実効的に加えられて、減衰せずに内部Ａ／Ｄ変換器の出力に現れる。
【００１６】
図１は、光ファイバ・リンク８４および８８を介してプローブ・ヘッド内の２つの光導電スイッチ９０および９２（これは１ビットＤ／Ａ変換器として作用する）に光学的に結合された比較器５０（これは内部の１ビットＡ／Ｄ変換器として作用する）を有する帰還ループを示している。より広い帯域幅を得るために、多重ビットのＤ／Ａ変換器および内部Ａ／Ｄ変換器を使用することができ、これらも本発明の範囲内にある。正の基準電圧（Ｖ_Ｒ）および負の基準電圧（−Ｖ_Ｒ）がそれぞれ光導電スイッチ９０および９２を介して積分器２０の入力に結合され、光電スイッチは積分器への基準電圧信号の供給を制御する。
【００１７】
イメージング・コンソール６内の発光ダイオード（ＬＥＤ）８２または他の同等な光発生手段が比較器５０からのディジタル信号を受信して、光ファイバ・リンク８４を介してプローブ・ヘッド４内の光導電スイッチ９０に伝達するための光ビームを発生する。また、イメージング・コンソール内の他の発光ダイオード（ＬＥＤ）８６または他の同等な光発生手段が比較器５０からのディジタル出力信号を受信して、光ファイバ・リンク８８を介してプローブ・ヘッド４内の光導電スイッチ９２に伝達するための光ビームを発生する。
【００１８】
光導電スイッチ９０が作動されたとき、正の基準電圧Ｖ_Ｒが積分器２０の加算ノード２１に供給される。また光導電スイッチ９２が作動されたとき、負の基準電圧−Ｖ_Ｒが積分器２０の加算ノード２１に供給される。これらの光導電スイッチはインバータ８０によって制御される。このインバータは帰還路のＬＥＤ８２および８６の一方または他方が暗くなる時を制御している。
【００１９】
従って、図１に示す実施例では、帰還ループは比較器５０のディジタル出力信号を２本の光ファイバ・リンクを介して、一方は積分コンデンサ２４を増大させまた他方は積分コンデンサ２４を低減させるように、積分器２０に伝達する。
基準電圧が帰還ループの遠端部で発生され、またファイバ光信号が光導電スイッチを作動するためにのみ使用されるので、光ファイバ・リンクの使用により精度の不利益は受けない。実際、光導電スイッチ９０および９２の精度は従来の１ビットＤ／Ａ変換器の精度よりも改良されている。これは光ファイバを介した漂遊信号の混入がないからである。
【００２０】
アナログ積分器２０は、入力信号の平均と帰還ループから受信したディジタル信号の平均を平衡させる。これらの平均が等しくないときには、積分器の出力信号がその公称値から変化し、Ａ／Ｄ変換器（５０）はこの変化を検出しなければならない。しかしながら、どのようなエラーもその後に補正されるので、過渡的な不一致および積分器出力ノイズはデルタ−シグマＡ／Ｄ変換装置の全体的性能に対してほとんど影響を及ぼさない。
【００２１】
同じ理由により、ＬＥＤおよびフォトダイオードに関連する光子ノイズおよび積分器２０の出力と比較器５０の入力との間の光学的リンクの端から端までの非線形性もまた影響がほとんどない。光学的リンクによって得られるダイナミック・レンジが比較的低いにも関わらず、図１の回路構成は、アナログ信号入力部とディジタル帰還信号受信部との間に電気的接続を使用した場合と同じくらい大きなダイナミック・レンジを有する。
【００２２】
図２に示す別の実施例では、一方の基準電圧、例えば−Ｖ_Ｒを抵抗１２２を介して積分器２０の加算ノード１２１に接続し、抵抗１２２の抵抗値よりもかなり低い抵抗値のオン抵抗を有する単一の光導電素子１９０を使用して、他方の基準電圧、例えばＶ_Ｒに接続することにより、Ｄ／Ａ帰還ループ内のファイバの数がは２本から１本に低減される。これらの基準電圧は、Ｖ_Ｒが加算ノード１２１に接続され、−Ｖ_Ｒが光導電体１９０に接続されるというように逆にすることができることを理解されたい。
【００２３】
従って、図２の実施例では、帰還路の単一のＬＥＤ８２が点灯していないときは、第１の基準電圧（図２に示す−Ｖ_Ｒ）が帰還電圧として加算ノード１２１に印加され、ＬＥＤ８２が点灯して光導電素子が照明されているときには、第２の基準電圧（図に示すＶ_Ｒ）が帰還電圧として加算ノード１２１に印加される。
図３に示すような本発明の更に他の実施例では、積分用演算増幅器２２の出力の所に、図１および図２の実施例に示すようなプローブ４内のＬＥＤ３０の代わりに容量性電気光学変調器２３０を使用して、コンソール６内の光源３１から発生された光ビームを変調するようにしている。変調器２３０は図１および図２に示した実施例のＬＥＤ３０の代わりに使用することができる。これは、ＬＥＤ３０が通常必要とする電力をプローブから除去できるという利点がある。更に、変調器の静電容量はオペアンプ２２の負荷（既に容量性である）の一部になるので、不利益にならない。
【００２４】
本発明の好適な特定の特徴のみ図示し説明したが、当業者には多くの変更および変形が可能であろう。従って、特許請求の範囲は本発明の真の趣旨の中に入るこのような全て変更および変形を包含するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による分散型Ａ／Ｄ変換装置構成を有するＡ／Ｄ変換装置システムの概略回路図である。
【図２】本発明による別の実施例の分散型Ａ／Ｄ変換装置の構成を示す概略回路図である。
【図３】本発明による更に別の実施例の分散型Ａ／Ｄ変換装置の構成を示す概略回路図である。
【符号の説明】
４プローブ・ヘッド
６イメージング・コンソール
１０分散型Ａ／Ｄ変換装置
２０積分器
２２演算増幅器
３０発光ダイオード
３２、８４、８８光ファイバ・リンク
４０光応答検出器
５０比較器
６０ディジタル・フィルタ
７０デシメータ
８０インバータ
８２、８６発光ダイオード
９０、９２光導電スイッチ
２３０容量性電気光学変調器

Claims

アナログ入力信号を受信して、該信号に応じた積分アナログ出力信号を発生する積分手段、前記積分アナログ出力信号に応答して、該積分アナログ出力信号を第１の光ビームに変換する第１の光発生手段、および複数の基準電圧を前記積分手段の入力加算ノードに結合する基準電圧結合手段を有する超音波プローブと、
複数の光ファイバ・ケーブルと、
前記複数の光ファイバ・ケーブルにより前記プローブに光学的に連結されているイメージング・コンソールであって、前記複数の光ファイバ・ケーブルの内の第１の光ファイバ・ケーブルを介して前記第１の光ビームを受信して、該第１の光ビームをアナログ電気信号に変換する第１の光応答手段、前記第１の光応答手段に結合されていて、前記アナログ電気信号をディジタル信号に変換する内部アナログ−ディジタル変換器、および前記ディジタル信号に応答し、前記積分手段の前記入力加算ノードへの前記複数の基準電圧の印加を制御するために前記複数の光ファイバ・ケーブルの内の第２および第３の光ファイバ・ケーブルにそれぞれ光学的に結合されている第２および第３の光発生手段を有するイメージング・コンソールと
を含んでいる分散型デルタ−シグマ・アナログ−ディジタル変換装置。
前記基準電圧結合手段が、前記積分手段の前記入力加算ノードに結合されていて、前記第２および第３の光発生手段にそれぞれ応答して、正または負の基準電圧を前記入力加算ノードに選択的に印加する第１および第２の光導電スイッチを含んでいる請求項１記載の分散型デルタ−シグマ・アナログ−ディジタル変換装置。
アナログ入力信号を受信して、該信号に応じて積分アナログ出力信号を発生する積分手段、前記積分アナログ出力信号に応答して、該積分アナログ出力信号を第１の光ビームに変換する第１の光発生手段、および複数の基準電圧を前記積分手段の入力加算ノードに結合する手段を有する超音波プローブと、
第１および第２の光ファイバ・ケーブルと、
前記第１および第２の光ファイバ・ケーブルにより前記プローブに光学的に連結されているイメージング・コンソールであって、前記第１の光ファイバ・ケーブルを介して前記第１の光ビームを受信して、該第１の光ビームをアナログ電気信号に変換する第１の光応答手段、前記第１の光応答手段に結合されていて、前記アナログ電気信号をディジタル信号に変換する内部アナログ−ディジタル変換器、および前記ディジタル信号に応答し、前記積分手段の前記入力加算ノードへの前記複数の基準電圧の印加を制御するために前記第２の光ファイバ・ケーブルに結合されている第２の光発生手段を有するイメージング・コンソールと
を含んでいる分散型デルタ−シグマ・アナログ−ディジタル変換装置。
前記第１の光発生手段が前記イメージング・コンソールからの光ビームを変調する容量性電気光学変調器を有し、前記第２の光発生手段が発光ダイオードを有している請求項３記載の分散型デルタ−シグマ・アナログ−ディジタル変換装置。