JP3897991B2 - 超音波診断装置用送信回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に用いられる超音波診断装置用送信回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動子を電気信号で駆動して超音波を発生し、被検体内で反射した信号を前記振動子により電気信号に変換し、信号処理を行ない、表示する超音波診断装置の原理はすでに公知のものとなっている。
【０００３】
送信回路は、高耐圧ＦＥＴスイッチを用い、振動子に与える電圧を切り換えるものが一般的である。
図１６は、送信回路のブロック図の一例である。送信回路は、電気信号−超音波信号の相互変換を行う振動子１、スイッチ２、３、スイッチ２、３のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御回路４、および電源１４によって構成される。
【０００４】
図１７に、図１６に示した送信回路の動作タイミング図を示す。図１７において、図１６に示したスイッチ２に出力される制御信号を記号Ａで引用する。この制御信号において、ハイはＯＮである（以下同様）。この制御信号Ａによって、スイッチ２の切換タイミングが示される。同様に、スイッチ３の制御信号は記号Ｃで引用され、この制御信号Ｃによってスイッチ３の切換タイミングが示される。送信回路の出力信号は記号Ｅによって引用され、スイッチ２およびスイッチ３の切換により得られる出力信号の波形が示される。
【０００５】
図１７では、繰返し時間Ｔで送信が繰り返される。時刻ｔ００において、まず、スイッチ２の制御信号Ａがハイになり、図１６のスイッチ２がＯＮになり、振動子１には、＋ＢＶの電圧が伝わる。次に、時刻ｔ０１において、スイッチ２の制御信号Ａはロー（スイッチ２がＯＦＦ）になり、スイッチ３の制御信号Ｃがハイ（スイッチ３がＯＮ）となり、振動子１の端子電圧は急速に０に引き落とされる。
【０００６】
このような動作により、振動子１にはユニポーラのパルスが伝えられる。なお、スイッチ３の制御信号は、記号Ｃ２で引用される信号によるものであってもよい。この場合、スイッチ３は、ｔ０１−ｔ０２間でＯＮ、その後はＯＦＦとなる。ｔ０２から次の送信パルスの開始時刻であるｔ１０までの間、振動子１の負荷が軽くなるため、受信信号をロスすることがないというメリットがある。
【０００７】
図１８に、バイポーラの送信波形を発生する送信回路の一例を示す。この回路は、図１６に示した回路と比較してスイッチ３の一端がマイナス電源に接続されている点で異なる。
図１９に、図１８に示した送信回路の動作タイミング図を示す。スイッチ２の制御信号は記号Ａで、スイッチ３の制御信号は記号Ｃで、出力信号は記号Ｅで引用される。ｔ００−ｔ０１間でスイッチ２がＯＮ、ｔ０１−ｔ０２間でスイッチ３がＯＮすることで、バイポーラ波形の信号が発生する。
【０００８】
図２０は、トランスを用いた送信回路の一例である。送信回路は、電気信号−超音波信号の相互変換を行う振動子１、スイッチ５、６、スイッチ５、６のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御回路４、トランス７、および電源１４によって構成される。
トランス７は、１次側のセンタータップに＋ＢＶが引加されており、スイッチ５ないし６がＯＮすると、１次側の巻線に電流が流れ２次側に誘導し、振動子１に電圧が加えられる。
【０００９】
図２１に、図２０に示した送信回路の動作タイミング図を示す。スイッチ５の制御信号は記号Ａで、スイッチ６の制御信号は記号Ｃで、出力信号または波形は記号Ｅで引用される。
ｔ００−ｔ０１間でスイッチ５がＯＮし、ｔ０１−ｔ０２間でスイッチ５がＯＦＦし、スイッチ６がＯＮする。スイッチ５がＯＮしたときとスイッチ６がＯＮしたときでは、１次側を流れる電流の向きが逆になるため、２次側に発生する電圧の向きが逆になる。その結果、記号Ｅに示すようなバイポーラのパルスが発生する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の送信回路では、以下に示すようないくつかの問題があった。
従来の送信回路では、出力の送信パルスに高調波を含むという問題がある。
最近の超音波診断装置では、被検体内、あるいは被検体内に注入された造影剤で発生する高調波エコーを検出して信号処理を行う機能があり、送信回路に含まれる高調波は、この機能の使用時に画質を劣化させる要因となる。図２２にユニポーラパルスの基本波と高調波、図２３にバイポーラパルスの基本波と高調波を示す。それぞれにおいてＦが基本波、Ｈ２が２次高調波、Ｈ３が３次高調波である。
【００１１】
また、従来のバイポーラパルス発生回路では、両方のスイッチがＯＦＦとなった後、振動子の出力端のインピーダンスが高くなることにより、図２４に示すように電圧減衰に時間がかかり（以下、この現象を「尾引き」という）、送信波形の時間長が長くなり、深さ方向の分解能が損なわれるという問題がある。
【００１２】
また、診断装置における信号処理モードを異なる信号処理モードに高速で切り換えるには送信電圧を高速で切り換える必要があるが、従来の装置では、その実現には大規模な回路を必要とし、また、多くの電力を消費してしまうという問題がある。
【００１３】
また、近年のプリアンプを内蔵した探触子を用いる診断装置では、プリアンプに適合する信号がユニポーラであったりバイポーラであったりして統一されておらず、例えば、ユニポーラ用のプリアンプを内蔵した探触子をバイポーラの送信回路で駆動してプリアンプを破壊してしまうなどの問題があった。
【００１４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、送信回路で発生する送信信号の高調波成分を低減することができ、バイポーラ駆動の送信回路での尾引きを減少することができ、大規模な回路や大きな消費電力を必要とすることなく異なる信号処理モードに高速で切り換えることができ、また、ユニポーラ、バイポーラのいずれの特性の探触子にも適応することができる送信回路を実現し、画質の優れた使い勝手のよい超音波診断装置用送信回路を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
また、本発明の超音波診断装置用送信回路は、複数のパルスからなるパルス列の中心パルスから両端のパルスに向かう程、各パルスのデューティが小さくなる前記パルス列を振動子駆動用パルスとして出力することで送信パルスの包絡線形状の立ち上がり立ち下がりにおける高い周波数成分の発生を抑えた構成を有している。この構成により、発生する送信パルス列中の中心に近いほどデューティを高くすることにより、従来例の送信回路からの出力信号の波形に比べて高調波成分が少ない波形の出力信号を発生することができるため、生体内あるいは造影剤から発生する高調波を用いて信号処理するモードにおいて、画質の劣化をおさえることができる送信回路を実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の超音波診断装置用送信回路１０００は、超音波の送受信を行う振動子１、ＦＥＴスイッチ等のスイッチ５、６、スイッチ５、６のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御器４、トランス７、および電源１４、１５から構成される。
【００２７】
次に、第１の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路１０００の動作について説明する。本実施の形態の送信回路１０００は、スイッチ５が電源１５を介してグランドに接続されている点が図２０示した従来の送信回路と異なっている。図２に、本実施の形態における、スイッチ５、６の制御のタイミング図を示す。図２において、スイッチ５の制御信号は記号Ａで、スイッチ６の制御信号は記号Ｃで、出力信号は記号Ｅで引用される。
【００２８】
スイッチ６がＯＮしたとき（ｔ０−ｔ１間およびｔ２−ｔ３間）のトランス２次側の出力振幅と、スイッチ５がＯＮしたとき（ｔ１−ｔ２間）の出力振幅とでは、後者のほうが大きい。このため、出力信号Ｅが示す波形の信号が出力される。
【００２９】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態の送信回路は、トランスのセンタータップと一方の端にかかる電圧およびセンタータップと他方の端にかかる電圧を変えることで、従来例の送信回路からの出力信号の波形に比べて高調波成分が少ない波形の出力信号を発生することができるため、生体内あるいは造影剤から発生する高調波を用いて信号処理するモードにおいて、画質の劣化をおさえることができる送信回路を実現することができる。
【００３０】
図３は、本発明の第２の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の一例を示す図である。超音波診断装置用送信回路２０００は、超音波の送受信を行う振動子１、ＦＥＴスイッチ等のスイッチ５、６、スイッチ５、６のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御器４、トランス１６、および電源１４から構成される。トランス１６は、１次側の巻線比がｎ１４：ｎ１３のものである。
【００３１】
以下に、第２の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の動作について説明する。本実施の形態では、トランス１６の１次側の巻線比がｎ１４：ｎ１３である点で、図２０に示す従来例と異なっている。ここで、ｎ１３＞ｎ１４である。スイッチ５、６の動作タイミングは、本発明の第１の実施の形態における図２に示すものと同様である。スイッチ６、スイッチ５、スイッチ６の順番にＯＮするが、巻線比の関係からスイッチ５がＯＮしたときの方が２次側に発生する電圧が高くなり、結果として本発明の第１の実施の形態における出力信号の波形と同様な波形の出力信号が得られる。
【００３２】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態の送信回路は、トランスのセンタータップから一方の端までの巻数と、センタータップから他方の端までの巻数とを変えることで、従来例の送信回路からの出力信号の波形に比べて高調波成分が少ない波形の出力信号を発生することができるため、生体内あるいは造影剤から発生する高調波を用いて信号処理するモードにおいて、画質の劣化をおさえることができる送信回路を実現することができる。
【００３３】
図４は、本発明の第３の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の一例を示す図である。超音波診断装置用送信回路３０００は、超音波の送受信を行う振動子１、ＦＥＴスイッチ等のスイッチ９−１２、スイッチ９−１２のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御器１３、トランス８、および電源１４から構成される。なお、トランス８の１次側に複数の中間タップを有する。
【００３４】
図５に、第３の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路におけるスイッチ９−１２のＯＮ−ＯＦＦに関するタイミング図を示す。スイッチ９−１２には、それぞれ、制御器１３から制御信号Ａ−Ｄが出力される。トランス８の２次側には記号Ｅで引用される波形の出力信号が生成される。中間タップから、スイッチ１０、１１に接続されているタップまでの巻線数は、スイッチ９、１２に接続されているタップまでの巻線数に比べて少ない。そのため、スイッチ１０、１１がＯＮしたときには２次側に発生する電圧の振幅は大きくなる。その結果、図４に示したような制御順序によりスイッチ９−１２をＯＮ−ＯＦＦすることにより、記号Ｅで引用される信号のようなパルス信号が発生し、このパルス信号は従来例に比べて高調波の発生が少ない。
【００３５】
以上説明したように、本発明の第３の実施の形態の送信回路は、トランスの１次側に複数の中間タップを設け、これらにスイッチを接続し制御することで、従来例の送信回路からの出力信号の波形に比べて高調波成分が少ない波形の出力信号を発生することができるため、生体内あるいは造影剤から発生する高調波を用いて信号処理するモードにおいて、画質の劣化をおさえることができる送信回路を実現することができる。
【００３６】
図６は、本発明の第４の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路におけるスイッチのＯＮ−ＯＦＦ動作を示すタイミング図である。本実施の形態の送信回路の構成は、図１６に示すものと同様の回路構成を有する送信回路である。
本実施の形態においては、制御器４から複数種類のパルスからなるパルス列を発生し、各パルスのデューティを少しずつ変化させる。このパルス列中の時間的に中心に近いパルス程、ＯＮの時間が長くなるようにデューティを高くする。
【００３７】
以上説明したように、本発明の第４の実施の形態の送信回路は、発生する送信パルス列中の中心に近いほどデューティを高くすることにより、従来例の送信回路からの出力信号の波形に比べて高調波成分が少ない波形の出力信号を発生することができるため、生体内あるいは造影剤から発生する高調波を用いて信号処理するモードにおいて、画質の劣化をおさえることができる送信回路を実現することができる。
【００３８】
図７は、本発明の第５の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路におけるスイッチのＯＮ−ＯＦＦ動作を示すタイミング図である。本実施の形態の送信回路の構成は、図１８または図２０に示すものと同様の回路構成を有する送信回路である。
【００３９】
本実施の形態においては、スイッチ６がＯＦＦに切り替わった直後の短い時間Δｔだけスイッチ５をＯＮする。これによって、図２４に示したような過渡現象による尾引きをキャンセルし、防ぐことができる。なお、Δｔの長さは過渡現象が最小になるように調整される。
【００４０】
以上説明したように、本発明の第５の実施の形態の送信回路は、パルス信号発生直後のわずかな時間にそれまでＯＮしていたスイッチと反対側のスイッチをＯＮすることで、短パルスを用いて出力波形の尾引きをキャンセルすることができるため、送信信号の時間長を短くすることが可能な送信回路を実現することができる。
【００４１】
図８は、本発明の第６の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路におけるスイッチのＯＮ−ＯＦＦ動作を示すタイミング図である。本実施の形態の送信回路の構成は、図１８または図２０に示すものと同様の回路構成を有する送信回路である。
【００４２】
本実施の形態においては、スイッチ６がＯＦＦに切り替わる直前の短い時間Δｔだけスイッチ５がＯＮする。これによって、図２４に示したような過渡現象による尾引きをキャンセルし、防ぐことができる。なお、Δｔの長さは過渡現象が最小になるように調整される。
【００４３】
以上説明したように、本発明の第６の実施の形態の送信回路は、短パルスを用いて出力波形の尾引きをキャンセルすることができるため、送信信号の時間長を短くすることが可能な送信回路を実現することができる。
【００４４】
図９は、本発明の第７の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の一例を示す図である。超音波診断装置用送信回路７０００は、超音波の送受信を行う振動子１、ＦＥＴスイッチ等のスイッチ５、６、１９、スイッチ５、６、１９のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御器４、トランス７、および電源１４、２０、から構成される。
【００４５】
本実施の形態の送信回路７０００は、図２０に示す従来例の送信回路と比較して、スイッチ１９が増え、電源２０を介してグランドに接続されている点で相違する。
図１０に、本実施の形態におけるスイッチ５、６、１９の制御タイミングの図を示す。スイッチ５、６、１９には、それぞれ、制御器４から制御信号Ａ−Ｃが出力される。
【００４６】
本実施の形態では、従来例と同様にスイッチ５、６がＯＮしたのち、スイッチ１９がＯＮする。電源２０の電圧と電源１４の電圧は、ほとんど同じ値に設定される。このため、スイッチ１９がＯＮしたときにはトランス７の１次側にはほとんど電流が流れず、かつ、短絡した状態に近くなるため、図１０に示した過渡現象による波形成分Ｚはトランス７の１次側に吸収され、解消される。
【００４７】
以上説明したように、本発明の第７の実施の形態の送信回路は、出力波形の尾引きがトランスの１次側に吸収されるため、送信信号の時間長を短くすることが可能な送信回路を実現することができる。
【００４８】
図１１は、本発明の第８の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の一例を示す図である。超音波診断装置用送信回路８０００は、超音波の送受信を行う振動子１、ＦＥＴスイッチ等のスイッチ５、６、スイッチ５、６のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御器４、トランス７、および電源１４、１７から構成される。
【００４９】
本実施の形態の送信回路８０００は、第１の実施の形態における図１に示す送信回路１０００に類似しているが、図からわかるように、図１に示した電源１５と図１１に示した電源１７とでは極性が異なる。したがって、図１に示した送信回路１０００では、電源１５により出力信号の振幅が増加するのに対し、本実施の形態の図１１に示した送信回路８０００では小さくなる方向に働く。また、以下に述べるように動作も異なる。
【００５０】
超音波診断装置ではさまざまな信号処理モードがあり、波数の少ないパルスを用いるものもあれば、波数を多くあるいは連続波を用いるものもある。生体内に放射される超音波の強度は規格により規制されており、波数を多くあるいは連続波にした場合はそれだけ小さい振幅で送信する必要がある。本実施の形態は、この点を鑑みたものであり、図１２のタイミング図に示すように、波数の少ない場合はスイッチ６を制御信号Ａのように制御し、出力信号Ｅのような振幅の大きな波形の送信パルスを発生する。波数の多いあるいは連続波の場合にはスイッチ５を制御信号Ａ’のように制御し、出力信号Ｅ’のような振幅の小さい波形の信号を送信する。
【００５１】
以上説明したように、本発明の第８の実施の形態の送信回路は、トランスのセンタータップと一方の端にかかる電圧とセンタータップと他方の端にかかる電圧を変えることで、大振幅の送信と小振幅の送信を少ない回路規模で高速に切り換えることが可能な送信回路を実現することができる。
【００５２】
図１３は、本発明の第９の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の一例を示す図である。超音波診断装置用送信回路９０００は、超音波の送受信を行う振動子１、ＦＥＴスイッチ等のスイッチ５、６、スイッチ５、６のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御器４、トランス１６、および電源１４から構成される。ここでトランス１６は、１次側の巻線がｎ１１：ｎ１２であり、かつ、ｎ１１＞＞ｎ１２である。
【００５３】
以上説明したように、本発明の第９の実施の形態の送信回路は、大振幅の信号を取り出す場合はスイッチ６を用い、小振幅の信号を用いる場合にはスイッチ５を用いることで、大振幅信号の送信と小振幅信号の送信を、少ない回路規模で高速に切り換えることが可能な送信回路を実現することができる。
【００５４】
図１４は、本発明の第１０の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路におけるスイッチのＯＮ−ＯＦＦ動作を示すタイミング図である。本実施の形態の送信回路の構成は、本発明の第３の実施の形態における図４に示すものと同様の回路構成を有する送信回路である。
【００５５】
本実施の形態においては、大振幅の信号を必要とするときには、スイッチ１０および１１を、小振幅の信号を必要とするときにはスイッチ９および１２を用いて送信パルスを発生させる。スイッチ９−１２にはそれぞれ、制御器４から制御信号Ａ−Ｄが出力される。大振幅の送信パルスを発生させるときの例がｔ００−ｔ０２間におけるパルスであり、小振幅の送信パルスを発生させるときの例がｔ１０−ｔ１６間におけるパルスである。
【００５６】
以上説明したように、本発明の第１０の実施の形態の送信回路は、複数の中間タップにスイッチを設け、信号処理毎に異なるスイッチを使用することで、大振幅の送信と小振幅の送信を少ない回路規模で高速に切り換えることが可能な送信回路を実現することができる。
【００５７】
図１５は、本発明の第１１の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の一例を示す図である。超音波診断装置用送信回路１１０００は、超音波の送受信を行う振動子１、ＦＥＴスイッチ等のスイッチ５、６、スイッチ５、６のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御器４、電源電圧を選択する電源選択スイッチ２１、２２、および電源２３−２５から構成される。
【００５８】
ユニポーラパルスを発生する場合には、電源選択スイッチ２１は電源２４側に、電源選択スイッチ２２はグランド側に切り換えられる。この状態における回路構成は、図１６に示す従来例の送信回路の回路構成と同様である。バイポーラパルスを発生する場合には、電源選択スイッチ２１は電源２３側に、電源選択スイッチ２２は電源２５側に切り換えられる。この状態における回路構成は、図１８における従来例の送信回路の回路構成と同様である。
【００５９】
以上説明したように、本発明の第１１の実施の形態の送信回路１１０００は、スイッチに接続する電源の電圧を切り換えることで、ユニポーラパルスとバイポーラパルスのいずれにも適合可能な送信回路を実現することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、トランスのセンタータップと一方の端にかかる電圧とセンタータップと他方の端にかかる電圧を変えることで、あるいは、トランスのセンタータップから一方の端までの巻数と、センタータップから他方の端までの巻数を変えることで、あるいは、トランス１次側の中間タップを複数設け、これらにスイッチを接続し制御することで、あるいは、スイッチのＯＮするデューティを変化させることで、送信信号波形に含まれる高調波成分を減らし、生体内ないしは造影剤により発生する高調波を用いた信号処理モードにおいて優れた画質を提供することができる送信回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図３】本発明の第２の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図４】本発明の第３の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図６】本発明の第４の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図７】本発明の第５の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図８】本発明の第６の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図９】本発明の第７の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図１０】本発明の第７の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図１１】本発明の第８の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図１２】本発明の第８の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図１３】本発明の第９の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図１４】本発明の第１０の実施の形態の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図１５】本発明の第１１の実施の形態の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図１６】本発明の第１の従来例の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図１７】本発明の第１の従来例の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図１８】本発明の第２の従来例の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図１９】本発明の第２の従来例の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図２０】本発明の第３の従来例の、超音波診断装置用送信回路の構成を示すブロック図
【図２１】本発明の第３の従来例の、スイッチ制御を示すタイミング図
【図２２】ユニポーラパルスの周波数特性の例を示す図
【図２３】バイポーラパルスの周波数特性の例を示す図
【図２４】送信信号の波形における尾引きを示す図
【符号の説明】
１ 振動子
４、１３ 制御器
２、３、５、６、９−１２、１９ スイッチ
７、８、１６ トランス
１４、１５、１７、２０、２３−２５ 電源
２１、２２ 電源選択スイッチ
１０００、２０００、３０００、７０００ 超音波診断装置用送信回路
８０００、９０００、１１０００ 超音波診断装置用送信回路

Claims (1)

1. 複数のパルスからなるパルス列の中心パルスから両端のパルスに向かう程、各パルスのデューティが小さくなる前記パルス列を振動子駆動用パルスとして出力することで送信パルスの包絡線形状の立ち上がり立ち下がりにおける高い周波数成分の発生を抑えたことを特徴とする超音波診断装置用送信回路。

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