JP4041392B2 - 機械走査型超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子が機械的に走査される機械走査型超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次元断層画像あるいは三次元立体画像等の超音波画像を取り込むためには超音波を走査する必要があり、その走査方式として機械走査方式と電子走査方式とが知られている。前者の機械走査方式では、超音波の送受波を行う振動子が走査機構によって周期的に走査される。機械走査方式として、メカニカルセクタ走査（揺動走査）やメカニカルラジアル走査（回転走査）などが知られている。もちろん、機械走査方式と電子走査方式の併用もあり、例えば三次元データ取り込みを行う超音波探触子は、電子走査されるアレイ振動子を機械的に走査することで所望の三次元空間内へ超音波の送受波を行う。
【０００３】
機械走査方式における振動子の走査制御は、振動子の走査位置あるいは走査速度を確認しながら、目標とする走査位置や走査速度との比較に基づいて行われる。つまり、超音波探触子には振動子の現在位置を検出するための位置検出器が設けられ、位置検出器の出力と目標位置との比較に基づいたフィードバック制御が行われる。これにより、振動子を所望の位置に揺動あるいは回転させて、その位置で超音波の送受波が行われる。また、位置制御に加え速度制御を併用する場合、例えば速度制御を併用して均一の速度で振動子を制御したい場合、超音波探触子に振動子の現在速度を検出するための速度検出器をさらに設け、速度検出器の出力と目標速度との比較に基づいてフィードバック制御が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の機械走査方式において位置制御に加え速度制御を併用する場合、位置検出器に加え速度検出器を超音波探触子に設ける必要があり、速度検出器の追加に伴う超音波探触子の大型化やコストアップが問題であった。
【０００５】
そこで本発明は、超音波探触子に速度検出器を設けることなく、振動子の速度制御が可能な機械走査型超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る機械走査型超音波診断装置は、超音波を送受波する振動子と、前記振動子を機械走査する走査機構と、前記振動子の機械走査における現在位置を検出する位置検出器と、を備えた超音波探触子と、前記位置検出器が出力する現在位置信号に基づいて、前記振動子の現在速度を表わす現在速度信号を生成する速度信号生成手段と、前記現在位置信号及び前記現在速度信号に基づいて、前記走査機構に供給する駆動信号を生成して機械走査を制御する走査制御手段と、を有するものとする。
【０００７】
上記構成によれば、速度信号生成手段が現在位置信号に基づいて現在速度信号を生成するため、超音波探触子に位置検出器を設けることで、位置制御と速度制御が可能になる。よって、速度検出器の増設による超音波探触子の大型化やコストアップ等を伴わずに、位置制御と速度制御の併用が可能になる。
【０００８】
望ましくは、前記速度信号生成手段は、前記現在位置信号に基づいて、一定の位置的間隔毎に生成されるパルスから成る位置クロックを生成する位置クロック生成部と、前記位置クロックの周波数を電圧値に変換する周波数電圧変換器と、前記周波数電圧変換器の出力に基づいて、前記現在速度信号を生成する速度信号生成部と、を有するものとする。
【０００９】
望ましくは、前記速度信号生成手段は、前記現在位置信号に基づいて、一定の位置的間隔毎に生成されるパルスから成る位置クロックを生成する位置クロック生成部と、基準クロックを発生する基準クロック発生部と、前記位置クロックのパルス間隔内に前記基準クロックのパルスが何回発生したのかをカウントしてカウント値を出力するカウンタ部と、前記カウンタ部の出力に基づいて、前記現在速度信号を生成する速度信号生成部と、を有するものとする。望ましくは、前記重み係数α及びβは、振動子の重量を様々に変更して得られる速度特性例の複数の取得結果に基づいて決定されることを特徴とする。望ましくは、前記重み係数α及びβの比率が２対１であることを特徴とする。
【００１０】
一定の位置的間隔とは、例えば振動子の揺動の一定位置間隔であり、あるいは、モータの回転の一定角度間隔である。
【００１１】
望ましくは、前記走査制御手段は、目標位置信号と前記現在位置信号との差分に対応した第一補償信号を出力する位置信号比較部と、目標速度信号と前記現在速度信号との差分に対応した第二補償信号を出力する速度信号比較部と、前記第一補償信号及び前記第二補償信号を重み付け加算した駆動制御信号を生成し、この駆動制御信号に基づいて前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を有するものとする。
【００１２】
上記構成によれば、例えば超音波探触子の利用状況に応じて重み付けを変更することにより、位置制御と速度制御のどちらを重視するか、利用状況に応じて適切に設定することができる。
【００１３】
望ましくは、前記重み付けは、前記超音波探触子の種別毎に設定される固有情報とする。
【００１４】
上記構成によれば、超音波探触子に応じて、例えば振動子の重量に応じて適切な重み付けを設定できるため、複数の超音波探触子を交換して利用する場合でも、超音波探触子毎に適切な重み付けを設定して利用できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る機械走査型超音波診断装置における振動子の機械走査制御を説明するための図である。超音波探触子１０は、超音波の送受波を行なう振動子１２と、振動子１２の機械的な走査を行う走査機構であるモータ１４と、振動子１２の現在位置すなわち超音波ビームの方向を検出する位置検出器１６とで構成される。この超音波探触子１０は、例えば生体の体表に当接して使用される三次元データ取り込み用の超音波探触子１０であり、機械走査に加えて電子走査も併用される。つまり、振動子１２としてアレイ振動子が設けられ、このアレイ振動子が電子走査により所定方向（図１の記載面に垂直な方向）に電子走査を行い、さらに図１の矢印１８方向に機械走査を行うことで、三次元空間内での超音波の送受波が可能になる。もちろん、本実施の形態に利用できる超音波探触子１０は三次元データ取り込み用に限定されるものではなく、機械走査のみで二次元データを取り込むものでもよい。さらに、体腔内に挿入して使用される超音波探触子１０でもよい。
【００１７】
速度信号生成手段である速度信号生成回路２０は、位置検出器１６が出力する現在位置信号に基づいて振動子１２の現在速度を算出する。このため、超音波探触子１０に速度検出器を別途設けることなく、現在速度に基づいた機械走査の制御が可能になる。なお、速度信号生成回路２０の内部構成については後に詳述する。
【００１８】
目標位置信号生成部２２及び目標速度信号生成部２４は、入力される制御信号に基づいて振動子の目標位置信号及び目標速度信号をそれぞれ生成する。制御信号の一例は振動子の揺動角度を示す信号であり、例えば機械走査型超音波診断装置内の図示しない他制御回路が出力する。目標位置信号生成部２２は、この揺動角度に相当する振動子１２の揺動位置を算出し、目標位置信号として出力する。
【００１９】
また、目標速度信号生成部２４は、この揺動角度に対応する振動子１２の速度を算出し、目標速度信号として出力する。振動子１２の目標速度は、例えば超音波の送受波を行う揺動位置範囲では一定速度になるように設定され、振動子１２の揺動の折り返し位置の近傍、つまり振動子１２が矢印１８における右方向から左方向へ折り返す位置の近傍、あるいは左方向から右方向へ折り返す位置の近傍では、振動子１２が不要な機械振動を伴わないような速度に設定される。
【００２０】
位置信号比較部２６は、目標位置信号生成部２２が出力する目標位置信号、及び、位置検出器１６が出力する現在位置信号を比較し、両者の差分に基づいて第一補償信号を生成し駆動信号生成部３０に出力する。この第一補償信号はモータ１４の駆動信号に反映され、現在位置が目標位置に近づくようにフィードバック制御が行われる。
【００２１】
速度信号比較部２８は、目標速度信号生成部２４が出力する目標速度信号、及び、速度信号生成回路２０が出力する現在速度信号を比較し、両者の差分に基づいて第二補償信号を生成し駆動信号生成部３０に出力する。この第二補償信号はモータ１４の駆動信号に反映され、現在速度が目標速度に近づくようにフィードバック制御が行われる。
【００２２】
駆動信号生成部３０は、第一補償信号及び第二補償信号を重み付け加算した駆動制御信号を生成し、この駆動制御信号に基づいてモータ１４の駆動信号を生成する。つまり、第一補償信号をΔＰ、第二補償信号をΔＶとし、それぞれの重み係数をα、β（α＋β＝１）とすると、Ｓ＝α×ΔＰ＋β×ΔＶで算出される駆動制御信号Ｓを生成する。重み係数α、βは超音波探触子１０の利用状況に応じて適宜設定すればよく、実験あるいは理論値に基づいて振動子１２の重量に応じて設定してもよいし、また位置制御と速度制御の何れを重んじるかによって設定してもよい。駆動信号生成部３０は、駆動制御信号Ｓに基づいてモータ１４の駆動信号を生成し、ドライバ３２を介してモータ１４に出力する。
【００２３】
このように、目標位置信号生成部２２、目標速度信号生成部２４、位置信号比較部２６、速度信号比較部２８、駆動信号生成部３０及びドライバ３２が走査制御手段として機能する。
【００２４】
図２は、図１に示す速度信号生成回路の内部構成を示すブロック図である。
【００２５】
また図３は、図２に示す速度信号生成回路内で生成される各種信号のタイミングチャートである。以下、図２および図３に基づいて、この速度信号発生回路の動作を説明する。
【００２６】
位置クロック生成部である位置クロック発生器４０は、位置検出器（図１の符号１６）が出力する現在位置信号３８に基づいて、一定の位置的間隔毎に生成されるパルスから成る位置クロック４２を生成する。位置検出器は、現在位置信号３８としてモータ（図１の符号１４）の回転状態を知らせるべく、例えばモータ回転角で９０°位相の異なるＡパルスとＢパルス、さらにモータの回転方向つまり振動子（図１の符号１２）の揺動の向きに応じたＺパルスを出力する。位置クロック発生器４０は、ＡパルスとＢパルスを入力とし、例えばモータ回転角の９０°毎のパルスから成る位置クロック４２を生成する。一方、Ｚパルスは回転方向検出器４４に入力され、モータの回転方向信号４６が生成される。回転方向信号４６は、例えば、振動子の揺動が右向き（図１の矢印１８参照）の場合“０”とし、また振動子の揺動が左向き（図１の矢印１８参照）の場合“１”とする。
【００２７】
周波数電圧変換器（Ｆ／Ｖコンバータ）４８は、位置クロック発生器４０が出力する位置クロック４２を入力とし、位置クロック４２の周波数に応じた電圧値から成る速さ信号５０を出力する。つまり、図３に示すように、位置クロック４２の周波数が低い場合、すなわち位置クロック４２のパルス間隔が大きい場合には、速さ信号５０の電圧値は小さい。また、位置クロック４２の周波数が高い場合、すなわち位置クロック４２のパルス間隔が小さい場合には、速さ信号５０の電圧値が大きい。もちろん位置クロック４２の周波数が一定の場合には速さ信号５０の電圧値も一定である。
【００２８】
速度信号生成部５２は、Ｆ／Ｖコンバータ４８と回転方向検出器４４の出力に基づいて、速度信号５４を生成する。つまり、図３に示すように、回転方向信号４６が“０”の場合、速度信号５４は速さ信号５０と一致しており、振動子の揺動が右向きであることを示し、回転方向信号４６が“１”の場合、速度信号５４は速さ信号５０に−１を乗じたものとなり、振動子の揺動が左向きであることを示す。このように、速度信号５４により振動子の揺動の速さと向きが認識できる。速度信号生成部５２で生成された速度信号５４は図１に示す速度信号比較部２８に出力される。
【００２９】
図４は、図１に示す速度信号生成回路の他の構成を示すブロック図である。
【００３０】
また図５は、図４に示す速度信号生成回路内で生成される各種信号のタイミングチャートである。以下、図４および図５に基づいて、この速度信号発生回路の動作を説明する。
【００３１】
位置クロック発生器４０及び回転方向検出器４４は図２に示したものと同じ構成、つまり、現在位置信号３８に基づいて、それぞれ位置クロック４２と回転方向信号４６を出力する。
【００３２】
基準クロック発生部である基準クロック発生器６０は、位置クロック４２のパルス間隔を計測するための基準クロック６２を出力し、カウンタ部６４はこの基準クロック６２に基づいて位置クロック４２のパルス間隔を計測する。つまり、図５に示すように一定時刻毎に生成されるパルスを有する基準クロック６２に基づいて、位置クロック４２のパルス間隔内に、基準クロック４２のパルスが何回発生したのかをカウントして、カウント値６６を出力する。
【００３３】
速度信号生成部６８は、カウンタ部６４と回転方向検出器４４の出力に基づいて、速度信号７０を生成する。位置クロック４２は例えばモータ（図１の符号１４）の回転角の９０°毎に発生するパルスで形成されており、位置クロック４２のパルス間隔が広いほど、つまりカウント値６６が大きいほど、モータの回転速度すなわち振動子（図１の符号１２）の揺動速度が小さい。一方、位置クロック４２のパルス間隔が狭いほど、つまりカウント値６６が小さいほど、モータの回転速度すなわち振動子の揺動速度が大きい。また、回転方向信号４６が“０”の場合、振動子の揺動が右向き（正方向）であることを示し、回転方向信号４６が“１”の場合、振動子の揺動が左向き（負方向）であることを示す。したがって、図５においてカウント値６６が時刻０から「２，４，６」と増加するにつれ、速度信号７０は「＋２，＋１，０」と減少する。この範囲では回転方向信号４６は“０”つまり正方向であり、振動子が正方向に揺動しておりその速さが減少していることを示している。さらにカウント値６６が時刻１２から「６，４」と減少するにつれ、速度信号７０は「０，−１」とその絶対値が増加する。この範囲では回転方向信号４６は“１”つまり負方向であり、振動子が負方向に揺動しておりその速さが増加していることを示している。このように、速度信号７０により振動子の揺動の速さと向きが認識できる。速度信号生成部６８で生成された速度信号７０は図１に示す速度信号比較部２８に出力される。なお、基準クロック発生器６０には基準クロック制御信号が入力され、例えば基準クロック６２の周波数等のパラメータが変更できる。
【００３４】
図６は従来の位置制御方式のみによる振動子の速度特性例を、図７は本実施の形態の位置／速度制御の併用方式による振動子の速度特性例を示す。両特性とも同じ超音波探触子を用い、均一な速度部分を長く取れる制御を目標とした結果である。
【００３５】
図６の位置制御方式のみによる特性は均一な速度部分がほとんどないのに対し、図７の位置／速度制御の併用方式による特性は、均一速度部分が長く取れている。このように、本実施の形態により、速度検出器を持たない探触子の機械走査においても、均一な速度部分がより長く取れるように速度制御を行うことができる。なお、図７の特性は、駆動信号生成部（図１の符号３０）における重み係数α、βの比率が２：１（α＝０．６６、β＝０．３３）である。つまり、この程度の重み係数の比率で、均一な速度部分が長く取れることを示している。もちろん、特性例を取得する際の各種パラメータ（例えば振動子の重量）を変更すれば、様々な結果が得られるであろう。パラメータを様々に変更して得られる複数の取得結果に基づいて重み係数を決定してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る機械走査型超音波診断装置により、超音波探触子に速度検出器を設けることなく、振動子の速度制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る機械走査型超音波診断装置における振動子の機械走査制御を説明するための図である。
【図２】 図１に示す速度信号生成回路の内部構成を示す図である。
【図３】 図２の速度信号生成回路内で生成される信号のタイミングチャートである。
【図４】 図１に示す速度信号生成回路の他の構成を示す図である。
【図５】 図４の速度信号生成回路内で生成される信号のタイミングチャートである。
【図６】 位置制御方式のみによる振動子の速度特性例を示す図である。
【図７】 位置／速度制御の併用方式による振動子の速度特性例を示す図である。
【符号の説明】
１６ 位置検出器、２０ 速度信号生成回路、２６ 位置信号比較部、２８ 速度信号比較部、３０ 駆動信号生成部。

Claims (1)

1. 超音波を送受波する振動子と、前記振動子を機械走査する走査機構と、前記振動子の機械走査における現在位置を検出する位置検出器と、を備えた超音波探触子と、
   前記位置検出器が出力する現在位置信号に基づいて、前記振動子の現在速度を表わす現在速度信号を生成する速度信号生成手段と、
   前記現在位置信号及び前記現在速度信号に基づいて、前記走査機構に供給する駆動信号を生成して機械走査を制御する走査制御手段と、
   を有し、
   前記速度信号生成手段は、
   前記現在位置信号に基づいて、一定の位置的間隔毎に生成されるパルスから成る位置クロックを生成する位置クロック生成部と、
   基準クロックを発生する基準クロック発生部と、
   前記位置クロックのパルス間隔内に前記基準クロックのパルスが何回発生したのかをカウントしてカウント値を出力するカウンタ部と、
   前記カウンタ部の出力に基づいて、前記現在速度信号を生成する速度信号生成部と、
   を備え、
   前記走査制御手段は、
   目標位置信号と前記現在位置信号との差分に対応した第一補償信号を出力する位置信号比較部と、
   目標速度信号と前記現在速度信号との差分に対応した第二補償信号を出力する速度信号比較部と、
   前記第一補償信号及び前記第二補償信号を各々に対応した重み係数α及びβを利用して重み付け加算することにより駆動制御信号を生成し、この駆動制御信号に基づいて前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   を備え、
   前記重み係数α及びβは、振動子の重量を様々に変更して得られる速度特性例の複数の取得結果に基づいて決定される、
   ことを特徴とする機械走査型超音波診断装置。

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