JP4379576B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、受信回路の小規模化を図った超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、複数の振動子が配列された探触子を介し、被検体の診断部位に対し超音波を照射すると共に、被検体から発生する反射エコー信号を受信部により受信して増幅及び整相加算した後、その反射エコー信号から超音波診断画像（例えば、Ｂモード像、Ｍモード像、ドプラ像等）を再構成するものである。

このような超音波診断装置においては、口径を大きくすることにより超音波ビームのビーム径を細くして超音波診断画像の分解能を向上させることができることから、その口径を構成する振動子の数を多くするのが一般的である。しかし、振動子の数を増やすと、送受信回路の規模が大きくなる。そこで、送受信回路を小規模化して電気・電子部品やケーブルなどの数を減らすため、複数の振動子のうち口径を構成する振動子群を高圧切替スイッチを切り替えて選択することにより、口径に対応した振動子の数の分だけ送受信回路を設けることが行われている。

さらに、受信回路の小規模化を図るために、口径を構成する振動子群を隣り合う振動子の組に分け、その組ごとに切替スイッチを介して１つの受信回路に接続するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２００１−２９２９９４号公報（第１図）

しかし、特許文献１に記載された超音波診断装置では、隣り合う振動子は切替スイッチにより交互に切り替えられるため、各振動子からの反射エコー信号を漏れなく受信するには、超音波の送受信操作を２回繰り返さなければならない。したがって、超音波診断画像のフレームレートが低下するため、比較的高いフレームレートが求められる心臓の診断の場合、心臓の動きに追従した適正な診断画像が得られないことがある。

しかしながら、一方では、腹部や母胎の胎児を撮像する場合、生体組織の動きが比較的遅いことから、フレームレートを心臓ほど高くする必要がない。そこで、従来は、高いフレームレート用と低いフレームレート用などのように、超音波診断装置の機能に分けて、複数種類の製品を設計・製造していた。その結果、多品種少量生産せざるを得ず生産管理や販売管理が煩雑になるという問題がある。

本発明の課題は、フレームレートの向上に容易に対応可能にして超音波診断装置の種類を減らすことにより、生産管理や販売管理を簡素化することにある。

本発明の超音波診断装置は、被検体との間で超音波を送受信する複数の振動子を配列してなる探触子と、その振動子を駆動する駆動信号を生成する送信部と、その探触子から出力される反射エコー信号を増幅及び整相加算する受信部と、この受信部からの反射エコー信号に基づいて再構成された超音波診断画像を表示する表示部とを備え、その受信部は、複数の受信回路を有し、各受信回路は、口径を構成する振動子群を隣り合う複数個の振動子の組に分け、その組ごとに切替スイッチを介して接続され、その切替スイッチに前記受信回路と同一構成の受信回路を接続する端子を設けてなることを特徴とする。

これによれば、比較的低いフレームレートを標準とし、比較的高いフレームレートが求められるときには、同一の受信回路を単に端子に接続することにより、２種類のフレームレートに簡単に対応させることができる。すなわち、フレームレートを必要に応じて簡単に向上させることができるため、比較的低いフレームレートの装置構成を標準仕様として同一品種多量生産してもよいことになる。したがって、要求されるフレームレートごとに複数種類の超音波診断装置を設計・製造する必要がなくなるから生産管理や販売管理が簡単になる。

また、標準仕様の超音波診断装置のフレームレートを向上させる場合、標準搭載される受信回路と同一構成の受信回路を増設する。これにより、超音波診断装置ばかりでなく受信回路の標準化も図ることができる。

この場合において、切替スイッチは、各組内の複数個の振動子、例えば２個の振動子Ａと振動子Ｂのうち振動子Ａを受信回路に電気的に接続するとともに、２回目の超音波送信操作が行われる際には、振動子Ｂを受信回路に電気的に接続するように切替制御されるものとする。

また、各組内の複数の振動子群が、切替スイッチにより順番に受信回路に接続される場合は、超音波診断画像の分解能を確保するために、切替ごとに超音波を送波し、各組内の振動子により取得される反射エコー信号を合成する。例えば、１回目の超音波の送信操作が行われると、各組の振動子Ａにより受波された反射エコー信号は、各受信回路により受信処理された後、加算器により加算されて記憶手段に一時的に蓄積される。同様に、２回目の超音波の送信操作が行われると、各組の振動子Ｂにより受波された反射エコー信号が加算器により加算されて出力される。出力された反射エコー信号は、記憶手段から読み出される１回目の反射エコー信号とビーム合成器により合成される。これにより、合成された反射エコー信号は、口径を構成する全振動子により反射エコー信号を受波した場合と同等の分解能を有することになり、超音波診断画像の分解能を確保することができる。

また、上記受信回路は、切替スイッチから入力される反射エコー信号を増幅する増幅回路、この増幅回路から出力される反射エコー信号を遅延させる遅延回路などを有したものとする。

本発明によれば、フレームレートの向上に容易に対応可能にして超音波診断装置の種類を減らすことにより、生産管理や販売管理を簡素化できる。

本発明を適用してなる超音波診断装置の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、口径を構成する振動子群を隣り合う２個の振動子ごとの組に分け、その組ごとに切替スイッチを介して受信回路を設け、切替スイッチ側の振動子側に受信回路を増設可能な接続端子を設けることにより、超音波診断画像のフレームレートの向上に容易に対応可能にして超音波診断装置の種類の低減を図った一例である。図１は、本発明の一実施形態の超音波診断装置のブロック図、図２は、隣り合う２個の振動子ごとに設けられた受信回路の構成図、図３は、受信回路を増設したときの構成図、図４は、図３の場合における受信部の回路図を示している。

図１及び図２に示すように、超音波診断装置１は、探触子１０、送波処理回路１２と送信回路１３を有する送信部１４、送受分離スイッチ１６−１〜１６−ｎを有する送受分離部１６、口径選択スイッチである高圧切替スイッチ１８、切替スイッチ１９−１〜１９−ｋを有したチャネル選択スイッチ１９などを備えている。また、受信回路２０と加算回路２１を有する受信部２２、信号処理回路２４、画像処理回路２６、デジタルスキャンコンバータ２８（以下、ＤＳＣ）、表示部である表示モニタ３０と、各部を制御する制御部３１なども設けられて構成されている。

探触子１０には複数（例えば、１５０個）の振動子が短冊状に配列されている。複数の振動子のうち、高圧切替スイッチ１８により口径を構成する複数（例えば、５０個）の振動子３２−１〜３２−ｎが選択される。つまり、診断可能な範囲を確保するため、超音波ビームを束ねながら口径を走査させることにより、送受信位置が順番に変わるように制御されるようになっている。なお、ｎは口径を構成する振動子の数を示している。

振動子３２−１〜３２−ｎは、隣り合う２個の振動子の組に分けられている。分けられた組ごとに切替スイッチ１９−１〜１９−ｋを介して受信部２２が電気的に接続されている。すなわち、受信チャネル数（ｋ）は、振動子３２−１〜３２−ｎの数（ｎ）の半分に相当するようになっている。

そして、切替スイッチ１９−１〜１９−ｋの振動子側に、予備端子である接続端子２５−１〜２５−ｋが設けられている。接続端子２５−１〜２５−ｋは、受信部２２とハードウェア構成が同一の受信部が増設されたとき、その増設された受信部の入力側を接続するものであり、コネクタなどから構成されている。

受信部２２は、複数の受信回路２０−１〜２０―ｋと１つの加算回路２１などから構成されている。受信回路２０−１〜２０−ｋは、増幅回路２３−１〜２３−ｋ、アナログ・ディジタル変換回路２７−１〜２７−ｋ（以下、ＡＤ変換回路）、遅延回路２９−１〜２９−ｋなどをそれぞれ有している。加算回路２１は、加算器３４、記憶手段であるラインメモリ３６、ビーム選択器３７、ビーム合成器３８などを有している。また、受信部２２は、受信回路２０−１〜２０−ｋ、加算回路２１などが配線されたプリント基板である。接続端子２５−１〜２５−ｋは、受信部２２を容易に脱着自在にするため、プリント基板の側辺を挿入可能なスロット型に形成されたものが好ましい。なお、受信部２２の基板上にチャネル選択スイッチ１９もプリント配線するようにしてもよい。

このように構成される超音波診断装置１の詳細構成を動作と共に説明する。まず、被検体の体表に探触子１０を接触させる。探触子１０の振動子群のうち振動子３２−１〜３２−ｎが高圧切替スイッチ１８により選択される。次いで、１回目の超音波送信を行うために、制御部３１からの指令に基づいて送信部１４から駆動パルスが、送受分離スイッチ１６−１〜１６−ｎを介して、振動子３２−１〜３２−ｎに供給される。そして、振動子３２−１〜３２−ｎから被検体に超音波が送波される。なお、送受分離スイッチ１６−１〜１６−ｎは、機械的スイッチあるいは半導体素子などの電子部品を用いた電子的スイッチであり、制御部３１からの指令に基づいて切り替えられる。

被検体から発生した反射エコー信号は、送受分離スイッチ１６−１〜１６−ｎを介して、振動子３２−１〜３２−ｎにより受波される。受波された反射エコー信号のうち、奇数番目の振動子３２−１、３２−３、…、３２−（２ｎ−１）により受波された反射エコー信号が、切替スイッチ１９−１〜１９−ｋを介して受信部２２に入力される。入力された反射エコー信号は、受信アンプ２０−１〜２０−ｋにより増幅された後、ＡＤ変換回路２７−１〜２７−ｋによりディジタル信号に変換される。ディジタル化された反射エコー信号は、各遅延回路２９−１〜２９−ｋにより予め決められた遅延データに基づいて遅延されて整相される。整相された各反射エコー信号は、加算器３４により加算されてフォーカスされる。そして、ビーム選択器３７がラインメモリ３６側に切り替えられて記憶アドレスを選択することにより、加算された反射エコー信号がラインメモリ３６に保存される。

次に、制御部３１の指令に基づいて、振動子３２−１〜３２−ｎから被検体に２回目の超音波送波及び受波が行われる。この場合、受波された反射エコー信号のうち、偶数番目の振動子３２−２、３２−４、…、３２−（２ｎ）からの反射エコー信号が、切替スイッチ１９−１〜１９−ｋを介して、１回目に受信された反射エコー信号と同様に遅延及び整相加算される。

そして、ビーム選択器３７がビーム合成器３８側に切り替えられることにより、整相加算された反射エコー信号はビーム合成器３８に出力される。このとき、１回目の送信操作により取得された反射エコー信号がラインメモリ３６から読み出されてビーム合成器３８に出力される。したがって、ビーム合成器３８により、１回目の反射エコー信号と２回目の反射エコー信号が合成されて超音波ビームが形成される。これにより、受信チャネルの数（ｋ）を口径を構成する振動子の数（ｎ）の半分にしながらも、超音波ビームは、口径を構成する全振動子３２−１〜３２−ｎにより受信した場合と同等のビーム幅、すなわち同等に細いビーム幅で形成される。形成された超音波ビームは、信号処理回路２４により検波などの処理が施された後、画像処理回路２６により超音波診断画像（例えば、Ｂモード像）が再構成される。再構成された超音波診断画像が、ＤＳＣ２８により表示用の信号に変換されて表示モニタ３０に表示される。

このような超音波診断装置１においては、隣り合う振動子、例えば振動子３２−１と振動子３２−２は、切替スイッチ１９−１により超音波の送信操作ごとに交互に切り替えられるため、各振動子３２−１、３２−２により受波される反射エコー信号を漏れなく受信するには、超音波の送受信操作を２回繰り返さなければならない。したがって、フレームレートが低下するため、例えば心臓を診断する場合、心臓の動きに追従した適正な診断画像が得られないことがある。この点、本実施形態では、比較的高いフレームレートが求められる診断の場合には、受信部２２に加えて受信部４０をスロットに挿入し、受信部４０の受信回路２０−１〜２０−ｋを接続端子に接続端子２５−１〜２５−ｋに接続することにより、フレームレートの向上に容易に対応可能にしている。

ここで、受信部４０を増設したときの構成と動作について説明する。図３及び図４に示すように、受信部４０は、部品の共通化を図り生産管理・販売管理のコストを低減させるために、受信部２２とハードウェアが同じになるように構成されている。受信部４０の受信回路２０―１〜２０−ｋは、接続端子２５−１〜２５−ｋを介し、奇数番目の振動子３２−１、３２−３…３２−（２ｎ−１）に電気的に接続（接像）されている。これにより、口径を構成する振動子３２−１〜３２−ｎのうち、奇数番目の振動子３２−１、３２−３…３２−（２ｎ−１）からの反射エコー信号は、受信部４０により増幅及び整相加算された後、ビーム切替器４８がビーム合成器５０側に切り替わることにより、ビーム合成器５０を介して加算器４２に入力される。なお、ビーム切替器４８から出力される反射エコー信号を一時的にラインメモリ４９に格納するようにしてもよい。

一方、受信部２２の受信回路２０−１〜２０−ｋは、切替スイッチ１９−１〜１９−ｋを介し、偶数番目の振動子３２−２〜３２−（２ｎ）に電気的に接続（接像）されている。これにより、偶数番目の振動子３２−２〜３２−（２ｎ）から出力される反射エコー信号は、切替スイッチ１９−１〜１９−ｋを介して受信部２２により増幅及び整相加算された後、ビーム切替器３７がビーム合成器３８側に切り替わることにより、ビーム合成器３８を介して加算器４２に入力される。

そして、加算器４２により、ビーム合成器５０から出力される反射エコー信号と、ビーム合成器３８から出力される反射エコー信号とが加算される。加算された反射エコー信号に基づいて超音波診断画像が再構成される。これにより、１回の超音波の送信を行えば、奇数番目の振動子３２−１、３２−３…３２−（２ｎ−１）と、偶数番目の振動子３２−２〜３２−（２ｎ）により受波された反射エコー信号が同時に処理されることになる。したがって、超音波の送信操作を２回繰り返す場合に比べ、フレームレートを向上させることができる。なお、加算器３４から出力される反射エコー信号が、ビーム合成器３８を介してビーム合成器５０に入力され、ビーム合成器５０により加算器４７からの反射エコー信号と加算されるようにしてもよい。これにより、加算器４２が不要になるため回路規模の縮小を図ることができる。

このような拡張性を備えた超音波診断装置によれば、比較的低いフレームレートを標準とし、比較的高いフレームレートが求められるときには、受信部４０を増設して、受信部４０の受信回路２０−１〜２０−ｋをそれぞれ接続端子１９−１〜１９−ｋに接続することにより、２種類のフレームレートに簡単に対応させることができる。すなわち、フレームレートを必要に応じて簡単に向上させることができるため、比較的低いフレームレートの装置構成を標準仕様として同一品種多量生産すればよいことになる。したがって、要求されるフレームレートごとに複数種類の超音波診断装置を設計・製造する必要がなくなることから、生産管理や販売管理を簡素化することができる。

また、隣り合う２個の振動子、例えば振動子３２−１と振動子３２−２、あるいは振動子３２−３と振動子３２−４とを組に分けていることから、隣り合う２個の各振動子から観察部位までの各距離の差は微差になる。したがって、隣り合う振動子３２−１、３２−２により受信された反射エコー信号を遅延回路２９−１により共通の遅延データに基づいて遅延させたとしても、超音波診断画像の画質が劣化することがない。

さらに、口径を移動させる場合、各反射エコー信号を遅延する遅延データなどの再計算及び書き換え処理などが発生することから制御機構が複雑になる場合がある。例えば、超音波ビームの左右対称性に着目し、ビーム形成時に左右対称の位置関係にある送受信回路を同時に駆動させるスイッチを用いた場合、口径の移動に伴ってスイッチの回転動作が必要となるから制御が煩雑になる。この点、本実施形態によれば、受信回路２０−１〜２０−ｋにより受信された反射エコー信号を遅延させる各遅延データは常に連続的、つまり各遅延データの相対的な遅延量が常に一定であることから、複雑な計算や制御が必要なく、簡単なオンーオフ制御だけで口径移動させることができる。

以上、実施形態に基づいて本発明の超音波診断装置を説明したが、隣り合う２個の振動子を組に分けることに代えて、隣り合う複数個の振動子を組に分けるようにしてもよい。例えば、図５は、隣り合う３個の振動子を組に分けたときの回路構成図、図６は、図５の場合における整相処理部の回路図を示している。図５及び図６に示すように、図２の回路構成と異なる点は、隣り合う３個の振動子、例えば振動子３２−１、３２−２、３２−３を１組に分けている点である。したがって、受信チャネルの数すなわち受信回路２０−１〜２０−ｋの数（ｋ）は、口径を構成する振動子群の数（ｎ）の３分の１になっている。また、切替スイッチ１９−１〜１９−ｋは、送信操作ごとに３個の振動子を１巡するように順番に切り替えるように制御される。

そして、切替スイッチ１９−１の振動子３２−１側には接続端子５５−１、振動子３２−２側には接続端子５５−２が設けられている。つまり、１組に分けられて３個の振動子のうち２個の振動子が接続端子５５−１〜５５−ｐに接続するようにしている。また、このように３個の振動子を１組とした場合、超音波の送信操作が３回繰り返されることから、１回目の操作により受信された反射エコー信号を蓄積するラインメモリ３６に加えて、２回目の反射エコー信号を蓄積するラインメモリ５１が設けられている。このように隣り合う複数個の振動子を組に分けることにより、受信部を複数増設することができるから、フレームレートを段階的に向上させることができ、フレームレートのきめ細かい調整が可能になる。

なお、隣り合う複数個の振動子を組に分ける場合、組にする振動子の数を増加させるに伴って、その各振動子から診断部位までの距離の差も大きくなる。したがって、各振動子により受波された反射エコー信号を共通の遅延データに基づいて遅延させると、超音波診断画像の画質が劣化することがある。

また、本実施形態によれば、標準仕様の超音波診断装置さえあれば、ユーザは、受信部すなわち受信回路を有した受信基板を必要に応じて増設することができることから、初期コストを最小限に抑えるとともに、高いフレームレートを有した異なる種類の超音波診断装置を別途用意する場合に比べ、追加コストを低減することができる。

本発明の一実施形態の超音波診断装置のブロック図である。 隣り合う２個の振動子ごとに設けられた受信回路の構成図である。 受信回路を増設したときの構成図である。 受信部の回路図を示している。 本発明の他の実施形態の構成図である。 本発明の他の実施形態の整相加算部の回路図である。

符号の説明

１ 超音波診断装置
１０ 探触子
１４ 送信部
２０ 受信回路
１９―１ 切替スイッチ
２２ 受信部
２３−１ 増幅回路
２９−１ 遅延回路
２５ 接続端子
３０ 表示モニタ
３４ 加算器
３６ ラインメモリ
３８ ビーム合成器

Claims (3)

1. 被検体との間で超音波を送受信する複数の振動子を配列してなる探触子と、前記振動子を駆動する駆動信号を生成する送信部と、前記探触子から出力される反射エコー信号を増幅及び整相加算する受信部と、該受信部からの反射エコー信号に基づいて再構成された超音波診断画像を表示する表示部とを備え、
   前記受信部は、複数の受信回路を有し、該各受信回路は、口径を構成する振動子群を隣り合う複数個の振動子の組に分け、その組ごとに切替スイッチを介して接続され、前記切替スイッチに前記受信回路と同一構成の受信回路を接続する端子を設けてなることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記受信部は、前記各受信回路から出力される各反射エコー信号を加算する加算器と、該加算器から出力される反射エコー信号を蓄積する記憶手段と、前記切替スイッチの切替が一順する度に前記記憶手段と前記加算器から出力される反射エコー信号を加算合成して出力するビーム合成器とを有してなることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記受信回路は、前記切替スイッチから入力される反射エコー信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路から出力される反射エコー信号を遅延させる遅延回路とを有してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。

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