JP4510479B2 - 超音波診断装置の送信回路 - Google Patents

Description

本発明は、電子走査制御により複数の振動子を駆動する超音波診断装置の送信回路に関する。

超音波診断装置は、被検体に対して超音波を送受波して被検体内の組織からエコー情報を取得する装置である。超音波診断装置における超音波の送受波技術として電子走査制御が知られている。電子走査制御では、複数の振動子の各々に対して遅延処理が施され、各振動子から出力される超音波が複数の振動子間で互いに干渉して所定方向に向けられた送信ビームが形成される。

電子走査制御により送信ビームを形成する場合、各振動子に対して、その振動子に対応した遅延処理が施された駆動信号が供給される。このため、各振動子に対応した駆動信号を生成する送信回路が必要になる。従来の送信回路では、各振動子ごとにパルス生成回路が設けられ、各振動子ごとにその振動子の遅延タイミングに応じた送信パルスが生成され、この送信パルスに応じた駆動信号が各振動子に供給されている。

ところが、二次元振動子アレイの場合、振動子数が数百から数千程度になり、振動子数の多さに伴う送信回路規模の大きさが軽視できない。このため、送信回路規模の増大を抑えるための様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、電子回路の配線などを激減させる技術が記載されている。

特開２００３−５９９号公報

送信回路規模の増大を抑えるための様々な技術が提案されている中、本発明では、各振動子に対応した送信パルスを生成するパルス生成回路に着目した。つまり、従来、各振動子ごとに設けられたパルス生成回路を複数の振動子に対応させるなどにより、新たな送信回路構成の実現を試みた。

そこで本発明は、超音波診断装置の新たな送信回路構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置の送信回路は、複数の振動子に駆動信号を供給する超音波診断装置の送信回路において、複数の振動子に対応した送信信号を各振動子の遅延タイミングに応じて順次出力する信号生成部と、各振動子ごとに設けられて対応する振動子に駆動信号を出力する信号選択部であって、前記順次出力される送信信号の中から対応する振動子の送信信号を選択してその送信信号に応じた駆動信号を出力する信号選択部と、を有することを特徴とする。

上記構成によれば、信号生成部が複数の振動子に対応した送信信号、例えばパルス状の信号を出力するため、一つの振動子に一つの信号生成部を対応させる必要がなく、例えば信号生成部の個数を振動子の個数よりも減らすことができる。

望ましくは、前記信号生成部は、時間軸上で互いに重なり合う複数の送信信号の各々に対応して複数設けられ、前記信号選択部は、前記複数の信号生成部の各々から順次出力される送信信号の中から対応する振動子の送信信号を選択する、ことを特徴とする。さらに望ましくは、前記信号生成部は、π／ｎ（ｎは自然数）ずつ位相が異なる複数の送信信号の各々に対応して複数設けられる、ことを特徴とする。

望ましくは、前記各信号生成部から出力される送信信号の出力タイミングを指定したタイミング情報に基づいて、前記各信号生成部ごとのタイミング信号を生成するタイミング制御部をさらに有し、前記各信号生成部は、前記タイミング信号に基づいて前記送信信号を出力する、ことを特徴とする。さらに望ましくは、前記各信号選択部において選択される信号生成部を指定した選択情報に基づいて、前記各信号選択部ごとの選択信号を生成する選択制御部をさらに有し、前記各信号選択部は、前記選択信号に基づいて、前記指定された信号生成部の送信信号を選択する、ことを特徴とする。

本発明により、超音波診断装置の送信回路における新たな送信回路構成が提供される。その結果、例えば、送信回路規模が縮小される。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る送信回路の好適な実施形態が示されており、図１は、本発明に係る送信回路を用いた超音波診断装置の全体構成図である。

複数の振動子１０は、被検体に超音波を送受波する超音波振動子である。複数の振動子１０は、二次元エコーデータ取得用の一次元振動子アレイを構成してもよく、三次元エコーデータ取得用の二次元振動子アレイを構成してもよい。何れの振動子アレイにおいても送信回路１２から各振動子１０ごとに駆動信号が供給され、電子走査制御が実行される。

送信回路１２は、各振動子１０に対してそれぞれ適切な遅延量を与えた駆動信号を供給することにより、複数の振動子１０から発せられる超音波を互いに干渉させて、指向性のある送信ビームを形成させる。各振動子１０は、この送信ビームに対する被検体内部からのエコーを受波して電気的な信号に変換する。各振動子１０から出力される信号は受信回路１４により整相加算され、受信ビーム（受信信号）が形成される。

送受信制御部１６は、送信回路１２および受信回路１４を制御することにより、送信ビーム及び受信ビームを走査する。例えば、複数の振動子１０が一次元振動子アレイを構成している場合、送信ビームおよび受信ビームを所定の面に沿って二次元的に走査する。また、複数の振動子１０が二次元振動子アレイを構成している場合、送信ビームおよび受信ビームを所定の空間内で三次元的に走査する。

受信回路１４で形成された受信信号は、信号処理部１８に出力される。信号処理部１８は、受信信号に対して、例えばＢモード画像用の信号処理を実行して画像形成部２０に出力する。画像形成部２０は、信号処理部１８の信号処理結果から表示画像データを形成してディスプレイ２２に出力する。ディスプレイ２２は表示画像データに対応するＢモード画像を表示する。もちろん、信号処理部１８において、ドプラ信号処理を実行し、ディスプレイ２２にドプラ波形やカラードプラ画像を表示させてもよい。Ｂモード画像、カラードプラ画像等の診断画像形成のための構成は、従来周知の一般的な構成と同様のものを用いることができる。

図２は、図１に示す送信回路１２の構成図である。送信回路１２は、信号生成部として機能する波形生成回路３６、および、信号選択部として機能する波形選択回路３８を有している。波形生成回路３６は、複数の振動子１０の各々に対応した送信パルスを各振動子１０ごとの遅延タイミングに応じて順次出力するものであり、π／２ずつ位相が異なる４つの送信パルスの各々に対応して４つ設けられている。つまり、波形生成回路（１）から波形生成回路（４）の４つの波形生成回路３６が設けられている。波形選択回路３８は、各振動子１０ごとに設けられ、４つの波形生成回路３６の各々から順次出力される送信パルスの中から対応する振動子１０の遅延タイミングに対応した送信パルスを選択してその送信パルスに応じた駆動信号を出力する。

ここで、波形生成回路３６による送信パルスの生成から波形選択回路３８による駆動信号の出力までの動作原理について、図３および図４を利用して説明する。なお、図２に示した部分には図２の符号を付して説明する。

図３は、４つの波形生成回路３６の各々から出力される送信パルスを説明するための図である。図３には、横軸を時間軸として、波形生成回路（１）から出力される送信パルス４０、波形生成回路（２）から出力される送信パルス４２、波形生成回路（３）から出力される送信パルス４４、および、波形生成回路（４）から出力される送信パルス４６が示されている。図３に示すように、各送信パルスはπ／２ずつ位相がずれている。つまり、送信パルス４０に対して送信パルス４２はπ／２だけ位相がずれており、送信パルス４２に対して送信パルス４４はπ／２だけ位相がずれており、送信パルス４４に対して送信パルス４６はπ／２だけ位相がずれている。このように、４つの波形生成回路３６は、時間軸上で互いに重なり合う４つの送信パルスをそれぞれ出力することができる。なお、本実施形態における送信パルスには、図３に示す矩形状のパルスに限定されず他の波形が利用されてもよい。

図４は、波形選択回路３８における送信パルスの選択動作を説明するための図である。図４の（Ａ）には、振動子１０が９個の場合の各振動子１０の遅延タイミングに対応した送信パルス５１〜５９が示されている。各送信パルスは、振動子１０に対応した波形選択回路３８で選択される。例えば、送信パルス５１は、波形選択回路（１）によって選択される。つまり、波形選択回路（１）によって、４つの波形生成回路３６が順次出力する送信パルスの中から対応する振動子１０の遅延タイミングの送信パルスとして送信パルス５１が選択される。同様に、送信パルス５２は波形選択回路（２）によって選択され、送信パルス５３は波形選択回路（３）によって選択され、送信パルス５４は波形選択回路（４）によって選択され、送信パルス５５は波形選択回路（５）によって選択され、送信パルス５６は波形選択回路（６）によって選択され、送信パルス５７は波形選択回路（７）によって選択され、送信パルス５８は波形選択回路（８）によって選択され、送信パルス５９は波形選択回路（９）によって選択される。

図４の（Ｂ）には、図４の（Ａ）の遅延パターンが形成される場合に、４つの波形生成回路３６の各々から出力される送信パルスが示されている。４つの波形生成回路３６は、π／２ずつ位相が異なる４つの送信パルスをそれぞれ出力する。つまり、波形生成回路（１）は送信パルス６１を出力し、波形生成回路（２）は送信パルス６２を出力し、波形生成回路（３）は送信パルス６３を出力し、波形生成回路（４）は送信パルス６４を出力する。このように、時間軸上で互いに重なり合う４つの送信パルスがそれぞれ異なる波形生成回路３６から出力される。なお、波形生成回路（１）は送信パルス６５も出力する。送信パルス６５は、同じく波形生成回路（１）から出力される送信パルス６１に対して位相が２πずれるため、時間軸上において送信パルス６１と送信パルス６５とが重なることなく、同じ波形生成回路（１）から出力される。

各波形選択回路３８は、４つの波形生成回路３６の各々から順次出力される送信パルス６１〜６５の中から対応する振動子１０に応じた送信パルスを選択する。つまり、波形選択回路（５）は波形生成回路（１）から出力される送信パルス６１を送信パルス５５として選択する。また、波形選択回路（４）は波形生成回路（２）から出力される送信パルス６２を送信パルス５４として選択し、波形選択回路（６）は波形生成回路（２）から出力される送信パルス６２を送信パルス５６として選択する。同様にして、波形生成回路（３）から出力される送信パルス６３が送信パルス５３および送信パルス５７として選択され、波形生成回路（４）から出力される送信パルス６４が送信パルス５２および送信パルス５８として選択され、波形生成回路（１）から出力される送信パルス６５が送信パルス５１および送信パルス５９として選択される。この結果、図４の（Ａ）に示される送信パルス５１から送信パルス５９の遅延パターンが形成され、各送信パルスに応じた駆動信号が対応する振動子に供給される。

本実施形態の送信回路では、π／２ずつ位相が異なる４つの送信パルスの各々に対応して４つの波形生成回路３６が設けられている。このため、位相差に換算してπ／２の精度の遅延制御が可能になる。例えば、図４において、送信パルス５５と送信パルス５４は、送信パルスの位相差π／２に相当する遅延時間差で制御されている。本実施形態の送信回路の構成では、波形生成回路３６の個数を増やすことで遅延制御の精度をさらに高めることができる。例えば、位相差π／４の精度で遅延制御を実現するためには、π／４ずつ位相が異なる８つの送信パルスの各々に対応した８つの波形生成回路３６を設ければよい。

図２に戻り、送信回路１２の動作について詳述する。送信回路１２には、波形生成回路３６および波形選択回路３８に加えて、カウンター３０、タイミング制御部として機能するトリガ生成回路３２、および、選択制御部として機能するスイッチ制御回路３４が設けられている。また、送信回路１２には、送受信制御部（図１の符号１６）から、プローブ、モード、周波数、ビーム番号、クロックおよび送信同期信号の各制御信号が供給されている。なお、クロックは、図示しない発振器から出力されてもよい。

カウンター３０は、送信同期信号が入力されるとカウント値を「０」に設定してクロックのクロック周期でカウントアップ動作を行ってカウント値を出力する。送信同期信号は送信ビームごとに送信ビームの生成動作の開始時に出力される。このため、カウント値は、各送信ビームの生成期間内における時刻に対応する。つまり、カウント値は、例えば図４における横軸の時刻ｔに対応した値となる。カウンター３０から出力されるカウント値は、トリガ生成回路３２およびスイッチ制御回路３４で利用される。

図５は、トリガ生成回路３２を説明するための図である。トリガ生成回路３２は、制御信号に応じて、波形生成回路（１）〜（４）の各々に対して、送信パルスの出力タイミングを示すタイミング信号を出力する。トリガ生成回路３２はタイミング情報６７が記録されたタイミング情報メモリ６０を有しており、タイミング情報６７に基づいてタイミング信号を出力する。

タイミング情報６７は、制御信号によって指定されるアドレスに対応して、４つの波形生成回路（１）〜（４）の各々に関するオンオフデータが示されたテーブルである。アドレス０ビットから１１ビットまでのカウント値は、カウンターから時々刻々出力されるカウント値である。そして、アドレス１２ビットから１９ビットまでのビーム番号は、送波される送信ビームのビーム番号である。例えば、セクタ走査の場合、各ビーム番号は各送信ビームのビーム方向に対応し、また、リニア走査の場合、各ビーム番号は各送信ビームの走査位置に対応する。

アドレス２０ビットから２２ビットまでの周波数はクロックの周波数である。つまり、クロックの周波数を可変にして、カウント値１カウント分の期間の調整を可能としている。アドレス２３ビットから２５ビットまでのモードは、超音波診断装置の動作モードを示している。つまり、超音波診断装置の動作モード（Ｂモードやカラードプラモードなど）に応じたデータの指定を可能としている。アドレス２６ビットから２８ビットまでのプローブは、超音波プローブのプローブ種別を示しており、例えば、超音波プローブがリニア電子走査用のプローブであればモードが「リニア」に設定され、リニアモードに応じたデータが指定される。

データの３ビットには、各アドレス値に対応して、波形生成回路（１）〜（４）の各々に関するオンオフデータが記録される。つまり、各波形生成回路ごとにタイミング信号を出力するか否かを示すデータ（１または０）が記録されている。例えば、３ビット目のデータである波形生成回路（４）用データに「１」が記録されている場合、波形生成回路（４）に対してタイミング信号が出力され、また、２ビット目のデータである波形生成回路（３）用データに「０」が記録されている場合、波形生成回路（３）に対してタイミング信号が出力されない。このように、タイミング情報６２には、各制御信号によって指定されるアドレスと、４つの波形生成回路の各々に関するオンオフデータとが対応づけられている。

トリガ生成回路３２は、各制御信号によって指定されるアドレスに応じたオンオフデータを読み出してタイミング信号を生成する。制御信号のうち、周波数、モードおよびプローブについては、送信ビームの形成動作が実行される前に、例えば超音波診断装置の設定状態に応じて指定される。送信ビームの形成動作が開始されると、送受信制御部（図１の符号１６）によってビーム番号が指定される。例えば、セクタ走査の場合、送信ビームのビーム方向に応じたビーム番号が指定される。ビーム番号が指定されると送受信制御部から送信同期信号が出力され、指定されたビーム番号のビーム生成期間内における時刻に対応したカウント値がカウンターから時々刻々出力される。トリガ生成回路３２は、カウント値に対応したオンオフデータを読み出して、オンオフデータに応じたタイミング信号を出力する。その結果、トリガ生成回路３２から、所定ビーム方向（ビーム番号に対応）の所定時刻（カウント値に対応）におけるタイミング信号が出力される。各波形生成回路（１）〜（４）は、トリガ生成回路３２から出力されるタイミング信号に応じたタイミングで送信パルスを出力する。その結果、例えば図４の（Ｂ）に示されるタイミングで送信パルスが出力される。

図６は、スイッチ制御回路３４を説明するための図である。スイッチ制御回路３４は、制御信号に応じて、波形選択回路（図２の符号３８）の各々に対して、スイッチ制御信号を出力する。なお、図６では、波形選択回路が４つ、つまり、波形選択回路（１）〜（４）の各々に対してスイッチ制御信号を出力する場合について説明する。

スイッチ制御回路３４はスイッチ情報６６が記録されたスイッチ情報メモリ６８を有しており、スイッチ情報６６に基づいてスイッチ制御信号を出力する。

スイッチ情報６６は、制御信号によって指定されるアドレスに対応して、４つの波形選択回路（１）〜（４）の各々に関するスイッチデータが示されたテーブルである。なお、スイッチ情報６６のアドレスは、タイミング情報（図５の符号６２）のアドレスと同じである。つまり、アドレス０ビットから１１ビットまでのカウント値は、カウンターから時々刻々出力されるカウント値であり、アドレス１２ビットから１９ビットまでのビーム番号は、送波される送信ビームのビーム番号である。また、アドレス２０ビットから２２ビットまでの周波数はクロックの周波数であり、アドレス２３ビットから２５ビットまでのモードは、超音波診断装置の動作モードを示している。

データの０ビットから１１ビットには、各アドレス値に対応して、波形選択回路（１）〜（４）の各々に関するスイッチデータが記録される。データの０ビットから２ビットには波形選択回路（１）用のデータが記録され、データの３ビットから５ビットには波形選択回路（２）用のデータが記録され、データの６ビットから８ビットには波形選択回路（３）用のデータが記録され、データの９ビットから１１ビットには波形選択回路（４）用のデータが記録されている。このように、各波形選択回路ごとにビット数３のデータが割り当てられている。

図６には、波形選択回路（１）用データの内容が示されている。つまり、２ビットから０ビットのビット数３のデータとその選択結果が示されている。例えば、２ビット，１ビット，０ビットの各ビットのデータがそれぞれ０，０，１の場合には波形生成回路（１）の出力が選択され、０，１，０の場合には波形生成回路（２）の出力が選択される。また、２ビット，１ビット，０ビットの各ビットのデータがそれぞれ０，１，１の場合には波形生成回路（３）の出力が選択され、１，０，０の場合には波形生成回路（４）の出力が選択される。なお、２ビット，１ビット，０ビットの各ビットのデータがそれぞれ０，０，０の場合には受信回路へ接続される。波形選択回路（１）用データの内容と同様に、波形選択回路（２）から（４）の各々についても、波形選択回路用データと選択結果が対応付けられている。

スイッチ制御回路３４は、各制御信号によって指定されるアドレスに応じたスイッチデータを読み出してスイッチ制御信号を生成する。スイッチ制御回路３４には、トリガ生成回路（図５の符号３２）に供給されるのと同じ制御信号が送受信制御部（図１の符号１６）から供給される。つまり、周波数、モードおよびプローブについては、送信ビームの形成動作が実行される前に、例えば超音波診断装置の設定状態に応じて指定される。送信ビームの形成動作が開始されると、送受信制御部によってビーム番号が指定される。ビーム番号が指定されると送受信制御部から送信同期信号が出力され、指定されたビーム番号のカウント値がカウンターから時々刻々出力される。スイッチ制御回路３４は、カウント値に対応したスイッチデータを読み出して、スイッチデータに応じたスイッチ制御信号を出力する。各波形選択回路は、スイッチ制御回路３４から出力されるスイッチ制御信号に応じて波形生成回路を選択する。

図７は、波形選択回路を説明するための図であり、図７には波形選択回路３８の構成が示されている。波形選択回路３８はスイッチ回路７０を有しており、スイッチ回路７０には、各波形生成回路（１）〜（４）に対応するバッファ７２およびスイッチ７４が設けられている。各バッファ７２は、振動子へ出力される駆動信号の電圧値や電流値などを所定値に確保するために設けられる。振動子の入力インピーダンスが十分に低い場合などにおいてバッファ７２を削除することも可能である。各スイッチ７４は、対応する波形生成回路を振動子へ接続するものである。なお、振動子を受信回路へ接続するスイッチ７４も存在する。スイッチ回路７０は、スイッチ制御回路（図６の符号３４）から出力されるスイッチ制御信号に基づいて振動子へ接続するスイッチを選択する。つまり、スイッチ制御回路から各波形選択回路へ供給されるビット数３のスイッチ制御信号に基づいてスイッチ動作が実行され、スイッチ制御信号のビット数３のデータに対応する選択結果（図６参照）に応じて、いずれかの波形生成回路、あるいは受信回路が選択される。例えば、２ビット，１ビット，０ビットの各ビットのデータがそれぞれ０，０，１の場合には波形生成回路（１）の出力が選択され、０，１，０の場合には波形生成回路（２）の出力が選択される。波形選択回路は振動子ごとに設けられ、各波形選択回路ごとに実行される波形生成回路の選択動作により、例えば図４の（Ａ）に示される遅延パターンの送信パルスが選択され、各送信パルスに応じた駆動信号が各振動子へ出力される。

以上説明したように、本実施形態では各振動子ごとに波形生成回路を設ける必要がない。このため、各振動子ごとに波形生成回路を設ける場合に比べて、波形生成回路の個数が削減され、送信回路規模が縮小される。回路規模の縮小に伴い、例えば、装置の小型化や省電力化が図れる。さらに、送信回路規模の縮小に伴い、超音波探触子内に送信回路を組見込むことなどが可能になる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明に係る送信回路の実施形態を説明するための図である。 本発明に係る送信回路の構成図である。 各波形生成回路から出力される送信パルスを説明するための図である。 各波形選択回路における送信パルスの選択動作を説明するための図である。 トリガ生成回路３２を説明するための図である。 スイッチ制御回路を説明するための図である。 波形選択回路を説明するための図である。

符号の説明

１０ 振動子、１２ 送信回路、３０ カウンター、３２ トリガ生成回路、３４ スイッチ制御回路、３６ 波形生成回路、３８ 波形選択回路。

Claims (5)

1. 複数の振動子に駆動信号を供給する超音波診断装置の送信回路において、
   互いに位相が異なる複数の送信パルスを出力する波形生成部と、
   各振動子ごとに設けられて各々が対応する振動子に駆動信号を出力する複数の波形選択部と、
   を有し、
   前記波形生成部は、前記各波形選択部に対して前記複数の送信パルスを供給し、
   前記各波形選択部は、前記複数の送信パルスの中から、対応する振動子に応じた送信パルスを選択し、選択した送信パルスに応じた駆動信号を当該振動子に供給する、
   ことを特徴とする超音波診断装置の送信回路。
2. 請求項１に記載の送信回路において、
   前記波形生成部は、時間軸上で互いに重なり合う複数の送信パルスを出力する、
   ことを特徴とする超音波診断装置の送信回路。
3. 請求項２に記載の送信回路において、
   前記波形生成部は、π／ｎ（ｎは自然数）ずつ位相が異なる複数の送信パルスの各々に対応した複数の波形生成回路を備える、
   ことを特徴とする超音波診断装置の送信回路。
4. 請求項３に記載の送信回路において、
   前記複数の波形生成回路の各々に関する送信パルスの出力タイミングを指定したタイミング情報に基づいて、前記複数の波形生成回路の各々に対してタイミング信号を出力するタイミング制御部、
   をさらに有し、
   前記各波形生成回路は、前記タイミング信号に応じて送信パルスを出力する、
   ことを特徴とする超音波診断装置の送信回路。
5. 請求項３または４に記載の送信回路において、
   前記複数の波形選択部の各々により選択される波形生成回路を指定した選択情報に基づいて、前記複数の波形選択部の各々に対して選択制御信号を出力する選択制御部、
   をさらに有し、
   前記各波形選択部は、前記選択制御信号に基づいて、前記指定された波形生成回路の送信パルスを選択する、
   ことを特徴とする超音波診断装置の送信回路。

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