JP4546759B2

JP4546759B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4546759B2
Application number: JP2004138012A
Authority: JP
Inventors: 建一中尾
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: JP2005318966A

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特に超音波診断装置におけるプリアンプに関する。

超音波診断装置には、一般に、アレイ振動子、送信部、受信部などが設けられる。アレイ振動子は複数の振動素子で構成される。送信部は複数の振動素子に対応して設けられた複数の送信器を含み、受信部は複数の振動素子に対応して設けられた複数の受信器を含む。各受信器は、受信信号を増幅するプリアンプを有する。

プリアンプには振動素子から引き出された信号線が接続される。その信号線には送信信号も入り込むため、プリアンプを送信信号から保護する必要がある。従来の超音波診断装置装置においては、図３に示されるように、振動素子１０に接続された信号線１２における送信器の接続点とプリアンプ１６の入力端子との間に保護回路が挿入されている。その保護回路としては図示されたダイオードブリッジ回路１４が一般的である。そのような保護回路は、一定振幅以上の送信信号をクリップしてプリアンプへの過大信号の入力を防止し、その一方において受信信号をそのままプリアンプへ入力させる。

信号線が有する特性インピーダンスは例えば５０Ω程度であり、そのインピーダンスに受信回路の入力段（上記保護回路を含む）の入力インピーダンスを整合させる必要がある。上記の保護回路のインピーダンスは通常、数十Ω程度ある。近時、アレイ振動子の多素子化等を背景として信号線が細線化される傾向にあるが、それにより信号線が有する抵抗成分の増加により高域の低下が生じるので、より低い入力インピーダンスで受信回路の入力段を構成することが望まれる。しかしながら、従来の超音波診断装置のように、プリアンプと信号線との間に図３に示したような保護回路を挿入する方式では、望ましい入力インピーダンスを実現することは原理上困難である。

また、上記のようなダイオードブリッジ回路として保護回路を構成する場合、送信信号と受信信号との間における振幅の違いを利用して自動的に（受動的に）保護回路の動作がオンオフする。そのような保護回路の構成においては、当該保護回路にバイアス電流を常に流しておく必要があり、多素子化の背景にあって、消費電力が無視できなくなる。つまり、振動素子数が増大すると大きな電力を消費し、省電力に反する結果となり、また発熱の問題も生じる。

特許第３３１５９６４号公報

上記の特許文献１の図５には、振動素子からの信号線を、保護回路を介さずに、トランジスタのエミッタに直接接続した構成が示されている。同図に示されているコンデンサＣ１が受信時にトランジスタのベース側のインピーダンスを下げて、その際にトランジスタがベース接地型として動作する。しかし、コントロール信号を利用するものではないので、同図に示されるダイオードＤ３へバイアス電流を流し続ける必要がある。また、その回路は、正極のみの振幅を有する送信信号を前提としている構成となっており、送信信号が負の振幅を有する場合には当該回路はそのままでは適正に動作しない。これに関し、特許文献１の第００２１段落には、送信信号が負の振幅を有する場合には電源ＶＣに電流制限機能を設ければよい旨が記述されているが、その具体的な内容は記載されておらず、またそのような電流制限回路を設けたとしても、送信信号の負の振幅によりコンデンサＣ１に充電が生じるため、その放電の必要から受信を速やかに行えず不感期間が発生する可能性を指摘できる。

本発明の目的は、超音波診断装置における入力段の入力インピーダンスを低くできるようにすることにある。

本発明の他の目的は、信号線とプリアンプの入力端子との間に保護回路を挿入しなくても、プリアンプを送信信号から保護できるようにすることにある。

本発明の他の目的は、プリアンプを保護する回路にバイアス電流を常に流すことによる問題を解消、改善することにある。

本発明の他の目的は、送信信号が正負の両極に振幅をもった信号であっても、プリアンプが適正に保護されるようにすることにある。

本発明は、振動素子に信号線を介して接続され、正負の両極に振幅を有する送信信号を出力する送信部と、前記振動素子に前記信号線を介して接続されたプリアンプを有する受信部と、前記送信部及び前記受信部の動作を制御する制御部と、を含む超音波診断装置において、前記プリアンプは、前記信号線からの受信信号がエミッタに入力され、増幅された受信信号がコレクタから取り出されるトランジスタと、前記制御部からのコントロール信号によりオンオフ動作して、前記トランジスタのベースに加わるインピーダンスを切り換えるプリアンプ保護用のスイッチと、正の電源電圧をもった第１の基準電源と前記トランジスタのコレクタとの間に設けられた第１の抵抗回路と、負の電源電圧をもった第２の基準電源と前記トランジスタのエミッタとの間に設けられた第２の抵抗回路と、前記トランジスタのベースと接地点との間に設けられた回路であって、前記スイッチのオン動作時に前記ベースを交流的に前記接地点に接続して前記ベースを低インピーダンスとする低インピーダンス用回路と、前記第１の抵抗回路が有する抵抗値よりも大きな抵抗値を有し、前記トランジスタのベースと前記接地点との間に設けられた回路であって、前記スイッチのオフ動作時に前記ベースを高インピーダンスとする高インピーダンス用回路と、前記トランジスタのベースとエミッタとの間に設けられた第１の保護用素子と、前記トランジスタのベースとコレクタとの間に設けられた第２の保護用素子と、を有し、受信時には、前記制御部が、前記スイッチをオン動作させることにより、前記トランジスタのベースに前記低インピーダンス用回路を接続して、前記トランジスタをベース接地型増幅器として動作させ、送信時には、前記制御部が、前記スイッチをオフ動作させることにより、前記トランジスタのベースに前記高インピーダンス用回路を接続して、前記プリアンプに入り込む送信信号が正極の場合には電流が前記信号線から前記第１の保護用素子、前記第２の保護用素子及び前記第１の抵抗回路を通って前記第１の基準電源へ流れるようにし、前記プリアンプに入り込む送信信号が負極の場合には電流が前記第１の基準電源から前記第１の抵抗回路及び前記トランジスタを通って前記信号線に流れるようにし、これによって前記トランジスタを前記送信信号から保護する、ことを特徴とする。

上記構成によれば、従来のようなバイアス電流を流し続ける必要があるダイオードブリッジ回路を介することなく、信号線がプリアンプに対して接続される。但し、必要に応じて、信号線とプリアンプとの間にコンデンサなどの素子が設けられる。上記構成により、低消費電力が達成され、また信号線側から見たプリアンプの入力インピーダンスを下げることができる。信号線はトランジスタのエミッタに接続され、トランジスタのコレクタ側から受信信号が取り出される。その受信信号は可変ゲインアンプなどの受信信号処理回路へ出力される。トランジスタのベースに接続されるインピーダンス（つまりベースに接続された回路構成）がスイッチのオンオフ動作によって切り換えられる。受信時には、スイッチがオンして、ベースを低インピーダンスとし、トランジスタがベース接地型増幅器として動作する。送信時には、スイッチがオフし、ベースを高インピーダンスとし、トランジスタを保護する。好適な例では、ベースと接地点（あるいは基準電位点）との間に高インピーダンス用回路としての抵抗、低インピーダンス用回路としてのコンデンサなどが並列的に設けられ、コンデンサとベースとの間に上記のスイッチが設けられる。スイッチのオンにより、ベースがコンデンサを介して接地され（交流的にベースがアースされ、つまり抵抗が事実上機能しない状態にされ）、スイッチのオフにより抵抗が機能してそれがベースのインピーダンスを高める。

望ましくは、前記トランジスタのベースとエミッタとの間には第１の保護用素子が設けられ、前記トランジスタのベースとコレクタとの間には第２の保護用素子が設けられる。各保護用素子としてはダイオードを用いるのが望ましい。

望ましくは、前記トランジスタのエミッタとコレクタとの間には第３の保護用素子が設けられる。保護用素子としては定電圧を形成するダイオードなどが利用される。

以上説明したように、本発明によれば、超音波診断装置における入力段の入力インピーダンスを低くできる。本発明によれば、信号線とプリアンプの入力端子との間に保護回路を挿入しなくても、プリアンプを送信信号から保護できる。本発明は、プリアンプを保護する回路にバイアス電流を常に流すことによる問題を解消、改善できる。本発明は、送信信号が正負の両極に振幅をもった信号であっても、プリアンプが適正に保護される。

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、本発明に係る超音波診断装置が有する送受信部の構成が示されている。図１においては、特にプリアンプ２０の回路例が示されている。

振動素子は超音波を送受波する送受波器として機能する。複数の振動素子によってアレイ振動子が構成され、各振動素子ごとに図１に示すような構成が設けられる。信号線はプローブケーブルを構成する要素であり、プローブケーブル内には複数の振動素子に対応した複数の信号線が収容される。送信回路１８は送信信号を生成し、それを信号線１２へ供給する。本実施形態では、例えば±５Ｖｐｐの低電圧送信信号が利用されている。しかし、より高電圧の送信信号を利用する場合にも本発明を適用できる。信号線１２は直流をカットするコンデンサＣ１を介してプリアンプ２０へ接続されている。従来のように、信号線とプリアンプとの間にダイオードブリッジ回路などは設けられていない。よって、省電力を達成でき、また入力インピーダンスを下げて良好な受信特性を得られる。

プリアンプ２０はトランジスタＱ１を有する。トランジスタＱ１のエミッタには信号線１２が接続される。つまり、受信時にはエミッタに受信信号が入力される。トランジスタＱ１によって、その受信信号が増幅され、その受信信号がトランジスタＱ１のコレクタから取り出される。基準電源＋Ｖとコレクタとの間には直列接続された抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２が設けられている。それらの間から電圧信号として受信信号が取り出され、それが可変ゲインアンプなどの受信信号処理回路へ送られる。トランジスタＱ１のエミッタと基準電源−Ｖとの間には抵抗Ｒ３が設けられる。基準電源＋Ｖは例えば＋３Ｖの電位を有し、基準電源−Ｖは例えば−３Ｖの電位を有する。抵抗Ｒ１，Ｒ２は例えば数ｋΩの抵抗値を有し、抵抗Ｒ３は例えば数ｋΩの抵抗値を有する。トランジスタＱ１のエミッタ−ベース間には保護用ダイオードＤ１が設けられ、同様に、ベース−コレクタ間にも保護用ダイオードＤ２が設けられる。それらは受信時には機能せず、送信時においてトランジスタＱ１が破壊されることを防止する。

トランジスタＱ１のベースと接地点（アース）との間には抵抗Ｒ４が設けられる。その抵抗Ｒ４は送信時にベースのインピーダンスを高めるために機能する。抵抗Ｒ４の抵抗値は例えば１０ｋΩである。また、ベースには、アナログスイッチ２２を介して、またコンデンサＣ２を介して接地点が接続される。スイッチ２２のオン時にはベースが交流的にアースされる。スイッチ２２のオフ時には抵抗Ｒ４のみがベースに接続される。スイッチ２２は、制御回路２４からのコントロール信号１００によりオンオフ動作する。このスイッチはＣＭＯＳなどの半導体スイッチを利用するのが望ましい。但しバイポーラトランジスタなどを利用することもできる。コントロール信号１００は、送信期間においてスイッチ２２をオフし、受信期間においてスイッチ２２をオンする。スイッチ２２がオンすると、トランジスタＱ１はいわゆるベース接地増幅器として動作する。

図１に示す回路の動作を詳述すると、受信時においては、スイッチ２２がオンする。このスイッチ２２のオン抵抗は例えば数１０Ω程度と小さいため、トランジスタＱ１はベース接地型増幅器として動作する。トランジスタＱ１のエミッタ（入力端）から見て、そのインピーダンスは１／（１＋ｈ_fe）として見えるため、入力インピーダンスにはほとんど影響が及ばない。ここで、ｈ_feは電流増幅率で、例えば１００程度である。トランジスタＱ１に入力された受信信号は増幅されてそのコレクタ側から取り出される。

送信時においては、スイッチ２２がオフする。上記のように、抵抗Ｒ４の抵抗値は１０ｋΩ程度、抵抗Ｒ１の抵抗値＋抵抗Ｒ２の抵抗値は合わせて数ｋΩ程度であるので、送信信号による電流の多くが、送信信号が正の場合にはコンデンサＣ１−ダイオードＤ１−ダイオードＤ２−抵抗Ｒ２−抵抗Ｒ１を通って基準電源＋Ｖに流れ、一方、送信信号が負の場合には抵抗Ｒ１−抵抗Ｒ２−トランジスタＱ１−コンデンサＣ１と流れる。ここで、トランジスタＱ１は抵抗Ｒ４を流れるベース電流によりオンする。その電流の大きさは抵抗Ｒ１の抵抗値＋抵抗Ｒ２の抵抗値により制限されるためトランジスタＱ１は破壊されず、送信回路１８にとっても重い負荷とはならない。

ちなみに、スイッチ２２がオン状態のまま送信信号が入力されると、スイッチ２２のオン抵抗が小さいため、送信信号が正の場合には、電流はほとんどコンデンサＣ１−ダイオードＤ１−スイッチ２２−コンデンサＣ２を通ってアースされる。一方、送信信号が負の場合には、電流はアース−コンデンサＣ２−スイッチ２２−トランジスタＱ１−コンデンサＣ１と流れる。スイッチ２２の抵抗値が小さいため、流れる電流が大きくなり、トランジスタＱ１が故障するか、故障しなくても送信回路にとっては重い負荷となり、送信信号の歪みの原因となる。しかし、上記のように送信時においてスイッチ２２をオフにすればそのような問題は回避され、省電力、低入力インピーダンス、プリアンプの保護、送信信号の歪み回避を同時に達成できる。より詳しくは、信号線とプリアンプの入力インピーダンスとの整合を良好にできるので受信信号の伝達特性を良好にできる。また、ＣＭＯＳアナログスイッチの利用により消費電力を少なくできる。また、そのような素子を利用すれば高密度実装が可能となるので、多チャンネルにしても回路規模を小さくできる。また、送信信号について正負の両極性に対応できるので、例えば高調波イメージングなどを行う場合における低歪の要求に十分に応えられる。

なお、抵抗Ｒ１は利得を決める負荷抵抗である。抵抗Ｒ２は送信信号の電圧を分圧してＯＵＴに現れる送信信号の電圧を小さくするためのものである。これで不十分の場合には、２段目の回路にも何らかの保護回路を挿入する。送信期間においては受信信号処理回路の動作は停止しているのでその回路に送信信号が漏れ入り込んでもその電圧が小さいならば問題は生じない。

送信電圧との関係においては、トランジスタＱ１及びスイッチ２２については、それらの耐圧を送信電圧よりも高くしておくのが望ましい。これに関し、一般に、プリアンプに使用するのに好適な低雑音のトランジスタについてはその耐圧が低いので、耐圧の面で不十分と思われる場合には、図２に示すように、トランジスタＱ１のエミッタとコレクタとの間に定電圧形成用のダイオードＤ３を挿入することができる。なお、図２においてそれ以外の構成は図１に示したものと同様であり、同一符号を付してある。

本発明に係る超音波診断装置におけるプリアンプの構成を示す回路図である。図１に示す回路構成例についての変形例を示す回路図である。従来例における回路構成を示す回路図である。

符号の説明

１０振動素子、１２信号線、１８送信回路、２０プリアンプ、２２スイッチ、２４制御回路。

Claims

振動素子に信号線を介して接続され、正負の両極に振幅を有する送信信号を出力する送信部と、
前記振動素子に前記信号線を介して接続されたプリアンプを有する受信部と、
前記送信部及び前記受信部の動作を制御する制御部と、
を含む超音波診断装置において、
前記プリアンプは、
前記信号線からの受信信号がエミッタに入力され、増幅された受信信号がコレクタから取り出されるトランジスタと、
前記制御部からのコントロール信号によりオンオフ動作して、前記トランジスタのベースに加わるインピーダンスを切り換えるプリアンプ保護用のスイッチと、
正の電源電圧をもった第１の基準電源と前記トランジスタのコレクタとの間に設けられた第１の抵抗回路と、
負の電源電圧をもった第２の基準電源と前記トランジスタのエミッタとの間に設けられた第２の抵抗回路と、
前記トランジスタのベースと接地点との間に設けられた回路であって、前記スイッチのオン動作時に前記ベースを交流的に前記接地点に接続して前記ベースを低インピーダンスとする低インピーダンス用回路と、
前記第１の抵抗回路が有する抵抗値よりも大きな抵抗値を有し、前記トランジスタのベースと前記接地点との間に設けられた回路であって、前記スイッチのオフ動作時に前記ベースを高インピーダンスとする高インピーダンス用回路と、
前記トランジスタのベースとエミッタとの間に設けられた第１の保護用素子と、
前記トランジスタのベースとコレクタとの間に設けられた第２の保護用素子と、
を有し、
受信時には、前記制御部が、前記スイッチをオン動作させることにより、前記トランジスタのベースに前記低インピーダンス用回路を接続して、前記トランジスタをベース接地型増幅器として動作させ、
送信時には、前記制御部が、前記スイッチをオフ動作させることにより、前記トランジスタのベースに前記高インピーダンス用回路を接続して、前記プリアンプに入り込む送信信号が正極の場合には電流が前記信号線から前記第１の保護用素子、前記第２の保護用素子及び前記第１の抵抗回路を通って前記第１の基準電源へ流れるようにし、前記プリアンプに入り込む送信信号が負極の場合には電流が前記第１の基準電源から前記第１の抵抗回路及び前記トランジスタを通って前記信号線に流れるようにし、これによって前記トランジスタを前記送信信号から保護する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１記載の装置において、
前記トランジスタのエミッタとコレクタとの間には第３の保護用素子が設けられたことを特徴とする超音波診断装置。