JP4568074B2 - 超音波診断装置および送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子から放射される超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置と、この超音波診断装置にて超音波振動子を励起して超音波を放射させるための送信信号を生成する送信装置に関する。

超音波診断装置は、超音波プローブに設けられた振動子から超音波を放射させるための送信信号を生成する送信部を備える。

このような超音波診断装置における送信部としては、トランスを使用する回路が特許文献１により知られている。また特許文献１では、送信パルス用電源として異なる電圧の２電源を持ち、それぞれの電圧のトランスへの印加タイミングを制御することにより、２値レベルのパルスを発生する方法も述べられている。

特許文献１の技術を応用することで、１次側巻線を複数備えることにより、これらの１次側巻線のそれぞれで発生した磁束を２次側で加算することにより、多値レベルの送信パルスを発生させることが考えられる。この方式を以下においては磁束加算方式と称する。

以下に、この磁束加算方式による任意波形発生の概略を３電源加算時の場合について説明する。
図１１は磁束加算方式を利用した送信部の概略構成を示す図、図１２は図１１に示す送信部に含まれる電気回路の等価回路を示す図である。

コア１は４本のポール（pole）１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを持った形状をなす。これらのポール１ａ〜１ｄのうち、ポール１ａは２次側ポールとなり、ポール１ｂ〜１ｄは１次側ポールとなる。すなわちコア１は、３本の１次側ポール１ｂ〜１ｄと１本の２次側ポール１ａとを備えている。

各々の１次側ポール１ｂ〜１ｄにはそれぞれ、センタタップ付きの励磁用巻線N0，N1，N2と短絡用巻線NZ0，NZ1，NZ2が巻かれている。送信用電源TXV0，TXV1，TXV2は、励磁用巻線N0，N1，N2のセンタタップにそれぞれ接続されている。スイッチSW1，SW2，SW3を閉じることにより、励磁用巻線N0，N1，N2に正極性のパルスを発生し、スイッチSW4，SW5，SW6を閉じることにより、励磁用巻線N0，N1，N2に負極性のパルスを発生させるようになっている。すなわち、加減算で考えると、スイッチSW1，SW2，SW3を閉じることは加算に相当し、スイッチSW4，SW5，SW6を閉じることは減算に相当する。

短絡用巻線NZ0，NZ1，NZ2をSW7，SW8，SW9で短絡させることにより、その１次側ポール１ｂ〜１ｄの励磁用巻線NZ0，NZ1，NZ2のセンタタップに入力されている電源を使用しない状態を実現できる。この状態は、加減算で考えるとゼロに相当する。

図１２に示すように、励磁用巻線N0，N1，N2は、巻線N0A，N1A，N2Aと巻線N0B，N1B，N2Bとがセンタタップを挟んで並んでいると捉えることができる。短絡用巻線NZ0，NZ1，NZ2は、巻線NZ0A，NZ1A，NZ2Aと巻線NZ0B，NZ1B，NZ2Bとがセンタタップを挟んで並んでいると捉えることができる。
このように３つの１次側ポールにはそれぞれ、互いに同等な構成の１次側コイル回路が備えられる。

図１３は送信用電源TXV0，TXV1，TXV2の電圧の比率を１：３：９とした場合に生成できる電圧値の一覧を表している。なお、トランスの昇圧比は１としている。すなわち、図１２における巻線N0A，N0B，NZ0A，NZ0B，N1A，N1B，NZ1A，NZ1B，N2A，N2B，NZ2A，NZ2B，NTの巻線数は同一としている。

図１３においては、正極性パルスを発生させる場合（スイッチSW1，SW2，SW3を閉じた状態）を「１」、負極性パルスを発生させる場合（スイッチSW4，SW5，SW6を閉じた状態）を「−１」、スイッチSW7，SW8，SW9を閉じた状態を「０」と表現している。

例えば、送信電圧レベル「６」を発生させる場合は、スイッチSW3，SW5，SW7を閉じることを示している。この状態では、スイッチSW3を閉じることが＋9（1×9）に相当し、スイッチSW5を閉じることが−3（−1×3）に相当し、スイッチSW7を閉じることが0（0×1）に相当することから、＋9−3＋0という演算によりレベル「６」が得られる。

このように３種類の電圧の加減算により±13レベルの波形を発生させる事が可能となる。例えば、送信用電源TXV0の電圧を2Ｖと設定した場合、送信用電源TXV1の電圧は6Ｖ、送信用電源TXV2の電圧は18Ｖとなり±26Ｖの電圧を±13レベル量子化にて発生させることができる。
また、１次側と２次側の巻線比を変えることにより任意の昇圧が可能である。
米国特許第６０５０９４５号明細書

近年、超音波診断の分野では，微小気泡を主成分とする超音波造影剤が開発され、特に循環器系の診断に効果を発揮している。超音波がこの種の造影剤で反射されると、基本周波数の整数倍に相当する高周波成分（ハーモニック成分）が生じることが知られている。そこで、このハーモニック成分だけを抽出して画像化すれば，造影剤のみを高コントラストで観測することができる。この影像法は、ハーモニックイメージングと呼ばれている。

特に、送信周波数の２倍高調波成分（２次高調波成分）を用いて画像化する方法が、一般的に採用されている。

この場合，画像のＳ/Ｎ比を高くするために、送信波形に含まれる２次高調波成分は可能な限り小さい事が要求される。しかし、送信波形として従来から使用されている矩形波には基本波成分のほか、その整数倍の成分を持つ高調波成分も多く含まれている。このため、反射波から抽出した成分には造影剤による非線形のハーモニック成分の他、送信波形にもともと含まれている高周波成分も混在することになり造影剤の抽出能が低下してしまう。そこでハーモニックイメージングには、前述した磁束加算方式等による任意波形発生送信部を用いて、ガウス包絡線を持った正弦または余弦パルス波形にて送信することが望ましい。

ところで前述した磁束加算方式の送信部における各スイッチとしては、例えばＦＥＴ等のスイッチング素子を用いることが考えられる。このようなスイッチング素子は、スイッチング動作時に非線形動作が生じるため、その影響により送信波形が理想的なガウス包絡線のスペクトル形状から劣化し、２次高調波レベルが上昇してしまう恐れがある。

スイッチング時の非線形動作の影響を低減させるには、送信波形の状態遷移回数(スイッチング回数)を減らせば良い。しかし、単純に時間方向のサンプリング周波数を落とした正弦または余弦パルスを発生させると、時間方向の量子化誤差が大きくなるために２次高調波レベルも悪化してしまう。

図１４は単純サンプリングにて生成したガウス波形の理想的時間軸波形を示す図である。図１５は図１４に示すガウス波形を実際に磁束加算方式送信回路にて発生させた時間軸波形を示す図である。なお、図１５に示す波形を得るための条件は以下のとおりである。

中心周波数：２ＭＨｚ
サンプリング周波数：１６０ＭＨｚ
振幅方向量子化レベル：２７レベル
負荷：５０Ω(抵抗負荷)
図１５から判るように、振幅レベルが変化する点、すなわち回路がスイッチング動作をしているタイミングで、オーバーシュート/アンダーシュートまたはグリッチ等の非線形現象が多数発生している。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、２次高調波レベルを小さく抑えた送信信号を生成することが可能な超音波診断装置および送信装置を提供することにある。

以上の目的を達成するために本発明は、超音波振動子から放射される超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置において、鉄心と、前記鉄心に巻かれた２次側巻線と、複数の１次側コイル回路とを具備し、前記２次側巻線に誘起される信号を超音波放射のために前記超音波振動子に供給する送信信号として出力する送信回路と、ガウス包絡線を持つ搬送波信号を前記搬送波信号の周期の１／２の周期でサンプリングして得られる信号と前記搬送波信号の周期の１／２の幅を持つ矩形波とをコンボリューションして得られる波形を前記送信信号として出力するように前記複数の１次側コイル回路を制御する手段とを備えた。

また本発明は、超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置が持つ超音波振動子に前記超音波を放射させるための送信信号を生成する送信装置において、鉄心と、前記鉄心に巻かれた２次側巻線と、複数の１次側コイル回路とを具備し、前記２次側巻線に誘起される信号を超音波放射のために前記超音波振動子に供給する送信信号として出力する送信回路と、ガウス包絡線を持つ搬送波信号を前記搬送波信号の周期の１／２の周期でサンプリングして得られる信号と前記搬送波信号の周期の１／２の幅を持つ矩形波とをコンボリューションして得られる波形を前記送信信号として出力するように前記複数の１次側コイル回路を制御する手段とを備えた。

本発明によれば、２次高調波レベルを小さく抑えた送信信号を生成することを可能とする。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。

図１は本実施形態に係る超音波診断装置の要部構成を示すブロック図である。

図１に示すように超音波診断装置は、超音波振動子１、送信装置２、前置増幅器３および受信装置４を含む。

超音波振動子１は、送信信号が入力された際に、その送信信号に応じた超音波信号を放射する。また超音波振動子１は、検査対象物からの反射超音波を受けて反射超音波信号を出力する。

送信装置２は、上述した送信信号を発生し、超音波振動子１へ供給する。

前置増幅器３は、超音波振動子１が出力した反射超音波信号を、受信装置４が処理するのに適したレベルに増幅する。受信装置４は、前置増幅器３が出力する反射超音波信号を受信する。

さて送信装置２は図１に示すように、送信回路２１、波形データ記憶部２２、基準クロック発生部２３および送信制御部２４を含む。

送信回路２１は、図１１に示した回路を基本構成とする。ただし送信回路２１は、図１１に示す原理的な回路を実現するに当たり、スイッチをＦＥＴに置き換えるなどの変更が施される。そして送信回路２１は、磁束加算方式の原理により送信信号を生成する。

波形データ記憶部２２は、送信回路２１に含まれる３つの１次側コイル回路のそれぞれの状態変化パターンを示した波形データを記憶する。

基準クロック発生部２３は、送信回路２１の状態を変化させるタイミングに同期した基準クロックを発生する。

送信制御部２４は、基準クロックに同期して波形データを波形データ記憶部２２から順次読み出す。そして送信制御部２４は、１次側コイル回路のそれぞれを波形データが示す状態とするように制御する。

さて、波形データ記憶部２２が記憶する波形データは、送信信号が以下に説明するような波形となるように予め定められる。

まず本実施形態の超音波診断装置は、原理的には図２に示すようなガウス包絡線を持つ搬送波信号を送信信号として送信する。しかしながら、図２に示す搬送波信号をそのまま磁束加算方式により生成することはできない。搬送波信号を単純サンプリングしたのでは、発明が解決しようとする課題の項目で説明したように、２次高調波レベルが悪化してしまう。そこで本実施形態では、図２に示す搬送波の周期の１／２の周期を持った図３に示すようなサンプリング関数（サンプル列）にて図２に示す搬送波信号をサンプリングする。このサンプリングにより、図４に示すような信号が得られる。そして図４に示す信号と図５に示すように搬送波周期の１／２の幅を持つ矩形波とをコンボリューションする。コンボリューションにより、図６に示すような信号が得られる。図６に示す信号を送信回路２１の駆動タイミングに応じてサンプリングし、各サンプリング値を達成するための各１次側コイル回路のそれぞれの状態を示したデータとして波形データを得る。

次に以上のように構成された超音波診断装置の動作について説明する。
送信制御部２４は、基準クロック発生部２３で発生された基準クロックに同期して波形データ記憶部２２から波形データを読み出し、送信回路２１の各１次側コイル回路の状態を変化させる。そうすると送信回路２１は、磁束加算方式の原理により送信信号を生成する。

さて、通常行われている時間間隔Ｔでのサンプリング関数は、次の(1)式で表される。

ただしこの(1)式におけるδは、デルタ関数を表す。そして上記のサンプリング関数のスペクトルは、次の(2)式で計算される。

この結果、上記のスペクトルは、次の(3)式で表される。

この(3)式から判るように、サンプリング関数のスペクトルは、１／Ｔの整数倍の周波数の線スペクトルの集合となる。

次に、本実施形態のサンプリング関数のスペクトルを考える。ここで、サンプリング点に注目すると、周期Ｔの正弦波をＴ／２周期でサンプリングした場合、サンプリングされた結果は±１である。このため、図４に示すサンプリング結果は、ガウス関数の値が正負交番したものとなる。従ってこの操作は、ガウス関数を搬送波周期の１／２で正負のサンプリングをしたものと等価である。従って、本実施形態のサンプリング関数は、時間間隔Ｔの正負のサンプリング関数を、時間Ｔ／２だけずらして加算したものとなるので、次の(4)式で表される。

このサンプリング関数のスペクトルは次の(5)式で計算される。

この結果、本実施形態のスペクトルは、次の(6)式で表される。

この(6)式から判るように、本実施形態のスペクトルは、搬送波周波数の奇数倍の線スペクトルの集合となる。つまり本実施形態のサンプリング関数は、２次高調波成分を持たない。

本実施形態の送信信号の波形は上述したように、上記のサンプリング関数でガウス関数をサンプリングして得られる信号に、その時間軸上で、搬送波周期の１/２の幅を持つ矩形波をコンボリューションして発生させている。このため、サンプリングではガウス関数のスペクトルの裾野が２次高調波として生じるが、さらに矩形波とコンボリューションすることにより、２次高調波成分はゼロとなる。

図７は送信信号の波形のシミュレーション結果を示す図である。図８は図７に示す波形の周波数スペクトルを示す図である。なおシミュレーション条件は、以下のとおりである。
中心周波数：１．８２ＭＨｚ
サンプリング周波数：１６０ＭＨｚ
振幅方向量子化レベル：２７レベル
図７および図８から判るように、本実施形態によるガウス波形は、単純サンプリングによるガウス波形に比べて振幅レベルの変化回数が極端に少ない。そして２次高調波成分（３．６４ＭＨｚ付近）は、本実施形態による波形は、単純サンプリングで生成した波形に比べ２０ｄＢ程度改善されている。

図９は送信回路２１により実際に生成されたガウス波形を示す図である。図１０は図９に示す波形の周波数スペクトルを示す図である。なお、ガウス波形を生成するための実験条件は以下のとおりである。
中心周波数：１．８２ＭＨｚ
サンプリング周波数：１６０ＭＨｚ
振幅方向量子化レベル：２７レベル
負荷：５０Ω（抵抗負荷）
図１０から分かるように、ほぼ理論(シミュレーション)と同程度の２次高調波低減効果が得られている。

このように本実施形態によれば、振幅レベルの変化回数が少ないので、１次側コイル回路の状態の変化回数、すなわちＦＥＴ等のスイッチング素子のスイッチング回数を少なくすることができる。このため、スイッチング動作時の回路の非線形動作の影響によるガウス包絡線の２次高調波レベル上昇を軽減することが可能となる。この２次高調波低減効果により、ハーモニックイメージング時のＳ/Ｎが改善され、より感度の高い撮影が行える。なお、３次以上の高調波は増大するおそれがあるが、ハーモニックイメージングには２次高調波成分が感度に影響するのであって、３次以上の高調波の増大は感度には影響しない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の要部構成を示すブロック図。 ガウス包絡線を持つ搬送波信号の波形を示す図。 搬送波の周期の１／２の周期を持ったサンプリング関数（サンプル列）を示す図。 図２に示す信号を図３に示すサンプリング関数でサンプリングした結果として得られる信号の波形を示す図。 搬送波周期の１／２の幅を持つ矩形波を示す図。 図１に示す送信装置で生成する送信信号の理論的な波形を示す図。 送信信号の波形のシミュレーション結果を示す図。 図７に示す波形の周波数スペクトルを示す図。 図１に示す送信回路２１により実際に生成されたガウス波形を示す図。 図９に示す波形の周波数スペクトルを示す図。 磁束加算方式を利用した送信部の概略構成を示す図。 図１１に示す送信部に含まれる電気回路の等価回路を示す図。 送信用電源TXV0，TXV1，TXV2の電圧の比率を１：３：９とした場合に生成できる電圧値の一覧を表わす図。 単純サンプリングにて生成したガウス波形の理想的時間軸波形を示す図。 図１４に示すガウス波形を実際に磁束加算方式送信回路にて発生させた時間軸波形を示す図。

符号の説明

１…超音波振動子、２…送信装置、３…前置増幅器、４…受信装置、２１…送信回路、２２…波形データ記憶部、２３…基準クロック発生部、２４…送信制御部。

Claims (2)

1. 超音波振動子から放射される超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置において、
   鉄心と、前記鉄心に巻かれた２次側巻線と、複数の１次側コイル回路とを具備し、前記２次側巻線に誘起される信号を超音波放射のために前記超音波振動子に供給する送信信号として出力する送信回路と、
   ガウス包絡線を持つ搬送波信号を前記搬送波信号の周期の１／２の周期でサンプリングして得られる信号と前記搬送波信号の周期の１／２の幅を持つ矩形波とをコンボリューションして得られる波形を前記送信信号として出力するように前記複数の１次側コイル回路を制御する手段とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 超音波を利用して被検体の診断を行う超音波診断装置が持つ超音波振動子に前記超音波を放射させるための送信信号を生成する送信装置において、
   鉄心と、前記鉄心に巻かれた２次側巻線と、複数の１次側コイル回路とを具備し、前記２次側巻線に誘起される信号を超音波放射のために前記超音波振動子に供給する送信信号として出力する送信回路と、
   ガウス包絡線を持つ搬送波信号を前記搬送波信号の周期の１／２の周期でサンプリングして得られる信号と前記搬送波信号の周期の１／２の幅を持つ矩形波とをコンボリューションして得られる波形を前記送信信号として出力するように前記複数の１次側コイル回路を制御する手段とを具備することを特徴とする送信装置。

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