JP4611499B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置に関し、特にデジタルビームフォーマーを有する超音波診断装置の受信回路に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
デジタルビームフォーマー（ＤＢＦ）は、各振動素子ごとに受信信号のデジタル変換を実行した後に整相加算を実行するものである。Ａ／Ｄ変換器には各種のものがあるが、通常、リファレンス電圧と入力信号との比較がなされる。
【０００３】
Ａ／Ｄ変換器にオフセット成分（ＤＣ成分）が発生すると、正確な信号加算を行えないとともに、Ａ／Ｄ変換器の後段に設けられる各回路のダイナミックレンジを事実上狭めてしまう。特に、受信時においては、受信ダイナミックフォーカスと連動して、連続的に又は段階的に送受信開口を可変制御することが行われるが、その場合、加算数の差によりオフセット成分の総和が異なることから、画像上において、その送受信開口の変化に相当する部位に不連続な線などが現れるという問題がある。
【０００４】
もちろん、Ａ／Ｄ変換器の調整を行って、オフセット成分をゼロに近付けることも可能ではあるが、ＤＢＦではチャンネル数が非常に多く、各Ａ／Ｄ変換器ごとに完璧な調整を行うのは大変な労力が必要となる。また、Ａ／Ｄ変換器の後段にＤＣ成分をカットするフィルタを挿入することも考えられるが、必要な周波数成分を損なうことなしに、ＤＣ成分のみをカットするには、比較的大きな回路を設ける必要があり、コストアップにつながる。
【０００５】
上記オフセット成分は、一般にＡ／Ｄ変換器で生じるものが顕著であるが、Ａ／Ｄ変換器以外の回路、素子などにおいても生じ得る。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、Ａ／Ｄ変換器などで生じるオフセット成分を除外して超音波画像の画質を向上させることにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、特にＤＢＦにおいて、Ａ／Ｄ変換器等で生じるオフセット成分や他のエラー要因を簡単な構成でキャンセルすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明は、複数の振動素子と、複数の振動素子からの複数の信号の整相加算を実行する回路であって受信ダイナミックフォーカス処理及び前記複数の振動素子からの信号の加算数を可変する開口可変処理を実行するデジタルビームフォーマーと、を有する超音波診断装置において、前記デジタルビームフォーマーは、前記振動素子ごとに設けられ、前記複数の振動素子からの複数の受信信号を複数のデジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換器と、オフセット成分検出時に前記複数のＡ／Ｄ変換器の入力を接地状態とする複数の第１スイッチと、前記Ａ／Ｄ変換器ごとに設けられ、前記複数のＡ／Ｄ変換器からの複数のデジタル信号に含まれる複数のオフセット成分を検出する複数のオフセット検出手段と、前記複数のＡ／Ｄ変換器からの複数のデジタル信号に含まれる複数のオフセット成分を除外する処理を実行する複数のオフセット補正手段と、前記複数のオフセット成分が除外された後の複数のデジタル信号を加算する加算手段と、を含み、前記各オフセット検出手段は、前記オフセット成分検出時に、前記各Ａ／Ｄ変換器から出力されるＮクロック分のデジタル信号をサンプリングし、それらの平均値を演算することによりオフセット成分を求める（但しＮは２以上の整数）、ものである。望ましくは、超音波診断装置が、更に、前記複数の振動素子に接続される複数の送信回路と、前記複数の送信回路と前記複数の振動素子との間に設けられ、前記オフセット成分検出時に前記複数の振動素子を接地状態とする複数の第２スイッチと、前記複数の第１スイッチと前記複数の第２スイッチとを選択的に動作させる手段と、を含む。
【０００９】
上記構成によれば、Ａ／Ｄ変換器から出力される出力信号に含まれるオフセット成分を検出し、それに従って当該オフセット成分を除外する処理を実行できる。Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号に対してオフセット成分の検出を行えば、そのＡ／Ｄ変換器を含む一連の信号処理回路で生起されたオフセット成分（振動素子を経由した送信回路側からの回り込みオフセット成分を含めてもよい）を一括除外することも可能である。
【００１０】
望ましくは、前記オフセット検出手段は、前記信号処理回路の無信号入力時に出力される出力信号に従って前記オフセット成分を特定する。無信号入力時における出力信号は、オフセット成分そのものとみなすことができるので、それをもって、オフセット成分を検出するものである。
【００１１】
望ましくは、前記オフセット検出手段は、前記振動素子の入力を接地した状態における前記信号処理回路の出力信号に従って前記オフセット成分を特定する。この構成によれば、送信回路側からの回り込みオフセット成分を含めて、受信信号から不要な信号成分を除外することができる。
【００１２】
望ましくは、前記振動素子の入力から前記信号処理回路までの経路における少なくとも２つの接地切換点が選択的に接地状態にされ、前記オフセット検出手段は、各接地切換点の接地状態で前記オフセット成分を特定する。この構成によれば、いずれの回路、素子、経路点でオフセット成分がどの程度生起されているのかを追跡調査することも可能であり、原因箇所の究明に役立つ。よって、装置メンテナンスをより的確に行えるという利点がある。
【００１３】
望ましくは、前記オフセット補正手段は、前記信号処理回路の出力信号を補正する。望ましくは、前記オフセット補正手段は、前記信号処理回路の動作条件を補正する。このようにオフセット成分の除外は、出力信号自体に対して事後的に行うようにしてもよいし、オフセット成分を生成する回路自体に対して動作調整を行うことにより事前的に行うようにしてもよい。
【００１４】
（２）望ましくは、超音波診断装置が、振動素子からの受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号に含まれるオフセット成分を検出するオフセット検出手段と、前記オフセット成分を除外する処理を実行するオフセット補正手段と、を含む。
【００１５】
上記構成によれば、オフセット補正手段によって、Ａ／Ｄ変換器において生じるオフセット成分（ＤＣ成分）を実際に検出し、そのオフセット成分に基づいてオフセット成分を除外する処理が遂行される。よって、自動的に不要な成分を除去することが可能であり、煩雑なマニュアル調整を要することなく超音波画像の画質を向上できる。特にＡ／Ｄ変換器以降の各回路のダイナミックレンジを有効利用することができる。本発明は、単振動子を有する超音波探触子を備えた超音波診断装置及びアレイ振動子を有する超音波探触子を備えた超音波診断装置の双方に適用可能である。また、オフセット成分の除去あるいはオフセット補正については各種の手法を採用できる。オフセット成分の除去は、整相加算前が理想的であるが、整相加算後にオフセット成分の除去を行っても一定の効果を得られる。なお、遅延器と整相加算器との間にオフセット補正手段を挿入するようにしてもよい。
【００１６】
望ましくは、前記オフセット検出手段は、前記Ａ／Ｄ変換器の無信号入力時に出力されるデジタル信号に従って前記オフセット成分を特定する。無信号入力時にＡ／Ｄ変換器から出力される信号はオフセット成分であるとみなせるので、その信号を利用してオフセット成分を検出する。
【００１７】
望ましくは、前記オフセット検出手段は、前記Ａ／Ｄ変換器の無信号入力時に出力されるデジタル信号に対して平均値を演算し、その平均値を前記オフセット成分とする。この構成によれば、オフセット成分のレベルが時間的に変動していても、その平均値を利用して精度良く信号補正を行える。
【００１８】
望ましくは、前記Ａ／Ｄ変換器の前段に設けられ、受信信号経路に代えてグランドを前記Ａ／Ｄ変換器の入力に接続するグランド切換手段を含み、前記オフセット検出手段は、前記Ａ／Ｄ変換器の入力にグランドが接続された状態で前記オフセット成分を特定する。積極的にグランドをＡ／Ｄ変換器の入力に接続すれば、ノイズなどの外的要因に影響されずに精度良くオフセット成分を検出できる。
【００１９】
望ましくは、前記オフセット成分の検出及びそれによる補正は受信期間相互の間のブランク期間に実行される。このような送信期間でオフセット補正を行えば、空き時間を有効利用でき、しかも常時補正を行い続けることができるので、常に精度よい計測条件を実現できる。但し、送信信号の回り込み、漏れ込みによる影響を防止するために、信号経路上の所要箇所をグランドに接続するのが望ましい。
【００２０】
望ましくは、前記オフセット成分の検出は装置立ち上げ時に実行される。望ましくは、前記オフセット成分の検出は装置調整時に実行される。
【００２１】
（３）望ましくは、超音波診断装置が、複数の振動素子と、前記各振動素子ごとに設けられ、振動素子からの受信信号をデジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換器と、前記各Ａ／Ｄ変換器ごとに設けられ、各Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号に含まれるオフセット成分を検出する複数のオフセット検出手段と、前記各オフセット成分によって各オフセット成分を除外する処理を実行する複数のオフセット補正手段と、前記オフセット成分が除外された複数のデジタル信号を加算する加算手段と、を含む。
【００２２】
上記構成によれば、ＤＢＦにおいてチャンネル数に拘わらず簡便にオフセット補正を行えるという利点がある。すなわち、上記のように受信ダイナミックフォーカスに連動させて開口（加算数）が可変された場合、各チャンネルごとにオフセット成分の除去が行われているから、画像上に不連続な線などが現れ難くなる。
【００２３】
（４）望ましくは、超音波診断装置が、振動素子からの受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器によるオフセット成分を検出するオフセット検出手段と、前記オフセット成分によって前記Ａ／Ｄ変換器の動作を調整するオフセット補正手段と、を含む。この構成によれば、直接的に受信信号を補正することなく、Ａ／Ｄ変換器自体の調整（例えば、リファレンス電圧の調整）を行ってそのダイナミックレンジを最大限有効利用することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
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。
【００２５】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の要部構成がブロック図として示されている。図１は超音波診断装置における特に受信部の詳細な構成が示されている。
【００２６】
振動素子１０は、超音波の送受波を行う素子であり、複数の振動素子１０によっていわゆるアレイ振動子が構成されている。但し、本発明は単振動子が設けられる場合にも適用可能である。各振動素子１０ごとに受信信号の処理を行う回路が設けられている。
【００２７】
具体的に説明すると、各振動素子１０すなわち各チャンネルごとに受信信号を増幅するアンプ１２と、受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、オフセット補正回路１６と、遅延器１８とが設けられており、遅延器１８の出力は加算器２０に入力されている。
【００２８】
すなわち、本実施形態に係る超音波診断装置においては、図１に示されるようなデジタルビームフォーマーとしての受信部を構成を有しており、各振動素子１０ごとにＡ／Ｄ変換器１４が設けられ、デジタル信号に対して遅延加算が行われている。ちなみに、図１において送信回路の構成については図示省略されており、また各回路に入力されるコントロール信号についても一部を除いて図示省略されている。
【００２９】
加算器２０から出力される受信信号（合成受信信号）は、例えばＢモード画像を形成するための回路に入力され、あるいはドプラ信号処理を行う回路に入力される。それらの回路は公知のものである。
【００３０】
オフセット補正回路１６について詳述すると、Ａ／Ｄ変換器１４から出力される受信信号は減算器３０の一方の入力端子に入力され、また、その受信信号は加算器２４の一方の入力端子に入力されている。加算器２４の他方の入力端子にはフリップフロップ回路２６から出力される信号が帰還入力されており、加算器２４はそれら２つの入力信号を加算し、フリップフロップ回路２６に出力にする。フリップフロップ回路２６はメモリとして機能するものであり、一定期間内における加算器２４の出力を加算し、その加算値を１／Ｎ回路２８に出力する。この１／Ｎ回路２８は、加算結果を数値Ｎで割る回路であり、その割られた後の値すなわち平均値が減算器３０の他方の入力端子に入力される。ここでその平均値はＡ／Ｄ変換器１４のオフセット成分に相当するものである。
【００３１】
減算器３０では、Ａ／Ｄ変換器１４から出力される受信信号から、上記のように求められたオフセット成分を減算し、その減算後の受信信号を遅延器１８に出力している。
【００３２】
ところで、Ａ／Ｄ変換器１４のオフセット成分を特定する際には、本実施形態においては、スイッチ２２が端子Ａ側から端子Ｂ側に切り換えられており、Ａ／Ｄ変換器１４の入力がグランドに接続されている。すなわち、そのような無信号入力時において、Ａ／Ｄ変換器１４から出力される出力信号はまさにオフセット成分であると推定されるため、そのようなオフセット成分をＮクロック分だけサンプリングし、それらを平均化することによって平均値としてのオフセット成分を特定している。そして、実際の受信信号の処理を行う場合には、スイッチ２２がＢ側からＡ側へ切換えられ、受信信号に対してオフセット成分の減算が遂行されることになる。
【００３３】
ちなみに、以上のような回路構成は各チャンネルごとに設けられているが、図１においては代表的に１つのチャンネルの受信信号処理回路のみが示されている。
【００３４】
図２には、上述した動作がタイミングチャートとして示されており、図２において（Ａ）には送受信タイミングが示されており、図示されるように受信期間の間に送信ブランク期間すなわち送信期間が設定されている。それ以外の期間においては、（Ｂ）に示すように受信信号が得られている。
【００３５】
本実施形態においては、（Ｃ）に示すように送信ブランク期間の最初に補正値クリア信号１０２が出力されており、これによってフリップフロップ回路２６の記憶された値がクリアされている。そして、（Ｄ）に示すように、補正値加算期間において、スイッチ２２が切換えられてＡ／Ｄ変換器１４の入力がグランドに接続された状態においてＮクロック分だけＡ／Ｄ変換器１４の出力信号が加算される。その加算結果は上記のように１／Ｎ回路２８によって演算され、平均値としてのオフセット成分が特定されている。
【００３６】
ちなみに、上記実施形態においては、送信ブランク期間を利用してオフセット成分の特定を行ったが、例えば装置の出荷時のみにおいて上記のオフセット成分の検出を行って、そのような補正値をメモリに記憶させておくことも可能である。またこれと同様にメンテナンス時においてのみ上記の処理を行わせるようにしてもよい。更に、装置の電源立ち上げ時において自動的に上記のようなオフセット成分の検出を行うようにしてもよい。
【００３７】
ところで、図１に示した実施形態においては、減算器３０において受信信号に対して直接的にオフセット成分が減算されているが、例えば図１において破線で示すように、そのようなオフセット成分を補正値として利用し、Ａ／Ｄ変換器１４におけるリファレンス電圧の調整に利用するようにしてもよい。このような構成によれば、Ａ／Ｄ変換器１４の動作特性自体をフィードバック調整して、そのダイナミックレンジを最大限有効利用することが可能となる。またそのような構成によれば、減算器３０が不要となり、回路構成面でもメリットがあるものと考えられる。
【００３８】
いずれにしても、上記のようにオフセット成分を除外するための処理を行うことにより、超音波画像の画質を高めることができ、またメンテナンスに伴う調整の煩雑さを排除することが可能となる。
【００３９】
図１に示したオフセット補正回路１６は例えば遅延器１８と加算器２０との間に設けることもでき、各チャンネルごとのオフセット成分を累積し、加算器２０の出力に対してオフセット補正を行うことも可能である。
【００４０】
図３には、他の実施形態の構成が示されている。なお、図１と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
この実施形態においては、各振動素子１０の入力に対して送信回路４０が接続されており、各振動素子１０と各送信回路４０との間にはスイッチ４２が設けられている。スイッチ４２をＡ端子側にすると、振動素子１０に対して送信回路４０が接続され、スイッチ４２をＢ端子側にすると、振動素子１０に対してグランドが接続される。つまり、その場合には、振動素子１０の入力側が接地される。
【００４２】
オフセット成分の検出及びオフセット補正を行う場合、上記スイッチ２２又はスイッチ４２が選択的に動作し、選択されたスイッチが当該経路点を接地する。スイッチ４２のみが端子Ｂ側に切り換えられると、Ａ／Ｄ変換器１４の出力には、当該Ａ／Ｄ変換器１４で生起されたオフセット成分、プリアンプ１２で生起されたオフセット成分、及び、振動素子１０で発生し又はその入力側から回り込むオフセット成分が合成された全オフセット成分が現れることになる。よって、当該全オフセット成分をオフセット補正回路１６で検出すれば、当該オフセット補正回路１６で、そのような全オフセット成分を一括して除外することが可能となる。
【００４３】
また、スイッチ２２が端子Ｂ側に切り換えられると、上記の通りＡ／Ｄ変換器１４のみで生じたオフセット成分を特定可能である。よって、２つのスイッチ２２，４２を選択的に動作させれば、オフセット成分が信号経路上のいずれの回路でどの程度生成されているのかを分析することが可能である。図示されていない制御回路から、スイッチ２２には切換信号１００が入力され、スイッチ４２には切換信号１０４が入力され、各スイッチはそれらの切換信号に従って切換動作を行っている。よって、２つのスイッチ２２，４２の選択的な切換制御を自動化することも可能である。
【００４４】
上記の実施形態においては、振動素子１０の入力側に接地点を形成したが、オフセット成分の発生有無を調査する所望の回路の入力側に接地切換点を形成すればよい。また、一連の経路上に３つ以上の接地切換点を設け、より詳細にオフセット成分の発生原因を究明できるようにしてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ａ／Ｄ変換器固有の問題を解消して超音波画像の画質を向上できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明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２】 図１に示す回路構成の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】 他の実施形態に係る構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 振動素子、１２ アンプ、１４ Ａ／Ｄ変換器、１６ オフセット補正回路、１８ 遅延器、２０ 加算器、２２，４２ スイッチ、２４ 加算器、２６ フリップフロップ回路、２８ １／Ｎ回路、３０ 減算器、４０ 送信回路。

Claims (2)

1. 複数の振動素子と、複数の振動素子からの複数の信号の整相加算を実行する回路であって受信ダイナミックフォーカス処理及び前記複数の振動素子からの信号の加算数を可変する開口可変処理を実行するデジタルビームフォーマーと、を有する超音波診断装置において、
   前記デジタルビームフォーマーは、
   前記振動素子ごとに設けられ、前記複数の振動素子からの複数の受信信号を複数のデジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換器と、
   オフセット成分検出時に前記複数のＡ／Ｄ変換器の入力を接地状態とする複数の第１スイッチと、
   前記Ａ／Ｄ変換器ごとに設けられ、前記複数のＡ／Ｄ変換器からの複数のデジタル信号に含まれる複数のオフセット成分を検出する複数のオフセット検出手段と、
   前記複数のＡ／Ｄ変換器からの複数のデジタル信号に含まれる複数のオフセット成分を除外する処理を実行する複数のオフセット補正手段と、
   前記複数のオフセット成分が除外された後の複数のデジタル信号を加算する加算手段と、
   を含み、
   前記各オフセット検出手段は、前記オフセット成分検出時に、前記各Ａ／Ｄ変換器から出力されるＮクロック分のデジタル信号をサンプリングし、それらの平均値を演算することによりオフセット成分を求める（但しＮは２以上の整数）、ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記複数の振動素子に接続される複数の送信回路と、
   前記複数の送信回路と前記複数の振動素子との間に設けられ、前記オフセット成分検出時に前記複数の振動素子を接地状態とする複数の第２スイッチと、
   前記複数の第１スイッチと前記複数の第２スイッチとを選択的に動作させる手段と、
   を含むことを特徴とする超音波診断装置。

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