JP4877944B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関する。詳細には、超音波診断装置における送信信号と受信信号とを分離する送受分離回路及び受信信号を増幅するプリアンプに関する。

一般に、超音波診断装置は超音波探触子及び送信回路及び受信回路及び送受分離回路を備える。超音波探触子は複数の振動素子を有する。送信回路は各振動素子に対応する複数の送信器を有する。各送信器は送信信号を増幅する送信アンプを有する。受信回路は各超音波振動子に対応する複数の受信器を有する。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の信号線が接続される。送信回路と受信回路との接続点には送受分離回路が設けられる。

送信時には、高電圧の送信信号（例えば、１００Ｖｐｐ、５ＭＨｚ）が送信回路から信号線を通って超音波探触子に流れる。受信時には、微小な受信信号（例えば、１Ｖｐｐ以下）が超音波探触子から信号線を通って受信回路に流れる。
送信信号及び受信信号は１本の信号線を共用するので、受信回路には高電圧の送信信号が流入する。従って、受信回路のプリアンプを送信信号から保護する必要がある。

そこで、送受分離回路にダイオードブリッジやスイッチを備える保護回路を設けて、送信信号から受信回路のプリアンプを保護する超音波診断装置が提案されている（例えば、［特許文献１］参照。）。

特開２００５−３１８９６６号公報

しかしながら、ダイオードブリッジを備える保護回路では、送信信号から保護するために高耐圧のダイオードが必要であるという問題点がある。さらに、ダイオードの動作抵抗が受信信号経路に存在するのでノイズが生じるという問題点がある。
また、スイッチを備える保護回路では、送信モードと受信モードを切り替えるための切替信号が必要になるという問題点がある。受信時には、保護回路はベース接地型増幅器として動作して入力インピーダンスが小さくなる。従って、受信信号を十分通すには時定数を大きくするべく大容量のコンデンサが必要であるという問題点がある。送信時には、スイッチや出力端子に高電圧がかかる。従って、高耐圧素子が必要であるという問題点がある。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、回路規模を大きくすることなく送信信号から受信回路を保護する超音波診断装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために本発明は、被検体内に超音波を送受信する超音波振動子を備える超音波探触子と、前記超音波振動子に送信信号を供給する送信部と、前記超音波振動子からの受信信号を増幅するプリアンプを有する受信部と、前記受信部から出力される受信信号に基づいて超音波像を構成する画像処理部と、前記超音波像を表示する画像表示部と、を備える超音波診断装置であって、前記送信部及び前記受信部の接続点と前記プリアンプの入力との間に直列に接続されるコンデンサと、前記コンデンサからみた前記プリアンプの入力抵抗回路と、前記コンデンサと前記プリアンプの入力との間に設けられるクランプ回路と、を具備し、前記入力抵抗回路は、前記プリアンプの入力とバイアス電源との間に設けられるスイッチング素子を含み、前記超音波の送信時には前記スイッチング素子をオンし前記超音波の受信時には前記スイッチング素子をオフすることを特徴とすることを特徴とする超音波診断装置である。

超音波の送信時には、コンデンサに流入した送信信号は、コンデンサによりカップリングされて直流成分が遮断され、クランプ回路によりクランプされて所定電圧範囲内に制限されて、プリアンプに出力される。
超音波の受信時には、受信信号は、コンデンサと抵抗で構成されるハイパスフィルタを通り、プリアンプに入力されて増幅される。
また、入力抵抗回路に、スイッチング素子を設け、超音波の送信時にはスイッチング素子をオンし超音波の受信時にはスイッチング素子をオフするので、抵抗値が大きい抵抗をオンチップすることが困難な場合であっても抵抗に代えて電界効果トランジスタ等のスイッチング素子を用いることによりＩＣ化等の小型化を図ることができる。

クランプ回路は、２つのダイオードを含む。一方のダイオードはプリアンプの入力と第１電源との間に順方向に接続され、他方のダイオードはプリアンプの入力とグランドまたは第２電源（基準電源）との間に逆方向に接続される。
尚、送信信号は振幅が大きい信号でありダイオードの順方向動作電圧Ｖｆ（０．６Ｖ〜０．８Ｖ）以上になるのでクランプされる。受信信号は振幅が小さい信号でありダイオードの順方向動作電圧Ｖｆを超えないのでクランプされない。

このように、送信信号の電圧はコンデンサの両端にかかるので、クランプ回路のダイオードは高耐圧である必要はない。また、送信信号はコンデンサを通過後にクランプ回路によりクランプされるので、プリアンプが保護される。

また、クランプ回路に関しては、２つのダイオードをプリアンプ入力とグランドまたは第２電源（基準電源）との間に逆並列接続してもよい。
これにより、グランド中心あるいは第２電源中心の振幅の受信信号をプリアンプに入力することができる。

入力抵抗回路は、プリアンプの入力とバイアス電源との間に設けられる抵抗を含む。
これにより、プリアンプの高入力インピーダンス性を確保し、コンデンサの容量及びサイズを十分小さくして回路規模を小さくすることができる。

また、コンデンサの容量は、超音波振動子の等価容量と比較して小さくすることが望ましい。
これにより、送信回路の送信アンプの負荷を抑制することができる。
また、入力抵抗回路の抵抗値は、コンデンサの容量と入力抵抗回路の抵抗値とにより決定されるカットオフ周波数が送信信号の周波数より小さくなる抵抗値であることが望ましい。
これにより、受信信号の損失及びノイズを抑制することができる。

本発明によれば、回路規模を大きくすることなく送信信号から受信回路を保護する超音波診断装置を提供することができる。

以下添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、以下の説明及び添付図面において、略同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

（１．第１の実施の形態）
最初に、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１の実施の形態に係る超音波診断装置１について説明する。

（１−１．超音波診断装置１の構成）
図１は、超音波診断装置１の構成図である。
超音波診断装置１は、超音波探触子２、送信回路３、受信回路４、送受分離回路５、制御部６、画像処理部７、画像表示部８から構成される。

超音波探触子２は複数の超音波振動子９を有する。送信回路３は各超音波振動子９に対応する複数の送信器を有する。各送信器は送信信号を増幅する送信アンプを有する。受信回路４は各超音波振動子９に対応する複数の受信器を有する。各受信器は受信信号を増幅するプリアンプを有する。送信回路３と受信回路４との接続点には送受分離回路５が設けられる。制御部６は送信回路３及び受信回路４に制御信号を送る装置である。

超音波診断装置１は、送信回路３から送受分離回路５を介して超音波探触子２に送信信号を送り、超音波探触子２から被検体内に超音波信号を照射する。超音波診断装置１は、超音波探触子２により被検体内で反射された超音波信号を受信し、送受分離回路５を介して受信回路４に送り、受信回路４のプリアンプで増幅する。超音波診断装置１は、画像処理部７により超音波信号を画像処理し、画像表示部８により画像表示する。

（１−２．送受分離保護回路１０の構成）
図２は、送受分離保護回路１０の構成図である。
送受分離保護回路１０は、送信回路３と受信回路４との接続点に設けられる。送受分離保護回路１０は、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２、抵抗Ｒ１等から構成される。送受分離保護回路１０は、図１の送受分離回路５の機能を備える。
送信回路３の接続点と受信回路４のプリアンプ１１との間には、コンデンサＣ１が直列に接続され、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２及び抵抗Ｒ１が並列に接続される。
ダイオードＤ１のアノード及びダイオードＤ２のカソードは、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１及びプリアンプ１１に接続される。ダイオードＤ１のカソードは、電源Ｖｄｄに接続される。ダイオードＤ２のアノードは、接地される。抵抗Ｒ１は、バイアス電源Ｖｒｅｆに接続される。
プリアンプ１１は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）入力の低ノイズアンプ（ＬＮＡ：Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐ）である。

（１−３．送受分離保護回路１０の動作）
（１−３−１．超音波送信時の動作）
送信回路３は、超音波探触子２に送信信号を送る。送信回路３の送信アンプは、高電圧の送信信号（例えば、１００Ｖｐｐ、２〜１０ＭＨｚ）を出力する。送信信号は、コンデンサＣ１に流入する。コンデンサＣ１に流入した送信信号は、コンデンサＣ１によりカップリングされて直流成分が遮断され、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２によりクランプされて所定電圧となり、プリアンプ１１に出力される。

送信信号の電圧は、コンデンサＣ１に印加されダイオードＤ１及びダイオードＤ２に出力される。コンデンサＣ１からの出力電圧の振幅が正であり電源Ｖｄｄと比較して所定電圧（例えば、０．６Ｖ〜０．７Ｖ）より大きい場合にはダイオードＤ１が動作し、プリアンプ１１への出力電圧は、［電源Ｖｄｄの電圧値］＋［所定電圧（例えば、＋０．６Ｖ程度）］でクランプされる。コンデンサＣ１からの出力電圧の振幅が負であり所定電圧（例えば、−０．６Ｖ〜−０．７Ｖ）より小さい場合にはダイオードＤ２が動作し、プリアンプ１１への出力電圧は、［所定電圧（例えば、−０．６Ｖ程度）］でクランプされる。
例えば、電源Ｖｄｄの電圧値が５Ｖである場合、送信信号がプリアンプ１１に入力する際の電圧は、−０．６Ｖ〜＋５．６Ｖ程度に制限される。従って、後段のプリアンプ１１のＦＥＴは、損傷を受けない。

ダイオードＤ１及びダイオードＤ２に流れる電流は、コンデンサＣ１のインピーダンスで決定される。また、コンデンサＣ１は、送信回路３の送信アンプの負荷にもなるので超音波探触子２の容量より十分小さい容量であることが望ましい。一方、コンデンサＣ１は、受信信号を低周波まで減衰なく通すには大きい容量であることが望ましい。従って、コンデンサＣ１の容量は、数ｐＦ〜数１０ｐＦ程度とすることが望ましい。

（１−３−２．超音波受信時の動作）
超音波探触子２からの受信信号は、非常に小さい。従って、受信信号は、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２にクランプされない。受信信号は、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１で構成されるハイパスフィルタを通り、受信回路４のプリアンプ１１に入力される。受信信号は、プリアンプ１１により増幅され受信処理部１２により信号処理される。

受信信号のノイズに関しては、信号源の抵抗（超音波探触子２の出力インピーダンス）より抵抗Ｒ１を十分大きくすることにより、抵抗Ｒ１による熱雑音を抑制することができる。また、抵抗Ｒ１を十分大きくすることにより、コンデンサＣ１の容量を小さくすることができる。
例えば、コンデンサＣ１の容量が１０ｐＦであり抵抗Ｒ１の抵抗値が１００ｋΩである場合には、時定数τは１μｓｅｃとなる。そして、これらのコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１により構成されるハイパスフィルタの遮断周波数（カットオフ周波数）ｆｃは、ｆｃ＝１／（２π・Ｃ１・Ｒ１）≒１６０ｋＨｚ、となる。超音波診断装置における送信信号及び受信信号の周波数は２〜１０ＭＨｚであるので、遮断周波数は１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度が適当である。従って、コンデンサＣ１の容量が１０ｐＦである場合には抵抗Ｒ１の抵抗値を１００ｋΩ以上とすることが望ましい。

（１−４．効果）
以上説明したように、第１の実施の形態では、送信回路の接続点と受信回路のプリアンプとの間にコンデンサが直列に設けられ、相補ダイオード及びバイアス電源に接続する抵抗が並列に設けられる。送信信号の電圧はコンデンサの両端にかかるので、相補ダイオードは高耐圧である必要はない。また、送信信号はコンデンサを通過後に相補ダイオードによりクランプされるので、受信回路のプリアンプが保護される。

また、バイアス電源に接続する抵抗を設けることにより、プリアンプの高入力インピーダンス性を確保し、コンデンサの容量及びサイズを十分小さくして回路規模を小さくすることができる。
さらに、超音波探触子の容量と比較してコンデンサの容量を十分小さくすることができるので、送信回路の送信アンプの負荷が増大することもない。

（２．第２の実施の形態）
次に、図３を参照しながら、本発明の第２の実施の形態について説明する。

（２−１．送受分離保護回路１０ａの構成）
図３は、送受分離保護回路１０ａの構成図である。
第２の実施の形態の送受分離保護回路１０ａは、第１の実施の形態の送受分離保護回路１０のダイオードＤ１及びダイオードＤ２に代えて、ダイオードＤ３及びダイオードＤ４を用いたものである。

ダイオードＤ３のカソード及びダイオードＤ４のアノードは、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１及びプリアンプ１１に接続される。ダイオードＤ３のアノード及びダイオードＤ４のカソードは、接地される。
第１の実施の形態のプリアンプ１１は、所定の電圧値を中心とした入力電圧範囲について動作するアンプである。第２の実施の形態のプリアンプ１１ａは、グランド中心の入力電圧範囲について動作するアンプである。

（２−２．送受分離保護回路１０ａの動作）
送信信号の電圧は、コンデンサＣ１に印加されダイオードＤ１及びダイオードＤ２に出力される。コンデンサＣ１からの出力電圧の振幅が正である場合にはダイオードＤ４が動作し、プリアンプ１１への出力電圧は、所定の正電圧でクランプされる。コンデンサＣ１からの出力電圧の振幅が負である場合にはダイオードＤ３が動作し、プリアンプ１１への出力電圧は、所定の負電圧でクランプされる。従って、後段のプリアンプ１１のＦＥＴは、損傷を受けない。

（２−３．効果）
以上説明したように、第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、グランド中心の振幅の受信信号をプリアンプに入力することができる。

（３．第３の実施の形態）
次に、図４を参照しながら、本発明の第３の実施の形態について説明する。

（３−１．送受分離保護回路１０ｂの構成）
図４は、送受分離保護回路１０ｂの構成図である。
第３の実施の形態の送受分離保護回路１０ｂは、第１の実施の形態の送受分離保護回路１０の抵抗Ｒ１に代えて、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）Ｑ１を用いたものである。制御部１３は、電界効果トランジスタＱ１のオン・オフを制御する装置である。

（３−２．送受分離保護回路１０ａの動作）
送信時には、制御部１３は電界効果トランジスタＱ１をオンし、プリアンプ１１への出力電圧は、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２によりクランプされる。また、受信時には、制御部１３は電界効果トランジスタＱ１をオフし、バイアス電源Ｖｒｅｆの電圧がプリアンプ１１の入力端子に保持されると同時にプリアンプ１１の高入力インピーダンス性が確保される。

（３−３．効果）
以上説明したように、第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、抵抗値が大きい抵抗をオンチップすることが困難な場合であっても、抵抗に代えてＦＥＴを用いることにより、送受分離保護回路１０ｂ等のＩＣ化を行うことができる。

（４．ＩＣ化）
近年、２次元超音波探触子のようにチャネル数が多い場合、チャネル毎に送受分離保護回路及び受信回路を設けるのは回路規模やケーブル本数の観点から困難である。プリアンプと超音波振動子との間のケーブル長も短い方が望ましい。従って、送受分離保護回路及び受信回路の少なくとも一部をＩＣ化して超音波探触子部分に搭載することが望ましい。第１の実施の形態〜第３の実施の形態に係る送受分離保護回路は、高耐圧を必要としない相補ダイオードと小容量のコンデンサにより構成されるので、ＩＣ化に適している。

図５は、配線間容量を示す図である。
ＩＣ化の際には、回路基板１６上の配線１４と配線１５との間に配線間容量Ｃ２を設けることが望ましい。サイズの小さい高耐圧チップコンデンサをＩＣ外部に設けてもよい。

（５．その他）
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

超音波診断装置１の構成図 送受分離保護回路１０の構成図 送受分離保護回路１０ａの構成図 送受分離保護回路１０ｂの構成図 配線間容量を示す図

符号の説明

１………超音波診断装置
２………超音波探触子
３………送信回路
４………受信回路
５………送受分離回路
６、１３………制御部
７………画像処理部
８………画像表示部
９………超音波振動子
１０、１０ａ、１０ｂ………送受分離保護回路
１１………プリアンプ
１２………受信処理部
１４、１５………配線
１６………回路基板
Ｃ１、Ｃ２………コンデンサ（容量素子）
Ｒ１………抵抗（抵抗素子）
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４………ダイオード
Ｑ１………トランジスタ
Ｖｄｄ、Ｖｒｅｆ………電源

Claims (6)

1. 被検体内に超音波を送受信する超音波振動子を備える超音波探触子と、前記超音波振動子に送信信号を供給する送信部と、前記超音波振動子からの受信信号を増幅するプリアンプを有する受信部と、前記受信部から出力される受信信号に基づいて超音波像を構成する画像処理部と、前記超音波像を表示する画像表示部と、を備える超音波診断装置であって、
   前記送信部及び前記受信部の接続点と前記プリアンプの入力との間に直列に接続されるコンデンサと、
   前記コンデンサからみた前記プリアンプの入力抵抗回路と、
   前記コンデンサと前記プリアンプの入力との間に設けられるクランプ回路と、
   を具備し、
   前記入力抵抗回路は、前記プリアンプの入力とバイアス電源との間に設けられるスイッチング素子を含み、前記超音波の送信時には前記スイッチング素子をオンし前記超音波の受信時には前記スイッチング素子をオフすることを特徴とすることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記クランプ回路は２つのダイオードを含み、一方のダイオードは前記プリアンプの入力と第１電源との間に順方向に接続され、他方のダイオードは前記プリアンプの入力とグランドまたは第２電源との間に逆方向に接続され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. 前記クランプ回路は２つのダイオードを含み、前記２つのダイオードはプリアンプ入力とグランドまたは第２電源との間に逆並列接続されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記入力抵抗回路は、前記プリアンプの入力とバイアス電源との間に設けられる抵抗を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
5. 前記コンデンサの容量は、前記超音波振動子の等価容量と比較して小さく、前記入力抵抗回路の抵抗値は、前記コンデンサの容量と前記入力抵抗回路の抵抗値とにより決定されるカットオフ周波数が前記送信信号の周波数により小さくなる抵抗値であることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
6. 前記コンデンサ、前記入力抵抗回路、及び前記クランプ回路のうち一部または全部がＩＣ化されて前記超音波探触子に搭載されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。

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