JP5014647B2

JP5014647B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP5014647B2
Application number: JP2006062753A
Authority: JP
Inventors: 篤史鈴木; 伸一郎岸; 健二麻殖生
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-03-08
Also published as: JP2007236605A

Description

本発明は超音波診断装置に係り、特に、超音波探触子を駆動するための送波回路に関する。

超音波診断装置は、被検体に当接させて用いられる超音波探触子から該被検体内に超音波を照射させ、該超音波探触子を介して受信したエコー信号に基づいて該被検体の断層像等を作成し、該断層像等を表示装置に表示させるように構成されている。

ここで、被検体内に超音波を照射させる超音波探触子は、並設された多数の超音波振動子を備えて構成され、これら各超音波振動子は超音波診断装置内に配置された送波回路からの駆動信号の入力によって駆動されるようになっている。

そして、このような送波回路は、たとえば下記の特許文献１あるいは特許文献２に開示されているように、その基本的な構成は、二次巻線の両端に前記超音波振動子が接続されるパルストランスの一次巻線において、そのセンタータップに正の直流電圧（高電圧）が印加されるようになっており、該一次巻線の両端にそれぞれ設けられたスイッチング回路を動作させることにより、該一次巻線にパルス電圧を発生させるようになっている。

このような送波回路からの駆動信号、すなわち、前記パルストランスの二次巻線からの出力信号は、一次巻線のセンタータップに印加される直流電圧の値によってほぼ決定される電圧（振幅）からなる矩形波のパルス列として取り出され、その周波数は、前記一次巻線の両端に設けられた各スイッチング回路の交互のオン、オフの周波数によって決定されるようになっている。
特開平７−３３６１９８号公報特開２００１−５７９７８号公報

しかし、近年における超音波診断装置は種々の診断モードを採用できるように構成され、また、超音波探触子においても測定しようとする部位によって選択使用できる種々のものが用意されている。

このような状況にあっては、超音波探触子における超音波振動子の駆動は、前記診断モードあるいは超音波探触子の種類に応じて行うことが、すなわち、送波回路からの出力信号の振幅を可変させて行うことが、最適な断層像等を得ることになる。

このような課題は、たとえば送波回路の後段等に上述した機能を有する他の回路を備えることによっても達成することができるが、構成の複雑化をともなうという理由から、送波回路自体の改良を施すことが要望されるに至っている。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、回路構成の複雑化を回避可能な送波回路を備える超音波診断装置を提供することにある。

直流電源の電圧を印加されるセンタータップを有し、前記直流電源とスイッチング素子を含むスイッチング回路によって一次巻線に発生した高周波信号を超音波探触子の振動子に出力する二次巻線を有するパルストランスと、
前記一次巻線の両端にそれぞれ直列に接続され、交互にオン、オフが繰り返される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、を具備する送波回路を備えた超音波診断装置であって、前記第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の一次巻線の反対側端子をお互いに接続し、その接続線に接続され、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とにそれぞれオン、オフのタイミングがずれた入力信号を印加することで発生した定電流を交互に前記一次巻線に流す電流制御回路を備えたことを特徴とする。

なお、本発明は以上の構成に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明のように構成した超音波診断装置は、回路構成の複雑化を回避可能な送波回路を備えたものを得ることができる。

以下、本発明による超音波診断装置の実施例を図面を用いて説明をする。

図５は、本発明による超音波診断装置の一実施例を示す概略構成図である。

図５において、まず、被検体に当接させて用いられるたとえばリニア走査型の超音波探触子１がある。この超音波探触子１には並設された複数の振動子２（１）、２（２）、２（３）、２（４）、……、２（ｎ）が配置されて構成され、これら各振動子２を通して超音波の送受信がなされるようになっている。

また、ｎ個の送波回路３（１）、３（２）、３（３）、３（４）、……、３（ｎ）があり、これら送波回路３からは切り換えスイッチ４を介して、対応する前記振動子２に遅延時間が与えられた超音波打ち出し用の駆動パルスが送波されるようになっている。これら各送波回路３は本願発明によって改良されたものが用いられ、その具体的構成は後に詳述する。

前記送波回路３によって駆動された前記超音波探触子１の各振動子２は、被検体に超音波を照射し、その反射エコーを信号（反射エコー信号）として入力するようになっている。

このように各振動子２が検出した反射エコー信号は、それぞれ前記切り換えスイッチ４を介して、受信増幅器５ａ、５ｂ、５ｃ、……、５ｅに入力され、これら各受信増幅器５によって、前記反射エコー信号を時間と共に利得を変化させて増幅するようになっている。

なお、送波回路３から振動子２への駆動パルスの送波および振動子２から受信増幅器５への反射エコーの入力に際してなされる前記切り換えスイッチ４の切り換えは制御部６による制御によってなされるようになっている。

また、前記各振動子２は互いに隣接するたとえば５個の振動子同士でグループ化され、グループ化された各振動子群からの反射エコー信号は、前記切り換えスイッチ４の切り換えによって、他のグループ化された各振動子群へ順次移行させて、前記受信増幅器５へ出力させるようになっており、前記切り換えスイッチ４の切り換えは前記制御部６による制御によってなされるようになっている。

各受信増幅器５からの出力は、それぞれ遅延回路７（１）、７（２）、７（３）、７（４）、……、７（ｎ）に入力され、これら遅延回路７によって、所定時間の遅延がなされるようになっている。これらの各遅延時間は前記制御部６によって制御されて、各反射エコー信号の位相が揃えられるようになっている。そして、各遅延回路７からの各信号（受波信号）は、加算器８によって加算されるようになっている。

ここで、前記遅延回路７および加算器８は整相回路９を構成し、この整相回路９からの信号はさらに検波回路９によって検波された後に、表示装置１０にたとえば断層像を表示させるようになっている。

図１は、前記送波回路３の一実施例を示す概略構成図である。

図１において、まず、パルストランスＰＴがある。そして、このパルストランスＰＴの一次巻線のセンタータップＣＴＰには直流電圧が、一端がアースされた高圧電源ＰＷの電圧供給端が接続されることによって、印加されるようになっている。なお、前記高圧電源ＰＷは、後述するスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２が飽和することなく動作させるため、電圧値が充分高いものであることが必要である。

また、パルストランスＰＴの一次巻線の一端側と他端側には、たとえば同一特性のＮチャンネル型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる２つのスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２が直列接続されている。

これら各スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２の接続点とアースとの間には電流制御回路ＦＣＣが接続され、この電流制御回路ＦＣＣは電流制御信号発生回路ＦＣＧからの信号によって該電流制御回路に流す電流を制御するようになっている。

前記各スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２のゲート電極には、それぞれオン、オフのタイミングがずれた入力信号（相補パルス）ＣＫＰ、ＣＫＮが印加されるようになっており、これにより各スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２が交互にオン、オフ動作し、パルストランスＭ１、Ｍ２の一次巻線の一端側とセンタータップＣＴＰの間および他端側とセンタータップＣＴＰの間に交互に電流が流れるようになっている。

一方、パルストランスＰＴの二次巻線には、前記一次巻線の一端側とセンタータップＣＴＰの間および他端側とセンタータップＣＴＰの間に交互に電流が流れる結果として、正負のパルス電圧とする出力が得られるようになっている。パルストランスＰＴの二次巻線の各端側には一端側がアースされて前記超音波探触子１の振動子２が接続されるようになっている。

そして、このような構成からなる送波回路３の出力は、それに接続される振動子２を含む高周波インピーダンスと前記電流制御回路ＦＣＣに流れる電流Ｉ_０の積で決定される振幅、および前記各スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２のゲート電極に印加される相補パルスＣＫＰ、ＣＫＮの周波数で決定される周波数を有するようになっている。

このことから、送波回路３の出力の振幅は、前記電流制御回路ＦＣＣに流れる電流Ｉ_０によって、すなわち前記制御信号発生回路ＦＣＧからの出力に応じて、可変させることができるようになる。たとえば、前記振動子２の高周波インピーダンスが１００Ωであった場合、電流Ｉ_０が５００ｍＡの際、前記振動子２には凡そ±５０Ｖの矩形パルスが印加されるようになる。

なお、図１に示した実施例において、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２はそれによって簡略化されたスイッチング回路ＳＷＣを構成している。しかし、これらスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２の他に他の素子をも構成要素とし、該他の素子によってもたらされる機能を備えるスイッチング回路を構成するようにしてもよいことはいうまでもない。また、後に示す各実施例のスイッチング回路ＳＷＣにおいても同様である。

図２は、図１に示した送信回路３において、その電流制御回路ＦＣＣと電流制御信号発生回路ＦＣＧのさらに詳細な構成の一実施例を示した構成図である。

電流制御回路ＦＣＣは、まず、前記各スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２の接続点とアースとの間に、該各スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２の接続点側に接続されるたとえばＮチャンネル型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなるスイッチング素子Ｍ３とアース側に接続される抵抗Ｒとが互いに接続されている。そして、オペアンプＡｌを備え、このオペアンプＡｌの−側の入力端子は前記スイッチング素子Ｍ３と抵抗Ｒとの接続点に接続されているとともに、該オペアンプＡｌの出力端子は前記スイッチング素子Ｍ３のゲート電極に接続されている。

このようにして構成される電流制御回路ＦＣＣは、前記オペアンプＡｌからの出力電圧の値に応じて前記スイッチング素子Ｍ３に流す電流Ｉ_０を制御させることができ、そして、前記オペアンプＡｌの出力電圧はその＋側の入力端子に入力させる電圧に対応するようになっている。

また、電流制御信号発生回路ＦＣＧはＤＡ変換器ＤＡＣによって構成され、そのＤＡ変換器ＤＡＣにデジタル信号からなる情報を入力させることにより、該情報に対応した電圧値を有するアナログ信号を出力させるようになっている。

このＤＡ変換器ＤＡＣの出力は前記電流制御回路ＦＣＣのオペアンプＡｌの＋側の入力端子に入力させることにより、前記電流制御信号発生回路ＦＣＧに入力される情報に対応した電流が、前記電流制御回路ＦＣＣ、ひいてはパルストランスＰＴの一次巻線に流れることになる。

このことは、パルストランスＰＴの一次巻線に流れる電流に応じて二次巻線に流れる電流も定まり、この電流と前記振動子２を含む高周波インピーダンス等との関係から該振動子２に印加される電圧が定まることになる。

なお、前記ＤＡ変換器ＤＡＣの出力電圧をＶｒｅｆ、前記抵抗Ｒの抵抗値をＲとした場合、前記スイッチング素子に流れる電流Ｉ_０は、次式（１）で示されるようになる。

Ｉ_０＝Ｖｒｅｆ／Ｒ …… （１）
図３は前記送波回路３の他の実施例を示す概略構成図で、たとえば図１に対応する図面となっている。

図１に示した送波回路は、そのパルストランスＰＴの一次巻線にセンタータップＣＴＰを備えたトランス（３巻線トランス）として構成されたものであるのに対して、図３に示した送波回路のパルストランスＰＴの一次巻線はセンタータップＣＴＰを有しないトランス（２巻線トランス）として構成されている。

すなわち、図３に示すように、パルストランスＰＴの一次巻線の一端には直流電圧が、他端がアースされた高圧電源ＰＷの電圧供給端が接続されることによって、印加されるようになっている。また、前記一次巻線の他端には、アースとの間に、順次スイッチング素子Ｍ１、スイッチング素子Ｍ２１、電源ＰＷ１が直列に接続されて構成されている。

そして、図１の場合と同様に、前記各スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２１の接続点とアースとの間には電流制御回路ＦＣＣが接続され、この電流制御回路ＦＣＣは電流制御信号発生回路ＦＣＧからの信号によって該電流制御回路ＦＣＣに流す電流を制御するようになっている。

ここで、前記スイッチング素子Ｍ２１は、電流制御回路ＦＣＣに流れる電流Ｉ_０のスイッチングを高速に行うために設けられたものである。また、前記電源ＰＷ１における電圧を前記高圧電源ＰＷよりも低電圧とすることにより、消費電力の低減が図れるようになる。

なお、図３に示す実施例では、パルストランスＰＴの一次巻線と二次巻線の巻数比をたとえば１：１としている。このようにした場合、図１に示した場合と比較すると、図３の場合は出力電圧が１／２となる。

図４は前記送波回路３の他の実施例を示す概略構成図で、たとえば図３に対応する図面となっている。

図４に示す送波回路３は、パルストランスＰＴに替えてインダクタンスＬを用いて構成したものとなっている。すなわち、インダクタンスＬの一端はアースとの間に高圧電源ＰＷが接続されており、インダクタンスＬの他端はアースとの間に順次スイッチング素子Ｍ１、スイッチング素子Ｍ２１、電源が直列に接続されて構成されている。

そして、前記インダクタンスＬの他端にはアースとの間に容量Ｃ、および振動子２が接続されるようになっており、該容量Ｃによって該振動子２に印加される電圧パルスは０Ｖを中心に振れるようになっている。

上述した各実施例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施例での効果を単独であるいは相乗して奏することができるからである。

本発明による超音波診断装置の送波回路の一実施例を示す構成図であるる。本発明による超音波診断装置の送波回路の他の実施例を示す構成図であるる。本発明による超音波診断装置の送波回路の他の実施例を示す構成図であるる。本発明による超音波診断装置の送波回路の他の実施例を示す構成図であるる。本発明による超音波診断装置の一実施例を示す概略構成図である。

符号の説明

１……超音波探触子、２……振動子、３……送波回路、４……切り換えスイッチ、５……受信増幅器、６……制御部、７……遅延回路、８……加算器、９……整相回路、１０……表示装置、ＰＲ……パルストランス、ＣＴＰ……センタータップ、ＰＷ、ＰＷ１……電源、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ２１……スイッチング素子、ＦＣＣ……電流制御回路、ＦＣＧ……電流制御信号発生回路、ＤＡＣ……ＤＡ変換器、Ｌ……インダクタンス、Ｃ……容量。

Claims

直流電源の電圧を印加されるセンタータップを有し、前記直流電源とスイッチング素子を含むスイッチング回路によって一次巻線に発生した高周波信号を超音波探触子の振動子に出力する二次巻線を有するパルストランスと、
前記一次巻線の両端にそれぞれ直列に接続され、交互にオン、オフが繰り返される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、
を具備する送波回路を備えた超音波診断装置であって、
前記第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の一次巻線の反対側端子をお互いに接続し、その接続線に接続され、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とにそれぞれオン、オフのタイミングがずれた入力信号を印加することで発生した定電流を交互に前記一次巻線に流す電流制御回路を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
前記パルストランスは、前記一次巻線に流れた電流を用いて前記二次巻線を介し前記超音波探触子の振動子に正負のパルス電流として出力することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続点と反対側に位置する前記電流制御回路の端部は、アースに接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
前期第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子は、トランジスタで構成し、オン時でもそれらを非飽和（順方向活性状態）で使用することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波診断装置。
前記送波回路の出力は、前記振動子を含む高周波インピーダンスと、前記電流制御回路に流れる電流の積で決定される振幅、および前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子のゲート電極に印加される各相補パルスの周波数で決定される周波数を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波診断装置。