JP5913019B2 - 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。

一般に、超音波診断装置は、少なくとも１つの超音波振動子を内蔵する超音波探触子と、送信回路および受信回路を内蔵する超音波装置本体とを、ケーブルで接続して構成されている。

超音波診断装置では、超音波振動子に用いる圧電素子の高インピーダンス化に伴い、信号受信時に、超音波探触子と装置本体とのインピーダンスのミスマッチによる信号減衰が顕著になっている。このインピーダンスのミスマッチを改善するため、超音波探触子にインピーダンス変換回路を挿入する方法がとられている（特許文献１参照）。しかし、信号送信時には、インピーダンス変換回路は送信回路の負荷となるため、送信波形を歪ませ、また、高調波を利用したハーモニックイメージング法による高画質化の妨げとなっていた。

そのため従来は、スイッチング回路を設けスイッチング制御などにより、送信時にインピーダンス変換回路を切り離すことで、送信信号の負荷とならないように制御していた。一例として、特許文献２には、「被検体内に超音波を送受信する少なくとも１つの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少なくとも１つの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、前記プリアンプの電源端子を開閉する少なくとも１つのスイッチを具備し、前記超音波の送信時に前記スイッチにより前記プリアンプの電源端子を開放することを特徴とする超音波診断装置。」が記載されている(請求項１参照）。

特開昭６３−８４５３１号公報 特開２００７−３１９２８６号公報

従来のスイッチング制御などにより、送信時にインピーダンス変換回路を切り離す手法では、スイッチ回路やスイッチング制御部が必要であり、超音波探触子内部の部品点数が増加し、探触子のサイズが大きくなり、そのコストが増加してしまう。また、スイッチング制御信号を超音波探触子に伝達する必要があり、ノイズの混入などにより画像品質の劣化を招いてしまう。

本発明は、これらの課題を解決し、スイッチング回路を設けることなく、２次高調波歪みなどの歪みの発生を改善した超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波診断装置は、少なくとも１つの超音波振動子および前記超音波振動子に接続されたインピーダンス変換回路を内蔵する超音波探触子と、送信回路および受信回路を備える装置本体とを接続した超音波診断装置において、負荷の非線形性を改善する疑似負荷回路を、超音波探触子の入力側或いは装置本体の出力側に設けたことを特徴とするものである。

本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路は、正極性および負極性の送信信号に対する前記インピーダンス変換回路の負荷電流特性に対して、逆特性の負荷電流特性を有するのが好ましい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路を、トランジスタと、トランジスタの端子間に接続した抵抗で構成してよい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路に、逆バイアス用のダイオードを設けてもよい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路の抵抗を、調整可能とし、負荷電流を調整可能としてもよい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路のトランジスタを、ＰＮＰ型トランジスタとしてもよい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路のトランジスタを、ＮＰＮ型トランジスタとしてもよい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記インピーダンス変換回路は最終段が、エミッタホロワまたはソースホロワ回路からなるものでよい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路を、超音波探触子内に設けてもよい。
また、本発明の超音波診断装置において、前記疑似負荷回路を、装置本体内に設置してもよい。

本発明によれば、スイッチング回路を設けることなく、２次高調波歪みなどの歪みの発生を改善した超音波診断装置を提供することができる。

そして、インピーダンス変換回路を切り離すためのスイッチング制御が不要となり、超音波探触子の小型化、低コスト化が可能となる。また、制御信号を超音波探触子に伝達する必要がなくなるので、画像劣化の懸念がなくなる。

本発明の超音波診断装置の一例を示す図である。 従来の超音波診断装置の一例を説明する図である。 従来の超音波診断装置の他の一例を示す図である。 本発明の実施例１の超音波診断装置を示す図である。 本発明の実施例１の超音波診断装置を説明する図である。 本発明の実施例１による、２次高調波歪みの改善効果を示す図である。 本発明の実施例２の超音波診断装置を示す図である。 本発明の実施例３の超音波診断装置を示す図である。 本発明の実施例４の超音波診断装置を示す図である。 本発明の実施例５の超音波診断置を示す図である。 本発明の実施例６の超音波診断装置を示す図である。

本発明の実施の形態を説明する前に、超音波診断装置について説明する。

図２に、従来の超音波診断装置の一例を示す。超音波診断装置は、超音波探触子２０１と装置本体２０５とがケーブル２０４で接続されて、構成される。装置本体２０５には、信号生成部２０７および駆動パルス発生部２０６から構成される送信回路と、受信回路部２０８および信号処理部２０９などから構成される受信回路を有している。超音波探触子２０１は、複数の超音波振動子２０２を備えている。また、信号受信時における、超音波振動子と装置本体とのインピーダンスのミスマッチを改善するために、エミッタホロワやソースホロワなどのインピーダンス変換回路２０３を備えている。

信号送信時には、信号生成部２０７および駆動パルス発生部２０６で発生した高電圧の交流信号である送信信号を、ケーブル２０４を介して超音波探触子２０１に伝送する。超音波探触子の超音波振動子２０２は、送信信号により駆動されて超音波を発生する。信号受信時に、被検体内部で反射した超音波は、超音波振動子２０２により受信信号として受信される。受信信号は、インピーダンス変換回路２０３により変換され、ケーブル２０４を介して装置本体２０５に送られる。装置本体では、受信回路部２０８および信号処理部２０９で受信信号が信号処理され、画像表示部２１０で画像表示される。インピーダンス変換回路２０３を設けることにより、高電圧レベルの受信信号が得られる。

しかし、図２の超音波診断装置において、信号送信時にはインピーダンス変換回路２０３は、送信回路の負荷として働く。また、図２に矢印で示すように、送信信号の正極性或いは負極性によって、インピーダンス変換回路の負荷特性が異なり、流れる電流量が異なってしまう。この非線形性により送信信号の波形を歪ませ、例えば２次高調波を利用するハーモニックイメージング法などの高画質化の妨げとなってしまう。

図３に、他の従来の超音波診断装置の一例を示す。この超音波診断装置では、インピーダンス変換回路２０３を切り離すためのスイッチ回路２１１を設け、信号送信時にはスイッチ回路２１１によりインピーダンス変換回路２０３を切り離すことにより、インピーダンス変換回路２０３が送信回路の負荷となることを防いでいる。符号２１２は逆方向並列接続されたダイオードであり、送信信号はこのダイオードを介して超音波振動子２０２に伝送される。

しかし、図３の超音波診断装置においては、スイッチ回路２１１が必要であり、超音波探触子２０１内部の部品点数が増加し、探触子のサイズが大きくなり、またそのコストが増加してしまう。また、スイッチ回路２１１を駆動するための制御信号を超音波探触子２０１に伝達する必要があり、ノイズの混入などにより画像品質の劣化を招いてしまう。

図１に、本発明の超音波診断装置の一例を示す。図に示すように、本発明では、装置本体２０５と超音波探触子２０１との間に疑似負荷回路１００を設けたものである。疑似負荷回路１００は、負荷の非線形性を改善する特性を備えるものである。そして、正極性および負極性の送信信号に対するインピーダンス変換回路の負荷電流特性に対して、逆極性となる負荷電流特性を有するものが好ましい。疑似負荷回路を設けることで、負荷の非線形性を改善し、スイッチ回路を設けることなく、送信信号の歪みの発生、例えば２次高調波歪みの発生を改善することができる。特に、２次の高調波歪みを改善することができるので、ハーモニックイメージング法を用いる超音波診断装置に有効である。

以下に、実施例により、本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図４に、本発明の実施例１の超音波診断装置を示す。実施例１は、装置本体２０５の出力側或いは超音波探触子２０１の入力側に疑似負荷回路１００を設けたものである。

図５を用いて実施例１の動作を説明する。図５（ａ）は、超音波探触子２０１に正極性および負極性の送信信号を印加した状態を示す図である。図に示すように、インピーダンス変換回路２０３は、送信信号の極性によって負荷電流が異なる場合があり、例えば、負極性の送信信号では負荷電流が多く流れるが、正極性の送信信号では負荷電流が少なくなり、超音波振動子２０２に加わる送信信号が非対称となり、歪みが増加してしまう。特に、インピーダンス回路が、エミッタホロワなどの非対称な回路構成であれば、負荷電流の非対称性が顕著となる。

図５（ｂ）に、疑似負荷回路１００の一例を示す。疑似負荷回路１００は、高耐圧のＰＮＰトランジスタ１１０と、エミッタ−ベース間に接続された抵抗１２０およびベース−コレクタ間に接続された抵抗１３０から構成されている。疑似負荷回路１００に正極性および負極性の送信信号を印加すると、正極性の送信信号に対しては、信号レベルが増加するとトランジスタ１１０のベース−エミッタ間電圧が増加し、トランジスタ１１０がオンする。これにより、装置本体側から疑似負荷回路に負荷電流が流れる。負極性の送信信号に対しては、トランジスタ１１０には逆バイアスがかかり電流は流れず、抵抗１２０および抵抗１３０を通ってのみ僅かな電流が流れる。

図４の、実施例１の超音波診断装置においては、超音波探触子２０１の入力側に疑似負荷回路１００が接続されているので、正極性或いは負極性の送信信号に対して、負荷電流が合算されて、信号送信時の負荷特性が対称となる。これにより、負荷の非線形性が改善され、２次高調波歪みなどの送信波の歪みが改善される。

従来技術である特許文献１の超音波診断装置に、本実施例の疑似負荷回路を適用して、２次高調波の改善効果を確認した。実際には、回路シミュレータ（Ｃａｄｅｎｃｅ社ＰＳＰＩＣＥ）を用いて、送信信号レベル４０Ｖｐｐ、送信周波数５ＭＨｚという条件でシミュレーションを行った。図６はこのシミュレーション結果を示す図で、縦軸に２次高調波歪みの量を示す。なお、縦軸の単位［ｄＢｃ］は、基本波に対して、２次の高調波歪みがどのくらいあるかを示す単位である。図に示すように、疑似負荷回路を追加することで、従来技術に比べて送信信号の２次高調波歪みが約６ｄＢ改善された。

本実施例によれば、正極性および負極性の送信信号に対するインピーダンス変換回路の負荷電流特性に対して、逆特性の負荷電流特性を有する疑似変換回路を、超音波探触子の入力側或いは装置本体の出力側に設けることにより、スイッチ回路などを設けることなく、２次高調波などの送信信号の歪みを改善することができる。

図７に、本発明の実施例２の超音波診断装置を示す。
実施例２の超音波診断装置は、超音波探触子２０１内に疑似負荷回路１００を内蔵したものである。本実施例においても、実施例１と同様に、負荷の非線形性を改善し、２次高調波などの送信信号の歪みを改善することができる。また、超音波診断装置においては、装置本体に対して、超音波探触子を交換して使用する場合があるが、疑似負荷回路を超音波探触子に内蔵して一体化することにより、最適な補償特性を備えた超音波探触子とすることができる。

図８に、本発明の実施例３の超音波診断装置を示す。
実施例３の超音波診断装置は、装置本体２０５内に疑似負荷回路１００を設置したものである。本実施例においても、実施例１と同様に、負荷の非線形性を改善し、２次高調波などの送信信号の歪みを改善することができる。また、疑似負荷回路を装置本体に設けることで、超音波探触子で発生する発熱を低減することができる。

図９に、本発明の実施例４の超音波診断装置を示す。
実施例１と異なる点は、疑似負荷回路１００において、抵抗１３０の一端に逆バイアス用のダイオード１４０を設けた点である。ダイオード１４０を設けることで、負極性の送信信号印加時にダイオード１４０に逆バイアスがかかり、抵抗１３０および抵抗１２０を流れる電流を制限することができ、負荷電流を小さくすることができる。

図１０に、本発明の実施例５の超音波診断装置を示す。
実施例１と異なる点は、抵抗１２０および抵抗１３０を可変とし、負荷電流を調整可能としたことである。抵抗１２０および抵抗１３０を可変とすることで、最適な負荷電流に調整することができる。

図１１に、本発明の実施例６の超音波診断装置を示す。
この実施例は、疑似負荷回路１００をＮＰＮトランジスタ１５０と、コレクタ−ベース間に接続した抵抗１７０およびベース−エミッタ間に接続した抵抗１６０とで構成したものである。この構成により、負極性の送信信号に対して、負荷電流を流すことができ、実施例１に対して、逆極性の補正を行うことができる。本実施例においても、実施例４と同様に、逆バイアス用のダイオード１８０を設けること、或いは、実施例５と同様に、抵抗１６０および抵抗１７０を可変とし、負荷電流を調整可能とすることができる。

なお、上記実施例において、疑似変換回路を構成するトランジスタをバイポーラのトランジスタで説明したが、ＭＯＳトランジスタを用いても良いことは、明らかである。

１００ 疑似負荷回路
１１０ ＰＮＰトランジスタ
１２０，１３０ 抵抗
１４０ ダイオード
１５０ ＮＰＮトランジスタ
１６０，１７０ 抵抗
１８０ ダイオード
２０１ 超音波探触子
２０２ 超音波振動子
２０３ インピーダンス変換回路
２０４ ケーブル
２０５ 超音波診断装置本体
２０６ 駆動パルス発生部
２０７ 信号生成部
２０８ 受信回路部
２０９ 信号処理部
２１０ 画像表示部
２１１ スイッチ回路
２１２ 逆並列接続ダイオード

Claims (9)

1. 少なくとも１つの超音波振動子および前記超音波振動子に接続されたインピーダンス変換回路を内蔵する超音波探触子と、送信回路および受信回路を備える装置本体とを接続した超音波診断装置において、
   負荷の非線形性を改善する疑似負荷回路を、超音波探触子の入力側或いは装置本体の出力側に設け、
   前記疑似負荷回路は、正極性および負極性の送信信号に対する前記インピーダンス変換回路の負荷電流特性に対して、逆特性の負荷電流特性を有することを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記疑似負荷回路を、トランジスタと、トランジスタの端子間に接続した抵抗で構成したことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記疑似負荷回路に、逆バイアス用のダイオードを設けたことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の超音波診断装置において、
   前記疑似負荷回路の抵抗を、調整可能とし、負荷電流を調整可能としたことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項２乃至４の何れか１つに記載の超音波診断装置において、
   前記疑似負荷回路のトランジスタを、ＰＮＰ型トランジスタとしたことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項２乃至４の何れか１つに記載の超音波診断装置において、
   前記疑似負荷回路のトランジスタを、ＮＰＮ型トランジスタとしたことを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の超音波診断装置において、
   前記インピーダンス変換回路は、エミッタホロワまたはソースホロワ回路からなることを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の超音波診断装置において、
   前記疑似負荷回路を、超音波探触子内に設けたことを特徴とする超音波診断装置。
9. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の超音波診断装置において、
   前記疑似負荷回路を、装置本体内に設置したことを特徴とする超音波診断装置。

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