JP6425994B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明の一態様としての実施形態は、超音波診断装置に関する。

医療の分野において、超音波診断装置は患者の内部構造や血流状態などを非侵襲に調べられることから、様々な診断や治療に利用されている。超音波診断装置は、先端に振動子（圧電振動子）を備えた超音波プローブを被検体の体表面に接触させ体内に超音波を送信し、被検体内部で音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波を超音波プローブの振動子で受信する。このようにして得られた受信信号に基づいて超音波画像を生成する。

近年、音波が伝搬する際に微量に検出される非線形成分を利用したハーモニックイメージングと呼ばれる手法が開発されている。物質中を伝搬する超音波の速度は、音圧が高い部分は早く、低い部分では遅くなるという性質がある。そのため、送信された超音波が基準波成分からなる正弦波であっても伝搬過程で徐々に歪みが生じ、非線形成分をもつ高調波が含まれるようになる。このような高調波（ハーモニック）成分を利用したハーモニックイメージングには映像化する信号の種類により大きく、ティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩ；Tissue Harmonic Imaging）と、コントラストハーモニックイメージング（ＣＨＩ；contrast harmonic imaging）とがある。ＴＨＩは超音波が組織を伝搬するときに組織から発生する高調波成分を画像化するものである。ＣＨＩは被検体に超音波用の微小気泡（バブル）を含む造影剤を投与し、バブルが共振、崩壊するときに発生する高調波成分を画像化するものである。

ハーモニックイメージングでは、基準波成分と高調波成分とをフィルタや波形演算により分離し高調波成分を取り出している。たとえば、振幅変調法と呼ばれる方法では、送信される超音波の相対的な音圧を１／２、１、１／２となるように３回送信し、送信音圧が１となる受信信号から、送信音圧が１／２となる２つの受信信号の合計を差し引くことで、基準波成分を取り除き、高調波成分を取り出すことができる。振幅変調法以外にも位相反転法や、振幅変調法と位相反転法を組み合わせた手法など、様々な手法が開発されている。

上述のようにハーモニックイメージングでは高調波成分を取り出すために、異なる音圧で複数回の送受信を行う場合がある。送信音圧を１と１／２との異なる値に設定するために、振動子に対する印加電圧を異なる値に設定する方法もある。しかしながら、印加電圧を異なる値に高精度で設定することは難しい。そこで、送信音圧が１の場合はすべての振動子を動作させ、送信音圧が１／２の場合はその半分の振動子を動作させることで音圧を調整している。送信音圧を１／２にする場合、送信音圧が１の場合と送信開口を合わせるため、奇数または偶数（すなわち、１つおきのチャネル）の振動子を動作させるように制御する。

特開２０１２−２００４６０号公報

しかしながら、送信しないチャネル、すなわち、振動子が駆動しないチャネルでも、クロストーク（振動子が駆動するチャネルからの送信信号の漏れ込み）により、送信パルスが発生するという問題があった。このように、送信しないチャネルからの送信により、実際に被検体に送信される相対的な音圧が１／２より大きくなってしまう場合がある。したがって、上述の振幅変調法や位相反転法で基準波成分をキャンセルできず、組織やバブルが消え残り、Ｓ／Ｎ比の低下や画質劣化の原因となっていた。

そこで、送信しないチャネルから低い電圧で送信を行うことによりクロストークを回避する超音波診断装置が提供されている（たとえば、特許文献１等）。特許文献１の技術は送信しないチャネルから、予め設定した送信パルスが送信されるため、それらを後で差し引くことにより基準波形をキャンセルするものである。

上述のような技術に替えて、送信しないチャネルでクロストークによる送信パルスを発生させないようにすることにより、より正確な送信音圧コントロールが可能な超音波診断装置が要望されている。

本実施形態に係る超音波診断装置は、独立した複数のチャネルに対応する複数の振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内部で生じる反射波を前記振動子で受信する超音波診断装置であって、前記複数のチャネルのうち、送信するチャネルと送信しないチャネルとを制御する送信制御部と、前記振動子から前記超音波を送信するための駆動パルスを発生し、発生した駆動パルスを前記振動子に印加する駆動パルス発生部と、を備え、前記駆動パルス発生部は、前記振動子から見たときの前記駆動パルス発生部の出力インピーダンスを、前記振動子から前記被検体内に前記超音波を送信する送信期間中は、前記被検体内部で生じる前記反射波を前記振動子で受信する受信期間中よりも低インピーダンスに設定する、を備えたことを特徴とする。

実施形態に係る超音波診断装置の一例を示す概念的な構成図。 送信チャネルと非送信チャネルを説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置の駆動パルス発生部の送信期間中の等価回路を説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置の駆動パルス発生部の受信期間中の等価回路を説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置の駆動パルス発生部の回路例を説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置の送信チャネルの動作を説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置のスイッチングによる影響が少ないことを説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置の非送信チャネルの動作を説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置の送信波形のひずみを説明する図。

以下、超音波診断装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

（１）構成
図１は、実施形態に係る超音波診断装置１の一例を示す概念的な構成図である。図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波プローブ１０、装置本体２０、入力部３０、表示部４０を備えて構成される。

超音波プローブ１０にはセクタ走査対応、リニア走査対応、コンベックス走査対応等があり、診断部位に応じて任意に選択される。超音波プローブ１０は、装置本体２０とケーブル等で接続されており、超音波プローブ１０の先端にはＮ個の振動子１００（１００ａ、１００ｂ...１００ｎ）が１次元に配列されている。超音波プローブ１０の各振動子１００は、装置本体２０から印加された電気パルスを超音波パルスに変換して被検体に送信する一方、被検体内で発生した超音波エコーを受信して電気信号である受信信号として装置本体２０に出力する機能を有する。超音波プローブ１０は、各振動子１００から送信される超音波パルスによって超音波送信ビームを形成する。

なお振動子１００は１次元配列に限定されず、振動子１００を２次元アレイ状に配置することで、３次元立体画像をリアルタイムで取得することができる。３次元立体画像を得る場合は、超音波プローブ１０として３Ｄ走査用のプローブが設けられる。３Ｄ走査用のプローブとしては、２Ｄアレイプローブやメカニカル４Ｄプローブが挙げられる。

装置本体２０は、超音波プローブ１０、入力部３０および表示部４０と接続して構成される。入力部３０には、キーボード、トラックボール（或いはマウス）等の入力装置が設けられる。また、装置本体２０はネットワークを介して他の画像診断装置（モダリティ）並びにＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communications in Medicine)サーバ等の画像サーバや、画像処理装置と接続されてもよい。表示部４０は、生成された超音波画像などを制御部２００の制御にしたがってディスプレイに表示する。

また、装置本体２０は、制御部２００、基準パルス発生部２１０、遅延制御部２２０、送信制御部２３０、駆動パルス発生部２４０、受信回路２５０、画像処理部２６０を備えて構成される。図１に示すように、駆動パルス発生部２４０は振動子１００に対応してＮ個（２４０ａ、２４０ｂ・・・２４０ｎ）存在する。

なお、基準パルス発生部２１０、遅延制御部２２０、送信制御部２３０、駆動パルス発生部２４０、受信回路２５０を構成するデジタル回路は、装置本体２０ではなく超音波プローブ１０に配置されてもよい。また、基準パルス発生部２１０、遅延制御部２２０、送信制御部２３０、駆動パルス発生部２４０、受信回路２５０は、所定のメモリに保存されたプログラムをプロセッサに実行させるソフトウェアによって実現することもできる。

制御部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、および記憶装置を備え、超音波診断装置１の各部を統括的に制御する。

基準パルス発生部２１０は、制御部２００からの制御信号にしたがって基準パルスを発生する。

遅延制御部２２０は、送信において細いビーム幅を得るために所定の深さに送信超音波を収束するための遅延時間と、所定の方向に送信超音波を放射するための遅延時間とに基づいて、基準パルスを遅延させて駆動パルス発生部２４０に与える。

送信制御部２３０は、駆動パルスを形成するための制御信号と送信期間と受信期間とを区別する制御信号により、駆動パルス発生部２４０を制御する。駆動パルス発生部２４０は制御信号の組み合わせに基づき各振動子１００から送信パルスを形成するための駆動パルスを生成する。また、これらの制御信号の組み合わせで駆動パルス発生部２４０は複数の振動子１００のうち、送信パルスを送信する振動子１００と送信しない振動子１００とを選択する。送信パルスを送信する振動子１００と送信しない振動子１００の選択は、送信音圧を制御するために行われる。たとえば、送信時にある所定の振動子数で送信する場合を１とし、相対的に音圧が１／２となるような送信音圧を送信する場合、奇数または偶数の振動子１００を送信する振動子、あるいは送信しない振動子１００として割り当てる。なお、受信時は送信する振動子１００と送信しない振動子１００との両方で受信を行う。

駆動パルス発生部２４０は、超音波を送信するための駆動パルスを発生し、発生した駆動パルスを振動子１００に印加する。駆動パルス発生部２４０は振動子１００ごとに設けられており、遅延させた基準パルスに基づいて駆動パルスを発生させる。以下、送信パルスを送信する振動子１００とその振動子１００に対応する駆動パルス発生部２４０とを合わせて「チャネル」と呼ぶこととする。また、送信を行うチャネルを「送信チャネル」、送信しないチャネルを「非送信チャネル」と呼ぶこととする。

駆動パルスは振動子１００に印加される電気パルスであり、振動子１００から送信される波形に対応するバイポーラのパルス信号である。駆動パルスの電圧によって送信される超音波の音圧が決まる。また、駆動パルスのバースト周波数とバースト数によって、超音波の周波数や超音波のバースト数が決まる。

送信制御部２３０の制御により送信チャネルに割り当てられた各チャネルの駆動パルス発生部２４０では、基準パルス発生部２１０から供給されるパルスにしたがって、振動子１００を駆動させる電圧や極性が異なる波形の駆動パルスを発生させる。一方、非送信チャネルに割り当てられたチャネルでは駆動パルスは発生しない。また、送信制御部２３０からの制御信号に基づいて、非送信チャネルの駆動パルス発生部２４０を振動子１００側から見たときのインピーダンス（以下、出力インピーダンスと呼ぶこととする）を、送信チャネルの送信期間中において、低インピーダンスに設定する。すなわち、振動子１００から見たときの駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを、振動子１００から被検体内に超音波を送信する送信期間中は、被検体内部で生じる反射波を振動子１００で受信する受信期間中よりも低インピーダンスに設定する。一方、受信期間中は、送信チャネル、非送信チャネルにかかわらず、すべてのチャネルの駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを高インピーダンスに設定する。駆動パルス発生部２４０での出力インピーダンスの制御については後述する。

受信回路２５０は、振動子１００で受信される受信信号をＡ／Ｄ変換し、変換したデジタルデータから受信ビームを形成する。超音波画像は受信ビームに基づいて生成される。

画像生成部２６０は、Ｂモード処理部２６１およびカラーモード処理部２６３を備えており、得られた受信ビームに基づいて、Ｂモードデータ、カラードプラデータ、およびドプラスペクトラムなどの超音波画像を生成する。画像生成部２６０は、Ｂモードデータおよびカラードプラデータを走査方向に対応させて保存することで、超音波画像としてのＢモード画像およびカラードプラ画像を生成すると共に、所定走査方向に対して得られたドプラスペクトラムおよびＢモードデータを時系列的に保存することで、超音波画像としてのドプラスペクトラム画像およびＭモード画像を生成する。

図２は、送信チャネルと非送信チャネルを説明する図である。ハーモニックイメージングでは、送信音圧を、送信するチャネルの数を制御することで変更している。たとえば、図２（ａ）は送信音圧が「１」の場合、図２（ｂ）は送信音圧が「１／２」の場合を示している。図２では、説明の便宜上６つのチャネルが例示されているが、実際にはもっと多いチャネル数、たとえば、１２８チャネル等から構成される。

図２（ａ）が示すように、送信音圧が１の場合は、すべてのチャネルが送信チャネルに割り当てられ、すべてのチャネルから送信パルスが送信される。

一方、図２（ｂ）が示すように、送信音圧が１／２の場合は、たとえば、奇数のチャネルが送信チャネルに割り当てられ、偶数のチャネルが非送信チャネルに割り当てられている。送信ごとに奇数のチャネルと偶数のチャネルとで送信／非送信チャネルの割り当ては入れ替わる。送信チャネルからは送信パルスが送信される。

図２（ｂ）の非送信チャネルは、矢印ａで示すように、送信チャネルからのクロストーク（送信信号の漏れ込み）の影響をうける。非送信チャネルとして割り当てられると駆動パルスが発生せず送信パルスが形成されない。それにもかかわらず、送信するチャネルからのクロストークにより振動子１００に電圧がかかり、矢印ｂで示すように送信パルスが発生してしまう。このような送信チャネルからの非送信チャネルに対するクロストークの影響により、実際に出力された送信音圧が１／２より大きくなってしまう場合がある。

なお、図２では、説明を単純にするためにプローブに存在するすべてのチャネルが奇数と偶数とで交互に送信をしている例を示した。しかしながら、実際のプローブでは開口幅に応じて使用される振動子数が決定する場合もあり、開口幅に応じて利用されない振動子１００も非送信チャネルとして存在する。したがって、開口を形成するために選択されていない振動子１００でもクロストークが発生する。また、開口幅に応じて使用される振動子数が決定するが、使用される振動子１００の位置を送信ごとに変えることで、使用される振動子１００が偏らないようにしている。たとえば、パルスごとに所定の振動子数分シフトさせながら振動子１００を使用し、初めは開口範囲に選ばれていない振動子１００が順に使用されるように制御されている。

本実施形態に係る超音波診断装置１では、上述のように、非送信の駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを制御することで、非送信チャンルでクロストークにより発生する電圧を低減する。

（２）動作
以下、図３および図４に示した等価回路に基づいて、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを制御する動作について説明する。

まず、送信期間中の送信チャネルと非送信チャネルの動作について説明する。

図３は、実施形態に係る超音波診断装置１の駆動パルス発生部２４０の送信期間中の等価回路を説明する図である。図３は、送信期間中の隣接する送信チャネルと非送信チャネルを例示しており、図３の上段は送信チャネル、下段は非送信チャネルをそれぞれ示している。

図３上段に示すように、送信チャネルは、振動子１００ａと駆動パルス発生部２４０ａと受信回路２５０が接続している。駆動パルス発生部２４０ａは抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、並列接続された逆並列ダイオードＤ１およびＤ２（以下、この２つのダイオードを、逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２と呼ぶ）、駆動パルス発生源ＰＳを備える。抵抗Ｒ２の一端は振動子１００ａと接続し、他端は抵抗Ｒ１の一端および駆動パルス発生源ＰＳの一端と接続している。また抵抗Ｒ２には逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２が並列に接続している。抵抗Ｒ１と駆動パルス発生源ＰＳのそれぞれの他端は接地している。

一方、図３下段に示した非送信チャネルの駆動パルス発生部２４０ｂの送信期間中の等価回路は、送信チャネルと異なり、駆動パルス発生源ＰＳの代わりにスイッチング素子Ｓ１を備えている。スイッチング素子Ｓ１の一端は抵抗Ｒ２と接続し、他端は接地している。非送信チャネルでは、送信期間中はスイッチング素子Ｓ１が閉じた状態（オンの状態）になっている。スイッチング素子Ｓ１がオンの状態にあることで、駆動パルス発生部２４０ｂの出力インピーダンスを低インピーダンスに設定できる。

なお、駆動パルス発生部２４０ａの出力インピーダンスは、振動子１００ａ側から見たときの駆動パルス発生部２４０ａのインピーダンスのことであり、図３に破線Ａで示した位置から駆動パルス発生部２４０を見たときのインピーダンスのことである。駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスは、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２の電圧が順方向電圧以内の時（すなわち、オフの状態の時）は、駆動パルス発生部２４０を構成する抵抗Ｒ１およびＲ２、およびスイッチング素子の開閉状態によって決定する。一方、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２の電圧が順方向電圧を超えるとダイオードＤ１およびＤ２に電流が流れ（すなわち、オンの状態）、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２の極めて小さい抵抗と、駆動パルス発生部２４０を構成する抵抗Ｒ１およびＲ２、およびスイッチング素子の開閉状態によって決定する。なお、抵抗Ｒ１は駆動パルス発生部２４０の必須の構成ではなく、抵抗Ｒ１を備えない場合、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスはスイッチング素子の開閉状態によって決定する。

本実施形態に係る超音波診断装置１では、非送信チャネルの駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを、送信期間中は低インピーダンスに設定することで、送信からのクロストークによる影響を回避している。送信期間中の送信チャネルでは、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２がオンの状態では、抵抗Ｒ１が数百Ω程度であるのに対して、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２は１０Ω程度であるため、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２の小さい出力インピーダンスで送信される。一方、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２がオフの状態では、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２と抵抗Ｒ２の合成抵抗は出力インピーダンスとして送信される。振動子１００ａは駆動パルスにより送信パルスを形成し、送信する。送信チャネルからの送信に伴い、非送信チャネルへのクロストークが発生する。そこで、送信期間中の非送信チャネルでは、スイッチング素子Ｓ１を閉じた状態（オンの状態）にしている。この結果、駆動パルス発生部２４０ｂの出力インピーダンスは、逆並列ダイオードＤ１およびＤ２がオフの場合、実質的に抵抗Ｒ２の抵抗値のみとなる。たとえば、抵抗Ｒ２の抵抗値を数百オーム程度、あるいはそれ以下に設定することにより、送信期間中の非送信チャネルの出力インピーダンスを低インピーダンスに設定することができる。このように、駆動パルス発生部２４０ｂの出力インピーダンスを低インピーダンスに設定することで、クロストークにより発生する電圧を小さくすることができる。

このように上述した駆動パルス発生部２４０の回路は、クロストークで発生する電圧を抑えることができる。クロストークは、一般的に隣接する回路の間に静電結合あるいは電磁結合がある場合に発生する。送信チャネルと非送信チャネルとの間で静電結合が発生する際、送信チャネルと非送信チャネルとの間の寄生容量の存在によって送信信号の漏れ込が発生する。信号送信時は、送信信号の周波数帯域における寄生容量のリアクタンスと非送信チャネルのインピーダンスとで減弱された電圧が非送信チャネルに発生する。本実施形態では、このように発生した電圧を非送信チャネルの逆並列ダイオードＤ１およびＤ２がオフの場合でも、スイッチング素子Ｓ１をオンとすることで、非送信チャネルのインピーダンスを下げることにより、非送信チャネルに発生する電圧を抑制することができる。

このように、送信期間中の非送信チャネルにおいて、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを低インピーダンスに設定し、クロストークにより発生した電圧を抑制し、振動子１００から送信パルスが発生することを回避できる。

次に、受信期間中の送信チャネルと非送信チャネルの動作について説明する。なお、受信期間中は送信チャネルも非送信チャネルも信号の受信を行う。したがって、両チャネルにおける動作は同じである。

図４は、実施形態に係る超音波診断装置１の駆動パルス発生部２４０の受信期間中の等価回路を説明する図である。図４は、受信期間中の隣接する送信チャネルと非送信チャネルを例示しており、図４の上段は送信チャネル、下段は非送信チャネルをそれぞれ示している。上述の通り、受信期間中は送信チャネルも非送信チャネルも信号の受信を行うため、図４の下段の非送信チャネルにおける動作は省略する。

図４の上段に示した送信チャネルは、図３の上段に示した送信チャネルと異なり、駆動パルス発生源ＳＰの代わりにスイッチング素子Ｓ１を備える。受信期間中はスイッチング素子Ｓ１が開いた状態（オフの状態）になっている。スイッチング素子Ｓ１がオフの状態にあることで、駆動パルス発生部２４０ａの出力インピーダンスは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２が直列に接続したときの合成抵抗により決まる。ここで、抵抗Ｒ２は前述したように、たとえば、数百オーム程度、あるいはそれ以下の値であるが、抵抗Ｒ１の抵抗値は抵抗Ｒ２よりも高い値に設定される。この結果、受信期間中の出力インピーダンスは、実質的にＲ１＋Ｒ２となり、高インピーダンスを示す。この合成抵抗の抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）を、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスが受信回路２５０よりも高インピーダンスになるように設定することで、振動子１００ａが受信した受信信号を効率よく受信回路２５０に伝達できる。

このように、非送信チャネルの駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを、送信期間中に低インピーダンスに設定することで、クロストークを回避できる。また、送信チャネルおよび非送信チャネルの両方で、受信期間中に駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスを高インピーダンスに設定することで、受信信号を効率よく受信回路２５０に伝達することができる。

ここまでは、駆動パルス発生部２４０の等価回路を用いて動作を説明してきたが、次に、駆動パルス発生部２４０の具体的な回路例を示した図５に基づいて、図６および図８でより詳細な動作を説明する。

図５は、実施形態に係る超音波診断装置１の駆動パルス発生部２４０の回路例を説明する図である。図５に示すように、駆動パルス発生部２４０は、電源Ｖ、スイッチング素子として機能する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor)Ｐ１、Ｐ２、Ｎ１、Ｎ２、トランスを構成するコイルＬ１、Ｌ２、ＡＮＤ回路Ａ１、Ａ２、抵抗Ｒ１、Ｒ２、逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２を備えている。

スイッチング素子Ｐ１の一端（ソース）は電源Ｖと接続し、他端（ドレイン）はコイルＬ１の一端と接続している。同様に、スイッチング素子Ｐ２の一端（ソース）は電源Ｖと接続し、他端（ドレイン）はコイルＬ１の一端と接続している。コイルＬ１およびＬ２はそれぞれ図５において左端が正、右端が負である。スイッチング素子Ｎ１とＮ２の一端（ドレイン）はコイルＬ１の両端とそれぞれ接続している。スイッチング素子Ｎ１とＮ２の他端（ソース）はそれぞれ接地されている。また、スイッチング素子Ｎ１およびＮ２の各ゲートはＡＮＤ回路Ａ１およびＡ２とそれぞれ接続している。コイルＬ２とコイルＬ１はトランスを形成し電磁的に結合している。コイルＬ２は抵抗Ｒ１と並列に接続されている。抵抗Ｒ１の一端は抵抗Ｒ２の一端と接続し、抵抗Ｒ１の他端は接地されている。抵抗Ｒ２は逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２と並列に接続され、抵抗Ｒ２の他端は振動子１００と受信回路２５０と接続している。

ＡＮＤ回路Ａ１には制御信号として「ＴＸＥＮ」および「ＮＰ０」が入力される。同様に、ＡＮＤ回路Ａ２には制御信号として「ＴＸＥＮ」および「ＮＭ０」が入力される。また、スイッチング素子Ｐ１のゲートには制御信号として「ＰＰ０」が、スイッチング素子Ｐ２のゲートには制御信号として「ＰＭ０」が入力される。スイッチング素子Ｎ１およびＮ２がＮチャネル型ＦＥＴであるのに対し、スイッチング素子Ｐ１およびＰ２はＰチャネル型ＦＥＴである。したがって、スイッチング素子Ｐ１およびＰ２のゲートに入力する電圧をレベルシフタ（ＬＳＦ：Level ShiFter）により制御し、論理レベルに変換している。すなわち、ＬＳＦはインバータとして機能し、入力された制御信号に対してスイッチング素子Ｎ１およびＮ２とスイッチング素子Ｐ１およびＰ２とは同じ挙動を示す。
上述のようなスイッチング回路に入力される制御信号には、ＨｉｇｈとＬｏｗのステータスがあり、各スイッチング素子は「Ｈｉｇｈ」の場合にオンの状態になり、「Ｌｏｗ」の場合にオフの状態になる。ＡＮＤ回路は、入力された２つの信号がすべて「Ｈｉｇｈ」の場合のみ「Ｈｉｇｈ」の信号を出力する。

なお、「ＴＸＥＮ」は送信期間と受信期間とを区別する制御信号である。「ＮＰ０」、「ＮＭ０」、「ＰＰ０」、「ＰＭ０」は駆動パルスを形成するための制御信号である。

以下、図６および図７に示したタイミングチャートに基づいて、図５の回路例における動作を説明する。

図６は、実施形態に係る超音波診断装置１の送信チャネルの動作を説明する図である。図６は、送信チャネルのタイミングチャートを示している。図６は、駆動パルス発生部２４０に入力される制御信号と、各スイッチング素子の動作、形成される送信パルス、および出力インピーダンスについてのタイミングチャートを示している。なお、図６上部に示した「１」から「８」の数字はタイミングチャート中の期間を示している。

期間「１」ではすべての制御信号が「Ｌｏｗ」の状態である。

期間「２」では、「ＮＰ０」、「ＮＭ０」、「ＴＸＥＮ」の３つの制御信号が「Ｈｉｇｈ」の状態になる。

期間「３」では、「ＮＰ０」が「Ｌｏｗ」になり、「ＰＰ０」が「Ｈｉｇｈ」の状態になる。

期間「４」では、「ＰＰ０」が「Ｌｏｗ」となり、「ＮＰ０」が「Ｈｉｇｈ」の状態になる。

期間「５」では、「ＰＭ０」が「Ｈｉｇｈ」となり、「ＮＭ０」が「Ｌｏｗ」の状態になる。

期間「６」では、「ＰＭ０」が「Ｌｏｗ」となり、「ＮＭ０」が「Ｈｉｇｈ」の状態になる。

期間「７」では、「ＴＸＥＮ」が「Ｌｏｗ」の状態になる。

期間「３」は、「ＰＰ０」、「ＮＭ０」、「ＴＸＥＮ」が「Ｈｉｇｈ」の状態である。スイッチング素子Ｐ１は「ＰＰ０」が「Ｈｉｇｈ」の状態で入力されると、スイッチング素子Ｐ１はインバータを介して制御信号を受け取るため、オンとなる。また、「ＮＭ０」、「ＴＸＥＮ」が「Ｈｉｇｈ」の状態でＡＮＤ回路Ａ２に入力され、スイッチング素子Ｎ２に「Ｈｉｇｈ」が入力されることでオンとなる。一方、スイッチング素子Ｐ２とＮ１はオフの状態である。図６では、各スイッチング素子がオンの状態を白抜きで、オフの状態を網掛けで示している。図５に示すように、コイルＬ１の左端は正、右端は負である。駆動パルス発生部２４０において、スイッチング素子Ｐ１とＮ２のみがオンになることで、コイルＬ１の左から右に電流が流れ（図５に実線矢印の向き）、正の送信パルスが形成される。

期間「５」では、「ＰＭ０」、「ＮＰ０」、「ＴＸＥＮ」が「Ｈｉｇｈ」の状態である。したがって、スイッチング素子Ｐ２には「ＰＭ０」が「Ｈｉｇｈ」の状態で入力されオンとなる。また、「ＮＰ０」、「ＴＸＥＮ」が「Ｈｉｇｈ」の状態でＡＮＤ回路Ａ１に入力され、スイッチング素子Ｎ１に「Ｈｉｇｈ」が入力されることでオンとなる。一方、スイッチング素子Ｐ１とＮ２はオフの状態である。駆動パルス発生部２４０において、スイッチング素子Ｐ２とＮ１のみがオンになることで、コイルＬ１の右から左に電流が流れ（図５に破線矢印の向き）、負の送信パルスが形成される。

図６最下段に示すように、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスは、期間「２」から「６」の間、低インピーダンスとなる。一方、期間「１」、「７」および「８」の間は高インピーダンスになる。すなわち、コイルＬ１の両端が低インピーダンスでグランド、または、電源Ｖに接続しているとき、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスは低インピーダンスとなる。具体的には、スイッチング素子Ｎ１およびＮ２が同時にオンの状態となっているとき、スイッチング素子Ｐ１およびスイッチング素子Ｎ２が同時にオンの状態となっているとき、スイッチング素子Ｐ２およびスイッチング素子Ｎ１が同時にオンの状態となっているとき、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスは低インピーダンスとなる。

図６では、期間「３」および「５」において駆動パルス発生部２４０は送信パルスを形成し、図３の上段に示した送信チャネルの等価回路と同じ状態を示している。また、期間「２」、「４」、「６」はスイッチング素子Ｎ１およびＮ２が同時にオンの状態となっており、図３の下段に示した非送信チャネルの等価回路と同じ状態を示している。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点はトランスのコイルＬ１とＬ２を介して、等価的に接地されることとなる。このため、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスは抵抗Ｒ２の抵抗値により決定し、低インピーダンスを示す。

一方、スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２がオフの状態である期間「１」、「７」および「８」の間は、図４に示した等価回路と同様の状態を示している。すなわち、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の２つの抵抗の合成抵抗により駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスが高インピーダンスに設定される。

なお、従来は、送信パルスを送信した直後に出力インピーダンスを高インピーダンスに切り替えることによって、送信期間から受信期間に切り替えていた。送信パルスを送信した直後に出力インピーダンスが高インピーダンスになるため、時定数の大きな等価回路が形成され、スイッチング素子の過渡応答で発生するスイッチングノイズが比較的長い期間減衰せず、近距離アーチファクトの原因になっていた。これに対して、本実施形態の駆動パルス発生部２４０では、送信パルスを送信した直後に期間「６」を設け、この期間「６」の間も低インピーダンスを維持する構成としている。この結果、スイッチングノイズ（たとえば、スイッチング素子Ｎ２がオンからオフに切り替わったときに生じるスイッチングノイズ）を短時間で減衰させることができ、近距離アーチファクトを抑制することができる。

なお、期間「７」に移行するため「ＴＸＥＮ」を「Ｌｏｗ」に切り替える際、スイッチングノイズが発生する可能性がある。しかしながら、実際に被検体に放射された送信信号を受信するまでには一定の時間があることから、そのようなノイズによる影響を回避できる。また、スイッチング素子でスイッチングノイズが発生しても、抵抗Ｒ２があることで、受信回路２５０や振動子１００に直接スイッチングノイズが伝わらず、影響を軽減できる。なぜなら、抵抗Ｒ２と受信回路２５０の入力インピーダンス、抵抗Ｒ２と振動子１００のインピーダンスによりスイッチングノイズは減弱されて出力され、抵抗Ｒ２と受信回路２５０、駆動パルス発生部２４０の静電容量でフィルタ効果が生じるためである。

図７は、実施形態に係る超音波診断装置１のスイッチングによる影響が少ないことを説明する図である。図７（ａ）は超音波プローブ１０の先端の模式図を示している。超音波プローブ１０は複数の振動子１００と音響レンズとから構成される。被検体の体表から振動子１００までは一定の距離があり、被検体に送信された超音波がその距離の間で反射する信号を受信したもの（近距離の受信信号）は、超音波診断画像を生成する際にはデータとして使用されない。たとえば、被検体の体表から振動子１００までの距離をｄ、近距離の受信信号を受信する時間をｔ、音速をｖとすると、近距離の受信信号を受信する時間（ｔ）は、ｔ＝２ｄ／ｖの式で表される。すなわち、ｔの時間以前の受信信号は近距離の受信信号であり超音波画像の生成に不要な信号である。一方で超音波画像は、ｔより後の時間に受信した受信信号（すなわち、実際にデータとして利用可能な受信信号）に基づいて生成することが望ましい。この時間ｔは１μ秒程度の時間であるといわれており、スイッチングノイズは通常これよりも短い時間で減衰し消滅する。したがって、１μ秒程度の時間を開けて受信を開始すれば、スイッチングノイズによる影響を回避することができる。

図７（ｂ）は、送信チャネルの期間「５」から「８」を示している。「ＴＸＥＮ」の切り替えによりスイッチングノイズが発生するタイミングは期間「６」から「７」に移行するときである。このスイッチングノイズは近距離の受信信号を受信する時間（ｔ）よりも短い時間で減衰し消滅する。したがって、実際にデータとして利用可能な受信信号にこのようなスイッチングノイズは混入することはない。

また、送信直後に一旦スイッチング素子Ｎ１およびＮ２をオンの状態にすることで（期間「４」、「６」）、駆動パルス発生部２４０の電圧を低減することができ、送信後の過渡応答により送信パルスが減衰せず受信信号と重畳してしまうことを回避することができる。

また、次の期間「７」に移行する際に、チャネルごとに異なるタイミングで「ＴＸＥＮ」を制御してもよいが、共通のＴＸＥＮを利用することで配線スペースを最小化することができる。そのため、すべての送信チャネルで送信が完了するのを待ってから「ＴＸＥＮ」を「Ｌｏｗ」に切り替え、高インピーダンスに設定されることが望ましい。

次に、非送信チャネルにおける動作について説明する。非送信チャネルの動作は、送信するチャネルにおいて送信パルス形成する過程である期間「３」から「６」の状態がない。すなわち、期間「２」の低インピーダンスの状態に移行した後は、期間「７」で高インピーダンスな状態に移行する。

図８は、実施形態に係る超音波診断装置１の非送信チャネルの動作を説明する図である。図８は非送信チャネルのタイミングチャートを示しており、図６と同様に、駆動パルス発生部２４０に入力される制御信号と、各スイッチング素子の動作、形成される送信パルス、および出力インピーダンスについてのタイミングチャートを示している。図８上部に示した「１」から「８」の数字は、図６と同様にタイミングチャート中の期間を示している。

図８で示すように非送信チャネルでは、図６の送信チャネルと異なり、期間「２」から「６」では「ＮＰ０」、「ＮＭ０」、「ＴＸＥＮ」が「Ｈｉｇｈ」の状態である。「ＮＰ０」、「ＮＭ０」、「ＴＸＥＮ」が「Ｈｉｇｈ」となる場合、スイッチング素子Ｎ１とＮ２がオンの状態となる。図６でも説明したが、この状態は図３の下段に示した非送信チャネルの等価回路に等しい。すなわち、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスは、抵抗Ｒ２の抵抗値により定まり、振動子１００より低インピーダンスに設定される。

一方、期間「７」や「８」では、図６と同様にスイッチング素子Ｎ１とＮ２がオフの状態となり、抵抗Ｒ１とＲ２の合成抵抗の抵抗値により出力インピーダンスは、高インピーダンスに設定される。

このような制御により送信期間中に非送信チャネルの駆動パルス発生部２４０を低インピーダンスに設定し、クロストークによる電流を接地点に流すことで振動子１００に電圧が発生するのを防ぐことができる。また、受信回路２５０で受信期間中に、駆動パルス発生部２４０のインピーダンスを高インピーダンスにすることによって、駆動パルス発生部２４０が受信回路２５０の負荷にならず、受信信号を劣化させない。

また、駆動パルス発生部２４０の出力インピーダンスの制御は非常に簡単な構成により実現可能であり、超音波プローブ１０内に実装する際も回路規模を大きく変えることがない。受信した信号に対して何らかの後処理が必要になることもなく、既存の画像処理で超音波画像を生成することができる。さらに、送信パルスを正確にコントロールすることができることから、適切な音圧で送信超音波を放射でき、受信感度を維持しつつＳ／Ｎ比のよい良好な超音波画像を取得することができる。

また、逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２に並列接続された抵抗Ｒ２は、上述のスイッチング素子の切り替えにより発生するスイッチングノイズ等が振動子１００や受信回路２５０に流れることを抑制する効果を有している。

さらに、抵抗Ｒ２は逆並列ダイオードＤ１、Ｄ２による送信パルス波形のひずみを緩和する働きも有する。

図９は、実施形態に係る超音波診断装置１の送信波形のひずみを説明する図である。図９（ａ）は抵抗Ｒ２が駆動パルス発生部２４０にない場合の送信パルスの波形を例示しており、図９（ｂ）は、抵抗Ｒ２が駆動パルス発生部２４０にある場合の送信パルスの波形を例示している。それぞれ破線で示した波形は出力したい理想の波形である。

図９（ａ）に実線で示すグラフでは、送信パルスの立ち上がりおよび立下りが理想の波形よりも傾きが急になっている。これは、ある一定の電圧（ＶＦおよび−ＶＦ）以上の電圧になって初めてダイオードＤ１、Ｄ２に電流が流れるというダイオードの性質によるものである。そのため、ある一定以下の電圧では電流が流れず、波形の立ち上がりや立下りが急激になり波形にひずみが生じる。

一方、図９（ｂ）に実線で示すグラフでは、波形の立ち上がりと立下りの区間でも電流が流れ、ひずみが緩和されている。抵抗Ｒ２を駆動パルス発生部２４０の逆並列ダイオードに並列に接続することで、ダイオードに電流が流れない期間であっても抵抗Ｒ２を介して電流が流れるため、図９（ａ）で示した送信パルス波形のひずみを緩和することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 超音波診断装置
１０ 超音波プローブ
２０ 装置本体
３０ 入力部
４０ 表示部
１００ 振動子
２００ 制御部
２１０ 基準パルス発生部
２２０ 遅延制御部
２３０ 送信制御部
２４０ 駆動パルス発生部
２５０ 受信回路
２６０ 画像生成部

Claims (6)

1. 独立した複数のチャネルに対応する複数の振動子から被検体内に超音波を送信し、前記被検体内部で生じる反射波を前記振動子で受信する超音波診断装置であって、
   前記複数のチャネルの各チャネルが、前記超音波を送信する送信チャネル、又は、前記超音波を送信しない非送信チャネルとなるように制御する送信制御部と、
   二端のうち一方端側が接地された駆動パルス発生源と、前記駆動パルス発生源の他方端側に接続されると共に振動子に接続された抵抗とを備え、前記駆動パルス発生源と前記抵抗と前記振動子とが直列に接続され、前記振動子から前記超音波を送信するための駆動パルスを前記振動子に印加する駆動パルス発生部と、
   を備え、
   前記送信処理部は、
   前記駆動パルス発生源を介して前記抵抗を接地させることで前記非送信チャネルに対応する前記駆動パルス発生部の出力インピーダンスが低インピーダンスになるように制御する一方で、前記抵抗の抵抗値により前記送信チャネルに対応する前記駆動パルス発生部の出力インピーダンスが高インピーダンスになるように制御し、
   前記振動子から見たときの前記駆動パルス発生部の出力インピーダンスを、前記振動子から前記被検体内に前記超音波を送信する送信期間中は、前記被検体内部で生じる前記反射波を前記振動子で受信する受信期間中よりも低インピーダンスに設定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記駆動パルス発生部の前記出力インピーダンスは、前記受信期間中のすべてのチャネルにおいて受信回路よりも高インピーダンスに設定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記送信制御部は、前記駆動パルスを形成するための制御信号と、前記送信期間と前記受信期間とを区別する制御信号とを生成する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記抵抗は、逆並列ダイオードに並列に接続され、前記低インピーダンスと前記高インピーダンスとの切り替えによるスイッチングノイズが前記振動子および前記受信回路に伝達されるのを抑制する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
5. 前記抵抗は、低電圧期間に前記逆並列ダイオードにより発生する送信パルス波形のひずみを抑制する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の超音波診断装置。
6. 前記送信処理部は、超音波プローブの開口幅に応じて、前記各チャネルが前記送信チャネル又は前記非送信チャネルとなるように制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。

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