JP6958331B2 - 超音波プローブ、及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本開示は、超音波プローブ、及び超音波診断装置に関する。

超音波プローブ内に、複数の超音波振動子を配した超音波診断装置が知られている。

この種の超音波診断装置においては、超音波診断装置の本体と超音波プローブとは、一般に、ケーブルによって接続され、本体と接続する超音波振動子の個数は、当該ケーブル内の信号線の本数や送受信回路のシステムチャンネル数に制約される。

この種の超音波診断装置においては、マルチプレクサと称されるスイッチング回路により、駆動対象の超音波振動子を時分割で切り替え制御することにより、送受信ビームの偏向制御や送受信ビームの開口移動を実現している（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００６−２８８５４７号公報

L.J. Busse*, C.G. Oakley, M.J. Fife, J.V. Ranalletta, R.D. Morgan, D.R. Dietz, "The Acoustic and Thermal Effectosf using Multiplexers in Small Invasive Probes", IEEE Ultrasonics Symposium,1997, 1721-1724

ところで、かかる超音波診断装置においては、ターゲットの検出感度の向上や超音波画像の分解能の向上（以下、「超音波振動子の音響特性」と総称する）等の要請がある。かかる観点から、超音波振動子と送受信回路との間における信号劣化の抑制は、重要な課題である。

本願の発明者等は、鋭意検討の結果、上記したスイッチング回路（例えば、マルチプレクサ）が信号劣化の要因となっているという課題に想到した。具体的には、スイッチング回路は、送受信回路側から延在する信号線とは異なる回路定数を有するため、送受信回路からの送信信号を超音波振動子に対して送出する際や、超音波振動子からの受信信号を送受信回路に対して送出する際に、信号の反射現象等を引き起こし、信号劣化を生じさせているおそれがある。

特許文献１には、スイッチング回路が設けられた回路とスイッチング回路が設けられない回路との間で信号強度のアンバランスが生じることを考慮して、スイッチング回路が設けられない回路には、当該スイッチング回路のオン抵抗相当の抵抗体を挿入することが記載されている。しかしながら、特許文献１は、スイッチング回路における信号の反射現象については何ら考慮されておらず、当該反射現象に起因した信号劣化を抑制することができない。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、複数の超音波振動子のうちから駆動対象を選択的に切り替えるスイッチング回路に起因した信号劣化を抑制し得る超音波プローブ、及び超音波診断装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
超音波診断装置の超音波プローブであって、
超音波と電気信号との相互変換を行う複数の超音波振動子と、
前記複数の超音波振動子のうち、送受信回路と電気的に接続する接続対象の超音波振動子を選択的に切り替えるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路の前段又は後段において、前記スイッチング回路と直結する位置に接続され、前記スイッチング回路と当該スイッチング回路と前段又は後段の回路との間におけるインピーダンスマッチングを行う整合回路と、
を備える超音波プローブである。

又、他の局面では、
上記超音波プローブを備えた超音波診断装置である。

本開示に係る超音波プローブによれば、複数の超音波振動子のうちから駆動対象を選択的に切り替えるスイッチング回路に起因した信号劣化を抑制することができる。

第１の実施形態に係る超音波診断装置の外観を示す図 第１の実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図 第１の実施形態に係る超音波プローブの構成を示す回路図 第１の実施形態に係る超音波振動子の配列構造を示す図 第１の実施形態に係るマルチプレクサにおける切り替え動作を説明する図 マルチプレクサの等価回路を示す図 第１の実施形態に係る超音波プローブにおける送受信特性を求めたシミュレーション結果 第１の実施形態に係る超音波プローブの回路部品の実装構造を示す図 超音波プローブの回路部品の実装構造の変形態様を示す図 第２の実施形態に係る超音波プローブの構成を示す回路図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能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。

（第１の実施形態）
［超音波診断装置の全体構成］
以下、図１〜図２を参照して、本実施形態に係る超音波診断装置１の全体構成の一例について説明する。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１の外観を示す図である。図２は、本実施形態に係る超音波診断装置１の全体構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る超音波診断装置１は、超音波診断装置１の本体１０（以下、「本体１０」と略称する）に超音波プローブ２０が取り付けられて構成されている。尚、本体１０と超音波プローブ２０とは、ケーブルＣを介して電気的に接続されている。

尚、本実施形態に係る超音波診断装置１は、Ｂモード画像、カラードプラ画像、三次元超音波画像、又はＭモード画像等の任意の超音波画像を生成するものであってよい。同様に、超音波プローブ２０としては、コンベックスプローブ、リニアプローブ、セクタプローブ、又は三次元プローブ等の任意のものを用いることができる。

超音波診断装置１の本体１０は、制御部１１、送受信部１２、画像生成部１３、表示部１４、記憶部１５、及び操作部１６を備えている。又、超音波プローブ２０は、複数の超音波振動子２１、スイッチング回路２２、及び整合回路２３を備えている。

送受信部１２（以下、「送受信回路１２」とも称する）は、超音波プローブ２０の超音波振動子２１に対して、超音波の送受信を行わせる送受信回路である。送受信部１２は、電圧パルス（以下、「送信信号」と称する）を生成して超音波振動子２１に対して送出する送信回路と、超音波振動子２１で生成された超音波エコーに係る電気信号（以下、「受信信号」と称する）を受信処理（例えば、増幅処理、及びＡ／Ｄ変換処理）する受信回路とを有している。そして、送信回路及び受信回路は、それぞれ、制御部１１の制御のもと、超音波振動子２１に対して、超音波の送受信を行わせる動作を実行する。

尚、送受信部１２は、複数のシステムチャンネルを有し、当該システムチャンネル毎に超音波振動子２１を動作させることが可能となっている。

送受信部１２は、ケーブルＣを介して、超音波プローブ２０の超音波振動子２１と接続されている。そして、送受信部１２と超音波振動子２１との間の電気信号の授受は、ケーブルＣに内蔵された信号線を介して行われる。尚、本実施形態に係る超音波プローブ２０内には、受信処理及び送信処理を行う回路構成は設けられておらず、ケーブルＣ内の信号線には、アナログ波形の信号が通流する。

画像生成部１３は、送受信部１２から取得した受信信号に対して、所定の信号処理（例えば、対数圧縮部、検波部、及びＦＦＴ解析部等）を施して、超音波画像（例えば、Ｂモード画像、カラードプラ画像、三次元超音波画像）を生成する。超音波画像を生成する際の処理の内容は、公知であるため、ここでの説明は省略する。

表示部１４は、例えば、液晶ディスプレイ等であって、画像生成部１３が生成した超音波画像を表示する。記憶部１５は、例えば、ハードディスク、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等のメモリであって、制御部１１が参照する制御プログラムや各種データ（送受信部１２に設定する各種設定データ）、画像生成部１３が生成した画像データ等を記憶する。操作部１６は、例えば、キーボード又はマウス等であって、操作者が入力した操作信号を取得する。

制御部１１は、超音波診断装置１の各部（送受信部１２、画像生成部１３、表示部１４、記憶部１５、及び操作部１６）と通信して、各部を統括制御する。

制御部１１は、送受信制御部１１ａ及び切替制御部１１ｂを備えている。

送受信制御部１１ａは、送受信部１２から各超音波振動子２１に対して送信信号を送信させ、又、当該送受信部１２に各超音波振動子２１からの受信信号を受信処理させる。

切替制御部１１ｂは、スイッチング回路２２を制御して、複数の超音波振動子２１のうち、駆動対象の超音波振動子２１を切り替え制御する。換言すると、切替制御部１１ｂは、例えば、スイッチング回路２２を制御して、送受信部１２の各システムチャンネルと接続する超音波振動子２１を時分割で切り替え制御する。尚、複数の超音波振動子２１の駆動状態のオンオフは、超音波振動子２１毎に個別に切替制御されてもよいし、ブロック単位で切替制御されてもよい。

尚、制御部１１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、及び、出力ポート等を含んで構成される。そして、上記した各機能は、ＣＰＵがＲＯＭやＲＡＭに格納された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、上記した各機能の一部又は全部は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路、又はこれらの組み合わせによっても実現できることは勿論である。

［超音波プローブの構成］
以下、図３〜図７を参照して、本実施形態に係る超音波プローブ２０の構成の一例について説明する。

図３は、本実施形態に係る超音波プローブ２０の構成を示す回路図である。

本実施形態に係る超音波プローブ２０は、超音波振動子２１、スイッチング回路２２、整合回路２３、ケーブル接続コネクタ２０Ｃ、超音波振動子２１側の信号線Ｌａ（ここでは、Ｌａ−００１〜Ｌａ−３８４の３８４本）、及び、システムチャンネル側の信号線Ｌｂ（ここでは、Ｌｂ−００１〜Ｌｂ−１９２の１９２本）を備えている。

本実施形態に係る超音波プローブ２０においては、超音波振動子２１側から順に、スイッチング回路２２、整合回路２３、及び、ケーブル接続コネクタ２０Ｃが接続されている（以下、超音波振動子２１側を「前段側」、ケーブル接続コネクタ２０Ｃ側を「後段側」とも称する）。

本実施形態に係る送受信回路１２は、超音波振動子２１を駆動するシステムチャンネルとして、１９２チャンネル（Ｃｈ−００１〜Ｃｈ−１９２）を有している。そして、１９２チャンネルのシステムチャンネルＣｈ−００１〜Ｃｈ−１９２それぞれが、自身に接続された信号線Ｌｂ−００１〜Ｌｂ−１９２を介して、互いに異なるスイッチング回路２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２に接続されている。そして、１９２チャンネルのシステムチャンネルＣｈ−００１〜Ｃｈ−１９２それぞれは、自身に接続されたスイッチング回路２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２において選択された超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４と電気信号の授受を行う。

本実施形態に係る超音波プローブ２０には、３８４個の超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４、当該超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４それぞれに各別に接続された１９２個のスイッチング回路２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２、及び、当該スイッチング回路２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２それぞれに各別に接続された１９２個の整合回路２３−Ｎ００１〜２３−Ｎ１９２が並設されている。

そして、超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４とスイッチング回路２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２との間には、各別に接続された３８４本の信号線Ｌａ−００１〜Ｌａ−３８４が配設されている。又、スイッチング回路２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２と送受信回路１２の各システムチャンネルＣｈ−００１〜Ｃｈ−１９２との間には、各別に接続された１９２本の信号線Ｌｂ−００１〜Ｌｂ−１９２が配設されている。

尚、ケーブルＣ内には、超音波振動子２１を駆動するシステムチャンネル数分（ここでは、１９２チャンネル）の信号線Ｌｂ、及び、スイッチング回路２２の切り替え制御を行う制御線（図示せず）が内蔵されている。超音波プローブ２０と本体１０との間の電気信号の授受は、超音波プローブ２０側のケーブル接続コネクタ２０Ｃ、ケーブルＣ、及び本体１０側のケーブル接続コネクタ１０Ｃを介して行われる。

尚、以下では、超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４それぞれの構成は、同様であるものとして、特に区別しない場合には、超音波振動子２１と略称する。又、スイッチング回路２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２それぞれの構成は、同様であるものとして、特に区別しない場合には、スイッチング回路２２と略称する。又、整合回路２３−Ｎ００１〜２３−Ｎ１９２それぞれの構成は、同様であるものとして、同様であるものとして、特に区別しない場合には、整合回路２３と略称する。又、信号線Ｌａ−００１〜Ｌａ−３８４のいずれかについて特に区別しない場合には、信号線Ｌａと略称する。信号線Ｌｂ−００１〜Ｌｂ−１９２のいずれかについて特に区別しない場合には、信号線Ｌｂと略称する。

超音波振動子２１の構成
超音波振動子２１は、超音波と電気信号との相互変換を行う圧電素子である。超音波振動子２１は、送受信回路１２からの送信信号を超音波に変換して被検体内に送信し、被検体内で反射される超音波エコーを電気信号に変換して送受信回路１２側に送出する。超音波振動子２１は、例えば、セラミック圧電材、高分子圧電材又は圧電単結晶材料等の圧電体 当該圧電体の一方側の面に配した信号電極、及び、当該圧電体の他方側の面に配した接地電極を含んで構成されている。そして、超音波振動子２１の信号電極には、信号線Ｌａが接続されており、接地電極には、接地線が接続されている。

複数の超音波振動子２１は、それぞれ、各別の信号線Ｌａを介して、スイッチング回路２２に接続されており、スイッチング回路２２における切り替えにより、送受信回路１２との電気的接続状態のオン／オフが選択的に切り替えられる。そして、複数の超音波振動子２１のうち、送受信回路１２と電気的接続状態とされた超音波振動子２１が、駆動対象の超音波振動子２１となり、送受信回路１２との間で電気信号（即ち、送信信号及び受信信号）の授受を行う。

これによって、制御部１１（切替制御部１１ｂ）の制御のもと、複数の超音波振動子２１のうちから、駆動対象の超音波振動子２１が時分割で切り替えられ、送受信ビームの偏向制御や送受信ビームの開口移動等の電子走査が行われる。

尚、超音波振動子２１と送受信回路１２との電気的接続状態のオン／オフ（即ち、駆動状態と非駆動状態の切り替え）は、例えば、超音波振動子２１毎に個別に切り替え制御されてもよいが、複数の超音波振動子２１のブロック単位で、切り替え制御が行われてもよい。又、複数の超音波振動子２１のうち、超音波の送信動作を行う超音波振動子２１と、超音波エコーの受信動作を行う超音波振動子２１とが別個となるように、切り替え制御されてもよい。

図４は、超音波振動子２１の配列構造の一例を示す図である。図４Ａは、本実施形態に係る超音波振動子２１の配列構造を示している。本実施形態に係る超音波振動子２１は、アジマス方向に沿って、超音波振動子２１−Ｔ００１から、超音波振動子２１−Ｔ００２、超音波振動子２１−Ｔ００３、・・超音波振動子２１−Ｔ３８４の順に、３８４個が一列に配列されている。

図４Ｂは、超音波振動子２１の配列構造の他の態様を示している。図４Ｂでは、超音波振動子２１が、アジマス方向に加えてエレベーション方向にも配列されており、二次元面内でアジマス方向とエレベーション方向にマトリクス状に３８４×３個配列されている。図４Ｂに示す超音波振動子２１の配列構造は、一列目にはアジマス方向に沿って３８４個の超音波振動子２１−Ｔ００１・・超音波振動子２１−Ｔ３８４が順に配列され、二列目にはアジマス方向に沿って３８４個の超音波振動子２１−Ｔ３８５・・超音波振動子２１−Ｔ７６８が順に配列され、三列目にはアジマス方向に沿って３８４個の超音波振動子２１−Ｔ７６９・・超音波振動子２１−Ｔ１１５２が順に配列された構造となっている。

スイッチング回路２２の構成
スイッチング回路２２は、複数の超音波振動子２１のうち、送受信回路１２と接続する接続対象の超音波振動子２１を選択的に切り替える切り替え回路である。スイッチング回路２２は、典型的には、複数のマルチプレクサＩＣ（図３の２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２それぞれが個別のマルチプレクサＩＣに相当する。以下、「マルチプレクサ２２」又「ＭＵＸ２２」とも称する）によって構成されている。各マルチプレクサ２２には、制御部１１（切替制御部１１ｂ）からの制御信号が入力される制御線（図示せず）が接続されており、各マルチプレクサ２２は、当該制御信号に基づいて、複数の超音波振動子２１のうち、駆動対象の超音波振動子２１を選択的に切り替える。

本実施形態に係る１９２個のマルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２それぞれには、システムチャンネル側に一本の信号線Ｌｂが接続され、超音波振動子２１側に複数本（ここでは、２本）の信号線Ｌａが並列に接続されている。そして、１９２個のマルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２のシステムチャンネル側には、それぞれ別個の信号線Ｌｂ−００１〜Ｌｂ−１９２が接続され、超音波振動子２１側には、それぞれ別個の信号線Ｌａ−００１〜Ｌａ−３８４が接続されている。

又、各マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２には、それぞれ別個に、制御部１１（切替制御部１１ｂ）からの制御信号が入力される構成となっている。そして、各マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２は、当該制御信号にしたがって、それぞれ独立して、超音波振動子２１側のいずれか一のチャンネルを選択的に送受信回路１２側の一のシステムチャンネルに電気的に接続する。換言すると、１９２個のマルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２は、それぞれ、システムチャンネルＣｈ−００１〜Ｃｈ−１９２に対応するように設けられ、当該システムチャンネル毎に、独立して駆動対象の超音波振動子２１を切り替える。

図５は、本実施形態に係るマルチプレクサ２２における切り替え動作を説明する図である。

図５Ａは、各タイミングにおける各マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２の電気的接続状態を時系列に示している。図５Ｂは、図５Ａにおける駆動対象の超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４を模式的に示した図である。

図５Ａの左欄には、マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２の識別番号を表している。図５Ａの各行は、ｔ＝０、ｔ＝１、ｔ＝２、ｔ＝３・・・の順に経時変化しているものとして、左欄に付した識別番号に対応するマルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２の各タイミングにおける電気的接続状態を示している。

ここでは、例えば、マルチプレクサ「２２−Ｍ００１」は、超音波振動子「２１−Ｔ００１」と超音波振動子「２１−Ｔ１９３」とに信号線Ｌａが接続されており、本体１０側（切替制御部１１ｂ）からの制御信号に基づいて、いずれか一方をシステムチャンネルＣｈ−００１と電気的に接続する。同様に、マルチプレクサ「２２−Ｍ００２」は、超音波振動子「２１−Ｔ００２」と超音波振動子「２１−Ｔ１９４」とに信号線Ｌａが接続されており、本体１０側（切替制御部１１ｂ）からの制御信号に基づいて、いずれか一方をシステムチャンネルＣｈ−００２と電気的に接続する。

制御部１１（切替制御部１１ｂ）は、複数の超音波振動子２１のうち、駆動対象の超音波振動子２１を時分割で決定する。

ｔ＝０においては、制御部１１（切替制御部１１ｂ）は、超音波振動子「２１−Ｔ００１」〜「２１−Ｔ１９２」が駆動するように、マルチプレクサ「２２−Ｍ００１」〜「２２−Ｍ１９２」の電気的接続状態をＡ側接続とする。

ｔ＝１においては、制御部１１（切替制御部１１ｂ）は、超音波振動子「２１−Ｔ００２」〜「２１−Ｔ１９３」が駆動するように、マルチプレクサ「２２−Ｍ００１」の電気的接続状態をＢ側接続、マルチプレクサ「２２−Ｍ００２」〜「２２−Ｍ１９２」の電気的接続状態をＡ側接続とする。

ｔ＝２においては、制御部１１（切替制御部１１ｂ）は、超音波振動子「２１−Ｔ００３」〜「２１−Ｔ１９４」が駆動するように、マルチプレクサ「２２−Ｍ００１」〜「２２−Ｍ００２」の電気的接続状態をＢ側接続、マルチプレクサ「２２−Ｍ００３」〜「２２−Ｍ１９２」の電気的接続状態をＡ側接続とする。

ｔ＝３においては、制御部１１（切替制御部１１ｂ）は、超音波振動子「２１−Ｔ００４」〜「２１−Ｔ１９５」が駆動するように、マルチプレクサ「２２−Ｍ００１」〜「２２−Ｍ００３」の電気的接続状態をＢ側接続、マルチプレクサ「２２−Ｍ００４」〜「２２−Ｍ１９２」の電気的接続状態をＡ側接続とする。

このように、各マルチプレクサ２２は、切替制御部１１ｂからの制御信号によってシステムチャンネルＣｈ−００１〜Ｃｈ−１９２に対して接続する超音波振動子２１を、超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４のうちから順次切り替える。これによって、駆動状態の超音波振動子２１によって形成される走査ブロックが、時間的に、順次スライドする。

本実施形態に係る各マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２は、走査ブロックを移動する際、システムチャンネル１チャンネルに対して、常に、超音波振動子２１の接続数が一定（ここでは、「Ａ側」か「Ｂ側」うちのいずれか一方）となるように、超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４のうちの接続対象が設定されている。具体的には、超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４のうち、複数のシステムチャンネルの数分（ここでは、１９２チャンネル）の隣接配置された超音波振動子２１は、互いに異なるマルチプレクサ２２に接続されている。

これによって、送受信回路１２と超音波振動子２１との間の回路における回路パラメータを一定に保持し、常に、整合回路２３におけるインピーダンスマッチングのマッチング条件が保持されるようにしている。

整合回路２３の構成
整合回路２３は、マルチプレクサ２２と直結する位置に接続され、マルチプレクサ２２と当該マルチプレクサ２２と接続される回路間におけるインピーダンスマッチングを行う。換言すると、整合回路２３は、マルチプレクサ２２を挿入することに伴って生じる回路間の特性インピーダンスの不整合を補償し、これによって信号劣化を抑制する。

尚、かかる信号の反射現象は、送受信回路１２から超音波振動子２１に対して送信信号を送出する際や、又は超音波振動子２１から送受信回路１２に対して受信信号を送出する際に、マルチプレクサ２２と当該マルチプレクサ２２の後段の回路との境界位置において顕著に発生する。

本実施形態に係る整合回路２３は、かかる観点から、マルチプレクサ２２と直結する位置の送受信回路１２側に接続されている。

又、本実施形態に係る整合回路２３は、複数の信号線Ｌｂ−００１〜Ｌｂ−１９２それぞれ中において、各別に配設されている。換言すると、本実施形態に係る整合回路２３は、マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２それぞれの後段に対して直列接続された各別の整合回路２３−Ｎ００１〜２３−Ｎ１９２によって構成されている。

整合回路２３−Ｎ００１〜２３−Ｎ１９２としては、典型的には、マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２それぞれに直結するように、直列に接続されたインダクタ素子を含んで構成される。

図６は、マルチプレクサ２２の等価回路を示す図である。尚、図６の等価回路は、例えば、非特許文献１等において公知である。

本実施形態に係る各マルチプレクサ２２は、システムチャンネル１チャンネルに対して、信号線Ｌａにより自身に接続された超音波振動子２１のＮチャンネル（図３では、２チャンネル）のうちのいずれか１チャンネルの電気的接続状態をオンとする。従って、各マルチプレクサ２２の等価回路は、図６Ａに示すように、入出力間に複数のスイッチ部（例えば、マルチプレクサ２２を構成するトランジスタ）を並列接続した構成として表すことができる。

尚、本実施形態に係る各マルチプレクサ２２は、常に「Ａ側」か「Ｂ側」のいずれか一方が電気的接続状態であり、他方が非電気的接続状態であるため、当該マルチプレクサ２２が構成するインピーダンスも、常に同一の値となっている。

図６Ｂは、図６Ａの回路モデルをもとに、各マルチプレクサ２２が形成する回路パラメータを表した等価回路である。

各マルチプレクサ２２が形成するインピーダンスは、図６Ｂに示すように、オン状態のスイッチ部における入出力間に直列接続されたオン抵抗Ｒｏｎと、オン状態のスイッチ部における信号線Ｌａと接地間に接続する寄生容量Ｃｏｎ／２、オン状態のスイッチ部における信号線Ｌｂと接地間に接続する寄生容量Ｃｏｎ／２、オフ状態のスイッチ部における信号線Ｌａと接地間に接続する寄生容量Ｃｏｆｆの合成と表すことができる。

マルチプレクサ２２のインピーダンスは、このように、通常、容量成分を含む値となる。又、マルチプレクサ２２のインピーダンスは、並列に接続された複数の容量成分の合成となるため、容量成分が大きくなり、特に、マルチプレクサ２２に接続されるシステムチャンネル側の信号線との間で特性インピーダンスの不整合を引き起こしやすい。

整合回路２３の回路定数は、かかる観点から、例えば、マルチプレクサ２２と整合回路２３のインピーダンスの合成のリアクタンス成分がゼロとなるように設定される。整合回路２３の回路定数は、例えば、マルチプレクサ２２及び整合回路２３のインピーダンスの合成の抵抗成分が、整合回路２３に接続される信号線Ｌｂの特性インピーダンス（例えば、５０Ω）に近づくように設定される。

又、整合回路２３の回路定数は、例えば、超音波プローブ２０の電気的インピーダンスが、送受信部１２の入出力インピーダンスと電気的に整合するように設定されてもよい。但し、この際、送受信部１２の送信部の出力インピーダンスが数十Ωであるのに対して、受信部の入力インピーダンスが数百Ωになっているため、両者の間で妥協するような電気的整合するように設定されてもよい。

これによって、送受信回路１２から超音波振動子２１に対して送信信号を送出する際、及び、超音波振動子２１から送受信回路１２に対して受信信号を送出する際のいずれの際にも、マルチプレクサ２２と当該マルチプレクサ２２の後段側の回路との境界位置における反射現象を抑制することができる。

整合回路２３の構成としては、マルチプレクサ２２のインピーダンスが容量成分側へ偏っていることから、典型的には、インダクタンス値を有する構成が選択される。整合回路２３の構成としては、典型的には、上記したように、直列接続するインダクタ素子を含んで構成される。

但し、整合回路２３−Ｎ００１〜２３−Ｎ１９２としては、直列接続するインダクタ素子に限らず、伝送線路の線路長によってインピーダンスマッチングを行う構成（例えば、λ／４線路）や、スタブ等を用いてインピーダンスマッチングを行う構成としてもよいのは、勿論である。

尚、整合回路２３の回路定数は、マルチプレクサ２２のインピーダンスの他、更に、超音波振動子２１側の信号線Ｌａのインピーダンス、超音波振動子２１のインピーダンス、及び、送受信回路１２側の信号線Ｌｂ（送受信回路１２までの領域を含む）のインピーダンス等を考慮して設定されてもよい。他方、送受信回路１２から超音波振動子２１に対して送信信号を送出する際と超音波振動子２１から送受信回路１２に対して受信信号を送出する際とで、インピーダンスマッチングの条件が変化する場合には、整合回路２３の回路定数は、いずれの場合の反射現象を抑制するかを考慮して設定されてもよい。

かかる場合における整合回路２３の回路定数の設計は、公知のインピーダンスマッチングと同様の設計手法を用いることができ、例えば、整合回路２３の後段側の接続点を基準として、送受信回路１２側のインピーダンスが超音波振動子２１側のインピーダンスと複素共役の関係となり、且つ、当該整合回路２３の前段側の接続点を基準として、送受信回路１２側のインピーダンスが超音波振動子２１側のインピーダンスと複素共役の関係となるようにする手法を用いることができる。

図７は、本実施形態に係る超音波プローブ２０における送受信特性を求めたシミュレーション結果である。

本シミュレーションは、図３に示した超音波プローブ２０の回路構成において各部に所定の回路パラメータを設定して、送受信特性を算出している。本シミュレーションは、送受信回路１２から超音波振動子２１に対して送信信号を送出し、超音波振動子２１にて超音波を送信させ、所定のターゲットから戻ってきた超音波エコーを超音波振動子２１で受信信号に変換し、送受信回路１２に戻ってきた受信信号を取得する、という一連のフローにおける送受信特性を算出したものである。

本シミュレーションで算出する送受信特性は、送受信回路１２から超音波振動子２１に送出する送信信号の信号強度に対する、送受信回路１２に戻ってきた受信信号の信号強度の低下度合いを算出したものである。又、本シミュレーションでは、当該信号強度の低下度合いを送信信号の周波数毎に算出している。

図７において、実線グラフは、図３の回路構成（マルチプレクサ２２及び整合回路２３を有する）における送受信特性を表している。一点鎖線グラフは、図３の回路構成において、マルチプレクサ２２を有さず、整合回路２３も有さない態様における送受信特性を表している。点線グラフは、図３の回路構成において、整合回路２３のみを有さない態様における送受信特性を表している。

図７の横軸は送信信号の周波数を表し、縦軸は超音波振動子２１にて送受信を行った際の信号強度の低下の度合い（＝送受信回路１２で取得した受信信号の電力／送受信回路１２から送出した送信信号の送信信号の電力）を表している。図３の各部の回路定数は、各態様において、共通に設定している。

図７から分かるように、マルチプレクサ２２を設けた場合（点線グラフ）、マルチプレクサ２２及び整合回路２３を有さない態様（一点鎖線グラフ）に比較して、信号強度の劣化が生じていることが分かる。一方で、本実施形態に係る超音波プローブ２０のように、整合回路２３を設けることによって（実線グラフ）、整合回路２３を有さない場合（点線グラフ）に比較して、信号強度の低下度合いが抑制できていることが分かる。

加えて、本実施形態に係る超音波プローブ２０においては（実線グラフ）、マルチプレクサ２２及び整合回路２３を有さない態様（一点鎖線グラフ）に比較すると、信号強度の低下度合いがほぼ同程度となっており、整合回路２３を設けることによって、マルチプレクサ２２による信号劣化をほぼ補償可能であることが分かる。

［超音波プローブの実装構造］
図８は、本実施形態に係る超音波プローブ２０の回路部品の実装構造を示す図である。図８Ａは、実装構造の平面図であり、図８Ｂは、実装構造の側面図である。尚、図８Ｂは、図８Ａの実装構造２つ分を一対にして、実装した状態を示している。

本実施形態に係る超音波プローブ２０は、マルチプレクサ２２を実装する第１の回路基板Ｐａ１、整合回路２３を実装する第２の回路基板Ｐａ２、超音波振動子２１と第１の回路基板Ｐａ１とを配線接続する第１のフレキシブル配線基板Ｐｂ１、及び、第１の回路基板Ｐａ１と第２の回路基板Ｐａ２とを配線接続する第２のフレキシブル配線基板Ｐｂ２を備えている。

ここでは、スイッチング回路２２が、各別のマルチプレクサＩＣによって構成された態様を示している。又、マルチプレクサ２２が実装される第１の回路基板Ｐａ１としては、多層配線基板が用いられている。これにより、第１の回路基板Ｐａ１の基板内に、超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４の多くのチャンネル数に対応する信号線Ｌａ−００１〜Ｌａ−３８４を形成することが可能である。

第１のフレキシブル配線基板Ｐｂ１及び第２のフレキシブル配線基板Ｐｂ２には、例えば、異方性導電膜を用いて配線部が形成されている。又、第２の回路基板Ｐａ２の配線部と第２のフレキシブル配線基板Ｐａ２の配線部の接続構成としては、コネクタ−コネクタ接続Ｐｃが用いられている。

本実施形態に係る超音波プローブ２０は、このように、マルチプレクサ２２と整合回路２３とをそれぞれ別体の回路基板Ｐａ１、Ｐａ２に実装し、これらをフレキシブル配線基板Ｐｂ１で配線接続することによって、回路基板の大型化を抑制し、超音波プローブ２０の小型化を図っている。換言すると、これによって、超音波プローブ２０内における部品配置の自由度が高まるため、超音波プローブ２０の外観に影響を与えずに、整合回路２３を挿入することができる。

又、超音波プローブ２０内においては、小型化の観点から、図８Ｂのように、図８Ａの実装構造２つ分を一対にして実装するのが望ましい。具体的には、図８Ａの実装構造２つ分を一対にして、第１の回路基板Ｐａ１と第２の回路基板Ｐａ２それぞれの基板面が対向するように配設するのが望ましい。これにより、超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４の多くのチャンネル数に対応する信号線Ｌａ−００１〜Ｌａ−３８４を形成することが可能である。

図９は、図８の実装構造の変形態様である。図９Ａは、変形態様に係る実装構造の平面図であり、図９Ｂは、変形態様に係る実装構造の側面図である。

図９の実装構造は、複数のマルチプレクサ２２のうち、一部を第１の回路基板Ｐａ１に実装し、他の一部を第２の回路基板Ｐａ２に実装した態様である点でのみ、図８の実装構造を相違している。このように、複数のマルチプレクサ２２を第１の回路基板Ｐａ１と第２の回路基板Ｐａ２に分散して配置することによって、第１の回路基板Ｐａの大型化をより一層抑制することができる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る超音波診断装置１の超音波プローブ２０によれば、マルチプレクサ２２（スイッチング回路に相当）と直結する位置の送受信回路１２側に、マルチプレクサ２２と当該マルチプレクサ２２と接続される後段側の回路間におけるインピーダンスマッチングを行う整合回路２３を接続する。

これによって、送受信回路１２から超音波振動子２１に対して送信信号を送出する際や、又は、超音波振動子２１から送受信回路１２に対して受信信号を送出する際に、マルチプレクサ２２と後段の回路との接続位置における反射現象を抑制することができる。換言すると、これによって、反射現象に起因した信号劣化を抑制し、超音波振動子２１の音響特性を向上させることができる。

又、本実施形態に係る超音波プローブ２０によれば、マルチプレクサ２２の後段との接続位置においてインピーダンス整合を行うため、マルチプレクサ２２と複数の超音波振動子２１それぞれとの間に整合回路２３を設けるという回路規模上の困難性も回避することができる。

又、本実施形態に係る超音波プローブ２０によれば、電子走査の際、各タイミングにおいて、マルチプレクサ２２が送受信回路１２に接続する接続対象の超音波振動子２１の個数は、一定数に保持される。これによって、整合回路２３におけるインピーダンスマッチングのマッチング条件を常時同一に保持することができる。

（第２の実施形態）
次に、図１０を参照して、第２の実施形態に係る超音波プローブ２０の構成の一例について説明する。

図１０は、本実施形態に係る超音波プローブ２０の構成を示す回路図である。本実施形態に係る超音波プローブ２０は、更に、マルチプレクサ２２に直結する位置の前段側にも整合回路２４を配設している点で、第１の実施形態に係る超音波プローブ２０と相違する。以下では、区別のため、マルチプレクサ２２の後段側の整合回路２３を「第１の整合回路２３」と称し、マルチプレクサ２２の前段側の整合回路２４を「第２の整合回路２４」と称する。

第２の整合回路２４は、マルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２の前段側の超音波振動子２１−Ｔ００１〜２１−Ｔ３８４それぞれとの間に直列に接続されている。つまり、本実施形態に係る超音波プローブ２０には、３８４個の第２の整合回路２４−Ｗ００１〜２４−Ｗ３８４が設けられている。

第２の整合回路２４としては、典型的には、第１の整合回路２３と同様に、直列接続するインダクタ素子等が用いられる。

以上のように、本実施形態に係る超音波診断装置１の超音波プローブ２０によれば、マルチプレクサ２２（スイッチング回路に相当）と直結する位置の超音波振動子２１側に、マルチプレクサ２２と当該マルチプレクサ２２と接続される前段側の回路間におけるインピーダンスマッチングを行う第２の整合回路２４を接続することになる。これによって、反射現象をより一層抑制することが可能である。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。

上記実施形態では、スイッチング回路２２の一例として、送受信回路１２のシステムチャンネルＣｈ−００１〜Ｃｈ−１９２毎に、別個のマルチプレクサ２２−Ｍ００１〜２２−Ｍ１９２を設ける態様を示した。しかしながら、スイッチング回路２２の構成は、選択的に駆動対象の超音波振動子２１を送受信回路１２と接続し得る構成であれば、任意である。

又、上記実施形態では、超音波プローブ２０の一例として、複数の超音波振動子２１のそれぞれの構成、複数のスイッチング回路２２のそれぞれの構成、及び、複数の整合回路２３のそれぞれの構成は、同一であるものとして説明した。しかしながら、これらの一部が異っていてもよいのは勿論である。

又、上記実施形態では、超音波プローブ２０の一例として、超音波振動子２１に対して送信信号を送出する送信回路、及び、超音波振動子２１から受信信号を取得して受信処理を行う受信回路の全部が、超音波診断装置１の本体１０側に配設される態様を示した。しかしながら、これらの構成の一部又は全部は、超音波プローブ２０の筐体内に配設されてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本開示に係る超音波プローブによれば、複数の超音波振動子のうちから駆動対象を選択的に切り替えるスイッチング回路に起因した音響特性の劣化を抑制することができる。

１ 超音波診断装置
１０ 本体
１０Ｃ コネクタ
１１ 制御部
１１ａ 送受信制御部
１１ｂ 切替制御部
１２ 送受信部
１３ 画像生成部
１４ 表示部
１５ 記憶部
１６ 操作部
２０ プローブ
２０Ｃ コネクタ
２１ 超音波振動子
２２ スイッチング回路
２３ 整合回路
２４ 第２の整合回路
Ｌａ 信号線
Ｌｂ 信号線
Ｃ ケーブル

Claims (6)

1. 超音波診断装置の超音波プローブであって、
   超音波と電気信号との相互変換を行う複数の超音波振動子と、
   前記複数の超音波振動子のうち、送受信回路と電気的に接続する接続対象の超音波振動子を選択的に切り替えるスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路の前記送受信回路側において、前記スイッチング回路と直結する位置に接続され、前記スイッチング回路と前記送受信回路との間におけるインピーダンスマッチングを行う整合回路と、
   を備え、
   前記スイッチング回路は、前記送受信回路が有する複数のシステムチャンネルそれぞれに対応するように設けられた複数のマルチプレクサであり、
   前記整合回路は、前記スイッチング回路の前記送受信回路側において、複数の前記マルチプレクサそれぞれと直結するように、複数の前記システムチャンネルの信号線毎に直列に接続されたインダクタ素子のみから構成され、
   前記インダクタ素子の回路定数は、前記インダクタ素子のリアクタンス成分と前記マルチプレクサのリアクタンス成分とを合成した値がゼロとなり、且つ、前記信号線の特性インピーダンスと合致するように設定される、
   超音波プローブ。
2. 電子走査の際、各タイミングにおいて、前記マルチプレクサが前記送受信回路に対して電気的に接続する前記接続対象の超音波振動子の個数は、一定数に保持される
   請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記送受信回路は、前記超音波診断装置の本体内に配設されている
   請求項１又は２のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
4. 前記スイッチング回路は、第１の回路基板内に実装され、
   前記整合回路は、第２の回路基板内に実装され、
   前記第１の回路基板の配線部と前記第２の回路基板の配線部とは、フレキシブル配線基板を介して接続される
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波プローブ。
5. 前記フレキシブル配線基板の配線部は、異方性導電膜を含んで構成される
   請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波プローブを有する超音波診断装置。
   

Images