JP7105172B2 - 超音波探触子及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探触子及び超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は人体に非侵襲で安全性の高い医療診断機器であり、Ｘ線診断装置、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置などの他の医用画像診断装置に比べ、装置規模が小さい。また、超音波探触子を体表から当てるだけの簡便な操作により、例えば、心臓の脈動や胎児の動きといった検査対象の動きの様子をリアルタイムで表示可能である。このことから、今日の医療において重要な役割を果たしている。

超音波診断装置においては、超音波探触子に内蔵されている複数の振動子それぞれに高電圧の駆動信号を供給することで、超音波を被検体内に送信する。被検体内において生体組織の音響インピーダンスの差異によって生ずる超音波の反射波を複数の振動素子それぞれにて受信し、超音波探触子が受信した反射波に基づいて画像を生成する。

具体的には、送信においては、複数の振動子に独立な遅延を与えて振動子を駆動することで音響パルスをフォーカスし、超音波のビームフォーミングおよびビーム走査を行う。受信においては、生体内の反射点から各振動子への距離の違いを補償するため、複数の振動子に独立な遅延を与えて信号の位相をコヒーレントにそろえ、これを加算するという整相処理を行う。

このように、超音波による撮像においては送信動作、受信動作が必要であり、必然的に送信から受信への切替を伴う。このとき、送信から受信への切替に起因する電気的ノイズである送受切替ノイズが振動子で音に変換されて生体内を伝播し反射することによる虚像が問題となる。

近年、３次元立体画像を得られる超音波診断装置が開発されてきており、３次元立体画像から任意の断面を特定して断層像を得ることで、検査効率を向上させることが出来る。３次元の撮像のためには、超音波探触子内の振動子を、従来の１次元配列から２次元配列、すなわち２Ｄアレイとする必要があり、振動子数が従来の超音波探触子に対して２乗で増加する。

２Ｄアレイにより、従来の１Ｄ探触子での長軸（Ｘ軸）方向のフォーカスに加えて短軸（Ｙ軸）方向のフォーカスも行うことになり、前述の送受切替ノイズによる発生音は長軸、短軸両方向にフォーカスされ得るため、２Ｄアレイ探触子においては、送受切替ノイズによる虚像の影響は１Ｄ探触子よりも増大し得る。

送受切替ノイズの発生は、主として、高圧送信回路と低圧受信回路の間に設置されて送信高圧信号から受信回路を保護する送受分離スイッチのオフ状態からオン状態への遷移に起因する。

特許文献１には、スイッチングに起因するノイズ低減の例として、送受信回路に電源を供給するスイッチング電源のスイッチングノイズによる虚像を低減する方法が記載されている。

特許文献１は、超音波送受の繰り返し周波数（ＰＲＦ：Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）とスイッチング電源のスイッチング周波数の関係を制御することでスイッチングノイズがコヒーレントに加算されることを防ぐ。具体的には、Ｂモード（エコーの振幅を輝度に変換して画像表示）、Ｍモード（エコー強度の時系列表示）においてスイッチング周波数をＰＲＦと非同期となるよう決定することで、同じ走査線から得られた複数のエコー信号を加算する際にスイッチングノイズが同じ時相で加算されないようにする。

特開２０１２－６５６９４号公報

上述のように、特許文献１は、送受信回路に電源を供給するスイッチング電源のスイッチングノイズによる虚像を低減する技術に関する。

スイッチング電源のスイッチングと超音波の送受信は独立事象であり、スイッチング周波数とＰＲＦは独立に決定することが可能である。しかしながら、超音波送信から受信に切り替える際に発生する送受切替ノイズの発生は、超音波を送信してからエコーを受信という超音波撮像の本質から不可避であり、超音波送受の動作と独立事象として扱うことはできない。

また、電気的に発生した送受切替ノイズは超音波振動子に直接重畳されて音に変換され、意図しない不要な発生音であるにもかかわらず生体内に送信されてしまい、不要送信音のエコーにより虚像を発生し得る。

このため、送受切替ノイズによる虚像についてはスイッチング電源のスイッチングノイズとは異なるノイズ低減アプローチが必要となる。特許文献１には、送受切替ノイズによる虚像を低減することについては言及されていない。

本発明の目的は、超音波診断装置において、送受切替ノイズによる虚像を低減することにある。

本発明の一態様の超音波探触子は、印加された送信パルスに対して電気音響変換を行って超音波の送信ビームを生成する複数の振動子と、複数の前記振動子の各々に対応して設けられた送受信回路とを有し、前記送受信回路は、前記超音波を送信から受信に切替える送受切替タイミングを複数の前記振動子ごとに独立に設定する送受切替タイミング設定回路を有することを特徴とする。

本発明の一態様の超音波診断装置は、印加された送信パルスに対して電気及び音響変換を行って送信ビームを形成する複数の振動子と、複数の前記振動子の各々に対応して設けられ、超音波の送信から受信に切り替える送受切替タイミングを複数の前記振動子ごとに独立に設定する送受切替タイミング設定回路を有する送受信回路と、複数の前記送受信回路の出力を加算する加算回路と、前記送受切替タイミングの制御を行う制御回路とを備える超音波探触子と、前記加算回路の前記出力を受信して所定の制御信号を前記制御回路に送信する本体装置とを有することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、超音波診断装置において、送受切替ノイズによる虚像を低減することができる。

（ａ）は実施例１の超音波探触子の動作を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示される送信パルス１００の電気音響変換と送信ビーム１０７の空間的挙動を示した図であり、（ｃ）は（ａ）に示される送受切替ノイズ１０２の電気音響変換と音響変換された送受切替ノイズの空間的挙動１０８を示した図である。 （ａ）はランダム化を行わない全チャネル送受一斉切替の動作を示した図であり、（ｂ）は（ａ）に示される送信パルス２００の電気音響変換と送信ビーム２０８の空間的挙動を示した図であり、（ｃ）は（ａ）に示される送受切替ノイズ２０１の電気音響変換と音響変換された送受切替ノイズの空間的挙動としての平面波２０９を示した図である。 （ａ）はランダム化を行なわず送信終了後のチャネルから受信に切り替わる動作を示した図であり、（ｂ）は（ａ）に示される送信パルス３００の電気音響変換と送信ビーム３０８の空間的挙動を示した図であり、（ｃ）は（ａ）に示される送受切替ノイズ３０１の電気／音響変換と音響変換された送受切替ノイズの空間的挙動としてのビーム３０９を示した図である。 各チャネルに配置されて各チャネルで独立かつ任意な送受切替タイミングを実現するためのレジスタ４００及びタイマ回路４０１を含むタイミング回路の構成を示した図である。 図４のレジスタ及びタイマ回路を含むタイミング回路の動作を説明するタイミングチャートである。 各チャネル内のレジスタに送受切替タイミングデータを書き込む回路構成を示した図である。 図６の回路構成の動作を説明するタイミングチャートである。 （ａ）は実施例２の超音波探触子の動作を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示される送信パルス８００の電気音響変換と送信ビーム８０６の空間的挙動を示した図であり、（ｃ）は（ａ）に示される送受切替ノイズ８０１の電気音響変換と音響変換された送受切替ノイズの空間的挙動としてのビーム８０７を示した図である。 実施例３の超音波探触子の動作を示す図である。 実施例４の超音波診断装置の構成を示した図である。 超音波探触子内のサブアレイの構成を示した図である。

以下、図面を用いて実施例について説明する。

図１（ａ）～（ｃ）を参照して、実施例１の超音波探触子における超音波送受の切替方法について説明する。ここで、図１（ａ）の横軸は時間であり、縦軸は空間的な振動子（ＴＤ）１０９の配置と対応している。各波形は各振動子（ＴＤ）１０９のチャネルの電気信号を示している。ここで、Ｔｘは送信であり、Ｒｘは受信である。

送信パルス１００は各振動子（ＴＤ）１０９に印加される電圧パルス信号である。所望の指向性でビームフォーミングするために振動子（ＴＤ）１０９毎に遅延が付与され、振動子１０９（ＴＤ）で電気及び音響変換が行われて１０７のような送信ビームを形成する（図１（ｂ）参照）。

各振動子チャネルは送信後に受信に切り替わり、送受の切り替わりで送受分離スイッチがオフからオンに遷移することで電気的な送受切替ノイズ１０２が発生する。ここで、送受切替ノイズ１０２は、送信パルス１００と同じ遅延カーブ１０１を基準にランダムに遅延が付加されたものである。このとき、図１（ａ）に示すように、送信パルス１００と同じ遅延カーブ１０１で送信終了後のチャネルから順次受信に切り替える。これにより、受信できない期間を短縮し、受信遷移直後に体表近傍から返って来たエコーを受信して体表近傍を画像化できる。

これに加えて、送信パルス１００と同じ遅延カーブ１０１に対し各チャネル間でランダムな遅延を入れてから各チャネルが受信に切り替わる。このチャネル間でランダムな遅延を付与することにより、送受切替ノイズ１０２により発生する音の波面が乱れてランダム波面１０８（図１（ｃ）参照）のように音はランダムに伝播し強い音圧は発生しない。

各チャネルが受信に切り替わり、送信ビーム１０７（図１（ｂ）参照）の方向に向けて指向性を持って受信するためにチャネル間で受信遅延１０３を生じさせる。電気的な送受切替ノイズ１０２に受信遅延１０３がかかり、遅延カーブ１０４で切替ノイズが受信される。遅延カーブ１０４は、受信遅延１０３の後の送受信切替ノイズである。これらは位相がそろっていないため、コヒーレントに加算されて強いノイズとなることはない。

一方で、生体内で反射して返ってきたエコー１０５（受信遅延１０３後のエコー信号）については、反射点と各振動子（ＴＤ）１０９間の距離の違いが受信遅延１０３で補償されるため、位相がそろってコヒーレントに加算され、整相加算後受信エコー信号１０６が生成される。

このように、実施例１によれば、送信パルス１００のように所望の指向性で超音波ビームを送信し、受信遅延１０３によりエコー１０５のようにコヒーレントな信号を受信して整相加算後受信エコー信号１０６に整相加算が可能となる。一方で、送受切替ノイズ１０２により発生する不要な音についてはランダム波面１０８のようにランダムに伝播させて音圧を弱めることができる。これにより送受切替ノイズ１０２による不要音のエコーに起因する虚像を低減することができる。

このように、実施例１の超音波探触子は、印加された送信パルス１００に対して電気音響変換を行って超音波の送信ビーム１０７を生成する複数の振動子振動子（ＴＤ）１０９と、複数の振動子振動子（ＴＤ）１０９の各々に対応して設けられた送受信回路（図１０の１０２０）とを有する。送受信回路１０２０は、超音波を送信から受信に切替える送受切替タイミングを、複数の振動子（ＴＤ）１０９ごとに独立に設定する。また、送受切替タイミングとして、超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる超音波の集束方向がランダムな方向となるタイミングを設定する。また、送受切替タイミングとして、超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズ１０２による発生音が１点にフォーカスされないようなタイミングを設定する。

次に、図２（ａ）～（ｃ）を参照して、実施例１における送受切替タイミングのランダム化の効果を説明する。
最初に、図２（ａ）を参照して、ランダム化を行わず、全チャネル一斉に送受切替を行う場合の動作について説明する。

所望の送信パルス２００を形成する点は図１（ａ）と同様であり、図２（ｂ）に示すようにフォーカスされた送信ビーム２０８が生成される。全チャネルで一斉に送受切替を行った場合、送受切替ノイズ２０１によって発生した音は平面波２０９となって伝播する（図２（ｃ）参照）。電気的な送受切替ノイズ２０１は受信遅延２０２がかかり、遅延カーブ（受信遅延後の送受信切替電気ノイズ）２０３で受信回路に入力される。この結果、コヒーレントに加算されて強いノイズとなることはない。生体内で反射されて返ってきたエコー（受信遅延後のエコー信号）２０４については受信遅延２０２でコヒーレントとなり整相加算される。

送受切替ノイズ２０１により発生した音の平面波２０９（図２（ｃ）参照）は、細いビームとしてフォーカスされてはいないものの、真下方向の送信の場合には送信ビーム２０８の方向と重なってしまう。この結果、生体内の組織界面で反射して返ってきたエコーに受信フォーカスがかかり、受信遅延後の送受信切替電気ノイズエコー２０５は、エコー（受信遅延後のエコー信号）２０４の後にコヒーレントに揃ってしまう。このため、整相加算後に整相加算後受信エコー信号２０６が生じ、整相加算後受信エコー信号２０６の後に、整相加算後の送受信切替ノイズエコー２０７のノイズが残り虚像となる。このように、ランダム化を行わない場合には、送受信切替電気ノイズエコー２０５が原因で生成される送受信切替ノイズエコー２０７により虚像が生じてしまう。

次に、図３（ａ）～（ｃ）を参照して、送受切替タイミングをランダム化をせずに、図３（ａ）のように送信後に、送信が終了したチャネルから順次受信に切り替える動作を説明する。

図３Ａに示すように、送信パルス３００を受信遅延３０２で送信して送信ビーム３０８（図３（ｂ）参照）を得る。送受切替ノイズ３０１の遅延カーブは送信パルス３００と同じカーブになる。このため、送受切替ノイズ３０１が振動子（ＴＤ）３１０で音響変換された音は送信ビーム３０８と同じビーム３０９（図３（ｃ）参照）を形成する。ここで、ビーム３０９は、送受切替ノイズ３０１によるビームである。

電気的な送受切替ノイズ３０１に受信遅延３０２がかかった受信遅延後送受信切替電気ノイズ３０３はコヒーレントに揃うことはない。しかし、送受切替ノイズ３０１による音が反射して返ってきた受信遅延後送受切替ノイズエコー３０５は、受信遅延後エコー信号３０４の後にコヒーレントに揃い、整相加算後に整相加算後受信エコー信号３０６が生じ、整相加算後の送受信切替ノイズエコー３０７となって受信信号の近傍に虚像を形成する。このように、ランダム化を行わない場合には、受信遅延後送受切替ノイズエコー３０５が原因で生成される整相加算後の送受信切替ノイズエコー３０７により虚像が生じてしまう。

図３（ａ）では、図２（ａ）と異なり送信終了チャネルから順次受信に切り替わるため、受信できない期間を短縮し体表近傍を画像化できるという利点がある。しかし、送受切替ノイズ３０１による音が、送受切替ノイズ３０１によるビーム３０９（図３（ｃ）参照）のように、送信ビーム３０８と同じ走査方向にフォーカスされて強い音圧となる。このため、虚像の影響は図２（ａ）より大きくなってしまう。

以上より、実施例１では、受信不可能な期間を図２（ａ）よりも短縮して体表近傍の画像化を可能とする。さらに、送受切替のタイミングをチャネル間でランダム化することで、図３（ａ）のような送受切替ノイズ３０１による音のフォーカスを避けて音圧を低減し虚像を低減できる。

次に、図４を参照して、実施例１を実施するための回路構成について説明する。
図４に示すように、レジスタ（ＲＥＧ）４００、コンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１が各振動子チャネルの送受信回路（図１０の１０２０）に配置される。レジスタ（ＲＥＧ）４００には、送受切替タイミングに関わる値が格納され、各チャネルで別々の値が記憶される。ＴＲは全チャネル共通の送受切替信号で、これをトリガとしてレジスタ（ＲＥＧ）４００に記憶された値のクロックサイクルだけ遅延したチャネルローカルの送受切替信号ＴＲＬを生成する。フリップフロップ（ＦＦ）４０５は、ＣＭＴＯＵＴが０から１に反転したら次のサイクルでＣＭＴＯＵＴが０に戻ってもＴＲＬ＝１を保持しておくための回路である。クロックゲーティングセル４０２は、ラッチ４０３とＡＮＤ４０４で構成される。

レジスタ（ＲＥＧ）４００とコンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１により、
全チャネル共通の送受切替信号ＴＲからチャネル固有の送受切替信号ＴＲＬを生成するめに、レジスタ（ＲＥＧ）４００に記憶された遅延サイクルだけＴＲを遅延させる。

このように、レジスタ（ＲＥＧ）４００とコンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１は、超音波を送信から受信に切替える送受切替タイミングを複数の振動子（ＴＤ）１０９ごとに独立に設定する送受切替タイミング設定回路を構成する。コンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１は、すべての振動子（ＴＤ）１０９に共通の送信から受信への切替トリガを起点として、レジスタ（ＲＥＧ）４００に記憶された値に対応した時間だけ遅延させて送信から受信に遷移させる。

レジスタ（ＲＥＧ）４００は、例えば、不揮発性メモリ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＯＭ））で構成され、レジスタ（ＲＥＧ）４００とコンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１から成る送受切替タイミング設定回路の電源投入時又は超音波の送受信に先立って、送受切替タイミングに対応するに値を記憶する。

次に、図５のタイミングチャートを参照して、図４の回路構成の動作について説明する。

図５に示すように、ＴＲが立上ると、これが図４のラッチ４０３とＡＮＤゲート４０４で構成されるクロックゲーティングセル４０２を通り、ＴＲが立ち上がった次のクロックＣＬＫ立上りからゲーテッドクロックＣＬＫＧがトグルを開始する。ＣＬＫＧでコンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１をカウントアップし、レジスタ（ＲＥＧ）４００に記憶された値とコンペアマッチタイマＣＭＴ４０１のカウント値が一致したサイクルでＣＭＴ出力ＣＭＴＯＵＴがＨｉレベルとなる。このように、ＴＲが立ち上がった次のＣＬＫ立上りからカウントアップし、レジスタ（ＲＥＧ）４００の値のクロックサイクル後に、コンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１のカウント値が一致してＣＭＴＯＵＴがＨｉレベルとなる。

コンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１の構成にも依るが、カウント値が一致されたサイクルのみＣＭＴＯＵＴがＨｉになる構成であれば、次のＣＬＫＧ立上りでＣＭＴＯＵＴはＬｏに下がってしまうため、以降もＨｉレベルを保持する必要がある。ＣＭＴＯＵＴの立上りで値を反転するフリップフロップ４０５を使用することで、チャネルローカルの送受切替信号ＴＲＬをＨｉレベルに保持できる。

以上より、全チャネル共通の送受切替信号ＴＲを基準として、各チャネルのレジスタ（ＲＥＧ）４００に別々の値を記憶させておくことで所定のクロックサイクル遅れて各チャネルのＴＲＬが立上り、ＴＲＬを用いて各チャネルが送受切替を行う。これにより、振動子毎に独立かつ任意（ランダム）に超音波送信から受信の切替タイミングを設定できる。

次に、図６、図７を参照して、実施例１を２Ｄアレイ探触子用回路として実施するための各チャネル（ＣＨ）６０４のレジスタ６０７に書き込む回路構成及びその動作について説明する。

図４のレジスタ（ＲＥＧ）４００をチャネルを変えて各チャネルに順番に書き込む。ＸＯＮ、ＹＯＮのＡＮＤでチャネルを選択して順次チャネルを変えていく。各チャネル内のレジスタ６０７は４ｂｉｔを想定しており、フリップフロップ（ＦＦ）を４個重ねて４ｂｉｔであることを表現している。

完全にランダムなデータを生成することは技術的な困難がともなうが、擬似ランダムデータはＬＦＳＲ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）６０１を用いて簡単に生成可能である。回路を集積回路（ＩＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で構成した場合、ＩＣ外部からランダムデータを入力できるようポートＲＮＤＩＮを用意して、ＩＣ内ＬＦＳＲ６０１からの擬似ランダムデータを用いるか外部ランダムデータを入力するかマルチプレクサＭＵＸ６０２で選択できるようにしてもよい。

実施例１では、送信と同じ遅延プロファイル１０１に対してチャネル毎にランダムなサイクルだけ送受切替を遅延させる。これを実現するには、図６のようにＬＦＳＲ６０１からの擬似ランダムデータあるいはＲＮＤＩＮから入力されたランダムデータのいずれかにＤＳＰ６０３で遅延プロファイル１０１を加算処理した送受切替タイミングデータＤＡＴＡを生成し、これを各チャネル内レジスタ６０７に順次書き込めばよい。

行毎の選択信号ＸＯＮと列毎の制御信号ＹＯＮを布線し、ＸＯＮがＨｉかつＹＯＮがＨｉのチャネルＣＨをＡＮＤゲート６０５により選択して回路６０６を介してレジスタ６０７に書き込み、ＸＯＮ、ＹＯＮで書き込み対象のＣＨ６０４を切り替えて順次各チャネルのレジスタ６０７に書き込んでいく。

図７は、各チャネル内のレジスタ６０７は４ｂｉｔを想定し、４ｂｉｔを１ｂｉｔずつ順に４サイクルかけて書き込むことを想定していたタイミングチャートである。
図７に示すように、各チャネルのレジスタは４ｂｉｔであるが、チャネルアドレスＡＤＤＲをＸＯＮ、ＹＯＮで制御し、指定したチャネルＣＨのレジスタにデータを４サイクルかけて書き込む。これをチャネルアドレスを切替えて順次行い、全チャネル内のレジスタにデータを書き込む。

図６、７ではＤＡＴＡはシリアルデータ列を想定しているが、送信に先立って全チャネルにデータを書き込む時間の制約が満たせない場合にはＬＦＳＲ６０１を複数用意する。そして、ＬＦＳＲ６０１内のフリップフロップの初期値を変えてパラレルデータとして擬似ランダムデータを生成し、シリアルでなくバスで各チャネルに転送して書き込み時間を短縮してもよい。

図８（ａ）～（ｃ）を参照して、実施例２の超音波探触子における超音波送受の切替方法について説明する。ここで、図８（ａ）の横軸は時間であり、縦軸は空間的な振動子（ＴＤ）８０８の配置と対応している。各波形は各振動子（ＴＤ）８０８のチャネルの電気信号を示している。

実施例１では、ランダムデータを用いるため、効果がランダムデータの範囲、ＬＦＳＲ６０１の段数に依存し、ランダムが故に実験的試行を要する。図８（ａ）に示す実施例２では、ランダムデータを用いず、ビーム特性を考慮した設計が可能である。

図４のレジスタ（ＲＥＧ）４００およびコンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１を各チャネルに有する構成のまま、レジスタ（ＲＥＧ）４００に書き込むデータを変更することにより実施例２が実現可能である。

送信パルス８００で所望の送信ビーム８０６（図８（ｂ）参照）を形成し、送信ビーム８０６の方向と送受切替ノイズ８０１（送信パルス８００とフォーカス方向をずらした遅延面のタイミングで送受切替）による発生音のビーム８０７の方向が所定の角度θをもってずれるようなタイミングで送受切替のタイミングを設定する。ここで、送信パルス８００と送受切替ノイズ８０１は、フォーカス方向をずらすため遅延面を違えている。下のチャネルほど送信パルス８００と送受切替ノイズ８０１の間が空いている。

電気的な送受切替ノイズ８０１は、受信遅延８０２により受信遅延後送受切替電気ノイズ８０３のタイミングで受信回路に入力され、コヒーレント加算されることはない。また、受信遅延８０２は送信ビーム８０６の方向と受信フォーカスの方向が一致するように設定される。しかし、送受切替ノイズ８０１による発生音のビーム８０７は、送信ビーム８０６のメインローブ方向とは角度θをもってずれているため、受信でフォーカスされず、デフォーカスにより虚像を低減できる。受信信号はフォーカスされて、受信遅延後エコー信号８０４でコヒーレントに揃い整相加算されて整相加算後受信エコー信号８０５となる。

このように、送受切替ノイズ８０１によるビーム８０７は、フォーカス方向が送信ビーム８０６と角度θずれている。この結果、送信方向に向けて受信フォーカスするので、このずれたビーム８０７は受信でフォーカスされずエコーとして受信されない。

このように、実施例２の超音波探触子は、送受切替タイミングとして超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる超音波の集束方向が、超音波の前記送信ビームのメインローブ方向と所定角度だけずれるようなタイミングを設定する。

実施例２では、送受切替ノイズ８０１において、角度をつけるため下側のチャネルほど送信から送受切替までの時間が長くなっているが、ランダムデータを用いないために決定論的にビーム設計を行うことができる。

図９（ａ）～（ｃ）を参照して、実施例３の超音波探触子における超音波送受の切替方法について説明する。ここで、図９（ａ）の横軸は時間であり、縦軸は空間的な振動子（ＴＤ）９０８の配置と対応している。各波形は各振動子（ＴＤ）９０８のチャネルの電気信号を示している。

図４のレジスタ（ＲＥＧ）４００およびコンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１を各チャネルに有する構成のまま、レジスタ（ＲＥＧ）４００に書き込むデータを変更することにより実施例３が実現可能である。

実施例１では、送信ビームに依存して送信ビーム方向と同じ送受切替タイミング１０１とランダム値を計算する図６のＤＳＰ６０３が必要となり、各送信前に全チャネルのレジスタ６０７（図６参照）に書き込む必要が生じる。

実施例３では、ハードウェアの煩雑さと各送信前の準備動作を避けるため、全チャネル一斉の送受切替のタイミングを起点としてランダム化を導入する。この場合、送受切替ノイズ（全チャネル同時切替を基準に各チャネルにランダム遅延付加）９０１による発生音はランダム波面９０７（図９（ｃ）参照）のように平面波を起点としてランダムに乱れて音圧が低減される。ここで、９０２は受信遅延であり、９０３は受信遅延後送受切替電気ノイズである。また、９０４は受信遅延後エコー信号であり、９０５は整相加算後受信エコー信号である。また、図１（ｃ）に示す波面は左に凸状だが、図９（ｃ）に示す波面は直線を基準にランダムに付加されおり直線に近い。

また、実施例１では図１（ａ）に示すように、送信終了チャネルから受信に切替なので遅延面曲線が送信遅延と同じである。これに対して、実施例３では図９（ａ）に示すように、全チャネル同時送受切替なので直線であり、この直線を基準に各チャネルでランダムに付加される。

実施例３では、ハードウェア構成の単純化が可能だが、全チャネル一斉に送受切替のため、送信パルス９００と送受切替ノイズ９０１の間の送信から送受切替までの受信できない期間が中心のチャネルほど長い。しかし、全チャネル同時の送受切替に対してランダム遅延を付加するので、ランダムデータのみ各チャネルのレジスタ（ＲＥＧ）４００に書けばよい。この結果、基準遅延面とランダムの演算（図６のＤＳＰ６０３を用いた演算）が不要となる。

図１０を参照して、実施例４の超音波診断装置の構成について説明する。
実施例４の超音波診断装置は、３次元撮像のための２次元アレイ振動子を持つ超音波探触子１０００と本体装置１０６０を有する。超音波探触子１０００内には、各振動子（ＴＤ）１０１０に対して送受信回路（Ｔｘ／Ｒｘ）１０２０が配置され、受信信号は加算回路（ＡＤＤ）１０４０により加算されて本体装置（ＭＡＩＮ）１０６０内のＡＦＥ（アナログフロントエンド）１０７０に送られる。ここで、加算される振動子チャネルのグルーピング単位をサブアレイ（ＳＵＢＡＲＲＡＹ）１０５０と呼ぶ。サブアレイ（ＳＵＢＡＲＲＡＹ）１０５０は、超音波探触子１０００内のチャネル加算の単位である。

本体装置１０６０内のプロセッサ（ＰＵ）１０８０は、フォーカスの遅延を計算する論理回路である。プロセッサ（ＰＵ）１０８０は、超音波探触子１０００内のＩＣの制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）１０９０に制御信号を送り、制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）１０９０はこれに応じて送受信の切換や超音波フォーカスのための遅延の制御を行う。また、制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）１０９０は、送受切替タイミングの制御も行い、各チャネル内のレジスタ／コンペアマッチタイマ回路１０３０のレジスタ（ＲＥＧ）に送受切替タイミングデータを転送する。ここで、レジスタ／コンペアマッチタイマ回路１０３０は、図４の回路に相当し、レジスタ（ＲＥＧ）４００とコンペアマッチタイマ（ＣＭＴ）４０１を有する。

特に制限されないが、送信回路がリニアアンプ方式でなくパルサ方式の場合、波形はデジタル値としてパルサに送られるため、制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）１０９０は、パルサが送波する波形データを記憶する波形メモリを含む。

次に、図１１を参照して、サブアレイ１０５０内の構成について説明する。

１振動子あたりの送受信回路１１００は、高耐圧ＭＯＳで構成され高圧信号を生成し振動子（ＴＤ）１１１０を駆動する送信回路（Ｔｘ）１１２０、送信時にオフ状態となり高圧信号から低圧系受信回路を保護し受信時には微小信号を通過させる送受分離スイッチ（Ｔ／Ｒ－ＳＷ）１１３０、低圧系の受信低雑音増幅器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＬＮＡ）１１４０、送信信号を遅延させビームフォーミングを行い、さらには受信信号を遅延させて整相を行う微小遅延回路（ＤＬＹ）１１５０を有する。

送信回路（Ｔｘ）１１２０は、高電圧パルス生成し振動子（ＴＤ）１１１０を駆動する。送受分離スイッチ（Ｔ／Ｒ－ＳＷ）１１３０は、送信時にオフになり受信時にオンとなって、高電圧パルスから受信回路を保護する。微小遅延回路（ＤＬＹ）１１５０は、アナログ信号を遅延させる。

微小遅延回路（ＤＬＹ）１１５０で整相された受信信号は、加算されて本体装置１０６に伝送される。レジスタ及びタイマ（ＲＥＧ／ＴＩＭＥＲ）１１６０は、１振動子に対応する各チャネル内に配置され、全チャネル共通の送受切替信号ＴＲ（図４のＴＲに相当）を受けて、各チャネルでレジスタ（ＲＥＧ）に記憶された値だけ送受切替タイミングを遅延させる。

このように、実施例４の超音波診断装置は、印加された送信パルスに対して電気及び音響変換を行って送信ビームを形成する複数の振動子１０１０と、複数の振動子１０１０の各々に対応して設けられ超音波の送信から受信に切り替える送受切替タイミングを複数の振動子１０１０ごとに独立に設定する送受切替タイミング設定回路１０３０（レジスタ／コンペアマッチタイマ回路１０３）を有する送受信回路１０２０と、複数の送受信回路１０２０の出力を加算する加算回路１０４０と、送受切替タイミングの制御を行う制御回路（制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）１０９０）とを備える超音波探触子１０００と、加算回路１０４０の出力を受信して所定の制御信号を制御回路１０９０に送信する本体装置１０６０を有する。

制御回路１０９０は、送受切替タイミング設定回路１０３０を制御して、送受切替タイミングとして、超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる前記超音波の集束方向がランダムな方向となるタイミングを設定する（図１（ｃ）、図９（ｃ）参照）。また、制御回路１０９０は、送受切替タイミング設定回路１０３０を制御して、送受切替タイミングを振動子１０１０間でランダム又は擬似ランダムにずらして設定する。

また、制御回路１０９０は、送受切替タイミング設定回路１０３０を制御して、送受切替タイミングとして超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる超音波の集束方向が、超音波の前記送信ビームのメインローブ方向と所定角度だけずれるようなタイミングを設定する（図８（ｃ）参照）。

また、制御回路１０９０は、送受切替タイミング設定回路１０３０を制御して、送受切替タイミングとして、超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる発生音が１点にフォーカスされないようなタイミングを設定する。また、制御回路１０９０は、送受切替タイミング設定回路１０３０を制御して、すべての振動子１０１０に共通の送信から受信への切替トリガを起点として、レジスタに記憶された値に対応した時間だけ遅延させて送信から受信に遷移させる。尚、制御回路１０９０は、送受切替タイミング設定回路１０３０の電源投入時又は前記超音波の送受信に先立って、レジスタ（ＲＥＧ）に送受切替タイミングに対応する値を書き込む。

実施例４によれば、超音波の送信から受信への切替にともなって発生する送受切替ノイズが振動子で電気音響変換されて不要な音として生体に送信されて、生体内で反射されたエコーを受信した結果発生する虚像を低減することができる。すなわち、虚像が少なく信頼性の高い超音波撮像が行える超音波診断装置を実現できる。

さらに、実施例４によれば、超音波診断装置の構成要素である超音波探触子において、１次元あるいは２次元に繰り返し配置されたアレイ状の各振動子を用いて、超音波送信から受信への切替を行う場合に発生する電気的ノイズが振動子で音に変換されて生体内を伝播、反射することによる虚像の影響を低減すことができる。

上記実施例では、超音波送受切替にともなって発生する送受切替ノイズが音に変換されて生体内に送信されて生体内組織界面で反射されることによる虚像を低減する。このために、送受切替ノイズによる発生音が強く１点にフォーカスされないように送受切替タイミングを制御することができる。また、送受切替ノイズによる発生音が強く１点に送信フォーカスされる場合でも、受信フォーカスと異なる走査角方向にフォーカス（デフォーカス）することができる。また、送信から受信への切替ノイズによる発生音が強く１点にフォーカスされないよう送受切替タイミングを振動子毎に制御して、波面をランダムに伝播させて音圧を弱めることができる。

このように、上記実施例によれば、超音波の送信から受信に切り替えるタイミングを、複数の振動子それぞれで独立に設定して送受切替タイミングを振動子間でランダムにずらすことにより、送受切替ノイズによる発生音が１点に強くフォーカスされるのを防ぎ音圧を弱めることができる。この結果、送受切替時に生じる発生音エコーによる虚像を低減することができる。

１０９ 超音波振動子
４００ レジスタ
４０１ コンペアマッチタイマ
６０３ デジタルシグナルプロセッサ
６０２ マルチプレクサ
６０１ 擬似ランダムパターン生成回路
１０００ 超音波探触子
１０１０ 振動子（ＴＤ）
１０２０ 送受信回路（Ｔｘ／Ｒｘ）
１０３０ レジスタ／コンペアマッチタイマ回路
１０４０ 加算回路（ＡＤＤ）
１０５０ サブアレイ（ＳＵＢＡＲＲＡＹ）
１０６０ 本体装置（ＭＡＩＮ）
１０７０ アナログフロントエンド（ＡＦＥ）
１０８０ プロセッサ（ＰＵ）
１０９０ 制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）
１１３０ 送受分離スイッチ
１１４０ 低雑音増幅器
１１５０ 微小遅延回路（ＤＬＹ）

Claims (15)

1. 印加された送信パルスに対して電気音響変換を行って超音波の送信ビームを生成する複数の振動子と、
   前記複数の振動子 に対応して設けられた複数の送受信回路と、
   を有し、
   前記各送受信回路は、
   対応する振動子へ送信パルスを出力する送信回路と、
   前記対応する振動子から出力された受信信号を処理する受信回路と、
   前記送信パルスから前記受信回路を保護する送受分離スイッチと、
   前記送受分離スイッチにおける 送信から受信に切替える送受切替タイミングを前記振動子ごとに独立に設定する送受切替タイミング設定回路と、
   を有し、
   前記送受切替タイミング設定回路は、遅延値を記憶するレジスタを有し、前記複数の振動子に共通の送受切替信号を前記遅延値に対応した時間だけ遅延させることによりローカルの送受切替信号を生成し、前記ローカルの送受切替信号を前記送受分離スイッチへ出力する、
   ことを特徴とする超音波探触子。
2. 前記送受切替タイミング設定回路は、
   前記送受切替タイミングとして、前記超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる前記超音波の集束方向がランダムな方向となるタイミングを設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記送受切替タイミング設定回路は、
   前記送受切替タイミングを、前記振動子間でランダム又は擬似ランダムにずらして設定することを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記送受切替タイミング設定回路は、
   前記送受切替タイミングとして、前記超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる前記超音波の集束方向が、前記超音波の前記送信ビームのメインローブ方向と所定角度だけずれるようなタイミングを設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
5. 前記送受切替タイミング設定回路は、
   前記送受切替タイミングとして、前記超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる発生音が１点にフォーカスされないようなタイミングを設定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
6. 前記送受切替タイミング設定回路は、更に、前記レジスタに接続されたタイマ回路を有し、
   前記タイマ回路が、前記共通の送受切替信号を前記遅延値に対応した時間だけ遅延させることにより前記ローカルの送受切替信号を生成する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
7. 前記レジスタは、
   不揮発性メモリで構成され、
   前記送受切替タイミング設定回路の電源投入時又は前記超音波の送受信に先立って、前記遅延値を記憶することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
8. 前記擬似ランダムのパターンを生成する擬似ランダムパターン生成回路を更に有することを特徴とする請求項３に記載の超音波探触子。
9. 超音波探触子と装置本体とを有する超音波診断装置であって、
   前記超音波探触子は、
   印加された送信パルスに対して電気音響変換を行って超音波の送信ビームを形成する複数の振動子と、
   前記複数の振動子に対応して設けられた複数の送受信回路と、
   を有し、
   前記各送受信回路は、
   対応する振動子へ送信パルスを出力する送信回路と、
   前記対応する振動子から出力された受信信号を処理する受信回路と、
   前記送信パルスから前記受信回路を保護する送受分離スイッチと、
   前記送受分離スイッチにおける 送信から受信に切り替える送受切替タイミングを前記振動子ごとに独立に設定する送受切替タイミング設定回路 であって、遅延値を記憶するレジスタを有し、前記複数の振動子に共通の送受切替信号を前記遅延値に対応した時間だけ遅延させることによりローカルの送受切替信号を生成し、前記ローカルの送受切替信号を前記送受分離スイッチへ出力する送受切替タイミング設定回路と、
   を有し、
   前記超音波探触子は、更に、
   前記複数の 送受信回路の出力を加算する加算回路と、
   前記振動子ごとの送受切替タイミングの制御を行う制御回路と、
   を有し、
   前記装置本体は、 前記加算回路の出力を受信し、所定の制御信号を前記制御回路に送信する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
10. 前記制御回路は、
    前記送受切替タイミング設定回路を制御して、
    前記送受切替タイミングとして、前記超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる前記超音波の集束方向がランダムな方向となるタイミングを設定することを特徴とする請求項９に記載の超音波診断装置。
11. 前記制御回路は、
    前記送受切替タイミング設定回路を制御して、
    前記送受切替タイミングを、前記振動子間でランダム又は擬似ランダムにずらして設定することを特徴とする請求項１０に記載の超音波診断装置。
12. 前記制御回路は、
    前記送受切替タイミング設定回路を制御して、
    前記送受切替タイミングとして、前記超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる前記超音波の集束方向が、前記超音波の前記送信ビームのメインローブ方向と所定角度だけずれるようなタイミングを設定することを特徴とする請求項９に記載の超音波診断装置。
13. 前記制御回路は、
    前記送受切替タイミング設定回路を制御して、
    前記送受切替タイミングとして、前記超音波の送信から受信の切替え時に発生する送受切替ノイズによる発生音が１点にフォーカスされないようなタイミングを設定することを特徴とする請求項９に記載の超音波診断装置。
14. 前記送受切替タイミング設定回路は、更に、前記レジスタに接続されたタイマ回路を有し、
    前記制御回路は、
    前記送受切替タイミング設定回路を制御して、
    前記タイマ回路が、前記共通の送受切替信号を前記遅延値に対応した時間だけ遅延させることにより前記ローカルの送受切替信号を生成する、 ことを特徴とする請求項９に記載の超音波診断装置。
15. 前記制御回路は、
    前記送受切替タイミング設定回路の電源投入時又は前記超音波の送受信に先立って、前記レジスタに前記遅延値を書き込むことを特徴とする請求項９に記載の超音波診断装置。
    

Images