JP7145056B2 - 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、超音波診断装置及び超音波送受切替方法に関する。

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線診断装置や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な装置であることから、超音波診断装置は、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子でそれぞれ受信し、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及び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ともなう。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による虚像が生じ、送受切替ノイズが受信系に入力され受信回路が飽和することによる信号消失が問題となる。

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。この場合に、超音波探触子と本体装置を接続するケーブルの本数を２乗で増やすことは不可能である。このため、超音波探触子内で整相加算して本数を減らした受信信号を本体装置にケーブルを介して転送する必要がある。

このような超音波探触子内での整相加算を実現するには、送受信と整相加算の機能をビームフォーマーＩＣとして実現し、ＩＣ内には振動子毎に送受信回路を配置して振動子と電気的に１対１で接続することになる。振動子の配列ピッチは回折の条件で決まり、メインローブとは別に回折により出てしまうグレーティングローブが超音波ビームの走査角外に来るよう、超音波の周波数と超音波ビームの走査角から決まる。すなわちＩＣ内の振動子毎の送受信回路の面積は振動子の配列ピッチで制約され、小面積な送受信回路が求められる。

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ＴＲＳＷ（Ｔｒａｎｓｍｉｔ／Ｒｅｃｅｉｖｅ－Ｓｗｉｔｃｈ、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。送受切替ノイズを回路で対策する際には、前述のような回路面積制約から、小規模で簡単な回路での対策が求められる。
特許文献１には、このような送受切替起因ノイズを低減することが記載されている。

特開２０１２－２０９７６３号公報

特許文献１は、ラッチに流れるスイッチング電流が送受分離スイッチのソース側に流れてノイズとなることを防ぐ。
しかし、特許文献１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を効果的に低減することは困難である。

本発明の目的は、超音波診断装置において、超音波送受切替にともなって発生する送受切替ノイズを効果的に低減することにある。

本発明の一態様の超音波探触子は、振動子と、前記振動子に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された受信回路と、前記スイッチ回路と前記受信回路の間に設けられた受信端子に接続された第１のスイッチ素子と、前記スイッチ回路の制御端子に接続された第１の抵抗素子と、前記受信回路の内部に設けられた第２の抵抗素子と、前記受信回路の内部に設けられた第２のスイッチ素子と、を有する。

本発明の一態様の超音波診断装置は、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、超音波を送信から受信に切り替える送受信回路と、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、を有する超音波診断装置であって、前記超音波探触子は、前記振動子に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された受信回路と、前記スイッチ回路と前記受信回路の間に設けられた受信端子に接続された第１のスイッチ素子と、前記スイッチ回路の制御端子に接続された第１の抵抗素子と、前記受信回路の内部に設けられた第２の抵抗素子と、前記受信回路の内部に設けられた第２のスイッチ素子と、を有する。

本発明の一態様の超音波送受切替方法は、複数の走査線から構成されるフレーム又はボリュームを撮像する前に、超音波送信を行わず送信から受信に切替え、前記送信から前記受信への切替で発生する送受切替ノイズに相当する第１の受信ビームデータを取得し、その後、通常の超音波の送信及び受信を行って、第２の受信ビームデータを取得し、前記第２の受信ビームデータから前記第１の受信ビームデータを減算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、超音波送受切替にともなって発生する送受切替ノイズを効果的に低減することができる。

実施例１の超音波探触子の回路構成を示す図である。 実施例１の超音波探触子の動作を説明するタイミングチャートである。 関連技術の超音波探触子の回路構成を示す図である。 関連技術の超音波探触子の動作を説明するタイミングチャートである。 実施例２の超音波探触子の回路構成を示す図である。 実施例３の超音波探触子の回路構成を示す図である。 実施例４の超音波送受切替方法について説明するフローチャートである。 実施例５の超音波探触子の回路構成を示す図である。 実施例６の超音波診断装置の構成を示す図である。 超音波探触子内ＩＣのサブアレイの構成例を示した図である。 関連技術の回路構成を示す図である。

最初に、図１１を参照して、関連技術について説明する。
図１１に示すように、ＴＲＳＷ１１００はＭＮ０１１０１、ＭＮ１１１０２の２つのＭＯＳＦＥＴのゲート１１０３、ソース１１０４を互いに接続した構成を有する。ゲートＧとソースＳ間の電圧ＶＧＳに所定の正電圧を印加するかまたは０Ｖとするかでオンまたはオフ状態を得る。所定のＶＧＳまたは０Ｖを生成するため、受信／送信すなわちオン／オフ制御信号ＴＲＳＷＯＮ１１０５をＬＡＴＣＨ０１１０６とＬＡＴＣＨ１１１０７の２段のラッチでレベルシフトしてゲート１１０３とソース１１０４の間の電圧を制御する。

ラッチが反転する際の貫通電流１１０８がソース１１０４に流れるとノイズが発生しＴＲＳＷＯＵＴ１１０９から受信回路に入力されてしまう。このため、ＬＡＴＣＨ０１１０６のスイッチング時貫通電流１１０８がソース１１０４に流れ込まないよう、ＭＰ０１１０７を介してＧＮＤに流れるような回路構成として送受切替ノイズを低減する。また、ＳＷ０１１０９を具備して、ＳＷ０１１０９を送信期間中にオンしておくことにより、送信時にＴＲＳＷＯＵＴ１１１０から受信系に入力されるノイズを低減して送受のアイソレーションを改善する。

しかしながら、図１１においては、ＬＡＴＣＨ０１１０６のスイッチング時貫通電流１１０８がノイズに寄与することを回避できるものの、ＬＡＴＣＨ１のスイッチング時貫通電流１１１１はソース１１０４に流れてノイズとなる。また、ＶＧＳが０Ｖから所定の電圧に増加する際に、ＭＮ０１１０１のゲート－ドレイン間寄生容量であるＣＧＤ１１１２を介しての容量カップリングにより振動子（ＴＤ）１１１３にスパイクノイズが発生することは避けられない。

さらに、ＳＷ０１１０９は送受のアイソレーションを改善することに寄与するが、受信に遷移すると同時にＳＷ０１１０９はオフとなるため、送受切替ノイズの低減には寄与しない。

このような点から、超音波送受切替にともなって発生する送受切替ノイズを効果的に低減する方法が求められる。特に、２つのＭＯＳトランジスタ（）ＭＯＳＦＥＴ）を直列接続したＴＲＳＷで本質的に発生するＭＯＳＦＥＴの寄生容量ＣＧＤカップリングによるノイズを低減する方法が求められる。

さらには、ノイズが受信回路に入力された際に問題となる受信回路の飽和及び前置増幅器が飽和することによる後段回路の飽和の影響を低減し、飽和から短時間で復帰して受信不能期間を短縮する方法が求められる。

実施例は、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に起因する虚像を低減する。また、送受切替ノイズが受信回路に入力されて受信回路が飽和することによる受信不能期間を短縮して体表近傍からのエコー受信を可能とする。

また、実施例は、送受切替ノイズを、送受分離スイッチのゲート充電電流制限または受信入力のＧＮＤへの固定によって低減する。さらに、受信回路の高域通過特性の時定数上昇及び受信回路の出力停止によって、切替ノイズの受信回路への入力にともなう回路飽和からの復帰を高速化して後段回路の飽和防止を行う。これにより、定常受信状態とは異なる状態から順次定常受信状態に切り替える。この結果、送受切替ノイズによる虚像を低減し、画像が得られない受信不能期間を短縮する。
以下、図面を用いて実施例について説明する。

図１及び図２を参照して、実施例１の超音波探触子の回路構成について説明する。
超音波送信時は、送信回路（Ｔｘ）１１０が高電圧パルスで振動子（ＴＤ）１００を駆動し、振動子１００が電気／機械変換を行って音響パルスが生体内に送信される。送信時は２つのＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ回路（ＴＲＳＷ）１０１がオフ状態となり、送信回路１１０が出力する高電圧パルスで低電圧の受信低雑音増幅器（ＬＮＡ：Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１１１が破壊されるのを防ぐ。スイッチ（ＳＷ０）１１２をオフし、スイッチ（ＳＷ１）１１３をオンとすることでゲート（Ｇ）１１４－ソース（Ｓ）１１５間の電圧を０Ｖとしてスイッチ回路（ＴＲＳＷ）１０１をオフ状態とすることができる。

送信から受信に切り替えるには制御信号（ＴＲＳＷＯＮ）１１６をＬｏレベルからＨｉレベルに遷移させる。これによりスイッチ１１２がオンし、スイッチ１１３がオフしてゲート（Ｇ）１１４－ソース（Ｓ）１１５間の電圧ＶＧＳが増加する。このとき、図２のようにＶＧＶＤＤがＬｏであるのでスイッチ（ＳＷ２）１１６はオフ状態であり、ＶＤＤから抵抗（Ｒ０）１１７を介してゲート（Ｇ）１１４に電流が流れる。抵抗１１７により充電電流は制限され、ＶＧＳはゆっくり上昇することで振動子１００に重畳される送受切替ノイズを低減できる。

このとき、ＧＳＨＴ１１８がＨｉであり、振動子１００に重畳された送受切替ノイズはスイッチ回路１０１を通過していくが、スイッチ（ＳＷ３）１０６がオンしていることにより低インピーダンスで送受切替ノイズを抑え、受信低雑音増幅器１１１側に入力される送受切替ノイズを低減できる。

振動子１００は、送信中及び受信中は０Ｖを中心として動作し、送信時はたとえば３値パルス送信であれば、正の高電圧、負の高電圧、０Ｖの３値からなるパルスを送信し、受信時も０Ｖをコモン電位とした信号を受けることになる。ここで、０Ｖコモンを受信で受けるためには受信回路１０３に正電圧と負電圧が必要になってしまい電源の種類が増加する。

これを防ぐには、受信信号パスにコンデンサ（Ｃ０）１１９を直列に挿入してＡＣ結合とすればよい。すなわち、コンデンサ１１９と抵抗（Ｒ１）１２０からなる高域通過フィルタを構成することで、コンデンサ１１９の受信低雑音増幅器１１１側のＤＣ電位を決めなおすことができる。このため、適当な正の電圧をコモン電位（ＶＣＭ）１２１とすることで受信低雑音増幅器１１１以降の受信回路１０３は正ＶＤＤ、ＧＮＤ間で動作させることができ負電源が不要となる。

ここで、受信遷移直後はＬＮＡＭＵＴＥ１２２がＨｉのためスイッチ（ＳＷ４）１２３がオンしている。これにより、通常の受信の通過帯域の低周波側はコンデンサ１１９と抵抗１２０で決まるところ、受信遷移直後はコンデンサ１１９とスイッチ１２３のオン抵抗で決まることになる。

すなわち、受信遷移直後の高域通過フィルタのカットオフ周波数は通常の受信状態のそれよりも高くなる。仮に、大振幅の送受切替ノイズがコンデンサ１１９を通過した際、ここから受信低雑音増幅器１１１の入力が本来のコモン電位１２１まで復帰する時間はコンデンサ１１９と抵抗１２０から決まる大きな時定数でなく、コンデンサ１１９とスイッチ１２３のオン抵抗で決まる小さな時定数で決まる。このため、送受切替ノイズがコンデンサ１１９を通過しても、スイッチ１２３をオンにしておくことで受信低雑音増幅器１１１の入力がＶＣＭ１２１に戻るまでの時間を短縮でき、回路飽和からの復帰が短時間で行える。

さらに、受信遷移直後にＬＮＡＭＵＴＥ信号１２２をＨｉとしてスイッチ（ＳＷ５）１０８をオンし、受信低雑音増幅器１１１の出力（ＯＵＴＰ）１０９に差動信号が出ない実質的に利得が０に近い状態としておくことで、送受切替ノイズが受信低雑音増幅器１１１に入力された場合でも、後段に送受切替ノイズを伝えずに後段の飽和を防止することができる。

以上を整理する。図２のタイミングチャートに示すように、ＴＲＳＷＯＮがＬｏからＨｉに遷移した直後は、スイッチ回路１０１のＶＧＳがゆっくり上昇することで振動子１００に重畳される送受切替ノイズが小さくなる。また、スイッチ回路１０１の出力をスイッチ１０６でＧＮＤに抑えておくことで受信低雑音増幅器１１１へのノイズ入力を抑制し、スイッチ１２３をオンした状態で高域通過フィルタは送受切替ノイズによる回路飽和からも短時間で復帰できる状態にあり、受信低雑音増幅器１１１は出力を停止し後段を飽和させない状態にある。

この状態から、特に制限されないが振動子１００に近い側から後段に向かって、本来の受信の状態になるようそれぞれの回路の状態を遷移させる。ＶＧＶＤＤをＨｉに上げてスイッチ回路１０１のゲート１１４を本来の定常受信状態のインピーダンスにする。このときもノイズが発生するが、ＧＳＨＴがＨｉとなっていることで受信低雑音増幅器１１１に入力されるノイズは抑制できる。ＧＳＨＴを下げて信号が受信低雑音増幅器１１１に入力されるようにする際もノイズが発生するが、このノイズによる飽和があったとしてもＬＮＡＭＵＴＥがＨｉで高域通過フィルタのカットオフ周波数が高いので短時間で復帰できる。最後に、ＬＮＡＭＵＴＥをＬｏに下げて高域通過フィルタが低域の信号まで通過できるようにすることにより、受信低雑音増幅器１１１が信号を後段に出力することが可能となる。

以上より理解されるように、回路の状態を定常受信状態に遷移させる際にもノイズが発生する。このため、単独の回路で２つの状態を取ることで対策するのでなく、複数の回路の状態をノイズ抑制可能な状態としておき、順次これらを解除して定常受信状態に遷移させることで効果的にノイズを抑制あるいはノイズによる飽和からの短時間での復帰や後段への伝播防止を行うことができる。

図２に挙げたシーケンスには特に制限されず、発生するノイズの絶対値に応じてそれぞれの回路での対策をいくつか省略してもよいし、状態遷移の順番を入れ替えてもよい。

図２のシーケンスによれば、送信（Ｔｘ）２００の状態と受信（Ｒｘ）２０２０の状態の間に本来の受信ができない期間が存在する。このため、超音波を送信してからごく体表近傍で反射して返ってくるエコーを受信できないことになる。よって、受信不能期間が超音波画像を得たい体表近傍の最も浅い点までの超音波往復時間以下に設定することが必要となる。

ここで、図３及び図４を参照して、実施例１の効果を説明するために、本発明を適用しない場合について説明する。ここで、図３は、送信状態から定常的な受信状態に遷移する回路構成を示し、図４はタイミングチャートを示す。

ＴＲＳＷＯＮ３０２がＬｏからＨｉに遷移するとＴＲＳＷ３０１がオンになる。しかし、ゲート３０３－ソース３０４間の電圧ＶＧＳが急激に増加することで寄生容量３０５により振動子（ＴＤ）３００に大きなスパイク状の送受切替ノイズが重畳される。スパイク状の送受切替ノイズがスイッチ回路（ＴＲＳＷ）３０１を通過し、コンデンサＣ０、抵抗Ｒ１から構成される高域通過フィルタ３０６を通過した場合、受信低雑音増幅器（ＬＮＡ）３０７は飽和してしまい所望の信号を出力できない。

飽和から復帰するためには、受信低雑音増幅器３０７の入力電位が信号コモン電位（ＶＣＭ）３０８付近に戻る必要があるが、これに要する時間は高域通過フィルタ３０６の時定数で決まり、低域信号を通過させる設計になっているほど、飽和からの復帰には時間が掛かることになる。

このように、実施例１を用いない図３の構成では、振動子３００に大きなスパイク状の送受切替ノイズが発生する。この送受切替ノイズが受信回路を飽和させることで送受切替ノイズが信号に重畳されるどころか、受信不能な期間が長時間にわたって続いてしまう。実施例１では、受信不能な期間が長時間にわたって続いてしまうことを防止できる。

上述のように、実施例１の超音波探触子は、振動子（１００）と、振動子（１００）に接続されたスイッチ回路（１０１）と、スイッチ回路（１０１）に接続された受信回路（１０３）と、スイッチ回路（１０１）と受信回路の間に設けられた受信端子（１０２）に接続された第１のスイッチ素子（１０６：ＳＷ３）と、スイッチ回路（１０１）の制御端子（１０４）に接続された第１の抵抗素子（１１７：Ｒ０）と、受信回路（１０３）の内部に設けられた第２の抵抗素子（Ｒ１：１０７）と、受信回路（１０３）の内部に設けられた第２のスイッチ素子（１０８：ＳＷ５）と、を有する。

ここで、スイッチ回路（１０１）は、一対のＭＯＳトランジスタで構成され、制御端子（１０４）は、ＭＯＳトランジスタのゲートを構成する。ゲート制御端子（１０４）の第１のインピーダンス（１０５）、受信端子（１０２）の第２のインピーダンス（１０６）、受信回路（１０３）の時定数（１０７）及び受信回路の利得（１０８）の少なくとも２つ以上の要素が、送信期間（２００）終了後の一定期間（２０１）、一定期間（２０１）経過後に生じる定常的な受信状態（２０２）とは異なる状態（２０１の各信号の状態）を維持する。一定期間に維持される前記異なる状態（２０１の各信号の状態）において、一定振幅の飽和信号が出力される。

ゲート制御端子（１０４）の第１のインピーダンス（１０５）は、ゲート制御端子（１０４）に接続された前記第１の抵抗素子（Ｒ０）に対応する。受信端子（１０２）の第２のインピーダンス（１０６）は、受信端子（１０２）に接続された第１のスイッチ素子（１０６：ＳＷ３）に対応する。受信回路（１０３）の時定数（１０７）は、受信回路（１０３）内に設けられた前記第２の抵抗素子（１０７：Ｒ１）に対応する。受信回路の利得（１０８）は、受信回路（１０３）内に設けられた第２のスイッチ素子（１０８：ＳＷ５）に対応する。また、少なくとも２つ以上の要素が、異なる状態から順次前記定常的な受信状態に切り替わり、一定期間後にすべての前記要素が定常的な受信状態に遷移する。

ゲート制御端子（１０４）の第１のインピーダンス（１０５）は、第１の抵抗素子（Ｒ０）の抵抗値を切り替えることにより制御される。受信回路（１０３）の利得（１０８）は、受信回路（１０３）の差動出力（１０９）の間に設けられた第２のスイッチ素子（１０８：ＳＷ５）を切替えることにより制御される。

実施例１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に起因した虚像を低減することができる。また、送受切替ノイズが受信回路に入力されて受信回路が飽和することによる受信不能期間を短縮することができ、体表浅部からのエコー受信を可能とする。

図５を参照して、実施例２の超音波探触子の回路構成について説明する。
前述のように、送受切替ノイズは、スイッチ回路（ＴＲＳＷ）５０１を構成するＭＯＳＦＥＴの寄生容量５０４のカップリングに起因する。図５でＴＲＳＷＯＮ５０５をＬｏからＨｉに遷移させＭＯＳトランジスタ（ＭＮ０）５０２、ＭＯＳトランジスタ（ＭＮ１）５０３のＶＧＳが０ＶからＶＤＤまで上がる際に、振動子（ＴＤ）５００のノードはＶＤＤ×（振動子インピーダンスとＣＧＤ容量５０４のインピーダンスの分圧比）だけ変動しノイズとなる。このノイズ振幅は、以下の（数１）のようになる。

ただしＺＴＤは振動子のインピーダンスであり、ｊは虚数単位、ωは各周波数である。ＺＴＤは周波数の関数である。これよりＶｎｏｉｓｅは０からＶＤＤの間のいずれかの値をとることになる。Ｖｎｏｉｓｅを低減するためには、ＶＤＤを下げる、ＺＴＤを下げる、ωを下げる、ＣＧＤを下げる、の４つの方法がある。ＶＤＤを下げるとＭＯＳトランジスタのＶＧＳが浅くなるため、スイッチ回路５０１のオン抵抗が増加し、熱雑音が増加して受信の信号対雑音比Ｓ／Ｎが劣化する。ＺＴＤを下げると、送信回路の負荷が増大し、送信帯域の劣化や振動子充放電のための消費電力が増加してしまう。ωを下げる、すなわち、周波数を下げることは、ゆっくりとＶＧＳを増加させることを意味する。これは、図１、２で示したように抵抗Ｒ０によりゲート充電電流を制限してゆっくりとスイッチ回路５０１をオンさせることである、
最後のＣＧＤ５０４を下げる方法は、図５でＭＮ０５０２のチャネル幅Ｗｇを小さくすることで実現できる。ただしチャネル幅Ｗｇを小さくすればオン抵抗も増加してしまう。そこで、ＭＮ０５０２のチャネル幅ＷｇをＭＮ１５０３のチャネル幅Ｗｇより小さくする。スイッチ回路５０１としてのオン抵抗はＭＮ０５０２のオン抵抗とＭＮ１５０３のオン抵抗の直列抵抗である。ここで、ＭＮ０５０２とＭＮ１５０３のチャネル幅Ｗｇが同一サイズの状態から、ＭＮ０５０２のチャネル幅Ｗｇを０．５倍としてＭＮ１５０３のチャネル幅Ｗｇを１．５倍に変更してもスイッチ回路５０１の面積とオン抵抗は変化しない。

しかしながら、ＭＯＳトランジスタの寄生容量ＣＧＤ５０４はチャネル幅Ｗｇに依存するため、ＭＮ０５０２のＣＧＤ５０４はもとの０．５倍となる。ＭＮ１５０３のＣＧＤ２（５０８）は１．５倍にはなるが、低圧系のＮＭＯＳスイッチＭＮ２（５０６）がオンした状態であればＴＲＳＷＯＵＴ５０７はＧＮＤに固定されており、ＭＮ１５０３のＣＧＤ２（５０８）カップリングによるＴＲＳＷＯＵＴ５０７の変動はごく小さい。これより、振動子５００側のＭＮ０５０２の値を小さくして受信側のＭＮ１５０３のサイズを大きくし、サイズをアンバランスにすることでスイッチ回路５０１の面積およびオン抵抗を一定としたまま送受切替ノイズを低減することができる。なお、図５中のＭＮ０５０２の大きさとＭＮ１５０３の大きさの違いはチャネル幅Ｗｇの違いを表している。

一般に、ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の最小チャネル幅Ｗｇは半導体プロセスによりソース－ドレインコンタクトのサイズやリソグラフィの精度で制限され、ＭＮ０５０２とＭＮ１５０３のチャネル幅Ｗｇ比は任意に決められるものでなく半導体プロセスにより制約を受ける。

上述のように、実施例２の超音波探触子では、スイッチ回路（５０１）を構成する一対のＭＯＳトランジスタ（５０２、５０３）の内、振動子（５００）側に位置する第１のＭＯＳトランジスタ（５０２）の第１のチャネル幅を、受信端子（１０２）側に位置する第２のＭＯＳトランジスタ（５０３）の第２のチャネル幅よりも小さく構成する。

実施例２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に起因した虚像を低減することができる。

図６を参照して、実施例３の超音波探触子の回路構成について説明する。
図６には、図１におけるＳＷ３（１０６）をＮＭＯＳスイッチで実現した場合、すなわち図５におけるＭＮ２（５０６）の回路構成のレイアウト例をデバイス断面図として示している。

前述のように、振動子の電位は０Ｖコモンであり、スイッチ回路（ＴＲＳＷ）を正負の電圧が通る。強いエコーを受信した場合は深い負電圧により、ＴＲＳＷ出力に対ＧＮＤで接続されたＮＭＯＳの寄生ボディダイオードが順方向となり、これをトリガにラッチアップを発生してＩＣを破壊する可能性があり得る。

これを防ぐためには、ＭＮ２（６００）がほかのＰＭＯＳ６０１との間で寄生サイリスタを構成しないよう、ＮＭＯＳ１素子６００を単独で素子分離する必要がある。これには埋め込み酸化膜（Ｂｕｒｉｅｄ ＯＸｉｄｅ（ＢＯＸ））６０３が埋め込まれたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを用いればよい。

Ｎ＋のソース、ドレインとＰＯＬＹシリコンのゲートで構成されるＮＭＯＳ６００が、浅い素子分離の（ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ））ではなくＢＯＸまで達するＤＴＩ（Ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）６０２により、他の素子と電気的に分離された状態にレイアウトすることでラッチアップを防ぐことができる。

上述のように、実施例３の超音波探触子では、第１のスイッチ素子（ＳＷ３：１０６）は、スイッチ回路（１０１）の前記受信端子（１０２）とグラウンド端子の間に接続されたトランジスタ（６００）により構成される。受信端子（１０２）の第２のインピーダンス（１０６）は、トランジスタ（６００）により制御される。トランジスタ（６００）は、ＳＯＩ基板（６０４）上に形成されたＦＥＴにより構成される。ＦＥＴ（６００）は、ＤＴＩ（６０２）で囲まれて電気的に絶縁されている。

実施例３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に起因した虚像を低減することができる。

図７を参照して、実施例４の超音波送受切替方法について説明する。
図７は、超音波診断装置のシステム全体として送受切替ノイズの画像への影響を低減する画像取得方法を示している。

送受切替ノイズによる受信飽和が対策されたとして、切替ノイズが画像に虚像として表示されるのを防ぐには、送受切替ノイズのデータをキャリブレーション用に予め取得しておき、これを実際の画像データから差し引けばよい。

図７に示すように、まず、キャリブレーション用のＣａｌデータを取得する（Ｓ７００）。

次に、走査角、フォーカスに対応する遅延を設定し（Ｓ７０１）、送信は行わずに送受切替を行って（Ｓ７０２）、走査線の受信ビームデータを取得する（Ｓ７０３）。特に制限されないが、Ａ／Ｄ変換器でデジタル化された走査線データを本体装置内のメモリに記憶する。

次に、走査角を変えて全走査線のＣａｌデータを取得し（Ｓ７０４）、Ｃａｌデータ取得終了（Ｓ７０５）となる。特に制限されないが、このＣａｌデータ取得は送受切替ノイズだけを取得したいので、反射でエコーが返ってこないようプローブを空中に放置して行うのがよい。

製品出荷前に一度Ｃａｌデータを取得して不揮発メモリに記憶しておけば、送受切替ノイズはＩＣ内デバイスの経年劣化等を除けば常に同じである。よって、画像取得の度にＣａｌデータを取得する必要はない。

次に、通常の送受信を行い、２Ｄ画像フレームあるいは３Ｄ画像ボリュームを取得する（Ｓ７０６）。

走査線の受信ビームデータからＣａｌデータを差し引けば（Ｓ７１０）、送受切替ノイズが差し引かれた受信ビームデータが得られ、虚像を低減した画像が得られることになる。受信ビームデータからＣａｌデータの減算は、図７のように受信ビームデータ取得毎に行ってもよいし、全ビームデータを取得後に一括して行ってもよい。

図８を参照して、実施例５の超音波探触子の回路構成について説明する。
図１は受信低雑音増幅器１１１がシングルエンド入力、差動出力であったので、差動出力間にスイッチ（ＳＷ５）１０８を挿入することで出力を停止することができた。

受信低雑音増幅器（ＬＮＡ）がシングルエンド出力８０９の場合は、図８のように受信低雑音増幅器（ＬＮＡ）の出力コモン電圧ＶＣＭＯＵＴ８１０を用意しておき、出力を停止したい期間は受信低雑音増幅器（ＬＮＡ）の出力８０９をＶＣＭＯＵＴ８１０にスイッチＳＷ５（８０８）でショートすればよい。

受信低雑音増幅器（ＬＮＡ）を差動出力とすることで信号の２次高調波歪を低減することが可能だが、一般に差動の回路構成とすれば消費電力が増加する。実施例５では、２次高調波歪は劣化するが、シングルエンド出力とすることで消費電力低減が可能となる。その他の構成は、図１に示す実施例１の超音波探触子の回路構成と同じなのでその説明は省略する。

上述のように、実施例５の超音波探触子では、受信回路（８０３）の利得は、受信回路（８０３）のシングルエンド出力（８０９）を、直流出力コモン電圧（８１０）に接続された第２のスイッチ素子（８０８：ＳＷ５）により短絡することにより制御される。

実施例５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に起因した虚像を低減することができる。

図９及び図１０を参照して、実施例６の超音波診断装置の構成について説明する。
図９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とシステム構成を示している。

実施例６の超音波診断装置は、超音波探触子９０と本体装置（ＭＡＩＮ）９４を有する。超音波探触子９０内には、各振動子（ＴＤ）９１に対して送受信回路（Ｔｘ／Ｒｘ）９２が配置され、受信信号は加算回路９３により加算されて本体装置９４内のＡＦＥ（アナログフロントエンド）９５に送られる。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）９６と呼ぶ。

本体装置９４内のプロセッサ（ＰＵ）９７は、超音波探触子９０内のＩＣ制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）９８に制御信号を送り、ＩＣ制御論理回路９８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。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、ＩＣ制御論理回路９８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。

図１０にはサブアレイ内の構成が示されている。
１振動子あたりの送受信回路１０００は、高耐圧ＭＯＳトランジスタで構成され高圧信号を生成し振動子（ＴＤ）１０１０を駆動する送信回路（Ｔｘ）１０２０、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（ＴＲＳＷ）１０３０、低圧系の受信低雑音増幅器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＬＮＡ）１０４０、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）１０５０を有する。微小遅延回路で整相された受信信号は加算されて本体装置９４に伝送される。

制御信号群は、特に制限されないが論理回路で生成され、各送受信回路１０００に分配される。配線布線本数を低減するため、ＴＲＳＷＯＮのみを布線し、各送受信回路１０００内に論理回路を設けてＶＧＶＤＤ、ＧＳＨＴ、ＬＮＡＭＵＴＥ制御信号をＴＲＳＷＯＮ信号から生成してもよい。

上述のように、実施例６の超音波診断装置は、超音波探触子（９０）と本体装置（９４）とを有する。超音波探触子（９０）は、複数の振動子（９１）と、複数の振動子（９１）の各々に対応して設けられ超音波を送信から受信に切り替える送受信回路（９２）と、複数の送受信回路（９２）の出力を加算する加算回路（９３）と、送受切替の制御を行う制御回路（９８）とを備える。本体装置（９４）は、加算回路（９３）の出力を受信して所定の制御信号を制御回路（９８）に送信する。

超音波探触子（９０）は、図１に示すように、振動子（１００）に接続されたスイッチ回路（１０１）と、スイッチ回路（１０１）に接続された受信回路（１０３）と、スイッチ回路（１０１）と受信回路の間に設けられた受信端子（１０２）に接続された第１のスイッチ素子（１０６：ＳＷ３）と、スイッチ回路（１０１）の制御端子（１０４）に接続された第１の抵抗素子（Ｒ０）と、受信回路（１０３）の内部に設けられた第２の抵抗素子（１０７：Ｒ１）と、受信回路（１０３）の内部に設けられた第２のスイッチ素子（１０８：ＳＷ５）と、を有する。

図１及び図２に示すように、スイッチ回路（１０１）は、一対のＭＯＳトランジスタで構成され、制御端子（１０４）は、ＭＯＳトランジスタのゲート制御端子を構成する。制御回路（９８）は、ゲート制御端子（１０４）の第１のインピーダンス（１０５）、受信端子（１０２）の第２のインピーダンス（１０６）、受信回路（１０３）の時定数（１０７）及び受信回路の利得（１０８）の少なくとも２つ以上の要素が、送信期間（２００）終了後の一定期間（２０１）、一定期間（２０１）経過後に生じる定常的な受信状態（２０２）とは異なる状態（２０１の各信号の状態）を維持するように制御する。また、制御回路（９８）は、一定期間に維持される異なる状態（２０１の各信号の状態）において、一定振幅の飽和信号が出力されるように制御する。

上記実施例によれば、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に起因した虚像を低減することができる。また、送受切替ノイズが受信回路に入力されて受信回路が飽和することによる受信不能期間を短縮することができ、体表浅部からのエコー受信を可能とする。

このように、上記実施例によれば、虚像が少なく、体表浅部までを対象とした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することができる。

９０ 超音波探触子
９１ 振動子（ＴＤ）
９３ 加算回路
９４ 本体装置（ＭＡＩＮ）
９５ ＡＦＥ（アナログフロントエンド）
９６ サブアレイ（ＳＵＢＡＲＲＡＹ）
９７ プロセッサ（ＰＵ）
９８ ＩＣ制御論理回路（ＩＣ ＣＴＲＬ）
１００ 振動子（ＴＤ）
１０１ スイッチ回路（ＴＲＳＷ）
１０６ スイッチ（ＳＷ３）
１１０ 送信回路（Ｔｘ）
１１１ 受信低雑音増幅器
１１２ スイッチ（ＳＷ０）
１１３ スイッチ（ＳＷ１）
１１４ ゲート（Ｇ）
１１５ ソース（Ｓ）
１１７ 抵抗（Ｒ０）
１１９ コンデンサ（Ｃ０）
１２０ 抵抗（Ｒ１）
１２１ コモン電位（ＶＣＭ）
１２３ スイッチ（ＳＷ４）
５００ 振動子（ＴＤ）
５０１ スイッチ回路（ＴＲＳＷ）
５０２ ＭＯＳトランジスタ（ＭＮ０）
５０３ ＭＯＳトランジスタ（ＭＮ１）
５０４ 寄生容量
６００ ＮＭＯＳ
６０１ ＰＭＯＳ
６０２ ＤＴＩ
６０３ 埋め込み酸化膜
８０８ スイッチＳＷ５
８０９ シングルエンド出力
８１０ 出力コモン電圧（ＶＣＭＯＵＴ）

Claims (12)

1. 振動子と、
   前記振動子に接続されたスイッチ回路と、
   前記スイッチ回路に接続された受信回路と、
   前記スイッチ回路と前記受信回路の間に設けられた受信端子に接続された第１のスイッチ素子と、
   前記スイッチ回路の制御端子に接続された第１の抵抗素子と、
   前記受信回路の内部に設けられた第２の抵抗素子と、
   前記受信回路の内部に設けられた第２のスイッチ素子と、
   を有し、
   前記スイッチ回路は、一対のＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記制御端子は、前記一対のＭＯＳトランジスタのゲート制御端子であり、
   前記ゲート制御端子の第１のインピーダンス、前記受信端子の第２のインピーダンス、前記受信回路の時定数及び前記受信回路の利得の少なくとも２つ以上の要素が、送信期間終了後の一定期間、前記一定期間経過後に生じる定常的な受信状態とは異なる状態を維持することを特徴とする超音波探触子。
2. 前記一定期間において維持される前記異なる状態において、飽和信号が出力されないことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記ゲート制御端子の前記第１のインピーダンスは、前記ゲート制御端子に接続された前記第１の抵抗素子に対応し、
   前記受信端子の前記第２のインピーダンスは、前記受信端子に接続された前記第１のスイッチ素子に対応し、
   前記受信回路の前記時定数は、前記受信回路内に設けられた前記第２の抵抗素子に対応し、
   前記受信回路の前記利得は、前記受信回路内に設けられた前記第２のスイッチ素子に対応することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
4. 前記少なくとも２つ以上の要素が、前記異なる状態から前記定常的な受信状態に順次切り替わり、前記一定期間後にすべての前記少なくとも２つ以上の要素が前記定常的な受信状態に遷移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. 前記ゲート制御端子の前記第１のインピーダンスは、前記第１の抵抗素子の抵抗値を切り替えることにより制御されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
6. 前記受信回路の前記利得は、前記受信回路の差動出力の間に設けられた前記第２のスイッチ素子を切替えることにより制御されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
7. 前記受信回路の前記利得は、前記受信回路のシングルエンド出力を、直流出力コモン電圧に接続された前記第２のスイッチ素子により短絡することにより制御されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
8. 前記第１のスイッチ素子は、前記スイッチ回路の前記受信端子とグラウンド端子の間に接続されたトランジスタにより構成され、
   前記受信端子の前記第２のインピーダンスは、前記トランジスタにより制御されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
9. 前記トランジスタは、ＳＯＩ基板上に形成されたＦＥＴにより構成され、
   前記ＦＥＴは、ＤＴＩで囲まれて電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波探触子。
10. 前記スイッチ回路を構成する前記一対のＭＯＳトランジスタの内、前記振動子側に位置する第１のＭＯＳトランジスタの第１のチャネル幅を、前記受信端子側に位置する第２のＭＯＳトランジスタの第２のチャネル幅よりも小さく構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。
11. 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複数の送受信回路と、前記複数の送受信回路の出力を加算する加算回路と、送受切替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、所定の制御信号を前記制御回路に送信する本体装置と、
    を有する超音波診断装置であって、
    前記超音波探触子は、
    前記振動子に接続されたスイッチ回路と、
    前記スイッチ回路に接続された受信回路と、
    前記スイッチ回路と前記受信回路の間に設けられた受信端子に接続された第１のスイッチ素子と、
    前記スイッチ回路の制御端子に接続された第１の抵抗素子と、
    前記受信回路の内部に設けられた第２の抵抗素子と、
    前記受信回路の内部に設けられた第２のスイッチ素子と、
    を有し、
    前記スイッチ回路は、一対のＭＯＳトランジスタで構成され、
    前記制御端子は、前記一対のＭＯＳトランジスタのゲート制御端子であり、
    前記ゲート制御端子の第１のインピーダンス、前記受信端子の第２のインピーダンス、前記受信回路の時定数及び前記受信回路の利得の少なくとも２つ以上の要素が、送信期間終了後の一定期間、前記一定期間経過後に生じる定常的な受信状態とは異なる状態を維持することを特徴とする超音波診断装置。
12. 前記制御回路は、前記一定期間において維持される前記異なる状態において、飽和信号が出力されないように制御することを特徴とする請求項１１に記載の超音波診断装置。

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