JP7199904B2 - 超音波診断装置及び超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置及び超音波プローブに関する。

近年の超音波診断装置の電源として、高い変換効率で低コストであるスイッチング電源が使用されることがある。スイッチング電源は、トランジスタをスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）することにより、任意の異なる電圧を発生させる電源である。１秒間にトランジスタのスイッチングを行う回数をスイッチング周波数と呼ぶ。

スイッチング電源を用いる超音波診断装置では、スイッチング周波数が、スキャンを実行する際に超音波パルスを送信する周波数であるパルス繰返し周波数の整数倍になることがある。このような場合、例えば、Ｂ（Brightness）モードスキャン又はＭ（Motion）モードスキャンの実行により生成される超音波画像データに基づく超音波画像上に、スイッチングに起因するスイッチングノイズが表れることがある。特に、パルスインバージョン法、又はコンビネーションフォーカス法等のように、同じ方向（走査線）へ超音波を複数回送信して得られる複数のエコー信号を加算し、加算した複数のエコー信号に基づいて超音波画像データを生成する場合に、生成された超音波画像データに基づく超音波画像上に表れるスイッチングノイズは顕著となる。

特開２０１２－６５６９４号公報

発明が解決しようとする課題は、Ｂモードスキャン又はＭモードスキャンを実行する場合において、超音波画像上に表れるスイッチングノイズの増加を抑制することにある。

実施形態によれば、超音波診断装置は、送受信部、スイッチング電源、及び制御部を備える。送受信部は、予め設定された繰り返し周期毎に被検体に超音波を送信し、前記被検体からエコー信号を受信する。スイッチング電源は、スイッチング周波数に従ったスイッチングにより電圧を生成し、前記送受信部に前記電圧を供給する。制御部は、前記繰り返し周期毎に、前記スイッチング周波数を予め設定された変更幅ずつ変更する。

図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す図である。 図２は、第１の実施形態に係るスイッチング周波数の制御方法を説明するための図である。 図３は、第１の実施形態に係る超音波パルスの送信タイミングとスイッチングクロックの供給タイミングとの関係を表すタイミングチャートである。 図４は、第１の実施形態において、ＰＲＩに基づく各周期で発生するスイッチングクロックの関係を、ＰＲＩにより規定される超音波パルスの送信タイミングを基準に表す図である。 図５は、第１の実施形態に係る制御回路がスイッチング周波数を変更した場合の各スイッチングクロックのデューティー比を説明するための図である。 図６は、第１の実施形態に係る超音波診断装置がディスプレイに表示するＢモード画像を表す図である。 図７は、スイッチング周波数の制御をしない場合にディスプレイに表示されるＢモード画像を表す図である。 図８は、第２の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の機能構成の例を示す図である。図１に示されるように、超音波診断装置１は、装置本体１０、超音波プローブ７０、ディスプレイ５０、及び入力装置６０を備える。装置本体１０は、ネットワーク１００を介して外部装置４０と接続される。また、装置本体１０は、ディスプレイ５０、及び入力装置６０と接続される。

超音波プローブ７０は、例えば、複数の圧電振動子が所定の方向に沿って配列された１Ｄアレイプローブ、複数の圧電振動子が二次元マトリックス状に配列された２Ｄアレイプローブ、又は圧電振動子列をその配列方向と直交する方向に機械的に煽りながら超音波走査を実行可能なメカニカル４Ｄプローブ等である。

超音波プローブ７０は、複数の圧電振動子、圧電振動子に設けられる整合層、及び圧電振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有する。超音波プローブ７０は、装置本体１０と着脱自在に接続される。複数の圧電振動子は、装置本体１０が有する超音波送信回路１１から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。また、超音波プローブ７０には、オフセット処理や、超音波画像のフリーズ等の際に押下されるボタンが配置されてもよい。

超音波プローブ７０から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波（エコー）として超音波プローブ７０が有する複数の圧電振動子にて受信される。超音波プローブ７０は、受信した反射波を電気信号（反射波信号）に変換する。なお、反射波信号は、エコー信号と換言してもよい。反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して周波数偏移を受ける。

図１に示される装置本体１０は、超音波プローブ７０から出力される反射波信号に基づいて超音波画像を生成する装置である。装置本体１０は、図１に示されるように、超音波送信回路１１、超音波受信回路１２、信号処理回路１３、画像生成回路１５、内部記憶回路１７、画像メモリ１８、パラメータメモリ１９、画像データベース２０、入力インタフェース２１、通信インタフェース２２、制御回路２３、ホストコンピュータ２４、及びスイッチング電源２５を含む。

超音波送信回路１１は、超音波プローブ７０に駆動信号を供給するプロセッサである。超音波送信回路１１は、例えば、トリガ発生回路、遅延回路、及びパルサ回路等により実現される。トリガ発生回路は、制御回路２３の制御の下、所定のレート周波数、すなわちパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。遅延回路は、超音波プローブ７０から発生される超音波をビーム状に集束して送信指向性を決定するために必要な圧電振動子毎の遅延時間を、トリガ発生回路が発生する各レートパルスに対して与える。パルサ回路は、制御回路２３の制御の下、レートパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ７０に駆動信号（駆動パルス）を印加する。遅延回路により各レートパルスに対し与える遅延時間を変化させることで、圧電振動子面からの送信方向が任意に調整可能となる。

超音波受信回路１２は、超音波プローブ７０から出力される反射波信号に対して各種処理を施し、デジタル化された反射波信号（以下、受信信号と称する）を生成するプロセッサである。超音波受信回路１２は、例えば、アンプ回路、Ａ／Ｄ変換器、受信遅延回路、及び加算器等により実現される。アンプ回路は、超音波プローブ７０から出力される反射波信号をチャンネルごとに増幅してゲイン補正処理を行なう。Ａ／Ｄ変換器は、ゲイン補正された反射波信号をデジタル信号に変換する。受信遅延回路は、デジタル信号に受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与える。加算器は、遅延時間が与えられた複数のデジタル信号を加算する。加算器の加算処理により、受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調された受信信号が発生する。この受信信号には、組織間の音響インピーダンスの差を反映した振幅情報と、生体組織の動き、例えば運動又は移動速度等を反映した位相情報とが含まれる。

信号処理回路１３は、超音波受信回路１２から受け取った受信信号に対して各種の信号処理を行うプロセッサである。信号処理回路１３は、超音波受信回路１２から受け取った受信信号に対して包絡線検波処理、及び対数増幅処理等を施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。生成されたＢモードデータは、２次元的な超音波走査線上のＢモードＲＡＷデータとして不図示のＲＡＷデータメモリに記憶される。

また、信号処理回路１３は、超音波受信回路１２から受け取った受信信号に対して周波数解析を施して血流信号を抽出し、血流信号から平均速度、分散、及びパワー等の情報を多点について抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。生成されたドプラデータは、２次元的な超音波走査線上のドプラＲＡＷデータとして不図示のＲＡＷデータメモリに記憶される。

画像生成回路１５は、信号処理回路１３により生成されたデータに基づき、各種超音波画像データを生成可能なプロセッサである。画像生成回路１５は、ＲＡＷデータメモリに記憶されたＢモードＲＡＷデータに基づいてＢモード画像データを生成する。Ｂモード画像データに基づくＢモード画像は、例えば被検体Ｐ内の構造物の形態を表す。Ｂモード画像データは、音波の集束等の超音波プローブの特性や超音波ビーム（例えば、送受信ビーム）の音場特性等が反映された画素値（輝度値）を有する。例えば、Ｂモード画像データにおいて、被走査領域において超音波のフォーカス付近では、非フォーカス部分よりも相対的に高輝度となる。

画像生成回路１５は、ＲＡＷデータメモリに記憶されたドプラＲＡＷデータに基づいて、移動体情報を表すドプラ画像データを生成する。ドプラ画像データは、速度画像データ、分散画像データ、パワー画像データ、又は、これらを組み合わせた画像データである。

画像生成回路１５は、超音波走査の走査線信号列を、例えば、テレビ等に代表されるビデオフォーマットの走査線信号列に変換（スキャンコンバート）し、表示用の超音波画像データを生成する。具体的には、画像生成回路１５は、超音波走査の走査線信号列に対し、超音波プローブ７０による超音波の走査形態に応じた座標変換を行うことで、表示用の超音波画像データを生成する。

なお、画像生成回路１５は、生成した各種超音波画像データに対し、ダイナミックレンジ、輝度（ブライトネス）、コントラスト、γカーブ補正、及びＲＧＢ変換等の各種処理を実行してもよい。また、画像生成回路１５は、生成した各種超音波画像データに、種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディマーク等の付帯情報を付加してもよい。

また、画像生成回路１５は、操作者（例えば、術者）が入力インタフェース２１により各種指示を入力するためのユーザインタフェース（ＧＵＩ：Graphical User Interface）を生成し、ＧＵＩをディスプレイ５０に表示させてもよい。ディスプレイ５０としては、例えば、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、又は当技術分野で知られている他の任意のディスプレイが適宜利用可能である。なお、ディスプレイ５０は、例えば報知部の機能を有してもよい。

内部記憶回路１７は、例えば、磁気的若しくは光学的記録媒体、又は半導体メモリ等のプロセッサにより読み取り可能な記録媒体等を有する。内部記憶回路１７は、例えば、超音波送受信を実現するための制御プログラム、画像処理を行うための制御プログラム、表示処理を行なうための制御プログラム、及び本実施形態に係る各種機能を実現するための制御プログラムを記憶している。

内部記憶回路１７は、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見等）、診断プロトコル、ボディマーク生成プログラム、及び映像化に用いるカラーデータの範囲を診断部位毎に予め設定する変換テーブル等のデータ群を記憶している。また、内部記憶回路１７は、生体内の臓器の構造に関する解剖学図譜、例えば、アトラスを記憶してもよい。

内部記憶回路１７は、入力インタフェース２１を介して入力される記憶操作に従い、画像生成回路１５で生成された各種超音波画像データを記憶する。なお、内部記憶回路１７は、入力インタフェース２１を介して入力される記憶操作に従い、画像生成回路１５で生成された各種超音波画像データを、操作順番及び操作時間を含めて記憶してもよい。内部記憶回路１７は、記憶しているデータを、通信インタフェース２２を介して外部装置へ転送することも可能である。

画像メモリ１８は、例えば、磁気的若しくは光学的記録媒体、又は半導体メモリ等のプロセッサにより読み取り可能な記録媒体等を有する。画像メモリ１８は、画像生成回路１５が生成した表示用の画像データを記憶する。ここで記憶される画像データは、例えば、実際にディスプレイ５０に表示される画像を表す画像データである。画像メモリ１８は、入力インタフェース２１を介して入力されるフリーズ操作直前の複数フレームに対応する画像データを記憶する。画像メモリ１８に記憶されている画像データは、例えば、連続表示（シネ表示）される。なお、ディスプレイ５０に表示される画像には、例えば、超音波スキャンにより取得された超音波画像データに基づく画像、並びに、ＣＴ（Computed Tomography）画像データ、ＭＲ（Magnetic Resonance）画像データ、Ｘ線画像データ、及びＰＥＴ画像データ等の他のモダリティにより取得された医用画像データに基づく画像が含まれる場合がある。

また、画像メモリ１８は、信号処理回路１３が生成したデータを記憶することも可能である。画像メモリ１８が記憶するＢモードデータ、又はドプラデータは、例えば、診断の後に操作者が呼び出すことが可能となっており、画像生成回路１５を経由して表示用の超音波画像データとなる。

パラメータメモリ１９は、例えば、半導体メモリ等のプロセッサにより高速に読み取り可能な記録媒体等を有する。パラメータメモリ１９は、例えば、メインメモリ等である。パラメータメモリ１９は、超音波スキャンを実施するために必要なパラメータ（以下、制御パラメータと称する）を記憶する。制御パラメータには、例えば、フレーム情報、ベクトル情報、ビーム情報、送信素子位置、送信遅延、送信開口、受信素子位置、受信遅延、受信開口、ヘッダ情報、デジタルフィルタ係数、プローブ選択データ、及びゲインデータ等が含まれる。

画像データベース２０は、外部装置４０から転送される画像データを記憶する。例えば、画像データベース２０は、過去の診察において取得された同一患者に関する過去画像データを、外部装置４０から取得して記憶する。過去画像データには、超音波画像データ、ＣＴ画像データ、ＭＲ画像データ、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）－ＣＴ画像データ、ＰＥＴ－ＭＲ画像データ及びＸ線画像データが含まれる。また、過去画像データは、例えばボリュームデータ、及びレンダリング画像データとして記憶されている。

なお、画像データベース２０は、ＭＯ、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ等の記録媒体（メディア）に記録された画像データを読み込むことで、所望の画像データを格納してもよい。

入力インタフェース２１は、入力装置６０を介して、操作者からの各種指示を受け付ける。入力装置６０には、例えば、マウス、キーボード、パネルスイッチ、スライダースイッチ、ダイヤルスイッチ、トラックボール、ロータリーエンコーダ、操作パネル及びタッチコマンドスクリーン（ＴＣＳ）等が含まれる。また、入力装置６０には、超音波の送受信方式、及び受信信号の処理方式等を含む各種撮像モードを切り替えるためのスイッチ群が含まれる。スイッチ群は、ダイヤルスイッチ、及び／又はトラックボール等の機械的なデバイスのみならず、ＴＣＳ上に表示される操作パネル画像、又は、外部装置４０におけるセカンドコンソール上に表示される操作パネル画像等のいずれであってもよい。

入力インタフェース２１は、例えばバスを介してホストコンピュータ２４に接続され、操作者から入力される操作指示を電気信号へ変換し、電気信号をホストコンピュータ２４へ出力する。なお、本明細書において入力インタフェース２１は、マウス及びキーボード等の物理的な操作部品と接続するものだけに限られない。例えば、超音波診断装置１とは別体に設けられた外部の入力機器から入力される操作指示に対応する電気信号を無線信号として受け取り、この電気信号をホストコンピュータ２４へ出力する電気信号の処理回路も入力インタフェース２１の例に含まれる。

通信インタフェース２２は、ネットワーク１００等を介して外部装置４０と接続され、外部装置４０との間でデータ通信を行う。外部装置４０は、例えば、各種の医用画像のデータを管理するシステムであるＰＡＣＳ（Picture Archiving and Communication System）のデータベース、医用画像が添付された電子カルテを管理する電子カルテシステムのデータベース等である。また、外部装置４０は、例えば、Ｘ線ＣＴ装置、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置、核医学診断装置、及びＸ線診断装置等、本実施形態に係る超音波診断装置１以外の各種医用画像診断装置である。なお、外部装置４０との通信の規格は、如何なる規格であっても良いが、例えば、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communication Medicine）が挙げられる。

制御回路２３は、例えば、超音波スキャンに関する動作を制御するプロセッサである。制御回路２３は、内部記憶回路１７に記憶されている動作プログラムを実行することで、この動作プログラムに対応する機能を実現する。具体的には、制御回路２３は、システム制御機能２３１、及びスイッチング周波数制御機能２３３を有する。

なお、システム制御機能２３１、及びスイッチング周波数制御機能２３３は、内部記憶回路１７に記憶される制御プログラムとして組み込まれることに限定されない。システム制御機能２３１、及びスイッチング周波数制御機能２３３は、例えば、制御回路２３内に組み込まれていてもよい。また、システム制御機能２３１、及びスイッチング周波数制御機能２３３は、例えば、装置本体１０に、各機能を実行可能な専用のハードウェア回路として組み込まれていてもよい。

システム制御機能２３１は、ホストコンピュータ２４からの各種指示に基づいて各種動作を実施する機能である。システム制御機能２３１が実行されると、制御回路２３は、例えば、ホストコンピュータ２４から各撮像モードの超音波スキャンを開始する開始指示を受け付ける。このとき、制御回路２３は、ビーム数、フレームレート、及び深さ等についても入力情報として受け付ける。制御回路２３は、受け付けた開始指示、ビーム数、フレームレート、及び深さ等に基づいて、所定のＰＲＦの超音波パルスを生成する。

制御回路２３は、受け付けた入力情報に基づいて、超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２に対する制御パラメータを設定する。具体的には、例えば、制御回路２３は、パラメータメモリ１９から送信位置情報、送信開口、及び送信遅延等を読み出し、読み出した送信位置情報、送信開口、及び送信遅延等を、生成したＰＲＦの値とともに超音波送信回路１１に設定する。また、制御回路２３は、パラメータメモリ１９から受信開口、及び受信遅延等を読み出し、読み出した受信開口、及び受信遅延等を超音波受信回路１２に設定する。

制御回路２３は、設定した制御パラメータに基づいて超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２を制御し、各撮像モードに応じた超音波スキャンを実行する。具体的には、例えば、Ｂモードの超音波スキャンを開始する開始指示をホストコンピュータ２４から受信している場合、制御回路２３は、超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２を制御し、Ｂモードスキャンを実行する。また、例えば、Ｍモードの超音波スキャンを開始する開始指示をホストコンピュータ２４から受信している場合、制御回路２３は、超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２を制御し、Ｍモードスキャンを実行する。

制御回路２３は、例えば、Ｂモードが選択された状態で、パルスインバージョン（ＰＩ：Pulse inversion）を実施する旨の実施指示をホストコンピュータ２４から受け付けると、超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２を制御し、以下のようなＢモードスキャンを繰り返し行う。すなわち、制御回路２３は、超音波送信回路１１を制御し、超音波プローブ７０から被検体Ｐに向けて、同一方向に続けて位相がお互いに１８０度異なる２回の超音波を送信する。そして、制御回路２３は、超音波受信回路１２を制御し、この２回の超音波送信に対して生成された２つの反射波信号を受信し、受信した２つの反射波信号に対して各種処理を施し、位相がお互いに１８０度異なる２つの受信信号を生成する。

また、制御回路２３は、例えば、Ｂモードが選択された状態で、コンビネーションフォーカスを実施する旨の実施指示をホストコンピュータ２４から受け付けると、超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２を制御し、以下のようなＢモードスキャンを繰り返し行う。すなわち、制御回路２３は、超音波送信回路１１を制御し、超音波プローブ７０から被検体Ｐに向けて、同一方向に、かつ、複数の送信フォーカスに対し、複数回の超音波を送信する。そして、制御回路２３は、超音波受信回路１２を制御し、この複数回の超音波送信に対して生成された複数の反射波信号を受信し、受信した複数の反射波信号に対して各種処理を施し、送信フォーカスの異なる複数の受信信号を生成する。

スイッチング周波数制御機能２３３は、後述するスイッチング電源２５のスイッチング動作のタイミングを決定するスイッチング周波数を制御する機能である。この機能は、所定の周波数のスイッチングクロックを生成し、生成したスイッチングクロックをスイッチング電源２５へ供給する機能と換言可能である。スイッチング周波数制御機能２３３が実行されると、制御回路２３は、ＰＲＦとスイッチング周波数との位相差が分散するように、スイッチング周波数を制御する。例えば、制御回路２３は、ＰＲＦに対応するパルス繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に基づく周期で、スイッチング周波数を徐々に変更する。具体的には、制御回路２３は、繰り返し周期毎に、予め設定される変更幅、例えば変更前のスイッチング周波数の１％ずつスイッチング周波数を変更する。変更幅は、例えば、スイッチング電源２５が供給する出力電圧が不安定にならない程度の幅である。制御回路２３は、例えば入力インタフェース２１を介して任意の値を受け付け、受け付けた値を変更幅として設定することができる。スイッチング周波数の変更幅は、１％に限定されず、例えば０．５％、及び２％等であってもよい。

ホストコンピュータ２４は、プロセッサを有し、超音波診断装置１の中枢として機能する。ホストコンピュータ２４は、入力インタフェース２１を介して、操作者等からの各種指示を受け付ける。ホストコンピュータ２４は、受け付けた各種指示を、制御回路２３に入力する。また、ホストコンピュータ２４は、受け付けた指示に応じて、信号処理回路１３、及び画像生成回路１５を制御し、超音波受信回路１２で生成される受信信号に基づき、所定の超音波画像データを生成する。

ホストコンピュータ２４は、例えば、入力インタフェース２１を介し、Ｂモードが選択された状態で、パルスインバージョンを実施する旨の実施指示を受け付けると、受け付けた実施指示を制御回路２３に入力する。ホストコンピュータ２４は、信号処理回路１３、及び画像生成回路１５を制御し、例えば、超音波受信回路１２により生成される２つの受信信号、すなわち位相がお互いに１８０度異なる２つの受信信号を加算する。これにより、基本波成分が抑制され、主に２次高調波成分に対応する高調波信号が生成される。そして、ホストコンピュータ２４は、生成した高調波信号に基づいて超音波画像データを生成する。

また、ホストコンピュータ２４は、例えば、入力インタフェース２１を介し、Ｂモードが選択された状態で、コンビネーションフォーカスを実施する旨の実施指示を受け付けると、受け付けた実施指示を制御回路２３に入力する。ホストコンピュータ２４は、信号処理回路１３、及び画像生成回路１５を制御し、例えば、超音波受信回路１２により生成される複数の受信信号、すなわち送信フォーカスの異なる複数の受信信号を加算する。これにより、浅い領域から深い領域までフォーカスされた受信信号が生成される。そして、ホストコンピュータ２４は、生成した受信信号に基づいて超音波画像データを生成する。

ホストコンピュータ２４は、生成した超音波画像データに基づく超音波画像をディスプレイ５０に表示する。

スイッチング電源２５は、例えばＡＣ／ＤＣコンバータ回路、又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路等を含む。スイッチング電源２５は、制御回路２３から供給されるスイッチングクロックに従い、トランジスタをＯＮ／ＯＦＦすることにより、不図示の商用電源から入力されるＡＣ電圧、又は、ＤＣ電圧から所定の電圧値のＤＣ電圧を生成する。スイッチング電源２５は、生成したＤＣ電圧を、超音波診断装置１が備える各回路、例えば、超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２等に供給する。

次に、本実施形態に係る制御回路２３が有するスイッチング周波数制御機能２３３によるスイッチング周波数の制御方法の例について、図を参照して説明する。

図２は、本実施形態に係るスイッチング周波数の制御方法の例を説明するための図である。以下の説明では、Ｂモードが選択された状態で、コンビネーションフォーカスを実施する旨の実施指示が入力され、４つの送信フォーカスに対してそれぞれＢモードスキャンが実行されるものとする。また、スイッチング電源２５の許容される周波数範囲は、４００ＫＨｚから５００ＫＨｚまでである場合を例として説明する。なお、送信フォーカスの数は、２以上の整数であればどのような値であっても構わない。

なお、本実施形態に係るスイッチング周波数の制御方法は、コンビネーションフォーカス法を利用したＢモードスキャン以外でも適用可能である。例えば、本実施形態に係るスイッチング周波数の制御方法は、同じ方向（走査線）へ超音波を複数回送信して得られる複数のエコー信号を加算し、加算された複数のエコー信号に基づいて超音波画像データを生成する手法に適用可能である。すなわち、本実施形態に係るスイッチング周波数の制御方法は、例えば、コンビネーションフォーカス法を利用したＭモードスキャン、パルスインバージョン法を利用したＢモードスキャン、及びパルスインバージョン法を利用したＭモードスキャン等に適用可能である。

超音波パルスの送信タイミングを規定するＰＲＩは、例えば超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２等の動作周波数（以下、システムクロック周波数と称する。）に基づく周期のＮ（Ｎは正の整数）倍に設定される。Ｎは、例えば、システム変数と称され、超音波パルスを送受信する深さに応じて変動する変数である。以下の説明では、システムクロック周波数が、例えば、１．２７ＭＨｚであるものとする。システムクロック周波数が１．２７ＭＨｚであり、Ｂモードスキャンを実行する際のＮを「２０」とした場合、ＰＲＦ Ｆｐは、１．２７ＭＨｚ÷２０＝６３．５ＫＨｚとなる。

図２では、スイッチング周波数Ｆｓ（ＫＨｚ）、ＦｓがＰＲＦ Ｆｐ（ＫＨｚ）の整数倍となるシステム変数の最小値、及びＦｓの変更順序が示されている。ＦｓがＦｐの整数倍となるシステム変数の最小値は、超音波画像上にスイッチングノイズが重畳され得るシステム変数のうち、最小の値を表す。図２において、スイッチング周波数の初期値は、４４４．４ＫＨｚに設定されているとする。スイッチング周波数の初期値は、例えば、入力インタフェース２１を介して予め設定される。なお、スイッチング周波数：４４４．４ＫＨｚは、ＰＲＦ：６３．５ＫＨｚの整数倍である略７倍であるため、Ｂモードスキャン又はＭモードスキャンで取得される超音波画像上に、スイッチングに起因するスイッチングノイズが表れる。

本実施形態に係る制御回路２３は、初期値を中心として、例えば、プラスマイナスで略１０％の範囲内に収まるようにスイッチング周波数の最大値、及び最小値を決定する。これにより、図２で示されるように、初期値：４４４．４ＫＨｚを中心として、スイッチング周波数の最大値は、例えば５００ＫＨｚに決定される。また、スイッチング周波数の最小値は、例えば４００ＫＨｚに決定される。

ところで、上記の設定を用いて一般的な超音波診断装置により４つの送信フォーカスを用いたコンビネーションフォーカスが実施されると、同一方向における４つの異なる深さから反射波信号がそれぞれ検出される。このとき、スイッチング周波数：４４４．４ＫＨｚは、ＰＲＦ：６３．５ＫＨｚの略整数倍である略７倍であるため、検出された４つの反射波信号には、同じ時相で発生したスイッチングノイズが含まれる。そのため、この４つの反射波信号に基づく受信信号が加算されると、４つの反射波信号に含まれるスイッチングノイズも同じ時相で加算され、生成されるＢモード画像に表れるスイッチングノイズは顕著なものとなる。

そこで、本実施形態に係る制御回路２３は、例えばＰＲＩに基づく周期で、スイッチング周波数を予め設定された変更幅ずつ変更する。このとき、スイッチング周波数は、例えば、超音波パルスを送信するタイミングに基づいて変更される。なお、スイッチング周波数を変更するタイミングは、超音波パルスを送信するタイミングを基準とするものに限定されず、ＰＲＩに基づく周期に従っていれば任意の時点でよい。

図２に示される例では、制御回路２３は、システム変数を２０として設定したＰＲＩに基づく周期で、スイッチング周波数を、例えば「４４４．４ＫＨｚ→４３９．６ＫＨｚ→４３４．８ＫＨｚ→４３０．１ＫＨｚ→４２５．５ＫＨｚ→４２１．１ＫＨｚ→４１６．７ＫＨｚ→４１２．４ＫＨｚ→４０８．２ＫＨｚ→４０４．０ＫＨｚ→４００．０ＫＨｚ→４０４．０ＫＨｚ→４０８．２ＫＨｚ→４１２．４ＫＨｚ→４１６．７ＫＨｚ→４２１．１ＫＨｚ→４２５．５ＫＨｚ→４３０．１ＫＨｚ→４３４．８ＫＨｚ→４３９．６ＫＨｚ→４４４．４ＫＨｚ→４４９．４ＫＨｚ→４５４．５ＫＨｚ→４５９．８ＫＨｚ→４６５．１ＫＨｚ→４７０．６ＫＨｚ→４７６．２ＫＨｚ→４８１．９ＫＨｚ→４８７．８ＫＨｚ→４９３．８ＫＨｚ→５００．０ＫＨｚ→４９３．８ＫＨｚ→４８７．８ＫＨｚ→４８１．９ＫＨｚ→４７６．２ＫＨｚ→４７０．６ＫＨｚ→４６５．１ＫＨｚ→４５９．８ＫＨｚ→４５４．５ＫＨｚ→４４９．４ＫＨｚ」のように、段階的に徐々に変更する。制御回路２３は、このような変更制御を繰り返し実行する。

以上の制御方法によれば、ＰＲＩに基づく最初の周期においては、スイッチング周波数が４４４．４ＫＨｚのため、スイッチング周波数がＰＲＦ：６３．５ＫＨｚの整数倍になる。一方、２番目以降の周期では、スイッチング周波数が４４４．４ＫＨｚとなる周期以外は、スイッチング周波数がＰＲＦの整数倍にはならない。これにより、スイッチング周波数がＰＲＦの整数倍になる周期が連続することがなくなる。つまり、例えば、パルスインバージョン法、又はコンビネーションフォーカス法等において、反射波信号に含まれるスイッチングノイズが同じ時相で加算されることを避けることが可能となる。

次に、本実施形態に係る超音波診断装置１の制御回路２３がスイッチング周波数を変更する際の、超音波パルスの送信タイミングとスイッチングクロックの供給タイミングとの関係を、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る超音波パルスの送信タイミングとスイッチングクロックの供給タイミングとの関係の例を表すタイミングチャートである。図３に示される上段の波形は、設定されているＰＲＩに従って送信される４つの超音波パルスの送信波形の例を表している。Ｔは、ＰＲＩにより規定される超音波パルスの送信タイミングを表している。

図３に示される下段の波形は、スイッチングクロックの送信波形を表している。ｔ＝ｔ１、ｔ＝ｔ２、ｔ＝ｔ３、及びｔ＝ｔ４は、スイッチング周波数が変更される時点を表している。ｔ＝ｔ１、ｔ＝ｔ２、ｔ＝ｔ３、及びｔ＝ｔ４は、例えば、対応する超音波パルスの送信タイミングＴに基づいて設定される。なお、スイッチング周波数が変更される時点は、超音波パルスの送信タイミングＴに基づく時点に限定されず、ＰＲＩに基づく周期に従っていれば任意の時点でよい。

図３によれば、制御回路２３は、スイッチング周波数制御機能２３３を実行することにより、スイッチング周波数を、「４４４．４ＫＨｚ→４３９．６ＫＨｚ→４３４．８ＫＨｚ→４３０．１ＫＨｚ」と変更する。すなわち、制御回路２３は、ｔ＝ｔ１、ｔ＝ｔ２、ｔ＝ｔ３、及びｔ＝ｔ４の時点で、４４４．４ＫＨｚのスイッチングクロックＳ１、４３９．６ＫＨｚのスイッチングクロックＳ２、４３４．８ＫＨｚのスイッチングクロックＳ３、及び４３０．１ＫＨｚのスイッチングクロックＳ４をそれぞれ生成し、スイッチング電源２５に供給する。

複数のスイッチング周波数において、整数倍されてスイッチング周波数と一致するＰＲＦを決定するためのシステム変数はそれぞれ異なる。すなわち、ＦｓがＦｐの整数倍となるシステム変数の最小値は、スイッチング周波数毎に異なる。具体的には、スイッチング周波数：４４４．４ＫＨｚに対するシステム変数の最小値は２０、４３９．６ＫＨｚに対するシステム変数の最小値は２６、４３４．８ＫＨｚに対するシステム変数の最小値は１８４、４３０．１ＫＨｚに対するシステム変数の最小値は６２であり、それぞれ異なる。

図２を用いた上記の説明ではシステム変数が２０と設定され、ＰＲＦが６３．５ＫＨｚと設定されている。このため、超音波パルスの送信タイミングＴに基づいてスイッチング周波数を予め設定された変更幅ずつ変更した場合、スイッチングノイズが発生し得るシステム変数の最小値は、変更したスイッチング周波数毎に異なる。すなわち、変更後のスイッチング周波数に由来する４つのスイッチングクロック間の位相が一致することはない。

図４は、本実施形態において、ＰＲＩにより規定される超音波パルスが立ち上がる時点を基準とした場合に、各周期で発生するスイッチングクロックの関係を表す図である。図４では、スイッチングクロックＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４の各波形を、超音波パルスが立ち上がる時点を基準として、縦に整列して表している。

図４によれば、超音波パルスの送信タイミングＴを含む期間Ｐ１においては、超音波送信パルス、スイッチングクロックＳ１、スイッチングクロックＳ２、スイッチングクロックＳ３、及びスイッチングクロックＳ４がＯＮとなるタイミングは揃っている。一方で、期間Ｐ１において超音波送信パルス及び各スイッチングクロックがＯＦＦとなるタイミングは一致していない。また、反射波信号を受信する期間Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４において、超音波送信パルス及び各スイッチングクロックがＯＮ及びＯＦＦとなるタイミングは一致していない。すなわち、超音波送信パルスと、各スイッチングクロックとの位相差が分散していることが分かる。これにより、例えば、スイッチングクロックＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４が供給されている間にそれぞれ生成される４つの受信信号が加算される場合でも、スイッチングノイズが同じ位相で加算されることはない。したがって、複数の受信信号を加算して生成された超音波画像上に表れるスイッチングノイズの増加を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態に係る超音波診断装置１によれば、ＰＲＩに基づく周期で、スイッチング周波数を変更した場合でも、スイッチングクロックのデューティー比を維持することができる。図５は、本実施形態に係る制御回路２３がスイッチング周波数を変更した場合の各スイッチングクロックのデューティー比を説明するための図である。図５に示される上段の波形は、超音波パルスの送信波形を表している。また、図５に示される下段の波形は、スイッチングクロックの送信波形を表している。具体的には、スイッチングクロックＳ１、Ｓ２、及びＳ３の送信波形を表している。また、ｔ＝ｔ５、及びｔ＝ｔ６は、スイッチング周波数が変更される時点を表している。図５において、制御回路２３は、超音波パルスの送信タイミングＴに基づいてスイッチング周波数を変更している。図５によれば、スイッチングクロックＳ１、Ｓ２、及びＳ３のデューティー比は、それぞれ、ｔ１１／ｔ１２、ｔ２１／ｔ２２、及びｔ３１／ｔ３２である。

一般的に、超音波パルスの送信タイミングＴの付近でスイッチングクロックにリセットをかけると、スイッチングクロックのデューティー比が維持できない場合がある。スイッチングクロックのデューティー比が維持できないと、スイッチング電源２５の出力電圧が不安定になる。本実施形態に係る制御回路２３によれば、徐々に、例えば変更前のスイッチング周波数の１％ずつスイッチング周波数を変更するため、ｔ１１／ｔ１２、ｔ２１／ｔ２２、及びｔ３１／ｔ３２の値が等しくなるように制御することができる。したがって、スイッチング電源２５は、安定した出力電圧を超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２等に供することが可能となる。

次に、本実施形態に係る制御回路２３によるスイッチング周波数の制御方法により生成される超音波画像上に表れるスイッチングノイズを抑制できることを、図を用いて説明する。以下、Ｂモードスキャンにおいて、４つの送信フォーカスに対してコンビネーションフォーカスが実施されてＢモード画像が生成されたものとして説明する。図６は、本実施形態に係る超音波診断装置１がディスプレイ５０に表示するＢモード画像の例を表す図である。図７は、スイッチング周波数を制御しない場合のＢモード画像の例を表す図である。一般的に、スイッチングノイズは、走査線（ラスター）方向に平行に表れる。図６によれば、Ｂモード画像上に顕著なスイッチングノイズは表れていない。一方、図７によれば、領域Ｒ１内に走査線（ラスター）方向対して平行に顕著なノイズが表れている。このように、本実施形態に係る超音波診断装置１によれば、Ｂモード画像上に表れるスイッチングノイズを抑制することができる。

上記実施形態によれば、制御回路２３は、超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２を制御し、ＰＲＩに基づく周期で被検体Ｐに超音波を送信し、被検体Ｐから反射波信号を受信する。スイッチング電源２５は、制御回路２３から供給されるスイッチングクロックのスイッチング周波数に従ったスイッチングにより電圧を生成し、生成した電圧を超音波送信回路１１、及び超音波受信回路１２に供給する。制御回路２３は、ＰＲＩに基づく周期で、スイッチング周波数を予め設定された変更幅ずつ変更する。

これにより、例えばＢモードスキャン又はＭモードスキャンにより生成された複数の受信信号が加算される場合であっても、ＰＲＦとスイッチング周波数との位相差が分散されるため、同じ位相においてスイッチングノイズが加算されることを抑制することができる。

したがって、Ｂモードスキャン又はＭモードスキャンを実行する場合において、超音波画像上に表れるスイッチングノイズの増加を抑制することが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、超音波送信回路１１、超音波受信回路１２、信号処理回路１３、制御回路２３、及びスイッチング電源２５が、装置本体１０に含まれる場合について説明した。しかしながら、これに限られない。第２の実施形態では、超音波送信回路１１、超音波受信回路１２、信号処理回路１３、制御回路２３、及びスイッチング電源２５が、超音波プローブ７０ａ内に含まれる場合を説明する。

図８は、第２の実施形態に係る超音波診断装置１ａの機能構成の例を示す図である。図８に示されるように、超音波診断装置１ａは、処理装置１０ａ、超音波プローブ７０ａ、ディスプレイ５０、及び入力装置６０を備える。処理装置１０ａは、ネットワーク１００を介して外部装置４０と接続される。また、処理装置１０ａは、ディスプレイ５０、及び入力装置６０と接続される。超音波プローブ７０ａは、処理装置１０ａと着脱自在に接続される。

超音波プローブ７０ａは、探触部７１、超音波送信回路１１、超音波受信回路１２、通信インタフェース７２、パラメータメモリ１９、制御回路２３、及びスイッチング電源２５を含む。なお、超音波プローブ７０ａは、オフセット処理や、超音波画像のフリーズ等の際に押下されるボタン等を入力インタフェースとして有していてもよい。

探触部７１は、複数の圧電振動子、圧電振動子に設けられる整合層、及び圧電振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有する。探触部７１は、圧電振動子により、超音波送信回路１１から供給される駆動信号に基づき超音波を発生する。探触部７１から被検体Ｐへ超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射される。探触部７１は、圧電振動子により、反射波を受信する。探触部７１は、受信した反射波を反射波信号に変換する。

通信インタフェース７２は、有線、又は無線により処理装置１０ａと接続され、処理装置１０ａとの間でデータ通信を行う。具体的には、例えば、通信インタフェース７２は、処理装置１０ａのホストコンピュータ２４からの各種指示を受信し、受信した指示を制御回路２３へ出力する。また、通信インタフェース７２は、超音波受信回路１２で生成される受信信号を処理装置１０ａへ出力する。なお、有線は例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）により実現されるが、これに限定されない。

図８に示される処理装置１０ａは、超音波プローブ７０ａから出力される受信信号に基づいて超音波画像を生成する装置である。処理装置１０ａは、信号処理回路１３、画像生成回路１５、内部記憶回路１７、画像メモリ１８、画像データベース２０、入力インタフェース２１、通信インタフェース２２ａ、及びホストコンピュータ２４を有する。

通信インタフェース２２ａは、有線、又は無線により超音波プローブ７０ａと接続され、超音波プローブ７０ａとの間でデータ通信を行う。具体的には、例えば、通信インタフェース２２ａは、ホストコンピュータ２４からの各種指示を超音波プローブ７０ａへ出力する。また、通信インタフェース２２ａは、超音波プローブ７０ａで生成される受信信号をホストコンピュータ２４へ出力する。また、通信インタフェース２２ａは、ネットワーク１００等を介して外部装置４０と接続され、外部装置４０との間でデータ通信を行う。

なお、超音波プローブ７０ａ、及び処理装置１０ａの構成は上記に限定されない。例えば、超音波プローブ７０ａは、パラメータメモリ１９を必ずしも有しなくてもよい。また、超音波プローブ７０ａは、信号処理回路１３を有していても構わない。また、超音波プローブ７０ａは、超音波送受信を実現するための制御プログラム、及びスイッチング周波数制御機能２３３を実現するための制御プログラム等を記憶するメモリを有していても構わない。

また、本実施形態に係る処理装置１０ａに含まれる構成すべてが、超音波プローブ７０ａ内に含まれてもよい。この場合、超音波プローブ７０ａは、超音波画像を表示するためのディスプレイ５０（ディスプレイ、タブレット端末、スマートフォン等）と、ＵＳＢまたは無線で接続されてもよい。

また、処理装置１０ａは、ディスプレイ５０、及び入力装置６０を含んでいてもよい。このとき、処理装置１０ａは、例えば、タブレット端末、又はスマートフォン等の端末装置により実現される。

（その他の実施形態）
加えて、実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ等）、半導体メモリ等の記憶媒体に格納して頒布することも可能である。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、Ｂモードスキャン又はＭモードスキャンを実行する場合において、超音波画像上に表れるスイッチングノイズの増加を抑制することができる。

上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ(Graphics Processing Unit)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ））、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶回路に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。さらに、図１における複数の構成要素を１つのプロセッサへ統合してその機能を実現するようにしてもよい。

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。

１，１ａ…超音波診断装置
１０…装置本体
１０ａ…処理装置
１１…超音波送信回路
１２…超音波受信回路
１３…信号処理回路
１５…画像生成回路
１７…内部記憶回路
１８…画像メモリ
１９…パラメータメモリ
２０…画像データベース
２１…入力インタフェース
２２，２２ａ…通信インタフェース
２３…制御回路
２３１…システム制御機能
２３３…スイッチング周波数制御機能
２４…ホストコンピュータ
２５…スイッチング電源
４０…外部装置
５０…ディスプレイ
６０…入力装置
７０，７０ａ…超音波プローブ
７１…探触部
７２…通信インタフェース
１００…ネットワーク

Claims (8)

1. 超音波パルスの送信タイミングを規定する繰り返し周期毎に被検体に超音波を送信し、前記被検体からエコー信号を受信する送受信部と、
   スイッチング周波数に従ったスイッチングにより電圧を生成し、前記送受信部に前記電圧を供給するスイッチング電源と、
   前記繰り返し周期に基づいて、前記スイッチング周波数を予め設定された変更幅ずつ変更する制御部と
   を備える超音波診断装置。
2. 前記制御部は、前記繰り返し周期毎に、前記スイッチング周波数を徐々に変更する請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記制御部は、前記繰り返し周期毎に、前記供給する出力電圧が不安定にならない程度の幅で前記スイッチング周波数を変更する請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記制御部は、前記繰り返し周期毎に、前記スイッチング周波数を１％ずつ変更する請求項１に記載の超音波診断装置。
5. 超音波パルスの送信タイミングを規定する繰り返し周期毎に被検体に超音波を送信し、前記被検体からエコー信号を受信する送受信部と、
   スイッチング周波数に従ったスイッチングにより電圧を生成し、前記送受信部に前記電圧を供給するスイッチング電源と、
   前記繰り返し周期に基づいて、前記スイッチング周波数を予め設定された変更幅ずつ変更する制御部と
   を備える超音波プローブ。
6. 前記制御部は、前記繰り返し周期毎に、前記スイッチング周波数を徐々に変更する請求項５に記載の超音波プローブ。
7. 前記制御部は、前記繰り返し周期毎に、前記供給する出力電圧が不安定にならない程度の幅で前記スイッチング周波数を変更する請求項５に記載の超音波プローブ。
8. 前記制御部は、前記繰り返し周期毎に、前記スイッチング周波数を１％ずつ変更する請求項５に記載の超音波プローブ。

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