JP7293104B2 - Ultrasound diagnostic equipment and ultrasound probe - Google Patents
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Description
本明細書及び図面に開示の実施形態は、超音波診断装置及び超音波プローブに関する。 The embodiments disclosed in the specification and drawings relate to an ultrasonic diagnostic apparatus and an ultrasonic probe.
超音波診断装置は、例えば、超音波振動子等のセンサデバイスが設けられた超音波プローブにより被検体に対して超音波を放射し、放射した超音波の反射波を超音波プローブにより受信することで、超音波画像を生成する。 An ultrasonic diagnostic apparatus radiates ultrasonic waves to a subject using, for example, an ultrasonic probe equipped with a sensor device such as an ultrasonic transducer, and receives reflected waves of the radiated ultrasonic waves by the ultrasonic probe. to generate ultrasound images.
センサデバイスが反射波を受信することで発生する電気信号を受信回路フロントエンドで受信する場合、センサデバイスからの受信信号感度を最効率化および最良感度化するために、受信回路フロントエンドのインピーダンスが、センサデバイスのインピーダンスの複素共役となることが望ましい。しかしながら、センサデバイスの周波数特性を汎用の電気素子(例えば、抵抗、インダクタ、キャパシタ等)を用いて忠実に実現しようとすると、回路構成が複雑になり、また、回路規模が膨大になる。そのため、受信フロントエンドの回路構成は、センサデバイスとインピーダンス整合を取る構成とは厳密にはなっておらず、受信性能を損なわせる要因となるおそれがある。 When an electric signal generated by a sensor device receiving a reflected wave is received by the reception circuit front end, the impedance of the reception circuit front end is set to , is preferably the complex conjugate of the impedance of the sensor device. However, if an attempt is made to faithfully realize the frequency characteristics of the sensor device using general-purpose electric elements (eg, resistors, inductors, capacitors, etc.), the circuit configuration becomes complicated and the circuit scale becomes enormous. Therefore, the circuit configuration of the reception front end is not strictly a configuration for impedance matching with the sensor device, which may be a factor in impairing the reception performance.
本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、受信フロントエンドの回路のインピーダンスと、センサデバイスのインピーダンスとの整合をとることである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。 One of the problems to be solved by the embodiments disclosed in the specification and drawings is to match the impedance of the receiving front-end circuit with the impedance of the sensor device. However, the problems to be solved by the embodiments disclosed in this specification and drawings are not limited to the above problems. A problem corresponding to each effect of each configuration shown in the embodiments described later can be positioned as another problem.
実施形態に係る超音波診断装置は、センサデバイスと、受信手段とを備える。センサデバイスは、駆動信号に基づいて超音波を発生し、前記超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも1つの超音波振動子を有する。受信手段は、前記センサデバイスが有する超音波振動子に対応する超音波振動子を、前記センサデバイスとのインピーダンスを整合させるための整合素子として有し、前記電気信号を受信する。 An ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment includes a sensor device and a receiver. The sensor device has at least one ultrasonic transducer that generates ultrasonic waves based on a drive signal, receives reflected wave signals of the ultrasonic waves, and converts them into electrical signals. The receiving means has an ultrasonic transducer corresponding to the ultrasonic transducer of the sensor device as a matching element for matching impedance with the sensor device, and receives the electrical signal.
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings.
(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の機能構成の一例を表すブロック図である。図1に示される超音波診断装置1は、装置本体10と、超音波プローブ20とを有している。装置本体10と超音波プローブ20とは、例えば、ケーブルを介して接続されている。装置本体10は、入力装置30及び表示装置40と接続されている。また、装置本体10は、ネットワークNWを介して外部装置50と接続されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the functional configuration of an ultrasonic
超音波プローブ20は、例えば、装置本体10からの制御に従い、被検体である生体P内のスキャン領域について超音波スキャンを実行する。超音波プローブ20は、例えば、センサデバイス21としての複数の超音波振動子、超音波振動子に設けられる整合層、及び超音波振動子から後方への超音波の伝搬を防止するバッキング材等を有する。超音波振動子は、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する。超音波振動子は、例えば、圧電振動子であり、一例として圧電セラミックにより作成される。超音波プローブ20は、装置本体10と着脱自在に接続される。超音波プローブ20には、オフセット処理、及び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。
The
超音波プローブ20は、例えば、複数の超音波振動子が所定の方向に沿って配列された1Dアレイリニアプローブ、複数の超音波振動子がマトリックス状に配列された2Dアレイプローブ、又は超音波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。
The
複数の超音波振動子は、装置本体10が有する後述の超音波送信回路11から供給される駆動信号に基づいて超音波を発生する。これにより、超音波プローブ20から生体Pへ超音波が送信される。超音波プローブ20から生体Pへ超音波が送信されると、送信された超音波は、生体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、反射波信号として複数の超音波振動子にて受信される。受信される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。また、送信された超音波パルスが、移動している血流又は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の速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。超音波振動子は、生体Pからの反射波信号を受信して電気信号に変換する。
The plurality of ultrasonic transducers generate ultrasonic waves based on drive signals supplied from an ultrasonic transmission circuit 11 (described later) of the device
なお、図1には、超音波スキャンに用いられる超音波プローブ20と装置本体10との接続関係のみを例示している。しかしながら、装置本体10には、複数の超音波プローブを接続することが可能である。接続された複数の超音波プローブのうちいずれを超音波スキャンに使用するかは、切り替え操作によって任意に選択することができる。
Note that FIG. 1 illustrates only the connection relationship between the
装置本体10は、超音波プローブ20により受信された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、超音波送信回路11、超音波受信回路12、内部記憶回路13、画像メモリ14、入力インタフェース15、出力インタフェース16、通信インタフェース17、及び処理回路18を有している。
The device
超音波送信回路11は、超音波プローブ20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、パルス発生器111、送信遅延回路112、及びパルサ回路113により実現される。パルス発生器111は、所定の繰り返し周波数(PRF:Pulse Repetition Frequency)で、送信超音波を形成するための駆動トリガパルスを繰り返し発生する。送信遅延回路112は、超音波プローブ20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超音波振動子毎の遅延時間を、パルス発生器111が発生する各駆動トリガパルスに対し与える。送信方向又は送信方向を決定する送信遅延時間は、内部記憶回路13に記憶されており、送信時に参照される。パルサ回路113は、駆動トリガパルスに基づくタイミングで、超音波プローブ20に設けられる複数の超音波振動子へ駆動信号(駆動パルス)を印加する。送信遅延回路112により各駆動トリガパルスに対して与える遅延時間を変化させることで、超音波振動子面からの送信方向が任意に調整可能となる。
The
超音波受信回路12は、超音波プローブ20が受信した反射波信号に対して各種処理を施し、受信信号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、プリアンプ121、A/D変換器122、復調器123、及びビームフォーマ124により実現される。プリアンプ121は、超音波プローブ20が受信した反射波信号をチャネル毎に増幅してゲイン補正処理を行う。本実施形態において、プリアンプ121が超音波受信回路12のフロントエンドを担う例を説明するが、超音波受信回路12のフロントエンドを担うのはプリアンプ121に限定されない。A/D変換器122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。復調器123は、デジタル信号を復調することで、デジタル信号をベースバンド帯域の同相信号(I信号、I:In-phase)と直交信号(Q信号、Q:Quadrature-phase)とに変換する。ビームフォーマ124は、I信号及びQ信号(以下では、IQ信号と称する)に受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与える。ビームフォーマ124は、遅延時間を与えたIQ信号を加算する。ビームフォーマ124の処理により、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。
The ultrasonic
内部記憶回路13は、例えば、磁気的若しくは光学的記憶媒体、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憶媒体等を有する。内部記憶回路13は、例えば、超音波送受信を実現するためのプログラムを記憶している。また、内部記憶回路13は、診断情報、スキャンシーケンス、診断プロトコル、超音波送受信条件、信号処理条件、画像生成条件、画像処理条件、ボディマーク生成プログラム、表示条件、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各種データを記憶している。プログラム、及び各種データは、例えば、内部記憶回路13に予め記憶されていてもよい。また、例えば、非一過性の記憶媒体に記憶されて配布され、非一過性の記憶媒体から読み出されて内部記憶回路13にインストールされてもよい。
The
また、内部記憶回路13は、入力インタフェース15を介して入力される操作に従い、超音波受信回路12で生成される受信信号、及び処理回路18で生成される各種超音波画像データ等を記憶する。内部記憶回路13は、記憶しているデータを、通信インタフェース17を介して外部装置50等に転送することも可能である。
The
内部記憶回路13は、CD-ROMドライブ、DVDドライブ、及びフラッシュメモリ等の可搬性記憶媒体との間で種々の情報を読み書きする駆動装置等であってもよい。内部記憶回路13は、記憶しているデータを可搬性記憶媒体へ書き込み、可搬性記憶媒体を介してデータを外部装置50に記憶させることも可能である。
The
画像メモリ14は、例えば、磁気的記憶媒体、光学的記憶媒体、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憶媒体等を有する。画像メモリ14は、入力インタフェース15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保存する。画像メモリ14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。
The image memory 14 has, for example, a magnetic storage medium, an optical storage medium, or a processor-readable storage medium such as a semiconductor memory. The image memory 14 stores image data corresponding to a plurality of frames immediately before the freeze operation input via the
内部記憶回路13、及び画像メモリ14は、必ずしもそれぞれが独立した記憶装置により実現されなくてもよい。内部記憶回路13、及び画像メモリ14が単一の記憶装置により実現されてもよい。また、内部記憶回路13、及び画像メモリ14のそれぞれが複数の記憶装置により実現されてもよい。
The
入力インタフェース15は、入力装置30を介し、操作者からの各種指示を受け付ける。入力装置30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、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:Touch Command Screen)である。入力インタフェース15は、例えばバスを介して処理回路18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、電気信号を処理回路18へ出力する。なお、入力インタフェース15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受け取り、この電気信号を処理回路18へ出力する回路も入力インタフェースの例に含まれる。
The
出力インタフェース16は、例えば処理回路18からの電気信号を表示装置40へ出力するためのインタフェースである。表示装置40は、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、CRTディスプレイ等の任意のディスプレイである。出力インタフェース16は、例えばバスを介して処理回路18に接続され、処理回路18からの電気信号を表示装置に出力する。
The
通信インタフェース17は、例えばネットワークNWを介して外部装置50と接続され、外部装置50との間でデータ通信を行う。
The
処理回路18は、例えば、超音波診断装置1の中枢として機能するプロセッサである。処理回路18は、内部記憶回路13に記憶されているプログラムを実行することで、当該プログラムに対応する機能を実現する。処理回路18は、例えば、Bモード処理機能181、ドプラ処理機能182、画像生成機能183、表示制御機能184、及びシステム制御機能185を有している。なお、本実施形態では、単一のプロセッサによってBモード処理機能181、ドプラ処理機能182、画像生成機能183、表示制御機能184、及びシステム制御機能185が実現される場合を説明するが、これに限定されない。例えば、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することによりBモード処理機能181、ドプラ処理機能182、画像生成機能183、表示制御機能184、及びシステム制御機能185を実現しても構わない。また、各機能を実行可能な専用のハードウェア回路が組み込まれていてもよい。
The
Bモード処理機能181は、超音波受信回路12から受け取った受信信号に基づき、Bモードデータを生成する機能である。具体的には、Bモード処理機能181において処理回路18は、例えば、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、及び対数圧縮処理等を施し、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(ラスタ)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。
The B-
ドプラ処理機能182は、超音波受信回路12から受け取った受信信号を周波数解析することで、スキャン領域に設定されるイメージングROI(Region Of Interest:関心領域)内にある移動体のドプラ効果に基づく血流情報に関するデータ(ドプラデータ)を生成する機能である。血流情報は、被検体における血流の平均速度、分散、パワー、又はこれらの組み合わせを含む。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。
The
画像生成機能183は、Bモード処理機能181、及び/又はドプラ処理機能182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する機能である。具体的には、画像生成機能183において処理回路18は、例えば、RAWデータメモリに記憶されているBモードRAWデータに対してRAW-ピクセル変換、例えば、超音波プローブ20による超音波の走査形態に応じた座標変換を実行することで、ピクセルから構成されるBモード画像データを生成する。
The
また、処理回路18は、例えば、RAWデータメモリに記憶されているドプラRAWデータに対してRAW-ピクセル変換を実行することで、血流情報が映像化されたドプラ画像データを生成する。ドプラ画像データは、平均速度画像データ、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。
Further, the
表示制御機能184は、画像生成機能183により生成された各種超音波画像データに基づく画像を表示装置40に表示させる機能である。具体的には、例えば、表示制御機能184において処理回路18は、画像生成機能183により生成されたBモード画像データ、ドプラ画像データ、又はこれらの両方を含む画像データに基づく画像の表示装置40における表示を制御する。
The
表示制御機能184において処理回路18は、例えば、超音波走査の走査線信号列を、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、表示用画像データを生成する。また、処理回路18は、表示用画像データに対し、ダイナミックレンジ、輝度(ブライトネス)、コントラスト、及びγカーブ補正、並びにRGB変換等の各種処理を実行してもよい。また、処理回路18は、表示用画像データに、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、処理回路18は、操作者が入力装置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を表示装置40に表示させてもよい。
In the
システム制御機能185は、超音波診断装置1の入出力、及び超音波送受信等の基本動作を制御する機能である。
The
次に、図1に示される超音波受信回路12のフロントエンドの構成について詳細に説明する。
図2は、図1に示される超音波受信回路12のフロントエンドの構成例を表す模式図である。図2において、超音波プローブ20は、例えば、2つの超音波振動子211-1,211-2が並列接続されてなるセンサデバイス21を複数有する。図2に示される例では、センサデバイス21が、超音波受信回路12に設けられる第1コンデンサー125を介してプリアンプ121の一部と接続されている。なお、センサデバイス21を構成する超音波振動子の数は、2つに限定されず、1つ、又は、3つ以上であっても構わない。
Next, the configuration of the front end of the ultrasonic
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of the front end of the ultrasonic
図2に示されるプリアンプ121は、例えば、LNA(Low Noise Amplifier、低雑音増幅器)1211、及び帰還素子1212を有する。なお、LNA1211の後段には、同じくプリアンプ121の一部として、例えば、図示されていないさらなる増幅器が設けられる。図2では示されていないが、LNA1211、帰還素子1212、及び第1乃至第3コンデンサー125~127は、例えば、センサデバイス21毎に設けられている。
The
LNA1211は、カップリングコンデンサーである第1コンデンサー125を介してセンサデバイス21と接続されている。また、LNA1211は、バイパスコンデンサーである第2コンデンサー126を介して接地されている。LNA1211は、第1コンデンサー125を介して供給される入力信号の振幅を増幅する。LNA1211は、振幅を増幅させた第1信号と、第1信号を反転させた第2信号とを後段へ出力する。第2信号の一部は、帰還ルートに設けられる帰還素子1212と、第3コンデンサー127とを介して第1コンデンサー125へ供給される。
The
帰還素子1212は、超音波振動子211-1,211-2と同一の素子である。つまり、帰還素子1212のインピーダンスは、超音波振動子211-1,211-2のインピーダンスと等しい。図2では、LNA1211により入力信号の振幅が2倍に増幅されるように、センサデバイス21を構成する超音波振動子211-1,211-2に対して帰還素子1212が1つ設けられている。なお、帰還ルートに設けられる帰還素子1212の数は、1つに限定されない。帰還素子1212の数は、LNA1211による増幅の程度、及びセンサデバイス21を構成する超音波振動子の数に応じて調整されても構わない。
The
続いて、LNA1211による受信信号の増幅について説明する。
図2に示されるセンサデバイス21のインピーダンスZxdcrは、
Zxdcr=Zx/Nt (1)
と表される。Zxは、センサデバイス21を構成する1つの超音波振動子のインピーダンスを表し、Ntは、センサデバイス21を構成する超音波振動子の並列数を表す。
Next, amplification of received signals by the
The impedance Zxdcr of the
Zxdcr = Zx / Nt (1)
is represented. Zx represents the impedance of one ultrasonic transducer that constitutes the
図2に示されるLNA1211の入力インピーダンスZrは、
Zr=Zx/(1+AVLNA/2) (2)
と表される。Zxは、帰還素子1212のインピーダンスを表し、AVLNAは、LNA1211の増幅率を表す。
The input impedance Zr of
Zr = Zx /(1+ AVLNA /2) (2)
is represented. Z x represents the impedance of
LNA1211の出力電圧Eoutは、LNA1211の入力インピーダンスZrと、センサデバイス21のインピーダンスZxdcrとから、例えば、以下のように求められる。
The output voltage Eout of the
Eout=(Zr/Zxdcr)×Ein (3)
(3)式に(1)式及び(2)式を代入すると、
Eout=((Zx/(1+AVLNA/2))/(Zx/Nt))×Ein
=(Nt/(1+AVLNA/2))×Ein (4)
となり、LNA部の系の電圧増幅率:Nt/(1+AVLNA/2)に超音波振動子のインピーダンスZxが含まれなくなる。すなわち、(4)式によれば、LNA1211から出力される信号は、超音波振動子のインピーダンスZxによる影響を受けなくなる。
Eout =( Zr / Zxdcr )* Ein (3)
Substituting equations (1) and (2) into equation (3) yields
Eout = (( Zx /(1+ AVLNA /2))/( Zx / Nt )) x Ein
=( Nt /(1+ AVLNA /2))* Ein (4)
As a result, the impedance Z x of the ultrasonic transducer is no longer included in the voltage amplification factor of the LNA unit system: N t /(1+A VLNA /2). That is, according to the equation (4), the signal output from the
次に、第1の実施形態に係る超音波受信回路12のフロントエンドと比較するため、従来の超音波受信回路のフロントエンドについて説明する。図3は、従来の超音波受信回路のフロントエンドの構成例を表す模式図である。図3で示されるプリアンプでは、LNAが能動終端(Active Termination)する構成となっている。つまり、LNAに帰還ルートが形成され、形成された帰還ルートに可変抵抗が設けられている。
Next, a front end of a conventional ultrasonic wave receiving circuit will be described for comparison with the front end of the ultrasonic
可変抵抗のインピーダンスをRfとすると、図3に示されるLNAのインピーダンスZrは、
Zr=Rf/(1+AVLNA/2) (5)
と表される。そうすると、図3に示されるLNAの出力電圧は、(1)式、(3)式、(5)式から、以下のように求められる。
If the impedance of the variable resistor is Rf , the impedance Zr of the LNA shown in FIG. 3 is
Zr = Rf /(1+ AVLNA /2) (5)
is represented. Then, the output voltage of the LNA shown in FIG. 3 is obtained as follows from equations (1), (3), and (5).
Eout=((Rf×Nt)/(Zx×(1+AVLNA/2)))×Ein (6)
このように、系の電圧増幅率:(Rf×Nt)/(Zx×(1+AVLNA/2))に超音波振動子のインピーダンスZxが残ることになる。すなわち、(6)式によれば、図3に示されるLNAから出力される信号は、超音波振動子のインピーダンスZxによる影響を受ける。したがって、受信信号の周波数帯域に制限を受けるおそれがある。
Eout =(( Rf * Nt )/( Zx *(1+ AVLNA /2)))* Ein (6)
In this way, the impedance Z x of the ultrasonic transducer remains in the system voltage amplification factor: (R f ×N t )/(Z x ×(1+A VLNA /2)). That is, according to equation (6), the signal output from the LNA shown in FIG. 3 is affected by the impedance Zx of the ultrasonic transducer. Therefore, the frequency band of the received signal may be restricted.
以上のように、第1の実施形態では、センサデバイス21は、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも1つの超音波振動子211を有する。超音波受信回路12は、フロントエンドとしてのNLA1211で電気信号を増幅し、増幅した信号の一部を超音波振動子211と同じ構成の整合素子(帰還素子)1212を配したループで帰還させるようにしている。これにより、受信手段としての超音波受信回路12のフロントエンドの構成が、センサデバイス21の電気的特性と対応することになる。
As described above, in the first embodiment, the
(変形例)
第1の実施形態では、フロントエンドとしての超音波受信回路12に帰還素子1212が設けられる場合を例に説明した。しかしながら、帰還素子1212が設けられる部位は、装置本体10の超音波受信回路12に限定されない。受信LNA回路が超音波プローブに設けられる場合、超音波プローブ内の受信LNA回路に帰還素子が設けられても構わない。
(Modification)
In the first embodiment, the case where the
図4は、第1の実施形態の変形例に係る超音波診断装置1aの機能構成の一例を表すブロック図である。図4に示される超音波診断装置1aは、装置本体10aと、超音波プローブ20aとを有している。装置本体10aと超音波プローブ20aとは、例えば、ケーブルを介して接続されている。
FIG. 4 is a block diagram showing an example of the functional configuration of an ultrasonic
装置本体10aは、超音波プローブ20aにより受信された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10aは、超音波送信回路11a、超音波受信回路12a、内部記憶回路13、画像メモリ14、入力インタフェース15、出力インタフェース16、通信インタフェース17、及び処理回路18を有している。
The device
超音波プローブ20aは、例えば、装置本体10aからの制御に従い、被検体である生体P内のスキャン領域について超音波スキャンを実行する。超音波プローブ20aは、例えば、センサデバイス21としての複数の超音波振動子、超音波振動子に設けられる整合層、及び超音波振動子から後方への超音波の伝搬を防止するバッキング材等を有する。また、超音波プローブ20aは、センサデバイス21に駆動信号を供給するプロセッサとしての送信回路22aと、センサデバイス21が受信した反射波信号に対して各種処理を施すプロセッサとしての受信回路23aとを有する。送信回路22a、及び受信回路23aは、例えば、センサデバイス21と対応する数だけ設けられている。
For example, the
図5は、図4に示される超音波プローブ内の受信回路23aのフロントエンドの構成例を表す模式図である。図5において、超音波プローブ20aは、例えば、2つの超音波振動子211-1,211-2が並列接続されてなるセンサデバイス21を複数有する。図5に示される例では、センサデバイス21が、受信回路23aに設けられるプリアンプ231の一部と、第1コンデンサー232を介して接続されている。なお、センサデバイス21を構成する超音波振動子の数は、2つに限定されず、1つ、又は、3つ以上であっても構わない。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration example of the front end of the receiving
図5に示されるプリアンプ231は、例えば、LNA2311、及び帰還素子2312を有する。なお、LNA2311の後段には、同じくプリアンプ231の一部として、例えば、図示されていないさらなる増幅器が設けられる。
The
LNA2311、及び帰還素子2312は、図2で説明されるLNA1211、及び帰還素子1212と同様である。LNA2311の帰還ルートに帰還素子2312が設けられることで、LNA2311から出力される信号は、超音波振動子のインピーダンスZxによる影響を受けなくなる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、センサデバイス21が超音波振動子により構成される場合を例に説明した。第2の実施形態では、センサデバイスが静電容量型超音波トランスデューサであるCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer)により構成される場合を説明する。CMUTは、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する超音波振動子の一例である。なお、CMUTではなくPMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducers)を用いることとしてもよい。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the case where the
第2の実施形態に係る超音波プローブ20bは、例えば、装置本体からの制御に従い、被検体である生体P内のスキャン領域について超音波スキャンを実行する。超音波プローブ20bは、例えば、センサデバイス21b、直流電圧源24b、及び送信駆動回路・受信検出回路25bを備える。
The
図6は、第2の実施形態に係る超音波プローブ20bにおけるセンサデバイス21b、直流電圧源24b、及び送信駆動回路・受信検出回路25bの構成例を表す模式図である。図6に示されるセンサデバイス21bは、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセスにより形成されたCMUTを用いて構成されている。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration example of the
図6の左図は、センサデバイス21bの模式的な断面図を表す。図6では、例えば、シリコン等で構成される基板212上に、第1絶縁膜213が配され、第1絶縁膜213上に第1電極214が形成されている。なお、基板212がガラス基板等の絶縁性基板である場合、第1絶縁膜213は不要である。第1電極214上には第2絶縁膜215が配され、第2絶縁膜215上には間隙を有する複数の振動膜部216が形成されている。振動膜部216には、第2電極217が形成されている。本実施形態において、基板212、第1絶縁膜213、第1電極214、第2絶縁膜215、振動膜部216、及び第2電極217を1組としてセルと称する。超音波プローブ20bは、複数のセンサデバイス21bを有し、各センサデバイス21bは、図6に示されるように、例えば、5つのセルにより構成されている。直流電圧源24b及び送信駆動回路・受信検出回路25bは、センサデバイス21bと接続し、センサデバイス21b毎に超音波を送信させ、センサデバイス21b毎に超音波の反射波信号を受信する。
The left diagram of FIG. 6 represents a schematic cross-sectional diagram of the
センサデバイス21bの第1電極214には、直流電圧源24bが接続され、第2電極217には、送信駆動回路・受信検出回路25bが接続される。直流電圧源24bにより、第1電極214と、第2電極217との間に所定の電位差が発生する。
A
送信駆動回路・受信検出回路25bは、電流電圧変換回路251、保護スイッチ252,253、及びダイオード254を備える。電流電圧変換回路251は、演算増幅器2511、及び帰還素子2512を備える。帰還素子2512は、演算増幅器2511の帰還ルートに設けられ、センサデバイス21bに設けられるセルと同様のセルを2つ有する。なお、帰還素子2512のセルの数は、2つに限定されない。帰還素子2512のセルの数は、演算増幅器2511による増幅の程度、及びセンサデバイス21bを構成するセルの数に応じて調整されても構わない。帰還素子2512は、例えば、センサデバイス21bを構成するセルに対して立体的に設けられる。つまり、帰還素子2512は、例えば、センサデバイス21bを構成するセルの下層、すなわち裏側に設けられる。例えば、基板212をセンサデバイス21bと帰還素子2512とで共有し、基板212の裏面側にセンサデバイス21bと同様に第1絶縁膜213、第1電極214、第2絶縁膜215、振動膜部216、及び第2電極217を設ける。なお、センサデバイス21bと帰還素子2512とが独立していてもよい。
The transmission drive circuit/
保護スイッチ252,253は、演算増幅器2511の入力端子と出力端子とにそれぞれ接続されている。保護スイッチ252,253は、所定の電圧より高い電圧が印加されると、配線を切断する。
Protection switches 252 and 253 are connected to the input terminal and output terminal of
ダイオード254は、電流電圧変換回路251と並列して設けられている。ダイオード254は、端子間の電圧値が所定の値を超える場合に信号を通す。
The
センサデバイス21bから超音波を送信する際、後段から交流の駆動電圧が供給される。送信駆動回路・受信検出回路25bは、ダイオード254を介し、交流の駆動電圧を第2電極217へ印加する。このとき、保護スイッチ252,253は、所定の電圧値よりも高い電圧が供給されることになるため、配線を切断する。これにより、第1電極214と、第2電極217との間に静電引力が発生し、振動膜部216が所定周期で振動することで、センサデバイス21bで超音波が発生される。
When transmitting ultrasonic waves from the
センサデバイス21bで超音波の反射波信号を受信すると、振動膜部216が振動し、静電誘導により第2電極217に微小電流が発生する。このとき、高電圧が印加されていないため、ダイオード254は配線を切断し、保護スイッチ252,253は、配線を接続する。電流電圧変換回路251の演算増幅器2511は、カップリングコンデンサーを介して微小電流を受信し、受信した微小電流を電圧に変換し、変換後の信号を後段へ出力する。入力された電流は、帰還ルートに設けられる帰還素子2512を介して帰還される。
When the
続いて、演算増幅器2511による増幅について説明する。本説明では、帰還素子2512が2つのセルを有する場合を例とする。
Next, amplification by the
図6に示されるセンサデバイス21bのインピーダンスZxdcr2は、
Zxdcr2=Zx2/Nt2 (7)
と表される。Zx2は、センサデバイス21bを構成する1つのセルのインピーダンスを表し、Nt2は、センサデバイス21bを構成するセルの数を表す。
The impedance Zxdcr2 of the
Zxdcr2 = Zx2 / Nt2 (7)
is represented. Zx2 represents the impedance of one cell forming the
図6に示される帰還素子2512のインピーダンスZfは、
Zf=Zx2/Nf (8)
と表される。Zx2は、帰還素子2512を構成する1つのセルのインピーダンスを表し、Nfは、帰還素子2512を構成するセルの数を表す。
The impedance Zf of the
Z f =Z x2 /N f (8)
is represented. Z x2 represents the impedance of one cell that makes up the
演算増幅器2511のI-V変換増幅率GIVは、帰還素子2512のインピーダンスZfと、センサデバイス21bのインピーダンスZxdcr2とから、例えば、以下のように求められる。
GIV=Zf/Zxdcr2 (9)
(9)式に(7)式及び(8)式を代入すると、
GIV=(Zx2/Nf)/(Zx2/Nt2)
=Nt2/Nf (10)
となり、I-V変換増幅率GIVにセルのインピーダンスZx2が含まれなくなる。すなわち、(10)式によれば、演算増幅器2511で変換される信号は、セルのインピーダンスZx2による影響を受けなくなる。
The IV conversion amplification factor G IV of the
GIV = Zf / Zxdcr2 (9)
Substituting equations (7) and (8) into equation (9) yields
GIV = ( Zx2 / Nf )/( Zx2 / Nt2 )
= Nt2 / Nf (10)
As a result, the cell impedance Zx2 is no longer included in the IV conversion amplification factor GIV . That is, according to equation (10), the signal converted by the
次に、第2の実施形態に係る送信駆動回路・受信検出回路25bのフロントエンドと比較するため、従来の駆動検出回路のフロントエンドについて説明する。図7は、従来の駆動検出回路のフロントエンドの構成例を表す模式図である。図7で示される駆動検出回路では、演算増幅器の帰還ルートに、帰還抵抗と帰還容量とが設けられている。
Next, the front end of the conventional drive detection circuit will be described for comparison with the front end of the transmission drive circuit/
帰還抵抗のインピーダンスをRf2とし、帰還容量のインピーダンスをCf2とすると、図7に示される帰還ルートのインピーダンスZfは、
Zf=Rf2//Cf2 (11)
(ただし、 Z1//Z2 は、 Z1 と Z2 との並列接続を表す。)
と表される。そうすると、図7に示される演算増幅器のI-V変換増幅率GIVは、(7)式、(9)式、(11)式から、以下のように求められる。
Assuming that the impedance of the feedback resistor is R f2 and the impedance of the feedback capacitor is C f2 , the impedance Z f of the feedback route shown in FIG.
Z f =R f2 //C f2 (11)
(However, Z 1 //Z 2 represents the parallel connection of Z 1 and Z 2. )
is represented. Then, the IV conversion amplification factor G IV of the operational amplifier shown in FIG. 7 is obtained from the equations (7), (9) and (11) as follows.
GIV=(Rf2//Cf2)/(Zx2/Nt2)
=(Rf2//Cf2)×Nt2/Zx2 (12)
このように、I-V変換増幅率GIVにセルのインピーダンスZx2が残ることになる。すなわち、(12)式によれば、図7に示される演算増幅器で変換される信号は、セルのインピーダンスZx2による影響を受ける。したがって、受信信号の周波数帯域に制限を受けるおそれがある。
G IV = (R f2 //C f2 )/(Z x2 /N t2 )
=(R f2 //C f2 )×N t2 /Z x2 (12)
Thus, the cell impedance Z x2 remains in the IV conversion gain G IV . That is, according to equation (12), the signal converted by the operational amplifier shown in FIG. 7 is affected by the impedance Zx2 of the cell. Therefore, the frequency band of the received signal may be restricted.
以上のように、第2の実施形態では、センサデバイス21bは、駆動信号に基づいて超音波を発生し、超音波の反射波信号を受信して電気信号へ変換する少なくとも1セルのCMUTを有する。送信駆動回路・受信検出回路25bは、フロントエンドとしての演算増幅器2511で微小電流を電圧に変換し、入力された微小電流をCMUTを用いてなる整合素子(帰還素子)2512を配したループで帰還させるようにしている。これにより、受信手段としての送信駆動回路・受信検出回路25bのフロントエンドの構成が、センサデバイス21bの電気的特性と対応することになる。
As described above, in the second embodiment, the
また、第2の実施形態に係るフロントエンド構成によれば、超音波振動子としてのCMUT、帰還素子2512としてのCMUT、及び演算増幅器2511を一体集積することが可能となる。
Further, according to the front end configuration according to the second embodiment, it is possible to integrally integrate the CMUT as the ultrasonic transducer, the CMUT as the
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、受信フロントエンドの回路のインピーダンスと、センサデバイスのインピーダンスとの整合をとることができる。このため、センサデバイスからの信号を高効率に伝送できる。 According to at least one embodiment described above, it is possible to match the impedance of the reception front-end circuit with the impedance of the sensor device. Therefore, the signal from the sensor device can be transmitted with high efficiency.
実施形態の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、記憶回路にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込ま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、上記各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、上記各実施形態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。 The word "processor" used in the description of the embodiments is, for example, a CPU (central processing unit), a GPU (Graphics Processing Unit), or an application specific integrated circuit (ASIC)), a programmable logic device (eg, Simple Programmable Logic Device (SPLD), Complex Programmable Logic Device (CPLD), and Field Programmable Gate Array (FPGA)). The processor realizes its functions by reading and executing the programs stored in the memory circuit. It should be noted that instead of storing the program in the memory circuit, the program may be directly installed in the circuit of the processor. In this case, the processor realizes its function by reading and executing the program embedded in the circuit. Note that each processor in each of the above embodiments is not limited to being configured as a single circuit for each processor, but may be configured as a single processor by combining a plurality of independent circuits to realize its function. good too. Furthermore, a plurality of components in each of the above embodiments may be integrated into one processor to realize its function.
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、実施形態同士の組み合わせ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。 While several embodiments have been described, these embodiments are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations of embodiments can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
1,1a…超音波診断装置
10,10a…装置本体
11,11a…超音波送信回路
111…パルス発生器
112…送信遅延回路
113…パルサ回路
12,12a…超音波受信回路
121…プリアンプ
1211…LNA
1212…帰還素子
122…A/D変換器
123…復調器
124…ビームフォーマ
125…第1コンデンサー
126…第2コンデンサー
127…第3コンデンサー
13…内部記憶回路
14…画像メモリ
15…入力インタフェース
16…出力インタフェース
17…通信インタフェース
18…処理回路
181…Bモード処理機能
182…ドプラ処理機能
183…画像生成機能
184…表示制御機能
185…システム制御機能
20,20a,20b…超音波プローブ
21,21b…センサデバイス
211,211-1,211-2…超音波振動子
212…基板
213…第1絶縁膜
214…第1電極
215…第2絶縁膜
216…振動膜部
217…第2電極
22a…送信回路
23a…受信回路
231…プリアンプ
2311…LNA
2312…帰還素子
232…第1コンデンサー
24b…直流電圧源
25b…送信駆動回路・受信検出回路
251…電流電圧変換回路
2511…演算増幅器
2512…帰還素子
252,253…保護スイッチ
254…ダイオード
30…入力装置
40…表示装置
50…外部装置
DESCRIPTION OF
1212 Feedback element 122 A/
2312
Claims (11)
前記センサデバイスが有する超音波振動子に対応する超音波振動子を、前記センサデバイスとのインピーダンスを整合させるための整合素子として有し、前記電気信号を受信する受信手段と
を具備する超音波診断装置。 a sensor device having at least one ultrasonic transducer that generates an ultrasonic wave based on a drive signal, receives a reflected wave signal of the ultrasonic wave, and converts it into an electrical signal;
an ultrasonic transducer corresponding to the ultrasonic transducer of the sensor device as a matching element for matching impedance with the sensor device; and a receiving means for receiving the electrical signal. Device.
前記センサデバイスが有する前記超音波振動子に対応する超音波振動子を、前記センサデバイスとのインピーダンスを整合させるための整合素子として有し、前記電気信号を受信する受信手段と
を具備する超音波プローブ。 a sensor device having at least one ultrasonic transducer that generates an ultrasonic wave based on a drive signal, receives a reflected wave signal of the ultrasonic wave, and converts it into an electrical signal;
an ultrasonic transducer corresponding to the ultrasonic transducer of the sensor device as a matching element for matching impedance with the sensor device, and receiving means for receiving the electrical signal. probe.
前記センサデバイスから出力された電気信号を増幅する回路であって、出力と入力とを結ぶ帰還経路に前記センサデバイスが有する前記超音波振動子に対応する超音波振動子を有する増幅回路と、を具備する超音波診断装置。 a sensor device having at least one ultrasonic transducer that generates an ultrasonic wave based on a drive signal, receives a reflected wave signal of the ultrasonic wave, and converts it into an electrical signal;
a circuit for amplifying an electrical signal output from the sensor device, the amplifier circuit having an ultrasonic transducer corresponding to the ultrasonic transducer of the sensor device on a feedback path connecting an output and an input; Ultrasound diagnostic equipment.
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